专利名称：测量接触孔的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种测量接触孔的方法。
背景技术：
目前，制作半导体集成电路时，半导体器件层形成之后，需要在晶圆的半导体器件 层之上制作接触孔(contact)，接触孔作为半导体器件层中有源区与外界电路之间连接的 通道，在半导体器件结构组成中具有重要的作用。在介绍接触孔的刻蚀之前，首先简要介绍半导体器件层的构成。下面结合图Ia至 图Ib的结构示意图进行说明。图Ia至图Ib为形成具有接触孔的半导体器件的具体结构 示意图。如图Ia所示，提供一半导体衬底100，在该半导体衬底100上形成半导体器件的有 源区和隔离区。通过在半导体衬底100中注入杂质离子形成阱结构11，来定义有源区；在 阱结构11之间制作浅沟槽隔离区(STI) 12。在半导体衬底100上依次生长栅氧化层101和沉积多晶硅层102，然后对多晶硅层 102进行刻蚀，形成栅极。半导体衬底100可以为注入P型或N型杂质离子的硅衬底。接下来在栅极两侧形成侧壁层103，侧壁层103可以为氧化硅层、也可以为氮化硅 层，也可以为氧化硅层和氮化硅层的复合结构。综合个方面因素，由于氧化硅层更容易与 多晶硅结合紧密，而且氮化硅结构比较致密，在后续进行有源区注入时，有较高的抵挡注入 离子渗入的能力，能够避免短沟道效应，所以具体实施例中优选采用氧化硅层和氮化硅层 的复合侧壁层结构，具体实现方法是在栅氧化层101及栅极的表面依次沉积氧化硅层和 氮化硅层，然后利用各向异性刻蚀将栅极表面的氮化硅层和氧化硅层都去除，栅氧化层101 表面的氮化硅层和氧化硅层也被去除，只留下栅极两侧的氮化硅层和氧化硅层，形成具有 氧化硅层和氮化硅层的复合侧壁层结构。以栅极和侧壁层103为屏蔽，进行有源区注入步骤，以形成源极和漏极104。实施硅化物对准工艺(silicide process)，就是沉积镍(Ni)、钛(Ti)或者钴(Co) 等任一种金属，由于这些金属可以与硅反应，但是不会与硅氧化物如二氧化硅(SiO2)、硅氮 化物如氮化硅(Si3N4)或者是硅氮氧化物(SiON)等反应，所以该工艺只会在露出的栅极表 面或者半导体衬底100表面，硅与沉积的金属反应形成金属硅化物层105，用于栅极或者源 漏与其它半导体器件或者外部电路的电连接。如图Ib所示，在栅极、侧壁层103及金属硅化物层105的表面沉积具有应力的氮 化硅层106。具有应力的氮化硅层106使沟道获得更大的应力，灵活地调节沟道中载流子迁 移率。其中，沟道为半导体衬底中源极和漏极相对的区域。然后在所述具有应力的氮化硅层106表面沉积层间介质层(ILD) 107，ILD107可以 为未掺杂的硅酸玻璃(USG)等等，ILD107充当了第一层金属与有源区之间的介质材料。接 着刻蚀ILD107，至金属硅化物层105形成接触孔108，后续接触孔108中有导电金属(图中 未显示)填充，并对填充的导电金属进行化学机械研磨(CMP)，经CMP之后的导电金属即第一层金属，与有源区经金属硅化物层电性连接。为了清楚显示接触孔108，图中只示意出位 于半导体衬底100上的接触孔108。上述半导体器件层结构只是一种具体实施例，可以根据应用的需要作灵活调整， 具体地，栅极与栅极之间可以没有STI12 ；或者栅极顶部有氧化层覆盖，实施Silicide process时，金属硅化物层105只在半导体衬底100的硅表面形成。现有技术中接触孔的形成方法，包括以下步骤步骤11、在ILD上涂布光阻胶(PR, Photo Resist)层。步骤12、曝光显影图案化所述光阻胶层。该步骤中经曝光显影光阻胶层，在要形成接触孔的位置的光阻胶被去除，而其它 部分的绝缘层仍然有光阻胶覆盖，即形成了图案化的光阻胶层。此时被去除了光阻胶的部 分露出ILD107，该露出的ILD107与光阻胶的侧壁共同形成开口，称之为光阻胶开口。步骤13、对ILD107和具有应力的氮化硅层106依次进行刻蚀，在金属硅化物层停 止刻蚀，形成接触孔108，并去除光阻胶。刻蚀形成接触孔之后，需要对接触孔进行测量，以检测是否符合规格。对接触孔进行测量时，需要测量的参数包括接触孔的上口特征尺寸(Top⑶)201、 接触孔的底部特征尺寸(Bottom⑶)202、接触孔高度203、接触孔的侧壁角(Sidewall Aangle, SffA) 204以及接触孔是否刻蚀完全。其中，SWA204为接触孔的外角，对其进行测量 用以确保刻蚀形成接触孔的形状轮廓(profile)，还可以通过测量SWA，反映接触孔电阻是 否符合要求。图2为接触孔的结构以及测量参数的示意图。下面具体介绍现有技术中如何利用各种工具对上述各个参数进行测量。现 有技术中，采用特征尺寸-扫描电子显微镜(Critical Dimension-ScanningElectron Microscope, CD-SEM)，在线(inline)量测接触孔的直径，包括接触孔Top CD和接触孔 Bottom CD。现有技术是无法测量接触孔高度的，如图Ib所示，对ILD107和具有应力的氮 化硅层106依次进行刻蚀，在金属硅化物层停止刻蚀，形成接触孔108。也就是说接触孔的 形成，需要刻蚀ILD107、具有应力的氮化硅层106以及金属硅化物层105。由于现有技术的 反射膜厚仪或者椭偏膜厚仪是利用反射和折射光线计算刻蚀高度的，只能得到刻蚀两层膜 的结果，所以无法测量刻蚀三层膜的结果。现有技术中，接触孔是否刻蚀完全不能在完成接 触孔刻蚀之后立刻检测，只能在完成接触孔刻蚀之后，将导电金属填入接触孔，并对填入的 导电金属进行CMP，才可以利用电子束缺陷扫描仪(Electronic-Beam defect scan tool) 进行在线检测。在线测量指的是晶圆不需要从反应腔(chamber)取出，直接传入测量用反应腔， 利用测量工具，不需要与晶圆接触，对传入测量用反应腔内的晶圆中的接触孔进行测量，也 就是说测量时晶圆不会暴露在空气中，而离线测量指的是晶圆从反应腔取出，暴露在空气 中进行测量，晶圆很容易被污染。从上述可以看出，虽然现有技术测量接触孔的各个参数都是在线测量，相比于离 线测量有一定的优势，但是现有测量接触孔的各个参数时，需要采用不同的测量工具，而且 测试接触孔是否刻蚀完全时，还需要在对接触孔内的导电金属进行CMP之后，才可以进行 测试，一旦发现不符合目标规格，只能去除所填充的导电金属，重新进行刻蚀。不但测量接 触孔的过程比较复杂费时，而且降低了整个集成电路的生产效率。而且，现有技术中是无法测量接触孔的高度和侧壁角的，这些数据的缺失使得无法很好地反映接触孔的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提高测量接触孔的效率。为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的本发明公开了一种测量接触孔的方法，所述接触孔的测量参数包括接触孔的上 口特征尺寸、接触孔的底部特征尺寸、接触孔高度、接触孔的侧壁角以及接触孔是否刻蚀完 全；该方法为刻蚀形成接触孔之后，采用光学测量方法在线测量接触孔，同时得到所 述各个参数。所述接触孔是否刻蚀完全，通过测量接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸得到， 当接触孔刻蚀完全时，所述金属硅化物层的刻蚀尺寸达到预定尺寸；当接触孔刻蚀不完全 时，继续刻蚀接触孔以达到对金属硅化物层的预定刻蚀尺寸。所述采用光学测量方法在线测量接触孔，同时得到所述各个参数的方法为利用光学测量仪，将光学测量仪的光源照射到接触孔上，获得所述接触孔的光谱， 所述光源照射的接触孔为按照预定规则排列的接触孔矩阵，接触孔彼此相同，但接触孔每 一参数允许在容许范围内变化；将所述光谱输入数据库，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数对应的拟合光 谱曲线图；针对变化范围内的每一个接触孔，输入与该接触孔相关的各个参数值，建立与该 接触孔对应的数据模型，将该建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据模型接 触孔的各个参数对应的各个理论光谱曲线图；将每个参数对应的拟合光谱曲线与上述得到的该参数对应的所有理论光谱曲线 进行比对，将其中符合拟合光谱曲线的理论光谱曲线，其所对应的建模时输入的该参数值 作为光学测量接触孔该参数的确定值，从而同时得到接触孔的其他各个参数值。所述采用光学测量方法在线测量接触孔，同时得到所述各个参数的方法为针对变化范围内的每一个接触孔，输入与该接触孔相关的各个参数值，建立与该 接触孔对应的数据模型，将该建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据模型接 触孔的各个参数对应的各个理论光谱曲线图；利用光学测量仪，将光学测量仪的光源照射到接触孔上，获得所述接触孔的光谱， 所述光源照射的接触孔为按照预定规则排列的接触孔矩阵，接触孔彼此相同，但接触孔每 一参数允许在容许范围内变化；将所述光谱输入数据库，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数对应的拟合光 谱曲线图；将每个参数对应的拟合光谱曲线与上述得到的该参数对应的所有理论光谱曲线 进行比对，将其中符合拟合光谱曲线的理论光谱曲线，其所对应的建模时输入的该参数值 作为光学测量接触孔该参数的确定值，从而同时得到接触孔的其他各个参数值。所述测量在测量反应腔内进行。由上述的技术方案可见，本发明采用光学测量方法在线对接触孔进行测量，需要测量的参数包括接触孔的上口特征尺寸201、接触孔的底部特征尺寸202、接触孔高度203、 接触孔的侧壁角204以及接触孔是否刻蚀完全，上述参数可以通过该光学测量方法，在刻 蚀形成接触孔后，一次测量得到。不需要像现有技术那样，测量接触孔的上口特征尺寸201、 接触孔的底部特征尺寸202和接触孔是否刻蚀完全时，分别使用不同的测量工具；也不需 要在CMP所填充的导电金属之后才能测试到接触孔是否刻蚀完全。采用本发明的测量接触孔的方法，大大提高了测试接触孔的效率，而且丰富了在 线测量接触孔的参数，解决了现有技术中无法测量接触孔高度和侧壁角的问题。
图Ia至Ib为形成具有接触孔的半导体器件的具体结构示意图。图2为为接触孔的结构以及测量参数的示意图。图3为接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸示意图。图4为本发明测量接触孔的方法流程示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例， 对本发明进一步详细说明。本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示 结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的 制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。本发明的核心思想是采用光学测量方法对接触孔进行在线测量，需要测量的参 数包括接触孔的上口特征尺寸201、接触孔的底部特征尺寸202、接触孔高度203、接触孔的 侧壁角204以及接触孔是否刻蚀完全，上述参数都可以通过该光学测量方法，在刻蚀形成 接触孔后，一次测量得到。采用本发明的光学测量方法，大大提高了测试接触孔的效率。本发明中的光学测量方法，在刻蚀反应腔内完成刻蚀接触孔之后，将具有接触孔 的晶圆传入测量用反应腔，本发明测量接触孔的具体方法包括以下步骤，其方法流程示意 图如图4所示。步骤41、利用光学测量仪，将光学测量仪的光源照射到接触孔上，获得所述接触孔 的光谱。采用光学测量仪在线对晶圆上接触孔的立体形状进行监测，光学测量仪的光源照 射到接触孔上，获得有关光接触孔的光谱，这里光源照射的是晶圆上相同的、由一定数量 的、按照预定规则排列的接触孔矩阵。步骤42、将所述光谱输入数据库，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数对应 的拟合光谱曲线图。将获得有关光接触孔的光谱输入数据库，所述数据库保存了关于接触孔所有参数 的各种情况光谱曲线图，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数匹配的相应拟合光谱曲 线图，例如，所测量接触孔的iTop CD对应一光谱曲线图，所测量接触孔的Bottom CD对应一 光谱曲线图，所测量接触孔的高度对应一光谱曲线图，所测量接触孔的侧壁角对应一光谱 曲线图，所测量接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸对应一光谱曲线图，也就是说不同的接触孔参数对应不同的光谱曲线图。步骤43、针对变化范围内的每一个接触孔，输入与该接触孔相关的各个参数值，建 立与该接触孔对应的数据模型，将该建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据 模型接触孔的各个参数对应的各个理论光谱曲线图。这里接触孔虽然在理想意义上彼此相同，但由于制程的限制，每一个接触孔之间 不可能尺寸完全相同，在容许范围内，每一个参数都有一个小的波动范围，在某一标准值附 近上下波动，即出现一个CD范围、高度范围等，并不会是一个单一确定值，所以需要针对不 同尺寸的接触孔，建立与之相对应的多个数据模型，用于表示变化范围内的多个接触孔。所 述数据模型根据预定数学方法建立，输入与该接触孔相关的各个参数，用于表示该接触孔。 将每一建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据模型接触孔的各个参数对应的 各个理论光谱曲线，所述光谱分析系统为现有装置，用于将表示接触孔的数据模型，转化为 与接触孔各参数相对应的各个光谱曲线。不同的接触孔参数对应不同的理论光谱曲线图， 而且对于同一接触孔参数，不同参数值也对应不同的理论光谱曲线图。所以，所得到的理论 光谱曲线图中，包括多个关于接触孔Top CD的理论光谱曲线图，多个关于接触孔BottomCD 的理论光谱曲线图，多个关于接触孔高度的理论光谱曲线图，多个关于接触孔侧壁角的理 论光谱曲线图，多个关于接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸的理论光谱曲线图。步骤44、将每个参数对应的拟合光谱曲线与步骤43中得到的该参数对应的所有 理论光谱曲线进行比对，将其中符合拟合光谱曲线的理论光谱曲线，其所对应的建模时输 入的该参数值作为光学测量接触孔该参数的确定值，从而同时得到接触孔的其他各个参数 值。由于建模时，已经根据接触孔各参数所有可能出现的情况，都做出数据模型，所 以，对于某一接触孔参数来说，得到的多个理论光谱曲线中，一定包含有与经过在线测量得 到的拟合光谱曲线相符合的某一理论光谱曲线，如果相符合，则将建模时输入的该参数值 作为光学测量接触孔该参数的确定值，其他参数值也同样以此方法得到，从而得到了接触 孔的各个参数，包括接触孔的上口特征尺寸、接触孔的底部特征尺寸、接触孔高度、接触孔 的侧壁角，以及接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸。接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸如图3所示，图3中箭头间的距离为金属硅 化物层刻蚀尺寸。刻蚀接触孔时，需要将金属硅化物层105刻蚀到预定的深度，则认为是刻 蚀完全，如果金属硅化物层105的预定刻蚀深度为3 7纳米，而实际刻蚀只有1 2纳米， 则认为刻蚀接触孔不完全。本发明的光学测量方法，能够直接测量出金属硅化物层的刻蚀 尺寸，即从光谱曲线图确定接触孔是否刻蚀完全。如果测量出接触孔刻蚀不完全，则直接将 该具有接触孔的晶圆传回刻蚀反应腔，继续刻蚀以达到对金属硅化物层105的预定刻蚀深 度。以接触孔是否刻蚀完全为例，对本发明的光学测量方法进行说明首先，如果刻蚀形成的接触孔，接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸为4+/-1纳 米，那么光学测量获得的光谱，经数据库的拟合，得到的关于接触孔底部的金属硅化物层刻 蚀尺寸的拟合光谱曲线图为刻蚀金属硅化物层4纳米的对应图，根据公知技术，拟合过程 就是找到最匹配的光谱图，刻蚀的金属硅化物层虽然在4纳米左右波动，但大部分都会落 在4纳米的数据上，所以拟合得到的光谱曲线图为刻蚀金属硅化物层4纳米的对应图。
然后，由于建模时需要考虑刻蚀接触孔的实际情况，预知刻蚀的接触孔金属硅化 物层理想尺寸为4纳米，但肯定会在制程所限制的范围内波动，所以包括多个数据模型，每 一数据模型中的接触孔底部的金属硅化物层刻蚀尺寸为4+/-1纳米中的某一尺寸，通过光 谱分析系统，根据每一数据模型都得到一对应尺寸的理论光谱曲线图，其中包含接触孔底 部的金属硅化物层刻蚀尺寸为4纳米的理论光谱曲线图。最后，将刻蚀金属硅化物层4纳米的拟合光谱曲线图与上述所有理论光谱曲线图 进行比对，找到刻蚀金属硅化物层4纳米的理论光谱曲线图，该理论光谱曲线图所对应的 刻蚀金属硅化物层4纳米的参数，即为所需要确定的值。需要说明的是，由于已经预知所刻蚀的接触孔的大体数据，所以步骤43也可以在 步骤41之前执行，即先建模得到理论光谱曲线图，然后在线测量得到拟合光谱曲线图，最 后两者相比较得到各参数值。同样能够实现本发明的目的。通过采用本发明的光学测量方法，接触孔的各个测量参数都可以在完成刻蚀接触 孔后，一次性在线测量得到，大大提高了测试接触孔的效率，从而提高了整个集成电路的生 产效率。而且，本发明的光学测量方法，也不需要像现有技术那样，在CMP所填充的导电金 属之后，即在刻蚀接触孔的两道制程(两道制程分别为接触孔内导电金属的填充和对所填 充的导电金属进行CMP)之后，才能测试到接触孔是否刻蚀完全，而是在刻蚀接触孔之后立 即就可以确定接触孔是否刻蚀完全，如果刻蚀不完全，继续刻蚀达到目标值即可。另外，本 发明的光学测量方法，还丰富了在线测量接触孔的参数，解决了现有技术中无法测量接触 孔高度和侧壁角的问题。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。
权利要求
1.一种测量接触孔的方法，所述接触孔的测量参数包括接触孔的上口特征尺寸、接 触孔的底部特征尺寸、接触孔高度、接触孔的侧壁角以及接触孔是否刻蚀完全；该方法为刻蚀形成接触孔之后，采用光学测量方法在线测量接触孔，同时得到所述各 个参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接触孔是否刻蚀完全，通过测量接触孔 底部的金属硅化物层刻蚀尺寸得到，当接触孔刻蚀完全时，所述金属硅化物层的刻蚀尺寸 达到预定尺寸；当接触孔刻蚀不完全时，继续刻蚀接触孔以达到对金属硅化物层的预定刻 蚀尺寸。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用光学测量方法在线测量接触孔，同 时得到所述各个参数的方法为利用光学测量仪，将光学测量仪的光源照射到接触孔上，获得所述接触孔的光谱，所述 光源照射的接触孔为按照预定规则排列的接触孔矩阵，接触孔彼此相同，但接触孔每一参 数允许在容许范围内变化；将所述光谱输入数据库，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数对应的拟合光谱曲 线图；针对变化范围内的每一个接触孔，输入与该接触孔相关的各个参数值，建立与该接触 孔对应的数据模型，将该建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据模型接触孔 的各个参数对应的各个理论光谱曲线图；将每个参数对应的拟合光谱曲线与上述得到的该参数对应的所有理论光谱曲线进行 比对，将其中符合拟合光谱曲线的理论光谱曲线，其所对应的建模时输入的该参数值作为 光学测量接触孔该参数的确定值，从而同时得到接触孔的其他各个参数值。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用光学测量方法在线测量接触孔，同 时得到所述各个参数的方法为针对变化范围内的每一个接触孔，输入与该接触孔相关的各个参数值，建立与该接触 孔对应的数据模型，将该建模得到的数据模型输入光谱分析系统，得到该数据模型接触孔 的各个参数对应的各个理论光谱曲线图；利用光学测量仪，将光学测量仪的光源照射到接触孔上，获得所述接触孔的光谱，所述 光源照射的接触孔为按照预定规则排列的接触孔矩阵，接触孔彼此相同，但接触孔每一参 数允许在容许范围内变化；将所述光谱输入数据库，经过拟合从该数据库得到与接触孔各参数对应的拟合光谱曲 线图；将每个参数对应的拟合光谱曲线与上述得到的该参数对应的所有理论光谱曲线进行 比对，将其中符合拟合光谱曲线的理论光谱曲线，其所对应的建模时输入的该参数值作为 光学测量接触孔该参数的确定值，从而同时得到接触孔的其他各个参数值。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述测量在测量反应腔内进行。
全文摘要
本发明公开了一种测量接触孔的方法，所述接触孔的测量参数包括接触孔的上口特征尺寸、接触孔的底部特征尺寸、接触孔高度、接触孔的侧壁角以及接触孔是否刻蚀完全；该方法为刻蚀形成接触孔之后，采用光学测量方法在线测量接触孔，同时得到所述各个参数。采用该方法大大提高了测量接触孔的效率。
文档编号G01B11/26GK102054720SQ20091019845
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者张海洋, 王新鹏, 黄敬勇 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司