专利名称：薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种介质层阶梯覆盖率和加 载效应的测量方法。
背景技术：
随着半导体工业的进步，半导体器件的密集程度不断提高，电路功能越 来越复杂，半导体器件中介质膜的数量和种类显著增加。介质薄膜的质量， 例如厚度均匀性和阶梯覆盖能力逐渐成为影响器件性能的关键。在众多的介
质膜淀积技术中，化学气相淀积(CVD)技术被广泛地应用。大多数的介质 膜是采用CVD工艺淀积而成的。CVD工艺是将含有介质膜所需的原子或分子 的化学物质在反应室内混合并在气态下发生反应，其原子和分子淀积在晶圓 表面聚集形成薄膜。
在半导体器件的制造中广泛使用氧化硅(Si02)和氮化硅(SIN)作为绝
缘介质薄膜。例如，图1中，在半导体衬底100的表面形成栅极110之后，在栅 极表面需淀积氧化硅层120和氮化硅层130，然后刻蚀形成侧墙(sidewall spacer)。介质层必须满足一般参数和特殊参数的要求，例如前面提及的厚度 均匀性和阶梯覆盖率。利用CVD工艺在栅极表面淀积介质层时可以通过控制 温度、压力、反应物气体流量和射频功率等参数来控制热和等离子CVD工艺 的反应速率，如申请号为02814855.X的中国专利申请文件中所描述的。然而 受工艺条件本身的影响，介质层在栅极顶面和侧面的厚度通常是不同的，栅 极表面的介质层的厚度均匀性存在差异，这直接影响阶梯覆盖率指标。在晶 片表面淀积的介质层覆盖晶片的大部分区域，这些区域中既包括器件十分密 集的区域，也就是器件密度较高的区域(以下简称密集区)；又包括器件比 较稀疏、亦即器件密度较低的区域(以下简称非密集区)。图2为说明半导体 器件栅极间距的示意图，如图2所示，在器件密度较高的区域中，栅极110之 间的间距非常微小。在同样的淀积条件下，由于加载效应(loading effect)的 影响，器件密集区和非密集区淀积的介质层的厚度也示不同的，通常利用密 集区和非密集区的介质薄膜的厚度差来表征加载效应。
阶梯覆盖率和加载效应是衡量薄膜介质层的两个非常重要的指标，这两 个指标的获得都需要准确测量薄膜的厚度。以往为了获得阶梯覆盖率和加载
效应信息通常通过横界面(扫描电于显微镜)SEM、透射电镜(TEM)和聚 焦离子束(FIB)等方法得到。但是，这些方法都具有破坏性，需要对晶片进 行切片，然后利用电子扫描显微设备测量薄膜的厚度，而且速度很慢，样品 分析周期长，增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法，能 够以不破坏晶片的方式测量薄膜介质层的阶梯覆盖率和加载效应。
为达到上述目的，本发明提供了一种薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量 方法，包括
提供一半导体衬底；
在所述衬底表面形成测试区域；
在所述测试区域表面淀积电介质薄膜；
利用光学特征尺寸测量方法测量所述薄膜的厚度；
利用所述厚度计算薄膜阶梯覆盖率和加载效应。
所述测试区i或包括凸棱密集区和凸棱非密集区。
所述凸棱等间隔周期性排列。
所述凸棱为^f册极。
在所述密集区中，所述栅极的宽度与所述栅极之间的宽度的比值为1: 1 至1: 4。
在所述非密集区中，所述栅极的宽度与所述栅极之间的宽度的比值为1: 4至1: 10。
所述厚度包括覆盖所述栅极侧壁的薄膜的厚度和覆盖所述栅极之间的薄 膜的厚度。
所述阶梯覆盖率等于覆盖所述栅极侧壁的薄膜的厚度与覆盖所述栅极之 间的薄膜的厚度的比值。
所述加载效应包括线加载效应和间加载效应。
所述线加载效应等于(非密集区栅极侧壁薄膜的厚度-密集区栅极侧壁薄 膜的厚度)/非密集区栅极侧壁薄膜的厚度；
所述间加载效应等于(非密集区栅极之间薄膜的厚度-密集区栅极之间薄 膜的厚度)/非密集区栅极之间薄膜的厚度。
相应地本发明提供了 一种用于形成上述测试区域的掩膜图形，所述掩膜 图形包括条状图形，所述条状图形等间隔排列。
所述掩膜图形包括条状图形的密集区和非密集区。
所述密集区中，条状图形的宽度与条状图形之间的宽度的比值为1: l至 1: 4。
在所述非密集区中，条状图形的宽度与条状图形之间的宽度的比值为1: 4至1: 10。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
本发明的薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法利用掩膜图形在衬底表 面形成测试区域；然后在所述测试区域表面淀积电介质薄膜；利用光学特征 尺寸测量方法测量所述薄膜的厚度；再利用所述厚度值计算薄膜阶梯覆盖率 和加载效应。本发明的方法利用光学特征尺寸测量(Optical CD, OCD)技术， 该技术利用CD栅格结构形成的衍射光和对膜厚、CD大小以及剖面结构进行 测量，能够以非破坏性的方式得到薄膜阶梯覆盖率和加载效应，降低了制造 成本，提高了生产效率。
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及 其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同 的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。在附图中，
为清楚明了，放大了层和区域的厚度。
图i为半导体器件栅极结构剖面示意图2为说明半导体器件栅极间距的示意图3为栅极表面覆盖薄膜的器件剖面示意图4为本发明方法中形成的测试区域示意图5为在图4所示测试区域表面淀积电介质薄膜后的局部示意图6为本发明的用于形成测试区域的掩膜图形示意图7为说明利用本发明方法进行多层薄膜厚度测量的器件剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
在下面的描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能 够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背 本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
TEM断面技术已用得比较普遍，器件制造者越来越多地避免用断面SEM 技术，而是用断面TEM来得到所需要的分辨率和精确度，但TEM是昂贵并 且耗费劳力的。在65纳米以及更先进的技术中，通孔、隔离沟槽和接触孔等 变得更加微细和复杂，需要对其形状和尺寸进行二维和多方位的测量。结果 必须要关注在特征点附近的总体表现。这就要求高分辨率的断面尺寸测试设 备。并且，由于测量要求在器件而不是测试结构上进行，这就要求测量技术 是非破坏性的。在更高的电压和剂量下，SEM提供了更好的分辨率，但这也 破坏了它所测量的器件，特别是当在晶圆上测多个点时，这是我们所不愿看 到的。
在65纳米和45纳米技术节点，为了支持性能上的需求和得到更高的封 装密度，新材料和新结构的引入促进了这种转变，比如优化栅极的鳍状场效 应晶体管(finFET)器件。剖面的测量需求变得越来越复杂，传统的测量技术不 再胜任。半导体制造新技术的出现要求工艺过程能够达到更加严格的工艺控 制水平。这些新技术需要解决的问题包括越来越薄的薄膜和多层薄膜堆叠结 构厚度的测量。光学CD测量(Optical CD, OCD )是一种相对较新的整合测 量形式，应用于生产过程中的先进工艺控制(APC)。该技术利用CD栅格结 构形成的衍射光对膜厚、CD大小以及剖面结构进行测量，而且这种测量技术 是非破坏性的。
图3为栅极表面覆盖薄膜的器件剖面示意图。如图3所示，在半导体衬 底100表面形成栅极氧化层和多晶硅层后，利用光刻工艺形成掩膜刻蚀上述 多晶硅层和栅极氧化层后形成栅极110。然后利用CVD (化学气相淀积)工 艺淀积电介质薄膜140。在晶片表面分布着众多的器件，在有源区(AA)器 件的密度比较密集，我们称之为密集区(Dense);而在AA之间或晶片边缘
区域器件的密度比较低，我们称之为非密集区(Iso)。在Dense区域，栅极 110的密度较高，在Iso区域栅极110的密度较低。薄膜140的阶梯覆盖率定 义为a/b。在65nm及以下工艺节点，Dense区域的栅极之间的间距只有几十 nm，在栅极间距如此密集的区域淀积电介质薄膜140时， 一些淀积的物质还 来不及进入到栅极之间的空隙中就沉积在栅极的侧壁表面，导致在相同CVD 淀积条件下，Dense区域和Iso区域栅极侧壁薄膜的厚度不同，在Dense区域， 栅极边缘的厚度增长较快，这种现象称为加载效应(loading effect )。薄膜140 的加载效应表示CVD工艺在不同区域的栅极侧壁与栅极之间淀积的薄膜的厚 度一致性。加载效应分别用线(line)加载效应(Iso(a)-dense(a)) /Iso(a)和间 (space)力口载效应(Iso(b)-dense(b) ) /Iso(b)来表示。
前已述及，无论是要获得薄膜140的阶梯覆盖率还是薄膜140的加载效 应，都必须要得到薄膜140的厚度值a和b。为了能够利用OCD对栅极表面 沉积的薄膜厚度进行测量，本发明的方法在衬底表面形成测试区域。图4为 本发明方法中形成的测试区域示意图。如图4所示，测试区域包括凸棱密集 区150和凸棱非密集区160。本实施例中，凸棱为在刻蚀多晶硅形成的栅极 151和161。根据OCD测量原理的需要，密集区150的栅极151和非密集区 160的栅极161等间隔周期性排列。在所述密集区150中，栅极151的宽度l 与栅极151之间的宽度s的比值l/s为1: l至l: 4。在非密集区160中，栅 极161的宽度l与栅极161之间的宽度s的比值l/s为1: 4至1: 10。
然后，利用CVD或LPCVD工艺在测试区域的栅极.表面淀积电介质薄膜。 图5为在图4所示测试区域表面淀积电介质薄膜后的局部示意图，参照图5, 薄膜140覆盖栅极151和161。利用光学特征尺寸(OCD)法测量薄膜140 的厚度。薄膜140的厚度包括覆盖所述栅极侧壁的薄膜的厚度a和覆盖所述 栅极之间的薄膜的厚度b。得到厚度值a和b之后，利用厚度值计算薄膜阶梯 覆盖率和加载效应。所述阶梯覆盖率等于覆盖所述栅极侧壁的薄膜的厚度a 与覆盖所述栅极之间的薄膜的厚度b的比值，即a/b。所述加载效应包括线加 载戋文应(line loading effect)和间力口载凌丈应(space loading effect)。所述线力口载戋文 应为非密集区160栅极161侧壁薄膜的厚度a，减去密集区150栅极151侧壁 薄膜的厚度a再除以非密集区160栅极161侧壁薄膜的厚度a，，即(a，-a)/a，。 所述间加载效应为非密集区160栅极161之间薄膜的厚度b，减去密集区150
栅极151之间薄膜的厚度b再除以非密集区160栅极161之间薄膜的厚度b，， 即(b，-b)/b，。
囝6为本发明的用亍形成测试区域的掩膜图形示意图。如图6所示，所 述掩膜图形200包括密集区和非密集区，所述密集区包括条状图形211;所述 非密集区包括条状图形221,密集区的条状图形211和非密集区的条状图形 221分别等间隔排列。密集区的条状图形211的线宽为1，条状图形211之间 的宽度为s, l和s的和为间距p;非密集区的条状图形221的线宽为l，，条状 图形221之间的宽度为s，， l'和s，的和为间距p，。在所述密集区中，条状图形 211的宽度l与条状图形之间的宽度s的比值l/s为1: l至l: 4。在所述非密 集区中，条状图形221的宽度1，与条状图形221之间的宽度s，的比值lVs，为1: 4至1: 10。在本实施例中，掩膜图形200的长度x宽度(Lx W)只要大于 2(^20um就可以，间距p，小于2um。具体来说，非密集区的间距p，为0.4 2um; 密集区的间距p为0.1 0.4um。非密集区的线宽l，为0.04 0.4um;密集区的线 宽1为0.02 0.8um。
图7为说明利用本发明方法进行多层薄膜厚度测量的器件剖面示意图。 如图7所示，在衬底100表面的器件密集区和非密集区形成栅极之后，在栅 极表面利用LPCVD工艺淀积氮化硅层11,利用OCD测量氮化硅层11在密 集区和非密集区的底面和栅极侧壁的厚度，然后利用前述公式计算出氮化硅 层11的阶梯覆盖率和加载效应。随后在氮化硅层11表面淀积侧墙氧化层12， 在密集区和非密集区利用OCD测量底面和栅极侧壁的薄膜(氮化硅层11+侧 墙氧化层12)厚度，用这个厚度减去氮化硅层11的厚度即得到淀积的侧墙氧 化层12的实际厚度。利用侧墙氧化层12的实际厚度便可计算出侧墙氧化层 12的阶梯覆盖率和加载效应。接着在侧墙氧化层12的表面淀积侧墙氮化层 13,利用OCD测量底面和栅极侧壁的薄膜(氮化硅层11+侧墙氧化层12+侧 墙氮化层13 )厚度，用这个厚度减去氮化硅层11和侧墙氧化层12的厚度即 得到淀积的侧墙氮化层13的实际厚度，利用侧墙氮化层13的实际厚度便可 计算出侧墙氮化层13的阶梯覆盖率和加载效应。
本发明的薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法利用掩膜图形在衬底表 面形成具有间隔排列图形的测试区域，在所述测试区域表面淀积电介质薄膜； 利用OCD测量所述薄膜的厚度；再利用所述厚度值计算薄膜阶梯覆盖率和加载效应。本发明的方法能够以非破坏性的方式得到薄膜阶梯覆盖率和加载效 应，降低了制造成本，提高了生产效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上 的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。 任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利 用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修 饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的
及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1. 一种薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法，包括提供一半导体衬底；在所述衬底表面形成测试区域；在所述测试区域表面淀积电介质薄膜；利用光学特征尺寸测量方法测量所述薄膜的厚度；利用所述厚度计算薄膜阶梯覆盖率和加载效应。
2、 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述测试区域包括凸棱密集 区和凸棱非密集区。
3、 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述凸棱等间隔周期性排列。
4、 如权利要求3所述的方法，其特征在于所述凸棱为栅极。
5、 如权利要求4所述的方法，其特征在于在所述密集区中，所述栅极 的宽度与所述栅极之间的宽度的比值为1: l至l: 4。
6、 如权利要求4所述的方法，其特征在于在所述非密集区中，所述栅 极的宽度与所述栅极之间的宽度的比值为1: 4至1: 10。
7、 如权利要求1或4所述的方法，其特征在于所述厚度包括覆盖所述 栅极侧壁的薄膜的厚度和覆盖所述栅极之间的薄膜的厚度。
8、 如权利要求7所述的方法，其特征在于所述阶梯覆盖率等于覆盖所 述栅极侧壁的薄膜的厚度与覆盖所述栅极之间的薄膜的厚度的比值。
9、 如权利要求7所述的方法，其特征在于所述加载效应包括线加载效 应和间加载效应。
10、 如权利要求9所述的方法，其特征在于所述线加载效应等于(非密集区栅极侧壁薄膜的厚度-密集区栅极侧壁薄 膜的厚度)/非密集区栅极侧壁薄膜的厚度；所述间加载效应等于(非密集区栅极之间薄膜的厚度-密集区栅极之间薄 膜的厚度)/非密集区栅极之间薄膜的厚度。
11、 一种用于形成如权利要求1所述测试区域的掩膜图形，其特征在于 所述掩膜图形包括条状图形，所述条状图形等间隔排列。
12、 如权利要求ll所述的掩膜图形，其特征在于所述掩膜图形包括条 状图形的密集区和非密集区。
13、 如权利要求12所述的掩膜图形，其特征在于所述密集区中，条状图形的宽度与条状图形之间的宽度的比值为1: l至l: 4。
14、如权利要求12所述的方法，其特征在于在所述非密集区中，条状 图形的宽度与条状囝形之间的宽度的比值为1: 4至1: 10。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜阶梯覆盖率和加载效应的测量方法，包括提供一半导体衬底；在所述衬底表面形成测试区域；在所述测试区域表面淀积电介质薄膜；利用光学特征尺寸测量方法测量所述薄膜的厚度；利用所述厚度计算薄膜阶梯覆盖率和加载效应。本发明的方法能够以不破坏晶片的方式测量薄膜介质层的阶梯覆盖率和加载效应。
文档编号H01L21/66GK101207056SQ20061014743
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者何有丰, 朴松源, 杰 白 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司