专利名称：一种监控台阶仪测量芯片沟槽深度准确度的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件版图设计技术领域，尤其涉及一种监控台阶仪测量芯片沟 槽深度准确度的方法。
背景技术：
源漏击穿电压Bvdss和源漏导通电阻Rdson是低压沟槽DMOS(DMOS)器件较为关 键的参数，该两个参数相互之间较为敏感，一般情况下，Bvdss的期望值为20伏 100伏， Rdson的期望值为低于十几毫欧，由于Bvdss和Rdson的取值与沟槽深度有关，因此沟槽深 度不同可能会确定出不同取值的Bvdss和Rdson，因此，在干刻沟槽工艺过程中，对沟槽的 深度进行精确的控制显得尤为重要。目前，普通设计的 DMOS (Double-diffused Metal Oxide kmiconductor，双扩散 金属氧化物半导体)沟槽光刻层版图只需要在晶圆的芯片区有沟槽图形，但是目前的沟槽 的深度与宽度的比值较大，一般情况下，如图3A所示，芯片区的沟槽的宽度约为0. 4um，沟 槽的深度为1. 3um 2. 5um左右，而台阶仪的探测针的直径一般为十几um以上，因此，若采 用台阶仪对芯片沟槽的深度进行测量将可能会破坏芯片的内部结构，因此，目前还不能采 用台阶仪对芯片沟槽的深度进行测量。目前，监控沟槽深度所采用的方式为预先试做先行 片，并将先行片进行SEMScanning Electron Microscope.，扫描电子显微镜)切片，在进行 沟槽蚀刻工序时，通过扫描SEM观察干刻后得到的沟槽的深度是否达到预定的深度要求， 若没有，则通过计算刻蚀速率或增加刻蚀时间或减少刻蚀时间来控制沟槽的深度达到设定 的深度要求。现有技术，虽然能够在一定程度上控制沟槽的深度达到设定的深度要求，但是仍 然存在以下缺陷(1)由于在每次进行沟槽刻蚀时，都需要大量的先行片做切片监控，并且再用SEM 对沟槽当前的深度进行测量，再根据SEM测量得到的数据决定是否调整干刻沟槽的时间， 因此，耗时比较长。(2)若干刻设备处于工作不良状态，刻蚀速率有波动时，在沟槽的深度没有达到设 定的深度要求，若根据该波动的刻蚀速率来调整干刻时间将可能导致刻蚀后的沟槽的深度 不准确，继而将会导致产品的良率；另外，若SEM本身存在测量精确度较低的问题时还可能 导致对沟槽当前深度进行测量得到的测量数据不准确，从而导致实际刻蚀后的沟槽的深度 并不能达到设定的深度要求。
发明内容
本发明实施例提供一种监控台阶仪测量芯片沟槽深度准确度的方法，以降低对芯 片沟槽深度进行监控的时延、提高沟槽深度监控的准确性以及达到对台阶仪测量芯片沟槽 深度的准确度进行监控的目的。一种监控台阶仪测量芯片沟槽深度的准确度的方法，包括
针对划片道区的十字交错区填充极性与芯片区的沟槽光刻层的极性相同沟槽深 度测试模块的多片晶圆中的每一片晶圆，为所述晶圆设置对应的刻蚀时长，执行下述步骤 得到所述多片晶圆的芯片区的沟槽深度d 在所述晶圆表面生成一层保护膜；对所述晶圆的芯片区与划片道区进行沟槽光刻 与沟槽刻蚀处理，沟槽刻蚀时长为所述晶圆对应的设定的刻蚀时长，在所述芯片区形成第 一沟槽，在所述划片道区的沟槽深度测试模块中形成用于对所述第一沟槽的深度进行检测 的第二沟槽；采用台阶仪测量所述第二沟槽的深度为dl ；根据所述dl与所述保护膜的厚度 d2得到所述第一沟槽的深度d ；采用扫描电子显微镜测量所述多片晶圆的划片道区的第二沟槽的深度为d’ ；根据通过所述台阶仪得到的多片晶圆的第二沟槽的深度d2、第一沟槽深度d以及 通过扫描电子显微镜得到的所述多片晶圆的第二沟槽的深度d，确定出所述台阶仪测量芯 片区的沟槽深度的准确度是否达到准确度要求。本发明实施例中，一方面，将台阶仪测量得到的多个晶圆的芯片区的第一沟槽深 度与扫描电子显微镜测试得到的相应晶圆的第一沟槽的深度值进行比较，从而判断台阶仪 测量沟槽深度的准确度是否符合期望的要求，从而实现了对台阶仪测量沟槽深度的准确度 进行监控，以保证测量得到的芯片区的沟槽深度值的准确性；另一方面，在晶圆的划片道区 引入沟槽深度测试模块，并对晶圆的芯片区与划片道区都进行沟槽光刻与沟槽刻蚀操作， 在芯片区与划片道区的沟槽深度测试模块中形成沟槽；通过台阶仪测量出沟槽深度测试模 块中的沟槽的深度，并根据该沟槽的深度与晶圆表面的保护膜的厚度确定出芯片区的沟槽 的深度。采用本发明技术方案，只需要采用台阶仪即可实时、准确的监控芯片区的沟槽的深 度，从而克服了现有技术中每次对芯片沟槽深度进行测量时需要通过扫描电子显微镜对先 行片进行切片处理来测量得到芯片区沟槽的深度至，并根据沟槽的深度确定是否调整干刻 时间而导致对沟槽深度监控延时较大、准确度较低的问题。
图IA为本发明实施例中监控台阶仪测量芯片沟槽深度准确度的方法流程；图IB为本发明实施例中测量得到晶圆芯片区沟槽深度的方法流程图；图2A为现有技术中晶圆表面的示意图；图2B为本发明实施例中在晶圆表面的十字区域划片道内引入沟槽深度测试模块 的示意图；图3A为现有技术中在晶圆的芯片区形成沟槽的示意图；图;3B为本发明实施例中在晶圆的芯片区与划片道区形成沟槽的示意图；图4为本发明实施例中用于对台阶仪测试沟槽深度的准确度进行检测的数据列 表；图5为本发明实施例中台阶仪、SEM测试沟槽深度以及计算所的沟槽深度之间的 对应关系曲线图；图6为本发明实施例中晶圆芯片沟槽深度与消耗的总刻蚀时长对应表。
具体实施例方式下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细的描述。参见图1A，为本发明实施例中监控台阶仪测量芯片沟槽深度准确度的方法流程， 该流程包括步骤步骤101、选取多片相同的晶圆，包括材质、极性都相等。步骤102、分别为该多片晶圆设定对应的沟槽刻蚀时长，并且该多片晶圆对应的沟 槽刻蚀时长呈线性变化。步骤103、针对每一个晶圆，在该晶圆的芯片区与划片道区进行沟槽刻蚀，沟槽刻 蚀时长与该晶圆对应的设定的刻蚀时长相同，分别在芯片区与划片道区形成沟槽；并通过 台阶仪测量得到该晶圆的划片道区的沟槽的深度，根据该沟槽深度与保护膜的厚度即可得 到该晶圆芯片区的沟槽的深度d，并采用SEM直接测量得到该晶圆芯片区的沟槽的深度d’。步骤104、根据台阶仪测量得到的该多个晶圆的划片道区的沟槽的深度值、芯片区 沟槽的深度值d以及SEM测量得到的该多个晶圆的芯片区沟槽的深度值，确定台阶仪测量 沟槽深度的准确度是否符合期望要求。上述流程中的步骤104的具体实现流程如图IB所示。参见图1B，为本发明实施例中测量得到晶圆芯片区沟槽深度的方法流程图，该流 程以上述多片晶圆中的任意一晶圆为例进行说明，预先在晶圆表面的十字交错区填充形状 为长方体的模块(即沟槽深度测试模块)，该模块的极性与芯片区的沟槽光刻层的极性相 同，并且在光刻工艺时，该长方体模块为光刻打开区；该流程包括以下步骤步骤201、在晶圆21表面生成一层保护膜，如硬掩膜层31。该步骤中的晶圆的结构如图2B所示，是在现有的如图2A所示的晶圆21的全部或 部分十字交错区22中填充沟槽深度测试模块23所得。较佳地，为了达到更好的测量沟槽 深度的效果，本发明实施例中，晶圆21中的相对于晶圆表面均勻分布的多个十字交错区22 中填充有沟槽深度测试模块23，如图2B所示，晶圆21表面中均勻分布的5个十字交错区 22中填充有沟槽深度测试模块23。其中，沟槽深度测试模块23的上表面的宽度可设置为 60um，长度设置为lOOum，并且该多个分布在晶圆21表面的沟槽深度测试模块23制成GDS 文件交制版厂制成的沟槽层的光刻版。本发明实施例中，可将生长垫氧化层作为硬掩膜层31，还可以采用现有较为常规 的方式生成硬掩膜层31，实现方式多种多样。步骤202、同时对晶圆21中的芯片区与划片道区进行光刻操作，并分别在芯片区 与划片道区形成沟槽光刻图形。步骤203、对硬掩膜层31进行刻蚀操作，分别在芯片区与划片道区形成刻蚀图形。步骤204、去除晶圆21表面的光刻胶层(光刻胶层未在附图中标注)。步骤205、同时对芯片区与划片道区进行沟槽刻蚀，沟槽刻蚀时长与该晶圆对应的 设定沟槽刻蚀时长相同，在芯片区形成沟槽33以及在划片道区的沟槽深度测试模块23中 形成用于对沟槽33的深度进行监控的沟槽34。该步骤中，如图:3B所示，形成的沟槽33的宽度小于台阶仪32的探针的最大直径 (台阶仪的探针为锥体形状，探针的最大直径就是该锥体的底面圆的直径)，沟槽34的宽度 大于台阶仪32的探针的最大直径，因此可通过台阶仪32对沟槽34的深度进行测量。
步骤206、通过光学膜厚测试仪(附图中未标注)测量晶圆21表面的硬掩膜层31 的厚度(用d2表示)。步骤207、通过台阶仪32实时测量沟槽34的深度(用dl表示)。该步骤中，通过台阶仪的探针32测试沟槽34的深度的方式如下将台阶仪探针 32划过位于划片道区十字交错区22的沟槽深度测试模块23，得到的测试数据即为沟槽34 的深度值。步骤208、根据硬掩膜层31的厚度d2与沟槽34的深度dl确定出芯片区的沟槽 33的深度(用d表示)。该步骤中，确定芯片区的沟槽33的深度具体为将(dl-d2)确定为沟槽33的深度 d (艮P d = (dl-d2))。步骤209、当确定出芯片区中的沟槽33的深度d达到设定的深度阈值时，去除晶圆 21表面的硬掩膜层31。较佳地，为了更好的监控台阶测试仪对沟槽深度进行监控的准确性，及时发现台 阶仪测试是否准确，本发明实施例还建立SEM测试芯片区的沟槽33的深度与台阶仪测试划 道片区的沟槽34的深度的关系曲线图，通过该关系曲线图分析台阶仪测试是否准确，从而 达到及时监控台阶仪测试是否准确的目的。下面以一具体的实例对上述流程步骤104中的确定台阶仪测量沟槽深度的准确 度是否符合期望要求进行详细的描述。本发明实施例中，取在划片道区引入沟槽深度测试模块的6片晶圆(编号分别为 01# 06#)，并为该6片晶圆设定对应的刻蚀时长，01# 06#晶圆的刻蚀时长呈线性变化， 如依次设置为140s、155s、170s、185s、200s、215s ；并设定01# 06#晶圆的芯片区的沟槽 的深度值的期望值依次为 1. 45um、l. 55um、l. 65um、l. 75um、l. 85um、l. 95um。针对上述6片晶圆中的每一片晶圆，进行下述操作步骤1、采用上述流程中的沟槽刻蚀方式对晶圆芯片区与划片道区中的沟槽深度 测试模块进行刻蚀处理，对该晶圆的刻蚀时长与该晶圆对应的设定刻蚀时长相等，在该晶 圆的芯片区形成沟槽以及在该晶圆划片道区的沟槽深度测试模块中形成沟槽。步骤2、通过台阶仪32的探针测量得到该晶圆的沟槽深度测试模块中形成沟槽的 深度值dl并记录，并通过光学膜厚测试仪测量该晶圆表面的硬掩膜层31的厚度d2，将台阶 仪32测试得到的沟槽深度值dl减去硬掩膜层的厚度d2得到晶圆的芯片区沟槽的深度值 d(其中d = dl-d2)并记录。步骤3、采用SEM直接测量上述晶圆的芯片区的沟槽的深度，得到的深度值为d’并记录。通过上述三个步骤即可得到6片晶圆的三组数据。如图4所示的数据列表即为记录的各个晶圆进行沟槽刻蚀的时长及其对应的三 组数据；根据图4所示列表记录的数据，得到如图5所示的多条近似曲线关系图，对台阶仪 测量沟槽深度的准确度是否符合期望要求进行判断，判断方式如下步骤1、将SEM测量01# 06#晶圆依次得到的各晶圆的芯片区的沟槽的深度值以 折线段连接，得到近似曲线Q3;步骤2、将台阶仪测量01# 06#晶圆依次得到的各晶圆的划片道区的沟槽的深度值以折线段连接，得到近似曲线Ql ；步骤3、将通过台阶仪测量得到的划片道区的沟槽深度得到的01# 06#晶圆的芯 片区沟槽的深度值以折线段连接，得到近似曲线Q2 ；步骤4、对该三条曲线进行分析、比较确定台阶仪测量沟槽深度的准确性。如比 较数据曲线Ql与数据曲线Q3可知，两者都呈近似的线性变化，且该两条曲线的斜率近似相 等(即针对每一个晶圆，确定出通过台阶仪测试得到该晶圆的芯片区沟槽的深度值与通过 SEM测量该晶圆的芯片区沟槽的深度值的差值在设定的波动范围内)；比较数据曲线Q3与 数据曲线Q2可知，该两条曲线基本吻合；从而可以确定出通过台阶仪测量沟槽深度的准确 性较高。通过比较分析可知，通过台阶仪测量晶圆划片道区的沟槽深度来得到芯片区的沟 槽的深度值与直接通过SEM测量得到的芯片区的沟槽的深度值基本相等，因此，通过台阶 仪对晶圆芯片区的沟槽的深度进行监控的准确性较高。若根据上述三条曲线分析得到台阶 仪对沟槽深度的测量不准确时，则需要对台阶仪进行检修等操作，以进一步保证台阶仪对 芯片区的沟槽的深度进行监控的准确性。较佳地，为进一步保证实际应用中在芯片区所形成的沟槽的深度准确性的同时缩 短沟槽刻蚀过程中所需调试时间和调试次数及缩短产品作业时延，本发明实施例在根据上 述方式确定出台阶仪对沟槽深度测量的准确度较高时，包括以下步骤采用台阶仪监控到晶圆芯片区的沟槽的深度达到设定的深度阈值时，记录对该晶 圆的芯片进行沟槽刻蚀所实际消耗的总的刻蚀时长，并建立该总的刻蚀时长与深度阈值的 对应关系；后续对其他晶圆的芯片区进行沟槽刻蚀时，直接根据该对应关系，调整对上述 其他晶圆的芯片区进行沟槽刻蚀的刻蚀时长，以使芯片区的沟槽的深度达到设定的深度阈 值，不需要再频繁的根据当前芯片区的沟槽的深度来调整刻蚀时间以使芯片区的沟槽的深 度达到设定的深度阈值。采用该种方式可以在保证得到准确的沟槽深度的同时还缩短了对 芯片进行沟槽刻蚀过程中所需调试时间和调试次数，从而进一步的提高产品作业时延，提 高效率。对于在实际应用中对批量的晶圆进行沟槽刻蚀时，效果尤为显著。以本发明实施例中列举的6片晶圆为例对上述的方式进行详细的描述，如分别为01# 06#晶圆设定对应的沟槽深度阈值分别为1. 55um、l. 65um、l. 75um、 1. 85um、l. 95um、2. 05umo继续对上述01# 06#晶圆的芯片区的沟槽进行刻蚀，采用台阶仪监控01# 06#晶圆的芯片区的沟槽深度，当监控到该6片晶圆的芯片区的沟槽深度分别达到1. 55um、 1. 65um、l. 75um、l. 85um、l. 95um、2. 05um时，记录对该01# 06#晶圆进行沟槽刻蚀所实际 消耗的总的刻蚀时长(该总的刻蚀时长为沟槽深度从0 沟槽深度阈值所消耗的总时长) 分别为tl、t2、t3、t4、t5、t6，并建立上述晶圆及其对应的沟槽深度阈值和实际消耗的总刻 蚀时长的对应关系如图6所示。在后续需要对其他的晶圆进行沟槽刻蚀时，只需要根据如 图6所示的对应关系，即可调整对上述其他晶圆进行沟槽刻蚀的时长。本发明技术方案主要应用于并不仅限于DMOS器件，还可应用于IGBTansulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件中。本发明实施例中，一方面，将台阶仪测量得到的多个晶圆的芯片区的第一沟槽深 度与扫描电子显微镜测试得到的相应晶圆的第一沟槽的深度值进行比较，从而判断台阶仪测量沟槽深度的准确度是否符合期望的要求，从而实现了对台阶仪测量沟槽深度的准确度 进行监控，以保证测量得到的芯片区的沟槽深度值的准确性；另一方面，在晶圆的划片道区 引入沟槽深度测试模块，并对晶圆的芯片区与划片道区都进行沟槽光刻与沟槽刻蚀操作， 在芯片区与划片道区的沟槽深度测试模块中形成沟槽；通过台阶仪测量出沟槽深度测试模 块中的沟槽的深度，并根据该沟槽的深度与晶圆表面的保护膜的厚度确定出芯片区的沟槽 的深度。采用本发明技术方案，只需要采用台阶仪即可实时、准确的监控芯片区的沟槽的深 度，从而克服了现有技术中每次对芯片沟槽深度进行测量时需要通过扫描电子显微镜对先 行片进行切片处理来测量得到芯片区沟槽的深度至，并根据沟槽的深度确定是否调整干刻 时间而导致对沟槽深度监控延时较大、准确度较低的问题；再一方面，本发明实施例中，在 分析得到台阶仪对沟槽深度进行测量的准确度较高时，采用台阶仪监控到晶圆芯片区的沟 槽的深度达到设定的深度阈值时，记录对该晶圆的芯片进行沟槽刻蚀所实际消耗的刻蚀时 长，并建立该刻蚀时长与深度阈值的对应关系；后续对其他晶圆的芯片区进行沟槽刻蚀时， 直接根据该对应关系，调整对上述其他晶圆的芯片区进行沟槽刻蚀的刻蚀时长，不需要再 频繁的根据当前芯片区的沟槽的深度来调整刻蚀时间以使芯片区的沟槽的深度达到设定 的深度阈值，从而在保证得到准确的沟槽深度的同时还缩短了对芯片进行沟槽刻蚀过程中 所需调整时间和调整次数，从而进一步的缩短产品作业时延，提高效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种监控台阶仪测量芯片沟槽深度的准确度的方法，其特征在于，包括针对划片道区的十字交错区填充极性与芯片区的沟槽光刻层的极性相同沟槽深度测 试模块的多片晶圆中的每一片晶圆，为所述晶圆设置对应的刻蚀时长，执行下述步骤得到 所述多片晶圆的芯片区的沟槽深度d 在所述晶圆表面生成一层保护膜；对所述晶圆的芯片区与划片道区进行沟槽光刻与沟 槽刻蚀处理，沟槽刻蚀时长为所述晶圆对应的设定的刻蚀时长，在所述芯片区形成至少一 个第一沟槽，在所述划片道区的沟槽深度测试模块中形成用于对所述第一沟槽的深度进行 检测的第二沟槽；采用台阶仪测量所述第二沟槽的深度为dl ；根据所述dl与所述保护膜的 厚度d2得到所述第一沟槽的深度d ；采用扫描电子显微镜测量所述多片晶圆的划片道区的第二沟槽的深度为d’ ；根据通过所述台阶仪得到的多片晶圆的第二沟槽的深度d2、第一沟槽深度d以及通过 扫描电子显微镜得到的所述多片晶圆的第二沟槽的深度d，确定出所述台阶仪测量芯片区 的沟槽深度的准确度是否达到准确度要求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多片晶圆对应的设定的刻蚀时长呈线 性变化；所述确定出所述台阶仪测量芯片区的沟槽深度的准确度，具体为将所述多个晶圆按照对应的刻蚀时长从低到高的顺序进行排序；若排序后的所述多个晶圆的第二沟槽的深度值dl依次呈等差变化，且每个晶圆的 (d-d’ )在设定的波动范围内时，则确定所述台阶仪测量沟槽深度的准确度达到准确度要 求。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多片晶圆中的每一片晶圆的划片道区 的十字交错区填充沟槽深度测试模块，具体为在晶圆表面中的相对于晶圆表面均勻分布的多个十字交错区中填充有沟槽深度测试 模块。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沟槽与所述第二沟槽为长方体；所述第一沟槽的宽度小于所述台阶仪的探针的最大直径，所述第二沟槽的宽度大于所述台阶仪的探针的最大直径。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述dl与所述保护膜的厚度d2得到所 述第一沟槽的深度d，具体为将所述dl与d2的差值确定为所述第一沟槽的深度d。
6.如权利要求1 5任一项所述的方法，其特征在于，得到所述晶圆表面的保护膜的厚 度d2，具体为采用光学膜厚测试仪测量所述保护膜的厚度，并将所述光学膜厚测试仪的测量数据确 定为所述保护膜的厚度d2。
7.如权利要求1 5任一项所述的方法，其特征在于，还包括针对所述多片晶圆中的每一晶圆，在所述晶圆的芯片区与划片道区分别得到第一沟槽 与第二沟槽之后，去除所述晶圆表面的保护膜。
8.如权利要求1 5任一项所述的方法，其特征在于，所述保护膜为硬掩模层。
9.如权利要求1 5任一项所述的方法，其特征在于，在确定出所述台阶仪测量芯片区的沟槽的准确度达到准确度要求之后，还包括步骤为所述多片晶圆分别设定对应的沟槽深度阈值d”，且各晶圆对应的沟槽深度阈值d” 大于各自的第一沟槽的深度值d ；针对所述多片晶圆中的每一片晶圆，继续对该晶圆的第一沟槽进行刻蚀，通过台阶仪 测量得到所述晶圆的第一沟槽的深度达到d”时，记录该晶圆的第一沟槽的深度从d到达d” 的第二刻蚀时长，将所述晶圆对应的设定刻蚀时长与所述第二刻蚀的时长的和值确定为所 述晶圆的第一沟槽的深度达到d”所消耗的总时长；根据所述多片晶圆对应的沟槽深度阈值及消耗的总时长，建立各晶圆及其对应的沟槽 深度阈值和总时长的对应关系。
全文摘要
本发明公开了一种监控台阶仪测量芯片沟槽深度准确度的方法，以降低对芯片沟槽深度进行监控的时延、提高沟槽深度监控的准确性以及达到对台阶仪测量芯片沟槽深度的准确度进行监控的目的。该方法包括选取多片晶圆，针对每一片晶圆，通过台阶仪测量得到晶圆划片道区的沟槽深度与硬掩模层的厚度确定出晶圆芯片区中的沟槽的深度；并通过分析该多片晶圆的芯片区的沟槽的深度值，确定台阶仪对沟槽深度进行测量的准确度是否达到准确度要求。采用本发明技术方案可缩短对沟槽深度进行控制的时延、提高了对芯片沟槽深度进行控制的精确度，并且实现了对台阶仪测量沟槽深度的准确度进行监控的目的。
文档编号H01L21/00GK102097286SQ200910242488
公开日2011年6月15日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者张立荣, 方绍明, 曾永祥, 王新强, 陈勇 申请人:北大方正集团有限公司, 深圳方正微电子有限公司