一种监控回刻深度的结构和监控方法
【专利摘要】一种回刻深度的监控结构和监控方法，该监控结构为制作在晶圆非元件区上的表面截面为梯形的沟槽。该监控方法为利用该梯形沟槽，得到沟槽内沉积物质在回刻工艺之后的分布拐点，根据该拐点位置，就可以判断出回刻深度是否合格。由于本发明的监控方法只需要简单的辅助设备即可得到，因此相比原有的监控手段，其成本大大降低，且操作简单，结果准确，适合进行流水线式的在线监控。另外本发明的监控结构只在整个DMOS器件制作工艺的中间过程中出现，不会对最终产品产生任何负面影响，因而具备很好的实用性。
【专利说明】一种监控回刻深度的结构和监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件制作领域，具体地说，是一种回刻工艺中监控回刻深度的结构和监控方法。
【背景技术】
[0002]DMOS (双扩散型M0S)晶体管是MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)型的晶体管，其使用在相同边缘上对准的两个序列扩散步骤来形成晶体管的沟道区域。DMOS晶体管通常是高电压高电流的器件，在功率集成电路中用作分立的晶体管或元件。DMOS晶体管对于每个具有低前向压降的单元面积可以提供高电流。
[0003]DMOS晶体管的一个具体型号是所谓的沟槽DMOS晶体管，其中沟道出现在从源极向漏极延伸的沟槽的内壁上，且栅极形成在沟槽内。与薄氧化物层形成一条直线且填充有多晶硅的沟槽比垂直DMOS晶体管结构允许有较少的受限电流流动，从而提供了较低的特定导通电阻值。沟槽DMOS晶体管的例子在美国专利5,072, 266,5, 541,425 5，866，931中公开。
[0004]现有的沟槽DMOS器件制作工艺中，在栅极多晶硅沉底到沟槽之后，需要对表面多余的多晶硅进行回刻。请参见图1A-1C和图2A-2C，分别是沟槽DMOS器件制作栅极多晶硅时对应的结构俯视图和剖面图。当沟槽11被制作完成后，对衬底10进行多晶硅的沉积工艺。沉积时，多晶硅12会在衬底的水平表面上呈现竖直方向的生长，而在沟槽11的沟槽壁上呈现水平方向的生长。当沟槽壁上的多晶硅厚度达到1/2个沟槽宽度时，沟槽11恰好被填满。此时，由于沟槽和衬底表面存在拐角，使得沟槽上方的多晶硅高度低于器件表面其它区域的高度，且以沟槽的中央为最低处，使得衬底表面的多晶硅会在沟槽的中央处出现一条下陷的细纹，如图1B和2B所示。对上述器件进行多晶硅回刻工艺后，沟槽处的多晶硅与衬底表面之间存在一个高度差h，该高度差h即回刻深度，如图1C和2C所示。对于该高度差h，如果太深的话，会导致器件的栅极异常甚至引起器件的电性能失效。因此对该h的监控是非常有必要的。
[0005]目前的监控手段，一种是通过在线切片的方式进行，另外一种是使用台阶仪进行。对于第一种方式，由于需要对器件做破坏性测试，一方面加大了测试成本，另外一方面，测试所花费的时间较长，效率较低。对于第二种方式，随着器件关键尺寸的减小，对于台阶仪的探针要求也越来越高，而精确度高的台阶仪价格及其昂贵，这无疑加大了测试的初始成本,而且也需要较大的维护成本。
[0006]因此，降低目前对沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度的监控成本已经成为业界广泛关注的问题。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提出了一种监控回刻深度上的结构及使用该监控结构进行回刻深度监控的方法，能够减少监控成本，并且具有较高的监控效率，适合在线监控。[0008]根据本发明的目的提出的一种回刻深度的监控结构，设置在晶圆衬底的非元件区，所述监控结构为表面截面为等腰梯形的沟槽，该沟槽在等腰梯形的上底边长度为I倍至2倍之间的沉积物厚度，下底边长度为大于2倍的沉积物厚度，所述沉积物厚度为所述晶圆衬底经过该沉积物的沉积工艺之后，覆盖在该晶圆衬底表面的沉积物的厚度。
[0009]优选的，所述晶圆衬底为裸晶衬底或者为裸晶衬底上制作了其它层次材料的衬底，所述其它层次为介质材料层或金属材料层。
[0010]优选的，所述沉积物为多晶硅。
[0011]根据本发明同一目的提出的另一种回刻深度的监控结构，设置在晶圆衬底的非元件区，包括表面截面为等腰梯形的沟槽以及沉积在该沟槽中的沉积物，所述沟槽在等腰梯形的上底边长度为I倍至2倍之间的沉积物厚度，下底边长度为大于2倍的沉积物厚度，所述沉积物厚度为所述晶圆衬底经过该沉积物的沉积工艺之后，覆盖在该晶圆衬底表面的沉积物的厚度，该沉积物在所述沟槽中的分布分为填充区和空白区，并且在所述填充区和空白区的交界处设有拐点。
[0012]根据本发明同一目的提出的一种回刻深度的监控方法，运用如上所述的监控结构进行，包括步骤:
[0013]确定拐点在标定轴上位置的标准值；
[0014]随机抽取待测晶圆进行拐点位置检测，并将检测结果与所述标准值进行比对，如果检测结果与标准值差异落在一个可容区间内时，则认为该批次产品的回刻深度合格；如果检测结果与标准值差异超出上述可容区间，则判断该批次产品的回刻深度不合格。
[0015]优选的，所述标定轴为梯形沟槽的上底边到下底边的距离。
[0016]优选的，所述可容区间的范围为工艺要求的实际回刻深度可容范围对应的表面标尺指示区间。
[0017]可选的，所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:选取一片已经经过回刻工艺的晶圆，使用常规手段测试器件沟槽中的回刻深度，如果测试合格，则记录制作在该晶圆上的监控结构的拐点位置，该拐点位置即为标准值。
[0018]可选的，所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:选取多片晶圆作为测试样本，得到一个标准值的样本空间，然后进行统计处理，得到具有统计意义的标准值，其中所述统计处理为取算术平均值或加权平均值。
[0019]可选的，所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:先建立一个各工艺生产条件下的回刻深度与拐点位置标注值对应的数据库，然后根据具体的生产工艺条件在该数据库中查表得到。
[0020]优选的，所述拐点位置检测的具体方法为:将待测晶圆的监控结构放在微米级显微镜下，使该监控结构的上底边和下底边正好充满镜头的影像区内，根据与监控结构平行位置的附带标尺的刻度，读出监控结构中拐点位置并记录。
[0021]根据本发明的目的提出的一种沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度的监控方法，包括步骤:
[0022]提供一晶圆衬底，在该晶圆衬底上制作如权利要求1所述的监控结构；
[0023]对所述晶圆衬底先后进行多晶硅沉积和多晶硅回刻工艺，在所述监控结构中，形成一个多晶娃分布的拐点；[0024]执行该拐点位置的标准值确定步骤；
[0025]执行回刻深度的判断步骤。
[0026]本发明提出的回刻深度的监控结构为制作在晶圆非元件区上的表面截面为梯形的沟槽。该监控方法为利用该梯形沟槽，得到沟槽内沉积物质在回刻工艺之后的分布拐点，根据该拐点位置，就可以判断出回刻深度是否合格。由于本发明的监控方法只需要简单的辅助设备即可得到，因此相比原有的监控手段，其成本大大降低，且操作简单，结果准确，适合进行流水线式的在线监控。另外本发明的监控结构只在整个DMOS器件制作工艺的中间过程中出现，不会对最终产品产生任何负面影响，因而具备很好的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1A-1C和图2A-2C分别是沟槽DMOS器件制作栅极多晶硅时对应的结构俯视图和剖面图；
[0029]图3是本发明的监控结构的俯视图；
[0030]图4是该监控结构的剖视图；
[0031]图5A是本发明的监控结构经多晶硅沉积工艺之后的俯视图；
[0032]图5B-?分别是图5A中，A-A面、B-B面和C-C面的剖面图；
[0033]图6A是本发明的监控结构经多晶硅回刻工艺之后的俯视图；
[0034]图6B-6D分别是图6A中，A’ -A，面、B，-B，面和C，-C，面的剖面图；
[0035]图7是本发明中的标定轴示意图；
[0036]图8是本发明的沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度监控方法的步骤示意图。
【具体实施方式】
[0037]正如背景中所述的，现有的沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度的监控手段，要么对晶圆芯片进行破坏性检测，要么使用价格高昂的仪器进行检测，这两种方法都存在成本过高，监控方法太过复杂等缺陷，因而无法满足流水线生产的要求。
[0038]因此，本发明针对现有技术中的缺陷，提出了一种回刻深度的监控结构和监控方法。该监控结构制作在晶圆衬底的非元件区域，为一种特殊结构的凹槽，该凹槽在经过多晶硅回刻工艺之后，可以在凹槽中将多晶硅分成空白区和填充区。并在两个区域的交界处，出现明显的多晶硅拐点。利用该拐点出现在监控结构中的位置，就可计算出对应的回刻深度，达到监控多晶硅回刻工艺中的回刻深度的目的。由于识别监控结构中出现的多晶硅拐点只需通过简单的显微镜就能实现，因此本发明采用的监控手段成本低廉，操作简单，适合在线的实时监控。且上述的监控结构只在整个器件制作工艺的中间过程中出现，不会对最终产品产生任何负面影响，因而具备很好的实用性。
[0039]下面将通过【具体实施方式】对本发明做详细说明。
[0040]请参见图3和图4，图3是本发明的监控结构的俯视图，图4是该监控结构的剖视图。如图所示，本发明的监控结构110制作在晶圆衬底100上，通常为了不影响正常的半导体器件制作工艺的进程，将该监控结构110安排在晶圆衬底100的非元件区，比如晶圆周围的空白区或者芯片(die)与芯片之间的划道区。晶圆衬底100可以是整体半导体衬底，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe);或者混合的半导体结构，例如碳化硅、砷化镓、磷化镓、锑化铟、磷化铟、砷化铟或锑化镓；也可以是绝缘层上有半导体的衬底，例如绝缘体上娃(SOI);还可以包括合金半导体，例如 GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GalnAs、GalnP、GaInAsP或其组合。该晶圆衬底100表面可以直接是裸晶的晶圆面，也可以是已经制作在上的其它材质，比如氧化物层等介质材料层或招、钛等金属材料层。
[0041]请继续参见图3，该监控结构110的表面截面为等腰梯形的凹槽结构，该等腰梯形的上底边111窄，下底边112宽，从剖视图看，该监控结构110的凹槽中，离视线近端的开口大，对应下底边112处的位置，离视线远端的开口小，对应上底边111处的位置。进一步地，为了实现本发明的监控效果，将上底边111的宽度设置在I倍至2倍之间的多晶硅厚度，而将下底边112的宽度设置在2倍以上的多晶硅厚度。这里的多晶硅厚度是指器件在多晶硅沉积工艺之后，形成在衬底表面的多晶硅厚度。需要指出的是，本发明的回刻深度监控结构也可适用于除多晶硅回刻工艺之外的其它回刻工艺，此时，对应在该监控结构中的物质就不是多晶娃了，而是其它沉积物质。
[0042]请参见图5A-5D，图5A是本发明的监控结构经多晶硅沉积工艺之后的俯视图，图5B-5D分别是图5A中，A-A面、B-B面和C-C面的剖面图。如图所示，由于监控结构110的上底边111的宽度在I倍至2倍的多晶硅厚度之间，下底边112的宽度超过2倍的多晶硅厚度，因此沉积完多晶硅120之后，多晶硅120在该监控结构的沟槽中呈梯度分布状。在靠近上底边111处的位置，由于宽度远小于2倍的多晶硅厚度，多晶硅120呈现溢出的状态，如图5B所示。在介于上底边111和下底边112的中间区域中，会出现两个沟槽壁上的多晶硅合并但是未溢出的状态，如图5C，尤其是在梯形宽度正好等于2倍的多晶硅厚度的点上，出现一个多晶硅合并与不合并的拐点113。而在靠近下底边112处的位置，由于宽度大于2倍的多晶硅厚度，因此多晶硅在此处呈现分开的状态，如图
[0043]此后，对上述衬底进行多晶硅回刻工艺。回刻的主要目的是去掉衬底表面的多晶硅层，只保留在沟槽中的多晶硅层。请参见图6A-6D，图6A是本发明的监控结构经多晶硅回刻工艺之后的俯视图，图6B-6D分别是图6A中，A’ -A’面、B’ -B’面和C’ -C’面的剖面图。如图所示，回刻之后，衬底表面的多晶硅层被刻蚀去除，只留下沟槽中的多晶娃，且由于该沟槽的梯形结构，使得回刻之后的多晶硅在该沟槽中的分布也呈现梯度分布，但是区别于回刻工艺之前的多晶硅分布，此时多晶硅的分布只分成沟槽底部有多晶硅的填充区域和底部没有多晶硅的空白区域，这两个区域交界处的拐点114，则应该是图5A中的拐点113往上底边111方向前移一段距离之后得到的，该前移的距离与被刻蚀掉的多晶硅厚度(即回刻深度)成一定的几何关系。
[0044]请参见图7，如果我们定义上底边111到下底边112的距离为标定轴X，我们可以得到，对于在回刻深度处于正常的范围内的情况，该拐点114所处标定轴X的位置为某一特定区域。对于回刻深度过深，超出正常范围的情况，该拐点114的位置也会超出上述的特定区域，且往上底边方向移动。而对于回刻深度过浅的情况，则一般不在讨论范围内，因为过浅意味着表面的多晶娃尚未被刻蚀干净。[0045]基于上述分析原理，我们可以得到:只要获知拐点114在标定轴X上所处的位置，就可以知道对应的回刻深度是否处于合理的范围内。而获知该拐点114的位置，只需要通过简单的显微镜观察即可，同时对于标定轴X，也可以利用显微镜中自带与监控结构平行位置的附带标尺刻度进行衡量。测量时，只需将该监控结构110的上底边111和下底边112正好充满显微镜镜头的影像区内，然后读取拐点出现的刻度值，即可确定对应的回刻深度是否合理。
[0046]下面再具体介绍本发明利用上述监控结构监控回刻深度的方法。
[0047]首先，确定拐点在标定轴上位置的标准值。该步骤的意义在于:对于不同工艺的半导体器件产品，其关键尺寸是不一样的，比如0.2 μ m和0.35 μ m的工艺下，制作出来的沟槽宽度是不一样的，此时要求制作的监控结构也是不同的。就算在同一种工艺不同批次的产品中，也会存在尺寸上的差异。因此要对某个批次的产品进行回刻深度的监控时，首先要确定该批次产品中，合格产品的回刻深度对应在监控结构中出现的拐点位置。在一种实施方式中，该步骤的具体做法是:选取一片已经经过回刻工艺的晶圆，使用常规手段(如【背景技术】中提到的手段)测试沟槽中的回刻深度，这里的沟槽是指作为器件使用的沟槽而非监控结构上的沟槽。如果测试合格，则记录制作在该晶圆上的监控结构的拐点位置，该拐点位置即为标准值。在另外一种实施方式中，也可选取多片晶圆作为测试样本，得到一个标准值的样本空间，然后进行统计处理，得到具有统计意义的标准值，这里的统计处理可以为算术平均数、加权平均处理等，这样可以确保测试结果的合理性。在另外一种实施方式中，也可以先建立一个各工艺生产条件下的回刻深度与拐点位置标注值对应的数据库，然后根据具体的生产工艺条件在该数据库中查表得到。特别的，当标准值具有完整的数据时，该步骤还可以通过软件实现自动化调用。
[0048]然后，执行回刻深度的判断步骤:在获得某一批次产品的拐点标准值之后，随机抽取待测晶圆进行拐点位置检测，并将检测结果与所述标准值进行比对，如果检测结果与标准值差异落在一个可容区间内时，则认为该批次产品的回刻深度合格；如果检测结果与标准值差异超出上述可容区间，则判断该批次产品的回刻深度不合格。这里的可容区间是指允许拐点位置出现的误差范围，通常指工艺要求的实际回刻深度可容范围对应的表面标尺指示区间。在一种实施方式中该可容区间的范围比如为±0.Ιμπι或者其它数值的误差范围。具体检测时，可以将待测晶圆的监控结构放在微米级显微镜下，使该监控结构的上底边和下底边正好充满镜头的影像区内，根据显微镜自带的刻度，读出监控结构中拐点位置并记录。将该检测结果与标准值做差，判断差值的大小是否落入可容区间内。
[0049]下面，再以沟槽DMOS器件中多晶硅回刻工艺为例，将本发明的回刻深度监控方法做完整的说明。
[0050]请参见图8，图8是本发明的沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度监控方法的步骤示意图。如图所示，该方法包括步骤:
[0051]S1:提供一晶圆衬底，在该晶圆衬底上制作监控结构。这里的晶圆衬底可以单指裸晶衬底，也可以是已经在裸晶衬底上制作了其它层次材料的衬底。制作监控结构时，可以与DMOS器件沟槽工艺同步进行，即在刻蚀DMOS器件的栅极沟槽的同时，在掩模光罩(mask)上开设具有监控结构的图形，从而刻蚀出监控结构所需的梯形沟槽来。这样做的好处是不需专门的监控结构的制作工艺，节省了一道光刻程序。通常该监控结构需要制作在晶圆的非元件区，比如晶圆边缘或者芯片(die)与芯片之间的划道区。这里需要说明的是，由于该监控结构只是用来对回刻深度的一个检测，当完成该监控结构的作用之后，可以在后续的工艺上通过掩盖或划道的方式去除该监控结构，因此不影响对最终器件产品的制作。当然即使在晶圆上保留该监控结构，由于其制作在晶圆的非元件区，也不会对器件的制作产生任何负面影响。
[0052]S2:对所述衬底先后进行多晶硅沉积和多晶硅回刻工艺。该步骤之后，监控结构的梯形沟槽中，被填充了多晶硅，且多晶硅的分布呈现如图6A-6D的梯度形式，即在该监控结构中，形成了一个多晶硅分布的拐点，该拐点将多晶硅分为填充区和空白区。
[0053]S3:执行该拐点位置的标准值确定步骤。该步骤如上文所述，此处不再赘述。
[0054]S4:执行回刻深度的判断步骤，得到该批次产品的回刻深度是否合格的判断结果。该步骤具体如上文所述，此处不再赘述。
[0055]除了在多晶硅回刻工艺之外，本发明的监控结构和监控方法还可以用在其他需要回刻的工艺之中，比如在金属层间的钨插塞制作工艺中，当导电通孔中填充金属钨之后，也会涉及金属钨的回刻深度问题，此时利用本发明的回刻深度监控结构和监控方法，也可以很方便的监控钨的回刻深度是否合格。具体的判断方法与多晶硅回刻工艺一样，此处不再赘述。
[0056]综上所述，本发明提出了一种回刻深度的监控结构和监控方法，该监控结构为制作在晶圆非元件区上的表面截面为梯形的沟槽。该监控方法为利用该梯形沟槽，得到沟槽内沉积物质在回刻工艺之后的分布拐点，根据该拐点位置，就可以判断出回刻深度是否合格。由于本发明的监控方法只需要简单的辅助设备即可得到，因此相比原有的监控手段，其成本大大降低，且操作简单，结果准确，适合进行流水线式的在线监控。另外本发明的监控结构只在整个DMOS器件制作工艺的中间过程中出现，不会对最终产品产生任何负面影响，因而具备很好的实用性。
[0057]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种回刻深度的监控结构，设置在晶圆衬底的非元件区，其特征在于:所述监控结构为表面截面为等腰梯形的沟槽，该沟槽在等腰梯形的上底边长度为I倍至2倍之间的沉积物厚度，下底边长度为大于2倍的沉积物厚度，所述沉积物厚度为所述晶圆衬底经过该沉积物的沉积工艺之后，覆盖在该晶圆衬底表面的沉积物的厚度。
2.如权利要求1所述的监控结构，其特征在于:所述晶圆衬底为裸晶衬底或者为裸晶衬底上制作了其它层次材料的衬底，所述其它层次为介质材料层或金属材料层。
3.如权利要求1所述的监控结构，其特征在于:所述沉积物为多晶硅。
4.一种回刻深度的监控结构，设置在晶圆衬底的非元件区，其特征在于:包括表面截面为等腰梯形的沟槽以及沉积在该沟槽中的沉积物，所述沟槽在等腰梯形的上底边长度为I倍至2倍之间的沉积物厚度，下底边长度为大于2倍的沉积物厚度，所述沉积物厚度为所述晶圆衬底经过该沉积物的沉积工艺之后，覆盖在该晶圆衬底表面的沉积物的厚度，该沉积物在所述沟槽中的分布分为填充区和空白区，并且在所述填充区和空白区的交界处设有拐点。
5.一种回刻深度的监控方法，该监控方法运用如权利要求4所述的监控结构进行，其特征在于，包括步骤: 确定拐点在标定轴上位置的标准值； 随机抽取待测晶圆进行拐点位置检测，并将检测结果与所述标准值进行比对，如果检测结果与标准值差异落在一个可容区间内时，则认为该批次产品的回刻深度合格；如果检测结果与标准值差异超出上述可容区间，则判断该批次产品的回刻深度不合格。
6.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述标定轴为梯形沟槽的上底边到下底边的距离。·
7.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述可容区间的范围为工艺要求的实际回刻深度可容范围对应的表面标尺指示区间。
8.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:选取一片已经经过回刻工艺的晶圆，使用常规手段测试器件沟槽中的回刻深度，如果测试合格，则记录制作在该晶圆上的监控结构的拐点位置，该拐点位置即为标准值。
9.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:选取多片晶圆作为测试样本，得到一个标准值的样本空间，然后进行统计处理，得到具有统计意义的标准值，其中所述统计处理为取算术平均值或加权平均值。
10.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述确定拐点在标定轴上位置的标准值的具体步骤为:先建立一个各工艺生产条件下的回刻深度与拐点位置标注值对应的数据库，然后根据具体的生产工艺条件在该数据库中查表得到。
11.如权利要求5所述的回刻深度的监控方法，其特征在于:所述拐点位置检测的具体方法为:将待测晶圆的监控结构放在微米级显微镜下，使该监控结构的上底边和下底边正好充满镜头的影像区内，根据与监控结构平行位置的附带标尺的刻度，读出监控结构中拐点位置并记录。
12.—种沟槽DMOS器件多晶硅回刻深度的监控方法，其特征在于，包括步骤:提供一晶圆衬底，在该晶圆衬底上制作如权利要求1所述的监控结构； 对所述晶圆衬底先后进行多晶硅沉积和多晶硅回刻工艺，在所述监控结构中，形成一个多晶硅分布的拐点； 执行该拐点位置的标准值确定步骤； 执行回刻 深度的判断步骤。
【文档编号】H01L21/66GK103855046SQ201210501487
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】卞铮 申请人:无锡华润上华半导体有限公司