CN101894755B

CN101894755B - 沟槽刻蚀的方法及量测沟槽深度的装置

Info

Publication number: CN101894755B
Application number: CN2009100841256A
Authority: CN
Inventors: 张海洋; 孙武
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: CN101894755A

Abstract

本发明公开了一种沟槽刻蚀的方法，包括以下步骤：设置刻蚀反应腔的刻蚀参数；刻蚀形成沟槽；对晶片上包括单线(Iso)处和密线(Dense)处的沟槽深度进行量测，进行量测时，将量测装置伸入到沟槽底部；判断是否达到目标沟槽深度，如果达到目标深度，则结束刻蚀；否则重新设置所述刻蚀参数，进行沟槽刻蚀，直至到达目标深度。本发明还公开了一种量测沟槽深度的装置。采用该方法及装置能够精确量测沟槽深度，无论是由于刻蚀反应腔的不同引起刻蚀沟槽深度的差异，还是微负载效应(Micro loading Effect)引起的Iso处和Dense处沟槽深度的不同，都可以精确量测，从而灵活调整刻蚀工艺参数，使Iso处和Dense处的沟槽深度符合目标值。

Description

沟槽刻蚀的方法及量测沟槽深度的装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种沟槽刻蚀的方法及量测沟槽深度的装置。

背景技术

目前，伴随着半导体制造技术的飞速发展，半导体器件为了达到更快的运算速度、更大的数据存储量以及更多的功能，晶片朝向更高的元件密度、高集成度方向发展。在半导体器件的后段工艺中，已经开始进行内部互连的尺度缩小和实现多层内部互连。

在半导体器件的后段工艺中，可根据不同需要设置多层金属互连层，每层金属互连层包括金属互连线和绝缘层，这就需要对上述绝缘层制造沟槽和连接孔，然后在上述沟槽和连接孔内沉积金属，沉积的金属即为金属互连线，一般选用铜作为金属互连线材料。图1为现有技术中，部分铜互连层的剖面示意图：在包括刻蚀终止层101和氧化硅层102的绝缘层上刻蚀沟槽103和连接孔104，然后在沟槽103和连接孔104内沉积金属铜，形成沟槽103内的铜互连线103’及连接孔104内的铜互连线104’，所述铜互连线104’与下层的铜互连线105连接。为简便起见，图1仅示出了部分金属互连层。显然，形成于半导体衬底上，还具有若干金属互连层，其中半导体衬底上可以形成各种器件结构，例如定义在半导体衬底上的有源区、隔离区，以及有源区中的晶体管的源/漏和栅极。

在这种铜互连工艺中，刻蚀终止层为氮化硅膜，具有约7的相对介电常数，显著大于约为4的氧化硅层的的相对介电常数，这增加了整个金属间介质层(Intermetal Dielectric，IMD)的相对介电常数，从而使铜互连线间的寄生电容增加，因此会导致半导体器件的信号延迟或功耗增加的缺陷。在具体工艺制程中，在多层内部互连中，底层铜互连层的铜布线相对于其他互连层铜布线比较密集，相对其他互连层来说比较敏感，所以通常采用低K电介质材料来代替氧化硅层，进一步降低底层铜互连层的铜互连线间的寄生电容，所以将刻蚀终止膜上淀积含有硅、氧、碳、氢元素的类似氧化物(Oxide)的BD材料。BD的介电常数为3，但是BD材料比较昂贵，所以一般工艺制程中仍然采用氧化硅作为绝缘层。

在现有的刻蚀工艺中，一般采用等离子体刻蚀形成沟槽103和连接孔104。一般在半导体制造厂中，有多个进行刻蚀工艺的反应腔，即使设备出厂设置相同，刻蚀参数也相同，在不同刻蚀反应腔内刻蚀形成的沟槽深度仍然是有所差别的，这主要在于不同的设备肯定存在一定的差异，这是无法改变的，而且器件的尺寸越精细，这种差异也越明显。

因此，现有技术中，在主刻蚀(Main Etch，ME)形成沟槽后，利用原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)，对所有器件的沟槽深度进行测量，如果存在差异，即有的刻蚀反应腔的刻蚀深度偏离目标沟槽深度，则调整该刻蚀反应腔的刻蚀参数，例如刻蚀时间以及刻蚀时反应腔内的压力值，直到刻蚀出的沟槽深度达到目标沟槽深度。

其中，现有技术中所采用的AFM，是随着技术的进步，逐渐发展而成。在显微镜的发展过程中，第一代为光学显微镜，第二代为电子显微镜，第三代为扫描探针显微镜，其中就包括具有原子分辨率、可适用于非导电样品的AFM。AFM包括弹性悬臂和探针，探针由聚焦粒子束(FIB)对硅材料加工而成。当探针扫描样品表面时，即探针尖很靠近样品时，其针尖顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使弹性悬臂弯曲，偏离原来的位置，通过激光束来测量上述偏移情况，即能获得样品原子级的表面形貌图。现有经常利用AFM来获得半导体工艺中沟槽的深度。

需要说明的是，器件在晶片(wafer)上形成，所以会在晶片上刻蚀沟槽。在同一晶片上的单线(Iso)处和密线(Dense)处刻蚀形成的沟槽宽度是不同的。Iso处和Dense处的区别是指wafer上图案分布的密度不同。具体地，在Iso处的沟槽间距比较宽，关键尺寸(CD)也比较大，而在Dense处的沟槽间距相对比较窄，CD也相对比较小。例如，在90纳米技术节点，Iso处和Dense处的沟槽深度为350～400纳米，Iso处的CD，即沟槽宽度为130～170纳米，而在Dense处的沟槽宽度仅为90～110纳米。在晶片中存在若干个芯片单元(Die)，每个芯片单元中存在若干个单线和密线，从单线处到密线处，间距是逐渐减小的。但是上述现有AFM的探针是锥形的，虽然针尖比较细，但是在从针尖起100纳米的针尖高度之后，探针直径迅速增加，使得FIB探针尖还没有进入到Dense处的窄深的沟槽底部时，就被比较窄的沟槽宽度所限制，由于探针被卡住，无法伸入到沟槽底部，因而也就无法量测Dense处的沟槽深度。只能测量晶片中特别稀疏的区域，即Iso处的沟槽深度，而Dense处的沟槽深度是无法测量的，所以只能将Iso处的沟槽深度作为整个晶片的沟槽深度。这样即使Dense处的沟槽深度没有达到目标深度，AFM也无法识别，测量误差比较大，严重影响了器件的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：精确测量沟槽深度。

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：

本发明公开了一种沟槽刻蚀的方法，包括以下步骤：

设置刻蚀反应腔的刻蚀参数；

刻蚀形成沟槽；

用量测装置对晶片上包括单线Iso处和密线Dense处的沟槽深度进行量测，所述量测装置包括弹性悬臂和探针，所述探针呈柱状结构，直径小于沟槽宽度；

判断是否达到目标沟槽深度，如果达到目标深度，则结束刻蚀；否则重新设置所述刻蚀参数，进行沟槽刻蚀，直至到达目标深度。

所述刻蚀参数包括刻蚀时间以及刻蚀时反应腔内的压力值。

本发明还公开了一种量测沟槽深度的装置，包括弹性悬臂和探针，所述探针能够伸入到单线处和密线处的沟槽底部，对沟槽深度进行量测。

所述探针呈柱状结构，直径小于沟槽宽度。

所述装置为碳纳米管原子力显微镜CNT AFM。

由上述的技术方案可见，本发明克服了现有技术中的测量缺陷，将能够伸入到晶片Dense处沟槽底部的测量装置，应用于半导体制造工艺中，精确量测沟槽深度，真实反映Iso处和Dense处的沟槽深度，如果达不到目标深度，可以重新调整刻蚀反应腔的刻蚀参数，进行沟槽的刻蚀。而不像现有技术那样，只能量测非常稀疏的区域的沟槽深度，因此也就无法反映刻蚀时的缺陷，例如由于刻蚀反应腔的不同引起刻蚀沟槽深度的差异，或者微负载效应(Micro loading Effect)引起的Iso处和Dense处沟槽深度的不同，使形成的器件性能降低。

附图说明

图1为现有技术中部分铜互连层的剖面示意图。

图2为本发明进行沟槽刻蚀的方法流程示意图。

具体实施方式

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。

本发明将能够伸入到晶片Dense处沟槽底部的测量装置，应用于半导体制造工艺中，精确量测沟槽深度，真实反映Iso处和Dense处的沟槽深度，如果达不到目标深度，可以重新调整刻蚀反应腔的刻蚀参数，进行沟槽的刻蚀。

图2示出了本发明进行沟槽刻蚀的方法流程示意图。

步骤21、设置刻蚀反应腔的刻蚀参数，例如刻蚀时间以及刻蚀时反应腔内的压力值，进行主刻蚀步骤，刻蚀形成沟槽。

步骤22、采用本发明的测量装置对沟槽深度进行量测，包括Iso处和Dense处。

值得注意的是，现有技术中AFM只能量测特别稀疏(Iso)的区域的沟槽深度，因为这些地方沟槽宽度相对Dense的地方尺寸比较大，现有AFM的探针不会被沟槽卡住，而进入到Iso处的沟槽底部。而本发明所采用的装置，探针呈现柱状结构，针尖的直径很小，不论90纳米技术代，还是更高的65纳米、45纳米技术代，探针都能伸入到Iso处和Dense处沟槽底部，对沟槽深度进行精确测量。

随着纳米技术的发展，将碳纳米管与原子力显微镜结合起来，构成了碳纳米管(carbon nano tube，CNT)AFM，即由CNT构成AFM的探针。CNTAFM包括弹性悬臂和探针。碳纳米管可以做到很小的尺寸，其CNT探针呈现柱状结构，针尖的直径只有20纳米，并且在整个针尖的长度上保持恒定，因此，CNT AFM更适合进行高深宽比的窄深沟槽的量测。所以本发明对沟槽深度进行精确量测的优选实施例为CNT AFM，不论90纳米技术代，还是更高技术代，都能伸入到Iso处和Dense处沟槽底部，因此不但能够量测Iso区域的沟槽深度，而且还能量测Dense区域的沟槽深度。

步骤23、将量测尺寸进行反馈，判断是否达到目标沟槽深度；如果Iso处和Dense处的沟槽深度达到目标深度，则执行步骤24、结束刻蚀；

如果Iso处或者Dense处的沟槽深度没有达到目标沟槽深度，则重新执行步骤21、重新调整刻蚀参数，包括刻蚀时间以及刻蚀时反应腔内的压力值，直至刻蚀出的Iso处和Dense处的沟槽深度符合目标值。

从上述明显可以看出，无论是由于刻蚀反应腔的不同引起刻蚀沟槽深度的差异，还是Micro loading Effect引起的Iso处和Dense处沟槽深度的不同，都可以通过本发明的测量装置精确量测，从而灵活调整刻蚀工艺参数，使Iso处和Dense处的沟槽深度符合目标值。Micro loading Effect指晶片局部不同的图案密度，影响刻蚀速率，孔小的地方刻蚀相对较难进入，所以相对于孔大的地方刻蚀比较慢，相同的刻蚀条件下，刻蚀沟槽的深度不同，孔小的沟槽深度较浅。需要说明的是，本发明量测沟槽深度的装置，包括但不限于CNT AFM，只要能伸入到Iso处和Dense处沟槽底部，进行深度测量的装置都应包含在本发明的保护范围之内。

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、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种沟槽刻蚀的方法，包括以下步骤：

设置刻蚀反应腔的刻蚀参数；

刻蚀形成沟槽；

用量测装置对晶片上包括单线Iso处和密线Dense处的沟槽深度进行量测，所述量测装置包括弹性悬臂和探针，所述探针呈柱状结构，直径小于沟槽宽度，所述探针由碳纳米管构成；判断是否达到目标沟槽深度，如果达到目标深度，则结束刻蚀；否则重新设置所述刻蚀参数，进行沟槽刻蚀，直至刻蚀出的Iso处和Dense处的沟槽深度到达目标深度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刻蚀参数包括刻蚀时间以及刻蚀时反应腔内的压力值。