CN102955378A - 光刻胶形貌表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造领域，公开了一种光刻胶形貌表征方法，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的拐点，并根据所述拐点将光刻胶侧壁划分为若干区间，通过测量每一区间顶部线宽、底部线宽及区间深度，计算得到该区间侧壁倾角，拟合各所述区间的侧壁倾角、区间深度得到所述光刻胶形貌。该方法所需的各种测量均为自上而下俯视进行的线宽测量，在表征过程中无需对待测晶圆进行切片，不进行断面扫描，能够实现对光刻胶侧壁形貌的精准表征、且不带来任何不可恢复性损伤，不仅可用于对光刻胶工艺能力的改善、验证，还适用于生产工艺过程中的质量控制，能够进一步保证光刻质量，有效提高器件集成度及工业成品率。

Description

光刻胶形貌表征方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及光刻过程中显影后的光刻胶表征技术。 

背景技术

光刻在半导体制造过程中起到了至关重要的作用，其图形分辨率、套刻精度、光刻胶侧壁形貌、光刻胶缺陷和光刻胶抗刻蚀能力等性能都直接影响到后续工艺的成败。

在光刻中，光刻胶的工艺表现能力扮演着重要的角色。然而，负性光刻胶涂层对环境因素灵敏度较小，分辨率低，并不适用于小尺寸、细线条的光刻。随着集成电路制造工艺的进步及特征尺寸的缩小，集成电路芯片集成度越来越高，能否利用包括树脂、溶剂和感光剂等成分的正性光刻胶实现掩膜版图形的精准转移，成为直接影响芯片集成度和成品率的关键因素。在光刻过程中，不同特征尺寸、不同光刻胶根据工艺要求，设定有固定的最佳光刻胶膜厚，曝光光源的入射光在通过光刻胶的膜层时，针对不同光刻胶、不同膜厚区间，能量分布也不尽相同，故显影后得到的光刻胶通常都不是理想的直角长方形，而是逐次衰减的倒梯形的形状（针对孔和间距）或者正梯形形状（针对线段），光刻胶侧壁形貌的严重变形会直接影响后续工艺中的图形化质量，因此光刻胶侧壁形貌的优劣是区分各种光刻胶工艺能力的重要参数。

在现有技术中，光刻胶侧壁形貌的表征通常需要在切片后采用断面扫描电子显微镜等设备对其剖面进行观测，对待测样品带来不可恢复的损伤。如何在光刻后对曝光后的光刻胶形貌进行表征、且不带来任何不可恢复性损伤，以保证工艺质量，成为进一步提高器件集成度、保证工业成品率急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术是，提供一种光刻胶形貌表征方法，在不进行待测晶圆切片的前提下，实现光刻胶侧壁形貌表征、且不带来任何不可恢复性损伤。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光刻胶形貌表征方法，该方法通过测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的拐点将光刻胶侧壁划分为若干区间，并测量每一区间顶部线宽、底部线宽及区间深度计算得到该区间侧壁倾角，拟合各所述区间的侧壁倾角、区间深度得到所述光刻胶形貌。

本发明提供的光刻胶形貌表征方法，具体包括以下步骤：

A、采用线宽扫描电子显微镜测量光刻胶曝光区域线宽；

B、根据线宽扫描电子显微镜的测量波形，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的n个拐点，并根据所述拐点，将所述光刻胶侧壁划分为n+1个区间；

C、测量第i区间的底部线宽CD_i及顶部线宽CD_i′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的侧壁倾角                                                ，其中， 1≤i≤n+1且i为整数；

D、拟合所述n+1个区间的侧壁倾角及区间深度，所述光刻胶侧壁形貌为：

，其中： X为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y为沿所述区间深度方向坐标。

作为可选的技术方案，所述步骤C进一步包括：

C1、根据光刻胶曝光区域特征尺寸W在距离光刻胶边缘W/2处标记平行于光刻胶边缘的基准线；

C2、测量第i区间的底部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1、CDW_i2及顶部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1′、CDW_i2′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的光刻胶第一侧壁倾角

，第二侧壁倾角，其中， 1≤i≤n+1且i为整数，所述光刻胶第一侧壁位于所述基准线左侧，所述第二侧壁位于所述基准线右侧；

此时，所述光刻胶曝光区域两侧壁形貌不一致，步骤D中：

所述光刻胶第一侧壁形貌为：

；

所述光刻胶第二侧壁形貌为：

，

其中：X₁、X₂均为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y₁、Y₂均为沿所述区间深度方向坐标。

作为可选的技术方案，所述线宽扫描电子显微镜采用阈值测量法或线性测量法进行线宽测量。

作为可选的技术方案，所述光刻胶曝光区域线宽测量范围大于所述光刻胶曝光区域特征尺寸W，进一步的，所述光刻胶曝光区域线宽测量范围为10nm~100μm。

作为可选的技术方案，所述光刻胶侧壁各区间底部线宽及顶部线宽的测量采用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜实现。

作为可选的技术方案，所述光刻胶侧壁为底部线宽小于顶部线宽的倒梯形或底部线宽大于顶部线宽的正梯形。

作为可选的技术方案，所述光刻胶为正性光刻胶。

本发明的优点在于，所述光刻胶形貌表征所需的各种测量均为自上而下俯视进行的线宽测量，在表征过程中无需对待测晶圆进行切片，不进行断面扫描，仅根据线宽扫描电子显微镜的工作原理，通过对二次电子的检测获得与待测结构对应的曲线图，直观获得光刻胶侧壁斜率变化的拐点及相邻拐点间的垂直距离，从而拟合计算得到光刻胶侧壁形貌的表征结果。与现有技术相比，本发明提供的光刻胶形貌表征方法能够实现对光刻胶侧壁形貌的精准表征、且不带来任何不可恢复性损伤，不仅可用于对光刻胶工艺能力的改善、验证，还适用于生产工艺过程中的质量控制，能够进一步保证光刻质量，有效提高器件集成度及工业成品率。

附图说明

图1为本发明第一具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法流程图；

图2是本发明第二具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法流程图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为本发明第一具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法流程图。

如图1所示，本第一具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法包括以下步骤：

步骤A：采用线宽扫描电子显微镜测量光刻胶曝光区域线宽。

该步骤中，光刻胶曝光区域线宽测量范围大于光刻胶曝光区域特征尺寸W，作为本领域技术人员的公知常识，所述光刻胶曝光区域的特征尺寸即为光刻胶曝光区域的最小设计/工艺尺寸，此处可理解为光刻显影后曝光区域处剩余光刻胶边缘间的距离。作为可选实施例，根据一般工艺特征尺寸及器件工艺设计，光刻胶曝光区域线宽测量范围为10nm~100μm。

该步骤中，线宽扫描电子显微镜采用阈值测量法或线性测量法进行线宽测量。作为可选实施例，当曝光区域为孔状或较大间隔的间距时，采用阈值测量法；当曝光区域为线状时，采用线性测量法。需要指出的是，当光刻胶侧壁明显较为倾斜，即侧壁倾角较小时，若采用阈值测量法，需根据待测位置选定百分比，关于百分比的选定为本领域技术人员的公知常识，在此不作赘述。

步骤B：根据线宽扫描电子显微镜的测量波形，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的n个拐点，并根据所述拐点，将所述光刻胶侧壁划分为n+1个区间。

该步骤中，通过对线宽扫描电子显微镜的成像分析得到测量波形，该波形为一连续曲线。在步骤A采用线宽扫描电子显微镜测量光刻胶曝光区域线宽过程中，作为扫描电子显微镜最基本、最具有代表意义的成像方式，待测样品中原子的核外电子在入射电子的激发下离开该原子而形成二次电子，但只有在约十纳米量级的近表面区域，二次电子才能逸出表面被接收器接收并用于成像，且二次电子成像的对比度主要来自于样品表面起伏不平的形状，样品表面凸起处尖点相对于凹下处最低点其靠近样品表面的相互作用区更多，因而所能逸出的二次电子数就越多， 通过对二次电子的检测，能够直观获得反应样品表面欺负形状的波形图，以测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的n个拐点，并根据所述拐点，做与半导体衬底表面平行的面，将所述光刻胶侧壁划分为n+1个区间。其中，n≥0且n为整数，当n=0时，即所述光刻胶侧壁为一线性区间，此时所述光刻胶侧壁为斜率保持不变的斜面。

步骤C：测量光刻胶侧壁各区间的底部线宽及顶部线宽，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形读取各区间的区间深度，计算得到各区间的侧壁倾角。

该步骤中，可采用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜测量所述光刻胶侧壁各区间底部线宽及顶部线宽。具体地讲，可选用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜，或其他本领域技术人员公知的测试仪器，测量第i区间的底部线宽CD_i及顶部线宽CD_i′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的侧壁倾角

，其中， 1≤i≤n+1且i为整数。

该步骤中，为满足一般工艺需求，所述光刻胶侧壁各区间的侧壁倾角范围应为70°~89°，以保证后续图形化工艺质量，同时，所述光刻胶侧壁各区间的区间深度和

应基本等于所述光刻胶的厚度，用以验证和保证光刻胶涂层厚度的均匀性。作为可选实施例，待测的光刻胶侧壁可以为底部线宽小于顶部线宽的倒梯形，也可以为底部线宽大于顶部线宽的正梯形，或由于驻波效应形成了类波浪形周期性起伏侧壁，本具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法均可实现对其侧壁形貌的表征。

步骤D：拟合所述n+1个区间的侧壁倾角及区间深度，得到所述光刻胶侧壁形貌。

该步骤中，根据所述n+1个区间的侧壁倾角及区间深度拟合得到的光刻胶侧壁形貌为：

，其中： X为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y为沿所述区间深度方向坐标。

需要说明的是，作为最佳实施例，本具体实施方式涉及的光刻胶为正性光刻胶，根据正性光刻胶的光刻特性，显影后在曝光区域所形成的剩余光刻胶侧壁为顶部线宽大于底部线宽的倒梯形结构，光刻胶两侧壁对称，侧壁倾角大致相等。

本具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法中，需测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的拐点，并根据所述拐点将光刻胶侧壁划分为若干区间，通过测量每一区间顶部线宽、底部线宽及区间深度，计算得到该区间侧壁倾角，拟合各所述区间的侧壁倾角、区间深度得到所述光刻胶形貌。本方法中所需的各种测量均为自上而下俯视进行的线宽测量，在表征过程中无需对待测晶圆进行切片，不进行断面扫描，能够实现对光刻胶侧壁形貌的精准表征、且不带来任何不可恢复性损伤，不仅可用于对光刻胶工艺能力的改善、验证，还适用于生产工艺过程中的质量控制，能够进一步保证光刻质量，有效提高器件集成度及工业成品率。

图2为本发明第二具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法流程图。

如图2所示，第二具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法包括以下步骤：

步骤A：采用线宽扫描电子显微镜测量光刻胶曝光区域线宽。

步骤B：根据线宽扫描电子显微镜的测量波形，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的n个拐点，并根据所述拐点，将所述光刻胶侧壁划分为n+1个区间。

上述两步骤与第一具体实施方式相同，在此不作赘述。

步骤C1：根据光刻胶曝光区域特征尺寸W在距离光刻胶边缘W/2处标记平行于光刻胶边缘的基准线。

该步骤中，所述光刻胶曝光区域的特征尺寸即为光刻胶曝光区域的最小设计/工艺尺寸，此处可理解为光刻显影后曝光区域处剩余光刻胶边缘间的距离，可通过线宽扫描电子显微镜或光学线宽测量仪测量得到，也可根据设计/工艺参数直接提取。需指出的是，所述基准线标记于线宽测量成像图或测量***中，仅用作后续表征步骤中的参考基准，并非实际标记于待测样品上。

步骤C2：测量各区间底部及顶部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形读取各区间的区间深度，计算得到各区间光刻胶的两侧壁倾角。

该步骤中，可采用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜测量所述光刻胶侧壁各区间底部线宽及顶部线宽。具体地讲，可选用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜，或其他本领域技术人员公知的测试仪器，测量第i区间的底部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1、CDW_i2及顶部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1′、CDW_i2′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的光刻胶第一侧壁倾角

，第二侧壁倾角

，其中， 1≤i≤n+1且i为整数，所述光刻胶第一侧壁位于所述基准线左侧，所述第二侧壁位于所述基准线右侧。作为可选实施例，所述光刻胶第一侧壁位于所述基准线右侧，所述第二侧壁位于所述基准线左侧。

该步骤中，为满足一般工艺需求，所述光刻胶侧壁各区间的侧壁倾角范围应为70°~89°，以保证后续图形化工艺质量，同时，所述光刻胶侧壁各区间的区间深度和

应基本等于所述光刻胶的厚度，用以验证和保证光刻胶涂层厚度的均匀性。

步骤D：拟合所述n+1个区间的第一、第二侧壁倾角及区间深度，得到所述光刻胶两侧壁形貌。

该步骤中，根据所述n+1个区间的第一侧壁倾角及区间深度拟合得到的光刻胶第一侧壁形貌为：

；根据所述n+1个区间的第二侧壁倾角及区间深度拟合得到的光刻胶第二侧壁形貌为：

。其中：X₁、X₂均为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y₁、Y₂均为沿所述区间深度方向坐标。

需要说明的是，作为最佳实施例，本具体实施方式涉及的光刻胶为正性光刻胶，显影后在曝光区域所形成的剩余光刻胶侧壁为顶部线宽大于底部线宽的倒梯形结构，或顶部线宽小于底部线宽的正梯形结构，光刻胶两侧壁不对称，根据测量表征得到的光刻胶第一、第二侧壁形貌不同，此时，由于光刻胶两侧壁形貌不同，其拐点不再是对应关系，步骤B拐点测定过程中，需分别测定第一、第二侧壁的拐点，并以二者叠加的拐点合集，作为将光刻胶的第一、第二侧壁一同划分为若干区间的依据。

作为可选实施例，显影后的光刻胶两侧壁对称，根据测量表征得到的光刻胶第一、第二侧壁形貌相同，本具体实施方式中的测量线宽CDW_i1 = CDW_i2=CD_i/2，CDW_i1′=CDW_i2′=CD_i′/2，此时，本具体实施方式实质上与第一具体实施方式相同。

本具体实施方式提供的光刻胶形貌表征方法中，所需的各种测量均为自上而下俯视进行的线宽测量，在表征过程中无需对待测晶圆进行切片，不进行断面扫描，能够实现对光刻胶侧壁形貌的精准表征、且不带来任何不可恢复性损伤，同时，根据上述具体描述及对表征原理的分析可知，除对光刻胶侧壁形貌进行表征外，本方法还可辅助对光刻胶厚度均匀性的测试和验证，并对光刻胶表面质量及显影后曝光区域表面质量做出一定程度的反应，不仅可用于对光刻胶工艺能力的改善、验证，还适用于生产工艺过程中的质量控制，能够进一步保证光刻质量，有效提高器件集成度及工业成品率。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光刻胶形貌表征方法，其特征在于，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的拐点，并根据所述拐点将光刻胶侧壁划分为若干区间，通过测量每一区间顶部线宽、底部线宽及区间深度，计算得到该区间侧壁倾角，拟合各所述区间的侧壁倾角、区间深度得到所述光刻胶侧壁形貌。

2.根据权利要求1所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、采用线宽扫描电子显微镜测量光刻胶曝光区域线宽；

B、根据线宽扫描电子显微镜的测量波形，测定光刻胶曝光区域侧壁斜率变化的n个拐点，并根据所述拐点，将所述光刻胶侧壁划分为n+1个区间，其中，n≥0且n为整数；

C、测量第i区间的底部线宽CD_i及顶部线宽CD_i′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的侧壁倾角                                                

，其中， 1≤i≤n+1且i为整数；

D、拟合所述n+1个区间的侧壁倾角及区间深度，所述光刻胶侧壁形貌为：

，其中： X为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y为沿所述区间深度方向坐标。

3.根据权利要求2所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述步骤C进一步包括：

C1、根据光刻胶曝光区域特征尺寸W在距离光刻胶边缘W/2处标记平行于光刻胶边缘的基准线；

C2、测量第i区间的底部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1、CDW_i2及顶部光刻胶两侧壁边缘至基准线处线宽CDW_i1′、CDW_i2′，并根据所述线宽扫描电子显微镜的测量波形，读取第i区间的区间深度D_i，计算得到第i区间的光刻胶第一侧壁倾角

，第二侧壁倾角

，其中， 1≤i≤n+1且i为整数；

此时，步骤D中：

所述光刻胶第一侧壁形貌为：

；

所述光刻胶第二侧壁形貌为：

，

其中：X₁、X₂均为沿所述光刻胶曝光区域线宽方向坐标，Y₁、Y₂均为沿所述区间深度方向坐标。

4.根据权利要求2或3所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述线宽扫描电子显微镜采用阈值测量法或线性测量法进行线宽测量。

5.根据权利要求2或3所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述光刻胶曝光区域线宽测量范围大于所述光刻胶曝光区域特征尺寸W。

6.根据权利要求5所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述光刻胶曝光区域线宽测量范围为10nm~100μm。

7.根据权利要求2或3所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，采用光学线宽测量仪或线宽扫描电子显微镜测量所述光刻胶侧壁各区间底部线宽及顶部线宽。

8.根据权利要求2或3所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述光刻胶侧壁为底部线宽小于顶部线宽的倒梯形或底部线宽大于顶部线宽的正梯形。

9.根据权利要求1或2或3所述的光刻胶形貌表征方法，其特征在于，所述光刻胶为正性光刻胶。

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