專利名稱：控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于半導(dǎo)體裝置的制程，特別是有關(guān)于半導(dǎo)體裝置的柵極形成控制。
背景技術(shù)：
目前關(guān)于超大規(guī)模集成電路(ultra-scale integratedcircuits)的高密度及高效能的需求，是需要次微米元件、增加的晶體管及電路速度、以及改善的可靠度。這些需求需要具有高精密度及一致性的裝置元件的形成。當(dāng)這些裝置元件仍然處于半導(dǎo)體晶圓的形式時(shí)，接著則需要精心的制程監(jiān)控，包括裝置的頻率以及詳細(xì)的檢驗(yàn)。
當(dāng)設(shè)計(jì)規(guī)則縮減且制程窗口(例如在制程中誤差的限度)變?yōu)檩^小時(shí)，表面元件的關(guān)鍵尺寸(Critical Dimension，CD)的檢驗(yàn)及測(cè)定和其橫切面形狀(輪廓)變成越來(lái)越重要。其中，表面元件的關(guān)鍵尺寸定義為一條導(dǎo)線的最小寬度或介于裝置制造中所容許的兩條線間的最小空間。元件關(guān)鍵尺寸與輪廓相對(duì)于計(jì)劃尺寸的偏離誤差，對(duì)完成的半導(dǎo)體裝置的效能會(huì)有不良的影響。此外，元件關(guān)鍵尺寸與輪廓的測(cè)定會(huì)指出制程錯(cuò)誤，例如因?yàn)檫^(guò)渡曝光所造成的步進(jìn)散焦(stepper defocusing)或光致抗蝕劑喪失。
因此，關(guān)鍵尺寸及輪廓值，特別是柵極長(zhǎng)度及柵極輪廓以及根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸而產(chǎn)生的變化，皆是關(guān)于光致抗蝕劑及蝕刻程序的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。大多的現(xiàn)有技術(shù)努力集中于關(guān)鍵尺寸，而少數(shù)則著重于柵極輪廓控制。MOS裝置驅(qū)動(dòng)電流對(duì)于柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓具有高敏感度，因此，控制柵極形成的穩(wěn)定性提供了整體晶片效能的改善。
雖然可利用配備來(lái)測(cè)定裝置柵極關(guān)鍵尺寸以及輪廓，此裝置一般無(wú)法提供立即的回應(yīng)給光刻法制程，以減少變化，且傳統(tǒng)的檢驗(yàn)結(jié)果一般不會(huì)使用來(lái)調(diào)整接下來(lái)的蝕刻程序。此外，由于制程變化，柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓會(huì)被設(shè)計(jì)者不知的因素所影響，使得很難去獲得制程控制的完整設(shè)定。
因此，在此領(lǐng)域中，對(duì)于柵極形成控制，需要一種簡(jiǎn)單且有經(jīng)濟(jì)效益的方法及系統(tǒng)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)量上不會(huì)有顯著的減少。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一觀點(diǎn)，在隔離結(jié)構(gòu)的階差高度與柵極輪廓間具有關(guān)連性。調(diào)整蝕刻設(shè)定，例如過(guò)蝕刻時(shí)間，可控制柵極輪廓。因此，通過(guò)測(cè)定階差高度以及決定適合的蝕刻設(shè)定，可達(dá)到所期望的柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓。控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法包括決定在階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性，測(cè)定隔離結(jié)構(gòu)(例如淺溝隔離)的階差高度，根據(jù)階差高度來(lái)決定過(guò)蝕刻時(shí)間，以及使用過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)蝕刻?hào)艠O。此方法更包括顯影后檢視步驟，以測(cè)定柵極輪廓并微調(diào)柵極形成控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一觀點(diǎn)，本發(fā)明包括將隔離結(jié)構(gòu)的階差高度提供給掩膜層的形成，其中，掩膜層是用來(lái)蝕刻及過(guò)蝕刻?hào)艠O。掩膜層包括光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜。理想的調(diào)修時(shí)間的決定，可使用在ADI步驟所測(cè)定的光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜的關(guān)鍵尺寸及輪廓以及STI階差高度。
根據(jù)本發(fā)明的另一觀點(diǎn)，本發(fā)明包括控制柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓的晶圓內(nèi)非一致性。通過(guò)測(cè)定階差高度的非一致性，之后的制程可以被調(diào)整以補(bǔ)償非一致性的影響，使得整個(gè)晶圓的柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓更加一致。光致抗蝕劑及柵極的非一致性數(shù)據(jù)也可分別通過(guò)執(zhí)行顯影后檢視(ADI)及蝕刻后檢視(AEI)而獲得，蝕刻程序可因此而調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明的另一觀點(diǎn)，柵極控制系統(tǒng)包括裝置尺寸量測(cè)系統(tǒng)、決定系統(tǒng)以及用來(lái)形成柵極的蝕刻系統(tǒng)。裝置尺寸量測(cè)系統(tǒng)測(cè)定尺寸，例如隔離結(jié)構(gòu)的階差高度，以及掩膜層(光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及輪廓。測(cè)定到的數(shù)據(jù)接著提供至決定單元，以調(diào)整蝕刻時(shí)間、過(guò)蝕刻時(shí)間、以及調(diào)修時(shí)間。晶圓內(nèi)非一致性可以提供至決定單元，以調(diào)整蝕刻程序。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，包括測(cè)定在一晶圓上一隔離結(jié)構(gòu)的一階差高度(step height)；使用階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的一預(yù)設(shè)關(guān)連性來(lái)決定一過(guò)蝕刻時(shí)間，以完成一期望柵極輪廓；以及使用決定的該過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該晶圓上蝕刻一柵極。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，推斷階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的該預(yù)設(shè)關(guān)連性，包括測(cè)定在一第一晶圓上一第一隔離結(jié)構(gòu)的一第一階差高度；使用一第一過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該第一晶圓上蝕刻一第一柵極；測(cè)定該第一柵極的一第一柵極輪廓；測(cè)定在一第二晶圓上一第二隔離結(jié)構(gòu)的一第二階差高度；使用一第二過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該第二晶圓上蝕刻一第二柵極；測(cè)定該第二柵極的一第二柵極輪廓；使用該第一柵極輪廓，該第二柵極輪廓，該第一階差高度，以及該第二階差高度來(lái)決定柵極輪廓與階差高度間的關(guān)連性；以及使用該第一柵極輪廓，該第二柵極輪廓，該第一過(guò)蝕刻時(shí)間，以及該第二過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)決定柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，更包括使用柵極輪廓與階差高度間的關(guān)連性以及使用柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性來(lái)決定階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的該預(yù)設(shè)關(guān)連性。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，該隔離結(jié)構(gòu)為淺溝道隔離。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，該柵極包括多晶硅。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，測(cè)定該階差高度的步驟是以光譜關(guān)鍵尺寸設(shè)備來(lái)執(zhí)行。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括在蝕刻該柵極后，測(cè)定該柵極的一輪廓；以及在決定該過(guò)蝕刻時(shí)間的步驟中，使用該柵極輪廓。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其中，測(cè)定該過(guò)蝕刻時(shí)間是根據(jù)該柵極輪廓自一期望柵極輪廓間的偏離而動(dòng)態(tài)地調(diào)整。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括測(cè)定一調(diào)修時(shí)間(trimming time)，以使用該階差高度而形成一掩膜層。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括執(zhí)行該掩膜層的一顯影后檢視(After Development Inspection，ADI)以測(cè)定該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓；以及在決定該調(diào)修時(shí)間的步驟中，使用該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括測(cè)定在該晶圓上一相異位置的一額外隔離結(jié)構(gòu)的一額外階差高度，以決判斷一非一致性；以及根據(jù)該非一致性來(lái)決定一氣體注入模式。
一種控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，包括測(cè)定在多個(gè)晶圓上多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)的多個(gè)階差高度(step height)；在該等晶圓上過(guò)蝕刻多個(gè)柵極，并記錄各自的過(guò)蝕刻時(shí)間；測(cè)定該等柵極的各自柵極輪廓；使用該等階差高度，該等過(guò)蝕刻時(shí)間，以及該等柵極輪廓，來(lái)決定階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的一關(guān)連性；測(cè)定一半導(dǎo)體裝置的一目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度；根據(jù)該目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度與該關(guān)連性來(lái)決定一過(guò)蝕刻時(shí)間；以及使用決定的該過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)過(guò)蝕刻該半導(dǎo)體裝置的一目標(biāo)柵極。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括在蝕刻該目標(biāo)柵極后測(cè)定該目標(biāo)柵極的輪廓；以及回傳該目標(biāo)柵極的輪廓，至決定該過(guò)蝕刻時(shí)間的步驟。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法更包括使用該目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度來(lái)決定一掩膜層的一調(diào)修時(shí)間(trimming time)，其中，該掩膜層是使用來(lái)過(guò)蝕刻該半導(dǎo)體裝置的該目標(biāo)柵極。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，更包括執(zhí)行該掩膜層的一顯影后檢視(After Development Inspection，ADI)以測(cè)定該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓；以及回傳該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓至決定該調(diào)修時(shí)間的步驟以過(guò)蝕刻下一半導(dǎo)體裝置的目標(biāo)柵極。
本發(fā)明所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，在此領(lǐng)域中，對(duì)于柵極形成控制，提供了一種簡(jiǎn)單且有經(jīng)濟(jì)效益的方法及系統(tǒng)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)量上不會(huì)有顯著的減少。


圖1、圖2、圖3A至圖3C、以及圖4表示一般MOS晶體管制造中，中間部分的剖面圖；圖5A至圖5C表示一般柵極輪廓；圖6表示柵極輪廓作為過(guò)蝕刻時(shí)間的函數(shù)；圖7表示柵極輪廓作為階差高度的函數(shù)；圖8說(shuō)明柵極形成控制系統(tǒng)的流程圖；圖9表示晶圓內(nèi)非一致性的示意圖；
圖10A及圖10B說(shuō)明使用可協(xié)調(diào)氣體注入而改善晶圓內(nèi)非一致性的方法。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說(shuō)明如下。
圖1、圖2、圖3A至圖3C、以及圖4表示一般MOS裝置以及其形成，包括淺溝道隔離(Shallow Trench Isolation，STI)6的形成。掩膜層4形成在主動(dòng)區(qū)2上。在提供的實(shí)施例中，掩膜層4使用低壓化學(xué)氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)而以氮化硅(silicon nitride)形成。在其他實(shí)施例中，掩膜層4以硅的熱氧氮化(thermal nitridation)、等離子輔助化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、或是使用氮-氫的等離子陽(yáng)極氮化(plasmaa nodicnitridation)來(lái)形成。溝道3是透過(guò)掩膜層4或氮化硅4非等向性地蝕刻進(jìn)入主動(dòng)區(qū)2而成的。最好以高密度等離子(High-DensityPlasma，HDP)來(lái)填滿溝道(trench)3，且填充材料最好為氧化硅，也可使用其他的材料，例如以氮氧化硅(Silicon Oxynitride)作為填充材料。執(zhí)行化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Polish，CMP)來(lái)移除過(guò)多的HDP材料，且形成了圖2的結(jié)構(gòu)。HDP材料的剩余部分形成STI6，且接著移除掩膜層4。
STI 6上表面與其相鄰主動(dòng)區(qū)2上表面間的高度差定義為STI6的階差高度(step height)H。由于設(shè)計(jì)考量以及制程變化，STI6的階差高度H使所有晶圓偏移，甚至是使所有晶片偏移。階差高度H可能具有正值，其指示STI 6高于主動(dòng)區(qū)2，或是具有負(fù)值，其指示STI 6低于主動(dòng)區(qū)2。
接著形成柵極介電層8以及柵極層10，如圖3A至圖3C所示。圖3A是表示在主動(dòng)區(qū)2上形成柵極介電層8，接著形成柵極層10。硬質(zhì)掩膜層11形成在柵極層8上面，且接著光致抗蝕劑層覆蓋在硬質(zhì)掩膜層上面。硬質(zhì)掩膜層與光致抗蝕劑層接著被圖案化以分別形成硬質(zhì)掩膜11以及光致抗蝕劑13。在圖3B中，硬質(zhì)掩膜11及光致抗蝕劑13由上方以及側(cè)邊修整，且剩余部分的尺寸則根據(jù)調(diào)修時(shí)間(trimming time)而決定，即AEI CD＝ADI CD-調(diào)修速率(trimming rate)×調(diào)修時(shí)間(trimming time)。柵極介電層8及柵極層10接著被圖案化以分別形成柵極介質(zhì)8以及柵極10，如圖3C所示。柵極介質(zhì)8可包括SiO2、含氧的氮化物(oxynitride)、氮化物(nitride)、以及高介電系數(shù)(high-k)材料。雖然可以金屬或是介電質(zhì)/金屬/半導(dǎo)體的化合物來(lái)形成，但柵極10以多晶硅為較佳?？蓤?zhí)行過(guò)蝕刻(over-etching)以形成柵極輪廓。在說(shuō)明中所提及的過(guò)蝕刻可能是在蝕刻后的隔離程序步驟，或是蝕刻的合并部分以形成柵極。在硬質(zhì)掩膜11及光致抗蝕劑13的移除后，間隙層12以及源/漏極層14接著形成。這些元件的形成在此領(lǐng)域中是已知的，因此不需重復(fù)說(shuō)明。圖4則表示產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。
圖5A至圖5C說(shuō)明具有相異輪廓的三個(gè)柵極。圖5A表示具有立足處的柵極輪廓，其中，柵極10的底部19寬度大于頂部17寬度。圖5B表示標(biāo)準(zhǔn)柵極輪廓，其中，柵極10的底部19寬度與頂部17寬度實(shí)質(zhì)上相等。圖5C表示縮小立足處的柵極輪廓，其中，柵極10的底部19窄于頂部17。圖5B所表示的標(biāo)準(zhǔn)輪廓是最典型的。
已知蝕刻設(shè)定會(huì)影響柵極輪廓。尤其是，已知在柵極過(guò)蝕刻時(shí)間與柵極輪廓間具有關(guān)連性。圖6說(shuō)明柵極輪廓例子，作為過(guò)蝕刻時(shí)間的函數(shù)。參閱圖5A至圖5C，典型的多柵極包括立足部19以及頂部17。頂部17的中間部分具有中間關(guān)鍵尺寸(Middle CriticalDimension，MCD)的寬度，且立足部19的底部具有底部關(guān)鍵尺寸(Bottom Middle Critical Dimension，BCD)的寬度?；貋?lái)參閱圖6，Y軸表示量化的柵極輪廓，其等于(BCD-MCD)/2，然而，柵極輪廓可使用(BCD-MCD)做不同地定義。X軸以秒(S)來(lái)表示過(guò)蝕刻時(shí)間。一個(gè)正的柵極輪廓值指示如圖5A的立足輪廓。一個(gè)負(fù)的柵極輪廓值指示如圖5C的縮小輪廓。當(dāng)柵極輪廓值為零時(shí)，則指示如圖5B的標(biāo)準(zhǔn)輪廓。
柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間的關(guān)系由線條221表示。其表示，假使使用較少的過(guò)蝕刻時(shí)間，則柵極輪廓具有立足處效應(yīng)(footingeffect)。當(dāng)過(guò)蝕刻時(shí)間增加，底部寬度W會(huì)減少。假使更增加過(guò)蝕刻時(shí)間，柵極輪廓減少。在圖6所示的例子中，在柵極底部的每一側(cè)上的寬度W減少量實(shí)質(zhì)上與過(guò)蝕刻時(shí)間成比例。線條221獲得自具有相同階差高度H的多個(gè)樣本裝置。假使測(cè)量具有相異階差高度的樣本裝置，則可繪出更多條線。假使測(cè)量具有高于H的階差高度的樣本裝置時(shí)，則可獲得在線條221上方的線條222。相反地，假使測(cè)量具有低于H的階差高度的樣本裝置時(shí)，則可獲得在線條221下方的線條223。根據(jù)圖6及圖7的記載，具有多晶硅柵極的一些樣本裝置顯示出每增加10秒過(guò)蝕刻時(shí)間，在每一側(cè)的底部寬度W則減少0.25nm。這里需注意，在圖6中的例子里，X軸是表示過(guò)蝕刻時(shí)間，其是高于基本蝕刻時(shí)間的蝕刻時(shí)間，其中，基本蝕刻時(shí)間可以由設(shè)計(jì)者定義。然而，可為了相關(guān)性而使用總蝕刻時(shí)間。
這里也可得知，在STI 6的階差高度與柵極輪廓間的相關(guān)性。圖7說(shuō)明柵極輪廓例子，作為STI階差高度的函數(shù)。X軸表示以埃()表示階差高度，且Y軸表示柵極輪廓。柵極輪廓與階差高度間的關(guān)系以線條241至243來(lái)表示，其指示出當(dāng)STI的階差高度增加時(shí)，柵極輪廓值則增加。線條241是獲自于以相同過(guò)蝕刻時(shí)間T而形成的樣本裝置。假使利用不同的過(guò)蝕刻時(shí)間，可繪出更多線條。假使使用少于T的過(guò)蝕刻時(shí)間，將獲得線條241上方的線條242，相反地，假使使用多于T的過(guò)蝕刻時(shí)間，將獲得線條241下方的線條243。對(duì)于圖7的樣本裝置，在柵極底部的每一側(cè)寬度W實(shí)質(zhì)上與STI的階差高度成比例。具有多晶硅柵極的樣本裝置已表示出，根據(jù)圖6及圖7的記載，當(dāng)STI的階差高度增加大約100時(shí)，柵極底部的寬度W則增加1.5nm。
在圖6及圖7中，是以圖表方式來(lái)表現(xiàn)關(guān)連性。此關(guān)連性也可以其他方式來(lái)表現(xiàn)，例如查表及方程式。此關(guān)連性最好是使用一組樣本裝置來(lái)預(yù)先估測(cè)且取得。通過(guò)測(cè)量STI 6的階差高度，則可決定柵極輪廓。假使決定的輪廓偏離標(biāo)準(zhǔn)輪廓或期望的輪廓，則可調(diào)整過(guò)蝕刻時(shí)間以校正此偏離。舉例來(lái)說(shuō)，假使在晶圓上的STI具有400階差高度，則可自圖7中判定對(duì)應(yīng)的柵極輪廓將大約為3，此是表示柵極的底部將具有較大的寬度。由圖6可知，3的柵極輪廓對(duì)應(yīng)大約50秒的過(guò)蝕刻時(shí)間，且0的柵極輪廓對(duì)應(yīng)大約75秒的過(guò)蝕刻時(shí)間。因此，多出的25秒過(guò)蝕刻時(shí)間可以校正柵極輪廓回標(biāo)準(zhǔn)輪廓。另外，Poly bias＝Poly AEI CD-Poly ADI CD。
圖8是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的概要流程圖。柵極形成由柵極形成控制系統(tǒng)所控制，柵極形成控制系統(tǒng)包括三個(gè)次系統(tǒng)，有裝置尺寸量測(cè)系統(tǒng)、決定系統(tǒng)以及蝕刻系統(tǒng)。簡(jiǎn)單地介紹圖8中每一方塊的功能，而詳細(xì)的說(shuō)明在接下來(lái)的段落中。在形成STI的CMP程序(步驟26)后，測(cè)量STI的階差高度，如步驟28所示。執(zhí)行柵極光刻，如步驟30所示，以形成掩膜層來(lái)圖案化柵極。柵極接著被蝕刻/過(guò)蝕刻。執(zhí)行顯影后檢視(After DevelopmentInspection，ADI)如步驟33所示，以測(cè)定掩膜層的尺寸，例如光致抗蝕劑及硬質(zhì)掩膜。根據(jù)箭頭36，在步驟28中所獲得的階差高度數(shù)據(jù)提供至柵極蝕刻步驟32，以決定蝕刻設(shè)定，例如過(guò)蝕刻時(shí)間(或蝕刻時(shí)間)。接著執(zhí)行蝕刻后檢視(After EtchingInspection，AEI)如步驟34所示，以測(cè)定柵極關(guān)鍵尺寸以及柵極輪廓。在AEI程序所獲得的柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓值也可回送以微調(diào)柵極形成控制系統(tǒng)，如箭頭38所示。柵極控制系統(tǒng)更可通過(guò)更改調(diào)修時(shí)間而做微調(diào)，以形成光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜。光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜也歸于掩膜層。同樣地，階差高度數(shù)據(jù)可向前傳送，如箭頭44所示，且ADI數(shù)據(jù)可向后傳送，如箭頭48所示，以決定調(diào)修時(shí)間。這里需注意，當(dāng)涉及向后傳送時(shí)，過(guò)蝕刻時(shí)間或調(diào)修時(shí)間將會(huì)影響隨后的晶圓，而當(dāng)涉及向前傳送時(shí)，現(xiàn)在制程的晶圓及隨后的晶圓皆會(huì)被影響。
在步驟28中，階差高度可利用例如為光譜關(guān)鍵尺寸(SpectraCritical Dimension，SCD)設(shè)備的器材來(lái)測(cè)量，例如KLA所制造的FX-100。SCD設(shè)備一般使用在裝置尺寸測(cè)定系統(tǒng)。此設(shè)備可以測(cè)定在晶圓的階差高度而不需破壞晶圓。階差高度被儲(chǔ)存、擷取、以及傳送至蝕刻系統(tǒng)。其他器材，例如光學(xué)關(guān)鍵尺寸(OpticalCritical Dimension，OCD)、原子力顯微術(shù)(Atomic ForceMicroscopy，AFM)、及關(guān)鍵尺寸-原子力顯微術(shù)(CriticalDimension-Atomic Force Microscopy，CD-AFM)，也可使用來(lái)測(cè)定階差高度。類似的器材也可使用在ADI及AEI。決定單元使用階差高度數(shù)據(jù)、ADI數(shù)據(jù)、以及AEI數(shù)據(jù)來(lái)決定過(guò)蝕刻時(shí)間及調(diào)修時(shí)間。在一實(shí)施例中，決定單元可與柵極蝕刻設(shè)備合并。在其他實(shí)施例中，決定單元是單獨(dú)的單元。柵極蝕刻步驟32可以一些設(shè)備來(lái)執(zhí)行，例如制造操作系統(tǒng)、度量工具、或進(jìn)階制程程序控制(Advanced Process Control，APC)系統(tǒng)。
在提出的實(shí)施例中，步驟28在步驟30及33前執(zhí)行，如圖8所示。在其他實(shí)施例中，步驟28可合并于步驟32中。這是因?yàn)镾CD設(shè)備能透過(guò)柵極多晶薄膜及光致抗蝕劑/掩膜層來(lái)測(cè)量STI階差高度，因此階差高度可測(cè)定于光致抗蝕劑/掩膜層形成后，更好是在與柵極蝕刻的相同環(huán)境下。測(cè)定獲得的STI階差高度接著立刻使用于柵極蝕刻。
關(guān)鍵尺寸(一般測(cè)定于柵極的中間高度)以及光致抗蝕劑和硬質(zhì)掩膜的輪廓影響柵極關(guān)鍵尺寸及柵極輪廓。光致抗蝕劑輪廓對(duì)柵極關(guān)鍵尺寸的影響的測(cè)量，也可通過(guò)測(cè)定光致抗蝕劑輪廓(當(dāng)階差高度固定時(shí))且接著測(cè)定在蝕刻后各自柵極的關(guān)鍵尺寸。光致抗蝕劑輪廓與柵極關(guān)鍵尺寸間的關(guān)連性可被推斷。通過(guò)使用此關(guān)連性，柵極調(diào)修時(shí)間更可被調(diào)整，且提供給下一個(gè)晶圓的蝕刻。因此，通過(guò)調(diào)整光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜的關(guān)鍵尺寸及輪廓，可補(bǔ)償STI階差高度的影響，如圖8中箭頭36所示。
在光致抗蝕劑及硬質(zhì)掩膜被蝕刻時(shí)，光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜的關(guān)鍵尺寸部分由調(diào)修時(shí)間來(lái)決定。不同的系數(shù)可使用來(lái)決定理想的調(diào)修時(shí)間，且系數(shù)包括在ADI步驟所測(cè)定的光致抗蝕劑及/或硬質(zhì)掩膜的關(guān)鍵尺寸及輪廓、STI階差高度等等。決定理想調(diào)修時(shí)間的流程如下最初，測(cè)定的調(diào)修時(shí)間提供至光顯影系統(tǒng)，此決定系統(tǒng)接著動(dòng)態(tài)地調(diào)整調(diào)修時(shí)間。當(dāng)決定了調(diào)修時(shí)間，決定系統(tǒng)考慮光致抗蝕劑(及/或硬質(zhì)掩膜)關(guān)鍵尺寸及輪廓，如圖8的箭頭48所示。假使在ADI所測(cè)定的光致抗蝕劑關(guān)鍵尺寸大于期望值，調(diào)修時(shí)間則增加。相反地，假使在ADI所測(cè)定的光致抗蝕劑關(guān)鍵尺寸小于期望值，調(diào)修時(shí)間則減少。
決定單元也考慮STI高度。如上所述，當(dāng)過(guò)蝕刻時(shí)間增加時(shí)，柵極的所有部分則被蝕刻，其中，柵極底部的蝕刻多余頂部。柵極關(guān)鍵尺寸(通常測(cè)定于柵極中間高度)因此變?yōu)檩^小。因此，調(diào)修時(shí)間及過(guò)蝕刻時(shí)間影響柵極關(guān)鍵尺寸，且當(dāng)計(jì)算調(diào)修時(shí)間時(shí)，決定單元以考慮過(guò)蝕刻時(shí)間為較佳。舉例來(lái)說(shuō)，假使STI高度增加而超過(guò)先前的晶圓，則需要更多的過(guò)蝕刻時(shí)間，其造成柵極關(guān)鍵尺寸變?yōu)楦。虼藢⑹褂幂^少的調(diào)修時(shí)間，使得光致抗蝕劑關(guān)鍵尺寸變?yōu)檩^大。較大的光致抗蝕劑關(guān)鍵尺寸將增加?xùn)艠O關(guān)鍵尺寸，使得較大的STI高度的影響可被補(bǔ)償。
箭頭38是表示使用透過(guò)AEI，如步驟34所示，而獲得的柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓，而進(jìn)行的柵極形成控制系統(tǒng)的微調(diào)。假使在AEI步驟34中測(cè)定的柵極關(guān)鍵尺寸及輪廓偏離期望值，偏離誤差可被使用來(lái)調(diào)整過(guò)蝕刻時(shí)間的決定。雖然在提出的實(shí)施例中，在STI階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性一般可預(yù)先測(cè)定及推斷，此關(guān)連性可通過(guò)使用在步驟28、32、及34中所獲得的數(shù)據(jù)而動(dòng)態(tài)地推斷。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)制造具有階差高度H1的第一晶圓時(shí)，使用內(nèi)定過(guò)蝕刻時(shí)間T1。在AEI步驟34中，通過(guò)測(cè)定第一晶圓而獲得柵極輪廓G1。T1及G1形成在圖6中的一個(gè)點(diǎn)，且T1及H1形成在圖7中的一個(gè)點(diǎn)。假使G1為正的，當(dāng)制程具有相同階差高度H1的第二晶圓時(shí)，則使用小于T1的過(guò)蝕刻時(shí)間T2；否則，則使用大于T1的過(guò)蝕刻時(shí)間T2。在測(cè)定適當(dāng)數(shù)量的樣本后，則可決定柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性以及STI階差高度，分別如圖6及圖7所示，且關(guān)連性可使用于下一裝置形成。本發(fā)明實(shí)施例的另一優(yōu)點(diǎn)是，其他因素所造成的柵極輪廓誤差也可由AEI微調(diào)來(lái)校正，即使這些因素的結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)者所未知的，而提供這些因素的影響不是隨意的且是持續(xù)于所有晶圓。
之前所敘述的實(shí)施例是把目標(biāo)放在整體晶圓制程變化的問(wèn)題。其他變化可能造成在晶圓內(nèi)的非一致性。圖9說(shuō)明晶圓52的示意圖，其中，STI階差高度具有晶圓內(nèi)(WithIn-Wafer，WIW)非一致性。在一般情況下，由晶圓52的中心到外側(cè)邊緣，離中心有相同距離的晶片具有相近的STI階差高度。因此環(huán)形，例如r1、r2、及r3，可被使用來(lái)表示不同的STI階差高度。舉例來(lái)說(shuō)，在r1的晶片的階差高度大于在r2的晶片，且在r2的晶片的階差高度大于在r3的晶片。STI階差高度的WIW非一致性將造成柵極關(guān)鍵尺寸與柵極輪廓的WIW非一致性。較佳的是，也可使用測(cè)量STI階差高度的相似設(shè)備來(lái)測(cè)定WIW非一致性，例如，SCD設(shè)備等等。
圖10A及圖10B表示使用可協(xié)調(diào)氣體注入(Gas Injection)來(lái)改善WIW非一致性的方法。對(duì)于干式蝕刻而言，蝕刻氣體的流動(dòng)影響了蝕刻速度。由于蝕刻氣體一般是對(duì)稱地注入反應(yīng)槽，因此在晶圓的蝕刻速度也會(huì)以類似環(huán)形架構(gòu)來(lái)表示，如圖9所示，每一環(huán)形具有相似的蝕刻速度。蝕刻氣體可在中央模式或邊緣模式下注入至反應(yīng)槽。在中央模式下，如圖10A所示，氣體主要從中央點(diǎn)注入至反應(yīng)槽，最好是朝向晶圓中央。因此，接近及/或面向中央的晶片將具較大的蝕刻速度，而其他晶片則具有較小的蝕刻速度。在邊緣模式下，如圖10B所示，氣體由較多遠(yuǎn)離中央而分散的位置注入至反應(yīng)槽。當(dāng)由中央模式切換至邊緣模式時(shí)，在晶片中央的蝕刻速度減少，而在晶片邊緣的蝕刻速度增加。
因此，假使ADI步驟顯示出存在STI階差高度的WIW非一致性時(shí)，則最好使用可協(xié)調(diào)氣體注入。在提出的實(shí)施例中，根據(jù)在中央及在邊緣的STI階差高度的差異，則采用適當(dāng)?shù)淖⑷肽Ｊ剑梢允侵醒肽Ｊ交蜻吘壞Ｊ?。在較佳實(shí)施例中，可以使用中央模式或邊緣模式的結(jié)合，其是表示由中央及分散位置同時(shí)注入蝕刻氣體。舉例來(lái)說(shuō)，假使在中央的STI高度大于邊緣，在中央的輪廓將具有比邊緣還大的立足處效應(yīng)(footing effect)，則提出更集中的氣體注入。此將造成在晶圓中央的柵極立足處效應(yīng)的減少量大于在邊緣的柵極立足處效應(yīng)的減少量，因此形成具有更一致的柵極輪廓的晶圓。相反地，假使在中央的STI階差高度低于在邊緣的階差高度，則采用邊緣模式。此可協(xié)調(diào)氣體注入可使用于光致抗蝕劑顯影及柵極蝕刻。
可以了解的是，雖然在本發(fā)明敘述中是使用多晶硅柵極，本發(fā)明的方法及系統(tǒng)可容易地應(yīng)用在具有其他材質(zhì)的柵極的輪廓控制。此外，在柵極輪廓與各自的STI階差高度間的關(guān)連性以及過(guò)蝕刻時(shí)間是示范性的數(shù)據(jù)，因此可根據(jù)不同的制程及材料而做變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以透過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得這些材質(zhì)與STI階差高度之間的關(guān)連性，以制作對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)相關(guān)性以及提供數(shù)據(jù)至柵極形成控制系統(tǒng)。
雖然本發(fā)明已通過(guò)較佳實(shí)施例說(shuō)明如上，但該較佳實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)有能力對(duì)該較佳實(shí)施例做出各種更改和補(bǔ)充，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)的范圍為準(zhǔn)。
附圖中符號(hào)的簡(jiǎn)單說(shuō)明如下2主動(dòng)區(qū)3溝道4掩膜層6淺溝道隔離8柵極介電層10柵極層11硬質(zhì)掩膜13光致抗蝕劑14源/漏極層17頂部19底部52晶圓r1、r2、r3環(huán)形
權(quán)利要求
1.一種控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，該控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法包括測(cè)定在一晶圓上一隔離結(jié)構(gòu)的一階差高度；使用階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的一預(yù)設(shè)關(guān)連性來(lái)決定一過(guò)蝕刻時(shí)間，以完成一期望柵極輪廓；以及使用決定的該過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該晶圓上蝕刻一柵極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，推斷階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的該預(yù)設(shè)關(guān)連性，包括測(cè)定在一第一晶圓上一第一隔離結(jié)構(gòu)的一第一階差高度；使用一第一過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該第一晶圓上蝕刻一第一柵極；測(cè)定該第一柵極的一第一柵極輪廓；測(cè)定在一第二晶圓上一第二隔離結(jié)構(gòu)的一第二階差高度；使用一第二過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)在該第二晶圓上蝕刻一第二柵極；測(cè)定該第二柵極的一第二柵極輪廓；使用該第一柵極輪廓、該第二柵極輪廓、該第一階差高度、以及該第二階差高度來(lái)決定柵極輪廓與階差高度間的關(guān)連性；以及使用該第一柵極輪廓、該第二柵極輪廓、該第一過(guò)蝕刻時(shí)間，以及該第二過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)決定柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括使用柵極輪廓與階差高度間的關(guān)連性以及使用柵極輪廓與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性來(lái)決定階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的該預(yù)設(shè)關(guān)連性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，該隔離結(jié)構(gòu)為淺溝道隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，該柵極包括多晶硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，測(cè)定該階差高度的步驟是以光譜關(guān)鍵尺寸設(shè)備來(lái)執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括在蝕刻該柵極后，測(cè)定該柵極的一輪廓；以及在決定該過(guò)蝕刻時(shí)間的步驟中，使用該柵極輪廓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，測(cè)定該過(guò)蝕刻時(shí)間是根據(jù)該柵極輪廓自一期望柵極輪廓間的偏離而動(dòng)態(tài)地調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括測(cè)定一調(diào)修時(shí)間，以使用該階差高度而形成一掩膜層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括執(zhí)行該掩膜層的一顯影后檢視以測(cè)定該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓；以及在決定該調(diào)修時(shí)間的步驟中，使用該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括測(cè)定在該晶圓上一相異位置的一額外隔離結(jié)構(gòu)的一額外階差高度，以決定一非一致性；以及根據(jù)該非一致性來(lái)決定一氣體注入模式。
12.一種控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，該控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法包括測(cè)定在多個(gè)晶圓上多個(gè)隔離結(jié)構(gòu)的多個(gè)階差高度；在該晶圓上過(guò)蝕刻多個(gè)柵極，并記錄各自的過(guò)蝕刻時(shí)間；測(cè)定該柵極的各自柵極輪廓；使用該階差高度、該過(guò)蝕刻時(shí)間、以及該柵極輪廓，來(lái)決定階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的一關(guān)連性；測(cè)定一半導(dǎo)體裝置的一目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度；根據(jù)該目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度與該關(guān)連性來(lái)決定一過(guò)蝕刻時(shí)間；以及使用決定的該過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)過(guò)蝕刻該半導(dǎo)體裝置的一目標(biāo)柵極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括在蝕刻該目標(biāo)柵極后測(cè)定該目標(biāo)柵極的輪廓；以及回傳該目標(biāo)柵極的輪廓，至決定該過(guò)蝕刻時(shí)間的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括使用該目標(biāo)隔離結(jié)構(gòu)的階差高度來(lái)決定一掩膜層的一調(diào)修時(shí)間，其中，該掩膜層是使用來(lái)過(guò)蝕刻該半導(dǎo)體裝置的該目標(biāo)柵極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，其特征在于，更包括執(zhí)行該掩膜層的一顯影后檢視以測(cè)定該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓；以及回傳該掩膜層關(guān)鍵尺寸及輪廓至決定該調(diào)修時(shí)間的步驟以過(guò)蝕刻下一半導(dǎo)體裝置的目標(biāo)柵極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，包括測(cè)定在晶圓上隔離結(jié)構(gòu)的階差高度；使用階差高度來(lái)決定階差高度與過(guò)蝕刻時(shí)間之間的關(guān)連性；根據(jù)階差高度來(lái)決定過(guò)蝕刻時(shí)間；以及用過(guò)蝕刻時(shí)間來(lái)蝕刻?hào)艠O。此方法更包括顯影后檢視步驟，以測(cè)定柵極輪廓并微調(diào)柵極形成控制。晶圓內(nèi)非一致性可通過(guò)測(cè)定晶圓上階差高度非一致性以及通過(guò)調(diào)整柵極制程而改善。本發(fā)明所述控制半導(dǎo)體裝置柵極形成的方法，對(duì)于柵極形成控制，提供了一種簡(jiǎn)單且有經(jīng)濟(jì)效益的方法及系統(tǒng)，而在產(chǎn)品的生產(chǎn)量上不會(huì)有顯著的減少。
文檔編號(hào)H01L21/66GK1905134SQ20061007244
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2006年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月25日
發(fā)明者左佳聰, 賴俊宏, 吳玫真, 許立德, 蘇斌嘉, 陳柏仁 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司