專利名稱：多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件的制造方法，更具體地講，涉及一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
隨高K/金屬柵工程在45納米技術(shù)節(jié)點上的成功應用，使其成為亞30納米以下技術(shù)節(jié)點不可缺少的關(guān)鍵模塊化工程。目前只有堅持高K/后金屬柵(gate last)路線的英特爾公司在45納米和32納米量產(chǎn)上取得了成功。近年來緊隨IBM產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的三星、臺積電、英飛凌等業(yè)界巨頭也將之前開發(fā)的重點由高K/先金屬柵(gate first)轉(zhuǎn)向gate last工程。Gate last工程中，在完成離子高溫退火后，需要把多晶柵挖掉，而后在填充進金屬柵電極，流程詳見圖I。如圖1A，襯底I上依次形成絕緣層2、多晶硅假柵極3、柵極側(cè)壁
4、層間介質(zhì)層(ILD)5。如圖1B，去除多晶硅假柵極3，形成柵極開口 6，然后填充金屬柵電極材料。多晶柵側(cè)壁4為氧化硅或氮化硅材料的側(cè)墻(spacer)，多晶柵下面的絕緣層2是淀積好的聞K或是氧化娃或是氮氧化娃材料。目如，工業(yè)界有二條工藝路線來完成多晶假柵的去除工作，分別是干法刻蝕，濕法刻蝕，以及干法-濕法混合刻蝕；從實驗及報道的結(jié)果看，更傾向于后兩種方法。多晶假柵3去除后，需要進行有效的監(jiān)控手段來判斷多晶硅是否完全去除掉，任何多晶的殘留都會對器件電性能造成極大的負面影響。該項工藝屬于32nm及以下的先進工藝，在多晶假柵3移除后如何有效對制程進行監(jiān)控，尚未見任何報道。最直觀的方法是通過掃描電子顯微鏡看多晶假柵3移除后晶圓的橫截面，但這種方法對晶圓具有破壞性，并且反饋結(jié)果很慢，無法直接用于量產(chǎn)時對制程的有效監(jiān)控。同時，目前集成電路工業(yè)界對工藝制程的監(jiān)控大部分采用的是光學量測手段，而隨技術(shù)節(jié)點的不斷縮小，器件結(jié)構(gòu)越來越復雜，疊層的薄膜越來越薄，傳統(tǒng)光學量測方法遇到了很大挑戰(zhàn)。為此，急需一種直觀的，對晶圓無損傷的快速準確有效的監(jiān)控方法來判斷多晶假柵移除得是否徹底。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提出一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，以便快速準確有效監(jiān)控判斷多晶硅假柵是否徹底移除，同時，該量測方法對晶圓不會帶來損傷。本發(fā)明提供了一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，包括以下步驟在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)；確定晶圓質(zhì)量的量測目標及誤差范圍；去除多晶硅假柵之后，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，判斷多晶硅假柵是否完全移除。本發(fā)明還提供了一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，包括以下步驟在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)；確定晶圓質(zhì)量差的量測目標及誤差范圍；使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，確定晶圓質(zhì)量前值；去除多晶硅假柵之后，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量以確定晶圓質(zhì)量后值，判斷多晶娃是否完全移除。
其中，多晶硅假柵下方包括絕緣層，所述絕緣層為高k材料、氧化硅或氮氧化硅。其中，所述絕緣層與所述多晶硅假柵同時被去除。其中，通過實驗性設計(DOE)，獲取多晶硅假柵被完全去除的樣品晶圓的質(zhì)量或質(zhì)
量差以及誤差范圍。其中，如果晶圓質(zhì)量超出誤差范圍，則判定多晶硅沒有完全去除，需要二次處理。其中，如果晶圓質(zhì)量前值與后值的差超出晶圓質(zhì)量差的誤差范圍，則判定多晶硅沒有完全去除，需要二次處理。其中，所述質(zhì)量量測設備為機械精密天平、電子精密天平或半自動/全自動加碼電光投影阻尼精密天平?！け緦＠岢隽藘蓷l多晶假柵移除后的監(jiān)控路線，采用了晶圓質(zhì)量或質(zhì)量差的檢測來監(jiān)控多晶假柵移除是否移除徹底。依照本發(fā)明的量測方法，可以不需要特定測試結(jié)構(gòu)而快速準確對晶圓整片測量，從而有效監(jiān)控判斷多晶硅假柵是否徹底移除，同時該量測方法反饋結(jié)果直觀、快速、準確，對晶圓不會帶來損傷。本發(fā)明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申請獨立權(quán)利要求的范圍內(nèi)得以滿足。本發(fā)明的實施例限定在獨立權(quán)利要求中，具體特征限定在其從屬權(quán)利要求中。


以下參照附圖來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中圖I顯示了后柵工藝示意圖。
具體實施例方式以下參照附圖并結(jié)合示意性的實施例來詳細說明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了提出采用晶圓質(zhì)量量測技術(shù)對后柵工藝多晶硅假柵移除進行監(jiān)控，并給出相應的測試結(jié)構(gòu)。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結(jié)構(gòu)。由附圖I可以得知，在多晶硅假柵移除之后，晶圓質(zhì)量將明顯減小，基于此種原理，本發(fā)明將通過測量晶圓去除多晶假柵后的質(zhì)量，來監(jiān)控多晶假柵移除是否移除徹底，進而判斷該工藝是否合格。具體的測量方法步驟可以如下實施例所示。實施例I參照附圖1，在襯底I上依次形成絕緣層2、多晶硅假柵極3、柵極側(cè)壁4、層間介質(zhì)層(ILD)5，然后去除多晶硅假柵極3，形成柵極開口 6。由圖I可見，在多晶假柵3移除后，晶圓當層薄膜的質(zhì)量(也即晶圓表面上ILD5及其之間所夾設的側(cè)壁4、柵極開口 6的各層薄膜質(zhì)量之和)將明顯減小，因此通過對晶圓質(zhì)量的監(jiān)控，即可判斷多晶假柵是否完全去除干凈；采用該方法測量將具有測試結(jié)果直觀，對晶圓無損傷以及測量效率高的特點，適合多晶假柵移除后對工藝的有效監(jiān)控。具體地，依照本發(fā)明的一個實施例的后柵工藝移除多晶硅假柵的監(jiān)控方法包括以下步驟首先，在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)。如圖I所示，晶圓表面形成有多晶硅假柵結(jié)構(gòu)，也即在襯底I上依次形成絕緣層2、多晶硅假柵極3、柵極側(cè)壁4、層間介質(zhì)層(ILD) 5，然后去除多晶硅假柵極3，形成柵極開口 6。其中，襯底I可為體硅、絕緣體上硅(SOI)、SiGe、GaAs或其他半導體材料。絕緣層2材質(zhì)可以是氧化硅、氮氧化硅，或是高K材料，例如Hf02、Ti02、Ta205、HfAlN、鈦酸鋇(BST)等等。柵極側(cè)壁4材質(zhì)為與多晶硅假柵3具有較大刻蝕選擇比的材質(zhì)，例如為氮化硅。ILD5 —般為低密度或低k材料，例如旋涂的硼磷硅玻璃(BPSG)、多孔二氧化硅等等。形成多晶硅假柵3的方法一般為化學氣相沉積，通過控制CVD溫度得到不同結(jié)晶狀態(tài)的材料，例如在625°C以上得到多晶硅。其次，確定去除多晶硅假柵之后晶圓質(zhì)量的量測目標及誤差范圍?？梢韵仍跍y試用的晶圓(即不用于最后切割成芯片產(chǎn)品的備用晶圓)上按流程形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)，確定某一產(chǎn)品型號的晶圓在多晶假柵移除干凈后(可以針對樣片做破壞性的SEM或TEM測試，選取那些多晶硅假柵3被完全去除的晶圓作為樣本，這種實驗性步驟可稱為D0E)晶圓的剩余質(zhì)量，也即晶圓標準質(zhì)量，此時多晶硅假柵3的厚度應為O。測量多批次晶圓多片的數(shù)據(jù)后，得到多晶硅假柵完全去除之后晶圓剩余質(zhì)量的變化范圍。根據(jù)上述結(jié)果合理定義晶圓剩余質(zhì)量的量測目標及誤差范圍，例如DOE得到某一產(chǎn)品型號的晶圓上多晶硅假柵3 完全去除時剩余結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為151. 203g，其變化范圍為上下浮動9. 751g，則判定多晶硅假柵完全去除且沒有過刻蝕的標準是剩余結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為151. 203±9. 751g。其中，DOE實驗目的就是找到多晶假柵徹底去除后，晶圓剩余質(zhì)量的變化范圍(SPEC)。然后，去除多晶硅假柵中的多晶硅并干燥?？梢圆捎锰挤入x子體刻蝕的干法刻蝕來去除多晶硅假柵3的多晶硅，也可以采用KOH、TAMH等刻蝕液濕法刻蝕去除多晶硅假柵3，還可以是這些干法、濕法刻蝕的混合刻蝕。合理選擇刻蝕原料的流量或濃度、氣壓等等參數(shù)來控制刻蝕速度，使得在給定時間內(nèi)多晶硅假柵3的多晶硅基本被完全刻蝕。干燥過程可以是在一定溫度N2環(huán)境下的高速甩干，或是基于馬蘭葛尼原理對晶圓進行干燥。接著，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓質(zhì)量，判斷多晶硅是否完全移除。質(zhì)量量測設備優(yōu)選精密儀器，例如機械精密天平、電子精密天平、半自動/全自動加碼電光投影阻尼精密天平等等。如果晶圓剩余質(zhì)量在誤差范圍內(nèi)(容差范圍已由第2步確定，例如±9. 751g)，可認為多晶假柵3已經(jīng)腐蝕去除干凈。如果晶圓質(zhì)量不在誤差范圍內(nèi)，則認為多晶假柵3沒有完全去除干凈，需要重新再處理，也即將本批次樣品送回工藝線進行二次刻蝕。以上本發(fā)明的實施例通過實驗性設計得到多晶硅假柵完全去除后的質(zhì)量變化范圍，然后通過質(zhì)量量測設備測試實際產(chǎn)品的晶圓質(zhì)量，從而判定多晶硅假柵3是否被完全移除。這種測試以及后柵刻蝕去除多晶硅假柵的方法，避免了對于大規(guī)模產(chǎn)品均采用SEM或TEM的破壞性測試，提高了測試效率節(jié)省了成本。實施例2與實施例I類似，依照本發(fā)明的另一個實施例的后柵工藝移除多晶硅假柵的監(jiān)控方法包括以下步驟首先，在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)。如圖I所示，晶圓表面形成有多晶硅假柵結(jié)構(gòu)，也即在襯底I上依次形成絕緣層2、多晶硅假柵極3、柵極側(cè)壁4、層間介質(zhì)層(ILD) 5，然后去除多晶硅假柵極3，形成柵極開口 6。其次，確定量測目標及誤差范圍?？梢韵仍跍y試用的晶圓(即不用于最后切割成芯片產(chǎn)品的備用晶圓)上按流程形成多晶硅假柵，通過這種實驗性設計(design ofexperimental, DOE)以及采用質(zhì)量測試手段,確定某一產(chǎn)品型號的晶圓在多晶假柵移除干凈后(可以針對樣片做破壞性的SEM或TEM測試，選取那些多晶硅假柵3被完全去除的晶圓作為樣本)晶圓去除多晶硅假柵前后的質(zhì)量差，也即晶圓質(zhì)量標準差，此時多晶硅假柵3的厚度應為O。測量多批次晶圓多片的數(shù)據(jù)后，得到質(zhì)量差變化的范圍。根據(jù)上述結(jié)果合理定義晶圓質(zhì)量差量測目標及誤差范圍，例如DOE得到某一產(chǎn)品型號的晶圓上多晶硅假柵3完全去除時晶圓前后質(zhì)量差為12. 450g，其變化范圍為I. 017g，則判定多晶硅假柵完全去除且沒有過刻蝕的標準是晶圓去除多晶硅假柵前后質(zhì)量差為12. 450±1. 017g。再次，在晶圓多晶硅假柵3去除之前，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，得到晶圓質(zhì)量前值Ml。例如某批次晶圓去除之前的質(zhì)量Ml為160.479g。然后，去除多晶硅假柵并干燥。可以采用碳氟基等離子體刻蝕的干法刻蝕來去除多晶硅假柵3的多晶硅，也可以采用KOH、TAMH等刻蝕液濕法刻蝕去除多晶硅假柵3，還可以是這些干法、濕法刻蝕的混合刻蝕。合理選擇刻蝕原料的流量或濃度、氣壓等等參數(shù)來控制刻蝕速度，使得在給定時間內(nèi)多晶硅假柵3的多晶硅基本被完全刻蝕。接著，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓去除多晶硅假柵之后的質(zhì)量，也即晶圓質(zhì)量后·值M2，通過設備自動計算得到晶圓質(zhì)量差值M1-M2，判斷多晶硅是否完全移除和/或發(fā)生過刻蝕。例如對于上述批次的晶圓測得后值M2為148. 762g，則質(zhì)量差為11. 717g。如果晶圓質(zhì)量差在誤差范圍內(nèi)(容差范圍已由第2步確定)，可認為多晶假柵3已經(jīng)腐蝕去除干凈，且沒有過腐蝕發(fā)生。如果晶圓質(zhì)量差不在誤差范圍內(nèi)，則認為多晶假柵3沒有完全去除干凈，需要重新再處理，也即將本批次樣品送回工藝線進行二次刻蝕。實施例3與實施例I或2類似，區(qū)別僅在于絕緣層2是否是后柵工藝的柵極介質(zhì)層。如果絕緣層2是高k材料，用于后柵工藝的柵極介質(zhì)層，則在本發(fā)明的監(jiān)控方法中，絕緣層2不隨多晶硅假柵3被去除，而是一并保留，因此監(jiān)控方法不變。但是若絕緣層2僅用于多晶硅假柵3的刻蝕停止層，也即材質(zhì)為普通的絕緣介質(zhì)材料，例如二氧化硅，則絕緣層2應隨多晶硅假柵3 —并去除，則本發(fā)明上述兩實施例需要做出相應的變更。具體地，實施例3對于實施例I變種的監(jiān)控方法包括I)采用質(zhì)量測量監(jiān)控法，量測某一產(chǎn)品型號的晶圓在多晶假柵3以及絕緣層2完全移除干凈后的質(zhì)量；測量多批次晶圓的多片數(shù)據(jù)后，得到多晶假柵3以及絕緣層2完全去除后質(zhì)量的變化范圍；據(jù)上述結(jié)果合理定義晶圓在多晶假柵移除后質(zhì)量的量測目標及容差范圍(SPEC)；2)通過干法刻蝕或是濕法刻蝕或是干法-濕法混合刻蝕去除掉多晶假柵3以及絕緣層2，并將晶圓干燥；3)使用質(zhì)量量測設備測量晶圓質(zhì)量；如果晶圓質(zhì)量在容差范圍內(nèi)(容差范圍已由第I步確定)，可認為多晶假柵3以及絕緣層2已經(jīng)腐蝕去除干凈；如果晶圓質(zhì)量不在容差范圍內(nèi)，可認為多晶假柵3以及絕緣層2沒有完全去除干凈；需要對工藝條件進行調(diào)整。相應地,對于實施例2的變種如下I).采用質(zhì)量測量監(jiān)控法，量測某一產(chǎn)品型號的同一片晶圓在多晶假柵3以及絕緣層2完全移除干凈前后的質(zhì)量差；測量多批次晶圓的多片數(shù)據(jù)后，得到多晶假柵3以及絕緣層2完全去除前后質(zhì)量差的變化范圍；據(jù)上述結(jié)果合理定義晶圓在多晶假柵3以及絕緣層2移除前后質(zhì)量差的量測目標及容差范圍(SPEC)；2)在晶圓多晶假柵3以及絕緣層2去除前，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓質(zhì)量，得到晶圓質(zhì)量如值；3)通過干法刻蝕或是濕法刻蝕或是干法-濕法混合刻蝕去除掉多晶假柵3以及絕緣層2，并將晶圓干燥；4)使用質(zhì)量量測設備測量晶圓質(zhì)量，得到晶圓質(zhì)量后值，并通過設備自動計算出質(zhì)量差值；如果晶圓質(zhì)量差值在容差范圍內(nèi)(容差范圍已由第I步確定)，可認為多晶假柵3以及絕緣層2已經(jīng)腐蝕去除干凈；如果晶圓質(zhì)量差值不在容差范圍內(nèi)，可認為多晶假柵3以及絕緣層2沒有完全去除干凈；需要對工藝條件進行調(diào)整。依照本發(fā)明的量測以及刻蝕方法，避免了對于大規(guī)模產(chǎn)品均采用SEM或TEM的破壞性測試，提高了測試效率節(jié)省了成本。此外，還能同時判定是否發(fā)生刻蝕不足或過刻蝕， 因此測試更加方便高效，得到的產(chǎn)品良率以及可靠性有大幅提升。盡管已參照一個或多個示例性實施例說明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無需脫離本發(fā)明范圍而對器件結(jié)構(gòu)做出各種合適的改變和等價方式。此外，由所公開的教導可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施方式而公開的特定實施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實施例。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，包括以下步驟 在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)； 確定晶圓質(zhì)量的量測目標及誤差范圍； 去除多晶硅假柵之后，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，判斷多晶硅假柵是否完全移除。
2.一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，包括以下步驟 在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)； 確定晶圓質(zhì)量差的量測目標及誤差范圍； 使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，確定晶圓質(zhì)量前值； 去除多晶硅假柵之后，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量以確定晶圓質(zhì)量后值，判斷多晶娃是否完全移除。
3.如權(quán)利要求I或2的方法，其中，多晶硅假柵下方包括絕緣層，所述絕緣層為高k材料、氧化硅或氮氧化硅。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，所述絕緣層與所述多晶硅假柵同時被去除。
5.如權(quán)利要求I或2的方法，其中，通過實驗性設計(DOE)，獲取多晶硅假柵被完全去除的樣品晶圓的質(zhì)量或質(zhì)量差以及誤差范圍。
6.如權(quán)利要求I的方法，其中，如果晶圓質(zhì)量超出誤差范圍，則判定多晶硅沒有完全去除，需要二次處理。
7.如權(quán)利要求2的方法，其中，如果晶圓質(zhì)量前值與后值的差超出晶圓質(zhì)量差的誤差范圍，則判定多晶硅沒有完全去除，需要二次處理。
8.如權(quán)利要求I或2的方法，其中，所述質(zhì)量量測設備為機械精密天平、電子精密天平或半自動/全自動加碼電光投影阻尼精密天平。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多晶硅假柵移除后的監(jiān)控方法，包括以下步驟在晶圓表面形成多晶硅假柵結(jié)構(gòu)；確定晶圓質(zhì)量的量測目標及誤差范圍；去除多晶硅假柵之后，使用質(zhì)量量測設備測量晶圓的質(zhì)量，判斷多晶硅假柵是否完全移除。依照本發(fā)明的量測方法，可以不需要特定測試結(jié)構(gòu)而快速準確對晶圓整片測量，從而有效監(jiān)控判斷多晶硅假柵是否徹底移除，同時該量測方法反饋結(jié)果直觀、快速、準確，對晶圓不會帶來損傷。
文檔編號H01L21/66GK102842518SQ201110165279
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者楊濤, 趙超, 李俊峰, 閆江, 陳大鵬 申請人:中國科學院微電子研究所