测量外延生长中图形畸变的方法

摘要

本发明公开了一种测量外延生长中图形畸变的方法，包括如下步骤：(1)采用光刻板A对衬底层进行光刻，刻蚀，产生两套测量图形；(2)在上述两套测量图形上产生保护层；(3)采用光刻板B对保护层进行光刻，刻蚀，使其中第一套图形被保护；(4)外延生长，产生第二套外延生长后的图形；(5)测量第一套图形和第二套图形，经对比得到外延生长中的图形畸变。使用了本发明的测量方法后，可以比较精确的测量出外延生长工艺造成的图形畸变量，一方面可以提高外延工艺的工艺参数表现的表征能力，另一方面对于后续的光刻对准工艺有很大帮助，可以提高小尺寸外延产品的光刻对准精度，从而使外延产品的尺寸不断缩小成为可能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造的工艺方法，尤其涉及一种半导体制造中外延生长工艺的工艺参数测量方法，具体涉及一种测量外延生长中图形畸变的方法。

背景技术

在半导体制造中外延(Epitaxy，简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM & RP Epi)等等。在一定的条件下，在一块经过仔细制备的单晶衬底上沿著原来的结晶轴方向，生长出一层导电类型，电阻率，厚度和晶格结构，完整性等都符合要求的新单晶层的过程，称为外延，这层单晶层叫做外延层。由于许多半导体器件是直接制作在外延层上的，外延层质量的好坏，将直接影响器件的性能。外延层的质量通常是应满足下列要求：完整性的晶体结构，精确而均匀的电阻率，均匀的外延层厚度，表面应光洁，无氧化，无云雾，表面无缺陷(一般指角锥体，亮点和星型缺陷等)和体内缺陷(一般指位错，层错和滑移线等)要少，对于积体电路的隐埋层还要求无图形畸变现象等。

在半导体制造中的外延层生长时，图形畸变是比较常见的一种现象。而图形畸变会影响后续的光刻对准精度，从而制约光刻的套刻精度，限制了小尺寸外延器件的开发和制造。如何精确测量外延生长时产生的图形畸变量，对于提高光刻套刻精度，有非常重要的意义。

现行常用的测量外延生长中图形畸变的方法是染色法。染色法是对不同晶向使用不同的含Cu或Cr的化学药液进行腐蚀，依赖化学药液在衬底层和外延层扩散的差异形成界面来进行测量。染色后还需要切断面进行测量。这种方法的缺陷在于对测量微小尺寸(10～100nm)的畸变量精度不够，无法进行精确表征，而且测量步骤繁琐麻烦。因而需要一种精确测量的方法来提高精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量外延生长中图形畸变的方法，提高测量外延生长中图形畸变的精确度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测量外延生长中图形畸变的方法，通过保护层生长和一次光刻，刻蚀，产生一套被保护的测量图形，然后通过和另一套未被保护的测量图形进行比对，测量出由外延生长引起的图形畸变，该方法主要包括如下步骤：

(1)采用光刻板A对衬底层进行光刻，刻蚀，产生两套测量图形；

(2)在上述两套测量图形上产生保护层；

(3)采用光刻板B对保护层进行光刻，刻蚀，使其中的第一套图形被保护；

(4)外延生长，产生第二套外延生长后的图形；

(5)测量第一套图形和第二套图形，经对比得到外延生长中的图形畸变。

步骤(5)中，当直接使用显微镜进行光学测量时采用游标法测量图形，或者采用高分辨率CCD/CMOS结合高倍显微镜进行拍照，然后通过图形处理进行精确测量。

步骤(5)中采用游标法测量图形时，使用的测量图形设计为两组不同周期的游标，两组游标的周期差由需要测量的精度来决定。

所述光刻板B使所述光刻板A中两套测量图形中的第一套图形被保护，而第二套图形则不能被保护，必须在刻蚀中保证第二套图形上由步骤(2)产生的保护层被去掉。

所述的保护层是半导体制造中常用的氧化物或者氮化物，或者是其他具有相同特征的材料。

步骤(2)中采用化学气相沉积法或物理气相沉积法产生保护层，使保护层的生长不会对衬底层产生影响。

在步骤(4)完成后，根据最终测量图形的对比度来决定将第一套图形上的保护层去掉或者保留。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可以大大提高测量外延生长中图形畸变的精确度。光学直接检测图形精度可以达到100nm左右，借助于SEM或者光学拍照以后进行图形处理的话，精度可以提高到10nm左右，大大高于现行的染色法。它可以作为一种监控外延生长工艺稳定性的手段。在外延生长工艺建立以后，监控外延生长的图形畸变是否稳定。它可以适用于半导体制造中常见的各种分子外延生长工艺，包括硅，锗，锗/硅等的外延生长。

附图说明

图1是本发明测量外延生长中图形畸变的方法中样品制备的工艺流程图；

图2是本发明测量外延生长中图形畸变的方法中的测量图形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的测量外延生长中图形畸变的方法，主要利用外延层在一些材料上很难生长的特性，分别产生被氧化物，氮化物或其他的保护层保护的和进行外延生长的两组测量图形，然后通过对测量图形的对比，得出外延生长后的图形畸变。其主要要点包括：测量图形设计和样品制备方法。样品的制备主要包括：样品片上测量图形的产生，保护其中一组图形，外延生长得到所需测量的图形。然后通过两组图形可以测量出外延生长后图形的畸变。

如图1所示，本发明样品制备的工艺流程如下：

(1)采用光刻板A对衬底层进行光刻，刻蚀，产生两套测量图形；所述的衬底层可以是硅衬底层或锗衬底层等，图1中采用的是硅衬底层(即图1中的硅基板)；

(2)在上述两套测量图形上产生保护层；而且保护层的生长不能对衬底层产生影响，因此不能使用热成长方法生长，必须采用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积法(PVD)等方法。化学气相沉积(CVD)包括外延生长法、NPCVD(常压化学气相沉积)，LPCVD(低压化学气相沉积)，HCVD(热化学气相沉积)，PECVD(电浆增强化学气相沉积)等。物理气相沉积法(PVD)包括蒸发、溅射等方法。

(3)采用光刻板B对保护层进行光刻，刻蚀，使其中的第一套图形被保护；光刻板B使光刻板A中两套测量图形中的第一套图形被保护，而第二套图形则不能被保护，必须在刻蚀中保证第二套图形上由步骤(2)产生的保护层被去掉。

(4)外延生长，在第二套图形上生长外延层，产生第二套外延生长后的图形；由于外延生长时很难在保护层上生长，因此使第一套图形上留有保护层，第二套图形去掉保护层以便进行外延生长。从工艺简便起见，保护层可以是半导体制造中常用的氧化物或者氮化物，也可以使用其他具有相同特征的材料。

步骤(1)、(3)中的光刻、刻蚀工艺，属于半导体领域的一般工艺，通过光刻、刻蚀产生图形是一种非常普通的半导体工艺，在本发明中对于这些工艺没有特殊需求，只要最终能在衬底层、保护层上产生图形就可以了。

在步骤(4)外延生长完成后，可以将被保护的第一套测量图形上的保护层去掉，也可以保留。具体要根据最终测量图形的对比度来决定是否需要保留。可以看第一套测量图形上是否有外延生长，如果有且导致无法进行精确测量，就去掉保护层；可以看保护层采用的材料是否是透明的，如果是透明的且对测量精度无影响，就保留保护层；可以看台阶够不够，如果台阶不够，造成对比度不够，无法进行精确测量，就去掉保护层，判断台阶够不够还要根据外延生长厚度和衬底刻蚀深度等因素决定。

通过以上流程制备出样品后，通过测量上述第一套图形和第二套图形就可以得到外延生长中图形畸变。当直接使用显微镜进行光学测量时可以采用游标法测量图形，或者采用高分辨率CCD(电荷藕合器件图像传感器)/CMOS(互补金属氧化物半导体图像传感器)结合高倍显微镜进行拍照，然后通过图形处理进行精确测量。当采用游标法测量图形时，使用的测量图形设计为两组不同周期的游标，两组游标的周期差由实际所需要测量的精度来决定，例如，实际所需要测量的精度为毫米，游标的周期差应该是毫米；实际所需要测量的精度为微米，游标的周期差就应该是微米。游标法仅仅是为了光学检查方便，精度低，适合比较粗糙的工艺。按上述方法测量图形如图2所示，左侧图形为被保护层保护的测量图形，右侧图形为未保护的测量图形。如果采用另外一种测量方法，通过对测量图形进行拍照，然后进行图形处理，可以进行精确测量，在这种情况下，两组图形可以一样也可以不一样，都可以进行测量，此时对空间周期的要求仅仅是测量设备可以分辨就可以了。

使用了本发明的测量方法后，可以比较精确的测量出外延生长工艺造成的图形畸变量，一方面可以提高外延工艺的工艺参数表现的表征能力，另一方面对于后续的光刻对准工艺有很大帮助，可以提高小尺寸外延产品的光刻对准精度，从而使外延产品的尺寸不断缩小成为可能。同时它也可以作为一种监控外延生长工艺稳定性的手段。在外延生长工艺建立以后，监控外延生长的图形畸变是否稳定。本发明可以适用于半导体制造中常见的各种分子外延生长工艺，包括硅，锗，锗/硅等的外延生长。