CN100495212C - 确定工艺步骤的特征的方法和器件制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在晶片加工过程中监控基底晶片的变形的系统。在每次曝光和加工步骤之后通过将多个参考标记(20)的位置与数据库中的值进行比较来测量基底晶片的变形。

Description

确定工艺步骤的特征的方法和器件制造方法
技术领域
本发明涉及一种确定工艺步骤的特征的方法和利用光刻装置的器件制造方法。
背景技术
光刻装置是一种将所需图案施加于基底的靶部上的装置。光刻装置可以用于例如集成电路(IC)的制造。在这种情况下，如掩模等构图装置可用于产生对应于IC一个单独层的电路图案，该图案可以成像在已涂覆辐射敏感材料(抗蚀剂)层的基底(例如硅晶片)的靶部上(例如包括一部分，一个或者几个管芯(die))。一般地，单一的基底将包含相继曝光的相邻靶部的整个网格。已知的光刻装置包括所谓步进器，其中通过将全部图案一次曝光在靶部上而辐射每一靶部，还包括所谓扫描装置，其中通过投影光束沿给定方向(“扫描”方向)扫描图案，同时沿与该方向平行或者反平行的方向同步扫描基底来辐射每一靶部。
通过光刻工艺制造一般器件需要许多周期，每个周期包括几个步骤。这些周期包括以下步骤：用感光材料涂覆基底，将图像投影到感光材料上，将感光材料显影，以及加工该基底，加工基底可以包括在基底上覆盖新材料层。采用光刻工艺遇到的问题之一是连续层不会精确地成像在彼此的上面，从而出现所谓的重叠误差。当对部件性能有害的重叠误差存在时，为了避免带入随后的步骤中，在每个周期之后测量该重叠误差。如果重叠误差太大，那么可以除去最新的层，并且在进行下一周期进行之前重复该周期。
为了最小化重叠误差，基底配置多个参考标记，从而可以在曝光步骤之前测量投影装置中基底台上基底的精确位置。这样，由于已知光刻装置中的基底、预先涂覆的图案层以及掩模的相对位置，那么使曝光步骤的精确度达到最大是可能的。
采用多周期光刻工艺的另一问题是基底的变形，这一变形可以随特定层和/或特定图案的应用而出现。变形例如包括形貌的三维变形、参考标记(形状或深度)的变形，或者沉积在晶片上的层属性或层厚度的变化。化学机械抛光(CMP)导致基底变形是众所周知的。利用直径为300mm或更大的基底晶片，可预料到的晶片变形将成为甚至更重要的因素。为了使变形最小，在整个晶片区域上的加工需要尽可能地保持均匀。基底晶片的变形可引起晶片成像中的误差，该误差导致需要重复特定的步骤。并且，在用于通过光刻制造的特殊部件的步骤的显影中，该工艺优化为使基底变形量最小，或者至少保持在极限之内。减小重叠误差或基底变形产生的误差、或者至少较早地检测到这些误差可导致产量提高。
EP0794465A2公开了一种光刻方法，其中对准校正值有在一批中选出的晶片上进行重叠测量中得到，并且用于同一批或下一批中的其他基底的曝光。
US2002/012482A1公开了一种用于制造和利用加工中的基准晶片来确定晶片台配准性能的方法。
US5,252,414公开了一种评价抗蚀剂涂层的方法，在该涂层中，第二抗蚀剂层涂覆到带图案的第一抗蚀剂层上面。第一和第二抗蚀剂层的图案之间的重叠精度给出了抗蚀剂涂层的定量评价。
US5,863,680公开了一种器件制造方法，其中与两个较早加工层之间的重叠误差和曝光条件有关的信息被用于校正后继层的对准。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种提高产量的器件制造方法。
根据本发明的一个方面，提供一种确定工艺步骤特征的方法，该工艺步骤在其上具有多个参考标记的基底上进行，该方法包括：
-将表示器件的一层功能部件的图案曝光到在所述基底上提供的感光层上以印制潜在图案；
-将所述感光层中的所述潜在图案显影，以显示所述图案；
-加工所述基底；
-测量所述基底上所述参考标记的相对位置；以及
-将所述测量步骤的结果与涉及所述参考标记的标称位置的参考信息进行比较，以确定所述加工步骤的特征。
利用这种方法，可以监测制造过程中的晶片变形，而不会降低产量，因为测量参考标记相对位置的步骤比曝光步骤花费更少的时间，并且有时需要在任何情况下进行，以便相对于用在曝光步骤中的规程测量基底定位。该方法具有在用于构图的光刻装置中监测其他工具上进行的加工步骤的效果。
如果比较的结果大于预定的最大值，那么向操作者报警。由于变形超过确定量的基底在执行进一步的曝光，显影和加工步骤之前被除去，因此对于用户来说可以提高产量。此外，在利用光刻制造器件的多步骤加工的进展中，产生不合格的基底变形的那些步骤可以在早期确定。利用本发明，如果装置偏移而制造出不合规格的基底，也可以警告使用装置的用户。
该信息包括任何种类的数据，例如原始的位置数据、表示基底标记的原始传感器数据、根据数据得到的计算结果，如相对于由参数描述的坐标格网的各个测量结果的放大、平移、旋转或差，每一个测量结果通常涉及基底和/或所关心的特定层以及统计度量。
如果数据库中存储的信息是先前测量步骤的结果，那么可以根据平均测量结果的偏差来接受或拒绝基底，或者突出工艺条件的变化或突出利用装置或工艺条件的问题。优选在这种情况下，信息是对同一批基底中的多个基底进行在先测量步骤的结果，从而已知那些基底全部已经经过相同的加工。当然，也可以进行其他比较。例如，用于比较的数据库中的信息可以是来自不同批次晶片的同一层的值。一批或一组是经历相同步骤的一套晶片。
优选地，该方法包括将所述测量和/或比较步骤的结果自动存储在所述数据库中的步骤，从而保存结果的历史记录。这可以用作工程师为优化产量而研究特定工艺的诊断工具。
也可以根据前面周期的比较步骤的结果来控制曝光步骤。这样，可以用控制曝光步骤来考虑已经测量的基底的变形，由此确保曝光步骤在曝光基底的同时考虑基底中存在的变形。
根据本发明的另一方面，提供一种器件制造方法，包括：
-提供一基底；
-利用照明系统提供辐射的投影光束；
-利用构图装置赋予投影光束带图案的横截面，所述图案包括对准标记和器件层的功能部件；
-将带图案的辐射光束投影到基底的靶部上以形成潜在图案；
-将所述潜在图案显影以显示所述图案；
-加工所述基底；
-测量所述基底上所述参考标记的相对位置；以及
-将所述测量步骤的结果与所述参考标记的标称位置有关的参考信息进行比较，以确定所述工艺步骤的特征。
虽然在本申请中，本发明的光刻装置具体用于制造IC，但是应该理解这里描述的光刻装置可能具有其它应用，例如，它可用于制造集成光学系统、用于磁畴存储器的引导和检测图案、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等等。本领域的技术人员将理解，在这种可替换的用途范围中，这里的任何术语“晶片”或者“管芯(die)”的使用可认为分别与更普通的术语“基底”或者“靶部”同义。这里提到的基底可以在曝光前或后用例如轨迹工具(track)(一种工具，通常对基底施加一层抗蚀剂，并显影已经曝光的抗蚀剂)或计量或检验工具进行处理。这里的公开内容可以用于这样或其他的这里可以适用的基底处理工具。此外，例如为了形成多层IC，可以对基底进行多次处理，因此这里使用的术语基底也可以表示已经包含多个处理层的基底。
这里使用的术语“辐射”和“光束”包含所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(例如具有365，248，193，157或者126nm的波长)和远紫外(EUV)辐射(例如具有5—20nm的波长范围)，以及粒子束，如离子束或电子束。
这里使用的术语“构图装置”应广义地解释为能够给投影光束赋予带图案的截面的装置，以便在基底的靶部上形成图案。应该注意，赋予投影光束的图案可以不与基底的靶部上的所需图案精确对应。一般地，赋予投影光束的图案与在靶部中形成的器件的如集成电路的特定功能层相对应。
构图装置可以是透射的或反射型的。构图装置的示例包括掩模，可编程反射镜阵列和可编程LCD板。掩模在光刻中是公知的，它包括如二进制型、交替相移型、和衰减相移型的掩模类型，以及各种混合掩模类型。可编程反射镜阵列的一个例子是利用微小反射镜的矩阵排列，每个反射镜能够独立地倾斜，从而沿不同方向反射入射的辐射光束；按照这种方式，对反射光束进行构图。在构图装置的每个实施例中，支撑结构可以是一个框架或工作台，例如，所述结构根据需要可以是固定的或者是可移动的，并且可以确保构图装置位于例如相对于投影系统的所需位置处。这里的任何术语“初缩掩模版”或者“掩模”的使用可认为与更普通的术语“构图装置”同义。
这里使用的术语“投影系统”应广义地解释为包含各种类型的投影系统，包括折射光学系统，反射光学系统，和反折射光学系统，例如适用于所用的曝光辐射，或者适用于其他方面，如使用浸液或使用真空。这里的任何术语“镜头”的使用应认为与更普通的术语“投影系统”同义。
照明系统还可以包括各种类型的光学部件，包括折射，反射，和反折射光学部件，这些部件用于引导、整形或者控制辐射投影光束，这种部件在下文还可共同地或者单独地称作“镜头”。
光刻装置可以是具有两个(二级)或者多个基底台(和/或两个或者多个掩模台)的类型。在这种“多级式”装置中，可以并行使用这些附加台，或者可以在一个或者多个台上进行准备步骤，而一个或者多个其它台用于曝光。
光刻装置也可以是这样一种类型，其中将基底浸入具有较高折射率的液体中，例如水，以便填充投影系统最后一个元件与基底之间的空间。浸液也可以应用于光刻装置的其他空间，例如掩模与投影系统第一个元件之间。对于提高投影系统的数值孔径来说，油浸法是本领域众所周知的技术。
附图说明
现在仅通过举例的方式，参照随附的示意图描述本发明的各个实施方式，其中：
图1表示根据本发明一实施方式的光刻投影装置；
图2表示具有参考标记的典型图案的基底晶片；
图3是表示根据本发明一实施方式的方法中各个步骤的示意图；以及
图4示出使用周期指纹数据和基底数据来进行预测。
在图中，相应的参考标记表示相应的部件。
具体实施方式
例1
图1示意性地表示了本发明一具体实施方案的一光刻装置。该装置包括：
-照明系统(照明器)IL，用于提供辐射投影光束PB(例如UV或EUV辐射)。
-第一支撑结构(例如掩模台)MT，用于支撑构图装置(例如掩模)MA，并与用于将该构图装置相对于物体PL精确定位的第一定位装置PM连接；
-基底台(例如晶片台)WT，用于保持基底(例如涂覆抗蚀剂的晶片)W，并与用于将基底相对于物体PL精确定位的第二定位装置PW连接；以及
-投影系统(例如反射投影透镜)PL，用于通过构图装置MA将赋予投影光束PB的图案成像在基底W的靶部C(例如包括一个或多个管芯(die))上。
如这里指出的，该装置属于反射型(例如采用如上面涉及的反射掩模或可编程反射镜阵列型)。另外，该装置可以是透射型(例如采用透射掩模)。
照明器IL接收来自辐射源SO的辐射光束。辐射源和光刻装置可以是分开的机构，例如当辐射源是等离子放电源时。在这种情况下，不把辐射源看作构成光刻装置的一部分，辐射光束借助于例如包括适当的聚光镜和/或光谱纯度滤光器从源SO传送到照明器IL。在其他情况下，辐射源可以是装置的组成部分，例如当辐射源是汞灯时。源SO和照明器IL可以称作辐射系统。
照明器IL可以包括调节装置，用于调节光束的角强度分布。一般地，至少可以调节照明器光瞳平面内强度分布的外和/或内径向量(通常分别称为σ-外和σ-内)。照明器提供调整好的辐射光束，称作投影光束PB，在该光束的横截面具有所需的均匀度和强度分布。
投影光束PB入射到保持在掩模台MT上的掩模MA上。经掩模MA反射后，投影光束PB通过镜头PL，该镜头将光束聚焦在基底W的靶部C上。在第二定位装置PW和位置传感器IF2(例如干涉测量装置)的辅助下，基底台WT可以精确地移动，例如在光束PB的光路中定位不同的靶部C。类似地，例如在从掩模库中机械取出掩模MA后或在扫描期间，可以使用第一定位装置PM和位置传感器IF1将掩模MA相对光束PB的光路进行精确定位。一般地，借助于长冲程模块(粗略定位)和短冲程模块(精确定位)来实现目标台MT和WT的移动，所述模块构成定位装置PM和PW的一部分。可是，在步进器的情况下(与扫描装置相对)，掩模台MT可以只与短冲程致动装置连接，或者固定。掩模MA与基底W可以利用掩模对准标记M1，M2和基底对准标记P1，P2进行对准。
所示的装置可以按照下面优选的模式使用：
1.在步进模式中，掩模台MT和基底台WT基本保持不动，赋予投影光束的整个图案被一次投影到靶部C上(即单次静态曝光)。然后基底台WT沿X和/或Y方向移动，以便能够曝光不同的靶部C。在步进模式中，曝光区域(exposure field)的最大尺寸限制在单次静态曝光中成像的靶部C的尺寸。
2.在扫描模式中，同时扫描掩模台MT和基底台WT，并将赋予投影光束的图案投影到靶部C上(即，单次动态曝光)。基底台WT相对于掩模台MT的速度和方向由投影系统PL的放大(缩小)和图像反转特性来确定。在扫描模式中，曝光区域的最大尺寸限制单次动态曝光中靶部的宽度(沿非扫描方向)，而扫描移动的长度确定靶部的高度(沿扫描方向)。
3.在其他模式中，掩模台MT基本上保持静止，保持可编程构图装置，并且在将赋予投影光束的图案投影到靶部C上时移动或扫描基底台WT。在这种模式中，一般采用脉冲辐射源，并且在基底台WT的每次移动之后或者在扫描期间连续的两个辐射脉冲中间，根据需要更新可编程的构图装置。这种操作方式可以很容易地应用于无掩模光刻中，所述无掩模光刻利用如上面涉及的可编程反射镜阵列型等可编程构图装置。
还可以采用在上述所用模式基础上的组合和/或变化，或者采用与所用的完全不同的模式。
图2以平面图示出具有多个参考标记20的基底W，这些参考标记应用于上表面上。在二级式光刻投影装置中，参考标记20的数量在每个基底W上大约可以有25个。当为了精确测量基底W上每个参考标记20的相对位置而使用这种装置时，测量步骤中有充足的时间。
图3示出该方法的各步骤。该方法的第一步骤是测量步骤S1，该步骤中是要测量基底W上每个参考标记20的相对位置。该步骤可以在光刻投影装置中完成，所述光刻投影装置在用于基底W相对于基底台WT对准和高度测量(leveling measurement)的任何情况下测量参考标记20的位置，或者可以在单独的机器中完成这一步骤。用于测量步骤S1中的机器可以是与用于重叠校验相同的机器，重叠校验测量基底W上两个连续层之间的对准。重叠校验步骤S3在后面详细说明。
在测量步骤S1的过程中，测量系统在控制器的控制下测量基底W上多个参考标记20的相对位置。使用处理器将测量S1的结果与数据库中的信息/值进行比较。
根据测得结果与数据库中存储的信息之间相比较的结果，该方法可能存在一些变化。例如，如果上述比较表明基底W的变形超过预定的极限，那么会触发操作者警报器。或者另一种情况，控制器利用上述比较的结果来控制基底W随后的曝光。在上面每种情况下，测量步骤的结果和比较步骤的结果可以自动保存在数据库中，以帮助建立在基底加工过程中基底的变形变化过程的历史记录，并且，上述测量步骤的结果和比较步骤的结果会同时被加到信息中。这对于作为特定基底的历史纪录以及用于比较不同基底如何随时间变形是有用的。
在测量步骤S1之后，晶片在光刻投影装置中曝光，随后显影(图3中的步骤S2)。通常参考标记20在曝光和显影步骤S2的末尾是未覆盖的(如果通过重叠层是可见的，那么或者可以保持覆盖状态)，从而可以利用那些参考标记20完成进一步的测量，包括估计重叠精度的重叠校验S3。下一个步骤S4是图案转移步骤，该步骤可以包含在未被感光材料(即在显影过程中被除去)覆盖的基底区域上沉积一层，或者通过例如离子辐射掺杂，或者蚀刻该区域。当然，在光刻投影装置中下一次曝光之前，测量基底W的位置和定向，是利用参考标记20相对于支撑结构来确定测量的。而支撑结构是支持构图装置的，即该构图装置本身用于使辐射系统产生的投影光束形成所需图案。投影光束当然通过投影系统投影到基底W的靶部上。
在一个实施例中，利用前馈回路FF在曝光和显影步骤S2中控制曝光，以便考虑步骤S1中的测得变形和比较的结果。
在曝光和显影步骤S2之后，完成对准测量步骤S3，在该步骤中测量连续周期中基底W上沉积的两个连续层的对准。这一过程确保即使最后的层相对于其前面层的对准是不能令人满意的，那么仍可以除去最后的层并沉积新的层，因此不会在将另一个随后的层应用于基底W时花费多余的工作。甚至在检测到的两层之间的未对准而使这样一个基底变得无用的情况下，也不用做多余的工作。
图3示出可选的或者附加的测量步骤S5，在该步骤中，相对于彼此测量参考标记20的位置，并将结果与数据库中的信息进行比较。在特定类型的装置中同时进行对准测量步骤S3和测量步骤S5(以虚线表示)是很方便的，从而可以释放用于使已测量基底曝光的光刻投影装置。另外，可以在步骤S4之后执行测量步骤S3，但是其执行与步骤S5无关。曝光步骤S2的前馈控制也是可能的(图3中标记的AFF)。那么，为了在投影装置中使基底W的位置相对于掩模对准，步骤S1中可能仅仅需要测量一些参考标记20。
测量，曝光，显影，对准测量以及图案转移步骤S1，S2，S3，S4形成一个周期，该周期根据基底W上所需的结构按照需要执行多次。每一个测量步骤S1，S5的结果可以通过自动存储器而自动存储在数据库中。这样，可以在基底W加工过程中建立基底W变形的历史记录。这样工艺工程师可以识别多个曝光，显影和加工步骤S2，S4中到底哪个步骤导致基底W不能允许的变形量。
基底W曝光之前的第一测量步骤可以不与数据库比较而执行。在这种情况下，由于还没有发生曝光或加工，因此不会出现由于曝光或加工引起的基底W的变形。
在一些情况下，在比较步骤中，仅仅比较数据库中存储的那些来自同一批次基底W的多个基底W的值是有利的。，不同批的基底可能会按照不同方式对于给定的曝光、显影和加工步骤反应，因此只有来自同一批次基底的值能构成有效的比较。触发操作者警报器可以向操作者显示光刻投影装置设置值的漂移，或者指出产生太大变形的基底W。
数据库中的值可以是研究中特定基底W上的先前测量步骤S1，S5的值。如果比较显示周期之间或者全部的变形超出了预定值，那么可能触发操作者警报器，或者由控制器控制的曝光步骤S2来考虑这种变形。
控制器可以控制曝光步骤S2来解决位置偏移或非正交变形(自动地或者通过警告操作者作人工校正)或者甚至高阶变形(即非线性变形)。
图4示出如何利用在许多批次上平均的与一个特定周期(周期n)有关的指纹数据以及在一个给定批次(批次m)基底上平均的基底数据来预测对于给定批次的特定周期的结果。
识别有差异的基底的统计方法利用基于下面模型的线性回归分析：
Δ＝β0+β1x+β2y+残差
其中，Δ是在(x，y，z)方向的测得位置和期望位置之差。通常模型拟合并不准确，它会引起每个测量的残差。这种残差可以认为包括两个分量：所谓的不可校正分量和随机分量。根据定义，不可校正分量是常数，不能通过使用的模型来描述。随机分量也可以称作测量噪声(noise)，它由实际测量设备相关噪声，和例如由测量目标的随机质量变化构成。
实际上多元线性回归应用于许多实体(entity)，该实体可以是包含多个对准测量的一个基底或者每批或每组中的多个基底。因此模拟基底数据将产生对于每个测量位置的残差。通过计算所有基底的每个测量的残差的平均值，可以得到该位置的不可校正误差的估计值。如果工艺改变，那么例如基底台上的粒子的缺陷，或者层对层的相互作用，不可校正的多个误差的图案也将发生改变，并且可以很容易地检测到。
尽管上面已经描述了本发明的各个具体实施方式，但是应该理解，本发明可以按照不同于所述的方式实施。说明书不意味着限制本发明。

Claims (11)

1.一种确定工艺步骤特征的方法，该工艺步骤在其上具有多个参考标记的基底上进行，该方法包括：
-将表示器件的一层功能部件的图案曝光到所述基底上提供的感光层上以印制潜在图案；
-将所述感光层中的所述潜在图案显影，以显示所述图案；
-加工所述基底；
-测量所述基底上所述参考标记的相对位置；以及
-将所述测量步骤的结果与涉及所述参考标记的标称位置的参考信息进行比较，以确定所述加工步骤的特征，其中所述加工步骤的特征在于：根据所述测量步骤的结果和参考信息之间的差的线性回归模型来计算残差。
2.根据权利要求1的方法，其中确定所述工艺步骤的特征包括检测和/或测量所述基底在所述工艺步骤中可发生的任何变形。
3.根据权利要求1或2的方法，进一步包括在所述加工步骤之前测量所述基底上所述参考标记的相对位置以获得所述参考信息。
4.根据权利要求1或2的方法，其中在一批中的多个基底上进行涂覆、曝光、显影和加工步骤，并且进一步包括测量所述多个基底中第一个基底上所述参考标记的相对位置以获得所述参考信息，然后将其用于检测和/或测量所述批次的其他多个基底的任何变形。
5.根据权利要求1的方法，其中在多个基底上进行涂覆、曝光、显影和加工步骤；在一个基底上进行所述测量和比较步骤，以及所述一个基底之后在基底上进行的加工步骤的至少一个参数是根据所述测量和比较步骤调整的。
6.根据权利要求1的方法，进一步包括：
-将一个表示器件功能部件层的第二图案曝光到所述基底上提供的第二感光层上以印制第二潜在图案；
-将所述感光层中的所述第二潜在图案显影以显示所述第二图案；
-加工所述基底；
-其中根据前面周期的比较步骤的结果控制所述曝光第二图案。
7.根据权利要求1的方法，进一步包括将所述测量和/或比较步骤的结果自动存储在数据库中。
8.根据权利要求1的方法，其中加工所述基底包括将所述图案转移到所述基底的工艺步骤。
9.根据权利要求1的方法，其中加工所述基底包括改变在所述基底上形成的加工层。
10.根据权利要求9的方法，其中所述加工所述基底包括化学机械抛光步骤。
11.一种器件制造方法，包括：
-提供一基底；
-利用照明系统提供辐射的投影光束；
-利用构图装置赋予投影光束带图案的横截面，所述图案包括对准标记和器件层的功能部件；
-将带图案的辐射光束投影到基底的靶部上以形成潜在图案：
-将所述潜在图案显影以显示所述图案；
-加工所述基底；
-测量所述基底上所述参考标记的相对位置；以及
-将所述测量步骤的结果和与所述参考标记的标称位置有关的参考信息进行比较以确定所述工艺步骤的特征，其中所述加工步骤的特征在于：根据所述测量步骤的结果和参考信息之间的差的线性回归模型来计算残差。
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