CN101436580B

CN101436580B - 叠对量测结构及方法

Info

Publication number: CN101436580B
Application number: CN200710170331XA
Authority: CN
Inventors: 徐得铭; 顾逸霞
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2027-11-12
Also published as: CN101436580A

Abstract

本发明提供一种叠对量测结构，其是利用双叠对微结构边界的散射特性，分别在上下层材料间形成一对微结构，藉由光学显微镜分析其微结构边界的光学强度分布，以得到层与层间的叠对误差。此外，本发明利用该叠对量测结构建构出一种叠对量测方法，利用不同的微结构边界的强度分布，决定一评价关系线。藉由该评价关系线，可以应用于对位误差的分析，以提高在线量测误差的效率与准确率。

Description

叠对量测结构及方法

技术领域

本发明是有关一种对位结构与方法，尤其是指一种可以解析材料层与材料层之间的叠对误差的一种叠对量测结构及方法。

背景技术

半导体组件制造中的叠对量测是用以判断一印刷层叠对在前一印刷层上的良好程度。组件各层中所有位置点处每一层的准确对准对达到设计目标而言非常重要，如此方能达到制造组件所要求的质量与效能。由于半导体制程关键尺寸(Critical Dimension)设计的逐年减小，利用传统光学显微镜判读半导体制程中层与层之间的叠对误差已愈趋困难。因此，快速且精确地量测一晶圆上两个已图样化层间的任何叠对误差对制程效率而言非常地重要。

目前的叠对量测会使用在制造期间被印刷至半导体晶圆各层上的光学可判读目标标记或图样，常见的图样为条形码套条形码(bar-in-bar)，或是方框套方框(box-in-box)。这类技术是以高放大倍率来成像该等图样，数字化该等影像，并且利用各种已知影像分析算法来处理该影像数据以量化叠对误差便可量测两连续层的相对位移。目前这类条形码套条形码(bar-in-bar)，或是方框套方框(box-in-box)的技术可参见美国专利US.Pat.No.7,160,657等相关技术。

1988年Chappelow等人提出叠对量测的另一种方法。在此方法中利用线性光栅作为上层和下层叠对的图样。上层和下层的线性光栅具有相同的周期。量测时所采用的照明光点远大于光栅的线宽。2001年Bischoff等人提出由±1级绕射的绕射效率差来量测叠对。所采用的图样是分别置于上下层的两个同周期的线性光栅重叠而成。当一光栅的线中心与另一光栅的线中心或间距中心完全重合时，由于对称性，±1级绕射将会具有相同的振幅。当上下层光栅之间有任何一点位移，对称性将被破坏，±1级振幅的差将与其位移相关联。

近年来，H.T.Huang等人采用相似的线性光栅标靶结构，并对零级绕射光进行量测。在此量测中采用了宽波带的光源，由所测得的零级绕射光的绕射效率比对可获得叠对的数据。上述所提出的基于对光在周期性图样上散射分析的光学量测技术通常称为散射量测法，而用以量测散射光效率的仪器，一般称为散射仪。利用光栅的散射特性可以获得比一般图样结构更佳的量测分辨率。然而此方式的量测速度比光学显微镜慢，急需要建立理论模型去比对量测的数据。此类的技术可见于美国公开申请案US.Pub.No.20060197951所揭露的技术。

发明内容

本发明提供一种叠对量测结构，其是由一组位在上下不同层的微结构所构成，而上下层微结构间的错位即是所要量测的叠对误差。由于反射光特征图谱会随着叠对图样的错位量等参数而改变，因此藉由不同的绕射为基础的叠对图样设计，可以有效的提高叠对量测的灵敏度。

本发明提供一种叠对量测方法，其是利用双叠对微结构在边界的绕射特性，分别在上层与下层分别放置微结构的图样，藉由光学显微镜分析其双光栅的边界强度分布，来获得层与层之间的叠对误差，以提升量测叠对误差的分辨率。

本发明提供一种叠对量测方法，其是利用不同的微结构边界的强度分布，决定一评价关系线。藉由该评价关系线，可以应用于对位误差的分析，以提高在线量测误差的效率与准确率。

在一实施例中，本发明提供一种叠对量测结构，其是用以量测层与层间的对位误差，该叠对量测结构包括：一材料层，其是具有一第一微结构以及一第二微结构，该第二微结构与该第一微结构间具有一对位间距。

在另一实施例中，本发明更提供一种叠对量测结构，其是用以量测层与层间的对位误差，该叠对量测结构包括：一材料层，其是具有一第一光栅微结构以及一第二光栅微结构，该第二光栅微结构与该第一光栅微结构间具有一对位间距。

在另一实施例中，本发明更提供一种叠对量测方法，其是包括有下列步骤：(a)分别于一第一材料层以及一第二材料层上形成一对微结构，该对微结构具有一对位间距；(b)量测该对微结构的光学影像所具有的光学强度分布；(c)根据该光学强度分布得到一评价值；(d)改变该第一材料层上的对位间距中心与该第二材料层上的对位间距中心的距离；以及(e)重复步骤(a)至步骤(d)以根据所得的多个评价值得到一评价关系线。

在又一实施例中，本发明更提供一种叠对量测方法，其是包括有下列步骤：决定一评价关系线；分别于一第一待测材料层以及一第二待测材料层上形成一对微结构，该对微结构具有一对位间距；量测该对微结构的光学影像所具有的光学强度分布；根据该光学强度分布得到一评价值；以及将该评价值对应该评价关系线，以得到该第一待测材料层与该第二待测材料层的叠对误差。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A是为本发明的叠对量测结构实施例示意图；

图1B是为本发明的叠对量测结构另一实施例示意图；

图2是为本发明的叠对量测方法实施例示意图；

图3A是为决定该评价关系线流程示意图；

图3B是为求得评价值的流程图；

图4是为第一材料层与该第二材料层的堆叠关系示意图；

图5是为具有错位50nm的双叠对微结构的光学影像；

图6是为叠对的第一对微结构与第二对微结构的光学强度分布图；

图7是为图6的光学强度分布的梯度分布图；

图8是为对位间距区域的光学强度分布放大示意图；

图9为根据错位及评价值所绘出的关系线。

其中，附图标记：

1-叠对量测结构

10-材料层

11-第一微结构

12-第二微结构

13-实体结构

2-叠对量测方法

20～25-步骤

201～206-步骤

2040～2041-步骤

30-基板

31-第一材料层

32-第二材料层

33-二氧化硅层

34-多晶硅层

35-抗反射层

36-微结构

360、361-微结构

37-微结构

370、371-微结构

具体实施方式

为对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的系统的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图1A所示，该图是为本发明的叠对量测结构实施例示意图。该叠对量测结构是用以量测相互叠对的材料层与材料层间的对位误差，该叠对量测结构1是具有一材料层10，该材料层10上具有一第一微结构11以及一第二微结构12。该第二微结构12与该第一微结构11间具有一对位间距D。在本实施例中，该第一微结构11与该第二微结构12是为一光栅微结构。在图1A中，该第一微结构11与该第二微结构12具有不同的光栅周期P1与P2。其中该第一微结构11的线宽与间隙分别为L1与S1；而第二微结构12的线宽与间隙分别为L2与S2。该第一微结构11的周期、线宽与间隙是可与第二微结构12相同或者是相异。另外，该微结构亦可如图1B所示，是为一实体结构13及14，两实体结构13及14间具有对位间距D。

接下来说明如何利用前述的叠对量测结构来进行叠对误差的解析。请参阅图2所示，该图是为本发明的叠对量测方法实施例示意图。在本实施例中，该方法2首先进行步骤20，决定一评价关系线，该评价关系线是可为直线或者是n阶曲线。请参阅图3A所示，该图是为决定该评价关系线流程示意图。决定该评价关系线的方法首先利用步骤201分别于一第一材料层以及一第二材料层上形成一对微结构，该对微结构具有一对位间距，该对微结构是可为图1A或图1B的结构。该第一材料层与该第二材料层之间可以为上下层的关系，当然其中更可以具有至少一层的材料。

请参阅图4所示，该图是为第一材料层与该第二材料层的堆叠关系示意图。在图4中，基板30的材料为硅，第一材料层31上的该对微结构36的材料为硅，其厚度为300nm。而第二材料层32上的该对微结构37的材料则为光阻，其厚度为180nm。在该第一材料层31与该第二材料层32之间的层数为三层，分别为二氧化硅(SiO₂)层33，多晶硅(poly-Si)层34，及抗反射层35(Bottom Anti Reflective Coating，BARC)，其厚度分别为1.7nm，100nm与80nm。在光栅的设计中，P1为400nm，L1为200nm，S1为200nm，而P2为700nm，S2为350nm，L2为350nm。该第一材料层31上的对位间距D1的中心与第二材料层32上的对位间距D2的中心的横向位移是为错位OL。不同的错位OL大小将造成双叠对微结构在中心边界处的光学强度分布的不同。在本实施例中，第一材料层31的微结构360的光栅特征是与第二材料层32的微结构370相同；而第一材料层31的微结构361的光栅特征是与第二材料层32的微结构371相同。另外，虽然本实施例的叠对误差量测是以半导体制程来说明，但是实际上实施亦可以应用于具有薄膜沉积的相关制程，例如：液晶面板的制程，因此并不以本发明的半导体制程为限。

再回到图3A所示，随后进行步骤202，撷取该第一材料层以及该第二材料层上的微结构光学影像。由于第一材料层与该第二材料层之间具有错位OL的关系，会造成双叠对的微结构在中心边界处的光学强度分布的不同。请参阅图5所示，该图是为双叠对的微结构影像，其是代表着错位50nm的光学影像。接着进行步骤203，量测该对微结构的对位间距区域的光学影像所具有的光学强度分布。其结果请参阅图6所示，该图是为叠对的第一对微结构与第二对微结构的光学强度分布图。从图中可以看出强度分布在对位间距区域的边界处有明显的变化。

接下来进行步骤204，根据图6的光学强度分布得到关于该错位大小的一评价值。请参阅图3B所示，该图是为求得评价值的流程图。首先进行步骤2040，先取得图6的光学强度分布的梯度值(gradient)分布，其结果如图7所示。步骤2040的目的在强化对位间距的强度变化。接下来进行步骤2041，根据该梯度值分布决定出多个特征点以定义出该评价值。为了说明特征点，请参阅图8所示，该图是为对位间距区域的光学强度分布放大示意图。从图中定出三个特征点，分别为主峰A点及主峰两边的谷点B，C。由A，B，C三点所代表的强度，计算其评价值(Merit Value)，该评价值的定义是如式(1)所示，但不以此为限，使用者可以根据需要订出评价值的关系式。以图三所定义的特征点A、B与C为例，计算出错位50nm的双叠对光栅的评价值为3.9。

评价值＝|A-(B+C)|……(1)

求出评价值之后，再进行图3A的步骤205，改变该第一材料层上的对位间距中心与该第二材料层上的对位间距中心的距离，亦即改变错位OL的大小。然后进行步骤206，重复进行步骤201至205的内容，以得到多笔评价值。在本实施例中，步骤205中的错位范围为0nm至100nm。也就是在进行步骤201至205多次之后，可计算出错位从0nm至100nm的各个评价值，然后利用数值分析的方法去找出评价关系线。图9即为根据错位及评价值所绘出的关系线。由图中可以看出错位间隔为5nm的情况下具有良好的灵敏度，且量测数据近似线性分布，由此关系线可以获得在不同叠对误差下的评价值，以用于量测上的分析。该评价关系线除了线性关系亦可为多阶的曲线。

请参阅图2所示，在决定出该评价关系线之后，可以进行制程上的叠对误差量测。透过步骤21，分别于一第一待测材料层以及一第二待测材料层上形成一对微结构，每对微结构具有一对位间距。该第一待测材料层以及该第二待测材料层是为制程上任一需要侦测叠对误差的材料层。接着透过步骤22，撷取该相互叠对的微结构的光学影像。接着进行步骤23，量测该光学影像所具有的光学强度分布。接着进行步骤24，根据该光学强度分布得到一评价值。该步骤22至24是类似于前述的步骤203至204，因此在此不作赘述。

接着进行步骤25，将计算所得的评价值对应先前所决定的评价关系线，以得到该第一待测材料层与该第二待测材料层的堆叠误差。例如：以图9为例，如果第一待测材料层与该第二待测材料层经由步骤22至步骤24之后所得到的评价值为4.2，则对应出来的误差为60nm。如此，检测人员即可得知第一待测材料层与该第二待测材料层的误差为60nm。利用图2的程序可以在半导体或者是面板制程中检测层与层间的对位误差，以提高在线量测误差的效率与准确率。

综合上述，本发明的叠对量测结构及方法，可以有效的提高叠对量测的灵敏度以及分辨率。因此可以满足业界的需求，进而提高该产业的竞争力。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种叠对量测结构，其是用以量测层与层间的对位误差，其特征在于，该叠对量测结构包括：

一材料层，其是具有由一第一微结构以及一第二微结构构成的一对微结构，该第二微结构与该第一微结构间具有一对位间距；

其中，所述叠对量测结构的微结构与其他叠对量测结构的微结构相互叠对。

2.如权利要求1所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第一微结构是为一光栅结构。

3.如权利要求1所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第二微结构是为一光栅结构。

4.如权利要求1所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第一微结构是为一实体结构。

5.如权利要求1所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第二微结构是为一实体结构。

6.一种叠对量测结构，其是用以量测层与层间的对位误差，其特征在于，该叠对量测结构包括：

一材料层，其是具有由一第一光栅微结构以及一第二光栅微结构构成的一对微结构，该第二光栅微结构与该第一光栅微结构间具有一对位间距；

7.如权利要求6所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第一光栅微结构的周期是可与该第二光栅微结构的周期相同或者是不相同。

8.如权利要求6所述的叠对量测结构，其特征在于，其中该第一光栅微结构的光栅线宽是可与该第二光栅微结构的光栅线宽相同或者是不相同。

9.一种叠对量测方法，其特征在于，其是包括有下列步骤：

(a)分别于一第一材料层以及一第二材料层上形成一对微结构，该对微结构具有一对位间距；

(b)量测该对微结构的光学影像所具有的光学强度分布；

(c)根据该光学强度分布得到一评价值；

(d)改变该第一材料层上的对位间距中心与该第二材料层上的对位间距中心的距离；

(e)重复步骤(a)至步骤(d)以根据所得的多个评价值得到一评价关系线；其中该步骤(c)更具有下列步骤：

(c1)取得该光学强度分布的梯度值分布；

(c2)根据该梯度值分布决定出多个特征点以定义出该评价值；其中该多个特征点是为该梯度分布的主峰值以及主峰值两侧的谷点。

10.如权利要求9所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对微结构是为一对光栅微结构。

11.如权利要求10所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对光栅微结构的周期是可相同或者是不相同。

12.如权利要求10所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对光栅微结构的光栅线宽是可相同或者是不相同。

13.如权利要求9所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对微结构是为一对实体微结构。

14.一种叠对量测方法，其特征在于，其是包括有下列步骤：

根据权利要求9所述的叠对量测方法决定一评价关系线；

分别于一第一待测材料层以及一第二待测材料层上形成一对微结构，该对微结构具有一对位间距；

量测该对微结构的光学影像所具有的光学强度分布；

根据该光学强度分布得到一评价值；

将该评价值对应该评价关系线，以得到该第一待测材料层与该第二待测材料层的堆叠误差。

15.如权利要求14所述的叠对量测方法，其特征在于，其中决定该评价值更包括有下列步骤：

取得该光学强度分布的梯度值分布；

根据该梯度值分布决定出多个特征点以定义出该评价值。

16.如权利要求15所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该多个特征点是为该梯度分布的主峰值以及主峰值两侧的谷点。

17.如权利要求14所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对微结构是为一对光栅微结构。

18.如权利要求17所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对光栅微结构的周期是可相同或者是不相同。

19.如权利要求17所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对光栅微结构的光栅线宽是可相同或者是不相同。

20.如权利要求14所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该对微结构是为一对实体微结构。

21.如权利要求14所述的叠对量测方法，其特征在于，其中决定该评价关系线更包括有下列步骤：

(b)量测该对微结构的光学影像所具有的光学强度分布；

(c)根据该光学强度分布得到一评价值；

(e)重复步骤(a)至步骤(d)以根据所得的多个评价值得到一评价关系线。

22.如权利要求21所述的叠对量测方法，其特征在于，其中该步骤(c)更具有下列步骤：

(c1)取得该光学强度分布的梯度值分布；

(c2)根据该梯度值分布决定出多个特征点以定义出该评价值。