CN103777467A - 一种套刻误差测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种套刻误差测量装置及方法,采用宽波段光源,其发出的宽波段测量光束经分束镜转折后通过物镜正入射到套刻测量标记上并发生衍射,衍射光经过物镜和分束镜后被第一探测器接收,可由此测得衍射光强,并进一步计算高级次衍射光光谱强度的非对称性得到套刻误差,采用宽波段测量范围广,具有良好的工艺适应性,而正入射的测量光束,使得焦深大,降低了对测量焦面位置的控制难度,从而提高了实际测量中的可行性,并能够获取高精度的测量结果。

Description

一种套刻误差测量装置及方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域的设备,特别涉及一种应用于光刻测量技术中的套刻误差测量装置及方法。
背景技术
根据半导体行业组织(International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)给出的光刻测量技术路线图,随着光刻图形关键尺寸(CD)进入22nm及以下工艺节点,特别是双重曝光(Double Patterning)技术的广泛应用,对光刻工艺参数套刻(overlay)的测量精度要求已经进入亚纳米领域。由于成像分辨率极限的限制,传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术(Imaging-Basedoverlay(IBO))已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术(Diffraction-Based overlay(DBO))正逐步成为套刻测量的主要手段。
美国专利US7791727B2(下文称文献1)公开了一种DBO技术,该技术通过测量套刻标记衍射光角分辨谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差,衍射光的衍射角随入射光入射角度变化而改变,所谓衍射光角分辨谱是指不同角度的入射光在被套刻标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布,如其公式6所示,中国专利CN1916603也公开了类似的技术,其中图10是一种环形照明模式下,各个衍射级次的角分辨谱在CCD探测器上的分布情况。
文献1中的Fig.3是该技术方案的装置结构图,光源2发出的光经干涉滤波装置30后形成窄带宽的入射光,物镜L1将入射光汇聚到硅片的套刻标记上。探测器32位于物镜的后焦面,套刻标记的衍射光被物镜收集后被探测器接受。探测器测得套刻标记各个角度衍射光的角分辨谱。为了获得大范围的角分辨谱,该方案中使用大数值孔径(numerical aperture,NA)的物镜。由于不同波长的衍射光的衍射角度不同,为了防止不同波长角分辨谱间的重叠,该方案采用干涉滤波装置对光源进行滤波,形成窄带宽的测量光。原则上,该方案只能一次测量一个波长下的反射光角分辩谱。为了进行多波长测量,Fig.6,7提供了一种在物镜光瞳面进行分光的方案,以便同时测量多个分立波长下的角分辩谱。
尽管如此,文献1仍然只能测量有限个分立的波长。从其描述中可知,首先,该方案用于套刻误差测量的测量光波长范围有限,面对复杂的半导体制造工艺,可能存在一定的工艺适应性问题。例如,若测量波长正好是膜厚的4倍,则容易发生干涉效应而使反射率大大降低,从而造成测量精度的下降;其次,该方案使用的大NA物镜方案,具有很小的焦深范围。一般而言,该角分辨谱测量方案中,测量光使用的有效孔径大于0.9,以典型测量波长600nm计算,则其有效焦深范围不到1um,因此,在测量过程中必须对焦面位置进行高精度的控制,这将影响测量速度和精度;若焦面控制不力,则测量光斑极易扩散到被测套刻标记外,形成大量杂光;再次,该方案一般一次只能用于测量单个套刻方向,当同时测量两个方向时,两个方向的角分辨谱可能相互叠加,因此只能缩小角分辨谱包含的角度范围,信息量减少,影响精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种套刻误差测量装置及方法,提高工艺适应性、降低焦面的控制难度并提高测量精度。
为解决上述技术问题,本发明提供一种套刻误差测量装置,包括:
宽波段光源,产生宽波段的测量光束;
分束镜,所述分束镜位于所述测量光束的光路径上,使所述测量光束折转;
物镜,所述物镜接收并汇聚所述折转后的测量光束使其正入射到套刻测量标记上,同时收集从套刻测量标记上衍射的衍射光;
第一探测器,所述第一探测器探测经所述物镜收集并经所述分束镜透射的衍射光的衍射光谱。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述汇聚后的测量光束中心光线垂直于所述套刻测量标记,边缘光线与所述中心光线具有小于30°的夹角。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述边缘光线与所述中心光线具有小于20°的夹角。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述宽波段光源的波段包括可见光波段、紫外波段及红外波段。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述宽波段光源为氙灯、氘灯及卤素灯的一种或多种的组合。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述第一探测器上显示测得的衍射光谱。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述第一探测器为二维阵列探测器。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述第一探测器位于所述物镜的瞳面。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述第一探测器位于所述物镜的瞳面的光学共轭面。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述套刻误差测量装置还包括起偏器,所述起偏器位于宽波段光源和分束镜之间的光路径上,所述起偏器产生偏振测量光束。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述偏振测量光束为TE模的偏振测量光束。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述偏振测量光束为TM模的偏振测量光束。
可选的,所述套刻误差测量装置还包括依次排列在宽波段光源和分束镜之间的光路径上的滤光装置、中继镜组及可变孔径光阑。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述滤光装置为干涉式的滤波片。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述滤光装置为单色仪。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述滤光装置为声光调制器。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述滤光装置包括带通滤光片。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,还包括中继镜组及可变孔径光阑,所述可变孔径光阑用于产生特定空间频率分布的测量光束。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述套刻误差测量装置还包括反射镜、成像系统及第二探测器,所述反射镜位于分束镜和第一探测器之间的光路径上的,并经所述成像系统成像到第二探测器上。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述第二探测器位于所述物镜瞳面的光学共轭面上。
可选的,对于所述的套刻误差测量装置,所述成像系统为放大系统。
本发明提供一种套刻误差测量方法,包括:
利用如上所述的套刻误差测量装置,发射出正入射的测量光束到第一套刻测量标记和第二套刻测量标记上;
由所述第一探测器探测衍射光谱,并计算出套刻误差
ϵ = A right + A left A right - A left Δ ;
其中,Aright为第一套刻测量标记上光强的非对称性,Aleft为第二套刻测量标记上光强的非对称性,Δ为两个套刻测量标记的预设偏移量。
可选的,对于所述的套刻误差测量方法,由所述第一探测器探测衍射光谱,并计算出套刻误差包括如下步骤:
探测衍射光谱的+1级衍射光强和-1级衍射光强,得到+1级衍射光强和-1级衍射光强的非对称性
Aright=I+1R-I-1R=k(ε+Δ),
Aleft=I+1L-I-1L=k(ε-Δ);
由上述+1级衍射光强-1级衍射光强的非对称性计算得到套刻误差
ϵ = A right + A left A right - A left Δ ;
其中,I+1R为测得的入射第一套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1R为测得的入射第一套刻测量标记的-1级衍射光的光强,I+1L为测得的入射第二套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1L为测得的入射第二套刻测量标记的-1级衍射光的光强,k为标记工艺及测量光属性相关的因子。
可选的,对于所述的套刻误差测量方法,所述套刻误差的范围为小于等于套刻标记周期的四分之一。
可选的,对于所述的套刻误差测量方法,所述第一套刻测量标记和第二套刻测量标记均包括形成在衬底上的第一层光栅结构和形成在第一层光栅结构上的第二层光栅结构,所述套刻测量标记两层光栅结构间具有一预设偏移量Δ。
可选的,对于所述的套刻测量模块,所述第一套刻测量标记的两层光栅结构和第二套刻测量标记的两层光栅结构具有相反的预设偏移量。
可选的,对于所述的套刻测量模块,所述第一层光栅结构由曝光图形经包括显影、刻蚀及沉积工艺形成。
可选的,对于所述的套刻测量模块,所述第二层光栅结构为曝光、显影后的光刻胶图形。
与现有技术相比,本发明提供的套刻误差测量装置及方法中,采用宽波段光源,其测量范围广,具有良好的工艺适应性,采用正入射测量光束,使得焦深变大,降低了对测量焦面位置的控制难度,从而提高了实际测量中的可行性,并能够获取高精度的测量结果。
附图说明
图1为本发明实施例一的套刻误差测量装置的结构示意图;
图2为本发明实施例二的套刻误差测量装置的结构示意图;
图3为本发明实施例三的套刻误差测量装置的结构示意图;
图4为本发明实施例四的套刻误差测量装置的结构示意图;
图5为本发明实施例的套刻测量标记的剖视图;
图6为本发明实施例的套刻测量模块的标准预设示意图;
图7为本发明实施例的套刻测量模块的实际结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的套刻误差测量装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供一种套刻误差测量装置,请参考图1,包括:
宽波段光源101,用于产生宽波段的测量光束,所述宽波段光源的波段包括可见光波段、紫外波段及红外波段,所述宽波段光源101可以为氙灯、氘灯及卤素灯的一种或多种组合而成,如此便可具有更宽广的波长选择范围,而现有技术中采用可见光波段内几个分立的波长作为测量光,波长范围和可选择性受到了大大的限制;
分束镜102,所述分束镜102位于所述宽波段光源101发出的测量光束的光路径上,使得测量光束折转;
物镜103,所述物镜103接收并汇聚所述折转后的测量光束使其正入射到套刻测量标记104上,具体的,所述汇聚后的测量光束中心光线垂直于所述套刻测量标记104,边缘光线与所述中心光线具有小于30°的夹角,甚至小于20°的夹角,在如此小的角度下,测量用焦深很容易达到几十个微米的范围,使得测量系统对焦面位置控制的要求就大大降低。同时,由于套刻测量标记104的周期性结构,入射的测量光束将会在套刻测量标记104上产生色散效应,各种不同波长的光从不同的角度发生衍射,从而在空间上分离,则所述物镜103将收集从套刻测量标记104衍射的衍射光;
第一探测器105,所述第一探测器105位于所述物镜103和分束镜102的正上方,所述第一探测器105探测经所述物镜103收集并穿过分束镜102的衍射光的衍射光谱。所述第一探测器105为二维阵列探测器,其位于所述物镜103的瞳面或位于所述物镜103的光学共轭面上。在第一探测器的探测面1051上,可采集到入射光的0级光斑106及高级次衍射光谱,其中,所述高级次衍射光谱包括一组表征X方向的光谱107和一组表征Y方向的光谱108,上述两组光谱相互垂直。
实施例二
请参考图2,为了进一步提高测量装置的工艺适应性和测量精度,可以在实施例一的基础上加入一起偏器201,所述起偏器201能够产生偏振测量光束,具体的,所述偏振测量光束可以为TE模的偏振测量光束,也可以为TM模的偏振测量光束。在不同的半导体制造工艺中,不同偏振光对套刻误差的敏感度存在一定的差异,因此,针对特定的套刻测量标记,可选择灵敏度较高的偏振方向进行测量,以进一步提高工艺适应性。
实施例三
已知衍射光的各级次空间频率为sinθ=nλ/p,其中θ为衍射角度,n为衍射级次,λ为波长,p为套刻测量标记周期。由于测量使用宽波段光源,在同一衍射级次内,各个波长的衍射光在空间上分离。在本实施例中个,通过测量同一波长衍射光的光强非对称性确定套刻误差,因此,需在第一探测器上精确的确定同一波长衍射光的位置。本实施例通过如图3的方案实现衍射光谱位置校准:在宽波段光源101后加入滤光装置301,所述滤光装置301可滤出一个或多个波长,即产生一种或多种单色光,其将在第一探测器105上形成一个或多个分离的衍射光谱,此时第一探测器105可测得单波长精确的定位位置,通过校准一个或多个波长在第一探测器105上的位置,可确定整个衍射光谱的位置。所述滤光装置301可以是干涉式的滤波片、单色仪以及声光调制器等。
本实施例测得的高级次衍射光谱的范围与入射光束波段、套刻测量标记周期、物镜NA、以及测量光束的空间频率等有密切关系。如测量光束选取200nm~800nm波段,套刻标记周期为1um,则1级光最小的空间频率为0.2,因此,入射光束的空间频率需小于该值,以免入射光的0级衍射光与衍射光谱在探测器上重合。因此,本实施例通过加入中继镜组302以及可变孔径光阑303,可限制入射光空间频率的大小,产生特定空间频率分布的测量光束,在此可变孔径光阑303可以为物镜孔径光阑。
当入射光空间频率减小后,第一探测器105上测得的衍射光谱宽度也相应的减小,使有效测量信号数量降低。为了避免增大套刻测量标记周期的同时过分的减小入射光空间频率,可在滤光装置301上使用带通滤光片,以滤除测量光中较低波长的光。
本实施例可针对所测套刻测量标记的实际工艺状况,优选对套刻误差较为敏感的测量光束波段进行测量,同时也需折中考虑入射光空间频率与最短测量波长以及衍射光谱宽度间的关系。
本实施例可以在实施例二的基础上完成,也就是说,在宽波段光源101和滤光装置301之间也可以存在一起偏器。
实施例四
由于一般0级衍射光的光强要远大于其他级次的衍射光谱光强,将0级衍射光与衍射光谱在同一探测器上探测容易造成探测器像素饱和,光强串扰等问题,影响测量精度。考虑到上述问题,可以在测量光路中加入一个反射镜,本实施例可以在实施例一、二或三中任一个的基础上完成。请参考图4,本实施例在实施例三的基础上加入一个反射镜401,置于分束镜102和第一探测器105之间,将0级衍射光耦合出来,经成像系统402成像到第二探测器403上。所述成像系统402可以具有放大的功能,使所述第二探测器403能更精确的测量入射光束的空间强度分布。所述第二探测器403可以位于物镜103瞳面的共轭面上。
由图4中可见,在第二探测器的探测面4031上形成0级衍射光斑404,而在第一探测器的探测面1051上则只有相互垂直的两组衍射光谱。0级衍射光为入射光束的镜像,直接反映了入射光束的性质,入射光束的空间强度分布将直接影响衍射光谱的对称性。因此,本实施例对0级衍射光空间强度分布进行监测,可有效减小由于入射光束引起的测量误差。
实施例五
本发明提供一种套刻误差测量方法,可以用于测量两次曝光后的套刻误差,包括:
采用散射测量技术,利用上述实施例中任一个所述的套刻误差测量装置,发射出正入射的测量光束到套刻测量标记上,则在很小的套刻误差范围内(例如小于套刻测量标记周期的四分之一),由第一探测器测得入射光+/-1级衍射光的光强I+1和I-1,则入射光+/-1级衍射光强的非对称性近似可表示为:
A=I+1-I-1=kε(1)
其中,ε为套刻误差,k为标记工艺及测量光属性相关的因子,为了将该因子去除,本发明采用两个套刻测量标记,即第一套刻测量标记和第二套刻测量标记。具体为分别向所述第一套刻测量标记和第二套刻测量标记发射测量光束,使得所述第一探测器探测衍射光谱,并计算所述测量光束+/-1级衍射光的光强的非对称性,得到,
Aright=I+1R-I-1R=k(ε+Δ),(2)
Aleft=I+1L-I-1L=k(ε-Δ),(3)
由公式(2)和公式(3)可以得到套刻误差的表达式为:
ϵ = A right + A left A right - A left Δ - - - ( 4 )
其中,Aright为第一套刻测量标记上光强的非对称性,I+1R为测得的入射第一套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1R为测得的入射第一套刻测量标记的-1级衍射光的光强,Aleft为第二套刻测量标记上光强的非对称性,I+1L为测得的入射第二套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1L为测得的入射第二套刻测量标记的-1级衍射光的光强,Δ为两个套刻测量标记的预设偏移量。
请参考图5,本发明的套刻误差测量方法所采用的套刻测量标记,包括在衬底1上形成的第一层光栅结构21和形成在第一层光栅结构21上的第二层光栅结构4,所述套刻测量标记两层光栅结构间具有一偏移量5。其中,所述第一层光栅结构21由曝光图形经包括显影、刻蚀及沉积工艺形成,具体可以为掺氟氧化硅介质薄膜(FSG)中沉积铜(Cu),在第一层光栅结构21与第二层光栅结构4之间可以具有过渡层3,具体的来说,过渡层3包括:在第一层光栅结构21上依次形成SiN层3a,FSG层3b,SiON层3c及抗反射涂层(BARC)3d。所述第二层光栅结构4为在BARC上的曝光、显影后的光刻胶图形。由图5中可见,所述第一层光栅结构21与第二层光栅结构4皆为周期性结构,优选为周期相同。
请参考图6和图7,本发明可以制作两个套刻测量标记为一组的套刻测量模块,具体的,如图6所示,在第一套刻测量标记61和第二套刻测量标记62的两层光栅结构间都具有一预设偏移量Δ,且其预设偏移量应当相反,即第一套刻测量标记61具有第一预设偏移量71,其为-Δ,第二套刻测量标记62具有第二预设偏移量72,其为Δ。然而实际设计中,不可避免的会出现套刻误差,即图7所示的情况:所述第一套刻测量标记61具有第一实际偏移量81,其为ε-Δ,第二套刻测量标记62具有第二实际偏移量82,其为ε+Δ。其中,ε即为套刻误差。
具体的,通过计算同一方向高级次衍射光谱中相同波长衍射光光强的非对称性,利用公式(3)可得到该波长下测得的套刻误差。且高级次衍射光谱具有相互垂直的两个方向的光谱,则可以同时测量两个方向的套刻误差,能够获得较丰富的测量信号,从而提高了测量精度。
本发明提供的套刻误差测量装置及方法中,采用宽波段光源,其测量范围广,具有良好的工艺适应性,采用正入射测量光束,使得焦深变大,降低了对测量焦面位置的控制难度,从而提高了实际测量中的可行性,并能够获取高精度的测量结果。
显然,本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (26)

1.一种套刻误差测量装置,其特征在于,包括:
宽波段光源,产生宽波段的测量光束;
分束镜,所述分束镜位于所述测量光束的光路径上,使所述测量光束折转;
物镜,所述物镜接收并汇聚所述折转后的测量光束使其正入射到套刻测量标记上,同时收集从套刻测量标记上衍射的衍射光;
第一探测器,所述第一探测器探测经所述物镜收集并经所述分束镜透射的衍射光的衍射光谱。
2.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述汇聚后的测量光束中心光线垂直于所述套刻测量标记,边缘光线与所述中心光线具有小于30°的夹角。
3.如权利要求2所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述边缘光线与所述中心光线具有小于20°的夹角。
4.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述宽波段光源的波段包括可见光波段、紫外波段及红外波段。
5.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述宽波段光源为氙灯、氘灯及卤素灯的一种或多种的组合。
6.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述第一探测器上显示测得的衍射光谱。
7.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述第一探测器为二维阵列探测器。
8.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述第一探测器位于所述物镜的瞳面。
9.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述第一探测器位于所述物镜的瞳面的光学共轭面。
10.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述套刻误差测量装置还包括起偏器,所述起偏器位于宽波段光源和分束镜之间的光路径上,所述起偏器产生偏振测量光束。
11.如权利要求10所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述偏振测量光束为TE模的偏振测量光束。
12.如权利要求10所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述偏振测量光束为TM模的偏振测量光束。
13.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述套刻误差测量装置还包括依次排列在宽波段光源和分束镜之间的光路径上的滤光装置、中继镜组及可变孔径光阑。
14.如权利要求13所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述滤光装置为干涉式的滤波片。
15.如权利要求13所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述滤光装置为单色仪。
16.如权利要求13所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述滤光装置为声光调制器。
17.如权利要求13所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述滤光装置包括带通滤光片。
18.如权利要求1所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述套刻误差测量装置还包括反射镜、成像系统及第二探测器,所述反射镜位于分束镜和第一探测器之间的光路径上,耦合出0级衍射光,并经所述成像系统成像到第二探测器上。
19.如权利要求18所述的套刻误差测量装置,其特征在于,所述第二探测器位于所述物镜瞳面的光学共轭面上。
20.一种套刻误差测量方法,其特征在于,包括:
利用如权利要求1~19中任一项所述的套刻误差测量装置,发射出正入射的测量光束到第一套刻测量标记和第二套刻测量标记上;
由所述第一探测器探测衍射光谱,并计算出套刻误差
ϵ = A right + A left A right - A left Δ ;
其中,Aright为第一套刻测量标记上光强的非对称性,Aleft为第二套刻测量标记上光强的非对称性,Δ为两个套刻测量标记的预设偏移量。
21.如权利要求20所述的套刻误差测量方法,其特征在于,由所述第一探测器探测衍射光谱,并计算出套刻误差包括如下步骤:
探测衍射光谱的+1级衍射光强和-1级衍射光强,得到+1级衍射光强和-1级衍射光强的非对称性
Aright=I+1R-I-1R=k(ε+Δ),
Aleft=I+1L-I-1L=k(ε-Δ);
由上述+1级衍射光强和-1级衍射光强的非对称性计算得到套刻误差
ϵ = A right + A left A right - A left Δ ;
其中,I+1R为测得的入射第一套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1R为测得的入射第一套刻测量标记的-1级衍射光的光强,I+1L为测得的入射第二套刻测量标记的+1级衍射光的光强,I-1L为测得的入射第二套刻测量标记的-1级衍射光的光强,k为标记工艺及测量光属性相关的因子。
22.如权利要求20所述的套刻误差测量方法,其特征在于,所述套刻误差的范围为小于等于套刻标记周期的四分之一。
23.如权利要求20所述的套刻误差测量方法,其特征在于,所述第一套刻测量标记和第二套刻测量标记均包括形成在衬底上的第一层光栅结构和形成在第一层光栅结构上的第二层光栅结构,所述套刻测量标记两层光栅结构间具有一预设偏移量Δ。
24.如权利要求23所述的套刻误差测量方法,其特征在于,所述第一套刻测量标记的两层光栅结构和第二套刻测量标记的两层光栅结构具有相反的预设偏移量。
25.如权利要求23所述的套刻误差测量方法,其特征在于,所述第一层光栅结构由曝光图形经包括显影、刻蚀及沉积工艺形成。
26.如权利要求23所述的套刻误差测量方法,其特征在于,所述第二层光栅结构为曝光、显影后的光刻胶图形。
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