CN109828440B - 基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法 - Google Patents

基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法，套刻标识包括前层套刻标识以及第一、第二当层套刻标识，前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条，两个当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条，前层套刻标识的前层线条和当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，两个当层套刻标识相对于前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反。本发明可以同时确定前层套刻标识与当层套刻标识在X方向和Y方向的偏差，减少套刻误差的测量时间，且尺寸可根据需求任意调整，适用于各种放置区域。

Description

基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法
技术领域
本发明涉及微电子及半导体集成电路制造领域，具体属于一种基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法。
背景技术
光刻工艺是半导体集成电路制造中的关键步骤，它是通过对准、曝光等一系列步骤将掩模图案图形转移到晶圆上的工艺过程，在半导体芯片的制造过程中，通常要通过多层光刻工艺才能完成整个制造过程，而曝光显影后留存在光刻胶上的图形(即当层图形)必须与晶圆衬底上已有的图形(即前层图形)位置对准，即套刻误差(即晶圆的上下两层图形之间的偏移量，overlay)必须满足要求，这样才能保证器件各部分之间连接正确。套刻误差太大是导致器件短路和断路的主要原因之一，它极大地影响器件的良率。
在集成电路制造的流程中，通常利用专门的设备测量晶圆上当层图形与前层图形之间的相对位置以确定套刻误差。套刻误差定量地描述了当层图形相对于前层图形在X方向和Y方向的偏差以及这种偏差在晶圆表面的分布，是检验光刻工艺好坏的一个关键指标，最理想的情况是当层图形与前层图形完全对准，套刻误差为零。晶圆上专门用来测量套刻误差的图形被称为套刻标识，这些图形在设计掩模时已经被放置在了指定的区域，通常是在曝光单元的边缘。理想的套刻标识必须便于测量，能够快速地获得测量数据，并且能经历各种工艺条件而不容易被损坏。目前，业界常用的套刻标识主要分为基于图像识别技术(IBO)和基于衍射(DBO)两大类。
常见的IBO套刻标识有BIB(Bar In Bar)套刻标识(如图1a所示)和AIM(AdvancedImaging Metrology)套刻标识(如图1b所示)，其中黑色标识为前层套刻标识，灰色标识为当层套刻标识，BIB套刻标识的尺寸通常为24μm×24μm，AIM套刻标识的尺寸通常为29μm×29μm。BIB套刻标识和AIM套刻标识的缺陷之一就是图形尺寸较大，在掩模上占用较大的面积，因此只能放置在切割道上，无法放置在曝光区域内的器件附近，这就使得曝光区域内部的套刻误差无法被监测。为此，IBO套刻标识的设计也随着技术节点的推进不断演变，从大于20μm的BIB套刻标识/AIM套刻标识，缩小到15μm，甚至是更小的“Blossom”标识。Blossom标识由很多小十字组成，整个区域为50μm×50μm，在这个区域内可以包括多达28层光刻层的套刻标识，其小十字的尺寸可以根据每层光刻层的光刻条件进行调整，但是必须大于0.3μm以保证显微镜下的分辨率，从而保证准确性。
相对于IBO套刻标识，DBO套刻标识的优点是测量误差小以及测量的重复性高，较多的文献数据证实套刻标识的变形对DBO测量结果的影响小于对IBO测量结果的影响。DBO套刻标识的形状如图2所示，用于DBO测量的图形是两个周期性的结构，两个结构分别位于当层和前层，如果这两个图形完全对准，那么在光照下的衍射条纹就是对称的，通过测量衍射图形的对称性就可以获得套刻误差的信息。DBO套刻标识的尺寸通常为20μm×20μm，同样存在图形尺寸偏大的问题。
现在业界对套刻误差的控制要求越来越高，套刻误差的测量也面临巨大的挑战，如何在提高测量速度的同时又提高其准确性是集成制造工艺中要面对的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于衍射的套刻标识以及套刻误差测量方法，可以在一次测量过程中同时确定当层与前层在X方向和Y方向的套刻误差，提高测量速度的同时提高准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于衍射的套刻标识，包括前层套刻标识以及相对于所述前层套刻标识的第一当层套刻标识和第二当层套刻标识，所述前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识的前层线条和所述第一当层套刻标识、第二当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识相对于所述前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反。
进一步的，所述前层套刻标识的前层线条宽度和当层套刻标识的当层线条宽度中的最小值大于第一偏移值。
进一步的，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。
进一步的，所述前层套刻标识的等间距线条的尺寸根据前层光刻层的光刻条件确定，第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条的尺寸根据当层光刻层的光刻条件确定。
进一步的，所述第一偏移量根据前层光刻层和当层光刻层的光刻条件确定。
进一步的，所述套刻标识的形状根据放置区域确定。
优选的，所述套刻标识的形状为正方形或长方形。
优选的，所述套刻标识的放置区域为切割道或曝光区域内的器件附近。
本发明还提供套刻误差测量的方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供一晶圆，并设计一套刻标识，所述套刻标识包括前层套刻标识、第一当层套刻标识和第二当层套刻标识；
所述前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识的前层线条和所述第一当层套刻标识、第二当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识相对于所述前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反；
步骤S2，完成所述晶圆的前层的光刻、刻蚀工艺，形成所述前层套刻标识；
步骤S3，完成所述晶圆的第一当层的光刻工艺，形成所述第一当层套刻标识；
步骤S4，完成所述晶圆的第二当层的光刻工艺，形成所述第二当层套刻标识，所述第二当层套刻标识与所述第一当层套刻标识组成当层套刻标识；
步骤S5，利用光学衍射方法进行测量，根据当前套刻标识与前层套刻标识形成的衍射束强度分布获得当层套刻标识与前层套刻标识在X方向和Y方向的套刻误差。
进一步的，所述套刻标识的形状根据放置区域确定。
优选的，所述套刻标识的形状为正方形或长方形。
优选的，所述套刻标识的放置区域为切割道或曝光区域内的器件附近。
进一步的，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。或者，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。
与现有技术相比，本发明有益之处在于：
第一，本发明中基于衍射的45°旋转的套刻标识改变了X方向套刻误差和Y方向套刻误差需要分开量测的传统方式，可以同时确定前层套刻标识与当层套刻标识在X方向和Y方向的偏差，从而减少套刻误差的测量时间；
第二，本发明的套刻标识可以根据需求任意调整标识尺寸，从而设计放置区域，若置于切割道则可以节省切割道空间，若置于曝光区域内器件附近则可以提高套刻误差结果的准确性，适用于先进技术节点光刻套刻标识的发展趋势。
附图说明
图1a为BIB套刻标识的示意图；
图1b为AIM套刻标识的示意图；
图2为DBO套刻标识的示意图；
图3a为前层套刻标识初始图案的一种示意图；
图3b为前层套刻标识初始图案的另一种示意图；
图4a为当层套刻标识初始图案的一种图案示意图；
图4b为当层套刻标识初始图案的另一种图案示意图；
图5为前层套刻标识初始图案与两个当层套刻标识初始图案的组合示意图；
图6为图5的局部放大图；
图7为本发明的基于衍射的套刻标识的一种形状示意图；
图8为本发明的基于衍射的套刻标识的另一种形状示意图；
图9为本发明的基于衍射的套刻标识的再一种形状示意图；
图10为基于衍射的套刻误差测量方法的原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰语变更。
本发明的基于衍射的套刻标识，如图7至图9所示，包括前层套刻标识100以及相对于所述前层套刻标识100的第一当层套刻标识201和第二当层套刻标识202，所述前层套刻标识100包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识201和所述第二当层套刻标识202完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识100的前层线条和所述第一当层套刻标识201、第二当层套刻标识202的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识201和所述第二当层套刻标识202相对于所述前层套刻标识100在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值d且偏移方向相反。所述前层套刻标识的前层线条宽度和当层套刻标识的当层线条宽度中的最小值大于第一偏移值d。
前述基于衍射的套刻标识的设计步骤如下：
SO1：前层套刻标识由等间距(P)前层线条密集排列组成，当层套刻标识由两组完全相同的等间距(P)当层线条密集排列组成，前层线条的尺寸和当层线条的尺寸根据对应光刻层的光刻条件确定；
前层套刻标识的等间距前层线条可以为但不局限于图3a所示的实线条和图3b所示的点阵条，同样地，当层套刻标识的等间距当层线条可以为但不局限于图4a所示的实线条和图4b所示的点阵条；
SO2：设计前层套刻标识与第一当层套刻标识在X方向的偏移量为d，前层套刻标识与第二当层套刻标识在X方向的偏移量为-d；所述第一偏移量根据前层光刻层和当层光刻层的光刻条件确定；
如图5、图6所示，前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条也为实线条；
但是本发明对此不作限定，例如，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条，或者所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条，或者，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条；
SO3：将前层套刻标识与当层套刻标识同步旋转45°，根据可放置区域的大小确定最终的套刻标识的形状，类似地在每层光刻层的相应区域摆放该套刻标识；
套刻标识的放置区域包括但不限于切割道或曝光区域内的器件附近，而套刻标识的形状可以为正方形，如图7所示，也可以为两端向X方向延伸的长方形，如图8所示，还可以为两端向Y方向延伸的长方形，如图9所示。
上述基于衍射的45°旋转可置于器件附近的套刻标识，同时确定X方向和Y方向的偏差从而减少套刻误差量测的时间。
基于前述套刻标识进行套刻误差测量的方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供一晶圆，并设计一套刻标识，设计过程如上所述；
所述套刻标识包括前层套刻标识、第一当层套刻标识和第二当层套刻标识；所述前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识的前层线条和所述第一当层套刻标识、第二当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识相对于所述前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反；
步骤S2，完成所述晶圆的前层的光刻、刻蚀工艺，形成所述前层套刻标识；
步骤S3，完成所述晶圆的第一当层的光刻工艺，形成所述第一当层套刻标识；
步骤S4，完成所述晶圆的第二当层的光刻工艺，形成所述第二当层套刻标识，所述第二当层套刻标识与所述第一当层套刻标识组成当层套刻标识；
步骤S5，利用光学衍射方法进行测量，根据当前套刻标识与前层套刻标识形成的衍射束强度分布获得当层套刻标识与前层套刻标识在X方向和Y方向的套刻误差，如图10所示。
基于光学衍射的原理，利用上述套刻标识进行套刻误差测量的原理为：
As+d＝K×(OV+d)；
As-d＝K×(OV-d)；
Figure BDA0002006791750000071
其中，OV表示未知的套刻精度，As+d表示测量的第一当层套刻标识和前层套刻标识的衍射光获得的光强，As-d表示测量的第二当层套刻标识和前层套刻标识的衍射光获得的光强，K表示与厚度相关的系数，d表示第一偏移值。
上述基于光学衍射的方法进行套刻标识的测量属于本领域的公开方法，故在此简单说明。
下面以具体的实施例说明本发明的基于衍射的套刻标识的设计思路。
SO1：前层光刻层的套刻标识由20条密集等间距(P＝300)线条排列组成，当层光刻层的套刻标识由两组完全相同的10条密集等间距(P＝300)线条排列组成，设计当层光刻层的线条尺寸为120nm，前层光刻层的线条尺寸为150nm；
SO2：设计前层光刻层的套刻标识与第一组当层光刻层的套刻标识在X方向的偏移量为17nm，前层光刻层的套刻标识与第二组当层光刻层的套刻标识在X方向的偏移量为-17nm；
SO3：将前层光刻层的套刻标识与当层光刻层的套刻标识同步旋转45°，根据可放置区域的大小选择最终基于衍射的套刻标识形状为正方形。
与现有技术相比，本发明有益之处在于：
第一，本发明中基于衍射的45°旋转的套刻标识改变了X方向套刻误差和Y方向套刻误差需要分开量测的传统方式，可以同时确定前层套刻标识与当层套刻标识在X方向和Y方向的偏差，从而减少套刻误差的测量时间；
第二，本发明的套刻标识可以根据需求任意调整标识尺寸，从而设计放置区域，若置于切割道则可以节省切割道空间，若置于曝光区域内器件附近则可以提高套刻误差结果的准确性，适用于先进技术节点光刻套刻标识的发展趋势。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，该实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。

Claims (12)

1.一种基于衍射的套刻标识，其特征在于，包括前层套刻标识以及相对于所述前层套刻标识的第一当层套刻标识和第二当层套刻标识，所述前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识的前层线条和所述第一当层套刻标识、第二当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识相对于所述前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的前层线条宽度和当层套刻标识的当层线条宽度中的最小值大于第一偏移值。
3.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。
4.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为实线条。
5.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的等间距线条为实线条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。
6.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的等间距线条为点阵条，所述第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条均为点阵条。
7.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述前层套刻标识的等间距线条的尺寸根据前层光刻层的光刻条件确定，第一当层套刻标识和第二当层套刻标识的等间距线条的尺寸根据当层光刻层的光刻条件确定。
8.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述第一偏移值根据前层光刻层和当层光刻层的光刻条件确定。
9.根据权利要求1所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述套刻标识的形状根据放置区域确定。
10.根据权利要求9所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述套刻标识的形状为正方形或长方形。
11.根据权利要求9所述的基于衍射的套刻标识，其特征在于，所述套刻标识的放置区域为切割道或曝光区域内的器件附近。
12.一种对权利要求1至11中任一项所述的套刻标识进行套刻误差测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，提供一晶圆，并设计一套刻标识，所述套刻标识包括前层套刻标识、第一当层套刻标识和第二当层套刻标识；
所述前层套刻标识包括依次分布且相互平行的多个等间距前层线条以及位于相邻前层线条之间的凹陷区，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识完全相同且均包括依次分布且相互平行的多个等间距当层线条以及位于相邻当层线条之间的凹陷区，所述前层套刻标识的前层线条和所述第一当层套刻标识、第二当层套刻标识的当层线条平行，且前层线条和当层线条向两端的延伸方向与X方向和Y方向之间的夹角均为45°，所述第一当层套刻标识和所述第二当层套刻标识相对于所述前层套刻标识在与前层线条延伸方向相垂直的方向上均偏移第一偏移值且偏移方向相反；
步骤S2，完成所述晶圆的前层的光刻、刻蚀工艺，形成所述前层套刻标识；
步骤S3，完成所述晶圆的第一当层的光刻工艺，形成所述第一当层套刻标识；
步骤S4，完成所述晶圆的第二当层的光刻工艺，形成所述第二当层套刻标识，所述第二当层套刻标识与所述第一当层套刻标识组成当层套刻标识；
步骤S5，利用光学衍射方法进行测量，根据当前套刻标识与前层套刻标识形成的衍射束强度分布获得当层套刻标识与前层套刻标识在X方向和Y方向的套刻误差。
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