CN110945436A - 用于参数确定的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

用于根据量测目标的图像测量重叠的方法和设备，所述图像是使用声波获得，例如使用声波显微镜获得的图像。获得两个目标的图像，一个图像使用声波获得，一个图像使用光波获得，确定图像的边缘，根据两个图像的边缘之间的差获得两个目标之间的重叠。

Description

用于参数确定的方法及其设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年7月25日提交的美国申请62/536,675的优先权，该美国申请通过引用全文并入本文。

技术领域

本公开涉及用于例如在通过光刻技术制造器件时可使用的检查(例如，量测)的方法和设备，并且涉及使用光刻技术制造器件的方法。

背景技术

光刻设备是一种被构造为将所期望的图案施加到衬底上的机器。例如，光刻设备能够用于集成电路(IC)的制造中。光刻设备可例如将在图案形成装置(例如，掩模)处的图案(也经常称为“设计布局”或“设计”)投影到设置在衬底(例如，晶片)上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。

为了将图案投影到衬底上，光刻设备可以使用电磁辐射。这种辐射的波长决定能够形成在衬底上的特征的最小尺寸。当前使用的典型的波长是365nm(i线)、248nm、193nm和13.5nm。使用极紫外(EUV)辐射(其波长在4-20nm范围内，例如6.7nm或13.5nm)的光刻设备可用于在衬底上形成比使用例如波长为193nm的辐射的光刻设备更小的特征。

低k₁光刻术可以用于尺寸小于光刻设备的经典分辨率极限的过程特征。在这种过程中，分辨率公式可以表达为CD＝k₁×λ/NA，其中λ是所用辐射的波长，NA是光刻设备中投影光学器件的数值孔径，CD是“临界尺寸”(通常是印制的最小特征大小，但在这种情况下为半节距)，k₁是经验分辨率因子。通常，k₁越小，在衬底上再现类似于由电路设计者规划的形状和尺寸以实现特定电学功能和性能的图案就变得越困难。为了克服这些困难，可以将复杂的精调步骤施加到光刻投影设备和/或设计布局。这些步骤包括例如但不限于：NA的优化、自定义照射方案、使用相移图案形成装置、设计布局中的各种优化(诸如光学近接校正(OPC，有时也称为“光学和过程校正”)、或通常被定义为“分辨率增强技术”(RET)的其它方法)。替代地，可以使用用于控制光刻设备的稳定性的紧密控制回路来改善低k1下的图案的再现。

因此，在图案化过程中，经常期望对所产生的结构进行测量，例如用于过程控制和验证。已知用于进行这样的测量的各种工具，包括常常用于测量临界尺寸(CD)的扫描电子显微镜和用于测量重叠的专用工具，重叠是器件中的两个层的对准的准确度的量度。重叠可依据两个层之间的未对准的程度进行描述，例如，对1nm的测量重叠的参考描述了两个层存在1nm的未对准的情形。

已经开发有各种形式的检查设备(例如，量测设备)用于光刻领域。这些装置将辐射束引导到目标上，并且测量被改变方向的(例如被散射的)辐射的一个或更多个属性——例如在单个反射角下作为波长的函数的强度；在一种或更多种波长下作为反射角的函数的强度；或者作为反射角的函数的偏振——以获得“光谱”，可以根据该“光谱”确定目标的感兴趣的属性。确定所感兴趣的属性可以通过各种技术来执行：例如，通过诸如严格耦合波分析或有限元方法等迭代方法进行的目标的重构；库搜索；以及主成分分析。

发明内容

用于根据量测目标的图像测量重叠的方法和设备，所述图像是使用声波获得的，例如使用声波显微镜获得的图像。一种量测设备，包括用于产生声波的源。一种方法，包括使用声波来测量图案化过程的参数，还包括使用声波获得第一目标的第一图像，使用光波获得第二目标的第二图像，确定所述第一图像的特性和所述第二图像的特性，和根据所述第一图像的特性和所述第二图像的特性之间的差确定所述图案化过程的参数。所述特性是图像的边缘。

附图说明

现在将参考随附示意图仅通过举例的方式描述本发明的实施例，在附图中：

图1描绘了光刻设备的示意性概述；

图2描绘了光刻单元的示意性概述；

图3描绘了整体光刻术的示意性表示，该图表示三种关键技术之间的协作以优化半导体制造；

图4在图4A中描绘了根据本公开的设备的实施例，该设备包括声学量测设备和光学量测设备；在图4B中描绘了所测量的重叠目标的图像。

图5描绘了根据组合后的声学量测设备和光学量测设备的本公开的另一实施例。

具体实施方式

在本文中，术语“辐射”和“束”被用于涵盖全部类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如具有365nm、248nm、193nm、157nm或126nm的波长)和极紫外辐射(EUV，例如具有在约5-100nm的范围内的波长)。

如本文中所使用的术语“掩模版”、“掩模”或“图案形成装置”可以被宽泛地解释为指代可以用于将图案化的横截面赋予入射辐射束的通用图案形成装置，所述图案化的横截面对应于要在衬底的目标部分中产生的图案；术语“光阀”也可以用于这种内容背景中。除了经典掩模(透射式或反射式；二元式、相移式、混合式等)以外，其它此类图案形成装置的示例包括：

-可编程反射镜阵列。关于这种反射镜阵列的更多信息在美国专利No.5,296,891和No.5,523,193中给出,所述文献通过引用并入本文。

-可编程LCD阵列。这种构造的示例在美国专利No.5,229,872中给出，其通过引用并入本文。

图1示意性地描绘了一种光刻设备LA。所述光刻设备LA包括：照射系统(也称为照射器)IL，配置成调节辐射束B(例如UV辐射、DUV辐射或EUV辐射)；支撑结构(例如掩模台)T，构造成支撑图案形成装置(例如掩模)MA并且连接到第一定位器PM，所述第一定位器PM配置成根据特定参数来准确地定位图案形成装置MA；衬底台(例如晶片台)WT，构造成保持衬底(例如涂覆有抗蚀剂的晶片)W并且连接到第二定位器PW，所述第二定位器PW配置成根据特定参数来准确地定位衬底；以及投影系统(例如折射型投影透镜系统)PS，配置成将由图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如包括一个或更多个管芯)上。

在操作中，照射器IL接收来自辐射源SO的辐射束，例如经由束传递系统BD来接收。照射系统IL可以包括各种类型的光学部件，例如折射型、反射型、磁性型、电磁型、静电型或其它类型的光学部件、或其任意组合，以引导、成形、或控制辐射。照射器IL可以用于调节辐射束B，以在图案形成装置MA的平面处在其横截面中具有所期望的空间和角度强度分布。

本文使用的术语“投影系统”PS应该被广义地解释为涵盖各种类型的投影系统，包括折射型光学系统、反射型光学系统、反射折射型光学系统、变形(anamorphic)光学系统、磁性型光学系统、电磁型光学系统和静电型光学系统或其任意组合，例如对于所使用的曝光辐射或者对于诸如浸没液体的使用或真空的使用之类的其它因素合适的。本文使用的任何术语“投影透镜”可以被认为与更上位的术语“投影系统”PS同义。

光刻设备也可以是这样一种类型：其中衬底的至少一部分可以被具有相对高折射率的液体(例如水)覆盖，以便填充投影系统和衬底之间的空间-其也称为浸没光刻术。关于这种浸没技术的更多信息在美国专利No.6,952,253和PCT公开出版物No.WO99-49504中给出,其通过引用并入本文。

光刻设备LA也可以是具有两个(双平台)或更多衬底台WT和例如两个或更多支撑结构T(未示出)的类型。在这种“多平台”机器中，可以并行地使用附加的台/结构，或可以在一个或更多个台上执行预备步骤的同时，将一个或更多个其它台用于将图案形成装置MA的设计布局曝光至衬底W上。

在操作中，所述辐射束B入射到保持在支撑结构(例如，掩模台T)上的所述图案形成装置(例如，掩模MA)上，并且通过所述图案形成装置MA来图案化。在已横穿掩模MA的情况下，辐射束B传递通过投影系统PS，所述投影系统将所述束聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位器PW和位置传感器IF(例如，干涉仪装置、线性编码器、2-D编码器或电容传感器)，可以准确地移动衬底台WT，例如以便将不同的目标部分C定位于辐射束B的路径中。类似地，可以将第一定位器PM和可能的另一个位置传感器(图1中未明确描绘出)用于相对于辐射束B的路径准确地定位掩模MA。掩模MA和衬底W可以使用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准。尽管所图示的衬底对准标记占据了专用目标部分，但是它们可以位于多个目标部分之间的空间(这些公知为划线对准标记)中。

如图2所示，光刻设备LA可以构成光刻单元LC的一部分，所述光刻单元LC有时也称为光刻元或(光刻)簇，其常常还包括在衬底W上执行曝光前和曝光后过程的设备。常规地，这些设备包括：用于沉积抗蚀剂层的旋涂机SC，用于显影被曝光的抗蚀剂的显影机DE，例如用于调节衬底W的温度(例如用于调节抗蚀剂层中的溶剂)的激冷板CH和焙烤板BK。衬底处理装置或机器人RO从输入/输出端口I/O1、I/O2拾取衬底W，在不同的过程设备之间移动衬底W，然后将衬底W传送到光刻设备LA的进料台LB。光刻单元中的这些装置常常还统称为涂覆显影系统，并且典型地由涂覆显影系统控制单元TCU控制，该涂覆显影系统控制单元TCU本身可以由管理控制系统SCS控制，该管理控制系统SCS也可以例如经由光刻控制单元LACU来控制光刻设备LA。

为了使由光刻设备LA曝光的衬底W正确且一致地曝光，期望检查衬底以测量图案化结构的属性，诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等。为此，在光刻单元LC中可包括检查工具。如果检测到误差，例如可以对随后的衬底的曝光或将要在衬底W上执行的其它处理步骤进行调整，特别是如果检查是在同一批量或批次的其它衬底W仍待曝光或处理之前进行的。

检查设备(其也可以被称为量测设备)用于确定衬底W的属性，特别是确定不同衬底W的属性如何变化或与同一衬底W的与不同层相关联的属性如何在不同层间变化。可选地，检查设备可以可替代地被构造为识别衬底W上的缺陷，并且例如可以是光刻单元LC的一部分，或者可以被集成到光刻设备LA中，或者甚至可以是独立的装置。检查设备可以测量潜像(曝光后的抗蚀剂层中的图像)、半潜像(曝光后焙烤步骤PEB之后的抗蚀剂层中的图像)或显影后的抗蚀剂图像(其中已去除抗蚀剂的已曝光的或未曝光的部分)、或者甚至蚀刻后的图像(在图案转印步骤(诸如蚀刻)之后)的属性。

典型地，光刻设备LA中的图案化过程是在所述处理中最关键的步骤之一，所述处理要求以高准确度尺寸化和放置衬底W上的结构。为了确保这种高准确度，可以将三个系统组合为所谓的“整体”控制环境，如图3所示意性地描绘的。这些系统中的一个是光刻设备LA，所述光刻设备LA(实质上)连接到量测工具MT(第二系统)和计算机系统CL(第三系统)。这种“整体”环境的关键是优化这三个系统之间的协作，以增强整个过程窗口，并提供紧密的控制回路以确保由光刻设备LA执行的图案化保持在过程窗口内。过程窗口定义了过程参数(例如，剂量、聚焦、重叠)的范围，在所述范围内，特定的制造过程会产生明确的结果(例如，功能半导体器件)，典型地允许在光刻过程或图案化过程中的过程参数在所述范围内改变。

计算机系统CL可以使用要被图案化的设计布局(的一部分)，以预测使用哪种分辨率增强技术并执行计算光刻模拟和计算以确定哪些掩模布局和光刻设备设定实现图案化过程的最大的整个过程窗口(在图3中由第一标度SC1中的双箭头描绘)。典型地，分辨率增强技术被布置为匹配光刻设备LA的图案化的可能性。计算机系统CL还可以用于检测光刻设备LA当前正在过程窗口内何处操作(例如，使用来自量测工具MT的输入)，以预测是否可能存在由于例如次优处理导致的缺陷(在图3中由第二标度SC2中的箭头指向“0”描绘)。

量测工具MT可以向计算机系统CL提供输入以实现准确的模拟和预测，并且可以向光刻设备LA提供反馈以识别可能的偏移，例如，在光刻设备LA的校准状态下(在图3中由第三标度SC3中的箭头描描绘)。

在光刻过程中，期望频繁地测量所产生的结构，例如用于进行过程控制和验证。进行这种测量的工具典型地称为量测工具MT。已知用于进行这样的测量的不同类型的量测工具MT，包括扫描电子显微镜或各种形式的散射仪量测工具MT。散射仪是一种多功能仪器，其允许通过在散射仪物镜的光瞳或共轭面中设置传感器来测量光刻过程的参数(在这种情况下，该测量通常称为基于光瞳的测量)，或者允许通过将传感器设置在图像平面或与图像平面共轭的平面中来测量光刻过程的参数(在这种情况下，所述测量经常称为基于图像或场的测量)。在专利申请US20100328655、US2011102753A1、US20120044470A、US20110249244、US20110026032或EP1,628,164A中进一步描述了这样的散射仪和相关联的测量技术，所述专利申请通过引用将其全部内容并入本文。前述散射仪可以使用从软x射线、可见到近IR的波长范围的光来测量光栅。

在第一实施例中，散射仪MT是角分辨散射仪。在这种散射仪中，可以将重构方法施加于所测量的信号以重构或计算光栅的属性。例如，这种重构可以由模拟被散射的辐射与目标结构的数学模型的相互作用并将模拟结果与测量结果进行比较产生。调整数学模型的参数，直到被模拟的相互作用产生与从实际目标观察到的衍射图案类似的衍射图案为止。

在第二实施例中，散射仪MT是光谱散射仪MT。在这样的光谱散射仪MT中，由辐射源发射的辐射被引导到目标上，并且来自目标的被反射的或被散射的辐射被引导到光谱仪检测器，所述光谱仪检测器测量被镜面反射的辐射的光谱(即，作为波长的函数强度的测量结果)。根据该数据，例如通过严格耦合波分析和非线性回归或通过与被模拟的光谱库进行比较，可以重构产生检测到的光谱的目标的结构或轮廓。

在第三实施例中，散射仪MT是椭圆散射仪MT。椭圆散射仪允许通过测量每个偏振态的被散射的辐射来确定光刻过程的参数。这样的量测设备通过在量测设备的照射区段中使用例如适当的偏振滤光器来发射偏振光(诸如线性、圆形或椭圆形的偏振光)。适用于量测设备的源也可以提供偏振辐射。现有的椭圆散射仪的各种实施例在美国专利申请11/451,599、11/708,678、12/256,780、12/486,449、12/920,968、12/922,587、13/000,229、13/033,135、13/533,110和13/891,410中进行了描述，所述申请通过引用其全部内容并入本文。

量测工具的另一种实现形式是基于图像的重叠量测工具，其是一种使用光学(可见)辐射通过检测专门设计的重叠目标的图像来确定重叠的测量技术。使用目标(例如“盒中盒”或“栅条中栅条”目标)执行基于图像的重叠(IBO)测量的典型目标。基于IBO的测量在美国专利申请US20130208279中进一步描述，该专利通过引用全部内容并入本文。

在散射仪MT的一个实施例中，散射仪MT适于通过测量反射光谱和/或检测配置中的不对称性来测量两个未对准的光栅或周期性结构的重叠，所述不对称性与重叠的程度有关。两个(典型地，叠置的)光栅结构可以被施加在两个不同的层(不一定是连续的层)中，并且可以被形成在晶片上的实质上相同的位置处。散射仪可以具有如例如在共同拥有的专利申请EP1,628,164A中描述的对称检测配置，使得任何不对称性都是明显可区分的。这提供了一种测量光栅中未对准的简单方法。通过周期性结构的不对称性来测量包含周期性结构作为目标的两层之间的重叠误差的其它示例可以在PCT专利申请公开出版物No.WO 2011/012624或美国专利申请US 20160161863中找到，它们通过引用整体并入本文。

在制作具有增强的3维特征的光刻器件(例如X点存储器或3D NAND结构)时，需要不透明层来确保正确的器件处理。典型地，这种层对于可见辐射是不透明的，在特定的配置中，这依赖于用于不透明层的材料的施加或类型，这种层对于红外辐射是透射的。然而，技术路线图预测，需要几乎不透射光学辐射(在可见光谱或红外光谱内的光学辐射)的层，并且非常优选由非透光材料或非光学透射性材料制成的层(例如，金属层)。结果，图案化过程的感兴趣的属性的确定可以通过不采用可见或红外辐射的技术来执行。

本公开描述了一种使用声波或辐射来测量图案化过程的参数的方法。本公开还描述了一种包括产生声波的源的量测设备。在实施例中，图案化过程的参数是重叠。在实施例中，用于测量图案化过程的参数的方法使用由基于声学的工具获得的量测目标的图像。这样的声波成像工具的示例是表面声波学显微镜(SAM)，其工作原理由C.F.Quate，A.Atalar，H.K.Wickramasinghe在IEEE会议集,第67卷，第8号，1979年8月公布的文献中进行描述，该文献通过引用全文并入本文。

通常，同样对于材料不透光的情况，诸如例如在制作3D NAND结构时使用的金属层的情况下，声波依赖于材料的声学属性来穿透材料。在被掩埋在半导体层叠层中的光栅的示例中，声学显微镜利用该原理来获得被掩埋在材料内部的结构的图像。声学显微镜测量图像的深度依赖于激励频率下声波的衰减。对频率的依赖性并不明确。在金属中，衰减的主要来源被证明是“热弹性热流”，如上文引述的C.F.Quate等人解释的，并且整体衰减随频率的平方增加。在绝缘子中，衰减的主要来源是由于声子气体引起的碰撞和阻尼。在半导体中，可以预期这是两种效应的组合。典型地，衰减似乎与声波频率的平方成正比，但是，对于极高的声频率(例如，几GHz)，实验结果已经显示出较慢的衰减，如在Li和Cahill，Phys.Rev.B 94,104306所论述的，该文献通过引用整体并入本文。

因此，为了获得用于在声学显微镜中获取掩埋物体(诸如重叠目标之类的物体)的图像的声波的更深的穿透深度，需要降低声波的频率，因此波长需要增加。材料中声波的物理属性之间的这种关系的效应表明，较深的掩埋物体(诸如量测目标)需要相应地增加尺寸。换句话说，用声学显微镜拍摄的图像的分辨率随着物体被掩埋的距离而降低。在半导体工业中，量测目标经常在几百纳米到几微米的不透明材料的情况下印制。因此，以高达几GHz的声学频率成像是可能的，从而可能提供微米甚至亚微米范围内的空间分辨率。

为了校准这种效应，需要对随材料深度变化的反射声波功率的损失的校准，该校准也称为V(z)曲线。它表示在声换能器上检测到的电压作为声波散焦的函数。V(z)曲线揭示了样本表面和基础结构的重要信息。如上文C.F.Quate等人引用的参考文献35中所述，声学显微镜典型地在信号稍微散焦的情况下操作。

适用于声学重叠测量的典型重叠目标可以由两个相邻的光栅构成，例如图4A的光栅301A(掩埋光栅)和图4A的光栅302A(顶部光栅)。例如，光栅302A具有例如在1微米和10微米节距之间的尺寸，占空比为50％。例如，光栅301A具有例如在1微米和10微米节距之间的尺寸。假设在这些光栅之间存在1微米W的金属层。不透明层的另一示例是由几微米的非晶碳形成的。

声学显微镜具有声源，该声源传递频率在GHz范围内的声波，例如，该声源具有1GHz的频率，对应于0.7微米的波长，并且其数值孔径为0.5。在这些条件下，可以假设需要通过声学显微镜成像的衬底的表面的分辨率约为1微米。在GHz体系内对于W的衰减为2dB/cm量级。对于Ti，所述衰减为10dB/cm，对于金，所述衰减为100dB/cm。假设值为50dB/cm，金属膜的往返衰减仍为5x10-4 dB/微米。因此，在GHz范围内，衰减不是一个大问题，因此底部光栅的节距可以如上计算在5-10um的范围内。虽然对于GHz体系，可以预期低于2的幂律，但是衰减在更高的频率上成为一个更大的问题，因为它与频率的平方成反比。用图4A的量测布置获得的图像在图4B中示出，其中301B是底部光栅301A的图像，而302B是顶部光栅302A的图像。

混合量测解决方案包括声学显微镜(诸如，图4A的301)和光学显微镜(诸如，图4A的302)，这两个工具分离达距离310，并根据以下知识进行校准，所述知识例如为显微镜的尺寸、要使用的目标、衬底支撑台的速度。在图4A的示例中，重叠是如根据光栅301A和302A的图像测量的在边缘301AA和302AA之间测量的相对距离。

在实施例中，图4A的光栅301A和302A两者都是用声学显微镜测量的。测量意味着：获得了每个光栅的图像，获得了边缘301AA和302AA，并且由两个边缘301AA和302AA之间的差确定重叠。声学显微镜测量顶部光栅302A和底部光栅301A。

在实施例中，作为用于声学显微镜的“透镜”进行操作的相同布置被修改以允许光学布置，诸如光学物镜，如图5可见。同一透镜能够用于聚焦光学辐射402和声学辐射401。通过在声学透镜上制作分束器，能将同一透镜用作光学和声学透镜。该材料能够是蓝宝石玻璃，因为它在光学波长下是透明的并且也可以用作声学透镜。重叠信息通过比较用光学装置获得的图像和用声学装置获得的图像来获得。如图5所示的设备的操作在欧洲专利申请18153587.3中进行了描述，该专利申请通过引用全文并入本文。

以上实施例中所描述的声学显微镜可以通过对其修改以允许相位检测或允许声学场较好耦合至目标材料中而得以进一步改善。在实施例中，压电换能器扫描发射脉冲声学场的目标。收集透射的和反射的回波，这允许以连贯的方式重构样本的图像。在该实施例中，振幅和相位两者都可以应用于信号处理。在另一个实施例中，可以用包括超材料的层来修改扫描声学显微镜，这允许等于或小于声学显微镜的操作波长的声学场的空间变化的改善的耦合。

尽管在本文中可以对在IC制造中的光刻设备的使用进行了具体参考，但是应该理解，本文描述的光刻设备可以具有其它应用。可能的其它应用包括集成光学系统，用于磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等的制造。

尽管在本文中在光刻设备的内容背景下对本发明的实施例进行具体的参考，但是本发明的实施例可以用于其它设备。本发明的实施例可以构成掩模检查设备、量测设备、或测量或处理诸如晶片(或其它衬底)或掩模(或其它图案形成装置)之类的物体的任何设备的一部分。这些设备通常可称为光刻工具。这种光刻工具可以使用真空条件或环境(非真空)条件。

尽管上文已经在光学光刻术的内容背景下对本发明的实施例的使用进行具体的参考，但是应当理解，在内容背景允许的情况下，本发明不限于光学光刻术，并可以用于其它应用，例如压印光刻术。

虽然上文已经描述了本发明的具体实施例，但是应该理解，本发明可以以与上述不同的方式来实践。上文的描述旨在是说明性的而不是限制性的。因此，本领域技术人员将明白，可以在不背离下文所阐述的权利要求的范围的情况下对所描述的本发明进行修改。

Claims (4)

1.一种量测设备，包括用于产生声波的源。

2.一种方法，包括使用声波来测量图案化过程的参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中

使用声波获得第一目标的第一图像；

使用光波获得第二目标的第二图像；

确定所述第一图像的特性和所述第二图像的特性；和

根据所述第一图像的特性和所述第二图像的特性之间的差确定所述图案化过程的参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述特性是图像的边缘。

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