CN111324019A - 一种同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，自下而上堆叠且分别设有光栅的三层光刻层，其中顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由形状相同的周期性结构组成；周期性结构中的每个结构的中心到该光栅邻近结构的具体为该光栅的周期；中间光栅的周期为顶部光栅周期的二分之一；底部光栅的周期为顶部光栅周期的三分之一；顶部光栅、中间光栅以及底部光栅堆叠构成套刻精度的量测标识。本发明旨在以基于衍射的套刻精度测量量测技术为基础，提供一次性获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，在保证量测精度的同时，提高量测效率，以满足光刻工艺中不断增加的套刻精度量测效率和量测精度的需求。

Description

一种同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法。
背景技术
在14nm及以下技术节点，为了解决光刻机分辨能力不足的问题，两次甚至多次曝光形成一层光刻图案的方法被广泛采用，光刻层的增多意味着OVL量测需求的成倍增加，在之前技术节点中一对一的OVL量测模式逐渐演化为一对二甚至一对多的模式，即一层曝光完成后，往往需要对它与多道光刻层之间的OVL进行量测，以实现更好的OVL控制。为了满足这一量测需求，需要在划片槽(scribed line)中放置大量的OVL量测标识，这样原本就十分紧张的划片槽面积变得更为捉襟见肘。为此，工程师不断提出更小的OVL量测标识设计，来减小其对划片槽面积的占用。例如KLA-Tencor提出的小AIM标识和微AIM标识，将原有的24um×24um的AIM标识缩小为15um×15um(小AIM标识)和10um×10um(微AIM标识)。ASML也在DBO标识的基础上提出了uDBO标识，将标识的尺寸有最初的40um×160um缩小到了10um×10um。另一方面，大量增加的OVL量测对晶圆厂的线上产能也产生了不可忽视的影响，仅仅减小OVL量测标识的尺寸依然无法解决这一问题，因此工程师希望在单一套刻标识上一次性获得多层间套刻精度的量测结果，从而节约出宝贵的量测时间，Blossom标识即是基于此目的提出的一种OVL标识设计方案。Blossom标识由大量的线宽为0.3um，大小为1um的十字形标识组成，如图1所示。其中每四个十字标识来自同一道光刻层，对角的两个十字标识连线的交点即为四个标识的中心，不同光刻层之间的OVL由其标识中心的相对位移确定。Blossom标识的优势就在于一次量测可以获得多道光刻层之间的OVL，从而减少量测时间，提高晶圆厂线上产品的流通速度。但由于仅采用简单的十字标识的设计，使得Blossom标识的量测精度难以与目前主流采用的AIM和uDBO标识相比拟，因此未被广泛采用。
综上所述，先进技术节点的光刻工艺对OVL量测的效率提出了更高的要求，如何在保证量测精度的基础上减少量测标识的数量，削减总的量测次数是亟需解决的问题。基于衍射的套刻精度测量(diffraction based overlay,DBO)是近年来被提出的一种新型套刻精度(overlay,OVL)量测技术，相较于传统的基于图像的套刻精度测量(image basedoverlay，IBO)，DBO具有量测不确定性(total measurement uncertainty,TMU)小、量测速度快以及量测解决方案更为丰富等优势，从而逐渐成为主流的OVL量测手段。DBO的量测机理如图2a至图2c所示，其量测标识由上下两层密集线条组成，下层的密集线条称为底部光栅，由前层工艺光刻、蚀刻后形成；上层的密集线条称为顶部光栅，为当层曝光后形成，两层光栅的周期一致，入射光照射在DBO标识上时，会发生衍射。当顶部和底部光栅之间不存在相对位移时(即OVL＝0)，它们就表现地像一个反射光栅一样，此时衍射光的正、负1级光束的强度完全一致；反之，当OVL≠0时，两个光栅就会合成表现为一个非对称的光栅，此时正、负1级衍射光的强度将产生差异，这个差异的大小与OVL偏移的方向相关，并在一定范围内与OVL的大小成正比，比例系数为K，即ΔI＝K*OVL，因此通过测量ΔI即可得到OVL的数值。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，用于解决现有技术中先进技术节点的光刻工艺中套刻精度量测的效率低、量测次数增多以及量测精度低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种同时获得多层间套刻精度的量测标识，至少包括：自下而上堆叠且分别设有光栅的三层光刻层，所述三层光刻层中位于顶部、中间以及底部的所述光刻层上的所述光栅依次分别为顶部光栅、中间光栅以及底部光栅；
所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由形状相同的周期性结构组成；所述周期性结构中的每个结构的中心到该光栅邻近结构的具体为该光栅的周期；所述中间光栅的周期为所述顶部光栅周期的二分之一；所述底部光栅的周期为所述顶部光栅周期的三分之一；所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅堆叠构成套刻精度的量测标识。
优选地，所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由等间隔排布且宽度相等的多个线条组成。
优选地，所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由周期性排列的间隙、空洞或凸块组成。
优选地，构成所述顶部光栅的线条为7条，所述顶部光栅的周期为600nm，所述顶部光栅中每个线条的宽度为300nm。
优选地，构成所述中间光栅的线条为13条，所述中间光栅的周期为300nm，所述中间光栅中每个线条的宽度为150nm。
优选地，构成所述底部光栅的线条为19条，所述底部光栅的周期为200nm，所述底部光栅中每个线条的宽度为100nm。
优选地，所述底部光栅设置于有源区光刻层的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。
优选地，所述中间光栅设置于栅极光刻层的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。
优选地，所述顶部光栅设置于栅极图形裁剪光刻层的掩膜版上，并通过曝光最终形成于晶圆上。
一种利用同时获得多层间套刻精度的量测标识的量测方法，该方法至少包括以下步骤：
步骤一、将形成有所述量测标识的晶圆送至用于套刻精度检查的量测机台；
步骤二、将一束入射光照射在所述量测标识上，所述量测标识发生衍射，产生正负1级、正负2级、正负3级以及更高次的衍射光；其中所述正负2级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的2级衍射光与中间光栅的1级衍射光叠加而成；所述正负3级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的3级衍射光与底部光栅的1级衍射光叠加而成；
步骤三、利用所述正负2级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述栅极光刻层的套刻精度；利用所述正负3级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述有源区光刻层的套刻精度。
如上所述，本发明的同时获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，具有以下有益效果：本发明旨在以基于衍射的套刻精度测量量测技术为基础，提供一可一次性获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，在保证量测精度的同时，提高量测效率，以满足集成电路光刻工艺中不断增加的套刻精度量测效率和量测精度的需求。
附图说明
图1显示为现有技术中的Blossom标识的结构示意图；
图2a至图2c显示为现有技术中的DBO标识结构示意图；
图3显示为本发明的套刻精度量测标识中光栅结构的平面示意图；
图4显示为本发明的套刻精度量测标识的纵截面结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图3至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种同时获得多层间套刻精度的量测标识，如图3和图4所示，其中图3显示为本发明的套刻精度量测标识中光栅结构的平面示意图；图4显示为本发明的套刻精度量测标识的纵截面结构示意图。本发明的所述同时获得多层间套刻精度的量测标识至少包括：自下而上堆叠且分别设有光栅的三层光刻层，所述三层光刻层中位于顶部、中间以及底部的所述光刻层上的所述光栅依次分别为顶部光栅、中间光栅以及底部光栅；
所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由形状相同的周期性结构组成；本发明进一步地，本实施例中所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由等间隔排布且宽度相等的多个线条组成。如图3所示，图3中，密集性排布的多个周期性结构为多个密集排布的线条，并且位于图3左侧的排布较为疏散的为顶部光栅，位于中间排布较为密集的为中间光栅，位于右侧排布最密集的为底部光栅。图3中将三种本来叠放的光栅平铺开陈列的目的是为了便于对比观察。
在其他实施例中，所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅也可以分别是由周期性排列的间隙、空洞或凸块组成。
本发明的所述周期性结构中的每个结构的中心到该光栅邻近结构的具体为该光栅的周期；所述中间光栅的周期为所述顶部光栅周期的二分之一；所述底部光栅的周期为所述顶部光栅周期的三分之一；所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅堆叠构成套刻精度的量测标识。
本实施例中的所述每一光刻层中的光栅中，每个线条的中心到该光栅邻近线条的具体为该光栅的周期，也就是说，每一光刻层中的光栅中，每个线条的中心到该光栅邻近线条的边界为该光栅的周期，本实施例中的所述顶部光栅的周期设有P，所述中间光栅的周期为所述顶部光栅周期的二分之一，也即所述中间光栅的周期为P/2；所述底部光栅的周期为所述顶部光栅周期的三分之一，也即所述底部光栅的周期为P/3。本实施例中的所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅堆叠构成套刻精度的量测标识如图4所示。
本发明进一步地，本实施例中，构成所述顶部光栅的线条为7条，所述顶部光栅的周期为600nm，所述顶部光栅中每个线条的宽度为300nm。再进一步地，本实施例中构成所述中间光栅的线条为13条，所述中间光栅的周期为300nm，所述中间光栅中每个线条的宽度为150nm。更进一步地，本实施例中构成所述底部光栅的线条为19条，所述底部光栅的周期为200nm，所述底部光栅中每个线条的宽度为100nm。
本实施例中的所述底部光栅设置于有源区光刻层(Active area photo，AA-PH)的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。所述中间光栅设置于栅极光刻层(polyphoto，POLY-PH)的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。所述顶部光栅设置于栅极图形裁剪光刻层(poly line-end cut photo，LEC-PH)的掩膜版上，并通过曝光最终形成于晶圆上。
利用本发明的所述量测标识的量测原理：如图3所示，每道光刻层上的套刻精度(OVL)标识由不同周期的密集线条组成。其中最上层的密集线条为顶部光栅，由最近一道光刻形成，光栅周期(每条线条的中心到临近线条的具体)为P；中间层的密集线条为中间光栅，为前一道光刻、蚀刻后形成，光栅周期为P/2；最下层的密集线条为底部光栅为三层图案中最先形成的，光栅周期为P/3。实际量测时，一道入射光照射在OVL标识上，发生衍射，形成正负1级、2级、3级及更高次的衍射光，如图4所示。其中正、负2级衍射光由顶部光栅的2级衍射光与中间光栅的1级衍射光叠加形成；正负3级衍射光由顶部光栅的3级衍射光与底部光栅的1级衍射光叠加形成。根据前述的基于衍射的OVL量测原理，正、负2级衍射光之间的强度差与顶部光栅和中间光栅之间的相对位移相关，即ΔI2＝K1-2*OVL1-2；而正、负3级衍射光之间的强度差与顶部光栅和底部光栅之间的相对位移相关，即ΔI3＝K1-3*OVL1-3。由于正、负2级和3级衍射光的出射角度不一致，通过分光光路设计可以将其区别开来，因此ΔI2和ΔI3的数值是可以通过一次测量得到的，这样就同时获得了最近一道光刻层和之前两道光刻层之间的OVL。
本发明还提供利用该量测标识进行多层间套刻精度量测的方法，该方法至少包括以下步骤：
步骤一、将形成有所述量测标识的晶圆送至用于套刻精度检查的量测机台；
步骤二、将一束入射光照射在所述量测标识上，所述量测标识发生衍射，产生正负1级、正负2级、正负3级以及更高次的衍射光；其中所述正负2级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的2级衍射光与中间光栅的1级衍射光叠加而成；所述正负3级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的3级衍射光与底部光栅的1级衍射光叠加而成；LEC-PH曝光完成后，将晶圆送至量测机台进行套刻精度检查，分别测量套刻标识产生的正、负2级和正、负3级共四束衍射光的强度。
步骤三、利用所述正负2级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述栅极光刻层的套刻精度；利用所述正负3级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述有源区光刻层的套刻精度。也即利用正、负2级两束衍射光的强度差和比例系数K1-2，计算每个量测点的OVL数值，得到LEC-PH对POLY-PH的套刻精度；也即利用正、负3级两束衍射光的强度差和比例系数K1-3，计算每个量测点的OVL数值，得到LEC-PH对AA-PH的套刻精度。
在利用本发明的所述量测标识进行套刻精度量测的实际过程中，在保证三层光栅相互之间的周期倍数关系不变的前提下，其光栅的周期可以根据量测系统的设定如光源波长、光源强度、入射光的极化方向、物镜的数值孔径、光路设计、光强探测器的灵敏度等进行调整，只需保证它们之间的周期倍数关系不变。同时，三层光栅的具体结构可根据具体的曝光工艺进行调整，以满足光刻和蚀刻的工艺窗口。三层光栅的具体结构可根据器件区域内特征结构进行仿照设计，已最大限度的重现套刻精度在器件区域的情况。套刻标识的尺寸及其中包含的光栅线条数量在满足量测精度的前提下，可以根据放置区域的大小进行调整。
综上所述，本发明旨在以基于衍射的套刻精度测量量测技术为基础，提供一可一次性获得多层间套刻精度的量测标识及量测方法，在保证量测精度的同时，提高量测效率，以满足集成电路光刻工艺中不断增加的套刻精度量测效率和量测精度的需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于，至少包括：
自下而上堆叠且分别设有光栅的三层光刻层，所述三层光刻层中位于顶部、中间以及底部的所述光刻层上的所述光栅依次分别为顶部光栅、中间光栅以及底部光栅；
所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由形状相同的周期性结构组成；所述周期性结构中的每个结构的中心到该光栅邻近结构的具体为该光栅的周期；所述中间光栅的周期为所述顶部光栅周期的二分之一；所述底部光栅的周期为所述顶部光栅周期的三分之一；所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅堆叠构成套刻精度的量测标识。
2.根据权利要求1所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由等间隔排布且宽度相等的多个线条组成。
3.根据权利要求1所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：所述顶部光栅、中间光栅以及底部光栅分别由周期性排列的间隙、空洞或凸块组成。
4.根据权利要求2所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：构成所述顶部光栅的线条为7条，所述顶部光栅的周期为600nm，所述顶部光栅中每个线条的宽度为300nm。
5.根据权利要求2所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：构成所述中间光栅的线条为13条，所述中间光栅的周期为300nm，所述中间光栅中每个线条的宽度为150nm。
6.根据权利要求2所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：构成所述底部光栅的线条为19条，所述底部光栅的周期为200nm，所述底部光栅中每个线条的宽度为100nm。
7.根据权利要求1所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：所述底部光栅设置于有源区光刻层的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。
8.根据权利要求1所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：所述中间光栅设置于栅极光刻层的掩膜版上，并通过曝光、刻蚀最终形成于晶圆上。
9.根据权利要求1所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识，其特征在于：所述顶部光栅设置于栅极图形裁剪光刻层的掩膜版上，并通过曝光最终形成于晶圆上。
10.一种利用如权利要求1至9任意一项所述的同时获得多层间套刻精度的量测标识的量测方法，其特征在于，该方法至少包括以下步骤：
步骤一、将形成有所述量测标识的晶圆送至用于套刻精度检查的量测机台；
步骤二、将一束入射光照射在所述量测标识上，所述量测标识发生衍射，产生正负1级、正负2级、正负3级以及更高次的衍射光；其中所述正负2级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的2级衍射光与中间光栅的1级衍射光叠加而成；所述正负3级衍射光由所述量测标识中的顶部光栅的3级衍射光与底部光栅的1级衍射光叠加而成；
步骤三、利用所述正负2级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述栅极光刻层的套刻精度；利用所述正负3级衍射光之间的强度差得到所述栅极图形裁剪光刻层对所述有源区光刻层的套刻精度。
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