CN111458984A - 一种套刻标记及测量配置的分步优化方法 - Google Patents

一种套刻标记及测量配置的分步优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光刻领域，并具体公开了一种套刻标记及测量配置的分步优化方法，包括如下步骤：S1确定待优化变量和多个优化目标，所述待优化变量包括套刻标记形貌参数和测量配置参数；S2根据一个优化目标，结合预设的套刻标记基本参数，对所确定的待优化变量进行优化，并设置终止条件，得到多组优化结果；S3设置另一个优化目标的阈值，并根据该优化目标的阈值对优化结果进行筛选，保留满足条件的优化结果；S4重复S3，直至所有优化目标都已使用，得到最终优化结果，完成套刻标记及测量配置的分步优化。本发明能提供准确度高、重复性测量精度好、鲁棒性好的套刻标记与对应的测量配置，能够满足套刻误差的测量需求。

Description

一种套刻标记及测量配置的分步优化方法
技术领域
本发明属于光刻领域，更具体地，涉及一种套刻标记及测量配置的分步优化方法。
背景技术
自1959年集成电路(Integrated Circuit，IC)问世以来，伴随着IC制造相关技术与产业持续发展，各类IC产品已逐渐成为人类生产生活中的重要物资。研究人员通过不断缩小IC器件的关键尺寸(Critical Dimension，CD)、增加器件层数以及优化构架等方法提高器件性能。而制造多层器件时，为了保证上下两层的电路的可靠连接，需要对上下两层进行对准。套刻误差(Overlay)是指曝光显影后当前层上存留的图案与晶圆上已有图案之间的对准误差，是光刻机的三大性能指标之一。过大的套刻误差将导致器件短路或开路，降低工艺良率，在半导体制造过程中，需要严格控制套刻误差，因此需要对套刻误差进行实时测量并反馈修正。
目前业界测量套刻误差的主要方法为光学测量，包括基于成像的套刻误差(Image-Based Overlay，IBO)测量方法与基于衍射的套刻误差(Diffraction-BasedOverlay，DBO)测量方法。由于IBO方法本质上是一种显微成像的方法，受到光学分辨率极限的限制，故难以满足先进技术节点下的套刻误差测量要求。DBO方法是一种基于衍射的套刻误差测量方法，其测量目标通常是具有一定周期性的样件，目前业界主要运用基于经验公式的eDBO(empirical DBO,eDBO)方法求解套刻误差，eDBO方法基于“套刻误差表征量在一定范围内与套刻误差近似成线性”这一基本原理，如式(1)所示：
A＝K×OV (1)
其中，A为套刻误差光学表征量，目前常用的为正负一级光强差ΔI，此外穆勒矩阵非对角元素之差(或和)也可以作为套刻误差光学表征量；K为由光刻工艺参数、套刻标记形貌参数与测量配置等共同决定的套刻误差测量灵敏度，是一个未知量；OV为待求的套刻误差。式(1)中系数K与待求套刻误差OV均为未知量，故至少通过两个方程才可以求解套刻误差，eDBO方法对两块套刻标记的上下层分别预设+D与-D的偏差，则总的套刻标记分别为(OV+D)与(OV-D)，因此测量所得套刻误差表征量为：
A+＝K×(OV+D) (2-a)
A-＝K×(OV-D) (2-b)
通过式(2-a)与式(2-b)相除即可消去未知系数K，进而可以求解套刻误差：
Figure BDA0002411030290000021
在评估套刻误差测量结果时，主要考虑测量准确度μ与重复性测量精度σ以及鲁棒性ν。其中测量准确度即为测量结果偏离样件套刻误差真值的大小，重复性测量精度则表现了在测量噪声的影响下测量结果的分散程度，而鲁棒性则表现了在测量配置或套刻标记形貌参数发生改变对套刻误差测量结果的影响程度。套刻误差的测量结果会受到诸如光刻工艺的变动、制造缺陷、测量过程中的噪声、探测器的响应等多方面的影响，而受影响程度则与套刻标记形貌结构与参数(周期Λ、侧壁角SWA、上层与下层标记的关键尺寸CD1、CD2等)以及测量配置(入射角θ、方位角
Figure BDA0002411030290000022
测量波长λ等)有关，因此这些参数也决定了套刻误差的测量准确度、重复性测量精度以及鲁棒性。
在先进技术节点下，业界对套刻误差的测量准确度、重复性测量精度与鲁棒性的要求与关注度日益提升，需要对套刻标记形貌参数与测量配置进行优化，以满足业界对套刻误差测量的需求，因此有必要研究一种快速、有效的套刻标记及其测量配置的优化方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种套刻标记及测量配置的分步优化方法，其目的在于，通过单目标优化方法，对套刻标记形貌参数和测量配置参数进行分步优化，以提供准确度高、重复性测量精度好、鲁棒性好的套刻标记与对应的测量配置，满足套刻误差测量需求。
为实现上述目的，本发明提出了一种套刻标记及测量配置的分步优化方法，包括如下步骤：
S1确定待优化变量和多个优化目标，所述待优化变量包括套刻标记形貌参数和测量配置参数；
S2根据一个优化目标，结合预设的套刻标记基本参数，对所确定的待优化变量进行优化，并设置终止条件，得到多组优化结果；
S3设置另一个优化目标的阈值，并根据该优化目标的阈值对优化结果进行筛选，保留满足条件的优化结果；
S4重复S3，直至所有优化目标都已使用，得到最终优化结果，完成套刻标记及测量配置的分步优化。
作为进一步优选的，该方法还包括：S5根据最终优化结果，结合预设的套刻标记基本参数，通过仿真分析得到套刻误差。
作为进一步优选的，所述仿真分析方法为严格耦合波分析或有限时域差分法。
作为进一步优选的，所述优化目标包括套刻误差的测量准确度μ、重复性测量精度σ、鲁棒性ν。
作为进一步优选的，所述套刻标记形貌参数为套刻标记的几何特征尺寸。
作为进一步优选的，所述测量配置参数包括测量入射角θ、方位角
Figure BDA0002411030290000031
测量波长λ、测量光束偏振角Ψ中的一个或多个。
作为进一步优选的，所述优化方法为单目标粒子群算法或单目标基因算法。
作为进一步优选的，所述套刻标记基本参数包括套刻标记材料、光学常数以及形貌结构。
作为进一步优选的，所述套刻标记基本参数根据光刻工艺确定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明对套刻标记形貌参数和测量配置参数进行分步优化，以提供准确度高、重复性测量精度好、鲁棒性好的套刻标记与对应的测量配置，能够满足套刻误差的测量需求。
2.本发明提供的优化方法为单目标优化算法，进一步优选为单目标粒子群算法或单目标基因算法，其优化速度快。
3.本发明提供的方法能够根据测量条件与需求选择优化变量与优化目标，满足不同的优化需求。
附图说明
图1为本发明实施例套刻标记及测量配置的分步优化方法流程图；
图2(a)为本发明实施例所用套刻标记的俯视图；
图2(b)为本发明实施例所用套刻标记的剖面图；
图3(a)为本发明实施例光刻工艺改变引起的标记层厚度变化示意图；
图3(b)为本发明实施例光刻工艺改变引起的侧壁角变化示意图；
图4(a)为本发明实施例中优化终止时所得的全部优化结果；
图4(b)为本发明实施例中满足优化目标1的优化结果；
图4(c)为本发明实施例中经过优化目标2筛选后的优化结果；
图4(d)为本发明实施例中经过优化目标3筛选后的优化结果；
图5为本发明实施例中从最终优化结果中选择的一组优化结果的仿真结果。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：200-套刻标记，201-一区，202-二区，203-三区，204-四区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种套刻标记及测量配置的分步优化方法，包括如下步骤：
S1确定待优化变量和多个优化目标，所述待优化变量包括套刻标记形貌参数和测量配置参数；
S2根据一个优化目标，结合预设的套刻标记基本参数，对所确定的待优化变量进行优化，并设置终止条件，得到多组优化结果；
S3设置另一个优化目标的阈值，并根据该优化目标的阈值对优化结果进行筛选，保留满足条件的优化结果；
S4重复S3，直至所有优化目标都已使用，得到最终优化结果，完成套刻标记及测量配置的分步优化。
S5根据最终优化结果，结合预设的套刻标记基本参数，通过仿真分析得到套刻误差。
进一步的，所述优化目标为套刻误差测量领域重点关注的参数，包括但不限于套刻误差的测量准确度μ、重复性测量精度σ、鲁棒性ν；可根据测量需求对所述优化目标进行排序，然后按该顺序采用优化目标对待优化变量进行优化，且每次采用的优化目标均不相同。
进一步的，根据光刻工艺确定所述套刻标记基本参数，其包括套刻标记材料、光学常数以及形貌结构；具体的，套刻标记形貌结构为套刻标记截面形状，如矩形光栅、梯形光栅等，且为方便加工，其形貌结构通常设计为简单的几何形状。
进一步的，所述套刻标记形貌参数为未由光刻工艺所确定的套刻标记的几何特征尺寸，如对于梯形光栅结构的套刻标记而言，所述优化变量可以为标记周期Λ、侧壁角SWA、上层、下层标记的关键尺寸CD1、CD2等。
进一步的，所述测量配置参数包括测量入射角θ、方位角
Figure BDA0002411030290000061
测量波长λ、测量光束偏振角Ψ等。
进一步的，所述优化方法为单目标优化算法，如单目标粒子群算法或单目标基因算法；所述终止条件根据测量需求确定，并应根据优化目标数量、后续步骤的优化目标数量适量调整，获取多组优化结果。
进一步的，所述仿真分析方法为严格耦合波分析或有限时域差分法。
以下为具体实施例：
如图1所示的流程100，选择以穆勒矩阵非对角元素m13与m31之和作为套刻误差表征量，具体步骤如下：
S101根据光刻工艺确定套刻标记材料、光学常数以及基本形貌结构：
套刻标记的设计受光刻工艺的约束，其材料通常为光刻工艺所确定，且标记层截面形状通常是较为简单的几何图形阵列，如梯形光栅、矩形光栅等，本实施例所用套刻标记为典型的三层结构、标记层基本形貌为梯形光栅，如图2所示；
如图2(a)所示，为本实例所用套刻标记200的俯视图，其中，一区201和二区202用于确定竖直方向(Y方向)的套刻误差OVy，三区203和四区204用于确定竖直方向(X方向)的套刻误差OVx；三区203(套刻误差为(OVx+D))的剖面图如图2(b)所示，其中各层厚度由光刻工艺决定，分别为H1＝150nm，H2＝50nm，H3＝150nm；上层标记层材料为光刻胶HSQ，下层标记层材料为Si，中间层与下层光栅填充层为SiO2，确定各层材料后亦可以获取各层材料的光学特性，如折射率n与吸收率k等。
S102确定套刻标记待优化变量与优化目标，并对优化目标进行排序：
套刻标记待优化变量包括其余未由光刻工艺参数确定的套刻标记形貌参数(周期Λ、上层标记侧壁角SWA1、下层标记侧壁角SWA2、上层标记关键尺寸CD1、下层标记关键尺寸CD2等)，以及套刻标记测量配置参数(如入射角θ、方位角
Figure BDA0002411030290000071
测量波长λ等)；为方便描述，本实施例中选择周期Λ与方位角
Figure BDA0002411030290000072
作为优化变量，并给定边界为200nm≤Λ≤500nm，
Figure BDA0002411030290000073
其余参数固定如下：SWA1＝SWA2＝90°，CD1＝CD2＝Λ/2，θ＝65°，λ＝425nm；
本实施例中，选择重复性测量精度作为优化目标1，测量鲁棒性作为优化目标2，测量准确度作为优化目标3，进行后续优化设计。
S103以优化目标1(重复性测量精度)为目标对套刻标记进行优化，并设置终止条件获得多组优化结果：
确定上述优化变量以及固定参数后，以重复性测量精度为优化目标对套刻标记及其测量配置进行优化，在优化过程中需要对所述套刻标记进行建模仿真，以求解套刻误差表征量，本实施例中采用严格耦合波分析进行仿真；为表征其重复性测量精度，在仿真中添加了随机噪声，设置随机噪声为高斯噪声，其方差为0.001；
所用优化算法为单目标优化算法，在本实施例中采用单目标粒子群算法进行优化，初始随机给定的粒子数量为100；由于单目标算法在不加约束的条件下通常最终会收敛至一个结果，而后续步骤仍需依据其余优化目标进一步筛选优化结果，因此需要设置终止条件以获得多组优化结果，本实施例中，优化终止条件为当有大于50组优化结果的重复性测量精度满足要求时终止迭代，所述重复性测量精度要求为σ<0.1nm，优化终止时包含100组优化结果，如图4(a)所示，其中满足准确度要求的结果共有67组，如图4(b)所示。
S104设置优化目标2(鲁棒性)的阈值，对优化结果进行筛选，保留优化目标2满足需求的结果：
在IC制造中，光刻工艺并非绝对稳定，会随着时间推移略有差别，因此会引起测量参数(如各标记层厚度H、侧壁角SWA等)的轻微改变，如图3(a)和图3(b)所示，此外测量配置(如入射角θ、方位角
Figure BDA0002411030290000081
等)也会随着时间改变而略有差别，因此需要考虑所选套刻标记及测量配置的鲁棒性；本实施例中考虑了对由光刻工艺改变引起侧壁角非对称的鲁棒性，如图3(b)所示，非对称的侧壁角将会对套刻误差表征量产生影响，所选标记与测量配置鲁棒性越好，则受影响程度越小；本实施例中，设置鲁棒性阈值为0.1nm，即将鲁棒性小于0.1nm的结果保留，筛选后包含46组结果，如图4(c)所示。
S105设置优化目标2(测量准确度)的阈值，进一步筛选优化结果，保留优化目标3满足要求的结果：
测量准确度是套刻误差测量另一个重要参数，在本实施例中，以仿真模拟测量所得套刻误差与仿真输入套刻误差之差作为测量准确度，设置准确度阈值为1nm，即将测量准确度小于1nm的结果保留，最终包含27组优化结果，如图4(d)所示。
S106对优化结果进行仿真分析，得到套刻误差，验证优化结果的有效性：
为验证上述分步优化方法的有效性，对上述优化结果进行仿真分析；从优化结果中选择一组进行仿真模拟，本实施例中进行蒙特卡洛分析，在仿真中添加标准差为0.001的高斯噪声，同时改变底部光栅的侧壁角，使其侧壁角具有随机的不对称性；在该条件下随机进行了100次模拟测量，仿真结果如图5所示，其中OVset为仿真过程中随机设置的套刻误差，OVget为存在随机噪声与侧壁角不对称的情况下，通过仿真获得的套刻误差，可见所选测量配置在套刻误差测量时具有良好的准确度、重复性测量精度与鲁棒性，验证了本发明套刻标记及测量配置参数优化结果的有效性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1确定待优化变量和多个优化目标，所述待优化变量包括套刻标记形貌参数和测量配置参数；
S2根据一个优化目标，结合预设的套刻标记基本参数，对所确定的待优化变量进行优化，并设置终止条件，得到多组优化结果；
S3设置另一个优化目标的阈值，并根据该优化目标的阈值对优化结果进行筛选，保留满足条件的优化结果；
S4重复S3，直至所有优化目标都已使用，得到最终优化结果，完成套刻标记及测量配置的分步优化。
2.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，该方法还包括：S5根据最终优化结果，结合预设的套刻标记基本参数，通过仿真分析得到套刻误差。
3.如权利要求2所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述仿真分析方法为严格耦合波分析或有限时域差分法。
4.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述优化目标包括套刻误差的测量准确度μ、重复性测量精度σ、鲁棒性ν。
5.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述套刻标记形貌参数为套刻标记的几何特征尺寸。
6.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述测量配置参数包括测量入射角θ、方位角
Figure FDA0002411030280000011
测量波长λ、测量光束偏振角Ψ中的一个或多个。
7.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述优化方法为单目标粒子群算法或单目标基因算法。
8.如权利要求1所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述套刻标记基本参数包括套刻标记材料、光学常数以及形貌结构。
9.如权利要求1-8任一项所述的套刻标记及测量配置的分步优化方法，其特征在于，所述套刻标记基本参数根据光刻工艺确定。
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