CN112631090A - 套刻标记和套刻误差测试方法 - Google Patents

套刻标记和套刻误差测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种套刻标记和套刻误差测试方法，该套刻标记包括第一标记图形、第二标记图形和套刻点组。第一套刻标记包括第一标记子图形，第二套刻标记包括第二标记子图形，第一标记图形和第二标记图形交叠位置形成的多个套刻点构成套刻点组。通过对位于第一标记图形和/或第二标记图形外围的第一标记子图形和/或第二标记子图形的长度、位置的设置的规定，可以在无需设置边框的前提下，正确获取套刻标记的边界。因此本发明的套刻标记有效地避免了当第一标记图形和第二标记图形发生位置偏移时，对套刻标记的边界获取错误，从而实现对具有多层光罩的相邻层之间套刻精度的准确测试。

Description

套刻标记和套刻误差测试方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种套刻标记和套刻误差测试方法。
背景技术
随着科学技术的发展，半导体器件的结构越来越复杂，在集成电路中所包含的器件数量也在逐步增加。随着集成度的不断提高，为了避免器件尺寸的进一步扩大，半导体器件在垂直方向上设置的功能层数量也在不断增加。为了保障垂直设置的各个功能层之间的对准质量，测试每一层光刻工艺制程之间的套刻精度变得极为重要。如果相邻层之间发生位置偏移，将会严重影响器件的连接，导致连线短路、失效率增加等问题。
目前业界最常用的套刻标记为BIB(box-in-box或bar-in-bar)，这种BIB结构的套刻标记包括两个部分：在前层光刻步骤中制成的外部框或线条和在当层光刻步骤中制成的内部框或线条。通过量测外部框或线条和内部框或线条之间的位置偏差，计算获得前层和当层的光刻工艺制程之间的套刻误差。但是这种套刻标记只适用于当层和前层结构分别仅包括一层光罩的器件，但是随着半导体制造技术的发展，技术人员往往会在同一功能层中设置两层甚至三层光罩，因此无法针对新的光刻技术提供更加有效的套刻误差测试方法。
为了应对新的光刻技术，技术人员研发了多合一套刻标记。如三合一套刻标记即是在同一功能层的每层光罩中，分别设置不同的套刻图形，再由三个套刻图形共同构成该层的套刻标记。三合一套刻标记需要寻找标记的边界，通过边界确定对准标记，并以对准标记之间的关系计算前层和当层之间的套刻误差。在同一功能层的多层光罩中，每层光罩在曝光时掩膜版位置也会存在微小的偏差，虽然这种偏差不会影响该功能层的使用功能，但会使套刻图形之间发生位置偏移，从而导致套刻标记的边界寻找错误，影响套刻误差的测试结果。为了更好地辨别标记的边界，技术人员通常使用对套刻标记添加边框的方法。但是，如果被测试层所使用是高反光材料，边框会产生严重的杂讯，进而影响真实的套刻误差测试结果。
因此，为了准确测试具有多层光罩的相邻功能层之间的套刻误差，亟需提供一种套刻标记和套刻误差的测试方法。
发明内容
基于此，有必要针对现有套刻标记无法准确测试具有多层光罩的相邻功能层之间的套刻误差的技术问题，提供一种套刻标记和套刻误差测试方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种套刻标记，其特征在于，包括：
第一标记图形，包括沿第一方向延伸、平行等距设置的多个直线型的第一标记子图形，定义晶圆的定位凹槽与中心的连线方向为Y方向，与所述Y方向垂直的方向为X方向，所述第一方向为X方向；
第二标记图形，包括沿第二方向延伸、平行等距设置的多个直线型的第二标记子图形，所述第二方向为与X方向呈设定角度的方向；
套刻点组，包括第一标记图形和所述第二标记图形交叠位置形成的多个套刻点；
位于第一标记图形和/或第二标记图形外围的第一标记子图形和/或第二标记子图形的长度、位置的设置满足：当第二标记图形在设定方向上的设定偏移范围内相对于第一标记图形发生偏移时，都能使所述套刻标记形成整齐的边缘且套刻标记的整体尺寸不变。
下面进一步对技术方案进行说明：
在其中一个实施例中，所述套刻标记用于X方向的对准，则以所述设定方向为X方向，则在设定偏移范围内，第二标记图形在沿Y方向的边缘处与第一标记图形交叠形成的套刻点组，沿Y方向对齐。
在其中一个实施例中，所述套刻标记用于Y方向的对准，则以所述设定方向为Y方向，则在设定偏移范围内，第一标记图形在沿X方向的边缘处总能与第二标记图形交叠。
在其中一个实施例中，所述设定偏移范围为10nm～500nm。
本发明的技术方案还提供了一种基于前述套刻标记的套刻误差测试方法，包括：
在工艺的前层设置第一套刻标记；
在工艺的当层设置第二套刻标记，所述第二套刻标记与所述第一套刻标记的形状、尺寸和位置均相同；
分别获取所述第一套刻标记和第二套刻标记沿设定方向延伸的各两条边界线；
通过所述边界线分别获取第一套刻标记的中心线和第二套刻标记的中心线；
测试所述两条中心线在垂直于所述设定方向上的位置偏移量，所述位置偏移量定义为工艺的前层和当层在垂直于所述设定方向上的套刻误差。
在其中一个实施例中，所述第一套刻标记和第二套刻标记的各两条边界线延伸方向均为Y方向。
在其中一个实施例中，所述第一套刻标记和第二套刻标记的各两条边界线延伸方向均为X方向。
在其中一个实施例中，在所述在工艺的前层设置第一套刻标记的步骤之前，还包括验证所述套刻标记有效性的步骤：
在工艺的前层设置第一检测套刻标记，所述第一检测套刻标记的第一标记图形设置在设定位置，所述第一检测套刻标记的第二标记图形相对所述设定位置向设定方向发生设定距离的偏移；
在工艺的当层设置第二检测套刻标记，所述第二检测套刻标记设置在第一检测套刻标记所述的设定位置；
测试所述第一检测套刻标记和第二检测套刻标记之间的偏移距离和偏移方向；
比对所述偏移距离和偏移方向的测试值与所述第一检测套刻标记中偏移距离和偏移方向的设定值之间的匹配度。
在其中一个实施例中，所述前层为导电材料层，所述导电材料层的材料为poly、钨或铝中的一种。
在其中一个实施例中，所述当层为金属材料层，所述金属材料层的材料为钨、氮化钛或钛中的一种。
上述套刻标记，包括第一标记图形、第二标记图形和套刻点组，通过对位于第一标记图形和/或第二标记图形外围的第一标记子图形和/或第二标记子图形的长度、位置的设置的规定，可以在无需设置边框的前提下，正确获取套刻标记的边界。因此本发明的套刻标记有效地避免了当第一标记图形和第二标记图形发生位置偏移时，对套刻标记的边界获取错误，可以对具有多层光罩的相邻层之间的对准精度实现准确的测试。
上述套刻误差测试方法，通过在工艺的前层和当层设置相同的套刻标记，分别获取每个套刻标记的边界，计算套刻标记的中心线，测试前层和当层的中心线距离获取前层和当层之间的套刻误差，实现了准确的套刻误差测试，提升了光刻工艺的精度。
附图说明
图1为X/Y方向定义的示意图；
图2a为一个实施例中用于X方向对准的套刻标记的第一标记图形的结构示意图；
图2b为一个实施例中用于X方向对准的套刻标记的第二标记图形的结构示意图；
图2c为一个实施例中用于X方向对准的套刻标记的结构示意图；
图3a为一个实施例中用于Y方向对准的套刻标记的第一标记图形的结构示意图；
图3b为一个实施例中用于Y方向对准的套刻标记的第二标记图形的结构示意图；
图3c为一个实施例中用于Y方向对准的套刻标记的结构示意图；
图4a为传统技术中的套刻标记的结构示意图；
图4b为传统技术中的套刻标记的另一结构示意图；
图5为一个实施例中的套刻误差测试方法的流程图；
图6为一个实施例中的沿X方向套刻误差的测试示意图；
图7为一个实施例中的沿Y方向套刻误差的测试示意图；
图8为一个实施例中的验证套刻标记有效性的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的可选的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了准确描述本发明技术方案中各部件的设置方向，参见图1先对技术方案中的方向进行限定。Y方向120为晶圆的定位凹槽(notch)110与中心的连线方向，X方向130为与Y方向120垂直的方向，后续实施例中所述的X方向和Y方向均以此处的限定为准。
参见图2a、图2b和图2c，本实施例中的套刻标记用于X方向的对准，包括第一标记图形210、第二标记图形220和套刻点组230。
第一标记图形210，参见图2a，包括多个直线型的第一标记子图形211，所述的多个第一标记子图形211的长度和宽度均相同，这些第一标记子图形211沿X方向延伸。
第二标记图形220，参见图2b，包括多个直线型的第一标记子图形221，所述的多个第一标记子图形221的宽度均相同，这些第一标记子图形221沿与X方向呈设定角度的方向延伸。进一步地，该设定角度可以是15～90度。
套刻点组230，参见图2c，包括第一标记图形210和第二标记图形220交叠位置形成的多个套刻点231。
本实施例不对第一标记图形210和第二标记图形220的长度和宽度、第二标记图形220的延伸方向进行具体的限定，只要位于第一标记图形210和/或第二标记图形220外围的第一标记子图形211和/或第一标记子图形221的长度、位置的设置满足以下规定即可：当第二标记图形220在X方向上的设定偏移范围内相对于第一标记图形210发生偏移时，第二标记图形220在沿Y方向的边缘处与第一标记图形210交叠形成的套刻点组230，沿Y方向对齐。
在一个实施例中，所述设定偏移范围为10nm～500nm。进一步地，所述设定偏移范围为20nm～30nm。当第一标记图形和第二标记图形存在设定范围内的偏移时，不会影响套刻误差的测试结果，通过设置适当的偏移范围，提高了对准的操作性，即不需要完全对准，也能测试套刻误差，同时所述套刻点组的整体形状不变，保证了套刻误差的测试精度。
参见图3a、图3b和图3c，本实施例中的套刻标记用于Y方向的对准，包括第一标记图形210、第二标记图形220和套刻点组230。
第一标记图形210，参见图3a，包括多个直线型的第一标记子图形211，所述的多个第一标记子图形211的长度和宽度均相同，这些第一标记子图形211沿X方向延伸。
第二标记图形220，参见图3b，包括多个直线型的第一标记子图形221，所述的多个第一标记子图形221的宽度均相同，这些第一标记子图形221沿与X方向呈设定角度的方向延伸。进一步地，该设定角度可以是30～90度。
套刻点组230，参见图3c，包括第一标记图形210和第二标记图形220交叠位置形成的多个套刻点231。
本实施例不对第一标记图形210和第二标记图形220的长度和宽度、第二标记图形220的延伸方向进行具体的限定，只要位于第一标记图形210和/或第二标记图形220外围的第一标记子图形211和/或第一标记子图形221的长度、位置的设置满足以下规定即可：当第二标记图形220在Y方向上的设定偏移范围内相对于第一标记图形210发生偏移时，第一标记图形210在沿X方向的边缘处总能与第二标记图形220交叠。
在本实施例中，如果没有上述对长度、位置的设置的规定，会导致当第二标记图形220相对第一标记图形210发生位置偏移时，对套刻标记的边界获取错误。具体地，可以参见图4a和图4b，在图4a和图4b中，未对第一标记图形210和第二标记图形220进行上述限定。图4a是设计的套刻标记，可以清楚看出套刻点组230包括16个套刻点；图4b是第二标记图形220相对第一标记图形210发生了Y方向上的偏移，套刻点组230包括20个套刻点，且套刻标记的整体尺寸发生了变化。当需要通过套刻标记的边界判定对准精度时，图4b中的套刻标记并不能反映真实的对准精度。
所以，本实施例中对位于第一标记图形210和/或第二标记图形220外围的第一标记子图形211和/或第一标记子图形221的长度、位置的设置的规定，可以有效避免当第一标记图形210和第二标记图形220发生偏移时，对套刻标记的边界获取错误，进而防止对准精度的计算错误。
根据上述的两个实施例，本发明还提出了基于上述实施例的套刻误差测试方法。
参见图5，图5为一个实施例中的套刻误差测试方法的流程图。
该套刻误差测试方法包括以下步骤：
S100：在工艺的前层设置第一套刻标记；
S200：在工艺的当层设置第二套刻标记；
S300：分别获取所述第一套刻标记和第二套刻标记沿设定方向延伸的各两条边界线；
S400：通过所述边界线分别获取第一套刻标记的中心线和第二套刻标记的中心线；
S500：测试所述两条中心线在垂直于所述设定方向上的位置偏移量。
具体地，本实施例中的第一套刻标记和第二套刻标记的形状、尺寸和位置均相同，通过在前层和当层设置相同的套刻标记，便于操作人员寻找套刻标记，并可以快速进行套刻误差的测试。
在本实施例中，通过获取前层和当层套刻标记的各两条边界线，分别计算第一套刻标记和第二套刻标记的中心线位置，测试两条中心线在垂直于所述设定方向上的位置偏移量，进而获得工艺的前层和当层在垂直于所述设定方向上的套刻误差。基于前述的套刻标记，本方法可以快速、准确的测试套刻误差，且不会由于在前层或当层的光刻工艺制程中微小的偏差导致测试结果错误。
进一步地，本发明在图6和图7的实施例中对本发明的套刻误差测试方法进行详细的描述。
参见图6，图6为一个实施例中的沿X方向套刻误差的测试示意图。
在本实施例中，使用图2c所示的套刻标记。先在工艺的前层500和当层600设置相同的套刻标记，具体地，在工艺的前层500设置第一套刻标记510，在工艺的当层600设置第二套刻标记610。获取第一套刻标记510沿Y方向延伸的两条第一标记边界线520，获取第二套刻标记610沿Y方向延伸的两条第二标记边界线620。设置两条第一标记边界线520在X方向上坐标分别为X1和X2，设置两条第二标记边界线620在X方向上坐标分别为X1'和X2'。根据第一标记边界线520和第二标记边界线620，分别计算第一标记中心线530和第二标记中心线630，具体地，第一标记中心线530在X方向上的坐标X0＝(X1+X2)/2，第二标记中心线630在X方向上的坐标X0'＝(X1'+X2')/2，计算第一标记中心线530和第二标记中心线630的距离△X＝X0-X0'，定义为工艺的前层500和当层600之间在X方向上的套刻误差。
参见图7，图7为一个实施例中的沿Y方向套刻误差的测试示意图。
在本实施例中，使用图3c所示的套刻标记。先在工艺的前层500和当层600设置相同的套刻标记，具体地，在工艺的前层500设置第一套刻标记510，在工艺的当层600设置第二套刻标记610。获取第一套刻标记510沿X方向延伸的两条第一标记边界线520，获取第二套刻标记610沿X方向延伸的两条第二标记边界线620。设置两条第一标记边界线520在Y方向上坐标分别为Y1和Y2，设置两条第二标记边界线620在Y方向上坐标分别为Y1'和Y2'。根据第一标记边界线520和第二标记边界线620分别计算第一标记中心线530和第二标记中心线630，具体地，第一标记中心线530在Y方向上的坐标Y0＝(Y1+Y2)/2，第二标记中心线630在Y方向上的坐标Y0'＝(Y1'+Y2')/2，计算第一标记中心线530和第二标记中心线630的距离△Y＝Y0-Y0'，定义为工艺的前层500和当层600之间在Y方向上的套刻误差。
在一个实施例中，为了验证套刻标记和套刻误差测试方法的有效性，在上述套刻误差测试方法的实施例中，在所述在工艺的前层设置第一套刻标记的步骤之前，参见图8，还包括了以下步骤：
S610：在工艺的前层设置第一检测套刻标记，所述第一检测套刻标记的第一标记图形设置在设定位置，所述第一检测套刻标记的第二标记图形相对所述设定位置向设定方向发生设定距离的偏移；
S620：在工艺的当层设置第二检测套刻标记，所述第二检测套刻标记设置在第一检测套刻标记所述的设定位置；
S630：测试所述第一检测套刻标记和第二检测套刻标记之间的偏移距离和偏移方向；
S640：比对所述偏移距离和偏移方向的测试值与所述第一检测套刻标记中偏移距离和偏移方向的设定值之间的匹配度。
在本实施例中，通过S640的步骤，比对S630步骤中测试到的实际偏移和S610步骤中的设计偏移。具体地，上述实际偏移和设计偏移均包括偏移距离和偏移方向两个参数，当这两个参数的比对结果均在规定范围内，即证明本技术方案中的套刻标记和套刻误差测试方法是有效的，可以真实反映前层和当层之间的套刻误差。
在一个实施例中，所述前层为导电材料层，所述导电材料层的材料为poly、钨或铝中的一种。
在一个实施例中，所述当层为金属材料层，所述金属材料层的材料为钨、氮化钛或钛中的一种。
通过设置套刻标记，实现了相邻层之间的套刻误差测试。操作人员可以依据套刻误差测试结果，及时对不满足套刻精度要求的功能层进行修正，有效地避免了器件短路或断路问题。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种套刻标记，其特征在于，包括：
第一标记图形，包括沿第一方向延伸、平行等距设置的多个直线型的第一标记子图形，定义晶圆的定位凹槽与中心的连线方向为Y方向，与所述Y方向垂直的方向为X方向，所述第一方向为X方向；
第二标记图形，包括沿第二方向延伸、平行等距设置的多个直线型的第二标记子图形，所述第二方向为与X方向呈设定角度的方向；
套刻点组，包括第一标记图形和所述第二标记图形交叠位置形成的多个套刻点；
位于第一标记图形和/或第二标记图形外围的第一标记子图形和/或第二标记子图形的长度、位置的设置满足：当第二标记图形在设定方向上的设定偏移范围内相对于第一标记图形发生偏移时，都能使所述套刻标记形成整齐的边缘且套刻标记的整体尺寸不变。
2.根据权利要求1所述的套刻标记，其特征在于，所述套刻标记用于X方向的对准，则以所述设定方向为X方向，则在设定偏移范围内，第二标记图形在沿Y方向的边缘处与第一标记图形交叠形成的套刻点组，沿Y方向对齐。
3.根据权利要求1所述的套刻标记，其特征在于，所述套刻标记用于Y方向的对准，则以所述设定方向为Y方向，则在设定偏移范围内，第一标记图形在沿X方向的边缘处总能与第二标记图形交叠。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的套刻标记，其特征在于，所述设定10nm～500nm。
5.一种基于权利要求1所述的套刻标记的套刻误差测试方法，包括：
在工艺的前层设置第一套刻标记；
在工艺的当层设置第二套刻标记，所述第二套刻标记与所述第一套刻标记的形状、尺寸和位置均相同；
分别获取所述第一套刻标记和第二套刻标记沿设定方向延伸的各两条边界线；
通过所述边界线分别获取第一套刻标记的中心线和第二套刻标记的中心线；
测试所述两条中心线在垂直于所述设定方向上的位置偏移量，所述位置偏移量定义为工艺的前层和当层在垂直于所述设定方向上的套刻误差。
6.根据权利要求5所述的套刻误差测试方法，其特征在于，所述第一套刻标记和第二套刻标记的各两条边界线的延伸方向均为Y方向。
7.根据权利要求5所述的套刻误差测试方法，其特征在于，所述第一套刻标记和第二套刻标记的各两条边界线的延伸方向均为X方向。
8.根据权利要求5所述的套刻误差测试方法，其特征在于，在所述在工艺的前层设置第一套刻标记的步骤之前，还包括验证所述套刻标记有效性的步骤：
在工艺的前层设置第一检测套刻标记，所述第一检测套刻标记的第一标记图形设置在设定位置，所述第一检测套刻标记的第二标记图形相对所述设定位置向设定方向发生设定距离的偏移；
在工艺的当层设置第二检测套刻标记，所述第二检测套刻标记设置在第一检测套刻标记所述的设定位置；
测试所述第一检测套刻标记和第二检测套刻标记之间的偏移距离和偏移方向；
比对所述偏移距离和偏移方向的测试值与所述第一检测套刻标记中偏移距离和偏移方向的设定值之间的匹配度。
9.根据权利要求5-8任一项所述的套刻误差测试方法，其特征在于，所述前层为导电材料层，所述导电材料层的材料为poly、钨或铝中的一种。
10.根据权利要求5-8任一项所述的套刻误差测试方法，其特征在于，所述当层为金属材料层，所述金属材料层的材料为钨、氮化钛或钛中的一种。
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