CN117957497A - 使用小目标的叠加误差的校准测量 - Google Patents

使用小目标的叠加误差的校准测量 Download PDF

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N·本大卫
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Abstract

一种用于半导体计量的方法包含在衬底上沉积第一及第二膜层，图案化所述层以界定：第一目标，其包含所述第一层中的第一特征及相邻于所述第一特征的所述第二层中的第二特征；及第二目标，其位于所述衬底上，所述第二目标包含与所述第一目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分使得所述第二叠加目标具有围绕所述衬底的法线的180°的旋转对称性的第二部分。所述方法进一步包含捕捉及处理所述第二目标的第一图像以基于所述目标的所述第一部分及所述第二部分来计算校准函数，且捕捉及处理所述第一目标的第二图像同时应用所述校准函数来估计第一位置处的所述第一膜层与所述第二膜层之间的叠加误差。

Description

使用小目标的叠加误差的校准测量
相关申请案的交叉引用
本申请案要求2022年1月13日申请的第63/299,010号美国临时专利申请案的权利，所述申请案以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及半导体装置的制造，且特定来说，本发明涉及半导体电路计量的方法及目标特征。
背景技术
半导体电路通常使用光刻方法来制造。在光刻中，光敏聚合物(光致抗蚀剂)薄层沉积于半导体衬底上方且使用光学或其它辐射来图案化，使衬底的部分由光致抗蚀剂覆盖。光致抗蚀剂通过将光罩的图像投射到光致抗蚀剂上的扫描仪来图案化，通常使用紫外辐射。在图案化之后，衬底通过例如蚀刻及离子轰击的方法来改性以改变衬底的材料性质及/或形貌，同时不影响由光致抗蚀剂覆盖的衬底的部分。
半导体电路计量用于测量图案化光致抗蚀剂的性质，例如图案化特征的形貌及位置。光致抗蚀剂的图案化特征相对于先前图案化的工艺层的准确位置对于实现光刻工艺的高良率来说是重要的。图案化光致抗蚀剂相对于下伏工艺层的任何配准(偏移)误差称为“叠加误差”。作为实例，在具有10nm到14nm(所谓的10-nm设计规则)的最小线宽的典型半导体电路中，最大可允许叠加误差是2nm到3nm。在领先半导体电路中，线宽缩小到5nm，且最大允许叠加误差也随之降低。
叠加误差通常使用光学叠加计量设备(通常称为光学叠加计量工具)来测量，因为可见光及红外波长的光辐射能够穿透光致抗蚀剂层以及光致抗蚀剂下方的介电层。此外，红外波长能够穿透半导体衬底(例如硅)，以实现穿过衬底的计量。叠加误差从位于半导体衬底的切割线(分离相邻裸片的线)中及/或裸片内的叠加目标测量。
常用叠加计量工具落入两个类别中的一者中：散射测量工具及成像工具。散射测量工具(例如科磊公司(KLA Corporation)(美国加利福尼亚苗必达市(Milpitas，CA，USA))的ATL100TM工具)从计量工具的物镜的出射光瞳捕捉叠加目标的周期目标特征的图像。散射测量图像(指示从目标特征散射的光学辐射的角度分布)经处理以测量叠加误差。
成像工具(例如科磊公司(美国加利福尼亚苗必达市)的ArcherTM系列工具)使叠加目标(例如KLA的AIMTM叠加目标)成像。图像分析算法应用于经获取图像以定位工艺层中的目标特征的对称中心及光致抗蚀剂层中的目标特征的对称中心。叠加误差基于两个层中的目标特征的对称中心之间的位移来计算。
如本说明书及权利要求书中所使用，术语“光学辐射”及“光”一般是指可见光、红外及紫外辐射中的任何者或所有。
发明内容
下文描述的本发明的实施例提供使用叠加目标的计量的改进方法及系统以及用于此类方法中的目标。
因此，根据本发明的实施例，提供一种用于半导体计量的方法。所述方法包含：在半导体衬底上沉积第一膜层及上覆所述第一膜层的第二膜层；及图案化所述第一膜层及所述第二膜层以界定第一叠加目标及第二叠加目标。所述第一叠加目标安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包含形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征。所述第二叠加目标安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包含与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称性的第二部分。所述方法进一步包含：使用成像组合件来捕捉所述第二叠加目标的第一图像；处理所述第一图像以基于所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来计算目标校准函数；使用所述成像组合件来捕捉所述第一叠加目标的第二图像；及处理所述第二图像同时应用所述目标校准函数来估计所述第一位置处的所述第一膜层及所述第二膜层的图案化之间的叠加误差。
在一些实施例中，所述第二叠加目标的所述第二部分包含所述第一部分的旋转副本。
在额外实施例中，所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个第一叠加目标中的一者，每一第一叠加目标包含所述第一目标特征及所述第二目标特征，且处理所述第二图像包含将所述目标校准函数应用于所述第一叠加目标中的每一者。
在进一步实施例中，处理所述第一图像包含：使用所述第一图像中的所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第一叠加误差；仅使用所述第二叠加目标的所述第一部分来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第二叠加误差；及响应于所述第一叠加误差与所述第二叠加误差之间的差计算所述目标校准函数。
在又进一步实施例中，使用所述第一部分及所述第二部分两者包含通过找到所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一对称中心之间的位移来估计所述第一叠加误差；且仅使用所述第一部分包含通过找到仅所述第二叠加目标的所述第一部分中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第二对称中心之间的位移来估计所述第二叠加误差。
在一些实施例中，在所述半导体衬底的第一定向上捕捉所述第一图像，且所述方法包含在所述半导体衬底的第二定向(其相对于所述第一定向围绕所述衬底的法线旋转180°)上捕捉所述第二叠加目标的第三图像；且处理所述第一图像包含处理所述第一图像及所述第三图像两者以估计所述第一定向及所述第二定向上的相应第一及第二叠加误差，及基于所述第一及第二叠加误差来计算所述目标校准函数。
在额外实施例中，所述半导体衬底包含由切割线分离的裸片，且所述第一叠加目标安置于裸片的装置区域中且所述第二叠加目标安置于切割线中。
在进一步实施例中，所述第一目标特征包含在所述第一膜层中沿第一方向定向的第一线性光栅，且所述第二目标特征包含在所述第二膜层中在所述第一方向上定向的第二线性光栅。
在额外实施例中，所述第一目标特征进一步包含在所述第一膜层中沿第二方向(其不平行于所述第一方向)定向的第三线性光栅，且所述第二目标特征包含在所述第二膜层中在所述第二方向上定向的第四线性光栅。
在一些实施例中，所述方法包含测量所述半导体衬底的角度偏移，其中应用所述目标校准函数包含在估计所述叠加误差时校正所述角度偏移。
在额外实施例中，所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个第一叠加目标中的一者，且测量所述角度偏移包含估计及补偿所述不同位置中的每一者处的局部角度偏移。
根据本发明的实施例，还提供一种产品，其包含半导体衬底及第一及第二膜层，所述第一及第二膜层安置于所述衬底上且所述第二膜层上覆所述第一膜层。所述第一及第二膜层经图案化以界定第一叠加目标及第二叠加目标。所述第一叠加目标安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包含形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征。所述第二叠加目标安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包含与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称的第二部分。
根据本发明的实施例，进一步提供一种用于半导体计量的设备。所述设备包含成像组合件，其经配置以捕捉其上安置第一及第二膜层的半导体衬底的图像，且所述第二膜层上覆所述第一膜层。所述第一及第二膜层经图案化以界定第一叠加目标及第二叠加目标。所述第一叠加目标安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包含形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征。所述第二叠加目标安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包含与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称性的第二部分。所述设备进一步包含处理器，其经配置以：处理由所述成像组合件捕捉的所述第二叠加目标的第一图像以基于所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来计算目标校准函数；及处理由所述成像组合件捕捉的所述第一叠加目标的第二图像同时应用所述目标校准函数以估计所述第一位置处的所述第一及第二膜层的图案化之间的叠加误差。
将从结合附图进行的本发明的实施例的以下详细描述更全面地了解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的用于测量半导体晶片上的叠加误差的成像叠加计量设备的示意侧视图；
图2A及2B是根据本发明的实施例的用于叠加误差计量的半目标的示意表示；
图3A及3B是根据本发明的实施例的用于叠加误差计量的半目标的示意表示；
图4是根据本发明的实施例的用于叠加误差计量的半目标的示意表示，其说明用于校正半目标的角度偏移的方法；
图5A及5B是根据本发明的实施例的用于叠加计量的全目标的示意表示；
图6是示意性说明根据本发明的实施例的用于叠加误差的校准测量的方法的流程图；及
具体实施方式
概述
用于叠加计量的叠加目标通常用于半导体衬底上的连续图案化层之间的叠加误差的精确及准确测量。这些层可包括(例如)工艺层及光致抗蚀剂层(光致抗蚀剂)，或在蚀刻后应用中两个工艺层。因此，尽管下文参考工艺层及光致抗蚀剂层描述一些实例性实施例，但这些实施例的原理可在作了适当修正后应用于第一工艺层及第二工艺层。在一些多图案化应用中，第一工艺层及第二工艺层可包括相同材料。在一些多层应用中，其中形成叠加目标的目标特征的层可包括超过两个层。
常用成像叠加目标具有20μm×20μm的典型尺寸。归因于其相对较大的大小，其无法定位于形成于定义于衬底上的裸片上的半导体电路的功能装置区域内，而是定位于分离相邻裸片的切割线中。在本发明的实施例中，为测量装置区域内的叠加误差，较小目标可放置于此区域中。这些较小目标在本文中称为“半目标”，因为其仅包括切割线中的全叠加目标的目标特征的子集。
然而，使用半目标的单个叠加测量可归因于至少以下三个误差来源而经受计量误差：1)半目标相对于其中表示叠加误差的笛卡尔坐标的角度偏移，2)叠加计量工具的光学器件的像差，及3)有关计量工具的实际光学放大率的不确定性。由于半目标不具有180°旋转对称性(与全目标相反)，所以这些半目标的计量误差的校准(通常通过在相隔180°的两个旋转定向上测量目标来对全目标执行)不可行。
下文将描述的实施例解决使用相同衬底上的全目标校准半目标的计量误差的问题。每一此类全目标包括半目标且由额外目标结构补充使得全目标在180°旋转上是对称的。在一个实施例中，此类全目标包括半目标以及半目标的副本，其中副本相对于未旋转半目标围绕衬底的法线旋转180°。在替代实施例中，额外目标结构可不同于半目标。
为导出半目标的校准函数的参数，以两个方式从全目标测量叠加误差：
1)使用整个全目标测量第一叠加误差。此第一叠加误差可(例如)通过使全目标在两个旋转定向上相隔180°且计算所谓的TIS校正叠加误差量测量，如下文将详述；及
2)使用形成全目标的半目标中的一者来测量第二叠加误差。
接着计算目标校准函数(即，计算函数的参数)作为第一叠加误差与第二叠加误差之间的差。目标校准函数随后用于校正从位于装置区域中的半目标测量的叠加误差。
在额外实施例中，衬底的经测量角度偏移用于校正叠加目标的角度偏移，作为对上文所描述的叠加目标校准函数的额外校正。替代地，用于角度偏移的校正的此技术可独立于叠加目标校准函数而使用。
在所公开实例中，一种用于半导体计量的方法包括在半导体衬底上沉积第一膜层及上覆第一膜层的第二膜层。第一膜层及第二膜层经图案化以界定半导体衬底上的第一位置中(例如装置区域中)的半目标及第二位置中(例如切割线中)的全目标。半目标包括形成于第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于第一目标特征的位置中的第二膜层中的第二目标特征。在一些实施例中，全目标包括与半目标相同的第一部分及包括第一部分的旋转副本的第二部分。第二部分相邻于第一部分安置使得全目标具有围绕半导体衬底的法线的180°的旋转对称性。替代地，可使用其它全目标设计，只要其含有半目标且具有围绕法线的180°的旋转对称性。
成像组合件捕捉半目标及全目标的图像。全目标的图像经处理以基于全目标的第一部分及第二部分两者计算目标校准函数。半目标的图像经处理同时应用目标校准函数以估计半目标的位置处的第一膜层及第二膜层的图案化之间的叠加误差。
叠加计量设备
图1是根据本发明的实施例的用于测量半导体晶片12上的叠加误差的成像叠加计量设备10的示意侧视图。设备通过实例方式展示以说明本文中所描述的叠加目标及校准方法的使用。替代地，此类目标可用于其它类型的叠加计量系统中。
成像叠加计量设备10包括成像组合件14、照明组合件16、控制器18及其上安装晶片12的平台20。成像组合件14包括物镜22、立方体分束器24及成像透镜26。成像组合件14进一步包括二维传感器阵列28，其包括(例如)互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器及二维像素阵列30。成像透镜26使晶片12的顶面成像到传感器阵列28上。
照明组合件16包括发射光学辐射的光源32及透镜34。平台20定位接近物镜22且包括由控制器18控制的致动器，控制器18可使平台在x方向、y方向及z方向(参考笛卡尔坐标36)上线性移动以及使平台围绕z轴旋转。
在所绘制实施例中，第一膜层38已沉积于半导体晶片12上方且在光刻工艺中图案化。在后续工艺步骤中，包括光致抗蚀剂的第二膜层40已沉积于第一膜层38上方。在本实施例中，第一膜层38称为“工艺层”，且第二膜层40称为“光致抗蚀剂层”。在替代实施例中，例如蚀刻后应用，第一膜层及第二膜层两者可包括工艺层。层38及40包括通过光刻工艺形成的半导体电路的图案以及叠加目标的图案。
控制器18耦合到传感器阵列28及平台20。控制器18通常包括可编程处理器(其在软件及/或固件中编程以实施本文中所描述的功能)，以及用于连接到设备10的其它元件的合适的数字及/或模拟接口。替代地或另外，控制器18包括硬接线及/或可编程硬件逻辑电路，其实施控制器的功能的至少部分。尽管为简单起见，控制器18在图1中展示为单个单块功能块，但实际上，控制器可包括多个互连控制单元，其具有用于接收及输出图中所说明且文中所描绘的信号的合适接口。
为捕捉膜层38及40中的叠加目标的图像，晶片12定位于平台20上使得目标处于物镜22的视场(FOV)中。光源32将一束光学辐射投射到透镜34，其将光束进一步投射到立方体分束器24。分束器24将光束反射到物镜22中，物镜将光束投射到晶片12上以照射叠加目标。照射于晶片12上的辐射反射回到物镜22，且由透镜26进一步成像到传感器阵列28上。控制器18捕捉图像且处理所述图像以测量叠加误差。
半目标
图2A及2B分别是根据本发明的实施例的两个半目标100及102的示意表示，其形成于半导体衬底上用于一个维度中的叠加误差计量。半目标100及102两者用于测量x方向上的叠加误差，如坐标轴36指示。(轴的标记是任意的。)
半目标100包括形成于工艺层38中的作为第一目标特征的工艺光栅104及形成于光致抗蚀剂层40中的作为第二目标特征的光致抗蚀剂光栅106。每一光栅包括在y方向上定向的六个平行等距且等宽的隔条。在所绘制实例中，光致抗蚀剂光栅位于工艺光栅上方(即，沿y轴的正方向上)。由于此布置是不对称的，所以其它类似半目标(图中未展示)可形成于半导体衬底上，且工艺光栅位于光致抗蚀剂光栅上方。
在理想光刻工艺中，两个光栅104及106的隔条将在x方向上彼此对准，对应于零的标称x叠加误差。(在本说明书中，根据用于图案化两个膜层的掩模的设计，术语“标称”是指将在理想光刻工艺中印刷的尺寸及图案。)然而，归因于工艺及光刻误差，光栅104及106在x方向上彼此相位移位x叠加误差量(标记为OVLx)。(为清楚起见，已在图中放大工艺光栅104与光致抗蚀剂光栅106之间的移位。)
为使用半目标100测量x方向上的叠加误差，两个关注区域(ROI)108及110分别定义于工艺光栅104及光致抗蚀剂光栅106上方。(尽管ROI 108及110在图中展示为涵盖整个半目标，但可替代地使用仅含有半目标的部分的较小ROI。)使半目标成像到传感器阵列28上(图1)，且控制器18处理ROI 108及110内的图像的部分。基于ROI 108，控制器18计算工艺光栅104的对称中心112的位置；且基于ROI 110，控制器类似地计算光致抗蚀剂光栅106的对称中心114的位置。(对称中心112及114在x方向上的位置由相应光栅104及106的对称中心确定，且在y方向上由ROI 108及110在y方向上的相应位置确定。)对称中心112及114投射到x轴116上的相应投影118及120，且x方向上的叠加误差OVLx经计算为两个投影之间的距离。
类似于半目标100，半目标102包括形成于工艺层38中的作为第一目标特征的工艺光栅122及形成于光致抗蚀剂层40中的作为第二目标特征的光致抗蚀剂光栅124，且每一光栅包括六个平行隔条。然而，光栅122及124在x方向上并排定位，而非如同半目标100中那样在y方向上并排定位。为使用半目标102测量x方向上的叠加误差，两个ROI 126及128分别定义于工艺光栅122及光致抗蚀剂光栅124上方。再次类似于半目标100，对称中心130及132的位置由控制器18从半目标102的捕捉图像计算，且投射到x轴134上到达具有间隔Δx的相应投影136及138。然而，不同于半目标100的投影118与120之间的间隔，间隔Δx是对称中心130与132之间的标称x距离Dnominal,x及叠加误差OVLx的总和：Δx＝Dnominal,x+OVLx。因此，通过从经测量间隔Δx减去Dnominal,x来计算叠加误差：OVLx＝Δx–Dnominal,x。
为测量y方向的叠加误差，可使用类似于半目标100及102的半目标，且这些目标旋转90°。
尽管半目标100及102在图中展示为包括六个平行隔条的光栅，但在替代实施例中，可使用具有较少或较多隔条的光栅。在又其它实施例中，工艺层38中的第一目标特征及光致抗蚀剂层40中的第二目标特征可包括满足以下对称条件的任何其它图案：用于测量x叠加误差的目标特征应具有关于x轴的反射对称性，且用于测量y叠加误差的目标特征应具有关于x轴的反射对称性。替代地，这些目标特征中的一者或每一者应围绕z轴旋转180°对称。此外，第一目标及第二目标特征可彼此不同，只要满足以上对称条件即可。
替代地，半目标可包括波纹目标，其中第一目标及第二目标特征中的每一者包括叠加于工艺光栅上的线性光致抗蚀剂光栅。针对每一目标特征，两个光栅具有略微不同的空间频率，使得经捕捉图像具有等于光栅频率之间的差的空间频率。通过将两个目标特征设计成具有大小相等但具有相反符号的空间频率差，控制器18可处理第一目标特征及第二目标特征的经捕捉图像以估计工艺层38与光致抗蚀剂层40之间的叠加误差。
图3A及3B分别是根据本发明的进一步实施例的用于二维叠加误差计量的两个半目标200及202的示意表示。
半目标200包括四个目标特征204、206、208及210。目标特征204及206中的每一者包括在y方向上定向的六个平行隔条，类似于半目标102(图2B)的目标特征122及124且分别形成于工艺层38及光致抗蚀剂层40中。分别形成于工艺层38及光致抗蚀剂层40中的目标特征208及210类似于目标特征204及206，但在x方向上定向。替代地，用于测量x方向及y方向上的叠加的目标特征可指两个不同工艺层。例如，目标特征208可形成于工艺层38中，同时目标特征204可形成于不同工艺层中。x叠加误差OVLx及y叠加误差OVLy两者可由控制器18使用上文参考图2B所描述的方法从半目标200的捕捉图像估计。
尽管目标特征204、206、208及210的隔条中的每一者在图中沿笛卡尔x轴及y轴对准，但在替代实施例中，可放宽此对准。例如，目标特征208及210的隔条可在另一方向上定向，只要此方向不与y方向平行即可。
半目标202包括目标特征212及214，其中每一目标特征包括呈叠加“阴影”配置的半目标200的两个目标特征。因此，目标特征212包括来自半目标200的目标特征206及208，且目标特征214包括目标特征204及210。为估计来自半目标202的x叠加误差及y叠加误差，控制器18识别目标特征212及214中的每一者的经捕捉图像中的两个正交方向上的隔条，且接着使用上述方法。
类似于图3A，目标特征212及214中的隔条经展示为在两个垂直方向上定向。在替代实施例中，可放宽此对准。例如，图3B中在x方向上定向的隔条可在另一方向上定向，只要此方向不与y方向平行。
半目标100及102的误差源
图4是根据本发明的实施例校正的半目标220的示意表示，其说明归因于角度偏移的叠加误差测量的误差Δangular。
半目标220类似于半目标100(图2A)，其包括工艺光栅222及光致抗蚀剂光栅224。为强调归因于角度偏移的误差，光栅222及224以零叠加误差彼此对准，即，如果在无角度偏移的情况下测量x叠加误差，那么结果将为OVLx＝0。半目标220相对于笛卡尔坐标36偏移α的角度偏移。(为清楚起见，在图中放大角度。然而，下文使用小角度近似来确定其效应，因为光学叠加计量系统(例如设备10)中的角度偏移通常非常小。)
类似于使用半目标100测量叠加误差，两个ROI 226及228分别定义于工艺光栅222及光致抗蚀剂光栅224上方。控制器18捕捉ROI 226及228内的光栅222及224的图像，且计算相应对称中心230及232。对称中心230及232经投射(在笛卡尔坐标36中)到x轴238上的相应投影234及236，其中这两个投影之间的距离Δangular完全归因于半目标220的角度偏移α。如果将投影234与236之间的距离作为经测量x叠加误差OVLx，那么此结果的误差将为量Δangular。
归因于对称中心230及232沿x方向的枢转，误差Δangular可经计算为Δangular＝α×DROI,y，其中DROI,y是对称中心230及232之间在y方向上的间隔，即，两个ROI 226及228的中心之间的间隔。(由于此类型的角度偏移通常非常小，例如几毫弧度，所以在描述中使用小角度近似。)例如，使用DROI,y＝5μm及α＝1mrad导致Δangular＝5nm的误差。
归因于角度偏移，类似误差将在使用二维半目标(例如半目标200(图3A))时影响经测量叠加误差。然而，其对称中心的枢转在垂直于经测量叠加误差的方向上的半目标(例如半目标102(图2B))不会经受任何明显程度的小角度偏移。
叠加计量工具的光学像差可导致半目标100的光栅104及/或106的隔条在x方向上(甚至可能在相互相反方向上)的移位。像差可因此影响光栅在x方向上的经测量位移，及因此经测量x叠加误差。半目标102的光栅122及/或124的隔条的类似移位可影响光栅的经测量位移。
叠加计量工具的实际光学放大率M的不确定性ΔM可导致半目标102的对称中心130与132之间的标称x距离Dnominal,x的误差ΔMag(图2B)。误差可经计算为ΔMag＝(ΔM/M)×Dnominal,x。此误差直接传播到OVLx，其经计算为Δx与Dnominal,x之间的差。例如，Dnominal,x＝5μm的标称值及放大率的10-3的相对误差ΔM/M导致误差ΔMag＝5nm。
归因于实际光学放大率M的不确定性的类似误差可在使用二维半目标(例如半目标200(图3A))时经历。然而，针对半目标(例如半目标100(图2A))，其中对称中心112及114在叠加误差测量的方向上的标称间隔是零，光学放大率的不确定性不会导致任何明显误差。
全目标
图5A及5B分别是根据本发明的实施例的从半目标100(图2A)及200(图3A)形成的全目标300及302的示意表示。在所描绘实施例中，全目标通过将半目标与围绕半导体衬底12(图1)的法线旋转180°的其副本接合来形成。因此，全目标相对于围绕半导体衬底12的法线旋转180°对称。替代地，如上文所描述，其它设计可用于全目标。
全目标300及302的旋转对称性使设备10能够通过捕捉及处理0°及180°的相对旋转时的目标的图像来准确测量叠加误差。此方法使工具诱发移位(TIS)(归因于计量设备的不准确性)能够被校准且因此与实际叠加误差分离。因此，术语“准确”在本描述中用于指代经TIS校准的叠加测量。
如下文将详述，全目标300可用于准确测量x叠加误差以及校准使用半目标100测量的x叠加误差。全目标302可用于在x方向及y方向上准确测量叠加误差以及校准使用半目标200测量的x叠加误差及y叠加误差。
使用全目标300校准半目标100
全目标300包括第一部分304及第二部分306，其中第一部分与半目标100相同且第二部分是围绕衬底12的法线(围绕z轴)旋转180°的半目标100的副本。全目标300因此包括由工艺层光栅308及310形成的第一目标图案及由光致抗蚀剂层光栅312及314形成的第二目标图案。
使用全目标300，在相隔180°的半导体衬底12的两个定向上独立测量x叠加误差。在第一定向(称为0°定向)上，测量x叠加误差OVLx,0。为测量第一目标图案的第一对称中心316的位置，两个ROI 318及320经定义于由设备10(图1)捕捉的全目标300的图像中的相应工艺层光栅308及310上方。控制器18处理ROI 318及320内的图像的部分以通过(例如)将ROI的内容投射到x轴322上来确定对称中心316的位置。
控制器18通过处理定位于光致抗蚀剂光栅312及314上方的两个ROI内的图像类似地找到第二目标图案的第二对称中心的位置。(为简单起见，第二对称中心及对应ROI从图省略。)控制器18估计OVLx,0作为第一对称中心与第二对称中心之间的间隔。
在半导体衬底12围绕其法线旋转180°之后，使用与用于测量OVLx,0相同的方法来测量x叠加误差OVLx,180。控制器18计算准确x叠加误差OVLx,ACC作为在两个衬底定向上测量的x叠加误差之间的差的一半：OVLx,ACC＝(OVLx,0-OVLx,180)/2。
替代地，可省略叠加误差在180°定向上的测量，且叠加误差OVLx,0可在下文计算中用作OVLx,ACC。
为校准半目标100(如图2A中所展示)，仅使用与半目标100相同的第一部分304来测量x叠加误差OVLx,HT。因此，上文参考图2A所描述的方法用于测量半目标100的x叠加误差OVLx。目标校准函数ΔCAL,x由控制器18计算为ΔCAL,x＝OVLx,ACC-OVLx，且用于校准使用其它位置(例如半导体衬底12上的裸片的装置区域内的位置)处的半目标100测量的所有x叠加误差。目标校准函数ΔCAL,x可由控制器18在叠加误差计量工艺开始时计算，且随后在测量时应用于所有叠加误差。替代地，目标校准函数ΔCAL,x可独立于叠加误差测量的序列而计算，且在序列结束时应用于经测量叠加误差。
用于使用一维半目标测量y叠加误差的校准以类似方式完成。
使用全目标302校准半目标200
全目标302(图5B)包括第一部分330及第二部分332，其中第一部分与半目标200(图3A)相同且第二部分是围绕z轴旋转180°的半目标200的副本。全目标302的第一目标图案由在y方向上定向的工艺层光栅334及336及在x方向上定向的338及340形成。第二目标图案由在y方向上定向的光致抗蚀剂层光栅342及344及在x定向的346及348形成。
使用全目标302，在相隔180°的半导体衬底的两个定向上测量x叠加误差及y叠加误差两者。在第一0°定向上，测量叠加误差OVLx,0及OVLy,0。在第二180°定向上，测量叠加误差OVLx,180及OVLy,180。叠加误差以上文参考全目标300所描述的方式测量，其中x叠加测量使用光栅334、336、342及344，且y叠加测量使用光栅338、340、346及348。类似于上文的OVLx,ACC计算准确叠加误差：
OVLx,ACC＝(OVLx,0-OVLx,180)/2
OVLy,ACC＝(OVLy,0-OVLy,180)/2。
为使用半目标200校准叠加误差测量，仅使用与半目标200相同的第一部分330来测量x叠加误差OVLx,HT及y叠加误差OVLy,HT。因此，使用与用于测量图3A中的半目标200的x叠加误差OVLx及y叠加误差OVLy的方法相同的方法。双组分目标校准函数(ΔCAL,x,ΔCAL,y)由控制器18计算为ΔCAL,x＝OVLx,ACC-OVLx及ΔCAL,y＝OVLy,ACC-OVLy，且用于校准使用半导体衬底12上的半目标200测量的所有x叠加误差及y叠加误差。
类似于上述使用全目标300校准半目标100，双组分校准函数(ΔCAL,x,ΔCAL,y)可由控制器18在叠加误差计量过程开始时计算且在测量时应用于叠加误差，或其可独立于叠加误差测量的序列而计算且在序列结束时应用于经测量叠加误差。
图6是示意性说明根据本发明的实施例的用于确定x叠加误差的半目标的目标校准函数的方法的流程图400。方法可通过实例方式由控制器18使用由设备10捕捉的图像实施。除目标校准函数的确定之外，如上文所描述，流程图400还包括用于提高目标校准函数的可重复性(减少测量到测量变动)及用于减轻目标到目标变动的步骤。为简洁起见，流程图400仅展示x方向上的叠加误差测量及校准。y方向上的测量及校准以类似方式实施，如上文所解释。
在全目标选择步骤402中，控制器18针对校准过程选择全目标FTi，其中i是用于列举多目标校准(目标到目标变动的减少)的全目标的索引。在测量开始步骤404中，开始全目标FTi的第j次测量(j是用于列举给定目标的重复测量以提高测量可重复性的索引)。
在测量步骤406中，控制器18基于步骤404中起始的测量来测量准确x叠加误差OVLx,ACC ij。此步骤以及流程图400中的后续步骤类似于上述针对图5A的全目标300所描述的校准技术。(上标i及j是指索引i及j。)在半目标选择步骤408中，选择包含在全目标FTi中的半目标。在半目标叠加误差测量步骤410中，针对选定半目标测量叠加误差OVLx,HT ij。在第一目标校准函数步骤412中，目标校准函数ΔCAL,x ij经计算为ΔCAL,x ij＝OVLx,ACC ij-OVLx,HT ij，如上文所解释。
在第一决策步骤414中，控制器18决定是否对全目标FTi重复测量以增加可重复性。此决定可由控制器18通过计算来自前j个个测量的可重复性或通过使用测量次数的预设计数来进行。如果将重复测量，那么索引j在第一递增步骤416中递增，且过程返回到步骤404。当无需全目标FTi的额外测量时，过程继续到第二目标校准函数步骤418，其中全目标FTi的经获取目标校准函数ΔCAL,x ij经平均以给出全目标i的值ΔCAL,x i。
过程继续到第二决策步骤420，其中控制器18决定在校准过程中是否包含额外全目标以减轻目标到目标变动。步骤420中的决策可由控制器18通过估计来自前i个全目标的目标到目标变动，通过使用待包含的全目标数的默认计数或通过使用半导体衬底12上的默认全目标列表来进行。当包含额外全目标时，过程继续到第二递增步骤422，其中递增索引i，且过程返回到步骤402。当无需额外全目标时，从经包含全目标FTi获取的目标校准函数ΔCAL,x i经平均以给出全局目标校准函数ΔCAL,GLOBAL。此函数用于校准与包含在校准过程中的一者相同的半导体衬底上的所有全目标的x叠加误差测量。
校准半目标的角度偏移
如上文参考图4所解释，半目标(例如半目标100(图2A)及200(图3A))的角度偏移可导致叠加误差测量中的明显误差。所有半目标的全局角度偏移αGLOBAL(例如半导体衬底12归因于平台20的侧倾的角度误差)可使用上述用于使用全目标校准的方法来校准。(术语“侧倾”用于标示平台20围绕平台的法线的角度偏移，且可使用(例如)激光干涉仪来测量。)
为使每一半目标依次进入物镜22的FOV，将衬底12及平台20从测量位点移动到测量位点可在角度偏移中引入位点到位点变动。可通过针对每一叠加误差测量位点的侧倾测量或通过经捕捉目标图像的合适的处理来测量每一半目标HTi的角度偏移αi。例如，控制器18可定义半目标的相同光栅上的两个适当定位ROI，测量来自两个ROI的光栅隔条的两个投影之间的移位，且通过将移位除以ROI的中心到中心距离来计算角度偏移。索引i此处用于列举经测量半目标。
当已使用全目标确定目标校准函数时，如上文所描述(图5A到5B及图6)，目标校准函数的差分局部校正ΔDIFF i可经计算为ΔDIFF i＝(αi-αGLOBAL)×D，其中D是指适当ROI到ROI距离，类似于DROI,y(图4)。
替代地，在无此目标校准函数的情况下，经测量角度偏移αi可经直接应用为局部校准ΔLOCAL i＝αi×D。进一步替代地，角度偏移αi可通过平台20或传感器28的适当旋转或控制器18捕捉的目标图像的旋转来补偿。
应了解，上述实施例通过实例方式叙述，且本发明并不限于已在上文特定展示及描述的实施例。确切来说，本发明的范围包含上述各种特征的组合及子组合两者以及其变动及修改，所属领域的技术人员在阅读前述描述之后将想到所述变动及修改且现有技术中并未公开所述变动及修改。

Claims (24)

1.一种用于半导体计量的方法，其包括：
在半导体衬底上沉积第一膜层及上覆所述第一膜层的第二膜层；
图案化所述第一膜层及所述第二膜层以界定：
第一叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包括形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征；及
第二叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包括与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称性的第二部分；
使用成像组合件来捕捉所述第二叠加目标的第一图像；
处理所述第一图像以基于所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来计算目标校准函数；
使用所述成像组合件来捕捉所述第一叠加目标的第二图像；及
处理所述第二图像同时应用所述目标校准函数来估计所述第一位置处的所述第一膜层及所述第二膜层的图案化之间的叠加误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二叠加目标的所述第二部分包括所述第一部分的旋转副本。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个第一叠加目标中的一者，每一第一叠加目标包括所述第一目标特征及所述第二目标特征，且
其中处理所述第二图像包括将所述目标校准函数应用于所述第一叠加目标中的每一者。
4.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述第一图像包括：
使用所述第一图像中的所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第一叠加误差；
仅使用所述第二叠加目标的所述第一部分来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第二叠加误差；及
响应于所述第一叠加误差与所述第二叠加误差之间的差计算所述目标校准函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中使用所述第一部分及所述第二部分两者包括通过找到所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一对称中心之间的位移来估计所述第一叠加误差，且
其中仅使用所述第一部分包括通过找到仅所述第二叠加目标的所述第一部分中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第二对称中心之间的位移来估计所述第二叠加误差。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在所述半导体衬底的第一定向上捕捉所述第一图像，且其中所述方法包括在相对于所述第一定向围绕所述半导体衬底的所述法线旋转180°的所述半导体衬底的第二定向上捕捉所述第二叠加目标的第三图像，且其中处理所述第一图像包括处理所述第一图像及所述第三图像两者以估计所述第一定向及所述第二定向上的相应第一及第二叠加误差，及基于所述第一及第二叠加误差来计算所述目标校准函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底包括由切割线分离的裸片，且其中所述第一叠加目标安置于裸片的装置区域中且所述第二叠加目标安置于所述切割线中的一者中。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标特征包括在所述第一膜层中沿第一方向定向的第一线性光栅，且所述第二目标特征包括在所述第二膜层中在所述第一方向上定向的第二线性光栅。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一目标特征进一步包括在所述第一膜层中沿不与所述第一方向平行的第二方向定向的第三线性光栅，且所述第二目标特征包括在所述第二膜层中在所述第二方向上定向的第四线性光栅。
10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括测量所述半导体衬底的角度偏移，其中应用所述目标校准函数包括在估计所述叠加误差时校正所述角度偏移。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个所述第一叠加目标中的一者，且其中测量所述角度偏移包括估计及补偿所述不同位置中的每一者处的局部角度偏移。
12.一种产品，其包括：
半导体衬底；及
第一及第二膜层，其安置于所述半导体衬底上且所述第二膜层上覆所述第一膜层，且所述膜层经图案化以界定：
第一叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包括形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征；及
第二叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包括与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称的第二部分。
13.根据权利要求12所述的产品，其中所述第二叠加目标的所述第二部分包括所述第一部分的旋转副本。
14.根据权利要求12所述的产品，其中所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的所述多个第一叠加目标中的一者，每一第一叠加目标包括第一及第二目标特征。
15.根据权利要求12所述的产品，其中所述半导体衬底包括由切割线分离的裸片，且其中所述第一叠加目标安置于裸片的装置区域中且所述第二叠加目标安置于所述切割线中的一者中。
16.根据权利要求12所述的产品，其中所述第一目标特征包括在所述第一膜层中沿第一方向定向的第一线性光栅，且所述第二目标特征包括在所述第二膜层中在所述第一方向上定向的第二线性光栅。
17.根据权利要求16所述的产品，其中所述第一目标特征进一步包括在所述第一膜层中沿不与所述第一方向平行的第二方向定向的第三线性光栅，且所述第二目标特征包括在所述第二膜层中在所述第二方向上定向的第四线性光栅。
18.一种用于半导体计量的设备，其包括：
成像组合件，其经配置以捕捉其上安置第一及第二膜层的半导体衬底的图像，且所述第二膜层上覆所述第一膜层，且所述膜层经图案化以界定：
第一叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第一位置中且包括形成于所述第一膜层中的第一目标特征及形成于相邻于所述第一目标特征的位置中的所述第二膜层中的第二目标特征；及
第二叠加目标，其安置于所述半导体衬底上的第二位置中且包括与所述第一叠加目标相同的第一部分及相邻于所述第一部分安置使得所述第二叠加目标具有围绕所述半导体衬底的法线的180°的旋转对称性的第二部分；及
处理器，其经配置以处理由所述成像组合件捕捉的所述第二叠加目标的第一图像以基于所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来计算目标校准函数，及处理由所述成像组合件捕捉的所述第一叠加目标的第二图像同时应用所述目标校准函数以估计所述第一位置处的所述第一膜层及所述第二膜层的图案化之间的叠加误差。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个所述第一叠加目标中的一者，每一第一叠加目标包括所述第一目标特征及所述第二目标特征，且
其中所述处理器经配置以将所述目标校准函数应用于所述第一叠加目标中的每一者。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述处理器经配置以使用所述第一图像中的所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第一叠加误差，及仅使用所述第二叠加目标的所述第一部分来估计所述第一膜层及所述第二膜层的所述图案化之间的第二叠加误差，及
响应于所述第一叠加误差与所述第二叠加误差之间的差计算所述目标校准函数。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述处理器经配置以通过找到所述第二叠加目标的所述第一部分及所述第二部分两者中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一对称中心之间的位移来估计所述第一叠加误差，且通过找到仅所述第二叠加目标的所述第一部分中的所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第二对称中心之间的位移来估计所述第二叠加误差。
22.根据权利要求18所述的设备，其中所述成像组合件经配置以在所述半导体衬底的第一定向上捕捉所述第一图像，且在所述半导体衬底的第二定向上捕捉所述第二叠加目标的第三图像，所述第二定向相对于所述第一定向围绕所述半导体衬底的所述法线旋转180°，且
其中所述处理器经配置以处理所述第一图像及所述第三图像两者以估计所述第一定向及所述第二定向上的相应第一及第二叠加误差，且基于所述第一及第二叠加误差来计算所述目标校准函数。
23.根据权利要求18所述的设备，其中所述处理器经配置以测量所述半导体衬底的角度偏移，且在估计所述叠加误差时校正所述角度偏移。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述第一叠加目标是安置于所述半导体衬底上的不同相应位置处的多个所述第一叠加目标中的一者，且其中所述处理器经配置以估计及补偿所述不同位置中的每一者处的局部角度偏移。
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