CN117980827A - 使用分开目标的拼接误差的测量 - Google Patents

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Abstract

一种半导体计量方法包含：图案化半导体衬底上的膜层以界定所述半导体衬底上的第一场，所述第一场具有包括沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案，且界定邻接所述第一场的第二场，所述第二场具有包括沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘。所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠。捕捉且处理至少所述第一目标特征及所述第二目标特征的图像以检测所述第一场与所述第二场之间的失准。

Description

使用分开目标的拼接误差的测量
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，本发明涉及用于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法制造。在光刻工艺中，光敏聚合物(光致抗蚀剂)的薄层沉积于半导体衬底上。光致抗蚀剂由曝光系统图案化，曝光系统通常包括扫描仪或步进器，其通常使用紫外线辐射将掩模(也称为“光掩模”或“光罩”)的图像投射到光致抗蚀剂上。光罩的图像范围界定衬底上的曝光场。多个场通常曝光于单个半导体衬底上以优化衬底的利用。在图案化之后，通过例如蚀刻及离子轰击的方法对衬底改质以改变衬底的材料性质及/或拓扑，而由光致抗蚀剂覆盖的衬底的部分不受影响。
扫描仪的曝光场通常包括一或多个裸片，其中每一裸片将用于生产对应集成电路。然而，在一些应用中，单个电路可能需要大于单个曝光场的尺寸。在此情况中，单个裸片可包括两个或更多个相邻曝光场，具有连接裸片内的相邻场的图案化电路特征。图案化半导体衬底使得相邻场的电路特征连接起来通常称为“场拼接”或简称为“拼接”。
已提出用于测量相邻场之间的失准的一些方法。例如，第2021/0200105号美国专利申请公开案描述一种计量系统，其包含用于接收与样本上的第一组计量目标特征相关联的第一计量数据集的控制器，第一组计量目标特征包含来自第一样本层上的第一曝光场的第一特征及来自第二样本层上的第二曝光场的第二特征，其中第二曝光场与第一曝光场部分重叠。控制器可进一步接收与第二组计量目标特征相关联的第二计量数据集，第二计量目标特征包含来自与第一曝光场重叠的第二层上的第三曝光场的第三特征及由与第二曝光场重叠的样本的第一层上的第四曝光场形成的第四特征。控制器可基于第一及第二计量数据集确定制造误差且基于制造误差产生可校正量以调整光刻工具。
发明内容
下文描述的本发明的实施例提供用于图案化半导体晶片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，提供一种半导体计量方法，其包含：图案化半导体衬底上的膜层以界定所述半导体衬底上的第一场，其具有包含沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案。所述半导体衬底上的所述膜层经图案化以界定邻接所述第一场的第二场，其具有包含沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠。捕捉包含至少所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图案化膜层的区域的图像。所述图像经处理以检测所述第一场与所述第二场之间的失准。
在所公开实施例中，处理所述图像包含寻找所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一及第二对称中心，测量所述第一与第二对称中心之间的位移，及通过比较所述测量位移与标称位移来检测所述失准。
在一些实施例中，所述第一目标特征及所述第二目标特征分别包含第一及第二线性光栅，其沿共同光栅方向定向。在一个此实施例中，所述第一及第二线性光栅沿第一光栅方向定向，且其中图案化所述膜层包含在场的相对第一及第二侧上的边际内分别沿所述第一场的所述第一边缘及所述第二场的所述第二边缘形成第三及第四目标特征，其中所述第三及第四目标特征分别包含第三及第四线性光栅，其沿不与所述第一方向平行的第二方向定向。
另外或替代地，图案化所述膜层包含在靠近所述第一目标特征的所述第一场内形成至少所述第一目标特征的另一例子，且其中处理所述图像包含使用至少所述第一目标特征的所述另一例子计算对准校准函数，且将所述对准校准函数应用于测量所述第一场与所述第二场之间的失准。在所公开实施例中，至少所述第一目标特征的所述另一例子包含所述第一目标特征的复本，其相邻于所述第一目标特征，且计算所述对准校准函数包含测量所述第一目标特征的所述复本与所述第一目标特征之间在所述图像中的关系。替代地，至少所述第一目标特征的所述另一例子包含所述第一目标特征及所述第二目标特征两者的复本。
在所公开实施例中，图案化所述膜层包含界定邻接所述第二场的第三场，其具有包含沿所述第三场的第三边缘的第三边际内的至少一第三目标特征的第三图案，使得所述第三场的所述第三边缘紧邻所述第二场的第四边缘，且所述第二场包含所述第二边际中的第四目标特征，其相邻于所述第三边际上的所述第三目标特征且不与所述第三目标特征重叠。所述方法包含捕捉包含至少所述第三及第四目标特征的另一图像，且处理所述另一图像以检测所述第二与所述第三场之间的另一失准。
另外或替代地，所述方法包含测量所述半导体衬底的角度失准，其中处理所述图像包含在估计所述第一场与所述第二场之间的所述失准时校正所述角度失准。
此外，另外或替代地，在测量所述半导体衬底上的连续膜层之间的叠加误差时应用所述第一目标特征及所述第二目标特征。
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安置于所述衬底上的膜层。所述膜层经图案化以界定：第一场，其位于所述半导体衬底上，具有包含沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案；及第二场，其邻接所述第一场，具有包含沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠。
根据本发明的实施例，另外提供一种用于半导体计量的设备，其包含成像组合件，其经配置以捕捉半导体衬底的图像，膜层安置于所述半导体衬底上。所述膜层经图案化以界定：第一场，其位于所述半导体衬底上，具有包含沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案；及第二场，其邻接所述第一场且不与所述第一场重叠，具有包含沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠。处理器经配置以处理所述图像以检测所述第一场与所述第二场之间的失准。
将结合图式从实施例的以下详细描述更充分明白本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的用于图案化半导体衬底上的光致抗蚀剂层的曝光系统的示意侧视图；
图2是根据本发明的实施例的图案化半导体衬底的示意俯视图；
图3是根据本发明的实施例的曝光场的示意俯视图；
图4是根据本发明的实施例的四个相邻曝光场的示意俯视图；
图5是根据本发明的实施例的成像计量设备的示意侧视图；
图6是根据本发明的实施例的图4的四个曝光场的示意俯视图，其展示用于拼接误差测量的关注区域；
图7A及7B各自是根据本发明的两个实施例的具有校准目标的两个曝光场的示意俯视图；
图8是根据本发明的实施例的角度失准计量目标的示意俯视图；及
图9是示意性说明根据本发明的实施例的用于图案化半导体衬底上的多个场且测量相邻场之间的拼接误差的方法的流程图。
具体实施方式
概述
针对其中两个或更多个相邻曝光场界定单个裸片的半导体电路，场之间的拼接误差(即场之间的失准)可引起重大电路缺陷。例如，归因于光学像差及扫描仪运动误差，可出现拼接误差。为避免良率损失，在工艺的早期阶段检测及校正拼接误差是重要的。
尽管叠加计量目标通常在下伏工艺层中用一个目标特征图案化且在光致抗蚀剂层中用另一目标特征图案化，但针对拼接误差测量，两个特征在光致抗蚀剂层中图案化：一个目标特征在曝光一个场时被图案化，且另一特征在曝光相邻场时被图案化。在叠加计量目标中，光致抗蚀剂层中的目标特征通常与下伏工艺层中的对应目标特征重叠。然而，为在拼接目标中模拟此模型，需要相邻场的边际彼此重叠。此重叠需要复杂双重曝光工艺。
下文描述的实施例通过图案化彼此邻接但不实质重叠的相邻场来解决此问题，且场的边际中的计量目标特征相邻于相应场边缘。为测量拼接误差，每一目标包括一对邻接场之间的边界的相对侧上的两个“半目标”。半目标包括互相相邻但彼此不重叠的相应目标特征，例如线性光栅。半目标不重叠，因为含有两个半目标的相应目标特征的最小边界框之间不存在重叠区域。
2022年1月13日申请的美国专利申请案63/299,010中描述这种半目标(用于叠加计量)，所述申请案的公开内容以引用方式并入本文中。
例如，包括呈在相同光栅方向上定向的线性光栅的形式的两个目标特征的目标可用一个场的边缘处的一个目标特征及相邻场的边缘处的另一目标特征图案化，且特征跨两个场之间的边界彼此相邻。通过采用两个半目标，且光栅彼此正交且相邻于边界，可在两个正交方向上测量这两个场之间的拼接误差。
因此，在所公开实例中，半导体衬底上的膜层经图案化以界定多个场，包含彼此邻接的至少第一及第二场。第一场的图案包括沿第一场的边缘的第一场的边际内的至少一第一目标特征。(术语“边际”指代沿场边缘的窄带，宽度通常约为10μm，尽管可取决于目标特征的大小使用更窄或更宽边际。)第二场的图案包括沿紧邻第一场的边缘的第二场的边缘的第二场的边际内的至少一第二目标特征。目标特征经界定使得第一场的边际中的第一目标特征相邻于第二场的边际中的第二目标特征而不与第二目标特征重叠。
成像组合件捕捉含有拼接计量目标的图案化膜层的区域的图像，即含有至少第一目标特征及第二目标特征的图像。处理器处理图像以检测第一与第二场之间的失准。
第一及第二场中的图案可为不同的，或其可为相同的，只要其在场边际中的适当紧邻位置中包含目标特征。在一些实施例中，如下文将描述，此技术经扩展以测量三个或更多个相邻场之间的拼接误差。
图案化
图1是根据本发明的实施例的用于图案化半导体衬底24(例如硅晶片)上的光致抗蚀剂层22的曝光系统20的示意侧视图。曝光系统20是通过实例方式展示，且可替代地使用其它类型的曝光系统。
以简化方式表示扫描仪或步进器的曝光系统20包括曝光光源26、掩模台28、投射光学器件30、晶片台32及曝光系统控制器34。界定光致抗蚀剂层22中的图案的掩模36定位于掩模台28中。掩模36包含沿图案的一或多个边缘的边际内的目标特征，用于测量拼接误差，如下文将进一步描述。使一或多个工艺层38及光致抗蚀剂层22沉积于其顶面上的半导体衬底24定位于晶片台32上。曝光系统20的定向以及下文图式中的对象的定向参考笛卡尔坐标40。
曝光光源26发射光学辐射(由箭头42指示)以照明掩模36。光学辐射通常包括紫外光(UV)或极紫外光(EUV)频谱范围内的波长。尽管图式中的发射光学辐射经展示为均匀且经准直辐射，但其可替代地包括具有不同空间及/或角度分布的辐射。
掩模台28包括由曝光系统控制器34控制的致动器，其可使台(及因此掩模36)在x方向、y方向及z方向上线性移动，以及使台围绕z轴旋转且使其围绕x轴及y轴倾斜。掩模36通常包括对由曝光光源26发射的光学辐射透明的衬底(例如石英)，且图案形成于衬底上的适合材料的薄膜上以调制由掩模透射的光学辐射的振幅及/或相位。
为简单起见，投射光学器件30经展示为单个透镜，但通常包括多个透镜及/或反射镜，其位置及定向可由曝光系统控制器34控制以获得最佳光学性能。
晶片台32包括由曝光系统控制器34控制的致动器，其可使台(及因此半导体衬底24)在x方向、y方向及z方向上线性移动，以及使台围绕z轴旋转。
曝光系统控制器34耦合到光源26、掩模台28、投射光学器件30及晶片台32。控制器34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)以及用于连接到曝光系统20的其它元件的适合数字及/或模拟接口。替代地或另外，控制器34包括硬接线及/或可编程硬件逻辑电路，其实施控制器的至少一些功能。尽管为简单起见，控制器34在图1中经展示为单个单片功能块，但实际上，控制器可包括多个互连控制单元，具有用于接收及输出信号的适合接口，如图式中所说明及文字中所描述。
为了图案化光致抗蚀剂层22，曝光系统控制器34在投射光学器件30下方移动晶片台32使得半导体衬底24上的光致抗蚀剂层22相对于光学器件处于所要位置及定向。曝光光源26发射光学辐射以照明掩模36。撞击于掩模36上的光学辐射由掩模透射及/或衍射且投射朝向投射光学器件30，其将辐射聚焦到光致抗蚀剂层22上以曝光光致抗蚀剂。被称为“曝光场”或“场”的曝光区域由半导体衬底24上的掩模36的图像界定。如早前所提及，每一场含有沿场的一或多个边缘的边际内的目标特征用于拼接误差计量。在曝光场之后，控制器34使晶片台32在xy平面中移动使得下一场可被曝光，如图2中进一步详述。当下一场需要不同图案时，例如用于产生包括在每一场中具有不同电路图案的多个场的裸片，掩模36在曝光之前由另一适合掩模替换。
一旦所有所需场曝光，就使光致抗蚀剂层显影。在显影步骤之后，使用边际中的目标特征测量相邻场之间的图案化的拼接误差，如下文描述。假定拼接误差符合预设容限，工艺层38通过例如蚀刻及离子轰击的方法改质以改变工艺层的材料性质及/或拓扑，而被光致抗蚀剂层22的剩余部分覆盖的工艺层的部分不受影响。
除测量相邻场之间的拼接误差之外，边际中的目标特征还可用于通过在工艺层的边际中提供对应目标特征来测量衬底24上的连续膜层(例如光致抗蚀剂层22及工艺层38)之间的叠加误差。此外，工艺层38的边际中的目标特征可用于测量工艺层中的相邻场之间的拼接误差。
图2是根据本发明的实施例的图案化半导体衬底24的示意俯视图。
半导体衬底24包括已由曝光系统20曝光的曝光场50，如下文描述。场50已经曝光使得其彼此邻接，且其相邻边缘接触但基本上不重叠。在所描绘实例中，每一裸片52包括一对相邻场50。例如，场50a及50b形成裸片52a，由阴影展示。(在替代实施例中，多于两个场50可形成单个裸片52。)多个场50的此组合以形成单个裸片52使得能够形成大于曝光系统20的单个场的电路。
为使给定裸片52中的电路具有功能，即具有跨形成裸片的两个场之间的共同边界的功能连接，这些场需要互相对准到高准确度(例如约10nm)。为确保此对准，在上述图案化阶段中，目标特征在沿紧邻边缘场50a及50b的边际中图案化。替代地，目标特征沿每一场的两个、三个或全部四个边缘图案化，如下文将描述。
图3是根据本发明的实施例的曝光场50的示意俯视图。
场50包括跨场延伸到其边缘的电路区域60，以使得能够将电路区域中的电路耦合到相邻场中的一或多者。(为简单起见，当前图式中未展示电路区域60中的电子电路的细节，且从剩余图式省略电路区域60的标记。)场的边际61包括场50的外边缘63与内边缘65之间的框状区域。场50另外包括x计量目标特征62、64、66及68及y计量目标特征72、74、76及78，且所有目标特征定位成相邻于边际61内的外边缘63。
在所描绘实例中，每一目标特征包括线性光栅，其包括四个平行等距条。目标特征62、64、66及68在y方向上定向，且目标特征72、74、76及78在x方向上定向。替代地，目标特征72、74、76及78可以一或多个不同角度定向，只要其不平行于目标特征62、64、66及68。
在替代实施例中，可使用能够确定特征的对称中心在x方向或y方向上的位置的其它目标特征。
归因于场50的电路区域60中的电路特征连接到至少一个相邻场的要求，所以电路区域延伸到边际61中，因此与目标特征共享边际。
为清楚起见，目标特征62、64、66、68、72、74、76及78及边际61的尺寸相对于场的尺寸夸大为50：典型场具有在几十毫米范围内的尺寸，而目标特征通常具有5μm×5μm或10μm×10μm的大小。
目标特征以此方式定位于场50中，即，当图案化若干相邻场时，每一目标特征名义上与相邻场中的类似目标特征对准，如下文将进一步详述。术语“名义上对准”的含义是，当使用一对相邻目标特征测量拼接误差时，每一目标特征属于相邻场50，当由理想曝光系统20图案化时，此误差是零。
由于曝光系统20使用掩模36图案化场50，所以使用此掩模在半导体衬底24上图案化的所有场包括电路区域60中的相同电路图案及分别位于边际中的x计量目标特征62、64、66及68及y计量目标特征72、74、76及78。当不同掩模用于在不同场中图案化不同电路特征时，每一掩模仍可具有相同计量目标特征图案，以能够如本实施例中所描述那样测量拼接误差。
图4是根据本发明的实施例的四个相邻曝光场100a、100b、100c及100d的示意俯视图。
四个场中的每一者包括图3中针对场50所展示的四个x计量目标特征及四个y计量目标特征。在标记图3的计量目标特征之后，x计量目标特征66a及62d形成x计量目标102，其能够测量x拼接误差，即，场100a与100d之间的x方向上的失准。(测量拼接误差将在下文详述。)类似地，y失准结构76a及72d形成y计量目标104，其能够测量场100a与100d之间的y拼接误差。为测量场100c与100d之间的x及y拼接误差，x计量目标106由x计量目标特征68c及64d形成，且y计量目标108由y计量目标特征78c及74d形成。为测量场100a与100b之间及场100b与100c之间的拼接误差，计量目标类似地由相关目标特征形成。四个场之间的拼接误差计量在此仅通过实例方式展示，且方法可仅限于两个或三个相邻场或扩展到任意数目个相邻场。
由于每一计量目标由相邻场中的两个目标特征形成，所以无需场重叠，因此简化每一场的图案化，尤其是对于边际61中的任何电路图案来说。确切来说，含有任何给定目标特征的最小边界框(即含有整个目标特征的最小矩形区域)与相同计量目标中的其它目标特征的最小边界框的重叠区域为零。
计量目标(例如图4中的目标102、104、106及108)是一维半目标。本文中“一维”指代其仅能够测量一维的拼接误差的事实。术语“半目标”指代这些拼接误差测量可能无法通过0°/180°旋转来校准，与包括多个目标特征(围绕衬底24的法线具有180°对称性)的“全目标”(例如，科磊公司(KLA Corporation)(美国加利福尼亚州苗必达市(Milpitas,CA,USA))的AIMTM目标相反。
在以下描述中，例如目标102及108的计量目标(其中相应目标特征的条沿垂直于光栅方向的方向并排定位)在下文中将被称为“并排目标”。例如目标104及106的计量目标(其中相应目标特征的条沿光栅方向头对头定位)将被称为“头对头目标”。然而，本发明的原理不限于此类目标。在替代实施例中，例如，目标单元可彼此相对以非正交角放置，且在一些设计中，目标可包括对角条。
拼接误差的测量
图5是根据本发明的实施例的成像计量设备200的示意侧视图。设备200通过实例方式展示以说明根据本发明的实施例的计量及校准方法。替代地，可使用其它类型的计量系统。
成像计量设备200包括成像组合件202、照明组合件204、计量处理器206及半导体衬底24安装于其上的工作台208。成像组合件202包括物镜210、立方体分束器212及成像透镜214。成像组合件202进一步包括二维传感器阵列216，其包括(例如)具有像素218的二维阵列的互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器。成像透镜214使半导体衬底24的顶面成像到传感器阵列216上。
照明组合件204包括发射光学辐射的光源220及透镜222。工作台208位于物镜210附近，且包括由计量处理器206控制的致动器，其可使工作台在x方向、y方向及z方向上线性移动，以及使工作台围绕z轴旋转。
具有沉积于其顶面上的工艺层38及光致抗蚀剂层22的半导体衬底24定位于工作台208上。光致抗蚀剂层22已被图案化，如上文所描述。
计量处理器206耦合到传感器阵列216及工作台208。计量处理器206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200的其它元件的适合数字及/或模拟接口。替代地或另外，处理器206包括硬接线及/或可编程硬件逻辑电路，其实施控制器的至少一些功能。尽管为简单起见，处理器206在图5中经展示为单个单片功能块，但实际上，控制器可包括多个互连控制单元，具有用于接收及输出信号的适合接口，如图式中所说明及文字中所描述。用于使计量处理器206实施本文中所公开的各种方法及功能的程序代码或指令可存储于可读存储媒体中，例如计量处理器206中的存储器或其它存储器。
为捕捉光致抗蚀剂层22中的计量目标的图像，半导体衬底24定位于工作台208上，且工作台经移动以使目标处于物镜210的视场(FOV)中。光源220将一束光学辐射投射到透镜222，其将光束进一步投射到立方体分束器212。分束器212将光束反射到物镜210中，物镜210将光束投射到半导体衬底24上以照明计量目标。撞击于半导体衬底24上的辐射被反射回物镜210，且由透镜214进一步聚焦到传感器阵列216上。计量处理器206捕捉图像且处理图像以测量拼接误差，如下文进一步详述。
图6是根据本发明的实施例的图4中所展示的四个曝光场的示意俯视图，展示用于拼接误差测量的关注区域。
为测量场100a与100d之间及场100c与100d之间的x拼接误差及y拼接误差，计量处理器206移动工作台208使得每一计量目标102、104、106及108依次定位于物镜210下方，且成像到传感器阵列216上(图5)。针对每一计量目标102、104、106及108，处理器206在形成相应计量目标的目标特征上方界定关注区域(ROI)。(在图6中，ROI经描绘成涵盖整个目标特征。替代地，每一ROI可仅包括相应目标特征的内部分，因此不包括(例如)可能不规则的条末端。)ROI的标记如表1中所展示：
表1：ROI的标签
针对每一ROI，计量处理器206处理相应ROI内的图像的部分且计算相应目标特征的对称中心的位置。基于对称中心的位置，处理器206计算x拼接误差(STEx)及y拼接误差(STEy)。由于计量目标102、104、106及108在结构及定向两者上彼此不同，所以这些计算在下文进一步详述：
计量目标102-处理器206计算ROI 162d及166a内的目标特征的相应对称中心及x方向上的两个对称中心之间的位移Δx。(y方向上的两个对称中心之间的位移由两个ROI的位置确定，且与x拼接误差无关。)针对并排目标特征62d及66a，位移Δx是位移Dnominal,x及拼接误差STEx的总和，其中Dnominal,x是ROI 162d及166a内的目标特征的对称中心之间的标称位移。因此，Δx可写成Δx＝Dnominal,x+STEx，且拼接误差通过测量位移Δx减去Dnominal,x来计算：STEx＝Δx–Dnominal,x。标称x位移Dnominal,x由处理器206从掩模36的设计尺寸确定，掩模36投射到曝光系统20中的半导体衬底24上且成像到计量系统200中的传感器216上。换句话说，Dnominal,x取决于掩模上相应目标特征的标称位置、曝光系统20的光学放大率及计量设备200的标称光学放大率。
计量目标104-处理器206计算ROI 172d及176a内的目标特征的相应对称中心及y方向上的对称中心之间的位移Δy。(x方向上的两个对称中心之间的位移由两个ROI的位置确定，且与y拼接误差无关。)头对头目标特征72d及76a名义上在y方向上彼此相对对准，且因此位移Δy给出y拼接误差STEy：STEy＝Δy。
计量目标106-处理器206计算ROI 164d及168c内的目标特征的相应对称中心及x方向上的两个对称中心之间的位移Δx。(y方向上的两个对称中心之间的位移由两个ROI的位置确定，且与x拼接误差无关。)类似于计量目标104，头对头目标特征64d及68c名义上在x方向上彼此相对对准，且因此位移Δx给出x拼接误差STEx：STEx＝Δx。替代地，使用其它目标设计，例如对角定向目标，给定目标可同时产生x拼接误差及y拼接误差两者。
计量目标108-处理器206计算ROI 174d及178c内的目标特征的相应对称中心及y方向上的两个对称中心之间的位移Δy。(x方向上的两个对称中心之间的位移由两个ROI的位置确定，且与y拼接误差无关。)针对并排目标特征74d及78c，位移Δy是ROI 174d及178c的对称中心之间的标称y位移Dnominal,y及拼接误差STEy的总和：Δy＝Dnominal,y+STEy。因此，拼接误差通过从测量位移Δy中减去Dnominal,y来计算：STEy＝Δy–Dnominal,y。标称y位移Dnominal,y由处理器206从掩模36的设计尺寸确定，类似于上文所描述的Dnominal,x。
以类似方式测量场100a与100b之间及场100b与100c之间的拼接误差。
图7A及7B各自是根据本发明的两个实施例的具有校准目标的两个曝光场的示意俯视图。在图7A中所展示的实施例中，校准目标与计量目标集成在一起，而在图7B中所展示的实施例中，校准目标与计量目标分开。
由叠加计量设备200测量的拼接误差STEx及STEy可具有归因于设备的成像组合件202的光学像差以及归因于相对于理想成像组合件的标称光学放大率M的放大率误差ΔM的测量误差。如上文所描述(参考图6)，并排计量目标(例如目标102及108)的ROI的对称中心之间的标称位移Dnominal,x及Dnominal,y用于计算拼接误差STEx及STEy。ΔM的放大误差导致测量拼接误差STEx及STEy中的(ΔM/M)×Dnominal,x及(ΔM/M)×Dnominal,y的误差。例如，0.1％的相对误差ΔM/M及5μm的Dnominal,x标称值导致STEx中的误差为5nm，与5nm到10nm的典型总拼接误差预算相比是显著的。
拼接误差测量中的另一误差源是目标特征相对于笛卡尔坐标40的角度失准，如下文在图8中进一步详述。归因于这些误差源，可期望校准拼接误差测量。两种替代校准方法在图7A及7B中展示。
图7A展示两个曝光场300a及300b。曝光场300a包括用于x失准测量的目标特征302a、304a、306a及308a，及用于y失准测量的目标特征312a、314a、316a及318a。曝光场300b包括类似目标特征，由其标记中的字母“b”识别。曝光场300a包括校准目标特征320a及322a，且类似校准目标特征320b及322b添加到场300b。
下文通过实例方式描述用于计量目标330及332的校准过程。计量目标330包括用于测量场300a与300b之间的x拼接误差的目标特征302b及306a，且计量目标332包括用于测量这两个场之间的y拼接误差的目标特征312b及316a。
用于校准x失准测量的校准目标特征320a是目标特征306a的复本且定位成相邻于目标特征306a，且在x方向上偏移使得这两个目标特征一起形成计量目标334，其完全包含于场300a内。目标特征306a及320的对称中心之间在x方向上的位移与目标特征302b及306a的对称中心之间的标称位移相同。为校准由计量设备200使用目标330测量的x失准，设备还测量目标334中的x失准。由于整个目标334在一个场(场300a)中图案化，所以已知其x拼接误差为零。目标334中的任何非零x失准是归因于上述误差源(设备200的光学像差及放大误差及目标特征的角度失准)，且因此提供x失准校准。由于此误差在目标330的x拼接误差测量中类似地表现，所以可使用利用目标334测量的x失准校准来校正此测量，包含放大率误差。
用于校准y失准测量的校准目标特征322b是目标特征312b的复本且定位成相邻于目标特征312b，且在x方向上偏移使得这两个目标特征一起形成计量目标336。为校准由计量设备200使用目标332测量的y失准，设备还测量目标336中的y失准。类似于目标334，已知目标336的y拼接误差为零。目标336中的任何非零失准再次归因于上述误差源(设备200的光学像差及目标特征的角度失准；放大率误差与头对头计量目标332无关)，且提供y失准校准。由于此误差在目标332的y拼接误差测量中类似地表现，所以可使用利用目标336测量的y失准校准来校正此测量。
为简单起见，图7A中仅显示每一场在x方向上偏移的校准目标特征。类似于x偏移校准特征但在y方向上偏移，其它校准目标特征可添加成相邻于其它测量目标特征用于失准校准。
图7B展示两个曝光场400a及400b。曝光场400a包括用于x失准测量的目标特征402a、404a、406a及408a，及用于y失准测量的目标特征412a、414a、416a及418a。曝光场400b包括类似目标特征，由其标记中的字母“b”识别。曝光场400a包括校准目标特征420a、422a、424a及426a，其中类似目标特征420b、422b、424b及426b添加到场400b。
通过实例方式描述用于计量目标430及432的校准过程。计量目标430包括用于测量场400a与400b之间的x拼接误差的目标特征402b及406a，且计量目标432包括用于测量这两个场之间的y拼接误差的目标特征412b及416a。
校准目标特征420a及422a定位于场400a中以形成校准目标434a，其名义上与计量目标430相同，包含目标特征的对称中心之间的位移。因此，校准目标434a可用于测量x失准校准且校准使用计量目标430的x失准测量，类似于使用目标334来校准使用目标330的x失准测量(图7A)。
类似地，校准目标特征424a及426a定位于场400a中以形成校准目标436a，其名义上与计量目标432相同。因此，校准目标436a可用于测量y失准校准且校准y使用目标432的y失准测量，类似于使用目标336来校准使用目标332的y失准测量(图7A)。
在图7B中的校准目标中，目标特征在x方向上彼此相对偏移。类似于x偏移校准特征但在y方向上偏移，其它校准目标特征可添加成相邻于其它测量目标特征用于失准校准。
当形成计量目标的两个目标特征的光栅具有不等节距时，可执行图7A或7B中所展示的步骤之前的校准步骤。此步骤包括测量目标在两个定向上的拼接误差，通过围绕z轴旋转180°分开，以产生两个定向的STEx,0°及STEx,180°的x拼接误差及两个定向的STEy,0°及STEy,180°的y拼接误差。在第一校准步骤中，校准的x拼接误差及y拼接误差经计算为STEx,CAL1＝(STEx,0°-STEx,180°)/2及STEy,CAL1＝(STEy,0°-STEy,180°)/2。接着使用上述方法执行第二校准步骤。
当利用多个计量目标来测量相同拼接误差时，例如场300a与300b(图7A)或场400a与400b(图7B)之间的x失准，相应x失准校准可用于所有这些目标。
图8是根据本发明的实施例的角度失准计量目标500的示意俯视图。
尽管可如上文所描述那样校准计量目标的角度失准，但在用设备200使用每一计量目标测量拼接误差时可引入额外局部角度失准。工作台208使半导体衬底24在xy平面中移动以将每一目标依次置于物镜210下方，且可在此移动期间引入角度失准或偏摇误差。工作台208的这些局部偏摇误差可通过使用(例如)工作台的偏摇角的干涉测量来测量。一旦偏摇角已知，其就可用于拼接误差测量的额外校准，如下文详述。
计量目标500是头对头一维半目标，包括用于测量x拼接误差的两个目标特征502及504中的六个平行等距条。目标500相对于笛卡尔坐标40旋转偏摇角α。为展示测量的x拼接误差STEx中的误差，目标500具有零x失准，即，如果目标未旋转，那么目标特征502及504将在x方向上以零偏移彼此对准。STEx由计量设备200使用目标500测量。为此，如上所述，计量处理器206在相应目标特征502及504上界定ROI 506及508，且寻找目标特征的相应对称中心510及512。针对对称中心510及512之间的位移DROI,y，旋转α在x方向上的对称中心之间的位移中引位移入Δangular,x＝α×DROI,y，其中已使用小角度近似。例如，针对α＝1mrad，且DROI,y＝5μm，Δangular,x＝5nm。此误差直接表现在从例如目标500到目标测量的x失准测量STEx中，且Δangular,x可用作测量x拼接误差STEx的x失准校准。针对例如目标104(图4)的并排目标，工作台208的典型偏摇角具有可忽略误差。
图9是示意性说明根据本发明的实施例的用于图案化半导体衬底上的多个场且测量相邻场之间的拼接误差的方法的流程图600。
在沉积步骤602中，将光致抗蚀剂层22(图1)沉积于半导体衬底24上。在图案化步骤604中，在曝光系统20中使用掩模36在衬底24上图案化相邻但不重叠的场。在显影步骤606中，使光致抗蚀剂层22显影以产生由掩模36界定的特征，包含计量目标特征。
在拼接误差测量步骤608中，由成像计量设备200(图5)使用计量目标特征测量x拼接误差及y拼接误差。在校准步骤610中，使用上文参考图7A到7B及8所描述的方法校准测量拼接误差。在可校正计算步骤612中，计量处理器206从测量拼接误差计算用于曝光系统20中的应用的校正值(有时指称“可校正值”)以减少图案化过程中产生的拼接误差。在校正步骤614中，将计算校正值发送到曝光系统20。
在决定步骤616中，比较校准拼接误差与预设拼接误差容限。当拼接误差超出预设容限时，在剥离步骤618中从衬底24移除光致抗蚀剂层22，且将衬底送回到步骤602。当拼接误差符合容限时，半导体衬底24继续到下一工艺步骤620，且图案化工艺经由下一衬底步骤622继续到步骤602。
应了解，上述实施例通过实例方式引用，且本发明不限于上文特定展示及描述的内容。确切来说，本发明的范围包含上文所描述的各种特征的组合及子组合，以及所属领域的技术人员在阅读前述描述之后会想到且现有技术中未公开的变动及修改。

Claims (22)

1.一种半导体计量方法，其包括：
图案化半导体衬底上的膜层以界定所述半导体衬底上的第一场，其具有包括沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案；
图案化所述半导体衬底上的所述膜层以界定邻接所述第一场的第二场，其具有包括沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠；
捕捉包含至少所述第一目标特征及所述第二目标特征的所述图案化膜层的区域的图像；及
处理所述图像以检测所述第一场与所述第二场之间的失准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述图像包括寻找所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一及第二对称中心，测量所述第一与第二对称中心之间的位移，及通过比较所述测量位移与标称位移来检测所述失准。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一目标特征及所述第二目标特征分别包括第一及第二线性光栅，所述第一及第二线性光栅沿共同光栅方向定向。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一及第二线性光栅沿第一光栅方向定向，且其中图案化所述膜层包括在场的相对第一及第二侧上的边际内分别沿所述第一场的所述第一边缘及所述第二场的所述第二边缘形成第三及第四目标特征，其中所述第三及第四目标特征分别包括第三及第四线性光栅，所述第三及第四线性光栅沿不与所述第一方向平行的第二方向定向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中图案化所述膜层包括在靠近所述第一目标特征的所述第一场内形成至少所述第一目标特征的另一例子，且其中处理所述图像包括使用至少所述第一目标特征的所述另一例子来计算对准校准函数，且将所述对准校准函数应用于测量所述第一场与所述第二场之间的失准。
6.根据权利要求5所述的方法，其中至少所述第一目标特征的所述另一例子包括所述第一目标特征的复本，所述复本相邻于所述第一目标特征，且其中计算所述对准校准函数包括测量所述第一目标特征的所述复本与所述第一目标特征之间在所述图像中的关系。
7.根据权利要求5所述的方法，其中至少所述第一目标特征的所述另一例子包括所述第一目标特征及所述第二目标特征两者的复本。
8.根据权利要求1所述的方法，其中图案化所述膜层包括界定邻接所述第二场的第三场，其具有包括沿所述第三场的第三边缘的第三边际内的至少一第三目标特征的第三图案，使得所述第三场的所述第三边缘紧邻所述第二场的第四边缘，且所述第二场包括所述第二边际中的第四目标特征，所述第四目标特征相邻于所述第三边际上的所述第三目标特征且不与所述第三目标特征重叠，且
其中所述方法包括捕捉包含至少所述第三及第四目标特征的另一图像，且处理所述另一图像以检测所述第二场与所述第三场之间的另一失准。
9.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失准，其中处理所述图像包括在估计所述第一场与所述第二场之间的所述失准时校正所述角度失准。
10.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述第一目标特征及所述第二目标特征应用于测量所述半导体衬底上的连续膜层之间的叠加误差。
11.一种产品，其包括：
半导体衬底；及
膜层，其经安置于所述衬底上且经图案化以界定：
第一场，其位于所述半导体衬底上，具有包括沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案；及
第二场，其邻接所述第一场，具有包括沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠。
12.根据权利要求11所述的产品，其中所述第一目标特征及所述第二目标特征分别包括沿共同光栅方向定向的第一及第二线性光栅。
13.根据权利要求12所述的产品，其中所述第一及第二线性光栅沿第一光栅方向定向，且其中所述膜层经图案化以在场的相对第一及第二侧上的边际内分别沿所述第一场的所述第一边缘及所述第二场的所述第二边缘形成第三及第四目标特征，其中所述第三及第四目标特征分别包括第三及第四线性光栅，所述第三及第四线性光栅沿第二方向定向且不与所述第一方向平行。
14.根据权利要求11所述的产品，其中所述膜层经图案化以在靠近所述第一目标特征的所述第一场内形成至少所述第一目标特征的另一例子。
15.根据权利要求14所述的产品，其中至少所述第一目标特征的所述另一例子包括所述第一目标特征的复本，所述复本相邻于所述第一目标特征。
16.根据权利要求15所述的产品，其中至少所述第一目标特征的所述另一例子包括所述第一目标特征及所述第二目标特征两者的复本。
17.根据权利要求11所述的产品，其中所述膜层经图案化以界定第三场，所述第三场邻接所述第二场但不与所述第二场重叠，具有包括沿所述第三场的第三边缘的第三边际内的至少一第三目标特征的第三图案，使得所述第三场的所述第三边缘紧邻所述第二场的第四边缘，且所述第二场包括相邻于所述第三边际上的所述第三目标特征的所述第二边际中的第四目标特征而不与所述第三目标特征重叠。
18.一种用于半导体计量的设备，其包括：
成像组合件，其经配置以捕捉半导体衬底的图像，膜层经安置于所述半导体衬底上且经图案化以界定：
第一场，其位于所述半导体衬底上，具有包括沿所述第一场的第一边缘的第一边际内的至少一第一目标特征的第一图案；及
第二场，其邻接所述第一场且不与所述第一场重叠，具有包括沿所述第二场的第二边缘的第二边际内的至少一第二目标特征的第二图案，使得所述第二场的所述第二边缘紧邻所述第一场的所述第一边缘，且所述第一边际中的所述第一目标特征相邻于所述第二边际中的所述第二目标特征而不与所述第二目标特征重叠；及
处理器，其经配置以处理所述图像以检测所述第一场与所述第二场之间的失准。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述处理器经配置以寻找所述第一目标特征及所述第二目标特征的相应第一及第二对称中心，以测量所述第一与第二对称中心之间的位移，且通过比较所述测量位移与标称位移来检测所述失准。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述膜层经图案化以在靠近所述第一目标特征的所述第一场内形成至少所述第一目标特征的另一例子，且其中所述处理器经配置以使用至少所述第一目标特征的所述另一例子来计算对准校准函数，且将所述对准校准函数应用于测量所述第一场与所述第二场之间的所述失准。
21.根据权利要求20所述的设备，其中至少所述第一目标特征的所述另一例子包括所述第一目标特征的复本，所述复本相邻于所述第一目标特征，且其中所述处理器经配置以测量所述第一目标特征的所述复本与所述第一目标特征之间在所述图像中的关系，且将所述关系应用于测量所述失准。
22.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失准，且在估计所述第一场与所述第二场之间的所述失准时校正所述角度失准。
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