CN1238461A - 用于减少检验测量的测量误差的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于减少测量误差的方法：提供一个表面零件的强度分布图，计算由强度分布图上的零件强度数据和一个阈值所包围的强度分布区域的面积，确定其面心位置，并用该面心位置作为测量距离的参考点。一种用于减少测量误差的装置：具有一个存储器的、用于测量表面零件强度差的强度测量设备，一个用于确定强度分布区域的面积和面心位置的计算机或处理器，一个采用该面心位置作为参考点来测量距离的测量设备。

Description

用于减少检验测量的测量误差的方法和装置

本发明涉及检验测量，特别涉及用于减少检验测量的测量误差的方法和装置。

覆盖计量学被用于确定例如集成电路等产品的质量。具体地说，覆盖计量学被用于确定限定例如一个集成电路设备的关键零件(feature)的调准。这些零件的失调会引起电开路或电短路，从而破坏产品的功能。为了确保集成电路(IC)产品的质量，必须以高准确度和精强度来完成该覆盖计量。一般地，覆盖准确度和精度大约为最小图案或零件尺寸的3％。例如，一个150nm的零件需要±5nm的覆盖精度。测量不确定的主要因素是对于被测零件的依赖性。对于越来越小规模的IC设备，关键零件的精确测量在很大程度上取决于诸如精密显微镜的仪器和计算机算法上。对于从一个显微镜读取的精密测量，需要坚韧(robust)的和有意义的计算机算法。

IC器件(芯片)是在一个半导体基底晶片上形成的。该晶片通常是圆的，而IC芯片是长方形的，位于通过晶片的一个栅格上。在处理期间，需要监视并将一层(level)的栅格与后续层的栅格对准，以确保正确的掩膜和材料沉积。这是实现正确的芯片功能所要求的。

为了监视和保持层与层的对准，将零件建在用一个显微镜观察的芯片图案中。这被称为覆盖测量结构，由一个凸缘(bullet)(在对准层上)和一个目标(在要被对准的层上)组成。参见图1，显示了一个标准的覆盖计量结构10的俯视图。结构10包括在表面之下的表面零件，例如线槽(trench)或平顶(plateaus)，还包括在表面之上的升高结构12。每个零件具有边14，可用于测量在零件之间的尺寸以便进行检验。图1所示的例子显示了作为凸缘的结构12和作为目标的线槽结构16。为了进一步地显示结构10，在图2提供了其剖面图。

为了区分出边14从而标记出中心线，通常使用光学显微镜、扫描电子显微镜或原子力显微镜，由一个光传感器或电子敏感器件记录反射的光或电子，并产生该结构的强度分布图(或者在原子显微镜的情况下，应用尖端偏转来产生强度分布图)。图3显示了沿一个通过结构10的方向(x或y)(图1和2)通过凸缘和目标的强度分布图的一个例子。在这个例子中的测量目的是确定凸缘和目标所标记的中心线之间的距离，并因此确定在对准层(凸缘到目标)之间产生的向量配准不良。

强度分布图将边14表示为强度的改变。例如，倾斜曲线18、20、22和24表示结构12(凸缘)的边14，而倾斜曲线26、28、30和32表示线槽结构16(目标)的边14。将边在数学上定义为从结构强度分布图计算出的一阶导数所得的拐点或最大或最小点。将凸缘的两个成对边、倾斜曲线18和24之间的中心距离与目标的两个成对边、倾斜曲线26和32之间的中心距离进行比较，以便给出x或y方向上的配准不良值。对于这些成对的边，可以将配准不良定义为：

CL_{凸缘-外边}-CL_{目标-外边}

如果将凸缘和目标的不同的成对边进行比较，例如倾斜曲线20和22相对于28和32，则可以得到稍微不同的配准不良值，如下所示：

CL_{凸缘-外边}-CL_{目标-外边}≠CL_{凸缘-内边}-CL_{目标-内边}

如果出现不对称的信号，则上述方法具有缺陷。如果用不同的成对边来确定中心线，则会得到不同的位置。这是由强度分布信号的斜率变化造成的。强度分布信号总不会是完全对称的，这意味着在各个边和各组成对边之间的边斜率会有轻微的不同。这种误差被称为中心线偏移，已经发现，该误差处于10nmσ的数量级上。

因此，需要一种应用强度分布减少在检验系统中的测量不确定性的方法。还需要一种减少强度分布中的边斜率变化、以便更好地限定中心点并更精确地确定半导体晶片的配准不良的方法。

一种减少测量误差的方法包括下列步骤：提供一个表面零件的强度分布图，计算由强度分布图上的零件强度数据和一个阈值所包围的强度分布的区域的面积，确定该区域的面心(centroid)位置，并采用该面心位置作为测量距离的参考点。

在用于减少测量误差的另一些方法中，提供一个强度分布图的步骤还包括下列步骤：提供一个照射表面零件的能量源，并通过测量从表面零件反射的射线强度来采集强度数据。提供一个强度分布图的步骤还可以包括扫描表面零件以确定强度差的步骤和采集表面零件的强度数据的步骤。还可以包括采用两个或更多表面零件的面心位置和强度分布面积来确定测量质量的步骤。还可以包括调节焦距以提供被更好地限定的强度分布图、从而可以减少测量误差的步骤。计算面积的步骤还可以包括一个累数值积分算法。

一种用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法包括下列步骤：提供第一处理步骤的第一组零件和第二处理步骤的第二组零件的强度分布图，计算由强度分布图上的零件强度数据和一个阈值所包围的强度分布区域的面积，确定该区域的面心位置，比较第一组零件的面心位置以确定第一参考位置，比较第二组零件的面心位置以确定第二参考位置，以及计算在第一和第二参考位置之间的差，以确定在第一组和第二组零件之间的配准不良。

在用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的另一些方法中，提供一个强度分布图的步骤还可以包括提供照射零件的能量源以及通过测量从零件反射的射线强度来采集强度数据的步骤。提供一个强度分布图的步骤还可以包括扫描表面零件以确定强度差的步骤和采集表面零件的强度数据的步骤。还可以包括采用两个或更多表面零件的面心位置和强度分布面积来确定测量质量的步骤。该方法还可以包括调节焦距以提供被更好地限定的强度分布图、从而可以减少测量误差的步骤。计算面积的步骤还可以包括一个循环数值积分算法。第一和第二参考位置可以是每组零件之间的中心线。第一和第二参考位置可以是每组零件之间的点。第一组零件可以是关于第一中心点基本对称的，第二组零件可以是关于第二中心点基本对称的，并且该方法还可以包括测量第一和第二中心点之间的配准不良的步骤。

一种减少测量误差的装置包括一个用于测量表面零件的强度差的强度测量设备，其中该强度测量设备具有一个将强度数据存储为表面零件的位置函数、以形成一个强度分布图的存储器，还包括用于确定由强度分布图上的零件的强度数据和一个阈值所包围的强度分布区域的面积和面心位置的计算装置，以及采用面心位置作为参考点来测量距离的测量设备。

在另一些实施例中，强度测量设备可以包括一个照射表面零件、并通过测量从表面零件反射的射线强度来采集强度数据的能量源。计算装置可以包括一个处理器。表面零件可以位于一个半导体晶片上。测量设备可以包括一个光学显微镜。强度测量设备可以包括一个光传感器。测量设备可以包括一个扫描电子显微镜。强度测量设备可以包括一个电子传感器。测量设备可以是一个原子力显微镜。

下面将结合附图详细说明本发明的最佳实施例，其中：

图1是一个要测量的结构的俯视图；

图2是图1中结构的剖面图；

图3是由对通过图1中结构的反射光或电子的检测而产生的强度分布的曲线图；

图4是图1和图2中所示线槽结构的强度分布的另一个曲线图；

图5是图4的显示面积计算边界的强度分布曲线图；

图6是图4的显示面心位置的强度分布曲线图；

图7是图4的显示由图6的面心位置确定的中心线的强度分布曲线图；

图8是依据本发明具有中心线和参考点的图1所示结构的俯视图；以及

图9是依据本发明的测量装置的方框图。

本发明涉及检验测量，特别涉及进行带有减少的测量误差的检验测量的方法和装置。一种应用强度分布减小检验系统的测量不确定性的方法包括确定强度分布的一个区域的面心。通过扫描一个晶片表面而记录的强度被记录并绘出。选择低于一基线的区域，计算该区域的面积和面心。然后应用每个区域的面心来确定标记中心线。根据面心方法，对边斜率变化进行平均，从而在实际上减小了边斜率变化。在下面对本发明的实施例的描述中，参考基于笛卡儿坐标系的附图。该坐标系由任意指定的x、y和z方向所限定，本领域普通技术人员应该理解，这些表示可以相互替代。

现在特别详细地参考附图，在附图中，相似的标号代表相似或相同的部件，图4是图1和2的扫描阻挡结构12和线槽结构16的强度分布图。边斜线60至67显示了沿每个边倾斜曲线的变化。边倾斜曲线表示由表面零件所引起的强度变化。强度变化是相对于基线或阈值强度68而言的。

参看图5，区域70至73由边斜线60至67所描绘。区域70至73被经过每个区域的延伸的阈值68所包围(虚线)。由于强度分布是绘在x(或y)和z(笛卡儿)坐标中的，或者也可以将其变换过来，则应用依据本发明的技术来计算区域70至73的面积。在一个实施例中，应用一种累数值积分，例如，牛顿方法，这是本领域所公知的。在另一些方法中，可以用梯形法则来计算面积，这也是本领域所公知的。在一般情况下，可以用下式计算面积A：

其中，a和b是沿在分布图上的选定基准和阈值的限制，如图5中的区域70所示，f(x)是在提供了一个横坐标值(x或y值)时产生在强度分布图的区域边界上的纵坐标(在这种情况下为z)值的函数。选定数据是测量强度的参考点，最好大约为0。阈值也被选定为最大强度的设定值。在一个实施例中，将阈值选定为大约为从一个能量源输出的最大强度的90％。也可以使用其他阈值，这取决于应用。可以将阈值选择为优化本发明的性能。例如，可以根据用户指定的设置来选择阈值，以便限定所需的区域来积分，产生对于该特定应用的最佳结果。在可以根据预定标准选择的基准和阈值之间展开强度分布。

参看图6，区域70至73的面积在上面已经计算出，可用其确定每个区域的面心值。每个区域的面心的计算如下。在笛卡儿坐标系中，可以根据下面的等式来计算面心的x(或y)和z分量，用x’(或y’)和z’表示。 $x^{\′}=\frac{1}{A^{--R}}\mathrm{xdA}$ $z^{\′}=\frac{1}{A^{--R}}\mathrm{zdA}$

其中，A是区域R的面积，x和z是每个面积微分dA的各个坐标。可以应用面心坐标来确定每个区域的中心线偏移用于测量诊断。虽然显示的是笛卡儿坐标系，也可以考虑其他的坐标系。面心的z分量、z’也可以用上面的方法计算出，并用于确定测量的质量，这在下面将进行说明。

可以用面心80至83来代表强度分布图上的零件的位置。以这种方式，可以使边斜率数据的变化最小，并提供更好的参考位置。

参看图7，将面心位置80至83进行比较，以便根据目标的面心(在该例子中为面心位置81和82)确定第一标记中心线CL₁。可以根据凸缘的面心(在该例子中为面心位置81和82)计算出第二标记中心线CL₂。CL₁和CL₂可以直接比较，也可以与其他参考点相结合，以确定在零件或零件图案之间的配准不良。

参看图8，可以沿另一个对称线来产生第一和第二标记中心线CL₁和CL₂，在第一标记中心C₁相交，并产生第二标记中心线CL₂，在第二标记中心C₂相交。然后将第一和第二标记中心C₁和C₂进行比较，以确定覆盖配准不良量(凸缘相对于目标，即C₂对C₁)。可以采用为每个区域计算出的面心来提供一个更精确的标记中心位置。以这种方式，避免了边斜率变化。本发明的方法应用根据标记面心选择一个基准和阈值并计算中心线的能力，允许进行单个中心的确定，而不限制到一恒定阈值。因此可以将由传统方法引起的中心线偏移误差减小至小于1nm。

参看图9，一个测量装置100包括显微镜102，例如扫描电子显微镜、光学显微镜或原子力显微镜，该显微镜102具有一个用于对要测量的结构106进行定位的平台104。一个能量源108照射结构106。光敏器件或电敏器件109采集反射强度，并将数据存储在存储器件110中。或者，可以应用尖端偏转(未显示)来产生存储在存储器件110中的强度分布图和偏转数据。处理器112用于依据本发明执行数据的计算。还可以包括一个监视器114，在操作期间对结构106进行实时观察。

可以通过对测量装置的力具调整来优化每个区域的面心。例如，可以通过扫描焦距来执行信号比较。例如，如果将晶片放在平台104上并移出由显微镜102的焦距确定的等焦平面，则可以为强度分布获得更对称的信号。以这种方式，可以获得表面零件的更精确的焦距。如果平台104可以在z方向上扫描，则可以实现这一点。重复该方法，则实现第一次测量。然后调节焦距控制116(图9)改变显微镜102的焦距。进行第二次测量，并根据第一次测量估计质量。如果有改进，则继续重复，以便进一步精确该测量。如果没有改进，则进一步调节，以提高测量质量。确定测量质量的一个标准是计算上述的z’。z’是面心的z分量，如图6中的H所示。为两个凸缘或两个目标确定H₁和H₂，并相对于基准进行测量。H₁和H₂的值越近，测量质量就越好，因为是从区域面积和H₁和H₂的值来推断对称的。在已经获得改进的测量之后，进行对准测量。在另一些最佳方法中，可以通过计算最佳面心位置来将面心调整到一个最佳位置。并根据上述的质量确定方法、即H₁和H₂的值越近测量质量越好，进行调整。

上面已经说明了用于减少检测测量的测量误差的例示性实施例(只是用于例示而非限制)，应该注意的是，本领域技术人员在上述说明的启示下可以作出修改和变化。因此，应该理解，在由附带的权利要求书所限定的本发明的范围和精神内，可以对所公开的本发明的特定实施例进行修改。这里已经根据专利法的要求详细具体地描述了发明，所要求的并希望受专利法保护的在附带的权利要求书中进行了陈述。

Claims (23)

1．一种用于减少测量误差的方法，包括下列步骤：提供一个表面零件的强度分布图；

计算由强度分布图上的零件强度数据和一个阈值所包围的强度分布的区域的面积；

确定该区域的面心位置；以及

采用所述面心位置作为测量距离的参考点。

2．如权利要求1所述的用于减少测量误差的方法，其特征在于，提供一个强度分布图的步骤还包括下列步骤：

扫描表面零件以确定强度差；以及

采集表面零件的强度数据。

3．如权利要求1所述的用于减少测量误差的方法，还包括调节焦距以提供被更好地限定的强度分布、从而可以减少测量误差的步骤。

4．如权利要求1所述的用于减少测量误差的方法，还包括采用两个或更多表面零件的面心位置和强度分布面积来确定测量质量的步骤。

5．如权利要求1所述的用于减少测量误差的方法，其特征在于，计算面积的步骤还包括一个累数值积分算法。

6．一种用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，包括下列步骤：

提供第一处理步骤的第一组零件和第二处理步骤的第二组零件的强度分布图；

计算由强度分布图上的零件强度数据和一个阈值所包围的强度分布区域的面积；

确定所述区域的面心位置；

比较第一组零件的面心位置以确定第一参考位置；

比较第二组零件的面心位置以确定第二参考位置；以及

计算在第一和第二参考位置之间的差，以确定在第一组和第二组零件之间的配准不良。

7．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，提供一个强度分布图的步骤还包括下列步骤：

提供照射零件的能量源；以及

通过测量从零件反射的射线强度来采集强度数据。

8．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，提供一个强度分布图的步骤还包括下列步骤：

扫描零件以确定强度差；以及

采集零件的强度数据。

9．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，还包括调节焦距以提供被更好地限定的强度分布图、从而可以减少测量误差的步骤。

10．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，计算面积的步骤还包括一个累数值积分算法。

11．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，采用两个或更多零件的面心位置和强度分布面积来确定测量质量。

12．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，第一和第二参考位置是每组零件之间的中心线。

13．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，第一和第二参考位置是每组零件之间的点。

14．如权利要求6所述的用于减小在处理步骤之间的参考位置的测量不确定性的方法，其特征在于，第一组零件是关于第一中心点基本对称的，第二组零件是关于第二中心点基本对称的，还包括测量第一和第二中心点之间的配准不良的步骤。

15．一种用于减少测量误差的装置，包括：

用于测量表面零件的强度差的强度测量设备，所述强度测量设备具有一个将强度数据存储为表面零件的位置函数、以形成一个强度分布图的存储器；

用于确定由强度分布图上的零件的强度数据和一个阈值所包围的强度分布区域的面积和面心位置的计算装置；以及

采用面心位置作为参考点来测量距离的测量设备。

16．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，强度测量设备包括一个照射表面零件、并通过测量从表面零件反射的射线强度来采集强度数据的能量源。

17．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，计算装置包括一个处理器。

18．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，测量设备包括一个光学显微镜。

19．如权利要求18所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，强度测量设备包括一个光传感器。

20．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，将表面零件置于一个半导体晶片上。

21．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，测量设备包括一个扫描电子显微镜。

22．如权利要求18所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，强度测量设备包括一个电子传感器。

23．如权利要求15所述的用于减少测量误差的装置，其特征在于，测量设备包括一个原子力显微镜。

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