CN1329246A - 用于叠层测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量半导体晶片(33)上不同层之间对准的方法,包括在晶片(33)不同层上形成具有大致相同周期的重复对准标记(14、24)。叠层对准标记(14、24)的图像通过傅里叶变换从空域转换至频域。通过计算对应于不同层上重复图纹(14、24)的图像之间的相位差来进行对准测量。

Description

用于叠层测量的方法和设备

一般地说，本发明涉及光学测量，具体地说，涉及图纹的叠层测量。

现有技术的半导体器件和集成电路含有多层结构，其尺寸小于一个微米。不同层的准确对准对于所制造的半导体器件和电路的适当性能十分关键。为验证其准确对准，通常进行叠层测量。准确对准的欠缺一般导致叠层测量的限定并引发再加工。

叠层测量通过光学方法测量半导体晶片结构的不同层上叠层标记的相对位置。更具体地说，在该结构的各层上形成有矩形叠层标记。当两个相继层上的两个矩形叠层标记互相中心对准时，该两层即互相准确对准。矩形叠层标记也称作套箱式图纹(box-in-boxpattern)。就宽度、长度、图纹密度等而言，套箱式叠层图纹与晶片上的器件相关阵列图纹(device related array pattern)显著不同。另外，为了获得器件相关阵列图纹的最佳性能，需要优化例如金属印刷、刻蚀、剥离、填充等制作工艺。这会经常引起叠层标记整体性的降低。这些因素对叠层测量能力有不利的影响。另外，对尺寸小于一微米的套箱式图纹的边缘位置进行光学测量是困难的。

因此，最好能提供在亚微米范围易于实施的叠层测量方法和设备。叠层测量的能力最好不受半导体器件制作工艺的不利影响。并且设备最好简单便宜。

一般地，本发明提供了一种用于叠层测量的方法和设备。根据本发明，在需彼此对准的不同面或层上形成重复图纹。这些图纹用作叠层对准标记。优选地，不同面上的重复叠层标记具有彼此大致相等的周期。另外，它们最好大致等于产品图纹(product pattern)的周期。图像处理器将重复叠层标记的图像转换成相位图像。通过分析不同面上的重复叠层标记之间的相位差来进行所述的叠层测量。

图1示意画出了根据本发明的叠层对准标记；

图2示意画出了根据本发明的另一叠层对准标记；

图3为根据本发明的叠层测量设备的方框图；以及

图4为根据本发明的另一叠层测量设备的方框图。

应当指出，附图不必按比例画出，并且图中具有相同功能的元件采用相同的数标表示。

下面说明本发明的优选实施例，采用在半导体晶片上形成叠层测量结构作为例子。应当理解，本发明的应用并不局限于半导体器件制作工艺，也可以应用于多层设计图纹的对准测量。

图1为表示根据本发明的叠层对准标记12的示意图。作为例示，标记12形成在半导体晶片(未画出)上。标记12为一个重复图纹14的阵列。图纹14的阵列12按行排列。在每一行中，两个相邻图纹14之间的距离称作阵列12的间距17。图纹14的相邻行之间的距离称作阵列12的深度19。阵列12的间距17和深度19构成阵列12的周期。图纹14的阵列12可以是更大的重复图纹阵列的一个部分。

图2为表示根据本发明的叠层对准标记22的示意图。作为例示，标记22如图1中所示标记12一样形成在半导体晶片(未画出)上，或者形成在掩模(未画出)上。如同标记12，标记22为一个重复图纹24的阵列。图纹24的阵列22按行排列。在每一行中，两个相邻图纹24之间的距离称作阵列22的间距27。图纹24的相邻行之间的距离称作阵列22的深度29。阵列22的间距27和深度29构成阵列22的周期。图纹24的阵列22可以是更大的重复图纹阵列的一个部分。

优选地，阵列12与22的周期彼此大致相等。换句话说，阵列12的间距17与阵列22的间距27最好彼此大致相等，阵列12的深度19与阵列22的深度29最好彼此大致相等。为了在优化制作工艺的过程中保持阵列12和22的整体性，阵列12和22的周期最好与半导体晶片上的器件相关阵列图纹的周期大致相同。间距17和27以及深度19和29一般在数十微米量级至数百微米量级的范围内。

如图1所示，两个相邻行中图纹14的位置彼此偏移。移位沿基本平行于图纹14的行的方向，其幅度约等于间距17的一半。类似地，图2显示沿基本平行于图纹24行的方向图纹24两个相邻行的位置发生偏移。应当理解，这些图纹结构并不构成对本发明的限制。根据本发明，图纹14的阵列12和图纹24的阵列22可以具有任意的重复结构。例如，在阵列12的两个相邻行之间图纹14位置的偏移可以为任意值，比如为间距17的1/4、间距17的1/3、间距17的3/5等等。而且，阵列12不同行的图纹14可以互相对准。类似地，阵列22不同行的图纹24可以互相对准或者互相偏移一个任意的值。

优选地，阵列12和22形成在半导体晶片的活性芯片区(未画出)之外。阵列12和22形成在半导体晶片的不同面或不同层上。例如，图纹14的阵列12可以形成在一个深槽面上，而图纹24的阵列22可以形成在该深槽面之上的活性区面上。这两个面之间的垂直距离可以在小于一微米至近似十微米的范围内变化。在一个实施例中，阵列12和22以如下方式形成，使得当沿着大致垂直于半导体晶片主表面的方向看时，阵列12和22彼此并排相邻。在一个替代实施例中，阵列22形成在阵列12的上部，使得当沿着大致垂直于半导体晶片主表面的方向看时，图纹24的阵列22叠加在图纹14的阵列12上。

图3为简要表示根据本发明的叠层测量设备30的方框图。设备30包括一晶片平台32，一视频摄像机36，和一测量电路41。在叠层测量过程中，将一半导体晶片33置于晶片平台32上。平台32最好具有吸盘系统比如一真空系统(未画出)，以便在测量过程中保持半导体晶片33。半导体晶片33具有至少两个对准图纹阵列，例如图1所示的图纹14的阵列12和图2所示的图24的阵列24，形成在其上的不同面或层上。摄像机36摄取晶片33上叠层对准图纹例如图纹14阵列12和图纹24阵列22的图像。测量电路41通过对这些阵列图纹的图像加以处理和比较来进行叠层测量。

测量电路41含有一个图像处理器42和一个相位比较器48。图像处理器42将摄像机36中阵列图纹的图像转换成相位图像。相位比较器48与图像处理器42耦合。操作时，相位比较器48计算出半导体晶片33上不同面的阵列图纹的相位图像之间的相位差，从而进行叠层测量。

更具体地说，图像处理器42包括一个数字转换器43和一个信号处理器45。数字转换器43具有一个连接至摄像机36的输入端和一个输出端。数字转换器43将摄像机36中的图像数字化，以产生数字图像作为其输出。作为例子，信号处理器45为快速傅里叶变换电路，有时也称作快速傅里叶变换器，或者简称为傅里叶变换器。傅里叶变换器45具有一个连接至数字转换器43输出端的输入端和一个连接至相位比较器48的输出端。在叠层测量过程中，傅里叶变换器45对数字转换器43输出端的数字图像信号进行快速傅里叶变换，并由各数字图像产生几何频谱或频谱图像。这些几何频谱输送至相位比较器48。

在上述实施例之一中，晶片33具有形成为沿大致垂直于晶片33方向看时彼此相邻的重复图纹14的阵列12(如图1所示)和重复图纹24的阵列22(如图2所示)。摄像机36摄取两个图像。第一图像含有图纹14的阵列12的图像。第二图像含有图纹24的阵列22的图像。数字转换器43将第一图像数字化以产生第一数字图像。傅里叶变换器45对该第一数字图像进行傅里叶变换，产生第一几何频谱或第一相位图像。换句话说，傅里叶变换器45将图纹14阵列12的图像从空域变换至频域。数字变换器43还将第二图像数字化以产生第二数字图像。傅里叶变换器45将该第二数字图像变换成第二几何频谱或第二相位图像。相位比较器48计算第一和第二几何频谱之间的相位差，从而测量出含有图纹14的阵列12和图纹24的阵列22的晶片33上的两个面之间的对准。替代地，摄像机36摄取晶片33的一幅图像。该图像的第一部分含有图纹14的阵列12的图像，而该图像的第二部分含有图纹24的阵列22的图像。数字转换器43分别由该图像的第一和第二部分产生第一和第二数字图像。信号处理器45分别将第一和第二数字图像变换成第一和第二几何频谱。相位比较器48通过计算此二几何频谱之间的相位差进行对准测量。

在上述另一实施例中，晶片33具有形成在重复图纹24阵列22(如图2所示)之下的重复图纹14阵列12(如图1所示)。沿大致垂直于晶片33的方向看时，重复图纹24的阵列22叠加在重复图纹14的阵列12之上。摄像机36摄取了两幅图像。当摄像机36聚焦在含有图纹14阵列12的例如深槽面时摄取第一图像，当摄像机36聚焦在含有图纹24阵列22的例如活性区面时摄取第二图像。在该实施例中，摄像机36最好具有灵敏的焦距或者浅的景深。接着，当摄取第一图像时含有图纹24阵列22的面离焦，当摄取第二图像时含有图纹14阵列12的面离焦。数字转换器43分别将第一和第二图像数字化以产生第一和第二数字图像。傅里叶变换器45将第一和第二数字图像变换成第一和第二几何频谱。相位比较器48计算第一和第二几何频谱之间的相位差，从而测量出含有图纹14的阵列12和图纹24的阵列22的晶片33的两个面之间的叠层对准。

应当理解，设备30和叠层测量方法不限于前面参照图3所述的内容。在本发明的另一设备实施例中，设备30的图像处理器42具有两个信号处理器，并行耦合在数字转换器43和相位比较器48之间。各信号处理器的作用类似于信号处理器45。在叠层测量过程中，一个信号处理器将第一数字图像转换成第一相位图像，而另一信号处理器将第二数字图像转换成第二相位图像。在本发明的另一方法实施例中，其测量方法测量晶片33上多于两个面之间的叠层对准。在该实施例中，数字转换器43产生多于两个数字图像，一个数字图像对应于晶片33上的一个面。信号处理器45由各数字图像产生相位图像。图像比较器48通过计算对应于晶片33上不同面的相位图像之间的相位差来测量不同面之间的叠层对准。

图4为简要表示根据本发明的叠层测量设备60的方框图。如同前面参照图3所述的设备30，设备60具有一晶片平台32，一视频摄像机36，和一测量电路71。另外，设备60具有具有一掩模台架62，一光源64，一光学透镜65，和一光束偏转器67。设备60用于测量原版或掩模例如置于掩模台架62上的掩模63与晶片例如置于晶片平台32上的半导体晶片33之间的叠层对准。晶片33其上具有图纹。作为例子，晶片33上的图纹含有图1中所示的重复图纹14的阵列12。掩模63上具有图纹，以备在光刻工艺中形成在半导体晶片33的另一面上。作为例子，掩模63上的图纹含有图2中所示的重复图纹24的阵列22。

光源64间歇开启以便在叠层测量过程中照射置于平台32上的晶片33。光学透镜65为会聚透镜，当晶片33由光源64照射时将晶片33的图像形成在掩模63上。透镜65的光学特性最好与在光刻过程中用于将掩模63上的图纹印刷至晶片33的透镜大致相同。作为例子，在光刻过程中透镜将4∶1缩小的掩模63的图像投射在晶片33上，而在叠层测量过程中当晶片33被照射时透镜65将1∶4放大的晶片33的图像投射在掩模63上。光束偏转器67将来自掩模63的光束偏转射至摄像机36中，如图4中的光束66和68所示。光束偏转器67可以包括分束器、棱镜、反射镜，或者其任意组合。应当理解在设备60中光束偏转器67任选的。

测量电路71包括一图像处理器72和一相位比较器48。图像处理器72将摄像机36中的阵列图纹的图像转换成相位图像。相位比较器48耦合至图像处理器72，并且计算出相位图像之间的相位差，从而进行叠层测量。如同图3所示的图像处理器42，图像处理器72包括一数字转换器43和一信号处理器例如快速傅里叶变换器45。另外，图像处理器72还包括一数字减法电路或减法器74，耦合在数字转换器43与快速傅里叶变换器45之间。数字转换器43的一个输入端连接至视频摄像机36。减法器74的输入端连接至数字转换器43的输出端，其输出端连接至快速傅里叶变换器45的输入端。快速傅里叶变换器45的一个输出端连接至相位比较器48。

所述叠层测量方法包括采用摄像机36摄取掩模63的两幅图像。第一图像在光源关闭时摄取，使得晶片不被照射。该第一图像包括掩模63上重复图纹24的阵列22的图像。第二图像在光源开启时摄取，从而晶片被照射。该第二图像包括叠加在重复图纹24阵列22的重复图纹14阵列12的图像。数字转换器43将第一图像数字化以产生第一数字图像，含有掩模63上重复图纹24的数据。数字转换器43还将第二图像数字化以产生一个复合数字图像。该复合数字图像含有叠加在掩模63上重复图纹24上的晶片33上重复图纹14的数据。

第一数字图像和复合数字图像输送至信号处理器72中的减法器74。减法器74通过从复合数字图像中减去第一数字图像而产生第二数字图像。因此，第二数字图像含有晶片33上重复图纹14的数据。傅里叶变换器45对第一数字图像进行快速傅里叶变换，并产生第一几何频谱。类似地，傅里叶变换器45将第二数字图像变换成第二几何频谱。相位比较器48计算第一和第二几何频谱之间的相位差，从而测量出掩模63上重复图纹24的阵列与晶片33上重复图纹14的阵列12之间的对准。

至此应当理解已经提供了一种叠层测量的方法和设备。根据本发明，重复叠层对准掩模形成在不同的面或层上以便相互对准。图像处理器将重复叠层标记的图像转换成相位图像。计算不同层上重复叠层标记之间的相位差，以测量不同面之间的叠层对准。在将本发明应用于半导体制造工艺中的叠层测量工艺时，重复叠层标记的周期最好根据半导体晶片上的器件相关图纹的周期加以确定。因为叠层标记和器件相关掩模都是重复阵列图纹，所以对器件制作工艺例如金属印刷、刻蚀、剥离、沉积、填充等的优化不会对叠层标记的整体性造成不利影响。叠层标记可以以与器件相关阵列图纹相同的工艺形成，因此具有与器件相关阵列图纹大致相同的特性例如宽度、长度、密度。因此，器件制作工艺和器件的按比例缩小不会对本发明的叠层测量造成不利影响。本发明的相位分析简单而且精确。可以方便地用于具有纳米量级尺寸的显微图纹。本发明进行叠层测量的设备简单，可以通过由传统的叠层测量设备添加适当的信号处理电路和软件程序而制成，因此是简单便宜的。

Claims (28)

1.一种用于测量第一图纹与第二图纹之间对准的方法，包括如下步骤：

分别产生第一图纹部分和第二图纹部分的第一数字图像和第二数字图像；并且

比较该第一数字图像与第二数字图像以计算第一图纹与第二图纹之间的对准。

2.如权利要求1所述的方法，还包括将第一图纹和第二图纹形成为具有彼此大致相等周期的重复图纹的步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其中比较第一数字图像与第二数字图像的步骤包括如下步骤：

分别将第一数字图像和第二数字图像傅里叶变换以产生第一频谱和第二频谱；并且

计算该第一频谱与第二频谱之间的相位差。

4.如权利要求1所述的方法，还包括将第一图纹和第二图纹形成在晶片上的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中形成第一图纹和第二图纹的步骤包括如下步骤：

将第一图纹部分形成在晶片上的非活性芯片区；并且

将第二图纹部分形成在晶片上的该非活性芯片区且与第一图纹部分相邻。

6.如权利要求5所述的方法，其中产生第一数字图像和第二数字图像的步骤还包括如下步骤：

将第一图纹部分和第二图纹部分的图像形成在一个摄像机中；并且

分别将对应于第一图纹部分的第一部分图像和对应于第二图纹部分的第二部分图像数字化以产生第一数字图像和第二数字图像。

7.如权利要求4所述的方法，其中形成第一图纹和第二图纹的步骤还包括将第二图纹部分形成为叠加在第一图纹部分上。

8.如权利要求7所述的方法，其中产生第一数字图像和第二数字图像的步骤还包括如下步骤：

将摄像机聚焦在一第一面上以形成第一图纹部分的第一图像；

将摄像机聚焦在一第二面上以形成第二图纹部分的第二图像；并且

分别将第一图像和第二图像数字化以产生第一数字图像和第二数字图像。

9.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

将第一图纹形成在晶片上；

将第二图纹形成在掩模上；

形成掩模的部分的第一图像；

将晶片图像叠加在掩模上；并且

形成所述掩模部分和叠加其上的图像部分的第二图像。

10.如权利要求9所述的方法，其中产生第一数字图像和第二数字图像的步骤还包括如下步骤：

将第一图像数字化以产生第二数字图像；

将第二图像数字化以产生第三数字图像；并且

从第三数字图像减去第二数字图像以产生第一数字图像。

11.一种叠层测量方法，包括如下步骤：

在第一面上形成第一阵列图纹；

在第二面上形成第二阵列图纹；

由第一阵列图纹部分产生第一几何频谱；

由第二阵列图纹部分产生第二几何频谱；并且

计算第一几何频谱与第二几何频谱之间的相位差。

12.如权利要求11所述的方法，其中形成第一阵列图纹和第二阵列图纹的步骤还包括将所述第一阵列图纹和第二阵列图纹形成在晶片上，使第一阵列图纹部分和第二阵列图纹部分位于晶片上活性芯片区之外并且彼此相邻。

13.如权利要求12所述的方法，其中产生第一几何频谱和产生第二几何频谱的步骤还包括如下步骤：

将第一阵列图纹部分和第二阵列图纹部分的图像形成在一个摄像机中；

对该图像的第一部分进行傅里叶变换以产生第一几何频谱，图像的第一部分对应于第一阵列图纹部分；并且

对该图像的第二部分进行傅里叶变换以产生第二几何频谱，图像的第二部分对应于第二阵列图纹部分。

14.如权利要求11所述的方法，其中形成第一阵列图纹和形成第二阵列图纹的步骤还包括如下步骤：

将第一阵列图纹形成在晶片上；并且

将第二阵列图纹形成在该晶片上第一阵列图纹之上，使第二阵列图纹部分叠加在第一阵列图纹部分之上。

15.如权利要求14所述的方法，其中产生第一几何频谱和产生第二几何频谱的步骤还包括如下步骤：

将摄像机聚焦在一第一面上以形成第一阵列图纹部分的第一图像；

将摄像机聚焦在一第二面上以形成第二阵列图纹部分的第二图像；

对第一图像进行傅里叶变换以产生第一几何频谱；并且

对第二图像进行傅里叶变换以产生第二几何频谱。

16.如权利要求11所述的方法，其中

形成第一阵列图纹的步骤包括将第一阵列图纹形成在晶片上；

形成第二阵列图纹的步骤包括将第二阵列图纹形成在掩模上；并且

产生第一几何频谱和产生第二几何频谱的步骤包括形成掩模的第一图像，将晶片图像投射在掩模上，形成掩模以及其上投影图像的第二图像，并且由第一图像和第二图像产生第一几何频谱和第二几何频谱。

17.如权利要求16所述的方法，其中产生第一几何频谱和产生第二几何频谱的步骤包括如下步骤：

将第一图像数字化以产生第一数字图像；

将第二图像数字化以产生第二数字图像；

从第二数字图像减去第一数字图像以产生第三数字图像；

对第三数字图像进行傅里叶变换以产生第一几何频谱；并且

对第一数字图像进行傅里叶变换以产生第二几何频谱。

18.一种用于对晶片上叠层图纹进行测量的设备，该设备包括：

一个平台，该平台用于在叠层测量过程中支承晶片；

一个摄像机，与所述平台相邻，该摄像机用于形成晶片的第一图像和第二图像；

一个图像处理器，耦合至所述摄像机，该图像处理器用于由所述第一图像和第二图像产生第一相位图像和第二相位图像；和

一个相位比较器，耦合至所述图像处理器，该相位比较器用于计算所述第一相位图像与第二相位图像之间的相位差。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述摄像机在摄取第一图像时聚焦在晶片的第一面上，在摄取第二图像时聚焦在晶片的第二面上，其中第二面在第一面之上。

20.如权利要求18所述的设备，其中：

所述摄像机摄取晶片的复合图像，该复合图像含有第一图像和第二图像，第一图像和第二图像分别拍摄晶片上的第一图纹部分和晶片的第二图纹部分；以及

第一图纹位于第二图纹下面，并且第一图纹部分和第二图纹部分位于晶片上的活性芯片区之外且彼此相邻。

21.如权利要求18所述的设备，其中所述图像处理器包括：

一个数字转换器，具有一个耦合至所述摄像机的输入端和一个输出端，该数字转换器用于分别将第一图像和第二图像数字化以产生第一数字图像和第二数字图像；和

一个信号处理器，具有一个耦合至所述数字转换器输出端的输入端和一个耦合至所述相位比较器的输出端，该信号处理器用于分别将第一数字图像和第二数字图像转换成第一相位图像和第二相位图像。

22.如权利要求21所述的设备，其中所述信号处理器包括一个傅里叶变换电路，该傅里叶变换电路用于将第一数字图像和第二数字图像分别变换成第一频谱图像和第二频谱图像。

23.一种用于测量掩模和晶片之间对准的设备，该设备包括：

一个晶片平台，该晶片平台用于在对准测量过程中支承晶片；

一个掩模台架，位于所述晶片平台之上，该掩模台架用于在对准测量过程中支承掩模；

一个视频摄像机，与所述掩模台架相邻；

一个图像处理器，耦合至所述视频摄像机；和

一个相位比较器，耦合至所述图像处理器。

24.如权利要求23所述的设备，还包括一个与所述晶片平台相邻的光源，该光源用于在对准测量过程中间歇照射所述晶片平台上的晶片。

25.如权利要求23所述的设备，还包括一个位于所述晶片平台与所述掩模台架之间的光学透镜，该光学透镜用于在所述光源照射晶片平台上的晶片时将晶片的图像形成在掩模上。

26.如权利要求25所述的设备，其中所述光学透镜在所述光源照射晶片平台上的晶片时在掩模上形成晶片的放大图像。

27.如权利要求23所述的设备，还包括一个与所述掩模台架相邻的光学偏转器，所述光学偏转器用于将来自掩模的光束偏转射向所述视频摄像机。

28.如权利要求23所述的设备，其中所述图像处理器包括：

一个减法电路，具有一个耦合至所述数字转换器的输入端和一个输出端；和

一个信号处理器，具有一个耦合至所述减法电路输出端的输入端和一个耦合至所述相位比较器的输出端。

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