CN1499292A - 检验方法和器件制造方法 - Google Patents

Abstract

通过印制测试图案来检测光刻装置中的像差，该测试图案具有至少一个对称度，该测试图案对于该装置中的特定像差是敏感的，并且利用散射计来获得关于像差的信息。测试结构可以包括双条光栅，在这种情况下，可以重构内部和外部占空比来获取表示慧形像差的信息。另外，也可以使用点的六角形阵列，在这种情况下，散射测量数据可用于重构表示3－波像差的点的直径。

Description

检验方法和器件制造方法

技术领域

本发明涉及可用于由光刻技术进行器件生产中的检验方法以及使用光刻技术制造器件的方法。

背景技术

在采用光刻投影装置的生产过程中，(例如在掩模中的)图案成像在至少部分由一层辐射敏感材料(抗蚀剂)覆盖的基底上。在这种成像步骤之前，可以对基底进行各种处理，如涂底漆，涂敷抗蚀剂和软烘烤。在曝光后，可以对基底进行其它的处理，如曝光后烘烤(PEB)，显影，硬烘烤和测量/检验成像特征。以这一系列工艺为基础，对例如IC的器件的单层形成图案。这种图案层然后可进行任何不同的处理，如蚀刻、离子注入(掺杂)、镀金属、氧化、化学一机械抛光等完成一单层所需的所有处理。如果需要多层，那么对每一新层重复全部步骤或者其变化。最终，在基底(晶片)上出现器件阵列。然后采用例如切割或者锯断的技术将这些器件彼此分开，单个器件可以安装在载体上，与管脚等连接。关于这些步骤的进一步信息可从例如Peter van Zant的 “微 型集成电路片制造：半导体加工实践入门(Microchip Fabrication：A Practical Guideto Semiconductor Processing)”一书(第三版，McGraw Hill PublishingCo.，1997，ISBN 0-07-067250-4)中获得，这里作为参考引入。

抗蚀剂显影之后的测量和检验步骤，因为在加工晶片产品的正常过程中实现，因此称为在线式，该步骤达到两个目的。首先，需要检测任一个已显影的抗蚀剂中图案有错误的靶部区域，如果足够数量的小片是错误的，那么晶片可以剥离带图案的抗蚀剂，并且被再次曝光，错误被幸运地纠正，而不是用带着错误的图案执行加工步骤如刻蚀而造成永久的错误。其次，对于顺序的曝光，测量可以检验并校正光刻装置中的误差，例如照明设置或曝光时间。然而，光刻装置中的许多误差不能容易地检测到或根据曝光中的图案确定数量。缺陷检测不会总是直接指示缺陷的原因。因此，用于检测和测量光刻装置中的误差的各种离线方法是公知的。这些可以包括用测量设备代替基底，或者进行特殊测试图案的曝光，例如在各种不同的机器设置。这样的离线技术很费时间，经常是相当大的量，在此期间该装置不能用于产生曝光。因此，首选使用在线技术，这些技术可以使用时或在产生曝光的同时完成检测和测量。

在器件制造中为测量行距，节距(pitch)和临界尺寸所用的在线技术称为“散射测量”。散射测量的方法在Raymond等人的《Multipararmeter GratingMetrology Using Optical Scatterometry》，J.Vac.Sci.Tech.B，Vol.15 no.2 361-368 1997和Niu等人的《Specular Spectroscopic Scatterometry in DUV Lithography》，SPIE，Vol.3677，1999中描述。在散射测量中，白光被显影的抗蚀剂中周期性的结构以及给定角度处检测到的最终的反射波谱所反射。对产生反射光谱的结构进行重构，例如使用严格的耦合波分析(RCWA)或者通过与模拟导出的图案库进行比较。

图案不对称是一种缺陷，光刻装置中有很多原因都可以导致这种缺陷，包括投影系统中的像差，无像差投影透镜的伪影(artifact)，划线板和抗蚀剂加工。测量图案不对称的现有技术是困难的，需要离线且不能直接测量抗蚀剂中的效果，因此这种方法不能保证使问题达到最小化的测量在完成的产品中具有预期的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用光刻技术制造器件的过程中在线测量图案不对称的方法。

根据本发明，上述和其它目的在检验方法中实现，该检验方法包括以下步骤：

用光刻装置将具有至少一个对称度的测试图案印制到基底上，该图案对所述光刻装置中可能存在的至少一种像差敏感；

用散射计来测量所述测试图案的反射光谱；和

由反射光谱获得到表示所述光刻装置中存在的所述至少一种像差的量的信息。

通过这种方法，可以得到对光刻装置中的像差进行快速测量的方法。测试图案可以在产生曝光的过程中印制，例如在划线道区(scribe lane)或边缘电路小片或基底的其它未使用区域中，并且不需要相当多的额外时间。利用散射计可以同样快速地测量反射光谱，不会给生产线带来延迟。因此本发明的测量方法可以作为质量鉴定工具或者校准工具在线使用。如果向光刻装置提供合适的控制，例如投影透镜中的可调整元件，那么可以进行立即校正以改善随后晶片的成像。另外，如果测得像差在程度上比较严重，那么光刻装置可以在大量的缺陷晶片生产出来之前为校正维护而剔除掉这些产品。

优选地，散射测量步骤在已显影抗蚀剂的图案上进行，但是如果抗蚀剂潜像具有足够的对比度，那么也可以在显影前进行散射测量。因为在加工步骤之前检测像差，因此如果像差大到可以导致产生次品，那么抗蚀剂将被剥去，基底将送回到再次成像的步骤中。

在本发明优选的方法中，测试图案包括双条光栅(two-bar grating)，由散射计测得的反射光谱用来重构具有内部和外部占空比作为参数的光栅。重构的占空比与预期值的偏差表示光刻装置中的彗形像差。

在另一优选方法中，测试图案包括由点构成的六角形阵列，由散射计测得的反射光谱用来重构点(spot)的直径。每一个单位晶格(unit cell)中第一、三、五个点的直径与第二、四、六个点的直径相比较的差用来表示3-波像差(3-wave aberrations)。

当然，也可以使用对其它像差敏感的其它测试图案，可以在同一基底上印制相同或不同类型的多个测试图案。

在另一优选的方法中，测试图案包括同一基本形式的第一、第二和第三结构，所述第一结构和第二结构具有偏离所述基本形式的相等但是相反的不对称偏差，所述第三结构与所述第二结构相比具有额外的不对称偏差。也可以使用更多的结构，将结果取平均值来减少噪声。然后第一、第二和第三反射光谱由各自的结构获得，用第三散射测量信号和第二散射测量信号之差去除第一散射测量信号和第二散射测量信号之差而得到表示像差数量的信息。通过这种方法，可以得到关于光刻装置中的像差信息，而不需要重构散射测量信号的结构，所述重构需要进行大量的计算，且其数值很长(robust)。

更加优选的方案可以用来测量彗形像差，其中使用这样一种测试图案，在该图案中，第一、第二和第三结构都是双条光栅，第一结构的条宽(bar width)是W₁和W₂，其中W₁＞W₂，第二结构是第一结构的镜像，第三结构的条宽是W₂+d和W₁-d，其中d＜(W₁-W₂)。

优选地，使用法线入射的白光散射测量来进行散射测量步骤。

根据本发明的另一方面，提供一种器件制造方法，包括以下步骤：

提供一个基底，该基底至少部分地由一层辐射敏感材料覆盖；

利用辐射系统提供辐射的投射束；

利用构图部件使得投射束的横截面具有投射束图案；

将带有图案的辐射束投射到辐射敏感材料层的靶部上，其特征在于：

所述图案包括代表加工层的图案和具有至少一个对称度的测试图案，所述测试图案对于所述光刻装置中可能存在的至少一种其它类型的像差是敏感的；还包括以下步骤：

利用散射计测量所述测试图案的反射光谱；和

由反射光谱得出表示在所述光刻装置中存在的所述至少一种像差的数量的信息。

优选地，将测试图案印制在邻近产品层图案的区域，比如划线道区。这样，没有在基底上占用不必要的空间，为器件的生产保留了最大的空间。

在本发明这一方面的优选实施方案中，表示所述至少一种像差的数量的所述信息用来调整光刻装置的参数，然后提供下一个基底并重复下列步骤，即提供投射束，使用构图部件，投射已构图的光束。

这样，可以利用在一个基底上得到的散射测量结果调整光刻装置，从而改善随后的曝光。

虽然本文中特别提及了在IC的制造中使用光刻装置，但是应该理解，这里所述的光刻装置可以有其它的应用，例如制造集成光学系统，磁畴存储器的引导和检测图案，液晶显示板(LCD)，薄膜磁头等等。本领域技术人员会理解，在这些可替换的应用中，这里所用的术语“晶片”或“电路小片”可以认为可分别用更常用的术语“基底”或“靶部”代替。这里提到的基底可以在曝光前或曝光后在例如轨道(track)(一种工具，通常在基底上涂一层抗蚀剂，并将曝光后的抗蚀剂显影)、计量工具或者检测工具。在适用的地方，这里公开方案的可以应用到这种或其它基底加工工具上。此外，可以对基底进行多次处理，例如为了制造多层的IC，因此这里所用的术语基底也可以指那种包括多个已处理层的基底。

这里使用的术语“辐射”和“辐射束”包括各种类型的电磁辐射，包括紫外线(UV)辐射(例如波长365，248，193，157或者126纳米)和远紫外(EUV)辐射(例如波长在5-20纳米的范围内)，也可以是粒子束，比如离子束或者电子束。

这里所用的“构图部件”应广义地解释为能够给投射束在其截面上赋予图案的部件，使基底的靶部产生图案。需要注意的是赋予投射束的图案与基底靶部上所需要的图案可能不完全一致。通常，赋予投射束的图案会和靶部中形成的器件的特殊功能层相对应，如集成电路。

构图部件可以是透射型的或者反射型的。构图部件的实例包括掩模、程控反射镜阵列、程控LCD阵列。掩模是光刻领域公知的技术，包括二进制型、交替相移型、衰减相移型、以及各种混合掩模类型。程控反射镜阵列的实例使用了小反射镜的矩阵排列，其中的每个反射镜都独立地倾斜，从而可以将入射辐射束向不同的方向反射，通过这种方式，对反射辐射束进行构图。在构图部件的每个实例中，支撑结构可以是框架或工作台，例如所述结构可以是固定的或者根据需要是可移动的，并且所述结构可以保证构图部件例如相对于投影系统位于理想的位置处。这里所用的术语“划线板”或“掩模”可以认为用更常用的术语“构图部件”来代替。

这里所用的术语“构图部件”应该广义地解释为包含各种投影系统，包括折射光学系统、反射光学系统、反折射光学系统，适合例如所用的曝光辐射，或其它因素，比如浸油或使用真空。这里使用的术语“透镜”可以认为用更常用的术语“投影系统”来代替。

照明系统也可以包括各种类型的光学部件，包括折射、反射、反折射光学部件，这些部件被用来操纵、整形或控制辐射的投射束，这些部件在下文还可以整体或特别地称作“透镜”。

光刻装置可以具有两个(双级式)或多个基底台(和/或两个或多个掩模台)。在这种“多级式”机器中，可以并行使用这些附加台，或者可以在一个或多个台上进行准备步骤，而一个或多个其它台用于曝光。

光刻装置可以是这样一种，基底浸泡在具有相对比较高折射率的液体中，例如水，以便填满投影系统的最后一个元件和基底之间的空间。浸液也可以应用于投影装置中的其它空间，例如掩模和投影系统的第一个元件之间。浸入技术(immersion techniques)是本领域中用于增大投影系统的数值孔径的公知技术。

附图说明

现在仅通过举例的方式，参照附图描述本发明的实施方案，其中：

图1示出可用于完成本发明的方法的光刻投射装置；

图2是根据本发明实施例的光刻工艺的流程图；

图3示出可在本发明的方法中使用的散射计；

图4示出本发明第一方法中所使用的光栅图案；

图5示出本发明第二实施例中所使用的光栅图案；

图6示出本发明第三方法中所使用的三个光栅图案。

在图中相应的参考标记表示相应的部件。

具体实施方式

光刻投影装置

图1示意性地示出可用于根据本发明的方法中的一种光刻投影装置。该装置包括：

辐射系统Ex、IL，其用于提供辐射的投射束PB(例如DUV辐射)，在该具体的例子中也可以包括辐射源LA；

第一目标台(掩模台)MT，其设有用于保持掩模MA(例如划线板)的掩模保持器，并与用于将该掩模相对于物体PL精确定位的第一定位装置连接；

第二目标台(基底台)WT，其设有用于保持基底W(例如涂敷抗蚀剂的硅晶片)的基底保持器，并与用于将基底相对于物体PL精确定位的第二定位装置连接；

投射系统(“镜头”)PL(例如折射透镜系统)，其用于将掩模MA的辐射部分成像在基底W的靶部C(例如包括一个或多个电路小片)上。

如上所述，该装置是透射型的(例如具有透射掩模)。但是该装置通常也可以例如是反射型的(例如具有反射掩模)。或者该装置可以采用其它类型的构图部件，例如上述程控反射镜阵列类型。

辐射源LA(例如受激准分子激光器)产生辐射束。该辐射束例如直接或经过如扩束器Ex的横向调节装置后，再照射到照射系统(照射器)IL上。照射器IL包括调节装置AM，用于设定辐射束强度分布的外和/或内径向量(通常分别称为σ-外和σ-内)。另外，它一般包括各种其它部件，如积分器IN和聚光器CO。按照这种方式，照射到掩模MA上的辐射束PB在其横截面上具有理想的均匀性和强度分布。

应该注意，图1中的辐射源LA可以置于光刻投射装置的壳体中(例如当源LA是汞灯时经常是这种情况)，但也可以远离光刻投射装置，其产生的辐射束被(例如通过合适的定向反射镜的帮助)引导至该装置中；当光源LA是准分子激光器时通常是后面的那种情况。本发明和权利要求包含这两种方案。

光束PB然后与保持在掩模台MT上的掩模MA相交。经过掩模MA之后的光束PB通过镜头PL，该镜头将光束PB聚焦在基底W的靶部C上。在第二定位装置(和干涉测量装置IF)的辅助下，基底台WT可以精确地移动，例如在光束PB的光路中定位不同的靶部C。类似地，例如在从掩模库中机械取出掩模MA后或在扫描期间，可以使用第一定位装置将掩模MA相对辐射束PB的光路进行精确定位。一般地，用图1中未明确显示的长冲程模块(粗略定位)和短冲程模块(精确定位)，可以实现目标台MT、WT的移动。可是，在晶片步进器(与步进和扫描装置相对)的情况下，掩模台MT可与短冲程执行装置连接，或者固定。

所示的装置可以按照下述优选的模式使用：

1.在步进模式中，掩模台MT和基底台WT基本保持不动，施加到投射束中的整个图案被一次投射(即单次静态曝光)到靶部C上。然后基底台WT沿x和/或y方向移动，以使不同的靶部C能被曝光。在步进模式中，曝光区域的最大尺寸限制了在单次静态曝光中成像的靶部C的尺寸。

2.在扫描模式中，掩模台MT和基底台WT被同步扫描，而施加到投射束中的图案投射到靶部C上(也就是单次动态曝光)。基底台WT相当于掩模台MT的移动速度和移动方向由投影系统PL的放大率(缩小率)和图像反转特征决定。在扫描模式中，曝光区域的最大尺寸限制单次动态曝光中靶部的宽度(在非扫描方向上)，而扫描动作的长度决定靶部的高度(在扫描方向上)。

3.在另一种模式中，掩模台MT支撑一个程控的构图部件且掩模台MT基本上保持固定不动，当施加到投射束中的图案投射到靶部C上时，基底台WT进行移动或扫描。在这种模式中，通常使用脉冲辐射源，程控构图部件在基底台WT每次移动后或者在扫描过程中两次连续的辐射脉冲之间根据需要变换图案。这种操作模式可以容易地应用到使用程控构图部件的无掩模光刻中，程控构图部件如上面提到的程控反射镜阵列。

可以将上述模式结合使用和/或进行变化，也可以使用完全不同的模式。

图2是构成本发明一部分的光刻工艺的流程图。在曝光步骤S4之前，曝光可以利用如上述与图1有关的光刻装置来完成，例如硅晶片的基底经历涂底漆步骤S1，旋转涂敷步骤S2以用抗蚀剂层涂覆基底，和软烘烤步骤S3以从抗蚀剂中除去溶剂。曝光后，晶片经历曝光后烘烤步骤S5，显影步骤S6，在显影步骤S6中，曝光或者未曝光的抗蚀剂(取决于抗蚀剂是正性的还是负性的)被除去，以及硬烘烤S7和检验步骤S8。检验步骤S8包括各种不同类型的测量与检验，并且根据本发明包括下文将要进行详细叙述的散射测量步骤。如果晶片通过了检验，那么执行加工步骤S9。该步骤包括刻蚀没有被抗蚀剂覆盖的基底区域、沉积生成物层、镀金属、离子注入等等。经过S9步骤之后，在对另一层重新开始加工前进行剥离剩余抗蚀剂S10和最终检验S11。如果基底没能通过步骤S8的检验，那么它将直接引导到剥离步骤S10，并且进行印制同一加工层的再次尝试。

在检验步骤S8中，可以使用图3中示出的散射计。散射计10包括宽频带(白光)辐射源11，所述辐射源引导辐射经由分束器12射到晶片W上的测试结构TS上。反射的辐射束到达光谱仪13，它测量镜面反射辐射的光谱(强度作为波长的函数)。依照这个数据，引起待测光谱的结构可以被重构，例如通过严格的耦合波分析和非线性衰减，或者通过与模拟光谱库进行比较。通常，为了重构，结构的通用式是已知的，并且一些参数根据用于制造结构的工艺知识来假定的，只有几个参数是通过散射计的数据来确定的。

如图所示，散射计是垂直入射散射计。但是同样的原理也适用于倾斜入射的散射仪。也可以使用散射测量的各种变化，其中测量单一波长中一定范围的角度处的反射，而不是测量一定波长范围中的单一角度处的反射。

实施例1

依照本发明的第一种方法，印制在基底W上的测试结构包括附图4中示出的重复的双条光栅。光栅20包括一对重复很多次的双条21和22。印制光栅，使得显影后线由固态抗蚀剂线形成。这个图案对光刻投影装置中尤其是对投影系统PL中的慧形像差敏感，亮度不对称和这些像差的存在会在印制光栅的内部和外部占空比P_i，P_o与它们预定值的差别中显现出来。印制光栅20的散射测量数据被用来进行重构，并利用占空比P_i和P_o作为重构步骤的参数。光栅的其它参数，比如线宽和形状可以从印制步骤和/或其它散射测量步骤的资料输入到重构步骤中。

实施例2

附图5示出了本发明第二方法中所使用的光栅结构。这个光栅结构是一个二维光栅，该二维光栅具有六角形单位晶格，单位晶格的每一个角上都有一个点。这个图案对3波像差敏感，3波像差会使黑点31的直径相对于白点32发生变化。黑点相对于白点的直径之比可以通过散射测量数据重新获得。

实施例3

在本发明的第三种方法中，使用了三个测试光栅结构来测量慧形像差而不需要重构光栅结构，因为重构需要大量的计算，而且当下面的层数和层的厚度不知道时，重构不一定可行。

图6示出了本发明的这种方法中所使用的三个光栅G1、G2、G3。

如图6所述，光栅G1、G2、G3各自都包括双条结构。光栅G1和G2关于宽度w₁和w₂的条是镜面对称的。与等线宽的双条结构相比，G1和G2具有相等的但是相反的不对称现象。如果这些光栅印制的非常好，没有出现慧形像差，那么利用法线入射散射计，两个光栅产生同样的散射测量信号S₁和S₂，因为它们是镜面对称的。因此，当没有慧形像差时，我们得出

S₁-S₂＝0                                         (1)

如果出现少量的慧形像差，理想的线宽w₁和w₂会通过一个给定的量Δw向相反的方向变化：

w′₁＝w₁+Δw

w′₂＝w₂-Δw                                        (2)

假定散射测量信号对于小像差是线性的，那么两个散射测量信号之差由下式给出：

$S_1-S_2=2\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dw}}\×\mathrm{\Δw}----\left(3\right)$

导数dS/dw用第三光栅G3测量，它与第二光栅相似，但是它的线宽中有额外的小的不对称d。比较光栅G3的散射测量S₃和光栅G2的散射测量S₂得到：

$\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dw}}=\frac{(S_3-S_2)}{d}----\left(4\right)$

代入公式(3)，得出由慧形像差引起的线宽变化Δw：

$\mathrm{\Δw}=\left(\frac{S_1-S_2}{S_3-S_2}\right)\×\frac{d}{2}----\left(5\right)$

S₁、S₂和S₃的值可以由多个波长的散射测量数据直接得出，这样就能简单的计算出由慧形像差所引起的误差。如果散射测量的响应不是线性的，那么就考虑使用额外的光栅，该光栅类似于G3但是具有差值d。

这种技术也可以应用到测量3波像差的六角形阵列中。

上面叙述了本发明的实施例，但是应该理解本发明可以以与上述不同的方式实施。说明书不是对发明的限制。

Claims (10)

1.一种检验方法，其包括以下步骤：

用光刻装置将具有至少一个对称度的测试图案印制在基底上，所述测试图案对于所述光刻装置中可能存在的至少一种像差是敏感的；

用散射计来测量所述测试图案的反射光谱；和

由反射光谱获得到表示所述光刻装置中存在的所述至少一种像差的量的信息。

2.如权利要求1所述的检验方法，其特征在于，所述测试图案包括双条光栅。

3.如权利要求2所述的检验方法，其特征在于，所述获得信息的步骤包括重构具有内部和外部占空比作为参数的双条光栅，以便获得到表示光刻装置中慧形像差的信息。

4.如权利要求1、2或3所述的检验方法，其特征在于，测试图案包括点的六角形阵列。

5.如权利要求4所述的检验方法，其特征在于，所述获得信息的步骤包括重构所述点的直径，阵列中每个单位晶格中的点的直径表示光刻装置中的3-波像差。

6.如权利要求1所述的检验方法，其特征在于，所述测试图案包括相同的基本对称形式的第一、第二和第三结构，所述第一结构和第二结构具有偏离所述基本对称形式的相等但是相反的不对称偏差，所述第三结构和第二结构相比具有额外的不对称偏差。

7.如权利要求6所述的检验方法，其特征在于，所述第一结构和第二结构得到的散射信号之差除以所述获得信息的步骤包括用所述第三结构和第二结构得到的散射测量信号之差。

8.如权利要求6或7所述的检验方法，其特征在于，所述第一、第二、第三结构是双条光栅，第一结构的条宽是w₁和w₂，其中w₁大于w₂，第二结构是第一结构的镜像，第三结构的条宽是w₂+d和w₁-d，其中d小于w₁-w₂。

9.如上述任一权利要求所述的检验方法，其特征在于，所述散射计是法线入射散射计。

10.一种器件制造方法，其包括以下步骤：

提供一个基底，该基底至少部分地由一层辐射敏感材料覆盖；

利用辐射系统来提供辐射的投射束；

利用构图部件使得投射束的横截面具有投射束图案；

将带有图案的辐射束投射到辐射敏感材料层的靶部上；

其特征在于：

所述图案包括代表加工层的图案和具有至少一个对称度的测试图案，所述测试图案对于所述光刻装置中可能存在的至少一种其它类型的像差是敏感的；还包括以下步骤：

利用散射计测量所述测试图案的反射光谱；和

由反射光谱获得到表示在所述光刻装置中存在的所述至少一种像差的量的信息。

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