CN1952787B - 用于制造集成电路器件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种方法和设备，用于在半导体制造工艺的光刻成像过程期间改进比如晶片这样的衬底的调平并由此改进衬底的聚焦。本发明执行晶片形貌的预扫描而且为晶片表面的不同区域分配重要性值。基于不同区域的形貌和重要性值来计算曝光聚焦指令，然后基于所计算的曝光聚焦指令对晶片进行扫描和成像。

Description

用于制造集成电路器件的方法和系统

技术领域

本发明涉及比如晶片这样的半导体衬底的制造，并且更特别地涉及在制造工艺的光刻成像过程期间改进衬底的调平和由此改进衬底的聚焦。

背景技术

比如晶片和芯片这样的半导体衬底的制造包含了高分辨率的光刻系统的使用。在这样的系统中，图案化的掩膜(即掩膜版)通过如下辐射(例如激光辐射或者来自弧光灯的辐射)来照射，该辐射穿过照射系统而且在掩膜的照射部分之上实现高度的照射均匀性。穿过掩膜的一部分辐射由如下投影透镜收集，该投影透镜具有给定尺寸的图像域。投影透镜将掩膜图案成像到比如晶片这样的成像承载衬底或者工件上。该工件驻留于如下工件台上，该工件台相对于投影透镜移动工件，使得掩膜图案重复地形成于在多个“曝光域”之上的工件上。

光刻系统包括对准系统，该对准系统关于掩膜的投影图像来精确地对准工件，由此允许掩膜在工件的选定区域之上曝光。在制造中通常使用两类光刻系统。一种系统是步进重复式系统或者“步进器”，而另一种系统是步进扫描式系统或者“扫描器”。利用步进器，借助于单次静态曝光使工件上的每个曝光域曝光。利用扫描器，通过贯穿透镜图像域同步地扫描工件和掩膜使工件曝光。一种示例性扫描光刻系统和方法在美国专利No.5,281,996中有所描述，通过引用将其结合于此。以下描述将主要地针对步进扫描式系统，不过本领域技术人员将理解到，本发明可应用于任一类成像系统。

众所周知，在典型的光刻工艺中，感光材料或光致抗蚀剂的薄层被淀积于半导体晶片之上。在光刻工艺期间，比如紫外线光这样的照射是经过透镜系统和光刻掩膜或者掩膜版照射到半导体晶片。掩膜版具有特定的器件图案，而且通过该照射在晶片的一部分之上使图案曝光以在晶片上建立曝光的区域和未曝光的区域。然后洗掉这些曝光的区域或者未曝光的区域以在晶片上限定电路单元。这一光刻工艺在晶片的不同层上重复多次以在晶片上限定许多电路单元。在光刻工艺结束之时，将具有曝光的器件图案的晶片切割成半导体芯片。

通常，掩膜版是由透明板制成而且具有器件曝光区域和不透明区域。该板常常由玻璃、石英等制成，而不透明的铬区域通常包括铬层。器件曝光区域一般具有方形或者矩形形状而且定位于掩膜版的中央。器件曝光区域包括对器件图案进行限定的透明部分和不透明部分。器件曝光区域中的透明部分允许来自光源的照射经过它们传播并到达晶片。另一方面，器件区域的不透明区域阻挡光，而且光无法到达晶片。

图1示出了典型的现有技术的掩膜版80，该掩膜版具有由不透明铬区域84围绕的方形器件区域82。为了简洁起见，器件区域中的器件图案88在图中没有具体地示出。在器件区域82与不透明铬区域84之间的器件区域82外围处有切口区域86。截口区域86典型地包含与晶片的光刻工艺有关的重要信息，而且通常包括用以验证光刻工艺性能的测试结构。例如，截口区域可以包括在光刻工艺期间用以检验掩膜版对准准确度的对准(alignment)标记以及用以测量器件图案分辨率的配准(registration)标记。

光刻成像与衬底均匀性高度地相关。光刻工艺可以容许在工艺性能中固有的通过“焦深”的小范围形貌变化。然而，衬底上预料不到的形貌变化对于光刻工艺而言是已知的问题，而且会造成有缺陷的成像工艺以及对所成像工件的废弃。

比如步进扫描式曝光系统这样的现代曝光系统利用光学透镜调平系统来控制扫描狭缝(slit)在晶片上方的高度(聚焦)。曝光工具可以通过一组简单的线性运动对步进高度的波动进行调节。当如图2A和2B中所示那样贯穿掩膜版域出现大的步进高度改变时会发生问题。甚至使精细的调平系统面临相对于不平坦的形貌而将成像聚焦平面置于何处这样的冲突，而且一般来说，以最小化贯穿成像域的平均聚焦位移这样的形式来进行折衷。

在多数产品芯片上，任一层上的图案密度一般是不均匀的。这会在处理数个物理层之后由于抛光工艺和其它工艺对变化的图案密度的反应而造成离散的形貌图案。常常在曝光之前或者曝光期间对晶片形貌进行采样的光刻工具设法对形貌做出反应，而且有时候以所不希望的方式来做出反应。典型的反应可以是聚焦平面相对于晶片的倾斜，这一倾斜遵循芯片的总体形貌，但是对于形貌的两个水准(level)会产生无法令人满意的结果。这一问题对于仅步进式系统以及步进扫描式系统都是存在的。尽管利用步进扫描式系统，成像工具的聚焦反应也会由于工具在不同的形貌水准之上扫描而在时间上受影响。原理上，扫描方向上的形貌效应可以通过晶片相对于曝光设备的位置移动来校正，但是这会潜在地造成生产量的损失或者降级的聚焦性能。

另外，在许多情况下，测试截口中的图案密度与产品芯片完全不同。除此以外，产品芯片还可以在成像域之内变化。随着掩膜组成本逐步上升，日益普遍的是，用户通过将多种不同芯片协调到一个掩膜版上，有时甚至通过与其它用户相协调来分担这些成本。由于这些芯片会具有完全不同的设计目的，因此对于非均匀的图案密度又有了可乘之机。由于不同密度之上的膜涂覆和CMP抛光变化，这些图案密度偏移会最终地造成步进高度。由于扫描曝光系统的调平机制的调平点对不同的步进高度进行采样，所以随着狭缝在这些区域之上扫描，产生了分段(和聚焦)倾斜。如果简单的线性倾斜留下相当之多的残留聚焦误差，则这些聚焦误差会导致产品中的关键故障。

这样的误差难以预测、识别和校正。有问题的步进高度常常随着在芯片上构建附加层而在后端处理期间发展。对由于在许多的这些水准中的聚焦误差所造成的丢失图案进行识别是具有挑战性的。在许多情况下，利用常规的在线检查技术无法发现关键故障。传统的补救(fix)包括提高总体工艺宽容度(latitude)(如果步进高度过大则这一点常常并不可行)或者对造成步进高度的CMP/设计问题进行补救。在任一情形下，这些都是既昂贵又耗时的。

Yamada等人的美国专利No.6,081,614涉及一种可应用于狭缝扫描型或者扫描曝光型曝光设备的表面位置检测方法，用于连续地检测晶片表面相对于投影光学系统的光轴方向的位置或者倾斜。正如这一专利中讨论的，掩膜图像在这些设备中的聚焦在扫描曝光工艺期间连续地执行校正驱动以便进行自动聚焦和自动调平。水准和表面定位检测机制使用倾斜投影光学系统，其中光从上方倾斜地投影到晶片表面，以及其中来自感光衬底的反射光由传感器作为位置偏离来检测。根据在扫描期间的测量水准值，在测量位置穿过曝光狭缝区域时对晶片的水准(高度)和倾斜提供校正驱动量。

该专利的图1在这里被再现为图5而且表示为狭缝扫描型投影曝光设备的局部示意图，其中该专利的表面定位检测方法可应用于该设备。为了清楚起见，在这里包含了该专利的此图以描述本发明如何涉及一种提供晶片水准调节的典型光刻设备。如图5中所示，缩版投影透镜1具有光轴AX和垂直于Z方向的图像平面。掩膜版2由掩膜版台3保持，而掩膜版2的图案由缩版投影透镜来投影。在4处标示的是其表面涂有抗蚀剂的晶片，而5是其上放置有该晶片的台。晶片台5包括用于将晶片4吸引和固定到台5的卡盘、可沿着X轴和Y轴方向水平地移动的X-Y台、沿着Z轴方向(与AX方向共面)可移动的而且也可绕着X轴和Y轴旋转地移动的调平台、以及可绕着Z轴可旋转地移动的可旋转台。

图5中的标号10-19标示的是用于对晶片4的表面位置和倾斜进行检测的检测光学系统的组件。光源标示为10，而11是准直仪透镜，用于将来自光源10的光变换成具有基本上均匀的截面光强分布的平行光。在12处标示的是棱形的狭缝部件，在该部件中具有用于在晶片上形成水准感测点72(39)的多个开口(通常是五个或者六个)。在13处标示的是光学系统，该系统用以借助于镜14将来自狭缝组件12的针孔的独立光束导向晶片表面上的独立测量水准感测点。这些也被称为如图3A中的标号39和图2A中的标号72所示的调平点或者传感器。

接着，通过结构单元15-19示出了一种用于对来自晶片4的反射光进行检测的结构。在16处标示的是光接收光学系统，该系统借助于镜15接收来自晶片表面14的光束。停止部件17设置于光接收光学系统16之内，而穿过光学系统16的光束具有相互平行的轴，而且借助于校正光学系统单元18的单独校正透镜在光电转换装置单元19的检测表面上重新成像。

进行对台5的倾斜校正(由此对晶片4的倾斜校正)，使得在晶片4的表面和光电转换装置单元19的检测表面上的测量(调平)点置为光学共轭关系。

主控制单元27用以控制整个系统，而且为掩膜版位置控制系统22、表面位置检测系统26和晶片位置控制系统25提供输出。当在箭头3a的方向上扫描掩膜版台3时，在箭头5a的方向上扫描式地移动晶片台5。关于掩膜版图案在Z轴方向上的对准，晶片台的调平台是基于对晶片4的高度数据进行检测的表面位置检测系统26的计算结果通过晶片位置控制系统25来控制的。具体来说，计算与在扫描方向上限定的且与狭缝邻接的高度点有关的高度数据，而且关于光轴AX方向来使晶片在垂直于扫描方向以及高度的方向上倾斜。

Yamada等人的专利通过预先测量将相关于水准检测点而产生的误差来改进晶片定位，其中这些误差归因于在沿着扫描方向设置的水准检测点之间的图案结构差异。然后，相关于每个水准检测点的测量误差被用来利用表面位置检测系统对晶片的位置进行校正。

通过将来自掩膜版干涉仪系统21的激光束投影到镜20来连续地测量关于X方向和Y方向的掩膜版台的位置信息。类似地，为了对晶片台5进行定位，使用晶片台干涉仪24、晶片定位控制器25和镜23。

Chen的公开号美国2003/0107719也讨论了在晶片制造中的聚焦变化这一问题。在这一公开中，一种用于校正不恰当调平倾斜的方法包括：确定由于半导体设备的调平传感器不恰当地检测半导体晶片而引起的不恰当的调平倾斜，其中该半导体晶片具有脱离水平的非对称半导体图案；以及施加校正调平倾斜以补偿由于调平传感器引起的不恰当的调平倾斜。

在Lee的美国专利No.6,172,757中公开了一种使用电可调二维缩放透镜的晶片水准传感器设备。可调缩放透镜通过在视域上提供可变视野和焦深来在步进器上提供逐域的对准。

如上所述，本专利申请可应用于任一这样的调平系统。

通过引用将所有上述专利结合于此。

发明内容

鉴于现有技术的问题和不足，本发明的目的因此在于提供一种用于利用一种用于在光刻工艺期间对晶片进行调平的改进方法来制造半导体晶片的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于利用一种用于在光刻工艺期间对晶片进行调平的改进设备来制造半导体晶片的设备。

本发明的更多其它目的和优点将部分地显而易见而且将部分地从说明书中获悉。

在本发明中实现了对于本领域技术人员将是显然的上述目的和其它目的，其中本发明在第一方面中针对一种用于制造比如晶片这样的集成电路器件的方法，其中该方法的一个或多个步骤需要包括对晶片进行调平的光刻步骤，包括步骤：

将晶片加载到晶片成像光刻曝光系统中；

预扫描晶片以确定与晶片在晶片的不同区域之上的形貌有关的数据；

为晶片的不同区域分配聚焦重要性值；

基于预扫描形貌数据和区域聚焦重要性值来计算用于光刻步骤的曝光聚焦指令；

基于所计算的曝光聚焦指令对晶片进行扫描和曝光；以及

从曝光系统释放晶片并卸载晶片。

在本发明的另一方面中，提供一种用于制造比如晶片这样的集成电路器件的设备，其中使用光刻装置来在晶片的制造期间对晶片进行成像，包括：

用于将晶片加载到晶片成像光刻曝光系统中的装置；

光刻曝光系统，包括用于预扫描晶片以确定与晶片在晶片的不同区域之上的形貌有关的数据的装置；

用于为晶片的不同区域分配聚焦重要性值的装置；

用于基于预扫描形貌数据和区域聚焦重要性值来计算用于光刻步骤的曝光聚焦指令的装置；

用于对晶片进行成像的装置；以及

用于从曝光系统释放晶片并卸载晶片的装置；

其中在工艺的光刻成像步骤期间，该晶片是基于所计算的曝光聚焦指令来曝光的，在曝光期间该晶片是基于所计算的曝光聚焦指令在系统中定位的。

附图说明

在所附权利要求中具体地阐述了被认为是新颖的本发明的特征以及作为本发明特征的单元。附图仅仅是用于说明目的而且没有按比例绘制。然而，本发明本身在结构和操作方法方面都可以参照与附图相结合的具体描述来最好地加以理解，在附图中：

图1图示了在半导体晶片制造中使用的常规现有技术的掩膜版。

图2A示出了要在光刻工艺中预扫描的晶片的一部分的平面图。

图2B示出了图2A的晶片的侧视图。

图3A示出了在光刻工艺中预扫描的晶片的一部分的平面图。

图3B示出了图3A的晶片的侧视图，其中包括在光刻工艺期间曝光系统对晶片的倾斜。

图4示出了本发明的方法和设备的流程图。

图5示出了现有技术中利用表面位置检测方法的狭缝扫描型投影曝光设备的局部示意图。

具体实施方式

在描述本发明的优选实施例时，将在这里对附图中的图1-5进行参照，在附图中相同的标号指代本发明的相同特征。

广而言之，本发明使得以小片(chiplet)坐标数据形式的芯片设计布局可为光刻曝光工具调平软件所用，其中该软件在曝光工艺期间控制对晶片的调平(以及由此控制对晶片的聚焦)。通过在扫描周期期间知悉这些数据以及基于这些数据而计算的曝光聚焦指令，该工具例如可以在合适的时候接通和关断调平传感器，使得产品芯片总是在以晶片的测试截口或者其它不那么重要的部分(区域)为代价来获得最佳的工艺条件。使得在不同晶片区域中的潜在故障点的坐标可为曝光工具针对该晶片水准的工艺程序所用。该工具然后将随着它在这些区域之上经过而动态地关闭调平点。以这一方式，在芯片的最关键区域中干扰该工具的聚焦。

更具体来说，由于图案密度、测试截口、宏等造成的步进高度(以及晶片表面形貌的差异)可以通过曝光工具中的预筛选方法来检测，正如前述美国专利No.6,081,614中描述的，该方法通常使用调平点来确定晶片的形貌。可选地，任何其它适当的测量技术可以用来在曝光之前获得此信息。在图2A和2B以及图3A和3B中，形貌预扫描将会已经确定形貌的不同水准。

参照图2A和2B，晶片60的一部分表示为标号62，而且具有区域(小片)64、66和68。区域64是测试截口区域，而66和68代表晶片的不同区域。扫描狭缝被表示为标号70，具有调平感测点72。参见图5，其中入射光线撞击形成调平点72的晶片表面。在图2B中，示出了晶片62的侧视图，而且可以看到贯穿晶片的可变高度。因此，测试截口部分64具有一个高度，晶片部分66具有另一高度，而晶片部分68具有最小高度。正如将在下面参照图3A和3B更为完全地加以讨论的，根据本发明，将重要性的值依附于晶片的各区域，使得在扫描曝光工艺期间感测(调平)指示器72可以有选择地针对非重要区域而关掉，由此改进晶片的水准(倾斜)以及对于晶片重要区域的聚焦。

现在参照图3A和3B，在图3A中示出了晶片32的一部分的平面图。晶片32具有区域34(表示为“A”)和其它区域36(表示为“B”)。扫描狭缝38表示为在贯穿晶片32一部分的箭头方向上移动，还示出了调平五个(5个)点39(39a-39e)。在图3B中示出了晶片32的侧视图。晶片32位于调平台40上，而区域36(B)和34(A)的高度示出为不相同。可以使用任一数目的调平点。

区域“A”被芯片制造者认为是高度重要的，而其它区域“B”则具有较低重要性的监视宏。在这一情况下，曝光指令将被编码用以初始地预扫描整个成像域形貌。然而，当在晶片的实际曝光和成像期间确定聚焦平面的最适合放置之时，例如在残留聚焦误差超过预设值时将仅考虑从“A”区域获得的调平信息。可选地，与来自“A”区域的信息相比，可以通过较小的权值来混入来自“B”区域的信息。正如本领域技术人员将理解到的，晶片可以分成许多区域，每个区域分配有“重要性”值，而且在执行曝光扫描时以任一组合相应地对调平传感器进行调节。

再次参照图3A和3B，图3A是具有芯片区A和监视宏区B的晶片的局部平面图。因此，总地表示为32的晶片包括多个芯片区34(A)和宏区36(B)。成像狭缝38表示为在晶片的一部分之上的箭头方向上移动。这一成像狭缝与扫描设备相组合地用来将如图1中所示的图案掩膜版成像到晶片32上。如上所讨论地示出调平点39a-39e，而对于晶片的预扫描，晶片的形貌将被确定为如图3B中所示。因此，四个(4个)调平点39b-39e示出为在区域“A”之上，而一个(1个)调平点(39a)在区域“B”之上。在曝光扫描期间，区域“B”之上的调平点39a可以被去激活，由此改进晶片的倾斜，如图3B的线条44中所示。如果没有去激活调平点，则晶片将如线条42所示那样常规地倾斜。如将要理解到的，根据特定区域的形貌，可以运用调平点的任一去激活组合。例如，调平点39a和39d可以都被去激活，而39b、39c和39e保持激活。

在图3B中，示出了晶片32的侧视图，其中晶片34的图案高度示为高于监视宏区36。晶片示为位于晶片台40上。在使用常规调平设备的曝光成像工艺期间，晶片将如虚线42所示那样倾斜以在成像工艺期间将晶片维持于“聚焦”。使用本发明的方法而且去激活区域“B”之上的调平点39a，晶片将如虚线44所示那样在水平平面上倾斜，而与将略微离焦的不那么重要的监视宏区36(B)相比，晶片区A将处于聚焦。

结果，聚焦平面放置对于“A”区域而言将尽可能地接近理想而没有贯穿于它的聚焦偏离的系统性变化。然而，在这一情况下对于“B”区域而言的聚焦放置将不那么理想。然而这通常将是可接受的，因为“B”区域中的设计图案对于聚焦不那么敏感，这可能归因于较少的特征密度，由此首先造成了形貌的偏离。同样在本发明的范围之内的是，通过针对“B”区域应用不同的图案偏差、由此增加焦深以及对于聚焦偏移的裕度，来对这一设计区域中的散焦进行计数。如果需要则这一过程可以提高对于A区域的工艺产出量。

现在参照图4，可以描述本发明的方法和设备。在从初始化步骤100开始之后，然后在步骤102将晶片加载到光刻系统中。然后在步骤104中预扫描晶片以确定在晶片表面的不同区域之上的形貌(高度)。在步骤106中为晶片的不同区域分配聚焦重要性参数。如在上文中讨论的，晶片的一些区域比其它区域更关键或者更重要，而且这些区域将分配有较高的重要性参数级别。例如，截口区或监视宏区将典型地没有芯片部分那么重要，并且将被分配较小的值。基于步骤104的预扫描数据和步骤106的聚焦重要性参数数据，在步骤108中计算用于成像工艺的聚焦曝光指令。在步骤110中基于步骤108所计算的聚焦曝光指令对晶片进行扫描和曝光。在晶片表面之上继续这样的操作直至由步骤112确定完全地扫描了晶片为止。在步骤112中完成成像工艺之后，在步骤114中释放并卸载晶片。

尽管已经结合具体优选实施例特别地描述了本发明，但应明白的是，根据上面的描述，许多替换、修改和变形对于本领域技术人员将是显然的。因此预期所附权利要求将涵盖落入本发明的真正范围和精神之内的任何此类替换、修改和变形。

Claims (8)

1.一种用于制造集成电路器件的方法，其中所述方法需要包括对晶片进行调平的光刻步骤，所述方法进一步包括步骤：

将晶片加载到晶片成像光刻曝光系统中；

预扫描所述晶片以确定与所述晶片在所述晶片的不同区域之上的形貌有关的数据；

为所述晶片的不同区域分配聚焦重要性值；

基于所述预扫描形貌数据和区域聚焦重要性值来计算用于所述光刻步骤的曝光聚焦指令；

基于所述计算的曝光聚焦指令对所述晶片进行扫描和曝光并且在所述曝光期间，对晶片进行调平；以及

从所述光刻曝光系统释放所述晶片并卸载所述晶片。

2.根据权利要求1的方法，其中所述光刻曝光系统是步进扫描式系统。

3.根据权利要求1的方法，其中所述光刻曝光系统是步进重复式系统。

4.根据权利要求1的方法，其中使用包含多个调平点的成像狭缝来预扫描所述晶片以确定所述数据，而且在基于所述计算的曝光聚焦指令的所述曝光期间调节所述调平点的任一组合。

5.一种用于制造集成电路器件的设备，所述设备包括：

用于将晶片加载到晶片成像光刻曝光系统中的装置；

光刻曝光系统，包括用于预扫描所述晶片以确定与所述晶片在所述晶片的不同区域之上的形貌有关的数据的装置；

用于为所述晶片的不同区域分配聚焦重要性值的装置；

用于基于所述预扫描形貌数据和区域聚焦重要性值来计算用于光刻的曝光聚焦指令的装置；

用于对所述晶片进行成像的装置；以及

用于从所述光刻曝光系统释放晶片和卸载所述晶片的装置；

其中在光刻成像期间，所述晶片是基于所述计算的曝光聚焦指令来曝光的，在所述曝光期间对所述晶片进行调平。

6.根据权利要求5的设备，其中所述光刻曝光系统是步进扫描式系统。

7.根据权利要求5的设备，其中所述光刻曝光系统是步进重复式系统。

8.根据权利要求5的设备，其中所述光刻曝光系统使用包含多个调平点的成像狭缝来预扫描所述晶片以确定所述数据，而且在基于所述计算的曝光聚焦指令的所述曝光期间调节所述调平点的任一组合。

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