CN1963679A - 用于晶片对准的对准标记结构 - Google Patents

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CN1963679A CN 200610118707 CN200610118707A CN1963679A CN 1963679 A CN1963679 A CN 1963679A CN 200610118707 CN200610118707 CN 200610118707 CN 200610118707 A CN200610118707 A CN 200610118707A CN 1963679 A CN1963679 A CN 1963679A
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徐荣伟
李铁军
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Abstract

本发明提供一种用于晶片对准的对准标记结构，该对准标记结构包括第一部分结构和分布在第一部分结构外围区域的第二部分结构，第二部分结构由四组光栅组成，其中两个光栅用于垂直方向对准，另外两个光栅用于水平方向对准。与现有技术相比，本发明的对准标记结构不仅用于晶片对准，还可用于掩模对准或套刻(Overlay)精度测试等。此外，本发明所述的对准标记结构紧凑、对准捕获范围大、适用于较窄的晶片划线槽，能够提高光刻装置对准系统的对准精度和工艺适应性。

Description

用于晶片对准的对准标记结构
技术领域
本发明涉及光刻对准技术领域，具体来说，涉及一种对准标记结构。
背景技术
光刻装置主要用于集成电路(IC)或其他微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶片上，例如半导体硅片或LCD板。目前有两种光刻装置，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对于掩模版移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在晶片的另一曝光区域，重复这一过程直到晶片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与晶片同时相对于投影系统和投影光束移动。
在半导体制作过程中，为使掩模图案正确转移到晶片上，关键的步骤是将掩模与晶片对准，即计算掩模相对于晶片的位置，以满足套刻精度的要求。当特征尺寸“CD”要求更小时，对套刻精度“Overlay”的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。现有技术有两种对准方案，一种是透过镜头的TTL同轴对准技术，另一种是OA离轴对准技术。在每一次进行光刻胶曝光前，需要使用对准标记进行掩模-晶片对准。在离轴对准技术中，将位于晶片非曝光区域的全场对准标记或划线槽(scribelane)对准标记成像到参考板上，通过确定对准标记位置相对于处于理想位置的参考标记的偏差，来进行晶片曝光场和掩模图案定位。
光刻对准主要有明场、暗场和光栅衍射几种技术。目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记结构的全部信息。多级次衍射光以不同角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在参考面干涉成像，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置。
根据光刻装置的对准策略，对准标记可分为全场对准标记和逐场对准标记，全场对准标记通常为二维标记，位于晶片非曝光区域或划线槽内，同时提供相互垂直的两个方向对准；逐场对准标记位于晶片划线槽内，为一维标记，提供一维方向(水平或垂直方向)的对准，通过位于两个相互垂直的划线槽的两个逐场对准标记可以实现相互垂直的两个方向对准。
一般，对准标记为周期性的光栅，由刻线和刻槽组成。光栅可以是位相光栅，利用在光栅上表面和下表面散射光线的位相差。光栅也可以是振幅光栅，由两个具有不同反射系数的表面周期结构组成。光栅应包含尽可能多的周期，以避免边缘效应。对准标记边缘粗糙度对对准精度的影响是随机的，所以通过照射更多的光栅周期，可以降低边缘效应的影响，提高对准信号对比度。但是，过多的光栅周期会消耗划线槽资源，导致晶片的浪费，因此，在对准标记的设计上趋向于使用更小的光栅周期和更短的光栅线条。
从功能上，对准标记一般分为粗对准标记和精对准标记两种。在粗对准过程中，掩模版或参考板上的对准标记先存储在计算机中，然后通过探测光源在粗对准标记上的散射光并成像在CCD相机上，通过图像分析和模式识别的方法搜寻粗对准标记结构，进行晶片的粗对准定位。粗对准标记也用于搜寻精对准标记。通常，精对准标记与粗对准标记的距离固定，在精对准过程中，由显微物镜收集光源在标记上的散射光，由得到的光强或位相信号确定精对准标记位置，进行晶片的精对准定位。粗对准一般为以十字线形为基础的结构，精对准标记则是一些相互平行、一定间隔的光栅型结构，结构周期宽度大约为几微米量级，例如图12和13中所示的粗对准和精对准标记结构。
在IC处理上，对准标记结构的组成部分最好是具有与半导体器件特征尺寸相似的尺寸，以避免在IC处理过程中产生不太理想的负效应，例如CMP导致的对准标记变形。为克服尺寸相关性问题，通常有两种方法，一种是缩小对准标记的光栅周期，提高对高级探测通道的探测能力，所探测的空间频率决定了相位光栅对准精度和稳定性；另一种是将对准标记的光栅设计成分段型结构，一方面增加对准标记对CMP和金属溅射等工艺的适应性，另一方面适合特殊的工艺设计要求，例如：深沟槽(DeepTrench)工艺。
一种在先技术，如图12所示，该标记为佳能株式会社(Canon INC.)的对准标记结构，包括粗对准标记和精对准标记，分别如图12(a)和图12(b)所示。其中，粗对准标记为方形框内嵌十字线的“田”字型结构，精对准标记为一维线性光栅结构(图中仅给出了一个方向对准的标记结构)；粗对准标记结构在晶片上的尺寸大约为100μm×100μm，精对准标记尺寸大约为120μm×50μm。粗对准标记和精对准标记结构分离，位于晶片的划线槽内的不同位置，因此在根据对准信号闭环控制的过程增加了晶片支架粗对准和精对准调整的移动时间，导致半导体IC芯片的产量受到影响。此外，粗对准标记和精对准标记占用划线槽的面积较大，消耗了晶片上原本可用于生产IC芯片的有效资源，这种浪费代价极其昂贵。
又一种在先技术，如图13所示的一种对准标记结构(参见美国专利，公开号：US20050068508A1)，该对准标记由两部分组成，虚线框内中心区域部分为十字线型的粗对准标记11，虚框外部分为精对准标记12，精对准标记12是以中心区域成镜像对称的四组光栅结构13，每组光栅结构13的周期为15μm。图13(a)所示的标记结构中光栅结构13包含4个光栅周期，整个标记的尺寸大约为80μm×80μm；图13(b)所示的标记结构中光栅结构13包含2个光栅周期，整个标记的尺寸大约为60μm×60μm。上述对准标记尽管结构紧凑，但是精对准标记所包含的光栅周期数量太少，对准信号容易受到标记边缘效应影响。一般，为避免标记边缘效应，光栅对准标记的周期数不应少于5-6个周期。另一方面，精对准标记为单一周期的光栅结构，因此捕获范围有限。此外，在半导体IC芯片生产中，为节约晶片成本，划线槽的宽度趋向于40μm左右，因此80μm×80μm的对准标记尺寸仍然占用过多的晶片有效资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于晶片对准的新的、结构紧凑的、捕获范围大、适合于较窄划线槽的对准标记结构。
本发明提供一种用于晶片对准的对准标记结构，该对准标记结构包括第一部分结构和分布在第一部分结构外围区域的第二部分结构，第二部分结构由四组光栅组成，其中两个光栅用于垂直方向对准，另外两个光栅用于水平方向对准。
所述的四组光栅中至少具有两种不同的基本周期。
所述的四组光栅中至少有两个光栅为捕获标记。
所述的四组光栅外形结构为梯形。
所述的四组光栅外形结构为矩形。
所述的四组光栅以第一部分结构为中心沿水平和垂直方向相互对称分布。
所述的四组光栅以第一部分结构为中心沿水平和垂直方向相互错位分布。
所述的对准标记结构的整个外形为矩形。
所述的四组光栅可以是分段结构。
所述的第一部分结构可以是十字线形式、也可以是由封闭的十字形框组成的十字线框形式、也可以是由四组相互垂直的平行双线组成的双十字线形式、也可以是包括中心十字线和外围十字线的虚十字线形式、也可以是由四条斜线组成的叉丝形式。
所述的第一部分结构可以是分段结构。
与现有技术相比，本发明的对准标记结构不仅用于晶片对准，还可用于掩模对准或套刻(Overlay)精度测试等。此外，本发明所述的对准标记结构紧凑、对准捕获范围大、适用于较窄的晶片划线槽，能够提高光刻装置对准系统的对准精度和工艺适应性。
附图说明
通过本发明实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1为本发明对准标记结构的第一实施例；
图2为本发明用于晶片对准的对准标记结构的实施例中第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图3为本发明用于晶片对准的对准标记结构中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图4为本发明用于晶片对准的对准标记结构中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图5为本发明用于晶片对准的对准标记结构中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图6为本发明用于晶片对准的对准标记结构中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图7为本发明用于晶片对准的对准标记结构中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图8为本发明用于晶片对准的对准标记结构的第二实施例的示意图；
图9为本发明用于晶片对准的对准标记结构的第三实施例的示意图；
图10为本发明用于晶片对准的对准标记结构的第四实施例的示意图；
图11为本发明用于晶片对准的对准标记结构的分段型结构示意图；
图12为一种现有技术的对准标记示意图。
图13为另一种现有技术的对准标记示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，为本发明对准标记的第一实施例，该对准标记的构成包括两部分：用于粗对准的第一部分结构1和用于精对准的第二部分结构。第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第二部分结构位于整个对准标记结构的外围区域，包括第一光栅21、第二光栅22、第三光栅23和第四光栅24。四组光栅的外形结构为梯形，以第一部分结构1为中心沿水平和垂直方向对称分布，对称分布的两组光栅结构用于同一方向对准，第二光栅22和第四光栅24用于水平方向(x方向)对准，第一光栅21和第三光栅23用于垂直方向(y方向)对准。
第一光栅21和第二光栅22是基本光栅周期为P1的衍射光栅；第三光栅23和第四光栅24的基本光栅周期为P2，并且P2＝P1(1±ε)，通常，取ε＝10％或5％；第三光栅23和第四光栅24作为捕获标记使得整个对准标记的捕获范围为：±P1P2/[2(P1-P2)]，例如，当P1＝2μm，P2＝P1(1+5％)＝2.1μm，则捕获范围为±21μm。
该对准标记结构为二维标记，位于晶片划线槽内，同时提供相互垂直的两个方向(水平或垂直方向)的对准。如果该对准标记结构结合一定的对准系统(例如：基于级结合干涉仪的对准系统)，P1＝2μm时，则重复对准精度可以达到1nm。同时，较小的光栅线宽可以减小化学机械平坦化导致的标记变形，提高工艺适应性。为适合于较窄的划线槽，整个对准标记结构的尺寸可以设计得较小，例如为40μm×40μm。
在本发明的对准标记中的第一部分结构1如图2所示为十字线形式，对应的掩模或参考对准标记9是由四组相互垂直、不透光的平行双线组成的双十字线形式，从而在对准过程中形成双线夹单线的对准方式。在本发明其它实施例中，该第一部分结构1除了实施例中所示的结构外，还具有其它的结构。此外，还需要根据第一部分结构1的结构对应改变掩模或参考对准标记9的结构以实现对准。
图3所示的第一部分结构1为十字线形式，对应的掩模或参考对准标记9为叉丝的形式，由两条不透光的斜线交叉组成。对准过程中形成交叉斜线夹十字线的对准方式，十字线处于交叉斜线的角平分线位置。
图4所示的第一部分结构1为十字线框形式，由封闭的十字形框组成，对应的掩模或参考对准标记9为不透光的十字线的形式，由此形成十字框夹十字线的对准方式。
图5所示的第一部分结构1为双十字线形式，由四组相互垂直的平行双线组成，与之对应的掩模或参考对准标记9为不透光的十字线的形式，由此形成双线夹单线的对准方式。
图6所示的第一部分结构1为虚十字线形式，包括中心十字线1a和外围十字线1b。对应的掩模或参考对准标记9为“井”字标记的形式，由四条不透光的直线相互交叉组成“井”字形状，包括中心框和外围双十字线。对准时，虚十字线的中心十字线1a位于“井”字的中心框内，外围十字线1b与双十字线形成双线夹单线的对准方式。
图7所示的第一部分结构1为叉丝形式，由四条斜线组成，与之对应的掩模或参考对准标记9是不透光的十字线的形式，由此在对准过程中形成叉丝夹十字线的对准方式，十字线处于叉丝各斜线的角平分线位置。
图8为本发明对准标记结构的第二实施例。参见图8(a)，该对准标记的构成包括两部分：用于粗对准的第一部分结构1和用于精对准的第二部分结构3。第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第一部分结构的形式可以为：十字线、十字线框、双十字线、虚十字线和叉丝等。第二部分结构3位于整个对准标记结构的外围区域，包括第一光栅31、第二光栅32、第三光栅33和第四光栅34。四组光栅的外形结构为矩形，以第一部分结构1为中心沿水平和垂直方向对称分布，对称分布的两组光栅结构用于同一方向对准，第二光栅32和第四光栅34用于水平方向(x方向)对准，第一光栅31和第三光栅33用于垂直方向(y方向)对准。
第一光栅31和第二光栅32是基本光栅周期为P1的衍射光栅，第三光栅33和第四光栅34的基本光栅周期为P2，并且P2＝P1(1±ε)，通常，取ε＝10％或5％；第三光栅33和第四光栅34作为捕获标记使得整个对准标记的捕获范围为：±P1P2/[2(P1-P2)]。整个对准标记结构的尺寸也可以设计得较小，例如为40μm×40μm，完全适合于较窄的划线槽。
图8(b)为图8(a)的变形结构，该对准标记结构与图8(a)所示的对准标记结构近似，同样由位于中央区域，用于粗对准的第一部分结构1和位于外围区域用于精对准的第二部分结构组成。
第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第一部分结构的形式可以为：十字线、十字线框、双十字线、虚十字线和叉丝等。
第二部分结构4包含四组矩形的光栅41、42、43和44，以第一部分结构1为中心沿水平和垂直方向对称分布，对称分布的两组光栅结构用于不同方向的对准，即第一光栅41和第三光栅43用于垂直方向(y方向)对准，第二光栅42和第四光栅44用于水平方向(x方向)对准。
第一光栅41和第二光栅42是基本光栅周期为P1的衍射光栅，第三光栅43和第四光栅44作为捕获标记，基本光栅周期为P2，并且P2＝P1(1±ε)，通常取ε＝10％或5％。第三光栅33和第四光栅34作为捕获标记使得整个对准标记的捕获范围为：±P1P2/[2(P1-P2)]。整个对准标记结构的尺寸也可以设计得较小，例如为40μm×40μm，以适合于较窄的划线槽。
图9为本发明对准标记结构的第三实施例。该对准标记的构成包括两部分：用于粗对准的第一部分结构1和用于精对准的第二部分结构5。第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第一部分结构1的形式可以为：十字线、十字线框、双十字线、虚十字线和叉丝等。第二部分结构5位于整个对准标记结构的外围区域，包括第一光栅51、第二光栅52、第三光栅53和第四光栅54。四组光栅51、52、53及54的外形结构为矩形，以第一部分结构为中心沿水平和垂直方向相互错位排列，相向分布的两组光栅结构用于同一方向对准，即第一光栅51和第三光栅53用于垂直方向(y方向)对准，第二光栅52和第四光栅54用于水平方向(x方向)对准。
该对准标记结构比图1和图8所示的对准标记结构更加紧凑，对晶片资源的利用率也更高。
第一光栅51和第二光栅52是基本光栅周期为P1的衍射光栅；作为捕获标记，第三光栅53和第四光栅54的基本光栅周期为P2，并且P2＝P1(1±ε)，通常，取ε＝10％或5％。通过对用于同一方向对准的两组光栅，例如光栅51和53，选择不同的光栅周期可以提高对准的捕获范围，捕获范围表示为±P1P2/[2(P1-P2)]。同样，该对准标记结构也可以用于较窄的划线槽。
图10为本发明对准标记结构的第四实施例。整个对准标记结构外形为矩形，构成包括两部分：用于粗对准的第一部分结构1和用于精对准的第二部分结构6。第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第一部分结构1的形式可以为：十字线、十字线框、双十字线、虚十字线和叉丝等。第二部分结构6位于整个对准标记结构的外围区域，包括第一光栅61、第二光栅62、第三光栅63和第四光栅64。四组光栅61、62、63及64的外形结构均为矩形，以第一部分结构1为中心沿水平和垂直方向相互错位排列，相向分布的两组光栅结构用于同一方向对准，即第一光栅61和第三光栅63用于垂直方向(y方向)对准，第二光栅62和第四光栅64用于水平方向(x方向)对准。
第一光栅61和第二光栅62是基本光栅周期为P1的衍射光栅；作为捕获标记，第三光栅63和第四光栅64的基本光栅周期为P2，并且P2＝P1(1±ε)，通常，取ε＝10％或5％。通过对用于同一方向对准的两组光栅，例如光栅62和64，选择不同的光栅周期可以提高对准的捕获范围，捕获范围表示为±P1P2/[2(P1-P2)]。
与图9所示的对准标记结构相比，结构上更紧凑，优化了晶片资源的利用率；同时光栅结构的周期数量越多，衍射光信号越强，相应的对准信号也就越强，从而有利于提高对准精度。同样，整个对准标记结构的尺寸可以设计得较小，以适合于较窄的划线槽。
请参阅图11，以本发明对准标记结构第二实施例中的第一部分结构1和第二部分结构3的第二光栅32为例，均可以是分段型结构。本发明中的对准标记均可以为分段型结构，尤其在深沟槽(Deep Trench)工艺中，为适合工艺设计原则，分段型结构更有利于工艺制造；另外，也可以减少化学机械平坦化和金属溅射导致的标记的变形，提高工艺适应性。
上述本发明的第一实施例到第四实施例所述的对准标记结构为二维对准标记，可以作为晶片全场对准标记或逐场对准标记使用，位于晶片非曝光区域或划线槽内，同时提供相互垂直的两个方向对准。
本发明的对准标记结构不仅用于晶片对准，还可用于掩模对准或套刻(Overlay)精度测试等。

Claims (15)

1、用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：该对准标记结构包括第一部分结构和分布在第一部分结构外围区域的第二部分结构，第二部分结构由四组光栅组成，其中两个光栅用于垂直方向对准，另外两个光栅用于水平方向对准。
2、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅中至少具有两种不同的基本周期。
3、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅中至少有两个光栅为捕获标记。
4、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅外形结构为梯形。
5、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅外形结构为矩形。
6、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅以第一部分结构为中心沿水平和垂直方向相互对称分布。
7、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅以第一部分结构为中心沿水平和垂直方向相互错位分布。
8、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的对准标记结构的整个外形为矩形。
9、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的四组光栅可以是分段结构。
10、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的第一部分结构是十字线形式。
11、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的第一部分结构是由封闭的十字形框组成的十字线框形式。
12、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的第一部分结构是由四组相互垂直的平行双线组成的双十字线形式。
13、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于，所述的第一部分结构是包括中心十字线和外围十字线的虚十字线形式。
14、如权利要求1所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的第一部分结构是由四条斜线组成的叉丝形式。
15、如权利要求10到14中任一项所述的用于晶片对准的对准标记结构，其特征在于：所述的第一部分结构可以是分段结构。
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