CN204303805U

CN204303805U - 一种基于二维衍射的套刻精度量测结构

Info

Publication number: CN204303805U
Application number: CN201420585808.6U
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 邢滨
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2024-10-10

Abstract

本实用新型提供一种基于二维衍射的套刻精度量测结构，所述量测结构至少包括：形成于硅片中的多个前层图案，所述前层图案在X方向和Y方向上有序排列；形成于所述硅片表面的多个当层图案；所述当层图案与所述前层图案交错排列；在X方向或者Y方向上，所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半。本实用新型的量测结构通过激光的入射之后发生发射，在X正负半轴和Y正负半轴形成衍射光斑，再通过衍射光斑的光强差精确地测量判断出当层图案在四个方向是否发生偏移。

Description

一种基于二维衍射的套刻精度量测结构

技术领域

本实用新型涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种基于二维衍射的套刻精度量测结构。

背景技术

光刻是通过对准、曝光等一系列步骤将掩模图案图形转移到晶圆上的工艺过程，在半导体芯片的制造过程中，通常要通过多层光刻工艺才能完成整个制造过程，而如何控制当层光刻图形与前层光刻图形(晶圆上的图形)的位置对准，以满足套刻精度(overlay)的要求是多层光刻工艺中至关重要的步骤。随着半导体工业的技术节点发展到28nm甚至20nm以下，套刻精度的控制越来越难。

现有技术中，为了更好的满足套刻精度的要求，采用基于图片的量测方法来量测套刻精度。如图1和图2所示，其中图1是现有技术中套刻精度量测结构的剖面图，图2是现有技术中套刻精度量测结构的俯视图。该量测结构100A包括：形成于硅片1A中由四个长条组成的矩形状前层图案2A；形成于硅片1A表面的四个长条组成的矩形状当层图案5A，所述前层图案2A位于所述当层图案5A的外围。利用该结构量测套刻精度的方法为：首先拍摄该结构的宏观图片，之后测量前层图案2A的套刻中心与当层图5A的套刻中心是否有偏移。但是现有技术中这种量测的方法容易受当层光刻胶边缘轮廓形貌的影响，若形成的当层光刻胶边缘轮廓并不平整，具有毛刺，则会影响前层图案的套刻中心与当层图案的套刻中心的偏移量的量测，从而使套刻精度的量测也不准确。

因此，提供一种新型的套刻精度的量测结构实属必要。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于二维衍射的套刻精度量测结构，用于解决现有技术中套刻精度测量不准确的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于二维衍射的套刻精度量测结构，所述量测结构至少包括：

形成于硅片中的多个前层图案，所述前层图案在X方向和Y方向上有序排列；

形成于所述硅片表面的多个当层图案；所述当层图案与所述前层图案交错排列；

在X方向或者Y方向上，所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，在所述硅片和当层图案之间还形成有过渡层。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，所述过渡层为至少包括一抗反射层的多层结构。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半，这种情况定义为套刻精度为零，该情况下激光光源通过所述量测结构在X正负半轴和Y正负半轴上产生强度相等的一级衍射光斑。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，所述激光为宽带宽激光光束的组合。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，所述当层图案的套刻中心在制备工艺中沿X轴或Y轴发生偏移，则套刻精度不等于零，此时X正负轴或Y正负轴上一级衍射光斑的光强差与偏移量呈线性关系。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，所述前层图案和当层图案的形状均为正方形。

作为本实用新型基于二维衍射的套刻精度量测结构的一种优化结构，形成当层图案的材料为光刻胶。

如上所述，本实用新型的基于二维衍射的套刻精度量测结构，所述量测结构至少包括：形成于硅片中的多个前层图案，所述前层图案在X方向和Y方向上有序排列；形成于所述硅片表面的多个当层图案；所述当层图案与所述前层图案交错排列；在X方向或者Y方向上，所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半。本实用新型的量测结构通过激光的入射之后发生发射，在X正负半轴和Y正负半轴形成衍射光斑，再通过衍射光斑的光强差精确地测量判断出当层图案在四个方向是否发生偏移。

附图说明

图1为现有技术中的套刻精度量测结构的剖视图。

图2为现有技术中的套刻精度量测结构的俯视图。

图3为本实用新型的套刻精度量测结构的剖视图。

图4为本实用新型的套刻精度量测结构的俯视图。

图5为本实用新型的套刻精度量测结构的局部俯视图。

图6为本实用新型的套刻精度量测结的当层图案在不发生偏移和在相反的两个方向上发生偏移的示意图。

图7为利用本实用新型的套刻精度量测结构获得的当层图案偏移量与±1级衍射光强的曲线。

图8为利用本实用新型的套刻精度量测结构获得的当层图案偏移量与±1级衍射光强差的曲线。

元件标号说明

100,100A 量测结构

1,1A 硅片

2,2A 前层图案

3 过渡层

4 当层

5,5A 当层图案

D 偏移量

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图3至图8。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图3和图4所示，本实用新型提供一种基于二维衍射的套刻精度量测结构100，所述量测结构100至少包括：多个前层图案(Pre-layer)2和多个当层图案5(Current layer)。

所述前层图案2作为被对准层的套刻标记，通过光刻、刻蚀、沉积等工艺形成于硅片1中。所述前层图案2在X方向和Y方向上呈有序的周期性排列。

所述当层图案5形成于所述硅片1表面。优选地，在形成当层图案5前，所述硅片1表面还需要形成过渡层3，该过渡层3为至少包括一抗反射层的多层结构。所述多层结构约为10层。

在所述过渡层3上形成当层图案5，作为示例，形成当层图案5的材料的光刻胶。所述当层图案5的形成过程为：在所述过渡层3上旋涂光刻胶作为当层4，通过曝光、显影等工艺图案化所述光刻胶，被显影掉的光刻胶空缺位置则形成当层图案5。

作为示例，所述前层图案2和当层图案5的形状均为正方形。当然，由于工艺的问题，所述前层图案2和当层图案5的形状并非为规则的正方形，其边缘会有一定程度的歪斜，但是这并不影响利用二维衍射对套刻精度的判断和量测。

从俯视图的方向看，形成的所述当层图案5与所述前层图案2呈交叉排列。每一个当层图案5的位置处于以相邻四个前层图案2为顶角的正方形的中心位置。即，在X方向或者Y方向上，所述当层图案5的套刻中心与相邻前层图案2的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案2套刻中心之间间隔的一半。

需要说明的是，在量测套刻精度时，将激光光束打在本实用新型的量测结构100上，之后激光光束会发生反射形成二维衍射光，最后利用两对光传感器探测四个方向轴上的二维衍射光光斑的光强。

作为示例，所述激光采用的是宽带宽激光光束的组合。

若所述当层图案5的套刻中心与相邻前层图案2的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案2套刻中心之间间隔的一半，这种情况定义为套刻精度为零，该情况下激光光源通过所述量测结构100在X正负半轴和Y正负半轴上产生强度相等的一级衍射光斑，并且在四个方向轴上的光斑呈对称分布。

若所述当层图案5的套刻中心在制备工艺中沿X轴或Y轴发生偏移，则套刻精度不等于零，该情况下激光光源通过所述量测结构100在X正负半轴或Y正负半轴上产生的一级衍射光斑的光强存在光强差，并且在四个方向轴上的光斑的位置呈非对称分布。

如图6所示，为了示意方便，该图中将当层图案5和前层图案2都放在同一水平面上，但是应该清楚，当层图案5和前层图案2本来是属于不同层。位置A的示意图表示当层图案5处于两个前层图案4的中间位置，未发生偏移，此时套刻精度为零，为最理想的状态。位置B和位置C分别表示当层图案5发生向左偏移和向右偏移，导致套刻精度不等于零。

套刻精度是否等于零由二维衍射光斑的光强可以推测出。如图7所示，横坐标表示图6中当层图案5的偏移量D，纵坐标表示一级衍射的光强，图中的两条线分别表示+1级衍射和-1级衍射。由图7可以看出，当当层图案5处于A位置时，X轴和Y轴上+1级衍射和-1级衍射的光强相等；当当层图案5处于B和C位置时，X轴和Y轴上+1级衍射和-1级衍射的光强不相等，两者之间存在光强差。如图8所示，可以看出，X正负轴或Y正负轴上一级衍射光斑的光强差与偏移量呈线性关系。因此，当探测到+1级衍射和-1级衍射光斑的光强差时，由图8可以获得当前图案5的偏移量值，在下一次工艺时，技术人员则往回挪动相应的数值就可以使当前图案5的位置处于正中心，进而使当层图案5和前层图案2对准，套刻精度为零。

为了验证二维衍射光强差与偏移量呈线性关系，本实用新型提出以下理论公式：

\begin{matrix} {| t_{n, m} |}^{2} = {| \frac{1}{π^{2 mn}} [M 1 * \exp (- iπ (\frac{n * ax}{Px} + \frac{m * ay}{Py})) * \sin (\frac{πm * ay}{Py}) + M 2 * \exp (- i 2 π (\frac{n * cx}{Px} + \frac{m * cy}{Py})) * \sin (\frac{πn * bx}{Px}) * \sin (\frac{πm * by}{Py})] |}^{2} \\ = \frac{1}{π^{4} m^{2} n^{2}} [\begin{matrix} {(M 1 * \sin (\frac{πn * ax}{Px}) * \sin (\frac{πm * ay}{Py}))}^{2} + {(M 2 * \sin (\frac{πn * bx}{Px}) * \sin (\frac{πm * by}{Py}))}^{2} + \\ 2 * M 1 * M 2 * \sin (\frac{πn * ax}{Px}) * \sin (\frac{πm * ay}{Py}) * \sin (\frac{πn * bx}{Px}) * \sin (\frac{πm * by}{Py}) * \cos (\frac{πn * (2 cx - ax)}{Px} + \frac{πm * (2 cy - ay)}{Py}) \end{matrix}] \end{matrix}

其中m表示y方向衍射阶数，n表示x方向衍射阶数，M1和M2分别是当层和前层的反射系数。如图5所示，cx-ax表示X方向的偏移量，cy-ay表示Y方向上的偏移量，由该公式可以验证二维衍射光强差与偏移量呈线性关系。

综上所述，本实用新型提供的基于二维衍射的套刻精度量测结构，所述量测结构至少包括：形成于硅片中的多个前层图案，所述前层图案在X方向和Y方向上有序排列；形成于所述硅片表面的多个当层图案；所述当层图案与所述前层图案交错排列；在X方向或者Y方向上，所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半。本实用新型的量测结构通过激光的入射之后发生发射，在X正负半轴和Y正负半轴形成衍射光斑，再通过衍射光斑的光强差精确地测量判断出当层图案在四个方向是否发生偏移。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于，所述基于二维衍射的套刻精度量测结构至少包括：

2.根据权利要求1所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：在所述硅片和当层图案之间还形成有过渡层。

3.根据权利要求2所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：所述过渡层为至少包括一抗反射层的多层结构。

4.根据权利要求1所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：所述当层图案的套刻中心与相邻前层图案的套刻中心间的间隔是两个相邻前层图案套刻中心之间间隔的一半，这种情况定义为套刻精度为零，该情况下激光光源通过所述量测结构在X正负半轴和Y正负半轴上产生强度相等的一级衍射光斑。

5.根据权利要求4所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：所述激光为宽带宽激光光束的组合。

6.根据权利要求1所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：所述当层图案的套刻中心在制备工艺中沿X轴或Y轴发生偏移，则套刻精度不等于零，此时X正负轴或Y正负轴上一级衍射光斑的光强差与偏移量呈线性关系。

7.根据权利要求1所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：所述前层图案和当层图案的形状均为正方形。

8.根据权利要求1所述的基于二维衍射的套刻精度量测结构，其特征在于：形成当层图案的材料为光刻胶。