TW564510B - Method for performing an alignment measurement of two patterns in different layers on a semiconductor wafer - Google Patents

Description

564510 A7 B7 五、發明説明（彳 ) 本發明係關於一種在半導體晶圓上不同層中執行兩個圖 樣的對準測量之方法，其包含一組具有針對該對準測量而 選擇之固定數目的曝光域，每一該曝光域均備有至少一個 對準結構。 在整份文件中，術語「對準結構」是指用來在半導體晶 圓上確認絕對或相對位置的任何測量標誌，例如曝光工具 中用來在一平臺上對準晶圓的對準標誌，或用來比較不同 層中兩圖樣之差異的覆蓋層目標，或藉由與一庫存或參考 晶圓的參考資料相比較，而測量晶圓上之絕對位置的定位 標諸。 由於積體電路的最小結構尺寸快速地縮小，故對於以一 光罩圖樣進行半導體晶圓的精密曝光設立了嚴格的要求。 吾人通常將一專用對準標誌對齊另一個對準標誌，而達成 精確的覆蓋層，其中先前的曝光步驟（亦即最近層）已將專用 對準標誌建造於晶圓表面上，另一個對準標誌則與目前步 驟中即將投影於晶圓上的光罩圖樣有關。 在一曝光工具中進行曝光之前，會先比較最近層上已建 造之對準標誌與目前層上尚未投影之虛擬對準標誌的位 置，以執行半導體晶圓的此一對準動作。 曝光之後，可在一覆蓋層工具中監視所執行之對準操作 的精確度，其中吾人可測量相關對準標誌一現在兩者均已 建造於隨後的各層中一在X和y方向上的位置，並將其間的 差距與一臨界值相比較。 目前的覆蓋層規格要求高檔產品的最大覆蓋層公差為35 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

到50奈米。對準標誌通常置於切割線或晶圓上各曝光域的 框線’在曝光對準與覆蓋層控制期間會量測其位置差距。 曝光期間常見的對準程序為選擇一組在先前的曝光步驟中 已經建造’且具有預定數目之位置的曝光域。吾人在這些 (例如九個）曝光域中的每一個曝光域内，透過光學儀器沿著 X和y方向測量四個對準標誌，並與其虛擬對應標誌比較。 決定目前即將投射之層相對於先前之層的位置差距、位 移、縮放比例及旋轉之後，即可調整晶圓平臺的位置與移 動。 與所選取之曝光域有關，且為對準操作而決定的資訊通 常由對準控制軟體列表及讀出，此軟體會自動執行每一對 準測量。 類似的程序對於覆蓋層控制也有效。在幾種後處理步驟 中，例如化學機械研磨（CMP)或蝕刻，先前的曝光步驟所 製造的對準標誌常會損壞或模糊掉，特別是如果發生了一 些製程改變。在這些情況下，對準標誌的結構必須適應製 程及其改變，因此可能會產生劣化的對準標誌。故在許多 情況下，充分的對準程序或覆蓋層控制是不可行的，特別 是如果上述製程系統化地發生，例如在晶圓的邊緣。因此 對準品質變差，造成晶圓良率降低。 為避免這個問題，若覆蓋層或對準控制程式無法偵測到 預先選擇的曝光域和對準標誌，或發生兩次測量結果很差 的信號時，通常會發出其他信號。不幸的是，接下來系統 即需要操作員輸入如何處理目前狀況，這樣會耗費寶貴的 -5 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 時間，也需要較多的操作人員。 居=:標為減少半導體晶圓的對準測量 或覆盡層測量所需的時間，以及增加晶圓良率。 一 ^目標可藉由-種在半導體晶圓上不同層中執行個 圖樣之對準測量的方法而予解決，此方法包含具有針對該 對準測量而選擇之固定數目的_組曝光域，且包含下列步 驟·將半導體晶圓提供給處理卫具，以執行該對準測量； 在具有較數目的-組曝光域中的第_個曝光域内選擇一 第-對準結構；使㈣第—對準結構執行偏移量測量，並 發出-錯誤信號，代表該偏移4測量因對準結構品質不良 不可行或產：t超出公差範圍之偏移量的情況；回應 該錯誤信號’而選擇-第二曝光域做為替代物，此第二曝 光域並不包含在該半導體晶圓上的_組曝光域内，但第一 曝光域除外；在該第二曝光域内選擇一第二對準結構；使 用該第二*f準結構執行偏移量測量，並繼續測量該組曝光 域中下一個曝光域内一對準結構的第二相對偏移量。 根據本發明，若無法執行偏移量的測量，則選擇一不同 的對準結構或等效的對準標誌。例如，這可能是由於上述 模糊掉或損壞的效果。吾人並不向操作員發出警報，以中 斷曝光製程，而是選擇一替代對準結構，且仍可提供足夠 量的資訊，俾於對準步驟期間執行調整決定，或在度量檢 驗中完整地描繪覆蓋層的特性。 為使對準標誌在整個晶圓地圖上的位置儘可能地保持恆 定’可從發生錯誤的同一曝光域選擇第二對準結構。由於 -6 - 本紙張尺度適用中® ®家標準(CNS) A4規格(210 X 297公着) 564510 A7 B7 五、發明説明匕 ) 4 測量額外的對準標誌只需數秒鐘，並仍可保持整體的品 質，故相較於操作員的介入，可節省大量的時間。 若從位置在損壞或模糊掉之對準標誌附近的同一曝光域 選擇對準標誌，則最為理想。但第二對準結構亦可從不同 的曝光域選擇，而此曝光域並非預先選擇之一組曝光域的 一部分。在此種情況下，所選擇之曝光域的總數亦保持不 變，俾使執行對準操作所需之位置資訊的量維持恆定。 本方法最好在覆蓋層或對準控制程式内實作，此程式可 從一已儲存好的表格中選擇需要的曝光域及對準標誌。若 發出錯誤信號，代表對準結構品質不良或違反偏移量公差 等問題，則選擇一替代曝光域及對準標誌，該曝光域及對 準標誌最好事先儲存於同一表格内，因而與起初的固定一 組曝光域及對準標誌有關聯。在此一範例中，一組曝光域 中的每一個曝光域皆有自己的替代曝光域。 本方法可應用於半導體晶圓製造之製程工具的任何對準 或覆蓋層測量。此方法不限於曝光工具或覆蓋層度量工 具，亦可使用於其他度量工具的對準程序，例如缺陷檢 驗、掃描電子顯微鏡或需要對準的處理工具，因為它們會 影響晶圓表面的不同部分。 第二曝光域相對於第一曝光域的位置，可有利地適應具 損壞或模糊化作用之製程可以預期的問題，例如其可為晶 圓地圖上同一列的下一個曝光域，或一般而言可選擇沿晶 圓中心方向或反方向上的下一個曝光域《第二曝光域亦可 能隨機選擇，且因此始終考慮到：某一曝光域若已屬於預 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

裝 564510 A7 B7 五、發明説明（5 ) 先選擇之固定數目的一組曝光域，則該曝光域不得測量兩 次。另一方面，吾人考慮第二對準標誌亦呈現模糊化或損 壞的情況。根據本發明，吾人即選擇具有第三對準結構的 第三曝光域，以執行不同層中之對準標誌的偏移量測量。 選擇其他曝光域做為替代物的程序可以繼續下去，直到吾 人達到替代曝光域的臨界數目，代表顯然所有對準標誌都 已模糊掉，或吾人可能將錯誤的光罩圖樣投影在於已經製 造之晶圓表面的情況。 吾人考慮一種精細改進本發明之構想的方法，此方法與 一自我學習系統有關，該系統使用重複執行本發明之方法 所得的結果做為一神經網路的輸入。神經網路使用根據本 發明的方法加以訓練。例如，若所選擇的曝光域重複造成 測量錯誤或者會導致對準不當的移動標誌，則該系統會改 變替代曝光域的選擇，或甚至預定之一組曝光域的選擇， 俾對於此種狀況作出反應。同法對曝光域内之對準標誌的 選擇也有效。此構想可藉由模糊邏輯來實現。 由於吾人可藉由曝光域及其替代物的選擇來維持（甚至改 進）對準與覆蓋層的品質，故晶圓良率增加，且系統維護或 修理所花的時間可以有利地縮短。 從相關的申請專利範圍中，可明顯看出進一步的優點及 特色。 參考以下有關本發明之具體實施例的描述及其附圖，將 可更為明瞭本發明，其中 圖1顯示品質不良的第一對準結構，造成選擇在同一曝光 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 564510 A7 B7 五、發明説明（6 域（左下）或不同曝光域（右下）内的不同對準結構， 圖2顯示一半導體晶圓的曝光域地圖，其中i代表具有被 選擇進行測量之對準結構的曝光域，2或3代表一替代物， 圖3顯示一為使替代目標與標準目標匹配而建立的圖形。 圖1上方顯不一對準結構2〇，吾人將此結構實作為一將於 度量衡工具中測量的覆蓋層目標，由於先前的處理步驟導 致其品質不良。對準結構20係置於一半導體晶圓丄上每一曝 光域2的切割線的左上角。在此範例中，對準結構2 〇包含 a)4個安排為正方形的雙溝槽，此雙溝槽係於先前建造的 0.14微米DRAM·圖樣的深溝槽層内形成，以形成一參考目 標31，以及b)光阻層上的四個較小，但以同樣方式建造的 長條’此長條為閘極接觸層，在a)所給定的正方形内，以 形成一光阻目標30。 覆蓋層測量包含測量光阻目標3 〇的中心相對於先前形成 之層上已建造之參考目標31的偏移值。雖然在圖i上方的 SEM影像中’光阻圖案30清晰可見，但先前建造之層上的 參考目標31由於最近的曝光過程中發生了局部焦點，或由 於化學機械研磨（CMP)而被擦掉，致呈現的結構對比不 良。 若對準結構20位於曝光域2(為對準量測選擇之一組曝光 域10的一部分）内，如圖2所示，則很難執行各層圖樣3〇、 31中心位置之χ-y-偏移量測量。特別是先前建造之圖樣的 參考目標3 1中心位置難以決定。因此度量衡工具的控制單 元會產生一錯誤信號，指示因為對準結構提供的品質不良 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 564510 A7 ____B7 五、發明説明（7 ) 或根本無法偵測，故偏移量測量為不可行。錯誤信號接著 由控制程式評估，此程式可使用—份表格，立中包含在一 替代曝光域11内之第二對準結構2lb的位置，此位置唯—盘 先前的曝光域1G有關聯。對兩個對準結構2Q、2ib而言了 在曝光域10、11内的相對位置均相同。 若特別局部的現象（例如焦點）導致對準結構20被擦掉的 問題，則在-距離夠遠之曝光域内相對應的對準結構2 進行對準測量的可能性，將比在第一曝光域内大得多。 圖1右下角之對準結構211)的情況下，很容易測量兩:中、、 位置，亦即光阻目標30與雙溝槽參考目標3lb的中心位置二 故可達成精確的覆蓋層決定。因此在圖丨中，度量衡工具抑 制程式回應錯誤信號而執行的曝光域間更換1〇1，可提供^ 度的自動化，因此可節省時間，並改進產品品質。 八同 圖1中本發明的另一具體實施例顯示於左下角。由於偵測 到對準結構20的品質不良，而產生錯誤信號，度量衡工具 的控制程式從錯誤信號内容認出雙溝槽參考目標31的問題 係特別因為化學機械研磨（CMp)的效應。若從具有雙溝槽 參考目標3 1(結構寬度為〇·4微米）的曝光目標2〇切換到曝光 域11内的另一對準結構2ia，則可規避此問題，曝光域"本 質上與具有一溝槽參考目標31 a(結構寬度為1.2微米）的曝 光域10(具有單一溝槽）相等。 若較大型的結構尺寸受損害的程度不像小型結構尺寸_ 般強烈，這可能很有利。在此具體實施例中，第二對準結 構21 a與品質不良的第一對準結構20相距大約60微米。此一 -10- 本紙張尺度適用f國國家標準(CNS) ^規格(21()><297公^7"""""' —~~一— 564510 A7 B7 五、發明説明（8 ) 第二對準結構2 la的位置亦儲存於度量衡工具控制程式使用 的參考表格内，俾將光學元件驅動至該位置。 因此，先進製程控制提供在最近的製程（包括CMP或曝光) 期間可能發生的問題的資訊，配合此一優點，度量衡工具 的控制程式可以決定是否執行曝光域間更換101或曝光域内 更換100〇 吾人亦可組合兩種100、101更換方式，亦即先嘗試曝光 域内更換100，若此一更換無法改善，其次則嘗試曝光域間 更換101。 由曝光域内替代目標2 la與標準目標20之間經過測量的可 再現偏移量產生的修正，若應用於控制覆蓋層測量，可達 到進一步的改善。對應的測量示於圖3 ^此處，吾人已決定 替代對準結構21a之閘極接觸對準圖樣30a與標準對準結構 20的對應閘極接觸圖樣30之間的覆蓋層精確度有-1奈米的 偏移量。Y方向上的對應差異總計為+4奈米。這些結果可 使用為對準測量的輸入修正，其中第一對準結構20由於品 質不良而無法測量，故予跳過，以支持替代對準結構21a。 如吾人所預期，這些偏移量比典型的覆蓋層規格200(總計 為+/- 60奈米）小得多。吾人對同一批號的產品測量以上提 供的值，其中對準結構20、2 la均提供可行的測量。 亦如圖2所示，九個被選擇的曝光域10，其第二替代曝光 域11與原先之曝光域10的相對位置不需為對稱排列，例如 在所有情況下均為右邊的下一個曝光域。相反地，吾人可 藉由經驗或實作神經網路，個別地選擇這些曝光域。如果 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)

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564510 A7 B7 五、 發明説明（ 某些曝光域重複出現測量錯誤，或如果某一替代曝光域11 的相對位置重複提供高品質的覆蓋層測量，則此點特別有 利。吾人可將替代曝光域插入所選擇的群組，以及挑出至 今仍唯一與其有關聯的曝光域，而改變該群組。 暗中通知操作員的副產品為某些曝光域由於先前的處理 而有問題。這有助於較快確認原因，例如製造廠内的曝光 工具或任何其他處理工具的局部增強的粒子污染、夾頭問 題、透鏡問題等等。 參考號碼列表 1 半導體晶圓 2 曝光域 10 被選擇進行對準測量的曝光域，該曝光域中的第一個 11 替代曝光域，第二曝光域 12 進一步的替代曝光域，第三曝光域 20 被選擇進行對準測量的對準結構 21a同一曝光域内的替代對準結構，第二對準結構 21b其他曝光域内的替代對準結構，第二對準結構 30 第一層的對準圖樣 31 第二層的對準圖樣 31a具有不同尺寸之替代結構的對準圖樣 31b第二層中具有相同尺寸之替代結構的對準圖樣 100曝光域間更換 101曝光域内更換 2〇〇覆蓋層規格公差 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

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線

Claims (1)

1. 564510 第091109332號專利申請案 A8 中文申請專利範圍替換本(92年9月）g D8 々、申請專利範圍 1. 一種在半導體晶圓（1)上不同層中執行兩個圖樣的對準測 量之方法，其包含具有針對該對準測量而選擇之固定數目 的一組曝光域（10)，該組曝光域（10)中的每一個均備有至 少一個對準結構（20)，該方法包含下列步驟： -將半導體晶圓（1)提供給處理工具以執行該對準測量， -在該具有固定數目之一組曝光域（10)中的第一曝光域 -(10)内選擇一第一對準結構（20)， -使用該第一對準結構（20)執行偏移量測量，並發出錯 誤信號，代表該偏移量測量由於對準結構品質不良或產生 一超出公差範圍之偏移量（200)而不可行之情況， -回應該錯誤信號選擇一第二曝光域（11)做為替代，該 曝光域不包含於該半導體晶圓（1)上的一組曝光域内，但 第一曝光域（10)例外， -在該第二曝光域（11)内選擇一第二對準結構（2 la、 21b)， -使用該第二對準結構（21a、2 lb)執行偏移值測量， -繼續在該組曝光域（10)中的下一個曝光域内測量一對 準結構的第二相對偏移量。 2. 如申請專利範圍第1項之方法， 其特徵為 該第二曝光域（11)與第一曝光域（10)相同。 3. 如申請專利範圍第1項之方法， 其特徵為 該第二曝光域（11)與第一曝光域（10)不同。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) A B c D 564510 六、申請專利範圍 4. 如申請專利範圍第2項之方法， 其特徵為 選擇在同一曝光域（10、11)内的第二對準結構（2 la)以 使第一對準結構（20)與第二對準結構（2la)之間的相對距 離大於10微米，且小於100微米。 5. 如申請專利範圍第2或4項之方法， 其特徵為 第二對準結構（2 la)係選擇為使最小線寬的尺寸與第一 對準結構（20)的最小線寬至少相差百分之20。 6. 如申請專利範圍第2、3或4項之方法， 其特徵為 -使用該第二對準結構（21a)執行偏移量測量時，會發出 錯誤信號，代表該偏移量測量由於對準結構品質不良或產 生一超出公差範圍之偏移量而不可行之情況， -回應該錯誤信號選擇一第三曝光域（12)做為替代，該 曝光域不包含於該半導體晶圓（1)上的一組曝光域内，但 第一曝光域（10)例外， -使用一第三對準結構（21b)執行偏移量測量。 7. 如申請專利範圍第2、3或4項之方法， 其特徵為 該處理工具係為一曝光工具，且該對準測量係執行以提 供晶圓平臺調整。 8. 如申請專利範圍第2、3或4項之方法， 其特徵為 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

   564510 六、 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 該處理工具係為一覆蓋層度量衡工具，且該對準測量係 執行以控制最近在該半導體晶圓（1)上執行之處理製程的 品質。 9. 一種在半導體晶圓（1)的不同層上執行一系列兩個圖樣的 對準測量之方法，其包含具有針對該對準測量而選擇之固 定數目的一組曝光域（10)，該組曝光域（10)中的每一個均 備有至少一個對準結構（20)， 其特徵為 -使用申請專利範圍第1到第8項中任何一項的方法來訓 練一神經元網路， -對該半導體晶圓（1)的至少一個曝光域（10)，在不同層 的偏移量測量中重複偵測到錯誤信號時，神經元網路會發 出一信號， -回應該信號，該組曝光域（10)的選擇會被更改。 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）