TWI279872B - Abnormal photoresist line/space profile detection through signal processing of metrology waveform - Google Patents

Description

1279872 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明一般是有關於半導體製造的領域。更特別而 θ ’本發明是有關於使用線寬度量衡，來分析具有圖案化 特性的半導體表面之方法。 【先前技術】 半導體製造係由在晶圓表皮（wafer lots)上所執行之一 些重要的製程步驟所構成。製造過程會使用可在製造架構 或網路中傳輸的工具。.伴隨製造模型描述（script)軟體的 此網路會建立製程控制系統。當半導體材質經由此系統中 的製程來而進行時，會收集與品質相關的資料。在此系統 中，通常會發生頻繁的製程錯誤，這會造成半導體材質在 重要尺寸上之顯著不一致性。 一旦晶圓具有圖案化的特性，會使用線寬度度量衡來 進行半導體表面品質的分析。製造問題時常會導致特性側 壁（feature’s sidewall)的品質較差。此外，最好能有最小 量的溶渣，並且殘留於特性的底部。當基底上之特性的數 目及特性的複雜度增加時，必須發展出確信使用者指定的 重要尺寸可以一致及精確地達成之方法。當技術促使半導 體元件的重要尺寸變的較小時，降低錯誤的需求實質上也 會增加。 一種方法就是利用軟體，來比較波形輪廓的重要尺寸 與偏差（deviant)輪廓的已知主要資料庫。在此方法中’所 -6 - (2) 1279872 有可能缺陷的重要尺寸必須經由形狀及刻度的詳細範圍’ 而在資料庫中獲得及達成。每種波形所使用的技術及度量 衡工具都是獨特的。資料庫必須對每一幾何（geometry)形

狀及基底努力維護。軟體可識別出整個信號輪廓與資料庫 中所發現的一個信號之任何的相關性。偵測需要整個信號 相關性，並且不容許任何程度之變異以及形狀。這種解決 方式會導致高度的錯誤偵測。由於效能不足，所以製造工 場不會採用此方法。 其他傳統的直列式（in-line)度量衡會量測光阻線寬 度，而無論半導體輪廓爲何。然而，輪廓會強烈地影響圖 案轉移，並且在小元件幾何中，需要做說明。本發明能辨 識異常輪廓、將偏差大小分級、以及在將晶圓表皮（lots) 進行鈾刻之前，使直列式度量衡系統能修正根本原因。 【發明內容】

本發明的一目的就是簡化半導體製造程序、增加生產 率、解決更精確的需求、以及藉由自動化製程而導致製程 可靠度/可重複性，因此可降低涉及人工的需求。 本發明的另一目的就是提出一種利用線寬度量衡信號 處理，而自動判斷具有圖案化特性之半導體表面的可接受 性。 本發明的另一目的就是識別及回應溶渣缺陷，其中在 線之間的空間未被充分地淸除。 本發明的另一目的就是提出藉由使用將適合曲線函數 -7- (3) (3)1279872 應用於獨立於形狀及大小的製程變化之已知信號特徵之所 揭露的方法，而普遍上可應用於廣泛的技術、度量衡工 具、以及製程控制系統。 本發明的又另一目的就是提出一種當正常波形輪廓取 決於大小獨立數値關係，而藉由使用已知幾何形狀來偵測 特定特性，以判斷特定特性的出現時，不需要「學習」正 常波形輪廓爲何的解決方式。 根據本發明，所揭露的方法係藉由使用也已知爲適合 曲線函數的幾何形狀，而利用線寬度量衡來分析半導體表 面品質，而能使半導體製造的製程自動化。這係藉由分析 形成於半導體層上的圖案化特性來達成。會掃瞄至少一種 圖案化特性，以產生線及鄰近的空間特徵之振幅調變波形 信號。對於此波形的信號處理係藉由直列式計算源而自動 地進行，以取得基於振幅調變波形信號的輪廓之已知的圖 案化特性。軟體會進行分類，而使製程自動化。取得的波 形區段係隸屬於曲線適合函數，以判斷此波形是否顯示半 導體層上的圖案化特性爲正常或異常，其直接與圖案化特 性品質的可接受性相關。一旦波形已分類出來，要處理的 多數晶圓會進行進一步的製程或重製（亦即，可接受或不 可接受）。 【實施方式】 掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope， 簡稱SEM)及類似的線寬度度量衡工具通常用來獲得半導 -8 - (4) 1279872 體製造程序中的重要尺寸（Critical Dimension，簡: 資料。一旦獲得資料，必須精確地將其做分析，以 處理的半導體材料。對於操作者而言，藉由只察看 衡工具中所獲得的資料來偵測問題是困難且無效率 著以較小，較緊密的晶圓配置來製造裝置，在製造 間，用以測試晶圓的度量衡之重要性會漸增。較大 增加的精確度係藉由本發明所揭露之使半導體表面 序自動化而提出。 SEM會產生資料，其代表從要掃描之每個表 中所反射的離子束。此資料會立即轉換成繪示於圖 類比信號之型式，其中信號的振幅係表示離子反 度。反射的強度係取決於材料及表面上特性深度而 因爲角落處的離子會從上及側表面中脫離，所以平 的反射會低於角落。因爲會捕捉凹陷處之側壁中的 所以在凹陷處內的反射會降低。 揭露的方法係藉由使用已知幾何形狀的數學表 使半導體製造處理自動化，而利用應用於離子束反 的類比信號表示式之線寬度度量衡來分析半導體 質。具有圖案化特性（如光阻）的半導體表面係藉由 少一個圖案化特性來做分析，而產生掃描波形信號 ig號的區段係對應於圖案化特性的特徵表面部分。 號區段係使用多個已知幾何形狀中的已知幾何形狀 理，以分析圖案化特性的可接受性，因此使決定半 料的表面品質之程序自動化。可接受性係與波形的 1 CD) 配置要 從度量 的。隨 程序期 效率及 估算程 面增量 3中的 射的強 變化。 坦表面 離子， 示式而 射強度 表面品 掃描至 。波形 這些信 來做處 導體材 情況有 -9 - (5) (5)1279872 關，如可接受「正常」條件。反之，可接受性係與「異 常」波形的情況有關，如不可接受的。已知的幾何形狀也 稱爲適合曲線函數。正常波形的偵測會確認此晶圓表皮可 接受繼續製造的品質。在偵測出異常波形之後，在進行進 一步的處理資源之前，可截去較差品質晶圓的一晶圓表 皮，因此可增加品質裝置的製造良率。 半導體晶圓製程系統1 〇 〇的簡化方塊圖係顯示於圖1 中，其中本發明中的至少某些教導會用於製程自動化。當 處理半導體晶圓時，電腦系統1 0 5，1 〇 7會與處理及度量 衡工具構成介面。如步進機（Stepper)或蝕刻製程工具的製 程工具1 0 1，1 03，以及如重要尺寸量測工具（例如，掃描 式電子顯微鏡）的度量衡工具102，104係經由網路通訊鏈 結器1 06而與電腦系統1 05構成介面。通訊包括多個控制 輸入信號及資料。電腦系統1 0 5係利用軟體程式，來控制 製造程序，並且蒐集恰當的資料。 此系統之顯示的製造流程會支援線1 06上的控制輸入 信號，其用於製程工具A 1 0 1。在此階段，當製造部分的 晶圓時，度量衡工具A 1 02會經由通訊鏈結器1 〇6，而將 資料輸入送到電腦系統1 〇 5 (亦即，控制器）。在一較佳實 施例中，電腦系統1 05會利用控制演算法，其能夠回應任 何先前處理及度量衡工具A 1 〇2所獲得的處理資料，而對 由製程工具A 1 〇 1所執行的製造程序做回授控制調整。在 額外的晶圓製造階段，製造流程會以重複的方式繼續下 去，其藉由與度量衡工具η 1 0 4所耦接的製程工具n 1 〇 3 -10- (6) 1279872 來表示。 半導體晶圓製程系統1 〇〇的進一步解釋係繪示於圖2 中，其中本發明的一較佳實施例係使用掃描式電子顯微鏡 當作重要尺寸（CD)度量衡工具。掃描式電子顯微鏡202包 括含有適當透鏡204，206的外罩（h〇using)203，用以處理 所執行過的，以及形成電子束頻道2 0 1。高電壓供應器 200係經由電子束行而提供電源。透鏡電源供應器205係 用以控制會擊中位於電子集電器（electron collector)上的 晶圓207之電子束。在外罩203中，係藉由真空系統209 來維持真空。電子會聚集且經由電路2 1 0來傳送，而傳送 到控制器1 0 5，這會形成影像。控制器1 0 5會處理影像， 並且會計算其形狀及大小。對製程工具A 1 0 1做調整可藉 由控制器1 05來做識別，以及進行傳輸。控制器1 05也會 控制掃描電路2 1 2及倍率控制器2 1 1。 如熟習此項技藝者所知的，重要尺寸或CD度量衡 (如圖案化導體的線寬及線距度量衡）會試圖使強度信號或 振幅調變波形信號與特性的實際尺寸（已知爲大小）相關 聯。以振幅調變波形信號之形式的強度信號經常可視爲及 處理爲輪廓或波形。CD線寬度量衡會使從線寬度量衡裝 置所產生的強度信號與圖案化特性（如半導體層上所產生 的光阻特性）的實際尺寸或大小相關。這係藉由掃描遍及 圖案化特性各處，以及使振幅調變波形信號變成從如線的 圖案化特性中所反射之偵測到的電子之函數而達成.。傳統 的線寬度量衡通常會忽視由圖案化特性形狀變化所產生的 -11 - (7) (7)1279872 效用。然而，由於半導體晶圓的進一步處理所產生的反效 果，所以必須時常判斷形狀° 圖3及4係顯示調整好的波形信號’其代表掃描輪 廓，從其中可決定圖案化特性的CD線寬。圖3及4係顯 示「正常」強度軌跡波形，其中波軌跡區段3 0 1係表示導 體線特性而波軌跡區段3 0 2係表示線之間的空間特性。 雖然晶圓特性的實際尺寸通常係以微米來表示，但是沿著 X軸3 0 3，4 0 2的圖形尺寸係以英吋來表示。所繪示的正 常強度軌跡波形係顯示藉由幾乎垂直的波形區段3 00之空 間的側壁相當均勻。每個空間的底部理想上爲平坦，且其 特徵在於波形區段403具有對應於圓圈400的弧形之凸 狀，在此情況中，其包括已知的幾何形狀。此已知的幾何 $狀係用來分析波形。以正常波形所顯示之已知特徵的例 子包括： 空間特性側壁波形區段3 〇〇，其爲均勻且近似平行， 亦即，接近垂直。 具有凸狀均勻弧形特徵的空間特性底部波形區段 4 G 3，其會與圓圈結合，或由表示適當形狀及尺寸的半徑 向纛4 0 1所定義。 圖5及6係顯示異常軌跡波形的區段，其代表輪廓， 從其中可決定圖案化特性的CD線寬。沿著X軸的圖形 尺寸5 0 3係以英吋來表示。此波形係表示出現熟習此項技 藝者所知道的情況，如「溶渣」或「底腳（footing)」，這 楚〜種缺陷，其中在導體線之間的空間未被充分地淸除。 -12- (8) (8)1279872 由時間區間5 Ο 1所表不的波形區段係對應於導體線。在區 間5 Ο 1之間的波形區段係對應於導體線之間的空間，其中 已使用鈾刻來產生線形狀。要注意的是’輪廓區段5 〇 4會 朝著位於502處的狹窄底部區段而逐漸變細’以致於500 處的寬度係大於底部寬度5 0 2。另外，如更淸楚地顯示於 圖 6中，每個空間區段輪廓的底部爲凹面，並且可以U 形輪廓6 0 0來描繪出特徵。 對於此種型式之線及空間的圖案而言，以異常波形所 顯示之已知特徵的例子包括： 空間特性符合如正拋物線形的已知幾何形狀600。 位於空間區段輪廓的底部之寬度502通常係遠小於位 於空間區段輪廓的頂端之對應寬度5 00 ; 寬度5 02係量測異常的大小；以及 低於空間寬度5 00的寬度5 02係表示溶渣或底腳。 本發明的手段係顯示在將此晶圓表皮（lot)進行進一步 的處理之前，已知的波形特徵可識別出來，並且可用來將 半導體晶圓的品質分類。本發明的一較佳實施例係利用軟 體，應用由已知的「正常」及「異常」特徵的數學表示式 所組成的演算法（如適合曲線函數），以判斷所處理之半導 體兀件的品質是否爲可接受，或應該要捨棄。圖7係提供 其駐存在控制器1 05中以利波形度量衡處理之軟體的流程 圖。在方塊7 0 0，會進行直列式半導體製程，在方塊 7〇 1，會伴隨相關的CD度量衡製程，從其中，會產生線 空間輪廓波形。在方塊702，會對這些波形進行信號處 (9) (9)1279872 理，以分析其屬性。在方塊7 03，會進行檢查，以判斷目 前所分析的波形是否具有「正常」屬性。若「正常」屬性 存在，則波形會分類爲「正常」；在方塊704，此晶圓表 皮會進行下個製程步驟（例如，蝕刻）。然而，若波形未分 類爲「正常」’則其會進行進一步的處理，以判斷其是否 具有「異常」屬性。若波形具有「異常」屬性，則在方塊 7〇5，其會分類爲「異常」，其表示此晶圓表皮需要重工 (rework) ° 圖8係詳述波形處理，以判斷所處理的波形是否具有 會將其分類爲正常波形的屬性。在方塊800，波形特性會 分成已知的特徵（例如，空間區段，線區段）。在方塊 8 0 1，會取得波形空間區段，用以進行進一步地處理。在 方塊8〇2 ’空間區段的特徵係藉由將適合曲線演算法應用 於取得的波形區段元件而決定出來。適合曲線演算法會試 圖將取得的半徑（亦即，如圖4中所繪示的正或凸狀半徑） 與取得的波形空間區段產生關聯。若適合曲線函數成功地 定義出半徑値（凸狀適合曲線，例如，圓弧形），則會將其 與空間寬度做比較，如圖3中所定義的寬度3 〇2。若此半 徑與空間寬度相較起來爲相當大（方塊803)，則會將波形 特徵分類爲正常（方塊8 〇4)，並且此晶圓表皮會自動進行 進一步的製程（方塊7〇4)。然而，若適合曲線演算法不$ 功（亦即，與空間寬度相關的大凸狀半徑特徵不存在於戶斤 分析的波形中），則會進行異常波形條件的檢查（方^ 8 0 5卜 -14- (10) 1279872

異常波形處理係定義於圖9的流程圖中 900，爲了判斷異常空間區段輪廓是否存在於所 形中，拋物線適合曲線函數會與所取得的空間 (參照圖6)。拋物線適合曲線係以底下的方程式I / = •77，其中F爲圖3中的尺寸302或圖5 5 02所代表的寬度。 在方塊90 1，會進行測試，以判斷正拋物線 存在於處理過的空間區段中。此測試也會將拋物 寬度與空間寬度做比較。若空間形狀與空間長度 相當小且具有如圖6中所顯示的正拋物線形狀， 9〇2，中心（focus)長度會計算出來（見圖5)。若中 於或等於空間寬度（方塊903 )，則會將此波形分 常」（方塊90 4)，並且會將此晶圓表皮自動地列 的範疇（方塊705 )。在此製程期間，若異常波形 在，則會記錄此波形，並且會將此晶圓表皮自動 重工的範疇（方塊9 0 5 )。 所教導的本發明普遍上可應用於廣泛的技術 工具、以及製程控制系統。使用幾何形狀或適合 法的方法係獨立於製程變化、形狀偏差、以及能 動化的大小變化。因爲使用適合曲線函數，所以 需要「學習」「正常」及「異常」輪廓特徵的詳 使用所揭露的方法之製程自動化會產生更有效率 決方案。 雖然在本發明中，只有某些較佳特性已藉由 。在方塊 分析的波 區段相關 杉表示： 中的尺寸 特徵是否 線形狀的 相較起來 則在方塊 心長度小 類爲「異 入需重工 條件不存 地列入需 、度量衡 曲線演算 使製程自 本發明不 盡例子。 的製造解 例子來顯 -15- (11) (11)1279872 示’但是熟習此項技藝者可做許多修飾及改變。因此，要 了解到的是’本申請專利範圍係用以包含所有這樣的修飾 及改變’其會落於本發明的真實精神之內。 【圖式簡單說明】 才：# S月認爲具有新穎性的的特性係特別於後附的申請 專利範圍中提出。然而，本發明本身，關於其結構及運作 方法，可藉由參照以下的說明及附圖而最佳地獲得了解。 圖1係顯示製造系統的方塊圖； 圖2係顯示在製造系統內之子系統的方塊圖； 圖3係識別出具有特徵的正常強度軌跡波形； 圖4係將具有特徵形狀的正常強度軌跡波形識別爲與 適合曲線函數有關； 圖5係識別出具有特徵的異常強度軌跡波形； 圖6係顯示拋物線特徵的異常強度軌跡波形區段； 圖7係波形分類程序的流程圖， 圖8係用於正常條件之波形度量衡處理的流程圖；以 及 圖9係用於異常條件之波形度量衡處理的流程圖。 圖式標示說明： 100半導體晶圓製程系統 1 〇 1 製程工具 102度量衡工具 -16- (12) (12)1279872 1 ο 3 製程工具 104度量衡工具 1 0 5電腦系統 106網路通訊鏈結器 1 〇 7電腦系統 200高電壓供應器 201電子束頻道 202掃描式電子顯微鏡 203 外罩 2 0 4 透鏡 20 5 透鏡電源供應器 2 0 6 透鏡 207 晶圓 208電子集電器 2 0 9 真空系統 2 1 0 電路 2 1 1倍率控制器 2 1 2掃瞄電路 3 00接近垂直的波形區段 3 0 1波形區段 3 02波形區段 3 03 X 軸 400 圓圈 4 0 1 半徑向量 -17 (13) (13)1279872 4 02 x 軸 40 3波形區段 5 0 0 空間寬度 5 0 1 區間 5 02寬度 5 0 3圖形尺寸 5 0 4 輪廊區段 6 0 0 U型輪廓

Claims (1)

1. (1) (1)1279872 拾、申請專利範圍 1. 一種電腦化方法，用以在製造期間分析一半導體 晶圓，該方法包括： 掃描位於一半導體晶圓表面上之複數個圖案化特性中 的至少一個，以產生代表該些特性中的表面特徵之一振幅 調變波形信號；以及 取得對應於所選擇之該些特性之該波形信號的元件， 並且將取得的該些元件與相關於取得的該些元件之預定想 要的幾何特徵做比較，以判斷該些特性的可接受性。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中掃描的步驟 包括使用一掃描式電子束顯微鏡來掃描，以產生一表面影 像，而產生的步驟包括將該掃描式電子束顯微鏡影像轉換 成振幅調變波形。 3 .如申請專利範圍第2項之方法，其中該些表面特 徵包括線寬及線距。 4.如申請專利範圍第2項之方法，其中該些幾何形 狀包括拋物線形狀及圓圏形狀。 5 .如申請專利範圍第3項之方法，並且包括將對應 於約一最寬位置處的線距之波形特性的寬度與約一最窄位 置處之這樣特性的寬度做比較之步驟。 6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中比較的步驟 包括將取得的該些波形元件之曲線適合成理想化表面特性 的波形元件特徵。 7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中曲線適合的 -19- (2) (2)1279872 步驟包括分析對應於線距的波形特性，以估算一致且近似 平行的特性側壁。 8 .如申請專利範圍第6項之方法，其中曲線適合的 步驟包括分析對應於凸狀最低點的線距之波形特性 9-如申請專利範圍第1項之方法，其中該些圖案化 特性中的該至少一個包括在圖案化導體之間的一蝕刻空 間，而取得的元件從該空間內之離子束反射。 10. 如申請專利範圍第9項之方法，並且包括識別位 於該振幅調變波形的頂端級及底部級之區段間隔的寬度之 比率，以判斷特性可接受性。 11. 如申請專利範圍第9項之方法，並且包括將對應 於圖案化導體之間的一空間之一特性元件的一底部與一圚 圈做比較，以判斷特性可接受性。 -20-