TWI401549B - 二維陣列疊對圖樣之設計方法、疊對誤差量測方法及其量測系統 - Google Patents

Description

二維陣列疊對圖樣之設計方法、疊對誤差量測方法及其量測系統

本揭露係關於一種疊對誤差的量測方法及其系統，特別係關於一種二維陣列疊對圖樣之設計方法、疊對誤差之量測方法及其量測系統。

隨著半導體製程技術不斷地向上提升，對微影疊對量測的精準度要求日趨嚴格。根據國際半導體技術藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductor，ITRS)，預計2010年量產的45奈米半導體製程的疊對誤差的容忍度約為9奈米，而疊對量測不確定度則必須小於0.8奈米。因此傳統影像式疊對量測(image-based overlay metrology)方法，受限於光學繞射極限與鄰近效應(proximity effect)的影響，已經無法達到下世代結構參數量測精度的要求。而繞射式疊對量測方法有別於影像式疊對量測，不受光學繞射極限與鄰近效應的限制，並且具備高量測重複性(repeatability)與再現性(reproducibility)，將成為一個重要的疊對誤差測技術。

繞射式疊對量測系統主要由散射儀與資料比對軟體所組成，而其中所利用的資料分析比對方法主要分為理論模型(theoretical model)資料庫比對和經驗法則(empirical model)比對兩種方法。其中理論模型基本上是應用電磁理論來模擬入射光與疊對光柵作用所繞射的特徵圖譜，並建立理論模型比對資料庫。繞射的特徵圖譜隨疊對光柵幾何參數(如線寬、側壁角、厚度、疊對誤差等)及光學特性參數(如折射係數、消光係數等)不同而有變化。在操作實務上，由於光柵的線寬、厚度、側壁角、疊對誤差等參數具有相互耦合性，故實際在分析時任一參數的誤判都會造成疊對量測求解上的誤差。如美國專利第7,283,237號專利所揭示之光學量測系統，其應用理論模型建立比對資料庫。然其所設計之二維光柵圖樣無法解決X軸方向與Y軸方向之量測相關性。

經驗法則是設計一系列(至少四個以上)不同疊對誤差的量測圖樣，並實際製作疊對光柵結構於晶圓上，藉由一系列疊對光柵的繞射圖譜量測分析，建立一經驗值回歸線用於量測值的比對分析，其好處為不需使用理論值建立比對資料庫，因此可以克服多個參數彼此互相關聯所造成的問題，但其缺點為須在晶圓上建立許多光柵圖樣，也使量測時間增長。

本揭露提供一種二維陣列疊對圖樣之設計方法、疊對誤差之量測方法及其量測系統，其可消除結構參數之交互影響，使得疊對誤差量測具有更高之靈敏度，且無需製作大數量的疊對光柵結構於晶圓上，可縮短疊對誤差的量測時間。

本揭露之一實施範例揭示一種二維陣列疊對圖樣之設計方法。首先，選取複數個二維陣列疊對圖樣並計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值，其中該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差。之後，根據該模擬繞射光譜的差分值選擇一誤差獨立疊對圖樣。最後，根據該誤差獨立疊對圖樣之結構參數設計一二維陣列疊對圖樣。

本揭露之另一實施範例揭示一種二維陣列疊對圖樣之量測方法。首先量測一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜，再計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值。之後，進行一比對程序以從一資料庫中找出一匹配差分值，其中該資料庫儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差。最後，根據該匹配差分值，決定該待測二維陣列疊對圖樣之疊對誤差。

本揭露之再一實施範例揭示一種疊對誤差量測系統，其包含一角度散射儀系統、一資料處理模組、一資料庫及一比對單元。角度散射儀系統用以擷取一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜。根據所擷取之量測繞射光譜，資料處理模組用以在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值以計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值。資料庫用以儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差。該比對單元根據該資料庫之儲存資料比對資料處理模組所計算之差分值，以得到一匹配疊對誤差。

上文已經概略地敍述本揭露之技術特徵，俾使下文之本揭露詳細描述得以獲得較佳瞭解。構成本揭露之申請專利範圍標的之其它技術特徵將描述於下文。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施範例可作為基礎而相當輕易地予以修改或設計其它結構或製程而實現與本揭露相同之目的。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者亦應可瞭解，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本揭露的精神和範圍。

本揭露應用單一二維陣列疊對圖樣(包含二個二維陣列光柵)的模擬繞射光譜之差分值。本揭露所設計之二維陣列疊對圖樣可消除結構參數之交互影響。另一方面本揭露亦可建立足夠程度的理論模型資料，俾便省去在晶圓上製作大數量量測圖樣之工作。

圖1顯示本揭露之二維陣列疊對圖樣的設計方法之一實施範例。首先在步驟101中，選取複數個二維陣列疊對圖樣，並計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值(步驟102)，其中該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差。之後，在步驟103中根據該模擬繞射光譜的差分值選擇一誤差獨立疊對圖樣。最後，在步驟104中根據該誤差獨立疊對圖樣之結構參數設計一二維陣列疊對圖樣。

圖2至圖10將對上述步驟進一步詳述。簡言之，本實施例係根據各二維陣列疊對圖樣產生一繞射光譜，並以其疊對誤差對差分值作一曲線圖，再根據曲線圖考量差分值與疊對誤差之相關度以設計一二維陣列疊對圖樣。

圖2A、2B分別例示一二維陣列疊對圖樣之側視圖及下視圖。該二維陣列疊對圖樣20包含一上層二維陣列光柵22、一中間層24及一下層二維陣列光柵26。上層二維陣列光柵22及下層二維陣列光柵26具有相同的結構參數，惟其上層二維陣列光柵22及下層二維陣列光柵26在X軸方向及Y軸方向具有疊對誤差Δx及Δy。舉例而言，上層二維陣列光柵22及下層二維陣列光柵26具有相同的節距(Pitch)、線寬(critical dimension，CD)、側壁角等結構參數，而上層二維陣列光柵22及下層二維陣列光柵26在X軸方向及Y軸方向之疊對誤差分別為Δx及Δy。若給定二維陣列疊對圖樣之結構參數及疊對誤差(Δx及Δy)，即可利用嚴格耦合波理論(Rigorous Coupled-Wave Theory，RCWT)產生該條件下之模擬繞射光譜。根據本揭露之一實施範例，固定方位角φ為0度，變化入射角θ(-50度至50度)以產生不同疊對誤差(Δx=Δy=0nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm)之模擬繞射光譜。

圖3例示一模擬繞射光譜曲線圖，其包含0階、+1階及-1階之模擬繞射光譜曲線。根據本揭露之一實施例，一設計者可以利用+1階之模擬繞射光譜曲線以求得各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。本實施例之差分值可為均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)值。

圖4顯示圖3中+1階之模擬繞射光譜曲線，其中各曲線分別代表不同Δx及Δy之模擬繞射光譜。對於每一模擬繞射光譜曲線，在掃描角度零度兩側依序取得相對應角度之訊號差值以計算模擬繞射光譜的均方根誤差值。相對應角度之訊號差值，例如為+50度及-50度之訊號差值、+49度及-49度之訊號差值、...、+2度及-2度之訊號差值、及+1度及-1度之訊號差值。因此，根據於每一模擬繞射光譜曲線，可求得一均方根誤差值。

為進一步闡釋，圖5顯示在特定Δy(0nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm)條件下，Δx對均方根誤差值的變化圖。根據圖5之曲線，在Δx為80nm-180nm之區段，曲線具備線性及高重合程度，意即Δx與Δy之誤差量測相關性趨近於零。

再進一步地，圖6顯示在特定Δy(0nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm)及特定線寬CD(95nm、100nm及105nm)條件下，Δx對均方根誤差值的變化圖。根據圖6之曲線，在Δx為80nm-120nm之區段，曲線具有高重合程度，意即在製程上如造成不同線寬CD情況下，在Δx為80nm-120nm之區段，Δx與Δy之誤差量測相關性亦趨近於零。因此，考量上述之曲線圖以及Δx與Δy之誤差量測相關性，根據揭露之一實施例，設計者可選取一誤差獨立疊對圖樣，其二維陣列疊對誤差Δx=Δy=100nm。最後，根據該誤差獨立疊對圖樣之結構參數設計一二維陣列疊對圖樣。

圖7顯示所設計之二維陣列疊對圖樣之下視圖。

此外，根據本揭露另一實施例，設計者亦可利用-1階之模擬繞射光譜曲線以求得各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的均方根誤差值。

圖8顯示圖3中-1階之模擬繞射光譜曲線，其中各曲線分別代表不同Δx及Δy之模擬繞射光譜。對於每一模擬繞射光譜曲線，在掃描角度零度兩側依序取得相對應角度之訊號差值以計算模擬繞射光譜的均方根誤差值。因此，根據於每一模擬繞射光譜曲線，可求得一均方根誤差值。

圖9顯示在特定Δy(0nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm)條件下，Δx對均方根誤差值的變化圖。根據圖9之曲線，在Δx為220nm-320nm之區段，曲線具有高重合程度，意即Δx與Δy之誤差量測相關性趨近於零。進一步地，使用者可以取得在特定Δy(0nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm及200nm)及特定線寬CD(95nm、100nm及105nm)條件下，Δx對均方根誤差值的變化曲線圖。

最後，考量該變化曲線所設計之二維陣列疊對圖樣如圖10所示，其疊對誤差Δx及Δy分別為300nm及100nm。

此外，若將各二維陣列之疊對誤差與其相應之均方根誤差值予以整理並建構一資料庫，之後依據量測一待測二維陣列疊對圖樣之繞射光譜再計算其均方根誤差值，即可在資料庫中找出匹配均方根誤差值對應之疊對圖樣，而得知該待測二維陣列疊對圖樣的疊對誤差。

圖11例示本揭露之疊對誤差量測方法之一實施範例。首先在步驟111中量測一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜，再計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值(步驟112)。該差分值可為均方根誤差值。該待測二維陣列疊對圖樣包含一上層二維陣列光柵、一中間層及一下層二維陣列光柵。之後，在步驟113中進行一比對程序以從一資料庫中找出一匹配差分值，其中該資料庫儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差。最後，在步驟114中根據該匹配差分值，決定該待測二維陣列疊對圖樣之疊對誤差。

申言之，建構該資料庫包含選取複數個二維陣列疊對圖樣，該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差。之後，計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。各二維陣列疊對圖樣包含一上層二維陣列光柵、一中間層及一下層二維陣列光柵。該上層二維陣列光柵結構及該下層二維陣列結構具有相同之節距、線寬及側壁角等結構參數。此外，計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的離散值包含利用嚴格耦合波理論產生各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜，以及在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值以計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。而其所產生之模擬繞射光譜可為正一階模擬繞射光譜或負一階模擬繞射光譜。

圖12例示根據本揭露之疊對誤差的量測系統120，其包括一角度散射儀系統122、一資料處理模組124、一資料庫126及一比對單元128。該角度散射儀系統122用以擷取一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜。該待測二維陣列疊對圖樣包含一上層二維陣列光柵結構及一下層二維陣列光柵結構。根據所擷取之量測繞射光譜，該資料處理模組124用以在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值以計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值。該差分值係為均方根誤差值。該資料庫126用以儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差，其中該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差，各二維陣列疊對圖樣包含一上層二維陣列光柵結構及一下層二維陣列光柵結構。該上層二維陣列光柵結構及該下層二維陣列光柵結構具有相同之節距、線寬及側壁角。該資料庫126之建構方式，如同前述資料庫之建構方式。該比對單元128根據該資料庫126之儲存資料比對該資料處理模組124所計算之差分值，以得到一匹配疊對誤差。

本揭露之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本揭露之教示及揭示而作種種不背離本揭露精神之替換及修飾。因此，本揭露之保護範圍應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本揭露之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

101-104．．．步驟

111-114．．．步驟

22．．．上層二維陣列光柵

24．．．中間層

26．．．下層二維陣列光柵

Δx、Δy．．．疊對誤差

Pitch．．．節距

CD．．．線寬

φ．．．方位角

θ．．．入射角

122．．．角度散射儀系統

124．．．資料處理模組

126．．．資料庫

128．．．比對單元

圖1顯示本揭露之二維陣列疊對圖樣的設計方法之一實施範例；

圖2A例示一二維陣列疊對圖樣之側視圖；

圖2B例示一二維陣列疊對圖樣之下視圖；

圖3例示一模擬繞射光譜曲線圖；

圖4顯示圖3中+1階之模擬繞射光譜曲線；

圖5例示一差分值的變化圖；

圖6例示另一差分值的變化圖；

圖7例示一設計之二維陣列疊對圖樣之下視圖；

圖8顯示圖3中-1階之模擬繞射光譜曲線；

圖9例示再一差分值的變化圖；

圖10例示另一設計之二維陣列疊對圖樣之下視圖；

圖11顯示本揭露之二維陣列疊對圖樣之量測方法的流程圖；以及

圖12例示本揭露之疊對誤差之量測系統的方塊圖。

101-104．．．步驟

Claims (22)

1. 一種二維陣列疊對圖樣之設計方法，包含下列步驟：選取複數個二維陣列疊對圖樣，該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差；計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值；根據該模擬繞射光譜的差分值選擇一誤差獨立疊對圖樣；以及根據該誤差獨立疊對圖樣之結構參數設計一二維陣列疊對圖樣。
2. 根據請求項1所述之設計方法，其中各二維陣列疊對圖樣包含一第一二維陣列光柵結構及一第二二維陣列光柵結構。
3. 根據請求項2所述之設計方法，其中該第一二維陣列光柵結構及該第二二維陣列光柵結構具有相同之節距、線寬及側壁角。
4. 根據請求項1所述之設計方法，其中計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值之步驟包含：產生各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜；以及在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值，用以計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。
5. 根據請求項4所述之設計方法，其中產生各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜包含使用嚴格耦合波理論。
6. 根據請求項4所述之設計方法，其中該模擬繞射光譜為正一階模擬繞射光譜或負一階模擬繞射光譜。
7. 根據請求項1所述之設計方法，其中根據該模擬繞射光譜的差分值選擇該誤差獨立疊對圖樣之步驟包含：根據該複數個二維陣列疊對圖樣之差分值及疊對誤差，繪製一光譜差分曲線圖；以及根據該光譜差分曲線圖，考量該複數個二維陣列疊對圖樣之該差分值與該疊對誤差之相關度，選取該誤差獨立疊對圖樣。
8. 根據請求項1所述之設計方法，其中該差分值係為均方根誤差值。
9. 一種疊對誤差量測方法，包含下列步驟：量測一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜；計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值；進行一比對程序，用以從一資料庫中找出一匹配差分值，其中該資料庫儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差；以及根據該匹配差分值，決定該待測二維陣列疊對圖樣之疊對誤差。
10. 根據請求項9所述之量測方法，其另包含建構該資料庫之步驟，該建構步驟包含：選取複數個具有不同之疊對誤差之二維陣列疊對圖樣；以及計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。
11. 根據請求項10所述之量測方法，其中各二維陣列疊對圖樣包含一第一二維陣列光柵結構及一第二二維陣列光柵結構。
12. 根據請求項11所述之量測方法，其中該第一二維陣列光柵結構及該第二二維陣列光柵結構具有相同之節距、線寬及側壁角。
13. 根據請求項10所述之量測方法，其中計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值之步驟包含：產生各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜；以及在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值以計算各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值。
14. 根據請求項13所述之量測方法，其中產生各二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜包含使用嚴格耦合波理論。
15. 根據請求項13所述之量測方法，其中該模擬繞射光譜為正一階模擬繞射光譜或負一階模擬繞射光譜。
16. 根據請求項9所述之量測方法，其中該差分值係為均方根誤差值。
17. 一種疊對誤差量測系統，包含：一角度散射儀系統，用以擷取一待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜；一資料處理模組，用以計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值；一資料庫，用以儲存複數個二維陣列疊對圖樣之模擬繞射光譜的差分值及其所對應之疊對誤差；以及一比對單元，根據該資料庫之儲存資料比對該資料處理模組所計算之差分值，以得到一匹配疊對誤差。
18. 根據請求項17所述之量測系統，其中該待測二維陣列疊對圖樣包含一第一二維陣列光柵結構及一第二二維陣列光柵結構。
19. 根據請求項17所述之量測系統，其中該差分值係為均方根誤差值。
20. 根據請求項17所述之量測系統，其中該複數個二維陣列疊對圖樣具有不同之疊對誤差，各二維陣列疊對圖樣包含一第三二維陣列光柵結構及一第四二維陣列光柵結構。
21. 根據請求項20所述之量測系統，其中該第三二維陣列光柵結構及該第四二維陣列光柵結構具有相同之節距、線寬及側壁角。
22. 根據請求項17所述之量測系統，其中該資料處理模組係建構在掃描角度零度兩側取得相對應角度之訊號差值以計算該待測二維陣列疊對圖樣之量測繞射光譜的差分值。