TWI582376B - Apparatus and method for stacking error detection - Google Patents

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Description

用於層疊誤差檢測的裝置和方法
本發明有關於光蝕刻技術領域，特別有關於一種用於層疊誤差檢測的裝置和方法。
隨著光蝕刻圖形CD尺寸進入22nm及以下技藝節點，特別是雙重曝光(Double Patterning)技術的廣泛應用，對光蝕刻技藝參數的層疊(overlay)的測量精度要求已經進入次奈米領域。由於成像解析度極限的限制，傳統的基於成像和圖像識別的層疊測量技術(英文全稱：Imaging-Based overlay，簡稱：IBO)已逐漸不能滿足新的技藝節點對層疊測量的要求。基於繞射光探測的層疊測量技術(英文全稱：Diffraction-Based overlay，簡稱：DBO)正逐步成為層疊測量的主要手段。目前，DBO技術所面臨的最大問題是標記尺寸較大佔用過多的有效曝光區域，造成標記成本很大；且為了適應更高技藝節點對層疊測量精度的需求，需要在曝光場內進行層疊測量，大標記將不適合用做場內測量。因此，減小層疊標記尺寸是DBO技術發展的必然趨勢。
現有技術中公開一種DBO技術，該技術藉由測量層疊標記的繞射光角分辨譜中相同繞射級次間的非對稱性得到層疊誤差。繞射光的繞射角隨入射光入射角度變化而改變，所謂繞射光角分辨譜是指不同角度的入射光在被標記繞射後繞射光在不同角度 形成的光強度分佈。圖1a為環形照明模式下，各個繞射級次(-2，-1,0,1,2)的角分辨譜在CCD探測器上的分佈情況，圖1b是該技術方案的裝置結構圖，光源2發出的光由透鏡L2聚焦並經干涉濾波裝置30後形成窄頻寬的入射光，物鏡L1將入射光彙聚到矽片6上一般由兩層線性光柵組成的層疊標記上，F為物鏡焦距。層疊標記探測器32位於物鏡L1的後焦面40處，層疊標記的繞射光被物鏡L1收集後經反射面34被層疊標記探測器32接收。層疊標記探測器32測得層疊標記的各個角度繞射光的角分辨譜。為了獲得大範圍的角分辨譜，該方案中使用大數值孔徑(NA)的物鏡。從上述描述可知，首先，根據其測量原理，其層疊標記尺寸較大，並且藉由採用週期更小的光柵或者減小標記週期數以減小標記尺寸是不可行的，其原因分別為當光柵週期減小時，其高級次繞射光將可能產生消逝波無法收集，將會導致無法得到層疊信號；當層疊標記的週期數減少至一定數量時，各級次繞射光將不再嚴格遵循光柵繞射方程，所得到的繞射光信號將不能應用於層疊計算。因此該方案無法進行小標記測量層疊，更無法實現場內測量。其次，該方案藉由測量繞射光強信號獲得層疊資訊，系統照明均勻性、透過率均勻性等會影響層疊的測量精度。
本發明提供一種用於層疊誤差檢測的裝置和方法，從而對繞射光的位置資訊進行層疊誤差的測量。
為解決上述技術問題，本發明提供一種用於層疊誤差檢測的裝置，其包括：一光源、一照明系統、一物鏡以及一探測器，其中，該光源用於產生測量光；該照明系統用於將該測量光入射到 該物鏡中；該物鏡用於將測量光入射到一層疊標記上，同時收集從層疊標記繞射的各主極大繞射光，並將各主極大繞射光彙聚到該物鏡的一光瞳面上；該探測器位於該物鏡的光瞳面，用於探測各主極大繞射光在探測器上的位置以獲取該層疊標記的層疊誤差。
作為優選，該照明系統沿測量光傳播方向依次包括：準直束鏡、濾波片、第一透鏡、視場光闌、第二透鏡以及分束器。
作為優選，該照明系統還包括偏振片，位於該濾波片與該第一透鏡之間。
作為優選，該層疊標記的週期數小於20且尺寸小於等於10μm*10μm。
作為優選，該照明系統包括孔徑光闌，位於該濾波片與該第一透鏡之間，該孔徑光闌為圓孔或狹縫。
作為優選，圓孔或狹縫設置有兩組，兩組圓孔或狹縫沿孔徑光闌的中心對稱。
作為優選，圓孔或狹縫設置有三組以上。
作為優選，各主極大繞射光為正負1級繞射光。
作為優選，該層疊標記由在基底上製成的上下兩層光柵結構組成。
本發明還提供一種用於層疊誤差檢測的方法，光源發出測量光，藉由一照明系統將測量光入射到一物鏡中，由該物鏡將測量光入射到層疊標記上並收集從層疊標記繞射的各主極大繞射光，並將各主極大繞射光彙聚到該物鏡的光瞳面，由位於物鏡的光瞳面的一探測器探測各主極大繞射光在該探測器上的位置以獲取該層疊誤差。
作為優選，該層疊標記的週期數小於20且尺寸小於等於10μm*10μm。
作為優選，該照明系統包括孔徑光闌，該孔徑光闌為圓孔或狹縫。
作為優選，該圓孔或狹縫設置有兩組，兩組圓孔或狹縫沿孔徑光闌的中心對稱。
作為優選，圓孔或狹縫設置有三組以上。
作為優選，各主極大繞射光為正負1級繞射光。
作為優選，藉由對探測到的各主極大繞射光在探測器上的位置進行線性模擬以獲取該層疊誤差。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：1、本發明採用繞射光的位置資訊進行層疊誤差的測量，測量信號不受照明均勻性、透過率均勻性等影響；2、測量標記尺寸更小，所佔用有效曝光區域更小，從而減少層疊標記的成本；3、可以實現場內測量，滿足更高節點對層疊誤差的測量精度的需求。
2‧‧‧光源
6‧‧‧矽片
30‧‧‧干涉濾波裝置
32‧‧‧層疊標記探測器
34‧‧‧反射面
40‧‧‧後焦面
41‧‧‧光源
42‧‧‧準直束鏡
43‧‧‧濾波片
44‧‧‧偏振片
45‧‧‧孔徑光闌
46‧‧‧第一透鏡
47‧‧‧視場光闌
48‧‧‧第二透鏡
49‧‧‧分束器
410‧‧‧物鏡
411‧‧‧層疊標記
412‧‧‧透鏡組
413‧‧‧探測器
451‧‧‧圓孔
452‧‧‧狹縫
圖1a為環形照明時，各繞射級次的角分辨譜在CCD探測器上的分佈；圖1b為現有技術中DBO技術方案的裝置結構圖；圖2為本發明實施例1中用於層疊誤差檢測的裝置的結構示意圖； 圖3為本發明實施例1中層疊標記的結構示意圖；圖4和圖5為本發明實施例1的繞射示意圖；圖6為本發明實施例1中正負主極大差分信號與層疊關係示意圖；圖7a及7b分別為本發明實施例1中孔徑光闌的結構示意圖；圖8a及8b分別為圖7a、7b中所示孔徑光闌形成的繞射光信號示意圖；圖9a及9b分別為本發明實施例1中孔徑光闌的結構示意圖；圖10a及10b分別為圖9a、9b中所示孔徑光闌形成的繞射光信號示意圖；以及圖11為本發明實施例2中用於層疊誤差檢測的裝置的結構示意圖。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。需說明的是，本發明附圖均採用簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[實施例1]
如圖2所示，本實施例的用於層疊誤差檢測的裝置，包括以下組件：光源41用於產生測量光。具體地，光源41可以是白光光源、寬波段光源或是由若干個分立譜線組成的複合光源。其中，白光光源可以採用Xe光源等；寬波段指產生包括紫外光、可見光和紅外 光波段或上述波段組合的光；複合光源可以由若干個不同波長的雷射器藉由混頻得到。
照明系統用於將測量光入射到物鏡410中。具體地，該照明系統沿光傳播方向依次包括：用於對測量光進行準直的準直束鏡42，用於生成單色光的濾波片43，用於生成偏振光的偏振片44，用於聚光的第一、第二透鏡46、48，用於將測量光入射到物鏡410中的分束器49。此外，該照明系統還可包括位於物鏡410和探測器413之間的透鏡組412。
光闌用於將測量光調製為於物鏡410的光軸中心對稱的入射光。具體地，該光闌包括孔徑光闌45和用於生成滿足物鏡410對入射光尺寸需求的光斑的視場光闌47，該孔徑光闌45設置在該第一透鏡46前方，該視場光闌47設置在該第一透鏡46與第二透鏡48之間。如圖7a和7b所示，該孔徑光闌45用以生成滿足物鏡410對入射光形狀需求的光斑，其可以為如圖7a所示的圓孔451或者如圖7b所示的狹縫452。進一步的，圓孔451或者狹縫452可以如圖9a和圖9b所示的兩組，兩組圓孔451或兩組狹縫452分別沿孔徑光闌45的中心對稱。
物鏡410用於將測量光入射到層疊標記411上，測量光在層疊標記411上進行繞射，同時物鏡410收集來自層疊標記411的繞射光，尤其是各主極大繞射光，並將繞射光彙聚到物鏡410的光瞳面上。
探測器413位於物鏡410的光瞳面，也是物鏡410的後焦面上，用於探測層疊標記411的繞射光信號。進一步的，探測器413採用CCD探測器。
光源41發出的測量光在經過準直束鏡42準直後，入射至窄帶濾波片43，獲得單一波長的光，而後經過偏振片44，獲得線偏振光，此線偏振光入射至孔徑光闌45，而後經過第一透鏡46彙聚，經由視場光闌47約束入射至層疊標記411上的光斑尺寸，經過第二透鏡48後入射至分束器49，該入射光正入射至物鏡410中，入射光在層疊標記411上發生繞射，繞射光經過物鏡410收集後，又經由透鏡組412，最終入射至探測器413上。
其中，探測器413所得到的+/-1級繞射光信號分別如圖8a、8b和圖10a、10b所示，其中，圖8a中的繞射光信號與圖7a所示的孔徑光闌45對應，圖8b中的繞射光信號與圖7b所示的孔徑光闌45對應，圖10a中的繞射光信號與圖9a所示的孔徑光闌45對應，圖10b中的繞射光信號與圖9b所示的孔徑光闌45對應。圖中，L1與L2不相等，可以基於兩者間的關係計算層疊標記411的層疊誤差，具體計算方法將於下文詳述。除了+/-1級繞射光外，高級次繞射光同樣可以藉由探測其主極大位置來計算該層疊誤差。
如圖3所示，層疊標記411由在矽基底上製成的上下兩層光柵結構組成。前一層光柵結構(下層光柵)由前一次曝光圖形經顯影、蝕刻、沉積等半導體技藝製成，後一層光柵結構(上層光柵)通常為本次曝光、顯影後的光蝕刻膠圖形。層疊誤差指兩次曝光間的位置誤差。當光柵週期數較多時，繞射光一般會嚴格遵循光柵繞射方程。
對於現有散射測量使用到的對於+/-1級繞射光，則有：sin(θ)=±λ/d (1)
式(1)中，d表示光柵週期，λ表示入射光波長，θ表示繞射角，繞射光將沿著相應的繞射角θ入射至物鏡410。
因此，對於滿足阿貝成像的物鏡410而言，光瞳面半徑ρ與繞射角θ的關係滿足：ρ=f*sin(θ) (2)
式(2)中，f為物鏡焦距，θ為繞射角，也等於繞射光入射至光瞳面的角度。因此，光瞳面的半徑與最大入射角度的正弦值(即物鏡數值孔徑)成正比。
當使用物鏡410收集+/-1級繞射光時，如圖4和圖5所示，即可以得到+/-1級繞射光在光瞳面上的位置相對光瞳面中心的距離相等，且可表示為：L=f*sin(θ) (3)
因此，各級次光不同的繞射角度可以如實的反應在光瞳面上，最終可以使用CCD探測器採集。
當光柵週期數較少，入射光的繞射會出現各級主極大，其繞射角度將不再嚴格遵循光柵繞射方程，此時對於層疊標記411，作為優選，當光柵的週期數小於或等於20時，其各主極大繞射角(不同的主極大繞射角度對應光瞳面上不同的主極大位置)將會隨著層疊誤差的變化而發生變化，如圖8a、8b、10a、10b所示，圖中L1與L2不相等，即由於層疊的存在，光瞳面(探測器)上+/-1級繞射光的主極大位置與光瞳面中心的距離不等。本實施例採用該變化關係進行測量層疊誤差。具體的，在特定的模系結構下，層疊誤差在特定範圍內變化時，其正負主極大繞射角度(主極大峰值)亦隨之發生變化。利用各主極大繞射角度(也即各主極大位置)與 層疊之間存在的線性關係或者其它可模擬的關係(例如曲線模擬、三角函數模擬等)即可進行層疊誤差的測量。由於光柵週期數減少，採用的層疊測量的標記尺寸可以更小，例如整個層疊測量的標記尺寸可在10μm*10μm以內。
為消除其他因素影響，可以使用正負主極大差分信號與層疊誤差的關係進行求解。下面將對用於層疊誤差檢測的線性模擬方法舉例說明。
如圖6所示，當層疊誤差在+/-0.05Pitch(Pitch代表光柵柵距)附近時，其主極大繞射角度與層疊誤差成線性關係，對此關係進行線性模擬可以求得層疊誤差。具體地，可使用預留有一定偏差的三塊層疊標記來完成對層疊誤差的測量，該三塊層疊標記的位置關係為第一塊層疊標記設置在第二和第三塊層疊標記的中間。其中第一塊層疊標記的預設偏差為d=0.05Pitch；第二塊層疊標記相對第一塊層疊標記的偏移d0=0.01Pitch；第三塊層疊標記的預設偏差與第一塊層疊標記的方向相反，大小相同，表示為-d。設實際要測量層疊誤差為ε，則各層疊標記實際上下層偏移量分別為d+ε-d 0，d+ε，-d+ε；利用此三點進行層疊誤差測量計算，設此線性方程式為：y=k*x±b (4)
將三塊層疊標記的資訊代入方程式(4)，則可得出：
求解上述方程式(5)，因此很容易得到層疊誤差ε：
[實施例2]
如圖11所示，本實施例在實施例1的基礎上將偏振片44去除，其餘部分相同，即偏振片不一定是必須的，無偏振片的情況下一樣能夠得到上述兩種不同孔徑光闌45的不同層疊信號，進而計算層疊誤差。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：1、本發明採用繞射光的位置資訊進行層疊誤差的測量，測量信號不受照明均勻性、透過率均勻性等影響；2、測量標記尺寸更小，所佔用有效曝光區域更小，從而減少層疊標記的成本和對晶片製造的影響；3、由於採用小尺寸測量標記，可以使本發明區別於現有技術，實現曝光場的場內測量，滿足更高節點對層疊誤差的測量精度的需求。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種變更和變型而不脫離本發明的精神和範圍。因此，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明請求項及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些變更和變型在內。
41‧‧‧光源
42‧‧‧準直束鏡
43‧‧‧濾波片
44‧‧‧偏振片
45‧‧‧孔徑光闌
46‧‧‧第一透鏡
47‧‧‧視場光闌
48‧‧‧第二透鏡
49‧‧‧分束器
410‧‧‧物鏡
411‧‧‧層疊標記
412‧‧‧透鏡組
413‧‧‧探測器

Claims (14)

  1. 一種用於層疊誤差檢測的裝置，其包括：一光源、一照明系統、一物鏡以及一探測器，其中，該光源用於產生一測量光；該照明系統用於將該測量光入射到該物鏡中；該物鏡用於將該測量光入射到一層疊標記上，同時收集從層疊標記繞射的各主極大繞射光，並將各主極大繞射光彙聚到該物鏡的一光瞳面上；該探測器位於該物鏡的該光瞳面，用於探測各主極大繞射光在該探測器上的位置以獲取該層疊標記的一層疊誤差，其中，該照明系統沿該測量光傳播方向依次包括：一準直束鏡、一濾波片、一第一透鏡、一視場光闌、一第二透鏡以及一分束器。
  2. 如請求項1之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，該照明系統還包括一偏振片，位於該濾波片與該第一透鏡之間。
  3. 如請求項1之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，該層疊標記的週期數小於20且尺寸小於等於10μm*10μm。
  4. 如請求項1之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，該照明系統包括一孔徑光闌，位於該濾波片與該第一透鏡之間，該孔徑光闌為圓孔或狹縫。
  5. 如請求項4之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，圓孔或狹縫設置有兩組，兩組圓孔或兩組狹縫沿該孔徑光闌的中心對稱。
  6. 如請求項4之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，圓孔或狹縫設置有三組以上。
  7. 如請求項1之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，各主極大繞射光為正負1級繞射光。
  8. 如請求項1之用於層疊誤差檢測的裝置，其中，該層疊標記由 在一基底上製成的上下兩層光柵結構組成。
  9. 一種採用請求項1至8中任一項之用於層疊誤差檢測的裝置進行層疊誤差檢測的方法，其中，由該光源發出該測量光，藉由該照明系統將該測量光入射到該物鏡中，由該物鏡將該測量光入射到層疊標記上並收集從該層疊標記繞射的各主極大繞射光，並將各主極大繞射光彙聚到該物鏡的該光瞳面，由位於該物鏡的該光瞳面的該探測器探測各主極大繞射光在該探測器上的位置以獲取該層疊誤差，其中，該照明系統包括該孔徑光闌，該孔徑光闌為圓孔或狹縫。
  10. 如請求項9之層疊誤差檢測的方法，其中，該層疊標記的週期數小於20且尺寸小於等於10μm*10μm。
  11. 如請求項9之層疊誤差檢測的方法，其中，圓孔或狹縫設置有兩組，兩組圓孔或兩組狹縫沿該孔徑光闌的中心對稱。
  12. 如請求項9之層疊誤差檢測的方法，其中，圓孔或狹縫設置有三組以上。
  13. 如請求項9之層疊誤差檢測的方法，其中，各主極大繞射光為正負1級繞射光。
  14. 如請求項9之層疊誤差檢測的方法，其中，藉由對探測到的各主極大繞射光在該探測器上的位置進行線性模擬以獲取該層疊誤差。
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