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TW201603158A - 用於半導體製程控制之圖案化晶圓幾何量測 - Google Patents

用於半導體製程控制之圖案化晶圓幾何量測 Download PDF

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TW201603158A
TW201603158A TW104114779A TW104114779A TW201603158A TW 201603158 A TW201603158 A TW 201603158A TW 104114779 A TW104114779 A TW 104114779A TW 104114779 A TW104114779 A TW 104114779A TW 201603158 A TW201603158 A TW 201603158A
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lithography
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TW104114779A
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佩拉迪 悟卡達拉
傑迪 辛哈
Original Assignee
克萊譚克公司
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Abstract

本發明揭示用於提供經改良晶圓幾何量測之晶圓幾何量測工具及方法。針對半導體製程控制將晶圓前側、後側及平坦度量測考量在內。根據本發明之實施例之該等量測工具及方法適於處置包含圖案化晶圓之任何類型之晶圓而不具有習用計量系統之缺點。

Description

用於半導體製程控制之圖案化晶圓幾何量測
本發明一般而言係關於半導體之領域，且特定而言係關於晶圓幾何量測技術。
製作半導體裝置通常包含：使用若干個半導體製作製程來處理諸如一半導體晶圓之一基板。舉例而言，微影係涉及將一圖案自一光罩轉印至配置於一半導體晶圓上之一光阻劑之一半導體製作製程。半導體製作製程之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光(CMP)、蝕刻、沈積及離子植入。可將多個半導體裝置製作於一單個半導體晶圓上之一配置中且然後將該多個半導體裝置分離成個別半導體裝置。
在一半導體製造製程期間之各種步驟處使用計量程序來監測並控制一或多個半導體層製程。此等特性中之某些特性包含晶圓之平坦度及及厚度均勻性。儘管習用計量系統可能夠監測並控制此等特性，但該等習用度量系統通常用於處置未圖案化/裸晶圓。其中需要用於適於包含圖案化晶圓之任何晶圓之晶圓幾何量測而不具有前述缺點之系統及方法。
本發明係針對一種用於監測及控制一晶圓拋光製程之方法。該方法包含：在該晶圓拋光製程之前獲得一晶圓之一第一組晶圓幾何量 測，該第一組晶圓幾何量測包含：一第一前側高度量測、一第一後側高度量測及一第一晶圓平坦度量測；最佳化該晶圓之該晶圓拋光製程，其中將不同壓力位準指派至該晶圓之不同區以達成一最佳平坦度條件，其中基於在該晶圓拋光製程之前獲得之該第一前側高度量測、該第一後側高度量測及該第一晶圓平坦度量測而計算該晶圓之該最佳平坦度條件；及基於該經最佳化晶圓拋光製程而拋光該晶圓。
本發明之另一實施例係針對一種用於分析製程工具誘發之平坦度誤差之方法。該方法包含：獲得一晶圓之晶圓幾何量測，該等晶圓幾何量測包含至少：一前側高度量測及一後側高度量測；基於該前側高度量測而識別前側晶圓表面圖徵；基於該後側高度量測而識別後側晶圓表面圖徵；將由該等前側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差與由該等後側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差分離；及判定一製程工具誘發之平坦度誤差是否獨立地基於由該等前側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差及由該等後側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差。
本發明之一額外實施例係針對一種用於控制微影聚焦誤差之方法。該方法包含：在微影掃描之前獲得一晶圓之一第一組晶圓幾何量測，該第一組晶圓幾何量測包含：一第一前側高度量測、一第一後側高度量測及一第一晶圓平坦度量測；識別至少一個晶圓平坦度誤差；及在微影掃描期間控制一微影掃描器以補償該至少一個晶圓平坦度誤差。
本發明之一額外實施例係針對一種用於計算晶圓變化之方法。該方法包含：獲得一晶圓級厚度變化圖譜；將該晶圓級厚度變化圖譜劃分成複數個均勻大小之位點；獨立地調平該複數個位點中之每一位點；將每一位點進一步劃分成複數個矩形區，其中每一矩形區大體對應於一微影掃描器之一狹縫大小；針對該複數個位點中之每一位點獨立地調平該複數個矩形區中之每一矩形區；及組合該複數個位點中之 每一位點之該複數個矩形區以獲得一全晶圓量測度量。
應理解，前述一般說明及以下詳細說明兩者皆僅為例示性及解釋性且不必限制本發明。併入於本說明書中並構成本說明書之一部分之隨附圖式圖解說明本發明之標的物。說明與圖式一起用於闡釋本發明之原理。
100‧‧‧晶圓
104‧‧‧特徵/圖徵/針類型標記
106‧‧‧特徵/圖徵/針類型標記
200‧‧‧晶圓
202‧‧‧經拋光晶圓/平坦頂部表面
熟習此項技術者可藉由參考附圖而更好理解本發明之眾多優點，在該等附圖中：圖1係繪示在一圖案化晶圓幾何量測工具上量測之一晶圓平坦度之一圖解說明；圖2係繪示一晶圓拋光製程之一圖解說明；圖3係繪示用於一晶圓拋光製程之一基於晶圓幾何量測之控制迴圈之一方塊圖；圖4係繪示用於一微影掃描器之一基於晶圓幾何量測之控制迴圈之一方塊圖；圖5係繪示將一微影卡盤之平坦度圖徵考量在內之用於估計平坦度誤差之一方法之一流程圖；圖6係繪示一基於位點之平坦度變化計算程序之一圖解說明；圖7係繼續繪示基於位點之平坦度變化計算程序之一圖解說明；且圖8係繼續繪示基於位點之平坦度變化計算程序之一圖解說明。
現在將詳細參考圖解說明於隨附圖式中之所揭示之標的物。
本發明之實施例係針對用於提供用於微影聚焦、CMP及其他半導體製程控制掃描器校正之經改良晶圓幾何量測之系統及方法。應注意，本發明中之術語晶圓幾何係指晶圓前側高度、後側高度、厚度變 化、平坦度及諸如形狀、構形或諸如此類之所有隨後之導數。亦應注意，根據本發明之實施例之系統及方法適於處置包含圖案化晶圓之任何類型之晶圓而不具有習用計量系統之缺點。
參考圖1，展示在一圖案化晶圓幾何(PWG)量測工具上量測之一晶圓平坦度。根據本發明利用之一圖案化晶圓幾何量測工具係能夠量測晶圓之前側高度、後側高度及厚度變化之一量測工具。獲得此資訊允許將平坦度誤差源分離並歸因於前側及後側分量。
識別平坦度誤差源之能力係重要的。舉例而言，參考圖2，展示繪示藉由一拋光工具拋光(例如，CMP)之一晶圓200之一經簡化圖解說明。假定在經歷拋光製程之前晶圓200之形狀如所展示稍微彎曲，拋光工具將然後移除頂部表面之凸起部分，從而產生具有一平坦前側之一經拋光晶圓202。然而，此經拋光晶圓202係不合意的，此乃因其平坦度輪廓係次最佳的。
替代僅移除頂部表面之凸起部分，應針對拋光製程將晶圓幾何及平坦度資料量測並考量在內。圖3係繪示此一控制迴圈之一圖解說明。更具體而言，可獲得單獨前側及後側構形量測資料且將該資料饋送至控制迴圈以最佳化拋光製程。舉例而言，控制迴圈可計算可在以一特定方式拋光晶圓之情況下達成之一最佳平坦度條件。隨後，可將不同壓力位準施加至晶圓之不同區使得作為一最終結果可達成最佳平坦度條件，而非如圖2中所繪示僅提供一平坦頂部表面202。另外，可在拋光製程之後再次進行晶圓幾何量測；且可判定必需之調整並將該等調整相應地應用於拋光製程。
預期，以此方式組態拋光工具以最佳化最佳平坦度條件對下游製程係有益的。舉例而言，當由一微影製程工具或諸如此類處理一經拋光晶圓時，將使用力把該經拋光晶圓固持於一真空或一卡盤上。應注意，當使用力將晶圓固持於一卡盤上時，預期晶圓後側被實質上平 坦化，且若晶圓僅經拋光以提供一平坦頂部表面，則頂部表面可在晶圓被卡住時不再平坦。因此，可引入聚焦誤差。由於晶圓平坦度誤差在微影曝光期間直接導致聚焦誤差，因此如上文所闡述基於最佳化平坦度條件而組態拋光工具有效地改良微影製程工具之聚焦。
亦預期，當晶圓被卡住時，由晶圓後側誘發之諸如104及106(如圖1中所展示)之特徵被推向前側且與由晶圓前側誘發之特徵一起呈現給微影製程工具。儘管特定微影製程工具能夠基於晶圓平坦度做出調整以補償誤差，但應注意，此等調整係在不在前側誘發之平坦度誤差與後側誘發之平坦度誤差之間進行區分之情況下做出。因此，以此方式做出之調整係不理想的，此乃因一旦拆下晶圓，在晶圓被卡住時所做出之補償即可變為校正過度或校正不足。
藉助將前側構形與後側構形分離之能力(如圖1中所展示)，可隔離平坦度誤差源。在圖1中所展示之實例中，一旦觀察到後側具有相異圖徵(針類型標記)104及106，即可向一後續製程步驟通知此觀察(例如，以一前饋方式)且該後續製程步驟可相應地選擇補償(或避免)此等平坦度誤差。
除提供一更好補償控制機制外，將前側構形與後側構形分離亦可幫助識別可已在製造製程期間導致前側及/或後側平坦度誤差之製程步驟。在圖1中所展示之實例中，一旦判定圖徵(針類型標記)104及106係由後側誘發的，即可調用一分析程序以找出此等圖徵之原因。在一項實施例中，此分析程序(可稱為一原因分析或根本原因分析)可試圖識別在製造製程期間哪一(些)製程步驟導致此等誤差及導致多少誤差。舉例而言，此分析程序可在所懷疑製程步驟處進行晶圓幾何量測且識別導致後側圖徵之製程步驟。預期，亦可在不背離本發明之精神及範疇之情況下利用此程序來分析前側誤差。
圖3及圖4係繪示可用以分析/評估由各種類型之製程步驟誘發之 晶圓幾何變化之控制迴圈之圖解說明。藉由在兩個點處(亦即，在一所關注製程之前及之後)量測晶圓幾何，可評估由彼特定製程步驟對晶圓幾何誘發之變化。經量測晶圓幾何改變可與對臨界半導體製作參數(諸如微影聚焦及疊對誤差)及可自該等經量測晶圓幾何改變計算之藉助於度量之良率(諸如位點平坦度、平面內位移及諸如此類)之影響有關。
預期，可在製造製程期間之每個臨界製程步驟中利用此一分析程序以儘可能快地捕獲潛在誤差。另一選擇係或另外，可在於前側或後側上偵測到特定圖徵時有條件地調用此分析程序。如先前所提及，在圖1中所展示之實例中，當在晶圓100之後側上偵測到圖徵(針類型標記)104及106時，此偵測可提示進一步分析以找到此等圖徵之原因。此外，其可經組態以針對一特定製程工具手動地及/或自動地調整製程步驟條件且藉此使彼特定製程工具對晶圓幾何及特定臨界半導體製作參數之影響最小化。
除提供識別且補償平坦度誤差之能力外，亦可提取並使用由一卡盤誘發之平坦度圖徵來計算/估計一傳入晶圓之一總平坦度誤差。更具體而言，圖5展示其中使用一晶圓幾何工具獲得之晶圓平坦度量測及自微影掃描器獲得之掃描器調平量測可用以計算/估計平坦度誤差之一方法。預期，在步驟502中可使用圖案化晶圓或未圖案化裸晶圓(用作參考晶圓)來提取由一給定卡盤誘發之平坦度圖徵。一旦已提取給定卡盤之平坦度圖徵，即可估計在彼相同卡盤上卡住之未來晶圓在微影曝光期間的總平坦度誤差。舉例而言，當接納一新晶圓時，在步驟504中可使用一晶圓幾何工具來獲得該新晶圓之晶圓幾何(包含其經量測平坦度)。隨後，在步驟506中可藉由將經提取卡盤平坦度圖徵加至彼晶圓之經量測平坦度來計算總平坦度誤差(表示當晶圓被卡住時之平坦度誤差)。以此方式，可量化將晶圓強加至卡盤上之效應(例 如，作為前饋控制之一部分)，此可幫助提供更好聚焦調平校正。
應注意，此計算亦係完全可逆算的。亦即，若在於該晶圓卡在一特定卡盤上時量測(例如，基於掃描器調平量測)頂部表面之高度，且若已在該晶圓處於一未卡住狀態中時量測晶圓幾何，則可藉由自由微影掃描器獲得之調平圖譜減去經量測晶圓幾何來計算彼特定卡盤之平坦度圖徵。如先前所提及，可使用參考晶圓以一受控制方式實施此程序，且可使用彼特定卡盤之經提取平坦度圖徵來預測/估計其對未來晶圓之影響。另外，可利用一回饋迴圈(例如，如圖4中所展示)來改良此估計程序之準確度。更具體而言，可在微影之後量測聚焦誤差及/或臨界尺寸均勻性以檢查前饋聚焦校正起到多大作用。若判定僅前饋未充分減小聚焦及/或臨界尺寸均勻性誤差，則可採用將針對下一晶圓調整聚焦校正之回饋迴圈。
亦預期，亦可獲得額外量測度量並提供其作為控制信號。舉例而言，在一項實施例中，獲得一基於位點之平坦度變化度量，該基於位點之平坦度變化度量可用以執行根本原因分析及/或經提供作為回饋以改良製造製程。
參考圖6至圖8，展示繪示一基於位點之平坦度變化計算程序600之一系列圖解說明。在步驟602中，獲得一晶圓級厚度變化圖譜且將該圖譜劃分成複數個均勻大小之位點(亦可稱為場)。然後藉由將一單個最小二乘方最佳擬合平面與每一特定位點擬合來調平彼特定位點內之厚度變化。在步驟604中，將每一位點進一步劃分成大體等效於微影掃描器之狹縫大小之矩形區。應理解，若無法將一位點均勻地劃分為狹縫大小，則可在該位點之一端上利用一部分狹縫，或可稍微調整狹縫大小以均勻地劃分位點。應注意，藉由以此方式劃分位點而提供之優點中之一者係其模擬以一逐狹縫方式完成之掃描程序。
現在，在步驟606中可藉由將一單個最小二乘方最佳擬合平面與 每一狹縫區擬合來進一步獨立調平彼特定狹縫區，且在步驟608中可將每一位點內之經獨立調平狹縫區組合以形成一全晶圓圖譜(例如，表示諸如位點前側最小二乘方焦平面或SFQ及諸如此類之工業標準度量)。隨後，在步驟610中藉由對所有位點平坦度值求平均而得出一平均位點平坦度值。應注意，此平均位點平坦度值係利用習用逐位點式調平及如上文所闡述之逐狹縫調平(其具有模擬掃描程序之優點)兩者而調平。
預期，可利用以此方式計算之平均位點平坦度值來計算關於一給定晶圓之各種經導出度量及資訊。舉例而言，如步驟612中所展示，藉由自每一基於位點之值減去平均值，可針對全晶圓計算一位點至位點變化圖譜。亦預期，儘管平坦度值用作例示性量測度量，但此基於位點之逐狹縫變化計算程序亦可適用於各種其他類型之量測度量(包含但不限於平坦度變化、厚度變化以及與在晶圓曝光期間由微影掃描器所見之非可校正聚焦誤差有關之各種其他類型之晶圓構形變化)之計算。
亦預期，此等變化圖譜可用於報告目的，且亦可經分析以改良製造製程。舉例而言，在圖8中所展示之位點至位點變化圖譜中，移除來自裝置圖案之構形變化(其為系統的)。藉此在移除系統構形之後，任何製程可變性(諸如由一拋光工具產生之一局部熱點)變得可見。然後，此資訊可經提供作為對拋光工具之一回饋控制，藉此改良未來製程。
進一步預期，平均位點及位點至位點變化圖譜及度量不限於平坦度量測。上文所闡述之相同技術亦可適用於用於前側及/或後側圖譜、此前及/或後奈米構形及諸如此類之其他度量而不背離本發明之精神及範疇。
預期，儘管以上實例係指拋光工具及微影工具，但根據本發明 之系統及方法可適用於亦可獲益於基於晶圓幾何之控制迴圈之其他類型之製程工具而不背離本發明之精神及範疇。此外，本發明中所使用之術語晶圓可包含用於積體電路及其他裝置之製作中之一半導體材料薄片以及諸如磁碟基板、規塊及諸如此類之其他薄經拋光板。
所揭示之方法可透過一單個生產裝置及/或透過多個生產裝置而在各種晶圓幾何量測工具中實施為由一或多個處理器執行之指令集。此外，應理解，在所揭示之方法中之步驟之特定次序或層級係例示性方法之實例。基於設計偏好，應理解，可在保持於本發明之範疇及精神內之情況下重新配置該方法中之步驟之特定次序或層級。隨附方法申請專利範圍以一樣本次序呈現各種步驟之元素，且未必意在限制於所呈現之特定次序或層級。
據信，根據前述說明將理解本發明之系統及方法及其隨附優點中之諸多優點，且將明瞭可在不背離所揭示標的物之情況下或在不犧牲所有其材料優點之情況下在組件之形式、構造及配置方面做出各種改變。所闡述之形式僅係解釋性的。

Claims (21)

  1. 一種用於監測及控制一晶圓拋光製程之方法，該方法包括：在該晶圓拋光製程之前獲得一晶圓之一第一組晶圓幾何量測，該第一組晶圓幾何量測包含：一第一前側高度量測、一第一後側高度量測及一第一晶圓平坦度量測；最佳化該晶圓之該晶圓拋光製程，其中將不同壓力位準指派至該晶圓之不同區以達成一最佳平坦度條件，其中基於在該晶圓拋光製程之前獲得之該第一前側高度量測、該第一後側高度量測及該第一晶圓平坦度量測而計算該晶圓之該最佳平坦度條件；及基於該經最佳化晶圓拋光製程而拋光該晶圓。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括：在該晶圓拋光製程之後獲得該晶圓之一第二組晶圓幾何量測，該第二組晶圓幾何量測包含：一第二前側高度量測、一第二後側高度量測及一第二晶圓平坦度量測。
  3. 如請求項2之方法，其進一步包括：比較在該晶圓拋光製程之後獲得之該第二晶圓平坦度量測與該經計算最佳平坦度條件；及基於該比較而調整該晶圓拋光製程。
  4. 如請求項2之方法，其進一步包括：比較該第一前側高度量測與該第二前側高度量測且比較該第一後側高度量測與該第二後側高度量測；及評估由該晶圓拋光製程誘發之晶圓幾何變化。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包括：在由該晶圓拋光製程誘發晶圓幾何變化時調整該晶圓拋光製 程。
  6. 如請求項1之方法，其中該晶圓拋光製程包含化學機械拋光。
  7. 一種用於分析製程工具誘發之平坦度誤差之方法，該方法包括：獲得一晶圓之晶圓幾何量測，該等晶圓幾何量測包含至少：一前側高度量測及一後側高度量測；基於該前側高度量測而識別前側晶圓表面圖徵；基於該後側高度量測而識別後側晶圓表面圖徵；將由該等前側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差與由該等後側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差分離；及判定一製程工具誘發之平坦度誤差是否獨立地基於由該等前側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差及由該等後側晶圓表面圖徵誘發之平坦度誤差。
  8. 如請求項7之方法，其中在使用該製程工具處理該晶圓之前及之後獲得該等晶圓之該晶圓幾何量測。
  9. 如請求項8之方法，其中基於在使用該製程工具處理該晶圓之前及之後獲得之該前側高度量測而識別該等前側晶圓表面圖徵，且其中基於在使用該製程工具處理該晶圓之前及之後獲得之該後側高度量測而識別該等後側晶圓表面圖徵。
  10. 一種用於控制微影聚焦誤差之方法，該方法包括：在微影掃描之前獲得一晶圓之一第一組晶圓幾何量測，該第一組晶圓幾何量測包含：一第一前側高度量測、一第一後側高度量測及一第一晶圓平坦度量測；識別至少一個晶圓平坦度誤差；及在微影掃描期間控制一微影掃描器以補償該至少一個晶圓平坦度誤差。
  11. 如請求項10之方法，其中識別至少一個晶圓平坦度誤差進一步包括：估計至少一個微影卡盤誘發之平坦度誤差；及基於該至少一個微影卡盤誘發之平坦度誤差及該第一晶圓平坦度量測而計算一總晶圓平坦度誤差。
  12. 如請求項11之方法，其中藉由自一參考晶圓之在該參考晶圓被卡住時自該微影掃描器獲得之一調平圖譜減去在一未卡住狀態中量測之該參考晶圓之晶圓幾何來估計該至少一個微影卡盤誘發之平坦度誤差。
  13. 如請求項10之方法，其進一步包括：獲得以下各項中之至少一者：在微影掃描之後的一聚焦誤差及一臨界尺寸均勻性。
  14. 如請求項13之方法，其進一步包括：基於以下各項中之該至少一者而判定在微影掃描期間該控制該微影掃描器對補償該至少一個晶圓平坦度誤差之一有效性：在微影掃描之後獲得之該聚焦誤差及該臨界尺寸均勻性；及基於以下各項中之該至少一者而調整該微影聚焦：在微影掃描之後獲得之該聚焦誤差及該臨界尺寸均勻性。
  15. 一種用於計算晶圓變化之方法，該方法包括：獲得一晶圓級厚度變化圖譜；將該晶圓級厚度變化圖譜劃分成複數個均勻大小之位點；獨立地調平該複數個位點中之每一位點；將每一位點進一步劃分成複數個矩形區，其中每一矩形區大體對應於一微影掃描器之一狹縫大小；針對該複數個位點中之每一位點獨立地調平該複數個矩形區中之每一矩形區；及 組合該複數個位點中之每一位點之該複數個矩形區以獲得一全晶圓量測度量。
  16. 如請求項15之方法，其中獨立地調平該複數個位點中之每一位點包括：將一單個最小二乘方最佳擬合平面與每一位點擬合。
  17. 如請求項15之方法，其中針對該複數個位點中之每一位點獨立地調平該複數個矩形區中之每一矩形區包括：將一單個最小二乘方最佳擬合平面與每一矩形區擬合。
  18. 如請求項15之方法，其中該量測度量包含一平坦度量測度量。
  19. 如請求項18之方法，其進一步包括：基於該經組合全晶圓平坦度量測度量而計算一平均位點平坦度值。
  20. 如請求項19之方法，其進一步包括：自該經組合全晶圓平坦度量測度量減去該平均位點平坦度值以獲得一位點至位點變化。
  21. 如請求項20之方法，其進一步包括：提供該位點至位點變化作為對一製程工具之一回饋控制以減小製程工具誘發之平坦度誤差。
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