TWI872041B

TWI872041B - 莫列標靶及其在量測半導體裝置之偏移的使用方法

Info

Publication number: TWI872041B
Application number: TW109101643A
Authority: TW
Inventors: 馬克吉納渥克
Original assignee: 美商科磊股份有限公司
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2025-02-11
Also published as: JP2022523492A; KR20210110895A; CN113330534B; WO2020159560A1; CN113330534A; JP7095183B2; TW202044442A; KR102466584B1

Abstract

本發明揭示一種用於半導體裝置製造中之偏移之光學量測之標靶，該標靶包含：一第一週期性結構，其形成於一半導體裝置之一第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距；及一第二週期性結構，其形成於該半導體裝置之一第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距，該第二節距不同於該第一節距，該第二週期性結構沿著該軸線延伸超越該第一週期性結構。

Description

莫列標靶及其在量測半導體裝置之偏移的使用方法

本發明係關於量測半導體裝置製造中之偏移且更特定言之係關於可用於此量測中之標靶及用於使用此等標靶量測半導體裝置製造中之偏移之方法。

技術中已知用於量測半導體裝置製造中之偏移之各種類型之標靶。

本發明尋求提供用於量測半導體裝置製造中之偏移之改良標靶。

因此，根據本發明之一較佳實施例提供一種用於半導體裝置製造中之偏移之光學量測之標靶，該標靶包含：一第一週期性結構，其形成於一半導體裝置之一第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距；及一第二週期性結構，其形成於該半導體裝置之一第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距，該第二節距不同於該第一節距，該第二週期性結構沿著該軸線延伸超越該第一週期性結構。

較佳地，該第一節距及該第二節距各小於2000 nm。更佳地，該第一節距及該第二節距各小於650 nm。

根據本發明之一較佳實施例，該第一節距及該第二節距係使得當該標靶藉由具有至少一個波長之光照明時，產生具有一第三節距之一莫列圖案，該第三節距大於該至少一個波長。

較佳地，該標靶具有小於50 µm x 50 µm之一面積。更佳地，該標靶具有小於4 µm x 4 µm之一面積。甚至更佳地，該標靶具有小於2 µm x 2 µm之一面積。

根據本發明之一較佳實施例，該標靶在形狀上係矩形的。

根據本發明之一較佳實施例，該第二週期性結構沿著該軸線在兩個相反方向上延伸超越該第一週期性結構。

較佳地，該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線及該等線之間的空間各具有等於該第一節距之50%之一寬度。或者，該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第一節距之10%至90%之一寬度。

根據本發明之一較佳實施例，該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定。此外，該等子線及該等子線之間的子空間具有約12 nm至50 nm之一節距。

根據本發明之一較佳實施例，該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線及該等線之間的空間各具有等於該第二節距之50%之一寬度。或者，該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第二節距之10%至90%之一寬度。

較佳地，該第二週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定。此外，該第二週期性結構之該等子線及該等子線之間的子空間具有約12 nm至50 nm之一節距。

亦根據本發明之另一較佳實施例提供一種量測半導體裝置製造中之偏移之方法，該方法包含：提供包含至少一第一層及一第二層之一多層半導體裝置，其中該裝置包含一標靶，該標靶包含形成於該第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距之一第一週期性結構及形成於該第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距之一第二週期性結構，該第二節距不同於該第一節距，該第二週期性結構沿著該軸線延伸超越該第一週期性結構；用至少一個波長之光照明該標靶，產生一莫列圖案，其特徵為一第三節距；及執行該莫列圖案之分析以確定該第一層及該第二層沿著該軸線之偏移。

根據本發明之一較佳實施例，該標靶在形狀上係矩形的。

較佳地，該第一節距及該第二節距各小於該至少一個波長。另外或替代地，該第三節距大於該至少一個波長。替代地，該第一節距及該第二節距各大於該至少一個波長。

根據本發明之一較佳實施例，該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線及該等線之間的空間各具有等於該第一節距之50%之一寬度。

根據本發明之一較佳實施例，該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第一節距之10%至90%之一寬度。

較佳地，該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定。或者，該等子線及該等子線之間的子空間具有約12 nm至50 nm之一節距。

根據本發明之一較佳實施例，該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該第二週期性結構之該等線及該等線之間的空間各具有等於該第二節距之50%之一寬度。

根據本發明之一較佳實施例，該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第一節距之10%至90%之一寬度。

較佳地，該第二週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定。此外，該等子線及該等子線之間的子空間具有約12 nm至50 nm之一節距。

較佳地，該第二週期性結構之特徵為一第一對稱中心，該標靶之該照明產生來自該標靶之一信號，該信號包含歸因於該莫列圖案之一正弦變化，該正弦變化之特徵為一第二對稱中心且分析該莫列圖案以確定該第一層及該第二層沿著該軸線之該偏移包含比較該第一對稱中心與該第二對稱中心之位置。

相關申請案之參考

藉此參考2019年1月28日申請且標題為MOIRÉ IN BOX OVERLAY MARK DESIGN FOR REAL ESTATE REDUCTION AND IN DIE MEASUREMENTS之美國臨時專利申請案第62/797,484號，該案之揭示內容藉此以引用之方式併入且藉此主張其優先權。

亦參考與本申請案之標的物相關之下列專利及專利申請案，該等案之揭示內容藉此以引用之方式併入： 2017年2月24日申請、2018年7月5日公開且標題為DEVICE-LIKE METROLOGY TARGETS之申請人之美國專利公開案第US2018/0188663號；及標題為CONTINUOUSLY VARYING OFFSET MARK AND METHODS OF DETERMINING OVERLAY且在2008年10月21日發佈之申請人之美國專利第US7,440,105號。

現參考圖1A至圖4，其等繪示根據本發明之一較佳實施例建構且操作之用於量測半導體裝置製造中之偏移之一標靶。應瞭解，標靶由形成於一半導體裝置之兩個圖案化層上之標記形成。該等層可相互鄰近，但不需要如此，且可分離達在自100 nm至超過10 μm之範圍中之一高度。上層至少部分對光子透明。

具有多個圖案化導體層之多數半導體裝置製造中之一要求係將各種層維持在嚴格之空間配準中，較佳地維持至小於10 nm之一容限內，且更佳地維持至小於3 nm之一容限內。

本發明尋求提供一種標靶，其實現以極高準確度光學量測一半導體裝置之圖案化層之偏移，較佳地量測在0至1000 nm之範圍中且更佳地在0至50 nm之範圍中之偏移。

廣而言之，標靶包含形成於一半導體裝置之一第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距之一第一週期性結構及形成於半導體裝置之一第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距之一第二週期性結構，第二節距不同於第一節距，第二週期性結構包含延長部分，該等延長部分沿著該軸線在相反方向上延伸超越該第一週期性結構達約500 nm。此外，標靶較佳地包含第二層上之一對未圖案化區域，其等沿著該軸線在相反方向上超越第二週期性結構之端部約500 nm。第二週期性結構之延長部分連同未圖案化區域使得容易地光學偵測第二週期性結構之端部，及因此其對稱中心。

當被適當照明時，第一週期性結構及第二週期性結構一起形成一莫列圖案，且第一週期性結構及第二週期性結構沿著軸線之相對位置界定莫列圖案沿著軸線之位置。如技術中熟知，第一週期性結構及第二週期性結構沿著該軸線之一小移位導致莫列圖案沿著該軸線相對於第二週期性結構之位置之一明顯更大之對應移位。更具體言之，莫列圖案相對於第二週期性結構之移位比第一週期性結構與第二週期性結構之間的移位大F倍，如在方程式1中定義：(方程式1) 其中P係第一週期性結構之節距且Q係第二週期性結構之節距。

圖1A及圖1B展示包含一對相互疊對之第一週期性結構102及第二週期性結構104之一標靶100，該第一週期性結構102及該第二週期性結構104在此處被展示為分別形成於第一層110及第二層120上且沿著一軸線150配置於配準中之相互平行線之第一陣列及第二陣列。第一週期性結構102及第二週期性結構104具有各自第一節距P及第二節距Q。標靶100較佳地具有小於50 µm x 50 µm之一面積，且更佳地小於4 µm x 4 µm之一面積，且甚至更佳地小於2 µm x 2 µm之一面積。在本發明之一較佳實施例中，標靶100在形狀上係矩形的。在本發明之另一實施例中，標靶100在形狀上係方形的。

第二週期性結構104包含第二層120上之延長部分160，該等延長部分160沿著軸線150在相反方向上延伸超越第一層110上之第一週期性結構102達約500 nm。此外，標靶較佳地包含第二層120上之一對未圖案化區域170，其等沿著軸線150在相反方向上延伸超越第二週期性結構104之端部約500 nm。延長部分160連同未圖案化區域170使得容易地光學偵測第二週期性結構104之端部，及因此第二週期性結構104之一對稱中心180。

如上文描述，應瞭解，第一層110及第二層120可相互鄰近，但不需要如此，且可分離達在自100 nm至超過10 μm之範圍中之一高度。此處被展示為第一層110之上層至少部分對光子透明。應進一步瞭解，雖然圖1至圖4描繪第一週期性結構102配置於第二週期性結構104上方，但標靶100及200亦可形成為第二週期性結構104配置於第一週期性結構102上方。

當被適當照明時，第一週期性結構102及第二週期性結構104一起形成具有一節距M之一莫列圖案190。如技術中熟知，莫列圖案190之節距M係藉由節距P及Q判定，如在方程式2中定義：(方程式2)

圖1A中亦展示藉由用於使標靶100及形成於其上之莫列圖案190成像之一光學系統產生之一信號192之一表示。應注意，莫列圖案190在信號192中表現為具有一對稱中心196之一正弦變化194。應瞭解，信號192、正弦變化194及對稱中心196未按比例繪製。

圖2A及圖2B展示與圖1A及圖1B中展示相同之標靶(此處由元件符號200指示)，該標靶包含相互疊對之第一週期性結構102及第二週期性結構104，在此處分別被展示為形成於第一層110及第二層120上之相互平行線之陣列。此處，與圖1A及圖1B中展示相反，可見第一週期性結構102及第二週期性結構104在沿著軸線150之任一方向上沿著軸線150未對準達一量R，其中R高達1000 nm。

如上文參考方程式1描述，第一週期性結構102及第二週期性結構104之間沿著軸線150偏移達一量R導致莫列圖案190沿著軸線150相對於第二週期性結構104之位置之一更大對應移位S。

特定言之，在圖1A及圖1B中展示之配準之相互操作定向與在圖2A及圖2B中展示之非配準之相互操作定向之間，莫列圖案190沿著軸線150相對於第二週期性結構104之移位S，及更特定言之表示莫列圖案190之正弦變化194之對稱中心196沿著軸線150相對於第二週期性結構104之對稱中心180之位置之移位比第一週期性結構及第二週期性結構之相對移位R大F倍，如上文在方程式1中定義。因此，莫列圖案190之相對位置S實質上比相對移位R更容易地由一光學偏移系統偵測。應瞭解，信號192、正弦變化194及對稱中心196未按比例繪製。

應瞭解，由於標靶100及200實現量測第一層110及第二層120僅沿著軸線150之偏移，故多個標靶100及200較佳地形成於一單一半導體裝置上，其中各標靶之軸線150經形成用於偏移之有用量測且經配置為其等之週期性結構沿著較佳地垂直於軸線150之其他軸線。

另外參考圖3，可見，諸如在圖1A至圖2B中形成於第一層110上之第一週期性結構102係藉由複數個相互平行線210及沿著軸線150配置之相互平行線210之間的複數個相互平行空間212界定。較佳地，線210具有250至2000 nm，且更佳地250至650 nm之一節距P，及P之10%至90% (最典型P之50%)之一線寬。

應瞭解，線210可經分段，但是其等不需要分段。在其中線210經分段之一實施例中，如在圖3之放大A中可見，線210之各者係藉由複數個子線214及子線214之間的子空間216界定。較佳地，子線214及子空間216之節距與其上印刷標靶100及200之半導體裝置上之功能特徵之節距相同或接近該節距。例如，具有420 nm之一寬度之一線210可由具有14 nm之一節距U之15個子線214及15個子空間216形成。

另外參考圖4，可見，諸如在圖1A至圖2B中形成於第二層120上之第二週期性結構104係藉由複數個相互平行線220及沿著軸線150配置之相互平行線220之間的複數個相互平行空間222界定。較佳地，線220具有250至2000 nm，且更佳地250至650 nm之一節距Q，及Q之10%至90% (最典型Q之50%)之一線寬。

應瞭解，線220可經分段，但是其等不需要分段。在其中線220經分段之一實施例中，如在圖4之放大A中可見，線220之各者係藉由複數個子線224及子線224之間的子空間226界定。較佳地，子線224及子空間226之節距與其上印刷標靶100及200之半導體裝置上之功能特徵之節距相同或接近該節距。例如，具有420 nm之一寬度之一線220可由具有14 nm之一節距V之15個子線224及15個子空間226形成。

在本發明之一較佳實施例中，P及Q皆無法藉由用以光學量測偏移之一工具光學解析 (諸如可自美國加利福尼亞州Milpitas之KLA-Tencor Corporation購得之一Archer™ 600)。應瞭解，P及Q彼此相關，使得所得莫列圖案190之節距M (如上文參考方程式2定義)可藉由用於量測偏移之工具(較佳地藉由節距M大於用於量測偏移之光之波長)光學解析。在本發明之另一實施例中，P及Q可藉由用於量測偏移之工具光學解析。

現參考圖5，其係繪示使用如上文參考圖1A至圖5描述之在標靶100之配準定向中或標靶200之偏移定向中之一標靶量測半導體裝置製造中之偏移之一方法300之一簡化流程圖。如在一第一步驟302所見，提供一多層半導體裝置。步驟302之多層半導體裝置包含至少一個標靶100或標靶200，如上文參考圖1至圖4描述。

如在一第二步驟304所見，使用用以光學量測偏移之一工具(諸如可自美國加利福尼亞州Milpitas之KLA-Tencor Corporation購得之一Archer™ 600)來用具有至少一個波長之光照明標靶100或標靶200，產生莫列圖案190。可用於量測標靶100或標靶200之典型光具有400至850 nm之間的一波長，但是應瞭解，亦可使用其他波長之光。在此階段，偵測信號192。應瞭解，在莫列圖案190之區域中，信號192展現具有等同於莫列圖案190之節距M之一週期性之一正弦變化194。

在本發明之一較佳實施例中，在步驟304中用於量測偏移之光為偏振光。在本發明之一些實施例中，第二週期性結構104及莫列圖案190使用不同工具設置(尤其包含使用不同波長之光)量測。在本發明之一較佳實施例中，在步驟304中用於量測偏移之光之特徵為大於標靶100或標靶200之節距P及Q之一波長或若干波長。在本發明之一替代實施例中，在步驟304中用於量測偏移之光之特徵為小於標靶100或標靶200之節距P及Q之一波長或若干波長。

如在一下一步驟306所見，分析包含歸因於莫列圖案190之具有對稱中心196之正弦變化194之信號192。應注意，在上文參考圖1A及圖1B描述之配準之情況中，信號192之正弦變化194之對稱中心196定位於與第二週期性結構104之對稱中心180相同之位置處。進一步應注意，在上文參考圖2A及圖2B描述之偏移之情況中，表示莫列圖案190之正弦變化194之對稱中心196定位為距第二週期性結構104之對稱中心180等於F×R之一距離，其中F係上文在方程式1中定義之倍數，且R係如上文參考圖2A及圖2B描述之第一週期性結構及第二週期性結構之相對移位R。

因此，在步驟306，在分析莫列圖案190以確定沿著軸線150之第一層110及第二層120之偏移中，在第二週期性結構104之對稱中心180之位置與信號192之正弦變化194之對稱中心196之位置之間進行比較，且自對稱中心180之位置與對稱中心196之位置之間的差確定步驟302之半導體裝置之第一層110與第二層120之間的偏移。

例如，在其中第一週期性結構具有350 nm之一節距P之一情況中，第二週期性結構具有400 nm之一節距Q，且偏移R為1 nm，信號192之正弦變化194之對稱中心196之相對位置沿著軸線150之改變為8 nm。

在一額外實例中，在其中第一週期性結構具有312 nm之一節距P之一情況中，第二週期性結構具有260 nm之一節距Q，且偏移R為4 nm，信號192之正弦變化194之對稱中心196之相對位置沿著軸線150之改變為20 nm。

在一進一步實例中，在其中第一週期性結構具有500 nm之一節距P之一情況中，第二週期性結構具有550 nm之一節距Q，且偏移R為2 nm，信號192之正弦變化194之對稱中心196之相對位置沿著軸線150之改變為22 nm。

熟習此項技術者將瞭解，本發明不限於在上文中已特定展示及描述之內容。本發明之範疇包含上文描述之各種特徵之組合及子組合兩者以及其等之修改，其等全部不在先前技術中。

100:標靶 102:第一週期性結構 104:第二週期性結構 110:第一層 120:第二層 150:軸線 160:延長部分 170:未圖案化區域 180:對稱中心 190:莫列圖案 192:信號 194:正弦變化 196:對稱中心 200:標靶 210:相互平行線 212:相互平行空間 214:子線 216:子空間 220:相互平行線 222:相互平行空間 224:子線 226:子空間 300:方法 302:第一步驟 304:第二步驟 306:步驟 A:放大 M:節距 P:節距 Q:節距 R:量/相對移位/偏移 S:移位 U:節距 V:節距

將自結合圖式進行之下列詳細描述更完整地理解及瞭解本發明，在圖式中：

圖1A及圖1B係根據本發明之一較佳實施例構造且操作之在一配準操作定向中之用於量測半導體裝置製造中之偏移之一標靶之簡化各自俯視圖及截面側視圖繪示；

圖2A及圖2B係在一非配準操作定向中之圖1A及圖1B之標靶之簡化各自俯視圖及截面側視圖繪示；

圖3係形成圖1A至圖2B之標靶之部分之一第一標靶層之一簡化俯視圖繪示；

圖4係形成圖1A至圖2B之標靶之部分之一第二標靶層之一簡化俯視圖繪示；及

圖5係使用圖1A至圖4之標靶來量測半導體裝置製造中之偏移之一方法之一簡化流程圖。

300:方法

302:第一步驟

304:第二步驟

306:步驟

Claims

一種用於半導體裝置製造中之偏移(misregistration)之光學量測之標靶，該標靶包括：未圖案化區域；一第一週期性結構，其形成於一半導體裝置之一第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距；及一第二週期性結構，其形成於該半導體裝置之一第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距，該第二節距不同於該第一節距，該第二週期性結構沿著該軸線在兩個相反方向上延伸超越該第一週期性結構達至少為該第二節距之兩倍之一距離，其中該等未圖案化區域在該第二層上沿著該軸線在該兩個相反方向上延伸超越該第二週期性結構之端部。
如請求項1之標靶，其中該第一節距及該第二節距各小於2000nm。
如請求項1之標靶，其中該第一節距及該第二節距各小於650nm。
如請求項1之標靶，其中該第一節距及該第二節距係使得當該標靶係藉由至少一個波長之光照明時，產生具有一第三節距之一莫列圖案，該第三節距大於該至少一個波長。
如請求項1之標靶，其中該標靶具有小於50μm x 50μm之一面積。
如請求項1之標靶，其中該標靶具有小於4μm x 4μm之一面積。
如請求項1之標靶，其中該標靶具有小於2μm x 2μm之一面積。
如請求項1之標靶，其中該標靶在形狀上係矩形的。
如請求項1之標靶，其中該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線及該等線之間的該等空間各具有等於該第一節距之50%之一寬度。
如請求項1之標靶，其中該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第一節距之10%至90%之一寬度。
如請求項9之標靶，其中該第一週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定，其中該第一週期性結構之該等子線及該等子線之間的子空間具有約12nm至50nm之一節距。
如請求項1之標靶，其中該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線及該等線之間的該等空間各具有等於該第二節距之50%之一寬度。
如請求項1之標靶，其中該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該等線各具有該第二節距之10%至90%之一寬度。
如請求項12之標靶，其中該第二週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定，其中該第二週期性結構之該等子線及該等子線之間的子空間具有約12nm至50nm之一節距。
一種量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其包括：提供包括至少一第一層及一第二層之一多層半導體裝置，其中該裝置包括一標靶，該標靶包括：未圖案化區域；一第一週期性結構，其形成於該第一層上且具有沿著一軸線之一第一節距；及一第二週期性結構，其形成於該第二層上且具有沿著該軸線之一第二節距，該第二節距不同於該第一節距，該第二週期性結構沿著該軸線在兩個相反方向上延伸超越該第一週期性結構達至少為該第二節距之兩倍之一距離，其中該等未圖案化區域在該第二層上沿著該軸線在該兩個相反方向上延伸超越該第二週期性結構之端部；用至少一個波長之光照明該標靶，產生特徵為一第三節距之一莫列圖案；及執行該莫列圖案之分析以確定該第一層及該第二層沿著該軸線之偏移。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第一節距及該第二節距各小於該至少一個波長。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第三節距大於該至少一個波長。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第一節距及該第二節距各大於該至少一個波長。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該第一週期性結構之該等線及該等線之間的該等空間各具有等於該第一節距之50%之一寬度。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第一週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該第一週期性結構之該等線各具有該第一節距之10%至90%之一寬度。
如請求項19之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第一週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定，其中該第一週期性結構之該等子線及該等子線之間的子空間具有約12nm至50nm之一節距。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該第二週期性結構之該等線及該等線之間的該等空間各具有等於該第二節距之50%之一寬度。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第二週期性結構係藉由線及該等線之間的空間界定，該第二週期性結構之該等線各具有該第二節距之10%至90%之一寬度。
如請求項22之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中該第二週期性結構之該等線之各者係藉由複數個子線及該等子線之間的子空間界定，其中該第二週期性結構之該等子線及該等子線之間的子空間具有約12nm至50nm之一節距。
如請求項15之量測半導體裝置製造中之偏移之方法，其中：該第二週期性結構之特徵為一第一對稱中心；該標靶之該照明產生來自該標靶之一信號，該信號包括歸因於該莫列圖案之一正弦變化，該正弦變化之特徵為一第二對稱中心；及該分析該莫列圖案以確定該第一層及該第二層沿著該軸線之該偏移包括比較該第一對稱中心之位置及該第二對稱中心之位置。