CN104423173B - 套刻测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套刻测量装置和方法，用于检测套刻误差，该装置包括：光源，用于提供照明光束；物镜，用于将照明光束汇聚到待测样品上，并收集待测样品表面的衍射光；空间光调制器，位于物镜光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束通过；第一光谱仪，用于测量通过空间光调制器的衍射光光谱。本发明通过采用光谱测量替代角谱测量，减小了照明非均匀性对衍射光对应衍射级次非对称性测量的影响；同时，采用第一光谱仪对不同级次衍射光进行测量，减小角谱测量中CCD探测器灵敏度非均匀性对衍射光对应衍射级次非对称性测量的影响。

Description

套刻测量装置和方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种套刻测量装置和方法。

背景技术

根据ITRS（国际半导体技术蓝图）给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形CD尺寸进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光（Double Patterning）技术的广泛应用，对套刻（overlay）测量的精度要求已经进入亚纳米领域。由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术（DBO，Diffraction-Based overlay）正逐步成为套刻测量的一种重要的补充手段。

DBO主要分为两大类，一类称为基于模型的DBO技术，该类技术通过对套刻标记的CD、侧壁角（SWA）、高度和套刻参数进行严格建模，计算得到理论衍射光谱，将测量值与理论值进行对比提取套刻参数。这类技术的主要优点在于原则上只要一个标记便可测得一个方向的套刻值，因而标记成本较低；然而，由于套刻测量需提取两层图形结构间的位置偏差，这两层结构中的大量未知参数均需在建模时体现，使建模的计算成本大大提高，通常一个几十个CPU的计算集群需要几天时间对一层图形结构进行建模，随着图形层数的增加，建模时间将呈几何指数增长。其次，这些未知参量与套刻参数间经常互相串扰，使测量值与理论值作比较时，无法正确提取套刻参数。因此，该技术由于其计算成本、时间，参数提取精度等原因，很少在生产中应用。

另一类称为基于经验的DBO技术，该类技术直接使用低阶函数拟合衍射光衍射效率随套刻参数的变化情况，通过在多个不同预设偏差（offset）的标记上采集信号，计算得到套刻参数。这类技术常见的有两种测量方法，一种方法测量入射光的0级衍射光光谱在多个具有一定预设偏差的标记上的信号。由于0级衍射信号随套刻参数呈偶函数变化，可使用二次函数等方法拟合该信号以求得套刻值。这种方法的计算成本几乎为零，且可使用传统的反射仪进行测量。但由于衍射光偶函数信号变化较复杂，需设置多个套刻标记以提供足够的信号采样才能获得较好的拟合精度，从而获得较高的测量精度。一般，该方法最少需要4个标记测量一个方向的套刻参数，因此标记成本很高。

基于经验的DBO技术的另一种方法通过测量衍射光正负级次的非对称性实现。该方法通过测量衍射光的角谱，识别对应入射光的正负级次并计算它们的非对称性。由于正负级次的非对称性在一定范围内近似和套刻参数成正比，该方法最少可以使用两个预设偏差对称的标记实现一个方向套刻参数的测量。同样，该经验方法也几乎没有计算成本。

综上所述，由于标记成本低，几乎无计算资源需求以及精度高等优点，基于经验的使用高级次衍射光的非对称性测量套刻误差的技术具有优势。该技术通过在一大NA物镜光瞳面测得套刻标记衍射光的角谱，计算角谱中对应衍射级次的非对称性求得套刻。该技术主要面临以下问题：

1、该技术采用空间分离的多个入射角度的入射光同时测量衍射光的角谱，测得角谱受照明非均匀性影响；

2、该技术同时在CCD探测器的不同位置检测+/-级次衍射光光强，在求+/-级次非对称性时，受CCD探测器像素灵敏度不均匀性的影响。

发明内容

本发明提供一种套刻测量装置和方法，可以降低照明空间非均匀性和探测器灵敏度非均匀性对衍射光非均匀性测量的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻测量装置，用于检测套刻误差，包括：光源，用于提供照明光束；物镜，用于将照明光束汇聚到待测样品上，并收集待测样品表面的衍射光；空间光调制器，位于物镜光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束的通过；第一光谱仪，用于测量通过空间光调制器的衍射光光谱。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述光源采用宽波段光源。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述宽波段光源包括：Xe灯、卤钨灯和氘灯。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述光源发出的照明光束通过照明光路和分束镜后，投射到物镜上。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，经分束镜后的另一光束投射到一探测器上。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述探测器采用光电二极管或第二光谱仪。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述空间光调制器采用可变光阑或快门。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述空间光调制器为透过式空间光调制器，所述透过式光调制器包括透光区域和非透光区域。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，通过所述空间光调制器的衍射光经一光学系统后进入第一光谱仪。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述空间光调制器为数字微反射镜阵列。

本发明还一种套刻测量方法，应用于所述的套刻测量装置中，包括：步骤1：打开光源，将测量光斑移动到待测样品的第一个套刻子标记上；步骤2：切换空间光调制器，使一个方向的高级次衍射光通过并传递至第一光谱仪，同时阻止另一个方向的高级次衍射光和零级次衍射光；步骤3：第一光谱仪测量一个方向的高级次衍射光的光谱；步骤4：切换空间光调制器，使另一个方向的高级次衍射光通过并传递至第一光谱仪；步骤5：第一光谱仪测量另一个方向的高级次衍射光的光谱；步骤6：测量光斑移动到第二个套刻子标记上，重复步骤2～5；步骤7：计算第一个、第二个套刻子标记高级次衍射光的非对称性；步骤8：根据非对称性计算套刻误差值。

作为优选，在所述的套刻测量方法中，采用公式A＝I₊₁-I_-1，计算非对称性；其中，I₊₁、I_-1分别为入射光正入射到待测样品上时，+/-1级光的光强。

作为优选，在所述的套刻测量方法中，采用公式

计算套刻误差值；

其中，A₁为第一个套刻子标记上测得的非对称性，A₂为第二个套刻子标记上测得的非对称性，Δ为预设偏差。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用光谱测量替代角谱测量，对衍射光对应级次光强进行检测。由于光谱测量测得光源与照明整体平均值的光谱，解决了角谱测量中受光源与照明非均匀性影响的问题。

2、通过使用空间光调制器，使不同衍射级次衍射光测量在时间上分离；采用同一光谱仪对不同级次衍射光进行测量，解决了角谱测量中使用CCD探测器不同部分对不同衍射光进行测量，从而引入探测器像素灵敏度非均匀性的问题。

3、本发明针对使用对应衍射级次衍射光强非对称性的技术方案进行了优化，使测量不同衍射级次光强时精度更高、一致性更好，从而提高了套刻误差检测精度。

附图说明

图1为本发明实施例1中套刻测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中一种空间光调制器的结构示意图；

图3为本发明实施例1中套刻标记横截面示意图；

图4a和图4b分别为本发明实施例1中套刻标记的俯视图；

图5为本发明实施例1中+/-1级光非对称性与套刻误差之间的关系图；

图6为本发明实施例1中套刻测量方法的流程图；

图7为本发明实施例2中套刻测量装置的结构示意图。

图1～6中：101-光源，102-照明光路、103-分束镜、104-物镜、105-待测样品、1051-第一个套刻子标记、1052-第二个套刻子标记、106-空间光调制器、1061-透光区域、1062-非透光区域、107-光学系统、108-光谱仪。

图7中：203-分束镜、206-空间光调制器、209-探测器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

请参照图1，本实施例的套刻测量装置，包括：

光源101，用于提供照明光束，所述光源101为宽波段光源，采用Xe灯、卤钨灯和氘灯等，光源101发出的光包括可见光，例如包含400nm～800nm波长的光，红外光，如波长范围1000nm～1500nm的光，以及紫外光，如波长低至200nm的光；

物镜104，用于将照明光束汇聚到待测样品105上，并收集待测样品105表面的衍射光，具体地：光源101发出的光经照明光路102和分束镜103后，由物镜104汇聚到待测样品105的套刻标记上；

空间光调制器106，位于物镜104光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束通过，进一步的，所述空间光调制器106采用可变光阑或快门。

光谱仪108，用于测量通过空间光调制器106的衍射光光谱；具体地，通过所述空间光调制器106的衍射光经一光学系统107后进入光谱仪108，光谱仪108接收不同的衍射光，并测得该衍射光的光谱，在进行套刻误差测量时，对于每个套刻标记，需要分别测量其正级次衍射光和负级次衍射光，然后计算不同波长下的衍射光强非对称性，最后利用两个套刻标记上测得的非对称性，得到套刻误差。

本实施例采用光谱测量替代角谱测量，对衍射光对应级次光强进行检测。由于光谱测量测得光源与照明整体平均值的光谱，解决了角谱测量中受光源与照明非均匀性影响的问题。同时，通过使用空间光调制器106，使不同衍射级次衍射光测量在时间上分离；采用同一光谱仪108对不同级次衍射光进行测量，解决了角谱测量中使用CCD探测器不同部分对不同衍射光进行测量，从而引入探测器像素灵敏度非均匀性的问题。

进一步的，本实施例优选采用如图2所示的透过式空间光调制器，所述透过式光调制器包括透光区域1061和非透光区域1062；具体地，当仅测量-1级光的光谱时，可以使-1级光处于透光区域1061，而0级光与+1级光处于非透光区域1062。当测量+1级光的光谱时，可以使该空间光调制器106旋转180度。

需要说明的是，采用基于经验的散射测量技术测量套刻误差，需要特殊的套刻标记。用于衍射光测量的标记可以是周期性的密集线条标记，此类标记可使测量设备较容易地测得各个衍射级次的衍射效率。本实施例采用的套刻标记的结构如图3所示，图3中Cu/FSG光栅为下层标记，表面的光刻胶光栅为上层标记，两层标记间由其他工艺层隔开，实际生产和测量中则根据不同的生产工艺需要而确定，此处不做赘述。上下两层光栅标记间的位置偏差即是由光刻工艺产生的套刻误差。

图4a和图4b显示了待测样品105上的一种用于套刻误差测量的套刻标记，其由第一个、第二个套刻子标记1051、1052组成，用于测量水平向的套刻误差；当然，也可以设计周期为垂向分布的标记用于测量垂向套刻误差。2个套刻子标记1051、1052的上下两层光栅间存在一定的预设偏差-Δ和Δ，当上下两层工艺层间存在套刻误差时，标记的位置如图4b所示。分别测量2个套刻子标记1051、1052上的正负级次光衍射效率非对称性，本实施例以+/-1级光衍射效率非对称性为例，得到

A₁(ε-Δ)＝k·(ε-Δ)............................(1)

A₂(ε+Δ)＝k·(ε+Δ)

其中，A₁为第一个套刻子标记1051上测得的非对称性，A₂为第二个套刻子标记1052上测得的非对称性。所谓非对称性是指对应衍射级次的衍射效率差值，当入射光为正入射情况时，为其+/-1级光光强的差值，即

A＝I₊₁-I_-1……………….(2)

图5显示了+/-1级光非对称性随套刻误差变化的情况，其中横轴为套刻误差与标记周期的比值。可见，非对称性在套刻误差为0附近与套刻误差近似成正比关系，因此，根据测得的非对称性可计算得到套刻误差为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{A_1+A_2}{A_2-A_1}\·\mathrm{\Δ}.....................\left(3\right)$

请参照图6，并结合图1～5，本实施例还提供一种应用于上述套刻测量装置中的套刻测量方法，包括：

步骤1：打开光源101，将测量光斑移动到待测样品105的第一个套刻子标记1051上。

步骤2：切换空间光调制器106，使一个方向的高级次衍射光通过，同时阻止另一个方向的高级次衍射光和零级次衍射光；也就是说，此时的衍射光只有第一个方向的高级次衍射光可以通过，即只有负级次（或者正级次）的衍射光可通过，另一个方向的高级次衍射光和零级光则被阻挡，不能到达光谱仪108。需要说明的是，本实施例中的高级次衍射光指的是零级光以外的其他某一级次衍射光，如+/-1级、+/-2级…

步骤3：光谱仪108测量上述一个方向的高级次衍射光的光谱；

步骤4：切换空间光调制器106，使另一个方向的高级次衍射光通过；

步骤5：光谱仪108测量另一个方向的高级次衍射光的光谱；

步骤6：测量光斑移动到待测样品105的第二个套刻子标记1052上，重复步骤2～5后，进入步骤7；

步骤7：计算第一个、第二个套刻子标记1051、1052的高级次衍射光的非对称性，即根据公式（2）计算两个套刻子标记1051、1052上测得的对应正负级次衍射光的光谱非对称性。

步骤8：利用非对称性计算套刻误差值，即根据公式（3）利用非对称性计算获得套刻误差值。

实施例2

本实施例与实施例1的区别点在于，选用的空间光调制器不同。

请参照图7，本实施例中使用反射式的空间光调制器206实现对各衍射级次衍射光的选择。具体地，所述空间光调制器206采用数字微反射镜阵列，可以获得更灵活的空间调制方式以及更快的调制速度。

请继续参照图7，本实施例使用一个探测器209测量从分束镜203分出的另一束光，进一步的，该探测器209为光电二极管，用于测量入射光的整体强度变化；当然，所述光电二极管也可以用第二光谱仪代替，以测量入射光整体光谱的漂移。本实施例的其余特征与实施例1相同，此处不再赘述。

综上，本发明提供一种套刻测量装置和方法，用于检测套刻误差，该装置包括：光源，用于提供照明光束；物镜，用于将照明光束汇聚到待测样品上，并收集待测样品表面的衍射光；空间光调制器，位于物镜光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束的通过；第一光谱仪，用于测量通过空间光调制器的衍射光光谱。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用光谱测量替代角谱测量，对衍射光对应级次光强进行检测。由于光谱测量测得光源与照明整体平均值的光谱，解决了角谱测量中受光源与照明非均匀性影响的问题；

2、通过使用空间光调制器，使不同衍射级次衍射光测量在时间上分离；采用同一光谱仪对不同级次衍射光进行测量，解决了角谱测量中使用CCD探测器不同部分对不同衍射光进行测量，从而引入探测器像素灵敏度非均匀性的问题；

3、本发明针对使用对应衍射级次衍射光强非对称性的技术方案进行了优化，使测量不同衍射级次光强时精度更高、一致性更好，从而提高了套刻误差检测精度。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种套刻测量装置，用于检测套刻误差，其特征在于，包括：

光源，用于提供照明光束；

物镜，用于将照明光束汇聚到待测样品上，并收集待测样品表面的衍射光；

空间光调制器，位于物镜光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束的通过；

第一光谱仪，用于测量通过空间光调制器的衍射光光谱。

2.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，所述光源采用宽波段光源。

3.如权利要求2所述的套刻测量装置，其特征在于，所述宽波段光源包括：Xe灯、卤钨灯和氘灯。

4.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，所述光源发出的照明光束通过照明光路和分束镜后，投射到物镜上。

5.如权利要求4所述的套刻测量装置，其特征在于，经分束镜后的另一光束投射到一探测器上。

6.如权利要求5所述的套刻测量装置，其特征在于，所述探测器为光电二极管或第二光谱仪。

7.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，所述空间光调制器采用可变光阑或快门。

8.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，所述空间光调制器为透过式空间光调制器，所述透过式光调制器包括透光区域和非透光区域。

9.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，通过所述空间光调制器的衍射光经一光学系统后进入第一光谱仪。

10.如权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，所述空间光调制器为数字微反射镜阵列。

11.一种套刻测量方法，应用于如权利要求1～10任一项所述的套刻测量装置中，其特征在于，包括：

步骤1：打开光源，将测量光斑移动到待测样品的第一个套刻子标记上；

步骤2：切换空间光调制器，使一个方向的高级次衍射光通过并传递至第一光谱仪，同时阻止另一个方向的高级次衍射光和零级次衍射光；

步骤3：第一光谱仪测量一个方向的高级次衍射光的光谱；

步骤4：切换空间光调制器，使另一个方向的高级次衍射光通过并传递至第一光谱仪；

步骤5：第一光谱仪测量另一个方向的高级次衍射光的光谱；

步骤6：测量光斑移动到第二个套刻子标记上，重复步骤2～5；

步骤7：计算第一个套刻子标记高级次衍射光的非对称性、第二个套刻子标记高级次衍射光的非对称性；

步骤8：根据非对称性计算套刻误差值，

所述高级次衍射光指的是零级次衍射光以外的其他某一级次衍射光，所述非对称性指一个方向的高级次衍射光和另一个方向的高级次衍射光的衍射效率差值。

12.如权利要求11所述的套刻测量方法，其特征在于，采用公式A＝I₊₁-I_-1，计算非对称性；

其中，I₊₁、I_-1分别为入射光正入射到待测样品上时，+/-1级光的光强。

13.如权利要求11所述的套刻测量方法，其特征在于，采用公式计算套刻误差值，

其中，A₁为第一个套刻子标记上测得的非对称性，A₂为第二个套刻子标记上测得的非对称性，Δ为预设偏差。