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CN113168107B - 套刻测量装置 - Google Patents

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CN113168107B
CN113168107B CN201980074905.4A CN201980074905A CN113168107B CN 113168107 B CN113168107 B CN 113168107B CN 201980074905 A CN201980074905 A CN 201980074905A CN 113168107 B CN113168107 B CN 113168107B
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Abstract

本发明涉及一种套刻测量装置。本发明提供一种套刻测量装置，其测量分别形成于设置在晶圆的彼此不同的层的第一套刻标记与第二套刻标记之间的误差的装置，所述套刻测量装置包括：光源；第一分束器，其将从所述光源出射的光束分离为两个光束；第一滤色器，其将由所述第一分束器分离的光束中的一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第一套刻标记图像；第二滤色器，其将由所述第一分束器分离的光束中的另一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第二套刻标记图像；光束组合器，其组合通过了所述第一滤色器和第二滤色器的光；物镜，其将由所述光束组合器组合的光束聚光于晶圆的测量位置，并收集从测量位置反射的光束；第二分束器，其将由所述物镜收集的光束分离为两个光束；第一检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的一个光束以获取所述第一套刻标记图像；第二检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的另一个光束以获取所述第二套刻标记图像。

Description

套刻测量装置
技术领域
本发明涉及一种套刻测量装置。
背景技术
随着技术的进步，半导体器件的尺寸变小，并且要求增加集成电路的密度。为了满足这种要求，需要满足多种条件，其中，套刻容许误差是重要的指标之一。
半导体器件通过多个制造工序制造。为了在晶圆上形成集成电路，需要经过多个制造工序，以便在特定位置依次形成期望的电路结构和要素。制造工序使得在晶圆上依次生成图案化的层。通过这些反复的层叠工序，在集成电路内生成电激活的图案。此时，倘若每个结构未被对准在生产工序中容许的无法范围内，则电激活的图案之间会发生干涉，并且这种现象可能会导致所制造的电路的性能和可靠性出现问题。为了测量和验证这些层之间的对准误差，使用一种套刻测量工具。
一般的套刻计量和方法测量和验证两个层之间的对准是否在容许误差范围内。其中一种方法是在基板上的特定位置形成被称为套刻标记的结构物，并利用光学图像获取装备拍摄该结构物以测量套刻的方法。用于测量的结构物被设计为在每个层可以测量X方向和Y方向中的至少一个方向的套刻。每个结构物被设计为对称结构，并计算在对称方向上配置的结构物之间的中心值以将其用作该层的代表值，并计算该每个层的代表值之间的相对差来得出套刻误差。
当测量两个层的套刻时，如图1和图2所示，将盒形状的主尺1和相较于主尺1小的盒形状的副尺2分别形成于连续的两个层后，如图3和图4所示，获取表示以主尺1为焦面(focal plane)获得的信号的每个位置的强度变化的波形，以获取主尺1的中心值C1，并获取表示以副尺2为焦面获得的信号的不同位置的强度的变化的波形，以获取副尺2的中心值C2，由此测量两个层之间的套刻误差。
然而，这种方法存在使用相同的光束来获取主尺1和副尺1的波形或图像而未考虑主尺1和副尺1在彼此不同的层由彼此不同的物质形成，并且主尺1被形成有副尺1的层覆盖等的问题。此外，还存在未考虑由于形成有主尺1的层与形成有副尺1的层之间的高度差，主尺1和副尺2的高度不同，因而所获取的波形或图像的倍率出现差异的问题。
在因半导体工艺技术的发展而有必要准确、快速地测量高度差大且光学性质不同的层之间的套刻误差的当前，对解决这些问题的需求越来越增加。
发明内容
技术课题
本发明旨在改善上述问题，其目的在于，提供一种能够准确、快速地测量高度差大且光学性质彼此不同的层之间的套刻误差的新的套刻测量装置。
技术方案
为了达成上述木目的，本发明提供一种套刻测量装置，其测量分别形成于设置在晶圆的彼此不同的层的第一套刻标记与第二套刻标记之间的误差，所述套刻测量装置包括：光源；第一分束器(beam splitter)，其将从所述光源出射的光束分离为两个光束；第一滤色器(color filter)，其将由所述第一分束器分离的光束中的一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第一套刻标记图像；第二滤色器，其将由所述第一分束器分离的光束中的另一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第二套刻标记图像；光束组合器(beam combiner)，其组合通过了所述第一滤色器和第二滤色器的光；物镜，其将由所述光束组合器组合的光束聚光于晶圆的测量位置，并收集从测量位置反射的光束；第二分束器，其将由所述物镜收集的光束分离为两个光束；第一检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的一个光束以获取所述第一套刻标记图像；第二检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的另一个光束以获取所述第二套刻标记图像。
此外，所述套刻测量装置还包括：焦点致动器(focus actuator)，其调节所述第二分束器与所述第二检测器之间的距离。
此外，所述套刻测量装置还包括：变焦镜头，其设置于所述第二分束器与所述焦点致动器之间，并且利用所述焦点致动器引起的所述第二检测器的位置变化值来使所述第二套刻标记图像与第一套刻标记图像的倍率一致。
此外，所述套刻测量装置还包括：第三分束器，其将通过了光束组合器的光束分离为两个光束；以及光束检测器，其分析由所述第三分束器分离的光束中的一个光束的光学特性，并且由所述第三分束器分离的光束中的另一个光束朝向所述物镜。
此外，所述第一分束器和所述第二分束器将所入射的光束分离为反射光束和透射光束。
此外，所述第二分束器包括管分束器和双色向滤光器，并且将所入射的光束分离为适合于获取所述第一套刻标记图像的光束和适合于获取第二套刻标记图像的光束。
发明的效果
本发明的套刻测量装置具有能够准确、快速地测量高度差大且光学性质彼此不同的层之间的套刻误差的优点。
附图说明
图1是套刻标记的平面图。
图2是图1所示的套刻标记的侧视图。
图3示出以图1所示的套刻标记的主尺为焦面获取的信号的不同位置的强度的变化波形。
图4示出以图1所示的套刻标记的副尺为焦面获取的信号的不同位置的强度的变化波形。
图5是本发明的一实施例的套刻测量装置的概念图。
图6是示出通过了图5所示的第一滤色器的光束的波长的强度的图。
图7是示出通过了图5所示的第二滤色器的光束的波长的强度的图。
图8是用于说明将光束照射至形成在晶圆的第一套刻标记和第二套刻标记的方法的图。
图9是示出由图5所示的第一检测器获取的图像的图。
图10是示出由图5所示的第二检测器获取的图像的图。
图11是示出对应于由图5所示的光束检测器获取的光束的波长的强度的图。
具体实施方式
下面参考附图对本发明的实施例进行详细描述。但是，本发明的实施例可以被变形为多种不同的形态，不应解释为本发明的范围限于以下描述的实施例。提供本发明的实施例是为了向本领域中的一般的技术人员更完整地说明本发明。因此，图中要素的形状是为了强调更清楚的说明而被夸张的，并且图中用相同的附图标记标示的要素意指相同的要素。
图5是本发明的一实施例的套刻测量装置的概念图。套刻测量装置是测量分别形成于设置在晶圆w的彼此不同的层的第一套刻标记OM1与第二套刻标记OM2之间的误差的装置。
例如，如图8所示，第一套刻标记OM1可以是形成于前一层上的套刻标记，而第二套刻标记OM2可以是形成于当前层上的套刻标记。套刻标记在晶粒区域形成用于形成半导体器件的层的同时，形成于划片(scribe)线。例如，第一套刻标记OM1可以与绝缘膜图案一同形成，而第二套刻标记OM2可以与形成于绝缘膜图案上的光刻胶图案一同形成。
在这种情况下，虽然第二套刻标记OM2向外部露出，但第一套刻标记OM1处于被光刻胶层遮挡的状态，并且由光学性质不同于由光刻胶材料制成的第二套刻标记OM2的氧化物构成。此外，第一套刻标记OM1和第二套刻标记OM2的高度彼此不同。
本发明向第一套刻标记OM1和第二套刻标记OM2分别照射适合于构成各自的标记的材料的光学性质的光束，并且考虑套刻标记的高度差来调整倍率，从而可以准确、快速地测量套刻误差。
作为套刻标记，可以使用当前使用的多种形式的套刻标记，如盒中盒(box inbox，BIB，参见图1)、先进影像测量(advanced inmaging metrology，AIM)套刻标记等。下面将主要以结构简单的盒中盒形式的套刻标记为基准进行描述。
如图5所示，本发明的一实施例的套刻测量装置包括光源10、第一分束器12(beamsplitter)、第一滤色器14(color filter)、第二滤色器15、光束组合器16(beamcombiner)、第三分束器24、物镜20、第二分束器30、第一检测器31、第二检测器33以及光束检测器26。
作为光源10，可以使用卤素灯、氙气灯、超连续谱激光器(supercontinuumlaser)、发光二极管、激光感应灯(laser induced lamp)等。
第一分束器12起将从光源10出射的光束分离为两个光束的作用。即，第一分束器12使从光源10出射的光束的一部分透射，并使另一部分反射，由此将从光源10出射的光束分离为两个光束。
第一滤色器14起将由第一分束器12分离的光束中透射了第一分束器12的光束的中心波长和带宽调节为适合于获取形成在当前层的第二套刻标记OM2图像的作用。
图6是示出通过了图5所示的第一滤色器的光束的波长的强度(intensity)的图。如图6所示，通过了第一滤色器14的光束的中心波长变短，并且带宽减小。
第二滤色器15起将由第一分束器12分离的光束中由第一分束器12反射的束的中心波长和带宽调节为适合于获取形成在前一层的第一套刻标记OM1图像的作用。由第一分束器12反射的光束的光束的路径被设置于第一分束器12与第二滤色器15之间的第一反射镜13(mirror)改变为朝向第二滤色器15。
图7是示出通过了图5所示的第二滤色器的光束的波长的强度的图。如图7所示，通过了第二滤色器15的光束的中心波长变长，并且带宽减小。
光束组合器16起组合通过了第一滤色器14和第二滤色器15的光的作用。通过了第一滤色器14的光透射光束组合器16，而通过了第二滤色器15的光束在光束的路径被第二反射镜17改变为朝向光束组合器16之后由光束组合器16反射，以与透射了光束组合器16的光束再组合。
第三分束器24起将通过光束组合器16组合的光束再分离为两个光束的作用。通过光束组合器16组合的光束经中继透镜18和偏振滤光器21而以偏振的状态由第三分束器24分离为两个光束。
物镜20起将在由光束组合器16组合之后由第三分束器24反射后经λ波片22进行圆偏振的光束聚光于晶圆w的测量位置，并收集测量位置处的反射的光束的作用。物镜20设置于透镜焦点致动器25(lens focus actuator)。
图8用于说明将光束照射至形成在晶圆的第一套刻标记和第二套刻标记的方法的图。实线表示适合于测量第二套刻标记OM2的光束，虚线表示适合于测量第一套刻标记OM1的光束。如图8所示，将光束聚光于晶圆w的形成有第一套刻标记OM1和第二套刻标记OM2的测量位置，并收集被反射的光束。透镜焦点致动器25可以调节物镜20与晶圆w之间的距离以使焦面位于第一套刻标记OM1或第二套刻标记OM2。在本实施例中，将以焦面位于形成在当前层的第二套刻标记OM2为基准进行描述。
第二分束器30起将由物镜20收集的光束分离为两个光束的作用。第二分束器30可以包括管分束器和双色向滤光器(dichroic filter)。双色向滤光器是使特定波长的光束透射的滤光器。由物镜20收集的光束经λ波片22、第三分束器24以及镜筒透镜27并由第二分束器30分离为两个光束。即，被分离为适合于检测第一套刻标记OM1的光束和适合于检测第二套刻标记OM2的光束。如图6和图7所示，适合于检测第一套刻标记OM1的光束和适合于检测第二套刻标记OM2的光束在中心波长上存在差异，并且带宽较窄，因而可以利用双色向滤光器容易地进行分离。
第一检测器31检测通过了第二分束器30的光束。第一检测器31可以获取第二套刻标记OM2的图像。
图9是示出由图5所示的第一检测器获取的图像的图。如图9所示，由第一检测器31获取的图像的第二套刻标记OM2被显示得清晰，而第一套刻标记OM1被显示得模糊。这是因为焦面位于第二套刻标记OM2。
第二检测器33检测由第二分束器30反射的光束。第二检测器33设置于焦点致动器34(focus actuator)以调节第二分束器30与第二检测器33之间的距离。第二检测器33获取第一套刻标记OM1的图像。
如上所述，由于物镜20与晶圆w之间的距离被条即为使焦面位于第二套刻标记OM2，因此，为了获取第一套刻标记OM1的清晰的图像，需要利用焦点致动器34根据第一套刻标记OM1与第二套刻标记OM2的高度差来调节第二检测器33与第二分束器30之间的距离。
变焦镜头32(zoom lens)设置于第二分束器30与焦点致动器34之间。变焦镜头32起从焦点致动器34接收第二检测器33的位置变化值，并根据该值使第二套刻标记OM2图像和第一套刻标记OM1图像的倍率一致的作用。根据第一套刻标记OM1和第二套刻标记OM2的高度差，第二检测器33与第二分束器30之间的光路距离不同于第一检测器31与第二分束器30之间的光路距离，因而由第一检测器31获取的图像和由第二检测器33获取的图像的倍率可能彼此不同。为了准确地测量套刻误差，应使倍率一致。
图10是示出由图5所示的第二检测器获取的图像的图。如图10所示，由第二检测器33获取的图像的第一套刻标记OM1被显示得清晰，而第二套刻标记OM2被显示得模糊。这是因为，通过焦点致动器34调节了第二检测器33的位置，以使第一套刻标记OM1被清晰地显示。此外，由于通过变焦镜头32调节了倍率，因而倍率与图9所示的图像相同。
光束检测器26起分析通过了第三分束器24的光束是否处于最优化的状态的作用。
图11是示出由对应于图5所示的光束检测器获取的光束的波长的透射率的图。由于由光束检测器26分析的光束是通过了第一滤色器14和第二滤色器15的光束再组合的光束，因此，如图11所示，示出对应于由光束检测器26检测的光束的波长的强度的图表是组合图6和图7所示的图表的形态。
以上描述的实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行了描述，本发明的权利范围不限于所描述的实施例，并且，在本发明的技术思想和权利要求书的范围内可以由本领域的一般的技术人员实施多样的变更、变形或置换，并且那样的实施例应被理解为落入本发明的范围。
附图标记
w：晶圆，OM1：第一套刻标记，OM2：第二套刻标记，10：光源，12：第一分束器，14：第一滤色器，15：第二滤色器，16：光束组合器，20：物镜，24：第三分束器，25：透镜焦点致动器，26：光束检测器，30：第二分束器，31：第一检测器，32：变焦镜头，33：第二检测器，34：焦点致动器。

Claims (4)

1.一种套刻测量装置，其测量分别形成于设置在晶圆的彼此不同的层的第一套刻标记与第二套刻标记之间的误差，所述套刻测量装置的特征在于，包括：
光源；
第一分束器，其将从所述光源出射的光束分离为两个光束；
第一滤色器，其将由所述第一分束器分离的光束中的一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第一套刻标记图像；
第二滤色器，其将由所述第一分束器分离的光束中的另一个光束的中心波长和带宽调节为适合于获取所述第二套刻标记图像；
光束组合器，其组合通过了所述第一滤色器和第二滤色器的光；
物镜，其将由所述光束组合器组合的光束聚光于晶圆的测量位置，并收集从测量位置反射的光束；
第二分束器，其将由所述物镜收集的光束分离为两个光束；
第一检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的一个光束以获取所述第一套刻标记图像；
第二检测器，其检测由所述第二分束器分离的光束中的另一个光束以获取所述第二套刻标记图像；
焦点致动器，其调节所述第二分束器与所述第二检测器之间的距离；以及
变焦镜头，其设置于所述第二分束器与所述焦点致动器之间，并且利用所述焦点致动器引起的所述第二检测器的位置变化值来使所述第二套刻标记图像与第一套刻标记图像的倍率一致。
2.根据权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，还包括：
第三分束器，其将通过了光束组合器的光束分离为两个光束；以及
光束检测器，其分析由所述第三分束器分离的光束中的一个光束的光学特性，并且
由所述第三分束器分离的光束中的另一个光束朝向所述物镜。
3.根据权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，
所述第一分束器和所述第二分束器将所入射的光束分离为反射光束和透射光束。
4.根据权利要求1所述的套刻测量装置，其特征在于，
所述第二分束器包括管分束器和双色向滤光器，并且将所入射的光束分离为适合于获取所述第一套刻标记图像的光束和适合于获取第二套刻标记图像的光束。
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