[发明专利]一种套刻误差测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种套刻误差测量装置及方法，该装置包括光源，用于产生2种或2种以上波长的多色光；照明单元，用于提供照明光照射标记，并将光源发出的光在镜头的瞳面形成特定的照明分布形式；镜头，将照明单元出射的光汇聚至硅片的套刻测量标记上，并接收所述套刻测量标记的衍射光；分光单元，将所述照明单元的光引入镜头，并将镜头收集的硅片衍射光引向探测单元；基底单元，具有套刻测量标记；探测单元，用于探测镜头瞳面的角谱信号；以及处理单元，用于接收探测单元获取的测量信号并进行处理，计算套刻误差。本发明可同时使用多波长测量，增加有效信号，提高测量重复性；且无需扩大探测器面积或减小单个角谱成像区域以获得多个波长的角谱图像。

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种套刻误差测量装置及方法。

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，对光刻工艺参数套刻(overlay)的测量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(IBO，英文全称：Imaging-Basedoverlay)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，英文全称：Diffraction-Based overlay)正逐步成为套刻测量的主要手段。

散射测量技术采用如图1所示的套刻测量标记，该标记由在硅基底01上制成的上、下层光栅结构03、02组成，下层光栅结构02由前一次曝光图形经显影、刻蚀、沉积等半导体工艺制成，上层光栅结构03通常为本次曝光、显影后的光刻胶图形，套刻误差ε指两次曝光间的位置误差。散射测量技术测量套刻误差的原理为：当测量光正入射到上述套刻标记时，由于套刻误差引起的标记结构不对称性使衍射光的高级次光光强产生不对称性，该不对称性在很小的套刻误差范围内随套刻误差近似线性变化。例如，套刻标记存在ε的套刻误差，则测得入射光各级衍射光的光强I₊和I_-的非对称性近似可表示为：

A＝I₊-I_-＝k·ε (1)

其中k是标记工艺，以及测量光属性相关的因子，是一个未知量。

为了去除该未知量，获得套刻误差，通常制作2个一组的套刻标记，如图2a和2b所示。图2a为上下两层光栅结构初始的位置，即右边标记的上下光栅间存在一预设偏移量Δ，对应的左侧预设偏移量则为-Δ。此时，散射测量装置分别测量左右两个子标记上的光强非对称性，得到：

A_right＝k·(ε+Δ)

A_left＝k·(ε-Δ) (2)

则由上式可得套刻误差ε为：

由于DBO技术是通过测量套刻标记衍射光角分辨谱中相同衍射级次间的非对称性得到套刻误差，如上述式(3)。衍射光的衍射角随入射光入射角度的变化而改变，所谓反射光角分辨谱是指不同角度的入射光在被标记衍射后衍射光在不同角度形成的光强分布。例如，光源发出的光经干涉滤波装置后形成窄带宽的入射光，物镜将入射光汇聚到硅片的套刻标记上，探测器位于物镜的后焦面，标记的衍射光被物镜收集后被探测器接受，探测器测得标记各个角度衍射光的角分辨谱。但是为了进行多波长测量，一般需要在物镜光瞳面进行分光，以便同时测量多个分立波长下的角分辩谱。

由此可知，目前的套刻误差测量装置及方法存在如下缺陷：首先，为了同时测量多个波长的角谱信息，上述方案在测量光路中引入光栅和楔板进行多个波长瞳面位置分离，因此大大增加了系统的复杂性；其次，采用上述方案时，若希望单个波长获得的有效信号不变，则需要扩大探测器的靶面和像素，且面积和像素的增加与波长数量成正比。

发明内容