[发明专利]套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法

说明书

本发明属于光刻相关技术领域，其公开了一种套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法，该装置包括：照明系统；设于照明系统光路上的起偏臂，起偏臂沿光路依次包括起偏器、第一相位延迟器、第二相位延迟器以及第一透镜组；与起偏臂沿待测套刻样件表面的法线对称设置的检偏臂，检偏臂沿光路依次包括第二透镜组、第三相位延迟器、第四相位延迟器以及检偏器；设于检偏臂光路上的探测系统，探测系统将检偏臂解调的光束会聚并将光束发送至数据处理系统，数据处理系统将光束转化为穆勒矩阵，并根据穆勒矩阵获得套刻误差。本申请待测套刻样件的套刻标记周期不受限制、测量速度快、测量结果不受运动器件的干扰，测量准确度高，鲁棒性好，适用范围广。

技术领域

本发明属于光刻相关技术领域，更具体地，涉及一种套刻误差测量装置及其测量方法和优化方法。

背景技术

集成电路(Integrated Circuit，IC)是现代生产生活不可或缺的组成部分，光刻是集成电路制造中的关键工艺，套刻误差(Overlay)是光刻工艺中的重要参数。套刻误差是指在曝光时，当前层(曝光显影后光刻胶上保留的图案)与参考层(晶圆上已有图案)之间的对准误差，亦即与当前层设计位置的相对偏移量。套刻精度是光刻机的三大指标之一，其大小对器件性能有着直接影响，过大的套刻误差将导致器件短路或开路，将极大地影响器件的良率。为保证设计在上下两层的电路能可靠连接，通常套刻误差必须小于关键尺寸(Critical Dimension，CD)的三分之一。在半导体制造过程中，必须用专用的套刻误差测量装置对套刻误差进行测量，计算所需要的套刻误差修正量，并将其反馈至光刻机的对准控制系统对套刻误差进行修正。对于测量系统而言，其测量精度通常要求为套刻误差容许值的10％～15％。因此套刻误差的准确、快速、鲁棒测量，是保证光刻机进行参数优化与工艺良率控制的关键。

美国专利申请US5701013A中提出，扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope，SEM)是一种能够较为精确地测量套刻误差的装置，但是其测量条件苛刻，对待测样件具有破坏性，且速度极慢，因此通常仅作为其他测量手段的参考标准。

目前常用的套刻误差测量装置均采用光学测量方法进行测量。一类测量装置利用基于成像的套刻误差(Image-Based Overlay，IBO)测量方法获取套刻误差，虽然这类装置的测量结果简单直观，但由于IBO方法本质上是一种光学显微成像技术，因此会受到光学分辨率极限的限制，难以满足先进技术节点下套刻误差的测量需求。另一类测量装置利用基于衍射的套刻误差(Diffraction-Based Overlay，DBO)测量方法获取套刻误差，通过测量周期性样件的衍射光谱实现套刻误差测量。

Weidong Yanga等在文章“A novel diffraction based spectroscopic methodfor overlay metrology”中提出利用套刻样件的零级反射光谱求解套刻误差。这种方法需要建立参数模型与仿真光谱之间的关系，不断迭代参数直至仿真光谱与测量光谱相同，或者需要预先建库进行匹配，因此会耗费大量时间。

美国专利申请US10520451中提出利用角分辨散射仪测量套刻误差，其利用经验公式(正负一级光强差ΔI与套刻误差OV近似成线性关系)求取套刻误差，这种方法称为eDBO(empirical DBO)方法，如式(1)所示：

ΔI＝K×OV (1)

基于上式(1)，分别在两块套刻标记上预设+D与-D的偏差，使两个标记中总的套刻误差分别(OV+D)与(OV-D)，分别测量两块标记的正负一级光强差ΔI⁺与ΔI^-，即可求取套刻误差OV，如式(2-a)至(2-c)所示：

ΔI⁺＝K×(OV+D) (2-a)

ΔI^-＝K×(OV-D) (2-b)