CN101923295A - 旋转标记及利用其监测光刻质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转标记，所述旋转标记是在不透明的投影掩膜版上的多道宽度相等的长条形透明区，每两道透明区之间具有宽度相等的不透明区；所述旋转标记形成图形后，与相邻的旋转标记形成的图形相重合的边界称为拼接边界；所述旋转标记中，最靠近拼接边界的两个不透明区的宽度之和，等于每两道透明区之间的不透明区的宽度；每道透明区的长度相等，或者最靠近拼接边界的透明区的长度不同于其他透明区的长度。本发明还公开了利用所述旋转标记监测光刻质量的方法。本发明旋转标记适用于风车形切割道，风车形切割道的宽度可以减小到50μm以下，从而可以大幅度减小切割道在硅片上所占的比例。

Description

旋转标记及利用其监测光刻质量的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺，特别是涉及一种光刻工艺中的旋转标记及利用其检测光刻质量的方法。

背景技术

半导体集成电路的光刻工艺包括气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查等基本步骤。在对准和曝光步骤中需要使用投影掩膜版(reticle)。投影掩膜版是一种透明的石英平板，它上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。投影掩膜版只包括硅片上一部分图形，这个图形必须通过分步重复来覆盖整个硅片。与之相区别的是光掩膜版(photomask)或掩膜版(mask)，光掩膜版或掩膜版包含了整个硅片的芯片阵列并且通过单一曝光转印图形。

目前光刻工艺中使用投影掩膜版是主流，由于投影掩膜版每次只能曝光硅片的一部分，因此需要多次曝光才能覆盖整个硅片，每两次曝光之间需要移动硅片和/或投影掩膜版，这就对相邻曝光区域之间的紧密衔接提出了较高要求。目前在第一层光刻(即硅衬底上的首次光刻)时使用旋转标记来监测光刻质量，主要是监测相邻曝光区域之间是否发生相对旋转。旋转标记存在于投影掩膜版上，在曝光时其图形转印到每个曝光单元。

一块硅片(wafer)1上包括多个曝光单元(shot)2，每个曝光单元表示投影掩膜版每次曝光的区域，如图1所示。大多数情况下，曝光单元2的四周边界具有方环形切割道(Scribe Line)21，方环形切割道21四条边的正中间都具有旋转标记的图形22或23，如图2所示。

通常一块投影掩膜版上具有四个旋转标记，分别在正方形投影掩膜版四条边的正中间。这四个旋转标记分为上下一对和左右一对，每对旋转标记中包括两种样式。采用该投影掩膜版曝光后，在每个正方形曝光单元2的方环形切割道21的正中间就各出现一个旋转标记的图形。这四个旋转标记的图形也因此分为上下一对和左右一对，每对旋转标记的图形包括两种样式22或23。上下相邻的两个曝光单元2具有一对上下相邻的旋转标记的图形22和23，左右相邻的两个曝光单元2具有一对左右相邻的旋转标记的图形22和23，如图3所示。

现有的旋转标记3如图4所示，是在不透明的投影掩膜版上的多道宽度相等(设为a)的长条形透明区31，每两道透明区31之间为宽度相等(设为b)的不透明区32，a+b称为旋转标记的节距。两种样式的旋转标记3具有相同的a取值，但不同的b取值。两种样式的旋转标记3曝光后就形成两种样式的旋转标记的图形22和23。旋转标记3紧靠着投影掩膜版的一条边界，曝光后该旋转标记的图形22或23必然紧靠着曝光单元2的一条边界。该旋转标记3以顺时针或逆时针方向旋转90度、180度或270度均可。

一对上下相邻的旋转标记的图形22和23如图5所示。对于方环形切割道的曝光单元而言，这两个旋转标记的图形显然分别属于上下相邻的两个曝光单元。旋转标记的图形22、23中包括多道宽度相等(设为a’)的曝光区221、231，这是投影掩膜版上旋转标记3的透明区31曝光后形成的。旋转标记3的不透明区32对应于旋转标记的图形22、23的未曝光区222、232，每两道曝光区221(或231)之间的未曝光区222(或232)具有相同的宽度(设为b’)，a’+b’称为旋转标记的图形的节距。与旋转标记3的两种样式相对应，旋转标记的图形22、23的差别就在于具有相同的a’值，但b’取值不同。如果硅片表面覆盖着正性光刻胶，则曝光区221、231为沟槽，未曝光区222、232为沟槽间隔。如果硅片表面覆盖着负性光刻胶，则未曝光区222、232为沟槽，曝光区221、231为沟槽间隔。

当相邻的两个曝光单元没有发生相对旋转时，两个相邻的旋转标记图形22、23中间的曝光区221、231表现为对准，如图5所示。当相邻的两个曝光单元发生相对旋转时，两个相邻的旋转标记图形22、23中间的曝光区221、231表现为错位，而在其他地方的某个曝光区221、231表现为对准。两个旋转标记图形22和23的节距差乘以对准的曝光区221、231与中间的曝光区221、231之间的曝光区221、231的数目即为两个曝光单元的偏离距离。这种检测方法是采用游标卡尺的原理，其一般由技术人员目测，不但精度比较差，而且容易出现误判。

随着半导体工艺的进步，切割道的宽度不断变小，某些情况会用到风车型切割道。请参阅图6，曝光单元4采用风车形的切割道41。风车形切割道41位于曝光单元4四周边界，但不再为方环状，而是分为独立的四块，形似风车形。四块切割道41分别位于曝光单元4的四条边，每块切割道41的长度为曝光单元4除去***切割道部分之后的一半边长。风车形切割道41的宽度为20～100μm之间。每块切割道41靠近曝光单元4中心线的部分具有一个旋转标记的图形42。

如图6所示的多个曝光单元4之间的相邻拼接如图7所示。上下相邻的两个曝光单元4之间具有左右相邻的两个旋转标记的图形42，左右相邻的两个曝光单元4之间具有上下相邻的两个旋转标记的图形42。在采用风车形切割道的投影掩膜版中，现有的游标卡尺型旋转标记就失去了作用。这是因为如果采用了图4、图5所示的游标卡尺型旋转标记，则具有该旋转标记的投影掩膜版曝光后，当两个相邻的曝光单元4发生相对旋转时，一对相邻的游标卡尺型旋转标记表现出的不是错位，而是相互重叠或分开，从而难以辨别。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的旋转标记，该旋转标记可用于风车形切割道。为此，本发明还要提供一种利用所述旋转标记监测相邻的曝光单元之间是否发生相对旋转的方法。

为解决上述技术问题，本发明旋转标记在投影掩膜版的上方、下方、左方、右方各有一个，

所述旋转标记是在不透明的投影掩膜版上的多道宽度相等的长条形透明区，每两道透明区之间具有宽度相等的不透明区；

所述旋转标记形成图形后，与相邻的旋转标记形成的图形相重合的边界称为拼接边界；

所述旋转标记中，最靠近拼接边界的两个不透明区的宽度之和，等于每两道透明区之间的不透明区的宽度；

每道透明区的长度相等，或者最靠近拼接边界的透明区的长度不同于其他透明区的长度。

本发明利用上述旋转标记监测光刻质量的方法包括如下步骤：

第1步，采用包含旋转标记的投影掩膜版在硅片上进行至少两次曝光，形成上下相邻或左右相邻的至少两个曝光区域，每个曝光区域的上方、下方、左方、右方各有一个旋转标记的图形；

相邻的两个曝光区域之间具有两个相邻的旋转标记的图形，每个旋转标记的图形包括多道宽度相等的长条形曝光区，每两道曝光区之间具有宽度相等的未曝光区；

第2步，测量所述曝光区宽度记为a’，测量每两道曝光区之间的未曝光区的宽度记为b’，测量最靠近拼接边界的两个未曝光区的宽度之和记为c’；

第3步，当a’+b’＝a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元没有发生相对旋转；

当a’+b’≠a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元发生相对旋转，且a’+b’与a’+c’之间的差值越大表示相对旋转越严重。

本发明旋转标记适用于风车形切割道。采用本发明旋转标记后，风车形切割道的宽度可以减小到50μm以下，从而可以大幅度减小切割道在硅片上所占的比例。利用本发明旋转标记监测光刻质量的设备可以采用半导体制造工艺中常用的测量关键尺寸(CD)的机台，所达到的测量精度可精确到0.1nm。

附图说明

图1是硅片与曝光单元的示意图；

图2是现有的曝光单元方环形切割道、旋转标记的示意图；

图3是图2所示的多个曝光单元相邻的示意图；

图4是现有的旋转标记的示意图；

图5是现有的旋转标记上下相邻的示意图；

图6是现有的曝光单元风车形切割道、旋转标记的示意图；

图7是图6所示的多个曝光单元相邻的示意图；

图8是本发明旋转标记的示意图；

图9是本发明旋转标记左右相邻的示意图。

图中附图标记说明：

1为硅片；2为曝光单元；21为方环形切割道；22、23为旋转标记的图形；221、231为曝光区；222、232为未曝光区；3为现有的旋转标记；31为透明区；32为不透明区；4为曝光单元；41为风车形切割道；42为旋转标记的图形；421为光刻胶上的曝光区；422为未曝光区；5为本发明旋转标记；51为透明区；52为不透明区。

具体实施方式

本发明旋转标记在光刻工艺曝光步骤的投影掩膜版上，通常在一块投影掩膜版的上方、下方、左方、右方各有一个旋转标记。

当投影掩膜版上具有风车形切割道，所述风车形切割道包括四块，每块切割道靠近投影掩膜版中心线处具有一个旋转标记，如图6所示。曝光后，上下相邻的两个曝光单元具有左右相邻的两个旋转标记的图形，左右相邻的两个曝光单元具有上下相邻的两个旋转标记的图形，如图7所示。

请参阅图8，本发明旋转标记5是在不透明的投影掩膜版上的多道宽度相等(设为a)的长条形透明区51，每两道透明区51之间具有宽度相等(设为b)的不透明区52，最靠近拼接边界的不透明区52的宽度设为f。

将最靠近拼接边界的透明区51的长度设为e，将其他透明区51的长度设为d。e可以等于d；但通常将e设置为不等于b，以方便识别哪个透明区51最靠近拼接边界。上述旋转标记5以顺时针或逆时针方向旋转90度、180度或270度均可。

旋转标记5可以具有两个样式，其区别在于一个样式中最靠近拼接边界的不透明区的宽度设为f1，另一个样式中最靠近拼接边界的不透明区的宽度设为f2，f1+f2＝c。每块投影掩膜版上方和下方的旋转标记为一对，左方和右方的旋转标记为一对，每对旋转标记中一个为f1，一个为f2。例如f1＝c/3，f2＝2c/3。

旋转标记5也可以仅具有一个样式，此时设置f1＝f2＝c/2。

对a、b、c、d、e、f的取值，本发明仅要求c＝b。更进一步地，本发明给出一个示例：a＝b＝c＝2μm，d＝10μm；e＝15μm，f＝1μm。

请参阅图9，这是具有上述旋转标记5的投影掩膜版曝光后形成一个旋转标记的图形42，两次曝光形成两个左右拼接的旋转标记的图形42的示意图。投影掩膜版上的透明区51形成曝光区421，不透明区52形成未曝光区422。曝光区421的宽度设为a’，应该与a相同。每两道曝光区421之间的未曝光区422的宽度设为b’，应该与b相同。最靠近拼接边界的两个未曝光区422的宽度之和设为为c’，理想情况下应该与c相同。最靠近拼接边界的曝光区421的长度设为e’，应该与e相同。其他曝光区421的长度设为d’，应该与d相同。最靠近拼接边界的未曝光区422的宽度设为f’，应该与f相同。

本发明利用上述旋转标记监测光刻质量的方法包括如下步骤：

第1步，采用包含图8所示旋转标记5的投影掩膜版在硅片上进行至少两次曝光，形成上下相邻或左右相邻的至少两个曝光区域，每个曝光区域中通常包括四个旋转标记的图形；

所述相邻的曝光区域4之间具有两个相邻的旋转标记的图形42，如图7所示；

所述旋转标记的图形42为光刻胶上的多道长条形曝光区421，每两道曝光区421之间具有未曝光区422，如图9所示；

第2步，测量曝光区421的宽度记为a’，测量每两道曝光区之间的未曝光区422的宽度记为b’，测量两个相邻的曝光单元中最靠近拼接边界的两个未曝光区422的宽度之和记为c’；

这一步中采用的测量设备为测量关键尺寸的设备，通常测量精度可精确到0.1nm；

在理想情况下，相邻的两个曝光单元紧密衔接，没有任何相对旋转，那么c’＝c，b’＝b，因此c’＝b’；

如果相邻的两个曝光单元发生了任何相对旋转，那么c’≠c，b’＝b，因此c’≠b’；

第3步，当a’+b’＝a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元之间没有发生相对旋转；

当a’+b’＝a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元存在相对旋转，且a’+b’与a’+c’之间的差值越大表示相对旋转越严重。

之所以要采用a’+b’和a’+c’进行比较，而不是采用b’和c’进行比较，是因为在利用投影掩膜版多次曝光过程中，a’、b’的取值可能会随着曝光能量的变化而变化，但节距a’+b’的取值始终固定。因为在旋转标记设计时使b＝c，所以在理想情况下，曝光后a’+b’＝a+b，a’+c’＝a+c，因此的a’+b’取值应该与a’+c’的取值相同。

上述方法第1步中，如果硅片表面覆盖着正性光刻胶，则投影掩膜版上的旋转标记5的透明区51形成为光刻胶上的沟槽421，不透明区52形成为光刻胶上的沟槽间隔422。如果硅片表面覆盖着负性光刻胶，则投影掩膜版上的旋转标记5的透明区51形成为光刻胶上的沟槽间隔421，不透明区52形成为光刻胶上的沟槽422。

采用本发明旋转标记后，投影掩膜版上的风车形切割道的宽度可以缩小到50μm以下，从而减少了切割道占据投影掩膜版的面积。

上述实施例及其具体取值仅为示意，在不违反本发明原理、精神及思想的前提下，对上述实施例所作的任何变化、改进及修饰，均应视为在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转标记，在投影掩膜版的上方、下方、左方、右方各有一个，其特征是：

所述旋转标记是在不透明的投影掩膜版上的多道宽度相等的长条形透明区，每两道透明区之间具有宽度相等的不透明区；

所述旋转标记形成图形后，与相邻的旋转标记形成的图形相重合的边界称为拼接边界；

所述旋转标记中，最靠近拼接边界的两个不透明区的宽度之和，等于每两道透明区之间的不透明区的宽度；

每道透明区的长度相等，或者最靠近拼接边界的透明区的长度不同于其他透明区的长度。

2.根据权利要求1所述的旋转标记，其特征是：每个旋转标记中，最靠近拼接边界的不透明区的宽度，等于每两道透明区之间的不透明区的一半宽度。

3.根据权利要求1所述的旋转标记，其特征是：最靠近拼接边界的透明区的长度大于其他透明区的长度。

4.根据权利要求2或3所述的旋转标记，其特征是：

所述透明区为矩形，宽度均为2μm；

每两道透明区之间的不透明区的宽度均为2μm；

最靠近拼接边界的不透明区的宽度为1μm；

最靠近拼接边界的透明区的长度为15μm，其余透明区的长度为10μm。

5.利用权利要求1所述旋转标记监测光刻质量的方法，其特征是，所述方法包括如下步骤：

第1步，采用包含旋转标记的投影掩膜版在硅片上进行至少两次曝光，形成上下相邻或左右相邻的至少两个曝光区域，每个曝光区域的上方、下方、左方、右方各有一个旋转标记的图形；

相邻的两个曝光区域之间具有两个相邻的旋转标记的图形，每个旋转标记的图形包括多道宽度相等的长条形曝光区，每两道曝光区之间具有宽度相等的未曝光区；

第2步，测量所述曝光区宽度记为a’，测量每两道曝光区之间的未曝光区的宽度记为b’，测量最靠近拼接边界的两个未曝光区的宽度之和记为c’；

第3步，当a’+b’＝a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元没有发生相对旋转；

当a’+b’≠a’+c’，则表示所述两个相邻的曝光单元发生相对旋转，且a’+b’与a’+c’之间的差值越大表示相对旋转越严重。

6.根据权利要求5所述的利用旋转标记监测光刻质量的方法，其特征是，所述方法第1步中，所述投影掩膜版上具有风车形切割道，所述风车形切割道包括四块，每块切割道靠近投影掩膜版中心线处具有一个旋转标记；

曝光后，上下相邻的两个曝光单元具有左右相邻的两个旋转标记的图形，左右相邻的两个曝光单元具有上下相邻的两个旋转标记的图形。

7.根据权利要求6所述的利用旋转标记监测光刻质量的方法，其特征是，所述方法第1步中，所述投影掩膜版上的风车形切割道的宽度在50μm以下。

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