CN104849970B - 用于背面光刻工艺的对准标记及其对准方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于背面光刻工艺的对准标记及其对准方法。这种特殊的对准标记包括：第一部分结构，其由四个对准栅条组形成第一方形形状；以及环绕第一部分结构的第二部分结构，其由四个独立的对准栅条作为四条边形成第二方形形状，第二方形形状与第一方形形状构成回字形且两个方形形状的相应边相互平行。使用该特殊对准标记的对准方法包括：在晶片正面上增加曝光并形成两个或更多个上述特殊对准标记；根据特殊对准标记的位置坐标来识别该特殊对准标记；以及将晶片正面上的对准标记与掩模上的相应对准标记进行对准以用于背面光刻，其中晶片正面上的对准标记与掩模上的相应对准标记是镜像对称的。

Description

用于背面光刻工艺的对准标记及其对准方法

技术领域

本发明一般地涉及半导体器件制造技术，尤其涉及光刻工艺中采用的对准标记及其对准方法。

背景技术

光刻技术是大规模集成电路制造技术的基础，其在很大程度上决定了集成电路的集成度。所谓光刻是通过曝光将掩模板上的图案转印到涂有光刻胶的晶片上，显影后掩模板的图案将出现在晶片上。

光刻工艺中非常关键的步骤是将掩模板与晶片对准。在集成电路的制造过程中，通常需要在晶片上曝光几层甚至几十层的掩模图案以形成完整的电路结构。在多次光刻中，除了第一次光刻之外，其余次光刻在曝光前都需要将用于该次光刻的掩模板与晶片上已曝光的第一层图案或者前一层或几层的图案精确对准。光刻的套刻精度控制决定了集成电路的复杂度和功能密度。

对于BSI/3D（背面照明/三维）IC（集成电路）工艺设计，需要在晶片背面进行若干光刻工艺，如图1所示。具体地，图1示出了载体晶片101和位于载体晶片101上的器件晶片102，其中在器件晶片102的背面上进行若干背面工艺103。这些工艺需要高精度，例如要求层到层套刻精度小于0.1μm（微米）。

然而，在正面工艺期间使用的常规对准标记对于背面工艺而言是没有用处的。换言之，正面工艺所采用的对准标记无法用于背面光刻工艺。因此，目前没有有用的对准标记供光刻工具来进行背面光刻对准。

另外，由于光刻工具的限制，对准***具有一定的移动范围。如图2所示，其示出了移动范围201。只有位于移动范围内的标记才能被检测到。而且，对于给定的标记坐标，其搜索区域是特定的，不同类型的标记具有不同的搜索区域。对准标记的搜索区域须在对准***的移动范围内。搜索区域的范围通常可以从40微米到200微米。一般地，搜索区域依赖于套刻精度和标记设计。套刻精度越小，搜索区域也越小。

鉴于正面工艺所用标记和光刻工具的诸多限制，晶片通常使用划线槽来进行背面光刻对准。如图3所示，其示出了一个示例晶片划线槽301。利用晶片划线槽对准方法，可使层到层套刻精度达到小于60微米。通过利用套刻补偿方法，可使套刻精度达到小于1微米。但是，该精度仍然无法满足要求。例如，如图4所示，使用晶片划线槽对准方法时，明显存在套刻不对准的现象。此外，在使用划线槽进行对准的情况下，晶片需要返工很多次来去除光刻胶。

因此，需要一种能够提高背面光刻工艺对准精度的创新对准方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于背面光刻工艺的对准标记及其对准方法，用于提高背面光刻工艺的对准精度。

根据本发明的一个方面，提供一种用于背面光刻工艺的对准标记。该对准标记包括：第一部分结构，其由四个对准栅条组形成第一方形形状；以及环绕第一部分结构的第二部分结构，其由四个独立的对准栅条作为四条边形成第二方形形状，第二方形形状与第一方形形状构成回字形且两个方形形状的相应边相互平行。

优选地，在第一部分结构中，两个沿第一方向设置的第一对准栅条组和两个沿与第一方向垂直的第二方向设置的第二对准栅条组以四象限的形式相互交错排列成方形，其中第一方向和第二方向与第二方形形状的两组对边分别平行。

优选地，两个第一对准栅条组分别位于第一部分结构的第二和第四象限，且两个第二对准栅条组分别位于第一部分结构的第一和第三象限。

优选地，第一对准栅条组包括沿第一方向相互平行设置的多个第一对准栅条，且第二对准栅条组包括沿第二方向相互平行设置的多个第二对准栅条。

优选地，第一对准栅条组中的多个第一对准栅条均匀地间隔开，并且第二对准栅条组中的多个第二对准栅条均匀地间隔开。

优选地，分别位于第一部分结构的第一和第四象限的两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均为W1且所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均为D1，分别位于第一部分结构的第二和第三象限的其它两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均为W2且所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均为D2，其中W1不等于W2且D1不等于D2。

优选地，这种特殊对准标记的大小为550μm*550μm。

优选地，这种特殊对准标记的材料选自金属、氧化物、SiN以及Si中的任何一种或多种。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于背面光刻工艺的对准方法。该方法至少包括以下步骤：在晶片正面上增加曝光并形成两个或更多个如前所述的特殊对准标记；根据特殊对准标记的位置坐标来识别出这种特殊对准标记；以及将晶片正面上的特殊对准标记与掩模上的相应对准标记进行对准以用于背面光刻，其中晶片正面上的对准标记与掩模上的相应对准标记是镜像对称的。

优选地，在晶片正面上形成上述特殊的对准标记之前，首先确定要形成这种特殊对准标记的位置的精确坐标。

另外，可在晶片正面上随机设置这种特殊对准标记的位置。

根据本发明的又一个方面，提供一种掩模板。该掩模板包括两个或更多个与如前所述的特殊对准标记镜像对称的对准标记。

根据本发明的再一个方面，提供一种半导体晶片。该半导体晶片包括两个或更多个如前所述的特殊对准标记。

本发明所提供的这种特殊的对准标记具有大的搜索区域。利用这种特殊的对准标记，可使背面光刻工艺的搜索区域从40微米*40微米提高到200微米*200微米，并使套刻精度达到小于0.1微米，从而显著地提高了背面光刻工艺的对准精度，改善了器件性能。

附图说明

通过结合附图阅读以下的详细描述可以更好地理解本发明所公开的示例性实施例，在附图中：

图1示出了背面工艺期间的器件结构剖面示意图；

图2示出了对准***的移动范围的示意图；

图3示出了晶片上的用于对准的划线槽的示意图；

图4示出了利用晶片划线槽进行背面光刻对准时存在的套刻不对准现象；

图5示出了根据本发明一个示例性实施例的位于晶片上的对准标记，其中对准标记被设置在晶片上的特殊区域；

图6示出了根据本发明一个示例性实施例的对准标记的放大示意图；

图7示出了根据本发明另一个示例性实施例的对准标记的放大示意图；

图8示出了根据本发明一个示例性实施例的对准方法的流程图；以及

图9示出了使用根据本发明一个示例性实施例的对准方法所实现的套刻精度示意图。

为了说明简洁，附图示出一般的构造方式，且省略公知特征和技术的描述和细节，以避免不必要地混淆对本发明所述实施例的讨论。此外，附图中的各要素不一定按比例绘制。举例而言，附图中一些要素的尺寸可能相对于其它要素被放大来帮助改善对本发明各实施例的理解。不同附图中的相同附图标记表示相同要素，而类似附图标记可能但不一定表示类似要素。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行详细说明。应当理解，下面的详细描述本质上仅为示例性的，并且不旨在限制主题事项或应用的实施例以及这些实施例的用途。如本文中所使用的，措辞“示例性”表示“用作示例、实例或解说”。在本文被描述为示例性的任何实现不应被解释成一定优选或优胜于其他实现。并且，没有意图被前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细说明中展现的任何表示或隐含的理论所约束。

在说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果有的话）用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下如此使用的这些术语可互换，例如使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述或所示的其它顺序来操作。类似地，如果本文所述的方法包括一系列步骤，则本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所陈述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其它步骤可被添加到该方法。此外，术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变形旨在适用非排他地包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品或装置不一定限于那些要素，但可包括未明确列出的或这些过程、方法、制品或装置所固有的其它要素。

根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于背面光刻工艺的对准标记。这种特殊的对准标记可包括第一部分结构和环绕第一部分结构的第二部分结构。第一部分结构可由四个对准栅条组形成第一方形形状，即这四个对准栅条组组合成一个整体上呈正方形的形状。而第二部分结构可由四个独立的对准栅条作为四条边形成第二方形形状（同样为正方形）。从整体上来看，第二方形形状与第一方形形状两者构成回字形，且这两个正方形的相应边相互平行。

在一个示例中，在第一部分结构中，两个沿第一方向设置的第一对准栅条组和两个沿与第一方向垂直的第二方向设置的第二对准栅条组以四象限的形式相互交错排列成整体上呈方形的形状，其中第一和第二方向与第二方形形状的两组对边分别平行。换言之，两个第一对准栅条组可沿第二方形形状的一条边设置，且两个第二对准栅条组可沿第二方形形状的另一条相邻边设置。

在进一步的示例中，两个第一对准栅条组分别位于第一部分结构的第二和第四象限，且两个第二对准栅条组分别位于第一部分结构的第一和第三象限。

在另一进一步的示例中，第一对准栅条组包括沿第一方向相互平行设置的多个第一对准栅条，且第二对准栅条组包括沿第二方向相互平行设置的多个第二对准栅条。同样，多个第一对准栅条实际上也沿第二方形形状的上述一条边相互平行设置，且第二对准栅条沿第二方形形状的上述另一条相邻边相互平行设置。

在进一步的示例中，第一对准栅条组中的多个第一对准栅条可均匀地间隔开，并且第二对准栅条组中的多个第二对准栅条也可均匀地间隔开。或者，第一对准栅条或第二对准栅条间的间隔也可不均匀。

进一步地，分别位于第一部分结构的第一和第四象限的两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均相等（例如，均为W1）且这两组中所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均相等（例如，均为D1），分别位于第一部分结构的第二和第三象限的其它两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均相等（例如，均为W2）且这两组中所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均相等（例如，均为D2），其中W1不等于W2且D1不等于D2。作为示例，在特殊对准标记的第一部分结构中，左半部分（左上角和左下角）的两个对准栅条组的尺寸（诸如栅条宽度、相邻栅条间距等）是相同的，且右半部分（右上角和右下角）的两个对准栅条组的尺寸是相同的，但是左半部分与右半部分的上述具体尺寸不同。

图6示出了根据本发明一个示例性实施例的对准标记600的放大示意图。如图所示，对准标记600包括由四个对准栅条组（602，604，602，604）构成的第一部分结构以及环绕第一部分结构的第二部分结构601，其中第二部分结构601由四个独立的、相互之间不连接的对准栅条构成，这四个对准栅条的尺寸可以相同。第一部分结构和第二部分结构均为方形形状且两者总体上构成回字形。而且，这两个方形形状的相应边相互平行。两个沿X方向设置的第一对准栅条组602和两个沿Y方向设置的第二对准栅条组604以四象限的形式或者以田字形交错排列成方形，用于分别实现X方向和Y方向的对准，其中X方向和Y方向相互垂直。第一对准栅条组602包括多个沿X方向彼此平行设置的第一对准栅条和均匀地隔开第一对准栅条的第一对准栅条间隔。类似地，第二对准栅条组604包括多个沿Y方向彼此平行设置的第二对准栅条和均匀地隔开第二对准栅条的第二对准栅条间隔。

注意，前述两个方形形状的两组对边（例如，第二部分结构的两组相对的对准栅条）同样分别沿X方向和Y方向平行设置。另外，两个第一对准栅条组602分别位于第一部分结构的第二和第四象限（即左上角和右下角），且两个第二对准栅条组604分别位于第一部分结构的第一和第三象限（即右上角和左下角）。分别位于第一部分结构的第一和第四象限的两个对准栅条组，即右上角的第二对准栅条组604和右下角的第一对准栅条组602中的所有对准栅条的宽度均相等（例如，均为W1），且这两组中所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均相等（例如，均为D1）。同样地，分别位于第一部分结构的第二和第三象限的两个对准栅条组，即左上角的第一对准栅条组602和左下角的第二对准栅条组604中的所有对准栅条的宽度均相等（例如，均为W2），且这两组中所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均相等（例如，均为D2）。其中，W1不等于W2，且D1不等于D2。

图7示出了根据本发明另一个示例性实施例的对准标记700的放大示意图。对准标记700类似于对准标记600，其区别在于两者的第一和第二对准栅条组的位置不同。如图所示，对准标记600与对准标记700两者是镜像对称的。

根据本发明的这种特殊对准标记可以通过光刻、蚀刻等工艺步骤来形成其所需要的图形。在一个示例中，形成这种特殊对准标记的工艺可以是独立于其它工艺流程的单独流程。这种单独流程可以作为常规流程的附加流程，从而不会影响常规流程的原有操作。在一个示例中，这种特殊的对准标记的大小最大不超过600μm*600μm。例如，这种特殊对准标记的大小可为550μm*550μm。在实际工艺流程中，本领域技术人员可以根据需要选择适当的对准标记大小。在一个示例中，这种特殊的对准标记的材料可选自金属、氧化物、SiN、Si等等中的任何一种或多种。同样，本领域技术人员可以根据需要选择适当的材料来形成这种特殊的对准标记。

图8示出了根据本发明一个示例性实施例的用于背面光刻工艺的对准方法800的流程图。根据对准方法800，在步骤S801中，首先在晶片正面上增加曝光并形成两个或更多个如前所述的特殊对准标记。在一个示例中，可通过曝光、显影、蚀刻、填充等常规工艺在晶片正面上形成这种特殊对准标记。在步骤S802中，根据特殊对准标记的位置坐标来识别这种特殊对准标记。在一个示例中，例如，可通过步进光刻机或步进扫描光刻机等装置根据该位置坐标在晶片正面上识别出这种特殊对准标记。然后，在步骤S803中，将晶片正面上的这种特殊对准标记与掩模上的相应对准标记进行对准，以便进行后续的背面光刻工艺。其中，晶片正面上的特殊对准标记与掩模上的相应对准标记是镜像对称的，从而能够对晶片背面进行对准。在此处，作为示例，可以采用常规方式进行对准。

另外，在一个示例中，可在形成上述特殊的对准标记之前，先在晶片正面上确定要形成这种特殊对准标记的位置的精确坐标。例如，可给机台定义出特殊对准标记在晶片正面上的精确坐标，从而根据该坐标在晶片正面上进行曝光等工艺来形成特殊对准标记。实验结果表明，在随后工艺中通过利用对准标记的精确坐标，可以显著提高对准精度。此外，这种特殊的对准标记的位置在晶片上可以是随机的，即可在晶片正面上随机设置这种特殊对准标记的位置。

尽管在图5的晶片上示出了两个特殊的对准标记且两个对准标记已足以满足所需精度，但是本领域技术人员应理解，也可增加这种对准标记的数量以进一步提高对准精度。注意，虽然增加标记数量不会增加工艺复杂度，但是有可能牺牲更多的有效管芯面积。

此外，由于对准标记的搜索区域须在对准***的移动范围内，因此需要确保特殊对准标记位于对准***的移动范围内。为此，在进行光刻曝光时可给机台定义出特殊对准标记的精确坐标。在晶片正面上增加曝光的这种特殊的对准标记具有较大的搜索面积。这种特殊的对准标记因为比较大而不能放在切割道上，因此一般选择在晶片的shot（光刻图形单元）上进行局部曝光。例如，在图5中，选择了两个光刻图形单元来进行特殊曝光以在特定区域形成两个特殊对准标记。具体地，图5的上半部分示出的晶片中示出两个光刻图形单元，而下半部分则示出了这种光刻图形单元的放大细节。其中，区域521为设置特殊对准标记的特殊区域，区域522为利用产品标线局部曝光的区域。

通过使用本发明的对准方法，背面光刻工艺的套刻精度可达到小于0.1微米，并且可以大大减少光刻返工次数。

根据本发明的一个示例性实施例，还提供了一种掩模板。该掩模板包括两个或更多个对准标记，这些对准标记与如前所述的特殊对准标记是镜像对称的。

根据本发明的又一个示例性实施例，还提供一种半导体晶片。该半导体晶片包括两个或更多个如前所述的特殊对准标记。在一个示例中，这种半导体晶片可与相应的掩模板协作以进行背面光刻工艺，其中这种掩模板可包括两个或更多个与该半导体晶片上的特殊对准标记镜像对称的对准标记。

此外，通过使用这种特殊的对准标记，背面光刻工艺的搜索区域可从40微米*40微米提高到200微米*200微米，套刻精度可达到小于0.1微米。

至此，已经详细描述了根据本发明的用于背面光刻工艺的对准标记及其对准方法以及包含这种对准标记的半导体晶片以及相应的掩模板。基于本发明所公开的技术，当进行背面光刻工艺时，可使套刻精度达到理想的目标（如图9所示），同时可避免不必要的返工过程。

本文参照具体示例性实施例给出了详细描述。然而，显然可对这些实施例作出各种修改和改变，而不背离如所附权利要求所述的本发明的更宽泛精神和范围。尽管已经示出并描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员显然可作出很多改变、变化和修改而不背离所附权利要求的范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性而非限制性意义。而且，实施例和其它示例性语言的上述使用不一定指的是同一实施例或同一示例，而可能指的是不同和独特的实施例，也有可能是同一实施例。所附权利要求将在其范围内包含落在本发明的真实范围和精神内的所有这些改变、变化和修改。

Claims (12)

1.一种用于背面光刻工艺的对准标记，包括：

第一部分结构，其由四个对准栅条组形成第一方形形状；以及

环绕所述第一部分结构的第二部分结构，其由四个独立的对准栅条作为四条边形成第二方形形状，所述第二方形形状与所述第一方形形状构成回字形且两个方形形状的相应边相互平行；

其特征在于，分别位于所述第一部分结构的第一和第四象限的两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均为W1且所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均为D1，分别位于所述第一部分结构的第二和第三象限的其它两个对准栅条组中的所有对准栅条的宽度均为W2且所有平行相邻的两个对准栅条之间的间隔距离均为D2，其中W1不等于W2且D1不等于D2，

其中所述对准标记和所述背面光刻工艺中所使用的掩模上的相应对准标记是镜像对称的。

2.如权利要求1所述的对准标记，其特征在于，在所述第一部分结构中，两个沿第一方向设置的第一对准栅条组和两个沿与所述第一方向垂直的第二方向设置的第二对准栅条组以四象限的形式相互交错排列成方形，其中所述第一方向和所述第二方向与所述第二方形形状的两组对边分别平行。

3.如权利要求2所述的对准标记，其特征在于，两个第一对准栅条组分别位于所述第一部分结构的第二和第四象限，且两个第二对准栅条组分别位于所述第一部分结构的第一和第三象限。

4.如权利要求2所述的对准标记，其特征在于，所述第一对准栅条组包括沿所述第一方向相互平行设置的多个第一对准栅条，且所述第二对准栅条组包括沿所述第二方向相互平行设置的多个第二对准栅条。

5.如权利要求4所述的对准标记，其特征在于，所述第一对准栅条组中的多个第一对准栅条均匀地间隔开，并且所述第二对准栅条组中的多个第二对准栅条均匀地间隔开。

6.如权利要求1-5中任一项所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记的大小为550μm*550μm。

7.如权利要求1-5中任一项所述的对准标记，其特征在于，所述对准标记的材料选自金属、氧化物、SiN以及Si中的任何一种或多种。

8.一种用于背面光刻工艺的对准方法，所述方法包括：

在晶片正面上增加曝光并形成两个或更多个如权利要求1-5中任一项所述的对准标记；

根据所述对准标记的位置坐标来识别所述对准标记；以及

将晶片正面上的所述对准标记与掩模上的相应对准标记进行对准以用于背面光刻，其中晶片正面上的对准标记与掩模上的相应对准标记是镜像对称的。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在形成所述对准标记之前先确定要在晶片正面上形成所述对准标记的位置的坐标。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在晶片正面上随机设置所述对准标记的位置。

11.一种掩模板，包括两个或更多个与如权利要求1-5中任一项所述的对准标记镜像对称的对准标记。

12.一种半导体晶片，包括两个或更多个如权利要求1-5中任一项所述的对准标记。