TWI421642B - 使用ｘ射線的疊對量測 - Google Patents

Description

使用X射線的疊對量測

本發明一般而言係關於經圖案化薄膜之檢驗，且具體而言係關於用於確定形成於一基板上的連續圖案化薄膜層之適當對凖之方法及系統。

通常在製造微電子器件中使用疊對量測，以驗證藉由微影在連續薄膜層中形成之形貌彼此適當對凖。此項技術中習知之疊對量測系統及技術量測一既定層中一形貌之位置與其相對於一先前圖案化層中一基凖標記之標稱位置之間的差。通常，藉由以下作業來量測微影圖像對凖之品質：在每一層中形成特定"靶標"，且然後確定一上(或重疊)位階上之靶標對凖一下位階上之靶標之中心之完好程度。此項技術中習知之疊對量測系統使用光學技術量測上靶標與下靶標之邊緣或邊界之間的距離及間隔。疊對量測之實例性系統及靶標闡述於美國專利6,756,167中，其揭示內容以引用的方式併入本文中。

美國專利6,453,002(其揭示內容以引用的方式併入本文中)闡述使用一X射線微螢光分析器量測在積體電路製作過程中形成於一半導體晶圓上的連續層(諸如，金屬化層)之間的疊對錯誤。在晶圓上形成一測試區，其中下層中一由金屬元素製成之圖案被上層中一由不同元素製成之大致相同圖案所重疊。當該等層適當配準時，上層中之圖案大致遮掩下層中之元素免受X射線影響且防止來自第一元素中之X射線光子抵達X射線螢光偵測器。然而，當存在一配凖錯誤時，下層中圖案之一部分暴露至X射線，以致來自第一元素之光子可抵達偵測器。一處理單元分析此等X射線光子之發射強度及方向以確定該等上層與下層之間的不配准程度及方向。

美國專利6,556,652(其揭示內容以引用的方式併入本文中)闡述關鍵尺寸之X射線量測。根據此專利中所述之方法，使用一X射線束照射一基板之表面。然後，偵測並分析因該表面上所形成之形貌而自該表面散射之一X射線圖案，以沿一平行於該表面之方向量測形貌之一尺寸。

Jones等人在Applied Physics Letters 83：19(2003)，pages 4059－4061，"Small Angle X－ray Scattering for Sub－100 nm Pattern Characterization"中闡述了關於基於X射線之CD量測之附加工作，其內容以引用的方式併入本文中。作者藉助一同步X射線源使用透射模式小角度X射線散射(SAXS)來特徵化形成於一基板上的一系列聚合物光阻劑光柵。X射線束穿過光柵及基板，且使用一二維CCD偵測器量測SAXS圖案。光阻劑光柵在偵測器上之SAXS圖案中產生一系列一維繞射光點。分析作為散射矢量q之函數之SAXS強度以確定光柵間隔及側壁角度。

隨著微電子器件之形貌尺寸變得甚至遠低於光學繞射極限，使用光學量測系統以充足之精確度量測重疊對凖變得愈加困難。回應於此困難，本發明之實施例提供用於使用X射線散射之疊對量測之裝置及方法。

在本文所揭示之實施例中，在一試樣之表面上的重疊薄膜層中形成諸如對凖靶標之形貌。引導一X射線束照射於包含該等形貌之區域上，並偵測所形成之X射線繞射圖案。可使用該繞射圖案之特徵(例如，繞射波瓣幅值之變化)來評估該等形貌之對凖，且因此該等薄膜層之整體對凖。

因此，根據本發明之一實施例提供一種檢驗方法，其包括：引導一X射線束照射於一試樣之區域上，該試樣包含分別形成於第一及第二薄膜層(其重疊於該試樣一表面上)中之第一及第二形貌；偵測自該等第一及第二形貌繞射之X射線之一圖案；及分析該圖案以評估該等第一及第二形貌之對凖。

在一所揭示之實施例中，偵測該X射線圖案包括在該束透射過該試樣後偵測經繞射之X射線。通常，該試樣具有第一及第二對置側，且引導該束包括引導該束自該第一側至該第二側穿過該試樣，其中該等第一及第二薄膜層皆形成於該試樣之第二側上。

另外或另一選擇係，引導該X射線束包括使該束凖直並單色化。在某些實施例中，偵測該圖案包括使用一X射線偵測器陣列以根據相對於該束之角度來偵測經繞射之X射線。

在一所揭示之實施例中，該圖案包括具有相應幅值之繞射波瓣，且分析該圖案包括確定該等第一及第二形貌回應於所偵測圖案中繞射波瓣相應幅值之一變化而未對凖。另外或另一選擇係，偵測該圖案包括偵測一二維繞射圖案，且分析該圖案包括評估相對於兩個軸之對凖。

在一實施例中，該試樣包括一半導體晶圓，且該等第一及第二形貌包括藉由一微影製程在該晶圓之表面上形成之對凖靶標。

根據本發明之一實施例，亦提供用於檢驗之裝置，其包括：一X射線源，其經組態以引導一X射線束照射於一試樣之區域上，該試樣包含分別形成於第一及第二薄膜層(其重疊於該試樣之一表面上)中之第一及第二形貌；一偵測器，其經佈置以偵測自該等第一及第二形貌繞射之X射線之一圖案；及一信號處理器，其經耦連以分析該圖案以評估該等第一及第二形貌之對凖。

圖1係一根據本發明一實施例之一疊對量測系統20之示意性側視圖。該系統係在使用一疊對測試圖案24對一試樣(例如，一半導體晶圓22)上重疊薄膜層之對凖進行測試中使用。該測試圖案包括形成於晶圓22上連續薄膜層中之靶標形貌。該等形貌經選擇以在系統20中給出一X射線繞射圖案，可分析該繞射圖案以評估該等形貌且因此該等薄膜層之對凖。此類靶標之實例性靶標詳細顯示於圖1之後的圖式中。

一X射線源26以一X射線束照射測試圖案24。(為簡化起見，圖中略去了用於使X射線束與測試圖案對凖之安裝及運動控制組件。)在圖1中所示之實施例中，該X射線源包括一X射線管28，其通常為一此技術中習知之微聚焦管。合意之情形係管28發射高能量X射線(通常大於13 keV)，以達成穿過晶圓22之高透射率。藉由適合之X射線光學器件(例如，一多層曲面鏡30及一狹縫32)使管28所產生之X射線束單色化及凖直。或者，亦可使用此項技術中習知之其他類型之X射線源及光學器件來產生X射線束。為最優化繞射效率，合意之情形係測試圖案24之尺寸等於或略大於照射於晶圓22上經凖直X射線束之直徑，其通常約為100 μm。

在此實施例中，源26產生之X射線束照射於晶圓22之底側(其在圖1中面向左)上，而包括測試圖案24之薄膜層皆形成於頂側(朝向右)上。穿過該晶圓之X射線因圖案24之結構而繞射成多個繞射波瓣，而該等繞射波瓣被位置靈敏偵測器34捕獲。該偵測器通常包括一偵測器元件36陣列，其可佈置成一如圖中所示之二維矩陣或作為一線性陣列。或者，可在系統20中使用此項技術中習知之其他類型之位置靈敏X射線偵測器。由於測試圖案24之散射效率可係低，因此合意之情形係X射線源產生一高強度束，且偵測器元件36具有高量子效率，以便可在一相對短之積分時間內收集繞射圖案。

信號處理器38處理偵測器34之輸出，從而分析該繞射圖案以評估測試圖案24中重疊層之對凖，如下文中之一般闡述。另外或另一選擇係，該信號處理器可自對繞射圖案之分析中提取其他品質因素。通常，處理器38包括一通用電腦，其具有適合之前端電路以用於接收及處理來自偵測器34之信號。

圖2A及2B示意性顯示根據本發明一實施例之測試圖案24之細節。圖2A係該圖案之一俯視圖，而圖2B係一剖視圖。該圖案包括形成於一下伏層46(其可係晶圓基板)上呈交錯條帶40及44形式之靶標形貌。為形成該圖案，在下伏層46上形成一下薄膜層(例如，一層間介電(ILD)層或金屬層)，且隨後蝕刻該下薄膜層以形成被溝道42分離之條帶40。然後，在條帶及溝道上沈積一上薄膜層(例如，一光阻劑層)，且蝕刻該上薄膜層以在溝道42內形成條帶44。顯示此圖案旨在舉例說明，而熟習此項技術者將易知可用於類似目的之其他測試圖案，且應將其視為介於本發明範疇之範圍內。某些替代圖案顯示於圖5A及5B中。

形成測試圖案24係作為在晶圓22上形成功能性形貌中所用之正常微影製程之部分。換言之，用於在連續薄膜層中界定功能性形貌之不同遮罩亦包括條帶40及44。因此，條帶之對凖及尺寸指示不同遮罩之對凖品質，以及製作製程品質之其他態樣。如圖2B中所示，圖案24之特徵在於：每一層中為間距P及寬度W之條帶，以及條帶40與條帶44之間的右及左偏移O_R 及O_L 。此等特徵尺寸與其基凖值之間的偏差可指示不同遮罩對凖之偏差及/或其他製程偏差。可在系統20中所產生之繞射圖案中觀察到此等偏差之效應。

例如，圖3係一在遮罩未對凖狀態下測試圖案24之示意性剖視圖。每一層中條帶之間距及寬度仍保持與圖2B中相同，但條帶44不再位於條帶40之間的中心處。

圖4A係一根據本發明之一實施例之繪圖，其示意性圖解說明可藉由照射系統20中測試圖案24捕獲之X射線繞射圖案50及52。此等圖案係根據夫朗和費繞射模型經簡化、模擬之繪圖。為簡化起見，假定條帶40為方形，其中W＝32.5 nm及P＝65 nm。假定條帶44具有與條帶40相同之高度而寬度為8 nm寬(亦即，假定測試圖案24係在一8 nm設計規則下製作)。採用能量為17.48 keV(MOKα)之X射線束。圖案50對應於圖2A及2B中所示經適當對凖之構形，其中條帶44位於條帶40之間的中心處，亦即O_L ＝O_R 。圖案52對應於圖3中所示之未對凖之構形，其中條帶44自溝道42之中心移位7.5 nm。

如根據夫朗和費繞射原理所期望的那樣，圖案50及52包括一在零角度處之中心(零階)繞射波瓣、以及多個較高階之側波瓣，其幅值通常隨增加之角度而減小。由於測試圖案24之週期不變，故繞射圖案50及52之週期同樣不變。然而，如可在圖4A中清晰看見，條帶44相對於條帶40之移位使側波瓣之間的能量分佈發生一變化。可量化此變化以量測測試圖案24中條帶40與44之相對偏移。

圖4B係一根據本發明之另一實施例之繪圖，其示意性圖解說明可藉由照射系統20中測試圖案24捕獲之X射線繞射圖案54及56。在此情形下，假定條帶40具有W＝26 nm及P＝65 nm。條帶44係22nm寬(亦即，假定測試圖案24係在一22 nm設計規則下製作)，且具有與條帶40相同之高度。如在先前實例中那般，採用能量為17.48 keV(MoKα)之X射線束。圖案54對應於圖2A及2B中所示經適當對凖之構形，而圖案56對應於圖3所示未對凖之構形，其中條帶44同樣自溝道42之中心移位7.5 nm。在此，對凖之移位亦表現為側波瓣中間能量分佈之一變化。

實際上，可使用一測試晶圓來校凖系統20，其中已知測試圖案24中條帶之尺寸及偏移係正確(例如，根據掃描電子顯微術)。此校凖將提供一基線繞射圖案，然後，可將其與製作晶圓之繞射圖案進行比較。然後，如以上於圖3、4A及4B中所圖解說明，可將大於一預定臨限值之側波瓣幅值偏差視為指示疊對未對凖。另外或另一選擇係，製作晶圓之繞射圖案中其他幅值及頻率變化可指示晶圓上關鍵形貌尺寸之偏差。當系統20中形成之繞射圖案明顯不同於基凖時，製作人員通常會調整對凖及/或其他製程參數以在進行進一步製作前更正偏差。

根據本發明之一實施例，圖5A及5B分別係測試圖案60及70之示意性俯視圖，可使用測試圖案60及70來替代測試圖案24。圖案60及70係二維圖案，其將提供對應之二維繞射圖案。可分析此等圖案以確定沿X及Y軸兩者之疊對未對凖。圖5A顯示一"框中框"圖案，其中在第一層62中蝕刻沉陷64，然後在該等沉陷中形成一後續層之抬升方形66。在圖5B中，後續層之條塊74與該第一層之條塊72夾雜在一起。

在其他實施例中(圖中未顯示)，形成一不包括溝道及其他沉陷之測試圖案。舉例而言，該測試圖案可包括一平坦之下層，其由一種X射線可透過之材料製成且沈積於一經圖案化之下伏層上。然後，可在該平坦下層上沈積光阻劑且經蝕刻以形成如先前實施例中所示之條帶或方形。然後，可根據上述繞射圖案來評估經圖案化光阻劑與經圖案化下伏層之對凖。

儘管圖1顯示一透射模式X射線繞射系統之特定經簡化構形，但本發明之原理同樣可應用於其他系統構形中，其中包括反射模式系統(其中X射線源及偵測器位於受測試樣之相同側而非圖1中所示之對置側上)。舉例而言，一可用於此目的之反射模式X射線繞射系統顯示於2004年12月22日申請之美國專利申請案11/018,352中，其揭示內容以引用的方式併入本文中。此外，儘管上述實施例使用專用於評估疊對對凖之測試圖案，但本發明之原理亦可應用於檢查一半導體晶圓或其他試樣上經圖案化層內疊對功能性形貌之相對對凖。

因此，應瞭解，上文闡述之實施例係以舉例方式引用，且本發明並不限於上文特別顯示及說明之內容。相反，本發明之範疇包括上述各種特徵之組合及子組合，及熟習此項技術者於閱讀上述說明後可構想出的、於先前技術中未揭示之對該等實施例之改變及修改。

20．．．系統

22．．．晶圓

24．．．測試圖案

26．．．X射線源

28．．．X射線管

30．．．多層曲面鏡

32．．．狹縫

34．．．偵測器

36．．．偵測器元件

38．．．處理器

40．．．條帶

42．．．溝道

44．．．條帶

46．．．下伏層

50．．．X射線繞射圖案

52．．．X射線繞射圖案

54．．．X射線繞射圖案

56．．．X射線繞射圖案

60．．．圖案

62．．．第一層

64．．．沉陷

66．．．抬升之方形

70．．．圖案

72．．．條塊

74．．．條塊

結合附圖，依據以上對本發明實施例之詳細說明，將會更全面地理解本發明，附圖中：圖1係一根據本發明一實施例的一用於疊對量測之系統之示意性側視圖；圖2A係一根據本發明一實施例之一疊對測試圖案之示意性俯視圖，該疊對測試圖案形成於一半導體晶圓上經圖案化之連續薄膜層中；圖2B係一圖2A之測試圖案之示意性剖視圖；圖3係一在圖案化薄膜層未對凖狀態下圖2A及2B之測試圖案之示意性剖視圖；圖4A及4B係根據本發明之一實施例之繪圖，其示意性圖解說明在適當對凖狀態及未對凖狀態下疊對測試圖案所產生之X射線繞射圖案；及圖5A及5B係根據本發明之替代實施例之疊對測試圖案之示意性俯視圖。

20．．．系統

22．．．晶圓

24．．．測試圖案

26．．．X射線源

28．．．X射線管

30．．．多層曲面鏡

32．．．狹縫

34．．．偵測器

36．．．偵測器元件

38．．．處理器

Claims (12)

1. 一種檢驗方法，其包括：引導一X射線束經由一試樣之一區域自一第一側至對置的一第二側而穿過該試樣，該試樣包含分別形成於重疊於該試樣之該第二側之一表面上的第一及第二薄膜層中之第一及第二形貌(features)；偵測已透射過該試樣且已自該等第一及第二形貌經繞射之該等X射線之一圖案；及分析該圖案以評估該等第一及第二形貌之對凖。
2. 如請求項1之方法，其中引導該X射線束包括使該束凖直及單色化。
3. 如請求項1之方法，其中偵測該圖案包括使用一X射線偵測器陣列來偵測該等經繞射之X射線以作為相對於該束之角函數。
4. 如請求項1之方法，其中該圖案包括具有相應幅值(amplitudes)之繞射波瓣(diffraction lobes)，且其中分析該圖案包括回應於該經偵測之圖案中該等繞射波瓣之該等相應幅值之一變化而判定該等第一及第二形貌係未對凖。
5. 如請求項1之方法，其中偵測該圖案包括偵測一二維繞射圖案，且其中分析該圖案包括評估相對於兩個軸之對凖。
6. 如請求項1之方法，其中該試樣包括一半導體晶圓，且其中該等第一及第二形貌包括藉由一微影製程在該晶圓 之該表面上形成之對凖靶標(alignment targets)。
7. 一種用於檢驗一試樣之裝置，該試樣具有對置的第一側及第二側，且包含分別形成於重疊於該試樣之該第二側之一表面上的第一及第二薄膜層中之第一及第二形貌，該裝置包括：一X射線源，其經組態以引導一X射線束經由該試樣之一區域自該第一側至該第二側而穿過該試樣，該試樣包含該等第一及第二形貌；一偵測器，其經佈置以偵測已透射過該試樣且已自該等第一及第二形貌經繞射之該等X射線之一圖案；及一信號處理器，其經耦連(coupled)至該偵測器以接收並分析該圖案以便評估該等第一及第二形貌之對凖。
8. 如請求項7之裝置，其中該X射線源包括一X射線管及用於使該束凖直及單色化之X射線光學器件。
9. 如請求項7之裝置，其中該偵測器包括一X射線偵測器陣列，該等X射線偵測器經佈置來偵測該等經繞射之X射線以作為相對於該束之角函數。
10. 如請求項7之裝置，其中該圖案包括具有相應幅值之繞射波瓣，且其中該信號處理器經調適以回應於該經偵測之圖案中該等繞射波瓣之該等相應幅值之一變化而判定該等第一及第二形貌係未對凖。
11. 如請求項7之裝置，其中該圖案包括一二維繞射圖案，且其中該信號處理器經調適以分析該圖案以便評估相對於兩個軸之對凖。
12. 根據請求項7之裝置，其中該試樣包括一半導體晶圓，且其中該等第一及第二形貌包括藉由一微影製程在該晶圓之該表面上形成之對凖靶標。