專利名稱：用于疊層測量的方法和設備的制作方法
一般地說，本發明涉及光學測量，具體地說，涉及圖紋的疊層測量。
現有技術的半導體器件和集成電路含有多層結構，其尺寸小于一個微米。不同層的準確對準對于所制造的半導體器件和電路的適當性能十分關鍵。為驗證其準確對準，通常進行疊層測量。準確對準的欠缺一般導致疊層測量的限定并引發再加工。
疊層測量通過光學方法測量半導體晶片結構的不同層上疊層標記的相對位置。更具體地說，在該結構的各層上形成有矩形疊層標記。當兩個相繼層上的兩個矩形疊層標記互相中心對準時，該兩層即互相準確對準。矩形疊層標記也稱作套箱式圖紋(box-in-boxpattern)。就寬度、長度、圖紋密度等而言，套箱式疊層圖紋與晶片上的器件相關陣列圖紋(device related array pattern)顯著不同。另外，為了獲得器件相關陣列圖紋的最佳性能，需要優化例如金屬印刷、刻蝕、剝離、填充等制作工藝。這會經常引起疊層標記整體性的降低。這些因素對疊層測量能力有不利的影響。另外，對尺寸小于一微米的套箱式圖紋的邊緣位置進行光學測量是困難的。
因此，最好能提供在亞微米范圍易于實施的疊層測量方法和設備。疊層測量的能力最好不受半導體器件制作工藝的不利影響。并且設備最好簡單便宜。
一般地，本發明提供了一種用于疊層測量的方法和設備。根據本發明，在需彼此對準的不同面或層上形成重復圖紋。這些圖紋用作疊層對準標記。優選地，不同面上的重復疊層標記具有彼此大致相等的周期。另外，它們最好大致等于產品圖紋(product pattern)的周期。圖像處理器將重復疊層標記的圖像轉換成相位圖像。通過分析不同面上的重復疊層標記之間的相位差來進行所述的疊層測量。


圖1示意畫出了根據本發明的疊層對準標記；圖2示意畫出了根據本發明的另一疊層對準標記；圖3為根據本發明的疊層測量設備的方框圖；以及圖4為根據本發明的另一疊層測量設備的方框圖。
應當指出，附圖不必按比例畫出，并且圖中具有相同功能的元件采用相同的數標表示。
下面說明本發明的優選實施例，采用在半導體晶片上形成疊層測量結構作為例子。應當理解，本發明的應用并不局限于半導體器件制作工藝，也可以應用于多層設計圖紋的對準測量。
圖1為表示根據本發明的疊層對準標記12的示意圖。作為例示，標記12形成在半導體晶片(未畫出)上。標記12為一個重復圖紋14的陣列。圖紋14的陣列12按行排列。在每一行中，兩個相鄰圖紋14之間的距離稱作陣列12的間距17。圖紋14的相鄰行之間的距離稱作陣列12的深度19。陣列12的間距17和深度19構成陣列12的周期。圖紋14的陣列12可以是更大的重復圖紋陣列的一個部分。
圖2為表示根據本發明的疊層對準標記22的示意圖。作為例示，標記22如圖1中所示標記12一樣形成在半導體晶片(未畫出)上，或者形成在掩模(未畫出)上。如同標記12，標記22為一個重復圖紋24的陣列。圖紋24的陣列22按行排列。在每一行中，兩個相鄰圖紋24之間的距離稱作陣列22的間距27。圖紋24的相鄰行之間的距離稱作陣列22的深度29。陣列22的間距27和深度29構成陣列22的周期。圖紋24的陣列22可以是更大的重復圖紋陣列的一個部分。
優選地，陣列12與22的周期彼此大致相等。換句話說，陣列12的間距17與陣列22的間距27最好彼此大致相等，陣列12的深度19與陣列22的深度29最好彼此大致相等。為了在優化制作工藝的過程中保持陣列12和22的整體性，陣列12和22的周期最好與半導體晶片上的器件相關陣列圖紋的周期大致相同。間距17和27以及深度19和29一般在數十微米量級至數百微米量級的范圍內。
如圖1所示，兩個相鄰行中圖紋14的位置彼此偏移。移位沿基本平行于圖紋14的行的方向，其幅度約等于間距17的一半。類似地，圖2顯示沿基本平行于圖紋24行的方向圖紋24兩個相鄰行的位置發生偏移。應當理解，這些圖紋結構并不構成對本發明的限制。根據本發明，圖紋14的陣列12和圖紋24的陣列22可以具有任意的重復結構。例如，在陣列12的兩個相鄰行之間圖紋14位置的偏移可以為任意值，比如為間距17的1/4、間距17的1/3、間距17的3/5等等。而且，陣列12不同行的圖紋14可以互相對準。類似地，陣列22不同行的圖紋24可以互相對準或者互相偏移一個任意的值。
優選地，陣列12和22形成在半導體晶片的活性芯片區(未畫出)之外。陣列12和22形成在半導體晶片的不同面或不同層上。例如，圖紋14的陣列12可以形成在一個深槽面上，而圖紋24的陣列22可以形成在該深槽面之上的活性區面上。這兩個面之間的垂直距離可以在小于一微米至近似十微米的范圍內變化。在一個實施例中，陣列12和22以如下方式形成，使得當沿著大致垂直于半導體晶片主表面的方向看時，陣列12和22彼此并排相鄰。在一個替代實施例中，陣列22形成在陣列12的上部，使得當沿著大致垂直于半導體晶片主表面的方向看時，圖紋24的陣列22疊加在圖紋14的陣列12上。
圖3為簡要表示根據本發明的疊層測量設備30的方框圖。設備30包括一晶片平臺32，一視頻攝像機36，和一測量電路41。在疊層測量過程中，將一半導體晶片33置于晶片平臺32上。平臺32最好具有吸盤系統比如一真空系統(未畫出)，以便在測量過程中保持半導體晶片33。半導體晶片33具有至少兩個對準圖紋陣列，例如圖1所示的圖紋14的陣列12和圖2所示的圖24的陣列24，形成在其上的不同面或層上。攝像機36攝取晶片33上疊層對準圖紋例如圖紋14陣列12和圖紋24陣列22的圖像。測量電路41通過對這些陣列圖紋的圖像加以處理和比較來進行疊層測量。
測量電路41含有一個圖像處理器42和一個相位比較器48。圖像處理器42將攝像機36中陣列圖紋的圖像轉換成相位圖像。相位比較器48與圖像處理器42耦合。操作時，相位比較器48計算出半導體晶片33上不同面的陣列圖紋的相位圖像之間的相位差，從而進行疊層測量。
更具體地說，圖像處理器42包括一個數字轉換器43和一個信號處理器45。數字轉換器43具有一個連接至攝像機36的輸入端和一個輸出端。數字轉換器43將攝像機36中的圖像數字化，以產生數字圖像作為其輸出。作為例子，信號處理器45為快速傅里葉變換電路，有時也稱作快速傅里葉變換器，或者簡稱為傅里葉變換器。傅里葉變換器45具有一個連接至數字轉換器43輸出端的輸入端和一個連接至相位比較器48的輸出端。在疊層測量過程中，傅里葉變換器45對數字轉換器43輸出端的數字圖像信號進行快速傅里葉變換，并由各數字圖像產生幾何頻譜或頻譜圖像。這些幾何頻譜輸送至相位比較器48。
在上述實施例之一中，晶片33具有形成為沿大致垂直于晶片33方向看時彼此相鄰的重復圖紋14的陣列12(如圖1所示)和重復圖紋24的陣列22(如圖2所示)。攝像機36攝取兩個圖像。第一圖像含有圖紋14的陣列12的圖像。第二圖像含有圖紋24的陣列22的圖像。數字轉換器43將第一圖像數字化以產生第一數字圖像。傅里葉變換器45對該第一數字圖像進行傅里葉變換，產生第一幾何頻譜或第一相位圖像。換句話說，傅里葉變換器45將圖紋14陣列12的圖像從空域變換至頻域。數字變換器43還將第二圖像數字化以產生第二數字圖像。傅里葉變換器45將該第二數字圖像變換成第二幾何頻譜或第二相位圖像。相位比較器48計算第一和第二幾何頻譜之間的相位差，從而測量出含有圖紋14的陣列12和圖紋24的陣列22的晶片33上的兩個面之間的對準。替代地，攝像機36攝取晶片33的一幅圖像。該圖像的第一部分含有圖紋14的陣列12的圖像，而該圖像的第二部分含有圖紋24的陣列22的圖像。數字轉換器43分別由該圖像的第一和第二部分產生第一和第二數字圖像。信號處理器45分別將第一和第二數字圖像變換成第一和第二幾何頻譜。相位比較器48通過計算此二幾何頻譜之間的相位差進行對準測量。
在上述另一實施例中，晶片33具有形成在重復圖紋24陣列22(如圖2所示)之下的重復圖紋14陣列12(如圖1所示)。沿大致垂直于晶片33的方向看時，重復圖紋24的陣列22疊加在重復圖紋14的陣列12之上。攝像機36攝取了兩幅圖像。當攝像機36聚焦在含有圖紋14陣列12的例如深槽面時攝取第一圖像，當攝像機36聚焦在含有圖紋24陣列22的例如活性區面時攝取第二圖像。在該實施例中，攝像機36最好具有靈敏的焦距或者淺的景深。接著，當攝取第一圖像時含有圖紋24陣列22的面離焦，當攝取第二圖像時含有圖紋14陣列12的面離焦。數字轉換器43分別將第一和第二圖像數字化以產生第一和第二數字圖像。傅里葉變換器45將第一和第二數字圖像變換成第一和第二幾何頻譜。相位比較器48計算第一和第二幾何頻譜之間的相位差，從而測量出含有圖紋14的陣列12和圖紋24的陣列22的晶片33的兩個面之間的疊層對準。
應當理解，設備30和疊層測量方法不限于前面參照圖3所述的內容。在本發明的另一設備實施例中，設備30的圖像處理器42具有兩個信號處理器，并行耦合在數字轉換器43和相位比較器48之間。各信號處理器的作用類似于信號處理器45。在疊層測量過程中，一個信號處理器將第一數字圖像轉換成第一相位圖像，而另一信號處理器將第二數字圖像轉換成第二相位圖像。在本發明的另一方法實施例中，其測量方法測量晶片33上多于兩個面之間的疊層對準。在該實施例中，數字轉換器43產生多于兩個數字圖像，一個數字圖像對應于晶片33上的一個面。信號處理器45由各數字圖像產生相位圖像。圖像比較器48通過計算對應于晶片33上不同面的相位圖像之間的相位差來測量不同面之間的疊層對準。
圖4為簡要表示根據本發明的疊層測量設備60的方框圖。如同前面參照圖3所述的設備30，設備60具有一晶片平臺32，一視頻攝像機36，和一測量電路71。另外，設備60具有具有一掩模臺架62，一光源64，一光學透鏡65，和一光束偏轉器67。設備60用于測量原版或掩模例如置于掩模臺架62上的掩模63與晶片例如置于晶片平臺32上的半導體晶片33之間的疊層對準。晶片33其上具有圖紋。作為例子，晶片33上的圖紋含有圖1中所示的重復圖紋14的陣列12。掩模63上具有圖紋，以備在光刻工藝中形成在半導體晶片33的另一面上。作為例子，掩模63上的圖紋含有圖2中所示的重復圖紋24的陣列22。
光源64間歇開啟以便在疊層測量過程中照射置于平臺32上的晶片33。光學透鏡65為會聚透鏡，當晶片33由光源64照射時將晶片33的圖像形成在掩模63上。透鏡65的光學特性最好與在光刻過程中用于將掩模63上的圖紋印刷至晶片33的透鏡大致相同。作為例子，在光刻過程中透鏡將4∶1縮小的掩模63的圖像投射在晶片33上，而在疊層測量過程中當晶片33被照射時透鏡65將1∶4放大的晶片33的圖像投射在掩模63上。光束偏轉器67將來自掩模63的光束偏轉射至攝像機36中，如圖4中的光束66和68所示。光束偏轉器67可以包括分束器、棱鏡、反射鏡，或者其任意組合。應當理解在設備60中光束偏轉器67任選的。
測量電路71包括一圖像處理器72和一相位比較器48。圖像處理器72將攝像機36中的陣列圖紋的圖像轉換成相位圖像。相位比較器48耦合至圖像處理器72，并且計算出相位圖像之間的相位差，從而進行疊層測量。如同圖3所示的圖像處理器42，圖像處理器72包括一數字轉換器43和一信號處理器例如快速傅里葉變換器45。另外，圖像處理器72還包括一數字減法電路或減法器74，耦合在數字轉換器43與快速傅里葉變換器45之間。數字轉換器43的一個輸入端連接至視頻攝像機36。減法器74的輸入端連接至數字轉換器43的輸出端，其輸出端連接至快速傅里葉變換器45的輸入端。快速傅里葉變換器45的一個輸出端連接至相位比較器48。
所述疊層測量方法包括采用攝像機36攝取掩模63的兩幅圖像。第一圖像在光源關閉時攝取，使得晶片不被照射。該第一圖像包括掩模63上重復圖紋24的陣列22的圖像。第二圖像在光源開啟時攝取，從而晶片被照射。該第二圖像包括疊加在重復圖紋24陣列22的重復圖紋14陣列12的圖像。數字轉換器43將第一圖像數字化以產生第一數字圖像，含有掩模63上重復圖紋24的數據。數字轉換器43還將第二圖像數字化以產生一個復合數字圖像。該復合數字圖像含有疊加在掩模63上重復圖紋24上的晶片33上重復圖紋14的數據。
第一數字圖像和復合數字圖像輸送至信號處理器72中的減法器74。減法器74通過從復合數字圖像中減去第一數字圖像而產生第二數字圖像。因此，第二數字圖像含有晶片33上重復圖紋14的數據。傅里葉變換器45對第一數字圖像進行快速傅里葉變換，并產生第一幾何頻譜。類似地，傅里葉變換器45將第二數字圖像變換成第二幾何頻譜。相位比較器48計算第一和第二幾何頻譜之間的相位差，從而測量出掩模63上重復圖紋24的陣列與晶片33上重復圖紋14的陣列12之間的對準。
至此應當理解已經提供了一種疊層測量的方法和設備。根據本發明，重復疊層對準掩模形成在不同的面或層上以便相互對準。圖像處理器將重復疊層標記的圖像轉換成相位圖像。計算不同層上重復疊層標記之間的相位差，以測量不同面之間的疊層對準。在將本發明應用于半導體制造工藝中的疊層測量工藝時，重復疊層標記的周期最好根據半導體晶片上的器件相關圖紋的周期加以確定。因為疊層標記和器件相關掩模都是重復陣列圖紋，所以對器件制作工藝例如金屬印刷、刻蝕、剝離、沉積、填充等的優化不會對疊層標記的整體性造成不利影響。疊層標記可以以與器件相關陣列圖紋相同的工藝形成，因此具有與器件相關陣列圖紋大致相同的特性例如寬度、長度、密度。因此，器件制作工藝和器件的按比例縮小不會對本發明的疊層測量造成不利影響。本發明的相位分析簡單而且精確。可以方便地用于具有納米量級尺寸的顯微圖紋。本發明進行疊層測量的設備簡單，可以通過由傳統的疊層測量設備添加適當的信號處理電路和軟件程序而制成，因此是簡單便宜的。
權利要求
1.一種用于測量第一圖紋與第二圖紋之間對準的方法，包括如下步驟分別產生第一圖紋部分和第二圖紋部分的第一數字圖像和第二數字圖像；并且比較該第一數字圖像與第二數字圖像以計算第一圖紋與第二圖紋之間的對準。
2.如權利要求1所述的方法，還包括將第一圖紋和第二圖紋形成為具有彼此大致相等周期的重復圖紋的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其中比較第一數字圖像與第二數字圖像的步驟包括如下步驟分別將第一數字圖像和第二數字圖像傅里葉變換以產生第一頻譜和第二頻譜；并且計算該第一頻譜與第二頻譜之間的相位差。
4.如權利要求1所述的方法，還包括將第一圖紋和第二圖紋形成在晶片上的步驟。
5.如權利要求4所述的方法，其中形成第一圖紋和第二圖紋的步驟包括如下步驟將第一圖紋部分形成在晶片上的非活性芯片區；并且將第二圖紋部分形成在晶片上的該非活性芯片區且與第一圖紋部分相鄰。
6.如權利要求5所述的方法，其中產生第一數字圖像和第二數字圖像的步驟還包括如下步驟將第一圖紋部分和第二圖紋部分的圖像形成在一個攝像機中；并且分別將對應于第一圖紋部分的第一部分圖像和對應于第二圖紋部分的第二部分圖像數字化以產生第一數字圖像和第二數字圖像。
7.如權利要求4所述的方法，其中形成第一圖紋和第二圖紋的步驟還包括將第二圖紋部分形成為疊加在第一圖紋部分上。
8.如權利要求7所述的方法，其中產生第一數字圖像和第二數字圖像的步驟還包括如下步驟將攝像機聚焦在一第一面上以形成第一圖紋部分的第一圖像；將攝像機聚焦在一第二面上以形成第二圖紋部分的第二圖像；并且分別將第一圖像和第二圖像數字化以產生第一數字圖像和第二數字圖像。
9.如權利要求1所述的方法，還包括如下步驟將第一圖紋形成在晶片上；將第二圖紋形成在掩模上；形成掩模的部分的第一圖像；將晶片圖像疊加在掩模上；并且形成所述掩模部分和疊加其上的圖像部分的第二圖像。
10.如權利要求9所述的方法，其中產生第一數字圖像和第二數字圖像的步驟還包括如下步驟將第一圖像數字化以產生第二數字圖像；將第二圖像數字化以產生第三數字圖像；并且從第三數字圖像減去第二數字圖像以產生第一數字圖像。
11.一種疊層測量方法，包括如下步驟在第一面上形成第一陣列圖紋；在第二面上形成第二陣列圖紋；由第一陣列圖紋部分產生第一幾何頻譜；由第二陣列圖紋部分產生第二幾何頻譜；并且計算第一幾何頻譜與第二幾何頻譜之間的相位差。
12.如權利要求11所述的方法，其中形成第一陣列圖紋和第二陣列圖紋的步驟還包括將所述第一陣列圖紋和第二陣列圖紋形成在晶片上，使第一陣列圖紋部分和第二陣列圖紋部分位于晶片上活性芯片區之外并且彼此相鄰。
13.如權利要求12所述的方法，其中產生第一幾何頻譜和產生第二幾何頻譜的步驟還包括如下步驟將第一陣列圖紋部分和第二陣列圖紋部分的圖像形成在一個攝像機中；對該圖像的第一部分進行傅里葉變換以產生第一幾何頻譜，圖像的第一部分對應于第一陣列圖紋部分；并且對該圖像的第二部分進行傅里葉變換以產生第二幾何頻譜，圖像的第二部分對應于第二陣列圖紋部分。
14.如權利要求11所述的方法，其中形成第一陣列圖紋和形成第二陣列圖紋的步驟還包括如下步驟將第一陣列圖紋形成在晶片上；并且將第二陣列圖紋形成在該晶片上第一陣列圖紋之上，使第二陣列圖紋部分疊加在第一陣列圖紋部分之上。
15.如權利要求14所述的方法，其中產生第一幾何頻譜和產生第二幾何頻譜的步驟還包括如下步驟將攝像機聚焦在一第一面上以形成第一陣列圖紋部分的第一圖像；將攝像機聚焦在一第二面上以形成第二陣列圖紋部分的第二圖像；對第一圖像進行傅里葉變換以產生第一幾何頻譜；并且對第二圖像進行傅里葉變換以產生第二幾何頻譜。
16.如權利要求11所述的方法，其中形成第一陣列圖紋的步驟包括將第一陣列圖紋形成在晶片上；形成第二陣列圖紋的步驟包括將第二陣列圖紋形成在掩模上；并且產生第一幾何頻譜和產生第二幾何頻譜的步驟包括形成掩模的第一圖像，將晶片圖像投射在掩模上，形成掩模以及其上投影圖像的第二圖像，并且由第一圖像和第二圖像產生第一幾何頻譜和第二幾何頻譜。
17.如權利要求16所述的方法，其中產生第一幾何頻譜和產生第二幾何頻譜的步驟包括如下步驟將第一圖像數字化以產生第一數字圖像；將第二圖像數字化以產生第二數字圖像；從第二數字圖像減去第一數字圖像以產生第三數字圖像；對第三數字圖像進行傅里葉變換以產生第一幾何頻譜；并且對第一數字圖像進行傅里葉變換以產生第二幾何頻譜。
18.一種用于對晶片上疊層圖紋進行測量的設備，該設備包括一個平臺，該平臺用于在疊層測量過程中支承晶片；一個攝像機，與所述平臺相鄰，該攝像機用于形成晶片的第一圖像和第二圖像；一個圖像處理器，耦合至所述攝像機，該圖像處理器用于由所述第一圖像和第二圖像產生第一相位圖像和第二相位圖像；和一個相位比較器，耦合至所述圖像處理器，該相位比較器用于計算所述第一相位圖像與第二相位圖像之間的相位差。
19.如權利要求18所述的設備，其中所述攝像機在攝取第一圖像時聚焦在晶片的第一面上，在攝取第二圖像時聚焦在晶片的第二面上，其中第二面在第一面之上。
20.如權利要求18所述的設備，其中所述攝像機攝取晶片的復合圖像，該復合圖像含有第一圖像和第二圖像，第一圖像和第二圖像分別拍攝晶片上的第一圖紋部分和晶片的第二圖紋部分；以及第一圖紋位于第二圖紋下面，并且第一圖紋部分和第二圖紋部分位于晶片上的活性芯片區之外且彼此相鄰。
21.如權利要求18所述的設備，其中所述圖像處理器包括一個數字轉換器，具有一個耦合至所述攝像機的輸入端和一個輸出端，該數字轉換器用于分別將第一圖像和第二圖像數字化以產生第一數字圖像和第二數字圖像；和一個信號處理器，具有一個耦合至所述數字轉換器輸出端的輸入端和一個耦合至所述相位比較器的輸出端，該信號處理器用于分別將第一數字圖像和第二數字圖像轉換成第一相位圖像和第二相位圖像。
22.如權利要求21所述的設備，其中所述信號處理器包括一個傅里葉變換電路，該傅里葉變換電路用于將第一數字圖像和第二數字圖像分別變換成第一頻譜圖像和第二頻譜圖像。
23.一種用于測量掩模和晶片之間對準的設備，該設備包括一個晶片平臺，該晶片平臺用于在對準測量過程中支承晶片；一個掩模臺架，位于所述晶片平臺之上，該掩模臺架用于在對準測量過程中支承掩模；一個視頻攝像機，與所述掩模臺架相鄰；一個圖像處理器，耦合至所述視頻攝像機；和一個相位比較器，耦合至所述圖像處理器。
24.如權利要求23所述的設備，還包括一個與所述晶片平臺相鄰的光源，該光源用于在對準測量過程中間歇照射所述晶片平臺上的晶片。
25.如權利要求23所述的設備，還包括一個位于所述晶片平臺與所述掩模臺架之間的光學透鏡，該光學透鏡用于在所述光源照射晶片平臺上的晶片時將晶片的圖像形成在掩模上。
26.如權利要求25所述的設備，其中所述光學透鏡在所述光源照射晶片平臺上的晶片時在掩模上形成晶片的放大圖像。
27.如權利要求23所述的設備，還包括一個與所述掩模臺架相鄰的光學偏轉器，所述光學偏轉器用于將來自掩模的光束偏轉射向所述視頻攝像機。
28.如權利要求23所述的設備，其中所述圖像處理器包括一個減法電路，具有一個耦合至所述數字轉換器的輸入端和一個輸出端；和一個信號處理器，具有一個耦合至所述減法電路輸出端的輸入端和一個耦合至所述相位比較器的輸出端。
全文摘要
一種用于測量半導體晶片(33)上不同層之間對準的方法,包括在晶片(33)不同層上形成具有大致相同周期的重復對準標記(14、24)。疊層對準標記(14、24)的圖像通過傅里葉變換從空域轉換至頻域。通過計算對應于不同層上重復圖紋(14、24)的圖像之間的相位差來進行對準測量。
文檔編號G03F7/20GK1329246SQ0011861
公開日2002年1月2日 申請日期2000年6月16日 優先權日2000年6月16日
發明者克里斯·古爾德, K·保羅·穆勒, V·C·賈帕凱什, 羅伯特·范·德·伯格 申請人:國際商業機器公司, 英芬能技術北美公司