CN100456142C - 一种对准标记及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对准标记及其制造方法，主要用于光刻装置的掩模和晶片对准；该对准标记包括第一部分结构和第二部分结构，其中，第二部分结构包括第一光栅和第二光栅。该第一光栅的周期和第二光栅的周期互不相同且分别分布在第一部分结构两侧。第一光栅是高阶衍射光增强型光栅，并且其基本周期内有一些细分结构，可以使零级和偶数级次衍射光斑的能量转移到其它奇数级次上，同时增强多个奇数级次的衍射光光强。与现有技术相比，本发明的对准标记结构紧凑、能够提高光刻装置对准系统的对准精度和工艺适应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光刻对准技术，尤其涉及一种对准标记及其制造方法。
背景技术
光刻装置主要用于集成电路IC或其他微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的晶片上。目前有两种光刻装置，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在晶片的一个曝光区域，随后晶片相对于掩模版移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在晶片的另一曝光区域，重复这一过程直到晶片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与晶片同时相对于投影系统和投影光束移动。
在半导体制作过程中，为使掩模图案正确转移到晶片上，关键的步骤是将掩模与晶片对准，即计算掩模相对于晶片的位置，以满足套刻精度的要求。当特征尺寸“CD”要求更小时，对套刻精度“Overlay”的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。现有技术有两种对准方案，一种是透过镜头的TTL同轴对准技术，另一种是OA离轴对准技术。在每一次进行光刻胶曝光前，需要使用对准标记进行掩模-晶片对准。在离轴对准技术中，将位于晶片非曝光区域的全场对准标记或划线槽(scribe line)对准标记成像到参考板上，通过确定对准标记位置相对于处于理想位置的参考标记的偏差，来进行晶片曝光场和掩模图案定位。
光刻对准主要有明场、暗场和光栅衍射几种技术。目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指照明光束照射在光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记结构的全部信息。多级次衍射光以不同角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在参考面干涉成像，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置。
根据光刻装置的对准策略，对准标记可分为全场对准标记和逐场对准标记，全场对准标记通常为二维标记，位于晶片非曝光区域或划线槽内，同时提供相互垂直的两个方向对准；逐场对准标记位于晶片划线槽内，为一维标记，提供一维方向(水平或垂直方向)的对准，通过位于两个相互垂直的划线槽的两个逐场对准标记可以实现相互垂直的两个方向对准。
一般，对准标记为周期性的光栅，由刻线和刻槽组成。光栅可以是位相光栅，利用在光栅上表面和下表面散射光线的位相差。光栅也可以是振幅光栅，由两个具有不同反射系数的表面周期结构组成。光栅应包含尽可能多的周期，以避免边缘效应。对准标记边缘粗糙度对对准精度的影响是随机的，所以通过照射更多的光栅周期，可以降低边缘效应的影响，提高对准信号对比度。但是，过多的光栅周期会消耗划线槽资源，导致晶片的浪费，因此，在对准标记的设计上趋向于使用更小的光栅周期和更短的光栅线条。
从功能上，对准标记一般分为粗对准标记和精对准标记两种。在粗对准过程中，掩模版或参考板上的对准标记先存储在计算机中，然后通过探测光源在粗对准标记上的散射光并成像在CCD相机上，通过图像分析和模式识别的方法搜寻粗对准标记结构，进行晶片的粗对准定位。粗对准标记也用于搜寻精对准标记。通常，精对准标记与粗对准标记的距离固定，在精对准过程中，由显微物镜收集光源在标记上的散射光，由得到的光强或位相信号确定精对准标记位置，进行晶片的精对准定位。粗对准一般为以十字线形为基础的结构，精对准标记则是一些相互平行、一定间隔的光栅型结构，结构周期宽度大约为几微米量级，例如图11中所示的粗对准和精对准标记结构。
在IC处理上，对准标记结构的组成部分最好是具有与半导体器件特征尺寸相似的尺寸，以避免在IC处理过程中产生不太理想的负效应。克服尺寸相关性问题，通常有两种方法，一种是缩小光栅周期来提高对准标记对高级探测通道的探测能力，所探测的空间频率决定了相位光栅对准精度和稳定性；另一种是使用增强型细分光栅来提高高阶衍射光对准信号的强度。
图11为荷兰ASML公司所采用的一种现有技术的对准标记，参见图11(a)，该对准标记VSPM由十字线和4组光栅结构AH32、AH53、AH74和CAH32组成，其中，光栅结构AH32、AH53、AH74的基本光栅周期相同为16μm，光栅结构CAH32的基本光栅周期为17.6μm。光栅结构AH32、AH53和AH74分别为具有增强型细分结构的3级、5级和7级高阶衍射级次光强增强型光栅。CAH32也为3级增强型光栅，但基本光栅周期不一样，从而提高对准捕获范围。该增强型细分结构的特点在于，通过对基本光栅周期(P＝16μm)进行n级周期性细分，使基本光栅的n级衍射级次光强得到增强，从而提高光刻装置的对准精度和工艺适应性。整个VSPM对准标记的尺寸为700μm×72μm，适合于80μm宽的划线槽。为了适用于40μm宽的划线槽，缩短光栅结构的宽度为38μm，形成如图11(b)所示的NVSM对准标记。
尽管采用多分段的高阶衍射级次增强型对准光栅标记，提高了对准精度，增强工艺适应性。但是，该周期性增强型细分结构光栅的衍射仍然有零级衍射光的存在，而在光栅衍射对准系统中，零级衍射光作为背景光通常被光阑遮挡，其能量得不到有效利用；并且，该周期性细分的增强型对准标记只能同时实现一个高阶衍射级次光强的增强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的对准标记及其制造方法，可以有效提高光刻装置对准系统的对准精度和工艺适应性。
为实现上述目的，本发明提供一种对准标记，主要用于光刻装置的掩模和晶片对准；该对准标记包括第一部分结构和第二部分结构，其中，第二部分结构包括第一光栅和第二光栅。该第一光栅的周期和第二光栅的周期互不相同且分别分布在第一部分结构两侧。第一光栅是高阶衍射光增强型光栅，所述高阶衍射光增强型光栅的基本周期内包括非周期性高阶衍射光增强型细分结构。
所述的高阶衍射光增强型细分结构在高阶衍射光增强型光栅基本周期的两个半周期内的调制点位置相同，但是位相反转。所述的第一光栅和第二光栅均用于同一方向(水平或垂直方向)对准。
所述的高阶衍射光增强型光栅可以抑制零级和偶数级次衍射光光强，同时增强多个奇数级次的衍射光光强。
所述的第二光栅是捕获标记，用于提高对准系统的对准捕获范围。该第二光栅也可以是具有高阶衍射光增强型细分结构的高阶衍射光增强型光栅。
所述的第一部分结构的形式可以为：十字线、双十字线、十字线框、虚十字线和叉丝等。
所述的对准标记的第一部分结构和构成第二部分结构的第一光栅和第二光栅可以是分段结构。
本发明还提供一种对准标记的制造方法，在对准标记基本周期内设置一些细分结构，通过对细分结构进行空间坐标调制、相位调制、以及空间坐标和相位同时调制，可以同时增强对准标记多个衍射级次的衍射光光强。
所述的一种对准标记的制造方法，通过对对准标记基本周期内的细分结构进行空间坐标调制，能够抑制零级和偶数级次衍射光的光强，同时增强多个奇数级次的衍射光光强。
所述的基本周期的两个半周期内的调制点位置相同，但是位相反转；所述的细分结构为非周期性的；所述的细分结构可以为二维结构。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：
1、本发明的对准标记包含非周期性的高阶衍射光增强型细分结构，能够抑制零级和偶数级次的衍射光光强，同时增强多个奇数级次的衍射光光强，提高了高阶衍射光的对准信号强度，从而提高了对准系统的对准精度。
2、高阶衍射光增强型细分结构产生较小的光栅线宽，可以减小化学机械平坦化等工艺导致的标记变形，提高对准标记的工艺适应性。
3、对准标记结构更紧凑，捕获范围大、可用于较窄划线槽。
附图说明
通过以下对本发明的较佳实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，
图1为本发明对准标记的高阶衍射光增强型细分结构；
图2为本发明对准标记的高阶衍射光增强型细分结构的一个示意图；
图3为本发明对准标记的示意图；
图4为本发明对准标记的实施例中第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图5为本发明对准标记的实施例中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图6为本发明对准标记的实施例中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图7为本发明对准标记的实施例中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图8为本发明对准标记的实施例中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图9为本发明对准标记的实施例中另一种第一部分结构及对应掩模或参考对准标记示意图；
图10为本发明对准标记的分段型结构示意图；
图11为一种现有技术的对准标记。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明对准标记的高阶衍射光增强型细分结构。高阶衍射光增强型细分结构的基本原理是基于偶数列阵的反射型达曼(Dammann)光栅原理。
达曼光栅是一种具有特殊孔径函数的相位光栅，其对入射光波产生的夫琅和费衍射图样(傅立叶频谱)是一定点阵数目的等光强光斑。达曼光栅可以使零级衍射光斑的能量转移到边缘正、负级次上，其属于傅立叶变换型的分束器，具有较高的衍射效率，并且光斑阵列光强均匀性不受入射光波分布影响。其中，偶数列阵的达曼光栅可以消除零级和偶数级次衍射频谱，仅得到奇数级次的衍射光斑。
如图1所示，高阶衍射光增强型标记细分结构的相位取二值，例如0和π/2，在基本周期P内包含一组调制点，坐标为(ai，bi)，周期内空间坐标(刻槽数和槽宽位置)被任意调制，或者是相位调制，或者是空间坐标和相位同时被调制。当光刻装置对准系统的照明光束垂直照射在具有高阶衍射光增强型细分结构的对准标记上时，能够抑制零级和偶数级次衍射光斑的能量，同时增强多个奇数级次衍射光斑的光强，得到一组1×M(或M×1)列阵的等光强衍射光斑。
其中，两个半周期内的调制点位置相同，但是位相相反，即0～P/2半周期内的刻槽位置对应于P/2～P半周期内则为刻线，反之，0～P/2内的刻线位置对应于P/2～P内则为刻槽位置。增强型标记细分结构的位相深度h为π/2，并且该细分结构一般为非周期性的。
调制点位置的确定一般采用优化算法进行计算，通常以总衍射效率和衍射光斑光强均匀性、最小线宽作为边界条件。通过设置合适的边界条件目标值，可以得到较高的衍射效率和较小的线宽，并且该线宽可以与半导体器件的特征尺寸(CD)相当，提高工艺适应性。
相比而言，现有技术的周期性增强型细分结构有较强的零级光斑存在，而在光栅衍射对准中，零级光斑作为背景光通常被遮挡，其能量得不到有效利用，并且，该周期性增强型细分结构只能同时实现一个高阶衍射级次光强的增强。本发明所述的对准标记的高阶衍射光增强型细分结构的优点在于：可以使零级光斑和偶数级次的能量转移到其它奇数级次上，同时使多个奇数级次衍射光的光强得到增强，并且最小线宽可以设计得接近半导体器件的特征尺寸。
图2为本发明对准标记的高阶衍射光增强型细分结构的一个实施例。参见图2，当M＝8时，高阶衍射光增强型细分结构在一个周期内有10个调制点，以周期进行归一化的调制点位置分别为0，0.1812，0.2956，0.3282，0.4392，0.5，0.6812，0.7956，0.8282，0.9392，最小线宽为0.016，最大衍射效率可达到83％，不均匀性为0.00004，从而得到1×8列阵的衍射光斑，抑制零级和偶数级次衍射光斑，同时使±1级，±3级，±5级和±7级的衍射光斑的光强得到增强。
请参阅图3，为本发明对准标记的实施例，该对准标记的构成包括两部分：用于粗对准的第一部分结构1和用于精对准的第二部分结构2。第一部分结构1位于整个对准标记的中央，第二部分结构2包括第一光栅21和第二光栅22。第一光栅21的周期和第二光栅22的基本周期互不相同且分别分布在第一部分结构1的两侧。光栅21和22均用于同一方向(水平或垂直方向)对准。
第一光栅21是基本光栅周期为P1的高阶衍射光增强型光栅，基本周期P1(如图中放大部分所示)为非周期性的高阶衍射光增强型细分结构。该高阶衍射光增强型细分结构抑制零级和偶数级次衍射光光强，增强奇数级次的衍射光光强，并且细分结构的最小线宽可以接近半导体器件的特征尺寸。例如，如图3中所示，并参见图2，第一光栅21可以是±1、±3、±5和±7级的高阶衍射光增强型光栅，同时实现±1、±3、±5和±7级衍射光的增强。
在对准过程中，对准照明光束(例如，多波长激光光源或宽带光源)在第一光栅21上的各级衍射光形成的干涉条纹分别透过相应的参考对准标记或掩模对准标记(未图示)后形成不同周期(周期分别为P1/2、P1/6、P1/10和P1/14)的对准信号。
第二光栅22基本周期为P2，作为捕获标记使得捕获范围为：±P1P2/[2(P1-P2)]，例如，当P1＝16μm，P2＝P1(1+0.1)＝17.6μm，则捕获范围为±44μm。第二光栅22可以是1级捕获标记，周期P2＝P1(1±ε)，通常，取ε＝0.1或0.05；第二光栅22又可以为3级或5级捕获标记，对应周期P2＝P1/3×(1±ε)或P2＝P1/5×(1±ε)；第二光栅22也可以为n级捕获标记，对应周期P2＝P1/n×(1±ε)。同样，第二光栅22也可以是包含非周期性的高阶衍射光增强型细分结构的高阶衍射光增强型光栅。
如果该对准标记结构结合一定的对准系统，并且最高探测±7级衍射光，则重复对准精度可以达到1.14nm。同时，较小的光栅线宽可以减小化学机械平坦化导致的标记变形，提高工艺适应性。为适合于较窄的划线槽，对准标记的光栅线条尺寸可以设计得较短，例如为＜40μm。与现有技术4分段结构的周期性增强型对准标记VSPM和NVSM相比，本发明中所述的具有非周期性细分结构的高阶衍射光增强型对准标记在结构上更加紧凑。
该对准标记结构为一维标记，位于晶片划线槽内，提供一维方向(水平或垂直方向)的对准，通过两个相互垂直的对准标记结构可以实现相互垂直的两个方向(水平和垂直方向)对准。
在本发明的对准标记中的第一部分结构1如图4所示为十字线形式，对应的掩模或参考对准标记9是由四组相互垂直、不透光的平行双线组成的双十字线形式，从而在对准过程中形成双线夹单线的对准方式。在本发明其它实施例中，该第一部分结构1除了实施例中所示的结构外，还具有其它的结构。此外，还需要根据第一部分结构1结构的改变而改变掩模或参考对准标记9的结构以实现对准。
图5所示的第一部分结构1为十字线形式，对应的掩模或参考对准标记9为叉丝的形式，由两条不透光的斜线交叉组成。对准过程中形成交叉斜线夹十字线的对准方式，十字线处于交叉斜线的角平分线位置。
图6所示的第一部分结构1为十字线框形式，由封闭的十字形框组成，对应的掩模或参考对准标记9为不透光的十字线的形式，由此形成十字框夹十字线的对准方式。
图7所示的第一部分结构1为双十字线形式，由四组相互垂直的平行双线组成，与之对应的掩模或参考对准标记9为不透光的十字线的形式，由此形成双线夹单线的对准方式。
图8所示的第一部分结构1为虚十字线形式，包括中心十字线1a和外围十字线1b。对应的掩模或参考对准标记9为“井”字标记的形式，由四条不透光的直线相互交叉组成“井”字形状，包括中心框和外围双十字线。对准时，虚十字线的中心十字线1a位于“井”字的中心框内，外围十字线1b与双十字线形成双线夹单线的对准方式。
图9所示的第一部分结构1为叉丝形式，由四条斜线组成，与之对应的掩模或参考对准标记9是不透光的十字线的形式，由此在对准过程中形成叉丝夹十字线的对准方式，十字线处于叉丝各斜线的角平分线位置。
请参阅图10，以本发明对准标记结构实施例中的第一部分结构1和第二部分结构2的第二光栅22为例，均可以是分段型结构。本发明中的对准标记均可以为分段型结构，尤其在深沟槽(Deep Trench)工艺中，为适合工艺设计原则，分段型结构更有利于工艺制造；另外，也可以减少化学机械平坦化和金属溅射导致的标记的变形，提高工艺适应性。
Claims (18)
1、一种对准标记，主要用于光刻装置的掩模和晶片对准，该对准标记包括第一部分结构和第二部分结构，其特征在于，第二部分结构包括第一光栅和第二光栅，该第一光栅的周期和第二光栅的周期互不相同且分别分布在第一部分结构两侧；所述的第一光栅是高阶衍射光增强型光栅；所述的高阶衍射光增强型光栅的基本周期内包括非周期性高阶衍射光增强型细分结构。
2、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的高阶衍射光增强型细分结构在高阶衍射光增强型光栅基本周期的两个半周期内的调制点位置相同，但是位相反转。
3、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：第一光栅和第二光栅均用于同一方向对准。
4、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的高阶衍射光增强型光栅可以抑制零级和偶数级次衍射光光强，同时增强多个奇数级次的衍射光光强。
5、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第二光栅是捕获标记。
6、如权利要求5所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第二光栅可以是具有高阶衍射光增强型细分结构的高阶衍射光增强型光栅。
7、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一光栅及第二光栅可以是分段结构。
8、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构是十字线形式。
9、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构是由封闭的十字形框组成的十字线框形式。
10、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构是由四组相互垂直的平行双线组成的双十字线形式。
11、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构是包括中心十字线和外围十字线的虚十字线形式。
12、如权利要求1所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构是由四条斜线组成的叉丝形式。
13、如权利要求8到12中任一项所述的一种对准标记，其特征在于：所述的第一部分结构可以是分段结构。
14、一种对准标记的制造方法，其特征在于，在对准标记基本周期内设置一些细分结构，通过对细分结构进行空间坐标调制、相位调制、以及空间坐标和相位同时调制，以同时增强对准标记多个衍射级次的衍射光光强。
15、如权利要求14所述的一种对准标记的制造方法，其特征在于，通过对对准标记基本周期内的细分结构进行空间坐标调制，能够抑制零级和偶数级次衍射光的光强，同时增强多个奇数级次的衍射光光强。
16、如权利要求15所述的一种对准标记的制造方法，其特征在于，所述的基本周期的两个半周期内的调制点位置相同，但是位相反转。
17、如权利要求14所述的一种对准标记的制造方法，其特征在于，所述的细分结构为非周期性的。
18、如权利要求14所述的一种对准标记的制造方法，其特征在于，所述的细分结构可以为二维结构。
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