專利名稱:一種基于二維衍射的套刻精度量測結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于二維衍射的套刻精度量測結構，所述量測結構至少包括：形成于硅片中的多個前層圖案，所述前層圖案在X方向和Y方向上有序排列；形成于所述硅片表面的多個當層圖案；所述當層圖案與所述前層圖案交錯排列；在X方向或者Y方向上，所述當層圖案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間的間隔是兩個相鄰前層圖案套刻中心之間間隔的一半。本實用新型的量測結構通過激光的入射之后發(fā)生發(fā)射，在X正負半軸和Y正負半軸形成衍射光斑，再通過衍射光斑的光強差精確地測量判斷出當層圖案在四個方向是否發(fā)生偏移。
【專利說明】一種基于二維衍射的套刻精度量測結構

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及半導體制造【技術領域】，特別是涉及一種基于二維衍射的套刻精度 量測結構。

【背景技術】
[0002] 光刻是通過對準、曝光等一系列步驟將掩模圖案圖形轉移到晶圓上的工藝過程， 在半導體芯片的制造過程中，通常要通過多層光刻工藝才能完成整個制造過程，而如何控 制當層光刻圖形與前層光刻圖形（晶圓上的圖形）的位置對準，以滿足套刻精度（overlay) 的要求是多層光刻工藝中至關重要的步驟。隨著半導體工業(yè)的技術節(jié)點發(fā)展到28nm甚至 20nm以下，套刻精度的控制越來越難。
[0003] 現(xiàn)有技術中，為了更好的滿足套刻精度的要求，采用基于圖片的量測方法來量測 套刻精度。如圖1和圖2所示，其中圖1是現(xiàn)有技術中套刻精度量測結構的剖面圖，圖2是 現(xiàn)有技術中套刻精度量測結構的俯視圖。該量測結構100A包括：形成于硅片IA中由四個 長條組成的矩形狀前層圖案2A ;形成于硅片IA表面的四個長條組成的矩形狀當層圖案5A， 所述前層圖案2A位于所述當層圖案5A的外圍。利用該結構量測套刻精度的方法為：首先 拍攝該結構的宏觀圖片，之后測量前層圖案2A的套刻中心與當層圖5A的套刻中心是否有 偏移。但是現(xiàn)有技術中這種量測的方法容易受當層光刻膠邊緣輪廓形貌的影響，若形成的 當層光刻膠邊緣輪廓并不平整，具有毛刺，則會影響前層圖案的套刻中心與當層圖案的套 刻中心的偏移量的量測，從而使套刻精度的量測也不準確。
[0004] 因此，提供一種新型的套刻精度的量測結構實屬必要。 實用新型內容
[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種基于二維衍射的 套刻精度量測結構，用于解決現(xiàn)有技術中套刻精度測量不準確的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本實用新型提供一種基于二維衍射的套刻精度 量測結構，所述量測結構至少包括：
[0007] 形成于硅片中的多個前層圖案，所述前層圖案在X方向和Y方向上有序排列；
[0008] 形成于所述硅片表面的多個當層圖案；所述當層圖案與所述前層圖案交錯排列；
[0009] 在X方向或者Y方向上，所述當層圖案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間 的間隔是兩個相鄰前層圖案套刻中心之間間隔的一半。
[0010] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，在所述硅片 和當層圖案之間還形成有過渡層。
[0011] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，所述過渡層 為至少包括一抗反射層的多層結構。
[0012] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，所述當層圖 案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間的間隔是兩個相鄰前層圖案套刻中心之間間 隔的一半，這種情況定義為套刻精度為零，該情況下激光光源通過所述量測結構在X正負 半軸和Y正負半軸上產(chǎn)生強度相等的一級衍射光斑。
[0013] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，所述激光為 寬帶寬激光光束的組合。
[0014] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，所述當層圖 案的套刻中心在制備工藝中沿X軸或Y軸發(fā)生偏移，則套刻精度不等于零，此時X正負軸或 Y正負軸上一級衍射光斑的光強差與偏移量呈線性關系。
[0015] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，所述前層圖 案和當層圖案的形狀均為正方形。
[0016] 作為本實用新型基于二維衍射的套刻精度量測結構的一種優(yōu)化結構，形成當層圖 案的材料為光刻膠。
[0017] 如上所述，本實用新型的基于二維衍射的套刻精度量測結構，所述量測結構至少 包括：形成于硅片中的多個前層圖案，所述前層圖案在X方向和Y方向上有序排列；形成于 所述硅片表面的多個當層圖案；所述當層圖案與所述前層圖案交錯排列；在X方向或者Y 方向上，所述當層圖案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間的間隔是兩個相鄰前層圖 案套刻中心之間間隔的一半。本實用新型的量測結構通過激光的入射之后發(fā)生發(fā)射，在X 正負半軸和Y正負半軸形成衍射光斑，再通過衍射光斑的光強差精確地測量判斷出當層圖 案在四個方向是否發(fā)生偏移。

【附圖說明】

[0018] 圖1為現(xiàn)有技術中的套刻精度量測結構的剖視圖。
[0019] 圖2為現(xiàn)有技術中的套刻精度量測結構的俯視圖。
[0020] 圖3為本實用新型的套刻精度量測結構的剖視圖。
[0021] 圖4為本實用新型的套刻精度量測結構的俯視圖。
[0022] 圖5為本實用新型的套刻精度量測結構的局部俯視圖。
[0023] 圖6為本實用新型的套刻精度量測結的當層圖案在不發(fā)生偏移和在相反的兩個 方向上發(fā)生偏移的示意圖。
[0024] 圖7為利用本實用新型的套刻精度量測結構獲得的當層圖案偏移量與± 1級衍射 光強的曲線。
[0025] 圖8為利用本實用新型的套刻精度量測結構獲得的當層圖案偏移量與± 1級衍射 光強差的曲線。
[0026] 元件標號說明
[0027] 100, 100A 量測結構
[0028] I, IA 硅片
[0029] 2, 2A 前層圖案
[0030] 3 過渡層
[0031] 4 當層
[0032] 5, 5A 當層圖案
[0033] D 偏移量

【具體實施方式】
[0034] 以下由特定的具體實施例說明本實用新型的實施方式，熟悉此技術的人士可由本 說明書所揭露的內容輕易地了解本實用新型的其他優(yōu)點及功效。
[0035] 請參閱圖3至圖8。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用 以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本實用新 型可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小 的調整，在不影響本實用新型所能產(chǎn)生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本實用新 型所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如"上"、"下"、"左"、 "右"、"中間"及"一"等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本實用新型可實施的 范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本實用新型可實施的 范疇。
[0036] 如圖3和圖4所示，本實用新型提供一種基于二維衍射的套刻精度量測結構100， 所述量測結構100至少包括：多個前層圖案（Pre-layer) 2和多個當層圖案5 (Current layer)〇
[0037] 所述前層圖案2作為被對準層的套刻標記，通過光刻、刻蝕、沉積等工藝形成于硅 片1中。所述前層圖案2在X方向和Y方向上呈有序的周期性排列。
[0038] 所述當層圖案5形成于所述硅片1表面。優(yōu)選地，在形成當層圖案5前，所述硅片 1表面還需要形成過渡層3,該過渡層3為至少包括一抗反射層的多層結構。所述多層結構 約為10層。
[0039] 在所述過渡層3上形成當層圖案5,作為示例，形成當層圖案5的材料的光刻膠。 所述當層圖案5的形成過程為：在所述過渡層3上旋涂光刻膠作為當層4,通過曝光、顯影 等工藝圖案化所述光刻膠，被顯影掉的光刻膠空缺位置則形成當層圖案5。
[0040] 作為示例，所述前層圖案2和當層圖案5的形狀均為正方形。當然，由于工藝的問 題，所述前層圖案2和當層圖案5的形狀并非為規(guī)則的正方形，其邊緣會有一定程度的歪 斜，但是這并不影響利用二維衍射對套刻精度的判斷和量測。
[0041] 從俯視圖的方向看，形成的所述當層圖案5與所述前層圖案2呈交叉排列。每一 個當層圖案5的位置處于以相鄰四個前層圖案2為頂角的正方形的中心位置。即，在X方 向或者Y方向上，所述當層圖案5的套刻中心與相鄰前層圖案2的套刻中心間的間隔是兩 個相鄰前層圖案2套刻中心之間間隔的一半。
[0042] 需要說明的是，在量測套刻精度時，將激光光束打在本實用新型的量測結構100 上，之后激光光束會發(fā)生反射形成二維衍射光，最后利用兩對光傳感器探測四個方向軸上 的二維衍射光光斑的光強。
[0043] 作為示例，所述激光采用的是寬帶寬激光光束的組合。
[0044] 若所述當層圖案5的套刻中心與相鄰前層圖案2的套刻中心間的間隔是兩個相鄰 前層圖案2套刻中心之間間隔的一半，這種情況定義為套刻精度為零，該情況下激光光源 通過所述量測結構100在X正負半軸和Y正負半軸上產(chǎn)生強度相等的一級衍射光斑，并且 在四個方向軸上的光斑呈對稱分布。
[0045] 若所述當層圖案5的套刻中心在制備工藝中沿X軸或Y軸發(fā)生偏移，則套刻精度 不等于零，該情況下激光光源通過所述量測結構100在X正負半軸或Y正負半軸上產(chǎn)生的 一級衍射光斑的光強存在光強差，并且在四個方向軸上的光斑的位置呈非對稱分布。
[0046] 如圖6所示，為了示意方便，該圖中將當層圖案5和前層圖案2都放在同一水平面 上，但是應該清楚，當層圖案5和前層圖案2本來是屬于不同層。位置A的示意圖表示當層 圖案5處于兩個前層圖案4的中間位置，未發(fā)生偏移，此時套刻精度為零，為最理想的狀態(tài)。 位置B和位置C分別表示當層圖案5發(fā)生向左偏移和向右偏移，導致套刻精度不等于零。
[0047] 套刻精度是否等于零由二維衍射光斑的光強可以推測出。如圖7所示，橫坐標表 不圖6中當層圖案5的偏移量D，縱坐標表不一級衍射的光強，圖中的兩條線分別表不+1級 衍射和-1級衍射。由圖7可以看出，當當層圖案5處于A位置時，X軸和Y軸上+1級衍射 和-1級衍射的光強相等；當當層圖案5處于B和C位置時，X軸和Y軸上+1級衍射和-1 級衍射的光強不相等，兩者之間存在光強差。如圖8所示，可以看出，X正負軸或Y正負軸上 一級衍射光斑的光強差與偏移量呈線性關系。因此，當探測到+1級衍射和-1級衍射光斑 的光強差時，由圖8可以獲得當前圖案5的偏移量值，在下一次工藝時，技術人員則往回挪 動相應的數(shù)值就可以使當前圖案5的位置處于正中心，進而使當層圖案5和前層圖案2對 準，套刻精度為零。
[0048] 為了驗證二維衍射光強差與偏移量呈線性關系，本實用新型提出以下理論公式：
[0049]

【權利要求】
1. 一種基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于，所述基于二維衍射的套刻精 度量測結構至少包括： 形成于硅片中的多個前層圖案，所述前層圖案在X方向和Y方向上有序排列； 形成于所述硅片表面的多個當層圖案；所述當層圖案與所述前層圖案交錯排列； 在X方向或者Y方向上，所述當層圖案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間的間 隔是兩個相鄰前層圖案套刻中心之間間隔的一半。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：在所述硅 片和當層圖案之間還形成有過渡層。3. 根據(jù)權利要求2所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：所述過渡 層為至少包括一抗反射層的多層結構。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：所述當層 圖案的套刻中心與相鄰前層圖案的套刻中心間的間隔是兩個相鄰前層圖案套刻中心之間 間隔的一半，這種情況定義為套刻精度為零，該情況下激光光源通過所述量測結構在X正 負半軸和Y正負半軸上產(chǎn)生強度相等的一級衍射光斑。5. 根據(jù)權利要求4所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：所述激光 為寬帶寬激光光束的組合。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：所述當層 圖案的套刻中心在制備工藝中沿X軸或Y軸發(fā)生偏移，則套刻精度不等于零，此時X正負軸 或Y正負軸上一級衍射光斑的光強差與偏移量呈線性關系。7. 根據(jù)權利要求1所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：所述前層 圖案和當層圖案的形狀均為正方形。8. 根據(jù)權利要求1所述的基于二維衍射的套刻精度量測結構，其特征在于：形成當層 圖案的材料為光刻膠。
【文檔編號】H01L23-544GK204303805SQ201420585808
【發(fā)明者】劉洋, 邢濱 [申請人]中芯國際集成電路制造(北京)有限公司