專利名稱：用于同時決定疊對準確度及圖案放置誤差的結構與方法
技術領域：
本發明是有關制造集成電路的領域，尤其有關一種于形成及圖案化用于制造微結構特征部位(feature)的堆棧材料層時用來估計疊對準 石角度(overlay accuracy)及圖案方文置誤差(Pattern Placement Error; 簡 稱PPE)的方法及結構。
背景技術：
諸如集成電路等的微結構之制造需要在諸如硅襯底、絕緣層上覆 硅(Silicon On Insulator;簡稱SOI)襯底、或其它適當的載體材料等 的適當襯底之材料層中形成有精確控制的尺寸之一些微小區域。通過 執行微影、蝕刻、離子注入、沉積、及氧化工藝等的工藝，在材料層 中產生圖案，而產生有精確控制的尺寸之這些微小區域，其中通常至 少在圖案產生工藝的某一階段中，可在將要被處理的該材料層之上形 成一掩模層(mask layer),用以界定這些微小區域。 一般而言，掩模層 可包含由微影工藝產生圖案的光刻膠層，或可利用該光刻膠層形成該 掩模層。在該微影工藝期間，可將光刻膠旋轉涂布到晶片表面上，然 后經由諸如光罩(reticle)等的對應的微影掩模(lithography mask)而使該 光刻膠選擇性地曝光于紫外線輻射，因而將光罩的圖案成像在該光刻 膠層，以便在該光刻膠層中形成潛影(latentimage)。在將該光刻膠顯 影之后，視該光刻膠的類型是正光刻膠或負光刻膠而定，去除被曝光 的部分或未被曝光的部分，以便在該光刻膠層中形成所需的圖案。因為復雜的集成電路中之圖案的尺寸不斷地縮減，所以用來產生 器件特征部位的圖案之設備必須符合與所涉及的工藝的分辨率及疊對 準確度有關的極嚴格之要求。在這一點上，分辨率被視為在預定的制 造變化狀況下用來指定印制最小尺寸的影像的一致性能力之基準。微 影工藝代表了改善分辨率時的一個重要因素，在微影工藝中，系經由 光學成像系統將光掩模(photomask)或光罩中包含的圖案以光學方式轉移到襯底。因此，作了許多努力以不斷地改善微影系統的諸如數值孔徑(numerical aperture )、聚焦深度(depth of focus)、以及所使用光源 的波長等的光學特性。在產生極小的特征尺寸(feature size)時，微影成像的品質是極端 重要的。然而，至少同樣重要的是可在襯底表面上將影像定位之準確 度。通常系相繼地在各材料層中產生圖案，使各后續的材料層上的特 征部位具有一相對的空間關系，而制造諸如集成電路等的微結構。必 須將后續材料層中形成的每一圖案在指定的重合公差之內對準前一產 生圖案的材料層中形成之對應的圖案。系因諸如光刻膠厚度、烘烤溫 度、曝光劑量及時間、以及顯影狀況等的參數之不一致而產生的襯底 上的光刻膠影像之變化，而造成了這些重合公差。此外，蝕刻工藝的 不一致也可能導致被蝕刻的特征部位之變化。此外，以微影法將光掩 模的影像轉移到襯底上時，存在了使現有材料層的圖案影像與前一形 成的材料層中被蝕刻的或以其它方式界定的圖案重疊之不確定性。諸 如一組光罩內之瑕疵、不同曝光時間的溫度差異、以及對準工具的有 限重合能力等的數種因素影響了成像系統完美地使兩層重疊之能力。 因此，決定最后可得到的最小特征尺寸之首要準則是用來產生個別襯 底層中之特征部位的分辨率、以及尤其是在微影工藝中由上述因素造 成的總疊對誤差(overlay error)。因此，不斷地監視特定材料層內之分辨率(亦即，可靠且可再現 地產生也被稱為關鍵尺寸(Critical Dimension;簡稱CD)之最小特征 尺寸之能力)且不斷地決定已相繼形成的且必須相互對準的各材料層 的圖案之疊對準確度是必要的。在疊對測量技術中，通常系以指定的工藝形成兩個獨立的結構(亦 即，將要被印制的每一層中之一個結構)，并決定各對稱中心間之位移。 經常使用在每一層中以同心方式產生圖案之所謂的對準測試標記(box-in-boxmark),其方式為測量于同心對準標記在測量程序期間用 來將同心對準標記成像的電荷耦合器件(Charge Coupled Device;簡稱 CCD)的各像素單元中之位移。然而，對于微結構的愈來愈小的特征 尺寸而言，根據邊緣尋找(edge finding)程序進行的對位移之偵測、 以及對兩疊對標記間之疊對誤差之量化可能不再是適用的。因此，最近愈來愈常使用所謂的先進成像測量(Advanced Imaging Metrology; 簡稱AIM)標記，以便增強疊對測量的可靠性。AIM標記呈現周期 性結構，因而能夠使用極先進的測量技術。因此，可通過使用周期性 疊對標記，而得到更佳的疊對測量績效。然而，在愈來愈小的特征尺 寸之情形下，可觀測到單一晶粒內的疊對特性間之差異、以及通常被 設置在襯底的切割線(scribe line)中之疊對標記之頗為較大的結構， 因而使自切割線中之目標取得的測量數據之可靠性較低。此種差異的 一個理由在于微影工具可能以與將通常被用來形成疊對標記的較大 結構成像不同的一種方式將通常出現在晶粒內的諸如柵電極及淺溝槽 隔離(Shallow Trench Isolation;簡稱STI)結構等的細微結構成像。 此種不同疊對程度的與圖案及尺寸相依之現象稱之為圖案放置誤差(Pattern Placement Error;簡稱PPE)。因此，必須將圖案放置誤差量 化，以便修正自切割線內的疊對標記得到的與構成晶粒內的實際微結 構特征部位有關之疊對測量結果。如將于下文中參照圖la及lb而 更詳細說明的，可以所謂的同時AIM疊對標記便利地測量圖案放置 誤差。圖la示出可在指定的襯底部分(101)上形成的疊對測量結構 (100)之俯視示意圖，該疊對測量結構(100)通常可設置在載有多 個在其內形成實際的功能性微結構特征部位的晶粒的任何適當的襯底 之切割線內。可以AIM標記之形式提供疊對測量結構(100)，亦即， 結構(100)可包含周期性結構，而該周期性結構可測量沿著至少兩個 獨立方向的一疊對誤差。在該例子中，結構(100)包含四個外周期性 結構(lOlo)，其中兩個外周期性結構(lOlo)的方向具有沿著x方向 之線(line)與間隙(space)，而其余兩個外周期性結構(lOlo)則具有大 致沿著y方向的線與間隙。同樣地，提供了四個內周期性結構(lOli)， 其中兩個內周期性結構(101i)具有朝向x方向之線與間隙且系鄰近各 自定向的外周期性結構(lOlo)而設置。此外，其余兩個內周期性結 構(101i)的方向系沿著y方向，且都設置在鄰近對應的外周期性結構(1010) 。因而，系在不同的層中形成外結構(lOlo)及內結構(lOli)， 使合并的疊對測量結構(100)含有與分別包括周期性結構(lOlo)及(1011) 的兩層的沿著x方向及y方向之疊對準確度有關之信息。可根據下文所述之流程而形成結構(100)，其中可假定可先在諸 如容納STI溝槽的層等的對應之器件層中形成外周期性結構(1010)。請注意，對材料層的各自順序之選擇是任意的，且可將形成結構(]oo)的原理相應地應用于涉及用來在一個或多個先前層的頂部上產生另外 的材料層的圖案的微影步驟之任何前端或后端工藝序列。可將根據外周期性結構(101o)的圖案以微影方式成像到在所考慮的襯底之上且 亦在襯底部分(101)之上形成的對應的光刻膠層。因此，在任何晶粒 區(圖中未示出)中，可以與外周期性結構(101o)同時界定諸如STI 溝槽等的對應之圖案。在將該光刻膠層顯影^L后，可執行其中包括各 向異性蝕刻(anisotropic etch)技術、沉積技術、以及化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;簡稱CMP)等的對應的已為大家認 可之制造步驟序列，以便在晶粒及周期性結構(101o)中形成對應的 圖案。然后可執行工藝序列，以便在先前產生圖案的層上形成諸如柵 電極結構及多晶硅線等的微結構特征部位。因此，可執行多個已為大 家接受的氧化及沉積工藝，例如，形成薄柵極絕緣層以及后續沉積柵 電極材料等的工藝，然后執行用來產生該結構的圖案之另一微影工藝， 因而同時在襯底部分(101)中形成周期性內結構(lOli)。如前文中指 出的，可能無法根據相同的設計規則而形成內及外周期性結構(1010、(lOlo)的個別線與間隙，但是可根據測量要求而產生這些線與間隙 的圖案，以便增強對內與外周期性結構(lOli)、 (lOlo)間之任何偏移 的偵測。因此，內及外周期性結構(lOli)、 (lOlo)的間距可能比晶粒 區內形成的實際器件特征部位之任何關鍵尺寸大許多。因此，可在適 度高的精確度下估計疊對測量結構(100)本身沿著x及y方向的疊 對準確度，但是可能無法精確地估計實際晶粒區內所形成的具有比疊 對測量結構(100)中之尺寸小許多的關鍵尺寸的結構特征部位之疊對 準確度。因此，除了疊對結構(100)之外，經常使用所謂的同時AIM 疊對標記，其中周期性結構的至少某些特征部位包含根據晶粒區中之 實際器件特征部位之各自設計規則而形成之"細微結構"。于決定內及外周期性結構(lOli)、 (lOlo)所代表的兩個不同層之 疊對準確度時，將諸如用來取得光學數據的工具等的測量工具對準結 構(100)，且自用來界定每一周期性結構(lOli)、 (lOlo)中之各自測量區的各自的工作區(llOi)、 (IIOO)取得數據。例如，可決定對應于 內周期性結構(101i)的各自工作區(110i)內之線與間隙的位置，然后可將該位置與為對應的外周期性結構(101o)決定的線與間隙之對 應的位置信息比較。可根據該信息，而得到與沿著x及y方向的疊對 準確度有關之所需信息。圖lb示出除了疊對測量結構(100)之外可在襯底部分(101) 中形成的同時AIM疊對測量結構(150)之示意圖。同時疊對測量結 構(150)可包含內周期性結構(151i)及外周期性結構(151o)，其中 內及外周期性結構(151i)、 (1510)中之一周期性結構亦包含細微結構， 在所示例子中，系以外周期性結構(151o)中形成的細微結構(152) 代表該細微結構。我們當了解，如前文所述，系在相同的材料層內(例 如，在STI層中)形成內周期性結構(151i)以及外周期性結構(1510)。 就同時疊對測量結構(150)的形成而論，可應用前文中參照結構(100) 所述之相同準則，但不同之處在于將不同的微影掩模用來提供內及外 周期性結構(151i)、 (151o)中之一周期性結構中的細微結構(152)。 此外，在設計上要將內與外周期性結構(151i)、 (151o)間之偏移量設 定為預定值(最好是零)，因而可決定與沒有細微結構的周期性結構(151i)(亦即，沒有分段的周期性結構(1510)有關的亦可稱之為分 段結構之細微結構(152)之任何移動。如前文所述，由于圖案放置誤差，可偵測到形成之明顯的疊對誤 差之對應的移位，可將該措施用來評估晶粒區內的圖案放置誤差之貢 獻，以便得到用來修正第la圖所示的疊對測量結構(100)所測量的 兩個不同器件層間之實際疊對誤差之措施。因此，在測量復雜的微結 構器件期間，必須提供諸如結構(100)及(150)等的至少兩個疊對 測量結構，其中在非常復雜的應用中，甚至為必須決定疊對準確度的 每一層提供同時疊對測量結構(150)。因此，可提供三個疊對測量結 構，亦即，提供一個用于疊對的疊對測量結構(亦即，結構(100))、 以及用于兩個不同的微影層的PPE特征化之疊對測量結構(亦即，結 構(150))。圖lc示出此種情況之示意圖。此處，示出了三個疊對結 構(100)、 (150)、及(150)，其中系在不同的層中形成兩個結構(150) 中之每一結構。由于對更高的生產力及更低的制造成本之愈來愈高的需求，所以 也可能減少切割線的尺寸，因而顯著地限制了切割線內之任何測量區 的可用空間。有鑒于此種情形，目前存在對用來決定疊對誤差同時避免或至少 減輕前文所述的一個或多個問題的影響之一種強化技術之需求。發明內容下文中提供了本發明的簡化概要，以提供對本發明的某些態樣的 基本了解。該概要并不是本發明的徹底的概述。其目的并不是識別本 發明的關鍵性或緊要的組件，也不是描述本發明的范圍。其唯一目的 只是以簡化的形式提供某些觀念，作為將于后文中提供的更詳細的說 明的前言。一般而言本發明是有關一種可在形成諸如集成電路等的微結構特 征部位期間評估定位誤差的技術，其中與傳統的技術比較時，可減少 提供對應的測量結構所需的空間量，而于此同時，在某些實施例中， 可增加單一測量事件期間取得的位置信息量。為達到此一目的，提供 了一種堆棧式測量結構，該結構在單一測量周期中可被存取的預定測 量部位內包含了 一些周期性部分，可取得與層內定位誤差及層間定位 誤差有關的信息。根據本發明的一個實施例，疊對測量結構包含在襯底上形成的指 定測量部位的第一器件層中形成的第一周期性結構，其中該第一周期 性結構包含第一周期性子結構及第二周期性子結構。該第一及第二周 期性子結構分別包含多個第一結構組件，某些該多個第一結構組件包 含第一分段部分。此外，該疊對測量結構包含設置在該第一器件層之 上的第二器件層中形成的第二周期性結構，其中該第二周期性結構包 含第一周期性子結構及第二周期性子結構，該第二周期性子結構包含 多個第二結構組件，某些該多個第二結構組件包含第二分段部分。此 外，該第一及第二周期性結構在該指定測量部位中形成周期性堆棧式 結構。根據本發明的另一實施例， 一種方法包含下列步驟在可用來制 造半導體器件的襯底的預定測量部位中形成堆棧式周期性測量結構，其中該堆棧式周期性結構包含在第一層中形成的第一分段部分及第一 非分段部分、以及在第二層中形成的第二分段部分及第二非分段部分。 該方法進一步包含下列步驟自該第一與第二分段及非分段部分中的 每一部分取得位置信息；以及決定在該預定測量部位之外的該襯底之 上形成的結構特征部位的疊對準確度。根據本發明的又一實施例， 一種方法包含下列歩驟在可用來制 造半導體器件的襯底的預定測量部位中形成堆棧式周期性測量結構。 該堆棧式周期性結構包含在第一層中形成的第一分段部分及第一非分 段部分，并包含在第二層中形成之第二分段部分及第二非分段部分。 在用來形成該堆棧式周期性測量結構的曝光工藝期間，該第一或第二 層的該分段及非分段部分中的一部分被定位在第一曝光場(exposure field)中，且另一部分被定位在與該第一曝光場重疊的第二曝光場中。此外，該方法包含下列步驟自該第一與第二分段及非分段部分中的 每一部分取得位置信息；以及根據該位置信息而評估格狀畸變(grid distortion)及疊對準確度中之一者。
若參照前文中之說明，并配合各附圖，將可了解本發明，在這些 附圖中，相同的代號識別類似的組件，這些附圖有圖la示出先前技術的疊對結構之俯視示意圖，該疊對結構包含一 些非分段周期性子結構，且系在各自的器件層中形成每一非分段周期 性子結構；圖lb示出其中包含在單一器件層中形成的分段及非分段子結構 的先前技術的同時疊對測量結構之俯視示意圖；圖lc示出其中包含用來決定PPE及對于兩個不同器件層的疊對 準確度的先前技術的測量結構的切割線之俯視示意圖；圖2a示出根據一個實施例其中包含用來同時取得層內及層間位 置信息的堆棧式結構中之分段及非分段子結構的測量結構之俯視示意 圖；圖2b示出類似于圖2a所示的結構的單一測量結構之放大示意圖；圖2C及2d示出沿著圖2b的IIc-IIc及IId-IId線截取之橫斷 面示意圖；圖2e及2f示出根據進一歩的實施例的測量器件的多功能測量 結構及適當的工作區之俯視示意圖；以及圖2g示出根據本發明進一步的實施例的測量結構之俯視示意 圖，其中系將該結構的至少-一部分用來取得諸如根據橫斷面分析的位 置信息以及與各相鄰曝光場間之格狀畸變有關的信息等額外的信息。 雖然本發明易于作出各種修改及替代形式，但是這些圖式中系以舉例 方式示出本發明的一些特定實施例，且已在本文中詳細說明了這些特 定實施例。然而，我們當了解，本說明書對這些特定實施例的說明之 用意并非將本發明限制在所揭示的這些特定形式，相反地，本發明將 涵蓋最后的權利要求書所界定的本發明的精神及范圍內之所有修改、 等效物、及替代。
具體實施方式
下文中將說明本發明之實施例。為了顧及說明的清晰，本說明書 中將不說明真實的實施例之所有特征。然而，我們當了解，于開發任 何此類真實的實施例時，必須作出許多與實施例相關的決定，以便達 到開發者的特定目標，例如符合與系統相關的及與業務相關的限制條 件，而這些限制條件將隨著不同的實施例而變。此外，我們當了解， 此種開發工作可能是復雜且耗時的，但對已從本發明的揭示事項獲益 的對此項技術具有一般知識者而言，仍然將是一種例行的工作。現在將參照各附圖而說明本發明。只為了解說之用，而在這些圖 式中以示意圖之方式示出各種結構、系統、及器件，以便不會以熟習 此項技術者習知的細節模糊了本發明。然而，加入這些附圖，以便描 述并解說本發明之各例子。應將本說明書所用的字及詞匯了解及詮釋 為具有與熟習相關技術者對這些字及詞匯所了解的一致之意義。不會 因持續地在本說明書中使用一術語或詞匯，即意味著該術語或詞匯有 特殊的定義(亦即與熟習此項技術者所了解的一般及慣常的意義不同 之定義)。如果想要使一術語或詞匯有特殊的意義(亦即與熟習此項技 術者所了解的意義不同之意義)，則會將在本說明書中以一種直接且毫不含糊地提供該術語或詞匯的特殊定義之下定義之方式明確地述及 該特殊的定義。一般而言，本發明提供了一種具有較多功能的改良式測量結構。 該改良式測量結構可以一種有時間效率之方式且在某些實施例中以一 種大致同時之方式提供與疊對準確度、及(或)圖案放置誤差、及(或) 格狀畸變等的定位誤差有關之信息。該改良式測量結構亦可耗用襯底 上較少的空間。為達到此一目的，提供了一種用于測量結構的新結構， 其中在將要針對定位誤差而監視的每一器件層中形成至少兩個周期性 圖案，其中得到了并未過度浪費珍貴的襯底空間之整體堆棧式結構， 因而可在單一測量周期中自對應的測量結構取得與層內定位誤差及層間定位誤差有關的信息。因而，術語"堆棧式(stacked)"應被理解為與測量部位有關，亦即，在測量部位內，堆棧式結構可包含兩個子結 構被設置在彼此之上且兩個子結構亦可相互有橫向偏移之配置。可以下列方式實現該堆棧式結構在每一層中，提供了以亦可被稱為非分 段結構組件之較大的結構組件形成之對應的結構部分，而系以呈現 "細微結構"的結構組件構成同一層中之其它部分，因而這些結構組件 也可被稱為分段結構組件。如前文所述，用來在兩個或更多個接續的器件層中形成微結構特 征部位之圖案產生工藝與圖案密度及特征尺寸等的因素顯著地相依， 因而當針對實際器件區內之特征部位的定位誤差而評估該實際器件區 之外的指定測量部位中之較大的結構組件時，于產生對應的測量結果 時可能造成顯著的差異。在傳統的方法中，提供了用來決定每一單一 器件層內之層內定位誤差的一個或多個測量結構，因而耗用了相當多 的襯底空間量，而與傳統的方法不同，使用本發明的多功能測量結構 時，可自每一單位面積取得顯著增加的信息量。此外，可強化本說明 書中述及的該測量程序，因而可大致同時取得增加的信息量。此外， 根據本發明揭示的創新之測量結構配置，可使用該結構而通過橫斷面 分析取得測量數據，且(或)決定諸如格狀畸變等的其它與微影有關之定位誤差，因而獲致進一步的強化。現在將參照圖2a至2e而更詳 細地說明本發明的進一步實施例。圖2a示出器件(290)之俯視示意圖，該器件(290)可代表根據微機械及微電子工藝而形成的半導體器件、微機械器件、微光學器 件、或以上各項之任何組合。器件(290)包含適當的襯底，該襯底的指定部分(201)可代表襯底位置，該襯底位置可用來在其中界定一些 測量部位，用以在器件(290)的工藝期間提供取得信息之可能性。例 如，該部分(201)可代表其中包含多個已形成了指定的微結構特征部 位的晶粒區(圖中未顯示)的半導體器件之切割線。可在該部分(201) 內界定測量部位(205)，其中測量部位(205)可能不以任何實體邊界 為邊界，而是可在其中定位可在單一采樣程序中由指定的測量程序使 用之測量結構(200)，因而在功能上界定該測量部位(205)。例如， 測量結構(200)的尺寸可大致界定測量部位(205)，又可選擇測量結 構(200)，而可由任何適當測量工具執行的單一對準程序所偵測并測 量。例如，圖lc所示之各測量結構(100)、 (150)通常界定三個不 同的測量部位，這是因為用來自每一測量結構取得數據的測量程序可 能針對每一測量結構而需要至少一個對準程序及后續的數據擷取程 序。在一個實施例中，測量結構(200)可包含在第一器件層中形成的 第一周期性結構(230)、以及在第二器件層中形成的第二周期性結構 (260)。第一周期性結構(230)又可包含第一周期性子結構或部分(210) 及第二周期性子結構或部分(220)。同樣地，第二周期性結構 (260)可包含第一周期性子結構或部分(240)及第二周期性子結構或部分(250)。可由多個結構組件(211)、 (221)構成第一及第二子 結構(210)、 (220)，其中系以大致連續組件(亦即，非分段組件)的 形式提供某些結構組件，而系以分段組件的形式提供其它的結構組件。 在本說明書的上下文中，可將分段結構組件視為包含可由小于非分段 組件的最小橫向尺寸的橫向尺寸界定之任何圖案。例如，在所示之實施例中，可以非分段組件之形式提供結構組件(211) ，而可以在其中形成"線"與"間隙"的圖案之分段組件之形式 提供結構組件(221)，其中可以具有不同特性的對應的區域代表這些 線與間隙，而這些不同的特性不必然包括術語線與間隙可能暗示的拓 撲上之差異。為了方便，可在本說明書的全文中使用這些術語，然而， 其用意并非在將本發明限制在線與間隙的刻板之意義。此外，術語"分段的"亦可包括每一分段部分內的任何類型之圖案產生，其中圖案產 生意指涉及小于諸如組件(211)等的非分段組件橫向尺寸的橫向尺寸之任何類型的幾何配置。因此，如同亦可能在器件(290)內之實際器 件區中遇到的，分段組件(221)亦可包括被認為適于產生圖案密度及 特征尺寸之通孔及線段等。因此，在某些實施例中，可根據大致等于 在其中形成周期性結構(230)的特定器件層的任何設計特征部位尺寸 之橫向尺寸而將分段電路組件(221)分段。同樣地，可由結構組件(241)、 (251)分別構成周期性子結構(240)、 (250)，其中可以分段 組件的形式提供某些結構組件，而系以非分段組件的形式提供其它的 結構組件。關于"分段"的類型、以及任何橫向尺寸，適用前文所述 的相同準則。我們當了解，在某些實施例中，分段組件(241)可能與 分段組件(221)不同之處在于分段的類型及(或)分段的橫向尺寸 可能是不同的。在此種情形中，可根據對應層的設計規則細節而適當 地改作每一類型的分段組件(221)、 (241)，以便可更精確地取得諸如 與每一個別層中之圖案放置誤差有關的信息等的層內位置信息。此外， 在某些實施例中，子結構(210)、 (220)、 (240)、 (250)可分別包含 分段及非分段結構組件的組合。此外，可根據設計及器件要求而變更每一子結構(210)、 (220)、(240)、 (250)中之結構組件的數目，其中可有利地在每一子結構中 提供至少三個或更多個結構組件。此外，如某些實施例中所示，可定 位其中包含第一周期性結構(230)的第一及第二子結構(210)、 (220)， 使得第二周期性結構(260)的第一周期性子結構(240)被橫向配置 在其間。在其它的實施例中，可以相互鄰近之方式定位第一及第二子 結構(210)、 (220)，且同樣地，可以相互鄰近之方式定位第一及第二 子結構(240)、 (250)。測量結構(200)被設計成提供與至少一預定 方向(在所示之實施例中，該預定方向可以是y方向)有關的層內位 置信息及層間位置信息。在這一點上，可將層內位置信息視為第一與 第二子結構(210)、 (220)或其部分之相互之間的任何位移，而可將 層間位置信息視為用來描述一個或多個之第一及第二子結構(210)、(220)或其部分與一個或多個之子結構(240)、 (250)或其部分有關 之相對位移之任何信息。例如，可將周期性子結構(210)與周期性子結構(250)之間之相對位移視為各自器件層間之疊對誤差，而該疊對誤差對應于前文中參照圖la所述的傳統測量結構(100)中測量的疊 對誤差。層內位置信息的一個例子可以是例如以子結構(210)與(220) 間之圖案放置誤差描述之相對位移，而該相對位移對應于以前文中參 照圖lb所述的同時疊對測量結構(150)取得的層內定位誤差。此外， 如圖2a所示，可提供多個測量結構(200)，以便提供增強的測量準 確度，且亦提供決定與例如x方向之至少一另外的預定方向有關的位 置信息之可能性。圖2b示出根據本發明的另一實施例的測量結構(200)之一放大 示意圖。在某些實施例中，可以不同的方式選擇分段組件(241)及 (221)。圖中示出多個例示的分段(242a)、 (242b)、 (242c)、 (222a)、 (222b)、 (222c)，且除非在權利要求書中另有陳述，否則不應將這些 例示的分段視為對本發明的限制。例如，可將分段(242a)、 (242b)、 (242c)中之一分段用于子結構(240)，并可將分段(222a)、 (222b)、 (222c)中之一分段用于子結構(220)。如前文所述，亦可在子結構 (210)及(250)中之一者或兩者中提供諸如具有一個或多個分段 (222a)、 (222b)、 (222c)、 (242a)、 (242b)、 (242c)的組件(221) 或(241)等的分段結構組件。我們又當了解，可以任何適當的方式選 擇結構組件(211)、 (241)、 (221)、 (251)的尺寸及形狀，只要得到 預定的周期性(亦即，沿著一預定方向的多個結構組件之大致相同的 重復)即可。亦即，個別結構組件(211)、 (241)、 (221)、 (251)的 尺寸及形狀可以是長方形的(如圖所示)、正方形的、T形的、以及L 形的等的形狀，其中可選擇整體尺寸，以便最好是以諸如顯微鏡技術 等的光學偵測技術取得所需的位置信息。另一方面，可根據實際器件 特征部位的設計規則而選擇組件(241)、 (221)的分段或細微結構， 以便提供與圖案密度及(或)特征尺寸對疊對準確度的影響有關之有 意義的信息。在將于下文中說明的某些實施例中，可由某些結構組件 (241)或(251)至少部分地"覆寫"下層之某些結構組件，諸如圖2b 所示的組件(211)或(221)，因而當將被覆寫的部分準備為橫斷面樣 本時，可諸如以電子顯微鏡技術或x光顯微鏡技術等的技術利用橫斷 面分析法進行精確的分析。圖2c示出根據圖2a所示之斷面IIc的圖2b中之測量結構 (200)之橫斷面示意圖。在襯底部分(201)之上形成第一器件層(202)， 且該第一器件層(202)可包含第一周期性結構(230)，亦即，在第一 器件層(202)代表基于硅的集成電路的淺溝槽隔離(STI)層之情形 下，第一器件層(202)可包含諸如形式為以二氧化硅及氮化硅等的特 定材料填滿溝槽之結構組件(211)及(221)。在其它的例子中，第一器件層(202)可代表金屬層，其中結構組件(211)及(221)可代表 被金屬填滿的線或其它區域。在第一器件層(202)之上形成第二器件 層(203)，該第二器件層(203)可包含第二周期性結構(260)，亦即， 結構組件(241)及(251)。在前一 STI層的例子中，可諸如以在柵 電極材料層之上形成的光刻膠圖案以及其中包含多晶硅的產生圖案之 層堆棧等構成這些結構組件(241)、 (251)。例如，在復雜的集成電路 中，關鍵尺寸(亦即，在容納柵電極的STI層中之尺寸)可以是50奈 米(nm)或更小，因而使疊對準確度因較高的圖案放置誤差而顯著地取 決于特征尺寸。結果，在復雜的應用中，結構組件(241)及(或)(221) 可包含涉及大致等于各自器件層(202)、 (203)中遇到的關鍵尺寸的 尺寸之分段(圖2c的橫斷面圖中并未示出)。圖2d示出根據圖2a所示斷面IId之橫斷面示意圖。在該例子 中，個別結構組件(221)及(241)中之每一結構組件可分別包含三 個"次組件"(221s)及(241s)，這些"次組件"(221s)、 (241s)可代 表子結構(220)及(240)(圖2a )中使用的對應之分段。可根據用來制造諸如集成電路的電路組件等的實際微結構特征部 位之已為大家接受的工藝技術而形成測量結構(200)。在該已為大家 接受的流程期間，提供其中包含例如圖2a所示的測量結構(200)或 多個測量結構(200)的對應的圖案之相應設計之光掩模，以便將該結 構(200)或具有經適當選擇的不同方向的該結構(200)的任意數目 之組合設置在預定的襯底部分(201)。亦即，在第一制造序列期間， 可諸如使用微影、蝕刻技術、沉積技術、離子注入技術、以及平坦化 技術等的技術形成第一器件層(202)，然后可形成第二器件層(203)， 其中將執行微影步驟，因而將微結構特征部位、以及測量結構(200) 特征部位(亦即，第二周期性結構(260)(圖2a ))對準第一周期性結構(230)。然后可使器件(290)接受將于下文中參照圖2e而更詳 細說明之測量程序。圖2e示出于用來自測量結構(200)取得位置信息的測量程序期 間的器件(290)之俯視示意圖。與根據諸如顯微鏡等的對應的測量器 件的工作區之測量程序類似，如果使用了如同先前技術的典型情形的 只可提供兩個工作區之測量器件，則可界定第一或內工作區(270)、 以及第二或外工作區(280)。于設計測量結構(200)時，可考慮到該 測量器件的能力，以便可有效地抑制內及外工作區(270)、 (280)在 測量期間的重疊，并可放置這些對應的工作區，以便只自這些各自的 兩個周期性子結構取得位置信息。在相應地調整該測量器件且(或) 適當地設計個別子結構(210)、 (240)、 (220)、 (250)的情形下，通 常可將該第一及第二工作區(270)、 (280)相繼共同放置在這些各自 的兩個周期性子結構上，以便因而取得用來指示這些對應的子結構的 相對定位之位置信息。因此，可循序地執行下列的測量(1)子結構(210)之上的工作 區(270)、及子結構(240)之上的工作區(280)，因而得到第一器件 層(202)的例如PPE的層內位置信息；(2)子結構(240)之上的工 作區(270)、及子結構(250)之上的工作區(280)，因而得到第二器 件層(203)的例如PPE的層內位置信息；(3)子結構(210)之上的 工作區(270)、及子結構(250)之上的工作區(280)，因而得到層間 位置信息，亦即各非分段子結構間之疊對信息；(4)子結構(240)之 上的工作區(270)、及子結構(220)之上的工作區(280)，因而得到 層間位置信息，亦即與各分段子結構有關的疊對信息；(5)子結構(210)之上的工作區(270)、及子結構(240)之上的工作區(280)， 因而得到類型為非分段子結構與分段子結構間之層間位置信息；以及(6)子結構(220)之上的工作區(270)、及子結構(250)之上的工 作區(280)，因而得到類型為分段子結構與非分段子結構間之層間位直{曰息o因此，可以結構(200)取得層內及層間位置信息，其中根據工藝 策略，可將所取得的所有信息用于評估器件(290)的疊對準確度，或 可只取得及(或)評估部分的信息，因而減少測量時間。根據進一步的實施例，可調整該測量程序，以便強化數據擷取。為達到此一目的，如針對圖2e中之其中一個結構(200)而舉例示出 的，可將工作區(270)、 (280)分別分成兩個各自的次區(標示為工 作區(270)的次區(270a)、 (270b)、以及工作區(280)的次區(280a)、 (280b)。在該實施例中，可同時自子結構(210)、 (220)、 (240)、 (250)取得測量數據。在此種情形中，可將用來自工作區(270a)、 (270b)、 (280a)、 (280b)的對應的影像內容提取及計算定位誤差之 各對應的測量算法平行地或相互獨立地應用于所有可能的組合、或任 何所需的組合。因此，與前文所述之情形類似，可同時取得多達六個 獨立的測量數據(1)工作次區(270a)及(270b)，因而得到第一器 件層(202)的層內信息；(2)工作次區(280a)及(280b)，因而得 到第二器件層(203)的層內信息；(3)工作次區(270a)及(280a)， 因而得到類型為非分段子結構與分段子結構間之疊對誤差信息；(4) 工作次區(270b)及(280b)，因而得到類型為分段子結構與非分段子 結構間之疊對誤差信息；(5)工作次區(270a)及(280b)，因而得到 類型為非分段子結構與非分段子結構間之疊對誤差信息；以及(6)工 作次區(280a)及(270b)，因而得到類型為分段子結構與分段子結構 間之疊對誤差信息。根據要求，可取得對應的測量數據，并可以任何方式評估并合并 對應的測量數據，以便評估疊對準確度。因此，與圖lc所示之傳統 技術相比時，可自測量結構(200)取得更多的信息量，這是因為傳統 技術只可在每一測量事件中取得第一及第二器件層的層內信息，以及 類型為非分段子結構與非分段子結構間之層內誤差信息。此外，根據 測量結構(200)的尺寸，與傳統的技術相比時，可自器件(290)之 小許多之占用面積取得較多的信息量。我們當了解，可適當地選擇個 別的結構組件(211)、 (241)、 (221)、及(251)之尺寸，以便可各自 地界定工作區(270)及(280)，且若有需要，可界定對應的次區，因 而可得到對應于第lc圖所示之結構(100)、 (150)中之單一結構的 稍微大的整體區域，且仍然實現所占用面積的顯著減少。在其它的實 施例中，可將與結構(100)、 (150)中之一個結構的尺寸類似之尺寸 用于圖2a或圖2e所示之四個結構(200)。圖2f以示意圖標出根據進一步的實施例之結構(200)，其中系以并列組態而沒有交插之方式配置第一及第二周期性結構(230)及(260)。各自的工作區(270)及(280)被相應地分成適當的次區(270a)、(270b)以及(280a)、 (280b)。圖2g以示意圖標出根據本發明之進一步的實施例之結構(200)， 其中可得到結構(200)的強化之功能。在一個實施例中，可將結構(200) 設計成在第三器件層中形成這些周期性子結構中之至少一個周期性 子結構。例如，在所示之例子中，可以如前文所述之方式在例如層(202) 的第一器件層中形成子結構(210)及(220)，可以如前文所述之方式 在例如層(203)的第二器件層中形成子結構(240)，且可在可位于該 第一及第二器件層之下或之上或之間的第三器件層中形成現在被稱為 子結構(250a)之子結構(250)。因此，使用涉及工作次區(亦即， 次區(270a)、 (270b)、 (280a)、 (280b))的測量技術時，可自測量結 構(200)同時取得下列的測量數據(1)工作次區(270a)及(270b)， 因而得到第一層的層內位置信息；(2)工作次區(280a)及(280b)， 因而得到第二及第三層的疊對信息；(3)工作次區(270a)及(280a)， 因而得到類型為非分段子結構與分段子結構間之第一及第二層的疊對 信息；(4)工作次區(270b)及(280b)，因而得到類型為分段子結構 與非分段子結構間之第一及第三層的疊對信息；(5)工作次區(270a) 及(280b)，因而得到類型為非分段子結構與非分段子結構間之第一及 第三層的疊對信息；以及(6)工作次區(270b)及(280a)，因而得 到類型為分段子結構與分段子結構間之第二及第一層的疊對信息。 因此，得到了強化的功能，該功能可容許觀測與強化的"量程(span)"有關的疊對準確度，但只需要顯著減少的占用面積，且在使 用同時測量技術之情形下，將具有顯著減少的測量時間。我們當了解，還有與將一個或多個子結構放置在第三器件層有關的其它組合。在進一步的實施例中，可將測量結構(200)設置在襯底部分(201) 內，使同一器件層中形成的兩個部分或子結構被設置在鄰近圖2e所 示的曝光場(206)及(207)之重疊的曝光場。亦即，可在曝光場(206) 中形成在單一器件層中形成的子結構(210)、 (220)，其中譬如結構(220)的其中一個結構也系被定位在曝光場(207)內。在其它的實施例(圖中未示出)中，可將測量結構(200)設計成使曝光場(206) 及(207)的疊對區域被設置在例如結構(240)與(220)之間，因而 確保只在曝光場(206)內形成子結構(210)，且只由曝光場(207) 形成在同一層內形成之子結構(220)。無論是哪一種情形，都可取得 諸如與格狀畸變等的有關之珍貴信息，其中可同時取得該信息，這是 因為使用了前文中參照圖2e所述的根據分割次區之測量技術。在又進一步的實施例中，可將測量結構(200)設計成使例如子結 構(250a)之其中一個子結構代表測量結構(200)的疊對區，亦即， 特定的子結構(圖中未示出)可額外地形成于第一層中，且可后續由第二 層的對應的子結構"覆寫"，因而形成了該疊對區(250a)。在此種情況， 可以前文所述的方式取得相同的信息量，且額外地將位置信息"保存" 在疊對區(250a)，而在后續的階段中，可諸如使用電子顯微鏡技術及 x光顯微鏡技術等的技術而以橫斷面分析法取得該位置信息。為達到 此目的，可例如以聚焦離子束(Focused Ion Beam;簡稱FIB)技術在 疊對區(250a)中準備對應的斷面樣本。在此種方式下，可因所涉及 測量技術的高分辨率而取得具有增強準確度的信息，因而提供了可用 來量表化(scaling)或正規化(normalizing)光學技術所接收的測量數 據的"校準"或"參考"數據之可能性。例如，并不使用諸如圖2g所 示的非分段疊對部分，而是可以例如在第二層中形成的子結構(240) 的對應的分段子結構覆寫子結構(220)，因而提供了與根據關鍵尺寸 的疊對準確度有關之強化信息，且然后可將該強化信息用來相應地校 準及評估以非破壞性(non-destructive)技術取得的測量數據。因此，本發明提供了一種用較短的測量時間及(或)較小的微結 構器件的切割線區域中的必要占用面積之強化技術來取得有效的信 息，其中測量結構包含在不同的器件層中形成之一些周期性部分，且 這些周期性部分的形成方式可在單一測量部位中自該測量結構取得層 內信息以及層間信息。此外，在某些實施例中，可調整測量程序，以 便可同時取得層內信息及層間信息，因而大幅強化該測量程序，且同 時可強化測量數據的解譯準確度。此外，實現了比傳統疊對及PPE結 構更強的測量結構功能，這是因為可連同疊對及PPE數據而取得諸如 橫斷面分析測量數據及格狀畸變量據等額外的數據。前文所揭示的這些特定實施例只是供舉例，這是因為熟習此項技 術者在參閱本發明的揭示事項之后，可易于以不同但等效之方式修改 并實施本發明。例如，可按照不同的順序執行前文所述的工藝歩驟。 此外，除了下文的權利要求書所述者之外，不得將本發明限制在本說 明書所示的結構或設計之細節。因此，顯然可改變或修改前文所揭示 的這些特定實施例，且將把所有此類的變化視為在本發明的范圍及精 神內。因此，本發明所尋求的保護系述于下文的權利要求書。
權利要求
1、一種疊對測量結構，包含在襯底上形成的指定測量部位的第一器件層中形成的第一周期性結構(230)，該第一周期性結構(230)包含第一周期性子結構(210)及第二周期性子結構(220)，該第一周期性結構(230)中的該第一及第二周期性子結構每個都包含多個第一結構組件(211，221)，某些第一結構組件包含第一分段部分；以及在設置在該第一器件層之上的第二器件層中形成的第二周期性結構(260)，該第二周期性結構包含第一周期性子結構(240)及第二周期性子結構(250)，該第二周期性結構(260)中的該第一及第二子結構每個都包含多個第二結構組件(241，251)，某些第二結構組件包含第二分段部分，該第一及第二周期性結構(230，260)在該指定測量部位中形成周期性堆棧式結構。
2、 如權利要求1所述的疊對測量結構，其中該第一及第二周期性 結構(230,260)間的相互方向被設定，以便提供與沿著至少一個預 定方向的相對位移有關的位置信息。
3、 如權利要求2所述的疊對測量結構，其中該第一周期性結構(230)的該第一及第二周期性子結構(211,221)間的相互方向被設定，以便提供與沿著該至少一個預定方向的相對位移有關的位置 傳自I FI私o
4、 如權利要求3所述的疊對測量結構，其中該第二周期性結構(260)的該第一及第二周期性子結構(241,251)間的相互方向被設定，以便提供與沿著該至少一個預定方向的相對位移有關的位置 自
5、 如權利要求3或4所述的疊對測量結構，其中該第一周期性結 構(230)的該第一周期性子結構(210)設置在鄰近該第二周期性結構(260)的該第一周期性子結構(241)處。
6、如權利要求l所述的疊對測量結構，其中該第一周期性結構 (230)的該第一周期性子結構(210)的這些第一結構組件中的每 一第一結構組件包含該第一分段部分。
7、如權利要求6所述的疊對測量結構，其中該第一周期性結構(230)的該第二周期性子結構(220)的這些第一結構組件中的每 一第一結構組件是非分段的。
8、如權利要求6所述的疊對測量結構，其中該第二周期性結構 (260)的該第一周期性子結構(240)的這些第二結構組件中的每 一第二結構組件包含該第二分段部分。
9、如權利要求8所述的疊對測量結構，其中該第二周期性結構 (260)的該第二周期性子結構(250)的這些第二結構組件中之每 一第二結構組件是非分段的。
10、如權利要求l所述的疊對測量結構，進一步包含疊對區，在該 疊對區中，該第一周期性結構(230)及該第二周期性結構(260) 的部分相互重疊。
11、如權利要求l所述的疊對測量結構，進一步包含在第三器件 層中形成的第三周期性結構，該第三器件層設置在該襯底之上，而 與該第一及第二器件層形成層堆棧，該第三周期性結構包含多個第 三結構組件，且該第三周期性結構的方向被設定，以便提供沿著至 少一個預定方向且與該第一及第二周期性結構相關的相對位移有關 的位置信息。
12、 一種方法，包含下列步驟在可用來制造半導體器件的襯底的預定測量部位中形成堆棧式 周期性測量結構，該堆棧式周期性結構包含在第一層中形成的第一分段部分及第一非分段部分、以及在第二層中形成的第二分段部分 及第二非分段部分；自該第一與第二分段及非分段部分中的每一部分取得位置信 息；以及根據該所取得的位置信息而決定在該預定測量部位之外的該襯 底之上形成的結構特征部位的疊對準確度。
13、 如權利要求12所述的方法，其中自該第一與第二分段及非分 段部分中的每一部分取得位置信息的該步驟包含下列步驟以指定工作區將該第一與第二分段及非分段部分采樣，以便自 一些各自的 工作區內分別取得一些各自組的測量數據。
14、 如權利要求13所述的方法，其中決定該疊對準確度的該歩驟 包含下列步驟評估自該第一分段部分取得的測量數據以及自該第一非分段部分取得的測量數據，以便決定該第一層中的圖案放置誤 差。
15、 如權利要求13所述的方法，其中決定該疊對準確度的該步驟包含下列步驟評估自該第二分段部分取得的測量數據以及自該第二非分段部分取得的測量數據，以便決定該第二層中的圖案放置誤 差。
16、 如權利要求13所述的方法，其中決定該疊對準確度的該步驟 包含下列步驟評估自該第一分段及非分段部分中的至少一個取得的測量數據以及自該第二分段及非分段部分中的至少一個取得的測 量數據，以便決定該第一層與該第二層間的疊對誤差。
17、 如權利要求12所述的方法，其中形成該堆棧式周期性結構的該步驟包含下列步驟在該測量部位中形成疊對區，該第一分段及非分段部分中的至少一個在該疊對區中與該第二分段及非分段部分 中的至少一個疊對。
全文摘要
本發明提供一種用來自單一測量結構(200)取得疊對誤差(overlay error)及PPE誤差信息的技術。通過在單一測量結構(221，241)中的至少兩個不同的器件層中形成一些周期性子結構(210，220，240，250)，而達到上述目的，其中是在這些兩個不同的器件層中提供至少一個分段(200)及非分段(211，251)部分。
文檔編號G03F7/20GK101278237SQ200680035983
公開日2008年10月1日 申請日期2006年8月23日 優先權日2005年9月30日
發明者B·舒爾茨 申請人:先進微裝置公司