TWI743792B

TWI743792B - 半導體製程用游標尺及使用其進行的微影製程檢測方法

Info

Publication number: TWI743792B
Application number: TW109116487A
Authority: TW
Inventors: 陳熙之; 李世平
Original assignee: 力晶積成電子製造股份有限公司
Priority date: 2020-05-19
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2021-10-21
Also published as: TW202144905A

Abstract

一種半導體製程用游標尺，包括形成於半導體基板上或半導體基板內的至少一游標尺結構與多個識別符號。所述游標尺結構包括在X方向延伸的數條第一線型層與在Y方向延伸的數條第二線型層，第一線型層與第二線型層交叉設置。第一線型層中的中線長度大於其餘第一線型層的長度，且第二線型層中的中線長度大於其餘第二線型層的長度。識別符號則形成於每條第一線型層的至少一端與每條第二線型層的至少一端，以區別游標尺結構中的不同條第一線型層與不同條第二線型層。

Description

半導體製程用游標尺及使用其進行的微影製程檢測方法

本發明是有關於一種微影製程檢測技術，且特別是有關於一種半導體製程用游標尺及使用其進行的微影製程檢測方法。

隨著半導體製程技術的快速發展，為了增進元件的速度與效能，整個電路元件的尺寸必須不斷縮小，且元件的積集度也必須持續不斷地提升。一般來說，在半導體均趨向縮小電路元件的設計發展下，微影製程在整個製程中佔有舉足輕重的地位。

為了確保產品良率，會在微影製程中加入至少三個檢測站點，使用不同儀器與人工進行各種檢測，例如使用光學顯微鏡（OM）進行X方向與Y方向的重疊檢測（Overlap Check）、使用掃描式電子顯微鏡儀器（SEM tool）檢查臨界尺寸（CD）以及針對晶片進行目檢（Visual Check）。

然而，隨著半導體元件發展到數十奈米以下製程，作為微影製程檢測用的既有對準標記已經與真實元件尺寸相差數百或數千倍，導致無法準確檢測出重疊（OL）偏移量之類的數值，而影響產品良率。此外，隨著半導體元件尺寸縮小，也會使CD檢測時間大幅增加，而影響採樣率（Sampling rate）。

本發明提供一種半導體製程用游標尺，能配合半導體元件小型化的發展，改進微影製程檢測的精確度。

本發明另提供一種微影製程檢測方法，可同時檢測出OL偏移量與CD，並藉此縮短檢測時間，進而增加採樣率。

本發明的一種半導體製程用游標尺，包括形成於半導體基板上或半導體基板內的至少一游標尺結構與多個識別符號。所述游標尺結構包括在X方向延伸的數條第一線型層與在Y方向延伸的數條第二線型層，第一線型層與第二線型層交叉設置。第一線型層中的中線長度大於其餘第一線型層的長度，且第二線型層中的中線長度大於其餘第二線型層的長度。識別符號則形成於每條第一線型層的至少一端與每條第二線型層的至少一端，以區別游標尺結構中的不同條第一線型層與不同條第二線型層。

在本發明的一實施例中，上述游標尺結構形成於半導體基板內，且所述第一線型層與所述第二線型層為淺溝渠隔離結構。

在本發明的一實施例中，上述游標尺結構形成於半導體基板上，且所述第一線型層與所述第二線型層為多晶矽線。

在本發明的一實施例中，上述識別符號包括阿拉伯數字或羅馬數字。

在本發明的一實施例中，上述識別符號的形狀包括長方形、正方形、菱形、圓形、三角形、多邊形、十字形或星形。

在本發明的一實施例中，每條第一線型層的線寬及第一線型層之間的間距相同，且每條第二線型層的線寬及第二線型層之間的間距相同。

在本發明的一實施例中，每條第一線型層的線寬與每條第二線型層的線寬相同，且第一線型層之間的間距第二線型層之間的間距相同。

在本發明的一實施例中，上述游標尺結構設置於所述半導體基板的切割道。

在本發明的另一實施例中，上述游標尺結構設置於所述半導體基板的晶片區之焊墊（bonding pad）的正下方。

本發明的一種微影製程檢測方法，包括提供如上所述的半導體製程用游標尺，其包括半導體基板、至少一游標尺結構以及數個識別符號。進行一微影製程，以同時在半導體基板上形成至少一元件圖案並在上述游標尺結構上形成一對照圖案，所述對照圖案具有X方向上的第一對邊與Y方向上的第二對邊。取得所述第一對邊在X方向上到游標尺結構的兩邊的第一最短距離X1以及X2，同時取得所述第二對邊在Y方向上到游標尺結構的另兩邊的第二最短距離Y1以及Y2。以第一最短距離X1與X2的差值（X1-X2）以及第二最短距離Y1與Y2的差值（Y1-Y2）作為重疊（Overlap，OL）偏移值（shift value），判定是否超出OL偏移容許量。根據游標尺結構在X方向的長度X _V減掉所述第一最短距離X1與X2的總和（= X _V-(X1+X2)），取得對照圖案在X方向的臨界尺寸（CD）偏移值，以判定是否超出X方向的CD偏移容許量。根據游標尺結構在Y方向的長度Y _V減掉所述第二最短距離Y1與Y2的總和（= Y _V- (Y1+Y2) ），取得對照圖案在Y方向的臨界尺寸（CD）偏移值，以判定是否超出Y方向的CD偏移容許量。

在本發明的另一實施例中，若是超出上述OL偏移容許量，還可包括執行重疊檢測（Overlap Check）或執行重工（rework）。

在本發明的另一實施例中，若是超出上述X方向的CD偏移容許量，還可包括執行SEM檢測（SEM Check）或執行重工。

在本發明的另一實施例中，若是超出上述Y方向的CD偏移容許量，還可包括執行SEM檢測或執行重工。

在本發明的另一實施例中，取得上述第一最短距離X1與X2以及取得上述第二最短距離Y1與Y2的方法包括：使用光學顯微鏡（OM）觀測第一和第二對邊相對於游標尺結構的位置，以根據上述識別符號判定第一最短距離X1與X2以及第二最短距離Y1與Y2。

在本發明的另一實施例中，取得上述第一最短距離X1與X2以及取得上述第二最短距離Y1與Y2的方法包括：利用掃描式電子顯微鏡（SEM）進行拍攝得到影像，並觀測所述影像，以取得第一和第二對邊相對於游標尺結構的位置，並根據上述識別符號判定第一最短距離X1與X2以及第二最短距離Y1與Y2。

在本發明的另一實施例中，取得上述第一最短距離X1與X2以及取得上述第二最短距離Y1與Y2以及判定是否超出OL偏移容許量的方法包括：使用SEM儀器（SEM tool）取得上述第一最短距離X1與X2以及上述第二最短距離Y1與Y2，並將上述檢測的結果回饋給進行上述微影製程的機台。

在本發明的另一實施例中，上述微影製程的機台收到所述檢測的結果後，還可包括調整所述微影製程。

在本發明的另一實施例中，上述微影製程包括用於蝕刻的微影製程或用於植入的微影製程。

在本發明的另一實施例中，上述對照圖案包括圖案化光阻、圖案化介電層或圖案化金屬層。

在本發明的另一實施例中，進行上述微影製程之前還可先在半導體基板上形成一介電層覆蓋上述游標尺結構，使對照圖案與游標尺結構通過上述介電層相隔開。

在本發明的另一實施例中，上述對照圖案的尺寸是上述元件圖案的尺寸的10倍以下。

基於上述，本發明藉由設置在切割道或焊墊下方的游標尺，能通過一道檢測步驟同時取得X方向與Y方向的OL偏移量與CD值，因此能縮減微影製程檢測的時間，甚至直接省略原有三個檢測站點中的OL檢測站點，提升採樣率。此外，由於游標尺的大小接近實際元件尺寸，所以能取得較精確的檢測結果。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

下文列舉一些實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。另外，關於文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用語，均為開放性的用語；也就是指包含但不限於。而且，文中所提到的方向性用語，例如：「上」、「下」等，僅是用以參考圖式的方向。因此，使用的方向性用語是用來說明，而並非用來限制本發明。

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種半導體製程用游標尺的上視示意圖。圖1B是圖1A的I-I線段的一種半導體製程用游標尺的剖面示意圖。

請參照圖1A與圖1B，第一實施例的半導體製程用游標尺包括形成於半導體基板100內的至少一游標尺結構102與多個識別符號104。所述游標尺結構102包括在X方向延伸的數條第一線型層106與在Y方向延伸的數條第二線型層108，第一線型層106與第二線型層108交叉設置，其中每條第一線型層106的線寬w1例如與第一線型層106之間的間距s1相同，且每條第二線型層108的線寬w2例如與第二線型層108之間的間距s2相同。在一實施例中，第一線型層106與第二線型層108例如是淺溝渠隔離結構（STI）。識別符號104則形成於每條第一線型層106的至少一端與每條第二線型層108的至少一端，以區別游標尺結構102中的不同條第一線型層106與不同條第二線型層108。在本實施例中，識別符號104是阿拉伯數字（0、1、2...），但本發明並不限於此，識別符號104也可以是羅馬數字（I、II、III...）。在元件尺寸愈來愈小的情況下，識別符號104也可改以不同行形狀的符號取代，例如長方形、正方形、菱形、圓形、三角形、多邊形、十字形或星形。

在圖1A中顯示5條第一線型層106與5條第二線型層108，然而本發明並不限於此，根據曝光機台所使用的光源波長，可形成更細的線型層以及更多條的線型層。舉例來說，I-line光源(波長365nm)可製作的最小線寬是350nm；KrF光源(波長248nm)可製作的最小線寬是150nm、ArF光源(波長193nm)可製作的最小線寬是65nm、ArF光源浸潤式微影可製作的最小線寬是19nm，所以若是要針對I-line微影製程進行檢測，則游標尺結構102可利用ArF微影製程形成5條線寬w1為65nm的第一線型層106和5條線寬w2為65nm的第二線型層108，且第一線型層106之間的間距s1也是65nm、第二線型層108之間的間距s2也是65nm。當原本應該形成在游標尺結構102正中央的圖案（以虛線表示長寬各350nm的正方形）偏移形成到左下角的圖案110，即可從游標尺結構102直接取得X方向偏移量∆X與Y方向偏移量∆Y。一旦X方向偏移量∆X與Y方向偏移量∆Y中有任一項超出可容許的偏移量，則需進行微影製程的校正或重工（rework）。依此類推，若是要針對KrF微影製程進行檢測，則游標尺結構102可利用ArF光源浸潤式微影形成15條線寬w1約20nm的第一線型層（未繪示）和15條線寬w2約20nm的第二線型層（未繪示），且第一線型層之間的間距s1、第二線型層之間的間距s2也約20nm。

此外，如果針對線寬較大的（如I-line）微影製程進行檢測，如圖2所示，游標尺結構200可以是利用如ArF光源浸潤式微影形成線寬w1較小的第一線型層202和線寬w2較小的第二線型層204，不但可從游標尺結構200參照識別符號206直接取得X方向偏移量∆X與Y方向偏移量∆Y，也因為游標尺結構200的第一線型層202和第二線型層204很細且密，還可用來取得X方向與Y方向的臨界尺寸（CD）。

請再度參照圖1A和圖2，由於游標尺結構102/200中的第一線型層106/202和第二線型層108/204距離接近，為了清楚分辨識別符號104/206所對應的是哪一條線，第一線型層106/202中的中線CL長度會大於其餘第一線型層106/202的長度，且第二線型層108/204中的中線CL長度也會大於其餘第二線型層108/204的長度。雖然以上說明都是以每條第一線型層106/202的線寬w1與每條第二線型層108/204的線寬w2相同，且第一線型層106/202之間的間距s1與第二線型層108/204之間的間距s2相同為例，但本發明並不限於此。

整體而言，本實施例的半導體製程用游標尺的長寬約在1微米左右，因此與既有的對準標記（長寬）動輒數十微米相比，面積大概縮減數百倍，所以本實施例的游標尺結構102/200（連同識別符號104/206）不但可設置於半導體基板100的切割道，還能設置於半導體基板100的晶片區之焊墊（bonding pad）的正下方。因為焊墊下方通常不會有線路，且焊墊的面積大，所以能將尺寸小的游標尺結構102/200設計在焊墊正下方的半導體基板100內。

圖1C是圖1A的I-I線段的另一種半導體製程用游標尺的剖面示意圖，使用與圖1B相同的元件符號來代表相同或相似的構件，且所省略的部分技術說明，如各層或區域的位置、尺寸等均可參照圖1B的內容，因此於下文不再贅述。

在圖1C中，半導體製程用游標尺是由形成於半導體基板100上的游標尺結構102與識別符號104構成，且第一線型層(未繪示)與第二線型層108是多晶矽線。也就是說，第一線型層(未繪示)與第二線型層108可與元件區的多晶矽閘極一起製作，所以線寬w2可以很小。

圖3是依照本發明的第二實施例的一種微影製程檢測步驟圖。

請參照圖3，第二實施例的微影製程檢測方法需先提供上一實施例的半導體製程用游標尺（步驟S300），其包括圖1A至圖2所示的半導體基板、游標尺結構以及識別符號，且有關半導體製程用游標尺的各構件技術說明，如線型層的位置、尺寸等、識別符號的樣式，均可參照第一實施例的內容，因此於下文不再贅述。

然後，進行一微影製程（步驟S302），以同時在半導體基板上形成至少一元件圖案並在游標尺結構（如圖1A的102）上形成一對照圖案（如圖1A的110），由於上述微影製程可為用於蝕刻的微影製程或用於植入的微影製程，所以對照圖案可以是顯影後的圖案化光阻、蝕刻後的圖案化介電層或蝕刻後的圖案化金屬層。至於元件圖案則是實際形成在元件區的摻雜區或者線路的圖案。因此，對照圖案的尺寸可以是上述元件圖案的尺寸的10倍以下。舉例來說，如果游標尺結構是直接形成在半導體基板內的STI，則可在半導體基板表面塗佈光阻，再進行步驟S302，使上述光阻成為圖案化光阻（即對照圖案）；如果游標尺結構是直接形成在半導體基板內的STI，也可在步驟S302之前，先在半導體基板上形成一介電層覆蓋STI，再於介電層表面塗佈光阻，然後進行步驟S302，使光阻成為圖案化光阻（即對照圖案）。同樣地，如果游標尺結構是形成在半導體基板上的多晶矽線，則可在步驟S302之前，先在半導體基板上形成一介電層覆蓋多晶矽線再塗佈光阻，然後進行步驟S302，使上述光阻成為圖案化光阻（即對照圖案）。此外，形成圖案化光阻之後，也可先進行蝕刻製程，將上述介電層蝕刻成為圖案化介電層（即對照圖案）。若是將上述介電層置換成金屬層也可施行，故不再贅述。

所述對照圖案一般為方形或矩形，所以具有X方向上的第一對邊與Y方向上的第二對邊。然後，取得所述第一對邊在X方向上到游標尺結構的兩邊的第一最短距離X1以及X2，同時取得所述第二對邊在Y方向上到游標尺結構的另兩邊的第二最短距離Y1以及Y2（步驟S304）。在一實施例中，取得X1與X2以及Y1與Y2的方法包括：使用光學顯微鏡（OM）觀測所述對照圖案的第一對邊和第二對邊相對於游標尺結構的位置，以根據識別符號判定第一最短距離X1與X2以及第二最短距離Y1與Y2。在另一實施例中，取得X1與X2以及Y1與Y2的方法包括：利用掃描式電子顯微鏡（SEM）進行拍攝得到影像，並觀測所述影像，以取得所述對照圖案的第一對邊和第二對邊相對於游標尺結構的位置，並根據識別符號判定第一最短距離X1與X2以及第二最短距離Y1與Y2。

接著，以第一最短距離X1與X2的差值（X1-X2）以及第二最短距離Y1與Y2的差值（Y1-Y2）作為重疊（Overlap，OL）偏移值（shift value），判定是否超出OL偏移容許量（步驟S306）。在一實施例中，步驟S304若是使用SEM儀器（SEM tool）直接取得X1、X2、Y1、Y2，即可判定是否超出OL偏移容許量（步驟S306）並將檢測的結果回饋給進行步驟S302的微影製程的機台。在進行步驟S302的微影製程的機台收到上述檢測的結果後，還可調整步驟S302的微影製程，以降低OL偏移值。而且，根據上述差值是正值或負值還能判斷方向性的偏移，例如差值（X1-X2）若是負值代表往右偏移，依此類推。

同時，根據游標尺結構在X方向的長度X _V減掉所述第一最短距離X1與X2的總和（= X _V-(X1+X2)），取得對照圖案在X方向的臨界尺寸（CD）偏移值，以判定是否超出X方向的CD偏移容許量（步驟S308）。根據游標尺結構在Y方向的長度Y _V減掉所述第二最短距離Y1與Y2的總和（= Y _V- (Y1+Y2) ），取得對照圖案在Y方向的臨界尺寸（CD）偏移值，以判定是否超出Y方向的CD偏移容許量（步驟S310）。

若是步驟S306、S308、S310的判定結果是「否」，則完成檢測。

若是超出OL偏移容許量，則可選擇執行重疊檢測（Overlap Check）（步驟S312）或執行重工（步驟S314）。

若是超出X方向的CD偏移容許量，還可包括執行SEM檢測（SEM Check）（步驟S316）或執行重工（步驟S314）。

若是超出Y方向的CD偏移容許量，則可選擇執行SEM檢測（步驟S316）或執行重工（步驟S314）。

當微影製程原本具有三個檢測站點，例如使用OM進行X方向與Y方向的重疊檢測站、使用SEM tool的CD檢測站以及目檢（Visual Check）站，利用本實施例的檢測方法可以達到以下效果。

首先，如果利用OM進行目檢並同時取得X1、X2、Y1、Y2，即可判定OL偏移的程度，因而省略上述重疊檢測站。或者，利用SEM tool進行CD檢測並同時取得X1、X2、Y1、Y2的話，也可在取得CD值的時候判定OL偏移的程度，並省略上述重疊檢測站。另一方面，如果利用OM進行目檢並經由本發明的方式同時量測X方向與Y方向的CD值，還能提升CD採樣率。

綜上所述，本發明藉由設置在切割道或焊墊下方的游標尺，能通過一道檢測步驟同時取得X方向與Y方向的OL偏移量與CD值，因此能縮減微影製程檢測的時間，甚至直接省略原有三個檢測站點中的OL檢測站點，提升採樣率。此外，由於游標尺的大小接近實際元件尺寸，所以能取得較精確的檢測結果。游標尺可形成於半導體基板上或半導體基板內，因此除了針對元件（cell）的微影製程（蝕刻或植入）進行檢測，還能對其上的線路（如M1、M2…）的微影製程（蝕刻）進行檢測。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:半導體基板 102、200:游標尺結構 104、206:識別符號 106、202:第一線型層 108、204:第二線型層 110:對照圖案 CL:中線 s1、s2:間距 S300、S302、S304、S306、S308、S310、S312、S314、S316:步驟 X1、X2:第一最短距離 X _V、Y _V:長度 Y1、Y2:第二最短距離 ∆X:X方向偏移量 ∆Y:Y方向偏移量 w1、w2:線寬

圖1A是依照本發明的第一實施例的一種半導體製程用游標尺的上視示意圖。圖1B是圖1A的I-I線段的一種半導體製程用游標尺的剖面示意圖。圖1C是圖1A的I-I線段的另一種半導體製程用游標尺的剖面示意圖。圖2是第一實施例的另一種半導體製程用游標尺的上視示意圖。圖3是依照本發明的第二實施例的一種微影製程檢測步驟圖。

102:游標尺結構

104:識別符號

106:第一線型層

108:第二線型層

110:對照圖案

CL:中線

s1、s2:間距

X1、X2:第一最短距離

X_V、Y_V:長度

Y1、Y2:第二最短距離

△X:X方向偏移量

△Y:Y方向偏移量

w1、w2:線寬

Claims

一種微影製程檢測方法，包括：提供半導體製程用游標尺，其包括一半導體基板、至少一游標尺結構以及多數個識別符號；進行一微影製程，以同時在所述半導體基板上形成至少一元件圖案並在所述游標尺結構上形成一對照圖案，所述對照圖案具有X方向上的第一對邊與Y方向上的第二對邊；取得所述第一對邊在X方向上到所述游標尺結構的兩邊的第一最短距離X1以及X2以及所述第二對邊在Y方向上到所述游標尺結構的另兩邊的第二最短距離Y1以及Y2；以所述第一最短距離X1與X2的差值以及所述第二最短距離Y1與Y2的差值作為重疊(Overlap，OL)偏移值(shift value)，判定是否超出OL偏移容許量；根據所述游標尺結構在X方向的長度X_V減掉所述第一最短距離X1與X2的總和(X1+X2)，取得所述對照圖案在X方向的臨界尺寸(CD)偏移值，以判定是否超出X方向的CD偏移容許量；以及根據所述游標尺結構在Y方向的長度Y_V減掉所述第二最短距離Y1與Y2的總和(Y1+Y2)，取得所述對照圖案在Y方向的臨界尺寸(CD)偏移值，以判定是否超出Y方向的CD偏移容許量。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中若是超出所述OL偏移容許量，更包括：執行重疊檢測(Overlap Check)或執行重工(rework)。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中若是超出所述X方向的CD偏移容許量，更包括：執行SEM檢測(SEM Check)或執行重工。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中若是超出所述Y方向的CD偏移容許量，更包括：執行SEM檢測或執行重工。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中取得所述第一最短距離X1與X2以及取得所述第二最短距離Y1與Y2的方法包括：使用光學顯微鏡(OM)觀測所述第一對邊和所述第二對邊相對於所述游標尺結構的位置，以根據所述識別符號判定所述第一最短距離X1與X2以及所述第二最短距離Y1與Y2。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中取得所述第一最短距離X1與X2以及取得所述第二最短距離Y1與Y2的方法包括：利用掃描式電子顯微鏡(SEM)進行拍攝得到影像，並觀測所述影像，以取得所述第一對邊和所述第二對邊相對於所述游標尺結構的位置，並根據所述識別符號判定所述第一最短距離X1與X2以及所述第二最短距離Y1與Y2。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中取得所述第一最短距離X1與X2、取得所述第二最短距離Y1與Y2以及判定是否超出所述OL偏移容許量的方法包括：使用SEM儀器(SEM tool) 取得所述第一最短距離X1與X2以及所述第二最短距離Y1與Y2，並將檢測的結果回饋給進行所述微影製程的機台。
如請求項7所述的微影製程檢測方法，其中所述微影製程的機台收到所述檢測的結果後，更包括：調整所述微影製程。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中所述微影製程包括用於蝕刻的微影製程或用於植入的微影製程。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中所述對照圖案包括圖案化光阻、圖案化介電層或圖案化金屬層。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中進行所述微影製程之前，更包括在所述半導體基板上形成一介電層覆蓋所述游標尺結構，使所述對照圖案與所述游標尺結構通過所述介電層相隔開。
如請求項1所述的微影製程檢測方法，其中所述對照圖案的尺寸是所述元件圖案的尺寸的10倍以下。