СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССОВМЕЩЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ СЛОЕВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Российский патент 1994 года по МПК G01N21/88 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микроэлектронике для измерения рассовмещения топологических слоев.

Известен способ измерения рассовмещения топологических слоев в производстве интегральных схем по изображению в микроскопе наложенных тестовых структур [1]. В этом способе в совмещаемых слоях формируют тестовые структуры, имеющие в одном слое конфигурацию квадрата, а в другом - конфигурацию рамки, причем квадрат меньше по размеру, чем рамка. При совмещении топологических слоев тестовые структуры накладывают так, чтобы квадрат находился внутри рамки (фиг.1). Формируют увеличенное изображение совмещенной тестовой структуры с помощью оптического микроскопа, по изображению измеряют зазоры между квадратом и рамкой соответственно D_x1 и D_x2 и D_y1 и D_y2, а величину рассовмещения рассчитывают по формулам S_x = (D_x1 - D_x2)/2, S_y = (D_y1 - D_y2)/₂. Недостатком данного метода является ограниченная точность измерения, возникающая из-за влияния дефокусировки и несовершенств оптической системы на результат измерения. Дефокусировка при больших увеличениях возникает в тех случаях, когда толщина элементов первой и второй тестовых структур сильно различается, например, в случае, когда верхний слой - фоторезист, а нижний слой - тонкий диэлектрик. Кроме того, микроскоп имеет повышенную чувствительность к вибрациям, наличие которых ухудшает воспроизводимость измерений или требует принятия специальных мер для их устранения.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению является метод измерения рассовмещения по дифракционному изображению [2]. В этом методе тестовые структуры совмещаемых слоев в виде линейных дифракционных решеток последовательно формируют в одном слое, например в слое фоторезиста на пластине, так что штрихи решеток, полученных с одного слоя, располагаются между штрихами решеток второго слоя и параллельны им. Полученную совмещенную тестовую структуру освещают параллельным пучком когерентного света при нормальном падении света на тестовую структуру, при этом образуется дифракционный спектр в виде набора главных дифракционных максимумов или порядка дифракции. Измеряют интенсивность нескольких порядков дифракции, а величину рассовмещения рассчитывают по формуле
= · (1) где I_m, I_n - интенсивность в m и n порядках дифракции соответственно;
а, b - ширина штрихов решеток первой и второй тестовых структур соответственно;
d - период решеток;
s - величина смещения решетки одного слоя относительно другого.

Достоинствами данного метода по сравнению с аналогом является нечувствительность метода к вибрациям, дефокусировке и несовершенствам оптической системы.

Недостатком прототипа является то, что он является тестовым и может быть использован лишь для аттестации технологического оборудования, с его помощью невозможно проводить измерения рассовмещения элементов в рабочих слоях, то есть когда тестовые структуры первого и второго слоя сформированы не в одном, а в различных технологических слоях.

Целью изобретения является повышение точности измерения рассовмещения различных топологических слоев за счет устранения влияния на результат измерений вибраций, дефокусировки и несовершенств оптической системы, присущих оптической микроскопии, а также преодоления ограничений в измерении рассовмещения по дифракционному изображению, присущих прототипу.

Цель достигается тем, что в способе измерения рассовмещения топологических слоев создают тестовые структуры в виде наложенных друг на друга линейных дифракционных решеток с одинаковым периодом, причем штрихи одной решетки располагаются между штрихами другой и параллельны им, тестовую структуру освещают параллельным пучком когерентного света, образуя дифракционный спектр в виде набора порядков дифракции, измеряют интенсивность в нескольких порядках и по их значениям рассчитывают величину рассовмещения.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки: одну из решеток тестовой структуру формируют в одном из совмещаемых топологических слоев, вторую решетку - в другом совмещаемом слое, причем так, что оптические толщины элементов совмещаемых решеток различны, измеряют асимметрию интенсивности света в паре порядков дифракции, расположенных симметрично относительно нулевого порядка, освещение тестовой структуры производят путем многократного изменения угла падения света в диапазоне углов от 0 до 90^о в плоскости, параллельной штрихам решеток, измеряя асимметрию интенсивности света после каждого изменения угла падения, определяют максимальное значение асимметрии из всех измеренных значений и по нему определяют значение рассовмещения по формуле
= {R∧1

-Rsin²πmA+R∧2-Rsin²πmB-[(R∧1-R∧2)·(R*2-R*3)×
×exp(j2πms)+(R*1-R*2)·(R∧2-R∧3)·exp(-j2πmS)]·sinπmA×
×sinπmB}/{R∧1-Rsin²πmA+R∧2-Rsin²πmB-[(R∧1-R∧2)·(R*2-R*3)× ×exp(-j2πms)+(R*1-R*2)·(R∧2-R∧3)·exp(j2πmS)]·sinπmA·sinπmB} (2) где R_i^ и R_i* - комплексный коэффициент отражения от i-го участка и его комплексно-сопряженное значение соответственно;
A = а/d, B = b/d, S= s/d, где а, b - ширина элементов структур; s - величина смещения одной структуры относительной другой;
I_m, I_-m - интенсивности излучения в порядках с номерами m,-m;
d - период решетки;
m - номер порядка дифракции;
a, b, d - заранее известные величины.

В каждом из совмещаемых слоев формируют две тестовые структуры, причем в одной из них штрихи решетки второго слоя смещены в одну сторону от штрихов решетки первого слоя на известную величину D_s, а в другой штрихи решетки второго слоя смещены в другую сторону от штрихов решетки первого слоя на ту же величину, причем величина смещения не должна быть равна половине периода решетки, освещают каждую из тестовых структур так же, как в п.1 формулы, измеряют разность интенсивностей дифрагированного света в паре выбранных для измерения порядков, причем номера порядков, в которых проводят измерение одинаковы, предпочтительно выбирают 1 и -1 порядка, а рассовмещение определяют по следующей формуле:
S = arctgtg2πmD (3) где m - номер порядка дифракции;
DI₁ - разность в значении интенсивностей в порядке m для первой тестовой структуры;
DI₂ - для второй тестовой структуры;
D_s - значение номинального сдвига штрихов решеток второго слоя относительно первого, выраженное в долях периода;
S - величина рассовмещения в долях периода.

Известно формирование тестовых структур в различных технологических слоях для контроля рассовмещения, например, как в аналоге, однако эти структуры не являются дифракционными решетками и, следовательно, не могут быть использованы для формирования дифракционного изображения в виде главных дифракционных максимумов. Известно также использование тестовых структур в виде наложенных дифракционных решеток для контроля рассовмещения как в прототипе, однако эти решетки выполняются в одном слое и, следовательно, их нельзя использовать для контроля рассовмещения различных топологических слоев. В предлагаемом решении решетки выполнены в разных топологических слоях, что позволяет контролировать взаимное расположение этих слоев. Различие в высотах элементов совмещаемых решеток является обязательным условием решения поставленной задачи. Только при наличии рассовмещения возникает асимметрия дифракционного спектра, по которой рассчитывается величина рассовмещения. Асимметрия спектра может возникать и в том случае, если элементы решеток имеют асимметричный профиль сечения. При измерении рассовмещения асимметрия профиля является мешающим фактором.

Для измерения асимметрии дифракционного спектра в предлагаемом техническом решении, так же как и в прототипе измеряются значения интенсивностей в дифракционных порядках, однако в прототипе измеряемые порядки находятся по одну сторону относительно нулевого порядка, а в предлагаемом техническом решении симметрично относительно нулевого порядка. Только при таком выборе порядков имеется возможность определить величину рассовмещения топологических слоев по измеренному значению асимметрии дифракционного спектра.

В предлагаемом техническом решении угол падения меняется с целью предотвращения возможности измерения рассовмещения в случае одинаковой оптической толщины элементов в разных слоях при нормальном падении света на образец.

Использование двух тестовых структур в каждом из совмещаемых слоев, где в одной из них штрихи решетки второго слоя смещены в одну сторону относительно штрихов решетки первого слоя на известную величину D_s, в другой штрихи решетки второго слоя смещены в другую сторону от решетки первого слоя на ту же величину, а величина смещения не равна половине периода решеток, не является простым количественным увеличением числа решеток п.1 формулы. В этом случае достигается новый дополнительный технический результат, не сводящийся к сумме эффектов, достигаемых с помощью отдельных решеток, так как удается избавиться от измерения дополнительных параметров структуры a, b, R₁, исключив связанные с ними погрешности измерения, и определить величину рассовмещения по формуле (3).

Использование при измерении асимметрии дифракционного спектра 1 и -1 порядков является конкретизацией общего случая и служит для получением максимально возможного диапазона измеряемых значений рассовмещения, в котором нет неоднозначности результатов измерения.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении имеются отличительные от прототипа признаки, не известные из других технических решений, и поэтому оно соответствует критериям "новизна" и "существенность отличительных признаков".

В основе предлагаемого изобретения лежит ранее не исследованная особенность - появление асимметрии дифракционного спектра при освещении когерентным светом тестовой структуры в виде наложенных линейных дифракционных решеток, в которых штрихи одной решетки располагаются между штрихами другой и параллельны им, а оптические толщины элементов различны, в случае, когда решетки располагаются несимметрично относительно друг друга. На фиг. 2-4 представлены такие структуры. Для структуры на фиг.2 интенсивность света в m-м порядке дифракции определяется по формуле, полученной в рамках скалярной теории дифракции:
I_m = {R∧1

-Rsin²πmA+R∧2-Rsin²πmB-[(R∧1-R∧2)·(R*2-R*3)× ×exp(j2πms)+(R*1-R*2)·(R∧2-R∧3)·exp(-j2πmS)]·sinπmA·sinπmB} (4) где С - константа, зависящая от измерительной системы.

Выражение для асимметрии спектра как отношение интенсивностей представлено в (2). Подставив в (2) значения а, b, R_i^, R_i*, полученные другими способами, и измеренные значения интенсивностей I_m, I_-m, рассчитывают величину рассовмещения S. В случае, если R₁ = R₃, асимметрии спектра нет, I_m/I_-m = 1 для любых рассовмещений. Поэтому для достижения результата должна существовать разность оптических толщин элементов двух слоев. В некоторых случаях элементы разных слоев могут иметь одинаковую оптическую толщину при нормальном падении света на образец. Изменяя угол падения света на такой образец в плоскости, параллельной штрихам решеток, удается изменить сдвиг фаз и соотношение коэффициентов отражения так, что достигается разность оптических толщин. Для повышения точности измерения следует выбирать такой угол падения, при котором асимметрия спектра имела бы максимальное значение.

Для определения S по (2) необходимы значения R_i, a, b, которые часто точно не известны, а их измерение затруднено. В этом случае предлагается структура, изображенная на фиг.5, при использовании которой нет необходимости определять R_i, a, b. Структура содержит две пары наложенных решеток, расположенных вблизи друг друга, в первой паре штрихи решетки второго слоя сдвинуты поперек относительно штрихов решетки первого слоя на величину D_s, не равную половине периода, а во второй паре штрихи решетки второго соля сдвинуты на ту же величину, но в противоположную сторону. При наличии рассовмещения S решетки второго слоя сдвигаются соответственно на величину S + D_s и S - D_s. Разности интенсивностей для первой и второй пар решеток DI₁ и DI₂ определяются по формулам
DI₁ = K(R^,a,b,m) sin2 πm(S+D_s),
DI₂ = K(R^,a,b,m) sin2 πm(S-D_s), (5) где K(R^,a,b,m) = C/π²m² [(R₁^-R₂^ ) (R₂*-R₃*) - (R₁*-R₂*) (R₂^-R₃^)] sin π mA sin πmB Величина рассовмещения определяется по формуле (3). Для некоторых образцов совмещаемых решеток при нормальном падении света DI₁ и DI₂могут быть равными 0. Для исключения невозможности измерения S для таких образцов необходимо хотя в одной паре решеток определить угол падения света, при котором асимметрия спектра максимальна, и для этого угла провести измерения интенсивностей для обеих структур, а величину S рассчитать по формуле (3).

Максимальный диапазон в котором значение рассовмещения можно определить однозначно, определяется из выражения S = d/4m и, следовательно, для обеспечения максимального диапазона следует проводить измерения в 1 и -1 порядках дифракции.

Предложенная схема измерения и формулы для расчета S применимы не только к структуре на фиг.2-4 но и для структур на фиг.5,6.

На фиг. 1 - тестовая структура для контроля рассовмещения по изображению в микроскопе. D_x1,D_x2,D_y1,D_y2 - измеряемые зазоры между краями внутреннего квадрата 1 и внешней рамки 2.

На фиг. 2-4 - сечения тестовой структуры для контроля рассовмещения в различных топологических слоях по дифракционному изображению, а, b - значения ширины элементов решеток первого и второго слоев соответственно; R₁, R₂, R₃ - коэффициенты отражения от соответствующих участков структуры; S - величина рассовмещения, d - период решеток. 1, 2 - штрихи решетки 1-го и 2-го слоя, подложка 3.

На фиг. 5 - тестовая структура для измерения рассовмещения по дифракционному изображению в соответствии с п.2 формулы; D_s - заданная величина смещения решеток одного слоя относительно другого.

На фиг. 6 - тестовая структура для реализации способа измерения рассовмещения по п.1 формулы. 1,3 - решетки, выполненные в слое SiO₂ и фоторезисте соответственно; 2 - совмещенная структура.

В качестве примера практической реализации способа измерения рассовмещения различных топологических слоев в соответствии с п.1 формулы была изготовлена тестовая структура, изображенная на фиг.6; состоящая из трех тестовых структур, 1 и 3 - отдельно стоящие решетки, выполненные в слое SiO₂ и фоторезиста соответственно и предназначенные для измерения ширины элементов структур дифракционным способом на той же самой установке, 2 - состоит из наложенных дифракционных решеток в соответствии с п.1 формулы. Толщины слоев, оптические константы материалов слоев были определены методом эллипсометрии и составляли соответственно h_SiO2 = 0,3 мкм; n_SiO2 = 1,46; k_SiO2 = = 0; h_ф/р = 1,4 мкм; n_ф/р = 1,67; k_ф/р = 0; n_Si = 3,85; k_Si = 0,02. Измеренные значения ширины линий были а = 2 мкм, b = 2,2 мкм. Измерения проводились на лазерном дифрактометре с изменяемым углом падения света на образец.

Угол падения, при котором асимметрия спектра достигает максимального значения, оказался близким 15^o. Значения рассовмещения, измеренные по дифракционному изображению, отличались от значений, полученных с помощью микроскопа на тех же самых структурах не более 0,2 мкм.

Способ измерения рассовмещения различных топологических слоев в соответствии с п.2 формулы, также реализован на практике и был использован для исследования работы установок совмещения и мультипликации по рассовмещению. С этой целью была изготовлена пара фотошаблонов с набором тестовых дифракционных решеток в соответствии с п.2 формулы, расположенных по углам тестового модуля и в центре. Было изготовлено несколько образцов с различными материалами пленок нижнего слоя: SiO₂, толщиной 0,6 мкм, поликремния Si*, толщиной 0,4 мкм, бор-фосфоросиликатное стекло, толщиной 0,5 мкм, верхний слой - фоторезист, толщиной 1,4 мкм. Измерения рассовмещения проводились на лазерном дифрактометре. Результаты измерений сравнивались с данными, полученными с помощью фотоэлектрического микроскопа MHVCD-2 фирмы LEITZ, на тех же самых тестовых структурах. Различие в результатах в среднем менее 0,1 мкм в диапазоне рассовмещений 0-2 мкм, в отдельных случаях эта разница достигала 0,2 мкм, которую можно объяснить несовершенствами отдельных структур. Оказалось, что предложенный способ позволяет получить лучшие результаты именно в тех случаях, когда верхний слой - фоторезист, т.е. когда возникают наибольшие трудности для оптической микроскопии.

Использование: в микроэлектронике для измерения рассовмещения топологических слоев. Сущность изобретения: создают тестовую структуру в виде наложенных линейных дифракционных решеток с одинаковым периодом, причем одна решетка создается в одном из совмещаемых слоев, а другая - в другом совмещаемом слое, освещают тестовую структуру параллельным пучком лазерного света, образуя дифракционный спектр в виде набора главных дифракционных максимумов, измеряют асимметрию интенсивности света в виде отношения интенсивностей в порядках дифракции, расположенных симметрично относительно нулевого порядка, и по формуле, с учетом известных геометрических и оптических параметров элементов тестовой структуры, рассчитывают величину рассовмещения. Для повышения точности измерения рассовмещения топологических слоев за счет устранения влияния на результат измерения ошибок в определении геометрических и оптических параметров элементов тестовой структуры, в каждом из совмещаемых слоев формируют две тестовые структуры в виде наложенных дифракционных решеток, причем в одной из них штрихи решетки второго слоя смещены в одну сторону от штрихов решетки первого слоя на известную величину, а в другой штрихи решеток второго слоя смещены в другую сторону от штрихов решеток первого слоя на ту же величину, поочередно освещают обе тестовые структуры параллельным пучком лазерного света, измеряют разность интенсивностей дифрагированного света в паре порядков, расположенных симметрично относительно нулевого порядка, для каждой из структур, и по формуле рассчитывают величину рассовмещения. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССОВМЕЩЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ СЛОЕВ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ, заключающийся в том, что создают тестовую структуру в виде наложенных одна на другую линейных дифракционных решеток с одинаковым периодом, располагая штрихи одной решетки между штрихами другой и параллельно им, направляют параллельный пучок когерентного излучения на тестовую структуру для образования дифракционного спектра в виде набора дифракционных порядков, измеряют интенсивность излучения в нескольких порядках и рассчитывают значение рассовмещения, отличающийся тем, что одну из решеток тестовой структуры формируют в первом топологическом слое, вторую решетку - во втором топологическом слое так, что значение оптических толщин штрихов решеток оказываются различными, измеряют интенсивность излучения в паре порядков дифракции, расположенных симметрично относительно нулевого порядка для определения их отношения, причем измерения проводят многократно при изменении направления излучения в плоскости, параллельной штрихам решеток в диапазоне углов падения от 0 до 90^o, определяют максимальное значение из всех измеренных значений отношений и по нему рассчитывают рассовмещение S - исходя из соотношения
= {R∧1

-Rsin²πmA+R∧2-Rsin²πmB -
- [(R∧1-R∧2)·(R*2-R*3)×exp(j2πms)+(R*1-R*2)·(R∧2-R∧3) ×
×exp(-j2πmS)]·sinπmA·sinπmB}/{R∧1-R
×sin²πmA+R∧2-Rsin²πmB-[(R∧1-R∧2)·(R*2-R*3)×
×exp(-j2πms)+(R*1-R*2)·(R∧2-R∧3)·exp(j2πmS)] ×
× sinπmA·sinπmB}
где I_m, I_-m - интенсивности излучения в порядках с номерами m и -m;
R∧j и R*i (i= 1,2,3) - комплексный коэффициент отражения от i-го участка и его комплексно-сопряженное значение соответственно;
A = a/d, B = b/d, S = s/d,
где a, b - ширина штрихов структур,
s - величина смещения одной структуры относительно другой;
d - период решетки;
j= - признак мнимой части числа;
a, b, d, R∧i - заранее известные величины. 2. Способ измерения рассовмещения топологических слоев в производстве интегральных схем, заключающийся в том, что создают тестовую структуру в виде наложенных одна на другую линейных дифракционных решеток с одинаковым периодом, располагая штрихи одной решетки между штрихами другой и параллельно им, направляют параллельный пучок когерентного излучения на тестовую структуру для образования дифракционного спектра в виде набора дифракционных порядков, измеряют интенсивность излучения в нескольких порядках и рассчитывают значение рассовмещения, отличающийся тем, что формируют две тестовые структуры, в каждой тестовой структуре одну из решеток формируют в первом топологическом слое, вторую решетку - во втором топологическом слое, в одной из тестовых структур штрихи решетки второго слоя смещены в одну сторону относительно штрихов решетки первого слоя на известную величину D_s, а в другой штрихи решетки второго слоя смещены в другую сторону от штрихов решетки первого слоя на ту же величину, так что величина смещения не равна половине периода решеток, причем значения оптических толщин штрихов решеток оказываются различными, измеряют интенсивности излучения в паре порядков дифракции, расположенных симметрично относительно нулевого порядка, предпочтительно в I и -I порядках, для каждой из тестовых структур, определяют разность интенсивностей для этих порядков, измерения проводят многократно при изменении направления излучения в плоскости, параллельной штрихам решеток в диапазоне углов падения от 0 до 90^o, определяют максимальное значение из всех измеренных значений разности интенсивности для каждой из решеток и по ним рассчитывают рассовмещение S по формуле
S = arctgtg2πmD, ,
где m - номер порядка дифракции;
DI₁ - разность в значении интенсивностей в порядке m для первой тестовой структуры;
DI₂ - для второй тестовой структуры;
D_s - значение номинального сдвига штрихов решеток второго слоя относительно первого, выраженное в долях периода;
S - величина рассовмещения в долях периода.