[发明专利]套刻测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种套刻测量装置和方法。

背景技术

根据ITRS（国际半导体技术蓝图）给出的光刻测量技术路线图，随着光刻图形CD尺寸进入22nm及以下工艺节点，特别是双重曝光（Double Patterning）技术的广泛应用，对套刻（overlay）测量的精度要求已经进入亚纳米领域。由于成像分辨率极限的限制，传统的基于成像和图像识别的套刻测量技术已逐渐不能满足新的工艺节点对套刻测量的要求。基于衍射光探测的套刻测量技术（DBO，Diffraction-Based overlay）正逐步成为套刻测量的一种重要的补充手段。

DBO主要分为两大类，一类称为基于模型的DBO技术，该类技术通过对套刻标记的CD、侧壁角（SWA）、高度和套刻参数进行严格建模，计算得到理论衍射光谱，将测量值与理论值进行对比提取套刻参数。这类技术的主要优点在于原则上只要一个标记便可测得一个方向的套刻值，因而标记成本较低；然而，由于套刻测量需提取两层图形结构间的位置偏差，这两层结构中的大量未知参数均需在建模时体现，使建模的计算成本大大提高，通常一个几十个CPU的计算集群需要几天时间对一层图形结构进行建模，随着图形层数的增加，建模时间将呈几何指数增长。其次，这些未知参量与套刻参数间经常互相串扰，使测量值与理论值作比较时，无法正确提取套刻参数。因此，该技术由于其计算成本、时间，参数提取精度等原因，很少在生产中应用。

另一类称为基于经验的DBO技术，该类技术直接使用低阶函数拟合衍射光衍射效率随套刻参数的变化情况，通过在多个不同预设偏差（offset）的标记上采集信号，计算得到套刻参数。这类技术常见的有两种测量方法，一种方法测量入射光的0级衍射光光谱在多个具有一定预设偏差的标记上的信号。由于0级衍射信号随套刻参数呈偶函数变化，可使用二次函数等方法拟合该信号以求得套刻值。这种方法的计算成本几乎为零，且可使用传统的反射仪进行测量。但由于衍射光偶函数信号变化较复杂，需设置多个套刻标记以提供足够的信号采样才能获得较好的拟合精度，从而获得较高的测量精度。一般，该方法最少需要4个标记测量一个方向的套刻参数，因此标记成本很高。

基于经验的DBO技术的另一种方法通过测量衍射光正负级次的非对称性实现。该方法通过测量衍射光的角谱，识别对应入射光的正负级次并计算它们的非对称性。由于正负级次的非对称性在一定范围内近似和套刻参数成正比，该方法最少可以使用两个预设偏差对称的标记实现一个方向套刻参数的测量。同样，该经验方法也几乎没有计算成本。

综上所述，由于标记成本低，几乎无计算资源需求以及精度高等优点，基于经验的使用高级次衍射光的非对称性测量套刻误差的技术具有优势。该技术通过在一大NA物镜光瞳面测得套刻标记衍射光的角谱，计算角谱中对应衍射级次的非对称性求得套刻。该技术主要面临以下问题：

1、该技术采用空间分离的多个入射角度的入射光同时测量衍射光的角谱，测得角谱受照明非均匀性影响；

2、该技术同时在CCD探测器的不同位置检测+/-级次衍射光光强，在求+/-级次非对称性时，受CCD探测器像素灵敏度不均匀性的影响。

发明内容

本发明提供一种套刻测量装置和方法，可以降低照明空间非均匀性和探测器灵敏度非均匀性对衍射光非均匀性测量的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供一种套刻测量装置，用于检测套刻误差，包括：光源，用于提供照明光束；物镜，用于将照明光束汇聚到待测样品上，并收集待测样品表面的衍射光；空间光调制器，位于物镜光瞳面，用于控制不同衍射级次的衍射光束的通过；第一光谱仪，用于测量通过空间光调制器的衍射光光谱。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述光源采用宽波段光源。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述宽波段光源包括：Xe灯、卤钨灯和氘灯。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述光源发出的照明光束通过照明光路和分束镜后，投射到物镜上。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，经分束镜后的另一光束投射到一探测器上。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述探测器采用光电二极管或第二光谱仪。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述空间光调制器采用可变光阑或快门。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，所述空间光调制器为透过式空间光调制器，所述透过式光调制器包括透光区域和非透光区域。

作为优选，在所述的套刻测量装置中，通过所述空间光调制器的衍射光经一光学系统后进入第一光谱仪。