Double pattern overlay 量测技术论文学习
摘要
业界预计，双图案（DPT）工艺将成为32nm及更先进技术节点的主要解决方案。与此同时，需保持工艺兼容性并提升套刻计量性能。为实现基于图像的套刻（IBO），通常需改进套刻工具的光学系统。研究表明，一种名为SCOL™的基于衍射的套刻（DBO）技术也可满足这些要求。此外，我们认为，需基于参考网格进行套刻测量以实现所需的套刻控制，这将使测量次数至少增加三倍（双图案层与参考网格的两次测量，以及双图案层之间的一次测量）。工艺兼容性、性能提升及大量测量的需求，使DPT套刻计量的选择极具挑战性。
本研究采用不同类型的标准套刻计量技术（IBO）及新技术（SCOL）来应对上述三大要求，测试了相应套刻靶材与双图案工艺（光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）、光刻-冻结-光刻-刻蚀（LFLE）、间隔层定义）的兼容性，讨论了工艺对不同靶材类型的影响（LELE的CD偏差、LFLE的对比度）。我们将标准成像套刻计量与双图案工艺专用的非标准成像技术（允许多层成像靶材替代三个套刻靶材的小尺寸成像靶材）进行了对比。除已讨论的标准设计外，还研究了DPT专用的SCOL靶材设计，并利用不同技术确定了对扫描仪的反馈，最终对比了套刻结果。最后总结了每种技术的优缺点，并提出了DPT套刻控制的最佳计量策略。
关键词
套刻；双图案；散射测量；精度；工具诱导位移；可校正量；LELE；LFLE；间隔层定义
1. 引言
近年来，套刻计量性能曾领先于需求。但随着未来技术节点引入双图案（DPT）工艺，这一情况已改变。如今，我们应如何应对精度、工具诱导位移（TIS）、工具匹配问题，以及精度问题——零套刻误差是否真的为零？
根据ITRS路线图，32nm节点的套刻计量预算为0.57nm。对于最具挑战性的层，双图案光刻将对每一层采用两次光刻步骤。此外，在某些双图案技术中，套刻误差会导致CD误差，因此此类层的套刻测量不确定度可能需进一步降至0.4nm以下。鉴于现有成像套刻计量的测量不确定度约为1nm（见图1），32nm及更先进节点的套刻计量性能面临风险。
光学成像原则上可实现所需性能，因其重复性（精度）和精度无理论限制，但TIS测定一直是关注点。TIS反馈策略（均值或逐点）及批次内TIS稳定性，是平移控制精度的风险因素。此外，新型光学成像靶材不断涌现，可减小尺寸或在同一视场中增加层数。尽管近年来光学器件质量有所提升，但平移测定的精度仍存疑。为降低套刻计量性能风险，我们已报道了基于衍射的套刻技术的初步结果。
基于衍射的套刻有两大优势：
• 信号不受光学像差影响，而光学像差是成像套刻计量中TIS（工具诱导位移）的主要误差来源，因此有望实现优异的TIS性能。
• 使用周期性光栅靶材并检测衍射级次强度，该强度对焦距和照明光斑相对于光栅中心的位置敏感性极弱（光斑有限尺寸导致的残留敏感性），而此类敏感性是工具匹配误差的主要成因，因此该技术有望实现良好的工具匹配性能。
本文展示了上述技术在各种双图案方案中的套刻性能。鉴于TIS不确定度和靶材尺寸问题，我们提出了一种结合基于衍射的套刻（DBO）靶材与基于图像的套刻（IBO）靶材的替代策略。
2. 硬件描述
本研究使用的硬件为Archer 200，该工具集成了两大传感器：成像传感器和光谱椭偏仪（图2）。宽带光源波长范围覆盖紫外至红外，光源发出的光经偏振片后，由反射光学元件聚焦至晶圆，晶圆镜面反射的光经另一偏振片（分析器）后，由光谱仪收集（图3）。
选择该硬件架构的原因如下：
• 光源的宽带特性确保了工艺鲁棒性，以及对各种间距和CD值的靶材设计的套刻敏感性。
• 偏振片和分析器实现的偏振控制可提升精度，并允许在配方设置过程中优化精度。
3. 靶材设计
3.1 基于图像的套刻（IBO）
除经典的“盒中盒”（Bar in Bar或Box in Box）靶材外，近年开发了新型靶材设计（如AIM）以增加信息冗余度，此类靶材每层使用10条线而非2条，在许多信噪比受限的叠层中提升了套刻性能。近期，对更小靶材的需求显现，更小的靶材可增加视场内的信息密度，此外，同一视场包含多层的新设计可实现与对准方案一致的套刻测量（如多晶硅和栅极对有源层）。
这些不同类型的IBO集成在IMEC测试掩模中，每个单元在视场中重复35次，包括：一个盒中盒（BiB）、一个AIM和两个小IBO（10x10μm和5x5μm），每个单元均包含所有IBO和DBO靶材，且彼此相邻。
3.2 基于衍射的套刻（DBO）
基于衍射的套刻原理已在我们先前的论文中报道。该技术假设上下堆叠的两个光栅的差分信号呈线性响应，此类堆叠光栅构成一个单元，每个单元的顶部光栅相对于底部光栅按设计故意偏移，除单元间故意偏移不同外，靶材中的单元设计一致。给定单元中上下光栅的总偏移量，为该单元的故意偏移量与套刻偏移量之和。靶材中的单元数量和故意偏移值的选择，需确保可通过适当算法从散射强度（不同单元）中确定套刻偏移量。理论限制包括可测套刻范围（对于间距400nm、自校准偏移16nm的靶材，约为±20nm），该范围可通过增加偏移量扩展，但会超出线性近似区域（图4a）。精度和范围由靶材中光栅的间距驱动：大间距可增加可测范围，但牺牲精度（图4b）；小间距可实现高精度，但限制范围（图4b），需在两者间权衡。我们选择400nm间距和16nm自校准偏移，作为多晶硅叠层的最佳折中。图5显示了各种SCOL（参考、大间距、大校准偏移）靶材与参考叠层（刻蚀硅上的光刻胶）上AIM的相关性，观察到的0.92线性度与已报道的算法误差相关，该误差可预测（为套刻的函数，套刻为0时误差为0），但依赖于叠层和靶材。在此案例中，10nm套刻的斜率可达0.8nm，包括算法误差、重复性和可能的工艺影响。
4. 参考叠层
通常，最简单的叠层可实现最佳套刻精度。对于IBO，最佳情况为光刻胶到光刻胶；但对于DBO，无法实现该叠层，最简单的叠层为：第一层刻蚀硅，第二层在平坦化材料（BARC）上曝光光刻胶。制备的晶圆结构为：第一层刻蚀硅（深度60nm），第二层光刻胶（BARC厚度95nm，光刻胶厚度120nm）。
连续多日使用XT:1900Gi扫描仪的两个卡盘曝光两片晶圆，每天使用DBO和IBO技术进行测量对比。图6显示了基于IBO和DBO测量的某一曝光卡盘四天内的残留特征，IBO结果与DBO结果高度可比，边缘处因算法误差存在细微差异，整体一致性优异——图5a的相关图即从此数据中提取。
对一片晶圆每日进行测量，每天9个位点、10次动态运行。图7显示了DBO与不同类型IBO的动态重复性对比，DBO的优异精度（0.05nm 3σ）清晰可见，该精度可用于扫描仪监控（靶材尺寸影响较小），以尽早检测残留套刻特征的漂移。图8总结了参考叠层上的性能（深色为X和Y方向平均重复性，浅色为TIS 3σ平均X和Y方向值），对比了BiB、AIM、DBO及两种小IBO靶材（10x10μm和5x5μm）。
5. 双图案叠层
在前道工艺中，探索了多晶硅层的两种双图案方案：
• 光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）：需两次套刻测量检查。第一次多晶硅光刻后，叠层（光刻胶/BARC/TEOS/多晶硅/栅氧化层/Si）与非双图案标准多晶硅叠层高度相似（图9a）；第二次多晶硅光刻后（图9b），关键参数为第二次多晶硅对第一次多晶硅的套刻结果。硬掩模的性质可能使该测量变得困难（图9b中的氧化物硬掩模），挑战包括：如何实现精确测量（叠层问题）和高效测量（需多次测量）。
• 间隔层定义双图案（SDDP）：示意图见图9c（光刻胶/BARC/SiO2/APF/多晶硅/栅氧化层/Si），无需多次测量（仅需一次多晶硅曝光），但从计量角度看，该叠层因包含含碳层而不透明，具有研究价值。
图10总结了3.1和3.2中描述的不同靶材的性能。左上图表为标准多晶硅叠层（LELE）上多晶硅对STI的结果，右上图表为SDDP叠层的对应结果，不同靶材性能差异显著。左下图表为第二次多晶硅对第一次多晶硅的套刻性能，因缺乏对比度，无法测量BiB。右下图表为LFLE场景下IBO（AIM靶材）与DBO的性能对比，此处使用的DBO靶材设计与前三个图表中的DBO靶材不同。在所有案例中，DBO性能均更优，其优异精度值得关注。
除高精度外，DBO靶材的另一个优势是调试简便：一旦定义参数（间距、自校准偏移、几何形状），无需进一步优化；而IBO需进行TIS测定和优化，DBO配方设置完全独立于操作人员。
TIS偏移不确定度（至少部分包含晶圆诱导偏移WIS）使精确确定平移并向扫描仪提供准确反馈变得困难。图11显示了各种技术相对于BiB的平移偏移，平移值从逐点校正TIS（3000点）的数据中提取，最大偏移为0.5nm——当DPT需实现层内套刻2-3nm时，该偏移量不可忽视。IBO的TIS测定依赖操作人员，且批次内或批次间的TIS稳定性未必可靠（图12），批次内平移的实际变化是套刻控制的重要问题，需加以控制。XT:1900Gi扫描仪批次内平移的典型性能为±1nm，因此平移测定的精度是关键问题：该±1nm中有多少源于所使用计量技术的TIS不稳定性？DBO不受TIS/WIS影响（图13），若设计得当，理论上精度更高，但其靶材尺寸远大于IBO；IBO是成熟技术，靶材可小至5x5μm，但受TIS及其变化影响。我们是否必须在两者间取舍，还是可结合两者优势？
6. 结合IBO与DBO
鉴于DBO精度更高，其理想用途为提取平移及其他网格参数，此时每视场仅需测量中心点（中心位置），视场内信息对TIS/WIS敏感性低，因此可使用小IBO。除平移外，任何技术均可提供相同且准确的可校正量——因前文所述原因，平移提取优势在DBO。
为准确描述网格，DBO靶材需位于视场中心（可能因DBO尺寸产生问题）。由于每视场仅一个DBO的信息可能不足，需结合视场内的其他IBO以提取逐视场可校正量，同时需校正IBO与DBO靶材的偏移。
图14展示了一种结合策略的尝试：使用三种靶材（DBO、IBO、小IBO，彼此相邻）测量一片晶圆（多晶硅对有源层）。图14a显示了基于IBO和DBO测量数据、使用10参数模型的模拟残差；对于结合策略（DBO+小IBO），绘制了使用DBO的网格校正和小IBO的视场内校正的DBO测量数据模拟残差。图14b显示了基于IBO和DBO残差的逐视场校正模拟残差；对于结合策略，使用DBO的逐视场平移校正和小IBO的其他4个视场内参数校正的DBO测量数据模拟残差。如图所示，结合策略的残差接近仅使用SCOL策略的性能，同时最小化了空间占用。
该策略与扫描仪上的先进校正兼容，包括：逐视场校正（FFC）、网格高阶校正（GHOC）和视场内高阶校正（IFHOC）。
7. 结论
本文展示了DBO实现的优异精度。对于工具监控，靶材尺寸非关键因素，建议使用DBO监控扫描仪浸没特征。
在生产掩模版中，DBO靶材尺寸是显著问题，而DPT对性能的要求对IBO构成挑战。我们提出一种结合策略，融合DBO与IBO的优势：DBO用于消除TIS敏感参数（平移）及其他网格项，小IBO（小至5x5μm）用于消除TIS不敏感参数（视场内参数）。
致谢
SOCOT联盟由欧盟委员会第六框架计划IST项目资助（合同016403）。感谢Rudi De Ruyter设计掩模，Koen D’have提供Matlab脚本支持，以及IMEC Pline支持制备测量用晶圆。
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