中華大學碩士論文

(1)

中華大學碩士論文

半導體微影製程疊對控制之研究 The Study of Semiconductor Lithography Overlay Control

系所別：電機工程學系碩士班學號姓名：E09801023 張博忠指導教授：高川原博士

中華民國 101 年 8 月

(2)

半導體微影製程疊對控制之研究半導體微影製程疊對控制之研究半導體微影製程疊對控制之研究半導體微影製程疊對控制之研究

研究生研究生

研究生研究生：：：張博忠：張博忠張博忠張博忠

指導教授指導教授指導教授

指導教授：：：：高高高川高川川川原原原原博士博士博士博士

中中中

中華華華華大大大學大學學學電機工程學系所

電機工程學系所電機工程學系所

電機工程學系所光電光電光電光電組組組碩士在職專班組碩士在職專班碩士在職專班碩士在職專班摘

摘摘摘要要要要

為了延續摩爾定律，微影製程必須不斷的微縮積體電路的線寬，從曝光光源波長 193 奈米開始被使用後，各種積體電路的世代線寬也由 60 奈米演進到了 30 奈米以下。而隨之要面對眾多的難題之一就是電路結構的疊對控制，在 30 奈米嚴苛的微影技術條件要求下，覆蓋疊對誤差的容許預算已經到了 6 奈米，這也已經與曝光機台的最小誤差控制能力接近。然而，電路結構的疊對控制良好與否更直接關係著元件的良率。此篇論文討論了疊對控制的二個方向，其一為光罩的受熱膨脹產生的對準誤差可藉由預先補償來改善；其二則為曝光的網格特徵利用高階補償(HOC)的方式來改善不同機台間產生的匹配程度差異。

關鍵字關鍵字關鍵字

關鍵字：：：lithographic overlay、reticle、exposure grid map、high order correction(HOC) ：

(3)

The Study of Semiconductor Lithography Overlay Control

Graduate Student：P. C. Chang

Thesis supervisor：Dr. C. Y. Kao

Department of Optoelectronics Engineering

Chung Hua University

ABSTRACT

To extend Moore's law, Photolithography has to constantly reduce line width of integrated circuit. As 193nm wavelength light source for exposure has been used, the line width of variety of integrated circuits evolution from 60nm to below 30nm. However one of the followed technical problems is overlay control about circuit structure. Whether circuit structure overlay control is good will directly related to components good yield, but at 30nm harsh conditions, overlay budget attain only 6nm, which has also been very close to the exposure machine's minimum error control capabilities. This essay discusses two ways of overlay control; the first one is use pre-compensation to calibrate alignment error caused by heat expansion of reticle. The second one is using high order correction (HOC) to improve matching degree of the machine difference in wafer’s grid map.

Keywords: lithographic overlay、reticle、exposure grid map、high order correction(HOC)

(4)

誌謝誌謝誌謝誌謝

首先，本論文的完成承蒙我的指導教授- 高川原博士，即使因為我工作上的忙碌而分身乏術，也能讓我在學習的生涯中學習到研究應有的態度和方法，使得我在專業領域的研究上獲益匪淺。

最後，感謝幫助過我的師長及同儕們。因為有你們的幫助、支持與鼓勵，使我順利完成碩士學業與論文，再次由衷的感謝你們。

研究生研究生研究生

研究生：：：：張博忠張博忠張博忠張博忠 2012 年年年年 5 月月月月電機工程學系所

電機工程學系所電機工程學系所

電機工程學系所光電光電光電光電組組組組碩士在職專碩士在職專碩士在職專班碩士在職專班班班中中

中中華華華華大大大大學學學學

(5)

中文摘要中文摘要中文摘要

中文摘要 --- i

英文摘要英文摘要英文摘要英文摘要 --- ii

誌謝誌謝誌謝誌謝 --- --- iii

表表表表目錄目錄目錄目錄 --- vi

圖圖圖圖目錄目錄目錄目錄 --- vii

第一章第一章第一章第一章緒論緒論緒論緒論

1.1 前言 (Foreword)--- 1

1.2 研究背景及文獻回顧(Background)--- 3

1.3 研究動機(Motivation)--- 4

1.4 論文架構及概要(Outline)--- 5

第第第第二二二章二章章章疊對原理疊對原理疊對原理疊對原理

2.1 微影工程 (Lithography Project )--- 6

2.2 疊對定義

(

Overlay Definition)--- 10

2.3 疊對量測概念及方法( Overlay Measurement Notion and Method)--- 13

2.4 疊對規範及測量定位(Overlay Specification and Measurement Orientation)--- 15

2.4.1 疊對測量定位(Overlay Measurement Orientation)--- 17

2.4.2 疊對向量分析圖(Overlay Vector Analysis Diagram )--- 17

2.4.3 疊對系統參數(Overlay System Parameter)--- 18

2.5 疊對量測機台(Overlay Measure Tools) --- 23

2.6 對準系統 (Alignment Systems) --- 26

(6)

第第

第第三章三章三章疊對控制問題探討與分析三章疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析

3.1 光罩熱膨脹的研究(Reticle Elasticity Compensation) --- 29

3.1.1 光罩熱膨脹的原理(Principle Of Thermal Expansion) --- 29

3.1.2 光罩熱膨脹的計算(Calculation Of Thermal Expansion) --- 30

3.2 光罩熱膨脹的數據分析 (Data Analysis)--- 35

3.3 光罩熱膨脹的補償方式(Reticle Compensation Mode)--- 36

3.4 適用時機及分析結果(The Timing And Results)--- 37

3.5 光罩膨脹補償的實驗結果(Reticle Compensation Experiment Results)--- 39

3.6 光罩補償方法分析改善(Compensation Method to improve) 41

第第第第四四四章四章章章利用高階補正來改善利用高階補正來改善利用高階補正來改善利用高階補正來改善疊對誤差疊對誤差疊對誤差疊對誤差

4.1 HOC 的探討(High Order Correction Discussion) 44 4.2 Alignment 的原理(Alignment Principle) --- 44

4.2.1 HOC 基本原理(Principle Of High Order Correction) --- 45

4.2.2 HOC 的資料分析(High Order Correction Data Model )--- 45

4.3 HOC 的使用方法 (HOC Collection)--- 53

4.4 Grid map 分析 (Grid Map Analysis )--- 53

4.5 高階補正的實驗結果(High Order Correction Experiment Results)--- 55

4.6 高階補正的方法改善(HOC Method to improve)--- 57

第

第五五五章五章章章結論結論結論結論

⁵⁹

參考文獻

參考文獻 ---

60

(7)

第第第

第二二二章二章章章疊對原理疊對原理疊對原理疊對原理

表 2-1 曝光光源分類--- 9 表 2-2 曝光機對準光源及曝光光源對照表--- 28

第第

第第三三三章三章章章疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析

表 3-1 覆蓋誤差參數--- 30 表 3-2 光罩補償相關數值data base範例--- 34

第第

第第四四四章四章章章利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差

表 4-1 K參數補償項分類表--- 45

(8)

第一章第一章第一章

第一章緒論緒論緒論緒論

圖 1-1 2008年國際半導體技術發展藍圖--- 2

圖 1-2 曝光機能力與微影覆蓋疊對的容許值--- 2

第二章第二章第二章第二章疊對原理疊對原理疊對原理疊對原理

圖 2-1 晶圓軌道機-曝光機整合系統--- 6

圖 2-2 track 構造示意圖--- 7

圖 2-3 曝光機構造示意圖--- 8

圖 2-4 微影解像示意圖--- 9

圖 2-5 正常電晶體覆蓋疊及偏移示意圖--- 11

圖 2-6 電晶體覆蓋疊對剖面圖--- 11

圖 2-7 overlay targets示意圖--- 12

圖 2-8 typical overlay marks (targets)--- 12

圖 2-9 疊對量測概念示意圖--- 13

圖 2-10 疊對偏移以及量測訊號示意圖--- 14

圖 2-11 中心線疊對示意--- 16

圖 2-12 邊緣到邊緣示意--- 16

圖 2-13 intra-field terms--- 18

圖 2-14 inter-field terms--- 19

圖2-15(a) overlay wafer term向量分析示意--- 20

圖2-15(b) overlay wafer term向量分析示意--- 20

圖2-15(c) overlay wafer term向量分析示意--- 21

圖2-15(d) overlay wafer term向量分析示意--- 21

圖2-16(a) overlay field term向量分析示意--- 22

(9)

圖2-16(b) overlay field term向量分析示意--- 22

圖 2-17 coherence 疊對量測截面示意圖--- 23

圖 2-18 Archer AIM+ 光學系統示意圖--- 24

圖 2-19 TIS 示意圖--- 25

圖 2-20 對準種類及順序示意圖--- 26

圖 2-21 對準概念示意圖--- 27

第第第第三三三章三章章章疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析

圖 3-1 疊對覆蓋量測示意--- 30

圖 3-2(a) 疊對覆蓋量測示意--- 31

圖 3-2(b) 疊對覆蓋量測示意--- 32

圖 3-3 曝光變動率X magnification計算範例--- 32

圖 3-4 曝光變動率Y magnification計算範例--- 33

圖 3-5 光罩變動率X magnification計算範例--- 33

圖 3-6 光罩變動率Y magnification計算範例--- 34

圖 3-7 光罩熱膨脹數據分析範例--- 35

圖 3-8 光罩熱膨脹數據分析範例--- 36

圖 3-9 光罩補償值模擬200片晶圓曲線範例--- 36

圖 3-10 光罩形變模擬範例--- 37

圖 3-11 光罩形變模擬範例--- 38

圖 3-12 光罩形變模擬示意圖--- 38

圖3-13(a) 光罩連續曝光未補償的X- magnification --- 39

圖3-13(b) 光罩連續曝光未補償的Y magnification--- 39

圖3-14(a) 光罩連續曝光有補償的 X magnification --- 40 圖3-14(b)

圖3-15

光罩連續曝光有補償的Y magnification--- 光罩補償對照組的X、Y magnification ---

40 41

(10)

圖3-16 圖3-17 圖3-18

光罩補償實驗組的X、Y magnification--- 冷卻光罩首批曝光-對照組 --- 冷卻光罩首批曝光-實驗組 ---

42 43 43

第第第

第四四四章四章章章利用高階補正來改善疊對利用高階補正來改善疊對利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差誤差誤差

圖 4-1 圖 4-2

鏡頭匹配的殘差示意 --- offset factors ---

44 46

圖 4-3 magnification factors --- 46

圖 4-4 diamond factors- --- 47

圖 4-5 eccentric magnification factors --- 47

圖 4-6 trapezoid factors --- 48

圖 4-7 fan factors --- 48

圖 4-8 barrel magnification factors --- 49

圖 4-9 accordion factors --- 49

圖 4-10 barrel distortion factors --- 50

圖 4-11 river flow factors --- 50

圖 4-12 wafer term高階形變量測範例--- 53

圖 4-13 正常alignment mark 高階補償模擬--- 54

圖 4-14 異常alignment mark 高階補償模擬--- 54

圖 4-15 wafer term fan factors 未補正--- 55

圖 4-16 wafer term fan factors 高階補正後--- 55

圖 4-17 intra-field未補正--- 56

圖 4-18 intra-field高階補正後--- 56

圖 4-19 overlay full map 及量測值 --- 57

圖 4-20 overlay 棋盤間隔 map 及量測值 --- 57

圖 4-21 實驗組及對照組 overlay殘值向量疊圖 --- 58

(11)

第一章第一章第一章

第一章緒論緒論緒論緒論

1.1 前言前言(Foreword) 前言前言

要完成一個矽晶片的積體電路至少需要用到三十道光罩以上，而在每個圖層結構區做相對應連續的對準行為被稱為覆蓋(overlay)，它被定義為某個基板的幾何形狀，相對應到下一個光罩圖案位置向量之間的差異，其中應用到一系列圖層上的每個步驟並且關係著每個結構設計的相互關聯功能例如：井區形成、場絕緣區、電晶體、連線等，這些結構的設置並不需要完美，但是必須要在一定的公差之內，以電晶體的製造為喻，當閘極(gate)、源極(source)與汲極(drain)在適當的部位做接觸 (contact)即可確保其電性功能正常，若接觸偏移超出所定義的區域，亦即超出規定的公差，使得定義的圖層無法連接或是誤連接，即會導致結構的失效。由 2008 年國際半導體技術發展藍圖(international technology roadmap for semiconductors)所做出的技術評估，如圖 1.1 所示，DRAM 其最高可承受的覆蓋偏差程度被要求控制在世代線寬的 25%以下，而演進到 30 奈米的覆蓋疊對的容許值已到了嚴苛的 6 奈米，

亦如圖 1.2，即使是浸潤式的曝光機能力在 30 奈米的世代也到達了臨界。

誠然，一道光罩步驟是指一個微影技術製程，其中對準與曝光是微影製程中最關鍵的因素；對準系統指的是一連串的環境校準行為，包含了光罩、晶圓平台、晶圓定義的曝光位置，最終的目標是將光罩圖案透過曝光來精確的轉移到晶圓表面的光阻上。而曝光則是指經過光學系統的條件設計來達到所需求的圖形尺寸，其相關的控制參數諸如：光源的種類及能量、數值孔徑與景深、解析度等。在經過多道層疊的微影製程中必然會產生偏差，即為覆蓋誤差(overlay error)，這同時也是最直接影響良率的控制因素之一。所以，如何有效的控制覆蓋誤差，將是改善微影製程非 常重要的研究課題。[1]。。。。

(12)

圖 1-1 2008 年國際半導體技術發展藍圖

圖 1-2 曝光機能力與微影覆蓋疊對的容許值

(nm)

(13)

1.2 研究背景研究背景研究背景研究背景及文獻回顧及文獻回顧及文獻回顧(Background) 及文獻回顧

如前言所述，覆蓋誤差也可能包含了微影工程之外的因素，例如蝕刻率分佈不均或膜厚的不平坦、過度的平坦化研磨造成對準標記(overlay mark)的損毀而導致微影對準失真。若以影響的程度來討論，當微影從光罩轉移幾何圖形到矽晶圓表面的過程中，其實是佔了大部份的覆蓋誤差。而在微影技術的製造步驟中有許多程序如：

晶圓清洗、光阻的應用、曝光前熱烘烤、光罩對準及曝光、顯影、曝光後熱烘烤。

因此，許多的因素可以造成覆蓋誤差；包括光阻塗佈系統環境、曝光機誤差、光罩的準確性、線寬的變化、透鏡組產生的光學形變。在奈米數量級的規格之下，這些程序上的錯誤都會強烈的影響微影技術的製程條件，所以確定覆蓋誤差的原因和控制已經成為半導體製造過程的主要難題。在 20 世紀 80 年代中期，對於制定更準確 的覆蓋模型是重要的研究工作。Perloff [2] 使用六個參數的數學模型，以確定相互 重合產生的誤差，他分解到了在一個平面上的平移、旋轉和擴張誤差。MacMillen 和 Ryden [3] 提出了一種圖像場的位置偏差模型，其中包括所謂的梯形錯誤的透鏡 組產生高階的透鏡組失真。Brink 等人 [4]結合了 Perloff 與 MacMillen 和 Ryden 的 模型，進行了匹配效能的研究工作，該作者的特點為透過內場(intra-field)及跨場 (inter-field)的模型來解釋覆蓋錯誤，這也成為後來出版者用來描述覆蓋錯誤廣泛使 用的方法。基於 Brink 的研究，Lin and Wu [5]利用多元線性回歸的方法，更詳細的 分析覆蓋誤差，包括樣本數的規劃、模型誤差參數的制訂。Fink 等人[6] 發現準確 性和覆蓋扭曲的不確定性，高度依賴採樣點的數量和位置，隨後 Chien 和 Chang[7]

採用基於覆蓋模型模擬推導出一個最優抽樣方案。Miyashiro 和 Fukagawa [8] 模擬 問題找到一個最佳的高階校準調整以達到產量最大化的目的。Cho 和 Lim[9] 提出 了同時對準晶圓和光罩，以減少任何不對的格局造成的錯誤。至目前為止，似乎沒有任何的研究可以完全的解決持續複雜化的微影疊對工程，然而在沒有明確功能可控和不可控的工程參數下，只能解釋其研究的適用性是有限的。

(14)

1.3 研究動機研究動機研究動機研究動機(Motivation)

學生研製此論文基於在半導體製造工作上有九年的經驗，而在微影製程的範疇也琢磨了超過六年的時間。其間歷經了 DRAM 產品的世代微縮，從 90 奈米到 45 奈米，以及目前量產階段的 30 奈米；在每個新世代產品的開發之初所要面臨最多的問題就是疊對量測指標(overlay metrology)所能控制的覆蓋誤差量以及疊對的殘值 (residual)。如何維持疊對控制的安全界限，以及降低重工率(rework rate),也是學生在工作上不斷重覆思考的項目。本文共提出了二項分析：第一項探討了光罩因受熱膨脹而導致光罩上定義的對準標記產生了形變，使得曝光前的對準產生了誤差；又由於光罩的形變量會隨曝光時間或曝光能量而達到飽和，所以可利用 KLA-tencor 量測連續曝光的晶圓片數，再依其所表現出的內場參數(intra-field)來模擬出一近似的光罩受熱膨脹飽和曲線，此飽和曲線再經由程式回饋給曝光鏡頭(lens)做預先的補償，進而改善連續曝光因不同光罩的轉換而由冷卻到受熱飽和產生的形變差異，於本文探討中整理了光罩熱膨脹對微影疊對的關係和補償的方式並加以實驗的數據來說明。第二項分析了透鏡組(lens)所產生的失真(distortion)，我們也可以經由疊對 (overlay)的量測來得到殘值(residual)的大小，此殘值指的是由於透鏡組的失真而導致線性(linear)的內場(intra-field)及跨場(inter-field)參數無法修正其失真，也就是非線性 (non-linear)的部份可以由高階補正 HOC(high order correction)對其失真做回饋修正，進而改善疊對的殘值並提升產品的良率，在本文也討論了如何利用高階補償的 方式來改善疊對控制的誤差並以實驗的數據來佐證[10]- [16]。。。。

(15)

1.4 論文架構論文架構論文架構論文架構及概要及概要及概要(Outline) 及概要

本論文將依照以下章節分別闡述：第二章的部份是敘述疊對(overlay)原理，2.1 節簡單的介紹了微影工程，所謂曝光機整合系統包含了晶圓軌道機(track)及曝光機 (stepper/scanner)。2.2 節描述了疊對的定義，說明疊對在物理上的意義。2.3 節到 2.5 節則描述了疊對量測的概念和量測的方法及量測機台，並提及了 TIS(tool induce shift) 的概念。2.6 節則以簡單的程序方式來說明對準系統(alignment system)，包含了對準的種類及整理列表出對準的光源。第三章則是針對疊對問題的探討，在 3.1 節做了光罩膨脹原理的描述及計算的範例介紹，3.2-3.3 節分別說明了光罩膨脹的數據分析及補償方式。在此章節中討論了光罩的膨脹對曝光的場放大值(magnification)所造成的影響，並研究了相關的數據分析及補償方式，在 3.4-3.5 節分析了適用的時機及結果，最後也提出實驗的結果。第四章是研究了疊對誤差的控制上，可以利用 HOC(high order correction)的補正方法來改善，也整理了非線性補償的 20 種因素型態，在 KLA 量測 model 下可以更準確的針對失真的非線性(non-linear)項進行補正，並利用了(grid map)分析了補正的適用時機，而在實驗的部份也提出了補正的比較結果。第五章則總結了本文中所提出的二項分析。

(16)

第二章第二章第二章

第二章疊對原理疊對原理疊對原理疊對原理

2.1 微影工程微影工程微影工程微影工程(Lithography Project )

微影工程的角色可以簡單的描述為:定義圖形，縮小線寬，及忠實的轉移光罩之圖形至晶片上，定義出正確的圖形，以做為蝕刻或離子佈植之罩幕(mask)。包含圖形，CD (critical dimensions)大小，重合是否對準(alignment)，及是否有缺陷(defect)。

微影製程的三大步驟:

1.光阻覆蓋(photo resist coating):將有機光阻塗在晶片上。

2.曝光(exposure):用曝光機或步進機將光罩上的線路圖曝照在光阻上。

3.顯影(developing):用顯影液(developer)將已曝光的光阻顯影成像。

除了此三大步驟外，微影製程還包括:去水烘烤(dehydration bake)、塗底(priming)、

軟烤(soft bake)及硬烤(hard bake)等步驟以增進微影製程的品質。

晶圓軌道機晶圓軌道機晶圓軌道機

晶圓軌道機-曝光機整合系統曝光機整合系統曝光機整合系統曝光機整合系統

(Track-Scanner Integration System)

圖 2-1 晶圓軌道機-曝光機整合系統

(17)

如圖 2-1 所示為半導體晶圓微影製作過程。機台使用的是晶圓軌道機-曝光機整合系統(track-scanner integration system) 來進行

。。。。

晶圓軌道機晶圓軌道機晶圓軌道機

晶圓軌道機 Track

圖 2-2 track 構造示意圖

track 的主要功能是負責晶圓光阻的塗佈與顯影，簡單來說,建立一個完整 wafer flow 是由三個大項構成 :

(1)unit compare:利用不同 plate 來改變及控制 wafer 表面的溫度,讓主要的 coating 步驟能達到所需要的效果。

(2)parameter table:依據不同的產品而去設定不同的參數,一般來說參照的數值是有依據而建立的。

(3)track configuration:即是主要製程的控制項目,其包含 coater recipe,develop recipe 及 pump recipe.可藉由選取不同的內建 recipe name 來組成一個 wafer flow 。

(18)

曝光機曝光機

曝光機曝光機 Scanner

曝光機的系統主要是將定義好的光罩，以 1: 4 的比例將電路圖形藉由 projection lens (透鏡組)轉移到晶圓上。曝光的過程可簡單的描述為: 光罩對準->晶圓粗對

準->晶圓細對準->焦距偵測->曝光[17]。如圖 2-4 為微影解像技術示意圖，大致上可分為下列幾種:

1. 機台技術: 光源 light source ，與光源的波長有關，例如 λ: I-line 365nm;

KrF 248nm; ArF:193nm，在表 1-1 可分類出目前常用的雷射光源。

2.偏軸照明技術 OAI (off axis illumination) :

利用光圈的變形來達到吸收光強度的效果，以控制所需要的對比(contrast)及景深 DOF (depth of focus)。

3.光罩技術:相位移光罩 PSM(phase shift mask)，光學鄰近效應補正 OPC (optical proximity correction)。

圖 2-3 曝光機構造示意圖

(19)

表 2-1 曝光光源分類

圖 2-4 微影解像示意圖

Name Wavelength (nm) Application feature size (µ

µµm) µ

G-line 436 0.50

Mercury Lamp H-line 405

I-line 365 0.35 to 0.25

XeF 351

XeCl 308

Excimer Laser KrF (DUV) 248 0.25 to 0.09 ArF 193 0.09 to 0.06 Fluorine Laser F2 157 0.06 to 0.03

(20)

2.2 疊對定義疊對定義疊對定義(Overlay Definition) 疊對定義

疊對(overlay)的方式是指兩層的定位與相互考量的 x 和 y 方向，如果所有的疊對層在晶圓上沒有偏移，亦即代表 overlay value=0 ，通常 overlay =0 是目標值。而 overlay value 為量測的數據，其中包含了長度、平面角、放大的分率但在某些特殊的疊對層相互考量之下，也可能使其等於某一個定值。在討論 overlay 時，我們必須先知道某些重要的訊息，例如:使用什麼樣的專有名詞、如何獲得疊對的數值、在總疊對的數值，是由哪些參數構成。

半導體晶片的電路元件設計，需要控制的兩個基本微影製程參數：

1. 關鍵尺寸(critical dimensions) :size of line、spaces、vias。

2. 疊對(overlay )，電路層與層之間的關係特徵。

這些參數都必須控制和監測，以確保電路單元維持設計時所定義之模型。覆蓋疊對的誤差可能由不準確的對準、微影曝光機台的差異、投影鏡頭或是一個不準確的光罩定義水平來造成。若討論從一個光罩定義水平到另一個光罩定義水平，overlay 即是在定義網格上所有點的誤差。當我們討論誤差來描述疊對的參數，如平移 (translation)，旋轉(rotation)，放大(magnification)，以上是為一種系統誤差，其包含扣除殘差(residual)後，所指定的系統組成誤差。半導體的晶片製造過程中，是經由重覆的曝光、顯影、蝕刻及其他的程序，以 DRAM 的製程來說，通常需要 30 道以上的圖層，才能滿足 IC 設計的電路結構，如圖 2-5 所示，電晶體的正常運作，其元件功能的覆蓋疊對必須要相對應，若有疊對的偏移則會造成電性的異常或是誤連接，如圖 2-6 為一個疊對結構的剖面照片。層與層間的疊對關係(overlap)必須要精確的控制，而在符合電性設計的要求下，每一層的允許誤差量可能也有所不同。圖 2-7 示意 overlay mark (targets)由光罩定義在 wafer 的切割道(street)。圖 2-8 示意典型的 mark 設計，在某一圖層中亦可以由光罩定義同時存在三種或以上不同型的 Mark，特別是針對疊對誤差要求極小的圖層[18]。

(21)

圖 2-5 正常電晶體覆蓋疊及偏移示意圖

圖 2-6 電晶體覆蓋疊對剖面圖

(22)

Overlay mark 由光罩定義在每個 shot (field) 與 shot 的間隔區，而此間隔區也是晶片的切割道：

圖 2-7 overlay targets 示意圖

典型的 Overlay mark 大致可分為下列三種樣式，搭配不同的製程可以產生不同的階段差來形成前後層的相對位置，進而可由量測而得知覆蓋疊對的偏移。

圖 2-8 typical overlay marks (targets)

(23)

2.3 疊對疊對疊對疊對測量測量測量測量概念及概念及概念及概念及方法方法方法方法( Overlay Measurement Notion and Method )

圖 2-9 為疊對量測的概念，在疊對的過程中，層與層間有某些方向性的依存，

也就是間接的疊對層同時需要做某種程度上的寬域限制，才不致於被直接疊對層的偏移所影響。我們可藉由 overlay mark 的量測來得知，不同疊對層之間的相對偏移量。也可以由微影製程空間控制的觀念來解釋:

所謂 DiALinCS (dimension alignment link check system)，如圖 2-9 為範例，以元件的 角度來看，製程品質可以由 layer 3 CD(critical dimensions)及 layer2 疊對 layer3 overlay(A1~A3)來決定是否合格，故 CD 愈大(D3)則 overlay budget 愈小(A3)，但 CD 太小(D1)雖然 overlay budget 變大(A1) 但造成 layer1 與 layer3 的電阻太大，因此若能 control layer3 CD 的平均值在一定的範圍內，則相對而言，overlay 的限制規範必須隨之放寬或縮減。

圖 2-9 為疊對量測概念示意圖

(24)

overlay mark 量測偏移的示意如圖 2-10。通常外圍的方框為前層 pattern 定義時所留下，並供給後面定義的 pattern 來做對準偏移的量測，其中內部的方框代表本層的 pattern。若以外框為基準，則可量測出內框相對的偏移量，也就是層與層的疊對經由量測 overlay mark 而計算出偏移量，以達到精準的控制 alignment 所需要修正的數值。

以製程上的定義，更簡化的說明 overlay mark 的意義:

1.藉由量測本層與前層的 overlay mark 相對位置關係, 便可得知真正 pattern 的疊對關係。

2.本層 overlay mark 是指完成 photo process 後所生成的 photo resist mark,前層 mark 則是經過 etch process 所形成的。

3.由於 inner/outer mark 的尺寸及均一性問題,signal contrast 會有強弱的差異.

圖 2-10 疊對偏移以及量測訊號示意圖

(25)

2.4 疊對規範及測量定位疊對規範及測量定位疊對規範及測量定位疊對規範及測量定位

(Overlay Specification And Measurement Orientation)

疊對的規範；根據多次測量一個數字來被使用成”overlay data”，這一統計值可以用幾個方法來計算出，例如:

max – min

mean + 3 sigma

maximum 99.7%

worst X, worst Y

maximum predicted overlay

而定義 overlay 的方式有兩種：如圖 2-11 及圖 2-12

中心線疊對(center line overlay)指的是在量測疊對標記(overlay mark)的誤差計算，是以本層標記的中心線和前層標記的中心線來定義誤差的量測值，此種模式比較不容易受到量測標記品質的影響，同時也是一般機台校正時常用來參考的方式。而其疊對的標記通常是 box in box 的圖形。

邊緣到邊緣疊對(edge-to-edge overlay)，此種模式為目前半導體廠多數使用的定義方式，其量測疊對的標記是屬於(bar in bar)或(frame in frame)的圖形。量測的誤差計算方式是以本層標記的邊緣線和前層標記的邊緣線來定義誤差的量測值，此種量測模式較容易受到量測標記品質的影響，例如標記邊緣的粗糙度(roughness)不佳，而造成訊號的異常或失真。但該模式的疊對標記對於量測機台來說會有比較好的圖形辨識度，因此在量測的程式建立上較為容易並且準確。

(26)

1.中心線疊對(center line overlay)。

圖 2-11 中心線疊對示意

2 邊緣到邊緣疊對(edge-to-edge overlay)。

圖 2-12 邊緣到邊緣示意

image tolerance = critical dimension tolerance , image defined as 15nm+/- 10nm, image tolerance is +/- 10nm.

OL(e-e)=F[OL(cl) +1/ 2ImTol(A) + 1/ 2 ImTol(B)]

(27)

2.4.1 疊對測量定位疊對測量定位疊對測量定位疊對測量定位(

Overlay Measurement Orientation)

疊對測量定位及參數的解釋可以透過內場(intra-field)及跨場(inter-field)的模型來解釋：

內場參數 intra- field parameters：

物理上的意義可以解釋為某一光罩到另一光罩的位移，在定義的網格內(Shot term) 所有量測點表現出的特徵數值。參數由內場來模擬：模型假定所有單位細胞是相同的，並試圖來描述平均的細胞。而非零值通常是由光罩、光罩平台、鏡頭產生誤差所導致。因此也被稱為“場”或“鏡頭”參數。如圖 2-13 及說明各項參數代表的意義。

跨場參數 inter-field parameters：

在晶圓做對準時，會有許多的變因諸如：對準標記的變異程度、對準標記採用的樣本數或其位置分佈的差異，同時也會包含了晶圓載具本身的偏移程度。其參數的確定由跨場模擬:模型假設單位細胞是不同的，並嘗試描述細胞之間的差異。非零值通常是在晶圓端產生，也被稱為“晶圓”或”網格“參數。如圖 2-14 及說明各項參數代表的意義。

2.4.2 疊對向量分析圖疊對向量分析圖疊對向量分析圖疊對向量分析圖(

Overlay Vector Analysis Diagram ) overlay 的向量分析圖：

可以利用晶圓上 field 的取樣量測，或是量測全部的 field 得到的 overlay 原始誤差值，來模擬成向量的分析圖，如圖 2-15(a)(b)(c)(d)所示意，不管是存在 intra field 或是 inter field 的誤差向量，都可以由向量圖形的分佈就可以很輕易的判斷出疊對誤差的種類，這對於疊對誤差的回饋補償是很重要的，因為若包含了非線性即所謂高階項次的疊對誤差，就必須使用高階的補償方式 HOC(high order correct)，才能補正非線性的因素型態，在本文的第四章節，會做更詳細的論述。

(28)

2.4.3 疊對系統參數疊對系統參數疊對系統參數疊對系統參數(

Overlay System Parameter)

intra- field parameters

field 的平移(translation)在平面座標上可分解為 x 方向及 y 方向，在靜態的曝光下(stepper) 可直接得到平移的分量，而動態的曝光(scanner) ，最後的完成的平面也可以得到一個平移的分量。而 z 方向，不考量平移的量在於 z 空間中可分解成無數個 x , y 平面，而 x , y 平面只需要得一個最佳的 focal plan, 也就是最清晰影像的平面。平面的旋轉(rotation)可定義為對稱與非對稱，對稱的旋轉即 x 軸與 y 軸的偏移量相同，方向也相同，而非對稱即 x 軸與 y 軸的偏移量相同但旋轉方向相反。平面的放大(magnification)也可分為對稱與非對稱，對稱的放大指 x 軸與 y 軸的放大量相同，方向也相同，而非對稱即 x 軸與 y 軸的放大量相同但方向相反。在動態的曝光下，也就是 scan 的狀態，若 scan 的方向(即 y 方向)有一個 rotate 量，稱為 scan skew。若我們在向量的分析上看見 field 的 rotation 但每個 field 的旋轉量不一致，

則發生的原因可能是由於光罩平台的定位不佳所造成，可經由校正來改善。

圖 2-13 intra-field terms 示意圖

(29)

inter-field parameters

inter-field 的部份通常是指 wafer random 性的區域，造成該誤差相關的原因例如：晶圓曝光前的對準(wafer alignment)，該圖形的轉移準確性取決於對準標記 (alignment mark) 的品質好壞，或是晶圓平台本身的偏移、晶圓景深、焦距的不適當等等。wafer term 也可歸類為以下幾種：平移(translation)、陣列的放大(scaling)、旋轉(rotation)、非正交誤差(non-orthogonality)。wafer 的平移，對稱性的平移指的是所有的 field 沿 x 或 y 方向偏移相同的量, 而在 wafer term 則沒有所謂非對稱性的平移。陣列放大(wafer scaling)的原因，可能由於晶圓在曝光階段，晶圓平台的位移為不正確的步長而造成累加效應，而 scaling 有單方向的放大，也有對稱性的放大，

即 x、y 方向等量的放大或縮小。wafer rotation 與 field rotation 相同，也是有對稱性與非對稱性。非正交的定義則為 wafer grid 的 x 軸有一個 rotated 的量，但 y 軸沒有。

圖 2-14 inter-field terms 示意圖

(30)

圖 2-15(a) overlay wafer term 向量分析示意

圖 2-15(b) overlay wafer term 向量分析示意

mm mm

mm

(31)

圖 2-15(c) overlay wafer term 向量分析示意

圖 2-15(d) overlay wafer term 向量分析示意

mm

(32)

圖 2-16(a) overlay field term 向量分析示意

圖 2-16(b) overlay field term 向量分析示意 mm

mm

(33)

2.5 疊對量測機台疊對量測機台疊對量測機台疊對量測機台(Overlay Measure Tools)

疊對量測機台為 KLA- Tencor 公司的 Archer AIM 機台，主要支援兩種量測方 式:[19]

(1) bright field microscopy (BFM):

為一般光學系統所使用的標準照明方法，光源為可見光，波長 0.4um~0.7um ，利用收集光照射物體後產生的反射光的資訊來量測。

(2)coherence probe microscopy (CPM):

用來進行三維的圖案量測，CPM 是一種光學成像技術，可以在不接觸的情況下針對次微米物體進行三維的量測。CPM 技術利用 LINNIK 干涉儀收集三維的資訊，同時量測影像的振幅與相位。Archer AIM+光學系統如圖 2-18，其中；tube lens 是負責將晶圓上的影像傳至 CCD ，而 PDA 則是收集光的訊號資訊來調整焦點(focus )。

圖 2-17 coherence 疊對量測截面示意圖

(34)

圖 2-18 Archer AIM+ 光學系統示意圖

PDA

Beam Spliter 1

LINNIK 干涉干涉干涉干涉 Lens

Main Objective Beam Spliter 2

Tube Lens

CCD

Wafer

(35)

理想的疊對量測 ,在晶圓 0 度與轉 180 度的向量只是正負號的差異,TIS(tool induced shift) 值應為 0(長度單位)，當量測 TIS 值不為 0(長度單位)時，以向量的平 均值來做修正，圖 2-19 為一個 TIS 計算的例子。[20]

圖 2-19 TIS 示意圖

TIS = (T0 + T180)/2 = -0.003um ， corrected value = value0 – TIS or

corrected value = (TIS0 – TIS180)/2 = 0.020 – (-0.003) = [0.020 – (-0.026)]/2

= 0.023um

(36)

2.6 對準系統對準系統對準系統對準系統 (Alignment Systems)

對準(alignment)可以討論的層面有許多，而對準系統大致分類為光罩對準(reticle alignment)、晶圓對準(wafer alignment)、載具對準(reticle/wafer stage alignment)、對準光源(alignment source)、光學對準(scope alignment)等等，由於以上所列的各種對準機制其最終的目標就是將光罩的圖形忠實且準確的轉移到晶圓上，這一連串的機制在本章節的討論是以程序的方式來做較為簡易的論述。如圖 2-20 所示，從晶圓進入到曝光機之後，大略的分出對準的種類，並且列出了對準的順序。在本小節會簡單的說明圖 2-20 每一個對準步驟的意義，也順帶的整理出目前各種曝光機使用的對準光源與曝光光源的列表。

圖 2-20 對準種類及順序示意圖

(37)

(1) 光罩粗對準(pre reticle alignment)：主要確認光罩載具上是否有光罩的存在，其光電耦合元件 (charge couple device)所接收的對準光源為 LED

(light emitting

diode)。

(2) 光罩細對準(fine reticle alignment)：利用光罩上定義的對準標記，來確認光罩在載具上的正確位置，同時也進行了光罩載具及晶圓載具的相對位置對準。

(3) 晶圓預對準(pre-alignment)：尋找晶圓上缺口( notch)位置，並且將晶圓轉到定義位置。

(4) 晶圓粗對準(search alignment)：以概括的解釋圖 2-20 中步驟(4)、(5)的意義；藉由小倍率的光學對準(scope)量測出晶圓的偏移量及角度,來做為後續細對準的定位及量測基準。

(5) 晶圓細對準(advanced global alignment)：量測出晶圓上的採樣標記訊號並且計算出 intra-field 及 inter- field 的偏移及分佈，使每一片晶圓的曝光能盡量在同一個基準下完成。如圖 2-21 說明了對準的基本概念。

圖 2-21 對準概念示意圖

(38)

對準及曝光光源：

在 2.1 節表 2-1 已列舉過曝光機依照曝光光源來做分類；如表 2-2 所示為目前曝光機種依照不同機型來對照出其使用的對準光源及曝光光源的列表：

表 2-2 曝光機對準光源及曝光光源對照表

(39)

第三第三第三

第三章章章章疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析疊對控制問題探討與分析

3 33

3.1 .1 .1 .1 光罩熱膨光罩熱膨光罩熱膨光罩熱膨脹脹脹的研究脹的研究的研究的研究 ( (( (Reticle Elasticity Compensation) )) )

機台進行光罩交換後, 使用剛交換之光罩的產品在 chip magnification (intra-field)有 drift 現象或是 jump 現象時，我們可以探討二個方向，其一是由於光罩本身在曝光時的熱膨脹所造成定義圖形的變異，通常容易發生在光罩穿透率比較低的光罩上。

由於光罩的膨脹會直接反映在 chip magnification (intra-field 上 , 此一關係合理相信為一簡單的線性關係，我們可以依 KLA 量測出的 overlay data , 由機台依此值做直接的預先補償; 補償的比例(reticle magnification X : input calculation offset)由操作人員決定 , 所以須針對不同光罩作不同的補償 , 此一數值可由簡單之實驗及計算得出。

3.1.1 光罩熱膨脹的原理光罩熱膨脹的原理光罩熱膨脹的原理光罩熱膨脹的原理 (Principle of Thermal Expansion)

光罩在曝光時會長時間的在雷射光源的照射下，因此在光罩上會因吸收雷射光而發熱，而造成熱膨脹，導致光罩上定義用來對準的標記(VRA mark) 也因此受熱形變，產生對準偏移的效應，而使圖形的重疊準確性（accuracy necessary）降低，故光罩必須為低膨脹係數材料且具備低電阻值特性及高傳導性。

(40)

3.1.2 光罩熱膨脹的計算光罩熱膨脹的計算光罩熱膨脹的計算光罩熱膨脹的計算( Calculation of Thermal Expansion)

在光罩熱膨脹的補償上，回顧到第二章節討論的疊對量測的定位即規範可以了解到各項參數的定義，而在此章節整理出了各項參數的單位，特別是討論了光罩熱膨脹所觀察的內場參數項 magnification，並由此來定義主要參數及 相關的數值項目，以便建立一組 data base [22]。。。。如表 3-1 為覆蓋誤差參數的列舉。

表 3-1 覆蓋誤差參數

再則針對內場參數項 magnification 的量測做說明：

圖 3-1 疊對覆蓋量測示意

(41)

在量測時，每一個 overlay mark 的外框中心點會定義為相對原點(x,y)=(0,0)

在論文中有陳述到二種定義，一種為 center line , 一種為 edge to edge。前者為量兩個框的中心線去測出 dx,dx，後者是量測方框的外緣到外緣的相對誤差量求出 dx,dy，所以每一個 overlay mark 會量測出代表該層與前層所產生的 dx、dy。量測出 dx,dy 之後，假設一片 wafer 採樣 4 個量測位置(shot), 如圖 3-2(a)所示，4 個 shot 的偏移平均來定義出 wafer shift x or y。

圖 3-2(a) 疊對覆蓋量測示意

而所謂 liner error 如圖 3-2(b)示意，其定義為：dx or dy / span (跨距)，以下用 dx 的例子來說明：span 的單位為 mm, 一片 12 吋的晶圓約為 300mm，兩個量測的 mark 跨距定義為 span x，如前所述，為前層所定義的外框中心線到中心線的距離。

liner wafer magnification x = dx / span x

ex：dx =8 nm span x =80 mm

則 wafer magnification = 8 nm / 80 mm = 0.1 nm/mm =0.1 ppm

(42)

圖 3-2(b) 疊對覆蓋量測示意

所以正確的 magnification 的表達單位為 nm / mm，又 nm/mm 為百萬分之一，

其因次相消，故可表示為 ppm。同理 shot magnification，假設一個 shot (field size x:26(mm) y:33(mm)，則 shot magnification x = shot shift x (nm) / field x(mm)。

1. 主要參數：曝光變動率(exposure X,Y)；主要在描述曝光時，lens 本身因受熱膨脹導致與光學對準原點所產生的誤差行為。

圖 3-3 曝光變動率 X magnification 計算範例

(43)

圖 3-4 曝光變動率 Y magnification 計算範例

光罩變動率( VRA X,Y)；光罩會受熱膨脹，而光罩上用來與曝光機做對準使用的 VRA mark 也會因光罩的膨脹而產生對準的誤差，其誤差行為也可以模擬出相對應的曲線。

圖 3-5 光罩變動率 X magnification 計算範例

(44)

圖 3-6 光罩變動率 Y magnification 計算範例

2.相關數值：飽和值(A、B、C 變動率)為光罩膨脹達到飽和所需要的能量，即變動的斜率(由 overlay data 計算出的預估值)、時定數(A、B、C 時間)定義到達飽和所需要的時間(假設連續曝光)如表 3-2：

表 3-2 光罩補償相關數值 data base 範例

(45)

3 33

3.2 .2 .2 .2 光罩熱膨光罩熱膨光罩熱膨光罩熱膨脹脹脹的脹的的數據分析的數據分析數據分析數據分析( (( ( Reticle Elasticity Data Analysis )) ) )

當我們計算光罩熱膨脹的補償值時，需要了解幾個參數，

KLA data : 由 KLA 量測出反應在產品上的 overlay data，通常一批 產品為 25 片晶圓，則必需量測 25 片 wafer 的值。

BCHK (base line check): 機台 recipe 裡面所設定，在連續曝光的狀態下，

可以讓指定的曝光片數，在曝光之前做光罩及晶圓平台的對準，

同時也修正 lens 的相對中心位置。

exposure raw data: 為曝光時每片晶圓的場放大(magnification) 的變動量。

LC exposure data：即為曝光時 lens heating 的曲線。

如圖 3-7 及圖 3-8 為收取實際產品的數據分析圖

圖 3-7 光罩熱膨脹數據分析範例

PPM

曝光片數

(46)

如圖 3-8 為加上光罩對準後的數據

圖 3-8 光罩熱膨脹數據分析範例

3 33

3.3 .3 .3 光罩熱膨 .3 光罩熱膨光罩熱膨光罩熱膨脹脹脹脹的的的補償方式的補償方式補償方式補償方式(Reticle Compensation Mode)

經過數據的分析之後，我們可以得到符合該光罩所應該要補償的值，然後利用曝光機廠商的計算軟體轉換成檔案的格式，再由機台程式做連結選取的動作。通常在光罩補償檔案生成之後，會預先做大量曝光片數的模擬曲線

，其曲線的飽和值會與 KLA 量測的場放大值接近。如圖 3-9 為模擬的範例。

圖 3-9 光罩補償值模擬 200 片晶圓曲線範例 PPM

曝光片數

PPM

曝光片數

(47)

3 33

3.4 .4 .4 適用時機及分析結果 .4 適用時機及分析結果適用時機及分析結果適用時機及分析結果( (( (The Timing And Results) )) )

我們可以很明確的由 KLA 所量測出來的 overlay 結果來判斷是否需要做光罩的補償。在多量的產品趨勢圖(overlay trend chart)中，如果以不同的光罩來區分每個連續 run 貨區段的首批產品，其場放大值 magnification，特別的發散，便可以假設該光罩從冷卻到曝光受熱後有膨脹的形變，若其形變量會超出 overlay 所定義該圖層(layer)的安全規範；那麼此光罩則是相對的需要做膨脹補償修正。而曝光能量的大小也與該光罩的形變有絕對的相關。

如圖 3-10 ，圖 3-11 為模擬光罩 X 及 Y 方向的形變範例，圖 3-12 則是光罩形變的示意圖：

曝光能量: 100 mJ/cm2 ，連續曝光 25 片晶圓。

圖 3-10 光罩形變模擬範例

(48)

圖 3-11 光罩形變模擬範例

圖 3-12 光罩形變模擬示意圖

(49)

3 33

3.5 .5 .5 光罩膨脹補償實驗結果 .5 光罩膨脹補償實驗結果光罩膨脹補償實驗結果光罩膨脹補償實驗結果( (( ( Reticle Compensation Experiment Results)

如圖 3-13(a)及 3-13(b)，我們在未補償光罩膨脹參數得到的數據分析如下：

1. 每批產品為 25 片晶圓，而每批產品取樣量測#1#14#25 作為資料依據。

2. 在 10 批產品中取得 A、B 兩枚光罩連續曝光的量測數據做分析。

3. 我們由量測的 X 及 Y 方向的場放大數據得知：光罩在開始曝光後由於受熱膨脹而有場放大的效應，其現象在該光罩曝光的首批產品最明顯，到了第二批產品之後，膨脹曲線已達飽和。轉換光罩做連續曝光也是出現相同的現象。

圖 3-13(a)光罩連續曝光未補償的 X- magnification

圖 3-13(b)光罩連續曝光未補償的 Y magnification 量測片數/Lot

量測片數/Lot

(50)

如圖 3-14(a)及 3-14(b)，我們做適量的補償光罩膨脹參數後得到的數據分析如下：

1.每批產品為 25 片晶圓，而每批產品取樣量測#1#14#25 作為資料依據。

2.在 10 批產品中取得 A、B 兩枚光罩連續曝光的量測數據做分析。

3.我們由量測的 X 及 Y 方向的場放大數據得知：光罩在開始曝光後受熱膨脹而反應在首批產品的場放大的效應已經被補償。轉換光罩做連續曝光的場大效應也已經得到改善

圖 3-14(a)光罩連續曝光有補償的 X magnification

圖 3-14(b)光罩連續曝光有補償的 Y magnification 量測片數/Lot

量測片數/Lot

(51)

3.6 3.6 3.6

3.6 光罩膨脹補償方法光罩膨脹補償方法光罩膨脹補償方法光罩膨脹補償方法分析分析分析分析改善改善改善改善

((((compensation method to improve) 在例行性大量的數據經驗累積之後，我們可以檢討使用在每一次的補償所需要花費的時間；亦即量測的原始數據收集，是否可以精簡；因此，本小節以實驗來做驗證。而實驗的安排以一組對照組及一組實驗組依其實驗條件對光罩進行補償再比較其補償的結果。

一、對照組條件：

1.需量測整批 lot (25 片)晶圓的原始資料。

2.每片晶圓以採樣 16 個量測位置，而每個位置以 12 個量測點來計算 25 片總共所需的量測時間約為 4(min) x 25(片)= 100(min)

3.光罩補償對照組的數據表現如圖 3-15.

圖 3-15 光罩補償對照組的 X、Y magnification

(52)

二、實驗組條件

1.量測指定片數(1、2、3、4、5、6、7、8、9、10)，此依據為經驗值的判斷光罩由冷卻到熱膨脹飽和所需的曝光時間約相當於連續曝光的第 15 片晶圓之後，但第 10 片之後的膨脹曲度已趨近緩和，故只量測前 10 片。

2.每片晶圓以採樣 16 個量測位置，而每個位置以 12 個量測點來計算 10 片總共所需的量測時間約為 4(min) x 10(片)=40(min)

3.光罩補償實驗組的數據表現如圖 3-16

圖 3-16 光罩補償實驗組的 X、Y magnification 三、數據分析及實驗結果

此實驗組是以量測 10 片晶圓的結果來模擬成對照組的整批 25 片晶圓，所以在時間參數的設定上，是以相等片數比例的時間設定來達到預期的膨脹飽和度。將兩組條件補償後的結果做比較；如圖 3-17 冷卻光罩首批曝光-對照組及圖 3-18 冷卻光罩首批曝光-實驗組，其比較的結果顯示 X 及 Y magnification range 相近(參考規格為

<+-0.2ppm)。故此實驗組的條件方法成立，亦可以用來取代對照組並減少量測時間約 60min；此時間是指每一個光罩補償所需要數據資料的量測時間。

(53)

圖 3-17 冷卻光罩首批曝光-對照組

圖 3-18 冷卻光罩首批曝光-實驗組

(54)

第四第四章第四第四章章章利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差利用高階補正來改善疊對誤差

4 44

4.1 .1 .1 .1 HOC HOC HOC HOC 的探討的探討的探討( 的探討 (( (High Order Correction Discussion) )) )

在新的技術演進過程中，往往會面臨高疊對殘留(overlay residual)的問題，而疊對殘留也會造成大量的重工率(rework rate) , 使得產品的成本提高，以及生產效能降低；

所以我們探討 HOC 的目標，不外乎是要能夠快速的找到高殘留問題的根源，同時也是解決此問題最經濟有效的方法之一，並且能適用在大規模的生產環境。[23]

如圖 4-1 示意兩個鏡頭在 intra-field 互相匹配由 overlay 所顯示出的殘差。

圖 4-1 鏡頭匹配的殘差示意圖

4 44

4.2 .2 .2 .2 對準的原理對準的原理對準的原理對準的原理( (( (Alignment Principle) )) )

為了符合設計所要求的曝光位置及尺寸，且要與前一層圖形有覆蓋位置的依存性，所以必須在曝光之前，進行所謂的對準(alignment)。除了各部元件的自我對準如：reticle alignment、stage alignment，以及利用所定義的 alignment mark 來使晶圓與 lens 到達欲曝光的位置準確度如： wafer alignment 。而在對準的機制上，大致可分為二大類：

1.FIA : (field image alignment)

是利用白色之鹵素光源打在 search mark 上,由 CCD camera 接收而產生訊號。 2.LSA : (laser step alignment)

是利用 He_Ne laser 針對 search mark 以 search 之方式產生繞射光由 sensor 所接收, 進而產生訊號。在 2.6 節表 2-2 已列舉了曝光機對準光源及曝光光源的對照。

mm

(55)

4 44

4.2.1 .2.1 .2.1 .2.1 HOC HOC HOC HOC 的原理的原理的原理( 的原理 (( (Principle of High Order Correction) )) )

當我們完成了制定的對準程序，並進行了曝光，我們形容 overlay 的狀態是達到了一個線性的補償(linear mode)。然而，overlay 的訊息如 inter-field(wafer term) 或 intra-field (shot term) 若包含了像差 (aberration)的影響，亦即晶圓的 real grid map，

並非呈現理想的線性狀態，那我們就必須使用到高階補償的模式來修正偏移的部份。而高階補償代表的是非線性，以 overlay data 中的殘值 (residual)，再配合 real grid map 的模擬，給予偏移進行修正補償。

假設線性的補償定義為一階的運算模式，指的是在 wafer alignment 時得到的 random factor 以一階的運算公式給予補償，那麼 2 階、3 階就以此類推。在本章節 的討論將會以 3 階為主。[24][25][26]

4 44

4.2.2 .2.2 .2.2 .2.2 HO HO HO HOC CC C 的資料分析的資料分析的資料分析( 的資料分析 (( ( High Order Correction Data Model )) ) )

在高階補償的 data 分析中，我們定義一個形變參數 K*，每一種的形變所造成的 offset 便定義成一個 K 參數；在傳統的線性補償項，其 x 或 y 多項式為 1 次方，

而當補償項 x 或 y 提升到 2 次方或 3 次方時，則稱為高階補償。以下我們先將 K 參數分別整理為表格以及圖示來說明：

1.高階補償項 K 參數可分類為 10 種，再區分為 x 及 y 方向所以共有 20 種因素型態。

2.10 種類的 K 參數我們整理成為表 4-1：

表 4-1 K 參數補償項分類表

(56)

3.如圖示 4-2~4-11 我們可對照出 K 參數的 20 種因素型態：

圖 4-2

offset factors

圖 4-3

magnification factors

(57)

圖 4-4

diamond factors

圖 4-5

eccentric magnification factors

(58)

圖 4-6

trapezoid factors

圖 4-7

fan factors

(59)

圖 4-8

barrel magnification factors

圖 4-9

accordion factors

(60)

圖 4-10

barrel distortion factors

圖 4-11

river flow factors

(61)

4.在定義出 20 種 K 參數的因素型態後，則高階補償的數學多項表示式如 4-1 的描述：在 1 次方及單一變數的補償時我們只做了線性(linear)的補償，當補償項升到 2 次方及 3 次方且非單一變數的補償時，便是指高階的補償。而在 wafer term 及 shot term 的補償上，兩者的多項式 model 是幾乎相同的。

wafer term( inter-field)

其中：△X 和△Y 表示分別在 x, y 方向產生的覆蓋錯誤，在 inter field X 和 Y 的坐標中心，相對於晶圓中心。而其補正的計算公式可表示為 4-1 式：

4-1 式 wafer term( inter-field) 補正計算公式

(62)

shot term (intra-field)

其中：δX 和δY 表示分別在 x, y 方向由 intra-field 疊加所產生的覆蓋錯誤。R 表示為由前一層與本層 intra-field 覆蓋疊對修正後的殘餘量(residual)，也稱之為不可補償量，而其補正的計算公式可表示為 4-2 式：

4-2 式 shot term( intra-field) 補正計算公式

(63)

4 44

4.3 .3 .3 .3 HOC 的使用方法的使用方法的使用方法( 的使用方法 (( (HOC Collection) )) )

HOC 的各項補值，是晶圓圖層完成對準曝光後，由 KLA 量測機台量測定義的 overlay mark 而得到的補償參考數值，再將此參考數值輸入到指定的生產程式來做形變或殘值的補償。如圖 4-12 為 KLA model(Canon)實際量測的 HOC 的範例。

圖 4-12 Wafer term 高階形變量測範例

4 44

4.4 .4 .4 .4 Grid Map 分析分析分析( 分析 (( (Grid Map Analysis) )) )

由於 alignment 的結果必須取決於 alignment mark 的訊號計算反饋，所以當我們要使用 HOC (high order compensation)來改善疊對的控制，同時還要確認一項重要的因素，就是 alignment mark 本身的正確性；通常指的就是 mark 在整個晶圓分佈上的一致性。而會造成 alignment mark 有訊號上的差異，不外乎就是微影以外的製程，

諸如：蝕刻(etching)、化學機械研磨(CMP)、薄膜成長(thin film)、爐管熱製程(furnace) 等等…..若上述的製程發生異常，則有可能造成 alignment mark 的變異，而 mark 在晶圓上局部性或是整面性的分佈差異，都會造成計算結果的誤差。本節我們以 grid map 的例子來分析討論。

(64)

由圖 4-13 及圖 4-14 的 grid map 模擬範例可以看出，當 alignment mark 發生變異，

尤其是當晶圓的外圍條件與晶圓面內的條件已經有明顯的差異性存在，而造成 alignment 的計算反饋值不準確，且在 grid map 的模擬下與正常的狀態比較，可以輕易的判斷 HOC 的補償時機，亦即應該先解決 alignment mark 造成的反饋異常，

而不是以異常的反饋值去做 HOC 的補償。

圖 4-13 正常 alignment mark 高階補償模擬

圖 4-14 異常 alignment mark 高階補償模擬

(65)

4 44 4.5 .5 .5 高 .5 高高高階補正的實驗結果階補正的實驗結果階補正的實驗結果階補正的實驗結果 (High Order Compensation Experiment Results)

1.

wafer term(inter-field)

高階補正實驗如圖 4-15 及圖 4-16 ，在圖 4-15 我們可以對照出為典型 K*參數裡的 fan factors(參照圖 4-7)，且 x 及 y 方向皆有形變。在圖 4-16 中我們做了 K11 及 K12 的補償亦即 x 及 y 方向的 2 次方補正後，其形變量有了明顯的改善。

圖 4-15 wafer term fan factors 未補正

圖 4-16 wafer term fan factors 高階補正後 mm

mm

(66)

1.

shot term(intra-field)

高階補正實驗如圖 4-17 及圖 4-18。在圖 4-17 的 intra-field 中存在了 trapezoid +

barrel magnification+

barrel distortion factors(參照圖 4-6，

4-8，4-10)。在圖 4-18 中我們做了 K7 +K13+ K17 的補償亦即 x² +

x

³+

xy

²方向的補正後，其形變量有了明顯的改善。

圖 4-17 intra-field (eccentric+

barrel distortion)未補正

圖 4-18 intra-field (eccentric +

barrel distortion)高階補正後 mm

mm

(67)

4.5 4.5 4.5

4.5 高高高高階補正的階補正的階補正的階補正的方法改善方法改善方法改善方法改善 (HOC Method to improve)

在分析 inter-field 或 intra-field 的網格特徵時，通常是量測晶圓上定義的所有

shots，雖然量測所獲得的 overlay 及 residual 資料較為完整，但量測的時間耗費較長。在考量時間上的節省，本小節以採樣量測的實驗來與對照組做結果的比對。

一、對照組條件：如圖 4-19，量測 full map 以及其量測值

圖 4-19 overlay full map 及量測值

二、實驗組條件：如圖 4-20，量測棋盤間隔 map 及其量測值

圖 4-20 overlay 棋盤間隔 map 及量測值

(68)

三三

三三、、、、數據分析及結果驗證：

由對照組及實驗組的量測值比對，其各項的高階 k 參數值差異都非常接近，因

此也實際將此量測之高階參數予以補正後，再將兩組 grid map 做疊圖比對其殘值向量(向量單位為 1cm 比例尺=10nm)，由疊圖結果得知其差異非常小。故此實驗組條件可適用於需經常性重覆做高階補正之狀況，以節省大量的量測時間。

圖 4-21 實驗組及對照組 overlay 殘值向量疊圖 (10nm) 向量比例尺

(69)

第五第五第五

第五章章章章結論結論結論結論

本文在探討半導體微影製程疊對控制及問題研究，其中提出了二項分析；在研究疊對量測的變因下，考慮當光罩因受熱而膨脹時， chip magnification ( intra-field) 會有 drift 或是 jump 的現象，且此光罩的形變量可以藉由疊對量測的 overlay data 做為依據，來預先補償給 lens。當產品的某圖層(layer)需求光罩膨脹預補時，我們假設 lens heating 的部份已經做好補正，故光罩的補償值只針對光罩而不包含 lens；同時也意謂該 layer 所使用的曝光量較高。

第二項提出的分析則是使用 HOC (high order compensation)來改善當曝光對準時疊對的網格特徵所留下的殘值(residuals)，為了降低疊對的殘值，也是利用 KLA model 來量測出所定義的形變項的變異值，再寫入產品程式而達到對準補償的效果。而 HOC 的使用時機，本文也提出了來自 alignment mark 本身的異常而導致對準運算值異常的部份，當然在排除其他製程因素而造成 mark 異常的問題之前，HOC 是不適合直接使用在產品上的。

在目前的半導體產業中，微影工程雖然有曝光機台廠商的區分，主要為 ASML 及 NIKON 二家，而在硬體及專利的設計上雖然有諸多的不同，但回歸到疊對誤差 (overlay error)的問題上，其解決的方法及原理還是可以整理出一個共通的模式。在定義上也許方法功能及名詞不同，但其依據的還是 KLA model 量測而得到數值，若分析其原始的數據，或有數值正負符號的差異；但微影疊對控制的大方向，仍是符合本論文所整理出的二項分析

(70)

參考文獻

[1]Yibo Jiao and Dragan Djurdjanovic “Stochastic Control of Multilayer Overlay in Lithography Processes” Proc. IEEE (2011)

[2]D. S. Perloff, “A four-point electrical measurement technique for characterizing mask superposition errors on semiconductor wafer,”IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 13, no.

4, pp. 436–444, Aug.(1978).

[3]D. MacMillen and W. D. Ryden, “Analysis of image field placement deviation of a 5×microlithographyic reduction lens,” in Proc. SPIE Opt.Microlith., vol. 334., pp.

78–89.(1982).

[4] M. A. Brink, C. G. M. Mol, and R. A. George, “Matching performance for multiple wafer steppers using a advanced metrology procedure,”Proc. SPIE: Integr. Circuit Metrol. Inspection Process Control II, vol.921, pp. 180–197, (1988)

[5] Z. C. Lin and W. J. Wu, “Multiple linear regression analysis of the overlay accuracy model,” IEEE Trans. Semicond. Manuf., vol. 12, no.2, pp. 229–237, May (1999).

[6]I. Fink, N. Sullivan, and J. S. Lekas, “Overlay sample plan optimization for the detection of higher order contributions to misalignment,” Proc.SPIE: Integr. Circuit Metrol. Inspection Process Control VIII, vol. 2196,pp. 389–399, May (1994) [7]C. F. Chien and K. H. Chang, “Modeling overlay errors and sampling strategies to

improve yield,” J. Chin. Instit. Ind. Engineers, vol. 18, no.3, pp. 95–103, (2001).

[8]R. Miyashiro and Y. Fukagawa, “Optimization of alignment in semiconductor lithography equipment,” Precis. Eng., vol. 33, no. 4, pp. 327–332,Oct.(2009).

[9]K. H. Cho and J. T. Lim, “Synthesis of fault-tolerant supervisor for automated manufacturing systems: A case study on photolithographic process,” IEEE Trans.

Robot. Autom., vol. 14, no. 2, pp. 348–351, Apr.(1998).

[10] John H. Brunmg “Optical Lithography - Thirty years and three orders of magnitude, the evolution of optical lithography tools”, , Proc. SPIE 3050, 24 (1997)

[11] Shinji Wakamoto,Yuuki Ishii, Koji Yasukawa, Shinroku Maejima, Atsuhiko Kato, John C. Robinson, and Dong-Sub Choi, “A System to Optimize Mix and Match Overlay in Lithography”,Proc. SPIE 6922, 69222V (2008)

[12]E.Rouchouze, et.al., "In-Line Overlay Measurements for Advanced Photolithography", Proc. SPIE 2725, 331 (1996)

[13]N.T.Sullivan, "Semiconductor Pattern Overlay, Handbook of Critical Dimension Metrology and Process Control”,SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, (1994)

中 華 大 學 碩 士 論 文