TW201538960A - 半導體製程系統及方法 - Google Patents

Abstract

一系統，包括用以保持一半導體晶圓於其上的晶圓載台。一可移動的溫度感測器陣列被配置成可移動至晶圓載台表面上方的複數個不同位置，以分別在該些不同位置上對應地進行複數個溫度量測。基於前述溫度量測，一控制器可確定針對該半導體晶圓或配置在該半導體晶圓上的光罩之一預期的熱變形。

Description

晶圓或光罩熱變形之測量技術

在過去的四十年中，積體電路的密度由於被稱之為摩爾定律的關係而增加。簡單地說，摩爾定律宣稱大約每18個月，積體電路(IC)的晶體管數量會增加一倍。因此，只要在半導體行業能夠繼續堅持這個簡單的「定律」，則積體電路翻倍的速度和功率大約以18個月為周期。在很大程度上，此種在晶片速度和功率上的顯著提升，開創了當今的資訊時代。

不像真正的法律，其無關乎人類的活動而永遠成立，摩爾定律唯在不斷克服與之相關的技術挑戰的創新下才能持續成立。光學疊對量測(optical overlay metrology)的進步，它允許在IC上圖案化層之間進行極其精確的疊對量測，並持續發展以使摩爾定律得以維持成立。光學疊對量測可以量測一上方圖案化層(例如光阻層)和一下方圖案化層(例如介電層或金屬層)的對位精確度。舉例而言，如果一個工件中包含的層是沒有對準的，則未對準的層可以被重新加工以校正此對準誤差。例如，一個沒有對準的光阻層可能會剝離，而一個新的光阻層可被施加並重新暴露在校正對準的情況下，藉以達到積體電路圖案的精確對位。

本發明的內容最好在閱讀時配合附圖，並由下面 的詳細描述中理解。要注意的是，根據在業界的標準做法，各種特徵並非按比例繪製。實際上，各種特徵的尺寸可以任意增加或減少，以助於進行討論時的釐清。

第1A-1D圖表示對準標記之間產生疊對偏移的上視圖。

第2圖表示由晶圓中之晶片產生對應之錯位向量的疊加，其中錯位向量可能是由於光罩和/或晶圓在製程中的溫度變化所導致。

第3圖表示在一些實施例中包含了可移動的溫度感測器陣列之半導體製程系統。

第4A-4C圖描繪出在一些實施例中可移動的溫度感測器陣列如何移動的例子。

第5圖表示在一些實施例中包含了可移動的溫度感測器的半導體處理系統。

第6圖係透過流程圖的型態表示在一些實施例中利用可移動的溫度感測器之方法。

以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例，以實施本發明的不同特徵部件。而以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化本揭露內容。當然，這些僅為範例說明並非用以限定本發明。例如，若是以下的揭露內容敘述了將一第一特徵部件形成於一第二特徵部件之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵部件與上述第二特徵部件是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的特徵部件形成於上述第一特徵部件與上述第二特徵部件之間，而使 上述第一特徵部件與上述第二特徵部件可能未直接接觸的實施例。另外，本揭露內容在各個不同範例中會重複標號及/或文字。重複是為了達到簡化及明確目的，而非自行指定所探討的各個不同實施例及/或配置之間的關係。

隨著幾何尺寸不斷縮小，在積體電路(IC)中的各層之間達到極度精確的對準變得越來越重要。對準標記係用於量測覆蓋在半導體工件圖案間的偏移。最常用的疊對對準標記是正方形，通常被稱為疊對量測(bar-in-bar)標記，一些例子係揭示於圖1A-1D。圖1A-1D揭示了疊對量測標記100具有內側和外側條狀標記102、104，分別設置在上層和下層。例如，前述外側條狀標記104所設置的下層可以是半導體基板、金屬層、介電層或任何其它層或複數層；而在內側條狀標記102所設置的上層則例如可以是一光阻層或其它遮罩層。雖然疊對量測在這裡所討論的條狀對準標記是為了解釋的目的，然而應該瞭解的是，也可以使用其他各種類型的對準標記，並且本發明不以任何方式限定疊對量測對準標記(bar-in-bar alignment marks)。

圖1A揭示了一疊對量測標記100的的上視圖，其中所述內側條狀標記102及外側條狀標記104沒有疊對偏移(overlay-offset)。此即意味內側條狀標記102(例如可形成於位在上方的光阻層)在通過顯微鏡觀察時，可精確地位在下方的外側條狀標記104(例如形成於位在下方的介電層或金屬層)中央。因此，如圖1A中的標記102、104所示，上層和下層在此視角下係明顯地完全對齊。

儘管圖1A揭示出了各層是彼此對齊的例子，但這 些層在實際情況中可能並未對齊而會有所偏移。例如，圖1B揭示一個在X方向疊對偏移的例子(請參照OL_x，其中前述上層不被預期地朝左方偏移一距離OL_x)，圖1C則是揭示出了在Y方向疊對偏移的一個例子(請參照OL_y，其中前述上層不被預期地朝上方偏移一距離OL_y)。此外，還可能產生各層之間的偏斜或轉動，如圖1D所示(請參照OLφ，其中前述上層是不被預期地旋轉一角度OLφ)。理想的情況是，在晶片上的每個對準標記被完全對齊，如圖1A所示，然而在實際情況中有一定程度的錯位，其可以是一種或多種前述偏移的組合。

如圖2所示，半導體晶圓200包括在其表面上且以格子狀形式配置的晶片202陣列，錯位或疊對偏移可能針對不同的晶片而有所差異，特別是圖2中所繪示的錯位向量204會在晶片202產生疊加。在圖示的例子中，每一個錯位向量具有一方向，其係針對一已知晶片產生在x方向疊對偏移和y方向疊對偏移的疊加效應，而且前述兩個層之間的錯位幅度對於該晶片而言具有一大小值。因此，會出現具有較長錯位向量的晶片，例如具有錯位向量204a的晶片202a。在本實施例中，位在靠近晶圓中心的晶片相較於位在晶圓外側周圍的晶片傾向於具有較小的錯位向量。

導致這種在晶圓200上產生錯位變化的一個潛在原因係肇因於在製程中晶圓200上所產生的局部熱變形，這可能導致晶圓部分區域相對於其它區域產生體積或熱的膨脹或收縮。例如，當光穿過一個光罩去撞擊一個晶片區域202，一開始係撞擊晶片以形成在其上的光刻圖案，但由於光會導致在 晶圓表面上不均勻的加熱，晶片初期可能呈現出一種溫度梯度圖案。因此，即使一開始由該光刻圖案所提供的圖案是「完美的」，但由於晶圓200上的局部溫度差異，故當晶圓隨後從光刻系統中移開時，該晶圓可能被「冷卻」或「加熱」，使得圖案化的光刻特徵從最初所形成的「完美」光刻圖案到最終產生熱變形。類似地，當光通過光罩時，光罩本身會經歷到局部熱變形，因而其成像特性可能因為熱變形而改變。這些產生局部熱變形的效應可能導致對應產生的平移或旋轉失真圖案被轉印到晶片上。

儘管一些傳統方法可能會嘗試在光刻過程中提供針對光罩(reticles)的溫度分佈，然而在這些方法中所使用的溫度感測器係保持固定在整個光刻過程中。因此，在這些方法中，光罩必須被移出照射路徑才得以進行它的溫度分佈量測，接著在溫度分佈量測之後又必須再將光罩移回到照射路徑中以進行光微影技術的曝光程序。這類移動可能導致針對光罩所量測到的溫度分佈偏離了光罩實際上經歷光刻曝光程序所呈現出來的溫度分佈。因此，由於溫度的變化，可能產生無法精確解釋的光罩失真。此外，光罩的移動也可能導致機械公差所產生的錯位(misalignment)，且其可累加至各層間的錯位。

有鑒於此，本發明主要係涉及晶片和/或光罩的熱變形量測，特別地是，此技術提供了一種可移動的溫度感測器，可以量測光罩和/或晶片的溫度分佈，這種可移動的溫度感測器可提供較以前更能獲得精確溫度分佈的量測。

圖3表示一些實施例中的半導體製程系統300，該 系統300包括一照射源302，用以提供沿著光軸304之光線，其與可移動的晶圓載台306相交於一位置，且一晶圓308係設置於該位置。一光罩載台310選擇性地對準光軸304，以保持一光罩312於其上，一旦光線從照射源302穿過第一光學組件314、光罩312以及第二光學組件316，光罩圖案即可被形成在半導體晶圓308上。此光罩圖案可以刻印於晶圓308上的光阻層，以允許光罩圖案被轉印到前述晶圓308。

為了有助於確保光罩被精確地對齊並/或具有精確的特徵形狀，該系統300包括可移動的溫度感測器陣列318，其包括多個設在安裝元件322上的溫度感測器元件320，且溫度感測器陣列318被配置成在控制器324的控制下而移動到晶圓308和/或光罩312表面上的多個不同位置，並且進一步地被配置為可對應在前述多個位置上進行多個溫度量測。基於前述多個溫度量測，控制器324可確認晶圓308和/或光罩312的溫度分佈及所預期的熱變形，進而可決定相應的處理對策。

在一些實施例中，晶圓載台306、光罩載台310和/或光學組件314、316可被固定在適當的位置以利於限制錯位產生。晶圓載台306、光罩載台310和溫度感測器陣列318係構成使其每一個感測器對齊光軸304，進而使可移動的溫度感測器陣列318能確定針對晶圓308之一第一溫度梯度分佈以及針對光罩312之一第二溫度梯度分佈。

在其他實施例中，晶圓載台306、光罩載台310和/或光學組件314、316可被固定在適當的位置以利於限制錯位。於一些情況下，第二光學組件316是可移動的。特別地是，第 二光學組件可在控制器324的控制下選擇性地從位在光軸304外之一第一光學組件位置移動到位在光軸304上之一第二光學組件位置。於一些情況下，當第二光學組件316離開光軸304時，可移動的溫度感測器陣列318可同時擷取針對晶圓308和光罩310的溫度分佈。

圖4A-4C顯示在若干實施例中各種運動方式上視圖，其可由圖3A中可移動的溫度感測器陣列318來實現以進行溫度分佈量測。圖4A繪示的例子為一可移動的溫度感測器陣列400，其包括若干被間隔設置於一長度L的溫度感測器元件(例如，402a，...，402h)，且長度L約等於晶圓的直徑d或光罩的最大長度(未圖示)。在圖4A的實施例中，可移動的溫度感測器陣列400係在單一線性掃描路徑406上的數個位置(例如，406a，...，406h)採取一系列的溫度量測，藉此得以建構出整個晶圓404和/或整個光罩的溫度分佈。在一些實施例中，前述溫度感測器元件(例如，402a，...，402h)可包括紅外線光電二極體(infrared photodiodes)。

在如圖4B所示的其他情況下，可移動的溫度感測器陣列420可包含較少的溫度感測器元件，該些溫度感測器元件於一長度被間隔設置，且該長度小於晶片的直徑d和/或小於最大的光罩長度。在本實施例中，溫度感測器陣列420係掃描晶圓上的單個線性區段(例如，以列的方式掃描)，然後再移動到下一個相鄰的線性區段並對其進行掃描，並依此類推，直到晶圓的整個表面都被掃描過。

此外，在圖4C所示的其他情況下，溫度感測器陣 列440也可以具有數量足夠多的二極體，其中在一給定時刻由溫度感測器陣列所感測成像的區域係對應於由晶圓404的圓周邊緣所界定的整個晶圓區域。圖4A-4C所示的這些溫度感測器陣列提供了在權衡精確的溫度分佈量測和成本考量之間的不同選擇。

在一些實施例中，晶片和/或光罩可以在光刻程序之前先進行完全的熱成像。然而，在其他實施例中，諸如圖4B所示，可移動的溫度感測器陣列420和光罩也可以透過協同並行的方式(concurrently in coordinated fashion)以進行整個光刻程序。例如，在一些實施例中，僅有晶圓進行熱成像(亦即，光罩未進行熱成像)，其中熱感測器陣列420會擷取某一個晶片位置的熱影像，並且當熱感測器陣列移動到下一個晶片位置時，光罩會被定位在先前的晶片位置，並在該晶片位置形成光罩的圖案。因此，光罩可以「尾隨(trail behind)」在熱感測器陣列之後，並以鎖定、逐步(step-wise)的方式完成整個溫度分佈量測和光刻程序。於其他實施例中，晶片和光罩皆被執行熱成像，其中溫度感測器陣列420可被設置於光罩下方與晶片位置上方(如圖3所示)，接著光罩和晶片位置的熱影像可以同時被擷取，接著可再將光罩移動到下一個晶片位置上方，以進行該晶片位置處的光刻程序。在其它實施例中，溫度感測器陣列可擷取一晶片位置的熱影像，接著回頭掃描並擷取配置在前一個晶片位置處的光罩之熱影像；然後，再前進移動回到原本晶片位置上方，並且同時藉由已經進行過熱成像的光罩轉印圖案到前一個晶片位置。其它類型的協調運動也是可能的。

如圖5所示，為了提供適當的動作，可移動的溫度感測器陣列318包括第一對平行軌道502a，502b，其延伸於晶圓載台306和晶圓308之上，一安裝元件322耦接該對平行軌道，並可在控制器的控制下沿著該對平行軌道而於多個不同的位置之間移動。溫度感測器陣列320a被安裝在安裝元件322上，用以執行在控制器的控制下所進行的溫度量測。

如圖5所示，光罩載台310可以透過一對平行的軌道504a、504b來支撐，其延伸在晶圓載台306和晶圓308上方。光罩載台耦接一對平行軌道504a、504b，並具有一光罩接合面以承接光罩。光罩載台310係在控制器的控制下沿著這些軌道504a、504b移動。

圖6揭示一些實施例中之方法600的流程圖。在前述方法中，半導體晶圓係在步驟602被提供。

在步驟604中，光罩被移動到半導體晶圓表面上的複數個不同位置，且一光罩圖案係對應於每一前述不同位置而被提供至半導體晶圓的表面上。

在步驟606中，溫度感測器陣列被移動到半導體晶圓表面上方的複數個不同的位置，並在在該些位置上對應地執行複數個溫度量測。

在步驟608中，根據前述複數個溫度量測，可確認晶圓和/或光罩的一個預期的熱變形。

雖然前述一些實施例中的光刻系統已被揭露(如圖3所示)，但本發明中所述可移動的溫度感測器陣列並不限於光刻系統，其也可配合化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉 積(PVD)等元件使用。在這些實施例中，控制器可配置成基於已確定的熱梯度分佈來調整CVD或PVD元件的沉積特性。例如，該控制器可藉由一個加熱元件配合多個分佈在晶圓上不同區域的發熱元件，以提供晶片的局部加熱或冷卻，進而抵消已知的熱梯度分佈並達到整個晶圓的溫度均勻。在一些實施例中，除了光罩之外，CVD或PVD元件也可以被包含在光學組件和照射源中。然而，在其他實施例中，也可以僅包括CVD或PVD元件，其可搭配可移動的溫度感測器陣列、晶圓載台和控制器並且封閉在真空腔室內，而沒有在圖3中所描繪的光刻元件。因此，依據不同的實施態樣，可移動的溫度感測器陣列可用於光刻製程以呈現出晶片和/或光罩的熱變形；又或者，亦可在其它製程步驟中使用，例如在PVD或者CVD的場合中使用，以有助於確保和溫度相關的製程步驟在晶圓表面上被均勻地進行。

如以上所描述的，本發明主要係涉及晶片和/或光罩的熱變形量測。具體而言，本發明提供了一個可移動的溫度感測器，用以量測光罩和/或晶片的溫度分佈。這種可移動的溫度感測器可提供比以前更精確的溫度分佈量測。

前述一些實施例更涉及一種系統，包括用於保持半導體晶圓在其上之晶圓載台。一可移動的溫度感測器陣列被配置成可移動於晶圓載台表面上方的複數個不同位置，並可在該些位置上對應地進行複數個溫度量測。基於該些溫度量測，一控制器得以確定一個預期的熱變形。

至於其它實施例則涉及一種系統，包括用於保持 半導體晶圓在其上的晶圓載台。一照射源提供的光係沿著光軸行進，以使光撞擊到晶圓載台上保持半導體晶圓之一位置，一可移動的光罩載台選擇性地自前述光軸外之一第一光罩位置移動一光罩至位在前述光軸上之一第二光罩位置。一光學組件聚焦已通過光罩之光線，並使其照射在該晶圓載台上保持晶圓的位置，一可移動的溫度感測器陣列移動於晶圓載台表面上方的複數個不同位置，並在分別複數個位置上對應地進行複數個溫度量測。基於所述多個溫度量測，一控制器得以確定光罩或半導體晶圓上的一個預期的熱變形。

又，其它實施例中亦涉及到方法。在該方法中，半導體晶圓被提供。一光罩被移動到半導體晶圓表面上方的複數個不同的位置。針對每個不同位置，一光罩圖案被施加到半導體晶圓的表面上。一溫度感測器陣列被移動到半導體晶圓表面上方的複數個不同位置，且分別在前述複數個位置上對應地進行複數個溫度量測。基於前述多個溫度量測，一控制器得以確定光罩或半導體晶圓上的一個預期的熱變形。

藉由前述概括幾個實施例的特徵，使得本領域技術人員可以更佳地理解本發明的各個面向。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地使用本發明作為設計或修改其他過程和結構以實現相同目的和/或達成前述實施例中所述相同優點的基礎。本領域中的技術人員也應該認識到，這樣的等效構造不偏離本發明的精神和範圍，並且它們可以在不脫離本發明的精神和範圍前提下進行各種改變，替換和更改。

Claims (19)

1. 一種系統，包括：一晶圓載台，用以保持一半導體晶圓於其上；一可移動的溫度感測器陣列，配置以移動到該晶圓載台之一表面上的複數個不同位置，並分別在該些不同位置對應地進行複數個溫度量測；以及一控制器，用以基於該些溫度量測以確定該半導體晶圓或配置於該半導體晶圓上方之一光罩的一預期的熱變形。
2. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該可移動的溫度感測器陣列包含：一第一對平行軌道，延伸於該晶圓載台上方；一安裝元件，耦接該第一對平行軌道，並在該控制器的控制下而沿著該第一對平行軌道於該些不同位置之間移動；以及一溫度感測器陣列，安裝在該安裝元件上，並用以在該控制器的控制下進行該些溫度量測。
3. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中，該溫度感測器陣列包括複數個紅外線光電二極體，用以檢測熱輻射。
4. 如申請專利範圍第2項所述的系統，其中該系統更包括：一化學氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)元件；其中，該控制器配置為基於該些溫度量測以調整該化學氣相沉積元件或該物理氣相沉積元件值的沉積特性。
5. 如申請專利範圍第1項所述的系統，其中該系統更包括：一照射源，用以提供沿著一光軸之光線，其中該半導體晶 圓被保持在該光軸與該晶圓載台相交的位置；以及一光罩載台，對準該光軸並用以保持該光罩於其上，其中該光罩和該照射源共同提供一光罩圖案在靠近該晶圓載台之一位置，且該半導體晶圓被保持於該位置；其中，該控制器用於根據該些溫度量測以確定針對該光罩之一溫度梯度分佈和相應的熱變形。
6. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該光罩載台可在該控制器的控制下移動並包括：一對平行軌道，延伸通過該晶圓載台上方；以及一光罩安裝元件，耦接該對平行軌道並且被配置以容納該光罩於其上。
7. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該晶圓載台、該光罩載台及該可移動的溫度感測器陣列被配置為同時對準於該光軸上，使得該可移動的溫度感測器陣列在對位的同時可確定針對該晶圓之一第一溫度梯度分佈和針對該光罩之一第二溫度梯度。
8. 如申請專利範圍第5項所述的系統，其中該光罩和該溫度感測器陣列以相互協調的方式同時被移動。
9. 如申請專利範圍第5項所述的系統，更包括：一可移動的光學組件，被配置為在該控制器的控制下選擇性地由位在該光軸外之一第一光學組件位置移動到位在該光軸上之一第二光學組件位置，其中該可移動的光學組件被配置為聚焦已通過該光罩之光線，並使其照射在該晶圓載台上用以保持該晶圓的位置。
10. 如申請專利範圍第9項所述的系統，其中當該可移動的光學組件偏離該光軸時，該晶圓載台、該光罩載台和該可移動的溫度感測器陣列同時地至少大致對準該光軸，使得該可移動的溫度感測器陣列被配置為同時確定針對該半導體晶圓之一第一溫度梯度分佈和針對該光罩之一第二溫度梯度分佈。
11. 一種系統，包括：一晶圓載台，用以保持一半導體晶圓於其上；一照射源，用以提供沿著一光軸之光線，其中該光線撞擊該晶圓載台上用以保持該半導體晶圓的位置；一可移動的光罩載台，被配置為選擇性地自位在該光軸外之一第一光罩位置移動一光罩至位在該光軸上之一第二光罩位置；一光學組件，被配置為聚焦已通過該光罩之光線，並使其照射在該晶圓載台上用以保持該晶圓的位置，通過標線片上的晶片載片台其中的半導體晶圓是被保持在一位置已經通過光的光學組件；一光學組件，聚焦已通過該光罩之光線，並使其照射在該該晶圓載台上保持該晶圓的位置；一可移動的溫度感測器陣列，被配置以移動到該晶圓載台之一表面上的複數個不同位置，並分別在該些不同位置對應地進行複數個溫度量測；以及一控制器，用以基於該些溫度量測以確定該光罩或該半導體晶圓之一預期的熱變形。
12. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中該光學組件被配置為在該控制器的控制下選擇性地由位在該光軸外之一第一光學組件位置移動到位在該光軸上之一第二光學組件位置。
13. 如申請專利範圍第12項所述的系統，其中當該可移動的光學組件偏離該光軸時，該晶圓載台、該可移動的光罩載台和該可移動的溫度感測器陣列被配置為同時地至少大致對準該光軸，使得該可移動的溫度感測器陣列確定針對該晶圓之一第一溫度梯度分佈和針對該光罩之一第二溫度梯度分佈。
14. 如申請專利範圍第11項所述的系統，其中該可移動的溫度感測器包括：一第一對平行軌道，延伸於該晶圓載台上方；一安裝元件，耦接該第一對平行軌道，並在該控制器的控制下沿著該第一對平行軌道於該些不同位置之間移動；以及一溫度感測器陣列，安裝在該安裝元件上，並被配置為在該控制器的控制下進行該些溫度量測。
15. 如申請專利範圍第14項所述的系統，其中該光罩載台在該控制器的控制下是可移動的，且該光罩載台包括：一第二對平行軌道，延伸於該晶圓載台上方；以及一光罩安裝元件，耦接該第二對平行軌道並且容置該光罩於其上。
16. 如申請專利範圍第15項所述的系統，其中，該光罩和該溫 度感測器陣列以相互協調的方式同時被移動。
17. 一種方法，包括：提供一半導體晶圓；移動一光罩至該半導體晶圓之一表面上的複數個不同位置，並針對每個該不同位置提供一光罩圖案於該半導體晶圓之該表面；移動一溫度感測器陣列至該半導體晶圓之一表面上方的該些不同位置，並分別在該些不同位置對應地進行複數個溫度量測；以及基於該些溫度量測以確定針對該晶圓或該光罩之一預期的熱變形。
18. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中該光罩和該溫度感測器陣列以相互協調的方式同時被移動。
19. 如申請專利範圍第18項所述的方法，其中該溫度感測器陣列包括複數個溫度感測器元件，該些溫度感測器元件分佈於一長度範圍內，且該長度大致等於該半導體晶圓的直徑。