使用设计和缺陷数据的扫描仪性能比较和匹配

摘要

描述了使用设计和缺陷数据来匹配多个扫描仪的系统以及方法。使用金工具来处理金晶片。使用第二工具来处理第二晶片。两种工具提供聚焦/曝光调制。可比较两个晶片的临界结构的晶片级空间签名以评价扫描仪的行为。通过面元划分金晶片上具有类似图案的缺陷来标识临界结构。在一个实施例中，签名必须在特定百分比内匹配，否则第二工具被表征为“不匹配”。分划板可以类似的方式比较，其中分别使用金分划板和第二分划板来处理金晶片和第二晶片。

说明书

艾伦·帕克

埃利斯·常

青木 正身

克里斯·C-C·杨

马丁·普利哈尔

迈克尔·约翰·范里特

相关申请

本申请要求2009年7月17日提交的题为“使用设计和缺陷数据的扫描仪性 能比较和匹配”(Scanner Performance Comparison And Matching Using Design  And Defect Data)的美国临时专利申请61/226,654的优先权。

发明背景

发明领域

本发明涉及使用设计和缺陷数据的扫描仪性能比较和匹配方法以及系统。 更具体地，本发明涉及在生产环境中使用设计布局和缺陷检查数据来匹配多个 扫描仪以确保工艺窗口跨多个扫描仪均衡，由此在半导体器件中的临界结构的 可印刷性中提供跨多个扫描仪和平台的一致性的方法。

相关技术

在生产环境中，多个扫描仪之间的匹配性能对在类似工艺窗口中操作以确 保结构在半导体晶片上重复的、准确的可印刷性是重要的。按照常规，此类晶 片的临界尺寸(CD)计量用于标识跨多个工具的工艺窗口。CD计量可用于测 量晶片上结构的线和/或空间中的变化；然而，并非与半导体晶片上的各个图案 相关联的所有问题都可以此方式解决。

例如，标准CD计量使用有限的、固定的采样位点。结果，采样位点可能 对跨分划板或晶片的工艺交互中的细微变化不敏感。此外，采样位点无法表示 给定器件中的最临界结构。由此，当CD在固定采样不覆盖的区域中改变时， 将错过重要的偏移。分析重要的偏移对45nm是关键的，并且超出工艺开发。 由于有限的、固定的位点采样，缺陷检查的扫描覆盖可能对提供附加的、互补 的途径是必要的，由此允许准确地评估扫描仪工艺窗口的一致性。

一般而言，半导体制造工具(例如，曝光工具或步进器)对许多晶片执行 一组处理步骤。为了执行这些步骤，制造工具经由装置/机器接口与制造框架或 处理模块的网络通信。通常，装置/机器接口可构成高级工艺控制(APC)系统 的一部分。APC系统基于制造模型发起控制脚本，该制造模型可以是自动地取 回执行制造工艺所需的数据的软件程序。

通常，晶片通过用于多个工艺的多个制造工具分级，以生成与经处理的半 导体器件的质量相关的数据。不幸的是，在处理这些晶片期间出现的误差(即 工艺变化)可导致经处理半导体器件上的特征的CD中的显著不一致性。CD 变化可导致相关联器件在使用时失效或甚至故障。由此，在获得准确的制造数 据时微调制造工具的性能是重要的，这进而可用于调整对后续制造工艺的设置 以减少CD变化。

发明内容

在生产环境中成功匹配扫描仪可确保半导体晶片上结构的重复的、准确的 可印刷性。提供了一种用于使用设计布局和缺陷数据来比较扫描仪的改进方 法。在该方法中，可使用金工具(例如，预限定的扫描仪)来处理金晶片。该 处理包括聚焦和曝光调制。可使用设计数据来标识金晶片上的缺陷。可将具有 类似图案的缺陷面元划分(bin)在一起。可通过审阅经面元划分的缺陷来标识 临界结构。在一个实施例中，标识临界结构可包括用户审阅缺陷的SEM(扫描 电子显微)图像。可生成所标识临界结构的晶片级空间签名。晶片级空间签名 可包括数字、径向、象限、和/或专用签名。数字签名可以是示出与来自设计的 图案的标称或预期形状的图案偏差的度量。晶片级空间签名和具体结构图案可 存储在图案库中。

该方法还可包括使用第二工具来处理第二晶片。再一次，可使用设计数据 来标识第二晶片上的缺陷。可使用所标识临界结构来生成第二晶片的晶片级空 间签名。此时，可比较金晶片和第二晶片的晶片级空间签名以确定第二工具是 否与金工具相匹配。在一个实施例中，签名必须在特定百分比内匹配，否则第 二工具被表征为“不匹配”。在一个实施例中，第二工具实际上在稍后时间点 是金工具，由此允许金工具或任何工具对其本身的监控。

还提供了一种用于比较扫描仪的系统。该系统可包括使用金工具来处理金 晶片的金工具处理器。注意，金工具处理器控制金晶片上的调制曝光和聚焦。 面元(binning)生成器可接收金晶片的缺陷数据，并且基于图案将缺陷归组为 面元。第一空间签名生成器可生成金晶片上的临界结构的晶片级空间签名。使 用图案来标识这些临界结构。该系统中的辅助工具处理器可使用辅助工具来处 理第二晶片。辅助工具处理器与金工具处理器相类似地控制调制曝光和聚焦。 第二空间签名生成器可接收第二晶片的缺陷数据，并且使用临界结构来生成第 二晶片的晶片级空间签名。比较器可有利地比较金晶片和第二晶片的晶片级空 间签名。

在一个实施例中，第一空间签名生成器可接收所选缺陷的SEM图像。可 基于各种聚焦和曝光条件下的预定结构的边际性自动地选定所选缺陷。在一个 实施例中，第一和/或第二空间签名生成器可生成可以是径向、象限、和/或专 用签名的空间签名。

还提供了一种用于比较分划板的方法。在该方法中，可使用金分划板(例 如，预限定的分划板)来处理金晶片。该处理包括聚焦和曝光调制。可使用设 计数据来标识金晶片上的缺陷。可将具有类似图案的缺陷面元划分在一起。可 通过审阅经面元划分的缺陷来标识临界结构。在一个实施例中，标识临界结构 可包括用户审阅缺陷的SEM(扫描电子显微)图像。可生成所标识临界结构的 晶片级空间签名。晶片级空间签名可包括径向、象限、和/或专用签名。晶片级 空间签名可存储在图案库中。

该方法还可包括使用第二分划板来处理第二晶片。再一次，可使用设计数 据来标识第二晶片上的缺陷。可使用所标识临界结构来生成第二晶片的晶片级 空间签名。此时，可比较金晶片和第二晶片的晶片级空间签名以确定第二分划 板是否与金分划板相匹配。在一个实施例中，签名必须在特定百分比内匹配， 或者第二分划板被表征为“不匹配”。

还提供了一种用于自动地估计分划板的工艺窗口的方法。在该方法中，可 标识由分划板构成的晶片上的缺陷。可将具有类似图案的缺陷面元划分在一 起。可通过审阅经面元划分的缺陷来标识临界结构。可生成所标识临界结构的 晶片级空间签名。此时，可基于晶片级空间签名来标识晶片上的干净区域、脏 区域和转换区域。有利的是，现在可定义工艺窗口的外部界限，其中外部界限 在转换区域内。

在一个实施例中，该方法还可包括对来自转换区域的SEM图像采样以微 调外部界限，其中SEM图像与临界结构的位置相对应。注意，该采样可以是 随机的、或用户指定的。在一个实施例中，采样基于缺陷密度偏置。例如，采 样包括基于至少两个缺陷密度范围的多级采样。

附图简述

图1示出一种用于匹配和/或监控扫描仪的示例性技术。

图2示出具有所指示缺陷的经处理晶片的表示。

图3示出缺陷图案以及相关联的巴累托(pareto)图的示例性归组。

图4示出将金空间签名与来自两个其他工具的空间签名进行比较。

图5示出一种用于匹配和/或监控多个扫描仪的示例性系统。

图6示出一种用于匹配和/或监控分划板的示例性技术。

图7示出绘制针对与金分划板和第二分划板相关联的结果的每一管芯的图 案失效百分比与曝光能量矩阵的曲线。

图8示出一种用于自动地估计分划板的工艺窗口的示例性技术。

图9示出具有指定的干净的、脏的、和转换区域的晶片。

附图的详细描述

多个扫描仪之间的匹配性能对在类似工艺窗口中操作、由此确保结构在半 导体晶片上的重复的、准确的可印刷性是重要的。在一个实施例中，可使用与 经调制晶片相关联的设计数据和来自这些经调制晶片的缺陷数据来匹配多个 扫描仪。

图1示出用于扫描仪匹配的示例性技术100。步骤101可使用“金工具” 来形成第二晶片的图案。金工具是已经被标识为具有用于生产用途的适当质量 的工具。在技术100中，该金工具可被表征为参考工具。

晶片通过使光或其他辐射穿过掩模或分划板以在晶片上曝光光致抗蚀剂 (photoresist)表面来形成图案。注意，用于该图案形成的掩模可以是测试掩模 或生产掩模；然而，只有一个掩模应当用于步骤101-107。

图2示出具有多个管芯(表示为正方形)的晶片200的示图。通常，取决 于管芯和晶片大小，晶片可包括数百个、或者甚至数千个管芯。为了简便起见， 晶片200只有小量管芯。

值得注意的是，关于步骤101，第一晶片是FEM或PWQ晶片。FEM(聚 焦-曝光调制)晶片已通过跨晶片调制频率和曝光两者来进行处理。具体地，FEM 晶片的每一管芯可具有与其周围管芯中的任一个增量地不同的曝光和/或聚焦。 FEM晶片的调制以径向方式完成。PWQ(工艺窗口限定)晶片使用类似的调制 变化、但以柱状(而非径向)方式来形成图案。如本文中所使用的，术语“经 调制”晶片可指FEM或PWQ晶片。技术100只使用一种类型的经调制晶片(即 FEM或PWQ晶片)进行分析。为了便于参考，第一晶片还被称为金晶片。

在运行金晶片之后，步骤101随后可标识金晶片上的任何缺陷。例如，图 2示出被标记为晶片200上的点的缺陷位置201。注意，常规检查工具可标识 此类缺陷位置。

此时，设计布局可用于确定与缺陷位置201相关联的布局图案。可将具有 基本上相同的结构的布局图案一起归组为面元。被称为基于设计的面元划分 (DBB)的该归组可在步骤102执行。注意，图案越大，可能存在越多的噪声。 因此，在一个实施例中，图案范围可由1微米或更小的结构定义。

图3示出示例性面元301、302、303和304，每一面元与一具体IC布局图 案相关联。可使用来自面元301-304的缺陷和设计数据来形成巴累托图300。 巴累托图300具有表示面元301-304中的每一个的缺陷频率(按降序)的多个 条，即面元303具有最高缺陷频率，面元301具有次高缺陷频率等。巴累托图 300还具有表示累计总数的线。在此情况下，与面元301-304相关联的图案表 示所有缺陷(100％)。

注意，缺陷可包括严重缺陷，这些严重缺陷可导致器件失效或显著地损害 器件性能。示例性严重缺陷可包括短路和/或开路。缺陷还可包括边际缺陷，这 些边际缺陷可导致最小的或可忽略的器件性能退化。示例性边际缺陷可包括线 变形、加粗、或减薄。

在一个实施例中，缺陷位置的一个或多个SEM图像可与面元301-304中的 每一个相关联，由此允许用户指定这些图案中的哪一些是“临界”结构。例如， 在审阅实际的、被采样的缺陷位置的SEM图像之后，用户可将与面元303相 关联的缺陷表征为噪声。因此，面元303可能未被表征为具有临界结构，即使 具有最高缺陷频率。

注意，DBB可有利地标识调制拐角。例如，一种类型的布局图案可变得易 受缺陷影响，或者其缺陷可在特定调制(频率和曝光组合)时变得更加明显。 还注意，即使当面元的缺陷被表征为边际时，用户仍然可将该面元表征为具有 临界结构。例如，边际缺陷可以是工艺节点相关的，以使向较小工艺节点的移 动可将边际缺陷转换成严重缺陷。因此，当考虑向高级工艺节点的移动时，用 户可将面元表征为包括临界结构，尽管这些临界结构在当前工艺节点处被表征 为边际缺陷。

返回参考图1，步骤103可基于所标识临界结构生成晶片级空间签名。空 间签名是临界结构在晶片上的空间分布。在一个实施例中，空间签名可指示临 界结构在晶片上的区域、由那些区域构成的图案、以及临界结构的类型。注意， 空间签名可在具有带色码区域的晶片表示上图形地格式化，这些带色码区域指 示不同的临界结构(例如，面元301的临界结构被标为红色而面元304的临界 结构被标为蓝色(假设两者都已被表征为临界结构))在金工具上，可收集空 间签名以形成金签名。步骤104可将金签名存储在图案库中。

注意，如果正在分析FEM晶片，则其空间签名可呈现比临界结构的其他 类型图案多的径向图案。正在分析的PWQ晶片可包括径向空间签名、列式 (column-wise)图案、或象限图案。在一个实施例中，金晶片可具有布局相关 的空间签名，不管所使用的调制图案如何。注意，由于任何经调制晶片的中心 通常表示标称条件，因此与在中心相比，可预期在晶片的周边有更多的失效结 构。

步骤105可使用另一(第二)工具来处理另一经调制晶片。如以上所指示 的，该处理包括相同的掩模/分划板、以及相同类型的经调制晶片(即FEM或 PWQ)。步骤105还可包括标识第二晶片的缺陷。由于已建立了金晶片的临界 结构，因此DBB对第二晶片是不必要的。结果，通过使用图案库和来自第二 晶片的缺陷数据，步骤106可直接地生成第二晶片上的临界结构的晶片级空间 签名。

在步骤107，可比较来自金工具和第二工具的所得空间签名。图4示出具 有金空间签名和分数411的示例性金工具401、具有第二空间签名和分数412 的第二工具402、以及具有第三空间签名和分数413的第三工具403。为了简 便起见，签名411、412和413是被标记为“F”(失效)的位置。下标数字表 示来自预期图案的分数(即偏差的严重性，其中偏差越大，分数越高)。如上 所提及的，其他实施例可包括指示具体临界结构的带色码区域。

在一个实施例中，用户可确定针对匹配条件允许与金空间签名411之间的 多少方差。在另一实施例中，可自动地设置方差。基于图案变化的得分或空间 分布，示例性方差可以是10-15％。用于比较空间签名的度量可包含数字、径向、 象限、或其他专用空间签名分析。数字签名可以是示出与来自设计的图案的标 称或预期形状的图案偏差的度量。图4示出第二空间签名412与金空间签名411 不匹配，而第三空间签名413与金空间签名411相匹配。

在一个实施例中，可生成空间签名的图形表示(诸如图4所示的图形表示) 作为输出，以供用户审阅。例如，空间签名411、412和413的视觉审阅示出 第二工具(其生成第二晶片402)与金工具(其生成金晶片401)相比性能不 佳(under-perform)，而第三工具(其生成第三晶片403)与金工具相比性能 更优(over-perform)。另外，由于空间签名可指示临界结构(例如，通过色彩 编码)，因此此类用户审阅还可导致更好地理解对临界结构的选定可如何影响 非金工具的性能指定。

图5是用于比较诸如扫描仪之类的工具的系统500的框图。在本实施例中， 系统100可包括金工具处理器501，金工具处理器501可使用金工具(经处理 的经调制晶片是金晶片)来处理经调制晶片(FEM或PWQ)。检测器502可 标识金晶片上的缺陷。

面元生成器503可使用缺陷检查数据和设计布局数据来执行基于设计的面 元划分(DBB)。在使用来自图案组的样本选定SEM图像的情况下，用户可 使用第一空间签名生成器503来标识临界结构。此时，第一签名生成器503可 生成那些临界结构的晶片级空间签名然后，与金工具相关联的空间签名可存储 在图案库505中。

辅助工具处理器511可使用辅助工具来处理另一经调制(第二)晶片。对 于辅助工具，空间签名必须在特定百分比内匹配。度量可包含特定空间分析， 诸如径向、象限、或其他专用空间签名分析。在检测器502标识出第二晶片的 缺陷之后，第二空间签名生成器512可使用为金晶片定义的临界结构来生成第 二晶片上的空间签名(其构成金空间签名的一部分)并生成设计布局数据。在 一个实施例中，所生成的与辅助工具相关联的第二空间签名还可存储在图案库 505中。比较器514可比较与金工具和辅助工具相关联的空间签名。

在该配置中，系统500可有效地估计多个工具的行为。注意，系统500还 可随时间监控单个工具的性能。即，可在稍后的时间点处理第二经调制晶片。 该第二经调制晶片的空间签名可使用同一工具与先前的经调制晶片的空间签 名进行比较。该比较可确定工具是否退化以及该工具退化到什么程度。

与标准实践相比，多个工具所生成的经调制晶片的晶片级空间签名可显著 地改进工具匹配和工具监控能力。具体地，标准扫描仪匹配技术在固定的位点 使用有限的采样。由此，标准扫描仪匹配技术受到图案选择和度量采样的质量 的限制。相反，基于设计的面元划分(DBB)可便于有效地生成晶片级空间签 名。这些晶片级空间签名包括具有附加图案类型的跨晶片的更宽区域覆盖，这 对估计切割边缘工具(诸如EUV工具)是特别关键的。

值得注意的是，还可执行生成晶片级空间签名以供分划板比较(注意，如 本文中所使用的，术语“分划板”和“掩模”是互换的)。例如，图6示出用 于分划板匹配的示例性技术600。步骤601可使用“金分划板”来形成第一晶 片的图案。金分划板是已经被标识为具有用于生产用途的适当质量的分划板。 在技术600中，该金分划板可被表征为参考分划板。该第一晶片是经调制晶片， 例如，PWQ或FEM。注意，只有一个扫描仪应当用于步骤601-607。然后可标 识经图案化的晶片上的缺陷。

步骤602可运行DBB以标识临界结构。在步骤603，通过使用这些临界结 构，可生成第一晶片的晶片级空间签名。步骤604可生成晶片级空间签名的图 案库。步骤605可使用另一分划板来运行第二、经调制晶片。在一个实施例中， 该分划板可以是金分划板的修订版。在另一实施例中，可测试该分划板以供分 划板鉴定，例如作为用于在生产环境中并行处理晶片的可能的第二金分划板。 使用在步骤602所标识的临界结构，第二晶片的晶片级空间签名可在步骤606 生成，并且存储在图案库中。步骤607可比较金分划板和第二分划板所生成的 空间签名。

例如，图7示出绘制针对与金分划板(曲线701)和第二分划板(曲线702) 相关联的结果的每一管芯的图案失效百分比对曝光能量矩阵的曲线图700。注 意，图案失效百分比/管芯信息以及曝光能量可有利地存储在图案库中。曲线图 700还示出分别与曲线701和702相关联的斜率703和704。可计算斜率703 和704作为图案失效百分比对能量改变(变化微量)。在图7中，与曲线702 和斜率704相关联的分划板相比，与曲线701和斜率703相关联的分划板具有 更慢的曝光响应和更宽的窗口。

在图8所示的一个实施例中，还提供了用于自动地估计分划板的工艺窗口 的技术800。如平版印刷术领域的技术人员已知的，工艺窗口定义了将最终光 致抗蚀剂简档保留在规范内的聚焦和曝光的区域。在技术800中，步骤801可 标识使用分划板所形成的经调制晶片上的缺陷，执行DBB，并且生成空间签名 (所有以上参考图6所详细描述的)。步骤802随后可自动地确定晶片上的任 何干净区域、“脏”区域(即缺陷密度在预定高阈值以上的区域)、以及转换 区域(即除干净或脏区域以外的区域)。注意，工艺窗口的外部界限将在一个 或多个转换区域内(其中工艺窗口还包括干净区域)此外注意，工艺窗口是长 方形的或正方形的，如经调制晶片的聚焦/曝光单元所定义的，这对平版印刷术 领域的技术人员是公知的。此时，步骤803可自动地收集来自那些转换区域的 SEM图像。

为了实现该功能，系统500中的工艺窗口分析器515(图5)可使用图案 库505中的信息来估计一个或多个晶片的工艺窗口。工艺窗口分析器515还可 触发SEM(未示出)以捕捉转换区域中的图像。在一个实施例中，采样可以是 随机的。在另一实施例中，可将采样定向到转换区域中的具体位置。

在一个实施例中，工艺窗口分析器515可公式化样本的分布，即偏置以收 集。例如，偏置可基于缺陷密度被公式化，其中与具有更少缺陷的转换区域相 比，具有更多缺陷的转换区域应当具有更多的所收集的SEM图像。注意，工 艺窗口分析器515可为转换区域指定任意数量的采样级别。

图9示出具有指定的干净区域(901)、脏区域(902)、和转换区域(903) 的晶片900。注意，对于一具体缺陷密度，虽然这些区域被示为径向的，但是 其他晶片可具有不同的缺陷密度区域边界(例如，正方形的、长方形的、不规 则的)和一个以上的区域。在一个实施例中，可使用所有缺陷数据基于每一拍 摄来计算该缺陷密度。可基于该密度对拍摄排序，以标识缺陷密度开始增加的 区域，即转换区域903。基于转换区域，缺陷采样可在转换区域附近对更多缺 陷采样的地方被偏置。例如，曲线904指示可用于干净区域901、转换区域903 和脏区域902的可变采样速率。在一个实施例中，用户可通过窗口分析器515 超驰为缺陷密度区域所指定的自动采样级别。

返回参考图8，用户可审阅所收集的SEM图像，并且随后在步骤804离线 地标识工艺窗口。由此，技术800可客观地提供大致的工艺窗口，该工艺窗口 随后可基于用户分析来调整。技术800可有利地替换手动审阅工艺，由此节省 用户审阅时间并减少用户主观性。

以上所描述的签名和图案生成器可在可编程系统中实现，该可编程系统包 括被耦合成从数据存储系统接收数据和指令并将数据和指令传送到该数据存 储系统的至少一个可编程处理器、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备。 如果需要，用于在可编程系统上运行的每一计算机程序可用高级过程编程语言 或面向对象的编程语言或用汇编或机器语言来实现；并且在任何情况下，该语 言可以是编译或解释语言。作为示例，合适的处理器包括通用和专用微处理器、 以及其他类型的微控制器。一般而言，处理器将从只读存储器和/或随机存取存 储器接收指令和数据。一般而言，计算机将包括用于存储数据文件的一个或多 个大容量存储设备；此类设备包括诸如内部硬盘和可移动盘之类的磁盘、磁光 盘、以及光盘。适于有形地包含计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形 式的非易失性存储器，作为示例包括诸如EPROM、EEPROM和闪存设备之类 的半导体存储设备、诸如内部硬盘和可移动盘之类的磁盘、磁光盘、以及 CD-ROM盘。上述的任一个可由专用集成电路(ASIC)补充或纳入ASIC中。

为了清楚起见，在上文中未描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何 此类实际实施例的开发中，必须作出多个实现专用判断以达到开发者的具体目 标，诸如遵循系统相关和事务相关的约束，这些约束将随实现不同而变化。此 外，应当理解，此类开发努力可能是复杂且费时的，但仍然是本领域技术人员 利用本公开承担的日常事务。

对本发明的优选实施例的先前描述是出于说明和描述的目的而呈现的。它 并不旨在穷尽，或将本发明限于所公开的准确形式。根据以上教义，显而易见 的修改或变体是可行的。选择和描述实施例是为了提供本发明的原理以及其实 际应用的最佳说明，且由此使本领域普通技术人员能够在各个实施例中利用本 发明，并且构想了适于特定用途的各种修改。例如，虽然在本文中描述了包括 扫描仪的实施例，但是本发明同样可应用于步进器以及能够调制聚焦和曝光的 任何工具。当根据公平地、合法地且公正地适用广度来解释所附权利要求书时， 所有此类修改和变体都在如所附权利要求书所确定的本发明的范围内。