一种基于光学衍射的套刻误差提取方法技术

本发明专利技术属于光刻领域，公开了一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，包括：(1)确定套刻标记结构及材料光学常数；(2)建立套刻标记正向光学特性模型；(3)基于光学特性模型生成训练集；(4)确定神经网络结构；(5)神经网络训练；(6)套刻误差提取。与现有的套刻误差提取方法相比，本发明专利技术提供的方法不依赖于光学分辨率和经验线性关系，可基于一个单元实现单个方向的套刻误差测量，套刻标记面积更小，并且可从更复杂的非线性套刻光学表征量中提取套刻误差，提取过程快速、准确、鲁棒性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学衍射的套刻误差提取方法
本专利技术属于光刻领域，更具体地，涉及一种基于光学衍射的套刻误差提取方法。
技术介绍
随着集成电路(IntegratedCircuit,IC)工艺的迅速发展，关键尺寸(CriticalDimension,CD)已减小至7nm节点。IC制造过程中，光刻工艺是最为关键的。光刻工艺的主要性能指标有套刻精度、基片尺寸、分辨率、光源波长等。其中，套刻精度是指的当前光刻工艺层图案和前层工艺层图案的对准精度。一般来说，套刻误差的容许大小是关键尺寸的1/3～1/5，因此，在先进IC制造节点下，实现套刻误差的快速、准确、稳定地测量评估是保证半导体器件性能的关键。HaiyongGao等人在文献“Comparisonstudyofdiffraction-basedoverlayandimage-basedoverlaymeasurementsonprogrammedoverlayerrors”中总结到，套刻误差测量方法主要分为基于图形的套刻测量(Image-BasedOverlay,IBO)和基于光学衍射的套刻测量(Diffraction-BasedOverlay,DBO)。在有套准关系的前后光刻工艺层中，这两种方法都需要在前后层的相同位置上设计套刻标记，套刻测量设备通过定位、测量套刻标记并以测量得到的信息进行套刻误差提取。根据得到的套刻误差大小，光刻系统决定半导体器件是否合格。一般来说，套刻标记加工在曝光区域的边缘(Scribeline)，但随着先进制造节点下Scribeline的缩小，套刻标记尺寸愈需严格控制。典型的IBO套刻标记和套刻误差δ(δX、δY)确定方法如图4所示。Young-NamKim等人在文献“Devicebasedin-chipcriticaldimensionandoverlaymetrology”中指出，IBO套刻标记的大小一般在几十个微米左右，规模比集成电路中的半导体器件要大两个量级，该尺寸会导致IBO方法得到的套刻误差不能反映半导体器件中上下套准层的真实套刻误差值。韦亚一在文献《超大规模集成电路先进光刻理论与应用》中提到，相对于DBO方法，IBO方法受化学机械抛光(CMP)工艺影响更为严重，并且该方法受到光学分辨率限制。在文献“EvaluatingDiffraction-BasedOverlay”中，JieLi等人提到，DBO方法主要包含eDBO(empiricalDBO)和mDBO(model-basedDBO)。中国专利CN103472004B指出，mDBO方法需要实时求解复杂偏微分方程来构建套刻标记光学模型，因此难以满足套刻误差原位测量的时间要求。eDBO方法基于套刻光学表征曲线(图2)的局部线性关系提取套刻误差，图2中曲线201为理想曲线，曲线202是无法事先预测的实际平移后的曲线。典型的eDBO套刻标记301的布局图如图3的(a)和(b)所示，该套刻标记包含四个单元，其中标记为302和303的单元用来测量X方向的套刻误差，标记为304和305的单元用来测量Y方向的套刻误差。以单元302为例，其剖面结构如图(b)所示，图中δX即表示X方向的套刻误差值。中国专利CN103454861B中提到该方法具有测量速度快的优点。中国专利CN103454861B、CN200510091733.1，美国专利US7173699B2、US7477405B2、US7428060B2和US6985232B2中均提到了这种方法。eDBO方法关键在于套刻光学表征曲线的局部近似线性关系及线性关系灵敏度，容易理解，该线性关系由套刻标记结构、套刻标记材料和测量条件共同决定。然而，在复杂的IC制造工艺影响下，套刻标记难以保证理想设计形貌和测量条件。此外，套刻标记的其他非对称因素将导致套刻表征曲线平移，即计算采用的是理想曲线201，但是实际曲线202相比于理想曲线201发生了平移，从而对套刻误差提取准确度μ产生十分不利的影响。因此，亟需一种操作更简单，效率和准确度更高的套刻误差提取方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，其目的在于，基于光学光栅的衍射特性，结合套刻标记的结构，通过正向模型生成训练集，进而训练神经网络从中学习套刻误差值与光学表征量之间的映射规律，训练完成后的神经网络可根据待测套刻标记的光学表征量快速、准确、鲁棒地提取套刻误差值。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，包括如下步骤：(1)确定套刻标记结构及材料光学常数：该套刻标记包括两个套刻标记单元，分别用于提取X方向和Y方向的套刻误差，两个套刻标记单元剖面结构相同，从上至下第一层至第四层依次为掩膜光栅层、掩膜薄膜层、光刻光栅与薄膜材料混合层、氧化薄膜层；各层材料的光学常数包括折射率n和消光系数k；套刻标记结构参数包括：掩膜光栅与光刻光栅的周期Λ，掩膜光栅与光刻光栅的线宽CD1、CD2，套刻标记第一层至第四层的高度H1、H2、H3、H4，光刻光栅的左右侧壁角LSWA、RSWA，以及套刻误差的理论值δ；(2)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数、材料光学常数，结合预设的测量条件建立套刻标记正向光学特性模型，获得套刻误差的光学表征量；(3)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数及步骤(2)建立的套刻标记正向光学特性模型，通过在指定偏差范围内对套刻标记结构参数进行随机取值，生成包含光学表征量和套刻误差理论值δ的多个训练样本；(4)确定神经网络结构，将光学表征量作为该神经网络的输入层，套刻误差作为该神经网络的输出层；输出层输出的结果为套刻误差的提取值δ'；(5)建立表征套刻误差的提取值δ'与套刻误差的理论值δ之间偏差的损失函数，将全部训练样本的光学表征量输入神经网络一次并得到相应的输出，视为完成一次迭代；迭代指定次数或迭代至损失函数值达到预设范围内或损失函数值稳定时，终止迭代，得到训练好的神经网络；(6)将待测套刻标记实测获得的光学表征量输入训练好的神经网络，提取套刻误差。进一步地，步骤(2)中的光学表征量为反射率、椭偏参数，或者穆勒矩阵中的任意一种；测量条件包括入射角θ、方位角波长λ、入射光电场矢量Ε和偏振角Ψ。进一步地，步骤(2)中获取的光学表征量为反射率、椭偏参数、穆勒矩阵中的任意一种。进一步地，步骤(2)中获取的光学表征量为穆勒矩阵，所述穆勒矩阵是变化单个测量条件得到的一维套刻误差光学表征谱，或者变化两个测量条件得到的二维套刻误差光学表征矩阵，或者变化多个测量条件得到的高维数据。进一步地，步骤(4)建立的网络结构为全连接网络、卷积神经网络或循环神经网络。进一步地，步骤(4)建立的网络结构为全连接网络，表达式如下：其中，Mi表示穆勒光谱中第i个数据，wi,j表示第i个接口与第j个神经元的连接权值，bj和hj分别表示第j个神经元的偏置及该神经元与输出层δ的连接权值。进一步地，训练之前先对wi,j、hj和bj在±0.001的范围内进行随机初始化。进一步地，步骤(5)中的损失函数为均方差损失函数、交叉熵损失函数或指数损失函数。进一步地，步骤(5)中的损失函数为均方差损失函数，表达式如下：其中，δn、δn′分别表示第n个训练样本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定套刻标记结构及材料光学常数：该套刻标记包括两个套刻标记单元，分别用于提取X方向和Y方向的套刻误差，两个套刻标记单元剖面结构相同，从上至下第一层至第四层依次为掩膜光栅层、掩膜薄膜层、光刻光栅与薄膜材料混合层、氧化薄膜层；各层材料的光学常数包括折射率n和消光系数k；套刻标记结构参数包括：掩膜光栅与光刻光栅的周期Λ，掩膜光栅与光刻光栅的线宽CD1、CD2，套刻标记第一层至第四层的高度H1、H2、H3、H4，光刻光栅的左右侧壁角LSWA、RSWA，以及套刻误差的理论值δ；(2)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数、材料光学常数，结合预设的测量条件建立套刻标记正向光学特性模型，获得套刻误差的光学表征量；(3)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数及步骤(2)建立的套刻标记正向光学特性模型，通过在指定偏差范围内对套刻标记结构参数进行随机取值，生成包含光学表征量和套刻误差理论值δ的多个训练样本；(4)确定神经网络结构，将光学表征量作为该神经网络的输入层，套刻误差作为该神经网络的输出层；输出层输出的结果为套刻误差的提取值δ'；(5)建立表征套刻误差的提取值δ'与套刻误差的理论值δ之间偏差的损失函数，将全部训练样本的光学表征量输入神经网络一次并得到相应的输出，视为完成一次迭代；迭代指定次数或迭代至损失函数值达到预设范围内或损失函数值稳定时，终止迭代，得到训练好的神经网络；(6)将待测套刻标记实测获得的光学表征量输入训练好的神经网络，提取套刻误差。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定套刻标记结构及材料光学常数：该套刻标记包括两个套刻标记单元，分别用于提取X方向和Y方向的套刻误差，两个套刻标记单元剖面结构相同，从上至下第一层至第四层依次为掩膜光栅层、掩膜薄膜层、光刻光栅与薄膜材料混合层、氧化薄膜层；各层材料的光学常数包括折射率n和消光系数k；套刻标记结构参数包括：掩膜光栅与光刻光栅的周期Λ，掩膜光栅与光刻光栅的线宽CD1、CD2，套刻标记第一层至第四层的高度H1、H2、H3、H4，光刻光栅的左右侧壁角LSWA、RSWA，以及套刻误差的理论值δ；(2)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数、材料光学常数，结合预设的测量条件建立套刻标记正向光学特性模型，获得套刻误差的光学表征量；(3)根据步骤(1)确定的套刻标记结构参数及步骤(2)建立的套刻标记正向光学特性模型，通过在指定偏差范围内对套刻标记结构参数进行随机取值，生成包含光学表征量和套刻误差理论值δ的多个训练样本；(4)确定神经网络结构，将光学表征量作为该神经网络的输入层，套刻误差作为该神经网络的输出层；输出层输出的结果为套刻误差的提取值δ'；(5)建立表征套刻误差的提取值δ'与套刻误差的理论值δ之间偏差的损失函数，将全部训练样本的光学表征量输入神经网络一次并得到相应的输出，视为完成一次迭代；迭代指定次数或迭代至损失函数值达到预设范围内或损失函数值稳定时，终止迭代，得到训练好的神经网络；(6)将待测套刻标记实测获得的光学表征量输入训练好的神经网络，提取套刻误差。2.如权利要求1所述的一种基于光学衍射的套刻误差提取方法，其特征在于，步骤(2)中的光学表...

【专利技术属性】
技术研发人员：石雅婷，李旷逸，陈修国，刘世元，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42