专利名称：叠合标记结构及其测量应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种叠合标记(Overlay Mark)结构及其测量应用，且特别涉及一种可防止化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing)工艺破坏的叠合标记结构，由于本质上优于传统的设计，并配合X、Y方向同时的测量，因此可提高测量叠合误差(Overlay Error)的精度，其利用本发明所提出的叠合标记来完成。
背景技术：
通常决定一晶片的光刻工艺(Photolithography Process)成败的因素，除了临界尺寸(Critical Dimension，CD)的控制外，另一重要者即为对准精度(Alignment Accuracy，AA)。因此，对准精度的测量，即叠合误差的测量是半导体工艺中重要的一环，而叠合标记就是用来测量叠合误差的工具，其用来判断光刻工艺后光致抗蚀剂层的图案与芯片上前一晶片层之间是否有精确的对准。
图1所显示为一晶片的上视图，并绘出叠合标记的位置。
请参照图1，在晶片(Wafer)100制作完成之后，即可沿着切割槽104切割晶片100，以形成数个芯片(Chip)或管芯(Die)102。通常叠合标记106配置在每一芯片102周缘的四个角落的切割槽104上，用以测量工艺步骤中每一芯片上的光致抗蚀剂层图案是否与芯片上前一晶片层对准。
图2为图1的直线I-I’的剖面图，其显示现有的叠合标记与相邻的芯片的一部分的结构，此叠合标记应用于一金属内连线工艺中，且其制造过程说明如下。
请参照图2，在衬底200中已形成有金属层202，且在衬底200上形成有一介电层205，而在介电层205中形成有通孔(Via Hole)206与沟槽207。接着在介电层205上沉积一金属层204，以完全填满宽度较窄的通孔206，但仅覆盖住沟槽207的表面，之后以化学机械抛光法除去通孔206与沟槽207外的金属层204，暴露出介电层205，意即以介电层205为抛光终止层(Stop Layer)，以在通孔206中形成插塞。接着，在介电层205上沉积金属层208，并填入沟槽207中，此时由于沟槽207的宽度够宽，所以在沟槽207上方的金属层208上亦形成有沟槽211。
之后，经过光致抗蚀剂涂布、曝光及光刻等工艺以在金属层208上形成图案化的一光致抗蚀剂层210，其暴露出金属层208中欲形成导线的区域，而在切割槽中形成的光致抗蚀剂图案210a与沟槽211即合为用以测量对准精度的叠合标记212。
图3所显示为现有的叠合标记结构的上视图。
请同时参照图2与图3，图3为图2中由沟槽211与光致抗蚀剂图案210a所组成的叠合标记212的上视图。现有的叠合标记2 12由一外围标记(Outer Mark)302与一内部标记(Inner Mark)304所组成，其中外围标记302由围成矩形的四个图2中的沟槽211所组成，而内部标记304由围成另一矩形的四个图2中的条状光致抗蚀剂图案210a所组成，且外围标记302包围住内部标记304。而此叠合标记212配置在每一芯片周围四个角落的切割槽上，用以测量该层光致抗蚀剂层是否与芯片上前一层精确对准。
图4所显示为图3的直线II-II’的剖面图。
请同时参照图3与图4，图4中的沟槽211对应于图3的外围标记302，而图4的光致抗蚀剂图案210a对应于图3的内部标记304。
图5所显示为由图4中的叠合标记所得的信号波形。
请同时参照图4与图5，图4的沟槽211的波峰信号为图5中的502a、502b，而光致抗蚀剂图案210a的波峰信号为图5中的506a、506b。利用现有叠合标记测量对准精度的方法，是先读取沟槽211的波峰信号502a、502b，并取其中间值504，再读取光致抗蚀剂图案210a的波峰信号506a、506b，并取其中间值508，然后计算中间值504与中间值508的差异，即为叠合误差。倘若此叠合误差大于可接受的偏差值，则表示该次光致抗蚀剂层图案与芯片间的对准并未达到所要求的精度，而必须将此光致抗蚀剂层去除，并重新再做一次光刻工艺，直到叠合误差的值小于可接受的偏差值为止。
然而，现有的叠合标记的外围标记在历经化学机械抛光工艺后，因抛光率的变异(Polishing Rate Deviation)、研磨膏(Slurry)的腐蚀、晶片上图案的密度、以及晶片中心与边缘的抛光差异等等许多因素，会影响叠合标记的品质，甚至损坏叠合标记。再者，金属层本质上的管芯(Grain)亦是影响测量精度的重要因素，因为若管芯的颗粒太大会造成测量的噪声。上述两者均会致使所测量到的波峰信号的波形(Signal Profile)不佳，而严重影响到测量的结果，甚至无法测量，这是因为现有的叠合标记的外围标记302(即沟槽211部分)相距较远，意即沟槽211分布的密度较低结构较为松散，因此较无法抵抗化学机械抛光工艺的磨损。尤其对于金属通孔形成后的化学机械抛光，特别是铜金属双重金属镶嵌，其叠合标记的完整性对于后续工艺具有举足轻重的影响，这是因为铜金属本身的稳定性、抗研磨膏腐蚀性以及扩散等问题，都比其他金属例如钨更为严重。
图6所示，其显示为使用现有的叠合标记测量叠合误差的方法。
请参照图6，使用现有的叠合标记测量叠合误差时，是沿着叠合标记212的一X方向直线310测量一X方向偏移量，再沿着叠合标记212的一Y方向直线312测量一Y方向偏移量。当所有切割槽上被指定的叠合标记212皆以此方式测量之后，即可利用X方向与Y方向两组偏移量计算出当前层光致抗蚀剂层的图案与芯片上前一晶片层之间是否精确对准。
然而，由一个现有叠合标记212仅能测量出一个X方向偏移量与一个Y方向偏移量，倘若外围标记302在化学机械抛光工艺中遭到破坏，而无法测量到X方向或Y方向偏移量时，将无法正确判断出其对准精度。
发明内容
因此，本发明的目的就是在于提供一种叠合标记的结构与制造方法，其可以减小叠合标记被化学机械抛光工艺破坏的几率。
本发明的另一目的是提供一种叠合标记结构及其测量与分析方法，以提高所测量的叠合误差的准确度。
本发明提出一种叠合标记结构，其包含一外围标记与一内部标记，其中外围标记围出一封闭十字形区域，且此封闭十字形区域具有二中心轴线；内部标记由四个长条状图案组成，此四个长条状图案沿着二中心轴线排列，且四个长条状图案分别以四个方向由十字形区域的中心部分往外延伸。
本发明提出一种测量叠合误差的方法，此方法首先提供一叠合标记，此叠合标记系由一外围标记与一内部标记所组成，其中此外围标记围出具有二中心轴线的一封闭十字形区域，而内部标记沿着二中心轴线排列，并由十字形区域的中心部分向外延伸的二个X方向长条状图案与二个Y方向长条状图案。接着，沿着叠合标记的一X/Y方向直线测量一X/Y方向偏移量，其中X/Y方向直线切过封闭十字形区域的一Y/X方向延伸区以及其中的一Y/X方向长条状图案。
本发明又提出一种分析叠合误差因子的方法，此方法首先提供一叠合标记，此叠合标记由一外围标记与一内部标记所组成，其中此外围标记围出具有二中心轴线的一封闭十字形区域，而内部标记沿着二中心轴线排列，并由十字形区域的中心部分向外延伸的二个X方向长条状图案与二个Y方向长条状图案。接着，沿着叠合标记的一第一X/Y方向直线测量一第一X/Y方向偏移量，其中第一X/Y方向直线切过封闭十字形区域的其中一Y/X方向延伸区以及其中的一Y/X方向长条状图案，并且沿着叠合标记的一第二X/Y方向直线测量一第二X/Y方向偏移量，其中第二X/Y方向直线切过封闭十字形区域的另一Y/X方向延伸区以及另一Y/X方向长条状图案。之后由第一X/Y方向偏移量与第二X/Y方向偏移量(共四个)求得数种叠合误差因子，其中数种叠合误差因子包含平移误差与因掩膜位置造成的标线旋转(Reticle Rotation，RR)误差。
本发明的叠合标记为一强化的结构，对于抵抗在金属内连线工艺的化学机械抛光工艺对外围标记的损坏特别具有成效，因此可降低被化学机械抛光工艺破坏的几率，其原因将在实施例中说明。
本发明的叠合标记的内部标记由当前层光致抗蚀剂层所定义，一般其信号均相当良好，所以不必顾忌单一截面的测量由二个标记成为只有一个标记，会造成测量的不稳定的原因，反而会因单一组标记其X、Y方向各二点，而为现有叠合标记的二倍，增加了取样及计算精度。
另外，使用本发明的叠合标记结构及测量方法时，可提高测量出的叠合误差的准确度，其原因亦将在实施例中说明。
再者，本发明只需要一个叠合标记即可求出标线旋转误差，其原因亦将在实施例中说明。
为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下图1为一晶片的上视图，并绘出其上叠合标记的位置；图2为图1的直线I-I’的剖面图，其显示现有的叠合标记与相邻的芯片的一部分的结构，此叠合标记应用于一金属内连线工艺中；图3为现有的叠合标记结构的上视图；图4为图3的叠合标记的直线II-II’的剖面图；图5为由图4的叠合标记所测量得的信号波形；图6为使用现有的叠合标记时的叠合误差测量方法；图7为依照本发明一优选实施例的叠合标记结构的上视图；图8为图7的叠合标的直线III-III’的剖面图；图9为由图8的叠合标记所测量得的信号波形；图10为依照本发明一优选实施例的叠合误差的测量方法；图11为图解本发明单一组叠合标记可求出标线旋转误差的示意图；以及图12为图解现有叠合标记无法以单一组求出标线旋转误差，而必须藉由不同方位的多组标记才可计算得到的示意图。
附图中的附图标记说明如下100晶片 102芯片或管芯104切割槽 106叠合标记200、800衬底202、208、808金属层204、804金属层或插塞205介电层206通孔 207、807沟槽210光致抗蚀剂层210a、810a切割槽上的光致抗蚀剂图案211、811沟槽212、700叠合标记302、702外围标记304、704内部标记310、710、712X方向直线 312、714、716Y方向直线502a、502b、506a、506b、902a、902b、904波峰信号504、508、906、908中间值706、708中心轴线
具体实施例方式
实施例图7所示，其显示为依照本发明一优选实施例的叠合标记结构的上视图。
请参照图7，本发明的叠合标记700由一外围标记702与一内部标记704所组成，其中外围标记702围出一封闭十字形区域，其具有二中心轴线710、712。内部标记704由四个长条状图案所组成，这四个长条状图案沿着二中心轴线710、712排列，并分别以四个方向由十字形区域的中心部分向外延伸，此内部标记704的四个长条状图案之间彼此不连接，且与外围的外围标记702亦不连接。
图8显示为图7的叠合标记700的直线III-III’的剖面图。
请同时参照图7与图8，图7中的外围标记702对应于图8的沟槽811，而图7中的内部标记704对应于图8的光致抗蚀剂层图案810a。
请参照图8，叠合标记700的制造方法如下首先提供已形成有二沟槽807的衬底800，此二沟槽807为对应于外围标记702的十字环状沟槽的一部分。接着，形成一共形金属层804，其材料为适用于插塞的材料例如为钨或铜。之后，以化学机械抛光工艺去除沟槽807外的共形金属层804，而暴露出衬底800。然后在衬底800上形成一金属层808，此时由于二沟槽807的宽度足够宽，使得二沟槽807上方的金属层808上形成有二沟槽811，其中二沟槽811为外围标记702的一部分。之后，在金属层808上形成图案化的一光致抗蚀剂层810a，此光致抗蚀剂层810a位于两沟槽811中间的部分的金属层808上，且为内部标记704的一部分。
图9所示，其显示为由图8的叠合标记所测量得的信号波形。
请同时参照图8与图9，图8的沟槽811的波峰信号为图9的902a、902b，且图8的光致抗蚀剂图案810a的波峰信号为图9的904。本实施例在计算叠合误差时，先读取沟槽811的波峰信号902a、902b，并取其中间值906，再读取光致抗蚀剂图案810a的单一波峰信号904的中间值908，然后计算中间值906与中间值908的差异，即为叠合误差。倘若此叠合误差大于可接受的偏差值，则表示该次光致抗蚀剂层图案与芯片的对准并未达到所要求的精度，而必须将此光致抗蚀剂层去除，重新再做一次光刻工艺，直到叠合误差的值小于可接受的偏差值为止。
与现有矩形叠合标记相比，本发明所形成的十字形叠合标记对于化学机械抛光的抵抗能力较好。这是因为本发明的叠合标记图形中沟槽分布的密度较高，因此对于化学机械抛光的抵抗能力较好。
图10所示，其显示为依照本发明一优选实施例的叠合误差的测量方法。
请参照图10，本实施例的叠合误差的测量法，是沿着第一X方向直线710测量第一X方向偏移量，此第一X方向直线710切过此外围标记702的一Y方向延伸区以及内部标记704的一Y方向长条状图案。然后沿着第二X方向直线712测量第二X方向偏移量，此第二X方向直线712切过外围标记702的另一Y方向延伸区以及内部标记704的另一Y方向长条状图案。然后沿着第一Y方向直线714测量第一Y方向偏移量，此第一Y方向直线714切过外围标记702的一X方向延伸区以及内部标记704的一X方向长条状图案。然后沿着第二Y方向直线716测量第二Y方向偏移量，此第二Y方向直线716切过外围标记702的另一X方向延伸区以及内部标记704的另一X方向长条状图案。之后，由第一Y方向偏移量与第二Y方向偏移求得一Y方向平均偏移量，并由第一X方向偏移量与第二X方向偏移求得一X方向平均偏移量。
本发明的叠合标记的测量方法，对于每一叠合标记在X或Y方向上皆可测量两个偏移量，而现有的叠合标记在X或Y方向上仅能读取一个偏移量，所以就统计观点而言，本发明的对准精度的测量较为精确。再者，倘若本发明的叠合标记在化学机械抛光时遭到局部破坏，仅需测量一个X方向偏移量，或者一个Y方向偏移量，就可以完成对准精度的测量。反之，由于现有的叠合标记在X或Y方向上仅能读取一个偏移量，所以当部分叠合标记遭受化学机械抛光的破坏时，极可能无法完成对准精度的测量。
图11所示，其显示为图解本发明单一组叠合标记可求出标线旋转误差的示意图。
请参照图11，利用本发明的叠合标记700以分析叠合误差因子的方法，是利用如图7所示的叠合误差的测量方法，沿着叠合标记700的第一X/Y方向直线710/714测量出第一X/Y方向偏移量，并沿着叠合标记700的第二X/Y方向直线712/716测量出第二X/Y方向偏移量。之后由第一/二X方向偏移量的平均值AX即可求出X方向平移误差，由第一/二Y方向偏移量的平均值AY即可求出Y方向平移误差，且由第一X方向偏移量与第二X方向偏移量各自与AX的差异(或再加上第一Y方向偏移量与第二Y方向偏移量各自与AY的差异)即可求出标线旋转误差。因此，本发明的叠合标记仅需一个叠合标记即可求出标线旋转误差。
图12所示，其显示为图解现有叠合标记无法以单一组求出标线旋转误差，而必须藉由不同方位的多组标记才可计算得到的示意图。
请参照图12，然而以现有的叠合标记212分析叠合误差因子，由于测量机台对于叠合标记212的测量是以一固定宽度的区域测量，因此仅能由X方向直线310测量出一X方向偏移量，由Y方向测量出一Y方向直线312测量出一Y方向偏移量。然而，由一X方向偏移量与一Y方向偏移量仅能求出平移误差，而无法求得标线旋转误差。因此，倘若要以现有的叠合标记212求出标线旋转误差，必须再测量另一叠合标记的X方向偏移量与Y方向偏移量，利用两个X方向偏移量与两个Y方向偏移量，才能求得标线旋转误差。
综合以上所述，本发明具有下列优点1.本发明的叠合标记为一强化的结构，对于抵抗在金属内连线工艺的化学机械抛光特别具有成效，因此可降低被化学机械抛光工艺破坏的几率。
2.使用本发明的叠合标记结构及测量方法时，可提高测量出的叠合误差的准确度。
3.本发明只需要一个叠合标记即可求出标线旋转误差。
虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作些许更改与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种叠合标记结构，包括一外围标记，该外围标记围出一封闭十字形区域，该封闭十字形区域具有二中心轴线；以及一内部标记，该内部标记由四个长条状图案组成，该四个长条状图案沿着该二中心轴线排列，且该四个长条状图案分别以四个方向由该封闭十字形区域的中心部分往外延伸。
2.如权利要求1所述的叠合标记结构，其中该四个长条状图案之间彼此不连接。
3.如权利要求1所述的叠合标记结构，其中该四个长条状图案与外围的该外围标记不连接。
4.如权利要求1所述的叠合标记结构，其中该外围标记为一凹陷结构。
5.如权利要求4所述的叠合标记结构，其中该外围标记是形成在一介电层中的一沟槽。
6.如权利要求5所述的叠合标记结构，其中该介电层的该沟槽下方为形成有一共形金属层的一沟槽。
7.如权利要求6所述的叠合标记结构，其中该共形金属层的材料选自铜与钨其中之一。
8.如权利要求1所述的叠合标记结构，其中该内部标记为一凸出结构。
9.如权利要求8所述的叠合标记结构，其中该内部标记的材料为一光致抗蚀剂材料。
10.一种测量叠合误差的方法，包括提供一叠合标记，其中该叠合标记由一外围标记与一内部标记所组成，其中该外围标记围出具有二中心轴线的一封闭十字形区域，该二中心轴线与该封闭十字形区域朝X/Y方向延伸，而该内部标记为沿着该该二中心轴线排列，并由该封闭十字形区域的中心部分向外延伸的二个X方向长条状图案与二个Y方向长条状图案；沿着一第一X方向直线测量一第一X方向偏移量，其中该第一X方向直线切过该封闭十字形区域的一Y方向延伸区以及其中的一Y方向长条状图案；以及沿着一第一Y方向直线测量一第一Y方向偏移量，其中该第一Y方向直线切过该封闭十字形区域的一X方向延伸区以及其中的一X方向长条状图案。
11.如权利要求10所述的测量叠合误差的方法，其中还包括沿着一第二X方向直线测量一第二X方向偏移量，其中该第二X方向直线切过该封闭十字形区域的另一Y方向延伸区以及另一Y方向长条状图案，再求得该第一X方向偏移量与该第二X方向偏移量的一平均X方向偏移量。
12.如权利要求10所述的测量叠合误差的方法，其中还包括沿着一第二Y方向直线测量一第二Y方向偏移量，其中该第二Y方向直线切过该封闭十字形区域的另一X方向延伸区以及另一X方向长条状图案，再求得该第一Y方向偏移量与该第二Y方向偏移量的一平均Y方向偏移量。
13.一种分析叠合误差因子的方法，包括提供一叠合标记，其中该叠合标记由一外围标记与一内部标记所组成，其中该外围标记围出具有二中心轴线的一封闭十字形区域，该二中心轴线与该封闭十字形区域皆朝X/Y方向延伸，而该内部标记为沿着该二中心轴线排列，并由该封闭十字形区域的中心部分向外延伸的二个X方向长条状图案与二个Y方向长条状图案；沿着一第一X方向直线测量一第一X方向偏移量，其中该第一X方向直线切过该封闭十字形区域的一Y方向延伸区以及其中的一Y方向长条状图案；沿一第二X方向直线测量一第二X方向偏移量，其中该第二X方向直线切过该封闭十字形区域的另一Y方向延伸区以及另一Y方向长条状图案；沿一第一Y方向直线测量一第一Y方向偏移量，其中该第一Y方向直线切过该封闭十字形区域的一X方向延伸区及其中的一X方向长条状图案；沿一第二Y方向直线测量一第二Y方向偏移量，其中该第二Y方向直线切过该封闭十字形区域的另一X方向延伸区以及另一X方向长条状图案；以及由该第一X方向偏移量、该第二X方向偏移量、该第一Y方向偏移量与该第二Y方向偏移量计算出多种叠合误差因子。
14.如权利要求13所述的分析叠合误差因子的方法，其中该些叠合误差因子包括平移误差与标线旋转误差。
全文摘要
一种叠合标记结构及其测量应用，此叠合标记结构包括一外围标记与一内部标记，其中外围标记围出一封闭十字形区域，且封闭十字形区域具有二中心轴线；内部标记由四个长条状图案组成，此四个长条状图案沿着二中心轴线排列，且分别以四个方向由封闭十字形区域的中心部分往外延伸。
文档编号H01L23/544GK1421747SQ0214014
公开日2003年6月4日 申请日期2002年7月3日 优先权日2001年11月30日
发明者余政宏, 郭智亮 申请人:联华电子股份有限公司