在光掩膜中修正临界尺寸偏差的方法

专利名称:在光掩膜中修正临界尺寸偏差的方法
技术领域：
本发明涉及一种光掩膜，特别是涉及一种利用所述光掩膜在晶片制造中为了纠正临界尺寸偏差的光掩膜处理方法，通过提供遮蔽元件(shading elements)和/或衍射光学元件来衰减光掩膜中的光辐射。
背景技术：
在集成电路(IC)的制造中，光掩膜由铬层沉积在石英或熔融硅板上制成，然后组成图案作为负极使用，类似摄影、照相平版印刷术中的印刷过程。
在照相平版印刷法中，就是通过紫外光穿过铬层上记录的图案，而在硅晶片上的感光层中成像的。
铬层周围通常还有保护层，抗反射层，或者硅化钼制成的嵌入式相位移层。
类似集成电路的其他应用还有平板印刷术膜磁读/写头在用于数据保存的硬盘驱动中使用。
(Front-end)IC工艺的开端需要达到亚微米级的精度，通常光掩膜上的图像以4∶1的比例缩小印到硅晶片上。
如此亚微米级的精度就要求印在晶片上图像的临界尺寸(CD)在规格上严格一致。
然而，众所周知在半导体工业中，由于CD存在偏差的原因，平版印刷过程经常超出规范要求。
但所有的CD偏差并不都是由于光掩膜图案本身导致的。事实上很大一部分偏差的出现都归因于外部原因，如照相平版印刷中应用的光学仪器也可能导致问题的出现。还有诸如镜头失常、膜规格不一致、照明设计、光阻层涂覆、蚀刻术等原因。
通过对CD偏差的研究表明，(通过控制光掩膜的背面的传输分布在晶片上改善投射(Shot)统一，Jong Rak Park，Soon Ho Kim，Gi-Sung Yeo，Sung-Woon Choi，Won-Tai Ki，Hee-Sun Yoon，Jung-Min Sohn，三星电子有限公司，SPIE proceedings，2003年2月(5040-45))，在大部分情况下，偏差总是被分割存在于曝光域中的特定部分。曝光域等同于晶片表面光掩膜的一个投影，因此单个晶片就含有同一光掩膜的许多曝光域。应用一个好的统计模型就能够清楚地分析出每个区域的CD偏差所占的比例。
还有研究指出，可以利用括化光阻阈值来改进CD偏差，改变光阻阈值与曝光量对数的线性关系，斜率-y((″Resolution enhancement techniques in optical lithography″(chapter 1.3.4)，Alfred Kwok-Kit Wong(SPIE PRESS 2001)).
如果偏差只是稍高于规定值，则可以降低UV照射量来改变CD偏差例如印刷线宽(或接触孔直径)，这样偏差可以调整到更接近规定值。
一个减少向光掩膜投影图像的可能的方法是可以在它的反面开凹槽或小孔(参见Park e等的美国专利US 20040067422)。
但是受动力学范围的限制，这种方法既耗时又费钱。
还有其它CD控制的方法，通常运用在半导体行业(例如优化聚焦/曝光(量)process-window系统，能测量晶片上的平均偏差)，但这些方法通常并不合适控制在晶片表面曝光域内部形成的CD偏差(内部区域CD偏差)。

发明内容本发明的目的是提供一种在照相平版印刷法中极大减少与光掩膜相关联的内部区域CD偏差的方法。
本发明的另一目的是提供一种用嵌入到光掩膜中的遮蔽元件或衍射光学元件以减少CD偏差的方法。
结合本发明的一些优选的实施例，本发明提供了一种通过纠正相关光掩膜的CD偏差，以修正晶片图形线的CD偏差的方法，光掩膜由透明的具有两个完全相对的表面—一个背面和一个正面的感光底层组成，感光底层上的正面具有吸收覆盖层，感光底层上的图形线通过去除吸收覆盖层而形成。该方法包括在与光掩膜相对应的的晶片曝光域中测定CD偏差；提供遮蔽元件(SE)在光掩膜的感光底层区域中，该区域与CD偏差测定高于预先确定的目的值的晶片曝光域相关联，因遮蔽元件衰减通过该区域的光，从而修正了CD偏差。
此外，按照本发明的一些优选实施例，提供的遮蔽元件利用了脉冲激光。
此外，按照本发明的一些优选实施例，脉冲激光由超短的飞秒(femtosecond)脉冲激光组成。
此外，根据本发明的一些优选实施例，通过照射脉冲激光辐射穿过背面到光掩膜和完全相对的图形线而形成遮蔽元件。
此外，按照本发明的一些优选实施例，至少一些遮蔽元件包含衍射光学元件(Diffractive Optical elements DOEs)。
此外，按照本发明的一些优选实施例，通过引导激光能量穿过背面使遮蔽元件记录在感光底层中。
此外，按照本发明的一些优选实施例，使用遮蔽元件和其相关衰减力的一个参数参考校准表来决定遮蔽元件的参数。
此外，按照本发明的一些优选实施例，遮蔽元件设计为削弱15％的透过光。
此外，按照本发明的一些优选实施例，超短的飞秒脉冲激光在高于1千赫兹的频率下运转，优选为10千赫兹以上。
此外，按照本发明的一些优选实施例，该方法还包括使用一个计算机程序来计算定位、尺寸和遮蔽元件的设计参数的信息，并使用该信息来运转一个脉冲激光源将遮蔽元件记录在光掩膜内。
此外，按照本发明的一些优选实施例，计算机程序使用一个参数参考校准表来决定遮蔽元件的参数。
为了更好的理解本发明及其实际用途，以下附图作为参考，这些附图仅作为示例，并不限制本发明的范围。构成元件以附图标记表示。
图1提出一个本发明优选实施例的激光掩膜处理的装置，掩膜位于一个支持物上处于XYZ状态。
图2是一个理想状态下，当光照、光掩膜与成像参数是理想的时候，硅晶片上的CD是完全一致的。
图3是一个实际的状态下的由于一个或多个的原因(如光束不均一、光掩膜CD偏差、光成像失常)，通过晶片曝光域的CD产生偏差。
图4表示纠正后的情况，通过在光掩膜内形成修正图案，削弱透过光掩膜上的每个线性区域的紫外光来纠正晶片的有效CD值达到期望值。
具体实施方式集成电路平版印刷中的偏差实际是由印在硅片上的线和间距的尺寸偏差导致。
通常将测量的线和间距的偏差作为晶片上不同区域的平均CD尺寸。当印在晶片上的线和间距的宽度偏差大于光掩膜时，这种偏差被称为CD偏差。
本发明提供一种通过记录遮蔽元件，其由在具有超快的飞秒激光的光掩膜的玻璃感光底层中的象素制成，控制晶片曝光域上CD偏差的新颖方法。控制感光层中象素尺寸和象素3维空间排列决定遮蔽元件的衰减水平。
需要衰减的水平由来自晶片曝光域中目的CD的CD偏差程度决定。
照相平板印刷中削弱通过光掩膜(CD高于目标值的区域)的光强度导致这些区域的CD降低，从而降低曝光域的CD偏差。
具有100飞秒量级的典型脉冲宽度的超短激光脉冲通常更适宜穿过光掩膜背面聚焦进入感光层，在预先设定的焦点上形成分解点，此处能量超过透明介质的非线性吸收阈值，因而折射率发生部分变化。
这种在如玻璃或石英的透明介质中的分解点导致象素点由于密度和折射率不同而分散光线。
当激光频率高于5万赫兹时，伴随着光的快速扫描和X，Y载物台(stage)的快速移动，玻璃感光层中的象素阵列形成预定象素尺寸、横向尺寸、象素密度、层编码号和屏蔽水平的遮蔽元件，形成的遮蔽量是以修正CD偏差为目的的。
结合本发明的一个优选实施例，典型的CD纠正过程如下首先印制测试晶片。测试晶片的CD分布利用CD扫描电子显微镜(CDSEM)或其它光学CD度量工具绘制。
典型的CD分布图包括几十或几百个CD测量点。用常规的CD制图技术将测量点和它们对应的CD偏差值收集起来做成一个简单的表，用下面的这种方法每个CD点分配一组XY坐标标示和一个CD偏差的百分值。这整张表就代表一个曝光域，即等于用来印制晶片的光掩膜中的区域。
值得注意的是，晶片曝光域CD偏差图代表的是所有的CD偏差源的重叠包括但不仅局限于光掩膜本身的偏差。
按照本发明将装载CD偏差表到CD修正工具后，用一个机算机程序将CD偏差百分值转变成所需的百分比衰减水平，下一步，这个程序将所需的衰减的水平转变成一组排列在3维遮光体中的像素，这样提供一个衰减图，本质上是CD偏差的负数，(因此具有最大CD偏差的区域将接受最密集像素的CD修正图案并导致一个最低的UV透过率)。
一旦光掩膜装载并排列在CD修正(CDC)工具中，超速激光基于所述的CD修正图用于记录像素的图像。
完成激光记录步骤后，一个UV透射测定系统测量光掩膜每个区域的衰减水平并与想得到的衰减水平进行比较。如果需要更多的衰减，这个区域将通过CDC工具再加工以增加到所需要的衰减量。
完成激光记录和UV透射测定，光掩膜送回用于晶片印制，印制结果降低了(改进)在曝光域中的CD偏差。
通常，快速的飞秒脉冲激光，其具有频率为大约200千赫兹，能释放大约105fs的短激光脉冲，而低于20兆秒(pico-seconds)时间，在能量大于每脉冲5奈耳(nanojoule)，能使光掩膜感光底层的折射率产生局部的变化，和/或形成光突变区域，具有足够高的散射和吸收水平，从而保证适当的遮蔽元件(SE)的图案和/或衍射光学元件(DOE)，DOE是SE的一种类型，SE的结构图案需要在选择的区域上(此处平均CD偏差是指定的)投射一个阴影。
遮蔽元件的参数可以用一个包含一系列不同遮蔽元件参数和它们的相应衰减量(通常可以测定其百分数)的参考校准表来决定。
作用于光掩膜的正面铬图案区域的范围直接与铬上的玻璃厚度成比例。由于光掩膜的厚度通常是6.35mm，激光象素图案位于背面的下面，有效地遮蔽需要遮蔽区域。如果这个过程需要较小的作用区域，图像能记录在更接近于铬覆盖面的地方，如果需要像差的纠正。
通常用CD扫描电子显微镜或光学CD系统—它们能越过晶片测量CD图—来测量CD偏差图。这个偏差图通常给定一套XY坐标值，和一纳米级(Nanometers)正的或负的CD偏差值。本发明所述的方法通过当象素被记录在光掩膜的时候，测量并制成一套象素来修正其中的CD偏差。
修正是通过象素阵列而达到的，它产生局部的阴影，并减少透过光掩膜阴影区域的UV辐射量。
该新颖技术的一个明显的优点是具有在内部的透明介质或intra-volume图案中形成象素的能力，事实上，就如在WO 03/071358，By Zait等人的纠正光掩膜的缺陷的方法和系统(METHOD AND SYSTEM FOR REPAIRING DEFECTED PHOTOMASKS)中所证明的。
为了达到更高的光学密度，激光象素能横向地和/或垂直地被积聚，从而削弱UV光的发射量至所需要的关于抵抗阈值(resist threshold)的水平。
当超短脉冲激光被使用于在玻璃或者任何透明介质中形成象素时，玻璃感光底层的厚度成为光学系统的关键的部分，并与激光光束的光线产生强烈的干涉。
富有经验的光学工程师都知道在光路中增加平板玻璃，会引入一个强大的球面像差，能通过一个或多于两个的因素的典型的四分之一英寸的厚玻璃导致恶化的辨析率。
玻璃中产生几毫米的光路变化都会在横向和纵向形成球面像差是的。
球面像差是造成在最佳聚焦时激光点的艾里斑(Airy disk)理想形状的横向和纵向缺失的原因。
大部分的激光能量被从艾里斑中央的转移到外环，因此激光点需要许多次更多的能量用于光分解，并且点的尺寸被扩大和被有效遮蔽。
本发明建议使用感光底层背面成图，(即引导激光记录放射线通过感光底层的背面—而不是穿过已经在铬覆盖层上成像的前面)，具有一个可选择的对附加的玻璃厚度进行光学修正的光路，因此激光图像在需要的焦平面被衍射限制。
使用光修正设备，球面相差能被减低到如此低的水平，斯太尔率(Strehl ratios)超过0.98(象差点与理想的衍射极限点的能量比)。
另外，遮蔽元件(SE)的光图案能按照数值孔径(N.A)，孔径种类和UV辐射源C(Sigma)的部分相干程度而设计。
考虑到用于以上设计遮蔽元件的参数计算是相当复杂的，甚至对于更低的衍射级，然而，因为相对低的1％-25％遮蔽水平，仅仅考虑零衍射级(当在一个较高级的衍射光栅中—例如1级作出很小的贡献)就是个相当好的近似，在那里衰减水平通过被阵列线中的象素覆盖的相应面积决定。
大部分实际情况中，衰减水平在1％到25％的范围内(本发明不限制于该范围)，这个过程在小的衰减范围内有一个非常宽的动力学范围，因为象素之间的距离和激光的能量决定象素尺寸，他们都被控制在一个高的精确度。
在激光脉冲频率高于50千赫兹，结合一个快速扫描仪和X，Y移动载物台，一个由多于1千万个象素组成的遮蔽元件可以在几分钟或更短的时间内记录。
遮蔽区域是通过CD标准测量图被决定的，实际上该图可以作为一个绘图文件或数字图表被装载到一个计算机上，每个区域根据取自于上述提到的参考图表中一个特定的参考级的偏差量而成图。
因此，本发明保证了一个快速和简单的在平版印刷中光掩膜上的CD控制改进方法，对于所有的前期(front-end)都适用。
参考图1，根据本发明的一个优选实施例，提出了一套激光掩膜处理工作站的装置。光掩膜放在一个XYZ三维载物台上的支持物中。这个系统包含了一个超短脉冲飞秒激光1，其中心计算处理控制单元21控制脉冲计时。
激光脉冲基础频率是可能通过一个谐波发生器2增加到较高的谐波，接着通过一个可变量衰减器3，它能控制输出的能量。
衰减激光光束被引导到一个可以包括一个扫描仪的光束传输系统，例如检流计—扫描器或一个电力传动装置型的扫描器或一个声光偏转器(acousto-optic deflector)5，其能通过中心计算处理控制单元21与激光脉冲计时(laser pulses timing)和一个3—移动台9同步。
随后，光束通过主物镜6被聚焦到光掩膜玻璃感光底层面7。
同一个物镜6用于一个现场机器视觉系统，它能作为一个高倍放大显微镜使用。这个显微镜能用于测量象素尺寸和形状，也能监控激光在玻璃材料中的分解过程，也可以用作与光掩膜中期望的CD区域的相应的遮蔽元件的精确定位。光掩膜通过一个来自光导10的光源13和一个可变孔径光阑(variable aperture stop)11被照亮。
象素面积，形状和位置被选择匹配于数值孔径和平版印刷术的照明模式，最后光掩膜被使用。
光通过一个聚光镜被校准在光掩膜8的铬层的图案上。
一个图像最后通过物镜6、分光器4和一个镜筒透镜18-它能引导光到CCD照相机19中而形成。
图像通过一个连续的帧抓取器20被抓取，并在中心计算控制单元21被处理。
UV光源16和检测系统17测量和读取玻璃中的每个遮蔽区域图案的UV辐射衰减水平。
一个另外的具有较低的放大倍数的成像系统15(使用光源14)，用于快速穿过光掩膜和测量相应的定位标记(alignment marks)，因此含有XY数值的CD偏差表可以装载到计算机上，配合激光制图过程。
图2描述的一个理想状态下的情况，照明、光掩膜和成像参数是一个理想状态，晶片上的CD水平是理想模式。光掩膜30包括吸收覆盖层32，其上一个预先设定的图案34具有清楚的线条形状(此处的覆盖层被去除)。线条在厚度上是理想一致的，并没有外部效应造成CD偏差，这可以通过示意图36看到。
图3描述了一个在实际状态下的由于一个或几个原因(例如照明光束不均一，光掩膜CD偏差，光学成像失常)造成的偏差导致晶片曝光域CD变化。图的左手边的线条显示理想的CD一致36，中间的线条显示一个小CD偏差区域38，而在图的右手边则显示一个大CD偏差区域40。
图4是修正下的状态图，基于晶片(与图3一样)的实际CD偏差图(例如来自CD扫描电子显微镜)，在光掩膜中产生一个修正图案，穿过光掩膜上线条每个区域的UV光发射水平被衰减，因此修正在晶片曝光域上的有效CD值达到期望值。在中心区域，一个弱的CD修正图案42被提供，被记录在光掩膜中，然而在右手边提供了一个更强大的CD修正图案44，它具有更强大的衰减力度，产生一个被修正的设计图案46。
CD修正图案更适宜穿过感光底层的背面(即铬层的反面)而记录从而形成在感光底层中的一个预先调整到的最佳焦平面中。这主要是因为前面覆盖了铬层并被形成图案。因此，CD偏差修正通过背面容易记录，该背面是透明的并能增加遮蔽图案。
很显然，本发明在说明书中描述的实施例和附图仅用于更好地理解该发明，并没有限制本发明的范围。
很明显，本领域的技术人员，通过阅读本发明后调整或修改附图和以上所述的实施例将依然属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种通过修正相关联的光掩膜的临界尺寸来修正晶片图形线的临界尺寸偏差的方法，光掩膜由透明的具有两个完全相反表面—一个背面和一个正面的感光底层组成，感光底层上的正面具有吸收覆盖层，感光底层上的图形线通过去除吸收覆盖层而形成，该方法包括在与光掩膜相关联的晶片曝光域测定CD偏差；提供遮蔽元件在光掩膜的感光底层区域中，该区域与CD偏差测定高于预先确定的目的值的晶片曝光域相关联，遮蔽元件衰减光通过该区域，从而修正了CD偏差。
2.根据权利要求
1的方法，其特征是提供的遮蔽元件利用了脉冲激光。
3.根据权利要求
2方法，其特征是脉冲激光由超短的飞秒脉冲激光组成。
4.根据权利要求
1方法，其特征是通过照射脉冲激光辐射线穿过背面到光掩膜和完全相反的图形线而形成遮蔽元件。
5.根据权利要求
1的方法，其特征是至少一些遮蔽元件包含衍射光学元件。
6.根据权利要求
1的方法，其特征是通过引导激光能量穿过背面使遮蔽元件记录在感光底层中。
7.根据权利要求
1的方法，其特征是使用遮蔽元件和相关衰减能量的一个参数参考校准表来测定遮蔽元件的参数。
8.根据权利要求
1的方法，其特征是遮蔽元件被设计为造成光衰减达15％。
9.根据权利要求
1的方法，其特征是超短的飞秒脉冲激光在高于1千赫兹的频率下运转，优选为10千赫兹以上。
10.根据权利要求
1的方法，其特征是还使用一个计算机程序来计算关于定位、尺寸和遮蔽元件的设计参数的信息，并使用该信息来使一个脉冲激光源将遮蔽元件记录在光掩膜内。
11.根据权利要求
10的方法，其特征是计算机程序使用一个参数参考校准表来测定遮蔽元件的参数。
12.一种纠正光掩膜的图形线的临界尺寸偏差的方法，该方法详细地描述在本发明的说明书、附图和附属权利要求
中。
专利摘要
一种修正晶片图形线的临界尺寸偏差的方法，光掩膜由透明的具有两个完全相反表面——一个背面和一个正面的透明的感光底层组成，感光底层上的正面具有吸收覆盖层，感光底层上的图形线通过去除吸收覆盖层而形成。该方法包括在与光掩膜相关联的晶片曝光域测定CD偏差，提供遮蔽元件在光掩膜的感光底层区域中，该区域与CD偏差测定高于预先确定的目的值的晶片曝光域相关联，遮蔽元件削弱光通过该区域，以致修正晶片上的CD偏差因而供给和改善了晶片的CD容许量。
文档编号G03C5/00GK1997878SQ20048002053
公开日2007年7月11日 申请日期2004年7月18日
发明者埃坦·扎特, 弗拉基米尔·德米特里耶夫, 尼克雷·古力茨基, 舍杰·俄谢姆科夫, 伊盖·本－兹韦 申请人:Uclt有限责任公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan