專利名稱:在光掩膜中修正臨界尺寸偏差的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光掩膜，特別是涉及一種利用所述光掩膜在晶片制造中為了糾正臨界尺寸偏差的光掩膜處理方法，通過提供遮蔽元件(shading elements)和/或衍射光學元件來衰減光掩膜中的光輻射。
背景技術：
在集成電路(IC)的制造中，光掩膜由鉻層沉積在石英或熔融硅板上制成，然后組成圖案作為負極使用，類似攝影、照相平版印刷術中的印刷過程。
在照相平版印刷法中，就是通過紫外光穿過鉻層上記錄的圖案，而在硅晶片上的感光層中成像的。
鉻層周圍通常還有保護層，抗反射層，或者硅化鉬制成的嵌入式相位移層。
類似集成電路的其他應用還有平板印刷術膜磁讀/寫頭在用于數(shù)據(jù)保存的硬盤驅動中使用。
(Front-end)IC工藝的開端需要達到亞微米級的精度，通常光掩膜上的圖像以4∶1的比例縮小印到硅晶片上。
如此亞微米級的精度就要求印在晶片上圖像的臨界尺寸(CD)在規(guī)格上嚴格一致。
然而，眾所周知在半導體工業(yè)中，由于CD存在偏差的原因，平版印刷過程經(jīng)常超出規(guī)范要求。
但所有的CD偏差并不都是由于光掩膜圖案本身導致的。事實上很大一部分偏差的出現(xiàn)都歸因于外部原因，如照相平版印刷中應用的光學儀器也可能導致問題的出現(xiàn)。還有諸如鏡頭失常、膜規(guī)格不一致、照明設計、光阻層涂覆、蝕刻術等原因。
通過對CD偏差的研究表明，(通過控制光掩膜的背面的傳輸分布在晶片上改善投射(Shot)統(tǒng)一，Jong Rak Park，Soon Ho Kim，Gi-Sung Yeo，Sung-Woon Choi，Won-Tai Ki，Hee-Sun Yoon，Jung-Min Sohn，三星電子有限公司，SPIE proceedings，2003年2月(5040-45))，在大部分情況下，偏差總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個投影，因此單個晶片就含有同一光掩膜的許多曝光域。應用一個好的統(tǒng)計模型就能夠清楚地分析出每個區(qū)域的CD偏差所占的比例。
還有研究指出，可以利用括化光阻閾值來改進CD偏差，改變光阻閾值與曝光量對數(shù)的線性關系，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規(guī)定值，則可以降低UV照射量來改變CD偏差例如印刷線寬(或接觸孔直徑)，這樣偏差可以調整到更接近規(guī)定值。
一個減少向光掩膜投影圖像的可能的方法是可以在它的反面開凹槽或小孔(參見Park e等的美國專利US 20040067422)。
但是受動力學范圍的限制，這種方法既耗時又費錢。
還有其它CD控制的方法，通常運用在半導體行業(yè)(例如優(yōu)化聚焦/曝光(量)process-window系統(tǒng)，能測量晶片上的平均偏差)，但這些方法通常并不合適控制在晶片表面曝光域內部形成的CD偏差(內部區(qū)域CD偏差)。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種在照相平版印刷法中極大減少與光掩膜相關聯(lián)的內部區(qū)域CD偏差的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用嵌入到光掩膜中的遮蔽元件或衍射光學元件以減少CD偏差的方法。
結合本發(fā)明的一些優(yōu)選的實施例，本發(fā)明提供了一種通過糾正相關光掩膜的CD偏差，以修正晶片圖形線的CD偏差的方法，光掩膜由透明的具有兩個完全相對的表面—一個背面和一個正面的感光底層組成，感光底層上的正面具有吸收覆蓋層，感光底層上的圖形線通過去除吸收覆蓋層而形成。該方法包括在與光掩膜相對應的的晶片曝光域中測定CD偏差；提供遮蔽元件(SE)在光掩膜的感光底層區(qū)域中，該區(qū)域與CD偏差測定高于預先確定的目的值的晶片曝光域相關聯(lián)，因遮蔽元件衰減通過該區(qū)域的光，從而修正了CD偏差。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，提供的遮蔽元件利用了脈沖激光。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，脈沖激光由超短的飛秒(femtosecond)脈沖激光組成。
此外，根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，通過照射脈沖激光輻射穿過背面到光掩膜和完全相對的圖形線而形成遮蔽元件。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，至少一些遮蔽元件包含衍射光學元件(Diffractive Optical elements DOEs)。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，通過引導激光能量穿過背面使遮蔽元件記錄在感光底層中。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，使用遮蔽元件和其相關衰減力的一個參數(shù)參考校準表來決定遮蔽元件的參數(shù)。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，遮蔽元件設計為削弱15％的透過光。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，超短的飛秒脈沖激光在高于1千赫茲的頻率下運轉，優(yōu)選為10千赫茲以上。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，該方法還包括使用一個計算機程序來計算定位、尺寸和遮蔽元件的設計參數(shù)的信息，并使用該信息來運轉一個脈沖激光源將遮蔽元件記錄在光掩膜內。
此外，按照本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，計算機程序使用一個參數(shù)參考校準表來決定遮蔽元件的參數(shù)。
為了更好的理解本發(fā)明及其實際用途，以下附圖作為參考，這些附圖僅作為示例，并不限制本發(fā)明的范圍。構成元件以附圖標記表示。
圖1提出一個本發(fā)明優(yōu)選實施例的激光掩膜處理的裝置，掩膜位于一個支持物上處于XYZ狀態(tài)。
圖2是一個理想狀態(tài)下，當光照、光掩膜與成像參數(shù)是理想的時候，硅晶片上的CD是完全一致的。
圖3是一個實際的狀態(tài)下的由于一個或多個的原因(如光束不均一、光掩膜CD偏差、光成像失常)，通過晶片曝光域的CD產(chǎn)生偏差。
圖4表示糾正后的情況，通過在光掩膜內形成修正圖案，削弱透過光掩膜上的每個線性區(qū)域的紫外光來糾正晶片的有效CD值達到期望值。
具體實施方式集成電路平版印刷中的偏差實際是由印在硅片上的線和間距的尺寸偏差導致。
通常將測量的線和間距的偏差作為晶片上不同區(qū)域的平均CD尺寸。當印在晶片上的線和間距的寬度偏差大于光掩膜時，這種偏差被稱為CD偏差。
本發(fā)明提供一種通過記錄遮蔽元件，其由在具有超快的飛秒激光的光掩膜的玻璃感光底層中的象素制成，控制晶片曝光域上CD偏差的新穎方法。控制感光層中象素尺寸和象素3維空間排列決定遮蔽元件的衰減水平。
需要衰減的水平由來自晶片曝光域中目的CD的CD偏差程度決定。
照相平板印刷中削弱通過光掩膜(CD高于目標值的區(qū)域)的光強度導致這些區(qū)域的CD降低，從而降低曝光域的CD偏差。
具有100飛秒量級的典型脈沖寬度的超短激光脈沖通常更適宜穿過光掩膜背面聚焦進入感光層，在預先設定的焦點上形成分解點，此處能量超過透明介質的非線性吸收閾值，因而折射率發(fā)生部分變化。
這種在如玻璃或石英的透明介質中的分解點導致象素點由于密度和折射率不同而分散光線。
當激光頻率高于5萬赫茲時，伴隨著光的快速掃描和X，Y載物臺(stage)的快速移動，玻璃感光層中的象素陣列形成預定象素尺寸、橫向尺寸、象素密度、層編碼號和屏蔽水平的遮蔽元件，形成的遮蔽量是以修正CD偏差為目的的。
結合本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，典型的CD糾正過程如下首先印制測試晶片。測試晶片的CD分布利用CD掃描電子顯微鏡(CDSEM)或其它光學CD度量工具繪制。
典型的CD分布圖包括幾十或幾百個CD測量點。用常規(guī)的CD制圖技術將測量點和它們對應的CD偏差值收集起來做成一個簡單的表，用下面的這種方法每個CD點分配一組XY坐標標示和一個CD偏差的百分值。這整張表就代表一個曝光域，即等于用來印制晶片的光掩膜中的區(qū)域。
值得注意的是，晶片曝光域CD偏差圖代表的是所有的CD偏差源的重疊包括但不僅局限于光掩膜本身的偏差。
按照本發(fā)明將裝載CD偏差表到CD修正工具后，用一個機算機程序將CD偏差百分值轉變成所需的百分比衰減水平，下一步，這個程序將所需的衰減的水平轉變成一組排列在3維遮光體中的像素，這樣提供一個衰減圖，本質上是CD偏差的負數(shù)，(因此具有最大CD偏差的區(qū)域將接受最密集像素的CD修正圖案并導致一個最低的UV透過率)。
一旦光掩膜裝載并排列在CD修正(CDC)工具中，超速激光基于所述的CD修正圖用于記錄像素的圖像。
完成激光記錄步驟后，一個UV透射測定系統(tǒng)測量光掩膜每個區(qū)域的衰減水平并與想得到的衰減水平進行比較。如果需要更多的衰減，這個區(qū)域將通過CDC工具再加工以增加到所需要的衰減量。
完成激光記錄和UV透射測定，光掩膜送回用于晶片印制，印制結果降低了(改進)在曝光域中的CD偏差。
通常，快速的飛秒脈沖激光，其具有頻率為大約200千赫茲，能釋放大約105fs的短激光脈沖，而低于20兆秒(pico-seconds)時間，在能量大于每脈沖5奈耳(nanojoule)，能使光掩膜感光底層的折射率產(chǎn)生局部的變化，和/或形成光突變區(qū)域，具有足夠高的散射和吸收水平，從而保證適當?shù)恼诒卧?SE)的圖案和/或衍射光學元件(DOE)，DOE是SE的一種類型，SE的結構圖案需要在選擇的區(qū)域上(此處平均CD偏差是指定的)投射一個陰影。
遮蔽元件的參數(shù)可以用一個包含一系列不同遮蔽元件參數(shù)和它們的相應衰減量(通常可以測定其百分數(shù))的參考校準表來決定。
作用于光掩膜的正面鉻圖案區(qū)域的范圍直接與鉻上的玻璃厚度成比例。由于光掩膜的厚度通常是6.35mm，激光象素圖案位于背面的下面，有效地遮蔽需要遮蔽區(qū)域。如果這個過程需要較小的作用區(qū)域，圖像能記錄在更接近于鉻覆蓋面的地方，如果需要像差的糾正。
通常用CD掃描電子顯微鏡或光學CD系統(tǒng)—它們能越過晶片測量CD圖—來測量CD偏差圖。這個偏差圖通常給定一套XY坐標值，和一納米級(Nanometers)正的或負的CD偏差值。本發(fā)明所述的方法通過當象素被記錄在光掩膜的時候，測量并制成一套象素來修正其中的CD偏差。
修正是通過象素陣列而達到的，它產(chǎn)生局部的陰影，并減少透過光掩膜陰影區(qū)域的UV輻射量。
該新穎技術的一個明顯的優(yōu)點是具有在內部的透明介質或intra-volume圖案中形成象素的能力，事實上，就如在WO 03/071358，By Zait等人的糾正光掩膜的缺陷的方法和系統(tǒng)(METHOD AND SYSTEM FOR REPAIRING DEFECTED PHOTOMASKS)中所證明的。
為了達到更高的光學密度，激光象素能橫向地和/或垂直地被積聚，從而削弱UV光的發(fā)射量至所需要的關于抵抗閾值(resist threshold)的水平。
當超短脈沖激光被使用于在玻璃或者任何透明介質中形成象素時，玻璃感光底層的厚度成為光學系統(tǒng)的關鍵的部分，并與激光光束的光線產(chǎn)生強烈的干涉。
富有經(jīng)驗的光學工程師都知道在光路中增加平板玻璃，會引入一個強大的球面像差，能通過一個或多于兩個的因素的典型的四分之一英寸的厚玻璃導致惡化的辨析率。
玻璃中產(chǎn)生幾毫米的光路變化都會在橫向和縱向形成球面像差是的。
球面像差是造成在最佳聚焦時激光點的艾里斑(Airy disk)理想形狀的橫向和縱向缺失的原因。
大部分的激光能量被從艾里斑中央的轉移到外環(huán)，因此激光點需要許多次更多的能量用于光分解，并且點的尺寸被擴大和被有效遮蔽。
本發(fā)明建議使用感光底層背面成圖，(即引導激光記錄放射線通過感光底層的背面—而不是穿過已經(jīng)在鉻覆蓋層上成像的前面)，具有一個可選擇的對附加的玻璃厚度進行光學修正的光路，因此激光圖像在需要的焦平面被衍射限制。
使用光修正設備，球面相差能被減低到如此低的水平，斯太爾率(Strehl ratios)超過0.98(象差點與理想的衍射極限點的能量比)。
另外，遮蔽元件(SE)的光圖案能按照數(shù)值孔徑(N.A)，孔徑種類和UV輻射源C(Sigma)的部分相干程度而設計。
考慮到用于以上設計遮蔽元件的參數(shù)計算是相當復雜的，甚至對于更低的衍射級，然而，因為相對低的1％-25％遮蔽水平，僅僅考慮零衍射級(當在一個較高級的衍射光柵中—例如1級作出很小的貢獻)就是個相當好的近似，在那里衰減水平通過被陣列線中的象素覆蓋的相應面積決定。
大部分實際情況中，衰減水平在1％到25％的范圍內(本發(fā)明不限制于該范圍)，這個過程在小的衰減范圍內有一個非常寬的動力學范圍，因為象素之間的距離和激光的能量決定象素尺寸，他們都被控制在一個高的精確度。
在激光脈沖頻率高于50千赫茲，結合一個快速掃描儀和X，Y移動載物臺，一個由多于1千萬個象素組成的遮蔽元件可以在幾分鐘或更短的時間內記錄。
遮蔽區(qū)域是通過CD標準測量圖被決定的，實際上該圖可以作為一個繪圖文件或數(shù)字圖表被裝載到一個計算機上，每個區(qū)域根據(jù)取自于上述提到的參考圖表中一個特定的參考級的偏差量而成圖。
因此，本發(fā)明保證了一個快速和簡單的在平版印刷中光掩膜上的CD控制改進方法，對于所有的前期(front-end)都適用。
參考圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，提出了一套激光掩膜處理工作站的裝置。光掩膜放在一個XYZ三維載物臺上的支持物中。這個系統(tǒng)包含了一個超短脈沖飛秒激光1，其中心計算處理控制單元21控制脈沖計時。
激光脈沖基礎頻率是可能通過一個諧波發(fā)生器2增加到較高的諧波，接著通過一個可變量衰減器3，它能控制輸出的能量。
衰減激光光束被引導到一個可以包括一個掃描儀的光束傳輸系統(tǒng)，例如檢流計—掃描器或一個電力傳動裝置型的掃描器或一個聲光偏轉器(acousto-optic deflector)5，其能通過中心計算處理控制單元21與激光脈沖計時(laser pulses timing)和一個3—移動臺9同步。
隨后，光束通過主物鏡6被聚焦到光掩膜玻璃感光底層面7。
同一個物鏡6用于一個現(xiàn)場機器視覺系統(tǒng)，它能作為一個高倍放大顯微鏡使用。這個顯微鏡能用于測量象素尺寸和形狀，也能監(jiān)控激光在玻璃材料中的分解過程，也可以用作與光掩膜中期望的CD區(qū)域的相應的遮蔽元件的精確定位。光掩膜通過一個來自光導10的光源13和一個可變孔徑光闌(variable aperture stop)11被照亮。
象素面積，形狀和位置被選擇匹配于數(shù)值孔徑和平版印刷術的照明模式，最后光掩膜被使用。
光通過一個聚光鏡被校準在光掩膜8的鉻層的圖案上。
一個圖像最后通過物鏡6、分光器4和一個鏡筒透鏡18-它能引導光到CCD照相機19中而形成。
圖像通過一個連續(xù)的幀抓取器20被抓取，并在中心計算控制單元21被處理。
UV光源16和檢測系統(tǒng)17測量和讀取玻璃中的每個遮蔽區(qū)域圖案的UV輻射衰減水平。
一個另外的具有較低的放大倍數(shù)的成像系統(tǒng)15(使用光源14)，用于快速穿過光掩膜和測量相應的定位標記(alignment marks)，因此含有XY數(shù)值的CD偏差表可以裝載到計算機上，配合激光制圖過程。
圖2描述的一個理想狀態(tài)下的情況，照明、光掩膜和成像參數(shù)是一個理想狀態(tài)，晶片上的CD水平是理想模式。光掩膜30包括吸收覆蓋層32，其上一個預先設定的圖案34具有清楚的線條形狀(此處的覆蓋層被去除)。線條在厚度上是理想一致的，并沒有外部效應造成CD偏差，這可以通過示意圖36看到。
圖3描述了一個在實際狀態(tài)下的由于一個或幾個原因(例如照明光束不均一，光掩膜CD偏差，光學成像失常)造成的偏差導致晶片曝光域CD變化。圖的左手邊的線條顯示理想的CD一致36，中間的線條顯示一個小CD偏差區(qū)域38，而在圖的右手邊則顯示一個大CD偏差區(qū)域40。
圖4是修正下的狀態(tài)圖，基于晶片(與圖3一樣)的實際CD偏差圖(例如來自CD掃描電子顯微鏡)，在光掩膜中產(chǎn)生一個修正圖案，穿過光掩膜上線條每個區(qū)域的UV光發(fā)射水平被衰減，因此修正在晶片曝光域上的有效CD值達到期望值。在中心區(qū)域，一個弱的CD修正圖案42被提供，被記錄在光掩膜中，然而在右手邊提供了一個更強大的CD修正圖案44，它具有更強大的衰減力度，產(chǎn)生一個被修正的設計圖案46。
CD修正圖案更適宜穿過感光底層的背面(即鉻層的反面)而記錄從而形成在感光底層中的一個預先調整到的最佳焦平面中。這主要是因為前面覆蓋了鉻層并被形成圖案。因此，CD偏差修正通過背面容易記錄，該背面是透明的并能增加遮蔽圖案。
很顯然，本發(fā)明在說明書中描述的實施例和附圖僅用于更好地理解該發(fā)明，并沒有限制本發(fā)明的范圍。
很明顯，本領域的技術人員，通過閱讀本發(fā)明后調整或修改附圖和以上所述的實施例將依然屬于本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種通過修正相關聯(lián)的光掩膜的臨界尺寸來修正晶片圖形線的臨界尺寸偏差的方法，光掩膜由透明的具有兩個完全相反表面—一個背面和一個正面的感光底層組成，感光底層上的正面具有吸收覆蓋層，感光底層上的圖形線通過去除吸收覆蓋層而形成，該方法包括在與光掩膜相關聯(lián)的晶片曝光域測定CD偏差；提供遮蔽元件在光掩膜的感光底層區(qū)域中，該區(qū)域與CD偏差測定高于預先確定的目的值的晶片曝光域相關聯(lián)，遮蔽元件衰減光通過該區(qū)域，從而修正了CD偏差。
2.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是提供的遮蔽元件利用了脈沖激光。
3.根據(jù)權利要求
2方法，其特征是脈沖激光由超短的飛秒脈沖激光組成。
4.根據(jù)權利要求
1方法，其特征是通過照射脈沖激光輻射線穿過背面到光掩膜和完全相反的圖形線而形成遮蔽元件。
5.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是至少一些遮蔽元件包含衍射光學元件。
6.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是通過引導激光能量穿過背面使遮蔽元件記錄在感光底層中。
7.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是使用遮蔽元件和相關衰減能量的一個參數(shù)參考校準表來測定遮蔽元件的參數(shù)。
8.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是遮蔽元件被設計為造成光衰減達15％。
9.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是超短的飛秒脈沖激光在高于1千赫茲的頻率下運轉，優(yōu)選為10千赫茲以上。
10.根據(jù)權利要求
1的方法，其特征是還使用一個計算機程序來計算關于定位、尺寸和遮蔽元件的設計參數(shù)的信息，并使用該信息來使一個脈沖激光源將遮蔽元件記錄在光掩膜內。
11.根據(jù)權利要求
10的方法，其特征是計算機程序使用一個參數(shù)參考校準表來測定遮蔽元件的參數(shù)。
12.一種糾正光掩膜的圖形線的臨界尺寸偏差的方法，該方法詳細地描述在本發(fā)明的說明書、附圖和附屬權利要求
中。
專利摘要
一種修正晶片圖形線的臨界尺寸偏差的方法，光掩膜由透明的具有兩個完全相反表面——一個背面和一個正面的透明的感光底層組成，感光底層上的正面具有吸收覆蓋層，感光底層上的圖形線通過去除吸收覆蓋層而形成。該方法包括在與光掩膜相關聯(lián)的晶片曝光域測定CD偏差，提供遮蔽元件在光掩膜的感光底層區(qū)域中，該區(qū)域與CD偏差測定高于預先確定的目的值的晶片曝光域相關聯(lián)，遮蔽元件削弱光通過該區(qū)域，以致修正晶片上的CD偏差因而供給和改善了晶片的CD容許量。
文檔編號G03C5/00GK1997878SQ20048002053
公開日2007年7月11日 申請日期2004年7月18日
發(fā)明者埃坦·扎特, 弗拉基米爾·德米特里耶夫, 尼克雷·古力茨基, 舍杰·俄謝姆科夫, 伊蓋·本－茲韋 申請人:Uclt有限責任公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan