CN108170006B - 光刻机匹配方法 - Google Patents

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Abstract

一种光刻机匹配方法，以三维空间像关键尺寸作为描述光刻机成像性能的参数，通过同步调谐光刻机的照明系统和投影物镜可调参数，利用阻尼最小二乘优化算法求解可调参数的值，实现光刻机快速匹配。本发明提高了现有方法的匹配精度，增大了工艺窗口，适用于具有自由照明系统的浸没式光刻机之间的匹配。

Description

光刻机匹配方法
技术领域
本发明涉及光刻机，尤其是一种光刻机匹配方法。
背景技术
光刻工艺是集成电路芯片制造的核心工艺。为降低经济和时间成本，光刻工艺的研发通常都是在特定一台光刻机上完成的，芯片量产时需将光刻工艺转移到产线上的多台光刻机上。不同型号光刻机的光刻性能存在较大差异，即使相同型号的光刻机由于其硬件指标的微小差异，也可能会导致包括成像质量在内的光刻性能存在较大差异。产线上光刻机，称为待匹配光刻机，与工艺研发光刻机，称为参考光刻机，之间的性能差异，会导致光刻工艺转移失败。为实现光刻工艺快速转移、扩大产能并提高芯片制造成品率，必须进行光刻机匹配、通过调整光刻机可调参数使得待匹配光刻机的成像性能和参考光刻机的成像性能尽可能一致。
常见的光刻机匹配技术有基于关键尺寸(CD)测量的匹配技术、基于光刻胶模型的匹配技术，以及基于光学模型的匹配技术。前两种技术需要用到硅片上的CD数据来表征两个光刻机之间的成像性能差异，并计算用于匹配的可调参数的灵敏度信息，实现光刻机匹配。为保证匹配精度需要在多种条件(例如多种照明模式、多种掩模图形、多个图形周期、多个曝光剂量、多个离焦位置)下分别对CD进行重复多次测量，耗费大量的光刻机机时和测量时间。基于光学模型的匹配技术(在先技术1，Yuan He,Erik Byers,and Scott Light etal,Simulation-based pattern matching using scanner metrology and design datato reduce reliance on CD metrology,Proc.SPIE.7640,764014(2010))利用光刻机光学模型进行可调参数灵敏度计算，不需要进行耗时的CD测量，避免了测量噪声和光刻胶模型标定误差对匹配精度的影响，既准确又快速，当光刻机是造成成像性能不匹配的主要影响因素时具有较高的匹配精度，是高端芯片生产中常用的技术。常见的基于光学模型的匹配技术(在先技术2，Yuan He,Alexander Serebryakov and Scott Light,et al,A study onthe automation of scanner matching,Proc.SPIE.8683,86830W(2013))都是以二维空间像CD为描述光刻性能的参数，以参考光刻机和待匹配光刻机的二维空间像CD差异的均方根最小为目标实现光刻机匹配。随着芯片节点的不断减小，光刻机成像出现了与三维方向有关的泊松曲线倾斜、关键尺寸均匀性(CDU)降低、不同入射角光线的最佳焦面有差异等新现象。采用二维模型已经不能描述这些表征光刻机成像性能的新现象。为表征这些新现象，已研发了三维模型。三维模型已应用于光学临近效应校正等光刻分辨率增强技术中。相应的，为提高光刻机匹配精度有必要采用三维空间像CD作为描述光刻机成像性能的参数。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维光学模型的光刻机匹配方法，利用三维空间像CD作为描述光刻机成像性能的参数实现光刻机成像性能快速精确匹配。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于三维光学模型的光刻机匹配方法，该方法包括如下步骤：
(1)光刻机和涂胶显影机检查
对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查。需要检查的部分包括投影物镜冷像差，照明的椭圆度、照明的部分相干因子，激光光源稳定性，杂散光水平，照明均匀性，掩模台工件台同步误差等。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如果发现有的参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态。检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常。
采用一维through-pitch图形掩模和部分事先筛选出的量产二维图形掩模作为测试掩模。参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模并对掩模进行曝光。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD。如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异在工艺允许的范围之内，则无需对当前的待匹配光刻机进行匹配，否则进入下一步。
(2)光刻机匹配
设定三维空间像模型仿真三维空间像公式如下：
其中，和分别表示归一化的光刻机像面坐标和光刻机投影物镜光瞳面坐标，表示光瞳函数，NA表示投影物镜的数值孔径，σ表示照明系统部分相干因子，dose是曝光剂量，z表示空间像所在的离焦位置，aberration表示实测的投影物镜像差，Rx表示工件台倾斜因子，MSD表示光刻机光学系统的机械振动水平，laserb表示激光带宽，表示照明系统光瞳分布，表示掩模的频谱。
以(x,y)表示光刻机像面坐标、(f,g)表示光刻机投影物镜光瞳面坐标，和的归一化方法如下：
采用空间像阈值模型计算三维空间像CD，公式如下：
I(x1；z)＝I(x2；z)＝Tr，CD(z)＝x2-x1 ③
其中x1、x2是在离焦位置z处空间像强度为设定阈值Tr时对应的坐标。
读取参考光刻机的状态文件(SFF)。状态文件中包含了光刻机的投影物镜的数值孔径、照明系统部分相干因子、实测的照明系统光瞳分布、曝光剂量、离焦量、实测的投影物镜像差、工件台倾斜因子、光刻机光学系统的机械振动水平、激光带宽信息。设定一维through-pitch掩模图形为匹配用目标图形。利用公式①仿真得到的参考光刻机的三维空间像，表示为采用公式③计算参考光刻机的三维空间像CD，表示为CDref。
读取待匹配光刻机的状态文件，设定与参考光刻机使用的相同的目标图形，采用公式①计算得到待匹配光刻机的三维空间像，表示为采用公式③计算待匹配光刻机三维空间像CD，表示为CDTBM(z)。
对一个给定的掩模图形，参考光刻机与待匹配光刻机之间的三维空间像CD差异表示为
ΔCD(zi)＝CDref(zi)-CDTBM(zi) ④
其中i＝1,2,…,M，M表示三维空间像所取的离焦位置的个数。
设定待匹配光刻机的照明系统光瞳分布的调制方式。采用Nikon公司的照明系统光瞳分布的调制方式(参见参考文献1,T.Matsuyama,N.Kita,T.Nakashima,etal.Tolerancing analysis of customized illumination for practical applicationsof source and mask optimization,Proc.SPIE,7640,764007,(2010))。公式如下：
其中，是调制前待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是调制后待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是待匹配光刻机的照明系统光瞳分布光强的调制项，ZIMm为第m阶照明系统光瞳分布强度调制系数，Zm(f,g)为m阶泽尼克多项式，m取值为1到37的自然数。是照明系统光瞳分布在x轴方向上的几何形状调制项，是照明系统光瞳分布在y轴方向上的几何形状调制项，C是表示背景光的常数。ZDMn为第n项几何调制系数。n的取值是1到55的自然数。DXn、DYn为调制量。将带入公式①和③即可仿真得到待匹配光刻机照明系统光瞳分布调制后的三维空间像CD。
采用公式⑤所示的照明系统光瞳分布调制方式，照明系统光瞳分布的可调参数包括55个几何形状调制参数ZDM和37项强度调制泽尼克系数ZIM。投影物镜可调参数为数值孔径NA。令P表示可调参数，那么光刻机匹配问题转化为求解使得评价函数E的值最小的可调参数P，表示为
其中，N表示掩模目标图形个数。
采用Levenberg-Marquardt算法，对公式⑥描述的优化问题求解，第k个可调参数Pk对应的CD差异ΔCDj(zi,Pk)的偏导采用差商法近似计算：
其中，j＝1…N表示第j个目标图形，ΔP表示第k个可调参数Pk的微小变化量。
根据求解出的全部照明系统光瞳分布可调参数的值和NA调整量值生成待匹配光刻机的参数子菜单。将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整。调整后待匹配光刻机对测试掩模进行曝光，测量硅片上光刻胶图形的CD。如果实测CD和参考光刻机CD之间的差异在工艺允许的范围之内，则光刻机匹配完成，否则重新进行光学临近效应校正对掩模进行重新设计。
与在先技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用三维空间像CD作为描述光刻机成像性能的参数，并通过同步调谐光刻机的照明系统可调参数和投影物镜可调参数，实现光刻机成像性能快速精确匹配，提高了光刻机匹配精度，增大了工艺窗口。
附图说明
图1为本发明参考光刻机照明系统光瞳分布图
图2为本发明采用的一维through-pitch图形示意图
图3为采用的二维测试掩模示意图
图4为待匹配光刻机投影物镜的波像差
图5为光刻机匹配中求解可调参数值的算法流程
图6为匹配前参考光刻机和待匹配光刻机的CD差异
图7为匹配后的待匹配光刻机照明系统光瞳分布图
图8为应用本发明后参考光刻机和待匹配光刻机的CD差异
图9为采用二维空间像CD行匹配后参考光刻机和待匹配光刻机的CD差异
图10为匹配前后参考光刻机和待匹配光刻机最佳焦面处CD差异
图11为匹配前后参考光刻机和待匹配光刻机CD差异随离焦位置的变化
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此实施例限制本发明的保护范围。
本实施例参考光刻机的照明系统光瞳分布如图1所示，白色区域亮度值为1，黑色区域亮度值为0。采用Nikon公司的照明系统光瞳分布调制方案，调制参数选取第4、5、9、12、16、17、25、28ZIM项，第3、4、5、12ZDM项和投影物镜数值孔径NA，其中ZIM和ZDM初始值设置为0，NA初始值设为1.35。本实施例采用图2所示的一维through-pitch线空图形掩模和图3所示的二维图形掩模为测试掩模。掩模图形线宽均为45nm。掩模类型为二值掩模，白色区域透射率取值为1，黑色区域透射率取值为0。一维图形的周期为160nm，180nm，200nm，…，800nm，。匹配用目标图形采用图2所示的一维through-pitch线空图形，图2中标注的水平线段为计算空间像CD的截面位置。图3中标注的1、2、3、4水平线段为计算空间像CD的截面位置。光刻机工作波长λ为193nm。光刻机投影物镜数值孔径的可调范围为0.85到1.35，浸没液折射率为1.44，缩放倍率R＝0.25，离焦位置z选取-20nm，0nm，20nm。设定待匹配光刻机投影物镜的波像差如图4所示。匹配步骤如下：
(1)光刻机和涂胶显影机检查
对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查。需要检查的部分包括投影物镜冷像差，照明的椭圆度、照明的部分相干因子，激光光源稳定性，杂散光水平，照明均匀性，掩模台工件台同步误差等。检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如果发现有的参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态。检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常。
采用一维through-pitch图形掩模和部分事先筛选出的量产二维图形掩模作为测试掩模。参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模并对掩模进行曝光。使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD，两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异超出了允许的范围，进入下一步。
(2)光刻机匹配
设定三维空间像模型仿真三维空间像公式如下：
其中，和分别表示归一化的光刻机像面坐标和光刻机投影物镜光瞳面坐标，表示光瞳函数，NA表示投影物镜的数值孔径，σ表示照明系统部分相干因子，dose是曝光剂量，z表示空间像所在的离焦位置，aberration表示实测的投影物镜像差，Rx表示工件台倾斜因子，MSD表示光刻机光学系统的机械振动水平，laserb表示激光带宽，表示照明系统光瞳分布，表示掩模的频谱。
以(x,y)表示光刻机像面坐标、(f,g)表示光刻机投影物镜光瞳面坐标，和的归一化方法如下：
采用空间像阈值模型计算三维空间像CD，公式如下：
I(x1；z)＝I(x2；z)＝Tr，CD(z)＝x2-x1 ③
其中x1、x2是在离焦位置z处空间像强度为设定阈值Tr时对应的坐标。设定阈值Tr＝0.3。
读取参考光刻机的状态文件(SFF)。状态文件中包含了光刻机的投影物镜的数值孔径、照明系统部分相干因子、实测的照明系统光瞳分布、曝光剂量、离焦量、实测的投影物镜像差、工件台倾斜因子、光刻机光学系统的机械振动水平、激光带宽信息。设定一维through-pitch掩模图形为匹配用目标图形。利用公式①仿真得到的参考光刻机的三维空间像，表示为采用公式③计算参考光刻机的三维空间像CD，表示为CDref。
读取待匹配光刻机的状态文件，设定与参考光刻机使用的相同的目标图形，采用公式①计算得到待匹配光刻机的三维空间像，表示为采用公式③计算待匹配光刻机三维空间像CD，表示为CDTBM(z)。
对一个给定的掩模图形，参考光刻机与待匹配光刻机之间的三维空间像CD差异表示为
ΔCD(zi)＝CDref(zi)-CDTBM(zi) ④
其中i＝1,2,3。
设定待匹配光刻机的照明系统光瞳分布的调制方式。采用Nikon公司的照明系统光瞳分布的调制方式(参见参考文献1,T.Matsuyama,N.Kita,T.Nakashima,etal.Tolerancing analysis of customized illumination for practical applicationsof source and mask optimization,Proc.SPIE,7640,764007,(2010))。公式如下：
其中，是调制前待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是调制后待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是待匹配光刻机的照明系统光瞳分布光强的调制项，ZIMm为第m阶照明系统光瞳分布强度调制系数，Zm(f,g)为m阶泽尼克多项式，m取值为1到37的自然数。是照明系统光瞳分布在x轴方向上的几何形状调制项，是照明系统光瞳分布在y轴方向上的几何形状调制项，C是表示背景光的常数。ZDMn为第n项几何调制系数。n的取值是1到55的自然数。DXn、DYn为调制量。将带入公式①和③即可仿真得到待匹配光刻机照明系统光瞳分布调制后的三维空间像CD。
采用公式⑤所示的照明系统光瞳分布调制方式，照明系统光瞳分布的可调参数包括几何形状调制参数ZDM、强度调制泽尼克系数ZIM和投影物镜数值孔径NA。光刻机匹配问题为求解使得评价函数E的值最小的可调参数P，表示为
采用Levenberg-Marquardt算法对上述优化问题求解，阻尼系数初始值λinit＝1×10-3，最大迭代次数lmax＝20，第k个可调参数Pk对应CD差异的ΔCDj(zi,Pk)的偏导近似为：
其中，j＝1,2,3,…,35，表示第j个目标图形，ΔP表示第k个可调参数Pk的微小变化量，ΔP取0.001。光刻机匹配中求解可调参数值的算法流程如图5所示。
匹配前参考光刻机和待匹配光刻的CD差异如图6所示。匹配后得到的照明系统光瞳分布如图7所示。匹配后投影物镜NA＝1.3490。匹配后的CD差异如图8所示，与在先技术2匹配的结果(图9)相比，焦面处CD差异略有增大，而±20nm离焦处CD差异有所减小。将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整。调整后待匹配光刻机对测试掩模图形进行曝光，测量硅片上光刻胶图形的CD。本实施例中采用仿真实验验证，仿真图形为测试掩模图形，焦面处光刻胶CD差异如图10所示，离焦情况下CD差异的均方根误差见图11，相比于采用二维空间像模型的光刻机匹配方法，本方法在保证焦面位置CD差异水平基本一致的情况下有效减小了离焦区域的CD差异。如图11所示，以1nm CD差异指标为例，采用基于二维空间像模型的匹配方法进行光刻机匹配后允许的离焦范围为[-56nm,51nm]，采用本方法匹配后允许的离焦范围为[-72nm,70nm]，本方法有效增大了工艺窗口。
以上所述只是本发明的一个具体实施例，该实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种光刻机匹配方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
(1)光刻机和涂胶显影机检查
对参考光刻机和待匹配光刻机的状态进行检查；需要检查的部分包括投影物镜冷像差，照明的椭圆度、照明的部分相干因子，激光光源稳定性，杂散光水平，照明均匀性和掩模台工件台同步误差；检查并确认参考光刻机和待匹配光刻机的参数已正确设定，如果发现有的参数与说明书规定的参数不一致，及时对这些参数进行调整，使得参考光刻机和待匹配光刻机工作正常，并处于最佳工作状态；检查涂胶显影机的工作流程、CD检测系统的工作状态以及光刻胶批次，使涂胶显影机正常工作，并处于最佳工作状态，光刻胶批次相同、CD检测系统工作状态正常；
采用一维through-pitch图形掩模和部分事先筛选出的量产二维图形掩模作为测试掩模；参考光刻机和待匹配光刻机依次加载测试掩模并对掩模进行曝光；使用CD检测系统测量硅片上光刻胶图形的CD，如果两台光刻机曝光产生的光刻胶图形CD之间的差异在工艺允许的范围之内，则无需对当前的待匹配光刻机进行匹配，否则进入下一步；
(2)光刻机匹配
设定三维空间像模型仿真三维空间像公式如下：
其中，和分别表示归一化的光刻机像面坐标和光刻机投影物镜光瞳面坐标，表示光瞳函数，NA表示投影物镜的数值孔径，σ表示照明系统部分相干因子，dose是曝光剂量，z表示空间像所在的离焦位置，aberration表示实测的投影物镜像差，Rx表示工件台倾斜因子，MSD表示光刻机光学系统的机械振动水平，laserb表示激光带宽；表示照明系统光瞳分布；表示掩模的频谱；
以(x,y)表示光刻机像面坐标、(f,g)表示光刻机投影物镜光瞳面坐标，和的归一化方法如下：
采用空间像阈值模型计算三维空间像CD，公式如下：
I(x1；z)＝I(x2；z)＝Tr，CD(z)＝x2-x1 ③
其中x1、x2是在离焦位置z处空间像强度为设定阈值Tr时对应的坐标；
读取参考光刻机的状态文件；状态文件中包含了光刻机的投影物镜的数值孔径、照明系统部分相干因子、实测的照明系统光瞳分布、曝光剂量、离焦量、实测的投影物镜像差、工件台倾斜因子、光刻机光学系统的机械振动水平和激光带宽信息；设定一维through-pitch掩模图形为匹配用目标图形；利用公式①得到的参考光刻机的仿真三维空间像，表示为采用公式③计算参考光刻机的三维空间像CD，表示为CDref；
读取待匹配光刻机的状态文件，设定与参考光刻机使用的相同的目标图形，采用公式①计算得到待匹配光刻机的三维空间像，表示为采用公式③计算待匹配光刻机三维空间像CD，表示为CDTBM(z)；
对一个给定的掩模图形，参考光刻机与待匹配光刻机之间的三维空间像CD的差异表示为
ΔCD(zi)＝CDref(zi)-CDTBM(zi)， ④
其中i＝1,2,…,M，M表示三维空间像所取的离焦位置的个数；
设定待匹配光刻机的照明系统光瞳分布的调制方式，公式如下：
其中，是调制前待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是调制后待匹配光刻机的照明系统光瞳分布，是待匹配光刻机的照明系统光瞳分布光强的调制项，ZIMm为第m阶照明系统光瞳分布强度调制系数，Zm(f,g)为m阶泽尼克多项式，m取值为1到37的自然数；是照明系统光瞳分布在x轴方向上的几何形状调制项，是照明系统光瞳分布在y轴方向上的几何形状调制项，C是表示背景光的常数；ZDMn为第n项几何调制系数；n的取值是1到55的自然数；DXn、DYn为调制量；将带入公式①和③即可仿真得到待匹配光刻机照明系统光瞳分布调制后的三维空间像CD；
采用公式⑤所示的照明系统光瞳分布调制方式，照明系统光瞳分布的可调参数包括55个几何形状调制参数ZDM和37项强度调制泽尼克系数ZIM；投影物镜可调参数为数值孔径NA；令P表示可调参数，那么光刻机匹配问题转化为求解使得评价函数E的值最小的可调参数P，表示为
其中，N表示掩模目标图形个数；
采用Levenberg-Marquardt算法，对公式⑥描述的优化问题求解，第k个可调参数Pk对应的CD差异ΔCDj(zi,Pk)的偏导采用差商法近似计算：
其中，j＝1,2,…,N表示第j个目标图形，ΔP表示第k个可调参数Pk的微小变化量；
根据求解出的全部照明系统光瞳分布可调参数的值和NA调整量值生成待匹配光刻机的参数子菜单，将所述的参数子菜单输入待匹配光刻机对可调参数进行调整，调整后待匹配光刻机对测试掩模进行曝光，测量硅片上光刻胶图形的CD，如果实测CD和参考光刻机CD之间的差异在允许范围之内，则光刻机匹配完成，否则重新进行光学临近效应校正对掩模进行重新设计。
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