CN110806679A - 全视场低像差敏感度一体化光刻方法及光刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种一体化光刻方法，在实施分辨率增强的过程中考虑了光的偏振特性，能够精确描述超大NA情形下光的传播、聚焦和成像过程，有效降低了随机像差对光刻成像的影响，提高了光刻工艺的稳定性；本发明计算当前状态下各视场点对应的光刻成像图形误差；根据当前光刻成像图形误差自适应地确定下一次迭代各视场点的权重；构造全视场目标函数，该方法能够充分平衡全视场光刻成像质量，提高光刻工艺稳定性；构造了光刻成像和矢量光瞳的解析关系，使用共轭梯度法有效求解最优的矢量光瞳分布使得光刻成像图形误差最小，该方法极大地提升了光瞳优化的自由度，能够有效补偿厚掩模复杂衍射带来的偏振效应和光刻系统的偏振像差。

Description

全视场低像差敏感度一体化光刻方法及光刻系统

技术领域

本发明属于集成电路设计、制造装备、工艺、显微成像和望远成像等分辨率增强技术领域，具体涉及一种全视场低像差敏感度一体化光刻方法及光刻系统，并且更具体地，涉及一种有效降低光刻成像对随机像差的敏感程度的光源优化方法和掩模优化方法和一种有效平衡全视场光刻成像质量的矢量光瞳优化方法。

背景技术

光学光刻是超大规模集成电路制造领域的关键技术。目前工业界主流的光刻系统的工作波长为193纳米，随着光刻工艺进入7纳米及以下技术节点，集成电路版图上的最小线宽已经远远小于工作波长，迫切需要高分辨率、高保真度的光刻分辨率增强技术。其中，一体化光刻技术能够整合光刻机各子系统，包括含照明投影系统和成像系统在内的硬件系统、实现计算光刻的软件系统、和检测成像误差的检测系统等，是最具潜力实现下一代节点的光刻分辨率增强技术。

光刻系统为了保证产率，通常采用大视场的光刻投影物镜进行曝光成像。根据应用光学的像差理论，光学系统的像差是依赖于视场位置的，大的曝光视场会导致掩模面上各区域像差不均匀，进而导致像面各曝光区域成像不均匀。现有光刻技术(Journal ofMicro/Nanolithography,MEMS,and MOEMS，2012, 11:043008)仅针对单个视场点的成像进行优化，无法保证全视场成像质量的一致性，不利于光刻工艺良率的提升。

在低技术节点，光刻成像对光刻系统的随机误差非常敏感，而光刻系统中总是存在着全视场波像差与偏振像差、厚掩模3D效应引起的类像差、光刻成像模型的近似误差、计算光刻中的计算误差和算法误差、光学系统加工和装配中的检测误差、掩模结构及材料折射率的检测误差、照明光源的边缘模糊、工件台水平方向和垂直方向的随机振动和光刻胶工艺误差等多种随机误差。以上误差的存在严重影响了光刻工艺的稳定性，目前文献鲜有针对低误差敏感度一体化光刻方法和光刻系统的研究。从光学成像理论来看，各种误差对光刻成像的影响都可以归结为对光瞳面的强度、相位和偏振的影响，即对光学系统像差的影响。所以，降低光刻成像对随机像差的敏感度就相当于降低了各种随机误差对光刻成像的影响，提高了光刻工艺稳定性。此外，由于集成电路的技术节点已经达到14到7纳米，远远小于光源波长193纳米，三维掩模复杂衍射的偏振效应不可忽略。但是现有技术(AppliedOptics,2014,53:6861-6871)只能通过调整光刻系统的光瞳相位补偿厚掩模效应带来的波前相位畸变，补偿能力不足。

发明内容

本发明公开一种全视场低像差敏感度一体化光刻方法及光刻系统，可以实现高稳定性和高保真度的光刻机各子系统参量校正，并且其克服前面上述问题。

一种全视场低像差敏感度一体化光刻方法，包括如下步骤：

步骤1、确定用于形成模拟空间像图形的严格矢量成像模型；

步骤2、基于上述光刻成像模型，迭代地使用牛顿法更新光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，具体过程为：

21、在光刻物镜曝光视场中选择若干代表性的视场点，数量用M表示；考虑光刻物镜中第m个视场点的偏振像差PA_m，利用当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，根据步骤1的成像模型，计算第m个视场点的光刻空间成像I_m； m＝1,2,...M；

22、构建第m个视场点的图形误差表达式：

其中，

表示二范数，Z_m表示第m个视场点的光刻胶像，由空间像I_m取阈值得到，

表示目标图形；

23、根据当前第h轮迭代得到的光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形 M^(h)，依据步骤1的成像模型得到各个代表性视场点的光刻空间成像，然后再计算代表性视场点的光刻成像图形误差

计算确定本次第h轮迭代的各视场点的权重因子

构造本次迭代的全视场目标函数

其中，h表示迭代次数，初值为0；第一次迭代即h＝0时，

D⁽⁰⁾＝∑_mω_mPAE_m；

24、计算目标函数D^(h)对于当前光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形M^(h)的梯度矩阵(

和

)以及海塞矩阵(

和

)；

25、依据步骤24的计算结果，更新光源强度分布图形

更新掩模透过率分布图形

其中，step_source和step_mask分别为预先设定的光源优化步长和掩模优化步长；初始光源强度分布图形J⁽⁰⁾设置为环形照明，初始掩模透过率分布图形M⁽⁰⁾设置为目标图形

26、更新迭代次数h＝h+1；

27、判断：如果h未达到设定的迭代次数且图形误差未达到下限，则返回步骤21；如果h达到设定的迭代次数或者图形误差达到下限，即终止优化，将当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形作为优化结果输出；

步骤3、进行光瞳优化：

31、计算当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形对应的严格的三维掩模近场衍射频谱G_3D，考虑光瞳分布函数pupil，计算空间像图形I的解析函数为：

其中，J(x_s,y_s)是前光源强度分布图形的坐标为(x_s,y_s)的光源像素点处的强度，

表示傅里叶逆变换，C是辐照度修正常数；

是坐标旋转矩阵；PA是光刻系统的偏振像差；E_i表示入射光的偏振态；

32、按照公式(2)计算当前的各视场点的光刻成像I′_m，进而再计算第k轮迭代时各视场点图形误差

Z′_m表示第m个视场点的光刻胶像，由空间像I′_m取阈值得到；k表示迭代次数，初值为0；

计算确定本次第k轮迭代的各视场点的权重因子构造本次迭代的全视场目标函数

33、计算并存储第k轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k)的梯度

其中，pupil^k＝pupil^(k-1)+step_pupil×direction^(k-1)；step_pupil是预先设定的光瞳优化步长；direction^(k-1)表示上一次迭代的优化方向，第一次迭代，即k＝1时，初始优化方向direction⁽⁰⁾设置为梯度方向

初始光瞳分布函数pupil⁽⁰⁾设置为单位矩阵；

34、更新光瞳分布函数pupil^(k+1)＝pupil^(k)+step_pupil×direction^(k)；

35、计算目标函数F^(k)对于第k+1轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k+1)的梯度

36、计算并存储第k+1轮迭代的优化方向：

37、更新迭代次数k＝k+1；

38、判断：如果迭代次数k达到上限或者图形误差达到下限即终止优化，将当前光瞳分布函数作为优化结果输出；如果迭代次数k未达到上限且图形误差未达到下限，则返回步骤31，继续迭代。

较佳的，所述步骤21中，使用时域有限差分或者严格耦合波电磁场有限元算法，计算当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形对应的严格的三维掩模近场衍射频谱G_3D。

一种一体化光刻系统，计算光刻子系统实现所述一体化光刻方法。

本发明具有如下有益效果：

(1)、本发明的一种一体化光刻方法，在一体化光刻系统的计算光刻服务器中，基于矢量成像模型，进行全视场低像差敏感度的分辨率增强，获得与分辨率增强技术对应的一体化光刻系统的相关参数；使用当前一体化光刻系统的各相关参数，在一体化光刻系统中的晶圆面处获得成像图形；使用多种检测设备，检测成像误差和一体化光刻系统误差；计算光刻服务器利用这些误差信息迭代地调整一体化光刻系统的各相关参数，可以极大地增加优化自由度，有利于提高光刻系统的保真度和分辨率。

(2)、本发明的一种方法，在实施分辨率增强的过程中考虑了光的偏振特性，能够精确描述超大NA情形下光的传播、聚焦和成像过程，并有效降低了随机像差对光刻成像的影响，提高了光刻工艺的稳定性；

(3)、在本发明公开一种自适应的全视场光刻分辨率增强技术，其关键在于自适应的构造全视场目标函数，其主要步骤为：计算当前(第k轮迭代)状态下各视场点对应的光刻成像图形误差

根据当前光刻成像图形误差自适应地确定下一次迭代(第k+1轮迭代)各视场点的权重构造全视场目标函数

该方法能够充分平衡全视场光刻成像质量，提高光刻工艺稳定性。

(4)、本发明的矢量光瞳优化过程，构造了光刻成像和矢量光瞳的解析关系，使用共轭梯度法有效求解最优的矢量光瞳分布使得光刻成像图形误差最小；该方法极大地提升了光瞳优化的自由度，能够有效补偿厚掩模复杂衍射带来的偏振效应和光刻系统的偏振像差。

附图说明

图1为一体化光刻系统的一个实施例的示意图。

图2为根据本发明的一个实施例的一体化光刻方法步骤的流程图。

图3为初始光源、初始掩模及其对应的光刻胶中成像的示意图。

图4为采用现有技术(Applied Optics,2014,53:6861-6871)中技术方案优化后的光源图形、掩模图形、光瞳分布及其对应的光刻胶中成像的示意图。

图5为采用图2方法优化后的光源图形、掩模图形、光瞳分布及其对应的光刻胶中成像的示意图。

图6为采用现有技术(Applied Optics,2014,53:6861-6871)和图2方法对应的全视场图形误差分布的对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。附图是作为本发明示例性的示例给出的，以便本领域技术人员实施本发明，需要注意的是，下面的附图和示例并不意味着将本发明的范围限制到单个实施例。

图1示意性地给出了一体化光刻系统，主要部件包括：101为照明光学系统， 101(a)为光源激光器，101(b)为偏振调控波片组，101(c)为微反射镜阵列，101(d)为光源强度分布图形；102为掩模；103为投影成像系统，包括103 (a)和103(c)两个透镜组和103(b)光瞳调控器件；104为曝光系统，包括光刻胶等；105为晶片平面上形成的所述掩模图形的图像；106为多种检测设备，包括但不限于波像差检测设备、偏振像差检测设备、离焦量检测设备、关键尺寸均匀性检测设备、图形偏移检测设备等；108为检测到的成像误差和一体化光刻系统误差；109为计算光刻服务器，存储有一体化计算光刻软件；109(a)- (e)分别为一体化计算光刻软件调整一体化光刻系统中的偏振调控玻片组、微反射镜阵列、掩模透过率分布、投影物镜光瞳分布、曝光显影中的各项工艺参数等参数。

如图2所示，所述光源-掩模-光瞳优化方法，具体过程为：

步骤1、确定用于形成模拟空间像图形的严格矢量成像模型，该成像模型表征的光刻成像过程：

根据专利CN102692814B中公开的技术内容，若已知当前光源强度分布图形J 和掩模透过率分布图形M，则在薄掩模假设(薄掩模假设指忽略三维掩模的复杂衍射效应，假设掩模衍射近场分布等于掩模透过率分布)下，计算模拟空间像图形I的解析函数为：

其中，J是一个大小为N_s×N_s的矩阵，M是一个大小为N×N的矩阵；J(x_s,y_s)是坐标为(x_s,y_s)的光源像素点处的强度，

||表示对矩阵中的每个元素取模，最后的计算结果I是一个大小为N×N的矩阵，表示当前的空间像强度分布。

为光源点J(x_s,y_s)所对应的掩模衍射矩阵，其大小为N×N，根据霍普金斯近似，其定义为掩模上每个点(m,n)到光源点J(x_s,y_s)的光程，即：

其中，j是虚数单位，λ代表光源波长，NA表示投影系统的物方数值孔径，pixel 表示掩模图形上各子区域的边长。

表示卷积，⊙表示两个矩阵对应的元素直接相乘；p＝x,y,z表示x,y,z三个偏振方向；

为等效点扩散函数，其大小为N×N；

表示傅立叶逆变换，n_w表示光刻系统像方浸没液体的折射率，R为理想投影系统的缩小倍率，一般为4；V′_p由矢量矩阵(若一个矩阵中的元素为矢量或矩阵，则称其为矢量矩阵)

中各个元素的p分量组成；此处的p表示光的偏振方向，体现了成像模型的矢量特性。V′的具体计算过程在专利CN 102692814 B中有详细描述，此处不再赘述。

以上空间像强度是在理想情况下根据矢量成像模型计算得到的。现考虑光刻系统实际存在的像差，以偏振像差PA为例，则V′应该修正为

这里应该注意，如果光刻系统存在其他像差或者其它误差，则V′有着不同的修正形式。

步骤2、基于上述光刻成像模型，迭代地使用牛顿法更新光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，具体过程为：

21、在光刻物镜曝光视场中选择若干代表性的视场点，数量用M表示；考虑光刻物镜中第m个视场点的偏振像差PA_m，利用当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，根据公式(1)计算第m个视场点的光刻空间成像I_m；

22、构建第m个视场点的图形误差表达式：

其中，

表示二范数，Z_m表示第m个视场点的光刻胶像，可以由空间像I_m取阈值得到，

表示目标图形；

23、根据当前第h轮迭代得到的光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形 M^(h)，依据公式(1)得到各个代表性视场点的光刻空间成像，然后再计算代表性视场点的光刻成像图形误差

计算确定本次迭代(第h轮迭代)的各视场点的权重因子

构造本次迭代的全视场目标函数

其中，h表示迭代次数，初值为0；第一次迭代时，即h＝0时，

D⁽⁰⁾＝∑_mω_mPAE_m；

24、计算目标函数D^(h)对于当前光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形M^(h)的梯度矩阵(和

)以及海塞矩阵(

和)；

25、依据步骤24的计算结果，更新光源强度分布图形更新掩模透过率分布图形

其中，step_source和step_mask分别为预先设定的光源优化步长和掩模优化步长；初始光源强度分布图形J⁽⁰⁾设置为环形照明，初始掩模透过率分布图形M⁽⁰⁾设置为目标图形

26、更新迭代次数h＝h+1；

27、判断：如果h未达到设定的迭代次数且图形误差未达到下限，则返回步骤21；如果h达到设定的迭代次数或者图形误差达到下限，即终止优化，将当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形作为优化结果输出。

步骤3、进行光瞳优化：

31、使用时域有限差分或者严格耦合波等电磁场有限元算法，计算当前光源强度分布图形J和掩模透过率分布图形M对应的严格的三维掩模近场衍射频谱G_3D，考虑光瞳分布函数pupil，计算空间像图形I的解析函数为：

其中，J(x_s,y_s)是前光源强度分布图形J的坐标为(x_s,y_s)的光源像素点处的强度，

表示傅里叶逆变换，C是辐照度修正常数；是坐标旋转矩阵，其中每个元素都是一个3×2的矩阵，其作用是将局部坐标系下的二维矢量转换为全局坐标系下的三维矢量，

的具体解析式和推导过程可见专利 CN102692814B中公开的技术内容，此处不再赘述；PA是光刻系统的偏振像差；E_i表示入射光的偏振态；

32、按照公式(2)计算当前的各视场点的光刻成像I′_m，进而再计算第k轮迭代时各视场点图形误差

Z′_m表示第m个视场点的光刻胶像，可以由空间像I′_m取阈值得到；k表示迭代次数，初值为0；

计算确定本次迭代(第k轮迭代)的各视场点的权重因子构造本次迭代的全视场目标函数

33、计算并存储第k轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k)的梯度

其中，pupil^k＝pupil^(k-1)+step_pupil×direction^(k-1)；step_pupil是预先设定的光瞳优化步长；direction^(k-1)表示上一次次迭代的优化方向，第一次迭代，即k＝1时，初始优化方向direction⁽⁰⁾设置为梯度方向

初始光瞳分布函数pupil⁽⁰⁾设置为单位矩阵；

34、更新光瞳分布函数pupil^(k+1)＝pupil^(k)+step_pupil×direction^(k)；

35、计算目标函数F^(k)对于第k+1轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k+1)的梯度

36、计算并存储第k+1轮迭代的优化方向：

37、更新迭代次数k＝k+1；

38、判断：如果迭代次数k达到上限或者图形误差达到下限即终止优化，将当前光瞳分布函数作为优化结果输出；如果迭代次数k未达到上限且图形误差未达到下限，则返回步骤31，继续迭代。

本发明的实施实例：

在本实施例中，光刻成像保真度的大小由图形误差来评价，图形误差越小，光刻成像保真度越大，反之亦然。图形误差(PAE)定义为：

其中，Z(x,y)是目标图形Z在坐标(x,y)处的值，Z(x,y)是实际光刻胶成像Z在坐标(x,y)处的值。

如图3所示为初始光源图形、初始掩模图形及其对应的光刻胶中成像的示意图。在图3中，301为初始光源图形，白色代表发光部分，黑色代表不发光部分。 302为初始掩模图形，同时也是目标图形，白色代表透光区域，黑色代表阻光区域，其特征尺寸为22nm。303为初始光瞳分布函数，其在数值孔径范围内各点的相位分布均为0。304为采用301作为光源、302作为掩模、303作为光瞳后，光刻系统的光刻胶中成像，其图形误差为1802。

如图4所示为采用现有技术(Applied Optics,2014,53:6861-6871，下称

方法A)优化后的光源图形、掩模图形、光瞳分布及其对应的光刻胶中成像的示意图。在图4中，401为优化后的光源图形；402为优化后的掩模图形；403为优化后的光瞳相位分布；404为采用401作为光源、402作为掩模、403作为光瞳后，光刻系统的光刻胶中成像，其图形误差为1315。

如图5所示为采用本发明提出的全视场一体化光刻方法(下称方法B)优化后的光源图形、掩模图形、光瞳分布及其对应的光刻胶中成像的示意图。在图5 中，501为优化后的光源图形；502为优化后的掩模图形；503为优化后的光瞳分布；504为采用501作为光源、502作为掩模、503作为光瞳后，光刻系统的光刻胶中成像，其图形误差为840。值得注意的是，由于本发明提出的方法B能够优化矢量光瞳，因此503中的光瞳分布函数为2×2的Jones矩阵。正是由于上述原因，本发明提出的一体化光刻方法提高了优化自由度，能够有效补偿光刻系统中的偏振误差，最终提升了光刻成像的图形保真度。

如图6所示为方法A和方法B对应的全视场图形误差分布的对比图。横坐标为视场点序号，纵坐标为各视场点的图形误差。定量的看，方法A对应的全视场图形误差分布的平均值为1622，标准差为230；方法B对应的全视场图形误差分布的平均值为867，标准差为30。更小的平均值意味着更高的光刻成像质量，更小的标准差意味着更均匀的光刻成像分布。因此，本发明提出的方法B不仅整体降低了各视场点的图形误差，同时提高了各视场点光刻成像的均匀性和一致性

虽然结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形、替换和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种全视场低像差敏感度一体化光刻方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、确定用于形成模拟空间像图形的严格矢量成像模型；

步骤2、基于上述光刻成像模型，迭代地使用牛顿法更新光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，具体过程为：

21、在光刻物镜曝光视场中选择若干代表性的视场点，数量用M表示；考虑光刻物镜中第m个视场点的偏振像差PA_m，利用当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形，根据步骤1的成像模型，计算第m个视场点的光刻空间成像I_m；m＝1,2,...M；

22、构建第m个视场点的图形误差表达式：

其中，

表示二范数，Z_m表示第m个视场点的光刻胶像，由空间像I_m取阈值得到，表示目标图形；

23、根据当前第h轮迭代得到的光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形M^(h)，依据步骤1的成像模型得到各个代表性视场点的光刻空间成像，然后再计算代表性视场点的光刻成像图形误差计算确定本次第h轮迭代的各视场点的权重因子

构造本次迭代的全视场目标函数

其中，h表示迭代次数，初值为0；第一次迭代即h＝0时，

24、计算目标函数D^(h)对于当前光源强度分布图形J^(h)和掩模透过率分布图形M^(h)的梯度矩阵和

以及海塞矩阵

和

25、依据步骤24的计算结果，更新光源强度分布图形

更新掩模透过率分布图形

其中，step_source和step_mask分别为预先设定的光源优化步长和掩模优化步长；初始光源强度分布图形J⁽⁰⁾设置为环形照明，初始掩模透过率分布图形M⁽⁰⁾设置为目标图形

26、更新迭代次数h＝h+1；

27、判断：如果h未达到设定的迭代次数且图形误差未达到下限，则返回步骤21；如果h达到设定的迭代次数或者图形误差达到下限，即终止优化，将当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形作为优化结果输出；

步骤3、进行光瞳优化：

31、计算当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形对应的严格的三维掩模近场衍射频谱G_3D，考虑光瞳分布函数pupil，计算空间像图形I的解析函数为：

其中，J(x_s,y_s)是前光源强度分布图形的坐标为(x_s,y_s)的光源像素点处的强度，

表示傅里叶逆变换，C是辐照度修正常数；

是坐标旋转矩阵；PA是光刻系统的偏振像差；E_i表示入射光的偏振态；

32、按照公式(2)计算当前的各视场点的光刻成像I′_m，进而再计算第k轮迭代时各视场点图形误差

Z′_m表示第m个视场点的光刻胶像，由空间像I′_m取阈值得到；k表示迭代次数，初值为0；

计算确定本次第k轮迭代的各视场点的权重因子

构造本次迭代的全视场目标函数

33、计算并存储第k轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k)的梯度

其中，pupil^k＝pupil^(k-1)+step_pupil×direction^(k-1)；step_pupil是预先设定的光瞳优化步长；direction^(k-1)表示上一次迭代的优化方向，第一次迭代，即k＝1时，初始优化方向direction⁽⁰⁾设置为梯度方向

初始光瞳分布函数pupil⁽⁰⁾设置为单位矩阵；

34、更新光瞳分布函数pupil^(k+1)＝pupil^(k)+step_pupil×direction^(k)；

35、计算目标函数F^(k)对于第k+1轮迭代的光瞳分布函数pupil^(k+1)的梯度

36、计算并存储第k+1轮迭代的优化方向：

37、更新迭代次数k＝k+1；

38、判断：如果迭代次数k达到上限或者图形误差达到下限即终止优化，将当前光瞳分布函数作为优化结果输出；如果迭代次数k未达到上限且图形误差未达到下限，则返回步骤31，继续迭代。

2.如权利要求1所述的一种全视场低像差敏感度一体化光刻方法，其特征在于，所述步骤21中，使用时域有限差分或者严格耦合波电磁场有限元算法，计算当前光源强度分布图形和掩模透过率分布图形对应的严格的三维掩模近场衍射频谱G_3D。

3.一种实现权利要求1或2的一体化光刻方法的光刻系统，其特征在于，一体化光刻系统中的计算光刻子系统实现所述一体化光刻方法。

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