CN1487363A - 设计相栅图形的方法，以及光掩模系统的制造方法 - Google Patents

设计相栅图形的方法，以及光掩模系统的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种相栅图形的设计方法和使用设计方法制造光掩模的方法，目的在于提高光刻工艺的清晰度。选择在光刻工艺将原始掩模的图形投影到晶片上使用的修改照明的形式。用于制备修改照明的相栅图形的至少一部分占据的区域被分成几个子单元。相值被任意指定为子单元的初始相值。相值被随意指定或者任意一个相值被指定为每个子单元。随机选择一个子单元，优选与前一指定相值不同的相值被新指定到随机的选定子单元。重复这些步骤制备指定到子单元的相值的新排列。估算相值的排列以确定是否它们的任何一个对应于选定的修改照明的相栅图形。当实现这种对应时，根据相值排列制成的相栅图形制备为辅助掩模的一部分，或者是主掩模的一部分。

Description

设计相栅图形的方法，以及 光掩模系统的制造方法
技术领域
本发明涉及在半导体制造中使用的光刻工艺。更具体地，本发明涉及制造光掩模系统中的修改的照明(modified illumination)使用的相栅图形以及具有相栅图形的光掩模系统的制造方法。
背景技术
光刻工艺广泛地用在半导体器件的制造中转移图形图像。然而，必须增加光刻工艺的清晰度以满足具有越来越高集成密度的半导体器件的当前要求，即满足在越来越小的设计规则下制造半导体器件的要求。光刻工艺的清晰度受到几个因素的限制，例如曝光光源的波长、投影透镜的数值孔径、焦距深度、工艺参数等。然而，增加光刻工艺清晰度的需要超越了目前曝光装置的极限。
克服曝光装置对在光刻工艺中获得的清晰度限制的尝试包括修改装置的照明系统以及引入相移掩模。对于后者，光栅添加到初始(primary)掩模以衍射通过初始掩模传送的光，由此改变了照明，不然的话将提供用于曝光工艺。这种光栅衍射光在照明初始掩模的曝光能量中产生相移以提供初始掩模的偏轴(off-axis)照明。可以提供仅由初始掩模获得的清晰度。
到现在为止这种光栅局限为简单的线-空间或简单的镶嵌型光栅。例如，2000年5月2日出版的J.Brett Rolson的US专利No.6,057,065题目为“Lithographic System Having Diffraction Grating and AttenuatedPhase Shifters”公开了一种简单的线-空间光栅。这种光栅图形基本上由简单的线-空间或矩形镶嵌形图形组成，由此局限到提供对应于简单的双极或四极的修改照明。简单的双极或四极的修改照明仅有限地增加了光刻工艺的清晰度。
因此，需要寻找通过使用修改的照明进一步增加曝光工艺的清晰度和焦距深度。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种相栅图形的设计方法，通过可以修改原始掩模的照明增加了将原始掩模的主要图形转录到晶片上的光刻工艺的清晰度。
根据本发明的一个方案，相栅图形的设计方法首先包括选择在光刻工艺将原始掩模的图形投影到晶片上使用的修改照明的形式。用于制备修改照明的相栅图形的至少一部分占据的区域被分成几个子单元。相值(phase value)被任意指定为子单元的初始相值。相值被随意指定或者任意一个相值被指定为每个子单元。随机选择一个子单元，优选的与前一指定相值不同的相值被新指定到随机的选定子单元。重复这些步骤制备指定到子单元的相值的新排列。估算相值的排列以确定是否它们的任何一个对应于将产生需要的修改照明的相栅图形。
被划分的区域优选为整个相栅图形被占据的一个单元。此时，重复为单元区域设计的相栅图形的一部分以提供相栅图形的最终设计。
根据本发明的另一方案，使用根据相值推导出的傅里叶级数估算相值。使用傅里叶变换函数得到基于指定为子单元的相值排列的傅里叶变换函数。然后得到价值函数(cost function)作为傅里叶变换函数值和表示照明的计划修改形式的函数值之间的相互关系。估算价值函数以确定指定到子单元的相值的目前排列是否对应于将产生需要的修改照明的相栅图形。
随着工艺步骤的重复，目前的价值函数与前一价值函数比较。如果目前的价值函数值小于前一成本函数值，那么在剩余的工艺过程中保持到选定的一个子单元的新相值的排列。另一方面，如果目前的价值函数值大于前一成本函数值，那么指定到选定的一个子单元的相值改变回以前指定的选定的一个子单元的相值。由此，方法是一种迭代法，其中价值函数值向着表示次数的预定值，例如零收敛，重复步骤以建立对应于将产生需要的修改照明的相栅图形的相值排列。
根据本发明的另一方案，一种制造光掩模的方法，包括提供具有将转录到基板(晶片)上的主图形图像的主掩模，选择计划增强主图形的图像转录到基板上的主掩模的照明修改形式，根据本发明以上介绍的方案设计相栅图形，以及制备设计的相栅图形与主掩模成一体的掩模系统。
相栅图形可以形成在初始掩模的表面上，该表面与其上形成有初始掩模的主掩模图形的表面相对。此外，相栅图形可以形成在与初始掩模分开的基板上，由此形成了辅助掩模。此时，辅助掩模和初始掩模介于其间。
通过腐蚀辅助或初始掩模基板形成具有光线穿过时引入相移的深度的区域形成相栅图形，这些区域和相移对应于在相栅图形的最终设计中指定到子单元的相值的位置和数值。
根据本发明，即使使用常规的照明作为曝光光源，由光源发出的光可以改变以实现掩模级别几乎任何形式的照明。由此，可以提高在光刻工艺中获得的焦距清晰度或深度。
附图说明
从下面参考附图对优选实施例的详细说明，本发明的以上和其它目的、特点和优点将变得很显然，其中：
图1示出了根据本发明设计提供修改照明的相栅图形的方法的实施例的流程图；
图2示出了八极形的照明图，为需要根据图1的流程图示出的本发明方法设计的相栅图形实现的修改照明的一个例子；
图3示出了在图1的流程图中示出的本发明方法中使用的被分成子单元的单元图；
图4示出了在图1所示的方法中，在0°的最终相值指定到所有子单元时制备的光栅图形的一部分；
图5示出了即当0°的相值指定到所有子单元时与图4所示的图形有关的傅里叶变换光谱；
图6示出了通过将0°或180°的相值随机指定给子单元并执行根据图1流程方法得到的相栅图形的平面图；
图7示意性示出了对应于图6所示的相栅图形的傅里叶变换光谱；
图8示出了使用根据本发明的设计方法，通过首先将0°、90°、180°或270°的相值任意地指定到子单元得到的相栅图形的平面图；
图9示意性地示出了对应于图8所示的相栅图形的傅里叶变换光谱；以及
图10到12示出了根据本发明的各光掩模系统的剖面图。
具体实施方式
下面参考附图详细介绍本发明。在图中，为清楚起见，放大了各层和各区的厚度。此外，在所有图中类似的参考数字表示类似的元件。
本发明提供了修改初始掩模的照明使用的相栅图形的设计方法，在初始掩模上具有要转录到半导体衬底上的图形。相栅图形可以实现在与其上要形成转录图形的相反的初始掩模的表面上，或者可以实现在辅助掩模上。所得相栅用于衍射穿过其的光线，以修改要转录的初始掩模图形的照明。修改的照明可以具有设计师认为需要或者光刻工艺需要的任何形状(form)。例如，修改照明的形状可以是八极、环形或不对称。
现在参考图1，在步骤110中，选择修改照明的形状。例如，如图2所示，选择八极形用于相栅提供的修改照明的形状。八极照明的形状可以表示为空间坐标。设置要实现的修改照明的形状之后，部分靶区指定为单元区，在靶区中形成提供这种修改照明的相栅图形。此时，在整个靶区中重复该单元区中建立的部分相栅图形，以实现相栅图形的整个形状。这简化了设计工艺。然而，可以立即为整个靶区设计相栅图形，即不使用单元区。接下来，在步骤110中，单元区被分成子单元。
图3示出了分成子单元315的单元区310的示意图。每个子单元315可以表示为空间中的预定坐标。例如，每个子单元315可以表示为各x，y坐标。此外，单元区310可以分成任意尺寸和数量的子单元315。例如，单元区310可以分成m行和n列，由此单元区310具有m×n个子单元315。这里，每个子单元315很小，例如具有约200nm的最大宽度。相对于曝光光线形成的图像曝光装置提供1∶4的缩小比例时，每个子单元315对应于一个投影到实际晶片上约50nm的图像。
再参考图1，在步骤110中，初始相值指定到各子单元315。优选地，指定的初始相值分别表示曝光光线的相位将被对应于子单元315的部分相栅偏移的度数。如果相移光栅在穿过其的各光线之间引入180°的相位差，那么0°和180°的初始相值可以任意指定到子单元315。然而可以指定0°、90°、180°和270°的相值以便如果需要产生较小的相位差。然而，为简化起见，针对使用0°和180°的初始相值介绍了本发明。
0°(或180°)的相值可以特别指定到每个子单元315作为初始相值。此外，可以使用随机发生器将0°和180°的相值随机指定到子单元。如果这样的话，在任意位置(x，y)处一个子单元315中的一个初始相值可以是0°(或180°)，而相同的初始相值可以指定到其它子单元315。虽然将初始相值可以指定到子单元315的技术与整个设计工艺的速度有关，但它基本上不影响设计工艺结果。
初始相值指定到子单元315之后，在子单元315之中随机选择任意子单元(图1的步骤120)。例如，选择图3所示位置(x，y)处的子单元。
此后，与现有的相值不同的新相值指定到选定的子单元，即，位置(x，y)处的子单元(图1的步骤130)。例如，如果0°的初始相值已指定到位置(x，y)处的子单元，那么180°的新相值指定到(x，y)处的子单元。通过随机选择与初始现有相值不同的相值可以确定新的相值。例如，当指定的相值由0°和180°组成时，由此180°的新相值指定到位置(x，y)处的子单元。另一方面，当相值指定为0°、90°、180°和270°时，除初始相值0°之外的三个相值中的一个随机指定到位置(x，y)处的子单元。可以使用随机反转(flip)过程进行该相值的重新指定。将相值重新指定到子单元315的特定工艺或技术会影响设计工艺集中在用于相栅图形的优化设计的速度，而不会影响相栅图形设计的结果。
新相值指定到子单元315之后，针对步骤110中选定的修改照明估算基于单元区310中用于子单元315的相值排列的相栅图形。相栅图形和相栅图形产生的修改照明的形状与傅里叶级数有关。换句话说，通过对应于目前相值的傅里叶变换频率值可以确定相栅图形可以实现的修改照明的形状，与目前相值指定到的子单元位置相关。
因此，为了估算可以使用根据目前的相值设计的相栅图形制备的修改照明，对应于目前相值的频率值为傅里叶变换的(图1的步骤140)。傅里叶变换可以是快傅里叶变换算法。换句话说，使用傅里叶变换确定根据目前的相值设计的使用相栅图形可以制备的修改照明的形状。然后，与工艺初始阶段中设置的修改照明图形比较修改照明的形状。使用傅里叶级数估算相栅图形的工艺可以使用在半导体领域使用的与光刻工艺有关的各种方法。
通过首先由傅里叶变换得到的变换值(空间频率函数形式)和表示初始阶段中设置的修改照明形式的频率函数值之间的差异推导价值函数、使用价值函数计算计算价值函数值(图1中的步骤150)、然后估算价值函数值(图1中的步骤160)进行这种比较。如果计算的价值函数值小于特定的预定值，那么根据目前指定到子单元的相值产生的相栅图形可以认为适合于提供计划的修改照明。由此，完成了相栅图形的设计过程。然而，基于初始值定的相值的设计将导致产生计划的修改照明的相栅图形非常不可能。也就是，在初始指定相值的基础上实现设置的修改照明的可能性很低。因此，只要价值函数不小于特定的预定值，就要依次重复通过估算的价值函数值随机选择子单元的步骤，即图1中的步骤120到160。
更具体地，指定到一个子单元315的相值改变，同时保持指定到其它子单元的相值直到计算出价值函数值。例如，如图3所示，如果现在选择的子单元315在位置(x1，y1)，0°的相值指定到子单元，位置(x1，y1)处的子单元指定了180°的新相值(步骤130)。根据子单元的相值的该新排列制作的相栅图形为傅里叶变换的(图1中的步骤140)，计算新价值函数(图1中的步骤150)。
将目前的价值函数值与以前计算的价值函数值比较并估算(图1中的步骤160)。如果目前的价值函数值小于特定值，那么设计过程停止，是由于基于目前相值制作的相栅图形被认为是将产生需要的修改照明的图形。然而，如果目前的价值函数值小于特定值，那么重复图1中的步骤120到160。
如上所述，将重复以上介绍步骤得到新价值函数值朝等于或小于特定的预定值收敛的尝试中，改变指定到步骤120中随机选择的子单元的相值。在目前的例子中，在步骤130中，180°的新相值而不是0°的初始值指定到位置(x1，y1)处的子单元。然而，如果图1的步骤150中计算的价值函数值高于以前计算的价值函数值(步骤160)，那么当过程返回到步骤120(图1中的步骤170)时，位置(x1，y1)处的子单元被指定它的0°的初始相值。另一方面，当然，如果在步骤150中计算的价值函数值在步骤160中确定为小于以前的价值函数值，但大于特定的预定值，当过程返回到步骤120时，位置(x1，y1)处的子单元固定在180°(图1中的步骤180)。
随着在依次重复步骤120(随机选择子单元)到步骤160(估算价值函数值)的过程循环中连续地进行步骤170和180，价值函数值逐渐收敛(减小)到特定的预定值，例如零。然而，很难将价值函数值精确地收敛到零。因此，为确定何时停止工艺的基础的特定的预定值可以设置为对应于曲线收敛点的值，曲线收敛点表示价值函数值中的变化以及重复过程(循环)的次数。
图2示出了当为八极时修改照明的形状。另一方面，图4示出了作为进行步骤110到130的结果，0°的相值被指定到所有子单元时的情况。当由分成这种子单元的单元区组成的相栅图形模拟为傅里叶级数时，作为空间表示的傅里叶级数(频率函数)，即，将由相栅图形产生的修改照明形式的傅里叶级数显示在图5中。注意，此时，在由相栅图形提供的计划照明的模型中使用的光源假设为常规的。
如果使用具有图4所示相值(所有0°)的相栅图形进行本过程，并且为图2所示八极的计划修改照明形状，那么步骤150中得到的价值函数值将自然为很大值。这意味着仅使用曝光装置中图4所示的相栅图形将不能产生图2所示的计划的修改照明。
但是，通过对图4所示的相栅图形进行图1的过程，最终可以得到具有小于或等于特定预定值的价值函数的最终相栅图形。通过该过程得到的最终相栅图形的一个例子显示在图6中。在本例中，指定到子单元的相值限制到0°和180°。此外，图6所示的相栅图形由重复整个图形的预定单元区组成。
图7示出了图6所示相栅图形的傅里叶变换光谱，当傅里叶变换图6所示的相栅图形时产生，并且示出了所得频率函数值。从图中可以看到，图7中的光谱形状实质上等于图6所示修改照明的计划形式的形状。
如上所述，在参考图4到7制成的例子中，指定到子单元的相值限制到0°和180°。然而，通过使用指定到子单元的较大量的相值可以设计实现更精确修改照明的相栅图形。例如，如前面提到的，0°、90°、180°和270°的相值可以随机地指定到子单元。此时，通过图1的步骤实现的相栅图形和傅里叶变换光谱分别显示在图8和9中。
根据以上介绍的过程设计的相栅图形可以制备在辅助掩模的表面上，如图10和11所示。
参考图10，具有根据图1所示步骤设计的相栅图形450的辅助掩模400(例如图6或8所示)可以用在光刻工艺使用的掩模系统中。相栅图形450形成在辅助掩模400的一个表面上。最终指定到子单元的相值可以实现为通过腐蚀在辅助掩模400中形成的凹槽的各个深度。例如，相栅图形450的第一区450实现为对应于0°相值的未腐蚀区，相栅图形450的第二区453实现为腐蚀到对应于90°相值的预定深度的区域，以及相栅图形450的第三区455实现为腐蚀到对应于180°相值的不同预定深度的区域。
此外，在图10所示的例子中，具有相栅图形450的辅助掩模400的表面设置的面对与具有转移到基板上的初始掩模图形550的初始掩模500的表面相反的方向中。辅助掩模400的相栅图形450用于修改由曝光装置的光源转移到初始掩模图形550的照明。由此，如果辅助掩模400的相栅图形450设计为产生图6或8中所示八极形照明，那么用八极形照明照射初始掩模图形500。
图11示出了根据本发明的实施例光掩模的第二例。参考图11，辅助掩模400的相栅图形450面向与具有初始掩模图形550的初始掩模500的表面相同的方向中。
图12示出了根据本发明的实施例光掩模的第三例。参考图12，相栅图形450可以实现在与其上形成有初始掩模500′的初始掩模图形550的表面相对的初始掩模500′的表面上。换句话说，相栅图形可以与初始掩模成一体，以便它与初始掩模成一体。此时，类似于以上实施例，通过选择性地腐蚀初始掩模500′的背面制备相栅图形450。
如上所述，根据本发明，可以在掩模系统级上实现各种需要形式的修改照明。由此，可以增加要转移图形的聚焦清晰度和深度，同时不修改具有常规照明系统的曝光装置。因此，本发明在半导体器件的制造中使用的光刻工艺中提供了很高的工艺裕度。
随后，虽然参考优选实施例特别示出和介绍了本发明，但本领域中的普通技术人员应该理解，可以对形式和细节做出各种修改，同时不脱离附带的权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种相栅图形的设计方法，该方法包括：
选择在光刻工艺中所提供的相栅的照明的修改形式；
将相栅图形的至少一部分占据的区域分成几个子单元；
为子单元任意指定多个相值中的一个，从而每个子单元具有一个初始相值，每个相值代表光刻工艺的曝光光线将穿过对应于子单元的相位图形光栅区域的各自的相位偏移；
随机选择子单元中的一个，并为选中的子单元中的一个指定多个相值中的一个，重复所述随机选择各子单元中的一个，以及所述为其分配相值，从而产生为子单元分配多个相值的排列；以及
根据相值的排列，估算每个多个相值的排列中的一个相对于相栅图形的倾向的不同，以产生对应于要修改的照明形式的修改照明形式。
2.根据权利要求1的方法，其中分开的区域只是要被整个相栅图形占据的单位区域，重复为所述单位区域设计的相栅图形部分，以提供最终的相栅图形设计。
3.根据权利要求1的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为子单元随机指定相值。
4.根据权利要求1的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括最初为所有的子单元指定相同的相值。
5.根据权利要求1的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为每个子单元指定从由0°和180°的相值构成的组中选择的相值。
6.根据权利要求1的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为每个子单元指定从由0°、90°、180°和270°的相值构成的组中选择的相值。
7.根据权利要求1的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括将之前指定给选中的子单元中的一个的相值变为不同于上次为其指定的相值中的一个。
8.根据权利要求1的方法，其中每次为选中的子单元中的一个指定不同于上次指定的相值时，并且在随机选择所述子单元中的另一个之前，进行所述每个相值的不同排列的估算。
9.一种设计相栅图形的设计方法，该方法包括：
选择在光刻工艺中所提供的相栅的照明修改形式；
将相栅图形的至少一部分占据的区域分成几个子单元；
为子单元任意指定多个相值中的一个，从而每个子单元具有一个初始相值，每个相值代表光刻工艺的曝光光线将穿过对应于子单元的相位图形光栅区域的各自的相位偏移；
(a)随机选择子单元中的一个；
(b)将之前指定给选中的子单元中的一个的相值变为不同于上次指定的相值的相值中新的一个，从而产生指定给子单元的新的相值排列；
(c)根据指定给子单元的新的相值排列，用傅里叶变换函数得到傅里叶变换函数值；
(d)得到作为傅里叶变换函数值和代表照明要修改的形式的函数值之间的相互关系的价值函数值；
(e)估算价值函数值，以确定是否指定给子单元的新的相值排列对应于照明的要修改的形式；以及
(f)重复步骤(a)-(e)，直到新的相值排列对应于将产生的要修改的照明形式的相栅图形。
10.根据权利要求9的方法，其中所述在(e)中价值函数值的估算包括将在(d)中作为所述重复(a)-(e)的结果的当前价值函数值与在(d)中得到的前一个价值函数值相比较，还包括(g)，如果当前价值函数值小于前一个价值函数值，则在重复(a)-(e)的剩余时间中保持为选中的子单元中的一个指定的所述相值中新的一个，如果当前价值函数值大于前一个价值函数值，则将指定给选定子单元中的一个的相值变为之前指定给选定子单元中的一个的相值。
11.根据权利要求9的方法，其中分开的区域只是要被整个相栅图形占据的单位区域，重复为所述单位区域设计的相栅图形部分，以提供最终的相栅图形设计。
12.根据权利要求9的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为子单元随机指定相值。
13.根据权利要求9的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括最初为所有的子单元指定相同的相值。
14.根据权利要求9的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为每个子单元指定从由0°和180°的相值构成的组中选择的相值。
15.根据权利要求9的方法，其中所述为子单元任意指定多个相值中的一个包括为每个子单元指定从由0°、90°、180°和270°的相值构成的组中选择的相值。
16.一种制造光掩模的方法，该方法包括：
提供具有主图形的主掩模，使用光刻工艺将主图形的图像转录到基板上，在光刻工艺中用光源发出并穿过主掩模的光照射基板；
选择计划增强主图形的图像转录到基板上的主掩模的照明形式；
设计用来自光源的光修改主图形照明的相栅图形，以便当光穿过相栅图形射到主图形上时，用选定形状的照明照射主图形，所述设计包括：
将相栅图形的至少一部分占据的区域分成多个子单元，
将多个相值中的一个任意指定为子单元的初始相值，由此每个子单元提供有初始的一个相值，每个相值表示通过穿过对应于子单元的相栅图形的区域光刻工艺的曝光光线将经受的相移，
随机选择一个子单元，
将最后指定到选定的一个子单元的相值改变为与最后指定相值不同的一个新相值，由此产生指定到字单元的相值的新排列，
建立指定到子单元的相值的新排列和通过根据子单元的所述新排列制成的相栅图形计划传送的照明的选定形状之间的对应关系，
使用所述对应关系确定是否指定到子单元的相值的新布局对应于计划形式的照明，以及
重复所述随机选择一个子单元，所述最后指定到选定的一个子单元的相值的改变，以及所述使用的对应关系，直到通过对应于计划照明形状的所述对应关系确定指定到子单元的相值的新排列；以及
制备掩模系统，其中在穿过的光线中引入相移的相栅图形与主掩模成一体，相栅图形对应于相值的最终排列。
17.根据权利要求16的方法，其中所述制备掩模系统包括在与所述主掩模分开的辅助基板上形成相栅图形，由此形成辅助掩模并且并置辅助掩模和初始掩模。
18.根据权利要求17的方法，其中所述形成相栅图形包括腐蚀辅助掩模，在它的表面中形成一些列的凹槽。
19.根据权利要求16的方法，其中所述制备掩模系统包括在与具有要转录的图象的主图形的主掩模的另一表面相对的主掩模的基板的一个表面上形成相栅图形。
20.根据权利要求19的方法，其中所述形成相栅图形包括腐蚀所述主掩模的基板的一个表面，在其内形成一系列凹槽，由此相栅图形和所述主图形为一个整体的部分。
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