CN1833205A - 测量耀斑对线宽的影响 - Google Patents

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Abstract

在光刻中，可以确定由于各种曝光工具引起的耀斑的影响。在示例性实施例中，在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，存在用于确定耀斑对线缩短的影响的方法(600)。该方法(600)包括，在第一次曝光中，在衬底上的第一个管芯位置处印制第一掩模(610)，该第一掩模(610)包括与第一掩模(610)的一个角相对应的耀斑图形(110)，以及在第二次曝光中，印制第二掩模(620)，其包括与第二掩模的对角相对应的另一个耀斑图形。在衬底上的第二个管芯位置处，印制基于第一掩模和第二掩模的特征的复合掩模图形(630)。显影所印制的图形(640)，并从其中得到测量结果(650)。作为这些测量结果的函数，确定耀斑的影响(660)。

Description

测量耀斑对线宽的影响
本发明涉及半导体工艺。更具体地，本发明涉及测量印制特征的耀斑畸变程度。
电子工业继续依赖半导体技术的发展，以在更紧凑的区域中实现更高功能的器件。对于许多应用，实现更高功能的器件要求将很多个电子器件集成到单个硅晶片内。随着硅晶片的每一给定面积的电子器件数目的增加，制造工艺变得更加困难。
已经制造出在诸多学科中有着各种应用的许多种半导体器件。这种硅基半导体器件通常包括金属氧化物半导体(MOS)晶体管，例如p沟道MOS(PMOS)、n沟道MOS(NMOS)以及互补MOS(CMOS)晶体管，双极晶体管，BiCMOS晶体管。
这些半导体器件中的每一个通常包括半导体衬底，在该衬底上形成了多个有源器件。给定有源器件的特定结构可在器件类型之间变化。例如，在MOS晶体管中，有源器件通常包括源区和漏区以及调制源区和漏区之间电流的栅电极。
制造这种器件的一个重要步骤是使用光刻和刻蚀工艺形成这些器件或其部分。在光刻中，晶片衬底涂敷了称为光致抗蚀剂的感光材料。接着，晶片被曝光；照射晶片的光穿过掩模板。该掩模板限定了将要印制在衬底上的预期特征。曝光之后，显影被涂敷了抗蚀剂的晶片衬底。在掩模上定义的预期特征保留在涂有光致抗蚀剂的衬底上。抗蚀剂的未曝光区域被显影剂洗掉。具有所定义的预期特征的晶片被刻蚀。取决于生产工艺，该刻蚀可以是使用液体化学试剂除去晶片材料的湿法腐蚀，或者是晶片材料受到射频(RF)感应等离子体处理的干法刻蚀。
通常预期特征具有特定区域，其中最后印制和刻蚀的区域必须随时间被精确复制。这些称为临界尺寸(CD)。当器件几何尺寸接近亚微米范围时，晶片制作变得对在正常工艺变化范围内保持一致的CD更为依赖。在光掩模上设计和复制的有源器件尺寸以及在晶片衬底上实际再现的那些必须是可重复且可控制的。在许多情况下，工艺试图保持最终CD等于掩模CD。然而，工艺不完善或技术变化(其可在给定制作工艺中实现，如果该工艺是“受调节的”)通常会不可避免地再现偏离掩模CD的最终CD。
Ausschnitt等人的美国专利5,757,507通常涉及需要光刻的制造工艺，更具体地涉及监控在微电子制造中使用的光刻和刻蚀工艺中的偏移误差和交叠误差，这对于具有小于0.5微米数量级的尺寸的更多监控图形特征尤为有用。
Leroux等人的美国专利5,962,731通常涉及制作集成电路的领域，更具体地涉及在制作具有极窄的线元件(诸如栅极线)的电路的过程中保持精确度。
Leroux等人的美国专利5,902,703通常涉及制作集成电路的领域，更具体地涉及在制作具有相对窄的线元件(诸如栅极线)的电路的过程中保持精确度。该发明还涉及检验步进机(stepper)透镜制作质量
Ziger等人的美国专利5,976,741通常涉及集成电路制作领域中确定照明曝光剂量和其它工艺参数的方法。更具体地，该发明涉及在分步重复系统(step and repeat system)中加工半导体晶片的方法。
Ziger等人的美国专利6,301,008 B1涉及半导体器件及其制造，更具体地，涉及在保持制造精度的条件下用于显影具有相对窄线宽的元件(诸如栅线)的装置和工艺。
Bowes的美国专利US 2002/0182516 A1通常涉及半导体制造工艺的测量学。更具体地，该发明是用于在加工半导体晶片的过程中同时对器件特征进行临界尺寸(CD)测量和对相对于半导体晶片的掩模交叠进行对准测量的针梳标线(needle comb reticle)图形。该参考文献以及前面引用的那些参考文献的全文在此被引入作为参考。
透镜像差限制了将掩模图形复制到光掩模内的质量。一种重要类型的透镜像差为耀斑(flare)，其中杂散光会使印制特征畸变。各个步进机的耀斑会差别很大，即使同一步进机家族中的透镜之间也会差别很大。在半导体制造中，重要的是能够确定由于各种曝光工具产生的耀斑的影响。通常，耀斑通过曝光应保持曝光不足的区域而使抗蚀剂轮廓劣化。需要量化耀斑的影响，以使用户可以采取措施来最小化这些影响，从而提高产品良品率并可降低成本。
在示例性实施例中，存在在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，用于确定耀斑对线缩短的影响的方法。该方法包括在第一次曝光中，在衬底上的第一个管芯位置处印制暗场掩模。该暗场掩模在衬底上包括与暗场掩模的一个角相对应的耀斑图形、校正框开口、以及聚焦框图形。在第二次曝光中，该方法印制亮场掩模，该掩模包括与亮场掩模的对角相对应的另一个耀斑图形。在衬底上的第二个管芯位置处，印制基于暗场掩模和亮场掩模的特征的复合掩模图形。显影所印制的图形，并从印制的图形得到测量结果。作为这些测量的函数，获得耀斑的影响。本实施例的特征进一步包括，测量用暗场掩模印制的特征和用亮场掩模印制的特征的耀斑框图形的尺寸，测量在第一次曝光期间印制的校正框特征和在第二次曝光期间印制的特征的尺寸，并测量在第二个管芯位置处印制的聚焦框图形的尺寸。
在另一个示例性实施例中，存在在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，用于确定耀斑对线缩短的影响的方法。该方法包括在第一次曝光中，在衬底上的第一个管芯位置处印制第一掩模，该第一掩模包括与第一掩模的一个角相对应的耀斑图形；在第二次曝光中，印制第二掩模，该第二掩模包括与该第二掩模的对角相对应的另一个耀斑图形。在衬底上的第二个管芯位置处，印制基于第一掩模和第二掩模的特征的复合掩模图形。显影所印制的图形，并从印制的图形得到测量结果。作为这些测量的函数，确定耀斑的影响。
在又一个实施例中，在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，存在步进机设备内用于确定耀斑对线缩短的影响的系统。该系统包括用于在第一次曝光中，在衬底上的第一个管芯位置处印制第一掩模的装置，该第一掩模包括与第一掩模的一个角相对应的耀斑图形，以及在第二次曝光中，用于印制第二掩模的装置，该第二掩模包括与第二掩模的对角相对应的另一个耀斑图形。在衬底上的第二个管芯位置处，存在用于印制基于第一掩模和第二掩模的特征的复合掩模图形的装置。存在用于显影所印制的图形并从印制的图形得到测量结果的装置。作为这些测量的函数，存在用于确定耀斑的影响的装置。
在又一个实例实施例中，存在用于晶片步进机中的掩模组。该掩模组包括设计成暗场、具有预定尺寸的特征的第一掩模，和设计成亮场、具有预定尺寸的特征的第二掩模。包括在第一掩模中的特征包含耀斑图形的第一部分、框中框校正图形的第一部分、以及聚焦框图形的第一部分。包括在第二掩模中的特征包含耀斑图形的第二部分、框中框校正图形的第二部分以及聚焦框图形的第二部分，该框中框校正图形的第二部分可与框中框校正图形的第一部分对准，该聚焦框图形的第二部分可与聚焦框图形的第一部分对准。本实施例的另外特征为，该掩模组进一步包括具有预定尺寸的特征的第三掩模，其中这些特征由第一掩模的特征和第二掩模的特征的组合限定。
本发明的上述概述的目的不是代表本发明的每个公开的实施例或每个方面。在下述附图和详细描述中提供了其它方面和实例实施例。
根据以下结合附图对本发明的各个实施例的详细描述，可以更完整地理解本发明。
图1描述了根据本发明的实施例的用于计算耀斑的复合栅框；
图2A为用于印制图1的复合栅框的暗场掩模；
图2B示出了和图2A的暗场掩模结合使用以印制图1的复合栅框的亮场掩模；
图2C描述了根据本发明的实施例的图2A和2B的掩模的组合；
图3描述了穿过掩模特征和步进机透镜的光的散射；
图4描述了暗场聚焦框图形；
图5A描述了包含图4的聚焦框图形的暗场掩模；
图5B描述了和图5A中描述的掩模结合使用的亮场掩模；
图5C示出了图5A和5B示出的掩模的组合；
图6为根据本发明的示例性工艺的流程图；以及
图7为根据本发明的另一个实例工艺的流程图。
已经发现，本发明对于量化在将掩模图形复制到涂有光致抗蚀剂的衬底上的过程中的耀斑的影响是有用的。
参考图1，在根据本发明的示例性实施例中，使用两个掩模构建修改的框中框结构100，即为对耀斑敏感的稀疏(亮场)掩模和对耀斑很不敏感的密集(暗场)掩模。为了增强耀斑的影响，框中框的各侧包含栅结构。使用暗场掩模曝光左边和底部元件110。用亮场掩模曝光顶部和右边元件120。
在示例性实施例中，用户假设可以这样进行掩蔽，即对于曝光两个掩模来获得元件110和120几乎没有交叠误差。明显的未对准是耀斑线长度缩短的影响的相对测量。使用亮场掩模曝光的元件120预计要稍微短于使用暗场掩模曝光的那些元件110。在执行光学长度测量时，dfx为使用暗场掩模曝光的框结构部分的场光学长度度量，1fx为使用亮场掩模曝光的框部分的相应光学长度度量。类似地，沿y方向的相应光学长度度量为dfy和1fy。
使用图1的结构计算耀斑时存在两种误差。首先，当交换两个不同掩模以获得元件110和120时，总会存在一些未对准。这可通过用这两个掩模构建校正框，即框中框图形而被校正。参考图2A-2B，暗场掩模200包含栅结构210和对准框230。亮场掩模205包含栅结构220和另一个对准框240。在涂有光致抗蚀剂的衬底上使用这些掩模的过程中，用户可以印制图2A的暗场图形。使用该两个对准框230及240，将图2B的亮场图形与图2A的印记对准。图2C的所得到的图形215产生栅结构210及220的耀斑图形，和框中框对准图形250(框230和240)。感兴趣的测量为各侧的宽度。左边和右边或顶部和底部的差为该两个掩模之间的偏移以及任何耀斑差的总和。我们可以使用标准的框中框减去掩模交叠的影响。
会碰到的第二个可能的误差是由于长程耀斑效应产生的，其中散射光曝光被掩蔽的那些区域。参考图3。在装置300中，光310穿过具有限定的设计特征330的掩模320投射。透镜340中的像差散射该光310b。该散射会导致印制的特征大于设计的那些。在极端实例中，该散射光将均匀地曝光掩蔽区域下方的区域。一个所作的假设为铬下方的区域没有被曝光。在亮场掩模的情况下，长程耀斑的影响更糟糕。参考图5。例如，该过程将要曝光图5A并随后曝光图5B。我们假设作为被掩蔽区域的左边和底部区域(515结构的粗“L”)保持完全未被曝光。
根据本发明的实施例的校正方案可以用于量化该误差。参考图4。1)、采用暗场掩模，使用聚焦框图形400曝光一个或多个步进场。聚焦框图形400包含沿x和y方向的实心区域410、420以及线和间隔430、440。2)、在先前的亮场曝光中被掩蔽的区域内曝光相同的图形。3)、由于耀斑所致的对先前曝光的校正为单次曝光的场和两次曝光的场中的聚焦框结构之间的线缩短的差异。
根据本发明的另一个实施例，图4的聚焦框图形可被并入到图2A-2C的耀斑测量结构中。参考图5A-5C。暗场掩模500包含部分耀斑图形510、对准框520以及聚焦框图形530。相应的亮场掩模505包含另一个对准框525(其与对准框520对准)，由聚焦框图形530限定的区域被区域535封闭。印制的复合结构，即图5C，为暗场掩模500和亮场掩模505的组合。图形510和515形成耀斑图形(“A”)。校正框(“B”)535，和聚焦框(“C”)图形530为暗场掩模500和亮场掩模505的组合。
参考图6。在示例性实施例中，在晶片步进机设备中，在涂有抗蚀剂的衬底上，用户可以印制图5A的暗场掩模图形，610。在曝光的图5A图形上交叠后，用户可以印制图5B的亮场掩模图形，620。涂有涂有抗蚀剂的衬底经历了对图5A和图5B掩模的双重曝光。在按照双重曝光印制了图5A和图5B掩模图形之后，用户步进到衬底上的另一个位置并印制图5C的复合掩模图形，630。显影印制的图形，640。用户从印制的图形获得测量，650。获得测量之后，用户可确定耀斑对线缩短的影响，660。
参考图7。在另一个示例性实施例中，在衬底上，用户可在单次曝光中印制如图5C所描述的图5A和5B的组合掩模图形。用户印制组合图形，710，其包括耀斑图形(510、515)、校正框(535)、和聚焦框(530)。显影印制的图形，720。确定长程耀斑对线缩短的影响，730。
关于工艺引起的线缩短的测量的更多信息，请参考Yuji Yamaguchi和Pierre Leroux的临时美国专利申请No.60/468,892，其标题为“Overlay Box Structure for Measuring Process-Induced LineShortening Effect”，该申请被转让给荷兰的Koninklijke PhilipsElectronics N.V.，在此引入该申请的全文作为参考。
在Yuji Yamaguchi的临时美国专利申请No.60/468,893中可以发现关于测量线和间隔的更多信息，其标题为“A Method and LithographicStructure for Measuring Lengths of Lines and Spaces”，该申请被转让给荷兰的Koninklijke Philips Electronics N.V.，在此引入该申请的全文作为参考。
在对印制在晶片衬底上的图5C的复合结构进行测量的过程中，耀斑对水平特征的线缩短的影响的一般计算用图5C所示的对准测量图形报告的测量记录“R”表示。例如，在结构A、B、C中，偏移的通式表示为：
Rx＝(右腿-左腿)/2          (1)
Ry＝(上腿-下腿)/2        (2)
在根据本发明的示例性实施例中，用户可确定交叠图5A和图5B之间“B”结构535沿x方向的偏移程度，其中该偏移为该结构的左腿(cb1x)和右腿(cb2x)之间的宽度差，和沿y方向的偏移程度，其中该偏移为下腿(cb1y)和上腿(cb2y)之间的差。
类似地，用户可确定亮场特征515和暗场特征510之间的“A”结构的偏移程度。亮场/暗场特征之间沿x方向的明显偏移为该结构的左腿(dfx)和右腿(1fx)之间的宽度差，以及亮场/暗场特征之间沿y方向的明显偏移为该结构的上腿(1fy)和下腿(dfy)之间的宽度差。
用户可以比较在单次曝光的场和两次曝光的场中的“C”结构530之间的线缩短，其中沿x方向的线缩短为左腿(fb1x)和右腿(fb2x)之间的宽度差，或沿y方向的线缩短为上腿(fb2y)和下腿(fb1y)之间的宽度差。由这三个结构确定的计算的中间结果用于计算耀斑。
1sx Flare＝rx 1f-df-rx 1st-2nd mask-rx Multiple-Single Exposure        (3)
1sy Flare＝ry 1f-df-ry 1st-2nd mask-ry Multiple-Single Exposure        (4)
其中rx 1f-df、rx 1st-2nd mask和rx Multiple-Single Exposure为亮场/暗场结构(A)、测量两次曝光之间的对准的标准框中框(B)沿x方向的测得的偏移，以及两次和一次曝光的聚焦框结构(C)之间的测得的差。
其中rx 1f-df，rx 1st-2nd mask和rx Multiple-Single Exposure为亮场/暗场结构(A)、测量两次曝光之间的对准的标准框中框(B)沿x方向的测得的偏移，以及两次和一次曝光的聚焦框结构(C)之间的测得的差。
在特定的示例性工艺中，可以应用根据本发明的技术。对准工具报告rx和ry，其是左腿和右腿或上腿和下腿光学宽度测量的差。通过交叠图5A和图5B，可以得到图5C的图像。同样，可以假设在另一个步进机场上曝光图5C所示的图形。表1概述了获得的示例值。
          表1：确定耀斑的示例数据
  rx   ry
结构ABC   交叠的5A/5B5C0.0130.0050.1520.150   交叠的5A/5B5C0.0130.0050.1830.181
  沿x方向的耀斑1sx flare＝0.013-0.005-(0.152-0.150)沿y方向的耀斑1sy flare＝0.013-0.005-(0.183-0.181)
尽管已经参考几个具体实例实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应当意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明进行许多改变，其在下述权利要求中列出。

Claims (13)

1.在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，用于确定耀斑对线缩短的影响的方法(600)，该方法包括：在第一次曝光中，在衬底上的第一管芯位置处印制暗场掩模(610)，该暗场掩模(610)在衬底上包括与该暗场掩模的一个角相对应的耀斑图形、校正框开口、以及聚焦框图形，以及在第二次曝光中，印制亮场掩模(620)，其包括与该亮场掩模的对角相对应的另一个耀斑图形；在衬底上的第二管芯位置处，印制基于暗场掩模的特征和亮场掩模的特征的复合掩模图形(630)；显影所印制的图形(640)并从其中得到测量结果(650)；并且作为这些测量结果的函数，确定耀斑的影响(660)。
2.如权利要求1的方法，其中获得所述测量结果进一步包括，测量使用暗场掩模印制的特征和使用亮场掩模印制的特征的耀斑框(510、515)图形的尺寸；测量在第一次曝光期间印制的校正框(535)特征和在第二次曝光期间印制的特征的尺寸；以及测量在步进到第一管芯位置期间印制的聚焦框图形(530)的尺寸，并测量在第二管芯位置处印制的聚焦框图形的尺寸。
3.如权利要求2的方法，其中获得所述测量结果包括从印制特征的左腿和右腿进行测量，和从印制特征的上腿和下腿进行测量。
4.如权利要求2的方法，其中对于X方向，耀斑的影响为给定的印制特征的左腿和右腿之间的差的函数；对于Y方向，耀斑的影响为给定的印制特征的上腿和下腿之间的差的函数。
5.如权利要求4的方法，其中耀斑的影响由下述等式定义：1sn Flare＝rn 1f-df-rn 1st-2nd mask-rn Multiple-Singte Exposure，其中rn 1f-df、rn 1st-2nd mask和rn Multiple-Single Exposure为沿给定方向n的测得的亮场/暗场结构(A)、测量两次曝光之间的对准的标准框中框(B)的偏移、以及两次对一次曝光的聚焦框结构(C)之间的测得的差。
6.如权利要求5的方法，其中n包括X方向和Y方向。
7.在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺(600)中，用于确定耀斑对线缩短的影响的方法，该方法包括：在第一次曝光中，在衬底上的第一管芯位置处印制第一掩模(610)，第一掩模(610)包括与该第一掩模的一个角相对应的耀斑图形，以及在第二次曝光中，印制第二掩模(620)，其包括与该第二掩模的对角相对应的另一个耀斑图形；在衬底上的第二管芯位置处，印制基于第一掩模的特征和第二掩模的特征的复合掩模图形(630)；显影所印制的图形(640)并从其中得到测量结果(650)；并且作为这些测量结果的函数，确定耀斑的影响(660)。
8.如权利要求7的方法，其中获得测量结果进一步包括，测量与第一掩模的该一个角相对应的耀斑图形；和测量与第二掩模的该对角相对应的耀斑图形。
9.如权利要求8的方法，其中获得测量结果进一步包括，测量在由第一掩模的特征和第二掩模的特征所定义的位置处的复合掩模图形。
10.步进机设备内的系统，在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，用于确定耀斑对线缩短的影响，该系统包括：用于在第一次曝光中，在衬底上的第一管芯位置处印制第一掩模的装置，该第一掩模包括与该第一掩模的一个角相对应的耀斑图形，以及在第二次曝光中，用于印制第二掩模的装置，该第二掩模包括与该第二掩模的对角相对应的另一个耀斑图形；用于在衬底上的第二管芯位置处，印制基于第一掩模的特征和第二掩模的特征的复合掩模图形的装置；用于显影所印制的图形并从其中得到测量结果的装置；以及用于确定作为这些测量结果的函数的耀斑的影响的装置。
11.步进机设备内用于确定的系统，在涂有光致抗蚀剂的衬底上进行的光刻工艺中，用于确定耀斑对线缩短的影响，该系统包括：用于步进到衬底上的第一管芯位置的装置，其在第一次曝光中，印制暗场掩模，该暗场掩模在衬底上包括左下方耀斑图形、校正框开口、以及聚焦框图形，在第二次曝光中，印制亮场掩模，该亮场掩模包括右上方耀斑图形、校正框覆盖、和聚焦框覆盖，暗场掩模和亮场掩模的组合印制耀斑图形、校正框、和聚焦框；用于步进到衬底上的第二管芯位置的装置，其印制包含暗场掩模和亮场掩模的特征的复合掩模图形；用于显影所印制的图形的装置；以及用于确定耀斑的影响的装置，其中耀斑的影响为从衬底上的印制特征获得的测量结果的函数，包括，用于测量使用暗场掩模印制的特征和使用亮场掩模印制的特征的耀斑框图形的尺寸的装置；用于测量在第一次曝光期间印制的校正框特征和在第二次曝光期间印制的特征的尺寸的装置；以及用于测量在步进到第一管芯位置期间印制的聚焦框图形的尺寸和测量在步进到第二管芯位置期间印制的聚焦框图形的尺寸的装置。
12.用于晶片步进机中的掩模组(500、505)，该掩模组包括：设计成暗场、具有预定尺寸的特征的第一掩模(500)，这些特征包括，耀斑图形的第一部分(510)；框中框校正图形的第一部分(520)；以及聚焦框图形的第一部分(530)；设计成亮场、具有预定尺寸的特征的第二掩模(505)，这些特征包括，耀斑图形的第二部分(515)；框中框校正图形的第二部分(520)；该框中框校正图形的第二部分可与框中框校正图形的第一部分对准；以及聚焦框图形的第二部分(535)，该聚焦框图形的第二部分可与聚焦框图形的第一部分对准。
13.如权利要求12的掩模组，进一步包括，具有预定尺寸的特征的第三掩模(555)，其中这些特征由第一掩模(500)的特征和第二掩模(505)的特征的组合定义。
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