CN1883030A - 以改进的cd均匀度印制图案的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个方面包括一种利用部分相干电磁辐射源以改进的CD均匀度对工件制作图案的方法。所述方法包括动作：对于所述工件上的多个层，确定作为曝光闪光数函数的CD均匀度，对于所述工件上的多个层，确定作为曝光闪光数函数的制作图案的成本，以及在一逐层基础上选择曝光闪光数，其给出对应于优选成本的预定CD均匀度。本发明的其它方面在具体的描述、附图和权利要求书中得到反映。
Description
技术领域
本发明涉及投影成像，更具体地，涉及利用来自掩膜版(mask)/中间掩模(reticle)或至少一个空间光调制器的图像投影的显微光刻技术(microlithography)。
背景技术
对与半导体器件中超大规模集成相关的高密度和高性能的当前需求需要亚微米特征、提高的晶体管和电路速率以及改进的可靠性。这样的需求需要形成具有高精度和高均匀度的器件特征，而这又令精细的过程监控成为必要。
利用多模激光器照射的图像投影经常由于光源的相干性，以及在沿着光路方向上表面的粗糙和像差(aberration)而导致微不均匀度(micro-non-uniformity)。由每个模或准模所形成的图像给出带有高对比度散斑的图像。散斑图案是照度的精细粒度的随机变化，随着模的不同，闪光的不同而不同，在将要被制作图样(be patterned)的所述图像上给出噪声图案。散斑引起不可预知的信号不均匀度，从而令以CD均匀度对精细特征制作图案变得更为困难。
在光刻技术(lithography)中，所用的光源具有大量纵模和横模来平均散斑。对散斑现象的全面描述可见T.S.McKechnie，Speckle Reduction，inTopics in Applied Physics，Laser Speckle and Related Phenomena，123(J.C.Dainty ed.，2d ed.，1984)。
本发明者发现这种平均方法往往是不够的。用于印制半导体器件的当前技术水平的扫描仪典型地使用波长193nm，脉冲时间30-60ns，带宽0.2皮米的ArF激光器。每个特征都用20-40个激光闪光通过NA＝0.75或更高的透镜进行照射。本发明者发现在这样的扫描仪中散斑会在接触孔层(contact holelayer)上产生6nm(3σ)的尺寸变化。这可与为接触层所预算的整体尺寸误差相比拟，是非常不希望发生的。从以上的讨论可以看到，在技术上需要一种在对工件(晶片、掩膜版、中间掩模等等)制作图案时利用任意波长的部分相干电磁辐射源来减少散斑的方法。
发明内容
本发明的一个方面包括一种减少激光图案发生器中的残留散斑的数量的方法和器件。
在另一方面本发明应用于使用多模激光器，尤其是诸如XeCl、KrF、ArF和F2激光器那样的受激准分子和分子激光器的图像投影。
在本发明的另一方面，当只对形成微电子器件的诸层中的几层制作图案时，散斑减少。
本发明的其它方面在具体的描述、附图和权利要求书中得到反映。
附图说明
图1描述了激光散斑照度和小特征。
图2描述了优化CD均匀度对比生产量的发明过程。
图3描述了非偏振成像系统的照度均匀度对比带宽、脉冲时间和激光脉冲数。
图4描述了偏振无掩膜系统的照度均匀度对比带宽、脉冲时间和激光脉冲数。
图5描述了依照现有技术的图案发生器的一个实施例的示意图。
图6描述了依照现有技术的晶片扫描仪。
具体实施方式
以下的具体介绍将参照附图进行描述。对优选实施例进行描述来对本发明进行阐释，并不限制其由权利要求书所定义的范围。本领域技术人员将认识到以下描述内容的各种各样的等价变体。
本发明特别应用到利用光掩膜(photomask)图像的投影来形成电子器件的晶片曝光，利用前体掩膜版(precursor mask)的投影来制造掩膜版的掩膜版坯(mask blank)的曝光，以及利用来自于空间光调制器的图像投影的晶片曝光和掩膜版坯的曝光。本发明也应用到掩膜版或SLM图像在其它用于制造衍射光学器件、集成光学器件、薄膜头(thin-film head)、高密度互联器件、MEMS器件、PCB、MCM、光学安全器件(optical security device)、视频显示器件和其它类似器件的基底上的投影。
本发明者发现关键因素是激光带宽、激光脉冲长度、脉冲数和大于依赖于波长、MEEF因子和由散斑引起的可允许线宽变化的数的偏振状态数的乘积。这个发现允许在生产量和印制保真度之间存在一种逐层的折中(layer-by-layer trade-off)。在临界层(critical layer)上减少散斑给出更严格的CD控制。可用更高速率对诸如微处理器那样的高速逻辑计时，或者由于更好的照度均匀度允许在更低的对比度下印制，所以可用更小的特征来设计它们。65nm设计规则的设计可缩减到60nm，或者另外如果采用低散斑成像，工作时钟频率可以提高若干百分点而不必重新设计。
一个实施例是波长193nm，NA等于或大于0.85的晶片扫描仪，类似于市场上可得到的晶片扫描仪，例如来自ASML公司的AT-1250，但是在许多方面上存在差异。
依照现有技术的晶片扫描仪在图6中予以阐明。所述设备包括辐射源1，例如受激准分子激光器，在出射窗2发射辐射脉冲。所述出射窗可以是光学积分器的出射平面，例如所展示的石英棒。
所述积分器在所述出射窗上形成均匀强度分布。所述出射窗可以具有一种拉长的形状。在该实施例中，成像系统3包括三个透镜3’、3”和3，在具有图案的掩膜版或中间掩模5的表面上对所述出射窗成像。例如，线性制动器6(linear actuator 6)以对表面4上所提供的整个图案进行照射的方式相对于所述窗图像对掩膜版5进行扫描。或者，掩膜版5可以不动，而对出射窗2进行扫描。在掩膜版上出射窗图像的纵向垂直于扫描方向，即，在脉冲辐射曝光期间线性制动器6移动掩膜版5的方向。标号1-6的元件构成扫描狭缝曝光器件。
在附图上用一个单独的部件作示意性表示的投影透镜系统7将掩膜版4的被照射的部分成像到安排在基底9上的辐射敏感层8上。所述基底可以是半导体晶片。投影透镜系统7可以具有1/4的放大率。例如，考虑投影透镜系统7的放大率、与掩膜版5的扫描同步地，用第二线性制动器10对所述基底进行扫描。控制器13控制辐射源。控制器13确定辐射敏感层8上的扫描场(field)应当被辐射的辐射脉冲数，以达到所要求的曝光剂量。
扫描狭缝宽度更宽：12mm取代6mm。这增加了形成特征的脉冲数。
激光带宽更宽：不是0.25pm或更小而是0.5pm或更高。这使得具有改进的色彩校正(chromatic correction)的透镜成为必要。这样的透镜可用一个或多个衍射透镜制造。衍射透镜具有比折射透镜高得多的色散，并且符号相反。因此弱衍射透镜对于色差(chromatic aberration)的校正具有较强的功能。在允许所述设计简化的同时，弱非球面衍射透镜和折射非球面透镜(asphere)的组合给出改进的象差控制和显著改进的色彩校正。利用衍射透镜，带宽可以明显地增大，至少比折射设计高10倍。上面所给定的0.5pm带宽可通过利用材料的混合物的折射设计获得，但是利用衍射元件，对于20-26mm的光场来说，5pm的带宽是可行的。这应用到折射和折射-衍射透镜。折反射透镜(catadioptric lens)之所以可被制造为具有较高的带宽，是因为所述放大率的很大部分在于一个或若干个反射镜(mirror)而且这些反射镜没有色差。
此外所述激光脉冲长于50ns，而且在一个实施例中脉冲长度为200ns。这是通过分裂脉冲，延迟其一部分并重新组合来完成的。这种类型的脉冲延伸(pulse stretching)在本领域人所共知，并用于受激准分子激光器，例如来自Cymer公司的XLA激光器，来减少峰值功率。但是，在该应用中的脉冲延伸要更大，并具有两个级联延伸延迟回路(cascaded stretching delayloop)，一个回路时间50ns，一个回路时间125ns，来从50ns商用激光器生成200ns的脉冲时间。所述延迟回路形成在安装于超净间地板下面的、位于激光器和扫描仪之间的净化后(purged)的管中。
一个实施例具有脉冲重复率为6kHz而不是习惯的4kHz的激光器。
一个实施例具有用于CD优化的激光功率控制。可变衰减器给出25-100％的透射，而激光输出可用电子方式控制在50-100％。
晶片扫描仪具有支持在一逐层基础上优化CD对比生产量的软件。
以上所公开的特征与不同的实施例结合可以给出比采用现有技术的可匹敌的扫描仪低5倍的散斑。进一步的改进可通过优化过程来完成，本质上说是如下进一步所述的折中散斑抑制对比生产量。
另一实施例具有两台激光器来实现12kHz的组合交错脉冲率。
对于每一层都要定义CD均匀度目标。通过分析、模拟或试验来确定MEEF值，或者确定dCD/(dE/E)因子。将扫描仪的剂量和聚焦性能输入到一个计算结果得到的CD均匀度的模型。添加带有标准设置的散斑效应。如果CD均匀度目标满足，则该过程结束。否则通过衰减激光功率和降低扫描速率来减少散斑的影响。如果需要减少两个或更多，则通过每个扫描场两次扫描来取代单次慢扫描。所述扫描场被扫描两次，每个扫描方向一次。这也给出了除散斑外的其它误差的平均，进一步改进了CD均匀度。如果有必要可采用多于两次的扫描。可以以重新对准或不重新对准晶片和中间掩模的方式来使用多重扫描过程，该选择取决于精确的误差结构。重新对准给出了更好的总体对准性能，但是由于加剧的衰落(fading)可能对CD均匀度产生不利的效应。
在正常情况下，没有关于在临界层上CD均匀度的满意目标，但是CD均匀度应当进行优化。另一方面，所述过程允许在CD均匀度上的很大的改进，但是却付出难以接受的生产量的代价。联合优化可通过建立表示成品率(yield)和/或器件值(device value)的改进的CD均匀度的优质函数(meritfunction)，以及类似的生产量优质函数并且对组合优质函数进行优化来完成。一个实施例具有用于执行该优化的计算机软件：在基于器件性能和成品率，计算所述层的目标CD均匀度和它们的优质函数；对包括散斑效应的扫描仪的CD性能建模，对生产量建模并得到生产量优质函数，以及对组合优质函数的优化。此外还有软件用于降低扫描速率，改变激光器功率来保持曝光剂量在预定值，以及如果所需要的闪光次数足够高的话，生成多重扫描周期。
相信该过程会提高生产经济和器件值，甚至采用现有工具而没有以上所述的硬件改动时也是如此。对于微处理器来说，多晶硅层的CD均匀度是最为关键的，决定了成品器件的同步速率(clocking speed)和售价。找到一种具有减去50％的激光功率、降低50％的扫描速率和/或可能的话每扫描场双曝光周期的曝光设置，会通过减少散斑和更为平均化来提高CD均匀度。对于该单个层，会给出更低的生产量，但是会得到改进的器件性能和更高的产品值。
由散斑引起的均方根照度变化可计算为：
S＝1/sqrt(脉冲长度/相干时间*脉冲数*偏振数)
脉冲长度(实际上就是脉冲时间)以纳秒来测量。根据激光器带宽和波长来计算相干时间，这可在很多关于激光器的教科书中找到。所述脉冲数是打到晶片上一单个位置上的脉冲数。对于偏振光，偏振数是1，对于非偏振光，偏振数是2。
如果激光光谱或脉冲形状与高斯等效脉冲长度相差甚远，那么就需要利用实际的形状来计算相干时间值。同样地如果脉冲的能量不相等，那么应当推导出一个等效脉冲数。在大多数情况下修正会很小。它们对于受过激光物理教育的工作人员来说不成问题。关于在部分偏振光束中的等效自由度(在这里就是偏振数)的公式可在Goodman：Statistical Optics中找到。
另一实施例是用于硅晶片上直写(direct-writing)集成电路的无掩膜扫描仪。用由一数据路径驱动的SLM代替中间掩模。这样的系统已经由同一本发明者在先前的专利申请中描述过。
图5阐明了依照现有技术用于对工件60制作图案的设备100的一个实施例，本发明可以很容易地插入该实施例中。
所述设备100包含用于发射电磁辐射的源10，物镜装置50，由计算机控制的中间掩模30，光束调节装置20，位于傅立叶平面上的空间滤波器70，傅立叶透镜装置40和所述工件60。源10可发射的辐射在从定义为780nm上至大约20μm的红外(IR)到极端紫外(EUV)的波长范围内，在该申请中所述极端紫外被定义为从100nm向下直到该辐射还可视为电磁辐射，即通过光学元件反射或聚焦的范围。源10以脉冲或连续方式发射辐射。可利用定位于所述辐射源10和所述由计算机控制的中间掩模30之间辐射路径上的快门来将从连续辐射源10所发射的辐射形成脉冲辐射。例如，辐射源可以为KrF受激准分子激光器，具有248nm的脉冲输出，脉冲长度大约10ns，重复率1000Hz。所述重复率可以低于或高于1000Hz。
光束调节装置20可以是一个简单的透镜或者是透镜的集合。光束调节装置20将从辐射源10发射出的辐射均匀地分布于由计算机控制的中间掩模30的表面上。在连续辐射源的情况下，这样的源的光束可在由计算机控制的中间掩模的表面上进行扫描。
将工件60系统地进行移动，以使得光学系统合成所需要的器件层图案。
由计算机控制的中间掩模30可以是空间光调制器(SLM)。在该实施例中，SLM包含对工件60的某个区域制作图案所需要的单个时刻上的所有信息。
对于该申请的余下部分，采用通过静电方式控制的微反射镜矩阵(一维或二维)，但是以上所描述的其他装置也是可能的，例如依赖于LCD晶体或电光材料作为它们的调制机制的透射或反射SLM，或者利用压电或电致伸缩激励的微机械(micromechanical)SLM。
SLM 30是可编程器件，产生输出辐射光束，该输出辐射光束被来自计算机的单独输入调制。SLM 30通过响应于计算机馈入数据生成明暗像素来模拟掩膜版的功能。例如相位SLM 30是一组蚀刻过的固态反射镜阵列。每个微反射镜元件通过回复铰链(restoring hinge)悬在硅基底上，其既由用分离的支撑柱也可由毗邻的反射镜支撑。在微反射镜元件之下是寻址电极。一个微反射镜表示物平面上的一个像素。像平面上的像素在此定义为与微反射镜具有相同几何形状，但是尺寸由于光学系统(optics)的原因而有所不同，即取决于光学系统是放大的还是缩小的而更大或者更小。
微反射镜和寻址电极的作用就像电容器，这样例如施加到微反射镜的负电压和施加到寻址电极的正电压将扭动悬挂微反射镜的扭转铰链，其进而允许微反射镜旋转或上下移动，由此产生反射光的相位调制。
在该实施例中，投影系统包含可以是复合镜筒透镜(compounded tubelens)的傅立叶透镜装置40，空间滤波器70和物镜装置50。傅立叶透镜装置40和空间滤波器70共同构成通常所称的傅立叶滤波器。傅立叶透镜装置40将衍射图案投影到空间滤波器70上。可以是复合的末端透镜(final lens)的物镜装置50在工件60上形成虚像。
在该实施例中，空间滤波器70是一个盘上的孔洞。设置所述孔洞的尺寸和位置以基本上阻挡所有已被衍射到第一和更高衍射级的光，例如所述孔洞可定位于傅立叶透镜装置40的焦距位置。所反射的辐射被所述傅立叶透镜装置40聚集到焦平面上，所述焦平面同时还作为物镜装置50的光瞳面(pupilplane)。孔洞阻挡住来自SLM中已编址微反射镜(addressed micromirror)的第一和更高衍射级的光，而来自未编址反射镜(non-addressed mirror)表面的辐射可以通过该孔洞。结果就会在工件60上产生如传统光刻技术中所出现的经强度调制的虚像。
一个实施例在同一光场中有六个SLM，每个SLM都有2048×5120个尺寸为8×8微米的倾斜反射镜元件。投影透镜是折反射透镜，具有0.9mm的晶片平面光场，而缩小倍率为267，这样每个反射镜对应晶片上的一个30×30nm的像素。图像只由两个脉冲形成。打到晶片上的光是偏振的。照射是经部分狭化(partly narrowed)的ArF激光，具有10pm的带宽和30ns的脉冲时间。在第二实施例中带宽为14pm，在第三实施例中带宽为20pm，在第四实施例中带宽为40pm。第五实施例具有20ns的激光脉冲长度，第六实施例具有40ns的激光脉冲长度，而第七实施例具有50ns的激光脉冲长度。第八实施例采用非偏振光。
无掩膜扫描仪具有与上述关于晶片扫描仪所描述的相同的用于衰减激光功率和提高闪光次数的部件。预测生成的散斑量，并在CD控制值和生产量之间进行折中的情况下增大脉冲数。
图3展示了非偏振成像系统的照度均匀度对比带宽、脉冲时间和脉冲数。对于偏振系统散斑要乘以1.41。
图4展示了使用双脉冲的无掩膜系统的散斑值。对于N个脉冲，散斑要乘以sqrt(2/N)。
对工件制作图案的成本与生产它的时间有关。
经管参照以上详细描述的各种实施例和示例来公开本发明，但是要理解这些示例目的是说明而非限制。可以设想修改和组合对于本领域技术人员来说是容易想到的，而这些修改和组合都包括在本发明的精神和以下权利要求书的范围内。
Claims (26)
1.一种利用部分相干电磁辐射源以改进的CD均匀度对工件制作图案的方法，包括动作：
-对于所述工件中的多个层，确定作为曝光闪光数的函数的CD均匀度，
-对于所述工件中的多个层，确定作为所述曝光闪光数的函数的制作图案的成本，
-在逐层基础上选择曝光闪光数，其给出对应于优选成本的预定CD均匀度。
2.如权利要求1所述方法，还包括动作：
-选择以下参数值的组合：
·辐射带宽
·脉冲长度
·辐射闪光频率
以使得根据散斑计算的照度不均匀度(3σ)少于0.5％。
3.如权利要求1或2所述方法，还包括动作：
-确定狭缝宽度值以使得根据散斑计算的照度不均匀度(3σ)少于0.5％。
4.一种用于通过使用部分相干辐射源以改进的均匀度印制工件的计算机辅助设备，包括：
-对于所述工件中的多个层，确定作为曝光闪光数的函数的CD均匀度的逻辑和资源，
-对于所述工件中的多个层，确定作为曝光闪光数的函数的制作图案成本的逻辑和资源，
-在逐层基础上选择曝光闪光数的逻辑和资源，其给出制作图案成本的最小值的预定CD均匀度。
5.一种以改进的CD均匀度印制工件的方法，包括动作：
-在逐层基础上改变每个表面元件的曝光闪光数。
6.一种以改进的CD均匀度印制工件的方法，包括动作：
-在逐层基础上改变每个表面元件的曝光闪光的脉冲长度。
7.一种以改进的CD均匀度印制工件的方法，包括动作：
-在逐层基础上改变每个表面元件的曝光闪光的辐射带宽。
8.一种以改进的CD均匀度印制工件的方法，包括动作：
-在逐层基础上改变每个表面元件的曝光闪光的狭缝宽度。
9.如权利要求5-8中任何一个的所述方法，其中所述改变只对于微电子器件中的临界层执行。
10.一种利用部分相干光来改进在扫描仪或步进机内曝光的层的CD均匀度的过程，包括动作：
-向扫描仪系统提供大于10mm的光场，
-增大以下参数中的一个或多个：
a.狭缝宽度，
b.激光带宽，
c.脉冲长度，
d.激光闪光频率，
e.闪光数，
f.每扫描场的闪光数，
g.每扫描场的扫描周期数
直到根据散斑计算的照度不均匀度(3σ)少于0.5％。
11.如权利要求10所述过程，但计算的散斑小于1％。
12.如权利要求10所述过程，但计算的散斑小于2％。
13.如权利要求10所述过程，但计算的散斑小于3％。
14.如权利要求10所述过程，其中使用非偏振光。
15.如权利要求10所述过程，其中使用折射光学系统。
16.如权利要求15所述过程，其中使用至少一个衍射元件。
17.如权利要求15所述过程，其中使用带有至少一个衍射元件的折反射光学系统。
18.一种利用部分相干光来改进在无掩膜扫描仪内曝光的层的CD均匀度的过程，包括步骤：
-向无掩膜扫描仪系统提供大于0.5mm的光场，
-增大以下参数中的一个或多个：
a.激光带宽，
b.脉冲长度，
c.重叠的闪光数，
直到根据散斑计算的照度不均匀度(3σ)少于0.5％。
19.如权利要求18所述过程，其中所述计算的散斑小于1％。
20.如权利要求18所述过程，其中所述计算的散斑小于2％。
21.如权利要求18所述过程，其中所述计算的散斑小于3％。
22.如权利要求18所述过程，其中使用非偏振光。
23.一种用于以改进的CD均匀度印制工件的设备包括：
-计算散斑的逻辑和资源，
-在逐层基础上改变每个表面元件的脉冲数的逻辑和资源。
24.一种用于在显微光刻印制期间优化散斑的过程包括动作：
-提供改进的CD均匀度值的模型，
-计算作为闪光数函数的CD均匀度，
-提供具有特定脉冲数的印制成本的模型，
-提供选择对应于优选结果的脉冲数的逻辑和资源，
-提供适配为改变闪光数的控制，以及
-设定所述经近似优化的闪光数。
25.一种具有改进的CD均匀度的电子器件，以小于1％(3σ)的散斑被印制。
26.如权利要求23所述方法，还包括动作：
-对于所述工件中的多个层，确定作为曝光闪光数函数的CD均匀度，
-对于所述工件中的多个层，确定作为曝光闪光数函数的制作图案成本，
-在逐层基础上选择曝光闪光数，其给出对应于优选成本的预定CD均匀度。
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