专利名称：光刻中交变移相掩膜的相位/幅度误差的检测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造中的光刻(photolithography)技术，尤其是光刻工序中交变(alternate)移相掩膜的相位/幅度误差的检测方法和系统。
背景技术：
在半导体器件的VLSI/ULSI(超大规模集成电路/特大规模集成电路)制造中，光刻(lithography)是指在光敏聚合物(有时称之为光刻胶(photoresists)或抗蚀剂(resists))上制作布线图案开孔的工序，这些光刻材料限定了一些小区，在这些小区中，按加工步骤顺序并通过特定的操作对硅基片材料进行改制。半导体器件芯片的制造包括在光刻胶上重复形成图案(patterning)，然后进行刻蚀、离子注入、沉积或其它这类操作，最后除去消耗的光刻胶以便将新的抗蚀剂用于该工序的另一次重复操作。
一个基本的光刻系统包括一个光源、一个包括要传送到晶片上的布线图案的模板(stencil)或光掩膜、一组透镜以及将硅晶片上现有的图案与掩膜上的布线图案对准的装置。可以在一个或几个对准步骤中进行对准，也可以用一个对准仪来进行对准。由于在含有50到100个芯片的晶片上，一次在1到4个芯片的若干步骤中制作布线图案，因此，这些光刻工具通常称之为步进投影曝光机(stepper)。对于像光刻步进投影曝光机之类的光投影系统，其分辨率R受瑞利(Rayleigh)方程中描述的参数限制R＝kλ/NA其中λ代表用在投影系统中的光源的波长，NA代表所用的投影光学系统的数值孔径，k代表一个因子，该因子说明组合光刻系统实际能在何等程度上利用理论分辨率极限。
常规的光掩膜通常包括在石英片上形成的不透明的铬图案，因此，在从掩膜上除去了铬的地方，就可以透过光。将特定波长的光通过掩膜投射到涂在硅晶片上的光刻胶上，凡在掩膜上布置的相应穿孔图案的地方，使抗蚀剂曝光。用特定波长的光对抗蚀剂曝光，引起抗蚀剂聚合物分子结构的改变，这使显影剂(developer)能够溶解并除去曝光区域中的抗蚀剂。(与此相反，负抗蚀剂系统只让没有曝过光的抗蚀剂被显影(溶解并除去，develop away)。)光掩膜在受到光照时，可以把它设想为是一个由许多单独的无限小的光源组成的阵列，这些光源可以被接通(在透明区域的点)也可以被关断(被铬覆盖的点)。如果将描述由各个光源发出的光的电场矢量的幅度整个映射在掩膜的横截面上，就可以画出一个阶梯函数，该函数反映能发现掩膜上各个点的两个可能状态(即接通和关断)。
由于图像幅度的二元性，这些常规的掩膜通常都被认为是玻璃上镀铬(COG)的二元掩膜。然而，一个光幅度的完全平方阶跃函数仅存在于精确的掩膜平面的理论极限中。在与掩膜相距任何给定的距离上，例如在晶片平面上，衍射作用将使图像呈现有限的图像倾斜。在一个小尺度范围内(即要印刷的图像的尺寸和间距小于λ/NA)，相邻图像的电场矢量将会积极地相互作用并相加。这是由辐射的波性质而引起的，这个性质使辐射随着其传播而扩散。衍射作用的结果是，特征部分间的光强度曲线不完全暗，而表现出由相邻特征部分之间的相互作用产生的相当大的光强。由于曝光系统的分辨率受到投射图像对比度的限制，在名义上的暗区域中光强度的增加将最终使得相邻的特征部分作为一个组合结构而不是作为离散的图像来印刷。
在光刻中能够复制的小图像的质量主要取决于可用的工艺范围(即还能产生正确图像尺寸的可允许剂量和聚焦变化)。通过在掩膜上引入第三个参数，移相掩膜(PSM)光刻改进了光刻工艺范围或者允许在较低的“k”值下操作。电场矢量像任何矢量一样，有量值和方向。这样，除了接通和关断电场幅度而外，它还可以用大约0°来接通或用大约180°的相位来接通。通过改变光束穿过掩膜材料的长度，能够完成PSM中的相位改变。通过使掩膜凹陷适当的深度，穿过掩膜较厚和较薄部分的光将发生180°的相位改变。换句话说，其电场矢量将保持相同的量值，但方向则完全相反，以致会导致完全抵消光束之间的任何相互作用。
尽管使用交变移相掩膜有一些优点，例如提高了分辨率、有较大的曝光范围和较大的聚焦深度，但是，在相邻的掩膜开孔之间如果有相位误差或传输强度误差的话，它也会产生重叠误差。例如，如果石英中的移相开孔的刻蚀深度不对的话，就会有一个与此相关的相位误差，并且在与垂直于掩膜面的直线位置相交的原来的对称轴上，衍射干涉(interference)将不完全是破坏性的。因此，在图像平面上会横向移动最小的位置(移位的程度正比于散焦量)，从而在晶片上造成重叠误差。除了相位误差外，当光传输过两个相邻的、相位不同的开孔时，也会引起的振幅失配。如果有这样的误差存在，即使在最佳聚焦的情况下，印刷在晶片上的空间电荷密度(space CD)也会是不均等的。
尽管现在有一些检测相位缺陷的技术，但是它们典型地涉及或者使用物理探针的刻蚀坑直接测量，或者组合测量空中图像的不对称和计算机模拟的。前者在测量刻蚀深度和掩膜尺寸方面准确的，但是由于它还依赖于光散射特性，所以它并不提供强度失配的数据，并且它不是相位抵消的直接测量。后者既能测量强度失配也能测量相位误差，但由于使用计算机模拟，其结果的准确度会受到各种近似误差的影响。此外，要精确测量幅度误差也是困难的，这是因为它在很大程度上取决于最佳聚焦的位置，最佳聚焦在100nm(1x)的范围内是很难得到的。因此，人们希望能够独立地准确检测相位和幅度缺陷。
发明内容
用一种交变移相掩膜的相位和幅度误差的检测方法，能够克服或减轻现有技术的前述的缺点和不足。在一个作为示例的实施例中，此方法包括让准直光束通过移相掩膜中一对相邻的移相开孔。然后，将通过这一对相邻开孔的衍射光的光束强度作为角位置的函数记录。根据记录的光束强度，确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离。此外，也根据记录的光束强度确定最小强度和最大强度，其中根据确定的α值计算相位误差，根据最小强度和最大强度计算幅度误差。
另一方面，一种用于检测交变移相掩膜的相位和幅度误差的方法包括让准直光束通过移相掩膜中一对相邻的移相开孔。然后，将通过这对相邻开孔的衍射光的光束强度作为角位置的函数记录下来。进而，相对于在这一对相邻开孔之间的中心线周围的固定半径的弧，利用光束强度画出衍射曲线的角分布。根据衍射曲线的角分布来确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离。此外，根据衍射曲线的角分布来确定最小强度和最大强度，其中根据确定的α值来计算相位误差，根据最小强度和最大强度来计算幅度误差。
另一方面，一种用于检测交变移相掩膜的相位和幅度误差的系统包括光源，用于使准直光束通过移相掩膜中一对相邻的移相开孔。光检测器通过在这对相邻开孔之间的中心线周围的固定半径的弧，来检测通过这对相邻开孔的衍射光的光束强度。此外，还用测试装置记录作为角位置函数的光束强度，并画出衍射曲线的角分布。然后，根据衍射曲线的角分布来确定相位误差和幅度误差。
参见作为示例的图，图内类似的组成部分用类似的标号来标志图1是根据本发明的实施例提出的一个适用的检查系统10的示意图。
图2是一个方块图，它根据本发明的实施例说明交变移相掩膜的相位和幅度误差检测方法。
图3是一个示意图，它说明不存在相位误差时，通过交变移相掩膜上一对相邻开孔的光束的对称分布衍射级。
图4是一个示意图，它说明存在相位误差时，通过交变移相掩膜上一对相邻开孔的光束的对称分布衍射级的偏离。
图5是一个作为示例的强度和角度的关系图，它是根据图2所示的方法产生的，本图具体说明了在交变移相掩膜的给定位置上既存在相位误差又存在幅度失配的情况时衍射的角分布。
具体实施例方式
这里揭示了用在半导体制造光刻加工步骤中的交变移相掩膜的相位和幅度误差的检测方法和系统。简单来说，准直激光束通过具有布线图案的部分掩膜，该图案产生完全破坏性的干涉。例如，该图案可以是掩膜上两个相邻的开孔，它们之间具有0°和180°相对相移。然后，在两个相邻的掩膜开孔之间的中心线周围的固定半径的弧上，移动一个安装在角架(angular stage)上的光检测器，由此产生一个正比于接收光强的电信号。通过测量角α可以计算两个开孔之一的深度误差，角α表示实际出现了与对称衍射级将正常出现的位置有偏离的角位移。
进而，通过记录一个角区周围的最大和最小强度幅度的量值和位置，可以识别开孔本身的形状，以便作进一步的分析，以查明是否由于它们的形状而通过了太多或太少的光。以此方式，为准确检测相位/幅度误差提供了一个强有力的手段，而不需要相应的计算机模拟和准确定位最佳聚焦位置。
首先参看图1，此图根据本发明的一个实施例示出一个适用的检查系统10。不过应当指出的是，其中具体的组成部分仅仅是作为例子来说明的，因而可以利用本领域的技术人员公知的等效和/或另外组成部分。一个光源12，如激光器或其它适用的发光器件，产生较小直径的照明光束14。可用一个准直透镜16来准直照明光束14，或者可从像准直二极管激光器这样的设计用于发射准直光束的类型中选择光源12。在以上两种情况中的任何一种情况下，照明光束18垂直入射到(并传输通过)测试的交变移相掩膜20上的一个受到关注的区域上。
然后用安装在角架26上的光检测器24来检测通过移相掩膜20的传输光22的强度。与用在现有测试方法中的常规的x-y台架不同，角架26还能在一对相邻的掩膜开孔之间的中心线周围的固定半径的弧上移动。在一个作为示例的实施例中，角架26的半径可为20em左右。这样，一分的角旋转(1/60度)换算成大约58微米的角距，在市场上买得到的、实际准确度大约为100微弧度(1/200度)的分辨系统上，这样的角旋转是相当容易达到的。
如本领域的技术人员所知，光检测器24最好是单缝式或“针孔式”的。另一个办法是，能构建光检测器覆盖一个较大的区域，如使用电荷耦合器(CCD)阵列，只要在所要求的角度范围内能够测量(或计算)传输光衍射级的强度。然后用一个通常在28指定的测试装置来记录测得的衍射级强度信号，该测试装置最好包括一个模拟-数字转换器30和一个用于处理强度信号数据的计算机处理器32。
图2是一个方块图，它根据本发明的实施例说明了用于交变移相掩膜的相位和幅度误差的检测方法100，该方法也许可以通过图1所示的检查系统10来加以实施。如同方块102中所指示的那样，让一个准直光源通过交变移相掩膜的透射部分。需要再次指出的是，其中，要求入射光束按垂直于掩膜的角度投射。然后，在方框104，让角架和光检测器相对于掩膜沿着固定半径的弧(以下用θ轴或θ表示)通过一连串的点。在θ轴上的各个相继点上，记录下传输光的衍射束强度，并由此画出如方框106中所示的衍射曲线的角度分布。
然而，另一个可选办法是，可把光检测器(或者甚至光检测器阵列)安装在相对衍射在一条直线上的一个非角架(non-angular stage)上，只要接着将光束强度的记录值换算为相应的角度值。
给定该强度和角度信息，接着根据这个简单的曲线图来决定相位误差和幅度失配。如方框108所示，可以根据所测得的强度数据来决定角位移α，其中，α代表衍射级从掩膜上相邻开孔之间的中心线周围的对称的偏离。如果在相邻掩膜开孔之一中存在深度误差，在衍射级中就会有一个与此相关联的移位。参照图3和图4也许更易于理解这个原理。
如图3所示，一个理想形式的交变移相掩膜20包括透射层34(如玻璃、石英)和不透明层36(如铬)，在不透明层36上除去铬的部分中，有一个0°开孔和一个180°的开孔。理想的情况是，出现在0°开孔上的曝光和出现在180°开孔上的曝光具有同样的强度。由于两个开孔之间有相位差，垂直于掩膜表面的准直光束将产生两个主要的、对称分布的衍射级(-1和+1)，而第0衍射级因对称而无效。另一方面，如图4所示，具有因不正确的开孔深度而引起的相位误差的掩膜，将会产生同样的衍射图案，但是旋转了角度α。
角偏移α通过下列方程与误差深度相关α＝d(n-1)/p；其中，n是掩膜透射部分的折射率，p是两个开孔中心间的距离，d是代表从开孔间半波长差偏离的深度误差。由于开孔中心间的距离(p)是在掩膜制造期间确定的(并因此假定是一个在所要求的容差范围内必须保持的参数)，因此在方法100中，假定其标称值用于计算，而不用具体测量值。
因此，一旦根据衍射分布曲线确定了α，就可以像图2方框110中所示的那样来计算深度误差。更具体地说，深度误差代表一个或两个掩膜开孔与其间相关路径长度差值的偏离，这个差值等于奇数个半波长。最后，(如也示于图2方框110中)，根据测到的强度数据，特别是根据最大和最小强度(此后表示为Imin和Imax)的确定，也确定任何幅度(传输)失配。
理想的情况是，Imin为零。然而，只有制作掩膜开孔，以致能让恰好相同数量的光通过每个开孔从而相互完全抵消时才会如此。事实上，Imin会是一个较小的正值。因而在决定是否有幅度失配时，比较Imin和Imax的相差程度是较为有用的，这意味着一个或两个开孔透过了太多/太少的光。然后根据这个信息，能够利用如扫描电子显微镜(SEM)、紫外技术或其它技术来对掩膜作进一步的分析，以确定是哪一个开孔太宽、太窄或形状不正确等。失配计算的结果为在何等程度上达到了目标提供了一个指示。
图5是一个作为示例的强度与角度关系的曲线图，它是根据图2中说明的方法产生的，本图具体地说明了在交变移相掩膜的指定位置上同时存在相位误差和幅度失配时的衍射的角度分布。通过最小强度Imin的位置从θ＝180°的原点(即相邻开孔的中心线之间的中点)的位移来观测角位移α。此外，Imin和Imax的测量也提供了关于开孔间失配的信息。
强度的角分布是散射波幅度的函数，由a1和a2表示，并由周期函数给出I＝a12+a22+a1a2cosθ；其中，Imin＝(a1-a2)2并且Imax＝(a1+a2)2。
Imin/Imax比率可以表达如下(Imin/Imax)1/2＝(a1-a2)/(a1+a2)＝(1-a2/a1)/(1+a2/a1)，因而1-a2/a1＝(1+a2/a1)(Imin/Imax)1/2如果将幅度失配m定义为1-(a2/a1)2，那么就可以用Imin和Imax的测量值来确定m，这是由于m＝1-(a2/a1)2＝(1+a2/a1)(1-a2/a1)；并且，如果失配小，或者a2≈a1，那么，m≈2(1-a2/a1)≈4(Imin/Imax)1/2。
可以理解的是，上述的方法(和关联的系统实施例)提供了一个简单而准确的手段，用于通过激光干涉测量(interferometric)技术来说明在交变移相光刻掩膜的相分离区域之间的相位/幅度失配准确度的特征。通过获得并画出衍射光束强度的角变曲线，强度和衍射位移信息可以从单一的曲线图中得到并彼此分开，以便恰当地计算深度误差和幅度失配。然后该误差信息可用于进一步分析各个掩膜的特性及其制作加工步骤。
尽管己经参照一个或多个优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员应该知道，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明进行各种改动，也能用等效部件来代替本发明的各个组成部分。此外，在不偏离其实质范围的条件下，还能对本发明进行多种修改，以使具体的情况或材料能适应本发明的教义。因此，本发明的意图不限于作为企图实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而本发明应该包括属于权利要求范围的所有实施例。
权利要求
1.一种用于检测交变移相掩膜的相位和幅度误差的方法，此方法包括让准直光束通过该移相掩膜中的一对相邻的移相开孔；记录通过所述此对相邻开孔的衍射光光束强度作为角位置函数；根据所述记录的光束强度来确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离；根据所述记录的光束强度来确定最小强度和最大强度；其中根据所确定的α值来计算所述相位误差，根据所述最小强度和所述最大强度来计算所述幅度误差。
2.根据权利要求2所述的方法，其中，利用一个深度误差来表达所述相位误差，所述深度误差利用α值、所述掩膜透射层的折射率以及所述的一对相邻开孔之间的中心间距来计算。
3.根据权利要求3所述的方法，其中，根据下列方程来计算所述的深度误差dα＝d(n-1)/p；其中，n是所述的折射率，p是所述中心间距。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述最小强度和所述最大强度之比来确定所述幅度误差。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，根据由所述记录的光束强度画出的衍射曲线的角分布，来确定所述角α、所述最小强度和所述最大强度。
6.一种用于检测交变移相掩膜的相位和幅度误差的方法，此方法包括让准直光束通过所述移相掩膜中的一对相邻的移相开孔；记录通过所述此对相邻开孔的、作为角位置函数的衍射光光束强度，进而，相对于所述的一对相邻开孔之间的中心线周围的固定半径的弧，使用所述光束强度画出衍射曲线的角度分布；根据衍射曲线的所述角度分布来确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离；根据衍射曲线的所述角度分布，来确定最小强度和最大强度；其中，根据所确定的α值来计算所述相位误差，根据所述最小强度和所述最大强度来计算所述幅度误差。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，用一个光检测器来记录所述的光束强度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，让所述的光检测器通过所述的固定半径的弧。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，利用深度误差来表达所述相位误差，所述深度误差利用α值、所述掩膜透射层的折射率以及所述的一对相邻开孔的中心间距来计算。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，根据下列方程来计算所述的深度误差dα＝d(n-1)/p；其中，n是所述折射率，p是所述中心间距。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述最小强度和所述最大强度之比来确定所述幅度误差。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述准直光束是垂直入射到所述掩膜上的。
13.一种用于检测交变移相掩膜的相位和幅度误差的系统，包括光源，用于使准直光束通过所述移相掩膜中的一对相邻的移相开孔；光检测器，用于通过所述的一对相邻开孔之间的中心线周围的固定半径的弧，检测通过所述一对相邻开孔的衍射光的光束强度；测试装置，用于记录作为角位置函数的所述光束强度，所述测试装置进而使用所述光束强度画出衍射曲线的角度分布；其中，根据所述衍射曲线的角度分布来确定所述相位误差和所述幅度误差。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光检测器是构建在角架上，该角架在半径固定的所述弧周围可调节移动。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述测试装置进一步包括计算机处理器，用于根据所述的衍射曲线的角度分布来确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述的计算机处理器利用α值、所述掩膜透射层的折射率以及所述的一对相邻开孔的中心间距，并根据下列方程来计算深度误差α＝d(n-1)/p；其中，n是所述折射率，p是所述中心间距。
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述的计算机处理器根据由所述衍射曲线的角度分布得到的最小强度与最大强度之比，来确定所述幅度误差。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述的光检测器进一步包括针孔检测器。
全文摘要
本发明揭示了一种用于检测交变移相掩膜中的相位和幅度误差的方法。在一个作为示例的实施例中，本方法包括让准直光束通过移相掩膜上的一对相邻的移相开孔，然后，记录通过这对相邻开孔的衍射光光束强度作为角位置函数。根据记录的光束强度来确定在其上出现第一衍射级和第二衍射级的角α，其中，α代表从一对对称分布的衍射级的偏离。此外，还根据记录的光束强度来确定最小强度和最大强度，其中，根据确定的α值来计算相位误差，根据所述的最小强度和最大强度来计算幅度误差。
文档编号G03F1/00GK1505127SQ0315977
公开日2004年6月16日 申请日期2003年9月25日 优先权日2002年12月3日
发明者强 伍, 伍强, 布科夫斯基, 斯科特·布科夫斯基 申请人:国际商业机器公司