专利名称：确定最佳工艺窗口的最佳工艺设定的方法,该最佳工艺窗口优化了确定光刻工艺最佳工 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种确定最佳工艺变量设定的方法，该最佳工艺变量设定为光刻制作工艺提供最佳工艺窗口，该光刻制作工艺包括将掩模图形转移到衬底层，该工艺窗口由可控制工艺参数的范围组成，该方法包括如下步骤-获取具有临界尺寸(CD)的掩模图形特征的聚焦-曝光矩阵的数据集，该特征具有预定设计CD值，该预定设计CD值应当是将特征传递到衬底层上时尽可能接近的CD值，以及-核查所传递的特征的图像是否满足设计容差条件，并确定可控制工艺变量的值的哪种组合提供最接近设计值和最佳工艺范围的CD值。
本发明还涉及使用该方法设定工艺窗口的方法，使用该工艺窗口设定方法的光刻工艺，以及使用该光刻工艺制作的装置。
工艺窗口或者工艺范围是指光刻投影设备用户可以控制的工艺变量范围的组合。工艺变量如聚焦和曝光剂量具有由CD设计值(即源于待制作装置的设计的CD值)确定的标称值。衬底中实现的CD值可能偏离例如+10％到-10％的范围，工艺变量的值可能偏离其标称值相应的范围，因此工艺变量范围的总和不应超过工艺窗口的预算。
聚焦曝光矩阵FEM理解成是指，如果将相同特征多次成像到衬底顶部上抗蚀剂层内不同位置而获得的全部数据集，由此通过不同的聚焦设定和/或不同的曝光剂量设定并测量所形成的图像而形成每个图像。例如，可以在抗蚀剂已经显影之后，使用专用的扫描电子显微镜(SEM)扫描抗蚀剂层，从而执行该测量。FEM数据通常用Bossung曲线表示，该曲线示出了所实现的CD值和聚焦及曝光剂量的函数。也可以使用模拟程序获得FEM数据，其中可控制工艺变量被输入该模拟程序中。
从EP-A0907111已知上文中所定义的方法，该专利公开了一种光掩模、光掩模的制作方法、使用该光掩模曝光的方法、以及使用该光掩模制作半导体器件的方法。
在半导体器件制作领域中，存在着对高密度和高性能的不断增加的需求，这要求减小器件特征尺寸，提高晶体管和电路的速度并改善稳定性。该需求要求以高精度和高均匀性形成器件的特征，这反过来要求仔细设定工艺变量。
要求仔细设定工艺变量以及互相优化这些变量的一个重要工艺为光刻，其中使用掩模将电路图形传递到半导体衬底或晶片。以预设的顺序使用一系列这样的掩模。每个这些掩模被用于将其图形传递到已经预先涂敷在一个层上的光敏(抗蚀剂)层，例如在硅晶片上形成的多晶硅或者金属层。为了传递图形，使用了光学投影设备，也称之为曝光设备或者晶片分步曝光机或扫描器。在该设备中，将紫外辐射或深紫外(DUV)辐射导向穿过掩模以曝光抗蚀剂层。曝光之后，抗蚀剂层被显影以形成抗蚀剂掩模，该掩模被用于根据掩模而选择性地刻蚀下面的多晶硅或者金属层，从而形成诸如线或者栅的器件特征。
对于掩模图形的设计和制作，必须遵守由设计和工艺限制设定的一组预定设计规则。该设计规则定义例如线和这些特征之间间隔的器件特征的宽度的容差，以保证所印刷的器件特征或线不交叠并且不以非理想方式相互作用。设计规则限制称为临界尺寸(CD)。术语CD现在用于指半导体器件制作中所允许的最小线宽或者两条线之间的最小间隔。对于当前的器件，衬底水平上的CD为微米量级。然而，CD也可以指工艺窗口设定的限制。
临界尺寸以聚焦和曝光剂量值为函数而变化。曝光剂量被理解成，入射到抗蚀剂层上曝光束的每个表面面积单元的辐射能量的数量。聚焦值涉及掩模图形图像被聚焦到抗蚀剂层内的程度，即该层和光刻设备投影系统的图像平面的吻合程度。
对于每个新一代的集成电路或者使用光刻制作的其它器件，器件特征尺寸变得越来越小且工艺窗口缩小。工艺窗口或工艺范围被理解成指工艺处理中误差幅度。如果超出范围，表面特征的CD及其截面形状(剖面图)将偏离设计尺寸且这将对所制作的半导体器件的性能产生负面影响。因此越来越需要这样一种方法优化若干光刻变量以允许印刷出预期的小尺寸特征，即以足够的工艺范围将这些特征传递到抗蚀剂层和相关的衬底层。首先，需要确定印刷所需特征的最优剂量和聚焦设定。此外，选择照射设置，即照射束截面的形状和强度分布，从而优化工艺范围。对于光刻工程师而言，诸如掩模偏置和散射棒的其它参数的优化是附加的工具。
掩模偏置是涉及这样的实际情况的一个参数根据特征形成部分的结构密度，特征的印刷宽度将偏离相关设计特征的宽度。例如，密集结构的设计特征，例如连续特征之间的间距等于特征宽度，将被印刷成具有和设计特征相同宽度的特征。对于半密集结构，例如特征之间的间距是设计宽度的三倍，印刷特征的宽度将比设计特征的宽度小，例如2％。对于孤立特征，即邻近没有任何其它特征的特征，印刷宽度将更小，例如小5％。
散射棒为设在设计特征邻近的掩模特征，其尺寸如此小使得并不被成像。然而，由于衍射性能，其对设计特征的图像有影响，并允许对近似设计特征的尺寸进行校正。其效应被称为光学近似校正(OPC)。
对于包括具有不同间距(周期)的不同结构的掩模设计图形，找到其印刷的最优工艺条件则更加复杂。例如，使用过度曝光或曝光不足的剂量并结合适当的掩模偏置可以改善部分结构的工艺范围，然而其减小了其它结构的工艺范围。鉴于随着特征宽度的不断减小，制作器件的工艺范围缩小，更重要的是确定可获得最大工艺范围的光刻工艺条件。一般而言，这是通过比较工艺参数的不同组合所获得的工艺范围而实现的在目前使用软件程序的优化方法中，对于特定光刻工艺的工艺范围，使用聚焦范围和剂量范围两个工艺变量。对于预定的最大CD变化，对于特定的剂量范围指定聚焦范围，或者备选地为特定的聚焦范围指定剂量范围。有时，使用最大聚焦和曝光剂量范围。在常规的优化方法中，利用熟知的聚焦-曝光剂量矩阵(FEM)确定用于特定特征CD的最优聚焦和曝光剂量。
上面所引用的EP-A0907111的方法允许优化聚焦和曝光，并允许优化掩模CD，且可借助三个工艺参数，即聚焦、曝光剂量和掩模CD的变化进行优化。其程序如下-改变三个参数中两个参数的值，即形成对应于第三个参数特定值的FEM并确定衬底上的CD是否满足规格；-针对一系列的第三参数的值重复该测量和确定，并确定晶片CD满足规格的最初两个参数值的所有组合，从而获得第三参数的有用范围；以及-优化第三参数的范围，其为诸如平均掩模CD、平均曝光剂量、掩模透射等的另一个重要参数的函数。
这个过程基本上和经典的双参数优化方法相同，唯一不同在于其涉及到三个参数而非两个参数。该优化为成品率优化。使晶片CD值位于规格内(例如在设计CD值+10％和-10％范围内)的所有参数值都可以被接受。
对于其它(一个或两个)参数来讲，传统的优化方法仅仅为一些预定值处的一个参数提供最大范围。此外，如果所获得的工艺范围大于初始所要求的范围，并不明确如何使用其改善CD控制。因此需要这样的优化方法该方法更为普通并允许更好的工艺设定和掩模设计校正。
本发明的一个目标是提供这样的优化方法，其允许获得最小的晶片CD值扩展以及平均晶片CD值，该CD值等于设计值。而且，就计算平均值和扩展所需的时间而言，该方法是非常有效的。该方法的特征在于，核查和确定最佳组合的过程包括如下步骤1.定义相关工艺变量的统计分布，该分布的参数由对工艺变量的变化进行评估或测量而确定；2.拟合解析模型(CD(E，F))的系数(b1-bn)，该解析模型将CD值描述成工艺变量聚焦(F)和曝光剂量(E)的函数；3.使用步骤1的解析模型(CD(E，F))计算平均CD值和CD分布的方差；4.定量确定CD分布与预期工艺控制参数Cpk的拟合程度；以及5.通过确定提供最大Cpk值的曝光剂量值和聚焦值，确定设计特征的最佳工艺设定。
使用解析模型允许以解析且省时的方式将Cpk值计算成模型系数以及工艺范围(即用工艺变量分布的参数表述的工艺变化)的实际测量或预期或评估值的函数。
该方法的一个优选实施例，其中包括至少一个其它工艺变量，其特征在于引入另一个参数的许多值；在步骤1)中该模型的系数被内插为其它参数的函数；在步骤2)和3)之间执行附加步骤，该附加步骤包括2a)对于每个可能的E和F组合，确定形成具有设计特征尺寸的印刷特征所需的其它变量的值，从而使用步骤2)的内插的E和F的值；对于其它工艺参数的每个值进行步骤3)和4)；以及在步骤5)中确定提供最大Cpk值的曝光剂量值、聚焦值以及其它参数的值。
后一方法实施例的特征在于，其它工艺变量为掩模偏置。
其它的变量也可以是另一个掩模变量，例如散射棒宽度或其位置或者诸如锤头(hammerhead)、衬线(serif)等的附加掩模特征的尺寸和位置。
在工艺变量聚焦和曝光剂量之后，掩模偏置是优化光刻工艺应该考虑的第一变量。然而，除了掩模偏置之外或者连同掩模偏置一起，优化过程中也可以使用其它工艺变量。
适用于印刷具有不同结构的掩模图形的工艺方法的一个实施例，其特征在于在预定聚焦和曝光剂量处具有最小Cpk值的结构的Cpk被用于确定在该聚焦和曝光剂量处掩模图形内所有结构的整体工艺窗口。
具有最小Cpk的结构被称为临界结构，因为其包括最困难的掩模特征通过优化曝光剂量(E)和聚焦(F)并确定提供最大的“最小Cpk值”的E、F设定点这些附加步骤，可获得最佳的E、F设定点以及整体工艺的Cpk。
将临界结构的Cpk作为优化的一个参考，可确保其结果对于具有更大Cpk值的结构是正确的。
本发明还涉及用于光刻制作工艺中设定最佳工艺窗口的方法，该工艺包括将掩模图形传递到衬底层内，该方法包括确定最佳工艺窗口并根据该窗口设定可控制的工艺变量。该方法的特征在于使用本文中的前述方法确定最佳工艺窗口。
本发明进一步涉及在衬底的至少一层内制作器件特征的光刻工艺，该工艺包括采用投影设备并由此使用由可控制工艺参数的范围定义的最佳工艺窗口将掩模图形传递到衬底层内，其特征在于使用上述方法优化该工艺窗口。
其中使用新工艺窗口优化方法的光刻工艺可制作更加精确的器件且其成品率提高，该工艺形成本发明的一部分。
使用该光刻工艺制作的器件更可能满足预定规格，本发明也在该器件中得到体现。
本发明进一步涉及和前述方法一起使用的专用计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据本方法的工艺步骤对可编程的计算机进行编程的可编程模块。
由于该新颖的方法包括确定掩模图形的优化设计，本发明也嵌入在使用该方法进行优化的该掩模图形中。
参照下文中描述的实施例，以非限制性实例的方式，本发明的这些及其它方面变得明显并将得到阐述。
图1a示出了CD值与曝光剂量及聚焦的函数的表面绘图；图1b示出了在预定规格及相关曝光剂量、聚焦窗口内CD值的该绘图；图2示出了CD值的高斯(Gauss)分布；图3a和3b分别示出了隔离的特征以及半密集图形的该特征的等曝光剂量曲线的实例；图4a示出了测量的CD值与相关聚焦及曝光剂量分布的表面绘图；图4b示出了由聚焦及曝光剂量的组合预定分布得到的CD值的该绘图；图5示出了Cpk值与聚焦及曝光剂量设定点值的函数的实例；图6a和6b分别示出了对于隔离的特征以及半密集图形的该特征，平均CD值变化与在其设定点附近曝光剂量和聚焦变化的函数的实例；图7a和7b示出了对于隔离的特征以及半密集图形的该特征，使用本发明的优化方法获得的最佳工艺设定点的实例；图8a和8b示出了对于隔离的特征以及半密集结构的该特征，使用传统的优化方法获得的工艺窗口的实例；以及图9a和9b示出了对于隔离的特征以及半密集图形的该特征，使用新的优化方法获得的第一CD值分布，和使用传统优化方法获得的第二分布。
用于确定光刻工艺的最佳工艺窗口的方法的第一步骤为，确定所有聚焦和曝光剂量的组合，由此得到衬底CD值，即在已显影的抗蚀剂层中实现的CD值，该值位于这些CD值的预定上限和下限之间。这些限制通常偏离设计CD(CDd)值+10％和-10％。通过使用包括该CD特征的相同掩模图形曝光测试衬底上抗蚀剂层的许多区域(目标区域)，可以完成该确定步骤，由此对每个曝光使用了另一聚焦和/或曝光剂量设定。在抗蚀剂显影并测量在抗蚀剂层中形成的特征之后(通常使用专用的扫描电子显微镜(SEM))获得聚焦曝光矩阵(FEM)。备选地，不同的聚焦和曝光剂量设定可以输入到在计算机上运行的模拟程序中，该程序计算出由这些设定得到的CD值。
图1a示出了由此获得的130nm的设计CD的FEM或CD(E，F)的绘图的实例。在水平(聚焦-剂量)面内分别沿轴DO和FO绘制曝光剂量和聚焦值(均为任意单位)，沿垂直轴CD0绘制得到的CD值。图1a示出了完整的数据集。
在确定工艺窗口的传统方法中，使CD0的值在规格之外(即小于预定下限和大于预定上限的值)的聚焦和曝光设定被排除。图1b中所示的数据集保留下来。与可允许的CD值相对应的曝光剂量和聚焦值位于聚焦-剂量平面内由曲线C1和C2界定的区域内。这些曲线由上述的CDd+10％和CDd-10％值确定。位于曲线C1和C2之间的曲线C3对应于标称或设计CD值。通过对位于曲线C1和C2之间的矩形或椭圆形的区域A进行拟合，确定工艺窗口。该矩形或椭圆形区域的最大尺寸随后被当作工艺窗口的大小，且其中心被当作最佳聚焦-最佳剂量设定。选择椭圆形而非矩形，反映了这样的事实聚焦值和曝光剂量值同时位于其分布之外的可能性远小于其中只有一个位于其分布之外的可能性。实际上，如果聚焦值和曝光剂量值均呈高斯分布，其出现的等概率的轮廓为椭圆形。该椭圆的轴随后应被调整成与该分布的标准偏差成比例。
多种方法可以用于精确地最大化工艺窗口，这些方法之间相互差别甚微。通常，将一个工艺参数所需要的范围固定在期望值，最大化其它参数。例如，因此对于预定聚焦深度获得曝光剂量的最大范围。
由于聚焦和曝光剂量误差的特定的统计分布，传统方法的结果并未得到优化。而且，如果所获得的工艺范围或工艺窗口大于所要求的工艺范围，则无法预计CD控制中的精确改善。
以另一种方法确定具有最大工艺窗口的能量剂量和聚焦组合的本发明的工艺窗口优化方法不存在这些缺点。该新方法与传统方法不同之处在于-从聚焦和曝光剂量值的分布直接计算出测量CD值的平均值和标准偏差；-利用工艺能力指标或参数Cpk预计CD值，从具有这些聚焦和曝光剂量分布的工艺获得该CD值。首先将描述用于计算作为聚焦和曝光剂量函数的CD值的Cpk参数和插值模型，然后将描述该完整的方法。
目前在IC或其它器件的制作中广泛使用Cpk参数来控制制作现场(也称作Fab)中的已安装的制作工艺。到目前为止，借助光刻专家所用的软件工具，该参数仍未用于寻找最佳工艺设定和掩模设计校正。
Cpk参数涉及CD值的统计分布以及该值平均值和目标或设计值的偏差。图2示出了设计CD值CD(des)为130nm的CD分布的实例。该分布的平均CD(μCD)值约为125nm，标准偏差约为4nm。最小和最大可接受的CD值分别设定为偏离设计值-10％和+10％处，并用虚线的下限(LL)和虚线上限(UL)表示。工艺能力参数Cpk定义为Cpk=min(|μCD-LL|,|UL-μCD|)3σ]]>对于LL≤μCD≤UL(1)Cpk＝0 对于LL＞μCD＞UL如果平均值μCD等于设计CD值，即该平均值位于下限LL和上限UL之间的中心，则对于给定的3σ值，分子并因此Cpk参数为最大。减小CD值分布的宽度将增大Cpk参数，这是因为分母中3σ值会因此减小。在图2的实例中，Cpk值约为0.6。在制作工艺控制中，通常采用Cpk值为1作为获得优良工艺控制的下限。如果平均CD值位于上限和下限之间的中点且如果3σ点位于这些限制处，则得到该Cpk值。如果Cpk参数大于1，制作工艺进行得令人满意，但如果Cpk参数小于1则制作工艺并不令人满意。
为了确定根据本发明的工艺窗口，使用插值模型描述得到的CD值(即FEM的值)与所考虑的工艺变量的函数。通过考虑两个工艺变量聚焦(F)和曝光剂量(E)，可以最好地了解在下文中称为FEM插值模型的该模型。对于这两个工艺参数，该模型为CD(E，F)＝b1.(F2/E)+b2.F2+b3.(F/E)+b4.F+b5.(1/E)+b6(2)借助该模型，可以沿例如等曝光曲线的曲线拟合模拟的或测量的CD值，该等曝光曲线即为通过相同的曝光剂量和不同的聚焦设定获得的CD值拟合而得的曲线。
图3a示出了130nm宽的隔离的特征或线的该曲线，图3b示出了间距为310nm的周期图形之外的130nm宽特征的该曲线。沿水平轴绘制散焦值(单位为微米)，沿垂直轴绘制CD值(单位为nm)。对于不同曝光剂量，模拟的CD值用不同形状的点表示。曝光剂量d1-d7分别为1.162、1.114、1.068、1.017、0.969、0.921和0.872焦耳/cm2。拟合的等曝光剂量曲线为抛物线。
目前使用的优化方法并未使用方程(2)的六个参数的模型，而仅使用E项的多项式，例如CD=Σi=03Σj=04aijEiFj]]>该等焦点曝光剂量定义为对聚焦的二阶导数为零的曝光剂量E＝Eiso，如果∂2CD∂2F=0→Eiso=-b1/b2]]>(3)如图3a和3b所示，如果曝光剂量增大，等曝光曲线之间的间隔减小。
从定性角度而言，新的工艺优化方法使用不是工艺变量的一个特性参数确定适当的工艺变量的设定，使得CD分布的平均值等于设计值并使得CD变化尽可能小。所述CD分布为选定的聚焦和曝光剂量(F，E)设定点和这些设定点周围聚焦及曝光变化的结果。
对于每个这些设定点和变化，使用FEM插值函数(方程(2))计算相关的CD值。然而，也可能从模型的方程(2)推导出CD分布的平均值和标准偏差的另一个方程。
图4a示出了为曝光剂量和聚焦函数的该CD值的分布CD(E，F)的实例，该CD值位于与图1a的表面A类似的表面G上。注意，图4a和4b涉及不同于上述值130nm的CD值。图4a还示出了分别围绕曝光剂量和聚焦设定点的曝光剂量和聚焦分布Ed和Fd。在给定的聚焦和剂量变化内，出现概率超过给定最小值的所有曝光剂量和聚焦值位于EF平面内的椭圆区域G内。聚焦值和聚焦设定点的偏差与曝光剂量值和曝光剂量设定点的偏差并无关联，这一假设使得区域G为椭圆形。与区域G内的E和F值相对应的CD值位于区域H内，如图4b所示。该图还示出了沿垂直的CD轴绘制的CD值分布(CDd)。
为了确定对于该CD分布的所设想的光刻工艺的最佳曝光剂量和聚焦设定，使用方程(1)计算参数Cpk。通过最大化所有可能曝光剂量和聚焦设定的Cpk值，可获得最佳E和F设定。
在根据该新方法的计算中，假设曝光剂量和聚焦值的分布p(E)和p(F)为高斯分布p(E)=1σE√2π·e-1/2[(E-μE)/σE]2---(4)]]>p(F)=1σF√2πe-1/2[(F-μF)/σF]2---(5)]]>其中μE和μF为曝光剂量和聚焦值的平均值，σE和σF为曝光剂量和聚焦分布的标准偏差。对于方程(4)和(5)的曝光剂量及聚焦分布，可以使用方程(2)的CD(E，F)函数计算出最终CD分布的平均值和标准偏差。由此，CD对曝光剂量和聚焦的导数中一直到二阶导数项被包括在该计算中。CD分布的平均值μCD值由下式给出μCD＝CD(μE，μF)+σF2{(b1/μE)+b2}+(σE2/μE3){b1(μF2+σF2)+b3μF+b5} (6)CD分布的方差由下式给出
σCD2＝σF2(1/μE2).(b32+4b13μF+4b12μF2)+σF2(1/μE).(2b34+4(b23+b14)μF+8b12μF2)+σF2.(b42+4b24μF+4b22μF2)+σF4(1/μE2).2b12+σF4(1/μE).4b12+σF4.2b22+σE2(1/μE4).(b52+2b35μF+(b32+2b15)μF2+2b13μF3+b12μF4)+σE2σF2(1/μE4).(3b32+2b15+14b13μF+14b12μF2)+σE2σF2(1/μE3).(2b34+4(b23+b14)μF+8b12μF2)+σE2σF4(1/μE4).7b12+σE2σF4(1/μE2).4b12+σE4(1/μE6).(2b52+4b35μF+(2b32+4b15)μF2+4b13μF3+2b12μF4)+σE4σF4(1/μE6).(3b32+4b15+16b13μF+16b12μF2)+σE4σF4(1/μE6).8b12. (7)在该方程中，bij表示bi.bj。
在根据该新方法的计算内包括所述第二导数，允许将得到的结果与蒙特卡罗(MC)模拟的结果进行比较。例如这在SPIE的1996年第2726卷第555至563页的文章“Characterization and optimization of CDcontrol for 0.25μm in CMOS applications”中得到描述。
目前在工艺优化中使用蒙特卡罗模拟产生统计CD分布。然而，蒙特卡罗方法基本上需要更多的计算时间，且其不能用于分析实验数据。已经发现，由本方法得到的平均CD值和3σ值与由蒙特卡罗方法获得的这些值的差别小于0.5nm。
从方程(6)和(7)中定义的平均值和标准偏差，可以使用方程(1)分别计算出每个曝光剂量和聚焦设定的Cpk参数的值。图5示出了Cpk值变化与曝光剂量(E)和聚焦(F)的函数的实例。使用位于右侧的由黑至白灰度级的垂直条表示Cpk值。图5中轮廓线为具有对应于该条的不同灰度级区域的界线。Cpk值从左右边界及上下边界向中心增大。图5中心处的最大Cpk值用黑色菱形Cpk(h)表示，在该实例中其值约为3。与Cpk(h)值相关的聚焦设定和曝光剂量设定为最佳聚焦(BF)和最佳曝光剂量(BE)设定。聚焦值约0.25μm且曝光剂量约23mJ/cm2时得到Cpk值为3。
使用新的优化方法获得的最佳聚焦/最佳曝光剂量设定点依赖于聚焦和剂量变化的大小。从方程6可清楚地看出，CD平均值不同于选定点的CD目标值CD(μEμF)。使用该新颖的方法可以找到BE和BF值的良好的优化，其中CD(BE，BF)并非CD设计值，但是考虑到曝光剂量和聚焦的总体分布，其具有平均值的CD分布为CD设计值。所述差异为曝光剂量和聚焦围绕其设定点μE和μF变化的大小的函数。CD平均值的偏移是由CD值随聚焦和曝光剂量的非线性变化引起的。其围绕设定点的变化越大，CD平均值和目标值的偏差将越大。
图6示出了CD平均值和CD目标值之间的偏移μCD-CDtarget与聚焦变化范围FR及曝光剂量变化范围的函数的实例。图6a示出了隔离的130nm宽特征的偏移，图6b示出了该特征与该特征的间距为310nm的半密集图形之间的偏移。这些图中所绘制的数据是使用集中参数模型计算掩模特征的空间像(aerial image)而得到的。该模型在如下文章中得到描述R.K.Watts和N.G.Einspruch编辑的，Academic Press(1987年，纽约)出版的Lithography for VLSI，VLSI Electronics-Microstructure Science第二章第19至55页的“Lumped ParameterModel for Optical Lithography”。在图6中，沿水平轴绘制不同的聚焦范围，而仅仅分别绘制出5％和10％的两个曝光剂量范围。从图6a和6b可以清除地看出，半密集特征的偏移小于隔离特征的偏移。这是由于如下事实对于隔离特征的Bossung曲线，即如图3a和3b所示的曲线，其曲率大于半密集特征的Bossung曲线的曲率。两个图中5％和10％的曝光剂量范围的点互相一致，由此事实可以推断，曝光剂量变化对CD偏移的影响可以忽略且偏移的主要来源为聚焦偏差。对于实际可用的光刻工艺，即Cpk＞1，对于给定的实例聚焦漂移被限制到大约3nm。该实例的这个值只是意味着实际中聚焦变化通常不大于3nm，而且表示对该影响的大小的评估。它并不意味着其变化不会更大。
Cpk优化方法允许优化聚焦和曝光剂量目标，使得CD分布的平均值与CD设计值一致。
图7a和7b示出了使用Cpk参数的优化方法得到的结果的实例。这些图是基于130nm的隔离特征(图7a)和半密集结构特征(图7b)的模拟数据。在这些模拟中，使用集中参数模型分析这些特征的空间像。对数值孔径(NA)为0.63，相干因子为0.85的投影透镜进行该模拟，其意味着曝光束占据物镜光瞳的85％。虚线CD(des)′对应于CD设计值线，实线LL′和UL′分别对应于CD设计值-10％和设计值+10％。
小圆Cpk(s)表示使用Cpk优化方法计算得到的最佳聚焦、最佳曝光剂量设定点。围绕该设定点的椭圆SA为由于曝光剂量和聚焦变化导致的实际采样的曝光剂量和聚焦设定区域。该椭圆的主轴的长度对应于聚焦分布的6σ值，图6a和6b中也使用到这些值。该椭圆并不代表使用传统优化方法将会找到的最大工艺窗口。该椭圆仅代表假设会在所考虑的工艺中出现的变化。因此，如果该椭圆位于曲线LL′和UL′内，CD值将位于-10％和+10％的限制之内，且这使得Cpk值大于1。如果实际曝光剂量和聚焦变化的椭圆超出曲线UL′和LL′，部分CD值将分别大于和小于+10％和-10％的限制。对于图7a和7b中所描述的情形，其中模拟聚焦和曝光剂量变化相对大且隔离特征的椭圆SA(图7a)超出下限曲线LL′，该优化方法预计光刻工艺的Cpk小于1。对于可靠的制作工艺，应该减小这些变化。对于半密集特征(图7b)，Cpk大于1。对于图7a和7b的模拟工艺，使用了6％的曝光剂量范围及0.35μm的聚焦范围，聚焦和曝光剂量的标准偏差为这些值的1/6(对于高斯分布，该范围约为标准偏差的6倍)，因此σE＝0.01E，σF＝0.058μm。
为了演示该新方法相对于传统方法在工艺窗口优化方面的改进，首先应该意识到，传统的方法在聚焦和曝光剂量中选择其中一个参数，然后最大化另一个参数的范围。例如，如果选择0.35μm的聚焦范围并使用传统方法最大化曝光剂量范围，对于隔离的130nm特征和半密集结构的该特征分别得到图8a中圆PWc1和图8b中圆PWc2所代表的工艺窗口。图8a和8b中的曲线LLc和ULc对应于可允许CD值的(10％)下限和上限。由于该图像为空间像，最佳聚焦(BF)为每个定义零点(图中的F0.00)。数字E0.97和E1.02表示两种情况的最佳曝光剂量相差约5％。
使用新方法获得的最佳曝光剂量设定不同于使用传统方法得到的设定，尤其是对于隔离特征。该效应随图形的间距减小而减小。
为了比较新的优化方法和传统的优化方法的制作工艺质量预测能力，可以使用蒙特卡罗模拟，其中输入图7和图8的设定点、曝光剂量3％的3σ变化以及聚焦的0.175μm的3σ变化。图9a和9b示出了该模拟的结果。图9a涉及隔离的130nm特征，图9b涉及间距为310nm的半密集图形的该特征。新的(Cpk)优化方法和传统(经典)方法得到的CD值分别用圆点和菱形点表示。CD值的下限和上限分别用直虚线LL和UL表示。
对于半密集情形(图9b)，Cpk和经典优化方法给出相同的曝光剂量和聚焦设定点，两种方法的模拟的CD值分布相同。对于隔离的特征，Cpk方法和经典方法分别得到的最佳曝光剂量设定点有着显著不同，这使得两种优化方法的模拟CD值分布不同。其结果为，经典方法的分布的平均CD值和CD设计值相差5.8nm，而Cpk方法的分布的平均CD值和CD设计值相同。对于优化方法类型的隔离特征和半密集特征的灵敏度的差异是由如下事实所致隔离特征的等曝光剂量曲线的曲率基本上大于半密集特征的曲率。
蒙特卡罗模拟分布呈不对称。为了能看到该不对称，在图中分别示出了每个分布的拟合(对称的)高斯分布GD1和GD2，这两个分布具有相同平均值及相同标准偏差。模拟分布左侧的CD值多于右侧的CD值。与使用Cpk优化方法得到的设定点相比，使用经典优化方法得到的设定点，其更多的CD值位于规格之内。乍看上去这显得奇怪，因为这意味着位于规格内的CD值的百分比随着Cpk值的减小而增大。然而，应该注意，位于规格内的CD值数目的增加是通过引入CD平均值和CD设计值之间5.8nm的偏移而实现的。这个相对大的偏移导致经典优化方法的Cpk值的大幅降低。对于许多光刻工艺，传统优化方法所固有的CD平均值和CD设计值之间的不受控制的差异是无法接受的。
新的优化方法允许将这个差异降低为零，并减小CD值分布的宽度。而且，新方法使用分析工具(方程(2)的FEM模型)并且对于方程(2)实施例使用方程(6)和(7)从FEM参数计算Cpk，以便得到优于传统方法的结果。该新方法的计算时间少于蒙特卡罗方法，此外该新方法极少用于工艺优化。
在上述描述中，只考虑光刻工艺的曝光剂量和聚焦这两个参数，并以简单的方式解释新的优化方法。然而，实际上在优化过程中还可能且通常必须使用诸如照明设定和掩模偏置的其它可控参数。该新的优化方法的本质允许如此操作。
作为一个实例，将考虑掩模偏置这一参数。已经在本说明书的引言部分解释了该参数的含义和功能。印刷具有包括相同子图形但子图形间距不同且掩模偏置不同的掩模图形的光刻工艺的新优化方法包括如下步骤1)从实验或者模拟获得每个不同子图形的聚焦-曝光矩阵的数据集；2)创建以聚焦、曝光剂量、和掩模偏置这一第三优化参数为函数描述CD数据的模型。例如，这可以分两步完成。首先，对于每个FEM数据集拟合CD(E，F)模型(方程(2))的六个参数。随后，将这六个参数bi拟合成掩模偏置的函数(例如具有线性或者二次相关)。备选地，可以将作为能量剂量、聚焦、和掩模偏置函数的完整CD数据集与具有适当参数bij的一个模型进行拟合。
3a)通过计算下式确定CD平均值和设定点及工艺变量(曝光剂量、聚焦、和掩模偏置这一第三变量)的变化之间的关系平均CD＝μCD＝EE[EF[EW[CD(E，F，W)]]]其中W为掩模偏置，Ex[f(x)]是以工艺变量x的分布概率为权重的平均函数。
Ex[f(x)]=∫x=∞x=-∞p(x)f(x)dx]]>这里的p(x)为工艺变量x的统计分布。在方程(4)和(5)中给出了变量曝光剂量和聚焦的该分布的实例。诸如均匀分布的其它分布也是可能的。
3b)通过计算下式确定CD值的变化(即其标准偏差)和设定点及工艺变量(曝光剂量、聚焦、和掩模偏置这一第三参数)的变化之间的关系标准偏差 CD＝σCD＝√(EE[EF[EW[(CD(E，F，W)-μCD)2]]])步骤3a)和3b)的结果为解析公式，这允许快速计算CD的平均值和标准偏差。
4a)对于每个可能的E和F组合，由此使用步骤3a)的CD分布的平均值的解释表达式，确定形成具有设计特征尺寸的印刷特征所需的掩模偏置。其中用到工艺变量E、F和W的标准偏差的预定值。
4b)对于每个可能的E和F组合，使用步骤3b)的CD分布的标准偏差的解释表达式，计算CD分布的方差。再次使用工艺变量E、F和W的标准偏差的预定值。
5)对于每个可能的E和F组合，使用步骤4a)和4b)得到的平均值和标准偏差，以CD分布的Cpk值的形式确定工艺范围。
以这种方式，在步骤5)中得到以曝光剂量和聚焦为函数的Cpk，即Cpk(E，F)，并在步骤4a)中得到相应的掩模偏置W(E，F)。
现在将描述该计算过程的一些使用实例。
为了确定单个图形结构对于给定掩模偏置的最佳聚焦(BF)和最佳曝光剂量(BE)组合首先确定掩模偏置W(E，F)等于所要求的掩模偏置的所有(E，F)组合集。接着，从该(E，F)组合集中导出提供最高Cpk(E，F)值的BE值和BF值。随后得到BE值和BF值以及相应的工艺范围Cpk(BE，BF)。
为了确定单个图形结构的最佳掩模偏置，确定以E和F为函数的最大Cpk(E，F)，由此得到最佳曝光剂量(BE)和最佳聚焦(BF)。由BE、BF和相应的优化掩模偏置计算W(BE，BF)。随后得到印刷该图形结构的最佳曝光剂量。
为了确定具有不同结构的掩模图形的最佳曝光剂量和最佳聚焦以及适当的掩模偏置，应该计算出每一个这些结构的Cpk(E，F)和相应的掩模偏置W(E，F)。接着，对于每个可能的E、F组合，确定给出最低Cpk(E，F)值的图形结构。由此产生以能量和聚焦为函数的最低Cpk值的数据集，称之为临界Cpk(E，F)，即CrCpk(E，F)，并产生每个结构的相应掩模偏置值的数据集，称之为结构掩模StrCpk(E，F)。现在CRCpk(E，F)的最大值给出曝光剂量和聚焦设定，这样给出不同结构的最临界结构的最佳性能。该设定为提供整体工艺性能CrCpk(BE，BF)的整体BE和BF设定点。单独地对每个图形结构的StrCpk(BE，BF)进行评估，得到不同图形结构的相应的优化掩模偏置。
如果适当的话，也可以进行有限优化，从而将某一个结构的工艺变量如掩模偏置固定为0。
使用步骤2)中的解析模型可计算出以该模型方程的系数为解析函数的Cpk参数。因此必须将曝光剂量和聚焦值的方程(4)和(5)以及CD平均值和CD分布的方程(6)和(7)扩展成具有包括掩模偏置值的项。
通过模拟程序，或者通过在衬底上的抗蚀剂层内多次印刷该特征，每次使用不同的曝光剂量和/或聚焦设定，显影抗蚀剂层并测量印刷特征的尺寸，可以获得步骤1)的数据。
该方法也可以用于优化同时印刷具有不同尺寸的特征的工艺的工艺窗口。随后使用具有不同结构的掩模图形，即具有不同特征尺寸和/或间距的图形区域。临界结构(即在预定聚焦和曝光剂量处的Cpk值最小的结构)的Cpk随后用于确定掩模图形中所有结构的整体工艺范围。
本发明的方法提供了对优化过程中所包括的工艺参数数目及其类型进行选择的自由。在各种情况下，该方法可以仅使用聚焦和曝光剂量优化该工艺。然而在优化过程中，也可以不使用掩模偏置或者除了掩模偏置之外同时使用诸如照明和掩模图形中的散射棒的一个或者多个其它工艺参数。优化方法中所包括的工艺参数的数目越多，优化方法将变得更加精确和复杂。尽管掩模偏置和曝光剂量线性相关且可以和曝光剂量及聚焦的优化一起被优化，和曝光剂量及聚焦不是线性关联的其它工艺变量，诸如照明设定(NA设定、σ设定)，对其的优化需要进行更多的上述类型的计算以找到最大Cpk值的相关变量的值。
所有工艺参数得到处理以获得整体工艺参数的一个优化(最大)值Cpk。一旦确定该值，所考虑的工艺参数的值已知，使得光刻设计工程师可以提供最佳工艺窗口，即可以指定光刻投影设备中的设定，例如聚焦、曝光剂量和照明设置。而且，本发明的优化方法允许设计出具有优化类型并具有诸如掩模偏置和散射棒的优化掩模特征的掩模。可选择的掩模类型有振幅(二进制)掩模、相位掩模、透射掩模、衰减相位偏移掩模和交变相位偏移掩模。照明设定可包括相干因子、照明类型(圆形、环形、偶极、或四极)、以及照明束部分的尺寸的设定。可以考虑到光刻工艺的其它变量，例如抗蚀剂被曝光之后的烘焙和刻蚀条件。
通过使用该新的优化方法，光刻工艺的质量、该工艺的成品率、以及使用该工艺制作的器件的质量得到改善。因此本发明体现在该制作工艺和器件中。
为了实施该方法，使用专门的计算机程序产品进行编程控制。
本发明并非限于特定的光刻投影设备或诸如集成电路(IC)的特定装置。本发明可以用于称为分步投影光刻机和分步扫描器，使用从紫外到深紫外(DUV)以及甚至极端紫外(EUV，波长约为13nm)的不同波长的曝光辐射的许多种类型的光刻投影设备。该装置可以为IC或者具有小特征尺寸的其它装置，例如液晶面板、薄膜磁头、集成或平面光学系统等。
权利要求
1.一种确定最佳工艺变量设定的方法，该最佳工艺变量设定为光刻制作工艺提供最佳工艺窗口，该光刻制作工艺包括将掩模图形转移到衬底层，该工艺窗口由可控制工艺参数的范围组成，该方法包括如下步骤-获取具有临界尺寸(CD)的掩模图形特征的聚焦-曝光矩阵的数据集，该特征具有预定设计CD值，该预定设计CD值应当是将特征传递到衬底层上时尽可能接近的CD值，以及-核查所传递的特征的图像是否满足设计容差条件，并确定可控制工艺变量的值的哪种组合提供最接近设计值和最佳工艺范围的CD值，其特征在于核查及确定最佳组合的过程包括如下步骤1)定义相关工艺变量的统计分布，该分布的参数由对工艺变量的变化进行评估或测量而确定；2)拟合解析模型(CD(E，F))的系数(b1-bn)，该解析模型将CD值描述成工艺变量聚焦(F)和曝光剂量(E)的函数；3)使用步骤1)的解析模型(CD(E，F))计算平均CD值和CD分布的方差；4)定量确定CD分布与预期工艺控制参数Cpk的拟合程度；以及5)通过确定提供最大Cpk值的曝光剂量值和聚焦值，确定设计特征的最佳工艺设定。
2.权利要求1中所述的方法，其中包括至少一个其它工艺变量，其特征在于引入另一个参数的许多值；在步骤1)中该模型的系数被内插为其它参数的函数；在步骤2)和3)之间执行附加步骤，该附加步骤包括2a)对于每个可能的E和F组合，确定形成具有设计特征尺寸的印刷特征所需的其它变量的值，从而使用步骤2)的内插的E和F的值；对于其它工艺参数的每个值进行步骤3)和4)；以及在步骤5)中确定提供最大Cpk值的曝光剂量值、聚焦值以及其它参数的值。
3.权利要求1所述的用于优化聚焦和曝光剂量设定的方法，其特征在于步骤1)中所使用的分析模型用到CD值和聚焦及曝光剂量值(E，F)之间的如下关系CD(E，F)＝b1.(F2/E)_+b2.F2+b3.(F/E)+b4.F+b5.(1/E)+b6其中b1-b6为该模型的系数。
4.权利要求3所述的方法，对于高斯聚焦和曝光剂量分布，其特征在于在步骤3)中计算CD分布(σCD)的平均CD值(μCD)和方差时使用下式σCD2＝σF2(1/μE2).(B32+4b13μF+4b12μF2)+σF2(1/μE).(2b34+4(b23+b14)μF+8b12μF2)+σF2.(b42+4b24μF+4b22μF2)+σF4(1/μE2).2b12+σF4(1/μE).4b12+σF4.2b22+σE2(1/μE4).(b52+2b35μF+(b32+2b15)μF2+2b13μF3+b12μF4)+σE2σF2(1/μE4).(3b32+2b15+14b13μF+14b12μF2)+σE2σF2(1/μE3).(2b34+4(b23+b14)μF+8b12μF2)+σE2σF4(1/μE4).7b12+σE2σF4(1/μE3).4b12+σE4(1/μE6).(2b52+4b35μF+(2b32+4b15)μF2+4b13μF3+2b12μF4)+σE4σF2(1/μE6).(3b32+4b15+16b13μF+16b12μF2)+σE4σF4(1/μE6).8b12.其中b1-b6为分析模型的系数，μE和μF分别为曝光剂量和聚焦分布的平均值，σE和σF为这些分布的标准偏差，bij表示bi×bj。
5.权利要求2所述的方法，其特征在于另一个工艺变量为掩模偏置。
6.权利要求1、2、3、4、或5中所述的用于印刷具有不同结构的掩模图形的工艺的方法，其特征在于在预定聚焦和曝光剂量处具有最小Cpk值的Cpk结构被用于确定在该聚焦和曝光剂量处掩模图形内所有结构的整体工艺窗口。
7.一种用于光刻制作工艺中设定最佳工艺窗口的方法，该工艺包括将掩模图形传递到衬底层内，该方法包括确定最佳工艺窗口并根据该窗口设定可控制的工艺变量，其特征在于使用权利要求1至6中任一项的方法确定最佳工艺窗口。
8.一种在衬底的至少一层内制作器件特征的光刻工艺，该工艺包括采用投影设备并由此使用由可控制工艺参数的范围定义的最佳工艺窗口将掩模图形传递到衬底层内，其特征在于使用权利要求7的方法优化该工艺窗口。
9.使用权利要求8中所述的光刻工艺制作的器件。
10.一种和权利要求1的方法一起使用的计算机程序产品，该计算机程序产品包括根据本方法的工艺步骤对可编程的计算机进行编程的可编程模块。
11.一种具有掩模图形的光刻掩模，其包括已经通过权利要求1的方法进行优化的图形特征。
全文摘要
印刷具有临界尺寸(CD)的特征的光刻工艺中，使用整体性能表征参数(C
文档编号G03F7/20GK1732412SQ200380107934
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月18日 优先权日2002年12月30日
发明者J·范温格登, C·A·H·朱弗曼斯, P·迪克森 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司