专利名称：光刻机像质检测技术中曝光剂量范围的确定方法
技术领域：
本发明涉及光刻机像质检测过程中一种确定曝光剂量范围的方法，特别涉及FOCAL技术中一种通过计算机模拟方式确定曝光剂量范围的方法。
背景技术：
光刻机的成像质量直接影响光刻机的CD均匀性、套刻精度、焦深、曝光宽容度等关键性能指标。因此光刻机成像质量的现场检测技术不可或缺。
FOCAL(Focus calibration using alignment procedure)技术是一种用于高分辨力光刻机的像质检测技术，可以现场高精度检测最佳像面、像面倾斜、场曲、像散等像质参量(参见在先技术1，Peter Dirksen，Jan E.Van Der Werf.“Method ofrepetitively imaging a mask pattern on a substrate，and apparatus for performing themethod”，美国专利申请号5,674,650)。
在先技术1中详细论述了FOCAL技术的基本原理。FOCAL技术是在最佳曝光剂量下，将一种特殊的标记图形——FOCAL标记图形依次成像在处于不同离焦面的硅片上。与普通光刻机对准标记不同，FOCAL标记的一个光栅周期内包含一部分密集线条，这部分密集线条称为FOCAL标记的精细结构1，如图1(a)所示。由于光栅精细结构的存在，硅片上FOCAL标记反射光强的空间分布随着离焦量的变化而发生改变，因此，反射光强达到极值所对应的标记位置发生偏移，这一偏移量称为对准偏移量(Alignment Offset)。对准偏移量与FOCAL标记精细结构的线宽有关。硅片在不同离焦量下曝光后，光刻胶上将形成具有不同线宽精细结构的FOCAL标记图形，从而产生不同的对准偏移量。在最佳像面处曝光的FOCAL标记，其对准偏移量达到最大值。由此将硅片标记的对准位置偏差与离焦量联系起来，由检测的每个FOCAL标记的对准位置偏差，计算得到该标记所对应的最佳像点轴向位置偏差。根据多个最佳像点的轴向位置偏差可计算得最佳像面、像面倾斜、场曲、像散等参量，从而实现光刻机像质参量的检测。
FOCAL技术是在一定的曝光剂量下，将FOCAL掩模上的标记图形成像在光刻胶上。曝光剂量过小或过大会引起光刻胶的不完全曝光或者过曝光现象，这都将造成显影后标记图形的失真。因此在进行FOCAL测试前，需要确定最佳曝光剂量。在一定曝光剂量范围内进行FOCAL测试，根据测试结果确定满足条件的最佳曝光剂量。若曝光剂量范围选取不当，如最佳曝光剂量不包含在曝光剂量范围内，则无法找到最佳曝光剂量。因此选择合适的曝光剂量范围是完成FOCAL测试的必要过程。
目前ASML光刻机用户在设备检测过程中，采取反复试验的方法来选择FOCAL技术的曝光剂量范围。若不能通过不同曝光剂量下的FOCAL测试找到最佳曝光剂量，则分析测试结果后修正曝光剂量范围，重新进行不同曝光剂量下的FOCAL测试，直到确定出最佳曝光剂量为止。一般情况下，先选取较大的曝光剂量范围，根据测试结果逐步缩小范围，直至找到包含最佳曝光剂量值的范围。曝光剂量范围受照明方式、光刻工艺的影响较大。当测试条件改变后，原来所确定的曝光剂量范围便不再适用，需要重新进行测试来确定曝光剂量范围。此过程需要反复多次，费时费力。
因此，为了节约测试时间、降低测试成本，需要寻求一种快捷、可靠的确定FOCAL曝光剂量范围的新方法。
发明内容
针对上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种省时、有效的确定FOCAL技术曝光剂量范围的方法。该方法为一个模拟过程，在计算机上利用现有软件即可实现，具有快速，准确的优点。
基于FOCAL技术的基本原理，最佳曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量之间需满足一定的变化规律。由于在曝光剂量范围内反复进行FOCAL测试的目的是确定最佳曝光剂量，因此可用最佳曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的变化规律作为曝光剂量范围的限定条件。通过分析比较不同曝光剂量条件下的精细结构线宽与离焦量的曲线，将不满足此变化规律的曲线的相应曝光剂量排除在FOCAL曝光剂量范围之外，从而实现FOCAL曝光剂量范围的确定。目前，已经有相应软件可在计算机上模拟FOCAL测试的曝光过程，比如SIGMA-C公司的SOLID-C与KLA-Tencor公司的PROLITH。只需预先设定照明条件与工艺条件，掩模图形与相应尺寸，离焦量与离焦步进量等试验参数，就可以在设定的曝光剂量范围内进行数值模拟，得到不同曝光剂量下的密集线条线宽与离焦量的关系曲线。
本发明确定FOCAL技术曝光剂量范围的方法为一个模拟过程。在计算机上利用光刻仿真软件进行数据模拟，通过分析模拟结果可确定FOCAL曝光剂量范围，如图2。经预备阶段10，本发明确定曝光剂量范围的流程100包括以下步骤(a)确定FOCAL测试的照明条件与工艺条件阶段11；(b)确定需要用光刻仿真软件仿真的掩模图形与相应尺寸阶段12；(c)确定仿真过程的离焦量与离焦步进量阶段13；(d)确定仿真过程的最小曝光剂量与最大曝光剂量阶段14；(e)光刻仿真软件模拟阶段15，可得到经曝光、后烘、显影后不同曝光剂量、不同离焦量所对应的所述标记图形线宽。
(f)确定FOCAL曝光剂量范围的最小值阶段16。分析仿真得到的不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线。满足精细结构线宽随离焦量的增大而减小的变化规律的曲线所对应的最小曝光剂量值为FOCAL曝光剂量范围的最小值。
(g)确定FOCAL曝光剂量范围的最大值阶段17。分析仿真得到的不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线。具有一定量的可用于判断最佳曝光剂量的非零数据点的曲线所对应的最大曝光剂量值为FOCAL曝光剂量范围的最大值。曲线上至少有5个非零数据点时为佳。
上述步骤(a)中的照明条件与工艺条件是指相干因子与数值孔径大小、光刻胶类型、光刻胶厚度、后烘温度、后烘时间、显影时间等条件。
上述步骤(b)中所述掩模图形为占空比1∶1的密集线条，如图2(b)所示。所取密集线条的线宽与所属FOCAL测试过程采用的掩模标记的精细结构线宽相同。
所述光刻仿真软件是指可精确模拟光刻过程及效果的仿真软件，如PROLITH，SOLID-C等光刻仿真软件。
上述步骤(c)中所述离焦量与所属FOCAL测试的离焦量一致。所述离焦步进量与所属FOCAL测试的离焦步进量一致。
上述步骤(d)中所述最小曝光剂量与最大曝光剂量是指仿真模拟过程中，所取的曝光剂量的最小值与最大值。最小曝光剂量为所用光刻胶发生光化学反应所需的最低剂量值时为佳，此值由FOCAL测试的工艺技术条件所确定。所取的最大曝光剂量值应大于所有满足所述步骤(f)与步骤(g)中条件的曝光剂量值，此值可根据对本领域技术的掌握作留有充分余地的设定，如10倍的最小曝光剂量值就是一个足够大的取值。
上述步骤(f)中所提出的确定曝光剂量范围最小剂量值的确定条件，即精细结构线宽随离焦量的增大而减小，与上述步骤(g)中所提出的确定曝光剂量范围最大剂量值的确定条件，即精细结构线宽与离焦量的关系曲线上至少有五个非零数据点，是本发明所提出的FOCAL曝光剂量范围的确定条件。该确定条件是在分析最佳曝光剂量下的FOCAL密集线条线宽与离焦量的变化规律的基础上得到的。依据如下FOCAL技术根据FOCAL标记的对准偏移量与硅片离焦量的变化规律确定最佳像点位置，而曝光剂量的小范围变化并不会导致对准偏移量与硅片离焦量之间变化规律的较大改变，因此在FOCAL曝光剂量范围内得到的对准偏移量与硅片离焦量的变化规律应与最佳曝光剂量下对准偏移量与离焦量的变化规律一致。
在最佳曝光剂量下进行FOCAL测试实验，记录硅片在不同离焦面曝光时的对准偏移量。通过分析实验结果可得到最佳曝光剂量下的对准偏移量与硅片离焦量的变化规律。实验结果如图3所示，纵坐标为FOCAL标记的对准偏移量，横坐标为硅片的离焦量，正负号表示硅片离焦的方向。星点表示不同离焦量所对应的对准偏移量，将数据点进行拟合后得曲线2。
由图3中曲线可以看出，随着离焦量的增大，对准偏移量减小。对准偏移量为极大值时对应的硅片离焦位置为光刻机成像系统的最佳像面。FOCAL技术正是利用对准偏移量与离焦量的这一变化规律，通过计算对准偏移量为极大值时的离焦量，实现最佳像面的高精度测量。
曲线2可表示为多项式函数AO＝a0+a1Δf+a2Δf2+a3Δf3+Λ+anΔfn(A)式中Δf为离焦量，a0、a1、a2...an为多项式系数。
FOCAL标记精细结构线宽的变化，将引起标记反射光强空间分布的变化，从而产生对准位置的偏移。通过分析FOCAL标记不同线宽所对应的空间光强分布规律，FOCAL标记的对准位置偏移量为 式中f=1T,]]>T为光栅周期。an，bn与精细结构线宽有关，其表达式分别为an=1nπ{exp(j2kd)sin(2πnfa)+2exp(j2kd′)Σm=1MsinnπfLwrM(1+r)cos2πnf(a+mLwM-Lwr2M(1+r))]]>+2Σm=1MsinnπfLwM(1+r)cos2πnf(a+2m-12MLw-Lwr2M(1+r))+sin(2πnfc)}---(C)]]>bn=1nπ{exp(j2kd)(1-cos(2πnfa))+2exp(j2kd′)Σm=1MsinnπfLwrM(1+r)sin2πnf(a+nLwM-Lwr2M(1+r))]]>+2Σm=1MsinnπfLwM(1+r)sin2πnf(a+2m-12MLw-Lwr2M(1+r))+cos(2πnfc)-1}---(D)]]>其中，d为主光栅刻槽深度，d’为精细结构的刻槽深度，a为主光栅的线宽，Lw为精细结构的线宽，c为主光栅的缝宽，r为精细结构的占空比，M为精细结构的周期数，n为衍射级次。
由(B)～(D)式可得对准偏移量与精细结构线宽的关系曲线，如图4所示。对准偏移量与线宽Lw之间成近似线性关系，即AO＝k.Lw (E)
其中k为比例系数。
根据(E)式及实验得到的对准偏移量与离焦量的变化规律可确定精细结构线宽与离焦量的关系。由(A)式与(E)式可得CD＝a0′+a1′Δf+a2′Δf2+a3′Δf3+Λ+an′Δfn(F)(F)式中Δf表示离焦量，a0′、a1′、a2′...an′为多项式系数。
图5为FOCAL测试精细结构线宽与离焦量的关系曲线。在曝光剂量范围内，精细结构线宽在曲线中心附近达到最大值，随着离焦量的增大，线宽逐渐减小。当曝光剂量更大时，不同离焦量下的精细结构线宽均减小，但曲线的变化趋势不变。由此条件可确定FOCAL曝光剂量范围的最小剂量值。
同时，在FOCAL曝光剂量范围内选取最佳曝光剂量时，要求至少有5个测量点落在最佳曝光剂量的AO～Δf曲线上。由于AO与精细结构线宽成近似线性关系，因此采用与测试过程相同的离焦步进量作为模拟仿真的离焦步进量，FOCAL曝光剂量范围内的Lw～Δf曲线应至少有五个非零数据点，此标准已在本技术领域中成为一个普遍接受的判断标准。曝光剂量越大，Lw～Δf曲线上的非零点越少。由此条件可确定FOCAL曝光剂量范围的最大剂量值。
在所得到的曝光剂量范围内进行FOCAL测试，即可确定最佳曝光剂量数值。
经工作流程100，可得到曝光剂量范围，然后进入在曝光剂量范围内进行FOCAL测试阶段18，得到最佳曝光剂量，再进入在最佳曝光剂量下进行FOCAL测试阶段19，可得到最佳像面，像面倾斜，场曲，像散等像质参量，从而进入完成测试阶段20。
本发明具有以下优点1、本发明的FOCAL技术曝光剂量范围的确定方法，通过限定精细结构线宽与离焦量所需满足的关系，可一次准确确定曝光剂量范围，与ASML光刻机用户所采用的反复测试、逐步逼近的方法相比，提高了确定曝光剂量范围的准确度。
2、本发明利用光刻仿真软件实现不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量关系曲线的精确模拟，与ASML光刻机用户所采用的试验方法相比，具有快捷、可靠的优点。并且节约了硅片、光刻胶等测试用材料，降低了测试成本。
3、本发明的FOCAL技术曝光剂量范围的确定方法，不影响光刻机的正常操作，达到了离线精确测定曝光剂量范围的目的。
4、本发明提出的曝光剂量范围的确定方法，可以通过改变仿真过程中的照明、工艺等条件，简便快捷地确定不同照明、工艺条件下的曝光剂量范围。
图1(a)FOCAL标记一个光栅周期的精细结构示意图；(b)本发明模拟过程所使用的精细结构示意图；图2本发明流程图；图3光刻机实验得到的对准偏移量与离焦量的关系曲线；图4对准偏移量与精细结构线宽的关系曲线；图5精细结构线宽与离焦量的关系曲线；图6PROLITH仿真得到的不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线。
具体实施例方式为了更好的理解本发明，现结合附图给出一个具体实施例。
图2为本发明提出的FOCAL曝光剂量范围确定方法的基本步骤。
本实施例FOCAL测试的照明条件为传统照明、NA为0.57、部分相干因子为0.7；工艺条件为JSR AR165J光刻胶、胶厚为1000nm、后烘温度为115°、后烘时间为60s、显影时间为60s；以上为阶段11所需参数。所仿真掩模的图案为占空比为1∶1的密集线条，线宽为250nm，此为阶段12所需参数。根据FOCAL测试过程的相关参数，仿真过程的离焦范围为-900nm～900nm，离焦步进量为120nm，此为阶段13所需参数。由JSR AR165J光刻胶显影所需最小剂量值约为10mJ/cm2，因此，最小曝光剂量取为10mJ/cm2，最大曝光剂量取为100mJ/cm2，此为阶段14所需的参数。本实施例使用KLA-Tencor公司推出的PROLITH光刻仿真软件。
经仿真模拟阶段15后，可得到所取曝光剂量范围内的精细结构线宽与离焦量的关系曲线，如图6所示。其中横坐标为硅片离焦量Δf，纵坐标为FOCAL标记精细结构线宽Lw。在5mJ/cm2～100mJ/cm2范围内的20个不同曝光剂量下(见图6右侧，由上至下依次对应图中由上至下的曲线)，得到20条精细结构线宽与离焦量的关系曲线。
当曝光剂量大于25mJ/cm2时，对应的精细结构线宽与离焦量的关系曲线满足Lw随Δf的增大而减小的变化规律。当曝光剂量小于65mJ/cm2时，对应的曲线上满足有至少五个非零数据点。由此可以确定，在该照明条件与工艺条件下，FOCAL曝光剂量范围为25～55mJ/cm2。
权利要求
1.一种在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法(100)，其特征在于，采用如下步骤(a)确定FOCAL测试的照明条件与工艺条件阶段(11)；(b)确定需要用光刻仿真软件仿真的掩模图形与相应尺寸阶段(12)；(c)确定仿真过程的离焦量与离焦步进量阶段(13)；(d)确定仿真过程的最小曝光剂量与最大曝光剂量阶段(14)；(e)光刻仿真软件模拟阶段(15)；输入步骤(a)至(d)所确定的参数，得到经曝光、后烘、显影后不同曝光剂量、不同离焦量所对应的所述标记图形的线宽；(f)确定FOCAL曝光剂量范围的最小值阶段(16)；分析仿真得到的不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线；满足精细结构线宽随离焦量的增大而减小的变化规律的曲线所对应的最小曝光剂量值为FOCAL曝光剂量范围的最小值；(g)确定FOCAL曝光剂量范围的最大值阶段(17)；分析仿真得到的不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线；具有5个可用于判断最佳曝光剂量的非零数据点的曲线所对应的最大曝光剂量值为FOCAL曝光剂量范围的最大值。
2.如权利要求1所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所述照明条件与所述工艺条件是指FOCAL测试过程所采用的相干因子与数值孔径大小、光刻胶类型、光刻胶厚度、后烘温度、后烘时间、显影时间；所述照明条件与所述工艺条件分别与FOCAL测试过程所采用的照明条件与工艺条件相同。
3.如权利要求2所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所述掩模图形为占空比1∶1的密集线条。
4.如权利要求3所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所取密集线条的线宽与FOCAL测试所采用的掩模标记的精细结构的线宽相同。
5.如权利要求4所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所述光刻仿真软件是指可精确模拟光刻过程及效果的仿真软件，如PROLITH，SOLID-C。
6.如权利要求5所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所述离焦量与FOCAL测试的离焦量一致。
7.如权利要求6所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，所述离焦步进量与FOCAL测试的离焦步进量一致。
8.如权利要求7所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，步骤(d)中所述的最小曝光剂量为仿真模拟过程中所取的曝光剂量最小值；所述最小曝光剂量为所用光刻胶发生光化学反应所需的最低剂量值。
9.如权利要求8所述的在光刻机FOCAL像质检测过程中确定曝光剂量范围的方法，其特征在于，步骤(d)中所述的最大曝光剂量为仿真模拟过程中所取的曝光剂量最大值；所述最大曝光剂量为10倍的最小曝光剂量值。
全文摘要
本发明提供了一种省时、有效的确定FOCAL技术曝光剂量范围的方法。基于FOCAL技术的基本原理，最佳曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量之间需满足一定的变化规律。以最佳曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的变化规律，作为确定曝光剂量范围的限定条件，通过分析不同曝光剂量下的精细结构线宽与离焦量的关系曲线，可将不满足此限定条件的曲线所对应曝光剂量排除在FOCAL曝光剂量范围之外，从而实现FOCAL曝光剂量范围快速、有效的确定。该方法为一个模拟过程，在计算机上利用现有软件即可实现。
文档编号H01L21/00GK1601385SQ200410067239
公开日2005年3月30日 申请日期2004年10月18日 优先权日2004年10月18日
发明者张冬青, 王向朝, 施伟杰 申请人:上海微电子装备有限公司