專利名稱：設計相柵圖形的方法，以及光掩模系統的制造方法
技術領域：
本發明涉及在半導體制造中使用的光刻工藝。更具體地，本發明涉及制造光掩模系統中的修改的照明(modified illumination)使用的相柵圖形以及具有相柵圖形的光掩模系統的制造方法。
背景技術：
光刻工藝廣泛地用在半導體器件的制造中轉移圖形圖像。然而，必須增加光刻工藝的清晰度以滿足具有越來越高集成密度的半導體器件的當前要求，即滿足在越來越小的設計規則下制造半導體器件的要求。光刻工藝的清晰度受到幾個因素的限制，例如曝光光源的波長、投影透鏡的數值孔徑、焦距深度、工藝參數等。然而，增加光刻工藝清晰度的需要超越了目前曝光裝置的極限。
克服曝光裝置對在光刻工藝中獲得的清晰度限制的嘗試包括修改裝置的照明系統以及引入相移掩模。對于后者，光柵添加到初始(primary)掩模以衍射通過初始掩模傳送的光，由此改變了照明，不然的話將提供用于曝光工藝。這種光柵衍射光在照明初始掩模的曝光能量中產生相移以提供初始掩模的偏軸(off-axis)照明。可以提供僅由初始掩模獲得的清晰度。
到現在為止這種光柵局限為簡單的線-空間或簡單的鑲嵌型光柵。例如，2000年5月2日出版的J.Brett Rolson的US專利No.6,057,065題目為“Lithographic System Having Diffraction Grating and AttenuatedPhase Shifters”公開了一種簡單的線-空間光柵。這種光柵圖形基本上由簡單的線-空間或矩形鑲嵌形圖形組成，由此局限到提供對應于簡單的雙極或四極的修改照明。簡單的雙極或四極的修改照明僅有限地增加了光刻工藝的清晰度。
因此，需要尋找通過使用修改的照明進一步增加曝光工藝的清晰度和焦距深度。
發明內容
本發明的一個目的是提供一種相柵圖形的設計方法，通過可以修改原始掩模的照明增加了將原始掩模的主要圖形轉錄到晶片上的光刻工藝的清晰度。
根據本發明的一個方案，相柵圖形的設計方法首先包括選擇在光刻工藝將原始掩模的圖形投影到晶片上使用的修改照明的形式。用于制備修改照明的相柵圖形的至少一部分占據的區域被分成幾個子單元。相值(phase value)被任意指定為子單元的初始相值。相值被隨意指定或者任意一個相值被指定為每個子單元。隨機選擇一個子單元，優選的與前一指定相值不同的相值被新指定到隨機的選定子單元。重復這些步驟制備指定到子單元的相值的新排列。估算相值的排列以確定是否它們的任何一個對應于將產生需要的修改照明的相柵圖形。
被劃分的區域優選為整個相柵圖形被占據的一個單元。此時，重復為單元區域設計的相柵圖形的一部分以提供相柵圖形的最終設計。
根據本發明的另一方案，使用根據相值推導出的傅里葉級數估算相值。使用傅里葉變換函數得到基于指定為子單元的相值排列的傅里葉變換函數。然后得到價值函數(cost function)作為傅里葉變換函數值和表示照明的計劃修改形式的函數值之間的相互關系。估算價值函數以確定指定到子單元的相值的目前排列是否對應于將產生需要的修改照明的相柵圖形。
隨著工藝步驟的重復，目前的價值函數與前一價值函數比較。如果目前的價值函數值小于前一成本函數值，那么在剩余的工藝過程中保持到選定的一個子單元的新相值的排列。另一方面，如果目前的價值函數值大于前一成本函數值，那么指定到選定的一個子單元的相值改變回以前指定的選定的一個子單元的相值。由此，方法是一種迭代法，其中價值函數值向著表示次數的預定值，例如零收斂，重復步驟以建立對應于將產生需要的修改照明的相柵圖形的相值排列。
根據本發明的另一方案，一種制造光掩模的方法，包括提供具有將轉錄到基板(晶片)上的主圖形圖像的主掩模，選擇計劃增強主圖形的圖像轉錄到基板上的主掩模的照明修改形式，根據本發明以上介紹的方案設計相柵圖形，以及制備設計的相柵圖形與主掩模成一體的掩模系統。
相柵圖形可以形成在初始掩模的表面上，該表面與其上形成有初始掩模的主掩模圖形的表面相對。此外，相柵圖形可以形成在與初始掩模分開的基板上，由此形成了輔助掩模。此時，輔助掩模和初始掩模介于其間。
通過腐蝕輔助或初始掩模基板形成具有光線穿過時引入相移的深度的區域形成相柵圖形，這些區域和相移對應于在相柵圖形的最終設計中指定到子單元的相值的位置和數值。
根據本發明，即使使用常規的照明作為曝光光源，由光源發出的光可以改變以實現掩模級別幾乎任何形式的照明。由此，可以提高在光刻工藝中獲得的焦距清晰度或深度。
從下面參考附圖對優選實施例的詳細說明，本發明的以上和其它目的、特點和優點將變得很顯然，其中圖1示出了根據本發明設計提供修改照明的相柵圖形的方法的實施例的流程圖；圖2示出了八極形的照明圖，為需要根據圖1的流程圖示出的本發明方法設計的相柵圖形實現的修改照明的一個例子；圖3示出了在圖1的流程圖中示出的本發明方法中使用的被分成子單元的單元圖；圖4示出了在圖1所示的方法中，在0°的最終相值指定到所有子單元時制備的光柵圖形的一部分；圖5示出了即當0°的相值指定到所有子單元時與圖4所示的圖形有關的傅里葉變換光譜；圖6示出了通過將0°或180°的相值隨機指定給子單元并執行根據圖1流程方法得到的相柵圖形的平面圖；圖7示意性示出了對應于圖6所示的相柵圖形的傅里葉變換光譜；圖8示出了使用根據本發明的設計方法，通過首先將0°、90°、180°或270°的相值任意地指定到子單元得到的相柵圖形的平面圖；圖9示意性地示出了對應于圖8所示的相柵圖形的傅里葉變換光譜；以及圖10到12示出了根據本發明的各光掩模系統的剖面圖。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細介紹本發明。在圖中，為清楚起見，放大了各層和各區的厚度。此外，在所有圖中類似的參考數字表示類似的元件。
本發明提供了修改初始掩模的照明使用的相柵圖形的設計方法，在初始掩模上具有要轉錄到半導體襯底上的圖形。相柵圖形可以實現在與其上要形成轉錄圖形的相反的初始掩模的表面上，或者可以實現在輔助掩模上。所得相柵用于衍射穿過其的光線，以修改要轉錄的初始掩模圖形的照明。修改的照明可以具有設計師認為需要或者光刻工藝需要的任何形狀(form)。例如，修改照明的形狀可以是八極、環形或不對稱。
現在參考圖1，在步驟110中，選擇修改照明的形狀。例如，如圖2所示，選擇八極形用于相柵提供的修改照明的形狀。八極照明的形狀可以表示為空間坐標。設置要實現的修改照明的形狀之后，部分靶區指定為單元區，在靶區中形成提供這種修改照明的相柵圖形。此時，在整個靶區中重復該單元區中建立的部分相柵圖形，以實現相柵圖形的整個形狀。這簡化了設計工藝。然而，可以立即為整個靶區設計相柵圖形，即不使用單元區。接下來，在步驟110中，單元區被分成子單元。
圖3示出了分成子單元315的單元區310的示意圖。每個子單元315可以表示為空間中的預定坐標。例如，每個子單元315可以表示為各x，y坐標。此外，單元區310可以分成任意尺寸和數量的子單元315。例如，單元區310可以分成m行和n列，由此單元區310具有m×n個子單元315。這里，每個子單元315很小，例如具有約200nm的最大寬度。相對于曝光光線形成的圖像曝光裝置提供1∶4的縮小比例時，每個子單元315對應于一個投影到實際晶片上約50nm的圖像。
再參考圖1，在步驟110中，初始相值指定到各子單元315。優選地，指定的初始相值分別表示曝光光線的相位將被對應于子單元315的部分相柵偏移的度數。如果相移光柵在穿過其的各光線之間引入180°的相位差，那么0°和180°的初始相值可以任意指定到子單元315。然而可以指定0°、90°、180°和270°的相值以便如果需要產生較小的相位差。然而，為簡化起見，針對使用0°和180°的初始相值介紹了本發明。
0°(或180°)的相值可以特別指定到每個子單元315作為初始相值。此外，可以使用隨機發生器將0°和180°的相值隨機指定到子單元。如果這樣的話，在任意位置(x，y)處一個子單元315中的一個初始相值可以是0°(或180°)，而相同的初始相值可以指定到其它子單元315。雖然將初始相值可以指定到子單元315的技術與整個設計工藝的速度有關，但它基本上不影響設計工藝結果。
初始相值指定到子單元315之后，在子單元315之中隨機選擇任意子單元(圖1的步驟120)。例如，選擇圖3所示位置(x，y)處的子單元。
此后，與現有的相值不同的新相值指定到選定的子單元，即，位置(x，y)處的子單元(圖1的步驟130)。例如，如果0°的初始相值已指定到位置(x，y)處的子單元，那么180°的新相值指定到(x，y)處的子單元。通過隨機選擇與初始現有相值不同的相值可以確定新的相值。例如，當指定的相值由0°和180°組成時，由此180°的新相值指定到位置(x，y)處的子單元。另一方面，當相值指定為0°、90°、180°和270°時，除初始相值0°之外的三個相值中的一個隨機指定到位置(x，y)處的子單元。可以使用隨機反轉(flip)過程進行該相值的重新指定。將相值重新指定到子單元315的特定工藝或技術會影響設計工藝集中在用于相柵圖形的優化設計的速度，而不會影響相柵圖形設計的結果。
新相值指定到子單元315之后，針對步驟110中選定的修改照明估算基于單元區310中用于子單元315的相值排列的相柵圖形。相柵圖形和相柵圖形產生的修改照明的形狀與傅里葉級數有關。換句話說，通過對應于目前相值的傅里葉變換頻率值可以確定相柵圖形可以實現的修改照明的形狀，與目前相值指定到的子單元位置相關。
因此，為了估算可以使用根據目前的相值設計的相柵圖形制備的修改照明，對應于目前相值的頻率值為傅里葉變換的(圖1的步驟140)。傅里葉變換可以是快傅里葉變換算法。換句話說，使用傅里葉變換確定根據目前的相值設計的使用相柵圖形可以制備的修改照明的形狀。然后，與工藝初始階段中設置的修改照明圖形比較修改照明的形狀。使用傅里葉級數估算相柵圖形的工藝可以使用在半導體領域使用的與光刻工藝有關的各種方法。
通過首先由傅里葉變換得到的變換值(空間頻率函數形式)和表示初始階段中設置的修改照明形式的頻率函數值之間的差異推導價值函數、使用價值函數計算計算價值函數值(圖1中的步驟150)、然后估算價值函數值(圖1中的步驟160)進行這種比較。如果計算的價值函數值小于特定的預定值，那么根據目前指定到子單元的相值產生的相柵圖形可以認為適合于提供計劃的修改照明。由此，完成了相柵圖形的設計過程。然而，基于初始值定的相值的設計將導致產生計劃的修改照明的相柵圖形非常不可能。也就是，在初始指定相值的基礎上實現設置的修改照明的可能性很低。因此，只要價值函數不小于特定的預定值，就要依次重復通過估算的價值函數值隨機選擇子單元的步驟，即圖1中的步驟120到160。
更具體地，指定到一個子單元315的相值改變，同時保持指定到其它子單元的相值直到計算出價值函數值。例如，如圖3所示，如果現在選擇的子單元315在位置(x1，y1)，0°的相值指定到子單元，位置(x1，y1)處的子單元指定了180°的新相值(步驟130)。根據子單元的相值的該新排列制作的相柵圖形為傅里葉變換的(圖1中的步驟140)，計算新價值函數(圖1中的步驟150)。
將目前的價值函數值與以前計算的價值函數值比較并估算(圖1中的步驟160)。如果目前的價值函數值小于特定值，那么設計過程停止，是由于基于目前相值制作的相柵圖形被認為是將產生需要的修改照明的圖形。然而，如果目前的價值函數值小于特定值，那么重復圖1中的步驟120到160。
如上所述，將重復以上介紹步驟得到新價值函數值朝等于或小于特定的預定值收斂的嘗試中，改變指定到步驟120中隨機選擇的子單元的相值。在目前的例子中，在步驟130中，180°的新相值而不是0°的初始值指定到位置(x1，y1)處的子單元。然而，如果圖1的步驟150中計算的價值函數值高于以前計算的價值函數值(步驟160)，那么當過程返回到步驟120(圖1中的步驟170)時，位置(x1，y1)處的子單元被指定它的0°的初始相值。另一方面，當然，如果在步驟150中計算的價值函數值在步驟160中確定為小于以前的價值函數值，但大于特定的預定值，當過程返回到步驟120時，位置(x1，y1)處的子單元固定在180°(圖1中的步驟180)。
隨著在依次重復步驟120(隨機選擇子單元)到步驟160(估算價值函數值)的過程循環中連續地進行步驟170和180，價值函數值逐漸收斂(減小)到特定的預定值，例如零。然而，很難將價值函數值精確地收斂到零。因此，為確定何時停止工藝的基礎的特定的預定值可以設置為對應于曲線收斂點的值，曲線收斂點表示價值函數值中的變化以及重復過程(循環)的次數。
圖2示出了當為八極時修改照明的形狀。另一方面，圖4示出了作為進行步驟110到130的結果，0°的相值被指定到所有子單元時的情況。當由分成這種子單元的單元區組成的相柵圖形模擬為傅里葉級數時，作為空間表示的傅里葉級數(頻率函數)，即，將由相柵圖形產生的修改照明形式的傅里葉級數顯示在圖5中。注意，此時，在由相柵圖形提供的計劃照明的模型中使用的光源假設為常規的。
如果使用具有圖4所示相值(所有0°)的相柵圖形進行本過程，并且為圖2所示八極的計劃修改照明形狀，那么步驟150中得到的價值函數值將自然為很大值。這意味著僅使用曝光裝置中圖4所示的相柵圖形將不能產生圖2所示的計劃的修改照明。
但是，通過對圖4所示的相柵圖形進行圖1的過程，最終可以得到具有小于或等于特定預定值的價值函數的最終相柵圖形。通過該過程得到的最終相柵圖形的一個例子顯示在圖6中。在本例中，指定到子單元的相值限制到0°和180°。此外，圖6所示的相柵圖形由重復整個圖形的預定單元區組成。
圖7示出了圖6所示相柵圖形的傅里葉變換光譜，當傅里葉變換圖6所示的相柵圖形時產生，并且示出了所得頻率函數值。從圖中可以看到，圖7中的光譜形狀實質上等于圖6所示修改照明的計劃形式的形狀。
如上所述，在參考圖4到7制成的例子中，指定到子單元的相值限制到0°和180°。然而，通過使用指定到子單元的較大量的相值可以設計實現更精確修改照明的相柵圖形。例如，如前面提到的，0°、90°、180°和270°的相值可以隨機地指定到子單元。此時，通過圖1的步驟實現的相柵圖形和傅里葉變換光譜分別顯示在圖8和9中。
根據以上介紹的過程設計的相柵圖形可以制備在輔助掩模的表面上，如圖10和11所示。
參考圖10，具有根據圖1所示步驟設計的相柵圖形450的輔助掩模400(例如圖6或8所示)可以用在光刻工藝使用的掩模系統中。相柵圖形450形成在輔助掩模400的一個表面上。最終指定到子單元的相值可以實現為通過腐蝕在輔助掩模400中形成的凹槽的各個深度。例如，相柵圖形450的第一區450實現為對應于0°相值的未腐蝕區，相柵圖形450的第二區453實現為腐蝕到對應于90°相值的預定深度的區域，以及相柵圖形450的第三區455實現為腐蝕到對應于180°相值的不同預定深度的區域。
此外，在圖10所示的例子中，具有相柵圖形450的輔助掩模400的表面設置的面對與具有轉移到基板上的初始掩模圖形550的初始掩模500的表面相反的方向中。輔助掩模400的相柵圖形450用于修改由曝光裝置的光源轉移到初始掩模圖形550的照明。由此，如果輔助掩模400的相柵圖形450設計為產生圖6或8中所示八極形照明，那么用八極形照明照射初始掩模圖形500。
圖11示出了根據本發明的實施例光掩模的第二例。參考圖11，輔助掩模400的相柵圖形450面向與具有初始掩模圖形550的初始掩模500的表面相同的方向中。
圖12示出了根據本發明的實施例光掩模的第三例。參考圖12，相柵圖形450可以實現在與其上形成有初始掩模500′的初始掩模圖形550的表面相對的初始掩模500′的表面上。換句話說，相柵圖形可以與初始掩模成一體，以便它與初始掩模成一體。此時，類似于以上實施例，通過選擇性地腐蝕初始掩模500′的背面制備相柵圖形450。
如上所述，根據本發明，可以在掩模系統級上實現各種需要形式的修改照明。由此，可以增加要轉移圖形的聚焦清晰度和深度，同時不修改具有常規照明系統的曝光裝置。因此，本發明在半導體器件的制造中使用的光刻工藝中提供了很高的工藝裕度。
隨后，雖然參考優選實施例特別示出和介紹了本發明，但本領域中的普通技術人員應該理解，可以對形式和細節做出各種修改，同時不脫離附帶的權利要求書限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種相柵圖形的設計方法，該方法包括選擇在光刻工藝中所提供的相柵的照明的修改形式；將相柵圖形的至少一部分占據的區域分成幾個子單元；為子單元任意指定多個相值中的一個，從而每個子單元具有一個初始相值，每個相值代表光刻工藝的曝光光線將穿過對應于子單元的相位圖形光柵區域的各自的相位偏移；隨機選擇子單元中的一個，并為選中的子單元中的一個指定多個相值中的一個，重復所述隨機選擇各子單元中的一個，以及所述為其分配相值，從而產生為子單元分配多個相值的排列；以及根據相值的排列，估算每個多個相值的排列中的一個相對于相柵圖形的傾向的不同，以產生對應于要修改的照明形式的修改照明形式。
2.根據權利要求1的方法，其中分開的區域只是要被整個相柵圖形占據的單位區域，重復為所述單位區域設計的相柵圖形部分，以提供最終的相柵圖形設計。
3.根據權利要求1的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為子單元隨機指定相值。
4.根據權利要求1的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括最初為所有的子單元指定相同的相值。
5.根據權利要求1的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為每個子單元指定從由0°和180°的相值構成的組中選擇的相值。
6.根據權利要求1的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為每個子單元指定從由0°、90°、180°和270°的相值構成的組中選擇的相值。
7.根據權利要求1的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括將之前指定給選中的子單元中的一個的相值變為不同于上次為其指定的相值中的一個。
8.根據權利要求1的方法，其中每次為選中的子單元中的一個指定不同于上次指定的相值時，并且在隨機選擇所述子單元中的另一個之前，進行所述每個相值的不同排列的估算。
9.一種設計相柵圖形的設計方法，該方法包括選擇在光刻工藝中所提供的相柵的照明修改形式；將相柵圖形的至少一部分占據的區域分成幾個子單元；為子單元任意指定多個相值中的一個，從而每個子單元具有一個初始相值，每個相值代表光刻工藝的曝光光線將穿過對應于子單元的相位圖形光柵區域的各自的相位偏移；(a)隨機選擇子單元中的一個；(b)將之前指定給選中的子單元中的一個的相值變為不同于上次指定的相值的相值中新的一個，從而產生指定給子單元的新的相值排列；(c)根據指定給子單元的新的相值排列，用傅里葉變換函數得到傅里葉變換函數值；(d)得到作為傅里葉變換函數值和代表照明要修改的形式的函數值之間的相互關系的價值函數值；(e)估算價值函數值，以確定是否指定給子單元的新的相值排列對應于照明的要修改的形式；以及(f)重復步驟(a)-(e)，直到新的相值排列對應于將產生的要修改的照明形式的相柵圖形。
10.根據權利要求9的方法，其中所述在(e)中價值函數值的估算包括將在(d)中作為所述重復(a)-(e)的結果的當前價值函數值與在(d)中得到的前一個價值函數值相比較，還包括(g)，如果當前價值函數值小于前一個價值函數值，則在重復(a)-(e)的剩余時間中保持為選中的子單元中的一個指定的所述相值中新的一個，如果當前價值函數值大于前一個價值函數值，則將指定給選定子單元中的一個的相值變為之前指定給選定子單元中的一個的相值。
11.根據權利要求9的方法，其中分開的區域只是要被整個相柵圖形占據的單位區域，重復為所述單位區域設計的相柵圖形部分，以提供最終的相柵圖形設計。
12.根據權利要求9的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為子單元隨機指定相值。
13.根據權利要求9的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括最初為所有的子單元指定相同的相值。
14.根據權利要求9的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為每個子單元指定從由0°和180°的相值構成的組中選擇的相值。
15.根據權利要求9的方法，其中所述為子單元任意指定多個相值中的一個包括為每個子單元指定從由0°、90°、180°和270°的相值構成的組中選擇的相值。
16.一種制造光掩模的方法，該方法包括提供具有主圖形的主掩模，使用光刻工藝將主圖形的圖像轉錄到基板上，在光刻工藝中用光源發出并穿過主掩模的光照射基板；選擇計劃增強主圖形的圖像轉錄到基板上的主掩模的照明形式；設計用來自光源的光修改主圖形照明的相柵圖形，以便當光穿過相柵圖形射到主圖形上時，用選定形狀的照明照射主圖形，所述設計包括將相柵圖形的至少一部分占據的區域分成多個子單元，將多個相值中的一個任意指定為子單元的初始相值，由此每個子單元提供有初始的一個相值，每個相值表示通過穿過對應于子單元的相柵圖形的區域光刻工藝的曝光光線將經受的相移，隨機選擇一個子單元，將最后指定到選定的一個子單元的相值改變為與最后指定相值不同的一個新相值，由此產生指定到字單元的相值的新排列，建立指定到子單元的相值的新排列和通過根據子單元的所述新排列制成的相柵圖形計劃傳送的照明的選定形狀之間的對應關系，使用所述對應關系確定是否指定到子單元的相值的新布局對應于計劃形式的照明，以及重復所述隨機選擇一個子單元，所述最后指定到選定的一個子單元的相值的改變，以及所述使用的對應關系，直到通過對應于計劃照明形狀的所述對應關系確定指定到子單元的相值的新排列；以及制備掩模系統，其中在穿過的光線中引入相移的相柵圖形與主掩模成一體，相柵圖形對應于相值的最終排列。
17.根據權利要求16的方法，其中所述制備掩模系統包括在與所述主掩模分開的輔助基板上形成相柵圖形，由此形成輔助掩模并且并置輔助掩模和初始掩模。
18.根據權利要求17的方法，其中所述形成相柵圖形包括腐蝕輔助掩模，在它的表面中形成一些列的凹槽。
19.根據權利要求16的方法，其中所述制備掩模系統包括在與具有要轉錄的圖象的主圖形的主掩模的另一表面相對的主掩模的基板的一個表面上形成相柵圖形。
20.根據權利要求19的方法，其中所述形成相柵圖形包括腐蝕所述主掩模的基板的一個表面，在其內形成一系列凹槽，由此相柵圖形和所述主圖形為一個整體的部分。
全文摘要
一種相柵圖形的設計方法和使用設計方法制造光掩模的方法，目的在于提高光刻工藝的清晰度。選擇在光刻工藝將原始掩模的圖形投影到晶片上使用的修改照明的形式。用于制備修改照明的相柵圖形的至少一部分占據的區域被分成幾個子單元。相值被任意指定為子單元的初始相值。相值被隨意指定或者任意一個相值被指定為每個子單元。隨機選擇一個子單元，優選與前一指定相值不同的相值被新指定到隨機的選定子單元。重復這些步驟制備指定到子單元的相值的新排列。估算相值的排列以確定是否它們的任何一個對應于選定的修改照明的相柵圖形。當實現這種對應時，根據相值排列制成的相柵圖形制備為輔助掩模的一部分，或者是主掩模的一部分。
文檔編號G03F1/68GK1487363SQ0314299
公開日2004年4月7日 申請日期2003年6月23日 優先權日2002年6月22日
發明者樸鐘洛 申請人:三星電子株式會社