光罩热效应的补偿方法
阅读说明：本技术 光罩热效应的补偿方法 (Method for compensating heat effect of photomask ) 是由 朱至渊 李玉华 黄发彬 林辉 吴长明 姚振海 金乐群 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光罩热效应的补偿方法,包括步骤：步骤一、将光罩放置在光罩工件台上并收集曝光条件下光罩的温度分布；步骤二、对光罩进行对准并形成光罩对准结果；步骤三、结合光罩的温度分布和光罩对准结果来计算曝光补偿量；步骤四、根据曝光补偿量调整光刻机的曝光参数以补偿光罩热效应；步骤五、进行曝光。本发明能很好的补偿光罩热效应产生的形变对曝光的影响,从而能提高产品的套刻精度；同时不用增加光罩对准标记数量,从而能提高产能。(The invention discloses a compensation method of a photomask heat effect, which comprises the following steps: placing a photomask on a photomask workpiece table and collecting the temperature distribution of the photomask under an exposure condition; step two, aligning the photomask and forming a photomask alignment result; thirdly, calculating exposure compensation amount by combining the temperature distribution of the photomask and the photomask alignment result; adjusting exposure parameters of the photoetching machine according to the exposure compensation amount to compensate the thermal effect of the photomask; and step five, carrying out exposure. The invention can well compensate the influence of the deformation generated by the heat effect of the photomask on the exposure, thereby improving the alignment precision of the product; meanwhile, the number of mask alignment marks is not increased, thereby improving the productivity.)
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路的制造方法，特别涉及一种光罩(reticle)热效应的补偿方法。
背景技术
如图1所示，是现有光罩101的结构示意图；光罩101又称光掩模版、掩模版，是由石英玻璃102作为衬底，在其上面镀上一层金属铬103(Cr)和感光胶，成为一种感光材料，把已设计好的电路图通过电子激光设备曝光在感光胶上，被曝光的区域会被显影出来，在金属铬103上形成电路图形，成为类似曝光后的底片的光掩模版，然后应用于对集成电路进行投影定位，通过集成电路光刻机对所投影的电路进行光刻蚀。
光罩101的金属铬103上除了形成电路图形外，还包括光罩101对准(ReticleAlignment，RA)标记(mark)，通过RA标记实现光罩101的对准。光罩101还包括形成于金属铬103层表面上的保护层104，用于对电路图形进行保护。
在光刻中，光罩101会放置在光罩工件台(reticle stage，RS)上并通过夹具105固定，通过激光106照射光罩101并将光罩101上的电路图形投影到放置于晶圆工件台(waferstage，WS)的晶圆上，实现对晶圆上的光刻胶的曝光并将图形转移到光刻胶上。其中，由于光罩101在曝光过程中会被激光照射，激光和光罩101的材料作用，光罩101的材料吸收光后会发热，热量主要是通过金属铬103吸收，热量主要是通过光罩101表面通过如标记107所示的对流方式散热，但是散热速率有限，最后会使光罩101产生热膨胀，热膨胀最后会使得曝光产生偏移，这种光罩101在曝光过程中产生热量形成的曝光偏移的现象即为光罩101热效应。这种光罩101热效应通常会形成圆桶型(Barrel Shaped)套刻(Overlay)偏差(error)。通常，光罩101的透光率越低，光罩101热效应越严重。
现有方法主要是通过光罩101对准标记的对准获得的形变来实现光罩101热效应的补偿。
但是，如图2所示，是现有第一种多层膜光罩(Multi Layer Mask，MLM)产品的光罩的版图示意图；图2中，MLM产品的光罩单独的用标记101a标出，在MLM产品上，例如对于2合1的MLM产品，图2中包括了2层图形，分布为第一层图形201a和第二层图形201b，两层图形会分开进行曝光，也即每一次曝光仅会对一层图形进行曝光，以对第一层图形201a曝光为例，光罩101a上的第一层图形201a对应的曝光区域为光罩101a的投影曝光区域(shot)的尺寸(size)的一半。在光罩101a的边缘(borders)设置有对应的光罩对准标记，为了下面分析方便将靠近第一层图形201a的边缘的光罩对准标记用202a表示，靠近第二层图形201b的边缘的光罩对准标记用标记202b表示。
图2所示的MLM产品的光罩101a的热效应无法通过光罩对准标记校准，现说明如下：
如图3A所示，是图2所示的现有第一种MLM产品的光罩在没有产生热效应也即在冷状态下时的对准示意图；可以看出由光罩对准标记202a和202b对准定义出的区域204a能和第一层图形201a的实际曝光区域即Image field203a相匹配，这种时候能实现很好的对准。
如图3B所示，是图2所示的现有第一种MLM产品的光罩在具有热效应时的对准示意图；可以看出由光罩对准标记202a和202b对准定义出的区域204b和第一层图形201a的实际曝光区域203b并不匹配，实际曝光区域203b往往会大于所对准的底层图形，二者之间具有如箭头线205所示的非线性偏差，故最后会出现套准问题。图3B对应的偏差是由于光罩101a在仅对第一层图形201a进行曝光时，仅会在第一层图形201a中产生热量并形成热膨胀，最后使得第一层图形201a区域处的光罩101a的尺寸会大于第二层图形201b处的光罩101a的尺寸，从而产生图3B所示的非线性偏差。显然，无法通过光罩对准标记202a和202b的对准来消除热效应产生的影响。
如图3C所示，是为克服图3B的热效应形变在曝光区域图形周围引入光罩对准标记时对准示意图；由图3C可知，为了克服第一层图形201a区域处的光罩101a的尺寸会大于第二层图形201b处的光罩101a的尺寸时的对准问题，需要第一层图形201a的周围引入光罩对准标记，也即在光罩对准标记202a的基础上增加标记202c对应的光罩对准标记，由于光罩对准标记202a和202c都位于第一层图形201a的区域处，故具有相同的形变，这样通过光罩对准标记202a和202c定义出的区域204c和实际曝光区域203c相匹配，从而能消除图3B的问题。
如图4所示，是根据图3C引入的曝光区域图形周围的对准标记而设计的现有第二种MLM产品的光罩的版图示意图；和图2比较可知，图4中增加了光罩对准标记202c。
采用图4对应的第二种MLM产品的光罩101b虽然能很好的补偿光罩热效应，但是增加了光罩对准标记的数量，而光罩对准标记数量增加后，会增加对准时间，最后会影响产能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光罩热效应的补偿方法，能很好的补偿光罩热效应产生的形变对曝光的影响，从而能提高产品的套刻(overlay)精度；同时不用增加光罩对准标记数量，从而能提高产能。
为解决上述技术问题，本发明提供的光罩热效应的补偿方法包括如下步骤：
步骤一、将光罩放置在光罩工件台上并收集曝光条件下所述光罩的温度分布。
步骤二、对所述光罩进行对准并形成光罩对准结果。
步骤三、结合所述光罩的温度分布和所述光罩对准结果来计算曝光补偿量。
步骤四、根据所述曝光补偿量调整光刻机的曝光参数以补偿光罩热效应。
步骤五、根据调整后的所述光刻机的曝光参数进行曝光。
进一步的改进是，步骤一中，采用红外温度传感器收集所述光罩的温度分布。
进一步的改进是，所述光罩的温度分布为所述光罩的整片范围内的温度分布。
进一步的改进是，所述红外温度传感器安装在所述光刻机的会聚透镜和所述光罩的背面之间。
进一步的改进是，所述红外温度传感器安装在所述光刻机的会聚透镜的底部。
进一步的改进是，所述红外温度传感器安装在所述光罩工件台上。
进一步的改进是，步骤一中采用拍图模式得到所述光罩的温度分布；
或者，步骤一中采用扫描模式得到所述光罩的温度分布。
进一步的改进是，步骤一中，还包括将所述光罩的温度分布数字化并转化成灰阶值。
进一步的改进是，步骤一中，还包括将所述光罩的温度分布转换为所述光罩的第一形变分布。
进一步的改进是，所述光罩的形变包括X方向形变和Y方向形变。
进一步的改进是，步骤二中，所述光罩的对准工艺所采用的光罩对准标记包括同轴对准(in-line alignment)标记简称为TIS标记或者图像传感器(image sensor)标记简称为PARIS标记。
进一步的改进是，步骤二中，所述光罩对准结果为通过光罩对准标记获得的所述光罩的第二形变分布。
进一步的改进是，步骤三、所述第一形变分布和所述第二形变分布结合形成所述光罩热效应形成的套刻偏差。
进一步的改进是，步骤四中所述光刻胶的曝光参数包括光罩工件台的位置、晶圆工件台的位置和透镜操作器(lens manipulator)操作参数。
进一步的改进是，所述光罩包括多层掩模。
本发明通过在曝光前增加了收集光罩的温度分布的步骤，并结合光罩对准结果能准确计算用于补偿光罩热效应的曝光补偿量，之后以根据曝光补偿量调整的光刻机的曝光参数进行曝光，这样就能很好的补偿光罩热效应产生的形变对曝光的影响，从而能提高产品的套刻精度；同时不用增加光罩对准标记数量，从而能提高产能。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有光罩的结构示意图；
图2是现有第一种MLM产品的光罩的版图示意图；
图3A是图2所示的现有第一种MLM产品的光罩在没有产生热效应时的对准示意图；
图3B是图2所示的现有第一种MLM产品的光罩在具有热效应时的对准示意图；
图3C是为克服图3B的热效应形变在曝光区域图形周围引入光罩对准标记时对准示意图；
图4是根据图3C引入的曝光区域图形周围的对准标记而设计的现有第二种MLM产品的光罩的版图示意图；
图5是本发明实施例光罩热效应的补偿方法的流程图；
图6是本发明实施例对应的光刻机的结构示意图；
图7是本发明实施例中红外温度传感器的第二种设置结构图；
图8A是本发明实施例中采用拍图模式收集光罩的温度分布时对应的光罩的版图示意图；
图8B是图8A对应的收集到的光罩的温度分布图；
图9A是本发明实施例中采用扫描模式收集光罩的温度分布时对应的光罩的版图示意图；
图9B是图9A对应的收集到的光罩的温度分布图；
图10是本发明实施例中光罩对准时光罩对准标记的形变示意图；
图11是未进行本发明实施例的曝光补偿量调整时曝光后对应的套刻测量图；
图12是进行了本发明实施例的曝光补偿量调整时曝光后对应的套刻测量图。
具体实施方式
如图5所示，是本发明实施例光罩热效应的补偿方法的流程图；如图6所示，是本发明实施例对应的光刻机的结构示意图；本发明实施例光罩热效应的补偿方法包括如下步骤：
步骤一、将光罩101放置在光罩工件台303上并收集曝光条件下所述光罩101的温度分布。
本发明实施例中，所述光罩101的结构图如图1所示，所述光罩101包括石英玻璃102形成的衬底，在石英玻璃102形成的金属铬103的图形结构，图形结构包括电路图形和光罩对准标记；在形成金属铬103层表面上还形成有保护层104，用于对电路图形进行保护。
由图6所示可知，光线106会通过档光结构301通过反射进入到会聚透镜(Condenser Lens)302中，档光结构301通常采用REMA档光结构，档光结构实现光束形状设置。会聚透镜302将光线106照射到放置于光罩工件台303的光罩101上，光罩工件台303通过夹具105固定光罩101。曝光时，光线106照射光罩101后，会将光罩101上的图形结构的衍射图像通过投影透镜304投影到晶圆306上。晶圆306放置在晶圆工件台305上。
较佳为，所述光罩101包括多层掩模即MLM产品对应的光罩。
本发明实施例中，采用红外温度传感器307收集所述光罩101的温度分布。
所述光罩101的温度分布为所述光罩101的整片范围内的温度分布。
所述红外温度传感器307安装在所述光刻机的会聚透镜和所述光罩101的背面之间。图6中，所述红外温度传感器307安装在所述光刻机的会聚透镜302的底部。也能为：所述红外温度传感器307安装在所述光罩工件台303上；如图7所示，是本发明实施例中红外温度传感器307的第二种设置结构图；图7中显示了所述光罩工件台303的俯视图，可以看出，夹具105呈环形结构，所述红外温度传感器307安装在所述光罩工件台303的夹具105上。
本发明实施例中，采用拍图模式得到所述光罩101的温度分布。如图8A所示，是本发明实施例中采用拍图模式收集光罩的温度分布时对应的光罩的版图示意图；图8A中以MLM产品且是二合一即包括两层图形即图2所示的光罩101a为例，步骤一中会对包括了第一层图形201a和第二层图形201b的整片光罩101a进行温特收集并形成图8B对应的收集到的整片光罩101a的温度分布图。可以看出，第一层图形201a的温度分布401a和第二层图形201b的温度分布401b并不相同。
也能为：采用扫描模式得到所述光罩101的温度分布。如图9A所示，是本发明实施例中采用扫描模式收集光罩的温度分布时对应的光罩的版图示意图；和图8A不同之处为，图9A中采用沿着虚线箭头线402对应的扫描方式收集温度分布；图9B是图9A对应的收集到的光罩的温度分布图，可以看出，第一层图形201a的温度分布401a1和第二层图形201b的温度分布401b1并不相同。
本发明实施例中，还包括将所述光罩101的温度分布数字化并转化成灰阶值，之后再将所述光罩101的温度分布转换为所述光罩101的第一形变分布。所述光罩101的形变包括X方向形变和Y方向形变。
以X方向形变为例，可用公式：ΔL＝αm*L0*Δt计算其形变量；
其中，ΔL为形变量；αm为膨胀系数；L0为初始长度；Δt为前后温度差。
步骤二、对所述光罩101进行对准并形成光罩101对准结果。
如图10所示，是本发明实施例中光罩对准时光罩对准标记的形变示意图；图10中以采用图2所示的光罩101a为例进行说明，所述光罩101的对准工艺所采用的光罩对准标记202a和202b包括同轴对准标记或者图像传感器标记。
所述光罩101对准结果为通过光罩对准标记获得的所述光罩101的第二形变分布。由图10所示可知，所述光罩101a发生热膨胀后，所述光罩对准标记202a和202b也会发生膨胀，如各所述光罩对准标记202a和202b对应的箭头所示，各箭头示出了对应的所述光罩对准标记的膨胀方向和大小，由于本发明实施例是以对所述第一层图形201a进行曝光为例进行说明，故热膨胀主要发生在所述第一层图形201a对应的区域中。可以看出，所述第一层图形201a的边缘对应的所述光罩对准标记202a变形比较大，所述第二层图形201b的边缘对应的所述光罩对准标记202b变形比较小。由于所述光罩对准标记202a和202b的变形大小不一致，是非线性的，故单靠所述光罩对准标记202a和202b的变形无法完成补偿热效应偏差。
步骤三、结合所述光罩101的温度分布和所述光罩101对准结果来计算曝光补偿量。
本发明实施例中，所述第一形变分布和所述第二形变分布结合形成所述光罩热效应形成的套刻偏差。
如图11所示，是未进行本发明实施例的曝光补偿量调整时曝光后对应的套刻测量图；也即，当没有考虑本发明实施例曝光补偿量调整时，最后会出现热效应产生的套刻偏差，图11标出了标记502对应的需要对准的点，但是由于光罩热效应作用，采用现有对准方法认为对准了点502时，实际曝光时形成的点为标记501对应的点，点501和502之间的偏差即为二者的套准偏差，套准偏差能通过在晶圆306上进行曝光后测量出来，即测量前层图形对应的点502和曝光形成的当前层图形对应的点501之间的偏差。可以看出，现有方法由较大的偏差。
本发明实施例中，还能通过使用不同shot size，结合不同的曝光能量作业，获取光罩101和红外温度传感器307的信息，通过套刻量测获得shot内分布，可以得到，本发明实施例的所述第一形变分布和所述第二形变分布结合形成所述光罩热效应形成的套刻偏差的计算值和实际测量值一一对应，故本发明实施例能通过所述第一形变分布和所述第二形变分布结合来得到光罩热效应对应的套刻偏差，并由此得到对应的所述曝光补偿量，从而使后续曝光消除光罩热效应的套刻偏差。
步骤四、根据所述曝光补偿量调整光刻机的曝光参数以补偿光罩热效应。
本发明实施例中，所述光刻胶的曝光参数包括光罩工件台303的位置、晶圆工件台的位置和透镜操作器操作参数。透镜操作器操作参数能控制投影透镜304的位置并使放大倍数得到调整。
步骤五、根据调整后的所述光刻机的曝光参数进行曝光。
如图12所示，是进行了本发明实施例的曝光补偿量调整时曝光后对应的套刻测量图，和图11相比可知，图12中点601对应的两层图形能很好的套准，没有出现图11中的点501和502之间偏差较大的情形。
本发明实施例通过在曝光前增加了收集光罩101的温度分布的步骤，并结合光罩101对准结果能准确计算用于补偿光罩热效应的曝光补偿量，之后以根据曝光补偿量调整的光刻机的曝光参数进行曝光，这样就能很好的补偿光罩热效应产生的形变对曝光的影响，从而能提高产品的套刻精度；同时不用增加光罩对准标记数量，从而能提高产能。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
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