CN101571670A

CN101571670A - 用于扩大焦深参数工艺窗口的掩膜版、反掩膜版及其曝光方法

Info

Publication number: CN101571670A
Application number: CNA2009100496379A
Authority: CN
Inventors: 朱亮; 顾以理; 张迎春; 周从树; 钟政; 邓木兵
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2009-11-04

Abstract

一种用于扩大焦深参数工艺窗口的掩膜版、反掩膜版及其曝光方法，属于光刻技术领域。该发明提出一种在图形稀疏区增加哑元图形使图形稀疏区和图形密集区的图形密度均匀的掩膜版，并以该掩膜版进行第一次曝光；同时提供其相应的用于对哑元图形区域进行补偿曝光的反掩膜版，并以该反掩膜版进行第二次曝光。该掩膜版、反掩膜版及其曝光方法的结合运用，能扩大焦深参数工艺窗口。

Description

用于扩大焦深参数工艺窗口的掩膜版、反掩膜版及其曝光方法

技术领域

本发明属于光刻技术领域，具体涉及一种通过增加哑元图形(Dummy)来扩大焦深参数工艺窗口的掩膜版、反掩膜版及其曝光方法。

背景技术

随着半导体制造技术的飞速发展，芯片运行速度越来越快、功耗越来越低，芯片向小尺寸、高集成度、多功能发展。芯片的特征尺寸越来越小，需要形成的图形尺寸越来越小，图形密集度越来越大。其中，光刻技术是半导体制造技术中用于图形成形的核心技术，特征尺寸越小对光刻技术的要求越来越高。

光刻技术中，芯片上的图形是通过掩膜版上的图形转移过来的，掩膜版具有透光基板，其上具有对于曝光光线有遮光性的至少一个几何图形，可以实现有选择地遮挡照射到晶片表面光刻胶上的光，并最终在晶片表面的光刻胶上形成相应的图案。实际生产中，如何将设计的图案准确地反映于光刻掩膜版上、再转移至半导体晶片上，是半导体制作中关注的重点问题之一。

随着特征尺寸变小，对光刻系统的要求越来越高，一般是希望具有较高的分辨率和图形对比度，集成度提高时，还希望有较大的焦深(DOF)。光刻系统中的分辨率可以通过以下公式计算(Rayleigh方程)：

R = k_{1} \frac{λ}{NA} - - - (1)

其中，R为分辨率的理论计算值，k1为工艺参数因子，λ曝光光线的波长，NA为投射透镜数值孔径。

另外光刻系统的焦深可以通过以下公式计算：

DOF = k_{2} \frac{λ}{{NA}^{2}} - - - (2)

其中，DOF为焦深，k₂为工艺参数因子，λ曝光光线的波长，NA为投射透镜数值孔径。

由公式(1)(2)可见，在λ和工艺参数因子保持不变的前提下，数值孔径NA的增大，一方面R减小，增加了光学系统的分辨率，当前的工艺条件下能够印刷出来的最小尺寸变小，另一方面也同时减小了焦深。对于一个成熟的光刻工艺流程来说，不仅对所有的图形都要有良好的解析，而且需要保证一定的工艺窗口，以确保工艺在受到各种微扰的时候仍能保持稳定，这其中最重要的一个工艺窗口参数就是焦深。焦深参数工艺窗口越大，表示抗外部微扰能力相对越强，工艺稳定定性相对越好。最终光刻的特征尺寸不断变小，曝光光线的波长也越来越小，DOF也变小，焦深参数工艺窗口也相对越来越小。同时由于掩膜版中的图形根据集成电路中的电路图设计的，可能存在相对图形稀疏区和图形密集区，现有技术发现，在曝光时，图形稀疏区相对于图形密集区来说对比较差，也就是说，在同一光刻条件下，图形稀疏区要求的焦深参数工艺窗口相对图形密集区的焦深参数工艺窗口较小，随着成像平面的偏移，图形质量急剧下降。因此整体一起曝光时焦深参数工艺窗口受制于图形稀疏区而选择适应相对较小的焦深参数工艺窗口，这就制约了现有光刻系统的工艺窗口。

因此本发明从扩大焦深参数工艺窗口的角度出发，提出了一种新的掩膜版及其相应的曝光方法。同时我们注意到，现有技术的掩膜版设计中，有时会在某块区域的图形稀疏区额外增加哑元图形(Dummy)，但是这种哑元图形主要是为了光刻后的后续工艺着想，例如，为了提高CMP的均匀性，使晶片的图形密度相对均匀而增加Dummy。因此现有技术增加的Dummy是完全通过光刻转移至晶片上的，在光刻曝光中，Dummy和掩膜版的图形全部转移至晶片上。

进一步，现有技术中，存在一种两次曝光技术，这种两次曝光技术是基于分辨率的，它是通过两次曝光的方法来提高现有光刻系统的分辨率，尤其适应图形密集区图形。图1所示为某一具有图形密集区和图形稀疏区的掩膜版图形示意图，掩膜版10中11区域相对其他区域为图形密集区，图形密集区11包括图形111、112、113、114、115，其图形均为示意性的长方形。在现有光刻系统的分辨率情况下，对11中的图形曝光时，解析度不够。图2所示为现有技术第一次曝光使用的掩膜版图形示意图，图3所示为现有技术第二次曝光使用的掩膜版图形示意图。通过图2和图3所示的掩膜版，将密集的无法解析的图形(图1中虚线框中的11区域)拆分成具有较大节距略为稀疏的两组图形分别曝光，然后组合成最终需要的图形。图2和图3所示的版图相对图1的掩膜版解析度提高，曝光的图形相同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为了扩大焦深参数工艺窗口，提出了一种掩膜版、反掩膜版及其曝光方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种掩膜版，掩膜版上设置有主图形，所述主图形将掩膜版划分为包括图形稀疏区和图形密集区，所述图形稀疏区还包括使图形稀疏区和图形密集区的图形密度均匀的哑元图形。

根据本发明提供的掩膜版，其中，所述哑元图形和主图形之间相互隔离。所述哑元图形为长方形；所述哑元图形的长方形的宽度等于所述主图形的线宽；所述哑元图形为两个或两个以上，哑元图形之间相互隔离；两个哑元图形的间距等于哑元图形的长方形的宽度。

本发明同时提供一种上述掩膜版的反掩膜版，反掩膜版上仅设置与哑元

图形相对应的反哑元图形，所述反哑元图形尺寸大于或等于哑元图形尺寸。

根据本发明提供的反掩膜版，其中，所述反哑元图形为两个或两个以上，反哑元图形之间相互隔离；所述反哑元图形的尺寸大于哑元图形的尺寸时，反哑元图形相对于哑元图形的尺寸的单边增量值不超过哑元图形之间间距的一半；所述单边增量值为20nm。所述反哑元图形为长方形。

本发明进一步提供一种用于扩大焦深参数的工艺窗口的曝光方法，该曝光方法包括以下步骤：

(1)通过掩膜版进行第一次曝光，所述掩膜版设置有主图形，所述主图形将掩膜版划分为包括图形稀疏区和图形密集区，所述图形稀疏区还包括使图形稀疏区和图形密集区的图形密度均匀的哑元图形；

(2)通过反掩膜版进行第二次曝光，所述反掩膜版为所述掩膜版的反版，反掩膜版上仅设置与哑元图形相对应的反哑元图形，反哑元图形的尺寸大于或等于哑元图形的尺寸。

根据本发明提供的曝光方法，其中，第一次曝光与第二次曝光在同一光刻机中进行。第一次曝光与第二次曝光的曝光条件相同。

本发明的技术效果是，通过在掩膜版主图形的图形稀疏区中设置哑元图形，使掩膜版整体的图形密度均匀，从而使用该掩膜版进行第一次曝光时，不受制于图形稀疏区的焦深参数工艺窗口相对较小的特点，并在第二次曝光时，使用仅设置与哑元图形相对应的反哑元图形的反掩膜版对哑元图形区域进行补偿曝光。因此，该掩膜版具有焦深参数工艺窗口扩大的特点，同时结合反掩膜版进行曝光时，曝光的抗微扰能力增强并不额外转移主图形之外的其他图形至晶片。

附图说明

图1是某一具有图形密集区和图形稀疏区的掩膜版图形示意图；

图2是现有技术第一次曝光使用的掩膜版图形示意图；

图3是现有技术第二次曝光使用的掩膜版图形示意图；

图4是现有技术的掩膜版实施例示意图；

图5是本发明提供的掩膜版实施例示意图；

图6是本发明提供的反掩膜版实施例示意图；

图7是哑元图形和反哑元图形两者形状关系示意图；

图8是曝光方法流程简单示意图；

图9是使用图5所示掩膜版进行第一次曝光后光刻胶图形示意图；

图10是使用图6所示反掩膜版进行第二次曝光后光刻胶图形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图5所示为本发明提供的掩膜版实施例示意图，图4是现有技术的掩膜版实施例示意图。图4所示掩膜版20包括主图形21，主图形21我们定义为本身需要转移至晶片上的图形，它一般用于实现电路功能而设置的；在该实施例中，以主图形21用于实现多晶硅图形刻蚀为例，以掩膜版20光刻时，曝光光线不能通过主图形21(填充斜线区域)，白色区域代表能通过曝光光线，主图形21转移到正胶光刻胶上，被曝光的区域在后续的显影过程中会被碱性试剂去除，因此以未被去除的光刻胶做掩膜可以刻蚀形成多晶硅的图形，从而实现多晶硅相对器件或电路的电路功能。如图4和图5所示，掩膜版的基板上均包括主图形21，主图形21的具体形状不受本发明限制，可以是根据电路功能要求而设计的各种各样的图形，在该实施例中为简要说明而采用了相对简单的多个长方形排列示意。从图4中我们可以看出，虚线框22区域中并没有主图形，从图形21的分布，我们可以将掩膜版10划分为图形稀疏区和图形密集区，其中图形稀疏区为虚线框所示的22，22区域之外的为图形密集区，区域22的图形密度明显小于图形密集区的图形密度，由于图形稀疏区相对于图形密集区来说对比较差，图形稀疏区和图形密集区一起一次曝光时，焦深参数工艺窗口受图形稀疏区限制而变小，光刻的图形质量下降。因此，我们根据图4结构掩膜版，在图形稀疏区22中加入哑元图形23形成图5所示掩膜版20。在图5所示实施例中，哑元图形23的加入使区域22的图形密度与图形密集区的图形密度基本相当，掩膜版20整体的图形密度变得均匀，因此在后续的曝光过程中，可以克服由于图形稀疏区对焦深参数工艺窗口的限制，其焦深参数工艺窗口由其图形密集区确定，从而能够扩大焦深参数工艺窗口。在该实施例中，哑元图形23为长方形状的，一共包括12个，但其具体形状和数量不受本发明限制，以实现图形稀疏区和图形密集区之间的图形密度均匀为标准，因此可以灵活设计。在该实施例中，长方形状哑元图形的宽为B，其宽度优选为与主图形中的长方形主图形的宽度(也即线宽)相等。哑元图形23与主图形21之间也是相互隔离的，这是为了使新增的哑元图形23不影响电路功能；多个哑元图形23之间也相互隔离，哑元图形之间的相互间距设置为L，其具体值根据主图形之间的间隙大小而变化，在当前设计规则下，优先为与哑元图形的宽度B一致。需要特别指出的是：本说明书中所描述的图形稀疏区和图形密集区的划分是以主图形为标准的，而不包括哑元图形；图形稀疏区和图形密集区的具体划分界限可以为一特定的图形密度S，例如，某区域主图形的图形密度A与另一区域主图形的图形密度B，A大于S时该区域为图形密集区，A小于S时为图形稀疏区。

图6所示为本发明提供的反掩膜版实施例示意图，图6所示掩膜版为图5所示掩膜版的反掩膜版。如图6所示，该掩膜版30与掩膜版20形状大小相同，包括不能透过曝光光线的区域32，还包括若干个反哑元图形31，反哑元图形31能透过曝光光线(图5所示的哑元图形不能透过曝光光线)，反哑元图形31的位置和数量掩膜版20中的哑元图形位置和数量相对应，也即数量相同，其图形中心点在掩膜版中的相对位置相同。由于在图5所示掩膜版中加入哑元图形后，本来该曝光的哑元图形区域并没有实现曝光，因此需要通过后续增加曝光步骤的方法来曝光哑元图形区域。为使哑元图形区域全部曝光，设计了图6所示的反掩膜版，反哑元图形31大于或等于图5所示的哑元图形23，在对准精度的限制下，我们一般选取反哑元图形31大于哑元图形23。

图7所示为哑元图形和反哑元图形两者形状关系示意图。反哑元图形31的形状与哑元图形23的形状相同，均为长方形，但是在长和宽带方向两边分别都有存在单边增量ΔW，因此反哑元图形31的面积比哑元图形23的尺寸大，从而容易在第二次曝光中将原来未曝光的哑元图形对准曝光，降低了第二次曝光的对准精度要求。同时，单边增量ΔW的数值范围可以是1nm至100nm，不超过哑元图形之间的相互间距L(图5所示)的一半，我们可以根据光刻系统的光刻精度确定，在该实施例的248nm波长KrF扫描式光刻机中，优选单边增量ΔW为20nm。另外，反哑元图形之间也和哑元图形一样，同样是相互隔离的。

本实施方式同时提供使用以上图5和图6所示两种掩膜版进行曝光的方法，该曝光方法是二次曝光技术，但是区别于传统的基于分辨率的两次曝光技术，而是一种基于工艺窗口的两次曝光技术。图8所示为曝光方法流程简单示意图，如图8所示，该曝光方法具体包括以下步骤：

步骤S50，使用掩膜版进行第一次曝光。

在该步骤中，晶片上涂有正性光刻胶，使用图5所示实施例的掩膜版进行曝光，通过这次曝光后，主图形和哑元图形转移到光刻胶上。图9所示为使用图5所示掩膜版进行第一次曝光后光刻胶图形示意图，如图9所示，25为曝光区域(白色区域)，光刻胶被去除，241和242为光刻胶覆盖区(灰色区域)，其中241是由于掩膜版上的主图形而保持下来的，虚线框区域22中的242是由于掩膜版上的哑元图形而保持下来的。并且在这次曝光过程中，由于图形密度整体均匀并且比较密集，曝光过程中，可以选取图形密度区所要求的焦深参数工艺窗口。

步骤S60，使用反掩膜版进行第二次曝光。

在该步骤中，使用图6所示实施例的反掩膜版，图10所示为使用图6所示反掩膜版进行第二次曝光后光刻胶图形示意图，如图9和图10所示，虚线框区域22中的242被曝光后，光刻胶去除。通过这次曝光后，去除了转移到光刻胶上的哑元图形，从而与目标要求形成的主图形(图4所示实施例的图形)相符合，并不额外增加图形于光刻胶中。由于图6所示的反掩膜版中不包括复杂的主图形，对曝光分辨率、焦深等要求相对较低，焦深参数工艺窗口一般也比步骤S50的焦深参数工艺窗口大。

需要指出的是，在该实施例中，其曝光方法是在248nm波长KrF扫描式光刻机中实现，该实施例两次曝光技术还可以进一步的应用到更先进的光刻技术之中，例如在ArF曝光技术或者浸入式光刻之中，同样适用该实施例曝光方法来扩大随着曝光光线波长不断缩小而被蚕食的焦深参数工艺窗口。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims

1、一种掩膜版，用于扩大焦深参数的工艺窗口，掩膜版上设置有主图形，所述主图形将掩膜版划分为包括图形稀疏区和图形密集区，其特征在于，所述图形稀疏区还包括使图形稀疏区和图形密集区的图形密度均匀的哑元图形。

2、根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述哑元图形和主图形之间相互隔离。

3、根据权利要求1所述的掩膜版，其特征在于，所述哑元图形为长方形。

4、根据权利要求3所述的掩膜版，其特征在于，所述哑元图形的长方形的宽度等于所述主图形的线宽。

5、根据权利要求4所述的掩膜版，其特征在于，所述哑元图形为两个或两个以上，哑元图形之间相互隔离。

6、根据权利要求5所述的掩膜版，其特征在于，两个哑元图形的间距等于哑元图形的长方形的宽度。

7、一种如权利要求1所述掩膜版的反掩膜版，其特征在于，反掩膜版上仅设置与哑元图形相对应的反哑元图形，所述反哑元图形的尺寸大于或等于哑元图形的尺寸。

8、根据权利要求7所述的反掩膜版，其特征在于，所述反哑元图形为两个或两个以上，反哑元图形之间相互隔离。

9、根据权利要求8所述的反掩膜版，其特征在于，所述反哑元图形的尺寸大于哑元图形的尺寸时，反哑元图形相对于哑元图形的尺寸的单边增量值不超过哑元图形之间间距的一半。

10、根据权利要求9所述的反掩膜版，其特征在于，所述单边增量值为20nm。

11、根据权利要求9所述的反掩膜版，其特征在于，所述反哑元图形为长方形。

12、一种曝光方法，用于扩大焦深参数的工艺窗口，其特征在于，包括以下步骤：

13、根据权利要求12所述的曝光方法，其特征在于，所述第一次曝光与第二次曝光在同一光刻机中进行。

14、根据权利要求12所述的曝光方法，其特征在于，所述第一次曝光与第二次曝光的曝光条件相同。