CN101750903B - 光刻方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻方法，包括：提供表面具有曝光未完全的光致抗蚀剂的晶片；根据所述曝光未完全的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。本发明实施方式在焦深较小的情况下，采用电场对光刻深度进行控制，从而使所有的光致抗蚀剂完全反应，能有效地修复曝光不足以及避免曝光失败，并且具有较低的改进成本以及较强的工艺生产能力。

Description

光刻方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是在光掩模工艺中的光刻方法。

背景技术

光刻技术是集成电路制造中的关键工艺步骤，光刻工艺利用了光学-化学反应的原理以及化学、物理刻蚀方法，通过掩模板有选择地遮挡照射到晶圆表面光致抗蚀剂上的光线，从而将所设计的电路图形转移到晶圆表面或者介质层表面。

半导体器件和集成电路集成度的增加，对分辨力提出了越来越高的要求。分辨力的大小可以用分辨距离来表示，分辨距离越小，分辨力就越高。为了追求更高的分辨力，方法之一就是提高透镜的数值孔径NA。然而，在非浸没式光刻工艺过程中，由于数值孔径NA小于1，随着数值孔径NA的不断变大，分辨力固然可以得到提高，但同时也会使焦深DOF(Depth of Focus)变得非常小。

焦深的变小将对光致抗蚀剂的厚度、晶片的平坦度、掩模的平坦度等提出更高的要求：如果要在保持现有工艺制程的基础上，增加光刻系统的性能，在焦深变小的情况下，必然需要提高所述工艺参数的精确度，这样就增加了控制涂光致抗蚀剂的厚度或者制作掩模板等成本；而如果要在保持所述工艺参数现有水平的基础上，提高光刻效果，在焦深变小的情况下，往往需要通过改变光学系统来实现，这大大增加了计算和操作的复杂度。申请号为200480014933的中国专利申请文件，提供了一种光刻系统和方法，通过提供具有用以对来自光掩模的波前进行编码的光瞳面函数的成像透镜，以扩展焦深，不但计算复杂，并且需要额外的照明系统。

发明内容

为解决随着焦深的减小所带来的上述问题，本发明提供了一种光刻方法，包括：提供表面具有曝光未完全的光致抗蚀剂的晶片；根据所述曝光未完全的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。

可选的，所述晶片至少经过一道曝光工艺。

可选的，所述根据曝光未完全的光致抗蚀剂厚度，对光致抗蚀剂施加电场使曝光完全，包括：获取所述曝光未完全的光致抗蚀剂的厚度；根据所述曝光未完全的光致抗蚀剂的厚度以及所述待施加电场，获得所需施加时间；根据所获得的电场施加时间，对所述光致抗蚀剂施加所述电场，使所述光致抗蚀剂完全反应。

可选的，所述电场在垂直于所述光致抗蚀剂表面方向具有匀强场强。

可选的，所述电场施加时间根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度以及所述匀强场强进行计算。

本发明还提供了一种光刻方法，包括：对待处理的晶片进行预曝光，使靠近所述晶片一侧的部分光致抗蚀剂未曝光；根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。

可选的，所述根据未曝光的光致抗蚀剂厚度，对光致抗蚀剂施加电场使其完全反应，包括：获取所述未曝光的光致抗蚀剂的厚度；根据所述未曝光的光致抗蚀剂的厚度以及所述待施加电场，获得所需电场施加时间；根据所获得的电场施加时间，对所述未曝光的光致抗蚀剂施加所述电场，使其完全反应。

可选的，所述电场在垂直于所述光致抗蚀剂表面方向具有匀强场强。

可选的，所述电场的施加时间根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度以及所述匀强场强进行计算。

可选的，所述对待处理的晶片进行预曝光，包括：确定作为预曝光焦平面的预定位置；使光束在所述预定位置聚焦，对待处理晶片进行预曝光，使靠近所述待处理晶片一侧的部分光致抗蚀剂未曝光。

可选的，所述预定位置为预曝光过程中的理论焦平面。

可选的，所述预定位置位于所述光致抗蚀剂的内部，或位于所述光致抗蚀剂的外部，或位于所述光致抗蚀剂与待处理晶片表面不相接触的界面上。

可选的，所述确定作为预曝光焦平面的预定位置包括：计算出设定焦平面的位置；根据所述设定焦平面和光致抗蚀剂界面，确定所述预定位置。

可选的，所述设定焦平面为使光致抗蚀剂完全曝光时的理论焦平面。

可选的，所述预定位置相对于所述设定焦平面，更为远离待处理晶片。

可选的，所述光致抗蚀剂为化学增幅型光刻胶。

与现有技术相比，本发明采用电场对光刻深度进行控制，从而使所有的光致抗蚀剂完全反应，修复了曝光不足以及避免了曝光失败。

附图说明

图1至图3是在焦深较大的情况下，实际聚焦平面较理论焦平面出现偏移的示意图；

图4至图6是在焦深较小的情况下，实际聚焦平面较理论焦平面出现偏移的示意图；

图7是本发明光刻方法实施方式的流程示意图；

图8是图7中，步骤S102具体实施方式的流程示意图；

图9是本发明另一种光刻方法实施方式的流程示意图；

图10是图9中，步骤S301具体实施方式的流程示意图。

具体实施方式

焦深，是指在保持象清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离，或者可以认为是，观察屏或照相底版，沿镜轴所允许的移动距离。简单得来说，当焦点对准某一物体时，不仅可以看清楚位于该点平面上的各点，而且对于在此平面上下一定厚度内的各点，也能够看得清楚，这个能看得清楚部分的厚度就是焦深。焦深越大，被检物体可以被看到的部分就越多，而焦深越小，则只能看到被检物体的一小部分。在光刻步骤中，焦深部分的光强强度足够使光致抗蚀剂发生曝光反应，从而可以通过后续的显影漂洗等步骤，实现图形的转移。

分辨距离Res(Resolution)可用下式表示： $\mathrm{Res}=k_1\·\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}},$ 相应地，焦深DOF可表示为 $\mathrm{DOF}=k_2\·\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{NA}}^2},$ 其中，λ为曝光波长，NA为数值孔径，k₁、k₂是与工艺相关的因子。一般情况下，对于同一座机台，k₁和k₂保持不变。也就是说，在机台和光束波长一定的情况下，分辨距离和数值孔径成反比，而焦深DOF与数值孔径的平方成反比。可见，在非浸没式光刻工艺过程中，随着数值孔径的增加，分辨距离随之减小。由于分辨距离越小，分辨力越高，因此分辨力也就随之提高。但是，与此同时，也带来了焦深DOF以平方的速度加速减小的问题。

当焦深变得越来越小的时候，光致抗蚀剂的厚度、晶片的平坦度和掩模的平坦度等工艺参数的精确度显得尤为关键。

以光致抗蚀剂的厚度为例。尽管焦平面，即焦点所在平面，是可以通过计算得到其准确位置的，但是由于实际操作中存在各种误差因素，实际聚焦平面相对于所计算出来的理论焦平面可能会有一定的偏移。

当焦深DOF相对于光致抗蚀剂的厚度H’比较大时，参考图1以及图2和图3。图1所示为在聚焦准确情况下的示意图。在聚焦准确的情况下，光线在理论焦平面101的位置聚焦，实际聚焦平面102与理论焦平面101重合。但是在聚焦不准或者失准的情况下，所述聚焦不准或者失准，也就是说实际聚焦的平面和所述理论焦平面101出现了偏移：具体来说，包括实际聚焦平面202较理论焦平面101的位置向上偏移，参考图2；以及实际聚焦平面302较理论焦平面101的位置向下偏移，参考图3。当焦深DOF相对于光致抗蚀剂的厚度H’较大时，尽管实际聚焦的平面和所述理论焦平面出现了偏移，但是光致抗蚀剂仍然能完全曝光，实际聚焦平面位置的偏移并不会对光刻效果产生影响，也就是说，实际聚焦平面所能进行偏移的允许误差范围比较大。

然而，当焦深DOF与光致抗蚀剂的厚度H’相差很小时，参考图4、图5和图6，实际聚焦平面位置的偏移就无法忽视。相对于图4所示的聚焦准确情况，参考图5，当实际聚焦平面502较理论焦平面401略微上偏时，会造成晶片表面部分光致抗蚀剂没有曝光，从而使曝光不完全，另外，参考图6，当实际聚焦平面602较理论焦平面401略微下偏时，由于远离晶片部分存在部分光致抗蚀剂没有曝光，无法在后续步骤中被洗去，进而将导致整个图形化步骤的失败。

参考图7，本发明提供一种光刻方法，包括：步骤S101，提供表面具有曝光未完全的光致抗蚀剂的晶片；步骤S102，根据所述曝光未完全的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。

其中，步骤S101提供了表面具有曝光未完全的光致抗蚀剂的晶片，也就是说，所述晶片至少经过一道曝光工艺，并且所述晶片表面残留曝光未完全的光致抗蚀剂。具体来说，所述晶片可为由于机台或透镜的工艺参数或工艺过程参数或者操作流程存在问题造成曝光不足，而导致曝光步骤失败的晶片。也就是说，本发明实施方式可对曝光不足的晶片进行修补，减少了由于曝光不足而无法对所述晶圆再进行后续操作所造成的损失。

参考图8，具体来说，步骤S102可包括：

步骤S201，获取所述曝光未完全的光致抗蚀剂的厚度。例如，可对所述曝光未完全的光致抗蚀剂的厚度进行测量，具体地，可通过薄膜厚度测量机台进行测量，具体测量方式可采用现有技术，在此不再赘述。

步骤S202，根据所述曝光未完全的光致抗蚀剂的厚度以及所述待施加电场，获得所需电场施加时间。

对于具有与0.25μm及其以下尺寸对应的高分辨力时，采用的光致抗蚀剂大多是化学增幅型光刻胶(CAR，Chemical Amplified Resist)。其中，化学增幅型光刻胶具有包括光酸产生剂(PAG，Photo Acid Generator)的感光剂以及包括化学基团保护(t-BOC)的聚乙烯的树脂。所述树脂在具有保护基团时，并不溶于水；而当光刻胶曝光后，在曝光区的所述光酸产生剂会发生光化学反应，产生一种酸，该酸在曝光后中烘时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。

也就是说，由于光化学反应所产生的酸，只有在经过曝光的光致抗蚀剂中，具有H+离子。通过施加电场，使H+离子在电场力的作用下进行运动，进而分布至未经曝光的光致抗蚀剂部分。所述H+离子在运动到未经曝光的光致抗蚀剂部分之后，原先未经曝光的光致抗蚀剂也就具有了酸性，进而在曝光后中烘时，也就具有了将树脂上的保护基团移走的化学催化剂，从而使这部分光致抗蚀剂相当于经过了曝光以及发生了光化学反应。

为了便于控制和实施，本发明实施方式所施加的为垂直于光致抗蚀剂表面方向的匀强电场。具体地，可采用平行电板产生匀强静电场，产生电场的方法可采用现有技术，在此不再赘述。所述电场也可以为在垂直于光致抗蚀剂表面方向上具有匀强场强的任何电场。

根据力学原理，当在垂直于光致抗蚀剂表面方向施加场强为E的匀强电场时，对于一个具有质量为M_H、电荷量为q的H+离子，其所受到的力F可表示为：

F＝Eq       (1)，或者还可以表示为：

F＝M_Ha      (2)

其中，a为该离子在所述电场中所具有的加速度。

由于(1)式与(2)式，可得到所述加速度a可表示为：

$a=\frac{\mathrm{Eq}}{M_H}---\left(3\right)$

对于经过曝光的光致抗蚀剂中的H+离子，可认为其在所施加的电场的作用下，进行近似的匀加速运动。所述H+离子在垂直于所述光致抗蚀剂表面方向的电场力的作用下，从经过曝光反应的光致抗蚀剂中运动到未经曝光反应的光致抗蚀剂中。将所述未经曝光的光致抗蚀剂部分的厚度表示为ΔH，其中ΔH可表示为：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{1}{2}a{t}^2---\left(4\right)$

将(3)式代入(4)式，可得到：

$\mathrm{\ΔH}=\frac{\mathrm{Eq}}{2M_H}{t}^2---\left(5\right)$

并且ΔH可通过步骤S201获得，在电场场强E确定的情况下，所需要施加电场场强的时间t可表示为：

$t=\sqrt{\frac{2M_H\·\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{Eq}}}---\left(6\right)$

步骤S203，根据步骤S202所获得的电场施加时间，对所述光致抗蚀剂施加所述电场，使光致抗蚀剂完全反应。

参考图9，本发明还提供一种光刻方法，包括：步骤S301，对待处理的晶片进行预曝光，使靠近所述晶片一侧的部分光致抗蚀剂未曝光；步骤S302，根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。

参考图10，具体来说，步骤S301可包括：

步骤S401，确定作为预曝光焦平面的预定位置。

所述预定位置，可通过计算预曝光过程中所采用的理论焦平面获得，并且，可通过对所述预定位置进行调整，抵消预曝光时实际聚焦平面与所计算的理论焦平面之间产生的偏移。

具体来说，所述预定位置可位于所述光致抗蚀剂的内部，；还可位于所述光致抗蚀剂与待处理晶片表面不相接触的界面上。所述预定位置具有较广的选择范围，使得实际聚焦平面可具有较大的允许误差。

在具体实施例中，还可包括：计算出设定焦平面的位置；以及根据所述设定焦平面和光致抗蚀剂界面，确定所述预定位置。

所述设定焦平面为使光致抗蚀剂完全曝光时的理论焦平面。具体来说，设定焦平面的位置主要和所选用光刻工艺的曝光机台的数值孔径以及光致抗蚀剂厚度有关。

计算出所述设定焦平面之后，可使所述预定位置位于相对于所述设定焦平面，更为远离待处理晶片的位置。具体来说，可使所述预定位置位于所述光致抗蚀剂内部并且在所述光致抗蚀剂与待处理晶片表面相接触的界面和所述理论焦平面之间的位置，也可使所述预定位置位于所述光致抗蚀剂的外部。

步骤S402，使光束在所述预定位置聚焦，对待处理晶片进行预曝光，保留靠近所述晶片一侧的部分光致抗蚀剂。由于所述预定位置相对于所计算出的理论焦平面位置，更为远离晶片，因此靠近晶片一侧的部分光致抗蚀剂无法完全曝光，得以保留。

步骤S302具体来说，可包括：

获取所述未曝光完全的光致抗蚀剂的厚度；根据所述未曝光的光致抗蚀剂的厚度以及所述待施加电场，获得所需施加时间；根据所获得的电场施加时间，对所述未曝光的光致抗蚀剂施加所述电场，使其完全反应。

具体来说，首先通过预曝光的过程，可使一部分光致抗蚀剂与光发生光化学反应，产生H+离子，并且这部分发生反应的光致抗蚀剂自身由原来的不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液，而另一部分光致抗蚀剂由于未参与反应，因而其组成并不发生改变。

接下来，通过机台或现有手段的检测，获得未曝光的光致抗蚀剂的厚度ΔH；

然后对光致抗蚀剂施加电场，使通过预曝光步骤产生的H+离子在电场力的作用下进行运动，运动到未曝光的光致抗蚀剂中，从而使所述光致抗蚀剂具有了酸性，进而可使所述光致抗蚀剂在后续工艺步骤中转变为高度溶于以水为主要成分的显影液的物质。

其中，具体来说，当在垂直于光致抗蚀剂表面方向具有场强为E的匀强电场时，通过对H+离子所受到的电场力，以及未曝光的光致抗蚀剂的厚度，可以大致计算出需要施加所述电场的时间。例如，对于一个具有质量为M_H、电荷量为q的H+离子，认为其在电场力的作用下，近似地进行匀加速运动。那么，这样一个H+离子通过厚度为ΔH的未曝光的光致抗蚀剂，需要的时间为：

$t=\sqrt{\frac{2M_H\·\mathrm{\ΔH}}{\mathrm{Eq}}}$

所计算出来的时间t可以认为是所述电场施加时间的最小值，当施加不小于t时间的电场，未曝光的光致抗蚀剂可以通过与H+离子的反应而使自身转变为高度溶于以水为主要成分的显影液的物质，从而可以在后续工艺中很容易溶于显影液并且被洗掉。

为了描述方便，上述具体实施方式所提供的为在所述光致抗蚀剂表面施加垂直于所述光致抗蚀剂表面的匀强电场，事实上，只要所述电场在垂直于所述光致抗蚀剂表面具有匀强场强分量，也可以起到同样的效果。此外，由于本发明实施方式通过预曝光产生了H+离子，并通过电场驱动所述H+离子，从而使未曝光的光致抗蚀剂也具有了酸性，而H+离子即使运动至晶圆表面也不会对晶圆表面造成伤害，因此在实际操作中，可以适当将所述电场施加时间延长，以保证使剩余的光致抗蚀剂反应完全。

本发明实施方式对于焦深很小的光刻系统，采用电场对光刻深度进行控制，从而使所有的光致抗蚀剂完全反应。另外，本发明实施方式可根据实际聚焦情况对所需要施加电场的时间进行调整，即使在聚焦不准或者失准的情况下，本发明实施方式也能有效地修复曝光不足以及避免曝光失败。

另外，本发明实施方式可利用现有光刻设备完成，实施方便，具有较低的改进成本以及较强的工艺生产能力，并且能够容忍相对较大的允许误差，计算简单。

虽然本发明已通过较佳实施例说明如上，但这些较佳实施例并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应有能力对该较佳实施例做出各种改正和补充，因此，本发明的保护范围以权利要求书的范围为准。

Claims (9)

1.一种光刻方法，其特征在于，包括：

确定作为预曝光焦平面的预定位置，所述预定位置相对于理论焦平面位置更为远离晶片；

使光束在所述预定位置聚焦，对待处理晶片进行预曝光，使靠近所述待处理晶片一侧的部分光致抗蚀剂未曝光；

根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度，对所述光致抗蚀剂施加电场，使其完全反应。

2.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述根据未曝光的光致抗蚀剂厚度，对光致抗蚀剂施加电场使其完全反应，包括：

获取所述未曝光的光致抗蚀剂的厚度；

根据所述未曝光的光致抗蚀剂的厚度以及所述待施加电场，获得所需电场施加时间；

根据所获得的电场施加时间，对所述未曝光的光致抗蚀剂施加所述电场，使其完全反应。

3.如权利要求2所述的光刻方法，其特征在于，所述电场在垂直于所述光致抗蚀剂表面方向具有匀强场强。

4.如权利要求3所述的光刻方法，其特征在于，所述电场的施加时间根据所述未曝光的光致抗蚀剂厚度以及所述匀强场强进行计算。

5.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述预定位置位于所述光致抗蚀剂的内部，或位于所述光致抗蚀剂的外部，或位于所述光致抗蚀剂与待处理晶片表面不相接触的界面上。

6.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述确定作为预曝光焦平面的预定位置包括：

计算出设定焦平面的位置；

根据所述设定焦平面和光致抗蚀剂界面，确定所述预定位置。

7.如权利要求6所述的光刻方法，其特征在于，所述设定焦平面为使光致抗蚀剂完全曝光时的理论焦平面。

8.如权利要求6所述的光刻方法，其特征在于，所述预定位置相对于所述设定焦平面，更为远离待处理晶片。

9.如权利要求1所述的光刻方法，其特征在于，所述光致抗蚀剂为化学增幅型光刻胶。

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