CN102053506A

CN102053506A - 监测曝光机聚焦的方法

Info

Publication number: CN102053506A
Application number: CN2009101984882A
Authority: CN
Inventors: 安辉
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明公开了一种监测曝光机聚焦的方法，包括：对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对光刻胶膜进行曝光，然后后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体晶圆进行曝光，减少了曝光机聚焦监测所需的时间。

Description

监测曝光机聚焦的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种监测曝光机聚焦的方法。

背景技术

光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作。该工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形的工艺过程。该工艺过程的目标有两个：首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则所要求尺寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。半导体器件最终的图形是由多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。

在光刻工艺之前，首先要在掩膜版上形成所需的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶膜。光刻胶是一种感光物质，在曝光后会导致其自身性质和结构的变化。被曝光的部分由非溶性物质变为可溶性物质(正胶)或者由可溶性物质变为非溶性物质(负胶)。通过显影剂可以把可溶性物质去掉，从而在光刻胶膜留下所需要的图形。第二次图形转移是从光刻胶膜到晶圆表面层的转移。当通过刻蚀方法将晶圆表面层没有被光刻胶覆盖的部分去掉的时候，图形转移就发生了。

由于图形转移必须通过光刻工艺实现，因此光刻工艺是所有半导体制造基本工艺中最关键的工艺步骤，其决定了器件制造工艺中所有工艺步骤所能达到的最小尺寸，即关键尺寸，例如金属氧化物半导体(MOS)器件中的栅宽。

一般的光刻工艺要经历在晶圆表面涂底胶、旋涂光刻胶、软烘、对准、曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。其中旋涂光刻胶的目的是在晶圆表面建立薄、均匀并且没有缺陷的光刻胶膜。曝光是通过曝光灯或者其它辐射源将图形转移到光刻胶膜上。除了光刻工艺所包括的上述各个工序会影响关键尺寸之外，光刻中用于实现各个工艺步骤的设备参数也会影响整个工艺的关键尺寸。例如，用于曝光的曝光机的聚焦情况和曝光能量不同，所能获得的图形的关键尺寸也会不同。

通常曝光机的最佳焦平面会由于振动或其它原因而发生偏移，使得半导体器件的关键尺寸发生变化。为了稳定器件的关键尺寸，需要定期对曝光机的聚焦情况进行监测，并根据监测的结果进行调整。

虽然某些光刻设备配备有用于对曝光机进行聚焦的装置，例如ASML的曝光机具有利用对准来进行聚焦校准的装置。但是，由于该装置需要占用曝光机3小时左右的时间，即每次校准需要占用3小时生产线的时间，严重影响了生产线的产量，从而增加了半导体器件的制造成本。

发明内容

本发明提供一种监测曝光机聚焦的方法，减少曝光机聚焦监测所需的时间。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种监测曝光机聚焦的方法，包括：对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。

优选地，所述图案是圆形的图案。并且，所形成的图案的关键尺寸是所述曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸，或者是多个曝光场中圆形图案的平均关键尺寸

优选地，将所述曝光机的数值孔径调到最大。

该方法可以进一步包括：根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面之差调节所述曝光机的聚焦。

优选地，在形成光刻胶膜之前，该方法可以进一步包括：在所述半导体晶圆上形成底部抗反射涂层，并烘焙。

优选地，在形成光刻胶膜之后，该方法可以进一步包括：在所述半导体晶圆上形成顶部抗反射涂层，并烘焙。

在所述曝光机是浸没式曝光机的情况下，该方法在形成光刻胶膜之后进一步包括，在所述光刻膜之上形成顶部涂层。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案，首先对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体晶圆进行曝光，不需要像曝光机本身配置的聚焦设备那样占用几小时的生产线时间，从而减少了曝光机聚焦监测所需的时间，避免了需要对曝光机进行聚焦检测而减小生产线的产量。

在光刻胶膜上形成圆形图案，避免了由于条形图案的线条边缘粗糙度和线条宽度粗糙度较大而造成关键尺寸的测量不准确。

测量的关键尺寸是曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸，或者多个曝光场中的多个圆形图案的平均关键尺寸，进一步提高了关键尺寸测量的准确度。

对曝光机的聚焦进行监测时，首先将曝光机的数值孔径调整到最大值，减小了焦深，从而更进一步地提高了曝光机聚焦监测的精确度。

附图说明

图1为本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法流程图；

图2为利用本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法得到的焦平面偏移值与关键尺寸的曲线关系。

具体实施方式

通常将使得关键尺寸的偏移处于±10％之内的光刻参数称为光刻工艺的工艺窗口。确定曝光机聚焦情况和曝光能量对工艺的影响的方式之一是确定聚焦能量矩阵(FEM，Focus Energy Matrices)。FEM是使用不同的曝光机焦平面和曝光能量将相同的图形特征多次转移到晶圆表面上光刻胶膜的不同位置。具体来说，曝光时曝光机焦平面和曝光能量以曝光场为单元分别沿晶圆的x和y轴逐渐变化，例如从左到右曝光能量逐渐变小，从上到下焦平面与预先设定的最佳焦平面之间的偏移值逐渐由负变正。以下将焦平面与预先设定的最佳焦平面之间的偏移值简称为焦平面偏移值。假设，焦平面在该最佳焦平面之上时，焦平面偏移值为正值，而焦平面在该最佳焦平面之下时，焦平面偏移值为负值。这样整个晶圆的曝光条件就是一个能量与焦平面偏移值的矩阵。然后对晶圆进行显影并硬烘，最后使用扫描电子显微镜(SEM)测量所形成图形的关键尺寸，从而得到曝光机聚焦情况、曝光能量与关键尺寸之间的对应关系。FEM数据通常采用多条泊松曲线表示，这些曲线示出所实现的关键尺寸值与聚焦情况及曝光能量的函数。通过对FEM曲线进行分析而得到光刻工艺的工艺窗口。

本发明提供的监测曝光机聚焦的方法，利用FEM实现。首先，对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体晶圆进行曝光，不需要像曝光机本身配置的聚焦设备那样占用几小时的生产线时间，从而减少了曝光机聚焦监测所需的时间，避免了需要对曝光机进行聚焦检测而减小生产线的产量。

在利用FEM技术收集数据时，通常在半导体晶圆上形成条形的图案。测量关键尺寸时，测量的是线条的宽度。但是本发明的发明人通过多次测量和实验，发现在曝光机聚焦情况不佳时，线条图案的线条边缘粗糙度(LER，Line Edge Roughness)很大，从而直接导致线条图案的线条宽度粗糙度(LWR，Line Width Roughness)也很大。这样，在曝光机聚焦情况不佳时，测量得到的关键尺寸不准确，使得通过FEM技术获得的关键尺寸与曝光机焦平面偏移值之间的对应关系不准确，由此而计算得到的最佳焦平面也就不准确，从而影响了曝光机聚焦监测的精确度。

为此，在本发明的一个优选实施例中，光刻胶膜上形成的图案是圆形图案。为了进一步提高关键尺寸测量的准确性，测量的关键尺寸是曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸，或者多个曝光场中的多个圆形图案的平均关键尺寸，其中每个曝光场中可以取多个圆形图案。

为了减小焦深，以便更进一步地提高曝光机聚焦监测的精确度，在本发明的一个优选实施例中，对曝光机的聚焦进行监测时，首先将曝光机的数值孔径调整到最大值。

进一步地，在检测到曝光机的聚焦存在偏移时，根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面之差来调节曝光机的聚焦。

为了减小曝光时由于光刻胶的顶面或底面反射而产生切口效应和驻波效应，本发明所使用的抗蚀剂层除光刻胶膜之外还可以进一步包括底部抗反射涂层(BARC)和/或顶部抗反射涂层(TARC)。在曝光机是浸没式曝光机的情况下，为了防止对曝光机的透镜产生玷污，本发明的抗蚀剂层还可以包括顶部涂层(TC)。

以下结合附图详细描述本发明的优选实施例。以下实施例中，最佳焦平面的位置均相对于预先设定的最佳焦平面而言，即最佳焦平面的偏移值是指曝光机当前的最佳焦平面与预先设定的最佳焦平面之间的距离。

图1为本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法流程图。本发明的优选实施例中，监测曝光机聚焦的方法包括以下步骤：

首先，需要对检测所用的控片进行光刻工艺处理。本发明优选实施例中，形成控处的光刻工艺可以包括晶圆预处理、涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、关键尺寸测量等工序。

步骤100，为了获得平坦而均匀的光刻胶膜并且使光刻胶与晶圆之间有良好的粘附性，通常在涂胶之前对晶圆进行预处理。预处理的第一步通常是一次脱水烘烤，在真空或干燥氮气的气氛中，以一定的高温对晶圆进行烘烤。该步的目的是除去晶圆表面吸附的水分。在较高的温度下，晶圆表面大概保留一下单分子层的水。

紧接在烘烤之后的通常是旋涂底胶。在以真空方式吸附到吸盘上的晶圆表面涂布底胶。旋涂底胶的目的是为了增强光刻胶在晶圆表面的附着力。通常所使用的底胶是六甲基乙硅烷(HMDS)。具体来说，使用底胶器在经清洗的晶圆表面喷洒底胶，接着以一定的转速旋转晶圆，使底胶均匀地铺展在整个晶圆表面，然后提高晶圆的转速以便使底胶干燥。

在旋涂底胶之后，接着对晶圆进行涂胶。首先用真空吸盘将晶圆固定，吸盘是一个平的、与真空管线相连的空心金属盘。吸盘表面有许多小孔，当晶圆放在上面时，真空的吸力使晶圆与吸盘紧密接触。接着，将预先确定的胶量喷洒在晶圆表面，之后，吸盘上施加的转矩使其按一个受控的速率迅速上升到最大旋转速度。当晶圆以最大旋转速度旋转一预定时间段之后，以受控的方式减速至停止。

旋涂光刻胶之后，晶圆需要经历一次软烘，或称前烘。软烘是一种以蒸发光刻胶中的一部分溶剂为目的的加热过程。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂一薄层，在这个作用完成后，溶剂的存在会干扰后续工艺过程。一方面，光刻胶里的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。另一方面，光刻胶的烘干会帮助光刻胶与晶圆表面更好的黏结。时间和温度是软烘的参数。

步骤110，经过软烘的光刻胶膜被曝光。曝光的第一步是将所需图形在晶圆表面上定位或对准，第二步是通过曝光灯或其它辐射源将图形转移到光刻胶膜上。通常，一次只能曝光晶圆的一小部分，称为曝光场。然后通过光刻设备的步进机移动到下一个曝光目标部分，继续对晶圆的另一部分进行曝光。

本发明的优选实施例中，以固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对晶圆进行曝光，并且曝光机焦平面偏移值在经历至少三个曝光场之后改变一次。曝光时所使用的是具有圆形图案的掩膜版。

进一步地，如前所述，光刻工艺是要把掩膜上的图案转移到涂布在晶圆上涂布的光刻胶膜上，而光刻胶膜是具备一定厚度的，为了使图案的转移能够完全且精确，曝光机投射在光刻胶上的图案应该具备一定的焦深(DOF，Depth of Focus)，以便使整个光刻胶膜，无论是光刻胶的上表面还是下表面，都能有相同的聚焦效果。因此，为了使光刻胶膜较厚的情况下也能够将图案完全且精确地转移到整个光刻胶膜，曝光机的焦深通常情况下都会比较大。这样，通过FEM得到的关键尺寸值与曝光机聚焦及曝光能量的曲线关系中，聚焦的变化范围也较大。

在使用FEM监测曝光机的聚焦时，由于聚焦的变化范围大，因此曝光机聚焦的监测精度小。也就是说，在通过关键尺寸的变化确定曝光机聚焦有较小偏移的情况下，无法准确地确定曝光机聚焦的偏移量，因而无法精确地调整曝光机的聚焦。

因此，本发明的优选实施例中，在曝光时将曝光机的数值孔径调到最大。焦深与数值孔径及曝光波长的关系如以下公式所示：

DOF = \frac{λ}{{NA}^{2}}

其中DOF是焦深，λ是曝光波长，NA是数值孔径。从上式可以看出，数值孔径越大，曝光机的焦深就越小。

因此，本发明实施例中，使用最大的数值孔径，使得焦深减小，从而减小了曝光机的焦平面偏移值的范围，以渐变的聚焦偏移值对同样大小的晶圆进行曝光时，渐变的步长就可以更小，因而提高了焦平面的渐变精度。例如，曝光机焦平面的偏移值从-0.13μm渐变到0.05μm，渐变的步长为0.02μm。

另外，增大数值孔径，在减小了焦深的同时，还增加了分辨率，使得所形成图案的边缘粗糙度减小，从而提高了测量得到的关键尺寸的准确度。

曝光之后的晶圆需要进行后烘，其目的在于减小驻波效应。后烘的时间和温度由烘焙方法、曝光条件以及光刻胶化学决定。

后烘之后的晶圆上记录有器件或电路图案的曝光和未曝光区域。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。在光刻胶上成功地使图案显影要依赖于光刻胶的曝光机理。对于负胶来说，光刻胶的聚合区域在显影液中分解。例如，可以使用显影二甲苯作为负胶的显影液。而对于正胶来说，聚合区域和未聚合区域在显影液中有不同溶解率，约为1∶4，也就是说在显影中总会从聚合区域溶解掉一些光刻胶。因此，使用过度的显影液或显影时间过长会导致光刻胶太薄而不能使用。结果有可能导致在刻蚀中翘起或断裂。正胶的显影液有两种：碱-水溶液和非离子溶液。碱-水溶液可以是氢氧化钠或氢氧化钾。软烘时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法都会对显影结果产生影响。

在显影之后需要对晶圆进行硬烘，其目的实质上与软烘一样，就是通过溶剂的蒸发来固化光刻胶。另外，硬烘的特别目的在于使光刻胶与晶圆表面有良好的黏结性。该步骤的参数也是烘焙时间和温度。

步骤120，硬烘之后光刻胶膜上形成了圆形的图案，利用SEM测量图案的关键尺寸。

本发明优选实施例中，选择三个曝光场，并且在每个曝光场中选择四个圆形图案进行测量，然后将测量得到的多个关键尺寸进行平均，得到关键尺寸与曝光机焦平面偏移值之间的对应关系。

步骤130，根据步骤120得到的关键尺寸与曝光机焦平面偏移值之间的对应关系，计算得到曝光机的第一最佳焦平面。

表1为测量得到的关键尺寸与曝光机焦平面偏移值数据。图2为利用本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法得到的焦平面偏移值与关键尺寸的曲线关系，包括根据表1的数据得到的曲线关系以及对表1的数据进行拟合得到的曲线关系。

表1

序号	焦平面偏移值(μm)	关键尺寸(nm)
			1	-0.11	84.0
2	-0.09	88.4
			3	-0.07	89.9
4	-0.05	90.4
			5	-0.03	89.9
6	0.01	87.3
			7	0.03	83.8
8	0.05	81.5

假设y表示关键尺寸，x表示曝光机焦平面偏移值，使用二项式y＝ax²+bx+c对表1和图2的数据进行拟合得到：

a＝-1528.4722

b＝-151.1944

c＝86.4851。

从而可以利用二项式的系数得到曝光机的最佳焦平面，即-b/2a。

步骤140，在对曝光机的聚焦情况进行检测时，重复以上步骤100-步骤130，从而计算得到当前曝光机的最佳焦平面，即第二最佳焦平面。

步骤150，如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定当前曝光机的聚焦发生偏移。

步骤160，根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面的偏移值之差来调节曝光机的聚焦。

实际应用中，还可以在步骤100中形成光刻胶膜之前在控片上形成底部抗反射涂层并烘焙，和/或在步骤100中形成光刻胶膜之后进一步形成顶部抗反射涂层并烘焙，从而减少由于光刻胶膜上表面和下表面的反射而产生的驻波效应和切口效应。

如果曝光机使用的是浸没式曝光机，则在步骤100中形成光刻胶膜之后进一步在控片上形成顶部涂层，以保护曝光所用的透镜不受光刻胶的玷污。

表2为利用本发明优选实施例的方法对曝光机的聚焦情况进行6次监测计算得到的最佳焦平面的偏移值数据，其中每次监测时同时利用曝光机的两个卡盘。

表2

	1(μm)	2(μm)	3(μm)	4(μm)	5(μm)	6(μm)	均值	变化幅度
									卡盘1	-0.0495	-0.0442	-0.0515	-0.0406	-0.0474	-0.0484	-0.0469	0.0109
卡盘2	-0.0537	-0.0514	-0.0623	-0.056	-0.0579	-0.0534	-0.0558	0.0109
									差值	-0.0042	-0.0072	-0.0108	-0.0154	-0.0105	-0.0050	-0.0089	0.0112

从表2可以看出，使用本发明优选实施例的方法，可以监测到0.012μm的曝光机聚焦偏移。

由以上所述可以看出，本发明所提供的技术方案，首先对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体晶圆进行曝光，不需要像曝光机本身配置的聚焦设备那样占用几小时的生产线时间，从而减少了曝光机聚焦监测所需的时间，避免了需要对曝光机进行聚焦检测而减小生产线的产量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种监测曝光机聚焦的方法，包括：

对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；

利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；

测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；

计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；

重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；

如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。

2.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所述图案是圆形的图案。

3.如权利要求2所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所形成的图案的关键尺寸是所述曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸。

4.如权利要求2所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所形成的图案的关键尺寸是所述曝光机的多个曝光场中圆形图案的平均关键尺寸

5.如权利要求1至4中任一项所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，将所述曝光机的数值孔径调到最大。

6.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面之差调节所述曝光机的聚焦。

7.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，在形成光刻胶膜之前进一步包括：在所述半导体晶圆上形成底部抗反射涂层，并烘焙。

8.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，在形成光刻胶膜之后进一步包括：在所述半导体晶圆上形成顶部抗反射涂层，并烘焙。

9.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所述曝光机是浸没式曝光机；

在形成光刻胶膜之后进一步包括，在所述光刻膜之上形成顶部涂层。