CN103076722A - 一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法及光刻工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法，该方法包括：保持晶片中心区域的曝光能量和焦距不变，对晶片边缘区域的曝光能量和曝光焦距进行调整。具体为在进行曝光的过程中，将晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整，曝光能量减小。本发明同时还提供了一种包括上述曝光方法的光刻工艺。该发明通过调整曝光过程中晶片边缘的焦距和能量，在不更新先进的机台而且不更改光刻胶的前提下，仅通过优化光刻程序，解决晶片边缘曝光散焦的问题，验证周期短，而且没有额外的成本。

Description

一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法及光刻工艺
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造领域，尤其涉及一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法及光刻工艺。
背景技术
随着集成电路的芯片集成度越来越高，芯片的设计规则向着更小尺寸的工艺进行挑战。在缩小尺寸的过程中，光刻工艺是芯片制造中最为重要的工艺步骤之一，其主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。而曝光工艺又是光刻工艺中最为重要的一步，就是利用紫外线把光罩上的图形成像到晶片表面，从而把光罩上面的图形转移到晶片表面的光刻胶中，这一步中曝光的能量和成像焦点偏移尤为重要。
而在芯片的生产过程中，由于光刻机台作业以及晶片中心边缘均匀性差异，会出现晶片中心光刻胶的形貌正常，但是晶片边缘区域的光刻胶有倒梯形的问题，造成晶片边缘的散焦，如附图1所示。晶片边缘的散焦会给晶片的曝光过程带来不利的影响，尤其对于多晶硅栅，金属层等关键层次，会造成良率的损失。目前的解决方案主要是优化光刻机台的均匀性；进行工艺更改；更换新的光刻胶等。
如公开号为CN102147572A的中国专利申请公开了一种晶片边缘曝光模块及晶片边缘曝光方法。晶片边缘曝光模块包括一晶片旋转装置、一光学系统、一扫面机界面模块以及一控制器。该光学系统同时将一曝光光线指向该晶片的一边缘部分，以于该晶片的边缘上创造一伪图案，该扫描界面模块通过一计算机网络传送及/或接受来自一扫描机的一伪边缘曝光信息，该控制器接收来自该扫描机界面模块的该伪边缘曝光信息，并利用该伪边缘曝光信息控制该光学系统。该方法需要更新硬件，增加了成本。
另如公开号为CN1885159A的中国专利申请公开了一种消除半导体晶片边缘区图形缺陷的方法。该方法的主要特征是，在对形成光刻胶图形的显影工艺步骤之后增加了用溶剂清洗半导体晶片边缘的工艺步骤，消除了半导体晶片边缘区的图形缺陷。该方法增加了工序，同样增加成本，并且引入更多的不可控制的因素。
现有技术的缺点是如果在光刻机台硬件方面优化均匀性，则需要更新部件，增加额外的成本，而且不一定能达到优化效果；如果更换更加先进的曝光机台，又价格昂贵；如果进行工艺更改，增加工序，则同样增加成本，并且引入更多不可控制的因素；如果更滑新的光刻胶，需要大量的窗口验证，验证周期长。
发明内容
针对以上的缺点，本发明的目的是在原有的机台及工艺条件下，仅通过优化光刻程序，解决晶片边缘曝光散焦的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法，其特征在于：在对晶片进行曝光的过程中，调整晶片中心区域与晶片边缘区域的曝光能量与焦距，在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
进一步地，晶片中心区域的曝光能量与晶片边缘区域的曝光能量不同。
进一步地，晶片中心区域的曝光能量大于晶片边缘区域的曝光能量。
进一步地，晶片中心区域的曝光能量为30～31mJ，晶片边缘区域的曝光能量为29～29.9mJ。
进一步地，晶片中心区域的曝光能量为30.4mJ，晶片边缘区域的曝光能量为29.4mJ。
进一步地，晶片边缘区域的曝光焦距与晶片中心区域的曝光焦距不同。
进一步地，晶片边缘区域的曝光焦距比晶片中心区域的曝光焦距更向正方向。
进一步地，晶片中心区域的曝光焦距为-0.3～-0.1，晶片边缘区域的曝光焦距为-0.2～0。
进一步地，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片边缘区域的曝光焦距为-0.1。
进一步地，将所述曝光方法用于多晶硅栅极的制作过程。
进一步地，将所述曝光方法用于金属层的制作过程。
本发明还提供了一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法，其特征在于：在对晶片进行曝光的过程中，保持晶片中心区域的曝光能量与曝光焦距不变，只调整晶片边缘区域的曝光能量与曝光焦距。
进一步地，将晶片边缘区域的曝光能量减小，同时将晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
进一步地，晶片中心区域的曝光能量为30.4mJ，焦距为-0.2。
进一步地，晶片边缘区域的曝光能量为29～30mJ，焦距为-0.15～0。
进一步地，晶片边缘区域的曝光能量为29.4mJ，焦距为-0.1。
本发明还提供了一种光刻工艺，能够减少晶片边缘区域曝光散焦，包括以下步骤：
1）预处理；
2）旋涂光刻胶，采用旋转涂布法在2000～3000rpm的工作转速下进行；
3）软烘，在80-100℃的热板中完成；
4）曝光；
5）后烘，采用温度偏差小于0.3℃的热板进行；
6）显影；
其特征在于，所属曝光工艺采用之前所述的任一曝光方法完成。
与现有技术相比，本发明的优点是在不更新先进的机台而且不更改光刻胶的前提下，不增加额外的工序，仅通过优化光刻程序，解决晶片边缘散焦的问题，提高晶片良率，验证周期短，而且没有额外的成本。
附图说明
图1为晶片边缘倒胶区域的光刻胶形貌与晶片中心正常区域的光刻胶形貌的对比图。
图2为具体实施例中的曝光工艺流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图2示出了本发明的实施例中曝光工艺的流程图。
具体实施例一：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶如附图1中的步骤101，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中要调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。
调整的主要思路是将晶片边缘区域的曝光焦距往正方向调整（这里的正方向是指以零点为参照，向正的方向调整，如将焦距由-0.2调整到-0.1，在本说明其他部分的正方向的含义也是如此），可以减小光刻胶的倒梯形现象，但是会导致单线（ISO）的关键尺寸(CD)的变小，所以同时要将晶片边缘区域的曝光能量减小以补偿由于焦距偏正带来的关键尺寸的变化。如附图1中的步骤102。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01，接着进行曝光，如附图1中的步骤103。每次曝光之后，可以经过显影查看曝光出图像的质量，如附图1中的步骤104。在质量不理想的情况下，重新进行调整。因此调整曝光条件的步骤102和曝光的过程103是个不断循环的过程，直到达到最优的曝光条件。经过多次试验调整，得到优化的曝光条件为：对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。曝光的结果发现能够大幅度地降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例二：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.3，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.2。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例三：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.1，晶片的边缘区域曝光焦距为0。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例四：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为31mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.9mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例五：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例六：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。并且在调整晶片边缘区域曝光能量和焦距的过程中，晶片中心区域的曝光能量和曝光焦距保持不变。
首先将晶片边缘区域的曝光焦距往正方向调整，可以较小光刻胶的倒梯形现象，但是会导致单线（ISO）的关键尺寸(CD)的变小，所以同时要将晶片边缘区域的曝光能量减小以补偿由于焦距偏正带来的关键尺寸的变化。
对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2。经过多次试验调整，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4mJ，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例七：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。并且在调整晶片边缘区域曝光能量和焦距的过程中，晶片中心区域的曝光能量和曝光焦距保持不变。
首先将晶片边缘区域的曝光焦距往正方向调整，可以较小光刻胶的倒梯形现象，但是会导致单线（ISO）的关键尺寸(CD)的变小，所以同时要将晶片边缘区域的曝光能量减小以补偿由于焦距偏正带来的关键尺寸的变化。
对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2。经过多次试验调整，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为30mJ，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.15。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例八：
首先在晶片上涂覆光致抗蚀剂即光刻胶，光刻胶的材料组成可以为聚乙烯醇肉桂酸酯胶（KPR胶）、聚肉桂叉丙二酸乙二醇酯聚酯胶、环化橡胶型购胶（OMR－83胶）和重氮萘醌磺酰氯为感光剂主体的紫外正型光刻胶（AZ－1350）等。
接着对晶片实施曝光过程，在曝光的过程中调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距，并且调整幅度要恰当。并且在调整晶片边缘曝光能量和焦距的过程中，晶片中心区域的曝光能量和曝光焦距保持不变。
首先将晶片边缘的曝光焦距往正方向调整，可以较小光刻胶的倒梯形现象，但是会导致单线（ISO）的关键尺寸(CD)的变小，所以同时要将晶片边缘的曝光能量减小以补偿由于焦距偏正带来的关键尺寸的变化。在调整晶片边缘曝光能量和焦距的过程中，晶片中心区域的曝光能量和曝光焦距保持不变。
对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2。经过多次试验调整，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29mJ，晶片的边缘区域曝光焦距为0。曝光的结果发现能够降低晶片边缘的散焦现象。
具体实施例九：
一种光刻工艺，包括以下步骤：
1）预处理；目的是改变晶圆片表面的性质，使其能和光刻胶粘连牢固。主要方法就是涂HMDS（六甲基二硅胺烷），在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
2）旋涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。
3）软烘，目的是除去光刻胶中溶剂，是在90℃的热板中完成。
4）曝光；对晶片实施曝光过程，调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4MJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。
5）后烘，这一步主要控制的是温度与时间，对于温度的均匀性要求非常高，通常要求热板内温度偏差小于0.3℃。
6）显影；显影和清洗都在显影槽中完成，每一步的转速和时间都至为重要，要严格进行控制。
在显影工艺完成之后，光刻工艺基本完成，但在送入下一工序之前还要进行检测，主要是检测有无散焦,图形倒塌,异常颗粒，刮伤等现象，以及进行线宽测量和套准精度的测量。
具体实施例十：
一种光刻工艺，包括以下步骤：
1）预处理；目的是改变晶圆片表面的性质，使其能和光刻胶粘连牢固。主要方法就是涂HMDS（六甲基二硅胺烷），在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
2）旋涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。
3）软烘，目的是除去光刻胶中溶剂，是在90℃的热板中完成。
4）曝光；对晶片实施曝光过程，调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距。对于晶片中心区域和边缘区域的曝光能量和曝光焦距同时调整。
在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的中心区域采用的曝光能量为31mJ，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.9MJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。
5）后烘，这一步主要控制的是温度与时间，对于温度的均匀性要求非常高，通常要求热板内温度偏差小于0.3℃。
6）显影；显影和清洗都在显影槽中完成，每一步的转速和时间都至为重要，要严格进行控制。
具体实施例十一：
一种光刻工艺，包括以下步骤：
1）预处理；目的是改变晶圆片表面的性质，使其能和光刻胶粘连牢固。主要方法就是涂HMDS（六甲基二硅胺烷），在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
2）旋涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。
3）软烘，目的是除去光刻胶中溶剂，是在90℃的热板中完成。
4）曝光；对晶片实施曝光过程，调整两个最重要的参数即曝光能量和焦距。并且保持晶片中心区域的曝光能量和焦距不变，只调整晶片边缘区域的曝光能量和焦距。
对于晶片的中心区域采用的曝光能量为30.4mJ，晶片中心区域的曝光焦距为-0.2。在调整曝光能量的过程中，每步调整的量为0.1mJ，同时在调整曝光焦距的过程中，每步的调整量为0.01。经过多次试验调整，对于晶片的边缘区域采用的曝光能量为29.4mJ，晶片的边缘区域曝光焦距为-0.1。
5）后烘，这一步主要控制的是温度与时间，对于温度的均匀性要求非常高，通常要求热板内温度偏差小于0.3℃。
6）显影；显影和清洗都在显影槽中完成，每一步的转速和时间都至为重要，要严格进行控制。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法，其特征在于：在对晶片进行曝光的过程中，调整晶片中心区域与晶片边缘区域的曝光能量，在将晶片边缘区域曝光能量减小的同时使晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
2.根据权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，晶片中心区域的曝光能量大于晶片边缘区域的曝光能量。
3.根据权利要求2所述的曝光方法，其特征在于，晶片中心区域的曝光能量为30～31mJ，晶片边缘区域的曝光能量为29～29.9mJ。
4.根据权利要求1-3所述的曝光方法，其特征在于，晶片边缘区域的曝光焦距比晶片中心区域的曝光焦距更向正方向。
5.根据权利要求4所述的曝光方法，其特征在于，晶片中心区域的曝光焦距为-0.3～-0.1，晶片边缘区域的曝光焦距为-0.2～0。
6.一种用于减少晶片边缘区域曝光散焦的曝光方法，其特征在于：在对晶片进行曝光的过程中，保持晶片中心区域的曝光能量与曝光焦距不变，只调整晶片边缘区域的曝光能量与曝光焦距，将晶片边缘区域的曝光能量减小，同时将晶片边缘区域的曝光焦距向正方向调整。
7.根据权利要求6所述的曝光方法，其特征在于，晶片中心区域的曝光能量为30.4mJ，焦距为-0.2。
8.根据权利要求7所述的曝光方法，其特征在于，晶片边缘区域的曝光能量为29～30mJ，焦距为-0.15～0。
9.一种光刻工艺，能够减少晶片边缘区域曝光散焦，包括以下步骤：
1）预处理；
2）旋涂光刻胶，采用旋转涂布法在2000～3000rpm的工作转速下进行；
3）软烘，在80-100℃的热板中完成；
4）曝光；
5）后烘，采用温度偏差小于0.3℃的热板进行；
6）显影；
其特征在于，所属曝光工艺采用权利要求1-8中的任一曝光方法完成。
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