CN103293876A

CN103293876A - 采用六极曝光方式的光刻装置、通光单元及光刻方法

Info

Publication number: CN103293876A
Application number: CN2013102110730A
Authority: CN
Inventors: 毛智彪
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103293876B

Abstract

本发明涉及一种采用六极曝光方式的光刻装置，通光单元及光刻方法。此光刻装置包括：光源、至少具有一组六极透光孔的通光单元，聚光透镜、光掩膜及投影透镜，从上至下依次排布。其中，上述通光单元中的至少一个透光孔内中含多个灰度区，该多个灰度区的灰度差异为过渡式差异或为跳跃式差异，聚光透镜聚集光源光线通过具有衍射功能的光掩膜、投影透镜将衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底上。本发明显著提高了不同尺寸光刻图形的综合分辨率和工艺窗口，特别对于光刻图形为六极排布情况下，平衡了不同尺寸光刻图形的线宽尺寸，同时避免了多次曝光产生的工艺成本增加和产出量降低。

Description

采用六极曝光方式的光刻装置、通光单元及光刻方法

技术领域

本发明涉及半导体微电子器件制造设备领域，尤其涉及一种采用六极曝光方式的光刻装置、通光单元及光刻方法。

背景技术

半导体器件制作通常采用光刻曝光方式形成所需的图形，其基本步骤如下：首先，在硅片上涂光刻胶，随后，强光通过一块刻有电路图案的掩膜版，照射在硅衬底上，被照射到部分的光刻胶发生变质，之后用腐蚀性液体清洗硅片，去除变质光刻胶，在硅衬底上刻下与光掩膜相同电路图案光刻胶图形，最后，经过烘焙和显影等工序，形成成品晶圆。

在整个光刻曝光的过程中，光刻装置的性能直接影响到晶圆的成品率。请参阅图1和图2，图1为采用传统六极通光曝光方式的偏轴(Off-Axis)光刻曝光系统示意图，图2为图1所示六极通光单元12的俯视图。如图所示，入射光线11沿与轴线一定偏离通过六极通光单元12和聚光透镜13，在光掩模14图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜15后在硅衬底16表面干涉形成器件图形。其中，相干系数σ是描述圆形光圈大小的一个重要参数，它表示投影透镜被光源占据的程度，σ=聚光透镜的孔径/投影透镜的孔径，相干系数σ_in和σ_out，开口角度α及相对方向夹角β是描述六极透光孔大小及宽度的重要参数，σ_in至σ_out距离为透光孔宽度，α决定通光孔尺寸，相对方向夹角β和γ决定通光孔排布。

六极曝光是偏轴曝光的一个特殊例，相比一般的偏轴曝光，在小线宽尺寸的图形上具有更大对比度，更高的分辨率及更好的工艺宽容度。但是继续随着制造工艺的进步，简单的六极曝光逐渐的不能满足技术对分辨率需求，而且不能保证不同尺寸的图形都有足够的分辨率，导致一部分图形无法被显像，形成所谓的禁止空间间距(Forbidden Pitch)区域。请参阅图3，图3为六极通光单元大小对不同空间间距图形线宽尺寸的影响，其中关键尺寸（Critical Dimension，简称CD）越接近于零,成品精度越高，技术越先进。如图所示，图中显示的曲线在空间间距约为150nm，偏离零点较大，关键尺寸误差最大，导致某一个或几个区间显像困难。

请参阅图4，图4为一种现有改进技术示意图，其采用两对沿透光单元中心均匀排布的六极透光孔的光刻曝光方法。该方法通过两对内外排布的六极透光孔有效地减少了线宽尺寸在较大空间间距区域内的波动，降低了形成禁止空间间距区域的风险。

然而，上述两对六极透光孔仍在平衡各种图形的线宽尺寸和工艺窗口方面缺少灵活性，难以对不同尺寸的图形达成最佳工艺平衡。综上所述，如何达成各种图形的线宽尺寸和工艺窗口的最佳工艺平衡，不仅需要合适尺寸的六极透光孔，而且需要与各种图形的线宽尺寸相匹配的曝光量。这是目前业界所需要追求的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，通过包含多灰度组合的六极透光孔照明灰度差异平衡曝光量，使得六极透光孔照明发挥最佳的分辨率增强和工艺窗口平衡等多重功能。

为达成上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用六极曝光方式的光刻装置，包括：光源、至少具有一对透光孔的六极通光单元，聚光透镜、光掩膜及投影透镜，从上至下依次排布。其中，上述通光单元中的至少一个透光孔内中包含多个灰度区，聚光透镜聚集光源光线通过具有衍射功能的光掩膜、投影透镜将衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底上。

优选地，所述六极通光单元内透光孔为一组，其形状为部分圆环型段、扇形、圆形、椭圆形、多边形或他们的组合之一，且与通光单元中心均匀排布。

优选地，六极通光单元的透光孔内包含灰度区的数量为两个或两个以上不同灰度的区域，多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

优选地，透光孔内的灰度区形状为条状、圆形、环状、或他们的组合之一。

优选地，透光孔内的灰度区沿通光单元中心轴对称排布。

优选地，当透光孔为圆形或椭圆形，灰度区为圆形、环形或椭圆形时，透光孔内的灰度区与透光孔同轴。

优选地，所述六极通光单元内通光孔的外圈部分相干系数σ_out的范围是0.7～0.9;内圈部分相干系数σ_in的范围是0.3～0.5。

优选地，所述六极通光单元内透光孔的开口角度α的范围是15°～50°。

优选地，所述光源光线波长为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

为达成上述目的，本发明提供一种器件，技术方案如下：

一种具有六极透光孔的通光单元；通光单元至少具有一组沿通光单元中心均匀排布的六极透光孔；至少一个透光孔包含多个灰度区。

优选地，六极透光孔内包含灰度区的数量为两个或两个以上不同灰度的区域，所述多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

为达成上述目的，本发明还提供一种光刻方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据光刻图形排布需求，选取六极透光孔的组数，和确定六极透光孔的外圈部分相干系数σ_out、内圈部分相干系数σ_in和开口角度α、相对方向夹角β和γ及透光孔形状及排列方向；

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取透光孔中灰度区域数量和排布组合，以调整入射光线曝光量；

步骤S3：入射光线通过六极通光单元和聚光透镜后，经光掩膜衍射形成衍射光线；

步骤S4：衍射光线再经过投影透镜后在硅衬底表面上的光刻胶中形成最终所需光刻图形；

步骤S5：对硅衬底进行烘焙和显影。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的采用六极曝光方式的光刻装置，其通过加装具有可变多灰度的六极通光单元，用多灰度特征来弥补曝光量匹配问题，平衡了各种图形的线宽尺寸的曝光量，并具有工艺窗口方面灵活性，在单次曝光就可以满足对可变线宽尺寸（即具有不同尺寸和方向的各种图形）进行光刻工艺中达成最佳工艺平衡，从而避免了由于采用多次曝光方法导致的制造成本增加和生产出产量下降。

附图说明

图1为现有技术中采用六极曝光方式的偏轴光刻曝光系统示意图

图2为图1所示现有技术中采用六极曝光方式的偏轴光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图3为采用图1所示系统中的单组六极曝光对不同空间间距图形线宽尺寸的光刻工艺能力的影响曲线

图4为现有技术中采用两对沿通光单元中心均匀排布的六极透光孔的偏轴光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图5为本发明具有六极曝光方式的光刻装置一较佳实施例的示意图

图6，7为本发明具有六极曝光方式的光刻装置实施例中的通光单元俯视示意图

图8为本发明具有六极曝光方式的光刻装置一较佳实施例中通光单元的俯视示意图

图9为采用本发明实施例中具有多灰度六极曝光方式对不同空间间距图形线宽尺寸的光刻工艺能力的影响曲线

图10为本发明光刻方法一具体实施例的流程示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图5-9对本发明的六极透光孔为照明方式的偏轴光刻曝光系统的结构和光刻方法进行详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中的采用六极曝光方式的光刻装置中所采用的光源可以设置在光路系统的任何位置，只要满足偏轴光刻曝光装置需要就可以了，该光源光线波长不做任何限定，较佳地，可以为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

请参阅图5，图5为本发明六极曝光方式的偏轴光刻装置一较佳实施例的示意图。如图所示，该偏轴光刻装置包括具有六极透光孔的通光单元52、位于通光单元52之下的聚光透镜53、位于聚光透镜53之下的光掩膜54以及位于光掩膜54之下的投影透镜55。聚光透镜53用于聚集穿过所述通光单元52中透光孔的光源光线51，光掩膜54用于衍射穿过聚光透镜53的光线，投影透镜用于将穿过光掩膜的衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底56上。

也就是说，入射光线51沿与轴线一定偏离通过六极通光单元52和聚光透镜53，在光掩模54图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜55后在硅衬底56表面干涉形成器件图形。

通常情况下，六极通光单元52中的透光孔可以根据光刻图形排布情况，选用一组，也可以选择为多租。多组透光孔可以是沿通光单元中心均匀排布的，也可以是不均匀的。在本发明的实施例中，六极通光单元52中的至少一个透光孔内中包含多个灰度区，该多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。其中，透光孔的截面形状为部分圆环型段、扇形、圆形、椭圆形、多边形或他们的组合之一；优选地，通光孔沿通光单元52的中心均匀排布。较佳的，通光孔相对方向夹角β和γ均为60°。

请参阅图6，图6为本发明采用六极曝光系统的光刻装置实施例中的一组透光孔情况下的俯视示意图。如图所示，如果透光孔是一组的话，那么，至少一个透光孔中可以包括多个灰度区，且位于透光孔内的灰度区形状可以为任意形状，例如条形，圆形、环状、或他们的组合之一。较佳地，如果灰度区是由多条平行排列的灰度区组成的话，两极的多条平行排列灰度区还可以沿通光单元中心轴对称排布，如通光孔61和64。其六极通光孔排布可以为60°等分角排布，如图6所示，也可其他任意方向。如果灰度区是由多个环形或圆形组成的话，该透光孔内的灰度区可以与透光孔同轴，如通光孔63。

请参阅图7，图7为本发明具有六极曝光方式的光刻装置实施例中的一组透光孔情况下的俯视示意图。本实施例特点在于其六极分布相对方向夹角β或γ不为60°，使其具有在特定单方向，可为X方向、Y方向、XY方向或者任意方向，有加强曝光效果。在实际的应用中，透光孔的外圈相干系数0.7～0.9和内圈相干系数0.3～0.5可以满足大多数光刻图形需求，当然，在极端情况下，σ_in可设为零，即由偏轴六极光刻曝光变为轴上六极光刻曝光，也是可以使用的。理论上，六极通光孔的开口角度α可以为0°至60°，但在实际应用中，开口角度α为15°至50°为常见例。

如果六极通光单元52中包括多组透光孔的话，可以根据需要在其中一组透光孔中设置灰度区，也可以在每组透光孔中设置灰度区。每组透光孔的灰度区个数、形状和排布方式等可以与上述一组透光孔实施例中的相同，在此不再赘述。

具体地，请参阅图8，图8为本发明采用六极曝光方式的光刻装置一较佳实施例中通光单元（包括两组六极透光孔）的俯视示意图。如图所示，六极通光单元52中包括两组透光孔（透光孔组81和透光孔组82）。其中，透光孔组81中包括一个从内向外灰度连续递增的灰度区，透光孔组82包括四条与通光单元中心对称的灰度条（灰度条821，灰度条822，灰度条823及灰度条824），灰度条821是灰度值为0.6的灰度条，灰度条822是灰度值为0的灰度条即完全透光条，灰度条823是灰度值为1.0的灰度条即非透光条，灰度条824是灰度值0.3的灰度条。

请参阅图9，图9为采用本发明实施例中具有多灰度六极曝光方式的对不同空间间距图形线宽尺寸的光刻工艺能力的影响。从图中曲线可以看出，图中显示的曲线在空间间距偏离零点较小，关键尺寸误差较图3所示的曲线要小很多，其保证了某一个或几个区间特定的区域显像正常。

在本发明的实施例中，光刻装置通过加装具有可变多灰度的六极通光单元，用多灰度特征来弥补曝光量匹配问题，平衡了各种图形的线宽尺寸的曝光量，并具有工艺窗口方面灵活性，可以在单次曝光就可以满足对可变线宽尺寸（即具有不同尺寸和方向的各种图形）进行光刻工艺中达成最佳工艺平衡，多灰度六极曝光能提供与各种图形的线宽尺寸相匹配的曝光量。

需要说明的是，本发明具有六极曝光方式的光刻装置中的通光单元，可以与光刻装置中的透镜等部件的空间位置，可以发生变化，其替代方案均包括在本发明实施例的范围中。

下面通过图10对采用本发明具有六极曝光方式的光刻装置进行光刻的工艺进行详细说明。请参阅图10，图10为本发明光刻方法一具体实施例的工艺流程图，上述光刻工艺可以包括如下步骤：

步骤S1：根据光刻图形排布需求，选取六极透光孔的组数，确定六极透光孔的外圈部分相干系数σ_out和内圈部分相干系数σ_in、开口角度α、相对方向夹角β和γ、透光孔形状及排列方向；其中，在该步骤中，可以进行根据光刻曝光需要对光圈透光性排布进行初步选择。

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取透光孔中灰度区域数量和排布组合，及调整入射光线曝光量；其中，在该步骤中，可以根据光刻图形中的某一个或几个特定的区域，确定六极透光孔中灰度区域数量和排布组合，即对光刻曝光需要特别强调或补偿的区域，进行对入射光线曝光量的微调。

步骤S3：入射光线通过通光单元和聚光透镜后，经光掩膜衍射形成衍射光线；

步骤S5：对硅衬底进行烘焙和显影。

其中，步骤S2中入射光线可位于硅衬底正上方直射，也可位于其他位置，直射，反射或者折射。并且，在实际应用中，光刻机的光源光线波长为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种采用六极曝光方式的光刻装置，包括：

光源；

至少具有一组六极透光孔的通光单元；

聚光透镜，位于所述通光单元之下，用于聚集穿过所述通光单元中所述透光孔的光源光线；

光掩膜，位于所述聚光透镜之下，用于衍射穿过所述聚光透镜的光线；

投影透镜，位于所述光掩膜之下，用于将穿过所述光掩膜的衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底上；

其特征在于，所述通光单元中的至少一个透光孔内至少包含多个灰度区，所述多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

2.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔的形状为部分圆环型段、扇形、圆形、椭圆形、多边形或他们的组合之一，且与所述通光单元中心均匀排布。

3.如权利要求1或2所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔内的灰度区形状为条状、圆形、环状、或他们的组合之一。

4.如权利要求3所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔内的灰度区沿所述通光单元中心轴对称排布。

5.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔为圆形或椭圆形，所述的灰度区圆形、环形或椭圆形，所述透光孔内的灰度区与所述透光孔同轴。

6.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔的外圈部分相干系数σ_out的范围是0.7～0.9；所述透光孔的内圈部分相干系数σ_in的范围是0.3～0.5。

7.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述透光孔的开口角度α的范围是15°～50°。

8.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述光源光线波长为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

9.一种采用六极曝光方式六极的通光单元，其特征在于，在所述的六极通光单元中至少具有一组沿通光单元中心轴对称的六极透光孔；所述至少一个透光孔至少包含多个灰度区；所述多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

10.一种采用权利要求1所述装置的光刻方法，其特征在于，具体包括如下步骤:

步骤S1：根据光刻图形排布需求，选取所述六极透光孔的组数，和确定所述透光孔的排列方向、外圈部分相干系数σ_out、内圈部分相干系数σ_in开口角度α，相对方向夹角β和γ及透光孔形状；

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取所述透光孔中灰度区域数量和排布组合，以调整所述入射光线曝光量；

步骤S3：所述入射光线通过所述通光单元和所述聚光透镜后，经所述光掩膜衍射形成衍射光线；

步骤S4：所述衍射光线再经过所述投影透镜后在硅衬底表面上的光刻胶中形成最终所需光刻图形；

步骤S5：对所述硅衬底进行烘焙和显影。