CN103309173A

CN103309173A - 具有环形透光光圈的光刻装置、通光单元及光刻方法

Info

Publication number: CN103309173A
Application number: CN2013102119542A
Authority: CN
Inventors: 毛智彪; 董献国
Original assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Current assignee: Shanghai Huali Microelectronics Corp
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103309173B

Abstract

本发明提供一种具有环形透光光圈的光刻装置、通光单元及光刻方法，该光刻装置包括：光源、至少具有一个透光光圈的通光单元，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光圈内中至少包含一个灰度区，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。因此，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，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

具有环形透光光圈的光刻装置、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，尤其涉及一种具有环形透光光圈的光刻装置、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所示为传统的具有中心圆形透光光圈的轴上(On-Axis)光刻曝光系统示意图，图2为图1所示具有中心圆形透光光圈的通光单元12的俯视图。如图所示，入射光线11沿轴线通过通光单元12和聚光透镜13，在光掩模14图形处形成衍射，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，其中，σ=聚光透镜13的孔径/投影透镜15的孔径。

随着半导体器件技术的进步，其光刻图形尺寸不断缩小，上述传统的具有中心圆形透光光圈的轴上光刻方式越来越不能满足当前技术的需求。特别是多种分辨率增强技术（Resolution Enhancement Techniques，简称RET)逐渐发展起来，为光刻工艺的进步提供了可能，其中，偏轴照明(Off-AxisIllumination，简称OAI)技术就是目前较为常用的技术之一。

请参阅图3和图4，图3为具有环形透光光圈的偏轴(Off-Axis)光刻曝光系统示意图，图4为图3所示具有环形透光光圈的通光单元32的俯视图。如图所示，入射光线31沿与轴线一定偏离通过通光单元32和聚光透镜33，在光掩模34图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜35后在硅衬底36表面干涉形成器件图形。其中，部分相干系数σ_in和σ_out是描述环形光圈大小及宽度的重要参数，σ_in至σ_out距离为光圈宽度。

本领域技术人员知道，在半导体器件产品中，尤其是在逻辑产品中，大量存在各种不同尺寸的图形。虽然单一的环形透光光圈照明可以有效地提高小尺寸图形的分辨率，但是不能保证不同尺寸的图形都有足够的分辨率。甚至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5，图5为传统具有环形透光光圈的通光单元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6，图6为美国专利US20090214984示意图，其采用双环形透光光圈照明的光刻曝光方法。该方法通过两个不同大小的环形透光光圈，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，上述双环形透光光圈照明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环形透光光圈，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，通过包含多灰度区域组合的环形透光光圈照明，灰度差异平衡曝光量，使得环形透光光圈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：

一种具有环形透光光圈的光刻装置，包括：光源、至少具有一个透光光圈的通光单元，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光圈内中至少包含一个灰度区，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，通光单元的环形透光光圈内的灰度区形状为圆环，且与环形透光光圈同轴。

优选地，通光单元的环形透光光圈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，通光单元的环形透光光圈为一个。

优选地，通光单元的环形透光光圈的外圈部分相干系数σ_out的范围是0.7～0.9。

优选地，通光单元的环形透光光圈的内圈部分相干系数σ_in的范围是0.3～0.5。

优选地，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：

一种具有环形透光光圈的通光单元，通光单元至少具有一个同轴环形透光光圈；透光光圈至少包含一个灰度区；位于环形透光光圈内的灰度区形状为圆环，且与环形透光光圈同轴。

优选地，环形透光光圈内包含灰度区的数量为两个或两个以上不同灰度的区域，其中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，选取环形透光光圈的个数，和确定透光光圈的外圈部分相干系数σ_out和内圈部分相干系数σ_in；

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取透光光圈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：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，本发明提供的具有环形透光光圈的光刻装置，其通过加装具有可变多灰度的环形透光光圈，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为现有技术中具有中心圆形透光光圈的轴上光刻曝光系统示意图

图2为图1所示的具有中心圆形透光光圈的轴上光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图3为现有技术中具有环形透光光圈的偏轴光刻曝光系统示意图

图4为图3所示现有技术中具有环形透光光圈的偏轴光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图5为采用图3所示系统中的环形透光光圈的通光单元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6为现有技术中采用双环型透光光圈的偏轴光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图7为本发明具有环形透光光圈的光刻装置一较佳实施例的示意图

图8，9为本发明具有环形透光光圈的光刻装置实施例中的通光单元（包括灰度区）俯视示意图

图10为本发明具有环形透光光圈的光刻装置一较佳实施例中通光单元（包括3个同轴灰度光环）俯视示意图

图11为采用本发明实施例中具有环形透光光圈的通光单元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12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7-11对本发明的具有环型透光光圈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，本发明实施例中的具有环形透光光圈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7，图7为本发明具有环型透光光圈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透光光圈的通光单元72、位于通光单元72之下的聚光透镜73、位于聚光透镜73之下的光掩膜74以及位于光掩膜74之下的投影透镜75。聚光透镜73用于聚集穿过通光单元72中透光光圈的光源光线71，光掩膜74用于衍射穿过聚光透镜73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76上。

也就是说，入射光线71沿与轴线一定偏离通过通光单元72和聚光透镜73，在光掩模74图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜75后在硅衬底76表面干涉形成器件图形。

通常情况下，通光单元72中的透光光圈可以根据光刻图形排布情况，选用一个，也可以选择为多个。多个透光光圈可以是不同轴的，也可以是同轴的。在本发明的实施例中，通光单元72中的至少一个透光光圈内中至少包含一个灰度区。

请参阅图8，图8为本发明具有环形透光光圈的光刻装置实施例中的一个透光光圈（包括灰度区）情况下的通光单元俯视示意图。如图所示，如果透光光圈是一个的话，那么，该透光光圈中可以包括一个或多个灰度区，且位于透光光圈内的灰度区形状可以为任意形状，例如，可以是圆环型的，较佳地，圆环型的灰度区还可以与通光单元72的环形透光光圈同轴。

如果通光单元72中包括多个透光光圈的话，可以根据需要在其中一个透光光圈中设置灰度区，也可以在每个透光光圈中设置灰度区。每个透光光圈的灰度区个数、形状和排布方式等可以与上述具有一个透光光圈的通光单元实施例中的相同，在此不再赘述。

具体地，请参阅图9，图9为本发明具有环形透光光圈的光刻装置实施例中的两个透光光圈（包括灰度区）情况下的通光单元俯视示意图。如图所示，通光单元72中包括两个透光光圈（透光光圈91和透光光圈92）。其中，透光光圈91中包括一个从其内环向外环灰度连续递减的灰度区，透光光圈92包括两个与透光光圈92同轴的灰度环（灰度环921和灰度环922），灰度环921为灰度值为0.5的灰度环，灰度环922为灰度值0即完全透光的。

下面结合图7和图10，对本发明的原理和功效进一步描述。为叙述方便起见，假设图7中通光单元72中的透光光圈为一个，且与通光单元72同轴。在实际的应用中，透光光圈的外圈相干系数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，σin可设为零，即由偏轴光刻曝光变为轴上光刻曝光，也是可以使用的。

该透光光圈内存在包括3个灰度光环，且与透光光圈同轴。透光光圈中的3个环形灰度区，可根据通光量从大到小的需求选择灰度由浅至深。其中，多个灰度环间的灰度差异可以为过度式差异，可也为跳跃式差异。在本实施例中，透光光圈中的3个环形灰度区的，相当于一个用于阻挡不必要的多余光线的部分阻光光环，可以根据需求景深，对透光光圈通光量的进行局部微调，使合适的光通过光掩膜，以完成光刻所需要的通光量。

具体地，请参阅图10，图10为本发明具有环形透光光圈的光刻装置一较佳实施例中通光单元（包括3个同轴灰度光环）的俯视示意图。如图所示，透光光圈包括3个同轴的灰度环（灰度环1011、灰度环1012和灰度环1013），3个同轴的灰度环间的灰度差异为跳跃式差异，且从内到外是递增的，即灰度环1011的灰度值为0即几乎完全透光的，灰度环1012的灰度值大约为0.4，灰度环1013的灰度值大约为0.8。

请参阅图11，图11为采用本发明实施例中具有环形透光光圈的通光单元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5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环形透光光圈，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，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，本发明具有环形透光光圈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12对采用本发明具有环形透光光圈的光刻装置进行光刻的工艺进行详细说明。请参阅图12，图12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，选取环形透光光圈的个数，确定环形透光光圈的外圈部分相干系数σ_out和内圈部分相干系数σ_in；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光圈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，确定透光光圈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，进行入射光线曝光量的微调。

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

1.一种具有环形透光光圈的光刻装置，包括：

光源；

至少具有一个环形透光光圈的通光单元；

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光圈的光源光线；

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环形透光光圈内至少包含一个灰度区。

2.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述通光单元的环形透光光圈内的灰度区形状为圆环，且与所述环形透光光圈同轴。

3.如权利要求1所述的光刻装置，其特征在于，所述通光单元的环形透光光圈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。

4.如权利要求1-3任意一个所述的光刻装置，其特征在于，所述通光单元内环形透光光圈为一个。

5.如权利要求4所述的光刻装置，其特征在于，所述透光光圈的外圈部分相干系数σ_out的范围是0.7～0.9。

6.如权利要求4所述的光刻装置，其特征在于，所述透光光圈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，所述光源光线波长为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

8.一种具有环形透光光圈的通光单元，其特征在于，在所述的通光单元中至少具有一个同轴透光光圈；所述透光光圈至少包含一个灰度区；位于所述透光光圈内的灰度区形状为圆环，且与所述环形透光光圈同轴。

9.如权利要求8所述的通光单元，其特征在于，所述通光单元的透光光圈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。

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，选取所述环形透光光圈的个数，和确定所述透光光圈的外圈部分相干系数σ_out和内圈部分相干系数σ_in；

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取所述透光光圈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。