CN103869638A - 一种穿透晶圆的光刻对准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种穿透晶圆的光刻对准方法。包括以下步骤：提供晶圆，所述晶圆划分为若干个曝光单元，所述曝光单元上形成有前段晶圆对准标记；制作第一光罩，通过晶圆切口对准方式将所述第一光罩与所述晶圆对准，并打开所述多个前段晶圆对准标记；制作第二光罩，通过光刻机对准系统将所述第二光罩与所述第一光罩已打开的多个前段晶圆对准标记对准，打开所述晶圆的所有前段晶圆对准标记，并在后续的光刻工艺中正常曝光并采用套刻值补偿的方式实现器件的精确对准。本发明的技术方案提高了现有技术三维集成电路制程中光刻对准的精度，同时本发明的方法可以适用于不同的前段制程以及Si基底的厚度，满足三维集成电路光刻工艺中精确对准的要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域,特别涉及一种穿透晶圆的光刻对准方法。
背景技术
光刻技术是用于在衬底表面上印刷具有特征的构图，一般半导体器件的制程中至少需要10次以上的光刻工序，每次的光刻工序都需要将晶圆放置在光刻机的工件台上，通过光刻机的光学系统将晶圆的前层图案与具有特征构图的光罩对准，然后在光刻过程中，将光罩的特征构图成像到涂覆有光刻胶的晶圆上，并在后续的蚀刻工艺中，将特征构图从光刻胶转移到其下方的介电层或金属材料层中。为使半导体器件正常工作，每次光刻工序的层与层之间必须套准在一定的精度范围内，而随着线宽越来越小，套准精度要求越来越严格，仅仅采用硅片边缘作为对准基准已不能满足要求，因此产生了对准标记。对准标记包括光罩对准标记和晶圆对准标记两大类，光罩对准标记又包括用于光罩传输系统的光罩预对准标记和用于与晶圆对准的图案对准标记。现有技术通常采用简单的十字线、光栅图形等作为对准标记，以十字线为例，光罩上设置有用于与晶圆前层图案的凸起十字对准标记相对应的空心十字对准标记，光刻机光源发出的光经过光刻机的光学系统以后，再经过光罩，其中部分光线通过光罩上空心的十字照到晶圆上，通过机械或者人工调整待曝光晶圆的位置，可以使得透过光罩形成的光束十字与待曝光晶圆上的凸起十字重合，该凸起十字将照到自身的部分光线反射回去，光刻机控制系统则自动根据凸起十字不同部位对光的作用不同而产生一定形状的对准信号，并在示波器上加以显示。
一般来说，光刻工艺的对准曝光流程包括以下步骤：设定曝光条件和误差校正；校正光刻系统的工件台和干涉仪；晶圆片上全场对准标记对准；移动到第一曝光场；逐场位置对准；曝光；移动到下一个位置对准曝光；重复步进或扫描晶圆片直至结束，其中，最重要的步骤是标记对准。标记对准通过光刻机的标记对准系统来实现，一般包括光罩与光刻机工件台对准、晶圆与光刻机工件台预对准、晶圆与光罩对准等几个步骤：光罩与光刻机工件台对准，即将金属网格标记作为光刻机工件台初始位置的基准，采用光罩预对准标记与光刻机工件台进行初步对准，并测出光罩相对于机器坐标系的坐标；晶圆与光刻机工件台预对准，即采用晶圆边缘和缺口对准方式，将晶圆传送到光刻机的工件台上，并确保传送到工件台的硅片偏心和偏向在预定的精度范围内；晶圆与光罩对准，即通过晶圆上对准标记与光罩上对准标记的对准，光刻机控制系统获得晶圆上对准标记产生对准信号，并计算晶圆相对机器坐标系的坐标，再与光罩相对机器坐标系的坐标进行比较后，自动调整晶圆在光刻机工件台的位置，实现光罩与晶圆的精确套刻。
但是现有半导体器件制造工艺中，尤其是三维集成电路制程中，例如在背照式CMOS影像传感器的制作工艺中，由于前段晶片制程的差异或者不同技术下Si基底厚度的差异性，金属网格与像素区域的对准信号会非常微弱并且不稳定，因此很难实现金属网格与像素区域的精确对准。目前现有的光刻机台在只利用晶圆切口对准时的精准度规格在+/-20um，达不到三维影像传感器对套刻精度的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种穿透晶圆的光刻对准方法，解决了现有技术的三维集成电路制程中，光刻对准精度较低的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种穿透晶圆的光刻对准方法，包括以下步骤：
a）提供已进行晶圆键合的晶圆，并将所述晶圆放置到光刻机的工件台上；所述晶圆包括硅基底，所述硅基底的正面和背面分别生长有前段氧化层和后段氧化层；所述后段氧化层划分为若干个曝光单元，所述每个曝光单元边缘处均设有用于确定所述曝光单元位置的前段晶圆对准标记；
b）制作第一光罩，将所述第一光罩放置到光刻机上所述晶圆的上方，通过晶圆切口对准方式将所述第一光罩与所述晶圆对准，并通过所述第一光罩对多个前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆上多个曝光单元的前段晶圆对准标记；
c）制作第二光罩，通过光刻机对准系统将所述第二光罩与所述第一光罩上已打开的多个前段晶圆对准标记对准，并通过所述第二光罩对所有前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆的所有曝光单元的前段晶圆对准标记，然后在后续的光刻工艺中正常曝光并采用套刻值补偿的方式实现器件的精确对准。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述曝光单元与曝光单元之间设有切割道，所述前段晶圆对准标记形成在所述切割道上。
进一步，所述晶圆上硅基底的厚度为2um～6um。
进一步，步骤b）中，打开的所述前段晶圆对准标记的个数为3～10个。
进一步，所述第一光罩上设有与所述前段晶圆对准标记位置相对应的多个第一光罩对准标记，所述第一光罩对准标记用于与步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记。
进一步，所述第二光罩上设有与所有前段晶圆对准标记位置分别相对应的第二光罩对准标记，所述第二光罩对准标记用于与所述步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案提高了现有技术三维集成电路制程中光刻对准的精度，同时本发明的方法可以适用于不同的前段制程以及Si基底的厚度，满足三维集成电路光刻工艺中精确对准的要求。例如在三维影像传感器制程中，可以将金属网格与像素区域的套刻精度从+/-20um提高到<500nm，甚至达到+/-180nm，从而改善影像传感器的抗串扰性能。
附图说明
图1为本发明光刻对准方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1中步骤201的效果示意图；
图3为本发明实施例1中步骤202的效果示意图；
图4为本发明实施例1中步骤203的效果示意图；
图5为传统三维影像传感器光刻对准方式的效果示意图；
图6为本发明三维影像传感器光刻对准方式的效果示意图；
图7为本发明光刻对准标记打开区域的边界示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本实施例三维影像传感器的金属网格与像素区域精确对准流程图，包括以下步骤：
步骤201提供已进行晶圆键合的晶圆1，并将所述晶圆1放置到光刻机的工件台上；所述晶圆1包括厚度为2～6um的硅基底5，所述硅基底5的正面和背面分别生长有前段氧化层7和后段氧化层6；所述后段氧化层6划分为若干个曝光单元2，所述每个曝光单元2边缘处均设有用于确定所述曝光单元2位置的前段晶圆对准标记4。本实施例中，所述曝光单元2与曝光单元2之间设有切割道3，所述前段晶圆对准标记4形成在所述切割道3上。
步骤202制作第一光罩，将所述第一光罩放置到光刻机上所述晶圆的上方，通过晶圆切口对准方式将所述第一光罩与所述晶圆对准，并通过所述第一光罩对3～10个前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆上所述3～10个曝光单元的前段晶圆对准标记，如图3所示，此时套刻精度<500nm。本实施例中，所述第一光罩上设有与所述前段晶圆对准标记位置相对应的多个第一光罩对准标记，所述第一光罩对准标记用于与步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记。
步骤203制作第二光罩，通过光刻机对准系统将所述第二光罩与所述第一光罩上已打开的多个前段晶圆对准标记对准，并通过所述第二光罩对所有前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆的所有曝光单元的前段晶圆对准标记，如图4所示，然后在后续的光刻工艺中正常曝光并采用套刻值补偿的方式实现器件的精确对准，比如实现金属网格与像素区域的精确对准，此时套刻精度可达到+/-180nm。本实施例中，所述第二光罩上设有与所有前段晶圆对准标记位置分别相对应的第二光罩对准标记，所述第二光罩对准标记用于与所述步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记。
所述的光罩是光刻工艺中使用的一种表面被各种图案覆盖的玻璃板，每个图案都包含有不透明和透明的部分，用来阻挡和允许光线通过，每一块光罩都会与硅片上原有的图案对准，通过光线的透射来对光刻胶进行曝光。
图5为传统三维影像传感器光刻对准方式的效果示意图，图6为本发明三维影像传感器光刻对准方式的效果示意图，如图所示，采用本发明对准方式能够获得非常清晰的对准信号，实现精确对准。
在光刻对准工艺中，还需要考虑光刻对准中的对准偏差的问题，在本实施例中，考虑两种边界情况来计算光刻机台/工艺对对准偏差的要求，如图7所示，切割道的短边为80um，三个方框从左到右依次表示标记打开区域延伸到切割道以外的边界情况、标记打开区域取最大值的边界情况，标记打开区域不能包含整个对准标记的边界情况，若标记打开区域延伸到切割道以外会造成芯片内部结构损坏，而标记打开区域不能包含整个对准标记则会造成对准失败，因此标记打开区域的取值范围应在最大值的边界范围以内。
定义如下参数：M–晶圆键合机台/工艺对准偏差(M<0.5um)
T–光刻机台/工艺对准偏差
X,Y–标记打开区域的尺寸（假定Y为短边，Y<=80um)
所以对于边界情况需满足：
X>=40+0.5*2+T*2(以实际标记尺寸为准)
40+0.5*2+T*2<=Y<=80-0.5*2-T*2
由此可以得到：T<=9.5um,即光刻机台/工艺对准偏差<=9.5um时才能准确打开对准标记的区域，既可以打开整个对准标记，也不会造成芯片内部结构损坏。在本实施例中，第二光罩就可以达到正常光刻精度（对准偏差<500nm）并准确打开所有需要的前段对准标记
本发明的技术方案提高了现有技术三维集成电路制程中光刻对准的精度，同时本发明的方法可以适用于不同的前段制程以及Si基底的厚度，满足三维集成电路制程精确对准的要求。例如在三维影像传感器制程中，可以将金属网格与像素区域的套刻精度从+/-20um提高到<180nm，从而改善影像传感器的抗串扰性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)
1.一种穿透晶圆的光刻对准方法，包括以下步骤：
a）提供已进行晶圆键合的晶圆，并将所述晶圆放置到光刻机的工件台上；所述晶圆包括硅基底，所述硅基底的正面和背面分别生长有前段氧化层和后段氧化层；所述后段氧化层划分为若干个曝光单元，所述每个曝光单元边缘处均设有用于确定所述曝光单元位置的前段晶圆对准标记；
b）制作第一光罩，将所述第一光罩放置到光刻机上所述晶圆的上方，通过晶圆切口对准方式将所述第一光罩与所述晶圆对准，并通过所述第一光罩对多个前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆上多个曝光单元的前段晶圆对准标记；
c）制作第二光罩，通过光刻机对准系统将所述第二光罩与所述第一光罩上已打开的多个前段晶圆对准标记对准，并通过所述第二光罩对所有前段晶圆对准标记上方的前段氧化层和硅基底进行光刻、蚀刻和薄膜气相沉积，直至露出所述晶圆的所有曝光单元的前段晶圆对准标记，然后在后续的光刻工艺中正常曝光并采用套刻值补偿的方式实现器件的精确对准。
2.根据权利要求1所述的光刻对准方法，其特征在于：所述曝光单元与曝光单元之间设有切割道，所述前段晶圆对准标记形成在所述切割道上。
3.根据权利要求1所述的光刻对准方法，其特征在于：所述晶圆上硅基底的厚度为2um～6um。
4.根据权利要求1～3任一所述的光刻对准方法，其特征在于：步骤b）中，打开的所述前段晶圆对准标记的个数为3～10个。
5.根据权利要求4所述的光刻对准方法，其特征在于：所述第一光罩上设有与所述前段晶圆对准标记位置相对应的多个第一光罩对准标记，所述第一光罩对准标记用于与步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤b)中所述多个曝光单元上的前段晶圆对准标记。
6.根据权利要求4所述的光刻对准方法，其特征在于：所述第二光罩上设有与所有前段晶圆对准标记位置分别相对应的第二光罩对准标记，所述第二光罩对准标记用于与所述步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记进行对准，并通过光刻、蚀刻和薄膜气相沉积打开步骤c)中所述所有曝光单元上的前段晶圆对准标记。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CP03 | Change of name, title or address |
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