CN111273517B - 一种硅柱晶圆光刻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅柱晶圆光刻方法，通通过将带有光刻胶感光层的硅片衬底表面均分成多个区域，从其中一个区域按设定曝光视场值开始进行旋转曝光，将多个区域按照设定移动距离依次移动至曝光镜头下进行旋转曝光，设定曝光视场值比按掩模板上图形大小预定的曝光视场值大30μm～60μm，设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为‑5μrad～5μrad；通过对曝光视场值、每个区域曝光时移动距离进行调整，然后采用旋转曝光，确保各区曝光过程中部分区重叠，从而减轻了硅柱产品光刻场效应，通过该方法可显著的减轻光刻场效应，肉眼看不见格线，显微镜下观察重复区域交界处无明显色差，在CD SEM下重复区域交界处图形无明显差异。

Description

一种硅柱晶圆光刻方法

技术领域

本发明属于硅柱产品光刻领域，具体涉及一种硅柱晶圆光刻方法。

背景技术

光刻曝光所采用的主要方式有分步重复光刻机、步进扫描光刻机，两者分别使用的步进方式为STEP、SCANNER。这两种曝光方式均可避免接触式曝光所带来的沾污问题，同样可以解决接近式曝光所造成的分辨率低的问题。但是这两种曝光方式会引进光刻场效应。

光刻在空间中是以电磁波的方式进行传播的，当掩模板上图形的特征尺寸接近或小于曝光波长，光透过图形边缘时，就会发生衍射效应。光透过图形后本应该图形上的完整信息带给光刻胶，但是由于衍射效应的存在导致这个信息在空间中是扩散开的。无论分步重复光刻机还是不近扫描光刻机均采用投影方式进行曝光，即在掩模板和光刻胶之间放置一块透镜，利用光学系统将掩模板成像到光刻胶。为了将完整的信息带给光刻胶，需要将空间中的信息完全的收集起来，这样就需要一个很大的透镜，利用投影光学系统进行曝光的光刻机，其可曝光的最小尺寸取决于透镜的分辨率。

利用投影光学系统进行曝光的光刻机，其可曝光的最小尺寸取决与透镜的分辨率。

透镜分辨率计算公式：

R＝1.22*λ*f/d

R为透镜的分辨率λ为入射光的波长，f为透镜的焦距，d为透镜镜头的直径，可见透镜的直径越大分辨率越高。但是透镜的直径越大，其焦深越小，这么增加了后续曝光工艺的控制难度。

综合分辨率、焦深以及透镜制作工艺等，透镜的尺寸不可能做到无限大。掩模板上的图形想要一次性转移到硅片上，需要的透镜直径就大得惊人，透镜的直径是无法达到要求的。为了解决这个问题，光刻机制造商发明了分步重复光刻机和扫描步进光刻机，这两种光刻机曝光时将整个硅片分割成大小一样的block，每次在曝光时通过镜头移到完成一个block的曝光，再进行下一个block的曝光。这样整个硅片是通过多次曝光完成作业。这样就出现了光刻场效应：block交界处图形与正常处相比存在差异，光检下block分界线明显。每个block都是单独曝光，完成作业后相邻block接缝处总会存在差异。具体如图3所示，左侧block1半圆形1与右侧block2半圆形2之间有明显左右block分界线3，这种差异主要体现在接缝处图形对接差。这种差异在光检下block之间明显存在格线，无法满足硅柱产品的使用要求。

造成这种现象的主要原因有：

一、曝光视场的设置。曝光视场是根据掩模板上图形大小设置的，与之成一定比例(一般为1:5或1:6)。这样曝光时每个重复区域就能完全转移掩模板上的图形。但是在掩模板边缘地方，由于铬膜的阻挡，光在边缘处未能完整的传输信息，体现在硅片上就是曝光重复区域接缝处图形形状与正常处相比存在一定的差异(部分图形缺失)。

二、曝光时，每个重复区域在载片台上按照机台设定的移动距离移至光刻机镜头下进行曝光，这个移动距离(即STEP PITCH)一般是与曝光视场一致，而这个移动距离大小直接影响接缝处形成图形的大小。

三、掩模板对位的精准度。光刻机作业前首先要对掩模板进行对位，是通过光对掩模板上的对位标记进行衍射等产生模拟信号转换为数字信号，光刻机根据信号再确认对位标记的坐标从而整掩模板的位置。因此掩模板上的对位标记的精准会对掩模板的对位产生影响。反映在硅片上就是重复区域接缝处图形左右和上下图形旋转不一致，进而导致接缝处图形未能正常的对接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅柱晶圆光刻方法，以克服现有方法对晶圆拼接处图形存在明显差异，无法满足硅柱产品的使用要求的问题，本发明能够显著的减轻光刻场效应，使图形交界处无明显色差。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅柱晶圆光刻方法，包括以下步骤：

步骤1)、对硅片衬底表面进行除杂预处理；

步骤2)、在除杂预处理后的硅片衬底表面进行光刻涂胶工艺形成一层光刻胶感光层；

步骤3)、将带有光刻胶感光层的硅片衬底表面均分成多个区域，从其中一个区域按设定曝光视场值开始进行曝光，然后将多个区域按照设定移动距离依次移动至曝光镜头下进行曝光，完成硅片衬底的光刻胶感光层的光刻曝光，设定曝光视场值比掩模板上图形大小预定的曝光视场值大30μm～60μm，设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为 -5μrad～5μrad；

步骤4)、对光刻曝光的硅片衬底进行光刻显影工艺，形成硅柱图形。

进一步的，步骤1)具体方法为将硅片衬底浸泡在清洗液中，时间为 8min～12min，温度为110℃～130℃。

进一步的，清洗液为质量比为4:1的硫酸和双氧水混合物。

进一步的，硫酸采用浓硫酸，其中硫酸浓度为98％，双氧水浓度为30％。

进一步的，步骤2)具体包括以下步骤：

首先在除杂预处理后的硅片衬底表面通过气相成底膜；

然后在后成膜后的硅片衬表面滴加光刻胶，加速硅片衬表旋转速度至 3500rpm～4500rpm，使光刻胶伸展到整个硅片衬表表面，甩去多余的光刻胶，在硅片衬表上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层；

最后将硅片通过热板采用热传导方式加热，去除光刻胶中多余的水分。

进一步的，气相成底膜具体为：将六甲基二硅胺烷加热形成气体，由氮气携带至硅片衬表面后成膜。

进一步的，热板温度为140℃～150℃，时间为85S～95S。

进一步的，步骤4)中，将光刻曝光后的硅片衬在135℃～145℃下烘焙 85S～95S，然后将显影液滴至光刻曝光后的硅片衬底表面完成显影，光刻胶被显影液溶解后，用去离子水清洗硅片衬底，最后对硅片衬底进行高速甩干，最后在135℃～145℃下再烘焙85S～95S。

进一步的，将硅片衬底表面的去离子水甩干，硅片衬底甩干转速为 3500rmp～4500rmp。

进一步的，硅片衬底采用晶向<111>的N型硅片，硅片衬底电阻率为 8-13Ω·cm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种硅柱晶圆光刻方法，通过对硅片衬底表面进行除杂预处理，然后在除杂预处理后的硅片衬底表面进行光刻涂胶工艺形成一层光刻胶感光层；通过将带有光刻胶感光层的硅片衬底表面均分成多个区域，从其中一个区域按设定曝光视场值开始进行曝光，将多个区域按照设定移动距离依次移动至曝光镜头下进行曝光，设定曝光视场值比按掩模板上图形大小预定的曝光视场值大30μm～60μm，设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为-5μrad～5μrad；通过对曝光视场值、每个区域曝光时移动距离进行调整，然后采用曝光，确保各区曝光过程中部分区重叠，从而减轻了硅柱产品光刻场效应，通过该方法可显著的减轻光刻场效应，肉眼看不见格线，显微镜下观察重复区域交界处无明显色差，在CD SEM下重复区域交界处图形无明显差异。

附图说明

图1为本发明实施例中水平方向接缝处图形结构示意图。

图2为本发明实施例中垂直方向接缝处图形结构示意图。

图3为block接缝处场效应效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种硅柱晶圆光刻方法，包括以下步骤：

步骤1)、对硅片衬底表面进行除杂预处理使其表面呈裸硅状态；

具体的，对硅片衬底表面进行除杂预处理具体方法：将硅片衬底浸泡在清洗液中，时间为8min～12min，温度为110℃～130℃，清洗液采用质量比为 4:1的硫酸和双氧水混合物，硫酸采用浓硫酸，其中硫酸浓度为98％，双氧水浓度为30％。硅片衬底采用晶向<111>的N型硅片，硅片衬底电阻率为 8-13Ω·cm。

步骤2)、在除杂预处理后表面呈裸硅状态的硅片衬底表面进行光刻涂胶工艺形成一层光刻胶感光层；光刻胶型号为UV2406-1.35，光刻胶厚度为 760nm，步骤2)中形成的光刻胶感光层同时作为后续刻蚀掩蔽层。

具体的，包括以下步骤：

1、首先在除杂预处理后表面呈裸硅状态的硅片衬底表面通过气相成底膜：将六甲基二硅胺烷加热形成气体，由氮气携带至硅片衬表面后成膜，能够增强光刻胶的粘附性；

2、然后旋转涂胶；在后成膜后的硅片衬表面滴加光刻胶，加速硅片衬表旋转速度至3500rpm～4500rpm，使光刻胶伸展到整个硅片衬表表面，甩去多余的光刻胶，在硅片衬表上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层；

3、最后加热烘干：硅片衬表旋转涂布光刻胶后，将硅片通过热板采用热传导方式加热，热板温度为140℃～150℃，时间为85S～95S；去除光刻胶中多余的水分。

步骤3)、将带有光刻胶感光层的硅片衬底表面均分成多个区域，从其中一个区域按设定曝光视场值开始进行曝光，然后将多个区域按照设定移动距离依次移动至曝光镜头下进行曝光，完成硅片衬底的光刻胶感光层的光刻曝光，设定曝光视场值比按掩模板上图形大小预定的曝光视场值大30μm ～60μm，设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为-5μrad～5μrad；

具体的，曝光时将整个硅片衬底均分成多个重复区域，按照重复区域设定曝光视场，每个重复区域在载片台上按照机台设定的移动距离移至镜头下并对硅片衬底按照机台设定的旋转值进行旋转，然后完成曝光，整个硅片衬底通过多次曝光完成加工，即每个重复区域单独进行曝光。预定的曝光视场值是根据掩模板上图形大小设置的，在这基础上，对预定的曝光视场进行增大调整，实际设定曝光视场增大范围为30μm～60μm；设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为-5μrad～5μrad。

步骤4)、对光刻曝光的硅片衬底进行光刻显影工艺，形成硅柱图形。

步骤4)具体包括以下步骤：1.光刻曝光后烘焙；光刻曝光的硅片衬底需要进行短时间的曝光后烘焙，引起光刻胶的酸催化，从而使光刻胶变性，可溶于显影液，光刻曝光后烘焙温度为135℃～145℃，时间为85S～95S。

2.显影：将显影液滴至光刻曝光后的硅片衬底表面，滴液管缓慢经过硅片表面，将显影液均匀的滴至硅片衬底表面完成显影；光刻胶被显影液溶解后，用去离子水清洗硅片衬底，最后对硅片衬底进行高速甩干；将硅片衬底表面的去离子水甩干，硅片衬底甩干转速为3500rmp～4500rmp，旋转速度过快无法有效清洗，旋转速度过慢效率低。

3.坚膜烘焙：显影后需要将硅片衬底再次烘焙，以去除光刻胶内多余的溶剂。再次烘焙温度为135℃～145℃，时间为85S～95S。

实施例：

本实施例用于直径0.5微米，高1微米的硅片进行制作。硅片采用N型硅衬底，掩膜为光刻胶，光刻机为ASML PAS5500-FT750，光源为248nm，机台菜单初始预定的曝光视场为9093μm，机台设定的移动距离STEP PITCH 为9093μm，机台设定的初始旋转值SHOT RITION为0μrad。涂胶显影机台为TEL-ACT8,根据本发明具体步实施骤如下：

步骤一、使用全新<111>晶向，电阻率为8-13Ω·cm的N型硅片为衬底片，表面呈裸硅状态；硅片在酸槽用SPM(硫酸：双氧水为4：1)液进行除杂预处理，时间设定10min，温度设定：120℃；

步骤二、对除杂预处理后的硅片衬底进行光刻涂胶工艺，光刻胶型号为 UV2406-1.35，旋转转速设定为4070rpm，烘干的热板温度为145℃，时间为 90S，形成的光刻胶厚度为760nm，同时作为后续刻蚀掩蔽层；

步骤三、对硅片衬底进行光刻曝光工艺，在光刻机进行重复区域步进走位曝光前，设定曝光视场为9133μm，机台的移动距离为9093.03μm，旋转值设定为3，对重复区域内图形进行旋转曝光；

步骤四、对曝光后的硅片衬底晶圆进行光刻显影工艺，曝光后烘焙温度为140℃，时间为90S，旋转甩去硅片表面去离子水转速为4000rmp；烘焙温度为140℃，时间设定90S，形成硅柱图形。形成的效果图为图1、图2所示。

表1 CD SEM下SHOT交界处CD大小

	上下接缝处	左右接缝处	正常处
				X	0.5489	0.5961	0.5585
Y	0.5869	0.5481	0.5668

表1数据显示接缝处硅柱形貌与正常处硅柱形貌基本一致，满足产品要求。

Claims (10)

1.一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、对硅片衬底表面进行除杂预处理；

步骤2)、在除杂预处理后的硅片衬底表面进行光刻涂胶工艺形成一层光刻胶感光层；

步骤3)、将带有光刻胶感光层的硅片衬底表面均分成多个区域，从其中一个区域按设定曝光视场值开始进行曝光，然后将多个区域按照设定移动距离依次移动至曝光镜头下进行曝光，完成硅片衬底的光刻胶感光层的光刻曝光，设定曝光视场值比按掩模板上图形大小预定的曝光视场值大30μm～60μm，设定移动距离比均分区域大0.3μm～0.5μm，旋转曝光的旋转值为-5μrad～5μrad；

步骤4)、对光刻曝光的硅片衬底进行光刻显影工艺，形成硅柱图形。

2.根据权利要求1所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，步骤1)具体方法为将硅片衬底浸泡在清洗液中，时间为8min～12min，温度为110℃～130℃。

3.根据权利要求2所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，清洗液为质量比为4:1的硫酸和双氧水混合物。

4.根据权利要求3所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，硫酸采用浓硫酸，其中硫酸浓度为98％，双氧水浓度为30％。

5.根据权利要求1所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，步骤2)具体包括以下步骤：

首先在除杂预处理后的硅片衬底表面通过气相成底膜；

然后在后成膜后的硅片衬表面滴加光刻胶，加速硅片衬表旋转速度至3500rpm～4500rpm，使光刻胶伸展到整个硅片衬表表面，甩去多余的光刻胶，在硅片衬表上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层；

最后将硅片通过热板采用热传导方式加热，去除光刻胶中多余的水分。

6.根据权利要求5所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，气相成底膜具体为：将六甲基二硅胺烷加热形成气体，由氮气携带至硅片衬表面后成膜。

7.根据权利要求5所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，热板温度为140℃～150℃，时间为85S～95S。

8.根据权利要求1所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，步骤4)中，将光刻曝光后的硅片衬在135℃～145℃下烘焙85S～95S，然后将显影液滴至光刻曝光后的硅片衬底表面完成显影，光刻胶被显影液溶解后，用去离子水清洗硅片衬底，最后对硅片衬底进行高速甩干，最后在135℃～145℃下再烘焙85S～95S。

9.根据权利要求8所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，将硅片衬底表面的去离子水甩干，硅片衬底甩干转速为3500rmp～4500rmp。

10.根据权利要求1所述的一种硅柱晶圆光刻方法，其特征在于，硅片衬底采用晶向<111>的N型硅片，硅片衬底电阻率为8-13Ω·cm。

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