CN112213922B - 一种光刻曝光条件的设定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光刻曝光条件设定方法，通过在一个方向上以固定步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域，并检测每个所述曝光区域的多个点，并进行相应的计算，提高了曝光条件设定的准确性和可靠性。

Description

一种光刻曝光条件的设定方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及半导体制造的曝光系统设定聚焦值及曝光能量等条件的设定方法。
背景技术
聚焦能量矩阵(Focus-Energy Matrix，FEM)是用来检查光刻工艺窗口和确定最佳曝光条件的测试方法，通过在一个硅片上的不同区域使用不同的曝光焦距和能量可以产生不同工艺条件的组合，通过此方法可以在一个硅片上进行实验确定聚焦深度、曝光量所允许的范围和最佳焦距、最佳曝光能量。
曝光时，在一个方向以固定的步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，如附图1所示。每个条件对应一片晶圆上一个曝光区域(shot)，以此为条件曝光显影，并经过CD-SEM的量测得出每个曝光区域的关键尺寸值(critical dimension，CD)，以及通过CD-SEM的Top view的照片来确定哪些曝光区域的曝光条件是符合该特定层的制程要求的(通常CD值的上下规格为±10％，而对于Top view照片的要求是能够确定光刻胶的是基本上垂直的)。将各个曝光区域的关键尺寸值和各个的曝光-能量条件作为输入，便可以得到所谓的“bossung”曲线，如附图2。
然而，现有技术中通过CD-SEM的量测中，通常只检测收集每个曝光区域的一个点的关键尺寸值，参考附图3。而实际上，单个点的关键尺寸值并不能完全的反应曝光区域的全部信息，因此，其会造成最终设定的曝光条件与理想的曝光条件有较大的偏差。
另外，现有技术中的曝光能量矩阵的聚焦值和曝光能量的改变步长为恒定值，当不确定符合制程要求的曝光能量和聚焦值的大致范围时，会出现由于曝光能量和聚焦的初始值设定不当，导致得不到符合制程要求的曝光能量和聚焦值的范围的情况。比如，某一晶圆的曝光能量矩阵，其初始聚焦值为0.2μm，初始曝光能量为50mJ/cm2,聚焦值的步长为0.02μm，曝光能量的步长为10mJ/cm2，分别延着所述晶圆的两个方向改变5次，可知所述曝光能量矩阵的聚焦值范围为0.2μm～0.3μm,而曝光能量的范围为50mJ/cm2～100mJ/cm2。然而，当符合制程要求的聚焦值范围在0.34～0.38μm，符合制程要的曝光能量的范围在120mJ/cm2～140mJ/cm2的情况下，上述晶圆曝光能量矩阵得不到符合制程要求的曝光能量和聚焦值的范围。也就是说在这种情况下，现有技术可能采用对多个晶圆形成曝光能量矩阵，或者采用大面积的晶圆形成曝光能量矩阵，损耗较多的人力和物力。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种光刻曝光条件设定方法，以解决提高曝光条件的准确性和可靠性，另外一方面提供了一种光刻曝光条件设定方法，以测量效率。
本发明实施例提供了一种光刻曝光条件设定方法，包括提供待曝光晶圆，所述晶圆上具有一光刻胶层；通过在一个方向上以固定步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；每个所述曝光区域具有第一曝光图案，所述第一曝光图案为多个第二曝光图案组成的第二阵列；用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案的形貌数据；对每个所述第二曝光图案的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
由于测定了第一曝光图案的多个第二曝光图案的形貌数据，即测定了多个点的关键尺寸数据，更全面地测定了当前曝光条件下的曝光效果。
可选地，所述形貌数据为线宽、孔径、高度或倾斜角。
可选地，其特征在于，所述计算为计算形貌数据的平均值、标准差或方差。
可选地，用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射的步骤中，至少分别对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射。
对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射，照射检测了当前第一曝光图案的关键的检测点，提高了对当前曝光条件的曝光效果确定的检测效率及准确性。
可选地，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
可选地，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
可选地，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
可选地，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
本发明实施例提供了另外一种光刻曝光条件设定方法，包括提供待曝光晶圆，所述晶圆上具有一光刻胶层；通过在一个方向上以第一步长改变聚焦值，另一个方向以第二步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；每个所述曝光区域具有第一曝光图案，所述第一曝光图案为多个第二曝光图案组成的第二阵列；用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案的形貌数据；对每个所述第二曝光图案的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
所述聚焦值的所述第一步长ΔF和所述曝光能量的所述第二步长ΔE先逐渐减小再逐渐增大。
由于测定了第一曝光图案的多个第二曝光图案的形貌数据，即测定了多个点的关键尺寸数据，更全面地测定了当前曝光条件下的曝光效果。
同时，由于所述第一步长ΔF和所述第二步长ΔE的值为先逐渐减小再逐渐增大，可以在不增加曝光晶圆的面积的情况下，扩大了曝光能量矩阵的检测范围，有效避免了由于初始聚焦值和曝光范围的设定不恰当导致的得不到符合制程要求的的聚焦值范围和曝光能量值范围的情况。
可选地，所述形貌数据为线宽、孔径、高度或倾斜角。
可选地，其特征在于，所述计算为计算形貌数据的平均值、标准差或方差。
可选地，用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射的步骤中，至少分别对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射。
对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射，照射检测了当前第一曝光图案的关键的检测点，提高了对当前曝光条件的曝光效果确定的检测效率及准确性。
可选地，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
可选地，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
可选地，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
可选地，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1显示为现有技术中的聚焦能量矩阵曝光条件设定示意图。
图2显示为现有技术中的bossung曲线示意图。
图3显示为现有技术中的检测收集曝光区域关键尺寸的示意图。
图4显示为本发明实施例中的晶圆的示意图。
图5显示为本发明实施例中第一检测图案及第二检测图案的示意图。
图6显示为本发明实施例中的检测收集曝光区域关键尺寸的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在现有技术中通过CD-SEM的量测中，通常只检测收集每个曝光区域的一个点的关键尺寸值，参考附图3。而实际上，单个点的关键尺寸值并不能完全的反应曝光区域的全部信息，因此，其会造成最终设定的曝光条件与理想的曝光条件有较大的偏差。
本发明实施例提供了一种光刻曝光条件设定方法，包括提供待曝光晶圆100，所述晶圆100上具有一光刻胶层；通过在一个方向上以固定步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；参考附图5，每个所述曝光区域具有第一曝光图案10，所述第一曝光图案10为多个第二曝光图案101组成的第二阵列；用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案101的形貌数据；对每个所述第二曝光图案101的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
由于测定了第一曝光图案10的多个第二曝光图案101的形貌数据，即测定了多个点的关键尺寸数据，更全面地测定了当前曝光条件下的曝光效果。
可选地，所述形貌数据为线宽、孔径、高度或倾斜角。
可选地，其特征在于，所述计算为计算形貌数据的平均值、标准差或方差。
可选地，参考附图6，用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射的步骤中，至少分别对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射。
对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射，照射检测了当前第一曝光图案10的关键的检测点，提高了对当前曝光条件的曝光效果确定的检测效率及准确性。
可选地，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
可选地，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
可选地，，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
可选地，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
另外，现有技术中的曝光能量矩阵的聚焦值和曝光能量的改变步长为恒定值，当不确定符合制程要求的曝光能量和聚焦值的大致范围时，会出现由于曝光能量和聚焦的初始值设定不当，导致得不到符合制程要求的曝光能量和聚焦值的范围的情况。比如，某一晶圆的曝光能量矩阵，其初始聚焦值为0.2μm，初始曝光能量为50mJ/cm2,聚焦值的步长为0.02μm，曝光能量的步长为10mJ/cm2，分别延着所述晶圆的两个方向改变5次，可知所述曝光能量矩阵的聚焦值范围为0.2μm～0.3μm,而曝光能量的范围为50mJ/cm2～100mJ/cm2。然而，当符合制程要求的聚焦值范围在0.34～0.38μm，符合制程要的曝光能量的范围在120mJ/cm2～140mJ/cm2的情况下，上述晶圆曝光能量矩阵得不到符合制程要求的曝光能量和聚焦值的范围。也就是说在这种情况下，现有技术可能采用对多个晶圆形成曝光能量矩阵，或者采用大面积的晶圆形成曝光能量矩阵，损耗较多的人力和物力。
再参考附图4，本发明实施例提供了另外一种光刻曝光条件设定方法，包括提供待曝光晶圆100，所述晶圆100上具有一光刻胶层；通过在一个方向上以第一步长ΔF改变聚焦值，另一个方向以第二步长改变曝光能量ΔE，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；参考附图5，每个所述曝光区域具有第一曝光图案10，所述第一曝光图案10为多个第二曝光图案101组成的第二阵列；用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案101的形貌数据；对每个所述第二曝光图案101的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
由于测定了第一曝光图案的多个第二曝光图案的形貌数据，即测定了多个点的关键尺寸数据，更全面地测定了当前曝光条件下的曝光效果。
同时，所述聚焦值的所述第一步长ΔF和所述曝光能量的所述第二步长ΔE先逐渐减小再逐渐增大。
比如，某一晶圆的曝光能量矩阵，其初始聚焦值为0.2μm，初始曝光能量为50mJ/cm2,分别延着所述晶圆的两个方向改变5次，聚焦值的第一步长ΔF分别为0.1μm，0.06μm，0.02μm，0.06μm，0.1μm，可知所述曝光能量矩阵的聚焦值范围为0.2μm～0.54μm,；曝光能量的第二步长ΔE分别为30mJ/cm2，20mJ/cm2，10mJ/cm2，20mJ/cm2，30mJ/cm2，可知曝光能量的范围为50mJ/cm2～160mJ/cm2。由此可见，对于符合制程要求的聚焦值范围在0.34～0.38μm，符合制程要的曝光能量的范围在120mJ/cm2～140mJ/cm2的情况下，该曝光能量矩阵可以测量到所需要的符合制程要求的曝光值和曝光能量范围。由此可见，相对于现有技术，该实施例在未改变晶圆大小及曝光能量矩阵面积的情况下，扩大了曝光能量矩阵的测量范围，
同时，由于所述第一步长ΔF和所述第二步长ΔE的值为先逐渐减小再逐渐增大，可以在不增加曝光晶圆的面积的情况下，扩大了曝光能量矩阵的检测范围，有效避免了由于初始聚焦值和曝光范围的设定不恰当导致的得不到符合制程要求的的聚焦值范围和曝光能量值范围的情况。
可选地，所述形貌数据为线宽、孔径、高度或倾斜角。
可选地，其特征在于，所述计算为计算形貌数据的平均值、标准差或方差。
可选地，参考附图6，用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射的步骤中，至少分别对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射。
对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射，照射检测了当前第一曝光图案10的关键的检测点，提高了对当前曝光条件的曝光效果确定的检测效率及准确性。
可选地，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
可选地，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
可选地，，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
可选地，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
再参考附图4，本发明实施例提供了另外一种光刻曝光条件设定方法，包括提供待曝光晶圆100，所述晶圆100上具有一光刻胶层；通过在一个方向上以固定步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；参考附图5，每个所述曝光区域具有第一曝光图案10，所述第一曝光图案10为多个第二曝光图案101组成的第二阵列；用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案101的形貌数据；对每个所述第二曝光图案101的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
由于测定了第一曝光图案10的多个第二曝光图案101的形貌数据，即测定了多个点的关键尺寸数据，更全面地测定了当前曝光条件下的曝光效果。
可选地，所述形貌数据为线宽、孔径、高度或倾斜角。
可选地，其特征在于，所述计算为计算形貌数据的平均值、标准差或方差。
可选地，参考附图6，用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射的步骤中，至少分别对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射。
对所述第一曝光图案10的四个角落及正中央的第二曝光图案101进行照射，照射检测了当前第一曝光图案10的关键的检测点，提高了对当前曝光条件的曝光效果确定的检测效率及准确性。
可选地，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
可选地，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
可选地，，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
可选地，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (14)

1.一种光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述光刻曝光条件设定方法包括：
提供待曝光晶圆，所述晶圆上具有一光刻胶层；
通过在一个方向上以固定步长改变聚焦值，另一个方向以另一个固定步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；
每个所述曝光区域具有第一曝光图案，所述第一曝光图案为多个第二曝光图案组成的第二阵列；
用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案的形貌数据，至少分别对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射；
对检测收集的所述第二曝光图案的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
2.根据权利要求1所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述形貌数据包括线宽、孔径、高度或倾斜角中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述计算包括计算形貌数据的平均值、标准差或方差中的至少一种。
4.根据权利要求1-3之一所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
5.根据权利要求4所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
6.根据权利要求1-3之一所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
7.根据权利要求6所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
8.一种光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述光刻曝光条件设定方法包括：
提供待曝光晶圆，所述晶圆上具有一光刻胶层；
通过在一个方向上以第一步长改变聚焦值，另一个方向以第二步长改变曝光能量，在所述光刻胶层上形成由多个曝光条件不同的曝光区域组成的第一阵列；
所述聚焦值的所述第一步长和所述曝光能量的所述第二步长先逐渐减小再逐渐增大；
每个所述曝光区域具有第一曝光图案，所述第一曝光图案为多个第二曝光图案组成的第二阵列；
用扫描式电子显微镜依次对多个所述曝光区域进行照射，并检测收集当前被照射的所述曝光区域的多个所述第二曝光图案的形貌数据，至少分别对所述第一曝光图案的四个角落及正中央的第二曝光图案进行照射；
对检测收集的所述第二曝光图案的形貌数据进行计算，并选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
9.根据权利要求8所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述形貌数据包括线宽、孔径、高度或倾斜角中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述计算包括计算形貌数据的平均值、标准差或方差中的至少一种。
11.根据权利要求8-10之一所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述方法还包括以聚焦值及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同曝光能量的曲线。
12.根据权利要求11所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，基于所述不同曝光能量的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
13.根据权利要求8-10之一所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，所述方法还包括以曝光能量及计算后的形貌数据为坐标轴，绘制不同聚焦值的曲线。
14.根据权利要求13所述的光刻曝光条件设定方法，其特征在于，基于所述不同聚焦值的曲线，选择出符合制程要求的聚焦值范围和曝光能量值范围。
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