CN112286005A - 一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法。包括：使用激光器产生激光通过偏振片后，聚光到掩膜板上，通过掩膜板之后射到晶圆片上，包括两次曝光过程：第一次曝光：使用第一偏振片对与第一偏振片的偏振光方向相同的晶圆布线位置进行曝光；第二次曝光：使用第二偏振片对与第二偏振片的偏振光方向相同的晶圆布线位置进行曝光；第一偏振片和第二偏振片的偏振光方向分别与掩膜板的两个相互垂直方向的线条方向相同。利用激光的偏振方向和集成电路走向一致的偏振光来曝光感光胶，提高分辨率。

Description

一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法

技术领域

本发明属于集成电路光刻技术领域，具体涉及一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

集成电路在计算机、数字设备、智能机电中的重要部分，小到儿童玩具，大到航天飞机都在大量使用集成电路芯片，实现其产品智能化，特别是高端芯片是大国、强国竞争的焦点。光刻技术成为关键工序，光刻机成为核心设备。光刻工序决定光刻制作过程。决定光刻最小线宽(即分辨率)的关键步骤。

光刻：光刻的目的及作用就是圆晶片表面绝缘层刻蚀出需要的区域，曝光模式有接触式曝光(软接触、硬接触、真空接触)和投影曝光模式。

或者说：将器件制造、电路连线分层次、分步骤、分区域的图纸按比例缩小后映射到圆晶硅片上，比例有5:1或4：1。光刻套刻有的多到30多次。

光刻机：又称掩膜对准曝光机。相当于用胶片的照相机。照相分为两步：拍照、冲洗底片。一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、显影检验、刻蚀、去胶、最终检验工序。

集成电路的衡量参数：单位面积含有电子元器件的个数，称为集成度。密度越高、集成度越大。完成的功能越多。导致制造元器件的几何尺寸越来越小，线宽越来越细。工艺水平又按照最小线宽来体现如：1微米，0.5微米，0.1微米、50纳米、22纳米、10纳米、7纳米、5纳米等制造工艺。

分辨率为相邻两个特征图形区分开的能力。分辨率越高，形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨能力越好，光刻系统就越好。

目前台积电使用荷兰ASML公司NXE3300\NXE3350\NXE3400等型号光刻机，实现10nm\7nm\5nm工艺的芯片生产。

使用光源的波长逐渐缩短：436nm、365nm、248nm、193nm、13.6nm

光的偏振模式：各项概率一样，称为全向振荡如自然光。还有线偏振分为：Y轴偏振、即振荡沿Y轴上下周期振动。或者X偏振即沿X轴左右来回周期运动。在Y-X平面做圆周、或椭圆周期运动。偏振光在传播特性上，与自然光是不一样的，方向性更好，携带信息量更大。

国内上海微电子设备公司可以生产90纳米的光刻机。中科院光电所研发出波长365纳米，分辨率22纳米的光刻技术。想要达到更好的分辨率是一个较难的问题，光刻工艺和光刻机方面的技术需要提升和改进。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法，包括：

使用光源发出的光波通过偏振片后，聚光到掩膜板上，通过掩膜板之后射到晶圆片上，包括两次曝光过程：

第一：Y轴偏振曝光：Y轴细线条曝光过程：光源、偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，曝光，偏振片为Y轴方向；

第二：X轴偏振光进行曝光：方向细线条曝光过程：光源、偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，感光胶曝光，偏振片为X轴方向。

掩模板的改进：掩膜板分为挡光区、透光区。挡光部分与现有技术一样。透光区域分类处理，分为Y轴、X轴方向的接近分辨率的极细的线条，其它部分。极细线条透光区设有偏光膜，符合该模式的偏光能通过。不符合，不让通过。不是细线条的透光部分，涂有半透膜。二次透光也能满足曝光要求。

利用光波的偏振方向和集成电路的线条走向相同，得到的集成电路的线条更细，提高分辨率。

第二方面，上述提高芯片光刻工艺分辨率的方法或系统在集成电路的光刻领域中的应用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

通过利用偏振光和掩膜板(改进后)的透光细线条的相互作用，将一次曝光改为二次曝光，如Y轴走向的最细线条，采用Y轴方向的偏振光来曝光其上面的感光胶；X轴方向的最细线条，采用X轴方向偏振光来曝光其上面的感光胶，偏振光和集成电路的布线方向一致，提高光刻的分辨率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为提高芯片光刻工艺分辨率的方法的流程图；

图2为掩膜板、晶圆片、偏振光曝光的对应关系图；

图3为机械振动示意图；

图4为振动占据空间的示意图；

图5为光刻方向示意图；

图6为光刻示意图；

图7为现有的光刻方法；

图8为掩膜板的示意图；

其中，1、掩膜板，2、晶圆片，3、X轴方向的线条，4、Y轴方向的线条，5、X方向掩膜板，6、Y方向掩膜板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法，包括：

使用光源发出的光波通过偏振片后，聚光到掩膜板上，通过掩膜板之后射到晶圆片上，包括两次曝光过程：

第一：Y轴偏振曝光：Y轴细线条曝光过程：光源、Y方向偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，曝光，偏振片为Y轴方向；

第二：X轴偏振光进行曝光：方向细线条曝光过程：光源、x方向偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，感光胶曝光，偏振片为X轴方向。

二次曝光量的每一次，都能达到感光胶的要求。

在本发明的一些实施方式中，掩膜板分为挡光区、透光区，透光区域分类处理，分为Y轴、X轴方向的接近分辨率的极细的线条，极细线条透光区设有偏光膜，是细线条的透光部分，涂有半透膜。

如图2所示，光源到达掩膜板1后，符合该模式的偏光能通过。不符合，不让通过。不是细线条的透光部分，涂有半透膜。二次透光也能满足曝光要求。挡光部分与现有技术一样。到达晶圆片2上的光分为X轴方向的线条3和Y轴方向的线条4。

集成电路(芯片)的光刻工艺，其曝光原理：

光刻机的分辨率：CD＝Kλ/NA

CD为线宽；K＝0.5-1为光刻机系统常数；λ为光源波长；NA为物镜的数值口径提高分辨率的途径：(1)缩短波长，提高分辨率。

如λ＝436纳米、365纳米、248纳米、193纳米、13.6纳米。

选取光源的波长越来越短，从500纳米减小十多纳米。光源的稳定、光源的功率越来越难以保证。

(2)K值减小，光刻机的系统常数。他越小，分辨率越高；如K＝1.0；0.8；0.6；0.4；0.3；0.25。

(3)物镜的数值口径NA越大，分辨率越高；如NA＝0.25；0.30；0.33；0.40；0.45；0.50；0.60；0.64；0.70；

瑞利给出的光学仪器的分辨率：0.5λ。

而光刻工艺达到0.25λ线宽。

瑞利判断：如果一个点光源的衍射图像的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图像第一个最暗处重合，认为这两个点光源恰能为这一光学仪器的分辨率。

光源说明：点光源，波长单一、定值。但是光的振动方向没有限定，各方向都有，沿传播方向垂直面，均匀分布。衍射以图像：中心为明亮圆，外部暗环嵌套。中央圆称为艾里斑。

本发明提高芯片光刻工艺分辨率的方法的基本原理为：

振动的方向性：

如图3所示，机械振动有振动的方向性：如沿Y轴方向振动

Y(t)＝Asinωt；

机械振动对空间的要求：

对Y轴方向有空间要求，提供的空间不能小于振幅；

对X.Z轴方向的空间没有要求。言然之意：X\Z空间可以很小；

振动占据的空间示意图如图4所示，振动占据空间可以成为很窄的细框。细框与光刻的最细线宽有对应之意。

振动如果是圆周振动，震动的空间在XY面成圆形，如果是三维球型振动，空间上，占据空间各个方向都均等。无法实现某一方向窄化处理。

机械波：振动分为线性、圆周振动

线性振动：一般表达式

Y(z,t)＝Asin(ωt-kz+θ0)

沿Y轴方向振动，沿Z方向传播。

该波占据的空间。Y方向有要求：不能小于振幅。Z方向也有要求。而X轴方向没有要求。也就是说：X方向的线宽，可以做的很细。

电磁波：

E_Y(z,t)＝E0sin(ωt-kz+θ0)

沿Y轴方向振动，沿Z方向传播。

该波占据的空间。Y方向有要求：不能小于振幅。Z方向也有要求。而X轴方向没有要求。也就是说：X方向的线宽，可以做的很细。

如果电磁波是圆极化或椭圆极化，在XY平面，占据空间一样。

综上所述，偏振光在非振动方向上，没有空间要求。因此采用偏振光曝光模式，最细线宽可以更细，因此分辨率可能提高。

光路改成偏振光二次曝光的模式，第一次偏振和第二次偏振分别为沿着Y轴和X轴。波就是振动的传播。振动有方向性。机械振动，在震动方向，占据空间大。非震动空间方向，占据空间小。电磁波，光波也属于波的传输。光刻技术就是光对局部感光胶的选择性感光过程。所谓的细线条，也就是感光过程能区分的最细区域。

集成电路通常以横平竖直的模式进行设计的，线条为集成电路上的布线。集成电路的光刻过程中，光波的偏振方向与电路走向一致才能使电路的线条最细，最细线条的粗细是衡量集成电路的分辨率的重要参数。

在本发明的一些实施方式中，针对不同光源如激光器的波长为436纳米、365纳米、246纳米、193纳米或13.6纳米光源的光刻机。提高光刻工艺的分辨率

第二方面，上述提高芯片光刻工艺分辨率的方法或系统在集成电路的光刻领域中的应用。

X轴方向的最细线条和Y轴方向的最细线条，表示方向相互垂直的两个最细线条。

现有的集成电路线条的分辨率分别为200nm、90nm、45nm、22nm、10nm、5nm、未来期盼的分辨率2.5nm。分辨率高的光刻工艺在技术上更先进，如分辨率为5nm的集成电路相比于分辨率为90nm的集成电路相比，5nm在技术上具有先进性，先进4代，光刻得到的集成电路布线更多，芯片的处理能力更强。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1在芯片器件的制造过程(工艺)中

光刻工艺步骤：1、涂胶：在圆晶片上涂上一层很薄、并且非常均匀的光刻胶。对准晶圆片表面，多角度喷洒光刻胶、同时晶圆片旋转，达到胶层均匀、牢固在晶圆片表面。同时使胶层很薄。温度控制在光刻胶的最佳流液体状态。同时为了较少空气的污染，吹进高纯度氮气。

2、胶层烘干：根据光刻胶的特点，先用合适的烘干温度、烘干时间。同时缓慢吹入高纯度氮气。减少空气的污染。

3、曝光工艺：(1)准备阶段：开净化器设备，根据工艺步骤、工艺流程，检查或更换工艺对应的掩膜板。同一型号的芯片，制造工艺需要的光刻掩膜板，少则5，6套，有的芯片复杂，掩膜板多达30多套。因此在光刻以前，必须认真核对、或更换对应工序的掩膜板。

(2)光刻机检查，光刻机高度精密设备，光刻设备是最珍贵、最爱惜、最精心造作的设备。也最容易出故障的设备。各项指示灯是否正常。操作屏、操作台是否正常。

(3)样片：涂胶、烘干、上光刻机、曝光、显影、刻蚀。检验工艺

(4)样片的工艺流程结束后，工艺正常。正式圆晶片进入光刻工艺

(5)曝光：根据光刻胶的特点，选择曝光强度、曝光时间。完成曝光。

曝光流程：光源---偏振片选择(安装)、聚光束、掩膜版、物镜(缩小)---圆晶片面的光刻胶---完成光刻胶的曝光目的。如图1所示

Y轴偏振曝光：光源---Y轴起偏器(Y轴偏振片)---聚光束--掩膜板--物镜(缩小)---圆晶片面的光刻胶---完成Y轴细线条的光刻胶的曝光。

X轴偏振曝光：光源---X轴起偏器(X轴偏振片)---聚光束--掩膜板--物镜(缩小)---圆晶片面的光刻胶---完成X轴细线条的光刻胶的曝光。

其他形状的图形光刻胶的曝光量，掩膜板涂有半透膜，两次曝光各完成一半的曝光量。

4、显影工艺：对曝过光的圆晶片，针对光刻胶的性质，光刻胶又分为正胶、负胶。根据光刻胶的性质，选用合适的显影液。如正胶，曝光的部分，冲洗掉。显影是否彻底。根据显影液、以及光刻胶的特性，控制显影液的温度、显影时间。达到曝光的光刻胶彻底清洗掉。然后进行流水式，清洗显影液。而后烘干。

5、刻蚀工艺：通常用化学方法除掉绝缘层或多余部分。开挖出掩膜板所要求的图形。如用氢氟酸腐蚀掉没有光刻胶保护二氧化硅层。曝光-显影后的图形区域。根据刻蚀层的厚度、以及氢氟酸的浓度、以及温度，控制刻蚀时间。问题：时间短，刻蚀不透，边沿不清晰、细线条不流畅。刻蚀过度，引起边沿掏空现象，甚至穿帮，相邻两个区域贯通啦。不该联通的，联通。电路功能改变甚至失效。成为废品。

清洗、检验、烘干下一道工序备料。

光刻工艺改造能够提高光刻分辨率。在偏振方向不受瑞利判断的分辨率限制。因此光刻线宽不受光源四分之一波长的分辨率的限制。

如图8所示为掩膜板的示意图，掩膜板1包括X方向掩膜板5和Y方向掩膜板6，X方向掩膜板5和Y方向掩膜板6的最细线条的方向相互垂直。

实施例2在布线光刻中使用

可以在布线(铝材料布线、金材料布线)光刻工艺中。集成电路布线成为最大难题。元器件尺寸小，布线密度大。线条占据空间。通常采用平行布线。线条长而窄。最细线宽经常用在这里。采用双偏振曝光工艺可以提高布线密度。

实施例3在芯片制作的光刻工艺中

元器件制作，集成度表明，单位面积上包含有电子元器件的个数。因此线条细，器件密度才能大。采用双偏振曝光工艺可以做出更细线条，提高芯片集成度。

实施例4

有源器件如二极管、三级管的制造工艺，器件结构区的制造，也需要光刻工艺可出工作面区域。采用双偏振曝光工艺可以做出更细有源器件如二极管、三级管的结构区，使线条更细。区域更小。运行速度更快、提高芯片的运行速度。

如图5所示，利用光波的偏振方向和集成电路的线条走向相同，得到的集成电路的线条更细，提高分辨率。类似于用镐进行挖沟的过程，如果挖沟的方向与沟的方向稍有偏差或者垂直于沟的方向，相当于在沟的侧面向外扩张，会导致沟会变宽。而顺延沟的方向进行挖沟，使沟向侧面扩展的更小，得到的集成电路的线条更细，有利于提高分辨率。

如图6所示，光源发来的光波通过掩膜板后，透过的光射入到光刻胶上。

如图7所示的现有光刻工艺流程如下工序：第一步在圆晶片上涂上一层光刻胶；第二步胶光刻机完成掩膜板的图形照到到晶圆片的胶层上，相当于照相过程。第三步：如果使用正感光胶，感光部分清洗掉，类似于冲洗照片的显影工序。第四步：化学刻蚀：没有感光胶层的圆镜片的绝缘层(SiO₂)用氢氟酸HF刻蚀掉。第五步：用化学方式，再把胶全部彻底的清除掉。按照制造工序流程进行下一道工序如基区扩散、或者发射区扩散、或者蒸铝等工序。这要看整个制造工序进行到那一道工序而定。

实施例5

光刻掩膜版按图形走向分为Y方向细线条以及Y方向趋向图形模版(简称为Y向模版)，和X方向细线条以及X方向趋向图形的模版(简称为X向模版)。

掩膜版的细线条宽度尽管是实际线条的4-5倍，如果是7纳米工艺，也就是28--35纳米的线宽。这么细的线条中，贴偏振膜或半透膜。工艺上难度很大。一块掩膜版分成两块，图形密度降低，图形制作相对简单一些，要求也低一些。因此质量容易提高。

曝光仍然是2次

Y轴向曝光：选择Y轴偏振器，让光源光线照射Y轴偏振器，Y轴偏振光线再照射到Y向模版，然后再到圆晶片上的光刻胶。

X轴向曝光：选择X轴偏振器，让光源光线照射X轴偏振器，X轴偏振光线再照射到X向掩膜版，然后再到圆晶片上的光刻胶、

好处：工艺简单：光源经过线偏振光片，出来的线偏振光再照射到线掩膜版，光线再照射到感光胶。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种提高芯片光刻工艺分辨率的方法，其特征在于：包括：

使用光源发出的光波通过偏振片后，聚光到掩膜板上，通过掩膜板之后射到晶圆片上，包括两次曝光过程：

第一：Y轴偏振曝光：Y轴细线条曝光过程：光源、Y轴方向偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，完成曝光。

第二：X轴偏振光进行曝光：方向细线条曝光过程：光源、X轴方向偏振片、聚光、掩膜板、物镜、晶圆片上光刻胶层，感光胶曝光。

2.如权利要求1所述的提高芯片光刻工艺分辨率的方法，可以使用在：激光器的波长为436纳米、365纳米、246纳米、193纳米或13.6纳米光源光刻工艺。

3.如权利要求1所述的提高芯片光刻工艺分辨率的方法，其特征在于：掩膜板分为挡光区、透光区，透光区域分类处理，分为Y轴、X轴方向的接近分辨率的极细的线条，极细线条透光区设有偏光膜，是细线条的透光部分，其他部分涂有半透膜。

4.如权利要求1所述的提高芯片光刻工艺分辨率的方法，其特征在于：掩膜板分为Y方向掩膜板和X方向掩膜板，Y方向掩膜板和X方向掩膜板的细线条方向相互垂直。

5.如权利要求4所述的提高芯片光刻工艺分辨率的方法，其特征在于：两次曝光过程：光源经过Y轴偏振器后，输出Y轴方向偏振光，照射Y方向细线条掩膜板，再对圆晶片光刻胶进行曝光；然后光源经过X轴偏振器后，输出X轴方向偏振光，照射X方向细线条掩膜板，再对圆晶片光刻胶进行曝光。

6.权利要求1-5任一所述的提高芯片光刻工艺分辨率的方法在集成电路的光刻领域中的应用。

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