CN114035408A - 优化光刻工艺窗口的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体结构表面位置的测量方法及优化光刻工艺窗口的方法，应用与半导体技术领域。具体的，在本发明提供的半导体结构表面位置的测量方法中，其提出一种通过改变表面水平传感系统的探测激光束波长的方式，来提高半导体结构（晶圆）水平表面位置的测量精度，从而在利用现有技术的基础上，避免了由于光刻胶的透光性导致的晶圆表面测量精度低的问题。并且，在本发明提供的优化光刻工艺窗口的方法中，由于其先利用探测激光束波长减短的表面水平传感系统准确的量测出晶圆表面的不同区域的高度，并基于该高度对其进行调整，然后，在对该水平面调整后的晶圆进行曝光工艺，从而使其在曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

Description

优化光刻工艺窗口的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体结构表面位置的测量方法及优化光刻工艺窗口的方法。

背景技术

随着高集成度、超高速、超高频集成电路及器件的研制开发，大规模集成电路、超大规模集成电路的特征尺寸越来越细，加工尺寸进入深亚微米、百纳米甚至纳米级。在微电子技术领域，微细光刻技术是人类迄今所能达到的精度最高的加工技术，但是，集成电路的进一步发展需要相应的曝光技术的支持，光刻胶技术是曝光技术的重要组成部分。

通常，晶圆表面存在各种图形结构，使其表面并不平整。所以在晶圆曝光之前，需要先利用表面水平传感系统（leveling system）对每一个曝光区域做表面位置量测和调整。从而在对晶圆曝光时，光刻机的聚焦系统可以保证在晶圆表面曝光区域内聚焦。目前使用的是波长为600nm~1050nm卤素灯发射出的激光照射在晶圆表面，反射光再被两个传感器接收来判断晶圆表面的高度或者倾斜。

然而，由于作为曝光面的光刻胶的透光性，导致照射在晶圆表面上的激光只有5%（横磁波）~35%（横电波），作为反射光被表面水平传感系统的传感器接收，即使调整入射角，依然会有大量光穿透到曝光面以下，从而影响晶圆表面的量测精度。而对于后段连线层电线分布和膜层多变的半导体结构来说，表面探测误差则可高达到±0.05~0.15um，这显然无法满足设计要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体结构表面位置的测量方法及优化光刻工艺窗口的方法，以提高半导体结构水平表面位置的测量精度，使其曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体结构表面位置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤S1，提供一表面不平坦的半导体衬底。

步骤S2，在所述半导体衬底的表面上涂布第一光刻胶层形成曝光面，并提供探测激光束波长可控的表面水平传感系统。

步骤S3，控制表面水平传感系统的探测激光束的波长，使照射在所述曝光面上的探测激光束经所述半导体衬底反射后形成的反射光的反射信号偏差量不小于预设阈值，以实现利用所述表面水平传感系统精确测量所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度。

进一步的，所述步骤S3中利用所述表面水平传感系统量测所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度的步骤可以是利用探测激光束以一预设入射角照射在所述曝光面表面，所述探测激光束的反射光被所述表面水平传感系统中的传感器接受，以通过反射信号偏差量测所述半导体衬底的表面高度。

进一步的，所述探测激光束的预设入射角的取值范围可以为45°~90°。

进一步的，所述步骤S3中控制表面水平传感系统的探测激光束的波长的步骤可以是将所述探测激光束的波长减短。

进一步的，减短后的所述探测激光束的波长的取值范围可以为：360nm~400nm。

进一步的，所述探测激光束的光源可以为ArF准分子激光的卤素灯。

进一步的，所述第一光刻胶层的厚度可以为110nm~130nm。

进一步的，所述第一光刻胶层的材料可以为ArF光刻胶。

第二方面，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种优化光刻工艺窗口的方法，所述方法包括以下步骤：提供一表面不平坦的晶圆，并在所述晶圆的表面上形成第二光刻胶层。

利用如上所述的半导体结构表面位置的测量方法测量所述第二光刻胶层内不同区域的高度分布度，并调整所述第二光刻胶层内不同区域的高度。

提供一掩膜版，并利用该掩膜版对所述调整后的晶圆表面进行曝光，使所述第二光刻胶层内不同区域的图形均获得最佳焦距。

进一步的，所述第二光刻胶层为材料可以为ArF光刻胶。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果之一：

1、在本发明提供的半导体结构表面位置的测量方法中，其提出一种通过改变表面水平传感系统的探测激光束波长的方式，来提高半导体结构（晶圆）水平表面位置的测量精度，从而在利用现有技术的基础上，避免了由于光刻胶的透光性导致的晶圆表面测量精度低的问题。

2、在本发明提供的优化光刻工艺窗口的方法中，由于其先利用探测激光束波长减短的表面水平传感系统准确的量测出晶圆表面的不同区域的高度，并基于该高度对其进行调整，然后，在对该水平面调整后的晶圆进行曝光工艺，从而使其在曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

附图说明

图1为本发明一实施例中提供的一种半导体结构表面位置的测量方法的流程示意图。

图2为本发明一实施例中提供的一种优化光刻工艺窗口的方法的流程示意图。

具体实施方式

承如背景技术所述，通常，晶圆表面存在各种图形结构，使其表面并不平整。所以在晶圆曝光之前，需要先利用表面水平传感系统（leveling system）对每一个曝光区域做表面位置量测和调整。从而在对晶圆曝光时，光刻机的聚焦系统可以保证在晶圆表面曝光区域内聚焦。目前使用的是波长为600nm~1050nm卤素灯发射出的激光照射在晶圆表面，反射光再被两个传感器接收来判断晶圆表面的高度或者倾斜。

然而，由于作为曝光面的光刻胶的透光性，导致照射在晶圆表面上的激光只有5%（横磁波）~35%（横电波），作为反射光被表面水平传感系统的传感器接收，即使调整入射角，依然会有大量光穿透到曝光面以下，从而影响晶圆表面的量测精度。而对于后段连线层电线分布和膜层多变的半导体结构来说，表面探测误差则可高达到±0.05~0.15um，这显然无法满足设计要求。

为此，本发明提供了一种半导体结构表面位置的测量方法及优化光刻工艺窗口的方法，以提高半导体结构水平表面位置的测量精度，使其曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的半导体结构表面位置的测量方法及优化光刻工艺窗口的方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

下面首先对本发明提供的半导体结构表面位置的测量方法进行介绍。

参考图1所示，所述半导体结构表面位置的测量方法包括如下步骤：

步骤S1，提供一表面不平坦的半导体衬底。

步骤S2，在所述半导体衬底的表面上涂布第一光刻胶层形成曝光面，并提供探测激光束波长可控的表面水平传感系统。

步骤S3，控制表面水平传感系统的探测激光束的波长，使照射在所述曝光面上的探测激光束经所述半导体衬底反射后形成的反射光的反射信号偏差量不小于预设阈值，以实现利用所述表面水平传感系统精确测量所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度。

在本实施例中，所述步骤S1中提供的半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：Si、Ge、SiGe、SiC、SiGeC、InAs、GaAs、InP或者其它III/V化合物半导体，还包括这些半导体构成的多层结构等或者为绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。示例性的，在本实施例中，所述半导体衬底为硅衬底。所述半导体衬底上可以形成有栅极堆叠结构以及多层金属结构。

可以理解的是，本发明步骤S1中也可以提供一表面不平坦的晶圆，而该晶圆上形成有多种图形结构，例如多个MOS管的栅极堆叠结构以及多层金属结构等等，本发明对此不做具体限定。

在本实施例中，在对步骤S1提供的半导体衬底（或者晶圆）及其表面上的结构进行曝光之前，需要先在其表面上形成一层一定厚度的光刻胶层（光阻）作为其曝光面，然后，再利用光刻系统中的曝光机对预先设置有设计图形的掩膜版进行曝光，从而使掩膜版上的图形转移到光刻胶上，在逐步转移到半导体衬底（或者晶圆）上。然而由于现在技术中晶圆或半导体衬底上同时形成有多种以及多个器件结构，从而会导致晶圆或半导体衬底表面（水平面）并不平整。因此，在对其进行曝光前，可以利用表面水平传感系统先对每一个曝光区域做表面位置量测和调整，从而使晶圆或半导体衬底曝光时，光刻机的聚焦系统可以保证在晶圆或半导体衬底表面曝光区域内聚焦。

其中，所述第一光刻胶层的厚度为110nm~130nm，所述第一光刻胶层的材料为ArF光刻胶；示例性的，本发明提供的所述第一光刻胶层的的厚度为120nm。

由于本发明在对半导体衬底或晶圆进行曝光的时候，在其表面上形成的第一光刻胶层的材料为厚度在120nm左右的ArF光刻胶，而本发明的研究人员发现，采用该厚度和材料的光刻胶胶进行曝光时，如果还利用现有技术中波长为600nm~1050nm的激光对晶圆或半导体衬底进行曝光的话，会由于厚度只有120nm左右的ArF光刻胶的透过性，导致大量的激光被晶圆或半导体衬底上形成的多层结构进行折射，之后在反射，发送到表面水平传感系统的传感器中，这将直接影响所述传感器接收的反射光的纯度，从而影响表面测量精度。

基于此，本发明研究人员发现，可以在现有技术的技术上，针对光刻胶层的材料为厚度在120nm左右的ArF光刻胶的晶圆或半导体衬底的曝光工艺之前，通过减短水平传感系统探测时的探测激光波长，以增加晶圆或半导体衬底表面定位的精确性，进而实现提供光刻工艺窗口的目的。

其中，在步骤S3中利用所述表面水平传感系统量测所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度的步骤可以是：利用探测激光束以一预设入射角照射在所述曝光面表面，所述探测激光束的反射光被所述表面水平传感系统中的传感器接受，以通过反射信号偏差量测所述半导体衬底的表面高度。

具体的，在本发明实施例中，所述步骤S3中控制表面水平传感系统的探测激光束的波长的步骤是将所述探测激光束的波长减短。而减短后的所述探测激光束的波长的取值范围可以为：360nm~400nm。

作为一种示例，在本实施例中，在步骤S3中利用所述表面水平传感系统量测所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度的步骤可以是：然后，利用探测激光束以一预设入射角将波长减短后的探测激光束照射在所述曝光面表面，并利用所述表面水平传感系统中传感器沿Z方向平行错位设置的两个探测单元接收经过所述曝光面表面反射而形成的反射光的反射信号。由于当反射信号偏上或偏下时，两个所述探测单元的输出信号强度都是不一样 ，因此，可以利用所述传感器接收的反射光的反射信号偏差量来测量半导体衬底表面上不同区域的高度分布度。

由于在本发明实施例中，减短所述探测激光束的波长的目的是让减短后的探测激光入射光束在所述曝光面表面进行最大化的反射，从而使所述表面水平传感系统中传感器的探测单元接收到更多的反射光的反射信号，因此，可以利用通过判断所述传感器接收的反射光的反射信号偏差量是否不小于预设阈值的方式来提高来提高半导体结构（晶圆）水平表面位置的测量精度。

并且，示例性的，所述探测激光束的光源可以为ArF准分子激光的卤素灯。

在本实施例中，所述探测激光束的预设入射角的取值范围可以为45°~90°，即，其可以采用现有技术中常用的探测激光束的入射角度取值，例如，70°。由于在本发明提供的半导体结构表面位置的测量方法中，其提出一种通过改变表面水平传感系统的探测激光束波长的方式，来提高半导体结构（晶圆）水平表面位置的测量精度，从而在利用现有技术的基础上，避免了由于光刻胶的透光性导致的晶圆表面测量精度低的问题。

换言之，本发明通过减短Halogen lamp（卤素灯）探测光波长至360~400nm(原来600~1050nm)，使光线在光刻胶表面得到更多的反射，探测器接到更多的信号，这样就可以尽量减少衬底起伏（可以理解为光刻胶下面的多层膜层的高低不同）对光刻胶平整度的影响，使曝光之前对晶圆探测精度更精准。大多数Arf（193nm波长）的光刻胶的曝光阈值10~20mj/cm2，设备厂商申明，调平需要使用的剂量约0.1mj/cm2,所以减少探测波长不会对光阻产生影响。

此外，基于相同的发明构思，本发明还提供了一种优化光刻工艺窗口的方法，具体的，所述优化光刻工艺窗口的方法可以包括以下步骤：

步骤S100，提供一表面不平坦的晶圆，并在所述晶圆的表面上形成第二光刻胶层。

步骤S200，利用权利要求1至8中任一项所述的测量方法测量所述第二光刻胶层内不同区域的高度分布度，并调整所述第二光刻胶层内不同区域的高度。

步骤S300，提供一掩膜版，并利用该掩膜版对所述调整后的晶圆表面进行曝光，使所述第二光刻胶层内不同区域的图形均获得最佳焦距。

其中，所述第二光刻胶层为材料可以为ArF光刻胶。

由于在本发明提供的优化光刻工艺窗口的方法中，由于其在晶圆表面上形成的第二光刻胶层为厚度为120nm左右的ArF光刻胶，因此，由于厚度只有120nm左右的ArF光刻胶的透过性，导致大量的激光被晶圆或半导体衬底上形成的多层结构进行折射，之后在反射，发送到表面水平传感系统的传感器中，这将直接影响所述传感器接收的反射光的纯度，从而影响表面测量精度。因此，利用如上所述的半导体结构表面位置的测量方法先对晶圆的水平表面进行测量和调整，然后，在对其进行曝光，便可使其在曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

综上所述，在本发明提供的半导体结构表面位置的测量方法中，其提出一种通过改变表面水平传感系统的探测激光束波长的方式，来提高半导体结构（晶圆）水平表面位置的测量精度，从而在利用现有技术的基础上，避免了由于光刻胶的透光性导致的晶圆表面测量精度低的问题。

进一步的，在本发明提供的优化光刻工艺窗口的方法中，由于其先利用探测激光束波长减短的表面水平传感系统准确的量测出晶圆表面的不同区域的高度，并基于该高度对其进行调整，然后，在对该水平面调整后的晶圆进行曝光工艺，从而使其在曝光时拥有更好的聚焦，进而提高光刻工艺窗口。

需要说明的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

还应当理解的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第 二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。本文中“和/或”的含义是二选一或者二者兼具。

此外还应该认识到，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”和“一种”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或 多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。以及，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此外，本发明实施例中的方法和/或设备的实现可包括手动、自动或组合地执行所选任务。

Claims (10)

1.一种半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤S1，提供一表面不平坦的半导体衬底；

步骤S2，在所述半导体衬底的表面上涂布第一光刻胶层形成曝光面，并提供探测激光束波长可控的表面水平传感系统；

步骤S3，控制所述表面水平传感系统的探测激光束的波长，使照射在所述曝光面上的探测激光束经所述半导体衬底反射后形成的反射光的反射信号偏差量不小于预设阈值，以实现利用所述表面水平传感系统精确测量所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度。

2.如权利要求1所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中利用所述表面水平传感系统量测所述半导体衬底表面上不同区域的高度分布度的步骤是利用探测激光束以一预设入射角照射在所述曝光面表面，所述探测激光束的反射光被所述表面水平传感系统中的传感器接受，以通过反射信号偏差量测所述半导体衬底的表面高度。

3.如权利要求2所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述探测激光束的预设入射角的取值范围为45°~90°。

4.如权利要求1所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中控制表面水平传感系统的探测激光束的波长的步骤是将所述探测激光束的波长减短。

5.如权利要求4所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，减短后的所述探测激光束的波长的取值范围为：360nm~400nm。

6.如权利要求1所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述探测激光束的光源为ArF准分子激光的卤素灯。

7.如权利要求1所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的厚度为110nm~130nm。

8.如权利要求1所述的半导体结构表面位置的测量方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的材料为ArF光刻胶。

9.一种优化光刻工艺窗口的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

提供一表面不平坦的晶圆，并在所述晶圆的表面上形成第二光刻胶层；

利用权利要求1至8中任一项所述的测量方法测量所述第二光刻胶层内不同区域的高度分布度，并调整所述第二光刻胶层内不同区域的高度；

提供一掩膜版，并利用该掩膜版对所述调整后的晶圆表面进行曝光，使所述第二光刻胶层内不同区域的图形均获得最佳焦距。

10.如权利要求9所述的优化光刻工艺窗口的方法，其特征在于，所述第二光刻胶层为材料为ArF光刻胶。

Images