CN114077166B - 获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法包括以下步骤，准备第一掩膜版，所述第一掩膜版在制备过程中被划分为多个列，每列具有不同的透光率，透光率沿宽度方向呈现出递增趋势；准备一片测试晶圆，将所述测试晶圆划分为多个曝光区域，每个所述曝光区域为一个独立的曝光单元；光刻、曝光、显影、测量，将测量所得的光刻胶膜厚和测量所得的关键尺寸绘制成光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。本发明在单个曝光单元获得光刻胶膜厚与关键尺寸的关系曲线，降低了测试时间和成本，并且可以通过摇摆曲线的极值点确定光刻工艺的最佳膜厚。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法。
背景技术
半导体制造的一系列工艺中，光刻是集成电路制造中的一道关键工艺。光刻是利用光化学反应，通过晶圆表面涂底胶、旋涂光刻胶、软烘、对准、曝光、后烘、显影、硬烘、检测等工序将事先制备在掩模版上的图形转移到光刻胶膜上，使后续的选择性刻蚀和离子注入成为可能。随着半导体技术节点的不断更新，芯片的集成度越来越高，器件的关键线宽越来越小，这就对光刻的设备、材料和工艺提出了更高的要求，光刻工艺中形成的关键线宽对器件性能产生至关重要的影响。
光刻胶的膜厚不同，曝光时光刻胶的反射率也就不同，从而影响到光刻胶图形的关键线宽和边缘粗糙度，最终影响到半导体器件的工作性能。因此，在光刻领域将光刻图形的关键尺寸与光刻胶厚度之间的关系曲线称为关键尺寸摇摆曲线。关键尺寸摇摆曲线如图1所示，通常在光刻工艺过程中会选择关键尺寸摇摆曲线极大值或极小值点处的光刻胶厚度作为该光刻层对应的光刻胶膜厚，由图1的关键尺寸摇摆曲线的极值点处可知，即使光刻工艺中光刻胶的厚度在一定范围内波动，对关键尺寸的影响也不会太大，从而提高光刻工艺的稳定性，保证了器件电学特性的均匀性。
目前的工艺技术中，通常需要10片至20片的测试晶圆，每片晶圆分别旋涂有一定厚度的光刻胶，对晶圆进行曝光、显影，测量不同晶圆所对应的关键尺寸，得到关键尺寸摇摆曲线，根据曲线上的极值点决定光刻工艺中光刻胶的膜厚。这一工艺技术所需的测试晶圆数量较多，且光刻胶用量较大，增加了测试时间和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，通过使用双重曝光技术在单片晶圆的单个曝光单元得到不同的光刻胶膜厚，获得光刻胶膜厚与图形关键尺寸的关系曲线，即关键尺寸摇摆曲线，从而实现对光刻胶膜厚的优化。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，包括
步骤S1，准备第一掩膜版，所述第一掩膜版在制备过程中被划分为多个列，每列具有不同的透光率，透光率沿宽度方向呈现出递增趋势；
步骤S2，准备一片测试晶圆，将所述测试晶圆划分为多个曝光区域，每个所述曝光区域为一个独立的曝光单元；
步骤S3，在所述测试晶圆上涂敷预设厚度的光刻胶，
步骤S4，使用光刻机对所述测试晶圆进行第一次曝光，曝光用掩模版为所述第一掩膜版，；
步骤S5，对第一次曝光后的所述测试晶圆进行显影，显影后所述测试晶圆在每个曝光单元均形成厚度渐变的光刻胶膜；
步骤S6，使用膜厚测量仪对所述测试晶圆的光刻胶膜厚进行测量，分别测量每个所述曝光单元中，所述第一掩膜版的不同透光率曝光区域对应的光刻胶膜厚；
步骤S7，准备第二掩膜版，所述第二掩膜版被划分为多行，每行摆放不同光刻图形，所述光刻图形覆盖于所述第一掩膜版的不同透光率的多个列。
步骤S8，使用光刻机对所述测试晶圆进行第二次曝光，曝光用掩模版为所述第二掩膜版；
步骤S9，对第二次曝光后的所述测试晶圆进行显影，显影后可在每个所述曝光单元的厚度渐变的光刻胶膜上均形成重复但关键尺寸不一的光刻图形；
步骤S10，使用线宽测量扫描电镜测量每个所述曝光单元不同膜厚区域光刻图形的关键尺寸；
步骤S11，将所述步骤S6中测量所得的光刻胶膜厚和所述步骤S10中测量所得的关键尺寸绘制成光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。
优选地，所述第一掩膜版的透光率变化范围为0～50％。
优选地，所述步骤S3中，所述光刻胶为浸没式光刻胶或EUV光胶，所述光刻胶的厚度范围为1000～60000A。
优选地，所述步骤S3中的涂敷光刻胶的过程包括滴胶、旋转铺开、旋转甩掉以及溶剂挥发。
优选地，所述步骤S4中，所述第一次曝光的曝光能量为一固定值，所述固定值小于光刻胶正常曝光能量。
优选地，所述步骤S5中，所述光刻胶膜厚渐变范围为0～1000A。
优选地，所述步骤S7中，所述光刻图形为平行密集线条、半独立沟槽、半独立线条、独立沟槽或独立线条中的任意一种。
优选地，在所述步骤S11中，获得的光刻工艺关键尺寸摇摆曲线为多组，通过评估所述测试晶圆上所有曝光单元的测试结果，来获得最佳的光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。
本发明与现有技术相比，通过使用双重曝光技术在单片晶圆的单个曝光单元得到不同的光刻胶膜厚，获得光刻胶膜厚与图形关键尺寸的关系曲线，即关键尺寸摇摆曲线，从而实现对光刻胶膜厚的优化。另外在单个曝光单元即可获得厚度渐变的光刻胶膜，测量整片晶圆上所有曝光单元的光刻胶膜厚和对应膜厚处的关键尺寸并进行综合评估，可获得重复性高的光刻胶膜厚与光刻图形关键尺寸的关系曲线，且关系曲线具有较高的准确度。
本发明在单个曝光单元获得光刻胶膜厚与关键尺寸的关系曲线，降低了测试时间和成本，并且可以通过摇摆曲线的极值点确定光刻工艺的最佳膜厚。
附图说明
图1为光刻工艺关键尺寸摇摆曲线示意图；
图2为实施例1的第一掩膜版的示意图；
图3为实施例1中单个曝光单元中光刻胶膜厚分布示意图；
图4为实施例1中测试晶圆光刻胶膜厚分布示意图；
图5为实施例1中第二掩膜版的示意图。
具体实施方式
本发明的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法的具体步骤，包括：
步骤S1，准备第一掩膜版，第一掩膜版在制备过程中被划分为多个列，每列具有不同的透光率，透光率沿宽度方向呈现出递增趋势，透光率变化范围为0～50％，宽度方向呈现出递增趋势可以从左到右或从右到左，且第一掩膜版上无其他光刻图形，如图2所示。
步骤S2，准备一片测试晶圆，将测试晶圆划分为多个曝光区域，每个曝光区域为一个独立的曝光单元。
步骤S3，在测试晶圆上涂敷预设厚度的光刻胶，光刻胶种类包含用于365nm、248nm、193nm、193nm浸没式光刻和EUV光刻的光刻胶，光刻胶厚度可根据实际需要进行调节，厚度范围为1000～60000A；本实施例中，步骤S3在所述测试晶圆上涂敷光刻胶的过程包括滴胶、旋转铺开、旋转甩掉以及溶剂挥发。
子步骤包括滴胶、旋转铺开、旋转甩掉以及溶剂挥发。
步骤S4，使用光刻机对涂敷有光刻胶的测试晶圆进行第一次曝光，曝光用掩模版为第一掩膜版；曝光能量为一固定值，且这一固定值小于光刻胶正常曝光能量。
步骤S5，对第一次曝光后的测试晶圆进行显影，显影后测试晶圆在每个曝光单元均形成厚度渐变的光刻胶膜，其中光刻胶的膜厚渐变范围为0～1000A，如图3和图4所示。其中图3为单个曝光单元中光刻胶膜厚分布示意图，图4为测试晶圆光刻胶膜厚分布示意图。
步骤S5中，每个曝光单元形成厚度渐变的光刻胶膜的原理可描述如下：以I-线(365nm波长)用光刻胶为例，光刻胶的主要成分有聚合物树脂、光敏化合物和溶剂；曝光过程中，在光子的作用下，光敏化合物分解，激发光化学反应，使受光区域的光刻胶溶于显影液(正胶)；在本实施例中，第一次曝光用第一掩膜版具有不同的透光率区域，对于不同透光率区域而言，曝光时透过掩模版作用于光刻胶上的光强不同，使得不同区域光刻胶发生光化学反应程度不同，从而形成不同厚度的光刻胶膜；当掩模版透光率较低时，光强较小，参与光化学反应的光刻胶含量较低，则所获得的光刻胶膜较厚；反之，当掩模版透光率较高时，对应区域的光刻胶膜较薄。
步骤S6，使用膜厚测量仪对测试晶圆的光刻胶膜厚进行测量，分别测量每个曝光单元中，第一掩膜版的不同透光率曝光区域对应的光刻胶膜厚，A1,A2,……,An；
B1,B2,……,Bn；……；Z1,Z2,……,Zn。
步骤S7，准备第二掩膜版，第二掩膜版被划分为多行，每行摆放有所需测试的不同光刻图形，例如平行密集线条，半独立沟槽，半独立线条，独立沟槽，独立线条等。并且每行摆放的测试用光刻图形覆盖于第一掩膜版的不同透光率的多个列，如图5所示。
步骤S8，使用光刻机对对测试晶圆进行第二次曝光，曝光用掩模版为第二掩膜版，曝光能量为一固定值，这一固定值可根据光刻工艺要求进行确定。
步骤S9，对第二次曝光后的测试晶圆进行显影，显影后可在每个曝光单元的厚度渐变的光刻胶膜上均形成重复但关键尺寸不一的光刻图形。
步骤S10，使用线宽测量扫描电镜测量每个曝光单元不同膜厚区域光刻图形的关键尺寸x1,x2,……,xn。
步骤S11，将步骤S6中测量所得的光刻胶膜厚和步骤S10中测量所得的关键尺寸绘制成关键尺寸摇摆曲线，如图1所示。对于单片测试晶圆可获得多组光刻胶膜厚与关键尺寸的关系曲线，通过综合评估整片晶圆上所有曝光单元的测试结果，可降低晶圆面内线宽不均匀性对量测结果的影响，即可获得准确度较高的最佳的光刻胶膜厚与关键尺寸的关系曲线，即光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。
上述步骤S4和步骤S8中使用的光刻机可以包括I-线(365nm)光刻机、KrF(248nm)光刻机、ArF(193nm，包括193nm浸没式)光刻机和EUV(13.5nm)光刻机。
通过所获得的光刻胶膜厚与关键尺寸的关系曲线中的极大值和极小值点，可实现对光刻胶膜厚进行优化的目的。
Claims (10)
1.一种获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于，包括：
步骤S1，准备第一掩膜版，所述第一掩膜版在制备过程中被划分为多个列，每列具有不同的透光率，透光率沿宽度方向呈现出递增趋势；
步骤S2，准备一片测试晶圆，将所述测试晶圆划分为多个曝光区域，每个所述曝光区域为一个独立的曝光单元；
步骤S3，在所述测试晶圆上涂敷预设厚度的光刻胶，
步骤S4，使用光刻机对所述测试晶圆进行第一次曝光，曝光用掩模版为所述第一掩膜版；
步骤S5，对第一次曝光后的所述测试晶圆进行显影，显影后所述测试晶圆在每个曝光单元均形成厚度渐变的光刻胶膜；
步骤S6，使用膜厚测量仪对所述测试晶圆的光刻胶膜厚进行测量，分别测量每个所述曝光单元中，所述第一掩膜版的不同透光率曝光区域对应的光刻胶膜厚；
步骤S7，准备第二掩膜版，所述第二掩膜版被划分为多行，每行摆放不同光刻图形，所述光刻图形覆盖于所述第一掩膜版的不同透光率的多个列；
步骤S8，使用光刻机对所述测试晶圆进行第二次曝光，曝光用掩模版为所述第二掩膜版；
步骤S9，对第二次曝光后的所述测试晶圆进行显影，显影后可在每个所述曝光单元的厚度渐变的光刻胶膜上均形成重复但关键尺寸不一的光刻图形；
步骤S10，使用线宽测量扫描电镜测量每个所述曝光单元不同膜厚区域光刻图形的关键尺寸；
步骤S11，将所述步骤S6中测量所得的光刻胶膜厚和所述步骤S10中测量所得的关键尺寸绘制成光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。
2.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述第一掩膜版的透光率变化范围为0～50％。
3.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S3中，所述光刻胶为浸没式光刻胶或EUV光胶。
4.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S3中，所述光刻胶的厚度范围为1000～60000A。
5.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S3中的涂敷光刻胶的过程包括滴胶、旋转铺开、旋转甩掉以及溶剂挥发。
6.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S4中，所述第一次曝光的曝光能量为一固定值，所述固定值小于光刻胶正常曝光能量。
7.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S5中，所述光刻胶膜厚渐变范围为0～1000A。
8.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
所述步骤S7中，所述光刻图形为平行密集线条、半独立沟槽、半独立线条、独立沟槽或独立线条中的任意一种。
9.如权利要求1所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
在所述步骤S11中，获得的光刻工艺关键尺寸摇摆曲线为多组。
10.如权利要求9所述的获得光刻工艺关键尺寸摇摆曲线的方法，其特征在于：
通过评估所述测试晶圆上所有曝光单元的测试结果，来获得最佳的光刻工艺关键尺寸摇摆曲线。
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