TWI690768B - 光罩的設計方法與半導體微影製程 - Google Patents

光罩的設計方法與半導體微影製程 Download PDF

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Abstract

一種光罩的設計方法，包括先計算初始光罩的開口率是否小於25%，若是所述開口率小於25%，則變更所述初始光罩的設計，使變更後的光罩與所述初始光罩設計為反相（reverse tone）且所述變更後的光罩的開口率在75%以上。所述方法能解決光罩熱膨脹問題。

Description

光罩的設計方法與半導體微影製程
本發明是有關於一種半導體微影技術，且特別是有關於一種光罩的設計方法與半導體微影製程。
半導體微影製程是積體電路製造中十分重要的一環，其圖案尺寸的精確度對產品良率的影響甚大。
舉例來說，在製作半導體元件的所有步驟之前，會先在基底的框線（frame）區域或劃片線（dicing line）上形成對準標記之類的構造。由於這裡的對準標記尺寸較大，所以可採用KrF雷射光源(波長為248nm)進行曝光顯影。
然而，採用KrF曝光技術的過程中發現不同機台影響光罩熱膨脹的差異就很大。一旦光罩受熱膨脹，會對光罩圖案曝光後在矽晶片上的位置產生變化，進而影響後續各層圖案之相關位置。
本發明提供一種光罩的設計方法，能解決光罩熱膨脹問題。
本發明另提供一種半導體微影製程，能減少零層尺寸變異量。
本發明的光罩的設計方法，包括計算初始光罩的開口率（open ratio）是否小於25%，若是計算得到的開口率小於25%，則變更初始光罩的設計，使變更後的光罩與初始光罩設計為反相（reverse tone），且變更後的光罩的開口率在75%以上。
在本發明的一實施例中，上述初始光罩適用於曝光正型光阻(positive tone resist)，且上述變更後的光罩適用於曝光負型光阻(negative tone resist)。
在本發明的一實施例中，在計算初始光罩的開口率的步驟之前，還可先確認初始光罩是否為零層的微影製程用光罩，若確認是所述零層的微影製程用光罩，則進行所述計算。
在本發明的一實施例中，上述零層包括摻雜區或蝕刻結構。
在本發明的一實施例中，上述變更後的光罩包括透光基板與位於透光基板上的遮光層，且遮光層的面積與變更後的光罩的面積之間的比例小於25%。
在本發明的一實施例中，上述遮光層例如金屬層。
本發明的一種半導體微影製程，用以於基底上形成零層，其步驟包括在一基底上形成一負型光阻層，使用一光罩對所述負型光阻層進行曝光顯影製程，以於負型光阻層定義出數個重疊的區域，其中光罩的開口率在75%以上。
在本發明的另一實施例中，在上述曝光顯影製程之後，還可利用負型光阻層作為罩幕，對基底進行摻雜製程，以形成作為零層的數個摻雜區。
在本發明的另一實施例中，在上述曝光顯影製程之後，還可利用負型光阻層作為罩幕，蝕刻基底，以形成作為零層的數個蝕刻結構。
基於上述，本發明藉由改變光罩的設計，使原本具有大面積遮光層的初始光罩，變更為反相的光罩，以大幅減少遮光層的面積並增加光罩的開口率至75%以上，所以在使用這種光罩進行曝光顯影製程的過程中，因為光罩中的遮光層所佔面積較小，所以能降低光罩受熱膨脹的影響，並藉此增加半導體微影製程的精準度，譬如減少在[0013]所描述的重疊區域的位置偏差量。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文列舉一些實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。另外，關於文中所使用「包含」、「包括」、「具有」等等用語，均為開放性的用語；也就是指包含但不限於。而且，文中所提到的方向性用語，例如：「上」、「下」等，僅是用以參考圖式的方向。因此，使用的方向性用語是用來說明，而並非用來限制本發明。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種光罩的設計流程圖。
請參照圖1，在步驟S100中，計算初始光罩的開口率（open ratio）是否小於25%，若是計算得到的開口率小於25%，則進行步驟S102。相反地，若是計算得到的開口率在25%以上，則直接進行步驟S104，使用初始光罩進行曝光。
在步驟S102中，變更初始光罩的設計，使變更後的光罩與初始光罩設計為反相（reverse tone），且變更後的光罩的開口率在75%以上。在本實施例中，初始光罩適用於曝光正型光阻(positive tone resist)，而變更後的光罩則適用於曝光負型光阻(negative tone resist)。
文中的「零層」是指在製作半導體元件的所有步驟之前，先形成在基底的框線（frame）區域或劃片線（dicing line）上的構造，用以於基底（晶圓）上獲得準確的曝光位置與尺寸。請參照圖2所示的上視圖，其中實線框內的區域代表主動區200，而虛線框與實線框之間的數個重疊的區域則是框線區域202，或稱為劃片線。舉例來說，零層可以是形成在框線區域202內的蝕刻結構，以作為對準用的標記。由於此區的標記尺寸較大，因此能用於後續製作半導體元件的所有步驟的對準。在另一實施例中，零層也可以是先形成在基底內的摻雜區，則可作為半導體元件中的深摻雜區（如井區）。
此外，在步驟S100之前，還可先確認初始光罩是否為零層的微影製程用光罩，若確認是零層的微影製程用光罩，則需進行步驟S100。如果初始光罩不是零層的微影製程用光罩，可選擇性地進行步驟S100。舉例來說，零層的微影製程通常採用KrF雷射光源(波長為248nm)進行曝光顯影，而主動區大多採用ArF雷射光源(波長為193nm)進行曝光顯影，因此零層的微影製程受到光罩熱膨脹的影響較大，但是本發明並不限於此。第一實施例的設計也可應用於採用ArF雷射光源的微影製程或者不是零層的微影製程的光罩。
為了更詳細地說明光罩設計前後的差異，請參考圖3A與圖3B，其中圖3A是對應圖2之I-I線段的初始光罩的剖面示意圖；圖3B是對應圖2之I-I線段的變更後的光罩的剖面示意圖。
在圖3A中，初始光罩300包括透光基板302與位於透光基板302上的遮光層304，遮光層304例如金屬層（如Cr層）。遮光層304的面積佔初始光罩300的面積的比例在75%以上，因此當雷射光源306通過初始光罩300時，只有少部分雷射光源306會穿過透光基板302，大部分的雷射光源306則被遮光層304吸收，導致遮光層304受熱膨脹，並影響被曝光區域的尺寸。
在圖3B中，變更後的光罩308同樣包括透光基板310與位於透光基板310上的遮光層312，但是因為變更後的光罩308與圖3A之初始光罩300為反相，所以遮光層312的面積與變更後的光罩308的面積之間的比例小於25%。因此當雷射光源306通過初始光罩300時，只有少部分雷射光源306則被遮光層312吸收，所以能大幅降低被曝光區域的尺寸變異量。
圖4A至圖4C是依照本發明的第二實施例的一種半導體微影製程的剖面示意圖，其用以於基底上形成零層。
請參照圖4A，在一基底400上先形成一負型光阻層402，再使用如圖3B的光罩308對負型光阻層402進行曝光。
然後，請參照圖4B，負型光阻層402的照光部位402a會產生反應，在後續顯影步驟不會被移除，而沒照光的負型光阻層402則會在後續顯影步驟被移除，如圖4C所示。
因此在顯影製程之後，照光部位402a之間會形成數個露出基底400的區域404，待後續利用不同的製程製作出零層，其中區域404對應於圖2的框線區域202。
在一實施例中，以負型光阻層(如圖4C的照光部位402a)作為罩幕，對基底400進行摻雜製程500，以形成作為零層的數個摻雜區502，如圖5A所示。
在另一實施例中，以負型光阻層(如圖4C的照光部位402a)作為罩幕，蝕刻基底400，以形成作為零層的數個蝕刻結構504，如圖5B所示。
以下，列舉數個實驗來驗證本發明實施例的功效，但本發明的範圍並不侷限於以下內容。
比較例
在晶圓上先形成一正型光阻層，再用Cannon ES6 KrF曝光機（Scanner）搭配如圖3A的光罩對正型光阻層進行一連串的曝光，且關閉曝光機本身的光罩補償功能（reticle compensation function）。
然後在顯影之後分別測量同一批（Lot）晶圓上的圖案在X方向與Y方向上的脹縮量，再計算其尺寸變異量記載於下表1。
實驗例 1
採用與比較例相同的曝光顯影製程，但形成於晶圓上的正型光阻層改為負型光阻層，且改用如圖3B的光罩。X方向與Y方向的尺寸變異量，同樣記載於下表1。
實驗例 2
採用與實驗例1相同的曝光顯影製程，但所用的光罩的開口率與實驗例1不同。X方向與Y方向的尺寸變異量，同樣記載於下表1。
表1
Figure 108102893-A0305-0001
從表1可得到，本發明的方法能大幅降低尺寸變異量，且無論是實驗例1或實驗例2的結果都明顯優於比較例。
綜上所述，本發明藉由改變光罩的設計，能降低光罩受熱膨脹的影響，並藉此減少曝光圖案的尺寸變異量，因而增加半導體微影製程的精準度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S100、S102、S104、S106:步驟 200:主動區 202:框線區域 300:初始光罩 302、310:透光基板 304、312:遮光層 306:雷射光源 308:變更後的光罩 400:基底 402:負型光阻層 402a:照光部位 404:區域 500:摻雜製程 502:摻雜區 504:蝕刻結構
圖1是依照本發明的第一實施例的一種光罩的設計流程圖。 圖2是第一實施例中的位於半導體基底的零層的上視示意圖。 圖3A是對應圖2之I-I線段的初始光罩的剖面示意圖。 圖3B是對應圖2之I-I線段的變更後的光罩的剖面示意圖。 圖4A至圖4C是依照本發明的第二實施例的一種半導體微影製程的剖面示意圖。 圖5A是圖4C之後的一種製作零層的剖面示意圖。 圖5B是圖4C之後的另一種製作零層的剖面示意圖。
S100、S102、S104、S106:步驟

Claims (8)

  1. 一種光罩的設計方法，包括：計算初始光罩的開口率是否小於25%；以及若是所述開口率小於25%，則變更所述初始光罩的設計，使變更後的光罩與所述初始光罩設計為反相(reverse tone)且所述變更後的光罩的開口率在75%以上，其中在所述計算初始光罩的開口率的步驟之前，更包括確認所述初始光罩是否為零層的微影製程用光罩，若確認是所述零層的微影製程用光罩，則進行所述計算。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光罩的設計方法，其中所述初始光罩適用於曝光正型光阻(positive tone resist)，且所述變更後的光罩適用於曝光負型光阻(negative tone resist)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光罩的設計方法，其中所述零層包括摻雜區或蝕刻結構。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光罩的設計方法，其中所述變更後的光罩包括透光基板與位於所述透光基板上的遮光層，且所述遮光層的面積佔所述變更後的光罩的面積的比例小於25%。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光罩的設計方法，其中所述遮光層包括金屬層。
  6. 一種半導體微影製程，用以於基底上形成零層，包括：在一基底上形成一負型光阻層；以及使用一光罩對所述負型光阻層進行曝光顯影製程，以於所述 負型光阻層定義出多數個重疊的區域，其中所述光罩的開口率在75%以上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的半導體微影製程，其中進行所述曝光顯影製程之後，更包括以所述負型光阻層作為罩幕，對所述基底進行摻雜製程，以形成作為所述零層的多數個摻雜區
  8. 如申請專利範圍第6項所述的半導體微影製程，其中進行所述曝光顯影製程之後，更包括以所述負型光阻層作為罩幕，蝕刻所述基底，以於所述基底表面形成作為所述零層的多數個蝕刻結構。
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