采用双极曝光方式的光刻装置、通光单元及光刻方法

摘要

本发明涉及一种采用双极曝光方式的光刻装置，通光单元及光刻方法。此光刻装置包括：光源、至少具有一组双极透光孔的通光单元，聚光透镜、光掩膜及投影透镜，从上至下依次排布。其中，上述通光单元中的至少一个透光孔内中含多个灰度区，该多个灰度区的灰度差异为过渡式差异或为跳跃式差异，聚光透镜聚集光源光线通过具有衍射功能的光掩膜、投影透镜将衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底上。本发明显著提高了不同尺寸光刻图形的综合分辨率和工艺窗口，特别对于光刻图形为单方向排布情况下，平衡了不同尺寸光刻图形的线宽尺寸，同时避免了多次曝光产生的工艺成本增加和产出量降低。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体微电子器件制造设备领域，尤其涉及一种采用双极曝 光方式的光刻装置、通光单元及光刻方法。

背景技术

半导体器件制作通常采用光刻曝光方式形成所需的图形，其基本步骤如 下：首先，在硅片上涂光刻胶，随后，强光通过一块刻有电路图案的掩膜版， 照射在硅衬底上，被照射到部分的光刻胶发生变质，之后用腐蚀性液体清洗 硅片，去除变质光刻胶，在硅衬底上刻下与光掩膜相同电路图案光刻胶图形， 最后，经过烘焙和显影等工序，形成成品晶圆。

在整个光刻曝光的过程中，光刻装置的性能直接影响到晶圆的成品率。 请参阅图1和图2，图1为采用传统双极通光曝光方式的偏轴(Off-Axis)光 刻曝光系统示意图，图2为图1所示双极通光单元12的俯视图。如图所示， 入射光线11沿与轴线一定偏离通过双极通光单元12和聚光透镜13，在光掩 模14图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜15后在硅衬底16 表面干涉形成器件图形。其中，相干系数σ是描述圆形光圈大小的一个重要 参数，它表示投影透镜被光源占据的程度，σ=聚光透镜的孔径/投影透镜的 孔径，相干系数σin和σout及开口角度α是描述双极透光孔大小及宽度的 重要参数，σin至σout距离为透光孔宽度，α决定通光孔尺寸。

双极曝光是偏轴曝光的一个特殊例，相比一般的偏轴曝光，在小线宽尺 寸的图形上具有更大对比度，更高的分辨率及更好的工艺宽容度。但是继续 随着制造工艺的进步，简单的双极曝光逐渐的不能满足技术对分辨率需求， 而且不能保证不同尺寸的图形都有足够的分辨率，导致一部分图形无法被显 像，形成所谓的禁止空间间距(Forbidden Pitch)区域。请参阅图3，图3为 双极通光单元大小对不同空间间距图形线宽尺寸的影响，其中关键尺寸 （Critical Dimension，简称CD）越接近于零,成品精度越高，技术越先进。 如图所示，图中显示的曲线在空间间距约为150nm，偏离零点较大，关键尺 寸误差最大，导致某一个或几个区间显像困难。

请参阅图4，图4为一种现有改进技术示意图，其采用两对沿透光单元中 心轴对称的双极透光孔的光刻曝光方法。该方法通过两对内外排布的双极透 光孔有效地减少了线宽尺寸在较大空间间距区域内的波动，降低了形成禁止 空间间距区域的风险。

然而，上述两对双极透光孔仍在平衡各种图形的线宽尺寸和工艺窗口方 面缺少灵活性，难以对不同尺寸的图形达成最佳工艺平衡。综上所述，如何 达成各种图形的线宽尺寸和工艺窗口的最佳工艺平衡，不仅需要合适尺寸的 双极透光孔，而且需要与各种图形的线宽尺寸相匹配的曝光量。这是目前业 界所需要追求的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，通过包含多灰度组合的双 极透光孔照明灰度差异平衡曝光量，使得双极透光孔照明发挥最佳的分辨率 增强和工艺窗口平衡等多重功能。

为达成上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用双极曝光方式的光刻装置，包括：光源、至少具有一对透光孔 的双极通光单元，聚光透镜、光掩膜及投影透镜，从上至下依次排布。其中， 上述通光单元中的至少一个透光孔内中包含多个灰度区，聚光透镜聚集光源 光线通过具有衍射功能的光掩膜、投影透镜将衍射光聚焦在位于其下部的硅 衬底上。

优选地，双极通光单元的透光孔内包含灰度区的数量为两个或两个以上 不同灰度的区域，多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

优选地，所述双极通光单元内透光孔为一组，其形状为部分圆环型段、扇 形、圆形、椭圆形、多边形或他们的组合之一，其排列方向为X方向或Y方 向。

优选地，透光孔内的灰度区形状为条状、圆形、环状、或他们的组合之一。

优选地，透光孔内的灰度区沿通光单元中心轴对称排布。

优选地，当透光孔为圆形或椭圆形，灰度区为圆形、环形或椭圆形时，透 光孔内的灰度区与透光孔同轴。

优选地，所述双极通光单元内通光孔的外圈部分相干系数σ_out的范围是 0.7～0.9;内圈部分相干系数σ_in的范围是0.3～0.5。

优选地，所述双极通光单元内透光孔的开口角度α的范围是15°～50°。

优选地，所述光源光线波长为436纳米、365纳米、248纳米、或193纳 米。

为达成上述目的，本发明提供一种器件，技术方案如下：

一种具有双极透光孔的通光单元；通光单元至少具有一组沿通光单元中心 轴对称的双极透光孔；至少一个透光孔包含多个灰度区。

优选地，双极透光孔内包含灰度区的数量为两个或两个以上不同灰度的区 域，所述多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

为达成上述目的，本发明还提供一种光刻方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据光刻图形排布需求，选取双极透光孔的组数，和确定双 极透光孔的外圈部分相干系数σ_out、内圈部分相干系数σ_in和开口角度α、透 光孔形状及排列方向；

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取透光孔中灰度区域数量和排 布组合，以调整入射光线曝光量；

步骤S3：入射光线通过双极通光单元和聚光透镜后，经光掩膜衍射形 成衍射光线；

步骤S4：衍射光线再经过投影透镜后在硅衬底表面上的光刻胶中形成 最终所需光刻图形；

步骤S5：对硅衬底进行烘焙和显影。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的采用双极曝光方式的光刻装置， 其通过加装具有可变多灰度的双极通光单元，用多灰度特征来弥补曝光量匹 配问题，平衡了各种图形的线宽尺寸的曝光量，并具有工艺窗口方面灵活性， 在单次曝光就可以满足对可变线宽尺寸（即具有不同尺寸和方向的各种图形） 进行光刻工艺中达成最佳工艺平衡，从而避免了由于采用多次曝光方法导致 的制造成本增加和生产出产量下降。

附图说明

图1为现有技术中采用双极曝光方式的偏轴光刻曝光系统示意图

图2为图1所示现有技术中采用双极曝光方式的偏轴光刻曝光系统的通 光单元俯视示意图

图3为采用图1所示系统中的单组双极曝光对不同空间间距图形线宽尺 寸的光刻工艺能力的影响曲线

图4为现有技术中采用两对沿通光单元中心轴对称的双极透光孔的偏轴 光刻曝光系统的通光单元俯视示意图

图5为本发明具有双极曝光方式的光刻装置一较佳实施例的示意图

图6，7为本发明具有双极曝光方式的光刻装置实施例中的通光单元俯视 示意图

图8为本发明具有双极曝光方式的光刻装置一较佳实施例中通光单元的 俯视示意图

图9为采用本发明实施例中具有多灰度双极曝光方式对不同空间间距图 形线宽尺寸的光刻工艺能力的影响曲线

图10为本发明光刻方法一具体实施例的流程示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。 应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明 的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图5-9对本发明的 双极透光孔为照明方式的偏轴光刻曝光系统的结构和光刻方法进行详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中的采用双极曝光方式的光刻装置中所采 用的光源可以设置在光路系统的任何位置，只要满足偏轴光刻曝光装置需要 就可以了，该光源光线波长不做任何限定，较佳地，可以为436纳米、365 纳米、248纳米、或193纳米。

请参阅图5，图5为本发明双极曝光方式的偏轴光刻装置一较佳实施例 的示意图。如图所示，该偏轴光刻装置包括具有双极透光孔的通光单元52、 位于通光单元52之下的聚光透镜53、位于聚光透镜53之下的光掩膜54以 及位于光掩膜54之下的投影透镜55。聚光透镜53用于聚集穿过所述通光单 元52中透光孔的光源光线51，光掩膜54用于衍射穿过聚光透镜53的光线， 投影透镜用于将穿过光掩膜的衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底56上。

也就是说，入射光线51沿与轴线一定偏离通过双极通光单元52和聚光 透镜53，在光掩模54图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜55 后在硅衬底56表面干涉形成器件图形。

通常情况下，双极通光单元52中的透光孔可以根据光刻图形排布情况， 选用一组，也可以选择为多租。多组透光孔可以是沿通光单元中心轴对称的， 也可以是非对称的。在本发明的实施例中，双极通光单元52中的至少一个透 光孔内中包含多个灰度区，该多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳 跃式差异。其中，透光孔的截面形状为部分圆环型段、扇形、圆形、椭圆形、 多边形或他们的组合之一；优选地，通光孔沿通光单元52的中心轴对称排布。 请参阅图6，图6为本发明采用双极曝光系统的光刻装置实施例中的一组透 光孔情况下的俯视示意图。如图所示，如果透光孔是一组的话，那么，至少 一个透光孔中可以包括多个灰度区，且位于透光孔内的灰度区形状可以为任 意形状，例如条形，圆形、环状、或他们的组合之一。较佳地，如果灰度区 是由多条平行排列的灰度区组成的话，两极的多条平行排列灰度区还可以沿 通光单元中心轴对称。其双极通光孔排布可以为X方向，如图6所示，也可 为Y方向以及其他任意方向。如果灰度区是由多个环形或圆形组成的话，该 透光孔内的灰度区可以与透光孔同轴。

如果双极通光单元52中包括多组透光孔的话，可以根据需要在其中一 组透光孔中设置灰度区，也可以在每组透光孔中设置灰度区。每组透光孔的 灰度区个数、形状和排布方式等可以与上述一组透光孔实施例中的相同，在 此不再赘述。

具体地，请参阅图7，图7为本发明具有双极曝光方式的光刻装置实施 例中的两组透光孔情况下的俯视示意图。如图所示，双极通光单元52中包括 两组透光孔（透光孔组71和透光孔组72）。其中，透光孔组71中包括一个 从内向外灰度连续递减的灰度区，透光孔组72包括四条与通光单元中心对称 的灰度条（灰度条721，灰度条722，灰度条723及灰度条724），灰度条721 是灰度值为0.6的灰度条，灰度条722是灰度值为1.0的灰度条即非透光条， 灰度条723是灰度值为0的灰度条即完全透光条，灰度条724是灰度值0.3 的灰度条。下面结合图7和图10，对本发明的原理和功效进一步描述。为叙 述方便起见，假设图7中双极通光单元52中的透光孔为一组，且沿通光单元 中心轴对称。在实际的应用中，透光孔的外圈相干系数0.7～0.9和内圈相干 系数0.3～0.5可以满足大多数光刻图形需求，当然，在极端情况下，σ_in可设 为零，即由偏轴双极光刻曝光变为轴上双极光刻曝光，也是可以使用的。理 论上，双极通光孔的开口角度α可以为0°至180°，但在实际应用中，开口 角度α为15°至50°为常见例。

透光孔组72内存在4个灰度光条，且沿通光单元中心轴对称。透光孔中 的4个双极灰度区，可根据通光量从大到小的需求选择灰度由浅至深。其中， 多个灰度区间的灰度差异可以为过度式差异，如透光孔组71；可也为跳跃式 差异，如透光孔组72。

具体地，请参阅图8，图8为本发明采用双极曝光方式的光刻装置一较 佳实施例中通光单元（包括一组双极透光孔）的俯视示意图。如图所示，透 光孔组包括4组轴对称灰度区（灰度条811、灰度条812、灰度条813和灰度 条814），4组轴对称灰度区的灰度差异为跳跃式差异；灰度条811的灰度值 为0，即为几乎完全透光的；灰度条812的灰度值大约为1，即为几乎完全阻 光的，灰度条813的灰度值为过渡式差异由内至外灰度值为0.1至0.9依次递 增，灰度条814的灰度值大约为0.8。

请参阅图9，图9为采用本发明实施例中具有多灰度双极曝光方式的对 不同空间间距图形线宽尺寸的光刻工艺能力的影响。从图中曲线可以看出， 图中显示的曲线在空间间距偏离零点较小，关键尺寸误差较图3所示的曲线 要小很多，其保证了某一个或几个区间特定的区域显像正常。

在本发明的实施例中，光刻装置通过加装具有可变多灰度的双极通光单 元，用多灰度特征来弥补曝光量匹配问题，平衡了各种图形的线宽尺寸的曝 光量，并具有工艺窗口方面灵活性，可以在单次曝光就可以满足对可变线宽 尺寸（即具有不同尺寸和方向的各种图形）进行光刻工艺中达成最佳工艺平 衡，多灰度双极曝光能提供与各种图形的线宽尺寸相匹配的曝光量。

需要说明的是，本发明具有双极曝光方式的光刻装置中的通光单元，可 以与光刻装置中的透镜等部件的空间位置，可以发生变化，其替代方案均包 括在本发明实施例的范围中。

下面通过图10对采用本发明具有双极曝光方式的光刻装置进行光刻的工 艺进行详细说明。请参阅图10，图10为本发明光刻方法一具体实施例的工 艺流程图，上述光刻工艺可以包括如下步骤：

步骤S1：根据光刻图形排布需求，选取双极透光孔的组数，确定双极透 光孔的外圈部分相干系数σ_out和内圈部分相干系数σ_in、开口角度α、透光孔 形状及排列方向；其中，在该步骤中，可以进行根据光刻曝光需要对光圈透 光性排布进行初步选择。

步骤S2：根据光刻图形尺寸排布需求选取透光孔中灰度区域数量和排布 组合，及调整入射光线曝光量；其中，在该步骤中，可以根据光刻图形中的 某一个或几个特定的区域，确定双极透光孔中灰度区域数量和排布组合，即 对光刻曝光需要特别强调或补偿的区域，进行对入射光线曝光量的微调。

步骤S3：入射光线通过通光单元和聚光透镜后，经光掩膜衍射形成衍射 光线；

步骤S4：衍射光线再经过投影透镜后在硅衬底表面上的光刻胶中形成最 终所需光刻图形；

步骤S5：对硅衬底进行烘焙和显影。

其中，步骤S2中入射光线可位于硅衬底正上方直射，也可位于其他位置， 直射，反射或者折射。并且，在实际应用中，光刻机的光源光线波长为436 纳米、365纳米、248纳米、或193纳米。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专 利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化， 同理均应包含在本发明的保护范围内。