改善套刻误差差异的光刻方法与流程

1.本发明涉及一种半导体集成电路的制造方法，特别涉及一种改善套刻误差(ovl)差异的光刻方法。

背景技术：

2.随着半导体器件尺寸的减小，对套刻误差的精度要求越来越高，套刻误差的大小对器件性能起到了关键性的作用，套刻误差的变化将显著影响器件的电学性能和产品良率。
3.针对器件性能提高以及良率提升，在套刻精度补偿方面已经做了一系列的努力。并在套刻精度改善方面已经取得了显著成效。但是对于晶圆(wafer)间和曝光区域(shot)间ovl差异一直是一个难题。曝光区域为晶圆上采用光罩进行一次曝光所覆盖的区域。
4.如图1所示，是现有光罩(reticle)101的结构示意图；光罩101又称光掩模版、掩模版，是由石英玻璃102作为衬底，在其上面镀上一层金属铬103(cr)和感光胶，成为一种感光材料，把已设计好的电路图通过电子激光设备曝光在感光胶上，被曝光的区域会被显影出来，在金属铬103上形成电路图形，成为类似曝光后的底片的光掩模版，然后应用于对集成电路进行投影定位，通过集成电路光刻机对所投影的电路进行光刻蚀。
5.光罩101的金属铬103上除了形成电路图形外，还包括光罩101对准(reticle alignment，ra)标记(mark)，通过ra标记实现光罩101的对准。光罩101还包括形成于金属铬103层表面上的保护层104，用于对电路图形进行保护。
6.在光刻中，光罩101会放置在光罩工件台(reticle stage，rs)上并通过夹具105固定，通过激光106照射光罩101并将光罩101上的电路图形投影到放置于晶圆工件台(wafer stage，ws)的晶圆上，实现对晶圆上的光刻胶的曝光并将图形转移到光刻胶上。其中，由于光罩101在曝光过程中会被激光照射，激光和光罩101的材料作用，光罩101的材料吸收光后会发热，热量主要是通过金属铬103吸收，热量主要是通过光罩101表面通过如标记107所示的对流方式散热，但是散热速率有限，最后会使光罩101产生热膨胀，热膨胀最后会使得曝光产生偏移，这种光罩101在曝光过程中产生热量形成的曝光偏移的现象即为光罩101热效应。这种光罩101热效应通常会形成圆桶型(barrel shaped)套刻(overlay)偏差(error)。通常，光罩101的透光率越低，光罩101热效应越严重。
7.由图1所示可知，高能量光源即激光106照射到光罩101上会导致光罩101温度升高，从而使光罩101产生形变带来套刻误差，而且随着光照射的累积，温度升高越严重，形变越大，导致wafer间和shot间套刻误差存在较大的差异，目前业界的通用做法是通过top-rc进行模拟出套刻误差随着温度变化的曲线进行补正，或者通过光罩冷却的模式进行改善。但是需要对机台进行额外的升级改造，同时不能完全避免wafer间和shot间的套刻误差差异。
8.如图2所示，是现有光刻工艺中光罩的温度随晶圆曝光数量的变化仿真图以及对应的晶圆上的曝光区域的套刻误差示意图；通常，同一批次(lot)中所包括的晶圆数量最大
值为25片，同一批次内的晶圆会依次进行曝光，图2中显示了对第5片晶圆(wafer 5)、第10片晶圆(wafer 10)和第25片晶圆(wafer 25)曝光后的光罩的温度变化仿真图201a、201b和201c，仿真图201a、201b和201c纵坐标表示温度的增加值，可以看出，仿真图201a、201b和201c对应的光罩的温度会依次增加。
9.图2中，还显示了各所述晶圆曝光后的曝光区域的套刻误差示意图；虚线框202所示区域表示一个曝光区域的范围，曝光区域的范围的单位采用mm；在曝光区域内的各箭头线表示套刻误差的大小，可以看出，箭头线203a、203b和203c的大小依次增加，表示随着光罩的曝光数量增加，对应的晶圆的套刻误差会增加。
10.如图3所示，是现有光刻工艺中对同一晶圆内的各曝光区域进行连续曝光时形成晶圆的各曝光区域中的图形仿真图；图3中晶圆204a中的各曝光区域202会依次进行曝光，光罩的温度也会依次升高，所以各曝光区域202的图形会产生差异且套刻误差会增加。
11.如图4所示，是对图3中各曝光区域的套刻误差进行测量形成的曲线205，可以看出，套刻误差会随着曝光区域的增加而增加。
12.如图5所示，是现有光刻工艺中光罩的温度随曝光的晶圆数量的变化曲线；曲线206表示未对光罩进行主动冷却时光罩的温度随曝光的晶圆数量的变化曲线，图5中的“without active reticle cooling”表示未对光罩进行主动冷却，可以看出，随着曝光的晶圆数量增加，光罩的温度会逐渐增加并最后会饱和，但是光罩的温度达到饱和所需要曝光的的晶圆数量达100多片，而通常一批次产品的晶圆最多仅为25片，所以，现有光刻工艺中，光罩通常仅会位于升温状态，无法达到温度饱和状态。图5中还显示了对曲线206对应的一片晶圆曝光后的光罩的温度仿真图208a。
13.图5中的曲线207表示对光罩进行主动冷却时光罩的温度随曝光的晶圆数量的变化曲线，图5中的“with active reticle cooling”表示对光罩进行主动冷却，可以看出，随着曝光的晶圆数量增加，光罩的温度会逐渐增加并最后会饱和，和曲线206相比，曲线207对应的各所述光罩的饱和温度会降低。图5中还显示了对曲线207对应的一片晶圆曝光后的光罩的温度仿真图208b。对光罩进行主动冷却会增加设备成本，而未进行主动冷却的光罩容易一直保持升温状态，从而使曝光后的套刻误差差异增加。

技术实现要素：

14.本发明所要解决的技术问题是提供一种改善套刻误差差异的光刻方法，能消除随着曝光时间的增加光罩的温度也会增加从而造成曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异较大的缺陷，从而能减少曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异。
15.为解决上述技术问题，本发明提供的改善套刻误差差异的光刻方法包括如下步骤：
16.步骤一、对光罩进行曝光预处理，所述曝光预处理使所述光罩的温度达到饱和温度。
17.步骤二、采用已经达到所述饱和温度的所述光罩对晶圆进行曝光，使曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异减少。
18.进一步的改进是，同一晶圆产品会进行多层图形的曝光，故各层所述图形采用对应层的所述光罩进行曝光。
19.进一步的改进是，步骤一之前，还包括步骤：
20.步骤11、测量各层所述光罩在曝光过程中温度随曝光时间的变化曲线并建立第一数据库。
21.步骤12、测量各层所述光罩在不同曝光能量下的饱和曝光时间并建立第二数据库，所述饱和曝光时间为使对应的所述光罩的温度达到所述饱和温度所需要的时间。
22.进一步的改进是，步骤12中，包括测量在各种曝光光源下进行曝光得到的各层所述光罩的所述饱和曝光时间。
23.进一步的改进是，所述曝光光源包括arf光源和krf光源。
24.进一步的改进是，步骤一之前，还包括步骤：
25.步骤10、测量不同层的所述光罩的透光率并建立第三数据库；
26.进一步的改进是，步骤一之前，还包括步骤：
27.步骤13、对所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库的数据进行拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间和透光率的第一关系曲线。
28.进一步的改进是，步骤一之前，还包括步骤：
29.步骤14、根据所述第三数据库和所述第一关系曲线拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间。
30.进一步的改进是，步骤一中，所述曝光预处理的预处理曝光时间通过所述光罩对应的所述饱和曝光时间设定，所述预处理曝光时间大于等于所述饱和曝光时间。
31.进一步的改进是，步骤二完成后，还包括：
32.测量套刻误差。
33.根据测量得到的所述套刻误差计算套刻误差补偿参数；在采用步骤二对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光过程中，采用所述套刻误差补偿参数对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光进行补偿，以减少后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光的套刻误差。
34.进一步的改进是，在相同的工艺平台，采用相同的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。
35.进一步的改进是，当增加新开发的工艺平台时，需要建立新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库，并根据所述新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。
36.进一步的改进是，步骤一中，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值。
37.或者，步骤一中，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。
38.进一步的改进是，步骤一中，当所述第二数据库中包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值或者采用步骤14得到的拟合值。
39.进一步的改进是，步骤一中，当所述第二数据库中不包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。
40.进一步的改进是，步骤一完成后，采用相同的所述光罩重复进行步骤二以实现对同一片所述晶圆的各所述曝光区域进行连续曝光或者实现对多片所述晶圆进行连续曝光。
41.为了克服光罩热效应不断累积产生的不同时间段光罩的温度不一样从而使得光罩变形不一样，从而使得按时间顺序依次进行曝光的不同曝光区域和不同晶圆之间的由光罩变形产生的套刻误差差异较大的缺陷，本发明利用了光罩在进行一定量累积曝光后温度会饱和的特征，在进行晶圆的实际曝光之前，预先使光罩的温度达到饱和温度，之后再对晶圆进行实际曝光，这样，由于光罩温度已经饱和，在后续对晶圆上的各曝光区域以及对不同晶圆进行依次曝光时，光罩的温度不会在增加，使得相同晶圆的各曝光区域和各晶圆之间各曝光区域的曝光条件都趋近，从而能消除随着曝光时间的增加光罩的温度也会增加从而造成曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异较大的缺陷，从而能减少曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异。
附图说明
42.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
43.图1是现有光罩的结构示意图；
44.图2是现有光刻工艺中光罩的温度随晶圆曝光数量的变化仿真图以及对应的晶圆上的曝光区域的套刻误差示意图；
45.图3是现有光刻工艺中对同一晶圆内的各曝光区域进行连续曝光时形成晶圆的各曝光区域中的图形仿真图；
46.图4是对图3中各曝光区域的套刻误差进行测量形成的曲线；
47.图5是现有光刻工艺中光罩的温度随曝光的晶圆数量的变化曲线；
48.图6是本发明实施例改善套刻误差差异的光刻方法的流程图；
49.图7是采用本发明实施例方法对对同一晶圆内的各曝光区域进行连续曝光时形成晶圆的各曝光区域中的图形仿真图；
50.图8是光刻工艺中套刻误差随光罩所曝光的产品批次变化的仿真曲线。
具体实施方式
51.如图6所示，是本发明实施例改善套刻误差差异的光刻方法的流程图；本发明实施例改善套刻误差差异的光刻方法包括如下步骤：
52.步骤一、对光罩进行曝光预处理，所述曝光预处理使所述光罩的温度达到饱和温度。
53.本发明实施例中，同一晶圆产品会进行多层图形的曝光，故各层所述图形采用对应层的所述光罩进行曝光。
54.步骤一之前，还包括步骤：
55.步骤10、测量不同层的所述光罩的透光率并建立第三数据库；
56.步骤11、测量各层所述光罩在曝光过程中温度随曝光时间的变化曲线并建立第一数据库。
57.步骤12、测量各层所述光罩在不同曝光能量下的饱和曝光时间并建立第二数据库，所述饱和曝光时间为使对应的所述光罩的温度达到所述饱和温度所需要的时间。在一
些较佳实施例中，步骤12中，包括测量在各种曝光光源下进行曝光得到的各层所述光罩的所述饱和曝光时间，各种所述曝光光源下测得数据形成对应独立的子数据库，由各子数据库组成所述第二数据库。。
58.所述曝光光源包括arf光源和krf光源。
59.步骤13、对所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库的数据进行拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间和透光率的第一关系曲线。
60.步骤14、根据所述第三数据库和所述第一关系曲线拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间。
61.在一些实施例中，并不需要对所有的所述光罩都进行步骤11和步骤12，当透光率相同的所述光罩已经做过步骤11和步骤12时，后续的相同透光率的所述光罩能不进行步骤11和步骤12。
62.所述曝光预处理的预处理曝光时间通过所述光罩对应的所述饱和曝光时间设定，所述预处理曝光时间大于等于所述饱和曝光时间。
63.本发明实施例中，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值；或者，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。
64.在一些实施例中，当所述第二数据库中包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值或者采用步骤14得到的拟合值。
65.在另一些实施例中，当所述第二数据库中不包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。
66.步骤二、采用已经达到所述饱和温度的所述光罩对晶圆进行曝光，使曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异减少。
67.在一些实施例中，步骤二完成后，还包括：
68.测量套刻误差。
69.根据测量得到的所述套刻误差计算套刻误差补偿参数；在采用步骤二对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光过程中，采用所述套刻误差补偿参数对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光进行补偿，以减少后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光的套刻误差。
70.在一些实施例中，步骤一完成后，采用相同的所述光罩重复进行步骤二以实现对同一片所述晶圆的各所述曝光区域进行连续曝光或者实现对多片所述晶圆进行连续曝光。通常，进行连续曝光的多片所述晶圆为同一批次(lot)中的晶圆，同一批次中所述晶圆的数量最多为25片。
71.在进行步骤二的重复曝光过程中，曝光时采用曝光之前设置的所述套刻误差补偿参数进行补偿。
72.本发明实施例中，在相同的工艺平台，采用相同的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。
73.当增加新开发的工艺平台时，需要建立新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库，并根据所述新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二
数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。
74.为了克服光罩热效应不断累积产生的不同时间段光罩的温度不一样从而使得光罩变形不一样，从而使得按时间顺序依次进行曝光的不同曝光区域和不同晶圆之间的由光罩变形产生的套刻误差差异较大的缺陷，本发明实施例利用了光罩在进行一定量累积曝光后温度会饱和的特征，在进行晶圆的实际曝光之前，预先使光罩的温度达到饱和温度，之后再对晶圆进行实际曝光，这样，由于光罩温度已经饱和，在后续对晶圆上的各曝光区域以及对不同晶圆进行依次曝光时，光罩的温度不会在增加，使得相同晶圆的各曝光区域和各晶圆之间各曝光区域的曝光条件都趋近，从而能消除随着曝光时间的增加光罩的温度也会增加从而造成曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异较大的缺陷，从而能减少曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异。
75.如图7所示，是采用本发明实施例方法对对同一晶圆内的各曝光区域进行连续曝光时形成晶圆的各曝光区域中的图形仿真图；图7中，晶圆204b中的各曝光区域202中形成的图形差异不大，这是因为本发明实施例方法中在对晶圆204b的曝光过程中光罩处于温度饱和状态。作为对比，和图3所示的现有方法中对晶圆204a进行曝光时光罩处于升温状态，可以看出晶圆204a的各曝光区域202的图形差异较大。所以，本发明实施例方法能降低图形的套刻误差的差异。
76.如图8所示，是光刻工艺中套刻误差随光罩所曝光的产品批次变化的仿真曲线，图8中横坐标表示产品批次，通常同一批次中所包括的晶圆数量最大值为25片；纵坐标表示套刻误差。图8中柱状图303表示曝光能量，故批次中对应的曝光能量一致。
77.曲线301表示通过模型估计(model evaluated)的套刻误差曲线，曲线302为曲线301的拟合曲线。
78.图8中的套刻误差是指一个曝光区域内的套刻误差；可以看出，在对最初始几个批次中，光罩处于升温状态，此时套刻误差的变化比较大，和图4相符；随着曝光数量增加，光罩会升温到温度饱和状态，这时套刻误差的变化不大。而本发明实施例中，则在晶圆曝光之前就是光罩处于温度饱和状态，故能减少套刻误差的差异。
79.以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、对光罩进行曝光预处理，所述曝光预处理使所述光罩的温度达到饱和温度；步骤二、采用已经达到所述饱和温度的所述光罩对晶圆进行曝光，使曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异减少。2.如权利要求1所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：同一晶圆产品会进行多层图形的曝光，故各层所述图形采用对应层的所述光罩进行曝光。3.如权利要求2所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一之前，还包括步骤：步骤11、测量各层所述光罩在曝光过程中温度随曝光时间的变化曲线并建立第一数据库；步骤12、测量各层所述光罩在不同曝光能量下的饱和曝光时间并建立第二数据库，所述饱和曝光时间为使对应的所述光罩的温度达到所述饱和温度所需要的时间。4.如权利要求3所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤12中，包括测量在各种曝光光源下进行曝光得到的各层所述光罩的所述饱和曝光时间。5.如权利要求4所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：所述曝光光源包括arf光源和krf光源。6.如权利要求3所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一之前，还包括步骤：步骤10、测量不同层的所述光罩的透光率并建立第三数据库。7.如权利要求6所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一之前，还包括步骤：步骤13、对所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库的数据进行拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间和透光率的第一关系曲线。8.如权利要求7所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一之前，还包括步骤：步骤14、根据所述第三数据库和所述第一关系曲线拟合得到各层所述光罩的所述饱和曝光时间。9.如权利要求8所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一中，所述曝光预处理的预处理曝光时间通过所述光罩对应的所述饱和曝光时间设定，所述预处理曝光时间大于等于所述饱和曝光时间。10.如权利要求9所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤二完成后，还包括：测量套刻误差；根据测量得到的所述套刻误差计算套刻误差补偿参数；在采用步骤二对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光过程中，采用所述套刻误差补偿参数对后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光进行补偿，以减少后续所述曝光区域或所述晶圆的曝光的套刻误差。11.如权利要求10所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：在相同的工艺平台，采用相同的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。
12.如权利要求11所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：当增加新开发的工艺平台时，需要建立新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库，并根据所述新工艺平台对应的所述第一数据库、所述第二数据库和所述第三数据库得到所述预处理曝光时间和所述套刻误差补偿参数。13.如权利要求11所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一中，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值；或者，步骤一中，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。14.如权利要求13所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一中，当所述第二数据库中包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤12得到的测量值或者采用步骤14得到的拟合值。15.如权利要求13所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一中，当所述第二数据库中不包括有步骤一中进行所述曝光预处理的所述光罩的所述饱和曝光时间的数据时，用于设定所述预处理曝光时间的所述饱和曝光时间采用步骤14得到的拟合值。16.如权利要求1所述的改善套刻误差差异的光刻方法，其特征在于：步骤一完成后，采用相同的所述光罩重复进行步骤二以实现对同一片所述晶圆的各所述曝光区域进行连续曝光或者实现对多片所述晶圆进行连续曝光。

技术总结

本发明公开了一种改善套刻误差差异的光刻方法，包括：步骤一、对光罩进行曝光预处理使光罩的温度达到饱和温度。步骤二、采用已经达到饱和温度的光罩对晶圆进行曝光，使曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异减少。本发明能消除随着曝光时间的增加光罩的温度也会增加从而造成曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异较大的缺陷，从而能减少曝光区域间以及晶圆间的套刻误差的差异。圆间的套刻误差的差异。圆间的套刻误差的差异。