專利名稱：一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法。
背景技術(shù)：
在集成電路制程工藝中，一般分為氧化、光刻和刻蝕、摻雜、退火和雜質(zhì)再分布等步驟。
其中，光刻技術(shù)類似于照片的印相技術(shù)，光刻膠相當(dāng)于相紙上的感光材料，光刻掩模相當(dāng)于相片底片。光刻技術(shù)通過顯影、定影、堅(jiān)膜等步驟溶解掉光刻掩模上的一些區(qū)域，形成版形。
伴隨集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步，線寬的不斷縮小，半導(dǎo)體器件的面積正變得越來越小，半導(dǎo)體的布局已經(jīng)從普通的單一功能分離器件，演變成整合高密度多功能的集成電路。由最初的IC(集成電路)隨后到LSI(大規(guī)模集成電路)和VLSI(超大規(guī)模集成電路)，直至今天的ULSI(特大規(guī)模集成電路)，器件的面積進(jìn)一步縮小，功能更為全面強(qiáng)大。由于半導(dǎo)體工藝研發(fā)的復(fù)雜性、長(zhǎng)期性和高昂的成本等等不利因素的制約，如何在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高器件的集成密度，縮小芯片的面積，在同一枚硅片上盡可能多的得到有效的芯片數(shù)，從而提高整體利益，將越來越受到芯片設(shè)計(jì)者和制造商的重視。這其中的主要手段是不斷提升或采購先進(jìn)的光刻設(shè)備，以求在光學(xué)上得到更高的分辨率表現(xiàn)以及提升光刻膠的化學(xué)表現(xiàn)?，F(xiàn)針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行說明從光學(xué)方面來講光的衍射是光通過不透明體邊緣，穿過狹縫或從劃有平行直線的表面反射時(shí)產(chǎn)生偏折并出現(xiàn)一些彼此平行的亮帶和暗帶的現(xiàn)象。半導(dǎo)體生產(chǎn)中使用的光刻技術(shù)主要基于上述原理當(dāng)光線通過掩膜版時(shí)，由于受到掩膜版圖形的影響，使光線發(fā)生偏折，根據(jù)掩膜版圖形的尺寸大小從而產(chǎn)生數(shù)量不同的衍射級(jí)數(shù)，基本的計(jì)算工式P*Sinα＝n*λ (公式1)P是圖形的透明區(qū)域和不透明部分寬度的總和；α是衍射角度；λ是光刻機(jī)使用的波長(zhǎng)；n即是衍射級(jí)數(shù)。
根據(jù)數(shù)值孔徑的分辨率的概念和計(jì)算公式NA＝N*Sinα (公式2)R＝K1*λ/NA (公式3)數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture)是光刻機(jī)鏡頭能力的重要表征，數(shù)值越高其帶來的分辨率R越高；N是光酸的濃度；K1是系數(shù)因子，與工藝的能力，設(shè)備的波長(zhǎng)，數(shù)值孔徑等的基本參數(shù)相關(guān)。當(dāng)數(shù)值孔徑為某個(gè)定值時(shí)通過公式2可以得到最大有效衍射角，由此帶入公式1得到可以被鏡頭收集的衍射級(jí)數(shù)。收集的衍射級(jí)數(shù)越多，圖形的逼真程度越高，由此得到的空間圖像對(duì)比度也會(huì)大大提高。因此，不斷提高數(shù)值孔徑即是光學(xué)上提高分辨率的一條根本途徑，但由于設(shè)備的制造成本不斷激增，鏡頭的制備也難上加難，無疑未來這條路將變得十分坎坷、艱辛。
從提高光刻膠的化學(xué)表現(xiàn)來講光刻膠吸收空間圖像，通過顯影成像。光敏材料的成像是光化學(xué)催化反應(yīng)的結(jié)果，當(dāng)最初的空間信號(hào)帶有的能量被光敏材料吸收后，光敏材料中的PAG光酸生成劑將會(huì)產(chǎn)生不同酸性強(qiáng)弱和分子大小的光酸，這些光酸分布在光敏材料被曝光區(qū)域內(nèi)，隨著硅片的烘烤受熱它們將獲得足夠的動(dòng)能進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，并且將作為形成圖像的化學(xué)放大反應(yīng)的反應(yīng)物，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物苯芬類酸性物質(zhì)與堿性的顯影液反應(yīng)，最終得到圖形。所述的苯芬類酸性物質(zhì)僅由正膠產(chǎn)生。在整個(gè)光化學(xué)反應(yīng)中，光酸的擴(kuò)散起到了非常重要的作用，擴(kuò)散的長(zhǎng)度直接決定光敏材料的分辨率，圖像的形貌，以及是否能夠恰當(dāng)?shù)陌蜒谀ぐ嫔系膱D形正確的傳遞下來。
U(x)=∫-∞∞I0(x′)1a2πe-(x-x′)22a2dx′]]>(公式4)α為擴(kuò)散長(zhǎng)度，I0為擴(kuò)散前空間圖像強(qiáng)度，U為擴(kuò)散后空間圖像強(qiáng)度。一般上，擴(kuò)散長(zhǎng)度越短圖像的表現(xiàn)會(huì)越好，但由于光化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)仍然是各向基本同性的化學(xué)反應(yīng)，為了發(fā)生接下來的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，光酸的數(shù)量需要達(dá)到并超過一定的閾值，而過多的光酸卻可能導(dǎo)致擴(kuò)散長(zhǎng)度的激增和空間圖像本底的提升，這降低了圖像的空間對(duì)比度表現(xiàn)，也同時(shí)降低圖像的分辨率。因此，在生產(chǎn)中應(yīng)合理的控制光酸的數(shù)量，防止由于光酸的不良分布導(dǎo)致的空間圖像本底的提升，以求獲得更高的空間對(duì)比度，從而達(dá)到最佳表現(xiàn)一直是工程師們的努力方向和目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
為了在得到更高的分辨率，本發(fā)明通過利用光學(xué)原理和光敏材料的光化學(xué)反應(yīng)理論控制光刻過程。本發(fā)明提高了對(duì)光酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的控制，也進(jìn)一步提高光刻技術(shù)的分辨率。
本發(fā)明包括如下步驟步驟1，采用掩模版測(cè)試圖形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的曝光實(shí)驗(yàn)，利用電子線寬顯微鏡測(cè)試光刻膠的實(shí)際曝光線寬；步驟2，根據(jù)光刻膠的光化學(xué)反映理論和光學(xué)原理，由數(shù)學(xué)公式計(jì)算出與圖像分辨率、光刻膠的閾值能量、光酸生成劑的擴(kuò)散長(zhǎng)度、空間頻率、光刻設(shè)備物理參數(shù)相關(guān)的光酸的濃度值；步驟3，根據(jù)所述光酸的濃度值，通過反復(fù)調(diào)整曝光、顯影的次數(shù)及其組合，得出曝光、顯影次數(shù)最少且又符合實(shí)際產(chǎn)品工藝要求的曝光、顯影的次數(shù)及其組合。
所述步驟1中曝光實(shí)驗(yàn)，曝光能量的取值范圍為0.001毫焦/平方厘米～1000毫焦/平方厘米，曝光設(shè)定的焦點(diǎn)的取值范圍為-0.2微米～+0.2微米；顯影時(shí)間的取值范圍為1秒～1000秒。
所述步驟2中的數(shù)學(xué)公式是指N=∫σinσoutσdσ1sin(πCDp)[πe2π2a2p22φ(1-sin2(λ2np))-2(1+α)π(1-α)cos(πCDp)]∫σinσoutσdσ]]>其中，N是光酸的濃度，σ是光學(xué)相干系數(shù)，p是空間頻率周期，α是光刻膠的擴(kuò)散長(zhǎng)度，CD是圖像線寬尺寸，n是折射率。
所述的步驟3中所述的步驟3中曝光和顯影的次數(shù)及其組合是以下次數(shù)及其組合的一種第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第1次顯影、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第3次曝光、第1次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次顯影。
本發(fā)明提高了對(duì)光酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的控制，并通過顯影工藝防止了由于光酸的不良分布導(dǎo)致的空間圖像本底提升的問題，從而得到更高的空間對(duì)比度，也進(jìn)一步提高光刻技術(shù)的分辨率。


圖1是本發(fā)明的步驟流程圖圖2是不同線寬、距離間隔的縱向設(shè)計(jì)圖形；圖3是不同線寬、距離間隔的橫向設(shè)計(jì)圖形；圖4是不同線寬、距離間隔的橫、縱交錯(cuò)設(shè)計(jì)圖形。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明的步驟流程圖。如圖1所示，本發(fā)明包括如下4個(gè)步驟步驟1采用特殊設(shè)計(jì)的掩模版測(cè)試圖形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的曝光試驗(yàn)。所述標(biāo)準(zhǔn)的曝光、顯影為一次曝光一次顯影。其中曝光能量的取值范圍為0.001毫焦/平方厘米～1000毫焦/平方厘米；曝光設(shè)定的焦點(diǎn)的取值范圍為-0.2微米～+0.2微米；顯影時(shí)間的取值范圍為1秒～1000秒；光刻機(jī)的數(shù)值孔徑取值范圍為0.2～0.99；從焦點(diǎn)到光源的相干系數(shù)的取值范圍為0.01～0.99；采用的光刻膠是由酮類，醚類，烷烴類有機(jī)溶劑和感光交聯(lián)樹脂構(gòu)成的光刻膠，其分子量在100～150,000之間；膜厚取值范圍為100納米～10000納米；烘烤溫度60℃～250℃；烘烤時(shí)間為10s～120s。隨后利用電子線寬顯微鏡測(cè)量光刻膠的實(shí)際曝光線寬表現(xiàn)。橫向線條、縱向線條、傾斜線條以及密集線條和疏松線條之間的各種組合方式均包括在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，圖形的線寬尺寸由1納米至1000微米，樣式如圖2、圖3和圖4。圖2是不同線寬、距離間隔的縱向設(shè)計(jì)圖形。如圖2所示，為利用電子線寬顯微鏡測(cè)試光刻膠實(shí)際曝光線寬表現(xiàn)的不同線寬、距離間隔的縱向設(shè)計(jì)圖形。圖3是不同線寬、距離間隔的橫向設(shè)計(jì)圖形。如圖3所示，為利用電子線寬顯微鏡測(cè)試光刻膠實(shí)際曝光線寬表現(xiàn)的不同線寬、距離間隔的橫向設(shè)計(jì)圖形。圖4是不同線寬、距離間隔的橫、縱交錯(cuò)設(shè)計(jì)圖形。如圖4所示，為不同線寬、距離間隔的橫、縱交錯(cuò)設(shè)計(jì)圖形。
步驟2利用光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)理論以及光學(xué)原理，對(duì)步驟1得出的實(shí)際暴光線寬表現(xiàn)通過如下公式進(jìn)行計(jì)算
N=∫σinσoutσdσ1sin(πCDp)[πe2π2a2p22φ(1-sin2(λ2np))-2(1+α)π(1-α)cos(πCDp)]∫σinσoutσdσ]]>(公式1)其中，σ光學(xué)相干系數(shù)，p空間頻率周期，α光刻膠的擴(kuò)散長(zhǎng)度，CD圖像線寬尺寸，N光酸的濃度；然后得到一組與圖像分辨率、光刻膠的閾值能量、光酸生成劑的擴(kuò)散長(zhǎng)度、空間頻率、光刻設(shè)備物理參數(shù)相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)方程 是光刻膠的主鏈； 是反應(yīng)后的羧酸； 是副產(chǎn)物； 是光酸生成劑，它是光酸濃度N的主要決定因素。
步驟3根據(jù)如上所做的相關(guān)測(cè)試決定曝光和顯影的次數(shù)，曝光和顯影的相關(guān)次序。所述的曝光和顯影的次數(shù)包括1～3次曝光，1～2次顯影。所述曝光和顯影的相互次序是第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第1次顯影、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第3次曝光、第1次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次顯影。然后利用公式1計(jì)算相應(yīng)的光酸濃度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行組合，再選擇曝光和顯影的次數(shù)以及組合，要求達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。所述的標(biāo)準(zhǔn)是通過將不同的曝光和顯影組合，使沒有曝光區(qū)域的光酸濃度低于光刻膠的感光閾值(其數(shù)據(jù)由光刻膠廠商提供)，即能夠提高對(duì)光酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的控制，并通過顯影工藝防止了由于光酸的不良分布導(dǎo)致的空間圖像本底提升的問題，從而使曝光和非曝光區(qū)域的空間對(duì)比度更高，也進(jìn)一步提高光刻技術(shù)的分辨率。由于解決方案可能不止一種，這需要將這些解決方案加以對(duì)比以得到最佳的選擇。最終能夠提高了對(duì)光酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的控制，并通過顯影工藝防止了由于光酸的不良分布導(dǎo)致的空間圖像本底提升的問題。按照已確定的曝光和顯影的次數(shù)以及次序再次進(jìn)行根據(jù)上述計(jì)算確定曝光和顯影的次數(shù)以及組合，而后依靠這一方案進(jìn)行試驗(yàn)，確認(rèn)反饋試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正。
根據(jù)最終得出的曝光和顯影的次數(shù)以及組合，進(jìn)行生產(chǎn)。
雖然已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，在不背離本發(fā)明權(quán)利要求書中公開范圍的情況下，任何各種修改、添加和替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，其特征在于包括如下步驟步驟1采用掩模版測(cè)試圖形進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的曝光實(shí)驗(yàn)，利用電子線寬顯微鏡測(cè)試光刻膠的實(shí)際曝光線寬；步驟2根據(jù)光刻膠的光化學(xué)反映理論和光學(xué)原理，由數(shù)學(xué)公式計(jì)算出與圖像分辨率、光刻膠的閾值能量、光酸生成劑的擴(kuò)散長(zhǎng)度、空間頻率、光刻設(shè)備物理參數(shù)相關(guān)的光酸的濃度值；步驟3根據(jù)所述光酸的濃度值，通過反復(fù)調(diào)整曝光、顯影的次數(shù)及其組合，得出曝光、顯影次數(shù)最少且又符合實(shí)際產(chǎn)品工藝要求的曝光、顯影的次數(shù)及其組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，其特征在于所述步驟1中的曝光實(shí)驗(yàn)中，曝光能量的取值范圍為0.001毫焦/平方厘米～1000毫焦/平方厘米，曝光設(shè)定的焦點(diǎn)的取值范圍為-0.2微米～+0.2微米，顯影時(shí)間的取值范圍為1秒～1000秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，其特征在于所述步驟2中的數(shù)學(xué)公式是指N=∫σinσoutσdσ1sin(πCDp)[πe2π2σ2p22φ(1-sin2(λ2np))-2(1+α)π(1-α)cos(πCDp)]∫σinσoutσdσ]]>其中，N是光酸的濃度，σ是光學(xué)相干系數(shù)，p是空間頻率周期，α是光刻膠的擴(kuò)散長(zhǎng)度，CD是圖像線寬尺寸，n是折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，其特征在于所述的步驟3中曝光和顯影包括1～3次曝光、1～2次顯影。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，其特征在于所述的步驟3中曝光和顯影的次數(shù)及其組合是以下次數(shù)及其組合的一種第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第1次顯影、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次曝光、第3次曝光、第2次顯影；第1次曝光、第2次曝光、第3次曝光、第1次顯影；第1次曝光、第1次顯影、第2次顯影。
全文摘要
一種提高光刻技術(shù)分辨率的方法，利用光學(xué)原理和光敏材料的光化學(xué)反應(yīng)理論，根據(jù)對(duì)特殊設(shè)計(jì)的掩模版測(cè)試圖形實(shí)際曝光結(jié)果的測(cè)量和模擬計(jì)算得到光刻膠的閾值能量以及光酸生成劑的擴(kuò)散長(zhǎng)度，隨后依據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行1～3次曝光、1～2次顯影。本發(fā)明提高了對(duì)光酸擴(kuò)散長(zhǎng)度的控制，并通過顯影工藝防止了由于光酸的不良分布導(dǎo)致的空間圖像本底提升的問題，從而得到更高的空間對(duì)比度，進(jìn)一步提高光刻技術(shù)的分辨率。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101063823SQ200710041398
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者朱駿 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司