专利名称：动态调整光刻成像设备中的聚焦透镜焦深的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制造工艺，特别涉及半导体光刻工艺。
背景技术：
随着集成电路的芯片集成度越来越高，半导体器件的设计规则从65nm缩小到 45nm,目前已向32nm甚至更小尺寸的工艺进行挑战。在缩小工艺尺寸的过程中，光刻工艺 是最重要的步骤之一。光刻是利用照相复制与化学腐蚀相结合，在晶片表面形成精密、微细 和复杂的薄层图形。光刻的基本原理是利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学 反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工的晶片表面上。光刻的主要步 骤有涂布光致抗蚀剂；套准掩模板并曝光用显影液溶解未感光的光致抗蚀剂层；用腐蚀 液溶解掉无光致抗蚀剂保护的层；去除已感光的光致抗蚀剂层。图1示意性地示出了传统的投影式曝光设备的结构。参考图1，由曝光光源(如超 高压汞灯电压，图中未示出)发出的曝光光束通过光学系统(图中未示出)形成具有均勻 照度分布的曝光光束100。曝光光束100经过二向色镜的反射后穿过聚光透镜101，投影到 掩模板102的呈狭缝状的照射区域103上。在照射区域103上形成有要在晶片上形成的电 路图案。然后通过投影光学系统104，照射区域103中的电路图案被投影到涂覆有光刻胶的 晶片105上，从而在晶片105的表面上形成了需要的图案。在图1中，Z轴设定为与投影到 掩模板上的光束方向平行的方向，而X和Y轴设定为构成与Z轴正交的平面。由于图1中所示的曝光系统一次曝光的面积大小是有限的，通常在5cmX IOcm的 面积大小，而晶片的尺寸从过去的6英寸、8英寸逐渐增大的目前常见的12英寸，因此在曝 光时需要将一个晶片划分为多个成像块(shot)分别进行曝光成像，每个成像块中包含多 个小的电路芯片。如图1所示，曝光机台106通过在X和Y方向进行移动，将所要曝光成像 的各个目标成像块置于投影光学系统104的正下方，对该目标成像块进行曝光成像。然而，随着集成电路的集成密度越来越高，每个晶片中包含的晶体管数目也越来 越多，每个成像块中包含的芯片数目也就越来越多。为了提高工艺线的制造效率，可能会将 实现不同功能的电路芯片集合在同一晶片、甚至是同一成像块中，因此不同的电路芯片由 于其结构不同，例如沉积的层数和层厚度等不一致，会导致在工艺过程中在晶片表面呈现 的高度不同。在光刻工艺的曝光过程中，不同的高度会导致满足清晰成像的最佳成像距离 不一致，因此需要曝光系统具有较大的聚焦深度(Depth of R)cus，简称D0F)，以满足在一 次曝光中为不同结构的芯片提供清晰的成像图案。另外，晶片平整度存在的误差、光刻胶厚 度不均勻、调焦误差以及视场弯曲等因此，也都要求投影系统具有足够大的焦深，以便提供 一定范围内的清晰成像效果。由此可见，在投影光刻工艺中，光束聚焦的聚焦深度是非常重要的指标。焦深是指 能够满足光刻分辨率(即光刻机在晶片表面能曝光的最小特征尺寸)的关键尺寸(CD)均 勻性的晶片最大离焦范围。具体而言，当晶片表面位于成像的焦平面上时，不仅在焦平面上 成像的各点是清晰的，而且在此平面的上下一定高度范围内成像也是清晰的。这个能够提3供清晰成像的最大范围就是焦深。由此可见，焦深越大，能够清晰成像的范围也就越大；而 焦深越小，说明能够投影系统一次能清晰成像的高度范围越小。焦深由以下公式定义其中NA为投影物镜的像方数值孔径，λ为曝光波长，k为工艺因子。为了获得高密度和高集成度的电路，需要提高光刻工艺的光刻分辨率。提高光刻 分辨率的常用手段是缩短曝光的光源波长，增大投影物镜的数值孔径(NA)，使得曝光光束 的能量更强，光束的照射更为集中，从而获得细微的图案。目前采用的曝光光束的波长以达 到比紫外光频率更高的超紫外光，即所谓的EUV光刻技术。EUV光刻技术已用于大规模生 产IGB以上的动态随机存储器(DRAM)，其工艺尺寸可达到0.25 μ m以下。然而由上面的公 式(1)可知，曝光波长的缩短虽然会使得光刻分辨率提高，但同时会使得焦深线性减小。而 且，由于焦深与数值孔径的平方成反比，因此在增大投影物镜的数值孔径以便提高曝光分 辨率的同时，会使得投影物镜的焦深急剧减小。当DOF缩小到以下时，对于光刻工艺是非常 不利的。特别是在制造SRAM单元芯片的工艺过程中，由于同一晶片上具有多种不同的图案 密度，因此小于0. 15 μ m的DOF可能会导致大量的成像块在曝光的时候发生散焦(out of focus)，造成模糊的成像图案。而且，过小的DOF也极大地限制了光刻设备的容许误差范 围，也就是说，光刻设备一旦出现很小的偏移误差，就可能造成成像发生散焦。因此，如何解决在光刻工艺中随着光刻分辨率的提高导致焦深减小的问题，如何 获得更大的焦深，成为目前制约光刻分辨率进一步提高的亟待解决的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式
部分中进 一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的 关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。为了解决现有的光刻工艺中光刻分辨率的提高导致焦深减小的问题，本发明提 供了一种动态调整光刻成像设备中的聚焦透镜焦深的方法，所述光刻成像设备包括聚焦 透镜，用于将掩模板上的图案成像到晶片上，还包括至少三个驱动机构，用于分别独立地 调整晶片与聚焦透镜中心之间的距离，所述方法包括下列步骤(a)选取晶片中的任一 成像块，测量该成像块的表面距离聚焦透镜中心的距离d ； (b)判断所述距离d是否满足 f-1DOFI彡d彡f+1DOFI，其中f是聚焦透镜的焦距，f > 0，DOF是聚焦透镜的焦深；(c)若 在步骤(b)中判断出d满足该式，则进入步骤(d)；否则(cl)若判断md<f-|D0F|，贝丨J 驱动所述驱动机构使晶片沿着与晶片表面垂直的方向，向远离聚焦透镜的方向移动，直到 d彡f_ IDOFI，进入步骤(d) ； (c2)若判断出d > f+1DOFI，则驱动所述驱动机构使晶片沿着 与晶片表面垂直的方向，向靠近聚焦透镜的方向移动，直到d ^ f+1DOFI，进入步骤(d) ； (d) 对所述成像块进行曝光成像，返回步骤(a)。优选地，所述驱动机构的数目为三个。优选地，所述驱动机构是线性电机。优选地，所述步骤(Cl)中将所述晶片移动到所述聚焦透镜的焦平面上。
优选地，其特征在于，所述步骤(U)中将所述晶片移动到所述聚焦透镜的焦平面 上。根据本发明的方法，可以动态地调整光刻设备中聚焦透镜的焦深，从而获得更大 的焦深以满足不同类型的成像块清晰成像的需要。
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发 明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，图1是传统的投影式曝光设备的结构示意图。图2是投影式曝光设备中的曝光机台的局部放大示意图。图3是示出晶片上的七个不同位置处的接触孔成像的场电子显微镜(FEM)照片。图4示出了根据本发明的调整光刻曝光成像的方法流程图。
具体实施例方式在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然 而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以 实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进 行描述。为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是如 何调整曝光机台的高度以便解决曝光系统的焦深过小的问题。显然，本发明的施行并不限 定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而 除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。图2进一步示出了图1中的曝光机台的结构参考图。下面参照图2来具体说明根 据本发明的调整曝光机台以获得大焦深的方法。如图2所示，曝光机台106在由彼此正交的X和Y轴构成的平面内移动，光刻控制 系统根据晶片上划分的成像块的数目和各自的大小设定曝光机台106分别沿X和Y方向移 动的距离，通过在X和Y轴上设置的驱动马达带动曝光机台106的移动，以便将需要进行曝 光的每一个成像块移动到曝光光束投影系统的正下方进行曝光成像。在图2中，Z轴设定为与投影到掩模板上的光束方向平行的方向，即与X和Y轴构 成的平面相互垂直的方向。在曝光时，晶圆105上进行曝光的某个成像块107与曝光光束 聚焦透镜108的透镜中心距离为d。当d在聚焦透镜的焦深之外时，会发生散焦现象，即掩 模上的图案无法清晰地成像到晶片105的表面上。因此，本发明设想通过调整上述成像块 107与曝光光束聚焦透镜108的透镜中心距离d的大小，使之落入聚焦透镜108的焦深内， 从而解决散焦这一问题。从另一角度来看，通过将距离d设定为可调节的，即使某个成像块 107距离聚焦透镜的中心距离在聚焦透镜的焦深之外，也可以实现清晰的成像，即实质上起 到了 “扩大”焦深范围的效果。如图2所示，在曝光机台106的Z方向设置第一驱动机构109a、第二驱动机构109b 和第三驱动机构109c，用来调节曝光机台106在Z轴方向上的移动。当检测到晶片105上 的某个成像块107的表面距离聚焦透镜108中心的距离在聚焦透镜108的焦深以外，S卩，当d > f +1DOF ι (其中f是聚焦透镜108的焦距，f > 0，DOF是聚焦透镜108的焦深)，则调节 第一驱动机构109a、第二驱动机构109b和第三驱动机构109c将晶片105沿Z轴向着靠近 聚焦透镜108的方向移动，使得成像块107与聚焦透镜108之间的距离d落入到焦深范围 之内。晶片105沿Z轴移动的距离dl应大于或等于d-(f+|D0F|)。优选地，将晶片105调 整到聚焦透镜108的最佳成像距离处，即焦平面处。类似地，当检测到成像块107的表面距离聚焦透镜108中心的距离d < f-|D0F 时，则调节第一驱动机构109a、第二驱动机构109b和第三驱动机构109c将晶片105沿Z轴 向着远离聚焦透镜108的方向移动，使得成像块107与聚焦透镜108之间的距离d落入到 焦深范围之内。晶片105沿Z轴移动的距离d2应大于等于(f-|D0F|)-d。本领域技术人员可以理解的是，还可以设置第四驱动机构、第五驱动机构甚至更 多的驱动机构以便对晶片107的高度实现更加精确和细微的调整。然而，根据三点确定一 个平面的几何基本原理，用来调节晶片107所在的平面沿着Z轴且与Z轴始终正交地上下 移动，至少需要三个独立的驱动机构进行调节。上述的调整晶片高度的过程是在扫描曝光 期间持续进行的，即实现了对于聚焦透镜焦深的连续且动态的调整。第一驱动机构109a、第二驱动机构109b和第三驱动机构109c可以采用类似于在 X和Y轴上设置的驱动马达形式。例如采用本领域常用的将电能转换成直线运动的机械能 的线性电机。图3的场电子显微镜(FEM)照片示出对于晶片上的七个不同位置处的接触孔成 像的情况。其中图3(a)为根据现有技术未对晶片与聚焦透镜距离进行动态调整的成像效 果；图3(b)为根据本发明的方法对晶片与聚焦透镜距离进行动态调整的成像效果。通过图 3(a)和图3(b)的照片进行对比，可以看出利用本发明动态调整晶片与聚焦透镜之间的距 离，变相增大了聚焦透镜的焦深，使得具有较大高度差的成像块都能落入到聚焦透镜的焦 深范围内，实现清晰的成像。实验结果表面，根据本发明的调整方法将聚焦透镜的焦深加大 了大约80%，可以实现整个SRAM单元面积上的全部成像块的清晰成像。图4的流程图示出了根据本发明的调整光刻曝光成像的方法。在步骤401，选取晶 片中的任一成像块，测量该成像块的表面距离聚焦透镜中心的距离d ；在步骤402，判断该 距离d是否在聚焦透镜的焦距f 士焦深DOF的范围内，即f-|D0F|彡d彡f+1DOFI ；若是，则 直接进入步骤405，即无需对晶片高度进行调整，对该成像块进行曝光成像；然后，进入步 骤406，扫描下一个成像块，然后返回步骤401。若在步骤402中判断出d大于聚焦透镜的 焦距f+1DOF I，则在步骤403中驱动第一驱动机构109a、第二驱动机构109b和第三驱动机 构109c，使得晶片沿着与晶片表面垂直的方向，向靠近聚焦透镜的方向移动，直到距离d小 于或等于聚焦透镜的焦距f+1DOFI，然后进入步骤403，对该成像块进行曝光成像；若在步 骤402中判断出d小于聚焦透镜的焦距f_ IDOFI，则在步骤404中驱动第一驱动机构109a、 第二驱动机构109b和第三驱动机构109c，使得晶片沿着与晶片表面垂直的方向，向远离聚 焦透镜的方向移动，直到距离d大于或等于聚焦透镜的焦距f_ IDOFI，然后进入步骤405，对 该成像块进行曝光成像。根据如上所述的实施例制造的半导体器件可应用于多种集成电路(IC)中。根 据本发明的IC例如是存储器电路，如随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步 DRAM (SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或只读存储器(ROM)等等。根据本发明的IC还可以是逻辑器件，如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、合并式DRAM逻辑集成电路(掩埋式 DRAM)或任意其他电路器件。根据本发明的IC芯片可用于例如用户电子产品，如个人计算 机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机、数码相机、手机等各种电子 产品中，尤其是射频产品中。 本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于 举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人 员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的 变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由 附属的权利要求书及其等效范围所界定。
权利要求
1.一种动态调整光刻成像设备中的聚焦透镜焦深的方法，所述光刻成像设备包括聚焦 透镜，用于将掩模板上的图案成像到晶片上，还包括至少三个驱动机构，用于分别独立地调 整晶片与聚焦透镜中心之间的距离，所述方法包括下列步骤(a)选取晶片中的任一成像块，测量该成像块的表面距离聚焦透镜中心的距离d；(b)判断所述距离d是否满足下式f-1DOFI ≤ d ≤ f +1DOF (1)其中f是聚焦透镜的焦距，f > 0，DOF是聚焦透镜的焦深；(c)若在步骤(b)中判断出d满足(1)式，则进入步骤(d)；否则(cl)若判断出d < f-|D0F|，则驱动所述驱动机构使晶片沿着与晶片表面垂直的方向， 向远离聚焦透镜的方向移动，直到d彡f-|D0F|，进入步骤(d)；(c2)若判断出d > f+|D0F|，则驱动所述驱动机构使晶片沿着与晶片表面垂直的方向， 向靠近聚焦透镜的方向移动，直到d<f+|D0F|，进入步骤(d)；(d)对所述成像块进行曝光成像，返回步骤(a)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动机构的数目为三个。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动机构是线性电机。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(cl)中将所述晶片移动到所述聚 焦透镜的焦平面上。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c2)中将所述晶片移动到所述聚 焦透镜的焦平面上。
6.一种包含通过如权利要求1所述的方法制造的半导体器件的集成电路，其中所述集 成电路选自随机存取存储器、动态随机存取存储器、同步随机存取存储器、静态随机存取存 储器、只读存储器、可编程逻辑阵列、专用集成电路、掩埋式DRAM和射频电路。
7.一种包含通过如权利要求1所述的方法制造的半导体器件的电子设备，其中所述 电子设备个人计算机、便携式计算机、游戏机、蜂窝式电话、个人数字助理、摄像机和数码相 机。
全文摘要
本发明公开了一种动态调整光刻成像设备中的聚焦透镜焦深的方法，包括下列步骤(a)选取晶片中的任一成像块，测量该成像块的表面距离聚焦透镜中心的距离d；(b)判断所述距离d是否满足f-|DOF|≤d≤f+|DOF|，其中f是聚焦透镜的焦距，f＞0，DOF是聚焦透镜的焦深；(c)若满足，则进入步骤(d)；若判断出d＜f-|DOF|，则驱动所述驱动机构使晶片沿着与晶片表面垂直的方向，向远离聚焦透镜的方向移动，直到d≥f-|DOF|，进入步骤(d)；若判断出d＞f+|DOF|，则驱动所述驱动机构使晶片沿着与晶片表面垂直的方向，向靠近聚焦透镜的方向移动，直到d≤f+|DOF|，进入步骤(d)；(d)对所述成像块进行曝光成像，返回步骤(a)。
文档编号G03F7/207GK102053505SQ200910197949
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者刘艳松 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司