专利名称：监测曝光机聚焦的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种监测曝光机聚焦的方法。
背景技术：
光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所规定的特定区域的基本操作。该工艺是 半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形的 工艺过程。该工艺过程的目标有两个首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则所要求 尺寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路图形必须被正确地定位于 晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。半导体器件最终 的图形是由多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。在光刻工艺之前，首先要在掩膜版上形成所需的图形，之后通过光刻工艺把所需 要的图形转移到晶圆表面的每一层。图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到 光刻胶膜。光刻胶是一种感光物质，在曝光后会导致其自身性质和结构的变化。被曝光的 部分由非溶性物质变为可溶性物质(正胶)或者由可溶性物质变为非溶性物质(负胶)。 通过显影剂可以把可溶性物质去掉，从而在光刻胶膜留下所需要的图形。第二次图形转移 是从光刻胶膜到晶圆表面层的转移。当通过刻蚀方法将晶圆表面层没有被光刻胶覆盖的部 分去掉的时候，图形转移就发生了。由于图形转移必须通过光刻工艺实现，因此光刻工艺是所有半导体制造基本工艺 中最关键的工艺步骤，其决定了器件制造工艺中所有工艺步骤所能达到的最小尺寸，即关 键尺寸，例如金属氧化物半导体(MOS)器件中的栅宽。一般的光刻工艺要经历在晶圆表面涂底胶、旋涂光刻胶、软烘、对准、曝光、后烘、 显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。其中旋涂光刻胶的目的是在晶圆表面建立薄、均勻并且没有 缺陷的光刻胶膜。曝光是通过曝光灯或者其它辐射源将图形转移到光刻胶膜上。除了光刻 工艺所包括的上述各个工序会影响关键尺寸之外，光刻中用于实现各个工艺步骤的设备参 数也会影响整个工艺的关键尺寸。例如，用于曝光的曝光机的聚焦情况和曝光能量不同，所 能获得的图形的关键尺寸也会不同。通常曝光机的最佳焦平面会由于振动或其它原因而发生偏移，使得半导体器件的 关键尺寸发生变化。为了稳定器件的关键尺寸，需要定期对曝光机的聚焦情况进行监测，并 根据监测的结果进行调整。虽然某些光刻设备配备有用于对曝光机进行聚焦的装置，例如ASML的曝光机具 有利用对准来进行聚焦校准的装置。但是，由于该装置需要占用曝光机3小时左右的时间， 即每次校准需要占用3小时生产线的时间，严重影响了生产线的产量，从而增加了半导体 器件的制造成本。
发明内容
本发明提供一种监测曝光机聚焦的方法，减少曝光机聚焦监测所需的时间。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种监测曝光机聚焦的方法，包括对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光 刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然 后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机 焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤， 得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定 所述曝光机的聚焦发生偏移。优选地，所述图案是圆形的图案。并且，所形成的图案的关键尺寸是所述曝光机的 一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸，或者是多个曝光场中圆形图案的平均关键尺 寸优选地，将所述曝光机的数值孔径调到最大。该方法可以进一步包括根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面之差调节所述曝 光机的聚焦。优选地，在形成光刻胶膜之前，该方法可以进一步包括在所述半导体晶圆上形成 底部抗反射涂层，并烘焙。优选地，在形成光刻胶膜之后，该方法可以进一步包括在所述半导体晶圆上形成 顶部抗反射涂层，并烘焙。在所述曝光机是浸没式曝光机的情况下，该方法在形成光刻胶膜之后进一步包 括，在所述光刻膜之上形成顶部涂层。与现有技术相比，本发明所提供的技术方案，首先对半导体晶圆进行预处理、打底 胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜 进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸 与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重 复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦 平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体 晶圆进行曝光，不需要像曝光机本身配置的聚焦设备那样占用几小时的生产线时间，从而 减少了曝光机聚焦监测所需的时间，避免了需要对曝光机进行聚焦检测而减小生产线的产 量。在光刻胶膜上形成圆形图案，避免了由于条形图案的线条边缘粗糙度和线条宽度 粗糙度较大而造成关键尺寸的测量不准确。测量的关键尺寸是曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸，或者多 个曝光场中的多个圆形图案的平均关键尺寸，进一步提高了关键尺寸测量的准确度。对曝光机的聚焦进行监测时，首先将曝光机的数值孔径调整到最大值，减小了焦 深，从而更进一步地提高了曝光机聚焦监测的精确度。
图1为本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法流程图；图2为利用本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法得到的焦平面偏移值与 关键尺寸的曲线关系。具体实施例方式通常将使得关键尺寸的偏移处于士 10%之内的光刻参数称为光刻工艺的工艺窗 口。确定曝光机聚焦情况和曝光能量对工艺的影响的方式之一是确定聚焦能量矩阵(FEM， Focus Energy Matrices) 0 FEM是使用不同的曝光机焦平面和曝光能量将相同的图形特征 多次转移到晶圆表面上光刻胶膜的不同位置。具体来说，曝光时曝光机焦平面和曝光能量 以曝光场为单元分别沿晶圆的χ和y轴逐渐变化，例如从左到右曝光能量逐渐变小，从上到 下焦平面与预先设定的最佳焦平面之间的偏移值逐渐由负变正。以下将焦平面与预先设定 的最佳焦平面之间的偏移值简称为焦平面偏移值。假设，焦平面在该最佳焦平面之上时，焦 平面偏移值为正值，而焦平面在该最佳焦平面之下时，焦平面偏移值为负值。这样整个晶圆 的曝光条件就是一个能量与焦平面偏移值的矩阵。然后对晶圆进行显影并硬烘，最后使用 扫描电子显微镜(SEM)测量所形成图形的关键尺寸，从而得到曝光机聚焦情况、曝光能量 与关键尺寸之间的对应关系。FEM数据通常采用多条泊松曲线表示，这些曲线示出所实现的 关键尺寸值与聚焦情况及曝光能量的函数。通过对FEM曲线进行分析而得到光刻工艺的工 艺窗口。本发明提供的监测曝光机聚焦的方法，利用FEM实现。首先，对半导体晶圆进行预 处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述 光刻胶膜进行曝光，然后进行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到 关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦 平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第 一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间 对半导体晶圆进行曝光，不需要像曝光机本身配置的聚焦设备那样占用几小时的生产线时 间，从而减少了曝光机聚焦监测所需的时间，避免了需要对曝光机进行聚焦检测而减小生 产线的产量。在利用FEM技术收集数据时，通常在半导体晶圆上形成条形的图案。测量关键尺 寸时，测量的是线条的宽度。但是本发明的发明人通过多次测量和实验，发现在曝光机聚焦 情况不佳时，线条图案的线条边缘粗糙度(LER，Line Edge Roughness)很大，从而直接导致 线条图案的线条宽度粗糙度(LWR，Line Width Roughness)也很大。这样，在曝光机聚焦情 况不佳时，测量得到的关键尺寸不准确，使得通过FEM技术获得的关键尺寸与曝光机焦平 面偏移值之间的对应关系不准确，由此而计算得到的最佳焦平面也就不准确，从而影响了 曝光机聚焦监测的精确度。为此，在本发明的一个优选实施例中，光刻胶膜上形成的图案是圆形图案。为了进 一步提高关键尺寸测量的准确性，测量的关键尺寸是曝光机的一个曝光场中多个圆形图案 的平均关键尺寸，或者多个曝光场中的多个圆形图案的平均关键尺寸，其中每个曝光场中 可以取多个圆形图案。为了减小焦深，以便更进一步地提高曝光机聚焦监测的精确度，在本发明的一个 优选实施例中，对曝光机的聚焦进行监测时，首先将曝光机的数值孔径调整到最大值。进一步地，在检测到曝光机的聚焦存在偏移时，根据第二最佳焦平面与第一最佳 焦平面之差来调节曝光机的聚焦。
为了减小曝光时由于光刻胶的顶面或底面反射而产生切口效应和驻波效应，本发 明所使用的抗蚀剂层除光刻胶膜之外还可以进一步包括底部抗反射涂层(BARC)和/或顶 部抗反射涂层(TARC)。在曝光机是浸没式曝光机的情况下，为了防止对曝光机的透镜产生 玷污，本发明的抗蚀剂层还可以包括顶部涂层(TC)。以下结合附图详细描述本发明的优选实施例。以下实施例中，最佳焦平面的位置 均相对于预先设定的最佳焦平面而言，即最佳焦平面的偏移值是指曝光机当前的最佳焦平 面与预先设定的最佳焦平面之间的距离。图1为本发明优选实施例中监测曝光机聚焦的方法流程图。本发明的优选实施例 中，监测曝光机聚焦的方法包括以下步骤首先，需要对检测所用的控片进行光刻工艺处理。本发明优选实施例中，形成控处 的光刻工艺可以包括晶圆预处理、涂胶、软烘、曝光、后烘、显影、关键尺寸测量等工序。步骤100，为了获得平坦而均勻的光刻胶膜并且使光刻胶与晶圆之间有良好的粘 附性，通常在涂胶之前对晶圆进行预处理。预处理的第一步通常是一次脱水烘烤，在真空或 干燥氮气的气氛中，以一定的高温对晶圆进行烘烤。该步的目的是除去晶圆表面吸附的水 分。在较高的温度下，晶圆表面大概保留一下单分子层的水。紧接在烘烤之后的通常是旋涂底胶。在以真空方式吸附到吸盘上的晶圆表面涂布 底胶。旋涂底胶的目的是为了增强光刻胶在晶圆表面的附着力。通常所使用的底胶是六甲 基乙硅烷(HMDS)。具体来说，使用底胶器在经清洗的晶圆表面喷洒底胶，接着以一定的转速 旋转晶圆，使底胶均勻地铺展在整个晶圆表面，然后提高晶圆的转速以便使底胶干燥。在旋涂底胶之后，接着对晶圆进行涂胶。首先用真空吸盘将晶圆固定，吸盘是一个 平的、与真空管线相连的空心金属盘。吸盘表面有许多小孔，当晶圆放在上面时，真空的吸 力使晶圆与吸盘紧密接触。接着，将预先确定的胶量喷洒在晶圆表面，之后，吸盘上施加的 转矩使其按一个受控的速率迅速上升到最大旋转速度。当晶圆以最大旋转速度旋转一预定 时间段之后，以受控的方式减速至停止。旋涂光刻胶之后，晶圆需要经历一次软烘，或称前烘。软烘是一种以蒸发光刻胶中 的一部分溶剂为目的的加热过程。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶 在晶圆表面涂一薄层，在这个作用完成后，溶剂的存在会干扰后续工艺过程。一方面，光刻 胶里的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。另一方面，光刻胶的烘干 会帮助光刻胶与晶圆表面更好的黏结。时间和温度是软烘的参数。步骤110，经过软烘的光刻胶膜被曝光。曝光的第一步是将所需图形在晶圆表面上 定位或对准，第二步是通过曝光灯或其它辐射源将图形转移到光刻胶膜上。通常，一次只能 曝光晶圆的一小部分，称为曝光场。然后通过光刻设备的步进机移动到下一个曝光目标部 分，继续对晶圆的另一部分进行曝光。本发明的优选实施例中，以固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对晶圆 进行曝光，并且曝光机焦平面偏移值在经历至少三个曝光场之后改变一次。曝光时所使用 的是具有圆形图案的掩膜版。进一步地，如前所述，光刻工艺是要把掩膜上的图案转移到涂布在晶圆上涂布的 光刻胶膜上，而光刻胶膜是具备一定厚度的，为了使图案的转移能够完全且精确，曝光机投 射在光刻胶上的图案应该具备一定的焦深(DOF，Depth of Focus)，以便使整个光刻胶膜，无论是光刻胶的上表面还是下表面，都能有相同的聚焦效果。因此，为了使光刻胶膜较厚的 情况下也能够将图案完全且精确地转移到整个光刻胶膜，曝光机的焦深通常情况下都会比 较大。这样，通过FEM得到的关键尺寸值与曝光机聚焦及曝光能量的曲线关系中，聚焦的变 化范围也较大。在使用FEM监测曝光机的聚焦时，由于聚焦的变化范围大，因此曝光机聚焦的监 测精度小。也就是说，在通过关键尺寸的变化确定曝光机聚焦有较小偏移的情况下，无法准 确地确定曝光机聚焦的偏移量，因而无法精确地调整曝光机的聚焦。因此，本发明的优选实施例中，在曝光时将曝光机的数值孔径调到最大。焦深与数 值孔径及曝光波长的关系如以下公式所示
权利要求
1.一种监测曝光机聚焦的方法，包括对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对所述光刻胶膜进行曝光，然后进 行后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与所述曝光机焦平面偏移值之间的对应 关系；计算得到所述曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到所述曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定所述曝光机的聚焦发生偏移。
2.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所述图案是圆形的图案。
3.如权利要求2所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所形成的图案的关键尺 寸是所述曝光机的一个曝光场中多个圆形图案的平均关键尺寸。
4.如权利要求2所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所形成的图案的关键尺 寸是所述曝光机的多个曝光场中圆形图案的平均关键尺寸
5.如权利要求1至4中任一项所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，将所述曝光 机的数值孔径调到最大。
6.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，该方法进一步包括根据第二最佳焦平面与第一最佳焦平面之差调节所述曝光机的聚焦。
7.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，在形成光刻胶膜之前进 一步包括在所述半导体晶圆上形成底部抗反射涂层，并烘焙。
8.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，在形成光刻胶膜之后进 一步包括在所述半导体晶圆上形成顶部抗反射涂层，并烘焙。
9.如权利要求1所述的监测曝光机聚焦的方法，其特征在于，所述曝光机是浸没式曝 光机；在形成光刻胶膜之后进一步包括，在所述光刻膜之上形成顶部涂层。
全文摘要
本发明公开了一种监测曝光机聚焦的方法，包括对半导体晶圆进行预处理、打底胶，并形成光刻胶膜；利用固定的曝光能量和渐变的曝光机焦平面偏移值对光刻胶膜进行曝光，然后后烘并显影，形成图案；测量所形成的图案的关键尺寸，得到关键尺寸与曝光机焦平面偏移值之间的对应关系；计算得到曝光机的第一最佳焦平面；重复以上步骤，得到曝光机的第二最佳焦平面；如果第二最佳焦平面不同于第一最佳焦平面，则确定曝光机的聚焦发生偏移。该方案只需占用曝光机几分钟的时间对半导体晶圆进行曝光，减少了曝光机聚焦监测所需的时间。
文档编号G03F7/207GK102053506SQ200910198488
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者安辉 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司