基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法及装置与流程

1.本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法及装置。


背景技术：

2.目前，半导体制造工艺中光刻机的分辨率都有相应的极限，例如200nm，当工艺需要的图形是低于200nm的线宽或者孔时，光刻机便不能很好的将图形曝光出来，这时候用的较多的是双重曝光。然而现有自对准双重曝光工艺步骤有光刻-沉积-刻蚀等工艺步骤，相对繁琐且对设备要求较高，例如申请号为202110728156.1的发明专利申请《一种改善自对准双重曝光工艺侧墙倾斜的制作方法及装置》，申请号为201610596339.1的发明专利《自对准双重曝光显影工艺的方法以及半导体器件》，这两篇专利文献就是针对自对准双重曝光工艺制作超分辨率线宽或者孔图案的一些问题进行改进和创新，但工艺仍比较繁琐。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明提出一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法及装置，结合设计改变，使用两次光刻工艺，可简单快速实现超过光刻机分辨率的图案。
4.本发明采用的技术方案如下：
5.一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法，包括以下步骤：
6.对位标志设置：在第一光学掩膜版上设置n组对位标志，在衬底上设置与所述对位标志相对应的对位标志层，其中n≥2；
7.第一次光刻：在所述衬底上涂覆正性光刻胶或负性光刻胶，使用所述第一光学掩膜版的n组对位标志分别与所述衬底进行对位并曝光，再对所述衬底进行显影；
8.第二次光刻：在所述第一次光刻后的所述衬底上涂覆非光敏性光刻胶或负性光刻胶，直接对所述衬底进行曝光，或使用第二光学掩膜版对所述衬底进行曝光，所述第二光学掩膜版包括部分露出或全部露出所述第一次光刻形成的图案的光学掩膜版；再对所述衬底进行显影并热烘焙固化，得到超分辨率孔图案。
9.进一步地，所述第二次光刻中，若在所述第一次光刻后的所述衬底上涂覆负性光刻胶，则能够使用第三光学掩膜版对所述衬底进行曝光，所述第三光学掩膜版包括部分露出或全部露出所述第一次光刻形成的图案且在其他区域形成第二图案的光学掩膜版。
10.进一步地，所述第二次光刻中，在所述第一次光刻后的所述衬底上涂覆的非光敏性光刻胶或负性光刻胶的厚度，不超过使用所述第一光学掩膜版的n组对位标志分别与所述衬底进行对位并曝光显影后的厚度。
11.进一步地，若需要形成超分辨率线宽图案，则在所述第一次光刻中，对所述衬底进行显影并热烘焙固化，直接得到超分辨率线宽图案。
12.进一步地，所述非光敏性光刻胶不受光刻和显影液的影响。
13.进一步地，所述非光敏性光刻胶包括arc材料，所述arc材料即抗反射涂层。
14.一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现装置，包括：
15.第一光学掩膜版，被配置有n组对位标志，其中n≥2；
16.衬底，被配置有与所述第一光学掩膜版的对位标志相对应的对位标志层；
17.第一光刻模块，被配置为在所述衬底上涂覆正性光刻胶或负性光刻胶，使用所述第一光学掩膜版的n组对位标志分别与所述衬底进行对位并曝光，再对所述衬底进行显影；
18.第二光学掩膜版，被配置为部分露出或全部露出所述第一光刻模块光刻后形成的图案的光学掩膜版；
19.第二光刻模块，被配置为在所述第一光刻模块光刻后的所述衬底上涂覆非光敏性光刻胶或负性光刻胶，直接对所述衬底进行曝光，或使用所述第二光学掩膜版对所述衬底进行曝光；再对所述衬底进行显影并热烘焙固化，得到超分辨率孔图案。
20.进一步地，所述非光敏性光刻胶包括arc材料，所述arc材料即抗反射涂层。
21.本发明的有益效果在于：
22.本发明利用材料特性和设计上的改进，提出基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法及装置，可简单快速实现超过光刻机分辨率的图案。相对于传统的多步自对准双重曝光工艺，本发明在工艺实现上更简单，对设备要求更低，更利于生产和良率的提升。
附图说明
23.图1本发明实施例1的基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法的流程图。
24.图2本发明实施例1的具有对位标志层的硅片示意图。
25.图3本发明实施例1的涂覆有正性光刻胶的硅片示意图。
26.图4本发明实施例1的使用标志1进行对位并曝光示意图。
27.图5本发明实施例1的使用标志2进行对位并曝光示意图。
28.图6本发明实施例1的显影并热烘焙固化形成的超分辨率线宽示意图。
29.图7本发明实施例1的显影形成的超分辨率孔示意图。
30.图8本发明实施例1的第二次光刻工艺的涂胶方式示意图。
31.图9本发明实施例1的第二次光刻工艺的曝光方式之一示意图。
32.图10本发明实施例1的第二次光刻工艺的曝光方式之二示意图。
33.图11本发明实施例1的第二次光刻工艺的曝光方式之三示意图。
34.图12本发明实施例1的再次显影并热烘焙固化形成的超分辨率图像示意图。
具体实施方式
35.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.如图1所示，本实施例提供了一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方
法，包括对位标志设置、第一次光刻以及第二次光刻这三个步骤，其中：
38.对位标志设置是在第一光学掩膜版上设置n组对位标志，在衬底上设置与对位标志相对应的对位标志层，其中n≥2。通过对位标志可以制作超过光刻机极限分辨率的细线宽或孔。
39.第一次光刻是在衬底上涂覆正性光刻胶或负性光刻胶，使用第一光学掩膜版的n组对位标志分别与衬底进行对位并曝光，再对衬底进行显影。优选地，若需要形成超分辨率线宽图案，则对所述衬底进行显影并热烘焙固化，直接得到超分辨率线宽图案。
40.第二次光刻是先在第一次光刻后的衬底上涂覆非光敏性光刻胶或负性光刻胶，其中非光敏性光刻胶不受光刻和显影液的影响。然后，直接对衬底进行曝光，或使用第二光学掩膜版对衬底进行曝光，第二光学掩膜版包括部分露出或全部露出第一次光刻形成的图案的光学掩膜版。优选地，若在第一次光刻后的衬底上涂覆负性光刻胶，则可以使用第三光学掩膜版对衬底进行曝光，第三光学掩膜版包括部分露出或全部露出第一次光刻形成的图案且在其他区域形成第二图案的光学掩膜版。最后，对衬底进行显影并热烘焙固化，得到超分辨率孔图案。
41.优选地，在第一次光刻后的衬底上涂覆的非光敏性光刻胶或负性光刻胶的厚度，应不超过使用第一光学掩膜版的n组对位标志分别与衬底进行对位并曝光显影后的厚度。
42.优选地，非光敏性光刻胶可以采用arc材料，arc材料即抗反射涂层。
43.优选地，第一光学掩膜版可仅有两个对位标志，其中标志1为0误差，标志2为预设误差，假设光刻机极限线宽为200nm，需要光刻150nm线宽，则预设误差为50nm。为了提升光刻精度以及其他作用，也可以再预设标志3、标志4等，不再赘述。
44.更为优选地，本实施例提供了一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现方法的具体工艺方案，包括以下步骤：
45.1.在硅片上制作首层对位标志层，如图2；
46.2.正常涂覆正性或负性光刻胶，如图3为涂覆有正性光刻胶的硅片示意图；
47.3.使用标志1进行对位，曝光，如图4；
48.4.使用标志2进行对位，曝光，如图5；如果有标志3、标志4等，则继续使用标志3、标志4等对位，不再赘述；
49.5.正常显影，热烘焙固化，形成超分辨率线宽，如图6；
50.6.如要形成超分辨率孔，则将步骤5改为进行正常显影，但不进行热烘焙固化，继续步骤7；
51.7.第二次光刻工艺-涂胶方式：此次涂胶可以使用两种材料，一为非光敏性材料，即不受光刻和显影液影响，具体可以采用arc等材料，涂胶厚度不超过步骤4后显影第一次光刻胶的厚度；二为负性光刻胶，经过光刻后发生光固化不受显影液影响，涂胶厚度不超过步骤4后显影第一次光刻胶的厚度，如图7；
52.8.第二次光刻工艺-曝光方式：此次曝光有多重实施方式，第一种使用非光敏性胶，可以使用无掩膜版曝光，如图8；可以使用部分露出或全部露出第一次光刻形成图形的掩膜版，分别如图9、图10。第二种使用负性光刻胶，可以使用无掩膜版曝光，如图8；可以使用部分露出或全部露出第一次光刻形成图形的掩膜版，分别如图9、图10；可以使用部分露出或全部露出第一次光刻形成图形并在其他区域形成其他图形的掩膜版，如图11；
53.9.再次显影，热烘焙固化，如图12，得到超分辨率孔图案。
54.需要说明的是，由于光刻机对位和曝光系统很复杂，有预对位、精对位等对位步骤，曝光还会涉及图案的缩放，不同光刻机情况也大不相同。为了方便理解，说明书附图中以最简洁明了的方式进行说明，不代表所有实际情况。
55.实施例2
56.本实施例在实施例1的基础上：
57.本实施例提供了一种基于对位差与双重光刻的超分辨率图案实现装置，包括第一光学掩膜版、第二光学掩膜版、衬底、第一光刻模块和第二光刻模块，其中：
58.第一光学掩膜版被配置有n组对位标志，其中n≥2。
59.衬底被配置有与第一光学掩膜版的对位标志相对应的对位标志层。
60.第一光刻模块被配置为在衬底上涂覆正性光刻胶或负性光刻胶，使用第一光学掩膜版的n组对位标志分别与衬底进行对位并曝光，再对衬底进行显影。
61.第二光学掩膜版被配置为部分露出或全部露出第一光刻模块光刻后形成的图案的光学掩膜版。
62.第二光刻模块被配置为在第一光刻模块光刻后的衬底上涂覆非光敏性光刻胶或负性光刻胶，直接对衬底进行曝光，或使用第二光学掩膜版对衬底进行曝光；再对衬底进行显影并热烘焙固化，得到超分辨率孔图案。
63.需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。