低k1情况下的光刻方法

摘要

本发明公开了一种低k1情况下的光刻方法，所述其中R为光刻图形的分辨率，NA为光刻机的数值孔径，λ为曝光光源的波长，K1称为工艺因子或分辨率常数，低k1指k1＜0.4，所述方法采用的光刻胶的光酸产生率高，所述光酸产生率高是指(E-E0)/(E+E0)在1％～50％之间，其中E表示光刻胶中光酸产生的饱和能量，E0表示光刻胶中光酸产生的阈值能量；并且光刻胶在明场下的等效扩散长度＞光刻胶在暗场下的等效扩散长度，其中明场指透光率＞50％，暗场指透光率＜50％。本发明所述方法可以实现低成本的分辨率增强，并可大大降低生产、设备和材料成本。

权利要求

1.一种低k1情况下的光刻方法，所述 其中R为光刻图形的分辨率，NA

为光刻机的数值孔径，λ为曝光光源的波长，K1称为工艺因子或分辨率常数，其特征是，低k1指k1＜0.4，所述方法采用的光刻胶的光酸产生率高，所述光酸产生率高是指(E-E0)/(E+E0)在1％～50％之间，其中E表示光刻胶中光酸产生的饱和能量，E0表示光刻胶中光酸产生的阈值能量；并且光刻胶在明场下的等效扩散长度＞光刻胶在暗场下的等效扩散长度，其中明场指透光率＞50％，暗场指透光率＜50％。

2.根据权利要求1所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶满足(E-E0)/(E+E0)在5％～30％之间。

3.根据权利要求1所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶满足在明场下的等效扩散长度是暗场下的等效扩散长度的1～10倍，且光刻胶在明场下的等效扩散长度≤200nm。

4.根据权利要求3所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶在明场下的等效扩散长度≤100nm。

5.根据权利要求3所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶在暗场下的等效扩散长度为0～50nm。

6.根据权利要求4所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶在明场下的等效扩散长度为40～70nm。

7.根据权利要求5所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述方法采用的光刻胶在暗场下的等效扩散长度为10～30nm。

8.根据权利要求1所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述 光刻方法采用的照明方式仅限于圆形照明或环形照明。

9.根据权利要求1所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述光刻方法采用的掩膜版仅限于两元掩膜版或相移掩膜版。

10.根据权利要求1所述的低k1情况下的光刻方法，其特征是，所述光刻方法仅限于一次光刻。

说明书

低k1情况下的光刻方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体制造中的光刻工艺。

背景技术

[0002] 随着半导体制造的发展，集成度越来越高，单位面积所包含的晶体管个数也在飞速增加。在制造工艺上衡量集成度的主要指标就是光刻工艺的分辨率(resolution)，它用来区别硅片表面邻近的特征图形的能力。

[0003] 其中R是光刻图形的分辨率，k1称为工艺因子或分辨率常数，λ为曝光光源的波长，NA为曝光机光学系统的数值孔径。一般用关键尺寸(CD，Critical Dimension)来衡量分辨率R。形成的关键尺寸越小，分辨率越好。为了获得更小的R，可以从减小k1、减小λ、增大NA三方面改进。

[0004] 光刻工艺的本质为光罩图形通过光学成像以光强的形式传递到光刻胶中，光学对比度就是指光刻胶的图形区域和非图形区域的光强不同。具体而言，光刻胶的非图形区域的光强要低于光酸发生的阈值能量E0，这样该非图形区域的光刻胶就不会产生光酸。光刻胶的图形区域的光强要高于光酸发生的阈值能量E0并达到饱和能量E，这样该图形区域的光刻胶就会产生光酸。产生光酸的光刻胶会在后续的显影过程中被去除或保留(视正胶、负胶种类不同)。

[0005] 分辨率常数k1越小，光刻图形的光学对比度越低、越差。当对比度低到无法明确界定光酸发生时，此时虽然光学依然可以成像，但光刻胶无法形成图形，或光酸对比度很差。分辨率常数k1的理论最低极限值是0.25，但实际工艺中分辨率常数k1的最低值通常在0.3左右。

[0006] 对于NA＝0.82，λ＝248nm的氟化氪(KrF)光刻设备，通常只能做到R＝0.11μm，此时k1＝0.363。

[0007] 为了获得更小的分辨率R，例如R＝0.09μm，必须采用NA＞0.82或λ＝193nm的氟化氩(ArF)光刻设备，此时面积缩小带来的晶圆产出增加不足50％，但设备和材料带来的价格上升超过了数倍，使0.09μm工艺根本无利可图，因此大多数晶圆厂都选择了直接跳到0.065μm工艺来维持设备和运营的投入与产出的平衡。

[0008] 对于0.045μm工艺以下，即使采用ArF光刻设备，k1已经低于0.35的情况下，也只能通过使用λ＜20nm的曝光光源或者NA＞1的浸入式设备才能满足要求，其设备和材料成本呈指数上升，而产出仅仅只增加20％～30％，不超过50％。因此对于整个半导体业界能够量产0.045μm工艺的晶圆只有极少数几家公司才能实现，而且其售价很高，只有极少数高利润的产品才能支持。

[0009] 为了获得更小的R，除了减小k1、减小λ、增大NA三个途径以外，还有一些分辨率增强技术(Resolution Enhancement Technology，RET)被提出来。

[0010] 例如，两次图形(double patterning)技术通过两次曝光(doubleexposure)来分拆图形，即分两次进行光刻，可以获得更小的R。但是两次图形技术成带来的成本上升依然非常高昂，只有对0.045μm以下的技术才有利润。

[0011] 又如，一些特殊的照明方式可以增强某些图形的对比度，如离轴照明(Off-Axis illumination)中的偶极照明(Dipole illumination)、四极照明(Quadrupole)，但同时会带来其他非优化图形的对比度下降，其结果是目标图形变好，其他图形都变差。因此必须让设计者配合只用目标图形进行设计，这就大大限制了设计者的设计自由度，通常只对重复图形的存储器器件才有可能使用。

[0012] 另如，通过在掩膜版上进行特殊修正来提高图形对比度，如无铬掩膜版(Chromeless Mask)、交替式相移掩膜版(Alternating Phase-Shift Mask，Alt PSM)。但这会造成掩膜版的复杂度大大上升，对于流片量＜1000片的情况下，掩膜版成本占制造成本的50％以上，因此从制造成本上难以接受。只有对那些存储器厂商，流片量＞100000片情况下才有利可图。

[0013] 传统的光刻工艺都是千方百计地增强光学对比度，其所使用的深紫外(DUV)光刻胶必须满足光酸产生率低、等效扩散长度小。光酸产生率低，是指只有得到足够光强时，光刻胶中的光酸产生剂(PAG)才能产生足够的光酸，使曝过光的光刻胶可溶于显影液。等效扩散长度小，是指光刻胶的曝光区域所产生的光酸在后续的加热步骤中不容易扩散到非曝光区域。光酸产生率低、等效扩散长度小的光刻胶使得在高光学对比度的情况下可以得到严格受控的图形。

[0014] 请参阅图2，如实线所示，传统的一种光刻胶的不同区域都具有相同的等效扩散长度。如点划线所示，传统的另一种光刻胶的等效扩散长度随着透光率增加而降低，即暗场的等效扩散长度大，明场的等效扩散长度小。

发明内容

[0015] 本发明所要解决的技术问题是提供一种低k1情况下的光刻方法，所述低k1是指k1＜0.4的情况。

[0016] 为解决上述技术问题，本发明低k1情况下的光刻方法，所述 其中R为光刻图形的分辨率，NA为光刻机的数值孔径，λ为曝光光源的波长，K1称为工艺因子或分辨率常数，低k1指k1＜0.4，所述方法采用的光刻胶的光酸产生率高，所述光酸产生率高是指(E-E0)/(E+E0)在1％～50％之间，其中E表示光刻胶中光酸产生的饱和能量，E0表示光刻胶中光酸产生的阈值能量；并且光刻胶在明场下的等效扩散长度＞光刻胶在暗场下的等效扩散长度；其中明场指透光率＞50％，暗场指透光率＜50％。

[0017] 进一步地，(E-E0)/(E+E0)在5％～30％之间。

[0018] 进一步地，光刻胶在明场下的等效扩散长度是光刻胶在暗场下的等效扩散长度的1～10倍，且光刻胶在明场下的等效扩散长度≤200nm。

[0019] 进一步地，光刻胶在明场下的等效扩散长度≤100nm。

[0020] 进一步地，光刻胶在暗场下的等效扩散长度为0～50nm。

[0021] 传统的低k1情况下的光刻方法是通过一些分辨率增强技术来增强光学对比度，然后采用具有低光酸产生率，具有均一性的，暗场的等效扩散长度大，明场的等效扩散长度小的光刻胶进行曝光，可以实现接近于物理极限的光刻分辨率，但是此方法成本很高。

[0022] 本发明采用和传统方法完全相反的技术，不是通过增强光学对比度，而是通过使用高光酸产生率，具有非均匀化的，明场的等效扩散长度大，暗场的等效扩散长度小的光刻胶，来适应低光学对比度下小分辨率的光刻，最终实现低成本的分辨率增强。和传统的分辨率增强技术技术相比，本发明所述方法可以大大降低生产成本、设备成本、材料(如掩膜版)成本，减小光学临近修正(OPC)技术的复杂度。

附图说明

[0023] 图1是传统工艺与本发明所用光刻胶的在光酸产生率上的区别示意图；

[0024] 图2是传统工艺与本发明所用光刻胶在等效扩散长度上的区别示意图；

[0025] 图3是传统工艺与本发明所述工艺在光强上的区别示意图；

[0026] 图4是光刻工艺中光强与曝光的示意图。

具体实施方式

[0027] 低k1情况下光学对比度的衰减是客观的物理规律，因此从理论上不存在不增加成本就可以提高光学对比度的方法，这也就是为什么传统的所有方法都必然带来生产成本的急剧升高。同时由于实际应用很少，因此只要是牵涉到光学对比度增强的技术，其软、硬件成本都非常高，远远高于所带来的效益，因此又反过来制约了这些技术的推广。

[0028] 通过分析低k1情况下的低光学对比度，可以发现此时光学图像具有以下几个特点：1，绝对光强低(如图3所示)。2，光刻胶的图形区域与非图形区域的光学对比度低，即两者光强相差不大。3，暗场的光强弱，对比度差；明场的光强强，对比度强；明场与暗场下的对比度区别很大，比传统的(k1≥0.4)明场与暗场下的对比度区别要大得多。基于以上特点，显然传统的光刻胶理念完全不适用。必须改变对光刻胶的选择。

[0029] 传统光刻胶的光学对比度(Imax-Imin)/(Imax+Imin)通常＞50％(如图3所示)，其中Imax、Imin分别表示光刻胶单位面积上受到的最大、最小光强，因此要求化学对比度(E-E0)/(E+E0)＞光学对比度，即化学对比度(E-E0)/(E+E0)必然在50％以上，一般要求越大越好，(如图1所示)，保证只有图形区域才产生足够的光酸。而此时化学对比度(E-E0)/(E+E0)远远大于光学对比度(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其实浪费了很多光酸。

[0030] 而对于本发明k1＜0.4的情况，尤其当k1为0.3～0.35时，其光学对比度只有5％～30％左右(如图3所示)，无法得到足量的光酸。此时必须让化学对比度(E-E0)/(E+E0)比光学对比度(Imax-Imin)/(Imax+Imin)更小、或接近于光学对比度(Imax-Imin)/(Imax+Imin)(如图1所示)，才能产生足量的光酸，而这在传统工艺中是无法接受的。

[0031] 请参阅图4，针对低k1情况下绝对光强低和对比度低的特点，要求光刻胶的光酸发生的饱和能量E和光酸发生的阈值能量E0必须非常接近，只有这样才能在较低的光强下在光刻胶的曝光区域产生足够的光酸。而E和E0的差值下降，要求光刻胶最好在暗场下的扩散接近于0，这样可以提高图形控制能力。

[0032] 本发明公布了一种低k1情况下的光刻方法，所述 其中R为光刻图形的分辨率，NA为光刻机的数值孔径，λ为曝光光源的波长，K1称为工艺因子或分辨率常数，低k1指k1＜0.4，所述方法采用的光刻胶的光酸产生率高，所述光酸产生率高是指(E-E0)/(E+E0)在1％～50％之间，其中E表示光刻胶中光酸产生的饱和能量(显影速率最大时的最小能量)，E0表示光刻胶中光酸产生的阈值能量(显影速率最小时的最大能量)；并且光刻胶在明场下的等效扩散长度＞光刻胶在暗场下的等效扩散长度；其中明场指透光率＞50％，暗场指透光率＜50％。优选地，所述方法采用的光刻胶满足(E-E0)/(E+E0)在
5％～30％之间。

[0033] 进一步地，所述光刻胶的等效扩散长度随着透光率的增加而升高，如图2所示。

[0034] 进一步地，光刻胶在明场下的等效扩散长度是光刻胶在暗场下的等效扩散长度的1～10倍，且光刻胶在明场下的等效扩散长度≤200nm。

[0035] 进一步地，光刻胶在明场下的等效扩散长度≤100nm。

[0036] 进一步地，光刻胶在暗场下的等效扩散长度为0～50nm。

[0037] 进一步地，所述光刻方法采用的照明方式仅限于圆形照明(Conventional illumination)或环形照明(Annular illumination)，不包括偶极照明、四极照明、或其他特殊照明。

[0038] 进一步地，所述光刻方法采用的掩膜版仅限于两元掩膜版(BinaryMask)，相移掩膜版(Phase-Shift Mask，Alt PSM)，不包括无铬掩膜版、交替式相移掩膜版。

[0039] 进一步地，所述方法方法只应用于一次光刻，不包括两次图形技术。

[0040] 采用本发明所述方法进行光刻工艺，具体包括如下步骤：

[0041] 第1步，标定光刻胶中光酸产生的饱和能量E，光刻胶中光酸产生的阈值能量E0，光刻胶需要满足(E-E0)/(E+E0)在1％～50％之间，优选为5％～30％。

[0042] 第2步，测量不同透光率下的光刻胶等效扩散长度，可以通过EL(Exposure Latitude，CD变化某个特定值时的能量变化值与最佳曝光能量的比值，该特定值通常为10％)和MEF(Mask Error Enhance，掩膜版放大系数，硅片上差值与掩膜版上1倍CD尺寸的差值的比值)的测量值根据通用方法计算，也可以采用化学方法测量其扩散长度，此皆为通用方法不多表述。选择暗场下等效扩散长度为0～50nm，明场下等效扩散长度为暗场下等效扩散长度的1～10倍，且明场下等效扩散长度不超过200nm，优选明场下等效扩散长度不超过100nm的光刻胶。典型的符合上述条件的光刻胶数值为明场下等效扩散长度40～
70nm，暗场下等效扩散长度10～30nm。

[0043] 通过上述第1步、第2步，便可以选择适合本发明所述方法的光刻胶。

[0044] 第3步，采用普通圆形照明或环形照明，此时只需要针对密集图形进行优化，使光刻工艺表现达到最优化。此为通用工艺方法，可通过穷举法，或使用模拟软件得到最佳条件。

[0045] 第4步，使用二元掩膜版或相移掩膜版，优化掩膜版偏差(mask bias)，使光刻工艺表现最优化。此为通用工艺方法，可通过穷举法，或使用模拟软件得到最佳条件。

[0046] 第5步，由于本发明选择的光刻胶与传统不同，因此明场下，孤立图形的光刻胶损失(Top loss)较大，因此需要针对此点再进行光刻胶厚度优化，与传统工艺相比光刻胶会厚 可通过不同厚度的DOF测量确定明场下需要增加的光刻胶厚度，同时对暗场图形的DOF应该在设备可以生产的可接受范围内。

[0047] 在低k1情况下，明场下的对比度非常强，但它具有另外一个特点，孤立图形的明场衍射角极大，因此当离焦时对比度下降很快，而这恰恰是制约孤立图形景深(DOF)的原因。而传统的光刻方法采用的光刻胶和光学对比度增强技术使这个问题更加恶化，从而使孤立明场图形成为工艺的瓶颈，这也是特殊照明无法应用的一大原因。在本发明中，利用高光酸产生率，虽然会使最佳聚焦时的表现变差，但是对于离焦时却具有极大的增强作用，同时使明场的扩散尽可得大，从而使离焦时非足量的光酸可以充分扩散，提高DOF。

[0048] 因此本发明所述光刻工艺中的一个显著特点就是明场扩散下的光刻胶等效扩散长度比暗场大，这和传统工艺有很大的区别。这一工艺方法对于明场图形占优的层次，比如栅极形成，具有孤立图形DOF大的特点，这是传统工艺所不能实现的。

[0049] 本发明所述方法仅通过对光刻胶参数的优化，不需要使用其他增强光学对比度的手段，因此生产成本和现有的其他方法相比远低。