[发明专利]具有环形透光光圈的光刻装置、通光单元及光刻方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体微电子器件制造设备领域，尤其涉及一种具有环形透光光圈的光刻装置、通光单元及光刻方法。

背景技术

半导体器件制作通常采用光刻曝光方式形成所需的图形，其基本步骤如下：首先，在硅片上涂光刻胶，随后，强光通过一块刻有电路图案的掩膜版，照射在硅衬底上，被照射到部分的光刻胶发生变质，之后用腐蚀性液体清洗硅片，去除变质光刻胶，在硅衬底上刻下与光掩膜相同电路图案光刻胶图形，最后，经过烘焙和显影等工序，形成成品晶圆。

在整个光刻曝光的过程中，光刻装置的性能直接影响到晶圆的成品率。请参阅图1和图2，图1所示为传统的具有中心圆形透光光圈的轴上(On-Axis)光刻曝光系统示意图，图2为图1所示具有中心圆形透光光圈的通光单元12的俯视图。如图所示，入射光线11沿轴线通过通光单元12和聚光透镜13，在光掩模14图形处形成衍射，衍射光经过投影透镜15后在硅衬底16表面干涉形成器件图形。其中，相干系数σ是描述圆形光圈大小的一个重要参数，它表示投影透镜被光源占据的程度，其中，σ=聚光透镜13的孔径/投影透镜15的孔径。

随着半导体器件技术的进步，其光刻图形尺寸不断缩小，上述传统的具有中心圆形透光光圈的轴上光刻方式越来越不能满足当前技术的需求。特别是多种分辨率增强技术（Resolution Enhancement Techniques，简称RET)逐渐发展起来，为光刻工艺的进步提供了可能，其中，偏轴照明(Off-Axis Illumination，简称OAI)技术就是目前较为常用的技术之一。

请参阅图3和图4，图3为具有环形透光光圈的偏轴(Off-Axis)光刻曝光系统示意图，图4为图3所示具有环形透光光圈的通光单元32的俯视图。如图所示，入射光线31沿与轴线一定偏离通过通光单元32和聚光透镜33，在光掩模34图形处形成衍射，0级和+1级衍射光经过投影透镜35后在硅衬底36表面干涉形成器件图形。其中，部分相干系数σ_in和σ_out是描述环形光圈大小及宽度的重要参数，σ_in至σ_out距离为光圈宽度。

本领域技术人员知道，在半导体器件产品中，尤其是在逻辑产品中，大量存在各种不同尺寸的图形。虽然单一的环形透光光圈照明可以有效地提高小尺寸图形的分辨率，但是不能保证不同尺寸的图形都有足够的分辨率。甚至一部分图形无法被显像，形成所谓的禁止空间间距(forbidden pitch)区域。请参阅图5，图5为传统具有环形透光光圈的通光单元对不同空间间距图形线宽尺寸的影响，其中关键尺寸（Critical Dimension，简称CD）越接近于零,成品精度越高，技术越先进。如图所示，图中显示的曲线在空间间距约为150nm，偏离零点较大，关键尺寸误差最大，导致某一个或几个区间显像困难。

请参阅图6，图6为美国专利US20090214984示意图，其采用双环形透光光圈照明的光刻曝光方法。该方法通过两个不同大小的环形透光光圈，有效地减少了线宽尺寸在较大空间间距区域内的波动，降低了形成禁止空间间距区域的风险。

然而，上述双环形透光光圈照明在平衡各种图形的线宽尺寸和工艺窗口方面缺少灵活性，难以对不同尺寸的图形达成最佳工艺平衡。综上所述，如何达成各种图形的线宽尺寸和工艺窗口的最佳工艺平衡，不仅需要合适尺寸的环形透光光圈，而且需要与各种图形的线宽尺寸相匹配的曝光量。这是目前业界所需要追求的目标。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺陷，通过包含多灰度区域组合的环形透光光圈照明，灰度差异平衡曝光量，使得环形透光光圈照明发挥最佳的分辨率增强和工艺窗口平衡等多重功能。

为达成上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有环形透光光圈的光刻装置，包括：光源、至少具有一个透光光圈的通光单元，聚光透镜、光掩膜及投影透镜，从上至下依次排布。其中，上述通光单元中的至少一个透光光圈内中至少包含一个灰度区，聚光透镜聚集光源光线通过具有衍射功能的光掩膜、投影透镜将衍射光聚焦在位于其下部的硅衬底上。

优选地，通光单元的环形透光光圈内的灰度区形状为圆环，且与环形透光光圈同轴。

优选地，通光单元的环形透光光圈内包含灰度区的数量为两个或两个以上不同灰度的区域，多个灰度区的灰度差异为过渡式差异，或为跳跃式差异。

优选地，通光单元的环形透光光圈为一个。

优选地，通光单元的环形透光光圈的外圈部分相干系数σ_out的范围是0.7～0.9。