[发明专利]增强光刻工艺能力的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光刻系统及光刻方法，尤其涉及一种增强光刻工艺能力的系统及方法。

背景技术

半导体器件的制造需要经过上百道工艺，光刻工艺作为图案化的主要工艺步骤，在半导体器件的制造过程中处于举足轻重的地位。图1是传统的光刻曝光系统的结构示意图；图2是图1中圆形光圈的俯视结构示意图；如图所示，传统的光刻曝光系统包括：圆形光圈101、聚光透镜102和投影透镜104，且圆形光圈101、聚光透镜102和投影透镜104依次由上往下设置；当进行光刻曝光工艺时，光掩模103放置于聚光透镜102和投影透镜104之间，硅衬底105放置于投影透镜104下方，入射光线100沿轴线通过圆形光圈101和聚光透镜102，在光掩模103上的图形处形成衍射，衍射光经过投影透镜104后在硅衬底105表面干涉形成器件图形，从而完成光刻曝光工艺。其中，圆形光圈101的部分相干系数σ是描述圆形光圈大小的一个重要参数。

随着半导体器件的发展，图形尺寸不断缩小，传统的圆形光圈照明方式越来越不能满足技术的需求。多种分辨率增强技术（Resolution Enhancement Techniques，简称RET）逐渐发展起来。离轴照明（off-axis illumination）便是其中较为常用的技术。离轴照明光圈有多种选择，双级（Dipole）离轴照明光圈和圆环形（Annular）离轴照明光圈便是其中两种；其中，双级离轴照明光圈经常被用于提高在某一个特定方向排列具有最小空间间距的密集图形的分辨率。

图3是采用双级离轴照明光圈的光刻曝光系统的结构示意图；图4是双级离轴照明光圈的俯视结构示意图；如图3-4所示，采用双级离轴照明光圈的光刻曝光系统包括：双级离轴照明光圈201、聚光透镜202和投影透镜204，且双级离轴照明光圈201、聚光透镜202和投影透镜204依次由上往下设置；当进行光刻曝光工艺时，光掩模203放置于聚光透镜202和投影透镜204之间，硅衬底205放置于投影透镜204下方，入射光线200沿与轴线一定偏离的方向通过双级离轴照明光圈201和聚光透镜202，在光掩模203上的图形处形成衍射，衍射光经过投影透镜204后在硅衬底205表面干涉形成器件图形，从而完成光刻曝光工艺。其中，双级离轴照明光圈201的部分相干系数σ_in、σ_out、透光孔开口角度α是描述双级离轴照明光圈大小和宽度的重要参数。该双级离轴照明光圈只能对某些特定方向排列的图形有较好的效用，但是对各个方向排列的图形无法起到光刻曝光的效用。

图5是圆环形离轴照明光圈的俯视结构示意图；如图所示，部分相干系数σ_in、σ_out是描述圆环形离轴照明光圈301大小和宽度的重要参数，圆环形离轴照明光圈301由于其圆周的对称性，对各个方向排列的图形均有一定的效用，但对于某些特定方向排列的图形，其效用则不如双级离轴照明光圈。

图6是偏轴照明光圈的不同空间间距对图形线宽尺寸差值的影响示意图；如图6所示，横坐标代表空间间距，纵坐标代表线宽尺寸的差值，在现有的偏轴照明光圈中，在空间间距较大时，线宽尺寸的差值较大，从而会影响光刻、刻蚀工艺后的器件线宽，导致器件不符合工艺需求，从而影响器件的良率。在器件产品中，尤其在逻辑产品中，大量存在各种不同尺寸的图形，虽然单一的离轴照明光圈能够有效的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。某些图形甚至无法被显像，形成禁止空间间距区域。

为了平衡不同尺寸空间间距图形的光刻工艺能力，一种方法是采用双重离轴照明光圈的光刻曝光方法。美国专利（公开号：US20100165317）记载了一种包含双极照明光圈和圆环形照明光圈的杂化照明光圈，图7是包含双极照明光圈和圆环形照明光圈的杂化照明光圈的俯视结构示意图；如图7所示，该杂化照明光圈401包括双极照明光圈402和圆环形照明光圈403，该方法通过两个不同大小的离轴照明有效的提高了某一特定方向排列并且具有最小空间间距的密集图形的分辨率，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。

但是该杂化照明光圈对平衡多方向排列图形的分辨率效用有限，并且仅用两个不同大小的部分相干系数σ和两种离轴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。另外，现有技术中还可以采用不同尺寸离轴照明光圈的双重曝光方法来弥补曝光量匹配的问题，但是双重曝光方法会导致制造成本的增加，且导致生产产出量下降。

发明内容