[发明专利]半导体芯片制造中产品上焦距偏移的计量方法和结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于在光致抗蚀剂的光刻曝光期间测量焦距变化的计量方法以及用于实现该方法的包括图案的划线板。

背景技术

划线板或者光刻掩模包括透明的划线基板和其上的图案化的光学不透明涂层。作为选择，光掩模可以包括具有局部透射层或者具有从基板蚀刻出的特征的划线基板以通过改变光路长度实现光学相移。划线板安装在曝光工具中，其可与称为扫描仪的工具集成，从而来自曝光工具源的辐射通过划线板，并且入射到在半导体基板的顶表面上施加的光致抗蚀剂上。划线板的图案因此在曝光期间转印在光致抗蚀剂中，从而光致抗蚀剂可在显影后与划线板具有相同的图案。划线板可重复利用以将划线板中的图案复制在多个半导体基板上的光致抗蚀剂材料中。划线板上的涂层在辐射源的波长是光学不透明的。光刻所用辐射的一般波长包括365nm、248nm、193nm、157nm等。这样的深紫外线（DUV）波长可用于图案化光致抗蚀剂中尺寸为20nm或更大的特征。

为了以高保真性在基板上的光致抗蚀剂层中复制划线板的图案，必须使曝光工具的透镜和基板上的光致抗蚀剂层之间的距离保持在最佳值，其称为最佳焦距。曝光工具的透镜和光致抗蚀剂层之间的距离偏差称为焦距偏移。焦距偏移的任何非零值降低了由光刻曝光和显影在光致抗蚀剂层中形成的光刻图案的质量。用于形成可用光刻图像的焦距偏移的公差称为焦距深度（DOF，depth of focus）。DOF越大，采用曝光工具和划线板结合的光刻工艺对曝光工具的透镜和光致抗蚀剂层之间的距离上的变化的影响越不大，即焦距偏移越不受影响。

随着半导体技术的发展，DOF在不断降低。用于先进半导体技术的DOF到2012年在100nm量级，并且有望在未来会降得更低。因此，为了提供高产率的光刻工艺，需要保证曝光工具的透镜和基板上的光致抗蚀剂层之间的距离保持在最佳焦距。

发明内容

焦距监控结构可嵌入或埋设在划线板中以能监控曝光工具的透镜和基板上的光致抗蚀剂层之间的焦距偏移或焦距偏移量。焦距监控结构包括光刻特征区域、水平格栅区域和竖直格栅区域，水平格栅区域包括位于光刻特征区域的一侧上的水平格栅，竖直格栅区域包括位于光刻特征区域的相对侧上的竖直格栅。偏振照射束导致光刻特征区域的印刷图像以一种方式朝着水平格栅区域的方向或者朝着竖直格栅区域的方向偏移，该方式为取决于光致抗蚀剂层相对于曝光工具的透镜的焦距偏移的符号或正负。焦距偏移的大小和符号可被监控，以通过测量光刻特征区域的印刷图像的位移提供曝光工具的焦距偏移的实时反馈。

根据本发明的一个方面，提供包括焦距监控结构的划线板。该焦距监控结构包括一个或多个焦距监控单元。一个或多个焦距监控单元的每一个包括光刻特征区域、水平格栅区域和竖直格栅区域，光刻特征区域整体上对于电磁辐射具有相同的透射系数，水平格栅区域位于光刻特征区域的第一侧上，以及竖直格栅区域位于光刻特征区域的第二侧上。第二侧相对于光刻特征区域与第一侧相对。

根据本发明的另一个方面，提供包括焦距监控结构的划线板。焦距监控结构包括至少第一焦距监控单元和第二焦距监控单元。第一焦距监控单元包括第一光刻特征区域、第一水平格栅区域和第一竖直格栅区域，第一光刻特征区域整体上对于电磁辐射具有相同的透射系数，第一水平格栅区域位于第一光刻特征区域的一侧上，第一竖直格栅区域位于第一光刻特征区域的相对侧上。第二焦距监控单元包括第二光刻特征区域、第二竖直格栅区域和第二水平格栅区域，第二光刻特征区域整体上对于电磁辐射具有相同的透射系数，第二竖直格栅区域位于第二光刻特征区域的一侧上，第二水平格栅区域位于第二光刻特征区域的相对侧上。第一水平格栅区域相对于第一光刻特征区域的相对位置是在第二水平格栅区域相对于第二光刻特征区域的相对位置的相反方向上。

根据本发明的再一个方面，提供包括曝光工具和划线板的光刻系统。曝光工具配置来印刷周期的一维阵列线以及间距不小于最小光刻间距的间隔。划线板包括焦距监控结构。焦距监控结构包括光刻特征区域、水平格栅区域和竖直格栅区域，光刻特征区域整体上对于电磁辐射具有相同的透射系数，水平格栅区域位于光刻特征区域的第一侧上，竖直格栅区域位于光刻特征区域的第二侧上。第二侧相对于光刻特征区域与第一侧相对。