超高深宽比图形的光刻工艺方法
阅读说明：本技术 超高深宽比图形的光刻工艺方法 (Photoetching process method for pattern with ultrahigh depth-to-width ratio ) 是由 程宇 纪明岐 朱至渊 李玉华 吴长明 姚振海 金乐群 于 2021-01-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超高深宽比图形的光刻工艺方法,对光刻图形采用以双重曝光技术为基础,同时采用单次曝光对焦增强技术对图形进行曝光,最后形成超高深宽比的图形。本发明通过双重曝光技术及单次曝光对焦增强技术的叠加效应,结合强力曝光后烘烤,将两次曝光的投影叠加在一起,最终形成了超高深宽比的光刻图形。(The invention discloses a photoetching process method of a graph with an ultra-high depth-to-width ratio. The invention combines the superposition effect of double exposure technology and single exposure focusing enhancement technology with baking after strong exposure to superpose the projections of two exposures together, and finally forms the photoetching graph with ultrahigh depth-to-width ratio.)
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别是指一种超高深宽比图形的光刻工艺方法。
背景技术
接触式图像传感器（Contact image sensor，简称 CIS）是由一排与扫描原稿宽度相同的光电传感阵列、 LED光源阵列和柱状透镜阵列等部件组成一种新兴图像传感器。这些部件全部集成在一个条状方形盒内，不需要另外的光学附件，没有调整光路和景深等问题，其结构简单、体积小、应用方便。在一些应用场合，CIS传感器比CCD或COMS等传感器有无法比拟的优点。它采用触点式感光元件（光敏传感器）进行感光，在扫描平台下1mm～2mm处，300～600个红、绿、蓝三色LED（发光二极管）传感器紧紧排列在一起，产生白色光源，取代了CCD扫描仪中的CCD阵列、透镜、荧光管和冷阴极射线管等复杂机构，把CCD扫描仪的光、机、电一体变成CIS扫描仪的机、电一体。在传真机、扫描仪、纸币清分兑零等领域应用非常广泛。
CIS工艺中用于像素区隔离的层次，其深宽比需求往往超过10:1，如图1所示，是某一CIS工艺中形成的深沟槽的显微图。其中代表层次PXHP(P型高压隔离阱)在90nm节点工艺的CIS中深宽比为8:1，65nm节点工艺的CIS中深宽比已经提高到12:1，如图2所示，随着CIS工艺不断发展，要求其深宽达到15:1甚至更高。
而受制于空间像的工艺窗口限制，普通光刻胶单次曝光的高宽比极限是4:1，CIS光刻胶单次曝光的高宽比极限8:1。
CIS采取DET(Double Exposure Technique，双重曝光技术)，DET可以突破一次曝光本身景深DOF所受限制，如图3所示，使DOF变大，增加工艺窗口，理论最大高宽比极限16:1。
曝光次数过多会影响产线上的吞吐量，降低生产效率，理论上不采取三次曝光。
启用单次曝光聚焦增强EFESE(Enabling Focus Enhancement With SingleExposure)技术,用于提高DOF(Depth of Focus，景深),但同时会牺牲EL(Exposurelatitude, 曝光宽容度),而且还需要机台配备该功能。
晶圆承台绕X轴产生倾斜，相当于拉长投影 ，同时牺牲对比度。
EFESE FR(Focus range，对角范围)越大，DOF越大,EL越小，同时MEEF（掩模误差增强因子，Mask Error Enhancement Factor，被定义为晶圆上光刻胶线宽（CD wafer）随掩模上图形线宽（CD mask）变化的斜率）也会上升。
另一种方法是使用德国默克公司的收缩材料，如图4所示，先做出一定深宽比的图形，然后涂收缩材料涂层，曝光后烘烤PEB去除多余的材料，可以获得更高深宽比的图形，得到超出当前条件工艺极限的间隙CD。这种方法也需要机台配备独立单元,且需考虑与其他材料同图层及漏区的兼容性问题。
还有一种方法是，高强冲洗材料，显影后增加高强冲洗材料冲洗及去离子水冲洗,降低表面张力,增加图形的倒塌工艺窗口，这种方式也需要机台配备独立单元。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种超高深宽比图形的光刻工艺方法，利用现有的机台设备形成高深宽比的图形。
为解决上述问题，本发明所述的一种超高深宽比图形的光刻工艺方法，包含：
对光刻图形采用以双重曝光技术为基础，同时采用单次曝光对焦增强技术对图形进行曝光，最后形成超高深宽比的图形。
进一步地改进是，所述双重曝光技术，分两步步进行投影，最终形成的图形的深宽比为两次投影的叠加。
进一步地改进是，所述双重曝光技术与单次曝光对焦增强技术进行叠加，双重曝光技术分两步进行，每一步均以双重曝光技术为基础，单次曝光对焦增强技术叠加作用在每一步的双重曝光技术上，使得双重曝光技术的每次投影图形在其本身参数特征的基础上再次被拉长。
进一步地改进是，所述光刻图形完成曝光后，还包含曝光后烘烤PEB的步骤。
进一步地改进是，所述的烘烤，结合机台本身配备的单次曝光对焦增强技术EFESE功能，即晶圆承台绕X轴产生倾斜，进行两次倾斜tilt-X的曝光，通过强力曝光后烘烤工艺将两次的投影融合到一起，最终获得超高深宽比的图形。
进一步地改进是，所述形成的超高深宽比的图形为深宽比不小于20:1的图形。
本发明所述的超高深宽比图形的光刻工艺方法，通过双重曝光技术及单次曝光对焦增强技术的叠加效应，结合强力曝光后烘烤，将两次曝光的投影叠加在一起，最终形成了超高深宽比的光刻图形。
附图说明
图1 是CIS工艺中高深宽比图形的剖面显微图。
图2 是不同工艺节点下的深宽比原来越大的示意图。
图3 是双重曝光技术DET的原理示意图。
图4 是使用收缩材料得到超高深宽比图形的示意图。
图5 是本发明采用双重曝光技术DET整合单次曝光聚焦增强EFESE技术进行图形曝光的操作示意图。
图6 是是本发明采用双重曝光技术DET整合单次曝光聚焦增强EFESE技术进行图形曝光的原理框图。
具体实施方式
双重曝光技术是指在光刻胶覆盖的晶片上分别进行两次曝光。两次曝光是在同样的光刻胶上进行的，但使用不同的掩模版。两次曝光之后，晶片做烘烤和显影。工艺流程简写为：光刻胶旋涂-曝光1-曝光2-显影-刻蚀。所以，双重曝光是在同一层光刻胶上曝光两次，两次曝光光强的叠加产生所需要的图形。
例如，采用双重曝光来实现50nm 1:1的线条：第一次曝光实现的沟槽(周期是200nm)；第二次曝光相同的图案，但是曝光图形整体移动100nm。烘焙及显影之后，将得到50n/50nm的致密图形。该方案的优势是每次曝光只需要分辨周期为200nm的图案，每一次曝光的照明条件可根据掩模图形优化；而且，相同的光刻胶层使用了两次，工艺简单。由于两次曝光之间晶圆在工件台上不移动，因此两次曝光之间的对准误差较小。但是，双重曝光也有缺点，如果两次曝光成像的空间对比度较低或者散射光(flare)非常强，那么对于不需要曝光的区域而言，其接受到的总光强将可能高于光阻的保护阈值E0，导致所有光刻胶被显影掉。因此，曝光系统需要提供较高的空间图像对比度。另外，光刻胶对曝光能量的反应必须是高度非线性的，叠加效应几乎为零，即曝光能量小于某一个值时，光刻胶的损耗几乎为零。
双重曝光技术能实现最大深宽比16:1的图形。
单次曝光聚焦增强EFESE技术,用于提高景深DOF,但同时会牺牲曝光宽容度。
本发明所述的超高深宽比图形的光刻工艺方法，如图5及图6所示，对光刻图形采用以双重曝光技术为基础，同时采用单次曝光对焦增强技术对图形进行曝光，最后形成超高深宽比的图形。
双重曝光技术，分两步进行投影，每一步的双重曝光技术与单次曝光对焦增强技术进行叠加，每一步均以双重曝光技术为基础，单次曝光对焦增强技术叠加作用在每一步的双重曝光技术上，使得双重曝光技术的每次投影图形在其双重曝光本身技术参数特征的基础上再次被拉长。最终形成的图形的深宽比为两次投影的叠加。
所述光刻图形完成两次曝光后，再进行曝光后烘烤的步骤。所述的烘烤，通过结合机台本身配备的单次曝光对焦增强技术EFESE功能，即晶圆承台绕X轴产生倾斜，进行两次倾斜tilt-X的曝光，通过强力曝光后烘烤工艺将两次的投影融合到一起，最终能够获得深宽比不小于20:1的超高深宽比的图形。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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