一种相变存储器光刻工艺优化方法

1.本发明涉及半导体工艺领域，特别是涉及一种相变存储器光刻工艺优化方法。


背景技术：

2.相变存储器单元是基于20世纪60年代末70年代初提出的相变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的，是一种价格便宜、性能稳定的存储器件。相变存储器单元可以做在硅晶片衬底上，其关键材料是可记录的相变薄膜、加热电极材料、绝热材料和引出电极材料，其研究热点也就围绕器件工艺展开。器件的物理机制研究包括如何减小器件料等。相变存储器单元的基本原理是用电脉冲信号作用于器件单元上，使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变，通过分辨非晶态时的高阻与多晶态时的低阻实现信息的写入、擦除和读出操作。
3.相变存储器由于具有高速读取、高可擦写次数、非易失性、元件尺寸小、功耗低、抗强震动和抗辐射等优点，被国际半导体工业协会认为最有可能取代目前的闪存存储器而成为未来存储器主流产品和最先成为商用产品的器件。
4.在具体器件中，相变薄膜相比一般半导体薄膜，具有疏松、粘附力差、相变时体积有变化等特点。因此，对光刻工艺窗口提出了一定要求。
5.在对特定设计的相变存储器晶圆进行光刻时，掩模版设计中的各关键图形具有不同的光刻工艺窗口，即为满足光刻工艺需求，曝光能量和聚焦值所需满足的条件不同。随工艺步骤积累的晶圆表面的不平整会导致实际聚焦值与设定聚焦值偏移，导致工艺窗口变小。因此，在存在这两种情况的相变存储器光刻工艺中，工艺窗口与最佳曝光条件的确定需要新的优化方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种相变存储器光刻工艺优化方法，能够得到相变存储器的最优光刻工艺窗口。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种相变存储器光刻工艺优化方法，包括：
8.步骤(1)：当每片所述晶圆表面不平整度α相同时，在光刻和刻蚀中确定相变存储器的第一光刻工艺窗口；
9.步骤(2)：当特定图形的周期和线宽不一致时，在光刻和刻蚀中确定相变存储器的第二光刻工艺窗口，其中，所述特定图形为晶圆上的电路图形；
10.步骤(3)：取所述第一光刻工艺窗口和第二光刻工艺窗口的重叠部分作为最终共同工艺窗口，并将所述最终共同工艺窗口的中心作为最佳曝光条件。
11.所述步骤(1)具体为：
12.当每片所述晶圆表面不平整度α相同时，对每片晶圆在光刻中应用不同的曝光条件；
13.光刻后，对所述相变材料层进行刻蚀，刻蚀后分别对各晶圆上同一特定图形的线宽和边缘粗糙度进行测量；其中，所述同一特定图形为晶圆上不同曝光区域中同一位置的电路图形；
14.根据刻蚀后的测量数据及工艺规格要求，来调整同一特定图形在光刻时的线宽和边缘粗糙度要求，并确定晶圆表面不平整度为α时相变存储器的第一光刻工艺窗口。
15.所述对每片晶圆在光刻中应用不同的曝光条件时，以晶圆为单位进行曝光。
16.所述步骤(2)具体为：
17.当特定图形周期和线宽不一致时，在光刻中，对每片晶圆的不同曝光区域应用不同曝光条件；
18.光刻后，对相变材料层进行刻蚀，刻蚀后对各曝光条件下不同特定图形的线宽和边缘粗糙度进行测量；其中，所述不同特定图形为晶圆上不同曝光区域中不同位置的电路图形；
19.根据刻蚀后的测量数据及工艺规格要求，来调整不同特定图形在光刻时的线宽和边缘粗糙度要求，并确定相变存储器不同特定图形的共同光刻工艺窗口，将所述共同光刻工艺窗口作为第二光刻工艺窗口。
20.所述确定相变存储器不同特定图形的共同光刻工艺窗口，具体为：
21.根据刻蚀后的测量数据与预设工艺要求，得出曝光能量与聚焦值，构建基于所述曝光能量与聚焦值的坐标轴，在所述基于曝光能量与聚焦值的坐标轴中作出所有不同特定图形的工艺窗口；
22.取所有不同特定图形的工艺窗口的重叠部分作为共同光刻工艺窗口。
23.所述当特定图形周期和线宽不一致时，所述晶圆采用单层工艺晶圆，用于消除晶圆表面不平整度的影响。
24.有益效果
25.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明当每片所述晶圆表面不平整度α相同时，可以得出一种光刻工艺窗口，当特定图形的周期和线宽不一致时，可以得出另一种光刻工艺窗口，结合这两种光刻工艺窗口可以得到相变存储器光刻工艺的最终工艺窗口和最优曝光条件。
附图说明
26.图1是本发明实施方式的相变存储器晶圆表面不平整与掩模版图形设计不同的示意图；
27.图2是本发明实施方式的相变存储器光刻工艺优化流程图；
28.图3是本发明实施方式的相变存储器晶圆凹陷(左)和凸起(右)示意图；
29.图4是本发明实施方式的线宽与边缘粗糙度测量示意图；
30.图5是本发明实施方式的共同工艺窗口确定示意图。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
32.本发明的实施方式涉及一种相变存储器光刻工艺优化方法，如图2所示，包括：
33.步骤(1)：当每片所述晶圆表面不平整度α相同时，在光刻和刻蚀中确定相变存储器的第一光刻工艺窗口；
34.步骤(2)：当特定图形的周期和线宽不一致时，在光刻和刻蚀中确定相变存储器的第二光刻工艺窗口；其中，所述特定图形为晶圆上的电路图形；
35.步骤(3)：取所述第一光刻工艺窗口和第二光刻工艺窗口的重叠部分作为最终共同工艺窗口，并将所述最终共同工艺窗口的中心作为最佳曝光条件。
36.所述步骤(1)具体包括：
37.1.1：获取用于制作相变存储器的晶圆，所述晶圆包括依次连接的衬底、用于刻蚀的相变材料层和用于光刻的光刻胶；
38.如图1所示，掩膜版上有相变存储器的设计电路图形，通过光刻可以将电路图形置于光刻胶上，再通过刻蚀可以将光刻胶上的电路图形置于刻蚀层(即相变材料层)。
39.1.2：假设历经相同工艺流程的每片晶圆表面不平整度α相同，对每片晶圆在光刻中应用不同的曝光条件(曝光条件包括曝光能量和聚焦值)，即晶圆1采用一个曝光条件，晶圆2采用另一个曝光条件，依次设置所有晶圆的曝光条件，并进行光刻。
40.1.3：对所述相变材料层进行刻蚀，刻蚀后分别对各晶圆上同一特定图形的线宽和边缘粗糙度进行测量；其中，所述同一特定图形为(不同)晶圆上不同曝光区域中同一位置的电路图形；
41.1.4：根据刻蚀后的测量数据及工艺规格要求，来调整同一特定图形在光刻时的线宽和边缘粗糙度要求，并确定晶圆表面不平整度为α时相变存储器的第一光刻工艺窗口。
42.进一步地，所述对每片晶圆在光刻中应用不同的曝光条件时，以晶圆为单位进行曝光，需要注意的是，虽然是以晶圆为单位进行曝光，在实际生产中，既存在一个曝光区域对应一枚芯片的情况，也存在一个曝光区域对应几枚芯片的情况，因此本质相当于晶圆上所有曝光区域的曝光条件相同，其中，所述曝光区域为扫描—步进式光刻机一次步进所曝光的区域。本实施方式设定不同晶圆的曝光区域是相同的。
43.设计晶圆表面不平整度时的光刻工艺优化方法的原因如下：
44.如图3所示，在相变存储器光刻工艺中，各道工艺所引入的晶圆表面凸起、凹陷会导致曝光时实际焦面与光刻胶表面有偏差，发生离焦。微量的表面不平整可以通过光刻机的自动聚焦系统来进行修正，但过高的不平整度仍然会导致离焦量过大。进一步导致光刻图形倒塌、倾斜等缺陷；由于相变材料的粘附力低，刻蚀后缺陷情况更为严重。
45.对于工艺步骤相同的晶圆，假定其不平整度α大致相同，每片晶圆应用不同的曝光能量、焦面距离(即曝光条件)进行光刻。光刻后测量同一特定图形的线宽与边缘粗糙度并记录，如图4所示。然后对相变材料层(即刻蚀层)进行刻蚀，在刻蚀后再次测量线宽与边缘粗糙度。若刻蚀后线宽与边缘粗糙度符合工艺要求，则表明其对应的光刻条件位于光刻工艺窗口之内，依据此种方法，可以得出晶圆表面不平整时的第一光刻工艺窗口。
46.所述步骤(2)具体包括：
47.2.1：当特定图形的周期和线宽不一致时，在光刻中，对每片晶圆的不同曝光区域
应用不同曝光条件；
48.2.2：对相变材料层进行刻蚀，刻蚀后对各曝光条件下不同特定图形的线宽和边缘粗糙度进行测量；其中，所述不同特定图形为(不同)晶圆上不同曝光区域中不同位置的电路图形；
49.2.3：根据刻蚀后的测量数据及工艺规格要求，来调整不同特定图形在光刻时的线宽和边缘粗糙度要求，并确定相变存储器不同特定图形的共同光刻工艺窗口。
50.进一步地，方法2中的晶圆采用单层工艺晶圆，用于消除晶圆表面不平整度的影响，并在单层工艺中，应用peox、harp或teos工艺制成单层晶圆。
51.设计图形周期、线宽设计不一致时的光刻工艺优化方法的原因如下：
52.相变存储器器件设计中，存在多种线宽、周期各不相同的图形。在光刻工艺中，若只关注单种图形的线宽均匀性与边缘粗糙度而确定工艺窗口，决定曝光条件，容易导致光刻及刻蚀后其他图形处出现缺陷。因此，需要确定所有关键图形的共同工艺窗口。如图5所示，根据刻蚀后的测量值与工艺要求，可以得出满足工艺要求的曝光条件(包括曝光能量与聚焦值)，在聚焦值-曝光能量坐标轴中作出图形，即可得到工艺窗口；各关键图形的工艺窗口重叠部分，即是该相变存储器器件设计的共同工艺窗口，将所述共同光刻工艺窗口作为第二光刻工艺窗口。
53.在确定图形周期、线宽设计不一致时的共同工艺窗口时，晶圆表面不平整的引入会导致变量难以控制。因此，选用单层工艺的晶圆，因为其工艺步骤少，晶圆不平整度不高，在光刻机的自动聚焦系统修正下，可近似地视为平整晶圆。如图2所示，对于不同的场，选用不同的曝光能量与聚焦值，光刻后测量各个关键图形的线宽与边缘粗糙度，并在刻蚀后再次测量，得出各个图形的工艺窗口，进一步得到相变存储器图形周期、线宽设计不一致时的共同工艺窗口。
54.综合考量以上两种光刻工艺优化方式(即步骤(1)和步骤(2))所得出的最终光刻工艺优化方法：仍如图1所示，相变存储器晶圆表面不平整时的第一光刻工艺窗口、图形周期、线宽设计不一致时的共同工艺窗口(即第二光刻工艺窗口)的重叠部分即是相变存储器应对晶圆表面不平整、图形周期、线宽设计不一致的最终共同工艺窗口，最终共同工艺窗口的中心部分即是最佳曝光条件。
55.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。