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CN105511238B - 光刻对准标记结构及形成方法、半导体结构的形成方法 - Google Patents

光刻对准标记结构及形成方法、半导体结构的形成方法 Download PDF

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CN105511238B
CN105511238B CN201410505490.0A CN201410505490A CN105511238B CN 105511238 B CN105511238 B CN 105511238B CN 201410505490 A CN201410505490 A CN 201410505490A CN 105511238 B CN105511238 B CN 105511238B
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Abstract

一种光刻对准标记结构及形成方法、半导体结构的形成方法，其中光刻对准标记结构的形成方法包括：提供基底；在基底中形成分别沿第一方向的第一光栅、具有相同光栅常数的第二、三光栅，和沿第二方向的第四光栅；使用光栅衍射技术，根据第一光栅获得第一对准中心，根据第四光栅获得第二对准中心；以第一、二对准中心作为光刻过程的对准中心，在基底上形成相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离的第五光栅；和形成相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离的第六光栅。使用本光刻对准标记结构的双重二次曝光工艺中，第二次曝光后的器件图形，其实际位置与预设位置的对准误差得到弥补，且相对于第一次曝光后的器件图形套准偏移量减小。

Description

光刻对准标记结构及形成方法、半导体结构的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种光刻对准标记结构及形成方法、半导体结构的形成方法。
背景技术
随着半导体工艺的发展，半导体芯片的面积越来越小，芯片内的线宽也不断缩小，因此半导体工艺能力受到的考验也越来越大，工艺的精度与工艺变异的控制也变得愈加重要。在制造半导体芯片的工艺中，光刻工艺是最重要的工艺之一。光刻即是通过对准、曝光、显影等一系列步骤将掩模版上的掩模图形转移到晶圆上的工艺过程，因此光刻工艺的质量会直接影响到最终形成芯片的性能。
在光刻过程中，为使得掩模图形准确转移到晶圆上，关键的步骤是将掩模版与晶圆对准，即计算获得掩模版相对于晶圆的位置，以满足套准精度的要求。当特征尺寸约来越小时，对套准精度的要求以及由此产生的对准精度要求也越来越高。
现有技术的两种光刻对准方案为：一种是透过镜头的TTL(Through The Lens，TTL)对准技术，使用激光照射掩模版上的对准标记并通过物镜成像于晶圆上表面，移动晶圆基台，使得晶圆基台上的参考标记扫描对准标记所成的像，同时采样所成像的光强，探测器接收到的最大光强位置即表示正确的对准位置；另一种是OA离轴对准技术，通过离轴对准系统测量位于晶圆上的多个对准标记以及晶圆基台上基准板的基准标记，实现晶圆和晶圆基台对准，接着将晶圆基台上的参考标记与掩模版上对准标记对准，实现掩模版与晶圆基台对准，由此可以得到掩模版和晶圆的位置关系，实现掩模版和晶圆对准。
目前，主流的光刻设备大多采用光栅衍射技术。光栅衍射是指照明光束照射在晶圆上的光栅型对准标记上发生衍射，衍射光携带有关于对准标记的全部信息。多级衍射光以不同角度从光栅型对准标记上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±n级衍射光在参考面干涉成像，随着特征尺寸越来越小，可同时采集更多级衍射光在参考面干涉成像。之后，利用像与相应参考光栅在一定方向扫描，经光电探测器探测和信号处理，确定对准中心位置，该对准中心位置可用晶圆基台上的坐标来表征。接着，将该对准中心位置和掩模版上的对准标记对准，实现掩模版和晶圆对准。
在双重二次曝光工艺中应用光栅衍射技术，参照图1，在基底1上形成有沿x轴方向的第一光栅11和沿y轴方向的第二光栅12，第一光栅11作为x轴方向的对准标记，第二光栅12作为y轴方向的对准标记；参照图2，在基底1上形成器件层(图中未示出)、位于器件层上的光刻胶层2，由于第一光栅11和第二光栅12为光刻胶层2所覆盖而不可见，故用虚线表示；参照图3，使用光栅衍射技术，根据第一光栅11获得x轴方向的第一对准中心x0，根据第二光栅12获得y轴方向的第二对准中心y0，将具有第一器件图形3的掩模版上的参考标记分别与第一对准中心x0和第二对准中心y0对准，之后对光刻胶层2进行第一次曝光以定义出第一器件图形3，该第一器件图形3包括若干平行排列且等距的第一条形线31；
参照图4，将具有第二器件图形4的掩模版上的参考标记分别与第一对准中心x0和第二对准中心y0对准，第二器件图形4包括与若干第一条形线31平行排列的若干第二条形线42，相邻两第一条形线31之间对应一个第二条形线42，且所有第一条形线31和第二条形线42沿x轴方向交错排布，之后，对光刻胶层2进行第二次曝光以定义出第二器件图形4。最后，对光刻胶层进行显影处理，并以显影后的光刻胶层为掩模刻蚀器件层，以形成包括若干第一条形线31和若干第二条形线42的半导体结构。
但是，参照图3、图4，在第一次曝光过程中，第一器件图形3的位置相对于第一对准中心x0发生了套刻偏移，在第二次曝光过程中，第二器件图形4的器件图形相对于第一对准中心x0也发生了套刻偏移，使得第二条形线42分别到相邻两第一条形线31之间的间距w1≠w2。这样，一方面，第二器件图形4相对于第一对准中心x0发生了套刻偏移，第二器件图形4在基底上的实际位置与预设位置具有对准误差；另一方面，两次套刻偏移也造成第一条形线31和第二条形线42不能实现精确套准，降低了第二条形线42和第一条形线31之间的套准精度。这些因素会影响后续半导体制造工艺以及包括第二条形线42和第一条形线31的半导体结构的性能。
发明内容
本发明解决的问题是，使用光栅衍射技术的双重二次曝光工艺形成的半导体结构性能不佳。
为解决上述问题，本发明提供一种光刻对准标记结构的形成方法，该形成方法包括：
提供基底；
在所述基底中形成分别沿第一方向的第一光栅、具有相同光栅常数的第二光栅和第三光栅，和沿第二方向的第四光栅，所述第二方向和第一方向相互垂直；
使用光栅衍射技术，根据所述第一光栅获得沿第一方向的第一对准中心，根据所述第四光栅获得第二方向的第二对准中心；
以所述第一对准中心作为光刻过程沿第一方向的对准中心、和以所述第二对准中心作为光刻过程沿第二方向的对准中心，在所述基底上形成沿第一方向的第五光栅和第六光栅，所述第二光栅的刻线与第五光栅的刻线交错排布、且所述第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离，所述第三光栅的刻线与第六光栅的刻线交错排布、且所述第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离；
所述第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅、第五光栅和第六光栅作为光刻对准标记结构。
可选地，在形成沿第一方向的所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅时，还在基底中形成沿第二方向的具有相同光栅常数的第七光栅和第八光栅；
在形成所述第五光栅和第六光栅时，还形成沿第二方向的第九光栅和第十光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于第七光栅沿第二方向偏移第二距离，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离；
所述光刻对准标记结构还包括所述第七光栅、第八光栅、第九光栅和第十光栅。
可选地，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的形成方法为机械刻划、全息光刻、电子束光刻、激光干涉光刻或聚焦离子束光刻。
可选地，所述第一距离的范围为1nm～10nm。
可选地，所述第一光栅的光栅常数小于第二光栅的光栅常数。
可选地，所述第二光栅和第三光栅沿第一方向平行排列，所述第二光栅和第三光栅之间的间距为小于等于100μm。
本发明还提供一种光刻对准标记结构，该光刻对准标记结构包括：
位于基底中且沿第一方向的第一光栅、具有相同光栅常数的第二光栅和第三光栅，和沿第二方向的第四光栅，所述第二方向垂直于第一方向；
位于所述基底上且沿第一方向的第五光栅，所述第二光栅的刻线与第五光栅的刻线交错排布、且所述第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离；
位于所述基底上且沿第一方向的第六光栅，所述第三光栅的刻线与第六光栅的刻线交错排布、且所述第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离；
所述第五光栅相对于第二光栅、所述第六光栅相对于第三光栅还具有沿第一方向的套刻偏移量。
可选地，还包括：
位于所述基底上、且沿所述第二方向的具有相同光栅常数的第七光栅和第八光栅；
位于所述基底上且沿第二方向的第九光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于所述第七光栅沿第二方向偏移第二距离；
位于所述基底上且沿第二方向的第十光栅，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于所述第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离；
所述第九光栅相对于第七光栅、所述第十光栅相对于第八光栅具有沿第二方向的套刻偏移量。
可选地，所述第一光栅的刻线、第二光栅的刻线、第三光栅的刻线、第四光栅的刻线均为划线槽。
可选地，所述第一光栅的光栅常数小于第二光栅的光栅常数。
可选地，所述第二光栅和第三光栅沿第一方向平行排列，所述第二光栅和第三光栅之间的间距为小于等于100μm。
本发明还提供一种半导体结构的形成方法，该形成方法包括：
提供基底，在所述基底上形成有上述任一所述的光刻对准标记结构；
在所述基底上形成器件层、位于所述器件层上的光刻胶层，所述器件层覆盖基底及其上的所述光刻对准标记结构；
在形成所述光刻胶层后，使用光栅衍射技术，根据所述第一光栅获得沿第一方向的第一对准中心x0，根据所述第二光栅和第五光栅组成的光栅获得沿第一方向的第三对准中心x1，根据所述第三光栅和第六光栅组成的光栅获得沿第一方向第四对准中心x2；
以所述第一对准中心x0作为曝光过程沿第一方向的对准中心，进行第一次曝光以在所述光刻胶层中定义出第一器件图形，所述第一器件图形包括沿第一方向平行排列的若干第一条形线；
以x'＝((x1+x2)/2+x0)/2作为曝光过程沿所述第一方向的对准中心，进行第二次曝光以在所述光刻胶层中定义出第二器件图形，所述第二器件图形包括沿第一方向平行排列的若干第二条形线，所述第二条形线和第一条形线交错排布；
去除除所述第一器件图形和第二器件图形外的光刻胶层部分，以形成图形化的光刻胶层；
以所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀器件层，至露出基底上表面。
可选地，在所述第一次曝光前，还根据所述第四光栅获得第二对准中心y0；在所述第一次曝光时和第二次曝光时，还以第二对准中心y0作为曝光过程沿第二方向的对准中心。
可选地，所述光刻对准标记结构还包括：沿所述第二方向的第七光栅和第八光栅；
位于所述基底上且沿第二方向的第九光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于所述第七光栅沿第二方向偏移第二距离；
位于所述基底上且沿第二方向的第十光栅，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于所述第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离，所述第九光栅相对于第七光栅、所述第十光栅相对于第八光栅具有沿第二方向的套刻偏移量；
在所述第一次曝光前，根据所述第四光栅获得第二对准中心y0，根据所述第七光栅和第九光栅组成的光栅获得第五对准中心y1，根据所述第八光栅和第十光栅组成的光栅获得第六对准中心y2；
在所述第一次曝光过程，还以所述第二对准中心y0作为曝光过程沿第二方向的对准中心；
在所述第二次曝光过程，以y'＝((y1+y2)/2+y0)/2作为光刻过程沿第二方向的对准中心。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
由于预先设计第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离，和第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离，因此形成的第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移；第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移。第一光栅、第二光栅、第三光栅、第五光栅和第六光栅均作为曝光过程中的光刻对准标记结构。使用光栅衍射技术，根据第一光栅获得沿第一方向的第一对准中心x0，根据第二光栅和第五光栅组成的光栅获得沿第一方向的第三对准中心x1，根据第三光栅和第六光栅组成的光栅获得沿第一方向的第四对准中心x2。在第一次曝光过程中，以第一对准中心x0作为曝光过程沿第一方向的对准中心。由于第一次曝光过程后的第一器件图形相对于第一对准中心x0沿第一方向发生了套刻偏移，需对第二次曝光过程沿第一方向的对准中心进行调整：首先找出第三对准中心x1和第四对准中心x2之间的中心位置x″＝(x1+x2)/2；接着，找出(x1+x2)/2与第一对准中心x0之间的中心位置x'＝((x1+x2)/2+x0)/2，x'作为第二次曝光过程沿第一方向的对准中心。相比于现有技术，第二次曝光后的第二器件图形在基底上的实际位置与预设位置之间的对准误差得到弥补而减小，且相对于第一器件图形的套准偏移量减小，这样第二器件图形相对第一器件图形的套准精度得到提升，提升大约40％。这能保证后续半导体制造工艺正常进行，且确保包括第二器件图形和第一器件图形的半导体结构性能较佳。
附图说明
图1～图4是现有技术的双重二次曝光过程中半导体结构的示意图；
图5～图14是本发明具体实施例的光刻对准标记结构在形成过程中的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明提供一种光刻对准标记结构的形成方法。
参照图5，提供基底10。在本实施例中，基底10为硅基底。但不限于此，作为变形例，基底10还可为锗、锗硅、砷化镓基底或绝缘体上硅基底。本领域的技术人员可以根据需要选择基底，因此基底的类型不应限制本发明的保护范围。但，在硅基底上实施本技术方案要比在上述其他基底上实施本技术方案的成本低。
在本实施例中，放置基底10的基台上设有x-y坐标系，用来标记对准中心的位置。定义第一方向A平行于x轴方向，第二方向B平行于y轴方向，以下将以光刻过程沿第一方向A发生套刻偏移为例来阐述本实施例技术方案。另外，在基台上还设有参考标记，该参考标记用来定位基底10的位置，使基底10在基台上的位置确定。
继续参照图5，在基底10中形成分别沿第一方向A的第一光栅11、具有相同光栅常数的第二光栅12和第三光栅13；和沿第二方向B的第四光栅14、具有相同光栅常数的第七光栅17和第八光栅18。第二光栅12和第三光栅13沿第一方向A间隔且平行排列，第一光栅11与第二光栅12和第三光栅13沿第二方向B间隔，第一光栅11的光栅常数小于第二光栅12的光栅常数，光栅常数是指光栅中相邻两刻线之间间距。第七光栅17和第八光栅18沿第二方向B间隔且平行排列，第四光栅14与第七光栅17和第八光栅18沿第一方向A间隔，第四光栅14的光栅常数小于第七光栅17的光栅常数。作为变形例，第一光栅、第二光栅和第三光栅之间的相对位置不受本实施例方案限制，三者可在第一方向A上间隔排布，也可在第二方向B上间隔排布。相应地，第四光栅、第七光栅和第八光栅之间的相对位置也步骤本实施例方案的限制，三者可在第一方向A上间隔排布，也可在第二方向B上间隔排布。
在本实施例中，第一光栅11、第二光栅12、第三光栅13、第四光栅14、第七光栅17和第八光栅18均为划线槽，可使用机械刻划、全息光刻、电子束光刻、激光干涉光刻、聚焦离子束光刻等工艺。以全息光刻为例，首先在基底上涂敷一层光刻胶，烘干后放入干涉光学系统；之后曝光，穿过掩模版的光波(物光波)和一束平行光(参考光束)干涉曝光并记录下干涉条纹，其中经较强干涉光波照射的光刻胶部分变性；接着显影，去除变性的光刻胶部分；紧接着刻蚀基底10而形成划线槽，该划线槽作对应光栅的刻线；最后去除剩余光刻胶。以激光干涉光刻为例，激光干涉技术利用光的干涉和衍射特征，通过特定的光束组合方式，调控干涉场内的光强度分布并用感光材料记录下来，被较强光强度的干涉光照射的光刻胶变性进而得到光刻图形，之后复制到基底10中。其他如电子束光刻和聚焦离子束光刻是分别通过电子束和聚焦离子束轰击光刻胶而使之变性，以定义出光刻图形。
在本实施例中，第二光栅12的光栅常数等于第三光栅13的光栅常数。如果两者不相等，在后续对应第二光栅12形成第五光栅，和对应第三光栅13形成第六光栅时，光栅常数的差异将成为形成第五光栅和第六光栅的光刻过程的干扰因素，会造成第五光栅相对于第二光栅12沿第一方向A的套刻偏移量、与第六光栅相对于第三光栅13沿第一方向A的套刻偏移量不相等，造成套准精度校正不准确。相应地，第七光栅17和第八光栅18也作如是考虑。
需要说明的是，第一光栅11和第四光栅14的光栅常数相等并不构成本发明保护范围的限制。作为变形例，两者的光栅常数也可不相等。第二光栅12和第七光栅17的光栅常数可以相等或不相等，亦不构成本发明保护范围的限制。
参照图5，第二光栅12与第三光栅13沿第一方向A平行排列，两者之间的间距w0小于等于100μm，其中间距w0是指第二光栅12的所有刻线和第三光栅13所有刻线中，沿第一方向A相邻的两刻线之间的间距。如果第二光栅12与第三光栅13之间的间距大于100μm，在后续形成第五光栅和第六光栅时会发生较大对准误差和套准误差，进而影响本方案对套准精度调整的精确度。同样地，第七光栅17和第八光栅18沿第二方向B平行排列，两者之间的间距w'小于等于100μm。另外对w0与w'之间的大小关系不作限定，可以相等或不相等。
结合参照图6，在基底10上形成光刻胶层30，具体可通过旋涂等为本领域技术人员所熟知的技术，光刻胶层30覆盖基底10、第一光栅11、第二光栅12、第三光栅13、第四光栅14、第七光栅17和第八光栅18。需要说明的是，由于第一光栅11、第二光栅12、第三光栅13、第四光栅14、第七光栅17和第八光栅18被光刻胶层30覆盖，故不可见，因此使用虚线表示之。
参照图6、图7，在形成光刻胶层30后，使用光栅衍射技术，根据第一光栅11获得沿第一方向A的第一对准中心x0，根据第四光栅14获得沿第二方向B的第二对准中心y0，其中x0为基台上x-y坐标系上x轴坐标，y0为y轴坐标。具体地，以第一光栅11为例，使用照明光束照射第一光栅11，照明光束可以为激光，光束穿过第一光栅11而发生衍射，衍射光携带有第一光栅11的全部信息。多级衍射光以不同角度从第一光栅11上散开，通过空间滤波器采集该多级衍射光并在参考面干涉成像。在参考面上与照明光的主光轴中心对称地放置着一个参考光栅，该参考光栅与第一光栅11的光栅周期相等，在参考光栅后面放置有对应的探测光纤，该探测光纤将穿过参考光栅的光强信号引导至光电转换器件，对光强信号进行转换和处理。根据傅立叶光学原理，对应光强信号，在探测器上形成的是一种具有一定周期的正弦信号，该正弦信号的周期与第一光栅11的光栅周期对应，该正弦信号的中心位置即为第一对准中心x0的位置。使用同样的方法，对应第四光栅14得到另一正弦信号，根据该正弦信号获得对应第四光栅14的第二对准中心y0。
结合参照图8，提供掩模版21，在掩模版21上设有第五光栅图形15'、第六光栅图形16'、对应第一对准中心x0的第一参考标记x0'；和第九光栅图形19'、第十光栅图形20'、对应第二对准中心y0的第二参考标记y0'。结合参照图9，图9为第五光栅图形15'与第二光栅12之间、和第六光栅图形16'与第三光栅13之间预先设计的位置关系示意图，按照预先布置，第五光栅图形15'的光栅常数与第二光栅12的光栅常数相等，第五光栅图形15'与第二光栅12叠对设置，也就是第五光栅图形15'的刻线与第二光栅12的刻线交错对准。第五光栅图形15'相对于第二光栅12沿第一方向A偏移第一距离dx，也就是第二光栅12中相邻两刻线之间的第五光栅图形15'刻线的中轴线，相对于该相邻两刻线之间间距的中分线沿第一方向A偏移第一距离dx。
第六光栅图形16'的光栅常数与第三光栅13的光栅常数相等，第六光栅图形16'与第三光栅13叠对设置，也就是第六光栅图形16'的刻线与第三光栅13的刻线交错对准。第六光栅图形16'相对于第三光栅13沿第三方向C偏移第一距离dx，第三方向C为第一方向A的反方向，也就是第三光栅13中相邻两刻线之间的第六光栅图形16'刻线的中轴线，相对于该相邻两刻线之间间距的中分线沿第三方向C偏移第一距离dx。
相应地，结合参照图10，图10为第九光栅图形19'与第七光栅17之间、和第十光栅图形20'与第八光栅18之间预先设计的位置关系示意图，按照预先布置，第九光栅图形19'的光栅常数与第七光栅17的光栅常数相等，第九光栅图形19'与第七光栅17叠对设置，也就是第九光栅图形19'的刻线与第七光栅17的刻线交错对准。第九光栅图形19'相对于第二光栅12沿第二方向B偏移第二距离dy，也就是第七光栅17中相邻两刻线之间的第九光栅图形19'刻线的中轴线，相对于该相邻两刻线之间间距的中分线沿第二方向B偏移第二距离dy。第十光栅图形20'的光栅常数与第八光栅18的光栅常数相等，第十光栅图形20'与第八光栅18叠对设置，也就是第十光栅图形20'的刻线与第八光栅18的刻线交错对准。第十光栅图形20'相对于第八光栅18沿第四方向D偏移第二距离dy，第四方向D为第二方向B的反方向，也就是第八光栅18中相邻两刻线之间的第十光栅图形20'刻线的中轴线，相对于该相邻两刻线之间间距的中分线沿第四方向D偏移第二距离dy。
在本实施例中，通过预先设置第一距离dx，可以增加后续使用光刻过程中第五光栅相对于第二光栅12沿第一方向A的套刻偏移信息量、和第六光栅相对于第三光栅13沿第一方向A的套刻偏移信息量，实现第五光栅相对于第二光栅12的实际偏移、和第六光栅相对于第三光栅13的实际偏移可测。其中第一距离dx应较小，大致范围为1nm～10nm，这样在后续使用光刻工艺形成第五光栅和第六光栅时发生套刻偏移，套刻偏移量与dx之间呈线性关系，才可在后续对对准中心的偏移进行线性加减，确保本实施例方案的实施。相应地，通过预先设置第二距离dy，可以增加后续使用光刻过程中第九光栅相对于第七光栅17的套刻偏移信息量、和第十光栅相对于第八光栅18的套刻偏移信息量。
接着，在光刻胶层30上方，将掩模版21的第一参考标记x0'与第一对准中心x0对准，将第二参考标记y0'和第二对准中心y0对准，以确定掩模版21相对基底的位置，使第五光栅图形15'与第二光栅12在垂直于光刻胶层30上表面的方向对准、且第六光栅图形16'与第三光栅13在垂直于光刻胶层30上表面的方向对准；和，使第九光栅图形19'与第七光栅17在垂直于光刻胶层30上表面的方向对准、且第十光栅图形20'与第八光栅18在垂直于光刻胶层30上表面的方向对准。
之后，结合参照图11，利用掩模版21，使用曝光工艺，将第五光栅图形15'复制到光刻胶层30中以定义出第五光栅15，将第六光栅图形16'复制到光刻胶层30中以定义出第六光栅16，将第九光栅图形19'复制到光刻胶层30中以定义出第九光栅19，将第十光栅图形20'复制到光刻胶层30中以定义出第十光栅20。由于光刻设备等因素的影响，第五光栅15相对于第二光栅12、和第六光栅16相对于第三光栅13会发生沿第一方向A的套刻偏移，在本实施例中，套刻偏移方向为第三方向C。在光刻过程中，对应光刻设备的焦深第五光栅15相对于第二光栅12、第六光栅16相对于第三光栅13还具有沿第一方向A的套刻偏移量Δx。相应地，第九光栅19相对于第七光栅17、和第十光栅20相对于第八光栅18会发生沿第二方向B的套刻偏移，在本实施例中，套刻偏移方向为第四方向D。结合参照图9，由于事先定义第五光栅图形15'相对于第二光栅12沿第一方向A偏移，第六光栅图形16'相对于第三光栅13沿第三方向C偏移，因此经曝光后，结合参照图11，第五光栅15相对于第二光栅12沿第一方向A偏移，第六光栅16相对于第三光栅13沿第三方向C偏移。相应地，第九光栅19相对于第七光栅17沿第二方向B偏移，第十光栅20相对于第八光栅18沿第四方向D偏移。而且，第五光栅15相对于第二光栅12、第六光栅16相对于第三光栅13还具有沿第二方向B的套刻偏移量Δy。
结合参照图12，进行显影处理，去除除第五光栅15、第六光栅16、第九光栅19和第十光栅20之外的光刻胶层部分，露出基底10。
结合参照图13，使用光栅衍射技术获得第二光栅12和第五光栅15所组成光栅的第三对准中心x1，和获得第三光栅13和第六光栅16所组成光栅的第四对准中心x2。在该过程中所使用的参考光栅包括对应第一光栅11的第一段、对应第二光栅12和第五光栅15所组成的光栅的第二段、对应第三光栅13和第六光栅16所组成的光栅的第三段，在每一段后均放有对应的一个探测光纤，以收集通过参考光栅的光强信号。
相应地，使用光栅衍射技术获得第七光栅17和第九光栅19所组成的光栅的第五对准中心y1，和获得第八光栅18和第十光栅20所组成光栅的第六对准中心y2。在该过程中所使用的参考光栅包括对应第四光栅14的第一段、对应第七光栅17和第九光栅19所组成的光栅的第二段、对应第八光栅18和第十光栅20所组成的光栅的第三段，在每一段后均放有对应的一个探测光纤，以收集通过参考光栅的光强信号。
结合参照图7，由于第一距离dx和套刻偏移量Δx的原因，第三对准中心x1相对于第一对准中心x0发生偏移，第四对准中心x2相对于第一对准中心x0发生偏移，又因为第一距离dx较小而使套刻偏移量Δx与dx之间呈线性关系，x1相对于x0的偏移量对应但不等于(dx+Δx)，x2相对于x0的偏移量对应但不等于dx+Δx，其中负号表示第三方向C。
相应地，由于第二距离dy较小而使套刻偏移量Δy与dy之间呈线性关系，第五对准中心y1相对于第二对准中心y0的偏移量对应但不等于(dy+Δy)，第六对准中心y2相对于第二对准中心y0的偏移量对应但不等于dy+Δy，其中负号表示第四方向D。
第一光栅11、第二光栅12和第五光栅15组成的光栅、第三光栅13和第六光栅16所组成的光栅作为第一方向A的对准标记，第四光栅14、第七光栅17和第九光栅19组成的光栅、第八光栅18和第十光栅20所组成的光栅作为第二方向B的对准标记。在双重二次曝光工艺中应用本实施例的光刻对准标记结构，首先，第一次曝光过程，以第一对准中心x0作为沿第一方向A的对准中心和以第二对准中心y0作为沿第二方向B的对准中心，第一次曝光后的第一器件图形相对基底的预设位置发生对准偏移；
之后，根据第三对准中心x1和第四对准中心x2对第二次曝光沿第一方向A的对准中心进行调整。结合参照图14，由于dx与Δx为线性关系，因此可对第三对准中心x1和第四对准中心x2进行线性运算：首先，计算得到第三对准中心x1和第四对准中心x2之间的中心位置x″＝(x1+x2)/2，该值被认为是第一次曝光后的第一器件图形相对于基底的实际偏移量；接着，根据第一次曝光后的第一器件图形相对于基底的偏移量，计算得到x″相对于第一对准中心x0的偏移量的平均值为(x″-x0)/2；则第二次曝光过程以x'＝x0+(x″-x0)/2＝(x″+x0)/2为对准中心，也就是第二次曝光过程不再以第一对准中心x0为对准中心，而是以调整后的x'为对准中心。选择x″与x0之间的中心位置x'作为新的对准中心，第二次曝光后的第二器件图形相对于基底上的实际位置与预设位置沿第一方向A的对准误差得到减小，同时第二器件图形与第一器件图形之间的套准误差也能得到减小。相比于现有技术，第二次曝光后的第二器件图形，在基底上的实际位置与预设位置之间的对准误差得到弥补而减小，且相对于第一器件图形的套准偏移量减小，这样第二器件图形相对第一器件图形的套准精度得到提升，提升大约40％。这能保证后续半导体制造工艺正常进行，且确保包括第二器件图形和第一器件图形的半导体结构性能较佳。
另外，在第二次曝光过程中，还要根据第五对准中心y1和第六对准中心y2对第二次曝光沿第二方向B的对准中心进行调整。参考上文，第二次曝光过程中以y'＝((y1+y2)/2+y0)/2为沿第二方向B的对准中心，以减小第二器件图形在基底上的实际位置与预设位置沿第二方向B的对准误差。
本发明还提供一种光刻对准标记结构，参照图12，该光刻对准标记结构包括：
位于基底10中且沿第一方向A的第一光栅11、具有相同光栅常数的第二光栅12和第三光栅13，和沿第二方向B的第四光栅14，第二方向B垂直于第一方向A；
位于基底10上且沿第一方向A的第五光栅15，第二光栅12的刻线与第五光栅15的刻线交错排布、且第五光栅15相对于第二光栅12沿第一方向A偏移第一距离dx(参照图9)；
位于基底10上且沿第一方向A的第六光栅16，第三光栅13的刻线与第六光栅16的刻线交错排布、且第六光栅16相对于第三光栅13沿第一方向A的反方向偏移第一距离dx；
位于基底10上、且沿第二方向B的具有相同光栅常数的第七光栅17和第八光栅18；
位于基底10上且沿第二方向B的第九光栅19，第九光栅19的刻线与第七光栅20的刻线交错排布、且第九光栅19相对于第七光栅17沿第二方向B偏移第二距离dy(参照图10)；
位于基底10上且沿第二方向B的第十光栅20，第十光栅20的刻线与第八光栅18的刻线交错排布、且第十光栅20相对于第八光栅18沿第二方向B的反方向偏移第二距离dy；
第五光栅15相对于第二光栅12、第六光栅16相对于第三光栅13还具有沿第一方向A套刻偏移量，第九光栅19相对于第七光栅17、第十光栅20相对于第八光栅18还具有沿第二方向B的套刻偏移量；
所述第一光栅11、第二光栅12、第三光栅13、第五光栅15和第六光栅16均作为沿第一方向A的光刻对准标记结构；第四光栅14、第七光栅17、第八光栅18、第九光栅19和第十光栅20为沿第二方向B的光刻对准标记结构。
在本实施例中，第一光栅11的刻线、第二光栅12的刻线、第三光栅13的刻线、第四光栅14、第七光栅17和第八光栅18的刻线均为划线槽。第五光栅15、第六光栅16、第九光栅19和第十光栅20为光刻胶。
参照图12，第一光栅11的光栅常数小于第二光栅12的光栅常数，第四光栅14的光栅常数小于第七光栅17的光栅常数。第二光栅12和第三光栅13沿第一方向A平行排列，第二光栅12和第三光栅13之间的间距为小于等于100μm。第七光栅17和第八光栅18沿第二方向B平行排列，两者之间的间距范围为小于等于100μm。
本发明还提供一种半导体结构的形成方法，具体地，该形成方法包括：
提供基底，在基底上形成有上述光刻对准标记结构，基底具有用于形成器件的区域。
在基底上形成器件层，器件层覆盖基底及其上的光刻对准标记结构，该器件层的材料要根据所要形成的器件进行选择，如所要形成的器件为栅极，则器件层的材料可为多晶硅。
在器件层上旋涂形成光刻胶层；
在形成光刻胶层后，使用光栅衍射技术，根据第一光栅11获得第一方向A的第一对准中心x0，根据第二光栅12和第五光栅15组成的光栅获得第三对准中心x1，根据第三光栅13和第六光栅16组成的光栅获得第四对准中心x2，根据第四光栅14获得第二对准中心y0，根据第七光栅17和第九光栅19组成的光栅获得第五对准中心y1，根据第八光栅18和第十光栅20组成的光栅获得第六对准中心y2。
以第一对准中心x0作为曝光过程沿第一方向A的对准中心，和以第二对准中心y0作为曝光过程沿第二方向B的对准中心，进行第一次曝光以在光刻胶层中定义出第一器件图形，第一器件图形包括沿第一方向A平行排列的若干第一条形线。在该过程中发生套刻偏移，使得第一器件图形的实际位置比预设位置发生了偏移。
以x'＝((x1+x2)/2+x0)/2作为曝光过程沿第一方向A的对准中心，和以y'＝((y1+y2)/2+y0)/2作为光刻过程沿第二方向的对准中心，进行第二次曝光，以在光刻胶层中定义出与第一器件图形叠对的第二器件图形，第二器件图形包括沿第一方向A平行排列的若干第二条形线，第二条形线和第一条形线交错排布。沿第一方向A，第二器件图形相对基底的实际位置与预设位置的对准误差减小，且第二器件图形与第一器件图形之间的套准误差减小，套准精度提高。
去除除第一器件图形和第二器件图形外的光刻胶层部分，以形成图形化的光刻胶层；
以图形化的光刻胶层为掩模刻蚀器件层，至露出基底上表面。之后去除图形化的光刻胶层，在基底上形成包括若干交错排布的第一条形线和第二条形线的器件。
由于第二器件图形和第一器件图形为沿第一方向A套对，在一变形例中，若是单纯提高第二器件图形和第一器件图形之间的套准精度，可忽略第二方向B方向的套刻偏移，因此在基底上也可不形成第七光栅、第八光栅、第九光栅和第十光栅。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种光刻对准标记结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底中形成分别沿第一方向的第一光栅、具有相同光栅常数的第二光栅和第三光栅，和沿第二方向的第四光栅，所述第二方向和第一方向相互垂直；
使用光栅衍射技术，根据所述第一光栅获得沿第一方向的第一对准中心，根据所述第四光栅获得沿第二方向的第二对准中心；
以所述第一对准中心作为光刻过程沿第一方向的对准中心、和以所述第二对准中心作为光刻过程沿第二方向的对准中心，在所述基底上形成沿第一方向的第五光栅和第六光栅，所述第二光栅的刻线与第五光栅的刻线交错排布、且所述第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离，所述第三光栅的刻线与第六光栅的刻线交错排布、且所述第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离；
所述第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅、第五光栅和第六光栅作为光刻对准标记结构。
2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成所述第一光栅、第二光栅第三光栅和第四光栅时，还在基底中形成沿第二方向的具有相同光栅常数的第七光栅和第八光栅；
在形成所述第五光栅和第六光栅时，还形成沿第二方向的第九光栅和第十光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于第七光栅沿第二方向偏移第二距离，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离；
所述光刻对准标记结构还包括所述第七光栅、第八光栅、第九光栅和第十光栅。
3.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅的形成方法为机械刻划、全息光刻、电子束光刻、激光干涉光刻或聚焦离子束光刻。
4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一距离的范围为1nm～10nm。
5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一光栅的光栅常数小于第二光栅的光栅常数。
6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第二光栅和第三光栅沿第一方向平行排列，所述第二光栅和第三光栅之间的间距为小于等于100μm。
7.一种光刻对准标记结构，其特征在于，采用权利要求1所述的方法形成，包括：
位于基底中且沿第一方向的第一光栅、具有相同光栅常数的第二光栅和第三光栅，和沿第二方向的第四光栅，所述第二方向垂直于第一方向；
位于所述基底上且沿第一方向的第五光栅，所述第二光栅的刻线与第五光栅的刻线交错排布、且所述第五光栅相对于第二光栅沿第一方向偏移第一距离；
位于所述基底上且沿第一方向的第六光栅，所述第三光栅的刻线与第六光栅的刻线交错排布、且所述第六光栅相对于第三光栅沿第一方向的反方向偏移第一距离；
所述第五光栅相对于第二光栅、所述第六光栅相对于第三光栅还具有沿第一方向的套刻偏移量。
8.如权利要求7所述的光刻对准标记结构，其特征在于，还包括：
位于所述基底上、且沿所述第二方向的具有相同光栅常数的第七光栅和第八光栅；
位于所述基底上且沿第二方向的第九光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于所述第七光栅沿第二方向偏移第二距离；
位于所述基底上且沿第二方向的第十光栅，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于所述第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离；
所述第九光栅相对于第七光栅、所述第十光栅相对于第八光栅具有沿第二方向的套刻偏移量。
9.如权利要求7所述的光刻对准标记结构，其特征在于，所述第一光栅的刻线、第二光栅的刻线、第三光栅的刻线、第四光栅的刻线均为划线槽。
10.如权利要求7所述的光刻对准标记结构，其特征在于，所述第一光栅的光栅常数小于第二光栅的光栅常数。
11.如权利要求7所述的光刻对准标记结构，其特征在于，所述第二光栅和第三光栅沿第一方向平行排列，所述第二光栅和第三光栅之间的间距为小于等于100μm。
12.一种半导体结构的形成方法，其特征在于，包括：
提供基底，在所述基底上形成有权利要求7、9～11任一所述的光刻对准标记结构；
在所述基底上形成器件层、位于所述器件层上的光刻胶层，所述器件层覆盖基底及其上的所述光刻对准标记结构；
在形成所述光刻胶层后，使用光栅衍射技术，根据所述第一光栅获得沿第一方向的第一对准中心x0，根据所述第二光栅和第五光栅组成的光栅获得沿第一方向的第三对准中心x1，根据所述第三光栅和第六光栅组成的光栅获得沿第一方向的第四对准中心x2；
以所述第一对准中心x0作为曝光过程沿第一方向的对准中心，进行第一次曝光以在所述光刻胶层中定义出第一器件图形，所述第一器件图形包括沿第一方向平行排列的若干第一条形线；
以x'＝((x1+x2)/2+x0)/2作为曝光过程沿所述第一方向的对准中心，进行第二次曝光以在所述光刻胶层中定义出第二器件图形，所述第二器件图形包括沿第一方向平行排列的若干第二条形线，所述第二条形线和第一条形线交错排布；
去除除所述第一器件图形和第二器件图形外的光刻胶层部分，以形成图形化的光刻胶层；
以所述图形化的光刻胶层为掩模刻蚀器件层，至露出基底上表面。
13.如权利要求12所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，在所述第一次曝光前，还根据所述第四光栅获得沿第二方向的第二对准中心y0；
在所述第一次曝光时和第二次曝光时，还以第二对准中心y0作为曝光过程沿第二方向的对准中心。
14.如权利要求12所述的半导体结构的形成方法，其特征在于，所述光刻对准标记结构还包括：沿所述第二方向的第七光栅和第八光栅；
位于所述基底上且沿第二方向的第九光栅，所述第九光栅的刻线与第七光栅的刻线交错排布、且所述第九光栅相对于所述第七光栅沿第二方向偏移第二距离；
位于所述基底上且沿第二方向的第十光栅，所述第十光栅的刻线与第八光栅的刻线交错排布、且所述第十光栅相对于所述第八光栅沿第二方向的反方向偏移第二距离，所述第九光栅相对于第七光栅、所述第十光栅相对于第八光栅具有沿第二方向的套刻偏移量；
在所述第一次曝光前，根据所述第四光栅获得第二对准中心y0，根据所述第七光栅和第九光栅组成的光栅获得第五对准中心y1，根据所述第八光栅和第十光栅组成的光栅获得第六对准中心y2；
在所述第一次曝光过程，还以所述第二对准中心y0作为曝光过程沿第二方向的对准中心；
在所述第二次曝光过程，以y'＝((y1+y2)/2+y0)/2作为光刻过程沿第二方向的对准中心。
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