CN101359167A - 掩膜板及掩膜板的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掩膜板，该掩膜板包括透光基板，所述透光基板上具有至少一个对曝光光线具有遮光性的图形区域，其中，至少一个所述图形区域内的透光基板上设置有相移光栅的开槽，且所述开槽对曝光光线具有透光性。本发明还公开了该掩膜板相应的形成方法，采用本发明的掩膜板，可以提高光刻工艺的分辨率、焦深及图形对比度，加大工艺窗口。

Description

掩膜板及掩膜板的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种掩膜板及掩膜板的形成方法。

背景技术

在半导体制造过程中，光刻工艺处于中心的地位，是集成电路生产中最重要的工艺步骤。半导体芯片的制作通常分为多层，在芯片制造前，先根据芯片上每一层的器件、金属线、连接等的布局，设计制作一个或多个光刻掩膜板(mask)，然后，再利用光刻工艺将该光刻掩膜板上的图形转移到晶片上。

其中的光刻掩膜板，也称为掩模版或者光罩，是一种对于曝光光线具有透光性的透光基板，其上具有对于曝光光线具有遮光性的至少一个几何图形(图形区域)，可实现有选择地遮挡照射到晶片表面光刻胶上的光，并最终在晶片表面的光刻胶上形成相应的图案。实际生产中，如何将设计的图案准确地反映于光刻掩膜板上，再转移至半导体晶片上，是半导体制作中关注的重点问题之一。

随着半导体制造技术的飞速发展，为了达到更快的运算速度、更大的资料存储量以及更多的功能，半导体芯片朝更高的组件密度、更高的集成度的方向发展，需要形成的图形尺寸越来越小，图形密集度越来越大，复杂性越来越高。这就对光刻工艺提出了更高的要求，希望其具有较高的分辨率和图形对比度。另外，当半导体器件集成度很高时，还希望具有较大的焦深(DOF)，这是因为具有图形的芯片总是存在一些不平整性，芯片表面上或每个芯片内的所有位置中光致抗蚀剂的曝光不在同一个聚焦平面上进行。

现有的分辨率增强技术(RET，Resolution EnhancementTechnologies)包括利用短波长光源、相移掩膜(PSM，Phase ShiftMasking)、光学邻近效应校正(OPC，Optical Proximity Correction)和轴外照射(OAI，OffAxis Illumination)等多种方法，其在一定程度上都能起到提高光刻分辨率或改善光刻图形质量的作用。但随着半导体技术的进一步发展，当图形特征尺寸已达65nm以下时，采用上述方法令光刻的分辨率及图形质量达到要求所需的成本较大，甚至难以满足光刻工艺的要求。

图1为现有的利用光学邻近效应校正方法改善光刻结果的示意图，如图1所示，图中110代表了预计的图形边缘所在位置，图中120代表了为令实际光刻后形成的图形的边缘尽量与预计的图形边缘相符，在设计掩膜板版图时，采用了OPC方法对版图图形进行修正后的版图的图形边缘，图中130代表了利用图中120所示的OPC修正后的掩膜板进行光刻后形成的实际图形。可以看到，当图形的密集度达到一定程度后，两图形边缘间的距离较小，此时，采用OPC方法进行图形修正受到了一定的限制，即使采用了OPC方法对其图形进行修正，最终形成的实际图形仍会与设计图形有一定的差距。

而对于被广泛采用的相移掩膜法，其复杂的相移器扩展设计增大了掩膜布局的复杂性，尤其对于复杂的集成电路设计而言，易出现相位冲突等问题，需要大量的数据处理资源，并不实用。为此，2004年8月25日公开的公开号为CN1524199A的中国专利申请中提出了一种新的相移器布局方法，以产生高质量的布局。然而，该方法也仅能是在一定程度上缓解了上述矛盾，事实上，其仍需要大量复杂的相移器设计处理。

2005年8月10日公开的公开号为CN1652021A的中国专利申请中公开了一种光栅偏振掩膜板，其在透光基板上覆盖金属层，再对掩膜板透光区域的金属层进行刻蚀形成偏振光栅，用于形成曝光图形的入射光线通过该偏振光栅后，光线的偏振态发生改变，可以减小图形的邻近效应，提高光刻分辨率。该方法通过在曝光图形区域增加偏振光栅来获得偏振光，但由于偏振光栅减弱了透过光线的光强，为了获得使光刻胶发生化学反应的能量，就必须增加入射光的能量。入射光能量增加会引入较难控制的热效应，如光学系统的热像差、掩模受热变形等。

发明内容

本发明提供一种掩膜板及掩膜板的形成方法，以提高现有的光刻技术的分辨率，改善现有的光刻技术的工艺窗口较小的问题。

本发明提供的一种掩膜板，包括透光基板，所述透光基板上具有至少一个对曝光光线具有遮光性的图形区域，其中，至少一个所述图形区域内的透光基板上设置有相移光栅的开槽，且所述开槽对曝光光线具有透光性。

其中，所述开槽的深度为所述曝光光线波长的奇数倍，各所述图形区域内除开槽以外的区域覆盖有金属铬或氧化铬材料。

其中，所述相移光栅仅形成于各所述图形区域中的边角区域内。

优选地，所述相移光栅内开槽的延伸方向平行于其所在的图形区域的延伸方向。

本发明具有相同或相应技术特征的一种掩膜板的形成方法，包括步骤：

设计掩膜板的版图，所述版图具有至少一个图形区域；

在设计的掩膜板版图的至少一个所述图形区域内加入相移光栅；

刻蚀对曝光光线具有透光性的透光基板，形成相移光栅的开槽；

在各所述图形区域内开槽以外的区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料，形成掩膜板。

其中，在设计掩膜板的版图时，还利用光学邻近效应校正方法对版图进行了修正。

其中，在掩膜板版图内加入相移光栅之前，还可以包括步骤：

利用仿真软件确定各所述图形区域内需要加入相移光栅的区域。

其中，所述开槽的深度为所述曝光光线波长的奇数倍。

其中，在刻蚀透光基板，形成相移光栅的开槽前，还包括步骤：

利用掩膜层在所述透光基板上定义待刻蚀的开槽区域。

其中，在各所述图形区域内开槽以外的区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料，包括步骤：

利用辅助材料覆盖透光基板表面并填充所述开槽；

利用研磨的方法去除所述透光基板表面的所述辅助材料；

在各所述图形区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料；

去除所述开槽内的所述辅助材料。

其中，所述辅助材料为环氧树脂或蜡。

优选地，加入所述相移光栅时，令开槽的延伸方向平行于其所在的图形区域的延伸方向。

其中，所述具有遮光性的材料为金属铬或氧化铬材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的掩膜板，在掩膜板的图形区域形成了相移光栅，使得透射通过该相移光栅的入射光与邻近的入射光之间产生了相位差，在两光之间发生了相消干涉，提高了光刻工艺的分辨率，加大了焦深及图形对比度，改善了现有的光刻技术的工艺窗口较小的问题。

本发明的掩膜板，还可以通过调整该相移光栅的方向，同时实现对入射光偏振方向的选择，进一步提高光刻图形的形成质量。

本发明的掩膜板的形成方法，在完成传统的掩膜板的版图设计后，增加了设置相移光栅及刻蚀掩膜板的透光基板以形成相移光栅的步骤，使得透射通过该相移光栅的入射光与邻近的入射光之间产生了相位差，有效提高了光刻工艺的分辨率、焦深及图形对比度，加大了工艺窗口。

附图说明

图1为现有的利用光学邻近效应校正方法改善光刻结果的示意图；

图2为本发明第一实施例中采用相移光栅后的掩膜板示意图；

图3为采用本发明第一实施例的掩膜板与采用现有的掩膜板实现的工艺窗口的对比图；

图4为本发明第二实施例中采用相移光栅后的掩膜板示意图；

图5为采用本发明第二实施例的掩膜板与采用现有的掩膜板实现的工艺窗口的对比图；

图6为本发明第三实施例中掩膜板形成方法的流程图；

图7为本发明第三实施例中采用OPC方法修正后的掩膜板版图示意图；

图8为本发明第三实施例中采用相移光栅后的掩膜板版图示意图；

图9为本发明第三实施例中利用掩膜层定义相移光栅的开槽后的掩膜板剖面示意图；

图10为本发明第三实施例中刻蚀形成相移光栅的开槽后的掩膜板剖面示意图；

图11为本发明第三实施例中填充辅助材料后的掩膜板剖面示意图；

图12为本发明第三实施例中去除透光基板表面的辅助材料后的掩膜板剖面示意图；

图13为本发明第三实施例中覆盖遮光性材料后的掩膜板剖面示意图；

图14为利用本发明第三实施例中形成的掩膜板形成的光刻图形示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，各示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本发明提出了一种新的掩膜板，该掩膜板由透光基板组成，所述透光基板上具有至少一个对曝光光线具有遮光性的图形区域，其中，为了提高光刻的分辨率及工艺窗口，本发明的掩膜板还在至少一个所述图形区域内的透光基板上设置了相移光栅的开槽，该开槽对曝光光线具有透光性。

图2为本发明第一实施例中采用相移光栅后的掩膜板示意图，如图2所示，图中200表示的是本实施例中的掩膜板，210代表了本实施例中掩膜板上的图形区域，220代表了本实施例中掩膜板上的非图形区域(也可以称为曝光区域)。本发明的掩膜板，还在图形区域内形成相移光栅。该相移光栅内周期性相间排列了具有透光性的开槽，图中211为相移光栅中不透光的区域(表面覆盖有遮光性材料的区域)，212为相移光栅中透光的区域，即开槽。其中，相移光栅开槽212的具体尺寸可以由曝光光线、透光基板的材料特性等确定。

注意到，现有的掩膜板中，整个图形区域均覆盖了遮光性的材料，如金属铬、氧化铬等，在本发明的掩膜板中，图形区域内仅在开槽以外的区域覆盖遮光的材料，如金属铬或氧化铬等，即，本发明的图形区域内形成的相移光栅具有周期性的透光区域(开槽)。但是，由于在该相移光栅内的透光区域为开槽212，且透射通过该相移光栅开槽212的入射光(即曝光光线)与邻近的入射光之间会产生180度的相位差，在两光之间发生了相消干涉，这样，虽然该相移光栅的开槽212可以透过一部分入射光，但经过该光栅的阻挡及反相相消后，真正可透过的入射光量很少，其光强密度会小于光刻胶的感光灵敏度，因此，可以确保晶片上对应该图形区域的区域不会形成曝光图形，其仍可看作为不透光的图形区域。

为了令透过开槽212的入射光与邻近的入射光之间产生180度的相位差，该开槽的深度应满足：

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_1-n_0)\·d=\mathrm{n\π}---\left(1\right)$

即：

$d=n\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_1-n_0)}---\left(2\right)$

其中，n₁为衬底材料的折射率(对于常用的透光基板--石英，其折射率范围大约在1.5至1.6范围之内，随入射光波长不同而略有不同，如在入射光波长为193nm时其为1.56)，n₀为空气的折射率(其接近于真空折射率1)，λ为入射光波长；d为刻蚀深度；n为奇数，如1，3…等。

由公式(1)和(2)可以推出，开槽的深度由曝光光线的波长、透光基板的材料确定。为了满足180度的相位差的要求，相移光栅的开槽深度大约为曝光光线波长的奇数倍。

另外，由于入射光在图形区域边缘的能量反相相消，加强了图形区域的图形边缘的对比度，提高了光刻工艺的分辨率，扩大了工艺窗口。

本实施例中，掩膜板200内的图形区域为长条形，其长宽比较大，可以将其视为一维图形，此时，可以将图形区域内所设置的相移光栅的方向(相移光栅内开槽延伸的方向)设置为与其所在的图形区域(长条形的图形)的延伸方向相同。这样，可以同时对通过相移光栅210的入射光的偏振方向进行选择，使得通过该相移光栅210的光线的振动方向与成像的方向一致，进一步提高了光刻后图形的形成质量。

图3为采用本发明第一实施例的掩膜板与采用现有的掩膜板实现的工艺窗口的对比图，如图3所示，图中的横坐标代表了焦深(DOF)，纵坐标代表了曝光能量变化率，图中的301代表了采用现有的掩膜板实现的工艺窗口，302代表了采用本发明第一实施例的掩膜板所实现的工艺窗口，如图中可以看到，采用本发明第一实施例中的掩膜板后，工艺窗口得到了扩展，这对于对光刻工艺要求日趋严格的今天而言是非常有利的。

另外，本实施例中，在掩膜板的各个图形区域内均设置了相移光栅，这延长了掩膜板的写入时间，增大了掩膜板的制作成本，为此，在本发明的其它实施例中，也可以仅在图形区域内的部分图形中形成相移光栅，如可以仅在图形区域中对光刻质量要求较高(或者说出现光刻问题)的边角区域内形成相移光栅。

本发明第一实施例中说明了在一维的条形图形区域内设置相移光栅的掩膜板，在实际应用中，更常用的还是在二维的图形区域中进行相移光栅的设置。

图4为本发明第二实施例中采用相移光栅后的掩膜板示意图，如图4所示，图中410为掩膜板上的二维的图形区域，为提高其工艺窗口，同样可以在其内设置相移光栅，如图中所示，对于二维的图形区域，入射光线的偏振方向对图形的质量影响较小，此时可以不考虑入射光的偏振问题，而仅仅是在图形内设置任意方向的相移光栅，以提高图形分辨率及加大工艺窗口。

图5为采用本发明第二实施例的掩膜板与采用现有的掩膜板实现的工艺窗口的对比图，如图5所示，图中的横坐标代表了焦深(DOF)，纵坐标代表了曝光能量变化率，图中的501代表了采用现有的掩膜板实现的工艺窗口，502代表了采用本发明第二实施例的掩膜板所实现的工艺窗口，由图中可以看到，相对于一维的图形区域，采用本发明的具有二维图形区域的掩膜板后，光刻的工艺窗口得到了更为明显的扩展。

图6为本发明第三实施例中掩膜板形成方法的流程图，下面结合图6详细介绍本发明掩膜板的形成方法。

首先，根据所要生产的器件的要求设计掩膜板的版图(S601)，该版图具有至少一个图形区域。在该步版图设计过程中，也可以先采用其它现有的提高光刻质量的修正技术对光刻图形进行修正。

图7为本发明第三实施例中采用OPC方法修正后的掩膜板版图示意图，如图7所示，图中710为设计的光刻后形成的图形，图中720为进行OPC修正后掩膜板上的图形。采用该OPC方法进行修正后，实际形成的图形可以更接近于设计的图形，但仍与设计的图形有一定的差距(如图1中所示)。

本实施例中，在设计掩膜板的版图时，利用了OPC方法对掩膜板上的光刻图形进行了修正，在掩膜板的设计版图上定义出了图7中720所示的不透光的图形区域及曝光区域(透光基板上图形区域之外的区域称为曝光区域)。之后，再利用本发明的思路在该设计的掩膜板版图的图形区域内加入了相移光栅(S602)。

图8为本发明第三实施例中采用相移光栅后的掩膜板版图示意图，如图8所示，在图形区域内形成了具有开槽的相移光栅810，该相移光栅的透光基板厚度及透光性均呈周期性相间变化。其中，相移光栅810中的黑色区域表示相移光栅中透光基板厚度较厚且不透光的区域，白色区域表示相移光栅中透光基板厚度较薄且透光的区域(开槽)。同样地，相移光栅中黑白相间区域的具体尺寸可以由曝光光线、透光基板的材料特性等确定。

注意到，虽然本实施例中的图形区域内形成的相移光栅具有周期性的透光的开槽，但是，由于通过相移光栅后的入射光与其它相邻的入射光相比相位相差180°，二者会发生相消干涉。这样，虽然该相移光栅的透光区域212可以透过一部分入射光，但经过光栅的阻挡及入射光间的反相相消后，真正可透过图形区域的入射光量很少，其光强密度会小于光刻胶的感光灵敏度，因此，该图形区域从整体上仍可看作是不透光的区域。而且，由于入射光在图形区域边缘的能量反相相消，加强了图形区域的图形边缘的对比度，提高了光刻工艺的分辨率，扩大了工艺窗口。

为了进一步提高光刻图形的形成质量，还可以在加入相移光栅时，令其开槽的延伸方向平行于其所在的图形区域的延伸方向，以同时实现对入射光偏振方向的选择(尤其适用于长宽比较大的一维图形)。

另外，在图形区域并不一定都要设置相移光栅，从节约掩膜板的制作时间及制作成本的角度考虑，也可以只在光刻时图形质量易出现问题的图形区域中的“弱点”(weak point)位置设置相移光栅。此时，可以在进行S602的设置相移光栅之前，先利用仿真软件对版图的光刻结果进行模拟，并根据该模拟结果确定图形区域内需要加入相移光栅的“弱点”区域，仅在该区域内加入相移光栅即可，通常图形区域中的边角区域易为光刻出现问题的“弱点”区域。

至此，掩膜板形成过程中的版图设计过程完成，可以进入掩膜板的制作过程。掩膜板的制作和集成电路的生产类似，也可以通过半导体制作工艺实现。图9至图13为本发明掩膜版的制作过程中的示意图，下面结合图9至图13说明一下本发明掩膜板的制作过程。

刻蚀对曝光光线具有透光性的透光基板，形成相移光栅的开槽(S603)。图9为本发明第三实施例中利用掩膜层定义相移光栅的开槽后的掩膜板剖面示意图，如图9所示，本实施例中，先利用掩膜层902在透光基板901上将设计好的待刻蚀的相移光栅的开槽定义出来。

图10为本发明第三实施例中刻蚀形成相移光栅的开槽后的掩膜板剖面示意图，如图10所示，在掩膜层902的保护下，利用干法刻蚀技术对透光基板901进行刻蚀，形成相移光栅的开槽910。该步刻蚀的深度大约为曝光光线波长的奇数倍)。

接着，可以将掩膜层902去除，在所述图形区域内未被刻蚀的区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料，以形成掩膜板(S604)。在本发明的掩膜板中，仅需在图形区域内开槽以外的区域上覆盖不透光(或者说遮光)的材料，如金属铬或氧化铬等，其在制作上与现有的掩膜板略有不同。具体的制作步骤可以为：

A、利用辅助材料覆盖透光基板表面：图11为本发明第三实施例中填充辅助材料后的掩膜板剖面示意图，如图11所示，不仅透光基板901的表面覆盖了辅助材料920，在S603步骤中刻蚀形成的相移光栅的开槽内也填满了辅助材料920。该辅助材料通常为可以用于涂布的材料，如环氧树脂或蜡等。

B、利用研磨的方法去除透光基板表面的辅助材料：图12为本发明第三实施例中去除透光基板表面的辅助材料后的掩膜板剖面示意图，如图12所示，利用研磨的方法可以在保留开槽内辅助材料921的前提下，去除位于透光基板901表面的辅助材料。

C、在图形区域覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料：图13为本发明第三实施例中覆盖遮光性材料后的掩膜板剖面示意图，如图13所示，利用掩膜层定义图形区域(图中未示出)，再在该图形区域内覆盖具有遮光性的材料。由于覆盖遮光性材料的时候在透光基板上刻蚀的相移光栅的开槽内仍填充有环氧树脂或蜡等辅助材料，本步中所覆盖的遮光性材料，如金属铬、氧化铬等不会附着于开槽内，只要在形成遮光性材料后再去除开槽内的辅助性材料即可。本步后，在透光基板901上形成了内部具有相移光栅的图形区域，且该相移光栅由开槽910和遮光性材料930周期性相间排列而成。

利用本发明第三实施例的掩膜板形成方法形成的掩膜板进行光刻，可以提高光刻的分辨率、焦深及图形对比度，加大工艺窗口，提高光刻图形的形成质量。

图14为利用本发明第三实施例中形成的掩膜板形成的光刻图形示意图，如图14所示，图中1410为预计的光刻图形的边缘，1420为进行OPC修正时的光刻图形的边缘，根据图1可以知道，即使采用了OPC修正后的版图图形(边缘为920)，所得到的光刻图形仍与预计的光刻图形有一定的差距。但是在采用图8中所示的本发明的掩膜板版图后，得到的实际的光刻图形可以如图中1430所示，其与图1中的实际图形130相比，更接近于预计的图形，图形质量可以得到进一步的改善。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (14)

1、一种掩膜板，包括透光基板，所述透光基板上具有至少一个对曝光光线具有遮光性的图形区域，其特征在于：至少一个所述图形区域内的透光基板上设置有相移光栅的开槽，且所述开槽对曝光光线具有透光性。

2、如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于：所述开槽的深度为所述曝光光线的奇数倍。

3、如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于：各所述图形区域内除开槽以外的区域覆盖有金属铬或氧化铬材料。

4、如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于：所述相移光栅仅形成于各所述图形区域中的边角区域内。

5、如权利要求1所述的掩膜板，其特征在于：所述相移光栅内开槽的延伸方向平行于其所在的图形区域的延伸方向。

6、一种掩膜板的形成方法，其特征在于，包括步骤：

设计掩膜板的版图，所述版图具有至少一个图形区域；

在设计的掩膜板版图的至少一个所述图形区域内加入相移光栅；

刻蚀对曝光光线具有透光性的透光基板，形成相移光栅的开槽；

在各所述图形区域内开槽以外的区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料，形成掩膜板。

7、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：在设计掩膜板的版图时，还利用光学邻近效应校正方法对版图进行了修正。

8、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：在掩膜板版图内加入相移光栅之前，还包括步骤：

利用仿真软件确定各所述图形区域内需要加入相移光栅的区域。

9、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：所述开槽的深度为所述曝光光线波长的奇数倍。

10、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：在刻蚀透光基板，形成相移光栅的开槽前，还包括步骤：

利用掩膜层在所述透光基板上定义待刻蚀的开槽区域。

11、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：在各所述图形区域内开槽以外的区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料，包括步骤：

利用辅助材料覆盖透光基板表面并填充所述开槽；

利用研磨的方法去除所述透光基板表面的所述辅助材料；

在各所述图形区域上覆盖对于曝光光线具有遮光性的材料；

去除所述开槽内的所述辅助材料。

12、如权利要求11所述的形成方法，其特征在于：所述辅助材料为环氧树脂或蜡。

13、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：加入所述相移光栅时，令开槽的延伸方向平行于其所在的图形区域的延伸方向。

14、如权利要求6所述的形成方法，其特征在于：所述具有遮光性的材料为金属铬或氧化铬材料。

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