CN103123441A - 刻蚀掩模膜的测评 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及刻蚀掩模膜的测评。具体地，连同光掩模坯料，其包括透明衬底、图案形成膜以及刻蚀掩模膜，通过如下方式测评所述刻蚀掩模膜：测量第一刻蚀完成时间(C1)，其是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，测量第二刻蚀完成时间(C2)，其是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，以及计算第一刻蚀完成时间与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)。

Description

刻蚀掩模膜的测评
技术领域
本发明涉及一种测评光掩模坯料的刻蚀掩模膜的方法，将该光掩模坯料进行加工以形成光掩模，该光掩模用于半导体集成电路、电荷耦合器件(CCD)、液晶显示(LCD)滤色器、磁头等的微细加工中。更具体地，连同包含图案形成膜和刻蚀掩模膜的光掩模坯料，本发明涉及一种测评刻蚀掩模膜的方法。
背景技术
在最近的半导体加工技术中，对于大规模集成电路的更高集成度的挑战向电路图案的微型化提出了日益增加的要求。存在着对于进一步降低构成电路的布线图案的尺寸、以及用于构成单元的层间连接的接触孔图案的微型化的日益增加的要求。结果，在形成这种布线图案以及接触孔图案的光学光刻中使用的、写入了电路图案的光掩模的制造中，需要能够准确写入更微细的电路图案的技术以满足微型化需求。
为了在光掩模衬底上形成更精确的光掩模图案，第一优先考虑的是，在光掩模坯料上形成高精度抗蚀图。由于在实际加工半导体衬底中光学光刻进行缩小投影，因此光掩模图案具有实际所需图案尺寸约4倍的尺寸，但是精度并未相应降低。用作原版(original)的光掩模更需要具有比曝光后的图案精度更高的精度。
此外，在当前主流的光刻中，待写入的电路图案具有比使用的光的波长小得多的尺寸。如果使用仅为电路特征的4倍放大的光掩模图案，那么由于各种影响例如在实际光学光刻操作中发生的光学干涉，对应于光掩模图案的形状不能被转印至抗蚀膜。为了减轻这些影响，在一些情形中，必须将光掩模图案设计成比实际电路图案更复杂的形状，即，施加了所谓的光学邻近校正(OPC)的形状，或必须在考虑光学干涉的同时进行光掩模图案设计。因而，在目前，用于获得光掩模图案的光刻技术还需要更高精度的加工方法。光刻性能有时用最大分辨率代表。至于分辨率极限，光掩模加工步骤中涉及的光刻要求具有的最大分辨率精度等于或大于用于使用光掩模的半导体处理步骤中对光学光刻技术所需要的分辨率极限。
通常，通过在透明衬底上具有遮光膜的光掩模坯料上施加光致抗蚀剂膜，使用电子束写入图案、以及显影以形成抗蚀图而形成光掩模图案。使用获得的抗蚀图作为刻蚀掩模，将遮光膜刻蚀成遮光图案。在使遮光图案微型化的尝试中，如果在将抗蚀膜的厚度保持为微型化之前的技术中的同样水平的同时进行加工，那么膜厚与图案宽度的比值(称为“高宽比”)变得更高。结果，抗蚀图案的轮廓劣化，妨碍了有效的图案转印，并在一些情形中，发生抗蚀图的毁坏或剥离。因此，必须降低抗蚀膜的厚度以促成微型化。
至于要通过作为刻蚀掩模的抗蚀图案进行刻蚀的遮光膜材料，在现有技术中已知很多种材料。特别地，在实践中使用铬化合物膜，因为可获得很多关于刻蚀的教导，并且其加工已被确立为标准加工。例如，在JP-A 2003-195479中公开了具有适合于ArF准分子激光刻蚀的铬化合物构成的遮光膜的光掩模坯料。特别地，描述了一种具有50-77nm厚度的铬化合物膜。
用于铬基膜例如铬化合物膜的典型干法刻蚀工艺是含氧的氯基干法刻蚀，其相对于有机膜具有一定的可刻蚀性。因而，当由于上述原因通过更薄的抗蚀膜进行刻蚀以转印更精细尺寸的图案时，抗蚀膜可在刻蚀期间受损。因而，难以精确地转印抗蚀图案。为了满足微型化和精度的双重需求，再次研究遮光材料从而有利于遮光膜的加工，而不仅仅是完全依赖于抗蚀性能提高的当前趋势，变得有必要。
关于遮光膜材料，与现有技术中使用的铬基材料相比，硅基材料(例如含硅材料、或硅及过渡金属)允许高精度加工。这是因为硅基材料对于200nm或更短的曝光光具有良好的遮光特性，并且能够通过氟基干法刻蚀加工，这给抗蚀图案带来最少的损伤。参见JP-A 2007-241065。
关于使用刻蚀掩模的高精度加工技术，JP-A 2007-241060公开了如果使用铬基材料作为刻蚀掩模来加工硅基材料的遮光膜，那么与图案依赖性和侧面刻蚀有关的加工误差得到降低。因而，与铬基材料的刻蚀掩模膜组合的硅基材料的遮光膜被认为是有前景的下一代遮光材料。
引证列表
专利文献1：JP-A 2003-195479
专利文献2：JP-A 2007-241065
专利文献3：JP-A 2007-241060
(US20070212619，EP1832926)
发明内容
为了形成具有50nm或更小的特征尺寸的光掩模图案，需要具有150nm或者更小厚度的抗蚀膜。为这样的薄抗蚀膜而优化的刻蚀掩模膜应具有30nm或更小的厚度。在使用这样的刻蚀掩模膜时，更薄的刻蚀掩模膜是期望的，因为抗蚀膜也可以是薄的。但是，如果仅从减薄的角度选择刻蚀掩模膜，就会出现这样的问题：图案形成膜的图案包含缺陷或者图案没有按照设计形成。此外，优选蚀刻掩模膜耐受图案形成膜的刻蚀。但是，耐受图案形成膜的刻蚀的膜往往也耐受刻蚀掩模膜的刻蚀。因而，旨在用于刻蚀掩模膜的图案化的抗蚀膜不能是薄的。
刻蚀掩模膜必须具有至少足够厚度以确保留下所述膜，直到图案形成膜的刻蚀完成。另一方面，刻蚀掩模膜应尽可能薄，以使它可以被图案化而不会对抗蚀膜带来显著损伤。
本发明的一个目的是提供一种测评(或测量)刻蚀掩模膜的方法，其使得测评图案形成膜的刻蚀期间的刻蚀耐受性以及刻蚀掩模膜自身的刻蚀期间的可刻蚀性成为可能，由此可以发现具有满意的刻蚀性能的刻蚀掩模膜。
研究刻蚀掩模膜的刻蚀行为，发明人发现在图案形成膜的刻蚀期间，刻蚀掩模膜的刻蚀独立于其所采用的材料本身，尽管刻蚀完成时间是长的。
另外，发现缺陷被引入图案形成膜特别是遮光膜的图案中，因为在刻蚀掩模膜图案化期间作为刻蚀掩模的抗蚀膜能够在刻蚀掩模膜的图案化期间被刻蚀，也因为在图案形成膜的图案化期间作为刻蚀掩模的刻蚀掩模膜能够在图案形成膜的图案化期间被刻蚀。
本发明涉及一种光掩模坯料，其包括：透明衬底，该衬底上用于形成光掩模图案的图案形成膜，以及该图案形成膜上用于在图案形成膜的刻蚀期间作为掩模的刻蚀掩模膜。对于刻蚀掩模膜，本文打算以相对的方式测评它在图案形成膜的刻蚀期间的刻蚀耐受性以及它在刻蚀掩模膜自身的刻蚀期间的可刻蚀性。已经发现可通过如下方式测评刻蚀掩模膜的性能：测量第一刻蚀完成时间(C1)，测量第二刻蚀完成时间(C2)，以及计算第一与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)，其中第一刻蚀完成时间(C1)是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由图案形成膜形成光掩模图案，第二刻蚀完成时间(C2)是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由刻蚀掩模膜形成刻蚀掩模图案。然后，可以选择提供合适的刻蚀性能的刻蚀掩模膜。
本发明结合包括透明衬底、衬底上用于形成光掩模图案的图案形成膜、以及图案形成膜上用于在图案形成膜的刻蚀期间作为掩模的刻蚀掩模膜的光掩模坯料，提供了一种测评所述刻蚀掩模膜的方法，其包括以下步骤：
测量第一刻蚀完成时间(C1)，其是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由图案形成膜形成光掩模图案，
测量第二刻蚀完成时间(C2)，其是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由刻蚀掩模膜形成刻蚀掩模图案，以及
计算第一与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)，由此测评刻蚀掩模膜的性能。
在本发明的一个实施方案中，提供了一种测评光掩模坯料中的刻蚀掩模膜的方法，该光掩模坯料包含透明衬底、该衬底上用于形成光掩模图案的图案形成膜、以及该图案形成膜上用于在图案形成膜的刻蚀期间作为掩模的刻蚀掩模膜，所述方法包括步骤：
测量第一刻蚀完成时间(C1)，其是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由图案形成膜形成光掩模图案，
测量第二刻蚀完成时间(C2)，其是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由刻蚀掩模膜形成刻蚀掩模图案，以及
计算第一刻蚀完成时间与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)，由此测评刻蚀掩模膜的性能。
在一个优选实施方案中，施加于图案形成膜的刻蚀是氟基干法刻蚀，并且施加于刻蚀掩模膜的刻蚀是氯基干法刻蚀。
在一个优选实施方案中，图案形成膜由包含硅和其它金属的材料形成，并且刻蚀掩模膜由包括铬的无硅材料形成。
本发明的有益效果
使用该测评方法，能够选择具有合适的刻蚀性能的刻蚀掩模膜。当从具有这样的合适刻蚀掩模膜的光掩模坯料制备光掩模时，光掩模图案向图案形成膜的转印是满意的，并且所得到的光掩模具有最小的图案缺陷。
附图说明
唯一附图，即图1示意性地说明了一种用于实施例中的干法刻蚀系统。
具体实施方式
这里使用的术语“第一”、“第二”等不代表任何次序、数量或重要性，而是用于将一个要素与另一个要素予以区分。
本发明涉及一种光掩模坯料，其包括：透明衬底，例如石英衬底；沉积在该衬底上用于形成光掩模图案的图案形成膜；以及沉积在该图案形成膜上并在图案形成膜的刻蚀期间作为掩模的刻蚀掩模膜。本发明的方法是测评形成在图案形成膜上的刻蚀掩模膜的刻蚀性能，优选邻近于图案形成膜。
图案形成膜的例子包括：遮光膜，其适合于在光掩模膜的制造时形成遮光图案；以及相移膜，例如半色调相移膜，其适合于形成相移图案。也就是说，图案形成膜是功能膜，当使用由光掩模坯料产生的光掩模时，其提供光学功能，作为光掩模图案。另一方面，刻蚀掩模膜是在刻蚀所述图案形成膜时表现出刻蚀耐受性的膜。刻蚀掩模膜也称为“硬掩模膜”，因为在刻蚀该图案形成膜时将该膜用作刻蚀掩模图案。图案形成膜和刻蚀掩模膜各自可以是单层或者多层的膜。图案形成膜可以包括抗反射层、粘附改善层、保护层等。
图案形成膜和刻蚀掩模膜可以具有不同的刻蚀性能。例如，图案形成膜和刻蚀掩模膜中的一种，特别是图案形成膜可以是容易受到使用氟基刻蚀剂气体例如SF6或CF4的氟基干法刻蚀的影响且不容易受到使用包含氯气和氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀的影响的膜。合适的这样的膜包括例如硅膜、含有硅但不含除硅以外的金属的膜、以及含硅和其他金属的膜。除硅以外的金属的例子包括钼、钨、钽和锆，以及它们的混合物。其中，出于可加工性，优选钼。这些膜还可以包含一种或多种选自氧、氮、碳和氢的轻元素。
其它膜(其就是刻蚀掩模膜，如果一个膜是图案形成膜)可以是不容易受到使用氟基刻蚀剂气体例如SF6或CF4的氟基干法刻蚀的影响且容易受到使用包含氯气和氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀的影响的膜。合适的这样的膜包括例如含铬的无硅材料膜以及含钽的无硅材料膜。这些膜还可以包含一种或多种选自氧、氮、碳和氢的轻元素。值得注意的是，氯基刻蚀剂气体和氟基刻蚀剂气体还可以包含惰性气体例如氦或氩。
上文通过使用氟基刻蚀剂气体的氟基干法刻蚀与使用包含氯气和氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀的组合举例说明了刻蚀的组合，但并不限于此。其它的组合包括但不限于：
1)使用包含氯气但不包含氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀与使用包含氯气和氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀的组合；
2)使用包含不同比例的氯气和氧气的氯基刻蚀剂气体的两种氯基干法刻蚀的组合；以及
3)使用氟基刻蚀剂气体的氟基干法刻蚀与使用包含氯气但不包含氧气的氯基刻蚀剂气体的氯基干法刻蚀的组合。
通过参考一个实施方案描述了使用刻蚀掩模膜从图案形成膜(典型为遮光膜)形成光掩模图案的方法，在所述实施方案中由光掩模坯料制备光掩模，在所述光掩模坯料中图案形成膜是MoSi基遮光膜，且刻蚀掩模膜是铬基膜。
首先，通过在衬底上顺序沉积MoSi基遮光膜以及铬基刻蚀掩模膜来制备光掩模坯料。在铬基刻蚀掩模膜上形成抗蚀膜。加工该抗蚀膜形成抗蚀图案，然后通过氯基干法刻蚀将该刻蚀掩模膜图案化。接着剥离该抗蚀膜。在以刻蚀掩模膜作为刻蚀掩模的同时，通过氟基干法刻蚀将该遮光膜图案化，由此获得光掩模。如果需要，可以去除刻蚀掩模图案。
为了高精度地形成精细尺寸的光掩模图案，从高宽比的角度出发，推荐较薄的抗蚀膜。抗蚀膜的厚度取决于在将该刻蚀掩模膜图案化时所花费的刻蚀时间。为了使薄的抗蚀膜便于令人满意的图案化，刻蚀掩模膜的刻蚀时间必须短。通过(1)设计用于短的刻蚀完成时间的刻蚀掩模膜的组成和结构，和/或(2)降低刻蚀掩模膜的厚度在短的刻蚀时间内可实现令人满意的图案化。
但是，当使用刻蚀掩模膜将该图案形成膜例如遮光膜图案化时，刻蚀掩模膜必须充分耐受图案形成膜的刻蚀。通过(3)设计用于长的刻蚀完成时间的刻蚀掩模膜的组成和结构，和/或(4)提高刻蚀掩模膜的厚度可实现刻蚀耐受性的改善。
也就是说，对刻蚀掩模膜的要求是，设计膜组成和结构从而在用于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下提供短的刻蚀完成时间以及在用于图案形成膜的刻蚀条件下提供长的刻蚀完成时间。
根据本发明，通过如下方式测评刻蚀掩模膜的性能：测量第一刻蚀完成时间(C1)，测量第二刻蚀完成时间(C2)，以及计算第一与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)，其中第一刻蚀完成时间(C1)是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由图案形成膜形成光掩模图案，第二刻蚀完成时间(C2)是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由刻蚀掩模膜形成刻蚀掩模图案。
本发明的方法是一种测评方法，其中将第一刻蚀完成时间C1与第二刻蚀完成时间C2的完成时间的比值C1/C2用作品质因子(FOM)，即完成时间的比值C1/C2是特定组成和结构的刻蚀掩模膜的刻蚀行为的指标，其中第一刻蚀完成时间C1是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，第二刻蚀完成时间C2是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间。
第一刻蚀完成时间C1对应于在图案形成膜的刻蚀期间的刻蚀掩模膜的刻蚀耐受性，而第二刻蚀完成时间C2对应于在刻蚀掩模膜自身的刻蚀期间的可刻蚀性。因而，完成时间的比值C1/C2越高，膜表现得越好。完成时间的比值C1/C2优选至少为8，更优选至少为9，并且更加优选至少为9.5。比值C1/C2的上限并不重要。然而，在刻蚀掩模膜是铬基膜的典型实施方案中，施加于图案形成膜的刻蚀剂气体是氟基气体，且施加于刻蚀掩模膜的刻蚀剂气体是氯基气体，例如，在实际应用中比值C1/C2为至多12。
如果使用具有较高完成时间的比值C1/C2的刻蚀掩模膜，那么刻蚀掩模膜的刻蚀期间所刻蚀的抗蚀膜的量和图案形成膜的刻蚀期间所刻蚀的刻蚀掩模膜的量可以相对地得到最小化。
“刻蚀完成时间”是指完成具有特定厚度的膜的刻蚀时的持续时间，也就是说，从开始刻蚀直到暴露下层或衬底所经过的时间，此时去除了该膜。可以通过如下方式确定刻蚀完成时间：测量刻蚀期间膜的反射率并检测反射率的改变，由此判断刻蚀的完成，或者如果膜在刻蚀期间是可目视观察的，则通过目视观察，并确认下层或衬底的暴露，由此来判断刻蚀的完成。或者，可以通过如下方式确定刻蚀完成时间：分析刻蚀腔室中的等离子体的发射光谱，分析等离子体中特定离子或元素，并检测光谱变化，由此判断刻蚀的完成。
刻蚀掩模膜的厚度可以根据用于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀掩模膜和图案形成膜的刻蚀完成时间来确定。如果刻蚀掩模膜的刻蚀完成时间比图案形成膜的刻蚀完成时间长，那么就足够了。确定刻蚀掩模膜的厚度使得刻蚀掩模膜的刻蚀完成时间是图案形成膜的刻蚀完成时间的1.1到5倍，特别是1.2到3倍。关于刻蚀掩模膜的厚度，优选较薄的膜。然而，太薄的膜可能会为图案缺陷创造条件，而太厚的膜可要求校厚的抗蚀膜，这对于精细尺寸图案的形成是不利的，并且导致较大的图案密度依赖性或者光学邻近效应。由于这个原因，刻蚀掩模膜的厚度优选在1到30纳米的范围内，更优选地为1到10纳米。施加于上述厚度范围内的刻蚀掩模膜的抗蚀膜的厚度优选在30到200纳米的范围内，更优选地为30到150纳米，并且更优选地为30到100纳米。另一方面，图案形成膜的厚度(其随着它的光学功能而改变)典型为10到100纳米，优选地为20到80纳米，相对于上述厚度范围内的刻蚀掩模膜。
根据本发明的测评刻蚀掩模膜的方法对于测评二元光掩模坯料和相移掩模坯料中的相应膜是有效的，该二元光掩模坯料包含透明衬底、形成在衬底上作为图案形成膜的遮光膜、以及在其上形成的刻蚀掩模膜，该相移掩模坯料包括透明衬底、形成在衬底上作为图案形成膜的相移膜(典型地为半色调相移膜)、在其上形成的可选的遮光膜以及在其上形成的刻蚀掩模膜。
实施例
下面通过说明而非限制的方式给出本发明的实施例。
实施例1
通过在石英衬底上沉积MoSi基材料的遮光膜以及在其上沉积铬基材料膜作为刻蚀掩模膜制备光掩模坯料样品。对于铬基材料膜的沉积，使用的靶为金属铬，且溅射气体为氩、氮和氧的混合物。在遮光膜上沉积铬基材料的单一层膜和多层膜，共四个膜，同时改变沉积条件。这样，制备了四个光掩模坯料样品A到D。调整沉积时间使得刻蚀掩模膜具有3纳米的厚度。
确定这样沉积的铬基材料膜的氯基干法刻蚀和氟基干法刻蚀的刻蚀完成时间。这些刻蚀测试中使用的干法刻蚀系统的概要显示在图1中。该系统包括腔室1、接地板2、下电极3、天线线圈4、待处理的衬底5以及射频电源RF1和RF2。
氯基干法刻蚀测试在下列条件下进行。
RF1(RIE)：脉冲700V
RF2(ICP)：CW 400W
压力：6 mTorr
C12：185 sccm
O2：55 sccm
He：9.25 sccm
注意，RIE代表反应离子刻蚀，ICP代表感应耦合等离子体，而CW代表连续波振荡。在刻蚀测试期间，监测归于氯原子的等离子体发射的强度(波长520纳米)以确定强度随时间的变化。对于四个光掩模坯料样品，刻蚀掩模膜的刻蚀完成时间C2显示在表1中。
氟干法刻蚀测试在下列条件下进行。
RF1(RIE)：CW 54V
RF2(ICP)：CW 325W
压力：5 mTorr
SF6：18 sccm
O2：45 sccm
在刻蚀测试期间，使用波长675纳米的检查光来监测反射率以确定反射率随时间的变化。一旦铬基材料膜被完全刻蚀，MoSi基材料的遮光膜的刻蚀就开始了。随着遮光膜损失去其厚度，反射率下降并且最终达到石英衬底反射率的值。对于四个光掩模坯料样品，刻蚀掩模膜的刻蚀完成时间C1显示在表1中。
表1
Figure BSA00000824081700091
Figure BSA00000824081700101
通过将氟基干法刻蚀的刻蚀完成时间C1除以氯基干法刻蚀的刻蚀完成时间C2计算完成时间的比值C1/C2。对于所有的样品，膜厚度一样。在样品A到D中，样品A显示最高的C1/C2比值，表明了该膜具有最好的组成和结构。

Claims (4)

1.连同光掩模坯料，其包含透明衬底、该衬底上用于形成光掩模图案的图案形成膜以及图案形成膜上用于在图案形成膜的刻蚀期间作为掩模的刻蚀掩模膜，
一种测评所述刻蚀掩模膜的方法，包括步骤：
测量第一刻蚀完成时间(C1)，其是在施加于图案形成膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由图案形成膜形成光掩模图案，
测量第二刻蚀完成时间(C2)，其是在施加于刻蚀掩模膜的刻蚀条件下刻蚀该刻蚀掩模膜时所花费的时间，此时由刻蚀掩模膜形成刻蚀掩模图案，以及
计算第一刻蚀完成时间与第二刻蚀完成时间的比值(C1/C2)，由此测评刻蚀掩模膜的性能。
2.如权利要求1所述的测评方法，其中施加于图案形成膜的刻蚀是氟基干法刻蚀，并且施加于刻蚀掩模膜的刻蚀是氯基干法刻蚀。
3.如权利要求1所述的测评方法，其中图案形成膜由包含硅和其它金属的材料形成，并且刻蚀掩模膜由包含铬的无硅材料形成。
4.如权利要求2所述的测评方法，其中图案形成膜由包含硅和其它金属的材料形成，并且刻蚀掩模膜由包括铬的无硅材料形成。
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