CN103135362B - 光图案曝光方法,光掩模及光掩模坯料 - Google Patents

光图案曝光方法,光掩模及光掩模坯料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光图案曝光方法，光掩模及光掩模坯料。光图案曝光方法是通过光掩模向抗蚀膜照射ArF准分子激光。光掩模包括透明衬底和包含过渡金属、硅、氮和氧的材料的光学膜的图案，过渡金属、硅、氮和氧的含量在特定范围内。光掩模可被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过。

Description

光图案曝光方法,光掩模及光掩模坯料
技术领域
本发明涉及一种使用光掩模的光图案曝光方法，其应用在半导体集成电路的微制造中。本发明还涉及一种光掩模坯料和由该坯料制备的光掩模。
背景技术
虽然半导体集成电路用在很宽范围的应用中，但是对于更高密度集成和节约功耗的目的，需要日益精细的电路设计。与该需求相关，包括通过光掩模进行曝光的形成电路的光刻使用较短波长光源以产生更精细图像。在目前基于商用的先进光刻工艺中，用于曝光的光源已经从KrF准分子激光(248nm)转移到ArF准分子激光(193nm)。
已发现使用更大能量的ArF准分子激光的光刻对掩模产生损伤，而使用KrF准分子激光未曾发现该损伤。一个问题是，在持续使用光掩模时，在光掩模上形成杂质状生长缺陷。这些生长缺陷也被称作“雾影(haze)”。之前认为雾影形成的根源在于掩模图案表面上硫酸铵晶体的生长。现在认为有机物质也参与了雾影的形成。
有一些公知的克服雾影问题的方法。例如，关于长期照射ArF准分子激光而在光掩模上形成的生长缺陷，JP-A 2008-276002描述了在继续使用光掩模之前必须在预定阶段中清洗该光掩模。而且JP-A 2010-156880也公开了可通过对光掩模坯料表面进行氧化处理来抑制雾影的形成。
然而，随着用于图像转移的ArF准分子激光照射剂量增加，对光掩模造成雾影之外的损伤。已发现掩模图案的线宽根据累积照射能量剂量而变化。参见Thomas Faure等人的“Characterization of binary mask and attenuated phase shift mask blanks for 32nm mask fabrication”，Proc.of SPIE第7122卷，第712209-1页至第712209-12页。该问题是，在长时间照射ArF准分子激光期间，随着累积照射能量剂量增加，被认为是图案材料氧化物的物质层在膜图案外部生长，从而图案宽度变化。据报道，掩模一旦被损伤就不能通过利用如上 述雾影去除中所使用的SC-1(氨水/过氧化氢水溶液)或者用硫酸/过氧化氢水溶液进行清洗而恢复。据认为，损伤源完全不同。
上述文献指出，在通过对扩展焦深有用的掩模技术即半色调相移掩模进行电路图案曝光时，图案尺寸变化被显著劣化(该劣化称作“图案尺寸变化劣化(pattern size variation degradation)”)，该图案尺寸变化起因于被ArF准分子激光照射的过渡金属/硅基材料膜诸如MoSi基材料膜的改变。那么，为了能够长期地使用昂贵的光掩模，必须解决由ArF准分子激光照射导致的图案尺寸变化劣化。
引用列表
专利文献1：JP-A 2008-276002(USP 7941767)
专利文献2：JP-A 2010-156880(US 20100167185，DE 102009060677，KR20100080413)
专利文献3：JP-A H07-140635
专利文献4：JP-A H10-171096
专利文献5：JP-A 2004-1 33029
专利文献6：JP-A H07-181664
专利文献7：JP-A H04-125642
专利文献8：JP-A 2007-033469
专利文献9：JP-A 2007-233179
专利文献10：JP-A 2007-241065
非专利文献1：Thomas Faure，“Characterization of binary mask and attenuated phase shift mask blanks for 32nm mask fabrication”，Proc.of SPIE，第7122卷，第712209-1页-第712209-12页。
发明内容
技术问题
如非专利文献1中指出的，当在干燥的空气气氛中照射光时，由ArF准分子激光照射导致的图案尺寸变化劣化几乎不会发生。在干燥空气气氛中进行曝光被认为是抑制图案尺寸变化劣化的一种新方法。然而，干燥空气气氛的控制使得曝光系统增加额外单元，并引起静电和其他需要处理的问题，导致费用增 加。在这种情况下，本发明人试图改善光掩模的膜材料以使得在不需要完全去除湿气的普通气氛(典型地湿度为50％左右)下进行长时间曝光。
在使用ArF准分子激光作为光源的光刻中所使用的光掩模包括半色调相移膜，其使用含有过渡金属的硅基材料，通常是含钼的硅基材料。这种硅基材料主要由过渡金属和硅组成，并进一步包括氧和/或氮作为轻元素(例如，专利文献3)，或进一步包括少量碳和/或氢(例如，专利文献4)。使用的合适的过渡金属包括Mo、Zr、Ta、W和Ti。其中，Mo是最常用的(例如，专利文献3)，并且有时添加第二过渡金属(例如，专利文献5)。对于遮光膜同样使用含过渡金属的硅基材料，通常使用含钼的硅基材料。
虽然现有技术中半色调相移膜使用前述材料以实现曝光光的相移和必要的衰减量，但是优选对其进行设计从而通过引入一定量的氮以提供具有高折射率的膜，并通过添加必要量的氧以获得优化的光学和化学性质(例如，专利文献6)。特别地，通过引入比用于KrF准分子激光更大量的氮和可选地添加相对小量的氧，使得适合于ArF准分子激光的膜材料具有所需要的物理性质。然而，当用大剂量的高能量照射使用这种材料的光掩模时，掩模经受由高能量照射引起的明显的图案尺寸变化劣化。因此，光掩模的使用寿命短于需求。
当光掩模坯料被加工成光掩模时，有时遮光膜材料没有如设计的那样被移除，这种不需要的残留物变成缺陷，被称作“黑缺陷”。因为光掩模是由耗时的光刻过程制备的，所以如果有黑缺陷形成，希望对光掩模进行修复以便能被再次使用。
作为通过局部刻蚀硅基材料膜以移除黑缺陷的有效的技术，专利文献7公开了使用氟的电子束缺陷修正。然而，许多过渡金属含量低的过渡金属/硅基材料制成的光学膜(例如，半色调相移膜和遮光膜)的黑缺陷难以通过该技术修正。在通过在含氟气体气氛下，引导(directing)高能量照射束以产生氟自由基从而刻蚀掉黑缺陷的修正掩模图案上的缺陷的尝试中，经常无法获得膜和氧化硅衬底之间的充分的刻蚀选择比。因此，剥离黑缺陷的尝试会导致衬底同时被刻蚀。
本发明的一个目的是提供一种光掩模及用于该光掩模的光掩模坯料，以及使用该光掩模的光图案曝光方法，该光掩模具有光学膜的图案，当用于使用ArF准分子激光或与常规光相比具有高能量和短波长的类似光的图案曝光中时，即 使在大累积剂量的能量照射后，仍能抑制由于照射光引起的光掩模的膜品质变化造成的图案尺寸变化劣化，以及在为了修正黑缺陷而使用氟的电子束缺陷修正方法的刻蚀步骤过程中，确立相对于衬底的充分选择比。
技术方案
关于用作半色调相移膜等的含有过渡金属的硅基材料(简称过渡金属/硅基材料)，本发明人尝试开发这样一种膜材料：即使当在使用光掩模的光刻中通常采用的受控潮湿气氛中使用ArF准分子激光对该膜材料进行照射时，其仍经历由膜材料的品质改变造成的最小化的图案尺寸变化劣化，并且其允许用于修正黑缺陷的上述刻蚀步骤。
关于由光激发引起的过渡金属/硅基材料的不稳定性，本发明人形成下述假设。当在潮湿条件下使用ArF准分子激光连续照射过渡金属/硅基材料例如钼/硅基材料时，含氮的钼/硅基材料因释放的氮而经受化学变化如氧化物转化。在判断这种化学变化的敏感性时，必须考虑单一元素的化合价。元素化合价乘以其含量代表在材料中该元素的键的相对数量。认为化学变化的敏感性与元素乘积相关(乘积＝化合价乘以含量)。
基于上述假设，本发明人做了如下实验。制备含有过渡金属/硅基材料的膜的光掩模。当改变过渡金属、硅、氮和氧的含量的同时，形成多种包含氮和/或氧的过渡金属/硅基材料的膜样品。用ArF准分子激光在累积剂量下照射这些膜样品。在图案尺寸变化劣化方面，对这些光掩模进行了比较。发现由ArF准分子激光的累积照射引起的掩模图案的尺寸变化劣化与过渡金属、硅、氮和氧的含量有关，并且该关联性符合上述假设。通过调整过渡金属/硅基材料的光学膜(例如，半色调相移膜或遮光膜)中的指定元素的含量以满足特定式，基本上抑制了由ArF准分子激光照射所引起的图案尺寸变化劣化。具有这种组成的膜材料能够确立相对衬底的刻蚀选择比。因而，通过在含氟的气体气氛中引导高能量照射束以产生氟自由基从而刻蚀掉黑缺陷来修正掩模图案上的缺陷的方法是可适用的。本发明正是基于这些发现。
一方面，本发明提供一种光图案曝光方法，其包括用ArF准分子激光作为光源通过光掩模向抗蚀膜上照射光图案。所使用的光掩模是被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过的光掩模。该光掩模包含透明衬底和材料的光学膜的图案，该材料包含潜在具有为6的化合价的过渡金属、硅以及氮和/ 或氧。该光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量均满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89    (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+4CSi×4CSi+4CSj×3CN+4CSi×2C0)≥0.094    (2)其中，CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，C0是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
在一个优选的实施方案中，在氟基气体气氛中通过引导高能量照射束处理光掩模用于缺陷修正。
另一方面，本发明提供一种用于光图案曝光方法中的光掩模，该方法包括用ArF准分子激光作为光源通过该掩模向抗蚀膜照射光图案，该光掩模是可被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过的光掩模。该光掩模包含透明衬底和光学膜的图案。通过在衬底上形成包含潜在具有为6的化合价的过渡金属、硅以及氮和/或氧的材料的光学膜，并将该膜图案化而得到该图案，其中该光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量均满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89    (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)≥0.094    (2)其中，CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，C0是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
在一个优选的实施方案中，透明衬底是氧化硅衬底，在所述光学膜和所述氧化硅衬底之间确立至少为4的刻蚀选择比。
在其它方面，本发明提供一种制备光掩模的光掩模坯料，其中光掩模用于将ArF准分子激光用作光源向抗蚀膜照射光图案，并且光掩模可被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射。光掩模坯料包括透明衬底和材料的光学膜，该材料包含潜在具有为6的化合价的过渡金属、硅以及氮和/或氧，其中该光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量均满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89    (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+ 4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0）≥0.094    (2)其中CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，C0是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
在一个优选的实施方案中，透明衬底是氧化硅衬底，在所述光学膜和所述氧化硅衬底之间确立至少为4的刻蚀选择比。
在前述实施方案中，过渡金属典型地是钼。
发明的有益效果
过渡金属/硅基材料的光学膜具有图案尺寸变化劣化被抑制在允许的范围内的优势，该图案尺寸变化劣化是由于ArF准分子激光的累积照射引起过渡金属/硅基材料膜(典型是MoSi基材料膜)的品质改变造成的。即使当ArF准分子激光照射的累积剂量增加，也能长时间地进行光学光刻的光图案照射而不引起光图案的显著的图案尺寸变化劣化，且无需改变曝光工具的图案曝光条件。光学膜不仅抑制由累积剂量引起的图案尺寸变化劣化，而且也确立充分的刻蚀选择比。即使在掩模图案上形成黑缺陷，也能通过在含氟的气体气氛中引导高能量照射束(典型是电子束)以产生氟自由基从而刻蚀掉黑缺陷来进行缺陷修正。
附图说明
图1是采用回归线示出实验中线宽变化与式(1)的值(值A)的图。
图2是采用回归线示出实验中加工速率与式(2)的值(值B)的图。
具体实施方式
用于本发明的光图案曝光方法中的光掩模诸如半色调相移掩模或二元掩模由光掩模坯料制备，该光掩模坯料包括透明衬底例如石英衬底和设置在衬底上的过渡金属/硅基材料膜，该膜由包含过渡金属、硅以及氮和/或氧的材料形成。该过渡金属/硅基材料膜可形成半色调相移膜、遮光膜等。
在其中过渡金属/硅基材料膜是半色调相移膜的一个实施方案中，该膜应该提供相对于作为曝光光的ArF准分子激光的预定相移(最经常约为180°)和预 定透光率(最经常是1至40％)。在其中过渡金属/硅基材料膜是遮光膜的另一个实施方案中，如果没有另一光吸收膜，该膜应该单独具有至少为2.0、优选至少为2.5的光密度。如果存在另一光吸收膜(例如，半色调相移膜或抗蚀膜)，该膜与其他光吸收膜组合以提供具有至少为2.0、优选至少为2.5的光密度的整体膜。
首先，讨论随着ArF准分子激光的照射能量的累积剂量增加而发生的尺寸变化。关于在水存在下用ArF准分子激光连续照射包含过渡金属(典型地是钼)、硅、以及氮和/或氧的材料的膜而在该膜内引起尺寸变化的机理，本发明人形成如下假设。
(1)当被ArF准分子激光的照射所激发时，过渡金属氮化物经受转变成氧化物的化学反应。此时，过渡金属充当因触发氧化物转换的光激发所造成的电子电荷进出转移的核。
(2)硅原子变成对由ArF准分子激光的照射引起的化学变化的抑制因素。
(3)因为轨道参与电荷的进出转移，所以单一元素的可键合的键的数量的乘积可以用作尺寸变化的促进或抑制程度的指数。从该假设中认为，可以通过计算尺寸变化的促进和抑制系数之差对尺寸变化的量级进行评价。
然后，制备多个包含潜在具有为6的化合价的过渡金属、硅以及氮和/或氧的材料样品。测量在ArF准分子激光照射时引起的尺寸变化。评价材料组成和尺寸变化之间的关系。发现如从材料组成推断的A的值：
A＝6×CM/1 00-4×CSi/1 00
与在潮湿条件下以至少10kJ/cm2的累积剂量照射ArF准分子激光所引起的尺寸变化相关，而且具有较小A值的材料在ArF准分子激光的照射时经受较小的尺寸变化，其中CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量。
然而，许多具有小的A值的过渡金属/硅基材料确立了相对于氧化硅或衬底的不充分的刻蚀选择比，而当将在含氟的气体气氛中引导高能量照射束以产生氟自由基从而将在束照射的点上局部刻蚀作为最优选的黑缺陷修正方法适用时，该刻蚀选择比是重要的。换句话说，这些材料引起该修正方法不可适用的新问题。
关于刻蚀选择比与材料组成的关系，本发明人形成如下假设。
(4)在EB照射缺陷修正方法中，氟自由基用作反应物以形成过渡金属氟化 物和氟化硅，由此将构成缺陷的过渡金属/硅基材料移除。由于形成氟化物的反应是由电子迁移引发的，所以因包含容易受电荷转移影响的部分提供了反应的可能性。
(5)因为认为过渡金属容易改变它的价键状态和很可能接纳或释放电荷，因此来自过渡金属的电子迁移参与硅反应。
(6)因为过渡金属和氮之间的键作为电子电荷进出转移的核起作用，所以反应的进程极大地取决于这种键的数量。
以下内容源于上述假设。规定过渡金属是潜在具有为6的化合价例如为钼或钨的过渡金属，
(a)是过渡金属的化合价(＝6)和含量的乘积，
(b)是硅的化合价(＝4)和含量的乘积，
(c)是氮的化合价(＝3)和含量的乘积，以及
(d)是氧的化合价(＝2)和含量的乘积，
轻元素之间形成少量的键，两种元素之间的键的总量是(a)×(a)，(a)×(b)，(a)×(c)，(a)×(d)，(b)×(b)，(b)×(c)以及(b)×(d)之和。然后，意识到将过渡金属-氮键的数量(a)x(c)相对于总量的比例用作反应进程的指数指示。
关注于这个指标，测量刻蚀选择比，进一步评价材料组成和刻蚀选择比之间的关系。发现如从材料组成推断的B值：
B＝6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)
与刻蚀选择比相关，并且具有较高B值的材料确立较高的刻蚀选择比，其中CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，C0是以原子％计的氧含量。
基于这些发现可以得出结论，包含潜在具有为6的化合价的过渡金属的硅基材料应该具有最多为-0.89的A值(即等于或小于-0.89)，和至少为0.094的B值。
下面描述了本发明的用于光图案曝光方法中的光掩模和用于光掩模的光掩模坯料。
将光掩模坯料定义为包括透明衬底和材料的光学膜，该材料包含过渡金属、 硅以及氮和/或氧，有时称作“过渡金属/硅基材料”。就光学膜的组成而言，光学膜中过渡金属、硅、氮和氧的含量除了从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域外均满足下面的式(1)和(2)。
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89    (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)≥0.094    (2) 
其中，CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，C0是以原子％计的氧含量。将坯料加工成包含透明衬底和通过将光学膜图案化获得的掩模图案的光掩模。
尽管这种过渡金属/硅基材料的膜在ArF准分子激光的照射时经受图案尺寸变化，但是即使以10kJ/cm2的累积剂量照射ArF准分子激光之后，线宽的变化也仍被限制为5nm或更小。并且，该膜确立了相对于石英衬底至少为4的刻蚀选择比，允许应用氟辅助的EB缺陷修正方法。
在定义光学膜的组成时排除了从远离衬底的膜表面延伸至1 0nm深度的最外表面区域，这是因为过渡金属/硅基材料膜的最外表面区域具有高的氧化度，这归因于气氛氧化，或者是因为有时使该膜经受强制氧化处理以赋予其在清洗过程中的化学耐受性或气氛氧化耐受性。存在如下可能性：仅该膜的最外表面区域在组成的范围之外，尽管该膜的其余区域具有符合式(1)和(2)的组成。具有上述量级厚度的表面区域对图案尺寸变化劣化和缺陷修正所需的刻蚀选择比的影响不大。
除了最外表面区域外，具有满足式(1)和(2)的组成的过渡金属/硅基材料的光学膜仅经受有限的图案尺寸变化劣化，即使使用ArF准分子激光进行长时间的照射时，或者换句话说，即使增加照射的累积剂量时。
在将来要用于通过光掩模的光图案曝光的工艺中，从浸没式光刻等的经济性的观点来看，需要光掩模满足如下：掩模图案的尺寸变化低于可容许的水平，直至累积照射能量剂量达到约10kJ/cm2。对于22nm图案规则，可容许的水平为约±5nm。另一方面，当通过氟自由基刻蚀方法修正在加工成光掩模时可产生的黑缺陷时，为了进行修正而不对透明衬底(典型地为氧化硅或石英衬底)造成损伤，必须在光学膜和氧化硅衬底之间确立至少为4的刻蚀选择比。如果过渡金属/硅基材料的膜除最外表面区域外满足式(1)和(2)，则它满足这些要 求。
合适的光学膜包括相移膜，典型是半色调相移膜、遮光膜和抗反射膜。在其中将半色调相移膜设计为用于约180°的相移的实施方案中，该半色调相移膜作为整体可具有50至150nm范围内，更优选在60到90nm范围内的合适厚度。当将光吸收能力高的层和光吸收能力低的层组合从而构成由均匀组成层构成的结构时，优选光吸收能力高的层具有1至30nm、尤其5至20nm的厚度，而光吸收能力低的层具有30至120nm，尤其40至70nm的厚度。在这种多层结构的情况下，对于改善的化学耐受性优选的是，将光吸收能力高的层设置为更靠近透明衬底。为改善对检查波长的检测敏感性，该实施方案也可采用三层结构的形式，其中光吸收能力低的层夹在两个光吸收能力高的层之间，或者四层或多层结构，其中光吸收能力高的层和低光吸收层依次交替地堆叠在透明衬底上(任一层可为第一层)。
形成光学膜的含过渡金属、硅以及氮和/或氧的材料的优选实例包括过渡金属/硅氧氮化物、过渡金属/硅氧氮碳化物、过渡金属/硅氮化物、过渡金属/硅氧化物、过渡金属/硅氮碳化物和过渡金属/硅氧碳化物。 
潜在具有为6的化合价的过渡金属(意思是过渡金属能够具有为6的化合价)典型地是选自钼和钨中的至少一种元素。在这些中，从干法刻蚀的观点出发最优选的是钼。首先讨论过渡金属的含量。如果过渡金属的含量高，则其它元素的含量就相对较低，使得难以调节各元素的组成比例以满足包含折射率和透光率的所需光学性质，并满足式(1)和(2)。因而，在除了最外表面区域外的过渡金属/硅基材料膜中，过渡金属的含量优选为至少5原子％，更优选为至少6原子％，至多12原子％，更优选为至多1 0原子％。同样在除了最外表面区域外的过渡金属/硅基材料膜中，硅的含量优选为至少30原子％，更优选为至少35原子％，至多50原子％，更优选为至多45原子％。
在除了最外表面区域外的过渡金属/硅基材料膜中，氧的含量应该优选为至多20原子％。太高的氧含量可导致太低的相对于衬底的刻蚀选择比，而不能应用使用氟基气体的高能量束缺陷修正方法。氧的含量也应该优选为至少3原子％，更优选为至少5原子％。氧含量太低时，必须增加氮或过渡金属的含量以获得必要的光学性质，结果，在ArF准分子激光的长时间照射后，增大了图案尺寸变化劣化。
在除了最外表面区域外的过渡金属/硅基材料膜中，氮的含量应该优选为至少25原子％，更优选为至少30原子％。当氧含量在特定范围内时，该氮含量范围保证了必要的折射率和透光率。氮的含量也应该优选为至多50原子％。氮的含量太高时，在ArF准分子激光长时间照射后，可能增大图案尺寸变化劣化。
过渡金属/硅基材料膜还可包含少量的碳，氢和稀有气体元素。这些元素的含量优选为至多5原子％，更优选地，碳不应该超过杂质水平。
过渡金属/硅基材料膜可通过公知技术沉积。特别地，因为易于沉积以均匀性为特征的膜，所以优选溅射工艺。溅射工艺可以是DC溅射或RF溅射。
靶和溅射气体的选择取决于层结构和组成。该靶可以是单一靶，其中合适地调节过渡金属与硅的比例，或是选自过渡金属靶、硅靶和过渡金属/硅靶中的靶的组合。在使用多个靶时，可通过调节各个靶的溅射区域或者通过调节施加于各个靶的功率来控制过渡金属与硅的比例。特别地，当通过将光吸收能力高的层与光吸收能力低的层进行组合来构建多层结构时，在光吸收能力高的层和光吸收能力低的层中的过渡金属含量可通过上述的方法单独地改变。如果光吸收能力低的层的过渡金属含量低，则可易于设置其余元素的含量以满足所需的光学性质。
可通过使用含氮气体和/或含氧气体作为反应性溅射气体进行反应性溅射同时调节这些气流的流量来调节氮和/或氧含量的比例。当添加其它轻元素例如碳和氢时，就是如此。本文使用的反应性气体的例子包括：氮气、氧气、氮氧化物气体、碳氧化物气体、烃气体、氢气等。另外，可使用稀有气体例如氦气、氖气或氩气。
如上所述，出于稳定膜的目的，在光学膜的最外表面可提供表面氧化的层。形成表面氧化的层的方法包括空气氧化或大气氧化和强制氧化处理。例如可通过用臭氧气体或臭氧水处理，或者通过在约300℃的温度下加热，例如在含氧气氛中的烘箱加热，灯退火和激光加热的方式进行过渡金属/硅基材料膜的强制氧化处理。表面氧化的层具有至多1 0nm的厚度，而至少1nm的厚度对于作为氧化物层是足够有效的。具有该量级厚度的表面氧化的层对于由ArF准分子激光照射导致的图案尺寸变化劣化没有显著影响。尽管可通过在溅射工艺中增加氧的流量来形成表面氧化的层，但优选在将光学膜沉积成符合式(1)和(2)的所需组成后，通过上述空气氧化或强制氧化处理来形成该表面氧化的层，因为 由此形成的层包含较少的缺陷。
在半色调相移掩模坯料(由其制备用于本发明的曝光方法中的半色调相移掩模)的情况中，类似于常规半色调相移掩模坯料，可在半色调相移膜上形成遮光膜以在其上提供完全的光屏蔽区域。尽管遮光膜可由任意所需的材料制成，但优选可以用作刻蚀工艺的辅助膜的铬基材料膜。关于遮光膜的结构和组成，例如从专利文献8和9知晓大量的报道。优选地，通过如下方式构建遮光膜：形成Cr基遮光膜，并且进一步在其上沉积Cr基抗反射膜用以减少来自遮光膜的反射。遮光膜和抗反射膜各自可为单层或多层结构。用于Cr基遮光膜和抗反射膜的材料包括单独的铬、氧化铬(CrO)、氮化铬(CrN)、碳化铬(CrC)、氧氮化铬(CrON)、碳氧化铬(CrOC)、碳氮化铬(CrNC)和氧氮碳化铬(CrONC)。
Cr基遮光膜和抗反射膜可通过反应性溅射沉积。反应溅射工艺使用单独的铬靶或者在铬中添加有氧、氮和碳中的一种或多种的铬靶。溅射气体是惰性气体例如Ar、He、Ne或Kr，根据要沉积的膜的所需要的组成向该溅射气体中添加选自含氧气体、含氮气体和含碳气体的气体。
在其中提供有遮光膜的实施方案的另一变体中，专利文献1 0公开的铬基材料的辅助膜或刻蚀停止膜可以形成在半色调相移膜上，且过渡金属/硅基化合物的遮光膜可以形成于其上。
可通过标准技术将光掩模坯料加工成光掩模。例如，可以将包含半色调相移膜和沉积于其上的铬基材料的遮光膜或抗反射膜的半色调相移掩模坯料按如下方式加工。
首先，将适合于电子束(EB)光刻的抗蚀膜形成在半色调相移掩模坯料上，曝光于EB图案，且以常规方式显影，从而形成抗蚀图案。在将由此获得的抗蚀图案用作刻蚀掩模时，进行含氧的氯基干法刻蚀用以将抗蚀图案转移到铬基材料膜。在将铬基材料膜图案用作刻蚀掩模的同时，进行氟基干法刻蚀用以将图案转移到半色调相移膜。如果要留下铬基材料膜的任何区域作为遮光膜，则形成用于保护该区域的抗蚀图案。此后，再次通过含氧的氯基干法刻蚀来剥离不必要的铬基材料膜。以常规方式去除抗蚀剂材料，从而产生半色调相移掩模。
只要用根据本发明的光掩模坯料制备光掩模，在光掩模上形成了黑缺陷时，在含氟气体存在下引导高能量照射束以产生氟自由基用于刻蚀的缺陷修正方法就是适用的。作为刻蚀方法，使用氟的EB缺陷修正方法是有利的。
JP-A H04-125642(专利文献7)中公开了这里所使用的氟辅助的EB缺陷修正方法，其中对能用氟基气体进行刻蚀的膜进行局部氟基干法刻蚀以修正缺陷。在该方法中，将含氟气体例如XeF2气体供应至要修复的光掩模，由此含氟气体分子吸附到待修正的膜的表面。然后，将电子束(EB)引导至待刻蚀的修正位置，于是，从所吸收的含氟气体分子中释放出氟。如此释放出的氟在修正位置处发生反应形成过渡金属氟化物和氟化硅，于是这些产物挥发掉，也就是说，缺陷被刻蚀掉了。
含氟气体可以是任何公知的用于氟基干法刻蚀的气体，包括碳氟化物和氟化烃，例如CF4、CHF3和C2F6、XeF2等。这些气体可以单独或混合使用，以及进一步地与氧气混合使用。可以例如通过如下方式进行刻蚀剂气体的吸附：将待修复的光掩模放置在真空腔室中，并在预定的时间内向待修正的膜喷射合适流量的气体。优选将光掩模冷却使得可以吸收更多含氟气体。刻蚀条件通常包括至多0.13Pa的腔室压力，50到3000Pa的辅助气体管线压力和0.5到20 keV的束加速电压。作为用于将修正方法付诸实践的系统，最有利地使用来自Car1Zeiss的基于电子束的掩模修复系统
本发明的光图案曝光方法是通过由光掩模坯料制备光掩模，并将ArF准分子激光投射至在光掩模上的过渡金属/硅材料膜的图案上，以通过光掩模将ArF准分子激光照射在目标(抗蚀膜)上从而将目标曝光成光的掩模图案。ArF准分子激光的照射可为干法光刻或者浸没式光刻。在商业级微制造中，当作为待加工的工件(work)的至少300mm的晶片通过浸没式光刻曝光至光图案(具有累积照射能量剂量在相对短时间内增加的趋势)时，本发明尤其地有利。
在用ArF准分子激光照射过渡金属/硅基材料膜的掩模图案时的严重问题是，掩模图案经历线宽变化。图案宽度的可允许阈值随掩模图案，特别是所施加的图案规则而不同。如果变化小，则通过对条件进行校正和重设曝光系统的照射条件还可以进一步使用该光掩模。当使用本发明的光掩模时，只要累积照射能量剂量小于10kJ/cm2，则由光照射引起的图案尺寸变化劣化就基本上为零。即使当累积照射能量剂量超出10kJ/cm2时，由光照射引起的图案尺寸变化劣化也是最小的，允许继续光图案曝光而不重设转印条件。
实施例
以下给出实施例用于进一步说明本发明，然而本发明不限于此。
实施例1至9
DC溅射系统装载有两个靶，MoSi2靶和Si靶，并且向其供应Ar气、O2气和N2气作为溅射气体。在以30rpm旋转石英衬底的同时，将由钼、硅、氮和任选的氧构成的单一层沉积在衬底上以形成厚约70nm的过渡金属/硅基材料膜(钼/硅基材料膜)作为半色调相移膜。通过BSCA分析这9个过渡金属/硅基材料膜的除了从膜表面延伸至1 0nm深度的亚表面区域外的组成。
接下来，在过渡金属/硅基材料膜上，使用Cr靶和溅射气体沉积铬基材料的遮光膜。具体地，通过以Ar∶N2∶O2＝1∶2∶1的流量比率供应Ar、N2和O2气体来沉积20nm厚的CrON层，通过仅供应Ar气体沉积7nm厚的Cr层，以及通过以Ar∶N2∶O2＝1∶2∶1的流量比率供应Ar、N2和O2气体沉积20nm厚的CrON层。以这种方式，形成具有47nm总厚度的铬基材料的遮光膜，产生光掩模坯料(半色调相移掩模坯料)。
接下来，在遮光膜上形成用于EB光刻的正抗蚀膜。将抗蚀膜曝光于EB图案，形成具有0.1至2μm线宽的等值线(iso-line)、等值间隔(iso-space)、线间隔(line-and-space)的模板图案。
采用抗蚀图案制成的刻蚀掩模，用氯基刻蚀剂干法刻蚀遮光膜。之后，利用氟基刻蚀剂来干法刻蚀过渡金属/硅基材料膜。最后，通过氯基干法刻蚀去除遮光膜，产生具有过渡金属/硅基材料膜图案的光掩模(半色调相移掩模)。
在23℃和40％湿度的环境中，用具有200Hz的脉冲宽度和50-200mJ脉冲能量的ArF准分子激光照射这样获得的光掩模，直至累积照射能量剂量达到30kJ/cm2。使用曝光系统ArFES-3500PM(Litho Tech Japan Corp.)和光源LPXPro220(Coherent GmbH)。
当用ArF准分子激光照射图案时，在扫描电子显微镜LWM9045(Vistec)下测量过渡金属/硅基材料膜的图案尺寸以确定图案尺寸怎样改变。据观察，线宽以与时间成比例的速率增大，而不依赖于图案的类型和尺寸。
对于不同类型和线宽的图案，将线宽的变化(增大)求平均值。假设实验例3中的平均变化(19nm)为1，将该平均量用相对值来表示。与10kJ/cm2累积照射剂量对应的变化也由所测量的变化计算得出。表1中示出这些线宽变化数据，以及对沉积状态的膜分析得出的各元素含量，且在图1中将其绘制成A值的函数，该A值对应于式(1)的左边，即6×CM/100-4×CSi/100(图1的横坐标上 的式(1)的值)。
表1
利用图1中描绘的九(9)个点通过最小二乘法的回归分析，得到具有为0.90的相关系数R2的以下相关式。在图1中还示出了回归线。
线宽变化(相对值)＝0.92×A+1.60
从这个相关式中明显得出，当ArF准分子激光以10kJ/cm2的累积剂量照射时，给出线宽变化在5nm的可允许范围内的A值为最多-0.89。因此，只要含有潜在具有为6的化合价的过渡金属的硅基材料满足式(1)，就完全抑制由ArF准分子激光照射引起的该材料膜的图案尺寸变化，且即使以10kJ/cm2的累积剂量照射后，线宽变化仍限制为5nm或更小。
实施例1 0至21
DC溅射系统装载有两个靶，MoSi2靶和Si靶，并且向其供应Ar气、O2气和N2气作为溅射气体。在以30rpm旋转石英衬底的同时，将由钼、硅、氮和任选的氧构成的单一层沉积在衬底上以形成厚约7 0nm的过渡金属/硅基材料膜(钼/硅基材料膜)作为半色调相移膜。通过ESCA分析这1 2个过渡金属/硅基材料膜的除了从膜表面延伸至10nm深度的亚表面区域外的组成。
利用基于电子束的掩模修复系统(Carl Zeiss)，通过将这样沉积的过渡金属/硅基材料膜放置在抽至0.13Pa或更低真空的腔室内，并在修正点附近喷射氟化氙气体作为辅助刻蚀气体，对该膜进行刻蚀。确定了氟辅助的EB(电子束)缺陷修正方法的刻蚀速率。通过将其与石英衬底的刻蚀速率进行比较 确定了刻蚀选择比。
表2中示出刻蚀选择比以及对沉积状态的膜分析得出的各元素含量。图2中绘出作为B值(图2的横坐标上的式(2)的值)函数的对应于刻蚀选择比的加工速率(相对值)，该B值与式(2)的左边即6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)对应。
表2
利用图2中描绘的十二(12)个点通过最小二乘法的回归分析，得到具有相关系数R2为0.95的以下相关式。图2中也示出该回归线。
1og(刻蚀选择比)＝33.0×B-1.69
从这个相关式中明显得出，给出相对于石英衬底至少为4的刻蚀选择比的B值至少是0.094，这允许适用在含氟气体气氛下通过引导高能量照射束以产生氟自由基从而刻蚀掉黑缺陷来修正掩模图案上的缺陷的方法。因而，只要含有潜在具有为6的化合价的过渡金属的硅基材料满足式(2)，则该材料膜确立相对于石英衬底至少为4的刻蚀选择比，并允许应用氟辅助的EB缺陷修正方法。

Claims (9)

1.一种光图案曝光方法，其包括用ArF准分子激光作为光源通过光掩模将光图案照射至抗蚀膜，其中
所使用的光掩模是用ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过的光掩模，
所述光掩模包括透明衬底和材料的光学膜的图案，该材料包含过渡金属、硅、以及氮和/或氧，过渡金属潜在具有为6的化合价，
光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量都满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89      (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+
4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)≥0.094      (2)
其中CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，CO是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过在氟基气体气氛下引导高能照射束处理光掩模用于缺陷修正。
3.如权利要求1所述的方法，所述过渡金属是钼。
4.一种用于光图案曝光方法中的光掩模，该方法包括使用ArF准分子激光作为光源通过掩模向抗蚀膜照射光图案，所使用的光掩模是被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过的光掩模，
所述光掩模包括透明衬底和光学膜的图案，该图案是通过在衬底上形成包含过渡金属、硅以及氮和/或氧的材料的光学膜并将该膜图案化而得到的，所述过渡金属潜在具有为6的化合价，
该光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量均满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89      (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+
4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)≥0.094      (2)
其中，CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，CO是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
5.如权利要求4所述的光掩模，其中所述过渡金属是钼。
6.如权利要求4所述的光掩模，其中所述透明衬底是氧化硅衬底，以及在所述光学膜和所述氧化硅衬底之间确立的刻蚀选择比至少为4。
7.一种用于制备光掩模的光掩模坯料，其中所述光掩模用于将ArF准分子激光用作光源向抗蚀膜照射光图案，并且所使用的光掩模是被ArF准分子激光以至少10kJ/cm2的累积剂量照射过的光掩模，所述光掩模坯料包括透明衬底和材料的光学膜，该材料包含过渡金属、硅以及氮和/或氧，所述过渡金属潜在具有为6的化合价，
所述光学膜中的过渡金属、硅、氮和氧的含量均满足式(1)和(2)：
6×CM/100-4×CSi/100≤-0.89      (1)
6CM×3CN/(6CM×6CM+6CM×4CSi+6CM×3CN+6CM×2C0+
4CSi×4CSi+4CSi×3CN+4CSi×2C0)≥0.094      (2)
其中CM是以原子％计的过渡金属含量，CSi是以原子％计的硅含量，CN是以原子％计的氮含量，CO是以原子％计的氧含量，从远离衬底的膜表面延伸至10nm深度的最外表面区域除外。
8.如权利要求7所述的坯料，其中所述过渡金属是钼。
9.如权利要求7所述的坯料，其中所述的透明衬底是氧化硅衬底，以及在所述光学膜和所述氧化硅衬底之间确立的刻蚀选择比至少为4。
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