CN1075894C - 光刻方法和用于实现此方法的光刻系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在生产集成电路中使一块晶片成象的系统和方法。在一聚光透镜与一投影透镜之间使用多个原版。各个原版上的掩模图形的透明区尺寸彼此分别不同，以防止由于在光线穿过各个原版和投影透镜时光径改变而降低分辨率。嵌置各个原版于步进装置之中，使之沿着光径以重叠的方式彼此分隔放置。在穿过光径中前一原版时所产生的光线散射部分为下一原版滤除，从而带有高分辨率和精细度的图形影象投影到晶片上面。

Description

光刻方法和用于实现此方法的光刻系统

本发明总的说来涉及光刻成象技术。更为具体地说，本发明涉及一种光刻方法和系统，用于使涂在一块晶片上的光刻胶层在掩模或中间掩模(以下称原版)下曝光出精细的器件图形，其实现方式是，通过包括多个原版的光学系统使此图形在比较均匀的曝光能量下复制到光刻胶层上面。

一般地说，在半导体器件技术领域中，通常的集成电路生产利用光刻技术把集成电路的预定图形投影和复制在一块晶片上面。这种光刻技术是从光刻胶掩模技术发展而成的，其中通过把掩模(mask)上的图形投影到光刻胶层上面并予以显影的办法把掩模上的图形复制到衬底的光刻胶层上。这一光刻过程包括曝光步骤，其中通过把掩模上的图形经由一投影透镜予以投影的办法把所需的图形复制到涂在衬底上的光刻胶层上面。

使光刻胶层曝光有三种主要方法：接触复制、接近复制和投影复制。由于集成电路在尺寸上越来越小，因而出现了关于使用这些方法的各种各样的限制。所使用的方法日益要求在对准技术和分辨率方面更加完善。因而，当前的各种光刻工艺采用一种分步重复设备，其步进和重复方式是，晶片恰当对准，然后其一部分由适当的光掩模曝光，形成所需的图形，再后晶片又步进并对准，之后又由适当的光掩模曝光。这一步进和重复对准过程采用一种称作掩模原版或母板(reticle)的原图形。原版包含集成电路图形，此图形是依靠在透明基底上制成不透层而形成的。换言之，原版包括诸如玻璃、石英等透明衬底，以及透明衬底上的诸如铬金属的不透明层。原版的图形经由一透镜聚光在晶片的一部分上面。

图1示出了以投影方式实施光刻方法的通常的系统。

如图1所示，具有一集成电路图形的掩模原版3，设置在聚光透镜2与投影透镜4之间。光源1设置在聚光透镜2的上方，其向下投射光线穿过快门(未画出)中的孔口。水银灯是一种常用的曝光辐射源。涂有光刻胶层的晶片5，置放在投影透镜4的下方。

在生产集成电路中使一块晶片上成象的过程将参照附图予以说明。在此过程中，出自由水银蒸汽灯组成的发光源1的光线经由聚光透镜2予以聚光。经过聚光的光线照射在原版3的全部表面上。原版3具有一预定的图形。照射在原版3上的一部分光线由原版3上面的不透光区遮蔽，而其它部分光线射向原版3上面的透明区。穿过原版3的光线通过投影透镜4成象。图形经由投影透镜4投影在诸如半导体圆片的晶片5上面。这样，原版3的图形影象就成在晶片5上。

取决于在晶片5上成象的光线强度，选择性地从晶片5上去除光刻胶层。从而在晶片上形成集成电路器件图形。

不过，在这种光刻系统和方法中，在光线穿过安置在投影步进装置中的原版上的透明区时，光线在原版上的不透区边沿处会被散射。因而，分辨率降低。

此外，在通常的光刻系统和方法中，由于穿过各个原版和投影透镜的光线偏离所希望的光路径，投影出来的图形尺寸或者大于或者小于预定的图形尺形，分辨率降低，而且在光刻胶层上得不到所希望的图形。

因而，本发明的一个目的是提供一种新的光刻方法和系统，在一投影步进装置中使用多个原版，通过把在光线穿过多个原版时在各个原版上不透层边沿处的光线受散射现象减至最低限度的办法来提高分辨率。

本发明的另一个目的也是提供一种光刻方法和系统，用于提高光线的强度和曝光能量，以及分辨率，采取的办法是，使用多个掩模原版，其上不透区在尺寸上彼此不同，以防止在光线穿过多个原版和一投影透镜期间光路径发生变动。

本发明的又一目的仍然是提供一种光刻方法和系统，用于提高分辨率，采用的办法是，使用多个原版，以及设置在各个原版之间的至少一个透镜，不仅把光线在各个掩模图形透明区的各个边沿处的散射减至最小，而且使投影在晶片上的光线密度更加均匀。

根据本发明的一个方面，提供一种光刻方法，用于在生产集成电路中在一块晶片上成象，所述方法包括以下各步骤：

(a)配置多个原版，各自包括集成电路掩模图形，每一原版具有一透明衬底和在该透明衬底上的一不透区，每个原版具有相同的掩模图形形状和相同的掩模图形尺寸，或者每个原版具有相同的掩模图形形状而在所述原版上的掩模图形不透区沿着一条光径在尺寸上顺序减小；

(b)配置一投影步进装置，适于容放所述各个原版，还适于投影光线通过所述各个原版；

(c)嵌置所述各个原版于所述步进装置之中，使之沿着所述光径以重叠的方式彼此分隔放置；

(d)投射光线通过所述各个原版，把各个原版上的所述掩模图形投影在所述晶片上以生成图象，其中在穿过光径中前一原版时所产生的光线散射部分为下一原版滤除，从而带有高分辨率和精细度的图形影象投影到晶片上面。

根据本发明的另一方面，提供一种光刻系统，用于在生产集成电路中在一块晶片上成象，所述系统包括：

(a)一发光源；

(b)多个原版，设置方式是，在一投影步进装置中的一条光径上彼此隔开，它们各自具有其上的一个集成电路掩模图形，每一原版具有一透明衬底和在透明衬底上的的一不透区，每个原版具有相同的掩模图形形状和相同的掩模图形尺寸，或者每个原版具有相同的掩模图形形状而在所述原版上的掩模图形不透区沿着所述光径在尺寸上顺序减小；

(c)一原版支承结构，适于将所述各个原版沿着光径以重叠的方式卡持在各个隔开位置处；

(d)一晶片，各个原版的掩模图形有待投影在它上面；

(e)一光学系统，用于投影透过所述各个原版的光线，以便把所述各个掩模图形投影在所述晶片上面；以及

(f)一种用于支承所述晶片的装置。

通过以下结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和其它各种优点将更为明显，附图中：

图1示出了以投影方式完成光刻过程的现有系统；

图2是根据本发明的一实施例的一种用于实施一种光刻方法的光刻系统的结构示意图；

图3是当来自光源的光线穿过多个掩模原版时的光线状态图；

图4是根据本发明的一实施例当出自光源的光线穿过多个原版以实施光刻方法时光线的能量强度分布状态图；

图5是根据本发明的另一实施例当光线穿过多个图形尺寸彼此不同的原版时的光线状态图；

图6是根据本发明的又一实施例的一种用于实施一种光刻方法的光刻系统的结构示意图；

图7是表明从光源辐射出来的光线在穿过多个原版以实现图6所示的光刻方法时，光线能量强度的分布状态简图。

图2表示本发明的一个实施例。图中示出了用于实现一种光刻方法的一种光刻系统的示意结构。多种类型的光刻系统具有多种不同的结构。图2中所用的结构只是用于演示目的。本发明并不局限于这样一种结构。参照附图，光刻系统包括一光源21、多个原版23a和23b、一投影镜头25、一晶片26、一层盖在晶片上面的光刻胶27、以及一晶片支承装置28，比如，真空吸盘。如图2所示，多个原版23a和23b安置在光源21与投影镜头25之间。尽管图中所示的系统具有两个原版23a和23b，但需要时此系统可以具有三个或更多的原版。下面将参照图3说明，在每个原版23a和23b上面制成分别由透明区231和233以及不透区232和234组成的集成电路图形。原版23a和23b分别由原版支架24a和24b支承。原版23a和23b依靠把它们嵌装在系统之中而保持在预定位置上。每一原版的结构均为本技术领域中的人员所熟知的。对应于每一原版的每一原版支架24a和24b沿着来自光源21的光线的一条光径彼此间隔开来设置。不过，这些原版支架不一定限于以上构造。各个原版支架可以用一个具有整体式构造的支架代替，只要它以间隔方式承纳沿着一条光径的所有原版。

其次，投影镜头25沿着一条光径设置在接近多个原版23a和23b之中光线最后穿过的最后一个原版23b的位置处。投影镜头25后随一块涂以一层光刻胶27的晶片26，每一原版上面的集成电路图形要通过投影透镜25传送到其表面上。通常，一快门装设在光源21与聚光透镜22之间。

因而，在使用按照这一实施例的光刻系统进行光刻的过程时，原版23a和23b上面的相同形状和尺寸的掩模图形由投影透镜25缩小尺寸，并以分步重复方式投影和传送到盖在晶片26上面的光刻胶27上面。在以上曝光步骤之后，晶片26经受显影处理，并在晶片26的表面上形成所需要的集成电路图形。

在此光刻系统中，原版23a和23b全都具有同样的图形形状和图形大小。而且，每一原版23a和23b包括在本技术领域中通常构造的图形。在此实施例中，集成电路图形包括一透明衬底231或233，比如玻璃、石英等等，以及一覆于其表面上的不透明层232或234，比如铬层。

因而，在使用按照此实施例的光刻系统在晶片上形成图形时，多个原版23a和23b，各自具有一集成电路掩模图形，嵌装在示于图2中的光刻系统之中。不过，在此实施例中，重要的是沿着光径彼此间隔开来地设置各个原版。在图2所示的系统中，在现有技术中的光刻系统中的传统的原版支架经过改变以支承多个在每一间隔位置上的原版，而各个原版支架是彼此分离的。因而，由于多个原版如上所述沿着光径以重叠方式设置在许多间隔位置上，所以可以在涂在晶片上面的光刻胶层上面制成具有高分辨率的精细图形。

使用多个原版以获得均匀的高分辨率的投影光线，从而能够以均匀宽度和大小把图形复制到光刻胶上面的上述实施例，通过对图3和4的说明将会得到进一步的理解。

图3是表明从发光源发出的光线在穿过多个原版时的一种光线状态图。

图4是表明从光源辐射出来的光线在穿过多个原版以实施按照本发明的一个实施例的一种光刻方法时，光线能量强度的分布状态示意图。

参照图3可见，掩模原版23a和23b，其形状与尺寸完全相同，彼此隔开地设置在系统中其各自位置处。在光线穿过第一原版23a时，光线在原版23a上面的集成电路图形透明区的各个边沿处被散射，如各箭头所示。在透过第一原版23a的光线穿过第二原版时，光线的散射部分则几乎完全滤除。

尽管在第二原版23b上面的集成电路图形不透明区的各个边沿处又会出现光线散射现象，但还是会获得较高的分辨率。这是因为，在第二原版23b上面的集成电路图形不透区的各边沿处，光线的散射部分的强度很弱，以致它不会影响覆于晶片上面的光刻胶层表面的图形。从而具有较高均匀度和精细度的图形就能够被投影到光刻胶层上面。根据上述原理，如果在系统中使用三个或更多的掩模原版，分辨率会进一步提高。

因而，虽然图示系统只具有两个原版，显然对于本技术领域中的熟练人员来说，用于实施按照本发明的光刻方法的系统可以包含三个或更多的原版。

图3所表明的原理将参照图4进一步说明，此图表明在光线穿过许多原版时，光线的能量分布状态。

在发自光源21的光线穿过第一原版时，大约99％的发射光线穿过第一原版23a，而大约1％或更少的发射光线在透明区231与不透区(即图形的铬图区232)之间的各个界面处被散射。在光线穿过第二原版时，光线的散射部分几乎完全滤除。虽然在穿过第二原版23b时，光线在不透区232的各边沿处再次受散射，但光线的这一散射部分的强度足够低，对涂在晶片上的光刻胶层的均匀度和精细度不致于产生影响。于是，一种具有高选择率的所需图形就可以精确地重现在涂在晶片上的光刻胶层上面，而一种带有高均匀度和精细度的所需图形就可以复制到光刻胶层上面。

在使用图2至4所示系统的一种光刻方法中，虽然使用多个原版会产生较高的分辨率，但出自光源的光路径在穿过原版23a和23b以及投影透镜25期间可能偏离所需的理想光径。光径的偏离会造成分辨率降低。结果是，在光刻胶层上所形成的图形与预定的所需图形不同。

因而，在图5中示出了本发明的另一个实施例。此第二实施例基本上与图2至4所示的第一实施例相同，所不同的是，各个原版上的掩模图形的尺寸做得彼此不同。换句话说，在掩模原版23a和23c上面的不透区232和236的尺寸彼此不同。为了防止光线在穿过各个原版23a和23b以穿过各个投影透镜(未画出)期间光径改变，各个原版上的图形做成不同大小以补偿光线强度，并从而使光线曝光能量的均匀度得以提高。在这方面，处在出自光源的光径之中的各个原版中，第一原版23a上的不透光图形232的尺寸大于在光径中紧接第一原版23a的第二原版23c上的不透光图形的尺寸。而且，如上所述的各原版上不透光图形的尺寸不同这一原理同样适用于在光刻系统中使用三个或更多的原版的情况。

图6是用于提高分辨率以便把均匀和精细的图形复制到光刻胶上面的本发明的另一实施例。它是图2至图5的一项修正实施例。在图6中，该光刻系统包括一发光光源21、多个掩模原版23a和23c、一装在原版23a与23c之间的聚光透镜29、一投影透镜25、一晶片26、一覆在该晶片26上的光刻胶层27、以及一晶片支承装置28。多个原版23a和23c设置在光源21与投影透镜25之间，使各个原版沿着光径彼此隔开。第一原版23a和第二原版23c各自具有其上的一集成电路掩模图形，而各个原版上的掩模图形是彼此相同的，或者是在其尺寸上彼此不同。原版23a和23c分别由原版支架24a和24b支承。聚光透镜29设置在各自具有一集成电路掩模图形的原版23a与23c之间。聚光透镜29装在透镜支架30里面。当在光刻系统中采用三个或更多的掩模原版时，聚光透镜可以设置各个原版之间的一处或多处位置上。

如图6和7所示，在包括设在多个原版之间的聚光透镜的光刻系统中，出自光源21的光线由聚光透镜22聚光。聚光过的光线随后穿过第一原版23a。此时，聚光过的光线的大约99％透过第一原版23a上面的透明区231，而聚光过的光线的1％或更少在不透区232的各个边沿处被散射。透过第一原版23a的光线再由聚光透镜29予以聚光。透镜29改善了透过光线的直线性和均匀性(均匀密度)。

透过透镜29的光线又穿过第二原版23c，此原版具有与第一原版23a在尺寸和宽度上相同的图形，或者其上的不透图形的尺寸小于第一原版23a上的不透图形。此时，与光线透过第一原版23a时的方式一样，第二原版23c的入射光在不透区238的各个边沿处被散射。不过，光线的散射部分强度较弱，因为它在穿过透镜29和第一原版23a时几乎滤除。因而，光线的散射部分并不影响投影在晶片上的图象。以上实施例使用了两个原版，但它并不局限于只有两个原版。有可能在本发明中应用一种包括两个或更多的原版和两个或更多的透镜的系统。在这种情况下，可以同样获得提高分辨率的效果。事实上，与前者相比，这一系统会增强分辨率，但其成本也更高。于是，在选择具有适当数量的透镜和某种程度的分辨率的系统时，必须既改善所需的分辨率，也考虑所承担的费用。

如上所述，利用多个原版，本发明就可以减少光线散射现象而增强分辨率。此外，借助于在多个原版中改变每一掩模图形的尺寸，它提高了曝光能量的均匀性，并且借助于在各个原版之间嵌装聚光透镜，增大了光线的直线性和均匀性，因为透过第一原版的光线经由聚光透镜得以聚光。

其次，本发明在提高分辨率的同时却只需要最低限度的变动。在设备和工艺方面它都不需要新的投资。

于是，本发明使得有可能制作亚微米集成电路和高密度器件，这在降低成本方面会起很大的作用。

本发明的曝光方法并不限定于只是使用掩模原版的系统，而是，它自然可以用于使用许多掩模向晶片上投影掩模图形。

虽然已经图示说明了好几项实施例，但显然对于本技术领域中的熟练人员来说，在不偏离本发明的构思和范畴的情况下，可以作出各种各样的变更。

Claims (5)

1、一种光刻方法，用于在生产集成电路中在一块晶片上成象，所述方法包括以下各步骤：

(a)配置多个原版，各自包括集成电路掩模图形，每一原版具有一透明衬底和在该透明衬底上的一不透区，每个原版具有相同的掩模图形形状和相同的掩模图形尺寸，或者每个原版具有相同的掩模图形形状而在所述原版上的掩模图形不透区沿着一条光径在尺寸上顺序减小；

(b)配置一投影步进装置，适于容放所述各个原版，还适于投影光线通过所述各个原版；

(c)嵌置所述各个原版于所述步进装置之中，使之沿着所述光径以重叠的方式彼此分隔放置；

(d)投射光线通过所述各个原版，把各个原版上的所述掩模图形投影在所述晶片上以生成图象，其中在穿过光径中前一原版时所产生的光线散射部分为下一原版滤除，从而带有高分辨率和精细度的图形影象投影到晶片上面。

2、根据权利要求1所述的光刻方法，其中所述原版的数量是两个或更多。

3、根据权利要求1所述的光刻方法，还包括一个或多个聚光透镜，各自设置在所述各个原版之一及与其邻近的原版之间，而且还包括一透镜支承结构，适于把所述透镜卡持在所述两个原版之间。

4、一种光刻系统，用于在生产集成电路中在一块晶片上成象，所述系统包括：

(a)一发光源；

(b)多个原版，设置方式是，在一投影步进装置中的一条光径上彼此隔开，它们各自具有其上的一个集成电路掩模图形，每一原版具有一透明衬底和在透明衬底上的的一不透区，每个原版具有相同的掩模图形形状和相同的掩模图形尺寸，或者每个原版具有相同的掩模图形形状而在所述原版上的掩模图形不透区沿着所述光径在尺寸上顺序减小；

(c)一原版支承结构，适于将所述各个原版沿着光径以重叠的方式卡持在各个隔开位置处；

(d)一晶片，各个原版的掩模图形有待投影在它上面；

(e)一光学系统，用于投影透过所述各个原版的光线，以便把所述各个掩模图形投影在所述晶片上面；以及

(f)一种用于支承所述晶片的装置。

5、根据权利要求4所述的光刻系统，还包括一个或多个聚光透镜，各自设置在所述各个原版之一与邻近所述之一的原版之间，而且还包括一透镜支承结构，适于把所述透镜卡持在所述两个原版之间。

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