CN108073032B

CN108073032B - 相位移光掩模的形成方法

Info

Publication number: CN108073032B
Application number: CN201611014864.4A
Authority: CN
Inventors: 陈俊郎; 涂志强; 杨世豪
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2016-11-18
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2036-11-18
Also published as: CN108073032A

Abstract

本发明实施例提供一种相位移光掩模的形成方法。此方法包括：在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层、促进层以及掩模层。图案化掩模层，以形成图案化掩模层。以图案化掩模层为掩模，对促进层以及遮蔽层进行蚀刻，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层。同时移除图案化掩模层以及图案化促进层。以第一图案化遮蔽层为掩模，对相位移层进行蚀刻，以形成图案化相位移层。选择性移除第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。从而能简化工艺，并同时使其所形成的相位移光掩模具有良好的分辨率。

Description

相位移光掩模的形成方法

技术领域

本发明实施例涉及一种相位移光掩模的形成方法。

背景技术

随着半导体技术的发展，半导体组件的尺寸愈来愈小，使其关键尺寸(criticaldimension,CD)愈来愈接近曝光机台的光学物理极限。然而，为了提升光掩模的分辨率，往往需要更先进的曝光机台，或通过在光掩模的工艺中加入多道步骤来改善，因而导致设备成本增加或造成工艺复杂化。

发明内容

本发明实施例提供一种相位移光掩模的形成方法。在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层、促进层以及掩模层。图案化掩模层，以形成图案化掩模层。以图案化掩模层为掩模，对促进层以及遮蔽层进行图案化，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层。移除图案化促进层，其中在移除图案化促进层时同时移除图案化掩模层。以第一图案化遮蔽层为掩模，对相位移层进行蚀刻，以形成图案化相位移层。选择性移除第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。

本发明实施例提供一种相位移光掩模的形成方法。在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层以及双聚合物层，其中双聚合物层包括掩模层以及位于遮蔽层以及掩模层之间的促进层。图案化掩模层，以形成图案化掩模层。以图案化掩模层为掩模，对促进层以及遮蔽层进行图案化，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层。移除图案化促进层，其中在移除图案化促进层时同时移除图案化掩模层。以第一图案化遮蔽层为掩模，对相位移层进行蚀刻，以形成图案化相位移层。移除部分第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。

本发明实施例提供一种相位移光掩模的形成方法。在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层以及促进层。以相同的蚀刻气体源，同时对促进层以及遮蔽层进行蚀刻，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层。移除图案化促进层。以第一图案化遮蔽层为掩模，对相位移层进行蚀刻，以形成图案化相位移层。选择性移除第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。

为让本发明实施例的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

根据以下的详细说明并配合附图以了解本发明实施例。应注意的是，根据本产业的一般作业，各种特征并未按照比例绘制。事实上，为了清楚说明，可能任意的放大或缩小组件的尺寸。

图1至图7为依照本发明一些实施例的一种相位移光掩模的制造过程的各种阶段的剖面示意图；

图8为依照本发明一些实施例的一种相位移光掩模的制造过程的流程图。

附图标记说明：

100：透光衬底；

200：相位移层；

200a：图案化相位移层；

300：遮蔽层；

300a：第一图案化遮蔽层；

300b：第二图案化遮蔽层；

400：促进层；

400a：图案化促进层；

450：双聚合物层；

500：掩模层；

500a：图案化掩模层；

600：图案化掩模层；

700：相位移光掩模；

800～860：步骤；

A：不透光区；

B：透光区；

C：部分透光区。

具体实施方式

以下发明内容提供用于实施所提供的目标的不同特征的许多不同实施例或实例。以下所描述的构件及配置的具体实例是为了以简化的方式传达本发明为目的。当然，这些仅仅为实例而非用以限制。举例来说，于以下描述中，在第一特征上方或在第一特征上形成第二特征可包括第二特征与第一特征形成为直接接触的实施例，且也可包括第二特征与第一特征之间可形成有额外特征使得第二特征与第一特征可不直接接触的实施例。此外，本发明在各种实例中可使用相同的组件符号和/或字母来指代相同或类似的部件。组件符号的重复使用是为了简单及清楚起见，且并不表示所欲讨论的各个实施例和/或配置本身之间的关系。

另外，为了易于描述附图中所示的一个构件或特征与另一组件或特征的关系，本文中可使用例如“在...下”、“在...下方”、“下部”、“在…上”、“在…上方”、“上部”及类似术语的空间相对术语。除了附图中所示的定向之外，所述空间相对术语意欲涵盖组件在使用或操作时的不同定向。设备可被另外定向(旋转90度或在其他定向)，而本文所用的空间相对术语相应地做出解释。

图1至图7为依照本发明一些实施例的一种相位移光掩模的制造过程的各种阶段的剖面示意图。图8为依照本发明一些实施例的一种相位移光掩模的制造过程的流程图。

请参照图1以及图8，步骤800，提供透光衬底100。透光衬底100的材料包括石英、熔融二氧化硅、氟化钙、玻璃或其他合适的透光材料。

接着，进行步骤810，在透光衬底100上形成相位移层200。相位移层200可对穿透透光衬底100的光产生180度左右的相位位移，且相位移层200的透光率例如是在4％至20％之间。在一些实施例中，相位移层200的透光率为6％；在另一些实施例中，相位移层200的透光率为9％；在又一些实施例中，相位移层200的透光率为19％。相位移层200的材料包括Mo_xSi_y、MoSi_xN_y、MoSi_xO_yN_z、SiN或其他合适的材料，其中X、Y、Z的范围分别是本领域中所熟知的可行化学计量范围。相位移层200可以利用电子射线(EB)蒸镀法、激光蒸镀法(laserdeposition)、原子层成膜(ALD)法、离子辅助溅镀法等来形成。相位移层200的厚度例如是在约60纳米(nm)至约80纳米之间。

之后，进行步骤810，在透光衬底100上形成相位移层200后，于相位移层200上形成遮蔽层300。遮蔽层300的材料包括Cr、CrO_xN_y、CrN_x、Cr₂O₃、SiN、SiO_xN_y、SiC、SiO_xC_y、TiN、TiSi_xN_y、Mo_xSi_y、TaN、TaBN或其他合适的不透光材料，X、Y、Z的范围分别是本领域中所熟知的可行化学计量范围。相位移层200可以利用化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积法(PVD)等来形成，厚度例如是在约40纳米至约60纳米之间。

请继续参照图1以及图8，进行步骤810，在相位移层200上形成遮蔽层300后，于遮蔽层300上形成促进层400。在一些实施例中，促进层400的材料包括有机材料。促进层400例如是包括共聚合物材料。在一些示范实施例中，促进层400是由共聚合物材料所构成。用来形成促进层400的共聚合物材料为非感光性材料，且促进层400中不含有光致产酸剂(photoacid generator,PAG)。用来形成促进层400的共聚合物材料的一部分单体包括具有疏水基的单体，具有疏水基的单体包括甲基丙烯酸甲酯、二苯基甲酮、甲基丙烯酸缩水甘油酯或其他。在一些实施例中，用来形成促进层400的共聚合物材料的分子量大于或等于10,000。形成促进层400的方法例如是以有机溶剂溶解由选定的单体所形成的共聚合物材料；以旋转涂布法(spin coating)将具有共聚合物材料的溶液均匀涂布在遮蔽层300上；烘烤涂布在遮蔽层300上的具有共聚合物材料的溶液，以形成促进层400。促进层400的厚度例如是在约10纳米至约20纳米之间。

请继续参照图1以及图8，进行步骤810，在遮蔽层300上形成促进层400后，于促进层400上形成掩模层500。在一些实施例中，掩模层500的组成与促进层400的组成不同。在一些示范实施例中，掩模层500可以是光刻胶层。掩模层500例如是正光刻胶层或负光刻胶层。光刻胶层的材料例如是包括感光性聚合物材料、交联剂以及光致产酸剂。形成掩模层500的方法例如是以有机溶剂溶解选定的光刻胶材料；以旋转涂布法将具有光刻胶材料的溶液均匀涂布在促进层400上；烘烤涂布在促进层400上的具有光刻胶材料的溶液，以形成掩模层500。掩模层500的厚度例如是在约800埃至约2000埃之间。

在本发明的一些实施例中，促进层400与掩模层500之间具有良好的黏着性，且促进层400与遮蔽层300之间均具有良好的黏着性。再者，促进层400与掩模层500不互溶，因此，在形成掩模层500的过程中，促进层400不会被溶解。促进层400与掩模层500具有不同的组成，使得促进层400与掩模层500具有不同的化学特性与物理特性。在一些示范实施例中，掩模层500包括感光性聚合物材料、交联剂以及光致产酸剂；促进层400包括非感光性聚合物，但不包括交联剂以及光致产酸剂。

从另一方面来说，在一些实施例中，促进层400与掩模层500均包括聚合物层，故，可一起被视为是一双聚合物层450。然而，作为掩模层500的聚合物层与作为促进层400的聚合物层两者具有不同的化学特性与物理特性。更具体地说，作为掩模层500的聚合物层为感光性聚合物，其在接下来进行图案化的曝光工艺中可以因为曝光而产生反应(例如是交联或裂解)；而作为促进层400的聚合物层非感光性聚合物，其在接下来进行图案化的曝光工艺中不会因为曝光而产生反应(例如是交联或裂解)。再者，作为掩模层500的聚合物层在经过曝光/未曝光之后，在接下来进行图案化的显影工艺中可被显影；而作为促进层400的聚合物层不论是否经过曝光或是未曝光，在接下来进行图案化的显影工艺中也不会被显影。常见的显影液例如是有机碱显影液。有机碱显影液例如是四甲基氢氧化铵(tetramethylammonium hydroxide,TMAH)。

在本发明的一些实施例中，促进层400介于遮蔽层300以及掩模层500之间，并与其二者黏着。促进层400与掩模层500可以使用相同的方法，例如是旋转涂布的方式来形成，因此可以简化工艺。由于遮蔽层300与掩模层500之间并不需额外的硬掩模层来作为后续进行图案化遮蔽层300步骤的掩模。因此，可以不需要额外进行化学气相沉积工艺来形成硬掩模层。

请参照图2以及图8，进行步骤820，对掩模层500进行图案化，以形成图案化掩模层500a。将掩模层500图案化的方法例如是对掩模层500的特定区域进行曝光，再以显影液将被曝光(或未被曝光)的掩模层500移除。用来对掩模层500进行曝光的光源例如是KrF光源(248nm)、ArF光源(193nm)或其他波长合适的光源。显影液例如是有机碱显影液。有机碱显影液例如是四甲基氢氧化铵(TMAH)。

由于本发明中可以使用相当薄的掩模层500(厚度例如是在约800埃至约2000埃之间)，因此，使用现有的曝光机台进行曝光即可具有足够的聚焦深度(DOF)。此外，在以显影液移除部分掩模层500时，位于掩模层500下方的促进层400不会被显影液移除或因显影液损坏，且可以留下来，在后续将遮蔽层300图案化的工艺中与图案化掩模层共同作为掩模(Mask)。

请参照图3以及图8，进行步骤830，以图案化掩模层500a为掩模，对促进层400以及遮蔽层300进行图案化，以形成图案化促进层400a以及第一图案化遮蔽层300a。将促进层400以及遮蔽层300图案化的方法例如是以等离子蚀刻法将图案化掩模层500a的图案转移到促进层400以及遮蔽层300上。在以前述的等离子蚀刻法蚀刻促进层400以及遮蔽层300时，可使用的气体例如是氯(Cl₂)、氧(O₂)或其组合。在一些实施例中，可使用单一的蚀刻步骤将促进层400以及遮蔽层300图案化。换言之，蚀刻促进层400以及遮蔽层300时可以使用相同的气体，甚至相同的参数。从另一方面来说，在对促进层400蚀刻形成图案化促进层400a之后，并不需要先将图案化掩模层500a移除，而可以直接继续蚀刻位于图案化促进层400a下方的遮蔽层300。若在蚀刻遮蔽层300的过程中，图案化掩模层500a遭受蚀刻而销蚀，图案化促进层400a也可以作为掩模(或称硬掩模)，继续进行遮蔽层300的蚀刻工艺。

由于本发明使用单一层的图案化掩模层500a作为掩模来图案化促进层400以及遮蔽层300，而且在蚀刻促进层400时可以使用蚀刻遮蔽层300所使用的蚀刻气体，而不需另外形成额外的硬掩模层作为掩模或另外以不同的蚀刻气体来蚀刻硬掩模，且在将遮蔽层300图案化之前可以不需要进行额外的移除步骤以移除图案化的掩模层，因此，可以减少制作相位移光掩模的步骤，简化相位移光掩模的工艺，减少工艺的时间。在一些实施例中，相位移光掩模制造时间可减少约20％。

请参照图4以及图8，步骤840，移除图案化掩模层500a以及图案化促进层400a，留下第一图案化遮蔽层300a。图案化掩模层500a以及图案化促进层400a可以使用相同的方式，甚至以相同的液体同时移除。在一些实施例中，移除图案化掩模层500a以及图案化促进层400a的方法是通过物理方式，而不是化学反应的方式，将图案化掩模层500a以及图案化促进层400a从第一图案化遮蔽层300a上移除。在一些示范实施例中，移除图案化掩模层500a以及图案化促进层400a的方法是使用非化学溶剂。非化学溶剂是指不会与图案化掩模层500a以及图案化促进层400a产生化学反应的溶剂，其可以是非有机溶剂，例如是以水或其他合适的液体。

请参照图5以及图8，进行步骤850，以第一图案化遮蔽层300a为掩模，对相位移层200进行图案化，以形成图案化相位移层200a。图案化相位移层200的方法例如是以等离子蚀刻法将第一图案化遮蔽层300a的图案转移到相位移层200上。在以前述的等离子蚀刻法蚀刻相位移层200时，可使用的气体例如是含氟气体，含氟气体包括全氟取代气体以及部分氟取代气体。全氟取代气体包括SF₆、CF₄或其组合。

请参照图6至图8，步骤860，选择性移除部分的第一图案化遮蔽层300a，以形成第二图案化遮蔽层300b。请先参照图6，首先，在第一图案化遮蔽层300a上形成图案化掩模层600。图案化掩模层600例如是图案化光刻胶层。图案化光刻胶层可以是正光刻胶或负光刻胶。以图案化掩模层600为掩模，蚀刻第一图案化遮蔽层300a，以形成第二图案化遮蔽层300b。蚀刻第一图案化遮蔽层300a以形成第二图案化遮蔽层300b的方法例如是等离子蚀刻法。在以前述的等离子蚀刻法蚀刻第一图案化遮蔽层300a时，可使用的气体例如是氯(Cl₂)、氧(O₂)或其组合。其后，如图7所示，移除图案化掩模层600。在一些实施例中，移除图案化掩模层600的方法例如是以水或其他合适的液体。在移除图案化掩模层600后，完成相位移光掩模700的制作。

请参照图7，本发明所形成的相位移光掩模700具有不透光区A、透光区B以及部分透光区C。不透光区A上有图案化相位移层200a以及第二图案化遮蔽层300b，可完全遮蔽曝光光源。透光区B上无图案化相位移层200a以及第二图案化遮蔽层300b，裸露出不透光衬底100的表面，可让曝光光源完全穿透而使晶圆上的光刻胶曝光。部分透光区C上有图案化相位移层200a，可让部分曝光光源穿透，但部分穿透的曝光光源强度不足以使晶圆上的光刻胶曝光，且可使光产生180度左右的相位位移。由于穿透部分透光区C的曝光光源与穿透透光区B的曝光光源有180度的相位差，穿透部分透光区C的曝光光源会与穿透透光区B的曝光光源产生相消干涉，而使得欲曝光图形的边缘的对比度提升。

在本发明的一些实施例中，请参照图1，遮蔽层300以及掩模层500之间并不需额外的硬掩模层来作为后续进行图案化遮蔽层300步骤的掩模，因此，本发明可简化相位移光掩模的工艺。同时，由于本发明在掩模层500下方有促进层400，因此可使用较薄的掩模层500，提升光刻胶图案的分辨率。在一些实施例中，其分辨率可提升20％以上。

为了说明本发明的优点，下文列举实验例以更具体地描述本发明。

<实验例>

例1是依据本发明对应图1至图7的方法形成各种长宽比的解析辅助特征(subresolution assist feature,SRAF)或称散射条(scattering bar,SB)，其促进层的厚度为10纳米，促进层上的光刻胶层的厚度为100纳米。

比较例1是以氮氧化硅硬掩模层取代促进层来形成各种长宽比的散射条，氮氧化硅硬掩模层的厚度为10纳米，氮氧化硅硬掩模层上的光刻胶层的厚度为100纳米。

比较例2与例1相似，惟光刻胶层和遮蔽层之间不设置其他层(促进层)。

在例1、比较例1以及比较例2中，光掩模的图案比例为欲转移图案的4倍。

表1

如表1所示，在例1中，当光刻胶层进行曝光与显影之后，其显影后检视(ADI)的结果显示，在次解析辅助特征的长宽比分别为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1时，其相位移光掩模的关键尺寸(CD)可分别达到44nm、32nm、28nm、24nm、20nm。图案化促进层可以将图案化光刻胶层牢固的黏住，而不易发生倒塌。

在比较例1中，当光刻胶层进行曝光与显影之后，其显影后检视(ADI)的结果显示，在次解析辅助特征的长宽比分别为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1时，其相位移光掩模的关键尺寸可分别达到78nm、70nm、62nm、52nm、40nm。在比较例2中，当光刻胶层进行曝光与显影之后，其显影后检视的结果显示，在次解析辅助特征的长宽比分别为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1时，其相位移光掩模的关键尺寸可分别达到92nm、80nm、72nm、64nm、48nm。

由表1可知，当在相位移光掩模工艺中加入促进层后，可使得形成的相位移光掩模的分辨率提升。特别是，在相同的次解析辅助特征的长宽比条件下，具有促进层的相位移光掩模的工艺方法可使次解析辅助特征窗(SRAF window)提升50％以上。例如，当次解析辅助特征的长宽比为1:1时，其光刻胶层在显影后检视的关键尺寸可从78nm提升至44nm。

综上所述，由于本发明实施例可用单一层的图案化掩模层(例如光刻胶层)来形成图案化促进层以及图案化遮蔽层，而不需用到硬掩模层作为掩模来图案化遮蔽层，且可用单一移除步骤同时移除图案化掩模层以及图案化促进层，因此，可以较为简化、成本较低且工艺窗(裕度)较大的工艺制作具有高分辨率的相位移光掩模。

由于本发明实施例使用的促进层是由特定聚合物单体来形成的，其具有不被显影液溶解的特性，且在其图案化后可以与图案化光刻胶层共同作为蚀刻硬掩模，因此可使用较薄的光刻胶层，进而提升的图案分辨率，并可与现行的相位移光掩模工艺兼容。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层包括非感光性共聚合物，且不会被显影液所溶解。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层包括由具有疏水基的单体所形成的共聚合物。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层为选自由甲基丙烯酸甲酯、二苯基甲酮以及甲基丙烯酸缩水甘油酯所组成的族群所形成的共聚合物。

依照本发明一些实施例所述，其中对所述促进层以及所述遮蔽层进行图案化的方法包括以相同的蚀刻气体源进行等离子蚀刻。

依照本发明一些实施例所述，其中对所述促进层以及所述遮蔽层进行图案化的方法包括以相同的蚀刻气体源进行等离子蚀刻，其中所述相同蚀刻气体源包括氯(Cl₂)、氧(O₂)或其组合。

依照本发明一些实施例所述，其中移除所述图案化促进层采用物理的方式。

依照本发明一些实施例所述，其中移除所述图案化促进层的方法包括使用水。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层的材料包括有机材料。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层的组成与所述掩模层的组成不同。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层的材料包括第一聚合物；所述掩模层的材料包括第二聚合物，所述第一聚合物的材料与所述第二聚合物的材料不同。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层包括非感光性聚合物；所述掩模层包括感光性聚合物。

依照本发明一些实施例所述，其中对所述促进层以及所述遮蔽层进行图案化的方法包括以相同的蚀刻气体源进行等离子蚀刻，其中所述相同蚀刻气体源包括氯、氧或其组合。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层的材料包括第一聚合物。

依照本发明一些实施例所述，其中所述促进层包括非感光性聚合物。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种相位移光掩模的形成方法，其特征在于，包括：

在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层、促进层以及掩模层；

图案化所述掩模层，以形成图案化掩模层；

以所述图案化掩模层为掩模，对所述促进层和所述遮蔽层进行图案化，以形成图案化促进层和第一图案化遮蔽层；

移除所述图案化促进层，其中在移除所述图案化促进层时同时移除所述图案化掩模层；

以所述第一图案化遮蔽层为掩模，对所述相位移层进行蚀刻，以形成图案化相位移层；以及

选择性移除所述第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。

2.一种相位移光掩模的形成方法，其特征在于，包括：

在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层以及双聚合物层，其中所述双聚合物层包括掩模层以及位于所述遮蔽层和所述掩模层之间的促进层；

图案化所述掩模层，以形成图案化掩模层；

以所述图案化掩模层为掩模，对所述促进层和所述遮蔽层进行图案化，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层；

移除部分所述第一图案化遮蔽层，以形成第二图案化遮蔽层。

3.一种相位移光掩模的形成方法，其特征在于，包括：

在透光衬底上依序形成相位移层、遮蔽层以及促进层；

以相同的蚀刻气体源，对所述促进层以及所述遮蔽层进行蚀刻，以形成图案化促进层以及第一图案化遮蔽层；

移除所述图案化促进层；

4.根据权利要求1至3项中任一项所述的相位移光掩模的形成方法，其中，所述促进层包括非感光性共聚合物，且不会被显影液所溶解。

5.根据权利要求1至3项中任一项所述的相位移光掩模的形成方法，其中，所述促进层包括由具有疏水基的单体所形成的共聚合物。

6.根据权利要求1至3项中任一项所述的相位移光掩模的形成方法，其中，所述促进层为选自由甲基丙烯酸甲酯、二苯基甲酮以及甲基丙烯酸缩水甘油酯所组成的族群所形成的共聚合物。

7.根据权利要求1或2所述的相位移光掩模的形成方法，其中，对所述促进层以及所述遮蔽层进行图案化的方法包括以相同的蚀刻气体源进行等离子蚀刻。

8.根据权利要求7所述的相位移光掩模的形成方法，其中，所述相同的蚀刻气体源包括氯、氧或其组合。

9.根据权利要求1至3项中任一项所述的相位移光掩模的形成方法，其中，移除所述图案化促进层采用物理的方式。

10.根据权利要求1至3项中任一项所述的相位移光掩模的形成方法，其中，移除所述图案化促进层的方法包括使用水。