CN1160763C - 改进的临界尺寸控制 - Google Patents

Abstract

一种具有改进的临界尺寸(CD)控制的光刻系统。该光刻系统包括一检测器，用于确定由光致抗蚀剂吸收的光能量，这使光刻系统以所要求的曝光剂量来曝光每个区域，从而减少CD内的变动。

Description

改进的临界尺寸控制

本发明一般涉及集成电路制造，特别涉及光刻胶层的构图。

在器件的制造中，在一衬底或一晶片上形成绝缘层、半导电层和导电层。对这些层进行图形刻蚀以产生细节和间隔，形成器件，如晶体管、电容和电阻。然后对这些元器件互相连接获得所需要的电功能。

采用光刻进行各种元件层的图形刻蚀。光刻指的是将一图象从掩模上映在基片表面上的方法。该图象照亮形成在晶片表面的抗蚀剂层，将其曝光成需要的图形。

用于曝光抗蚀剂层的曝光量要足以使其显影。曝光量定义为在mJ/cm²的每单位面积辐射的能量。根据采用的是正性光致抗蚀剂还是负性光致抗蚀剂，去掉抗蚀剂层的曝光或非曝光部分。例如，抗蚀剂层的非保护部分被蚀刻，从而在基片上形成部件和间隔。

部件和间隔的尺寸取决于光刻系统的分辨率。由光刻系统的一特定加工获得的最小特征尺寸(F)称为光刻的基尺(groundrule)。临界尺寸(CD)定义为必须控制的最小特征尺寸，例如，包括线宽，间隔和接触宽度。

在普通的光刻中，CD会发生变动。例如进入光致抗蚀膜的曝光辐射的内偶联过程(incoupling)中的变动引起这样的变动。内成色指的是由光致抗蚀剂内的感光化合物吸收的曝光能量。这些变动一般由可变的光学性能引起，这些可变的光学性能如整个晶片的不均匀膜沉积；晶片—晶片的介质厚度变动；抗蚀剂厚度变动，抗蚀剂涂敷变动(低温烘焙温度等等)。

由于采用连续缩小的尺寸，控制CD的能力变得更接近临界。特别是，在曝光源进入光致抗蚀剂内的内偶联过程中的变动会引起CD变动从而超过额定容许量，使成品率下降。

为了抵制由CD过度变动引起的不利影响，采用了消反射涂层(ARC)。一般，ARC的厚度由一时间消耗最优化过程决定。尽管ARC在改进CD控制中很有效，但是采用它很昂贵并需要附加工艺。

鉴于以上讨论，需要改进CD控制。

根据本发明的一个特征，提供一种将一掩模图形转移到光致抗蚀剂层的方法。该方法包括在光致抗蚀剂层上面放置一掩模的步骤，其间放置光学投影透镜。在该掩模上放置一光能辐射源。来自该辐射源的光能穿过该掩模，再穿过该透镜后以入射光射在光致抗蚀膜上。根据朝向入射光反射回来的光能测量值来控制光能辐射源的光强。

采用这样的方法，根据光致抗蚀剂层内实际被吸收的光能控制光致抗蚀剂层中孔径的大小，而不是根据预先确定的工艺的统计特性来设定工艺中的固定曝光时间。

根据本发明的另一特征，提供了一种将一掩模图形转移到一光致抗蚀剂层的方法。该方法包括在一结构的表面上放置光致抗蚀剂层。一掩模放置在光致抗蚀剂层上，其间设有光学投影透镜。光能辐射源放置在掩模上，并作为入射光通过掩模的曝光部分照射在光致抗蚀剂层上。被反射的入射光能量和入射在光致抗蚀剂层的光能量可测定。根据被测定的光能来控制光源的功率。特别是，当被测定的光能显示光致抗蚀剂层吸收的光量已达到预定阈值时，切断光源。根据光致抗蚀剂层内形成的孔径的大小选定预定阈值。

通过下述详细说明和参照附图，上述和其它本发明的特性和优点变得更显而易见，其中：

图1是用于将掩模的图形转移到光致抗蚀剂层上的普通光刻系统的示意图；

图2是根据本发明的光刻系统的示意图；

图3是图2所示的光刻系统的放大部分的示意图；

图4示出衬底上不同厚度二氧化硅介质的反射光强度作为曝光时间函数的模拟结果曲线图；

图5是本发明另一实施例的放大部分的示意图；

图6是根据本发明的一实施例的控制器；

图7是由表示如上述那样计算的吸收能量作为不同厚度的二氧化硅介质层的曝光时间的函数的关系曲线；

图8是表示根据本发明的在有和没有终点检测情况下达到透明的剂量比率作为介质二氧化硅层厚度的函数的曲线。

本发明涉及光刻中改进的CD控制。通过控制光致抗蚀剂的曝光量来获得改进的CD控制。为了便于讨论本发明，对一种传统的光刻进行了描述。

在图1中，示出诸如步进器(stepper)的常规投影印刷装置的简单视图。这样的系统例如在Pol等人的“基于受准激分子激光的光刻：一种深紫外线晶片步进器”SPIE vol.633，6(1986)和Ungerd等人的“一种适于生产的基于受准激分子激光的步进器”，SPIE vol.1674，(1992)中作了描述，在这里作为参考引入。该投影印刷装置包括一曝光源110。曝光源的电源由一电源18提供。投影印刷装置还包括光束传送子系统20、照明装置24、一用于安装掩模12的掩模架13、一投影透镜26和安装如半导体晶片的衬底14的晶片台30。

在工作中，曝光源16通过光束传送子系统20发出辐射光。一般，该光束传送子系统包括不同反射镜和/或反射元件如透镜，以使辐射光线进入照明装置24。照明装置24接收辐射光并由此从空间上控制能量，以供给掩模12的最佳亮度。掩模包含透明的和不透明的区域。这些区域构成符合电路特征的图形。然后由投影透镜26将掩模的图象投影在覆盖晶片14的光致抗蚀剂层上，晶片14安放在晶片台30上。如果掩模的图形被透镜缩小，则该掩模称为原版(reticle)。投影透镜一般包括一组透镜。晶片台包括由计算机(未示出)控制的使图形准确对准的精确移动和旋转控制器。

在步进器中，掩模的图形投影在晶片的一部分上并使此处的光致抗蚀剂曝光。被曝光的晶片部分称为曝光区。一旦预定的曝光量已经被传送到曝光区上，该晶片台使该晶片移动或步进以对随后的曝光区曝光。

如上所述，传统的光刻系统难于控制CD变动。在有些情况下，CD的变动超过额定的允许值，对产品率有不利影响。

参照附图2，图中显示了根据本发明的光刻系统。使用扫描或步进技术(扫描器或步进器)的该光刻系统提供了改进的CD控制。光刻系统210包括一曝光源216。例如，该曝光源可以是紫外线(UV)源如水银弧光灯，或是远紫外线(DUV)源如受激准分子激光器。其它对光致抗蚀剂曝光的曝光源也是很有效的。曝光源216由电源218供电。从曝光源216发出的光直射在掩模212上。从示意图看，光通过光束传输系统220和照明装置224直射在掩模上。

在一个实施例中，光束传输系统包括一快门。该快门可以是机械式的，它控制从曝光源到掩模的光路。该快门根据从控制器210传到线路211上的控制信号来有选择性地打开或关闭。

掩模12在一个实施例中是一原模，它具有一图形，该图形包括对曝光源的光线透明或不透明的区域。这里对光透明的区域称为孔径。例如，掩模图形对应于在晶片上待形成的电路部件。

透过掩模212的光形成掩模的图象。该图象然后通过光学系统226，例如是一投影透镜，投影在一晶片214的表面，晶片214安装在一晶片台215上。晶片一般包括覆盖有一光致抗蚀剂层的半导体部件。如图所示，该光学系统226包括一组透镜。光致抗蚀剂层由掩模图象曝光。曝光后，根据采用的是正性还是负性光致抗蚀剂层，对曝光部分或非曝光部分进行显影。

在光刻系统中提供了一检测器230。该检测器检测在一曝光区内的由光致抗蚀剂吸收的光能量。在一实施例中，吸收的光能是传到晶片表面的光能(入射能)与晶片表面反射的光能(反射能)之差。如图所示，检测器位于光能量的光路上，接近光学系统226的孔径。由于入射在晶片表面的光的一部分往回反射到投影透镜上，因此有利于使检测器检测入射能以及反射能。

由检测器检测的入射能和反射能信号输入控制器210。这两种能量之差表示由光致抗蚀剂吸收的能量。控制器还接收外部输入209，它是阈值控制信号。一般设定该阈值控制信号等于所要求的对抗蚀剂的曝光量(达到透明的量)。所要求的曝光量与使用的抗蚀剂的类型有关。一般，尽管所要求的的曝光量已由一抗蚀剂制造者给定，但是还应通过实验进行优化。一旦光致抗蚀剂吸收的能量超过阈值或要求的曝光量，则停止入射光射入曝光区。在一个实施例中，通过关闭光束传递光学系统内的快门来停止光的入射。这样，可有效地防止入射光射到晶片上的光致抗蚀剂。然后，光刻系统移动到下一个曝光区对其内的抗蚀剂进行曝光。图3更详细显示检测器230。由曝光源发出的光形成一掩模312的图象，该掩模具有一由光学系统326投影在衬底314上的图形，晶片314安装在一晶片台上。例如，该掩模包括使曝光源的发射光通过的开口，以掩模图形照亮晶片。晶片包括形成在一衬底332内和/或上的电路部件。这些电路由一被层间介质层318隔开的金属层334有选择性地互连而产生需要的电功能。绝缘层336，如二氧化硅或氮化硅，一般放置在金属层334上。光致抗蚀剂层315布置在绝缘层336上面。当然，在晶片或晶片上未示出的层上可包括附加的器件层。

穿过掩模孔径的发射光能由光学系统326直射在置于掩模312下面(即与掩模312对准)的光致抗蚀剂层315的上表面部分340上。曝光的范围称为一曝光区。由光致抗蚀剂层315中的光敏材料吸收的发射光能量影响此处待形成的开口。

所需要的曝光量大约等于由产生具有所需要的尺寸或CD的开口的光致抗蚀剂吸收的能量。理想曝光量称为达到透明的量(dose-to-clear)。当由光致抗蚀剂层315吸收的超过达到透明的量时，则此处在显影后形成开口的CD。这种状态称为曝光过度。曝光不足指的是由光致抗蚀剂层吸收的能量级别低于达到透明的量，其结果是在光致抗蚀剂层的开口形成较小的CDs。如上所述，通过实验来优化达到透明的量。尽管迄今描述使用正性光致抗蚀剂的本发明，但是也可使用负性光致抗蚀剂。

如图所示，检测器230位于光学系统226的孔径附近。该检测器230用于确定由光致抗蚀剂层314吸收的光能。如上所述，由光致抗蚀剂吸收的能量由入射能和反射能之差决定。

在一实施例中，检测器230包括一具有反射面331和332的反射镜。该反射镜小得足以不影响或不使照亮或曝光区失真变形。在一实施例中，反射镜≤约光学系统326孔径的10％，约1-10％比较适宜，约1-5％更好，约1-2％又更好，1％甚至更好，最好≤约1％。反射镜越小，照明区域的失真越少。

当发射光穿过光学系统照亮晶片时，其一部分光射到反射镜的表面331并向传感器352反射。传感器接收到的能量表示照亮晶片的入射光的能量。传感器将接收的能量转换成电信号351。传感器包括，例如一光电二极管。也采用其他的发射光传感器。传感器产生的电信号根据检测的能量级而变动，对应于或用于检测入射能。

当发射光的能量接触晶片表面时，发射光能的一部分在不同材料之间的各界面处反射回到检测器230。例如，能量从下述界面反射：空气—光致抗蚀剂层的界面360；光致抗蚀剂层—电绝缘层的界面362；介质层—金属层的界面364；金属层—介质层的界面365；以及介质层—衬底的界面366。一部分入射能向检测器反射并接触表面231。表面231使反射能射向传感器358，该传感器与传感器352类似。传感器358检测的能量用于测定或对应于来自晶片的反射能。

或者，检测器230包括一具有部分反射面的棱镜。当曝光源的光能穿过棱镜时，一部分光能向传感器352反射。传感器352产生一输出，用于测定入射能。当入射能接触晶片表面时，一部分入射光在不同材料的不同界面被反射回检测器2301。一部分反射光能直射向传感器358，传感器产生一信号用于测定由晶片反射的光能。

例如该棱镜是一反射率为50％的分光器，使一半的光能到达晶片的表面，一半光能反射并由传感器352探测到。这样，由传感器352探测的能量大约等于入射到晶片上的能量。分光器还向传感器358反射大约50％的反射能。由于这仅表示一半反射能，因此乘以2就等于反射能。还采用了具有其他反射率的棱镜。但是，当使用其他反射率的棱镜时，调整传感器产生的信号，使其精确地对应于入射和反射能。

由于光致抗蚀剂的褪色(bleaching)，在曝光时晶片的反射率发生变动。图不同厚度4给出不同内偶联(incoupling)状态下(即置于光致抗蚀剂层下的二氧化硅介质层的)上述变动的模拟。如图所示，晶片的反射率随曝光时间而提高。为补偿这反射率的这种变动，将曝光时的反射强度对时间积分，得到下述方程来确定由光致抗蚀剂层吸收的能量。

这里：

E_吸收＝由光致抗蚀剂层15吸收的能量

I_入射＝第一光传感器352测定的入射光强度

I_反射＝由第二光传感器358测定的反射光强度

T＝曝光开始后的时间推移

参照图5，给出了本发明的另一实施例。如图所示，提供了积分器553和559分别对由传感器352和358产生的信号进行积分。这样，由积分器559产生的信号570表示一段时间的反射能的求积结果，信号554表示一段时间的入射能的求积结果。然后，信号554和570输入控制器210(见图2)，取得两信号之差，从而获得光致抗蚀剂吸收的能量。

参照图6，详细显示了作为例示的一控制器210。如图所示，该控制器接收被积分的入射能信号554和反射能信号570。这些信号输入差分放大器670，产生表示由光致抗蚀剂层15吸收的能量(E_吸收)的输出673。信号673与一阈值电平信号675一起传给比较器622。在一实施例中，该阈值电平信号大约等于所要求的曝光剂量。当信号673的电平大约等于阈值信号的电平时，比较器622产生激活(actire)信号640。激活(actire)信号640表示终点曝光信号，用于终止发射到曝光区域的发射光。在一实施例中，信号640用于控制如光束传输光学系统内的快门。当信号640激活时，快门关闭，阻止发射光到达晶片。

这样，根据本发明，每个曝光区的曝光时间根据该区域内光致抗蚀剂吸收的能量来定。通过根据吸收的能量或所要求的曝光剂量对曝光区定时，大大改进了CD控制。

对具有不同厚度的介质层吸收的曝光的发射能量与时间的关系进行模拟。图7示出了该模拟结果。选择表示光致抗蚀层的所需要的曝光量的一任意曝光阈值(m^J/cm²)，可以看到，如果介质层厚度加大，则要达到所需要的曝光量需要的时间延长。这样，采用所需要的曝光量作为终点控制，当被吸收的能量超过阈值能量时，终止各个曝光过程的进行。

上面对达到透明的曝光量与不同的氧化层厚度的关系进行模拟。图8图示了模拟结果。曲线810表示根据本发明的终点曝光控制的结果。曲线820表示不用终点曝光的结果。如图所示，当终点检测的变动约≤+/-4％时，终点检测的剂量变动在大约≥+/-25％。这样，采用终点曝光检测的曝光量控制得到很大改善。事实上，这样的曝光量控制与有机防反射涂层(ARC)获得的结果相当或比其要好。

Claims (1)

1.一种将掩模图形转移到光致抗蚀剂层上的方法，包括：

从曝光源发射光照亮包括该掩模图形的掩模，产生该掩模图形的图象；

将该图象投影到光致抗蚀剂层上；

检测由该光致抗蚀剂层吸收的发射光量；

当由该光致抗蚀剂层吸收的能量超过一阈值时，在时间T停止向该光致抗蚀剂发射光；

其中，所述检测由光致抗蚀剂层吸收的发射光量包括：

测量从曝光源入射到光致抗蚀剂层上的发射光的强度I_入射，并按下式对这样测出的强度I_入射进行积分：

其中t为时间；

测量入射的发射光从该光致抗蚀剂层反射的部分的强度I_反射，并按下式对这样测出的强度I_反射进行积分：

取 和

的差值；以及按照所确定的差值，在时间T停止曝光。

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