CN1423170A - 转移图形的方法 - Google Patents

Abstract

一种转移图形的方法,是通过两阶段曝光将图形由光罩转移至晶片表面的光阻层上。第一阶段为对欲形成图形区域的光阻层,以一第一光源能量及第一光罩进行第一阶段曝光,以改变光阻层的材料性质。第一光罩包含第一图形。第二阶段使用一含有第二图形的第二光罩,并使用一第二光源能量对欲形成图形区域上光阻层进行曝光。第二光罩包含不规则分布或规则分布的第二图形。最后进行显影后,若使用的光阻层为正光阻层,则经过两次曝光的光阻层将被移除,若使用的光阻层为负光阻层,则经过两次曝光的光阻层将保留而形成所需图形。第一光源能量与第二光源能量均小于光阻层的显影临界值,且第一光源能量加上第二光源能量必须大于或等于光阻层的显影临界值。

Description

转移图形的方法

技术领域

本发明涉及一种转移图形的方法，特别是有关一种利用两阶段曝光的方式将图形成功地由光罩转移至晶片表面的光阻层上的方法。

背景技术

当集成电路(integrated circuit；IC)的密度不断地扩大时，为使晶片(chip)面积保持一样，甚至缩小，以持续降低电路的单位成本，唯一的方法，就是不断地缩小电路设计规格(design rule)。当缩小规格时，所遭遇的最大瓶颈，即是黄光微影技术。除非黄光微影成像能逐渐缩小化，否则集成电路技术的发展必遭受到停顿的命运。

集成电路制作中的微影成像术(photolithography)是将为数众多的电子零件和线路，一层一层地转换到一个微小的晶片上，每一层均有一片光罩，靠着光学成像原理，光线经过光罩、透镜而成像在晶片表面上，晶片表面必须有如照相底片那样的物质存在，属于可感光的胶质化合物(光阻)，经与光线作用和化学作用方式处理后，即可将光罩的图形一五一十地转移到晶片上，因此在微影成像制程上，光罩、光阻、光阻涂布显影设备及对准曝光光学系统等皆为必备的条件。随着集成电路工业的进步，晶片内需要容纳的元件不断以倍数成长，造成线宽不断缩小，使得不停地寻找新材料，突破光学瓶颈的技术开发等，成为微影成像所需时时面临的挑战。

此外，因为微影成像的光阻材料是对光敏感物质，若暴露在一般光线下，将使之产生变化，而无法做好定像的工作，有如处理照相底片那样，必须在暗房内进行，微影成像也需被限定在特殊环境下，一般皆在黄光下进行，所以通称为黄光室。由于集成电路线路复杂，宽度皆达到微米(μm；10^-6m)以下，所以必须在无尘洁净室中制造，而在微影成像过程中，对洁净度的要求更加严格，因为任何灰尘微粒，都可能因成像而造成元件缺陷，使电路模糊。

近代次微米集成电路制作技术，对线宽控制有着极为严苛的需求，若以更微观的角度或是更严密的定义看，线宽控制的需求应推广至对晶片内任一图形及图形的任一角落的尺寸大小要求，也即考虑到晶片图形对于光罩的相对应图形的「传真度」(Fidelity)由于光罩图形是以光为介质通过光学透镜转送至晶片上，光在进入光阻层前的「影像分布」(aerial image)通常已不似光罩上的图形那样「完美」。此项缺陷一般称为光学近似效应(optical proximity effect；OPE)。图形与图形间因光线绕射而互相影响，除了让图形失真外，也同时让加工空间(process window)变小，如果图形失真已是无可避免，为求晶片上的图形合乎设计者需求，则可考虑先将光罩图形依某种规则进行图形修正以额外的图形来补偿或削减所述图形失真之处，此项技术称为光学近似效应修正技术(optical proximity correction；OPC)。

参照图1所示，此为光学近似效应的示意图。虽然微影技术已进入深次微米领域，但面对类似一微米见方方块图形10的处理时，难免在最终光阻图形的角落出现圆角(round corner)的现象，而使得此微米见方方块图形10在进行传统的曝光及显影加工后，容易因为光学近似效应而失真变成一圆形15。此微米见方方块图形10其尺寸大约小于或等于1微米见方。这是由于X方向边缘及Y方向边缘的绕射光线于此交会的结果，随着尺寸渐趋微小，角落与边缘的曝光比例也相对增加，圆角也趋明显。为解决此一问题，最单纯的解决方式即将角落遮光图形往外「推出」(参照图2所示)，即将微米见方方块遮光图形的角落向外延伸，以减少角落曝光过度的现象，或也可单纯以图形「补偿」的观念来予以想象，也即已知结果为圆角，故预先放置额外的凸出图形20(通常为更微小的方块)予以补偿，以使此微米见方方块图形10在进行传统的曝光及显影的加工后，依旧是形成一方形的图形25。放置的补偿图形又称为「饰纹」(serif)，其大小及位置的决定则需视加工的参数而决定。

当然在实际上集成电路光罩图形并不全然如此单纯。一般的光罩图形包含重复性图形(存储器类产品)与任意图形(周边电路或逻辑产品)等两类图形的光学特性不同，但基本进行光学近似效应修正时，应有两项需要考虑：(1)两邻近不同图形(各点)间的距离；(2)图形的区域性密度(local area density)。尤其是在考虑图形的区域性密度时，应该同时考虑当对微影成像与等离子体蚀刻两者的影响。因此使用光学近似效应修正的方法，会使微影加工更为复杂化而降低加工运作的效率。而使用光学近似效应修正法时，必须在光罩上增加针对角落所延伸出的图形，容易增加制作成本。使用光学近似效应修正法必须经过相当复杂的考虑与步骤，虽然此改善方法已修正了光学近似效应，但是仍无法精确地显示出所要成形的图形，因此图形转换后的尺寸精度无法符合在半导体制作线宽日益缩小下的需求。

发明内容

本发明的一目的是提供一利用两阶段曝光的方式将图形成功地由光罩转移至晶片表面的光阻层上的方法，以提高图形转移时图形尺寸的精准度、简化制作所需的步骤、加速加工运作的效率及降低制作运作的生产成本。

为实现上述目的，根据本发明一方面的转移图形的方法，其特点是包括下列步骤：提供一晶片，该晶片包含一光阻层；使用一第一光源能量及一第一光罩照射部分的该光阻层，其中所述的第一光罩包含一第一透光区且该第一光源能量小于该光阻层的一显影临界值；以及使用一第二光源能量及一第二光罩照射部分的该光阻层，其中所述的第二光罩包含一第二透光区，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠，该第二光源能量小于该光阻层的该显影临界值，且该第一光源能量加上该第二光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上。

根据本发明另一方面的转移图形的的方法，其特点是包括下列步骤：提供一晶片，该晶片包含一光阻层；安装该晶片于一曝光机上，该曝光机包含一光源；使用一第一光源能量及一第一光罩照射部分的该光阻层，所述的第一光罩包含一第一透光区且该第一光源能量小于该光阻层的一显影临界值；使用一第二光源能量及一第二光罩照射部分的该光阻层，所述的第二光罩包含一第二透光区，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠，该第二光源能量小于该光阻层的该显影临界值且该第二光源能量加上该第一光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上；以及移除部分的该光阻层以在该晶片上利用部分的该光阻层形成一所需的图形。

根据本发明又一方面的转移图形的方法，其特点是该方法包含：提供一晶片，该晶片包含一光阻层；安装该晶片于一曝光机上，其中该曝光机包含一光源；安装一第一光罩于该曝光机上，其中所述的第一光罩包含一第一透光区与一第一图形，该第一图形的一范围大于所欲在该光阻层上形成一所需的图形的一范围；使用一第一光源能量照射部分的该光阻层以进行一第一阶段曝光制程；取下该第一光罩；安装一第二光罩于曝光机上，其中所述的第二光罩包含一第二透光区与一第二图形，该第二图形为一不均匀分布的图形且该第二图形的范围大于所欲在该光阻层上形成该所需的图形的该范围，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠；使用一第二光源能量照射部分的该光阻层，其中所述的第二光源能量加上该第一光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上；以及移除部分的该光阻层以在该晶片上利用部分的该光阻层形成该所需的图形。

本发明可提高图形转移时图形尺寸的精准度并简化制作所需的步骤，还可加速加工运作的效率，并可降低加工运作的生产成本。

附图说明

图1为光学近似效应的示意图；

图2为光学近似效应修正法的示意图；

图3为一半导体元件的俯视图；

图4为欲在光阻层上形成的不规则图形的示意图；

图5为第一光罩的示意图；

图6为第二光罩的示意图；

图7为第一光罩与第二光罩重叠的示意图；及

图8为利用本发明的曝光方法，在晶片上形成光阻层的示意图。

具体实施方式

本发明的一些实施例详细描述如下。然而，除了详细描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例施行，且本发明的范围不受其限定，而是以权利要求书所限定的专利范围为准。

参照图3所示，此为一半导体元件的俯视图。此半导体元件包含数条字符线(word line)100与数条位元线(bit line)110。为了要使此半导体元件产生「0」与「1」的信号，通常是利用微影及蚀刻的方式移除数条字符线100的某些区域120，使字符线发生断路的现象以达到此半导体元件功能上的需求。若是在微影加工中，无法精准地定位数条字符线100上所需移除的位置，则在后续蚀刻的过程中，可能无法完全移除所欲移除的字符线上所欲移除的部分，或是蚀刻至位元线，而影响半导体元件的性能与品质。

对于一般的微影加工而言，若在光罩上的透光区与不透光区的距离相等，且光罩上透光区或是不透光区的区域性密度较为一致，则在曝光后，图形由光罩上转移至光阻层上的精准度较高。但是随着半导体元件的体积越来越小，加工宽度也越来越小，而半导体元件本身的功能越来越多，因此在半导体元件内的线路也变得越来越复杂，而光罩上的图形也随的变得复杂化，因而导致光罩上透光区与不透光区的区域性密度差异性非常大。

本发明的方法可用来将光罩上的图形顺利地转移至光阻层上，以避免光学近似效应的发生。因此光罩上的图形可为一规则分布的图形，也可为一不规则分布的图形。以下所述仅为本发明的一实施例，它是针对不规则分布的图形进行图形转移，但并不限制本发明的范围。参照图4所示，此为一光罩上的图形分布情形。此光罩200为用来在数条位元线与数条字符线的部分区域上形成光阻层，以在后续蚀刻的过程中移除数条位元线上的部分区域，使半导体元件产生「0」与「1」的信号。因此此光罩200包含数个透光区210与不透光区，这些透光区域210若对应到晶片上，则表示数条位元线上的部分欲移除的区域。因半导体元件的功能趋于复杂化，因此光罩200上的透光区域210相对也随之复杂，而成为不规则形状的分布图形。

此区域性密度差异很大的不规则分布图形，若采用传统一次曝光的方式是相当难成功地将光罩上的图形转移至光阻层上。若将曝光仪器的参数针对区域性密度较小的区域进行调整，则在经过曝光及显影的过程后，光罩上区域性密度较小的图形将能成功地转移至光阻层上。但是对于光罩上区域性密度较大的图形而言，将会在曝光的过程中，因为光学近似效应的缺陷或是过度曝光而在经过显影的过程后，所有的图形将会纠结在一起而无法成功由光罩上转移所需的图形至光阻层上。若将曝光仪器的参数针对区域性密度较大的区域进行调整，则在经过曝光及显影的过程后，光罩上区域性密度较大的图形将能成功地转移至光阻层上。但是对于光罩上区域性密度较小的图形而言，将会在曝光的过程中，因为曝光不足而在经过显影的过程后，区域性密度较小的图形将无法顺利在光阻层上成形，而使光罩上的图形无法成功地全部转移至光阻层上。若要将区域密度较大的区域与区域密度较小的区域分成两步骤曝光，首先会碰到的难题为要如何限定区域密度的大小，接下来则是此两种光罩的定位精度要求非常高，容易因光罩定位的问题而导致微影加工的失败。因此必须采用光学近似效应修正法，以使光罩上的图形完整地转移至光阻层上。然而光学近似效应修正法容易使加工复杂化并容易降低加工运作效率且提高加工运作的成本。因此必须采用本发明的方法利用两阶段曝光的方式以成功且精准地将光罩上的图形转移至光阻层上。

若微影加工欲将一不规则分布的图形(参照图4所示)由光罩转移至光阻层，以在后续蚀刻过程移除数字符线的部分区域，使半导体元件产生「0」与「1」的信号时，首先必须提供一晶片，该晶片上至少包含字符线与位元线，且字符线与位元线上均包含一光阻层，此光阻层为着加工的需求不同而不同，在此制程中采用正光阻层。接下来将晶片固定在曝光机上，并将第一光罩300(参照图5所示)安装在曝光机上，经过定位及校正的手续后，使用第一光源能量对晶片上的光阻层进行第一阶段的曝光加工。第一光罩至少包含第一透光区310与第一不透光区。第一光罩上的第一透光区310为半导体元件上的字符线的区域。第一光源能量小于光阻层显影的临界值。通常第一透光区310的范围均大于欲在光阻层上所形成的图形的范围。

接下来将第一光罩300由曝光机上取下，并将第二光罩400(参照图6所示)安装在曝光机上，经过定位及校正的手续后，使用第二光源能量对晶片上的光阻层进行第二阶段的曝光加工。第二光罩包含第二透光区410与第二不透光区。第二光罩上的第二透光区410为欲在光阻层上形成的不规则分布图形。通常第二透光区410的范围均大于欲在光阻层上所形成的图形的范围。但是为了配合加工的运作与提高加工的运作效率，通常第二光罩所包含的不规则分布图形为近似在光阻层上所欲形成的不规则分布图形，两者的图形并不一定要完全相同。第二光源能量小于光阻层显影的临界值。而第一光源能量加上第二光源能量则需大于或等于光阻层显影的临界值。在本发明中第一光源能量及第二光源能量所采用的光源种类并不限制，通常是加工的需求而决定所采用的光源种类，诸如：偶极光(dipole ray)、深紫外光(deepultra-violet ray)、或是偏轴光等。通常第一光源能量均大于第二光源能量，以获得较佳的图形转移结果。但是随着加工需求的不同，有时第一光源能量也会小于第二光源能量以符合加工上的要求。

最后将晶片由曝光机取下，并利用显影剂移去不必要的光阻层，而将所需要的图形留在晶片表面上以进行后续加工步骤。光阻层为一化学薄膜，其特性为曝光后会产生化学变化。若光阻层为一正光阻层，则经过曝光的部分正光阻层在后续显影的加工时会被显影剂所移除而留下部分未曝光的正光阻层。若光阻层为一负光阻层，则未经过曝光的部分负光阻层在后续显影的加工时会被显影剂所移除而留下部分曝光的正光阻层。光阻层在曝光的过程中，所使用的光线能量必须到达一数值以上时，光阻层才会在经过曝光及显影的过程后，显现出光罩上所欲呈现的图形。当曝光的过程中，所使用的光线能量低于一数值时，虽然光阻层曾经过曝光的制程，但在显影后，光阻层仍无法显现出光罩上所欲呈现的图形。此一数值通常称为光阻层显影的临界值。不同材料的光阻层，其显影的临界值均不相同。

当使用第一光罩300及第一光源能量对字符线上的光阻层进行第一阶段的曝光制程后，虽然所使用的第一光源能量低于光阻层的显影临界值，而导致字符线上的光阻层仍无法显影而成功转移第一光罩的图形。但是字符线上经过曝光的光阻层，其化学性质已被第一光源能量所改变。当使用第二光罩400及第二光源能量对字符线上部分的光阻层进行第二阶段的曝光后，部分只受到第二光源能量影响的区域，因第二光源能量小于光阻层显影的临界值，因此仍无法显影而成功转移第二光罩的图形。由于光源能量在光阻层内有累加的作用，因此当第一光源能量加上第二光源能量大于或等于光阻层显影的临界值，字符线上的部分的光阻层，因同时受到第一光源能量及第二光源能量的影响，而有足够的动能发生化学变化。因为在本实施例中所使用的光阻层为正光阻层，因此在经过后续显影加工后，部分同时经过第一光源能量及第二光源能量照射的光阻层将被显影剂移除，以顺利由第二光罩上转移图形至光阻层。接下来可进行蚀刻加工以移除部分的字符线，使半导体元件完成后可产生「0」与「1」的信号。

参照图7所示，此为在同一参考点上将第一光罩与第二光罩重叠的示意图。第一光罩的第一透光区310与第二光罩的第二透光区410所相互重叠的部分700，即为在光阻层上同时接受第一光源能量与第二光源能量的区域。参照图8所示，此为利用本发明的曝光方法，在晶片上形成光阻层的示意图。晶片上包含字符线800与位元线810。为了要达到本发明的目的以移除数字符线800的某些部分，因此在本实施例中采用正光阻。在经过显影后，光阻层同时接受第一光源能量与第二光源能量的区域820将可被精确地被移除，而可顺利进行后续的蚀刻步骤。

在另外一个实施例中，若要在数字符线及数位元线的某些部分内植入所需的离子，则可采用负光阻层作为光阻层的材质。当利用本发明的曝光方法，分两阶段对光阻层进行曝光并经过显影后，光阻层同时接受第一光源能量与第二光源能量的区域将可被精确地留下，而欲植入离子的区域上的光阻层将可被精确地移除，以顺利进行后续的离子布植的过程。

根据以上所述的实施例，本发明提供了一种方法，利用两阶段曝光的方式将图形由光罩成功地转移至晶片表面的光阻层上。第一阶段为对欲形成图形的区域上的光阻层，以一第一光源能量及第一光罩(photo mask)进行第一阶段的曝光，以改变光阻层的材料性质。第一光罩上包含第一图形。第二阶段为使用一含有第二图形的第二光罩，并使用一第二光源能量对欲形成图形的区域上的光阻层进行曝光。第二光罩包含一不规则分布或一规则分布的第二图形。最后进行显影的步骤后，若使用的光阻层为正光阻层，则经过两次曝光步骤的光阻层将会被移除，若使用的光阻层为负光阻层，则经过两次曝光步骤的光阻层将会遗留下来，而形成所需的图形，以利后续进行蚀刻或是掺杂加工。第一光源能量与第二光源能量均小于光阻层的显影临界值，且第一光源能量加上第二光源能量必须大于或等于光阻层的显影临界值。本发明可提高图形转移时图形尺寸的精准度并简化制程所需的步骤。本发明也可加速加工运作的效率，还可降低加工运作的生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，此实施例仅是用来说明而非用以限定本发明的申请专利范围。在不脱离本发明的实质内容的范畴内仍可予以变化而加以实施，此等变化应仍属本发明的范围。因此，本发明的范围由权利要求书所界定。

Claims (10)

1.一种转移图形的方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供一晶片，该晶片包含一光阻层；

使用一第一光源能量及一第一光罩照射部分的该光阻层，其中所述的第一光罩包含一第一透光区且该第一光源能量小于该光阻层的一显影临界值；以及

使用一第二光源能量及一第二光罩照射部分的该光阻层，其中所述的第二光罩包含一第二透光区，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠，该第二光源能量小于该光阻层的该显影临界值，且该第一光源能量加上该第二光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上。

2.如权利要求1所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第一光源能量大于该第二光源能量。

3.如权利要求1所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第二光源能量大于该第一光源能量。

4..一种转移图形的的方法，其特征在于，包括下列步骤：

提供一晶片，该晶片包含一光阻层；

安装该晶片于一曝光机上，该曝光机包含一光源；

使用一第一光源能量及一第一光罩照射部分的该光阻层，所述的第一光罩包含一第一透光区且该第一光源能量小于该光阻层的一显影临界值；

使用一第二光源能量及一第二光罩照射部分的该光阻层，所述的第二光罩包含一第二透光区，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠，该第二光源能量小于该光阻层的该显影临界值且该第二光源能量加上该第一光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上；以及

移除部分的该光阻层以在该晶片上利用部分的该光阻层形成一所需的图形。

5.如权利要求4所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第一光罩包含一第一图形。

6.如权利要求5所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第一图形的范围大于该所需的图形。

7.如权利要求4所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第二光罩包含一第二图形。

8.如权利要求7所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第二图形为一规则分布的图形。

9.如权利要求8所述的转移图形的方法，其特征在于，所述的第二图形为一不规则分布的图形。

10.一种转移图形的方法，其特征在于，该方法包含：

提供一晶片，该晶片包含一光阻层；

安装该晶片于一曝光机上，其中该曝光机包含一光源；

安装一第一光罩于该曝光机上，其中所述的第一光罩包含一第一透光区与一第一图形，该第一图形的一范围大于所欲在该光阻层上形成一所需的图形的一范围；

使用一第一光源能量照射部分的该光阻层以进行一第一阶段曝光制程；

取下该第一光罩；

安装一第二光罩于曝光机上，其中所述的第二光罩包含一第二透光区与一第二图形，该第二图形为一不均匀分布的图形且该第二图形的范围大于所欲在该光阻层上形成该所需的图形的该范围，部分的该第二透光区与部分的该第一透光区相互重叠；

使用一第二光源能量照射部分的该光阻层，其中所述的第二光源能量加上该第一光源能量的数值达到该光阻层的该显影临界值以上；以及

移除部分的该光阻层以在该晶片上利用部分的该光阻层形成该所需的图形。

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