CN1470942A - 光刻技术中的漩涡相移掩模 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光刻方法和装置，该光刻方法和装置用来产生对应相移掩模中的点的光强最小值。掩模产生的光的相移以螺旋的方式围绕所述点变化，以致沿向下经过所述掩模表面的线测量的相移在所述点处有180°跳变，其中所述线通过所述点，围绕所述点穿过的线在130°和230°之间没有跳变，优选在100°和260°之间没有跳变。

Description

光刻技术中的漩涡相移掩模
技术领域
本发明涉及用于各种衬底上掩模图形单元的极高分辨率成像的光刻掩模。尤其涉及相移掩模，其中掩模图案至少部分由与掩模表面相互作用的光的相变来确定。
背景技术光刻
本发明涉及用于制造集成电路、磁装置及其他诸如微型电机等微型装置的显微光刻领域。在该领域中，最终的产品以顺序的方式制造，其中：各种图案首先由“抗蚀”材料形成，随后每个图案限定产品属性。一般为聚合物合成物的“抗蚀”材料对光或者其他形式的辐射敏感。通过将抗蚀材料的不同区域暴露在不同辐射量中在抗蚀剂中形成了图案。在亮(高量)区中，抗蚀剂中发生了这样的化学变化：抗蚀剂溶解在化学浴槽中或者被气体或等离子体蚀刻掉了，这种化学变化比在暗(低量)区中更容易(对于正抗蚀剂)或更不容易(对于负抗蚀剂)发生。如果作用在抗蚀剂上的辐射通量太小，就说抗蚀剂曝光不足，一般正抗蚀剂的曝光不足区域将不会全部溶解掉，而负抗蚀剂在抗蚀剂“显影”(即溶解或蚀刻)时将只有部分溶解掉。使用曝光所需的充足的辐射量，抗蚀剂的非曝光区和曝光区将显影，其中一个区将被溶解掉，而另一个区保留下来作为下一步晶片加工中的保护敷层。对于辐射量太大的，抗蚀剂过度曝光，被曝光的区域易于“爆出”，蚀刻出的线比充分曝光所形成的蚀刻线宽。对于好的抗蚀剂，在这样的曝光不足和过度曝光量之间存在“制造窗”。图案化的抗蚀剂及加工
用曝光工具形成亮和暗区，其中所述曝光工具一般将相应的图案从掩模或者中间掩模上转换到抗蚀剂。掩模或中间掩模自掩模衬底形成，所述掩模衬底是晶体板或其他对用来曝光抗蚀剂的辐射透明的材料，且涂敷有诸如铬等不透明材料。在图案中铬被蚀刻掉以形成掩模。使用的辐射可以是(但不局限于)紫外线和x射线，当均匀照射时，不透明和透明的掩模区域形成亮和暗的图案。在这种技术最通用的实施中，投影透镜在平面衬底上的抗蚀剂膜中形成掩模图案的图象。该图象包括产生抗蚀剂图案的高和低量区。当某些形式的光使用在该加工中时，被称为光刻。波前工程
形成在抗蚀剂中的图案与掩模上的图案不一致，在缺少显微光刻加工而获得最终制造设备所需的图案的方法称为“波前工程”。在用于该目的的各种设备中相移掩模(PSM)是其中之一，相移掩模通过干涉生成所希望的暗区。相移掩模首先由本发明的发明人发表在题为“利用相移掩模改善光刻中的分辨率”M.D.Levenson，N.S.Viswanathan，和R.A.Simpson，IEEE Trans.Electron Devices ED-29，1828-1836(1982)的文章中。从那时起，产生了数百个包含词组“相移掩模”的专利，发表了数千篇包含词组“相移掩模”的文章。相移掩模可以生产线宽小于传统光刻技术的图案，其中光刻胶的低量部分远远窄于高量部分。然而，这样的窄线宽图案的间距限定在λ/N.A.，其中λ是用于曝光抗蚀剂的光的波长，而N.A.是用于曝光抗蚀剂的光学系统的数值孔径。
现在有两种类型的PSM在使用：诸如衰减PSM等弱PSM和诸如交变孔径PSM等强PSM。两者的不同在于：弱PSM只有一种类型的亮图案，而强PSM包含除光相位相差一180°外其他一致的两种类型的亮图案。例如见M.Shibuya，Japanese Patent Showa 62-50811，M.D.Levenson et.al.IEEE Trans.Elect.Dev.ED-29，1828-1836(1982)，和M.D.Levenson，Microlithography World 6-12(March/April 1992)。典型地，窄和“暗”线可以用相移方法产生，其中相移产生自两个相邻的将与掩模相互作用的光的相位移动180°的掩模区。掩模上直线边界将两个掩模区分离开，当掩模成像在抗蚀剂上时，在两个亮区之间产生少量照明或没有照明的非常窄的线。这样的窄线作为诸如半导体装置中的栅极线是非常有价值的。然而，线的长度比线宽大很多。
需要一种图案，其是抗蚀剂中的孔，且要占尽可能小的区域或具有尽可能小的直径。这样的孔用来诸如生产在下面导通线或者其他半导体装置的接点。图1示出三个用于生产这样的孔的现有技术产生的光强度图。AT掩模只是标准掩模衬底的铬覆盖层中的孔，其中所述标准掩模衬底产生曲线10示出的强度。光图案的最小直径由衍射确定，且当铬中的孔减少超过特定的点时该最小直径不会变更小。衰减PSM(曲线14)和边缘移动PSM(曲线12)技术产生稍小直径的亮区。
U.S.专利5,807,649提供一种用相移掩模曝光光刻胶的双曝光系统，所述双曝光系统具有第二掩模以曝光相移掩模留下的不想要的暗区。U.S.5,620,816提供一种双曝光系统，其中无铬相位边缘移动掩模用来曝光除在行和/或列中延伸的线以外的所有光刻胶，然后使用专用掩模曝光行和/或列中不想要的部分。如果使用相同的或者其他的无铬相位边缘掩模曝光相同的抗蚀剂，其中暗线垂直于那些第一次曝光留下的暗线，第一次曝光留下的抗蚀剂的一些非曝光区被曝光，并且非曝光点的阵列具有小直径。现有技术没有示出任何用单次曝光产生非常小非曝光光刻胶区域的方法。PSM设计
已知各种电子设计自动化(EDA)工具用来准备传统和相移掩模中所使用的图案。另外，OPC工具根据曝光系统改变那些图案。已知相移掩模上的孔图案不需要严格地对应最终的电路图案，至少在对应使用交变孔径PSM的第一次曝光而使用传统的遮蔽掩模在抗蚀剂薄膜上进行第二次曝光时不需要严格地对应最终的电路图案。这样的第二次曝光消除由于相位冲突引起的异常。特别地，Numerical Technologies公司在U.S.专利5,858,580中示出了同相设计系统，其中所述同相设计系统使用几何图形与最终电路图案相同的遮蔽掩模和由成对小孔径(移相器)组成的交变孔径PSM，所述一个孔径具有0°相位而所述另一个孔径具有180°相位，所述成对小孔径限定了它们之间的最窄暗图形。
授权于本发明的发明人的相关专利是分别在2001年9月11日和2001年6月26日授权的U.S.S专利6,287,732和6,251,549。本发明的发明人申请的相关专利是作为美国专利申请09/947,336于2001年9月6日提交的题为“普通相移掩模”的专利和作为美国专利申请10/083049于2002年2月25日提交的题为“光刻方法和装置”的专利。以上确定的参考、美国专利和美国专利申请将作为参考。
发明内容
本发明的目的是提供用来在设备上产生很小面积图形的装置、方法和系统。
本发明的目的是提供一种具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的相移掩模衬底。
本发明的目的是提供一种具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的相移掩模衬底。
本发明的目的是提供一种具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的相移掩模。
本发明的目的是提供一种制作具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的相移掩模的方法。
本发明的目的是提供一种使用具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的普通相移掩模的方法。
本发明的目的是提供一种使用具有为在设备上产生很小面积图形而设的图形的普通相移掩模的方法。
本发明的目的是提供一种实现间距小于λ/NA的小面积图形的两位阵列的光刻曝光的方法，其中λ是光刻曝光系统中使用的光的波长，NA是光刻系统的数值孔径。
本发明涉及在设备上产生很小面积图形的系统、装置和方法。相移掩模衬底产生在掩模衬底上围绕一点具有相移变化的区域中，这样与围绕所述点的区域相互作用的光产生光的相位移动，从而在对应所述点的第一区域和围绕第一区域的环形第二区域中有光强的尖且深的最小值，其中所述第一区域中的光强远远大于整个环形区域中的最小值。相移在所述点周围的螺旋图案中变化，在沿穿过所述点的线测量时产生180°相位突变，当沿任何其他横穿对应第二环形区域的掩模区域的线测量时，相位慢慢移动小于130°的量或相位突变大于230°的量。特别地，最优选实施例中的衬底具有类似“台阶”组一样的一圈螺旋梯，其中从衬底的表面向下蚀刻所述“台阶”组，当从一个台阶到另一台阶时，每个台阶的高度会产生小于或者大于130°的相移，从底部台阶回到第一台阶的相移大于大约230°。
附图说明
图1示出现有技术中光刻掩模产生的光强。
图2是优选实施例的透视示意图。
图3示出图2中作为极角θ的相移。
图4是相移掩模衬底的平面图。
图5示出围绕一点产生的作为极角θ的相移。
图6A示出本发明的最优选实施例。
图6B是围绕区域60的螺旋梯的四个台阶的透视图。
图7示出在不透明区域60周围产生的相移。
图8示出强度分布图的计算结果。
图9示出可选实施图案。
图10示出不透明区域90周围产生的相移。
具体实施方式
图2是本发明优选实施例的透视图。相移掩模衬底的扁平表面20具有蚀刻在其上的图形21。图形21的圆形边缘22切入表面20中。示意图中示出围绕中心线25的螺旋斜面23。斜面从相移掩模衬底的原始表面上线24处开始围绕中心线25顺时针行进，其中线24处的相移相对于原始表面20处产生的相移是0°。光照射在相移掩模上时，斜面根据切入的深度产生相移。相对原始表面20的90°、180°、270°和360°相移示出在图中标记的位置上。相移产生对应图形21的光图案，其中光在对应用相移掩模衬底20的表面横截中心线25产生的交点的点上具有强度的深度最低点。从螺旋斜面的一个区域到另一个区域的相位变化不大，因此在围绕交点的区域中没有产生暗线，螺旋斜面23的底部26和螺旋斜面23的顶部之间的相位变化是360°，这也不会产生暗线图形。当原始表面20和斜面23之间的相移接近180°时，边缘22在照明图案中产生暗线。产生的非曝光光刻胶可以在随后的步骤中曝光。
图2的图形产生由环形区域围绕的最小强度的隔离区域，其中整个环形区域的强度远大于曝光最低点处的曝光。
图3示出图2的图形产生的作为极角θ的相移，其中极角θ围绕中心线25测量。在优选实施例中，图2示出的螺旋从几乎包围中心线25的线27的一个末端至线27的另一个末端有差不多720°的相位改变，以至于当穿过线26时强度变化仍然很小。一般，图2示出的螺旋从线27的一个末端至线27的另一末端有差不多m次360°的相位改变，(其中m是整数)，以至于当穿过线26时强度变化仍然很小。
使用与那些复制CD唱片方法相同的方法或已知的现有技术中生产表面图形的其他方法将图2和图3中示出和描述出的螺旋图案压入相移掩模衬底上。
图4是相移掩模衬底的平面视图，其中表面形成在许多个六边形扁平平行区域中。图4中，有三种水平面分别产生0°、120°和240°的相移。六边形区域的三个边缘的交点40将在与表面相互作用的光的辐射图案中产生深度最低点。代替图2的螺旋斜面，围绕每个点形成具有3个梯级的螺旋梯。请注意，相邻的点公共享有两个梯级，对于相邻的点螺旋的方向(顺时针或逆时针下降)相反。图4中指示出的两个相邻相移区域之间的相位边界42在图案中产生暗线，其中对于完全相干光所述图案具有全部强度的大约25％的理想强度，而对应点40的理想强度是0。特别地，由于在光学系统中的散射，最低强度大约是2％。这样，抗蚀剂必须过度曝光以保证对应相移区域之间的边界42相对于点40被充分曝光，以便不打印暗线和打印暗点。
通常根据二分之一最大强度下的全宽给出光学系统中解决光点或光线的光强和调焦问题的详细描述。在这样的情况下，一点上的强度为最小值Imin，最大光强Imax发生在围绕所述点的环形区域中。整个环形区域中的强度是变化的。例如，沿画在中心有点的环形区域中的圆形线，强度在对应掩模上相位改变的圆形线上的点处降至最小值I′min。在本说明书的意义上，强度最小值的全宽限定在二分之一最小强度下测量的强度最小值的全宽，其中所述最小强度沿线(I′min/2)测量。在本说明书中本发明的强度最小值的全宽优选小于λ/2N.A.。
图5示出点40周围产生的作为极角θ的相移，其中围绕所述点40测量极角θ。沿几乎包围点40的线测量时的相移与在沿线反着距离划分时的图5相类似。图2中示出的螺旋从线27的一个末端到线27的另一个末端有差不多720°的相变，以至于当穿过线26时强度改变仍然很小。
图6A示出本发明的最优实施例，其中相移掩模衬底形成在多个正方形的扁平平行区域中。图6A中，有四个水平位置分别产生0°、90°、180°和270°的相位差。在正方形的四个角相交的交点将产生消除光刻胶上射出的强度的相移，且在对应正方形的角的点上产生光强的深度最小值。在边界62的相移仅有90°，相反地在图4的边界42处产生120°的相移，所以对应边界62的线中的强度远远大于图4的线中的25％的强度。图6A还示出覆盖图6A中所示的正方形的角的光不透明区域60。光不透明区域减少对应6A中正方形掩模衬底的角的抗蚀剂区域中的光强。请注意，相邻的不透明区域60具有两个公共的螺旋梯台阶，螺旋方向与每对相邻区域60的方向相反。
图6B是围绕区域60的螺旋梯的四个台阶的透视图。
图7示出产生在不透明区域60周围的作为极角θ的相移，其中围绕不透明区域60的中心测量所述极角θ。
图8示出图6中掩模产生的光强分布计算结果。水平和垂直延伸的暗线是人为制造并应该忽略。请注意，对应图6中区域60的最小值80被环形区域82所围绕，所述环形区域82的强度远远大于最小值80的强度。
图9示出用于在具有4个不同相移水平面的六边形网格上产生光强最小值的可选实施例。不透明区域90示出相移掩模衬底的六边形网格，其中所述相移掩模衬底与期望在抗蚀剂上的强度最低点对应。与交叉点92对应的区域也有强度最低点，且为了在非曝光抗蚀剂上产生所期望的六边形图案，必须用第二掩模和第二次曝光对所述对应区域曝光。
图10示出产生在不透明区域90周围的作为极角θ的相移，其中对于图9中的实施例是围绕不透明区域90的中心测量所述极角θ的。
显然，在上述内容的启示下可以对本发明进行很多修改和改变。因此可以理解，在所附权利要求范围内，本发明可以应用在不同于所详细描述的实施例中。

Claims (9)

1.一种装置，包括：
具有表面和表面图案的相移掩模(PSM)衬底，所述表面与波长为λ、强度为I0的光相互作用，以改变在由所述表面图案所确定的图案中的所述光的相位，其中与所述表面相互作用后的所述光的强度至少部分由所述表面图案引起的相变确定，及其中当所述光穿过具有数值孔径(N.A.)的光刻系统的透镜以便使所述表面成像在象平面上时，成像在所述象平面上的所述光的强度具有多个点图象，环形区域围绕的具有强度最低点Imin的每个点图象的强度远远大于围绕所述强度最低点的整个环形区域中的Imin，及其中所述强度最小值的全宽小于λ/2N.A.。
2.一种装置，包括：
具有许多相移区域的相移掩模(PSM)衬底，所述许多相移区域中至少一些相移区域具有至少一个楔形区域边界，其中图形由所述许多相移区域中的n个安装在一起以围绕第一点的相移区域的n个楔形区域边界形成在所述PSM衬底上，所述n个相移区域结合在一起，为与所述n个相移区域相互作用的波长为λ、强度为I0的光产生光强图案，其中所述光强图案在对应所述PSM上的所述点处的光强中具有深度最小值Imin，及其中与所述表面相互作用后的所述光的强度远远大于围绕所述第一点的环形区域中的Imin，及其中n大于或等于四，及其中n个相移区域中的每个区域有不同的相移。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述许多相移区域是扁平区域且具有彼此平行的表面。
4.根据权利要求3所述的装置，其中n＝4，且按照围绕所述第一点沿一个方向移动的顺序所计算出的所述四个相移区域的所述相移大约为0°、90°、180°和270°，其中所述四个相移区域形成围绕所述第一点的螺旋梯形状。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述楔形区域边界具有楔形角，及其中所述0°和180°的相移区域具有近似相等的楔角，及其中所述90°和270°的相移区域具有近似相等的楔角。
6.根据权利要求4所述的装置，其中第二点位于所述第一点的附近，及其中围绕所述第一和第二点的每个所述螺旋梯具有不同的偏手性，及其中每个螺旋梯的一个台阶是相同的相移区域。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述PSM衬底设计得用于具有放大率M和数值孔径N.A.的光刻系统中，及其中所述第一和第二点间隔的距离小于2Mλ/N.A.。
8.一种装置，包括：
具有表面和表面图案的相移掩模(PSM)衬底，所述表面与波长为λ、强度为I0的光相互作用，以改变在由所述表面图案所确定的图案中的光的相位，其中与所述表面相互作用后的光的强度至少部分由所述表面图案引起的相变确定，及其中所述表面上的多个点具有围绕每个点的表面图案，从而存在几乎包围每个点的线，这样相位就沿所述线改变，所述相位沿所述线的跳变不大于120°，相位从所述线的一个端至另一端至少改变240°。
9.根据权利要求8所述的装置，其中从所述线的一端至另一端的相变大约为360°的m倍，其中m为大于或等于1的整数。
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