CN1627185A - 无铬膜层相位移光罩及其制造方法与制造半导体装置方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种无铬膜层相位移光罩，包括：一透光基底；至少一第一相位移图案，由至少一环状凹陷所构成；以及一第一次解析透光图案，是由上述环状凹陷所环绕的透光基底所构成，以与上述第一相位移图案构成曝光时所欲之转移图案，此外，本发明亦关于上述光罩的制造方法以及其制造半导体装置的方法。

Description

无铬膜层相位移光罩及其制造方法与制造半导体装置方法

技术领域

本发明是有关于一种应用于半导体集成电路组件制造的微影光罩，且特别是有关于一种无铬膜层相位移光罩(chromeless phase-shifting mask)、其制造方法以及其于半导体组件制造上的应用。

背景技术

在半导体集成电路的制造过程中，微影成像制程无疑地居于极重要的地位，吾人藉由此一制程方可将设计的图案精确地定义在光阻层上，然后利用蚀刻程序将光阻层的图案转移到半导体基底上而制得所需的线路构造。一般而言，微影制程主要包括涂底(priming)、光阻涂布(coating)、预烤(或称软烤)、曝光(expose)、曝后处理、显影、以及硬烤等数个步骤。其中，曝光程序的分辨率(resolution)良窳尤为组件积集度能否更进一步提升的关键因素，各大半导体厂家无不积极投入研发以谋求更上层楼。

以目前商业化的半导体制程而言，曝光机台已由以往使用436nm(g-line)、365nm(i-line)等波长的光源，演进至使用248nm甚或更短波长的深紫外光(deep UV)范围的光源，以因应组件积集度不断增加的需求。然而，由于组件尺寸持续地缩小，光罩图案的间隙变得如光栅般细小，光波绕射效应的影响因而较以往更为明显，使得非曝光区的光阻层亦承受了若干光强度，造成曝光对比度(contract)的降低，对于线宽及分辨率造成不良的负面影响。

此外，光罩图案尺寸的缩小会使得在使用光罩进行曝光时产生光学邻近效应，破坏图形的精确度，为了在尺寸缩小情况下仍能保持曝光区与非曝光区良好的对比度。因此，许许多多的技术被提出以改进成像的精确度与分辨率。其中一个被广为使用的技术是相位移光罩(phase-shifting mask；PSM)的应用。由于相位移光罩可以有效地减缓光学邻近效应带来的负面影响，所以其本身也因不断的改进而产生许多不同种类的相位移光罩。

此外，另一个被广为使用的技术即为偏轴照光程序(off-axisillumination；OAI)的应用，其技术重点在于微影制程中，使光源不从中心发出而改由具有一倾斜的入射角发出，并利用此入射光的直接穿透光(0级光)与一级绕射光(+1或-1级光)两光束干涉而成像，且进一步配合适当种类的相位移光罩，便可达成提升制程分辨率与成像的精确度的功效，并可进一步地提升现有微影设备的制程裕度(process window)。

而于半导体量产制程中所使用的相位移光罩，其转移图案的最终结构除了透光基材的部分外，大多具有光遮蔽作用的膜层，如通常使用的具有完全光遮蔽作用的铬金属(chrome，Cr)层及具有相位移作用的相位移材料层，并藉由此些膜层的应用以于微影程序中形成适当的相位移效果而提升整体的微影制程的成像品质。然而，如此的光罩制作需牵涉到较多次的薄膜沉积及蚀刻程序，其制作程序较复杂且费时。

发明内容

在此，本发明的主要目的就是提供一种无铬膜层相位移光罩(chromelessphase-shifting mask)及其制造方法，其光罩上主要图案区内的转移图案是由相位移图案(phase shifter pattern)以及上述相位移图案所环绕的次解析透光图案(sub-resolution pattern)所构成。此外，并藉由搭配偏轴照光程序(off-axis illumination；OAI)的使用，便具有提升微影制程中成像图案的分辨率与精确度的功效。

此外，本发明的无铬膜层相位移光罩的制作程序简单，无牵涉额外的光吸收或相位移作用的含铬膜层及其它相位移材料层的使用，具有简化光罩制作流程并提升光罩制作的速度的功效。

简言之，本发明的无铬膜层相位移光罩的制造方法，包括下列步骤：

(a)：提供一透光基底，其中于透光基底上依序形成有一遮蔽层以及一阻剂层；(b)：定义上述阻剂层，以构成多个次解析阻剂图案，并露出多个围绕此等次解析阻剂图案的环状区域内的遮蔽层；(c)：以上述次解析阻剂图案为蚀刻掩模，蚀刻去除露出的遮蔽层以构成多个围绕上述次解析阻剂图案的环状透光基底；(d)：去除阻剂图案，以露出多个转移后的次解析遮蔽图案，并以此些次解析遮蔽图案为蚀刻掩模，进一步蚀刻上述环状透光基底，以构成多个环状凹陷于透光基底内以作为相位移图案之用；以及(e)：去除剩余的遮蔽层，以露出多个为上述相位移图案所环绕的透光基底，以作为次解析透光图案之用，并结合上述相位移图案以构成多个曝光时所欲之转移图案。

而本发明的无铬膜层相位移光罩，包括：一透光基底；至少一第一相位移图案，由至少一环状凹陷所构成；以及一第一次解析(sub-resolution)透光图案，是由上述环状凹陷所环绕的透光基底所构成，以与上述第一相位移图案构成曝光时所欲之转移图案，且上述转移图案是位于透光基底的主要图案区内且未为任何具有光遮蔽作用的膜层所覆盖，而对于非图案区的周边部分(border；periphery area)则在此不加以限制。

再者，上述第一相位移图案的构成可更包括与上述环状凹陷相连的线性凹陷，且于上述第一次解析透光图案中可更包括有由第二环状凹陷所构成的第二相位移图案，以及上述第二环状凹陷所环绕的第二次解析透光图案。

此外，本发明亦揭露了使用上述无铬膜层相位移光罩于制造半导体装置制造的方法，包括下列步骤：

提供一至少覆盖有一阻剂层的半导体基底；提供具有至少一转移图案的一无铬膜层相位移光罩，其中此无铬膜层相位移光罩具有本发明的前述结构；以及经由一曝光程序将上述相位移光罩上的转移图案转移至阻剂层上。

本发明藉由位于相位移图案(phase shifter pattern)内与上述相位移图案间具有180度光相位差的次解析透光图案(sub-resolution pattern)的调变以于曝光过程中加强直接穿透光(0阶光)的光强度(light intensity)并适当地与一级绕射光(+1或-1级光)的光强度达成平衡，并藉由此二光束干涉将由上述相位移图案与其所环绕的次解析图案所构成的转移图案成像于一基底上(如硅晶片)而形成一转移后的图案，而此次解析透光图案并不足以于上述转移后的图案内形成影像，具有平衡光强度的功效，而达到具有良好分辨率的微影程序，尤其适用于偏轴照光程序(off-axis illumination；OAI)。

附图说明

图1A至图1H，用以说明本发明的一种无铬膜层相位移光罩的制造方法。

图2A及图2B是显示本发明的另一种无铬膜层相位移光罩的结构。

图3是显示本发明的无铬膜层相位移光罩其于半导体组件的制作上的应用。

符号说明：

100、200～光罩；              102、202～透光基底；

104～遮蔽层；                 106、302～阻剂层；

106a～次解析阻剂图案；        108～线图案；

110、204a、204b～环状区域；

104a～次解析遮蔽图案；

112、206、208～环状凹陷；

102a～次解析透光图案；        204～转移图案；

202a～第一次解析透光图案；

202b～第二次解析透光图案；    304～相位移光罩；

308～遮板；                   310～入射角；

312～入射光；                 314～直接穿透光；

316～一级绕射光；             318～聚焦镜片。

具体实施方式

无铬膜层相位移光罩的结构及制造方法

本发明的无铬膜层相位移光罩的结构及制造方法将配合图1A至图1H作一详细叙述如下。

首先提供一光罩，在此以转移图案所在的主要图案区的光罩100表示，光罩100是由依序形成于一透光基底102上的一遮蔽层104以及一阻剂层106所构成，其上视情形如图1A中所显示，其剖面情形则如图1B所示，上述透光基底102的材质例如为石英(quartzs)，而遮蔽层的材质则例如为铬金属(Cr)材料，至于阻剂层材质则为常用的光阻材料(photoresist；PR)，并可视后续微影制程所使用的光源(如深紫外光、X光或电子束)而采用特殊的光阻剂材料，故在此不加以限制其材质。

接着，如图1C，对阻剂层106进行一曝光及显影程序，以于光罩100上定义出至少一转移图案，以进一步于后续制程中于光罩上定义出所欲之转移图案。而上述的转移图案例如以多个于半导体制程中常见的等线宽/间距(equal line/space)的线图案108为例，在此其是由次解析阻剂图案106a以及环绕各次解析阻剂图案106a的环状区域110所构成。此些环状区域110内的阻剂材料于前述的曝光及显影程序中因接受曝光与显影过程而去除并露出其下的遮蔽层(在此未显示)。接着并以此些次解析阻剂图案106a及其余未显影的阻剂层106为蚀刻掩模，蚀刻去除上述环状区域110内的遮蔽层材料以露出其下的透光基底部分，进而形成环绕各次解析阻剂图案106a的环状透明基底。此时，光罩100上线图案108内沿第A～A’线段的剖面情形则如图1D中所显示，环状区域110内的部分透光基底102已露出，并环绕于此次解析阻剂图案106a。

请继续参照图1E，利用适当溶剂去除上述次解析阻剂图案106a以及剩余的阻剂层106，并露出转移后的次解析遮蔽图案104a。接着以此些次解析遮蔽图案104a与遮蔽层104作为蚀刻掩模更进一步蚀刻环状区域110内的透光基底部分，以构成多个环状凹陷112于此透光基底102内以作为相位移区域。此时，光罩100上线图案108内沿第A～A’线段的剖面情形则显示于图1F中，环状区域110内已露出为环状凹陷112所构成的相位移区域，并环绕于此次解析遮蔽图案104a。

接着，如图1G，去除透光基底102上剩余的遮蔽层104(包括次解析遮蔽图案104a)，以露出多个为上述相位移区域110的所个别环绕且由透光基底所构成的次解析透光图案102a，以构成多个于曝光时所欲之转移图案(即为线图案108)。此时，光罩100上线图案108内沿第A～A’线段的剖面情形则显示于图1H中，环状区域110内已露出为环状凹陷112所构成的相位移区域及其所环绕的次解析透光图案102a。而结合上述相位移区域的环状凹陷112所构成的相位移图案及其所环绕的次解析透光图案102a便构成了于微影制程中曝光程序中所欲之转移图案。

如此，配合图1G及图1H即可显示出本发明的无铬膜层相位移光罩的结构，包括：

一第一相位移图案(即相位移区域110内，在此例如以三个相位移区域110为例)，由至少一位于透光基底102内的环状凹陷112所构成；以及一第一次解析透光图案，是由上述环状凹陷112所环绕的透光基底102a所构成，并结合上述第一相位移图案以构成曝光时所欲之转移图案(在此例如为线图案108)。

在此，第一相位移图案与其所围绕的第一次解析透光图案(sub-resolution pattern)间具有180°的光相位差，且第一相位移图案的各个对应边距其所围绕的第一次解析图案一宽度大体相同(即相位移区域110的宽度)的预定距离，此预定距离(以P为代表，即相位移区域110的宽度)则视此光罩所应用的微影机台的性能而有所改变，此预定距离的计算方式则如公式(1)所显示：

     P＝λ/((1+δ)NA)            (1)

其中，λ为曝光程序中所使用光源的波长(wavelength)，δ为所使用微影机台的相扰度(degree of coherence)而NA为所使用微影机台的数值孔径(numerical aperture)。

此外，于本发明的无铬膜层相位移光罩上的转移图案制造方法除了适用于如上述实施例中的具有等线宽/间距(equal line/space)线图案外，亦适用于制造其它外型的转移图案，在此另举一具有P型外观的转移图案为例，配合图2a及图2b藉以解说其最终的俯视及剖面情形。

首先请参照图2A，利用前述的制造方法于光罩200上的透光基底202上形成有两类似P外型的转移图案204，其个别地由一第一相位移图案(即第一环状区域204a)，为位于环状区域204a中透光基底202内的环状凹陷206以及与其相连的线性凹陷210所构成；以及第一次解析透光图案202a，是由上述环状凹陷206所环绕的透光基底202所构成，此外于此第一次解析透光图案202a中更包括位于另一环状区域204b中透光基底202内的环状凹陷208(未显示)所构成的第二相位移图案，以及其所环绕的透光基底202所构成的第二次解析透光图案202b，结合上述相位移图案及其环绕的次解析透光图案以构成曝光时所欲之转移图案。此时，光罩200上类P外型的图案204内沿第A～A’线段的剖面情形则显示于图2B中，环状区域204a及204b内已露出为环状凹陷206及208所构成的相位移区域及其所环绕的第一及第二次解析透光图案202a及202b。而结合上述相位移区域的环状凹陷所构成的相位移图案及其所环绕的次解析透光图案便构成了于微影制程中曝光程序中所欲之转移图案。在此，第一及第二相位移图案与其所围绕的第一及第二次解析透光图案以及透明基底间具有180°的光相位差，且第一及第二相位移图案的各个对应边距其所围绕的第一或第二的次解析图案一相同的预定宽度，此预定距离则可藉由上述揭露的公式(1)预先得出。

如此，本发明的无铬膜层相位移光罩于转移图案所在的主要图案区内未为任何如完全不透光的遮蔽层(如铬金属层)或具有吸光效用的半透膜层(halftone film，如半透铬膜halftone Cr等)等具有光遮蔽作用的膜层所覆盖，而光罩上的转移图案仅由适当数量的环状相位移图案及其所环绕的次解析图案所构成。

本发明的无铬膜层相位移光罩于制造半导体组件装置的方法，则如图3所示。

首先提供一覆盖有一阻剂层302的半导体基底300，上述基底例如为一硅晶片，接着提供具有至少一转移图案的一相位移光罩304，其中此相位移光罩304内的转移图案具有如依据本发明前述的光罩制作方法所形成的结构。然后经由一曝光程序，在此例如为一偏轴照光程序(off-axis illumination；OAI)，上述偏轴照光程序中所使用的照光形式可为环状照光(annular)、四孔照光(quadrupole)、两孔照光(dipole)或类星体照光(quasar)，在此以一点光源(point)照光为例，经由位于遮板306上的单一孔洞308所提供的具有一入射角310的入射光312偏轴地照射于光罩304上，并藉由穿透光罩304的直接穿透光314(0级光)与一级绕射光316(在此为+1级光)透过聚焦镜片318成像于半导体基底302上以将光罩上的该转移图案转移至半导体基底302上的阻剂层302上，以制备具有适当转移图案的半导体组件。

如此，本发明的无铬膜层的相位移光罩其转移图案所在的主要图案区内未为任何具有光遮蔽作用的膜层(如铬金属层或半透铬膜层)所覆盖，故具有大体100％整体的光透射率(transmittance；T％)，而相位移光罩上的转移图案，则藉由为适当数量的相位移图案所等距环绕的次解析图案的调变以加强直接穿透光(0阶光)的光强度(light intensity)，并适当地与一级绕射光(+1或-1级光)的光强度达成平衡，并藉由此二光束干涉成像，以达到具有良好分辨率的微影效果，而特别适用于偏轴照光程序(off-axis illumination；OAI)的使用，而于本发明中所使用的此些次解析透光图案并不足以于各转移后的图案内形成影像，仅具有平衡光强度的功效，以达到提升微影分辨率的功效。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (16)

1.一种无铬膜层相位移光罩，适用于半导体制程中，包括：

一透光基底；

至少一第一相位移图案，由至少一环状凹陷所构成；以及

一第一次解析透光图案，是由该环状凹陷所环绕的透光基底所构成，以与该第一相位移图案构成曝光时所欲之转移图案。

2.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该第一相位移图案与该第一次解析透光图案间具有180°的光相位差。

3.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该第一相位移图案的各对应边距该第一次解析透光图案大体相同的距离。

4.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该第一次解析透光图案中更包括由另一环状凹陷所构成的第二相位移图案，以及该环状凹陷所环绕的第二次解析透光图案。

5.根据权利要求4所述的无铬膜层相位移光罩，其中该第二相位移图案与该第二次解析透光图案间具有180°的光相位差。

6.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该第一相位移图案的构成更包括与该环状凹陷相连的线性凹陷。

7.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该透光基底的主要图案区未为铬金属层所覆盖。

8.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩，其中该转移图案为多个等线宽/间距的线图案。

9.一种无铬膜层相位移光罩的制造方法，包括下列步骤：

(a)：提供一透光基底，其中于该透光基底上依序形成有一遮蔽层以及一阻剂层；

(b)：定义上述阻剂层，以构成多个次解析阻剂图案，并露出多个围绕所述多个次解析阻剂图案的环状区域内的遮蔽层；

(c)：以所述多个次解析阻剂图案为蚀刻掩模，蚀刻去除所述多个露出的遮蔽层以构成多个围绕所述多个次解析阻剂图案的环状透光基底；

(d)：去除所述多个阻剂图案，以露出多个转移后的次解析遮蔽图案，并以所述多个次解析遮蔽图案为蚀刻掩模，进一步蚀刻所述多个环状透光基底，以构成多个环状凹陷于该透光基底内以作为相位移图案之用；以及

(e)：去除剩余的遮蔽层，以露出多个为所述多个相位移图案所环绕的透光基底，以作为次解析透光图案之用，并结合所述多个相位移图案以构成多个曝光时所欲之转移图案。

10.根据权利要求9所述的无铬膜层相位移光罩的制造方法，其中该遮蔽层材质为铬盒属。

11.根据权利要求9所述的无铬膜层相位移光罩的制造方法，其中所述多个相位移图案与所述多个次解析透光图案间具有180°的光相位差。

12.根据权利要求9所述的无铬膜层相位移光罩的制造方法，其中于该透光基底内更包括多个各与所述多个环状凹陷连结的线性凹陷。

13.一种无铬膜层相位移光罩制造半导体装置的方法，包括下列步骤：

提供一至少覆盖有一阻剂层的半导体基底；

提供具有至少一转移图案的一无铬膜层相位移光罩，其中该无铬膜层相位移光罩具有根据权利要求1所述的结构；以及

经由一曝光程序将该光罩上的该转移图案转移至该阻剂层上。

14.根据权利要求13所述的无铬膜层相位移光罩制造半导体装置的方法，其中该曝光程序为一偏轴照光程序。

15.根据权利要求13所述的无铬膜层相位移光罩制造半导体装置的方法，其中该相位移光罩具有100％整体的光透射率。

16.根据权利要求1所述的无铬膜层相位移光罩制造半导体装置的方法，其中该透光基底的主要图案区内未为铬金属层所覆盖。

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