CN1881076A - 雷文生相转移掩模及其制备方法与制备半导体元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的雷文生相转移掩模的制备方法首先形成一金属层于一基板上，再利用微影及蚀刻工艺形成多个开口于该金属层中。之后，利用旋转涂布工艺形成一高分子层于该基板上，并利用一电子束照射该高分子层的一预定区域以形成一相转移图案，再去除未被该电子束照射的高分子层。该高分子层可由氢硅酸盐、甲基硅酸盐或混成有机硅烷高分子构成，而去除未被该电子束照射的高分子层可利用一碱性溶液、醇类溶液或乙酸丙酯溶液进行显影工艺，其中该碱性溶液系选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成的组。

Description

雷文生相转移掩模及其制备方法与制备半导体元件的方法
技术领域
本发明关于一种雷文生(Levenson)相转移掩模及其制备方法与其制备半导体元件的方法，特别关于一种利用高分子(polymer)材料制备相转移图案的雷文生相转移掩模及其制备方法与其制备半导体元件的方法。
背景技术
随着元件集成度增加，半导体工艺的微影技术需要更高的分辨率方可达到元件的精密度需求。增加分辨率的方法之一是采用较短波长的光源，例如采用氟化氪(KrF)激光所产生的远紫外光(波长248纳米)或氟化氩(ArF)激光所产生的远紫外光(波长193纳米)做为微影曝光的光源。另一种增加分辨率的方法是采用相转移掩模，其可在不变更曝光光源的条件下增加微影分辨率，已是半导体制造业者所积极研究的重要技术。
图1至图5示意性地示出了公知技术制备一雷文生相转移掩模38的方法。公知技术首先在一石英基板20上镀上一层铬金属层22，再利用曝光微影工艺形成一具有多个开口图案的光刻胶层24于该铬金属层22上。之后，进行一第一蚀刻工艺去除未被该光刻胶层24覆盖的铬金属层22直到该石英基板20表面以形成多个开口图案26，再进行一剥除工艺以完全去除该光刻胶层24，如图2所示。
参考图3，形成一光刻胶层28于该石英基板20上，再利用曝光微影工艺去除一部分光刻胶层28，如图4所示。之后，进行一第二蚀刻工艺去除未被该光刻胶层28及该铬金属层22覆盖的石英基板20至一预定深度以形成一开口图案32于该石英基板20内部，再以氧气等离子完全剥除该光刻胶层28以曝露该开口图案26，如图5所示。
穿透该开口图案26的穿透光束14与穿透该开口图案32的穿透光束16在该石英基板20内部的传输距离差为：Δd＝d1-d2＝mλ/[2(n石英基板-n空气)]，其中n为折射率。若以一曝光光束12经由该相转移掩模38曝光一光刻胶层(未显示于图中)时，通过该开口图案26与该开口图案32之深度差异，该穿透光束14与穿透光束16间的相转移角度差理论上被设计为180度，因而形成破坏性干涉而提高了分辨率。
然而，该第一蚀刻工艺所产生的开口图案26因蚀刻工艺难以精确地控制而停止于该石英基板20表面，且该第二蚀刻工艺所形成的开口图案32亦因蚀刻工艺难以精确地控制而停止于该石英基板20内部的预定深度。再者，蚀刻工艺亦难以精准控制该开口图案26及该开口图案32的侧壁轮廓及尺寸大小，其可能形成梯形开口而非预期的矩形开口。换言之，该开口图案26及该开口图案32的深度、轮廓及尺寸大小并不易于控制，因而穿透该开口图案26的穿透光束14与穿透该开口图案32的穿透光束16间的相转移角度并非理论上的180度，造成相误差(phase error)的问题。
此外，在该开口图案26及该开口图案32间的铬金属层22会反射该曝光光束12，造成驻波效应使反射的曝光光束12会减少穿透光束14与穿透光束16的光强度。具体而言，反射的曝光光束12使穿透光束16的光强度小于穿透光束14的光强度，导致两者的光强度并不一致而造成光强度不平衡(intensity imbalance)，其将引起待曝光的光刻胶层经显影后的图案偏离预期的位置或得不到原先所预期的图案线宽。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种利用高分子材料制备相转移图案的雷文生相转移掩模及其制备方法与其制备半导体元件的方法，可消除蚀刻工艺所产生的相误差及光强度不平衡的问题。
为达成上述目的，本发明揭示一种雷文生相转移掩模及其制备方法与其制备半导体元件的方法。本发明的雷文生相转移掩模的制备方法首先形成一金属层于一基板上，再利用蚀刻工艺形成多个开口图案于该金属层中。之后，利用旋转涂布工艺形成一高分子层于该基板上，并利用一电子束照射该高分子层的一预定区域以形成一相转移图案，再去除未被该电子束照射的高分子层。
该高分子层可为氢硅酸盐(hydrogen silsesquioxane，HSQ)，而去除未被该电子束照射的高分子层是利用一碱性溶液进行显影工艺，其中该碱性溶液是选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成的组。此外，该高分子层可为甲基硅酸盐(methylsilsesquioxane，MSQ)，而去除未被该电子束照射的高分子层是利用一醇类溶液进行显影工艺。再者，该高分子层可为混成有机硅烷高分子(hybrid organic siloxane polymer，HOSP)，而去除未被该电子束照射的高分子层利用乙酸丙酯溶液进行显影工艺。
本发明的雷文生相转移掩模在该开口图案与该相转移图案正下方的石英基板的厚度应相同，故一曝光光束在该石英基板中的传输距离相同，因而本发明可避免公知技术因必须使用二道蚀刻工艺蚀刻该石英基板而易于造成相误差及光强度不平衡的问题。
附图说明
图1至图5示意性地示出了公知技术制备一相转移掩模的方法；
图6至图9示意性的示出了本发明的相转移掩模的制备方法；
图10是经电子束照射后的高分子层在不同波长的曝光光束下的反射系数变化图；
图11是经电子束照射后的高分子层在不同波长的曝光光束下的消光系数变化图；以及
图12示意性的示出了本发明的相转移掩模应用于一半导体基板上定义一半导体元件的形貌。
具体实施方式
图6至图9示意性地示出了本发明的雷文生相转移掩模50的制备方法。该相转移掩模50的制备方法首先在一石英基板52上镀上一层铬金属层54，再形成一具有多个开口图案58的光刻胶层56于该铬金属层54上。之后，进行一第一蚀刻工艺去除未被该光刻胶层56覆盖的铬金属层54(即在该开口图案58下方的铬金属层54)直到该石英基板52表面以形成多个开口图案60于该铬金属层54中，再进行一剥除工艺以完全去除该光刻胶层56，如图7所示。
参考图8，利用旋转涂布工艺形成一高分子层62于该石英基板52上，该高分子层62覆盖该铬金属层54并填满该开口图案60。之后，提供一能量(例如：利用一电子束64照射)于该高分子层62的一预定区域66以改变在该预定区域66内的高分子层62的化学特性，即改变该预定区域66内的高分子层62的分子结构。接着，进行一显影工艺，去除未被该电子束64照射的高分子层62(即该预定区域66以外的高分子层62)，而留下该预定区域66内的高分子层62以形成一相转移图案68于该铬金属层54的开口图案60上，如图9所示。
该高分子层62包含硅酸盐材料。例如，该硅酸盐材料可为氢硅酸盐(HSQ)，此时去除未被该电子束64照射的高分子层62是利用一碱性溶液进行显影，其中该碱性溶液是选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成的组。此外，该硅酸盐材料可为甲基硅酸盐(MSQ)，此时去除未被该电子束64照射的高分子层62是利用一醇类溶液进行显影。再者，该高分子层62可是混成有机硅烷高分子(HOSP)，此时去除未被该电子束64照射的高分子层62是利用乙酸丙酯溶液进行显影。该电子束64照射该高分子层62将改变其分子结构，例如氢硅酸盐的分子结构将由鸟笼状(cage-like)转变为网状(network)并与该石英基板52形成键合，因此随后以碱性溶液显影时即可选择性地去除该预定区域66以外的高分子层62。
图10是经该电子束64照射后的高分子层62在不同波长的曝光光束下的反射系数变化图。根据已知的相转移公式：P＝2π(n-1)d/mλ，其中P为相转移角，n为反射系数，λ为曝光光束的波长。当曝光光束的波长为193纳米时，相应的反射系数约为1.52，因此根据相转移公式计算该相转移图案68之厚度应为1828埃(若相转移角度的公差设定为177°至183°，则该相转移图案68的厚度应为1797至1858纳米)。当曝光光束的波长为248纳米时，相应的反射系数约为1.45，因此根据相转移公式计算该相转移图案68的厚度应为2713埃(若相转移角度的公差设定为177°至183°，则该相转移图案68的厚度应为2668至2759纳米)。
图11是经该电子束64照射后的高分子层62在不同波长的曝光光束下的消光系数变化图。由图11可知，在曝光光束的波长介于190～900纳米之间，经该电子束64照射后的高分子层62的消光系数实质为零。因此，本发明所使用的高分子层62经该电子束64照射后可形成一透光性材料，其可适用于掩模工艺。
图12例示本发明的相转移掩模50应用于一半导体基板70上定义一半导体元件(例如一晶体管之闸极)的形貌。当一曝光光束74穿透该相转移掩模50照射于该半导体基板70上已预先涂布的一光刻胶层72时，穿透该相转移图案68的曝光光束74的振幅与相角如曲线82、86所示，而穿透该开口图案60的曝光光束74的振幅与相角如曲线84所示。
具体而言，本发明是利用一道蚀刻工艺形成该铬金属层54的开口图案60，且该相转移图案68设置于该开口图案60之上。因此，在该开口图案60与该相转移图案68正下方的石英基板52的厚度应相同。换言之，该曝光光束74穿透该开口图案60与该相转移图案68时，理应穿透了相同厚度的石英基板52，因此曲线82、84及86间之差异应是由该相转移图案68所造成的。亦即，该相转移掩模50的相转移角大小主要取决于该相转移图案68的厚度，与该石英基板52无关。
迭加曲线82、84及86后的振幅如曲线88所示，而实际照射在该光刻胶层72上的曝光强度如曲线76所示。在该光刻胶层72相应于该相转移图案68与该开口图案60的交界区80的曝光强度大约为零。由于曝光强度为零无法改变该光刻胶层72的分子结构，该光刻胶层72的交界区80与其它区域将具有不同的化学性质，因而后续的显影工艺将可选择性地去除交界区80或其它区域以提高微影工艺的整体分辨率。
本发明的雷文生相转移掩模在该开口图案与该相转移图案正下方的石英基板的厚度应相同，故曝光光束在该石英基板中的传输距离相同，因而本发明可避免公知技术因必须使用蚀刻工艺蚀刻该石英基板而易于造成相误差及光强度不平衡的问题。再者，本发明的相转移图案可采用旋转涂布工艺形成于该石英基板上，可精确地控制该相转移图案的相转移角度。此外，本发明的高分子层的主要成份为硅酸盐或混成有机硅烷高分子等高分子材料，其可通过该电子束照射而改变其化学性质，再由碱性溶液选择性地去除。由于该电子束的孔径小，其可局部照射该高分子层相当细小的区域，因此本发明可精确地控制该相转移图案的横向宽度。
本发明的技术内容及技术特点已如上公开，然而本领域的技术人员仍可能基于本发明的教导及公开而作各种不背离本发明精神的替换及修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修改，并为权利要求所涵盖。
附图中主要元件符号说明
12曝光光束    14穿透光束
16穿透光束    20石英基板
22铬金属层      24光刻胶层
26开口图案      28光刻胶层
32开口图案      38相转移掩模
50相转移掩模    52石英基板
54铬金属层      56光刻胶层
58开口图案      60开口图案
62高分子层      64电子束
66预定区域      68相转移图案
70半导体基板    72光刻胶层
74曝光光束      76曲线
80交界区        82曲线
84曲线          86曲线
88曲线

Claims (28)

1.一种雷文生相转移掩模，包含：
一基板；
一金属层，设置于该基板上，该金属层具有多个开口；以及
一相转移图案，设置该基板上，该相转移图案包含一高分子材料。
2.根据权利要求1的雷文生相转移掩模，其中该高分子材料是硅酸盐材料。
3.根据权利要求2的雷文生相转移掩模，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。
4.根据权利要求2的雷文生相转移掩模，其中该硅酸盐材料是甲基硅酸盐。
5.根据权利要求1的雷文生相转移掩模，其中该高分子材料是混成有机硅烷高分子。
6.根据权利要求1的雷文生相转移掩模，其中该相转移图案设置于该多个开口之一。
7.根据权利要求1的雷文生相转移掩模，其中该基板是一石英基板。
8.根据权利要求1的雷文生相转移掩模，其中该金属层是一铬金属层。
9.一种雷文生相转移掩模的制备方法，包含下列步骤：
形成一金属层于一基板上；
形成多个开口于该金属层中；
形成一高分子层于该基板上；
改变一预定区域内之高分子层的分子结构；以及
去除在该预定区域以外的高分子层。
10.根据权利要求9的雷文生相转移掩模的制备方法，其中形成一高分子层于该基板上是利用旋转涂布工艺。
11.根据权利要求9的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该高分子层包含硅酸盐材料。
12.根据权利要求11的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。
13.根据权利要求12的雷文生相转移掩模的制备方法，其中去除该预定区域以外之高分子层是利用一碱性溶液。
14.根据权利要求13的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该碱性溶液是选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成的组。
15.根据权利要求11的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该硅酸盐材料是甲基硅酸盐。
16.根据权利要求15的雷文生相转移掩模的制备方法，其中去除该预定区域以外的高分子层利用一醇类溶液。
17.根据权利要求16的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该醇类溶液是乙醇。
18.根据权利要求9的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该高分子层包含混成有机硅烷高分子。
19.根据权利要求18的雷文生相转移掩模的制备方法，其中去除未该预定区域以外的高分子层是利用乙酸丙酯溶液。
20.根据权利要求9的雷文生相转移掩模的制备方法，其中该预定区域在该多个开口之一。
21.根据权利要求9的雷文生相转移掩模的制备方法，其中改变一预定区域内的高分子层的分子结构是利用一电子束照射该预定区域。
22.根据权利要求9的雷文生相转移掩模之制备方法，其中改变一预定区域内的高分子层的分子结构是提供一能量于该预定区域。
23.一种半导体元件的制备方法，包含下列步骤：
形成一光刻胶层于一基板上；
使用一雷文生相转移掩模曝光该光刻胶层，该雷文生相转移掩模包含一基板、一设置于该基板上的金属图案以及一设置该基板上相转移图案，其中该相转移图案包含一高分子材料；以及
显影该光刻胶层。
24.根据权利要求23的半导体元件的制备方法，其中该高分子材料硅是酸盐材料。
25.根据权利要求24的半导体元件的制备方法，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。
26.根据权利要求24的半导体元件的制备方法，其中该硅酸盐材料是甲基硅酸盐。
27.根据权利要求23的半导体元件的制备方法，其中该高分子材料是混成有机硅烷高分子。
28.根据权利要求23的半导体元件的制备方法，其中该相转移图案设置于该多个开口之一。
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