CN1959527A - 相移式掩模及其制备方法与制备半导体元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相移式掩模，其包含一基板以及多个设置于该基板上的相移图案，其中该相移图案由高分子材料构成且在一第一方向的间距小于该相移图案的宽度。优选地，该相移图案以阵列方式排列而构成多个线状图案，且该线状图案在一第二方向的间距等于该线状图案的宽度。本发明的相移式掩模的制备方法包含形成一高分子层于一基板上、改变多个预定区域内的高分子层的分子结构以及去除该预定区域以外的高分子层以形成多个相移图案等步骤。该高分子材料可为氢硅酸盐、甲基硅酸盐或混成有机硅烷高分子。

Description

说明书 相移式掩模及其制备方法与制备半导体元件的方法

技术领域

本发明涉及一种相移式掩模及其制备方法与制备半导体元件的方法，特别涉及一种利用高分子(polymer)材料制备相移图案的相移式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)激光所产生的深紫外光(波长248纳米)或氟化氩(ArF)激光所产生深紫外光(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移式掩模，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发的重要技术。

美国专利US 5,240,796公开一无铬膜相移式掩模10的制备方法，如图1至图5所示。现有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致抗蚀剂层24于该铬金属层22上。之后，进行一蚀刻工艺去除未被该光致抗蚀剂层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。之后，再进行一剥除工艺以完全去除该光致抗蚀剂层24，如图2所示。利用该铬金属层22为蚀刻屏蔽，进行另一蚀刻工艺，蚀刻未被该铬金属层22覆盖的石英基板20直到一预定深度″T″，以形成多个开口图案32于该石英基板20之中，如图3所示。

参考图4，利用曝光微影工艺形成一光致抗蚀剂层28于该铬金属层22上。之后，进行一蚀刻工艺去除未被该光致抗蚀剂层28覆盖的铬金属层22直到该石英基板20表面以形成多个散射条30(scattering bar，亦称辅助图案)。之后，再进行一剥除工艺以完全去除该光致抗蚀剂层28，即完成该无铬膜相移式掩模10，如图5所示。特而言之，该多个开口图案32之间的石英基板20构成多个凸部图案34。

参考图6，若以一曝光光束12经由该无铬膜相移式掩模10曝光一光致抗蚀剂层(未显示于图中)时，由于该石英基板20的厚度差异，透射光束14与透射光束16间的相角将有所差异，而形成干涉。透射光束14与透射光束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_空氣)」，其中n为折射率，λ为该曝光光束12的波长，m为正整数。理论上透射光束14的相角被设计比透射光束16延迟180度(即该凸部图案34作为相移图案)，因而形成破坏性干涉而提升分辨率。

然而，蚀刻工艺所产生的开口图案32因难以精确地控制而停止于该石英基板20内的预定深度″T″。再者，蚀刻工艺亦难以精准控制该开口图案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32的深度、轮廓及尺寸大小并不易于控制，因而透射光束14与透射光束16间的相角差并非理论上的180度，造成相误差(phase error)的问题。

此外，现有技术利用蚀刻该石英基板20而形成该开口图案32(即相移图案)，然而蚀刻工艺产生的石英污染缺陷(contamination defect)易于形成于该开口图案32附近，增加掩模检视的困难。另，现有技术必须进行二次曝光微影工艺以形成光致抗蚀剂层24及28，不仅增加了对位控制难度，亦局限了掩模的产率(throughput)。再者，若掩模上的图案的线宽(line width)与间距(spacewidth)大小为1∶1时，偏轴照明并无成像。

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移图案的相移式掩模及其制备方法与其制备半导体元件的方法，可增加掩模产率及消除蚀刻工艺所产生的相误差及克服掩模难以检视的问题，并可解决无铬膜掩模的图形线宽(line width)与间距宽度(space width)的比值为1∶1时，偏轴照明技术无法成像的问题且可增加各类图案形状对比度。

为达成上述目的，本发明提供一种相移式掩模，其包含一基板以及多个设置于该基板上的相移图案，其中该相移图案由高分子材料构成，且该相移图案在一第一方向的间距小于该相移图案的宽度。优选地，该相移图案以阵列方式排列而构成多个线状图案，且该线状图案在一第二方向的间距等于该线状图案的宽度，其中该第二方向垂直该第一方向。此外，该基板可为一石英基板，或另包含一设置于该基板表面的接口层，其中该接口层是一导电层或一黏着层。

本发明的相移式掩模的制备方法包含形成一高分子层于一基板上；改变多个预定区域内的高分子层的分子结构；以及去除该预定区域以外的高分子层以形成多个相移图案等步骤。该高分子材料可为氢硅酸盐(hydrogensilsesquioxane，HSQ)，而去除未被该电子束照射的高分子层利用一碱性溶液进行显影工艺，其中该碱性溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成之群。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(hybridorganic 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。

相较于现有技术，本发明的相移式掩模可增加掩模产率、消除蚀刻工艺所产生的相误差及克服掩模难以检视的问题，简述如下：

1.现有技术必须进行二次曝光微影工艺，因而增加对位控制难度并局限了掩模的产率。相对地，本发明利用涂布技术(或沉积技术)搭配电子束曝光及显影技术制备该相移图案，工艺较简易，因而可提升掩模产率。再者，本发明并不需二次曝光微影，因而并无对位的问题。

2.现有技术利用蚀刻石英基板制备该相移图案，因而产生相误差及掩模检视等问题。相对地，本发明制备相移图案并不需要蚀刻石英基板，因而可消除现有的相误差及掩模检视等问题。

3.本发明亦可解决现有无铬膜相移式掩模的图案线宽与间距宽度的比值为1∶1时，偏轴照明技术无法成像的问题且可增加各类图案形状对比度。

附图说明

图1至图6例示现有技术制备一无铬膜相移式掩模的方法；

图7至图9例示本发明的无铬膜相移式掩模的制备方法；

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；

图12及图13例示本发明的无铬膜相移式掩模应用于一半导体基板上定义一半导体元件的形貌；

图14(a)例示一曝光光束穿透本发明的无铬膜相移式掩模照射于一光致抗蚀剂层的强度分布；以及

图14(b)例示一曝光光束穿透现有的无铬膜相移式掩模照射于一光致抗蚀剂层的强度分布。

附图标记说明

10  无铬膜相移式掩模         12  曝光光束

14  透射光束                 16  透射光束

20  石英基板                 22  铬金属层

24  光致抗蚀剂层             26  开口图案

28  光致抗蚀剂层             30  散射条

32  开口图案                 34  凸部图案

50  无铬膜相移式掩模         52  基板

54  线状图案                 56  透光区

58  线状图案                 62  高分子层

64  电子束                   66  预定区域

68  相移图案                 70  半导体基板

72  光致抗蚀剂层             74  曝光光束

76  穿透光束                 78  穿透光束

80  线状区域                 82  线状区域

具体实施方式

图7至图9例示本发明的无铬膜相移式掩模50的制备方法。首先利用旋转涂布工艺形成一高分子层62于一基板52上。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的多个以阵列方式排列的预定区域66以改变在该预定区域66内的高分子层62的化学特性，例如形成交联(cross-linking)。特而言之，该电子束64提供的能量可促使该预定区域66内的高分子改变其分子结构。

参考图8，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以形成多个以阵列方式排列的相移图案68于该基板52上，如图9的俯视图所示。由于该电子束64提供的能量导致被照射的高分子改变其分子结构，因而被照射的高分子与未被照射的高分子对显影液具有不同溶解度。因此，显影工艺即可选择性地去除未被该电子束64照射的高分子层(即在该预定区域66以外的高分子)，而保留在该预定区域66内的高分子。

申言之，该多个以阵列方式排列的预定区域66间的高分子层62并未受到该电子束64照射，因此在显影工艺的后形成多个设置于该相移图案68间的透光区56。此外，该多个相移图案68亦构成多个线状图案54以及多个设置于该线状图案54间的线状图案58。优选地，该相移图案68的纵向间距小于该相移图案68的纵向宽度，亦即该相移图案68的纵向宽度大于该透光区56的纵向宽度。该线状图案54的横向间距约等于该线状图案54的横向宽度，亦即该线状图案54与该线状图案58约等宽。此外，该基板52可为一石英基板或另包含一设置于该基板52表面的接口层(未显示于图中)，其中该接口层可为一由顺式聚乙炔或聚苯胺导电高分子构成的导电层或一由六甲基乙硅氮烷(Hexamethyldisilazane)构成的黏着层。

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利用一碱性溶液进行显影，其中该碱性溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成之群。此外，该硅酸盐材料亦可为甲基硅酸盐(MSQ)，此时去除未被该电子束64照射的高分子层62利用一醇类溶液(例如乙醇)进行显影。再者，该高分子层62若为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形成键结，因此后续以碱性溶液显影时，即可选择性地去除该预定区域66以外的高分子层62。

图10是该相移图案68在不同波长的曝光光束下的反射系数变化图。根据已知的相移公式：P＝2π(n-1)d/mλ，其中P为相移角，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，因此根据相移公式计算该相移图案68的厚度应为1828埃(若相移角度的公差设定为177°至183°，则该相移图案68的厚度应为1797至1858埃)。当曝光光束的波长为248纳米时，相应的反射系数约为1.45，因此根据相移公式计算该相移图案68的厚度应为2713埃(若相移角度的公差设定为177°至183°，则该相移图案68的厚度应为2668至2759埃)。

图11是该相移图案68在不同波长的曝光光束下的消光系数变化图。由图11可知，若曝光光束的波长介于190～900纳米之间，该相移图案68的消光系数实质为零。因此，本发明所使用的高分子材料经该电子束64照射后，形成可延迟透射光束的相位的透光性材料，适用于相移式掩模。

图12及图13例示本发明的无铬膜相移式掩模50应用于一半导体基板70上定义一半导体元件(例如一晶体管的栅极或导体层)的形貌，其中图12是沿图9的A-A剖面线的局部剖示图，而图13则是沿图9的B-B剖面线的剖示图。特而言之，该无铬膜相移式掩模50的零度区与180度相转移区的宽度比为1∶1。该相移图案68的厚度被设计成可使一曝光光束74在穿透该相移图案68后的透射光束76的相位延迟180度，而穿透该透光区56的透射光束78的相位则不受影响保持为0度。如此，该透射光束76的零级光与透射光束82的零级光总和对透射光束78的零级光形成破坏性干涉，所以无法使其正下方的光致抗蚀剂层72的线状区域80曝光。换言之，该曝光光束74无法曝光该线状区域80(其位于该相移图案68构成的线状图案54-正下方)，而仅可曝光该线状区域82(其位于透光的线状图案58-正下方)。

图14(a)例示该曝光光束74穿透该无铬膜相移式掩模50照射于空间影像(aerial image)的强度分布，其利用SOLID E光学仿真软件计算而得。若将该光致抗蚀剂层72的临界感光门坎设计为0.3，则利用本发明的无铬膜相移式掩模50及偏轴照明系统，即可在该半导体基板70的光致抗蚀剂层72上形成具有间距与宽度相等的线状图案。复参图9，穿透该线状图案54的光束与穿透该透光区56的光束具有180度的相位差，其中该透光区56的大小及形状可由光学仿真软件予以决定。对偏轴照明而言，该透射光束76的零级绕射光束与该透射光束78的零级绕射光束不会互相抵消，亦即可干涉成像。

此外，利用本发明的无铬膜相移式掩模50对线宽与间距的比值为1∶1的布局进行偏轴照明时，穿透该透光区56的光束的零级光与穿透该相移图案68的透射光束76的零级光形成破坏性干涉，且穿透该相移图案68而相位延迟180度的透射光束76的零级光亦可与穿透该线状图案58而相位延迟0度的透射光束78的零级光形成破坏性干涉。换言之，通过该相移图案68而相位延迟180度的透射光束76的零级光将被完全破坏而无法干涉成相像，而穿透该线状图案58而相位延迟0度的透射光束78的零级光将被部分破坏，其光强度与+1级及-1级相等，有助于进一步提升该光致抗蚀剂层72的线状区域80与线状区域82的照射光强度差异，亦即提升对比度。相对地，若采用图6所示的现有无铬膜相移式掩模10，其强度如图14(b)所示。由于空间影像的光强度差异过小，因而无法在光致抗蚀剂层72上成像。

特而言之，本发明并未蚀刻该基板52，因此在该相移图案68与该透光区56正下方的基板52的厚度应相同。换言之，该曝光光束74穿透该透光区56与该相移图案68时，理应穿透了相同厚度的基板52，因此该光致抗蚀剂层72的线状区域80与线状区域82的照射光强度差异应由该相移图案68所造成。亦即，该无铬膜相移式掩模50的相转移角大小主要取决于该相移图案68的厚度，无关于该基板52的厚度。

申言的，本发明的相移式掩模的石英基板的厚度相同，故曝光光束在该石英基板中的传输距离相同，因而本发明可避免现有技术因必须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，可精确地控制该相移图案的厚度(即相移角度)。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，其可藉由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的相当细小的区域，因此本发明可精确地控制该相移图案的横向宽度。

相较于现有技术，本发明的相移式掩模可增加掩模产率、并消除蚀刻工艺所产生的相误差及掩模检视问题。再者，本发明并不需二次曝光微影，因而并无对位的问题。此外，本发明制备该相移图案并不需要蚀刻石英基板，因而可消除现有的相误差、掩模检视及因蚀刻石英基板而产生的缺陷(defect)等问题。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域内的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为所附的权利要求书所涵盖。

Claims (38)

1.一种相移式掩模，包含：

一基板；以及

多个设置于该基板上的相移图案，其中该相移图案由高分子材料构成，且该相移图案在一第一方向的间距小于该相移图案的宽度。

2.根据权利要求1的相移式掩模，其中该高分子材料是硅酸盐材料。

3.根据权利要求2的相移式掩模，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。

4.根据权利要求2的相移式掩模，其中该硅酸盐材料是甲基硅酸盐。

5.根据权利要求1的相移式掩模，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的相移式掩模，其中该基板是一石英基板。

7.根据权利要求1的相移式掩模，其中该基板包含一石英基板以及一设置于该基板表面的接口层。

8.根据权利要求7的相移式掩模，其中该接口层是一导电层或一黏着层。

9.根据权利要求1的相移式掩模，其中该相移图案以阵列方式排列。

10.根据权利要求1的相移式掩模，其中该多个相移图案构成多个线状图案。

11.根据权利要求10的相移式掩模，其中该线状图案在一第二方向的间距等于该线状图案的宽度，该第二方向垂直于该第一方向。

12.一种相移式掩模的制备方法，包含下列步骤：

形成一高分子层于一基板上；

改变多个预定区域内的高分子层的分子结构，其中该预定区域在一第一方向的间距小于该预定区域的宽度；以及

去除该预定区域以外的高分子层以形成多个相移图案。

13.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中利用一旋转涂布工艺形成一高分子层于该基板上。

14.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该高分子层包含硅酸盐材料。

15.根据权利要求14的相移式掩模的制备方法，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。

16.根据权利要求15的相移式掩模的制备方法，其中利用一碱性溶液去除该预定区域以外的高分子层。

17.根据权利要求16的相移式掩模的制备方法，其中该碱性溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液及四甲基氢氧化铵溶液构成之群。

18.根据权利要求14的相移式掩模的制备方法，其中该硅酸盐材料是甲基硅酸盐。

19.根据权利要求18的相移式掩模的制备方法，其中去除该预定区域以外的高分子层利用一醇类溶液。

20.根据权利要求19的相移式掩模的制备方法，其中该醇类溶液是乙醇。

21.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该高分子层包含混成有机硅烷高分子。

22.根据权利要求21的相移式掩模的制备方法，其中利用乙酸丙酯溶液去除该预定区域以外的高分子层。

23.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该多个预定区域以阵列方式排列。

24.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该多个预定区域构成多个线状图案。

25.根据权利要求24的相移式掩模的制备方法，其中该线状图案在一第二方向的间距等于该预定区域的宽度，该第二方向垂直该第一方向。

26.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该基板是一石英基板。

27.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中该基板包含一石英基板以及一设置于该基板表面的接口层。

28.根据权利要求27的相移式掩模的制备方法，其中该接口层是一导电层或一黏着层。

29.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中利用一电子束照射该预定区域改变多个预定区域内的高分子层的分子结构。

30.根据权利要求12的相移式掩模的制备方法，其中提供一能量于该预定区域来改变多个预定区域内的高分子层的分子结构。

31.一种半导体元件的制备方法，包含下列步骤：

形成一光致抗蚀剂层于一基板上；

使用一相移式掩模曝光该光致抗蚀剂层，该相移式掩模包含一基板以及多个设置于基板上的相移图案，该相移图案由高分子材料构成，且该相移图案在一第一方向的间距小于该相移图案的宽度；以及

显影该光致抗蚀剂层。

32.根据权利要求31的半导体元件的制备方法，其中该高分子材料是硅酸盐材料。

33.根据权利要求32的半导体元件的制备方法，其中该硅酸盐材料是氢硅酸盐。

34.根据权利要求32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。

35.根据权利要求31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。

36.根据权利要求31的半导体元件的制备方法，其中该相移图案以阵列方式排列。

37.根据权利要求31的半导体元件的制备方法，其中该多个相移图案构成多个线状图案。

38.根据权利要求37的半导体元件的制备方法，其中该线状图案在一第二方向的间距等于该线状图案的宽度，该第二方向垂直该第一方向。

Images