TWI570522B - 保護膜結構及其形成方法及保護膜－罩幕結構 - Google Patents

保護膜結構及其形成方法及保護膜－罩幕結構 Download PDF

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Description

保護膜結構及其形成方法及保護膜-罩幕結構
本發明係有關於一種保護膜結構及其形成方法，且特別是有關於一種具有保護膜薄膜的保護膜結構及其形成方法。
半導體裝置應用於各種電子裝置，例如個人電腦、手機、數位相機等各式電子儀器。半導體裝置的形成通常包括在半導體基板上依序沉積絕緣層或介電層、導電層及半導體層的材料，並利用微影圖案化各種材料層，以在其上形成電路零件及元件。
提升電腦表現的方法之一為提高電路的積體程度。此係藉由在給定晶片上微型化或縮小裝置尺寸。為了將更佳的圖案移轉至晶圓上已發展極紫外光(extreme ultraviolet)微影技術。極紫外光微影技術被視為新一代技術，將被用於製造較薄及較快的微晶片。
然而，雖然現行極紫外光微影技術大致滿足其需要，但隨著裝置持續縮小，它們並非在所有層面都完全令人滿意。
本發明一實施例提供一種保護膜結構(pellicle structure)，包括保護膜薄膜，以碳基(carbon-based)材料形成，其中該保護膜薄膜係用以在一微影製程中保護一罩幕結構。
本發明另一實施例提供一種保護膜-罩幕結構，包括罩幕基板，具有一罩幕圖案形成在該罩幕基板上；一保護膜框架，設置在該罩幕基板上；以及一保護膜薄膜，設置在該保護膜框架上，其中以一碳基(carbon-based)材料形成該保護膜薄膜。
本發明又一實施例提供一種保護膜結構的形成方法，包括：在一基板上形成一金屬層；在該金屬層上形成以一碳基材料形成的一保護膜薄膜；在該保護膜薄膜上形成一聚合物層；將該金屬層及該基板由該保護膜薄膜移除；將該保護膜薄膜接合至一保護膜框架；以及移除該聚合物層。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
100‧‧‧保護膜結構
102‧‧‧基板
104‧‧‧金屬層
106‧‧‧保護膜薄膜
108‧‧‧聚合物層
110‧‧‧保護膜框架
200‧‧‧保護膜-罩幕結構
203‧‧‧罩幕圖案
201‧‧‧罩幕基板
205‧‧‧罩幕空間
300‧‧‧極紫外光微影製程
302‧‧‧放射光源
304‧‧‧照明器
306‧‧‧罩幕結構
308‧‧‧投射光源元件盒
310‧‧‧目標物
H1‧‧‧高度
L1‧‧‧長度
C‧‧‧中心區
P‧‧‧邊緣區
第1A至1F圖為在一些實施例中形成保護膜結構的各階段剖面圖。
第2圖顯示在一些實施例中的保護膜-罩幕結構的剖面圖。
第3圖顯示在一些實施例中極紫外光微影製程(Extreme ultraviolet lithography process)的流程圖。
以下的揭露內容提供許多不同的實施例或範例以 實施本案的不同特徵。以下的揭露內容敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定。例如，若是本揭露書敘述了一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其可能包含上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦可能包含了有附加特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。
此外，其與空間相關用詞。例如“在...下方”、“下方”、“較低的”、“上方”、“較高的”及類似的用詞，係為了便於描述圖示中一個元件或特徵與另一個(些)元件或特徵之間的關係。除了在圖式中繪示的方位外，這些空間相關用詞意欲包含使用中或操作中的裝置之不同方位。裝置可能被轉向不同方位(旋轉90度或其他方位)，則在此使用的空間相關詞也可依此相同解釋。
在本揭露的一些實施例中提供一種保護膜結構(pellicle structure)及其形成方法。利用碳基(carbon-based)材料形成保護膜結構，其可用以在微影製程中保護罩幕結構。第1A至1F圖為在一些實施例中形成保護膜結構100的各階段剖面圖。
參照第1A圖，在一些實施例中，提供基板102。基板102可為石英基板或超光滑(ultra-smooth)基板。基板102必須 足夠平滑，而在後續製程中可在基板102上形成平坦的保護膜薄膜。
在一些實施例中，在基板102上形成金屬層104。金屬層104可看作犧牲層，可有利於在後續製程中保護膜薄膜的形成。在一些實施例中，金屬層104的形成係利用銅(C)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、銦(In)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鎂(Mg)、鋁(Al)、鋯(Zr)、銥(Ir)、鎢(W)、鑭(La)、鈮(Nb)、鈷(Co)、鉬(Mo)、銀(Ag)、金(Au)或上述之合金。金屬層104的形成可利用濺鍍、印刷、電鍍(electroplating)、無電鍍(electro-less plating)、電化學沉積、分子束磊晶、原子層沉積、物理氣相沉積及/或一般使用的化學氣相沉積。
接著，在一些實施例中，在金屬層104上形成保護膜薄膜106，如第1A圖所示。在一些實施例中，以碳基材料形成保護膜薄膜106，例如以石墨烯(graphene)形成。石墨烯為二維碳結構，包括碳原子以sp2鍵結緊密連結聚集。石墨烯具有高透明度、良好的機械強度及優良的導熱度(heat conductivity)。因此，以石墨烯形成保護膜薄膜106可非常薄，又仍可具有足夠高的機械強度。
在一些實施例中，保護膜薄膜106為單層石墨烯、雙層石墨烯或多層石墨烯。保護膜薄膜106的形成可利用化學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積、高密度電漿化學氣相沉積、電漿強化化學氣相沉積或熱製程如爐管沉積。
而後，在一些實施例中，在保護膜薄膜106上形成聚合物層108，如第1C圖所示。在一些實施例中，聚合物層108 的形成係利用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚亞醯胺(polyimide)、環氧樹脂(epoxy)、苯並環丁烯(benzocyclobutene)或聚苯並噁唑(Polybenzoxazole；PBO)。在一些實施例中，以聚甲基丙烯酸甲脂或聚苯乙烯形成聚合物層108，使得聚合物層108在後續製程中可輕易的被移除，而不會損害到保護膜薄膜106。聚合物層108的形成可利用化學氣相沉積、物理氣相沉積或其他適合的技術。
在形成聚合物層108之後，在一些實施例中，將基板102及金屬層104由保護層薄膜106移除，如第1D圖所示。在一些實施例中，基板102及金屬層104的移除係利用SPM(硫酸及過氧化氫混合物；sulfuric acid and hydrogen peroxide mixture)製程。在一些實施例中，基板102及金屬層104的移除係利用包含硫酸(H2SO4)、過氧化氫(H2O2)、硝酸鐵(Fe(NO3)3)及氯化鐵(FeCl3)的混合物。
而後，在一些實施例中，將保護膜框架110貼合至保護膜薄膜106，如第1E圖所示。在一些實施例中，保護膜框架110係用以將保護膜薄膜106固定至罩幕結構。保護膜框架可包括以具有足夠機械強度的材料所形成的單件或多組件，以固定保護膜薄膜106。在一些實施例中，以鋁或鋁合金形成保護膜框架。
在一些實施例中，藉由靜電力(electrostatic force)將保護膜框架110貼合至保護膜薄膜106。在一些實施例中，將保護膜框架110(及/或保護膜薄膜106)暴露至X光，而在保護膜框架110的頂表面誘發電荷，而後將保護膜框架110的頂表面接 合至保護膜薄膜106。既然保護膜薄膜106係以碳基材料形成，保護膜薄膜106可藉由靜電力接合至保護膜框架110，此舉可避免保護膜結構110被汙染。然而，應注意的是，也可額外或取代性的利用其他的方法接合保護膜框架110。例如，可利用黏著劑(如：黏膠)將保護膜框架110接合至保護膜薄膜106。
在一些實施例中，在將保護膜框架110接合至保護膜薄膜106之後，將聚合物層108由保護膜薄膜106移除，如第1F圖所示。在一些實施例中，利用濕處理(wet treatment)移除聚合物層108，例如利用丙酮。在聚合物層108移除後，保護膜結構100已預備好可設置於罩幕結構上，並用於微影製程。
如第1F圖所示，在一些實施例中，保護膜結構110包括保護膜薄膜106及保護膜框架110。此外，保護膜薄膜106具有邊緣區P及中心區C，且保護膜框架110與保護膜薄膜106的邊緣區P直接接觸。此外，既然保護膜薄膜106係利用具有足夠強度的碳基材料所形成，故保護膜薄膜106不需要支撐結構，尤其是在保護膜薄膜106的中心區C處。因此，可避免形成在保護膜薄膜結構上或中的支撐結構所造成的光影效應(optical shadow effect)。
在一些實施例中，保護膜薄膜106具有厚度H1介於約0.01μm至約100μm。當保護膜薄膜106的厚度H1太大時，保護膜薄膜106的吸光率(absorbency)可能會太大。然而，當保護膜薄膜106的厚度H1太小時，保護膜薄膜106可能容易破裂。
在一些實施例中，保護膜薄膜106的形狀為矩形。在一些實施例中，保護膜薄膜106具有長度L1介於約6英吋至約 10英吋。既然保護膜薄膜106係利用如石墨烯等碳基材料形成，保護膜薄膜106可有相對較大的尺寸並具高機械強度。
第2圖顯示在一些實施例中的保護膜-罩幕結構200的剖面圖。保護膜-罩幕結構200可用於製造半導體結構的製程中，例如可用於製造半導體晶圓的製程中。保護膜-罩幕結構200可包括第1F圖所示的保護膜結構100及罩幕結構，且可利用保護膜框架110將保護膜薄膜106固定至罩幕結構。
更詳細而言，在一些實施例中，保護膜-罩幕結構200包括具有罩幕圖案203形成於其上的罩幕基板201、設置在罩幕基板201上的保護膜框架110以及設置在保護膜框架110上的保護膜薄膜106。
在一些實施例中，罩幕基板201為透明基板，如相對缺陷較少的熔融矽石(fused silica)、硼矽玻璃、鈉鈣玻璃(soda-lime glass)、氟化鈣(calcium fluoride)或其他適合的材料。可依照在微影圖案製程中，半導體基板上所欲形成的圖案來設計形成在罩幕基板201上的罩幕圖案203。可利用沉積一材料層並圖案化該材料層來形成罩幕圖案203，使其具有一或多個開口，放射線光束(radiation beam)可通過這些開口而不會被吸收，而一或多個吸收區域則會完全或部分阻擋放射線光束通過。
罩幕圖案203可包括金屬、金屬合金、金屬矽化物、金屬氮化物、金屬氧化物、金屬氮氧化物或其他適當的材料。用以形成罩幕圖案203的材料例如可包括Cr、MoxSiy、TaxSiy、Mo、NbxOy、Ti、Ta、CrxNy、MoxOy、MoxNy、CrxOy、 TixNy、ZrxNy、TixOy、TaxNy、TaxOy、SixOy、NbxNy、SixNy、ZrxNy、AlxOyNz、TaxByOz、TaxByNz、AgxOy、AgxNy等。上述化合物之X/Y/Z的比例並無限制。其比例例如可為0至1。
在一些實施例中，藉由保護膜框架110將以碳基材料形成的保護膜薄膜106固定至罩幕基板201，如第2圖所示。保護膜薄膜106保護罩幕基板201使其不受到掉下來的粒子影響，並使掉下來的粒子離開焦點處，使這些粒子不會在微影製程中產生會造成缺陷的影像。在一些實施例中，保護膜框架110包括一或多個通風孔洞(圖中未顯示)以利通風。在一些實施例中，罩幕基板201、保護膜薄膜106及保護膜框架110形成封閉的罩幕空間205，其充滿單一原子氣體，例如氬氣或氦氣。
第2圖所示的保護膜-罩幕結構200可用於微影圖案化製程。更詳細而言，可提供基板(如：半導體晶圓)，以在其上形成積體電路圖案。半導體晶圓可更進一步地塗佈有感光(radiation sensitive)材料層，例如光阻層。保護膜-罩幕結構200可用以圖案化半導體晶圓。形成在罩幕結構201上的罩幕圖案203定義著欲形成在半導體晶圓上的積體電路圖案。在一些實施例中，微影製程包括軟烤、罩幕對齊、曝光、曝光後烤、光阻顯影及硬烤。
第3圖顯示在一些實施例中極紫外光微影製程(Extreme ultraviolet lithography process)300的流程圖。在一些實施例中，極紫外光微影製程300使用極紫外光(EUV)放射光源302、照明器(illuminator)304、罩幕結構306、投射光學元件盒(projection optic box；POB)308及目標物310。
極紫外光放射光源302可具有波長介於約1nm至約100nm。照明器304可包括折射光學元件(refractive optics)，例如單一鏡片或具有多鏡片(波帶片；zone plates)的鏡片系統，或者可包括反射光學元件(reflective optics)，例如單一鏡子或具有多個鏡子的鏡子系統，以將放射線(如：光)由放射光源302導向至罩幕結構306上。一般而言，在極紫外光微影製程中使用反射光學元件。
罩幕結構306可為第2圖所示之保護膜-罩幕結構200，或為包括第1F圖所示之保護膜薄膜106之罩幕結構。罩幕結構306可為反射罩幕，例如保護膜-罩幕結構200。罩幕結構306可配合其他加強解析的技術，如衰減相轉移罩幕(attenuated phase-shifting mask；AttPSM)及次解析輔助元件(sub-resolution assist features)。次解析輔助元件並不會印刷至目標物310。然而，其可有助於增加主元件的曝光寬容度(exposure latitude；EL)或對焦深度(depth of focus；DOF)。
投射光學元件盒308可具有折射光學元件或反射光學元件。利用投射光學元件盒308收集由罩幕結構306反射的放射線，並傳導至目標物310。
目標物310可包括固定在基板台的半導體基板。基板台可包括馬達、滾輪導件(roller guides)及桌台。基板台可利用真空將半導體基板固定，並在極紫外光微影製程300中的對準、對焦、水平校正及曝光操作中提供半導體基板精準的定位及移動，使得罩幕結構306的影像可以轉移至半導體基板上。
光阻層可形成在半導體基板上以暴露於罩幕結構 306上的圖案。光阻層可為正型光阻(positive tone resist)或負型光阻(negative tone resist)。半導體基板可包括在半導體積體電路製造中所使用的各種基板，且積體電路可形成於半導體基板之中或之上。在一些實施例中，半導體基板為半導體晶圓。半導體基板可為矽基板。半導體基板或者或額外可包括元素半導體材料(elementary semiconductor materials)、化合物半導體材料(compound semiconductor materials)、及/或合金半導體材料(alloy semiconductor materials)。元素半導體材料例如可為結晶矽(crystal silicon)、多晶矽(polycrystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、鍺、及/或鑽石，但並非以此為限。化合物半導體材料例如可為碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenic)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)、及/或銻化銦(indium arnimonide)，但並非以此為限。合金半導體材料例如可為矽鍺(SiGe)、鎵砷磷(GaAsP)、鋁銦砷(AlInAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)、鎵銦砷(GaInAs)、鎵銦磷(GaInP)、及/或鎵銦砷磷(GaInAsP)，但並非以此為限。
此外，半導體基板可更包括複數個隔離元件，例如淺溝槽隔離元件或矽的局部氧化(locao oxidation of silicon；LOCOS)元件。這些隔離元件分隔形成在基板之中或之上的多種微電子元件。
另外，半導體基板可更包括在積體電路上的內連線結構。內連線結構可包括層間介電層及金屬層結構覆蓋積體電路。在金屬層結構中的層間介電層可包括低介電常數介電材 料、未摻雜矽玻璃、氮化矽、氮氧化矽、或其他一般使用的材料。在金屬層結構中的金屬線可利用銅、銅合金或其他適當的導電材料形成。
應注意的是，雖然在前述描述中保護膜薄膜106係用於半導體製造製程中，但保護膜薄膜106也可用於其他微影製程，本揭露之範圍並非以此為限。例如，保護膜薄膜106可用以圖案化其他基板，例如用以形成薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD)的玻璃基板。
用以形成保護膜薄膜的材料應具有良好的光、熱及機械性質，使得保護膜薄膜可具有高穿透性、高導熱性及高機械強度。由於聚合物或以膠為基底(gel-based)的材料通常具有高光學吸收性，因此可能無法用以形成保護膜薄膜。
一般而言，可利用矽基(silicon-based)材料形成具有高穿透度的保護膜。然而，以矽基材料形成的保護膜薄膜的機械強度可能相對的較低，因此很難將矽基材料的保護膜薄膜轉移到罩幕結構。此外，當以矽基材料形成的保護膜薄膜尺寸相對較大時(例如：大於6英吋)，在保護膜薄膜上可能需要形成支撐結構(例如：六角形的結構)，以避免薄膜的破裂。然而，上述支撐結構的形成通常包括複雜的微影蝕刻製程，且可能會因為蝕刻製程而在矽基保護膜薄膜上誘發應力。此外，在微影製程中，支撐結構可能由於光影效應(optical shadow effect)而造成錯誤圖案化。
相對的，如前述的保護膜薄膜106係以碳基(carbon-based)材料形成(例如：石墨烯)，其可具有高穿透度。 此外，以碳基材料形成的保護膜薄膜更具有高機械強度及良好的導熱性。既然保護膜薄膜具有較高的機械強度(例如相較於矽基材料形成的保護膜薄膜)，保護膜薄膜106較容易轉移至罩幕結構而不會造成保護膜薄膜106的破損。此外，不需要在保護膜薄膜106之中或之上形成支撐結構。因此，可避免在微影製程中的光影效應，且在形成保護膜薄膜106時，不需進行複雜且會在保護膜薄膜誘發應力的微影製程。
此外，保護膜薄膜106具有高導熱性，故可快速地釋放掉在微影製程中由放射線而導致的能量。因此，可降低由於放射線的高能量而導致保護膜薄膜106損害的風險。
再者，可利用軟印刷(soft-print)方式形成碳基材料。因此，不需要複雜的製程即可形成具有相對大尺寸的保護膜薄膜106。此外，保護膜框架110可藉由靜電力接合至保護膜薄膜106。因此，保護膜框架110及保護膜薄膜106之接合可不必利用黏著劑，因此可避免保護膜-罩幕結構200被黏著劑汙染的問題及黏著劑被放射線損害(如：降解)的問題。
在一些實施例中提供保護膜結構的形成方法。保護膜結構包括保護膜薄膜，保護膜薄膜係以碳基材料形成。以碳基材料形成的保護膜薄膜可具有良好的穿透度。此外，以碳基材料形成的保護膜薄膜可具有相對較高的機械強度。因此，在保護膜薄膜之中或之上不需要支撐結構，故可以避免在微影製程中因支撐結構所造成的光影效應。
在一些實施例中，提供一種保護膜結構(pellicle structure)。保護膜結構包括保護膜薄膜，以碳基(carbon-based) 材料形成。此外，該保護膜薄膜係用以在微影製程中保護罩幕結構。
本發明另一實施例提供一種保護膜-罩幕結構。上述保護膜-罩幕結構包括罩幕基板，具有罩幕圖案形成在罩幕基板上以及保護膜框架，設置在罩幕基板上。保護膜-罩幕結構還包括保護膜薄膜，設置在保護膜框架上。此外，以碳基(carbon-based)材料形成保護膜薄膜。
本發明又一實施例提供一種保護膜結構的形成方法。上述保護膜結構的形成方法包括在基板上形成金屬層以及在金屬層上形成以碳基材料形成的保護膜薄膜。保護膜結構的形成方法還包括在保護膜薄膜上形成聚合物層以及將金屬層及基板由保護膜薄膜移除。保護膜結構的形成方法還包括將保護膜薄膜接合至保護膜框架以及移除聚合物層。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧保護膜結構
106‧‧‧保護膜薄膜
110‧‧‧保護膜框架
H1‧‧‧高度
L1‧‧‧長度
C‧‧‧中心區
P‧‧‧邊緣區

Claims (14)

  1. 一種保護膜結構(pellicle structure)，包括：一單層保護膜薄膜，以一碳基(carbon-based)材料形成，其中該單層保護膜薄膜係用以在一微影製程中保護一罩幕結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之保護膜結構，其中該碳基材料為石墨烯(graphene)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之保護膜結構，其中該單層保護膜薄膜為單層石墨烯。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之保護膜結構，其中該單層保護膜薄膜具有一厚度介於約0.01μm至約100μm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之保護膜結構，更包括：一保護膜框架，接合至該單層保護膜薄膜。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之保護膜結構，其中該單層保護膜薄膜具有一邊緣區及一中心區，且該保護膜框架與該單層保護膜薄膜的該邊緣區直接接觸。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之保護膜結構，其中該單層保護膜薄膜具有一邊緣區及一中心區，且在該單層保護膜薄膜的該中心區未設置支撐結構。
  8. 一種保護膜-罩幕結構，包括：一罩幕基板，具有一罩幕圖案形成在該罩幕基板上；一保護膜框架，設置在該罩幕基板上；以及一單層保護膜薄膜，設置在該保護膜框架上，其中以一碳基(carbon-based)材料形成該單層保護膜薄膜。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之保護膜-罩幕結構，其中該單層保護膜薄膜具有一長度介於約6英吋至約10英吋。
  10. 一種保護膜結構的形成方法，包括：在一基板上形成一金屬層；在該金屬層上形成以一碳基材料形成的一保護膜薄膜；在該保護膜薄膜上形成一聚合物層；將該金屬層及該基板由該保護膜薄膜移除；將該保護膜薄膜接合至一保護膜框架；以及移除該聚合物層。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之保護膜結構的形成方法，其中該聚合物層的形成係利用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚亞醯胺(polyimide)、環氧(epoxy)、苯並環丁烯(benzocyclobutene)或聚苯並噁唑(Polybenzoxazole；PBO)。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之保護膜結構的形成方法，其中該保護膜框架藉由靜電力接合至該保護膜薄膜。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之保護膜結構的形成方法，其中將該保護膜薄膜接合至一保護膜框架的步驟包括：將該保護膜框架暴露至一X光，以在該保護膜框架的一頂表面誘發電荷；以及將該保護膜薄膜接合至該保護膜框架的該頂表面。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之保護膜結構的形成方法，其中該保護膜框架係用以將該保護膜薄膜固定至一罩幕結構。
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