采用人字形照射来照射光掩模的方法

专利名称：采用人字形照射来照射光掩模的方法
技术领域：
本发明与半导体平版印刷有关，更具体地说，是与改善成像的光掩模的照射有关。
背景技术：
利用光成像系统进行半导体平版印刷已有多年历史。这个过程涉及通过电磁频谱的紫外可见部分范围(或附近)内的射线的投影而产生立体像图形。早期的光学半导体平版印刷方法利用这贴印刷技术，这时带所要求的器件图形像的光掩模靠近光敏硅晶片表面，将像传给该表面。由于没有缩小光学系统，采用这种方法的分辨率，器件尺寸和器件产率是有限的。采用步进-重复或步进-扫描光学系统的现代缩小投影技术使早期邻近平版印刷方法所磁到的一些问题大大减少，从而使平版印刷机不断发展，至今已实现0.15μm以下的分辨率。
半导体器件的尺寸一般在用来图形化它们的紫外(UV)光波长的数量级。目前曝光波长在150至450nm的量级，更具体地说，是157nm，293nm，248nm，365nm，436nm。最有挑战性的平版印刷尺寸是处在相当于0.5λ/NA附近或以下的尺寸，式中λ为曝光波长，NA是曝光机物镜数字孔径。举例来说，对于带0.65NA物镜的193nm波长曝光系统，0.13μm或以下的特征成像系统被认为是现有技术状态。系统通常采用科勒尔(Knler)型照射，其有效源为圆形。最近，源的形状已从这种传统的圆形转变为能使特定的光掩模图形，波长，NA，和其它成像参数的照射条件最优化的形状。采用双极照射的离轴照射(其具有一对圆形的沿掩模几何形状方向定位的源形状)，可大大改善成像性能。这是因为只有处于最佳照射角的倾斜照射可以将单一方向的掩模衍射能量投影到物镜光瞳的最边缘处。当X和Y(水平和垂直方向)两个方向的几何形状都考虑时，双极照射就有问题，因为沿只有X-Y平面内一个方向取向的特征能够成像。此外，采用方形或矩形极比用圆形极更好。四极源形是改变X和Y方向几何形状的一个例子(例如参见美国专利5,305,054)。这时采用四个圆形极来提供沿两个正交轴线的位置处的掩模几何形状。但采用多个圆形极并不是用于沿正交X和Y轴定位的掩模几何形状的最好形式。本发明人发现，沿着X和Y轴伸展并在照射源的角形成人字形的特殊方极形，比其它照射方式的性能要好得多。
发明概要本发明是用于成形照射的一种独特方法。它可以通过将一个光栅放在聚光镜或照射系统的光瞳平面上，或通过采用包含衍射光学元件(DOE)或其它类似元件，光束分光器等光学装置，或者通过其它类似方法来成形照射来实现。
本发明的一个目的是为沿正交X和Y轴定位的掩模特征提供最佳的离轴照射，因为大部分半导体器件几何形状是沿着这些方向定位的。本发明的第二个目的是去掉对于沿正交X和Y轴方向定位的半导体器件几何形状不是最佳的照射源成形。
本发明的另一个目的是，通过改进沿X和Y轴的照射源形状来控制轴上和轴外照射成形的比。
本发明还有一个目的是提供一种照射成形，它可以通过包括使用衍射光学元件(DOE)，束分光器，光栅板式掩模，或其它光学装置的各种装置在一个投影成像系统中实现。
这些目的可以利用一种特殊的照射成形来实现，这种照射形式有四个照射区，且这些区域是由位于X和Y轴上的边界界定的。具体地说，这些区域为“L”形，其中水平和垂直段的尺寸可以在两个极限之间变化。第一个极限是四个“L”形水平和垂直段形成方形，其中两段的长度和宽度是相等的。第二个极限是，四个“L”形水平和垂直段的长度使得每一个形成与水平和垂直方向相邻的“L”形的连接从而导致连续的照射方形环。
本发明的孔眼掩模可以形成在如石英之类的半透明或透明衬底上，衬底上面有一些开在不透明的覆层中的开口；或由一块具有一些人字形开口的实体的不透明金属板上形成。人字形处于板的四角区。每个人字形包含一个位于角落的方形区，其第一和第二支从所述方形透明区伸出并沿着向邻近角落的方向延伸。人字形的尺寸可以从小到四个方形角变至大到围绕一个中心不透明区的方形环。
附图简要说明

图1a-1e表示边缘模糊度逐渐增大的人字形照射分布图1a，不模糊或方形环；图1b，0.25；图1c，0.50；图1d，0.75；图1e，1.0或方形四极。
图2表示在照射器中采用孔眼掩模而在投影平版印刷机中实施本发明。
图3人字形照射的光束成形方法。
图4是采用ASML-Quaser(TM)照射时，在不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果，参数(外σ/内σ/孔径角)为0.8/0.5/30°。
图5为采用人字形“e”照射器时，对不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果。
图6为采用人字形“d”照射器时，对不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果。
图7为采用人字形“c”照射器时，对不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果。
图8为采用人字形“b”照射器时，对不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果。
图9为采用人字形“a”照射器时，对不同间距值下的130nm线，利用NILS对聚焦的像评价结果。
对本发明的描述本照射方法称为人字形照射。图1a-1e示出人字形照射板的一些例子。人字形被形成为并且其尺寸确定为与普通照射系统的圆形光瞳相配。图1a-1e为几个例子，从完整的方形环到四个方形极。在这些个极端之间的角率(solution)为人字形状。这些形状比起目前用于投影系统中的四极型或ASML-Quaser(TM)形都有所改善。
在本发明的一种实施装置中，照射板是用传统的光掩模技术制成的。用一个不透明的覆层(一般为铬)覆盖透明的石英衬底。衬底上涂有一层光抗蚀剂，人字形图案曝光在抗蚀剂内。曝光一般是按本领域技术人员熟知的方式由电子束装置完成。在另一种实施装置中，在一块实体的金属板的角落处开有一些人字形孔。
来看图1b，图中示出了一个带四个人字形110b，120b，130b，140b的孔眼掩模。各个人字分别有成对的支111b，112b，121b，122b，131b，132b，141b，142b。这些支伸向邻近的角落。在后继的各图1c-1e中人字形逐渐变小，直至图1e中的人字形120e，130e，140e，150e成为石英衬底的铬覆层内的简单透明方块，或者金属衬底内的开孔。在图1a中，人字形在相邻的角落间相遇，形成一个环状矩形或方形环100。
本领域技术人员知道，优选的实施例在水平(X)和垂直(Y)方向具有尺寸相同的开孔。以这种方式，源像在X和Y两个方向同样地成形。不过，需要的话也可以让开口在X和Y方向不同，以强调其中的一个尺寸。Khler照射系统在平版印刷应用中已广泛使用而且广为人知。本发明是在现有的Khler照射系统中通过使用照射光学系统而实现的。图2是一个例子。这里光源90产生的光束被引导通过聚光镜系统97。在此系统中，孔眼掩模91置于聚光镜光瞳平面上。掩模91把光束的形状控制成按人字形强度分布。聚光镜将人字形光源像聚集在物镜系统93的光瞳平面96上。光掩模92处在物镜系统93的物平面上且由人字形光源像照射。光掩模92的一个像通过物镜系统93投影到它的像平面95上。孔眼掩模可以是铬中带人字形开孔的铬覆层衬底，也可以是带人字形开孔的实体不透明衬底。
图3示出具有一个照射系统的束成形光学系统的另一个例子，它已经修改成能产生所希望的人字形照射。此照射光学系统包括一个束成形光学系统52和光学积分器60。照射采用灯泡或准分子激光光源。束成形光学系统52将从光源51来的光束成形为人字形，并将成形的束导引到光学积分器60的表面上。光学积分器可包括例如蝇眼阵列或一个或多个衍射光学元件。聚光镜系统53采用Khler照射方式照射掩模。掩模平面54中的强度分布由照射器的人字形成形确定，且为照射形状的傅里叶变换。在物镜系统56的光瞳平面55内也产生一个人字形源成形像。经常在平版印刷装置的照射系统中采用衍射光学元件(DOE)-也称为二元光学元件(BOE)一作为束成形元件。衍射光学元件按衍射原理工作。传统的光学元件是利用它们的形状使光线弯折。衍射光学元件则作为傅里叶变换透镜产生所希望的光学作用。DOE图形化技术通过离子刻蚀法产生多个相位级，从而使偏转角大到足以成形为实质上是一个大致圆形。这类元件在平版印刷系统中的应用可在US 5926257等文件中找到，其中利用一组DOE来形成圆形Khler照射。在US 563172中，将一个衍射光学元件阵列放在聚光器焦点上或附近，以产生与照射源形状没多大关系的所需圆形角分布。诸如US 6120950和US 5227915中所描述的制作方法对于衍射光学器件领域的人员都很熟悉。束成形光学系统52可包含一个或多个衍射光学元件，以利用这些制作方法来实现人字形成形。
下面给出利用本发明所得到的成像结果。所采用的五种人字形照射形状如图1所示。五种结构(a至e)的边缘模糊度增加，从不模糊(或0)变成全模糊(或1.0)，其中零模糊是一个完整的环形，而1.0是一个方形的四极形。四个照射区的各段的宽度是这样确定的，使得照射区的外边缘伸展一个完整单位σ光瞳的0.7倍，而内边缘为一个完整光瞳的0.5倍。在图形开放区内的强度为1.0，而在相邻区域的强度为0。曾对一个物镜NA为0.75的波长为248nm的成像系统进行像质评估，此系统用于130nm的线特征，其间距值从1∶1至1∶4，分别相当于260nm和650nm的节距值。评估采用能包括各成像参数的向量空间像模型进行。采用强度像(一般称为空间像)的对数斜率作为评价标准。此值越大表示像越清晰。对通过一定聚焦值范围的成像进行了评估。希望在尽可能大的聚焦变化范围内都能产生清晰的像。采用五种不同人字形照射的成像结果与一个四极形照射的成像结果作了比较，后一种照射一般叫做ASML-Quaser(TM)照射，其内σ值为0.5，外σ值为0.8，弧的清晰度为30°。比较的结果如图4至9所示。成像特性总结如下。
图4的用于评估ASML-Quaser(TM)结构的节距NILS对聚焦(NILS的定义是特征尺寸和空间像的对数斜率之积，并且需要较大的NILS值的关系曲线表示，如何通过在0.25μm附近的散焦实现1.5以上的NILS值，但在孤立特征和稠密特征特性之间的差别(称为邻近偏离)非常大，但这可能是不希望的。
图1e所示的人字形成形特性如图5所示，其中最小的节距特征比ASML-Quaser(TM)有所改进，但邻近偏离(Proximity bias)增加了。这表明如果邻近偏离不重要的话，这种人字形照射的改变如何通过聚焦的大变化使成像得到改善。
图6表示图1d的人字形结构的结果，其中260nm的节距特性好于ASML-Quaser(TM)，且邻近偏离比图5要小。这表示对特定人字形成的控制，是如何通过聚焦和邻近偏离来对成像特性的变化进行控制。
图7表明对图1c的人字形照射的总性能最佳。经由聚焦的NILS的特性比ASML-Quaser(TM)优越得多，且邻近偏离减小了。这是最好的结果。
图8示出对图1b的人字形结构的结果。它表明人字形成形如何控制邻近偏离和特性，这可以让源的成形方式适合于特定成像和工艺的要求。
图9示出对于图1a的人字形结构的结果，其是一方形环。方形环表现出对稠密的工艺叠加是有最好的孤立作用，也即邻近偏离最小。
这些结果说明本发明的重要性。当几何图形沿着X/Y方向(如四极型照射应用所要求的那样)取向时，最好采用将能量投向X和Y轴的照射源。这只有用人字形结构才能做到，而采用圆形四极形或ASML-Quaser(TM)照射是做不到的。
虽然本发明是通过一些实例来描述的，但它并不限于这里描述的例子。上述实施例不一定是完全的，不超出本发明的范围，对它们可以在方法，结构，和布局方面作各种改变和修改而。
权利要求
1.一种用来在半导体晶片的光敏表面上形成细间隔特征的平版印刷系统，它包括一用来照射带有一定图形的光掩模的光源，所述图形将被转换到半导体晶片的光敏表面上；一设于光源和半导体晶片之间的孔眼掩模，它包括一带有不透明覆层和四个透明角落区域的半透明衬底；每个透明角落区域包括一人字形，人字形包含一个位于角落内的方形透明区及第一与第二支，该第一与第二支从所述方形透明区域沿向着相邻角落的方向延伸。
2.如权利要求1所述的平版印刷系统，其中人字形的各支延伸的长度为相邻角落间距离的一半。
3.如权利要求2所述的平版印刷系统，其中透明的人字形形成环绕着一不透明的矩形中心区的矩形环状透明区。
4.一种用来在半导体晶片的光敏表面上形成细间隔特征的平版印刷系统，它包括一具有光瞳平面和像平面的物镜系统，用来将位于所述光瞳平面上的光掩模图形的像聚焦到位于所述像平面内的半导体晶片的光敏表面上；一具有光源和聚光镜的照射系统，用来将光源的像聚焦于物镜系统的光瞳平面上；一处于光源和聚光镜之间的衍射光学元件系统，用来把从光源来的光成形为一些人字形像图形，每个人字形像图形处在照射系统光瞳平面的一个角落，且具有第一和第二支，该第一和第二支从所述角落沿向着相邻角落的方向延伸；一处于衍射光学元件系统和半导体晶片之间的光学积分器。
5.如权利要求4所述的平版印刷系统，其中人字形的各支延伸的长度为相邻角落之间距离的一半。
6.如权利要求5所述的平版印刷系统，其中透明人字形形成环绕着一不透明的矩形中心区的矩形环状透明区。
7.一种在半导体晶片的光敏表面上形成细间隔特征的平版印刷系统，它包括一具有光瞳平面和像平面的物镜系统，用来将位于光瞳平面内的光掩模图形的像聚焦在位于所述像面内的半导体晶片的光敏表面上；一具有光源和聚光镜的照射系统，用来把光源的像聚焦到物镜系统的光瞳平面上；用于把从光源来的光成形为一些人字形像图形的装置，每个人字形像图形处在照射系统光瞳平面的一个角落内，且具有第一和第二支，该第一和第二支从所述角落沿向着相邻角落的方向延伸。
8.如权利要求7所述的平版印刷系统，其中用于成形光的装置包括一处于光源和聚光镜之间的衍射光学元件系统，其用来把从光源来的光成形为一些人字形像图形，每个人字形像图形处在照射系统光瞳平面的一个角落内，且具有第一和第二支，该第一和第二支从所述角落沿向着相邻角落的方向延伸。
9.如权利要求8所述的平版印刷系统，其中成形光的装置包括一处在光源和聚光镜之间的孔眼掩模，孔眼掩模包括一不透明覆层和四个透明的角落区，每个透明角落区包含一个人字形，人字形包括一个处在角落内的方形透明区以及第一和第二支，该第一和第二支从所述方形透明区沿向着相邻角落的方向延伸。
10.一种在半导体晶片的光敏表面上形成细间隔特征的方法，包括提供一光源；将从光源来的光成形为一些人字形像图形，每个人字形像图形处于聚光镜光瞳平面的一个角落内，且具有第一和第二支，第一和第二支该角落沿向着相邻角落的方向延伸；把光源的人字形像聚焦到处在物镜系统的光瞳平面内的光掩模上；将光掩模图形的像聚焦到处于所述物镜系统的像平面内的半导体晶片的光敏表面上，以将该光掩模上的图形转换到半导体晶片的光敏表面上。
11.如权利要求10所述的方法，其中成形光的步骤包括将光源衍射成人字形像。
12.如权利要求11所述的方法，其中成形光的步骤包括在光源和聚光镜之间插入一个孔眼掩模，并在该孔眼掩模上的不透明覆层内设置一些透明的人字形开口。
13.一种用于平版印刷系统的孔眼掩模，包括一透明衬底；一位于衬底上的不透明覆层；四个透明区，每个透明区处于所述孔眼掩模的四个角落中的一个内。
14.如权利要求13所述的孔眼掩模，其中四个透明区中的每一个包括矩形透明区。
15.如权利要求14所述的孔眼掩模，其中每个矩形透明区是一个方形透明区。
16.如权利要求15所述的孔眼掩模，其中每个透明区包括一个人字形，该人字形包括所述方形透明区，并具有第一和第二支，该第一和第二支从所述方形透明区沿向着相邻角落的方向延伸。
17.如权利要求16所述的孔眼掩模，其中所述人字形的支的长度相同。
18.如权利要求17所述的孔眼掩模，其中人字形的支延伸的长度为相邻角落之间距离的一半。
19.如权利要求18所述的孔眼掩模，其中所述透明区形成环绕着一个不透明的矩形中心区的矩形环状透明区。
20.一种用于平版印刷系统的孔眼掩模，包括一掩模，该掩模具有一不透明覆层和四个透明角落区；每个透明角落区包括一个人字形，该人字形包括一处在角落内的方形透明区以及第一和第二支，该第一和第二支从方形透明区沿向着相邻角落的方向延伸。
21.如权利要求20所述的孔眼掩模，其中所述人字形的支延伸的长度为相邻角落间距离的一半。
22.如权利要求21所述的孔眼掩模，其中所述透明区形成环绕着一个不透明的矩形中心区的矩形环状透明区。
全文摘要
用来制造集成电路的微平版印刷装置例如投影步进机，其使光成形为以人字形照射系统将光掩模照射。该系统或者利用一个人字形孔眼掩模，或利用一些衍射光学元件，来使光源变成四个人字形(110b，120b，130b，140b)。这些人字形处在聚光镜圆形光瞳的各个角落内。这些人字形可能小至在各个角落处的方形极块，或大至一个环状方形环。人字形照射能为照射光掩模的普通X和Y方向的特征提供非常好的特性。
文档编号G03F7/20GK1571943SQ01815284
公开日2005年1月26日 申请日期2001年7月6日 优先权日2000年7月7日
发明者B·W·史密斯 申请人:Asml荷兰有限公司