用于相移式掩膜的原位平衡的制作方法

专利名称：用于相移式掩膜的原位平衡的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路制造领域，更具体地，涉及相移式(phase-shifting)掩膜和用于制作相移式掩膜的方法。
背景技术：
光刻技术的改进已经通过缩小集成电路(IC)增大了半导体器件的密度并提高了其性能。如瑞利准则所描述的那样，晶片步进机(stepper)可分辨的最小临界尺寸(CD)与照射源的波长成正比，与投影透镜的数值孔径(NA)成反比。但是，当CD变得小于光化波长时，衍射会损坏空间象。光化波长是在晶片步进机中掩膜被用来选择性地曝光涂覆在例如硅晶片的衬底上的光刻胶的光的波长。根据需要，可以使用分辨率增强技术(RET)，例如相移式掩膜(PSM)，以获得更大的处理范围。与只使用铬来控制透射穿过石英衬底的光的幅值的二元掩膜不同，PSM还调制光的相位以利用相消干涉来补偿衍射的影响。
交替式PSM(AltPSM)是当图案化例如器件中晶体管的栅极长度的非常小的CD时，对提高对比度特别有帮助的一类PSM。AltPSM在透射穿过相邻的透光开口的光之间引入180度的相移，这样相消干涉能够迫使两个图象之间的幅值成为零。180度的相移是通过使穿过例如铬的不透明层中的相邻的开口的光路长度不同而实现的。可以每隔一个开口使用去除处理在石英衬底中刻蚀出沟槽。但是，入射光会从所刻蚀的沟槽的侧壁和底部角落散射，造成随焦距的函数而变化的空间象中的不平衡。这样的波导效应可表现为CD误差和位置误差。
AltPSM的空间象的强度和相位可以通过各种方法平衡。选择性偏置法将被刻蚀的开口的CD相对于未被刻蚀的开口放大以平衡该空间象。回蚀法将两种开口中的铬的边缘都进行下切(undercut)以平衡空间象。双沟槽法在被移相的开口中刻蚀深沟槽并在未被移相的开口中刻蚀浅沟槽以平衡空间象。
用于平衡空间象的每一种方法都有不足之处。选择偏置法可能会限于设计栅格上的离散值，除非采用灰度光束写入(gray beam-writing)方案。回蚀法可能造成缺陷，例如，相邻开口之间外伸的铬的碎裂或剥离。双沟槽法由于需要附加处理而增加了复杂度和成本。
因此，所需要的是一种具有强度和相位的原位平衡的相移式掩膜(PSM)和一种形成这样的PSM的方法。


图1(a)～(d)图示了根据本发明形成具有平衡层的掩膜板(maskblank)的方法；图2(a)～(c)图示了根据本发明形成具有位于吸收层之下且在未被移相的开口中的平衡层的交替相移式掩膜的方法；图3图示了根据本发明的具有原位平衡的交替相移式掩膜。
具体实施例方式
在以下描述中，陈述了很多细节，例如，特定材料、尺寸以及处理，以提供对本发明的全面的理解。但是本领域的技术人员应该认识到可以不用这些特定细节而实现本发明。其它情况下，没有对众所周知的半导体设备和处理进行特别详细的描述，以避免使本发明不清晰。
本发明描述了具有强度和相位原位平衡的交替相移式掩膜(AltPSM)和形成这样的相移式掩膜(PSM)的方法。根据本发明，还将描述一种制作AltPSM的方法。
掩膜是从例如石英的对于光化波长透明的衬底1100构建的。光化波长是在晶片步进机中被用来选择性地曝光晶片上的光刻胶的光波长。图1(a)示出了一个实施例。
平衡层1200形成在衬底1100之上。图1(b)示出了一个实施例。平衡层1200的厚度一般为3.0～70.0nm。直流(DC)磁控管溅射法可被用来形成该平衡层1200。
平衡层1200由可透射材料构成，并且能够移相。透射通常是波长的函数，并且可在例如来自n&k Technology公司的n&k Analyzer 1280的工具中测量。选择平衡层1200的材料、结构以及厚度，以便穿过未被移相的开口1410的透射被调节，例如减少，成恰好足以与穿过相邻的被移相的开口1420的透射相匹配。对透射的调节可以是大约1.5％～12.0％。这能够达到匹配穿过两个相邻开口的光的强度的目的。
除了具有适合的光学特性，平衡层1200还必需具有耐化学腐蚀性、耐辐射性以及与下层的衬底1100和上层掩膜吸收层1300的相容性。相位和透射不应受到掩膜制作处理、掩膜检测或修复处理或者掩膜清理处理的明显的影响。在绝大多数情况下，平衡层1200应具有较低的膜应力。
平衡层1200可由单质金属，例如金构成，或者由适当的化合物构成，所述化合物包括例如铝、铬、铪、钼、镍、铌、钽、钛、钨或锆的材料的氟化物、硅化物、氧化物或者氮化物。例子包括氟化铬(CrOxFy)、氧化硅锆(ZrSixOy)、氧化硅钼(MoSixOy)、氮化铝(AlxNy)或氮化硅(SixNy)。
在一些实施例中，形成平衡层1200的一种或多种材料可以是非化学计量的。例如，氧可以少量出现或不出现。在其它实施例中，平衡层1200可以是非均匀的。另一些实施例中，平衡层1200可以是多层的。
吸收层1300形成在平衡层1200之上。结果得到掩膜板1000，图1(c)示出了它的一个实施例。吸收层对于光化波长是不透明的，光密度(OD)约为2.5到4.0。吸收层1300厚度约为60.0～180.0nm。如果吸收层1300由消光系数(k)更大的材料构成则它可以更薄。
吸收层1300可以由例如铬的金属构成。吸收层1300还可以由难熔金属，例如钼、钨或者相关合金或化合物构成。还可以采用其它材料，例如无定形碳或非晶硅。
吸收层1300可以包含某些材料以提供期望的特性。一个例子是在吸收层1300的体中包含某些材料以减小应力或防止气泡或最小化边缘粗糙度。
分级或多层结构对于吸收层1300也许是比较理想的。一个例子就是在吸收层1300的上表面处包含其它材料，用于将光化波长处的反射率降低到10％以下，以便当在晶片步进机中使用该掩膜1020时最小化耀斑(flare)或散射光。另一个例子是在吸收层1300的下表面处包含一些材料以提高粘附力。吸收层1300的下表面位于平衡层1200之上。在一个实施例中，吸收层1300上表面处是氮氧化铬，中间是铬，下表面处是氧化铬。
第一级光刻胶1400被涂于掩膜板1000上的吸收层1300之上，图1(d)示出了一个实施例。第一级光刻胶1400应具有高分辨率和良好的CD线性以及良好的干式刻蚀抗蚀性。第一级光刻胶1400可以具有约160～640nm的厚度。如果需要对辐射的高敏感度来提高产出量，则可以使用化学放大抗蚀剂(CAR)。第一级光刻胶1400通常是电子束光刻胶，所以可以采用电子束写入器来图案化光刻胶中的图形。可以选择系统配置以获得更细致的分辨率和更高的图案重现精度。例如，加速电压为40～50keV的电子束向量扫描可能优于加速电压为10～20keV的电子束光栅扫描。
反应离子刻蚀(RIE)可以在具有高等离子浓度和低气压的平行板反应器中进行。干式刻蚀化学反应可基于氯，例如Cl2/O2或者BCl3。一些情况下，添加辅助气体会有帮助，辅助气体可以是例如H2或HCl，因为氢基能够清除多余的氯基。如果适当，可以例如利用氧来进行原位浮渣清除(descum)，以在RIE之前去除光刻胶中的图形中的残余物。
RIE中的负载效应可能会影响刻蚀速率、刻蚀均匀性和刻蚀选择性。人们期望提高刻蚀选择性以便最小化对第一级光刻胶1400的腐蚀。侧壁钝化能够帮助控制刻蚀形貌和刻蚀偏置(etch bias)。可添加氦以增大等离子密度，减小DC偏置，以及提高第一级光刻胶1400上的选择性。
吸收层1300通常在没有对下层的平衡层1200进行适当的刻蚀情况下被刻蚀。图2(a)示出了一个实施例。刻蚀主要是各向异性的以在开口1310和1320的侧壁中产生基本上垂直的形貌。在去除第一级光刻胶1400之后，通过扫描电子显微镜(SEM)测量所刻蚀的特征1310和1320的CD。
检测所刻蚀的特征以发现缺陷。缺陷检测可基于对印制在掩膜的不同部分中的两个名义上一致的图案的比较(管芯对管芯)，或者基于对印制在掩膜上的图案和对应于该图案的布局数据的比较(管芯对数据库)。聚焦离子束(FIB)工具，例如FEI公司的Micrion-8000 EX，可被用于利用物理离子溅射或气体辅助刻蚀(GAE)修复不透明缺陷。
进行进一步的处理以在透射穿过相邻开口的光之间引入180度的相移。可以采用添加式处理(未示出)。在添加式处理中，透明层，例如旋涂式玻璃(SOG)，通过吸收层中的开口被沉积在例如熔融硅或石英的衬底上，接着在间隔的开口中清除透明层。
添加式处理易受光路中材料的光学不匹配以及伴随的界面处的内部损失的影响，所以在很多情况下，减去式处理是优选的。在剥去第一级光刻胶1400之后，涂敷第二级光刻胶1500。图2(b)示出了一个实施例。第二级光刻胶1500可以具有约为300～600nm的厚度。
第二级光刻胶1500通常是利用激光写入器来图案化的光学光刻胶，所述激光写入器采用利用了多个深紫外光(DUV)光束的光栅扫描。激光所写入的特征易受棱角倒圆和CD非线性的影响，所以通常结合激光接近修正以提高图案重现精度。激光写入一般以多程进行以平均子系统误差，否则子系统误差会对条纹对接、位置线性、边缘粗糙度以及CD均匀性产生不良影响。
不被移相的开口1310被第二级光刻胶1500覆盖。被移相的开口1320通过在第二级光刻胶1500中曝光和显影一个较大的开口1525被除去了覆盖物。图2(b)示出了一个实施例。
该第二级光刻胶1500中的较大开口1525与吸收层1300中的被刻蚀的开口1320对齐。该较大开口1525比被刻蚀的开口1320偏置得更大，以便适应光刻和刻蚀中的配准误差、CD误差以及层叠公差。这样，第二级光刻胶1500中较大开口1525相对于被刻蚀开口1320的位置不是非常关键，因为决定沟槽1125的宽度1155的是吸收层1300中被刻蚀开口1320的边缘，而不是第二级光刻胶1500中较大开口1525的边缘。宽度1155可在SEM中自顶向下测量。
在对第二级光刻胶1500曝光和显影之后，通过基于氟，例如，CHF3、CF4/He/O2或SF6/He的化学反应进行RIE。刻蚀可以在高压电感耦合等离子(ICP)系统或者磁增强反应离子刻蚀(MERIE)系统中完成。刻蚀是各向异性的并在被刻蚀开口中生成沟槽。沟槽的深度对应于将透射穿过被刻蚀开口1125的光相对于将透射穿过未被刻蚀开口1310的光的180度相移。
采用表决(voting)技术来在相邻开口之间产生180度相移也许比较理想。表决涉及以若干较小的步骤替代一个大的步骤来进行一项处理，以便该处理中的任何空间或者时间上的非均匀性都可被消除。具体而言，表决通过减少任何可能阻碍刻蚀的外部材料的影响而显著地改善了对沟槽深度的控制，从而改善了对相移的控制。
在一个实施例中，三次表决技术可被采用。换句话说，穿过开口1320对石英衬底1100的刻蚀被分成三次较短的刻蚀。该表决技术中的每次较短刻蚀都产生约为60度的相移或相角。每次较短刻蚀之前都对第二级光刻胶1500中的开口1525进行涂敷、曝光和显影。第一次较短刻蚀在向石英衬底1100刻蚀之前将包括去除开口1320中的平衡层1200。第二和第三次较短刻蚀将只包括向石英衬底1100更深地刻蚀。
每次较短刻蚀之后都要剥离光刻胶，因而可以测量相角和强度。刻蚀次数可基于来自测量的反馈根据需要而调节。理想地，相角具有不超过2.0度的范围，强度具有不超过0.2％的范围。相角可以在例如来自Lasertech公司的MPM-248或MPM-193的工具上测量。强度可以在例如来自Carl Zeiss的MSM 100空间象测量系统(AIMS)或者MSM 193 AIMS的工具上测量。对于数值孔径(NA)和部分相干性选择的值应该近似于该掩膜随后将使用的在晶片步进机上的值。
在第三次剥离第二级光刻胶1500之后(当采用三次表决技术时)，可采用等离子体处理或者湿式处理来清除衬底1100并去除可能出现的任何不希望有的膜或缺陷。一种腐蚀性较弱的传统各向同性湿式刻蚀也可被用于去除缺陷。
图2(c)示出了具有强度和相位原位平衡的交替式PSM 1020的一个实施例。被移相开口1125具有衬底1100中的刻蚀深度1145。欠刻蚀或者过刻蚀衬底1100会在相角中引入误差。相移或相角中的误差会累积并显著减小隔离特征(isolated feature)的焦深(DOF)。但是，相位误差通常对密集特征(dense feature)的DOF的影响相对较小。
利用原子力显微镜(AFM)测量总台阶高度并考虑吸收层1300的厚度和平衡层1200的厚度，可以确定衬底1100中的刻蚀深度1145和被刻蚀开口1125的侧壁形貌。侧壁形貌对垂直位置的偏差也会减小隔离特征的DOF。
沟槽1125的侧壁应当是光滑的，倾斜度为85～90度。所刻蚀沟槽1125的底部表面应为平坦且光滑的，但是一些情况下，底部表面可以是凹入或者凸出的并且是粗糙的(未示出)。沟槽1125的尺寸和形状上的偏差和非均匀性会在透射光的强度和相位中引入误差。
绝大多数情况下，平衡层1200在未被移相开口1310中都保持完整。但是，如果有必要，例如当刻蚀深度1145稍微太浅或者稍微太深了些，则需要通过调节，例如通过减小未被移相开口1310中的平衡层1200的厚度，以便平衡透射穿过未被移相开口1310的光相对于透射穿过被移相开口1125的光的强度和相位。
其它的实施例包括嵌入中间层(未示出)以起到用于刻蚀石英衬底的刻蚀停止层的作用。但是，任何附加的层都会增加复杂度并影响空间象，除非它在制作完成之前被完全地去除。
本发明的另一个实施例包括一种具有透射和相位原位平衡的相移式掩膜(PSM)。这样的掩膜可以是可透射的或者反射的。该掩膜可与深紫外(DUV)光或者远紫外(EUV)光一起使用。
本发明的一个实施例是可透射的交替相移式掩膜，如图3所示。AltPSM 2020具有对光化波长处的光透明的衬底2100。光化波长是在晶片步进机中用来选择性地在晶片上曝光光刻膜的光波长。
熔融硅或者石英是光化波长在大约193～436纳米(nm)范围内时衬底2100的普遍的选择。改良的熔融硅，例如低氢氧基含量的熔融硅或者氟掺杂硅，可被用于较短的光化波长，例如大约157nm。
或者，晶体氟化物，例如氟化钙，可被用于较短的光化波长，例如大约126nm。但是晶体氟化物经常具有特有性能，例如双折射、较大的热膨胀系数以及较低的耐化学腐蚀性。对任何不希望的特性的补偿可以通过对光学子系统和晶片步进机系统的合理设计实现。
平衡层2200沉积在衬底2100之上。平衡层2200可具有单层结构或者多层结构。平衡层2200应较薄，例如约3.0～70.0nm，以减少吸收。平衡层2200部分可透射并能够被移相。透射通常是波长的函数，可以在例如来自n&k Technology公司的n&k Analyzer 1280的工具中测量。
除了具有适当的光学特性，平衡层2200还必须拥有足够的耐化学腐蚀性、耐辐射性以及与下层的衬底2100和上层吸收层2300的相容性。相位和透射不应受到掩膜制作处理、掩膜检测或修复处理或这掩膜清理处理的明显的影响。平衡层2200可包括例如氟化铬(CrOxFy)、氧化硅锆(ZrSixOy)或者硅化钼(MoSi)的材料。其它材料包括例如铝、铬、铪、钼、镍、铌、钽、钛、钨或锆的金属的氟化物、硅化物和氮化物。
吸收层2300沉积在平衡层2200之上。吸收层2300对于光化波长是不透明的，光密度(OD)约为2.5～4.0。吸收层2300厚度约为60.0～180.0nm。如果吸收层2300具有更大的消光系数(k)则它可以更薄。
吸收层2300可以是例如铬的金属。吸收层2300也可以由难熔金属，例如钼、钨或者相关合金或化合物构成。吸收层2300还可以是例如无定形碳或非晶硅的材料。
在一个实施例中，吸收层2300是铬。分级或多层结构也许是比较理想的。例如，在吸收层1300的下表面处包含氧会提高对下面的平衡层2200的粘附力。在平衡层2200的上表面处包含氧和氮能够将光化波长处的反射率降低到10％以下，从而当在晶片步进机中使用该掩膜2020时最小化耀斑或散射光。
被移相开口2125包括衬底第一部分中的沟槽。该衬底第一部分中的沟槽具有宽度2155和深度2145。相邻的未被移相开口2310包括衬底第二部分之上的平衡层2200，具有厚度2350。在一个实施例中，衬底第二部分中没有沟槽。在另一个实施例中，衬底第二部分中有浅沟槽(未示出)。
被移相开口2125和未被移相开口2310被吸收层2300的窄条2355所分隔。一些情况下，两个开口之间可不出现该窄条2355(未示出)。可以使用相位边缘掩膜(phase edge mask)，尤其是当开口非常小的时候。
深度2145对应于被移相开口2125和未被移相开口2310之间透射穿过透明衬底2100的光的光路长度上的差值。180度的相移希望误差范围不超过2.0度。当透明衬底2100是石英的并且周围是空气时，深度2145具有与照射波长大致相同的大小。
在晶片步进机中，投影透镜的数值孔径(NA)以及曝光光线的部分相干性将决定沟槽2125边缘的吸收层2300周围的衍射。晶片步进机一般具有0.45到0.80的NA，部分相干性为0.30到0.90。因此，穿过透明衬底2100的光路长度的最优差值可以依据沟槽深度2145和沟槽宽度2155而变化。
沟槽2125的侧壁应是光滑的，倾斜度为85～90度。所刻蚀沟槽2125的底部表面应为平坦且光滑的，但是一些情况下，底部表面可以是凹入或者凸出的并且是粗糙的(未示出)。沟槽2125的底角可以成圆形(未示出)。沟槽2125的尺寸和形状上的偏差和非均均性会在透射光的强度和相位中引入误差。
在其它的实施例中，在吸收层2300和平衡层2200之间可以设置某些中间层或者嵌入层(未示出)。中间或者嵌入层(未示出)也可被设置在平衡层2200和衬底2100之间。
本发明所要求的掩膜2020可包括光学接近修正(OPC)。OPC涉及CD偏置以补偿印刷偏置和刻蚀偏置。利用OPC反复地模拟使用PSM得到的空间象常常是有帮助的。将本发明所要求的掩膜2020与偏轴照射(OAI)结合来提高某些类型的特征和布局也是有帮助的。
以上陈述了很多实施例和许多细节以提供对本发明的全面的理解。本领域的技术人员应当认识到，一个实施例中的很多特征可以同等地应用于其它实施例。本领域的技术人员还应认识到，对这里所描述的那些特定材料、处理、尺寸、含量等可以作各种等同的替代。应该理解，本发明的详细描述应被视为是说明性的而不是限制性的，其中，本发明的范围应该由所附权利要求来确定。
从而，我们已经描述了具有强度和相位原位平衡的相移式掩膜(PSM)以及形成这种PSM的方法。
权利要求
1.一种方法，包括提供衬底，所述衬底具有第一厚度；在所述衬底上形成平衡层，所述平衡层具有第二厚度；在所述平衡层上形成吸收层，所述吸收层具有被第三区域从第二区域分隔开的第一区域；去除所述第一区域和所述第二区域中的所述吸收层；去除所述第二区域中的所述平衡层；以及将所述第二区域中的所述衬底减小到第三厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底包含石英。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述平衡层包含氟化铬。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述吸收层包含铬。
5.如权利要求1所述的方法，其中，透射穿过所述第一区域的光和透射穿过所述第二区域的光具有180度的相移。
6.如权利要求1所述的方法，其中，透射穿过所述第一区域的光和透射穿过所述第二区域的光在强度上匹配。
7.如权利要求1所述的方法，还将所述第一区域中的所述平衡层减小到第四厚度。
8.一种掩膜，包括吸收层，所述吸收层具有第一开口和第二开口，所述第一开口露出设置在具有第一厚度的衬底上的平衡层，所述第二开口露出具有第二厚度的所述衬底。
9.如权利要求8所述的掩膜，其中，所述衬底包含石英。
10.如权利要求8所述的掩膜，其中，所述平衡层包含氟化铬。
11.如权利要求8所述的掩膜，其中，所述吸收层包含铬。
12.如权利要求8所述的掩膜，其中，透射穿过所述第一开口的光和透射穿过所述第二开口的光具有180度的相移。
13.如权利要求8所述的掩膜，其中，透射穿过所述第一开口的光和透射穿过所述第二开口的光在强度上匹配。
14.一种掩膜，包括第一区域，所述第一区域包括设置在具有第一厚度的衬底上的平衡层；邻近所述第一区域设置的第二区域，所述第二区域包括具有第二厚度的所述衬底；和设置在所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域。
15.如权利要求14所述的掩膜，其中，所述第三区域包括吸收层的窄条。
16.如权利要求14所述的掩膜，其中，所述第二厚度小于所述第一厚度。
17.如权利要求14所述的掩膜，其中，透射穿过所述第一区域的光和透射穿过所述第二区域的光具有180度的相移。
18.如权利要求14所述的掩膜，其中，透射穿过所述第一区域的光和透射穿过所述第二区域的光在强度上匹配。
全文摘要
本发明描述了一种形成掩膜的方法，包括提供衬底，所述衬底具有第一厚度；在该衬底上形成平衡层，所述平衡层具有第二厚度；在该平衡层上形成吸收层，所述吸收层具有被第三区域从第二区域分隔开的第一区域；去除所述第一区域和第二区域中的吸收层；去除所述第二区域中的平衡层；以及将所述第二区域中的所述衬底减小到第三厚度。本发明还描述了一种掩膜，包括吸收层，所述吸收层具有第一开口和第二开口，所述第一开口露出设置在具有第一厚度的所述衬底上的平衡层，所述第二开口露出具有第二厚度的所述衬底。
文档编号G03F1/00GK1668978SQ02813250
公开日2005年9月14日 申请日期2002年8月22日 优先权日2001年9月19日
发明者江·陶, 齐德·钱 申请人:英特尔公司