相移掩模版及其制作方法、相移掩模光刻设备与流程

本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种用于制备柱状结构的相移掩模版及其制作方法，还涉及一种相移掩模光刻设备。

背景技术：

随着大规模集成电路技术、设备和产品的不断发展，要求愈来愈高的光刻分辨率，使用更大的芯片和硅片尺寸。光刻技术的基本思想是在硅片表面上光强度由各个透光孔衍射的波的组合确定。

相移掩模技术(phaseshiftmask,psm)可以使分辨率改善，其原理是通过掩模版上掩模图形的相邻透光区的光束，即通过不带相移层区的光束和通过带相移层区光束之间产生180度相位差，使得硅片表面上相邻图形之间因相消干涉使暗区光强减弱，实现了同一光学系统下的倍增分辨率的提高，改善了边缘陡度和曝光量宽容度。相移掩模种类繁多，功能各异。最常见的有交替型相移掩模、无铬相移掩模、边缘相移掩模、辅助相移掩模和衰减相移掩模(attpsm)等。

衰减相移掩模，就是传统铬掩模上完全不透光部分，用可部分透光且产生一定相移的铬氧化物等代替的掩模。其中一种方法是采用双层结构来达到此目的，另一种方法是采用单层结构，即用cro、cron或mosi等单层膜材料作为衰减层和相移器材料，根据其折射率控制其层厚，使达到180度相位移，同时达到以一定的透过率衰减光强的目的。图1为现有技术中制备柱状结构所用的衰减相移掩模(attpsm)示意图，图2为现有技术中制备衰减相移掩模(attpsm)的方法示意图。如图1所示，所述掩模包括基板110及其上形成的遮光膜111，其中，基板110可由石英玻璃等透光性材料制成，遮光膜111可由cro、cron或mosi等材料制成。如图2所示，所述掩模的制备方法包括如下步骤：a)在石英玻璃等基板110上先后形成mosi层120、cr层130、光刻胶pr层140；b)形成图案化的光刻胶pr层141；c)刻蚀，以图案化的光刻胶pr层141为掩模刻蚀cr层130和mosi层120得到图案化的cr层131和图案化的mosi层121，一直刻蚀到基板110；d)去除图案化的光刻胶pr层141；e)去除图案化的cr层131得到衰减相移掩模，其包括基板110和图案化的mosi层121。但是，采用衰减相移掩模制作柱状结构时，由于相干效应导致在遮光膜121对应的暗区会出现次级光强分布(如图1所示)，从而使得柱状结构的高度和形状达不到预期。

因此，如何提高在硅片表面制备柱状结构时光刻图形均匀分布，在不透光区对应的晶圆表面上形成完全的暗区，进而提高图像分辨率是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版、一种用于制备柱状结构的相移掩模光刻设备以及一种用于制备柱状结构的相移掩模版的制作方法，以克服或缓解背景技术中存在的一个或者更多个问题，至少提供一种有益的选择。

作为本发明的一个方面，提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版，包括：

透明光刻板基板；

所述透明光刻板基板的上表面包括多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，所述第一透光区和第二透光区交替排列；各所述第一透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第一相移区和第二相移区，各所述第二透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第四相移区和第三相移区；

所述光刻板基板的下表面包括多个沿所述预定方向延伸的不透光图形区，各所述不透光图形区同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区和所述第二相移区，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区和所述第三相移区；

其中，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第二相移区的出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第三相移区的出射光束之间具有180度的相位差，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第四相移区的出射光束之间具有270度的相位差。

优选的是，在相移掩模版中，所述第一相移区具有第一厚度，所述第二相移区具有第二厚度，所述第三相移区具有第三厚度，所述第四相移区具有第四厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度，所述第二厚度大于所述第三厚度，所述第三厚度大于所述第四厚度，所述第一厚度等于所述透明光刻板基板的厚度。

优选的是，在相移掩模版中，所述第一厚度与所述第二厚度存在厚度差h1，所述第一厚度与所述第三厚度存在厚度差h2，所述第一厚度与所述第四厚度存在厚度差h3，所述h1：h2：h3＝1/2：1：3/2。

优选的是，在相移掩模版中，所述不透光图形区由遮光膜构成。

优选的是，在相移掩模版中，所述遮光膜包括铬膜。

本发明还提供了一种制备柱状结构的相移掩模光刻设备，包括：

如上所述的相移掩模版；

曝光装置，所述曝光装置用于利用所述相移掩模版对晶圆表面的光刻胶进行曝光。

本发明还提供了一种用于制备柱状结构的相移掩模版的制作方法，包括：

提供一透明光刻板基板；

在所述透明光刻板基板上表面依次形成遮光膜和图案化的光刻胶，所述遮光膜包括不透光材料；

根据所述图案化的光刻胶对所述遮光膜进行图案化，在所述透明光刻板基板上形成由所述遮光膜覆盖的多个不透光区和未被所述遮光膜覆盖的多个透光区，且所述不透光区和所述透光区交替分布；

去除所述光刻胶，并以所述图案化的遮光膜为掩模对多个所述透光区的上表面进行处理，以将多个所述透光区形成为多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，所述第一透光区和第二透光区交替排列；其中，各所述第一透光区包括沿第一方向依次间隔交替排列的第一相移区和第二相移区，各所述第二透光区包括沿第一方向依次间隔交替排列的第四相移区和第三相移区；

在所述透明光刻板基板的下表面形成多个沿所述预定方向延伸的不透光图形区，各所述不透光图形区同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区和所述第二相移区，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区和所述第三相移区；

其中，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第二相移区的出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第三相移区的出射光束之间具有180度的相位差，所述第一相移区的出射光束与透过所述第四相移区的出射光束之间具有270度的相位差。

优选的是，在上述方法中，所述第一相移区具有第一厚度，所述第二相移区具有第二厚度，所述第三相移区具有第三厚度，所述第四相移区具有第四厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度，所述第二厚度大于所述第三厚度，所述第三厚度大于所述第四厚度，所述第一厚度等于所述透明光刻板基板的厚度。

优选的是，在上述方法中，所述第一厚度与所述第二厚度存在厚度差h1，所述第一厚度与所述第三厚度存在厚度差h2，所述第一厚度与所述第四厚度存在厚度差h3，所述h1：h2：h3＝1/2：1：3/2。

优选的是，在形成多个所述不透光图形区之前，该方法还包括去除遮光膜的步骤。

本发明采用上述技术方案，具有如下优点：

本方案中，提供了一种相移掩模版，相比现有技术形成了四相的出射光束。该相移掩模版包括透明光刻板基板，透明光刻板基板的上表面包括多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，所述第一透光区和第二透光区交替排列；各所述第一透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第一相移区和第二相移区，各所述第二透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第四相移区和第三相移区。透明光刻板基板的下表面包括多个沿所述预定方向延伸的不透光图形区，各所述不透光图形区同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区和所述第二相移区，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区和所述第三相移区。且透过所述第一相移区的第一出射光束与透过所述第二相移区的第二出射光束、透过所述第三相移区的第三出射光束、所述第四相移区的第四出射光束之间依次相差90度的相位差，使得在晶圆表面形成的暗区图案为完全的暗区，提高了晶圆表面的光刻图形的图像分辨率。

上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为现有技术中用于制备柱状结构的衰减相移掩模(attpsm)示意图。

图2为现有技术中制备衰减相移掩模(attpsm)的方法示意图。

图3为本发明中相移掩模的原理示意图。

图4为本发明中相移掩模的光束传播波形示意图。

图5为本发明实施例一提供的用于制备柱状结构的相移掩模版的透光区示意图。

图6-1和6-2为本发明实施例二提供的用于制备柱状结构的相移掩模版的示意图。

图7为本发明实施例三提供的制备用于制备柱状结构的相移掩模版的方法的流程图。

图7-1至7-5为图7所示方法中各步骤所得结构的示意图。

图8为本发明实施例四提供的用于制备柱状结构的相移掩模光刻设备示意图。

附图标记

110基板

111遮光膜

120mosi层

130cr层

140光刻胶pr层

141图案化的光刻胶pr层

131图案化的cr层

121图案化的mosi层

210透明光刻板基板

220遮光膜

221图案化的遮光膜

230光刻胶

231图案化的光刻胶

241第一部分

242第二部分

310基板

320遮光膜

330第一透光区域

340第二透光区域

41玻璃基板

42空气

410第一光线

420第二光线

510基板

530第一相移区

531第二相移区

532第三相移区

533第四相移区

610光刻板基板

630第一相移区

631第二相移区

632第三相移区

633第四相移区

640不透光图形区

810曝光装置

820相移掩模版

830晶圆

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版，图3为本发明中相移掩模版的原理示意图，所述相移掩模版包括基板310和其上形成的遮光膜320，其中，基板310包括石英玻璃等，而遮光膜320包括不透明材料，所述不透明材料优选铬膜，当然，还可以包括如铬钼(mocr)或者从氧(o)、氮(n)和碳(c)中选择的一个或多个组成的化合物，例如，mocro、mocrn、mocrc、mocrcn、mocrco、mocrcon、cro、crn、crc、crcn、crco和crcon等。在基板310上形成未被遮光膜320覆盖的第一透光区域330和第二透光区域340，并且在第二透光区域340中进一步蚀刻基板310以使得从第一透光区域330和第二透光区域340中出射的光相位相差180度。

对于折射率为n的基板310，相移角θ的计算公式如下：

进而可以得到如下公式：

其中，a为第一透光区域330对应的基板厚度和第二透光区域340对应的基板厚度之差，即蚀刻深度；λ为入射光的波长。

对于采用arf准分子激光器为光源的光刻设备而言，光源的出射波长包括193nm，即经过第一透光区域330的第一入射光束和经过第二透光区域340的第二入射光束的波长包括193nm；由上述计算公式可知，为了得到180度相移，第一透光区域330对应的基板厚度和第二透光区域340对应的基板厚度之差包括172nm。在采用其他波长的光源时，同样可以根据上述公式作相应的计算。

如图4所示，由于光在空气中的传播速度和在玻璃基板中的传播速度不同，导致光在玻璃基板41和在空气42中传播相同的距离时出现一定的相位差；适当调整光在空气中传播的距离，可以使得在玻璃基板下表面出射的第一光线410和经过相移区出射的第二光线420在玻璃基板下表面所在的平面上两者的相位相差180度，从而使得两者的振幅叠加为0，从而使得衍射效应降低，在不透光区对应的区域形成完全的暗区。

实施例一

本发明提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版，在一种具体的实施方式中，如图5示意性示出的，所述相移掩模版包括基板510，基板510包括石英玻璃或其他透光光刻板基板。在所述基板510上形成具有第一厚度l1的第一相移区530、具有第二厚度l2的第二相移区531、具有第三厚度l3的第三相移区532和具有第四厚度l4的第四相移区533，透过所述第一相移区530的第一出射光束与透过所述第二相移区531的第二出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区530的第一出射光束与透过所述第三相移区532的第三出射光束之间具有180度的相位差，透过所述第一相移区530的第一出射光束与透过所述第四相移区533的第四出射光束之间具有270度的相位差。具体地，第一相移区530可称为0度相区，第二相移区531可称为90度相区，第三相移区532可称为180度相区，第四相移区533可称为270度相区。可以在基板510上形成具有三个刻蚀深度的凹槽，其中，l1>l2>l3>l4，并且所述第一厚度l1等于所述透光基板的厚度。

其中，光源的出射波长包括193nm，即第一至第四出射光束的波长包括193nm。所述第一厚度l1与所述第二厚度l2存在厚度差h1，所述第一厚度l1与所述第三厚度l3存在厚度差h2，所述第一厚度l1与所述第四厚度l4存在厚度差h3，所述h1：h2：h3＝1/2：1：3/2，其中，h2的范围包括172nm。

优选的是，在上述相移掩模版中，所述第一相移区530、第二相移区531、第三相移区532和第四相移区533具有相同的宽度。

采用上述结构制作的掩模版在制作柱状结构时，可以避免在暗区存在光强分布，以得到完全的暗区。

实施例二

本发明提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版，在一种具体的实施方式中，如图6-1所示，所述掩模板包括光刻板基板610，光刻板基板610包括石英玻璃或其他透明光刻板基板。光刻板基板610的上表面包括多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，如图6-1所示，该预定方向可以是水平方向。各所述第一透光区和第二透光区在所述光刻板基板610上交替排列；各所述第一透光区包括沿水平方向依次间隔交替排列的具有第一厚度l1的第一相移区630和具有第二厚度l2的第二相移区631，各所述第二透光区包括沿水平方向依次间隔交替排列的具有第四厚度l4的第四相移区633和具有第三厚度l3的第三相移区632，透过所述第一相移区630的第一出射光束与透过所述第二相移区631的第二出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区630的第一出射光束与透过所述第三相移区632的第三出射光束之间具有180度的相位差，透过所述第一相移区630的第一出射光束与透过所述第四相移区633的第四出射光束之间具有270度的相位差。具体地，第一相移区630可称为0度相区，第二相移区631可称为90度相区，第三相移区632可称为180度相区，第四相移区633可称为270度相区。

具体地，第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633均为相同大小的菱形、矩形或正方形。在图6-1所示的本实施例的一优选实施例中，第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633均为相同大小的正方形，第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633组成一个大的正方形并且第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633依次位于大的正方形的左上角、右上角、右下角和左下角。应当理解，第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633在其所组成的正方形中的位置可以变化，只要满足第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633依次顺序相连即可。可以在光刻板基板610上形成具有三个不同刻蚀深度的凹槽以分别形成第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633，其中，l1>l2>l3>l4，并且所述第一相移区630的所述第一厚度l1等于所述光刻板基板610的厚度，l1、l2、l3、l4依次相差一个预定的厚度。

其中，光源的出射波长包括193nm，即第一至第四出射光束的波长包括193nm。所述第一厚度l1与所述第二厚度l2存在厚度差h1，所述第一厚度l1与所述第三厚度l3存在厚度差h2，所述第一厚度l1与所述第四厚度l4存在厚度差h3，所述h1：h2：h3＝1/2：1：3/2，其中，h2的范围包括172nm。

如图6-2所示，在形成所述光刻板基板610后，可以在光刻板基板610的下表面上形成不透光图形区640，不透光图形区640形成在与第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633交界的区域对应的区域。具体地，如图6-2所示，各所述不透光图形区640同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区630和所述第二相移区631，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区633和所述第三相移区632。不透光图形区640的图案可以包括圆形、矩形等形状；根据所需要制备的柱状结构的不同，不透光图形区640的图案也可以具有其他的形状。所述不透光图形区可以由遮光膜形成，所述遮光膜包括不透明材料，所述不透明材料优选铬膜，当然，还可以包括如铬钼(mocr)或者从氧(o)、氮(n)和碳(c)中选择的一个或多个组成的化合物，例如，mocro、mocrn、mocrc、mocrcn、mocrco、mocrcon、cro、crn、crc、crcn、crco和crcon等。

在上述相移掩模版中，所述第一相移区630、第二相移区631、第三相移区632和第四相移区633具有相同的宽度。

采用上述结构制作的掩模版在制作柱状结构时，可以避免在暗区存在光强分布，以得到完全的暗区，提高分辨率。

实施例三

本发明提供一种用于制备柱状结构的相移掩模版的制作方法，如图7-1至7-5所示，所述方法包括如下步骤：

a)如图7-1所示，提供一透明光刻板基板210，并在透明光刻板基板210上依次形成遮光膜220和光刻胶230，遮光膜220包括不透光材料。

所述不透明材料优选铬膜。当然，还可以包括如铬钼(mocr)或者从氧(o)、氮(n)和碳(c)中选择的一个或多个组成的化合物，例如，mocro、mocrn、mocrc、mocrcn、mocrco、mocrcon、cro、crn、crc、crcn、crco和crcon等。

b)如图7-2所示，对光刻胶230进行曝光、显影，形成图案化的光刻胶231，以保证按照曝光图案对遮光膜220进行刻蚀。

c)如图7-3和7-4所示，沿图案化的光刻胶231对遮光膜220进行刻蚀；刻蚀后形成图案化的遮光膜221，同时暴露出透明光刻板基板210表面，形成未被图案覆盖的透光区。

d)如图7-5所示，去掉图案化的光刻胶231之后，在遮光膜221对应的不透光区中间形成透光区。

e)将透光区划分成至少两个部分，并形成具有第一厚度的第一部分241和具有第二厚度的第二部分242，其中，透过第一部分241的光束与透过第二部分242的光束之间具有预定角度的相位差。

在上述步骤中，第一部分241未被刻蚀，即其具有与透明光刻板基板210相同的厚度。形成具有第二厚度的第二部分242的方法可以包括：在透光区的表面形成光刻胶和遮光膜，其中，遮光膜覆盖第一部分241对应的基板表面；对表面形成有光刻胶的透光区进行刻蚀，形成具有第二厚度的第二部分242；其中，第一部分241的基板厚度与第二部分242的基板厚度之间形成预设厚度差，从而使得透过第一部分241的光束与透过第二部分242的光束之间具有预定角度的相位差。

可以根据实际需要设计具有不同厚度的多个部分，例如，在本实施例的一优选实施例中，形成具有0度、90度、180度和270度四相的相移掩模板，在该相移掩模版的制备方法中，上述步骤e)可包括如下步骤：

去除所述光刻胶，并对所述透光区的上表面进行处理，以在所述透明光刻板基板的上表面形成多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，所述第一透光区和第二透光区交替排列；其中，各所述第一透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第一相移区和第二相移区，各所述第二透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第四相移区和第三相移区；

在所述透明光刻板基板的下表面形成多个沿预定方向延伸的不透光图形区，各所述不透光图形区同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区和所述第二相移区，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区和所述第三相移区；

其中，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第二相移区的出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第三相移区的出射光束之间具有180度的相位差，所述第一相移区的出射光束与透过所述第四相移区的出射光束之间具有270度的相位差。

在上述方法中，所述第一相移区具有第一厚度，所述第二相移区具有第二厚度，所述第三相移区具有第三厚度，所述第四相移区具有第四厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度，所述第二厚度大于所述第三厚度，所述第三厚度大于所述第四厚度，所述第一厚度等于所述透明光刻板基板的厚度。

在上述方法中，所述第一厚度与所述第二厚度存在厚度差h1，所述第一厚度与所述第三厚度存在厚度差h2，所述第一厚度与所述第四厚度存在厚度差h3，所述h1：h2：h3＝1/2：1：3/2。

在上述方法中，所述不透光图形区由遮光膜构成。

在上述方法中，所述相移掩模版下方的晶圆表面上的暗区图案与所述不透光区对准，修正后的所述暗区图案具有与所述不透光区基本相同的尺寸。

采用上述方法制作的掩模版在制作柱状结构时，可以避免在暗区存在光强分布，以得到完全的暗区。

实施例四

本发明还提供了一种用于制备柱状结构的相移掩模光刻设备，如图8所示，所述用于制备柱状结构的相移掩模光刻设备示意图包括：

实施例一或实施例二所述的相移掩模版820；

位于所述相移掩模版820上方的曝光装置810，用于产生入射光；以及

设置于所述相移掩模版820下方的晶圆830；

其中，所述相移掩模版820包括透明光刻板基板，在所述透明光刻板基板的上表面形成多个沿预定方向延伸的第一透光区和第二透光区，各所述第一透光区和第二透光区交替排列；其中，各所述第一透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第一相移区和第二相移区，各所述第二透光区包括沿所述预定方向依次间隔交替排列的第四相移区和第三相移区，其中，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第二相移区的出射光束之间具有90度的相位差，透过所述第一相移区的出射光束与透过所述第三相移区的出射光束之间具有180度的相位差，所述第一相移区的出射光束与透过所述第四相移区的出射光束之间具有270度的相位差；所述光刻板基板的另一面设有多个沿第一方向延伸的不透光图形区，各所述不透光图形区同时部分遮蔽各所述第一透光区中的所述第一相移区和所述第二相移区，并同时部分遮蔽各所述第二透光区中的所述第四相移区和所述第三相移区；

所述曝光装置产生的入射光透过所述相移掩模版上的所述第一相移区形成第一出射光，所述入射光透过所述第二相移区形成第二出射光，所述入射光透过所述第三相移区形成第三出射光，所述入射光透过所述第四相移区形成第四出射光；所述第一出射光与所述第二出射光之间具有90度的相位差，所述第一出射光与第三出射光之间具有180度的相位差，所述第一出射光与所述第四出射光之间具有270度的相位差。

不透光区的图案包括圆形、矩形等形状；根据所需要制备的柱状结构的不同，不透光区的图案也可以具有其他的形状。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。