多相掩模的制作方法

专利名称：多相掩模的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用光致抗蚀剂和成像系统制造如集成电路晶片等的电子元件的方法，具体涉及在光致抗蚀剂成像系统中使用的曝光掩模，其中根据要形成的图形，掩模使用掩模上的多次相移，并且涉及使用掩模在电子元件衬底上形成光致抗蚀剂图形的方法。
在电子元件的制造中，特别是集成电路硅晶片的制造中，在晶片中绘制小图形的关键因素是光致抗蚀剂图形的形状。下面的说明将针对集成电路硅晶片的制造，但本领域的技术人员应该明白本发明也可以适用于如砷化镓电路、元件封装和印刷电路板等的其它电子元件的制造。
在如半导体等的集成电路元件的制造中，由于电路的集成度越来越高以及对线宽和其它电路图形要求越来越精细和精确，如线宽控制、焊盘尺寸等的电子电路图形的控制变得越来越重要。然而，在光刻工艺中图形控制受光致抗蚀剂厚度变化、烘焙不均匀、晶片不平坦等多种因素负面影响。
光刻技术优选用于形成精细的光致抗蚀剂图形来限定电路。一般来说，光致抗蚀剂以预定的厚度施加到晶片，涂敷的晶片放置在晶片台上。光源发出的光穿过具有预定掩模(电路)图形于其上的光掩模。光穿过光掩模形成空间像，投射到晶片的光致抗蚀剂上，在光致抗蚀剂上形成掩模图形。光致抗蚀剂通常为负型光致抗蚀剂或正型光致抗蚀剂，之后进行多次清洗、显影和腐蚀步骤处理曝光的光致抗蚀剂，以在光致抗蚀剂内形成要金属化形成规定的电路图形(负型光致抗蚀剂)形式的开口，或者以在要金属化的晶片表面上绘制出规定图形的正型光致抗蚀剂图形的形式，在晶片上形成图形。以上的光致抗蚀剂工艺显示在U.S.专利No.5,300,786，转让给本发明的受让人。
在负型或正型光致抗蚀剂的方法中或光致抗蚀剂方法的组合中(例如图像反转的光致抗蚀剂)，需要使用光掩模在光致抗蚀剂上形成图形，通常，使用光刻的成像工艺产生多个光致抗蚀剂图形，在截面中每个图形的宽度、高度和对称性基本上不变。在某些曝光条件下，光致抗蚀剂图形的宽度随着光致抗蚀剂的高度、图形的尺寸和构形发生某种程度的变化，在光致抗蚀剂底部的宽度一般稍宽于顶部的宽度。在任何一种情况中，从光致抗蚀剂图形的底部的中点沿垂直轴向上延伸测量剖面，光致抗蚀剂图形仍然基本上对称，金属化的电路线基本上不变。
现有许多不同的集成电路制造工艺，需要不对称的光致抗蚀剂图形或控制图形作为工艺的一部分提供需要的电路设计，一个应用是例如制备用于剥离工序的图形。这些方法在本领域已公知。
现已作出多种尝试产生不对称的光致抗蚀剂(光致抗蚀剂)剖面或图形。在Nakatani等人的U.S.专利No.5,547,789中，使用不对称的光强度曲线构图正型光致抗蚀剂，然后通过泛射(floodillumination)将光致抗蚀剂转换为负型光致抗蚀剂(图形反转的光致抗蚀剂)，以便影响随后形成的栅电极的位置。光致抗蚀剂图形不对称的目的是产生不对称位置的栅电极。不对称的强度剖面通过图形转移掩模获得，图形转移掩模包括转移衬底、设置在透明衬底上的线性光掩蔽膜图形、和减少穿过光掩蔽膜图形任何一面上部分掩模的光强度的结构。图形转移掩模包括其上具有不同种类的光衰减膜并且在如不透明材料的光掩蔽膜图形下面的透明衬底、具有不同厚度的光掩蔽膜或半透明膜。显示的光致抗蚀剂剖面在图形的两面非常多的凹腔，对于许多制造方法这是不能允许的。
显示出不对称光强度曲线的另一专利是Nakatani的U.S.专利No.5,370,975，其中产生不对称光强度曲线设计的掩模使用了边缘角度为70°-85°或95°-110°的移相器，或者把移相器加工成光滑弯曲的形状。在上文提到的U.S专利.No.5,300,786中，介绍了为了确定并控制光刻曝光系统的焦点，将光的强度剖面移位的相移掩模。当焦点变化时，强度剖面的最小点被移位，产生向左或右方向的光致抗蚀剂图形的不对称错位。强度剖面的最小强度峰值点不对称，是不对称的峰值偏移，它产生图形位置错误，与其他参考图形结合使用，通过自动覆盖(overlay)误差测量装置测量焦点作为覆盖层。
在Hanyu等人的U.S专利.No.5,368,963中，显示的光掩模包括形成在掩模衬底上的光掩蔽层和由光掩蔽区限定在掩模衬底上的透光区。透光区被移相器分割。
以上专利在这里引入作为参考。
鉴于现有技术的问题和不足，因此本发明的一个目的是提供一种在成像系统中使用的光掩模，用于在包括集成电路晶片的电子元件上制造电路，由此根据要形成的图形在制造工艺期间可以控制形成在晶片制备工艺中使用的光致抗蚀剂上的图像。光致抗蚀剂一般沿从底部的中点穿过光致抗蚀剂向上延伸的垂直轴不对称。
本发明的另一个目的是提供一种制备包括集成电路晶片的电子元件的方法，其中可以根据要形成的图形控制在制造工艺期间形成在其上的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂图形一般沿从底部的中点穿过光致抗蚀剂向上延伸的垂直轴不对称。
本发明的又一个目的是提供一种包括使用本发明的方法和光掩模制成的包括集成电路晶片的电子元件。
通过下面的说明本发明的其他目的和优点将很显然。
对本领域的技术人员来说，本发明可以获得以上和其他目的。本发明的第一方案涉及在成像系统中使用的光掩模，由此光穿过掩模并照射在光致抗蚀剂覆盖的衬底上，在例如集成电路晶片的电子元件衬底上形成尺寸可控的光致抗蚀剂图形，该掩模包括允许光穿过的掩模衬底；掩模衬底上的光掩蔽材料，以多个线和其他电路形成形状的形式形成图形，限定了要形成在覆盖掩模衬底的光致抗蚀剂上的需要的光致抗蚀剂图形；以及位于光掩蔽形状的至少一面上的多相移结构，由于穿过掩模的光在具有多光相移结构的形状的一面上具有多个相位，所述多光相移结构为掩模衬底上的移相器材料的形式和/或该结构为衬底的一部分。
多移相器结构优选与光掩蔽材料图形的一面邻接，由此穿过掩模衬底的光在光掩蔽材料图形的每一面上具有至少两个不同的相位。优选在光掩蔽结构的一面上，光的多个相位中的至少一个与光掩蔽结构的另一面上的光不同相位，除了0°或180°或为其它多个相位。还优选穿过掩模的光与光致抗蚀剂不对焦。
在使用本发明优选掩模的另一方案中，提供一种制备如集成电路晶片等的电子元件的方法，在制备工艺期间，元件具有尺寸可控的不对称光致抗蚀剂图形形成在元件上，其中如晶片的电子元件衬底涂有光致抗蚀剂(例如负型、正型或图形反转的光致抗蚀剂)并暴露于穿过其上具有规定的电路图形的掩模的光，该方法包括用光致抗蚀剂材料涂敷如硅晶片的电子元件衬底；将衬底定位在支撑例如步进的装置上；定位掩模，以便照射掩模一个表面上的光穿过掩模并照射在涂敷的衬底上，将光致抗蚀剂材料中形成掩模设计的图象，掩模包括允许光穿过的掩模衬底；掩模衬底上的光掩蔽材料，以多个线和其他电路形成形状的形式形成图形，限定了要形成在涂敷衬底的光致抗蚀剂内的光致抗蚀剂图形；以及位于衬底上光掩蔽形状的至少一面上的多个移相器结构，以便穿过掩模的光在具有多光相位移位结构的形状一面上具有多个相位，该多光相位移位结构为移相器材料的形式和/或者该结构为衬底一部分；将掩模曝光；显影曝光的衬底在衬底上形成需要的光致抗蚀剂图形；以及形成需要的电子元件。
相信本发明的特征是新颖的，本发明的元件特性具体说明在附带的权利要求书中。附图仅为图示说明，并没有按比例画出。然而，参考结合附图的详细说明可以更好地理解本发明的结构和操作方法。


图1示出了本发明光掩模的透视图，具有一个线和多个光相移结构于其上。
图2、3和4示出了使用本发明的掩模和方法制成的具有尺寸可控图形的衬底上正型光致抗蚀剂的剖面侧视图。
图5为例如图1所示掩模的剖面侧视图。
下面参考图1-5介绍本发明优选实施例，其中类似的数字代表了本发明类似的结构。本发明的结构没有按比例画出。
在本领域公知的任何光刻系统中可以使用本发明的掩模。系统也可以称做投影成像系统，典型的系统在上文提到的U.S.专利No.5,300,786中有说明，其中使用具有新颖的光学焦点测试图形的光刻掩模结构将测试图形投射在涂敷光致抗蚀剂的半导体上。基本上，这些系统利用的发光源通常包括镜子、弧光灯、滤光器和聚光器透镜系统。发光源将“光”输出到按需要预构图的掩模结构上，例如投射到制造中集成电路的布线层上。这里所使用的术语“光”是指光刻中使用的光。在说明书中的术语“光”和“光刻”并不局限为可见光，也包含其它形式的辐射和平板印刷术(lithography)。穿过掩模结构的光通常与缩影透镜相交，缩影透镜将掩模图形聚焦到制备在半导体晶片上的特定的透镜场内。晶片由真空保持装置(或吸盘)固定在位，它的位置由精确的X、Y、Z位置控制器或步进电机控制。
相对于精确聚焦的成像平面，焦点通常量化为在Z方向内晶片位置的偏移误差。为了本发明的主题，图像平面可以在任何点，例如通常在光致抗蚀剂材料的顶部或光致抗蚀剂材料的底部或两者之间的任何点。图像平面也可以位于光致抗蚀剂顶部之上或位于光致抗蚀剂底部之下。
相对于理想的焦面像平面和图像平面在焦点之外距离的数值表示，下面将介绍的焦点偏移或散焦具有正或负的Z错位。通常调节真空保持装置以提供需要的散焦来进行本发明的方法。通常使用掩模用于形成图形信息的另一投影曝光装置显示在上文提到的U.S.专利No.5,370,975图9中。
要确定最好的散焦以制成需要的尺寸可控的光致抗蚀剂图形，优选使用散焦矩阵测试工序作为电子元件制造工艺的一部分。由此，其上具有多个芯片的晶片用光致抗蚀剂涂敷，使用不同散焦条件曝光每个晶片，然后使用通常的工序烘焙并显影。然后用扫描电子显微镜(SEM)通过光致抗蚀剂侧壁观察每个芯片的剖面，以确定最好的散焦条件。例如，如果晶片具有十个(10)芯片，对每个芯片的散焦可以下面的顺序改变-1.0μm、-0.8μm、-0.6μm、-0.4μm、-0.2μm、0μm、+0.2μm、+0.4μm、+0.6μm、0.8μm。根据制造工艺可以使用其它顺序。
参考图1，本发明的掩模通常显示为10。掩模10包括厚度为Ts的透明衬底11。衬底11上有单个线条形式的光掩蔽材料13。与光掩蔽材料13在一面邻接的是多相移结构。如图所示，衬底11的厚度由Tp1、Tp2和Tp3表示。Tp1与Ts相同，因此，衬底的厚度Ts与在平面或突出部分14(Tp1)的衬底厚度相同，穿过掩模10的光与光掩蔽材料13的每一面12和14具有相同的相位。与区域14邻接的是显示出具有高度Tp2的第一沟道15。类似地，与第一沟道15邻接的是显示出具有高度Tp3的第二沟道16。根据高度Tp1、Tp2和Tp3确定穿过光的相移。相移角定义为φ1、φ2和φ3。相移角可以为任何角度，并且可以宽范围的变化，例如10°、30°、45°、90°、120°、150°、163°，或其它任何合适的相移角。
如本领域所公知的，曝光条件、光致抗蚀剂类型、烘焙和显影以及从晶片表面的反射都会影响光致抗蚀剂图形的形状，但在任何一种情况下，光致抗蚀剂基本上对称。然而，使用本发明的掩模和方法，可以形成尺寸可控形状的光致抗蚀剂图形，如图2、3和4所示。因此，参考图2，衬底17完全涂敷光致抗蚀剂(未显示)，曝光和显影形成具有侧壁19和20、底部21和顶部22的光致抗蚀剂图形18。形成的光致抗蚀剂图形18具有侧壁角θ1=82°和θ2=78.5°。使用图1的掩模形成光致抗蚀剂图形，其中φ1=0°；φ2=45°；以及φ3=90°。由于底部角度θ1大于θ2，所以光致抗蚀剂17具有高度RH，并且不对称。
参考图3，除了光掩模的相移角为φ1=0°；φ2=60°；φ3=120°，使用图2相同的程序形成光致抗蚀剂图形。光致抗蚀剂图形18的θ1现在为80.4°,θ2为72.9°。类似地，在图4中，当光掩模的相移角为φ1=30°；φ2=60°；φ3=120°时，θ1为77°,θ2为66°。
再次参考图1，示出了本发明典型的掩模10。透明材料11可以为任何合适的透明材料，例如玻璃、氟化钙和熔融的硅石，一般为熔融硅石。衬底的厚度Ts一般约90密耳到300密耳。优选使用衬底11内如15和16的沟道形成穿过掩模的光的相移，沟道影响光的相移因为它穿过不同衬底的厚度(Ts作为Tp2和Tp3的函数)。可以容易地确定规定相移的需要厚度。在光在12穿过掩模衬底的相位和光穿过光掩蔽材料13的相对面14、15和16的相位之间的差异必须不同于0°或180°或其倍数以形成至少一个并优选两个或多个光相位。
光掩蔽材料13可以为任何合适的材料，例如硅化钼和铬，一般为铬，使用常规的方法例如溅射或金属蒸发，优选进行溅射。光掩蔽材料的厚度可以在宽范围内改变，一般约50nm到150nm。光掩蔽材料13的目的是防止光穿过掩模到达存在材料13、涂敷有光致抗蚀剂的待成像的衬底上。
再参考图2、3和4，衬底17一般为硅或其它半导体材料，光致抗蚀剂材料可以为任何光致抗蚀剂，例如负型光致抗蚀剂或正型光致抗蚀剂，当然可以使用任何光致抗蚀剂。优选光致抗蚀剂的分辨度为中等或高分辨率光致抗蚀剂，这在本领域是公知的。
本发明的一个重要特征是光致抗蚀剂、光致抗蚀剂的厚度、光掩蔽材料每一面上光的多个相位差异、焦点和曝光期间的曝光剂量可以特别地单个或优选组合地控制，以提供本发明需要的尺寸可控的光致抗蚀剂图形。每个以上参数可以独立地改变，但优选在某个范围内都可以控制，以提高光致抗蚀剂构图的结果。
可以使用任何光致抗蚀剂厚度(如图2所示的RH)，但优选使用较大的厚度，以提供较大的尺寸可控的光致抗蚀剂图形效果。光致抗蚀剂的厚度通常约0.1μm到10μm，优选约0.4μm到2μm。散焦也可以在宽范围内改变，通常大于光致抗蚀剂的厚度，一般高达约±10μm，优选约±1μm。此外优选正散焦而不是负散焦。曝光剂量很重要，一般选择使曝光剂量印刷线的宽度基本上等于对应的掩模图形的宽度。例如，对于5x步进器，2.0μm掩模结构将印制0.4μm宽度的线。这通常称做“剂量决定尺寸”(dose to size)，优选为所述剂量决定尺寸约0.7到1.5倍的剂量。
在优选实施例中，投影曝光装置的照明条件应能提供约0.25到0.8的相干性，优选0.6以下。
参考图5，显示了图1所示本发明掩模的侧视图。
虽然结合具体的优选实施例特别介绍了本发明，显然根据以上的说明许多替换、修改和变形对本领域的技术人员来说很显然。因此附带的权利要求书将包容落入本发明实际范围和实质内的任何这种替换、修改和变形。
权利要求
1．一种光掩模，用在成像系统中，由此光穿过掩模并照射光致抗蚀剂覆盖的衬底，在电子元件衬底上形成尺寸可控的光致抗蚀剂图形，该掩模特征在于包括允许光穿过的掩模衬底，其上具有光掩模材料，以多个线和其他电路形状的形式，限定要形成在元件衬底上需要的光致抗蚀剂图形，提供至少一个光掩蔽结构的一面上的多移相器结构，由此当光穿过掩模时，光的相位在光掩蔽结构的每一面不同，除了0°或180°，或至少一个光相位的倍数。
2．根据权利要求1的光掩模，特征在于光掩蔽材料为铬。
3．根据权利要求1的光掩模，特征在于多相移结构为光掩蔽结构一面上的掩模衬底内的沟道，与光掩蔽结构邻接。
4．根据权利要求3的光掩模，特征在于掩模衬底为熔融硅石。
5．根据权利要求1的光掩模，特征在于多相移结构提供的光相移为30°、45°、60°和120°中的至少两个。
6．根据权利要求5的光掩模，特征在于光致抗蚀剂为负型或正型光致抗蚀剂。
7．根据权利要求1的光掩模，特征在于多相移结构为衬底内的多个沟道。
8．一种制备电子元件的方法，在制造工艺期间，元件具有尺寸可控的光致抗蚀剂图形形成在元件上，其中电子元件衬底涂有光致抗蚀剂并被穿过具有需要的电路图形的掩模的光曝光，该方法包括用光致抗蚀剂材料涂敷电子元件衬底；将衬底定位在支撑装置上；定位掩模，以便照射掩模一个表面上的光穿过掩模并照射在涂敷的衬底上，在光致抗蚀剂材料中形成掩模设计的图象，掩模包括允许光穿过的掩模衬底；掩模衬底上的光掩蔽材料，以多个线和其他电路形成形状的形式形成图形，限定要形成在涂敷衬底的光致抗蚀剂内的光致抗蚀剂图形；以及位于掩膜衬底上光掩蔽形状的至少一面上的多移相器结构，以便穿过掩模的光在具有多光相移结构的形状一面上具有多个相位，多光相移结构为移相器材料的形式和/或者该结构为衬底一部分；将掩模曝光；显影曝光的衬底，在衬底上形成需要的光致抗蚀剂图形；以及形成需要的电子元件。
9．根据权利要求7的方法，特征在于多相移结构提供的光相移为30°、45°、60°和120°中的至少两个。
10．根据权利要求9的方法，特征在于穿过掩模的光不聚焦在光致抗蚀剂上。
11．根据权利要求9的方法，特征在于散焦为正。
12．根据权利要求7的方法，特征在于光具有的约0.25到0.8的相干性。
13．根据权利要求8的方法制成的电子元件。
14．根据权利要求13的电子元件，特征在于电子元件为集成电路芯片。
15．根据权利要求9的方法制成的电子元件。
16．根据权利要求10的方法制成的电子元件。
17．根据权利要求12的方法制成的电子元件。
全文摘要
提供一种光掩模和使用光掩模制成尺寸可控的光致抗蚀剂图形。使用本发明的掩模在具体控制的散焦条件下曝光其上覆盖光致抗蚀剂的晶片,以提供尺寸可控的光致抗蚀剂图形剖面。包括在掩模上至少一个光掩蔽图形的一面上的多相移结构的掩模提供了能穿过光的掩模,该掩模在光掩蔽材料那面上具有多个相位,产生尺寸可控的光致抗蚀剂图形剖面。
文档编号G03F1/00GK1224233SQ9812553
公开日1999年7月28日 申请日期1998年12月21日 优先权日1998年1月22日
发明者D·C·惠勒, J·A·曼德曼, R·D·米 申请人:国际商业机器公司