專利名稱：相移式掩模及其制備方法與制備半導體元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種相移式掩模及其制備方法與制備半導體元件的方法，特別涉及一種利用高分子(polymer)材料制備相移圖案的相移式掩模及其制備方法與其制備半導體元件的方法。
背景技術：
隨著元件集成度增加，半導體工藝的微影技術需要更高的分辨率方可達到元件的精密度需求。增加分辨率的方法之一是采用較短波長的光源，例如采用氟化氪(KrF)激光所產(chǎn)生的深紫外光(波長248納米)或氟化氬(ArF)激光所產(chǎn)生深紫外光(波長193納米)做為微影曝光的光源。另一種增加分辨率的方法是采用相移式掩模，其可在不變更曝光光源的條件下增加微影分辨率，已是半導體制造業(yè)者所積極研發(fā)的重要技術。
美國專利US 5,240,796公開一無鉻膜相移式掩模10的制備方法，如圖1至圖5所示?，F(xiàn)有技術首先在一石英基板20上鍍上一層鉻金屬層22，再利用曝光微影工藝形成一具有多個開口圖案的光致抗蝕劑層24于該鉻金屬層22上。之后，進行一蝕刻工藝去除未被該光致抗蝕劑層24覆蓋的鉻金屬層22直到該石英基板20表面以形成多個開口圖案26。之后，再進行一剝除工藝以完全去除該光致抗蝕劑層24，如圖2所示。利用該鉻金屬層22為蝕刻屏蔽，進行另一蝕刻工藝，蝕刻未被該鉻金屬層22覆蓋的石英基板20直到一預定深度″T″，以形成多個開口圖案32于該石英基板20之中，如圖3所示。
參考圖4，利用曝光微影工藝形成一光致抗蝕劑層28于該鉻金屬層22上。之后，進行一蝕刻工藝去除未被該光致抗蝕劑層28覆蓋的鉻金屬層22直到該石英基板20表面以形成多個散射條30(scattering bar，亦稱輔助圖案)。之后，再進行一剝除工藝以完全去除該光致抗蝕劑層28，即完成該無鉻膜相移式掩模10，如圖5所示。特而言之，該多個開口圖案32之間的石英基板20構成多個凸部圖案34。
參考圖6，若以一曝光光束12經(jīng)由該無鉻膜相移式掩模10曝光一光致抗蝕劑層(未顯示于圖中)時，由于該石英基板20的厚度差異，透射光束14與透射光束16間的相角將有所差異，而形成干涉。透射光束14與透射光束16在該石英基板20內(nèi)部的傳輸距離差為Δd＝d1-d2＝mλ/2(n石英基板-n空氣)」，其中n為折射率，λ為該曝光光束12的波長，m為正整數(shù)。理論上透射光束14的相角被設計比透射光束16延遲180度(即該凸部圖案34作為相移圖案)，因而形成破壞性干涉而提升分辨率。
然而，蝕刻工藝所產(chǎn)生的開口圖案32因難以精確地控制而停止于該石英基板20內(nèi)的預定深度″T″。再者，蝕刻工藝亦難以精準控制該開口圖案32的側壁輪廓及尺寸大小，其可能形成梯形開口而非預期的矩形開口。換言之，該開口圖案32的深度、輪廓及尺寸大小并不易于控制，因而透射光束14與透射光束16間的相角差并非理論上的180度，造成相誤差(phase error)的問題。
此外，現(xiàn)有技術利用蝕刻該石英基板20而形成該開口圖案32(即相移圖案)，然而蝕刻工藝產(chǎn)生的石英污染缺陷(contamination defect)易于形成于該開口圖案32附近，增加掩模檢視的困難。另，現(xiàn)有技術必須進行二次曝光微影工藝以形成光致抗蝕劑層24及28，不僅增加了對位控制難度，亦局限了掩模的產(chǎn)率(throughput)。再者，若掩模上的圖案的線寬(line width)與間距(spacewidth)大小為1∶1時，偏軸照明并無成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種利用高分子材料制備相移圖案的相移式掩模及其制備方法與其制備半導體元件的方法，可增加掩模產(chǎn)率及消除蝕刻工藝所產(chǎn)生的相誤差及克服掩模難以檢視的問題，并可解決無鉻膜掩模的圖形線寬(line width)與間距寬度(space width)的比值為1∶1時，偏軸照明技術無法成像的問題且可增加各類圖案形狀對比度。
為達成上述目的，本發(fā)明提供一種相移式掩模，其包含一基板以及多個設置于該基板上的相移圖案，其中該相移圖案由高分子材料構成，且該相移圖案在一第一方向的間距小于該相移圖案的寬度。優(yōu)選地，該相移圖案以陣列方式排列而構成多個線狀圖案，且該線狀圖案在一第二方向的間距等于該線狀圖案的寬度，其中該第二方向垂直該第一方向。此外，該基板可為一石英基板，或另包含一設置于該基板表面的接口層，其中該接口層是一導電層或一黏著層。
本發(fā)明的相移式掩模的制備方法包含形成一高分子層于一基板上；改變多個預定區(qū)域內(nèi)的高分子層的分子結構；以及去除該預定區(qū)域以外的高分子層以形成多個相移圖案等步驟。該高分子材料可為氫硅酸鹽(hydrogensilsesquioxane，HSQ)，而去除未被該電子束照射的高分子層利用一堿性溶液進行顯影工藝，其中該堿性溶液選自氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液及四甲基氫氧化銨溶液構成之群。此外，該高分子層可為甲基硅酸鹽(methylsilsesquioxane，MSQ)，而去除未被該電子束照射的高分子層利用一醇類溶液進行顯影工藝。再者，該高分子層可為混成有機硅烷高分子(hybridorganic siloxane polymer，HOSP)，而去除未被該電子束照射的高分子層利用乙酸丙酯溶液進行顯影工藝。
相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的相移式掩模可增加掩模產(chǎn)率、消除蝕刻工藝所產(chǎn)生的相誤差及克服掩模難以檢視的問題，簡述如下1.現(xiàn)有技術必須進行二次曝光微影工藝，因而增加對位控制難度并局限了掩模的產(chǎn)率。相對地，本發(fā)明利用涂布技術(或沉積技術)搭配電子束曝光及顯影技術制備該相移圖案，工藝較簡易，因而可提升掩模產(chǎn)率。再者，本發(fā)明并不需二次曝光微影，因而并無對位的問題。
2.現(xiàn)有技術利用蝕刻石英基板制備該相移圖案，因而產(chǎn)生相誤差及掩模檢視等問題。相對地，本發(fā)明制備相移圖案并不需要蝕刻石英基板，因而可消除現(xiàn)有的相誤差及掩模檢視等問題。
3.本發(fā)明亦可解決現(xiàn)有無鉻膜相移式掩模的圖案線寬與間距寬度的比值為1∶1時，偏軸照明技術無法成像的問題且可增加各類圖案形狀對比度。


圖1至圖6例示現(xiàn)有技術制備一無鉻膜相移式掩模的方法；圖7至圖9例示本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模的制備方法；圖10是經(jīng)電子束照射后的高分子層在不同波長的曝光光束下的反射系數(shù)變化圖；圖11是經(jīng)電子束照射后的高分子層在不同波長的曝光光束下的消光系數(shù)變化圖；圖12及圖13例示本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模應用于一半導體基板上定義一半導體元件的形貌；
圖14(a)例示一曝光光束穿透本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模照射于一光致抗蝕劑層的強度分布；以及圖14(b)例示一曝光光束穿透現(xiàn)有的無鉻膜相移式掩模照射于一光致抗蝕劑層的強度分布。
附圖標記說明10 無鉻膜相移式掩模 12 曝光光束14 透射光束 16 透射光束20 石英基板 22 鉻金屬層24 光致抗蝕劑層 26 開口圖案28 光致抗蝕劑層 30 散射條32 開口圖案 34 凸部圖案50 無鉻膜相移式掩模 52 基板54 線狀圖案 56 透光區(qū)58 線狀圖案 62 高分子層64 電子束 66 預定區(qū)域68 相移圖案 70 半導體基板72 光致抗蝕劑層 74 曝光光束76 穿透光束 78 穿透光束80 線狀區(qū)域 82 線狀區(qū)域具體實施方式
圖7至圖9例示本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模50的制備方法。首先利用旋轉涂布工藝形成一高分子層62于一基板52上。之后，提供一能量(例如利用一電子束64照射)于該高分子層62的多個以陣列方式排列的預定區(qū)域66以改變在該預定區(qū)域66內(nèi)的高分子層62的化學特性，例如形成交聯(lián)(cross-linking)。特而言之，該電子束64提供的能量可促使該預定區(qū)域66內(nèi)的高分子改變其分子結構。
參考圖8，進行一顯影工藝，去除未被該電子束64照射的高分子層62(即該預定區(qū)域66以外的高分子層62)，而留下該預定區(qū)域66內(nèi)的高分子層62以形成多個以陣列方式排列的相移圖案68于該基板52上，如圖9的俯視圖所示。由于該電子束64提供的能量導致被照射的高分子改變其分子結構，因而被照射的高分子與未被照射的高分子對顯影液具有不同溶解度。因此，顯影工藝即可選擇性地去除未被該電子束64照射的高分子層(即在該預定區(qū)域66以外的高分子)，而保留在該預定區(qū)域66內(nèi)的高分子。
申言之，該多個以陣列方式排列的預定區(qū)域66間的高分子層62并未受到該電子束64照射，因此在顯影工藝的后形成多個設置于該相移圖案68間的透光區(qū)56。此外，該多個相移圖案68亦構成多個線狀圖案54以及多個設置于該線狀圖案54間的線狀圖案58。優(yōu)選地，該相移圖案68的縱向間距小于該相移圖案68的縱向寬度，亦即該相移圖案68的縱向寬度大于該透光區(qū)56的縱向寬度。該線狀圖案54的橫向間距約等于該線狀圖案54的橫向寬度，亦即該線狀圖案54與該線狀圖案58約等寬。此外，該基板52可為一石英基板或另包含一設置于該基板52表面的接口層(未顯示于圖中)，其中該接口層可為一由順式聚乙炔或聚苯胺導電高分子構成的導電層或一由六甲基乙硅氮烷(Hexamethyldisilazane)構成的黏著層。
該高分子層62包含硅酸鹽材料。例如，該硅酸鹽材料可為氫硅酸鹽(HSQ)，此時去除未被該電子束64照射的高分子層62利用一堿性溶液進行顯影，其中該堿性溶液選自氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液及四甲基氫氧化銨溶液構成之群。此外，該硅酸鹽材料亦可為甲基硅酸鹽(MSQ)，此時去除未被該電子束64照射的高分子層62利用一醇類溶液(例如乙醇)進行顯影。再者，該高分子層62若為混成有機硅烷高分子(HOSP)，此時去除未被該電子束64照射的高分子層62利用乙酸丙酯溶液進行顯影。該電子束64照射該高分子層62將改變其分子結構，例如氫硅酸鹽的分子結構將由鳥籠狀(cage-like)轉變?yōu)榫W(wǎng)狀(network)并與該石英基板52形成鍵結，因此后續(xù)以堿性溶液顯影時，即可選擇性地去除該預定區(qū)域66以外的高分子層62。
圖10是該相移圖案68在不同波長的曝光光束下的反射系數(shù)變化圖。根據(jù)已知的相移公式P＝2π(n-1)d/mλ，其中P為相移角，n為反射系數(shù)，λ為曝光光束的波長。當曝光光束的波長為193納米時，相應的反射系數(shù)約為1.52，因此根據(jù)相移公式計算該相移圖案68的厚度應為1828埃(若相移角度的公差設定為177°至183°，則該相移圖案68的厚度應為1797至1858埃)。當曝光光束的波長為248納米時，相應的反射系數(shù)約為1.45，因此根據(jù)相移公式計算該相移圖案68的厚度應為2713埃(若相移角度的公差設定為177°至183°，則該相移圖案68的厚度應為2668至2759埃)。
圖11是該相移圖案68在不同波長的曝光光束下的消光系數(shù)變化圖。由圖11可知，若曝光光束的波長介于190～900納米之間，該相移圖案68的消光系數(shù)實質為零。因此，本發(fā)明所使用的高分子材料經(jīng)該電子束64照射后，形成可延遲透射光束的相位的透光性材料，適用于相移式掩模。
圖12及圖13例示本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模50應用于一半導體基板70上定義一半導體元件(例如一晶體管的柵極或導體層)的形貌，其中圖12是沿圖9的A-A剖面線的局部剖示圖，而圖13則是沿圖9的B-B剖面線的剖示圖。特而言之，該無鉻膜相移式掩模50的零度區(qū)與180度相轉移區(qū)的寬度比為1∶1。該相移圖案68的厚度被設計成可使一曝光光束74在穿透該相移圖案68后的透射光束76的相位延遲180度，而穿透該透光區(qū)56的透射光束78的相位則不受影響保持為0度。如此，該透射光束76的零級光與透射光束82的零級光總和對透射光束78的零級光形成破壞性干涉，所以無法使其正下方的光致抗蝕劑層72的線狀區(qū)域80曝光。換言之，該曝光光束74無法曝光該線狀區(qū)域80(其位于該相移圖案68構成的線狀圖案54-正下方)，而僅可曝光該線狀區(qū)域82(其位于透光的線狀圖案58-正下方)。
圖14(a)例示該曝光光束74穿透該無鉻膜相移式掩模50照射于空間影像(aerial image)的強度分布，其利用SOLID E光學仿真軟件計算而得。若將該光致抗蝕劑層72的臨界感光門坎設計為0.3，則利用本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模50及偏軸照明系統(tǒng)，即可在該半導體基板70的光致抗蝕劑層72上形成具有間距與寬度相等的線狀圖案。復參圖9，穿透該線狀圖案54的光束與穿透該透光區(qū)56的光束具有180度的相位差，其中該透光區(qū)56的大小及形狀可由光學仿真軟件予以決定。對偏軸照明而言，該透射光束76的零級繞射光束與該透射光束78的零級繞射光束不會互相抵消，亦即可干涉成像。
此外，利用本發(fā)明的無鉻膜相移式掩模50對線寬與間距的比值為1∶1的布局進行偏軸照明時，穿透該透光區(qū)56的光束的零級光與穿透該相移圖案68的透射光束76的零級光形成破壞性干涉，且穿透該相移圖案68而相位延遲180度的透射光束76的零級光亦可與穿透該線狀圖案58而相位延遲0度的透射光束78的零級光形成破壞性干涉。換言之，通過該相移圖案68而相位延遲180度的透射光束76的零級光將被完全破壞而無法干涉成相像，而穿透該線狀圖案58而相位延遲0度的透射光束78的零級光將被部分破壞，其光強度與+1級及-1級相等，有助于進一步提升該光致抗蝕劑層72的線狀區(qū)域80與線狀區(qū)域82的照射光強度差異，亦即提升對比度。相對地，若采用圖6所示的現(xiàn)有無鉻膜相移式掩模10，其強度如圖14(b)所示。由于空間影像的光強度差異過小，因而無法在光致抗蝕劑層72上成像。
特而言之，本發(fā)明并未蝕刻該基板52，因此在該相移圖案68與該透光區(qū)56正下方的基板52的厚度應相同。換言之，該曝光光束74穿透該透光區(qū)56與該相移圖案68時，理應穿透了相同厚度的基板52，因此該光致抗蝕劑層72的線狀區(qū)域80與線狀區(qū)域82的照射光強度差異應由該相移圖案68所造成。亦即，該無鉻膜相移式掩模50的相轉移角大小主要取決于該相移圖案68的厚度，無關于該基板52的厚度。
申言的，本發(fā)明的相移式掩模的石英基板的厚度相同，故曝光光束在該石英基板中的傳輸距離相同，因而本發(fā)明可避免現(xiàn)有技術因必須蝕刻該石英基板而易于造成相誤差及光強度不平衡的問題。再者，本發(fā)明的相移圖案可采用旋轉涂布工藝形成于該石英基板上，可精確地控制該相移圖案的厚度(即相移角度)。此外，本發(fā)明的高分子層的主要成份為硅酸鹽或混成有機硅烷高分子等高分子材料，其可藉由該電子束照射而改變其化學性質，再由堿性溶液選擇性地去除。由于該電子束的孔徑小，其可局部照射該高分子層的相當細小的區(qū)域，因此本發(fā)明可精確地控制該相移圖案的橫向寬度。
相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的相移式掩?？稍黾友谀．a(chǎn)率、并消除蝕刻工藝所產(chǎn)生的相誤差及掩模檢視問題。再者，本發(fā)明并不需二次曝光微影，因而并無對位的問題。此外，本發(fā)明制備該相移圖案并不需要蝕刻石英基板，因而可消除現(xiàn)有的相誤差、掩模檢視及因蝕刻石英基板而產(chǎn)生的缺陷(defect)等問題。
本發(fā)明的技術內(nèi)容及技術特點已揭示如上，然而本領域內(nèi)的技術人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為所附的權利要求書所涵蓋。
權利要求
1.一種相移式掩模，包含一基板；以及多個設置于該基板上的相移圖案，其中該相移圖案由高分子材料構成，且該相移圖案在一第一方向的間距小于該相移圖案的寬度。
2.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該高分子材料是硅酸鹽材料。
3.根據(jù)權利要求2的相移式掩模，其中該硅酸鹽材料是氫硅酸鹽。
4.根據(jù)權利要求2的相移式掩模，其中該硅酸鹽材料是甲基硅酸鹽。
5.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該高分子材料是混成有機硅烷高分子。
6.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該基板是一石英基板。
7.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該基板包含一石英基板以及一設置于該基板表面的接口層。
8.根據(jù)權利要求7的相移式掩模，其中該接口層是一導電層或一黏著層。
9.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該相移圖案以陣列方式排列。
10.根據(jù)權利要求1的相移式掩模，其中該多個相移圖案構成多個線狀圖案。
11.根據(jù)權利要求10的相移式掩模，其中該線狀圖案在一第二方向的間距等于該線狀圖案的寬度，該第二方向垂直于該第一方向。
12.一種相移式掩模的制備方法，包含下列步驟形成一高分子層于一基板上；改變多個預定區(qū)域內(nèi)的高分子層的分子結構，其中該預定區(qū)域在一第一方向的間距小于該預定區(qū)域的寬度；以及去除該預定區(qū)域以外的高分子層以形成多個相移圖案。
13.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中利用一旋轉涂布工藝形成一高分子層于該基板上。
14.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該高分子層包含硅酸鹽材料。
15.根據(jù)權利要求14的相移式掩模的制備方法，其中該硅酸鹽材料是氫硅酸鹽。
16.根據(jù)權利要求15的相移式掩模的制備方法，其中利用一堿性溶液去除該預定區(qū)域以外的高分子層。
17.根據(jù)權利要求16的相移式掩模的制備方法，其中該堿性溶液選自氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液及四甲基氫氧化銨溶液構成之群。
18.根據(jù)權利要求14的相移式掩模的制備方法，其中該硅酸鹽材料是甲基硅酸鹽。
19.根據(jù)權利要求18的相移式掩模的制備方法，其中去除該預定區(qū)域以外的高分子層利用一醇類溶液。
20.根據(jù)權利要求19的相移式掩模的制備方法，其中該醇類溶液是乙醇。
21.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該高分子層包含混成有機硅烷高分子。
22.根據(jù)權利要求21的相移式掩模的制備方法，其中利用乙酸丙酯溶液去除該預定區(qū)域以外的高分子層。
23.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該多個預定區(qū)域以陣列方式排列。
24.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該多個預定區(qū)域構成多個線狀圖案。
25.根據(jù)權利要求24的相移式掩模的制備方法，其中該線狀圖案在一第二方向的間距等于該預定區(qū)域的寬度，該第二方向垂直該第一方向。
26.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該基板是一石英基板。
27.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中該基板包含一石英基板以及一設置于該基板表面的接口層。
28.根據(jù)權利要求27的相移式掩模的制備方法，其中該接口層是一導電層或一黏著層。
29.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中利用一電子束照射該預定區(qū)域改變多個預定區(qū)域內(nèi)的高分子層的分子結構。
30.根據(jù)權利要求12的相移式掩模的制備方法，其中提供一能量于該預定區(qū)域來改變多個預定區(qū)域內(nèi)的高分子層的分子結構。
31.一種半導體元件的制備方法，包含下列步驟形成一光致抗蝕劑層于一基板上；使用一相移式掩模曝光該光致抗蝕劑層，該相移式掩模包含一基板以及多個設置于基板上的相移圖案，該相移圖案由高分子材料構成，且該相移圖案在一第一方向的間距小于該相移圖案的寬度；以及顯影該光致抗蝕劑層。
32.根據(jù)權利要求31的半導體元件的制備方法，其中該高分子材料是硅酸鹽材料。
33.根據(jù)權利要求32的半導體元件的制備方法，其中該硅酸鹽材料是氫硅酸鹽。
34.根據(jù)權利要求32的半導體元件的制備方法，其中該硅酸鹽材料是甲基硅酸鹽。
35.根據(jù)權利要求31的半導體元件的制備方法，其中該高分子材料是混成有機硅烷高分子。
36.根據(jù)權利要求31的半導體元件的制備方法，其中該相移圖案以陣列方式排列。
37.根據(jù)權利要求31的半導體元件的制備方法，其中該多個相移圖案構成多個線狀圖案。
38.根據(jù)權利要求37的半導體元件的制備方法，其中該線狀圖案在一第二方向的間距等于該線狀圖案的寬度，該第二方向垂直該第一方向。
全文摘要
本發(fā)明公開一種相移式掩模，其包含一基板以及多個設置于該基板上的相移圖案，其中該相移圖案由高分子材料構成且在一第一方向的間距小于該相移圖案的寬度。優(yōu)選地，該相移圖案以陣列方式排列而構成多個線狀圖案，且該線狀圖案在一第二方向的間距等于該線狀圖案的寬度。本發(fā)明的相移式掩模的制備方法包含形成一高分子層于一基板上、改變多個預定區(qū)域內(nèi)的高分子層的分子結構以及去除該預定區(qū)域以外的高分子層以形成多個相移圖案等步驟。該高分子材料可為氫硅酸鹽、甲基硅酸鹽或混成有機硅烷高分子。
文檔編號H01L21/027GK1959527SQ200510119308
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權日2005年11月3日
發(fā)明者賴義凱 申請人:茂德科技股份有限公司