專利名稱：三態(tài)掩膜以及用其制造半導體器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種掩膜以及用其制造半導體器件的方法，以及更具體地，涉及一種 三態(tài)掩膜(three-state mask)以及用其制造半導體器件的方法。
背景技術：
在下文中，將參照附圖描述光刻工藝過程中使用的普通掩膜以及用其制造半導體 器件的普通方法。 圖1A至1J是示出使用普通掩膜制造半導體器件的方法的縱向截面圖。圖2是圖 1A中所示的掩膜14的平面圖，以及圖3是圖IF中所示的掩膜60的平面圖。
參照圖l，在堆疊在半導體襯底(未示出)上的絕緣層10的上表面涂覆光刻膠12。 然后，使用二態(tài)掩膜(two-state mask) 14曝光并顯影光刻膠12，從而如圖IB中所示，形成 第一光刻膠圖案12A以暴露孔區(qū)16。參照圖1A(圖1A是圖2沿著線A-A'截取的縱向截 面圖)，用于通孔形成的二態(tài)掩膜14包括完全傳輸光的區(qū)域24以及不傳輸光的區(qū)域20和 22。 S卩，掩膜14包括兩個具有不同光傳輸?shù)膮^(qū)域，并因此被稱為"二態(tài)掩膜"。然后，如圖1C 所示，首先，使用第一光刻膠圖案12A作為蝕刻掩膜蝕刻絕緣層10，從而形成孔30。然后， 去除第一光刻膠圖案12A。然后，如圖1D所示，在蝕刻的絕緣層10A的上表面再次涂覆光刻 膠40以填充孔30。然后，如圖1E所示，使光刻膠40凹進，使得僅余留填充孔30指定部分 的光刻膠40。然后，如圖1F所示，在包含余留的光刻膠40A的絕緣層IOA的上表面再次涂 覆光刻膠50。然后，通過光刻工藝使用用于凹槽形成的二態(tài)掩膜60來形成第二光刻膠圖案 50A(如圖1G所示)。參照圖1G(圖1G是圖3沿著線B-B'截取的縱向截面圖)，用于凹槽 形成的二態(tài)掩膜60包括完全傳輸光的區(qū)域64以及不傳輸光的區(qū)域62和66 。然后，如圖1H 所示，使用第二光刻膠圖案50A作為蝕刻掩膜二次蝕刻絕緣膜IOA，從而形成凹槽T并完成 孔H。然后，去除第二光刻膠圖案50A和余留的光刻膠40A。然后，如圖ll所示，在絕緣層 10B的上表面提供金屬材料70以填充凹槽T和孔H，然后使金屬材料70平坦化直至絕緣層 10B的上表面被暴露，從而形成填充孔H和凹槽T的金屬層70A(如圖1J所示)。
上述普通掩膜14和60分別包括完全傳輸光的區(qū)域24和64以及不傳輸光或僅傳 輸最少部分光(例如，只有總光量的6% )的區(qū)域20、22和62、66。如果通過雙鑲嵌工藝使 用這些二態(tài)掩膜14和60，在絕緣層10B中形成金屬線70A，則會引發(fā)一些問題，以下將描述 這些問題。 首先，由于使用兩種掩膜14和60，半導體器件的制造過程變得復雜并且需要多個 掩膜，因而提高了半導體器件的制造成本。 其次，由于在形成孔H之后形成凹槽T，用于形成凹槽T的第二光刻膠圖案50A 的開口區(qū)可能與孔H錯位。如果孔H和凹槽T相互錯位，金屬線70A的薄層電阻(sheetresistance, Rs)將增大。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明致力于一種三態(tài)掩膜以及用其制造半導體器件的方法。 本發(fā)明的一個目的是提供一種三態(tài)掩膜，可將光刻過程中的兩個曝光步驟減少為
一個曝光步驟。 本發(fā)明的另一個目的是提供一種使用三態(tài)掩膜制造半導體器件的方法，其中使用
三態(tài)掩膜縮減了雙鑲嵌工藝并避免了錯位問題(misalignment problem)。 為了實現(xiàn)這個目的和其他優(yōu)點以及根據(jù)本發(fā)明的目的，如在本文中所體現(xiàn)和概括
描述的，光刻工藝的曝光過程中所使用的并且以常規(guī)圖案形成的三態(tài)掩膜，包括用于完全
傳輸光的第一傳輸部分、用于傳輸一部分光的第二傳輸部分、以及用于阻擋光傳輸?shù)钠帘尾糠帧?在本發(fā)明的另一方面中，一種制造半導體器件的方法包括制備三態(tài)掩膜，該三態(tài) 掩膜包括用于完全傳輸光的第一傳輸部分、用于傳輸一部分光的第二傳輸部分以及用于阻 擋光傳輸?shù)钠帘尾糠?；在半導體襯底(或基板，substrate)的上表面上形成絕緣層；向絕緣 層的上表面涂覆光刻膠；使用三態(tài)掩膜通過光刻工藝使光刻膠形成圖案；以及通過使用光 刻膠圖案作為掩膜蝕刻絕緣層將得到的光刻膠圖案轉錄(transcribe)到絕緣層中以同時 形成通孔和凹槽。 應當理解的是，本發(fā)明的上述總體描述和以下的具體描述都是示例性的和說明性 的，并且旨在提供對所要求的本發(fā)明的進一步解釋。


附圖(其被包含用來提供對本發(fā)明的進一步理解以及被引入并構成本申請的一 部分)、本發(fā)明的(一個或多個)示例性實施方式連同說明書一起用來闡述本發(fā)明的原理。 在附圖中 圖1A至1J是示出使用普通掩膜制造半導體器件的方法的縱向截面圖；
圖2是圖1A中所示的掩膜的平面圖；
圖3是圖IF中所示的掩膜的平面圖； 圖4a是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的三態(tài)掩膜的平面圖，以及圖4b是示出通過 三態(tài)掩膜的光強度的曲線圖； 圖5A至5F是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的制造半導體器件方法的縱向截面圖。
具體實施例方式
在下文中，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的三態(tài)掩膜。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的三態(tài)掩膜的平面圖，以及圖4b是示出通過三 態(tài)掩膜的光強度的曲線圖。在圖4b示出的曲線圖中，水平軸表示臨界尺寸(critical dimension, CD)，以及垂直軸表示光的相對強度。 圖4a中所示的三態(tài)掩膜用于光刻工藝過程中的曝光，并且具有常規(guī)圖案。該三態(tài) 掩膜包括第一傳輸部分102、第二傳輸部分104和106、以及屏蔽部分100。
第一傳輸部分102用于完全傳輸光，因此由透明材料制成。 第二傳輸部分104和106用于傳輸一部分光。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，第二傳輸部分104和106傳輸20%至30%的入射光。例如，第二傳輸部分104和106可以由硅化鉬(Molybdenum Silicide， MoSI)制成。第二傳輸部分104和106用作部分光的相移掩膜(PhaseShift Masking, PSM)。 屏蔽部分100用于阻止光的傳輸。由于這個原因，屏蔽部分100可以由鉻(Cr)制成。屏蔽部分100對應于傳輸光的區(qū)域的背景(background)。 上述掩膜包括如上所述以不同程度傳輸光的三個部分，因此被稱為"三態(tài)掩膜"。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，如圖4a所示，可以以包圍第一傳輸部分102、第二傳輸部分104和106的形狀形成屏蔽部分100。此外，第二傳輸部分104和106可以彼此相對，使得第一傳輸部分102介于(或插入，interpose)第二傳輸部分104和106之間。盡管圖4a示出了具有矩形形狀的第一傳輸部分102，但第一傳輸部分102可以具有環(huán)形形狀。根據(jù)本發(fā)明的實施方式的三態(tài)掩膜不限于圖4a中所示的形狀，并且可以根據(jù)圖案具有各種形狀。
參照圖4b中所示的曲線圖，第一傳輸部分102完全傳輸光，因此已穿過第一傳輸部分102的光的強度118是最大的。第二傳輸部分104和106傳輸一部分光，因此已穿過第二傳輸部分104和106的光的強度114和116是中等的。屏蔽部分100不傳輸光并屏蔽光，因此已穿過屏蔽部分100的光的強度110和112接近于零。 如上所述，由于已穿過第一傳輸部分102和第二傳輸部分104和106的光的強度
不同，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的三態(tài)掩膜可以用于使用光刻工藝的各種領域。 在下文中，將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的使用三態(tài)掩膜制造半導體器
件的方法，特別地，將描述雙鑲嵌工藝的各個實施方式。 圖5A至5F是示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的制造半導體器件的方法的縱向截面圖。 參照圖5A，制備根據(jù)本發(fā)明的實施方式的三態(tài)掩膜300。如上所述，三態(tài)掩膜300包括第一傳輸部分306、第二傳輸部分304和308以及屏蔽部分302和310。例如，第一傳輸部分306、第二傳輸部分304和308以及屏蔽部分302和310分別對應于圖4a中的第一傳輸部分102、第二傳輸部分104和106以及屏蔽部分100。即，第一傳輸部分306完全傳輸入射到掩膜300上的光，第二傳輸部分304和308傳輸一部分入射到掩模300上的光，以及屏蔽部分302和310阻止入射到掩膜300上的光的傳輸。 然后，如圖5A所示，在半導體襯底(未示出)的上表面上形成絕緣層200。這里，絕緣層200可以由具有低k的絕緣材料制成，如氟硅酸鹽玻璃(Fluoro-Silicate Glass,FSG)、黑鉆石(BlackDiamond， BD)或多孔氧化物。BD的特征為比FSG更低的k。
然后，如圖5A所示，向絕緣層200的上表面涂覆光刻膠210。 然后，如圖5B所示，通過使用圖5A中所示的三態(tài)掩膜300進行光刻工藝使光刻膠210形成圖案。參照圖4b，已穿過第一傳輸部分306的光的強度118與已穿過第二傳輸部分304和308的光的強度114和116不同，因此光刻膠210以如圖5B所示的一種形狀形成圖案(或圖案化，patterned)。即，第一傳輸部分306將光傳輸?shù)焦饪棠z210中稍后形成通孔H的區(qū)域，而第二傳輸部分304和308將光傳輸?shù)焦饪棠z210中稍后形成凹槽T的區(qū)域。如上所述，已經到達將形成通孔H的區(qū)域的光強度118是最大的，而已經到達將形成凹槽T的區(qū)域的光強度114和116是中等的。 更具體地，使用上述三態(tài)掩膜300使光刻膠210曝光。然后，已穿過第一傳輸部分306的光已到達的區(qū)域處的光刻膠210被顯影溶液完全溶解；已穿過第二傳輸部分304和308的光已到達的區(qū)域處的光刻膠210被顯影溶液部分溶解，使得光刻膠210總高度的一部分(例如光刻膠210總高度的一半)被溶解；而光已被屏蔽部分302和310屏蔽的區(qū)域處的光刻膠210幾乎不被顯影溶液溶解。從而，形成圖5B中所示的光刻膠圖案210A。盡管本實施方式示出了光刻膠210是正性的，但相同的原理可以適用于負性光刻膠。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，第二傳輸部分304和308調節(jié)光傳輸量，因而能夠控制被溶解的光刻膠210的高度。 然后，如圖5C所示，通過干法蝕刻方法(例如反應離子蝕刻(Reactive IonEtching, RIE))使用光刻膠圖案210A作為蝕刻掩膜來蝕刻絕緣層200，從而將光刻膠圖案210A轉錄到絕緣層200A，并因而同時形成通孔H和凹槽T。 S卩，圖5B中所示的光刻膠圖案210A的形狀照原樣被轉錄到絕緣層200。此處，凹槽T的深度可以比通孔H的深度淺，凹槽T的寬度可以比通孔H的寬度寬，并且凹槽T可以形成在通孔H之上。 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的制造半導體器件的方法，僅使用一個三態(tài)掩膜300而不是兩個二態(tài)掩膜14和60可同時形成通孔H和凹槽T。因此，不可能發(fā)生通孔H和凹槽T之間的錯位。此外，減少了用于形成通孔H和凹槽T的掩膜數(shù)量，并且簡化了半導體器件的制造工藝。 然后，如圖5C所示，在通過蝕刻同時形成通孔H和凹槽T后，光刻膠余留物210B可能余留在絕緣層200A的上表面上。因此，如圖5D所示，通過灰化去除光刻膠余留物210B。
然后，形成用于填充通孔H和凹槽T的金屬層400A。例如，在金屬層400A是銅層的情況下，可以通過物理氣相沉積(PhysicalV即or D印osition， PVD)、化學氣相沉積(Chemical V即or D印osition， CVD)或電鍍形成金屬層400A。如果通過電鍍形成金屬層400A，如圖5D所示，通過PVD或CVD在通孔H和凹槽T內部的全部表面上沉積晶種銅膜(seed copper film)(未示出)，然后如圖5E所示，通過將沉積結果浸入電解液中，在絕緣層200A的上表面上形成具有較大厚度的金屬材料400 (如銅)。然后，對如圖5E中所示的金屬材料400進行化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)，直至絕緣層200A的上表面被暴露，從而形成金屬層400A，如圖5F所示。 此外擴散阻擋膜(未示出)可以形成在圖5F中所示的金屬層400A和絕緣層200A之間，但本文將省略其詳細描述。 如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的三態(tài)掩膜以及用其制造半導體器件的方法中，使用單個三態(tài)掩膜進行一次光刻工藝，而不是使用兩個二態(tài)掩膜進行兩次光刻工藝，這樣將兩次光刻工藝縮減為一次光刻工藝，并且如果使用該三態(tài)掩膜制造半導體器件，特別地，如果執(zhí)行雙鑲嵌工藝，則可使用三態(tài)掩膜同時形成通孔和凹槽，因而消除通孔和凹槽之間的錯位并避免由于錯位導致的薄層電阻(Rs)特性的降低。此外，通過只執(zhí)行一次光刻工藝可同時形成通孔和凹槽從而簡化了雙鑲嵌工藝，并且僅使用一個三態(tài)掩膜降低了用于雙鑲嵌工藝中的掩膜數(shù)量從而降低了半導體器件的制造成本。 在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以對本發(fā)明作各種修改及變型，這對于本領域的技術人員而言是顯而易見的。因此，本發(fā)明意在涵蓋落在所附權利要求及其等同替換范圍內的本發(fā)明的修改和變型'
權利要求
一種用于光刻工藝的曝光過程中并以常規(guī)圖案形成的三態(tài)掩膜，包括用于完全傳輸光的第一傳輸部分；用于傳輸一部分光的第二傳輸部分；以及用于阻擋光的傳輸?shù)钠帘尾糠帧?br> 2. 根據(jù)權利要求l所述的三態(tài)掩膜，其中所述第二傳輸部分由硅化鉬(MoSI)制成，以 及其中所述屏蔽部分由鉻(Cr)制成。
3. 根據(jù)權利要求1所述的三態(tài)掩膜，其中所述第二傳輸部分用作所述部分光的相移掩 膜(PSM)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的三態(tài)掩膜，其中所述屏蔽部分以包圍所述第一和第二傳輸部 分的形狀形成。
5. 根據(jù)權利要求1所述的三態(tài)掩膜，其中所述第一傳輸部分具有環(huán)形形狀，以及其中 所述第二傳輸部分彼此相對使得所述第一傳輸部分介于所述第二傳輸部分之間。
6. —種制造半導體器件的方法，包括制備三態(tài)掩膜，所述三態(tài)掩膜包括用于完全傳輸光的第一傳輸部分、用于傳輸部分光 的第二傳輸部分以及用于阻擋光的傳輸?shù)钠帘尾糠郑?在半導體襯底的上表面上形成絕緣層； 向所述絕緣層的上表面涂覆光刻膠； 使用所述三態(tài)掩膜通過光刻工藝使光刻膠形成圖案；通過使用所述光刻膠圖案作為掩膜來蝕刻所述絕緣層將得到的光刻膠圖案轉錄到所 述絕緣層中以同時形成通孔和凹槽。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，進一步包括通過灰化去除在同時形成所述通孔和所述 凹槽之后余留的光刻膠余留物。
8. 根據(jù)權利要求6所述的方法，進一步包括形成填充所述通孔和所述凹槽的金屬層。
9. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述使光刻膠形成圖案包括 使用所述三態(tài)掩膜使所述光刻膠曝光；以及完全溶解已穿過所述第一傳輸部分的光已到達的區(qū)域處的所述光刻膠、部分溶解已穿 過所述第二傳輸部分的光已到達的區(qū)域處的所述光刻膠、以及不溶解光已被所述屏蔽部分 屏蔽的區(qū)域處的所述光刻膠。
10. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述凹槽的深度比所述通孔的深度淺，所述凹槽 的寬度比所述通孔的寬度寬，以及所述凹槽形成在所述通孔之上。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種三態(tài)掩膜以及用其制造半導體器件的方法。該三態(tài)掩膜用于光刻工藝的曝光過程中并且以常規(guī)圖案形成，包括用于完全傳輸光的第一傳輸部分、用于傳輸一部分光的第二傳輸部分以及用于阻擋光的傳輸?shù)钠帘尾糠?。因此，該三態(tài)掩膜將兩次光刻工藝縮減為一次光刻工藝，消除了通孔和凹槽之間的錯位，阻止了由錯位導致的薄層電阻(Rs)的降低，簡化了雙鑲嵌工藝，減少了雙鑲嵌工藝中使用的掩膜的數(shù)量，因此可以降低半導體器件的制造成本。
文檔編號G03F1/08GK101713915SQ20091017885
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2008年10月6日
發(fā)明者姜在賢 申請人:東部高科股份有限公司