專利名稱：多相掩模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用光致抗蝕劑和成像系統(tǒng)制造如集成電路晶片等的電子元件的方法，具體涉及在光致抗蝕劑成像系統(tǒng)中使用的曝光掩模，其中根據(jù)要形成的圖形，掩模使用掩模上的多次相移，并且涉及使用掩模在電子元件襯底上形成光致抗蝕劑圖形的方法。
在電子元件的制造中，特別是集成電路硅晶片的制造中，在晶片中繪制小圖形的關(guān)鍵因素是光致抗蝕劑圖形的形狀。下面的說明將針對集成電路硅晶片的制造，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白本發(fā)明也可以適用于如砷化鎵電路、元件封裝和印刷電路板等的其它電子元件的制造。
在如半導(dǎo)體等的集成電路元件的制造中，由于電路的集成度越來越高以及對線寬和其它電路圖形要求越來越精細和精確，如線寬控制、焊盤尺寸等的電子電路圖形的控制變得越來越重要。然而，在光刻工藝中圖形控制受光致抗蝕劑厚度變化、烘焙不均勻、晶片不平坦等多種因素負面影響。
光刻技術(shù)優(yōu)選用于形成精細的光致抗蝕劑圖形來限定電路。一般來說，光致抗蝕劑以預(yù)定的厚度施加到晶片，涂敷的晶片放置在晶片臺上。光源發(fā)出的光穿過具有預(yù)定掩模(電路)圖形于其上的光掩模。光穿過光掩模形成空間像，投射到晶片的光致抗蝕劑上，在光致抗蝕劑上形成掩模圖形。光致抗蝕劑通常為負型光致抗蝕劑或正型光致抗蝕劑，之后進行多次清洗、顯影和腐蝕步驟處理曝光的光致抗蝕劑，以在光致抗蝕劑內(nèi)形成要金屬化形成規(guī)定的電路圖形(負型光致抗蝕劑)形式的開口，或者以在要金屬化的晶片表面上繪制出規(guī)定圖形的正型光致抗蝕劑圖形的形式，在晶片上形成圖形。以上的光致抗蝕劑工藝顯示在U.S.專利No.5,300,786，轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
在負型或正型光致抗蝕劑的方法中或光致抗蝕劑方法的組合中(例如圖像反轉(zhuǎn)的光致抗蝕劑)，需要使用光掩模在光致抗蝕劑上形成圖形，通常，使用光刻的成像工藝產(chǎn)生多個光致抗蝕劑圖形，在截面中每個圖形的寬度、高度和對稱性基本上不變。在某些曝光條件下，光致抗蝕劑圖形的寬度隨著光致抗蝕劑的高度、圖形的尺寸和構(gòu)形發(fā)生某種程度的變化，在光致抗蝕劑底部的寬度一般稍寬于頂部的寬度。在任何一種情況中，從光致抗蝕劑圖形的底部的中點沿垂直軸向上延伸測量剖面，光致抗蝕劑圖形仍然基本上對稱，金屬化的電路線基本上不變。
現(xiàn)有許多不同的集成電路制造工藝，需要不對稱的光致抗蝕劑圖形或控制圖形作為工藝的一部分提供需要的電路設(shè)計，一個應(yīng)用是例如制備用于剝離工序的圖形。這些方法在本領(lǐng)域已公知。
現(xiàn)已作出多種嘗試產(chǎn)生不對稱的光致抗蝕劑(光致抗蝕劑)剖面或圖形。在Nakatani等人的U.S.專利No.5,547,789中，使用不對稱的光強度曲線構(gòu)圖正型光致抗蝕劑，然后通過泛射(floodillumination)將光致抗蝕劑轉(zhuǎn)換為負型光致抗蝕劑(圖形反轉(zhuǎn)的光致抗蝕劑)，以便影響隨后形成的柵電極的位置。光致抗蝕劑圖形不對稱的目的是產(chǎn)生不對稱位置的柵電極。不對稱的強度剖面通過圖形轉(zhuǎn)移掩模獲得，圖形轉(zhuǎn)移掩模包括轉(zhuǎn)移襯底、設(shè)置在透明襯底上的線性光掩蔽膜圖形、和減少穿過光掩蔽膜圖形任何一面上部分掩模的光強度的結(jié)構(gòu)。圖形轉(zhuǎn)移掩模包括其上具有不同種類的光衰減膜并且在如不透明材料的光掩蔽膜圖形下面的透明襯底、具有不同厚度的光掩蔽膜或半透明膜。顯示的光致抗蝕劑剖面在圖形的兩面非常多的凹腔，對于許多制造方法這是不能允許的。
顯示出不對稱光強度曲線的另一專利是Nakatani的U.S.專利No.5,370,975，其中產(chǎn)生不對稱光強度曲線設(shè)計的掩模使用了邊緣角度為70°-85°或95°-110°的移相器，或者把移相器加工成光滑彎曲的形狀。在上文提到的U.S專利.No.5,300,786中，介紹了為了確定并控制光刻曝光系統(tǒng)的焦點，將光的強度剖面移位的相移掩模。當焦點變化時，強度剖面的最小點被移位，產(chǎn)生向左或右方向的光致抗蝕劑圖形的不對稱錯位。強度剖面的最小強度峰值點不對稱，是不對稱的峰值偏移，它產(chǎn)生圖形位置錯誤，與其他參考圖形結(jié)合使用，通過自動覆蓋(overlay)誤差測量裝置測量焦點作為覆蓋層。
在Hanyu等人的U.S專利.No.5,368,963中，顯示的光掩模包括形成在掩模襯底上的光掩蔽層和由光掩蔽區(qū)限定在掩模襯底上的透光區(qū)。透光區(qū)被移相器分割。
以上專利在這里引入作為參考。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的問題和不足，因此本發(fā)明的一個目的是提供一種在成像系統(tǒng)中使用的光掩模，用于在包括集成電路晶片的電子元件上制造電路，由此根據(jù)要形成的圖形在制造工藝期間可以控制形成在晶片制備工藝中使用的光致抗蝕劑上的圖像。光致抗蝕劑一般沿從底部的中點穿過光致抗蝕劑向上延伸的垂直軸不對稱。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制備包括集成電路晶片的電子元件的方法，其中可以根據(jù)要形成的圖形控制在制造工藝期間形成在其上的光致抗蝕劑。光致抗蝕劑圖形一般沿從底部的中點穿過光致抗蝕劑向上延伸的垂直軸不對稱。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種包括使用本發(fā)明的方法和光掩模制成的包括集成電路晶片的電子元件。
通過下面的說明本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將很顯然。
對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以獲得以上和其他目的。本發(fā)明的第一方案涉及在成像系統(tǒng)中使用的光掩模，由此光穿過掩模并照射在光致抗蝕劑覆蓋的襯底上，在例如集成電路晶片的電子元件襯底上形成尺寸可控的光致抗蝕劑圖形，該掩模包括允許光穿過的掩模襯底；掩模襯底上的光掩蔽材料，以多個線和其他電路形成形狀的形式形成圖形，限定了要形成在覆蓋掩模襯底的光致抗蝕劑上的需要的光致抗蝕劑圖形；以及位于光掩蔽形狀的至少一面上的多相移結(jié)構(gòu)，由于穿過掩模的光在具有多光相移結(jié)構(gòu)的形狀的一面上具有多個相位，所述多光相移結(jié)構(gòu)為掩模襯底上的移相器材料的形式和/或該結(jié)構(gòu)為襯底的一部分。
多移相器結(jié)構(gòu)優(yōu)選與光掩蔽材料圖形的一面鄰接，由此穿過掩模襯底的光在光掩蔽材料圖形的每一面上具有至少兩個不同的相位。優(yōu)選在光掩蔽結(jié)構(gòu)的一面上，光的多個相位中的至少一個與光掩蔽結(jié)構(gòu)的另一面上的光不同相位，除了0°或180°或為其它多個相位。還優(yōu)選穿過掩模的光與光致抗蝕劑不對焦。
在使用本發(fā)明優(yōu)選掩模的另一方案中，提供一種制備如集成電路晶片等的電子元件的方法，在制備工藝期間，元件具有尺寸可控的不對稱光致抗蝕劑圖形形成在元件上，其中如晶片的電子元件襯底涂有光致抗蝕劑(例如負型、正型或圖形反轉(zhuǎn)的光致抗蝕劑)并暴露于穿過其上具有規(guī)定的電路圖形的掩模的光，該方法包括用光致抗蝕劑材料涂敷如硅晶片的電子元件襯底；將襯底定位在支撐例如步進的裝置上；定位掩模，以便照射掩模一個表面上的光穿過掩模并照射在涂敷的襯底上，將光致抗蝕劑材料中形成掩模設(shè)計的圖象，掩模包括允許光穿過的掩模襯底；掩模襯底上的光掩蔽材料，以多個線和其他電路形成形狀的形式形成圖形，限定了要形成在涂敷襯底的光致抗蝕劑內(nèi)的光致抗蝕劑圖形；以及位于襯底上光掩蔽形狀的至少一面上的多個移相器結(jié)構(gòu)，以便穿過掩模的光在具有多光相位移位結(jié)構(gòu)的形狀一面上具有多個相位，該多光相位移位結(jié)構(gòu)為移相器材料的形式和/或者該結(jié)構(gòu)為襯底一部分；將掩模曝光；顯影曝光的襯底在襯底上形成需要的光致抗蝕劑圖形；以及形成需要的電子元件。
相信本發(fā)明的特征是新穎的，本發(fā)明的元件特性具體說明在附帶的權(quán)利要求書中。附圖僅為圖示說明，并沒有按比例畫出。然而，參考結(jié)合附圖的詳細說明可以更好地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和操作方法。


圖1示出了本發(fā)明光掩模的透視圖，具有一個線和多個光相移結(jié)構(gòu)于其上。
圖2、3和4示出了使用本發(fā)明的掩模和方法制成的具有尺寸可控圖形的襯底上正型光致抗蝕劑的剖面?zhèn)纫晥D。
圖5為例如圖1所示掩模的剖面?zhèn)纫晥D。
下面參考圖1-5介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例，其中類似的數(shù)字代表了本發(fā)明類似的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)沒有按比例畫出。
在本領(lǐng)域公知的任何光刻系統(tǒng)中可以使用本發(fā)明的掩模。系統(tǒng)也可以稱做投影成像系統(tǒng)，典型的系統(tǒng)在上文提到的U.S.專利No.5,300,786中有說明，其中使用具有新穎的光學(xué)焦點測試圖形的光刻掩模結(jié)構(gòu)將測試圖形投射在涂敷光致抗蝕劑的半導(dǎo)體上?；旧?，這些系統(tǒng)利用的發(fā)光源通常包括鏡子、弧光燈、濾光器和聚光器透鏡系統(tǒng)。發(fā)光源將“光”輸出到按需要預(yù)構(gòu)圖的掩模結(jié)構(gòu)上，例如投射到制造中集成電路的布線層上。這里所使用的術(shù)語“光”是指光刻中使用的光。在說明書中的術(shù)語“光”和“光刻”并不局限為可見光，也包含其它形式的輻射和平板印刷術(shù)(lithography)。穿過掩模結(jié)構(gòu)的光通常與縮影透鏡相交，縮影透鏡將掩模圖形聚焦到制備在半導(dǎo)體晶片上的特定的透鏡場內(nèi)。晶片由真空保持裝置(或吸盤)固定在位，它的位置由精確的X、Y、Z位置控制器或步進電機控制。
相對于精確聚焦的成像平面，焦點通常量化為在Z方向內(nèi)晶片位置的偏移誤差。為了本發(fā)明的主題，圖像平面可以在任何點，例如通常在光致抗蝕劑材料的頂部或光致抗蝕劑材料的底部或兩者之間的任何點。圖像平面也可以位于光致抗蝕劑頂部之上或位于光致抗蝕劑底部之下。
相對于理想的焦面像平面和圖像平面在焦點之外距離的數(shù)值表示，下面將介紹的焦點偏移或散焦具有正或負的Z錯位。通常調(diào)節(jié)真空保持裝置以提供需要的散焦來進行本發(fā)明的方法。通常使用掩模用于形成圖形信息的另一投影曝光裝置顯示在上文提到的U.S.專利No.5,370,975圖9中。
要確定最好的散焦以制成需要的尺寸可控的光致抗蝕劑圖形，優(yōu)選使用散焦矩陣測試工序作為電子元件制造工藝的一部分。由此，其上具有多個芯片的晶片用光致抗蝕劑涂敷，使用不同散焦條件曝光每個晶片，然后使用通常的工序烘焙并顯影。然后用掃描電子顯微鏡(SEM)通過光致抗蝕劑側(cè)壁觀察每個芯片的剖面，以確定最好的散焦條件。例如，如果晶片具有十個(10)芯片，對每個芯片的散焦可以下面的順序改變-1.0μm、-0.8μm、-0.6μm、-0.4μm、-0.2μm、0μm、+0.2μm、+0.4μm、+0.6μm、0.8μm。根據(jù)制造工藝可以使用其它順序。
參考圖1，本發(fā)明的掩模通常顯示為10。掩模10包括厚度為Ts的透明襯底11。襯底11上有單個線條形式的光掩蔽材料13。與光掩蔽材料13在一面鄰接的是多相移結(jié)構(gòu)。如圖所示，襯底11的厚度由Tp1、Tp2和Tp3表示。Tp1與Ts相同，因此，襯底的厚度Ts與在平面或突出部分14(Tp1)的襯底厚度相同，穿過掩模10的光與光掩蔽材料13的每一面12和14具有相同的相位。與區(qū)域14鄰接的是顯示出具有高度Tp2的第一溝道15。類似地，與第一溝道15鄰接的是顯示出具有高度Tp3的第二溝道16。根據(jù)高度Tp1、Tp2和Tp3確定穿過光的相移。相移角定義為φ1、φ2和φ3。相移角可以為任何角度，并且可以寬范圍的變化，例如10°、30°、45°、90°、120°、150°、163°，或其它任何合適的相移角。
如本領(lǐng)域所公知的，曝光條件、光致抗蝕劑類型、烘焙和顯影以及從晶片表面的反射都會影響光致抗蝕劑圖形的形狀，但在任何一種情況下，光致抗蝕劑基本上對稱。然而，使用本發(fā)明的掩模和方法，可以形成尺寸可控形狀的光致抗蝕劑圖形，如圖2、3和4所示。因此，參考圖2，襯底17完全涂敷光致抗蝕劑(未顯示)，曝光和顯影形成具有側(cè)壁19和20、底部21和頂部22的光致抗蝕劑圖形18。形成的光致抗蝕劑圖形18具有側(cè)壁角θ1=82°和θ2=78.5°。使用圖1的掩模形成光致抗蝕劑圖形，其中φ1=0°；φ2=45°；以及φ3=90°。由于底部角度θ1大于θ2，所以光致抗蝕劑17具有高度RH，并且不對稱。
參考圖3，除了光掩模的相移角為φ1=0°；φ2=60°；φ3=120°，使用圖2相同的程序形成光致抗蝕劑圖形。光致抗蝕劑圖形18的θ1現(xiàn)在為80.4°,θ2為72.9°。類似地，在圖4中，當光掩模的相移角為φ1=30°；φ2=60°；φ3=120°時，θ1為77°,θ2為66°。
再次參考圖1，示出了本發(fā)明典型的掩模10。透明材料11可以為任何合適的透明材料，例如玻璃、氟化鈣和熔融的硅石，一般為熔融硅石。襯底的厚度Ts一般約90密耳到300密耳。優(yōu)選使用襯底11內(nèi)如15和16的溝道形成穿過掩模的光的相移，溝道影響光的相移因為它穿過不同襯底的厚度(Ts作為Tp2和Tp3的函數(shù))?？梢匀菀椎卮_定規(guī)定相移的需要厚度。在光在12穿過掩模襯底的相位和光穿過光掩蔽材料13的相對面14、15和16的相位之間的差異必須不同于0°或180°或其倍數(shù)以形成至少一個并優(yōu)選兩個或多個光相位。
光掩蔽材料13可以為任何合適的材料，例如硅化鉬和鉻，一般為鉻，使用常規(guī)的方法例如濺射或金屬蒸發(fā)，優(yōu)選進行濺射。光掩蔽材料的厚度可以在寬范圍內(nèi)改變，一般約50nm到150nm。光掩蔽材料13的目的是防止光穿過掩模到達存在材料13、涂敷有光致抗蝕劑的待成像的襯底上。
再參考圖2、3和4，襯底17一般為硅或其它半導(dǎo)體材料，光致抗蝕劑材料可以為任何光致抗蝕劑，例如負型光致抗蝕劑或正型光致抗蝕劑，當然可以使用任何光致抗蝕劑。優(yōu)選光致抗蝕劑的分辨度為中等或高分辨率光致抗蝕劑，這在本領(lǐng)域是公知的。
本發(fā)明的一個重要特征是光致抗蝕劑、光致抗蝕劑的厚度、光掩蔽材料每一面上光的多個相位差異、焦點和曝光期間的曝光劑量可以特別地單個或優(yōu)選組合地控制，以提供本發(fā)明需要的尺寸可控的光致抗蝕劑圖形。每個以上參數(shù)可以獨立地改變，但優(yōu)選在某個范圍內(nèi)都可以控制，以提高光致抗蝕劑構(gòu)圖的結(jié)果。
可以使用任何光致抗蝕劑厚度(如圖2所示的RH)，但優(yōu)選使用較大的厚度，以提供較大的尺寸可控的光致抗蝕劑圖形效果。光致抗蝕劑的厚度通常約0.1μm到10μm，優(yōu)選約0.4μm到2μm。散焦也可以在寬范圍內(nèi)改變，通常大于光致抗蝕劑的厚度，一般高達約±10μm，優(yōu)選約±1μm。此外優(yōu)選正散焦而不是負散焦。曝光劑量很重要，一般選擇使曝光劑量印刷線的寬度基本上等于對應(yīng)的掩模圖形的寬度。例如，對于5x步進器，2.0μm掩模結(jié)構(gòu)將印制0.4μm寬度的線。這通常稱做“劑量決定尺寸”(dose to size)，優(yōu)選為所述劑量決定尺寸約0.7到1.5倍的劑量。
在優(yōu)選實施例中，投影曝光裝置的照明條件應(yīng)能提供約0.25到0.8的相干性，優(yōu)選0.6以下。
參考圖5，顯示了圖1所示本發(fā)明掩模的側(cè)視圖。
雖然結(jié)合具體的優(yōu)選實施例特別介紹了本發(fā)明，顯然根據(jù)以上的說明許多替換、修改和變形對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很顯然。因此附帶的權(quán)利要求書將包容落入本發(fā)明實際范圍和實質(zhì)內(nèi)的任何這種替換、修改和變形。
權(quán)利要求
1．一種光掩模，用在成像系統(tǒng)中，由此光穿過掩模并照射光致抗蝕劑覆蓋的襯底，在電子元件襯底上形成尺寸可控的光致抗蝕劑圖形，該掩模特征在于包括允許光穿過的掩模襯底，其上具有光掩模材料，以多個線和其他電路形狀的形式，限定要形成在元件襯底上需要的光致抗蝕劑圖形，提供至少一個光掩蔽結(jié)構(gòu)的一面上的多移相器結(jié)構(gòu)，由此當光穿過掩模時，光的相位在光掩蔽結(jié)構(gòu)的每一面不同，除了0°或180°，或至少一個光相位的倍數(shù)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的光掩模，特征在于光掩蔽材料為鉻。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的光掩模，特征在于多相移結(jié)構(gòu)為光掩蔽結(jié)構(gòu)一面上的掩模襯底內(nèi)的溝道，與光掩蔽結(jié)構(gòu)鄰接。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的光掩模，特征在于掩模襯底為熔融硅石。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的光掩模，特征在于多相移結(jié)構(gòu)提供的光相移為30°、45°、60°和120°中的至少兩個。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的光掩模，特征在于光致抗蝕劑為負型或正型光致抗蝕劑。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的光掩模，特征在于多相移結(jié)構(gòu)為襯底內(nèi)的多個溝道。
8．一種制備電子元件的方法，在制造工藝期間，元件具有尺寸可控的光致抗蝕劑圖形形成在元件上，其中電子元件襯底涂有光致抗蝕劑并被穿過具有需要的電路圖形的掩模的光曝光，該方法包括用光致抗蝕劑材料涂敷電子元件襯底；將襯底定位在支撐裝置上；定位掩模，以便照射掩模一個表面上的光穿過掩模并照射在涂敷的襯底上，在光致抗蝕劑材料中形成掩模設(shè)計的圖象，掩模包括允許光穿過的掩模襯底；掩模襯底上的光掩蔽材料，以多個線和其他電路形成形狀的形式形成圖形，限定要形成在涂敷襯底的光致抗蝕劑內(nèi)的光致抗蝕劑圖形；以及位于掩膜襯底上光掩蔽形狀的至少一面上的多移相器結(jié)構(gòu)，以便穿過掩模的光在具有多光相移結(jié)構(gòu)的形狀一面上具有多個相位，多光相移結(jié)構(gòu)為移相器材料的形式和/或者該結(jié)構(gòu)為襯底一部分；將掩模曝光；顯影曝光的襯底，在襯底上形成需要的光致抗蝕劑圖形；以及形成需要的電子元件。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，特征在于多相移結(jié)構(gòu)提供的光相移為30°、45°、60°和120°中的至少兩個。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，特征在于穿過掩模的光不聚焦在光致抗蝕劑上。
11．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，特征在于散焦為正。
12．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，特征在于光具有的約0.25到0.8的相干性。
13．根據(jù)權(quán)利要求8的方法制成的電子元件。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的電子元件，特征在于電子元件為集成電路芯片。
15．根據(jù)權(quán)利要求9的方法制成的電子元件。
16．根據(jù)權(quán)利要求10的方法制成的電子元件。
17．根據(jù)權(quán)利要求12的方法制成的電子元件。
全文摘要
提供一種光掩模和使用光掩模制成尺寸可控的光致抗蝕劑圖形。使用本發(fā)明的掩模在具體控制的散焦條件下曝光其上覆蓋光致抗蝕劑的晶片,以提供尺寸可控的光致抗蝕劑圖形剖面。包括在掩模上至少一個光掩蔽圖形的一面上的多相移結(jié)構(gòu)的掩模提供了能穿過光的掩模,該掩模在光掩蔽材料那面上具有多個相位,產(chǎn)生尺寸可控的光致抗蝕劑圖形剖面。
文檔編號G03F1/00GK1224233SQ9812553
公開日1999年7月28日 申請日期1998年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者D·C·惠勒, J·A·曼德曼, R·D·米 申請人:國際商業(yè)機器公司