CN1210618C - 双层制模白板及其制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在半导体和其它器件的制造中用做掩模的构图的制模板的制备。利用制模板上掩模层上的抗蚀剂和转移层介绍了方法和器件。方法和器件制备了掩模和相移掩模中的小特征尺寸。用于掩模介绍的方法在许多情况中适用于在具有类似小特征的其它工件例如半导体、低温、磁性和光学微器件等上直接写入。

Description

双层制模白板及其制造工艺
技术领域
本发明涉及在半导体及其它器件的制造中用做掩模的构图的制模板(reticles)的制备。利用制模板上的掩模层上的抗蚀剂和转移层介绍方法及器件。
背景技术
半导体器件包括多层的结构。结构在许多步骤中形成，包括涂覆抗蚀剂、然后曝光、显影以及选择性地除去抗蚀剂以形成露出区域的图形的步骤。露出的区域可以刻蚀除去材料或溅射添加材料。在抗蚀剂中形成图形的重要部分是将它曝光。将抗蚀剂暴露于能量束以改变它的化学性质。曝光抗蚀剂的一个费用低廉的方法是使用步进器。步进器使用制模板，通常包括精心制备的透射石英基板，石英基板由非透射或掩蔽层覆盖掩膜层用要曝光区域和不曝光区域构图。在制模板的制备中构图是重要的步骤。制模板可用于制造半导体和其它器件，例如平板显示器和电视或监视屏。
半导体器件已变得越来越小。30多年以来，半导体器件中的特征尺寸(feature dimension)每三年缩小约40％。可以预料还进一步的缩减。如果开发的历史速度再持续15年，那么目前约0.13微米的最小线宽将缩小到0.025微米。
制备半导体器件使用的制模板上的图形通常比晶片上露出的图形大四倍。过去，这种减小因素造成制模板中的最小特征尺寸不如半导体表面上的最小特征尺寸重要。然而，重要程度的差异远小于所意料的，在不远的将来将不存在。
制模板上图形中临界尺寸的一致性(为线宽的百分数)比晶片表面上特征中的更精确。在晶片上，±10％的线宽的临界尺寸一致性已经能接受。在用于晶片线宽的误差预算(budget)中，掩模已占据了一半的临界尺寸变化，或者5％的线宽变化。其它因素占据了其余的误差预算。现已观察到从制模板到晶片的图形转移中非线性地放大了掩模中的任何尺寸误差。这经验地定量为掩模误差增强因素(MEEF或MEF)。在目前的技术中，掩模误差增强因素通常有两个。因此，制模板上的临界尺寸一致性减少到约2.5％的线宽，以保持在误差预算内。
预计用于临界尺寸一致性的要求将随着时间变得严格，特别是对于掩模。在晶片的表面上，未来将要求±5％的线宽的临界尺寸一致性。同时，由于更强调光刻工艺平衡，例如调整光刻工艺以优化接触孔、晶体管或其它关键特征的制造，以便使特征尺寸更接近理论的清晰度极限，因此掩模误差增强因素有可能增加。对于掩模，预期±1％的线宽或特征尺寸的临界尺寸一致性。这样，即使步进器利用了比晶片上露出的区域大四倍的掩模，但掩模上的临界尺寸误差的容许量比晶片表面上的小，在绝对纳米范围内。
目前用于曝光抗蚀剂的一种能量束源是深紫外线，在100到300nm的波长范围内。该能量源使用两种类型的抗蚀剂产生掩模：常规的正型，称做Novolac-DNQ抗蚀剂，以及化学放大的抗蚀剂。基本上所有的步进器中的DUV曝光都使用化学放大的抗蚀剂。用于构图制模板的图形发生器中的要求与化学放大的抗蚀剂不适合于构图制模板的步进器中的要求不同。改变常规的Novolac-DNQ抗蚀剂以制备适合于掩模图形的DUV曝光的抗蚀剂的尝试据说没有成功。
一致性和特征尺寸要求变得苛刻致使湿刻蚀不再适用。当特征的尺寸接近将刻蚀出特征的膜的厚度时，通常不能使用湿刻蚀。湿刻蚀横向刻蚀量与垂直刻蚀量同样多。导致小特征的三维形状变差。当用抗蚀剂湿刻蚀铬作为刻蚀掩模时，刻蚀剂除去了抗蚀剂下面的铬，称做底切。用抗蚀剂掩模湿刻蚀铬产生的空白区通常多出0.2微米。湿刻蚀的抗蚀剂图像具有交替的线和均匀的0.4微米宽间距，产生铬掩模图形，其中余量(空白区)为0.6微米宽并且线(暗区)为0.2微米。这是一个很大的偏差。通过改变数据或剂量很难补偿这种偏差。对于较小的特征，窄线将完全消失。因此，具有小于0.5-0.6微米宽特征的任何图形需要通过干刻蚀或等离子体刻蚀制备。刻蚀铬使用的等离子体工艺制备出垂直的“视线”(light-of-sight)刻蚀特性。仅将等离子体源的视线内的铬除去，基本上不导致底切。
使用正型不放大抗蚀剂的问题
正型不放大抗蚀剂在紫色可见光和靠近UV波长的范围内具有优良的性能。这种抗蚀剂透明并具有高对比度，得到基本上垂直的抗蚀剂壁和良好的工艺宽容度(latitude)。它具有良好的储存期限，制造时可以用抗蚀剂预涂覆掩模白板(blank)，运输到用户，并储存直到需要。虽然会有少量的潜像衰退，但板原则上可以当天曝光并几周之后显影。
在DUV波长范围内，酚醛清漆树脂和在酚醛清漆中使用的光敏化合物吸收性很强。显影后边缘壁角部分由光的吸收性控制并且部分由抗蚀剂对比度控制。由于高吸收性，无论化学对比度是多少，特征将具有很强的倾斜边缘壁。现在还没有既有高对比度又具有高透明度的不放大抗蚀剂配方。
非垂直沟槽壁效应对于窄线非常重要。非垂直沟槽壁的一个原因是刻蚀期间通过等离子体腐蚀抗蚀剂层。由于在其它条件之中，它取决于要刻蚀的图形，因此很难控制抗蚀剂腐蚀的一致性。腐蚀使空白区较大，改变了工件表面上每次运转的等离子体活动范围从而改变了掩模之间和每个掩模内的CD。等离子体刻蚀步骤结束时抗蚀剂厚度的变化可以是50nm峰-谷或更多。对于80度的壁角，代替90度，抗蚀剂厚度中50nm的变化在沟槽底部产生几乎20nm的沟槽宽度变化，转化成不希望的20nm的三西格马偏差。使用DUV辐射的非化学放大的抗蚀剂的高光学吸收性使这种腐蚀问题更严重。高光学吸收性导致沟槽顶部的抗蚀剂比沟槽底部的抗蚀剂显影更多，进一步增大了线宽变化。
90°垂直的抗蚀剂侧壁偏差不可避免地限制了线清晰度。在侧壁角为80°的0.5微米厚的抗蚀剂层中，在抗蚀剂层顶部具有0.025微米线宽在刻蚀铬的抗蚀剂层底部仅0.2微米线宽。使用目前的化学试剂，不可能使抗蚀剂比0.4-0.5微米薄以及在干刻蚀期间仍然能保护铬。如果抗蚀剂层顶部的线很窄，那么壁角不太有利或者抗蚀剂较厚，那么线易于消失。
显然，随着线宽变小、容差减小并且波长移动到深紫外线内，以上介绍的每个问题都变差。
化学放大抗蚀剂的问题
使用化学放大抗蚀剂引入了其它问题。用于步进器处理的化学放大抗蚀剂透明并具有高对比度，得到几乎完全垂直的抗蚀剂侧壁。然而，曝光之后需要热退火或激活步骤，即曝光后烘焙(PEB)。所述烘焙时，激活和化学放大对温度非常敏感。由于制模板的厚度和形状，在制模板上使用化学放大抗蚀剂比在晶片上更难。制模板更厚并且比硅晶片导热性差，因此更难以精确地控制烘焙程序。此外，制模板为方形，导致圆晶片不会经历的角效应。这些曝光后烘焙的问题不必要地限制了化学放大抗蚀剂，但由于烘焙步骤的重要性，对于化学放大抗蚀剂特别不利。非化学放大抗蚀剂有时曝光后烘焙产生显著的波干扰效应，导致相同的问题。对于这两种抗蚀剂曝光后烘焙也引入了潜像扩散问题，但化学放大抗蚀剂更差些，是由于使后烘焙去激活通常需要的温度基本上与减少驻波优化的温度不同。
化学放大抗蚀剂的其它问题是它们的不稳定性和短工作寿命。化学放大抗蚀剂用步进器显影，在掩模写入器(writer)制备一个掩模时，能完成100-500个晶片。在抗蚀剂的较短暂的工作寿命内，化学放大抗蚀剂旋涂在晶片表面上，将它们放入步进器中之前进行短暂的预烘焙，此后在自动线上进行短暂的烘焙。这使得目前产生的化学放大抗蚀剂不适合用在掩模写入器中，掩模写入器需要一到十小时或更多时间写入掩模并且一般不必在自动处理线上进行操作。相关的问题是从预烘焙到后烘焙的时间取决于图形写入并且非常易变。随着越来越多的合适的化学放大抗蚀剂显影与制备的掩模一起使用，有必要考虑掩模写入时间的基本变化。
所有单层抗蚀剂的共同问题
所有单层抗蚀剂都具有在可预见到的将来使它们变得不合适的性质。由于不存在干显影的工艺，因此掩模图形总是湿显影。此外，最小的抗蚀剂层厚度基本保持在0.4-0.5微米，与特征尺寸无关，以便在没打算除去铬的区域中抵制等离子体腐蚀。随着特征变小，湿显影的抗蚀剂结构呈现不希望的高宽比。在具有100亿个特征的掩模图形中，很可能这些大高宽比的特征中的一些在湿处理期间被水动力和表面张力损伤。
对于光学曝光，单层抗蚀剂还需要透明和干扰效应之间的折衷。薄抗蚀剂层需要从上到下透明，但透明使它受到光学干扰，降低了抗蚀剂的有效性能并增加了工艺可变性。两种干扰效应有时称做驻波和体效应。驻波效应是由抗蚀剂层内入射到制模板表面的光和反射回的光之间的干扰造成的。入射到不透明镜面的掩模层的光和从该层反射回的光产生驻波，其中入射和反射光的波峰和波谷对准。这产生了过多和过少完全曝光的抗蚀剂的垂直带。当抗蚀剂显影并选择性地除去时，存在所得沟槽的侧面弯入和弯出的趋势，称做驻波效应。相关的体效应是由抗蚀剂层上反射离开抗蚀剂表面的光和反射离开制模板表面并穿出抗蚀剂的光之间的干扰造成的。对于某种厚度的抗蚀剂，在进入和离开抗蚀剂的光之间存在破坏性的干扰，使最大量的光子留在抗蚀剂层中，产生高灵敏度。抗蚀剂体或厚度效应中的变化影响了膜的灵敏度并导致了制备的图形中的不一致性。由于抗蚀剂膜制得更透明，干扰效应减小，但刻蚀斜面变差。这些问题对普通抗蚀剂和化学放大抗蚀剂是常见的。在晶片光刻中，通常用位于抗蚀剂下以及有时位于抗蚀剂上的薄抗反射涂覆层解决该问题。
掩模制造还面临其它问题。例如，由于低制造量很难进行制造控制。为提高半导体制造质量使用的监控和反馈技术不容易应用到低量制造。因此，掩模制造厂需要更稳定的半导体加工工艺。
由此，需要开发一种构图制模板用的并在制模板中形成相移窗口的新工艺。新工艺优选适合于非化学放大的抗蚀剂或者要显影放大的抗蚀剂，通过避免干扰效应和其它工艺危害，能产生具有很好的一致性的很小的特征尺寸。
发明内容
本发明的一个目的是使用适合于多种能量源的技术，用精确的临界尺寸在制模板上制造小特征。
本发明的一个实施例包括一种产生构图的制模板的方法，包括使用图形发生器在抗蚀剂层中产生潜像，产生与所述潜像对应的等离子体刻蚀阻挡层，通过所述等离子体刻蚀阻挡层直接刻蚀转移层，以及除去转移层露出掩模层的未刻蚀部分。根据本实施例，抗蚀剂层可以湿显影。可以小于200nm厚并优选150nm厚。转移层可以在200和500nm厚度之间，优选350nm厚。等离子体刻蚀阻挡层可以包括抗蚀剂层中的硅，可以在潜像产生之前存在或者在它产生之后添加。此外，等离子体刻蚀阻挡层包括抗蚀剂和转移层之间的隔离膜，优选通过溅射淀积。该刻蚀阻挡膜可以是含金属的膜，包括铝、金属氧化物、硅或氧化硅。通过抗蚀剂层等离子体刻蚀构图包括隔离膜的等离子体刻蚀阻挡层。本实施例的另一方案在于转移层基本上不能透射产生潜像使用的能量束。使用第一等离子体化学物质除去该转移层。第一等离子体化学物质含有卤素离子并且可以是氧等离子体。转移层可以是有机材料。可以通过RIE刻蚀进行转移和掩模层的定向刻蚀，可以通过非择优的氧等离子体除去转移层。
本发明的其它实施例包括在掩模坯上产生特征，包括以下步骤：使用图形发生器曝光抗蚀剂层，显影抗蚀剂层并选择性地除去它的一部分，定向地刻蚀抗蚀剂层下的转移层，定向地刻蚀转移层下的掩模层，以及除去转移层露出掩模层的未包围(unhedged)部分。图形发生器可以使用光子能量、电子束或粒子束。当使用光子能量时，转移层可以基本上不能透射使用的光子能量的波长。使用多种波长产生多种最小的特征尺寸，是由于波长和所得特征尺寸之间的关键关系relationship。使用300到380nm波长的能量产生75到285nm的最小特征尺寸。使用100到220nm波长的能量产生32到124nm的最小特征尺寸。使用5到13nm波长的能量产生6到44nm的最小特征尺寸。当使用电子束时，优选小于3000eV的能量。产生2270nm的最小特征尺寸。根据使用的能量束类型，产生的最小特征尺寸在75-285nm、55-225、32-124nm或6-44nm的范围内。本实施例的一个方案为通过观察抗蚀剂和转移层下的特征，当抗蚀剂和转移层能透射某些非曝光波长光时，图形发生器与制模板对准。和抗蚀剂层相比，转移层对其它一些波长光具有更大的吸收性，图形发生器能自动聚焦到抗蚀剂和转移层之间的界面上。
根据本发明的另一方案，可以使用多程曝光抗蚀剂层，优选四程。显示的曝光程基本上在相对的方向中，产生了曝光和完成最终曝光程之间的平均时间，对于制模板上分布的各位置基本上相同。
本发明的再一方案是一种包括氧的等离子体，并且二氧化硅用于选择性除去含抗蚀剂的硅。在显影之前可以用硅处理抗蚀剂。有用的硅处理化合物包括硅烷、液态化合物和气态化合物。可以在显影之后和除去抗蚀剂之前处理硅。可以通过湿或干显影进行抗蚀剂显影。
通过检查和修复选择性除去的抗蚀剂可以增强本发明的每个实施例。此外，可以检查显影的抗蚀剂并且精确地展宽特征以匹配临界容差。
通过等离子体刻蚀或反应离子刻蚀进行根据任何一个实施例的转移或掩模层的定向刻蚀。在刻蚀气体中可以使用氯以除去掩模层。转移层可以包括有机材料，优选适合于平面化掩模层并用DUV吸收染料染色的有机材料。掩模层包括多于一个物理层，例如由非化学计量的氧化铬的抗反射层覆盖的铬层。
本发明的另一实施例为制备用于构图的制模白板的方法，包括以下步骤：在制模板基板上形成掩模层，在掩模层上旋涂有机层，烘焙有机层，在有机层上旋涂正型含硅抗蚀剂层，以及烘焙抗蚀剂层。根据该实施例，掩模层可以包括49-90nm厚度范围内的铬。此外，它可以包括铝或钨。在石英制模板基板上，掩模层可以包括构图的结构。抗蚀剂层可以在50和200nm厚度之间，优选150nm厚。抗蚀剂和转移层可以对某种波长的光具有不同的吸收特性，由此图形发生器可以聚焦在这些层之间的界面上。
附图说明
图1A-1E示出了双层制模板坯结构以及使用抗蚀剂和转移介质的双层制备构图的制模板的工艺。
图2A-2E也示出了双层制模白板结构和工艺。该工艺用于制备相移掩模。
图3示出了过刻蚀相移掩模区的工艺。
图4为具有抗蚀剂和转移介质的双层的制模板的方框图。
图5为改变光子能量束的波长的最小线宽范围的图表。
具体实施方式
下面参考附图详细说明本发明及实施本发明的实施例。在这里介绍是为了示例和说明。不是为了将本发明限定成公开的精确形式。对于本领域中的技术人员来说显然可以有许多修改和等效布局。
图1A到1E示出了涂覆的制模白板以及从制模板表面上除去非透射层的方法的工艺步骤。在图1A中，涂覆的制模板包括制模白板100，掩模或非透射层102，转移层104，以及抗蚀剂层106。可选地，它可以包括转移层104和抗蚀剂层106之间的等离子体阻挡层105。制模白板100经常包括石英基板、ZerounTM陶瓷基板或ULETM玻璃基板。目前使用的一种形式的因素为152mm×152mm×6.25mm厚。在一种类型的掩模中，白板能透射半导体器件制造期间使用的能量束。掩模形成在白板上以阻断晶片上的抗蚀剂不打算曝光的区域中的能量束通路。白板的未掩模部分允许能量束穿过并在晶片抗蚀剂上形成图形。在另一种类型的掩模中，掩模白板系统的一部分反射并吸收曝光抗蚀剂使用的能量。这种类型的掩模用在投影光刻中。
对于一些能量源，可以使用相移掩模。例如通过刻蚀或添加如介质的材料到掩模的选定部分，从制模板除去一些材料可以改变基板的厚度。较厚的掩模更缓慢地穿透光。当光的通路延迟半个波长时，在光延迟穿过和未延迟穿过制模板的相邻区域之间产生破坏性干扰。
涂覆制模板的非透射掩模层102通常包括约40-90nm厚的铬掩模层。铬材料可以通过溅射淀积涂敷。此外，可以使用铝、金、钨或硅形成非透射掩模层。可选地，非透射掩模层可以包括抗反射层。约30微米厚的非化学计量的氧化铬可用于减少反射率。当在步进器中使用掩模时，该材料增强了性能，但对于构图掩模不是很必要。它的存在可以减少驻波和体干扰效应。然而，在步进器和图形发生设备中都使用的光学聚焦系统需要一些有效的反射。因此，非透射层的抗反射成分不能完全吸收。此外，非透射层102可以是这样一种结构：例如在所谓的“无铬相移”掩模中使用，形成在反射、扩散或吸收能量束的制模板的表面上和表面内，以便入射到非透射区的能量束在区域下的抗蚀剂中不产生阈值(threshold)曝光。可以在非透射层中形成对准标记或特征，这对于对准掩模制造设备的坐标系统很有用。对于投影类型的制模板，使用了本领域中公知的不同类型的掩模层，以制备反射和吸收能量的制模板区域。
在非透射层上，但不必直接位于其上涂敷转移层104。可以使用常规的技术旋涂该层以形成约0.2-0.5微米厚的层。优选，使用的有机材料包括DUV吸收染料，优选使用能选择性吸收曝光辐射并能透过对准辐射的染料。在转移层中使用的材料应易于平面化表面，特别是旋涂时。当非透射层已构图时，该层特别有用。当使用光子束曝光抗蚀剂时，使用能量吸收染料具有几个优点。对于聚焦，它提供了靶。同时，特别是在层的初始构图之后，选择性的DUV吸收染料允许光学对准系统工作在532nm以利用转移层的透明性并覆盖抗蚀剂层以对准非透射层中的两个特征。转移层减少了从非透射层反射的光量，由此减少了驻波效应。同时，它减少了脱离转移层的反射光的量，由此减少了体效应。转移层具有这些优点同时不具有抗蚀剂层顶部比底部吸收性高的缺点。施加转移层之后，在150-180摄氏度下烘焙排出溶剂并提高了转移层耐等离子体刻蚀性。
可选地，在转移层上，但不必直接位于其上，涂敷耐等离子体层105。可以溅射该层。优选为硅层，当暴露到某种等离子体时形成二氧化硅，特别优选无机硅层。
在转移层和可选的耐等离子体层上，但不必直接位于它们上，涂敷抗蚀剂层106。可以使用常规的技术旋涂该层形成约0.05-0.20微米厚的层，更优选约0.15微米厚。优选使用正型抗蚀剂，是由于和曝光环绕区域相比，它更容易曝光细线，留下未曝光的细线。使用光子能量的抗蚀剂称做光致抗蚀剂。其它类型的抗蚀剂使用其它形式的能量。可选地，使用含硅抗蚀剂以增强等离子体刻蚀的选择性，如下面将介绍的。希望约7％到10％的硅含量。施加抗蚀剂之后，在90摄氏度下烘焙排出溶剂。用于转移层和抗蚀剂层选择的材料优选具有良好的储存期限和稳定性，由此掩模白板制造商可以预涂覆白板。
抗蚀剂层106的折射率应与转移层104的折射率尽可能接近，以便减小驻波干扰效应。通过应用Brunner的公式，可以分析在转移层上使用抗蚀剂的双层系统的驻波干扰效应。通过Brunner的公式良好近似地介绍了抗反射层的底部和顶部对振幅S的影响，当两层系统作为单层时：
S = 4 R b · R t · e - αd
其中Rb为转移层和掩模层之间界面的反射率。Rt为抗蚀剂和空气之间界面的反射率，通过抗反射的顶部涂层可以减小。“α”为每单元厚度抗蚀剂的对曝光辐射的吸收。“d”为吸收抗蚀剂层的厚度。当抗蚀剂和转移层近似基本相同的折射率时，在该界面处的反射接近0。由此，Brunner的公式可以应用到作为单层的抗蚀剂和转移层。组合的单层具有α*d＞＞1，由此Brunner的公式中指数因子很小。随着指数因子成为零，用于组合的抗蚀剂和转移层的值S也很小。通过改变有机材料或转移层的染料含量可以选择α*d的精确值。调节α*d的值时，两层系统比单抗蚀剂层具有更大的自由度，其中通常优选α*d＜1的低吸光度值。对于单层抗蚀剂，通常优选低吸光度以得到可接受的边缘斜面，以便显影之后沟槽的侧面以及抗蚀剂的选择性除去部分将变得几乎垂直。
图1A的变化出现在图2A中。结构包括透射基板200、非透射层202、转移层204以及抗蚀剂层206。在该结构中，涂敷额外层之前选择性地除去部分非透射层202。对于该结构中的转移层特别有用，适合于平面化，是由于构图非透射层。随着在掩模工厂进行构图，在掩模制造厂很有可能形成图2A中画出的结构，并且不可能存放很长时间。
体现本发明的工艺显示在图1A到1D中，工艺变化显示在图1E中。在图1A中，抗蚀剂层106暴露于能量束108。实际上，这种辐射或能量可以是多种类型。光子能量可以在UV、DUV、EUV或x射线光谱范围内。例如，光子能量可以由高压汞蒸汽弧光灯或超高压氙弧光灯在g线(约436nm)、h线(约406nm)、i线(约365nm)或j线(约313nm)通过cut filter光谱地分开或处理。光子能量也可以通过氦镉源(约442和325nm)、固态源(约430和266nm)氪离子源(约413nm)、氩离子源(约364和257nm)产生。或者，它可以通过受激准分子源或氟化氪或氟化氩激光(约308、248、193、157或126nm)产生。Massachusetts Institute of Technology的NanoStructures实验室具有在Wisconsin大学额外确定的波形器光源以及由氦填充的曝光室作为研究中使用的源的铜的L线(约1.32nm)。由氙气毛细管放电(discharge take)产生的其它波长包括13.5nm和11.4nm。电子轰击源产生4.5nm的辐射。这些光子能源的波长对可以产生的最小特征尺寸很关键，较短的波长更难以使用并具有更大的潜力产生较小的特征。
用于许多光子能量源的类似特征尺寸显示在下面的表中。
源HeCd        442固态        430Kr离子      413Ar离子      364HeCd        325受激准分子  308固态x4      266Ar离子x2    257受激准分子  248受激准分子  193受激准分子  157受激准分子  12613115   最宽                 最窄
  497    249    221    111484    242    215    108465    232    207    103410    205    182    91366    183    163    81347    173    154    77299    150    133    67289    145    129    64279    140    124    62217    109    97     48177    88     79     39142    71     63     3229     15     13     725     12     11     611     6      5      3
在k1＝0.45，0.20以及NA＝0.20，0.40，0.80的基础上计算这些值。波长和线宽之间的重要关系显示在图5中。该关系表示为：
MLW = k 1 · λ NA
其中MLW为最小线宽，k1为经验系数，当进行光学接近校正测量时更合适，λ为光子源的波长，NA为用于曝光的数字孔径。
图5中的关系示出了MLW的3到1范围，最短的线基于k1＝0.20以及NA＝0.80。最宽的线反映出k1和NA的最小合适值。因此，在380-450nm的波长范围内，包括413-442nm源，临界的最小特征尺寸或最小线宽度约95-340nm。在300-380nm的波长范围中，包括308和364nm源，临界的最小特征尺寸或最小线宽度为75-285nm。在220-300nm的波长范围中，包括248和266nm源，临界的最小线宽度为55-225nm。在100-220nm的波长范围中，包括126-193nm源，临界的最小线宽度为32-124nm。在5-13nm的波长范围中，最小线宽基于k1＝0.45，NA＝0.40，改变k1和NA因子得到3到1范围的最宽到最窄线。对于这些波长临界的最小线宽为6-44nm。以此方式，临界的最小特征尺寸的范围可以与各源波长、源波长范围、或包括的源波长匹配。此外，从图5中的数据，对于每个波长源，可以要求特定的最小临界尺寸。
除了光子能量，低能电子束和带电粒子适合用于曝光抗蚀剂。由德国的多特蒙德的Raith公司制造的Raith Turnkey 150系统估计用于200eV到30KeV的电子束。MIT的NanoStructures实验室报道它能在10eV的束能量下工作。用于在合适的抗蚀剂上写图形的粒子束源介绍在Westererg和Brodie的“Parallel Charged Particle BeamExposure System”U.S.专利No.4,465,934中。通常，使用的能量源需要与要曝光的抗蚀剂的特性匹配。
使用图形发生器进行抗蚀剂的曝光。对于光子能量，可以使用激光图形发生器或界面光刻系统。对于电子，可以使用电子扫描装置。Applied Materials的附属公司Etec销售ALTATM线的扫描激光图形发生器。瑞典的Taby的Micronic Laser Systems销售Omega TM线的扫描激光系统以及已介绍了Sigma TM线的基于微镜的系统。在一些方面与Wisconsin大学一起合作的NanoStructures实验室介绍了具有200nm、100nm以及50nm空间周期的干涉光刻系统。已使用100nm空间周期系统产生具有13nm直径的特征(重组硅晶体)。NanoStructures实验室也介绍了使用微镜以产生200nm线宽度的同心圆绕射板阵列光刻系统，提高了预期产生20nm的线宽。AppliedMaterials的附属公司Etec也销售MEBUSTM线的高斯束图形发生器。
至少在DUV能量的情况中，优选使用四程或更多程以产生扫描的图形。产生的图形应排列以便对于掩模上的不同点，平均能量剂量以及从施加剂量到完成的平均时间近似不变。用于此的优选策略是在对于一些路径在一个方向中写入，而对于其它路径基本上在相反的方向中写入。通常在一个路径上的第一方向中进行写入，在随后的路程上第二即基本上相反方向中写入。该措施有助于控制抗蚀剂层中的潜像衰退。抗蚀剂显影时，在整个制模板上从曝光到显影该写入策略产生近似相等的平均时间。
图1A中的曝光在抗蚀剂中形成潜像，之后为显影并选择性地除去部分抗蚀剂。湿显影很合适，之后为清洗和干燥。构图的抗蚀剂显示在图1B中。留下一些抗蚀剂106。在其它位置115中，除去抗蚀剂产生沟槽。由于显影的各向同性作用和选择性除去工艺以及由于抗蚀剂中光的吸收图形，沟槽115的侧面在某种程度上倾斜。
选择性除去抗蚀剂之后可选地进行检查和修复构图的抗蚀剂层。在一些情况中，如果较晚进行，在该阶段的检查和修复可以更有效，特别是当这些工艺步骤导致刻蚀制模板基板中的相移窗口，如图2所示。此外，检查和修复在转移层的刻蚀以及构图的掩模中非透射层或相移窗口的前述刻蚀之后。
通过写入和显影抗蚀剂中的开口可以实现精确校正最小特征尺寸，开口非常小，例如比需要的窄10nm。可以使用检查工具以很精确地测量写入的线宽。可以使用例如通过气体、湿刻蚀或等离子体的轻微各向同性刻蚀以调节抗蚀剂层中的开口尺寸，在图形转移之前扩宽线5到15nm。这种形式的校正提高了最小特征尺寸的一致性。也清除了抗蚀剂中的图形。
工艺变化显示在图1E种，包括抗蚀剂的甲硅烷基化。在一些情况中，优选用含硅化合物例如硅烷浸渍抗蚀剂。液相或气相含硅化合物114涂敷在抗蚀剂上。可以在显影并选择性除去之后进行，如图1E所示，或者在显影之前进行。一种选择是甲硅烷基化潜像之后干显影抗蚀剂。另一种选择是，没有单独示出，在转移层的顶部中包括硅含量。
当存在耐等离子体层105时，在抗蚀剂中产生对应于潜像的耐等离子体层的逻辑步骤包括多于一个工艺步骤。单独的工艺步骤用于显影并选择性地除去抗蚀剂，然后除去耐等离子体层的对应区域。这些步骤在抗蚀剂层中的最小特征尺寸的校正之前或之后。
再返回到图1B，对构图的抗蚀剂层进行曝光以定向刻蚀。用强垂直优先刻蚀气体110进行下面转移层的定向刻蚀。用于定向刻蚀的技术包括反应粒子刻蚀(RIE)和等离子体刻蚀。等离子体刻蚀通常使用低压工艺气体例如O2、CF4等在气体放电中或附近发生。各种形式的等离子体刻蚀可以用于近各向同性刻蚀或垂直的各向异性图形转移刻蚀。现已开发了合适的工艺气体和等离子体条件用于使用微光刻刻蚀薄膜材料，例如硅、二氧化硅、铝、铬、抗蚀剂以及聚酰胺。有关合适的工艺气体和等离子体条件的参考材料为等离子体处理技术手册，Noyse出版，1990，ISBN 0-8155-1220-1。反应离子刻蚀适合于具有良好线宽控制的垂直各向异性刻蚀。用于RIE设备的最简单结构是平行板刻蚀机，其中工件放置在RF驱动的电极上，通常在13.56MHz的频率下驱动。等离子体中的放电产生使离子朝向工件表面加速的DC偏置。经常使用10到50毫托的等离子体压力。也可以使用其它类型的反应器例如感应耦合的等离子体反应器。
用于刻蚀穿过转移层的合适等离子体包括氧和小量的二氧化硫。包括硅的抗蚀剂106形成二氧化硅刻蚀阻挡层，保护构图的抗蚀剂不受氧等离子体损伤，减少了抗蚀剂的腐蚀。显示在图1B中的工艺结果为图1C中的结构。暴露到刻蚀气体之后，垂直或接近垂直的槽117穿过转移层104。留下一些抗蚀剂106和有机材料104。
构图的抗蚀剂106和转移层104暴露到额外的定向刻蚀气体112。使用稍微不同的气体混合物以使刻蚀穿过非透射层。合适的等离子体包含卤素，例如氯。选择等离子体的组分和能量以便它能除去露出的槽117中的透射层。也希望该等离子体步骤除去含硅抗蚀剂106。可以在将图形由抗蚀剂层106转移到转移层104使用的相同装置或设备中进行这种定向刻蚀步骤。使用相同的RIE装置、等离子体刻蚀机或其它装置能使构图非透射层需要的晶片转移数量减小。该工艺的结果为图1D所示的结构。刻蚀非透射层102产生沟槽119。
沟槽119的宽度很可能为该工艺产生的最小特征尺寸。当使用光子能量时，该最小特征尺寸与曝光抗蚀剂使用的能量的波长有关。较短的波长存在一些问题，实际上限制了它们制造很小的特征尺寸。例如，使用常规的透镜不容易聚焦EUV能量。在玻璃中吸收并穿过许多常规的镜面材料。假定一个实际的折衷方案，具有5-13nm波长的EUV能量最有可能用于产生具有6到44nm最小尺寸的特征。DUV能量希望由受激准分子、且有波长约100-220nm的气体或固态源产生，并最可能用于产生具有32-124nm最小尺寸的特征。具有220到300nm波长的DUV能量最可能用于产生具有55到225nm最小尺寸的特征。通过cut filter高压汞蒸汽弧光或超高压力氙水银灯的发射光谱分开或处理可以产生UV能量。这种措施产生了约365nm的i线能量或约313nm的j线能量。此外，氦-镉激光可以用于产生约325nm的辐射。具有300到380nm波长的近UV能量最可能用于产生具有75到285nm最小尺寸的特征。通过cut filter高压汞蒸汽弧光或超高压力氙水银灯的发射光谱分开或处理可以产生其它能量束。这种措施产生了约436nm的g线能量或约406nm的h线能量。380-450nm波长的其它能量最可能产生具有95-340nm的最小尺寸。实践中本发明中使用低能电子束有可能产生10到100nm的最小特征尺寸。带电粒子束产生5到50nm的最小特征尺寸。如上所述，沟槽119的宽度主要取决于曝光抗蚀剂使用的能量束类型。本发明提高了临界尺寸控制以及能够产生细线横向(across)型能量束。
图形转移使用的相同等离子体反应器也可以用于灰化以除去剩余的转移层和抗蚀剂层。对于图形转移，等离子体反应器需要制备用于刻蚀的等离子体流，尽可能为垂直的各向异性。反应离子刻蚀或等效的刻蚀可用于此。等离子体为低压。在工件上产生高电位。平板反应器可使用RF能量在工件上产生高电位。效果在某种程度上类似溅射。对于灰化除去转移层，优选各向同性工艺，等离子体的垂直对准不是很重要。使用较高压力的等离子体，超过200毫托。工件具有低电位。等离子体产生扩散到表面的反应种类并化学地刻蚀转移层以除去它。可以使用平板反应器，同时工件接地。此外，可以使用用微波激发的等离子体的筒形反应器。对于灰化，具有少量二氧化硫的氧适合于除去有机残留物。在平板反应器中，具有双匹配网络的双RF驱动特别有用。采用双驱动，可以独立地驱动阴极和工件台。单晶振荡器可以产生用于驱动两者的RF频率。通过控制两个独立驱动的相位和电源，工件电位可以控制在宽极限内。平板反应器的一个备选是在L.Hollins等人，Journal of Scientific Instruments，Vol.1 p.32(1968)中介绍的分裂阴极设计。
参考图1介绍的工艺也可以应用于刻蚀制模板中的相移窗口，如图2所示。在图2A中，示出了用能量曝光抗蚀剂层之前的初始结构。涂覆的制模板包括制空白模板200、一个或多个非透射层202、转移层104以及抗蚀剂层206。空白制模板200通常为石英基板，如上所述。已通过例如以上介绍的工艺构图结构的非透射层202。涂覆的制模板的非透射层通常包括约40-90nm厚的构图的铬层。此外，可以使用铝、金、钨、或硅以形成非透射掩模层。可选地，非透射层也包括抗反射层。可以使用约30微米厚的非化学计量的氧化铬材料以减少反射率。而且，当掩模用在步进器中时，这样增强了性能，但不必用于在掩模中产生相移窗口。此外，非透射层202可以是形成在反射或扩散能量束的制模板表面上或表面中的结构，以便投射到非投射区上的能量束在该区下面的抗蚀剂中不产生阈值曝光。在非透射层中产生的图形有利于对准掩模产生设备的坐标系统。
在非透射层上，但不必直接位于其上，涂敷转移层204。该层为较厚层，优选有机材料。合适的材料为酚醛清漆，是一种在大多数正型非放大光致抗蚀剂中使用的树脂成分。它具有优良的粘附性和良好的耐等离子体刻蚀性，能透过可见光和UV并在DUV中被吸收。可以使用旋涂该层的常规技术形成约0.2到0.5微米厚的层，优选0.35微米厚。如果有机材料不是固有的吸收，并使用光波长，它可以包括吸收染料，优选选择性吸收曝光辐射的染料，并相对于对准辐射透明。转移层材料易于平面化表面特别有用，特别是旋涂时。染料吸收的差异允许不同的能量束用于曝光和对准，同时对准能量束不必损害特征尺寸。曝光辐射的吸收使干扰效应最小，驻波和体干扰效应都最小。
可选地，在转移层上，但不必直接位于其上，涂敷等离子体抗蚀剂层。该层可以溅射其上。该层优选硅层，当暴露到某种等离子体时形成二氧化硅，特别优选无机硅层。
在转移层和可选的等离子体抗蚀剂上，但不必直接位于其上，涂敷抗蚀剂层206。可以用旋涂该层的常规技术形成约0.05到0.20微米厚的层，优选0.15微米厚。可选地，使用含硅抗蚀剂以增强等离子体刻蚀的选择性。在烘焙之前，抗蚀剂可以最初含有硅，或者可以使用甲硅烷基化工艺以在抗蚀剂中注入硅。由于在图2A中画出的结构具有构图的结构，因此期望构图非透射层之后在掩模制造厂中涂敷转移层和抗蚀剂层。转移层和抗蚀剂层的良好的工作寿命比良好的储存寿命更重要。
体现了本发明和图1中改进相同的工艺显示在图2A到2D中，工艺变化显示在图2E中。在图中未示出使用532光子能量束源的光学对准系统，利用了在该波长抗蚀剂和转移层透明在非透射层中看到图形。用构图的制模板对准图形发生器坐标系统之后，图2A中的抗蚀剂层26暴露到能量束。能量束可以是光子能量束、低能量电子束、荷电粒子束或适合于曝光特定抗蚀剂使用的任何其它能量束。能量束使用图形发生器曝光抗蚀剂。图形产生方案应当使用多程以便平均能量剂量以及从剂量到完成的平均时间在掩模上相对不变。这有助于控制抗蚀剂层中潜像的衰减。
显影和选择性除去抗蚀剂接在图2A中的曝光之后。构图的抗蚀剂显示在图2B中。沟槽215在非透射层已刻蚀掉的全部或部分区域上。实际上，非透射层的刻蚀区域比沟槽215的宽，其中需要相移窗口，是由于相移窗口经常与非透射层中的非偏移窗口相邻。
在选择性除去抗蚀剂之后可选地检查和修复沟槽215。在一些情况中，在该阶段检查和修复比以后进行更有效。构图的抗蚀剂的修复有可能比修改刻蚀到例如石英的基板内的相移窗口的形状更容易。用等离子体210定向刻蚀构图的抗蚀剂206得到的结构显示在图2C中。
工艺变化显示在图2E中，包括曝光之后抗蚀剂的甲硅烷基化。在一些情况中，优选构图之后用如硅烷的硅化合物浸渍抗蚀剂。液态或气态含硅化合物214涂敷在抗蚀剂上。这可以在显影和选择性除去之后进行，如图2E所示，或者可以在抗蚀剂的显影之前进行。一种选择是，当显影之前进行甲硅烷基化之后，干显影抗蚀剂。
图2C示出了穿过转移层204露出制模板基板200的沟槽217。使用额外的等离子体212定向地刻蚀基板200中的相移窗口，如图2D所示。
要提高一致性，除了以前产生的180度相移窗口之外，额外的相移，例如额外180度相移，可以添加到构图的掩模。图3A示出了其中已刻蚀出180度相移窗口的结构。基板300用一个或多个非透射层302覆盖。在基板321的一部分中已刻蚀出180度相移窗口。在制模板323的一个区域中，已除去非透射层但没有刻蚀相移窗口。
图3B中画出的定向刻蚀或图3C画出的各向同性刻蚀可以完成额外的相移刻蚀。等离子体310可以用于定向刻蚀，选择适合于非透射层完整无缺的等离子体，同时除去部分基板。此外，可以使用相对的非定向等离子体316或湿刻蚀316。所得结构显示在图3D中。相移窗口325显示为比非相移投射窗口327刻蚀更深。
工艺的基本步骤表示在下表中：
1.开始于具有双层涂覆层的制模板。
2.使用图形发生器将抗蚀剂层顶部暴露到能量束以产生潜像。
3.产生等离子体刻蚀阻挡层，对应于潜像。
4.穿过定向刻蚀阻挡层定向刻蚀转移层。
5.除去转移层，露出制模板基板。
要露出制模白板的制备方法显示在图4A-4C中。该方法在制模板基板上但不必直接位于其上形成掩模层402。在掩模层402上但不必直接位于其上形成转移层404。可选的耐等离子体层405可以形成在转移层404上，但不必直接位于其上。抗蚀剂层406可以形成在转移层和可选的耐等离子体层404，405上，但不必直接位于其上。
应用本发明的方法和装置产生多种优点。工艺对抗蚀剂和转移层的厚度不太敏感，特别是转移层。容易产生高清晰度精细的特征。避免了空白区的底切和展宽，有助于产生一致的交替线和空间。沟槽的侧壁几乎垂直。不需要尝试后曝光烘焙。不采用后曝光烘焙，图像扩散可以最小化。对于非透射层的初始构图，可以使用预涂覆的白板。系统对定时延迟较不敏感，由此简化了工作流程。在较厚的底层或具有几乎相同折射率和较高吸收性的转移层的顶部上使用薄透明的抗蚀剂可以使干扰效应最小，驻波和体干扰效应都最小。相同的等离子体反应器可以用于几个工艺步骤，以尽可能减少设备的各部分之间制模板的移送。这减少了资金支出、占地面积要求、处理以及周转时间。抗蚀剂层的检查和修复趋于确保完成的掩模图形具有与计划和要求匹配的临界尺寸。
虽然参考优选实施例和以上详细的例子公开了本发明，但应该理解这些例子为示例性而不是限定性。对于本领域中的技术人员来说，容易进行修改和组合，这些组合和修改在本发明的精神和下面的权利要求书的范围内。

Claims (41)

1.一种通过图形发生器在具有制模板基板、掩模层、转移层和抗蚀剂层的掩模白板上产生特征的方法，包括以下步骤：
使用图形发生器在抗蚀剂层中产生潜像；
产生与所述潜像对应的等离子体刻蚀阻挡层，所述等离子体刻蚀阻挡层包括含在抗蚀剂层中的硅或氧化硅和在抗蚀剂层与转移层之间的隔离膜中的一个；
通过所述等离子体刻蚀阻挡层定向地刻蚀转移层；
通过所述转移层定向地刻蚀掩模层；以及
除去所述转移层，露出掩模层的未刻蚀部分。
2.根据权利要求1的方法，其中湿显影抗蚀剂层。
3.根据权利要求1或2的方法，其中抗蚀剂层的厚度小于200nm，转移层的厚度在200和500nm之间。
4.根据权利要求1的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括在抗蚀剂层中的硅。
5.根据权利要求4的方法，其中在潜像产生之前在抗蚀剂层中存在硅。
6.根据权利要求4的方法，其中通过用硅化合物处理抗蚀剂层在产生潜像之后在抗蚀剂层中添加硅。
7.根据权利要求1的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括在抗蚀剂层和转移层之间的隔离膜。
8.根据权利要求7的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括通过溅射淀积的薄膜。
9.根据权利要求7或8的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括含金属的膜。
10.根据权利要求9的方法，其中该含金属的膜为铝膜。
11.根据权利要求7的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括金属氧化物膜。
12.根据权利要求7的方法，其中等离子体刻蚀阻挡层包括含有硅的膜。
13.根据权利要求12的方法，其中该含有硅的膜为氧化硅膜。
14.根据权利要求1的方法，其中通过包含在抗蚀剂层中的氧化硅形成等离子体刻蚀阻挡层。
15.根据权利要求14的方法，其中在曝光之前在抗蚀剂层中存在硅，并透过抗蚀剂通过刻蚀形成图形。
16.根据权利要求14的方法，其中在抗蚀剂显影之后通过用硅化合物处理将硅添加到抗蚀剂层中。
17.根据权利要求1的方法，其中透过抗蚀剂通过刻蚀构图等离子体刻蚀阻挡层。
18.根据权利要求1的方法，其中转移层基本上不能透射产生所述潜像所使用的能量束。
19.根据权利要求1的方法，其中使用第一等离子体化学物质除去转移层。
20.根据权利要求19的方法，其中第一等离子体化学物质含有卤素离子。
21.根据权利要求19的方法，其中第一等离子体化学物质是氧等离子体。
22.根据权利要求19的方法，其中转移层是有机层，第一等离子体化学物质是氧化等离子体。
23.根据权利要求1的方法，其中在氧等离子体中除去转移层。
24.根据权利要求1的方法，其中通过RIE型刻蚀进行转移层和掩模层的定向刻蚀，并通过非择优的氧等离子体除去转移层。
25.一种在具有制模板基板、掩模层、转移层和抗蚀剂层的制模板上产生特征的方法，包括以下步骤：
提供在抗蚀剂层和转移层之间包括隔离膜的等离子体刻蚀阻挡层；
使用图形发生器曝光抗蚀剂层；
显影抗蚀剂层并选择性地除去抗蚀剂层的一部分；
定向地刻蚀抗蚀剂层下的转移层；
定向地刻蚀转移层下的掩模层；以及
除去转移层和露出掩模层的未刻蚀部分。
26.根据权利要求25的方法，其中图形发生器使用光子能量束曝光抗蚀剂层。
27.根据权利要求26的方法，其中转移层不能透射所述光子能量束。
28.根据权利要求26或27的方法，其中光子能量束的波长范围在300到380nm中。
29.根据权利要求26或27的方法，其中光子能量束的波长范围在220到300nm中。
30.根据权利要求26或27的方法，其中光子能量束的波长范围在100到220nm中。
31.根据权利要求26或27的方法，其中光子能量束的波长范围在5到13nm中。
32.根据权利要求25的方法，其中图形发生器使用粒子束曝光抗蚀剂。
33.根据权利要求25的方法，其中通过该方法产生的特征具有75nm到285nm范围内的最小特征尺寸。
34.根据权利要求25的方法，其中通过该方法产生的特征具有55nm到225nm范围内的最小特征尺寸。
35.根据权利要求25的方法，其中通过该方法产生的特征具有32nm到124nm范围内的最小特征尺寸。
36.根据权利要求25的方法，其中通过该方法产生的特征具有6nm到44nm范围内的最小特征尺寸。
37.根据权利要求25的方法，其中图形发生器使用电子能量小于3000eV的电子能量束曝光抗蚀剂。
38.根据权利要求37的方法，其中通过该方法产生的特征具有20nm到70nm范围内的最小特征尺寸。
39.根据权利要求25的方法，其中抗蚀剂和转移层能透射某些波长的光，还包括将图形发生器对准在抗蚀剂和转移层下用某些波长的光能够观察到的特征的步骤。
40.根据权利要求25的方法，其中转移层对特定波长的光具有比抗蚀剂层更大的吸收性，还包括用特定波长的光自动聚焦到转移层上的步骤。
41.根据权利要求25的方法，其中抗蚀剂层较薄，转移层较厚，转移层对特定波长的光具有比抗蚀剂层更大的吸收性，并且抗蚀剂和转移层具有相同的折射率。
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