CN1892418A - 检验相移光掩模的相移角的方法、光刻工艺与相移光掩模 - Google Patents

Abstract

一种检验相移式光掩模的相移角的方法。首先，取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线。接着，将待检验的该类型相移式光掩模的图案转移至一光致抗蚀剂层上以形成光致抗蚀剂图案，并测量上述工艺能力特征值。然后依照上述校正曲线，由该工艺能力特征值推得该相移式光掩模的实际相移角，以供检验。

Description

检验相移光掩模的相移角的方法、光刻工艺与相移光掩模

技术领域

本发明涉及光刻(Lithography)方面的技术，特别是涉及一种检验相移式光掩模(Phase Shift Mask，PSM)的相移角(Phase-shift angle)的方法、利用此方法进行调校的光刻工艺，以及相移式光掩模的结构。此种相移式光掩模的相移角可通过该方法得知。

背景技术

随着集成电路(IC)的集成度要求愈来愈高，先进半导体工艺的线宽(Linewidth)多已降至所用的曝光光源的波长以下。当线宽降至曝光光源波长的一半左右时，即须使用相移式光掩模进行图案转移，以提高分辨率(Resolution)。一般而言，相移式光掩模利用相邻可透光区之间的相角差来抵消光致抗蚀剂层的需要低量曝光部分的光波振幅，以减少其曝光剂量，如此即可提高曝光对比，进而改善分辨率。

然而，由于相移式光掩模通常以透光区的基板或膜层厚度来控制相移角，而此厚度难以精确控制，所以相移角常会有误差，从而降低分辨率，并可能使一些工艺能力特征值(即图案位置与/或图案最佳的聚焦位置(focuscenter)，以及/或是工艺能力的聚焦深度(Depth of Focus，DOF)与/或关键尺寸等)产生误差。为解决此问题，相移式光掩模进货后通常须使用近接式探针测量相位不同的透光区的基板或膜层厚度，以检验此光掩模的相移角。如发现相移角有误差，即可调整曝光条件以补偿此误差，或是退回光掩模公司重新校正并制作新的光掩模。

不过，使用近接式探针测量相移式光掩模上各区域的基板或膜层厚度的作法不但耗时，同时也可能损伤光掩模的表面，致使光刻工艺的品质降低。

发明内容

本发明的目的就是在提供一种检验相移式光掩模的相移角的方法，其不但省时，又不会损伤光掩模的表面。

本发明的再一目的是提供一种光刻工艺，其利用本发明的相移角检验方法测量相移角，再据以调整工艺条件。

本发明的又一目的是提供一种相移式光掩模，其上配置有相移角测量图案，以便工作机器检验其相移角。

本发明的检验相移式光掩模的相移角的方法如下：首先取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线。接着，将待检验的该类型相移式光掩模的图案转移至一光致抗蚀剂层上以形成光致抗蚀剂图案，并测量上述工艺能力特征值。然后依照上述校正曲线，由该工艺能力特征值推得该相移式光掩模的实际相移角，以供检验。

在上述本发明的检验相移式光掩模相移角的方法中，该工艺能力特征值例如是聚焦深度、聚焦位置或光致抗蚀剂图案的关键尺寸。被检验的相移式光掩模如依类型区分，可为半调(Half-tone)相移式光掩模、交替(Alternating)相移式光掩模、无铬(Chromeless)相移式光掩模，或是其它任何使用相移式原理的相移式光掩模。另外，上述光致抗蚀剂图案可为并行线图案或开口阵列图案，而用以定义此光致抗蚀剂图案的曝光步骤可为干式曝光步骤或湿式曝光步骤。

再者，当上述光致抗蚀剂图案为并行线图案时，用以反推相移角的工艺能力特征值可为聚焦位置或聚焦深度。当上述相移式光掩模的类型为半调相移式光掩模，且光致抗蚀剂图案为开口阵列图案时，用以反推相移角的工艺能力特征值可为聚焦位置或聚焦深度。当相移式光掩模的类型为无铬相移式光掩模，且光致抗蚀剂图案为开口阵列图案时，用以反推相移角的工艺能力特征值亦可为聚焦深度或聚焦位置。

另外，上述的相移角对应该工艺能力特征值的校正曲线，例如可以相移角已知且各不相同的一系列相移式光掩模标准片进行光刻工艺，并测量该工艺能力特征值，而后对相移角作图而得。

本发明的光刻工艺如下：首先取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线，再使用该类型的相移式光掩模进行曝光步骤，并测量前述工艺能力特征值。接着依照该校正曲线，由前述工艺能力特征值推得相移式光掩模的实际相移角，再依照实际的相移角调整曝光条件，以使此工艺能力特征值达到默认值。

简言之，本发明的光刻工艺利用上述本发明的相移角检验方法得知实际的相移角，再据以调整曝光条件。此光刻工艺的其它相关特征，即与工艺能力特征值种类、相移式光掩模类型、欲转移的图案的型态、干湿曝光方式及校正曲线求法等相关的特征则与前述者相同。

本发明的相移式光掩模包括透明基板、集成电路图案区，以及至少一相移角测量图案。其中，集成电路图案区位于透明基板上，相移角测量图案则位于集成电路图案区周边的透明基板上。集成电路图案与相移角测量图案皆包括相位角不同的多个第一区域与第二区域，且集成电路图案区中第一第二区域的排列方式与相移角测量图案中的第一第二区域的排列方式相同。

上述的透明基板通常呈矩形，而相移角测量图案例如是共有4个，分别位于透明基板的四角。相移角测量图案亦可位在透明基板的四边上，其数目不限制为4个。另外，此相移式光掩模的类型可为半调式、交替式、无铬式或其它任何型式，而集成电路图案与相移角测量图案例如皆包括用以形成并行线或开口阵列的图案。当上述集成电路图案与相移角测量图案皆包括用以形成并行线或开口阵列的图案时，此相移式光掩模的类型可为半调式或无铬式。此外，上述第二区域的透明基板例如呈凹陷状以产生一相移角。

由于本发明的相移角检验方法依照事先取得的校正曲线，由测得的工艺能力特征值反推出相移式光掩模的相移角，故十分节省时间，又不会损害光掩模。同时，由于工艺能力特征值中的聚焦深度或聚焦位置等可在曝光后测得以换算成相移角，故本发明的光刻工艺的曝光条件可迅速调整以补偿相移角的误差，进而使工艺能力特征值达到默认值以符合所需。

另外，由于本发明的相移式光掩模在其集成电路图案区的周边配置有相移角测量图案，所以在检验相移式光掩模的相移角时，只要针对相移角测量图案即可，其不仅较为简便，同时也不会影响集成电路图案的转移。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示本发明的检验相移式光掩模相移角的方法的流程图。

图2绘示本发明的光刻工艺的流程图。

图3A、3B绘示本发明优选实施例的相移式光掩模的二例，其差别在于相移角测量图案的摆放位置不同。

图4A～4C例示本发明优选实施例中，用以定义并行线图案的3种不同类型相移式光掩模上的相移角测量图案的范例，其局部结构的上视图与剖面图。

图5A例示本发明优选实施例中，用以形成开口阵列图案的半调相移式光掩模上相移角测量图案的局部结构上视图与剖面图；图5B、5C则例示两种无铬式相移式光掩模上相移角测量图案的局部结构的上视图与剖面图。

图6、7、8绘示在欲形成的光致抗蚀剂图案为并行线图案的情形下，使用不同型态的相移式光掩模及曝光方式(干式或湿式)时，聚焦深度/关键尺寸/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果。

图9、10绘示在欲形成的光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且光掩模型态为半调相移式光掩模的情形下，聚焦深度/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果。

图11、12绘示在欲形成的光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且光掩模型态为无铬相移式光掩模的情形下，聚焦深度/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果，其中光掩模图案的局部结构如图5C所示的特殊设计。

简单符号说明

100～120、200～230：步骤标号   30：透明基板

300：光掩模                    302：集成电路图案区

310：相移角测量图案

312、322、324、332、334、342、352、354、362、364、366：透光区

314、344：半透光区            314a、344a：金属膜

312a、322a、334a、354a、364a：沟槽

326：不透光区                 326a：铬金属膜

342a：凹洞

具体实施方式

图1绘示本发明的检验相移式光掩模相移角的方法的流程图。请参照图1，首先取得欲使用的特定类型相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线(步骤100)，其中相移式光掩模的类型例如为半调式、交替式、无铬式或其它任何型式，工艺能力特征值则例如为聚焦深度、聚焦位置或光致抗蚀剂图案的关键尺寸。此校正曲线例如可以使用相移角已知且各自不同的一系列相移式光掩模标准片进行光刻工艺，再以测得的工艺能力特征值对相移角作图而得，其中各相移式光掩模标准片的相移角可以前述近接式探针进行精确的测量。

接着，于步骤110中，将待检验的该类型相移式光掩模的图案转移至一光致抗蚀剂层上以形成光致抗蚀剂图案，并测量上述工艺能力特征值。当欲测量的工艺能力特征值为聚焦深度或聚焦位置时，其量测可在曝光步骤后进行；当欲测量的工艺能力特征值为光致抗蚀剂图案的关键尺寸时，其量测则须待显影之后方能进行。用以定义光致抗蚀剂图案的曝光步骤例如是一干式曝光步骤或湿式曝光步骤，后者在曝光光学系统的物镜与光致抗蚀剂层之间充入液体介质，以减少光线进入光致抗蚀剂层的折射作用，从而提高工艺的分辨率。另外，转移至光致抗蚀剂层的图案的型态例如是并行线图案或开口阵列图案

接着，依照上述校正曲线，由该工艺能力特征值反推得相移式光掩模的实际相移角，以供检验(步骤120)。

图2绘示本发明的光刻工艺的流程图。请参照图2，首先取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线(步骤200)，其中相移式光掩模的类型、工艺能力特征值的种类、欲形成的光致抗蚀剂图案的型态及校正曲线的取得方法皆例如为前述者。接着使用该类型的相移式光掩模进行曝光步骤，并测量前述工艺能力特征值(步骤210)。

然后，依照上述校正曲线，由此工艺能力特征值反推得相移式光掩模的实际相移角(步骤220)，再依照实际的相移角调整曝光条件，以使此工艺能力特征值达到默认值(步骤230)，以符合所需。

另一方面，图3A、3B绘示本发明优选实施例的相移式光掩模的二例。相移式光掩模300包括中央的集成电路图案区302，以及配置在集成电路图案区302外围的相移角测量图案310，其具有与集成电路图案区302的局部相同的相移式图案，且与集成电路图案区302同时形成，从而具有相同的相移角。由于相移角测量图案310位在集成电路图案区302的外围，故对应相移角测量图案310的光致抗蚀剂图案位在晶片的切割道上(未绘示)。

在图3A的例子中，共有4个相移角测量图案310分别配置在矩形的相移式光掩模300的4个角落；而在图3B的例子中，相移角测量图案310则配置在矩形相移式光掩模300的4边上。不过，相移角测量图案310的数目并不限制为4个，且可配置在集成电路图案区302周边的任何其它位置上，只要不与原先存在的对准标记或其它测试图案冲突即可。

图4A～4C绘示本发明优选实施例中，用以定义并行线图案的3种不同类型相移式光掩模上的相移角测量图案的范例，其局部结构的上视图与剖面图。

图4A例示用以形成并行线图案的半调相移式光掩模上的相移角测量图案的局部上视图与剖面图。此相移角测量图案310包括线状透光区312及与其相位角差异达180度的线状半透光区314，其中透光区312与半透光区314交替排列，且半透光区314的透光率通常为6％。半透光区314的低透光率例如是以形成在基板30上的极薄半透明铬(Cr)或硅化钼(MoSi)金属膜314a来达成。一般而言，半透光区314以金属膜314a的厚度产生接近180度的相移角，而透光区312处的基板30经过金属膜314a的图案化/蚀刻步骤后形成沟槽312a。控制透光区312的沟槽312a深度以使透光区312与半透光区314之间有最适合的相角差(如180度)，即可提高曝光对比以改善分辨率。

图4B例示用以形成并行线图案的交替相移式光掩模上的相移角测量图案的局部上视图与剖面图。此相移角测量图案310包括线状透光区322、与透光区322的相位角差异达180度的线状透光区324，以及线状不透光区326。其中各透光区322与透光区324交替排列，且任二相邻透光区322与324之间有一不透光区326。不透光区326例如是以形成在基板30上的较厚铬金属膜326a来阻挡光线，而透光区322的基板30例如是经过蚀刻形成沟槽322a，使得透光区322与透光区324的基板厚度不同，而产生相移角。

图4C例示用以形成并行线图案的无铬相移式光掩模上的相移角测量图案的局部上视图与剖面图。此相移角测量图案310包括线状透光区332及与其相位角差异达180度的较窄的线状透光区334，其中透光区332与透光区334交替排列。由于透光区334较窄且与透光区332的相位角差180度，所以对应透光区334及各透光区332两侧邻近透光区334部分的光致抗蚀剂层部分的曝光剂量不足，而可成为图案(使用正光致抗蚀剂时)或无法形成图案(使用负光致抗蚀剂时)。另外，透光区334的基板30例如是经过蚀刻形成沟槽334a(或透光区332的基板30经过蚀刻以形成沟槽(未绘示))，使得透光区332与透光区334的基板厚度不同，而产生相移角。

图5A例示本发明优选实施例中，用以形成开口阵列图案的半调相移式光掩模上相移角测量图案的局部结构上视图与剖面图。此相移角测量图案310包括对应开口区域的透光区342及与其相位角差异达180度的半透光区344，其中半透光区344的透光率通常为6％。半透光区344的低透光率例如是以形成在基板30上的极薄铬或硅化钼金属膜344a来达成。如同图4A之例，半透光区344以金属膜314a的厚度产生接近180度的相移角，而透光区342处的基板30经过金属膜314a的图案化蚀刻步骤即形成沟槽342a。控制透光区342的沟槽342a深度以使透光区342与半透光区344之间有最适合的相角差，即可提高曝光对比以改善分辨率。

图5B、5C则例示可配置在用以形成开口图案的无铬相移式光掩模上的两种相移角测量图案，其局部结构的上视图与剖面图。图5B所示为传统的无铬相移式光掩模的开口阵列图案，其包括对应开口区域的透光区352及与其相位角差异达180度的格状透光区354。格状透光区354的基板30例如是经过蚀刻形成格状的沟槽354a(或透光区352的基板30经过蚀刻而形成凹洞(未绘示))，使得透光区352与透光区354的基板厚度不同，而产生相移角。

然而，在应用图5B所示的传统开口阵列图案时，4个透光区352之间的部分透光区354的透过光的振幅常无法被有效抵消，致使光致抗蚀剂层上的4个开口之间产生小孔洞。因此，图5C所示的特殊设计将4个对应开口区的透光区362之间的区域改成相位角与透光区362相同的透光区366，其相位角与两相邻透光区362之间的透光区364差180度，故其透过光的振幅会被其四周的透光区364有效抵消，而不会造成光致抗蚀剂层上额外的小孔洞。另外，透光区364的基板30例如是经过蚀刻形成短的沟槽364a(或透光区362及366的基板30经过蚀刻而形成相连的大小凹洞(未绘示))，使得透光区362、366与透光区364的基板厚度不同，而产生相移角。

图6、7和8显示在欲形成的光致抗蚀剂图案为并行线图案的情形下，使用不同类型的相移式光掩模及曝光方式(干或湿式)时，聚焦深度/关键尺寸/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果。

由图6可知，此例中无论相移式光掩模的类型为半调式(代号HT)、交替式(代号Alt-PSM)或无铬式(代号CPL)，且无论曝光方式为干式或湿式，聚焦深度对相移角的变化皆不敏感。图案为因此，当欲形成的光致抗蚀剂并行线图案时，并不适合以聚焦深度来反推相移角。

另由图7可知，此例中关键尺寸对相移角变化的灵敏度略高于聚焦深度对相移角的变化的灵敏度，而勉强可用以反推相移角。然而，由图8可知，聚焦位置对相移角变化呈线性关系，且灵敏度大多在5nm/度以上。因此，当欲形成的光致抗蚀剂图案为并行线图案时，优选选用聚焦位置作为反推相移角的参数。

图9和10显示在欲形成的光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且光掩模类型为半调相移式光掩模的情形下，聚焦深度/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果。

由图9可知，此情形下聚焦深度几乎不随相移角的变化而改变，故不适合选用为反推相移角的曝光参数。反之，由图10可知，此情形下聚焦位置随相移角改变的变化十分明显，故较适合选用为反推相移角的曝光参数。

图11和12绘示在欲形成的光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且光掩模类型为无铬相移式光掩模的情形下，聚焦深度/聚焦位置与相移角的关系的计算机仿真结果，其中光掩模图案的局部结构如图5C所示的特殊设计。

由图11与12可知，当欲形成的光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且光掩模类型为无铬相移式光掩模时，聚焦深度与聚焦位置随相移角改变的变化皆颇为明显，故二者皆适合选用为反推相移角的曝光参数。

如上所述，本发明的相移角检验方法依照事先取得的校正曲线，由对应的工艺能力特征值反推相移式光掩模的相移角，故可节省时间，又不会损害光掩模。

同时，由于聚焦深度或聚焦位置等工艺能力特征可在曝光后测得以换算成相移角，故本发明的光刻工艺的曝光条件可迅速调整以补偿相移角的误差，进而使该工艺能力特征或达到默认值，以提高图案转移的正确性。另外，由于本发明的相移式光掩模配置有相移角测量图案，所以检验相移角时只要针对相移角测量图案即可，其不仅较为简便，同时也不会影响集成电路图案的转移。

虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。

Claims (28)

1、一种检验相移式光掩模的相移角的方法，包括：

取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线；

将待检验的该类型的一相移式光掩模的图案转移至一光致抗蚀剂层上以形成光致抗蚀剂图案，并测量该工艺能力特征值；以及

依照该校正曲线，由该工艺能力特征值推得该相移式光掩模的实际相移角，以供检验。

2、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该工艺能力特征值包括一聚焦深度。

3、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该工艺能力特征值包括一聚焦位置。

4、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该工艺能力特征值包括该光致抗蚀剂图案的一关键尺寸。

5、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该相移式光掩模的类型为半调相移式光掩模、交替相移式光掩模、无铬相移式光掩模，或是其它任何使用相移式原理的相移式光掩模。

6、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该光致抗蚀剂图案为并行线或开口阵列的图案。

7、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中用以定义该光致抗蚀剂图案的一曝光步骤为干式或湿式曝光步骤。

8、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该光致抗蚀剂图案为并行线图案，且该工艺能力特征值为聚焦位置或聚焦深度。

9、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该相移式光掩模为一半调相移式光掩模，该光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且该工艺能力特征值为聚焦位置或聚焦深度。

10、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该相移式光掩模为一无铬相移式光掩模，该光致抗蚀剂图案为开口阵列图案，且该工艺能力特征值为聚焦深度或聚焦位置。

11、如权利要求1所述的检验相移式光掩模的相移角的方法，其中该校正曲线使用相移角已知且各不相同的一系列相移式光掩模标准片进行光刻工艺，并测量该工艺能力特征值，而后对相移角作图而得到。

12、一种光刻工艺，包括：

取得一类型的相移式光掩模的相移角对应一工艺能力特征值的校正曲线；

使用该类型的一相移式光掩模进行一曝光步骤，并测量该工艺能力特征值；

依照该校正曲线，由该工艺能力特征值推得该相移式光掩模的实际相移角；以及

依照实际的相移角调整曝光条件，以使该工艺能力特征值达到默认值。

13、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该工艺能力特征值包括一聚焦深度。

14、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该工艺能力特征值包括一聚焦位置。

15、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该相移式光掩模的类型为半调相移式光掩模、交替相移式光掩模、无铬相移式光掩模，或是其它任何使用相移式原理的相移式光掩模。

16、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该相移式光掩模用以形成并行线图案或开口阵列图案。

17、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该曝光步骤为干式或湿式曝光步骤。

18、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该相移式光掩模用以形成并行线图案，且该工艺能力特征值为聚焦位置或聚焦深度。

19、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该相移式光掩模为用以形成开口阵列图案的半调相移式光掩模，且该工艺能力特征值为聚焦位置或聚焦深度。

20、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该相移式光掩模为用以形成开口阵列图案的无铬相移式光掩模，且该工艺能力特征值为聚焦深度或聚焦位置。

21、如权利要求12所述的光刻工艺，其中该校正曲线使用相移角已知且各不相同的一系列相移式光掩模标准片进行曝光，并测量该工艺能力特征值，而后对相移角作图而得者。

22、一种相移式光掩模，包括：

一透明基板；

一集成电路图案区，位于该透明基板上；以及

至少一相移角测量图案，位于该集成电路图案区周边的该透明基板上，

其中该集成电路图案与该相移角测量图案皆包括相位角不同的多个第一区域与第二区域，且该集成电路图案区中的该些第一第二区域的排列方式与该相移角测量图案中的该些第一第二区域的排列方式相同。

23、如权利要求22所述的相移式光掩模，其中该透明基板呈矩形，且有四个该相移角测量图案分别位于该透明基板的四角。

24、如权利要求22所述的相移式光掩模，其中该透明基板呈矩形，且有多个该相移角测量图案位于该透明基板的四边上。

25、如权利要求22所述的相移式光掩模，其为半调相移式光掩模、交替相移式光掩模，无铬相移式光掩模，或是其它任何使用相移式原理的相移式光掩模。

26、如权利要求22所述的相移式光掩模，其中该集成电路图案与该相移角测量图案皆包括用以形成并行线或开口阵列的图案。

27、如权利要求22所述的相移式光掩模，其为半调相移式光掩模或无铬相移式光掩模，且其中该集成电路图案与相移角测量图案皆包括用以形成开口阵列或并行线的图案。

28、如权利要求22所述的相移式光掩模，其中该些第二区域的该透明基板凹陷而产生一相移角。

Images