TWI483065B - 具有複合偏振片之光罩與同時最佳化一組不同的圖案的成像方法 - Google Patents

Description

具有複合偏振片之光罩與同時最佳化一組不同的圖案的成像 方法

本發明係關於一種具有偏振片之光罩。特別是，本發明涉及光罩(reticle)，也就是具有一個或多個偏振片(polarizer)的光遮罩(photo mask)，在半導體的黃光程序中光通過偏振片時以選擇性過濾照明光，也就是，來自光掃描照明機臺照明源的光。本發明的光罩允許在相同光罩上，作為每個待處理圖案的光偏振狀態的個別最佳化，而無需使用特別的照明機臺，以局部地最佳化用於此等圖案的照明光源的形狀(shape)。

隨著積體電路(IC)積集度的增加，半導體元件的關鍵尺寸一直在縮小。因此，一直想要增加光學曝光工具的解析率極限。一些提高解析率的傳統方法包括以下的步驟：離軸照明(off-axis illumination)、浸入式黃光技術和增加鏡片的數值孔徑(numerical aperture)。將偏光應用於照明光源，可進一步提高成像對比度。源照明的不同部位可以使用不同的偏振態。

在一般情況下，光遮罩，或稱為光罩，是由遮罩基材、不透明的圖案化層，例如鉻(Cr)，及/或部分透光的圖案化層，如矽化鉬(MoSi)所組成的。遮罩基材可以是石英基材，圖案化層包含石英基板，並具有要被轉移到晶圓的圖案。照明光源可以被極化偏振(偏光)成為兩種模式：橫向電場(TE)模態和橫向磁場(TM)模態。

一般來說，具有高NA(數值孔徑)和離軸照明(如偶極者) 的偏振光，被用來將非常小的重複特徵轉移到晶圓上。例如，193奈米波長的光和浸潤式掃描器，使用偏振光來增加在高數值孔徑下的影像指數斜率(image log-slope,ILS)。光中橫向電場模態和橫向磁場模態這兩種成分，當光線入射角越變越大時，來自光中橫向磁場(TM)模態的線條/間格對比度會急劇下降。

在半導體領域中，為了要獲得光罩上每個圖案最佳的成像效果，對於所有的圖案而言，可用一些特殊的照明機臺來最佳化光的照明源形狀。雖然這是標準的工業方法，但是引進特殊的光源，通常會導致各個圖案之間最佳成像的權衡得失。

此外，引進的特殊照明，也會對生產成本造成一些負面的影響。因此，仍然需要另一種方法來獲得每個圖案的最好成像效果，又沒有傳統方法中所遇到的不良後果。

本發明在第一方面，提供一種具有偏振片之光罩，使得要讓每個圖案獲得最佳成像效果的新方法成為可能。本發明的光罩，包括透明基板、圖案化層、與偏光過濾元件層。圖案化層位於透明基板的上、下兩面其中之一者上。透明基板對於一照明光實質上是透明的，但是圖案化層對於此照明光實質上至少是部分不透明的或是部分透明的。偏光過濾元件經由三種可能的製程選項，可以位於透明基板相同的上、下兩面其中之一者上。例如，正下方、正上方、或位在圖案化層之中。因為在所有的三個選項中，偏光過濾元件和遮罩圖形之間光路徑中的距離，都是在光學上可以忽略不計的，所以在曝光的過程中，照明光的波前(wavefront)先通過透明的光罩基板，然後同時抵達遮罩圖案化層與偏光過濾元件。

在本發明的一個實施方式中，偏光過濾元件是由導電的材料所製成的，例如鉻(Cr)和矽化鉬(MoSi)。

在本發明的另一個實施方式中，偏光過濾元件是一種柵格偏振片(wire-grid polarizer)。例如，偏光過濾元件具有線距(line pitch)和線寬(line width)。線寬可以小於40奈米(nm)，而線距在光罩上則可以介於80奈米到120奈米的範圍之間，而用於ArF雷射波長為193奈米的掃描機臺。

在本發明的另一個實施方式中，照明光具有入射波長，而且線距遠小於此入射波長。

在本發明的另一個實施方式中，偏光過濾元件的的XY位置與圖案化層的位置重疊。

本發明在第二個方面，提供了一種具有多個偏振片之光罩，使得要讓每個圖案獲得最佳成像效果的新方法成為可能。本發明的光罩，包括透明基板、圖案化層，與一層的多個偏光過濾元件。圖案化層位於透明基板上。透明基板對於一照明光實質上是透明的，但是圖案化則層對於此照明光實質上至少是部分不透明的或是部分透明的。多個偏光過濾元件可以位於透明基板的圖案化層的相同面上，在數個不同的XY區域(X-Y平面)以極化此照明光。

在本發明的一個實施方式中，偏光過濾元件包括都導電的第一偏光過濾元件和第二個偏光過濾元件。兩只偏光過濾元件都位於光罩的同一面上，但是在地理位置上則彼此分開。

在本發明的另一個實施方式中，兩只偏光過濾元件都是一種柵格偏振片。例如，偏光過濾元件具有線距和線寬。線寬可以小於40奈米，而線距在光罩上可以介於80奈米到120奈米的範圍之間，而用於ArF雷射波長為193奈米的掃描機臺。

在本發明的另一個實施方式中，照明光具有入射波長，而且線距遠小於此入射波長。

在本發明的另一個實施方式中，第一偏光過濾元件的XY位 置和第二偏光過濾元件的XY位置分別與位於透明基板相同面上圖案化層的第一區域的XY位置和位於透明基板相同面上圖案化層的第二區域的XY位置重疊。

在本發明的另一實施方式中，第一偏光過濾元件和第二偏光過濾元件具有不同的位向(orientation)。

在本發明的另一個實施方式中，本發明的光罩可進一步包括了第一圖案的第一區域，和第二圖案的第二區域。第一圖案的第一區域位於圖案化層之內，並具有第一偏光過濾元件，第二圖案的第二區域位於圖案化層之內，並具有第二偏光過濾元件。第一圖案與第二圖案是不同的。第一區域和第二區域在地理位置上彼此分開。

在本發明的第三方面，提供了一種同時最佳化一組不同的圖案的成像方法。首先，提供光罩和照明光。光罩包括透明基板、圖案化層以及一個或多個偏光過濾元件。圖案化層位於透明基板上，並具有第一圖案的第一區域，以及與第一圖案不同的第二圖案的第二區域。透明基板對於一照明光實質上是透明的，但是圖案化層對於照明光實質上至少是部分不透明的，例如對於照明光是只有部分透明的，一個或多個偏光過濾元件位於透明基板上，並且得以偏振極化照明光。照明光通過一個或多個偏光過濾元件和圖案化層時，使得照明光被選擇性極化，而有利於第一圖案與第二圖案之成像，而得到兩組圖案的最佳化結果。

在本發明的一個實施方式中，照明光在通過第一區域和第二區域後而被差異地極化。

在本發明的另一個實施方式中，偏光過濾元件包括導電與不同的偏振位向的第一偏光過濾元件和第二個偏光過濾元件。

在本發明的另一個實施方式中，第一偏光過濾元件和第二偏光過濾元件都是一種柵格偏振片。例如，偏光過濾元件具有線距和線寬。線寬可以小於40奈米，而線距在光罩上可以介於80奈米到120奈米的 範圍之間，用於ArF雷射波長為193奈米的掃描機臺。

在本發明的另一個實施方式中，照明光具有入射波長，而且線距遠小於此入射波長。

在本發明的另一個實施方式中，第一偏光過濾元件的XY位置和第二偏光過濾元件的XY位置分別與位於透明基板相同面上圖案化層的第一區域的XY位置和位於透明基板相同面上圖案化層的第二區域的XY位置重疊。

101‧‧‧光罩

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化層

121‧‧‧第一區域

122‧‧‧第二區域

123‧‧‧第一圖案

124‧‧‧第二圖案

130‧‧‧偏光過濾元件的層

131‧‧‧第一偏光過濾元件

132‧‧‧第二偏光過濾元件

135‧‧‧線距

136‧‧‧線寬

140‧‧‧入射光/照明光

200‧‧‧石英基板

201‧‧‧空白光罩

202‧‧‧MoSi層

203‧‧‧鉻層

210‧‧‧電子束光阻層

211‧‧‧共形膜

212‧‧‧水平面

220‧‧‧電子束光阻層

221‧‧‧預定的圖案

第1A圖、第1B圖和第1C圖繪示本發明位於光罩上偏振片的實施例。

第2A圖與第2B圖繪示位於透明基板上具有一個或多個偏光過濾元件。

第3圖至第8圖繪示間距倍減技術，提供次解析製程技術形成本發明的偏光過濾元件循序漸進的實例。

第9A圖、第9B圖和第9C圖繪示了圖案化層和偏光過濾層的三種可能相對位置。

本發明在第一方面首先提供一種具有一個或多個偏振片之光罩，使得要讓每個圖案獲得最佳成像效果的新方法成為可能。偏振片可以是偏光過濾元件，而允許光的偏振過濾行為在光罩的層級就可以進行而不是在更早的層級進行，例如，在照明機臺的層級。

請參考第1A圖至第2B圖，其繪示本發明具有一個或多個偏振片的光罩。在第1A圖、第1B圖和第1C圖中，本發明的光罩101包括一個透明的基板110、圖案化層120、與一個或多個的偏光過濾元件130。本發明將一個或多個的偏光過濾元件130納入光罩的成像平面中(reticle imaging plane)。要在光罩101上相異的區域中局部化一個或多個的偏振片130是可能的，例如，在第2B圖中，光罩101的左半邊區域 包含有水平線條/間隔圖案(圖案123)，右半邊區域則包含有垂直線條/間隔圖案(圖案124)，就可以是兩個不同的圖案區域，也就是不同區域具有不同的圖案。兩個局部化的偏振態可以同時最佳化這兩個區域的成像行為。實施時，當光照亮了這些不同的光罩圖案區域時，一個或多個局部化偏振片130可用於相異地極化具有預定波長的入射光140。

在某些情況下，照明光會被偏振極化而成為橫向磁場(TM)模態豐富的成分，比起單用橫向電場(TE)模態，或是橫向電場(TE)模態與橫向磁場(TM)模態兩組成分一起，而更適合在在一個特定的圖案區域中的成像結果。在更為普遍的情況下，比較偏好於不是創造強度雜訊，而是提供具有最佳干涉去掉繞射階(orders)的光而形成晶圓圖案的偏振極化。

基材110可能是對於特定波長的光140是透明的材料，例如石英。基板110的厚度可以是，例如0.25英寸。

圖案化層120位於透明基板110之上。對於二元(binary)光遮罩而言，圖案化不透明120層係實質上對於照明光140不透明。例如，不透明的圖案化層120可以由鉻所製成。對於衰減相位移光遮罩而言(attenuated phase shifting photo masks)，圖案化層120會製成對於照明光140而言所需要的透明度。例如，它可以只允許6%的光140通過此層，或允許多達40%的光140通過。它通常改變了通過光的相位角，例如，變了180度。部分透明的圖案化層120可以由MoSi所製成。

此外，圖案化層120可以具有一個或多個區域。例如，如果圖案化層120只有一個區域，如第2A圖所繪示，圖案化層120可以具有一個圖案123的區域121。如果圖案化層120具有較多的區域，如第2B圖所示，圖案化層120可以具有第一圖案123的第一區域121，和第二圖案124的第二區域122。較佳者，第二圖案124與第一圖案123不同。還有，圖案化層120可能會有兩個或以上的區域。

請參考第1A圖、第1B圖與第1C圖。偏光過濾層130經由三種可能的選擇位在透明基板110相同的上、下面之上：正下方(第1A圖)、正上方(第1B圖)、或在圖案化層120之中(第圖1C)。圖案化層120具有多個區域，例如第一圖案123的第一區域121和第二圖案124的第二區域122。

請參考第1A圖、第1B圖、第1C圖、第2A圖與第2B圖，繪示位於透明基板110上具有一個或多個偏光過濾元件131/132，用來偏振極化照明光140的偏光過濾層130。一個或多個偏光過濾元件131/132必需要是導電的以極化光。例如，如第2A圖所繪示，透明基板110上可能只有一個偏光過濾元件130。另外，如第2B圖所繪示，可以有更多的偏光過濾元件，例如兩種不同的偏光過濾元件131/132。較佳者，偏光過濾元件131在某些方面不同於偏光過濾元件132，例如，不同的位向(orientation)，使得偏光過濾元件131的位向是與偏光過濾元件132正交。在透明基板110也可能有兩個以上的偏光過濾元件。

在本發明的一個實施方式中，偏光過濾元件131和132其中至少一者是一種柵格偏振片(wire-grid polarizer)。柵格偏振片通常具有線距(line pitch)135和線寬(line width)136。線寬136可能小於40奈米(nm)，而線距135則可能介於80奈米到120奈米之間的範圍內。一般來說，如果偏光過濾元件131和132要有功用時，線距135應該遠小於照明光的入射波長(圖未示)，例如193奈米。

如果圖案化層120具有第一區域121和的第二區域122，第一偏光過濾元件131可以在XY上與第一區域121重疊，而第二偏光過濾元件132可以在XY上與第二區域122重疊。包含偏光過濾元件131和第二偏光過濾元件132的層130可以在圖案化層120形成之前或是形成之後才形成，但是必須是與圖案化層120相鄰的。

由於柵格偏振片的線寬W所需的小尺寸，偏光過濾元件的印 刷是超出了當前遮罩寫入機臺(writer)的能力。偏光過濾元件可形成在透明基板110上，所具有的圖案化層120可以使用多種次解析製程技術(sub-resolution process techniques)。一些例子，可能包括間距倍減(pitch multiplication)、奈米壓印、雙光束干涉(two-beam interferometer)、專用線條/間隔電子束寫入(dedicated Line/Space e-beam writer)、或區塊(block)共聚合物的製程。第3圖-第8圖繪示間距倍減技術，而提供次解析製程技術形成本發明的偏光過濾元件循序漸進的實例。

第3圖至第8圖繪示形成在第1A圖中的偏光過濾層(偏光過濾層位於圖案化層的正下方)。需要注意的是，在光罩的製造過程中，遮罩基板與頂面的圖案化層和偏光過濾層面向上。又在曝光機臺中的晶圓曝光時，光罩基板與底面上的圖案化層和偏光過濾層面向下。

首先，在不失如下間距倍減製程一般性下，如第3圖所繪示，提供一只一般的空白光罩201。空白的光罩，就是由空白遮罩供應商提供給遮罩廠作為寫入之用，未曾圖案化的光遮罩，所以它是由石英基板200，與MoSi層202及/或鉻層203所組成的，其取決於它是一個二元空白片或是衰減相位移空白片。就本發明的目的而言，空白光罩201可能有位於其上的多個材料層。

下一步，鉻層203即將要被圖案化而具有所需間距的間隙壁圖案。例如，首先如第4A圖所繪示，將電子束光阻層210形成在空白光罩201上，並加以圖案化而形成雙倍所需間距的線條/間隔，作為柵格偏振片圖案。其次，如第4B圖所繪示，具有雙倍特點和水平表面的共形膜211，例如氧化矽材料，形成在電子束光阻層210之上。然後，如第4C圖所繪示，異向性地蝕刻共形膜211而移除水平面212，留下電子束光阻層210側邊上的層211。下一步，如第4D圖所示，進行第二次蝕刻步驟來完全移除電子束光阻層210，留下具有所需間距的間隙壁圖案。再來，經由另一蝕刻步驟將有著所需間距的間隙壁圖案轉移到下方的鉻層 203，如4E圖所繪示，並接著去除剩餘的電子束光阻層210，而獲得鉻層203，其具有所需間距的間隔圖案，如第5圖所繪示。

在下面的步驟中，形成光罩101的圖案。例如，如第6圖所繪示，在鉻層203上使用旋轉塗佈法來形成電子束光阻層220。然後，如第6圖所繪示，電子束光阻層220進行了曝光過程，而經由第二次電子束寫入程序形成預定的圖案221。接著，如第7圖所繪示，電子束光阻層220進行了顯影過程，定住預定的圖案221。繼續，如第8圖所繪示，在預定的圖案221的存在下蝕刻鉻層203(其具有柵格偏振片圖案)與MoSi層202兩者，而得到了內建有柵格偏振片的光罩201。

本發明在第二個方面，提供了一種在不需要特殊照明光源的條件下，同時最佳化一組不同圖案的成像方法。首先，請參考第1A圖、第1B圖與第1C圖，提供光罩101和照明光140。光罩101可以包括透明基板110、圖案化層120、以及在層130中的一個或多個的偏光過濾層131和132。

圖案化層120可以包括鉻或MoSi。圖案化不透明層120如果是由鉻所製得的，則對於照明光140是實質上不透明的，或是如果是由MoSi所製得的，則對於照明光140是部分透明的，但是基板110對於特定的照明光140而言是透明的。

另外，圖案化層120可能有一個或多個區域。例如，如果圖案化層120有一個區域，圖案化層120可能有圖案123的區域121。如果圖案化層120有較多的區域，圖案化層120可以有第一圖案123的第一區域121，和第二圖案124的第二區域122。較佳者，第二圖案124與第一圖案123不同。此外，圖案化層120也可能有兩個或以上的區域。

請參考第2A圖和第2B圖，其繪示位在透明基板110上偏光過濾層130中的一個或多個偏光過濾元件131和132，來部分過濾照明光(未顯示)。一個或多個偏光過濾元件130/131/132可能是金屬材料， 來阻擋一部分的照明光(未顯示)。例如，如第2A圖所繪示，透明基板110上有可能只有一個偏光過濾元件130。另外，如第2B圖所繪示，可能會有多個的偏光過濾元件，例如偏光過濾元件131/132。較佳者，偏光過濾元件131在某些方面不同於偏光過濾元件132，例如分別具有不同的位向，使得偏光過濾元件131的位向是與偏光過濾元件132的位向正交。當照明光(圖未示)抵達光罩(圖未示)的時候，偏光過濾元件131和偏光過濾元件132可以在光罩(圖未示)不同的區域中，分別生成偶極X和偶極Y。透明基板110上也可能有兩個或以上的偏光過濾元件。

在本發明的一個實施方式中，偏光過濾元件131和132其中的至少一者是一種柵格偏振片。柵格偏振片通常具有線距135和線寬136。線寬136可能小於40奈米，而線距135則可能介於80奈米到120奈米之間的範圍內。一般來說，如果偏光過濾元件131和132要有功用時，線距135應該遠小於照明光的入射波長(圖未示)，例如193奈米。

如果圖案化層120具有第一區域121和第二區域122，則第一偏光過濾元件與第一區域121重疊，而第二偏光過濾元件132則可以與第二區域122重疊。偏光過濾元件131和第二偏光過濾元件132可以位在透明基板110不同的XY位置，但是又必須要是在Z方向(厚度方向)上與圖案化層120局部地相鄰。

第9A圖、第9B圖和第9C圖繪示了圖案化層120和偏光過濾層130的三種可能安排。例如，偏光過濾層是位於相鄰的下方(第9A圖)、相鄰的上方(第9B圖)或位在圖案化層的同一層中。照明光140通過基板110，並在光學上同時抵達偏光過濾元件131或是偏光過濾元件132，與圖案化層120。照明光140可能是無極化的照明，而同時具有橫向電場(TE)模態成分與橫向磁場(TM)模態成分。

在通過光罩101後，照明光140被選擇性偏振極化而成為偏振光141，例如成為橫向磁場(TM)模態成分豐富的。偏振光141可方 便第一圖案123及/或第二圖案124的成像，彷彿好像使用過了一種特殊的照明，例如偶極(dipole)照明或四極(quadrupole)照明。

一方面，對於具有一維(1D)與二維(2D)圖案組合的層而言，本發明可以促進明顯的成像改善。在另一個方面，本發明可以允許現今要使用重複曝光的多個層，改以單一的曝光方法來執行即可。

101‧‧‧光罩

110‧‧‧基板

120‧‧‧圖案化層

121‧‧‧第一區域

122‧‧‧第二區域

123‧‧‧第一圖案

124‧‧‧第二圖案

130‧‧‧偏光過濾元件的層

131‧‧‧第一偏光過濾元件

132‧‧‧第二偏光過濾元件

140‧‧‧入射光/照明光

Claims (18)

1. 一種具有複合偏振片之光罩，包括：一透明基板；位於該透明基板上的一圖案化層；以及位於該透明基板同一側上的一偏光過濾元件，其中該透明基板對於一照明光實質上是透明的，該圖案化層對於該照明光實質上至少是部分不透明的，而該偏光過濾元件得以選擇性極化偏振該照明光。
2. 如請求項1之具有複合偏振片之光罩，其中該偏光過濾元件是導電的。
3. 如請求項2之具有複合偏振片之光罩，其中該偏光過濾元件是一種柵格偏振片(wire-grid polarizer)。
4. 如請求項1之具有複合偏振片之光罩，其中該偏光過濾元件具有線距(line pitch)和線寬(line width)。
5. 如請求項4之具有複合偏振片之光罩，其中該照明光具有入射波長，而且該線距小於該入射波長。
6. 如請求項4之具有複合偏振片之光罩，其中該線寬小於40奈米(nm)。
7. 如請求項4之具有複合偏振片之光罩，其中該線距介於80奈米到120奈米之間。
8. 如請求項2之具有複合偏振片之光罩，其中該偏光過濾元件之層是鄰近該透明基板上之該圖案化層、與位於該透明基板上之該圖案化層之內的其中之 一。
9. 一種具有複合偏振片之光罩，包括：一透明基板；位於該透明基板上的一圖案化層；以及位於該透明基板同一側上的複數個偏光過濾元件，其中該透明基板對於一照明光實質上是透明的，該圖案化層對於該照明光實質上至少是部分不透明的，而該偏光過濾元件得以選擇性極化偏振該照明光。
10. 如請求項9之具有複合偏振片之光罩，其中該偏光過濾元件包括導電的一第一偏光過濾元件和一第二個偏光過濾元件。
11. 如請求項10之具有複合偏振片之光罩，其中該第一偏光過濾元件和該第二個偏光過濾元件其中之至少一者是一種柵格偏振片。
12. 如請求項10之具有複合偏振片之光罩，其中該第一偏光過濾元件和該第二偏光過濾元件具有不同的位向(orientation)。
13. 如請求項10之具有複合偏振片之光罩，進一步包括：一第一圖案的一第一區域，位於該圖案化層之內，並具有該第一偏光過濾元件；以及一第二圖案的一第二區域，位於該圖案化層之內，並具有該第二偏光過濾元件，其中該第一圖案與該第二圖案是不同的。
14. 一種同時最佳化一組不同的圖案的成像方法，包括：提供一光罩和一照明光，該光罩包括：一透明基板； 位於該透明基板上的一圖案化層；以及位於該透明基板同一側上的複數個偏光過濾元件，其中該透明基板對於一照明光實質上是透明的，該圖案化層對於該照明光實質上至少是部分不透明的，而該偏光過濾元件得以部分地過濾掉該照明光；將該照明光通過該偏光過濾元件和該圖案化層，使得該照明光被選擇性偏光極化，而有利於該第一圖案與該第二圖案之成像。
15. 如請求項14之同時最佳化一組不同的圖案的成像方法，其中該照明光通過該第一區域與該第二區域後，分別被差異地極化。
16. 如請求項14之同時最佳化一組不同的圖案的成像方法，其中該偏光過濾元件包括導電與不同偏振的的一第一偏光過濾元件和一第二個偏光過濾元件。
17. 如請求項14之同時最佳化一組不同的圖案的成像方法，其中該偏光過濾元件局部地偏振該照明光。
18. 如請求項16之同時最佳化一組不同的圖案的成像方法，其中該第一偏光過濾元件和該第二個偏光過濾元件中之至少一者是一種柵格偏振片。