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TWI570501B - 光圖案曝光方法、半色調相移光罩、及半色調相移空白光罩 - Google Patents

光圖案曝光方法、半色調相移光罩、及半色調相移空白光罩 Download PDF

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TWI570501B
TWI570501B TW101143277A TW101143277A TWI570501B TW I570501 B TWI570501 B TW I570501B TW 101143277 A TW101143277 A TW 101143277A TW 101143277 A TW101143277 A TW 101143277A TW I570501 B TWI570501 B TW I570501B
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吉川博樹
稲月判臣
小板橋龍二
金子英雄
小嶋洋介
原口崇
廣瀬智一
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信越化學工業股份有限公司
凸版印刷股份有限公司
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Description

光圖案曝光方法、半色調相移光罩、及半色調相移空白光罩
本發明關於當應用於半導體積體電路板之微製程中，使用光罩之光圖案曝光方法。本發明亦關於半色調相移空白光罩及由空白光罩製備之半色調相移光罩。
當半導體積體電路係廣泛用於各種應用時，針對諸如高密度的整合及節省能量耗損之目標，需要越來越多更細緻的電路設計。與需求相關聯，涉及透過光罩曝光之電路形成微影術係使用較短波長的光源，以製造細緻的影像。在目前商業基礎所使用的進階微影製程中，用於曝光的光源已從KrF準分子雷射光(248奈米)相移至ArF準分子雷射光(193奈米)。
使用較大能量的ArF準分子雷射光之微影術係被發現會導致對於光罩的傷害，而KrF準分子雷射光則未發現傷害。一個問題是在連續使用光罩，類似雜質的成長缺陷形成在光罩上。這些成長缺陷亦係已知為〝霧狀缺陷〞。早先認為霧狀缺陷形成的來源是歸屬於光罩圖案表面上硫酸銨晶體的成長。目前認為有機物也參與霧狀缺陷的形成。
已知一些方法可以克服霧狀缺陷問題。例如，關於在長期照射ArF準分子雷射光時形成在光罩上的成長缺陷，JP-A 2008-276002描述在光罩可被連續使用前，必須在預定階段清潔光罩。JP-A 2010-156880亦揭露霧狀缺陷形成 可透過氧化處理空白光罩表面而抑制。
然而，當針對圖案轉移所照射的ArF準分子雷射光之劑量增加，則會損壞光罩而不是形成霧狀缺陷。已發現光罩圖案的線寬會根據累積輻射能量劑量改變。見Thomas Faure等人之〝Characterization of binary mask and attenuated phase shift mask blanks for 32nm mask fabrication〞,Proc.of SPIE卷7122，712209-1至712209-12頁。問題是在長期照射ArF準分子雷射光期間，當累積輻射能量劑量增加時，被視為是圖案材料的氧化物之物質層成長於膜圖案外部，藉以改變圖案寬度。記述了光罩一經受損係無法透過以用於上述霧狀缺陷移除的SC-1(水性氨/水性過氧化氫)或以亞硫酸/水性過氧化氫清潔而回復。相信傷害來源係完全的不同。
上述文章指出當透過有益於擴展焦點深度之光罩技術的半色調相移光罩而曝光電路圖案時，實質的降級係由圖案尺寸變異所引發，圖案尺寸變異係因為照射ArF準分子雷射光導致過渡金屬/矽基材料膜之交替而造成，例如MoSi基材料膜(此降級係被視為〝圖案尺寸變異降級〞)。因此，為了使用昂貴光罩一段長時間，必須滿足由照射ArF準分子雷射光所造成之圖案尺寸變異降級。
引證文獻列表
專利文件1：JP-A 2008-276002 (USP 7941767)
專利文件2：JP-A 2010-156880 (US 20100167185、DE 102009060677、KR 20100080413)
專利文件3：JP-A H07-140635
專利文件4：JP-A H10-171096
專利文件5：JP-A 2004-133029
專利文件6：JP-A H07-181664
專利文件7JP-A H04-125642
專利文件8JP-A 2007-033469
專利文件9：JP-A 2007-233179
專利文件10：JP-A 2007-241065
非專利文件1：Thomas Faure等人，〝Characterization of binary mask and attenuated phase shift mask blanks for 32nm mask fabrication.〞Proc. of SPIE卷7122, 712209-1至712209-12頁
如非專利文件1中所指出，當在乾空氣氣氛中照射光時，由照射ArF準分子雷射光所造成之圖案尺寸變異降級幾乎沒有發生。在乾空氣氣氛中的曝光係被視為用以抑制圖案尺寸變異降級的新方法。然而，對於乾空氣氣氛的控制會加入額外單元至曝光系統，並且會產生靜電與其他待管理的問題，導致花費增加。在這情況下，發明人試著改善光罩的膜材料，以在正常大氣下能長期曝光而不需完全移除濕度(通常具有濕度約為50%)。
使用ArF準分子雷射光作為光源的微影術中所使用的 光罩包括半色調相移光罩，其使用含過渡金屬矽基材料，一般為含鉬矽基材料。這矽基材料係主要由過渡金屬及矽組成，且進一步包含氧及/或氮作為輕元素(例如專利文件3)，或進一步包含微量的碳及/或氫(例如專利文件4)。所使用適合的過渡金屬包括Mo、Zr、Ta、W和Ti。其中，Mo為最常使用的(專利文件3)，且有時加入第二過渡金屬(例如專利文件5)。對於遮光膜亦同，含過渡金屬矽基材料，一般係使用含鉬矽基材料。
當習知半色調相移膜使用前述材料以達到曝光的相移及必須的衰減量，較佳設計為藉由加入特定量的氮以提供具有高折射率的膜，且藉由加入必須量的氧以獲得適當的光學及化學性質(例如專利文件6)。特別是，適用於ArF準分子雷射光而不是KrF準分子雷射光的膜材料，係藉由加入大量的氮而提供所需的物理性質，且任意地添加相對少量的氧。然而，當使用此種材料的光罩以高劑量的高能輻射照射時，光罩會經歷由高能輻射造成顯著的圖案尺寸變異降級。因此光罩的使用年限便短於需求。
當將空白光罩處理成光罩，有時遮光膜材料不能依照設計般被移除，此種不欲得到的殘餘物變成了缺陷，就是大家已知的〝黑缺陷〞。因光罩係透過耗時的微影製程所製備，希望若形成黑缺陷，光罩可被修復而使其能再次被使用。
如同藉由局部蝕刻矽基材料膜移除黑缺陷之有效技術，專利文件7揭露了使用氟之電子束缺陷校正方法。然 而，許多具有低過渡金屬含量之由過渡金屬/矽基材料製成的光學膜(例如半色調相移膜及遮光膜)，難以藉由此種技術校正黑缺陷。當嘗試藉由將高能輻射束指向含氟氣氛中而產生用以蝕刻掉黑缺陷之氟基，來校正光罩圖案上的缺陷時，通常無法在膜及氧化矽基材之間獲得足夠的蝕刻選擇率比。因此嘗試除去黑缺陷會使基材在同時間被蝕刻，造成光罩具有與設計值有偏差的相差。
本發明的目的在於提供半色調相移光罩；半色調相移空白光罩及使用光罩的光圖案曝光方法；具有半色調相移膜的圖案之半色調相移光罩，當半色調相移膜用於圖案曝光時，其使用ArF準分子雷射光或與習知光相比具有高能及短波長之類似光；且甚至在大量累積輻射能的劑量後，抑制因照射光導致光罩的膜品質交替所造成的圖案尺寸變異降級；且在使用氟以校正黑缺陷之電子束缺陷校正方法的蝕刻步驟期間，成立相對於基材之足夠的選擇率比。
關於用作半色調相移膜或其類似物之含過渡金屬之矽基材料(簡單表示為過渡金屬/矽基材料)，發明人致力於發展膜材料，其即使在如一般使用光罩之微影術所使用般，於經控制的濕度氣氛中以ArF準分子雷射光照射時，膜材料僅會經歷因膜材料之品質交替所造成的微小圖案尺寸變異降級，且膜材料使上述用以校正黑缺陷之蝕刻步驟成為可能。
發明人進行實驗如下。製備具有過渡金屬/矽基材料膜的光罩。變化過渡金屬、矽、氮及氧之含量，形成許多含有氮及氧之過渡金屬/矽基材料的膜樣品。膜樣品以累積劑量被ArF準分子雷射光照射。在關於圖案尺寸變異降級方面比較光罩。經發現氮及氧含量之差異對於圖案尺寸變異降級具有較大的影響。當設定氮及氧含量於預定範圍中時，只要符合半色調相移光罩所需的功能，可藉由設定過渡金屬對矽的比例為相等或少於預定比例而抑制圖案尺寸變異降級。具有此種組成的膜材料可成立相對於基材的蝕刻選擇率比。因此，藉由將高能輻射束指向含氟氣氛中而產生氟基，藉此蝕刻掉黑缺陷之校正光罩圖案上缺陷的方法便為可行。本發明係由這些發現中預想而得。
在一方面，本發明提供光罩圖案曝光方法，其包含使用ArF準分子雷射光作為光源，通過光罩照射光圖案至光阻膜。使用的光罩為半色調相移光罩，其已用ArF準分子雷射光以至少10 kJ/cm2之累積劑量照射。半色調相移光罩包含透明基材及半色調相移膜圖案，半色調相移膜的材料包含過渡金屬、矽、氮及氧，除了自遠離基材之膜表面延伸至10 nm深度之最外表面區域之外，材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.25，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
在較佳具體實施例中，已藉由將高能輻射束指向氟基氣氛中而對半色調相移光罩進行對於缺陷校正的處理。
在另一方面，本發明提供一種用於光圖案曝光方法之 半色調相移光罩，光圖案曝光方法包含使用ArF準分子雷射光作為光源，透過光罩照射光圖案至光阻膜，半色調相移光罩係可用ArF準分子雷射光以至少10 kJ/cm2之累積劑量照射。半色調相移光罩包含透明基材及半色調相移膜圖案，圖案係藉由在基材上形成包含過渡金屬、矽、氮及氧之材料的半色調相移膜並將該膜圖案化而得，除了自遠離基材之膜表面延伸至10nm深度之最外表面區域之外，該材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.25，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
在較佳具體實施例中，透明基材為氧化矽基材，且於半色調相移膜及氧化矽基材之間成立的蝕刻選擇率比為至少4。
在又另一方面，本發明提供一種用以製備半色調相移光罩之半色調相移空白光罩，其中半色調相移光罩係被用於，利用ArF準分子雷射光作為光源以照射光圖案至光阻膜，且半色調相移光罩可用ArF準分子雷射光以至少10 kJ/cm2之累積劑量照射，半色調相移空白光罩包含透明基材及半色調相移膜，除了自遠離基材之膜表面延伸至10nm深度之最外表面區域之外，半色調相移膜之材料包含過渡金屬、矽、氮及氧，且材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.25，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
在較佳具體實施例中，透明基材為氧化矽基材，且於 半色調相移膜及氧化矽基材之間成立之蝕刻選擇率比為至少4。
在上述具體實施例中，過渡金屬一般為鉬。
過渡金屬/矽基材料之半色調相移膜具有的優點是：因為ArF準分子雷射光之累積照射導致過渡金屬/矽基材料膜(通常為MoSi基材料膜)之品質交替，所造成的圖案尺寸變異降級被限制在可允許範圍中。甚至當ArF準分子雷射光照射之累積劑量增加時，光微影術之光圖案照射可長時間進行而不會有實質上之光圖案的圖案尺寸變異降級，而且不用改變曝光工具的圖案曝光條件。半色調相移膜不只抑制因累積照射所致之圖案尺寸變異降級，還成立足夠的蝕刻選擇率比。甚至當黑缺陷在光罩圖案上形成時，缺陷校正可由將高能輻射束指向而完成，一般為電子束指向在含氟氣氛中以產生氟基，用以藉此蝕刻掉黑缺陷。
用於本發明之光圖案曝光方法的半色調相移光罩係由半色調相移空白光罩製備，半色調相移空白光罩包含透明基材(諸如石英基材)及設置於基材上之過渡金屬/矽基材料膜，該膜係由包含過渡金屬、矽、氮及氧之材料形成。
過渡金屬/矽基材料膜為半色調相移膜，其提供相對於ArF準分子雷射光作為曝光光源之預定相移(最常為180°)及預定穿透率(最常為1至40%)。
首先，檢測當ArF準分子雷射光之照射能量的累積劑量增加所發生的尺寸變異。也就是說，檢測於水的存在下將ArF準分子雷射光連續照射包含過渡金屬(通常為鉬)、矽、氮及氧之材料，所引發的尺寸變異與材料組成如何有關。為達此目的，製備了各種含有過渡金屬、矽、氮及氧之材料。量測在照射ArF準分子雷射光後馬上引發的尺寸變異。評估材料組成與尺寸變異的關係。
關注用以作為半色調相移膜所使用的材料，氮及氧含量應落入特定限制範圍中以符合包括穿透率及折射率之光學性質。假設氮含量係在25至50原子%的範圍且氧含量係在5至20原子%的範圍，應注意過渡金屬含量及矽含量。針對用作半色調相移膜的材料，應評估過渡金屬相應矽之原子比例(Met/Si)對尺寸變異的關係。原子比例(Met/Si)與尺寸變異之間有相關性。有一種趨勢是具有較低原子比例(Met/Si)的材料會遇到較少的尺寸變異。至於尺寸變異，已發現藉由在製備半色調相移膜期間降低原子比例(Met/Si)，可降低ArF準分子雷射光後馬上引發的尺寸變異。
然而，許多具有過渡金屬對矽之原子比例(Met/Si)低的過渡金屬/矽基材料所成立之相對於氧化矽或矽基材之蝕刻選擇率比不足，這對於將高能輻射束指向含氟氣氛 之中而產生氟自由基，用以在射束輻射點上局部蝕刻的方法，被應用作為最佳的黑缺陷校正方法時是重要的。也就是說，這些材料產生了校正方法無法適用的新問題。
當應用上述以氟為基礎之蝕刻方法時，需要增加半色調相移光罩膜與氧化矽基材之間的蝕刻選擇率比。然而，只要材料符合針對ArF準分子雷射光之半色調相移膜所考量而必須的光學性質，就難以藉由改變輕元素的內容而增加蝕刻選擇率比。因此，嘗試藉由改變過渡金屬對矽的比例增加蝕刻選擇率比。
接下來，焦點放在過渡金屬含量及矽含量。對於如半色調相移膜所使用的材料，進一步評估蝕刻選擇率比以及過渡金屬對矽之原子比例(Met/Si)之間的關係。原子比例(Met/Si)與蝕刻選擇率比具有關連性。也就是說，有趨勢顯示具有高原子比例(Met/Si)的材料提供了高蝕刻選擇率比。至於蝕刻選擇率比，則被發現在製備半色調相移膜期間，藉由增加原子比例(Met/Si)，可設定高蝕刻選擇率比。
在預示這些發現的本發明慣例中，應用的過渡金屬/矽基材料具有氮含量為25至50原子%，氧含量為5至20原子%，且過渡金屬對矽的原子比例(Met/Si)為至少0.18，較佳為至少0.19，且多至0.25，較佳多至0.21。
下面所描述者為本發明之光圖案曝光方法中的半色調相移光罩及用於光罩的半色調相移空白光罩。
半色調相移空白光罩係定義為包含透明基材及半色調 相移膜，半色調相移膜的材料包含過渡金屬、矽、氮及氧，有時視作〝過渡金屬/矽基材料〞。除了自遠離基材之膜表面延伸至10 nm深度之最外表面區域之外，半色調相移膜的組成具有過渡金屬對矽的原子比例(Met/Si)為自0.18至0.25，氮含量為25至50原子%，且氧含量為5至20原子%。空白光罩係被加工成半色調相移光罩，半色調相移光罩包含透明基材及藉由圖案化半色調相移膜而獲得的光罩圖案。
雖然過渡金屬/矽基材料的膜在照射ArF準分子雷射光後經歷圖案尺寸變異，線寬變異係限制在5奈米或更少，甚至在照射ArF準分子雷射光累積劑量為10kJ/cm2後，較佳為4奈米或更少。同樣地，相對於石英基材，膜的蝕刻選擇率比為至少4，較佳至少為4.5，允許氟輔助的EB缺陷校正方法可被應用。
自遠離基材之膜表面延伸至10 nm深度之最外表面區域，被除外於定義膜的組成，因過渡金屬/矽基材料膜的最外表面區域具有大氣氧化作用造成的高度氧化，或因膜有時已遭受強迫性氧化處理以賦予清洗期間的化學抗性或對大氣氧化作用的抗性。僅膜之最外表面區域在組成範圍外，而膜之剩餘區域在組成範圍內是可能發生的。具有所述等級之厚度的表面區域，對於圖案尺寸變異降級以及對於缺陷校正所需的蝕刻選擇率比沒有顯著的影響。
即使當長時間以ArF準分子雷射光照射時，或換句話說，即使當照射的累積劑量增加時，除了最外表面區域以 外，落入特定組成範圍之過渡金屬/矽基材料的半色調相移膜，僅會經歷有限的圖案尺寸變異降級。
在未來用於透過光罩之光圖案曝光方法中，以浸漬微影或其類似方法中的經濟觀點，滿足光罩圖案之尺寸變異低於允許值直到累積照射劑量達到約10 kJ/cm2的光罩實屬必要。針對22奈米樣式規則，允許值係±5奈米的等級，較佳為±4奈米的等級。另一方面，當加工成光罩後所產生的黑缺陷係由氟基蝕刻方法校正，蝕刻選擇率比為至少4，較佳至少4.5，其必定成立在半色調相移膜及氧化矽基材之間，以在不會對透明基材(通常為氧化矽或石英基材)造成損傷情況下進行校正。除了最外表面區域，若過渡金屬/矽基材料落入特定組成範圍，此薄膜可符合這些條件。
在半色調相移膜係設計用於約180°的相移的具體實施例中，整體來看半色調相移膜可具有範圍在50至150奈米的適當厚度，更佳60至90奈米。當高光吸收層及低光吸收層結合而建構出由均勻組合層所組成的結構，其較佳為高光吸收層具有厚度為1至30奈米，更佳5至20奈米，且低光吸收層具有厚度為30至120奈米，特別是40至70奈米。在此種多層結構的例子中，為增進的化學抗性之較佳例子為，高光吸收層被設置更接近於透明基材。為了改善對於檢驗波長的偵測靈敏度，本具體實施例亦可採用三層結構的形式，其中低光吸收層被夾在兩層高光吸收層，或者在四層或多層結構之間，其中高光吸收層及低 光吸收層係依序交互堆疊在透明基材上(任一層可為第一層)。
形成過渡金屬/矽基材料膜之含有過渡金屬、矽、氮及氧的材料，其較佳實施例包括過渡金屬/矽氮氧化物及過渡金屬/矽氧化物氮化物碳化物。
過渡金屬較佳為至少一種選自鈦、釩、鈷、鎳、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、及鎢的元素。這些之中，從乾蝕刻的觀點來看，鉬是最佳的。首先討論過渡金屬的含量。若過渡金屬含量高，其他元素的含量相對低，會導致難以調整各自元素的組成比例，以便符合所需的光學性質，包括折射率及穿透率。接著在過渡金屬/矽基材料膜中，除了最外表面區域之外，過渡金屬含量較佳為至少5原子%，更佳至少6原子%，且高至12原子%，更佳高至10原子%。且在過渡金屬/矽基材料膜中，除了最外表面區域之外，矽含量較佳為至少30原子%，更佳至少35原子%，且高至50原子%，更佳高至45原子%。
在過渡金屬/矽基材料膜中，除了最外表面區域之外，氧含量應高至20原子%。相對於使用氟基氣體所實行高能輻射束缺陷校正方法之基材，太高的氧含量導致太低的蝕刻選擇率比。氧含量亦應為至少5原子%。太低的氧含量，氮或過渡金屬的含量必須增加以獲得所需的光學性質，且因此，在ArF準分子雷射光長期照射後增大了圖案尺寸變異降級。
在過渡金屬/矽基材料膜中，除了最外表面區域之 外，氮含量應為至少25原子%，較佳至少30原子%。當氧含量在特定範圍內時，範圍保證了所需的折射率及穿透率。氮含量亦應高至50原子%。氮含量太高，在ArF準分子雷射光長期照射後增大了圖案尺寸變異降級。
過渡金屬/矽基材料膜可進一步含有低含量的碳、氫及稀有氣體元素。此種元素的含量係較佳高至5原子%，且更佳碳不應超過不純度。
過渡金屬/矽基材料膜可藉由眾所皆知的技術沉積。其中，較佳為濺鍍技術，因為以均勻性為特徵的膜可容易地被沉積。濺鍍技術可為DC濺鍍或RF濺鍍。
靶材及濺鍍氣體的選擇取決於層狀結構及組成。靶材可為單一靶材，其經調整為適當之過渡金屬對矽的比例，或靶材可為選自過渡金屬靶材、矽靶材及過渡金屬/矽靶材的組合。使用複合靶材時，可藉由調整個別靶材的濺鍍區域，或藉由調整施加於個別靶材的功率來控制過渡金屬對矽的比例。特別是當多層結構係由結合高光吸收層與低光吸收層建構時，在高光吸收層與低光吸收層中的過渡金屬含量可獨立地藉由上述方法改變。若低光吸收層具有低過渡金屬含量，接著剩餘元素的含量可輕易地設定以便符合所需的光學性質。
氮及氧的含量，可藉由使用含氮氣體及含氧氣體作為反應式濺鍍氣體，同時調整這些氣體的流量率所進行之反應式濺鍍而被調整。當其他輕元素諸如碳及氫被加入時，上述是成立的。於此所使用反應性氣體之實施例包括氮 氣、氧氣、氧化氮氣體、氧化碳氣體、烴氣、氫氣等。此外，可使用稀有氣體諸如氦、氖或氬氣。
承上所述，為了使膜穩定之目的，可在半色調相移膜之最外表面提供表面氧化層。用於形成表面氧化層的手段包括空氣氧化，或大氣氧化及強制氧化處理。過渡金屬/矽基材料膜之強制氧化處理的執行，可以藉由例如臭氧氣或臭氧水處理，或藉由在約300℃之溫度處理，諸如在含氧大氣中烘箱加熱、燈退火及雷射加熱。表面氧化層具有高至10奈米的厚度，且至少1奈米的厚度才足以有效作為表面氧化層。具有厚度為此等級的表面氧化層，對於由照射ArF準分子雷射光所造成的圖案尺寸變異降級不具實際影響。雖然表面氧化層可以由濺鍍過程期間增加氧的流量率而形成，在半色調相移膜沉積成為所需的組成後，表面氧化層較佳係藉由上述空氣氧化或強制氧化處理形成，因為藉此形成的層含有較少缺陷。
如同習知之半色調相移空白光罩，本發明之曝光方法所用之用於半色調相移光罩的半色調相移空白光罩，遮光膜可能形成於半色調相移膜上以在其上提供全遮光區域。雖然遮光膜可由任何想要的材料製成，較佳為鉻基材料之膜，其亦可用作針對蝕刻製程之輔助膜。關於遮光膜的結構及組成，有許多已知的報告，例如專利文件8及9。較佳遮光膜係由形成Cr基遮光膜而建構，且進一步於其上沉積Cr基抗反射膜以減少來自遮光膜的反射。遮光膜及防反射膜各自可為單一膜或多層結構。用於Cr基遮光膜 及抗反射膜的材料包括鉻本身，氧化鉻(CrO)、氮化鉻(CrN)、碳化鉻(CrC)、氮氧化鉻(CrON)、碳氧化鉻(CrOC)、鉻氮化物碳化物(CrNC)、鉻氧化物氮化物碳化物(CrONC)。
Cr基遮光膜及防反射膜可藉由反應式濺鍍而被沉積。反應式濺鍍製程使用單獨鉻之靶材或具有一或多種氧、氮及碳加入其中的鉻靶材。濺鍍氣體為惰性氣體，諸如Ar、He、Ne或Kr，依照欲沉積之膜所需的組成，加入選自含氧氣體、含氮氣體及含碳氣體的氣體。
在提供遮光膜之具體實施例的另外版本中，如專利文件10中所揭露之鉻基材料輔助膜或蝕刻阻擋膜，可在半色調相移膜上被形成，且過渡金屬/矽基化合物之遮光膜可在其上被形成。
半色調相移空白光罩可由標準技術處理成半色調相移光罩。例如，可依照下述處理半色調相移空白光罩，其包含半色調相移膜及沉積在其上的鉻基材料之遮光膜或防反射膜。
首先，在半色調相移空白光罩上形成適合電子束(EB)微影術之抗蝕膜，其曝光於EB圖案，且以習知方式顯影，形成抗蝕膜。因此獲得的抗蝕圖案被用作蝕刻光罩的同時，進行含氧氯基乾蝕刻以將抗蝕圖案轉移至鉻基材料膜。在鉻基材料膜圖案被用作蝕刻光罩的同時，進行氟基乾蝕刻以將圖案轉移至半色調相移膜。若鉻基材料膜的任何區域被留下做遮光膜，就形成用以保護該區域的抗 蝕圖案。之後，不必要的鉻基材料膜再次以含氧氯基乾蝕刻而被剝除。以習知方法移除抗蝕材料，產出半色調相移光罩。
當黑缺陷形成在半色調相移光罩，只要根據本發明由半色調相移空白光罩製備光罩，將高能輻射束指向含氟氣體中以產生用於蝕刻之氟基的缺陷校正方法便為可行。如同蝕刻方法，使用氟的EB缺陷校正方法是有利的。
本文所用氟輔助的EB缺陷校正方法被揭露於JP-A H04-125642(專利文件7)。其中，可被氟基氣體蝕刻的膜係經歷局部氟基乾蝕刻以校正缺陷。在此方法中，含氟氣體諸如XeF2氣體被供應至欲修正的光罩，藉此，含氟氣體分子會被吸附至欲校正的膜表面。電子束(EB)接著被指向欲蝕刻的校正點，氟即於其上由所吸附的含氟氣體分子而被釋放。因此釋放的氟會在校正點上反應以形成過渡金屬氟化物及氟化矽，這些產物於其上揮發掉，缺陷也就被蝕刻掉。
含氟氣體可為任何用於氟基乾蝕刻之已知的氣體，包括氟化碳及經氟化烴類，諸如CF4、CHF3及C2F6、XeF2及其類似物。這些氣體可被單獨使用或混合使用且進一步與氧氣組合。可進行蝕刻劑氣體的吸附，例如，藉由將欲修正的光罩放在真空室內，且以預定的時間注入合適流量率的氣體至欲校正的膜。光罩較佳係經冷卻，使得更多含氟氣體可被吸附。蝕刻條件通常包括高至0.13帕之腔壓，50至3,000帕之輔助氣體線路壓力，及0.5至20keV 之束加速電壓。當系統用於執行校正方法的實施，最佳係使用Carl Zeiss之以E射束為基礎的光罩修正系統MeRiT®。
本發明之光圖案曝光方法係定義為包含由半色調相移空白光罩製備半色調相移光罩，且將ArF準分子雷射光發射至光罩上過渡金屬/矽基材料膜的圖案，以透過光罩照射ArF準分子雷射光至物體(抗蝕膜)，用以藉此將物體曝光於光罩圖案的光。照射ArF準分子雷射光可為乾微影或浸漬微影。當作為欲處理工作件之至少300毫米的晶圓以浸漬微影被曝光於光圖案時本發明特別有用，並具有在商業規模微製程中，累積照射能量劑量於相對短時間內增加的趨勢。
當過渡金屬/矽基材料膜的光罩圖案以ArF準分子雷射光照射時，光罩圖案會經歷線寬變異，這是個嚴重的問題。圖案線寬的可允許閾值與光罩圖案不同，特別是施加的圖案規則。若變異小，光罩可藉由校正條件及重設曝光系統的照射條件進一步被使用。當使用本發明之半色調相移光罩時，只要累積照射能量劑量少於10 kJ/cm2，由照射光造成的圖案尺寸變異降級便實際上為零。甚至當累積照射能量劑量超過10 kJ/cm2時，由照射光造成的圖案尺寸變異降級極微小，允許光圖案曝光在未重設轉移條件下而持續。
實施例
下面提供的實驗例以供進一步示例本發明，但本發明不限於此。
實驗例1至9
DC濺鍍系統係裝載有兩個靶材，MoSi2靶材及Si靶材，且Ar氣、O2氣及N2氣被饋入DC濺鍍系統作為濺鍍氣體。當石英基材以30 rpm旋轉，由鉬、矽、氮及任意的氧所組成的單一層被沉積於基材上，以形成作為半色調相移膜之厚度約70奈米的過渡金屬/矽基材料膜(鉬/矽基材料膜)。除了自膜表面延伸至10 nm深度的次表面區域之外，這些9種過渡金屬/矽基材料膜的組成係由ESCA分析。
然後，在過渡金屬/矽基材料膜，使用Cr靶材及濺鍍氣體沉積鉻基材料的遮光膜。特別是，以Ar：N2：O2=1：2：1之流量比饋入Ar、N2及O2而沉積20奈米厚的CrON層，藉由僅饋入Ar氣而沉積7奈米厚的Cr層，及以Ar：N2：O2=1：2：1之流量比饋入Ar、O2及N2而沉積20奈米厚的CrON層。以這樣的方式，形成具有總厚度為47奈米之鉻基材料的遮光膜，而產出空白光罩(半色調相移空白光罩)。
接著，用於EB微影術的正抗蝕膜係在遮光膜上被形成。抗蝕膜係曝光於EB圖案，形成具有線寬為0.1至2微米之等線、等間距的線間距模型圖案。
以抗蝕圖案製成的蝕刻光罩，遮光膜係以氯基蝕刻劑 乾蝕刻。接著過渡金屬/矽基材料膜係以氯基蝕刻劑乾蝕刻。最後，遮光膜係藉由氯基乾蝕刻移除，產出具有過渡金屬/矽基材料膜之圖案的光罩(半色調相移光罩)。
在23℃及濕度40%之環境中，將因此獲得的光罩使用具有200Hz之脈寬及50至200mJ之脈波能的ArF準分子雷射光照射，直到累積照射能量劑量達到30 kJ/cm2。所使用曝光系統為ArFES-3500PM(Litho Tech Japan Corp.)及光源LPX pro220(Coherent GmbH)。
過渡金屬/矽基材料膜的圖案尺寸，在掃描式電子顯微鏡LWM9045(Vistec)下進行量測，以決定當以ArF準分子雷射光照射圖案時圖案尺寸如何改變。已經觀察到，線寬以對時間成比例的速度增加而與圖案的形式和尺寸無關。
對於不同形式的圖案及線寬，將線寬的改變(增加)進行平均。平均係以相對值表示，以實驗例3的平均改變(19奈米)等於1為假設條件。另外，符合10 kJ/cm2累積照射劑量的改變係由所量測的改變而計算。數據係顯示在表1，連帶有被沉積之膜上所分析之個別元素的含量，且以Mo/Si比例的函數而繪製於第1圖。這些數據亦顯示於第2圖，排除了落在25至50原子%之氮含量範圍外，及5至20原子%之氧含量範圍外之樣本的數據(實驗例8)。
在使用如第2圖中描繪的八個點以最小平方法的迴歸分析上，下述關聯式係以相關係數R2為0.96而獲得。回歸線亦繪製在第2圖中。
線寬變異(相對值)=3.70×(Met/Si)-0.15
從此關聯式可以明顯地得知，當以10 kJ/cm2之累積劑量照射ArF準分子雷射光時，帶來5奈米之可允許範圍的線寬變異的Met/Si比例高達0.25，帶來4奈米較佳範圍的線寬變異之Met/Si比例高達0.21。因此，只要氮含量在25至50原子%，氧含量在5至20原子%，且過渡金屬對矽(Met/Si)的原子比例高至0.25，過渡金屬/矽基材料會完全地受限於因照射ArF準分子雷射光之圖案尺寸變 異，且甚至在以10 kJ/cm2之累積劑量照射後，線寬變異會受限於5奈米或更少。
實驗例10至21
DC濺鍍系統係裝載有兩個靶材，MoSi2靶材及Si靶材，且Ar氣、O2氣及N2氣係饋入DC濺鍍系統作為濺鍍氣體。當石英基材以30 rpm旋轉，由鉬、矽、氮及任意的氧所組成的單一層被沉積於基材上，以形成作為半色調相移膜之厚度約70奈米的過渡金屬/矽基材料膜(鉬/矽基材料膜)。除了自表面延伸至10 nm深度的次表面區域之外，這些12種過渡金屬/矽基材料膜的組成係由ESCA分析。
使用EB為基礎的光罩修正系統MeRiT®(Carl Zeiss)，因此所沉積的過渡金屬/矽基材料膜係藉由將其置入抽成0.13帕或更低的真空腔室中而蝕刻，並且注入氟化氙氣作為蝕刻輔助氣體以接近校正點。氟輔助EB缺陷校正方法之蝕刻率會被決定。藉由比較上述蝕刻率與石英基材的蝕刻率，蝕刻選擇率比便被決定。
蝕刻選擇率比係顯示於表2，連帶有被沉積之膜上所分析之個別元素的含量。對應蝕刻選擇率比之處理速率(相對值)係以Mo/Si比例的函數而繪製於第3圖中。這些數據亦顯示在第4圖，排除了落在25至50原子%之氮含量範圍外，及5至20原子%之氧含量範圍外之樣本的數據(實驗例13及16至18)。
在使用如第4圖中描繪的八個點以最小平方法的迴歸分析上，下述關聯式係以相關係數R2為0.92而獲得。回歸線亦繪製在第4圖中。
蝕刻選擇率比=45.12×(Met/Si)-3.76
從此關聯式可以明顯地得知，提供相對於石英基材至少為4之蝕刻選擇率比的Met/Si比例至少為0.18，石英基材允許了校正光罩圖案上缺陷之方法的應用，其藉由將高能輻射束指向含氟氣氛中而產生用以蝕刻掉黑缺陷之氟基，提供較佳至少4.5蝕刻選擇率比的Met/Si比例為至少0.19。因此，只要氮含量在25至50原子%，氧含量在5 至20原子%，且過渡金屬對矽(Met/Si)的原子比例至少為0.18，過渡金屬/矽基材料相對於石英基材所成立之蝕刻選擇率比為至少4，且允許用於氟輔助EB缺陷校正方法之應用。
第1圖為顯示實驗例中線寬變異對Mo/Si比例之圖示。
第2圖為顯示實驗例中線寬變異與Mo/Si比例之圖示，含回歸線。
第3圖為顯示實驗例中處理速率與Mo/Si比例之圖示。
第4圖為顯示實驗例中處理速率與Mo/Si比例之圖示，含回歸線。

Claims (9)

  1. 一種光圖案曝光方法，其包含使用ArF準分子雷射光作為光源，透過光罩將光圖案照射至光阻膜，其中該使用的光罩為半色調相移光罩，其已用ArF準分子雷射光以至少10kJ/cm2之累積劑量照射，該半色調相移光罩包含透明基材及半色調相移膜圖案，該半色調相移膜的材料包含過渡金屬、矽、氮及氧，且除了自遠離該基材之膜表面延伸至10nm深度的最外表面區域之外，該材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.21，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中已藉由將高能輻射束指向氟基氣氛中而對該半色調相移光罩進行缺陷校正的處理。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該過渡金屬為鉬。
  4. 一種用於光圖案曝光方法之半色調相移光罩，該光圖案曝光方法包含使用ArF準分子雷射光作為光源，透過該光罩照射光圖案至光阻膜，該半色調相移光罩係可用ArF準分子雷射光以至少10kJ/cm2之累積劑量照射者，該半色調相移光罩包含透明基材及半色調相移膜圖案，該圖案係藉由在該基材上形成包含過渡金屬、矽、氮及氧之材料的半色調相移膜並將該膜圖案化而得，且 除了自遠離該基材之膜表面延伸至10nm深度的最外表面區域之外，該材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.21，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
  5. 如申請專利範圍第4項之光罩，其中該過渡金屬為鉬。
  6. 如申請專利範圍第4項之光罩，其中該透明基材為氧化矽基材，且在該半色調相移膜及該氧化矽基材之間所成立的蝕刻選擇率比係為至少4。
  7. 一種用以製備半色調相移光罩的半色調相移空白光罩，其中該半色調相移光罩係用於使用ArF準分子雷射光作為光源照射光圖案至光阻膜，且該半色調相移光罩可用ArF準分子雷射光以至少10kJ/cm2之累積劑量照射，該半色調相移空白光罩包含透明基材及半色調相移膜，該半色調相移膜之材料包含過渡金屬、矽、氮及氧，且除了自遠離該基材之膜表面延伸至10nm深度的最外表面區域之外，該材料具有過渡金屬對矽之原子比(Met/Si)為0.18至0.21，25原子%至50原子%之氮含量及5原子%至20原子%之氧含量。
  8. 如申請專利範圍第7項之空白光罩，其中該過渡金屬為鉬。
  9. 如申請專利範圍第7項之空白光罩，其中該透明基材為氧化矽基材，且於該半色調相移膜及該氧化矽基材 之間所成立的蝕刻選擇率比係為至少4。
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