專利名稱：改進(jìn)的臨界尺寸控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及集成電路制造，特別涉及光刻膠層的構(gòu)圖。
在器件的制造中，在一襯底或一晶片上形成絕緣層、半導(dǎo)電層和導(dǎo)電層。對這些層進(jìn)行圖形刻蝕以產(chǎn)生細(xì)節(jié)和間隔，形成器件，如晶體管、電容和電阻。然后對這些元器件互相連接獲得所需要的電功能。
采用光刻進(jìn)行各種元件層的圖形刻蝕。光刻指的是將一圖象從掩模上映在基片表面上的方法。該圖象照亮形成在晶片表面的抗蝕劑層，將其曝光成需要的圖形。
用于曝光抗蝕劑層的曝光量要足以使其顯影。曝光量定義為在mJ/cm2的每單位面積輻射的能量。根據(jù)采用的是正性光致抗蝕劑還是負(fù)性光致抗蝕劑，去掉抗蝕劑層的曝光或非曝光部分。例如，抗蝕劑層的非保護(hù)部分被蝕刻，從而在基片上形成部件和間隔。
部件和間隔的尺寸取決于光刻系統(tǒng)的分辨率。由光刻系統(tǒng)的一特定加工獲得的最小特征尺寸(F)稱為光刻的基尺(groundrule)。臨界尺寸(CD)定義為必須控制的最小特征尺寸，例如，包括線寬，間隔和接觸寬度。
在普通的光刻中，CD會發(fā)生變動。例如進(jìn)入光致抗蝕膜的曝光輻射的內(nèi)偶聯(lián)過程(incoupling)中的變動引起這樣的變動。內(nèi)成色指的是由光致抗蝕劑內(nèi)的感光化合物吸收的曝光能量。這些變動一般由可變的光學(xué)性能引起，這些可變的光學(xué)性能如整個晶片的不均勻膜沉積；晶片一晶片的介質(zhì)厚度變動；抗蝕劑厚度變動，抗蝕劑涂敷變動(低溫烘焙溫度等等)。
由于采用連續(xù)縮小的尺寸，控制CD的能力變得更接近臨界。特別是，在曝光源進(jìn)入光致抗蝕劑內(nèi)的內(nèi)偶聯(lián)過程中的變動會引起CD變動從而超過額定容許量，使成品率下降。
為了抵制由CD過度變動引起的不利影響，采用了消反射涂層(ARC)。一般，ARC的厚度由一時間消耗最優(yōu)化過程決定。盡管ARC在改進(jìn)CD控制中很有效，但是采用它很昂貴并需要附加工藝。
鑒于以上討論，需要改進(jìn)CD控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個特征，提供一種將一掩模圖形轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑層的方法。該方法包括在光致抗蝕劑層上面放置一掩模的步驟，其間放置光學(xué)投影透鏡。在該掩模上放置一光能輻射源。來自該輻射源的光能穿過該掩模，再穿過該透鏡后以入射光射在光致抗蝕膜上。根據(jù)朝向入射光反射回來的光能測量值來控制光能輻射源的光強(qiáng)。
采用這樣的方法，根據(jù)光致抗蝕劑層內(nèi)實際被吸收的光能控制光致抗蝕劑層中孔徑的大小，而不是根據(jù)預(yù)先確定的工藝的統(tǒng)計特性來設(shè)定工藝中的固定曝光時間。
根據(jù)本發(fā)明的另一特征，提供了一種將一掩模圖形轉(zhuǎn)移到一光致抗蝕劑層的方法。該方法包括在一結(jié)構(gòu)的表面上放置光致抗蝕劑層。一掩模放置在光致抗蝕劑層上，其間設(shè)有光學(xué)投影透鏡。光能輻射源放置在掩模上，并作為入射光通過掩模的曝光部分照射在光致抗蝕劑層上。被反射的入射光能量和入射在光致抗蝕劑層的光能量可測定。根據(jù)被測定的光能來控制光源的功率。特別是，當(dāng)被測定的光能顯示光致抗蝕劑層吸收的光量已達(dá)到預(yù)定閾值時，切斷光源。根據(jù)光致抗蝕劑層內(nèi)形成的孔徑的大小選定預(yù)定閾值。
通過下述詳細(xì)說明和參照附圖，上述和其它本發(fā)明的特性和優(yōu)點變得更顯而易見，其中

圖1是用于將掩模的圖形轉(zhuǎn)移到光致抗蝕劑層上的普通光刻系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的光刻系統(tǒng)的示意圖；圖3是圖2所示的光刻系統(tǒng)的放大部分的示意圖；圖4示出襯底上不同厚度二氧化硅介質(zhì)的反射光強(qiáng)度作為曝光時間函數(shù)的模擬結(jié)果曲線圖；圖5是本發(fā)明另一實施例的放大部分的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實施例的控制器；圖7是由表示如上述那樣計算的吸收能量作為不同厚度的二氧化硅介質(zhì)層的曝光時間的函數(shù)的關(guān)系曲線；圖8是表示根據(jù)本發(fā)明的在有和沒有終點檢測情況下達(dá)到透明的劑量比率作為介質(zhì)二氧化硅層厚度的函數(shù)的曲線。
本發(fā)明涉及光刻中改進(jìn)的CD控制。通過控制光致抗蝕劑的曝光量來獲得改進(jìn)的CD控制。為了便于討論本發(fā)明，對一種傳統(tǒng)的光刻進(jìn)行了描述。
在圖1中，示出諸如步進(jìn)器(stepper)的常規(guī)投影印刷裝置的簡單視圖。這樣的系統(tǒng)例如在Pol等人的“基于受準(zhǔn)激分子激光的光刻一種深紫外線晶片步進(jìn)器”SPIE vol.633，6(1986)和Ungerd等人的“一種適于生產(chǎn)的基于受準(zhǔn)激分子激光的步進(jìn)器”，SPIE vol.1674，(1992)中作了描述，在這里作為參考引入。該投影印刷裝置包括一曝光源110。曝光源的電源由一電源18提供。投影印刷裝置還包括光束傳送子系統(tǒng)20、照明裝置24、一用于安裝掩模12的掩模架13、一投影透鏡26和安裝如半導(dǎo)體晶片的襯底14的晶片臺30。
在工作中，曝光源16通過光束傳送子系統(tǒng)20發(fā)出輻射光。一般，該光束傳送子系統(tǒng)包括不同反射鏡和/或反射元件如透鏡，以使輻射光線進(jìn)入照明裝置24。照明裝置24接收輻射光并由此從空間上控制能量，以供給掩模12的最佳亮度。掩模包含透明的和不透明的區(qū)域。這些區(qū)域構(gòu)成符合電路特征的圖形。然后由投影透鏡26將掩模的圖象投影在覆蓋晶片14的光致抗蝕劑層上，晶片14安放在晶片臺30上。如果掩模的圖形被透鏡縮小，則該掩模稱為原版(reticle)。投影透鏡一般包括一組透鏡。晶片臺包括由計算機(jī)(未示出)控制的使圖形準(zhǔn)確對準(zhǔn)的精確移動和旋轉(zhuǎn)控制器。
在步進(jìn)器中，掩模的圖形投影在晶片的一部分上并使此處的光致抗蝕劑曝光。被曝光的晶片部分稱為曝光區(qū)。一旦預(yù)定的曝光量已經(jīng)被傳送到曝光區(qū)上，該晶片臺使該晶片移動或步進(jìn)以對隨后的曝光區(qū)曝光。
如上所述，傳統(tǒng)的光刻系統(tǒng)難于控制CD變動。在有些情況下，CD的變動超過額定的允許值，對產(chǎn)品率有不利影響。
參照附圖2，圖中顯示了根據(jù)本發(fā)明的光刻系統(tǒng)。使用掃描或步進(jìn)技術(shù)(掃描器或步進(jìn)器)的該光刻系統(tǒng)提供了改進(jìn)的CD控制。光刻系統(tǒng)210包括一曝光源216。例如，該曝光源可以是紫外線(UV)源如水銀弧光燈，或是遠(yuǎn)紫外線(DUV)源如受激準(zhǔn)分子激光器。其它對光致抗蝕劑曝光的曝光源也是很有效的。曝光源216由電源218供電。從曝光源216發(fā)出的光直射在掩模212上。從示意圖看，光通過光束傳輸系統(tǒng)220和照明裝置224直射在掩模上。
在一個實施例中，光束傳輸系統(tǒng)包括一快門。該快門可以是機(jī)械式的，它控制從曝光源到掩模的光路。該快門根據(jù)從控制器210傳到線路211上的控制信號來有選擇性地打開或關(guān)閉。
掩模12在一個實施例中是一原模，它具有一圖形，該圖形包括對曝光源的光線透明或不透明的區(qū)域。這里對光透明的區(qū)域稱為孔徑。例如，掩模圖形對應(yīng)于在晶片上待形成的電路部件。
透過掩模212的光形成掩模的圖象。該圖象然后通過光學(xué)系統(tǒng)226，例如是一投影透鏡，投影在一晶片214的表面，晶片214安裝在一晶片臺215上。晶片一般包括覆蓋有一光致抗蝕劑層的半導(dǎo)體部件。如圖所示，該光學(xué)系統(tǒng)226包括一組透鏡。光致抗蝕劑層由掩模圖象曝光。曝光后，根據(jù)采用的是正性還是負(fù)性光致抗蝕劑層，對曝光部分或非曝光部分進(jìn)行顯影。
在光刻系統(tǒng)中提供了一檢測器230。該檢測器檢測在一曝光區(qū)內(nèi)的由光致抗蝕劑吸收的光能量。在一實施例中，吸收的光能是傳到晶片表面的光能(入射能)與晶片表面反射的光能(反射能)之差。如圖所示，檢測器位于光能量的光路上，接近光學(xué)系統(tǒng)226的孔徑。由于入射在晶片表面的光的一部分往回反射到投影透鏡上，因此有利于使檢測器檢測入射能以及反射能。
由檢測器檢測的入射能和反射能信號輸入控制器210。這兩種能量之差表示由光致抗蝕劑吸收的能量。控制器還接收外部輸入209，它是閾值控制信號。一般設(shè)定該閾值控制信號等于所要求的對抗蝕劑的曝光量(達(dá)到透明的量)。所要求的曝光量與使用的抗蝕劑的類型有關(guān)。一般，盡管所要求的的曝光量已由一抗蝕劑制造者給定，但是還應(yīng)通過實驗進(jìn)行優(yōu)化。一旦光致抗蝕劑吸收的能量超過閾值或要求的曝光量，則停止入射光射入曝光區(qū)。在一個實施例中，通過關(guān)閉光束傳遞光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的快門來停止光的入射。這樣，可有效地防止入射光射到晶片上的光致抗蝕劑。然后，光刻系統(tǒng)移動到下一個曝光區(qū)對其內(nèi)的抗蝕劑進(jìn)行曝光。圖3更詳細(xì)顯示檢測器230。由曝光源發(fā)出的光形成一掩模312的圖象，該掩模具有一由光學(xué)系統(tǒng)326投影在襯底314上的圖形，晶片314安裝在一晶片臺上。例如，該掩模包括使曝光源的發(fā)射光通過的開口，以掩模圖形照亮晶片。晶片包括形成在一襯底332內(nèi)和/或上的電路部件。這些電路由一被層間介質(zhì)層318隔開的金屬層334有選擇性地互連而產(chǎn)生需要的電功能。絕緣層336，如二氧化硅或氮化硅，一般放置在金屬層334上。光致抗蝕劑層315布置在絕緣層336上面。當(dāng)然，在晶片或晶片上未示出的層上可包括附加的器件層。
穿過掩?？讖降陌l(fā)射光能由光學(xué)系統(tǒng)326直射在置于掩模312下面(即與掩模312對準(zhǔn))的光致抗蝕劑層315的上表面部分340上。曝光的范圍稱為一曝光區(qū)。由光致抗蝕劑層315中的光敏材料吸收的發(fā)射光能量影響此處待形成的開口。
所需要的曝光量大約等于由產(chǎn)生具有所需要的尺寸或CD的開口的光致抗蝕劑吸收的能量。理想曝光量稱為達(dá)到透明的量(dose-to-clear)。當(dāng)由光致抗蝕劑層315吸收的超過達(dá)到透明的量時，則此處在顯影后形成開口的CD。這種狀態(tài)稱為曝光過度。曝光不足指的是由光致抗蝕劑層吸收的能量級別低于達(dá)到透明的量，其結(jié)果是在光致抗蝕劑層的開口形成較小的CDs。如上所述，通過實驗來優(yōu)化達(dá)到透明的量。盡管迄今描述使用正性光致抗蝕劑的本發(fā)明，但是也可使用負(fù)性光致抗蝕劑。
如圖所示，檢測器230位于光學(xué)系統(tǒng)226的孔徑附近。該檢測器230用于確定由光致抗蝕劑層314吸收的光能。如上所述，由光致抗蝕劑吸收的能量由入射能和反射能之差決定。
在一實施例中，檢測器230包括一具有反射面331和332的反射鏡。該反射鏡小得足以不影響或不使照亮或曝光區(qū)失真變形。在一實施例中，反射鏡≤約光學(xué)系統(tǒng)326孔徑的10％，約1-10％比較適宜，約1-5％更好，約1-2％又更好，1％甚至更好，最好≤約1％。反射鏡越小，照明區(qū)域的失真越少。
當(dāng)發(fā)射光穿過光學(xué)系統(tǒng)照亮晶片時，其一部分光射到反射鏡的表面331并向傳感器352反射。傳感器接收到的能量表示照亮晶片的入射光的能量。傳感器將接收的能量轉(zhuǎn)換成電信號351。傳感器包括，例如一光電二極管。也采用其他的發(fā)射光傳感器。傳感器產(chǎn)生的電信號根據(jù)檢測的能量級而變動，對應(yīng)于或用于檢測入射能。
當(dāng)發(fā)射光的能量接觸晶片表面時，發(fā)射光能的一部分在不同材料之間的各界面處反射回到檢測器230。例如，能量從下述界面反射空氣—光致抗蝕劑層的界面360；光致抗蝕劑層—電絕緣層的界面362；介質(zhì)層—金屬層的界面364；金屬層—介質(zhì)層的界面365；以及介質(zhì)層—襯底的界面366。一部分入射能向檢測器反射并接觸表面231。表面231使反射能射向傳感器358，該傳感器與傳感器352類似。傳感器358檢測的能量用于測定或?qū)?yīng)于來自晶片的反射能。
或者，檢測器230包括一具有部分反射面的棱鏡。當(dāng)曝光源的光能穿過棱鏡時，一部分光能向傳感器352反射。傳感器352產(chǎn)生一輸出，用于測定入射能。當(dāng)入射能接觸晶片表面時，一部分入射光在不同材料的不同界面被反射回檢測器2301。一部分反射光能直射向傳感器358，傳感器產(chǎn)生一信號用于測定由晶片反射的光能。
例如該棱鏡是一反射率為50％的分光器，使一半的光能到達(dá)晶片的表面，一半光能反射并由傳感器352探測到。這樣，由傳感器352探測的能量大約等于入射到晶片上的能量。分光器還向傳感器358反射大約50％的反射能。由于這僅表示一半反射能，因此乘以2就等于反射能。還采用了具有其他反射率的棱鏡。但是，當(dāng)使用其他反射率的棱鏡時，調(diào)整傳感器產(chǎn)生的信號，使其精確地對應(yīng)于入射和反射能。
由于光致抗蝕劑的褪色(bleaching)，在曝光時晶片的反射率發(fā)生變動。圖不同厚度4給出不同內(nèi)偶聯(lián)(incoupling)狀態(tài)下(即置于光致抗蝕劑層下的二氧化硅介質(zhì)層的)上述變動的模擬。如圖所示，晶片的反射率隨曝光時間而提高。為補償這反射率的這種變動，將曝光時的反射強(qiáng)度對時間積分，得到下述方程來確定由光致抗蝕劑層吸收的能量。
這里E吸收＝由光致抗蝕劑層15吸收的能量I入射＝第一光傳感器352測定的入射光強(qiáng)度I反射＝由第二光傳感器358測定的反射光強(qiáng)度T＝曝光開始后的時間推移參照圖5，給出了本發(fā)明的另一實施例。如圖所示，提供了積分器553和559分別對由傳感器352和358產(chǎn)生的信號進(jìn)行積分。這樣，由積分器559產(chǎn)生的信號570表示一段時間的反射能的求積結(jié)果，信號554表示一段時間的入射能的求積結(jié)果。然后，信號554和570輸入控制器210(見圖2)，取得兩信號之差，從而獲得光致抗蝕劑吸收的能量。
參照圖6，詳細(xì)顯示了作為例示的一控制器210。如圖所示，該控制器接收被積分的入射能信號554和反射能信號570。這些信號輸入差分放大器670，產(chǎn)生表示由光致抗蝕劑層15吸收的能量(E吸收)的輸出673。信號673與一閾值電平信號675一起傳給比較器622。在一實施例中，該閾值電平信號大約等于所要求的曝光劑量。當(dāng)信號673的電平大約等于閾值信號的電平時，比較器622產(chǎn)生激活(actire)信號640。激活(actire)信號640表示終點曝光信號，用于終止發(fā)射到曝光區(qū)域的發(fā)射光。在一實施例中，信號640用于控制如光束傳輸光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的快門。當(dāng)信號640激活時，快門關(guān)閉，阻止發(fā)射光到達(dá)晶片。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，每個曝光區(qū)的曝光時間根據(jù)該區(qū)域內(nèi)光致抗蝕劑吸收的能量來定。通過根據(jù)吸收的能量或所要求的曝光劑量對曝光區(qū)定時，大大改進(jìn)了CD控制。
對具有不同厚度的介質(zhì)層吸收的曝光的發(fā)射能量與時間的關(guān)系進(jìn)行模擬。圖7示出了該模擬結(jié)果。選擇表示光致抗蝕層的所需要的曝光量的一任意曝光閾值(mJ/cm2)，可以看到，如果介質(zhì)層厚度加大，則要達(dá)到所需要的曝光量需要的時間延長。這樣，采用所需要的曝光量作為終點控制，當(dāng)被吸收的能量超過閾值能量時，終止各個曝光過程的進(jìn)行。
上面對達(dá)到透明的曝光量與不同的氧化層厚度的關(guān)系進(jìn)行模擬。圖8圖示了模擬結(jié)果。曲線810表示根據(jù)本發(fā)明的終點曝光控制的結(jié)果。曲線820表示不用終點曝光的結(jié)果。如圖所示，當(dāng)終點檢測的變動約≤+/-4％時，終點檢測的劑量變動在大約≥+/-25％。這樣，采用終點曝光檢測的曝光量控制得到很大改善。事實上，這樣的曝光量控制與有機(jī)防反射涂層(ARC)獲得的結(jié)果相當(dāng)或比其要好。
權(quán)利要求
1.一種將掩模圖形轉(zhuǎn)移到光致抗蝕層上的方法，其特征在于，包括從曝光源發(fā)射光照亮包括該掩模圖形的掩模，產(chǎn)生該掩模圖形的圖象；將該圖象投影到光致抗蝕劑層上；檢測由該光致抗蝕劑層吸收的發(fā)射光量；當(dāng)由該光致抗蝕劑層吸收的能量大約等于一閾值時，停止向該光致抗蝕劑發(fā)射光。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的檢測由光致抗蝕劑層吸收的發(fā)射光量包括確定從曝光源入射到光致抗蝕劑層上的發(fā)射光；確定入射的發(fā)射光從該光致抗蝕劑層表面反射的部分；以及取入射光和被反射的入射光部分之差，其中所述的差值大約等于由該光致抗蝕劑層吸收的發(fā)射光量。
全文摘要
一種具有改進(jìn)的臨界尺寸(CD)控制的光刻系統(tǒng)。該光刻系統(tǒng)包括一檢測器,用于確定由光致抗蝕劑吸收的光能量,這使光刻系統(tǒng)以所要求的曝光劑量來曝光每個區(qū)域,從而減少CD內(nèi)的變動。
文檔編號G03F7/20GK1245973SQ9910629
公開日2000年3月1日 申請日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月30日
發(fā)明者A·格拉斯曼 申請人:西門子公司