消除微影制程中线末端变短效应的方法及其所使用的罩幕组

摘要

本发明提供一种消除微影制程中线末端变短效应的方法，其步骤为：(1)曝光此感光层于第一罩幕下，其中将感光层所欲形成的图案上的每一条线或开口的末端往外延伸一第一延长部分所形成的图案，即为第一罩幕的图案；(2)曝光此感光层于第二罩幕下，其中第二罩幕的图案包含至少一开口，且当第一、第二罩幕重叠时，第一罩幕上的任一个第一延长部分以及此第一延长部分往外延伸的一第二延长部分刚好与第二罩幕的图案上的一个开口重叠，而第二罩幕的图案上的所有开口刚好只将第一罩幕上的所有第一延长部分以及第二延长部分覆盖住。所述第一延长部分以及第二延长部分的长度大于或等于感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为光学近接效应所缩短的量。

说明书

技术领域

本发明与一种微影制程中的曝光技术有关，特别是一种消除微影制程中线末端变短效应的方法及其所使用的罩幕组。

背景技术

微影(Photolithography)是半导体制程中相当重要的步骤。微影的原理主要是：于半导体晶圆上涂布一感光材料，藉由光线透过罩幕(mask)，以将罩幕上的图案转移到半导体晶圆上。通常欲完成一半导体上的集成电路的制作，需要使用许多罩幕来进行多次的微影步骤，因此制程的难易程度也可以由所使用的罩幕或微影步骤的多寡来决定。

在微影中，最重要的事情就是如何定义罩幕上的图案，以使罩幕上的图案转移到半导体晶圆上时，半导体晶圆上能够呈现出所想要的图案。微影中所使用的曝光机的解析度(FS)与光源波长(W)、光阻材料与制程条件相关常数(K)、曝光机镜片系统的数值孔隙(numerical aperture)值(NA)有关(K＝FS×NA/W)。由于半导体制程的进步，元件积集度(integration)越来越高、线宽已经朝向0.1微米甚至更小的尺寸发展。

然而，当光学微影使用于0.1微米以及更小的线宽的图案转移时，K值不可避免地需要相当低。例如光源波长W为193奈米(nm)、NA值为0.63时，欲达成0.1微米的线宽的图案转移所需的K＝FS×NA/W＝0.33。因此，在如此小的K值下，若欲维持线宽尺度于此想要的尺度，则由于罩幕与晶圆上的感光层距离过近所造成的光学近接(Proximity)效应的影响，图案转移到半导体晶圆时，线的长度将变短，而且K值越小，线的长度缩短的越厉害。

通常解决上述线长缩短效应的方法为：将罩幕图案上的线的末端延长或加宽，以补偿因为图案转移所造成的线长缩短效应，使得转移到晶圆上的影像尽可能地接近于想要的图案。传统的线末端变短补偿方法可参阅美图专利“Lithographic patterning method and mask set therefor withlight field trim mask”(专利案号为US5807649号)、“Lithographicmethod using double exposure techniques，mask position shifting andlight phase shifting with light field trim mask”(专利号为US5308741号)或“Method for reduced pitch lithographic”(专利案号为US5686223号)。

然而上述解决线长缩短效应的技术将遭遇到下列问题：(1)当欲移转的图案中相邻二条线间的空间太小，导致即使将其中一条线的末端延长到相当接近另一条线的末端，或甚至与另一条线的末端相接触，都无法抵销掉线长缩短的效应，因此转移到半导体晶圆上的影像仍然与所想要的图案不一样。(2)由于图案转移对于延长部分的尺寸很敏感，而欲设定一正确的延长部分尺寸是相当困难的，因此很容易导致线长补偿不足或线长补偿过度。(3)为了抵销线长缩短的效应，在布局中必须延长或加宽线的末端，因而加大了晶胞的尺寸。

因此，如何有效解决线长缩短效应，同时避免产生上述的缺失，遂成为业界亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消除微影制程中线末端变短效应的方法及其所使用的罩幕组，以解决传统技术所遭遇的线长补偿不足或过度的问题。

本发明的另一目的在于提供一种消除微影制程中线末端变短效应的方法及其所使用的罩幕组，以解决传统技术所遭遇的晶胞尺寸过大的问题。

本发明提供一种消除微影制程中线末端变短效应的方法，以消除感光层在形成图案时，因曝光时光学效应所造成的感光层的线末端变短效应，此方法至少包括下列步骤：(1)曝光此感光层于一第一罩幕下，其中将此感光层所欲形成的图案上的至少一条线或开口的末端往外延伸一第一延长部分所形成的图案，即为第一罩幕的图案。(2)曝光此感光层于一第二罩幕下，其中第二罩幕的图案包含至少一开口，且当第二罩幕与第一罩幕重叠时，第一罩幕上的任一个第一延长部分以及第一延长部分往外延伸的一第二延长部分刚好被第二罩幕的图案上的一个开口覆盖住。

其中上述的光学效应为光学近接(proximity)效应。而第一罩幕的图案上的任二条线间的距离若小于此感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为曝光所缩短的量的10倍大小，则第二罩幕中用以覆盖此二条线的二个第一延长部分以及第一延长部分往外延伸的第二延长部分的二个开口系连接在一起。

又，上述第二罩幕中的任一开口边缘与第一罩幕的图案上的任一条线的边缘间的距离若小于第一罩幕与第二罩幕间的相对罩幕位置(Placement)与校准误差、晶圆机台(stage)的定位误差、安全限度(safetymargin)等的总和的均方根值(root mean square，rms)的二倍大小，则此开口边缘与此条线的边缘间的距离需大于0，以防止此开口碰到此条线。

此外，上述第一延长部分与第二延长部分的较佳长度为大于或等于此感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为曝光时光学近接效应(proximity)所缩短的量。而上述第二罩幕的图案上的所有开口刚好只将第一罩幕上的所有第一延长部分以及第二延长部分覆盖住。

本发明提供一种在一感光层上形成图案所使用的罩幕组，此罩幕组系用以降低在此感光层上形成图案时，因曝光时光学效应所造成的此感光层的线末端变短效应，此罩幕组至少包括一第一罩幕及一第二罩幕。其中第一罩幕上的图案系为此感光层所欲形成的图案上的每一条线或开口的末端往外延伸一第一延长部分所形成的图案。而第二罩幕的图案包含至少一开口，且当第二罩幕与第一罩幕重叠时，第一罩幕上的任一个第一延长部分以及第一延长部分往外延伸的一第二延长部分刚好被第二罩幕的图案上的一个开口覆盖住。

其中上述的光学效应为光学近接(Proximity)效应。而第一罩幕的图案上的任二条线间的距离若小于此感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为曝光所缩短的量的10倍(较佳值为3倍)大小，则第二罩幕中用以覆盖此二条线的二个第一延长部分以及第一延长部分往外延伸的第二延长部分的二个开口系连接在一起。

其中上述第二罩幕中的任一开口边缘与第一罩幕的图案上的任一条线的边缘间的距离若小于第一罩幕与第二罩幕间的相对罩幕位置(placement)与校准误差、晶圆机台(stage)的定位误差、安全限度(safetymargin)等的总和的均方根值(root mean square，rms)的二倍大小，则此开口边缘与此条线的边缘间的距离需大于0(较佳值则为大于第一罩幕与第二罩幕间的相对罩幕位置与校准误差、晶圆机台的定位误差、安全限度等的总和的均方根值。)，以防止此开口碰到此条线。

其中上述第一延长部分的长度大于或等于此感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为曝光时光学近接效应(proximity)所缩短的量。而第二延长部分的长度大于或等于此感光层上的欲形成图案上的线或开口的末端因为曝光时光学近接效应(Proximity)所缩短的量。又，上述第二罩幕的图案上的所有开口刚好只将第一罩幕上的所有第一延长部分以及第二延长部分覆盖住。此外，上述感光层的材料为正(positive)感光材料。

附图说明

图1A～图1C为根据本发明第一较佳实施例，消除微影制程中共线图案(colinear pattern)的线末端变短效应的示意图；

图1D为根据本发明第一较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图；

图2A～图2C为根据本发明第二较佳实施例，消除微影制程中线末端偏移(offset line ends)图案的线末端变短效应的示意图；

图2D为根据本发明第二较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图；

图3A～图3C为根据本发明第三较佳实施例，消除微影制程中“T”图案(“T”Pattern)的线末端变短效应的示意图；

图3D为根据本发明第三较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图；

图4A～图4C为根据本发明第四较佳实施例，消除微影制程中“L”图案(“L”pattern)的线末端变短效应的示意图；

图4D为根据本发明第四较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图；

图5A～图5C为根据本发明第五较佳实施例，消除微影制程中“H”图案(“H”pattern)的线末端变短效应的示意图；

图5D为根据本发明第五较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图；

图6A～图6C为根据本发明第六较佳实施例，消除微影制程中“L”开口图案(“L”opening pattern)的线末端变短效应的示意图；

图6D为根据本发明第六较佳实施例所使用的罩幕的设计示意图。

具体实施方式

在微影中，最重要的事情就是如何定义罩幕上的图案，以使罩幕上的图案转移到半导体晶圆上时，半导体晶圆上能够呈现出所想要的图案。若晶圆上的感光材料系正(positive)感光材料，当光线透过以玻璃材料为主体的罩幕，而对此正感光材料进行曝光后，若将此正感光材料显影即可得到与上述罩幕上的图案相同的图案。当然，若感光材料为负(negative)感光材料，则此负感光材料经过曝光、显影后，所得到的图案与罩幕上的图案刚好呈互补。

然而若微影中所欲转移的图案的线宽尺寸很小(例如0.1微米或以下)，则由于光学近接(Proximity)效应的影响，图案转移到半导体晶圆时，线的长度将变短。因此为了解决此问题，本发明将传统用于微影制程中的原始罩幕(若晶圆上的感光材料系正感光材料，则原始罩幕上的图案系与半导体晶圆上所想要呈现的图案完全相同；若晶圆上的感光材料系负感光材料，则原始罩幕上的图案系与半导体晶圆上所想要呈现的图案刚好呈互补)以二个罩幕来取代之。若晶圆上的感光材料系正感光材料，则其中一个罩幕类似原始罩幕，其与原始罩幕不同的地方只在于线末端延长或甚至连接到其它线末端上。而另一罩幕在原始罩幕的线末端区域上有许多开口，以精确地切除此线末端于想要的区域。以下将以正感光材料为例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理。

今举第一实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图1A至图1D)：如图1C所示，若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像30为共线图案(colinearpattern)(亦即二条线的线末端系直接正对着)的六条线，则如果罩幕精确地作成象最终影像30那般，那么晶圆上所印出的影像在此六条线的所有十二个线末端处将发生线末端变短效应，其中线末端的变短的量不完全相同，其系与邻近环境有关。

故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)10与一第二罩幕(在此称之为r末端补偿罩幕」)20来解决此线末端变短效应的问题。其中第一罩幕10作成：内部线末端连接在一起，外部线末端纵长地延伸出去。至于第二罩幕20有用以修正线末端的开口，其可以切除此六条线的十二个线末端的过长部分。当光线透过此第一罩幕10、第二罩幕20，对晶圆上的正感光材料层进行曝光时，此晶圆上的正感光材料层将产生一潜在影像(latent image)，此潜在影像若经过显影，就会得到晶圆上所想要呈现的最终影像30。

事实上，上述最终影像是罩幕的绕射(diffract)影像。由于正、负影像梯度(gradient)于线以及开口的垂直交叉处的重叠效应，线末端具有角度介于90～180度间的楔形(wedge)形状，其与第一罩幕10的线边缘以及第二罩幕20的切割开口边缘的对数斜率大小有关。此外，第一罩幕10通常设计成与原始罩幕(原始罩幕上的图案与最终影像30完全相同)很类似，而第二罩幕20则为一线末端切割罩幕。当然，于微影制程中，第一罩幕10与第二罩幕20的顺序可以互换。

图1D则显示出图1A～图1B中第一罩幕10与第二罩幕20的详细设计，其中参考罩幕40内的斜线区域代表第一罩幕10的图案，而虚线区域代表第二罩幕20的图案中的切割开口。令罩幕布局中，一条线的末端的缩减量最大为D(通常此线末端减少量D与邻近环境有关)，因此为了抵销线末端变短效应，第一罩幕10中的每一条线的内部末端需要纵长地延伸出去直到与另一条线的内部末端连接在一起，而每一条线的外部末端需要以H的延长量向外延伸出去，其中H的较佳值为大于或等于D(在图1D中，H＝D。)。

而第二罩幕20中用以修正线末端的切割开口，由于光学效应的影响，也会产生最大缩减量为D的开口缩减效应，故此第二罩幕20中的切割开口除了需要覆盖住第一罩幕10中的线的延长部分外，尚需覆盖住延长部分向外再延伸出去的部分，至于此延长部分向外再延伸出去的部分的延长量分别为T与L，其中T、L的较佳值为大于或等于D(在图1D中，T＝1.2D，L＝D。)。此外，当第一罩幕10中的相邻二条线的间隔E若小于10D(较佳值为E＜3D)，则第二罩幕20用以修正此二条线的末端的切割开口需连接在一起。

今举第二实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图2A至图2D)：如图2C所示，若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像70的图案为线末端偏移(offset line ends)(亦即二条线的线末端并没有直接正对，而系以一偏移角度相对着)的六条线，则如果罩幕精确地作成像最终影像70那般，那么晶圆上所印出的影像在此六条线的所有十二个线末端处将发生线末端变短效应。

故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)50与一第二罩幕(在此称之为「末端补偿罩幕」)60来解决此线末端变短效应的问题。

图2D则显示出图2A～图2B中第一罩幕50与第二罩幕60的详细设计，其中参考罩幕80内的斜线区域代表第一罩幕50的图案，而虚线区域代表第二罩幕60的图案中的切割开口。其中第一罩幕50与第二罩幕60的详细设计与第一实施例完全相同。

今举第三实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图3A至图3D)：若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像110为如图3C所示的“T”图案(“T”pattern)，则如果罩幕精确地作成象最终影像110那般，那么晶圆上所印出的影像在所有线的末端处将发生线末端变短效应。故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)90与一第二罩幕(在此称之为「末端补偿罩幕」)100来解决此线末端变短效应的问题。

图3D则显示出图3A～图3B中第一罩幕90与第二罩幕100的详细设计，其中参考罩幕120内的斜线区域代表第一罩幕90的图案，而虚线区域代表第二罩幕100的图案中的切割开口。其中第一罩幕90与第二罩幕100的设计原理与第一实施例大致相同，唯一不同处在于：此实施例中的切割图案有一切割开口边缘邻近于第一罩幕90中的一线边缘，因此第二罩幕100的切割开口于此处的边缘需与此第一罩幕90的线边缘相隔一间距G，其中0＜G＜2r(较佳值为r＜G＜2r)，而r为第一罩幕90与第二罩幕100间的相对罩幕位置(placement)与校准误差、晶圆机台(stage)的定位误差、安全限度(safety margin)等的总和的均方根值(root mean square，rms)。而上述间距G的作用在于防止切割图案碰到上述第一罩幕9 0的线边缘。

今举第四实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图4A至图4D)：若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像150为如图4C所示的“L”图案(“L”pattern)，则如果罩幕精确地作成象最终影像150那般，那么晶圆上所印出的影像在所有线的末端处将发生线末端变短效应。故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)130与一第二罩幕(在此称之为「末端补偿罩幕」)140来解决此线末端变短效应的问题。

图4D则显示出图4A～图4B中第一罩幕130与第二罩幕140的详细设计，其中参考罩幕160内的斜线区域代表第一罩幕130的图案，而虚线区域代表第二罩幕140的图案中的切割开口。其中第一罩幕130与第二罩幕140的设计原理与第三实施例大致相同，唯一不同处在于：此实施例中的切割图案有二个切割开口边缘(水平切割边缘与垂直切割边缘)分别邻近于第一罩幕130中的二个线(水平线与垂直线)边缘，因此第二罩幕140的切割开口于此二处的边缘需分别与此第一罩幕130的二个线边缘相隔一间距G，其中0＜G＜2r(较佳值为r＜G＜2r)。而上述间距G的作用在于防止切割图案碰到上述第一罩幕130的线边缘。

今举第五实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图5A至图5D)：若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像190为如图5C所示的“H”图案(“H”pattern)，则如果罩幕精确地作成象最终影像190那般，那么晶圆上所印出的影像在所有线的末端处将发生线末端变短效应。故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)170与一第二罩幕(在此称之为「末端补偿罩幕」)来解决此线末端变短效应的问题。

图5D则显示出图5A～图5B中第一罩幕170与第二罩幕180的详细设计，其中参考罩幕200内的斜线区域代表第一罩幕170的图案，而虚线区域代表第二罩幕180的图案中的切割开口。其中第一罩幕170与第二罩幕180的设计原理与第一实施例大致相同，唯一不同处在于：此实施例中的某一切割图案的长度可能不足以维持延长量T，故只好在第二罩幕180的切割开口于此处的边缘与邻近的第一罩幕170的线边缘间保持一间距G，(其中0＜G＜2r，而较佳值为r＜G＜2r)，以避免上述切割开口边缘碰到上述第一罩幕170的线边缘。

今举第六实施例，详述本发明所提出的消除微影制程中线末端变短效应的基本原理如下(请参阅图6A至图6D)：若经过罩幕图案转移后，半导体晶圆上所想要呈现的最终影像230为如图6C所示的“L”开口图案(“L”opening pattern)，则如果罩幕精确地作成象最终影像230那般，那么晶圆上所印出的影像在所有开口的末端处将发生开口末端变短效应。故在此实施例中，利用一第一罩幕(在此称之为「末端处理罩幕」)210与一第二罩幕(在此称之为「末端补偿罩幕」)220来解决此开口末端变短效应的问题。

图6D则显示出图6A～图6B中第一罩幕210与第二罩幕220的详细设计，其中参考罩幕240内的实线开口区域代表第一罩幕210的图案中的开口，而虚线开口区域代表第二罩幕220的图案中的切割开口。而第一罩幕210与第二罩幕220的设计原理与第一实施例大致相同，唯一不同处在于：令罩幕布局中，第一罩幕210中的开口的末端的缩减量最大为I，而第二罩幕220中的切割开口的末端的缩减量最大为J，因此为了抵销上述开口末端变短效应，此实施例中的第一罩幕210的每一开口的末端需要以延长量T纵长地延伸出去，其中T的较佳值为大于或等于I。

而第二罩幕220中用以修正第一罩幕210的开口末端的切割开口除了需要覆盖住第一罩幕210中的开口的延长部分外，尚需覆盖住延长部分向外再延伸出去的部分，至于此延长部分向外再延伸出去的部分的延长量为F，其中F的较佳值为大于或等于J。

值得一提的是，只要光线透过此第一罩幕210、第二罩幕220，对晶圆上的正感光材料层进行曝光后，此晶圆上的正感光材料层所产生的潜在影像(latent image)的开口边缘与晶圆上所想要呈现的最终影像230的开口边缘保持一间距G，(其中0＜G＜2r，而较佳值为r＜G＜2r。)，则第二罩幕220的切割开口边缘是可以允许碰到最终影像230的开口边缘的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应视为本发明的保护范畴。本发明的专利保护范围更当视权利要求书而定。