CN101738845A - 光罩及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光罩及其制作方法，该光罩包含一透光区以及一遮光区，其中该遮光区包含多个光子晶胞，每一个该光子晶胞具有一正六边形的受光面，且多个该光子晶胞的晶格常数与光源的波长的比值为一特定值，从而该光源无法通过由多个该光子晶胞所组成的遮光区。

Description

光罩及其制作方法

技术领域

本发明涉及应用于半导体制程中的曝光***的光罩及其制作方法，特别是涉及光罩图案的遮光区。

背景技术

随着科技的进步，半导体组件的制造技术一日千里，其中微影技术扮演着重要的角色，只要关于图形上的定义(patterning)，均需要使用微影技术，而随着组件尺寸持续缩小，微影技术已成为半导体制程的最大瓶颈，若是无法加以突破，半导体工业的发展将受到阻碍。

根据雷利准则(Rayleigh criterion)，光学***所能够分辨出的最小宽度(相当于分辨率)，与光的波长(λ)成正比而与数值孔径(NA)成反比，因此当使用较短波长的光源或是数值孔径(NA)较大的透镜时，理论上可提高解析能力，以获得较小的线宽，但却必须考虑聚焦深度(Depth ofFocus，DOF)变小的问题及其它因素。目前在微影制程中常用的分辨率增强技术(Resolution Enhancement Technology，RET)，包括离轴照明(Off-Axis Illumination，OAI)，相偏移光罩(Phase Shift Mask，PSM)，以及光学邻近修正术(Optical Proximity Correction，OPC)等等。

当线宽尺寸逼近光波长时，光线穿过光罩后会产生衍射效应(diffraction effect)，这些衍射光迭加的结果会与光罩上的图形相去甚远，曝光后的图形因而严重失真，而OPC技术则将衍射效应考虑进去，以补偿曝光后图形的失真。经过修改光罩上的图形，可以使产生的衍射光在迭加后能得到符合实际要求的图形与线宽。然而此方法会带来一些缺点，例如使光罩的复杂性倍增，进而提高了整个制程的成本。

此外，当来到45纳米或者是更细微的制程发展时，采用超紫外线光(EUV)作为新的光源，虽然不再需要搭配OPC或其它RET技术，但其以钼和硅在玻璃上进行40层涂布的光罩基底成本高昂，以及光罩基底能否达到零缺陷的能力也是一大考验。

发明内容

申请人鉴于现有技术的光微影制程中确实存在亟待克服的难题，于是经悉心试验与研究，并本着锲而不舍的精神，终于构思出本发明-一种光罩以及其设计方法，以克服前述的诸多缺失。

本发明的目的在于提供一种光罩，其包含一透光区以及一遮光区，其中该遮光区包含多个光子晶胞，每一个该光子晶胞具有正六边形的受光面，且多个该光子晶胞的晶格常数与光源的波长的比值为一特定值，从而该光源无法通过该遮光区。

根据上述构想，该特定值被设定在多个该光子晶胞的光子频隙内；此外，该晶格常数为该正六边形的边长。

根据上述的构想，每一个该光子晶胞由一第一电介质以及一第二电介质所构成，该第一电介质与该第二电介质的介电常数不相同；该第一电介质为多个圆柱体，且每一圆柱体具有一圆形受光面，而每一光子晶胞中包含两个圆柱体，且两个该圆柱体的两个该圆形受光面的圆心之间的距离等于该晶格常数。

根据上述的构想，该光源可为一横电场波(TE wave)或一横磁场波(TM wave)，且该特定值可设在0.4088至0.4322之间，或是在0.4886至0.5364之间。此外，该光源还可为一超紫外线光(EUV)。

根据上述的构想，其中该第一电介质为硅或金属，该第二电介质为空气；在实际应用上任何可用来构成光子晶体的介电材料相互搭配后，均可应用于本发明。

本发明的另一目的在于提供一种光罩，该光罩包含：一具有表面的光罩基板，以及一设置在该表面的遮光区。其中该遮光区由多个光子晶胞以六角形的晶格形状排列而成。

根据上述的构想，多个该光子晶胞以正六角晶格排列并形成圆柱***；此外，每一光子晶胞内包含两个圆柱体，且两个该圆柱体的圆心间的距离与该六角形的边长相等。

根据上述的构想，本发明所提供的光罩应用于半导体组件的微影制程，其中该透光区或该遮光区形成待移转至该半导体组件的电路图案。

本发明的又一目的在于提供一种光罩制作方法，该方法包含下列步骤：

提供一光罩基板；

将该光罩基板的表面划分为一透光区以及一遮光区；以及

设置多个光子晶胞在该遮光区，其中每一个该光子晶胞具有六角形的晶格形状。

根据上述的构想，该六角形晶格的边长与光源的波长的比值被设定在多个该光子晶胞的光子频隙内，从而该光源无法通过该遮光区。

综上所述，本发明以光子晶体作为光罩的遮光区，并且利用不同介电材料搭配而成的六角形光子晶胞，以形成无论是TE波或TM波均无法通过的光子晶体遮光区。如此以来，即使组件尺寸持续缩小，也无须再担心衍射效应造成图形失真的问题，进而克服现有技术中因OPC等修正技术所造成的制程复杂与高成本等的缺失。

通过下列的附图及具体实施例的详细说明，能够对本发明得到更深入的了解。

附图说明

图1是本发明的光罩的一实施例的示意图；

图2是图1的光罩的遮光区的部分放大图；

图3是图2的光子晶体的能带结构图；及

图4是本发明的光罩制作方法的实施例流程图。

具体实施方式

请参考图1，其为本发明的光罩的实施例示意图，该光罩1包含透光区2以及遮光区3，其中该遮光区3由多个光子晶胞30所构成，如图1所示，每一个该光子晶胞30具有一正六边形的受光面，且该正六边形的边长即为多个该光子晶胞30所构成的光子晶体的晶格常数(a)，当此光罩1应用于半导体组件的微影制程时，只要将该晶格常数(a)与光源的波长(λ)的比值设定在该光子晶体的光子频隙(photonic band gap)内，该光源即无法通过由多个该光子晶胞30所构成的该遮光区3。

在上述实施例中，该遮光区3配置以形成待移转至组件的电路图案，当然也可作为非电路图案的部分，所述组件通常为半导体组件，例如集成电路(IC)芯片；此外，当在微影制程中使用本发明所提供的光罩1时，这种由六角晶格所构成的光子晶体，可经由不同介电材料的配置与尺寸设计而产生TE波与TM波的共通频隙(common frequency band gap)，因此只要将晶格常数(a)与该光源的波长(λ)的比值设定在该共通频隙内，不需再调整极化方向，无论是TE波或TM波均无法通过该遮光区3。

请参考图2，其为图1的遮光区3的部分放大图，其包含多个六角晶格状的光子晶胞30，每一光子晶胞30包含第一电介质301和第二电介质302，该第一电介质301为多个圆柱体，而第二电介质302围绕第一电介质301以形成受光面为正六边形的每一光子晶胞30。如图2所示，每一光子晶胞30内包含两个由第一电介质301所形成的圆柱体，且每一圆柱体各自具有圆形受光面；在此实施例中，每一光子晶胞30内的两个圆柱体的两个圆形受光面的圆心之间的距离，与该正六边形的边长a相等，且该正六边形的边长a即为由多个光子晶胞30所组成的光子晶体的晶格常数；当该晶格常数a与特定光源的波长λ的比值为一特定值时，该特定光源即无法通过多个该光子晶胞30。

接着说明该特定值的设计方式。设第一电介质的介电常数为ε_a且第二电介质的介电常数为ε_b，圆柱体的圆形受光面的半径为r_a，利用马克斯威尔方程式(Maxwell’s Equations)整理得出电场(E)与磁场(H)的波动方程式，并结合布洛赫定理，以平面波展开法(Plane Wave ExpansionMethod)经计算后便可求得光子晶体的光子频带图(photonic frequencyband diagram)，相关计算式如下：

$\mathrm{\κ}\left(0\right)=\frac{f}{{\mathrm{\ϵ}}_a}+\frac{1-f}{{\mathrm{\ϵ}}_b},\mathrm{forG}=0$

$\mathrm{\κ}\left(\stackrel{\→}{G}\right)=2f(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_a}-\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_b})\frac{J_1\left(G{r}_a\right)}{G{r}_a},\mathrm{forG}\≠0$

$f=\frac{\mathrm{\π}{r}_a^2}{V}=\frac{\mathrm{\π}{r}_a^2}{6\·\frac{a}{2}\·\frac{\sqrt{3}a}{2}}=\frac{2\mathrm{\π}{r}_a^2}{3\sqrt{3}{a}^2}$

其中，G表示倒晶格向量(reciprocallattice vector)，f表示体积分率(volume fraction)，

表示结构因子(structure factor)。

将上列方程式代入下列公式中：

$-\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)}(\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^2}{\∂y^2})E_z\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{E}_z\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)$

$-(\frac{\∂}{\∂x}\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)}\frac{\∂}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂y}\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)}\frac{\∂}{\∂y})H_z\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{c^2}{H}_z\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)$

再利用平面波展开法与的傅立叶转换(Fourier transfer)，得出下列分散关系式：

$\frac{1}{\mathrm{\ϵ}\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)}=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_b}+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_a}-\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_b})s(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}-\stackrel{\→}{u_i})$

$s\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{for}|\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}-\stackrel{\→}{u_i}|\≤r_a\\ 0& \mathrm{for}|\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}-\stackrel{\→}{u_i}|\≥r_a\end{array}\right.$

$\mathrm{\κ}\left(\stackrel{\→}{G_{\mathrm{ll}}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_b}\mathrm{\δ}\left(\stackrel{\→}{G_{\mathrm{ll}}}\right)+F\left\{s\left(\stackrel{\→}{r_{\mathrm{ll}}}\right)\right\}[e^{-j\stackrel{\→}{G_{\mathrm{ll}}}\·\stackrel{\→}{u_1}}+e^{-\stackrel{\→}{j{G}_{\mathrm{ll}}}\·\stackrel{\→}{u_2}}]$

$\mathrm{\κ}\left(\stackrel{\→}{G_{\mathrm{ll}}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_b}\mathrm{\δ}\left(\stackrel{\→}{G_{\mathrm{ll}}}\right)+\frac{2\mathrm{\π}{r}_a^2}{G{r}_a}{J}_1\left(G{r}_a\right)\left[2\cos (\stackrel{\→}{G}\·\stackrel{\→}{u_1})\right]$

其中，w表示频率，c表示光速，k表示波数，E表示电场，H表示磁场。

利用上述原理和公式即可获得光子晶体的能带结构图。

请参考图3，其为本发明的多个光子晶胞30的一实施例所构成的光子晶体的能带结构图，在此实施例中，设定圆形受光面的半径r_a与晶格常数a的比例为r_a/a＝0.2875，ε_a＝13.0，以及ε_b＝1.0，即可利用上述原理和公式得到具有对TE波和TM波的共通频隙区域的能带结构。如图3所示，图中出现了两个空白区间，即a/λ＝0.4088至0.4322之间，以及0.4886至0.5364之间的区域，这表明：当晶格常数a与特定光源的波长λ的比值设定在0.4088至0.4322之间，或是在0.4886至0.5364之间时，TE波和TM波均无法通过由多个光子晶胞30所构成的遮光区3。

在上述实施例中，第一电介质301为硅或金属等具有自然晶格排列的材料，以圆柱体形状周期性地排列在光罩基板表面而形成正六角晶格的光子晶体，而该第二电介质302则为空气。然而在实际应用上，只要是两种具有不同介电常数的材料经过周期性地排列并形成具有光子频隙的六角晶格光子晶体时，便可作为本发明的光罩1的遮光区3。此外，光源在现今的半导体制程中，多为紫外线光束，而本发明的光罩将可应用于使用超紫外线光(EUV，波长约为13.4纳米)的微影制程中。

请参考图4，其为本发明的光罩制作方法的实施例流程图，该方法包含以下步骤：

步骤41、提供一光罩基板，该光罩基板为例如石英玻璃；

步骤42、接着将该光罩基板的表面划分为透光区以及遮光区；

步骤42也就是光罩上的待转移图案(Pattern)的设计，例如将待转移至IC芯片的电路图案设计为光罩上遮光区的部分，

步骤43、接着在该遮光区设置多个光子晶胞，其中每一个该光子晶胞具有六角形的晶格形状，也就是以正六角晶格排列介电材料，以形成圆柱***的光子晶体，并使用此类型的光子晶体作为光罩的遮光区。

在上述实施例中，作为遮光区的光子晶体具有晶格常数，当该晶格常数与光源的波长的比值落在该光子晶体的光子频隙时，该光源即无法通过该遮光区。

因此，本发明的光罩制作方法还可包含下列步骤：

步骤40、计算多个该光子晶胞的能带结构以获得多个该光子晶胞的光子频隙。

步骤40可在步骤41至步骤43的任一步骤之前。预设光子晶体材料与晶格排列方式，经由步骤40获得光子频隙区域后，即可配合微影制程中预定使用的光源波长，计算出适当的晶格常数以在该遮光区排列多个该光子晶胞；但在实际应用上也可先固定光子晶体的晶格常数，再执行步骤40计算能带结构和获得光子频隙区域，并根据该能带结构来设定微影制程中光源的波长。

本发明虽以上述数个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作很多的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以后附的权利要求的保护范围为准。

Claims (20)

1.一种光罩，包含：

一透光区；以及

一遮光区，其包含多个光子晶胞，且每一所述光子晶胞具有一受光面；

其中所述受光面为一正六边形，且多个所述光子晶胞的晶格常数与光源的波长的比值为一特定值，从而所述光源无法通过所述遮光区。

2.根据权利要求1所述的光罩，其中所述特定值被设定在多个所述光子晶胞的光子频隙内。

3.根据权利要求1所述的光罩，其中所述晶格常数为所述正六边形的边长。

4.根据权利要求1所述的光罩，其中每一所述光子晶胞包含：

一第一电介质；以及

一第二电介质，其与所述第一电介质共同形成每一所述光子晶胞。

5.根据权利要求4所述的光罩，其中所述第一电介质为多个圆柱体，且每一圆柱体具有圆形受光面。

6.根据权利要求5所述的光罩，其中每一光子晶胞包含两个圆柱体，且所述两个圆柱体的两个圆形受光面的圆心之间的距离等于所述晶格常数。

7.根据权利要求6所述的光罩，其中所述光源为横电场波或横磁场波。

8.根据权利要求7所述的光罩，其中所述特定值在0.4088至0.4322之间。

9.根据权利要求7所述的光罩，其中所述特定值在0.4886至0.5364之间。

10.根据权利要求4所述的光罩，其中所述第一电介质为硅或金属。

11.根据权利要求10所述的光罩，其中所述第二电介质为空气。

12.根据权利要求1所述的光罩，其中所述光源为超紫外线光。

13.根据权利要求1所述的光罩，其设置成应用于半导体组件的微影制程。

14.根据权利要求13所述的光罩，其中所述透光区或所述遮光区形成待移转至所述半导体组件的电路图案。

15.一种光罩，包含：

一光罩基板，其具有一表面；以及

一遮光区，其设置在所述表面，其中所述遮光区由多个光子晶胞以六角形的晶格形状排列而成。

16.根据权利要求15所述的光罩，其中多个所述光子晶胞以正六角晶格排列并形成圆柱***。

17.根据权利要求16所述的光罩，其中所述每一光子晶胞内包含两个圆柱体。

18.根据权利要求17所述的光罩，其中所述两个圆柱体的圆心间的距离与所述六角形的边长相等。

19.一种光罩制作方法，包含下列步骤：

提供一光罩基板；

将所述光罩基板的表面划分为一透光区以及一遮光区；以及

在所述遮光区设置多个光子晶胞，其中所述每一光子晶胞具有六角形的晶格形状。

20.根据权利要求19所述的光罩制作方法，其中所述六角形的边长与光源的波长的比值被设定在多个所述光子晶胞的光子频隙内，从而所述光源无法通过所述遮光区。

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