CN105045035A

CN105045035A - 护膜结构及其制造方法

Info

Publication number: CN105045035A
Application number: CN201510187484.XA
Authority: CN
Inventors: 林云跃; 陈嘉仁; 李信昌; 严涛南
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2015-11-11
Also published as: US20150309404A1; DE102014119636B4; KR20150123145A; CN114859653A; KR20170040155A; TWI570522B; US9360749B2; TW201541199A; KR101863497B1; DE102014119636A1

Abstract

本发明提供了一种护膜结构、护膜掩模结构和护膜结构的形成方法。护膜结构包括由碳基材料制成的护膜薄膜。此外，护膜薄膜被配置为在光刻工艺中保护掩模结构。护膜掩模结构包括在掩模衬底上方形成有掩模图案的掩模衬底和设置在掩模衬底上的护膜框架。护膜掩模结构还包括设置在护膜框架上的护膜薄膜。

Description

护膜结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及护膜结构及其制造方法。

背景技术

半导体器件应用于各种电子应用，诸如个人计算机、移动电话、数码相机、和其他电子设备。通常通过以下工艺来制造半导体器件：在半导体衬底上方顺序沉积绝缘层或者介电层、导电层和半导体材料层并采用光刻技术图案化各种材料层，以在其上形成电路部件和元件。

提升半导体器件性能的一种重要驱动力是更高等级的电路集成度。这通过在给定芯片上小型化或缩小器件尺寸来实现。为了将更精细的图案转印到晶圆上，开发了远紫外线(EUV)光刻技术。EUV光刻技术被认为是用于制造更薄更快的微芯片的下一代技术。

然而，尽管现有的EUV光刻技术通常能够满足预期目标，但是随着器件尺寸持续减小，现有的EUV光刻技术并不能在所有方面都完全满足要求。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种护膜结构，包括：护膜薄膜，由碳基材料制成，其中，所述护膜薄膜被配置为在光刻工艺中保护掩模结构。

在该护膜结构中，所述碳基材料是石墨烯。

在该护膜结构中，所述护膜薄膜是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。

在该护膜结构中，所述护膜薄膜的厚度在约1nm至约100μm的范围内。

该护膜结构进一步包括：护膜框架，附接至所述护膜薄膜。

在该护膜结构中，所述护膜薄膜具有***区域和中心区域，并且所述护膜框架与所述护膜薄膜的所述***区域直接接触。

在该护膜结构中，所述护膜薄膜具有***区域和中心区域，并且没有支撑结构设置在所述护膜薄膜的所述中心区域。

根据本发明的另一方面，提供了一种护膜掩模结构，包括：掩模衬底，具有形成在所述掩模衬底上方的掩模图案；护膜框架，设置在所述掩模衬底上；以及护膜薄膜，设置在所述护膜框架上，其中，所述护膜薄膜由碳基材料制成。

在该护膜掩模结构中，所述护膜薄膜是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。

在该护膜掩模结构中，所述护膜框架配置为将所述护膜薄膜固定至所述掩模衬底。

在该护膜掩模结构中，所述护膜薄膜的厚度在约1nm至约100μm的范围内。

在该护膜掩模结构中，所述护膜薄膜的长度在约6英寸至约10英寸的范围内。

根据本发明的又一方面，提供了一种护膜结构的形成方法，包括：在衬底上方形成金属层；在所述金属层上方形成由碳基材料制成的护膜薄膜；在所述护膜薄膜上方形成聚合物层；从所述护膜薄膜去除所述金属层和所述衬底；将护膜框架附接到所述护膜薄膜；以及去除所述聚合物层。

在该护膜结构的形成方法中，所述碳基材料是石墨烯。

在该护膜结构的形成方法中，所述护膜薄膜是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。

在该护膜结构的形成方法中，所述金属层由铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、锌(Zn)、钽(Ta)、铟(In)、锰(Mn)、铬(Cr)、钛(Ti)、铂(Pt)、镁(Mg)、铝(Al)、锆(Zr)、铱(Ir)、钨(W)、镧(La)、铌(Nb)、钴(Co)、钼(Mo)、银(Ag)、金(Au)或者相关合金制成。

在该护膜结构的形成方法中，所述聚合物层由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺、环氧树脂、苯并环丁烯(BCB)或聚苯并恶唑(PBO)制成。

在该护膜结构的形成方法中，所述护膜框架通过静电力附接至所述护膜薄膜。

在该护膜结构的形成方法中，将所述护膜框架附接到所述护膜薄膜的步骤，包括：将所述护膜框架暴露于X射线中，使得在所述护膜框架的顶面处感应电荷；以及将所述护膜框架的顶面附接到所述护膜薄膜。

在该护膜结构的形成方法中，所述护膜框架被配置为将所述护膜薄膜固定至掩模结构。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有按比例绘制，并且只是用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，可以任意增加或减小各种部件的尺寸。

图1A到图1F是根据一些实施例形成护膜结构的各个步骤的截面图；

图2是根据一些实施例的护膜掩模结构的截面图；

图3示出了根据一些实施例的远紫外线(EUV)光刻工艺。

具体实施方式

为了实现本发明的不同特征，以下公开的内容提供了多个不同的实施例或实例。以下将描述组件和布置的特定实施例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括以直接接触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，还可以包括在第一部件和第二部件之间形成附加部件，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简化和清晰的目的，并且其本身不表示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在...下面”、“下面的”、“在…上方”、“上面的”等的空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除附图中所示的方位之外，空间关系术语旨在包括使用或操作过程中的器件的不同的方位。装置可以以其他方式定位(旋转90度或者在其他方向)，并且在本文中所使用的空间相对描述符可同样地作相应地解释。

根据本发明的一些实施例，提供了形成护膜结构(pelliclestructure)的实施例。护膜结构由碳基材料制成，并用于在光刻工艺中保护掩模结构(maskstructure)。图1A到图1F是根据一些实施例的形成护膜结构100的各个阶段的截面图。

参见图1A，根据一些实施例，提供了衬底102。衬底102可以是石英衬底或者超光滑衬底。衬底102需足够平坦，使得在后续工艺中形成在衬底102上方的护膜薄膜可以是平坦的。

根据一些实施例，金属层104形成在衬底102上方。金属层104可被视为牺牲层，以在后续工艺中改进护膜薄膜的形成。在一些实施例中，金属层104由铜(Cu)、镍(Ni)、铁(Fe)、锌(Zn)、钽(Ta)、铟(In)、锰(Mn)、铬(Cr)、钛(Ti)、铂(Pt)、镁(Mg)、铝(Al)、锆(Zr)、铱(Ir)、钨(W)、镧(La)、铌(Nb)、钴(Co)、钼(Mo)、银(Ag)、金(Au)、或者相关合金制成。可通过溅射、印刷、电镀、化学镀、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)、物理汽相沉积(PVD)、和/或通常使用的CVD方法来形成金属层104。

接下来，根据一些实施例，如图1A所示，护膜薄膜(pelliclefilm)106形成在金属层104上方。在一些实施例中，护膜薄膜106由诸如石墨烯的碳基材料。石墨烯是包含以sp²杂化键的形式(sp²-bonded)密集地堆叠的碳原子的二维碳结构。石墨烯具有高透明性、良好的机械强度、和优良的导热率。因此，由石墨烯制成的护膜薄膜106足够薄，同时仍具有足够高的机械强度。

在一些实施例中，护膜薄膜106是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。可通过化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)、原子层沉积(ALD)、高密度等离子体CVD(HDPCVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、或者诸如熔炉沉积(furnacedeposition)的热处理来形成护膜薄膜106。

然后，根据一些实施例，如图1C所示，聚合物层108形成在护膜薄膜106上方。在一些实施例中，聚合物层108由诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚酰亚胺、环氧树脂、苯并环丁烯(BCB)、或者聚苯并恶唑(PBO)的材料制成。在一些实施例中，聚合物层108由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚苯乙烯(PS)制成，使得聚合物层108可以容易被去除，而没有在后续工艺中损坏护膜薄膜106。可以通过CVD、PVD、或者其他适用技术形成聚合物层108。

根据一些实施例，如图1D所示，在形成聚合物层108之后，从护膜薄膜106去除衬底102和金属层104。在一些实施例中，通过SPM(硫酸和双氧水的混合物)工艺去除衬底102和金属层104。在一些实施例中，通过使用包含H₂SO₄、H₂O₂、Fe(NO₃)₃和氯化铁(FeCl₃)的混合物来去除衬底102和金属层104。

接下来，根据一些实施例，如图1E所示，将护膜框架110附接至护膜薄膜106。在一些实施例中，护膜框架110配置为将护膜薄膜106固定到掩模结构上。护膜框架110可包含由具有足够机械强度的材料制成的一片或多个部分，以固定护膜薄膜106。在一些实施例中，护膜框架110由铝或者铝合金制成。

在一些实施例中，护膜框架110通过静电力附接至护膜薄膜106。在一些实施例中，护膜框架110(和/或护膜薄膜106)暴露至在X射线中，使得在护膜框架110的顶面上感应电荷，并且随后将护膜框架110的顶面附接至护膜薄膜106。由于护膜薄膜106由碳基材料制成，所以护膜薄膜106可以通过静电力附接至护膜框架110，从而防止护膜结构100被污染。然而，应该注意，其他方法也可以附加地或可选地用于附接护膜框架110。例如，可通过使用粘合剂(如胶水)将护膜框架110附接至护膜薄膜106。

根据一些实施例，如图1F所示，在护膜框架110附接至护膜薄膜106之后，从护膜薄膜106上去除聚合物层108。在一些实施例中，通过湿式处理(诸如使用丙酮)去除聚合物层108。在去除聚合物层108之后，护膜结构100可置于掩模结构上并且在光刻工艺中被使用。

如图1F所示，根据一些实施例，护膜结构100包括护膜薄膜106和护膜框架110。此外，护膜薄膜106包含***区域P和中心区域C，并且护膜框架110与护膜薄膜106的***区域P直接接触。此外，由于护膜薄膜106由具有足够机械强度的碳基材料制成，所以尤其在护膜薄膜106的中心区域C处需要支撑结构。因此，避免了由形成在护膜薄膜之中或之上的支撑结构引起的光学阴影效应(opticalshadoweffect)。

在一些实施例中，护膜薄膜106的厚度H₁的范围是约1nm至约100μm，优选地，约0.01μm至约100μm。当护膜薄膜106的厚度H₁太大时，护膜薄膜106的吸收率会增加。当护膜薄膜106的厚度H₁太小时，护膜薄膜106可能会破裂。

在一些实施例中，护膜薄膜106为矩形形状。在一些实施例中，护膜薄膜106的长度L₁在约6英寸至约10英寸的范围内。由于护膜薄膜106由诸如石墨烯的碳基材料制成，所以护膜薄膜106可以具有相对较大的尺寸和高机械强度。

图2是根据一些实施例的护膜掩模结构200截面图。护膜掩模结构200可应用于制造半导体结构(诸如半导体晶圆)的工艺中。护膜掩模结构200包括图1F所示的护膜结构100和掩模结构，并且护膜薄膜106可通过护膜框架110固定到掩模结构。

更具体地，根据一些实施例，护膜掩模结构200包含其上形成有掩模图案203的掩模衬底201，设置在掩模衬底201上的护膜框架110，以及设置在护膜框架110上的护膜薄膜106。

在一些实施例中，掩模衬底201是诸如相对无缺陷的熔融石英(SiO₂)、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氟化钙、或者其他适用材料的透明衬底。根据在光刻图案化工艺期间要在半导体衬底上形成的集成电路部件，设计形成在掩模衬底201上的掩模图案203。掩模图案203通过沉积材料层和图案化该材料层来形成，以具有辐射束可以穿过其而不会被吸收的一个或多个开口和因而全部或者部分地阻挡辐射束的一个或多个吸收区域。

掩模图案203可包括金属、金属合金、金属硅化物、金属氮化物、金属氧化物、金属氮氧化物或其他适用材料。用于形成掩模图案203的示例性材料可包括(但不限于)：Cr、Mo_xSi_y、Ta_xSi_y、Mo、Nb_xO_y、Ti、Ta、Cr_xN_y、Mo_xO_y、Mo_xN_y、Cr_xO_y、Ti_xN_y、Zr_xN_y、Ti_xO_y、Ta_xN_y、Ta_xO_y、Si_xO_y、Nb_xN_y、Si_xN_y、Zr_xN_y、Al_xO_yN_z、Ta_xB_yO_z、Ta_xB_yN_z、Ag_xO_y、Ag_xN_y等。没有限定化合物的x/y/z的比率。比率可以是0至1。

根据一些实施例，如图2所示，由碳基材料制成的护膜薄膜106，通过护膜框架110固定到掩模衬底201。护膜薄膜106保护掩模结构防止落下的颗粒，并将颗粒保持在焦点之外，使得该颗粒不能生成图像，该颗粒的图像在光刻工艺中会引起缺陷。在一些实施例中，护膜框架110包含用以通风的一个或多个通风孔(未示出)。在一些实施例中，掩模衬底201、护膜薄膜106和护膜框架110形成一个封闭的掩模空间205，该掩模空间填充有诸如Ar和He的单原子气体。

图2所示的护膜掩模结构200应用于光刻图案化工艺中。更具体地，提供衬底(如半导体晶圆)，以在其上形成集成电路图案。可进一步地用诸如光刻胶层的辐射敏感材料层来涂覆半导体晶圆。掩模护膜结构200可用于图案化半导体晶圆。通过要在半导体晶圆上成像的集成电路图案来限定形成在掩模衬底201上的掩模图案203。在一些实施例中，光刻工艺包括软烘、掩模对准、曝光、曝光后烘焙、显影光刻胶和硬烘。

根据一些实施例，图3示出了远紫外线(EUV)光刻工艺300。根据一些实施例，EUV光刻工艺300采用EUV辐射源302、照射装置304、掩模结构306、投射光学箱(POB)308、和目标310。

EUV辐射源302的波长在约1nm至约100nm的范围内。照射装置304可包含折射光学器件(如单个透镜或者具有多个透镜(波带板)的透镜***)，或者反射光学器件(如单个反射镜或者具有多个反射镜的反射镜***)，以将辐射源302的辐射线(例如，光)导向掩模结构306。通常，反射光学器件应用在EUV光刻工艺中。

掩模结构306可以是图2所示的护膜掩模结构200，或者是图1F所示的包含护膜薄膜106的掩模结构。掩模结构306可以是诸如护膜掩模结构200的反射掩模。掩模结构306可结合其他分辨率增强的技术，诸如衰减型相移掩模(AttPSM)和亚分辨率辅助图形。在目标310上不会印刷亚分辨率辅助图案。然而，它们帮助增加主图案的曝光宽容度(EL)或者焦深(DOF)。

投射光学箱308可具有折射光学器件和反射光学器件。从掩模结构306反射的辐射线通过投射光学箱308进行收集并被引导以曝光目标310。

目标310可包含固定于衬底工作台的半导体衬底。衬底工作台可包含电机、滚动导轨、和载物台。衬底工作台可通过真空固定半导体衬底，并在EUV光刻工艺300期间的对准、聚焦、调平和曝光操作中提供半导体衬底的精准的位置和移动，使得掩模结构306上的图像转印到半导体衬底上。

光刻胶层形成在半导体衬底上，以通过掩模结构306上的图案进行曝光。光刻胶层可以是正性光刻胶或者负性光刻胶。半导体衬底可包含在半导体集成电路制造中采用的多种类型衬底的一种，并且集成电路可形成在半导体衬底中和/或上。在一些实施例中，半导体衬底是半导体晶圆。半导体衬底可以是硅衬底。可选地或另外地，半导体衬底可包括元素半导体材料、化合物半导体材料、和/或合金半导体材料。元素半导体材料可包括(但不限于)：单晶硅、多晶硅、非晶硅、锗、和/或金刚石。化合物半导体材料可包括(但不限于)：碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、和/或锑化铟。合金半导体材料可包括(但不限于)：SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、和/或GaInAsP。

此外，半导体衬底可进一步包含诸如浅沟槽隔离(STI)元件或者局部氧化硅(LOCOS)元件的多种隔离元件。隔离元件隔离形成在衬底中和/或上的各种微电子元件。

更近一步地，半导体衬底可进一步包含覆盖集成电路的互连结构。互连结构可包括覆盖集成电路的层间介电层和金属化结构。金属化结构中的层间介电层可包括低k介电材料、无掺杂硅酸盐玻璃(USG)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或者其他常用材料。金属化结构中的金属线由铜、铜合金或者其他适用导电材料制成。

应该注意，尽管护膜106被描述为用于半导体制造工艺中，但是护膜106也可用于其他光刻工艺中，并且本发明的范围不旨在限制。例如，护膜106可用于图案化诸如玻璃衬底的其他衬底，以用于形成薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)。

用于形成护膜薄膜的材料需具有良好的光学、热学和机械性能，使得护膜薄膜具有高透射率、高热导率和高机械强度。聚合物或者基于凝胶的材料通常具有高光吸收率，因此不适合形成护膜薄膜。

通常，硅基材料因具有高透射率而用于形成护膜。然而，由硅基材料制成的护膜薄膜的机械强度相对较弱，因此很难将硅基护膜薄膜转印到掩模结构。此外，当硅基护膜薄膜具有相对较大的尺寸(如大于6英寸)时，需在硅基护膜薄膜上形成支撑结构(如六边形结构)以防止薄膜破裂。然而，形成支撑结构通常包括复杂的光刻蚀刻工艺，并且由于蚀刻工艺，硅基护膜薄膜可能会产生应力。此外，由于在光刻工艺期间的光学阴影效应，支撑结构会导致误图案化(mis-patterning)。

另一方面，前述护膜薄膜106由诸如具有高透射率的石墨烯的碳基材料制成。此外，由碳基材料制成的护膜薄膜106还具有高机械强度和良好的导热率。由于护膜薄膜106具有更高的机械强度(诸如相比于硅基护膜薄膜)，因此更易于将护膜薄膜106转印到掩模结构而没有损坏护膜薄膜106。此外，不需要在护膜薄膜106中或上形成支撑结构。因此，避免了光刻工艺中的光学阴影效应，并且在护膜薄膜106形成过程中不再需要在护膜薄膜产生应力的复杂光刻工艺。

此外，由于护膜薄膜106具有高导热率，光刻工艺期间辐射产生的热量可快速消散。因此，降低了辐射高能量损坏护膜薄膜106的风险。

此外，碳基材料可通过软印刷方法形成。因此，无需采用复杂工艺就可形成大尺寸的护膜薄膜106。而且，护膜框架110可通过静电力附接至护膜薄膜106。因此，护膜框架110与护膜薄膜106的附接无需粘合剂，进而可以避免护膜掩模结构200被粘合剂或辐射损坏(如，老化)的粘合剂污染的风险。

提供了形成护膜结构的实施例。护膜结构包括护膜薄膜，且护膜薄膜由碳基材料制成。由碳基材料制成的护膜薄膜具有高透射率。此外，由碳基材料制成的护膜薄膜具有相对高的机械强度。因此，无需在护膜薄膜中或上形成支撑结构，并且避免了光刻工艺期间由支撑结构导致的光学阴影效应。

在一些实施例中，提供了护膜结构。护膜结构包括由碳基材料制成的护膜薄膜。此外，护膜薄膜配置为在光刻工艺中保护掩模结构。

在一些实施例中，提供了护膜掩模结构。护膜掩模结构包括具有掩模图案的掩模衬底，掩模图案形成在掩模衬底上。护膜掩模结构进一步包括设置在掩模衬底上的护膜框架。护膜掩模结构进一步包括设置在护膜框架上的护膜薄膜。此外，护膜薄膜由碳基材料制成。

在一些实施例中，提供了一种护膜结构的形成方法。形成护膜结构的方法包括在衬底上方形成金属层和在金属层上方形成由碳基材料制成的护膜薄膜。形成护膜结构的方法进一步包括在护膜薄膜上方形成聚合物层和从护膜薄膜上去除金属层和衬底。形成护膜结构的方法进一步包括将护膜框架附接到护膜薄膜并去除聚合物层。

上面论述了多个实施例的部件，使得本领域普通技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，可以很容易地使用本发明作为基础来设计或修改其他用于执行与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的处理和结构。本领域普通技术人员还应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims

1.一种护膜结构，包括：

护膜薄膜，由碳基材料制成，其中，所述护膜薄膜被配置为在光刻工艺中保护掩模结构。

2.根据权利要求1所述的护膜结构，其中，所述碳基材料是石墨烯。

3.根据权利要求1所述的护膜结构，其中，所述护膜薄膜是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。

4.根据权利要求1所述的护膜结构，所述护膜薄膜的厚度在约1nm至约100μm的范围内。

5.根据权利要求1所述的护膜结构，进一步包括：

护膜框架，附接至所述护膜薄膜。

6.根据权利要求5所述的护膜结构，其中，所述护膜薄膜具有***区域和中心区域，并且所述护膜框架与所述护膜薄膜的所述***区域直接接触。

7.根据权利要求5所述的护膜结构，其中，所述护膜薄膜具有***区域和中心区域，并且没有支撑结构设置在所述护膜薄膜的所述中心区域。

8.一种护膜掩模结构，包括：

掩模衬底，具有形成在所述掩模衬底上方的掩模图案；

护膜框架，设置在所述掩模衬底上；以及

护膜薄膜，设置在所述护膜框架上，其中，所述护膜薄膜由碳基材料制成。

9.根据权利要求8所述的护膜掩模结构，其中，所述护膜薄膜是单层石墨烯、双层石墨烯、或者多层石墨烯。

10.一种护膜结构的形成方法，包括：

在衬底上方形成金属层；

在所述金属层上方形成由碳基材料制成的护膜薄膜；

在所述护膜薄膜上方形成聚合物层；

从所述护膜薄膜去除所述金属层和所述衬底；

将护膜框架附接到所述护膜薄膜；以及

去除所述聚合物层。