专利名称：光刻曝光方法
技术领域：
本发明涉及一种光刻曝光方法，特别涉及一种非线性的光刻曝光方法。
背景技术：
光刻系统的半节距(half-pitch)分辨率(R)可以R=0.25入/NA表示的，入为 曝光波长，NA为数值孔径(numerical aperture)(为最末透镜中最大角度的正弦 值)。传统上，可通过降低波长来增加分辨率，例如光源的使用，已将最常 使用的KrF激光(248nm)改为波长193nrn的ArF激光，且进一步迈向波长 13.5nm的超紫外光源。另电子束亦提供了更小的波长(大约4pm)。然而，若 单一辐射量子的能量大于曝光材料的电离能时，则使用短波长辐射会产生二 次电子。此二次电子可视为外加的曝光剂，会降低光刻工艺分辨率。由于二 次电子的行为，使40nm以下分辨率的再现性变差，特别对化学放大型光刻 胶(chemically amplified resist)来说，二次电子会使图案的边角处明显变粗糙。
具低能量且大量存在的粒子例如电子或原子可提供短波长、非电离辐 射。依de-Broglie方程式，粒子波长(入)可以入=h/mv表示的，h为蒲朗克常 数，m为粒子质量，v为粒子速度。然而，由于粒子为低动能，遂很难建立 指导其运动轨迹的光学系统。此外，若粒子被撞击，运动轨迹将完全无法控 制。对电子而言，撞击和散射会导致过度分散而失去分辨率，对原子来说， 范德瓦尔斯力、热运动、表面扩散或蚀刻会破坏图案，导致分辨率下降，失 去图案的圓滑性。
目前的光学光刻系统多利用ArF准分子激光作为光源及以水作为影像 介质。水浸渍介质(water immersion medium)可使波长从193nm降至134nm。 从结果来说，利用传统增加分辨率的方法，可获得的最高半节距分辨率 (half-pitch resolution)大约为36nm。若以相同光学系统欲达到超越上述光学 定义半节距分辨率的极限值，则通常需在相同机台上对第二层光刻胶进行第 二次曝光步骤。然此将使生产率下降、材料耗费增加，且由于经常性的覆盖 误差(overlay error)，造成产量大幅下降。
大部分的光刻胶不会有白化(bleaching)现象，换句话说，光刻胶的吸光 与照光强度无关，如此一来，可使光刻胶半节距影像分辨率符合光学预测。
若采用特殊的吸光机制，光刻胶分辨率(photoresist resolution)有可能达 到光学分辨率(optical resolution)的两倍以上。机制之一为同时吸收两光子的 双光子吸收(two-photon absorption),其中每一光子的波长为原波长的一半。 此吸收为照光强度的二次函数，可明显增强对比。再者，若配合适当的曝光 策略例如非线性多重曝光(nonlinear multiple exposure, NOLMEX)， 亦可增力口 分辨率。然而，双光子吸收有三项缺点，第一，当无单光子吸收(single-photon absorption)时，双光子吸收才一皮允许，如此有违化学性，第二，由于吸收与 照光强度的平方成正比，遂若降低会影响焦点深度(focus)的照光强度，则表 示形成在光刻胶中影像的焦点深度范围(focus window)会跟着缩小，第三， 双光子吸收导致离子化，仅有降低波长的好处。
并非仅能依赖双光子吸收机制才能达到非线性吸收(nonlinear absorption),其j也例如光白4匕(photobleaching)亦是可选4奪的效应之一。
美国专利US 5,739,898, "Exposure method and apparatus" ， 4皮露一光壽文 感性物质，其有效光强度(effective light intensity)与照光强度呈非线性关系， 换句话说，潜在影像(latent image)与照光强度的非线性函数成正比。通过多 重曝光，可获得较高分辨率的图案。然多重曝光会导致生产率下降、成本增 加及对对准误差(alignment error)有较大敏感度。利用相同曝光机台进行二重 或三重曝光的方法可见于日本专利JP 05,082,407 A2, "Method for forming fine pattern"、美国专利US 6,245,492, "Photoresist system and process for aerial image enhancement"及美国专利US 5,407,785, "Method for generating dense lines on a semiconductor wafer using phase-shifting and multiple exposures"。
同样地，日本专利JP 10,326,746 A2， "Method of Forming Mask Pattern"， 披露使用在光刻胶顶部的光白化膜(photobleaching film),以改善光刻胶形状 并控制光刻胶。然并无使用反白化(anti-bleaching)物质，遂对节距分辨率(pitch resolution)的改善没有帮助。
美国专利US 5,739,898， "Contrast enhanced photolithography", 4皮露i殳 置在影像光刻胶层顶部作为对比增强层(contrast enhancing layer)的光白化层 (photobleaching layer)。然在光刻胶顶部添加对比增强物质，仅会改善对比度， 对分辨率的提升没有帮助。
日本专利JP 62,135,821 A2， "Formation of Pattern",披露可暴露光敏感 性树脂的薄白化膜(bleaching film)。但此方法仅会改善对比度，对增进分辨 率没有帮助。
曰本专利JP 05,158,244 A2， "Pattern Forming Method" ， 4皮露作为影像层 (imaging layer)的反白化负型光凌寸月交(anti-bleaching negative photoresist)。 由于
不会产生白化现象，遂此方法无法提供较高分辨率。
发明内容
本发明提供一种光刻曝光方法，包括提供基板；形成第一光刻胶层于 该基板上；形成第二光刻胶层于该第一光刻胶层上，该第二光刻胶层的透光 度随曝光量增加而先增后减；以及对该第二光刻胶层进行曝光。
为让本发明的上述目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举优选实施 例，并配合附图，作详细iit明如下
图IA-IB为本发明光刻曝光方法。
图2为非线性酚醛树脂光刻胶透光度与曝光量的曲线关系图。
图3为本发明半强度(half-intensity)区域与全强度(fUll-intensity)区域的透
光强度。
图4为本发明半强度区域与全强度区域的曝光累积量。
图5A-5B为本发明利用预图案化表面移除图案的环状末端。
附图标记说明
10 基板； 12 第一光刻胶层(联合的长矩形图案)；
14~第二光刻胶层； 16 曝光；
18 掩模； 20 第一曝光区；
22~第二曝光区； 24~第三曝光区；
26~第 一曝光强度； 28 第二曝光强度；
30 第三曝光强度； 32~对应第二曝光区的第 一光刻胶层；
34 预图案化沟槽。
具体实施例方式
本发明光刻曝光方法揭示于图1A-1B。请参阅图1A,提供基板IO。之 后，形成第一光刻胶层12于基板10上。接着，形成第二光刻胶层14于第 一光刻胶层12上，第二光刻胶层14的透光度会随曝光量增加而先增后减。 之后，通过掩模18，对第二光刻胶层14进行曝光16。接着，对第二光刻胶 层14与第一光刻胶层12进行显影，以如图1B所示。在显影前亦可依需要 进行烘烤步骤。
第一光刻胶层12可为照光后会产生键断裂或交联现象的材料例如 PMMA或ZEP或可与第二光刻胶层14为相同材料。第二光刻胶层14可包 4舌例如重氮萘醌(diazonaphtoquinone, DNQ)的光每文感性4b合物(photosensitive compound)与例如酚醛树脂的树脂。第二光刻胶层14亦可选择性地为化学放 大型光刻胶层(chemically amplified resist layer)。上述光l文感性化合物的重量 百分比大体介于0.5~70%。而第二光刻胶层14的厚度大体介于100 1，000nm。
请参阅图2，为非线性酚醛光刻胶(例如第二光刻胶层14)透光度与曝光
关且遵守众所皆知的Lambert-Beer law。当DNQ分子随UV曝光量增加而断 裂时，光的吸收会随后下降，换句话说，在较大曝光量的区域中，透光度会 增力口。
光刻胶中，除光敏感性化合物会吸收光外，树脂亦会吸光。而在较大曝 光量时，树脂的吸光会变得更具决定性。树脂吸光的可能机制包括发色团 (chromophores)(吸光基团)及交联(cross-linking)结构的形成。经结果来看，树 脂的吸光会随曝光量的增加而增加，换句话说，在较大曝光量的区域中，透 光度会下降。较佳的非线性光刻胶除其他透明物质外，亦可包括光敏感性白 4匕吸j]史剂(photosensitive bleaching absorber)与光每丈感性暗4匕剂(photosensitive darkening agent)。
图1A披露了本发明详细的曝光过程。第二光刻胶层14包括第一曝光区 20、第二曝光区22与第三曝光区24。当曝光16时，第一曝光区20照射第 一曝光强度26，第二曝光区22照射第二曝光强度28，第三曝光区24照射 第三曝光强度30，其中第一曝光强度26为最大，第三曝光强度30为最小， 而第二曝光强度28介于第一与第三曝光强度之间。在特定期间，根据第二 光刻胶层14的特性，第二曝光区22的透光度会大于第一与第三曝光区的透 光度，使得对应第二曝光区22的第一光刻胶层32会接收较第一光刻胶层其他区域更多的曝光累积量。
请参阅图3及4，分别显示半强度区域与全强度区域的透光强度及曝光
累积量。透光影像较佳通过位于非线性透光光刻胶层(第二光刻胶层14)下方 的薄影像光刻胶(第一光刻胶层12)在至门槛阶段(半强度曝光累积量大于全 强度曝光累积量)时所捕获。此位于底部的薄影像光刻胶层对于获得理想分 辨率有极大帮助。
请参阅图1B，由于第二光刻胶层14的第一曝光区20会发生交联，遂 使得第二光刻胶层14在第一曝光区20与第三曝光区24的显影速度低于第 二曝光区22的显影速度。
为在图案转移过程中增强蚀刻阻抗，较佳作法为在底层正常显影的同 时，在显影后仍保留一部分顶层。此结果可通过最大曝光强度区域中使顶层 形成交联结构而达成。
顶层经显影后，位在最小与最大曝光强度区域的顶层会被保留，而位在 中间曝光强度区域(对应最大曝光累积量)的顶层会被完全显影、移除，而留 下底部开口进行进一步加工。选择性来说，第二光刻胶层14的底部亦可当 作第一光刻胶层12来使用。
此外，第 一光刻胶层12覆盖预图案化表面(pre-patterned surface)。请参 阅图5A， 一般来说，要被印出的图案多为长矩形(drawn rectangle)或联合的 长矩形12，然其末端很容易形成环状(loop)态样。因此，须在图案末端的位 置进行浅平台(shallow mesas)或沟槽(trench)34(无特定深度与对准位置)的预 图案化步骤。而此图案地形高度的改变，会造成光刻胶反射与透光度的差异， 致图案末端的曝光累积量产生变化，如此一来，即不会印出末端具有环状态 样的图案，如图5B所示。
本发明的优点在于不增加额外曝光步骤的情况下，可提供超越传统光学 系统(0.25入/NA)限制的图案节距分辨率(pitch resolution)或图案密度。本发明 亦允许持续使用现有的光刻设备进行上述工艺步骤。
本发明即使对90nm或130nm—代来说，亦有成本上的优势，理由在于 掩模上可制作出相对粗糙的影像图案，例如直接制作出0.25pm尺寸的图案 (包括线段或间隙)，然实际技术上却可达到更微细的影像图案，例如制作出 0.125pm的图案尺寸。掩模制作因此被简化而大幅降低成本，使其他昂贵增 进分辨率的方法例如相转移(phase-shifting)已无再使用的必要。本发明亦可提供非光学(non-optical)显影方法所没有的其他基本优点。由 于高曝光量(大约100mJ/cm2)，遂使干扰效应(noise effect)可被忽略，且因使 用非电离辐射(non-ionizing radiation)，无二次电子产生，致图案边角处不易 出现粗糙现象，可保有其圆滑性。
虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，保留 意见技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本 发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1. 一种光刻曝光方法，包括提供基板；形成第一光刻胶层于该基板上；形成第二光刻胶层于该第一光刻胶层上，该第二光刻胶层的透光度随曝光量增加而先增后减；以及对该第二光刻胶层进行曝光。
2. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第一光刻胶层与该第二光 刻胶层的材料相同。
3. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层为化学放大 型光刻胶层。
4. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层包括光敏感 性化合物与树脂。
5. 如权利要求4所述的光刻曝光方法，其中该光敏感性化合物包括重氮萘醌。
6. 如权利要求4所述的光刻曝光方法，其中该树脂包括酚醛树脂。
7. 如权利要求4所述的光刻曝光方法，其中该光敏感性化合物的重量百 分比大体介于0.5 70%。
8. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层的厚度大体 介于100 1,000nm。
9. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层包括具有第 一曝光强度的第一曝光区、具有第二曝光强度的第二曝光区以及具有第三曝 光强度的第三曝光区。
10. 如权利要求9所述的光刻曝光方法，其中该第一曝光强度为最大，该 第三曝光强度为最小，而该第二曝光强度介于该第一与第三曝光强度之间。
11. 如权利要求IO所述的光刻曝光方法，其中在特定曝光期间，该第二 曝光区的透光度大于该第一与第三曝光区的透光度。
12. 如权利要求IO所述的光刻曝光方法，其中对应该第二曝光区的该第 一光刻胶层接收较该第 一光刻胶层其他区域更多的曝光累积量。
13. 如权利要求IO所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层在该第一曝光区呈现交联结构。
14. 如权利要求12所述的光刻曝光方法，其中该第二光刻胶层在该第一 与第三曝光区的显影速度低于该第二曝光区的显影速度。
15. 如权利要求1所述的光刻曝光方法，其中该第一光刻胶层覆盖预图案 化表面。
全文摘要
本发明公开一种光刻曝光方法。该光刻曝光方法包括提供基板；形成第一光刻胶层于该基板上；形成第二光刻胶层于该第一光刻胶层上，该第二光刻胶层的透光度随曝光量增加而先增后减；以及对该第二光刻胶层进行曝光。
文档编号G03F7/20GK101206407SQ200710128668
公开日2008年6月25日 申请日期2007年7月9日 优先权日2006年12月19日
发明者达 陈 申请人:财团法人工业技术研究院