CN1504831A

CN1504831A - 光刻装置，器件制造方法，及由此制成的器件

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Publication number: CN1504831A
Application number: CNA200310119736A
Authority: CN
Inventors: M・A・范德科霍夫; M·A·范德科霍夫; 德博伊; W·P·德博伊; 赫梅里克; M·M·赫梅里克
Original assignee: ASML Netherlands BV
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: US20040114120A1; KR100586910B1; CN100520580C; US6906787B2; TW200422784A; JP2004186691A; JP3986495B2; KR20040048859A; SG120965A1; TWI261149B; EP1426824A1

Abstract

一种光刻投影装置包括：辐射系统，用来提供一次辐射的投影束；用于支撑作图装置的支撑结构，该作图装置用来按照所需图形对投影束作图；用于夹持衬底的衬底台；投影系统，用来将作图的束投射至衬底的目标部分上；辐射感测器，它可以在投影束经过的路径上移动，用来接收来自投影束的一次辐射，该感测器包括：一种辐射敏感材料，它将入射的一次辐射转变为二次辐射；能感测从该材料发出的二次辐射的感测装置；及一种滤波材料，它防止二次辐射在背离辐射感测装置的方向传播。

Description

光刻装置，器件制造方法，及由此制成的器件

技术领域

本发明涉及一种光刻投影装置，它包括：

-辐射系统，用来提供辐射投影束；

-支撑结构，用来支撑作图装置，作图装置用于对投影束按照所需的图案作图；

-衬底台，用于夹持衬底；

-投影系统，用来将作图的束投射到衬底的目标部分上。

背景技术

这里所用的“作图装置”一词应从广义上理解为能用来使入射辐射束的截面具有一定图形(它与将要在衬底目标部分产生的图形相应)的装置；在这个意义上也可以使用“光阀”这个词。一般而言，这个图形将与要在目标部分产生的器件(如集成电路或其它器件，见下)中的一个特定功能层相对应。这类作图装置的例子包括：

掩模。在光刻中掩模的概念大家都很清楚，它包括二进制型，交替相移型，和衰减相移型，以及各种混合掩模等类型。把掩模置于辐射束内将使照到掩模上的辐射依照掩模的图形有选择性地透射(对于透射掩模)或反射(对于反射掩模)。对于掩模的情形，支撑结构通常是一个掩模台，它保证掩模处于入射辐射束的一个所需位置，且在需要时可相对于束移动；

可编程镜阵列。这类器件的一个例子是可寻址矩阵表面，它具有一个粘弹性层和一个反射表面。这种装置的基本原理是，反射表面的已寻址区将入射光反射为衍射光，而未寻址区将入射光反射为非衍射光。采用一个适当的滤波器，可把非衍射光从反射束中滤掉而只留下衍射光；于是束就按照可寻址矩阵表面的寻址图形作图。可编程镜阵列的另一种实施例是利用许多按矩阵排列的小镜，通过外加一个局部电场，或采用压电驱动装置，可以让每个小镜单独地对轴倾斜。这些镜子也是可矩阵寻址的，使得已寻址的镜子将入射辐射束按与未寻址的镜子不同的方向反射；于是反射束按照可矩阵寻址镜的寻址图案作图。所需的矩阵寻址可用适当的电路装置来实现。在上述两种情况下，作图装置可包含一个或数个可编程镜阵列。关于这些提到的镜阵列的更详细情况可参考美国专利5,296,891和5,523,193及PCT专利申请WO 98/38597和WO 98/33096，这些都被引用到这里作为参考。在可编程镜阵列的情况下，支撑结构可以是一个框架或台等，其根据需要可作成固定的或活动的；以及

可编程LCD阵列。这种结构的一个例子可见美国专利5,229,872，我们把它引用于此作为参考。和前面一样，这种情况下支撑结构可以是一个框架或台等，且根据需要可作成固定或活动的。

为简单起见，本文以下的某些地方是专门针对包含掩模和掩模台的那些例子；不过，在这些例子中所讨论的一般原理应从上面提到的作图装置更广泛的意义上去认识。

光刻投影装置可用来制造集成电路(IC)等。在这种情况下，作图装置可产生一个相应于IC单层的电路图形，且此图形可成象于涂有辐射敏感材料(抗蚀剂)层的衬底(硅晶片)的目标部分(例如，包含一个或几个管芯)上。通常一个晶片将包含整个相邻目标部分的网状结构，目标部分被投影系统依次辐射，每次辐射一部分。在采用掩模台上的掩模进行作图的现有装置中，可以区分为两种类型的机器。在一种类型的光刻投影装置中，通过将整个掩模图形一次性在目标部分上曝光而辐射每个目标部分；这种装置通常称为晶片步进机或步进-重复装置。在另一种通称为步进-扫描机的装置中，是通过投影束在一给定参考方向(“扫描”方向)逐步扫描掩模图形来辐射每个目标部分，而衬底台在平行或反平行于此方向同步扫描；因为通常投影系统有一个放大倍数M(一般M＜1)，衬底台扫描的速度V将是掩模台扫描速度的M倍。有关这些提及的光刻装置的更详细资料可参看美国专利6,046,792等，我们把它引用到这里作为参考。

在采用光刻投影装置的制造过程中，一个图形(例如在掩模内的图形)被成象到衬底上，衬底至少有一部分被一层辐射敏感材料(抗蚀剂)所覆盖。在这个成象步骤之前，衬底可能要经过各种处理，如打底层，抗蚀剂涂覆和适度烘烤等。在曝光之后，衬底可能还要经过其它的处理，如曝光后烘烤(PEB)，显影，强烈烘烤，以及成象特征的测量/检查。这一系列的处理用作在器件(如IC)一个单层上作图的基础。此作图的层后来可能还要经过各种处理，如刻蚀、离子注入(掺杂)，金属化、氧化、化学-机械抛光等等，这一切都是为了完成一个单层的加工。如果需要几层，则这整个过程或其变形将必须对每一个新层重复进行。最后，将在衬底(晶片)上出现一系列的器件。接着利用切割或锯割等方法将这些器件彼此分开，各单独器件可以安装在一个与管脚相连的底座等的上面。有关这些处理的进一步信息可参阅Peter Van Zant所著“Microchip Fabrication：A Practical Guideto Semiconductor Processing”，第三版，McGraw Hill出版公司，1997，ISBN 0-07-067250-4，我们这里引用它作参考。

为简便起见，下面可能把投影系统叫做“透镜”；但应从广义上把它理解为包含各种类型的投影系统，包括折射光学装置、反射光学装置和反射系统等。辐射系统也可包括用来定向，成形或控制辐射投影束按上述任何一种结构类型工作的元件，且这些元件在下面也可以集合地或者单个地称作一个“透镜”。此外，光刻装置可以是具有两个或多个衬底台(和/或两个或多个掩模台)的类型。在这类“多级”装置中，附加的台可以并行使用，或者在一个或几个台子进行预备的步骤，而一个或几个其它的台子用来曝光。双级光刻装置在US5,969,441和WO 98/40791等中有所描述，两者都被引用于此作参考。

以半导体为基础的光探测器或光探测器阵列一般在可见光和红外光谱区是灵敏的。为使发光电二极管对紫外区(UV)(包括深紫外区(DUV，典型范围在250-190nm)，和真空紫外区(VUV，典型范围在195-120nm))的电磁辐射更灵敏，可以给它们涂上一个转换层，它能吸收DUV/VUV辐射并将它转变为波长更长的辐射(以后称为“二次辐射”)。这个二次辐射的波长一般在红外和可见光及紫外谱内，即波长一般在400nm至1μm。下面把将要被转变的辐射叫做“一次辐射”。

这些转换涂层一般为1-50μm厚，因而加上后不会使下面的光电二极管阵列(典型的象素尺寸为5-50μm)的分辨率受损失。典型的转换涂层可选自Gd₂O₂S:Tb(也叫P43)，Y₂SiO₅:Ce，Tb(P47)，和Zn₂SiO₄:Mn(P1)。也可用CaS:Ce、YAG:Ce和ZnS:Ag，Al作为转换涂层材料。这些涂层对入射的可见或红外辐射几乎完全没有影响，因而不会使相机对可见和红外波长的辐射的灵敏度下降。二次辐射多多少少是各向同性的，故约有50％的二次辐射是朝后发射的，因而达不到光敏表面上。这使得光探测器的收得率受到很大的损失，因为只有一半的入射辐射能被探测到。另外，沿背离光敏光表面方向发射的二次辐射可能在图象感测器上某个距离处反射，再回到图象感测器，并落到错误的象素(不是DUV光被吸收的那个象素)上。

特别是当这个光探测器阵列作为包含它的探测器模块的探测部分，与处于该阵列前面的具有空间变化的透射或相位分布的光学元件联合使用时，这个附加的光学元件将很容易发生这种虚假的反射。

这种效应将会造成空间分辨率损失并在图象感测器上产生“不想要的”幻影图象。另外，由于对可见和红外辐射的灵敏度较高，在这些波长范围内的杂散光将产生很大的不想要的背景。在一个扫描仪中，其它以利用在这些波长的辐射的光学方法为基础的测量系统，将在不同的诊断系统间产生交叉干扰。

发明内容

本发明的一个目的是改进具有转换层的现有光探测器的探测特性，以提高收得率(yield)并抑制幻影图象的出现。

这个及其它的目的将按本发明在如本文开始一节所述的一种光刻装置中得以实现，其特征在于，该装置所包含的辐射感测器在投影束经过的路径中是可移动的，以从投影束中接收一次辐射，此感测器包括：

一种对辐射敏感的材料，它将入射的一次辐射转变为二次辐射；

感测装置，它能感测从该辐射敏感材料发出的二次辐射；以及

一种滤波材料，它能基本上阻止二次辐射在背离此感测装置的方向传播。

这种滤波材料将可减少到达光电二极管的可见和红外杂散光的光子数目，从而产生一个有效遮蔽目光的(solar blind)感测器。因此该顶层能增强图象感测器的谱线光谱选择性。

滤波材料可以让一次辐射透过。在一个实施例中，滤波材料吸收二次辐射。但最好是滤波材料对二次辐射是反射的。将这种具有优良光学特性的附加滤波材料层加到转换层的顶上将有选择性地从转换层反射长波长的二次发射，而让一次DUV/VUV光子透过。经过反射后，不仅可防止杂散光和幻象的形成，而且使光转换层发射的二次辐射反射回感测装置的方向。这将使感测器信号增加了原来从光敏表面发射的二次光子的反射部分，从而减少收得率的损失。它还将减少向后发射并在某个点反射的二次辐射的作用。

在按本发明的光刻装置的一个优选实施例中，在背离感测装置的方向上，辐射敏感材料是加在滤波材料之前。因此，向着辐射感测器传播的辐射首先被滤波材料过滤，然后在辐射敏感层内转变，再被辐射感测装置感测。这样，只感测到一次辐射，而杂散光和反射回辐射感测装置的二次光则被阻挡或被反射离开辐射感测装置。

在另一个优选实施例中，该滤波材料包含一个半透射金属层。我们发现，该金属原子最好选自铝或铜。

还有一种优选实施例中，一次辐射的波长为120至150nm。最好让滤波材料的厚度小于一次辐射的波长。滤波层的厚度最好为0.3-30nm。

本发明还与一种器件制造方法有关，该方法包括以下步骤：

-提供一个衬底，它至少部分地被一层辐射敏感材料所覆盖；

-采用辐射系统提供一个辐射投影束；

-采用作图装置使该投影束的截面内具有一定图形；

-作图的辐射束投射到辐射敏感材料层的目标部分上；

-利用可在投影束经过的路径上移动的辐射感测器接收来自投影束的一次辐射，该感测器包括：

一种辐射敏感材料，它将入射的一次辐射转变为二次辐射；

感测装置，它能感测从辐射敏感材料发出的二次辐射；和

一种滤波材料，它防止二次辐射在背离辐射感测装置的方向传播。

虽然在本文中具体涉及本发明的装置在IC制造方面的应用，但很显然，此类装置还可以有许多别的用途。例如，它可用来制造集成光学系统，磁畴存储器的导向和探测图案、液晶显示板、薄膜磁头等等。本专业技术人员知道，对于这些其它应用，本文中用到的术语“划线板”、“晶片”或“管芯”应看成分别被更通用的术语“掩模”、“衬底”和“目标部分”所代替。

在本文中，术语“辐射”和“束”包含所有类型的电磁辐射，包括紫外(UV)辐射(如波长为365、248、193、157或126nm)，极紫外(EUV)辐射(如波长在5-20nm)，以及粒子束，如离子束或电子束。

附图说明

现在将参照各附图举例说明本发明的实施例，附图中相应的标号表示相应的零件，附图中：

图1表示按本发明一种实施例的光刻投影装置；

图2为按照现有的一个辐射感测器示意图；

图3为按照本发明的一个实施例的辐射感测器示意图；

图4为按照本发明另一个实施例的辐射感测器示意图。

具体实施方式

实施例1

图1为按本发明一个特定实施例的光刻投影装置示意图。此装置包括：

-一个辐射系统Ex，IL，用来提供辐射投影束PB(例如在深紫外区的光)。在此特定情况下，辐射系统还包含一个辐射源LA；

-一个带掩模夹持器的物件台(掩模台)MT，掩模夹持器用于夹持掩模MA(例如划线板)，并与第一定位装置PM相连，以使掩模相对于投影系统PL精确定位；

-一个第二物件台(衬底台)WT，其设有一个夹持衬底W(例如涂覆抗蚀剂的硅晶片)的衬底夹持器，并与第二定位装置PW相连，以使衬底相对于PL精确定位；和

-一个投影系统(“透镜”)PL，用来使受到辐射的一部分掩模MA成象于衬底W的目标部分C(例如，包含一个或几个管芯)上。

如图所示，此装置为反射型(即具有反射掩模)。但一般来说它也可以是透射型(带透射掩模)。另外，此装置可采用另一种类型的作图装置，例如上面提到的那类可编程镜阵列。

源LA(例如准分子激光源)产生一个辐射束。此束直接地或者经过一个束发射器Ex之类的调节机构被送到照明系统(照明器)IL。照明器IL可以有调节装置AM，用来设定束中强度分布的外和/或内半径范围(分别通称6-外和6-内)。此外，它一般还包含各种其它元件，如积分器IN和聚光镜CO。这样一来，打到掩模MA上的束PB在其截面内将有所希望的均匀度和强度分布。

关于图1应指出，源LA可以处在光刻投影装置内(当源LA是水银灯等时往往是这种情况)，但也可以远离光刻投影装置，这时它所产生的辐射束被引导到该装置内(例如借助于适当的定向镜)；当源LA为准分子激光时就往往是后一种情况。本发明和权利要求书包含这两种情况。

随束PB与夹持在掩模台MT上的掩模MA相交。穿过掩模MA后，束PB通过透镜PL，并被它聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位装置PW(以及干涉测量装置IF)，衬底台WT可以精确地移动，以便将不同的目标部分C置于束PB的路径上。同样，在用机械将掩模MA从掩模库取回后或在扫描过程中，可以借助第一定位装置PM使掩模MA相对于束PB精确定位。通常物件台MT，WT的移动可借助于长行程组件(粗定位)和短行程组件(精定位)来实现，但在图1中没有明确表示出来。不过，在晶片步进机(与步进-扫描装置不一样)的情况下，掩模台MT只能与短行程执行机构相连，或者被固定死。掩模MA和衬底W可利用掩模对准标记M₁，M₂及衬底对准标记P₁，P₂来对准。

图示装置可用于两种不同的模式：

1.在步进模式下，掩模台MT基本保持固定，且整个掩模象一次性地(即单次“闪光”)投射到目标部分C上。然后让衬底台WT在X和/或Y方向移动，使不同的目标部分C被束PB辐射；

2.在扫描模式下，情况基本上相同，只不过指定的目标部分C不是在单次“闪光”中曝光。相反，掩模台MT可在一个指定方向(所谓的“扫描方向”，如Y方向)以速度V移动，使投影束PB在掩模象上扫描。与此同时，衬底台WT在相同或相反的方向同时以速度V＝Mv移动，此处M为透镜PL的放大倍数(一般M＝1/4或1/5)。以这种方式可以曝光比较大的目标部分C而不损失分辨率。

为了能确定在衬底水平面上的强度和剂量等，可以把一个辐射感测器放在衬底周围方便的位置。图2是这样一个辐射感测器2的实施例。图中辐射感测器包含一个光敏元件3的象素阵列。这些光敏元件一般是在衬底4上的普通半导体，它通常在可见光和(近)红外区具有光敏特性。为能感测较短波长的辐射，例如在DUV或YUV区或者甚至极紫外(典型为13.5nm)直至X射线区(1nm及以下)的电磁辐射，可加上一个光转换层5，它通常可从CaS:Ce，YAG:Ce和ZnS:Ag，Al等中选择。此光转换层5的典型厚度为1-50nm，因而加上以后不会使下面的光电二极管阵列(典型的象素尺寸为5-50μm)的分辨率受损失。

在普通的辐射感测器中，由于量子转换过程，闪烁层5大致各向同性地发射二次辐射(如图中细线8所示)，故有大约50％从辐射源7来的入射辐射能(粗线6)将从光敏元件离开。如图所示，这种二次辐射8可被该装置的一个反射部分9反射回来，从而形成幻影图象，因为在邻近的象素10上又产生了辐射束。这种反射部分9可能是感测器组件的一个部分(如栅(grating))，但也可以是一个普通的反射侧壁或者是该装置其它部件的反射侧壁。特别当探测器是用来进行对准或剂量测量时，该探测器在光探测器阵列前面一般都有一个具有空间变化的透射率或相位分布的光学元件。这类额外的光学元件9很容易产生此类虚假反射。

由于闪烁层5一般对于二次辐射8的波长范围内的电磁辐射是透射的，从那个波长的光源11发出的光(例如监视光或其它形式的环境光源)产生通常不希望有的背景光水平。背景光源可包括监视光或其它形式的环境光源。图中以光源11示意地表示这些光源，而背景光示意地表示为入射到区域12。

图3示意地表示在光转换层5上淀积了一层滤波材料13。这种滤波材料13防止二次辐射8在背离光敏层3的方向传播。因此，入射一次辐射6的能量被滤波材料13“捕获”在光闪烁层5内。在图3所示的实施例中，滤波材料13对二次辐射8为反射性的，其优点是不仅避免了二次辐射8传回到该装置内，而且增加了光的收得率，因为光被反射回光转换层5并指向光敏层3。滤波材料最好是厚度为0.5-30nm的薄金属层。

这样一个薄层13提供强烈依赖于入射光波长的光学特性，即该层对一次辐射的透射率高，而对二次辐射的透射率低。一般这个二次辐射将被部分反射和部分吸收。

此薄层的这种二色性是由光学材料的内在特性和所加层的特定厚度之间的特殊相互关系而产生的。这类多层金属结构的一般光学性能在下面的参考书中已有描述：Max Born & Emile Wolf，Principle ofOptics，第6版，Pergamon出版社，Oxford，1993，ISBN 0-08-026482-42。根据这个理论，夹在其它两个介质(顶面上的气体或液体介质或固体钝化层，和底面上的转换层)之间的次波长(“薄”，＜100nm)金属层的透射特性是随入射光的波长变化的。

我们的应用与次波长层(0.5-30nm)有关。特别是一个厚度选得合适的层能使透射率水平与吸收加反射水平之间达到有控制的平衡。正确选择材料和层厚得到的效果与厚度大于100nm的厚层性能根本不同。这么厚的层将吸收或反射全部光且不让相关波长透过，因而使这些“厚”层不适合于探测器的波长筛选应用。

除了适当的层厚以外，正确选择材料是实现最佳光学性能的关键。根据薄层的不同原子和分子结构，入射光将以一种材料的独特方式与该层产生相互作用。此相互作用与入射辐射的波长密切相关。通过选择适当的材料，透射率与波长的关系可以做到与上述探测器筛选应用相匹配。

如图3的示意图所示，二次源11的杂散光现在与光敏层3隔断，因而被感测器2感测到的背景辐射大大降低。此外，反射元件9的存在不会影响辐射感测器2的光灵敏度，因而不再出现幻影图象。

图4为本发明的辐射感测器的第二个实施例。在此实施例中，感测器被钝化层14所保护。此层14用来保护顶面涂层并使它稳定。其材料可从氧化物或氟化物材料组选择(如SiO₂，MgF₂，CaF₂)，这组材料在DUV波长范围的透射率很高。这种材料的主要作用是防止薄金属涂层的氧化和化学分解。

图5a和5b是在不同的层厚值下，铝被250-190nm DUV区的(一次)辐射(图5a)和可见光范围的(二次)辐射(图5b)辐射后的典型光学响应。从图可知，最佳的层厚在0.5-30nm，更精确些是4-10nm，更具体说是5-6nm的层厚。在这些优选区域，DUV光的相对透射率高，而二次辐射的透射率较低。

DUV透射率下降很显然是发生在厚度较小的时候，因为这时二次辐射的透射率减小。正是这种与厚度的依赖关系支持了与波长有关(双色性)的透射特性。

图6给出两种有关的金属层在一个波长范围内测得的光学响应。从图可以推断(在图6a中对铬，图6b对铝)，在光化波长区(150-248nm)辐射的透射率较高，而可见光区(400nm直至1μm)透射率较低。由此可知，这些铝或铬的薄金属层在相关的一次和二次波长内显示出光化特性，这使得它们适合于做本发明的辐射感测器的滤波层。

虽然上面描述的是本发明的一些特定实施例，但应明白本发明可以按与如上所述不同的方式实施。上面的描述不是对本发明的限制。

Claims

1.一种光刻投影装置，包括

-辐射系统，用来提供一次辐射的投影束；

-支撑结构，用来支撑作图装置，该作图装置用来按所需图形对投影束作图；

-衬底台，用来夹持衬底；

-投影系统，用来将作图的束投射到衬底的目标部分上，

-辐射感测器，它可在投影束经过的路径上移动，以接收来自投影束的一次辐射，该辐射感测器包括：

一种辐射敏感材料，它将入射的一次辐射转变为二次辐射；

能感测从辐射敏感材料发出的二次辐射的辐射感测装置；

一种滤波材料，它能基本上阻止二次辐射在背离辐射感测装置方向传播。

2.如权利要求1所述的光刻投影装置，其中滤波材料对一次辐射是透射的。

3.如权利要求1或2所述的光刻投影装置，其中滤波材料对二次辐射是反射的。

4.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中在背离辐射感测装置方向上，在滤波材料之前先加上辐射敏感材料。

5.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中滤波材料由半透射金属层组成。

6.如权利要求5所述的光刻投影装置，其中金属原子选自铝或铬。

7.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中一次辐射的波长为150-250nm。

8.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中滤波材料的厚度小于一次辐射的波长。

9.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中滤波层的厚度为0.5-30nm。

10.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中辐射敏感材料的层厚为1-50μm。

11.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中辐射敏感材料选自Gd₂OS:Tb，Y₂SiO₅:Ce，Y₂SiO₅:Tb，Zn₂SiO₄:Mn，CaS:Ce，YAG:Ce，ZnS:Ag和ZnS:Al。

12.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中辐射感测装置包括光电二极管阵列，该光电二极管的象素尺寸为5-50μm。

13.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中滤波层上涂覆钝化层，此钝化层包括SiO₂和/或MgF₂和/或CaF₂。

14.如上述权利要求中任一项所述的光刻投影装置，其中辐射感测器包含一光学元件，它具有空间变化的透射或相位分布。

15.一种器件制造方法，包括以下步骤：

-提供一衬底，它至少部分地被一层辐射敏感材料所覆盖；

-利用辐射系统提供辐射投影束；

-利用作图装置使投影束的截面具有一定图形；

-作图的辐射束被投射到辐射敏感材料层的目标部分上；

一种辐射敏感材料，它将入射一次辐射转换为二次辐射；

能感测从所述材料发出的二次辐射的感测装置；

一种滤波材料，用于防止二次辐射在背离感测装置的方向传播。

16.一种按权利要求15的方法制成的器件。