专利名称：使用单一掩模形成图案的方法
技术领域：
本发明涉及一种光刻技术，且更特别地，涉及一种使用单一掩模形成图案的方法，该单一掩模可轻易地形成线与间隔(space)图案。
技术背景为了根据产生高集成与密集的半导体装置的趋势形成更细微的图案，用 于实现高分辨率的光刻技术已被研究与发展。曝光设备的分辨率(R)由如下 述的方程式1定义，其中kl为工艺常数，人为一曝光波长，及NA为曝光 设备中透镜孑L径的数值(number of lens aperture)。方程式1眉如方程式1中所示，曝光设备中透镜孔径NA的数值必须增加且曝光波 长入必须减少以得到高分辨率。事实上，在曝光设备中所使用的曝光波长通 过从I-射线(365nm)到KrF准分子激光(248nm)，到ArF准分子激光(193nm), 到F2(157nm)等逐渐转移而缩短。同时，单元晶体管(cell transistors)也随着半导体存储器装置例如动态随 机存取存储器(DRAM)装置变得更高度集成而缩减。在缩减单元晶体管的尺 寸时，也减少栅极电极的沟道长度，降低更新特性，因而恶化此装置。在防 止装置特性恶化的许多方法中，会提到通过在基板上形成用于凹进式沟道 (recessed channel)的沟槽而延长沟道长度的方法。图1A与IB为说明在依照现有技术制造凹进式栅极(recessed gate)的工 艺中所使用的光掩^^莫的示意图。参照图1A与1B，依照现有技术的凹进式栅极在蚀刻基板的工艺使用用 于凹进式沟道的掩模IO，以在基板上形成用于凹进式沟道的沟槽。接着，使 用用于栅极电极的掩才莫20以在基板上形成栅极电极。在此，图1A与1B中的光阻挡区a与c、及光透射区b与d均没有描述。因此，在依据现有技术形成凹进式栅极的工艺中需要二个掩模。由于该 工艺在依据现有技术形成凹进式栅极的工艺中通过分别使用用于凹进式沟 道的掩模10和用于栅极电极的掩模20来执行，因此会增加掩模与总制造工 艺的生产成本。发明内容因此，本发明鉴于上述问题而产生，并提供一种使用单一光掩模形成图 案的方法，在转录光掩模图案至晶片的工艺中，通过控制曝光设备的焦距， 使用此单一光掩模可形成二个图案。根据一个方面，本发明提供一种使用单一掩模形成图案的方法，包括 定义将形成在晶片上的图案布局；设置具有任意图案的光掩模，并通过控制 曝光设备的焦距至聚焦位置来执行曝光工艺而在晶片上形成与所述光掩模 具有相同形状的图案；及使用该相同光掩模，通过控制曝光设备的焦距至散 焦位置执行曝光工艺，从而在晶片上相对于该图案形成具有反转图像的反图 案。本发明的方法还可包括在曝光设备的晶片阶台上设置所述晶片；及在 形成与所述光掩模具有相同形状的所述图案之前，测量曝光期间发生所述图 案的图像反转的聚焦范围，同时改变所述曝光设备的聚焦位置以控制所述曝 光设备的焦距。在曝光工艺中，优选地使用具有光进入的至少二个孔的修正照射系统， 及该修正照射系统的孔对应所述图案的取向。 优选地该焦3巨不超过0.7 iu m。根据另一方面，本发明提供一种使用单一掩模形成图案的方法，包括 在半导体基板上设置光掩模，其中设置线和间隔形状图案，设置焦距至正确 位置从而转录与所述光掩模具有相同形状的图案至所述半导体基板，然后执 行曝光工艺；及设置所述掩模的焦距至散焦位置，其中该散焦位置从该正确 位置偏离，从而转录相对于所述光掩模具有反转图像的图案至所述半导体基 板，并然后执行曝光工艺。本发明的方法还可包括在曝光设备的晶片阶台上设置所述半导体基 板；及在设置所述焦距至所述正确位置之后且在^l行所述曝光工艺之前，测
量曝光期间发生图案的图像反转的聚焦范围，同时改变所述曝光设备的焦距 来控制所述曝光设备的焦距。在曝光工艺中，优选地使用具有光进入的至少二个孔的修正照射系统， 及该修正照射系统的孔对应于所述图案的取向。优选地该焦3巨不超过0.7 jii m。根据又一方面，本发明提供一种使用单一掩模形成图案的方法，包括 在半导体基板上设置光掩模并控制焦距至聚焦位置以转录与所述光掩模具 有相同形状的图案至所述半导体基板；在该聚焦位置执行曝光工艺以形成光 致抗蚀剂图案，该光致抗蚀剂图案界定一区域，在该区域用于凹进式沟道的 沟槽形成于半导体基板上；使用该光致抗蚀剂图案作为掩模，在所述半导体 基板上形成用于凹进式沟道的沟槽；在该半导体基板上沉积半导体层及光致 抗蚀剂物质；在该半导体基板上方设置所述相同的光掩模并控制焦距至散焦 位置，从而转录相对于该光掩模具有反转图像的图案至该半导体基板；在该 散焦位置上执行曝光工艺从而形成界定栅极电极的反转的光致抗蚀剂图案； 及使用该反转的光致抗蚀剂图案作为掩模蚀刻该半导体层从而形成栅极电 极。本发明的方法还可包括在曝光设备的晶片阶台上设置所述半导体基 板；及在所述半导体基板上形成该光致抗蚀剂图案之前，测量曝光期间发生 所述图案的图像反转的聚焦范围，同时改变该曝光设备的聚焦位置来控制该 曝光设备的焦距。在曝光工艺中，优选地使用具有光进入的至少二个孔的修正照射系统， 该修正照射系统的孔对应于所述图案的取向。 优选;也该焦3巨不超过0.7 in m。
本发明的上述与其它观点、特征与其它优点将从下列结合附图的详细说 明中更清楚了解，附图中图1A与1B为说明依照现有技术在制造凹进式栅极的工艺中使用的光 掩模的示意图；图2为说明依照本发明使用单一掩模形成图案时所使用的曝光设备的示 意图； 图3为说明依照本发明使用单一掩模使图案反转的原理的示意图； 图4A与4B是说明正常图案与反图案的示意图；图5A与5B为说明依照本发明通过散焦焦距形成的图案形状的示意图； 图6为说明依照本发明的实施例使用单一光掩模形成栅极电极的方法的 流程图；及图7A到7D为说明依照本发明形成栅极电极的方法的示意图。
具体实施方式
下述，本发明的优选实施例参照附图详细说明。然而，本发明可以各种 形式实现，并不局限于下述的实施例。已放大厚度来清楚说明图式中多个层 与区域。在整个说明书中相同附图标记指代相似的部件。下述，本发明的优选实施例将参照附图详细说明。图2为说明依照本发明使用单一掩模形成图案时所使用的曝光设备的示 意图。参照图2，依照本发明使用单一掩模形成图案所使用的曝光设备包括 用以控制光取向(orientation)的孑L(aperture)100及用于将通过孔100的光聚集 至光掩模104上的聚焦透镜(condenser lens)102。此曝光设备也包括物镜 106，用于通过将透过光掩模(photo mask)104的衍射光输入而形成图像；及 用以设置晶片的阶台(stage)108，透过物镜106而形成图像的具有光掩模104 的图案信息的光在晶片处被转录(transcribed)。此外，该曝光设备包括控制器 110，用以根据光致抗蚀剂的图案形状控制该阶台108定位至物镜106和阶 台108的聚焦(focusing)或散焦(defocusing)位置。在此，该阶台108可上下移动以使得透过物镜106而形成图像的光从焦 距的聚焦位置或偏离焦距的散焦位置转录至晶片的光致抗蚀剂。此外，该控 制器IIO也可通过向上或向下控制物镜106的垂直位置来代替控制阶台108 的位置而控制物镜106与阶台108的聚焦位置或散焦位置。此时，用以控制 光的取向的孔100可使用修正的照射系统(modified illuminating system),并 且此修正的照射系统的孔优选的可与图案的取向对应。该修正的照射系统可 包括偶极(dipole)或交错极(crosspole)。该具有单一图案的光掩模104设置在上述曝光设备中。在通过该控制器 IIO控制物镜106与阶台108之间的焦距至聚焦位置X之后，图案转录至设
置在阶台108上的晶片的光致抗蚀剂。因此，光致抗蚀剂能够以与光掩模104 的图案相同的形状被图案化。相反地，在通过该控制器110控制物镜106与阶台108之间的焦距至偏 离该聚焦位置X的散焦位置Y之后，图案转录至设置在阶台108上的晶片 的光致抗蚀剂。因此，此光致抗蚀剂能够以相对于光掩模104的图案具有相 反图像的反图案(reverse pattem)被图案化。图3为说明使用依照本发明的单一掩模使图案反转的原理的示意图。此 外，图4A与4B是说明正常图案与反图案的示意图。参照图3 ，在使用如偶极照射系统的修正的照射系统执行曝光的工艺中， 若物镜与晶片阶台之间的焦距没有正确地调整时，则不会形成在晶片上转录 光掩模图案作为其自身的正常图案。特别地，当晶片阶台被安排在其焦距偏 离聚焦位置的散焦位置时，则产生图像反转，亦即图案从要形成图案的地方 消失，并在不应该存在图案的地方形成图案。亦即，透过该孔IOO(参照图2)与物镜102(参照图2)所透射的左侧阻挡 光(blocked light)O与右侧阻挡光l彼此交会并干涉。在此，当零阶光与第一 阶光的相位相同时，形成图案。在零阶光与第一阶光的入射角是不相同的情 况下，当零阶光与第一阶光交会处的具有相同相位的区域合在一起时，正常 图案形成于焦距的聚焦位置X。然而，具有相反图像的图案相对于正常图案 而形成于焦距的上面或下面的位置，亦即散焦位置Y。在此，该孔100可使 用修正的照射系统，并且该修正的照射系统的孔可优选的与图案的取向相对 应。该修正的照射系统可包括偶极(dipole)或交错极(crosspole)。特别地，参照图4A与4B，具有线与间隔形状的光掩模400设置在曝光 设备中，物镜与晶片阶台之间的焦距被控制至一散焦位置Y(参照图2)，然 后图案被转录至晶片上的光致抗蚀剂。结果，形成反图案410,而不是光掩 模400的线形图案402照原样被转录至晶片，反图案410中光掩模400的间 隔区域404通过图像反转而变成图案。在此，图中未说明的部分为图4B的 间隔部分412。亦即，当在控制焦距至聚焦位置X之后而转录至晶片时，形成与光掩模 上的图案相同的线图案。就这点而言，当控制焦距至散焦位置Y之后而转录 图案至晶片时，间隔区域412在已经在聚焦位置上形成线图案的区域上形成， 并且线图案410在已形成间隔区域之处形成。
图5A与5B为说明依照本发明通过散焦焦距形成的图案形状的示意图。 特别地，图5A示出了依照散焦焦距(0ium， 0.3jum,及0.7Mm)的图案模拟 的结果，且图5B示出了依照散焦焦距(0jum及0.7Mm)的实验结果。参照图5A与5B,在曝光设备中Ojum的散焦焦距精确地设定在聚焦位 置上时，形成正常图案500与间隔510。然而，在散焦焦距为0.3pm的情况 下，则图案形状消失。进一步，在散焦焦距为0.7jum的情况下，已知形成 了相对于该正常图案500具有反转图像的反图案520和间隔530。因此，当散焦焦距为大于等于0.7jnm时，光相位再一次反相，使得该 反图案图像改变，因而可能不会形成所要求的图案。因此，优选地是，该散 焦焦距不超过0.7nm。图6为说明依照本发明的实施例使用单一光掩模形成栅极电极的方法的 流程图，及图7A到7D为说明依照本发明形成栅极电极的方法的示意图。参照图6与图7A到7D，依照本发明的一个实施例使用单一光掩模制造 凹进式栅极图案的方法可如下述实行。参照图7A,在晶片或半导体基板700上涂布光致抗蚀剂，并使用光掩 模704执行曝光工艺。在此，光掩模704具有其上形成的线与间隔形状图案， 且该图案界定将形成用于凹进式沟道的沟槽的区域。在此，光掩模704的光 透射区a与光阻挡区b是分别透射与阻挡光。该曝光工艺设置物镜与阶台之间的焦距(focal length)至聚焦位置X(参照 图2)。接着，光掩模图案转录至半导体基板700，然后执行显影工艺。因此， 半导体基板700上的光致抗蚀剂物质照原样转录光掩模704图案，使得光透 射区a转录的区域暴露半导体基板700且光阻挡区转录的区域形成光致抗蚀 剂图案702(S100)。参照图7B，半导体基板700使用光致抗蚀剂图案702作为掩模被蚀刻 至预定深度，以形成用于凹进式沟道的沟槽(S 110)。参照第7C，例如掺杂多晶硅层的半导体层708沉积在半导体基板700 的前表面上，并且光致抗蚀剂物质涂布于此半导体层708上。然后，使用光 掩模704a执行曝光工艺。此曝光工艺通过控制物镜与阶台之间的焦距至偏 离聚焦位置的散焦位置Y(参照图2)而实行，转录此光掩模图案至晶片，然 后执行显影工艺。当焦距被控制到偏离聚焦位置的散焦位置时，光掩模704a 图案反转其图像，使得反图案转录至晶片。亦即，图7A的转录光掩模704
图案的区域b变成间隔区域，而转录间隔区域的区域a转录记录线图案。结 果，形成从光掩模704的线图案反转的光致抗蚀剂图案710(S120)。参照图7D，使用该反转的光致抗蚀剂图案710作为掩模蚀刻半导体层 708,从而以堆迭方式形成栅极电极714,具有用于凹进式沟道的沟槽。因此，依照本发明，使用单一光掩模形成图案的方法使用单一掩模，并 通过执行曝光工艺二次在形成凹进式栅极电极的工艺中控制曝光设备的焦 距至聚焦位置。因此，可制造转录与光掩模相同的图案或反图案的图案。同时，本发明并不局限于上述实施例。本领域技术人员将理解，可以进 行各种修正、附加与替换，而不脱离本发明于附加权利要求所界定的范围与 精神。例如，形成凹进式栅极的方法在本发明的实施例中进行了说明，但形 成线与间隔图案的部分也可被应用。如上所述，本发明使用具有单一图案的掩模并控制曝光设备的焦距至聚 焦与散焦位置。因此，当曝光工艺被执行二次时，正常图案与其反图案可在 基板上被制造。因此，在使用正常图案与其反图案的如制造凹进栅极电极的制造工艺 中，本发明可以使用单一掩模而不使用二个掩模制造具有彼此相反图像的二 个图案。因此本发明可降低掩模制造成本与整个制造工艺的成本。
权利要求
1.一种使用单一掩模形成图案的方法，包括设置具有已定义图案的光掩模，并通过控制曝光设备的焦距至聚焦位置来执行第一曝光工艺而在晶片上形成与所述光掩模具有相同形状的图案；及使用该相同光掩模，通过控制曝光设备的焦距至散焦位置，执行第二曝光工艺，在晶片上相对于该图案形成具有反转图像的反图案。
2. 如权利要求1的方法，还包括 在曝光设备的晶片阶台上设置所述晶片；及在形成与所述光掩模具有相同形状的所述图案之前，测量曝光期间发生 所述图案的图像反转的聚焦范围，同时改变所述曝光设备的聚焦位置以控制 所述曝光设备的焦距。
3. 如权利要求1的方法，其中所述曝光工艺使用具有光源进入的至少二 个孔的修正的照射系统。
4. 如权利要求3的方法，其中该修正的照射系统的孔对应所述图案的取向。
5. 如权利要求l的方法，其中该焦距不超过0.7jam。
6. —种使用单一掩模形成图案的方法，包括在半导体基板上方设置光掩模，其中设置线和间隔形状图案，设置焦距 至正确位置从而转录与所述光掩模具有相同形状的图案至所述半导体基板， 然后执行曝光工艺；及设置所述掩模的焦距至散焦位置，其中该散焦位置从该正确位置偏离， 从而转录相对于所述光掩模具有反转图像的图案至所述半导体基板，并然后 执行曝光工艺。
7. 如权利要求6的方法，还包括 在曝光设备的晶片阶台上设置所述半导体基板；及 在设置所述焦距至所述正确位置之后且在执行所述曝光工艺之前，测量曝光期间发生图案的图像反转的聚焦范围，同时改变所述曝光设备的焦距来 控制所述曝光设备的焦距。
8. 如权利要求6的方法，其中该曝光工艺使用具有光源进入的至少二个 孔的修正照射系统。
9. 如权利要求8的方法，其中该修正照射系统的孔对应于所述图案的取向。
10. 如权利要求6的方法，其中该焦距不超过0.7jJm。
11. 一种使用单一掩模形成图案的方法，包括在半导体基板上设置光掩模并控制焦距至聚焦位置以转录与所述光掩 模具有相同形状的图案至所述半导体基板；在该聚焦位置执行曝光工艺以形成光致抗蚀剂图案，该光致抗蚀剂图案 界定一区域，在该区域用于凹进式沟道的沟槽形成于半导体基板中；使用该光致抗蚀剂图案作为掩模，在所述半导体基板中形成用于凹进式 沟道的沟槽；在该半导体基板上方设置所述相同的光掩模并控制焦距至散焦位置，从 而转录相对于该光掩模具有反转图像的图案至该半导体基板；在该散焦位置上执行曝光工艺从而形成界定栅极电极的反转的光致抗 蚀剂图案；及使用该反转的光致抗蚀剂图案作为掩模蚀刻该半导体层从而形成栅极电极。
12. 如权利要求ll的方法，还包括 在曝光设备的晶片阶台上设置所述半导体基板；及 在所述半导体基板上形成该光致抗蚀剂图案之前，测量曝光期间发生所述图案的图像反转的聚焦范围，同时改变该曝光设备的聚焦位置来控制该曝 光设备的焦距。
13. 如权利要求12的方法，其中该曝光工艺使用具有光源进入的至少二 个孔的修正照射系统。
14. 如权利要求13的方法，其中该修正照射系统的孔对应于所述图案的 取向。
15. 如权利要求ll的方法，其中该焦距不超过0.7nm。
全文摘要
本发明提供一种使用单一掩模形成图案的方法，包括设置具有已定义图案的光掩模，并通过控制曝光设备的焦距至聚焦位置来执行曝光工艺而在晶片上形成与所述光掩模具有相同形状的图案；及使用该相同光掩模，通过控制曝光设备的焦距至散焦位置，执行曝光工艺，从而在晶片上相对于该图案形成具有反转图像的反图案。
文档编号H01L21/00GK101150048SQ20071015478
公开日2008年3月26日 申请日期2007年9月19日 优先权日2006年9月19日
发明者梁铉祚 申请人:海力士半导体有限公司