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一种在衬底上形成构图的材料层的方法。在衬底上形成光刻胶层，继而在光刻胶层上形成图像修改材料。构图图像修改材料以形成图像修改图案。然后将图像修改图案和下层光刻胶曝光于适当照射。图像修改图案修改该图像修改图案之下的光刻胶层内的图像强度。然后将所得图案转印到衬底中。

1.  一种在衬底上形成构图的材料层的方法，所述方法包括：
a.提供在其表面上具有材料层的衬底；
b.在所述材料层上涂敷光刻胶组合物以在所述材料层上形成光刻胶层；
c.在所述光刻胶层上涂敷材料组合物以在所述光刻胶层上形成图像修改材料层；
d.构图所述图像修改材料层以在所述光刻胶层上形成图像修改图案；
e.使用波长λ₁的成像照射来曝光所述图像修改图案和光刻胶层，使得所述图像修改图案修改所述图像修改图案之下的所述光刻胶层内的图像强度；
f.去除所述图像修改图案；
g.对所述光刻胶层的部分进行显影以由此在所述衬底上形成构图的光刻胶层；以及
h.将所述构图的光刻胶层转印到所述材料层。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述图像修改材料层是光刻胶，并且通过使用波长λ₂的成像照射来按照图案曝光所述图像修改层、继而对所述图像修改层的部分进行显影以由此形成所述图像修改图案来形成所述图像修改图案。

3.  根据权利要求2所述的方法，其中所述成像照射的波长λ₂大于1nm并且少于800nm。

4.  根据权利要求3所述的方法，其中所述成像照射的波长λ₂大于1nm并且少于249nm。

5.  根据权利要求4所述的方法，其中所述成像照射的波长λ₂是193nm。

6.  根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述图像修改材料层选自于包括正型光刻胶和负型光刻胶的组。

7.  根据任一前述权利要求所述的方法，其中步骤d中的所述图像修改图案包括开口，并且在步骤d之后还包括以下步骤：在所述开口中涂敷补充性的图像修改材料以形成所述图像修改图案的部分。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中所述补充性的图像修改材料层选自于包括正型光刻胶和负型光刻胶的组。

9.  根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述图像修改材料层涂覆有顶部抗反射涂层。

10.  根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述衬底涂覆有底部抗反射涂层。

使用原位图像修改层的高分辨率成像工艺
技术领域
本发明涉及半导体光刻工艺并且具体地涉及一种用于获得高分辨率半导体特征的半导体光刻处理方法。
背景技术
半导体器件制造业对作为用来生成亚微米特征的手段的光刻工艺有高要求。微型电子器件的新几何形状和不断收缩的尺度在产生纵横比更大的更高分辨率特征的能力和在外形之上成像的能力方面要求提高光刻胶性能。
电子工业内的显著性能提高和成本减少可以在很大部分上归功于光学光刻领域中的创新。光学投影步进扫描机与其它构图技术相比赋予明显更高的吞吐量并且是用于在制造业中构图高级集成电路的主流选择。最小可印刷特征尺寸(分辨率)也已经在数量级上减少从而实现更复杂和更高密度的电路。
在光学投影光刻中，分辨率通常取决于下式：
W＝k₁λ/NA
其中W是最小可印刷特征尺寸，λ是曝光波长，NA是数值孔径，而k₁是代表光刻工艺的常数。为了提高分辨率，曝光波长已经从汞灯G-线(436nm)稳步地减少到H-线(405nm)又到I-线(365nm)又到深UV(248nm和193nm)而光学元件的数值孔径已经稳步地增加。
光刻胶材料、工艺和掩模制作中的进步以及比如刻线增强技术(RET)和离轴光照(OAI)的使用这样的创新也已经将k₁减少到这样的一种程度，即其位于0.30-0.45的范围内的值在当今制造业中是典型的。考虑到0.25是衍射光学元件的理论限制，这确实不同寻常。将通过比如浸渍光刻这样的增强来实现未来的分辨率进展。在浸渍光刻中在成像表面与成像光学元件的最后透镜元件之间引入折射率大于空气(n＝1.0)的流体。这使光学光刻系统的数值孔径能够超过1.0并且可能接近浸渍流体的折射率。使用水作为浸渍流体，数值孔径高达1.35的光刻系统可以是有可能的。
进一步的波长减少是又一种用以提高分辨率的方法。可能的选择包括F2受激准分子激光(157nm)和超紫外线(13nm)光。然而随着波长变得更短，光源变得更复杂和昂贵。此外，为了支持使用更短波长来成像而需要的成像材料、工艺、光学元件和掩模的技术复杂度也显著地增加。可设想的是转变成新波长的成本从财务角度上看来可能令人不敢问津和不合理。因此，可设想的是使用ArF受激准分子激光(193nm)的光学光刻可能是在未来一段时间内可用的唯一成本有效的光学光刻选择。为了将用于亚波长构图的ArF光刻拓展到90nm半间距以外，工艺和材料创新将至关重要。
近年来已经报导近场成像作为一种用以印刷比光学光刻的衍射限制更小的特征的方法。研究者已经报导如λ/40一样小的图案印刷，其中λ是入射照射的波长。多数光学近场光刻应用依赖于将比如保形光耦合掩模或者固态浸渍透镜这样的图像变换器在它被照射之时放置为与成像光刻胶层紧接邻近。成像照射在它与图像变换器相互作用时有变动。如果图像变换器的尺度很小，则仅在与变换器的很短距离内体验更改。因此，这样的效应常常被分类为近场效应。图像更改背后的物理现象可能是复杂的。近场效应、相移和瞬息波效应是已经提供的一些复杂说明。文献中的所有近场成像参考文献提出利用在成像光刻胶的紧接邻近处放置的分离式图像修改层。例如参见：M.Paulus、B.Michel、O.Martin的＂Near-field distribution inlight-coupling masks for contact lithography＂，J.Vac.Sci.Technol.B，17，6，第3314-3317页(1999)；T.Milster、T.Chen、D.Nam、E.Schlesinger的＂Maskless Lithography with Solid Immersion Lens NanoProbes＂，Proc.SPIE，5567，第545页(2004)；J.Rogers、K.Paul、R.Jackman、G.Whitesides的＂U sing an elastomeric phase mask forsub-100nm photolithography in the optical near field＂，Appl.Phys.Lett.，70，20，第2658-2660页(1997)；H.Schmid、Hans Biebuyck、B.Michel、O.Martin的＂Light-coupling masks for lensless，sub-wavelength opticallithography＂，Appl.Phys.Lett.，72，19，第2379-2381页(1998)；T.Ito、M.Ogino、T.Yamada、Y.Inao、T.Yamaguchi、N.Mizutani、R.Kuroda的＂Fabrication of sub-100nm Patterns using Near-field MaskLithography with Ultra-thin Resist Process＂，J.Photopolym.Sci.Technol.，18，3，第435-441页(2005)；以及Ong等人(J.Vac.Sci.Technol.B，vl，4，1983)。
有可以使用多次曝光来构图单个光刻胶层的若干方法。这样的方法通常利用一个光刻胶和两个掩模。两次曝光可以是补充性的或者可以重叠。在重叠曝光的情况下，利用与为了印刷图像而需要的剂量相同或者更小的剂量借助第一掩模来曝光光刻胶，然后利用与所需剂量相同或者更少的剂量借助第二掩模进行第二次曝光。利用这种一个光刻胶的方式，一些双曝光用以如美国专利号6,586,168中所述提高分辨率以便印刷栅极，一些用以如美国专利号6,566,019中所述校正难以利用OPC来校正的特征以便修复线端短路。当在双曝光方式中引入两个光刻胶时，现有技术没有使用构图的顶层来修改底部光刻胶层的图像。独立地构图两层以形成添加式特征(比如美国专利号6,242,344和5,811,076中所述用于双大马士革工艺的应用)或者形成减少式特征(比如美国专利6,664,011号中所述利用包装和解包方案的接触孔的应用)。
因而，本发明的一个优点在于具有半导体特征的高分辨率成像。
本发明的另一优点在于具有其中利用图像修改层的半导体特征的高分辨率成像。
本发明的又一优点在于具有其中图像修改层与下层表面的外形相符的半导体特征的高分辨率成像。
本发明的这些和其它优点将在结合附图参照本发明的以下具体描述之后变得更清楚。
发明内容
本发明因而根据第一方面提供一种用于在衬底上形成构图的材料层的方法，该方法包括：
提供在其表面上具有材料层的衬底；
在材料层上涂敷光刻胶组合物以在材料层上形成光刻胶层；
在光刻胶层上涂敷材料组合物以在光刻胶层上形成图像修改材料层；
构图图像修改材料层以在光刻胶层上形成图像修改图案；
使用波长λ₁的成像照射来曝光图像修改图案和光刻胶层，使得图像修改图案修改该图像修改图案之下的光刻胶层内的图像强度；
去除图像修改图案；
对光刻胶层的部分进行显影以由此在衬底上形成构图的光刻胶层；以及
将构图的光刻胶层转印到材料层。
根据本发明的一个实施例，可以提供一种用于在衬底上形成构图的材料层的方法，该方法包括：
提供在其表面上具有材料层的衬底；
在材料层上涂敷化学放大的光刻胶组合物以在材料层上形成光刻胶层；
在光刻胶层上涂敷材料组合物以在光刻胶层上形成图像修改材料层；
构图图像修改材料层以在光刻胶层上形成图像修改图案；
使用波长λ₁的成像照射来曝光图像修改图案和光刻胶层，使得图像修改图案优先地增强该图像修改图案之下的光刻胶层内的图像强度；
去除图像修改图案；
对光刻胶层的部分进行显影以由此在衬底上形成构图的光刻胶层；以及
将构图的光刻胶层转印到材料层。
附图说明
图1A至图1H是根据本发明的工艺的一个实施例的示意性表示；
图2A是光刻胶上的图像修改层的示意性表示，而图2B至图2D是光刻胶层中由于图像修改层所致强度变化的计算机仿真；
图3A至图3C比较无图像修改层(图3A)和有图像修改层(图3B和图3C)时光刻胶层中的图像强度；
图4A至图4C比较光刻胶层中由于3光束干涉曝光所造成的图像强度，其中图4A无图像修改层而图4B和图4C有图像修改层；
图5A至图5C图示了图1D中所示工艺步骤的变化。
具体实施方式
在一个优选实施例中，本发明提供一种用于通过使用原位图像修改层在多层成像栈中印刷高分辨率图案的方法。这一方法为构图亚波长特征赋予与近场成像所称优点相似的优点。该方法不同于近场成像是因为提出在成像光刻胶的顶部上直接地附接图像修改层从而形成原位图像修改图案层。常规近场成像利用4x缩减掩模，其中掩模特征是光刻胶中的最终印刷图案的尺度的四倍。对于近场成像，变得有必要制作将面临实质技术挑战并且招致高成本的1x掩模(即掩模特征的尺度与最终印刷图案相似)。接触近场印刷将造成光刻胶缺陷、污染掩模以及接触印刷系统中众所周知的许多其它缺点。如果在掩模与光刻胶之间引入气隙，则图像的保真度将由于近场图像的窄深度而实质上减弱。在本发明中，原位图像修改图案层附接到底部光刻胶层，由此缓解上述问题。本发明的另一优点在于有可能利用表现构图波阵面的碰撞光来曝光图像修改层。这一变化开拓了图像修改层对耦合到下层光刻胶层的最终图像的更复杂影响的可能性。
这样的图像修改层可以使用各种光刻技术来构图并且可以实现印刷比成像照射的波长更小得多的特征。用于构图图像修改层的构图技术包括但不限于光学光刻、减少式纳米压印光刻、添加式纳米压印光刻、步进闪光压印光刻、固态浸渍透镜近场成像、直写电子束、直写粒子束光刻和直射光束x射线光刻。本发明不同于现有技术的双曝光技术。在多数常规双曝光工艺中，在第一次曝光之后产生的图案在用以修改底层图像的第二次曝光过程中在光学上没有参与。事实上，希望两次曝光在光刻胶中产生的潜像对于利用单个成像光刻胶层的常规双曝光工艺而言没有相互作用。在现有技术中，第二次曝光是为了向第一次曝光添加图案或者从第一次曝光减去图案。有时在添加方式中，第一次曝光仅提供不足剂量，然后第二次曝光提供与第一次曝光相同或者不同的剂量以表现对于图像而言具有充分剂量的某个重叠区。没有提供用于使用顶层图像以修改底层光刻胶图像的教导。本发明较现有技术的双曝光而言的优点在于没有重叠问题、衍射不受限制、对衬底外形的更多容许以及能够印刷与掩模不同的图案。
本发明也不同于传统上称为双层光刻胶方案的工艺。在双层光刻胶方案中，利用构图的光刻胶层作为抗蚀刻硬掩模以便使用反应离子蚀刻工艺将图案转印到下层材料层中。在本发明中，构图的图像修改层用来优先地增强下层图像光刻胶中的光学图像强度。本发明也不同于如Ong等人所述的如下双层光刻胶工艺(见上文)，其中利用构图的光刻胶层作为不透明光学掩模以便将低分辨率图案转印到下层光刻胶层中，因为在本发明中构图的图像修改层并非在光学上不透明并且用来增强直接位于实现高分辨率构图的图像修改图案之下的下层成像光刻胶中的图像强度。
现在参照附图并且具体地参照图1A至图1H，有本发明的一个优选实施例，其中公开了一种在衬底上的光刻胶层中形成高分辨率图案的光学成像方法。该方法包括以下步骤：在衬底10的表面上提供陶瓷、电介质、金属或者半传导材料层12(图1A)；在材料层12上涂敷光刻胶组合物以形成光刻胶层14(图1B)；在光刻胶层14上涂覆材料组合物以在光刻胶层14上形成图像修改层16(图1C)；使用光学光刻来构图图像修改层16以在光刻胶层14上形成图像修改图案16A(图1D)；使用波长λ₁的成像照射来曝光光刻胶层14，使得图像修改图案16A优先地增强图像修改图案16A之下的光刻胶层内的图像强度18(图1E)；去除图像修改图案16A(图1F)；涂覆光刻胶显影剂以呈现光刻胶层14在光刻胶显影剂溶剂中可溶解的部分14A；去除光刻胶层14的可溶解部分14A以在衬底10上形成构图的光刻胶层20(图1G)；以及使用常规方法如反应离子蚀刻将构图的光刻胶层20转印到材料层12(图1H)。
其上涂覆光刻胶层14的材料层12的反射率也可以影响本发明的最优实施。因而，优选的是材料层12和衬底10提供低反射率的表面并且反射少于入射光的10％、更优选地少于4％并且最优选地少于0.5％。为了实现这一低反射率，可以在本发明中将无机或者有机底部全抗反射涂层(BARC)可选地涂敷到衬底10上。典型无机BARC是二氧化钛、氮化钛、氧化铬、氮化硅和氧氮化硅。用于248nmKrF曝光源的典型有机BARC包含具有蒽、芳香族酰亚胺、萘和芳砜的聚合物。用于193nm ArF曝光源的典型有机BARC包含苯基和苯酚。为了有助于快速蚀刻速率，这些有机BARC通常包含丙烯酸脂、甲基丙烯酸盐或者酯聚合物。主要利用真空沉积、化学气相沉积或者喷溅在衬底上涂覆无机BARC。利用旋涂在衬底10上涂覆有机BARC。有可以应用于本发明的许多商用有机BARC材料，例如来自Rohm and Haas公司的AR系列、来自Brewer science公司的DUV系列。近来，已经需要涂敷湿性可显影BARC以消除ARC打开步骤。D-BARC可由AZ公司提供。为了减少高NA(>1)的引入所致的高反射率，需要使用分级BARC或者Dual BARC。取而代之，可以在利用三层方案的高NA曝光中使用硅ARC。
在以下段落中，将更具体地描述根据本发明的方法的一个优选实施例。
光刻胶层14可以包括正型光刻胶或者负型光刻胶。化学放大的光刻胶由于它们的高对比度和在半导体制造业中的广泛使用而适合于这一目的。光刻胶组合物是基于它对通常范围在1nm与800nm之间的某些波长的成像照射的敏感度而选择的。如果希望高分辨率图案，则波长范围优选地大于1nm并且少于249nm。目前193nm受激准分子激光源在半导体制造业中司空见惯、因此将是最优选的波长。在将光刻胶层14涂覆到材料层12上之后，可以将它加热到提升的温度以便形成光刻胶层4。可以适用范围从0度到400度的温度，然而优选范围在0度到200度之间，并且用于193nm敏感光刻胶的最优选范围是50度到150度。
一旦已经烘培光刻胶层14，用图像修改材料涂敷它以形成图像修改层16。如果用来浇注图像修改层16的溶剂是光刻胶层14的非溶剂则是优选的。用于图像修改层16的溶剂例子包括水、酒精、醚、其它有机流体或者化学物如二氧化碳的超临界流体。
在将图像修改层16涂覆到光刻胶层14之后，可以将它加热到提升的温度。可以适用范围从0度到400度的温度，然而优选范围在0度到200度之间，并且用于193nm敏感光刻胶的最优选范围是50度到150度。也可优选选择图像修改层16，使得在它的处理过程中不以有损于光刻胶层14的成像性能的方式影响光刻胶层。
在一些实例中，可以优选用顶涂材料可选地涂覆图像修改层16用以增强图像、减少摆动、减轻缺陷并且作为在浸渍光刻中免受浸渍流体的保护阻挡层。典型顶部抗反射涂层(TARC)包含氟以实现低反射率。可用于本发明的商用TARC材料是来自AZ ElectronicMaterials公司的AZ Aquatar系列和来自JSR公司的NFC系列。多数TARC材料对于干式光刻而言是可水溶的。对于浸渍光刻，TARC材料是不可水溶的。用于顶涂材料的主要应用是为了防止成分从光刻胶浸出并且防止水对光刻胶光刻性能的影响。由于水不是所需溶剂，所以多数这些顶涂材料在酒精中可溶。用于本发明的商用顶涂材料是来自JSR公司的TCX系列和来自AZ electronic Materials公司的TARP。顶涂材料的另一所需属性是可以实现进一步对比度增强的在曝光时漂白的能力。
可以使用光学光刻来构图图像修改层16。为了实现这一点，图像修改材料是对成像照射敏感的光刻胶组合物。图像修改材料的光刻胶组合物可以是正型或者负型光刻胶。化学放大的光刻胶由于它们的高对比度和在半导体制造业中的广泛使用而适合于本发明。图像修改材料的光刻胶组合物是基于它对通常范围在1nm与800nm之间的特定波长的成像照射的敏感度而选择的。如果希望高分辨率图案，则波长范围优选地大于1nm并且少于239nm。目前193nm受激准分子激光在半导体制造业中司空见惯、因此将是更优选的波长。
按照图案将图像修改材料层曝光于这一成像照射以在图像修改材料层中形成与图案对应的化学图像。可以使用类型从包括玻璃上铬刻线、衰减式相移掩模、交变相移、无铬相移掩模或者涡流相移掩模或者其组合的组中选择的构图光掩模来执行按照图案的曝光。可以将曝光的图像修改层加热到提升的温度以便完成为了在图像修改材料层中绑定成像的图案并且优先地表现图像修改材料层在显影剂溶剂中可溶解的部分而必需的化学反应。可以适用范围从0度到400度的温度，然而优选范围在0度到200度之间，并且用于193nm敏感光刻胶的最优选范围是50度到150度。接着，将图像修改材料层曝光于对于正型组合物而言去除曝光部分或者对于负型组合物而言去除未曝光部分的显影剂溶剂。基于水的显影剂通常优选作为用于化学放大光刻胶的显影剂溶剂，更优选地使用0.263N氢氧化四甲铵溶剂。
一旦已经在光刻胶层14上形成图像修改图案16A，在一些实例中可以优选用顶涂材料涂覆图像修改图案16A以求增强图像、减少摆动、减轻缺陷和作为在浸渍光刻中免受浸渍流体的保护阻挡层。来自AZ Electronic Materials公司的AZ Aquatar系列和来自JSR公司的NFC系列是用于干式光刻的典型商用TARC材料。来自JSR公司的TCX系列和来自AZ electronic Materials公司的TARP是用于浸渍光刻的典型TARC/阻挡层。
取而代之，一旦已经将所需图像图案转印到图像修改层上并且该层拥有如图1D中所示的所需外形，可以希望如图5A、图4B和图4C中所示用如下可选图像修改材料21填充由显影剂去除的图像修改材料区域，该可选图像修改材料具有为了进一步增强光刻胶层的成像而选择的光学性质。因此，然后可以利用由这一第二图像修改材料的光学性质赋予的额外自由度来优化图像修改效果。这一第二图像修改材料21可以表现与现有图像修改材料相似的光学性质，其中对于193nm波长的成像，用于图像修改层和光刻胶层的实际折射率的优选范围在范围1.2到2.2中并且更优选地在范围1.35到1.9中。用于光学吸收率的优选范围从0到1.0并且更优选地从0到0.25。可选图像修改材料的厚度范围可以从0nm直至如图5A和图5B中所示现有图像修改材料的高度。也可设想可选图像修改材料如图5C中所示用平面或者保形涂层完全地覆盖和封装现有图像修改材料。可选图像修改材料可以是正型或者负型光刻胶并且优选为化学放大的光刻胶。额外一个或者多个图像修改层的添加是可选的。它的优点可以通过基于这里当前描述的本发明将第一图像修改层16的效果与第二图像修改层21组合来容易地实现。因此，本领域技术人员有望可以利用一个图像修改层的这一发明概念并且将它扩展到多个图像修改层。
接着，将光刻胶层14曝光于它所敏感的成像照射。可以使用整层曝光、多光束干涉曝光或者按照图案的曝光来执行光刻胶层14和原位图像修改层16的曝光。如果利用整层曝光，则光刻胶层14的曝光变得对可能对于其它双曝光技术而言具有限制性的聚焦误差不敏感。可以使用类型从包括玻璃上铬刻线、衰减式相移掩模、交变相移、无铬相移掩模或者涡流相移掩模或者其组合的组中选择的构图光掩模来执行按照图案的曝光。可以针对包括未极化光、圆形极化光、TE极化光和TM极化光的组选择光平坦化以求最大受益。用于曝光的光照方法可以选自于包括非相干光束成像、相干光束成像、常规光照和离轴光照的组。
为了演示图像修改图案16A如何独特地影响光刻胶层14内的图像强度，计算机仿真是有用的。与可由加州伯克利大学提供的Tempest6.0相似的电磁场仿真器是用于此类仿真的有效工具。在图2中演示了86nm厚、100nm宽的图像修改图案在整层曝光于193nm照射时如何影响下层200nm厚的光刻胶层内的图像强度。对于这一仿真，发明人假设图像修改材料的复数折射率为1.56+0.01i而光刻胶材料为1.70+0.025i。如图2A中所示，有在用正入射的未构图平面波来光照的200nm厚光刻胶层的顶部上放置的100nm宽图像修改层的可能3维架构。图2B示出了用全3D电磁仿真器(FDTD Tempest6.0)来仿真的图像强度跨光刻胶和图像修改层的横截面图。用正入射的平面波光照光刻胶层和图像修改层的组合物，并且非相干地叠加TE极化和TM极化以对未极化光的效果进行仿真。在图2B中用虚线示出了图像修改层和光刻胶层。在图2C中示出了与未极化照明按照光刻胶厚度来平均的图像强度与光刻胶表面平行的横截面图，而在图2D中示出了针对TE极化照明和TM极化照明的光刻胶图像的相似图。从仿真中很明显的是，图像修改图案以通过造成直接位于图案之下的光刻胶层内的图像强度的强化这一特有方式影响入射光。当没有顶部图像修改层时将不形成图案。在近场成像文献中也已经报导在分离式图像变换器的紧接邻近处的类似光强化。然而在本发明中，原位图像修改图案层附接到底部光刻胶层，由此缓解与近场成像系统相关联的问题，比如难以制造1x掩模、光刻胶缺陷和掩模污染。如光刻领域中普遍理解的那样，有可能在进一步处理之后将光刻胶内的这一强化图像转换成图像图案。可能的是这一强化图像的分辨率不受衍射限制，因此这一方式具有用于很高分辨率图像构图的可能。
本发明的益处在利用底部光刻胶的多光束干涉曝光时更明显。在图3中，针对三种情况比较光刻胶内的图像强度：(A)无图像修改图案、(B)按照200nm间距来间隔的40nm厚、90nm宽的图像修改图案和(C)按照200nm间距来间隔的80nm厚、90nm宽图像修改图案。如图3的右侧所示，有用全3D电磁仿真器(FDTD Tempest6.0)来仿真的在200nm厚的光刻胶层和图像修改层中在三光束干涉曝光时三种情况各自的图像强度分布。如图3中的左侧所示，有针对三种情况中的各种情况按照光刻胶厚度平均的并且沿着光刻胶表面的平面绘制的仿真图像强度。如仿真清楚演示的那样，取决于平均正规化图像对数斜率(NILS)的图像对比度因图像修改图案的存在而实质上增强。对于某些作为目标的关键尺度，由于图像修改层的存在而估计高达300％的NILS增强。因此清楚的是图像修改图案如情况(A)与(B)(图3A和3B)之间的差异所表明的那样用可以针对所需应用来正确地优化的方式提供实质对比度增强益处。这些仿真说明的另一优点在于当存在图像修改图案时底部光刻胶中的图像强度的半最大值全宽减少。这说明当使用本发明中描述的方法时明显的特征尺寸减少也是可能的。
当利用底部光刻胶的按照图案的曝光时预期与上述益处相似的益处。
可以用许多方式更改图像修改图案的图像变换效果。图像修改材料和光刻胶在成像照射波长的光学性质可以明显地影响整体成像。例如，增加图像修改材料的折射率的实部(n)可以针对某些成像应用提供改进的对比度。在其它情况下，增加折射率(k)的虚部可以提供最大益处。对于193nm波长的成像，用于图像修改层和光刻胶层的折射率实部的优选范围在范围1.2到2.2中并且更优选地在范围1.35到1.9中。用于折射率虚部的优选范围从0到1.0并且更优选地从0到0.25。需要通过全物理电磁仿真来仔细选择图像修改层材料和外形以便控制本发明的各不同应用所追求的图像修改效果。
对图像修改层的图像变换效果有影响的其它参数包括图像修改图案的厚度和光刻胶的厚度。对于特定几何形状，图像修改图案可以将进入光刻胶层的光的相位移位由此充当相移层。这些效果并非无关紧要并且在选择恰当厚度之前可能需要透彻检查。这对于图像修改图案的分布如何可以影响成像同样成立。
本发明的一个益处可能在于能够容易地改变图像修改图案的图像分布。可以将图像修改图案的侧壁角度设计成少于90度、接近90度(接近竖直)或者大于90度。具体而言，如果使用光学光刻方法来形成图像修改图案，则可以变化各种工艺和材料参数以实现所需效果。比如固态浸渍透镜或者保形相位掩模这样的方法在这一能力上受限制，因为一旦制作透镜或者掩模就确定了分布。
图像修改图案的设计是在实施本发明之时必须仔细考虑的一个关键方面。图像修改图案以非常复杂和并非无关紧要的方式影响底部光刻胶中的图像强度。为了在底部光刻胶中印刷所需图像图案，必须使用本领域中常用的过程来进行图像修改图案布局和设计的仔细考虑。来自包括电路设计、布局、掩模设计、光学邻近校正、光学刻线校正和制造业设计在内的领域的普遍做法适用于这一工艺。用特殊考虑来设计图像修改图案以对图像修改图案的边缘精确地进行定位以求最大益处是一个例子，因为边缘往往如在提供的仿真中所示地增强入射光与它的位置紧接邻近处的强度。
本发明较其它双曝光方法而言的一个优点在于图像修改层中的图案由于图像修改图案附接到光刻胶层14的事实而为底部光刻胶层的第二次曝光提供理想重叠。
本发明的另一优点在于由于图像修改图案附接到光刻胶层的表面，所以它可以与光刻胶层的外形相符。当光刻胶中的图像强度分布必须在聚焦由于可变衬底外形而改变时保持鲁棒时，图像修改层的这一保形性质连同它所提供的特有成像优点一起赋予较常规成像而言的实质简化。
本发明的又一优点在于由于图像修改图案附接到光刻胶层的表面，所以在光刻胶上产生的潜像没有像近场光刻那样受衍射限制并且也不同于使用远场曝光的那些双曝光现有技术。
光刻胶层14内由于成像光与图像修改层的相互作用所致的图像强度反转也可以用来实现补充性的掩模成像。特定图像修改图案可能由于仿真中演示的图像修改效果而在最终底部光刻胶图案中反转。
通过仔细选择图像修改层16的成像光强度和聚焦性质而获得的图像修改材料的外形在光刻胶层14内的倍频也可以用来实现现有技术的高级成像能力。特定图像修改图案的间距可以由于仿真中演示的图像修改效果而在能够产生可印刷图案的具有增强对比度的最终光刻胶图案中减少一半。通过使用干涉测量和平面波入射来获得和演示类似的倍频效应已经由来已久。图4示出了在(A)未用图像修改层、(B)用按照200nm间距放置的80nm厚、90nm宽的图像修改图案和(C)用按照200nm间距放置的80nm厚、90nm宽的图像修改图案来涂覆的200nm厚光刻胶层的三光束干涉曝光时的仿真图像强度和平均图像强度。如图4(A)所示，当借助利用常规成像系统的标准3光束干涉来曝光时通过焦平面的恰当选择即使无图像修改层也可以实现倍频。本发明赋予了增强光刻胶层中形成的倍频图案的对比度的优点并且利用常规成像系统来产生间距为图像修改图案一半的光刻胶图案。通过全电磁仿真来观测这一效果，并且分别针对未极化光照和TE极化光照的情况在图4(B)和图4(C)中示出了该效果。可以针对所需倍频应用来优化图像修改层的宽度和厚度。
本发明也赋予了使用半导体业内可用的大量制造基础结构来实施的能力。如上文讨论的文献中报导的近场成像应用都提出使用尺度与最终所需图案相同(1x放大率)的图像变换层。这限制了这些技术的可能吞吐量并且也使工艺对缺陷高度敏感而且因此在成本上令人不敢问津。本发明允许使用经得起大量制造的常规光学光刻工艺并且通常涉及到从掩模图像到构图光刻胶图像的4x缩减率。可以使用这一方式来容易地生成放大图像的图案。
关于使本发明适应于当前半导体制造过程的一种意见是除了创建用以支持本发明应用的光学邻近校正(OPC)模型之外还必须收集校准数据以包括对本发明中描述的物理线性和特有结果进行建模的能力。对由图像修改图案的外形造成的电磁场效应进行仿真是一个这样的例子。这样的模型将辅助针对为了获得由本发明赋予的最大优点而专门选择的两次曝光来选择掩模类型、设计和布局、光极化选择以及光照方法。因此，这一发明工艺不限于本申请中描述的少数仿真实施例中示出的例子。
如前文简短说明的那样，可以将曝光的光刻胶层14加热到提升的温度以便完成为了在底部光刻胶层中绑定增强的图像图案并且优先地表现底部光刻胶层在显影剂溶剂中可溶解的部分而必需的化学反应。可以适用范围从0度到400度的温度，然而优选范围在0度到200度之间，并且用于193nm敏感光刻胶的最优选范围是50度到150度。接着，将底部光刻胶层曝光于对于正型组合物而言去除曝光部分或者对于负型组合物而言去除未曝光部分的显影剂溶剂。基于水的显影剂通常优选作为用于化学放大光刻胶的显影剂溶剂，更优选地使用0.263N氢氧化四甲铵溶剂。
利用明智的设计有可能制备图像修改材料的正型光刻胶组合物，使得在底部光刻胶的曝光过程中在图像修改图案上入射的曝光能量足以呈现在显影剂溶剂中可溶解的剩余不可溶图像修改图案。因此在去除曝光的底部光刻胶的可溶部分过程中同时去除剩余图像修改图案。
最后如图1H所示，使用比如反应离子蚀刻、离子注入、化学气相沉积、电解电镀、非电解电镀、金属喷溅或者金属蒸发这样的方法将底部光刻胶层20中的构图图像转印到材料层12。
除了逻辑和存储器半导体制造业之外，在本发明中描述的基本工艺还可以适用于比如高分辨率光盘和数字视频盘印刷、高分辨率平板显示器构图、电子有机封装、微机电子系统(MEMS)制作、光电器件制作和需要大量高分辨率构图的任何其它应用这样的领域。
注意到本公开内容的本领域技术人员将清楚在不脱离本发明的精神情况下可以进行本发明在这里具体描述的那些实施例以外的其它修改。因而，认为这样的修改在仅由所附权利要求限定的本发明范围内。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种在衬底上形成构图的材料层的方法，所述方法包括：
a.提供在其表面上具有材料层的衬底；
b.在所述材料层上涂敷光刻胶组合物以在所述材料层上形成光刻胶层；
c.在所述光刻胶层上涂敷材料组合物以在所述光刻胶层上形成图像修改材料层；
d.构图所述图像修改材料层以在所述光刻胶层上形成图像修改图案；
e.使用波长λ₁的成像照射来曝光所述图像修改图案和光刻胶层，使得所述图像修改图案修改所述图像修改图案之下的所述光刻胶层内的图像强度；
f.去除所述图像修改图案；
g.对所述光刻胶层的部分进行显影以由此在所述衬底上形成构图的光刻胶层；以及
h.将所述构图的光刻胶层转印到所述材料层；其中
所述图像修改材料层是光刻胶，并且通过使用波长λ₂的成像照射来按照图案曝光所述图像修改层、继而对所述图像修改层的部分进行显影以由此形成所述图像修改图案来形成所述图像修改图案；并且其特征在于：
所述图像照射的波长λ₂大于1nm并且少于249nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述成像照射的波长λ₂是193nm。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述图像修改材料层选自于包括正型光刻胶和负型光刻胶的组。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中步骤d中的所述图像修改图案包括开口，并且在步骤d之后还包括以下步骤：在所述开口中涂敷补充性的图像修改材料以形成所述图像修改图案的部分。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述补充性的图像修改材料层选自于包括正型光刻胶和负型光刻胶的组。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述图像修改材料层涂覆有顶部抗反射涂层。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述衬底涂覆有底部抗反射涂层。