CN1269532A - 用于改善临界尺寸控制的抗反射涂层 - Google Patents

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Abstract

这里介绍了一种减小抗蚀剂反射率的ARC。该ARC包括第一和第二部分。第一部分以吸收模式起作用,第二部分能够减小抗蚀剂和第一ARC部分间折射率的差,因而改善了CD控制。

Description

用于改善临界尺寸控制的抗反射涂层
该申请是题为“改善临界尺寸控制”的USSN09/221092(代理文档号98P7982US)的部分延续，这里引用该文献作为参考。
本发明一般涉及集成电路制造，具体涉及构图期间改善临界尺寸(CD)控制。
在半导体集成电路(IC)的形成中，要在衬底上形成结构。这些结构例如对应于如晶体管、电容器和电阻器等器件。这些器件互连以实现希望的电功能。
为形成器件，要在衬底上按需要重复淀积，并构图各层。一般采用平版印刷技术构图器件层。这种技术使用曝光源从掩模将光图像投射到形成于衬底表面上的光刻胶(抗蚀剂)层上。光照射抗蚀层，用需要的图形曝光。根据所用的是正型还是负型抗蚀剂，去掉抗蚀层的曝光或未曝光部分。然后，例如腐蚀未由抗蚀剂保护的部分，在衬底中形成结构。
结构的尺寸取决于平版印刷系统的分辨能力。给定一代平版印刷系统所能实现的最小特征尺寸(F)称作平版印刷基本规则(GR)。临界尺寸(CD)定义为必须控制的最小特征尺寸。例如包括线宽、间隔、及接触宽度。
由于光或到抗蚀层的反射的变化，CD会发生变化。控制CD的变化(CD控制)变为重要的课题，尤其是随着积极缩小GR(例如，0.25微米或更小)。在抗蚀剂下使用抗反射涂层(ARC)，减小底层造成的到抗蚀剂的反射变化，有助于CD控制。
ARC可按两种作用模式使用，防止到抗蚀剂的反射变化。第一种模式是吸收，第二种模式是破坏性干涉。
按吸收模式，ARC吸收穿过它的光。以此方式，防止散射光不希望地曝光抗蚀剂。ARC应具有合适的消光系数(k)和厚度，以便能完全吸收光。完全吸收光所需要的k和厚度随曝光光源的波长改变。较高的k需要较薄的ARC层，以便可以完全吸收给定波长的给定量光。相反，较小的k需要较厚的ARC层，以便完全吸收给定波长的给定量光。例如，约0.5的k值需要ARC厚约1000埃，以吸收248纳米(nm)的光。
按破坏性干涉模式，ARC下表面界面造成的反射相对于ARC上表面界面造成的反射相移。通过彼此合适地相移反射，它们可以被消掉(破坏性相消)。
一般情况下，可采用各种有机和无机ARC。有机ARC例如包括ShipleyCompany目前作为AR2和AR3销售的化合物。无机ARC例如包括氮化硅、氮氧化硅、氢化氮氧化硅、氮化钛、非晶硅、碳化硅和非晶碳。
有机ARC一般利用旋涂工艺淀积。有机ARC具有相对固定的折射率。不同的有机ARC可以有不同的折射率。为减少ARC/抗蚀剂界面处的反射，希望有机ARC的折射率与抗蚀剂的相匹配。由于有机ARC具有相对固定的折射率，一般只按吸收模式使用它们。
由于例如膜淀积或化学机械抛光(CMP)等处理，ARC下的膜叠层一般有很大厚度偏差。为抑制厚度偏差引起的效应，需要较厚的有机ARC。使用较厚的有机ARC进而需要较厚的抗蚀剂，以足以用作ARC开口工艺期间的腐蚀掩模。较厚的抗蚀剂会导致焦深的退化，特别是在较小GR(例如，0.25微米或更小)时，结果使工艺窗口变窄。因此致使在例如0.25微米或更小的GR情况下，使用有机ARC不具有诱人的前景。
另一方面，由于无机ARC没有与有机ARC有关的任何缺点，所以已被广泛采用。此外，无机ARC有以下优点，例如有可调的特性、低缺陷水平、良好的保形性、相对于抗蚀剂有高腐蚀选择性、及较小的摆动率。
尽管可按两种模式使用无机ARC，但在较小GR时，一般按破坏性干涉模式使用无机ARC。这是由于具有相当高k值而按吸收模式起作用的无机ARC的折射率与抗蚀剂的折射率不匹配。在较小GR时，折射率的不匹配产生的驻波会变得更明显，结果导致图形退化，这是所不希望的。
为了在按破坏性干涉模式起作用时产生破坏性相消，无机ARC需要形成于不透明材料上或形成于非常均匀的透明材料上。在例如硅酸盐玻璃等透明材料处于无机ARC下面时，透明材料的厚度偏差会造成反射强度的不一致。因而很难利用破坏性干涉效应的优点。
由于底下的各层一般由例如硅酸盐玻璃等透明材料构成，这些材料具有较大厚度偏差，所以破坏性干涉带来的局限会给提供具有良好CD控制的无机ARC工艺带来许多困难。此外，在某些情况下，无机ARC可能会沾污上面的抗蚀剂(抗蚀剂污染)。可能需要例如氧化硅(SiO2)等帽盖层，以避免抗蚀剂污染。抗蚀剂和帽盖层间的折射率失配在抗蚀剂中产生驻波效应，对CD控制有不良影响。
从上述讨论可知，希望提供一种能改善CD控制的ARC层。
图1是本发明的例示实施例；
图2a-b分别是本发明一个实施例的无机ARC的折射率和消光系数的分布图；
图3是本发明另一实施例的无机ARC的折射率的分布图；
图4示出了本发明的一个实施例。
本发明涉及改善平版印刷中的CD控制。根据本发明，通过采用具有第一和第二部分的无机ARC实现CD控制的改善。第一部分按吸收模式起作用，第二部分减小第一部分和光刻胶折射率的差异，从而减少抗蚀剂的反射率，以改善CD控制。
按另一实施例，无机ARC层的第二部分具有渐变的折射率，以减小第一部分和抗蚀剂间折射率的差异。在第二部分的下表面处，折射率约等于第一ARC层的折射率。在到达第二无机ARC上表面时，折射率逐渐减小到约等于抗蚀剂的折射率。提供渐变的折射率可以减小抗蚀剂的反射率，因而可以实现良好的CD控制。
本发明涉及半导体工艺。具体说，本发明涉及改善的CD控制，从而可以产生较宽的平版印刷工艺窗口。根据本发明，通过提供把吸收和破坏性干涉特性结合在一起的无机ARC，可以实现CD控制的改善。
图1示出了本发明一个实施例的ARC层。例如ARC层130设置于半导体衬底110的表面和抗蚀层170之间。抗蚀层例如包括平版印刷工艺所用的常规抗蚀剂。这种抗蚀剂既可以是正型也可以是负型抗蚀剂。
半导体衬底例如包括硅晶片。也可以采用其它类型的衬底，例如包括砷化镓、锗、绝缘体基外延硅或其它半导体或非半导体材料。衬底可以处于工艺流程的不同阶段。例如衬底可以处于工艺流程的开始阶段或被部分处理过，包括结构(未示出)。这些结构用于例如形成如动态随机存取存储器(DRAM)等集成电路(IC)或其它类型的IC或电动机械或机械装置。为了讨论方便，术语“衬底”用来泛指可以处于工艺流程的任何阶段的衬底。
无机ARC层130形成于衬底上。无机ARC层例如包括介质ARC(DARC)、金属ARC、或其它无机抗反射材料。在一个实施例中，无机ARC包括DARC，例如氮化硅(SixNy)、氮氧化硅(SiNxOy)、氢化氮氧化硅或其它类型的介质抗反射材料。在优选实施例中，DARC包括氮氧化硅。无机ARC层利用例如化学汽相淀积(CVD)等常规技术淀积。
抗蚀剂形成于ARC层上。可以使用任何常规抗蚀剂材料。典型的抗蚀剂材料的n值例如为1.74。抗蚀剂利用常规技术形成。抗蚀剂的厚度应足以用作ARC开口工艺的腐蚀掩模。一般说，抗蚀层的厚度约为0.2-10微米。
根据本发明的一个实施例，无机ARC层包括第一和第二部分135和140。第一无机ARC部分135以吸收模式起作用，第二无机ARC部分140减小第一无机ARC部分和光刻胶的折射率差。这种构成减小了抗蚀剂的反射率，于是改善了CD控制。
在一个实施例中，第一无机ARC部分135与衬底接触。由于第一无机ARC部分以吸收模式起作用，所以衬底的特性不会影响其性能。
第一无机ARC部分基本上吸收了所有从中通过或其中反射的光。在一个实施例中，第一无机部分的k值至少约为0.2，较好是至少约为0.5。折射率取决于k值。在一个实施例中，第一无机ARC部分的k值约为0.56，n约为2.1。
对于给定的k值来说，第一无机ARC部分的厚度应足以吸收从中通过或其中反射的光。在一个实施例中，该厚度约为5-150nm。自然，该厚度可以随k值和第二ARC部分需要吸收的光量改变。
位于第一无机ARC部分上的第二ARC部分140用于减小两层间即抗蚀剂和第一无机ARC部分间的折射率差。例如，第一无机ARC部分和抗蚀剂折射率差约为0.36(例如，2.1-1.74)。第二ARC部分可以减小该差(0.36)的大小，因而可以减小抗蚀剂的反射率。为减小两层间的折射率差，第二无机ARC部分的n值选择为介于两层的折射率之间的值。
在一个实施例中，第二无机ARC部分有渐变的折射率。渐变的折射率可以减小第一无机ARC部分和抗蚀剂间的折射率差。在一个实施例中，渐变的折射率从第二ARC部分的底部向上部，从约等于第一无机ARC部分的值减小到约等于抗蚀剂的值。
图2a示出了第二无机ARC部分的折射率分布。如图所示，第一部分的n值约为2.1，抗蚀层的n值约为1.74。这些值是以吸收模式起作用的第一无机ARC部分和常规抗蚀剂的典型值。自然，第一无机ARC和抗蚀剂可以有其它n值。
在第一和第二无机ARC部分的界面处，第二无机ARC的n值约等于第一无机ARC部分。第二无机ARC部分的n值随着穿过第二无机ARC部分向抗蚀层减小。第二元机ARC部分的n值在第二无机ARC部分和抗蚀剂的界面处降低到抗蚀剂的n值。
消光系数某种程度上取决于n值。随着n减小，k也减小。图2b绘出了第二无机ARC部分的k值与对应于图2a曲线的n值的关系。如图所示，随着膜组分的改变以减小n值，k快速大幅度减小。
第二无机ARC部分的渐变折射率在图2a中表示为平滑的渐变。也可以使用具有台阶式渐变的渐变折射率的第二无机ARC部分，如图3所示。
例如，如图2所示，第二无机ARC部分下部的n值开始约等于第一无机ARC部分的n值，并在上部下降到约等于抗蚀剂的n值。第二无机ARC部分中各部分的n值可以改变。例如，第二无机ARC部分的下部和上部的n值可以大于或小于第一无机ARC部分或抗蚀剂的n值。另外，折射率的渐变可以随不同参数而改变，例如厚度或第一无机ARC部分和抗蚀剂间折射率差的大小。如果可以减小第一无机ARC部分和抗蚀剂间n值的差，那么便可以实现抗蚀剂反射率的减小。
在使用具有不同折射率的两层时，会发生反射。如果下层以吸收模式起作用，则可以假定下层底部界面对上层的反射率没有贡献。这样，上层的反射率定义为如下：
R＝Iref/Iin＝[(n1-n2)/(n1+n2)]2
其中R＝反射率，Irwf＝反射光的强度，Iin＝入射光的强度，n1＝下层的折射率，n2＝上层的折射率。
参见图4，图4示出了本发明的一个实施例。图4示出了第二无机ARC部分140，其具有渐变的折射率，在第一无机ARC部分135和抗蚀剂170间提供了附加界面141。带有以吸收模式起作用的第一无机ARC部分135的抗蚀剂的反射率可以表示为：
RR＝R2+R1
＝[(n2-nR)/(n2+nR)]2+[(n1-n2)/(n1+n2)]2
其中RR＝抗蚀剂170的反射率，
R2＝第二无机ARC部分的上部139的反射率，
R1＝第二无机ARC部分的下部137的反射率，
nR＝抗蚀层170的折射率，
n2＝第二无机ARC部分的上部139的折射率，
n1＝第二无机ARC部分的下部137的折射率。
由于反射率和折射率间的非线性关系(即二次方)，由一个附加界面所提供的相邻层间折射率差的减小导致了上层反射率的整体减小。
按本发明另一实施例，第二无机ARC部分具有为阶梯函数的渐变折射率。在第二无机ARC部分内形成多个子部分可以看出这种渐变折射率，每个子部分所选的n值不同，以便减小相邻子部分间n值的差。具有包括X个子部分的第二无机ARC部分和以吸收模式起作用的第一无机ARC部分的抗蚀剂的反射率可以归纳如下：
RR＝R1+R2…+Rx
其中RR＝抗蚀剂的反射率
R1＝抗蚀剂下的第二无机ARC部分的子部分的反射率
R2＝R1下的第二无机ARC部分的子部分的反射率
Rn＝与第一无机ARC部分接触的第二无机ARC部分的子部分的折射率。
由于具有一系列界面，相邻子部间的折射率差减小，因而减小了抗蚀剂的反射率。第二无机ARC部分中子部分数量增大，一般可以进一步减小相邻子部分n值间的差，于是抗蚀剂的整体反射率可以较大幅度下降。在相邻子部分间的n值之差达到零或无限小时，在渐变折射率连续且平滑的情况下，上层或抗蚀剂的整体反射率达到零。
如上所述，第二无机ARC部分可形成为具有不同梯度的渐变n值，或不同数量的层，以便第一无机ARC部分和抗蚀剂的折射率间的差如愿减小。可以选择层数或特定的渐变n值，以满足特殊要求或优化特定工艺。另外，对整个第二ARC部分或其中的子部分没有厚度方面的限制。然而，实际上，第二无机ARC部分应相对薄，以减少抗蚀剂的消耗和成本。另外，相邻子部分的折射率变化不必相同。此外，第一和第二无机ARC部分不必采用相同类型的无机ARC。可以使用不同的无机ARC形成第一和第二ARC部分，来实现第一无机ARC部分与抗蚀剂间折射率减小。另外，也可以用有机ARC代替第一无机ARC部分。
可以通过调节无机ARC使其具有要求的n值分布，实现第二无机ARC部分的淀积，以形成渐变的折射率。例如，第一无机ARC部分淀积完成后，在CVD淀积第二无机ARC部分期间，可以连续改变前体气流以合适地改变n值。例如可以控制气流，形成平滑或阶梯渐变的n值分布。也可以采用改变第二无机ARC部分的折射率的其它技术。
在某此情况下，特别是在使用包含氮的无机ARC时，会发生抗蚀剂污染。氮表现为与抗蚀剂相互作用，影响抗蚀剂的物理性质，这是不希望的。在一个实施例中，在第二无机ARC部分的上部提供无氮或氮量减少的无机ARC子部分，以防止抗蚀剂污染。例如，在氮氧化硅的情况下，去除氮产生不与抗蚀剂相互作用的富硅氧化物。氮量减少或无氮子部分的厚度应较薄，同时仍能防止抗蚀剂污染。该厚度例如为1nm或更小。
在某些应用中，无机ARC具有硬掩模质量。这种质量对于例如双镶嵌应用特别有益。为提供硬掩模质量，第二无机ARC部分的上部分包括无机ARC硬掩模子部分。硬掩模子部分的厚度应相对较薄，例如为约1nm或更小。
在一个实施例中，无机ARC硬掩模子部分包括富硅材料。硬掩模子部分例如由硅基DARC形成。这种硅基DARC例如包括氮化硅、氮氧化硅或包括硅的其它类型的DARC。在一个实施例中，硬掩模部分包括淀积工艺期间其氮含量减少或被去除的氮氧化硅。富硅材料较好是可用作硬掩模，并能减少或避免抗蚀剂污染。
尽管结合不同的实施例展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应认识到，在不脱离本发明范围的情况下可以做出改进和变化。因此，本发明的范围并不参考上述介绍确定，而是参考所附权利要求书及其等同的整个范围来确定。

Claims (6)

1.一种减小平版印刷中抗蚀剂反射率的方法，包括：
在衬底上淀积抗反射涂层(ARC)；及
在ARC上淀积抗蚀层，
其中ARC包括第一和第二部分，第一部分以吸收模式起作用，第二部分具有能够减小第一部分和抗蚀剂间折射率差的折射率。
2.如权利要求1所述的方法，其中第一ARC部分淀积于衬底上，第二ARC部分淀积于第一ARC部分上。
3.如权利要求2所述的方法，其中第一ARC部分具有至少为0.2的消光系数。
4.如权利要求1所述的方法，其中第二ARC部分是无机ARC。
5.如权利要求4所述的方法，其中第二ARC部分的折射率介于第一ARC部分和抗蚀剂的折射率之间。
6.如权利要求1所述的方法，其中第二ARC部分具有渐变的折射率，其中第一ARC部分下表面处的渐变折射率约等于第一ARC部分的折射率，第二ARC部分上表面处的渐变折射率约等于抗蚀剂的折射率。
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