CN1914562A - 使用可去除硬掩模制造光罩的方法 - Google Patents

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Abstract

我们已经减小了光罩制造的临界尺寸偏差。向光罩衬底辐射阻挡层的图案转移基本依赖于从硬掩模的转移而不是从光刻胶的转移。在向硬掩模的图案转移过程中发生的光刻胶缩进被最小化。此外，当硬掩模材料具有与辐射阻挡层的反射特性相匹配的抗反射性能时，能够减小临界尺寸大小，并且可以改进对于硬掩模自身中的图案特征完整性。当光罩被用于半导体器件制造工艺时，留在辐射阻挡层上的抗反射硬掩模层提供了功能性。

Description

使用可去除硬掩模制造光罩的方法
技术领域
本发明涉及用于制造通常被称作光掩模的光罩的方法。光罩包括图案化层，其中，在通过光刻技术将图案从光罩转移到衬底的过程中，辐射穿过所述图案化层。
背景技术
典型的光罩制造工艺开始于形成衬底，该衬底一般包括诸如石英层的含硅基底层、施加在石英层上的铬层、以及在铬层上形成的从氧化铬过渡到氧氮化铬的层。光刻胶材料通常被施加在铬氧化物/氧氮化铬层上。光刻胶材料通过辐射图案化成像，并且光刻胶中的图像被显影成图案。然后，图案化的光刻胶被用作掩模，用于将图案转移到铬层。当光罩被用于诸如半导体衬底之类的衬底的制造时，铬层中的图案允许辐射穿过光罩的若干部分，其中图案通过光刻技术被转移到半导体衬底。光罩衬底的氧化铬/氧氮化铬层在铬层的图案化过程中充当抗反射涂层(ARC)。但是，该层的抗反射性能对于目前的光刻胶成像辐射来说不如它们对于用于光罩制造领域的早期的光刻胶的成像辐射那么有效。
与用于半导体制造的一类步进机结合使用的光罩一般为6平方英寸，约0.25英寸厚。这样的光罩可以在用于制造半导体晶片的大多数8英寸或更大的一类处理室中制造。但是，因为光罩随后要以其中成像辐射将照射通过顶部并且从底部出来的方式被使用，所以在光罩的辐射将穿过其的任一表面上不能有任何明显的刮痕。结果，用于光罩制造的工具需要专门的光罩衬底搬运装置和接触表面。例如，移动光罩衬底的机械手叶片可以仅仅通过衬底的边缘或角部并且在距离衬底边缘一定距离内抓住衬底。光罩衬底放置在其上的底座被设计成与衬底具有最小的接触，其中凸起的凸缘接触光罩衬底的边缘或者来自底座的少数几个突起接触光罩衬底。
当前，在形成光罩衬底的过程中，石英基底层的两个主表面被抛光，随后在主表面之一上物理气相沉积诸如铬层的辐射阻挡层。铬层的沉积临近结束时，氧被添加到沉积室，使得氧化铬被形成；随后少量的氮(称为氮吹)也被添加到沉积室，使得氧化铬过渡到氧氮化铬。如前面所提到的，氧化铬/氧氮化铬层用于在光刻胶的图案成像过程中减小铬表面的反射率，其中，所述光刻胶被施加在氧化铬/氧氮化铬层的表面上。反射率的大小依赖于成像辐射。
优选的用于成像光刻胶的直接刻画工具中的一种是以约275nm或198nm波长进行刻画的连续波激光。此直接刻画工具可从Oregon的Hillsboro的ETEC Systems公司得到，商标为ALTATM。氧化铬/氧氮化铬层的反射率在257nm下为约14％的数量级。这比所期望的要高得多，并且是从用于成像光刻胶的早期技术得到的典型结果，在早期技术中，辐射成像波长为405nm的范围，并且其与氧化铬/氧氮化铬层的组成相组合，产生了小于约10％的数量级反射率。为了补偿在用目前所使用的辐射工具进行光刻胶成像过程中的现有反射率的问题，可以将有机抗反射涂层(ARC)施加在氧化铬/氧氮化铬层的表面上。
铬层一般使用等离子体干法刻蚀技术来图案化，在该刻蚀技术中，等离子体由氯和氧的源气体产生。此等离子体刻蚀剂往往不会攻击需要对辐射保持透明的衬底石英基底，于是例如(但不是限制)在半导体晶片制造过程中，铬中的图案将被准确地转移。但是，虽然氯/氧等离子体不会攻击光罩衬底的石英基底，但是等离子体中存在的氧会攻击光刻胶，所述光刻胶将用于将图案转移到铬层。这导致光刻胶的多面化，这通常被称为“光刻胶缩进(resist pull back)”，其中，刻画在光刻胶中的临界尺寸的变化被反映在刻蚀到铬中的图案的临界尺寸的变化中。这有时被称为“CD损失”。例如，基于其中在光刻胶中的标称特征尺寸图案为约720nm的当前的测试图案，主要由于光刻胶缩进效应，在铬中产生的特征尺寸可以是60nm到大于70nm。例如但不是限制，如果使用193nm波长连续波激光在典型的ARF(193nm)光刻胶上可以刻画的最小间距为约110nm的范围内时，则由于光刻胶缩进，可以刻画的最小铬间距可能在约170nm到180nm的范围内。例如但不是限制，如果使用可从Toshiba或Hitachi得到的电子束刻画工具在典型的ARF(193nm)光刻胶上可以刻画的最小间距例如为约90nm，则由于光刻胶缩进，可以刻画的最小铬间距变为约150nm到160nm。可以清楚地看到，如果可以消除此光刻胶缩进问题，则可以获得的最小铬特征将得到显著改进。
当考虑相移光罩时，消除光刻胶缩进问题的重要性甚至变得更重要。目前，这样的光罩占所生产的光罩的约25％，但是随着特征尺寸要求朝向更小特征尺寸发展，该百分比在不断增大。相移光罩被设计来抵消成像辐射的衍射分量，该衍射含量将影响可以刻画在铬中的间距的宽度。优选的相移方法之一是通过使用铬图案中的特定位置上的衍射狭缝来实现的。例如，对于可以被刻画的最小间距为100nm的二元掩模，相移狭缝将优选为30nm的范围。但是，因为30纳米不能被刻画，所以相移被限制到可以被刻画的阈值。通过消除光刻胶缩进(消除因为光刻胶缩进造成的CD偏差)，则相移的阈值可以被降低，并且特征分辨率和集成度可以得到改善。
2001年1月9日授予Ku等人的美国专利No.6171764描述了可能发生于光刻工艺中的多种辐射反射问题。该描述涉及利用电介质抗反射(DARC)层来减小光刻胶成像期间的被反射辐射的半导体制造方法。具体来说，Ku等人的发明和其它已知方法之间的不同之处在于，用于光刻工艺的衬底中的特定层的排序。在Ku等人的方法中，DARC层施加在衬底上，接着是硬掩模层，然后是光刻胶。据称这与其中使用处在光刻胶层和硬掩模层之间的DARC的其它已知方法进行了相比(第3栏，第35-46行)。
2003年8月19日授予Lee等人的美国专利No.6607984描述了一种半导体制造方法，其中，无机抗反射涂层被使用并随后通过相对于下方的无机电介质层进行选择性刻蚀被去除(从第1栏第61-67行到第2栏第1-6行)。
2000年6月21日公布的Shao-Wen Hsia等的欧洲专利申请No.99204265.5描述了采用由等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的无机电介质层的半导体互连结构。根据该发明的优选实施例，光刻胶图案在其上显影的金属层包括层间间金属叠层，所述层间金属叠层具有由上薄膜ARC层和底薄膜阻挡层限定的导电金属(铝、钛等)层，其中至少顶层是由无机电介质物质组成的。无机电介质顶ARC层的使用据称有利于使用更薄的光刻胶层，同时对于深亚微米特征尺寸保持了光刻胶图案的完整性(从第1栏第56-58行到第2栏第1-8行)。
所有上述的参考文献涉及在半导体器件的制造中使用ARC。半导体器件的制造一般通过利用光刻胶通过光罩曝光于掩蔽辐射来实施，以提供高效生产。光刻胶通过光罩的曝光时间一般在数秒到几分钟的范围内。申请人的发明涉及在光刻胶上直接刻画图案，所述光刻胶用于将图案转移到随后被用于半导体制造的一类光罩。该光刻胶上的图案直接刻画需要数小时，通常在约8小时到约20小时之间。由于图案化用于制造光罩的光刻胶所需的时间周期(以及光刻胶材料中的可能差异)，在光刻胶中可能发生化学反应，这会影响图案化的光刻胶的临界尺寸。因为用于光罩制造的光刻胶是化学放大光刻胶，并且刻画图案的所需的时间是如此的长，所以与在半导体器件的制造期间相比，成像辐射偏折离开光刻胶下方的衬底变得更加关键，其中，光刻胶图案化由短时间的通过光罩的掩蔽辐射来实施。
目前存在对于用于光罩制造的ARC的功能性进行改进的需要，使得对于目前用于光罩制造光刻胶的成像的辐射波长，获得反射率的减小。此外，存在对于如下技术手段的需要，该技术手段消除或者至少显著减小了刻蚀铬层(或其它类似的辐射消隐层)期间的光刻胶缩进，以提供对于图案化光罩的临界尺寸的更好控制。
发明内容
我们已经减小了光罩制造的临界尺寸偏差。向光罩衬底辐射阻挡层的图案转移基本依赖于从硬掩模的转移而不是从光刻胶的转移。在向硬掩模的图案转移过程中发生的光刻胶缩进是最小的，并且光刻胶图案和硬掩模图案之间的临界尺寸的变化一般小于约10-12nm。此外，当硬掩模材料具有适于成像辐射波长的抗反射性能时，在光刻胶的成像过程中从铬表面的反射被明显减小，这进一步减小了直接刻画图案和转移到硬掩模的图案之间的临界尺寸的变化。当在图案从硬掩模向辐射阻挡层转移过程中的选择性高时(通常，至少约5∶1，其中辐射阻挡层的刻蚀速度是硬掩模的5倍)，这进一步减小了转移到铬(或其它的辐射阻挡层)的图案中的临界尺寸偏差(通常称为刻蚀偏差)。辐射阻挡层相对于硬掩模的最高选择性是有利的，这可以在满足对于硬掩模的其它要求的同时来获得。上述工艺因素的组合能够减小图案化辐射阻挡层的临界尺寸大小，并且提供了对于图案化的辐射阻挡层的图案特征完整性的改进。从直接刻画图案辐射的尺寸到图案化的辐射阻挡层的临界尺寸的典型增加值可以为约5％～7％或更小的范围。
在本发明的一个实施例中，在刻蚀铬之后，具有抗反射性能的硬掩模材料可以被留在铬的表面上。因为硬掩模表面面对使用光罩图案化的半导体衬底上的光刻胶的表面，所以在硬掩模中存在适当的抗反射性能可以被用于减小在通过光罩的半导体光刻胶的掩蔽辐射成像过程中发生的反射辐射的回弹量。回弹反射辐射的意思是，反射离开半导体衬底到达光罩或者其它表面(在光罩和半导体衬底之间)然后回到半导体衬底光刻胶的辐射。
在本发明的另一个实施例中，在光罩的制造过程中使用湿法刻蚀的情况下，在湿法刻蚀工艺过程中，硬掩模材料(不论是否具有抗反射性能)被去除以防止污染。在此实施例中，当用于去除硬掩模的等离子体刻蚀剂也将刻蚀光罩基底衬底(一般为石英)时，在去除硬掩模的过程中，施加保护层以填充穿过铬的图案化开口的至少一部分。这防止了在去除硬掩模的过程中刻蚀在图案开口的底部处的石英。
附图说明
图1A-1C示出了被用作图案化之前的光罩衬底的三种典型结构的示意性剖视图。
图1D和1E也是示意性剖视图，其图示了导致光刻胶缩进的工艺步骤。当衬底的结构是图1A-1C所示的种类之一时，光刻胶缩进通常在刻蚀光罩衬底上的铬(或其它辐射阻挡层)期间发生。
图2A示出了作为申请人的发明的实施例之一的改进的光罩制造起始结构的示意性剖视图。
图2B-2D是示意性剖视图，其图示了与图1A所示的光罩衬底结构相比，如何利用图2A所示的光罩衬底结构显著减小铬缩进(穿过铬的开口的增大)，通常减小了超过50％到70％。
图3A示出了光罩结构的示意性剖视图，该光罩结构包括石英衬底312，石英衬底312处于图案化含铬辐射阻挡层314下方，同时在图案化的辐射阻挡层314的表面上具有拥有抗反射性能的无机层316。
图3B示出了反转到在光刻步进机中使用的位置的图3A的光罩结构。
图3C示出了光罩结构303的示意性剖视图，该光罩结构303在辐射阻挡层314的表面上没有具有抗反射性能的无机层316。这提供了一个对比示例，其中最终的图案化辐射308d可以将辐射311反弹离开处于半导体晶片304的表面上的光刻胶320的表面306。反弹辐射311可以反射离开光罩303表面，并且在光刻胶320的表面306上产生弹回辐射313。
图3D示出了示于图3A和3B中的一类光罩结构305的示意性剖视图，该光罩结构305在辐射阻挡层314的表面上有具有抗反射性能的无机层316。产生反弹辐射311的最终图案化辐射308d不被反射回到光刻胶320的表面306，因为大量的反弹辐射311被无机抗反射层316消耗。
图4A-4E示出了一系列工艺步骤的示意性剖视图，该一系列工艺步骤可以用于去除上覆于光罩表面上的图案化铬层的硬掩模(可以具有抗反射性能)。当将对相移光罩的辐射阻挡层或者下方的石英层中的一部分进行湿法刻蚀时，该工序可能是必要的。
具体实施方式
作为具体实施方式的前言，应当注意，在上下文没有特别指明的情况下，在说明书和所附权利要求中所用的单数形式如“一个”、“某一”和“该”等也包括复数指代物。
为了获得具有更小尺寸的临界尺寸的图案化光罩结构，我们开发了一种减小用于图案化该结构的光刻胶的多面化和缩进效应的方法。此外，我们已经减小在将图案直接刻画到光刻胶上的过程中离开光罩结构的辐射阻挡层的成像辐射的反射量，这进一步减小了直接刻画的图案和转移到硬掩模的图案之间的临界尺寸的变化。当在图案从硬掩模转移到辐射阻挡层的过程中的选择性高时(通常，至少约5∶1，其中辐射阻挡层的刻蚀速度是硬掩模的5倍)，这进一步减小了转移到铬(或其它的辐射阻挡层)的图案中的临界尺寸偏差(通常称为刻蚀偏差)。上述工艺因素的组合能够减小图案化辐射阻挡层的临界尺寸大小，并且提供了对于图案化的辐射阻挡层的图案特征完整性的改进。此外，我们创造了一种光罩结构，其可以被调节以减小在半导体制造期间离开半导体光刻胶表面的回弹、反射光子。
如在背景技术部分所提到的，在用于将图案转移到光罩辐射阻挡层的光刻胶上直接刻画图案期间来自下方材料的光学成像辐射的反射常常在光罩的制造过程中产生问题。在被光学成像的光刻胶中可以产生驻波。当特征尺寸的范围为100nm和更小时，经显影的光刻胶的外部形状中的缺陷的存在影响光罩图案的临界尺寸，特别是影响光罩图案的尺寸分辨率。由此得出结论，使用光罩所制造的半导体结构的临界尺寸因而受到影响。
如前面所述的，例如但不是限制，使用用于沉积各种材料膜和去除所沉积的层的多个部分的半导体工业中已知的一类设备可以制造光罩衬底。
就可以在掩模的图案化辐射阻挡层(诸如铬层)中获得的临界尺寸大小和图案完整性而言，用于图案化光罩(光掩模)的所有工艺可以受益于本方法的应用。当在半导体器件的制造过程中光罩与光学曝光工具相结合使用时，具有抗反射材料的残留层(在刻蚀辐射阻挡层的过程中充当硬掩模)的光罩是特别有用的。考虑到这一点，针对使用连续波直接刻画激光作为辐射工具并且针对化学放大DUV光刻胶，描述了本发明。但是，如前所述，本发明在光罩的辐射阻挡层中所刻蚀的特征的临界尺寸大小方面的好处也可以适用于可从Hitachi和Toshiba获得的用于制造光罩的一类直接刻画电子束辐射工具。
在下面所描述的本发明的实施例中，在光罩制造期间光刻胶材料的成像使用直接刻画连续波激光(具体来说，可从Hillsboro，Oregon的ETEC System公司获得的257nm或198nm连续波激光直接刻画工具)来实施。直接刻画连续波激光通过进行光学辐射曝光将图案图像(例如但不是限制，诸如集成电路图案)刻画到涂覆在光罩衬底上的未图案化的光刻胶上。光罩衬底包括本文随后描述的一类特定多层的组合。曝光的光刻胶于是包含图案的潜像，该潜像随后被“显影”，以产生图案化的光刻胶。图案化的光刻胶然后被用于将图案转移穿过光罩衬底的下方层，以创建图案化的光罩。图案一般通过干法等离子体刻蚀技术从光刻胶转移到下方的光罩衬底层，但是在一些情形中，可以将湿法刻蚀与干法刻蚀组合使用，以获得特定的刻蚀形状。
实现对光罩的辐射阻挡层中的图案化特征的临界尺寸(CD)的期望控制依赖于所使用的具体辐射工具和光罩衬底的各个层的组成的组合。本发明涉及选择和使用光罩衬底中的各个层，以对于给定的辐射工具在整个光罩上的图案完整性得到改善的情况下提供更小尺寸的CD。
因为本发明特别该兴趣的光罩制造工艺需要使用用于辐射光刻胶的直接刻画工艺，所以重要的是，所选择的光刻胶是一种这样的光刻胶，其将在图案的刻画过程中以及在显影图案以提供图案化光刻胶所必须的时间内，对于刻画到光刻胶中的潜像提供尺寸稳定性。光刻胶中的潜像稳定性应该使得在一般为约6小时(并且可以延长到约20小时或者更长)的时间段内CD的变化小于5nm。
用于光罩的衬底材料通常选自包括石英、氟化石英、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、及其组合的材料的组。在本文所述的实施例中，用于制造光罩的衬底是石英，其满足如下面的表1所示的要求。
表1石英性能
  物理性能   条件   石英掩模空片
  组成   100％SiO2
  热性能   膨胀   系数(α50-200℃×10-7)   5
  热性能   退火点   1120℃
  光学性能   反射率   1.46nd
化学耐久性 重量减轻   去离子(DI)水，100℃，1小时1/100N HNO3，100℃，1小时5％ NaOH，80℃，1小时   0.000％0.000％0.17mg/mm2
此外，石英衬底具有如下物理性能：杨氏模量7.413kg/mm2；剪切模量3,170kg/mm2；泊松比0.18；努氏(Knoop)硬度615kg/mm2；以及研磨(Lapping)硬度210kg/mm2。电性能包括：表面电阻率1×1019Ω/方；以及体积电阻率1×1018Ω/方。
硬掩模材料层可以选自在半导体工业中在等离子体刻蚀工艺中用作硬掩模的任何材料。在一些情形中，硬掩模材料可以具有抗反射特性。在其它情形中，使用双层硬掩模可能是理想的，其中一层没有抗反射性能而一层具有抗反射性能。在考虑硬掩模材料的选择时，当制造相移光罩时，材料可能需要能够经受等离子体干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺两者；或者硬掩模材料可能在辐射阻挡层的至少一部分的干法刻蚀之后和湿法刻蚀之前必须被去除。
提供抗反射性能的硬掩模材料的典型示例包括但不限于：氧氮化铬、氧氮化硅、富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氧氮化物、氮化钛、硅化钼、以及硅碳化物(包括SiC；SiC:H；SiC:O，H；SiC:N，H；和SiC:O，N，H)。相对于抗反射硬掩模材料刻蚀辐射阻挡材料的等离子体刻蚀选择性应为至少约5∶1或更大。硬掩模的抗反射性能需要针对正在使用的成像辐射适用于保护特定的光刻胶。作为示例但不是限制，一般用于约150nm或更小的特征尺寸的化学放大光刻胶包含粘结剂聚合物，诸如含甲基丙烯酸酯树脂、基于羟基苯基的树脂、基于芳族丙烯酸化合物的树脂和基于异冰片基的树脂。
不提供抗反射性能的硬掩模材料的典型示例包括但不限于，类金刚石碳、碳、钨、SiO2和Si3N4。这样的材料使用本领域已知的技术沉积在辐射阻挡层材料层上，在沉积过程中衬底的温度不超过约450℃。硬掩模材料选择将依赖于辐射阻挡材料，其中，图案将被从硬掩模转移到辐射阻挡材料中。同样，相对于该硬掩模材料层刻蚀辐射阻挡材料层的等离子体刻蚀选择性应应提供这样的刻蚀速率，对辐射阻挡材料层的刻蚀速率是对硬掩模材料的刻蚀速率的至少约5倍，即，对辐射阻挡材料的刻蚀选择性应至少为5∶1，并且一般为约8∶1，然而已经实现了50∶1的选择性，并且更高的选择性也是可以的。
示例性实施例
示例1：对比示例的光罩起始结构
图1A示出了用于制造光罩的一类光罩起始结构110的示意性剖视图。在此示例中，起始结构110是多个层的叠层(没有按比例示出)，其从顶部到底部包括：5000埃厚的化学放大DUV光刻胶(DX1100，可从Somerville，NJ的AZ Clariant公司得到)层118；大约200埃厚的从氧化铬过渡到氧氮化铬的层116；750埃厚的铬辐射阻挡材料层1124；以及含氧化硅衬底112，其在此情形中是石英。
图1B示出了用于制造光罩的一类另一种光罩起始结构120的示意性剖视图。在此示例中，起始结构120是多个层的叠层(没有按比例示出)，其从顶部到底部包括：5000埃厚的化学放大DUV光刻胶(DX1100)层128；470埃厚的有机ARC(标识为KRF 17G，可从AZ/Clariant得到)层127；750埃厚的铬掩模材料层124；以及含氧化硅衬底122，其在此情形中是石英。有机ARC层127既用作抗反射涂层，又用于使得在当氧化铬和光刻胶之间直接接触时的某些情形中发生的化学反应最小化。
图1C示出了用于制造光罩的一类第三光罩起始结构130的示意性剖视图。在此对比示例中，起始结构是多个层的叠层(没有按比例示出)，其从顶部到底部包括：5000埃厚的化学放大DUV光刻胶(DX1100)层138；470埃厚的有机ARC(标识为KRF 17G)层137；250埃厚的从氧化铬过渡到氧氮化铬(无机ARC)的层136；750埃厚的铬掩模材料层134；以及含氧化硅衬底132，所述衬底是石英。
在图1A～1C中示出的所有示例性光罩起始结构都具有相同的问题。它们全都依赖于作为用于刻蚀铬掩模材料的掩模材料的光刻胶。因此，光刻胶层的厚度为5000埃，并且在铬的刻蚀进行时发生光刻胶缩进，导致在所有这些例子中出现问题。图1D和1E中示出了该问题，其中使用了图示中的图1A的光罩起始结构。
图1D示出了在光刻胶118已经被曝光于直接刻画辐射然后使用光刻胶制造商所推荐的液体显影剂显影之后，图1A的光罩起始结构。穿过光掩模118的开口140具有临界尺寸d1，其可以是例如沟槽的宽度或者接触过孔的直径。在此情形中，被刻蚀的测试图案的宽度为720nm。在将开口140转移穿过下方的氧化铬/氧氮化铬层之后，如图4E所示，开口140的宽度d2为约780nm～790nm。d2相对于d1的增大可以为约60nm～70nm。
如在本公开的背景技术部分中所讨论的，随着光罩中的图案的临界尺寸变得更小，由光刻胶缩进导致的对于临界尺寸宽度的影响已经变成非常显著的问题。
示例2：避免光刻胶缩进问题
图2A～2D图示了允许在不发生光刻胶缩进(并由此不发生CD偏差问题)的情况进行光罩的辐射阻挡层的图案刻蚀的一般构思。图2A-2D示出了以起始结构开始并且结束于图案化的光罩的光罩制造工艺的示意性剖视图。
图2A示出了光罩起始结构200，其从顶部到底部包括：化学放大光刻胶层218，其属于参考图1A-1C所描述的那一类，光刻胶层218的厚度为约3000埃～约4000埃。在光刻胶层218下方是无机ARC(SixOyNz)层216，其被选择来充当具有抗反射性能的等离子体刻蚀硬掩模。SixOyNz硬掩模层216的厚度的范围为约200埃～约500埃，并且一般为约300埃。SixOyNz硬掩模层216下方是厚度为约750埃的铬层214，其处在石英衬底212的表面上。
图2B示出了在成像和显影以产生具有临界尺寸d4的开口之后图2A的光罩起始结构，临界尺寸d4例如(但不是限制)可以是在使用光罩的过程中将被转移到半导体衬底的沟槽的宽度或接触过孔的直径。
在此具体实施例中，光刻胶是UV6(一种可从Shipley Company得到的化学放大光刻胶)，或者是FEP 171(一种可从Hoya得到的化学放大光刻胶)。用于成像光刻胶的辐射源是ALTA 4300，257nm连续波激光直接刻画工具(可从Hillsboro，Oregon的ETECSystem公司得到)。SixOyNz硬掩模层216的组成使得x的范围从约0.45～约0.55，y的范围从约0.2～约0.3，Z的范围从约0.2～约0.3(不包括氢)。这样的特定组成提供了范围从约1.95～约2.1的n，在248nm下范围从约0.3～约0.6的k，所以至少200埃的厚度确保了来自257nm连续波激光的被反射离开下方的铬层的辐射不会穿过SixOyNz硬掩模层到达上方的光刻胶层。此外，因为将被刻蚀的铬层为约750埃厚并SixOyNz硬掩模层相对于铬层的刻蚀选择性大于约7.5∶1，所以可以刻蚀穿过铬层所需的硬掩模层的最小厚度的范围从在最小面积上的约100埃到在角落的约200埃。在考虑了这些要求之后，SixOyNz硬掩模层的厚度被设为300埃，这考虑了安全因子。虽然用于本实施例的光刻胶是可从Hoya得到的FEP 171或者可从Shipley Company得到的UV6，但是例如(但不是限制)，还可以使用其它类似的化学放大光刻胶，诸如来自TOK的REAP 122，或来自Sumitomo/Sumika的PEK 130，或来自Clariant的DX1100P。最好，将成像辐射的nm波长尽可能靠近光刻胶设计使用的nm波长。
在成像光刻胶之后，以光刻胶的制造商推荐的方式显影光刻胶。临界尺寸d4为约720nm的测试图案尺寸。
在其中在SixOyNz ARC层下方存在氧氮化铬ARC层的情形中，SixOyNzARC层于是应该被调节到在257nm曝光波长下更接近k＝0.3。这通过将(x)减小到约0.4-0.45的下限来实现。在铬(没有氧氮化铬)ARC表面层的情形中，SixOyNz应该被调节到在曝光波长下更接近k＝0.5～0.6。这通过将(x)增加到约0.5到0.6的上限来实现。
氧氮化硅不能被用作电子束ARC。对于电子束ARC，应该使用诸如α-硅或α-碳的导电层。
使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积SixOyNz ARC/硬掩模层。PECVD在平行板电容耦合等离子体处理室中进行。用于PECVD的前驱体是SiH4、N2O和He，它们依据所期望的x，y和z值按照下面的表2中所示的比例使用。CVD室中的压强的范围从约3Torr～约9 Torr，在5 Torr下获得了好的结果。对于该处理室，反应物气体的总流率的范围为约4000sccm～约4300sccm，其中每一种气体的具体量被示于下面的表2中。等离子体源功率的范围从约0.25W/cm2～约1W/cm2，其中所述cm2是指硬掩模层沉积于其上的光罩衬底的表面积。没有向衬底施加偏压功率。光罩衬底下方的阴极(支撑底座)的温度的范围从约250℃～约400℃，其中所得到的光罩温度的范围从约210℃～约360℃。在较低温度下进行的PECVD沉积工艺操作导致SixOyNz层相对于辐射阻挡层的选择性减小。对于铬辐射阻挡层，400℃的阴极温度不会明显影响下方的铬。在刻蚀之后没有出现刻蚀铬线的粗糙度，该粗糙度被归因于由于暴露于在SixOyNz层的PECVD沉积过程中所使用的温度造成的铬中的结晶、晶粒生长或类似的变化。
表2：PECVD SixOyNz的工艺条件
  工艺条件   一般范围   优选范围   当前已知的最优范围
  总气体流率(sccm)   4190±50％   4190±20％   4190±10％
  SiH4流率(sccm)   110±50％   110±10％   110±10％
  N2O流率(sccm)   280±50％   280±50％   280±10％
  He流率(sccm)   3800±50％   3800±50％   3800±10％
  衬底温度(℃)   150-450   250-425   350-400
  处理室发温度(℃)   150-450   250-425   350-400
  处理室压强(Torr)   5±50％   5±20％   5±10％
  源功率(W/cm2)   0.4±100％   0.4±25％   0.4±10％
衬底上表面和用于膜沉积的8英寸晶片PECVD室的面板之间的间距为约350密耳(8.9mm)～400密耳(10.2mm)。
上述的处理条件被设计来提供如下的SixOyNz膜，其具有在曝光λ(257nm)下范围的折射率n为2.0±30％，并且典型地为2.0±20％，膜层厚度的范围约100埃～约1000埃，并且典型地为约250埃～约300埃，用于根据对于全相移相消所需的光学性能(n，k和d)之间的关系，与下方的铬层组合使用，其中，n是折射率，k是消光系数，d是膜厚度。
上述的处理条件被如下的SixOyNz膜，其具有在曝光λ(257nm)下消光系数K范围为0.4±50％，并且典型地为0.4±20％，膜层厚度的范围约100埃～约1000埃，并且典型地为约250埃～约300埃，用于与下方的铬层组合使用。
如图2C所示，在图案化FEP 171光刻胶218之后，该光刻胶使用等离子体刻蚀工艺将图案转移穿过下方的SixOyNz硬掩模层216，其中，用于产生刻蚀剂等离子体的等离子体源气体基本由CF4或CHF3组成，或者基本由SF6和氦组成。这些源气体的任何一种都提供了良好的结果。当使用CF4/CHF3等离子体源气体时，CF4比CHF3的体积比的典型范围从约1∶10～约2∶1，在约1∶3处获得了好的结果。当使用SF6和氦等离子体源气体时，SF6比氦的体积比为约0.02∶1～约0.05∶1，在约0.033∶1处获得了好的结果。刻蚀室中的压强的典型范围从约1mTorr～约10mTorr，对于CF4/CHF3等离子体在3mTorr下获得了好的结果，对于SF6/He等离子体在约5mTorr下获得了好的结果。刻蚀工艺在TETRA II刻蚀室中进行，TETRA II刻蚀室是可从California的Santa Clara的应用材料公司得到的DPSTM刻蚀室。
在此刻蚀室中，等离子体源气体的流率范围从约20～约100sccm，并且一般为约40sccm。所施加的等离子体源功率的范围从约200W～约700W，并且在约250W下获得了好的结果。刻蚀室中等离子体密度的范围从约1×1011到约1×1012，即，使用高密度等离子体。以从约10W～约200W的偏压功率对光罩衬底加偏压。对于CF4/CHF3等离子体源气体刻蚀化学剂，约70W的偏压功率得到好的结果。对于SF6/He等离子体源气体刻蚀化学剂，约50W的偏压功率得到好的结果。光罩衬底下方的阴极的温度一般为约20℃，并且室壁温度一般为约65℃。
衬底放置在加偏压的阴极的阳极化铝表面上，并且通过重力被保持就位。接收环围绕衬底并且帮助防止等离子体刻蚀剂到达光罩衬底的背面。如TETRA II刻蚀室的DPSTM刻蚀室允许用于等离子体生成的和用于衬底偏压的独立的功率施加(其通常被称为去耦合等离子体源(DPS))。用于等离子体生成的功率和用于衬底偏压的功率的独立施加允许独立控制等离子体密度和在衬底表面上生成的吸引力(DC电压)。
刻蚀穿过SixOyNz硬掩模216，提供约733nm的临界尺寸d5，提供了仅仅约13nm的光刻胶的临界尺寸d4和SixOyNz硬掩模的临界尺寸d5之间的差。在刻蚀穿过SixOyNz硬掩模216之后残留的光刻胶层218的残余部分可以在刻蚀铬层214之前去除，如果光刻胶材料在刻蚀铬层214的过程中容易变形的话。但是，如果所使用的光刻胶不会以影响刻蚀到铬层214中的开口的刻蚀轮廓的方式变形，则可以有利地将残余光刻胶218保留在原位，在刻蚀铬层214的过程中再被去除，因为这有助于减小SixOyNz硬掩模216中的任何“针孔”(没有示出)效应，该效应是由于硬掩模216的初始厚度一般小于约400埃而造成的。
图2D图示了在等离子体刻蚀穿过铬层214之后的光罩。在与上面参考刻蚀SixOyNz硬掩模所述的同一刻蚀处理室中刻蚀铬。用于生成等离子体刻蚀剂的等离子体源气体是Cl2形式的氯和O2形式的氧。可以将本身是惰性的其它气体添加到等离子体源气体，其例如(但不是限制)是氦、氖、氩和氪。当使用Cl2/O2等离子体源气体时，Cl2比O2的体积比的典型范围从约20∶1～约1∶1.2，并且在约10∶1处获得了好的结果。当氦被添加作为惰性气体时，氦对氧气的体积比的范围从约15∶1～约1.2∶1。刻蚀室中的压强的典型范围为约3mTorr～约10mTorr，并且在约4mTorr下获得了好的结果。
在TETRA刻蚀室中，总等离子体源气体流率的范围从约100～约500sccm，并且一般为约400sccm。所施加的等离子体源功率的范围从约300W～约600W，并且在约350W处获得了好的结果。刻蚀室中等离子体密度的范围从约1×1011e-/cm2到约1×1012e-/cm2，即，使用高密度等离子体。以从约0W～约200W的偏压功率对光罩衬底加偏压。对于Cl2/O2等离子体源气体刻蚀化学剂，约15W的偏压功率得到好的结果。光罩衬底下方的阴极的温度一般为约20℃，并且室壁温度一般为约65℃。
刻蚀穿过铬辐射阻挡层，提供约760nm的临界尺寸d6，并提供了仅仅约40nm的光刻胶的临界尺寸d4和图案化铬辐射阻挡层的临界尺寸d6之间的差，相比之下，当使用光刻胶掩模刻蚀铬时观察到60nm～70nm的差。这种对于显影光刻胶临界尺寸和图案化的辐射阻挡层临界尺寸之间的刻蚀偏差的显著改进使得具有更小特征尺寸的光罩能够被生产。虽然这里所刻蚀的测试图案是720nm的测试图案，但是可以预见对于更小的图案特征(例如，约110nm)也会产生相似比例的刻蚀偏差改进。
当用于图案化铬层的硬掩模是诸如类金刚石碳之类的材料时，用于产生刻蚀类金刚石碳材料的等离子体的等离子体源气体可以例如是氧和氦。一般来说，氧比氦的体积比的范围为约1∶1～约1∶10。通常，刻蚀室中的压强的范围从约3mTorr～约15mTorr，并且在TETRA II刻蚀室中在约8mTorr下获得了好的结果。使用了约20sccm～约100sccm的等离子体源气体流率，典型的流率为约40sccm。所施加的等离子体源功率为约200W～约700W。室中等离子体密度的范围从约1×1011e-/cm2到约1×1012e-/cm2。以从约20W～约70W的偏压功率对光罩衬底加偏压。光罩衬底下方的阴极的温度一般为约20℃，并且室壁温度一般为约65℃。
示例3：图案化的辐射阻挡层上具有ACR的光罩的优点
图3A-3D图示了示出了光罩结构的优点的示意性的剖视图，其中，所述光罩结构在使用光罩成像半导体晶片上的光刻胶的过程中在图案化的含铬层(或者其它辐射阻挡层)的表面上存在具有抗反射性能的硬掩模。当使用光学辐射成像光刻胶时，该特征是有帮助的。
图3A示出了光罩结构305的示意性剖视图，该光罩结构305从底部到顶部包括：石英衬底312，石英衬底312处于图案化的含铬辐射阻挡层314下方，并且具有抗反射性能的无机层316处于图案化的辐射阻挡层314的上表面上。此结构是上面在图3D中所示的一类结构，其制造将参考图3D被详细描述。
图3B示出了图3A的光罩结构，其被反转到用于光刻步进机中的例如(但不是限制)相对于光刻曝光工具的位置。
图3C示出了光罩结构303的示意性剖视图，光罩结构303在辐射阻挡层314的表面上没有具有抗反射性能的无机层316。辐射源307产生初始辐射308a，初始辐射308a穿过聚光器301，并且提供成像辐射308b。成像辐射308b穿过光罩结构303，并提供图案化的成像辐射308c。图案化的成像辐射308c穿过缩影透镜318，产生最终的成像辐射308d，该成像辐射308d到达光刻胶320的表面306。最终成像辐射308d可以使辐射311反弹离开处于半导体晶片304上的光刻胶320的表面306，半导体晶片304由底座302支撑。反弹辐射311可以反射离开光罩303表面，并且在光刻胶320的表面306上产生回弹辐射313。
图3D示出了示于图3A和3B中的一类光罩结构305的示意性剖视图，该光罩结构305在辐射阻挡层314的表面上有具有抗反射性能的无机层316。穿过光罩结构305反弹回具有抗反射性能的无机层316的最终图案化辐射308不被反射回到光刻胶320的表面306。这可以在光刻胶320中得到被更好定义的图案，并且改善了整个半导体晶片304上的光刻胶320中的图案的均一性。
实施例4：从辐射阻挡层表面去除无机硬掩模或ARC
存在希望将残余硬掩模层或ARC层从光罩的图案化辐射阻挡层的表面去除而不损坏光罩的基本结构(例如，石英或硼硅酸盐玻璃，或者钠钙玻璃)的情况。如果残余硬掩模层或残余无机ARC/硬掩模层包含与基底衬底结构材料相同的材料，则硬掩模层或ARC/硬掩模层的去除将出现问题。这样的情况的一个示例是当通过图案化的辐射阻挡层暴露出的光罩的基底衬底层包含硅，即是石英时，氧氮化硅ARC/硬掩模层的去除。
当光罩是相移光罩时，这样的ARC/硬掩模层的残余物的去除可能是必要的。一般有两种相移光罩。第一种被称为衰减相移光罩，其采用上覆于铬辐射阻挡层上的钼/硅(MoSi)层。第二种被称为交替相移光罩，其利用了将石英基底衬底层的一些区域刻蚀到不同深度。这些相移光罩中的每一种的制造可能需要使用湿法刻蚀工艺。结果，从图案化的辐射阻挡层的表面去除硬掩模残余物是必要的，因此在湿法刻蚀工艺过程中该残余物将不会被去除，留下光罩结构的表面的污染。
图4A-4E示出了一系列工艺步骤的示意性剖视图，该一系列工艺步骤可以用于去除上覆于光罩结构表面上的图案化铬层的硬掩模(其可能具有抗反射性能)。
图4A示出了光罩结构400的示意性剖视图，该光罩结构400从底部到顶部包括：石英基底衬底层412；厚度约750埃的图案化的上覆铬层414；以及厚度约200埃～约300埃的SixOyNz抗反射涂层/硬掩模层416。铬层414中的图案化的开口416连续完全地穿过铬层414，到达石英基底衬底层412的上表面420。
为了允许等离子体刻蚀去除SixOyNz抗反射涂层/硬掩模层416而不损伤石英基底衬底层412的表面420，有必要在光罩衬底412的表面上施加保护材料422，填充开口418。这被示于图4B中。在半导体处理过程中，可以通过任何施加附加层的技术手段来施加保护材料层。但是，施加保护材料422的优选方法是通过用于诸如光刻胶的有机旋涂层的一类旋涂技术。对于保护层422的要求是，施加简单且便宜，并且相对于硬掩模层416(其在此示例中(但不是限制)是SixOyNz抗反射涂层/硬掩模)具有良好的刻蚀选择性。
在施加优选是有机材料的保护层422之后，进行回蚀工艺以暴露出要被去除的SixOyNz抗反射涂层/硬掩模层的表面。该步骤被示于图4C中。回蚀工艺留下了足够的覆盖石英基底层412的有机材料，以在SixOyNz抗反射涂层/硬掩模层的去除过程中保护该层。一般来说，用于有机材料的等离子体回蚀的刻蚀化学剂规定使用含氧、氮和氢的等离子体源气体。利用此化学剂刻蚀诸如光刻胶的有机材料的等离子体刻蚀工艺在本领域是已知的。
一旦暴露出Six0yNz抗反射涂层/硬掩模层，如图4C所示，就利用CF4和氧等离子体刻蚀(或在本领域中已知用于去除氧氮化硅的其它相似的含氟刻蚀)去除该层，以制备如图4D所示的结构。
在该工艺的最终步骤中，使用其中等离子体由包含氧、氮和氢的混合物的源气体产生的等离子体刻蚀，或者通过使用本领域中已知用于去除有机材料的湿法刻蚀溶液，去除保护层420的旋涂有机材料。还可以使用本领域已知用于去除保护有机材料的一类灰化工序。
上述实施例并不是要限制本发明的范围，因为本领域技术人员在阅读本公开文件后，可以扩展这些实施例以与所附的权利要求中的本发明的主题相对应。

Claims (24)

1.一种减小光罩制造过程中临界尺寸的偏差的方法，包括：
(a)提供光罩起始衬底，其包括基底衬底层、上覆于所述基底衬底层的辐射阻挡层、上覆于所述辐射阻挡层的至少一个硬掩模层、和上覆于所述硬掩模层的化学放大光刻胶层；
(b)将潜像直接刻画到所述化学放大光刻胶层中；
(c)将所述包含所述潜像的光刻胶显影成图案化的光刻胶；
(d)使用等离子体刻蚀技术将图案从所述光刻胶转移到所述至少一个硬掩模层；以及
(e)使用等离子体刻蚀技术将所述图案从所述至少一个硬掩模层转移到所述辐射阻挡层，由此，图案化之后的所述辐射阻挡层的临界尺寸较所述显影光刻胶临界尺寸的增大为约7％或更小。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模层具有抗反射性能，该抗反射性能能够明显减小离开所述辐射阻挡层的表面的光学辐射反射。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模层具有两层，其中与所述辐射阻挡层接触的第一硬掩模层具有能够明显减小离开所述辐射阻挡层的表面的光学辐射反射的抗反射性能，上覆于所述第一硬掩模层的第二硬掩模层不具有这样的抗反射性能。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述基底衬底层选自由石英、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃及其组合组成的组。
5.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述基底衬底层选自由石英、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃及其组合组成的组。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述化学放大光刻胶包括选自由含甲基丙烯酸酯聚合物、线性酚醛树脂、羟基-苯基聚合物、芳族丙烯酸化合物聚合物、含异冰片基聚合物及其组合组成的组中的树脂。
7.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述化学放大光刻胶包括选自由含甲基丙烯酸酯聚合物、线性酚醛树脂、羟基-苯基聚合物、芳族丙烯酸化合物聚合物、含异冰片基聚合物及其组合组成的组中的树脂。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述图案利用工作在约198nm～约257nm的波长范围内的连续波激光直接刻画在所述光刻胶上。
9.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述图案利用工作在约198nm～约257nm的波长范围内的连续波激光直接刻画在所述光刻胶上。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模具有抗反射性能，并且选自由氧氮化铬、氧氮化硅、富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氧氮化物、氮化钛、硅化钼、以及包括SiC、SiC:H、SiC:O，H、SiC:N，H和SiC:O，N，H的硅碳化物组成的组。
11.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述硬掩模具有抗反射性能，并且选自由氧氮化铬、氧氮化硅、富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氧氮化物、氮化钛、硅化钼、以及包括SiC、SiC:H、SiC:O，H、SiC:N，H和SiC:O，N，H的硅碳化物组成的组。
12.如权利要求10所述的方法，其中，使用等离子体增强化学气相沉积来沉积所述具有抗反射性能的硬掩模。
13.如权利要求11所述的方法，其中，使用等离子体增强化学气相沉积来沉积所述具有抗反射性能的硬掩模。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模不具有抗反射性能，并且选自由类金刚石碳、氧化硅、硅、碳、钨和Si3N4组成的组。
15.如权利要求3所述的方法，其中，所述不具有抗反射性能的第二硬掩模选自由类金刚石碳、氧化硅、硅、碳、钨和Si3N4组成的组。
16.一种减小在使用光罩制造半导体结构的过程中的临界尺寸偏差的方法，包括：
(a)提供包括具有抗反射性能的至少一个硬掩模层的光罩，所述具有所述抗反射性能的硬掩模层上覆于辐射阻挡层，所述辐射阻挡层上覆于基底衬底层；以及
(b)将所述半导体结构的表面上的成像层暴露于穿过所述光罩的辐射。
17.如权利要求16所述的方法，其中，具有抗反射性能的所述至少一个硬掩模层能够明显减小离开所述半导体衬底的表面的光学辐射反射。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模层由两层组成，其中与所述辐射阻挡层接触的第一硬掩模层具有能够明显减小离开所述辐射阻挡层的表面的光学辐射反射的抗反射性能，上覆于所述第一硬掩模层的第二硬掩模层不具有这样的抗反射性能。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述至少一个硬掩模具有抗反射性能，并且选自由氧氮化铬、氧氮化硅、富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氧氮化物、氮化钛、硅化钼、以及包括SiC、SiC:H、SiC:O，H、SiC:N，H和SiC:O，N，H的硅碳化组成的组。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述具有抗反射性能的硬掩模选自由氧氮化铬、氧氮化硅、富硅氧化物、富硅氮化物、富硅氧氮化物、氮化钛、硅化钼、以及包括SiC、SiC:H、SiC:O，H、SiC:N，H和SiC:O，N，H的硅碳化物组成的组。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中，使用等离子体增强化学气相沉积来沉积所述具有抗反射性能的硬掩模。
22.如权利要求17所述的方法，其中，不具有抗反射性能的所述至少一个硬掩模选自由类金刚石碳、氧化硅、硅、碳、钨和Si3N4组成的组。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所述不具有抗反射性能的第二硬掩模选自由类金刚石碳、氧化硅、硅、碳、钨和Si3N4组成的组。
24.如权利要求16或18所述的方法，其中，使用等离子体增强化学气相沉积来沉积所述不具有抗反射性能的所述硬掩模。
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