抗反射膜SiON表面氢等离子体处理方法

摘要

SiON是一种很有前途的一种无机抗反射膜材料；然而它的缺点是：存在光刻胶底膜的留存问题，主要原因是由于SiON表面的胺基(－NH

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及一种光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法

背景技术

半导体芯片制造不再是简单的将光刻胶旋涂后进行曝光、显影、进而在硅片上刻蚀出自己希望的图形，而是已进入必须使用抗反射膜和吸光层的时代，如此才能达到目的，并随着单元尺寸的减小而日显重要。也就是说，在旋涂光刻胶之前要沉积2或3层---吸光层+抗反射膜，其目的是阻止来自衬底的反射光与入射光相干涉而引起的曝光不均匀，如驻波效应。

有一种膜叫底部抗反射层(BARC)，目前被广泛用于MOS晶体管的多晶硅栅和连接孔等的光刻过程。对这些工艺而言，临界尺寸控制很重要；但较少用于互连层，在那里TiN不仅用作抗反射膜，而且还可控制铝线电迁移和阻止铝线堆积。然而，由于临界尺寸的控制愈来愈严格，这种情形很快会发生变化。

随着工业生产中光刻向深紫外短波长转移---从248nm到193nm或157nm，减小来自衬底的反射光的影响成为人们关注的焦点。波长愈短，来自衬底的反射愈强，结果你需要面对更多的与干涉有关的问题---这些问题大大影响了光刻图形的准确性；同时，光刻技术如相移光刻板、偏轴照明和光学近似已经允许人们印制出比曝光波长更小的尺寸，这使得减小反射光带来的尺寸漂移甚为关键，也是促使半导体工艺更多的使用抗反射膜的另一个动力。

抗反射膜是如何起作用的呢？这里作一个简单的介绍。当光通过一种物质或遇到某个界面时，总会发生透射、吸收、反射或折射，这依赖于介质和界面的光学特性。抗反射膜通常像光刻胶一样是一种旋涂的有机物，或者是用PECVD沉积的无机氮氧化物(如SiON)。

有机和无机抗反射膜在阻止反射光方面有很大不同。有机抗反射膜---比如BrewerScience、Clariant、Hitachi和Tokyo Ohka公司制备生产的---其折射率应该与光刻胶相匹配，如果二者匹配很好，那么光刻胶和有机抗反射膜的界面就不会有反射。这些有机膜具有吸光特性，它会将进入抗反射膜的光在下表面反射前吸收掉(或即是下表面有反射，在进入光刻胶前被吸收掉)。这些有机膜一般沉积的较厚，通常在60-120nm。

无机抗反射膜BARC是利用光干涉相消原理制备的，即使得来自无机BARC上下表面的反射光位相相反，并干涉相消。这可以通过调整SiON无机BARC的三个参数而实现，即：折射率n、吸光系数k和膜厚t。美国应用材料公司使用一种基于氦的SiON稳定工艺很容易实现了n，k，t的调整，使得反射光几乎为零。同时，与有机抗反射膜相比，氦能减小SiON表面的粒子数目和增加其稳定性。

半导体工业一开始使用旋涂有机抗反射膜，并首次广泛应用于0.35μm技术。有机BARC的的特点是花费少，折射率可重复，平面化程度好(在某些应用方面)，易于淀积和去除，膜厚公差大和表面易于控制。无机BARC的特点是，用PECVD技术能够沉积很薄的膜，并能精确的控制膜厚的均匀性(误差为±1％)；易于调整膜的成分和多层膜的沉积。SiON对光刻胶较有机膜有更高的刻蚀选择比。

无论是有机或无机哪种BARC，一个重要的判据是：BARC不能与其上的光刻胶反应或有中间层。对有机BARC而言，通常采用BARC与光刻胶的铰链耦合或一种不溶于有机物的聚合物，从而抑制中间层的形成。对无机BARC而言，在无机BARC和光刻胶之间也可能有不利的反应。主要敌人是留存在SiON表面上的(-NH₂)胺基，而光刻胶特别是深紫外(DUV)光刻胶，与其发生反应；而这种反应会导致光刻胶底膜(footing)的出现，并且相对过去或旧的光刻胶而言，DUV新光刻胶对底膜留存更敏感。

有一种解决光刻胶底膜的方法是在BARC(如SiON)上面淀积一薄层氧化物。来自美国应用材料的报道说：这种原位淀积的氧化物实际上可以减轻底膜效应，在BARC和光刻胶之间它提供了一种惰性阻挡层，并对BARC的光学特性没有影响。

另一种解决光刻胶底膜的方法是：在SiON淀积完成后，用氧处理其表面，从而把引起底膜的胺(-NH₂)基从表面除去。这是由美国Novellus公司提出来的。该工艺增加了原位的N₂O气体处理(在硅片从淀积腔拿出来之前)。这种淀积后表面处理过程可能不仅仅移走SiON表面的胺(-NH₂)基，还有其他的好处。比如，一些新的光刻胶并不与胺(-NH₂)基反应，但是与SiON表面其它的键连集团反应。

综上所述，为了减少反射光在光刻中带来的临界尺寸漂移，使用抗反射膜是DUV光刻中所采用的基本方法。目前人们正在研究和使用无机抗反射膜，SiON是人们认为很有前途的一种材料；然而它的缺点是：光刻胶底膜的留存问题，这在很大定程度上影响了图形转移的准确性。主要原因是由于SiON表面的胺基(-NH₂)与光刻胶反应所致；换句话说，光刻胶曝光后其中的H⁺向SiON表面转移，导致了光刻胶底膜留存问题。为了克服这个缺点，人们通常在SiON上再沉积一层很薄的氧化物或直接用氧气处理其表面。如何有效的去除和阻止SiON表面的胺基(-NH₂)与光刻胶反应，成为人们研究的焦点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能有效减小深紫外光刻胶底膜留存，改善图形转移的准确性的抗反射膜SiON膜的表面处理方法。

利用光的干涉原理将来自SiON膜上下表面的反射光相消，从而减小或除去由于反射光造成的光刻尺寸漂移，如图1所示(见下页)。光刻胶一般由四部分构成：光酶剂、树脂、溶剂和添加剂。PAG(光酶剂)在光照后产生H⁺，在后续烘烤过程中取代树脂中的保护基R，从而实现从不溶到溶于显影液的转变，如图3所示。光刻胶被旋涂、曝光后，曝光部分产生少量的酸或H⁺离子，如图2所示；而正是这些H⁺离子在烘烤过程中作为催化剂使得曝光的部分溶于显影液，显影后图形应尽可能接近工艺要求。一般来讲，被刻蚀的膜表面吸附或内部留存有吸引H⁺离子的集团如-OH，使得曝光后产生的H⁺向下扩散(当然，H⁺离子同时也向两边扩散)，大大降低了界面处H⁺的浓度，导致光刻胶底膜(footing)留存，如图4所示。为了有效的消除底膜留存，本发明采取了如下的SiON膜的表面处理方法：用常规等离子体(PECVD)方法在欲刻蚀的衬底(如多晶栅和金属)上淀积SiON反射膜，然后立即在原位先用Ar等离子体进行表面物理轰击，目的是除去SiON膜表面键合较弱的胺基(-NH₂)；再用H₂和Ar或H₂和He混合等离子体进行表面处理，使SiON膜表面未饱和的胺基或NH₂+得以饱和，阻止光刻胶中H⁺向SiON表面转移，从而消除了光刻胶底膜留存问题。如图5所示。

上述方法中，淀积的SiON膜厚度一般为20-30nm，具体可根据不同光刻胶而定。该膜的成分一般为：Si：40-50％，O：55-45％，N：5-6％，总量为100％。

上述方法中，先用Ar等离子体进行表面轰击，时间为10-15秒。用H₂+Ar或H₂+He混合等离子体表面处理时，使表面富氢，氢化时间为10-20秒。

本发明方法大大减少了SiON表面光刻胶底膜的出现，从而使得多晶硅栅氧临界尺寸漂移有很大改善。本技术工艺简单，抗反射膜质量稳定，操作方便，很适用于大生产。

附图说明

附图1是无机SiON抗反射膜的工作原理图。利用光的干涉原理，使来自SiON上下表面的反射光相消，从而减小反射光对光刻精度的影响.

附图2是深紫外光刻胶曝光和显影原理图。光刻胶被旋涂、曝光后，曝光部分产生少量的酸或H⁺离子，而正是这些H⁺离子在烘烤过程中作为催化剂(见图3)使得曝光的部分溶于显影液。显影后图形应尽可能接近工艺要求。

附图3是一种深紫外光刻胶的化学分子式及光照后的变化情况。光刻胶一般由四部分构成：光酶剂、树脂、溶剂和添加剂。PAG(光酶剂)在光照后产生H⁺，在后续烘烤过程中取代树脂中的保护基R，从而实现从不溶到溶于显影液的转变。

附图4是光刻胶底膜留存的一般原理图。一般来讲，被刻蚀的膜表面吸附或内部留存有吸引H⁺离子的集团如-0H(见图中所示)，使得曝光后产生的H⁺向下扩散(当然，H⁺离子同时也向两边扩散)，大大降低了界面处H⁺的浓度，导致光刻胶底膜(footing)留存。

附图5是无机SiON表面胺基(-NH₂⁺)与曝光后光刻胶中的H⁺反应，在显影过程中光刻胶未能完全去除，从而导致底膜留存。

图中标号：1为衬底、2为无机抗反射膜SiON、3为防底膜氧化层、6为深紫外光刻胶、7为一种抗反射膜

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明方法。

1.SiON淀积：首先在栅氧和多晶硅或其他衬底上面用常规等离子体方法(PECVD，比如美国应用材料公司的Cendura系统---DXZ PECVD淀积室)淀积无机SiON抗反射膜20或30nm。

2.Ar轰击：SiON淀积后，在原位立即用Ar等离子体轰击SiON表面10-15秒钟，目的是要除去SiON表面弱连接的胺基(-NH₂)；

3.Ar/He+H₂等离子体处理：紧接着在同一个腔室用少量Ar或He和H₂混合等离子体进行表面处理10-20秒，使SiON表面未饱和的胺基(-NH₂⁺)得以饱和，并使表面富氢，从而防止光刻胶底膜(footing)的出现.将硅片从CVD淀积腔取出，然后旋涂深紫外光刻胶(涂光刻胶与表面处理之间时间不超过24小时，愈短愈好)，如图5所示。