用于多层光致抗蚀剂干式显影的方法和装置

摘要

一种在等离子体加工系统中，用于在基底上蚀刻有机抗反射涂料(ARC)层的方法，包括：引入包括氨(NH

说明书

                  相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求在2003年3月31日申请的美国临时申请系列号60/458,430、在2003年5月5日申请的美国临时申请系列号60/484,225及在2003年8月14日申请的美国非临时申请系列号10/640,577的优先权；其全部内容在此引用作为参考。本申请涉及在2002年11月23日申请的名称为“用于双层光致抗蚀剂干式显影的方法和装置”的共同未决的申请60/435,286；其全部内容在此引用作为参考。

                       发明领域

本发明涉及用于等离子体加工基底的方法和装置，而且尤其涉及用于多层光致抗蚀剂干式显影的方法。

                       发明背景

在半导体加工过程中，(干式)等离子体蚀刻方法可以用于沿在硅基底上构图的细线或在通路或触点内去除或蚀刻材料。等离子体蚀刻方法通常包括在加工室内用上覆构图的保护层如光致抗蚀剂层定位半导体基底。基底一经在室中定位，可电离的离解的气体混合物以预规定的流速被引进室中，同时调节真空泵以获得环境过程压力。之后，当存在的一部分气体物质被通过感性的或容性的射频(RF)功率或使用例如电子回旋加速器共振(ECR)的微波功率的传递加热的电子进行电离时，就生成了等离子体。而且，加热的电子用于离解一些环境气体物质种类，并生成适宜于曝露的表面蚀刻化学性的反应物种类。一旦生成等离子体，选定的基底表面被等离子体蚀刻。调节此过程以获得恰当的条件，包括恰当的预期反应物浓度和离子数，以便在基底的选定区域内蚀刻各种特征(如沟槽、通路、触点等)。要求进行蚀刻的这种基底材料包括二氧化硅(SiO₂)、低-K介质材料、聚硅和氮化硅。

                       发明概述

本发明涉及用于等离子体加工基底的方法和装置，和涉及用于多层光致抗蚀剂干式显影的方法和装置。本发明也涉及多层掩模本身。

本发明的一方面，描述了用于在等离子体加工系统中在基底上蚀刻抗反射涂料(ARC)层的方法和装置。引入包括一种或多种共同含有氨(NH₃)的气体和钝化气体的工艺过程气体。在等离子体加工系统中由工艺过程气体生成等离子体。将基底曝露于等离子体下。

此外在本发明的另一方面，描述了一种生成双层掩模以在基底上蚀刻薄膜的的方法和装置。在基底上生成薄膜。在薄膜上生成抗反射涂料(ARC)层。在ARC层上生成光致抗蚀剂图案。通过使用包括一种或多种共同含有氨(NH₃)的气体和钝化气体的工艺过程气体进行蚀刻ARC层，将光致抗蚀剂图案转移到ARC层。

此外，在等离子体加工系统中使基底上的多层掩模内的侧壁光滑的方法包括：引入包括一种或多种共同含有氨(NH₃)的气体和钝化气体的工艺过程气体；在等离子体加工系统中由该工艺过程气体生成等离子体；和将基底曝露于等离子体下，其中钝化气体可促进在多层掩模的侧壁上形成钝化膜，以使侧壁的粗糙面光滑。

                  附图的简要说明

附图中：

图1A、1B和1C是用于图案蚀刻薄膜的一般程序的示意图；

图2是根据本发明的一个实施方案的等离子体加工系统的简化示意图；

图3是根据本发明的另一个实施方案的等离子体加工系统的示意图；

图4是根据本发明的另一个实施方案的等离子体加工系统的示意图；

图5是根据本发明的另一个实施方案的等离子体加工系统的示意图；

图6是根据本发明的另一个实施方案的等离子体加工系统的示意图；

图7表示根据本发明的一个实施方案的在等离子体加工系统中在基底上蚀刻抗反射涂料(ARC)层的一种方法；

图8表示根据本发明的另一个实施方案的用于生成在基底上蚀刻薄膜用的双层掩模的一种方法；和

图9A和9B是多层掩模的示意图。

                   几个实施方案的详述

在材料加工操作法中，图案蚀刻包括将光敏材料如光致抗蚀剂的薄层应用于基底的上表面，随后将其进行构图，以便提供一个掩模，用于在蚀刻过程中将此图案转移到基底上的底层薄膜。光敏材料的构图通常包括由辐照源通过光敏材料的光栅(和相关光学元件)使用如微光刻术系统进行曝照，随后用显影剂去除光敏材料的辐照的区域(如在正性光致抗蚀剂的情况下)，或未经辐照的区域(如在负性光致抗蚀剂的情况下)。多层掩模可以用于在薄膜上蚀刻特征。例如，如图1A-C中所示，双层掩模6，包括带有使用传统的光刻技术形成的图案2的光敏层3和有机抗反射涂料(ARC)层7，可以用作掩模用于蚀刻在基底5上的薄膜4，其中在对薄膜4的主蚀刻步骤前，使用一个单独的蚀刻步骤，将在光敏层3上的掩模图案2转移到ARC层7上。

在一个实施方案中，将包括氨(NH₃)和钝化气体的工艺过程气体用于双层光致抗蚀剂干式显影法中。例如，钝化气体可以包括烃气体，如C₂H₄、CH₄、C₂H₂、C₂H₆、C₃H₄、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、C₅H₈、C₅H₁₀、C₆H₆、C₆H₁₀、C₆H₁₂等等中的至少一种。

尽管上述实施方案描述了在基底5上的薄膜4的蚀刻，但是蚀刻可以是基底5本身，有或没有薄膜4。

根据一个实施方案，图2中描述了等离子体加工系统1，其包括等离子体加工室10、与等离子体加工室10联结的诊断系统12和与诊断系统12及等离子体加工室10联结的控制器14。设定该控制器14用于执行包括至少一种上述化学物质(chemistries)的工艺方法，以蚀刻有机ARC层。此外，设定控制器14用于接收至少一个来自诊断系统12的终点信号和后处理该至少一个终点信号，以便精确测定对于本方法的终点。在描述的实施方案中，图2中所述的等离子体加工系统1使用一种等离子体用于材料加工。等离子体加工系统1可以包括一个蚀刻室。

根据图3中所述的实施方案，等离子体加工系统1a可以包括等离子体加工室10、待加工的基底25固定在其上的基底夹持器20以及真空泵系统30。例如，基底25可以是半导体基底、晶片或液晶显示器。例如，可以设定等离子体加工室10用以促进在邻近基底25的表面的加工区域15内的等离子体的生成。将可电离的气体或气体混合物通过气体注射系统(未示意出)引入，并调节过程压力。例如，可以使用一个控制机械结构(未示意出)调节真空泵系统30。等离子体可以用于生成对预定的材料加工所特有的材料，和/或辅助从基底25的曝露表面去除材料。可以设定等离子体加工系统1a用于加工200mm的基底、300mm的基底或更大的基底。

例如，可以通过一个静电夹持系统将基底25固定到基底夹持器20上。而且，例如基底夹持器20可以进一步包括一个含有再循环冷却剂流的冷却系统，其从基底夹持器20接收热量并将热量传递到热交换器系统(未示意出)，或当加热时，从热交换器系统传递热量。而且，例如，可以通过背面气体系统将气体传递到基底25的背面，以提高基底25和基底夹持器20间的气体间隙的热传导。当在高温或低温要求基底的温度控制时，可以使用该系统。例如，背部气体系统可以包括两段气体分布系统，其中氦气间隙压力可以在基底25的中心和边缘之间独立地改变。在另一个实施方案中，加热/冷却元件，如电阻加热元件或热电加热器/冷却器，以及等离子体加工室10的室壁和在等离子体加工系统1a中的任何其它元件，都可以包括在基底夹持器20中。

在示意于图3的实施方案中，基底夹持器20可以包括一个电极，通过此电极RF功率可与工艺空间15中的加工等离子体联结。例如，基底夹持器20可以通过将RF功率从RF发生器40借助于一个阻抗匹配网络50传递到基底夹持器20而电偏压于RF电压。RF偏压可以用于加热电子以生成并维持等离子体。在此构型中，该系统可以作为一个活性离子蚀刻(RIE)反应器，其中室和上部气体注射电极用作接地表面。用于RF偏压的一般频率可以在0.1MHz到100MHz范围内变化。用于等离子体加工的RF系统对本领域熟练的技术人员是公知的。

此外，可以将RF功率以多频率应用于基底夹持器电极。而且，阻抗匹配网络50用于在等离子体加工室10中，通过降低反射功率改善RF功率转移到等离子体。匹配网络拓扑学(如L-型、π型、T-型等)和自动控制方法对本领域熟练的技术人员是公知的。

例如，真空泵系统30可以包括一个泵速能够高达5000升/秒(和更高)的涡轮分子真空泵(TMP)和用于调节室压力的闸门阀。在传统的用于干式等离子体蚀刻的等离子体加工装置中，通常使用1000到3000升/秒的TMP。TMP对于一般低于50毫托的低压加工是有用的。对于高压加工(即高于100毫托)，可以使用机械增压泵和干式粗加工泵。而且，可以将用于监视室压力的装置(未示意出)联结到等离子体加工室10。例如，压力测量装置可以是628B Baratron型绝对电容U型管测压计，其可由MKS Instrument，Inc.市售得到(Andover，MA)。

控制器14包括微处理器、存储器和一个能够生成足以将输入联系并激发到等离子体加工系统1a以及监测来自等离子体加工系统1a的输出的控制电压的数字I/O端口。而且，控制器14能够被联结到RF发生器40、阻抗匹配网络50、气体注射系统(未示意出)、真空泵系统30以及背部气体传递系统(未示意出)、基底/基底夹持器温度测量系统(未示意出)和/或静电夹持系统(未示意出)，并与之交换信息。例如，可以使用储存在存储器中的程序，以根据加工方法将输入激发到前面提到的等离子体加工系统1a的元件上，以完成该蚀刻有机ARC层的方法。控制器14的一个例子是DELL PRECISIONWORKSTATION 610^TM，可由Dell公司，Austin，Texas得到。

诊断系统12可以包括一个光学诊断子系统(未示意出)。光学诊断子系统可以包括一个检测器如(硅)光电极管或一个用于测量由等离子体发射的光强的光电倍增管(PMT)。诊断系统12可以进一步包括一个滤光器如窄带干扰过滤器。在另一个实施方案中，诊断系统12可以包括至少一个线型CCD(电荷耦合装置)、一个CID(电荷注射装置)阵列和一个光分散装置如光栅或棱镜。此外，诊断系统12可以包括一个用于在给定波长下测量光的单色仪(如光栅/检测器系统)，或用于测量光谱的分光计(如带有旋转光栅)，如在美国专利号5,888,337中所描述的装置。

该诊断系统12可以包括一个高分辩率的光学发射光谱(OES)传感器，如来自Peak Sensor Systems或Verity Instruments，Inc.。该OES传感器有很宽的光谱，其包括紫外(UV)、可见的(VIS)和近红外(NIR)光谱。分辩率大致是1.4埃，即该传感器能够收集从240到1000nm的5550个波长。例如，该OES传感器可以装备有高灵敏度的小型纤维光学UV-VIS-NIR分光计，其接着与2048像素的线型CCD阵列合并成为一体。

分光计接收通过单的和成束的光学纤维传输来的光，在此使用固定的光栅将来自光学纤维的光输出分散穿过线型的CCD阵列。类似于上述构型，穿过光学真空窗口的光借助于凸的球形透镜被聚焦到光学纤维的输入端。每一个被特定地调节到用于给定的光谱范围(UV、VIS和NIR)的三个分光计形成传感器，用于加工室。每个分光计包括一个独立的AID转换器。最后，依赖于传感器的应用，每0.1到1.0秒可以记录一个全发射光谱。

在图4所示的实施方案中，例如等离子体加工系统1b可以类似于图2或图3的实施方案，除了那些参见图2和图3所述的组件外，还进一步包括固定的，或机械地或电旋转磁场系统60，以便可能增加等离子体密度和/或提高等离子体加工一致性。而且，还可将控制器14与磁场系统60联结，以调整旋转速度和场强。旋转磁场的设计和实施对本领域熟练的技术人员是公知的。

在图5所示的实施方案中，例如等离子体加工系统1c可以类似于图2或图3的实施方案，且可以进一步包括上电极70，通过阻抗匹配网络74可以将RF功率从RF发生器72联结到电极70上。将RF功率应用于上电极的一般频率可以从0.1MHz到200MHz。此外，将功率应用于下电极的一般频率可以从0.1MHz到100MHz。而且，将控制器14与RF发生器72和阻抗匹配网络74联结，以便控制RF功率在上电极70上的应用。上电极的设计和实施对本领域熟练的技术人员是公知的。

在图6所示的实施方案中，例如等离子体加工系统1d可以类似于图2和图3的实施方案，且可以进一步包括一个感应线圈80，以经由RF发生器82通过阻抗匹配网络84将RF功率耦合到此感应线圈80上。RF功率通过介电窗口(未示意出)从感应线圈80感应耦合到等离子体加工区域15。将RF功率应用于感应线圈80的一般频率可以从10MHz到100MHz。类似地，将功率应用于卡盘电极的一般频率可以从0.1MHz到100MHz。另外，可以使用带槽的Faraday护罩(未示意出)以降低感应线圈80和等离子体间的电容耦合。而且，将控制器14与RF发生器82及阻抗匹配网络84进行联结，以控制功率在感应线圈80上的应用。在另一个实施方案中，感应线圈80可以是“螺旋”线圈或“薄饼”线圈，与上述的等离子体加工区域15进行联系，正如在变压器耦合等离子体(TCP)反应器中一样。感应耦合等离子体(ICP)源或变压器耦合等离子体(TCP)源的设计和实施对本领域熟练的技术人员是公知的。

此外，等离子体可以用电子回旋加速器共振(ECR)生成。但是在另一个实施方案中，等离子体是由Helicon波的发射生成的。然而在另一个实施方案中，等离子体是由传播的表面波生成的。上述每一种等离子体源对本领域熟练的技术人员均是公知的。

在下列讨论中，提出了一种使用等离子体加工装置进行蚀刻有机ARC层的方法。例如，等离子体加工装置可以包括如在图2到图6中所描述的多种元件及其结合。

在一个实施方案中，蚀刻有机ARC层的方法包括NH₃和烃气体，如C₂H₄、CH₄、C₂H₂、C₂H₆、C₃H₄、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、C₅H₈、C₅H₁₀、C₆H₆、C₆H₁₀、C₆H₁₂等中的至少一种。例如，工艺参数范围可以包括20到1000毫托的室压力、在50到1000sccm范围的NH₃工艺过程气体流速、在5到100sccm范围的烃工艺过程气体流速、在500到2000W范围的上电极(如图5中的元件70)RF偏压和在10到500W范围的下电极(如图5中的元件20)RF偏压。同样，上电极偏压频率可以从0.1MHz到200MHz，如60MHz。此外，下电极偏压频率可以从0.1MHz到100MHz，如2MHz。

在一个实施方案中，提出了一种使用如在图5中所述的等离子体加工装置进行蚀刻有机ARC层的方法。但是，该讨论的方法在范围上并不限制于此范例性的说明。表I代表了使用下列典范工艺方法在有机ARC层中经蚀刻了的特征的临界尺寸：室压力100毫托；上电极RF功率＝1200W；下电极RF功率100W；工艺过程气体流速NH₃/C₂H₄＝450/50sccm；在电极70的下表面(见图5)与基底夹持器20上的基底25的上表面间的电极间距为55mm；下电极温度(如图5中的基底夹持器20)＝20℃；上电极温度(如图5中的电极70)＝60℃；室壁温度50℃；背面氦压力中心/边缘＝10/35托；和180秒的蚀刻时间。

  NH₃/C₂H₄  中心  边缘  顶部PR剩余  478nm  493nm  底部CD/偏压-MC  154/6nm  147/-3nm  底部CD/偏压-CA  138/-5nm  134/-9nm

表I(光致抗蚀剂-PR；临界尺寸-CD)

表I报导了一些结果(对于金属触点(MC)以及触点(CA))，如在ARC层蚀刻之后的剩余光致抗蚀剂的厚度，用于ARC特征的顶部和底部的临界尺寸，及临界尺寸偏压，其中偏压表示CD中从顶部到底部的变化(即负偏压表示CD减少，正偏压表示CD增加)。此外，报导了中心和边缘的数据。数据显示了该方法在维持CD以及可能用于减少CD方面的成功。

在另一个实施方案中，本方法的化学物质(chemistry)可以进一步包括氦(He)。将氦引用到本方法中可以减少特征侧壁的粗糙度。

通常，可以使用实验设计(DOE)技术确定蚀刻时间；但是，也可以使用终点检确测定蚀刻时间。一种可能的终点检测方法是监测一部分来自等离子体区域的发射光谱，其在由于ARC层蚀刻基本上接近完成并与底层材料膜接触使等离子体化学方面发生变化时显示出来。例如，指示这些变化的部分光谱包括387.2nm(碳-氮(CN))的波长，并且其能够用光学发射光谱仪(OES)进行测量。在相应于那些频率的发射水平穿过特定的阈值(如基本上降至零或增至特定的水平以上)后，可以将终点看作是完成的。也可以使用其它提供终点信息的波长。而且，蚀刻时间可以延长至包括一段过蚀刻时间，其中过蚀刻时间段构成蚀刻工艺起始和与终点检测相关的时间之间的一部分时间(即1到100％)。

图7代表根据本发明的一个实施方案在等离子体加工系统中在基底上进行蚀刻抗反射涂料(ARC)层的一种方法的流程图。程序400以410起始，在410中将工艺过程气体引入到等离子体加工系统中，其中工艺过程气体包括含有氨(NH₃)的气体和钝化气体。例如，钝化气体可以包括烃气体，如C₂H₄、CH₄、C₂H₂、C₂H₆、C₃H₄、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、C₅H₈、C₅H₁₀、C₆H₆、C₆H₁₀和C₆H₁₂中的至少一种。另外，工艺过程气体可以进一步包括氦(He)。

在420中，在等离子体加工系统中，使用如在图2至图6中所述的任何一种系统或它们的结合，由工艺过程气体生成等离子体。

在430中，包括ARC层的基底曝露于在420中生成的等离子体下。经过第一段时间后，程序400终止。例如，带有ARC层的基底曝露在等离子体下的第一段时间，通常用蚀刻ARC层所需的时间或将光致抗蚀剂图案转移到ARC层所需的时间来指示。通常，将光抗蚀剂图案转移通过ARC层的厚度所需的第一段时间是预定的。另外，第一段时间也会进一步由第二段时间或过蚀刻时间段增加。如上所述，过蚀刻时间可以包括第一段时间的一部分，如1到100％，此过蚀刻时间段可以包括超过终点检测的蚀刻的延长。

图8代表根据本发明的另一个实施方案，用于形成双层掩模用于在等离子体加工系统中在基底上蚀刻薄膜的一种方法。该方法以流程图500示意，以510起始，在基底上形成薄膜。薄膜可以包括一个氧化物层，如二氧化硅(SiO₂)，它可以通过各种包括化学蒸气沉积(CVD)的方法生成。

在520中，抗反射涂料(ARC)层在基底上形成，覆盖于薄膜上。例如ARC层可以是使用传统技术如旋涂系统形成的有机ARC层。

在530中，光致抗蚀剂图案在基底上形成，覆盖于ARC层上。光致抗蚀剂膜可以使用传统的技术如光致抗蚀剂旋涂系统生成。其图案可以在光致抗蚀剂薄膜内通过使用传统技术如步进式微光刻系统及显影剂生成。

在540中，将光致抗蚀剂图案转移到ARC层，以便生成双层掩模。使用于法蚀刻技术完成此图案转移，其中蚀刻方法是在等离子体加工系统中进行的，该加工系统使用包括含有氨(NH₃)的气体和一种钝化气体的工艺过程气体。例如，钝化气体可以包括烃气体，如C₂H₄、CH₄、C₂H₂、C₂H₆、C₃H₄、C₃H₆、C₃H₈、C₄H₆、C₄H₈、C₄H₁₀、C₅H₈、C₅H₁₀、C₆H₆、C₆H₁₀和C₆H₁₂中的至少一种。

此外，如上所述的工艺过程气体可以进一步包括氦(He)。在等离子体加工系统中，由工艺过程气体使用如图2到图6中所述的任一种系统生成等离子体，并将包括ARC层的基底曝露于生成的等离子体下。将带有ARC层的基底曝露于等离子体的第一段时间，通常由蚀刻ARC层所需的时间，或将光致抗蚀剂图案转移到ARC层所需的时间而定。通常，将光致抗蚀剂图案转移通过ARC层的厚度所需的时间是预定的。但是，一般第一段时间会由第二段时间或过蚀刻时间段进一步延长。如上所述，过蚀刻时间可以包括第一段时间的一部分时间，如1到100％，此过蚀刻时间段可以包括超过终点检测的蚀刻的延长。

图9A和9B分别代表经蚀刻了的多层掩模的侧视图和俯视图。特征600包括通过光敏层640和ARC层650的侧壁610，在蚀刻过程中，在光敏层和ARC层上生成了粗糙面620。钝化气体促进了钝化膜630的生成，以消除经蚀刻的多层掩模的粗糙面620；见图9B。

尽管只有一些本发明的实施方案做了如上详细描述，本领域熟练的技术人员也会很容易地了解到，在实施方案中许多改良都是可以的，而没有实质性地背离本发明的新颖的教导和优点。相应地，意味着所有这些改良均包括在本发明的范围内。