利用稀有气体等离子的线宽粗糙度改进

摘要

一种形成光刻胶掩模的方法，可包括提供紫外线(UV)生产气体至具有衬底的真空室、离子化该UV生产气体以产生UV射线来辐照该衬底和通过该光刻胶掩模将特征蚀刻进该衬底。

说明书

技术领域

本发明涉及在半导体器件制造过程中通过掩模蚀刻蚀刻层。更具体地，本发明涉及在半导体器件制造过程中控制精细特征的线宽粗糙度(LWR)。

背景技术

在半导体晶片处理过程中，使用公知的图案化和蚀刻工艺在晶片中形成半导体器件的特征。在这些(光刻)工艺中，光刻胶(PR)材料沉积在晶片上，然后暴露于经过中间掩模过滤的光线。中间掩模通常是图案化有模板特征几何结构的玻璃板，几何结构阻止光传播透过中间掩模。

通过中间掩模后，光线接触光刻胶材料的表面。光线改变光刻胶材料的化学成分从而显影剂可以去除光刻胶材料的一部分。在正光刻胶材料的情况中，去除暴露的区域，而在负光刻胶材料的情况中，去除未暴露的区域。所以，蚀刻晶片以从不再受到光刻胶材料保护的区域去除下层的材料，并由此在晶片中形成所需要的特征。

通常，在光刻步骤中，一个或多个抗反射涂覆(ARC)层(例如，底部抗反射涂覆(BARC)和/或介电抗反射(DARC)层)提供在光刻胶掩模下面。这些层最小化或消除光刻胶暴露期间的反射，该反射会产生驻波。这样的驻波会导致一些缺陷，如该光刻胶侧壁蜿蜒的“开扇形孔”，或在该光刻胶层的底部形成“足”。所以，BARC/DARC层通常设在光刻胶层下方以及其他待通过该光刻胶掩模蚀刻的器件材料(例如SiO₂)上方。BARC/DARC层可以是基于有机或基于无机的，并且通常由与下面的电介质材料不同的材料组成。例如，无机BARC层可由氮化钛(TiN)组成，氮氧化硅(SiON)也可以。

超大规模集成电路(ULSI)中的关键尺寸(CD)一致性对于高性能器件是至关重要的参数。栅极电极中的CD一致性例如影响门限电压分布和器件总的产量。随着ULSI设计规则的简化，利用光刻图案化的线特征的线条边缘的粗糙度(线宽粗糙度：LWR)变得更差。LWR是当从上向下看时、线特征的边缘的平滑程度的度量值。理想特征具有如图1A所示的、“像尺子一样直的”边缘。然而，出于各种各样的原因，该线条特征有时反而表现出如图1B所示的锯齿形。锯齿形线条(即，LWR大)通常是非常不希望的，因为该线特征测得的CD在各个位置之间将会变化，致使所得到的器件运转不可靠。

波长193nm(ArF光刻技术)的氟化氩(ArF)激源激光器已经用于生产0.04μm以下的器件。浸没193nm光刻技术使得能够处理110nm以下的节点。大规模集成电路中这样小的特征需要更高的分辨率和CD一致性。因而，LWR问题在193nm光刻技术中变得更差。

发明内容

在一个实施方式中，一种用于形成光刻胶掩模的方法可包括将高强度真空紫外线(VUV)生产气体提供至具有衬底的真空室、离子化该VUV生产气体以产生VUV射线来辐照该衬底和通过该光刻胶掩模将特征蚀刻进该衬底。

在另一实施方式中，一种在晶片上蚀刻线条的方法可包括提供稀有气体等离子至在该晶片上具有光刻胶掩模的真空室，离子化该稀有气体等离子以产生VUV射线，利用该VUV射线辐照，借此该VUV射线使得该光刻胶掩模被改变，从而减小线宽粗糙度(LWR)，以及通过该被改变的光刻胶掩模将特征蚀刻进该晶片。

在又一实施方式中，一种在衬底上形成线条的方法可包括，形成具有多个图案化线条的光刻胶掩模，将氩气等离子暴露于该光刻胶掩模，通过该光刻胶掩模将该线条蚀刻进该衬底。

在再一实施方式中，一种在衬底上形成线条的设备可具有等离子处理室。该等离子处理室包括形成等离子处理室外壳的室壁、用以在该等离子处理室外壳内支撑衬底的衬底支撑件、用以调节该等离子处理室外壳内压力的压力调节器、至少一个用以提供功率至该等离子处理室外壳以维持等离子的电极、至少一个电气连接到该至少一个电极的RF功率源、用于提供气体至该等离子处理室外壳内的气体入口和用于从该等离子处理室外壳排出气体的气体出口。该等离子处理室进一步包括气体源和控制器。该气体源与该气体入口流体连通，并包括稀有气体源和蚀刻气体源。该控制器以可控方式连接到该气体源和该至少一个RF功率源，并包括至少一个处理器和计算机可读介质。该计算机可读介质可包括用于提供稀有气体源的计算机可读代码、用于由该稀有气体源形成稀有气体等离子的计算机可读代码、用于离子化该稀有气体源以形成真空紫外线(VUV)射线的计算机可读代码、用于利用该VUV射线辐照该衬底的计算机可读代码和用于停止该稀有气体流的计算机可读代码。用于通过该衬底将特征蚀刻进该蚀刻层的计算机可读代码，用于从该蚀刻气体源提供蚀刻气体的计算机可读代码，用于由该蚀刻气体形成等离子的计算机可读代码，和用于停止该蚀刻气体的计算机可读代码。该计算机可读介质进一步包括用于去除该图案化掩模的计算机可读代码。

本发明的这些和其他特征将在下面的具体描述中结合附图更详细地说明。

附图说明

在附图中，本发明作为示例而不是作为限制来说明，其中类似的参考标号指出相似的元件，其中：

图1A-B是解释线宽粗糙度的示意图。

图2A是用于在衬底中形成线条的高层流程图。

图2B是提供稀有气体等离子的详细流程图。

图3是形成在衬底上的层叠的示范剖视示意图。

图4是对比使用氩气的LWR的图表。

图5A-5C说明对比使用氩气的LWR的从上向下的SEM图片。

图6是示范等离子处理室的示意图。

图7A-B说明适于实现用于本发明实施方式的控制器的计算机系统。

具体实施方式

现在将根据其如在附图中说明的几个实施方式来具体描述本发明。在下面的描述中，阐述许多具体细节以提供对本发明的彻底理解。然而，对于本领域技术人员，显然，本发明可不利用这些具体细节的一些或者全部而实施。在有的情况下，公知的工艺步骤和/或结构没有说明，以避免不必要的混淆本发明。

为了便于理解，图2A是在衬底中形成线条的高层流程图。提供具有设在图案化掩模下方的蚀刻层的衬底(步骤100)。为了便于理解本发明，图3是形成在衬底202上的层叠200的剖视示意图，包括蚀刻层204，其设在该图案化掩模216下方的ARC层210下方。该图案化掩模216可以是光刻胶(PR)掩模。在这个例子中，该掩模216是具有线条-间隔图案的PR掩模，以在该蚀刻层形成多个线条和间隔。该PR掩模216可以利用具有大约40nmCD的浸没193nm光刻图案化。

如图3所示，该蚀刻层204可包括介电层206和无定形碳层(ACL)208。该介电层206可以由基于硅氧化物的介电材料制成，如SiO₂、氮化硅(SiN)或四乙基原硅酸盐(TEOS)。无定形碳类似于聚合物，但是具有更少的氢和更多的碳，因为其在大于200℃的温度通过CVD沉积，并因此比聚合物更耐蚀刻。

在一个实施例中，以及如图3所示，该ARC层210可包括形成在该PR掩模216下方的底部抗反射涂覆(BARC)层212和该BARC层212下方的介电抗反射涂覆(DARC)层214。这些层最小化或消除该光刻胶暴露期间的反射。尽管说明具有该BARC和DARC层，但是所有的层都不是必需的。此外，该衬底可以没有ARC层210。

该BARC/DARC层可以基于有机物或基于无机物，并通常由与下层的介电材料不同的材料组成。例如，当该BARC层212是基于碳的有机层，以及该上部蚀刻层(这个例子中是ACL208)也是基于碳的材料，无机BARC层(如氮氧化硅(SiON))将阻止该蚀刻层在ARC层开口过程中被不希望地蚀刻。在具体的例子中，该层叠200可具有厚度大约100nm的PR掩模216、厚度大约20nm的该BARC层212、厚度大约40nm的该DARC层214、厚度大约220nm的该ACL层208和厚度大约210nm的该介电(如TEOS或PE-TEOS)层206。这个结构可以适于半导体器件中的栅极电极。在这个例子中，该介电层206中的目标特征可具有5∶1或更大、优选地10∶1或更大的高纵横比。

回头参照图2A，可以在真空室中提供紫外线(UV)产生或稀有气体(步骤102)，如图6中进一步描述的。该稀有气体可以是任何含有稀有气体元素的气体，如氩、氦、氙和任何其他稀有气体。在一个实施例中，该稀有气体包括氩气。该稀有气体可具有大约40％-100％之间的氩气。

图2B是提供稀有气体的详细流程图，其可以使用下面参照图6描述的真空等离子处理室400来执行。在该等离子处理室400中提供具有该层叠200的衬底202。在提供该稀有气体之前，掩模216的图案化也可在同一处理室400之中进行。在提供该稀有气体过程中(步骤102)，该稀有气体可以离子化以形成UV和/或真空UV(VUV)射线。因为使用真空室，该UV射线可包含高强度VUV射线。出乎意料地发现，该高强度VUV辐照与使用参照图5C描述的通常的大气UV处理显著不同。另外，尽管没有对该稀有气体施加偏压，但是由该稀有气体形成的等离子可产生可以小于30伏特的偏压。

该图案化掩模可以暴露于该UV和/或VUV射线，并受到其辐照(步骤124)。不是为限于下面的原因，相信该高强度UV射线的辐照改变该掩模。该UV射线会打破该掩模的耐腐蚀表面结构的分子键。这些可导致该掩模进一步交联，由此平滑该掩模并收缩该掩模的体积。相信这个平滑和收缩减小该衬底的所蚀刻的特征的LWR。

一种在该衬底中形成线条的示例制法可具有设为30mTorr的等离子室压强、包括氩气的稀有气体等离子以及1000瓦特的等离子生成电压。

在辐照该掩模层之后，停止该稀有气体流以便停止该等离子(步骤126)。回头参照图2A，可以使用与用于提供该稀有气体等离子和将该掩模暴露于该稀有气体等离子的同一等离子处理室400将特征蚀刻进该蚀刻层202(步骤104)。从而，可以通过灰化工艺等去除任何残留的掩模(步骤106)。

图4是比较使用氩气的LWR的图表。第一条件302示出蚀刻衬底之前的LWR，该衬底没有BARC层，且该衬底没有暴露于该氩气等离子。确定该LWR为大约5.3nm。在第二条件304，该衬底有BARC层，但没有暴露于该氩气等离子。确定该LWR是大约4.3nm。最后，在最后的条件304，该衬底提供有BARC层并暴露于该氩气等离子。出乎意料地确定该LWR是大约3.0nm。这说明衬底暴露于氩气等离子能够降低该衬底的所蚀刻的特征的LWR。

图5A-5B说明比较使用氩气的LWR的从上向下SEM图片。图5A说明在图4中说明的该第一条件302，此时该衬底还没有蚀刻，且该衬底没有暴露于该氩气等离子。如所示，该LWR高。图5B说明图4说明的该第二条件304，此时该BARC层被蚀刻但没有暴露于该氩气等离子。尽管LWR减小，但是在193nm光刻技术中仍然变差。图5C说明图4中说明的该第三条件306，此处该BARC层被蚀刻，且该衬底暴露于该氩气等离子。如所示，当暴露于该稀有气体等离子之后，测量沿该所蚀刻的线条特征的线宽(LW)(该介电层206的宽度)时，LWR改进(即，减小)至大约3.0nm。

图6是可以用于该创新性蚀刻的等离子处理室400的示意图。该等离子处理室400包括限制环402、上部电极404、下部电极408、气体源410和连接到气体出口的排气泵420。在该等离子处理室400内，该衬底202(具有由多个层组成的层叠)设在该下部电极408上。该下部电极408结合合适的衬底夹紧机构(例如，静电、机械夹紧等)用于夹持该衬底202。反应器顶部428结合上部电极404，其正对该下部电极408设置。该上部电极404、下部电极408和限制环402限定受限制的等离子容积。通过气体源410向该受限制的等离子容积提供气体并且通过排气泵420经过该限制环402和排气口从该受限制的等离子容积排出气体。除了帮助排出气体，该排气泵420还帮助调节压强。在这个实施方式，该气体源410可包括稀有气体源418。该气体源410可进一步包括其他气体源，如将在该处理室400中执行的、用于该蚀刻层的后续蚀刻工艺的蚀刻气体源414。

如图6所示，RF源448电气连接至该下部电极408。室壁452围绕该限制环402、上部电极404和下部电极408。该RF源448可包括2MHz功率源、60MHz功率源和27MHz功率源。可以有不同的将RF功率连接到电极的组合。在Lam Research Corporation的电介质蚀刻系统中(如系列，由LAM Research Corporation，Fremont，California制造，其可用于本发明的优选实施方式中)，该27MHz、2MHz和60MHz功率源构成连接至下部电极的RF功率源448，并且上部电极接地。控制器435以可控方式连接到该RF源448、排气泵420和该气体源410。

图7和7B说明了一个计算机系统800，其适于实现用于本发明的实施方式的控制器435。图7A示出该计算机系统一种可能的物理形式。当然，该计算机系统可以具有从集成电路、印刷电路板和小型手持设备到巨型超级计算机的范围内的许多物理形式。计算机系统800包括监视器802、显示器804、机箱806、磁盘驱动器808、键盘810和鼠标812。磁盘814是用来与计算机系统800传入和传出数据的计算机可读介质。

图7B是计算机系统800的框图的一个例子。连接到系统总线820的是各种各样的子系统。处理器822(也称为中央处理单元，或CPU)连接到存储设备，包括存储器824。存储器824包括随机访问存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。如本领域所公知的，ROM用作向CPU单向传输数据和指令，而RAM通常用来以双向的方式传输数据和指令。这两种类型的存储器可包括下面描述的任何合适的计算机可读介质。固定磁盘826也是双向连接到CPU822；其提供额外的数据存储并且也包括下面描述的任何计算机可读介质。固定磁盘826可用来存储程序、数据等，并且通常是次级存储介质(如硬盘)，其比主存储器慢。可以理解的是保留在固定磁盘826内的信息可以在适当的情况下作为虚拟存储器以标准的方式结合在存储器824中。可移动存储器814可以采用下面描述的任何计算机可读介质的形式。

CPU822还连接到各种输入/输出设备，如显示器804、键盘810、鼠标812和扬声器830。通常，输入/输出设备可以是下面的任何一种：视频显示器、轨迹球、鼠标、键盘、麦克风、触摸显示器、转换器读卡器、磁带或纸带阅读器、书写板、触针、语音或手写识别器、生物统计学阅读器或其他计算机。CPU822可选地可使用网络接口840连接到另一台计算机或者电信网络。利用这样的网络接口，计划在执行上述方法步骤地过程中，CPU可从网络接收信息或者向网络输出信息。此外，本发明的方法实施方式可在CPU822上单独执行或者可在如Internet的网络上与共享该处理一部分的远程CPU一起执行。

另外，本发明的实施方式进一步涉及具有计算机可读介质的计算机存储产品，在计算机可读介质上有用于执行各种计算机实现的操作的计算机代码。该介质和计算机代码可以是那些为本发明目的专门设计和构建的，或者它们可以是对于计算机软件领域技术人员来说公知并且可以得到的类型。计算机可读介质的例子包括，但不限于：磁介质，如硬盘、软盘和磁带；光介质，如CD-ROM和全息设备；磁-光介质，如光软盘；以及为了存储和执行程序代码专门配置的硬件设备，如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)以及ROM和RAM器件。计算机代码的例子包括如由编译器生成的机器代码，以及包含高级代码的文件，该高级代码能够由计算机使用解释器来执行。计算机可读介质还可以是在载波中由计算机数据信号携带的并且表示能够被处理器执行的指令序列的计算机代码。

尽管本发明依照多个实施方式描述，但是存在落入本发明范围内的改变、置换和各种替代等同物。还应当注意，有许多实现本发明方法和设备的可选方式。所以，其意图是下面所附的权利要求解释为包括所有这样的落入本发明主旨和范围内的改变、置换和各种替代等同物。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种将特征蚀刻进在衬底上方并设在光刻胶掩模下方的蚀刻层的方法，包括：

将该衬底设在真空室中；

将高强度真空紫外线(VUV)生产气体提供到该真空室中；

离子化该VUV生产气体以产生VUV射线来辐照该光刻胶掩模；以及

通过该光刻胶掩模将特征蚀刻进该蚀刻层。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该VUV生产气体具有至少40％的稀有气体。

3.根据权利要求2所述的方法，其中该稀有气体是氩气。

4.根据权利要求3所述的方法，其中该离子化包括产生小于30伏特的偏压。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该离子化和蚀刻在该真空室中进行。

6.根据权利要求5所述的方法，其中该离子化包括通过该VUV射线改变该光刻胶掩模。

7.根据权利要求6所述的方法，其中被改变的光刻胶掩模减小该蚀刻层的该所蚀刻的特征的线宽粗糙度(LWR)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中该离子化和蚀刻在该真空室中进行。

9.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其中该稀有气体是氩气。

10.根据权利要求1-2和9任一项所述的方法，其中该离子化包括产生小于30伏特的偏压。

11.根据权利要求1-2和9-10任一项所述的方法，其中该提供、离子化和蚀刻在该真空室中进行。

12.根据权利要求1-2和9-11任一项所述的方法，其中该离子化包括通过该VUV射线改变该光刻胶掩模。

13.根据权利要求12所述的方法，其中被改变的光刻胶掩模减小该蚀刻层的该所蚀刻的特征的线宽粗糙度(LWR)。

14.一种在衬底上方并设在光刻胶掩模下方的蚀刻层中蚀刻线条的方法，包括：

将该衬底设在真空室中；

将稀有气体等离子提供至该真空室；

离子化该稀有气体等离子以产生VUV射线；

利用该VUV射线辐照该光刻胶掩模，借此该VUV射线

使得该光刻胶掩模被改变，从而减小线宽粗糙度(LWR)；以及

通过该被改变的光刻胶掩模将线条蚀刻进该晶片。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该稀有气体等离子具有至少40％氩气。

16.根据权利要求14和15任一项所述的方法，其中该提供、离子化、辐照和蚀刻在该真空室中进行。

17.一种在衬底上的蚀刻层中形成线条的方法，包括：

在该蚀刻层上方形成具有多个图案化线条的光刻胶掩模；

将该光刻胶掩模暴露于氩气等离子；以及

通过该光刻胶掩模将线条蚀刻进该蚀刻层。

18.根据权利要求17所述的方法，其中该暴露产生小于30伏特的偏压。

19.根据权利要求18所述的方法，其中该氩气等离子具有至少40％氩气。

20.根据权利要求19所述的方法，其中该暴露进一步包括产生高强度真空紫外线(VUV)射线。

21.根据权利要求20所述的方法，其中该氩气等离子减小该衬底的该图案化线条的线宽粗糙度(LWR)。

22.根据权利要求17-18任一项所述的方法，其中该氩气等离子具有至少40％氩气。

23.根据权利要求17-18和22任一项所述的方法，其中该暴露进一步包括产生高强度真空紫外线(VUV)射线。

24.根据权利要求17-18和22-23任一项所述的方法，其中该氩气等离子减小该衬底的该图案化线条的线宽粗糙度(LWR)。

25.一种衬底上形成线条的设备，包括：

等离子处理室，包括：

形成等离子处理室外壳的室壁；

用以在该等离子处理室外壳内支撑衬底的衬底支撑件；

用以调节该等离子处理室外壳内压力的压力调节器；

至少一个用以提供功率至该等离子处理室外壳以维持等离子的电极；

至少一个电气连接到该至少一个电极的RF功率源；

用于提供气体至该等离子处理室外壳内的气体入口；以及

用于从该等离子处理室外壳排出气体的气体出口；

气体源，与该气体入口流体连通，该气体源包括：稀有气体源；以及

蚀刻气体源；

控制器，以可控方式连接到该气体源和该至少一个RF功率源，包括：

至少一个处理器；以及

计算机可读介质，包括：

用于提供稀有气体源的计算机可读代码；

用于由该稀有气体源形成稀有气体等离子的计算机可读代码；

用于离子化该稀有气体源以形成真空紫外线(VUV)射线的计算机可读代码；

用于利用该VUV射线辐照该衬底的计算机可读代码；

用于停止该稀有气体流的计算机可读代码；

用于将线条蚀刻进该衬底的计算机可读代码，包括：

用于从该蚀刻气体源提供蚀刻气体的计算机可读代码；

用于由该蚀刻气体形成等离子的计算机可读代码；以及

用于停止该蚀刻气体的计算机可读代码；以及用于去除该图案化掩模的计算机可读代码。