专利名称：用于制造二元光掩模坯料的离子束沉积方法
技术领域：
本发明涉及使用离子束沉积技术在光刻技术中制造二元(binary)光掩模。这些掩模可以用于短波光(即＜400纳米)。另外，本发明涉及在毛坯上具有单层或多层铬、钼、钨或钽金属和/或其化合物或其组合的涂层的二元光掩模。
背景技术：
微刻是通常通过光掩模把微观电路图案或图像转移到硅晶片上的方法。在用于计算机微处理器和存储器件的集成电路生产过程中，电子电路图像通常用电磁波源通过掩模或模板投射到涂敷在硅晶片上的感光层或光刻胶上。一般来说，掩模是在透明石英基底上用这些电路特征图案化的一层“铬(chrome)”。通常称为“二元”掩模，“铬”掩模通过“铬”被去除的图案透过成像辐射。在存在“铬”层的区域中辐射被阻隔。
电子工业寻求把制造高密度集成电路的光刻技术拓展到小于100纳米(nm)的临界尺寸。然而，随着特征尺寸减小，用特定波长的光在晶片上成像最小特征尺寸的分辨率受光的衍射限制。所以，对于成像更细的特征，需要更短的波长，例如小于400nm。下一代光刻技术的目标波长包括248nm(KrF激光波长)、193nm(ArF激光波长)和157nm(F2激光波长)和更低。
对于制造光掩模毛坯，薄膜沉积的物理方法是优选的。这些方法通常在真空室中进行，包括辉光放电溅射沉积、圆柱磁控管溅射、平面磁控管溅射和离子束沉积。每种方法的详细描述可见参考文献“ThinFilm Processes，”Vossen and Kern，Editors，Academic Press NY，1978)。制造薄膜掩模的方法几乎普遍是平面磁控管溅射。
平面磁控管溅射结构由两个平行板电极组成一个电极带有待沉积材料并称为阴极；第二个电极或阳极在放置待涂敷的基底的地方。在气体(例如Ar)或气体混合物(例如Ar+O2)存在下施加在负的阴极和正的阳极之间的电势，RF或DC，产生等离子放电(正离子化的气体物质和带负电的电子)，离子从等离子放电移动并向阴极加速，在这里它们溅射或沉积靶材到基底上。在阴极(磁控管溅射)附近存在的磁场增强等离子密度，因此增大溅射沉积的速度。
如果溅射靶材是金属如铬(Cr)，则用惰性气体如Ar溅射将在基底上产生Cr金属膜。当放电含有反应性气体时，如O2、N2、CO2或CH3时，它们与靶材结合或者在生长的薄膜表面结合，在基底上形成氧化物、氮化物、碳化物或其组合的薄膜。二元掩模的组成通常是复杂的，并且化学物质常常在整个薄膜厚度上分级或分层。“铬”二元掩模通常由铬-氧-碳-氮化物(CrOxCyNz)组合物构成，该组合物在薄膜上表面富含氧化物，在薄膜内部富含更多的氮化物。富氧化物上表面赋予抗反射特性，薄膜的化学分级提供了吸引人的各向异性的湿腐蚀性质，并且富含氮化物的组合物提供高光吸收性。
在离子束沉积(IBD)中，等离子体放电包含在单独的室(离子“枪”或源)中，离子通过施加在离子枪“出口”处的一系列栅极上的电势抽出并加速(无栅极的离子抽出方案也是可能的)。与平面磁控管溅射法相比，IBD法在生长的薄膜表面上提供一种更清洁的方法(更少的外加颗粒)，因为捕获并输送带电颗粒到基底的等离子体不像溅射那样在生长的薄膜附近。此外，对于下一代光刻技术，制造具有更少缺陷的掩模毛坯的需要是不可避免的，在下一代光刻技术中，临界电路特征将缩小到0.1微米以下。另外，IBD法在比传统磁控管溅射法低至少10倍的总气体压力下操作(IBD的典型压力是～10-4托)。这导致化学污染的减少。例如，用该方法可以沉积氧化物含量最小或没有氧化物的氮化物薄膜。此外，IBD法具有独立控制沉积流量和反应性气体离子流量(电流)和能量的能力，这在平面磁控管溅射中是结合的并且不是独立可控的。用低能量但是用高流量的氧或氮离子轰击生长薄膜的独立离子枪生长氧化物或氮化物或其它化合物的能力对于IBD法是独特的，并且在宽工艺范围内提供薄膜化学组成和其它薄膜性质的精确控制。另外，在双离子束沉积中，在靶、基底和离子腔之间的角度可以调节，以优化薄膜均匀性和薄膜应力，而磁控管溅射中的几何尺寸受限于平行板电极系统。
虽然磁控管溅射广泛用于电子工业中可重现地沉积不同类型的涂层，但是在溅射等离子体中的工艺控制是不精确的，因为离子入射到生长薄膜上的方向、能量和流量不能调节(参考The MaterialScience of Thin Films，Milton Ohring，Academic Press 1992，p.137)。在这里提出的双离子束沉积作为制造具有单一或复杂、单层或多层化学物质的掩模的一种新的替代方法，这些沉积参数的独立控制是可能的。
发明内容
本发明涉及一种离子束沉积方法，用于制造光刻波长小于400纳米的二元光掩模毛坯，该方法包括用来自一组气体中的离子，通过铬、钼、钨、或钽和/或其化合物的离子束沉积，在基底上沉积至少一层MOxCyNz化合物，其中，M选自铬、钼、钨或钽或其组合；其中x为约0.00-约3.00；y为约0.00-约1.00；z为约0.00-约2.00。
更具体地，本发明涉及一种双离子束沉积方法，用于制造光刻波长小于400纳米的二元光掩模毛坯，该方法包括在基底上沉积至少一层MOxCyNz化合物，其中，M选自铬、钼、钨或钽或其组合；(a)用来自一组气体的离子通过铬、钼、钨、或钽和/或其化合物的离子束沉积，和(b)通过用来自一组气体的辅助源的二次离子束轰击所述基底，其中所述层或多个层通过来自辅助源气体的轰击气体离子与从靶或多种靶沉积在基底上的材料的化学结合而形成；其中x为约0.00-约3.00；y为约0.00-约1.00；z为约0.00-约2.00。
具体实施例方式
本文所用的一些术语定义如下。
在本发明中，应当理解，术语“光掩模”或术语“光掩模毛坯”在本文中最广义地使用，包括图案化的或未图案化的掩模毛坯。术语“多层”用来指由沉积的多层薄膜构成的掩模毛坯，其在两层之间具有明显边界或者在两个区域之间在至少一种光学性质上有明显变化。所述层可以是超薄的(1-2个单层)或远远更厚。分层控制光掩模毛坯的光学和腐蚀性能。
二元毛坯的光密度定义为入射光强度与透射光强度之比的以10为底的对数。
单离子束沉积法单离子束沉积法的典型结构表示在图2中。应当理解，该系统是在通过真空泵抽出大气气体的室中。在单IBD法中，激发的离子束(通常被电子源中和)从沉积枪(1)引导到靶材(2)，靶材(2)由靶材夹具(3)支持，当轰击离子的能量超过具体材料的溅射阈值能量时，开始溅射，溅射阈值能量通常为～50eV。来自沉积枪(1)的离子通常来自惰性气体源如He、Ne、Ar、Kr、Xe，尽管也可以使用反应性气体如O2、N2、CO2、F2、CH3或其组合。当这些离子来自惰性气体源时，靶材被溅射然后在基底(4)上沉积成薄膜，用基底夹具(5)表示。当这些离子来自反应气体源时，它们可以与靶材(2)结合，并且该化学结合的产物是在基底(4)上溅射并沉积成薄膜的物质。
轰击离子通常应当具有数百eV的能量，且200eV-10KeV是优选的。离子流量或电流应当足够高(＞1013离子/cm2/s)，以保持实用的沉积速度(＞0.1nm/min)。工艺压力通常约10-4托，优选范围为103-103托。靶材可以是元素的，如Cr、Mo、Ta、W，或者其可以是多组分的如MoxCry，或者它可以是化合物如CrN。基底可以按一定距离定位并且对着靶材取向，以优化薄膜性质如厚度均匀性、最小应力等。
获得一种薄膜性质的工艺范围或幅度，例如光密度，可以用双离子束沉积法来拓宽。用双离子束法，一种特定薄膜性质可以独立于其它组性质而独立地变化。
双离子束沉积法在光掩模制造中实施离子束法，产生了一种具有更少外加(缺陷)颗粒、具有优异不透明性的更大薄膜密度、和光散射减少的优异光滑度的方法，这对光刻波长＜400nm尤其重要。双离子束枪结构示意地表示在图1中。在该方法中，激发的离子束(通常用电子源中和)从沉积枪(1)引导到靶(2)，当轰击离子的能量高于溅射阈值时靶(2)开始溅射，溅射阈值通常为～50eV。来自沉积枪的离子通常来自惰性气体源，如He、Ne、Ar、Kr、Xe，尽管也可以使用反应性气体如O2、N2、CO2、F2、CH3或其组合。当这些离子来自惰性气体源时，它们溅射靶材(2)例如Cr金属，其在基底(4)上沉积成薄膜。当这些气体离子来自反应性气体源时，例如氧，它们可以化学结合在靶材表面处，然后该化学结合的产物被溅射并沉积在基底上成为薄膜。在双离子束沉积中，来自第二个枪或辅助源的激发离子轰击基底。通常，来自辅助枪(6)的离子选自反应性气体，例如但不限于O2、N2、CO2、F2、CH3或其组合，它们在基底处与来自靶(2)的溅射材料流化学结合。所以，如果使用来自沉积枪(1)的Ar离子溅射Cr靶，并且来自辅助源的氧离子轰击生长的薄膜，Cr流将会与激发的氧离子在基底处化学结合，形成氧化铬薄膜。
来自沉积源的轰击离子通常应当具有数百eV的能量，200eV-10KeV是优选的。离子流量或电流应当足够高(＞1013离子/cm2/s)，以保持实用的沉积速度(＞0.1nm/min)。工艺压力通常约10-4托，优选范围为10-2-10-5托。本发明的优选靶材可以是元素的Cr、Mo、Ta、W或它们的化合物。基底可以相对于靶按一定距离定位并取向，以优化薄膜性质如厚度均匀性、最小应力等。来自辅助枪(6)的离子能量通常低于沉积枪(1)。辅助枪提供可调节流量的低能离子，这些离子与溅射原子在生长薄膜表面处反应。对于“辅助”离子，＜500eV的低能量是优选的，否则这些离子可能导致薄膜的不希望的腐蚀或去除。在去除速度太高的极端情况下，薄膜生长是可以忽略不计的，因为去除速度超过了积累或生长速度。但是，在某些情况下，更高的辅助能量可能为生长薄膜赋予有益的性质，如应力减小，但是这些更高能量的离子的优选流量通常要求小于沉积原子的流量。
在光掩模毛坯的双离子束沉积中，用于沉积过程的气体离子源优选选自惰性气体，惰性气体包括但不限于He、Ne、Ar、Kr、Xe或其组合，而用于辅助轰击的气体离子源优选选自反应性气体，反应性气体包括但不限于O2、N2、CO2、F2、CH3或其组合。但是，在特定情况下，沉积气体源也可以含有一定比例的反应性气体，特别是当在靶材处形成化合物对该过程有利时。相反，可能存在辅助气体源包含一定比例的惰性气体的特殊情况，尤其是当生长薄膜的高能轰击对改性薄膜性质有利时，例如减小薄膜内应力。
使用低能量但是高流量氧或氮离子轰击生长薄膜的单独辅助离子枪生长氧化物或氮化物或其它化合物的能力对于IBD法是独特的，并且在宽工艺范围内提供薄膜化学组成和其它薄膜性质的精确控制。此外，在双离子束沉积中，靶、基底和离子腔之间的角度可以调节，以优化薄膜均匀性和薄膜应力，而在磁控管溅射中的几何关系受限于平行板电极系统。
用双IBD法，这些沉积操作的任一种可以组合以制造更复杂的结构。例如，当薄膜依次首先用来自辅助枪的反应性氮离子轰击、然后用氧离子轰击时，通过用元素Cr靶沉积可以制造CrOx/CrNy多层叠加物。当该叠加物中的层从氧化物变为氮化物时，如在CrOx/CrNy中，用单一的Cr靶进行的双离子束沉积比传统的磁控管溅射技术提供了显著的优点。尽管当Cr原子沉积时，双IBD中的辅助源可以迅速在O2和N2之间切换，但是反应性磁控管溅射在靶表面产生氧化物层，为了溅射氮化物层，靶表面必须在形成富含氮化物的表面之前更换。
虽然用单离子源的离子束沉积可以制造具有复杂化合物的薄膜如Si3N4，但是该方法比双离子束沉积法更受限制。例如，Huang等人在“Structure and composition studies for silicon nitride thinfilms deposited by single ion beam sputter depsition(通过单离子束溅射沉积法沉积的氮化硅薄膜的结构和组成研究)”Thin SolidFilms 299(1997)104-109中表明，只有当束电压在约800V的狭窄范围内，才能形成具有Si3N4性质的薄膜。在双离子束溅射中，来自辅助源的氮原子流量可以独立地调节，以便在宽工艺条件范围内且在实用的沉积速度条件下与来自沉积离子源的沉积靶原子的流量匹配。
本发明涉及双离子束沉积法，用于在石英或玻璃基底上沉积单层或多层铬、钼、钨或钽，或通式为MOxCyNz的化合物，用于制造不透明的光掩模毛坯，其中M是铬、钼、钨或钽。
本发明提供用于光掩模毛坯的单层或多层薄膜的一种新的沉积技术，所述光掩模毛坯用于入射光波长小于400nm。基底可以是任何机械稳定的材料，其对所用的入射光波长是透明的。由于可获得性和成本，基底如石英、CaF2和熔融二氧化硅(玻璃)是优选的。
本发明提供具有高光密度或不透明材料的单层的双离子束沉积，其中在薄膜厚度方向化学成分分级。
优选地，本发明进行单层或多层MOxCyNz的双离子束沉积，其中M选自铬、钼、钨或钽或其组合，其中x为约0.00-约3.00；y为约0.00-约1.00；z为约0.00-约2.00。
优选地，本发明包括MOxCyNz型光电毛坯，其中光密度大于约2个单位。
光学性质用变角光谱椭圆法在三个入射角，在186-800nm，相当于1.5-6.65eV的能量范围，与光反射和透射数据结合，测定光学性质(折射率“n”和消光系数“k”)。从光学性能的光谱相关性知识，可以计算薄膜厚度、光透射率和反射率。见O.S.Heavens，Optical Propertiesof Thin Solid Films，pp 55-62，Dover，NY，1991，其并入本文作为参考。
图1双离子束沉积法的示意图。
图2用于氮化硅的单离子束沉积法的示意图，使用硅(Si)靶，并用来自单离子源或“枪”的氮和氩离子溅射。
实施例不透明“铬”掩模CrCxOyNz薄膜，在传统光刻技术中通常用作掩模，用Cr靶通过在商品设备(Veeco IBD-210)中的双离子束沉积制造。在用Cr靶沉积过程中，通过用得自Ar稀释的CO2和N2的气体混合物的低能离子轰击，设计生长薄膜的化学成分。沉积离子束源在1500V电压下操作，束电流为200mA，使用4sccm的Xe。具有18sccm的N2、4sccm的CO2和2sccm的Ar的辅助源在100V操作，电流为150mA。基底是5平方英寸的石英板，厚0.09英寸。沉积持续15分钟，产生约238nm厚的薄膜，在248nm测量的光密度大于3，足以用于光刻技术中的二元掩模用途。通过X-射线光电子光谱获得的薄膜的化学组成深度分布表明，Cr含量为约60％、氮含量约21％，氧含量为19％，碳含量小于1％。
权利要求
1.一种双离子束沉积方法，用于制备光刻波长小于400纳米的二元光掩模毛坯，该方法包括在基底上沉积至少一层MOxCyNz化合物，其中，M选自铬、钼、钨或钽或其组合；(a)用来自一组气体的离子通过铬、钼、钨、或钽和/或其化合物的离子束沉积，和(b)通过用来自一组气体的辅助源的二次离子束轰击所述基底，其中所述层或多个层通过来自辅助源气体的轰击气体离子与从靶或多种靶沉积在基底上的材料的化学结合而形成；其中x为约0.00-约3.00；y为约0.00-约1.00；z为约0.00-约2.00。
2.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中的气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe、CO2、N2、O2、F2、CH3、N2O、H2O、NH3、CF4、CH4、C2H2或其气体的组合。
3.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中的气体选自He、Ne、Ar、Kr、Xe、CO2、N2、O2、F2、CH3、N2O、H2O、NH3、CF4、CH4、C2H2或其气体的组合。
4.按权利要求1的方法制造的光掩模毛坯，其中选定的光刻波长选自157nm、193nm、248nm和365nm。
5.按权利要求1的方法制造的光掩模毛坯，其中沉积薄膜的不透明度或光密度大于约2个单位。
全文摘要
描述了一种离子束薄膜沉积方法，用于制造选定光刻波长＜400nm的二元光掩模毛坯，所述薄膜基本由MO
文档编号C23C14/00GK1520533SQ02812375
公开日2004年8月11日 申请日期2002年4月19日 优先权日2001年4月19日
发明者彼得·弗朗西斯·卡西亚, 彼得 弗朗西斯 卡西亚, 戴乌, 劳伦特·戴乌 申请人:纳幕尔杜邦公司