用于使用耗尽光束形成亚微米特征结构的反应物的光子活化的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本公开内容关于亚微米(sub-micron)大小的材料特征结构的形成，所述亚微米大小的材料特征结构例如亚微米大小的沟槽或线、亚微米大小的柱或孔、及类似物，其中所述亚微米大小的特征结构被直接使用沉积材料原位形成或被原位形成在先前形成的薄膜中，而不需要传统光刻处理(其中光刻胶被曝光和显影，并且产生的图案被转入下材料层)。特别是，提供了能量束，所述能量束具有足以在纳米尺寸的区域中活化蚀刻或沉积反应物的能量，而且被引入所述纳米尺寸的区域的沉积或蚀刻反应物被活化而在所述区域中从沉积材料或蚀刻剂物种。可以使光束逐行扫描(raster)过工件，诸如通过将工件相对于光束移动，以实现线的写入或沟槽的蚀刻，并因此可以形成纳米大小尺寸的沉积和蚀刻特征结构。
现有技术
[0002]在集成电路上不断追求越来越小的特征结构正接近传统光刻技术的极限。在这些技术中，光刻胶被涂布在基板上，而且掩模图案被穿过掩模的电磁辐射投影到抗蚀剂上而使抗蚀剂变成曝露于对应掩模特征结构的图案。然后抗蚀剂被“显影”并在溶剂中清洗，以去除一部分的抗蚀剂并在基板的表面上或在位于基板上的膜层(诸如硬掩模层)上留下具有产生的投影掩模图案的光刻胶。蚀刻光刻胶下面的材料，通常是在基于下膜选择性蚀刻化学品的各向异性等离子体中进行，以将光刻胶的图案转入下层。之后，将光刻胶通过灰化或其它去除技术去除，并且将基板进行湿式清洁，以将其准备用于下一个工艺。然而，特征结构尺寸已经缩小到小于使用这些传统的平版印刷术所能成像(分辨)的特征结构尺寸，而且为了延长形成这些特征结构的传统平版印刷术的使用，已采用了消减技术(subtractivetechnique)，例如双重和三重图案化。在这些工艺中，为了实现在40纳米等级或更小等级上的更小特征结构尺寸，硬掩模可以被图案化并用于蚀刻下图案化层，然后去除所述硬掩模及使用另外的硬掩模取代所述硬掩模，而且涂布抗蚀剂、通过掩模曝光、蚀刻硬掩模、并且接着蚀刻图案化层的工艺可以被重复一次或更多次，以在图案化最终的材料层之前图案化所述图案化层，所述最终的材料层中形成了亚40nm的特征结构。然而，尽管有这些进步，但目前的平版印刷术将还是不足以满足未来的半导体技术中需要的缩小尺寸。
[0003]现代的光刻术依赖的是牺牲“光”曝露抗蚀剂的概念，其中曝光的抗蚀剂区域在行为上与未曝光的抗蚀剂区域不同。因为这些技术依赖电磁福射，故衍射(diffract1n)限制了可以被成像或分辨的最小特征结构尺寸。此外，即使特征结构尺寸可以被成像，但进入光刻胶的能量也可能在其中被散射，从而导致横跨抗蚀剂深度的不规则抗蚀剂曝光。结果，被曝光的特征结构尺寸实际上将比最小可分辨的图像更大，而且将有不均匀的侧壁或其它的不规则。
[0004]目前，大量的制造商正利用深紫(DUV)光子(诸如波长193nm的光子)来曝光光刻胶材料。制造商也正使用液体沉浸技术(liquid immers1n technique)及诸如前述多重图案化之类的技术来在基板上形成小尺寸的图案化特征结构。
[0005]近来，激光光束平版印刷术已再次被研究作为在光刻胶中曝光非常小的特征结构并由此通过形成小截面、高功率激光光束来打破基于光刻技术的传统掩模的分辨率限制。Fischer和Wegoner在激光与光子学评论(Laser and Photonics Reviews，7 ,N0.I，22-44(2013))中讨论了利用受激发射耗尽(STED)光束来三维地(即以柱状的方式)使抗蚀剂曝光的想法，并因此将特征结构直接激光写入通过抗蚀剂的整个深度。为了缩小被曝露于足够能量从而被聚合的抗蚀剂的有效横截面，使用两个激光光束(“正常”光束和耗尽光束)来形成STED光束。激发光束激发光刻胶中的聚合物而使光刻胶聚合，而耗尽光束在光刻胶聚合之前降低光刻胶中的能量，从而保持光刻胶免于聚合，其中耗尽光束的能量和激发光束的能量重叠。在正常光束的激发曲线(excitat1n profiIe)的空间最大值与耗尽光束的耗尽曲线之局部零值对应时出现改进的分辨率，即耗尽光束被设置为在空间上围绕所述激发光束，并从产生的光刻胶曝光区域剔除高斯光束的裙部区域的聚合效应。结果，激发光束中聚合反应未被耗尽光束抵消的部分横跨宽度具有急变的、接近矩形的能量曲线，并在曲线的边缘迅速降低到低于抗蚀剂的聚合能量的能量水平，使得光束中形成清晰界定的高能量区域，而非传统的高斯分布光束。然而，即使使用了这种直接激光光束曝光系统，但仍难以实现小于20至30nm的可重复且清晰界定的特征结构，光束这有部分是由于光束的清晰界定区域的尺寸限制，并且有部分是由于曝光的光刻胶中的聚合从光束进入光刻胶的位置内在迀移进入相邻的位置。
【发明内容】
[0006]在本文的实施方式中，两个不同的光子源被导引到(但只有部分重叠)待处理基板上的特征结构位置，所述光子源例如激光、软X射线及类似物，其中每种光子可以具有相似的或不同的光子能级(photonic energy level)。光束重叠的程度界定特征结构位置的大小，两个不同光束的光子被接收于基板上的所述特征结构位置。同时，前驱物材料存在于所述特征结构位置，使得两个光束的光子可以被前驱物的分子或原子吸收，从而提高前驱物的反应性并使反应只在两个光束的有限重叠区域中发生。在邻近所述两个光束的重叠区域处，单一光束的能量并不足以引发前驱物的活化。
[0007]在一个方面中，为了能够产生其中重叠的光束能量足以使反应发生的高清晰度区域，将两个激光光束(其中至少一个由激发光束和耗尽光束形成)导引到基板上的反应位置，使得所述光束的中心在所述反应位置偏移，但所述光束的轮廓重叠，使得在所需的区域中所述光束重叠，从而形成其中两个光束的光子能量足以使反应物具有所需反应的区域，但在直接围绕所述反应位置的区域中，两个光束的组合光子能量不足以使反应物反应，因此可以形成局部的反应区域。当两个光束皆为具有激发源和耗尽源的激光光束时，每个光束的光束直径可以远小于100nm、低至20nm的等级，在所述光束直径间两个光束的最终组合能量足以引发反应物的反应。结果，当光束具有圆形的横截面时，可以可靠地形成双凸的卵形图案，所述双凸的卵形图案具有在小于20nm等级的宽度，具体上是单一位数到十分之一纳米的大小，以控制反应空间的大小，在所述反应空间中可以发生加成或消减的反应工艺。
[0008]在一个方面中，所述前驱物为引入足够的能量下将反应形成可用于在基板上产生膜层的材料的前驱物，或用于通过去除所述膜层材料的反应去除所述膜层(即蚀刻)的前驱物。然而，在两个光束的重叠区域外部，仅一个光束的高能量中央区域中的光子被前驱物接收，因此未引入足够的能量来使反应发生。
[0009]作为示例，习知硅烷、三氯硅烷、三硅烷等的活化是为了反应而沉积硅。然而，两种气体需要引入能量来驱使反应发生，所述能量例如通过灯泡或等离子体提供。在这些系统中，每当灯泡或等离子体的能量足以驱使反应发生时则反应发生，所述反应发生于大面积的基板上，时常是基板的整个表面。通过使用具有两种不同光子能量的重叠光束，如本文所述，只有光束重叠处将存在足够的能量用于发生反应，因此硅将只被沉积在重叠区域中。
[0010]在进一步的实施方式中，两个不同的激光配置为作为STED激光，使得光束轮廓周边的区域是能量耗尽的，进而缩短高于所需临界光子能量的光束的直径，从而甚至进一步缩短两个光束的重叠大小，所述重叠处于基于两个光子的反应可以发生的能量范围中。
【附图说明】
[0011]通过参考实施方式(一些实施方式在附图中说明)，可获得在上文中简要总结的本发明的更具体的说明，而能详细了解上述的本发明的特征。然而应注意，附图仅说明本发明的典型实施方式，因而不应将这些附图视为限制本发明的范围，因为本发明可容许其它等效实施方式。
[0012]图1A和图1B图示电磁光束的特征，并且图1C图示使图1A和图1B的两个光束重叠的结果。
[0013]图2A和图2B为用于与图1A和图1B的光束组合的耗尽光束的表示图。
[0014]图3A和图3B以图形图示将图1A和图1B的光束与图2A和2B图的耗尽光束组合的效果O
[0015]图4A和图4B图示重叠图3A和图3B的两个光束。
[0016]图5图示用于将图1A和图1B的光束与图2A和图2B的耗尽光束组合的光束组合器(beam combiner)的结构。
[0017]图6为可用于光子沉积的腔室的示意图，所述光子沉积使用部分重叠的耗尽光束结合沉积前驱物。
[0018]图7展示在基板的相邻区域中的连续光子沉积的效果。
[0019]图8展示使用连续的光子沉积以在基板上形成一条线。
[0020]图9为可用于光子沉积或蚀刻的腔室的示意图，所述光子沉积或蚀刻使用部分重叠的耗尽光束结合沉积或蚀刻前驱物。
[0021]图10为两个重叠的平行耗尽光束的表示图。
[0022]图11为膜层中部分蚀刻的特征结构的示意图，所述部分蚀刻使用图10的重叠光束结合蚀刻前驱物。
[0023]图12为膜层中两个部分蚀刻的特征结构的示意图，所述部分蚀刻使用图10的重叠光束结合蚀刻前驱物。
[0024]图13为膜层中完全蚀刻和部分蚀刻的特征结构的示意图，所述蚀刻使用图10的重叠光束结合蚀刻前驱物。
[0025]图14为施加于蚀刻和沉积工艺的几何形状限制的示意图，其中两个耗尽光束在基板会聚。
[0026]图15A至图lf5D为用于同时提供多个重叠子束到基板的各种装置的示意图。
[0027 ]图15E为使用图15A至图1中一个装置进行处理的基板的示意图。
[0028]图16为可用于控制子束(beamlet)方向的微镜阵列的部分前视图，所述子束方向到达或偏离基板上的位置或基板上的重叠位置。
[0029]图17为图15A至图16的微镜阵列的部分放大剖视图。
[0030]图18A至图18F展示在基板上写出不同尺寸的多个特征结构的一个方法的结果。
[0031]图19为用于同时提供多个平行配置和重叠的子束到基板的分束和控制装置的示意图。
[0032]图20为采用片光束源的用于工件的光子处理系统的示意图。
[0033]图21为图20的光子处理系统的微镜阵列的放大图。
[0034]图22为图21的微镜阵列的剖视图。
[0035]图23为腔室中进行光子处理的工件的平面图。
[0036]图24为图23的晶圆和腔室的平面图，其中工件正进行进一步的光子处理。
[0037]图25为前驱物的电子能量图。
【具体实施方式】
[0038]本文中描述的是光子沉积或蚀刻系统的几种结构，通过所述系统由两个或更多个具有不同波长的光束提供的光子组合被接收于反应物存在的小目标区域中，其中没有光子能量足以致使所希望的反应发生，而是两个光子或光子群在时间上和实体上的存在与反应物一起致使所希望的反应发生。
[0039]首先参照图1A至图1C，图示出激光光束的标准光束轮廓10及两个这种光束的重叠作用。在图1A和图1B图示的轮廓10中，光束具有峰值能量12，峰值能量12随着高斯分布逐渐往两侧降低。光束的半宽完全最大能量水平14为图1A中图示的轮廓。在图1C中，将通过重叠两个具有相同能量分布的高斯光束所组合的效果图示于虚线的轮廓中。
[0040]现在参照图2A和图2B，图示将耗尽光束20与作为激发光束10的标准光束10组合使用，以形成图3A的STED光束30。如2A图所示，与激发光束1