专利名称：一种光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法
技术领域：
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域，具体涉及到一种光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法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(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(±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DARC(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)集团与光刻胶反应所致。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)集团与光刻胶反应，成为人们研究的焦点。
本发明是利用光的干涉原理，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。本发明提出的光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法，其步骤如下用常规等离子体方法(PECVD)在欲刻蚀的衬底上淀积SiON抗反射膜，然后立即在原位对SiON表面进行处理---先用Ar等离子体进行较短时间的物理轰击，目的是除去SiON表面键合较弱的部分胺基(-NH2)；再用N2O和少量Ar或He混合等离子体进行氧化处理，形成一薄层较致密的氧化物---阻挡层，目的是更有效的遮盖SiON表面剩余部分的胺基(-NH2)，阻止其与光刻胶反应。
本发明中，淀积的SiON抗反射膜厚度可在20---30nm，其成分可为Si40-50％；O50-40％；N5-6％，其比例为Si∶O＝0.8-1.25，Si∶N＝6.6-10。
比如，在欲刻蚀的栅氧和多晶硅上用常规等离子体方法(PECVD)沉积无机SiON抗反射膜几十纳米(根据不同的光刻胶而定)，并在原位立即用Ar/He和N2O等离子体进行表面处理，使表面形成很薄的氧化物，以防光刻胶底膜(footing)的出现。然后再旋涂深紫外光刻胶，用深紫外光(DUV---248/193/157nm)曝光显影后，得到与要求相符的光刻胶线条，减小了光刻胶底膜，为进一步干法刻蚀提供了必要的前提条件。本发明中用Ar等离子体进行表面轰击的时间可为5-10秒，用N2O+Ar或He混合等离子体进行的表面氧化处理形成的致密氧化物层厚度可为2-6nm，氧化时间可为10-20秒。
本发明改进大大减少了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，图形转移更准确和易于控制。本技术工艺简单，抗反射膜质量稳定，操作方便，非常适用于大生产。该表面处理技术在防光刻胶底膜方面与CVD覆盖氧化物(该方法工艺步骤相对较多)效果相同，较氧等离子体表面处理技术其效果至少好一倍。
图2是多晶硅栅的光刻涂层示意图。硅片上淀积了栅氧和多晶硅后，先淀积一层无机SiON和防底膜氧化层，然后涂上光刻胶。
图3是光刻胶曝光-显影-刻蚀后无底膜的理想情形。
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、4为栅氧、5为多晶硅、6为深紫外光刻胶。
1、SiON+(Ar或He+N2O)处理首先在栅氧和多晶硅上面用常规等离子体方法(PECVD，比如美国应用材料公司的Centura系统---DXZ淀积室)淀积无机SiON抗反射膜20nm或30nm(根据不同的光刻胶而定)；其次在原位立即用Ar或He等离子体轰击SiON表面数秒钟(比如5秒或10秒)，紧接着用N2O和Ar或He混合等离子体进行表面处理10-20秒，使表面形成2nm或6nm致密氧化物层，以防光刻胶底膜(footing)的出现。将硅片从CVD淀积腔取出，然后旋涂深紫外光刻胶。如图2所示。
2、深紫外光(如DUV---248/193/157nm)曝光显影后，就会得到与要求相符的光刻胶线条，大大减小了光刻胶底膜，为进一步干法刻蚀出符合规范的多晶硅栅结构打下了坚实的基础，提高了成功率。如图3所示。
权利要求
1.一种光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法，其特征在于用常规等离子体方法(PECVD)在欲刻蚀的衬底上淀积SiON抗反射膜，在原位先用Ar等离子体进行表面轰击，以除去表面键合较弱的胺基(-NH2)；紧接着用N2O+Ar或He混合等离子体进行表面处理，使表面形成一层氧化物——阻挡层，以遮盖SiON表面剩余部分的胺基(-NH2)。
2.根据权利要求1所述的无机抗反射摸SiON的表面处理方法，其特征在于SiON膜的厚度为20---30nm，其成分比例为Si∶O＝0.8-1.25，Si∶N＝6.6-10。
3.根据权利要求1所述的无机抗反射摸SiON的表面处理方法，其特征在于用Ar等离子体进行表面轰击的时间为5-10秒。
4.根据权利要求1所述的无机抗反射摸SiON的表面处理方法，其特征在于用N2O+Ar或He混合等离子体进行的表面氧化处理形成的致密氧化物层厚度为2-6nm，氧化时间为10-20秒。
全文摘要
本发明属于半导体集成电路制造工艺技术领域,具体涉及到一种光刻用无机抗反射膜SiON的表面处理方法。目前SiON作为一种无机抗反射膜材料;其缺点是: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;并且随着工业生产中光刻向深紫外短波长转移,减小来自衬底的反射光的影响构成了一种挑战。主要原因是SiON表面的胺基(－NH
文档编号H01L21/027GK1385885SQ0211215
公开日2002年12月18日 申请日期2002年6月20日 优先权日2002年6月20日
发明者缪柄有, 徐小诚 申请人:上海华虹(集团)有限公司