改进的临界尺寸控制 本发明一般涉及集成电路制造，特别地涉及构图期间的临界尺寸控制的改进。
在半导体集成电路形成中，要在衬底上形成各结构。这些结构例如对应于如晶体管、电容器和电阻等器件。这些器件然后互连，以实现所需要的电功能。
为形成这些器件，要在衬底上重复淀积各层，并按需要进行构图。各种光刻技术用于对这些器件层的构图。这些技术采用曝光光源，通过掩模将光图像投射到形成于衬底表面上的光刻胶(抗蚀剂)层上。光照射抗蚀剂层，用所需要图形对它进行曝光。根据所采用的是正型还是负型抗蚀剂，去掉抗蚀剂层曝光或未曝光的部分。然后，例如腐蚀不被抗蚀剂保护的部分，在衬底上形成结构。
各结构的尺寸取决于光刻系统的分辨率能力。给定的光刻系统所能达到的最小结构尺寸(F)称为光刻基本规则(GR)。临界尺寸(CD)定义为必须控制的最小结构尺寸。这包括例如线宽、空间和接触宽度。
由于照射到抗蚀剂层的光的变化，会发生CD的变化。尤其是随着GR(例如0.25微米或更小)的不断缩小，控制CD的变化(CD控制)变为一个紧要的问题。采用抗蚀剂下的抗反射涂层(ARC)，减小底层引起的到抗蚀剂的反射率变化，有助于CD控制。
可以将ARC用于两种操用模式的其中之一，以防止到抗蚀剂的反射率变化。第一种模式是吸收，第二种模式是破坏性干扰。
在吸收模式中，ARC吸收通过它的光。以此方式，使散射光最少，以避免不希望的抗蚀剂曝光。ARC应具有适当的消光系数(k)和厚度，以完全吸收光。所需完全吸收光地k和厚度随于曝光光源的波长而不同。较高的k值需要较薄的ARC层，以完全吸收给定波长下的给定量的光。相反，较低的k值需要较厚的ARC层，以完全吸收给定波长下的给定量的光。例如，约0.5的k需要ARC的厚度约为1000埃，以全部吸收248纳米(nm)的光。
在破坏性干扰模式中，ARC的下表面的界面引起的反射相对于ARC上表面的界面引起的反射的相位发生移动。由于彼此发生适当的相移，它们彼此相消(破坏性相消)。
通常，采用各种有机和无机ARC。有机ARC包括例如目前由Shipley公司标为AR2和AR3的化合物。无机ARC包括例如氮化硅、氮氧化硅、氢化的氮氧化硅、氮化钛、非晶硅、碳化硅和非晶碳。
有机ARC通常采用旋涂工艺淀积。对于给定的聚合物系统和染料填充状态，有机ARC具有较固定的折射率。不同的有机ARC具有不同的折射率。为减小ARC/抗蚀剂界面的反射，尤其是在采用吸收模式的ARC时，希望有机ARC的折射率与抗蚀剂的折射率相匹配。由于有机ARC具有相对固定的折射率，在存在相当大的衬底膜厚变化时，它们通常只用于吸收模式。
一般地，ARC下的膜层叠层由于例如膜淀积或化学机械抛光(CMP)等加工存在相当大的厚度变化。为抑制厚度变化引起的效应，需要较厚的有机ARC。而采用较厚的ARC则需要较厚的抗蚀剂，以便足够用作ARC开口工艺中的腐蚀掩模。较厚的抗蚀剂导致了聚焦深度变差，特别是在较小的GR(例如0.25微米或更小)时，引至加工窗口变窄。对于例如0.25微米或更小的GR工艺来说，采用有机ARC缺乏吸引力。
另一方面，由于无机ARC没有与有机ARC有关的任何缺点，所以变得越来越普及。此外，无机ARC具有一定的优点，例如可调性、低缺陷等级、良好的成形和对抗蚀剂的高的腐蚀选择性。
尽管无机ARC可以用于两种模式中的任何一种，但最好是用于破坏性干扰模式。这是由于具有相当高k以在吸收模式下起作用的无机ARC通常具有与抗蚀剂的折射率不匹配的折射率。GR越小，则折射率不匹配造成的驻波变得越明显，结果图形变差，这是不希望的。
为产生在破坏性干扰模式下起作用的破坏性相消，理想的是在半透明材料或很均匀的透明材料上形成无机ARC。当例如硅酸盐玻璃等透明材料在无机ARC下面时，透明材料的厚度变化产生不均匀的反射强度。所以很难采用破坏性干扰效应的优点。
由于下面的各层通常由例如具有大厚度变化的硅酸盐玻璃等透明材料构成，所以破坏性干扰模式造成的局限在提供具有良好CD控制的无机ARC工艺方面产生了一些困难。此外，在某些情况下，无机ARC会污染其上的抗蚀剂(抗蚀剂沾污)。需要例如二氧化硅(SiO2)的遮盖层，以避免抗蚀剂沾污。抗蚀剂和遮盖层之间折射率的不匹配在抗蚀剂中产生驻波效应，对CD控制产生不良影响。
从上述讨论可知，希望提供改进的CD控制的ARC层。
图1示出本发明的说明性的实施例；
图2示出表示最小反射的曲线图；和
图3是表示最小反射的曲线图。
本发明涉及光刻技术中改进的CD控制。在一个实施例中，通过采用多层ARC叠层实现改进的CD控制。多层ARC叠层包括按吸收和破坏性干扰模式起作用的第一和第二ARC层。在一个实施例中，第一ARC层按吸收模式起作用，第二ARC层按破坏性干扰模式起作用，以减小抗蚀剂的反射率，从而改善CD控制。
本发明涉及半导体加工。特别是，本发明涉及改进的CD控制，从而形成较宽的光刻工艺窗口。根据本发明，通过提供将吸收和破坏性干扰特性结合在一起的多层ARC叠层而实现改进的CD控制。
图1示出根据本发明的一个实施例的ARC层。为了说明目的，ARC层130设于半导体衬底110的表面和抗蚀剂层170之间。抗蚀剂层包括例如光刻中采用的任何抗蚀剂。这种抗蚀剂既可以是正型抗蚀剂，也可以是负型抗蚀剂。
半导体衬底包括例如一个硅晶片。也可采用例如包括砷化镓、锗、绝缘体上硅、或其它半导体或非半导体材料等其它类型的衬底。衬底可以处于工艺流程的不同阶段。例如，衬底可以处于工艺流程的开始阶段，或经部分加工以包括若干结构(未示出)。这些结构例如可用于形成如动态随机存取存储器(DRAMs)或其它类型的集成电路，或者是机电或机械器件。为了讨论方便，术语“衬底”表示一般意义的衬底，它可以处于工艺流程的任何阶段。
在衬底上形成ARC层130。如图所示，ARC层包括多层ARC叠层。在一个实施例中，多层ARC叠层包括第一ARC层135和第二ARC层140。第二ARC层140形成于第一ARC层135上。第一ARC层135形成于衬底110上。第二ARC层上形成在抗蚀剂170下。这些ARC层的其中之一按吸收模式起作用，另一个按破坏性干扰模式起作用，以改进CD控制。在一个实施例中，第一ARC层按吸收模式起作用，第二ARC层按破坏性干扰模式起作用。
第二ARC层的折射率选择为减小抗蚀剂的反射率。在一个实施例中，折射率选择为使抗蚀剂的反射率最小。通过减小第二ARC层下表面和上表面界面的反射强度之差，同时保持两种反射相位的不同，从而实现抗蚀剂反射率的减小。在反射强度的差值达到零时，可以实现抗蚀剂的反射率为零。如果反射的幅度精确等于零，则可以实现抗蚀剂的零反射。减小反射强度或使反射强度的差最小，可以增强或优化破坏性干扰效应。
在一个实施例中，第一ARC层按吸收模式起作用。第一ARC层具有消光系数(k)和适当的厚度以吸收其中的光。在一个实施例中，ARC的k值至少为0.2，较好至少是0.5，更好是至少1.0。在另一实施例中，ARC的k值至少为1.5。
对于给定的k和光量来说，第一ARC层的厚度选择为确保充分吸收其中的光。一般情况下，厚度为约5-150nm。当然，对于不同应用来说，可以根据不同的k值改变厚度。
在一个实施例中，第一ARC层包括按吸收模式起作用的无机ARC。无机ARC包括介质ARC(DARC)。DARC包括例如氮氧化硅、氢化氮氧化硅、碳化硅或对于给定曝光光源的波长按吸收模式起作用的其它介质抗反射材料。在一个实施例，DARC包括氮氧化硅。采用例如氮化钛、非晶硅、非晶碳或对于给定曝光光源波长来说按吸收模式起作用的其它抗反射材料等无机ARC，也可以形成第一ARC层。无机第一ARC层一般相对于抗蚀剂具有高的腐蚀选择性，可以调节到具有高k值。这有利于使用较薄的第一ARC层。
第一ARC层采用例如化学汽相淀积(CVD)或物理汽相淀积等常规淀积技术形成于衬底表面上。也可以使用其它淀积技术。
第二ARC层140淀积于第一ARC层135上。根据本发明的一个实施例，第二ARC层140按破坏性干扰模式起作用。
抗蚀剂形成于第二ARC层上。可以采用任何常规抗蚀材料。抗蚀剂采用常规技术形成。抗蚀剂的厚度足以用作ARC开口工艺和衬底腐蚀的腐蚀掩模。一般地，抗蚀剂层的厚度为约0.2-10微米。
如所述，多层ARC叠层结合吸收和破坏性干扰特性，以减小抗蚀剂层中的反射。
由于第二ARC层的底表面和顶表面形成的界面132和116处的材料间的折射率不同，产生了反射。这些反射穿过抗蚀剂或通过抗蚀剂反射。
抗蚀剂中可以实现的反射与反射强度间的差有直接关系。在反射强度的差变得越小时，抗蚀剂的反射率可以越小。抗蚀剂的可接受反射率可以根据设计基本规则和工艺参数改变。
在一个实施例中，第二ARC层减小了其上下表面处界面产生的反射间的差异，所以抗蚀剂的反射率可以减小。将该差异减小到所希望的水平，便可以得到可以接受的抗蚀剂反射率。较好是，第二ARC层使其上下表面处界面产生的反射间的差异最小，从而可以使抗蚀剂的反射率最小。更好是，第二ARC层产生具有大致相同强度的反射，从而可以实现约为零的反射率。
在一个实施例中，第二ARC层包括按破坏性干扰模式起作用的无机ARC。在一个实施例中，无机ARC包括介质ARC(DARC)。DARC例如包括氮化硅、氮氧化硅、氢化氮氧化硅或其它介质抗反射材料。在一个实施例中，第二DARC包括氮氧化硅。也可以使用例如氮化钛、非晶硅、非晶碳或按破坏性干扰模式起作用的其它无机抗反射材料。第二ARC层的形成采用常规技术实现。
在一个实施例中，第二无机ARC的折射率选择为减小其上下表面界面产生的反射之间的差，从而可以减小抗蚀剂的反射率。第二ARC层的折射率选择为将反射之间的差减小到所希望的水平，从而可以得到可接受的抗蚀剂反射率。较好是，第二ARC层的折射率选择为使其上下表面处界面产生的反射间的差异最小，从而可以使抗蚀剂的反射率最小。更好是，第二ARC层的折射率选择为产生具有大致相同强度的反射，从而可以实现约为零的反射率。
根据本发明一个实施例，第二ARC层的折射率取决于其上和其下各层的折射率。在一个实施例中，第二ARC层的折射率约等于：
nx＝(nx-1nR)1/2 (1)其中nx是抗蚀剂层下的第二ARC层的折射率的实数部分，nx-1是第二ARC层下的第一ARC层的折射率的实数部分，nR是第二ARC层上的抗蚀剂的折射率的实数部分。由于假定可以忽略二阶反射，上述公式只考虑一阶反射。
形成具有根据公式1的折射率的第二ARC层，使其上下表面处界面产生的反射之间的差最小。结果，抗蚀剂层的反射具有大致相同的强度。这可以使抗蚀剂的反射率最小。记住，第二ARC层的折射率可从公式1导出。根据例如抗蚀剂的可接受反射率水平等设计要求，某种程度上，第二ARC层的折射率值可从公式1导出。
由于k取决于n，在选择了n后，便限定了第二ARC层的k值。一般情况下，第二ARC的选定n值会导致较低的k值。这可以确保到第二ARC层的反射强度不受影响或所受影响可忽略，第二ARC层的k值相当小。在一个实施例中k值小于0.5，较好是小于0.3。
第二ARC层构成为按破坏性干扰模式起作用。通过按破坏性模式构成第二ARC层，从其上表面到抗蚀剂层反射的光和抗蚀剂层中向上反射通过第二ARC层的光被破坏性地叠加。结果，这些光彼此抵消。
在一个实施例中，第二ARC层具有按硝坏性干扰模式起作的合适厚度。第二ARC层的厚度使其下和上表面处界面的反射，彼此相移约180度。从而产生破坏性相消。在一个实施例中，第二ARC层的厚度约为λ/4nx，其中λ是曝光光源的波长，nx是第二ARC层的折射率。
通过选择合适的折射率和厚度，第二ARC层在抗蚀剂层中产生强度大致相同且相位大致相反的反射，从而它们彼此相消。结果改进了光刻期间的CD控制。
在操作时，曝光光源的光有选择地对抗蚀剂层曝光，以在其上形成所需要的图形。在光束180射到抗蚀剂170的表面上时，光的一部分182从表面反射，而一部分184透过抗蚀剂170。
在透过的部分184射到抗蚀剂170和第二ARC层140形成的界面132时。部分184的一部分186反射，而一部分190透过第二ARC层140。
部分190射到由第二ARC层140和第一ARC层135形成的界面116。这造成了将反射的部分192，和将透过第一ARC层135的部分194。由于第一ARC层按吸性模式起作用，所以透过部分194的全部或基本上全部都被吸收。部分194的任何保留光196被第一ARC层135和衬底110的界面112反射，并被第一ARC层吸收。
部分192穿过第二ARC层行进。按破坏性干扰模式起作用的第二ARC层不吸性部分192。结果，部分192穿过界面132，进入抗蚀剂层。
由于根据本发明一个实施例选择第二ARC层的折射率，所以穿过该界面并进入抗蚀剂层的部分192具有约等于反射部分186的强度的强度。通过合适选择第二ARC层的厚度反射部分186和192被破坏性相叠加，彼此相消或基本相消。于是通过减小抗蚀剂的反射率，实现了CD控制的改进。
根据本发明另一实施例，多层ARC叠层130包括第一和第二ARC层135和140，它们分别按吸收模式和破坏性干扰模式起作用。
由于第一ARC层按吸收模式起作用，它的k值和厚度足以吸收其中的光，在一个实施例中，该ARC的k值至少为0.2，较好是至少0.5，更好是至少1.0。在另一个实施例中，该ARC的k值至少为1.5。对于给定k值和光量来说，第一ARC层的厚度足以确保其中的光被吸收。一般情况下，厚度约为5-150nm。自然，该厚度可以根据不同应用和不同k值改变。
在一个实施例中，第一ARC层包括按吸收模式起作用的无机ARC。无机ARC例如包括介质ARC(DARC)。在一个实施例中，DARC包括氮氧化硅。也可以采用在给定曝光光源的波长下按吸收模式起作用的其它无机抗反射材料。
另外，第一ARC层包括有机ARC。第一有机ARC层较好具有比第二ARC层高的k值。此外，也可以采用对于给定曝光光源的波长可以按吸收模式起作用，并且在例如第二ARC层和抗蚀剂的淀积等随后工艺中保持稳定的抗反射材料。
第一ARC层采用例如化学汽相淀积(CVD)或物理汽相淀积等常规淀积技术形成于衬底表面上。也可以采用例如旋涂等其它淀积技术，取决于ARC材料。
抗蚀剂170下第一ARC层135上的第二ARC层140按破坏性干扰模式起作用。在一个实施例中，第二ARC层包括有机ARC。可以用不同类型的有机ARC，例如Shipley的BARL，形成第二ARC层。有机ARC层采用不同的常规淀积技术淀积。例如旋涂法。采用有机ARC层作第二ARC层避免了抗蚀剂沾污的可能问题，避免了提供遮盖层的要求。所以，避免了与遮盖层有关的驻波效应。在抗蚀剂沾污不会造成问题的情况下，无机ARC可用作第二ARC层。
第二ARC层产生从其下表面处界面116的反射和从其上表面处界面132的反射。这些反射穿过抗蚀剂，或通过抗蚀剂反射。
第二ARC层的参数例如n和厚度选择为减小其上下表面处界间产生的反射之间的差，从而采用破坏性相消实现抗蚀剂反射率的减小。将该差减小到要求水平，从而采用破坏性相消实现可接受的抗蚀剂反射率。较好是，第二ARC层使其上下表面处界面产生的反射之间的差最小，从而采用破坏性相消可以使抗蚀剂的反射率最小。更好是，第二ARC层产生具有大致相同强度的反射，从而可以采用破坏性相消实现约为零的反射率。
第二ARC层上下表面处界面产生的反射取决于第一和第二ARC层及抗蚀剂的折射率。这种事实下，ARC层和抗蚀剂的折射率和厚度可以改变，可以选择为由ARC叠层产生希望的效应。
一般情况下，根据ARC的类型和起作用模式选择第一和二ARC层的折射率及第一ARC层的厚度。例如，第一ARC按吸收模式起作用。在第一ARC层包括无机ARC层时，n取决于k值。一般说，希望高k值，以便能够使用较薄的有机ARC。这一般意味着根据第一ARC层的厚度参数选择k值。在n取决于k值时，选择了k隐含着限定了n。对于有机ARC来说，对于给定类型的ARC，n和k固定。选择特定类型的有机ARC使用，n值存在一定程度的灵活性。另外，使用包括无机ARC的第二ARC层，n值也存在灵活性。关于抗蚀剂，对于所用的给定类型抗蚀剂来说，n、k和厚度也是固定的。选择使用的抗蚀剂类型，抗蚀剂参数方面也存在灵活性。例如，根据抗蚀剂的类型，n可以为1.4-2.0。
对于给定的第一和第二ARC层及抗蚀剂，第二ARC层的厚度选择为引起破坏性干扰。在一个实施例中，第二ARC层的厚度选择为使在第二ARC层的下上表面处界面发生的反射被破坏性相消。在一个实施例中，该厚度选择为使第二ARC层下上表面处界面的反射彼此相移180°。在一个实旋例中，该厚度选择为使第二ARC层下表面处界面产生的反射，相对于第二ARC层上表面处界面产生的反射相移约180°。
由于减小了反射强度之间的差，第二ARC层产生的破坏性干扰减小了抗蚀剂的反射率。
反射光强度一般可表示为：
I＝R×R* (1)其中I是强度，R是材料的反射率，R*是材料反射率的倒数。关于图1所示的多ARC层叠层，垂直入射(θ＝90度)时，由下标表示的各层的反射率可表示为：
R170＝(r170+R140)/(1+r170×R140) (2)
R140＝(r140+R135)/(1+r140×R135)exp(i2k140d140) (3)
R135＝(r135)exp(i2k135d135) (4)其中d＝各层的厚度，k＝各层的波数， r＝各层的反射系数。波数可表示为：
k＝2πn/λ (5)其中n＝各层的复合折射率，λ＝曝光光源的波长。各层的反射系数可表示为：
r＝(nx-n)/(nx+n)＝abs(r)exp(iφ) (6)其中nx＝各层以下的层的复合折射率，n＝各层的复合折射率，φ＝由于破坏性干扰反射的不等幅度造成的相移因子，是多层ARC叠层的各ARC层和抗蚀剂层的折射率的函数。
如上所述，目标是减小抗蚀剂层的反射率或使之最小。从公式1可知，可通过减小其中的反射率减小抗蚀剂层中的光强(I)。在I达到零时，实现抗蚀剂层的最小反射，表示如下：
I＝R170×R170*＝min(I) (7)
对于给定的抗蚀剂，I是参数d140、n140、k140、n135和k135的函数。通过一阶导数可以得到第二ARC层的最佳厚度
δI/δd140＝0 (8)
设公式(8)等于零，得到抗蚀剂的最小或零反射率。求出d140，得到形成最小反射率的第二ARC层的厚度。
从公式(8)可以得到下式：
4πRe(n140)d140/λ+φ1-φ2＝m∏(m＝1，2...∞) (9)
其中Re(n140)＝第二ARC层折射率的实数部分，d140＝第二ARC层的厚度，λ＝曝光光源的波长，φ1、φ2由公式(6)确定，φ1介于第一ARC和第二ARC之间，φ2介于抗蚀剂和第二ARC之间，m表示发生最小反射率。
由于对于特定的有机ARC来说n固定，所以可以解公式(9)，求第二ARC层的厚度(d140)，大致得到抗蚀剂层的最小反射率。该公式是自然衰减的谐波公式，将产生得到抗蚀剂层的最小反射的不同厚度。然而，由于要减小ARC开口工艺期间抗蚀剂的消耗，希望第二ARC层厚度选择最小值。
一旦厚度d140确定，通过设定公式(7)等于零，便可以得到抗蚀剂和第二ARC界面的最小反射光。
I＝R170×R170*＝0
可以确定第一ARC层或第二ARC层的最佳折射率。例如，在计算机模拟下，可以找到优化的折射率。
从以上说明可以看出，多层ARC层叠层是可优化的，以减小抗蚀剂的反射率，从而改进CD控制。对于不同ARC层和抗蚀剂的给定折射率，可以确定按破坏性干扰起作用的ARC层的最佳厚度，以使抗蚀剂的反射率最小。另外，选择特殊层的特定折射率，可以形成具有希望厚度和光特性的ARC叠层。
例子
进行模拟以确定采用本发明一个实施例的ARC叠层的抗蚀剂的反射。ARC叠层包括第一和第二ARC层。第一ARC层包括厚70nm按吸收模式起作用的介质ARC，n为2.08，k为0.56。第二ARC层包括无机ARC层，n为1.77，k为0.24。图2示出了作为第二ARC厚度的函数的抗蚀剂/ARC界面处的反射。从图2可看出，在第二ARC层厚约48nm、115nm和180nm时，抗蚀剂/ARC界面的反射最小。于是，通过选择第一和第二ARC层的合适n和k值，及第二ARC层的厚度，可以优化ARC叠层，从而减小抗蚀剂的反射率或使之最小。
进行比较采用常规ARC和本发明的ARC叠层时底层厚度变化的影响的模拟。常规ARC包括厚99nm的有机ARC层，n为1.77，k为0.24。ARC叠层包括第一和第二ARC层。第一ARC层包括厚70nm按吸收模式起作用的DARC，n为2.08，k为0.56。第二ARC层包括厚45nm的有机ARC层，n为1.77，k为0.24。ARC形成于硼硅玻璃(BSG)底层上。
图3对作为BSG层厚度变化函数的ARC/抗蚀剂界面的反射进行了测量。线90绘出了采用常规ARC作为BSG厚度函数的抗蚀剂的反射，线95绘出了采用ARC叠层的抗蚀剂的反射。从线90可知，常规ARC产生随BSG厚度变化的反射。这是不希望的，导致了很差的CD控制。另一方面，线95示出了在ARC/抗蚀剂界面反射几乎为零。这表示在抗蚀剂中没有驻波，抗蚀剂中的反射与底层的厚度无关，结果改进了CD控制。
尽管结合各实施例具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应认识到，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出种种改进和变化。因此，本发明的范围并不由以上说明所确定，而是由所附的权利要求书以其全部的等效范围所确定。