專利名稱：蝕刻工藝中用于硬化光致抗蝕劑的方法和組合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及蝕刻晶片，尤其涉及一種用于蝕刻用在半導(dǎo)體器件制造中的晶片的方法和組合物。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體器件的制造中，光刻被廣泛的用于圖形化光致抗蝕劑材料。希望用小波長的光進(jìn)行光刻以允許減小設(shè)計規(guī)則來創(chuàng)造更小的半導(dǎo)體器件。例如，使用氟化氬(ArF)光源的193nm平板印刷術(shù)可以用于獲得0.1_m至0.07_m的尺寸。當(dāng)在晶片上提供了光致抗蝕劑材料圖形之后，可以蝕刻晶片上暴露的層。
過去已經(jīng)使用了很多不同的化學(xué)制品和化學(xué)制劑的組合來提供用以蝕刻晶片的活性(active)等離子體。在蝕刻劑氣體的組合物、被蝕刻的材料、和在進(jìn)行蝕刻的等離子體處理裝置的工作條件之間存在一種復(fù)雜的相互作用。不同種類的等離子體對被處理的晶片提供不同的效果。由于溴類型的等離子體對蝕刻多晶硅材料是有活性的，因此在過去溴化氫被用作蝕刻晶片中的多晶硅層的蝕刻劑。
然而，蝕刻對于由晶片中制作器件具有有害的影響。例如，光致抗蝕劑材料本身可以基本移除，而暴露出光致抗蝕劑意圖保護(hù)的區(qū)域。蝕刻劑還可以引起光致抗蝕劑材料變形或扭曲，其反過來引起由蝕刻導(dǎo)致的部件變形。例如，可以通過光致抗蝕劑材料很好地限定直線軌道的預(yù)期特征。然而，由于由蝕刻機構(gòu)引起的光致抗蝕劑材料的扭曲和變形，定義實際軌跡的蝕刻可以導(dǎo)致實際上形成起伏的軌跡。最壞的情況下，不能控制被蝕刻的部件的形狀可能導(dǎo)致器件無效，或至少導(dǎo)致無再現(xiàn)性。
鑒于上述情況，希望可以使用短波長光致抗蝕劑材料來限定通過蝕刻工藝良好再現(xiàn)的部件。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料的圖形的晶片的方法。該方法包括用含溴的等離子體硬化光致抗蝕劑材料。然后進(jìn)行晶片的蝕刻。
還公開了一種硬化晶片上光致抗蝕劑材料的圖形的方法。該方法包括提供一種含溴的等離子體。將光致抗蝕劑材料暴露在等離子體中。不蝕穿光致抗蝕劑材料下面的晶片的層。
在高密度等離子體處理裝置中用于硬化晶片上的光致抗蝕劑材料的等離子體的組合物包括溴。
還公開了一種蝕刻其上具有光刻抗蝕劑材料圖形的晶片的方法。該方法包括提供一種蝕刻劑組合物，該蝕刻劑組合物產(chǎn)生一種蝕刻光致抗蝕劑材料下面的晶片的層活性等離子體。還提供一種含溴的等離子體。該含溴的等離子體對硬化光致抗蝕劑材料是有活性的。
還公開了一種用于蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料圖形的晶片的組合物。該組合物包含碳氟化合物或氟代烴和含溴的分子。


通過結(jié)合附圖來參考以下描述可以很好地理解本發(fā)明及其進(jìn)一步的優(yōu)點，其中圖1是其上可以使用根據(jù)本發(fā)明的方法的晶片的截面示意圖；圖2是示出了本發(fā)明的方法的示例步驟的流程圖；圖3是其上可以使用根據(jù)本發(fā)明的方法的晶片的截面示意圖；圖4是示出了本發(fā)明的方法的又一示例步驟的流程圖；圖5A，B和C分別示出了根據(jù)圖2中示出的方法蝕刻的晶片截面圖和透視圖的電子顯微鏡的照片；以及圖6A，B和C分別示出了根據(jù)圖4中示出的方法蝕刻的晶片截面圖和透視圖的電子顯微鏡的照片。
在附圖中，相同的數(shù)字表示相同的部位和元件。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考圖1和2描述本發(fā)明的實施例。圖1示出了半導(dǎo)體器件制造階段的晶片100的截面示意圖。通過193nm光刻抗蝕劑材料102定義將在器件中制造的部件。在這里，193nm的光致抗蝕劑材料通常指可以通過193nm波長的輻射圖形化的光致抗蝕劑材料。這樣的適合的材料包括如由Sumitomo公司提供的商標(biāo)名為PAR 707，PAR 723和PAR 710的脂環(huán)族異丁烯酸(丙烯酸酯)。其他適合的193nm光致抗蝕劑材料包括如由JST公司，Shipley公司，LLC和Tokyo Ohka Kogya有限責(zé)任公司等提供的環(huán)烯烴/馬來酸酐(COMA)。光致抗蝕劑部件102接近2600厚。典型地，193nm光致抗蝕劑材料層的厚度在接近2200和3300之間。可以使用在本領(lǐng)域中已知的光成像工藝來制造形成光致抗蝕劑掩模的光致抗蝕劑部件。
光致抗蝕劑部件102處于抗反射涂層104(“ARC”)之上，其厚度典型的在大約300和800之間。該ARC包括底部抗反射涂層(BARC)，且其典型的是類似于光致抗蝕劑材料的烴基材料。晶片100包括硬掩模層106，其可以由一般接近500至2000厚的氮化硅(SiN)制成。可選擇的，硬掩模層可以是TEOS(四乙基氧硅酸鹽)，氧化硅，或是上述材料的組合?？蛇x地包括鎢(W)層108和氮化鎢(WN)層110以提高器件速度，其后為多晶硅材料層112。硅襯底116上包括柵氧化物薄層114。這樣的晶片襯底是在制造EDRAM或DRAM器件時的中間產(chǎn)品。
光致抗蝕劑材料102定義軌跡部件，其將通過晶片的蝕刻擴展在晶片上，如虛線118，120所描繪的。圖形化光致抗蝕劑材料以產(chǎn)生的部件將取決于晶片的設(shè)計?？梢酝ㄟ^光致抗蝕劑材料定義不同類型的部件。例如，光致抗蝕劑材料可以定義孔洞或“T”或“U”形部件。圖2說明方法200的流程圖，通過方法200可以蝕刻部件。可以使用任意等離子體蝕刻裝置或能夠產(chǎn)生高密度等離子體的設(shè)備來實施該方法。適合的裝置包括如加拿大Lam Research Corporation of Fremont提供的等離子體處理設(shè)備的TCP系列。如Applied Materials，Inc提供的DPS系列裝置等，由Tokyo Electron Limited提供的SCCM裝置和如由Hitachi Ltd提供的裝置的ECR族也是適合的。
該方法200基本上是兩步驟的方法。在第一步驟中，將光致抗蝕劑材料102硬化并且在沒有顯著蝕刻晶片的情況下而被穩(wěn)定。在隨后的步驟中，對晶片進(jìn)行實際蝕刻以從下面的且無光致抗蝕劑材料保護(hù)的層中有目的地移除材料。通過含溴的等離子體移除的任意材料不是用于，或是不足以移除光致抗蝕劑材料層下面的晶片的整個層。該主蝕刻步驟蝕刻其中定義了被蝕刻的結(jié)構(gòu)特征的晶片的層。
在該方法的開始210，將含溴氣體引入到設(shè)備212的等離子體處理室中。在該實施例中，含溴氣體是溴化氫(HBr)。等離子體處理裝置在允許高密度等離子體在室中撞擊并維持的條件214下工作。認(rèn)為高密度等離子體是具有大于大約1×1010離子/cm3的密度的等離子體。高密度等離子體可以具有在大約1×1010至1×1013離子/cm3范圍內(nèi)的密度。光致抗蝕劑材料暴露在等離子體中，且等離子體中的溴元素對硬化光致抗蝕劑材料216是有活性的，以使其更堅硬且物理上更堅固。通過使等離子體處理裝置工作在低壓和大功率下，在主蝕刻步驟216之前，在光致抗蝕劑硬化中使用高密度等離子體。硬化步驟中，HBr沒有顯著蝕刻晶片，而是強化光致抗蝕劑材料102。盡管溴化氫是優(yōu)選的用于等離子體中的溴元素的源，其他的含溴分子也可以用于硬化等離子體，如SiBr4，CH3Br，Br2，C2H5Br和更高的含溴碳?xì)浠衔铩６?，盡管等離子體優(yōu)選的是純HBr，其他分子可以包含在等離子氣體混合物中，例如惰性氣體。優(yōu)選地，該用于硬化的混合物可以不具有大量的活性蝕刻劑，例如碳?xì)浠衔锖秃肿印?br> 用于HBr硬化步驟的適合操作條件的例子可以是等離子體處理室壓力接近5mT，功率為1200W，施加給卡盤電極基本為零的偏置電壓，100sccm(標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘)的HBr氣體流速和接近60秒的硬化時間。
優(yōu)選在硬化步驟期間基本沒有移除材料。然而，在硬化步驟期間，在主蝕刻之前，可發(fā)生自ARC層104和自光致抗蝕劑材料102的材料的某種程度的移除。
盡管支持晶片的卡盤上的零伏特偏置電勢有助于將材料的移除最小化，可以使用0至500V之間的偏置電勢，優(yōu)選0至250V之間且最優(yōu)選0至30V之間。相同的偏置功率范圍分別近似于0至740W，0至350W和0至40W。
也可以認(rèn)為材料的不完全移除是根據(jù)在硬化步驟期間移除的光致抗蝕劑材料的量而發(fā)生。最多可失去接近600的光致抗蝕劑材料，優(yōu)選不超過接近500，更優(yōu)選最多失去接近400且最優(yōu)選最多失去接近300的光致抗蝕劑材料。從原始存在的光致抗蝕劑材料的厚度中失去的光致抗蝕劑材料的比例最多接近30％，優(yōu)選最多12％且更優(yōu)選最多5％。
也可以認(rèn)為材料的不完全移除將基于在硬化步驟期間移除的ARC層材料的量而發(fā)生。最多可以移除85％的ARC層，優(yōu)選最多75％，更優(yōu)選最多70％且最優(yōu)選最多60％。如果在預(yù)先主蝕刻硬化步驟期間發(fā)生ARC層蝕穿，可以認(rèn)為已經(jīng)發(fā)生完全蝕刻。
硬化步驟216完成之后，自等離子體室中抽出HBr等離子體且引入蝕刻劑氣體混合物218到等離子體室中以開始部件的主蝕刻。選擇蝕刻劑氣體混合物的成分以有效地蝕刻晶片的目的層。對于晶片100，將蝕刻的下一層是ARC層104。盡管可以使用對蝕刻ARC材料提供氟源的其他碳氟化合物，適合的蝕刻劑氣體混合物是流速為40sccm的CF4和流速為120sccm的He。在其他實施例中，可以使用HBr和O2的混合物或Cl2和O2的混合物以蝕穿ARC層。ARC材料可以是有機的或無機的。用于等離子體蝕刻裝置的示例操作參數(shù)是7mT的等離子體室壓力，600W的TCP功率，施加到卡盤電極(等于～46W的偏置功率)的100V的偏置電壓以及+30％的過蝕刻端點。作為主蝕刻步驟220的一部份蝕刻ARC層，其實際上形成由光致抗蝕劑材料所限定的部件。
在本發(fā)明的另一實施例中，ARC層的蝕刻可以在硬化光致抗蝕劑之前進(jìn)行。然后在光致抗蝕劑的硬化后進(jìn)行蝕刻穿透位于下面的且沒有光致抗蝕劑保護(hù)的層的主蝕刻。
在另一實施例中，在該方法中可以包含光致抗蝕劑的調(diào)整步驟。在ARC蝕刻和調(diào)整步驟之前，或ARC蝕刻和調(diào)整步驟之后或在ARC蝕刻和調(diào)整步驟之間，可以進(jìn)行硬化步驟。
主蝕刻220可以包括使用不同蝕刻化學(xué)制品和操作參數(shù)以蝕刻晶片的不同層的多個步驟。如步驟221所表示的，對每一個所需的不同主蝕刻步驟重復(fù)步驟218和220。用于硬掩模106蝕刻步驟的蝕刻劑氣體組合物包括流速為40sccm的CF4，流速為20sccm的CH2F2和流速為80sccm的He。適合的等離子體處理裝置操作參數(shù)是7mT的壓力，1000W的TCP功率和400V的卡盤偏置電壓(相當(dāng)于300W的偏置功率)。在硬掩模蝕刻氣體組合物中可以使用其他氣體，包括代替CH2F2的CHF3，以及附加的氧和/或NF3。
接著使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的蝕刻化學(xué)制品，可以如所需的將鎢108，氮化鎢110和其他層全部蝕刻。
發(fā)現(xiàn)在蝕刻部件之前使用含溴的等離子體硬化光致抗蝕劑材料，具有降低光致抗蝕劑材料的破裂和扭曲的效果。這致使在晶片中蝕刻的部件為初始光致抗蝕劑材料所定義的，因此避免了與部件蝕刻相關(guān)的、導(dǎo)致部件變形的問題。例如，圖5A示出了通過根據(jù)上述方法蝕刻晶片的光致抗蝕劑和SiN層的截面502的電子顯微鏡照片，以及圖5B示出了透視圖504。如可以看見的，1400深的光致抗蝕劑材料層506存在于SiN硬掩模層508上，且已經(jīng)蝕刻出直的、良好限定的部件，如圖5C中所示。
圖3示出了經(jīng)過本發(fā)明的又一實施例的又一晶片120的截面圖。該晶片包括193nm光致抗蝕劑部件122，其在ARC層124上被圖形化。多晶硅材料層126存在于硅襯底130之上的柵氧化物薄層128上。晶片的層的這種排列說明了很多不同器件的制造中的中間步驟。例如，該中間步驟可以是在存儲器件、邏輯器件或eDRAM的制造中的步驟。
除了在多晶硅層126的主蝕刻步驟期間使用不同的蝕刻化學(xué)制品之外，該蝕刻方法基本上與參考圖2和1所先前描述的情況相同。蝕刻劑氣體組合物包括CF4，氯，HBr，氧和氦。該用于多晶硅的蝕刻的化學(xué)制品對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是公知的，因此不需進(jìn)一步描述。
圖4示出了說明當(dāng)使用HBr來硬化193nm光致抗蝕劑材料時用于蝕刻部件的方法300的又一實施例的流程圖。該方法始于310，將HBr引入到等離子體處理裝置312中。HBr作為等離子體中溴元素的源，其對于硬化光致抗蝕劑材料122來講是活性的。在HBr引入的同時還將蝕刻劑氣體混合物引入314到等離子體處理室中。該蝕刻劑氣體的成分將取決于被蝕刻的晶片層，但至少包括一種蝕刻劑類型的源，例如當(dāng)CF4或其他碳氟化合物用作蝕刻劑氣體時為氟類型。在本發(fā)明的其他實施例中，碳氟化氫可以用作蝕刻劑類型的源。通過在低壓，和高功率條件下操作等離子體處理裝置，高密度等離子體撞擊并保持316。等離子體中存在的溴類型對硬化光致抗蝕劑材料來講是活性的，而氟類型作為蝕刻劑蝕刻掉光致抗蝕劑層下面的晶片的層是活性的。因此可以進(jìn)行部件的蝕刻318且光致抗蝕劑部件的硬化防止了其變形且有助于確保良好定義的部件擴展到晶片中。一旦達(dá)到所需的終點，該蝕刻方法終止320。
圖6A示出了當(dāng)用附加的HBr蝕刻SiN硬掩模層之后，圖1中示出的晶片的截面圖601的電子顯微鏡照片。圖6B示出了沿著蝕刻槽602的透視圖以及圖6C示出了SiN層的最終的蝕刻圖形603。如在圖6A中可以看到的，用附加的HBr硬化193nm光致抗蝕劑材料導(dǎo)致當(dāng)硬掩模蝕刻完成后存在大量的光致抗蝕劑層材料604。如圖6B所示，明顯沒有光致抗蝕劑材料的扭曲并且蝕刻出良好定義的直線。如圖6C中所示，SiN層606的形貌中存在某些錐形。這種方法不能提供象第一種方法200描述的一樣好的SiN層蝕刻形貌，但是仍避免了光致抗蝕劑的變形和破裂。
以上結(jié)合193nm光致抗蝕劑材料描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明也可以使用其他深紫外(DUV)光致抗蝕劑材料，包括248nm光致抗蝕劑材料。
為了制造特定的器件，如需要，可以添加其他的步驟到本發(fā)明的方法中。然而，硬化光致抗蝕劑材料的步驟可以在蝕刻下面層中的部件之前或伴隨著下面層中部件的蝕刻而進(jìn)行。
為了清楚理解的目的，盡管前述發(fā)明已經(jīng)描述了某些細(xì)節(jié)，但很顯然在附加的權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以進(jìn)行一定的變化和改進(jìn)。因此，所述的實施例可以作為說明性的并非限定性的，并且本發(fā)明不拘于這里給出的細(xì)節(jié)而是通過以下的權(quán)利要求和其等價的全部范圍來定義。
權(quán)利要求
1.一種蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料圖形的晶片的方法，包括蝕刻之前，用含溴的等離子體硬化光致抗蝕劑材料；和進(jìn)行晶片的主蝕刻。
2.權(quán)利要求1的方法，其中含溴的等離子體是高密度等離子體。
3.權(quán)利要求1的方法，其中用含溴的等離子體硬化光致抗蝕劑材料不移除該光致抗蝕劑材料層下面的晶片的整個層。
4.權(quán)利要求1的方法，其中硬化期間偏置電壓不足以蝕穿光致抗蝕劑下面的晶片的整個層。
5.權(quán)利要求1的方法，其中硬化期間最多移除基本600的光致抗蝕劑材料。
6.權(quán)利要求5的方法，其中硬化期間最多移除基本300的光致抗蝕劑材料。
7.權(quán)利要求1的方法，其中硬化期間最多移除光致抗蝕劑材料下面晶片層的厚度的85％。
8.權(quán)利要求1的方法，其中硬化期間最多移除光致抗蝕劑材料下面晶片層的厚度的60％。
9.權(quán)利要求1的方法，其中等離子體基本上由溴化氫組成。
10.權(quán)利要求1的方法，其中光致抗蝕劑材料選自包括193nm光致抗蝕劑材料和248nm光致抗蝕劑材料的組。
11.權(quán)利要求1的方法，其中等離子體具有至少近似于1×1010離子/cm3的等離子體密度。
12.一種用于硬化晶片上的光致抗蝕劑材料圖形的方法，包括提供含溴的等離子體；和把光致抗蝕劑材料暴露到等離子體中，其中不蝕穿光致抗蝕劑材料下面的晶片的層。
13.權(quán)利要求12的方法，其中該層是ARC層。
14.一種在等離子體處理裝置中硬化晶片上的光致抗蝕劑材料的高密度等離子體組合物，該組合物包括溴。
15.一種蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料圖形的晶片的方法，包括提供一種蝕刻劑組合物，該蝕刻劑組合物產(chǎn)生活性蝕刻光致抗蝕劑材料下面的晶片層的等離子體；和提供一種活性硬化光致抗蝕劑材料的含溴的等離子體。
16.一種用于蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料圖形的晶片的組合物，包括碳氟化合物和含溴的分子。
全文摘要
公開了一種蝕刻其上具有光致抗蝕劑材料圖形的晶片的方法。該方法包括以含溴的等離子體硬化光致抗蝕劑材料。然后進(jìn)行晶片的主蝕刻。還公開了一種用于硬化晶片上的光致抗蝕劑材料的圖形的方法。該硬化方法包括提供含溴的等離子體并將光致抗蝕劑材料暴露在等離子體中，使得光致抗蝕劑材料下面的晶片的層不被蝕穿。在高密度等離子體處理裝置中用于硬化晶片上的光致抗蝕劑材料的等離子體組合物包括溴。
文檔編號H01L21/3065GK1689142SQ03819178
公開日2005年10月26日 申請日期2003年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月14日
發(fā)明者Y·K·泰勒, W·阮, C·G·N·李 申請人:蘭姆研究有限公司