多層式抗反射層以及採用該多層式抗反射層的半導體製程的製作方法

2023-06-30 16:11:06

專利名稱：多層式抗反射層以及採用該多層式抗反射層的半導體製程的製作方法
技術領域：
本發明是關於半導體微影製程，特別是有關於微影製程中的抗反射層，更特別地，是有關於一種多層式抗反射層以及採用該多層式抗反射層的半導體製程。
背景技術：
隨著半導體組件的積集化程度提高，半導體組件的線寬要求越來越小，關鍵尺寸(critical dimension，CD)的控制也越來越重要。在微影製程中，由於晶圓表面已存在圖形的高低落差，因此在光阻覆蓋於晶圓表面時，會隨著光阻的平坦化特性(planarization)，造成光阻層厚度不一。而當微影光線在光阻中行進時，在晶圓表面的反射光與入射光則會形成建設性/破壞性幹涉現象，因而產生所謂的擺動效應(swing effect)。上述光阻厚度不均與擺動效應，均會造成關鍵尺寸變化的不良效應。
由於復晶矽、金屬及復晶矽/金屬迭層具有高反射性，在深紫外光波段的反射問題都大過可見光波段，因此導致光阻層發生駐波效應和凹缺(notching)效應將會更加嚴重，使得微影程序的圖案轉移可信度大幅降低。
為了避免擺動效應，一般採用底層抗反射層(Bottom Anti-Reflective Coating，BARC)的方法，也就是在塗布光阻前先上一層厚度薄的薄膜。在實際運用上，BARC可區分為兩大類型第一種為利用折射率接近於光阻的材料，並且其光吸收率與厚度通常較為大，第二種則可設計特定光吸收率及幹涉現象的影響，通常是以沉積方式施加於基底。以下分別簡單說明這兩種類型的BARC。
第一種類型是藉由旋轉塗布的方式，將含高光吸收率的有機聚合物塗布於基底表面。請參見圖1A，顯示現有第一種類型的底層抗反射層。在塗布光阻層16前，先於基底10上以旋塗(spin-on)方式塗布一層有機薄膜作為BARC 14，厚度約為1000～2000，接著於其上塗布光阻層16。當投射一微影照射光11於基底10上時，有機薄膜中的有機成分(Organic Dye)可以吸收基質所反射的光線，以降低線寬的變異。然而此種塗層仍會隨著晶圓表面的平坦度，如組件12，而產生起伏，無法達到穩定性的相位偏移(phaseshift)。
第二種類型則是利用化學氣相沉積(CVD)的方式進行薄膜成長，而得到介電質抗反射層(Dielectric Anti-Reflection Coating，DARC)。請參見圖1B，說明現有DARC層改善擺動效應的設計。主要是在基質20上先以化學氣相沉積方式(CVD)形成一厚度約在300左右的介電質抗反射層，接著於其上形成光阻層26。這種方式特別適用於深紫外光微影技術中。DARC層受到晶圓表面的布局起伏，如組件22，的影響較小，而這種方法的主要特點是可以藉由調整DARC層的材料(Si、O、N或C)比例或改變CVD的製程參數如氣體流量、壓力等，而調整DARC層的反射係數(refractiveindex，n)與吸收係數(extinction coefficient，k)值，以達到良好的相位偏移，形成破壞性幹涉，消除基質20的反射光。然而調整上述DARC層厚度的n與k值往往隨著不同的製程要求，而有不同的技術難度，且此種抗反射層常會造成光阻側壁輪廓發生底切或底腳。
上述傳統的抗反射層通常僅包括單一層，並且各有其缺陷，因此仍有需要改良之處。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種多層式的抗反射層、其形成方法以及採用該多層式抗反射層的半導體製程，組合現有兩種類型的底層抗反射層的優點，以控制關鍵尺寸(CD)，提高微影製程的寬裕度。
根據上述目的，本發明的一型態是提供一種多層式抗反射層，乃適用於一基底，其包括一介電質抗反射層形成於該基底上，以及一有機抗反射層形成於該介電質抗反射層上，上述介電質抗反射層與有機抗反射層共同形成上述多層式抗反射層。
本發明的另一型態是提供一種多層式抗反射層的形成方法，適用於一基底，其包括以下步驟於該基底上形成一介電質抗反射層，以及於該介電質抗反射層上形成一有機抗反射層，使該介電質抗反射層與該有機抗反射層形成一多層式抗反射層。
於本發明的一實施例，上述多層式抗反射層中的介電質抗反射層為氮氧矽(SiON)層，且介電質抗反射層的厚度介於20nm～60nm，以40nm為佳；上述有機抗反射層為聚亞醯胺(polyimide)或聚？類(polysulfone)，且該有機抗反射層的厚度介於40nm～135nm，以60nm或95nm為佳。上述介電質抗反射層與有機抗反射層的厚度比為1∶1～1∶5，以1∶2.375為佳。
本發明的又一型態是提供一種採用上述多層式抗反射層的半導體製程，是包含提供一基底，其上有一反射層；於該反射層上形成該多層式抗反射層，其包括一介電質抗反射層形成於該反射層上，以及一有機抗反射層形成於該介電質抗反射層上；於該多層式抗反射層上形成一圖案化光阻層。上述反射層可以為氧化層或導電層。
本發明的一實施例中，上述採用多層式抗反射層的半導體製程，更包括一步驟以該圖案化光阻對該多層式抗反射層與該反射層進行蝕刻。當上述反射層為氧化層時，蝕刻是採用C5F8、C4F8或C4F6中擇出的一氣體、以及氧氣、一氧化碳及氬作為反應氣體；當上述反射層為導電層時，蝕刻是採用BCl3、Cl2、HBr、氧氣、氦氣作為反應氣體。


圖1A～1B顯示現有的底層抗反射層(BARC)的光阻結構剖面圖；其中圖1A是採用有機薄膜作為底層抗反射層，圖1B是採用介電質材料作為抗反射層(DARC)圖2A～2F為一系列剖面圖，顯示本發明較佳實施例中，採用多層式抗反射層的半導體製程圖3顯示本發明的比較例與實施例的具體結果附圖標記說明10～基底11～微影光線12～組件14～底層抗反射層16～光阻層第20～基底21～微影光線22～組件24～底層抗反射層26～光阻層。
100～基底 102～第一介電層104～第二介電層 106～第一抗反射層108～第二抗反射層 110～光阻層110a～圖案化的光阻層112～蝕刻程序。
具體實施例方式
以下利用圖2A至圖2F一系列剖面圖，以基底上的反射層為雙層介電層為例，詳細說明採用本發明多層式抗反射層的半導體製程的實施例。
如圖2A所示，提供一半導體基底100，例如為半導體矽基底，其上包含複數半導體組件，為簡化起見，並未圖標其所包含的組件。於基底100上沉積第一介電層102，例如以三甲基硼酸酯(trimethylborate，TMB)以及三甲基亞磷酸酯(trimehtylphosphite，TMPI)作為原料，進行化學氣相沉積(chemical vapor seposition，CVD)反應，而形成摻雜硼和磷成分的硼磷矽玻璃(Boron Phosphate Silciate Glass，BPSG)的介電材料沉積。接著，以熱回流或化學機械研磨(chemicalmechanical polishing，CMP)處理第一介電層102表面，使其平坦化。
接下來，如圖2B所示，於第一介電層102上形成第二介電層104，例如為四乙基正矽酸酯(tetraethylorthosilicate，TEOS)的介電層。上述第一與第二介電層可作為層間介電層(interlayerdielectric，ILD)。
然後，如圖2C所示，於第2介電層104上形成第一抗反射層106，例如以化學氣相沉積的方式沉積一氮氧化矽(SiON)薄膜，厚度介於20nm～60nm，以40nm為佳。
接著，如圖2D所示，於第一抗反射層106上形成第二抗反射層108，例如以旋轉塗布方式形成聚亞醯胺(polyimide)或聚碸類(polysul fone)的薄膜，厚度通常介於40nm～135nm，以60nm或95nm為佳。上述第1抗反射層與第2抗反射層共同形成本發明的多層式抗反射層。
其次，如圖2E所示，於第2抗反射層108上形成一光阻層110。
最後，如圖2F所示，對上述光阻層110進行曝光程序，再以適當溶液進行顯影程序，以形成所需的圖案化光阻110a。於上述程序中，由於本發明的抗反射層具有介電層形成的第一抗反射層106與有機層形成的第二抗反射層108，可防止僅有有機抗反射層時會產生的圍籬或條痕等缺點，並且可以在後續的程序作為硬罩幕。的後，可以上述圖案化光阻層110a為罩幕，先蝕刻抗反射層(106與108)，再以圖案化光阻層與本發明的抗反射層共同作為罩幕，並以C5F8、C4F8或C4F6中擇出的一氣體、以及氧氣、一氧化碳及氬為反應氣體，蝕刻(112)上述第1與第2介電層，上述反應氣體對於SiON有高選擇比。此外，當反射層為導電層時，蝕刻程序也可以採用對SiON有高選擇比的BCl3、Cl2、HBr、氧氣及氦氣作為反應氣體。本實施例僅說明反射層為介電層或導電層時，可進一步蝕刻，然而，依實際需要，除蝕刻程序外，亦可能是進行離子布植、電漿處理或其它程序，並不限於蝕刻程序。
本發明的抗反射層的效果如圖3所示，其是顯示在作為介電層的TEOS厚度不同時，採用本發明的多層式抗反射層，並改變第1層抗反射層(SiON)的厚度的情形下，關鍵尺寸(也就是光阻特徵寬度)的變化。圖中，縱軸為實際關鍵尺寸(CD，或光阻徵寬度(Resist feature width))，橫軸為介電層TEOS厚度，而SiON厚度條件是如圖右所示，且此圖所示的關鍵尺寸是採用165nm的寬度。結果顯示，當SiON厚度為0時(比較例)，光阻特徵寬度差距極大，而當採用本發明含有SiON的多層式抗反射層，光阻特徵寬度差距拉近，也就是較不易受到介電層厚度變化的影響。將上述結果統計如表1所示，表1是顯示比較例(當SiON厚度為0時)與實施例(當SiON的厚度為40nm時)的關鍵尺寸，比較例的平均值為167.33nm，最大值與最小值的差距為24nm，總不確定度(3σ)為11.502，而實施例的平均值為166.78nm，最大值與最小值的差距明顯地降為12，且總不確定度(3σ)也明顯地降為7.6806。因此，本發明的多層式抗反射層的確對關鍵尺寸的均一性(uniformity)有極佳的改良。
表1

由以上說明與實驗結果顯示，本發明的多層式抗反射層應用於半導體製程時，由於組合有機抗反射層與介電質抗反射層的優點，介電質抗反射層在基底上，可以防止在基底上產生圍籬或條痕，提高關鍵尺寸的均一性，不但會增進微影製程的寬裕度，在蝕刻反射層時，本發明的多層式抗反射層與光阻層共同作為罩幕，也可以提高蝕刻罩幕厚度，上述種種優點亦協力增進整個製程的寬裕度。
雖然本發明以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之的保護範圍當視後附之的權利要求書為準。
權利要求
1.一種多層式抗反射層，適用於一基底，是包括一介電質抗反射層形成於該基底上；以及一有機抗反射層形成於該介電質抗反射層上。
2.如權利要求1所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層為氮氧矽(SiON)層。
3.如權利要求1所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層的厚度介於20nm～60nm。
4.如權利要求2所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層是以化學氣相沉積方式形成。
5.如權利要求3所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層的厚度大體為40nm。
6.如權利要求1所述的多層式抗反射層，其中該有機抗反射層為聚亞醯胺(polyimide)或聚碸類(polysulfone)。
7.如權利要求1所述的多層式抗反射層，其中該有機抗反射層的厚度介於40nm～135nm。
8.如權利要求6所述的多層式抗反射層，其中該有機抗反射層的厚度大體為60nm。
9.如權利要求6所述的多層式抗反射層，其中該有機抗反射層的厚度大體為95nm。
10.如權利要求6所述的多層式抗反射層，其中該有機抗反射層是以旋轉塗布方式形成。
11.如權利要求1所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層與有機抗反射層的厚度比介於1∶1到1∶5。
12.如權利要求11所述的多層式抗反射層，其中該介電質抗反射層與有機抗反射層的厚度比大體為1∶2.375。
13.一種採用一多層式抗反射層的半導體製程，是包含下列步驟提供一基底，其上有一反射層；於該反射層上形成該多層式抗反射層，其包括一介電質抗反射層形成於該反射層上，以及一有機抗反射層形成於該介電質抗反射層上；於該多層式抗反射層上形成一圖案化光阻層。
14.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該反射層是一氧化層。
15.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該反射層是一導電層。
16.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該介電質抗反射層為氮氧矽(SiON)層。
17.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該介電質抗反射層的厚度介於20nm～60nm。
18.如權利要求17所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該介電質抗反射層的厚度大體為40nm。
19.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該介電質抗反射層是以化學氣相沉積方式形成。
20.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該有機抗反射層為聚亞醯胺(polyimide)或聚碸類(polysulfone)。
21.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該有機抗反射層的厚度介於40nm～135nm。
22.如權利要求21所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該有機抗反射層的厚度大體為60nm。
23.如權利要求21所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該有機抗反射層的厚度大體為95nm。
24.如權利要求13所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該有機抗反射層是以旋轉塗布方式形成。
25.如權利要求14所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，更包括一步驟以該圖案化光阻對該多層式抗反射層與該反射層進行蝕刻。
26.如權利要求25所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該蝕刻是採用C5F8、C4F8或C4F6中擇出的一氣體、以及氧氣、一氧化碳及氬作為反應氣體。
27.如權利要求15所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，更包括一步驟以該圖案化光阻對該多層式抗反射層與該反射層進行蝕刻。
28.如權利要求27所述的採用一多層式抗反射層的半導體製程，其中該蝕刻是採用BCl3、Cl2、HBr、氧氣以及氦氣作為反應氣體。
全文摘要
本發明揭示了一種多層式抗反射層以及採用該多層式抗反射層的半導體製程。上述多層式抗反射層適用於一基底，包括一介電質抗反射層形成於該基底上，以及一有機抗反射層形成於該介電質抗反射層上。
文檔編號H01L21/3205GK1567529SQ0314106
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月13日 優先權日2003年6月13日
發明者黃則堯, 陳逸男, 吳文彬 申請人:南亞科技股份有限公司