CN104345568A - 减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法，包括：将表面设有光刻胶图形的基底置于真空室中；用带状离子束对光刻胶图形进行离子注入，以减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。进行离子注入之后，光刻胶图形的低频线宽粗糙度会显著地减小。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法。
背景技术
半导体制造工艺中的缺陷是影响半导体器件的良率以及器件性能的一个主要因素。特别对于如今的半导体制造业，当器件尺寸减小到100nm以下时，对于光刻工艺的要求尤为严格。例如，在光刻工艺中，线宽粗糙度（Line WidthRoughness，简称LWR）就是较为关注的重要指标。当光刻胶图形的线宽粗糙度越小时，越能够将图形精确地转移至基底上，因而越有助于提高器件的性能。因此，减小光刻胶图形的线宽粗糙度具有非常重要的意义。
虽然现有技术研究出了多种方法来减小光刻胶图形的线宽粗糙度，但是，目前却没有一种有效地办法来减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。
发明内容
本发明要解决的问题是：减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。
为解决上述问题，本发明提供了一种减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法，包括：
将表面设有光刻胶图形的基底置于真空室中；
用带状离子束对光刻胶图形进行离子注入，以减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。
可选地，将氦气等离子体化形成所述带状离子束。
可选地，离子注入能量为nkeV至2nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
可选地，将氩气等离子体化形成所述带状离子束。
可选地，离子注入能量为0.25nkeV至1.25nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
可选地，将硅烷等离子体化形成所述带状离子束。
可选地，离子注入能量为1.5nkeV至2.5nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
可选地，离子注入之后，还包括：进行化学气相沉积，以在所述光刻胶图形表面形成聚合物层。
可选地，所述化学气相沉积所采用的气体包括：CH4。
可选地，所述化学气相沉积所采用的气体还包括：CH3F、N2中的一种或两种。
可选地，离子注入之后还包括：将所述基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第一等离子体处理。
可选地，离子注入之后、化学气相沉积之前，还包括：将所述基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第一等离子体处理。
可选地，所述第一等离子体处理步骤中，用于形成所述第一等离子体的第一射频电源断续地打开。
可选地，所述第一射频电源周期性地打开和关闭。
可选地，所述第一等离子体处理步骤中，等离子产生设备的电极被施加第一偏置电压。
可选地，所述第一等离子体处理的工艺参数包括：压力为2至100mtorr，第一射频电源的功率为50至1000W，第一偏置电压为10至200V，HBr的流量为50至1000sccm，所述第一射频电源打开的频率为10至1000Hz，所述第一射频电源打开的时间，与第一射频电源打开和关闭的时间之和的比为10%至90%，处理时间为5至600s。
可选地，离子注入之后还包括：将所述基底暴露于用含H2的气体所形成的第二等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第二等离子体处理；
所述第二等离子体处理在第一等离子体处理之前或之后进行。
可选地，所述离子注入之后至少包括两次第一等离子体处理和第二等离子体处理，所述第一等离子体处理和第二等离子体处理交替进行。
可选地，所述第二等离子体处理步骤中，等离子产生设备的电极被施加第二偏置电压。
可选地，所述含HBr的气体还包括：O2、CO2、N2中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
利用带状离子束对表面形成有光刻胶图形的基底进行离子注入之后，光刻胶图形的低频线宽粗糙度会显著地减小。
进一步地，在离子注入之后还包括：将基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对光刻胶图形进行第一等离子体处理。第一等离子体处理之后，光刻胶图形的线宽粗糙度得到了进一步地减小，尤其是光刻胶图形的高频线宽粗糙度显著地减小了。
进一步地，在第一等离子体处理步骤中，用于形成第一等离子体的第一射频电源断续地打开，减小了形成在光刻胶图形表面的石墨状层的厚度，使得光刻胶图形的高频线宽粗糙度能够得到更大程度地减小。
进一步地，离子注入之后除了包括第一等离子体处理之外，还包括：将基底暴露于用含H2的气体所形成的第二等离子体环境中，以对光刻胶图形进行第二等离子体处理，第二等离子体处理能够使得光刻胶图形的高频线宽粗糙度得到更大程度地减小。
附图说明
图1是本发明的第一实施例中利用带状离子束对基底进行离子注入的示意图；
图2是第一实施例中离子注入之后光刻胶图形线宽粗糙度的功率谱密度（PSD）分析图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
第一实施例
本发明所提供减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法包括：如图1所示，将表面设有光刻胶图形（未图示）的基底10置于真空室（未图示）中；用带状离子束20对光刻胶图形进行离子注入，以减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。
所谓带状离子束20是指：离子束20的横截面（垂直于Z轴方向上的截面）为矩形，且离子束20在X轴方向上的尺寸比Y轴方向上的尺寸大得多，或者，离子束20在X轴方向上的尺寸比Y轴方向上的尺寸小得多，其中，Z轴垂直于基底10，X轴和Y轴均垂直于Z轴，X轴垂直于Y轴。换言之，带状离子束20呈长方体状，该长方体平行于基底10表面的横截面为矩形，该矩形的长比宽大得多。
在本实施例中，带状离子束20的入射方向垂直于基底10表面，即带状离子束20的入射方向平行于Z轴。
在本实施例中，将氩气（Ar）等离子体化形成带状离子束20。
经测量发现，离子注入之后，光刻胶图形的线宽粗糙度（例如中频线宽粗糙度、高频线宽粗糙度）会减小，但是，光刻胶图形的低频线宽粗糙度的减小程度最为显著。
经研究发现，光刻胶图形的低频线宽粗糙度的减小程度与离子注入能量有紧密关联。在本实施例中，离子注入能量为0.25nkeV至1.25nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。举例来讲，若离子带一个电荷，则离子注入能量为0.25keV至1.25keV；若离子带两个电荷，则离子注入能量为0.5keV至2.5keV。利用本实施例的离子注入条件对光刻胶图形进行离子注入之后，对光刻胶图形的低频线宽粗糙度进行了检测，检测结果发现，光刻胶图形的低频线宽粗糙度的减小幅度大于30%。
图2是第一实施例中离子注入之后光刻胶图形线宽粗糙度的功率谱密度（PSD）分析图，该图的横坐标为空间频率（spacial frequency）、纵坐标为线宽粗糙度的功率谱密度（PSD），离子注入能量为0.75nkeV，所述n为离子所带电荷的数量，光刻胶图形为193i光刻胶图形（利用193nm浸没式光刻技术所获得的光刻胶图形），曲线S1是未进行离子注入时光刻胶图形线宽粗糙度的功率谱密度与空间频率之间的关系曲线，曲线S2是进行离子注入后光刻胶图形线宽粗糙度的功率谱密度与空间频率之间的关系曲线。由图2可知，进行离子注入之后，光刻胶图形的低频线宽粗糙度（虚线圆圈P所示区域）发生了较大幅度的减小，且减小的幅度不小于30%。
在本实施例中，在瓦里安半导体设备公司（Varian SemiconductorEquipment Inc.）所生产的带状离子束植入装置中进行所述离子注入步骤。
离子注入之后还包括：将基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对光刻胶图形进行第一等离子体处理。
经测量发现，第一等离子体处理之后，光刻胶图形的线宽粗糙度得到了进一步地减小，但是，光刻胶图形的高频线宽粗糙度的减小程度最为显著。
经研究发现，第一等离子体处理之后，光刻胶图形高频线宽粗糙度减小的原因如下：将HBr等离子体化之后，会产生Br基团、离子和VUV（VacuumUltra Violet，真空紫外线）光子，光刻胶图形表面一定厚度的光刻胶会与离子及VUV光子发生反应，因而在离子和VUV光子的协同作用下，使得光刻胶图形的玻璃转化温度（glass transition temperature）减小，或者，光刻胶图形表面一定厚度的光刻胶会与Br基团及VUV光子发生反应，因而在Br基团和VUV光子的协同作用下，使得光刻胶图形的玻璃转化温度减小，或者，光刻胶图形表面一定厚度的光刻胶会与Br基团、离子及VUV光子发生反应，因而在Br基团、离子和VUV光子的协同作用下，使得光刻胶图形的玻璃转化温度减小，光刻胶图形的玻璃转化温度减小会使得光刻胶图形的聚合物链发生重组，而聚合物链重组能够驱使光刻胶图形发生回流（reflow），进而减小了光刻胶图形的高频线宽粗糙度。
所述第一等离子体的形成方法包括：提供等离子体产生设备，等离子体产生设备包括用于产生等离子体的两个电极，一个电极与第一射频电源电连接，另一个电极接地；向等离子体产生设备的腔室中通入含HBr的气体，将含HBr的气体等离子体化。
在本实施例中，所述含HBr的气体还包括：O2、CO2、N2中的一种或多种，以作为稀释气体。
在具体实施例中，所述第一等离子体处理的工艺参数包括：压力为2至100mtorr，第一射频电源的功率为50至1000W，HBr的流量为50至1000sccm，处理时间为5至600s。
研究发现，基底暴露在所述第一等离子体环境中时，光刻胶图形的表面会形成一层石墨状层（graphite-like layer），基底暴露在第一等离子体环境中的时间越长，光刻胶图形的表面所形成的石墨状层厚度越大较大。而当该石墨状层的厚度较大时，会增加光刻胶图形的线宽粗糙度。鉴于此，应该合理控制第一等离子体处理的时间。
研究发现，对所述基底进行离子注入和第一等离子体处理之后，可能会导致光刻胶图形的关键尺寸有所减小。若光刻胶图形的关键尺寸证实有所减小，可以对光刻胶图形的关键尺寸进行修复，使得后续在以光刻胶图形为掩模进行图形转印的工艺中能够得到关键尺寸符合要求的图形。所述修复的方法包括：进行化学气相沉积，以在光刻胶图形表面形成聚合物层，所述聚合物层覆盖在光刻胶图形的顶部和侧壁上。
在进行化学气相沉积之前，测量光刻胶图形的实际关键尺寸，根据光刻胶图形的目标关键尺寸与实际关键尺寸之差，即可确定欲形成聚合物层的厚度。
在本实施例中，所述化学气相沉积所采用的气体包括：CH4。所述气体还可包括CH3F、N2中的一种或两种，以作为稀释气体。
在具体实施例中，所述化学气相沉积的工艺参数包括：压力为2至100mTorr，电源功率为50至1000W（用于产生等离子体的功率），CH4的流量为5至200sccm,反应时间为5s至600s。
第二实施例
第二实施例与第一实施例之间的区别在于：在第二实施例的所述第一等离子体处理步骤中，用于形成所述第一等离子体的第一射频电源断续地打开；而在第一实施例的所述第一等离子体处理步骤中，用于形成所述第一等离子体的第一射频电源持续打开。
研究发现，第二实施例在第一实施例的基础上能够带来以下进一步地有益效果：如前所述，基底暴露在所述第一等离子体环境中时，光刻胶图形的表面会形成一层石墨状层，且当该石墨状层的厚度较大时，会增加光刻胶图形的线宽粗糙度，当用于形成所述第一等离子体的第一射频电源断续地打开时，能够减小该石墨状层的厚度，使得光刻胶图形的线宽粗糙度能够得到更大程度地减小，特别是光刻胶图形的高频线宽粗糙度能够得到更大程度地减小。
进一步地，在本实施例中，所述第一等离子体处理时，等离子产生设备的电极有被施加第一偏置电压，使得第一等离子体能够沿着垂直于基底表面的方向运动，使得第一等离子体能够沿着垂直于基底表面的方向对光刻胶图形进行轰击，在第一等离子体的轰击作用下，能够对光刻胶图形进行修整，使得光刻胶图形的线宽粗糙度减小，尤其是有助于减小光刻胶图形的高频线宽粗糙度。
在具体实施例中，用于形成所述第一等离子体的第一射频电源周期性地打开和关闭。换句话讲，在第二实施例的第一等离子体处理中，第一射频电源打开，持续时间为t1；然后，第一射频电源关闭，持续时间为t2；然后，第一射频电源打开，持续时间为t1；然后，第一射频电源关闭，持续时间为t2，……，如此周期性地打开和关闭第一射频电源，周期为t1与t2之和。
在具体实施例中，所述第一等离子体处理的工艺参数包括：压力为2至100mtorr，第一射频电源的功率为50至1000W，第一偏置电压为10至200V，HBr的流量为50至1000sccm，所述第一射频电源打开的频率为10至1000Hz，所述第一射频电源打开的时间，与第一射频电源打开和关闭的时间之和的比为10%至90%（即duty cycle为10%至90%），处理时间为5至600s。
在其他实施例中，所述第一偏置电压也可以设置为其他值。
第三实施例
第三实施例与第一实施例之间的区别在于：在第三实施例中，离子注入之后除了包括第一等离子体处理之外，还包括：将基底暴露于用含H2的气体所形成的第二等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第二等离子体处理。在本实施例中，可以先进行第一等离子体处理、再进行第二等离子体处理、再进行化学气相沉积，也可以先进行第二等离子体处理、再进行第一等离子体处理、再进行化学气相沉积。
研究发现，第三实施例在第一实施例的基础上能够带来以下进一步地有益效果：光刻胶图形中的C-O键与光刻胶图形的高频线宽粗糙度有紧密关联，当光刻胶图形中的C-O键越少时，光刻胶图形的高频线宽粗糙度越小，而第二等离子体处理能够减少光刻胶图形中的C-O键，因而能够使得光刻胶图形的高频线宽粗糙度得到更大程度地减小；另外，第二等离子体处理可以减小光刻胶图形表面所形成石墨状层的厚度，使得光刻胶图形的线宽粗糙度能够得到更大程度地减小，特别是光刻胶图形的高频线宽粗糙度能够得到更大程度地减小。
所述离子注入之后，可以仅进行一次第一等离子体处理及第二等离子体处理；也可以进行至少两次第一等离子体处理及第二等离子体处理，在这种情况下，第一等离子体处理和第二等离子体处理交替进行。在具体实施例中，离子注入之后进行两至三次第一等离子体处理及第二等离子体处理。
进一步地，在本实施例中，所述第二等离子体处理时，等离子产生设备的电极有被施加第二偏置电压，使得第二等离子体能够沿着垂直于基底表面的方向运动，使得第二等离子体能够沿着垂直于基底表面的方向对光刻胶图形进行轰击，在第二等离子体的轰击作用下，能够对光刻胶图形进行修整，使得光刻胶图形的线宽粗糙度减小，尤其是有助于减小光刻胶图形的高频线宽粗糙度。
在本实施例中，用于产生第二等离子体的第二射频电源一直是打开的。
在具体实施例中，所述第二等离子体处理的工艺参数包括：压力为2至100mtorr，第二射频电源的功率为50至1000W，第二偏置电压为10至200V，H2的流量为50至500sccm，处理时间为5至600s。
在其他实施例中，第二偏置电压也可以设置为其他值。
在本实施例中，所述第一等离子体处理的工艺参数可以参考第一实施例，只不过在这种情况下，本实施例的第一等离子体处理的处理时间要比第一实施例的第一等离子体处理的处理时间少。
第四实施例
第四实施例与上述第一至第三实施例任一实施例之间的区别在于：在第四实施例中，离子注入时，将氦气（He）等离子体化形成所述带状离子束。
在具体实施例中，离子注入能量为nkeV至2nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。例如，离子注入能量可以为1.5nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
第五实施例
第五实施例与上述第一至第三实施例任一实施例之间的区别在于：在第五实施例中，离子注入时，将硅烷（SiH4）等离子体化形成所述带状离子束。
在具体实施例中，离子注入能量为1.5nkeV至2.5nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。例如，离子注入能量可以为2nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
分别对第一实施例、第四实施例及第五实施例中离子注入之后光刻胶图形的低频线宽粗糙度进行检测发现，在第五实施例的离子注入之后光刻胶图形的低频线宽粗糙度减小幅度最大。
在本发明中，所述离子注入步骤中所采用的气体并不仅仅局限于所给实施例，只要可以利用该气体所产生的等离子体进行离子注入，即可达到减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度的目的。
本发明中，各实施例采用递进式写法，重点描述与前述实施例的不同之处，与前述实施例的相同部分可以参照前述实施例。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (20)
1.一种减小光刻胶图形线宽粗糙度的方法，其特征在于，包括：
将表面设有光刻胶图形的基底置于真空室中；
用带状离子束对光刻胶图形进行离子注入，以减小光刻胶图形的低频线宽粗糙度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将氦气等离子体化形成所述带状离子束。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，离子注入能量为nkeV至2nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将氩气等离子体化形成所述带状离子束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，离子注入能量为0.25nkeV至1.25nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将硅烷等离子体化形成所述带状离子束。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，离子注入能量为1.5nkeV至2.5nkeV，所述n为离子所带电荷的数量。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，离子注入之后，还包括：进行化学气相沉积，以在所述光刻胶图形表面形成聚合物层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述化学气相沉积所采用的气体包括：CH4。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述化学气相沉积所采用的气体还包括：CH3F、N2中的一种或两种。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，离子注入之后还包括：将所述基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第一等离子体处理。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，离子注入之后、化学气相沉积之前，还包括：将所述基底暴露于用含HBr的气体所形成的第一等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第一等离子体处理。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述第一等离子体处理步骤中，用于形成所述第一等离子体的第一射频电源断续地打开。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一射频电源周期性地打开和关闭。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一等离子体处理步骤中，等离子产生设备的电极被施加第一偏置电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一等离子体处理的工艺参数包括：压力为2至100mtorr，第一射频电源的功率为50至1000W，第一偏置电压为10至200V，HBr的流量为50至1000sccm，所述第一射频电源打开的频率为10至1000Hz，所述第一射频电源打开的时间与第一射频电源打开和关闭的时间之和的比为10%至90%，处理时间为5至600s。
17.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，离子注入之后还包括：将所述基底暴露于用含H2的气体所形成的第二等离子体环境中，以对所述光刻胶图形进行第二等离子体处理；
所述第二等离子体处理在第一等离子体处理之前或之后进行。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述离子注入之后至少包括两次第一等离子体处理和第二等离子体处理，所述第一等离子体处理和第二等离子体处理交替进行。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二等离子体处理步骤中，等离子产生设备的电极被施加第二偏置电压。
20.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述含HBr的气体还包括：O2、CO2、N2中的一种或多种。
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