專利名稱：通過(guò)反常色散改變折射率的底面抗反射涂層的制作方法
背景技術(shù)：
在顯微平版印刷術(shù)(microlithography)中采用底面抗反射涂層(B.A.R.C’S)可以減小光致敏感性(photoresist sensitivity)隨膜厚周期性波動(dòng)(所謂的擺動(dòng)曲線)的影響，可以消除或減小從非平面襯底上反射的影響。一個(gè)眾所周知的現(xiàn)象是越過(guò)臺(tái)階的線的尺寸波動(dòng)臺(tái)階的非垂直側(cè)壁上的光反射促使能量進(jìn)入與臺(tái)階相連的光致抗蝕劑膜中，導(dǎo)致線寬的減小(“反射臺(tái)階”)。在晶粒特別粗大的反射材料中也可以觀察到同樣的影響。
文獻(xiàn)(T.Brunner,Proc SPIE 1466,297(1991))表明擺動(dòng)曲線的幅度，即所謂的“擺動(dòng)比”S，可近似為S=4(RtRb)1/2exp(-αd)(1)其中，Rt是光致抗蝕層上部對(duì)如空氣或上部抗反射層的反射率，Rb是光致抗蝕層底面的對(duì)如襯底或底面抗反射層的反射率，d是光致抗蝕劑膜厚度。
下面，我們把光致抗蝕劑膜折射率寫作一個(gè)復(fù)數(shù)Nr=nr-ikr，其中nr是Nr的實(shí)數(shù)部分，與一般所說(shuō)的“折射率”等值。kr是Nr的虛部，常被當(dāng)作消光系數(shù)。它與吸收系數(shù)有關(guān)，kr=αrλ/(4π)，吸收系數(shù)αr(λ)是波長(zhǎng)的函數(shù)。
襯底/底面涂層/光致抗蝕劑膜/空氣的多層膜可被很好地簡(jiǎn)化成三層系統(tǒng)處理，其中，薄的底面抗反射涂層夾在半無(wú)限光致抗蝕劑膜和襯底層之間。這時(shí)，從BARC上的反射幅度由下式給出ρb=(ρrb+ρbsτ2)/(1+ρrbρb5τ2)τ其中ρrb=(Nr-Nb)/(Nr+Nb),ρbs=(Nb-Ns)/(Nb+Ns)是反射系數(shù)，τ2=exρ(-i4π/λNbt)是相因子，t是底面抗反射膜的厚度，下標(biāo)r、b、s分別表示光致抗蝕劑膜，底面涂層和襯底。對(duì)于吸收膜，ρb是復(fù)數(shù)。從底面涂層的反射率R=ρbρb*，“*”表示帶有復(fù)數(shù)部分。
由上可知，與光致抗蝕劑膜很相似地，底面抗反射涂層發(fā)生干涉效應(yīng)，隨層厚增加，引起反射光強(qiáng)度的周期性彎化。底面抗反射涂層比光致抗蝕劑膜吸收更多，底面抗反射涂層的“擺動(dòng)曲線”被大大減幅了。所有的反射傳輸因子和相系數(shù)都是復(fù)數(shù)。因此，計(jì)算變得相當(dāng)繁瑣，十分難以表達(dá)，我們選擇了數(shù)學(xué)程序(Wolfram Technologies,Inc版本)的符號(hào)代數(shù)包或ExcelTM分析工具包提供的用復(fù)數(shù)處理寫的MicrosoftExcelTM電子表格進(jìn)行運(yùn)算。在解釋

圖1的反射率值時(shí)，必須注意擺動(dòng)比與反射率的平方根成正比，而不是與反射率成正比。
分析表明底面涂層消光系數(shù)kb的值小時(shí)，第一干涉最小值的反射率不接近零值，但底面涂層非常厚時(shí)可得到很小的值，對(duì)比之下，對(duì)于大的kb值，第一最小值的反射率已接近于零。但是厚膜的反射率很大使得后面的最小值具有很大的反射率，厚度很大時(shí)，反射率的漸進(jìn)值就非常高。這基本上意味吸收性強(qiáng)的厚的底面涂層開始成為它們自己的鏡面元件來(lái)起作用，實(shí)質(zhì)上從這一點(diǎn)上講金屬是更好的鏡面，因?yàn)樗鼈兊奈招愿鼜?qiáng)了。
在半無(wú)限光致抗蝕劑膜和底面涂層的邊界條件上，考慮麥克斯韋爾(Maxwell’s)方程的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的連續(xù)條件，從而可以推導(dǎo)出半無(wú)限膜厚度的反射率的公式R∞=(nr-nb)2+(kr-kb)2(nr+nb)2+(kr+kb)2,---(3)]]>其中下標(biāo)r表示是光致抗蝕部件，b表示是底面涂層。顯然可見，通過(guò)插入光致抗蝕劑膜和底面涂層的典型值，對(duì)于實(shí)際遇到的光學(xué)常數(shù)值而言，對(duì)無(wú)限膜厚度的反射率的主要貢獻(xiàn)來(lái)自虛部的失配，而不是實(shí)部。由于底面涂層需要具有吸收性，這種虛部的不匹配是不可避免的，是底面涂層的固有概念。因此簡(jiǎn)言之，上述處理意味著對(duì)每一期望的膜厚，都有一個(gè)優(yōu)選的消光。抗反射層必須吸收性非常好，而厚層的吸收性應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)得較低。
因此，對(duì)于折射率的實(shí)部，公式(3)表明BARC膜厚度值大時(shí)，在光致抗蝕劑膜和底面涂層的折射率匹配得很好(nr=nb)的情況下反射率最小。光致抗蝕劑膜/底面涂層界面的反射率R-nb和底面涂層厚度t的三維立體曲線(圖1)也證實(shí)了這一點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)中運(yùn)用的光致抗蝕劑膜的折射率nr=1.7，其它的光學(xué)參數(shù)為kr=0.04,kb=0.334,ns=5.0,ks=0.25,λ=365nm(曝光波長(zhǎng))。對(duì)于通常使用的重氮萘醌(diazonaphthoquinone)/酚醛清漆樹脂(novolak)的g-線和i-線材料，經(jīng)常遇到的nr值在435nm時(shí)為1.64～1.69，在365nm時(shí)為1.66～1.72。
從圖1可看出，BARC厚度大時(shí)的最小值沿nr=1.7線分布。對(duì)于更薄的膜厚，尤其是在第一干涉最小值區(qū)域，光致抗蝕劑膜折射率值小時(shí)是十分不利的。然而，可以選擇在BARC膜厚和薄時(shí)都有利的BARC折射率，圖1中畫出的nb=1.653線就是這樣的線。
以上表明，在膜厚度大時(shí)，優(yōu)選的BARC折射率等于光致抗蝕劑膜折射率；在膜厚度小時(shí)，可以找到一個(gè)略低于光致抗蝕劑膜折射率的，對(duì)大小膜厚都可行的折衷的BARC折射率。但沒(méi)有說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)折射率的匹配條件，這將在本發(fā)明中敘述。
發(fā)明的概述本發(fā)明涉及一種在襯底上形成圖像的工藝，包括在襯底上形成抗反射膜，其中抗反射膜的折射率與在抗反射膜上涂層形成的光致抗蝕劑膜的折射率的實(shí)部在光學(xué)上匹配；然后在抗反射膜上部形成光致抗蝕劑膜，按圖像形狀對(duì)光致抗蝕劑膜曝光；顯影以形成圖像，并在顯影前或后進(jìn)行選擇性地烘烤。發(fā)明的描述折射率實(shí)部和色散的關(guān)系，如Cauchy公式，對(duì)于吸收強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)和其附近的波長(zhǎng)不適用。其原因在于反常色散現(xiàn)象，即折射率的實(shí)部受虛部的影響。反常色散的示意圖如圖2所示，可以看出，在低于最大吸收的波長(zhǎng)區(qū)域，折射率表現(xiàn)出下降，下降的大小與吸收強(qiáng)度有關(guān)。
折射率的實(shí)部和虛部kb=αλ/(4π)的關(guān)系，借助于介電常數(shù)ϵ=ϵ′-iϵ′′=n~2=n2-k2-2ink,]]>通過(guò)稱為Kramers-Kronig關(guān)系的特定Hilbert變換給出ϵ′(ω)-1=2πP∫0∞dω′ϵ′′(ω′)ω′ω′2-ω2]]>ϵ′′(ω)=-2ωπP∫0∞dω′ϵ′(ω′)-1ω′2-ω2---(4)]]>其中ω=c/2πλ，P表示要進(jìn)行的積分的主要部分。
然而，公式(4)的實(shí)際應(yīng)用是十分困難的，因?yàn)閺脑瓌t上講應(yīng)當(dāng)知道在整個(gè)電磁波譜上的吸收波譜，雖然從振動(dòng)模型得到的公式可以預(yù)測(cè)n和k的行為。實(shí)際上，通常發(fā)現(xiàn)對(duì)于相當(dāng)對(duì)稱的吸收帶，在最大吸收處，反常色散的貢獻(xiàn)接近于零。局部最大值出現(xiàn)在波長(zhǎng)的值大的一側(cè)吸收波帶的1/2高度緊前，局部最小值出現(xiàn)在波長(zhǎng)值小一側(cè)的1/2高度緊后，這些位置在圖2中用λmax、λ+、λ-表示。
通過(guò)認(rèn)真地選擇合適的染料，可以選擇最大吸收和吸收帶的半寬度，使得折射率的實(shí)部在期望的波長(zhǎng)上被大大增大或減小，例如在平版印刷上重要的365nm和435nm的汞i-或g-線波帶或krF和ArF激發(fā)物的248nm和193nm的激光波長(zhǎng)，因此，如果期望得到在BARC厚度大、小時(shí)都可使用的材料，通過(guò)在nr=nb或稍低處選擇折射率，就可以減少底面涂層的反射率。
原則上講，通過(guò)采用反常色散，幾乎可以得到折射率實(shí)部的任一值既可以提高到40以上，對(duì)于吸性非常強(qiáng)的物質(zhì)(例如硫化鈣，250cm-1左右)也可以減小到1以下。在實(shí)際中，在感興趣的領(lǐng)域(450～180nm)，對(duì)于有機(jī)染料，吸收值難以超過(guò)α=20μm-1，或k值超不過(guò)0.6～0.7。如果再有附加的限制，即材料必須以薄膜的形式形成，一般只有不多于60-70％的材料里會(huì)包含活性染料，不管是以聚合物的方式還是混合物的方式把染料加入薄膜形成材料，這意味著，實(shí)用的α值一般限制在12～14μm-1。例如一種工業(yè)抗反射底層AZBARL1TM涂層的吸收值在365nm時(shí)為11.5μm-1，對(duì)應(yīng)的kb值是0.334。用光譜橢圓計(jì)量法(spectroscopic ellipsometry)測(cè)量其色散曲線，結(jié)果表明，折射率實(shí)部的總變化n(λ+)-n(λ-)(參見圖3)是約0.32，得到在i-線的1.653的折射率。為了比較，Cauchy關(guān)系向i-線波長(zhǎng)的外推線得到的值是1.9。
應(yīng)當(dāng)指出，在選擇染料的工藝中，應(yīng)當(dāng)考慮到在固體底面抗反射涂層的環(huán)境下，染料的吸收基本上受溶液顯色、PH值或其它的漂移的影響而漂移。因此，必須基于從實(shí)際膜而不是液相UV光譜中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
下面提供的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明了使用本發(fā)明的情況。然而，該實(shí)施例并不是為了從某一方面限制本發(fā)明的范圍，不應(yīng)被理解為是實(shí)施本發(fā)明必須采用的前提條件、參數(shù)或值。實(shí)施例確定抗反射底面涂層在波長(zhǎng)365nm時(shí)的最佳條件。
采用光學(xué)平版印刷模擬程序PROLITH版本4.05(得克薩斯奧斯汀Finle公司的產(chǎn)品)計(jì)算從底面涂層進(jìn)入光致抗蝕劑膜的反射率。對(duì)光致抗蝕劑膜，假定光學(xué)常數(shù)n=1.7161,k=0.025，這些都是i-線光致抗蝕材料的典型值。反射率R作為三個(gè)變量的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，底面涂層厚度t范圍是0～350nm，每5nm為一刻度，底面涂層折射率的實(shí)數(shù)和虛部nb、kb范圍分別為1.2～2.0,0～0.6，都以0.05為一刻度。計(jì)算的結(jié)果得到一個(gè)71×13×17的表，有15691個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)R(t,nb,kb)，輸入Microsoft ExcelTM電子表格。取反射的平方根然后該平方根除以底面涂層膜厚為零時(shí)的反射率平方根作為相對(duì)于在硅上的光致抗蝕劑膜的擺動(dòng)比，然后這些相對(duì)擺動(dòng)比值組成一個(gè)數(shù)據(jù)透視(pivot)表，具有電子表格特征，可以把所有R值分組成如nb=1.65的值，形成一個(gè)R(t,1.65,kb)的二維表。這張表可被視作一組曲線或一個(gè)三維立體圖。在表的拉下菜單上選擇nb的另一值，使顯示與其相關(guān)的信息?；蛘?，用K值組織數(shù)據(jù)，得到一組表R(t,nb,0～0.6)。通過(guò)這些表達(dá)，對(duì)任何一套底面涂層光學(xué)常數(shù)，都可以得到擺動(dòng)比最小的最佳膜厚。圖4示出了nb=1.65,kb=0.30時(shí)的一條這樣的曲線，可見，最佳工作點(diǎn)在88,193和300nm附近(第一、第二和第三最小值)。
從數(shù)據(jù)透視表中的信息，通過(guò)把S值分表成最小值之一，作為n和k的函數(shù)，同時(shí)選擇厚度t使得對(duì)于該最小值得到最小的S=Smin，這時(shí)就可能得到擺動(dòng)比通過(guò)底面涂層光學(xué)常數(shù)表達(dá)的函數(shù)式。從而得到如第一最小值的最小擺動(dòng)比或第二最小值的最小擺動(dòng)比Smin的表格，都分別是nb和kb的函數(shù)。
從第一最小值的表中可以看出，有一個(gè)擺動(dòng)比可以降到＜5％的優(yōu)選光學(xué)常數(shù)的波帶。在該帶中，有兩個(gè)擺動(dòng)比＜1％的最優(yōu)選工作點(diǎn)，即Nb=1.25-0.30i(Smin=0.48％)和Nb=1.8-0.55i(Smin=0.56％)(圖5)。
對(duì)于第二最小值可重復(fù)上述處理，也導(dǎo)致一個(gè)優(yōu)選光學(xué)參數(shù)帶，但是與第一最小值得到的位置不同(圖6)。也有兩個(gè)擺動(dòng)比＜1％的點(diǎn)，Nb=1.50-0.25i(Smin=0.09％)和Nb=1.65-0.30i(Smin=0.14％)。
可以看出，nb=1.65時(shí)可以有效地采用第一和第二最小值的抗反射膜，在抗反射膜的厚度大時(shí)保持小反射率(參見公式2)。這樣的大厚度可被用來(lái)使半導(dǎo)體器件的表面平整化，或者即使采用整體小的涂層膜厚時(shí)，也可以用在這樣的器件的深槽里。如上述所公開的，通過(guò)仔細(xì)地選擇底面涂層吸收帶的位置和寬度，可以得到這樣的折射率實(shí)部值。
權(quán)利要求
1．一種在襯底上形成圖像的工藝，包括a)在襯底上形成抗反射膜，抗反射膜的折射率與在抗反射膜上部涂敷形成的光致抗蝕劑膜的折射率二者的實(shí)部在光學(xué)上相匹配；b)在抗反射膜上部形成光致抗蝕劑膜；c)按圖像形狀對(duì)光致抗蝕劑膜曝光；d)顯影以形成圖像；e)在顯影前或顯影后進(jìn)行選擇性地烘烤。
2．如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所選擇的抗反射膜中的吸光化合物使得抗反射膜的吸光最大值出現(xiàn)在曝光波長(zhǎng)的較小值處，導(dǎo)致反常色散，從而提高了抗反射膜的折射率。
3．如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，光致抗蝕劑膜包括重氮萘醌光致抗蝕化合物和酚醛樹脂清漆，而且抗反射膜對(duì)于365nm的曝光波長(zhǎng)的折射率的實(shí)部是在約1.6～約1.8的范圍。
4．如權(quán)利要求1所述的工藝，其中，光致抗蝕劑膜包括重氮萘醌光致抗蝕化合物和酚醛樹脂清漆，而且抗反射膜對(duì)于435nm的曝光波長(zhǎng)的折射率的實(shí)部在約1.55～約1.75的范圍內(nèi)。
5．如權(quán)利要求3所述的工藝，其中，抗反射膜對(duì)于365nm的曝光波長(zhǎng)的折射率的實(shí)部在約1.6～約1.8的范圍內(nèi)。
6．如權(quán)利要求1所述的工藝，其中所選擇的抗反射膜中的吸光化合物使得抗反射膜的吸光最大值出現(xiàn)在曝光波長(zhǎng)的較大值處，導(dǎo)致反常色散，從而降低了抗反射膜的折射率。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)一步包括在涂敷之后、形成光致抗蝕劑膜之前，把抗反射膜從約70℃加熱到約220℃。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)一步包括把光致抗蝕劑膜從約70℃加熱到約220℃。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)一步包括顯影后，把涂敷后的襯底在熱板上用約30～180秒或在烘箱內(nèi)用15～40分鐘的時(shí)間，從約90℃加熱到約150℃。
10．如權(quán)利要求1所述的方法，其中進(jìn)一步包括顯影后，把涂敷后的襯底在熱板上在約90～約150℃的溫度下加熱約30～180秒，或在烘箱內(nèi)在約90～約150℃的溫度下加熱15～40分鐘。
11．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，上述襯底包括從硅、鋁、聚合物樹脂、二氧化硅、摻雜的二氧化硅、氮化硅、鉭、銅、多晶硅、陶瓷、鋁/銅混合物、砷化鎵和Ⅲ/Ⅴ族化合物中選擇的如或幾種組分。
12．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，顯影是在堿的水溶液中進(jìn)行。
13．如權(quán)利要求1所述的方法，其中，顯影是在四甲基銨堿(tetramethy lammonium hydroxide)水溶液中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生成抗反射底層的方法,在用于平版印刷時(shí),可以有效地減小襯底反射率和擺動(dòng)曲線的影響。它涉及采用適當(dāng)選擇的單體的和/或聚合的染料,把折射率的實(shí)部調(diào)節(jié)到利于減小與反射相關(guān)的影響的范圍。通過(guò)反常色散,即利用底層吸收引起的折射率的實(shí)部的變化,影響反射率的變化。
文檔編號(hào)G03F7/40GK1213437SQ97192868
公開日1999年4月7日 申請(qǐng)日期1997年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月7日
發(fā)明者拉爾夫·R·達(dá)邁爾, 羅伯特·A·諾爾伍德 申請(qǐng)人:克拉里安特國(guó)際有限公司