專利名稱：利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化方法及固體表面平坦化設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用氣體團簇離子束照射的固體表面平坦化方法以及 固體表面平坦化設備。
背景技術：
在半導體器件、電子器件以及諸如光子晶體的光學器件中，通過處理半
導體晶片表面等制造多層薄膜結構及亞微米級(范圍大致從0.1|im到小于 lpm)精細圖案結構。在半導體量子器件中，例如，被稱為量子點和量子線 的納米級的超微粒子和細線制造并布置在基板表面上。這些器件中的微細結 構(薄膜結構、圖案結構及通過布置超微粒子形成的凹凸結構)的尺寸和表 面粗糙度是決定器件性能的重要因素。因此，在形成微細結構的過程中要求 高的制造精度。
微細結構的精度取決于膜形成工藝、蝕刻工藝等中采用的制造技術的精 度。然而，不容易形成制造精度達到幾納米的微細結構。通過膜形成工藝、 蝕刻工藝等形成的器件通常通過在晶片表面上制造大量芯片而形成，并且難 以制造遍及晶片表面的均勻的微細結構。為了解決這些問題，對已制造的微 細結構實施作為后處理的一種提高結構精度的工藝(諸如表面平坦化工藝)。
這種表面平坦化技術的一實例是通過氣體團簇離子束照射(gas cluster ionbeamirradiation)來平坦化圖案結構的側壁等的技術，該技術在國際公開 No.WO2005/031838(專利文獻l)中公開。

發(fā)明內容
氣體團簇離子束與單體離子束不同，已知氣體團簇離子束具有沿平行于 基板的方向的大的濺射分量。這種現(xiàn)象被稱為橫向濺射效應。在基板表面的 被氣體團簇離子束照射的照射區(qū)域上，照射顯著地引起原子的橫向移動，這 種原子在橫向方向移動的現(xiàn)象使表面平坦化。據(jù)報道與傾斜照射相比，基 于橫向賊射效應的表面平坦化更可能以垂直照射發(fā)生(參考文獻l)。垂直照射表示以與表面法線成約O度的照射角度照射基板表面。符號"。"用于表 示角度。
(參考文獻1 ) N. Toyoda et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.
B161-163 (2000)980.
常規(guī)商用氣體團簇離子束設備發(fā)出毫米級(束寬度)的束。另一方面， 基于單個團簇的橫向賊射效應的平坦化作用達到的范圍為約io納米，估計
等于當單個團簇與表面碰撞時形成的凹坑的尺寸。
常規(guī)地，可以通過利用束照射降低具有IO納米級或者以下的間隔的表 面粗糙度，且可以通過束掃描降低具有毫米級或者以上的間隔的表面粗糙 度。而在中間范圍，不能降低具有幾十納米到約一百微米的間隔的表面粗糙 度。
以上專利文獻l中公開的技術基于這樣的認知與近似垂直照射相比， 固體表面通過與固體表面法線的角度為60°到90。的氣體團簇離子束照射而 被顯著平坦化。該技術用于平坦化圖案結構的側壁。
這個技術可以使具有納米級短間隔的不平坦(表面粗糙)的固體表面平 坦化。還不清楚是否可以平坦化具有較長(幾十納米到約一百微米)間隔的 不平坦(表面粗糙)。
因此，由于上述問題，本發(fā)明的目標是提供一種固體表面平坦化方法， 其利用氣體團簇離子束照射來降低固體表面上具有幾十納米到約一百微米 間隔的表面粗糙，并且提供用于固體表面平坦化方法的設備。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的利用氣體團簇離子束的固體表面平坦 化方法包括以不小于臨界角度的照射角度將氣體團簇離子束導向到固體表 面上的照射步驟，其中固體表面的法線與氣體團簇離子束之間形成的角度被 稱為照射角度，固體與碰撞固體的團簇之間的相互作用距離(有效相互作用 距離)顯著增加時的照射角度被稱為臨界角度。
因為照射角度大于或者等于臨界角度，所以與照射角度小于臨界角度時 相比，有效相互作用距離變得大得多。團簇與固體之間寬的相互作用范圍使 得固體表面平坦化。
臨界角度為70°。
根據(jù)從實驗獲得的知識確定這個角度。
照射步驟可以包括在不小于臨界角度的范圍內連續(xù)改變照射角度的同
5時導向氣體團簇離子束的過程；在連續(xù)改變氣體團簇離子束劑量的同時導向 氣體團簇離子束的過程；或者通過結合這兩個過程導向氣體團簇離子束的過 程。 '
利用這樣的氣體團簇離子束照射，根據(jù)表面粗糙度來平坦化固體表面。
照射步驟可以包括導向具有參照數(shù)據(jù)庫而確定的劑量的氣體團蔟離子 束的過程，該數(shù)據(jù)庫允許至少根據(jù)期望的蝕刻量和照射角度來確定劑量。
通過導向參照該數(shù)據(jù)庫確定的劑量的氣體團簇離子束，會易于提供依賴 于照射角度的期望的蝕刻。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的固體表面平坦化設備包括氣體團簇離
子束發(fā)射裝置，用于將氣體團簇離子束發(fā)射到固體表面上；以及照射角度設 定裝置，用于將照射角度設定為臨界角度或者更大的角度，其中固體表面的 法線與氣體團簇離子束之間形成的角度被稱為照射角度，固體與碰撞該固體 的團簇之間的相互作用距離(有效相互作用距離)顯著增加時的照射角度被 稱為臨界角度。
在根據(jù)本發(fā)明的固體表面平坦化設備中，照射角度設定裝置可以構造為 在不小于臨界角度的范圍內連續(xù)改變照射角度。
固體表面平坦化設備可以構造為包括數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫允許至少根據(jù)期 望的蝕刻量和照射角度來確定劑量，并且氣體團簇離子束發(fā)射裝置發(fā)射某一 劑量的氣體團簇離子束，該劑量根據(jù)期望的蝕刻量和由照射角度設定裝置指 定的照射角度參考數(shù)據(jù)庫而確定。


圖1示出以70。的照射角度經受SF6 (六氟化硫)GCIB傾斜照射的硅基 板由原子力顯微鏡(AFM)得到的表面圖像；
圖2是示出有效相互作用距離對GCIB照射角度的依賴程度的圖表(縱 軸表示有效相互作用距離，橫軸代表GCIB照射角度)；
圖3是示出定義照射角度和照射傾角的示意圖4是示出線-間隔圖案的節(jié)距與以83。的照射角度進行GCIB照射之后 的表面粗糙度之間的關系的示意圖5是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的固體表面平坦化設備100的結構的示意
圖；圖6A是示出固體表面平坦化設備100的第一旋轉機構的側視圖6B是示出固體表面平坦化設備100的第一旋轉機構、第二旋轉機構
及掃描機構的頂;f見圖7是示出第一實例中使平坦化目標面平坦的步驟的流程圖。
圖8A是示出第一實例中GCIB照射前利用原子力顯微鏡(AFM)觀測
得到的樣品表面的圖像；
圖8B是示出沿圖8A中的白線截取的截面中的不平坦形狀的圖9是示出在第一實例和第二實例中SF6 (六氟化硫)GCIB照射之前
和之后，通過對平坦化目標面的不平坦形狀進行傅立葉變換而獲得的譜線特
征的圖10是示出第 一 實例中對平坦化目標面進行50nm蝕刻所需的SF6 (六 氟化硫)GCIB照射劑量(依賴于照射角度)的圖表；
圖11A示出在第一實例中進行SF6 (六氟化硫)GCIB照射后利用原子 力顯微鏡(AFM)觀測得到的樣品表面的圖像；
圖IIB是示出沿圖11A中的白線截取的截面中的不平坦形狀的圖12是示出在第一實例中SF6 (六氟化硫)GCIB照射相對于平坦化目 標面的照射角度與表面粗糙度之間的關系的圖表；
圖13A示出在第二實例中進行SF6 (六氟化硫)GCIB照射后利用原子 力顯微鏡(AFM)觀測得到的樣品表面的圖像；
圖13B是示出沿圖13A中的白線截取的截面中的不平坦形狀的圖14是示出在第三實例中對平坦化目標面進行50nm蝕刻所需的Ar (氬)GCIB照射劑量(依賴于照射角度)的圖表；
圖15是示出在第三實例中Ar (氬)GCIB照射相對于平坦化目標面的 照射角度與表面粗糙度之間的關系的圖表；
圖16是示出第四實例中用于使平坦化目標面平坦的步驟的流程圖17A是示出具有形成在硅晶片表面上的線-間隔圖案結構的芯片的示 意圖17B是GCIB照射前線寬分布的輪廓圖(數(shù)字表示以微米為單位的線 寬)；以及
圖17C是GCIB照射后線寬分布的輪廓圖(數(shù)字表示以微米為單位的線
覔L
具體實施例方式
對實施例進行描述之前，將概述本發(fā)明所采用的平坦化原理。 本發(fā)明的發(fā)明人通過實驗發(fā)現(xiàn)當要被平坦化處理的固體表面，也就是，
平坦化目標面，被氣體團簇離子束(GCIB)以某角度碰撞時，固體和團簇 之間的相互作用距離延伸到幾十納米至幾微米。下面將詳細描述傾斜照射的 照射角度?；谶@個發(fā)現(xiàn)，可以降低具有幾十納米到約一百微米間隔的微細 結構的表面粗糙度。與十納米量級的短間隔相比，幾十納米到約一百微米的 間隔^皮稱為長間隔。
將首先描述范圍為幾十納米到幾微米的長相互作用距離以及相互作用 的機制。
圖1示出以70。的照射角度經受SF6 (六氟化硫)GCIB傾斜照射的硅基 板由原子力顯微鏡(AFM)得到的表面圖像。圖1中的箭頭表示垂直投影到 硅基板表面上的GCIB照射方向。圖l中，照射角度被定義為硅基板表面的 法線與GCIB所成的角度。
如參考文獻1所述，在經受60?；蛘吒笳丈浣嵌鹊膬A斜照射的硅基板 表面上，觀察到沿GCIB照射方向的具有尾巴的條狀結構。詳細觀察發(fā)現(xiàn)這 些條狀結構是具有相同量級的長度和相同取向的許多條形的集合。如果這些 條形通過每個團蔟與固體表面之間的相互作用而形成，則預期這些條形的長 度將代表由團簇給出的相互作用距離(有效相互作用距離)。
對AFM圖像實施傅立葉變換以檢查寬角度范圍內的有效相互作用距 離。在兩個方向實施傅立葉變換垂直投影到固體表面上的GCIB照射方向 (投影照射方向)和固體表面上與該方向垂直的方向。結果在圖2中示出。
從圖2清晰所見，照射角度的增加使平行于投影照射方向的方向中的有 效相互作用距離增加。當照射角度為70?；蛘吒髸r，該有效相互作用距離 顯著增加。當照射角度是80。時，有效相互作用距離擴大到lpm。當照射角 度是80?；蛘吒髸r，因為表面平坦化效應不能清晰地看到條狀結構，所以 此數(shù)據(jù)在圖2中未被示出。然而，預期有效相互作用距離將進一步隨著照射 角度的增加而增加。
在垂直于投影照射方向的方向中，20°到70。角度范圍內的任何角的有效 相互作用距離幾乎一致。當照射角度在20。到70。角度范圍之外時，距離可能略微降低。然而，在0。到90。的整個范圍內，未觀測到對照射角度的清晰的 依賴關系。
這些觀測結果表明團簇和固體表面之間的相互作用僅在GCIB照射方 向在長的范圍內發(fā)生。
進行確認實驗以證實照射角度為83。時是否有效相互作用距離實際延伸 到微米級。在確認實驗中，在硅基板的表面上制造具有不同圖案間隔的多種 線-間隔圖案結構。這些結構^^認為是人造表面粗糙，用來觀測與GCIB的相 互作用如何改變人造表面粗糙。這里，照射角度關于硅基板的表面法線是 83°?；趫D3中示出的角度定義，9是7°, c])是90。。
將對圖3中的照射角度等的定義進行描述。
在線-間隔圖案結構中，將線(線-間隔圖案結構中的凸部)的縱向方向 作為x軸，線的深度方向作為z軸，與x軸和z軸正交的方向作為y軸。在 線的側壁(沿線深度方向的壁)上，照射角度e是y軸(線的側壁的法線) 和GCIB所成的角度。照射角度e是GCIB與垂直投影到線的側壁上的GCIB 照射方向所成的角度的余角。照射傾角cj)是x軸和垂直投影到線的側壁上的 GCIB照射方向所成的角。
如果有效相互作用距離與線-間隔圖案的節(jié)距相比非常小，則線-間隔圖 案結構將被蝕刻為與線-間隔圖案幾乎近似的圖，結果不改變表面粗糙度。 如果有效相互作用距離幾乎等于或者大于線-間隔圖案的節(jié)距，則線的蝕刻 將影響相鄰的間隔(線-間隔圖案結構中的槽部)和相鄰的線，并且該線被 切割從而用切割部分填充間隔。結果，預期線-間隔圖案結構形式將被平坦 化，并降低表面粗糙度。
這里，線-間隔圖案結構具有相同的1: 1的線-間隔比，而不管線-間隔 圖案的節(jié)距。因此，GCIB照射前人造平均表面粗糙度，也就是，間隔的平 均深度(或者線-間隔圖案結構中的平均線高)固定為約15nm。
圖4是示出確認實驗的結果的圖表。從圖4清晰可見，當線-間隔圖案 的節(jié)距，也就是，相鄰線之間的間隙小于約2pm時，GCIB照射后表面粗糙 度明顯減小。在圖2中，該值大于照射角度為80。時的有效相互作用距離。 預期該值將與83。照射角度e的有效相互作用距離相當。
實驗證明由傾斜照射引起的長距離的相互作用效應使具有長間隔的表 面斗且夂造平坦化。如以上所述，發(fā)現(xiàn)對平坦化目標面的傾斜GCIB照射顯著增加有效相互 作用距離到幾十納米至幾微米，其中有效相互作用距離也就是物質橫向的移 動距離(在幾乎平行于目標面的方向中)。基于下述機理，在固體表面狀態(tài)
與GCIB照射角度的某些結合下，物質的橫向移動距離將不限于幾微米并且
可以進一步增加到一百微米。
這個發(fā)現(xiàn)表明可以降低具有幾十納米到 一百微米的長間隔的表面粗糙 度，之前這樣的表面粗糙度難以減小。
對平坦化目標面的傾斜GCIB照射隨著照射角度的增加而增加物質的橫 向移動距離的機理假設如下。
增加的照射角度e減小團簇在垂直方向(幾乎垂直于平坦化目標面的方 向)的動能分量，而增加水平方向的動能分量。與固體的垂直原子密度相比， 橫向原子密度非常小，因為近似平行于固體表面的方向(橫向方向)中的原 子僅存在于表面的凸出部中。團簇以某角度進入固體的點與當團簇與原子 (凸出部)碰撞時損失其能量的點之間的平均距離大于在垂直照射中的距 離。
在表面上，與凸部碰撞的團簇有時切割凸部的頂部并且將切割部分推入 附近的凹部中。阻礙橫向移動的小密度的凸部使得要被橫向濺射或移動的原 子易于橫向移動。
基于這些效應，考慮通過增加照射角度來增加單個團簇能夠使固體表面 上的物質橫向移動的距離，也就是增加有效相互作用距離。
圖2示出在平行于投影照射方向的方向中在特定照射角度e時有效相互
作用距離明顯增加，該照射角度為70。。有效相互作用距離明顯增加時的照 射角度被稱為臨界角度。
考慮將照射角度e為70。或者更大時提供的有效相互作用距離明顯增加 的這種機制與團簇與固體表面碰撞時的分解過程的聯(lián)系。臨界角度可以對應 于從與固體表面碰撞的團簇分解的單獨原子(或分子)變得易于彈回而不是
進入固體時的角度。
如果照射角度e超過臨界角度，則形成碰撞固體表面的團簇的大多數(shù)原 子在分解過程中將彈到固體表面上。隨著照射角度e增加，形成碰撞固體表 面的團簇的原子(分子)沿平行于固體表面的方向彈起的數(shù)量也增加，從而 大大增加了有效相互作用距離。因為考慮到臨界角度由團簇的結合狀態(tài)決
10定，所以預期具有分子鍵合的團簇的臨界角度不依賴于諸如氣體類型、加速 電壓以及電離條件的參數(shù)。
單體離子束的特征不包括上述長距離相互作用效果。
下面將描述本發(fā)明的實施例和實例。將參考圖5對根據(jù)本發(fā)明用于實施 固體表面平坦化方法的表面平坦化設備100的結構和功能進行描述。
GCIB發(fā)射裝置構造如下。源氣9利用噴嘴IO注入到真空團簇發(fā)生腔室 11中。源氣9的氣體分子聚集到一起在團簇發(fā)生腔室11中形成團簇。團簇 的尺寸依賴于噴嘴出口 10a處的氣體壓力和溫度及基于噴嘴10的形狀和尺 寸的粒子尺寸分布。在團簇發(fā)生腔室11中產生的團簇通過撇渣器(skimmer) 12并作為氣體團簇束進入電離腔室13。在電離腔室13中，電離器14通過 發(fā)射電子束諸如熱電子電離中性團簇。電離的氣體團簇束(GCIB)由加速 電極15加速，由石茲場會聚單元16會聚，進入'踐射腔室17。目標19，也就 是，將要暴露到GCIB的固體(諸如硅基板)，附著到濺射腔室17中提供的 設置在目標支撐物18上的旋轉盤41。進入濺射腔室17的GCIB被孔21縮 小為具有預定束直徑并被導向到目標19的表面上。如果目標19是絕緣體， 則平坦化表面的GCIB被電子束中和。
固體表面平坦化設備100也設置有傾斜機構，作為照射角度方向設定裝 置，該傾斜機構能改變GCIB的照射角度(圖3中的9)和照射傾角(圖3 中的4))。
在該實施例中，根據(jù)固體表面上的微細結構的形狀數(shù)據(jù)，傾斜機構可以 在等于或者大于臨界角度的范圍內連續(xù)改變照射角度。換言之，傾斜機構通 過旋轉機構實現(xiàn)，該旋轉機構允許根據(jù)預先給定的固體表面上的微細結構的 形狀數(shù)據(jù)設定或者調整目標支撐物18的角度用于期望的平坦化。
根據(jù)平坦化目標面的形狀數(shù)據(jù)(包括表面粗糙的間隔和取向)，照射角 度e和照射傾角巾必須彼此獨立地指定。固體表面平坦化設備100可以指定
照射角度e、照射傾角4)和用于確定照射角度e和照射傾角小的參考面。 例如，固體表面平坦化設備ioo包括第一旋轉機構和第二旋轉機構，如
圖6A和6B所示。
第一旋轉機構具有如下構造。目標支撐物18具有突出軸41a,旋轉盤 41安裝到突出軸41a上從而繞突出軸41a的中心旋轉。旋轉盤41具有平板 部41b,在平板部41b上附著有目標19。旋轉盤41在其邊緣41c中具有大量的齒，這些齒與齒輪43的齒咬合。齒輪43當由馬達42驅動時旋轉，并 且該旋轉被傳送到旋轉盤41從而旋轉附著到旋轉盤41的目標19。旋轉盤 41的旋轉由照射傾角(J)反映。
目標支撐物18設置有角探測單元(未示出)用于探測旋轉盤41的旋轉 角，也就是，探測照射傾角cM乍為數(shù)字值。由角探測單元探測的旋轉角信息 由電路單元25b處理，并且當前探測角(照射傾角)ct)c在顯示單元26的當 前角度區(qū)域26a中顯示。
第二旋轉機構具有如下構造。旋轉軸21被固定到目標支撐物18,且目 標支撐物18可以繞旋轉軸21的中心旋轉。旋轉軸21被固定板22a和22b 可旋轉地支撐。旋轉軸21也被固定到齒輪24b的旋轉軸的中心，齒輪24b 與齒輪24a咬合。齒輪24a當由馬達23驅動時旋轉，該旋轉傳送到齒輪24b 和旋轉軸21，隨后旋轉目標支撐物18。目標支撐物18的旋轉由照射角度e 反映。
固定板22a設置有角度探測單元25a,用于從旋轉軸21的旋轉角探測目 標支撐物18的角度作為數(shù)字值，也就是探測相對于附著到目標支撐物18的 目標19的平坦化目標面的GCIB照射角度e。由角度探測單元25a探測的旋 轉角信息通過電路單元25b處理，并且當前探測角度(照射角度)9c顯示在 顯示單元26的當前角度區(qū)域26a中。
固體表面平坦化設備100也設置有掃描機構諸如XY臺用于改變目標19 相對于GCIB的相對位置。
假設固定板22a和22b固定到固定板支撐構件22c并且由固定板支撐構 件22c支撐。固定板支撐構件22c和第一致動器22d通過第一桿22e連接。 第一致動器22d可以推、拉第一桿22e,這種動作可以改變目標支撐物18 的位置。在圖6B中示出的固體表面平坦化設備100中，例如，第一致動器 22d的移動可以沿圖中的上、下方向改變目標支撐物18的位置。
第一致動器22d固定到第二桿22g并且由第二桿22g支撐，第一致動器 22d通過第二桿22g連接到第二致動器22f。第二致動器22f可以推、拉第二 桿22g，這種動作可以改變第一致動器22d的位置。因此，連接到第一致動 器22d的目標支撐物18的位置可以通過第一桿22e等改變。第一桿22e可 以移動的方向幾乎與第二桿22g可以移動的方向正交。類似于XY臺的掃描 機構可以如上所述實現(xiàn)。在圖6B中示出的固體表面平坦化設備100中，例如，第二致動器22f的移動可以沿圖中的左、右方向改變目標支撐物18的 位置。因此，通過與第一致動器22d結合，目標支撐物18可以在圖中上下、 左右地移動。
固體表面平坦化設備100還設置有數(shù)據(jù)庫30,數(shù)據(jù)庫30允許根據(jù)諸如 期望的蝕刻量、目標19的材料和蝕刻速率以及GCIB的氣體類型、加速能、 照射角度0和照射傾角d)的條件來確定劑量。
如果目標面上微細結構的形狀數(shù)據(jù)和上述條件被預先給定，則可以參照 數(shù)據(jù)庫30確定期望的平坦化所需的劑量。如果照射角度大于0。，則束投影 區(qū)域是大的，使得對于相同的GCIB電流而言有效劑量較小。
代替將有效劑量與諸如照射角度e和照射傾角cj)的條件的組合相聯(lián)系，
數(shù)據(jù)庫30可以將該組合與根據(jù)GCIB電流和在垂直照射條件下的投影面積
而計算得到的劑量相聯(lián)系。
在圖6B中示出的固體表面平坦化設備100中，設定單元(setup unit) 27用于確定目標支撐物18的面作為參考面并且用于確定諸如目標面上微細 結構的形狀數(shù)據(jù)、期望的蝕刻量、目標19的材料及蝕刻速率、GCIB的氣體 類型、加速能、照射角度6p和照射傾角c])p的條件。在顯示單元26的參考面 顯示區(qū)域26b中，目標支撐物的面被顯示，參考這個面的法線而確定的照射 角度在設定角度區(qū)域26c中顯示。
控制單元28通過驅動單元29驅動馬達23和馬達42以使當前照射角度
e。和當前照射傾角(K分別與預定照射角度0p和照射傾角小p匹配?？刂茊卧?28也基于上述條件參考數(shù)據(jù)庫30確定適當?shù)膭┝坎⒖刂艷CIB發(fā)射裝置來 以預定的劑量進行GCIB照射。
控制單元28包括CPU (中央處理器)或者微處理器且通過執(zhí)行控制固 體表面平坦化工藝所需的程序控制上述操作，諸如顯示數(shù)據(jù)和驅動馬達。
根據(jù)本發(fā)明的固體表面平坦化設備不限于上述固體表面平坦化設備100 中的結構和機構，并且在本發(fā)明的范圍內可以添加修改。
例如，上述照射角度設定裝置和其他裝置可以添加到常規(guī)的GCIB修整 (trimming )設備。在這樣的結構中，當進行修整時，也進行表面平坦化(也 可以跳過長間隔的表面粗糙的平坦化)，使得可以改善微細結構的制造精度。
現(xiàn)在將描述實例。
在下述實例中，采用Ar氣體團簇和SF6氣體團簇。當采用Ar氣體團簇時，Ar氣用作源。Ar氣體團簇束被產生，該束的粒子尺寸分布具有每個團 簇約2000個Ar原子的峰，并且該束在30kV的加速電壓下被導向到目標19。 當采用SF6氣體團簇時，SFe氣和He氣用作源。產生SF6氣體團簇離子束， 該束的粒子尺寸分布具有每個團簇約500個SF6分子的峰，并且該束由30kV 的加速電壓加速并導向到目標19。
在下述方法中，在目標19上制造圖案結構，其中目標19是硅基板。電 子束抗蝕劑涂覆到具有熱氧化膜的硅基板上，圖案結構通過電子束曝光設備 刻畫在抗蝕劑上。抗蝕劑顯影之后，抗蝕劑圖案被用作掩模，通過反應離子 蝕刻(RIE)設備蝕刻熱氧化膜。然后去除抗蝕劑，通過利用熱氧化膜作為 硬掩模干法蝕刻硅。Ar離子銑削(milling)方法被用作干法蝕刻方法。為了 制造垂直溝槽形狀作為線-間隔圖案結構，在蝕刻期間Ar離子照射角度被適 當?shù)馗淖?。然后，通過灰化設備去除熱氧化膜。
為了檢測GCIB照射前和照射后的線的側壁的形態(tài)，制備沒有線-間隔圖 案結構的平坦硅基板作為觀測樣品。還制備通過濺射在硅基板上由Cr膜(具 有300nm的膜厚)形成的觀測樣品作為非硅材料樣品。觀測樣品被放置為使 得其表面平行于線-間隔結構中線的側壁，并且經受Ar離子銑削和GCIB照 射。通過利用觀測樣品的表面，可以等價地評估線-間隔圖案結構中線的側 壁。下述實例中線的側壁的形態(tài)通過測量觀測樣品而獲得。
在下述實例中GCIB的每個劑量是給定到固體表面平坦化設備100的輸 入值(0。照射角度時照射的轉換劑量)。如果照射角度大于0°，則束投影區(qū) 域增加，使得有效劑量小于給定到設備的輸入值。
第一實例
根據(jù)圖7的流程圖示出的工序平坦化圖案結構中的平坦化目標面。從不 同的角度來看，目標面的平坦化就是目標面的蝕刻。在該實例中，圖案結構 的修整和目標面的平坦化通過蝕刻目標面實施。
現(xiàn)在將對這個工序進行描述。 步驟Sl
在GCIB照射之前，通過原子力顯微鏡等觀測目標19的圖案結構(微 細結構)，并且獲得形狀數(shù)據(jù)。 步驟S2
基于形狀數(shù)據(jù)與期望值諸如圖案寬度等之間的差異，計算形成期望尺寸的微細結構所需的蝕刻量。 步驟S3
目標19附著到固體表面平坦化設備100的目標支撐物18,并且目標支
撐物18的角度被指定為照射角度e和照射傾角4)。
為了降低(平坦化)目標面中具有長間隔的表面粗糙，如在本發(fā)明中所 闡明的，照射角度e應該大于70°。其他照射角度可以根據(jù)平坦化之外的目 的而選擇?？梢愿鶕?jù)應用而選擇適當?shù)恼丈浣嵌取?可以將固體表面平坦化 設備ioo用于具有長間隔的表面粗糙的平坦化之外的目的。)
步驟S4
指定條件，諸如期望的蝕刻量、目標19的材料和蝕刻速率、GCIB的氣
體類型、加速能、照射角度e和照射傾角(})。基于這些條件參考數(shù)據(jù)庫30 確定劑量。
步驟S5
然后進行氣體團簇離子束照射。
結果，目標19表面上的圖案結構被修整并且目標表面被平坦化。 進行下面的具體過程。
在硅基板表面上制造線-間隔圖案結構，該線-間隔圖案結構的設計條件 為每條線的寬度^每個間隔的寬度二1.0fam,且每個深度為l.(Vm。
利用原子顯微鏡測量硅基板表面上線-間隔圖案結構的線寬分布。該分 布中半數(shù)(half-value)寬度在許可范圍內，但是平均值是1.05(im,比設計 值大50脆。
為了獲得通過Ar離子銑削形成的線-間隔結構中線的側壁的形態(tài)，利用 原子力顯微鏡(AFM)對觀測樣品表面的不平坦形狀進行觀測。如圖8A所 示，觀測樣品表面中觀測到的不平坦形狀具有特征條形，該特征條形沿垂直 于用箭頭標記的Ar離子束的投影照射方向(線-間隔溝槽的深度方向)的方 向延伸。以這樣的方式利用AFM進行觀測條形在AFM框圖中是斜的， 使得不平坦間隔能被準確地測量。認為具有條形的不平坦形狀是因為Ar離 子銑削中Ar離子束以某角度被導向線的側面而形成。由AFM圖!象獲得的平 均表面粗糙度Ra是2.90nm。在沿白線(圖8A )剖取的截面中進一步詳細 觀測該不平坦形狀。不平坦形狀具有相當長的間隔，并且具有長間隔的不平 坦形狀具有間隔較短的另一種不平坦形狀(如圖8B的橢圓框中所示)。為了
15詳細分析不平坦形狀的間隔，獲得截面中不平坦形狀的傅立葉變換(FFT)。 結果顯示存在具有長間隔的不平坦形狀，該長間隔具有1.2pm附近的峰； 且存在具有大約一百納米到幾十納米的短間隔的不平坦形狀(圖9)。
SF6氣體團簇離子束以多個照射角度e導向到具有上述不平坦形狀的石圭 基板中線的側壁，從而修整線寬。這里線的側面是目標面。采用允許照射到 線的側面上的30?；蛘吒蟮恼丈浣嵌?。作為在每個照射角度e使線寬的平 均值接近1.00pm的設計值所需要的劑量，采用存儲在數(shù)據(jù)庫中圖10所示的 的數(shù)據(jù)(加速電壓為30keV,團簇粒子尺寸分布具有每個團簇500粒子的峰)。 照射傾角(J)是90。，其垂直于條形的長間隔不平坦(起伏)。
修整后對線寬進行了測量，在任何照射角度e,線寬平均值在
l.OO士O.Olpm范圍內。對0=83°時線之一的側面的AFM圖像(圖IIA)、沿 白線剖取的截面中的不平坦形狀的曲線圖(圖11B)以及FFT譜線(圖9中 4)=90°的曲線)進行測量。測量顯示在GCIB照射后具有接近1.2pm的長間 隔的不平坦的語強度與具有的較短間隔的不平坦的譜強度明顯減小。圖11A 中的箭頭表示SF6 (六氟化硫)GCIB照射的投影照射方向。平均表面粗糙 度為0.21nm,這個值低于GCIB照射前相應值的10%，表明獲得了明顯的平 坦化效果。測量了平均表面粗糙度對照射角度的依賴。當照射角度e為70。 或者更小時，平均表面粗糙度明顯降低(圖12)。 第二實例
進行與第一實例相同的實驗，除了照射傾角4)是0。之外。0。照射傾角cj) 的照射對應于與在線的側面由Ar離子銑削形成的條形平行的方向的GCIB 照射(見圖3中的角度定義)。圖13A示出以83。的照射角度e進行GCIB照 射后線的側面的AFM圖像。圖13A中的箭頭表示SF6 (六氟化硫)GCIB照 射的投影照射方向。該圖顯示SF6GCIB照射前發(fā)現(xiàn)的不平坦形狀未被消除。 對沿白線(圖13A)剖取的截面中的不平坦形狀進行詳細觀察，發(fā)現(xiàn)GCIB 照射后位于長間隔不平坦形狀上的短間隔不平坦形狀消失了且留下了平滑 曲線(如圖13B的橢圓框中所示)。對FFT譜線的進一步分析顯示大約幾十 納米的短間隔的i普強度明顯降低且具有接近1.2pm的長間隔的不平坦的譜 強度未減小(圖9中巾=0°的曲線)。
第三實例
進行實驗來檢查另 一種材料與氣體團簇的結合是否可以看到在第 一 實施例中觀測到的效果，Ar氣體團簇離子束被導向到形成在硅基板上的Cr 膜的觀測樣品。
采用與第一實例中蝕刻硅基板表面上線-間隔圖案結構采用的相同的Ar 離子銑削條件并且在Cr膜觀測樣品中觀測到相同的條狀結構。對于Cr膜觀 測樣品，檢測Ar氣體團簇離子束的照射角度e與平均表面粗糙度Ra之間的 關系。根據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的對Cr膜進行50nrn蝕刻所需的照射角度0和劑 量之間的關系(圖14)確定照射劑量(加速能為30keV，團簇粒子尺寸分布 具有每個團簇2000個粒子的峰)。圖15示出實驗結果，表示照射角度e和 平均表面粗糙度Ra之間的關系。當照射角度0超過7O。時，平均表面粗糙度 明顯降低。
第四實例
對硅晶片的固體表面平坦化進行描述，該硅晶片作為目標19且布置有 形成在表面上的一維衍射光柵(線-間隔圖案結構)的許多芯片。
根據(jù)圖16示出的流程圖所圖解的工序進行平坦化。 步驟Sla
在GCIB照射前，通過原子力顯微鏡等觀測硅晶片表面上所有區(qū)域(例 如，在所有芯片區(qū)域)中的圖案結構(微細結構)，獲得形狀數(shù)據(jù)。在硅晶 片表面上的區(qū)域中繪制該形狀數(shù)據(jù)從而產生數(shù)據(jù)地圖。 步驟S2a
基于該數(shù)據(jù)地圖與圖案寬度期望值之間的差值等，計算每個區(qū)域中的照 射角度、照射傾角以及蝕刻量從而提供期望尺寸的微細結構。為了通過掃描 控制而在整個硅晶片表面進行表面平坦化，生成掃描程序以實施調制控制使 得在每個區(qū)域中提供通過計算獲得的照射角度、照射傾角以及蝕刻量。 步驟S3a
將硅晶片置于固體表面平坦化設備100的目標支撐物18上并被用作參 考面。 步驟S4a
GCIB照射根據(jù)步驟S2a中指定的掃描程序中的程序進行。
硅晶片表面上的芯片被修整，并且每個芯片的目標面被平坦化。
將進行下面的具體過程。
大量一維衍射光柵(線-間隔圖案結構)芯片布置在硅晶片的表面上(圖17A)。該結構被設計為線寬和間隔寬度為0.29jim,溝槽寬度為700nm。單 個芯片是25pm的四方形。檢測硅晶片表面上的線寬分布。在硅晶片的中心 處線寬為0.32iam,在硅晶片的邊緣處線寬為0.35pm (圖17B )。線寬分布/人 硅晶片的中心到其邊緣單調增加。
為了獲得硅晶片表面上不同位置處線-間隔圖案結構中線的側面形態(tài)， 將觀測樣品提前放置在目標支撐物18上與硅晶片表面上的位置相對應的位 置，并在相同的條件下進行Ar離子銑削。通過原子力顯微鏡對觀測樣品進 行觀測，觀測到每個樣品具有約lpm間隔的條狀結構。條形的延伸方向和 間隔從硅晶片的中心向其邊緣連續(xù)改變。在硅晶片的中心，條形垂直于溝槽 的深度方向((0=0。，也就是平行于圖17A中的x軸)，且條形的間隔為約 800nm。在最外圍芯片中，條形在從x軸偏離5。的方向(圖17A中0)=5°的 方向)延伸，其條形的間隔是l.l(im。認為這是由于Ar離子銑削中整個硅 晶片表面上不均勻的Ar離子束照射引起的。
基于形狀數(shù)據(jù)，生成程序并與目標硅晶片的掃描相結合來使SF6氣體團 簇束的照射角度e和照射傾角小在硅晶片中心處達到6=80°和(})=90。，在硅 晶片的邊緣處達到6=83°和(|)=85°，并連續(xù)改變GCIB照射角度和GCIB照 射傾角。為了使硅晶片的整個表面線寬達到設定值，需要將硅晶片中心處的 線寬減小30nm以及將邊緣處的線寬減小60nm。因此，SF6氣體團簇離子束 照射的所需劑量在中心處被設定為4.7*10"個離子/cm2,在邊緣處被設定為 9.4*10]4個離子/cm2,設計程序與線寬分布的輪廓數(shù)據(jù)相聯(lián)系來連續(xù)改變照 射劑量。符號*表示相乘。
GCIB照射后，利用原子力顯微鏡觀測整個硅晶片表面上衍射光柵芯片 的形狀。整個硅晶片表面上的芯片，除了硅晶片最外緣處一些，具有幾乎相 同的0.29|im的線寬，該線寬值幾乎等于設計值(圖17C)。 SF6氣體團簇離 子束照射之前和之后線的側面的平均表面粗糙度通過用原子力顯微鏡 (AFM)觀測觀測樣品來等效地評價。SF6氣體團簇離子束照射之前線的側 面的平均表面粗糙度Ra根據(jù)硅晶片表面上的位置在1.9nm到3.1nm范圍內 改變。SF6氣體團簇離子束照射之后在硅晶片表面上的任何位置處線的側面 的平均表面粗糙度Ra在0.32nm到0.38nm范圍內。這證明表面粗糙度降4氐 了。
上述實例示出以下事實。
18第一實例表明當GCIB照射角度e關于目標面法線為70?；蛘吒髸r，
平坦化目標面的平均表面粗糙度明顯減小。
結合第二實例考慮，表明平均表面粗糙度的明顯降低是由具有約lpm 長間隔的不平坦(起伏)的降低引起，并表明長間隔不平坦的降4氐效果(長 距離相互作用效應)當照射角度為70?；蛘吒髸r非常大。也表明達到約 100nm的不平坦的降低效果不取決于照射傾角，但是具有約lpm長間隔的 起伏當起伏方向與照射傾角匹配時可以有效降低。
第三實例表明長距離相互作用效果不取決于固體材料與氣體團簇的結 合，并且表明可以在照射角度為70?；蛘吒髸r獲得長距離相互作用效果。
在上述實例中，加速電壓是30kV。隨著加速電壓的增加，蝕刻量增加， 而平坦化時間減少。然而，這會增加表面粗糙度。因此，加速電壓應該根據(jù) 平坦化的要求諸如時間和材料來確定。設備條件，諸如氣體類型、照射條件 以及團簇尺寸，和參數(shù)不受限制并且可以適當?shù)馗淖儭?br> 工業(yè)應用
根據(jù)本發(fā)明，可以通過降低具有長間隔(幾十納米到約100微米)的表 面粗糙來改善微細結構諸如半導體器件的制造精度。除了改善微細結構諸如 半導體器件和光學器件的制造精度之外，還可以改善諸如制作生成半導體器 件和光學器件的管芯的三維結構的制造精度。
本發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，通過將氣體團簇離子束照射角度設定為臨界角度或者更 大，與小于臨界角度的照射角度相比，有效相互作用距離明顯增加。團簇和 固體之間的寬的相互作用范圍使得固體表面平坦化。因此，通過氣體團簇離 子束照射可以降低具有幾十納米到約一百微米的間隔的固體表面粗糙。
權利要求
1、一種利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化方法，其中所述固體表面的法線與所述氣體團簇離子束之間形成的角度被稱為照射角度，以及所述固體與碰撞所述固體的所述團簇之間的相互作用距離明顯增加時的照射角度被稱為臨界角度；所述方法包括以不小于所述臨界角度的照射角度將所述氣體團簇離子束導向到所述固體表面的照射步驟。
2、 如權利要求1所述的利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化方法，其 中所述臨界角度為70度。
3、 如權利要求1或2所述的利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化方法， 其中所述照射步驟包括在不小于所述臨界角度的范圍內改變所述照射角度的同時導向所述氣體 團簇離子束的過程。
4、 如權利要求1至3的任一項所述的利用氣體團簇離子束的固體表面平 坦化方法，其中所述照射步驟包括在改變所述氣體團簇離子束的劑量的同時導向所述氣體團簇離子束的過程。
5、 如權利要求1至4的任一項所述的利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化方法，其中所述照射步驟包括導向具有參照數(shù)據(jù)庫而確定的劑量的所述氣體團簇離子束的過程，所述數(shù)據(jù)庫允許至少根據(jù)期望的蝕刻量和所述照射角度來確定劑量。
6、 如權利要求1至5的任一項所述的利用氣體團簇離子束的固體表面平 坦化方法，其中如果條狀不平坦圖案重復地形成在所述固體表面上，所述照 射步驟包括沿與所述不平坦圖案重復形成的方向近似正交的方向導向所述氣體團簇 離子束的過程。
7、 一種利用氣體團簇離子束的固體表面平坦化設備，其中所述固體表 面的法線與所述氣體團簇離子束之間形成的角度被稱為照射角度，以及 所述固體與碰撞所述固體的所述團簇之間的相互作用距離明顯增加時的照射角度被稱為臨界角度；所述固體表面平坦化設備包括氣體團簇離子束發(fā)射裝置，用于將所述氣體團簇離子束發(fā)射到所述固體 表面上；以及照射角度設定裝置，用于將所述照射角度設定為所述臨界角度或者更大 的角度。
8、 如權利要求7所述的固體表面平坦化設備，其中所述照射角度設定裝 置用于在不小于所述臨界角度的范圍內改變所述照射角度。
9、 如權利要求7或8所述的固體表面平坦化設備，還包括 數(shù)據(jù)庫，允許至少根據(jù)期望的蝕刻量和所述照射角度來確定劑量；其中所述氣體團簇離子束發(fā)射裝置發(fā)射具有根據(jù)期望的蝕刻量和由所述 照射角度設定裝置指定的照射角度參照數(shù)據(jù)庫而確定的劑量的所述氣體團 簇離子束。
全文摘要
通過用氣體團簇離子束照射，存在于固體表面上的約幾十納米(10nm)到幾百微米(100μm)的圓的表面粗糙被降低。提供了一種固體表面平坦化方法，固體表面的法線與氣體團簇離子束之間的角度被稱為照射角度，并且固體與碰撞該固體的團簇之間的相互作用距離變?yōu)轱@著增加時的照射角度被稱為臨界角度。固體表面平坦化方法包括以不小于臨界角度的照射角度的氣體團簇離子束照射固體表面的照射步驟。該臨界角度為70°。
文檔編號H01L21/302GK101548366SQ20078004089
公開日2009年9月30日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權日2006年10月30日
發(fā)明者伊曼紐爾·布雷爾, 佐藤明伸, 松尾二郎, 瀬木利夫, 鈴木晃子 申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社