陳學禮/毫微米元件實驗室副研究員

本文將展示新的深紫外光微影之底抗反射層﹙BARC﹚，此BARC使用傳統的電子迴旋共振電漿輔助化學氣相沉積系統﹙ECR-PECVD﹚以六甲基矽氧烷（HMDSO﹚為反應氣體，並藉由控制HMDSO與氧氣的流量比來得到適合的膜。此種做法有許多優點：高沉積速率、低製程壓力、容易去除和低成本。經由量測加了BARC的Al-Si合金與矽基板表面.其反射率可低於0.5 %。此結果與模擬相符。此外，擺動效應(swing effect)亦隨著加了BARC而顯著的改善。

依據最近的國際半導體科技藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)顯示：ArF準分子雷射光源將把微影技術推進至100nm階段 [1]。而由於反射所造成的問題，在ArF﹙193nm﹚將會比G-line﹙436nm﹚與I-line﹙365nm﹚時更為嚴重。主要是由於高反射基底所造成的擺動效應﹙swing effect﹚與凹缺效應﹙notching effect﹚，此兩者皆會造成阻劑所接收的曝光劑量改變。擺動效應乃是由於反射率隨光阻厚度成週期性變化所造成，而凹缺反應是由於基材表面的不平坦而造成曝光劑量不均勻所造成的[2-4]。因此，尋找適合此光譜範圍的抗反射層是很重要的。這裡主要有兩種降低反射的方法：一種是使用頂抗反射層﹙TARC﹚，另一種為使用底抗反射層﹙BARC﹚。這些抗反射層的最主要功能在於降低空氣-阻劑介面﹙TARC﹚與阻劑-基材介面﹙BARC﹚之反射率，使之最小化。由於BARC可同時降低swing和notching效應，但是TARC卻只減小swing效應。因此限制了TARC的發展與應用[5]。BARC可分為兩大類：第一類為有機BARC，此類BARC已廣泛的應用於IC製程[6]。有機BARC一般比覆蓋其上之光阻較具有吸收性，且其塗佈方式採用旋轉塗佈方式。一般而言，要找到一種適合各種高反射底材的BARC是很難的，且其階梯覆蓋與厚度的控制也是較差的。第二類BARC是以化學氣相沉積﹙CVD﹚方式成長的無機BARC。它具有成分可調與厚度可調的優點，所以可以完全消除在不同高反射基材上的反射。這類BARC材質有非晶相碳膜﹙a-C﹚、氮化矽﹙SiN﹚、氮氧化矽﹙SiOxNy﹚和氧化鈦﹙TiO﹚等，已有報告顯示可用於248微影製程。而氮氧化矽﹙SiON﹚更被用於193nm微影製程[6-11]。此類製程可藉由改變氣體流率控制BARC的光學常數，使之最適當化，且厚度可藉由CVD得到精確的控制。但其複雜程度與花費比有機BARC稍高。也因此若能結合第一類BARC材料上的優點與第二類BARC製程上的優點是被期盼的。

在此我們展示了一種用於ArF微影的BARC。它是以HMDSO為材料，用傳統的ECR-PECVD所沉積而成的。值得注意的是，HMDSO為液體且較一般傳統上常用的氣體沈積材料便宜。此外，這種製程也具有許多優點：高沉積率、低製程溫度、容易去除等。雖然HMDSO亦已廣泛的用於絕緣層、水氣偵測和抗腐蝕等，但其在可見光波長範圍，特別是深紫外光範圍的光學特性，過去很少被提出來討論研究[12-14]。在此，我們藉由改變氧氣-HMDSO的流量率比來改變HMDSO膜的成分及在波長193nm時的光學特性。此外，我們使用XPS﹙x-ray photoelectron spectrometer﹚來分析其成分[15]。而光學特性模擬則採用導納軌跡法(admittance diagram method)，且並以模擬之結果為基礎建構了在crystal Si 與Al-Si合金上之BARC。而對於未加BARC與加了BARC之後的swing effect亦做了比較。且對於HMDSO之蝕刻特性亦加以研究。

#F#圖一：不同底抗反射層的導納軌跡

#P#底抗反射層(BARC)的光學特性的最佳化

我們使用導納軌跡法來作光學特性的最適化[16]。如圖一所示，點S代表一個高反射基材，其光學常數為ns和ks.。點M為在BARC之上的介質，一般為光阻，其光學常數為nm和km。以垂直入射而言，其Fresnel reflection coefficient 可表示成


若我們藉由加入BARC而使Ns接近Nm，則在介質與基材之間介面的反射將會降低。如圖1所示，軌跡A與軌跡B代表著兩種不同的BARC材質，其皆可使ρ~0。而為了使BARC在阻劑顯影完畢後容易去除，其厚度將會是盡能的薄。因此，儘管A、B兩種材質皆能達到降低反射的效果，但B材質是比較好的選擇。讓我們來考慮數值的例子，據文獻指出：阻劑﹙Ter-1，Microlithography Chemical Corporation﹚和矽晶基材的光學常數分別為NR﹙1.490，0.018﹚和NSi﹙0.90，2.65﹚[11]。假定材質A與材質B的光學係數分別為NA﹙1.668，0.223﹚與NB﹙1.716，0.517﹚。而當材質A與材質B的厚度分別為86.7nm和27.9nm時，阻劑-基材介面之反射率皆可小於1%。而由厚度可明顯看出B材質是較佳的。


#P#實驗

我們以ECR-PECVD沉積HMDSO膜，直流偏壓﹙dc bias﹚固定為800V，而基板維持在室溫，其穿透率與反射率光譜是以光學光譜儀﹙Hitachi U3501﹚測定的，HMDSO膜的光學常數以R-T方式求得[17]，其成分是以XPS﹙x-ray photoelectron spectrometer; Perkin-Elmer, PHI 1600﹚分析。而為了研究HMDSO之蝕刻特性，我們使用CHF3為反應氣體。


#F#圖二：HMDSO薄膜的XPS圖
#F#圖三：不同成分比的HMDSO薄膜

#P#結果與討論

#P#XPS量測之結果
HMDSO單體的化學式為﹙Me3Si﹚2O（Me＝CH3）。圖二為HMDSO的wide-scan的XPS光譜。在XPS的偵測範圍內，只有C、Si和O被測得。其中C1s、O1s和Si2p被選作為HMDSO膜裡的成分比例的指標。以不同的O2/HMDSO氣體流量率比所沉積的膜，其內含之原子成分比如圖三所示，一開始隨著氣體流量比的上升，C濃度迅速的下降，O濃度迅速的上升，但隨後則逐漸減緩飽和。而Si則始終緩緩下降。當O2/HMDSO氣體流量比達3.75時，C濃度降至2.05%，此時O/Si濃度比達1.86，我們可得到一種類似二氧化矽﹙silicon-like﹚的HMDSO膜，而此膜深紫外光﹙DUV﹚範圍是有低吸收性質。因此，我們可藉由調控不同的O2/HMDSO氣體流量率比而輕易的得到不同結構成分的HMDSO膜。
A. HMDSO膜的光學常數
如圖四所示，我們量測從可見光至深紫外光範圍內不同的O2/HMDSO氣體流量率比所沉積而成的HMDSO膜。隨著其比例的越高，C濃度越低，進而導致O/Si比例越高，在可見光波段薄膜的吸收度皆很小。而其穿透率隨著氣體比例增高而上升，尤其是在深紫外光範圍。圖五顯示不同成分的HMDSO膜在193nm波段的光學常數。其中消光係數﹙extinction coefficient，k﹚一開始隨著氣體流量率比的增加而迅速的減少，隨後則趨緩。相反的，折射率﹙refractive index，n﹚則隨著比例的增加而緩慢的下降。為了滿足具有實用性的BARC材質的需求。薄膜的反射率﹙n﹚與消光係數﹙k﹚必須是容易控制的。而藉由改變O2氣體與HMDSO的流量率比，我們可以獲得擁有合適的光學常數的HMDSO膜。

#F#圖四：不同成分HMDSO膜的穿透頻譜
#F#圖五：不同成分HMDSO膜的光學常數

#P#使用HMDSO膜當底抗反射層﹙BARC﹚
（1） 基材的抗反射層
為了降低矽晶基材表面的反射率，我們必須使矽晶基材與BARC相加之等效光學常數，儘可能的與入射介質Nair=﹙1，0﹚的光學常數相近。因此，HMDSO膜將必須作成與BARC具有相同之光學常數﹙1.716，0.517﹚，由導納軌跡法模擬最佳厚度為22.2nm。如圖六﹙a﹚所示，矽晶基材在193nm波段的反射率約為66%，當加入22.2nm的BARC之後，其反射率降至0.23％以下，如圖六﹙b﹚所示。此結果與模擬結果一致。

圖六：矽基板的反射頻譜(a)未加(b)加上抗反射層

（2）沉積鋁膜之矽晶基材的抗反射層
如圖七﹙a﹚所示，在矽晶基材上沉積300nm後的鋁膜。其在193nm時的反射率約為92%，我們再次選定光學常數為﹙1.716，0.517﹚的HMDSO膜為BARC，其最佳厚度約為20.6nm，當加入抗反射層後，其在193nm的反射率降至0.30%左右。如圖七﹙b﹚所示，此亦與模擬結果相符。

圖七：鋁膜的反射頻譜(a)未加(b)加上抗反射層


（3）降低阻劑之swing effects
Swing effect乃是由空氣-阻劑介面與阻劑-基材介面的反射光相互干涉所造成，是光學微影中CD﹙critical dimensions﹚控制的問題之一[18]。我們將TER-1阻劑旋塗在矽晶片上所產生的反射率模擬與實際量測swing curve如圖八﹙a﹚所示。當阻劑厚度由300至600nm變化時，其反射率亦從~2.5%至~40%成正弦曲線變化。而為了消除在阻劑-基材介面的反射，我們選擇光學常數為﹙1.716，0.517﹚HMDSO膜作為BARC，其最適化厚度為~28.6nm。當加入相同厚度的BARC後，阻劑-BARC-矽基材結構的整體反射率可降至0.22%。此外，反射率擺動曲線亦如圖八﹙b﹚所示。反射率僅從~2.5%至~5%成正弦曲線變化。這結果顯示，以HMDSO為基礎的BARC可顯著得降低阻劑的擺動效應，我們預期微影中線寬控制的能力，將可以因使用BARC獲得改善。

圖八：反射擺動曲線(a)未加(b)加上抗反射層

（4）其他高反射基材的BARC
我們藉由模擬光學性質來評估HMDSO膜作為高反射基材的BARC的可行性。這些包含如多晶矽，矽化鎢和鋁-矽合金等，模擬結果顯示，厚度少於30nm的HMDSO膜使得阻劑-高反射基材介面的反射率降至小於0.5%。因此，當考量這些高反射材質的BARC時，預期HMDSO是相當具有潛力的。


#P#HMDSO膜的蝕刻性質

BARC在阻劑顯影完之後必須去除，在蝕刻過程中，在BARC之上的阻劑應儘可能的保持完整無缺以避免CD變化。如前所述，HMDSO膜的主要成分為Si、O和C，所以我們選擇以CHF3作為電子迴旋共振-反應性離子蝕刻製程之反應氣體。經由量測HMDSO膜與阻劑﹙TER-1﹚的蝕刻速率分別為31和20nm/min。如前所述，28.6nm厚的HMDSO膜將可使阻劑-矽基材介面之反射率降至0.22%以下。因此，當我們除去此HMDSO膜時阻劑的厚度將只下降約18.5nm，一般而言阻劑的厚度多在400nm以上;所以這樣的厚度損失是可以接受的。

#P#結論

以ECR-PECVD沉積的HMDSO膜是適合ArF準分子雷射微影的一種新的底抗反射層。我們可藉由改變O2/HMDSO氣體流量率比來調控HMDSO膜成分及光學特性。此製程成膜速率快、可在室溫下操作、且顯影之後可藉由傳統的反應性離子蝕刻程序輕易的除去。經由量測在鋁-矽合金與