专利名称：形成光刻图案的方法
技术领域：
本发明主要涉及电子器件的制造。更具体地，本发明涉及使用负型调色 (negativetone)显影工艺形成精细图案的光刻工艺，该负型调色显影工艺使用特殊的有机材料作为显影剂。
背景技术：
在半导体制造工业中，使用光致抗蚀剂材料将图案转移到布置在半导体基板上的一个和多个在下方的层上，例如金属，半导体和介电层，以及转移到基板自身上。为增加半导体器件的集成度并且考虑到形成具有纳米范围尺寸的结构，一直在发展具有高分辨能力的光致抗蚀剂和光刻工艺器具。一种在半导体器件中达到纳米等级的功能元件尺寸的方法是在化学放大型光致抗蚀剂的曝光过程中使用短波长的光，例如193nm或更短。浸渍光刻有效地增大成像装置例如具有KrF或ArF光源的扫描仪中的透镜的数值孔径(numerical aperture，ΝΑ)。这点是通过在成像装置的最后表面和半导体晶片的最上表面之间使用相对高折射率流体(即浸渍流体)来实现的。该浸渍流体与在空气或惰性气体介质中相比，能使更多量的光聚焦到光致抗蚀剂层上。当使用水作为为浸渍流体时，能提高最大数值孔径，例如从1.2提高到 1.35。通过数值孔径的增大，可以在单曝光工艺中达到40nm的半间距(half-pitch)分辨率，从而允许改善设计收缩(design shrink)。然而，这种标准的浸渍光刻工艺一般并不适于制造要求更高分辨率，例如32nm和22nm半间距(half-pitch)节点的装置。为努力达到更高的分辨能力以及扩展现有的制造器具的性能，提出了先进的图案化技术，例如双重图案化(double patterning)(也称为间距分离(pitch splitting))。然而各种双重图案化技术有很多缺陷，该缺陷包括例如以下的一种或多种由于在光刻模块和蚀刻工艺模块之间来回运输晶片，以及蚀刻和移除光致抗蚀剂工艺本身中所导致的增加的污染和缺陷；由于工艺步骤数目的增加所导致生产量的下降；由于过高的光致抗蚀剂固化温度所导致的光致抗蚀剂图案的变形。另一种得到精细光刻图案的图案化技术包括对传统的正型化学放大型光致抗蚀剂进行负色调显影。这种光致抗蚀剂典型地使用具有酸不稳定基团的树脂以及光酸产生剂。光化辐射下曝光导致光酸产生剂形成酸，该酸在曝光后的焙烘中导致树脂中的酸不稳定基团解离。这在树脂的曝光区域和未曝光区域之间产生的不同的溶解度。在传统的使用水性碱性显影剂例如氢氧化四甲基胺(TMAH)的显影工艺中，抗蚀剂的曝光区域溶于显影剂并被从基板表面移除，而未曝光区域不溶于显影剂，显影后仍保留以形成正型图案。在负色调显影中，可以通过对传统的正型光致抗蚀剂使用特殊有机溶剂进行显影来得到负型图案。这种工艺曾经在例如美国专利6790579中被Goodall等描述过。该文献公开了一种光致抗蚀剂组合物，该光致抗蚀剂组合物含有酸产生引发剂和在聚合物主链上具有重复酸不稳定侧基的多环聚合物。可以使用碱性显影剂选择性移除曝光区域，或者，可以通过使用作为负型色调显影的合适的非极性溶剂处理来将未曝光区域选择性移除。对于负色调显影，最近推荐的显影剂是醋酸正丁酯(NBA)。然而因为各种原因这种材料的应用并不是令人满意的。从安全的立场出发，NBA是有问题的，这是因为NBA具有相对低的22°C的闪点，由于工艺设备通常具有移动的机械部件和电部件，而这些部件会产生能点燃溶剂蒸汽与空气混合物的电火花或静电火花，从而会造成着火和爆炸事故。另外，发现当使用NBA时曝光宽容度(exposure latitude)相对较小，从而所提供的比合适的处理
窗口更小。本领域中对于能解决与该技术的状态相结合的一个或多个前述问题，并且能在电子器件的制造中形成精细图案的光刻图案工艺有着持续的需求。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种形成光刻图案的方法。该方法包括(a)提供在其表面上具有一个或多个将被图案化的层的基板；(b)在该一个或多个将被图案化的层的表面上涂覆光致抗蚀剂组合物层，该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和光酸产生剂；(c)在光化辐射下图案化曝光该光致抗蚀剂组合物层；并且(d)在光致抗蚀剂组合物层上施加显影剂，其中光致抗蚀剂组合物层中的未曝光区域被显影剂去除，在一个或多个将被图案化的层上形成光致抗蚀剂图案。该显影剂包括2-庚酮和/或5-甲基-2-己酮。根据本发明的再一方面，所提供的是通过此处所描述的方法形成的电子器件。根据本发明的再一方面，提供一种涂覆的基板。该涂覆的基板包括在其表面上具有一个或多个将被图案化的层的基板；位于该一个或多个将被图案化的层的表面上的曝光了的光致抗蚀剂组合物层，该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和酸产生剂； 以及与曝光过的光致抗蚀剂组合物层接触的显影剂溶液，其中该显影剂包括2-庚酮和/或 5-甲基-2-己酮。
根据下述附图对本发明进行说明，其中相同的附图标记代表相同的特征，并且其中图IA-E显示了根据本发明的第一实施方面形成光刻图案的工艺流程；图2A-F显示了根据本发明的再一实施方面通过双曝光形成光刻图案的工艺流程；并且图3是根据本发明的图案化基板的俯视图；并且图4显示了根据实施例中的描述形成的图案化基板的SEM显微照片的俯视图。
具体实施例方式根据图IA-E描述本发明，该图IA-E显示了根据本发明通过负色调显影形成的光刻图案的第一实施工艺流程。图IA描述了可能包括不同的层和功能元件的基板100的断面图。该基板可以是例如半导体，诸如硅或化合物(compound)半导体(例如，III-V或II-VI)，玻璃，石英，陶瓷，铜等等材料。典型地，该基板是半导体晶片，例如单晶硅或化合物半导体晶片，并且该基板可以具有一层或多层以及形成在其表面上的图案化的功能元件(feature)。可以在基板 100上提供一个或多个将被图案化的层102。任选地，位于下方的底部基板材料自身可以被图案化，例如，当需要在基板材料中形成沟槽时。在图案化该底部基板材料自身时，该图案将被认为是形成在基板的一层中。这些层可以包括，例如，一个或多个导电层，诸如铝，铜，钼，钽，钛，鹤，合金，此类金属的氮化物或硅化物，掺杂的非晶硅或掺杂的多晶硅的层，一个或多个介电层，诸如二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，或金属氧化物的层，半导体层，诸如单晶硅，以及它们的组合。可以通过个各种技术形成将被蚀刻的层，例如，化学汽相淀积(CVD)，诸如等离子增强CVD，低压 CVD或外延增长，物理气相沉积(PVD)，诸如喷溅或蒸发，或电镀。该一个或多个将被蚀刻的层102的具体厚度将根据其材料和所形成的具体器件而变化。基于将被蚀刻的具体层，薄膜厚度和光刻材料以及将使用的工艺，可以在层102 上放置硬掩模层104和/或底部抗反射涂层(BARC) 106，再在其上涂覆光致抗蚀剂层108。 当光致抗蚀剂层非常薄，而将被蚀刻的层要求明显的蚀刻深度时，和/或特殊的蚀刻剂具有较弱的抗蚀剂选择性时，使用硬掩模层104是需要的。当使用硬掩模时，可以将要形成的光致抗蚀剂图案转移到该硬掩模层上，依次，用作蚀刻在下方的层102的掩模。合适的硬掩模材料和形成方法在本领域中是公知的。典型的材料包括，例如，钨，钛，氮化钛，氧化钛，氧化锆，氧化铝，氮氧化铝，氧化铪，无定形碳，氮氧化硅和氮化硅。该硬掩模层104可以包括单层或不同材料的多层。该硬掩模层可以通过例如化学或物理气相沉积技术形成。当在光致抗蚀剂曝光过程中，基板和/或位于其下方的层将另外反射明显量的入射光，导致所形成的图案的质量受到不利的影响时，使用底部抗反射涂层106是需要的。这种涂层可以提高焦深，曝光宽容度，线宽均勻性和CD控制。抗反射涂层典型地用于光致抗蚀剂曝光于深紫外线(小于等于300nm)时，例如KrF准分子激光器的光Q48nm)或ArF准分子激光器的光(193nm)。该抗反射涂层106可以包括单层或多重不同层。合适的抗反射材料是商业上可得的，例如，罗门哈斯电子材料有限公司(美国马萨诸塞州莫尔伯勒市)所销售的在AR 商标下的材料，诸如AR 40A和AR 124抗反射材料。光致抗蚀剂组合物施加于基板上的抗反射层106 (如果存在的话)上形成光致抗蚀剂层108。该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和光酸产生剂。当在水性碱显影剂中显影时该光致抗蚀剂组合物是典型的正性反应材料，但是当在特定有机显影剂中显影时该光致抗蚀剂组合物却是负性反应。合适的光致抗蚀剂材料在本领域中是公知的， 并且包括，例如基于丙烯酸酯，酚醛树脂清漆和硅化学物质的材料。合适的抗蚀剂在例如美国申请公开号 US20090117489A1，US20080193872A1, US20060246373A1, US20090117489A1, US20090123869A1和US专利号7332616中均作了描述。合适的材料包括化学放大型光致抗蚀剂，该化学放大型光致抗蚀剂参与该组合物中的一种或多种组分中的酸不稳定基团的光酸促进脱保护反应，使得抗蚀剂涂层中的曝光区域比未曝光区域相比更易溶于碱性显影剂。典型的光致抗蚀剂树脂中的光酸不稳定基团包括酯基，所述酯基具有与酯的羧基氧原子共价连接的叔非环烷基碳(例如，叔丁基)或叔脂环碳(例如，甲基金刚烷基)。缩醛光酸不稳定基团也是典型的。第一光敏组合物的树脂优选具有给予该树脂组合物碱水溶液显影性能的官能团。 例如，典型的树脂粘合剂包括极性官能团例如羟基或羧酸酯基。该树脂组分在组合物中的用量足以使未曝光区域可在有机显影剂溶液中显影。该树脂组分典型的占全部抗蚀剂固体成分的大约70到97重量％。
该光敏组合物进一步包括光酸产生剂(PAG)，该光酸产生剂的使用量足以在曝光于活性辐射时在该组合物涂层中产生潜像。例如，该光酸产生剂适于占全部光致抗蚀剂固体成分的1到20重量％。合适的PAG在化学放大型光致抗蚀剂领域中是公知的，例如鐺盐，例如，三苯基锍盐，硝基苄基衍生物，磺酸酯，重氮甲烷(diazomethane)衍生物，乙二肟衍生物，N-羟基酰亚胺化合物的磺酸酯衍生物和含卤三嗪化合物。光致抗蚀剂组合物可以进一步含有其他添加碱，尤其是氢氧化四丁铵(TBAH)，或乳酸四丁铵，其可以增大显影后的抗蚀剂浮雕图像的分辨率。对于在193nm下成像的抗蚀剂，典型的添加碱是受阻胺例如二氮杂二环(diazabicyclo)十一碳烯或二氮杂二环壬烯。 该添加碱适于使用相对小的量，例如，相对于总的固体物质大约0. 03到5重量％。本发明的方法中所使用的光致抗蚀剂还可以含有表面活性剂。典型的表面活性剂包括那些显示出两亲性的化合物，意味着它们能同时亲水或疏水。两亲表面活性剂具有与水有强亲和力的亲水头部基团或亲水基团，以及是有机的并且斥水的长疏水尾部。合适的表面活性剂可以是离子型(即阴离子，阳离子)的或非离子型的。表面活性剂的进一步例子包括硅氧烷(silicone)表面活性剂，聚(氧化烯(alkyleneoxide))表面活性剂和氟化学表面活性剂。合适的用于水溶液中的非离子表面活性剂包括但不限于辛基和壬基苯酚乙氧基化物，例如TRITON X-114，X-100, X-45，X-15和支链仲醇乙氧基化物，例如 TERGIT0L TMN-6 (陶氏化学公司，美国密歇根州米德兰市)。进一步示范性的表面活性剂包括醇(伯和仲)乙氧基化物，乙氧基化胺，葡糖苷，葡萄糖胺(glucamine)，聚乙二醇，聚(乙二醇-共聚-丙三醇)，或其他的由Glen Rock, NJ的厂商糖果制造商出版公司出版的2000 年北美版中的《McCutcheon的乳化剂和去污剂》中所公开的其他表面活性剂。炔属二醇(acetylenic diol)衍生物非离子表面活性剂也是合适的，其包括下式
所示的表面活性剂
权利要求
1.一种形成光刻图案的方法，所述方法包括(a)提供在其表面上具有一个或多个将被图案化的层的基板；(b)在该一个或多个将被图案化的层上施加光致抗蚀剂组合物层，该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和光酸产生剂；(c)在光化辐射下图案化曝光该光致抗蚀剂组合物层；并且(d)在光致抗蚀剂组合物层上施加显影剂，其中光致抗蚀剂组合物层中的未曝光区域被显影剂去除，在一个或多个将被图案化的层上形成光致抗蚀剂图案，其中该显影剂包括 2-庚酮和/或5-甲基-2-己酮。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将光致抗蚀剂图案转移到位于光致抗蚀剂掩模下方的一个或多个层上，其中，通过蚀刻工艺进行图案转移，并且该方法在施加显影剂和蚀刻步骤之间不需要进行显影后的清洗。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述显影剂包括2-庚酮。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述显影剂包括5-甲基-2-己酮。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在第一图案化曝光之后并且施加显影剂之前将光致抗蚀剂组合物层在光化辐射下进行第二图案化曝光，其中第二图案化曝光的图案与第一图案化曝光的图案不相同。
6.如权利要求1所述的方法，其中显影剂包括溶剂的混合物。
7.通过权利要求1中所述的方法形成的电子器件。
8.一种涂覆的基板，所述涂覆的基板包括基板，该基板包括在其表面上的将被图案化的一个或多个层；位于该一个或多个将被图案化的层上的光致抗蚀剂组合物的曝光层，该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和光酸产生剂；以及与该光致抗蚀剂组合物的曝光层相接触的显影剂溶液，其中该显影剂包括2-庚酮和/ 或5-甲基-2-己酮。
9.如权利要求8所述的涂覆的基板，其中显影剂包括2-庚酮。
10.如权利要求8所述的涂覆的基板，其中显影剂包括5-甲基-2-己酮。
全文摘要
本发明涉及一种形成光刻图案的方法。还提供涂覆的基板和通过该方法形成的电子器件。该方法在电子器件的制造中具有特殊用途。提供了一种形成光刻图案的方法，所述方法包括(a)提供在其表面上具有一个或多个将被图案化的层的基板；(b)在该一个或多个将被图案化的层上施加光致抗蚀剂组合物层，该光致抗蚀剂组合物包括具有酸解离基团的树脂和光酸产生剂；(c)在光化辐射下图案化曝光该光致抗蚀剂组合物层；并且(d)在光致抗蚀剂组合物层上施加显影剂，其中光致抗蚀剂组合物层中的未曝光区域被显影剂去除，在一个或多个将被图案化的层上形成光致抗蚀剂图案，其中该显影剂包括2-庚酮和/或5-甲基-2-己酮。
文档编号G03F7/038GK102338982SQ201110108960
公开日2012年2月1日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月5日
发明者C·科尔特, 姜锡昊 申请人:罗门哈斯电子材料有限公司