專利名稱：用于微型光刻的光敏性硬掩模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可以使用極薄的光刻膠層形成微電子結(jié)構(gòu)的組合物和微型光刻法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)說明通過顯微光刻法制造的半導體結(jié)構(gòu)的密度和尺寸反映了微電子制造的進展。對 于高密度和小臨界尺寸(CD)的需求不斷將光刻技術(shù)推向其極限。為了跟上半導體工業(yè) 的步伐，需要將下一代的形成圖案材料和創(chuàng)新性的光刻法綜合用于高分辨率光刻。由于 臨界特征尺寸減小到32納米以及低于32納米，而另一方面，印刷的線路的長寬比有一定 的限制，以避免可能發(fā)生的線路破壞，因此人們廣泛接受采用薄的光刻膠，以獲得較好 的分辨率和大的焦深(DOF)。人們采用瑞利定律定義圖案分辨率和焦深(DOF)分辨率=Jc1 λ/NA;以及DOF = k2 λ /NA2,其中λ是輻射波長，NA是曝光器具的數(shù)值孔徑，1^和]^2是特定工藝的常數(shù)。 瑞利的理論表明，用短波長和大數(shù)值孔徑曝光的曝光器具能夠獲得更好的圖案分辨率。 正因為這個原理，微電子工業(yè)逐漸地采用短曝光波長。但是，瑞利定律還表明分辨率的 提高會造成DOF降低。使用薄的光刻膠會造成1^值減小，1^2值增大，由此獲得較好的 分辨率和大的DOF。但是，減小的光刻膠厚度無法提供足夠的抗蝕性以將圖案轉(zhuǎn)移到基 片中，對于193納米的ArF光刻尤為如此。由于透光性的要求，不能在ArF抗蝕劑內(nèi)加 入芳族結(jié)構(gòu)，因此大部分ArF抗蝕劑的蝕刻速度甚至比以前的光刻膠更快。為了獲得更 好的分辨率，需要更薄的光刻膠，而為了獲得圖案轉(zhuǎn)移需要足夠的蝕刻余量，為了解決 此二者之間的矛盾，目前僅有幾個工藝和材料的解決方案。在一種方法中，在多層蝕刻層疊體中添加了含硅或者含金屬的硬掩模，以幫助 提供完全的圖案轉(zhuǎn)移。通常使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)打開光刻膠之下的硬掩模層。很明 顯，所述硬掩模-光刻膠蝕刻選擇性決定了光刻膠可以有多薄。不幸的是，在常用的硬 掩模等離子體蝕刻化學條件下，幾乎所有的目前可采用的光刻膠仍然會較快地蝕刻。因 此，仍然需要相當厚的光刻膠來進行高分辨率光刻。另一種解決方案是使用可溶于顯影劑的下層材料，從而省去在其他情況下需要 采用的蝕刻步驟。文獻已描述可各向同性顯影的光敏性底部減反射涂層。但是，在可各 向同性顯影的底部減反射涂層中，很難控制下部凹進現(xiàn)象。對于光敏性的可各向異性顯影的底部減反射涂層，一個主要的問題是當將所述減反射涂層涂覆在基片的形貌上的時 候該涂層的清除以及CD均勻性。另一方面，如果將其涂覆在旋涂碳(SOC)平面化層頂 上，這些有機底部減反射涂料無法有效地用作硬掩模。更近一些時候，直到人們能夠采用小于193納米(例如13.5納米)的曝光波長之 前，對下一個印刷節(jié)點進行多次曝光的技術(shù)成為了僅有的可行的選擇。人們已經(jīng)研究并 報道了許多用于多次曝光技術(shù)的工藝方案。一些方案使用明視場掩模，其中只有少部分 的光刻膠，例如線條受到保護而不被曝光，而剩余部分的光刻膠都曝光。然后使得所述 光刻膠與顯影劑接觸，除去光刻膠的曝光部分，從而僅在硬掩模層上留下未曝光的光刻 膠部分(即線條)。通過蝕刻除去除了位于光刻膠的未曝光部分之下的區(qū)域以外的硬掩模 層，將所述圖案轉(zhuǎn)移到硬掩模中。重復該過程，直至獲得所需的圖案。在暗視場曝光工 藝中，大部分光刻膠受到保護未被曝光，而僅有小部分光刻膠曝光，在顯影后被除去。 與明視場的情況相同，隨后必須使用蝕刻工藝將所述圖案轉(zhuǎn)移到硬掩模中。同樣，ArF浸沒光刻以及雙重圖案形成一起提供了更為現(xiàn)實的32納米和22納米 半節(jié)距節(jié)點制造的方案。但是，即使與EUV光刻相比，現(xiàn)有的平版印刷-蝕刻-平版印 刷-蝕刻(LELE)工藝也是非常昂貴的。因此，許多現(xiàn)有的工藝仍然需要干蝕刻步驟，將圖案轉(zhuǎn)移到下面的層中。所述 干蝕刻步驟使得工藝復雜，提高了相關(guān)的成本和時間。因此，本領(lǐng)域需要一種保護材 料，該保護材料可用作硬掩模層，用于平民化層之上，或者用于多次曝光工藝中，由此 省去蝕刻步驟，以便使用極薄的光刻膠層用來提高DOF和CD控制。人們還需要可以用 于ArF浸沒光刻以及雙重圖案形成的硬掩模層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過廣泛地提供了用來形成微電子結(jié)構(gòu)的組合物，用來形成所述結(jié)構(gòu)的 方法，以及該結(jié)構(gòu)，克服了這些問題。本發(fā)明提供了一種硬掩模組合物，所述組合物能 夠減小所需的光刻膠厚度，甚至省去所述光刻膠，與此同時，能夠通過省去蝕刻步驟而 縮短工藝時間。另外，本發(fā)明提供了一種材料，所述材料可以簡單地通過旋涂施加，與 常規(guī)的氮化硅/氧化硅化學氣相沉積(CVD)工藝相比，所述材料需要較少的時間，而且 較為廉價。另外，特別是當本發(fā)明與多次圖案形成工藝相結(jié)合的時候，本發(fā)明可以繼續(xù) 將CD縮小到并低于32納米的節(jié)點，同時通過省去蝕刻步驟，還降低現(xiàn)有的多層制造的 成本。更具體來說，本發(fā)明提供了一種可以用來形成微電子器件的組合物。所述組合 物包含溶解或分散在溶劑體系中的非聚合物型納米顆粒。較佳的是，所述組合物可溶于 顯影劑。本發(fā)明還提供了形成微電子結(jié)構(gòu)的方法。所述方法包括提供具有表面的基片。 任選地在所述基片的表面上形成一層或多層中間層。硬掩模組合物施加在與所述中間層 (如果有的話)相鄰的位置，或者與基片表面相鄰的位置(如果沒有中間層的話)。所述 硬掩模組合物包含溶解或分散在溶劑體系中的非聚合物型納米顆粒。對硬掩模組合物進 行烘烤，在中間層(如果存在的話)上形成硬掩模層，或者在基片表面(如果沒有中間層 的話)上形成硬掩模層。對所述硬掩模層進行輻射曝光，形成硬掩模層的曝光部分。較佳的是，使得所述硬掩模層與顯影劑接觸，從而除去硬掩模層的曝光部分。本發(fā)明還提供了一種微電子結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括具有表面的基片，在所述基片 表面上任選地包括一層或多層中間層，以及與所述中間層(如果存在的話)相鄰的硬掩模 層，或者與所述基片表面相鄰的(如果不存在中間層)硬掩模層。所述硬掩模層包括交 聯(lián)的非聚合物型納米顆粒。較佳的是，所述硬掩模層可溶于顯影劑。


本專利或申請文件包括至少一幅彩色的附圖。本專利或?qū)＠暾埞_的包括彩 色附圖的副本將在請求和支付所需的費用之后由專利局提供。圖I(A)-(D)是本發(fā)明方法形成的結(jié)構(gòu)(未按比例)的示意圖；圖2是實施例1的硬掩模制劑2的層厚度(單位為納米)_曝光劑量(單位為毫 焦/厘米2)的對比曲線；圖3是在實施例3中使用硬掩模制劑2形成的圖案的掃描電子顯微(SEM)照 片；圖4是實施例4的硬掩模制劑3的層厚度(單位為納米)_曝光劑量(單位為毫 焦/厘米2)的對比曲線；圖5是實施例5的三層層疊體(底部減反射涂層，硬掩模制劑4，以及光刻膠) 的厚度(單位為納米)-曝光劑量(單位為毫焦/厘米2)的對比曲線；以及圖6顯示了實施例6中使用CF4, Ar和O2氣體混合物的制劑5的蝕刻速率(單 位為納米/分鐘)。
具體實施例方式本發(fā)明的組合物本發(fā)明的組合物是可熱固化的(即可交聯(lián)的)，并且在用選定波長的輻射曝光之 后，可溶于堿性顯影劑(即可濕顯影的)。也就是說，所述組合物在固化后優(yōu)選都不溶于 有機溶劑和光刻膠顯影劑，但是一經(jīng)輻射曝光就可解交聯(lián)(decrosslink)并可以用顯影劑 除去(即所述硬掩模組合物是光敏性的且可溶于顯影劑的)。這使得硬掩模層的曝光部分 和未曝光部分具有不同的溶解速率，使曝光的部分能被除去，同時不會除去未被曝光的 部分。在本文中使用的術(shù)語“可溶于顯影劑”或者“可濕顯影的”表示所述組合物一 經(jīng)曝光就能夠變得可溶于堿性顯影劑，因此可以如本文所述基本上用常規(guī)的水性顯影劑 除去。更詳細地，本發(fā)明的組合物包含分散或溶解在溶劑體系中的非聚合物型納米顆 粒。以所述組合物的總重量為100重量％計，所述組合物優(yōu)選包含約0.1-5重量％的納 米顆粒，優(yōu)選約1-3重量％的納米顆粒，更優(yōu)選約1.5-2.5重量％的納米顆粒。在本文 中使用的術(shù)語“納米顆?！卑ㄗ畲蟪叽?任一維度)約為1-100納米，以單獨單元的 形式按照其傳輸和性質(zhì)起作用的顆粒，包括超細固體顆粒，膠體顆粒，兩種或更多種共 價結(jié)合的原子的聚集體(即分子)，表面上帶有電荷的顆粒(即多原子離子)，以及其他 微細的微粒材料。合適的納米顆?？梢詮氖袌錾腺彽?，可以由以下來源得到納米顆粒 的水性或有機膠體分散體(例如購自美國得克薩斯州，休斯敦市，尼桑化學公司(NissanChemical, Houston, TX)的膠體二氧化硅)，干粉末(例如購自美國密西西比州哈迪斯堡 (Hattiesburg, MS)的混合塑料公司(Hybrid Plastics )的 POSS NANOSTRUCTURED
化學品)，以及/或者美國紐約州羅切斯特市(Rochester，NY)的Meliorum。所述干粉末 通常可以以微米尺寸的聚集體形式獲得，然后進行分散，以獲得納米尺度?；蛘呖梢允?用納米粉末。在本文中使用的術(shù)語“非聚合物型”表示離散的納米顆粒，其不會形成約 超過10個聚合重復單元，但是在所述組合物中仍然保持分離和獨立。優(yōu)選用于本發(fā)明組 合物的納米顆粒的平均粒度約小于15納米，更優(yōu)選約為1-10納米，更加優(yōu)選約為1-5納 米。在本文中使用的“平均粒度”定義為納米顆粒的最大的表面與表面之間的尺寸(也 就是說，對于球形顆粒，則表示直徑)。納米顆粒優(yōu)選包含金屬，可以包含任意種類的金屬(包括元素的金屬)或金屬合 金。優(yōu)選的金屬選自下組硅(Si)，鈦(Ti)，鉿(Hf)，鋅(Zn)，鋯(Zr)，錫(Sn)，鋁 (Al)，鈰(Ce)，鉭(Ta)，釩(V)，鍺(Ge)，鎘(Cd)，硒(Se)，上述元素的氧化物、氫 氧化物、硒化物、硫化物，以及它們的組合。以所述組合物的固體總重量為100重量％ 計，所述組合物優(yōu)選包含約4-80重量％的金屬，更優(yōu)選約為20-80重量％的金屬，更加 優(yōu)選約為60-80重量％重量的金屬。所述納米顆粒還優(yōu)選包含酸官能團。更優(yōu)選地，所述納米顆粒的各個表面用一 種或更多種酸基團官能化(即酸官能化的納米顆粒)。優(yōu)選的酸基團選自羥基(-OH)， 羧基(-COOH)，酚類，氟代醇，氟代丙烯酰胺，以及它們的組合。
權(quán)利要求
1. 一種形成微電子結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括(a)提供具有表面的基片；(b)任選地在所述表面上形成一層或多層中間層；(c)如果存在所述中間層的話，施加與所述中間層相鄰的硬掩模組合物，或者如果不 存在中間層的話，施加與所述基片表面相鄰的硬掩模組合物，所述硬掩模組合物包含溶 解或分散在溶劑體系中的非聚合物型納米顆粒；(d)對所述硬掩模組合物進行烘烤，以制得硬掩模層；(e)對所述硬掩模層進行輻射曝光，形成所述硬掩模的曝光部分；以及(f)使得所述硬掩模層與顯影劑接觸，以除去所述硬掩模層的所述曝光部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述曝光之前，將成像層施加于所述 硬掩模層。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述曝光形成所述成像層的曝光部分，所 述接觸同時除去了所述硬掩模層的所述曝光部分以及所述成像層的所述曝光部分。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘烤包括使得所述組合物中的納米顆 粒交聯(lián)，形成所述納米顆粒的交聯(lián)基質(zhì)，形成所述硬掩模層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述曝光包括使得所述基質(zhì)解交聯(lián)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述中間層選自下組旋涂碳層，無定 形碳層，底部減反射涂層，平面化層，以及上述層的組合。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述曝光形成所述中間層的曝光部分，所 述接觸同時除去了所述硬掩模層的所述曝光部分以及所述中間層的所述曝光部分。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩模層在所述曝光之前，在堿性 顯影劑中具有初始溶解度，所述硬掩模層的所述曝光部分在堿性顯影劑中具有最終溶解 度，所述最終溶解度大于所述初始溶解度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述納米顆粒包括選自下組的金屬 硅，鈦，鉿，鋅，鋯，錫，鋁，鈰，鉭，釩，鍺，鎘，硒，上述元素的氧化物、氫氧化 物、硒化物、硫化物，以及它們的組合。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩模組合物還包含與所述納米顆 粒一起分散或溶解在所述溶劑體系中的乙烯基醚交聯(lián)劑。
11. 一種可以用來形成微電子器件的組合物，所述組合物包含溶解或分散在溶劑體系中的非聚合物型納米顆粒，所述組合物是可溶于顯影劑的。
12.如權(quán)利要求11所述的組合物，其特征在于，所述納米顆粒的平均粒度約小于15 納米。
13.如權(quán)利要求11所述的組合物，其特征在于，所述納米顆粒包括選自下組的金屬 硅，鈦，鉿，鋅，鋯，錫，鋁，鈰，鉭，釩，鍺，鎘，硒，上述元素的氧化物、氫氧化 物、硒化物、硫化物，以及它們的組合。
14.如權(quán)利要求11所述的組合物，其特征在于，所述納米顆粒選自下組膠體二氧 化硅，多面體低聚硅倍半氧烷分子，以及它們的混合物。
15.如權(quán)利要求11所述的組合物，其特征在于，所述納米顆粒包括酸官能團。
16.如權(quán)利要求15所述的組合物，其特征在于，所述酸基團選自羥基、羧基、酚 類、氟代醇、氟代丙烯酰胺，以及它們的混合物。
17.如權(quán)利要求11所述的組合物，以所述組合物總重量為100重量％計，所述組合物 包含約0.1-5重量％的所述納米顆粒。
18.如權(quán)利要求11所述的組合物，所述組合物還包含與所述納米顆粒一起分散或溶解 在所述溶劑體系中的乙烯基醚交聯(lián)劑。
19.如權(quán)利要求11所述的組合物，所述組合物還包含光致成酸劑。
20.—種微電子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括具有表面的基片；位于所述基片表面上的任選的一層或多層中間層；以及硬掩模層，如果存在所述中間層，則所述硬掩模層與所述中間層相鄰，或者如果不 存在中間層，則所述硬掩模層與所述基片表面相鄰，所述硬掩模層包含交聯(lián)的非聚合物 型納米顆粒，并且可溶于顯影劑。
21.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述納米顆粒用乙烯基醚交聯(lián)劑交聯(lián)。
22.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)還包括與所述硬掩模層相鄰的成像層。
23.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述硬掩模層包括圖案。
24.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圖案選自通孔和溝槽。
25.如權(quán)利要求23所述的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)還包括與所述形成圖案的硬掩模層相鄰的成 像層。
26.如權(quán)利要求20所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基片選自硅，SiGe，SiO2, Si3N4，鋁，鎢，硅化鎢，砷化鎵，鍺，鉭，氮化鉭，珊瑚，黑金剛石，摻雜磷或硼的玻 璃，以及上述材料的混合物。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的硬掩模組合物，該組合物包含分散或溶解在溶劑體系中的非聚合物型的含金屬的納米顆粒，還提供了將這些組合物在微電子結(jié)構(gòu)中用作硬掩模層的方法。所述組合物是光敏性的，能夠一經(jīng)輻射曝光就變得可溶于顯影劑。本發(fā)明的硬掩模層與光刻膠層同時形成圖案，為隨后的圖案轉(zhuǎn)移提供抗等離子體蝕刻性。
文檔編號G03F7/20GK102016724SQ200980114886
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者D·J·格雷羅, R-M·L·梅爾卡多, 徐昊 申請人:布魯爾科技公司