CN101140854A - 用于形成半导体器件的细微图案的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于制造半导体器件的细微图案的方法，包括：在底层上形成具有厚度t1的硬掩模图案；在所述硬掩模图案上形成具有厚度t2的光可穿透性薄膜；在所述光可穿透性薄膜上形成光可吸收性薄膜；在不使用曝光掩模的情况下，在产生的结构上执行曝光工序，同时控制曝光能量的量以使曝光的光达到深度T，所述深度从所述光可穿透性薄膜的顶面测量到所述底层的顶面，其中t2＜T≤t1+t2；在产生的结构上执行显影工序以在所述硬掩模图案之间形成有机掩模图案；以及使用所述硬掩模图案和所述有机掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述底层以形成底层图案。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造半导体器件的方法。
背景技术
为了制造越来越小的半导体器件，图案也变得越来越小。已经进行各种研究以开发用于获得细微图案的抗蚀剂和曝光器。
在曝光器中，虽然已经将作为曝光光源的KrF(248nm)或ArF(193nm)应用于曝光工序中，但是已经尝试使用例如F2(157nm)或EUV(13nm)等短波长光源，以增加数值孔径(NA)。
然而，当应用例如F2或EUV等新光源时，需要新的曝光器，这导致制造成本增加。再者，数值孔径的增加会减小聚焦深度范围(focus depth width)。
近来，浸没式光刻工序已经使用具有高折射率的浸没溶液来显影。但是，要将浸没式光刻工序应用于大量生产仍然是困难的。
虽然可以借助双曝光方法形成具有超过光刻极限的分辨率的细微图案，但是要确保重叠和排列程度的限度是困难的，这造成成本和工序时间的过度消耗。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于使用曝光器和具有双沉积结构的有机聚合物膜形成具有超过光刻极限的间距的细微图案的方法。
在本发明的一个实施例中，一种用于制造半导体器件的细微图案的方法包括：在包括底层的半导体基板上形成具有厚度t1的硬掩模图案；以共形方式在产生的结构上形成厚度为t2的光可穿透性薄膜；以平面方式在产生的结构上形成光可吸收性薄膜；在不使用曝光掩模的情况下，在产生的结构上执行曝光工序，同时控制曝光能量的量以使曝光的光达到深度T，该深度从设置在硬掩模图案上的光可穿透性薄膜的顶面测量到底层的顶面，以使t2＜T≤t1+t2；在产生的结构上执行显影工序以形成设置在硬掩模图案之间的有机掩模图案，该有机掩模图案由光可穿透性薄膜和光可吸收性薄膜的叠层图案形成；以及使用该硬掩模图案和该有机掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻底层以形成底层图案。
该方法可以进一步包括重复地执行从所述形成光可穿透性薄膜的步骤到所述执行显影工序的步骤两次或多次。
从所述形成硬掩模的步骤获得的硬掩模图案之间的间距约为A，且从所述执行显影工序的步骤获得的硬掩模图案和有机掩模图案之间的间距约为A/2。
该硬掩模图案可以由选自下述群组的材料形成，所述群组由多晶硅、氧化物膜、氮化物膜、金属及其组合组成。
光可穿透性薄膜借助使用包括有机聚合化合物、光酸产生剂以及有机溶剂的组成物而形成，该有机聚合化合物可以被约193nm波长的光穿透。所述形成光可穿透性薄膜的步骤包括：将该组成物施用在基板上；且在约90℃到约150℃的温度烘烤该组成物约30秒到约180秒。在一些实施例中，该有机聚合物是聚(第三丁基丙烯酸酯/顺丁烯二酐/5-降冰片烯-2-羧酸第三丁酯/5-降冰片烯-2-羧酸2-羟乙酯)。有机溶剂选自由下列成分组成的群组：3-甲氧基丙酸甲酯、3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇甲醚乙酸酯、环己酮、2-庚酮、正丁醇和乙酸乙酯。
光可吸收性薄膜借助使用包括有机聚合化合物、光酸产生剂以及有机溶剂的组成物而形成，该有机聚合化合物可以被约193nm波长的光吸收。所述形成光可吸收性薄膜的步骤包括：将该组成物施用在基板上；且在约90℃到约150℃的温度烘烤该组成物约30秒到约180秒。该有机聚合化合物可以包括芳香基团。该有机聚合化合物是聚(丙烯酸/2，2，3，4，4，4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯)。
在一些实施例中，有机溶剂为选自由下列成分组成的群组的C4-C8醇类化合物：1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1，2-二甲基-1-丙醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基戊醇、3-甲基戊醇、4-甲基戊醇、1，3-二甲基丁醇、1，2-二甲基丁醇、庚醇和辛醇。
在一些实施例中，以范围从约10mJ/cm2到约200mJ/cm2的曝光能量执行所述不使用曝光掩模的曝光工序。
底层由选自下述群组的材料形成，所述群组由字线形成材料、位线形成材料以及金属线形成材料组成。
所述形成硬掩模图案的步骤包括：在底层上形成硬掩模层；在该硬掩模层上形成光阻膜；使用曝光掩模在该光阻膜上执行曝光和显影工序以形成光阻图案；使用该光阻图案作为掩模蚀刻该硬掩模层以形成硬掩模图案；以及去除该光阻图案。
在另一实施例中，一种用于制造半导体器件的细微图案的方法包括：在底层上形成具有第一间距和厚度t1的硬掩模图案，该硬掩模图案包括第一结构和第二结构，该底层设置在半导体基板上。在该硬掩模图案和该底层上形成具有厚度t2的光可穿透性薄膜。在该光可穿透性薄膜上形成光可吸收性薄膜，该光可吸收性薄膜具有基本上为平面的上表面。在不使用曝光掩模的情况下，在该光可吸收性薄膜、该光可穿透性薄膜和该硬掩模图案上执行曝光工序，该曝光工序涉及控制曝光能量的量以使光达到深度T，该深度从设置在硬掩模图案上的光可穿透性薄膜的顶面测量到底层的顶面，其中t2＜T≤t1+t2。之后，执行显影工序以形成设置在该硬掩模图案的第一和第二结构之间的额外图案，该额外图案包括光可穿透性薄膜的一部分和光可吸收性薄膜的一部分。使用该硬掩模图案和该额外图案作为蚀刻掩模来蚀刻底层，该底层提供具有第二间距的底层图案，其中该第二间距小于该第一间距。光可穿透性薄膜形成为与硬掩模图案的第一结构和第二结构共形，以至于形成于光可穿透性薄膜上的光可吸收性薄膜以这样的间距延伸在硬掩模图案的上表面下方，该间距限定在硬掩模图案的第一和第二结构之间。
附图说明
图1a至图1f为横截面图，示出根据本发明实施例的用于制造
半导体器件的方法。
图2为从根据本发明实施例的合成实例1所获得的有机聚合化合物的NMR光谱。
图3为从根据本发明实施例的合成实例2所获得的有机聚合化合物的NMR光谱。
图4为从根据本发明实施例的实例3所获得的细微图案的SEM
照片。
具体实施方式
图1a至图1f为横截面图，示出根据本发明实施例的用于制造半导体器件的方法。
第一底层13和第二底层15在具有下部结构(见图1a)的半导体基板11上形成。第一底层13和第二底层15每个可以是字线、位线或金属线。
具有厚度t1的硬掩模图案17形成于第二底层15上，而具有作为光刻工序的极限的最小间距(A)。
硬掩模图案17如下形成。硬掩模层(未示出)形成于第二底层15上，以将光阻膜(未示出)涂在该硬掩模层上。硬掩模层形成材料选自下述群组，所述群组由多晶硅、氧化物膜、氮化物膜、金属及其组合组成。曝光掩模置于光阻膜上。光阻图案(未示出)借助使用曝光掩模的曝光和显影工序而形成。使用光阻图案作为蚀刻掩模来蚀刻硬掩模层以形成硬掩模图案17。之后去除该光阻图案。
参见图1b，光可穿透性薄膜19在包括硬掩模图案17的所产生结构上以共形方式形成为具有厚度t2。光可穿透性薄膜19由这样的组成物形成，该组成物包括可以被约193nm波长的光穿透的有机聚合化合物。例如，用于ArF的各种光阻聚合物。在一些实施例中，该组成物包括以按重量计100份的有机聚合化合物为基础、量的范围按重量计从0.5到5份的光酸产生剂和量的范围从1000到8000的有机溶剂。该组成物以约1000rpm到约5000rpm的速度旋涂，且在约90℃到约150℃温度烘烤约30秒到约180秒。
在本发明的一些实施例中，任何用于ArF的光阻聚合物都可以用作有机聚合化合物。该有机聚合物是聚(第三丁基丙烯酸酯/顺丁烯二酐/5-降冰片烯-2-羧酸第三丁酯/5-降冰片烯-2-羧酸2-羟乙酯)。
光酸产生剂选自由下列成分所组成的群组：二苯基碘六氟磷酸盐、二苯基碘六氟砷酸盐、二苯基碘六氟锑酸盐、二苯基对甲氧基苯基三氟甲磺酸盐、二苯基对亚苄基三氟甲磺酸盐、二苯基对异丁基苯基三氟甲磺酸盐、六氟砷酸三苯基锍盐、六氟锑酸三苯基锍盐、三氟甲磺酸三苯基锍盐、三氟甲烷磺酸三苯基锍盐以及二丁基萘基三氟甲磺酸盐。
有机溶剂选自由下列成分组成的群组：3-甲氧基丙酸甲酯、3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇甲醚乙酸酯、环己酮、2-庚酮、正丁醇和乙酸乙酯。
参见图1c，光可吸收性薄膜21形成在光可穿透性薄膜19上。光可吸收性薄膜21设有基本上为平面的上表面。
光可吸收性薄膜21由这样的组成物形成，该组成物包括可以被约193nm波长的光吸收的有机聚合化合物。该组成物可以进一步包括以按重量计100份的有机聚合化合物为基础、量的范围按重量计从0.5到5份的光酸产生剂和量的范围从1000到8000的有机溶剂。该组成物以约1000rpm到约5000rpm的速度旋涂，且在约90℃到约150℃的温度烘烤约30秒到约180秒。
可以使用任何这样的聚合物作为有机聚合化合物，即该聚合物包括可以吸收约193nm波长光的正型芳香基团。该有机聚合化合物是聚(丙烯酸/2，2，3，4，4，4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯)。至于光酸产生剂，可以使用与光可穿透性薄膜19所用材料相同的材料。
根据本发明的实施例，在用于形成光可吸收性薄膜21的组成物中所包含的有机溶剂不会溶解光可穿透性薄膜19。该有机溶剂是选自由如下成分组成的群组的C4-C8醇类化合物：1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1，2-二甲基-1-丙醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基戊醇、3-甲基戊醇、4-甲基戊醇、1，3-二甲基丁醇、1，2-二甲基丁醇、庚醇和辛醇。
以范围从约10mJ/cm2到约200mJ/cm2的曝光能量执行不使用曝光掩模的曝光工序，以使曝光的光达到深度T，该深度从设置在硬掩模图案17上的光可穿透性薄膜19的顶面测量到底层15的顶面，其中t2＜T≤t1+t2。
可以由所属技术领域的普通技术人员根据曝光器调整曝光能量的量并调节曝光时间。
所产生的结构在约90℃到约150℃温度烘烤约30秒到约180秒。采用约2.38wt％(按重量百分比计)的TMAH水溶液作为显影溶液执行显影工序。
参见图1d，作为显影工序的结果，曝光硬掩模图案17以形成有机掩模图案，该有机掩模图案包括沉积在硬掩模图案17之间的光可穿透性薄膜19和光可吸收性薄膜21。
同时，对于形成光可穿透性薄膜19和光可吸收性薄膜21的工序，重复曝光工序和显影工序以获得更细微的图案。
参见图1e，采用硬掩模图案17和有机掩模图案蚀刻第二底层15以形成底层图案，其中该有机掩模图案包括光可穿透性薄膜19和光可吸收性薄膜21。
在一些实施例中，底层图案在具有最小间距(A)的图案之间形成。所产生的图案形成为具有小于最小间距(A)的间距(A/2)。在本实施例中，所产生的图案具有大约为最小间距的一半的间距。
执行清洗工序以去除第二底层15的图案上的有机掩模图案以及硬掩模图案17，其中该有机掩模图案包括光可穿透性薄膜19和光可吸收性薄膜21。
合成实例1.用于形成光可穿透性薄膜19的有机聚合化合物的合成
聚(第三丁基丙烯酸酯/顺丁烯二酐/5-降冰片烯-2-羧酸第三丁酯/5-降冰片烯-2-羧酸2-羟乙酯)的合成
将第三丁基丙烯酸酯(30g)、顺丁烯二酐(10g)、5-降冰片烯-2-羧酸第三丁酯(12.05g)以及5-降冰片烯-2-羧酸2-羟乙酯(7.47g)与偶氮二异丁腈(AIBN)(1.2g)混合作为聚合起始物且丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)(157g)作为聚合溶剂。所产生的混合物在约67℃温度反应约12小时，且在正己烷中沉淀并脱水以获得产率约48％(见图2)的有机聚合化合物。
合成实例2.用于形成光可吸收性薄膜21的有机聚合化合物的合成
聚(丙烯酸/2，2，3，4，4，4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯)的合成
将丙烯酸(4.2g)、2，2，3，4，4，4-六氟丁基甲基丙烯酸酯(14g)、第三丁基丙烯酸酯(14g)以及苯乙烯(8.26g)与偶氮二异丁腈(AIBN)(4g)混合作为聚合起始物且丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)(145g)作为聚合溶剂。所产生的混合物在约67℃温度反应约12小时，且在正己烷中沉淀并脱水以获得产率约82％(见图3)的有机聚合化合物。
实例1.用于光可穿透性薄膜19的组成物的形成
将从合成实例1得到的有机聚合化合物(10g)和三氟甲磺酸三苯基锍盐(0.3g)溶解在丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)(400g)中，以获得用于光可穿透性薄膜19的组成物。
实例2.用于光可吸收性薄膜21的组成物的形成
将从合成实例2得到的有机聚合化合物(10g)和三氟甲磺酸三苯基锍盐(0.3g)溶解在正丁醇(132g)中，以获得用于光可吸收性薄膜21的组成物。
实例3.细微图案的形成
将从实例1获得的组成物以约2000rpm的速度旋涂在半导体基板上，该基板包括具有约80nm多晶硅的线/距图案。所产生的结构在约130℃温度烘烤约90秒，从而以共形方式获得具有约50nm厚度的光可穿透性薄膜19。
将从实例2获得的组成物以约2000rpm的速度旋涂在所产生的结构上。所产生的结构在约170℃温度烘烤约90秒，从而以平面方式获得具有从光可穿透性薄膜19起约150nm厚度的光可吸收性薄膜21。
在所产生的结构上使用ArF曝光器以约50mJ/cm2的曝光能量执行没有任何曝光掩模的曝光工序。所产生的结构在约173℃温度烘烤约90秒，并且使用约2.38wt％的TMAH水溶液显影以获得约50nm的细微图案(见图4)。
如上所述，根据本发明的实施例，可以借助一般的曝光器使用具有双沉积结构的有机聚合物膜形成具有超过光刻极限的间距的细微图案。而且，可以重复上述方法多次以得到更细微的图案。
本发明的上述实施例是示例性的而非限制性的。各种替代形式及等同实施例都是可行的。鉴于所公开的内容，其它的增加、减少或修改是显而易见的，并且本发明旨在使上述增加、减少或修改落入所附权利要求书所限定的保护范围内。
本申请要求2006年9月8日提交的韩国专利申请
No.10-2006-86873的优先权，该韩国专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
Claims (19)
1.一种用于制造半导体器件的细微图案的方法，所述方法包括：
在底层上形成具有第一间距和厚度t1的硬掩模图案，所述硬掩模图案包括第一结构和第二结构，所述底层设置在半导体基板上；
在所述硬掩模图案和所述底层上形成具有厚度t2的光可穿透性薄膜；
在所述光可穿透性薄膜上形成光可吸收性薄膜，所述光可吸收性薄膜具有基本为平面的上表面；
在不使用曝光掩模的情况下，在所述光可吸收性薄膜、所述光可穿透性薄膜和所述硬掩模图案上执行曝光工序，所述曝光工序涉及控制曝光能量的量以使光达到深度T，所述深度从设置在所述硬掩模图案上的所述光可穿透性薄膜的顶面测量到所述底层的顶面，其中t2＜T≤t1+t2；
之后，执行显影工序以形成设置在所述硬掩模图案的所述第一和第二结构之间的额外图案，所述额外图案包括所述光可穿透性薄膜的一部分和所述光可吸收性薄膜的一部分；以及
使用所述硬掩模图案和所述额外图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述底层，所述底层提供具有第二间距的底层图案，其中所述第二间距小于所述第一间距。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括重复所述形成光可穿透性薄膜到所述执行显影工序的步骤至少两次。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述第一间距是所述第二间距的约2倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述硬掩模图案由选自下述群组的材料形成，所述群组由多晶硅、氧化物膜、氮化物膜、金属及其组合组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述光可穿透性薄膜借助使用包括有机聚合化合物、光酸产生剂以及有机溶剂的组成物而形成，其中所述有机聚合化合物可以被约193nm波长的光穿透。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述形成光可穿透性薄膜的步骤进一步包括：
将所述组成物施用在基板上；以及
在约90℃到约150℃的温度烘烤所述组成物约30秒到约180秒。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述有机聚合化合物是聚(第三丁基丙烯酸酯/顺丁烯二酐/5-降冰片烯-2-羧酸第三丁酯/5-降冰片烯-2-羧酸2-羟乙酯)。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，
所述有机溶剂选自由下列成分组成的群组：3-甲氧基丙酸甲酯、3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇甲醚乙酸酯、环己酮、2-庚酮、正丁醇和乙酸乙酯。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述光可吸收性薄膜借助使用包括有机聚合化合物、光酸产生剂以及有机溶剂的组成物而形成，其中所述有机聚合化合物可以被约193nm波长的光吸收。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述形成光可吸收性薄膜的步骤进一步包括：
将所述组成物施用在基板上；以及
在约90℃到约1 50℃的温度烘烤所述组成物约30秒到约180秒。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述有机聚合化合物包括芳香基团。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述有机聚合化合物是聚(丙烯酸/2，2，3，4，4，4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯)。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，
所述有机溶剂是选自由下列成分组成的群组的C4-C8醇类化合物：1-丁醇、2-丁醇、2-甲基-1-丙醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基-1-丁醇、3-甲基-1-丁醇、1，2-二甲基-1-丙醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、2-甲基戊醇、3-甲基戊醇、4-甲基戊醇、1，3-二甲基丁醇、1，2-二甲基丁醇、庚醇和辛醇。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，
以范围从约10mJ/cm2到约200mJ/cm2的曝光能量执行所述不使用曝光掩模的曝光工序。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述底层由选自下述群组的材料形成，所述群组由字线形成材料、位线形成材料以及金属线形成材料组成。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述形成硬掩模图案的步骤包括：
在所述底层上形成硬掩模层；
在所述硬掩模层上形成光阻膜；
使用曝光掩模在所述光阻膜上执行曝光和显影工序以形成光阻图案；
使用所述光阻图案作为掩模蚀刻所述硬掩模层以形成硬掩模图案；以及
去除所述光阻图案。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述光可穿透性薄膜形成为与所述硬掩模图案的所述第一和第二结构共形，以至于形成于所述光可穿透性薄膜上的光可吸收性薄膜以这样的间距延伸在所述硬掩模图案的上表面下方，所述间距限定在所述硬掩模图案的所述第一和第二结构之间。
18.一种半导体器件，包括：
半导体基板；
至少一个底层，其设置在所述半导体基板上；
至少二个硬掩模图案，其形成于所述底层上并且具有厚度t1；
光可穿透性薄膜，其形成于所述硬掩模图案和所述底层上并且具有厚度t2；以及
光可吸收性薄膜，其形成于所述光可穿透性薄膜上，
其中，借助曝光工序和显影工序处理所产生的结构，以形成至少一个设置在所述硬掩模图案之间的额外图案，每个所述额外图案包括叠层图案，所述叠层图案包括所述光可穿透性薄膜的一部分和所述光可吸收性薄膜的一部分，所述曝光工序控制曝光能量的量以使曝光的光达到深度T，所述深度从所述光可穿透性薄膜的顶面测量到所述底层的顶面，其中t2＜T≤t1+t2，
其中，使用所述硬掩模图案和所述额外图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述底层以形成底层图案。
19.根据权利要求18所述的半导体器件，其中，
所述硬掩模图案之间的间距约为A，且一个硬掩模图案和一个额外图案之间的间距约为A/2。
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