CN111279271A - 含硅氧烷型添加剂的组合物用于在处理具有50nm或更小的线性空间尺寸的图案化材料时避免图案塌陷的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包含有机溶剂和至少一种特定硅氧烷型添加剂的非水性组合物用于处理包含具有50nm或更小的线性空间尺寸及4或大于4的纵横比的图案的基板的用途,以及一种用于制造集成电路器件、光学器件、微机械和机械精密器件的方法,所述方法包括以下步骤:(1)提供具有图案化材料层的基板,所述层具有50nm的线性空间尺寸、大于或等于4的纵横比或其组合,(2)使基板与非水性组合物接触至少一次,和(3)自与基板的接触中移除非水性组合物,其中所述非水性组合物包含有机溶剂及所述硅氧烷型添加剂中的至少一种。
Description
本发明涉及组合物用于制造集成电路器件、光学器件、微机械和机械精密器件的用途,尤其涉及避免图案塌陷。
发明背景
在制造具有LSI、VLSI和ULSI的IC的方法中,通过光刻技术制备图案化材料层,如图案化光致抗蚀剂层;含有氮化钛、钽或氮化钽或由其组成的图案化阻隔材料层;含有例如交替多晶硅及二氧化硅层或氮化硅层的堆栈或由其组成的图案化多堆栈材料层;含有二氧化硅或低k或超低k介电材料或由其组成的图案化介电材料层。现如今,该图案化材料层包含具有甚至低于22nm尺寸及高纵横比的结构。
无关于曝光技术,小图案的湿式化学处理无论如何涉及多个问题。由于技术发展且尺寸要求变得越来越严格,因此在基板上需要图案包括相对较薄且较高的器件结构的结构或零件(feature),即具有高纵横比的零件。由于从化学冲洗和离心干燥工艺中残留且位于相邻图案化结构之间的冲洗液体去离子水的液体或溶液的过度毛细管力,这些结构可能发生弯曲和/或塌陷,特别是在离心干燥工艺期间。
在过去,根据Namatsu等的Appl.Phys.Lett.66(20),1995,这些问题通过减小由毛细管力所导致的小零件之间的最大应力σ来解决:
其中γ为流体的表面张力,θ为零件材料表面上的流体的接触角,D为零件之间的距离,H为零件的高度,且W为零件的宽度。因此,为了降低最大应力,在过去,方法聚焦于降低流体的表面张力γ或增大零件材料表面上的流体的接触角或二者。
由于尺寸收缩,为获得无缺陷的图案化结构而进行的颗粒和等离子体蚀刻残余物的移除也变成了一个关键因素。这不仅适用于光致抗蚀剂图案,而且适用于其他图案化材料层,这些层是在制造光学器件、微机械和机械精密器件期间生成的。
WO2012/027667A2公开了一种通过使具有高纵横比零件的表面与添加剂组合物接触以产生经改性表面来改性具有高纵横比零件的表面的方法,其中当冲洗溶液与经改性表面接触时将作用于高纵横比零件的力充分地降至最低以至少在移除冲洗溶液期间或至少在干燥高纵横比零件期间防止高纵横比零件弯曲或塌陷。经改性表面应具有在约70-约110°的接触角。除多种其他类型的酸、碱、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和两性离子表面活性剂以外,还公开了一些硅氧烷型表面活性剂。描述了包括水在内的各种溶剂。
WO2014/091363A1公开了包含与具有10-35mN/m的表面张力的表面活性剂组合的疏水剂的水基组合物,该表面活性剂除其他类型的表面活性剂以外还可为硅氧烷型表面活性剂。所述水基组合物优选不含有机溶剂。
然而,这些组合物仍会发生亚22nm结构的高图案塌陷。特别地,不受任何理论的束缚,本发明人发现,用去离子水测量的约70-约110°的接触角不足以描述干燥期间的溶剂基体系中的毛细管力,这是因为Namatsu的理论相关性仅在相同溶剂体系中有效。此外,式(1)仅描述了干燥期间的毛细管力,忽略了干燥期间的塌陷/弯曲结构之间的潜在化学反应以及塌陷结构的弹性回缩力。因此,本发明人相信,图案塌陷也可通过防止塌陷结构之间的不可逆的粘附力来防止。
本发明的目的是提供一种制造用于50nm和更小的节点,特别是32nm和更小的节点,尤其是22nm和更小的节点的集成电路的方法,该方法不再具有现有技术制造方法的缺点。
特别地,本发明的化合物应允许化学冲洗包含具有高纵横比和50nm和更小,特别是32nm和更小,尤其是22nm和更小的线性空间尺寸的图案的图案化材料层而不造成图案塌陷。
发明概述
不受任何理论的束缚,本发明基于以下发现:聚焦于流体的低表面张力γ和零件材料表面上的流体的高接触角θ是在面对越来越收缩的零件时不起作用的方法。
当现有技术聚焦于在水中具有高接触角的表面活性剂时,本发明人现发现,水中的接触角对表面活性剂减少图案塌陷的能力不具有或具有很小的影响。甚至相反地,本发明人发现,组合物应为非水性的以便具有增加的抗图案塌陷性能。
本发明通过使用包含与如本文所述的硅氧烷型非离子添加剂组合的有机溶剂的非水性组合物来完全避免现有技术的所有缺点。
本发明的第一实施方案为包含有机溶剂和至少一种式I-IV的添加剂的非水性组合物用于处理包含具有50nm或更小的线性空间尺寸以及4和更大的纵横比的图案的基板的用途:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,
n为0、1或2,
e、u、v为独立地选自0-5的整数,
b、d、w为独立地选自0-6的整数,
a、c、x为独立地选自1-22的整数,
y为1-5的整数,
R10、R12独立地选自H或C1-C10烷基,且
R11选自H或C1-C10烷基。
本发明的另一实施方案为一种制造集成电路器件、光学器件、微机械和机械精密器件的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)提供具有图案化材料层的基板,所述层具有50nm和更小的线性空间尺寸、大于或等于4的纵横比或其组合,
(2)使基板与如前述权利要求中任一项所定义的非水性组合物接触至少一次,和
(3)自与基板的接触中移除非水性组合物。
与硅氧烷型非离子添加剂组合的有机溶剂,优选极性质子有机溶剂的用途特别适用于包含具有50nm或更小,特别是32nm或更小,最特别是22nm或更小的线性空间尺寸的图案的图案化显影光致抗蚀剂层。
此外,包含与本发明的硅氧烷型非离子添加剂组合的有机溶剂的非水性组合物的用途特别适用于大于或等于4的纵横比且不导致图案塌陷。
必须指出的是,包含与本发明的硅氧烷型非离子添加剂组合的有机溶剂的清洁溶液一般可用于避免光致抗蚀剂结构的图案塌陷以及具有高纵横比堆栈(HARS)的非光致抗蚀剂图案,特别是含有包含交替多晶硅及二氧化硅或氮化硅层的堆栈或由其组成的图案化多堆栈材料层的图案塌陷。
发明详述
本发明涉及一种特别适于制造包含亚50nm尺寸零件的图案化材料如集成电路(IC)器件、光学器件、微机械和机械精密器件,特别是IC器件的组合物。
用于制造IC器件、光学器件、微机械和机械精密器件的任何常规和已知的基板均可用于本发明的方法。基板优选为半导体基板,更优选为硅晶片,所述晶片通常用于制造IC器件,特别是包含具有LSI、VLSI和ULSI的IC的IC器件。
所述组合物特别适于处理具有图案化材料层的基板,所述层具有50nm和更小,特别是32nm和更小,尤其是22nm和更小的线性空间尺寸,即用于亚22nm技术节点的图案化材料层。图案化材料层优选具有高于4,优选高于5,更优选高于6,甚至更优选高于8,甚至更优选高于10,甚至更优选高于12,甚至更优选高于15,甚至更优选高于20的纵横比。线性空间尺寸越小和纵横比越高,则本文所述组合物的应就越有利。
只要结构由于其几何形状而倾向于塌陷,则可将本发明的组合物施加至具有任何图案化材料的基板。
例如,图案化材料层可为:
(a)图案化的氧化硅或氮化硅涂覆的Si层,
(b)含有钌、钴、氮化钛、钽或氮化钽或由其组成的图案化阻隔材料层,
(c)含有选自如下组的至少两种不同材料的层或由其组成的图案化多堆栈材料层:硅、多晶硅、二氧化硅、低k和超低k材料、高k材料、除硅和多晶硅以外的半导体以及金属,和
d)含有二氧化硅或低k或超低k介电材料或由其组成的图案化介电材料层。
有机溶剂
所述抗图案塌陷组合物包含有机溶剂,优选极性质子有机溶剂。
令人惊讶地发现,即使低量的水也可能影响本发明组合物的抗图案塌陷能力的性能。因此,重要的是,所述组合物,基本上存在于本发明组合物中的有机溶剂是非水性的。除非通过干燥移除,否则由于其吸湿性,IPA通常具有相当大量的残余水。
本文所用的“非水性”意指所述组合物仅可含有至多约1重量%的低量水。所述非水性组合物优选包含小于0.5重量%,更优选小于0.2重量%,甚至更优选小于0.1重量%,甚至更优选小于0.05重量%,甚至更优选小于0.02重量%,甚至更优选小于0.01重量%,甚至更优选小于0.001重量%的水。最优选地,所述组合物中基本上不存在水。此处,“基本上”意指存在于组合物中的水就待处理的基板的图案塌陷而言对非水性溶液中的添加剂的性能不具有显著的影响。
有机溶剂必须具有足够低的沸点,以便通过加热移除而不负面影响用所述组合物处理的基板。对于典型的基板,有机溶剂的沸点应为150℃或更低,优选100℃或更低。
优选地,所述溶剂基本上由一种或多种有机溶剂组成,其可为质子或非质子有机溶剂。优选为一种或多种极性质子有机溶剂,最优选为单一极性质子有机溶剂。
本文所用的“极性非质子有机溶剂”为具有1.7或更高的偶极矩的不具有酸性氢(即,不含有或无法给予氢离子)的有机溶剂。
典型的极性非质子有机溶剂为但不限于:(a)酮,例如但不限于丙酮;(b)内酯,例如但不限于γ-丁内酯;(c)内酰胺,例如但不限于N-甲基-2-吡咯烷酮;(d)腈,例如但不限于乙腈;(e)硝基化合物,例如但不限于硝基甲烷;(f)叔羧酸酰胺,例如但不限于二甲基甲酰胺;(g)脲衍生物,例如但不限于四甲基脲或二甲基亚丙基脲(DMPU);(h)亚砜,例如但不限于二甲亚砜(DMSO);(i)砜,例如但不限于环丁砜;(h)碳酸酯,例如但不限于二甲基碳酸酯或碳酸亚乙酯。
本文所用的“极性质子有机溶剂”为包含酸性氢(即可给予氢离子)的有机溶剂。
典型的极性质子有机溶剂为但不限于:(a)醇,例如但不限于甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇(异丙醇)或丁醇;(b)伯或仲胺、羧酸,例如但不限于甲酸或乙酸;或(c)伯或仲酰胺,例如但不限于甲酰胺。
优选的有机溶剂为包含至少一个羟基的直链、支化或环状脂族醇,特别是直链或支化链烷醇。优选的链烷醇为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇和丁醇。最优选为异丙醇。
式I的添加剂
在本发明的一个实施方案中,本发明的非离子添加剂(也称为添加剂或硅氧烷)可选自式I:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、丙基或丁基,最优选甲基,
e为选自0-5的整数,优选0、1或2,最优选0或1,
b、d为独立地选自0-6的整数,优选0或1-3,最优选0、1或2,
a、c为独立地选自1-22,优选3-20,最优选5-15的整数,
R10、R12独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、乙基、丙基或丁基,最优选甲基,且
R11选自H或C1-C3烷基,优选H、甲基或乙基,最优选H或甲基。
在优选实施方案中,使用式I的硅氧烷,其中:
R1、R2独立地选自H、甲基或乙基,优选甲基,
e为0、1或2,优选1,
b、d为0、1或2,优选0或1,
a、c为独立地选自0-10、优选0-4的整数,
R10、R12独立地选自H、甲基或乙基,优选甲基,且
R11选自甲基或乙基,优选甲基。
式II的添加剂
在本发明的一个实施方案中,本发明的非离子添加剂(也称为添加剂或硅氧烷)可选自式II,其涵盖了所谓的三硅氧烷型和耙型硅氧烷(rake type siloxane)添加剂:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、乙基、丙基或丁基,最优选甲基或乙基,
e,为0-5的整数,优选0、1或2,最优选1,
R10、R12独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、丙基或丁基,最优选甲基或乙基。
在优选实施方案中,使用式II的硅氧烷,其中:
R1、R2为甲基,
e为0、1或2,优选1,
R10、R12独立地选自甲基或乙基,优选甲基。
式III的添加剂
在本发明的另一实施方案中,本发明的非离子添加剂(也称为添加剂)可选自式III,其涵盖了所谓的ABA型硅氧烷添加剂:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、乙基、丙基或丁基,最优选甲基或乙基,
u、v为独立地选自0-5的整数,优选0、1、2或3,最优选0或1,
w为0-6的整数,优选0或1-3,最优选0、1或2,
x为1-22、优选2-20、最优选5-15的整数,
y为1-5的整数,优选1或2,最优选1,
R10、R12独立地选自H或C1-C10烷基,优选H、甲基、乙基、丙基或丁基,最优选甲基或乙基,且
R11选自H、甲基或乙基,优选H或甲基,最优选H。
在优选实施方案中,式III的硅氧烷为如下的那些,其中:
R1、R2为甲基或乙基,优选甲基,
u、v为0或1,优选0,
w为0或3,优选3,
x为2-20、优选5-15的整数,
y为1或2,优选1,
R10、R12独立地选自甲基或乙基,优选甲基,且
R11选自H或甲基,优选H。
式IV的添加剂
在本发明的另一实施方案中,本发明的非离子添加剂(也称为添加剂)可选自式IV:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,优选甲基、乙基、丙基或丁基,最优选甲基或乙基,且
n为0、1或2,优选0或1,最优选1。
在优选实施方案中,所述至少一种添加剂为式IV的环状硅氧烷,其中:
n为1,且
R1、R2相同的或不同且选自甲基、乙基、丙基或丁基。
式I-IV的硅氧烷化合物可在市场上例如以商品名SilwetTM和TegoprenTM获得。
所述非水性溶液中的式I、II、III和IV的添加剂的浓度通常可为约0.00005-约3重量%。添加剂的浓度优选为约0.00005-约1.0重量%,更优选约0.0005-约0.5重量%,甚至更优选0.0005-0.1重量%,甚至更优选0.001-0.1重量%,最优选0.002-0.1重量%,其中重量百分比基于组合物的总重量。
所述组合物中可存在一种或多种添加剂,然而,优选仅使用一种式I、II、III或IV的添加剂。所述非水性组合物优选仅由超纯水和一种式I、II、III或IV的添加剂组成。
所述组合物最优选由单一有机溶剂和单一式I、II、III或IV的添加剂组成。
然而,其他添加剂可存在于本发明的清洁溶液中。该添加剂可为:
(I)用于pH调节的缓冲组分,例如但不限于(NH4)2CO3/NH4OH、Na2CO3/NaHCO3、三羟甲基氨基甲烷/HCl、Na2HPO4/NaH2PO4或有机酸如乙酸等,甲磺酸,
(II)用于改善混合物的表面张力和溶解度的一种或多种另外的非离子或阴离子添加剂,或
(III)用于防止污垢或聚合物的移除颗粒的表面再附着的分散剂。
根据本发明的方法,包含两种不同类型的添加剂的非水性溶液可用于不同目的和目标。因此,其可用作用于在透过掩模用光化光照射期间浸没光致抗蚀剂的浸没液体,用作用于透过掩模曝光于光化辐射的光致抗蚀剂层的显影剂溶液,用作用于冲洗图案化材料层的化学冲洗溶液。
在一个实施方案中,发现了用于制造集成电路器件、光学器件、微机械和机械精密器件的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)提供具有图案化材料层的基板,所述层具有50nm和更小的线性空间尺寸和大于或等于4的纵横比,
(2)使基板与含有如本文所述的至少一种硅氧烷添加剂的非水性溶液接触至少一次,和
(3)自与基板的接触中移除水溶液。
在本发明的方法的第三步骤中,自与基板的接触中移除非水性溶液。可采用通常用于从固体表面移除液体的任何已知方法。
基板优选由光刻方法提供,该方法包括以下步骤:
(i)使基板具备有浸没光致抗蚀剂、EUV光致抗蚀剂或电子束光致抗蚀剂层,
(ii)在存在或不存在浸没液体的情况下透过掩模使光致抗蚀剂层曝光于光化辐射,
(iii)用显影剂溶液使经曝光的光致抗蚀剂层显影以获得具有32nm和更小的线性空间尺寸及10或更大的纵横比的图案,
(iv)将本文所述的非水性组合物施加至经显影的图案化光致抗蚀剂层,和
(v)在施加非水性组合物之后,离心干燥半导体基板。
可使用任何常规和已知的浸没光致抗蚀剂、EUV光致抗蚀剂或电子束光致抗蚀剂。浸没光致抗蚀剂可已含有至少一种硅氧烷添加剂或其组合。此外,浸没光致抗蚀剂可含有其他非离子添加剂。合适的非离子添加剂描述于例如US2008/0299487A1第6页第[0078]段中。最优选地,浸没光致抗蚀剂为正型抗蚀剂。
除约13.5nm的电子束曝光或极紫外线辐射之外,优选将具有193nm波长的UV辐射用作光化辐射。
在浸没光刻的情况下,优选将超纯水用作浸没液体。
可使用任何常规和已知的显影剂溶液来使经曝光的光致抗蚀剂层显影。优选使用含有氢氧化四甲铵(TMAH)的显影剂水溶液。
优选将化学冲洗溶液施加至作为胶泥(puddle)的经曝光和显影的光致抗蚀剂层。
对于根据本发明方法的光刻工艺而言至关重要的是,化学冲洗溶液含有至少一种硅氧烷添加剂。
常用于半导体工业的常规和已知的设备可用于实施根据本发明方法的光刻工艺。
实施例
实施例1
使用具有圆形纳米柱图案的图案化硅晶片来确定干燥期间的配制剂的图案塌陷性能。用于测试的(纵横比)AR 20柱具有600nm的高度和30nm的直径。间距尺寸为90nm。在其间不进行干燥的情况下按以下顺序进行处理1×1cm晶片片段:
■30s稀氢氟酸(DHF)0.5%浸渍,
■60s超纯水(UPW)浸渍,
■60s异丙醇(IPA)浸渍,
·在室温下在异丙醇中的各硅氧烷添加剂溶液的60s浸渍,
■60s IPA浸渍,
·N2吹风干燥。
实施例S1-S4的用由上至下SEM分析的干燥硅晶片和塌陷统计示于表1中。
实施例中使用以下添加剂:
其中n=13-15
3:MeOMe2SiOSiMe2 OMe
5:EtOMe2SiO(Me2SiO)8,3SiMe2 OEt
用由上至下的SEM分析干燥硅晶片。
由SEM照片确定图案塌陷簇尺寸分布。簇尺寸对应于组成相应簇的未塌陷柱的数目。例如,如果处理前的晶片包含4×4柱且8个保持未塌陷、4个塌陷成包含2个柱的两个簇且4个柱塌陷成包含4个柱的一个簇,则比值应为8/11单个簇、2/11双重簇和1/11具有四个柱的簇。
表1
表1显示,相较于无任何添加剂的溶液,添加剂1-4对图案塌陷的程度具有有益效果。
实施例2
为了确定有机溶剂中的水的效果,使用具有圆形纳米柱图案的图案化硅晶片来确定干燥期间的配制剂的图案塌陷性能。用于测试的(纵横比)AR22柱具有550nm的高度和25nm的直径。间距尺寸为90nm。在其间不进行干燥的情况下按以下顺序进行处理1×1cm晶片片段:
·30s稀氢氟酸(DHF)0.5%浸渍,
■60s超纯水(UPW)浸渍,
■60s异丙醇(IPA)浸渍,
■在室温下在异丙醇中的各硅氧烷添加剂溶液的60s浸渍,
■60s IPA浸渍,
■N2吹风干燥。
用由上至下的SEM分析干燥硅晶片。如上文所述由SEM照片确定图案塌陷簇尺寸分布。
结果示于表2中。
表2
表2显示,相较于1%含水量,低于0.01%的低量水导致了较低程度的塌陷柱。
Claims (15)
2.如权利要求1所述的用途,其中所述有机溶剂为极性质子有机溶剂。
3.如权利要求1所述的用途,其中所述有机溶剂为直链或支化C1-C10烷链烷醇。
4.如权利要求3所述的用途,其中所述有机溶剂为异丙醇。
5.如前述权利要求中任一项所述的用途,其中所述非水性组合物中的水含量低于0.1重量%。
6.如前述权利要求中任一项所述的用途,其中所述非水性组合物基本上由所述有机溶剂和式I、II、III或IV的所述至少一种添加剂组成。
7.如前述权利要求中任一项所述的用途,其中式I、II、III或IV的所述至少一种添加剂以0.001-0.1重量%的浓度存在。
8.如前述权利要求中任一项所述的用途,其中所述至少一种添加剂为式I化合物,其中:
R1、R2独立地选自H、甲基或乙基,
e为0、1或2,
b、d为0、1或2,
a、c为独立地选自1-22的整数,
R10、R12独立地选自H、甲基或乙基,且
R11选自甲基或乙基,优选甲基。
9.如权利要求1-7中任一项所述的用途,其中所述至少一种添加剂为式II化合物,其中:
R1、R2为甲基,
e为0、1或2,且
R10、R12独立地选自甲基或乙基。
10.如权利要求1-7中任一项所述的用途,其中所述至少一种添加剂为式III化合物,其中:
R1、R2为甲基或乙基,
u、v为0或1,
w为0或3,
x为2-25的整数,
y为1或2,
R10、R12独立地选自甲基或乙基,且
R11选自H或甲基。
11.如权利要求1-7中任一项所述的用途,其中所述至少一种添加剂为式IV化合物,其中:
n为1,且
R1、R2相同的或不同且选自甲基、乙基、丙基和丁基。
12.一种用于制造集成电路器件、光学器件、微机械和机械精密器件的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)提供具有图案化材料层的基板,所述层具有50nm的线性空间尺寸、大于或等于4的纵横比或其组合,
(2)使基板与非水性组合物接触至少一次,和
(3)自与基板的接触中移除所述非水性组合物,
其中所述非水性组合物包含有机溶剂和至少一种式I-IV的添加剂:
其中:
R1、R2独立地选自H或C1-C10烷基,
n为0、1或2,
e、u、v为独立地选自0-5的整数,
b、d、w为独立地选自0-6的整数,
a、c、x为独立地选自1-22的整数,
y为1-5的整数,
R10、R12独立地选自H或C1-C10烷基,且
R11对于各a、c和x独立地选自H、甲基和乙基,
且其中式I、II、III或IV的所述至少一种添加剂以约0.00005-约1.0重量%的浓度存在,基于该组合物的总重量。
13.如权利要求12所述的方法,其中所述图案化材料层具有32nm和更小的线性空间尺寸及10或更大的纵横比。
14.如权利要求12或13所述的方法,其中所述图案化材料层选自如下组:图案化显影光致抗蚀剂层、图案化阻隔材料层、图案化多堆栈材料层和图案化介电材料层。
15.如权利要求12-14中任一项所述的方法,其中基板由包括以下步骤的光刻方法提供:
(i)使基板具备有浸没光致抗蚀剂、EUV光致抗蚀剂或电子束光致抗蚀剂层,
(ii)在存在或不存在浸没液体的情况下透过掩模使光致抗蚀剂层曝光于光化辐射,
(iii)用显影剂溶液使经曝光的光致抗蚀剂层显影以获得具有50nm和更小的线性空间尺寸以及4或大于4的纵横比的图案,
(iv)将所述非水性组合物施加至经显影的图案化光致抗蚀剂层,和
(v)在施加非水性组合物之后,离心干燥半导体基板。
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