CN112666794A - 半导体光致抗蚀剂组合物和使用其形成图案的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体光致抗蚀剂组合物和使用其来形成图案的方法,半导体光致抗蚀剂组合物包含有机金属化合物和溶剂,有机金属化合物包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种。化学式1到化学式3的细节如详细描述中所定义。[化学式1]
Figure DDA0002723013000000011
,[化学式2]
Figure DDA0002723013000000012
,[化学式3]
Figure DDA0002723013000000013

Description

半导体光致抗蚀剂组合物和使用其形成图案的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求对2019年10月15日在韩国知识产权局申请的韩国专利申请第10-2019-0127958号的优先权和权益,所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种半导体光致抗蚀剂组合物和使用所述半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法。
背景技术
极紫外(extreme ultraviolet;EUV)光刻作为用于制造下一代半导体装置的一种基本技术而受到关注。EUV光刻是使用具有约13.5纳米的波长的EUV射线作为曝光光源的图案形成技术。根据EUV光刻,已知可在半导体装置的制造期间在曝光工艺中形成极精细图案(例如,小于或等于约20纳米)。
极紫外(EUV)光刻通过相容的光致抗蚀剂的显影来实现,其可在小于或等于约16纳米的空间分辨率下进行。目前,正在努力满足用于下一代装置的传统化学放大(chemically amplified;CA)光致抗蚀剂的不足规格,例如分辨率、感光速度以及特征粗糙度(或也称为线边缘粗糙度或LER(line edge roughness;LER))。
因这些聚合物型光致抗蚀剂中的酸催化反应所致的固有图像模糊限制小特征大小中的分辨率,这在电子束(electron beam;e-beam)光刻中已长期为人所知。化学放大(CA)光致抗蚀剂针对高灵敏度设计,但由于其典型元素组成降低光致抗蚀剂在约13.5纳米的波长下的光吸收且因此降低其灵敏度,所以化学放大(CA)光致抗蚀剂在EUV曝光下可能部分地具有更多困难。
此外,由于粗糙度问题,CA光致抗蚀剂可能在小特征大小方面具有困难,且在实验上,CA光致抗蚀剂的线边缘粗糙度(LER)增加,因为感光速度部分地因酸催化剂工艺的本质而降低。因此,由于CA光致抗蚀剂的这些缺陷和问题,在半导体工业中需要新颖高性能光致抗蚀剂。
为了克服化学放大(CA)光敏组合物的前述缺点,已研究了无机光敏组合物。无机光敏组合物主要用于负性图案化,所述负性图案化由于通过非化学放大机制的化学改性而具有抵抗由显影剂组合物去除的耐性。无机组合物含有具有比烃更高的EUV吸收速率的无机元素,且因此可通过非化学放大机制确保灵敏度,且此外,对随机效应更不敏感,且因此已知具有低线边缘粗糙度和较少量缺陷。
近年来,当阳离子铪金属氧化物硫酸盐(HfSOx)材料已与过氧络合剂一起用于通过投射EUV曝光使15纳米半间距(half-pitch;HP)成像时,已获得令人印象深刻的性能。然而,由于使用强腐蚀性酸的使用、储存稳定性差且难以改变结构以改进性能,所以难以处理具有过氧络合剂的金属氧化物类无机抗蚀剂。
发明内容
一实施例提供一种具有改进的灵敏度和储存稳定性的半导体光致抗蚀剂组合物。
另一实施例提供一种使用半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法。
一种根据实施例的半导体光致抗蚀剂组合物包含:有机金属化合物,包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种;以及溶剂。
[化学式1]
Figure BDA0002723012980000021
[化学式2]
Figure BDA0002723012980000022
[化学式3]
Figure BDA0002723012980000023
在化学式1到化学式3中,
R1到R5独立地为取代或未取代的C1到C20烷基、取代或未取代的C3到C20环烷基、取代或未取代的C6到C20芳基或其组合,
X1到X5独立地为-ORa或-OC(=O)Rb
Ra和Rb独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C30芳族烃基或其组合,且
Y1到Y5独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C20芳族烃基或其组合。
R1到R5可独立地为取代或未取代的C1到C10烷基、取代或未取代的C3到C10环烷基、取代或未取代的C6到C10芳基或其组合,
Ra和Rb可独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C10饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C10饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C10不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C10芳族烃基或其组合,且
Y1到Y5可独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C8饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C6饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C8不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C10亚芳基或其组合。
R1到R5可独立地为甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基或其组合,
Ra和Rb可独立地为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、乙炔基、丙炔基、丁炔基、苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基或其组合,且
Y1到Y5可独立地为单键、亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚环丁基、亚环戊基、亚环己基、亚乙烯基、亚丙烯基、亚苯基或其组合。
R1到R5可独立地为甲基、乙基、异丙基、叔丁基、苯基以及苄基中的一种,
Ra和Rb可独立地为甲基或乙基,且
Y1到Y5可独立地为单键、亚甲基以及亚乙基中的一种。
在化学式2中,R2与R3可相同,且X2到X5可均相同。
在化学式3中,R4与R5可相同,且Y4与Y5可均相同。
所述半导体光致抗蚀剂组合物可包含有机金属化合物,所述有机金属化合物包含所有由化学式1到化学式3表示的所述化合物。
按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物可包含1重量%到20重量%的由化学式1到化学式3表示的所述化合物中的至少一种。
按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物可包含1重量%到20重量%的由化学式1表示的所述化合物。
按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物可包含1重量%到20重量%的由化学式2表示的所述化合物。
按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物可包含1重量%到20重量%的由化学式3表示的所述化合物。
所述半导体光致抗蚀剂组合物可进一步包含表面活性剂、交联剂、流平剂或其组合的添加剂。
一种根据另一实施例的形成图案的方法包含:在衬底上形成蚀刻目标层;将半导体光致抗蚀剂组合物涂布在所述蚀刻目标层上以形成光致抗蚀剂层;使所述光致抗蚀剂层图案化以形成光致抗蚀剂图案;以及使用所述光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述蚀刻目标层。
可使用波长为5纳米到150纳米的光来形成所述光致抗蚀剂图案。
根据实施例的半导体光致抗蚀剂组合物具有改进的储存稳定性和灵敏度特性,且因此可提供具有改进的灵敏度和高纵横比而没有图案塌陷的光致抗蚀剂图案。
附图说明
图1到图5是用于解释根据实施例的使用半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法的横截面视图。
附图标号说明
100:半导体衬底;
102:薄层;
104:光致抗蚀剂底层;
106:光致抗蚀剂层;
106a:曝光区;
106b:未曝光区;
108:光致抗蚀剂图案;
112:有机层图案;
114:薄层图案。
具体实施方式
在下文中,将参考附图详细描述本发明的示范性实施例。然而,在本公开的描述中,为了阐明本公开的要点,将省略对已知功能或组件的描述。
为了清楚地描述本公开,省略与描述不相关的部件,且贯穿本说明书,相同附图标号是指相同或相似组件。此外,由于为描述方便起见而任选地表示图中所示出的每一组件的大小和厚度,所以本公开不限于图示。
在图中,为清楚起见夸大了层、膜、面板、区等的厚度。在图中,为清楚起见夸大了层或区等的一部分的厚度。应理解,当将一元件(例如层、膜、区或衬底)称为“在”另一元件“上”时,其可直接在另一元件上或也可存在介入元件。
如本文中所使用,“取代的”是指氢原子由以下置换:氘、卤素、羟基、氰基、硝基、-NRR'(其中,R和R'独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C30饱和或不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C30饱和或不饱和脂环族烃基,或取代或未取代的单价C6到C30芳族烃基)、-SiRR'R"(其中,R、R'以及R"独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C30饱和或不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C30饱和或不饱和脂环族烃基,或取代或未取代的单价C6到C30芳族烃基)、C1到C30烷基、C1到C10卤代烷基、C1到C10烷基甲硅烷基、C3到C30环烷基、C6到C30芳基、C1到C20烷氧基或其组合。“未取代的”是指氢原子未由另一取代基置换且保留氢原子。
如本文中所使用,当未另外提供具体定义时,“杂”是指在一个官能团中包含由N、O、S以及P中选出的1个到3个杂原子和其余碳。
如本文中所使用,当未另外提供定义时,“烷基”是指直链或支链脂族烃基。烷基可以是不具有任何双键或三键的“饱和烷基”。
烷基可以是C1到C20烷基。举例来说,烷基可以是C1到C10烷基、C1到C8烷基、C1到C6烷基或C1到C4烷基。举例来说,C1到C4烷基可以是甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基或叔丁基。
如本文中所使用,“饱和脂族烃基”是指其中分子中碳原子与碳原子之间的键由单键形成的烃基。
饱和脂族烃基可以是C1到C20饱和脂族烃基。举例来说,饱和脂族烃基可以是C1到C10饱和脂族烃基、C1到C8饱和脂族烃基、C1到C6饱和脂族烃基、C1到C4饱和脂族烃基或C1到C2饱和脂族烃基。举例来说,C1到C6饱和脂族烃基可以是甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、2,2-二甲基丙基或叔丁基。
如本文中所使用,“饱和脂环族烃基”是指包含其中分子中碳与碳原子之间的键由单键形成的环的烃基。
饱和脂环族烃基可以是C3到C10饱和脂环族烃基。举例来说,饱和脂环族烃基可以是C3到C8饱和脂环族烃基、C3到C6饱和脂环族烃基、C3到C5饱和脂环族烃基或C3或C4饱和脂环族烃基。举例来说,C3到C6饱和脂环族烃基可以是环丙基、环丁基、环戊基或环己基。
如本文中所使用,“不饱和脂族烃基”是指包含其中分子中碳原子与碳原子之间的键是双键、三键或其组合的键的烃基。
不饱和脂族烃基可以是C2到C20不饱和脂族烃基。举例来说,不饱和脂族烃基可以是C2到C10不饱和脂族烃基、C2到C8不饱和脂族烃基、C2到C6不饱和脂族烃基或C2到C4不饱和脂族烃基。举例来说,C2到C4不饱和脂族烃基可以是乙烯基、乙炔基、烯丙基、1-丙烯基、2-丙烯基、1-丙炔基、2-丙炔基、1-丁烯基、2-丁烯基、3-丁烯基、1-丁炔基、2-丁炔基以及3-丁炔基。
如本文中所使用,“不饱和脂环族烃基”是指包含环的烃基,所述环包含碳原子之间的为双键或三键的键。
不饱和脂环族烃基可以是C3到C10不饱和脂环族烃基。举例来说,不饱和脂环族烃基可以是C3到C8不饱和脂环族烃基、C3到C6不饱和脂环族烃基、C3到C5不饱和脂环族烃基或C3或C4不饱和脂环族烃基。举例来说,C3到C6不饱和脂环族烃基可以是1-环丙烯基、2-环丙烯基、1-环丁烯基、2-环丁烯基、1-环戊烯基、2-环戊烯基、3-环戊烯基、1-环己烯基、2-环己烯基以及3-环己烯基。
如本文中所使用,“芳族烃基”是指在分子中包含芳环基的烃基。
芳族烃基可以是C6到C10芳族烃基。举例来说,芳族烃基可以是苯基或萘基。
如本文中所使用,除非另外定义,否则“烯基”是指包含至少一个双键作为直链或支链脂族烃基的脂族不饱和烯基。
如本文中所使用,当未另外提供定义时,“环烷基”是指单价环状脂族烃基。
如本文中所使用,“芳基”是指其中环状取代基中的所有原子具有p-轨道且这些p-轨道是共轭的,且可包含单环或稠环多环官能团(即,共享相邻碳原子对的环)官能团的取代基。
根据本发明的实施例的半导体光致抗蚀剂组合物包含有机金属化合物和溶剂。有机金属化合物包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种。
[化学式1]
Figure BDA0002723012980000051
[化学式2]
Figure BDA0002723012980000061
[化学式3]
Figure BDA0002723012980000062
在化学式1到化学式3中,
R1到R5独立地为取代或未取代的C1到C20烷基、取代或未取代的C3到C20环烷基、取代或未取代的C6到C20芳基或其组合,
X1到X5独立地为-ORa或-OC(=O)Rb
Ra和Rb独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C30芳族烃基或其组合,且
Y1到Y5独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C20芳族烃基或其组合。
有机金属化合物可包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种。由化学式1到化学式3表示的化合物可包含锡(Sn),其在约13.5纳米处强烈吸收极紫外(ultraviolet;UV)光且因此对具有高能量的光呈现极好的灵敏度。
另一方面,由化学式1到化学式3表示的有机锡化合物在分子中包含锡(Sn)元素和二羧酸基团,且二羧酸基团中的一个与锡(Sn)元素两次键合且展示双齿配体的形式。
由于二羧酸基团与锡(Sn)元素两次键合且变成双齿配体,所以分子具有二羧酸基团围绕锡(Sn)元素的结构,且因此具有庞大得多的结构。因此,二羧酸基团起到阻挡锡(Sn)元素接触湿气的作用,且因而,包含由化学式1到化学式3表示的化合物的半导体光致抗蚀剂组合物具有较少的湿气渗透且因此具有极好的储存稳定性。
另一方面,除取代基R1到取代基R5以外,由化学式1到化学式3表示的化合物可进一步包含水解以形成Sn-O键的有机配体。这一有机配体在酸性或碱性催化剂下在存在或不存在热处理的情况下水解,且因此在有机锡化合物之间形成Sn-O-Sn键,且从而形成包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种的有机锡共聚物。水解以形成Sn-O键的有机配体可包含本领域的一般技术人员熟知的任何有机配体。举例来说,这一有机配体可包含羟基、羧基、烷氧基、卤素、(甲基)丙烯酸酯基、环氧基、氨基以及类似物,但不限于此。
R1到R5可独立地为取代或未取代的C1到C10烷基、取代或未取代的C3到C10环烷基、取代或未取代的C6到C10芳基或其组合,具体来说,其可独立地为以下中的一种:甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基或其组合,且其可合乎需要地独立地为以下中的一种:甲基、乙基、异丙基、叔丁基、苯基以及苄基。
R1到R5单独地与锡(Sn)元素键合且因此形成Sn-R键,其为化合物提供针对溶剂的有机可溶性。此外,当在极紫外(UV)曝光期间R官能团从Sn-R键解离时,通过由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种的共聚形成的有机锡共聚物产生自由基,且自由基通过额外自由基反应形成-Sn-O-Sn-键,且因此引发有机锡共聚物之间的缩合聚合反应且由根据实施例的组合物形成半导体光致抗蚀剂。
Ra和Rb可独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C10饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C10饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C10不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C10芳族烃基或其组合,具体来说,其可独立地为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、乙炔基、丙炔基、丁炔基、苯基、甲苯基、二甲苯、苄基或其组合,且其可合乎需要地独立地为甲基或乙基。
Y1到Y5可独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C8饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C6饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C8不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C10亚芳基或其组合,具体来说,其可独立地为单键、亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚环丁基、亚环戊基、亚环己基、亚乙烯基、亚丙烯基、亚苯基或其组合,且其可合乎需要地独立地为单键、亚甲基以及亚乙基中的一种。
Y1到Y5是连接二羧酸基团中的两个羧基的连接基团,且Y1到Y5中包含的碳的数目决定由化学式1到化学式3表示的化合物的链或环的长度。因此,随着Y1到Y5中包含的碳的数目更大,由化学式1到化学式3表示的化合物具有更大的分子大小。在本文中,当Y1到Y5中包含的碳的数目极大(例如大于约20)时,由化学式1到化学式3表示的化合物的分子中的二羧酸基团的湿气阻挡效果可能降低,且因而湿气稳定性(也就是包含由化学式1到化学式3表示的化合物的半导体光致抗蚀剂组合物的储存稳定性特性)劣化。
化学式2中的R2和R3可相同,且X2到X5可均相同。换句话说,当化学式2中的R2和R3相同时,X2到X5均相同,由化学式2表示的化合物可具有对称结构。
化学式3中的R4和R5可相同,且Y4与Y5可相同。换句话说,当化学式3的R4和R5以及Y4和Y5相同时,由化学式3表示的化合物可具有对称结构。
有机金属化合物包含由化学式1到化学式3表示的化合物当中的至少一种,例如由化学式1到化学式3表示的化合物当中的任何一种单独的化合物或任何两种化合物,或由化学式1到化学式3表示的所有化合物。
按100重量%的半导体光致抗蚀剂组合物计,半导体光致抗蚀剂组合物可以约1重量%到约20重量%(例如约1重量%到约18重量%,例如约1重量%到约15重量%,例如约1重量%到约13重量%,例如约1重量%到约10重量%,例如约1重量%到约8重量%,例如约1重量%到约5重量%,例如约1重量%到约3重量%)的量包含由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种。当半导体光致抗蚀剂组合物包含在上述重量%范围内的由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种时,可改进湿气稳定性,也就是半导体光致抗蚀剂组合物的储存稳定性。
按100重量%的半导体光致抗蚀剂组合物计,半导体光致抗蚀剂组合物可以约1重量%到约20重量%(例如约1重量%到约18重量%,例如约1重量%到约15重量%,例如约1重量%到约13重量%,例如约1重量%到约10重量%,例如约1重量%到约8重量%,例如约1重量%到约5重量%,例如约1重量%到约3重量%)的量包含由化学式1表示的化合物。
按100重量%的半导体光致抗蚀剂组合物计,半导体光致抗蚀剂组合物可以约1重量%到约20重量%(例如约1重量%到约18重量%,例如约1重量%到约15重量%,例如约1重量%到约13重量%,例如约1重量%到约10重量%,例如约1重量%到约8重量%,例如约1重量%到约5重量%,例如约1重量%到约3重量%)的量包含由化学式2表示的化合物。
按100重量%的半导体光致抗蚀剂组合物计,半导体光致抗蚀剂组合物可以约1重量%到约20重量%(例如约1重量%到约18重量%,例如约1重量%到约15重量%,例如约1重量%到约13重量%,例如约1重量%到约10重量%,例如约1重量%到约8重量%,例如约1重量%到约5重量%,例如约1重量%到约3重量%)的量包含由化学式3表示的化合物。
根据实施例的半导体光致抗蚀剂组合物中包含的溶剂可以是有机溶剂。溶剂可以是例如芳族化合物(例如,二甲苯、甲苯等)、醇(例如,4-甲基-2-戊烯醇、4-甲基-2-丙醇、1-丁醇、甲醇、异丙醇、1-丙醇等)、醚(例如,苯甲醚、四氢呋喃等)、酯(乙酸正丁酯、丙二醇单甲醚乙酸酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯)、酮(例如,甲基乙基酮、2-庚酮)或其混合物,但不限于此。
在实施例中,除前述有机金属化合物和溶剂以外,半导体光致抗蚀剂组合物可进一步包含树脂。
树脂可以是包含至少一个或多个组1中的芳族部分的酚类树脂。
[组1]
Figure BDA0002723012980000081
树脂可具有约500到约20,000的重量平均分子量。
按半导体光致抗蚀剂组合物的总量计,可以约0.1重量%到约50重量%的量包含树脂。当在所述量范围内包含树脂时,其可具有极好的耐蚀刻性和耐热性。
另一方面,根据实施例的半导体光致抗蚀剂组合物合乎需要地由有机金属化合物、溶剂以及树脂构成。然而,根据以上实施例的半导体光致抗蚀剂组合物可视需要进一步包含添加剂。添加剂的实例可包含表面活性剂、交联剂、流平剂或其组合。
表面活性剂可包含例如烷基苯磺酸盐、烷基吡啶鎓盐、聚乙二醇、季铵盐或其组合,但不限于此。
交联剂可以是例如三聚氰胺基交联剂、取代的脲基交联剂或聚合物基交联剂,但不限于此。其可以是具有至少两个交联形成取代基的交联剂,例如化合物,例如甲氧基甲基化甘脲、丁氧基甲基化甘脲、甲氧基甲基化三聚氰胺、丁氧基甲基化三聚氰胺、甲氧基甲基化苯并胍胺、丁氧基甲基化苯并胍胺、甲氧基甲基化脲、丁氧基甲基化脲、甲氧基甲基化硫脲以及类似物。
流平剂可用于改善印刷期间的涂层平整度,且可以是市售的已知流平剂。
添加剂的使用量可取决于所要属性而进行控制。
此外,半导体光致抗蚀剂组合物可进一步包含硅烷偶联剂作为粘附增强剂,以便改善与衬底的紧密接触力(例如,以便改善半导体光致抗蚀剂组合物对衬底的粘附性)。硅烷偶联剂可以是例如包含碳-碳不饱和键的硅烷化合物,例如乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷;或3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、对苯乙烯基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷;三甲氧基[3-(苯基氨基)丙基]硅烷以及类似物,但不限于此。
半导体光致抗蚀剂组合物可形成为具有高纵横比而没有塌陷的图案。因此,为了形成具有例如约5纳米到约100纳米、约5纳米到约80纳米、约5纳米到约70纳米、约5纳米到约50纳米、约5纳米到约40纳米、约5纳米到约30纳米或约5纳米到约20纳米的宽度的精细图案,半导体光致抗蚀剂组合物可用于使用波长范围为约5纳米到约150纳米(例如,约5纳米到约100纳米、约5纳米到约80纳米、约5纳米到约50纳米、约5纳米到约30纳米或约5纳米到约20纳米)的光的光致抗蚀剂工艺。因此,根据实施例的半导体光致抗蚀剂组合物可用于使用约13.5纳米波长的EUV光源来实现极紫外(UV)光刻。
根据另一实施例,提供一种使用前述半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法。举例来说,所制造的图案可以是光致抗蚀剂图案。
根据实施例的形成图案的方法包含:在衬底上形成蚀刻目标层;将半导体光致抗蚀剂组合物涂布在所述蚀刻目标层上以形成光致抗蚀剂层;使所述光致抗蚀剂层图案化以形成光致抗蚀剂图案;以及使用所述光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述蚀刻目标层。
在下文中,参考图1到图5描述使用半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法。图1到图5是用于解释根据实施例的使用半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案的方法的横截面视图。
参考图1,制备用于蚀刻的对象。用于蚀刻的对象可以是形成于半导体衬底100上的薄层102。在下文中,用于蚀刻的对象限于薄层102。洗涤薄层102的整个表面以去除在其上残留的杂质以及类似物。薄层102可以是例如氮化硅层、多晶硅层或氧化硅层。
随后,将用于形成光致抗蚀剂底层104的抗蚀剂底层组合物旋涂在洗涤过的薄层102的表面上。然而,实施例不限于此,且可使用已知的各种涂布方法,例如喷涂、浸涂、刀口涂布、印刷方法(例如,喷墨印刷和丝网印刷)以及类似物。
可省略抗蚀剂底层的涂布工艺,且在下文中,描述包含抗蚀剂底层的涂布的工艺。
接着,干燥和烘烤涂布的组合物以在薄层102上形成光致抗蚀剂底层104。烘烤可在约100℃到约500℃(例如约100℃到约300℃)下进行。
光致抗蚀剂底层104形成于衬底100与光致抗蚀剂层106之间,且因此当从衬底100与光致抗蚀剂层106之间的界面或层之间的硬掩模上反射的光线散射到非预期的光致抗蚀剂区中时,可防止光致抗蚀剂线宽的不均匀性和图案形成能力。
参考图2,通过在光致抗蚀剂底层104上涂布半导体光致抗蚀剂组合物来形成光致抗蚀剂层106。通过在形成于衬底100上的薄层102上涂布前述半导体光致抗蚀剂组合物且接着通过热处理固化所述半导体光致抗蚀剂组合物来获得光致抗蚀剂层106。
更具体来说,通过使用半导体光致抗蚀剂组合物来形成图案可包含通过旋涂、狭缝涂布、喷墨印刷以及类似物在具有薄层102的衬底100上涂布半导体光致抗蚀剂组合物,且接着干燥所述半导体光致抗蚀剂组合物以形成光致抗蚀剂层106。
已详细示出且将不会再次示出半导体光致抗蚀剂组合物。
随后,具有光致抗蚀剂层106的衬底100经受第一烘烤工艺。第一烘烤工艺可在约80℃到约120℃下进行。
参考图3,可选择性地曝光光致抗蚀剂层106。
举例来说,曝光可使用具有例如EUV(极紫外;约13.5纳米的波长)、E束(电子束)以及类似物的高能量波长以及例如i线(约365纳米的波长)、KrF准分子激光(约248纳米的波长)、ArF准分子激光(约193纳米的波长)以及类似物的短波长的光的活化辐射。
更具体来说,根据实施例的用于曝光的光可具有在约5纳米到约150纳米范围内的短波长和高能量波长,例如EUV(极紫外;约13.5纳米的波长)、E束(电子束)以及类似物。
通过经由交联反应(例如有机金属化合物之间的缩合)形成聚合物,光致抗蚀剂层106的曝光区106a具有与光致抗蚀剂层106的未曝光区106b不同的溶解度。
随后,衬底100经受第二烘烤工艺。第二烘烤工艺可在约90℃到约200℃的温度下进行。光致抗蚀剂层106的曝光区106a因第二烘烤工艺而变得不容易关于显影液溶解。
在图4中,使用显影液溶解和去除光致抗蚀剂层的未曝光区106b以形成光致抗蚀剂图案108。具体来说,通过使用例如2-庚酮以及类似物的有机溶剂来溶解和去除光致抗蚀剂层的未曝光区106b,以完成对应于负性图像的光致抗蚀剂图案108。
如上文所描述,在根据实施例的形成图案的方法中使用的显影液可以是有机溶剂。在根据实施例的形成图案的方法中使用的有机溶剂可以是例如:酮,例如甲乙酮、丙酮、环己酮、2-庚酮以及类似物;醇,例如4-甲基-2-丙醇、1-丁醇、异丙醇、1-丙醇、甲醇以及类似物;酯,例如丙二醇单甲醚乙酸酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸正丁酯、丁内酯以及类似物;芳族化合物,例如苯、二甲苯、甲苯以及类似物,或其组合。
然而,根据实施例的光致抗蚀剂图案不必限于负性图像,而是可形成为具有正性图像。在本文中,用于形成正性图像的显影剂可以是氢氧化季铵组合物,例如氢氧化四乙基铵、氢氧化四丙基铵、氢氧化四丁基铵或其组合。
如上文所描述,曝光于具有高能量(例如EUV(极紫外;约13.5纳米的波长)、E束(电子束)以及类似物)的光以及具有波长(例如i线(约365纳米的波长)、KrF准分子激光(约248纳米的波长)、ArF准分子激光(约193纳米的波长)以及类似物)的光可提供具有约5纳米到约100纳米厚度的宽度的光致抗蚀剂图案108。举例来说,光致抗蚀剂图案108可具有约5纳米到约90纳米、约5纳米到约80纳米、约5纳米到约70纳米、约5纳米到约60纳米、约10纳米到约50纳米、约10纳米到约40纳米、约10纳米到约30纳米或约10纳米到约20纳米厚度的宽度。
另一方面,光致抗蚀剂图案108可具有半间距小于或等于约50纳米(例如,小于或等于约40纳米、小于或等于约30纳米或小于或等于约25纳米)且线宽粗糙度小于或等于约10纳米或小于或等于约5纳米的间距。
随后,使用光致抗蚀剂图案108作为蚀刻掩模来蚀刻光致抗蚀剂底层104。通过这一蚀刻工艺,形成有机层图案112。有机层图案112也可具有对应于光致抗蚀剂图案108的宽度的宽度。
参考图5,应用光致抗蚀剂图案108作为蚀刻掩模来蚀刻曝光薄层102。因此,薄层形成有薄层图案114。
薄层102的蚀刻可以是例如使用蚀刻气体的干式蚀刻,且蚀刻气体可以是例如CHF3、CF4、Cl2、BCl3以及其混合气体。
在曝光工艺中,通过使用光致抗蚀剂图案108(所述光致抗蚀剂图案108经由通过使用EUV光源进行的曝光工艺形成)来形成的薄层图案114可具有对应于光致抗蚀剂图案108的宽度的宽度。举例来说,薄层图案114可具有约5纳米到约100纳米的宽度,所述宽度等于光致抗蚀剂图案108的宽度。举例来说,通过使用光致抗蚀剂图案108(所述光致抗蚀剂图案108经由通过使用EUV光源进行的曝光工艺形成)来形成的薄层图案114可具有约5纳米到约90纳米、约5纳米到约80纳米、约5纳米到约70纳米、约5纳米到约60纳米、约10纳米到约50纳米、约10纳米到约40纳米、约10纳米到约30纳米以及约10纳米到约20纳米(或具体来说小于或等于约20纳米)的宽度,类似光致抗蚀剂图案108的宽度。
在下文中,将通过前述化合物的合成和包含所述前述化合物的前述半导体光致抗蚀剂组合物的制备的实例更详细地描述本发明。然而,本发明在技术上不受以下实例限制。
制备有机金属化合物
(合成实例1:合成由化学式4表示的化合物)
在50毫升2颈圆底烧瓶中,将iPrSnPh3(3克,7.6毫摩尔)和丙二酸(0.4克,3.8毫摩尔)溶解在20毫升乙腈中,且接着加热和回流10小时。随后,在通过真空蒸馏完全去除后,向其中添加丙酸(2克,27毫摩尔),且接着加热和回流24小时。通过真空去除丙酸以获得由化学式4表示的化合物,产率为80%。
[化学式4]
Figure BDA0002723012980000111
(合成实例2:合成由化学式5表示的化合物)
在50毫升2颈圆底烧瓶中,将BnSnCl3(3克,9.5毫摩尔)和Et3N(0.96克,9.5毫摩尔)溶解在20毫升甲苯中,且接着,在冰浴中以逐滴方式向其中缓慢添加溶解在10毫升乙腈中的丙二酸(0.5克,4.8毫摩尔)。随后,将混合物在室温下搅拌3小时,用过滤器去除其中产生的固体,且在通过真空蒸馏完全去除溶剂之后,向其中添加Et3N(1.92克,19毫摩尔)和20毫升甲苯。接着,在冰浴中以逐滴方式向其中缓慢添加丙酸(1.4克,19毫摩尔),且接着在室温下搅拌3小时。接着,用过滤器去除其中产生的固体,且通过真空蒸馏完全去除其中的溶剂以获得由化学式5表示的化合物,产率为60%。
[化学式5]
Figure BDA0002723012980000121
(合成实例3:合成由化学式6表示的化合物)
除使用丁二酸而不是丙二酸之外,根据与合成实例1相同的方法来获得由化学式6表示的化合物,产率为82%。
[化学式6]
Figure BDA0002723012980000122
(合成实例4:合成由化学式7表示的化合物)
在50毫升2颈圆底烧瓶中,将iPrSnPh3(3克,7.6毫摩尔)和丙二酸(0.8克,7.6毫摩尔)溶解在20毫升乙腈中,且接着加热和回流10小时。随后,在通过真空蒸馏完全去除溶剂后,向其中添加丙酸(2克,27毫摩尔),且接着加热和回流24小时以获得由化学式7表示的化合物,产率为75%。
[化学式7]
Figure BDA0002723012980000123
(合成实例5:合成由化学式8表示的化合物)
除使用丁二酸而不是丙二酸之外,根据与合成实例4相同的方法来获得由化学式8表示的化合物,产率为79%。
[化学式8]
Figure BDA0002723012980000131
(合成实例6:合成由化学式9表示的化合物)
在50毫升2颈圆底烧瓶中,将PhSnCl3(3克,9.9毫摩尔)和Et3N(2克,19.8毫摩尔)溶解在20毫升甲苯中,且在冰浴中以逐滴方式向其中缓慢添加溶解在10毫升乙腈中的丙二酸(1克,9.9毫摩尔)。随后,将混合物在室温下搅拌3小时,且在用过滤器去除其中产生的固体之后,通过真空蒸馏完全去除其中的溶剂,且再次向其中添加Et3N(1克,9.9毫摩尔)和20毫升甲苯。接着,在冰浴中以逐滴方式向其中缓慢添加丙酸(0.73克,9.9毫摩尔),且接着在室温下搅拌3小时。在用过滤器去除产生的固体之后,通过真空蒸馏完全去除其中的溶剂以获得由化学式9表示的化合物,产率为65%。
[化学式9]
Figure BDA0002723012980000132
(合成实例7:合成由化学式10表示的化合物)
在50毫升2颈圆底烧瓶中,将iPrSnPh3(3克,7.6毫摩尔)和丙二酸(1.2克,11.4毫摩尔)溶解在20毫升乙腈中,且接着加热和回流24小时。随后,通过真空蒸馏完全去除溶剂以获得由化学式10表示的化合物,产率为83%。
[化学式10]
Figure BDA0002723012980000133
(合成实例8:合成由化学式11表示的化合物)
除使用丁二酸而不是丙二酸之外,根据与合成实例7相同的方法来获得由化学式11表示的化合物,产率为82%。
[化学式11]
Figure BDA0002723012980000141
(比较合成实例1:合成由化学式12表示的化合物)
将新戊基三氯化锡(Neopentyltin trichloride)(10克,18.7毫摩尔)溶解在无水戊烷中,且接着冷却到0℃。随后,以逐滴方式向其中缓慢添加二乙胺(7.4克,101.3毫摩尔),且接着向其中添加乙醇(6.1克,101.3毫摩尔),且接着在室温下搅拌1小时。当反应完成时,将溶液过滤、浓缩以及真空干燥以获得由化学式12表示的化合物,产率为60%。
[化学式12]
Figure BDA0002723012980000142
实例1到实例8
将在合成实例1到合成实例8中合成的由化学式4到化学式11表示的化合物以2.5重量%的浓度分别溶解在二甲苯中,且用0.1微米PTFE针筒过滤器过滤以制备根据实例1到实例8的半导体光致抗蚀剂组合物。
实例9
将在合成实例1中合成的由化学式4表示的化合物与在合成实例4中合成的由化学式7表示的化合物按相同重量混合,且接着以2.5重量%的浓度溶解在二甲苯中,且用0.1微米PTFE针筒过滤器过滤以制备根据实例9的半导体光致抗蚀剂组合物。
实例10
将在合成实例4中合成的由化学式7表示的化合物与在合成实例7中合成的由化学式10表示的化合物按相同重量混合,且接着以2.5重量%的浓度溶解在二甲苯中,且用0.1微米PTFE针筒过滤器过滤以制备根据实例10的半导体光致抗蚀剂组合物。
实例11
将在合成实例1中合成的由化学式4表示的化合物、在合成实例4中合成的由化学式7表示的化合物与在合成实例7中合成的由化学式10表示的化合物按相同重量混合,且接着以2.5重量%的浓度溶解在二甲苯中,且用0.1微米PTFE针筒过滤器过滤以制备根据实例11的半导体光致抗蚀剂组合物。
使用具有4英寸直径和天然氧化物表面的圆形硅晶片作为用于沉积薄膜的衬底,且在UV臭氧清洁系统下预处理衬底10分钟。随后,将根据实例1到实例11的用于半导体的光致抗蚀剂组合物以1,500转/分钟分别旋涂在预处理衬底上30秒,在100℃下在热板上烘烤(施加后烘烤、后施加烘烤,post-apply baked;PAB)120秒以形成薄膜。
在涂布和烘烤之后,通过椭圆偏振技术测量膜的厚度,其为约25纳米。
比较例1
将合成比较合成实例1中的化学式12的化合物以2重量%的浓度溶解在二甲苯中,且接着用0.1微米PTFE针筒过滤器过滤以获得根据比较例1的化合物。
随后,通过与实例相同的工艺将根据比较例1的半导体光致抗蚀剂组合物涂布在衬底上以形成薄膜。
在涂布和烘烤之后,通过椭圆偏振技术测量膜的厚度,其为约20纳米。
(评估)
评估1:评估灵敏度
通过使用EUV射线(劳伦斯伯克利国家实验室微曝光工具(Lawrence BerkeleyNational Laboratory Micro Exposure Tool),Micro Exposure Tool;MET),将具有500微米直径的50个盘垫的线性阵列照射到涂布有根据实例1到实例11以及比较例1的半导体光致抗蚀剂组合物中的每一种的晶片中。调整垫的曝光时间以向每一垫施加增加的EUV剂量。
随后,在160℃下将晶片衬底上的抗蚀剂膜在热板上曝光120秒,且接着烘烤(曝光后烘烤,post-exposure bake;PEB)。将烘烤的膜分别在显影液(2-庚酮)中浸渍30秒,且接着用相同显影剂另外清洁10秒以形成负性图像,去除未暴露于EUV光的涂布区。最后,在150℃下将曝光垫在热板上烘烤2分钟以完成工艺。
通过使用椭偏仪来测量曝光垫的残余抗蚀剂厚度。测量关于每一曝光剂量的残余厚度且绘制为曝光剂量的函数,且取决于抗蚀剂的类型的Dg(凝胶剂量(Dose to gel),在保留初始厚度的95%时的能量)示出于表1中。
评估2:评估储存稳定性
另一方面,根据以下标准在储存稳定性方面评估实例1到实例11以及比较例1的化合物,且结果示出于表1中。
[储存稳定性]
使根据实例1到实例11以及比较例1的半导体光致抗蚀剂组合物在室温(0℃到30℃)下静置特定时间,且用肉眼检查以评估沉淀程度,且接着取决于以下储存标准分成两组。
-○:可储存大于1个月
X:可储存小于2周
(表1)
储存稳定性 D<sub>g</sub>(毫焦/平方厘米)
实例1 14.96
实例2 10.94
实例3 15.53
实例4 14.96
实例5 15.53
实例6 20.46
实例7 14.96
实例8 15.53
实例9 14.96
实例10 14.96
实例11 14.96
比较例1 X 25.21
参考表1,相较于比较例1的半导体光致抗蚀剂组合物,实例1到实例11的半导体光致抗蚀剂组合物呈现极好的储存稳定性,且此外,相较于由比较例1的半导体光致抗蚀剂组合物形成的图案,由实例1到实例11的半导体光致抗蚀剂组合物形成的图案呈现好得多的灵敏度。
在上文中,已描述和示出本发明的某些示范性实施例,然而,本领域的一般技术人员显而易见的是,本发明不限于如所描述的示范性实施例,且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改和转换。因此,修改或转换后的示范性实施例因此可能无法单独地从本发明的技术构想和方面来理解,且修改后的示范性实施例在本发明的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种半导体光致抗蚀剂组合物,包括
有机金属化合物,包括由化学式1到化学式3表示的化合物中的至少一种,以及溶剂:
[化学式1]
Figure FDA0002723012970000011
[化学式2]
Figure FDA0002723012970000012
[化学式3]
Figure FDA0002723012970000013
其中在化学式1到化学式3中,
R1到R5独立地为取代或未取代的C1到C20烷基、取代或未取代的C3到C20环烷基、取代或未取代的C6到C20芳基或其组合,
X1到X5独立地为-ORa或-OC(=O)Rb
Ra和Rb独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C30芳族烃基或其组合,且
Y1到Y5独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C20饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C20饱和脂环族烃基、包含至少一个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C20不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C20芳族烃基或其组合。
2.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中
R1到R5独立地为取代或未取代的C1到C10烷基、取代或未取代的C3到C10环烷基、取代或未取代的C6到C10芳基或其组合,
Ra和Rb独立地为氢、取代或未取代的单价C1到C10饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C3到C10饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的单价C2到C10不饱和脂族烃基、取代或未取代的单价C6到C10芳族烃基或其组合,且
Y1到Y5独立地为单键、取代或未取代的二价C1到C8饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C3到C6饱和脂环族烃基、包含1个或2个双键或三键的取代或未取代的二价C2到C8不饱和脂族烃基、取代或未取代的二价C6到C10亚芳基或其组合。
3.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中R1到R5独立地为甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基或其组合,
Ra和Rb独立地为氢、甲基、乙基、丙基、丁基、异丙基、叔丁基、2,2-二甲基丙基、环丙基、环丁基、环戊基、环己基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、乙炔基、丙炔基、丁炔基、苯基、甲苯基、二甲苯基、苄基或其组合,且
Y1到Y5独立地为单键、亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚环丁基、亚环戊基、亚环己基、亚乙烯基、亚丙烯基、亚苯基或其组合。
4.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中
R1到R5独立地为甲基、乙基、异丙基、叔丁基、苯基以及苄基中的一种,
Ra和Rb独立地为甲基或乙基,
Y1到Y5独立地为单键、亚甲基以及亚乙基中的一种。
5.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中在化学式2中,R2与R3相同,且X2到X5均相同。
6.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中,在化学式3中,R4与R5相同,且Y4与Y5相同。
7.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中所述半导体光致抗蚀剂组合物包括有机金属化合物,所述有机金属化合物包含所有由化学式1到化学式3表示的所述化合物。
8.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物包括1重量%到20重量%的由化学式1到化学式3表示的所述化合物中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物包括1重量%到20重量%的由化学式1表示的所述化合物。
10.根据权利要求8所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物包括1重量%到20重量%的由化学式2表示的所述化合物。
11.根据权利要求8所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中按100重量%的所述半导体光致抗蚀剂组合物计,所述半导体光致抗蚀剂组合物包括1重量%到20重量%的由化学式3表示的所述化合物。
12.根据权利要求1所述的半导体光致抗蚀剂组合物,其中所述半导体光致抗蚀剂组合物进一步包括表面活性剂、交联剂、流平剂或其组合的添加剂。
13.一种形成图案的方法,包括
在衬底上形成蚀刻目标层;
将如权利要求1至12中任一项所述的半导体光致抗蚀剂组合物涂布在所述蚀刻目标层上,以形成光致抗蚀剂层;
使所述光致抗蚀剂层图案化,以形成光致抗蚀剂图案;以及
使用所述光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模来蚀刻所述蚀刻目标层。
14.根据权利要求13所述的形成图案的方法,其中使用波长为5纳米到150纳米的光来形成所述光致抗蚀剂图案。
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