CN1690099A - 顶层防反射涂层聚合物及其制法以及包含它的顶层防反射涂料组合物 - Google Patents

顶层防反射涂层聚合物及其制法以及包含它的顶层防反射涂料组合物 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种用于光刻法(一种制备半导体器件的工艺)中的顶层防反射涂层聚合物，制备防反射涂层聚合物的方法，及包含防反射涂层聚合物的防反射涂料组合物。具体地，所述顶层防反射涂层聚合物用于制造低于50nm的半导体器件的沉浸光刻中。顶层防反射涂层聚合物由上式1所示，式中R1、R2和R3独立地为氢或甲基；a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。由于采用防反射涂层聚合物形成的顶层防反射涂层不溶于水，所以其可以应用于以水为光源介质的沉浸光刻法。另外，由于顶层防反射涂层可以降低来自底层的反射系数，改善了CD的均匀性，从而能够形成超细图案。

Description

顶层防反射涂层聚合物及其制法以及 包含它的顶层防反射涂料组合物
                         技术领域
本发明涉及一种用于光刻法(一种制备半导体器件的方法)的防反射涂层聚合物，制备该防反射涂层聚合物的方法，及包含该防反射涂层聚合物的防反射涂料组合物。更具体地，本发明涉及一种可用于制造低于50nm半导体器件的沉浸光刻法(immersion lithography)的防反射涂层聚合物，制备该防反射涂层聚合物的方法，以及包含该防反射涂层聚合物的防反射涂料组合物。
                         背景技术
光刻法是用以将形成在光掩模上的半导体电路图案转移到晶片上的方法，是在半导体器件制造中确定电路的灵敏度(fineness)和集成密度的最重要步骤之一。
近年来，随着半导体器件集成密度增加，已经开发出适合于制造半导体器件所需的精细加工的新技术。在这种情况下，对在光刻法中精细加工技术的需求增加。即，随着电路线宽变得愈来愈精细，需要使用照明用的短波长光源例如，KrF、ArF、F2和EUV准分子激光器，及高数值孔径透镜。根据其短波长，EUV、F2、ArF及KrF激光器以这样的顺序优选用作光源。
具体地，人们已经积极地对低于50nm装置的开发进行了许多研究。回应这些研究，近来的注意力已经朝向与F2和EUV作为曝光源的使用相关联的合适的加工设备和材料的开发上。使用F2的技术解决方案在某种程度上是令人满意的，但存在下列问题：(1)在短时间内高品质CaF2的批量生产受到限制，(2)因为软薄膜在曝光于157nm光线时可能变形，所以降低了储藏稳定性，及(3)硬薄膜引起大量生产成本，并且由于其光折射的本性而难以按商业规模进行生产。
另一方面，因为使用EUV激光器需要合适的光源、曝光设备及掩蔽，其仍不适于实际使用。因此，通过使用适合于ArF准分子激光器使用的光致抗蚀剂所形成的更精细的高精度光致抗蚀剂图案现已经成为关键技术任务。在这些情况下，沉浸光刻近来引起关注。
干式光刻是当前使用的光刻方法，是其中将空气充满于曝光透镜与晶片之间的曝光系统。相比于干式光刻，沉浸光刻，其相当于NA缩放比例(scaling)技术，是其中将水充满于曝光透镜与晶片之间的曝光系统。因为在沉浸光刻中使用水(折射率(n)＝1.4)作为光源的介质，其NA是在使用空气(折射率(n)＝1.0)的干式光刻中NA的1.4倍。因此，就高分辨率而言，沉浸光刻有利的。
制造低于50nm半导体器件遇到的问题是，在超细图案的形成过程中，通过驻波、反射切口和由于在叠加(overlying)的光致抗蚀剂上底层的光学特性和由于光致抗蚀剂厚度的变化而来自底层的衍射与反射光，光致抗蚀剂图案的临界尺寸(CD)必然发生改变。为防止来自底层的反射光，在该底层与光致抗蚀剂之间引入处于用作曝光源的光的波长带上的被称为“防反射涂层”的吸光材料。至今一直使用置于底层与光致抗蚀剂之间的底层防反射涂层。随着近来叠加的光致抗蚀剂图案的灵敏度的增加，为防止光致抗蚀剂图案被反射和衍射光干扰，也已经引入了顶层防反射涂层(TARC)。具体地，随着半导体器件的显著微型化使叠加的光致抗蚀剂图案变得非常精细，只使用底层防反射涂层不能完全防止图案被散射反射干扰。因此引入顶层防反射涂层，以防止图案的干扰。
然而，因为用于干式光刻中的常用的顶层防反射涂层可溶于水(在使用KrF或者ArF激光器的情况中)，不可以将其应用于沉浸光刻。换句话说，因为在沉浸光刻中水被用作光源的介质，常用的顶层防反射涂层容易溶解于水中。
因此，用于沉浸光刻的理想顶层防反射涂层必须满足下列要求：第一，顶层防反射涂层必须对光源透明。第二，顶层防反射涂层依据使用的下面的感光膜(即，光致抗蚀剂)的类型，必须具有1.4～2.0的折射率。第三，当将该顶层防反射涂料组合物涂布于下面的感光膜上时，其必须不溶解感光膜。第四，顶层防反射涂层在曝光时必须不溶解于水中。最后，顶层防反射涂层在显影时必须可溶于显影溶液中。
上述严格要求将使得用于沉浸光刻中的合适顶层防反射涂层的开发困难。
因此，强烈需要开发出不溶于水并且可以将CD的改变最小化的用于沉浸光刻中的顶层防反射涂层。
                         发明内容
因此，针对以上问题进行了本发明，本发明的目的在于提供一种顶层防反射涂层聚合物，由于其不溶于水，可以用于沉浸光刻，在光致抗蚀剂图案形成中，其可以防止在光致抗蚀剂中光线的多重干涉，并且其可以抑制由于光致抗蚀剂厚度变化而引起的光致抗蚀剂图案尺寸的改变。
本发明的又一个目的在于提供一种制备所述顶层防反射涂层聚合物的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种包含所述顶层防反射涂层聚合物的顶层防反射涂料组合物。
本发明的另一个目的在于提供一种通过使用所述顶层防反射涂料组合物而形成图案的方法。
为实现本发明的以上目的，本发明提供一种具有1000～1000000的重均分子量的顶层防反射涂层聚合物，其由下式1所示：
式1
式中R1、R2和R3独立地为氢或甲基；a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。
本发明的顶层防反射涂层聚合物表现出高的光透射，因此适合用作顶层防反射涂层。此外，因为顶层防反射涂层聚合物在曝光后可以高度溶于显影溶液中，其不影响图案的形成。而且，因为顶层防反射涂层聚合物不溶于水，所以其可以应用于沉浸光刻中。而且，因为该顶层防反射涂层聚合物可以防止来自光致抗蚀剂顶层的散射反射，其可以有效地防止光致抗蚀剂图案被散射反射所干扰。
考虑到所要涂布于光致抗蚀剂顶层的防反射涂层的物理性质，包括可溶性及反射率，本发明的顶层防反射涂层聚合物具有1000～1000000的重均分子量，优选为2000～10000。太高的分子量导致显影溶液中溶解度的降低。结果，在显影后，防反射涂层的一部分保留在光致抗蚀剂上，导致图案污染。另一方面，太低的分子量不能保证最优化的防反射涂层反射率及光致抗蚀剂上的良好保护涂层。
式1所示的聚(丙烯酸叔丁酯-丙烯酸-N-异丙基丙烯酰胺)共聚物可以通过下面步骤制备：将丙烯酸叔丁酯单体、丙烯酸单体和N-异丙基丙烯酰胺单体溶解于有机溶剂中，将聚合引发剂添加在溶液中，及在55℃～65℃下使混合物进行自由基聚合6～12小时。
可以用于自由基共聚合的任何有机溶剂可以用于本发明的方法中。优选地，有机溶剂选自丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、四氢呋喃、环己酮、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二氧杂环己烷、甲基乙基酮、乙酸乙酯、苯、甲苯、二甲苯及其混合物。PGMEA是更优选的。
而且，聚合引发剂优选自2，2’-偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧苯甲酰、过氧化乙酰、月桂基过氧化物、过乙酸叔丁酯、叔丁基过氧化氢及二叔丁基过氧化氢。使用2，2’-偶氮二异丁腈是更优选的。
另一方面，本发明提供顶层防反射涂料组合物，所述涂料组合物包括有效量的具有1000～1000000的重均分子量的顶层防反射涂层聚合物，所述聚合物由下式1所示：
式中R1、R2和R3独立地为氢或甲基；a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。
本发明的顶层防反射涂料组合物通过将顶层防反射涂层聚合物溶解于正丁醇中制备。如此制备的顶层防反射涂料组合物具有1.4～2.0的最佳反射率。因此，当将顶层防反射涂料组合物涂刷到光致抗蚀剂的顶层上，可以使反射系数最小化并且因此可以保护光致抗蚀剂图案免受反射光的破坏。
考虑到防反射涂料组合物的反射率和厚度，基于式1的聚合物的重量，优选加入1000～10000％重量的正丁醇。如果正丁醇的量超出这个范围，则防反射涂层的反射率超出1.4～2.0并且无法使防反射涂层的厚度最优化。
如果想要，本发明的顶层防反射涂料组合物可以进一步包含基于式1的聚合物的重量，1～20％重量的L-脯氨酸。L-脯氨酸起进一步抑制酸向未曝光区域扩散的作用。
在另一方面，本发明提供一种形成半导体器件的图案的方法，其包含如下步骤：(a)将光致抗蚀剂施加到在其上已经预先形成特定结构的半导体衬底上；(b)将顶层防反射涂料组合物涂布到光致抗蚀剂的顶层，并且烘烤形成顶层防反射涂层；及(c)将光致抗蚀剂曝光，并且将曝光的光致抗蚀剂显影形成光致抗蚀剂图案。
根据本发明的图案形成方法，特征在于形成于光致抗蚀剂顶层的防反射涂层是由本发明的顶层防反射涂料组合物形成的。因为如此制备的顶层防反射涂层具有1.4～2.0的反射率，光致抗蚀剂顶层的反射系数可以最小化。因此，通过本发明的方法形成的光致抗蚀剂图案极大地改善图案的均匀性。
烘烤优选在70～200℃下进行。
本发明的防反射涂料组合物和图案形成方法主要应用于使用ArF光源(193nm)形成超细图案的方法中。同样地，他们可以应用于使用具有更短波长的光源(例如，F2或者EUV)形成超细图案的方法中，只要水可以用作光源的介质。使用所述光源曝光优选采用0.1～50mJ/cm2的曝光能量获得。
在本发明的图案形成方法中，可以使用碱性显影溶液进行显影。作为特别优选的碱性显影溶液，使用0.01～5％(w/w)的氢氧化四甲铵(TMAH)溶液。
在另一方面，本发明提供顶层防反射涂料组合物在半导体器件制造中的应用。因为本发明的顶层防反射涂料组合物可以使散射反射最小化，除精细图案的形成方法外，所述顶层防反射涂料组合物还可以应用于的制造半导体器件的各种方法中。
可以理解，依据方法的类型，可以将本发明的顶层防反射涂料组合物以对本领域的技术人员来说显而易见的方式应用于各种方法中。因此，省略关于将防反射涂料组合物应用于半导体器件的制造中的详细解释。
附图说明
本发明的上述及其它目的、特征和其它的优点，从以下结合附图的详细描述中将会更清楚地理解，其中
图1是本发明的实施例1中制备的顶层防反射涂层聚合物的1H-NMR谱。
                       具体实施方式
参考下列实施例，现在将对本发明进行更详细地描述。然而，为了说明性的目的而给出这些实施例，而并不作为限制本发明的范围。
实施例(1)顶层防反射涂层聚合物的制备
将10克丙烯酸叔丁酯、4克丙烯酸、6克N-异丙基丙烯酰胺和0.4克AIBN添加到200克PGMEA中，然后在60℃下聚合8小时。完成聚合之后，混合物在醚中沉淀，过滤，并且在真空中干燥，产生17克白色固体的聚(丙烯酸叔丁酯-丙烯酸-N-异丙基丙烯酰胺)共聚物，其由下式2所示：
式2
Figure A20051006723300091
式中a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。
共聚物的结构通过1H-NMR谱(图1)识别。
实施例(2)顶层防反射涂料组合物的制备
将2.5克在实施例1中制备的聚合物和0.04克L-脯氨酸，其为氨基酸，溶解在100克正丁醇中，产生用于沉浸光刻中的顶层防反射涂料组合物。
实施例(3)防反射涂层的形成
将实施例2中制备的顶层防反射组合物以2000rpm涂布在晶片上，以形成防反射涂层。防反射涂层的厚度、光透射(在193nm)和反射率显示分别为43nm、89％及1.58。
实施例(4)顶层防反射涂层的形成
将实施例2中制备的顶层防反射涂料组合物以2000rpm涂布到厚度为220nm的感光膜(AR1221J，JSR)上，形成厚度为264nm的顶层防反射涂层。已经确认本发明的顶层防反射涂料组合物不溶解光敏剂。
实施例(5)水溶性测试
将其上形成有光致抗蚀剂及顶层防反射涂层的晶片沉浸于液体，蒸馏水中大约5分钟，干燥。测量所得的结构具有264.7nm的厚度，其比沉浸于水中之前的厚度厚大约0.7nm。这个结果显示本发明的顶层防反射涂料组合物实质上既不溶于水在水中也不膨胀。
实施例(6)显影溶液中的可溶性测试
用2.38(w/w)TMAH显影溶液，将其上形成有光致抗蚀剂与顶层防反射涂层的晶片显影大约一分钟，并且用蒸馏水冲洗。测量所得的结构具有220nm的厚度。这表明所述的顶层防反射涂料组合物完全被显影溶液溶解。
从以上描述中，显而易见，使用本发明的防反射涂层聚合物所形成的顶层防反射涂层满足用于沉浸光刻的下列要求：第一，因为顶层防反射涂层具有89％或者更高的光透射，所以其对光源透明。第二，顶层防反射涂层具有1.4～2.0的折射率。第三，顶层防反射涂料组合物不溶解感光膜。第四，顶层防反射涂层在曝光时不溶于水。最后，顶层防反射涂层在显影时高度溶解于显影溶液。
因此，本发明的顶层防反射涂层可以应用于沉浸光刻中，并且可以降低光致抗蚀剂顶层的反射系数，因此使CD的改变最小化。
结果，本发明的顶层防反射涂层能够形成精细光致抗蚀剂图案，从而有助于制造低于50nm的半导体器件。
尽管为了说明性的目的，揭示了本发明的优选实施方案，但本领域的技术人员会理解可以进行各种修改、添加和替代，而不脱离如所附权利要求书所揭示的本发明的范畴和实质。

Claims (15)

1.一种具有1000～1000000的重均分子量的顶层防反射涂层聚合物，由下式1所示：
[式1]
Figure A2005100672330002C1
式中R1、R2和R3独立地为氢或甲基；a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。
2.根据权利要求1的聚合物，其中所述聚合物具有2000～10000的重均分子量。
3.一种制备根据权利要求1的顶层防反射涂层聚合物的方法，包括下列步骤：将丙烯酸叔丁酯单体、丙烯酸单体和N-异丙基丙烯酰胺溶解于有机溶剂中；将聚合引发剂添加到溶液中；及在55～65℃下，使该混合物进行6～12小时的自由基聚合。
4.根据权利要求3的方法，其中所述有机溶剂是选自丙二醇甲醚乙酸酯(PGMEA)、四氢呋喃、环己酮、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、二氧杂环己烷、甲基乙基酮、乙酸乙酯、苯、甲苯、及二甲苯中的至少一种溶剂。
5.根据权利要求3或4的方法，其中所述聚合引发剂选自2，2’-偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧苯甲酰、过氧化乙酰、月桂基过氧化物、过乙酸叔丁酯、叔丁基过氧化氢及二叔丁基过氧化氢。
6.一种顶层防反射涂料组合物，包括有效量的具有1000～1000000的重均分子量的顶层防反射涂层聚合物，所述聚合物由下式1所示：
[式1]
式中R1、R2和R3独立地为氢或甲基；a、b和c表示每个单体的摩尔份数，并且为0.05～0.9。
7.根据权利要求6的组合物，其中所述组合物是通过将所述聚合物溶解于按聚合物的重量计为1000～10000％重量的正丁醇中制备的。
8.根据权利要求6的组合物，进一步包括按组合物的重量计为1～20％重量的L-脯氨酸。
9.根据权利要求6的组合物，其中该顶层防反射涂料组合物具有1.4～2.0的折射率。
10.根据权利要求6至9中任一项的组合物，其中该组合物用于制造半导体器件。
11.一种形成半导体器件的图案的方法，包括下列步骤：
(a)将光致抗蚀剂涂布在其上已经预先形成特定结构的半导体衬底上；
(b)将根据权利要求6至9中任一项的顶层防反射涂料组合物涂布在光致抗蚀剂的顶层，并且烘烤形成顶层防反射涂层；及
(c)将光致抗蚀剂曝光，并且将所曝光的光致抗蚀剂显影，形成光致抗蚀剂图案。
12.根据权利要求11的方法，其中所述烘烤在70～200℃下进行。
13.根据权利要求11的方法，其中在所述曝光步骤中，使用液体作为光源的介质。
14.根据权利要求11的方法，其中在所述曝光步骤中，使用水作为光源的介质。
15.根据权利要求11的方法，其中所述显影是利用0.01～5％重量的氢氧化四甲铵(TMAH)溶液进行的。
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