JP2021520640A - 原子層堆積で使用するための重合性自己組織化単分子層 - Google Patents

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Abstract

水素結合基および重合性ジアセチレン基を含む化合物を利用して、基材表面の部分上に自己組織化単分子層（ＳＡＭ）が選択的に調製された。ＳＡＭは紫外光を使用して、光重合された。予備重合したＳＡＭおよび重合したＳＡＭは、これらの官能基を欠く類似した化合物と比較して、原子層堆積プロセスでの金属堆積に対してより効果的なバリアであった。

Description

本発明は原子層堆積（ＡＬＤ）で使用するための重合性自己組織化単分子層（polymerizable self-assembled monolayer）（ＳＡＭ）に関し、より詳細には、ＳＡＭがブロック層として作用し、ＡＬＤが実質的にまたは独占的にＳＡＭの上面以外の表面に限定される、領域選択的原子層堆積（area-selective atomic layer deposition）（ＡＳ−ＡＬＤ）によって、パターン化された層を生成する方法に関する。
原子層堆積（ＡＬＤ）は、高アスペクト比の外観上にさえ原子的に平滑でコンフォーマルな被覆（conformal coating）を生成する、化学蒸着技術である。この技術は、広範囲の材料−金属、非金属、ならびにそれらの関連する酸化物および窒化物を、熱的プロセスまたはプラズマ増強プロセス（一般に遷移金属の堆積で使用される）のいずれかを通して堆積することができる。
熱的堆積プロセスは、堆積する原子層（有機金属前駆体、それに続く酸化剤）ごとに一般に２つの反応ステップを必要とする。ＡＬＤプロセスの第１の半サイクルでは、膜表面は、表面基と反応して表面と共有結合を生じる有機金属前駆体で飽和される。この反応は、サイクルの半分が、官能化された有機金属の１つの層の形成をもたらすだけであるという点で、自己制限的である。第２の半サイクルは、次のＡＬＤサイクルのために反応性表面基を生成する酸化剤の導入を伴う。この方法は、それぞれの完全なＡＬＤサイクル（すなわち、本明細書で単に「ＡＬＤサイクル」とも呼ばれる２つのＡＬＤ半サイクル）に対して、膜形成を１つの原子層の堆積に限定する。所望の厚さに到達するまで膜の厚さを構築するために、複数のＡＬＤサイクルが使用される。
領域選択的ＡＬＤ（ＡＳ−ＡＬＤ）では、堆積は基板の選択された表面領域でのみ起こる。ＡＬＤ堆積を選択的にブロックする１つの方法は、領域非活性化である。例えば、基板表面の特定の反応部位をブロックするために、リソグラフィポリマーを使用することができる。ブロック材料と特定の表面領域の材料との反応性に基づいて、他のブロック材料を、基板の特定の表面領域に選択的に塗布することができる。一例として、複数のＡＬＤサイクル後に補充されるＡＬＤ中に所望の表面部位をブロックするために、有機小分子を使用することができる。代わりに、長鎖有機小分子で構成された自己組織化単分子層（ＳＡＭ）は、選択的に表面上に吸着し、補充が必要または不必要であり得るＡＬＤに対して、ブロック層を提供することができる。ＳＡＭに使用される材料の例としては、１）ＳｉＯ２およびＧｅＯ２を保護するアルキルシラン、２）Ｈ−末端化表面を保護するアルキン／アルケン、３）剥き出しの金属を保護するチオール、および４）金属酸化物を保護するカルボン酸／ホスホン酸が挙げられる。特にホスホン酸ＳＡＭは、ＳｉＯ２または剥き出しの金属の上に堆積しない。これにより、１つまたは複数のホスホン酸ＳＡＭによって保護された隣接する金属酸化物部位の存在下で、剥き出しの金属部位上のＳｉＯ２への選択的な堆積が可能になる。
ＡＬＤ堆積に対するＳＡＭの堅牢性を改善するために、光重合性ジアセチレン部分がＳＡＭ形成材料に組み込まれた（LI, Feng et al., "Photopolymerization of Self-Assembled Monolayers of Diacetylenic Alkylphosphonic Acids on Group-III Nitride Substrates", Langmuir, 2010, 26 (13), pp 10725-10730）。ジアセチレン基は、初期ＳＡＭ形成後、典型的には初期ＳＡＭの紫外光への露光による、トポケミカル重合を可能にする。例えば、ジアセチレンアルキルホスホン酸は、第ＩＩＩ族窒化物表面上のＳＡＭとして使用され、紫外線（ＵＶ）放射への露光後の改善された堅牢性を実証している。それにもかかわらず、ＡＬＤ堆積のさらにより大きい領域選択性を提供する自己組織化材料への要求が存在する。
したがって、本発明によれば、方法は、
ＳＡＭと呼ばれる自己組織化単分子層を、基板の表面の一部分上に配置し、それによって、表面の一部分がマスクされないまま、表面のマスクされた部分を形成することであって、ＳＡＭが、式（１）：
Figure 2021520640
 ［式中、
ａは、１または２であり、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、表面の前記部分に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
Ｔ’は、頭部基に共有結合的に連結した尾部基であり、尾部基は、水素結合形成官能基、重合性基、および無極性周辺末端基（peripheral end group）を含む］
の化合物の結合形態を含む、形成すること；
ＳＡＭを放射に露光し、それによって重合したＳＡＭを形成すること；および
原子層堆積のプロセスを使用して、表面のマスクされていない部分上に材料を選択的に堆積させ、それによって層状構造を形成すること
を含む。
さらに、本発明によれば、上記方法によって形成された層状構造が開示される。
別の態様から本発明を見ると、方法は、
ＳＡＭと呼ばれる自己組織化単分子層を、基板の表面上に配置することであって、ＳＡＭが、式（１）：
Figure 2021520640
 ［式中、
ａは、１または２であり、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、表面の部分に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
Ｔ’は、頭部基に共有結合的に連結した尾部基であり、尾部基は、水素結合形成官能基、重合性基、および無極性周辺末端基を含む］
の化合物の結合形態を含む、配置すること；
ＳＡＭを放射にパターン的に露光し、それによって、露光ＳＡＭおよび非露光ＳＡＭを含むパターン化されたＳＡＭを形成することであって、露光ＳＡＭは化合物の重合した形態を含む、形成すること；
非露光ＳＡＭを選択的に除去し、それによって基板の表面のマスクされない領域を形成すること；および
原子層堆積のプロセスを使用して、基板のマスクされない領域上に材料を選択的に堆積させること
を含む。
さらに別の態様から本発明を見ると、方法は、
自己組織化単分子層を基板の一部分上に配置し、それによって、基板の一部分がマスクされないまま、基板のマスクされた部分を形成することであって、自己組織化単分子層は、光重合性部分、水素結合形成部分、およびこれらの組合せからなる群から選択される部分を含む、形成すること；および
原子層堆積のプロセスを使用して、基板のマスクされていない部分上に材料を選択的に堆積させること
を含む。
上記および他の特徴ならびに本発明の利点は、以下の詳細な説明、図、および添付の特許請求の範囲から、当業者によって認識され、理解されるであろう。
原子層堆積（ＡＬＤ）を使用して層状構造を形成する方法を示す、断面層の略図である。 ＡＬＤを使用して層状構造を形成する第２の方法を示す、断面層の略図である。 ＵＯＤＰＡ、ＯＤＰＡおよびＰＦＤＡによって形成された自己組織化単分子層（ＳＡＭ）が、銅表面上で酸化亜鉛の原子層堆積をブロックする性能を比較したグラフである。 ＤＡおよびＯＤＰＡによって形成されたＳＡＭが、銅表面上で酸化亜鉛のＡＬＤをブロックする性能を比較したグラフである。 埋め込まれたＣｕラインパターンを含有する、予めパターン化された（pre-patterned）基板を示す断面層の略図である。
本明細書で開示する方法は、多層基板基板（例えば、シリコンウエハ）の上面またはその一部分に配置された、重合し、架橋した自己組織化単分子層（ＳＡＭ）を形成できる化合物を利用している。これらの化合物は、本明細書でＳＡＭ形成化合物と呼ばれる。ＳＡＭの上面は、ＡＬＤプロセスの第１の半サイクルで送達される材料（例えば、ジメチル亜鉛）を意味するＡＬＤ前駆体の堆積に抵抗する。ＡＬＤ前駆体は、第２の半サイクルでＡＬＤ生成物（例えば、ＺｎＯ）に変換される。したがって、ＳＡＭは、ＡＬＤの膜形成プロセスに対して、基板表面の領域をマスクするように機能する。その結果、基板のマスクされない領域（すなわち、その上にＳＡＭが配置されない基板表面）で、ＡＬＤ生成物の核生成が主にまたは独占的に起こる。ＡＬＤプロセスは、堆積した材料の所望の厚さを達成するために、数百のＡＬＤサイクルを含み得る。ここで、より効果的なＳＡＭによって、望まないレベルのＡＬＤ生成物がマスクされた領域に形成される前に、より多数のＡＬＤサイクルが可能になる。以下のさらなる実施例は、開示された方法および材料を使用して、実質的により多数のＡＬＤサイクルが可能であることを実証しており、これは、半導体デバイス製作中の欠陥を最小化し、より小さい臨界寸法を有するパターンを潜在的に提供するための重要な特質である。
ここで、ＳＡＭは化合物の自己組織化によって形成された層である。化合物は、重合性である。単分子層は、単分子層の最密構造における化合物の１分子の長さに相当する厚さを有する。最密充填は、静電相互作用または１つもしくは複数の共有結合あるいはその両方によって基板の表面基に結合する、化合物の官能基によって支援される。基板表面に結合する化合物の部分を、本明細書で化合物の「頭部」と呼ぶ。化合物の残りを、「尾部」と呼ぶ。尾部は、化合物の頭部から、ＳＡＭの上面の雰囲気界面へ広がる。尾部は、雰囲気界面に無極性周辺末端基を有する。このため、その最密構造に欠陥をほとんど有さない良好に形成された（well-formed）ＳＡＭは、大きい接触角を示すことができる。
ＳＡＭ形成化合物の頭部は、異なる組成の領域を含む基板上面の部分に選択的に結合し、基板上面の他の部分は、ＳＡＭ形成化合物がその上に配置されない、または実質的に配置されないままにすることができる。この事例では、基板を、好適な溶媒に溶解した所与のＳＡＭ形成化合物の溶液に浸漬することによって、パターン化された初期ＳＡＭを１ステップで形成することができる。
ここで、紫外線放射は、約４ｎｍ〜４５０ｎｍの波長を有することができる。遠紫外線（ＤＵＶ）放射は、１２４ｎｍ〜３００ｎｍの波長を有することができる。極紫外線（ＥＵＶ）放射は、約４ｎｍ〜１２４ｎｍ未満の波長を有することができる。
ＳＡＭ形成化合物は、式（１）：
Figure 2021520640
［式中、
ａは、１または２であり、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、基板の所与の選択された上面に結合することができる官能基を含むは頭部基であり、
Ｔ’は頭部基に共有結合的に連結した尾部基であり、尾部基は、水素結合形成官能基、重合性基、および無極性周辺末端基を含む］
による構造を有する。
ＳＡＭ形成化合物は、１つまたは２つの尾部基を有することができる。各尾部基は、１つまたは複数の水素結合形成基および１つまたは複数の重合性基を含むことができる。ＳＡＭ形成化合物は、単独でまたは組合せて使用することができる。
一実施形態では、ＳＡＭ形成化合物は１つの尾部基を有する。これらの化合物は、式（２）：
Figure 2021520640
［式中、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、基板の所与の選択された上面に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
Ｓ’−Ｂ’−Ｓ’’−Ｐ’−Ｅ’は、Ｈ’に共有結合的に連結した尾部基であり、
Ｓ’は、少なくとも１個の炭素を含む第１のスペーサー基であり、
Ｂ’は、水素結合形成官能基を含む部分であり、
Ｓ’’は、少なくとも１個の炭素を含む第２のスペーサー基であり、
Ｐ’は重合性基を含む部分であり、
Ｅ’は１〜２０個の炭素を含む無極性周辺末端基である］
による構造を有する。
頭部基Ｈ’の非限定的な例示的官能基としては、ホスホン酸基（＊−Ｐ（＝Ｏ）（−ＯＨ）２およびその塩、カルボン酸基（＊−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、スルホン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）２ＯＨ）およびその塩、スルフィン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、アルコール（＊−ＯＨ）、チオール（＊−ＳＨ）、ジスルフィド（＊−Ｓ＝Ｓ−＊）、アルケン（＊−Ｃ＝Ｃ−＊）、アルキン（＊Ｃ≡Ｃ＊）、シラン、および複素環（例えば、イミダゾール、オキサゾール、チアゾール等）が挙げられる。他の非限定的な頭部基としては、ホスフィンオキシド、ホスファイト、ホスフェート、ホスファジン、アジド、ヒドラジン、スルフィド、アルデヒド、ケトン、シラン、ゲルマン、アルシン、ニトリル、イソシアニド、イソシアネート、チオシアネート、イソチオシアネート、アミド、アルコール、セレノール、ニトロ、ボロン酸、エーテル、チオエーテル、カルバメート、チオカルバメート、ジチオカルバメート、ジチオカルボキシレート、ザンテート、チオキサンテート、アルキルチオホスフェート、ジアルキルジチオホスフェート、ヒドロキサム酸が挙げられる。前述の頭部基は、単独でまたは組合せて使用することができる。一実施形態では、頭部基は、ホスホン酸基（＊−Ｐ（＝Ｏ）（−ＯＨ）２およびその塩、カルボン酸基（＊−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、スルホン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）２ＯＨ）およびその塩、スルフィン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、アルコール（＊−ＯＨ）、チオール（＊−ＳＨ）、アルケン（＊−Ｃ＝Ｃ−＊）、アルキン（＊Ｃ≡Ｃ＊）、シラン、ならびにこれらの組合せからなる群の一員を含む。
ここで、アスタリスクへの結合を有する原子中心は、原子中心が、化学構造の別の特定されない原子中心に共有結合的に連結されていることを意味する。
上述の酸基の塩は、負に帯電した基（例えば、ホスホネート基（＊−Ｐ（＝Ｏ）（−Ｏ−）２、カルボキシレート基（＊−Ｃ（＝Ｏ）Ｏ−）、スルホネート基Ｓ（＝Ｏ）２Ｏ）、およびスルフィネート基（＊−Ｓ（＝Ｏ）Ｏ−））を含み、これは正に帯電した対イオン、例えば、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋、またはＣｓ＋とイオン的に結びつく。
スペーサー基Ｓ’およびＳ’’は、独立した二価の非環状炭化水素基、より具体的には、分岐および非分岐Ｃ１〜Ｃ２０非環式脂肪族炭化水素基である。例示的で非限定的な二価の非環式脂肪族基としては、メチレン、エタン−１，２−ジイル（＊−ＣＨ２ＣＨ２−＊）、プロパン−１，３−ジイル（＊−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ２−＊）、プロパン−１，２−ジイル（＊−ＣＨ（ＣＨ３）ＣＨ２−＊）、ブタン−１，４−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）２ＣＨ２−＊）、ブタン−１，３−ジイル（＊−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ（ＣＨ３）−＊）、ペンタン−１，５−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）３ＣＨ２−＊）、およびヘキサン−１，６−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）４ＣＨ２−＊）、ヘプタン−１，７−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）５ＣＨ２−＊）、オクタン−１，８−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）６ＣＨ２−＊）、およびノナン−１，９−ジイル（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）７ＣＨ２−＊）、（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）８ＣＨ２−＊）、（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）９ＣＨ２−＊）、（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）１０ＣＨ２−＊）、（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）１１ＣＨ２−＊）、および（＊−ＣＨ２（ＣＨ２）１２ＣＨ２−＊）が挙げられる。
本発明の一実施形態では、ＳＡＭ形成化合物の尾部は環を含まない。別の実施形態では、尾部基は１０〜５０個のメチレン基（＊−ＣＨ２−＊）を含む。
水素結合形成基Ｂ’は、水素供与部分（例えば、＊−ＮＨ−＊）および水素受容体部分（例えば、カルボニル基）を含む。非限定的で例示的な水素結合形成官能基としては、アミド（＊−ＮＨ−Ｃ（＝Ｏ）−＊）、尿素（＊−ＮＨ−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＨ−＊）、およびウレタン（＊−ＮＨ−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−＊）が挙げられる。Ｂ’基は、前述の官能基の１つまたは複数を含むことができる。
得られたＳＡＭの特性に悪影響を及ぼさない限り、二価の重合性基Ｐ’に制約を設けない。好ましいＰ’基は、エテン−１，１−ジイル基（（＊−）２Ｃ＝ＣＨ２）、エテン−１，２−ジイル基（＊−Ｃ（Ｈ）＝Ｃ（Ｈ）−＊）、エチン−１，２−ジイル基（＊−Ｃ≡Ｃ＊−）、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つまたは複数の重合性基を含む。より具体的なＰ’基は、ポリエン、ポリイン、およびこれらの組合せからなる群の一員を含む。一実施形態では、Ｐ’は、１，３−ブタジエン−１，４−ジイル基（＊−Ｃ＝Ｃ（Ｈ）−Ｃ（Ｈ）＝Ｃ−＊）、ブタジイン−１，４−ジイル基（＊−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−＊）、およびこれらの組合せからなる群の一員を含む。
末端基Ｅ’は、炭素、ならびに水素、フッ素、およびこれらの組合せから選択される群の一員を含む。非限定的な末端基（Ｅ）’としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、イソ−ブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｎ−ペンチル、イソ−ペンチル、ネオ−ペンチル、ｔｅｒｔ−ペンチル、ｎ−ヘキシル、ｎ−ヘプチル、ｎ−オクチル、ｎ−ノニル、ｎ−デシル、ｎ−ウンデシル、ｎ−ドデシル、ｎ−トリデシル、ｎ−テトラデシル、ｎ−ペンタデシル、ｎ−ヘキサデシル、ｎ−ヘプタデシル、ｎ−オクタデシル、ｎ−ノナデシル、ｎ−エイコシル、および前述の基のいずれかが挙げられ、ここで１つまたは複数の水素は、フッ素と置換される。一実施形態では、Ｅ’はｎ−ドデシルである。
本明細書で、過フッ素化基は、その分子式が炭素およびフッ素の元素だけを含有する官能基である。好ましくは、フッ素が存在する場合、Ｅ’の隣接する炭素は、単結合によって結合されている（すなわち、Ｅ’は過フッ素化アルキル基であり、各水素がフッ素で置換されたアルキル基を意味する）。例示的なＥ’基としては、トリフルオロメチル（＊−ＣＦ３）、ペルフルオロエチル（＊−ＣＦ２ＣＦ３）、ペルフルオロ−ｎ−プロピル（＊−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ３）、ペルフルオロイソプロピル（＊−ＣＦ（ＣＦ３）２）、ペルフルオロ−ｎ−ブチル（＊−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ３）、ペルフルオロイソブチル（＊−ＣＦ２ＣＦ（ＣＦ３）２）、ペルフルオロ−ｎ−ペンチル（＊−ＣＦ２（ＣＦ２）３ＣＦ３）、ペルフルオロ−ｎ−ヘキシル、ペルフルオロ−ｎ−ヘプチル、ペルフルオロ−ｎ−オクチル、ペルフルオロ−ｎ−ノニル、ペルフルオロ−ｎ−デシル、ペルフルオロ−ｎ−ウンデシル、ペルフルオロ−ｎ−ドデシル等が挙げられる。
他のより具体的なＳＡＭ形成化合物は、式（３）：
Figure 2021520640
［式中、
ｍは、４〜２０の値を有する正の整数であり、
ｎは、０〜１９の値を有する正の整数であり、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、基板の所与の選択された上面に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
Ｓ’は、少なくとも１個の炭素を含むスペーサー基であり、
Ｂ’は、水素結合形成基を含む部分であり、
各Ｘは、水素およびフッ素からなる群から選択される独立した置換基である］
による構造を有する。
さらに上で述べた式（２）のＳ’’、Ｐ’、およびＥ’の例は、式（３）でラベル表示されている。
上記の構造で、ジアセチレン基は、それぞれ４〜２０個のメチレン基を含む２つの独立した二価のアルキレン鎖に、共有結合的に連結される。周辺のアルキレン鎖は、メチル基で終結される。
さらにより具体的なＳＡＭ形成化合物は、式（４）：
Figure 2021520640
［式中、
ｋは、１〜１０の値を有する正の整数であり、
ｍは、４〜２０の値を有する正の整数であり、
ｎは、４〜２０の値を有する正の整数であり、
Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、基板の所与の選択された上面に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
Ｂ’は、アミド、尿素、およびウレタンからなる群から選択される一員を含む部分であり、各Ｘは、水素およびフッ素からなる群から選択される独立した置換基である］
による構造を有する。
上でさらに述べた式（２）のＳ’、Ｓ’’、Ｐ’、およびＥ’の例は、式（４）でラベル表示されている。
一実施形態では、各Ｘは水素である。別の実施形態では、各Ｘはフッ素である。
以下の方法のそれぞれで、ＳＡＭは、ＳＡＭによって占められる基板表面の一部分にわたってＡＬＤ前駆体の堆積をブロックする、マスクとして作用する。
方法１
ＡＬＤによって層状構造を形成する第１の方法を、図１の（Ａ）〜（Ｆ）の断面層の略図で説明する。この方法は、原子層堆積中に表面をマスクするためのレジストとして、重合性ＳＡＭを利用する。図１の（Ａ）の基板１１０は、１つまたは複数の層を含むことができる。簡単にするため、基板１１０は、１つの層である層１１２（例えば、銅箔）を有して示される。層１１２は、ＳＡＭ形成化合物の頭部基とイオン的または共有結合的に結びつくことができる、上面１１４を有する。
ＳＡＭ形成化合物の頭部基の選択は、上面１１４の表面基に依存する。限定する意味ではなく例証だけの目的で、層１１２が銅金属を含む場合、上面１１４は、銅箔の酸素プラズマ浄化中に形成される銅の酸化物を含むことができる。この事例では、頭部基は好ましくはホスホン酸基を含み、これは酸化銅表面基と強く相互作用する。他の頭部基は、他の金属酸化物に対して好ましい可能性がある。
ＳＡＭ形成化合物は、任意の好適な被覆技術（例えば、好適な溶媒中のＳＡＭ形成化合物の溶液を使用する基板の浸漬被覆、好適な溶媒中のＳＡＭ形成化合物の溶液のスピンキャスティング、ＳＡＭ形成化合物の蒸着）を使用して上面１１４に塗布することができ、それによって構造１２０（図１の（Ｂ））を生成する。構造１２０は、層１１２上に配置された初期ＳＡＭ層１２１を含む。初期ＳＡＭ層１２１は、ＳＡＭ形成化合物の単分子層であり、その頭部基は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、層１１２の表面基に界面１２３で結合する（例えば、ＳＡＭ形成化合物のホスホン酸頭部基は、層１１２のＣｕＯ／ＣｕＯ２表面基と結合する）。初期ＳＡＭ層１２１は、上面１２２を含む。初期ＳＡＭ層１２１は、界面１２３と上面１２２の間の領域に、結合ＳＡＭ形成化合物の尾部部分を安定化させ最密に充填するのを支援する水素結合形成基を含む。初期ＳＡＭ層１２１は、界面１２３と上面１２２の間の領域に、重合性基も含有する。上面１２２は無極性であり、ＡＬＤによって送達される材料の堆積に抵抗性である。
ＳＡＭ層１２１は、パターン状露光前に、時間および温度の好適な条件下で、任意の塗布後ベーキング（post-application bake）（ＰＡＢ）または任意の溶媒すすぎあるいはその両方により処理される。任意のＰＡＢ処理は、５０℃〜２５０℃の温度で１秒〜１０分の期間、より具体的には９０℃〜１３０℃で約１分、不活性雰囲気（例えば、窒素、ヘリウムまたはアルゴン）下で典型的には行われる。ＰＡＢは、過剰な溶媒の膜を乾燥させる、望まないもしくは過剰な有機リガンドを除去する、または頭部基を上面１１４の酸化物に連結する共有結合を生じる、あるいはその組合せのために、使用され得る。熱的に処理されたＳＡＭ層１２１は、ＳＡＭ形成化合物の１つの単分子層の厚さを有する。
初期ＳＡＭ層１２１またはベーキングされた初期ＳＡＭ層（未表示）は、次に、ＳＡＭ層の重合性Ｐ’基の重合を誘発することができる高エネルギー放射を使用し、所望のパターンを有するマスクを通してパターン的に露光され、それによって構造１３０（図１の（Ｃ））を生成する。構造１３０は、層１１２上に配置された、露光ＳＡＭ層１３５を含む。露光ＳＡＭ層１３５は、ｉ）重合した結合ＳＡＭ形成化合物を含み、上面１３２を有する、露光ＳＡＭフィーチャー１３１、およびｉｉ）重合しない結合ＳＡＭ形成化合物を含み、上面１３４を有する、非露光ＳＡＭフィーチャー１３３を含む。上面１３２および上面１３４は、無極性である。
ＳＡＭの重合を誘発するための高エネルギー放射の非限定的な例としては、遠紫外（ＤＵＶ）光、エキシマレーザー、Ｘ線、または極紫外（ＥＵＶ）光が挙げられる。紫外光照射線量は、好ましくは約１ｍＪ／ｃｍ２〜約５００ｍＪ／ｃｍ２、より好ましくは約１０ｍＪ／ｃｍ２〜約１００ｍＪ／ｃｍ２のオーダーである。露光は、従来のリソグラフィによって、または（例えば、ＥＵＶ露光を使用する）液浸リソグラフィによって実施することができる。液浸露光装置は、光路におけるマスクとＳＡＭ層の間に媒体、例えば、水、炭化水素液体、またはフッ素化液体あるいはその組合せを使用し、これが高エネルギー放射のより少ない吸収をもたらし、開口数および有効波長の観点からより効率的で微細な処理を可能にする。この場合、水に不溶性の保護膜を、前もってＳＡＭ層に塗布することができる。一実施形態では、１００ｎｍ〜３００ｎｍの間の紫外線波長を使用して、露光は行われる。
露光ＳＡＭ層１３５は、非露光ＳＡＭフィーチャーの選択的除去の前に、時間および温度の好適な条件下で、任意の霧光後ベーキング（ＰＥＢ）または任意の溶媒すすぎあるいはその両方により処理され得る。任意のＰＥＢは、５０℃〜２５０℃の温度で１秒〜１０分間、より具体的には８０℃〜１４０℃で約１〜５分間、不活性雰囲気下で実施することができる。
ＳＡＭ層は、露光、ＰＡＢ、またはＰＥＢ、あるいはその組合せの前または後に、溶媒（例えば、水、水／アルコール混合物を含む水溶液、および有機溶媒）を用いてすすぐことができる。すすぎは、室温または室温の近く（例えば、１０℃〜５０℃）で１秒〜１時間の期間実施することができる。任意のベーキング（ＰＡＢもしくはＰＥＢまたはその両方）処理、または任意のすすぎ処理あるいはその両方は、非露光ＳＡＭフィーチャーと比較した露光ＳＡＭフィーチャーの溶解度差を拡大することができる。
非露光ＳＡＭフィーチャー１３３は、任意の好適な方法および材料を使用して（例えば、非露光ＳＡＭフィーチャー１３３を選択的に溶解し、露光ＳＡＭフィーチャー１３１を残すことができる有機溶媒中で、層１３５を現像する）選択的に除去することができ、それによって構造１４０（図１の（Ｄ））を形成する。構造１４０は、露光ＳＡＭフィーチャー１３１およびトレンチ１４２を含むパターン化された層１４１を含む。トレンチ１４２は、底面１４３、および重合したＳＡＭ形成化合物の１つの単分子層の厚さに相当する高さｔである側壁１４４を有する。
次に、構造１４０をＡＬＤプロセスに供し、上面１３２上に配置されたＡＬＤ前駆体を全くまたは実質的に全く残留させず、ＡＬＤ前駆体を底面１４３上に選択的に堆積させる。すなわち、ＡＬＤ前駆体は、底面１４３に対して高い親和性を有し、上面１３２に対して低い親和性を有するまたはより好ましくは親和性を有さない。第１のＡＬＤサイクルは、ＡＬＤ生成物の１つの単分子層を底面１４３上に形成し、各連続的ＡＬＤはサイクルは、ＡＬＤ生成物の別の単分子層を前のＡＬＤ単分子層上に形成する。ＡＬＤプロセスは、ＡＬＤ生成物の所望の厚さｔ’を生成するのに必要な多くのサイクルを繰り返すことができ、それによって構造１５０（図１の（Ｅ））を形成する。構造１５０は、厚さｔを有する露光ＳＡＭフィーチャー１３１、およびトレンチ領域１４２の底面１４３上に配置されたＡＬＤ生成物を含有するＡＬＤフィーチャー１５２を含む、パターン化された層１５１を含む。ＡＬＤフィーチャー１５２は、上面１５３および厚さｔ’を有し、厚さｔ’は、露光ＳＡＭフィーチャー１３１の厚さｔより薄い（表示）、それより厚い（未表示）、またはそれと等しい（未表示）ことができる。好ましくは、露光ＳＡＭフィーチャー１３１の上面１３２は、その上に配置されたＡＬＤ生成物を全く、または実質的に全く有さない。
所与のＡＬＤサイクルは、初期に堆積したＡＬＤ前駆体の１つまたは複数の化学的変換を含むことができる。例えば、ＡＬＤサイクルは、低沸点有機金属化合物（例えば、ジメチル亜鉛、沸点４６℃）の初期送達を含むことができ、これはＡＬＤサイクルの第２段階で、水蒸気を使用して金属酸化物（例えば、ＺｎＯ）に転換される。所与のＡＬＤ前駆体は、金属、有機金属化合物、無機化合物、または有機化合物であり得る。ＡＬＤプロセスの各ＡＬＤサイクルは、同じ生成物または異なる生成物を形成することができる。
次に、露光ＳＡＭフィーチャー１３１を選択的に除去して、構造１６０を残すことができる（図１の（Ｆ））。構造１６０は、基板１１０の層１１２上に配置されたＡＬＤフィーチャー１５２を含む、パターン化された層１６１を含む。パターン化された層１６１は、基板１１０の底面１６３を有するトレンチ１６２も含む。露光ＳＡＭフィーチャー１３１の選択的除去は、これらに限定されないが、溶媒ストリッピングおよび酸素プラズマエッチングを含む、公知の技術を使用して実施することができる。露光ＳＡＭフィーチャー１３１を除去するために使用されるエッチングプロセスはまた、ＳＡＭフィーチャー１３１の下にある材料を選択的に除去し、それによってレリーフパターンを基板内に形成することもできる（未表示）。
方法２
この方法では、ＳＡＭ形成化合物の頭部基は、異なる化学組成の２つまたはそれ以上の領域を含む基板の上面の部分への優先的親和性を有し、そこへ選択的に吸着する。
基板２１０（図２の（Ａ））は、底層２１２に接するフィーチャー２１５を含む多層基板である。底層２１２は、上面２１４を有する。フィーチャー２１５は、上面２１４上に配置される（未表示）か、または底層２１２内へ広がる（表示）ことができる。フィーチャー２１５は、上面２１６、底面２１３、および側壁２１７を有する。この非限定的な例では、底面２１３および側壁２１７は、下にある層２１２との接触を有する。上面２１６および層２１２の上面２１４は、雰囲気との接触を有し、組成的に異なる。この例では、フィーチャー２１５は、層２１２に部分的に埋め込まれて示され、高さｔ’はフィーチャー２１５の厚さｔより小さい。高さｔ’は、ゼロに等しいかそれ以上であり得る。高さｔ’は、ｔより大きい（未表示）、ｔと等しい（未表示）、またはｔより小さい（表示）。
非限定的な例として、層２１２は、ＳｉＯ２を含む上面２１４を有するシリコン層であり得、フィーチャー２１５は、その上面２１６がＣｕＯまたはＣｕＯ２あるいはその両方を含む銅のラインパターンであり得る。この事例では、ホスホン酸頭部基を含むＳＡＭ形成化合物が、上面２１６のＣｕＯまたはＣｕＯ２あるいはその両方とのその強い結合特性、および上面２１４のＳｉＯ２に対する弱い結合特性に起因して、好ましいであろう。
次に、ＳＡＭ形成化合物が基板２１０に塗布され、それによって構造２２０（図２の（Ｂ））を形成する。構造２２０は、フィーチャー２１５上に選択的に配置された初期ＳＡＭフィーチャー２２１のパターンを含む。構造２２０は、その上に配置されたＳＡＭ形成化合物を全くまたは実質的に全く有さない底面２１４を含む、トレンチ２２３も含む。トレンチ２２３は、初期ＳＡＭフィーチャー２２１を分離する。初期ＳＡＭフィーチャー２２１は、ＳＡＭ形成化合物の１つの単分子層に等しい厚さを有する。前の方法においてのように、初期ＳＡＭフィーチャーは、任意の塗布後ベーキングまたは塗布後溶媒すすぎあるいはその両方が与えられ得る。
任意のベーキングまたはすすぎあるいはその両方の前または後に、構造２２０を高エネルギー放射に全面露光することにより、構造２３０（図２の（Ｃ））が生成する。構造２３０は、上面２３２を有する露光ＳＡＭフィーチャー２３１を含み、これは底面２１４を有するトレンチ２２３によって分離される。底面２１４は、その上に配置されるＳＡＭ形成化合物を全くまたは実質的に全く有さない。露光ＳＡＭフィーチャー２３１は、重合したＳＡＭ形成化合物を含む。上面２３２は、無極性である。露光ＳＡＭフィーチャーは、任意の霧光後ベーキングまたは霧光後溶媒すすぎあるいはその両方が与えられ得る。
次に、構造２３０は、第１の半サイクルでトレンチ２２３の底面２１４上に選択的にＡＬＤ前駆体を堆積するＡＬＤプロセスに供され、構造２４０（図２の（Ｄ））を形成する。次に、堆積したＡＬＤ前駆体は、第２の半サイクルでＡＬＤ生成物に転換される。構造２４０は、露光ＳＡＭフィーチャー２３１の上面２３２に配置されたＡＬＤ生成物を、全くまたは実質的に全く有さない。ＡＬＤ前駆体は、底面２１４に対して優先的親和性を有し、上面２３２に対して低い親和性を有する、またはより好ましくは親和性を有さない。ＡＬＤプロセスは、ＡＬＤ生成物の所望の厚さｈ’を生成するのに必要な多くのＡＬＤサイクルを含むことができる。ＡＬＤフィーチャー２４１は、ＡＬＤ生成物を含み、かつ上面２４２を有し、これは上面２３２より低い（表示）、高い（未表示）、または同一平面であり得る。ＡＬＤフィーチャー２４１の底面２４３は、層２１２に接している。
次に、露光ＳＡＭフィーチャー２３１を選択的に除去して、構造２５０を残すことができる（図２の（Ｅ））。この例では、構造２５０は、基板２１０のフィーチャー２１５によって分離された層２１２に接する、ＡＬＤフィーチャー２４１のパターンを含む。構造２５０のフィーチャー２１５は、上面２５１を有し、これはＡＬＤフィーチャー２４１の上面２４２より低い（表示）、高い（未表示）、または同一平面であり得る。露光ＳＡＭフィーチャー２３１の選択的除去は、フィーチャー２１５および底層２１２の材料を含む、露光ＳＡＭフィーチャー２３１の下にある材料を除去することも含むことができる（図示せず）。
基板
基板は、１つまたは複数の層を含む層状構造であり、上面を有する。基板、より具体的には基板の表面は、無機または有機材料、例えば、金属、炭素、またはポリマーあるいはその組合せを含むことができる。より具体的には、基板は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＧｅＣ、ＳｉＣ、Ｇｅ合金、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、窒化ケイ素、窒化チタン、酸化ハフニウム、および他のＩＩＩ〜Ｖ族またはＩＩ〜ＶＩ族化合物半導体を含む、半導体材料を含むことができる。基板は、誘電材料、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５およびポリマー（例えば、ポリイミド、ポリアミド、ポリエチレン）などを含むことができる。基板は、層状半導体、例えば、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、またはセミコンダクター・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）も含むことができる。特に、基板は、Ｓｉ含有半導体材料（すなわち、Ｓｉを含む半導体材料）を含有することができる。半導体材料は、ドープされ得、非ドープされ得、またはその中にドープ領域および非ドープ領域を含有することができる。
基板は、積層膜（film stack）の反射率を低減するために、反射防止制御層（anti-reflection control layer）（ＡＲＣ層）または底部ＡＲＣ層（ＢＡＲＣ層）を有することができる。単層ＢＡＲＣ、２層ＢＡＲＣ、グレーデッドＢＡＲＣ、および現像性（developable）ＢＡＲＣ（ＤＢＡＲＣ）を含む、多くの好適なＢＡＲＣが文献で公知である。基板は、ハードマスク、転写層（例えば、平坦化層、スピンオングラス層、スピンオンカーボン層）、および層状デバイスに必要な他の材料も含むことができる。
ＳＡＭ層のための配合
ＳＡＭ層を調製するための組成物も開示される。組成物は、溶媒および溶媒に接する０．１〜５ｗｔ％のＳＡＭ形成化合物を含み、ｗｔ％は組成物の全重量に対するものである。ＳＡＭ形成化合物は、溶媒中に溶解または分散することができる。組成物は、ＳＡＭ形成化合物を含むＳＡＭ層を形成するのに好適である。例示的な溶媒としては、限定されるものではないが、トルエン、キシレン、ジクロロメタン（ＤＣＭ）、クロロホルム、四塩化炭素、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸アミル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、エトキシエチルプロピオナート、アニソール、乳酸エチル、ジエチルエーテル、ジオキサン、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、アセトニトリル、酢酸、酢酸アミル、酢酸ｎ−ブチル、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、アセトン、メチルイソブチルケトン、２−ヘプタノン、シクロヘキサノン、メタノール、エタノール、２−エトキシエタノール、２−ブトキシエタノール、イソ−プロピルアルコール、ｎ−ブタノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ピリジン、およびジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）が挙げられる。溶媒は、単独でまたは組合せて使用され得る。
溶液は、任意の好適な被覆技術（例えば、浸漬被覆、スピンコーティング）を使用して、基板の上面に塗布され、続いて溶媒が除去され、それによって初期ＳＡＭ層が形成され得る。ＳＡＭ層は、雰囲気に接する上面、およびＳＡＭ形成化合物が優先的親和性を有する基板の選択された表面と接する底面を有する。
一般に、ＳＡＭは、約０．５〜約２０ナノメートル、より具体的には約０．５〜約１０ナノメートル、さらにより具体的には約０．５〜約２ナノメートルの厚さを有することができる。
アニーリング条件
ＡＬＤ堆積に対して所与の基板表面を非活性化するＳＡＭの選択性の程度は、ＳＡＭ形成化合物の尾部の化学構造、頭部基が基板表面へ結合する性質（イオン性または共有結合性）、ＳＡＭ層中の任意の溶媒の存在、最密充填を達成するために使用されるアニーリング条件（例えば、温度、環境、およびアニーリング時間）、達成された重合度、およびＳＡＭ界面（例えば、ＳＡＭ−空気界面）の特性の関数である。これらのパラメータは、所与のＡＬＤ前駆体の堆積に対してＳＡＭの抵抗性を最適化するために、調整され得る。
ＳＡＭ層の自己組織化は、ＳＡＭ層形成中または塗布後アニーリングステップ（例えば後続する熱的アニーリングプロセスもしくは溶媒アニーリングプロセス）中あるいはその両方で起こり得る。熱的アニーリングプロセスとしては、定温でのアニーリングおよび温度勾配アニーリングが挙げられる。熱的アニーリングステップは、約８０℃〜約３５０℃の間、より好ましくは約１２０℃〜約３５０℃の間の温度で実施することができる。熱的アニーリングは、約１秒〜約２４時間の間、より具体的には約１分〜約２０分の間の期間行われ得る。
選択的除去
ＳＡＭフィーチャーの選択的除去は、任意の好適なプロセス（例えば、熱分解性材料の熱ベーキング、反応性イオンエッチングプロセス、選択的溶媒中での溶解、紫外線露光、または前述の組合せ）によって実施することができる。選択的除去としては、プラズマエッチングなどのドライエッチング、または選択溶媒もしくは蒸気またはその両方を使用するウェットエッチング、あるいはその両方が挙げられる。典型的には、好適なガス（Ｏ２）を使用するドライエッチングプロセスが、５０ｎｍ以下の寸法でのエッチングに用いられる。選択的にＳＡＭフィーチャーを除去することによって、下にある基板へ転写され得るレリーフパターンが作り出される。
選択的除去に必要な特性、例えば、エッチング耐性または機械特性を改善するために、ＳＡＭフィーチャーの選択的除去または転写あるいはその両方の前に、ＳＡＭフィーチャーは任意で化学的に修飾され得る。相対的エッチング速度を制御するために、エッチング耐性材料を基板表面、ＳＡＭフィーチャーの表面、またはＡＬＤフィーチャーの表面、あるいはその組合せに塗布することができる。化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマＣＶＤ、原子層堆積（ＡＬＤ）、逐次浸透合成（sequential infiltration synthesis）（ＳＩＳ）、金属塩の逐次浸透、スパッタリング、熱蒸発、電子線蒸発、パルスレーザー堆積、またはマイクロエレクトロニクス製作で使用されるプロセスおよび装置と適合性がある他の好適な堆積方法を含むプロセスによって、エッチング耐性材料を気相から堆積させることができる。
化学修飾は、様々な公知の方法によって達成され得る。例えば、化学薬剤を使用して、ＳＡＭの官能基に結合または化学的に連結（couple）して、例えば、選択的にＳＡＭフィーチャーを除去するために有利に使用することができる、増加した溶解度特性の差をもたらすことができる。
ＳＡＭフィーチャーの選択的除去は、基板またはレジストあるいはその両方の下にある材料を除去することができる。
有用性
金属、金属酸化物、窒化物またはポリシリコンのパターン化された層を含む層状構造を形成するために、上記方法を使用することができる。この方法は、低減されたフィーチャーの大きさおよび良好な均一性を有する、構造的フィーチャーを有利に提供する。
以下の実施例は、ＳＡＭの調製、および酸化亜鉛への前駆体として機能する有機亜鉛化合物のＡＬＤ堆積に対する、酸素プラズマ浄化銅表面の非活性化でのそれらの有効性を説明している。
以下の実施例で使用する材料を、表１に列挙する。
Figure 2021520640
合成
（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホン酸（ＤＡ）を、市販のジエチル（２−シアノエチル）ホスホネートおよび１０，１２−ペンタコサジイン酸から３ステップで合成した。
Ａ．ジエチル（３−アミノプロピル）ホスホネート（Ｃ−１）の調製。
Figure 2021520640
ジエチル（２−シアノエチル）ホスホネート（３．２４ｇ、１７．０ｍｍｏｌ、１．０当量）を、水素化ホウ素ナトリウム（９．００ｇ、２３７ｍｍｏｌ、１４．０当量）および塩化コバルト六水和物（０．８１ｇ、３．４ｍｍｏｌ、２０ｍｏｌ％）によって、１：１ＴＨＦ／水混合物（６５ｍＬ、０．１Ｍ）中、０℃で還元し、２４時間にわたって２３℃に温めた。ＮＨ４ＯＨ（１Ｌ、Ｈ２Ｏ中２８％）を添加し、１時間撹拌した。水相をＤＣＭ（４×２００ｍＬ）で抽出し、これをＭｇＳＯ４上で乾燥させ、減圧下で濃縮して、ジエチル（３−アミノプロピル）ホスホネート（Ｃ−１、１．５１ｇ、７．７４ｍｍｏｌ、４６％の粗収率）を得た。Ｃ−１は、さらに精製することなく次へ進めた。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ４．１０（ｑ、Ｊ＝６．９、４Ｈ）、２．７７（ｔ、Ｊ＝６．６、２Ｈ）、１．８４−１．６６（ｍ、４Ｈ）、１．３２（ｔＪ＝７．１、６Ｈ）。
Ｂ．ジエチル（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホネート（Ｃ−２）の調製。
Figure 2021520640
ジクロロメタン（１２ｍＬ、０．４Ｍ）中、ＤＭＡＰ（０．０３ｇ、０．２２ｍｍｏｌ、５ｍｏｌ％）の存在下、ＥＤＣＩ（０．７５ｇ、４．８ｍｍｏｌ、１．１当量）を使用して、２４時間にわたって、Ｃ−１（０．８５ｇ、４．３２ｍｍｏｌ、１．０当量）を１０，１２−ペンタコサジイン酸（１．６２ｇ、４．３２ｍｍｏｌ、１．０当量）と連結した。反応物をＨ２Ｏ（２×２００ｍＬ）で洗浄した。有機相をＭｇＳＯ４上で乾燥し、次に減圧下で濃縮した。粗生成物をカラムクロマトグラフィ（５０％ＥｔＯＡｃ／ヘキサン→５％ＭｅＯＨ／ＤＣＭ）によって精製し、ジエチル（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホネート（Ｃ−２、０．６３ｇ、１．１７ｍｏｌ、２７％収率）を生成した。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ６．０５（ｓ、１Ｈ）、４．１０（ｑ、Ｊ＝７．５、４Ｈ）、３．３５（ｑ、Ｊ＝６．３、２Ｈ）、２．２４（ｔ、Ｊ＝６．９、４Ｈ）、２．１６（ｔ、Ｊ＝７．４、２Ｈ）、１．８８−１．７１（ｍ、４Ｈ）、１．５６（ｍ、３７Ｈ）、０．８８（ｔ、Ｊ＝６．９、３Ｈ）。
Ｃ．（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホン酸（ＤＡ）の調製。
Figure 2021520640
ＤＭＦ（５ｍｌ、０．１２Ｍ）中で、９０℃で２４時間、クロロトリメチルシラン（３．８９ｇ、３５．８ｍｍｏｌ、６０．０当量）を用いて、ｉｎ ｓｉｔｕでホスホン酸トリメチルシリルを形成することによって、ホスホン酸エステルＣ−２（０．３２ｇ、０．６０ｍｍｏｌ、１．０当量）を脱保護した。水によるトリメチルシリルエステルの加水分解によって、所望の生成物ＤＡ（０．２５ｇ、０．５０ｍｏｌ、８４％収率）を生成した。粗製ＤＡは、粗製固体をろ過することによって精製し、ろ過した固体をＨ２Ｏ（５ｍＬ）ですすぎ、ＤＣＭ（３×５ｍＬ）でトリチュレーションした（trituration）。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＤＭＳＯ−ｄ６）：δ３．０４（ｑ、Ｊ＝５．８、４Ｈ）、２．２７（ｔ、Ｊ＝６．８、４Ｈ）、２．０２（ｔ、Ｊ＝７．７、２Ｈ）、１．６３−１．０７（ｍ、３６Ｈ）、０．８５（ｔ、Ｊ＝６．６、３Ｈ）。
４−ブロモ安息香酸メチルから４ステップで、三芳香族（triaromatic）ホスホン酸化合物ＴＰを調製した。
Ａ．４−（ジメトキシホスホリル）安息香酸メチル（Ｃ−３）の調製。
Figure 2021520640
テトラヒドロフラン（１１６ｍＬ、０．２Ｍ）中で、４−ブロモ安息香酸メチル（５．０ｇ、２３ｍｍｏｌ、１．０当量）を、Ｐｄ（Ｐｈ３Ｐ）４（２．７ｇ、２．３ｍｍｏｌ、０．１当量）および炭酸セシウム（９．１ｇ、２８ｍｍｏｌ、１．２当量）と化合させ、８０℃で１８時間加熱した。反応混合物をセライトのプラグ上でろ過し、ろ液を減圧下で濃縮した。オレンジ色の固体をカラムクロマトグラフィ（２％ＭｅＯＨ／ＤＣＭ）によって精製し、Ｃ−３（１．９５ｇ、７．９９ｍｍｏｌ、３４％収率）を得た。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ８．１３（ａｐｐ ｄｄ、Ｊ＝８．３、３．９、２Ｈ）、７．８８（ａｐｐ ｄｄ、Ｊ＝１３．０、８．３Ｈ）、３．９５（ｓ、３Ｈ）、３．７９（ｄ、Ｊ＝１１．１、６Ｈ）。
Ｂ．４−（ジメトキシホスホリル）安息香酸（Ｃ−４）の調製。
Figure 2021520640
１：１ ＭｅＯＨ／Ｈ２Ｏ混合物（１６０ｍＬ、０．０５Ｍ）中の４−（ジメトキシホスホルリル）安息香酸メチル（Ｃ−３、１．９５ｇ、７．９９ｍｍｏｌ、１．０当量）に、水（０．１Ｍ）中のＬｉＯＨ（０．３５ｇ、８．３９ｍｍｏｌ、１．０５当量）をゆっくり添加し、２３℃で２時間撹拌した。ＭｅＯＨを減圧下で除去し、水相をＥｔＯＡｃ（２×２００ｍＬ）ですすぎ、１Ｍ ＨＣｌ（１００ｍＬ）で酸性化した。有機相をＥｔＯＡｃ（３×１００ｍＬ）で抽出し、ＭｇＳＯ４上で乾燥し、減圧下で濃縮して、生成物Ｃ−４（１．０ｇ、４．３４ｍｍｏｌ、５４％収率）を得た。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＣＤＣｌ３）：δ８．２１（ａｐｐ ｄｄ、Ｊ＝８．５、３．９、２Ｈ）、７．９３（ａｐｐ ｄｄ、Ｊ＝１３．０、８．５ ２Ｈ）、３．８２（ｄ、Ｊ＝１１．２、６Ｈ）。
Ｃ．（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホン酸（ＤＡ）の調製。
Figure 2021520640
ＤＭＦ（２９ｍＬ、０．０６Ｍ）中の、４−（ジメトキシホスホリル）安息香酸（Ｃ−４、０．４ｇ、１．８ｍｍｏｌ、１．０当量）、１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣＩ、０．４ｇ、２．１ｍｍｏｌ、１．２当量）、Ｎ−ヒドロキシベンゾトリアゾール（ＨＯＢＺｔ、０．３ｇ、２．１ｍｍｏｌ、１．２当量）、およびトリエチルアミン（Ｅｔ３Ｎ、０．２５ｇ、２．５ｍｍｏｌ、１．４４当量）の撹拌された溶液に、４−アミノベンズアニリド（０．４１ｇ、１．９ｍｍｏｌ、１．１当量）を添加した。得られた溶液を、２３℃で２４時間撹拌した。溶媒を減圧下で除去し、材料をＨ２Ｏ／ＭｅＯＨから再結晶化し、Ｃ−５（０．１３ｇ、０．３１ｍｍｏｌ、１８％収率）を得た。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＤＭＳＯ−ｄ６）：δ１０．７２（ｓ、１Ｈ）、１０．１９（ｓ、１Ｈ）、８．２６−７．００（ｍ、１３Ｈ）、３．７１（ｄ、Ｊ＝１１．１、６Ｈ）。
Ｄ．ＴＰの調製
Figure 2021520640
ＤＭＦ（２ｍＬ、０．０６Ｍ）中で、１００℃で１時間、クロロトリメチルシラン（０．７７ｇ、７．０９ｍｍｏｌ、６０．０当量）を用いて、ｉｎ ｓｉｔｕでホスホン酸トリメチルシリルを形成することによってＣ−５を脱保護し、続いて、水によりトリメチルシリルエステルを加水分解した。得られた沈殿物をろ過し、Ｈ２Ｏ（５ｍＬ）およびＥｔ２Ｏ（５ｍＬ）ですすぎ、所望の生成物ＴＰ（０．０３ｇ、０．０８ｍｍｏｌ、６４％収率）を得た。１ＨＮＭＲ（４００ＭＨｚ、ＤＭＳＯ−ｄ６）：δ１０．５８（ｓ、１Ｈ）、１０．１７（ｓ、１Ｈ）、８．０８−７．０４（ｍ、１３Ｈ）。
ＳＡＭ形成材料を、以下の表２に列挙する。
Figure 2021520640
接触角
様々なＳＡＭの接触角を、浸漬時間の関数として、金属表面（Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｖ）およびシリコン表面（本来のＳｉＯ２、ＳｉＮ）を含む様々な表面上で測定した。すべてのＳＡＭ溶液を、溶媒４−メチル−２−ペンタノール中の０．１ｗｔ％溶液として調製し、次に、０．２マイクロメートルのＰＴＦＥシリンジフィルターを通してろ過した。被覆直前に、表面を酸素プラズマによって浄化した。この方法で浄化した場合、金属表面は金属酸化物を含有することを理解すべきである。特に明記しない限り、被覆はすべて室温で行った。
表３は、室温で（すなわち、ＳＡＭ層に放射を照射する前に）、異なる金属表面上に形成された様々な初期ＳＡＭ層に対して得られた接触角を列挙する。より大きい接触角が望ましく、ＳＡＭ形成材料が金属表面に結合していることを表す。
Figure 2021520640
表３の結果は、ＯＤＰＡ、ＳＡ、ＤＡおよびＰＦＤＡが、銅およびスズの表面上に選択的にＳＡＭを形成することを示している。ＳＡＭは、これらの表面上で８０〜１１０度の範囲の類似した接触角を有している。より小さい接触角（例えば、ＳｉＯ２およびＳｉＮの表面上）は、これらの表面上での不十分なＳＡＭ形成を表す。
ＡＬＤ研究
本来のＳｉＯ２表面の一部分をＣｕの堆積から保護する円形のシャドウマスクを使用して、４インチ（１０．１６ｃｍ）の再生シリコンウエハ上に、厚さ５０ｎｍのＣｕ膜を蒸着した。真空を破った後、Ｃｕ層は、表面上に本来の酸化物層（すなわち、ＣｕＯまたはＣｕ２Ｏあるいはその両方）を成長させた。次に、ウエハを、ジメチルスルホキシド（０．５ｍｇ／ｍＬ、試薬用）中の（３−（ペンタコサ−１０，１２−ジインアミド）プロピル）ホスホン酸（ＤＡ）溶液に６５℃で２４時間浸漬し、次に、イソプロパノールですすぎ、定流量の窒素を使用して乾燥した。ＳＡＭに対する接触角は１０４°であり、Ｃｕ表面上に良好に組織化されたＳＡＭの形成を表している。ウエハを窒素雰囲気下で１２０℃に加熱し、金属酸化物によるホスホン酸のエステル化を促進した。次に、ＳＡＭに対する接触角は１０４°であると測定され、ＳＡＭがＣｕ膜から脱着されなかったことを表している。
ウエハを二等分に分割した。半分にした一方に、２５４ｎｍの紫外線を５分間照射した（すなわち、半分のウエハのＳＡＭのない領域およびＳＡＭのある領域に照射した）。照射後のＳＡＭの接触角は１０１°であり、ＳＡＭがＣｕ表面からごくわずかに脱着していることを表している。次に、２つのウエハ半分を、ＡＬＤチャンバーに装填した。ＺｎＯの堆積は、ＺｎＯ用の有機金属前駆体として、ジメチル亜鉛を使用した。この手順では、ＡＬＤプロセスは、１４０ｍＴのベース圧力を達成するためのＡｒの連続的な流れとともに、１５０℃で行った。水の０．０１５秒のパルスの後に２０秒の休止が続き、ジメチル亜鉛の０．０１５秒のパルスが続き、さらに２０秒の休止が続き、未反応ジメチル亜鉛の排気が続いた。この手順は、１つのＡＬＤサイクルを表す。各サイクルの後に得られたＺｎＯ膜の厚さは、約０．１２ｎｍであった。合計１０個の試験片または１０００回のＡＬＤサイクルに対して、１００サイクルごとの後に、各半分の試験片をＡＬＤチャンバーから取り出した。
次に、ＳＡＭを有しないウエハ部分（すなわち、ＳｉＯ２表面を有する領域）の表面組成を測定するために、ラザフォード後方散乱分光法（ＲＢＳ）によって試験片の特性を決定した。両方の事例において、ＺｎＯ組成物はＳｉＯ２表面のすぐ上で増加し、ＺｎＯ膜の成長と一致した。ウエハの未光照射と光照射の半分のＳｉＯ２表面上のＺｎＯ堆積に関して、無視できる程度の差が観察され、表２に要約した。
Figure 2021520640
ウエハ半分のＳＡＭ部分上で、微量のＺｎＯ核生成を決定するためにＰＩＸＥ（粒子線励起Ｘ線分光法）分析を使用した。検出限界は、ＺｎＯの０．１単分子層であった。ＤＡの未光照射ＳＡＭ（例１、以下の表３）は、８００ＡＬＤサイクルまで検知可能なＺｎＯは示さなかった。１０００サイクル後、４７ÅのＺｎＯが検出された。このため、ＤＡの未光照射ＳＡＭに対するＡＬＤサイクルの最大数は、８００〜１０００サイクルの間であった。ＤＡの光照射ＳＡＭ（例８、以下の表３）に対して、１０００ＡＬＤサイクル後にＺｎＯは検出されなかった。このため、ＤＡの照射ＳＡＭに対するＡＬＤサイクルの最大数は、１０００サイクルまたはそれ以上である。ＤＡの未光照射ＳＡＭは強い非活性化バリアであるが、ＤＡの光照射ＳＡＭは、ＺｎＯ堆積に対してさらにより非活性化していた。
埋め込まれたＣｕラインパターンを含有する、予めパターン化された基板
ＳＡＭを形成するために使用されるこの基板を、図５に示す。基板３００は、上面３１４を有するＣｕラインパターン３１２を含む。Ｃｕラインパターン３１２は誘電体層３１６に埋め込まれており、誘電体層はオクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）から調製され、ＳｉＯ２を含む上面３１８を有する。Ｃｕラインパターン３１２の上面３１４は、銅の酸化物を含有する。Ｃｕラインパターン３１２の上面３１４は、誘電体層３１６の上面３１８と同一平面上でもある。基板３００の底層３１０は、シリコンウエハであった。
ＡＬＤ結果
ＺｎＯ堆積の手順は、上に記載されている。
ＨｆＯ２堆積のための有機金属前駆体は、ＴＤＨｆテトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム（ＩＶ）であった。ＨｆＯ２堆積のためのＡＬＤプロセスは、２００ｍＴのベース圧力を達成するためのＡｒの連続的な流れとともに、７０℃で行った。ＴＤＨｆの０．２５秒のパルスの後に２４０秒の休止が続き、水の０．０６秒のパルスが続き、２４０秒の休止が続き、全く未反応のＴＤＨｆの排気が続いた。
ＴｉＯ２堆積のための有機金属前駆体は、ＴＤＴｉテトラキス（ジメチルアミノ）チタン（ＩＶ）であった。ＴｉＯ２堆積のためのＡＬＤプロセスは、２２０ｍＴのベース圧力を達成するためのＡｒの連続的な流れとともに、１５０℃で行った。水の０．０６秒のパルスの後に１０秒の休止が続き、ＴＤＴｉの０．１秒のパルスが続き、１０秒の休止が続き、全く未反応のＴＤＴｉの排気が続いた。
上記の一般的な手順を使用する、酸素プラズマ浄化Ｃｕ表面の非活性化に対して、ＳＡＭ形成化合物をスクリーニングした。結果を、表３に要約する。「最大ＡＬＤサイクル」は、非活性化された銅表面上で、不要なＡＬＤ堆積が発生する前のサイクル数を指す。より多数の最大ＡＬＤサイクルが望ましい。
Figure 2021520640
表３の結果は、未光照射ＯＤＰＡ（例２）および光照射ＯＤＰＡ（例７）が、それぞれ６００のＡＬＤサイクルの最大数を有して、同等に機能したことを示している。ＯＤＰＡ例２および例７はまた、未光照射ＤＡ（例１、８００〜１０００サイクル）と比較してより非活性化しなかった。ＯＤＰＡ例２および例７はまた、未光照射尿素化合物ＵＯＤＰＡ（例３、８００サイクル）と比較して、より非活性化しなかった。ＵＯＤＰＡ例３は、未光照射ＤＡ（例１、８００〜１０００サイクル）と比較して、わずかにより非活性化せず、ＵＯＤＰＡの尿素水素結合形成基およびＤＡのアミド水素結合形成基が、ＺｎＯ堆積に対するＳＡＭ表面の非活性化に類似した影響を有することを表している。最も効果的でない非活性化は、ホスホン酸頭部基、水素結合形成基、および重合性基を含有しないＳＡＭ形成化合物（例４〜例５）で得られた。最も効果的な化合物は、光照射ＤＡ（例６、１０００サイクルを超える）であった。
ＤＣ（例１０）は初期ＳＡＭを形成したが、初期ＳＡＭは、光照射の際に大きい接触角を保持しなかった。理論によって拘束されることを望むものではないが、初期ＳＡＭのジアセチレン基が重合に対して適切に整列できなかったと考えられる。この例は、重合性基の適切な整列および安定性を提供するための、水素結合基の重要性を示唆している。
ＡＬＤ生成物がＴｉＯ２であった場合、ＳｉＯ２表面に対して、光照射ＤＡ（例１０）および未光照射ＯＤＰＡ（例９）を使用したＣｕ表面の非活性化は、観察されなかった。ＴｉＯ２は、両方の表面上で形成された。
図３は、ＵＯＤＰＡ ＳＡＭ、ＯＤＰＡ ＳＡＭおよびＰＦＤＡ ＳＡＭが、銅表面上で酸化亜鉛のＡＬＤをブロックする性能を比較したグラフである。望ましいＺｎ／Ｚｎ＋Ｃｕ組成比は、ゼロである。最大６００のＡＬＤサイクルを示し、それを超えると各ＳＡＭは、許容されない高いレベルのＳＡＭ上での亜鉛核生成を示した。
図４は、ＤＡおよびＯＤＰＡによって形成されたＳＡＭが、銅表面上で酸化亜鉛のＡＬＤをブロックする性能を比較したグラフである。ＤＡの１つのＳＡＭは、ＡＬＤの前にベーキングだけが与えられ、別のものはＡＬＤの前にＵＶ照射によって重合した。最大８００のＡＬＤサイクルを可能にした、ベーキングされたＤＡ ＳＡＭと比較して、ＵＶ照射ＤＡ ＳＡＭは、１０００のＡＬＤサイクル後に実質的により少ない亜鉛堆積を示した。ＯＤＰＡは、最大６００のＡＬＤサイクルを可能にした。この結果は、ＤＡの水素結合基が、ＯＤＰＡ ＳＡＭに比べてＤＡ ＳＡＭの選択性を強め（それぞれ、８００サイクル対６００サイクルの最大値）、ＵＶ照射によってジアセチレン基が重合される場合、ＤＡ ＳＡＭの選択性のさらなる強化が得られる（１０００サイクル以上）ことを表している。
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを記載する目的であり、本発明を限定する意図ではない。本明細書で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に他を表さない限り複数形も含むことを意図する。「含む（comprise）」または「含む（comprising）」あるいはその両方の用語は、本明細書で使用される場合、明示された特徴、整数、ステップ、運転、元素、または構成要素、あるいはその組合せの存在を規定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、運転、元素、構成要素、またはこれらの群、あるいはその組合せの存在または追加を排除しないことは、さらに理解されるであろう。２つの数値限界ＸおよびＹ（例えば、Ｘｐｐｍ〜Ｙｐｐｍの濃度）を使用して、可能性のある値を表現するために範囲が使用される場合、特に明記しない限り、値は、Ｘ、Ｙ、またはＸとＹの間の任意の数であり得る。
本発明の記述は、例証および説明の目的のために提示してきたが、網羅的であることを意図せず、開示された形態の発明に限定されることを意図していない。当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの変更および変形は明らかであろう。本発明の原理およびそれらの実際的な応用を最もよく説明し、かつ他の当業者が本発明を理解できるようにするために、実施形態を選択し記載した。

Claims (20)

  1. ＳＡＭと呼ばれる自己組織化単分子層を、基板の表面の一部分上に配置し、それによって、前記表面の一部分がマスクされないまま、前記表面のマスクされた部分を形成することであって、前記ＳＡＭが、式（１）：
    Figure 2021520640
     ［式中、
    ａは、１または２であり、
    Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、前記表面の前記部分に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
    Ｔ’は、前記頭部基に共有結合的に連結した尾部基であり、前記尾部基は、水素結合形成官能基、重合性基、および無極性周辺末端基を含む］
    の化合物の結合形態を含む、前記形成すること；
    前記ＳＡＭを放射に露光し、それによって重合したＳＡＭを形成すること；および
    原子層堆積のプロセスを使用して、前記表面のマスクされていない部分上に材料を選択的に堆積させ、それによって層状構造を形成すること
    を含む、方法。
  2. ａが１である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記頭部基Ｈ’が、ホスホン酸基（＊−Ｐ（＝Ｏ）（−ＯＨ）２およびその塩、カルボン酸基（＊−Ｃ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、スルホン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）２ＯＨ）およびその塩、スルフィン酸基（＊−Ｓ（＝Ｏ）ＯＨ）およびその塩、アルコール（＊−ＯＨ）、チオール（＊−ＳＨ）、アルケン（＊−Ｃ＝Ｃ−＊）、アルキン（＊−Ｃ≡Ｃ−＊）、シラン、ならびにこれらの組合せからなる群の一員を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記水素結合形成官能基が、アミド、ウレタン、尿素、およびこれらの組合せからなる群から選択される官能基を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記尾部基の前記重合性基が、１，３−ブタジエン−１，４−ジイル基（＊−Ｃ＝Ｃ（Ｈ）−Ｃ（Ｈ）＝Ｃ−＊）、ブタジイン−１，４−ジイル基（＊−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−＊）、およびこれらの組合せからなる群の一員を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記重合性基が、ブタジイン−１，４−ジイル基（＊−Ｃ≡Ｃ−Ｃ≡Ｃ−＊）を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記化合物が、環を含まない、請求項１に記載の方法。
  8. 前記ＳＡＭが、無極性上面を有する、請求項１に記載の方法。
  9. 前記基板の前記表面の前記マスクされた部分が、銅の酸化物を含有する、請求項１に記載の方法。
  10. 前記基板の前記表面の前記マスクされていない部分が、ＳｉＯ２を含有する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記無極性周辺末端基が、炭素ならびに、水素、フッ素、およびこれらの組合せからなる群から選択される一員を含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記ＳＡＭが、溶媒に溶解した前記化合物を含む溶液と前記基板を接触させることによって形成され、前記化合物が前記基板の前記部分に選択的に吸着する、請求項１に記載の方法。
  13. 前記化合物が、式（３）：
    Figure 2021520640
     ［式中、
    ｍは、４〜２０の値を有する正の整数であり、
    ｎは、０〜１９の値を有する正の整数であり、
    Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、基板の所与の選択された上面に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
    Ｓ’は、少なくとも１個の炭素を含むスペーサー基であり、
    Ｂ’は、水素結合形成基を含む部分であり、
    各Ｘは、水素およびフッ素からなる群から選択される独立した置換基である］による構造を有する、請求項１に記載の方法。
  14. Ｂ’が、アミド基、ウレタン基、および尿素基からなる群から選択される、請求項１３に記載の方法。
  15. 請求項１に記載の方法によって形成された、層状構造。
  16. ＳＡＭと呼ばれる自己組織化単分子層を、基板の表面に配置することであって、前記ＳＡＭが、式（１）：
    Figure 2021520640
     ［式中、
    ａは、１または２であり、
    Ｈ’は、静電相互作用または共有結合あるいはその両方によって、前記表面の前記部分に結合することができる官能基を含む頭部基であり、
    Ｔ’は、前記頭部基に共有結合的に連結した尾部基であり、前記尾部基は、水素結合形成官能基、重合性基、および無極性周辺末端基を含む］
    の化合物の結合形態を含む、前記配置すること；
    前記ＳＡＭを放射にパターン露光し、それによって、露光ＳＡＭおよび非露光ＳＡＭを含むパターン化されたＳＡＭを形成することであって、前記露光ＳＡＭは前記化合物の重合した形態を含む、前記形成すること；
    前記非露光ＳＡＭを選択的に除去し、それによって前記基板の前記表面のマスクされていない領域を形成すること；および
    原子層堆積のプロセスを使用して、前記基板の前記マスクされていない領域上に材料を選択的に堆積させること
    を含む、方法。
  17. 前記ＳＡＭを露光することが、紫外光を使用して行われる、請求項１６に記載の方法。
  18. 自己組織化単分子層を基板の一部分上に配置し、それによって、前記基板の一部分がマスクされないまま、前記基板のマスクされた部分を形成することであって、前記自己組織化単分子層が、光重合性部分、水素結合形成部分、およびこれらの組合せからなる群から選択される部分を含む、前記形成すること；および、
    原子層堆積のプロセスを使用して、前記基板のマスクされていない部分上に材料を選択的に堆積させること
    を含む、方法。
  19. 前記単分子層が光重合性部分を含み、前記方法が、前記自己組織化単分子層を光重合し、それによって原子層堆積中の前記マスクされた部分の選択性を強化することを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記単分子層が、原子層堆積中の前記マスクされた部分の選択性を強化する水素結合形成部分を含む、請求項１８に記載の方法。
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