KR102633008B1 - 리소그래피 패터닝 프로세스 및 해당 프로세스에서 사용되는 레지스트 - Google Patents

리소그래피 패터닝 프로세스 및 해당 프로세스에서 사용되는 레지스트 Download PDF

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에이에스엠엘 네델란즈 비.브이.
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Abstract

ABX3, A2BX4, 또는 ABX4 중에서 선택된 화학식을 가지는 구조를 가지는 페로브스카이트 재료를 포함하는 레지스트 조성물이 개시되는데, A는 NH3 기를 포함하는 화합물이고, B는 금속이고, X는 할로겐화물 성분이다. 페로브스카이트 재료는 구성성분: a) 할로겐-혼합(mixed) 페로브스카이트 재료, b) 금속-혼합 페로브스카이트 재료, 및 c) 유기 리간드 혼합 페로브스카이트 재료 중 하나 이상을 포함한다.

Description

리소그래피 패터닝 프로세스 및 해당 프로세스에서 사용되는 레지스트
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2014 년 12 월 23 일에 출원된 유럽 출원 14200085.0 및 2015 년 4 월 24 일에 출원된 유럽 출원 15165023.1 에 대한 우선권을 주장하는데, 이들 양자 모두는 그 전체로서 원용에 의해 본 발명에 포함된다.
본 발명은 리소그래피를 위한 페로브스카이트 재료를 포함하는 특정한 레지스트 조성물의 용도와 이러한 레지스트 조성물을 사용하는 패터닝 방법 또는 프로세스에 관한 것이다. 또한 본 발명은 코어-쉘 나노입자와 같은 무기 입자를 포함하는 레지스트 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 포지티브형 레지스트 조성물에 관한 것이다.
포토리소그래피에서, 원하는 패턴이 기판 상에, 보통 기판의 타겟부에 적용된다. 리소그래피 장치는 예컨대 집적회로(IC)의 제조 시에 사용될 수 있다. 그 경우, 집적회로의 개개의 층 상에 형성될 회로 패턴을 생성하기 위해 마스크 또는 레티클(reticle)로도 지칭되는 패터닝 장치가 사용될 수 있다. 이러한 패턴은 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼) 상의 타겟부에 전사될 수 있다. 패턴의 전사는 통상적으로 기판 상에 제공된, 보통 레지스트라고 불리는 방사선-감응재의 층 상으로의 이미징(imaging)을 통해 수행된다. 일반적으로, 단일 기판은 연속적으로 패터닝되는 인접한 타겟 영역들의 네트워크를 포함할 것이다.
리소그래피는 IC 및 다른 디바이스 및/또는 구조의 제조의 중요한 단계들 중 하나로서 널리 인식된다. 그러나, 리소그래피를 사용하여 제조되는 피쳐의 치수가 점점 더 작아지기 때문에, 리소그래피는 소형 IC 또는 다른 디바이스 및/또는 구조가 제조되게 하기 위한 더 중요한 인자가 되어 가고 있다. 패턴 인쇄의 한계의 이론적 추정은 화학식 1 에 나타나는 바와 같은, 해상도에 대한 레일리 기준에 의하여 제공될 수 있다:
(1)
여기에서 λ는 사용되는 방사선의 파장이고, NA는 패턴을 인쇄하기 위하여 사용되는 투영 시스템의 개구수이며, k1은 레일리 상수라고도 불리는 프로세스 의존적 조절 인자이고, CD는 인쇄된 피쳐의 피쳐 크기(또는 임계 치수)이다. 화학식 1 로부터, 피쳐의 최소 인쇄가능한 크기의 감소가 3 개의 방법: 노광 파장 λ를 단축시킴으로써, 조리개수 NA를 증가시킴으로써 또는 k1의 값을 감소시킴으로써 획득될 수 있다는 사실을 알 수 있다.
노광 파장을 단축시키고 따라서 최소 인쇄가능한 크기를 감소시키기 위하여, 극자외선(EUV) 방사원을 사용하는 것이 제안되어 왔다. EUV 방사선은 5-20 nm의 범위 내의, 예를 들어 13 내지 14 nm의 범위 내의 파장을 가지는 전자기 방사선이다. 이러한 방사선은 가끔 소프트 x-선 방사선이라고 불린다. EUV 방사선은 플라즈마를 사용하여 생성될 수도 있다. EUV 방사선을 생성하기 위한 방사선 시스템은 플라즈마를 제공하기 위하여 연료를 여자시키기 위한 연료, 및 플라즈마를 보관하기 위한 소스 콜렉터 모듈을 포함할 수도 있다. 플라즈마는, 예를 들어 레이저 빔을 연료, 예컨대 적합한 재료(예를 들어, 주석)의 입자, 또는 적합한 가스 또는 증기, 예컨대 Xe 가스 또는 Li 증기의 스트림에서 디렉팅함으로써 생성될 수도 있다. 이러한 방사선 시스템은 통상적으로 레이저 생산 플라즈마(laser produced plasma; LPP) 소스라고 명명된다. 다른 소스에는 방전 플라즈마 소스, 또는 전자 스토리지 링에 의하여 제공되는 싱크로트론(synchrotron) 방사선에 기초한 소스가 있다.
상업적 EUV 리소그래피를 개발하는 데에 있어서 특히 어려운 점은, 에칭-저항성 재료에서 EUV 광학 시스템에 의해 투영된 높은 해상도 패턴을 구현할 방사선-감응 레지스트 조성물을 제형화하는 것이다. 포토레지스트는 통상적으로 광학적 콘트라스트를 레지스트에 새겨지는 전사 패턴으로 현상될 수 있는 화학적 콘트라스트로 변환한다. EUV 리소그래피를 위해서, 당해 분야의 포토레지스트는 해상도, 선폭 거칠기와 민감도 사이에 트레이드-오프가 있는 화학적으로 증폭된 포토레지스트(CAR)이다. 이러한 특성은 상호의존적이기 때문에, 이러한 특성 중 하나를 개선하려고 포토레지스트 조성물을 변경하면 보통 다른 특성 중 하나 또는 양자 모두가 열화되게 된다. 다른 어려운 점은, 이러한 레지스트 조성물을 제조하려면 고온에서의 합성 단계가 필요할 수 있거나, 전자 - 리간드 효율을 감소시키기 위해서 비-방사선을 사용할 필요가 있을 수 있다는 것이다.
노광 중에, EUV 광자가 포토레지스트에 의해 흡수된다. EUV 광자의 높은 에너지 때문에, 원자의 코어 레벨에 의한 흡수가 메인 메커니즘이 되고, 따라서 원자 조성물 및 포토레지스트의 밀도가 EUV 흡수를 위한 주된 요인이 된다. 현재의 유기 포토레지스트는 모두 유사한 EUV 흡수 계수를 가지며, 따라서 약 25% 의 EUV 흡수가 생기게 되고, 웨이퍼에 입사하는 나머지 광자는 주로 낭비된다. 총흡수는 레지스트 층의 흡수율 및 두께에 관련되는 측벽 각도 고려사항에 의해 제한된다.
노광 중에 광산 생성기(PAG)로부터 광산(photoacid)이 생성되고, 이것은 포토레지스트에 적용되는 노광후 베이크 단계에서 디프로텍션(deprotection) 반응을 더욱 촉진시킨다. 특정한 양의 디프로텍션 비율에 도달하면, 포토레지스트의 해당 부분이 현상 단계에서 용해되어 없어질 수 있다. 이러한 방식으로, 특정 치수 및 거칠기를 가지는 레지스트 패턴이 형성된다.
노광후 베이크 중의 확산은 일반적으로 모든 방향에서 무작위적이고, 이차 전자 블러와 함께 총블러의 중요한 부분을 형성한다. 산의 수평 확산을 제한하고 수직 산 확산(z 방향)을 촉진시키는 것이 유리할 것이다. 레지스트는 이상적으로는 x-y 방향에서 제한된 블러링을 보이고 z 방향에서 현저한 블러링을 보이며, 레지스트 높이(z 방향)에 따른 광산 확산은 이들이 등방성으로 확산하는 것보다 더 큰 부피를 보호해제(deprotect)할 것이다.
현재의 유기 기초의 화학적으로 증폭된 레지스트는 일반적으로 EUV 리소그래피를 위한 16nm보다 작은 피쳐에 대한 선량, 거칠기 및 해상도 요구 사항과 같은 모든 요구 사항을 만족시키지 않는다. CAR의 흡수율은 일반적으로 낮기 때문에 레지스트의 민감도가 제한되고, 작은 피치에서의 광자 샷 노이즈의 효과를 완화하기 위해서 높은 선량이 필요하게 된다.
총흡수를 증가시키는 것은 EUV 광자를 더 효율적으로 사용하기 위해서 유리할 수 있다. 그러나 레지스트 프로파일을 약 90 도로 유지하면서 총흡수를 증가시키는 것은 여전히 어려운 일이다. 만일 더 높은 흡수성의 재료가 사용되면, 총 레지스트 필름 두께도 이에 따라서 조절/감소될 필요가 있고, 그렇다면 에칭 저항이 문제가 된다. 다른 문제점은 패턴 무너짐인데, 이것은 높은 해상도 및 높은 종횡비 재료를 얻는 것을 제한한다. 패턴 무너짐의 다른 원인은 포토레지스트가 기판에 열악하게 부착되는 것과 레지스트 재료의 낮은 기계적 강도이다. 위의 문제점들 중 하나 이상을 해결하는 새로운 레지스트 조성물이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 페로브스카이트 재료를 포함하는 레지스트가 제공된다. 페로브스카이트 재료는 ABX3, A2BX4, 또는 ABX4 중에서 선택된 화학식을 가지는 구조를 가지고, NH3 기를 포함하는 화합물이고, B는 금속이고, X는 할로겐화물 성분이다. 레지스트 조성물은 이러한 페로브스카이트 재료들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 레지스트 조성물은 구성성분: a) 할로겐-혼합(mixed) 페로브스카이트 재료, b) 금속-혼합 페로브스카이트 재료, 및 c) 유기 리간드 혼합 페로브스카이트 재료 중 하나 이상으로부터 선택된 페로브스카이트 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 화합물 A는 CxHx + 2NH3, C6H5CxH2xNH3, NH3CxH2xNH3 및 NH2CHNH3, 그리고 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되고, x는 1 내지 5 의 범위에 있는 정수이다.
다른 실시예에서, B는 Pb2+, Sn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+ 및 혼합-금속(또는 혼합 음이온)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속이다.
또 다른 실시예에서, X는 I, Br, F 및 Cl로 이루어지는 군으로부터 선택된 할로겐화물 성분이다.
추가적인 실시예에서, 레지스트 조성물은 화학식: CH3NH3PbX3인 메틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트 및/또는
화학식: CH3NH3PbX3인 에틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트인데, 할로겐화물 성분은 I, Br, 또는 Cl 중에서 선택된다. 적합한 페로브스카이트 재료의 예는
CH3NH3PbI3, CH3CH2NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI2Br,
CH3NH3Pb(I1-xBrx)3, CH3NH3PbI2Cl, NH2=CHNH3+ 납 기초 재료 및
CH3NH3PbI(3-x)Clx인데, x는 1 내지 5 의 범위에 있는 정수이다.
일 실시예에서, 레지스트 조성물은 전술된 약 1 wt% 내지 약 98 wt% 페로브스카이트 재료를 포함한다. 레지스트 조성물은 선택적으로, 이차 수지 화합물, 용매, 계면활성제, 또는 다른 첨가제 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 패턴 형성 프로세스로서, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 레지스트 조성물을 기판 상에 도포하여 코팅을 형성하는 단계, 상기 코팅을 베이킹(baking)하는 단계, 상기 코팅을 고-에너지 방사선에 노광하는 단계, 및 노광된 코팅을 현상기 내에서 현상하는 단계를 포함하는, 패턴 형성 프로세스가 제공된다. 노광 단계는 예를 들어, 액침 리소그래피에 의해, 전자 빔 리소그래피, 임프린트 리소그래피에 의해, 또는 3 내지 20 nm의 파장을 가지는 EUV 방사선을 사용한 EUV 리소그래피에 의해 수행될 수 있다.
다른 실시예에서에서, 전술된 실시예에서 기술된 레지스트 조성물을 제조하기 위한 방법이 제공되는데, 페로브스카이트 재료 및 / 또는 레지스트 조성물은 실온에서 합성된다. 더욱이, 레지스트 조성물을 제조할 때에, 건식 박스와 같은 건조 상태의 엔클로저 내에서 무수 원료를 이용하는 것이 유리하다.
일 실시예에서, ABX3, A2BX4, ABX4 중에서 선택된 화학식의 구조를 가지는 페로브스카이트 재료, 또는 이러한 페로브스카이트 재료들의 혼합물은 집적 회로를 제조하는 리소그래피 프로세스를 위해 사용되고, A는 NH3기를 포함하는 화합물이고, B는 금속이며, X는 할로겐화물 성분이다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 무기 코어-쉘 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물이 제공되는데, 나노입자는 나노입자의 코어를 형성하는 제 1 재료 및 코어 주위의 셀을 형성하는 제 2 재료를 포함하고,
여기에서 제 2 재료는 제 1 재료의 에너지 대역보다 더 큰 에너지 밴드갭을 가진다. 제 1(코어) 재료는 예를 들어 CdSe이고 제 2(쉘) 재료는 예를 들어 ZnS이다. 일 실시예에서, 나노입자는 CdS/ZnS, CdSe/CdS, 및 InAs/CdSe에서 선택된 재료를 포함하는 코어-쉘 나노입자이다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 나노입자의 코어를 형성하는 제 1 재료 및 코어 주위의 쉘을 형성하는 제 2 재료를 포함하는 무기 코어-쉘 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물로서,
상기 제 2 재료의 절대 밴드갭 위치는 전하 캐리어로서 전자 또는 정공 중 하나를 차폐하고 다른 전하 캐리어를 끌어당기도록 배치되는, 레지스트 조성물이 제공된다. 그러므로 코어 주위의 쉘은 나노입자 내에 전하 캐리어 분리가 더 양호하게 이뤄지도록 보장한다. 제 1(코어) 재료는 예를 들어 ZnTe일 수 있고, 제 2(쉘) 재료는 CdSe일 수 있다.
일 실시예에서, 이러한 레지스트 조성물은, 제 1 재료의 밴드갭은 제 2 재료의 밴드갭보다 더 높고, 상기 제 1 및 제 2 재료의 절대 밴드갭 위치는 절대 에너지 스케일에서 상이해서, 결과적으로 전자 및 정공의 공간적 분리를 초래하며, 정공이 코어-쉘 나노입자 표면에 더 가까이 위치된다. 이러한 레지스트 조성물에서, EUV로 조사될 경우의 메인 여기 메커니즘은 선형 단일-광자 타입 흡수(활성화)이다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 무기 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물이 제공되는데, 무기 나노입자는 3.5 eV 미만의 벌크 밴드갭을 가지는 재료를 포함한다. 이러한 수지 조성물은 예를 들어: ZnO, WO3, CdS, CdSe, GaP, InAs, InP, GaAs, CdTe, GaSb, InN, InSb, ZnSe 및 ZnTe 중에서 선택된 무기 입자의 재료를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서, 무기 나노입자 A의 제 1 세트 및 무기 나노입자 B의 제 2 세트를 포함하는 포지티브형 포토레지스트를 위한 레지스트 조성물로서, 나노입자 A는, 나노입자 A에 결합된 제 1 측 및 실온에서의 나노입자 A 및 B의 교차결합을 방지하도록 배치되는 제 2 측을 가지는 화학적 그룹을 포함하는 전자 감응 리간드 상의 광자와 함께 제공되고, 상기 화학적 그룹은 실온보다 높은 온도에서 제거가능하며; 나노입자 B는 상기 나노입자 A에 결합된 전자 감응 리간드 상의 광자로부터, 상기 화학적 그룹의 제 2 측에 의해 실온보다 높은 온도에서 치환가능하도록 배치되는 약한 결합의 화학적 그룹을 가지는 리간드와 함께 제공되어, 나노입자 A 및 B의 교차결합을 제공하고; 그리고
상기 전자 감응 리간드 상의 광자는 나노입자 A로부터의 광자 또는 낮은 에너지 전자를 이용한 리소그래피 노광 중에 해리되도록 배치되는, 레지스트 조성물이 제공된다. 무기 나노입자 A의 양은 무기 나노 입자 A 및 B의 총량의 약 절반일 수 있다.
일 실시예에서, 리간드는 예를 들어 원하는 리간드를 가진 무기 쉘과 직접적으로 반응함으로써 나노입자 쉘의 금속 원자에 구속된다. 일부 실례들에서, 리간드는 코어-쉘 나노입자가 솔루션 내에 잘 분산된 상태를 유지하기 위한 계면활성제의 역할을 수행할 수도 있다. 나노입자는 무기 코어, 무기 쉘 및 리간드에 의해 제공되는 유기 표면을 가질 수 있다. 코어에서 생성되는 하나의 타입의 전하 캐리어는 쉘로 전송될 수 있고, 그러면 쉘로부터, 이들은 화학적으로 반응할 리간드로 전달될 수 있다.
나노입자 A는 그들의 표면에서 수소 선택성 브릿지, 예를 들어 =H 약한 결합기를 가질 수 있는 반면에, 나노입자 B는 A-타입 리간드를 가진 수소 결합을 통해(또는 다른 방법으로) 교차결합하는 상보적 리간드기를 가질 수 있다.
리간드는 카르복실기 COO-, 포스포네이트기 -PO3-, 술포닐기 -SO3-, 옥살염기(COO)22-, 카보네이트기 CO23-, 아지드기 N3- 및 니트라이트기 -NO2-와 같은 반응기에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 리소그래피 노광 중에 해리될 수 있는, 위에서 설명된 바와 같은 전자 감응 리간드 상의 광자를 가지는 나노입자는 레지스트 현상기에 의해 제거될 수 있는 자유 나노입자를 제공할 것이다.
본 발명에 따른 실시예에서, 무기 나노입자 A의 제 1 세트 및 무기 나노입자 B의 제 2 세트를 포함하는 포지티브형 포토레지스트를 위한 레지스트 조성물을 제조하는 방법으로서,
나노입자 A의 제 1 세트에게 나노입자 A에 결합된 제 1 측 실온에서의 나노입자 A 및 B의 교차결합을 방지하도록 배치되는 제 2 측을 가지는 화학적 그룹을 포함하는 전자 감응 리간드 상의 광자를 제공하는 단계로서, 상기 화학적 그룹은 실온보다 높은 온도에서 제거가능하고, 상기 전자 감응 리간드 상의 광자는 광자 또는 낮은 에너지 전자를 이용한 리소그래피 노광 중에 나노입자 A로부터 해리되도록 배치되는, 단계; 및
나노입자 B의 제 2 세트에게, 나노입자 A에 결합된 상기 전자 감응 리간드 상의 광자로부터, 화학적 그룹의 제 2 측에 의해 실온보다 높은 온도에서 치환가능하도록 배치되는 약한 결합의 화학적 그룹을 가지는 리간드를 제공하는 단계를 포함하는, 레지스트 조성물 제조 방법이 제공된다. 추가 단계는 포지티브형 포토레지스트에 베이킹 온도를 적용하여 나노입자 A 및 B의 교차결합을 허용하는 것일 수 있다. 포지티브형 포토레지스트 조성물을 제조하는 상기 방법에서의 다른 단계는, 교차결합된 포지티브형 포토레지스트 조성물을 광자 또는 낮은 에너지 전자로 노광함으로써, 상기 전자 감응 리간드 상의 광자가 리소그래피 노광 중에 나노입자 A로부터 해리되어 상기 포지티브형 포토레지스트의 노광된 영역 내에 자유 나노입자를 남기게 하는 것이다.
다른 실시예에서, 레지스트 조성물로서, 기판 재료로의 자기-조립을 위한 자기-조립 리간드기를 가지는 자기-조립 분자를 포함하는 물질로서, 상기 기판은 상기 레지스트 조성물의 층에 접촉하고, 상기 자기-조립 분자는 리소그래피 방사선으로 조명되면 액티브 말단기(termination group)가 되는 자기-조립 리간드기와 상이한 패시브 말단기를 더 가지는, 물질; 및 상기 자기-조립 분자의 상기 패시브 말단기 또는 자기-조립 리간드기와 화학적으로 결합하지 않도록 구성되는 무기 나노입자로서, 상기 무기 나노입자는 상기 자기-조립 분자의 액티브 말단기와 화학적으로 결합하도록 구성되는, 무기 나노입자를 포함하는, 레지스트 조성물이 제공된다. 이러한 레지스트 조성물은 이방성 산 확산(acid diffusion) 특성을 가지거나 산 확산 특성을 가지지 않는다.
레지스트 조성물은 무기 나노입자의 다중층을 가질 수 있다. 무기 나노입자는 금속성 나노입자일 수 있다. 일 실시예에서, 무기 입자는 무기 레지스트 조성물의 층이 접촉하는 기판에 수직인 방향으로 배향될 수 있는 막대형 기다란 입자이다. 이러한 경우에 촉매 확산은 실질적으로 무기 레지스트 조성물의 층이 접촉하는 기판에 수직인 방향으로 배향되어, 이방성 블러(anisotropic blur)가 있는 레지스트 층을 제공할 수 있다.
패시브 말단기는 리소그래피 방사선 빔에 의해 노광되면 액티브 말단기로 변환가능한 C 말단기, 예컨대 -CH3 말단기이다. 자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 -COOH, -SH, 또는 -N3 기 중에서 선택될 수 있다. 또는, 자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 CFSO3-, TPS 또는 SbF6 기들 중 하나 이상을 포함하는 PAG 말단기일 수 있다. 패시브 말단기가 CFSO3- 및 TPS 기를 포함하는 PAG 기이면, 패시브 말단기는 리소그래피 방사선으로 조사되면 TPS 기의 분리에 의해 활성화되어 CFSO3- 기가 액티브 말단기를 형성하도록 한다.
일 실시예에서, 자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 -N3 아지드기(아지드 group)이고, 무기 나노입자는 FePt를 포함한다.
다른 실시예에서, 무기 나노입자의 표면은 에폭시 가교제(crosslinker)기를 통해 무기 나노입자와 결합되는 C=C 말단을 가지는 계면활성제로 보호된다.
EUV 방사선과 같은 리소그래피 방사선으로 조사되면, 패시브 말단기는 액티브 말단기로 변환됨으로써, 자기-조립 분자에 부착된 무기 입자가 레지스트 층의 조사된 영역에서 제거가능해지는 반면에, 비-조사된 영역으로부터 나온 무기 입자는 레지스트 층에 결합된 상태를 유지하게 한다.
다른 실시예에서, 전술된 실시예 중 임의의 하나에 따른 레지스트 조성물로 코팅된 기판이 제공된다.
본 발명의 이해를 돕기 위해서 특정한 예와 그 변형예가 상세히 후술된다.
이제, 본 발명의 실시예들이 첨부된 개략적인 도면을 참조하여 예시를 통해 설명될 것이다:
도 1 은 본 발명의 실시예에서 사용되기 위한 리소그래피 장치의 기능성 엘리먼트들을 개략적으로 도시한다;
도 2 는 도 1 의 장치의 더 상세한 도면이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따르는 디바이스 제조 프로세스의 일 실시예에서 사용되기 위한 리소그래피 장치(100)를 개략적으로 도시한다. 이러한 장치는: 소스 콜렉터 모듈(SO); 방사선 빔(B)(예를 들어, EUV 방사선)을 컨디셔닝하도록 구성되는 조명 시스템(조명기)(IL); 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크 또는 레티클)(MA)를 지지하도록 구성되고 패터닝 디바이스를 정확하게 포지셔닝하도록 구성되는 제 1 포지셔너(PM)에 연결되는 지지 구조체(예를 들어, 마스크 테이블)(MT); 기판(예를 들어, 레지스트-코팅된 웨이퍼)(W)을 홀딩하도록 구성되고 기판을 정확하게 포지셔닝하도록 구성되는 제 2 포지셔너(PW)에 연결되는 기판 테이블(예를 들어, 웨이퍼 테이블)(WT); 및 패터닝 디바이스(MA)에 의하여 방사선 빔(B)에 부여된 패턴을 기판(W)의 타겟부(C)(예를 들어, 하나 이상의 다이) 상에 투영하도록 구성되는 투영 시스템(예를 들어, 반사성 투영 시스템)(PS)을 포함한다.
조명 시스템은 방사선을 지향시키고, 성형(shaping)하고, 또는 제어하기 위한 다양한 유형의 광 컴포넌트, 예컨대 굴절형, 반사형, 자기적, 전자기, 정전기 또는 다른 유형의 광 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.
지지 구조체(MT)는 패터닝 디바이스(MA)를, 패터닝 디바이스의 지향, 리소그래피 장치의 디자인, 및 예를 들어 패터닝 디바이스가 진공 환경에서 유지되는지 여부와 같은 다른 조건에 의존하는 방식으로 홀딩한다. 지지 구조체는 패터닝 장치를 유지하기 위해 기계식, 진공식, 정전식, 또는 기타 클램핑 기술들을 이용할 수 있다. 지지 구조체는 예컨대 필요에 따라 고정되거나 이동시킬 수 있는 프레임(frame) 또는 테이블일 수도 있다. 지지 구조체는 패터닝 디바이스가 예를 들어 투영 시스템에 대하여 원하는 위치에 있다는 것을 보장할 수도 있다.
"패터닝 디바이스"라는 용어는, 기판의 타겟부 내에 패턴을 생성하는 것과 같이, 자신의 단면 내에 패턴을 가지는 방사선 빔을 부여하기 위하여 사용될 수 있는 임의의 디바이스를 지칭하는 것으로 폭넓게 해석되어야 한다. 방사선 빔에 부여된 패턴은 타겟부, 예컨대 집적 회로 내에 생성되는 중인 디바이스 내의 특정 기능성 층에 대응할 수도 있다.
패터닝 디바이스는 투과형 또는 반사형일 수도 있다. 패터닝 장치의 예는 마스크, 프로그램가능 미러 어레이, 및 프로그램가능 LCD 패널을 포함한다. 마스크는 리소그래피에서 주지되며, 이진, 교번 위상-천이, 감쇄 위상-천이, 및 다양한 하이브리드 마스크 타입과 같은 마스크 타입을 포함한다. 프로그램가능 미러 어레이의 일 예는 소형 미러들의 매트릭스 정렬을 채용하는데, 이들 각각은 인입하는 방사선 빔을 상이한 방향으로 반사하기 위하여 개별적으로 틸팅될 수 있다. 틸팅된 미러는 미러 매트릭스에 의하여 반사된 방사선 빔 내에 패턴을 부여한다.
조명 시스템과 같은 투영 시스템은 다양한 타입의 광학적 컴포넌트, 예컨대 사용되는 중인 노광 방사선에 대하여, 또는 진공의 사용과 같은 다른 인자에 대해 적합한 바와 같은, 굴절성, 반사성, 자기적, 전자기, 정전기 또는 다른 타입의 광학적 컴포넌트, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 다른 가스가 너무 많은 방사선을 흡수할 수도 있기 때문에, EUV 방사선에 대하여 진공을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 그러므로, 진공 벽 또는 저압 펌프의 도움을 받아 진공 환경이 전체 빔 경로로 제공될 수도 있다.
도시된 것처럼, 장치는 반사형이다(예를 들어, 반사형 마스크를 채용).
리소그래피 장치는 2개(듀얼 스테이지) 이상의 기판 테이블(및/또는 2개 이상의 마스크 테이블)을 갖는 유형의 것일 수 있다. 그러한 "다중 스테이지" 머신에서, 부가적인 테이블은 평행하게 사용될 수 있으며, 또한 하나 이상의 다른 테이블들이 노광을 위해 사용되고 있는 동안 준비 단계들이 하나 이상의 테이블 상에 수행될 수 있다.
도 1 을 참조하면, 조명기(IL)는 소스 콜렉터 모듈(SO)로부터 극자외 방사선 빔을 수광한다. EUV 광을 생성하기 위한 방법은, EUV 범위 내에 하나 이상의 방출 라인이 있으면서 재료를 적어도 하나의 원소, 예를 들어 제논, 리튬 또는 주석을 가지는 플라즈마 상태로 변환하는 단계를 포함하지만 반드시 이것으로 제한되는 것은 아니다. 하나의 이러한 방법에서, 흔히 레이저 생성 플라즈마("laser produced plasma; LPP")라고 명명되는 요구되는 플라즈마는, 연료, 예컨대 요구되는 사전-방출 엘리먼트를 가지는 액적, 스트림, 클러스터를 레이저 빔으로써 조사함으로써 생성될 수 있다. 소스 콜렉터 모듈(SO)은, 연료를 여기하는 레이저 빔을 제공하기 위한, 도 1 에는 도시되지 않는 레이저를 포함하는 EUV 방사선 시스템의 일부일 수도 있다. 결과적으로 얻어지는 플라즈마는, 소스 콜렉터 모듈 내에 배치되는 방사선 수집기에 의하여 수집되는 출력 방사선, 예를 들어 EUV 방사선을 방출한다. 레이저 및 소스 콜렉터 모듈은, 예를 들어 CO2 레이저가 연료 여기를 위한 레이저 빔을 제공하기 위하여 사용되는 경우에 별개의 엔티티들일 수도 있다.
이러한 경우에, 레이저는 리소그래피 장치의 일부를 형성하는 것으로 간주되지 않고, 방사선 빔은, 예를 들어 적합한 지향 미러 및/또는 빔 확장기를 포함하는 빔 전달 시스템의 도움으로, 레이저로부터 소스 콜렉터 모듈로 전달된다. 다른 경우에, 소스는, 예를 들어 소스가 흔히 DPP 소스라고 명명되는 방전 생산 플라즈마(discharge produced plasma) EUV 발생기인 경우에 소스 콜렉터 모듈의 내장 부품일 수도 있다.
조명기(IL)는 방사선 빔의 각 세기 분포(angular intensity distribution)를 조절하기 위한 조절기를 포함할 수도 있다. 일반적으로, 조명기(IL)의 퓨필 평면(pupil plane)에서의 세기 분포의 적어도 외측 및/또는 내측 반경 범위(통상적으로, 각각 외측-σ 및 내측-σ라 함)는 조절될 수 있다. 추가적으로, 조명기(IL)는 다면 필드 및 퓨필 미러(facetted field and pupil mirror) 디바이스와 같은 다양한 다른 컴포넌트들을 포함할 수도 있다. 조명기는 방사선 빔이 자신의 단면에서 원하는 균일성 및 세기기 분포를 가지도록 조정하기 위하여 사용될 수도 있다.
방사선 빔(B)은 지지 구조(예를 들어, 마스크 테이블)(MT) 상에 홀딩되는 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크)(MA) 상에 입사하고, 그리고 패터닝 디바이스에 의하여 패터닝된다. 패터닝 디바이스(예를 들어 마스크(MA))로부터 반사된 이후에, 방사선 빔(B)은 기판(W)의 타겟부(C) 상에 빔을 포커싱하는 투영 시스템(PS)을 통과한다. 제 2 포지셔너(PW) 및 포지션 센서(PS2)(예를 들어 간섭측정 측정 디바이스, 선형 인코더, 또는 용량성 센서)의 도움을 받아, 예를 들어 방사선 빔(B)의 경로에 상이한 타겟부들(C)을 포지셔닝하기 위하여, 기판 테이블(WT)이 정확하게 이동될 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 포지셔너(PM) 및 다른 포지션 센서(PS1)가 패터닝 디바이스(예를 들어, 마스크(MA))를 방사선 빔(B)에 대한 경로에 대하여 정확하게 포지셔닝하기 위하여 사용될 수 있다. 패터닝 디바이스(예를 들어 마스크(MA) 및 기판(W)은 마스크 정렬 마크(M1, M2) 및 기판 정렬 마크(P1, P2)를 이용하여 정렬될 수 있다.
도 2 는 소스 콜렉터 모듈(SO), 조명 시스템(IL), 및 투영 시스템(PS)을 포함하는 장치(100)를 좀 더 상세하게 도시한다. 소스 콜렉터 모듈(SO)은, 진공 환경이 소스 콜렉터 모듈(SO)의 밀폐 구조(220) 내에서 유지될 수 있도록 구성되고 배치된다. EUV 방사선 방출 플라즈마(210)는 방전 생성 플라즈마 소스에 의하여 형성될 수 있다. 매우 고온의 플라즈마(210)가 전자기 스펙트럼의 EUV 범위에서 방사선을 방출하도록 생성되는, 가스 또는 증기, 예를 들어 Xe 가스, Li 증기 또는 Sn 증기에 의하여 EUV 방사선이 생성될 수 있다. 매우 고온의 플라즈마(210)는, 예를 들어 적어도 부분적으로 이온화된 플라즈마를 초래하는 전기적 방전에 의하여 생성된다. 예를 들어, Xe, Li, Sn 증기 또는 임의의 다른 적합한 가스 또는 증기의 10 Pa의 분압이 방사선을 효율적으로 생성하기 위하여 필요할 수 있다. 일 실시예에서, 여기된 주석(Sn)의 플라즈마가 EUV 방사선을 생성하기 위하여 제공된다.
고온 플라즈마(210)에 의하여 방출되는 방사선은 소스 챔버(211)에 있는 개구 내에 또는 그 뒤에 위치하는 선택적인 가스 장벽 또는 오염물 트랩(230)(몇 가지 경우에 오염물 장벽 또는 호일 트랩이라고도 불림)을 통해 소스 챔버(211)로부터 콜렉터 챔버(212) 내로 전달된다. 오염물 트랩(230)은 채널 구조를 포함할 수 있다. 오염물 트랩(230)은 가스 장벽 또는 가스 장벽과 채널 구조의 조합을 더 포함할 수 있다. 본 명세서에 표시되는 오염물 트랩 또는 오염물 장벽(230)은 당업계에서 알려진 바와 같은 채널 구조를 적어도 포함한다.
콜렉터 챔버(211)는 소위 그레이징 입사 콜렉터일 수 있는 방사선 콜렉터(CO)를 포함할 수 있다. 방사선 콜렉터(CO)는 업스트림 방사선 콜렉터측(251)과 다운스트림 방사선 콜렉터측(252)을 가진다. 콜렉터(CO)를 횡단하는 방사선은 격자 스펙트럼 필터(240)에 의하여 반사되어 가상 소스 포인트(IF)에 집광될 수 있다. 가상 소스 포인트(IF)는 일반적으로 중간 초점이라고 지칭되고, 소스 콜렉터 모듈은, 중간 초점(IF)이 밀폐 구조(220) 내의 개구(221)에 또는 이에 인접하게 위치되도록 정렬된다. 가상 소스 포인트(IF)는 방사선 방출 플라즈마(210)의 이미지이다.
후속하여, 방사선은 조명 시스템(IL)을 가로지르는데, 이것은 패터닝 디바이스(MA)에서 방사선 빔(21)의 원하는 각도 분포와 패터닝 디바이스(MA)에서의 방사선 강도의 원하는 균일성을 제공하도록 정렬되는 면 필드 미러 디바이스(facetted field mirror device; 22) 및 면 퓨필 미러 디바이스(24)를 포함할 수도 있다. 지지 구조(MT)에서의 방사선(21)의 빔의 반사 시에, 패터닝된 빔(26)이 형성되고, 패터닝된 빔(26)은 반사성 엘리먼트(28, 30)를 통하여 웨이퍼 스테이지 또는 기판 테이블(WT)에 의하여 홀딩되는 기판(W) 상에 투영 시스템(PS)에 의하여 이미징된다.
도시된 것보다 더 많은 엘리먼트들이 일반적으로 조명 광학기(IL) 및 투영 시스템(PS) 내에 존재할 수도 있다. 리소그래피 장치의 타입에 따라서 선택적으로 격자 스펙트럼 필터(240)가 존재할 수도 있다. 더욱이, 도면에 도시된 것보다 더 많은 미러가 존재할 수도 있고, 예를 들어 도 2 에 도시되는 투영 시스템(PS) 내에 존재하는 것보다 1 개 내지 6 개의 추가적 반사성 요소가 존재할 수도 있다.
도 2 에 도시된 바와 같은 콜렉터 광학기(CO)는 콜렉터(또는 콜렉터 미러)의 일 예로서, 그레이징 입사 반사기(253, 254 및 255)를 가지는 네스팅된 콜렉터로서 도시된다. 그레이징 입사 반사기(253, 254 및 255)는 광축(O)에 축대칭으로 배치되고, 이러한 타입의 콜렉터 광학기(CO)는 흔히 DPP(discharge produced plasma) 소스라고 불리는 방전 생성 플라즈마 소스와 함께 사용된다.
또는, 소스 콜렉터 모듈(SO)은 거의 수직 입사 콜렉터 광학기(미도시)를 사용하는 LPP 방사선 시스템의 일부일 수 있다. LPP 시스템에서, 레이저는 연료 재료 내에 레이저 에너지를 증착하여, 수십 eV의 전자 온도를 가지는 고도로 이온화된 플라즈마를 형성하도록 구현된다. 역-여기(de-excitation)와 이러한 이온들의 재조합 도중에 발생되는 에너지 방사선(energetic radiation)은 플라즈마로부터 방출되고, 준수직 입사 콜렉터 광학기에 의하여 수집되며, 밀폐 구조(220) 내의 개구(221) 상에 집속된다.
디바이스 제조 프로세스
디바이스를 제조하기 위한 방법의 일부로서의 통상적인 패터닝 프로세스는 패터닝 디바이스(M)로부터 기판(W) 상의 방사선-감응 레지스트 조성물(줄여서 '레지스트')로 패턴을 전사하기 위해 도 1 및 도 2 의 장치를 통상적으로 사용한다.
IC와 같은 아이템을 제조하기 위해서 레지스트를 사용하는 패터닝 프로세스에는 후술되는 7 개의 단계(S0 내지 S7)와 같은 여러 제조 단계가 존재할 수 있다:
S0: 예를 들어 실리콘 웨이퍼일 수 있는 기판(W)이 준비된다.
S1(코팅): 레지스트 솔루션이 기판(W) 상에 스핀 코팅되어 박막의 균일층을 형성한다.
이러한 레지스트 층은 저온에서 베이킹되어 잔여 용매를 기화시킬 수 있다.
S2(노광):
리소그래피 장치(100) 및 적합한 패터닝 디바이스(M)를 사용하여 EUV에 노광됨으로써 잠상이 레지스트 층에 형성된다.
S3(현상 & 에칭):
'포지티브' 레지스트의 경우, 노광된 레지스트의 영역이 적합한 용매를 이용한 세정에 의해 제거된다.
'네거티브' 레지스트의 경우, 노광되지 않았던 영역이 제거된다.
이러한 단계는 처리 단계 기판까지의 레지스트 패턴을 통해 처리 단계와 결합되거나 처리 단계가 후속한다.
도면에서 '에칭'이라는 용어는 오직 한 예로서 사용된다.
처리 단계는 습식 또는 건식 에칭, 리프트-오프, 도핑, 등을 포함할 수 있다.
어떤 프로세스에 의해서도, 적용된 패턴은 기판 상에 재료를 추가, 제거 또는 변경함으로써 구현된다.
도면은 증착 단계 S5 에 대한 준비가 된, 재료의 제거를 보여준다.
S4(스트립): 잔여 레지스트가 패터닝된 기판(W)으로부터 제거된다.
S5(증착): 다른 물질이 증착되어 기판(W)의 패턴을 충진한다.
S6(연마):
연마에 의해 과잉 물질이 웨이퍼(W) 표면으로부터 제거되어, 웨이퍼(W) 내에 원하는 패턴만을 남긴다.
S1 내지 S6 단계는 상이한 패턴 및 상이한 처리 단계로 반복되어, 최종의 다층 제품이 저사될 때까지(단계 S7) 기판(W) 의 원래의 표면의 위와 아래의 상이한 층에 원하는 패턴을 가지는 기능성 피쳐를 생성한다. 하지만 제품은 통상적으로 집적 회로와 같은 반도체 디바이스이어야 하는 것이 아니다.
전술된 바와 같이, 당업자는 단계 S4 내지 S6 이 단순히 노광된 레지스트에 의해 결정되는 패턴 내에 적용될 수 있는 프로세스의 하나의 예에 지나지 않는다는 것을 이해할 것이다. 많은 상이한 타입의 단계가 상이한 생산 스테이지에서 사용될 수 있고, 사용될 것이다. 예를 들어, 레지스트는 언더라잉 재료를 에칭해서 없애기보다 이것의 변경을 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 변경하는 것은 예를 들어 확산 또는 이온 이식에 의한 산화, 도핑일 수 있다. 새로운 재료 층이 기판의 상단에 증착될 수 있다. 많은 프로세스에서, 감광성 레지스트는 단지 소위 '하드 마스크'를 생산하는 중간 스테이지일 뿐이고, 이것은 노광된 패턴을 다른 재료에서 재생산한다. 그러면, 이러한 하드 마스크는 언더라잉 재료를 원하는 패턴으로 에칭 또는 수정하지만, 감광성 레지스트 자체에 의해서는 제어되지 않을 프로세스 단계를 제어하기 위해 사용된다. 따라서, 원하는 결과 패턴 및 층들의 시퀀스 및 최종 디바이스를 제작하기 위해 요구되는 중간 단계에 따라서, 전술된 프로세스는 바뀔 수 있다; 일부 단계는 결합 및/또는 제거될 수 있고, 일부 추가적 단계가 추가된다.
EUV 방사선은 레지스트 조성물에 의해 흡수되어 광전자 및 이차 전자를 생성한다. 이차 전자에 의하여 EUV 소스에 의해 레지스트 상에 적용된 광학적 이미지에 중첩되는 어느 정도의 무작위 노광이 발생한다. 그러면, "블러링" 현상이라고 불리는, 해상도 손실, 눈에 뜨이는 선에지 거칠기 및 선폭 변동이 생긴다. 레지스트가 EUV 리소그래피에서 원하는 고해상도를 전달하려면 이러한 블러링이 제어될 필요가 있을 것이다.
패턴 무너짐은 레지스트 조성물의 물리적 특성이 세정 액체를 충분한 수준으로 건조하는 동안 패턴에 작용되는 모세관력 또는 척력을 상쇄할 수 없는 경우에 발생한다. 그러므로 이러한 레지스트 조성물로부터 형성된 코팅이 높은 강성 또는 강도를 가지는 것과 패턴의 피쳐의 종횡비가 감소되는 것이 바람직하다.
레지스트의 해상도 성능을 변화시키는 다른 프로세스 파라미터는, 예를 들어 에칭 저항 및 선택도, 양자 수율, 베이킹 시간 및 온도, 노광 시간 및 소스 출력, 애어리얼 이미지 초점, 및 현상 시간 및 온도이다. 이러한 특정 파라미터에 어느 정도의 변동을 허용하기 위한 특정 레지스트의 용량도 역시 규정된 공차 안에서 작업할 수 있기 위해 매우 요구된다.
유기(Organo)-레지스트
DUV 및 EUV 리소그래피를 위한 전통적인 유기-레지스트는 poly(butene-1-sulphone) 및 poly(methyl a-chloroacrylate-co-a-methylstyrene)과 같은 화학적으로 증폭된 레지스트(CAR)이다. CAR 재료는 착폴리머 혼합물로 조성된다. EUV에 의해 여기되면, 광자는, 수지에 존재하는 폴리머 및 화학물질 모아이어티(moieties)에 의해 흡수되는 광자는 방사선 노광 시에 산 기를 방출한다. 이차 전자에 의해 광-산 생성기(photo-acid generator; PAG)가 여기된다. 여기되면 PAG는 노광전 베이크 단계 중에 분해되고 확산하며, 이것은 레지스트를 소수성에서 친수성으로 변화시키는 디블로킹 반응을 촉진할 수 있다. 그러므로 이러한 산 기는 현상기 내에 용해될 수 있는 주변 폴리머를 렌더링할 수 있다. 산이 확산되면 레지스트의 민감도 및 쓰루풋이 증가되는 것과 샷 노이즈 통계에 기인한 선에지 거칠기를 제한하는 것도 용이해진다. 그러나, 산 확산 길이는 그 자체가 잠재적인 한정 인자이다. 또한, 확산이 너무 많이 일어나면 화학적 콘트라스트를 감소시킬 수 있고, 그러면 다시 거칠기가 증가될 수도 있다. 또한, CAR 재료는 EUV와의 적은 단면을 가지는 탄소에 기초한다. 그러므로 높은 선량, 즉 높은 EUV 소스 파워를 요구하는 너무 투명한 레지스트가 될 수 있는데, 이것은 바람직하지 않다.
무기 레지스트
CAR에 특유한 높은 흡수율을 극복하기 위해서, 다양한 금속 산화물과 같은 무기 레지스트 조성물이 당업계에 제안되어 왔다. 무기 레지스트는 블러링에 대한 높은 저항성과 그들의 강도에 기인한 패턴 무너짐에 대한 저항성을 제공할 수 있다. Stowers 등 저, "Directly patterned inorganic hardmask for EUV lithography", proceedings of the SPIE, Volume 7969, pp796915-796915-11(2011) 은 네거티브형 레지스트를 형성하기 위한 과산화 착화제(peroxo complexing agent)에 결합된 황산 산화 하프늄(hafnium oxide sulfate)의 용도를 기술한다. EUV로 노광되면 과산화물 기의 결합을 끊어내는 이차 전자가 생긴다. 따라서, 반응하면서 교차결합된 농축된(condensed) 영역을 생성하는 액티브 금속 사이트가 생성된다.
무기 레지스트의 특정 카테고리는 무기 나노입자에 기초한다. 대부분의 이러한 재료는 실온에서 합성될 수 있다. 그러나, 보통은, 나노결정에 결함이 많기 때문에 이러한 합성은 보통 저효율의 나노결정을 만든다. 나노결정의 고온 합성에서, 결함을 어닐링해서 없앨 수 있지만, 이것은 일반적으로 고비용이고 대량 생산에는 바람직하지 않다. 저효율이란, 여기된 것의 에너지를 리간드(원하는 프로세스)로 전달하는 대신에 광자를 통해 가져가 버리는(바람직하지 않은 프로세스) 비-방사성 경로가 존재한다는 것을 의미한다.
무기 나노입자 레지스트의 주요 단계들은:
광자(원자)의 흡수;
여기된 전자-정공 쌍(여기자)의 구속 상태에 있는 원자가전자띠 전자와 대응하는 정공을 생성하는 운동 에너지를 가지는 전자의 생성;
여기자 에너지를 나노입자의 표면에 있는 분자(리간드라 불림)로 전달하는 것(해당 반응에 있는 전자 또는 정공을 이용함);
나노입자 클러스터가 불용성이 되도록하는 리간드의 화학적 변화;
더 공통적인, 조사된 나노입자(포지티브형) 또는 조사되지 않은 입자(네거티브형 톤) 의 용해.
이러한 모든 프로세스는 작동 레지스트를 얻기 위해서는 충분한 효율을 가질 필요가 있다. 여기자(즉 구속된 전자-정공 쌍)가 생성되면, 이것은 여러 프로세스를 통해 자신의 에너지를 잃을 수 있다:
광자의 방출에 의한 방사능 감쇄(1-10 나노초의 통상 시간);
다수의 포논 방출에 의하거나 결함상의 포획(피코초의 통상 시간)에 의한 비-방사성 감쇄; 및/또는
리간드 상의 전자 또는 정공의 포획(피코초의 통상 시간).
그러므로 EUV 포토리소그래피의 요구 사항을 만족시킬 수 있다는 레지스트 조성물을 제공하는 것은 매우 바람직하다.
페로브스카이트-유사 유기-무기 하이브리드 재료는 무기 및 유기 구성 원소 양자 모두가 단일 위 내에서 상호존재하는 결정질 시스템이다. 하이브리드 무기-유기 재료는 무기 및 유기 모아이어티 양자 모두를 적어도 하나의 치수에서의 무한 결합 연결성을 가지는 네트워크의 내부 부분으로서 함유하는 화합물이라고 정의된다.
나노결정질 유기금속-할로겐화물 페로브스카이트 재료는, 고효율의 태양 전지에 대해 사용되는 하이브리드 무기-유기 재료의 금속-유기 프레임워크 클래스이다. 유기금속 페로브스카이트는 예를 들어 할로겐화물 음이온 중에서 선택되는 두 개 이상의 상이한 음이온을 포함한다. 원래 페로브스카이트는 CaTiO3 을 함유하는 미네랄을 가리켰고, 이러한 용어는 추후에 CaTiO3와 동일한 타입인 일반적 화학식 ABX3를 가지는 결정 구조를 가지는 화합물을 클래스를 망라하도록 확장되었는데, A와 B는 상이한 크기의 양이온이고, X는 음이온이다. 산화물 페로브스카이트 종(X1/4 O) 대신에, 할로겐화물 페로브스카이트 화합물(X1/4 Cl, Br, F 또는 I)가 훌륭한 광-수확(흡수) 및 전자-통전 특성을 가지고 있다는 것이 밝혀졌고, 광발전 재료로서 사용되기에 적합하다.
"혼합-음이온(mixed-anion)"이라는 용어는 본 명세서에서 사용될 때, 적어도 두 개의 상이한 음이온을 포함하는 화합물을 가리킨다. "할로겐화물"이라는 용어는 7 족 원소, 즉 할로겐의 음이온을 가리킨다. 통상적으로, 할로겐화물이란 불화물 음이온, 염화물 음이온, 브로민 음이온, 요오드화 음이온 또는 아스타타이드(astatide) 음이온을 가리킨다.
하이브리드 유기-무기 납 할로겐화물 페로브스카이트는 광 흡수, n-타입 통전 및 p-타입 통전 기능을 통합할 수 있다. 페로브스카이트는 광을 흡수하고, 전자 -정공 쌍이 해당 재료 내에 생성된다. 납 할로겐화물 페로브스카이트 중에서, 메틸암모늄 납 할로겐화물 페로브스카이트 흡수체가 현재 그들의 제조 및 동작이 쉽기 때문에 태양 전지의 분야에서 현재 점점 많은 관심을 받고 있다.
반도체와 같은 밴드갭 구조를 가진다는 것 및 고휘도 양자 효율에서 긴 방사성 감쇄율을 가진다는 것과 같은 몇 가지 이유 때문에, EUV 무기 레지스트의 코어로서 페로브스카이트(또는 그 혼합물) 에 기초하는데, 이러한 재료는 실온 합성으로 합성될 수 있다는 정점이 있다.
비록 EUV에 대해서 레지스트 루미네슨스는 원치 않는 것이지만, 높은 방사성 감쇄율을 가지는 코어를 가지는 데에는 매우 유리하다고 여겨진다. 방사성 감쇄율은 일반적으로 포획률(피코초)보다 훨씬 느리다(수 십 나노초). 전자 또는 정공을 포획할 수 있는 리간드를 사용하는 경우, 이것은 매우 효율적으로, 예를 들면 그러면 코어가 높은 비-방사성 프로세스를 나타내는 경우보다 훨씬 더 효율적으로 일어난다고 여겨진다.
본 발명에 따른 페로브스카이트 레지스트 조성물은, 일반적 화학식이 ABX3, A2BX4, ABX4 또는 그 혼합물 중 하나인 페로브스카이트 또는 페로브스카이트-유사 결정 구조(이제부터 페로브스카이트 재료라고 불림)가 있는 재료를 포함한다. 본 명세서에서 B는 예를 들어 목록: B=Pb2+, Sn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+; Ca, Sr, Cd, Ni <2+>, Co <2+>, Pd <2+>, Ge <2+>, Yb <2+> 및 Eu <2+>으로부터 선택되는 금속이고; X는 예를 들어 목록: X=I, Br, F 및 Cl로부터 선택되는 할로겐화물이며; A는 예를 들어 목록: A=CxHx+2NH3, C6H5CxH2xNH3, NH3CxH2xNH3 및 NH2=CHNH3 +(포름아미디움(formamidium))으로부터 선택되는 암모늄 기초 유기 양이온이고, x는 1 내지 5, 더 바람직하게는 1 내지 4 의 범위에 있는 정수이다. 다른 적합한 화합물은 나프탈렌-기초 화합물(즉 이중 벤젠고리가 있음), 또는 구리에 연결된 F-꼬리를 가지는 화합물이다. 전체적으로, A는 적어도 하나의 NH3 기를 가지는 화합물이다. 이러한 유기-무기 하이브리드 재료는 8면체들(8면체) 사이의 연결성에 따라서 무기 부분의 3D 또는 준-2D 구조를 채용할 수 있다. NH3 기로부터 유래하는 수소 결합이 예를 들어 재료의 자기-조립을 도울 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 페로브스카이트 재료는, 메틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트 CH3NH3PbX3 또는 에틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트 CH3NH3PbX3를 포함하고, 할로겐화물 성분은 I, Br, 또는 Cl 중에서 선택된다. 이러한 재료의 예는 3NH3PbI3, CH3CH2NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI2Br, CH3NH3Pb(I(1-x)Brx)3, CH3NH3PbI2Cl, 및 CH3NH3PbI(3-x)Clx이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 페로브스카이트 레지스트 조성물은 약 1 wt% 내지 약 98 wt%의 페로브스카이트 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 레지스트 조성물은 추가 첨가제가 없이 페로브스카이트 재료로부터 온전하게 제조될 수도 있다.
본 발명의 페로브스카이트 레지스트 조성물은 임의의 공지된 기법으로 제조될 수 있다. 페로브스카이트 재료는 특정 조건에서 솔루션- 또는 기화-지원 방법에 의해 성장 및/또는 템플레이트(template)된다. 고품질 필름은 예를 들어 전조 용액으로부터의 어닐링이 없는 주변 조건에서의 단일 또는 다수의 단계의 스핀-코팅, 또는 고온 열적 기화, 또는 다단계증착 방법을 통해 획득될 수 있다. 예를 들어, CH3CH2NH3PbI3 페로브스카이트 재료는 g-부티로락톤 용액에 있는 CH3CH2NH3I 및 PbI2의 등몰 혼합물의 스핀 코팅을 통해 기판 또는 다른 레지스트 층 상에 증착될 수 있다.
무기 층들의 층간 분리 및 두께는 유기 양이온 A를 선택함으로써 제어될 수 있다. 최대 층형(layered) 페로브스카이트의 무기 층은 유기 양이온들의 코너-공유 금속-할로겐화물 8면체 샌드위칭 층의 단일 시트를 포함한다.
페로브스카이트 나노결정을 합성하는 것은 주변 습기에 민감한데, 이것은 페로브스카이트가 예를 들어 10 분동안 조사된 후에 액체-타입 전해질로 점진적으로 용해될 수 있기 때문이다. 이러한 이유 때문에, 무수 원료가 합성 중에 건식 박스 내에 사용되어야 한다.
페로브스카이트 레지스트 조성물은 스핀 코팅과 같은 주지의 기술을 사용하여 원하는 기판 상에 코팅된다. 증착된 층의 두께는 바람직하게는 10 내지 100nm의 범위이고, 50nm보다 적을 수 있고 심지어 30 nm보다 적을 수도 있다.
다른 실시예에서, 레지스트 조성물은 코어-쉘 나노입자를 포함한다.
레지스트 내에 생성된 전자-정공 쌍은 다수의 포논 방출에 의한 비-방사성 감쇄를 통해 에너지를 잃을 수 있다. 이러한 비-방사성 프로세스는 원하는 화학적 변화를 이끌어내는 전자 또는 정공 포획 프로세스와 동일한 속도로 발생될 수 있다. 그러므로 레지스트 내에는 원치않는 프로세스가 존재한다. 이러한 비-방사성 프로세스를 특히 무기 레지스트에서 감소시키는 것이 유익할 것이다.
발명자들은 본 명세서에서 코어-쉘 나노입자를 사용하여 비-방사성 프로세스를 감소시키는 것을 제안한다. 코어-쉘 나노입자는, 코어 나노입자를 위한 제 1 재료 및 코어 주위의 쉘에 대한 제 2 재료인 두 재료로 이루어진 층상 나노입자이다. 본 발명에 따른, 이러한 코어-쉘 나노입자에 기초한 무기 레지스트에 대하여, 제 2 재료(즉 쉘)가 코어의 제 1 재료보다 더 큰 에너지 밴드갭을 가지는 것이 바람직하다. 나노입자 내에, 전자 및 정공 양자 모두는 구속되어(전자 및 정공 양자 모두의 보어 반경은 나노입자 크기보다 큼), 결과적으로 나노입자에 걸쳐 집중화가 해제된 전자 및 정공이 얻어질 수 있다. 큰 밴드갭 쉘 재료(제 2 재료) 를 가지는 나노입자를 오버코팅하면 결과적으로: 1) 나노입자의 표면에서의 "에너지 벽'이 형성되고, 이러한 표면 에너지 벽은 2) 나노입자 표면에 존재한 결함이 패시베이션되는 결과를 가져올 것이다. 위에서 설명된 1) 및 2) 의 양자 모두 프로세스는 코어-쉘 나노입자의 비-방사성 에너지 손실을 감소시킬 것이다. 비록 쉘 재료에 기인한 전자 및 정공에 대한 에너지 장벽이 존재하지만, 전자 및 정공의 터널링이 이러한 층을 통해 여전히 생길 수 있고, 즉 포획 프로세스가 에너지 장벽에 의해 크게 방해받지는 않는다고 여겨진다. 이러한 나노입자의 예는 코어로서 CdSe를 쉘로서 ZnS를 가지는 CdSe(ZnS) 코어-쉘 나노입자이다.
요약하면, 따라서, 코어-쉘 나노입자가 있는 EUV 무기 레지스트를 제조하면 나노입자 내의 고속 비-방사성 감쇄율을 감소시킬 것이고, 이를 통하여 리간드 상의 전자 또는 정공의 포획 효율이 개선되어, 결과적으로 레지스트를 위해 필요한 선량이 낮아질 것이다.
다른 실시예에서, 코어-쉘 나노입자는 소위 타입 II 나노입자에 따라서 제작된다. 이러한 경우에, 제 2(쉘) 재료의 절대 밴드갭 위치는, 이것이 전하 캐리어(전자 또는 정공) 중 하나는 차폐하는 반면에 다른 전하 캐리어는 끌어당기도록 선택된다. 이러한 타입 II 코어-쉘 나노입자의 일 예는 CdSe(ZnTe) 이고, 제 1 재료(코어) 는 ZnTe이고 제 2 재료(쉘)는 CdSe이다.
ZnTe의 밴드갭이 CdSe보다 높은 동안, 두 개의 재료의 절대 위치는 동일하지 않는다(절대 에너지 스케일에서). 그러므로, 정공은 ZnTe 재료를 향해 감으로써 에너지를 얻는 반면에, 이러한 경우에는 전자에 대한 구속 포텐셜이 생긴다. 그러면 전자 및 정공의 공간적 분리가 생기고, 여기에서 정공은 표면에 더 가깝게 위치된다. 이것은 정공이 나노결정으로 전달될 필요가 있는 전하 캐리어라면 유익하다. 전송이 더 효율적으로 일어나면 선량 레지스트가 더 낮아진다고 여겨진다.
다른 실시예에서, 3.5 eV 미만의 벌크 에너지 갭을 가지는 레지스트 재료를 포함하는 레지스트 조성물이 제안된다.
CAR의 특성 파라미터는 소위 블러이고, 이것은 광-생성된 산이 확산하고 노광후 베이크 단계에서 레지스트 내에서 반응하는 길이에 대한 측정치이다. 이러한 확산-반응 프로세스에서, 레지스트 폴리머는 확산하는 산에 의한 촉매 반응에 의해 화학적으로 변경된다. 이것은 낮은 선량 CAR을 제조하는데 있어서 중요한 인자로 간주될 수 있는데, 모든 레지스트 분자가 여기될 필요가 있는 것은 아니고 촉매만이 활성화될 필요가 있다.
그러나 CAR은 예를 들면 그들의 방사선 흡수율에서 여전히 제한을 가질 수 있다. 대체예로서, 무기 레지스트 조성물이 제안되어 왔다. 그러나, 무기 레지스트의 경우에도: a) 최소치 선량에서 인쇄하기 위한 최적의 레지스트 블러가 통상적으로 임계 치수의 약 1/3에 달할 것이기 때문에 이차 전자 블러가 최적화될 필요가 있을 수 있다는 것 및 b) 광자 당 생성된 전자-정공 쌍의 개수가 최대화되는 것이 바람직하다는 것과 같은 다른 문제점들이 있다.
전술된 문제점과 제한을 극복하기 위해서, 발명자는 본 명세서에서 3.5 eV 미만의 밴드갭을 가지는
고흡수율 재료, 예컨대 무기 나노입자를 사용하는 것을 제안한다. 이러한 레지스트 재료 내에서의 블러 특성은 더 이상 산 촉매 확산에 의해 구동되지 않고, 광자가 흡수될 때 생성되는 이차 전자의 블러 또는 확산에 의해 구동된다. 비교를 위해서, 대부분의 공지된 레지스트 재료(ZfO2, HfO2, SnO2와 같음)는 3.5 과 6 eV 사이의 밴드갭을 가진다.
무기 레지스트 재료의 이러한 클래스에 대해서 더 작은 밴드갭을 선택하면 두 가지 효과가 있다: i) 이차 전자 블러는 증가될 수 있다; 및/또는 ii) 더 많은 이차 전자가 생성되어 블러 및 이차 전자 수율이 개선된다. 첫 번째 효과는 전자의 에너지가 레지스트 재료 내에서의 자신의 비탄성 평균 자유 경로(mean free path; MFP)를 결정한다는 사실로부터 유도된다. 밴드갭 에너지가 감소하면, 레지스트 내에서 평균 자유 경로는 더 길어질 수 있고, 따라서 블러가 확대될 것이다. 반면에, 밴드갭 값은 광자당 생성되는 전자-정공 쌍의 개수를 결정한다. 따라서 밴드갭을 감소시키면 흡수된 광자 당 더 많은 전자 정공-쌍이 생기게 되고, 이것은 EUV 레지스트의 선량이 더 낮아지게 한다.
3.5 eV 미만의 벌크 밴드갭을 가지는 무기 수지를 제작하기 위한 재료의 예는(eV 단위의 대응하는 에너지 밴드갭 값이 괄호 안에 주어짐): ZnO(3.2eV), WO3(3.2 eV), CdS(2.5 eV) CdSe(1.7 eV), GaP(2.25 eV), PdS(0.37 eV) 등이다.
나노입자를 사용할 경우, 에너지 밴드갭은 양자 구속 효과에 의해(일반적으로 이것은 밴드갭 재료가 길어지면 더 커짐) 넓어질 수 있다. 그러므로 1nm 내지 3nm의 직경을 가지는 나노입자가 3.5 eV 미만의 밴드갭을 가지는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서, 교차결합된 나노입자를 포함하는 무기 레지스트 조성물이 제공된다. 무기 나노입자 기초 레지스트 조성물은 당업계에서 EUV 흡수율을 증가시키기 위해 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 레지스트는 일반적으로, 상대적으로 낮은 콘트라스트와 잠재적으로는 쓰레시홀딩(thresholding)의 부족에 기인한 스커밍(scumming)(즉 현상돼서 없어지도록 된 레지스트의 부분 내에 잔여물이 형성되는 것)이라는 문제점을 가진다. 다크 레지스트 영역에 도달하는 광자는 무기 나노입자가 자신의 용해도를 변경하도록 유도할 수 있는데, 이것은 나노입자 클러스터를 생성하는데 단일 광자가 충분하기 때문이다.
EUV 리소그래피에 대해 적합한 현재 이용가능한 화학적으로 증폭된 레지스트는 상대적으로 낮은 흡수 특성을 가지고 있으며, 그러면 광자 샷 노이즈(PSN)의 효과를 완화시키기 위해 고선량 레벨이 필요해진다. 공지된 다른 무기 레지스트 조성물은 거의 네거티브형 톤 클래스이고, 투영 광학기가 더 많이 가열되게 한다. EUV 리소그래피에 적합한 포지티브형 포토레지스트를 제작하는 방법을 제공하면 바람직할 것이다. 발명자는 본 명세서에서, 적용후 베이크 단계 중에 무기 나노입자를 교차결합시키고 EUV 노광 중에는 교차결합을 끊는 단계를 수행함으로써 이러한 포지티브형 EUV 포토레지스트를 제작하는 프로세스를 제안한다. 그러면, 리소그래피 성능이 개선되도록 보장하기 위해 레지스트 임계를 튜닝하게 하면서 포지티브형인 고흡수성 레지스트가 생길 수 있다.
본 명세서에서, 광자 또는 전자 유도 해리에 예민한 분자를 리간드로서 가짐으로써(즉 전통적인 광산 생성기(PAG)와 유사한 기능을 가짐) 베이크 단계 중에 입자들을 교차결합하는 것이 제안되는데, 리간드는 무기 나노입자의 제 1 세트(본 명세서에서는 입자 A로 표시됨)에 결합된다. 무기 나노입자 A의 제 1 세트의 양은 예를 들어 레지스트 조성물 내의 나노입자의 총량의 약 절반이다. 이러한 리간드는 나노입자의 교차결합을 방지하는 하나 이상의 화학적 그룹과 함께 제공된다. 화학적 그룹은 베이크 중의 가열에 의해 제거(파괴)될 수 있다. 이러한 리간드는 스핀-코팅을 위해 사용되는 레지스트 용액 내의 나노입자가 응집되는 것을 방지할 것이다.
무기 입자의 제 2 세트(본 명세서에서는 입자 B로 표시됨) 는, 입자 A 상의 전자 감응 리간드 상의 광자의 타측에 의해 베이크 단계 중에 치환될 수 있는 다른 약한 결합의 리간드를 가지도록 선택될 수 있다. 이러한 반응은 교차결합된 나노입자 코팅이 생기게 한다.
리소그래피 노광 중에 입자 A로부터의 전자 감응 리간드 상의 광자는 EUV 광자 또는 낮은 에너지 전자의 영향아래 해리하여, 노광된 영역 내에 자유 나노입자를 남기게 될 것이다. 이러한 자유 나노입자는 현장 중에 제거될 수 있다.
공지된 나노입자 기초 레지스트는 그들의 용해도를 입자 소수성을 변경하거나 나노입자/나노클러스터의 클러스터링에 의해 변경한다. 그러나 본 명세서에서는 자유 나노입자가 리소그래피 노광 중에 생성되는 그 역이 제안된다. 위의 제안된 포지티브형 레지스트 조성물의 장점은, 입자 당 교차결합의 개수를 변경하면 입자 용해도를 변경하기 위해 필요한 전자 상의 광자의 개수에 대한 임계를 조절할 수 있게 된다는 것인데, 이것은 레지스트 콘트라스트에 대해서 이점이 있다. 상이한 EUV 파장 및 심지어 비-EUV 파장이 전체 디바이스 제조 프로세스의 더 적은 임계 패터닝 단계에 대해서 사용될 수 있기 때문에, 상이한 레지스트가 상이한 프로세스 단계에서 사용될 수 있다. 위에서 소개된 상이한 레지스트 타입은 EUV 파장들에서의 상이한 프로세스 단계에서 사용될 수 있어서, 개개의 프로세스의 성능과 제작되는 패턴을 최적화할 수 있다.
다른 실시예에서, 기판 재료로의 자기-조립을 위한 자기-조립 리간드기를 가지는 자기-조립 분자를 포함하는 물질을 가지는 레지스트 조성물이 제공된다. 기판은 웨이퍼 기판 또는 전술된 레지스트 조성물의 층에 접촉하는 다른 레지스트 층일 수 있다. 자기-조립 분자도 역시 자기-조립 리간드기와 상이한 패시브 말단기를 가지는데, 이것은 EUV 방사선과 같은 리소그래피 방사선으로 조명되면 다른 화학적 그룹에 결합될 수 있는 액티브 말단기가 된다. 레지스트 조성물은 자기-조립 분자의 패시브 말단기 또는 자기-조립 리간드기로 화학적으로 결합하지 않도록 구성되는 무기 나노입자를 더 포함하는데, 여기에서 무기 나노입자는 자기-조립 분자의 액티브 말단기에 화학적으로 결합하도록 구성된다.
이러한 레지스트 조성물은 기판의 표면(예를 들어 웨이퍼 표면)에 강하게 부착된 고흡수성의 잘 정렬된(well ordered) 무기 레지스트 층들을 형성할 수 있다. 이러한 레지스트 조성물은 예를 들어 이방성 산 확산을 가지거나 심지어 산 확산을 가지지 않을 수도 있다. 이러한 레지스트 층은 다음 재료 특성: 더 적은 패턴 무너짐, 레지스트의 높은 기계적 강도 또는 기판 표면으로의 강한 결합 중 하나 이상에 기인하여, 더 적은 선량, 더 많은 직선형 프로파일, 양호한 에칭 저항(무기 재료이기 때문임) 및 더 양호한 해상도를 가지도록 설계될 수 있다. 레지스트 층은 또한 금속성 층을 z 방향으로 성장시켜서 더 큰 두께의 패턴을 획득하기 위해 사용될 수도 있다.
자기-조립된 단분자층(SAM)은 기판의 표면을 패시베이션 또는 기능화하기 위해서 제조될 수 있는 기능성 분자의 단분자층이다. 이러한 단일층은 통상적으로 분산된 기능성 자기-조립 분자를 포함하는 용액, 또는 이러한 용액의 증기상(vapor phase)으로부터 형성되어, 약 2nm 두께를 가진 잘 정렬된 유기 박막이 기판에 증착되거나 결합되게 한다.
다양한 타입의 나노입자들이 문헌에 공지되어 있다. 금속성 나노입자는 보통, 원하는 상, 크기, 형상 및 결정도를 가지는 하나 이상의 타입의 금속으로 구성된다.
통상적인 금속성 나노입자(MNP) 분산액은 계면활성제로 안정화된 용매 내에 분산된 나노입자를 포함한다. 금속성 나노입자는 예를 들어 스핀-코팅 또는 침지에 의해 SAM이 커버된 표면 상에 증착되어, 나노입자의 정렬되지 않은 다중층을 만들 수 있다.
MNP는 패시브 탄소 C 기에 의해 종결된 SAM 분자와 같은 패시브 말단기를 가지는 SAM 분자에 결합(또는 화학적으로 부착)되지 않도록 구성될 수 있다. 이러한 패시브 C에 의해 종결된 기의 일 예는 -CH3이다.
MNP는 또한, SAM 분자가 액티브 말단(이러한 -COOH, -SH 등)을 가지는 경우에, MNP와 SAM 분자 사이에 리간드 교환(즉 화학적 결합)이 생길 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, NMP 표면으로부터의 계면활성제 분자는 SAM 분자의 액티브 말단과 치환될 수 있다.
SAM 분자의 패시브 말단기를 액티브 말단기로 변환하는 것은 예를 들어 리소그래피 방사선에 의한 조사, 예컨대 EUV 방사선을 이용한 노광 시에 발생할 수 있다. 이러한 방식으로 MNP는 SAM 분자에 의해 표면에 결합되게 된다.
또한, FePt 타입 MNP와의 결합을 유도하기 위해서 아지드(-N3)로 종결된 SAM도 사용될 수 있는데, 이것은 아지드가 MNP에서 C=C로 종결된 계면활성제에 결합할 수 있는 기이기 때문이다. EUV 방사선은 -N3와 C=C 기 사이에서 이러한 반응을 유도할 수 있다.
SAM 분자, MNP 또는 기판에 의해 EUV 방사선이 흡수될 때에 생성되는 EUV 광자 또는 전자가 이론 상 CH3 기(또는 다른 패시브 말단기)를 COOH 기(또는 다른 액티브 말단기)로 변환할 수도 있다는 것도 역시 밝혀진다. 이러한 로컬 반응을 유도하기 위해서는 매우 낮은 EUV 선량도 충분할 수 있다.
원리 상, PAG-유사 분자도 SAM 말단으로서 사용될 수 있다. 이러한 방법 애서, MNP는 리간드 교환을 통해 액티브 종결된 SAM 분자와 화학적 결합을 형성할 것이다.
레지스트 층 제조의 여러 상이한 루트들이 사용될 수 있다. 한 가지 방법은 EUV 방사선 흡수를 통해 자기-조립된 단분자층을 활성화함으로써 제조되는 EUV 네거티브형 톤 비-CAR MNP 포토레지스트 층을 형성하는 것이고, 이것은 표면 분자들이 활성화되게 할 수 있다. 액티브 말단기는 리간드 교환 메커니즘을 통해 MNP로 결합된다. MNP의 높은 방사선 흡수율 때문에 방사선 흡수율이 증가된다. 이차 전자가 MNP, SAM 층 및 기판에서 생성될 수 있다.
MNP는 액티브 종결된 단부 SAM에 의해 덮힌 표면에 고정된다. SAM은 그들의 사슬에 EUV 감응 해리성 단위를 가진다. EUV 노광 시에, EUV 감응(예를 들어 술포네이트를 포함함) 분자는 해리되고 노광된 영역에 있는 MNP는 제거되는 반면에, 비노광 영역에 있는 MNP는 표면에 고정된다. 이러한 방법에서, EUV 층은 포지티브형 비-화학적으로 증폭된 레지스트(Non-CAR)로서의 역할을 수행한다.
다른 방법은 EUV 방사선에 의해 패터닝된 SAM이 덮인 표면을 사용하는 것인데, 이러한 경우 MNP는 후속 단계로(follow up step) 부착된다. 이러한 경우에, 필요한 방사선 선량은 더 높을 수 있지만, 레지스트 층 내에 유도되는 전자 블러는 더 낮아져서 더 양호한 패턴이 규정되게 할 것이다.
또 다른 방법은 SAM 말단기와 같은 EUV 방사선 감응 PAG-유사 분자를 사용하는 것이다. 이러한 분자가 EUV 노광 시에 두 부분(예를 들어 CFSO3- 및 TPS)으로 분할될 수 있다는 것이 증명됐다. EUV 활성화가 없으면 이러한 EUV 감응 PAG-유사 말단은 패시브의 역할을 하는 반면에, EUV 방사선에 의한 활성화 및 패턴 정의가 이루어지면, CFSO3- 말단은 유지되고 TPS 부분은 분리된다. 더욱이, -SH 말단을 가지는 SAM이, MNP를 안정화시키기 위해서 사용되는 여러 다른 리간드, 예컨대 -COOH 종결된 SAM 리간드와 비교할 때 무기 나노입자에 대해 더 높은 친화도를 가지게 되는 것이 밝혀졌다.
MNP 고정 및 교차결합은 EUV 방사선에 노출될 때 발생할 수 있다. 교차결합은 예를 들어 PAG 프래그먼트 SbF6- SAM 말단에 의해 촉진될 수 있고, 계면활성제 말단은 에폭시 가교제에 의해 MNP로 연결된다.
PAG-유사 말단 및 에폭시 가교제 보유 유기 풀러렌 레지스트 층은 EUV 노광시에 양이온으로 촉진되는 교차결합 때문에 패턴을 형성할 수 있다. 유사한 화학 반응이 전술된 바와 같은 MNP에 적용될 수 있다.
이방성 블러가 있는 화학적으로 증폭된 네거티브형 톤 나노입자 EUV 레지스트는 SAM으로 덮인 표면 상의 PAG-유사 말단, 가교제 및 막대-유사 MNP에 의해 형성되는 느슨한 조합에 의해 형성될 수 있는데, 여기에서 MNP 고정 및 교차결합은 EUV 노광 시에 유도된다. 교차결합은 PAG 프래그먼트 SbF6- SAM 말단에 의해 촉진될 수 있는 반면에, 계면활성제 말단은 에폭시 가교제를 통해 MNP에 연결될 수 있다. 수직 방향에서는 촉매 확산이 선호될 수 있다.
막대-유사 구조를 포함하는 상이한 형상의 MNP들이 문헌에 보고된다. FePt 나노입자는 외부 자기장의 영향 하에 회전하고 정렬될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 막대 유사 나노입자는 수직 방향으로 정렬되고, 그러면 양이온 촉매 확산이 수직 방향에서 선호되는데, 이것이 요구된 선량 레벨을 감소시킬 것이다.
전술된 방법 중 임의의 것을 사용하면 MNP 패턴이 생성될 수 있고, 레지스트 층의 에칭 저항을 증가시키기 위해서 MNP 층의 두께가 예를 들어 무전해 금속 증착에 의해 더욱 증가될 수 있다.
전술된 레지스트의 EUV 리소그래피 프로세스에서의 용도는, 집적 회로의 제조 및 자기 도메인 메모리, 평판 디스플레이, 액정 디스플레이(LCD), 박막 자기 헤드등에 대한 집적된 광학 시스템, 유도 및 검출 패턴을 제조하는 경우와 같은 다른 애플리케이션을 위한 것일 수 있다 당업자는, 이러한 다른 응용예의 문맥에서, 본 명세서에서 사용된 "웨이퍼" 또는 "다이"와 같은 어떠한 용어의 사용도 각각 "기판" 또는 "타겟부"와 같은 좀 더 일반적인 용어와 동의어로 간주될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에서 언급되는 기판은, 노광 전후에, 예컨대 트랙(예를 들어, 통상적으로 기판에 레지스트층을 도포하고 노광된 레지스트를 현상하는 툴), 계측 툴 및/또는 검사 툴에서 처리될 수 있다. 또한, 예컨대 다층 집적회로를 생성하기 위하여 기판이 복수 회 처리될 수 있으므로, 본 명세서에 사용되는 기판이라는 용어는 이미 여러 번 처리된 층들을 포함한 기판을 지칭할 수 있다.
비록 본 발명의 특정한 실시예가 위에서 설명되었지만, 본 발명은 설명된 것과 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 레지스트 조성물은, 본 발명을 보호 및/또는 향상하기 위해서 다수의 층을 가지는 레지스트를 포함하는 패터닝 프로세스에서 사용될 수 있다. 위의 설명은 한정적인 것이 아니라 예시적인 의도로 제공된다. 따라서, 다음 진술되는 청구항 및 절(clause)의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 설명된 바와 같은 본 발명에 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게는 명백해 질 것이다.
1. 무기 코어-쉘 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물로서,
상기 나노입자는 나노입자의 코어를 형성하는 제 1 재료 및 코어 주위의 쉘을 형성하는 제 2 재료를 포함하고,
상기 제 2 재료는 제 1 재료의 에너지 대역 보다 더 큰 에너지 밴드갭을 가지는, 패턴 형성 프로세스.
2. 제 1 절에 있어서,
상기 제 1 재료는 CdSe를 포함하고, 상기 제 2 재료는 ZnS를 포함하는, 패턴 형성 프로세스.
3. 제 1 절 또는 제 2 절에 있어서,
상기 나노입자는 CdS/ZnS, CdSe/CdS, 및 InAs/CdSe에서 선택된 재료를 포함하는 코어-쉘 나노입자인, 패턴 형성 프로세스.
4. 나노입자의 코어를 형성하는 제 1 재료 및 코어 주위의 쉘을 형성하는 제 2 재료를 포함하는 무기 코어-쉘 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물로서,
상기 제 2 재료의 절대 밴드갭 위치는 전하 캐리어로서 전자 또는 정공 중 하나를 차폐하고 다른 전하 캐리어를 끌어당기도록 배치되는, 레지스트 조성물.
5. 제 4 절에 있어서,
상기 제 1 재료는 ZnTe를 포함하고 상기 제 2 재료는 CdSe를 포함하는, 레지스트 조성물.
6. 제 4 절 또는 제 5 절에 있어서,
상기 제 1 재료의 밴드갭은 제 2 재료의 밴드갭보다 더 높고,
상기 제 1 및 제 2 재료의 절대 밴드갭 위치는 절대 에너지 스케일에서 상이해서, 결과적으로 전자 및 정공의 공간적 분리를 초래하며,
정공이 코어-쉘 나노입자 표면에 더 가까이 위치되는, 레지스트 조성물.
7. 무기 나노입자를 포함하는 레지스트 조성물로서,
상기 무기 나노입자는 3.5 eV보다 낮은 벌크 밴드갭을 가지는, 레지스트 조성물.
8. 제 7 절에 있어서,
상기 무기 입자의 재료는 ZnO, WO3, CdS, CdSe, GaP, InAs, InP, GaAs, CdTe, GaSb, InN, InSb, ZnSe 및 ZnTe로 이루어지는 목록으로부터 선택되는, 레지스트 조성물.
9. 무기 나노입자 A의 제 1 세트 및 무기 나노입자 B의 제 2 세트를 포함하는 포지티브형 포토레지스트를 위한 레지스트 조성물로서,
나노입자 A는, 나노입자 A에 결합된 제 1 측 및 실온에서의 나노입자 A 및 B의 교차결합을 방지하도록 배치되는 제 2 측을 가지는 화학적 그룹을 포함하는 전자 감응 리간드 상의 광자와 함께 제공되고, 상기 화학적 그룹은 실온보다 높은 온도에서 제거가능하며;
나노입자 B는 상기 나노입자 A에 결합된 전자 감응 리간드 상의 광자로부터, 상기 화학적 그룹의 제 2 측에 의해 실온보다 높은 온도에서 치환가능하도록 배치되는 약한 결합의 화학적 그룹을 가지는 리간드와 함께 제공되어, 나노입자 A 및 B의 교차결합을 제공하고; 그리고
상기 전자 감응 리간드 상의 광자는 나노입자 A로부터의 광자 또는 낮은 에너지 전자를 이용한 리소그래피 노광 중에 해리되도록 배치되는, 레지스트 조성물.
10. 제 9 절에 있어서,
무기 나노입자 A의 양은 무기 나노입자 A 및 B의 총량의 약 절반인, 레지스트 조성물.
11. 제 9 절에 있어서,
상기 나노입자는 전자 감응 리간드 상의 광자를 포함하고, 리소그래피 노광 중의 해리는 레지스트 현상기에 의해 제거가능한 자유 나노입자를 제공하는, 레지스트 조성물.
12. 무기 나노입자 A의 제 1 세트 및 무기 나노입자 B의 제 2 세트를 포함하는 포지티브형 포토레지스트를 위한 레지스트 조성물을 제조하는 방법으로서,
나노입자 A의 제 1 세트에게 나노입자 A에 결합된 제 1 측 실온에서의 나노입자 A 및 B의 교차결합을 방지하도록 배치되는 제 2 측을 가지는 화학적 그룹을 포함하는 전자 감응 리간드 상의 광자를 제공하는 단계로서, 상기 화학적 그룹은 실온보다 높은 온도에서 제거가능하고, 상기 전자 감응 리간드 상의 광자는 광자 또는 낮은 에너지 전자를 이용한 리소그래피 노광 중에 나노입자 A로부터 해리되도록 배치되는, 단계; 및
나노입자 B의 제 2 세트에게, 나노입자 A에 결합된 상기 전자 감응 리간드 상의 광자로부터, 화학적 그룹의 제 2 측에 의해 실온보다 높은 온도에서 치환가능하도록 배치되는 약한 결합의 화학적 그룹을 가지는 리간드를 제공하는 단계를 포함하는, 레지스트 조성물 제조 방법.
13. 제 12 절에 있어서,
상기 방법은 포지티브형 포토레지스트에 베이킹 온도를 적용하여 나노입자 A 및 B의 교차결합을 허용하는 추가 단계를 포함하는, 레지스트 조성물 제조 방법.
14. 제 13 절에 있어서,
상기 방법은, 교차결합된 포지티브형 포토레지스트가 광자 또는 낮은 에너지 전자로 노광됨으로써, 상기 전자 감응 리간드 상의 광자가 리소그래피 노광 중에 나노입자 A로부터 해리되어 상기 포지티브형 포토레지스트의 노광된 영역 내에 자유 나노입자를 남기게 하는 추가 단계를 포함하는, 레지스트 조성물 제조 방법.
15. 레지스트 조성물로서,
기판 재료로의 자기-조립을 위한 자기-조립 리간드기를 가지는 자기-조립 분자를 포함하는 물질로서, 상기 기판은 상기 레지스트 조성물의 층에 접촉하고, 상기 자기-조립 분자는 리소그래피 방사선으로 조명되면 액티브 말단기(termination group)가 되는 자기-조립 리간드기와 상이한 패시브 말단기를 더 가지는, 물질; 및
상기 자기-조립 분자의 상기 패시브 말단기 또는 자기-조립 리간드기와 화학적으로 결합하지 않도록 구성되는 무기 나노입자로서, 상기 무기 나노입자는 상기 자기-조립 분자의 액티브 말단기와 화학적으로 결합하도록 구성되는, 무기 나노입자를 포함하는, 레지스트 조성물.
16. 제 15 절에 있어서,
상기 레지스트 조성물은 이방성 산 확산(acid diffusion) 특성을 가지거나 산 확산 특성을 가지지 않는, 레지스트 조성물.
17. 제 15 절 또는 제 16 절에 있어서,
상기 레지스트 조성물은 무기 나노입자의 다중층을 포함하는, 레지스트 조성물.
18. 제 15 절 내지 제 17 절 중 어느 한 절에 있어서,
상기 무기 나노입자는 금속성 나노입자인, 레지스트 조성물.
19. 제 15 절 내지 제 18 절 중 어느 한 절에 있어서,
상기 패시브 말단기는 리소그래피 방사선 빔에 의해 노광되면 액티브 말단기로 변환가능한 C 말단기, 예컨대 -CH3 말단기인, 레지스트 조성물.
20. 제 15 절 내지 제 19 절 중 어느 한 절에 있어서,
자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 -COOH, -SH, 또는 -N3 기로부터 선택되는, 레지스트 조성물.
21. 제 15 절 내지 제 20 절 중 어느 한 절에 있어서,
자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 CFSO3-, TPS 또는 SbF6 기들 중 하나 이상을 포함하는 PAG 말단기인, 레지스트 조성물.
22. 제 21 절에 있어서,
상기 패시브 말단기는 CFSO3- 및 TPS 기를 포함하는 PAG 기이고, 상기 패시브 말단기는 리소그래피 방사선으로 조사되면 TPS 기의 분리에 의해 활성화되어 CFSO3- 기가 액티브 말단기를 형성하도록 하는, 레지스트 조성물.
23. 제 22 절에 있어서,
리소그래피 방사선으로 조사되면, 상기 자기-조립 분자에 부착된 무기 입자는 레지스트 층의 조사된 영역에서 제거가능해지는 반면에, 비-조사된 영역으로부터 나온 무기 입자는 레지스트 층에 결합된 상태를 유지하는, 레지스트 조성물.
24. 제 15 절 내지 제 20 절 중 어느 한 절에 있어서,
상기 자기-조립된 단일층 분자의 액티브 말단기는 -N3 아지드기(아지드 group)이고, 무기 나노입자는 FePt를 포함하는, 레지스트 조성물.
25. 제 15 절 내지 제 24 절 중 어느 한 절에 있어서,
무기 입자는 막대형의 기다란 입자인, 레지스트 조성물.
26. 제 25 절에 있어서,
촉매 확산은 실질적으로 무기 레지스트 조성물의 층이 접촉하는 기판에 수직인 방향으로 배향되어, 이방성 블러(anisotropic blur)가 있는 레지스트 층을 제공하는, 레지스트 조성물.
27. 제 15 절 내지 제 26 절 중 어느 한 절에 있어서,
무기 나노입자의 표면은 에폭시 가교제(crosslinker)기를 통해 무기 나노입자와 결합되는 C=C 말단을 가지는 계면활성제로 보호되는, 레지스트 조성물.
28. 제 15 절 내지 제 27 절 중 어느 한 절에 있어서,
패시브 말단기를 액티브 말단기로 변환하기 위한 리소그래피 방사선은 EUV 방사선인, 레지스트 조성물.
29. 제 1 절 내지 제 11 절, 및 제 15 절 내지 제 28 절 중 어느 한 절의 레지스트 조성물의 층으로 코팅된 기판.

Claims (47)

  1. EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물로서,
    레지스트 조성물은 페로브스카이트(perovskite) 재료를 포함하고,
    상기 페로브스카이트 재료는 할로겐화물 성분 X를 포함하는, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 유기금속-할로겐화물 페로브스카이트인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 ABX3, A2BX4, 또는 ABX4 중에서 선택된 화학식을 가지는 구조를 가지고, A는 NH3 기를 포함하는 화합물이고, B는 금속이고, X는 할로겐화물 성분인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 페로브스카이트 재료들의 혼합물을 포함하는, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 구성성분:
    a) 할로겐-혼합(mixed) 페로브스카이트 재료,
    b) 금속-혼합 페로브스카이트 재료, 및
    c) 유기 리간드 혼합 페로브스카이트 재료 중 하나 이상을 포함하는, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  6. 제 3 항에 있어서,
    A는 CxHx+2NH3, C6H5CxH2xNH3, NH3CxH2xNH3 및 NH2CHNH3, 그리고 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되고, x는 1 내지 5 의 범위에 있는 정수인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  7. 제 3 항에 있어서,
    B는 Pb2+, Sn2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+ 및 혼합-금속으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    X는 I, Br, F 및 Cl로 이루어지는 군으로부터 선택되는 할로겐화물 성분인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는, 화학식: CH3NH3PbX3 의 메틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트, 및/또는 화학식: CH3NH3PbX3 의 에틸암모늄 납-할로겐화물 페로브스카이트이고,
    상기 할로겐화물 성분은 I, Br, 또는 Cl 중에서 선택되는, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 페로브스카이트 재료는 CH3NH3PbI3, CH3CH2NH3PbI3, CH3NH3PbBr3, CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI2Br, CH3NH3Pb(I(1-x)Brx)3, CH3NH3PbI2Cl, NH2=CHNH3 + 납계 재료 및 CH3NH3PbI(3-x)Clx 중에서 선택되고, x는 1 내지 5 의 범위에 있는 정수인, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 레지스트 조성물은 1 wt% 내지 98 wt% 페로브스카이트 재료를 포함하는, EUV 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물.
  12. 레지스트에서의 패턴 형성 프로세스로서,
    제 1 항 또는 제 2 항의 레지스트 조성물을 기판 상에 도포하여 코팅을 형성하는 단계,
    상기 코팅을 베이킹(baking)하는 단계,
    상기 코팅을 고-에너지 방사선에 노광하는 단계, 및
    노광된 코팅을 현상기 내에서 현상하는 단계를 포함하는, 패턴 형성 프로세스.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 레지스트 조성물을 생성하기 위한 방법으로서,
    상기 페로브스카이트 재료 및 / 또는 레지스트 조성물은 실온에서 합성되는, 레지스트 조성물을 생성하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    레지스트 조성물을 합성하는 동안 무수 원료가 건조 상태의 엔클로저 내에서 사용되는, 레지스트 조성물을 생성하기 위한 방법.
  15. 집적 회로를 제조하는 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물로서 ABX3, A2BX4, ABX4 중에서 선택된 화학식의 구조를 가지는 페로브스카이트 재료, 또는 이러한 페로브스카이트 재료들의 혼합물을 이용하는 방법에 있어서,
    A는 NH3 기를 포함하는 화합물이고, B는 금속이며, X는 할로겐화물 성분인, 리소그래피 프로세스용 레지스트 필름의 레지스트 조성물로서 페로브스카이트 재료를 이용하는 방법.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항의 레지스트 조성물의 층으로 코팅된 기판.
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