TW201635035A - 矽基中層組合物及相關方法 - Google Patents

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Abstract

一種製造一半導體元件的方法，該方法包括：於一基底上形成一第一材料層，該第一材料層包括具有烷基的矽基組件；於該第一材料層上直接形成一光阻層；以及將該光阻層暴露於一輻射源之下。

Description

矽基中層組合物及相關方法
半導體積體電路(IC)產業經歷了快速的增長。IC材料和設計的技術進步已產生了幾代半導體積體電路，每一代半導體積體電路都比上一代具有更小更複雜的電路。然而，這些進步增加了半導體積體電路加工和製造的複雜性，並且為了實現這些進步，在半導體積體電路的加工和製造方面也需要取得類似的發展。在半導體積體電路的演進過程中，功能密度(即每個晶片區域內互連設備的數量)已普遍增加，但幾何尺寸(即製造工藝可製造的最小器件)卻有所縮小。隨著光刻特徵縮小，例如，低於40納米(nm)時，就需要高數值孔徑工藝來克服解析度極限。在這方面，使用三層光阻薄膜方案似乎具備有利的前景。具體而言，在其他益處中，三層光阻薄膜可以提供線邊緣粗糙度(LER)和線寬粗糙度(L WR)方面的改善。
然而，使用三層光阻薄膜方案卻提高了挑戰，特別是隨著特徵之間提供的不斷縮小的技術節點和間距。該縮小的特徵尺寸和間距可以導致光刻特徵崩潰。這種崩潰可能是由於頂部光阻層和三層光阻薄膜方案中的中層之間的粘附性的劣化，和/或無意的雜質的劣化而產生。因此，需要一種工藝和材料，其能通過使用圖案化材料來降低、最小化或消除上述問題。
本發明提供一方法，其包括：於一基底上形成一第一層， 該第一層包括具有烷基的矽基組件；於該第一層上直接形成一光阻層；以及將該光阻層暴露於一輻射源之下。
本發明亦提供一製造一半導體元件的方法，該方法包括：於該半導體基底上形成一底層；於該底層上形成一中層，其中該中層包括一矽基單體，該矽基單體包括一烷基；於該中層上形成一光阻層；以及提供一輻射光束入射到該光阻層。
本發明更提供一用於圖案光刻的材料堆疊，其包括：一底層，該底層具有一有機聚合物；一中層，該中層具有一含矽聚合物以及一烷基，該烷基鏈結至該聚合物的一矽原子；以及於該中層上的一光阻層，其中該光阻層包括一感光材料。
100‧‧‧方法
102~114‧‧‧步驟
200‧‧‧半導體元件
202‧‧‧基底
204‧‧‧三層圖案堆疊
206‧‧‧底層
208‧‧‧中層
210、210-a‧‧‧光阻層
302‧‧‧輻射光束
402‧‧‧遮罩元件
502‧‧‧特徵
600、700‧‧‧合適單體的示例性結構
為協助讀者達到最佳理解效果，建議在閱讀本揭露時同時結合附圖及以下詳細說明。應該注意的是，遵照行業內標準做法，各特徵不是按比例繪製。事實上，為了清楚的討論，各特徵尺寸可以任意放大或縮小。
圖1為根據本揭露各方面的一製造半導體元件的方法的實施例的流程圖。
圖2至圖5為根據本揭露各方面的一半導體元件的實施例的示例性局部橫截面側視圖。
圖6根據本揭露各方面示出了一中層的組合物的示例性化學結構，該中層包括添加劑材料。
圖7根據本揭露各方面示出了一中層的組合物的另一示例性化學結構，該中層包括添加劑材料。
應當理解的是，以下揭露內容提供了數個不同的實施例或示例，用於實現各種實施例的不同特徵。為簡化本公開內容，各器 件和佈局的具體示例描述如下。當然，這些僅僅是示例且並不旨在有所限定。例如，本描述中的第一特徵基於第二特徵之上，跟隨第二特徵的形成可以包括一些實施例，該實施例中第一特徵和第二特徵以直接接觸形成；也可以包括一些實施例，該實施例中附加特徵形成於第一特徵和第二特徵之間，以使得該第一特徵和第二特徵以間接接觸形成。此外，本公開內容可在各個示例中重複參考數值和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，本身並不表明所討論的各個實施例和/或配置之間的關係。
圖1為根據本揭露各方面的製造一半導體元件的方法100的一實施例的流程圖。圖2至圖5是根據該方法100的一個或多個步驟製造的半導體元件200的截面圖。可以理解的是，該方法100包括多個步驟，該多個步驟具有互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術工藝流程的特徵。因此，該特徵在本文中只簡要地描述。另外的步驟可在之前、之後，和/或方法100中執行。
還應當理解的是，該半導體元件200的一些部分可以由互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術工藝流程來製造，並且因此在本揭露中有些工藝僅簡要描述。此外，該半導體元件200可以包括各種其他裝置和特徵，例如附加電晶體、雙極結型電晶體、電阻器、電容器、二極體，以及保險絲等。但為更好地理解本揭露的發明概念，該其他裝置和特徵被簡化。
該半導體元件200可以是積體電路加工過程中製造的一中間元件或其部分。該半導體元件200可以包括靜態隨機存取記憶體(SRAM)，和/或其它邏輯電路；無源器件，例如電阻器、電容器和電感器；以及有源器件，例如P溝道場效應電晶體(PFET)、N溝道場效應電晶體(NFET)、金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體、雙極電晶體、高壓電晶體、 高頻電晶體、其他存儲單元，以及它們的組合。該半導體元件200包括多個半導體器件(例如，電晶體)，該器件之間可以相互連接。
該方法100開始於步驟102，為接收基底。該基底可以是半導體基底，例如半導體晶片。該基底在晶體結構中可包括矽。在另外的實施例中，該基底可以包括鍺、矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦，和/或其他合適的材料。該基底可以是矽絕緣體(SOI)基底。該基底可包括多個層和/或特徵，該多個層和/或特徵形成於該半導體基底之上，該半導體基底包括摻雜區域或孔；隔離區域，例如淺溝槽隔離(STI)特徵、導電層、絕緣層，和各種其他合適的特徵。例如，該基底可以包括一個或多個目標層，該目標層需要被圖案化。參照圖2的示例，一基底202被示出。根據一些說明性實施例，該基底202具有形成於其上的任意多個層(導電層和絕緣體層)或特徵(源/汲區、閘極結構、互連線和通路)。該基底202可以包括一個或多個目標層，該目標層佈置於半導體基底之上，且該目標層適用於使用該方法100的圖案形成。示例性目標層包括閘極層、互連層，和/或其它合適的層。在一實施例中，該方法100的圖案形成可以適用於半導體基底本身的蝕刻部分(例如，在鰭型場效應電晶體中鰭的形成)。
該方法100在步驟104中繼續，其中三層圖案堆疊的一底層(UL)(或第一層)形成於基底之上。該底層可以是三層圖案堆疊的第一層(即，最接近基底的一層)，該三層圖案堆疊也可稱為三層光阻。在一實施例中，該底層是有機的。在進一步的實施例中，該有機材料包括多個單體或聚合物，該多個單體或聚合物是不交聯的。通常，該底層可以包含：材料，該材料是可圖案化的；和/或組合物，該組合物具有調整到可提供抗反射性能。用於該底層的示例性材料包括碳主鏈聚合物。在一實施例中，該底層被省略。在一些實施例中，該底層可以通過旋塗工藝形成。在其他實施例中，該底層可以由另一合 適的沉積工藝形成。
現參考圖2，三層圖案堆疊204放置於該基底202之上。該三層圖案堆疊204包括底層206。在一實施例中，該底層206是碳主鏈聚合物。
參照圖1及圖2，方法100隨後進行到步驟106，於該基底和/或該底層206之上形成一中層208(或第二層)。該中層可以是三層圖案堆疊的第二層。通常，該中層可具有組合物，該組合物提供用於光刻工藝的抗反射性能和/或硬遮罩性能。在一實施例中，中層包括含矽層(即，矽硬遮罩材料)。該中層可以包括含矽無機聚合物。在進一步的實施例中，該中層包括矽氧烷聚合物(即，具有O-Si-O-Si-等主鏈的聚合物)。該矽氧烷聚合物的矽比例可被控制，以控制該中層的蝕刻速率。例如，該矽氧烷聚合物的矽比例可為約10%至約45%之間的值。更特別地，矽氧烷聚合物的分子量可駐留在約1000g至約8000克之間。在一些另外的實施例中，該中層可包括氧化矽(即，旋塗玻璃(SOG))、氮化矽、氮氧化矽、多晶矽，以及含金屬的有機聚合物材料，如鈦、氮化鈦、鋁和/或鉭；和/或其他合適的材料。該中層可以熱烘烤交聯，因而無需進一步需要溶劑。在一些實施方案中，該中層不包括溶劑，如PGEE(1-乙氧基-2-丙醇)、PGMEA(丙二醇甲基醚乙酸酯)、水，或它們的組合。該中層的任何或所有的這些組合物，可添加添加劑(混合或與其攪拌)以加強該中層。這種添加劑在下面進一步討論。
根據一些說明性實施例，該中層可包括添加劑，該添加劑可能導致該中層影響該中層的介面與上覆的光阻層之間的接觸角和其它性能(如下面所討論的步驟108)。這些添加劑的一部分可有利地提供各層之間的介面增強，例如通過親水力和氫鍵來提供。
例如，烷基添加劑可以為此用於調節該中層208的疏水 性。進一步地，該烷基添加劑的濃度可被調節以執行這樣的目的(即調節該中層的疏水性)。通常，該中層烷基的濃度越大，該中層208疏水性(少油狀)越小。這樣，包括該中層烷基在內，可以減小光阻層和該中層之間接觸角的不匹配。更具疏水性的中層改善了該中層到該光阻層的粘合性，以改善光阻圖案剝離。縮小的圖案剝離轉化為該半導體元件200中更清晰、更明顯的特徵。而且，該中層增加的疏水性防止親水顯影劑溶液滲入該中層，且防止在光阻層的顯影過程中引起光阻圖案的崩潰。然而，該中層增加的疏水性也可能會引起雜質，例如該中層表面之上的直接自組裝(DSA)聚集。在準備該中層的任何階段，這樣的DSA聚集都可能會發生，但在交聯過程中，DSA聚集尤其更頻繁地發生。該DSA聚集形成通常是由於該中層單體(例如，矽氧烷聚合物)和交聯劑之間疏水性的顯著差異。該交聯過程可以包括混合矽氧烷聚合物與交聯劑，以及烘烤該混合物以形成交聯的單體或聚合物等。因此，為實現需要的目標，達到最佳的接觸角和疏水性，可適當選擇烷基的濃度。
根據各實施例，該中層208包括組合物，該組合物可以有利地避免該中層和烘烤處理後的該上覆的光阻層之間雜質的形成(例如，DSA聚集)。更具體地，該中層208包括一種添加劑化合物或組分，例如烷基。這種添加劑烷基增加了該中層的疏水性，以降低該中層單體和交聯劑之間疏水性的差異。
在一實施方案中，該中層包括組合物，例如，具有與其鏈結的聚合物，該聚合物具有烷基。另外地，該聚合物可以包括環狀環、降冰片烷、苯、金剛烷，和/或其他合適的結構。
該中層可通過旋塗工藝、化學氣相沉積工藝(CVD)、物理氣相沉積(PVD)工藝，和/或其它合適的沉積工藝形成。
參照圖2的示例，中層208被安置在該底層206之上，作為 該三層圖案堆疊204的一組件。該中層208可以包括合適的材料，例如硬遮罩材料，該硬遮罩材料具有添加劑組件，例如烷基。例如，在一實施例中，該中層208包括矽氧烷聚合物，該矽氧烷聚合物與添加劑組件混合(例如，烷基)。在另一實施例中，該添加劑組件可以是組合物(例如，聚合物)，該組合物包括多個烷基。進一步地，這樣的包括烷基的矽氧烷聚合物可以通過使用交聯劑來交聯，並且可以被交聯以形成任何種類的形狀，例如鏈狀、網路狀、圓型、梳狀、星狀等。該包括烷基的矽氧烷聚合物的中層208在圖6及圖7中進一步更詳細地說明。
參照圖1及圖2，方法100隨後進行到步驟108，其中光阻(PR)層210形成於該中層208之上。該光阻層可以是三層圖案堆疊的第三層或頂層。該光阻層可以是感光層，該感光層可通過本領域已知的輻射，可操作成圖案化。通常情況下，被入射輻射擊中的該光阻區域的化學性質以一種方式變化，該方式取決於使用光阻的類型。在一實施例中，該光阻層是合適的正色調阻劑。正色調阻劑是指一種光阻材料，當該光阻材料暴露於輻射之下時(通常是UV光)，該光阻材料變得不溶於負色調顯影劑，而未暴露於輻射源之下的光阻材料部分，其變得可溶於負色調顯影劑。術語“負色調顯影劑”可以指任何合適的顯影劑，該顯影劑有選擇地溶解並移除未接受曝光量或低於預定閾值曝光量值的曝光量的區域。該負色調顯影劑可以包括有機溶劑。該有機溶劑可以包括諸如此類的溶劑，例如，酮系溶劑、酯系溶劑、醇系溶劑、醯胺系溶劑、醚系溶劑、烴系溶劑，和/或其它合適的溶劑。正如以下討論的，提供了溶解度用於形成圖案化光阻層。
該光阻層210可以包括碳主鏈聚合物。該光阻層210可以包括其它合適的組件，例如溶劑，和/或光產酸劑。例如，在進一步的實施例中，該光阻層是本領域中公知的化學放大(CA)阻劑。該光阻 層可以包括分佈在該光阻層的光酸產生劑(PAG)。當PAG從曝光過程中吸收光能時，PAG形成少量的酸。該阻劑可以包括聚合物材料，當該聚合物和其所產生的酸反應時，該聚合物材料改變其顯影劑的溶解度。CA阻劑可能是正色調阻劑。合適的PAG的示例包括鋶陽離子磺酸鹽類、典離子磺酸鹽類、磺醯基重氮甲烷化合物、N-磺醯基氧PAG、二苯乙醇酮磺醯基PAG、鄰苯三酚三磺酸PAG、硝基苄基磺酸酯PAG、碸PAG、乙二肟衍生物、三苯基鋶九氟丁磺酸，和/或鹽其它合適的已知或以後開發的PAG。
參照圖1，該方法100隨後進行到步驟110，其中該基底暴露於輻射光束之下，從而圖案化該光阻層。該輻射光束可以暴露該阻劑，該阻劑是被使用的光刻系統沉積在該基底之上，該光刻系統提供根據IC設計佈局的圖案化輻射。在一實施例中，光刻系統包括紫外線(UV)輻射、遠紫外線(DUV)輻射、極紫外(EUV)輻射、X-射線輻射，和/或其他合適的輻射類型。在另外的實施例中，光刻系統包括：帶電粒子光刻系統，例如電子束或離子束光刻系統。
參照圖3的示例，圖案化輻射光束302入射到該基底202，且特別地入射到該光阻層210。該區域210-a示出了已暴露給該輻射的該阻劑部分。因此，基於這些原因，化學變化發生了。在負色調阻劑的情況下，該區域210-a不溶於顯影劑。在一些另外的實施例中，如果該中層208包括一種添加劑化合物或具有光產堿(PBG)組件，該輻射光束302也可引起該中層208內的化學變化。例如，該中層的該PBG可以在暴露於輻射的位置生成。
在該方法100的實施例中，曝光工藝之後，可以發生烘烤工藝。該烘烤可以是硬烘烤。在一實施例中，該光阻層是化學放大阻劑(CAR)，且該烘烤工藝可起到提高不溶性的作用。烘烤工藝之後或在烘烤工藝期間，該中層的殘留量可以與該光阻層的組件反應，以 在其間形成一個鏈結或鍵。在一實施例中，此鏈結是共價鍵。在一實施例中，產生的殘留量和酸不穩定基團(ALG)產生反應，該酸不穩定基團(ALG)由該光阻層生成或提供的。在進一步的實施方案中，酸不穩定基團(ALG)由曝光後的阻劑生成。因此，在一實施例中，在淬火通過曝光產生的光阻的酸之後，留在中層的殘餘量可以與光阻ALG反應以形成共價鍵連接基。這樣可以改善在曝光區域的該光阻層和該中層之間的粘附性。
該方法100隨後進行到步驟112，其中該暴露的層(一個或多個)顯影以形成遮罩元件。顯影劑可以施加到該暴露的阻劑上，以在該基底上形成阻劑圖案。
在一實施例中，負色調顯影劑在步驟112中被應用。術語“負色調顯影劑”是指一種顯影劑，該顯影劑選擇性地溶解並移除未接受曝光量的區域(或曝光量值低於預定閾值曝光量值的區域)。
在一實施例中，顯影劑可以包括有機溶劑或混合有機溶劑，如甲基戊基酮(MAK)或包含MAK的混合物。在另一實施例中，顯影劑包括水基顯影劑，例如四甲基氫氧化銨(TMAH)。應用顯影劑包括於該暴露的阻劑薄膜之上旋塗顯影劑，例如通過旋塗工藝。在一實施例中，該顯影劑可以移除已被暴露的阻劑留下的部分中的未曝露的區域。值得注意的是，在一實施例中，該光阻層和該中層之間的該共價鍵僅在一區域被提供，該區域是具有輻射入射的區域。此區域可以是該光阻層區域(例如，正色調阻劑)，該區域難溶於顯影劑，如上所討論的負色調顯影劑。
參照圖4的示例，該光阻層210內提供遮罩元件402。在一些實施例中，該遮罩元件402可以通過施加負色調顯影劑到暴露的光阻層210，以使得光阻層210的未暴露部分被移除而形成。
在一實施例中，該遮罩元件402用於蝕刻該中層208。反 過來，該蝕刻的中層208可以被用作遮罩元件，以圖案化另外的層。在其它實施例或進一步的實施例中，於該基底202之上的一個或多個層也可以被圖案化，通過使用連串的蝕刻工藝，如乾蝕刻或基於由該遮罩元件402提供的圖案的等離子蝕刻。該遮罩元件402可以不溶於負色調顯影劑。
該方法100隨後進行到步驟114，其中遮罩元件被用於形成半導體元件特徵。在一實施例中，該遮罩元件包括一個或多個該光阻層、中層和底層。在進一步的實施例中，在圖案傳送到該中層之後(通過上述討論的合適的蝕刻工藝)，該光阻層被轉印。該圖案化中層可以隨後被用作該遮罩元件，以圖案化另外的層(一個或多個)，例如底層。參考圖5的示例，特徵502是由該基底202的目標層形成。在一些實施例中，特徵502是由一個或多個該光阻層210、該中層208以及該底層206形成。該特徵502是由該遮罩元件402所定義(參照圖4)。特徵502可以是閘極結構、如在鰭型場效應電晶體提供的鰭型結構、互連結構、隔離特徵、如線的導電特徵，和/或其它合適的半導體器件的特徵。
該方法100可繼續進行進一步的步驟，其步驟在此未具體描述，但是本領域普通技術人員所能理解的。例如，該半導體元件200可以接著將進行漂洗過程，例如去離子(DI)水漂洗。該漂洗過程可以去除殘留顆粒。
圖6及圖7提供了根據各種實施例的合適單體的示例性結構600和結構700，該合適單體包含於該中層之內。如上所述，該單體可以是包含烷基的矽氧烷聚合物。參照圖6及圖7，該結構包括矽主鏈(O-Si-O-Si-等)、R1(一個或多個)和R2(一個或多個)。在一些實施例中，“R1”表示具有1至10個碳原子(一個或多個)的烷基，“R2”表示具有羥基、羧酸基、胺基，或它們的任意組合的有機基團。 “X”代表任何種類的合適的單體或基團，例如另一種類的單體，交聯劑等，該單體或基團要被耦合到該矽氧烷聚合物。
在一些實施例中，如圖6及圖7所示，該包含烷基的矽氧烷聚合物600和700可以是交聯的，通過混合、攪拌，和/或與交聯劑烘烤。在形成該中層208的實施期間或在此之後，該包含烷基的矽氧烷聚合物可以週期性與該交聯劑鏈結。參見圖6，每三個該Xs可以與交聯劑鏈結，並且每個鏈結的該交聯劑可以進一步鏈結到600或700。這樣，完整的聚合物可以形成，該聚合物具有該交聯劑的週期性排列和該包含烷基的矽氧烷聚合物。換言之，如果完整的中層形成(即，在該中層的頂面上沒有形成或形成較少的DSA聚合(一個或多個))，光阻層連串形成的最佳接觸角和/或光阻層與中層之間更好的粘附性可被有利地提供。
各種優點可呈現在本文所描述的方法、設備和組合物的一個或多個實施例中。本揭露提供了一種用於三層圖案堆疊的中層的新材料。使用這些材料和方法的實施例，可以通過提供堆疊的各層之間粘合性的改進來改善光阻圖案的剝離。此外，這些材料和方法的實施例也可避免形成DSA聚集。因此，所公開的材料和方法可提供更準確的圖案形成、更清晰的圖案解析度、降低返工率或廢品率，和/或其它益處。改進的粘合性是通過改變該中層單體的疏水性提供，以降低該中層單體和該交聯劑之間疏水性的差異。
本揭露提供了一種方法以及FET的閘極堆疊，該堆疊包括三層，以便提供堆疊的各層之間改進的粘合性，以及減少當形成所述三層圖案堆疊時雜質的發生。在一實施例中，一種方法包括於：一基底上形成一第一材料層，該第一材料層包括具有烷基的矽基組件；於該材料層上直接形成一光阻層；以及將該光阻層暴露於一輻射源之下。
在另一實施例中，一種製造一半導體元件的方法包括：於該半導體基底上形成一底層；於該底層上形成一中層，其中該中層包括一矽基單體，該矽基單體包括一烷基；於該中層上形成一光阻層；以及提供一輻射光束入射到該光阻層。
依然，在另一實施例中，一種用於圖案光刻的材料堆疊，其包括：一底層，該底層具有一有機聚合物；一中層，該中層具有一含矽聚合物以及一烷基，該烷基鏈結至該聚合物的一矽原子；以及於該中層上的一光阻層，其中該光阻層包括一感光材料。
前述概述了幾個實施例的特徵。本領域技術人員應當理解，他們可以容易地使用本公開作為用於實現相同目的和/或實現本文所介紹的實施例的相同的優點設計或修改其他過程和結構的基礎。本領域技術人員也應該認識到，這樣的等效構造不偏離本公開內容的精神和範圍，並且它們可以在此不脫離本公開的精神和範圍的前提下進行各種改變，替換和變更。
100‧‧‧方法
102~114‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種方法，包括：於一基底上形成一第一層，該第一層包括具有烷基的矽基組件；於該第一層上直接形成一光阻層；以及將該光阻層暴露於一輻射源之下。
  2. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括：於該半導體基底上形成該第一層之前，於該半導體基底上形成一材料層。
  3. 根據權利要求1所述的方法，其中該矽基組件是由一矽氧烷主鏈組成的聚合物。
  4. 根據權利要求3所述的方法，其中該矽氧烷主鏈中的一矽原子所鏈結至的一組合物是一烷基。
  5. 根據權利要求4所述的方法，其中該烷基所鏈結至的一組合物為羥基、羧酸基或者胺基的其中之一。
  6. 根據權利要求1所述的方法，其中該矽基組件是由一矽氧烷主鏈組成的聚合物，且該矽基組件具有兩烷基。
  7. 根據權利要求6所述的方法，其中該兩烷基鏈結至該矽氧烷主鏈的一矽原子。
  8. 根據權利要求7所述的方法，其中每一個該兩烷基鏈結至羥基、羧酸基或者胺基的其中之一。
  9. 一種製造一半導體元件的方法，該方法包括：於該半導體基底上形成一底層；於該底層上形成一中層，其中該中層包括一矽基單體，該矽基單體包括一烷基；於該中層上形成一光阻層；以及提供一輻射光束入射到該光阻層。
  10. 一種用於圖案光刻的材料堆疊，其包括：一底層，該底層具有一有機聚合物；一中層，該中層具有一含矽聚合物以及一烷基，該烷基鏈結至該聚合物的一矽原子；以及於該中層上的一光阻層，其中該光阻層包括一感光材料。
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