TWI313271B - Top anti-reflective coating polymer, its preparation method and top anti-reflective coating composition comprising the same - Google Patents
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Description
1313271 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明揭示一種用於為半導體裝置之製造製程之一之光 微影姓刻製程中之頂端抗反射塗覆聚合物、一種製備該抗 反射塗覆聚合物之方法及包含該抗反射塗覆聚合物之抗反 射塗覆組合物。更詳言之,本發明有關一種可用於製造次 -50奈米之帛導體装置之浸沒式微影㈣冑程巾之頂端抗 反射塗覆聚合物、一種製備該抗反射塗覆聚合物之方法及 包含該抗反射塗覆聚合物之抗反射塗覆組合物。 【先前技術】 光微影似彳f程為將光罩上所形成之半導體電路圖案轉 移至晶圓之製程,且為決定製造半導體裝置中電路之微細 度及積體密度之最重要步驟。 近年來,由於半導體裝置之積體密度增加,因此發展出 新的技術適用於製造半導體裝置中所需之微細製程。在此 情況下,逐漸需要光微影蝕刻製程中之微細加工技術。亦 即,當電路線寬度越變越細時,需要使用短波長的光供照 射,如KrF、ArF、F2&EUV準分子雷射,以及高數值口徑 之透鏡。此等級之EUV、F2、ArF及KrF雷射由於其短波長 而優先使用作為光源。 特別是,正在進行數種次_50奈米裝置之發展研究。反應 於該等研究,最近注意力集中於發展適宜的加工設備以及 與使用F2及EUV作為曝光光源相關之材料。使用ρ2之技術 解決手段某種程度上令人滿意,但仍有下列問題:丨)短時 98845.doc 1313271 間内ΐ產高品質之CaF2仍受到限制,2)由於軟薄膜在i57 腿:光時會變形,因錢存安定性降低,及3)硬薄膜產生 相田的製造成本且由於其光折射性質而難以藉商業規模製 造。 、 另—方面,由於使用EUV雷射需要適宜光源、曝光設備 及遮罩,因此尚不適於實際使用。據此,使用適宜使用A" 準刀子田射之光阻劑而形成更微細的高精確光阻圖案現已 變成主要技術問題。在此情況下,浸沒式微影蝕刻近來備 受矚目。 乾微影蝕刻為目前使用之微影蝕刻製程且微在曝光透鏡 與晶圓間充滿空氣之曝光系統。與乾微影㈣相反,相當 於NA縮圖比例技術之浸沒式微影蝕刻為在曝光透鏡與晶 圓間充滿水之曝光系統。由於使用水(折射率(η)=14)作為 浸沒式微影蝕刻中之光源介質,因此ΝΑ比使用空氣(折射率 (η)-1.〇)之乾微影蝕刻高14倍。據此,浸沒式微影蝕刻優點 為其南解析度。 製造次-50奈米半導體裝置所遭遇之問題為在形成超微 細圖案之製程期間,因駐波、反射凹口及由於在上塗層光 阻劑上之底塗層光學性質以及由於光阻劑厚度變化而自該 底塗層繞射及反射之光,使光阻劑圖案之臨界尺寸改 變無可避免地發生。為了避免自該底塗層反射光,在該底 塗層與光阻劑之間導入在使用作為曝光光源之光波長區帶 v、有及光之物貝,稱為”抗反射塗層”。目前已使用插入該 底塗層與光阻劑之間之底部抗反射塗層。近來隨著上塗層 98845.doc 1313271 光阻劑圖案之精細度增加,亦已導入頂端抗反射塗層 (TARC)以避免光阻劑圖案因反射及繞射之光而瓦解。特定 言之’由於半導體裝置顯著微小化使得上塗層光阻劑圖案 極微細,因此僅使用底部抗反射塗層無法完全避免圖案因 散射之反射作用而瓦解。據此,導入頂端抗反射塗層以避 免圖案瓦解。 然而,由於習知用於乾微影蚀刻之頂端抗反射塗層為水 溶性(使用KrF或ArF雷射之情況下),其無法應用至浸沒式 微影蝕刻。換言之,由於浸沒式微影蝕刻中使用水作為光 源的介質,因此習知的頂端抗反射塗層易溶於水中。 據此,使用於浸沒式微影蝕刻之理想頂端抗反射塗層需 滿足下列要件:第一,該頂端抗反射塗層對光源必須為透 明。第一,該頂端抗反射塗層必須具有在14至2〇間之折射 率,視欲使用之底層感光薄膜(亦即光阻劑)種類而定。地 三,當頂端抗反射塗料組合物塗佈在底層感光薄膜時,其 必須不溶解該感光薄膜。第四,該頂端抗反射塗層在曝光 時必須不溶於水。最後,該頂端抗反射塗層在顯影蝕必須 可溶於顯影溶液中。 上述嚴苛要件使得發展用於浸沒式微影蝕刻之頂端抗反 射塗層變得困難。 因此,對發展使用於浸沒式微影蝕刻且非水可溶且可使 C D改變最小化之頂端抗反射塗層存有強烈需求。 【發明内容】 因此,本發明係鑒於上述問題所完成,且本發明一目的 98845.doc 1313271 係提供一種頂端抗反射塗覆聚合物,由於其水不溶性而可 用於浸沒式微影蝕刻,可避免形成光阻劑圖案中光阻劑内 部光之多重干擾,且可抑制因光阻劑厚度變化而使光阻劑 圖案尺寸之改變。 本發明另一目的係提供一種製備該頂端抗反射塗覆聚合 物之方法。 本發明另一目的係提供一種包括該頂端抗反射塗覆聚合 物之頂端抗反射塗覆組合物。 本發明又另一目的係提供一種使用該頂端抗反射塗覆組 合物形成圖案之方法。 【實施方式】 為了完成本發明上述目的’提供一種具有込㈧卜 1,000,000之重量平均分子量且由下式i表示之頂端抗反射 塗覆聚合物: [式1]
—0 ==0 =〇 Ο 0H 〇 其中Rl、R2及R3獨立為氫或甲基;及a、1)與€;代表各單 體之莫耳分率,且在0.05至0.9之範圍内。 本發明之頂端抗反射塗覆聚合物展現高透光性且因此式 合作為頂端抗反射塗層。此外,由於此頂端抗反射塗覆聚 合物曝光後高度可溶於顯影溶液中,因此不影響圖案形 98845.doc 1313271 成。進而,由於此頂端抗反射塗覆聚合物為水不可溶,因 此其可應用至浸沒式微影敍刻。再者,由於此頂端抗反射 塗覆聚合物可避免自光阻劑頂端之散射反射,因此可有效 避免光阻劑圖案因散射的反射作用而瓦解。 考慮欲塗覆在光阻劑頂端之抗反射塗層之物理性質(包 含溶解度及反射率),本發明之頂端抗反射塗覆聚合物具有 1,000〜1,000,000之重量平均分子量,且較好為2,000〜 1 〇,〇〇〇。分子量太高會降低其在顯影溶液中之溶解度。結 果 4 77抗反射塗層在顯影後留在光阻劑上,引起圖案污 染。另一方面,分子量太低無法確保抗反射塗層之最佳反 射率及對光阻劑之良好塗佈。 由式1所示之丙烯酸第三丁酯-丙烯酸-甲基丙烯酸3_羥基 丙醋共聚物之製備,可將丙烯酸第三丁酯單體、丙烯酸單 體及甲基丙烯酸3-羥基丙酯單體溶於有機溶劑中,於溶液 中添加聚合反應起始劑,並使混合物在55t:〜65t:進行游離 基聚合反應6~ 12小時。 可用於游離基聚合反應之任何有機溶劑可使用於本發明 方法中。較好有機溶劑係選自由丙二醇甲基醚乙酸酯 (PGMEA)、四氫吱喃、環己酮、二甲基甲醯胺、二甲基亞 颯、二噚烷、甲基乙基酮、乙酸乙酯、苯 '甲苯、二甲苯、 及其混合物所组成之組群。以PGMEA較佳。 再者,聚合反應起始劑較好選自由2,21-偶氮雙異丁晴 (AIBN)、笨甲醯過氧化物、乙醯基過氧化物、月桂基過氧 化物、過乙酸第三丁酯、第三丁基過氧化氫及二_第三丁基 98845.doc 1313271 過氧化物所組成之組群。更好 ^ 又野使用2,2'-偶虱雙異丁晴 (AIBN)。 、 方面纟發明提供__種頂端抗反射、塗覆組合物,其 包括具有_0<_,_之重量平均分子量且由下式^ 示之頂端抗反射塗覆聚合物:
其中Rl、R2及R3獨立為氫或曱基;及a、1?與(^代表各單 體之莫耳分率,且在〇.〇5至〇9之範圍内。
本發明之頂端抗反射塗料組合物之製備㈣該頂端抗反 射塗覆聚合物溶解於第三丁醇中。所製備之頂端抗反射塗 覆級合物具有h4至2.G之最適折射率。據此,當該頂端抗反 射塗覆組合物塗佈在光阻劑頂端時,反射率可最小且因此 光阻劑圖案可免於因反射光而瓦解。 旦考慮該抗反射塗覆組合物之反射率及厚度,正丁醇添加 量較好為基於式1聚合物重量之“_,,_ wt%。若正丁 =量在此範圍之外,則抗反射塗層之折射率落在Μ〜2〇之 範圍外且無法使抗反射塗層厚度最適化。 若需要,本發明之頂端抗反射塗覆組合物又可包括基於 式1水〇物重篁之1〜2〇 wt%之L-脯胺酸β該l-脯胺酸之作用 進一步可抑制酸朝未曝光區域擴散。 98845.doc •10· 1313271 另一方面,本發明提供一種形成半導體裝置之圖案之方 法,包括下列步驟:(a)於預先形成有特定結構之半導體基 材上圖不光阻#1 ; (b)在該光阻劑頂端塗佈該頂端抗反射塗 覆,·且&物並烘烤而形成頂端抗反射塗層;及(C)使光阻劑曝 光並使曝光之光阻劑顯影形成光阻劑圖案。 本發明之圖案形成方法之特徵為在光阻劑頂端形成之抗 反射塗層係由本發明之頂端抗反射塗覆組合物所形成。由 _ 於所製備之頂端抗反射塗層具有14至2 〇之折射率,因此光 P齊1頂端之反射性可最小化。據此,由本發明方法所形成 之光阻劑圖案具有大為改良的圖案均勻性。 烘烤較好在70°C〜200°C進行。 本發明之抗反射塗覆組合物及圖案形成方法主要應用於 使用ArF光源(193 nm)形成超微細圖案之製程。同樣地,其 可應用至使用短波長光源(如F2或Euv)形成超微細圖案之 製程,只要可使用水作為光源介質即可。使用光源之曝光 φ 較好以曝光功率0.1至5〇 mj/cm2達成。 本發明形成圖案之方法中,顯影可使用鹼顯影劑進行。 至於特佳之鹼顯影溶液,則使用氫氧化四甲基銨(tmah) 之〇.〇1〜5%(w/w)溶液。 又另一方面,本發明提供該頂端抗反射塗覆組合物用於 製逅半導體裝置之用途。由於本發明之頂端抗反射塗覆組 口物可使散射之反射作用最小化,因此除了形成超微細圖 案之製程以外,可應用於製造半導體裝置之各種製程中。 應了解本發明之頂端抗反射塗覆組合物可以本技藝顯而 98845.doc 1313271 易見之方式應用至各種製程中,視製程種類而定。據此, 有關應用該頂端抗反射塗覆組合物以製造半導體裝置之詳 細說明予以略去。 本發明上述及其他目的、特徵及其他優點由下列詳細說 明配合圖式將更易了解。 本發明將參考下列實例更詳細說明。然而,該等實例僅 用以說明目的而非用以限制本發明之範圍。 實例1)頂端抗反射塗覆聚合物之製備 10克丙烯酸第三丁酯、4克丙烯酸、6克甲基丙烯酸3_羥 基丙酯及0.4克ΑΙΒΝ添加至200克PGMEA中,且接著在6〇。〇 聚合8小時。完成聚合反應後’混合物於乙醚中沉殿,過遽 並真空乾燥,獲得17克丙烯酸第三丁酯-丙烯酸-甲基丙稀酸 3-羥基丙酯共聚物’為白色固體,由下式2表示: 式2
其中a、b及c代表各單體之莫耳分率,且在〇〇5至ο”之範 圍内。 共聚物之結構經1H-NMR光譜鑑定(圖丨)。 實例2)頂端抗反射塗覆組合物之製请 2.5克實例1製備之聚合物及0. 〇 4克L -脯胺酸(一種胺基酸) 溶於100克正丁醇中’獲得用於浸沒式微影蝕刻之頂端抗反 98845.doc -12- 1313271 之折射率。第三,此頂端抗反射塗覆組合物不會溶解感光 薄膜。第四’此頂端抗反射塗層曝光後不溶於水中。最後, 此頂端抗反射塗層顯影後高度溶於顯影溶液中。 因此,本發明之頂端抗反射塗層可應用至浸沒式微影蝕 刻且降低光阻劑頂端之反射性,因此使CD改變最小化。 結果,本發明之頂端抗反射塗層可形成微細的光阻圖 案,因此可製造次-50奈米之半導體裝置。
目的,但熟知 圍所揭示之範 【圖式簡單說明】
W-NMR光譜。 之頂端抗反射塗覆聚合物之 98845.doc
Claims (1)
13 1 %&1〇1435號專利申請案 公告本 中文申請專利範圍替換本(98军- 十、申請專利範圍: 一種頂端抗反射塗覆聚合物,其具有LOOO、1〇〇〇 〇〇〇之 重量平均分子量且由下式1表示: [式1]
OH
八中R1 R2及R3獨立為氫或甲基;及^匕與以戈表各單 體之莫耳分率,且在〇.〇5至0.9之範圍内。 2.如請求項丨之聚合物,其中該聚合物之重量平均分子量為 2,000〜1〇,〇〇〇 0 一 3. -種製備如請求項!之頂端抗反射塗覆聚合物之方法,其 係將丙婦酸第三丁g旨單體、丙稀酸單體及甲基丙稀酸% 經基丙醋單體溶於有機溶劑中,於溶液中添加聚人反應 # 起始劑,並使混合物在抓〜价進行游離 6~12小時 Q 4.如請求項3之方法,其中該有機溶劑係選自由兩 _乙酸酿(PG職)、四氫吱畴 =甲基 -ψ Α ^ 一甲基甲醯胺、 -甲基亞砜、二啰烷、甲基 田— 乙駸乙酯、苯、甲 本及-甲本所組成之組群之至少—種溶劑。 5·如請求項3或4之方法,其中該 2 2'-^ i,-m s Α σ反應起始劑係選自由 ,2偶鼠雙異丁晴(Α刪)、苯甲酿過氧化物 由 氧化物、月桂其,费 乙酿基過 月桂基過乳化物、過乙酸筮_ &第二丁酯、第三丁基 98845-980324.doc I31327i 過氧化氫及二-第三丁基過氧化物所組成之組群。 6, 種頂端抗反射塗覆組合物,其包括有效量之具有丨,〇〇〇〜 1,〇〇〇,〇〇〇之重量平均分子量且由下式1表示之頂端抗反 射塗覆聚合物: [式1 ] R3
鲁 其中IU、R2及R3獨立為氫或甲基;及&、1^與(^代表各單 體之莫耳分率,且在〇_〇5至0.9之範圍内。 7·如請求項6之組合物,其中該組合物之製備係將該聚合物 溶於基於該f合物重量之之正丁醇者 8,:請求項6或7之組合物,其進-步包括基於該聚合物重 直之1〜20 wt%之L-脯胺酸。 9·如請求項6或7之組合物,豆中嗲 ,、甲頂it而抗反射塗覆組合物 之折射率在1_4至2.0之間。 1 〇 ’如請求項6或7之組合物,盆由句r Λ人 物其中該組合物係用以製造半逡 體裝置。 斧 11 —種形成半導體裝置 團茱之方法,包括下列步驟: (a) 於預先形成有特定社 劑; #(、、,°構之+導體基材上塗佈光阻 (b) 在該光阻劑頂端塗 > 、 佈如凊求項6至任一項之頂独 抗反射塗覆組合物並扭 ^ '、烤而形成頂端抗反射塗層;及 98845-980324.doc 1313271 (c)使光案0 阻劑曝光並使曝& 之光阻劑顯影形成光阻劑圖 12·如請求項11之方法,其 13·如請求項11或12之方法 之光源介質。 14.如請求項丨丨或12之方法 光源介質。 中太共烤係在70°C〜200°C進行。 ,其中使用液體作為曝光步騍中 中使用水作為曝光步驟中之 15.如請求項U412之方法,i 、甲‘.、、員衫係使用氧氧化 銨(TMAH)之0.01〜5重量%溶液進 甲基
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