TWI324793B - Method for forming fine pattern of semiconductor device - Google Patents

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TWI324793B
TWI324793B TW096100667A TW96100667A TWI324793B TW I324793 B TWI324793 B TW I324793B TW 096100667 A TW096100667 A TW 096100667A TW 96100667 A TW96100667 A TW 96100667A TW I324793 B TWI324793 B TW I324793B
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Description

1324793 九、發明說明： 與申請案相關的交互春老 本申請案係主張於2006年㈠8日申請之韓國專利申 請案10-2006-86763號的優先權，其全文係併入作為參考。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於製造半導體元件的方法。 【先前技術】 為了製造越來越小的半導體元件，圖案亦變的越來越 小。已做了開發為了獲得細微圖案之阻劑和曝光器的研 究。 在曝光器中，雖然以KrF (在248nm)或ArF (在193nm) 作為曝光光源已被應用在曝光製程，但已試圖使用短波長 光源，例如匕（在bynm)或EUV (在13nm)，以增加數值 孔徑 （NA)。 但是，當應用例如F2或EUV的新光源時，需要新的 曝光器，其導致製造成本的增加。再者，增加的數值孔徑 會減少聚焦深度寬。 近來，濕浸式微影製程已用具有高折射率的濕浸溶液 顯影。但是，要將濕浸式微影製程應用到量產係困難的。 雖然具有尚於微影極限之解析度的細微圖案會藉由雙 曝光方法形成’但是要確保交疊和排列程度限度是困難 的，其造成過度之成本和製程時間的消耗。 【發明内容】 本發明的具體實例係提供用於形成細微圖案的方法， 6 丄jz4/yj 其中錢案具有以曝光H所得高於微影極限的間距以及具 有雙沈積結構的有機聚合物。 在本發明的一具體實例中，一種製造半導體元件之細 微圖案的方法包括：在包括下底層的半導體基材上形成一 具有厚度q的硬光罩圖案；以保料法在產生的結構上形 成-厚度為t2的光可穿透薄膜；以平面方法在產生的結構 上形成一光可吸收薄膜；在產生的結構上執行曝光製程而 不使用曝光光罩並同時控制曝光能量的量以使曝光的光達 到深度T，纟係從沈積在硬光罩圖案t光可穿透薄膜的最 頂端表面測量到到下底層的頂端表面，以使h〈 τ $ q + q ; 在產生的結構上執行顯影製程以形成沈積在硬光罩圖案2間 的有機光罩㈣’該有機光罩圖案可由—疊的光可穿透薄 膜和光可吸收薄膜之圖案形成；以及使用硬光罩圖案和有 機光罩圖案作為蝕刻光罩來蝕刻下底層以形成下底層圖 案。 該方法可進-步包括重複地執行二或多次「形成光可 穿透薄膜J步驟到「執行顯影製程」步驟。 介於從「形成硬光罩」步驟獲得之硬光罩圖案之間的 間距約為A，且介於從「執行顯影製程」步驟獲得之硬光 罩圖案和有機光罩圖案間的間距約為A/2 ^ 該硬光罩圖案可由選自下列群組所組成的材料形成： 聚矽氧烷、氧化物膜、氮化物膜、金屬及其組合。 光可穿透薄膜係藉由使用組成物所形成，該組成物包 括可被約mnmt光穿透的有機聚合化合物、光酸產生 7 ^24793 劑以及有機溶劑。「光可穿透薄膜形成」步驟包括：將該 址成物施用在基材上；且以約90°C到約i5〇〇c纟共烤今組 成物約30秒到約180秒。在一些具體實例中，有機聚合 物為聚（第三丁基丙烯酸酯/順丁烯二酐/5_降茨稀_2_缓酸第 三丁醋/5-降莰烯-2-羧酸2-羥乙酯有機溶劑係選自由下 列組成的群組：3-曱氧基丙酸甲酯、3_乙氧基丙酸乙酯、 乙氧基丙酸酯、丙二醇甲醚乙酸酯、環己酮、孓庚酮、正 丁醇和乙酸乙酯。 光可吸收薄膜係藉由使用組成物所形成，該組成物包 括可被約193nm之光吸收的有機聚合化合物 '光酸產生劑 以及有機溶劑。「光可吸收薄膜形成」步驟包括：將組成 物施用在基材上；且以約9〇〇c到約15〇〇c烘烤該組成物 約.3〇秒到約180秒。有機聚合化合物可包括芳香基團。 該有機聚合化合物為聚（丙稀酸/2,2,3,4,4,4_六1釘機甲其 丙烯酸酯/第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯）。 土 /在一些具體實例中，有機溶劑為C4-C8醇類化合物， 其係選自由下列組成的群組：1-丁醇、2-丁醇、2-甲基·J 丙醇、1-戊醇、2-戊醇、％戊醇、2_甲基小丁醇、3·甲基·^ 丁醇、I2·二甲基小丙醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、2·甲 基戊醇、3-甲基戊醇、4·甲基戊醇、a二甲基丁醇、 二甲基丁醇、庚醇和辛醇。 ，· 在一些具體實例中，沒有使用曝光光罩的曝光製程係 以曝光月b里範圍從約1〇 mJ/cm2到約執行。 下底層係由選自下列組成群組之材料所形成：字元線 1324793 形成材料’位元線形成材料以及金屬線形成材料。 「形成硬光罩圖案」步驟包括：在下底層上形成硬光 罩層，在硬光罩層上形成光阻膜；在光阻膜上以曝光光罩 執行曝光和顯影製程；使用光阻圖案作為光罩蝕刻硬光罩 層以形成硬光罩圖案；以及移除光阻圖案。 在另一具體實例中，一種製造半導體元件之細微圖案 的方法包括：在下底層上形成具有一第一間距和厚度q的 硬光罩圖案，該硬光罩圖案含有一第一結構和一第二結 籲 構，該下底層係沈積在一半導體基材上。在該硬光罩圖案 和該下底層上形成一厚度為的光可穿透薄膜。在該光可 穿透薄膜上形成一光可吸收薄膜，該光可吸收薄膜具有實 質為平面的上表面。在該光可吸收薄膜、光可穿透薄膜、 和硬光罩圖案上執行曝光製程而不使用曝光光罩，該曝光 製程涉及控制曝光能量的量以使光達到深度τ，其係從沈 積在硬光罩圖案之光可穿透薄膜的最頂端表面測量到到下 底層的頂端表面，其中t2<hti + t2。因此，執行顯影製 程以在該硬和第二結構間形成額外的圖案 沈積，該額外的®案含有部份的光可穿透薄膜和部份的光 可吸收薄膜。使用該硬光罩圖案和該額外的圖案作為钱刻 光罩來触刻下底層，該下底層係提供具有一第二間距的下 底圖案’其中該第二間距係少於該第一間距。光可穿透薄 媒係以保形於硬光罩圖案的第一和第二結構形成，以致於 形成於光可穿透薄膜上的光可吸收薄膜在硬光罩圖案的上 表面以一距離延伸，該距離係定義為介於該硬光罩圖案的 9 距離β 第一和第二結構間的 【實施方式】 具體實例之製造半導體 圖la至if為闌明根據本發明 元件方法的橫截面圖。 弟一下底層13和第-丁泛狂 m ^ ^ ^ ^ —下底層15在具有較低結構（見 圖la)的+導體基材u上 .^ ^ 肜成。該第一下底層13和該第 —下底層15每個可A全-μ
母個了為子讀、位元線、金屬線。 具有厚度1丨的硬光罩圖荦 圆莱17係形成於第二下底層15 ，、有最小間距⑷’其係微影製程的極限。 硬光罩圖案17係如下开彡士 a , 仇墙 下形成。硬光罩層（未顯示）形成 於第二下底層上以將光阻膜 次^膜（未顯不）塗在硬光罩層上。硬 二罩層形成材料係選自由下列組成的群址：聚石夕氧烧、氧 勿膜IU匕物膜、金屬及其組合。曝光光罩係置於光阻 膜上。光阻圖案（未顯示）藉 ^ J稽田曝先和顯影製程使用曝光光
形成使用光阻圖案作為姓刻光罩來姓刻硬光罩層以形 成硬光罩圖案17。之後移除該光阻圖案。 >見圖lb，光可牙透薄膜19係在包括硬光罩圖案17 之產生結構上以共形方法形成以具有厚度q。該光可穿透 薄膜19係藉由組成物形成，該組成物包括可被約i93nm 之光穿透的有機聚合化合物。例如，對於ArF的各種光阻 聚合物。在一些具體實例中，該組成物包括，以100重量 伤的有機聚合化合物為基礎，量的範圍從〇5到5重量份 的光酸產生劑和量的範圍從1〇〇〇到8000的有機溶劑。該 J324793 50(>〇 rpm的速度旋轉塗佈，且 約3〇秒到約180秒。 組成物以約1000 rpm到約 在約90°C到約150°C烘烤 在一些本發明的具體實例φ J中任何用於ArF的光阻聚 合物可被用作有機聚合化合物。^ 〇物該有機聚合物為聚（第三丁 基丙烯酸酯/順丁烯二酐/5·降莰炝 平坎歸竣酸第三丁酯/5-降莰 烯-2-羧酸2-羥乙酯）。
光酸產生劑係選自下列所組成的群組：二苯基填六氣 鱗酸鹽、：苯基峨六氟砰酸鹽、：苯基蛾六氟録酸鹽、二 苯基對甲氧基苯基三氟甲續酸鹽、二苯基對甲苯基三敦子 鹽、一苯基對異丁基苯基三氟甲磺酸鹽、六氟砷酸三 本基锍鹽、六氟銻酸三苯基锍鹽、三氟甲磺酸三苯基锍鹽、 三氟甲烷磺酸三苯基锍鹽、和二丁基萘基三敦甲磺酸鹽。 有機溶劑係選自由下列組成的群組：3甲氧基丙酸甲 酯'3-乙氧基丙酸乙酯、丙二醇甲醚乙酸酯、環己酮、孓 庚酮、正丁醇和乙酸乙酯。 參見圖lc，光可吸收薄膜21係形成在光可穿透薄膜 19上。光可吸收薄膜21係提供有實質平面表面的上表面。 光可吸收薄膜21係係藉由使用組成物所形成，該組 成物包括可被約193nm之光吸收的有機聚合化合物。該組 成物可進一步包含，以1〇〇重量份的有機聚合化合物為基 礎，量的範圍從0.5到5重量份的光酸產生劑和量的範圍 從1〇〇〇到8000的有機溶劑。該組成物以約1〇〇〇 rpm到約 5000 rpm的速度旋轉塗佈’且在約9〇〇(：到約15〇〇c烘烤 約3 0秒到約18 〇秒。 1"使用任何包括具有可吸收約193 nm光的正型芳香 團之聚合物作為有機聚合化合物。該有機聚合化合物為 聚（丙烯酸/2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁基丙 烯酸酯/苯乙烯）。至於光酸產生劑，可使用被用於光可穿 透薄膜19的相同材料。
簿根據本發明的一具體實例，包含在用於形成光可吸收 薄膜21之組成物中的有機溶劑不會溶解光可穿透薄膜 19。該有機溶劑為選自如下群組構成的醇類化合物：、 h丁醇、2-丁醇、2·甲基小丙醇、卜戊醇、2·戍醇、3_戍醇、 ^甲基-丨-丁醇、3_甲基q•丁醇、二甲基_丨·丙醇、己 :、2-己醇、3_己醇、2_甲基戊醇、弘甲基戊醇、4_甲基戊 醇、1’3-二甲基丁醇、i，2•二甲基丁醇、庚醇和辛醇。 沒有使用曝光光罩的曝光製程係以曝光能量範圍從約
到約2〇〇mJ/cm2執行以使曝光的光達到深度丁， 其係從沈積在硬光罩圖案17之光可吸收薄膜Μ的最頂 端表面測量^下底| 15的頂端表面，其中 光此Ϊ的1可由所屬技術領域中具有通常知識者依 曝光器調整’1曝光時間亦可由所屬技術領域中具有 知識者依曝光器調節。 產生的結構在約9G°C到約下供烤約3G秒到約 ^秒。以約2爲t%TMAH水溶液作為顯影溶液執行顯 12 J324793 圖案’其係沈積在硬光罩圖案丨7間。 同時’對於形成光可穿透薄膜19和光可吸收薄膜21 的製程，重複曝光製程和顯影製程以獲得更細微的圖案。 參見圖le，以硬光罩圖案17和有機光罩圖案蝕刻第 —下底層15以形成下底圖案，其中該有機光罩圖案含有 光可穿透薄膜19和光可吸收薄膜21。 在些具體貫例中，下底圖案在具有最小間距（A)的圖 案間形成。所形成的結果圖案具有小於最小間距（A)的間距 (A/2)。在本具體實例中，產生的圖案具有約最小間距一半 的間距。 執行清洗製程以移除在第二下底層15圖案上的有機光 罩圖案，其中該有機光罩圖案包括光可穿透薄膜19,光 可吸收薄膜21，以及硬光罩圖案19。 合成實施例1.形成光可穿透薄琪19之有機聚合化 合物的合成 聚（第三丁基丙烯酸酯/順丁烯二酐/5_降莰烯_2_羧酸第 三丁醋/5-降莰烯羧酸2-羥乙酯）的合成 將第二丁基丙烯酸酯（3〇g)，順丁烯二酐（1〇g)，5·降莰 烯-2-羧酸第三丁酯（12〇5g)以及5•降莰烯_2羧酸2·羥乙 酯（7.47g)與偶氮雙異丁腈（AIBN) (12§)混合作為聚合起 始物且丙二醇曱醚乙酸酯（PGMEA) (157g)作為聚合溶 劑。產生的混合物在約67。(：反應約12小時，且在正己烷 中沈澱並脫水以獲得產率約48% (見圖2)的有機聚合化合 物0 13 1324793 合成實施例2·用於形成光可致收薄膜21之有機聚 合化合物的合成 聚（丙烯酸/2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯/第三丁 基丙烯酸酯/苯乙烯）的合成 將丙烯酸（4.2g) ’ 2,2,3,4,4,4-六氟丁基甲基丙烯酸酯 (14g) ’第三丁基丙烯酸酯（14g)以及笨乙烯（8.26g)與偶氮 雙異丁腈（AIBN) (4g)混合作為聚合起始物且丙二醇甲喊 乙酸酯（PGMEA) (145g)作為聚合溶劑。產生的混合物在 約67°C反應約12小時’且在正己烷中沈澱並脫水以獲得 產率約82% (見圖3)的有機聚合化合物。 實施例1·用於光可穿透薄琪19之组成物的形成 將從合成實施例1得到之有機聚合化合物（i 〇g)和三氟 甲基磺酸三苯基锍鹽（〇 .3 g)溶解在丙二醇甲醚乙酸酯 (PGMEA) (400g)以獲得用於光可穿透薄膜19的組成物。 實施例2.用於光可吸收薄琪21之组成物的形成 將從合成實施例2得到之有機聚合化合物（1〇g)和三 氟甲基磺酸三苯基锍鹽（0.3 g)溶解在正丁醇（i32g)以獲得 光可吸收薄膜2 1的組成物。 實施例3·細微圈案的形成 將從實施例1獲得的組成物以約2000 rpm旋轉塗佈在 半導體基材上’該基材包括具有約80nm聚矽氧烷的線/距 圖案。產生的結構在約13〇°C烘烤約90秒以共形方法獲 得具有約50nm厚度的光可穿透薄膜19。 將從實施例2獲得的組成物以約2000 rpm旋轉塗佈在 1324793 產生的結構上。產生的結構在約170°C烘烤約90秒以平 面方法獲得具有從光可穿透薄膜19起約15〇11111厚度的光 可吸收薄膜20。 在產生的結構上使用ArF曝光器以約50mJ/cm2的曝光 能量執行沒有任何曝光光罩的曝光製程。產生的結構在約 173°C烘烤約90秒，以約2.38wt% TMAH水溶液顯影以 獲得約50nm的細微圖案（見圖4)。 如上所述’根據本發明的具體實例，可藉由一般的曝 光器以有機聚合物膜形成具有高於微影極限的細微圖案， »亥有機聚合物膜具有雙沈積結構。而且，可重複上述方法 多次以得到更細微的圖案。 上述的本發明具體實例係用於閣明而非限制。各種改 變和均等是可能的。有鑒於本揭露的其他添加，減少或變 化係明顯的且欲落於隨附的申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 圖1 a至1 f為闡明根據本發明具體實例之製造半導體 元件方法的橫截面圖。 圖2為從根據本發明一具體實例的合成實施例1所獲 得之有機聚合化合物的NMR光譜。 圖3為從根據本發明一具體實例的合成實施例2所獲 得之有機聚合化合物的NMR光譜。 圖4為從根據本發明一具體實例的實施例3所獲得之 細微圖案的SEM照片。 15 1324793
【主要元件符號說明】 11 :半導體基材 13 :第一下底層 15 :第二下底層 17 :硬光罩圖案 1 9 :光可穿透薄膜 2 1 :光可吸收薄膜 16

Claims (1)

  1. 川4793 十、申請專利範圍： 1. 一種製造半導體元件之細微圖案的方法，該方法包 括： 在下底層上形成具有一第一間距和厚度q的硬光罩圖 案，該硬光罩圖案含有一第一結構和一第二結構，該下底 層係沈積在一半導體基材上； 在該硬光罩圖案和該下底層上形成一厚度為h的光可 穿透薄膜；
    在該光可穿透薄膜上形成一光可吸收薄膜，該光可吸 收薄膜具有實質為平面的上表面； 在該光可吸收薄膜、光可穿透薄膜、和硬光罩圖案上 執行曝光製程而不使用曝光光罩，該曝光製程涉及控制曝 光能量的量以使光達到深纟τ，#係從沈積在硬光罩圖案 之光可穿透薄膜的最頂端表面測量到到下底層的頂端表 面’其中 t2 < τ $ + t2 ; 之後，執行顯影製程以在該硬光罩圖案之第一和第二 ，構間形成額外的圖案沈積，該額外的圖案含有部份的： 可穿透薄膜和部份的光可吸收薄膜；以及 ，使用該⑨光罩目案和該額外的圖案作為姓刻光罩來姓 :下底層，該下底層係提供具有一第二間距的下底圖案， '、中该第二間距係少於該第一間距。 2.根據申請專利範圍第〗項之方法，其進一步勺括重 形成光可穿透薄膜」到「執行顯影製程」步驟：少二 17 其中該第一間距 其中該硬光罩圖 聚石夕氧烧、氧化 其中該光可穿透 3. 根據申請專利範圍第1項之方法 係約大於該第二間距2倍。 4. 根據申請專利範圍第1項之方法 案係由選自下列群組所组成的材料形成 物膜、氮化物臈、金屬及其組合。 墙父根據申請專利範圍第1項之方法，其中該光可穿透 》膜係藉由使用含有有機聚合化合物、光酸產生劑以及有 機溶劑的組成物所形成，其中該有機聚合化合物可被約193 nm之光穿透。 6.根據申請專利範圍第5項之方法，其中該「光可穿 透薄膜形成」步驟進一步包括： 將該組成物施用在基材上；以及 以約90〇C到約15(rc烘烤該組成物約3〇秒到約18〇 秒。 7·根據申請專利範圍第5項之方法’其中該有機聚合 物為聚（第三丁基丙烯酸酯/順丁烯二酐/5_降莰烯_2_羧酸第 二丁醋/5-降莰烯·2_羧酸2-羥乙酯）。 8.根據申請專利範圍第5項之方法，其中該有機溶劑 係選自由下列組成的群組：3_曱氧基丙酸甲酯、3乙氧基 丙酸乙酯、乙氧基丙酸酯、丙二醇曱醚乙酸酯、環己酮、 2 -庚酮、正丁醇和乙酸乙酯。 9_根據申睛專利範圍第1項之方法，其中該光可吸收 薄膜係藉由使用含有有機聚合化合物'光酸產生劑以及有 機溶劑的組成物所形成，其中該有機聚合化合物可被約193 1324793 nm之光吸收。 10.根據申請專利範圍第9項之方法，其中該「光可 吸收薄膜形成」步驟進一步包括： 將該組成物施用在基材上；以及 以約90。(：到約15〇〇C烘烤該組成物約3〇秒到約ι⑽ 秒。 11.根據申請專利範圍第9項之方法，其中該有機聚 合化合物包括一芳香基團。
    12.根據中請專利範圍第9項之方法，其中該有機聚 合化合物為聚（丙稀酸/2,2,3,4,4,4_六氟釘機曱基丙歸酸醋/ 第三丁基丙烯酸酯/苯乙烯）。 劑為3C Γ之申凊專利範圍第9項之方法’其中該有機溶 為4-C8㈣化合物，其係選自由下列組成的群电」 2丁甲醇：丁醇、2·甲基+丙醇、卜戍醇、2-戊醇、3·戊醇、 土 -^丁酵、3岬基小丁醇、1>2_二甲基小丙醇、卜己 醇己醇、3-己醇、2·甲基戊醇、3_甲基戊醇、心甲基戊 ，-基丁醇、i’2·二f基丁醇、庚醇和辛醇^ =·根據φ請專利範圍f i項之方法，其中沒 +先先罩的曝光製程係以曝光能量範 約 2〇〇nU/cm2 執行。 從約 ^ 15.根據申請專利範圍第1項之方法 係由選自下列纽成群組之材料所形成：字 位％線形成材#以及金屬線形成材料。 ’其中該下底層 元線形成材料， 16·根據申請專利範圍第 1項之方法 ，其中該「形成 1324793 硬光罩圖案」步驟包括： 在該下底層上形成一硬光罩層； 在該硬光罩層上形成一光阻膜； 在該光阻膜上以一曝光光罩執行曝光和顯影製程以形 成一光阻圖案； 使用該光阻圖案作為光罩蝕刻該硬光罩層以形成一硬 光罩圖案；以及 移除該光阻圖案。 17. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該光可穿 透薄膜係以保形於該硬光罩圖案的第一和第二結構形成， 以致於形成於光可穿透薄膜上的光可吸收薄膜在硬光罩圖 案的上表面以一距離延伸，該距離係定義為介於該硬光罩 圖案的第一和第二結構間的距離。 18. —種半導體元件，其包含： 一半導體基材； 至少一沈積在該半導體基材上的下底層； 至少二形成於該下底層上之具有厚度q的硬光罩圖 案； 一形成於該硬光罩圖案和該下底層上之具有厚度匕的 光可穿透；以及 —形成於該光可穿透薄臈上的光可吸收薄膜， 其中，冑由曝光製程和顯影製程加工該產生的結構以 形成至少一額外的圖案沈積在該硬光罩圖案間每個額外 的圖案包含—#含有部份光穿透薄膜和部分光可吸收薄膜 20 1324793 的圖案，該曝光製程控制曝光能量的量以使曝光的光達到 深度τ，其係從沈積在硬光罩圖案之光可穿透薄臈的最頂 端表面測量到到下底層的頂端表面，其中< τ $ t ^ + t , 其中使用該硬光罩圖案和該額外的圖案作為蝕刻光罩 來姓刻5玄下底層以形成下底層圖案。
    19.根據申請專利範圍第 硬光罩圖案之間的間距約為 的圖案間的間距約為A/2。 18項之半導體元件，其中該 A，且一硬光罩圖案和—額外 十一、圖式： 如次頁
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