專利名稱：用于負顯影的光致抗蝕劑組合物和使用其的圖案形成方法
用于負顯影的光致抗蝕劑組合物和使用其的圖案形成方法技術領域
本發明總體上涉及光刻法，更具體涉及能夠使用有機溶劑作為顯影劑進行負顯影的光致抗蝕劑組合物。本發明還涉及使用這種光致抗蝕劑組合物的圖案形成方法。
背景技術：
光刻法是利用光將幾何圖案從光掩模轉印到襯底例如硅晶片上的方法。在光刻法過程中，首先在襯底上形成光致抗蝕劑層。烘烤所述襯底以除去光致抗蝕劑層中殘存的任何溶劑。所述光致抗蝕劑然后通過具有預定圖案的光掩模暴露于光化輻射源。輻射暴露引起在光致抗蝕劑的暴露區域中的化學反應，并在光致抗蝕劑層中產生與掩模圖案對應的潛像。所述光致抗蝕劑接下來在顯影液、通常是堿性水溶液中顯影，從而在光致抗蝕劑層中形成圖案。圖案化的光致抗蝕劑然后可以在襯底的后續制造過程例如沉積、刻蝕或離子注入過程中用作掩模。
有兩種類型的光致抗蝕劑:正性抗蝕劑和負性抗蝕劑。正性抗蝕劑起初不溶于顯影液中。曝光之后，所述抗蝕劑的曝光區域變得可溶于顯影液，并然后在后續的顯影步驟期間被所述顯影液選擇性除去。正性抗蝕劑的未曝光區域保留在襯底上，在光致抗蝕劑層中形成圖案。因此，選擇性除去光致抗蝕劑的曝光區域被稱為“正顯影”。
負性抗蝕劑表現為相反的方式。負性抗蝕劑起初可溶于顯影液。暴露于輻射通常引起交聯反應，其導致負性抗蝕劑的曝光區域變得不溶于顯影液。在后續的顯影步驟期間，負性抗蝕劑的未曝光區域被所述顯影液選擇性除去，在襯底上留下曝光區域形成圖案。與“正顯影”相反，“負顯影”是指選擇性除去光致抗蝕劑的未曝光區域的過程。
用于193nm光刻法的多數市售光致抗蝕劑是正性抗蝕劑。然而，隨著半導體基本規則(ground rule)變得更小,使用傳統的正性抗蝕劑以堿性水溶液顯影劑來印刷小特征例如小尺寸的溝槽和通孔已經變得更具挑戰性，因為用來產生溝槽和通孔的暗場掩模的光學圖像對比度差。因此，需要可以印刷小特征、特別是小尺寸的溝槽和通孔的光致抗蝕劑組合物和圖案形成方法。
發明概沭
本發明提供了能夠利用有機溶劑顯影劑進行負顯影的光致抗蝕劑組合物。本發明還提供了能夠印刷小尺寸的溝槽和通孔的圖案形成方法。
在一個方面，本發明涉及能夠負顯影的光致抗蝕劑組合物。所述組合物包括成像聚合物和輻射敏感型產酸劑。成像聚合物包括具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和包含反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元。
在另一個方面，本發明涉及能夠負顯影的光致抗蝕劑組合物。所述組合物包括聚合物、福射敏感型產酸劑和一種組分(component)。所述聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的單體單元。所述組分包含醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分。
在另一個方面，本發明涉及在襯底上形成圖案化的材料結構的方法。所述方法包括以下步驟:提供具有所述材料層的襯底；將光致抗蝕劑組合物施加到所述襯底上以在所述材料層上形成光致抗蝕劑層，所述光致抗蝕劑組合物包含成像聚合物和輻射敏感型產酸劑，所述成像聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和包含伯醇部分、仲醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元；將所述襯底按圖案(patternwise)暴露于福射，由此在光致抗蝕劑層的曝光區域中所述福射敏感型產酸劑通過輻射產生酸；和將所述光致抗蝕劑層與包含有機溶劑的顯影劑接觸，從而所述光致抗蝕劑層的未曝光區域被所述顯影劑溶液選擇性除去，以在光致抗蝕劑層中形成圖案化的結構。
在另一個方面，本發明涉及在襯底上形成圖案化的材料結構的方法。所述方法包括以下步驟:提供具有所述材料層的襯底；將光致抗蝕劑組合物施加到所述襯底上以在所述材料層上形成光致抗蝕劑層，所述光致抗蝕劑組合物包含聚合物、輻射敏感型產酸劑和一個組分，所述聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的單體單元，所述組分包含醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分；將所述襯底按圖案暴露于輻射，由此在光致抗蝕劑層的曝光區域中所述輻射敏感型產酸劑通過輻射產生酸；和將所述光致抗蝕劑層與包含有機溶劑的顯影劑接觸，從而所述光致抗蝕劑層的未曝光區域被所述顯影劑溶液選擇性除去，以在光致抗蝕劑層中形成圖案化的結構。
優選實施方式的詳細描述
應該理解當部件，例如層，被稱為在另一個部件“上”或“上方”時，它可以是直接在另一個部件上或者也可以存在居間部件。相反，當部件被稱為“直接在另一個部件上”或“直接在另一個部件上方”時，不存在居間部件。
如上所述，用于193nm光刻法的多數市售光致抗蝕劑是正性抗蝕劑。隨著特征尺寸變得越來越小，已經變得更難以利用傳統的正性抗蝕劑來印刷小尺寸溝槽和通孔。為了用正性抗蝕劑產生溝槽和通孔，需要使用暗場掩模。然而，溝槽和通孔的特征尺寸越小，暗場掩模的光學圖像對比度越弱。
另一方面，使用明場掩膜能夠印刷具有負性抗蝕劑的溝槽和通孔。明場掩膜的光學圖像對比度好于暗場掩膜的光學圖像對比度。因此，使用負性抗蝕劑可以有利地印刷溝槽和通孔。然而，常規負性抗蝕劑通常具有差的分辨率和微橋(miCTobridging)，因為它們是在曝光后交聯的基礎上采用用于圖像形成的堿性顯影劑來產生溶解對比度的。
近來，利用傳統的正性抗蝕劑進行負顯影的圖案形成方法已經得到關注。像利用正性抗蝕劑的傳統方法那樣，這種方法依賴于去保護機制以在光致抗蝕劑層中曝光和未曝光的區域之間產生溶解對比度。然而，有機溶劑代替堿性水溶液顯影劑用于這種方法，作為用于選擇性除去光致抗蝕劑層的未曝光區域的負顯影的顯影劑。因為曝光區域中的抗蝕劑往往在有機溶劑顯影劑中有一定溶解度，所以這種方法可能具有顯影步驟之后厚度損失的缺點。
本發明提供了用于負顯影的光致抗蝕劑組合物，其可用于印刷小尺寸的溝槽和通孔。本發明的組合物將去保護機制與交聯機制相結合，以在曝光和未曝光區域之間獲得高溶解對比度，并同時防止顯影步驟期間光致抗蝕劑層的厚度損失。這通過在光致抗蝕劑組合物中摻入酸不穩定部分和可交聯部分兩者而達到。
在一種實施方式中，本發明的光致抗蝕劑組合物包括成像聚合物和輻射敏感型產酸劑。所述成像聚合物包括具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和包含可交聯部分的第二單體單元。所述第一和第二單體單元源自于具有可聚合部分的單體。所述可聚合部分的例子可以包括:
權利要求
1.一種能夠負顯影的光致抗蝕劑組合物，其包含成像聚合物和輻射敏感型產酸劑，所述成像聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和包含反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元。
2.權利要求1的光致抗蝕劑組合物，其中所述酸不穩定側鏈部分包含碳酸叔烷基酯、叔烷基酯、叔烷基醚、縮醛和縮酮中的一種。
3.權利要求2的光致抗蝕劑組合物，其中所述酸不穩定側鏈部分包含叔烷基酯。
4.權利要求1的光致抗蝕劑組合物，其中所述反應性醚部分是環氧化物。
5.權利要求1的光致抗蝕劑組合物，其中所述輻射敏感型產酸劑包括鎗鹽、琥珀酰亞胺衍生物、重氮化合物和硝基芐基化合物中的至少一種。
6.權利要求1的光致抗蝕劑組合物，其還包含溶劑、猝滅劑和表面活性劑中的至少一種。
7.權利要求6的光致抗蝕劑組合物，其中所述溶劑包含醚、二醇醚、芳烴、酮和酯中的至少一種。
8.權利要求7的光致抗蝕劑組合物，其中所述光致抗蝕劑組合物包含: 約I至約30wt%的所述成像聚合物； 基于所述成像聚合物的總重量，約0.5至約30wt%的輻射敏感型產酸劑；和 約70至約99wt%的所述溶劑。
9.一種能夠負顯影的光致抗蝕劑組合物，其包含聚合物、輻射敏感型產酸劑和一種組分，所述聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的單體單元，所述組分包含醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分。
10.權利要求9的光致抗蝕劑組合物，其中所述反應性醚部分是環氧化物。
11.權利要求9的光致抗蝕劑組合物，其還包含溶劑、猝滅劑和表面活性劑中的至少一種。
12.權利要求11的光致抗蝕劑組合物，其中所述光致抗蝕劑組合物包含: 約I至約30wt%的所述聚合物； 基于所述聚合物的總重量，約0.5至約30wt%的所述輻射敏感型產酸劑； 基于所述聚合物的總重量，約I至約30wt%的所述組分；和 約70至約99wt%的所述溶劑。
13.在襯底上形成圖案化的材料結構的方法，所述方法包括: 提供具有所述材料層的襯底； 將光致抗蝕劑組合物施加到所述襯底上以在所述材料層上形成光致抗蝕劑層，所述光致抗蝕劑組合物包含成像聚合物和輻射敏感型產酸劑，所述成像聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和包含伯醇部分、仲醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元； 將所述襯底按圖案暴露于輻射，由此所述輻射敏感型產酸劑在所述光致抗蝕劑層的曝光區域通過所述輻射產生酸；和 將所述光致抗蝕劑層與包含有機溶劑的顯影劑接觸，從而所述光致抗蝕劑層的未曝光區域被所述顯影劑溶液選擇性除去，以在所述光致抗蝕劑層中形成圖案化的結構。
14.權利要求13的方法，其還包括:將所述圖案化的結構轉印到所述材料層。
15.權利要求13的方法，其中所述顯影劑選自醚、二醇醚、芳烴、酮、酯和兩種或更多種前述溶劑的組合。
16.權利要求13的方法，其還包括: 在所述接觸步驟之后用第二種有機溶劑沖洗所述光致抗蝕劑層。
17.權利要求16的方法，其中所述第二種有機溶劑選自1-丁醇、甲醇、乙醇、1-丙醇、乙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、1-甲基-2-丁醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、1-庚醇、2-庚醇、3-庚醇、4-庚醇、2-甲基-1-戊醇、2-甲基-2-戊醇、2-甲基-3-戊醇、3-甲基-1-戊醇、3-甲基-2-戊醇、3-甲基-3-戊醇、4-甲基-1-戊醇、4-甲基-2-戊醇、2，4- 二甲基-3-戊醇、3-乙基-2-戊醇、1-甲基環戊醇、2-甲基-1-己醇、2-甲基-2-己醇、2-甲基-3-己醇、3-甲基-3-己醇、4-甲基-3-己醇、5-甲基-1-己醇、5-甲基-2-己醇、5-甲基-3-己醇、4-甲基環己醇、1，3-丙二醇和兩種或更多種前述溶劑的組合。
18.權利要求13的方法，其還包括，在所述按圖案曝光步驟之后和所述接觸步驟之前，在從約70° C至約150° C的溫度下烘烤所述襯底。
19.權利要求13的方法，其中所述酸不穩定側鏈部分包括碳酸叔烷基酯、叔烷基酯、叔烷基醚、縮醛和縮酮中的一種。
20.權利要求13的方法，其中所述反應性醚部分是環氧化物。
21.權利要求13的方法，其中所述光致抗蝕劑組合物還包含溶劑、猝滅劑和表面活性劑中的至少一種。
22.在襯底上形成圖案化的材料結構的方法，所述方法包括: 提供具有所述材料層的襯底； 將光致抗蝕劑組合物施加到所述襯底上以在所述材料層上形成光致抗蝕劑層，所述光致抗蝕劑組合物包含聚合物、輻射敏感型產酸劑和一種組分，所述聚合物包含具有酸不穩定側鏈部分的單體單元，并且所述組分包含醇部分、反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元； 將所述襯底按圖案暴露于輻射，由此所述輻射敏感型產酸劑在所述光致抗蝕劑層的曝光區域通過所述輻射產生酸；和 將所述光致抗蝕劑層與包含有機溶劑的顯影劑接觸，從而所述光致抗蝕劑層的未曝光區域被所述顯影劑溶液選擇性除去，以在所述光致抗蝕劑層中形成圖案化的結構。
23.權利要求22的方法，其還包括: 將所述圖案化的結構轉印到所述材料層。
24.權利要求22的方法，其中所述顯影劑選自醚、二醇醚、芳烴、酮、酯和兩種或更多種前述溶劑的組合。
25.權利要求22的方法，其還包括，在所述按圖案曝光步驟之后和所述接觸步驟之前，在從約70° C至約150° C的溫度下烘烤所述襯底。
26.權利要求22的方法，其中所述光致抗蝕劑組合物還包含溶劑、淬滅劑和表面活性劑中的至少一種。
全文摘要
本發明涉及能夠負顯影的光致抗蝕劑組合物和利用所述光致抗蝕劑組合物的圖案形成方法。所述光致抗蝕劑組合物包括成像聚合物和輻射敏感型產酸劑。所述成像聚合物包括具有酸不穩定側鏈部分的第一單體單元和含有反應性醚部分、異氰化物部分或異氰酸酯部分的第二單體單元。所述圖案形成方法利用有機溶劑顯影劑來選擇性除去光致抗蝕劑組合物的光致抗蝕劑層中未曝光區域，在光致抗蝕劑層中形成圖案化的結構。所述光致抗蝕劑組合物和圖案形成方法尤其可用于利用193nm(ArF)光刻法在半導體襯底上形成材料圖案。
文檔編號G03F7/32GK103201680SQ201180053569
公開日2013年7月10日 申請日期2011年10月21日 優先權日2010年11月15日
發明者陳光榮, 劉森, 黃武松, 李偉健 申請人:國際商業機器公司