使用定向自組裝技術(shù)形成半導(dǎo)體器件精細(xì)圖案的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種無需大量曝光和硬化引導(dǎo)圖案就能形成20納米級線寬的圖案的用于形成半導(dǎo)體器件精細(xì)圖案的方法。方法包括以下步驟：（a）在形成有有機(jī)防反射涂層的晶片上形成光致抗蝕劑層；（b）曝光光致抗蝕劑層并通過負(fù)色性顯影溶液顯影光致抗蝕劑層以形成引導(dǎo)圖案；（c）在形成有引導(dǎo)圖案的晶片上形成中立層；（d）顯影引導(dǎo)圖案以移除引導(dǎo)圖案并形成具有由移除引導(dǎo)圖案造成的開口部的中立層圖案；（e）在形成有中立層圖案的襯底上涂覆定向自組裝（DSA）材料的嵌段共聚物（BCP），在超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的溫度下加熱襯底以形成定向自組裝圖案；以及（f）在定向自組裝圖案中通過使用氧等離子體選擇性蝕刻具有相對低蝕刻電阻率（或高蝕刻率）的部分以形成精細(xì)圖案。
【專利說明】使用定向自組裝技術(shù)形成半導(dǎo)體器件精細(xì)圖案的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，特別涉及通過使用定向自組裝技術(shù)(平版印刷術(shù))能形成線寬20納米級的圖案的形成半導(dǎo)體器件精細(xì)圖案的方法，無需引導(dǎo)圖案的大量曝光(bulk-exposure)和硬化。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件的縮小與高集成度需要一種實現(xiàn)半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的技術(shù)。在形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法中，最有效的方法是使用通過曝光工藝的顯影(development)和新的漸進(jìn)加工技術(shù)得到的精細(xì)光致抗蝕劑圖案。然而,曝光工藝的顯影造成許多投資費用并降低了慣用的現(xiàn)有工藝的利用率。因此，對于新加工技術(shù)的研究更積極地進(jìn)行。
[0003]在新工藝中，使用嵌段共聚物(BCP)的自動定向的定向自組裝(DSA)平版印刷術(shù)預(yù)計能形成線寬20納米或更小的精細(xì)圖案，其被認(rèn)為是傳統(tǒng)的光學(xué)圖樣成型技術(shù)的極限。
[0004]根據(jù)用于形成引導(dǎo)圖案的光致抗蝕劑成分，例如使用氟化氬(ArF)，氟化氪(KrF)、1-1ine極超紫外線(EUV)、電子束作為光源的光致抗蝕劑成分，使用DSA平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法可被修改。在用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的一種方式中，引導(dǎo)圖案形成于中立層上，BCP涂層形成于引導(dǎo)圖案之間的空間上，且BCP涂層在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下受到熱處理并且接著被重新設(shè)置，從而可以得到有序定向的自組裝圖案?？蛇x擇地，引導(dǎo)圖案形成并被硬化，中立層形成于引導(dǎo)圖案上，引導(dǎo)圖案通過顯影被移除，BCP涂層形成于襯底上，引導(dǎo)圖案在該襯底上被移除而中立層的一部分得以保留，且BCP涂層在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下受到熱處理并且接著被重新設(shè)置，從而可以得到有序定向的自組裝圖案。特別地，在后一種用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法中，當(dāng)氟化氬光致抗蝕劑成分被用于形成引導(dǎo)圖案時，線寬20納米級的半導(dǎo)體圖案高效地形成。
[0005]圖1為半導(dǎo)體襯底的剖視圖，闡明了后一種使用DSA平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法。如圖1所示，使用DSA平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的傳統(tǒng)方法包括以下步驟:(A)在形成有有機(jī)防反射涂層(12)的襯底(10)上涂覆光致抗蝕劑成分以便形成光致抗蝕劑層(14)，(B)曝光并顯影光致抗蝕劑層(14)以便形成引導(dǎo)圖案(光致抗蝕劑圖案，16)，(C)不用光掩膜而大量曝光引導(dǎo)圖案(16)且在200至220°C加熱以便形成硬化圖案(16a)，(D)在硬化圖案(16a)上涂覆中立層(18)，(E)通過使用TMAH顯影溶液移除硬化圖案(16a)以便形成具有由移除引導(dǎo)圖案形成的開口部的中立層圖案(18a)，(F)在形成有中立層圖案(18a)的襯底(10)上涂覆DSA材料的BCP，在超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度(例如200至300°C)下加熱襯底(10)以便形成定向自組裝圖案(20a，20b)，以及(G)在定向自組裝圖案(20a，20b)中通過使用氧等離子體以形成精細(xì)圖案，選擇性地蝕刻具有相對低蝕刻電阻率(或高蝕刻率)的部分(20b)。如上所述，為了避免由正色性顯影溶液顯影的光致抗蝕劑圖案(16)在形成中立層(18)時溶解于有機(jī)溶劑中，用于形成精細(xì)圖案的方法必須包括大量曝光光致抗蝕劑成分的引導(dǎo)圖案(16)并加熱以硬化的步驟(C步驟)。這樣，全過程錯綜復(fù)雜。由于硬化圖案(16a)不易移除，形成槽孔時可能產(chǎn)生缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的目的是提供通過使用DSA平版印刷術(shù)用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，其中全過程簡單且由于引導(dǎo)圖案用無需硬化引導(dǎo)圖案的負(fù)色性顯影溶液顯影，引導(dǎo)圖案易于移除。
[0007]為了實現(xiàn)這些目的，本發(fā)明提供了用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，包括以下步驟:(a)在形成有有機(jī)防反射涂層的晶片上形成光致抗蝕劑層；(b)曝光并通過負(fù)色性顯影溶液使光致抗蝕劑層顯影以形成引導(dǎo)圖案；(C)在形成有引導(dǎo)圖案的晶片上形成中立層；(d)使引導(dǎo)圖案顯影以移除引導(dǎo)圖案并形成具有由移除引導(dǎo)圖案形成的開口部的中立層圖案；(e)在形成有中立層圖案的襯底上涂覆DSA材料的BCP，在超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下加熱襯底以形成定向自組裝圖案；以及(f)在定向自組裝圖案中通過使用氧等離子體選擇性地蝕刻具有相對低蝕刻電阻率(或高蝕刻率)的部分以形成精細(xì)圖案。
[0008]在用于形成精細(xì)圖案的本方法中，線寬20納米級的半導(dǎo)體圖案可通過使用以負(fù)色性顯影溶液顯影的引導(dǎo)圖案的DSA平版印刷術(shù)有效地形成。也就是說，無需當(dāng)用慣用的正色性顯影溶液顯影的光致抗蝕劑圖案被使用作為引導(dǎo)圖案時所需要的硬化過程。因此，半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)效率或收益率增加，且引導(dǎo)圖案易于在剝離過程中移除，因此線寬20納米級的半導(dǎo)體圖案可有效地形成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為闡明了使用傳統(tǒng)定向自組裝平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法的剖視圖。
[0010]圖2為闡明了使用根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的定向自組裝平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法的剖視圖。
【具體實施方式】
[0011]通過參照以下詳細(xì)說明，將更完全地理解本發(fā)明并更好地理解及其伴隨的許多有益效果。
[0012]圖2為闡明了使用根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的定向自組裝平版印刷術(shù)的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法的剖視圖。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法包括以下步驟:(a)在形成有有機(jī)防反射涂層(32)的襯底(30)上形成光致抗蝕劑層(34)，(b)曝光光致抗蝕劑層(34)并通過負(fù)色性顯影溶液使其顯影以便形成引導(dǎo)圖案(36)，(c)在形成有引導(dǎo)圖案(36)的襯底上形成中立層(38)，(d)通過使用顯影溶液移除引導(dǎo)圖案(36)以便形成具有由引導(dǎo)圖案(36)的移除形成的開口部的中立層圖案(38a)，( e )在形成有中立層圖案(38a)的襯底上涂覆DSA材料的BCP，在超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下加熱襯底以便形成定向自組裝圖案(40a,40b),以及(f)在定向自組裝圖案(40a，40b)中通過使用氧等離子體選擇性地蝕刻具有相對低蝕刻電阻率(或高蝕刻率)的部分(40b)以形成精細(xì)圖案(40a)。
[0013](a)步驟可與傳統(tǒng)平版印刷術(shù)一樣實施。必要時，在襯底(30)中，類似硬膜這樣的墊層可形成于有機(jī)防反射涂層(32)之下。光致抗蝕劑層(34)可通過使用傳統(tǒng)的光致抗蝕劑成分形成，優(yōu)選為含有硅組分的氟化氬光致抗蝕劑成分。
[0014]引導(dǎo)圖案(負(fù)色性光致抗蝕劑圖案，36)通過用傳統(tǒng)的負(fù)色性顯影溶液，例如乙酸正丁酯、正己醇、4-甲基-2戊醇及其混合物，在通過給定的光掩膜和傳統(tǒng)光刻機(jī)曝光光致抗蝕劑層(34)之后，使光致抗蝕劑層顯影而形成，上述光刻機(jī)優(yōu)選為使用氟化氬曝光光源的光刻機(jī)。光致抗蝕劑層(34)的未曝光部分通過負(fù)色性顯影溶液被移除，而光致抗蝕劑層
(34)的曝光部分(36)未被移除以便形成引導(dǎo)圖案(36)。引導(dǎo)圖案(36)為具有給定順序的條帶形，例如引導(dǎo)圖案(36)按兩倍至八倍引導(dǎo)圖案的線寬各個互相分隔開來。引導(dǎo)圖案
(36)可為在曝光過程中界定的最小線寬，此外引導(dǎo)圖案(36)的線寬可通過使用修整方法減小至小于最小線寬。例如，引導(dǎo)圖案(36)形成為50納米線寬，接著通過修整方法被減小至30納米線寬。
[0015]中立層(38)可通過在上面形成有引導(dǎo)圖案(36)的襯底(30)上涂覆(旋涂)用于形成中立層的傳統(tǒng)成分并接著通過在氮氣氛中在100至280°C下加熱涂覆的中立層(30)而形成。用于形成中立層的傳統(tǒng)成分包括無規(guī)共聚物、苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯(MMA)的甲酯共聚物，以及有機(jī)溶劑例如甲苯、二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇甲醚(PGME)、環(huán)己酮、乳酸乙酯，以及其混合物。在加熱之后，用于形成中立層的一些不與晶片表面反應(yīng)的成分(有機(jī)防反射涂層(32)、引導(dǎo)圖案(36)等)，即無規(guī)共聚物，通過使用有機(jī)溶劑被移開。中立層(38)的厚度為幾納米至幾十納米，優(yōu)選為I至10納米。由于引導(dǎo)圖案(36)為光致抗蝕劑層(34)的曝光部分且未溶解，引導(dǎo)圖案的大量曝光與硬化不同于通過早前的正色性顯影溶液形成的引導(dǎo)圖案(光致抗蝕劑圖案)，而是可省略的。中立層(38)確定了 DSA平版印刷術(shù)中BCP的條帶(層狀)結(jié)構(gòu)的定向方向。當(dāng)BCP不使用中立層(38)而被涂覆并被加熱時，BCP的條帶(層狀)結(jié)構(gòu)被設(shè)置為平行于襯墊(30)，這樣圖案不能以隨后的方法形成。
[0016]而當(dāng)中立層(38)被使用時，BCP的條帶(層狀)結(jié)構(gòu)被設(shè)置為垂直于襯墊(30)，具有低蝕刻電阻率的部分或包含氧組分的部分在隨后使用氧等離子體(干法蝕刻工藝，(f)步驟)的蝕刻方法中被移除，因此可得到想要的半導(dǎo)體圖案。
[0017]在用于形成中立層的成分中，甲酯共聚物的量的重量百分比為0.5至20%，優(yōu)選為0.8至10%，更優(yōu)選為I至5%，而剩余物為有機(jī)溶劑。當(dāng)甲酯共聚物的量的重量百分比少于
0.5%時，中立層不能形成。當(dāng)甲酯共聚物的量的重量百分比多于20%時，中立層的粘度過度升高，使得中立層變得比目標(biāo)厚度更厚。甲酯共聚物的重均分子量(Mw)為5000至100000，優(yōu)選為10000至20000。當(dāng)甲酯共聚物的Mw小于5000時，涂層甲酯共聚物處的聚合物的質(zhì)量變差，而當(dāng)甲酯共聚物的Mw大于100000時，中立層的粘度過度升高，使得中立層變得比目標(biāo)厚度更厚。
[0018]作為(d)步驟中的顯影溶液，慣用的正色性顯影溶液例如氫氧化四甲基銨(TMAH)水溶液、四丁基氫氧化銨(TBAH)水溶液、碳酸氫鈉水溶液等可被使用。顯影溶液移除了光致抗蝕劑層(34)的曝光部分，S卩引導(dǎo)圖案(36)，以便形成具有由移除引導(dǎo)圖案(36)形成的開口部的中立層圖案(38a)。在中立層圖案(38a)中，位于被移除的引導(dǎo)圖案(36)之下的有機(jī)防反射涂層的一部分被曝光。由于有機(jī)防反射涂層(32)具有極性，當(dāng)BCP被涂覆并被加熱時，BCP的顯示極性的一部分預(yù)先設(shè)置于有機(jī)防反射涂層(32)的曝光部分上，且交替地，BCP的無極性的另一部分設(shè)置于有機(jī)防反射涂層(32)未曝光的另一部分上。簡言之，由于中立層圖案(38a)由用于中立層(38)的成分組成且各由具有不同物理性質(zhì)(極性)的有機(jī)防反射涂層的曝光部分與中立層(38)間隔開，引導(dǎo)圖案的效果得以實現(xiàn)。因此，半導(dǎo)體器件每單位面積的線(圖案)數(shù)量可增加，且半導(dǎo)體器件的集成度變得更高。
[0019]本發(fā)明中使用的BCP舉例包括苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯(MMA)的嵌段共聚物(PS-b-PMMA)、苯乙烯和4-(叔丁基二甲基硅烷基)氧基苯乙烯(4- (tert-butyldimehtylsilyl) oxy styrene)的嵌段共聚物(PS-b-PSSi )、苯乙烯和二甲基硅氧烷的嵌段共聚物(PS-b-PDMS)、苯乙烯和乙烯吡咯烷酮的嵌段共聚物(PS-b-PVP)。通常，主要使用PS-b-PMMA，但為了高深寬比，可使用采用硅組分的具有高蝕刻選擇比的PS-b-PSSi。而為了提高LER (刻線邊緣粗糙度)，可使用PS-b-PDMS或PS-b-PVP。
[0020]當(dāng)BCP在超過BCP玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下被加熱時，PS (或PMMA)根據(jù)段之間的極性度差異接近并毗鄰PS (或PMMA)，從而形成以垂直于襯底的條帶(層狀)的形式設(shè)置的定向自組裝圖案(40a，40b)。加熱溫度根據(jù)使用的嵌段共聚物可為不同的，例如200至300°C，優(yōu)選為230至250°C。加熱時間為I分鐘至10小時，優(yōu)選為I至60分鐘，更優(yōu)選為I至10分鐘。當(dāng)加熱溫度太低時，定向自組裝圖案不能形成，而當(dāng)加熱溫度太高時，BCP可能改性。當(dāng)加熱時間太短時，定向自組裝圖案不能形成，而當(dāng)加熱時間太長時，生產(chǎn)時間變長且生產(chǎn)效率 降低。
[0021]BCP 的 Mw 為 3000 至 1000000，優(yōu)選為 30000 至 200000，更優(yōu)選為 80000 至 150000。隨著BCP的多分散性(PD，重均分子量/數(shù)量平均分子量)接近1，圖案的線寬和線寬粗糙度(LWR)取得良好的結(jié)果，例如1.0至1.2。
[0022]當(dāng)在定向自組裝圖案(40a，40b)中具有相對較低蝕刻電阻率(或高蝕刻率)的部分(40b)(例如PS-b-PMMA的PMMA部分)的選擇性蝕刻通過使用氧等離子體來進(jìn)行以形成精細(xì)圖案(40a)時，可形成具有20納米級線寬的線條和間隔(或條帶)的精細(xì)圖案。
[0023]在下文中，介紹優(yōu)選的實施方式以便更好地理解本發(fā)明。但是，本發(fā)明并不限于以下實施方式。
[0024]【例I和對比例I】半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的形成及其評測
[0025]33納米的氟化氬有機(jī)防反射涂層成分(DARC-A125，由株式會社東進(jìn)世美肯制造)被涂覆在硅晶片上且在240°C被加熱60秒。光致抗蝕劑成分(DHA-7079 (氟化氬光致抗蝕劑)，由株式會社東進(jìn)世美肯制造)被涂覆并在105°C被軟性烘烤60秒以形成具有120納米線寬的光致抗蝕劑圖案。接著，晶片被曝光于孔徑數(shù)為0.85 (ASML1200,由ASML制造)的氟化氬光刻機(jī)并在95°C被加熱60秒以增強(qiáng)(amplify)在曝光期間產(chǎn)生的酸性物質(zhì)。加熱的晶片被浸入負(fù)色性顯影溶液(醋酸正丁酯)中60秒并被顯影以形成70納米線寬的線條和間隔圖案(引導(dǎo)圖案)。在對比例I中，在曝光光致抗蝕劑層之后，引導(dǎo)圖案通過使用正色性顯影溶液(TMAH水溶液)形成，引導(dǎo)圖案被大量曝光于氟化氬光刻機(jī)以便避免引導(dǎo)圖案在中立層的形成期間溶解于諸如甲苯之類的有機(jī)溶劑中，且大量曝光的引導(dǎo)圖案在150°C被加熱60秒，另外在220°C被加熱60以硬化引導(dǎo)圖案。在晶片上，其中例I中的引導(dǎo)圖案或?qū)Ρ壤齀中的硬化的引導(dǎo)圖案形成于該晶片中，用于形成定向自組裝層狀結(jié)構(gòu)的中立層的成分(PS-co-PMMA和甲苯)被涂覆并在200°C在氮氣氛中被加熱，中立層的成分的未反應(yīng)的組分通過使用甲苯被移除，以在晶片表面形成中立層。接著，生成的晶片被浸入顯影溶液(TMAH水溶液)60秒并被顯影以形成引導(dǎo)圖案。中立層圖案在襯底(晶片)上形成為具有由移除引導(dǎo)圖案造成的開口部，在該襯底(晶片)上，在甲苯中溶解的PS-b-PMMA被涂覆并在240°C被加熱I小時以形成定向自組裝圖案，極性部分與非極性部分交替地設(shè)置。定向自組裝圖案形成于晶片上，該晶片在室溫下被冷卻，接著PS-b-PMMA的PMMA通過使用02等離子體蝕刻工藝被干法蝕刻以形成24納米線寬的線條與間隔的精細(xì)圖案。IcmX Icm的精細(xì)圖案的缺點(橋缺(bridge flaw)等)的數(shù)量通過用于檢查缺點數(shù)的儀器(negavitec3100,由Negavitec制造)測量出，且其結(jié)果在下表1中顯示出來。
[0026]【表1】
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，包括以下步驟: Ca)在形成有有機(jī)防反射涂層的晶片上形成光致抗蝕劑層； (b)曝光所述光致抗蝕劑層并用負(fù)色性顯影溶液使所述光致抗蝕劑層顯影以形成引導(dǎo)圖案； (c)在形成有所述引導(dǎo)圖案的所述晶片上形成中立層； (d)使所述引導(dǎo)圖案顯影以移除所述引導(dǎo)圖案并形成具有由所述引導(dǎo)圖案的移除造成的開口部的中立層圖案； Ce)在形成有中立層圖案的所述襯底上涂覆定向自組裝(DSA)材料的嵌段共聚物(BCP)，在超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的溫度下加熱所述襯底以形成定向自組裝圖案；以及 Cf)在所述定向自組裝圖案中通過使用氧等離子體選擇性地蝕刻具有相對低蝕刻電阻率(或高蝕刻率)的部分以形成精細(xì)圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，其中所述中立層包括苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的無規(guī)共聚物(PS-co-PMMA)，以及選自甲苯、二甲苯、丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、丙二醇甲醚(PGME )、環(huán)己酮、乳酸乙酯及其混合物的組的有機(jī)溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，其中所述負(fù)色性顯影溶液選自如乙酸正丁酯、正己醇、4-甲基-2戊醇及其混合物的組，且所述顯影溶液選自氫氧化四甲基銨(TMAH)水溶液、四丁基氫氧化銨(TBAH)水溶液、碳酸氫鈉水溶液及其混合物的組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，其中所述BCP選自包括苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯(MMA)的嵌段共聚物(PS-b-PMMA)、苯乙烯和4-(叔丁基二甲基硅烷基)氧基苯乙烯的嵌段共聚物(PS-b-PSSi )、苯乙烯和二甲基硅氧烷的嵌段共聚物(PS-b-PDMS)、苯乙烯和乙烯吡咯烷酮的嵌段共聚物(PS-b-PVP)的組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于形成半導(dǎo)體器件的精細(xì)圖案的方法，其中超過所述BCP的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度為200至300°C。
【文檔編號】H01L21/027GK103843112SQ201280047901
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月29日
【發(fā)明者】李正烈, 張有珍, 李載禹, 金宰賢 申請人:株式會社東進(jìn)世美肯