专利名称：可溶于光致抗蚀剂显影液的有机底部抗反射组合物及使用该组合物的光刻和蚀刻方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及一种有机底部抗反射组合物及光刻和蚀刻方法。更具体而言，本发明涉及一种具有新物理性能的有机底部抗反射组合物及使用该组合物的光刻和蚀刻方法。
相关技术讨论在一般的光刻和蚀刻方法中使用抗反射涂层以降低光从底层到有图案的光致抗蚀剂层的反射效应。这种抗反射涂层分成具有最佳反射率的无机底部抗反射涂层(BARC)和通过光致抗蚀剂层吸光的有机BARC。无机BARC适合于打底步骤但其难以去除并导致随后过程中的图案叠合(footing)。为此，有机BARC比无机BARC更为理想。
使用有机BARC进行的一般光刻和蚀刻方法示于
图1的流程图中。首先，在步骤10中，在待蚀刻的目标物体，如硅基质、绝缘层或导电层上形成有机BARC层。在步骤12中将有机BARC层高温烘焙之后，在有机BARC层上形成光致抗蚀剂层并于步骤14中进行软烘焙。在步骤16中曝光和曝光后烘焙之后，光致抗蚀剂层在步骤18中显影并形成光致抗蚀剂图案。有机BARC层在步骤20中使用该光致抗蚀剂图案作为蚀刻掩模进行蚀刻(第一蚀刻)，然后目标物体在步骤22中进行蚀刻(第二蚀刻)。
在光刻和蚀刻方法中一个重要的考虑因素是除去有机BARC的第一蚀刻(步骤20)之后所残留的光致抗蚀剂层的厚度。如图2所示，光致抗蚀剂图案50在显影步骤18刚结束之后的厚度为T1。但是，在除去有机BARC层40的第一蚀刻(步骤20)中，光致抗蚀剂图案50也被部分蚀刻，因此光致抗蚀剂图案50的厚度T1减少为T2，如图3所示。在蚀刻目标物体30的第二蚀刻(步骤22)中，光致抗蚀剂图案50进一步被蚀刻且厚度减少至T3，如图4所示。因为在底层的目标物体30的蚀刻使用了厚度在第一蚀刻(步骤20)后降低为T2的光致抗蚀剂图案50，所以为保证预定的对目标物体30的蚀刻选择性，希望当有机BARC层40在第一蚀刻(步骤20)中被除去时，光致抗蚀剂图案50的厚度降低值，如厚度T1至厚度T2，减至最小。
在使用光致抗蚀剂，如ArF抗蚀剂或F2抗蚀剂的光刻和蚀刻方法中对于曝光的光波长短于248nm所出现的问题是当有机BARC层40在第一蚀刻(步骤20)中被除去时光致抗蚀剂图案的损失(如厚度从T1降至T2)。结果，所得的光致抗蚀剂图案在第二蚀刻(步骤22)中用作目标物体30的蚀刻掩模，不能提供生产半导体器件所需的蚀刻选择性。
因此，存在降低生产半导体器件过程中当蚀刻除去有机BARC层时光致抗蚀剂图案损失的需要。
发明简述本发明提供用于光刻和蚀刻方法的有机底部抗反射组合物(BARC)，其可溶于光致抗蚀剂显影液并因此不需要另外的用于除去有机底部抗反射组合物层的蚀刻步骤。
本发明提供一种简化的改善的蚀刻选择性光刻和蚀刻方法，其使用可溶于光致抗蚀剂显影液的BARC。
根据本发明的一个实施方案，本发明提供一种有机BARC，其含有芳族聚合物化合物、热交联剂和有机溶剂。芳族聚合物化合物含有可吸收波长短于约248nm的曝光的官能团，且其为可热交联的以及可用酸水解脱交联的。热交联剂可通过与芳族聚合物化合物的官能团反应导致热交联反应。另外，有机BARC可溶于光致抗蚀剂显影液。
根据本发明的另外一个实施方案，本发明提供的光刻和蚀刻方法包括在待蚀刻目标物体上形成可溶于光致抗蚀剂显影液的有机BARC层，其中有机BARC层含有芳族聚合物化合物，其含有可吸收波长短于约248nm的曝光并且为可热交联的以及可通过酸水解脱交联的官能团，还含有导致与芳族聚合物化合物的官能团进行热交联反应的热交联剂及有机溶剂。继而，有机BARC层通过烘焙被热交联，而后在交联的有机BARC层上形成光致抗蚀剂层。接着，对光致抗蚀剂层曝光并烘焙，从而在光致抗蚀剂层的曝光区域中进行酸水解，并在光致抗蚀剂层曝光区域之下的有机BARC层上进行酸脱交联。通过在显影液中溶解水解的光致抗蚀剂层的曝光区域及曝光区域之下的脱交联的有机BARC层，可同时形成光致抗蚀剂图案和有机BARC层图案。最后，目标物体使用光致抗蚀剂图案和有机BARC层图案作为蚀刻掩模进行蚀刻。
根据本发明的另外一个实施方案，优选芳族聚合物化合物为一种酚醛树脂和聚羟基苯乙烯树脂。优选热交联剂为乙烯基醚衍生物，其具有如下通式R-(-OCH＝CH2)x其中x为2至4的整数，R为C1-C20烃或重均分子量为约500至约5000的低聚物。更优选热交联剂选自1，4-丁二醇二乙烯基醚、三(乙二醇)二乙烯基醚、三羟甲基丙烷三乙烯基醚和1，4-环己烷二甲醇二乙烯基醚之一。
优选热交联剂的量的范围为基于芳族聚合物化合物重量的约1-约30wt％。
优选用于本发明的光致抗蚀剂为含有光酸产生物的ArF准分子(eximer)激光光致抗蚀剂或F2准分子激光光致抗蚀剂。优选用于本发明的显影液为氢氧化四甲铵溶液。
优选有机溶剂与光致抗蚀剂不混溶，不反应。
附图简述本发明上述特点及优点通过示例性实施方案的详细描述并参照附图会变得更加明显，其中图1为传统光刻及蚀刻方法的流程2至4分别为图1中步骤18、19和20所得结构的截面图。
图5A至图10为描述使用本发明有机底部抗反射组合物(BARC)的光刻和蚀刻方法中各步骤的截面图，特别地，图5B，6B和8B示出了根据本发明另一个实施方案的光刻和蚀刻方法中各步骤有机BARC主要成分的化学结构式。
发明详述以下将详细描述根据本发明的有机底部抗反射组合物(BARC)和使用该BARC的光刻和蚀刻方法。本发明可通过多种不同形式实现并且不应局限于以下实施方案、评价例及实施例中；其实，提供以下实施方案、评价例及实施例是为了将本发明公开彻底和完全，并且全部转达给本领域技术人员。在以下化学式中，同样的字符用于说明同样的取代基。
图5A至图10为描述使用本发明一个实施方案的有机BARC的光刻和蚀刻方法中各步骤的截面图，而且特别地，图5B、6B和8B示出了方法各步骤中有机BARC主要成分的化学结构式。根据图5A，有机BARC层110通过用有机BARC涂覆待蚀刻目标物体100形成。待蚀刻目标物体100可为硅基质，其中，例如，可形成沟。待蚀刻目标物体100可为任何用于生产半导体的材料层，如绝缘层或导电层。在本实施方案中，其中形成沟的硅基质示例性用作待蚀刻目标物体100。
用于形成有机BARC层110的有机BARC包括具有可吸收波长短于约248nm的曝光的官能团的芳族聚合物化合物，并且为可热交联的及可通过酸水解脱交联的，还包括导致与芳族聚合物化合物的官能团进行热交联反应的热交联剂及有机溶剂。有机BARC可溶于碱性光致抗蚀剂显影液。
有机BARC组合物中的聚合物化合物应能吸收短波长的曝光，例如波长短于约248nm的曝光。因此，芳族聚合物化合物为优选的聚合物化合物。例如，作为I-线(365nm)抗蚀剂的酚醛树脂，或作为KrF(2498nm)准分子激光致抗蚀剂的聚羟基苯乙烯，其由于便于使用及成本效益而广为人知，故适于用作聚合物化合物。
芳族聚合物化合物在其结构中包括可与热交联剂在高温烘焙时交联并被酸催化脱交联的官能团。
另外，热交联剂含有可实现与芳族聚合物化合物交联反应并可通过酸水解脱交联的官能团。而且，考虑到各种因素，如储存稳定性，应选择不影响有机BARC层性能的适合的热交联剂。
用于有机BARC的热交联剂的一个实例包括含有多官能团的乙烯基醚衍生物，如下通式(1)所示R-(-OCH＝CH2)x…(1)其中x为2至4的整数，R为C1-C20烃或重均分子量为约500至约5000的低聚物。
具有上式(1)的乙烯基醚衍生物的实例包括1，4-丁二醇二乙烯基醚、三(乙二醇)二乙烯基醚、三羟甲基丙烷三乙烯基醚和1，4-环己烷二甲醇二乙烯基醚。
当具有上式(1)的热交联剂与芳族聚合物化合物在有机溶剂中一起混合制备有机BARC时，热交联剂的用量为基于芳族聚合物化合物重量的约1-约30wt％。
有机BARC的有机溶剂不应与将在有机BARC层上形成的光致抗蚀剂层混合或反应。如果有机溶剂与有机BARC层上形成的光致抗蚀剂层混合或反应，光致抗蚀剂层的性能将劣化。据此，有机BARC的有机溶剂可根据所形成光致抗蚀剂层的种类而有所不同。有机溶剂的适合的例子包括异丙醇。
图5B示出了由有机BARC组合物形成的有机BARC层110的化学结构，有机BARC组合物含有作为芳族聚合物化合物的酚醛树脂及作为热交联剂的乙烯基醚衍生物。在图5B的化学式中，Z为C3-C20烃。
图6A示出了根据预定参数，例如时间与温度，通过烘焙有机BARC层110所形成的热交联有机BARC层110A。有机BARC层110涂覆在目标物体100上，其中有机BARC层110含有芳族聚合物化合物与热交联剂的未反应的混合物，如图5B通式所示。但是，当有机BARC层110在约150-200℃的温度下烘焙后，芳族聚合物化合物即与热交联剂交联，如图6B通式所示。
其后，光致抗蚀剂层120在热交联的有机BARC层110A上形成，如图7所示。光致抗蚀剂层120的形成方法如下涂覆含有光酸产生物(PAG)的ArF准分子激光(193nm)或F2激光光致抗蚀剂，从涂覆的光致抗蚀剂中除去溶剂，以及对光致抗蚀剂进行软烘焙以增强所得交联有机BARC层110A的键合强度。软烘焙在约90-150℃的温度范围内进行约60-120秒。
根据图8A，光致抗蚀剂层120使用具有预定图案的掩模200由波长短于248nm的光进行曝光，然后烘焙，其称为“曝光后烘焙(PEB)”。PEB在约90-150℃的温度下进行约60-120秒。
在光致抗蚀剂层120的曝光区域120B中由PAG产生酸(H+)并扩散，酸水解作用由PEB激活。其结果是曝光区域120B变得可溶于显影液。一些曝光区域120B中的酸扩散到其下的有机BARC层110C，使交联的有机BARC层110C脱交联。
换言之，位于曝光区域120B之下的有机BARC层110C中，酸水解导致脱交联并生成大量可溶于光致抗蚀剂显影液的物质，如图8B所示。
接着，根据图9，曝光区域120B和部分位于曝光区域120B之下的有机BARC层110C在显影过程中同时溶解以形成光致抗蚀剂图案120A和有机BARC图案110B。
显影通过使用光致抗蚀剂显影液进行，例如约2.38wt％的氢氧化四甲铵(TMAH)，其为一种碱性显影液。
由于在位于曝光区域120B之下的有机BARC层110C中在曝光及PEB过程中通过酸水解发生了脱交联，有机BARC层110C以及曝光区域120B同样可溶于显影液溶液中。由此，不再需要现有技术中所进行的单独用于除去下部的有机BARC层110C的蚀刻过程。其结果是可以避免现有技术中通过另外的蚀刻除去有机BARC层110时产生的光致抗蚀剂图案120A的损失，并且光致抗蚀剂图案120A的初始厚度T1得以保持。因此，形成光致抗蚀剂图案120A的加工裕度增加。
其后，如图10所示，目标物体100使用同时形成的光致抗蚀剂图案120A及有机BARC图案110B作为蚀刻掩模进行蚀刻。此时，光致抗蚀剂图案120A的厚度由T1降至T2，但这一厚度的降低小于如图2至4所示的传统光刻和蚀刻方法，因为本发明蚀刻只进行一次。由此，可以确保在对目标物体100进行蚀刻时具有更高的蚀刻选择性。含有芳族聚合物化合物作为主要成分的有机BARC图案110B对干蚀刻具有高度的抵抗性。因为光致抗蚀剂图案120A及有机BARC图案110B都抗干蚀刻，可一同用作目标物体100的蚀刻掩模，目标物体100可以更高的蚀刻选择性进行蚀刻。光致抗蚀剂层的沉积厚度与现有技术相比可以降低，且蚀刻过程中光致抗蚀剂层的高宽比也可降低。同样，生产成本得到节约。
本发明将参考以下实施例进行更详细的描述。本领域普通技术人员可以知晓的技术描述不在此进行完全叙述。作为参考，以下实施例所用多数试剂，除非特别的试剂，均可采购自Aldrich Chemical Co.。
实施例1根据本发明作为热交联剂加入有机BARC中的乙烯基醚衍生物的量的影响用下述方法评价。
1克重均分子量为35000的酚醛树脂用作芳族聚合物化合物。基于聚合物化合物重量的0wt％、5wt％、10wt％、20wt％和30wt％的三羟甲基丙烷三乙烯基醚作为热交联剂加入含有约1％至约5％固体的有机溶剂中以制备不同的有机BARC。
所制得的有机BARC分别旋转涂覆到五只裸晶片上，转速约2500-4000rpm，并在约180℃烘焙约90秒以引发热交联反应。
继而，ArF抗蚀剂(EPIC-V4，Shipley Co.)涂覆在交联的有机BARC层上至厚度(Tpr)为3000并在约120℃软烘焙约90秒。之后，整个光致抗蚀层用ArF准分子激光(NA为0.6，ISI)曝光，然后在约110℃烘焙(FEB)约60秒。
用约2.38wt％的TMAH溶液显影约90秒后，测量残留在晶片上的有机BARC层与初始有机BARC层之比。结果示于表1表1
从上表1结果，依照残余比及生产成本，热交联剂的量为约30wt％或更低是优选的。
以下实施例是有机BARC在光刻与蚀刻方法中的使用，其根据本发明的另一个实施方案。
实施例2将1克市售酚醛树脂、0.3克作为热交联剂的三羟甲基丙烷三乙烯基醚和痕量氟代表面活性剂可溶于异丙醇中以制备有机BARC。
所制得的有机BARC旋转涂覆到具有氧化硅层的晶片上，转速约2500-4000rpm，并在约150-200℃烘焙约90秒以引发热交联反应。
继而，ArF抗蚀剂(EPIC-V4，Shipley Co.)涂覆在交联的有机BARC层上至厚度(Tpr)为3000，并在约120℃软烘焙约90秒。之后，光致抗蚀层用ArF准分子激光(NA为0.6，ISI)曝光，使用掩模以将接触孔限制为0.16×0.16μm，然后在约110℃烘焙(FEB)约60秒。
用约2.38wt％的TMAH溶液显影约90秒后，用扫描电子显微镜观察晶片的截面。结果发现光致抗蚀剂图案和有机BARC图案仅能通过显影同时形成。
其后，用等离子体同时以光致抗蚀剂和有机BARC图案作为蚀刻掩模对氧化硅层进行蚀刻以形成接触孔。结果，可容易地在晶片上形成具有所希望外形的接触孔图案。
实施例3用与实施例1相同的方式制备有机BARC并进行光刻与蚀刻过程，不同之处在于制备有机BARC时使用0.2克1，4-丁二醇二乙烯基醚作为热交联剂。结果，可容易地在晶片上形成具有所希望外形的接触孔图案。
实施例4用与实施例1相同的方式制备有机BARC并进行光刻与蚀刻过程，不同之处在于制备有机BARC时使用0.1克三(乙二醇)二乙烯基醚作为热交联剂。结果，可容易地在晶片上形成具有所希望外形的接触孔图案。
实施例5用与实施例1相同的方式制备有机BARC并进行光刻与蚀刻过程，不同之处在于制备有机BARC时使用0.2克1，4-环己烷二甲醇二乙烯基醚作为热交联剂。结果，可容易地在晶片上形成具有所希望外形的接触孔图案。
实施例6用与实施例1相同的方式制备有机BARC并进行光刻与蚀刻过程，不同之处在于使用1.0克市售聚羟基苯乙烯树脂作为芳族聚合物化合物。结果，可容易地在晶片上形成具有所希望外形的接触孔图案。
如上所述，本发明有机BARC是可通过酸水解脱交联的，并可用光致抗蚀剂显影液显影。本发明有机BARC的这些性质不同于那些传统的有机BARC，它们需要另外的蚀刻过程。
因此，在使用本发明有机BARC时光刻和蚀刻过程可得到简化。另外，在其后对目标物体进行的干蚀刻过程中，可以确保更高的光致抗蚀剂图案和目标物体之间的蚀刻选择性，因此提高了蚀刻过程的加工裕度。因此，可以更低的成本生产半导体器件。
尽管本发明参考其示例性实施方案已特别地进行了显示及描述，但本领域普通的技术人员应可理解其中的形式及细节可进行各种改变而不背离如以下权利要求所定义的本发明的实质与范围。
权利要求
1.一种可溶于光致抗蚀剂显影液的有机底部抗反射组合物，所述组合物含有具有一种官能团的芳族聚合物化合物，所述官能团吸收波长短于约248nm的曝光，且其为可热交联的以及可用酸脱交联的；热交联剂，其通过与芳族聚合物化合物的官能团反应导致热交联反应；和有机溶剂。
2.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中芳族聚合物化合物为酚醛树脂和聚羟基苯乙烯树脂之一。
3.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中热交联剂为具有如下通式的乙烯基醚衍生物R-(-OCH＝CH2)x其中x为2至4的整数，R为C1-C20烃或重均分子量为约500至约5000的低聚物。
4.如权利要求4所述的有机底部抗反射组合物，其中热交联剂选自1，4-丁二醇二乙烯基醚、三(乙二醇)二乙烯基醚、三羟甲基丙烷三乙烯基醚和1，4-环己烷二甲醇二乙烯基醚之一。
5.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中热交联剂的量的范围为基于芳族聚合物化合物重量的约1-约30wt％。
6.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中光致抗蚀剂为含有光酸产生物的ArF准分子激光光致抗蚀剂或F2准分子激光光致抗蚀剂。
7.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中有机溶剂与光致抗蚀剂不混溶，不反应。
8.如权利要求6所述的有机底部抗反射组合物，其中有机溶剂与光致抗蚀剂不混溶，不反应。
9.如权利要求1所述的有机底部抗反射组合物，其中显影液为氢氧化四甲铵溶液。
10.一种光刻和蚀刻方法，其包括在待蚀刻目标物体上形成可溶于光致抗蚀剂显影液的有机底部抗反射层，有机底部抗反射层包含具有一种官能团的芳族聚合物化合物，所述官能团吸收波长短于约248nm的曝光且其为可热交联的以及可用酸水解脱交联的，还包含通过与芳族聚合物化合物的官能团反应导致热交联反应的热交联剂，以及有机溶剂；通过烘焙使有机底部抗反射层热交联；在交联的有机底部抗反射层上形成光致抗蚀剂层；曝光然后烘焙光致抗蚀剂层以使光致抗蚀剂层的曝光区域中发生酸水解，并在位于光致抗蚀剂层曝光区域之下的有机底部抗反射层中发生酸脱交联；通过在显影液中溶解水解的光致抗蚀剂层的曝光区域及位于曝光区域之下的脱交联的有机底部抗反射层，可同时形成光致抗蚀剂图案和有机底部抗反射层图案；和目标物体使用光致抗蚀剂图案和有机底部抗反射层图案作为蚀刻掩模进行蚀刻。
11.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中芳族聚合物化合物为酚醛树脂和聚羟基苯乙烯树脂之一。
12.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中热交联剂为具有如下通式的乙烯基醚衍生物R-(-OCH＝CH2)x其中x为2至4的整数，R为C1-C20烃或重均分子量为约500至约5000的低聚物。
13.如权利要求12所述的光刻和蚀刻方法，其中热交联剂选自1，4-丁二醇二乙烯基醚、三(乙二醇)二乙烯基醚、三羟甲基丙烷三乙烯基醚和1，4-环己烷二甲醇二乙烯基醚之一。
14.如权利要求1 0所述的光刻和蚀刻方法，其中热交联剂的量的范围为基于芳族聚合物化合物重量的约1-约30wt％。
15.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中在形成光致抗蚀剂层中包括含有光酸产生物的ArF准分子激光光致抗蚀剂。
16.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中在形成光致抗蚀剂层中包括含有光酸产生物的F2准分子激光光致抗蚀剂。
17.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中有机溶剂与光致抗蚀剂不混溶，不反应。
18.如权利要求15所述的光刻和蚀刻方法，其中有机溶剂与光致抗蚀剂不混溶，不反应。
19.如权利要求10所述的光刻和蚀刻方法，其中显影液为氢氧化四甲铵溶液。
全文摘要
本发明提供一种有机底部抗反射组合物，其含有芳族聚合物化合物、热交联剂和有机溶剂。芳族聚合物化合物含有的官能团可吸收波长短于约248nm的曝光且其为可热交联的以及可用酸水解脱交联的。热交联剂通过与芳族聚合物化合物的官能团反应导致热交联反应。有机底部抗反射组合物可溶于光致抗蚀剂显影液。有机底部抗反射组合物应用于光刻和蚀刻方法时，有机底部抗反射组合物形成的层可在光致抗蚀剂曝光和烘焙过程之后的显影过程中与光致抗蚀剂层一同显影形成图案。其结果是光刻及蚀刻方法可得到简化，沉积的光致抗剂层的初始厚度可以降低，且蚀刻的加工裕度提高。
文档编号H01L21/027GK1484094SQ03133069
公开日2004年3月24日 申请日期2003年7月23日 优先权日2002年7月23日
发明者崔相俊 申请人:三星电子株式会社