用于通过嵌段共聚物的自组装在衬底上提供间隔的光刻特征的方法
【专利说明】用于通过嵌段共聚物的自组装在衬底上提供间隔的光刻特征的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年2月14日递交的美国临时申请第61/764,881号的权益，该临时申请在此通过引用全文并于本文。
技术领域
[0003]本发明涉及一种在衬底上形成规则地间隔的光刻特征的方法，该方法利用在设置在衬底上的沟道中进行嵌段共聚物的自组装来实现。该方法可用于形成场效应晶体管的一个或多个晶体管导电通道。
【背景技术】
[0004]在器件制造的光刻术中，要求减小光刻图案中的特征的尺寸以便提高在给定衬底区域上特征的密度。具有纳米级临界尺寸(CD)的较小特征的图案允许更大的器件或电路结构的集中度，得到在电子和其他器件的尺寸减小和制造成本方面的潜在的改进。在投影光刻术中，对更小特征的推动导致例如浸没光刻和极紫外(EUV)光刻术等技术的发展。
[0005]作为一种选择，所谓的压印光刻通常涉及使用“压印器”(通常称为压印模板)以将图案转移至衬底上。压印光刻术的优点在于，特征的分辨率不受到例如辐射源的发射波长或投影系统的数值孔径的限制。替代地，分辨率主要受限于压印模板上图案的密度。
[0006]对于投影光刻术和压印光刻术，期望提供表面的高分辨图案化，例如压印模板或其他衬底的表面的高分辨图案化。已经考虑使用自组装嵌段共聚物(BCP)作为用于将特征的分辨率提高至比通过现有技术的光刻方法能够获得的分辨率更小的值的潜在方法或作为用于制备压印模板的电子束光刻的备选。
[0007]能够自组装嵌段共聚物是在纳米制造技术中有用的化合物，因为它们在冷却至特定温度(有序-无序转变温度To/d)以下时会经受有序-无序转变，导致不同化学性质的共聚物嵌段的相分离，以便形成有序的、在化学上不同的、尺寸为几十纳米或甚至小于1nm的区域或域。所述区域或域的尺寸和形状可以通过操纵不同嵌段类型的共聚物的分子量和成分来控制。所述区域或域之间的界面可以具有l_5nm量级的线宽粗糙度，并且可以通过改变共聚物的嵌段的化学成分来操纵。
[0008]Chaikin 和 Register 等人在 Science 276, 1401 (1997)中的文章阐明了使用嵌段共聚物的薄膜作为自组装模板的可行性。具有20nm尺寸的点和孔的密集阵列从苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物的薄膜转移至氮化硅衬底。
[0009]嵌段共聚物包括不同的嵌段，每个嵌段通常包括一个或多个相同的单体，并且沿聚合物链并排布置。每个嵌段可以包括其相应类型的多个单体。因而，例如，A-B嵌段共聚物可以具有在(或每个)A嵌段中的多个A型单体和在(或每个)B嵌段中的多个B型单体。合适的嵌段共聚物的示例是例如具有聚苯乙烯(PS)单体(疏水嵌段)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)单体(亲水嵌段)的共价键链接的多个嵌段的聚合物。具有不同疏水性/亲水性的嵌段的其他嵌段共聚物可以是有用的。例如，三嵌段共聚物，例如(A-B-C)嵌段共聚物可以是有用的，因为可以是交替的或周期性的嵌段共聚物(例如[-A-B-A-B-A-B-Jn^[-A-B-C-A-B-C]m，其中η和m是整数)。这些嵌段可以彼此通过共价键以线性或分支(例如星形或分支配置)的方式连接。
[0010]依赖于多个嵌段的体积分数、每个嵌段类型内的聚合度(即，每个相应嵌段内每个相应类型的单体的数量)、溶剂的可选使用以及表面相互作用，嵌段共聚物在自组装时可以形成多种不同的相。当在薄膜中应用时，几何限制可能引起附加的边界条件，这可能限制形成的相。通常，在自组装嵌段共聚物的薄膜中实际观察到球形(例如立方体)、圆柱形(例如四角形或六边形)以及层状相(即，具有立方体、六边形或层状间隔填充对称的自组装相)。
[0011]观察到的相类型可以依赖于不同聚合物嵌段的相对分子体积分数。例如，80:20的分子体积比率将提供布置在较高体积嵌段的连续区域或域中的低体积嵌段的不连续的球形区域或域的立方体相。随着体积比率降低到70:30，将形成圆柱形相，具有为较低体积嵌段的圆柱体的不连续区域或域。在50:50的比率下，形成层状相。在30:70的比率下，可以形成倒圆柱形相，并且在20:80的比率下，可以形成倒立方体相。
[0012]用作能够自组装的聚合物的合适的嵌段共聚物包括但不限于聚(苯乙烯-b-甲基丙烯酸甲酯)、聚(苯乙烯_b-2-乙烯基吡啶酮)、聚(苯乙烯-b-丁二烯)、聚(苯乙烯-b-二茂铁基二甲基硅烷)、聚(苯乙烯-b-环氧乙烷)、聚(环氧乙烷-b-异戊二烯)。符号“b”表示“嵌段”。虽然这些是双嵌段共聚物的示例，但是应该清楚，自组装也可以采用三嵌段共聚物、四嵌段共聚物或其他多嵌段共聚物。
[0013]用于引导或定向聚合物(例如嵌段共聚物)自组装到表面上的一种方法是图形外延技术。该方法包括嵌段共聚物的自组织，该嵌段共聚物的自组织通过使用由抗蚀剂构成的一个或多个特征(或者从抗蚀剂转移到衬底表面上的一个或多个特征，或者转移到沉积在衬底表面上的叠层膜上的一个或多个特征)以在衬底上进行形貌预图案化来引导。预图案化被用于形成包括衬底基部和侧壁的封闭体或“沟道”，侧壁例如为抗蚀剂的一对相对的侧壁(或者形成在薄膜中的侧壁，或者形成在衬底中的侧壁)。
[0014]通常地，图形外延模板的特征的高度为待排列的BCP层的厚度的量级，因此，例如可以为约20nm_约150nm。
[0015]层状的自组装BCP可以形成光刻特征的平行的线性图案，在沟道中具有不同共聚物嵌段区域或域的相邻线。例如，如果嵌段共聚物是具有在聚合物链中的A和B嵌段的双嵌段共聚物，BCP可以自组装入每个沟道中的有序的层，该层包括与B嵌段的第二区域或域交替的、规律地间隔开的A嵌段的第一区域或域。
[0016]类似地，圆柱形的自组装BCP可以形成光刻特征的有序图案，该光刻特征包括被第二连续区域或域包围的圆柱形的不连续的第一区域或域的规律地间隔开的平行线。例如，如果BCP为在聚合物链中的A和B嵌段的双嵌段共聚物，那么嵌段A可以组装入圆柱形的非连续区域或域，该非连续区域或域跨过沟道规律地间隔，并且被B嵌段的连续区域或域包围。
[0017]因此可以使用图形外延技术来引导层状相或圆柱形相的自组织，使得BCP图案将(一个或多个)侧壁的间隔细分成交替的共聚物图案的区域或域。
[0018]在纳米制造过程中应用嵌段共聚物自组装的过程中，衬底可以被修改以具有中性取向控制层，作为图形外延模板的一部分，以便引入相对于衬底的自组装图案的优选取向。对于在能够自组装聚合物层中使用的某些嵌段共聚物，在多个嵌段中的一种和衬底表面之间可以存在导致取向形成的优先的相互作用。例如，对于聚苯乙烯(PS)-b-PMMA嵌段共聚物，PMMA嵌段将优先浸润氧化物表面(即，与氧化物表面具有高化学亲和力)，并且这可以用以诱导自组装图案处于基本平行于表面的平面的取向。可以引入基本垂直的取向，例如通过将中性取向层淀积到表面上以导致衬底表面对两个嵌段都是中性的来实现，换句话说，中性取向层具有对每个嵌段相同或类似的化学亲和力，使得两个嵌段以相似的方式在表面处浸润中性取向层。通过“垂直取向”，意味着每个嵌段的区域或域将被并排定位在衬底表面，其中不同嵌段的相邻区域或域之间的界面区域基本上垂直于表面的平面布置。
[0019]在用于对准具有A和B (其中在特性上A是亲水的、而B是疏水的)嵌段的双嵌段共聚物的图形外延模板中，图形外延图案可以包括疏水抗蚀剂侧壁特征，其中中性取向基部在疏水抗蚀剂特征之间。B区域或域可以优先沿疏水抗蚀剂特征的旁边组装，其中若干个A和B嵌段的交替区域或域在图形外延模板的嵌塞抗蚀剂特征之间的中性取向区域上被对准。
[0020]可以例如通过使用通过羟基端基或某些其他反应端基与衬底表面处的氧化物的反应共价地链接到衬底的随机的共聚物刷(brush)产生中性取向层。在用于形成中性取向层的其他布置中，可交联随机共聚物或适当的硅烷(即，具有取代的反应性硅烷的分子，诸如(三)氯硅烷端基或(三)甲氧基硅烷端基，也称为甲硅烷基端基)通过用作衬底表面和能够自组装的聚合物的层之间的中间层，可以用以导致表面中性。这样的硅烷基中性取向层将通常作为单层，而可交联聚合物通常不作为单层给出并且可以具有通常小于或等于约40nm的层厚度，或者小于或等于约20nm的层厚度。
[0021]能够自组装的BCP的薄层可以如上所述那样被淀积在具有图形外延模板的衬底上。
[0022]用于能够自组装的聚合物淀积的合适的方法是旋涂，因为该过程能够提供良好地限定的、均匀一致的能够自组装的聚合物薄层。淀积的能够自组装的聚合物膜的合适的层厚度是大约10至150nm。在淀积嵌段共聚物膜之后，该膜仍然可以是无序的或仅部分有序，并且可能需要一个或多个附加步骤以促进和/或完成自组装。例如，能够自组装的聚合物可以作为溶液被淀积在溶剂中，在自组装之前例如通过蒸发随溶剂去除。
[0023]嵌段共聚物的自组装是多种小成分(嵌