TW201642309A

TW201642309A - 圖案化方法

Info

Publication number: TW201642309A
Application number: TW104117125A
Authority: TW
Inventors: 許宗正; 劉丞祥
Original assignee: 華邦電子股份有限公司
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01
Also published as: TWI560751B

Abstract

本發明提供一種圖案化方法，包括：在基材上形成一硬罩幕層；在硬罩幕層上形成一定向自組裝(directed self-assembly；DSA)材料層；在定向自組裝材料層上形成一奈米壓印層；以具有一壓印形成表面之一模板壓印奈米壓印層，以於奈米壓印層上形成一壓印區域及一非壓印區域；於非壓印區域上形成一改質層；提供一能量，使定向自組裝材料層中之高分子材料產生自組聚合排列，以形成複數個改質區域；移除改質層、奈米壓印層、並選擇性移除定向自組裝材料層中部分之改質區域，以形成一第一圖案；以及將第一圖案轉移至硬罩幕層，以形成一圖案化之硬罩幕層。

Description

圖案化方法

本發明係有關於圖案化方法，且特別是有關於一種使半導體基材圖案化的方法。

半導體積體電路工業已歷經快速發展的階段。積體電路材料以及設計在技術上的進步使得每一代生產的積體電路變得比先前生產的積體電路更小且其電路也變得更複雜。在積體電路發展的進程中，功能性密度(例如：每一個晶片區域中內連接裝置的數目)已經普遍增加，而幾何尺寸(例如：製程中所能創造出最小的元件或線路)則是普遍下降。這種微縮化的過程通常可藉由增加生產效率以及降低相關支出提供許多利益，但此種微縮化也增加了積體電路加工和製造上的複雜度，為了實現這樣的進展，積體電路加工和製造上也需要有相同的進步。

舉例來說，微影製程是整個半導體製作流程中很重要的一個關鍵程序，而微影製程中很重要的一個關鍵問題就是縮小關鍵尺寸(Critical Dimension；CD)。然而，在現有微影技術持續發展下，隨著元件的關鍵尺寸(Critical Dimension；CD)日漸縮小，對微影技術的解析度(resolution)要求也越來越高。

就微縮圖案而言，雖然目前已有很多不同的方式可使用，例如，傳統半導體製程使用的黃光微影技術，或是非光學微影技術像是電子束直寫技術(E-beam direct write)、X-ray微影技術、聚焦離子束微影技術等，然而，當尺寸需求越小，設備成本也越高，產量上也有所限制。其他方法如雙重圖案化(double patterning；DP)、多重圖案化(multiple patterning)、微影蝕刻微影蝕刻(Litho Etching Litho Etching；LELE)、浸潤式微影(immersion)、自對準雙重圖案化(self alignment double patterning；SADP)、奈米壓印(nanoimprint lithography；NIL)技術、定向自我組裝(directed self-assembly；DSA)技術等方式，然而，這些方法仍各自有需要克服的缺點，像是多重曝光、製程週期時間、以及機台成本、製作技術等等問題，使得更小的圖形製作面臨挑戰。

因此，目前亟需要一種圖案化方法，能夠用相對簡潔的製程達到微縮圖案的目的，並可大量複製製作出所需的精細圖樣。

在一些實施例中，本發明提供一種圖案化方法，包括：在基材上形成一硬罩幕層；在硬罩幕層上形成一定向自組裝(directed self-assembly；DSA)材料層；在定向自組裝材料層上形成一奈米壓印層；以具有一壓印形成表面之一模板壓印奈米壓印層，以於奈米壓印層上形成一壓印區域及一非壓印區域；於非壓印區域上形成一改質層；提供一能量，使定向自組裝材料層中之高分子材料產生自組聚合排列，以形成複數個改質區域；以及移除改質層、奈米壓印層、並選擇性移除定向自組裝材料層中部分之改質區域，以形成一第一圖案；以及將第一圖案轉移至硬罩幕層，以形成一圖案化之硬罩幕層。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧方法

102-116‧‧‧步驟

200‧‧‧基材

202‧‧‧硬罩幕層

202’‧‧‧圖案化之硬罩幕層

204‧‧‧定向自組裝材料層

204’、204”‧‧‧改質區域

204a‧‧‧接觸表面

206‧‧‧奈米壓印層

208‧‧‧模板

208a‧‧‧壓印形成表面

210‧‧‧壓印區域

212‧‧‧非壓印區域

214‧‧‧改質層

216‧‧‧第一圖案

300‧‧‧能量

第1圖為根據本發明一實施例顯示一圖案化方法的流程圖；以及第2A~2I圖為根據本發明之一實施例顯示一圖案化方法的各製程流程剖面圖。

傳統定向自我組裝(directed self-assembly；DSA)技術，其圖形定義取決於導引圖案(guide pattern)，以引導後續的自我組裝程序，來形成所需圖樣。一般而言，導引圖案(guide pattern)的形成是使用微影技術，且越小的圖形尺寸就需要用到更高階的曝光機台，相對的需提高設備成本。而奈米壓印(nanoimprint lithography；NIL)技術是一種相對簡潔地的圖形定義方式，在轉印過程中只要先製作好特定圖案的模板，即可具有量產的優勢。然而，奈米壓印(NIL)技術在製作更小的圖案時，仍面臨製程週期時間、脫模技術、模具壽命等問題。

本發明提供一種圖案化方法，其利用奈米壓印(NIL)技術以簡潔方式初步定義圖案，並輔以改質層與定向自我組裝(DSA)材料之高分子相互作用的原理，提供一種減少製程步驟，不需要依賴微影技術即可達到圖形定義與微縮圖案的目的。

第1圖為根據本發明一實施例顯示一圖案化方法100的流程圖。此方法包括步驟102，請參照第2A圖，在基材200上形成一硬罩幕層202。在一實施例中，基材200可包括半導體材料、絕緣體材料、導體材料、或前述組合所組成之一層或多層結構。例如，基材200可由擇自於Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、SiC、SiGeC、InAs、和InP所組成的族群中的至少一種半導體材料形成。在另一實施例中，基材200也可包括一絕緣層上矽(silicon on insulator；SOI)。在另一實施例中，基材200也可由多層材料組成，例如：Si/SiGe、Si/SiC。在另一實施例中，基材200可包括絕緣體材料，例如：有機絕緣體、無機絕緣體、或前述組合形成之一層或多層結構。在另一實施例中，基材200也可包括導體材料，例如：多晶矽、金屬、合金、或前述組合形成之一層或多層結構。

硬罩幕層202可包括任何合適的材料像是矽硬罩幕、氮化層，例如：氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、金屬氮化物、多晶矽材料、或前述之組合。硬罩幕層202的形成方法可包括旋轉塗佈法(spin coating)、浸入塗佈法(immersion coating)、滾壓塗佈法、物理氣相沉積法(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)、或其他合適的塗佈法，但不限於此。

接著，進行至步驟104，請參照第2B圖，在硬罩幕層202上形成一定向自組裝(directed self-assembly；DSA)材料層204。定向自組裝材料層204之材料可包括嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene；PS)、聚丁二烯(Polybutadiene)、聚羥基苯乙烯(Polyhydroxystyrene)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、或前述之組合。在一實施例中，嵌段共聚物可包括像是：聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene；PS)、聚丁二烯(Polybutadiene)、聚羥基苯乙烯(Polyhydroxystyrene)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)。定向自組裝材料層204的形成方法可包括旋轉塗佈法(spin coating)、浸入塗佈法(immersion coating)、滾壓塗佈法、或其他合適的塗佈法，但不限於此。

接著，進行至步驟106，請參照第2C圖，在定向自組裝材料層204上形成一奈米壓印層206。奈米壓印層206係指通常被使用於奈米壓印技術(NIL)中的材料，例如可包括：熱塑性聚合物、熱硬化樹脂、光硬化樹脂、環氧硬化樹脂、或前述之組合。其中，熱塑性聚合物可包括擇自由下列群組組成之單體：丙烯酸酯(acrylates)、鄰苯二甲醯胺(phthalamides)、丙烯腈類(acrylonitriles)、纖維素(cellulosics)、苯乙烯(styrenes)、烷類(alkyls)、烷基甲基丙烯酸酯(alkyl methacrylates)、烯類(alkenes)、鹵化烯類(halogenated alkenes)、胺類(amides)、亞醚胺(imides)、芳基醚酮(aryletherketones)、丁二烯(butadienes)、酮類(ketones)、酯類(esters)、縮醛類(acetals)、碳酸酯(carbonates)及前述單體之混合。

在一實施例中，熱塑性聚合物可為聚碳酸酯(polycarbonate)。形成此熱塑性聚合物之單體可擇自下列組成之族群：甲基烷類(methyls)、乙烯類(ethylenes)、丙烯類(propylenes)、甲基丙烯酸甲基酯(methyl methacrylates)、甲基戊烯類(methypentenes)、亞乙烯(vinyludene)、氯亞乙烯(vinyludene chloride)、醚醯亞胺類(etherimides)、乙烯氯化物(ethylenechlorinates)、尿酯(urethanes)、乙烯-乙烯醇(ethylene vinyl alcohols)、氟碳塑膠(fluoroplatics)、碳酸酯(carbonates)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(acrylonitrile-butadiene-styrenes)、二醚酮(etheretherketones)、離子聚合物(ionomers)、丁烯(butylenes)、伸苯基氧化物(phenylene oxides)、碸類(sulfones)、醚碸類(ehtersulfones)、伸苯碸類(phenylene sulfones)、熱塑性彈性體(elastomers)、對苯二甲酸乙二酯(ethylene terephthalate)、對苯二甲酸萘酯(ethylene terephthalate)、萘酸乙二酯(ethylenenaphthalate)及前述之組合。

之後，進行至步驟108，請參照第2D圖，以具有一壓印形成表面208a之一模板208壓印奈米壓印層206。模板208可由剛性或半剛性的材料製成。模板208可包括但不限於：矽、玻璃、二甲基矽氧烷(PDMS)、或金屬。模板208之壓印形成表面208a為具有一奈米尺寸之一壓印圖案，此壓印圖案定義後續於奈米壓印層上所形成的圖案。在一實施例中，壓印圖案之奈米尺寸可介於1000~10nm。壓印圖案可包括像是：孔洞、圓柱、線、片、或前述之組合。應注意的是，雖然第2D圖中僅顯示特定配置的壓印形成表面208a，但可理解的是，依照不同的製程需要，壓印形成表面208a可包括其他合適的配置，例如：位於模板兩側之凹陷壓印形成表面，但不應以此為限。此外，雖未顯示於圖式，模板208之壓印可藉由一壓印工具的行為而控制，此工具可用以將模板208提起或降低以控制模板208的位置及距離。

在一實施例中，於模板208進行壓印的期間，可包括控制一溫度大約介於80~400℃，或例如大約介於100~250℃，使得奈米壓印層206中的材料可由一低黏度狀態達到一高黏度狀態，以允許模板208被移除時在奈米壓印層206上形成所需的圖案。應瞭解的是，控制的溫度隨著奈米壓印層206中的材料改變而有所不同。

於步驟108，奈米壓印層206上形成一壓印區域210及一非壓印區域212，如第2E圖所示。其中，非壓印區域212暴露出定向自組裝材料層204之部分上表面，以利後續步驟之進行。其中，一壓印區域210及一非壓印區域212可隨著模板208之壓印形成表面208a的不同而隨之改變。

接著，進行至步驟110，請參照第2F圖，於非壓印區域212上形成一改質層214。改質層214之材料可包括：含有親水性官能基或疏水性官能基之材料。其中，親水性官能基可包括如：-OH、-COOH、-CONH-、-CONH₂、SO₃H、或其他具備親水性質之材料，而疏水性官能基可包括如：-O-、-Si、-F、苯環、或其他具備疏水性質之材料。在一實施例中，改質層214係用以改變改質層214與定向自組裝材料層204之一接觸表面204a的性質。透過改質層可改變接觸表面204a的性質，例如包括：親水性質、疏水性質、或兩性性質。改質層214的形成方法可包括旋轉塗佈法(spin coating)、浸入塗佈法(immersion coating)、滾壓塗佈法、物理氣相沉積法(PVD)、化學氣相沉積法(CVD)、電漿表面改質、或其他合適的改質法，但不限於此。

接下來，進行至步驟112，請參照第2G圖，提供一能量300，使定向自組裝材料層204中之高分子材料產生自組聚合排列，以形成複數個改質區域204’、204”。其中，提供能量300的方式可包括但不限於：提供光能像是紫外光照射、進行一退火(annealing)像是熱退火(thermal annealing)、熱梯度退火(thermal gradient annealing)、或其他退火方式。提供能量300的方式例如：在一段時間內，例如數分鐘到數小時內，將定向自組裝材料層204加熱至超過其玻璃轉換溫度。

應注意的是，只要能夠使得定向自組裝材料層204中的高分子材料產生起始反應，並沿著改質層之接觸表面產生自組聚合排列，其他合適的能量也可使於本發明。在一實施例中，於提供能量300之期間，可包括控制一溫度大約介於80~400℃，或例如：100~250℃。應瞭解的是，隨著定向自組裝材料層204中的高分子材料不同，所需提供的能量也隨之改變，因此，控制的溫度也隨著定向自組裝材料層204中的高分子材料的不同而可有不同的範圍。

應注意的是，步驟110是在步驟108完成之後，再統一形成改質層214，接著，一次性的提供能量300以使定向自組裝材料層204中的高分子材料產生起始反應。這樣的流程方法可有效的縮短製程時間。

在一實施例中，當提供的能量300使得定向自組裝材料層204中的高分子材料產生起始反應後，改質區域便形成包括具有一第一性質之一第一改質區域204’和具有一第二性質的一第二改質區域204”。其中，第一性質和第二性質可分別獨立地包括親水性質、疏水性質、溫感性質、或酸鹼感應性質，並且，第一性質和第二性質不相同。例如，在一實施例中，當第一性質為親水性質時，第二性質可為疏水性質。或者，例如，在另一實施例中，當第一性質為疏水性質時，第二性質可為親水性質。

在一實施例中，第一改質區域204’係由定向自組裝材料層204中與改質層214接觸之高分子材料沿著改質層214所形成之區域以及位於奈米壓印層206下方規則排列之部分高分子材料所形成之區域所構成，而第二改質區域204”係由定向自組裝材料層204中位於改質層214下方未與改質層接觸之高分子材料所形成之區域以及位於奈米壓印層206下方規則排列之另一部分高分子材料所形成之區域所構成。在另一實施例中，隨著改質層的性質不同，第一改質區域204’與第二改質區域204”的區域可互相調換。

應注意的是，位於奈米壓印層206下方之第一改質區域204’和第二改質區域204”之尺寸可分別小於模板208之壓印形成表面208a之一尺寸。

接著，進行至步驟114，請參照第2H圖，移除改質層214、奈米壓印層206、並選擇性移除定向自組裝材料層204中部分之改質區域204’，以形成一第一圖案216。移除的方法可包括例如蝕刻製程，像是乾式蝕刻、濕式蝕刻、化學機械研磨製程(CMP)、或其他合適的蝕刻製程。於一實施例中，如第2H圖所示，被移除的定向自組裝材料層204中部分之改質區域為具有第一性質的第一改質區域204’，當第一改質區域204’被移除後，留下由第二改質區域204”所定義的一第一圖案216。應注意的是，此第一圖案216之尺寸相當於被移除之第一改質區域204’的尺寸，其可小於模板208之壓印形成表面208a之一尺寸。舉例來說，第一圖案216之尺寸可大約介於1000~5nm。

接下來，進行至步驟116，請參照第21圖，將第一圖案216轉移至硬罩幕層202，以形成一圖案化之硬罩幕層202’。

在其他實施例中，可根據製程需要，視情況在步驟116之後，進一步以圖案化之硬罩幕層202’為罩幕，圖案化基材200，以將第一圖案216轉印至基材200上。

本發明提供一種圖案化方法，其利用奈米壓印(NIL)技術輔以改質層與定向自我組裝(DSA)材料之高分子相互作用的原理，提供一種減少製程步驟，不需要依賴微影技術即可達到圖形定義與微縮目的之新的圖案化方法。

不需要依賴微影技術使得本發明所提供的圖案化方法減少高階曝光機台的使用，在設備與製作成本上與微影技術相比較微低廉。此外，由於光學行為的不確定性，微影技術對於光線的控制有較多的要求，相較之下，本發明所提供的圖案化方法則沒有這方面的限制。本發明所提供的圖案化方法利用奈米壓印(NIL)技術輔以定向自我組裝(DSA)技術的原理，多利用化學反應的控制來達到目的，像是以改質層控制定向自我組裝(DSA)材料層中的高分子之排列情形，相較於微影技術而言是較好掌握的。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧方法

102-116‧‧‧步驟

Claims

一種圖案化方法，包括：在基材上形成一硬罩幕層；在該硬罩幕層上形成一定向自組裝(directed self-assembly；DSA)材料層；在該定向自組裝材料層上形成一奈米壓印層；以具有一壓印形成表面之一模板壓印該奈米壓印層，以於該奈米壓印層上形成一壓印區域及一非壓印區域；於該非壓印區域上形成一改質層；提供一能量，使該定向自組裝材料層中之高分子材料產生自組聚合排列，以形成複數個改質區域；移除該改質層、該奈米壓印層、並選擇性移除該定向自組裝材料層中部分之該些改質區域，以形成一第一圖案；以及將該第一圖案轉移至該硬罩幕層，以形成一圖案化之硬罩幕層。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，更包括以該圖案化之硬罩幕層為罩幕，圖案化該基材。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該非壓印區域暴露出該定向自組裝材料層之部分上表面。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該定向自組裝材料層之材料包括：嵌段共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate；PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene；PS)、聚丁二烯(Polybutadiene)、聚羥基苯乙烯 (Polyhydroxystyrene)、聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane；PDMS)、或前述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該奈米壓印層之材料包括：熱塑性聚合物、熱硬化樹脂、光硬化樹脂、環氧硬化樹脂、或前述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該模板之該壓印形成表面為具有一奈米尺寸之一壓印圖案，其中該奈米尺寸介於1000~10nm。
如申請專利範圍第6項所述之圖案化方法，其中該壓印圖案包括：孔洞、圓柱、線、片、或前述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該改質層之材料包括：含有一親水性官能基或一疏水性官能基之材料，其中該親水性官能基包括：-OH、-COOH、-CONH-、-CONH₂、SO₃H、或其他具備親水性質之材料，其中該疏水性官能基包括：-O-、-Si、-F、苯環、或其他具備疏水性質之材料。
如申請專利範圍第8項所述之圖案化方法，其中該改質層係用以改變該改質層與該定向自組裝材料層之一接觸表面的性質。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該接觸表面的性質包括親水性質、疏水性質、溫感性質、或酸鹼感應性質。
如申請專利範圍第1項所述之圖案化方法，其中該些改質區域包括具有一第一性質之一第一改質區域和具有一第二性質的一第二改質區域。
如申請專利範圍第11項所述之圖案化方法，其中該第一性質和該第二性質分別獨立地包括親水性質、疏水性質、溫感性質、或酸鹼感應性質，其中該第一性質和該第二性質不同。
如申請專利範圍第11項所述之圖案化方法，其中該第一改質區域係由該定向自組裝材料層中與該改質層接觸之高分子材料沿著該改質層所形成之區域以及位於該奈米壓印層下方規則排列之部分高分子材料所形成之區域所構成。
如申請專利範圍第11項所述之圖案化方法，其中該第二改質區域係由該定向自組裝材料層中位於改質層下方未與改質層接觸之高分子材料所形成之區域以及位於該奈米壓印層下方規則排列之另一部分高分子材料所形成之區域所構成。
如申請專利範圍第11項所述之圖案化方法，其中位於該奈米壓印層下方之該第一改質區域和該第二改質區域之尺寸分別小於該模板之該壓印形成表面之一尺寸。