JP2003186191A - レジスト材料及び露光方法 - Google Patents
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Abstract
低い高分子材料を使用することにより、これまで以上の
極微細加工を可能とする。 【解決手段】 レジスト層を選択的に紫外線で露光して
所定の形状にパターニングする露光方法において、上記
レジスト層を構成する高分子材料として、連続して隣り
合う4つの炭素原子に結合した水素原子が全てフッ素原
子により置換されたシクロヘキサン基が導入された高分
子材料を用いる。
Description
において微細加工を行うためのレジスト材料及び露光方
法に関する。
素子の高集積化に伴い、例えば0.1μm以下の極微細
パターンの加工を可能にする新たなプロセス技術の確立
が急務となっている。
ラフィ技術が不可欠であり、露光波長の短波長化により
光学的な解像度を向上し極微細加工に対応するために、
従来の水銀ランプのg線、i線やKrF(クリプトン・
フッ素:波長248nm)及びArF(アルゴン・フッ
素:波長193nm)エキシマレーザによる紫外線によ
るリソグラフィの技術が産業応用なされてきた。これら
の技術は、その波長による解像度の制約から、デザイン
ルール0.13μm以上の素子の作製に適用されてい
る。
子の作製を可能とする新しいリソグラフィの技術を開発
することが急務となっている。このため、従来のリソグ
ラフィ技術で用いられてきた露光光源波長をさらに短波
長化した、波長170nm以下の真空紫外線(VUV:
vacuum ultraviolet)を用いた新しい露光技術の開発が
精力的に進められている。具体的な光源としては、F2
(フッ素ダイマ)エキシマレーザ(波長157nm)を
用いたリソグラフィ技術の開発が、既存のリソグラフィ
技術であるArFリソグラフィの後継として進められて
いる。また、さらに、F2リソグラフィの後継として、
Ar2(アルゴンダイマ)エキシマレーザ(波長126
nm)を用いたリソグラフィ技術が提案されている。
空紫外線(VUV)の波長領域では、レジスト材料とし
てこれまで用いられてきた通常の有機材料は、その光学
的な吸収が大きく、照射した光がレジスト層の下部にま
で到達せずに良好な形状の矩形のレジストパターンを作
製することができず、レジストパターンが劣化するとい
う問題がある。すなわち、例えば既存のレジスト材料を
構成する高分子の主骨格となる、ノボラック樹脂(i線
リソグラフィ用)、ポリヒドロキシスチレン樹脂(Kr
Fリソグラフィ用)、アクリル樹脂(ArFリソグラフ
ィ用)等の樹脂は、真空紫外線の領域での光学的な吸収
が大きく、VUVリソグラフィ用のレジスト材料として
用いることはできないのである。
劣化の対策として、70nm以下程度にレジスト膜厚を
薄くすることによりレジスト層の膜全体での透過率を向
上させていたが、レジスト膜厚が薄いために充分なエッ
チング耐性をとることができないという問題、及び薄膜
化によりレジスト層の欠陥数が増大してしまうという問
題があった。
して、透過率が低くてもパターニングの可能なシリル化
反応等を伴う表面イメージング法が適用されてきたが、
表面イメージング法には、レジストパターンのエッジ部
の荒れが顕著であること、及び寸法制御性が充分ではな
いこと等の問題があった。
みて提案されたものであり、真空紫外線(VUV)の波
長領域での光吸収の低い高分子材料を用いたレジスト材
料を提供することを目的とする。また、本発明は、上記
レジスト材料を使用することによりこれまで以上の極微
細加工が可能な露光方法を提供することを目的とする。
性を維持するための基である芳香族環及び脂環族基のう
ち、より透明な傾向のある脂環族基の真空紫外線の領域
での光吸収をより効率的に低下させる方法に関するもの
である。特に脂環族基として、シクロヘキサン基を用い
た場合の、効率的な光吸収の低下方法に関するものであ
る。
脂環族基としてシクロヘキサン基を有する高分子材料を
含有してなり、上記シクロヘキサン基の連続して隣り合
う4つの炭素原子に結合した水素原子が全てフッ素原子
により置換されていることを特徴とする。
層を選択的に紫外線で露光して所定の形状にパターニン
グする露光方法において、上記レジスト層を構成する高
分子材料として、連続して隣り合う4つの炭素原子に結
合した水素原子が全てフッ素原子により置換されたシク
ロヘキサン基が導入された高分子材料を用いることを特
徴とする。
原子に結合した水素原子が全てフッ素原子に置換されて
なるシクロヘキサン基を有する特定の高分子材料を用い
ることにより、充分透明な脂環族基が得られ、密着性及
びエッチング耐性の劣化を抑えつつ真空紫外線の領域で
光吸収の小さいレジスト材料を得ることが可能となる。
このようなレジスト材料を用いて露光して所定の形状に
パターニングすることで、良好な矩形のレジストパター
ンが得られる。
ト材料を構成する高分子材料中には、エッチング耐性を
維持するため、芳香族環若しくは脂環族基が導入されて
いる。すなわち、i線用リソグラフィ用の樹脂であるノ
ボラック樹脂、及び、KrFリソグラフィ用の樹脂であ
るポリヒドロキシスチレン樹脂は、いずれも芳香族環を
有する樹脂であり、また、ArFリソグラフィ用のアク
リル樹脂には、芳香族環がArFリソグラフィの露光波
長である193nmに大きな吸収を有するため芳香族環
に代わり脂環族基が導入されている。しかしながら、こ
れらの芳香族環及び脂環族基は、真空紫外線の領域では
大きな光吸収を有し、そのままVUVリソグラフィ用の
レジスト材料を構成する高分子材料に含有させることが
できない。
水素原子をフッ素原子に置換すると、置換された芳香族
環及び脂環族基は、無置換の場合よりも、より真空紫外
線の領域での光吸収が減少することが知られている。真
空紫外線の領域での光吸収を低下させるという見地のみ
から考えた場合、芳香族環及び脂環族基に含有される全
ての水素原子をフッ素原子に置換することが最も望まし
いのであるが、パーフロロ化された有機材料は、レジス
ト層の下地となる酸化シリコン膜、有機若しくは無機反
射防止膜等との密着性が著しく劣化し、レジスト材料と
して用いるには不適当である。すなわち、密着性低下を
回避するという観点からは、芳香族環及び脂環族基に含
有される水素原子をフッ素原子で置換する比率をなるべ
く抑えることが望ましい。また、有機材料には、これに
含有される水素原子をフッ素原子で置換する比率が上昇
するほど、エッチング耐性が劣化するという傾向があ
り、この観点からも、芳香族環及び脂環族基に含有され
る水素原子をフッ素原子で置換する比率をなるべく抑え
ることが望ましい。
材料及び露光方法について、図面を参照しながら詳細に
説明する。
おける極微細パターンの加工に応用されるものであり、
具体的には、基板上に感光作用を有するレジスト材料を
塗布してレジスト層を形成する工程と、レジスト層を真
空紫外線で選択的に露光して感光される工程と、レジス
ト層を現像によって所定のパターンにする工程とからな
る。
の真空紫外線を使用することができるが、特に、特定の
波長(110nm〜170nm)の真空紫外線を使用す
ることで、これまで以上の解像性能が得られる。さらに
望ましくは、露光波長が120nm〜165nmの範囲
にあるとより好適である。具体的には、F2(フッ素ダ
イマ)エキシマレーザを光源とした波長157nmや、
Ar2(アルゴンダイマ)エキシマレーザを光源とした
波長126nmの真空紫外線を使用できる。
シクロヘキサン基を含む高分子材料であり、例えばシク
ロヘキサン基を含むノボラック樹脂、シクロヘキサン基
を含むポリヒドロキシスチレン樹脂、シクロヘキサン基
を含むアクリル樹脂、シクロヘキサン基を含むシロキサ
ン樹脂、シクロヘキサン基を含むシルセスキオキサン樹
脂、シクロヘキサン基を含むポリシクロオレフィン樹脂
等を基本骨格とするものである。
有されるシクロヘキサン基として、このシクロヘキサン
基の中の連続して隣り合う4つの炭素原子に結合した水
素原子が全てフッ素原子に置換されてなるシクロヘキサ
ン基を用いる。
は、レジスト層全体の露光用の真空紫外線の波長におけ
る吸収係数が5μm−1以下となる範囲で、他の基、例
えばアルキル基、フッ素原子以外のハロゲン原子、アミ
ノ基、ニトロ基、メチレン基及びその誘導体等で置換さ
れていてもよい。また、シクロヘキサン基の残りの水素
原子のうちの2以上がフッ素原子以外の置換基により置
換されている場合、これら置換基は異なっていても同一
であってもよく、互いに結合していてもよい。さらに、
これら置換基は互いに結合していてもよい。
て、これらシクロヘキサン基を含む高分子材料単独を使
用しても良いし、場合により、露光感度向上のための光
酸発生剤、現像特性向上のための溶解抑制剤、解像特性
のための架橋剤等をいずれか若しくは全てを添加しても
良い。これらの添加剤は、レジスト層全体の露光用の真
空紫外線の波長における吸収係数が5μm−1以下とな
る範囲で、どのような分率で含有させても良い。ただ
し、好ましくは、レジスト層に使用する高分子材料に対
する重量比で、25%以下である。これ以上含有させる
と、レジスト材料全体としての解像性能が低下する場合
がある。
光照射により化学反応を生じ、もって解像性能をもたら
すためのエステル基、フェノール基、アルコール基、カ
ルボキシル基、フッ化エステル基、フッ化フェノール
基、フッ化アルコール基、フッ化カルボキシル基等、若
しくはこれらの基の誘導体よりなる基が含有されていて
も良いし、また、これらの基が含有されていない場合
は、シクロヘキサン基自体の光照射による化学反応、ま
たは、高分子材料の主骨格における光照射による化学反
応を利用して、解像性能を得ても良い。
コン等からなる基板との間に、有機若しくは無機の反射
防止膜、又はハードマスク等、シリコン若しくは酸化シ
リコン以外の材料よりなる膜があってもよい。
好ましくは100nm以上である。これにより、エッチ
ング耐性を確実に確保し、欠陥の少ない良質なレジスト
層となる。レジスト層の膜厚が70nm以下であって
も、本発明による材料を用いることによりレジスト層の
パターニングは勿論可能であるが、レジスト層のパター
ニングの後工程であるエッチングの工程において、レジ
スト層の膜厚が薄すぎるため良好なエッチングができな
くなるおそれがある。
基が、そうではないシクロヘキサン基に比べてより透明
となる理由を、以下に説明する。本発明によるフッ化さ
れたシクロヘキサン基の例として、1,1,2,2,
3,3,4,4−オクタフロロシクロヘキサンを、そう
ではないシクロヘキサン基の例として、1,1,2,
2,3,3,5,5−オクタフロロシクロヘキサン及び
1,1,2,2,4,4,5,5−オクタフロロシクロ
ヘキサンを採用する。
ーを、理論計算により導出した。計算は、各々の分子の
構造最適化を、先ず、ab initio分子軌道法を
適用して行った。これにより、各々の分子の最適化構造
を得た。なお、ab initio分子軌道法として
は、Hartree−Fock法を用い、計算に必要な
基底関数としては、6−31G*基底関数(参考文献:
P.C.Hariharan、 J.A.Pople、
Theoret.Chim.Acta、28、197
3、213、及びM.M.Francl、W.J.Pe
tro、W.J.Herhre、J.S.Binkle
y、M.S.Gordon、D.J.DeFree、
J.A.Pople、J.Phys.Chem.、7
7、1982、3654)を用いた。
b initio分子軌道法の一種である密度汎関数法
を適用して、各種分子の吸収スペクトルの理論計算を行
った。密度汎関数法の計算では、Vosko−Wilk
−Nusairの相関ポテンシャル(参考文献:S.
H.Vosko、L.Wilk、M.Nusair、C
an.J.Phys.、58、1980、1200)を
適用した。また、用いた基底関数は、DZ基底関数(参
考文献:T.H.Dunning Jr.、 J.Ch
em.Phys.、53、1970、2823)にRy
dberg基底関数(参考文献:T.H.Dunnin
g Jr.、P.J.Harrison、In Mod
ern Theoretical Chemistr
y、Vol.2、Ed.:H.F.Schaefer
III、Plenum Press、New Yor
k、1977)を付加したものである。また、吸収スペ
クトル計算に当たっては、時間依存密度汎関数理論(参
考文献:R.Bauernschmitt、R.Ahl
richs、Chem.Phys.Lett.、25
6、1996、454、及びM.E.Casida、
C.Jamorski、K.C.Casida、D.
R.Salahub、J.Chem.Phys.、10
8、1998、4439)を適用した。
び密度汎関数計算のいずれとも、プログラムGauss
ian 98(Gaussian 98、Revisi
onA.7、M.J.Frisch、G.W.Truc
ks、H.B.Schlegel、G.E.Scuse
ria、M.A.Robb、J.R.Cheesema
n、V.G.Zakrzewski、J.A.Mont
ogomery Jr.、R.E.Stratman
n、J.C.Burant、S.Dappich、J.
M.Millam、A.D.Daniels、K.N.
Kudin、M.C.Strain、O.Farka
s、J.Tomasi、V.Barone、M.Cos
si、R.Cammi、B.Mennucci、C.P
omelli、C.Adamo、S.Cliffor
d、J.Ochterski、G.A.Peterss
on、P.Y.Ayala、Q.Cui、K.Moro
kuma、D.K.Malick、A.D.Rabuc
k、K.Raghavachari、J.B.Fore
sman、J.Cioslowski、J.V.Ort
iz、A.G.Baboul、B.B.Stefano
v、G.Liu、A.Liashenko、P.Pis
korz、I.Komaromi、R.Gompert
s、R.L.Martin、D.J.Fox、T.Ke
ith、M.A.Al−Laham、C.Y.Pen
g、A.Nanayakkara、C.Gonzale
z、M.Challacombe、P.M.W.Gil
l、B.Johnson、W.Chen、M.W.Wo
ng、J.L.Andres、C.Gonzalez、
M.Head−Gordon、E.S.Replogl
e、J.A.People、Gaussian,In
c., PittsburghPA、1988)を用い
て行った。使用した計算機は、ダイキン工業株式会社製
ワークステーション(COMTEC Octaneワー
クステーション)である。
2,3,3,4,4−オクタフロロシクロヘキサン、
1,1,2,2,3,3,5,5−オクタフロロシクロ
ヘキサン、及び1,1,2,2,4,4,5,5−オク
タフロロシクロヘキサンの真空紫外線の領域での吸収ス
ペクトルを計算した結果を図1に示す。
2,3,3,5,5−オクタフロロシクロヘキサン及び
1,1,2,2,4,4,5,5−オクタフロロシクロ
ヘキサンに比べ、1,1,2,2,3,3,4,4−オ
クタフロロシクロヘキサンの吸収ピークは、真空紫外線
の領域、特に波長150nm〜160nm付近でより小
さい値を示した。この結果から、シクロヘキサンの中の
連続して隣り合う4つの炭素原子に結合した水素原子を
全てフッ素原子に置換することによって、シクロヘキサ
ンの真空紫外線の領域での光吸収を大きく低下させるこ
とが可能であることがわかる。
いて、実験結果に基づいて説明する。
フロロシクロヘキサン、1,1,2,2,3,3,5,
5−オクタフロロシクロヘキサン、及び1,1,2,
2,4,4,5,5−オクタフロロシクロヘキサンの真
空紫外線の領域での吸収スペクトルの実測を行った。吸
収スペクトルの測定装置は、自家製作の装置であり、光
源は重水素ランプ(30W)であり、光源光学系には、
MgF2レンズを用いた。分光器部としては、刻線数1
200本/mm(MgF2コーティング)の凹面回折格
子を使用した。逆線分数は約4nmであり、波長測定範
囲は、125nm〜300nmである。真空に保たれた
試料室部は、セミダブルビーム測定可能であり、MgF
2の窓付きガスセルが設置されている。このガスセル内
に温度、圧力とも制御された試料分子のガスを導入する
ことにより測定を行った。集光鏡はトロイダル鏡であ
る。試料室の真空部の圧力は、4×10−5Torr程
度である。検出器としては、日本分光製6199型フォ
トマルを用いた。
1,1,2,2,3,3,4,4−オクタフロロシクロ
ヘキサン、1,1,2,2,3,3,5,5−オクタフ
ロロシクロヘキサン、及び1,1,2,2,4,4,
5,5−オクタフロロシクロヘキサンの吸光度の相対値
を表1に示す。なお、表1では、1,1,2,2,4,
4,5,5−オクタフロロシクロヘキサンの吸光度を1
として規格化して示した。
2,3,3,4,4−オクタフロロシクロヘキサンの吸
光度は、本発明によらない1,1,2,2,3,3,
5,5−オクタフロロシクロヘキサン及び1,1,2,
2,4,4,5,5−オクタフロロシクロヘキサンに比
べて確かに低下していることがわかる。
外線の領域での光吸収を効率的に低下させることが可能
となり、例えば0.1μm以下の極微細パターンの加工
を可能とする新たなプロセス技術のためのレジスト材料
を提供することが可能となるのである。
キサン基として無置換のシクロヘキサンを例に挙げて説
明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例え
ばその他のシクロヘキサン(モノメチルシクロヘキサ
ン)基等についても、適用可能である。すなわち、本発
明は上記の記載に限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
領域での光吸収を効率的に低下させることが可能とな
り、これにより形状の良好なレジストパターンが得られ
るため、例えば0.1μm以下の極微細パターンを実現
する等、これまで以上の極微細加工が可能となる。
ロシクロヘキサン、1,1,2,2,3,3,5,5−
オクタフロロシクロヘキサン、及び1,1,2,2,
4,4,5,5−オクタフロロシクロヘキサンについ
て、密度汎関数法を用いて真空紫外線の領域での吸収ス
ペクトルを計算した結果を示す特性図である。
Claims (23)
- 【請求項1】 脂環族基としてシクロヘキサン基を有す
る高分子材料を含有してなり、上記シクロヘキサン基の
連続して隣り合う4つの炭素原子に結合した水素原子が
全てフッ素原子により置換されていることを特徴とする
レジスト材料。 - 【請求項2】 上記シクロヘキサン基の残りの水素原子
のうち1以上の水素原子が、フッ素原子以外の置換基に
より置換されていることを特徴とする請求項1記載のレ
ジスト材料。 - 【請求項3】 上記シクロヘキサン基の残りの水素原子
のうちの2以上の水素原子が、フッ素原子以外の置換基
により置換されていることを特徴とする請求項2記載の
レジスト材料。 - 【請求項4】 上記置換基が同一の置換基であることを
特徴とする請求項3記載のレジスト材料。 - 【請求項5】 上記置換基がメチレン基又はその誘導体
であることを特徴とする請求項3記載のレジスト材料。 - 【請求項6】 上記置換基が異なる置換基であることを
特徴とする請求項3記載のレジスト材料。 - 【請求項7】 上記置換基が互いに結合していることを
特徴とする請求項3記載のレジスト材料。 - 【請求項8】 上記高分子材料は、ノボラック樹脂、ポ
リヒドロキシスチレン樹脂、アクリル樹脂、シロキサン
樹脂、シルセスキオキサン樹脂、ポリシクロオレフィン
樹脂から選ばれる少なくとも1種を基本骨格として含む
ことを特徴とする請求項1記載のレジスト材料。 - 【請求項9】 上記高分子材料は、光照射により化学反
応を生ずる基を含有することを特徴とする請求項1記載
のレジスト材料。 - 【請求項10】 光酸発生剤、溶解抑制剤、架橋剤から
選ばれる少なくとも1種を添加剤として含有することを
特徴とする請求項1記載のレジスト材料。 - 【請求項11】 上記添加剤の含有量が25重量%以下
であることを特徴とする請求項10記載のレジスト材
料。 - 【請求項12】 上記高分子材料の真空紫外線波長にお
ける吸収係数が5μm −1以下であることを特徴とする
請求項1記載のレジスト材料。 - 【請求項13】 真空紫外線波長における吸収係数が5
μm−1以下であることを特徴とする請求項1記載のレ
ジスト材料。 - 【請求項14】 レジスト層を選択的に紫外線で露光し
て所定の形状にパターニングする露光方法において、上
記レジスト層を構成する高分子材料として、連続して隣
り合う4つの炭素原子に結合した水素原子が全てフッ素
原子により置換されたシクロヘキサン基が導入された高
分子材料を用いることを特徴とする露光方法。 - 【請求項15】 上記高分子材料は、ノボラック樹脂、
ポリヒドロキシスチレン樹脂、アクリル樹脂、シロキサ
ン樹脂、シルセスキオキサン樹脂、ポリシクロオレフィ
ン樹脂から選ばれる少なくとも1種を基本骨格として含
むことを特徴とする請求項14記載の露光方法。 - 【請求項16】 上記高分子材料は、光照射により化学
反応を生ずる基を含有することを特徴とする請求項14
記載の露光方法。 - 【請求項17】 上記レジスト層は、光酸発生剤、溶解
抑制剤、架橋剤から選ばれる少なくとも1種を添加剤と
して含有することを特徴とする請求項14記載の露光方
法。 - 【請求項18】 上記添加剤の含有量が25重量%以下
であることを特徴とする請求項17記載の露光方法。 - 【請求項19】 上記高分子材料の真空紫外線波長にお
ける吸収係数が5μm −1以下であることを特徴とする
請求項14記載の露光方法。 - 【請求項20】 上記レジスト層の真空紫外線波長にお
ける吸収係数が5μm −1以下であることを特徴とする
請求項14記載の露光方法。 - 【請求項21】 上記紫外線として真空紫外線を用いる
ことを特徴とする請求項14記載の露光方法。 - 【請求項22】 上記真空紫外線の波長が110nm〜
170nmであることを特徴とする請求項21記載の露
光方法。 - 【請求項23】 上記真空紫外線の光源として、フッ素
ダイマエキシマレーザを用いることを特徴とする請求項
21記載の露光方法。
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