JP2016216367A - 有機膜材料、有機膜形成方法、パターン形成方法、及び化合物 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明の有機膜形成方法であれば、被加工基板上に十分に硬化し、かつ、平坦な有機膜を形成することができる。
また、本発明のパターン形成方法であれば、多層レジストプロセスにおいて、被加工基板に微細なパターンを高精度で形成することができる。
本発明の化合物は、下記一般式(1)で示されるものである。
本発明の有機膜材料に用いられる化合物を得る手段としては、下記一般式(8)で示されるようなエポキシ化合物と(Q1−COOH)で示されるカルボン酸化合物(モノカルボン酸)との付加反応により得る方法が挙げられる。なお、Q1は上記と同様である。
本発明の有機膜材料は、下記一般式(1)で示される化合物を含むものである。
本発明では、上述の有機膜材料を用い、リソグラフィーで用いられる多層レジスト膜のレジスト下層膜又は半導体製造用平坦化膜として機能する有機膜を形成する方法を提供する。
ベーク中の雰囲気としては空気中でもよいし、N2、Ar、He等の不活性ガスを封入してもよい。また、ベーク温度等は、上記と同様とすることができる。
本発明では、このような有機膜材料を用いた3層レジストプロセスによるパターン形成方法として、被加工基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、被加工基板上に本発明の有機膜材料を用いてレジスト下層膜を形成し、該レジスト下層膜上にケイ素原子を含有するレジスト中間層膜材料を用いてレジスト中間層膜(ケイ素含有レジスト中間層膜)を形成し、該レジスト中間層膜上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して多層レジスト膜とし、前記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して前記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、該得られたレジストパターンをエッチングマスクにして前記レジスト中間層膜をエッチングしてレジスト中間層膜パターンを形成し、該得られたレジスト中間層膜パターンをエッチングマスクにして前記レジスト下層膜をエッチングしてレジスト下層膜パターンを形成し、さらに、該得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして前記被加工基板をエッチングして前記被加工基板にパターンを形成するパターン形成方法を提供する。
また、露光光としては、波長300nm以下の高エネルギー線、具体的には248nm、193nm、157nmのエキシマレーザー、3〜20nmの軟X線、電子ビーム、X線等を挙げることができる。
なお、被加工基板としては、特に限定されるものではなく、Si、α−Si、p−Si、SiO2、SiN、SiON、W、TiN、Al等の基板や、該基板上に被加工層が成膜されたもの等が用いられる。被加工層としては、Si、SiO2、SiON、SiN、p−Si、α−Si、W、W−Si、Al、Cu、Al−Si等種々のLow−k膜及びそのストッパー膜が用いられ、通常50〜10,000nm、特に100〜5,000nmの厚さに形成し得る。なお、被加工層を成膜する場合、基板と被加工層とは、異なる材質のものが用いられる。
3層レジストプロセスの場合、図1(A)に示したように、基板1の上に積層された被加工層2上に本発明の有機膜材料を用いてレジスト下層膜3を形成した後、レジスト中間層膜4を形成し、その上にレジスト上層膜5を形成する。
なお、分子量の測定法は具体的に下記の方法により行った。テトラヒドロフランを溶離液としたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)を求め、分散度(Mw/Mn)を求めた。
(E−1)EXA−830LVP(DIC(株)製)エポキシ当量:160
(E−2)4,4’−メチレンビス(N,N−ジグリシジルアニリン):エポキシ当量:106
(E−3)EXA−1514(DIC(株)製)エポキシ当量:300
(E−4)PG−100(大阪ガスケミカル(株)製)エポキシ当量:260
(E−5)2,2’−ジグリシジルオキシ−1,1’−ビナフタレン:エポキシ当量:232
(E−6)HP−4770(DIC(株)製)エポキシ当量:204
(E−7)HP−4700(DIC(株)製)エポキシ当量:162
(E−8)CG−500(大阪ガスケミカル(株)製)エポキシ当量:310
(E−9)HP−6000(DIC(株)製)エポキシ当量:245
(C−2)イソステアリン酸
(C−3)4−ヒドロキシ安息香酸
(C−4)9−アントラセンカルボン酸
(C−5)3−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸
(C−6)6−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸
(C−7)6−メトキシ−2−ナフトエ酸
(C−8)6−プロパルギル−2−ナフトエ酸
GPCにより重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn)を求めたところ、以下のような結果となった。
(A−1): Mw=750、Mw/Mn=1.05
表1に示されるエポキシ化合物、カルボン酸化合物を使用した以外は、合成例1と同じ反応条件で、表2〜表4に示されるような化合物(A−2)〜(A−19)を生成物として得た。これらの化合物の重量平均分子量(Mw)及び分散度(Mw/Mn)を求め、表2〜表4に示した。
GPCにより重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn)を求めたところ、以下のような結果となった。
(R−1): Mw=6900、Mw/Mn=5.53
GPCにより重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn)を求めたところ、以下のような結果となった。
(R−2): Mw=1800、Mw/Mn=3.33
GPCにより重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn)を求めたところ、以下のような結果となった。
(R−3): Mw=3000、Mw/Mn=2.65
上記化合物(A−1)〜(A−19)、(R−1)〜(R−3)、架橋剤(CR−1)、酸発生剤(AG−1)、溶剤を、FC−4430(住友スリーエム(株)製)0.1質量%を含む溶媒中に表5に示す割合で溶解させ、0.1μmのフッ素樹脂製のフィルターで濾過することによって有機膜材料(UDL−1〜24、比較UDL−1〜3)をそれぞれ調製した。
上記で調製した有機膜材料(UDL−1〜24、比較UDL−1〜3)をシリコン基板上に塗布し、表6に記載の条件で焼成した後、膜厚を測定し、その上にPGMEA溶媒をディスペンスし、30秒間放置しスピンドライ、100℃で60秒間ベークしてPGMEAを蒸発させ、膜厚を測定しPGMEA処理前後の膜厚差を求めた。また、形成した有機膜(レジスト下層膜)について、J.A.ウーラム社の入射角度可変の分光エリプソメーター(VASE)で波長193nmにおける屈折率(n,k)を求め、その結果を表6に示した。
上記と同様に有機膜を形成し、下記条件でCF4/CHF3系ガスでのエッチング試験を行った。
エッチング条件
チャンバー圧力 40.0Pa
RFパワー 1,300W
CHF3ガス流量 30ml/min
CF4ガス流量 30ml/min
Arガス流量 100ml/min
時間 60sec
図2のように、上記の有機膜材料をそれぞれ、密集ホールパターン(ホール直径0.16μm、ホール深さ0.50μm、隣り合う二つのホールの中心間の距離0.32μm)を有するSiO2ウエハー基板上に塗布し、ホットプレートを用いて150℃で60秒間加熱し、有機膜8を形成した。使用した基板は図2(G)(俯瞰図)及び(H)(断面図)に示すような密集ホールパターンを有する下地基板7(SiO2ウエハー基板)である。得られた各ウエハー基板の断面形状を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、ホール内部にボイド(空隙)なく、有機膜で充填されているかどうかを確認した。結果を表8に示す。埋め込み特性に劣る有機膜材料を用いた場合は、本評価において、ホール内部にボイドが発生する。埋め込み特性が良好な有機膜材料を用いた場合は、本評価において、図2(I)に示されるようにホール内部にボイドなく有機膜が充填される。
上記の有機膜材料をそれぞれ、巨大孤立トレンチパターン(図3(J)、トレンチ幅10μm、トレンチ深さ0.50μm)を有する下地基板9(SiO2ウエハー基板)上に塗布し、表9に記載の条件で焼成した後、トレンチ部分と非トレンチ部分の有機膜10の膜厚の差(図3(K)中のdelta 10)を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。結果を表9に示す。本評価において、膜厚の差が小さいほど、平坦化特性が良好であるといえる。なお、本評価では、深さ0.50μmのトレンチパターンを、通常膜厚約0.3μmの有機膜材料を用いて平坦化しており、平坦化特性の優劣を評価するために、特殊な厳しい評価条件となっている。
有機膜材料(UDL−1〜24)を、それぞれ、トレンチパターン(トレンチ幅10μm、トレンチ深さ0.10μm)を有するSiO2ウエハー基板上に塗布し、表12に記載の条件で焼成することにより、有機膜(レジスト下層膜)を形成した。その上にレジスト中間層膜材料SOG1を塗布して200℃で60秒間ベークして膜厚35nmのレジスト中間層膜を形成し、その上にレジスト上層膜材料のArF用単層レジストを塗布し、105℃で60秒間ベークして膜厚100nmのフォトレジスト膜を形成した。フォトレジスト膜上に液浸保護膜材料(TC−1)を塗布し90℃で60秒間ベークし膜厚50nmの保護膜を形成した。
チャンバー圧力 10.0Pa
RFパワー 1,500W
CF4ガス流量 75sccm
O2ガス流量 15sccm
時間 15sec
チャンバー圧力 2.0Pa
RFパワー 500W
Arガス流量 75sccm
O2ガス流量 45sccm
時間 120sec
チャンバー圧力 2.0Pa
RFパワー 2,200W
C5F12ガス流量 20sccm
C2F6ガス流量 10sccm
Arガス流量 300sccm
O2 60sccm
時間 90sec
3…レジスト下層膜、 3a…レジスト下層膜パターン、 4…レジスト中間層膜、
4a…レジスト中間層膜パターン、 5…レジスト上層膜、
5a…レジストパターン、 6…所用部分、
7…密集ホールパターンを有する下地基板、 8…有機膜、
9…巨大孤立トレンチパターンを有する下地基板、 10…有機膜、
delta 10…トレンチ部分と非トレンチ部分の有機膜の膜厚の差。
(C−2)イソステアリン酸
(C−3)4−ヒドロキシ安息香酸
(C−4)9−アントラセンカルボン酸
(C−5)3−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸
(C−6)6−ヒドロキシ−2−ナフトエ酸
(C−7)6−メトキシ−2−ナフトエ酸
(C−8)6−プロパルギルオキシ−2−ナフトエ酸
Claims (16)
- 下記一般式(1)で示される化合物を含むものであることを特徴とする有機膜材料。
- 前記一般式(1)で示される化合物が分子内に2個以上のQ1を有し、かつ、前記Q1として下記一般式(6)で示される構造及び下記一般式(7)で示される構造をそれぞれ1種以上含むものであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の有機膜材料。
- 前記有機膜材料が、さらに、(A)酸発生剤、(B)架橋剤、(C)界面活性剤、(D)有機溶媒のうち1種以上を含有するものであることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の有機膜材料。
- 前記有機膜材料が、レジスト下層膜材料又は半導体装置製造用平坦化材料として用いられるものであることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の有機膜材料。
- リソグラフィーで用いられる多層レジスト膜のレジスト下層膜又は半導体製造用平坦化膜として機能する有機膜の形成方法であって、被加工基板上に請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の有機膜材料をコーティングし、該有機膜材料を100℃以上600℃以下の温度で、10秒〜600秒間の範囲で熱処理することによって硬化膜を形成することを特徴とする有機膜形成方法。
- リソグラフィーで用いられる多層レジスト膜のレジスト下層膜又は半導体製造用平坦化膜として機能する有機膜の形成方法であって、被加工基板上に請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の有機膜材料をコーティングし、該有機膜材料を、酸素濃度0.1%以上21%以下の雰囲気中で焼成することによって硬化膜を形成することを特徴とする有機膜形成方法。
- 前記被加工基板として、高さ30nm以上の構造体又は段差を有する被加工基板を用いることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の有機膜形成方法。
- 被加工基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、被加工基板上に請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の有機膜材料を用いてレジスト下層膜を形成し、該レジスト下層膜上にケイ素原子を含有するレジスト中間層膜材料を用いてレジスト中間層膜を形成し、該レジスト中間層膜上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して多層レジスト膜とし、前記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して前記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、該得られたレジストパターンをエッチングマスクにして前記レジスト中間層膜をエッチングしてレジスト中間層膜パターンを形成し、該得られたレジスト中間層膜パターンをエッチングマスクにして前記レジスト下層膜をエッチングしてレジスト下層膜パターンを形成し、さらに、該得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして前記被加工基板をエッチングして前記被加工基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
- 前記レジスト中間層膜をエッチングマスクにして行う前記レジスト下層膜のエッチングを、酸素ガス又は水素ガスを主体とするエッチングガスを用いて行うことを特徴とする請求項10に記載のパターン形成方法。
- 被加工基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、被加工基板上に請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の有機膜材料を用いてレジスト下層膜を形成し、該レジスト下層膜上にケイ素酸化膜、ケイ素窒化膜、及びケイ素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間膜を形成し、該無機ハードマスク中間膜上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して多層レジスト膜とし、前記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して前記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、該得られたレジストパターンをエッチングマスクにして前記無機ハードマスク中間膜をエッチングして無機ハードマスク中間膜パターンを形成し、該得られた無機ハードマスク中間膜パターンをエッチングマスクにして前記レジスト下層膜をエッチングしてレジスト下層膜パターンを形成し、さらに、該得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして前記被加工基板をエッチングして前記被加工基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
- 被加工基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、被加工基板上に請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の有機膜材料を用いてレジスト下層膜を形成し、該レジスト下層膜上にケイ素酸化膜、ケイ素窒化膜、及びケイ素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間膜を形成し、該無機ハードマスク中間膜上に有機反射防止膜を形成し、該有機反射防止膜上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して多層レジスト膜とし、前記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して前記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、該得られたレジストパターンをエッチングマスクにして前記有機反射防止膜と前記無機ハードマスク中間膜をエッチングして無機ハードマスク中間膜パターンを形成し、該得られた無機ハードマスク中間膜パターンをエッチングマスクにして前記レジスト下層膜をエッチングしてレジスト下層膜パターンを形成し、さらに、該得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして前記被加工基板をエッチングして前記被加工基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
- 前記無機ハードマスク中間膜を、CVD法又はALD法によって形成することを特徴とする請求項12又は請求項13に記載のパターン形成方法。
- 前記被加工基板として高さ30nm以上の構造体又は段差を有する被加工基板を用いることを特徴とする請求項10から請求項14のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
- 下記一般式(1)で示されるものであることを特徴とする化合物。
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