KR101863634B1 - Self-crosslinking polymer, resist under-layer composition including the same, and method for forming pattern using the same - Google Patents

Self-crosslinking polymer, resist under-layer composition including the same, and method for forming pattern using the same Download PDF

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Abstract

반도체 리소그래피 공정에 이용되는 자가 가교형 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법이 개시된다. 상기 자가 가교형 고분자는 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함한다.
[화학식 1]

Figure 112011080077952-pat00024

상기 화학식 1에서, Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴(aryl)기이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다.A self-crosslinking polymer used in a semiconductor lithography process, a resist underlayer film composition comprising the same, and a pattern forming method using the same. The self-crosslinking polymer includes a repeating unit represented by the following formula (1).
[Chemical Formula 1]
Figure 112011080077952-pat00024

Wherein Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is the number of hydroxyl groups (-OH) substituted in Ar, And b is an integer of 1 to 3 as the number of carbonyl groups (-COR) substituted on Ar.

Description

자가 가교형 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법{Self-crosslinking polymer, resist under-layer composition including the same, and method for forming pattern using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a self-crosslinking polymer, a resist underlayer film composition containing the self-crosslinking polymer, and a pattern forming method using the self-crosslinking polymer,

본 발명은 자가 가교형 고분자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 반도체 리소그래피(lithography) 공정에 이용되는 자가 가교형(self-crosslinking) 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a self-crosslinking polymer used in a semiconductor lithography process, a resist underlayer film composition containing the self-crosslinking polymer, and a pattern forming method using the self-crosslinking polymer will be.

최근, 대규모 집적회로(large scale integrated circuit: LSI)의 고집적화 및 고속도화에 수반하여, 반도체 패턴이 더욱 미세화되고 있으며, 현재 범용 기술로서 사용되는 광 노광을 이용한 리소그래피(lithography)에서는, 광원의 파장에 유래하는 본질적인 해상도 한계에 근접하고 있다. 레지스트 패턴 형성에 사용되는 리소그래피용 광원으로는, 수은 램프를 이용하는 g-선(line)(436nm), i-선(365nm)이 널리 사용되었으며, 패턴의 미세화를 위하여, 최근에는 KrF 익사이머 레이저(excimer laser)(248nm), ArF 익사이머 레이저(193nm) 등의 단파장 광원이 사용되고 있다.
2. Description of the Related Art In recent years, along with the increase in integration and speed of a large scale integrated circuit (LSI), semiconductor patterns have become finer, and lithography using light exposure, which is currently used as general purpose technology, Lt; RTI ID = 0.0 > resolution. ≪ / RTI > As a light source for lithography used for forming a resist pattern, g-line (436 nm) and i-line (365 nm) using a mercury lamp have been widely used. Recently, KrF excimer laser excimer laser (248 nm), and ArF excimer laser (193 nm).

또한, 반도체 디바이스의 소형화 및 집적화에 수반하여, 패턴의 크기가 작아짐에 따라, 포토레지스트 패턴의 쓰러짐 현상을 방지하기 위해, 포토레지스트 막 및 패턴의 두께가 점차 얇아지고 있다. 그러나, 얇아진 포토레지스트 패턴을 사용하여 피식각층을 식각(etch)하기 어렵기 때문에, 포토레지스트와 피식각층 사이에 식각 내성이 강한 무기물막 혹은 유기물막을 도입하게 되었고, 이 막을 통상 하층막 또는 하드마스크라 한다. 또한, 포토레지스트 패턴을 이용하여 하층막을 식각하여 패터닝한 후, 하층막의 패턴을 이용하여 피식각층을 식각하는 공정을 하층막 공정이라고 하기도 한다. 상기 하층막 공정에 이용되는 무기물 하층막은 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥시나이트라이드, 폴리실리콘, 티타늄 나이트라이드, 무정형 탄소(amorphous carbon) 등으로 이루어지며, 통상적으로 화학증기증착(chemical vapor deposition: CVD)법으로 형성된다. 상기 화학증기증착법에 의해 생성된 하층막은 식각 선택성이나 식각 내성이 우수하지만, 파티클(particle) 문제, 초기 설비 투자비 문제 등의 몇 가지 문제점이 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 상기 증착식 하층막 대신에, 스핀 도포가 가능한 유기물 하층막이 연구되고 있다.
In addition, with the miniaturization and integration of semiconductor devices, the thickness of the photoresist film and the pattern gradually become thinner in order to prevent the collapse of the photoresist pattern as the pattern size becomes smaller. However, since it is difficult to etch the etching layer by using a thinned photoresist pattern, an inorganic or organic film having high etching resistance is introduced between the photoresist and the etching layer. do. The step of etching the lower layer film by using a photoresist pattern and patterning, and then etching the etching layer by using the pattern of the lower layer film may be referred to as an underlayer film process. The lower inorganic layer film used in the lower layer film process is formed of silicon nitride, silicon oxynitride, polysilicon, titanium nitride, amorphous carbon or the like and is usually formed by a chemical vapor deposition (CVD) . The lower layer film produced by the chemical vapor deposition method is excellent in etching selectivity and etching resistance, but has some problems such as particle problem and initial facility investment cost. As a method for solving this problem, an organic undercoat film capable of spin coating has been researched instead of the above-mentioned evaporated underlayer film.

상기 유기물 하층막을 포함하는 다층막 레지스트는 통상적으로 2층막 구조(2층 레지스트법) 또는 3층막 구조(3층 레지스트법)를 가진다. 2층막 구조의 레지스트의 경우, 상층막은 패턴의 구현이 가능한 포토레지스트 막이며, 하층막은 산소 가스(gas)에 의한 에칭(etching)이 가능한 탄화수소 화합물막이다. 상기 레지스트 하층막은, 하층막 하부의 기판을 에칭(etching)하는 경우, 하드 마스크(hard mask)의 역할을 해야 하므로, 높은 에칭(etching) 저항성을 가져야 하고, 산소 가스 에칭을 위해서는 규소 원자를 포함하지 않은 탄화수소만으로 구성될 필요가 있다. 또한, 상기 레지스트 하층막은, KrF 및 ArF 광원 사용 시, 상층 레지스트막의 스탠딩 웨이브(standing wave) 제어 및 패턴의 무너짐 현상을 방지하기 위하여, 광원의 난반사 방지막의 기능도 가질 필요가 있다. 구체적으로는 하층막으로부터 레지스트 상층막으로의 반사율을 1% 이하로 억제할 필요가 있다.
The multilayer film resist including the organic underlayer film usually has a two-layer film structure (two-layer resist method) or a three-layer film structure (three-layer resist method). In the case of a resist having a two-layer structure, the upper layer film is a photoresist film capable of realizing a pattern, and the lower layer film is a hydrocarbon compound film capable of etching with oxygen gas. When the substrate under the lower layer film is etched, the resist lower layer film must have a high etching resistance because it has to serve as a hard mask. In order to etch the oxygen gas, It is necessary to be composed of only the non-hydrocarbon. In addition, when the KrF and ArF light sources are used, the resist underlayer film needs to have a function of a diffused reflection preventing film of the light source in order to prevent standing wave control of the upper resist film and collapse of the pattern. Specifically, it is necessary to suppress the reflectance from the lower layer film to the upper layer resist film to 1% or less.

또한, 3층막 구조의 레지스트인 경우, 상층막(포토레지스트막)과 레지스트 하층막(탄화수소 화합물로 이루어진 제1 하층막) 사이에 무기 하드 마스크 중간층막(무기물로 이루어진 제2 하층막)이 더욱 형성된다. 상기 제2 하층막으로는 고온에서의 화학증기증착법으로 형성되는 규소 산화막(실리콘 옥사이드막), 규소 질화막(실리콘 나이트라이드막), 규소 산화질화막(실리콘 옥시나이트라이드막, SiON막) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 반사 방지막으로서의 효과가 높은 SiON막을 사용할 수 있다. 상기 제2 하층막의 막 두께는 5 내지 200nm, 바람직하게는 10 내지 100nm이다. 상기 레지스트 하층막(제1 하층막) 위에 제2 하층막(특히, SiON막)을 형성하기 위해서는 기판의 온도를 240 내지 500℃로 올려야 하기 때문에, 사용되는 레지스트 하층막(제1 하층막)은 240 내지 500℃에서 열적 안정성을 가져야 한다. 상기 레지스트 하층막이 고온(예를 들어, 400℃ 이상)에서 열적 안정성을 갖지 못할 경우, 무기 하드 마스크 중간층막(제2 하층막) 형성 시, 레지스트 하층막이 분해되어 장비 내부를 오염시킬 우려가 있다.
Further, in the case of a resist having a three-layer film structure, an inorganic hard mask intermediate layer film (second lower layer film made of an inorganic material) is further formed between the upper layer film (photoresist film) and the resist lower layer film (first lower layer film made of a hydrocarbon compound) do. As the second lower layer film, a silicon oxide film (silicon oxide film), a silicon nitride film (silicon nitride film), a silicon oxynitride film (silicon oxynitride film, SiON film) or the like formed by a chemical vapor deposition method can be used And a SiON film having a high effect as an antireflection film can be preferably used. The film thickness of the second lower layer film is 5 to 200 nm, preferably 10 to 100 nm. In order to form the second lower layer film (particularly, the SiON film) on the resist lower layer film (the first lower layer film), the temperature of the substrate must be raised to 240 to 500 DEG C, And should have thermal stability at 240 to 500 ° C. If the resist underlayer film does not have thermal stability at a high temperature (for example, 400 ° C or higher), there is a fear that the resist underlayer film is decomposed when the inorganic hard mask interlayer film (second lower layer film) is formed, and the inside of the equipment is contaminated.

따라서, 본 발명의 목적은, 열적 안정성이 우수하며, 스핀 도포되어 하드마스크를 형성할 수 있는 자가 가교형 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a self-crosslinking polymer which is excellent in thermal stability and can be spin-coated to form a hard mask, a resist underlayer film composition containing the same, and a pattern forming method using the same.

본 발명의 다른 목적은, 유기 반사방지막의 기능을 수행할 수 있는 자가 가교형 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a self-crosslinking polymer capable of performing the function of an organic antireflection film, a resist underlayer film composition comprising the same, and a pattern forming method using the same.

본 발명의 또 다른 목적은, 에칭 저항성이 우수할 뿐만 아니라, 단차가 있는 패턴된 웨이퍼에 도포 시에도 평탄화도가 우수한 자가 가교형 고분자, 이를 포함하는 레지스트 하층막 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.
It is still another object of the present invention to provide a self-crosslinking polymer having excellent etching resistance as well as excellent planarization even when applied to a patterned wafer having a step, a resist underlayer film composition containing the same, and a pattern forming method using the same .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1).

[화학식 1][Chemical Formula 1]

Figure 112011080077952-pat00001
Figure 112011080077952-pat00001

상기 화학식 1에서, Ar은 탄소수 6 내지 30의 아릴(aryl)기이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다.Wherein Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is the number of hydroxyl groups (-OH) substituted in Ar, And b is an integer of 1 to 3 as the number of carbonyl groups (-COR) substituted on Ar.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 자가 가교형 고분자; 및 유기 용매를 포함하는 레지스트 하층막 조성물을 제공한다.The present invention also relates to a self-crosslinking polymer comprising the repeating unit represented by Formula 1 above; And a resist underlayer film composition comprising an organic solvent.

또한, 본 발명은, 에칭되는 기판의 상부에, 상기 레지스트 하층막 조성물을 이용하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계; 상기 레지스트 하층막 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트층을 소정 패턴으로 방사선에 노출시킴으로써 상기 포토레지스트층에 방사선 노출된 영역의 패턴을 생성하는 단계; 상기 패턴을 따라, 상기 포토레지스트층 및 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하여, 상기 패턴의 형태로 상기 기판을 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a resist underlayer film on a substrate to be etched using the resist underlayer film composition; Forming a photoresist layer on the resist underlayer film; Exposing the photoresist layer to radiation in a predetermined pattern to produce a pattern of radiation exposed areas in the photoresist layer; Selectively removing the photoresist layer and the resist underlayer film along the pattern to expose the substrate in the form of the pattern; And etching the exposed portion of the substrate.

본 발명에 따른 레지스트 하층막 형성용 고분자는, 스핀 도포에 의해 하드마스크를 형성할 수 있으며, 종래의 노볼락 수지와 비교하여, 자가 가교에 의하여, 열적 안정성 및 에칭 저항성이 우수한 특징을 가진다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 하층막은 유기 반사방지막의 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 단차가 있는 웨이퍼에 도포시에도 평탄화도가 우수한 장점이 있다.
The polymer for forming a resist lower layer film according to the present invention is capable of forming a hard mask by spin coating and is characterized by excellent thermal stability and etching resistance due to self-crosslinking as compared with conventional novolak resins. In addition, the underlayer film formed according to the present invention is not only capable of functioning as an organic antireflection film, but also has an advantage of being highly planarized even when applied to a stepped wafer.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 자가 가교형 고분자는, 에칭되는 기판과 포토레지스트막 사이에 위치하여, 기판을 소정 패턴으로 에칭하기 위한 하층막(하드마스크 역할)을 형성하기 위한 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함한다.The self-crosslinking polymer according to the present invention is for forming a lower layer film (serving as a hard mask) for etching a substrate in a predetermined pattern, which is located between a substrate to be etched and a photoresist film, Unit.

Figure 112011080077952-pat00002
Figure 112011080077952-pat00002

상기 화학식 1에서, Ar은 탄소수 6 내지 30, 바람직하게는 탄소수 6 내지 20의 아릴(aryl)기이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다. 상기 Ar의 구체적인 예는 방향족 고리기 또는 방향족 접합 고리기이고, 더욱 구체적으로는 벤젠(

Figure 112011080077952-pat00003
), 나프탈렌(
Figure 112011080077952-pat00004
), 안트라센(
Figure 112011080077952-pat00005
), 파이렌(pyrene,
Figure 112011080077952-pat00006
) 등을 예시할 수 있다. 상기 R은 서로 같거나 다를 수 있으며, 구체적으로는, 메틸기, 에틸기, 노말-프로필기, 이소-프로필기, 노말-부틸기, 이소-부틸기, 터셔리-부틸기, 펜틸기, 사이클로펜틸기, 헥실기 등을 예시할 수 있다. 상기 Ar의 좌측 및 우측 결합손과 Ar에 치환되는 하나 이상의 히드록시기(-OH) 및 하나 이상의 카보닐기(-COR)는 Ar을 형성하는 아릴기의 어느 탄소에도 위치할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 상기 아릴기(Ar) 및 알킬기(R)은 할로겐 원자, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 탄소수 1 내지 6의 저급 알킬기 등으로 더욱 치환되어 있을 수 있다.
In Formula 1, Ar is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, preferably 6 to 20 carbon atoms, R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is a hydroxyl group substituted with Ar, (-OH) is an integer of 1 to 3, and b is an integer of 1 to 3, as the number of carbonyl groups (-COR) substituted on Ar. Specific examples of Ar include an aromatic ring group or an aromatic fused ring group, and more specifically, benzene (
Figure 112011080077952-pat00003
), Naphthalene (
Figure 112011080077952-pat00004
), Anthracene (
Figure 112011080077952-pat00005
), Pyrene (pyrene,
Figure 112011080077952-pat00006
), And the like. The R may be the same or different from each other and specific examples thereof include a methyl group, ethyl group, n-propyl group, iso-propyl group, n-butyl group, iso-butyl group, tertiary butyl group, pentyl group, , Hexyl group, and the like. The left and right binding hands of Ar and one or more hydroxyl groups (-OH) and one or more carbonyl groups (-COR) substituted on Ar may be located on any carbon of the aryl group forming Ar. The aryl group (Ar) and the alkyl group (R) may be further substituted with a halogen atom, a hydroxy group, a nitro group, a cyano group, an amino group, a lower alkyl group having 1 to 6 carbon atoms and the like.

상기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자의 중량평균 분자량은 500 내지 1,000,000, 바람직하게는 1,000 내지 20,000 이고, 더욱 바람직하게는 2,000 내지 10,000 이다. 상기 고분자의 중량평균 분자량이 500 미만이면, 레지스트 하층막 형성 시 박막의 형성이 용이하지 못하고, 1,000,000을 초과하면, 용매에 대한 고분자의 용해도가 감소하고, 점도가 증가하여 하층막 조성물의 제조 및 취급이 어려운 단점이 있다. 본 발명에 따른 자가 가교형 고분자는, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 한도 내에서, 소량의 다른 반복단위를 포함할 수도 있다. 본 발명에 따른 자가 가교형 고분자는, 하기 실시예에 나타낸 바와 같이, 카르보닐기(알데히드기를 포함한다)를 포함하는 페놀 유도체 화합물과 포름알데하이드의 축합반응으로 제조될 수 있다.
The polymer having the repeating unit represented by the formula (1) has a weight average molecular weight of 500 to 1,000,000, preferably 1,000 to 20,000, more preferably 2,000 to 10,000. When the polymer has a weight average molecular weight of less than 500, the formation of a thin film at the time of forming a resist lower layer film is not easy, while when it exceeds 1,000,000, the solubility of the polymer in a solvent decreases and viscosity increases, This is a difficult disadvantage. The self-crosslinking polymer according to the present invention may contain a small amount of another repeating unit as long as the object of the present invention is not impaired. The self-crosslinking polymer according to the present invention can be prepared by condensation reaction of a phenol derivative compound containing a carbonyl group (including an aldehyde group) with formaldehyde as shown in the following examples.

본 발명에 따른 자가 가교형 고분자는, 일반적인 노볼락계 수지와 비교하여, 페놀 구조에 카보닐기(알데히드기를 포함한다)를 가짐으로써, 레지스트 하층막을 형성하면, 고분자의 주쇄의 히드록시기와 카르보닐기가 반응하여, 고분자가 자가 가교됨으로써, 에칭 내성이 우수한 하드마스크를 형성한다. 고온에서 가교가 일어난 고분자는 용매에 대한 용해도가 저하되어 용매에 대한 저항성이 생기며, 노볼락 구조의 수지와 비교하여, 흐름(flow)이 제어된다. 또한, 가교로 인한 매트릭스 형성으로 인한 에칭 속도의 감소 등으로 고분자의 가교를 확인할 수 있다.
The self-crosslinking polymer according to the present invention has a phenol structure with a carbonyl group (including an aldehyde group) as compared with a general novolak resin, so that when a resist underlayer film is formed, the hydroxyl group of the main chain of the polymer reacts with the carbonyl group , The polymer is self-crosslinked to form a hard mask having excellent etching resistance. The cross-linked polymer at high temperature has a lower solubility in the solvent, so that the polymer is resistant to the solvent, and the flow is controlled in comparison with the novolak-type resin. In addition, the crosslinking of the polymer can be confirmed by the reduction of the etching rate due to the formation of the matrix due to the crosslinking.

본 발명은, 또한, 상기 화학식 1로 표시되는 반복단위로 이루어지는 자가 가교형 고분자 및 유기 용매를 포함하는 레지스트 하층막 조성물을 제공한다. 상기 유기용매로는 본 발명에 따른 자가 가교형 고분자를 용해시킬 수 있는 통상의 유기용매를 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(PGME), 사이클로헥산온(CH), 에틸락테이트(EL), 감마부티로락톤(GBL) 등을 단독 또는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 상기 레지스트 하층막 조성물에 있어서, 상기 자가 가교형 고분자의 함량은 1 내지 30중량%, 바람직하게는 3 내지 15중량%, 더욱 바람직하게는 5 내지 12중량%이며, 상기 유기용매의 함량은 상기 고분자를 제외한 나머지로서, 70 내지 99중량%, 바람직하게는 85 내지 97중량%, 더욱 바람직하게는 88 내지 95중량%이다. 여기서, 상기 고분자의 함량이 1중량% 미만이면, 원하는 두께의 하층막을 형성하지 못할 우려가 있고, 하층막이 균일하게 형성되지 않을 우려가 있으며, 상기 고분자의 함량이 30중량%를 초과하면, 하층막이 균일하게 형성되지 않을 우려가 있다.
The present invention also provides a resist underlayer film composition comprising a self-crosslinking polymer comprising the repeating unit represented by the above-mentioned formula (1) and an organic solvent. Examples of the organic solvent include, but are not limited to, propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), propylene glycol monomethyl ether ), Cyclohexanone (CH), ethyl lactate (EL), gamma-butyrolactone (GBL), and the like are preferably used alone or in combination. In the resist underlayer film composition, the content of the self-crosslinking polymer is 1 to 30% by weight, preferably 3 to 15% by weight, more preferably 5 to 12% by weight, , And it is 70 to 99% by weight, preferably 85 to 97% by weight, more preferably 88 to 95% by weight. If the content of the polymer is less than 1% by weight, a lower layer film having a desired thickness may not be formed, and there is a possibility that the lower layer film will not be formed uniformly. If the content of the polymer exceeds 30% There is a possibility that the film is not uniformly formed.

또한, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은, 하층막의 가교율 또는 경화율을 향상시키기 위한 가교제, 산 촉매 등을 더욱 포함할 수 있다. 상기 가교제는, 본 발명에 따른 고분자의 자가 가교 반응에 더하여, 추가적인 가교 반응을 유도하여 하층막을 더욱 경화시키기 위한 것으로서, 통상의 멜라민 수지, 아미노 수지, 글리콜우릴 화합물, 비스에폭시 화합물 등을 사용할 수 있다. 상기 가교제의 함량은, 전체 하층막 조성물에 대하여, 일반적으로 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량%이다. 상기 산 촉매는 가교 반응의 촉매로서, p-톨루엔 술폰산 모노하이드레이트(p-toluene sulfonic acid monohydrate), 피리디늄 p-톨루엔 술포네이트(pyridinium p-toluene sulfonate) 등의 통상의 열산발생제 또는 광산발생제를 사용할 수 있다. 상기 산 촉매의 함량은, 전체 하층막 조성물에 대하여, 일반적으로 0.001 내지 0.05중량%, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.03중량%이다. 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은 통상의 스핀 코팅에 의해 막을 형성할 수 있는 막 형성(film-forming) 특성을 가진다.
The resist underlayer film composition according to the present invention may further include a cross-linking agent, an acid catalyst, or the like for improving the crosslinking rate or the curing rate of the underlayer film. In addition to the self-crosslinking reaction of the polymer according to the present invention, the crosslinking agent is used for further curing the lower layer film by inducing an additional crosslinking reaction, and it is possible to use a conventional melamine resin, an amino resin, a glycoluril compound, a bisepoxy compound and the like . The content of the crosslinking agent is generally 0.1 to 5% by weight, preferably 0.1 to 3% by weight based on the total lower layer film composition. The acid catalyst may be a conventional thermal acid generator such as p-toluene sulfonic acid monohydrate or pyridinium p-toluene sulfonate or a photoacid generator such as p-toluene sulfonate, Can be used. The content of the acid catalyst is generally 0.001 to 0.05% by weight, and more preferably 0.001 to 0.03% by weight, based on the total lower layer film composition. The resist underlayer film composition according to the present invention has a film-forming property capable of forming a film by conventional spin coating.

또한, 본 발명은 상기 레지스트 하층막 조성물을 이용한 패턴 형성 방법을 제공한다. 구체적으로, 상기 패턴 형성 방법은, (a) 에칭되는 기판(예를 들면, 알루미늄층이 형성된 실리콘 웨이퍼)의 상부에, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물을 이용하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계; (b) 상기 레지스트 하층막 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계; (c) 상기 포토레지스트층을 소정 패턴으로 방사선에 노출(exposure)시킴으로써 상기 포토레지스트층에 방사선 노출된 영역의 패턴을 생성하는 단계; (d) 상기 패턴을 따라, 상기 포토레지스트층 및 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하여, 상기 패턴의 형태로 상기 기판을 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 기판의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함한다. 또한, 필요에 따라, 상기 (b) 단계 이전에, 상기 레지스트 하층막 상부에, 통상의 실리콘 함유 레지스트 하층막(무기물 하층막) 및/또는 반사방지막(bottom anti-refractive coating; BARC)을 더욱 형성시킬 수도 있다.
The present invention also provides a pattern forming method using the resist lower layer film composition. Specifically, the pattern forming method includes: (a) forming a resist underlayer film using the resist underlayer film composition according to the present invention on an upper surface of a substrate to be etched (for example, a silicon wafer having an aluminum layer formed thereon); (b) forming a photoresist layer on the resist underlayer film; (c) exposing the photoresist layer to radiation in a predetermined pattern to produce a pattern of radiation exposed areas in the photoresist layer; (d) selectively removing the photoresist layer and the resist undercoat film along the pattern to expose the substrate in the form of the pattern; And (e) etching the exposed portion of the substrate. If necessary, a conventional silicon-containing resist lower layer film (lower inorganic layer film) and / or a bottom anti-reflection coating (BARC) may be further formed on the upper resist underlayer film before the step (b) .

상기 레지스트 하층막을 형성하는 단계는, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물을 500 내지 6,000Å의 두께로 기판 상부에 스핀 코팅하고, 180 내지 500℃의 온도에서 50초 내지 180초 동안 가열함으로써 수행될 수 있고, 이와 같이 형성된 레지스트 하층막의 두께는 대략 40 내지 550nm이다. 특히, 본 발명에 따른 레지스트 하층막 조성물은 180 내지 250℃의 저온에서도 자가 가교되어, 하층막을 용이하게 형성할 수 있다. 반면, 통상의 노볼락 수지의 경우, 180 내지 250℃의 온도에서 가교되지 않으므로, 용매에 대한 저항성이 낮아 필름의 감소가 발생한다. 또한, 상기 포토레지스트막의 패턴 형성은 TMAH 현상액(developer) 등의 통상적인 알칼리 수용액을 이용한 현상(develop)에 의하여 수행될 수 있고, 상기 하층막의 제거는 CHF3/CF4 혼합가스 등을 이용한 드라이 에칭에 의하여 수행될 수 있으며, 상기 기판의 에칭은 Cl2나 또는 HBr 가스에 의하여 수행될 수 있다. 여기서, 상기 레지스트 하층막의 두께, 가열 온도 및 시간, 에칭 방법 등은 상기 내용으로 한정되는 것이 아니라, 공정 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
The step of forming the resist underlayer film may be performed by spin-coating the resist underlayer film composition according to the present invention to a thickness of 500 to 6,000 ANGSTROM on the substrate and heating at a temperature of 180 to 500 DEG C for 50 to 180 seconds And the thickness of the resist underlayer film thus formed is approximately 40 to 550 nm. In particular, the resist underlayer film composition according to the present invention can undergo self-crosslinking even at a low temperature of 180 to 250 占 폚 to easily form a lower layer film. On the other hand, in the case of a conventional novolak resin, since it is not crosslinked at a temperature of 180 to 250 ° C, resistance to a solvent is low and a film is reduced. The pattern formation of the photoresist film may be performed by developing using a conventional alkali aqueous solution such as a TMAH developer. The removal of the lower layer film may be performed by dry etching using a CHF 3 / CF 4 mixed gas or the like And etching of the substrate may be performed by Cl 2 or HBr gas. Here, the thickness of the lower resist film, the heating temperature and time, the etching method, and the like are not limited to the above contents, but can be variously changed according to processing conditions.

본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 자외선의 짧은 파장 영역(예를 들면, 193nm 또는 248nm)에서 강한 방사선 흡수를 가지는 방향족 고리(aromatic ring)를 함유하므로, 광반사를 최소화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 유기 반사방지막으로서의 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 기존의 노볼락 수지와 비교하여 동등 이상의 에칭 내성을 가짐으로써, 드라이 에칭 공정에서 패턴을 형성하기 위한 보호막(하드마스크)의 역할을 한다. 일반적으로, 레지스트 하층막의 에칭 속도가 작을수록, 마스크의 손실을 최소화하고, 하부막질(기판)의 식각(etch)량을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 하부막질의 에칭량을 증가시키면, 즉, 에칭 패턴의 깊이를 깊게 하면, 반도체 칩(chip)의 형성 시, 보다 용이하게 상부층과 하부층의 층간 간격을 증가시킬 수 있어, 바람직하다.
The resist underlayer film formed in accordance with the present invention contains an aromatic ring having strong radiation absorption in a short wavelength region (for example, 193 nm or 248 nm) of ultraviolet light, so that light reflection can be minimized. Therefore, the resist underlayer film formed in accordance with the present invention may also serve as an organic antireflection film. Furthermore, the resist underlayer film formed according to the present invention has a resistance equal to or higher than that of the conventional novolac resin, thereby serving as a protective film (hard mask) for forming a pattern in a dry etching process. Generally, the lower the etching rate of the resist lower layer film, the less the loss of the mask is, and the etch amount of the lower film layer (substrate) can be increased. As described above, by increasing the etching amount of the underlying film, that is, by deepening the depth of the etching pattern, it is possible to more easily increase the interlayer spacing between the upper and lower layers at the time of forming the semiconductor chip.

이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. The following examples illustrate the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

[실시예 1-1] 화학식 1-1로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-1] Preparation of polymer represented by formula (1-1)

환류관이 설치된 250 mL 3구 플라스크에 에틸락테이트 20mL을 넣고, 110℃로 승온시켰다. 여기에 4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol), 37% 포르말린 수용액(37% 포름알데히드의 수용액) 17.8g(0.22mol), 옥살릭에시드 0.5g, 및 에틸락테이트 40g 혼합 용액을 3시간 동안 천천히 적가하고, 5시간 동안 반응시켰다. 반응이 종료된 후, 반응기의 온도를 상온으로 낮추고, 반응기에 50g의 메탄올을 첨가하였다. 다음으로, 반응물을 탈이온수 1500mL에 천천히 첨가하고, 고형분을 여과(filter)한 다음, 60℃ 진공 오븐에서 24시간 동안 건조하여, 하기 화학식 1-1 (여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 94%이고, GPC (겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 8,860 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.58 였다.In a 250 mL three-necked flask equipped with a reflux tube, 20 mL of ethyl lactate was placed, and the temperature was raised to 110 ° C. A mixed solution of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzaldehyde, 17.8 g (0.22 mol) of a 37% formalin aqueous solution (aqueous solution of 37% formaldehyde), 0.5 g of oxalic acid and 40 g of ethyl lactate was stirred for 3 hours , And reacted for 5 hours. After the reaction was completed, the temperature of the reactor was lowered to room temperature, and 50 g of methanol was added to the reactor. Next, the reaction product was slowly added to 1500 mL of deionized water, the solid was filtered, and then dried in a 60 DEG C vacuum oven for 24 hours to obtain a polymer having the following formula 1-1 (wherein n represents the degree of polymerization) Were synthesized. The yield of the synthesized polymer was 94%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 8,860, and the polydispersity (PD) was 4.58.

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112011080077952-pat00007

Figure 112011080077952-pat00007

[실시예 1-2] 화학식 1-2로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-2] Preparation of a polymer represented by the general formula (1-2)

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 4'-하이드록시아세토페논 27.2g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-2(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 92%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 7,150 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.12 였다. Was obtained in the same manner as in Example 1, except that 27.2 g (0.2 mol) of 4'-hydroxyacetophenone was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde, and n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 92%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 7,150 and the polydispersity (PD) was 4.12.

[화학식 1-2][Formula 1-2]

Figure 112011080077952-pat00008

Figure 112011080077952-pat00008

[실시예 1-3] 화학식 1-3로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-3] Preparation of polymer represented by formula 1-3

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 4'-하이드록시프로피오 페논 30.0g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-3(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 91%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 6,240 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 3.96 였다. Was obtained in the same manner as in Example 1, except that 30.0 g (0.2 mol) of 4'-hydroxypropiophenone was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde, , and n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 91%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 6,240, and the polydispersity (PD) was 3.96.

[화학식 1-3][Formula 1-3]

Figure 112011080077952-pat00009

Figure 112011080077952-pat00009

[실시예 1-4] 화학식 1-4로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-4] Preparation of polymer represented by formula (1-4)

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 4-하이드록시-1- 나프탈알데하이드 34.4g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-4(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 82%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 4,630 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 3.24 였다. (0.2 mol) of 4-hydroxy-1-naphthalaldehyde was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde in the same manner as in Example 1, (Where n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 82%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 4,630 and the polydispersity (PD) was 3.24.

[화학식 1-4][Formula 1-4]

Figure 112011080077952-pat00010

Figure 112011080077952-pat00010

[실시예 1-5] 화학식 1-5로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-5] Preparation of a polymer represented by the formula (1-5)

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 6-하이드록시-2- 나프탈알데하이드 34.4g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-5(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 90%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 6,880 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.26 였다. (0.2 mol) of 6-hydroxy-2-naphthalaldehyde was used in place of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde in the same manner as in Example 1, (Where n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 90%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 6,880, and the polydispersity (PD) was 4.26.

[화학식 1-5][Formula 1-5]

Figure 112011080077952-pat00011

Figure 112011080077952-pat00011

[실시예 1-6] 화학식 1-6로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-6] Preparation of a polymer represented by the formula 1-6

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 4'-하이드록시-1'- 아세토나프톤 37.2g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-6(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 82%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 5,580 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.17 였다. (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde was replaced by 37.2 g (0.2 mol) of 4'-hydroxy-1'-acetonaphtone in place of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde, -6 (where n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 82%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 5,580, and the polydispersity (PD) was 4.17.

[화학식 1-6][Chemical Formula 1-6]

Figure 112011080077952-pat00012

Figure 112011080077952-pat00012

[실시예 1-7] 화학식 1-7로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-7] Preparation of the polymer represented by the formula 1-7

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 10-하이드록시-안트라센 -9-카보알데하이드 44.4g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-7(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 63%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 4,010 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 6.38 였다. (0.2 mol) of 10-hydroxy-anthracene-9-carboaldehyde was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde in the same manner as in Example 1, 7, wherein n represents the degree of polymerization. The yield of the synthesized polymer was 63%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 4,010 and the polydispersity (PD) was 6.38.

[화학식 1-7][Chemical Formula 1-7]

Figure 112011080077952-pat00013

Figure 112011080077952-pat00013

[실시예 1-8] 화학식 1-8로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-8] Preparation of polymer represented by the general formula 1-8

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 6-하이드록시- 파이렌-1-카보알데하이드 49.2g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-8(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 70%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 3,120 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.82 였다. Was obtained in the same manner as in Example 1, except that 49.2 g (0.2 mol) of 6-hydroxy-pherene-1-carboaldehyde was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde. -8 (wherein n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 70%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 3,120, and the polydispersity (PD) was 4.82.

[화학식 1-8][Chemical Formula 1-8]

Figure 112011080077952-pat00014

Figure 112011080077952-pat00014

[실시예 1-9] 화학식 1-9로 표시되는 고분자의 제조 [Example 1-9] Preparation of polymer represented by the general formula 1-9

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 4'-하이드록시헵타노페논 41.2g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 1-9(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 수율은 98%이고, GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 9,590 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.04 였다. Was obtained in the same manner as in Example 1, except that 41.2 g (0.2 mol) of 4'-hydroxyheptanophenone was used instead of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde, , and n represents the degree of polymerization). The yield of the synthesized polymer was 98%, the weight average molecular weight (Mw) using GPC (gel chromatography) was 9,590, and the polydispersity (PD) was 4.04.

[화학식 1-9][Chemical Formula 1-9]

Figure 112011080077952-pat00015

Figure 112011080077952-pat00015

[비교예 1] 화학식 2로 표시되는 고분자의 제조 [Comparative Example 1] Preparation of a polymer represented by the formula (2)

4-하이드록시벤젠알데하이드 24.4g(0.2mol) 대신, 페놀 18.8g(0.2mol)을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로, 하기 화학식 2(여기서, n은 중합도를 나타낸다)의 고분자를 합성하였다. 합성된 고분자의 GPC(겔크로마토그래피)를 이용한 중량평균 분자량(Mw)은 5,650 이었으며, 다분산도(PD: Polydispersity)는 4.25 였다. Except that 18.8 g (0.2 mol) of phenol was used in place of 24.4 g (0.2 mol) of 4-hydroxybenzene aldehyde in the same manner as in Example 1, Were synthesized. The synthesized polymer had a weight average molecular weight (Mw) of 5,650 and a polydispersity (PD) of 4.25 by GPC (gel chromatography).

[화학식 2](2)

Figure 112011080077952-pat00016

Figure 112011080077952-pat00016

상기 실시예 1-1 내지 1-9에서 얻어진 고분자 및 비교예 1에서 얻어진 노볼락 수지에 대하여, 열중량분석기(Thermogravimetric analyzer: TGA, TA사 제품)를 이용하여 열적 안정성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The thermal stability of the polymers obtained in Examples 1-1 to 1-9 and the novolac resin obtained in Comparative Example 1 was measured using a thermogravimetric analyzer (TGA, TA) The results are shown in Table 1 below.

구분division 가열(bake) 온도(℃)Bake temperature (캜) TGA에 의한 질량 손실(wt%)Mass loss by TGA (wt%) 실시예 1-1Example 1-1 400 400 6.5 6.5 실시예 1-2Examples 1-2 400 400 5.6 5.6 실시예 1-3Example 1-3 400 400 4.9 4.9 실시예 1-4Examples 1-4 400 400 6.8 6.8 실시예 1-5Examples 1-5 400 400 5.4 5.4 실시예 1-6Examples 1-6 400 400 3.9 3.9 실시예 1-7Examples 1-7 400 400 5.5 5.5 실시예 1-8Examples 1-8 400 400 5.1 5.1 실시예 1-9Examples 1-9 400 400 4.9 4.9 비교예 1Comparative Example 1 400 400 62.462.4

[실시예 2-1 내지 2-9] 레지스트 하층막 조성물 제조 [Examples 2-1 to 2-9 Resist Preparation of Undercoat Film Composition

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 프로필렌글리콜 메틸에테르아세테이트 (PGMEA) 60g 및 사이클로헥산온(CH) 30g에, 실시예 1-1 내지 1-9에서 얻은 고분자 수지 10g을 각각 용해시켜 용액을 형성하고, 구경 0.45㎛의 마이크로필터로 여과하여, 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다.
As shown in the following Table 2, 10 g of the polymer resin obtained in Examples 1-1 to 1-9 was dissolved in 60 g of propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA) and 30 g of cyclohexanone (CH) to form a solution, And filtered through a micro-filter having a pore size of 0.45 mu m to prepare a resist underlayer film composition.

[실시예 2-10 및 2-11] 레지스트 하층막 조성물 제조 [Examples 2-10 and 2-11] resist Preparation of Undercoat Film Composition

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 2-1 및 2-4의 조성물에, 열산 발생제로서 TAG-2678(킹인더스트리사 제품) 0.5g을 더욱 첨가하여, 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다.
As shown in the following Table 2, 0.5 g of TAG-2678 (manufactured by King Industries) as a thermal acid generator was further added to the compositions of Examples 2-1 and 2-4 to prepare a resist underlayer film composition.

[비교예 2] 레지스트 하층막 조성물 제조 Comparative Example 2 A resist Preparation of Undercoat Film Composition

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1-1의 고분자 10g 대신, 비교예 1에서 얻은 고분자 10g을 이용한 것을 제외하고는, 실시예 2-1과 동일한 방법으로, 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다
As shown in the following Table 2, a resist underlayer film composition was prepared in the same manner as in Example 2-1 except that 10 g of the polymer obtained in Comparative Example 1 was used instead of 10 g of the polymer of Example 1-1

[비교예 3] 레지스트 하층막 조성물 제조 [Comparative Example 3] The resist Preparation of Undercoat Film Composition

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 2의 조성물에, 열산 발생제로서 TAG-2678(킹인더스트리사 제품) 0.5g을 더욱 첨가하여, 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다.
As shown in the following Table 2, 0.5 g of TAG-2678 (manufactured by King Industries) as a thermal acid generator was further added to the composition of Comparative Example 2 to prepare a resist underlayer film composition.

[비교예 4] 레지스트 하층막 조성물 제조 Comparative Example 4 Resist Preparation of Undercoat Film Composition

하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상기 비교예 3의 조성물에, 가교제로서 테트라메톡시메틸글리콜우릴(상품명: MX-270) 1.0g을 더욱 첨가하여, 레지스트 하층막 조성물을 제조하였다. As shown in the following Table 2, 1.0 g of tetramethoxymethylglycoluril (trade name: MX-270) as a crosslinking agent was further added to the composition of Comparative Example 3 to prepare a resist underlayer film composition.

  고분자 수지 Polymer resin 가교제 Cross-linking agent 열산발생제Thermal acid generator 용매menstruum 구분division 고분자 Polymer 사용량usage PGMEAPGMEA CHCH 실시예 2-1Example 2-1 화학식 1-1(1-1) 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-2Example 2-2 화학식 1-21-2 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-3Example 2-3 화학식 1-31-3 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-4Examples 2-4 화학식 1-4Formula 1-4 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-5Example 2-5 화학식 1-51-5 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-6Examples 2-6 화학식 1-61-6 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-7Examples 2-7 화학식 1-71-7 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-8Examples 2-8 화학식 1-81-8 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-9Examples 2-9 화학식 1-91-9 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 실시예 2-10Examples 2-10 화학식 1-1(1-1) 10g10g -- TAG-2678/ 0.5gTAG-2678 / 0.5g 60g60g 30g30g 실시예 2-11Examples 2-11 화학식 1-4Formula 1-4 10g10g -- TAG-2678/ 0.5gTAG-2678 / 0.5g 60g60g 30g30g 비교예 2Comparative Example 2 화학식 2(2) 10g10g -- -- 60g60g 30g30g 비교예 3Comparative Example 3 화학식 2(2) 10g10g -- TAG-2678/ 0.5gTAG-2678 / 0.5g 60g60g 30g30g 비교예 4Comparative Example 4 화학식 2(2) 10g10g MX-270 / 1gMX-270 / 1g TAG-2678/ 0.5gTAG-2678 / 0.5g 60g60g 30g30g

[실험예 1] 하층막의 용매 저항성 측정 [Experimental Example 1] Measurement of solvent resistance of lower layer film

실시예 2-1 내지 2-11 및 비교예 2 내지 4에서 제조한 레지스트 하층막 조성물을, 스핀 코터를 이용하여 실리콘 웨이퍼에 각각 도포한 다음, 핫플레이트를 이용하여, 하층막 조성물이 도포된 웨이퍼를 200℃에서 1분간 가열하여, 약 200nm 두께의 레지스트 하층막을 형성하였다. 하층막이 형성된 실리콘 웨이퍼를 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트(PGMEA)에 1분간 침지한 후, 110℃에서 1분간 가열하여 잔존 용매를 제거한 후, 하층막의 두께 변화를 측정하였으며, 그 결과를 표 3 에 나타내었다.The resist lower layer film compositions prepared in Examples 2-1 to 2-11 and Comparative Examples 2 to 4 were applied to a silicon wafer using a spin coater and then hot-coated using a hot plate, Was heated at 200 DEG C for 1 minute to form a resist lower layer film having a thickness of about 200 nm. The silicon wafer having the lower layer formed thereon was immersed in propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA) for 1 minute and then heated at 110 DEG C for 1 minute to remove residual solvent, and the change in thickness of the lower layer film was measured. The results are shown in Table 3 .

구 분division 초기 두께 (nm)Initial thickness (nm) 침지 후 두께 (nm)Thickness after immersion (nm) 두께 변화량 (nm)Thickness variation (nm) 실시예 2-1Example 2-1 200200 199199 1One 실시예 2-2Example 2-2 201201 199199 22 실시예 2-3Example 2-3 204204 204204 00 실시예 2-4Examples 2-4 203203 202202 1One 실시예 2-5Example 2-5 200200 198198 22 실시예 2-6Examples 2-6 200200 200200 00 실시예 2-7Examples 2-7 205205 205205 00 실시예 2-8Examples 2-8 200200 198198 22 실시예 2-9Examples 2-9 203203 203203 00 실시예 2-10Examples 2-10 201201 200200 1One 실시예 2-11Examples 2-11 200200 198198 22 비교예 2Comparative Example 2 200200 4848 152152 비교예 3Comparative Example 3 201201 4343 158158 비교예 4Comparative Example 4 205205 204204 1One

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 레지스트 하층막은, 종래의 노볼락 계열 레지스트 하층막과 달리, 산 촉매와 가교제를 첨가하지 않아도, 200℃에서 가열 만으로 가교되어, 용매에 의한 레지스트 하층막의 손실을 방지할 수 있다. 그러나, 일반적인 노볼락 수지의 경우, 가교제와 열산 발생제를 모두 포함하는 경우에는(비교예 4), 가교 반응에 의하여 용매 저항성을 가지지만, 열산 발생제만 포함하거나(비교예 3), 가교제 및 열산 발생제를 모두 포함하지 않는 경우에는(비교예 2), 용매에 의한 레지스트 하층막의 손실이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 따른 고분자는 열산 발생제(산 촉매) 및 가교제를 첨가하지 않아도, 고분자 내의 카보닐기와 하이드록시기에 의한 자가 가교가 이루어짐을 알 수 있다.
As shown in Table 2, unlike the conventional novolac-type resist underlayer film formed according to the present invention, the resist underlayer film formed by the present invention was crosslinked only by heating at 200 ° C without adding an acid catalyst and a crosslinking agent, The loss of the film can be prevented. However, in the case of a general novolak resin, it was found that when both a crosslinking agent and a thermal acid generator were contained (Comparative Example 4), the resin had solvent resistance by a crosslinking reaction but contained only a thermal acid generator (Comparative Example 3) When the thermal acid generator was not included (Comparative Example 2), loss of the resist underlayer film caused by the solvent occurred. Therefore, it can be seen that the polymer according to the present invention is self-crosslinked by a carbonyl group and a hydroxyl group in the polymer without addition of a thermal acid generator (acid catalyst) and a crosslinking agent.

[실험예 2] 굴절율 (n) 및 광학흡광계수(k)의 측정 [Experimental Example 2] Measurement of refractive index (n) and optical absorption coefficient (k)

실시예 2-1 내지 2-11 및 비교예 4에서 제조한 레지스트 하층막 조성물을, 스핀 코터를 이용하여 실리콘 웨이퍼에 각각 도포한 다음, 핫플레이트를 이용하여, 하층막 조성물이 도포된 웨이퍼를 200℃에서 1분간 가열하여, 약 200nm 두께의 레지스트 하층막을 형성하였다. 분광 엘립소미터 (울람사제)를 사용하여, 248nm 및 193nm 파장에서, 하층막의 굴절율(n값) 및 광학흡광계수(k값)를 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.The resist underlayer film compositions prepared in Examples 2-1 to 2-11 and Comparative Example 4 were respectively applied to silicon wafers using a spin coater and the wafers coated with the undercoat film composition were heated to 200 Lt; 0 > C for 1 minute to form a resist underlayer film having a thickness of about 200 nm. The refractive index (n value) and the optical absorption coefficient (k value) of the underlayer film were measured at 248 nm and 193 nm wavelength using a spectroscopic ellipsometer (manufactured by Wollamics Co.), and the results are shown in Table 4.

구 분division 굴절률 n
(@ 248nm)
Refractive index n
(@ 248 nm)
광학흡광계수 k
(@248nm)
Optical absorption coefficient k
(@ 248 nm)
굴절률 n
(@193nm)
Refractive index n
(@ 193 nm)
광학흡광계수 k
(@193nm)
Optical absorption coefficient k
(@ 193 nm)
실시예 2-1Example 2-1 1.781.78 0.710.71 1.381.38 0.510.51 실시예 2-2Example 2-2 1.761.76 0.800.80 1.401.40 0.480.48 실시예 2-3Example 2-3 1.861.86 0.800.80 1.411.41 0.460.46 실시예 2-4Examples 2-4 1.841.84 0.740.74 1.441.44 0.490.49 실시예 2-5Example 2-5 1.791.79 0.790.79 1.381.38 0.510.51 실시예 2-6Examples 2-6 1.881.88 0.810.81 1.411.41 0.490.49 실시예 2-7Examples 2-7 1.861.86 0.800.80 1.401.40 0.510.51 실시예 2-8Examples 2-8 1.811.81 0.790.79 1.431.43 0.480.48 실시예 2-9Examples 2-9 1.791.79 0.790.79 1.421.42 0.390.39 실시예 2-10Examples 2-10 1.911.91 0.780.78 1.401.40 0.490.49 실시예 2-11Examples 2-11 1.791.79 0.810.81 1.381.38 0.510.51 비교예 4Comparative Example 4 1.921.92 0.810.81 1.481.48 0.700.70

[실험예 3] 레지스트 하층막의 드라이에칭 속도(에칭 저항성) 측정 [Example 3] The resist Bottom layer Measurement of dry etching rate (etching resistance)

실시예 2-1 내지 2-11 및 비교예 4의 조성물을, 웨이퍼에 300nm 두께로 도포한 후, 각각의 하층막을 240℃ 및 400℃에서 각각 1분간 가열(bake)하여, 레지스트 하층막을 형성하였다. 이와 같이 형성된 하층막을, 램리서치사의 TCP9400SE 장비를 이용하여 CF4/CHF3 가스 조건에서 에칭하였으며, 레지스트 하층막의 에칭 전후 두께 차이로부터 에칭 속도를 산출하여, 그 결과를 표 5에 나타내었다.After applying the compositions of Examples 2-1 to 2-11 and Comparative Example 4 to a wafer to a thickness of 300 nm, the lower layer films were baked at 240 ° C and 400 ° C for 1 minute, respectively, to form a resist lower layer film . The lower layer film thus formed was etched under CF 4 / CHF 3 gas conditions using TCP9400 SE equipment of LAM Research Co., Ltd. The etch rate was calculated from the difference in thickness before and after etching of the resist lower layer film, and the results are shown in Table 5.

구분division bake 온도(℃)bake temperature (캜) 에칭속도(Å/sec)Etching rate (Å / sec) bake 온도(℃)bake temperature (캜) 에칭속도(Å/sec)Etching rate (Å / sec) 실시예 2-1Example 2-1 240240 8585 400400 8383 실시예 2-2Example 2-2 240240 7878 400400 7474 실시예 2-3Example 2-3 240240 8989 400400 8989 실시예 2-4Examples 2-4 240240 7878 400400 7575 실시예 2-5Example 2-5 240240 8686 400400 8585 실시예 2-6Examples 2-6 240240 8888 400400 8282 실시예 2-7Examples 2-7 240240 7979 400400 7575 실시예 2-8Examples 2-8 240240 8585 400400 8484 실시예 2-9Examples 2-9 240240 9191 400400 7676 실시예 2-10Examples 2-10 240240 7676 400400 7777 실시예 2-11Examples 2-11 240240 8181 400400 7878 비교예 4Comparative Example 4 240240 120120 400400 --

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 가교형 고분자로 이루어진 레지스트 하층막은 열적 안정성, 광학적인 특성 및 하드마스크로서의 에칭저항성이 개선되었다. 통상의 노볼락 수지로 이루어진 레지스트 하층막의 경우, 250℃ 이하의 낮은 온도에서는 열적 안정성을 가지지만, 400℃ 정도의 고온에서는 열적 안정성이 저하되는 단점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 자가 가교형 고분자는 반복 단위에 히드록시기와 이와 가교 가능한 카보닐기를 포함함으로써, 가교율이 우수하며, 열적 안정성 및 에칭 저항성이 개선되었다.As described above, the resist underlayer film made of the self-crosslinking polymer according to the present invention has improved thermal stability, optical characteristics, and etching resistance as a hard mask. In the case of a resist underlayer film made of a conventional novolac resin, it has thermal stability at a low temperature of 250 DEG C or less, but has a disadvantage in that thermal stability is lowered at a high temperature of about 400 DEG C. However, the self-crosslinking polymer according to the present invention has a good crosslinking ratio and improved thermal stability and etching resistance by containing a hydroxy group and a carbonyl group capable of crosslinking with the repeating unit.

Claims (12)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 고분자,
[화학식 1]
Figure 112017095663045-pat00017

상기 화학식 1에서, Ar은 벤젠(
Figure 112017095663045-pat00025
), 나프탈렌(
Figure 112017095663045-pat00026
), 안트라센(
Figure 112017095663045-pat00027
), 및 파이렌(
Figure 112017095663045-pat00028
)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다.
A polymer comprising a repeating unit represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
Figure 112017095663045-pat00017

In the above formula (1), Ar represents benzene
Figure 112017095663045-pat00025
), Naphthalene (
Figure 112017095663045-pat00026
), Anthracene (
Figure 112017095663045-pat00027
), And pyrene (
Figure 112017095663045-pat00028
), R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is the number of hydroxyl groups (-OH) substituted in Ar and is an integer of 1 to 3, b is selected from the group consisting of Ar Is an integer of 1 to 3. The number of carbonyl groups (-COR)
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 고분자의 중량평균 분자량은 500 내지 1,000,000 인 것인 고분자.The polymer according to claim 1, wherein the polymer has a weight average molecular weight of 500 to 1,000,000. 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 자가 가교형 고분자,
[화학식 1]
Figure 112017095663045-pat00022

(상기 화학식 1에서, Ar은 벤젠(
Figure 112017095663045-pat00029
), 나프탈렌(
Figure 112017095663045-pat00030
), 안트라센(
Figure 112017095663045-pat00031
), 및 파이렌(
Figure 112017095663045-pat00032
)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다.); 및
유기 용매를 포함하는 레지스트 하층막 조성물.
A self-crosslinking polymer containing a repeating unit represented by the following formula (1)
[Chemical Formula 1]
Figure 112017095663045-pat00022

(In the above formula (1), Ar represents benzene
Figure 112017095663045-pat00029
), Naphthalene (
Figure 112017095663045-pat00030
), Anthracene (
Figure 112017095663045-pat00031
), And pyrene (
Figure 112017095663045-pat00032
), R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is the number of hydroxyl groups (-OH) substituted in Ar and is an integer of 1 to 3, and b is selected from the group consisting of Ar (-COR), which is an integer of 1 to 3; And
A resist underlayer film composition comprising an organic solvent.
제5항에 있어서, 상기 유기용매는 프로필렌글리콜모노메틸에테르 아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(PGME), 사이클로헥산온(CH), 에틸락테이트(EL), 감마부티로락톤(GBL) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 레지스트 하층막 조성물. 6. The method of claim 5, wherein the organic solvent is selected from the group consisting of propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone (CH), ethyl lactate (EL), gamma butyrolactone (GBL) And mixtures thereof. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI > 제5항에 있어서, 상기 자가 가교형 고분자의 함량은 1 내지 30중량%이고, 상기 유기용매의 함량은 70 내지 99중량%인 것인, 레지스트 하층막 조성물.The resist underlayer film composition according to claim 5, wherein the content of the self-crosslinking polymer is 1 to 30% by weight, and the content of the organic solvent is 70 to 99% by weight. 에칭되는 기판의 상부에, 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위를 포함하는 자가 가교형 고분자 및 유기 용매를 포함하는 레지스트 하층막 조성물을 이용하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계,
[화학식 1]
Figure 112017095663045-pat00023

(상기 화학식 1에서, Ar은 벤젠(
Figure 112017095663045-pat00033
), 나프탈렌(
Figure 112017095663045-pat00034
), 안트라센(
Figure 112017095663045-pat00035
), 및 파이렌(
Figure 112017095663045-pat00036
)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이고, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 6의 알킬(alkyl)기이며, a는 Ar에 치환된 히드록시기(-OH)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이고, b는 Ar에 치환된 카보닐기(-COR)의 개수로서, 1 내지 3의 정수이다.);
상기 레지스트 하층막 상부에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트층을 소정 패턴으로 방사선에 노출시킴으로써 상기 포토레지스트층에 방사선 노출된 영역의 패턴을 생성하는 단계;
상기 패턴을 따라, 상기 포토레지스트층 및 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하여, 상기 패턴의 형태로 상기 기판을 노출시키는 단계; 및
상기 기판의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
Forming a resist underlayer film on an upper surface of a substrate to be etched using a resist underlayer film composition comprising a self-crosslinking polymer and an organic solvent,
[Chemical Formula 1]
Figure 112017095663045-pat00023

(In the above formula (1), Ar represents benzene
Figure 112017095663045-pat00033
), Naphthalene (
Figure 112017095663045-pat00034
), Anthracene (
Figure 112017095663045-pat00035
), And pyrene (
Figure 112017095663045-pat00036
), R is hydrogen or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a is the number of hydroxyl groups (-OH) substituted in Ar and is an integer of 1 to 3, and b is selected from the group consisting of Ar (-COR), which is an integer of 1 to 3;
Forming a photoresist layer on the resist underlayer film;
Exposing the photoresist layer to radiation in a predetermined pattern to produce a pattern of radiation exposed areas in the photoresist layer;
Selectively removing the photoresist layer and the resist underlayer film along the pattern to expose the substrate in the form of the pattern; And
And etching the exposed portion of the substrate.
제8항에 있어서, 상기 레지스트 하층막을 형성하는 단계는, 상기 레지스트 하층막 조성물을 500 내지 6,000Å의 두께로 기판 상부에 스핀 코팅하고, 180 내지 500℃의 온도에서 50초 내지 180초 동안 가열함으로써 수행되며, 형성된 레지스트 하층막의 두께는 40 내지 550nm인 것인 패턴 형성 방법.The method according to claim 8, wherein forming the resist underlayer film comprises: spin-coating the resist underlayer film composition onto the substrate to a thickness of 500 to 6,000 ANGSTROM; and heating the substrate at a temperature of 180 to 500 DEG C for 50 to 180 seconds And the thickness of the formed resist lower layer film is 40 to 550 nm. 제8항에 있어서, 상기 레지스트 하층막의 제거는 CHF3/CF4 혼합가스를 이용한 드라이 에칭에 의하여 수행되는 것인 패턴 형성 방법.The pattern forming method according to claim 8, wherein the removal of the resist underlayer film is performed by dry etching using a mixed gas of CHF 3 / CF 4 . 제8항에 있어서, 상기 유기용매는 프로필렌글리콜모노메틸에테르 아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(PGME), 사이클로헥산온(CH), 에틸락테이트(EL), 감마부티로락톤(GBL) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 패턴 형성 방법. 9. The method of claim 8, wherein the organic solvent is selected from the group consisting of propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone (CH), ethyl lactate (EL), gamma butyrolactone (GBL) ≪ / RTI > and mixtures thereof. 제8항에 있어서, 상기 자가 가교형 고분자의 함량은 1 내지 30중량%이고, 상기 유기용매의 함량은 70 내지 99중량%인 것인 패턴 형성 방법.The pattern forming method according to claim 8, wherein the content of the self-crosslinking polymer is 1 to 30 wt%, and the content of the organic solvent is 70 to 99 wt%.
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