KR102349972B1 - Composition for hard mask and method of forming pattern using the same - Google Patents

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KR102349972B1 KR1020180035951A KR20180035951A KR102349972B1 KR 102349972 B1 KR102349972 B1 KR 102349972B1 KR 1020180035951 A KR1020180035951 A KR 1020180035951A KR 20180035951 A KR20180035951 A KR 20180035951A KR 102349972 B1 KR102349972 B1 KR 102349972B1
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Abstract

본 발명의 하드마스크용 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 구조를 포함하는 중축합체 및 용매를 포함한다.
[화학식 1-1]

Figure 112018030926283-pat00059

화학식 1 중, Ar1은 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴렌기이며, Ar2는 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴기이며, X는 산-분해성 또는 열-분해성 보호기이다.The composition for a hard mask of the present invention includes a polycondensate including a repeating unit structure represented by the following Chemical Formula 1 and a solvent.
[Formula 1-1]
Figure 112018030926283-pat00059

In Formula 1, Ar1 is an arylene group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, Ar2 is an aryl group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, and X is an acid-decomposable or thermal-decomposable protecting group.

Description

하드마스크용 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법{COMPOSITION FOR HARD MASK AND METHOD OF FORMING PATTERN USING THE SAME}A composition for a hard mask and a pattern forming method using the same

본 발명은 하드마스크용 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 방향족 화합물의 중축합체를 포함하는 하드마스크용 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composition for a hard mask and a pattern forming method using the same. More particularly, it relates to a composition for a hard mask comprising a polycondensate of an aromatic compound and a pattern forming method using the same.

예를 들면, 반도체 제조, 마이크로일렉트로닉스 등의 분야에서, 회로, 배선, 절연 패턴 등과 같은 구조물들의 집적도가 지속적으로 향상되고 있다. 이에 따라, 상기 구조물들의 미세 패터닝을 위한 포토리소그래피 공정이 함께 개발되고 있다.For example, in the fields of semiconductor manufacturing, microelectronics, etc., the degree of integration of structures such as circuits, wirings, and insulating patterns is continuously improved. Accordingly, a photolithography process for fine patterning of the structures is being developed together.

일반적으로, 식각 대상막 상에 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트 층을 형성하고, 노광 및 현상 공정을 통해 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 식각 대상막을 부분적으로 제거함으로써 소정의 패턴을 형성할 수 있다. 상기 식각 대상막에 대한 이미지 전사가 수행된 후, 상기 포토레지스트 패턴은 애싱(ashing) 및/또는 스트립(strip) 공정을 통해 제거될 수 있다.In general, a photoresist layer is formed by coating a photoresist on an etch target layer, and a photoresist pattern is formed through exposure and development processes. Then, a predetermined pattern may be formed by partially removing the etch target layer using the photoresist pattern as an etch mask. After image transfer to the etch target layer is performed, the photoresist pattern may be removed through an ashing and/or strip process.

상기 노광 공정 중 광반사에 의한 해상도 저하를 억제하기 위해 상기 식각 대상막 및 상기 포토레지스트 층 사이에, 반사방지코팅(anti-refractive coating; ARC) 층을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 ARC층에 대한 식각이 추가되며, 이에 따라 상기 포토레지스트 층 또는 포토레지스트 패턴의 소모량 또는 식각량이 증가될 수 있다. 또한, 상기 식각 대상막의 두께가 증가하거나 원하는 패턴 형성에 필요한 식각량이 증가하는 경우 요구되는 상기 포토레지스트 층 또는 포토레지스트 패턴의 충분한 식각 내성이 확보되지 않을 수 있다.An anti-reflective coating (ARC) layer may be formed between the etch target layer and the photoresist layer in order to suppress resolution degradation due to light reflection during the exposure process. In this case, etching of the ARC layer is added, and accordingly, consumption or etching amount of the photoresist layer or the photoresist pattern may be increased. In addition, when the thickness of the etch target layer increases or the etching amount required to form a desired pattern increases, sufficient etch resistance of the required photoresist layer or photoresist pattern may not be secured.

따라서, 원하는 패턴 형성을 위한 포토레지스트의 식각 내성 및 식각 선택비를 확보하기 위해 상기 식각 대상막 및 상기 포토레지스트 층 사이에 레지스트 하부막이 추가될 수 있다.Accordingly, a resist lower layer may be added between the target layer to be etched and the photoresist layer in order to secure the etch resistance and etch selectivity of the photoresist for forming a desired pattern.

상기 레지스트 하부막은 예를 들면, 고온 식각 공정에 대한 충분한 내에칭성(또는 식각 내성), 내열성을 가지며, 또한 예를 들면 스핀-온 코팅 공정에 의해 균일한 두께로 형성되기 위한 특성들을 만족하는 것이 바람직하다.The resist underlayer has, for example, sufficient etch resistance (or etch resistance) and heat resistance to a high-temperature etching process, and also satisfies the characteristics for being formed to a uniform thickness by, for example, a spin-on coating process. desirable.

한국공개특허 제10-2010-0082844호는 레지스트 하부막 형성 조성물의 일 예를 개시하고 있다.Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2010-0082844 discloses an example of a composition for forming a resist underlayer.

한국공개특허 제10-2010-0082844호Korean Patent Publication No. 10-2010-0082844

본 발명의 일 과제는 본 발명의 일 과제는 우수한 화학적, 막 형성 특성을 갖는 하드마스크를 형성할 수 있는 하드마스크용 조성물을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a composition for a hard mask capable of forming a hard mask having excellent chemical and film-forming properties.

본 발명의 일 과제는 상기 하드마스크용 조성물을 활용한 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a pattern forming method utilizing the composition for a hard mask.

1. 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 구조를 포함하는 중축합체; 및 용매를 포함하는, 하드마스크용 조성물:1. A polycondensate comprising a repeating unit structure represented by the following formula (1); And a composition for a hard mask comprising a solvent:

[화학식 1-1][Formula 1-1]

Figure 112018030926283-pat00001
Figure 112018030926283-pat00001

(화학식 1 중, Ar1은 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴렌기이며, Ar2는 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴기이며, X는 산-분해성 또는 열-분해성 보호기임). (In Formula 1, Ar1 is an arylene group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, Ar2 is an aryl group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, and X is an acid-decomposable or thermal-decomposable protecting group ).

2. 위 1에 있어서, X는 하기의 화학식 2 또는 화학식 3의 구조를 포함하는, 하드마스크용 조성물:2. The composition for a hard mask according to the above 1, wherein X comprises a structure of the following Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3:

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112018030926283-pat00002
Figure 112018030926283-pat00002

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112018030926283-pat00003
Figure 112018030926283-pat00003

(화학식 2 및 3 중, R1은 3차(tertiary) 탄화수소 그룹이며, R2는 탄소수 2 내지 10의 지방족 탄화수소 그룹 또는 실란기이며, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 지방족 탄화수소 그룹임).(In Formulas 2 and 3, R 1 is a tertiary hydrocarbon group, R 2 is an aliphatic hydrocarbon group having 2 to 10 carbon atoms or a silane group, and R 3 and R 4 are each independently hydrogen or 1 to 4 carbon atoms. is an aliphatic hydrocarbon group of ).

3. 위 2에 있어서, 상기 화학식 2의 구조는 하기 화학식 2-1의 화합물로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:3. The composition for a hard mask according to the above 2, wherein the structure of Formula 2 is derived from a compound of Formula 2-1:

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112018030926283-pat00004
Figure 112018030926283-pat00004

(화학식 2-1 중, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 10의 3차 알킬기임)(In Formula 2-1, Ra and Rb are each independently a tertiary alkyl group having 4 to 10 carbon atoms)

4. 위 2에 있어서, 상기 화학식 3의 구조는 하기 화학식 3-1 내지 3-20의 화합물 중 어느 하나로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:4. The composition for a hard mask according to 2 above, wherein the structure of Chemical Formula 3 is derived from any one of the compounds of Chemical Formulas 3-1 to 3-20:

Figure 112018030926283-pat00005
Figure 112018030926283-pat00005

Figure 112018030926283-pat00006
Figure 112018030926283-pat00006

Figure 112018030926283-pat00007
.
Figure 112018030926283-pat00007
.

5. 위 1에 있어서, Ar1은 파이렌올 또는 나프톨로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물.5. The composition for a hard mask according to the above 1, wherein Ar1 is derived from pyrenol or naphthol.

6. 위 1에 있어서, Ar2는 나프틸 알데히드 또는 파이렌 알데히드로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:6. The composition for a hard mask according to 1 above, wherein Ar2 is derived from naphthyl aldehyde or pyrene aldehyde:

7. 위 1에 있어서, 상기 중축합체는 하기 화학식 8로 표시되는 구조 단위를 포함하는, 하드마스크용 조성물:7. The composition for a hard mask according to the above 1, wherein the polycondensate comprises a structural unit represented by the following formula (8):

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112018030926283-pat00008
Figure 112018030926283-pat00008

(화학식 8중, m 및 n은 대괄호로 표시된 각 단위의 몰비를 나타내며, m 및 n은 각각 20 내지 80몰%임)(In Formula 8, m and n represent the molar ratio of each unit indicated by square brackets, and m and n are each 20 to 80 mol%)

8. 위 1에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 중합체 5 내지 30중량%, 및 상기 용매 70 내지 95중량%을 포함하는, 하드마스크용 조성물.8. The composition for a hard mask according to 1 above, comprising 5 to 30% by weight of the polymer and 70 to 95% by weight of the solvent based on the total weight of the composition.

9. 기판 상에 식각 대상막을 형성하는 단계; 상기 식각 대상막 상에 위 1 내지 8 중 어느 한 항의 하드마스크용 조성물을 도포하여 예비 하드 마스크막을 형성하는 단계; 상기 예비 하드 마스크막을 열처리하여 상기 중축합체에 포함된 상기 보호기가 탈보호된 하드마스크 막을 형성하는 단계; 상기 하드마스크 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴을 사용하여 상기 하드마스크막 및 상기 식각 대상막을 식각하는 단계를 포함하는, 패턴 형성 방법.9. forming an etch target layer on the substrate; forming a preliminary hard mask layer by applying the composition for a hard mask of any one of 1 to 8 above on the etch target layer; heat-treating the preliminary hard mask layer to form a hard mask layer in which the protecting group included in the polycondensate is deprotected; forming a photoresist pattern on the hardmask layer; and etching the hard mask layer and the etch target layer using the photoresist pattern.

10. 위 9에 있어서, 상기 보호기 탈보호된 상기 중축합체의 사이트는 히드록실기로 치환되는, 패턴 형성 방법.10. The method according to 9 above, wherein the site of the polycondensate deprotected by the protecting group is substituted with a hydroxyl group.

본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물을 사용하여 우수한 내에칭성을 가지며, 용해성, 코팅성 등과 같은 막 형성 특성이 함께 향상된 하드마스크를 형성할 수 있다. By using the composition for a hard mask according to embodiments of the present invention, a hard mask having excellent etch resistance and improved film-forming properties such as solubility and coating property may be formed.

본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물에 포함된 중축합체는 주쇄 내의 다중 방향족 고리 구조에 결합된 보호기를 포함할 수 있다. 상기 보호기는 상기 중축합체의 용제에 대한 용해성을 증진시켜 상기 하드마스크용 조성물의 용해성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 조성물의 코팅성이 또한 증진되어 균일한 막 균일성, 평탄성을 획득할 수 있다.The polycondensate included in the composition for a hard mask according to embodiments of the present invention may include a protecting group bonded to a multiple aromatic ring structure in the main chain. The protecting group may enhance the solubility of the polycondensate in a solvent to improve the solubility of the composition for a hard mask. Accordingly, the coatability of the composition can also be improved to obtain uniform film uniformity and flatness.

상기 보호기는 산분해성 또는 열분해성을 가지며, 조성물 코팅 후 베이킹 공정에서 제거되어 예를 들면, 히드록실기로 변환될 수 있다. 따라서, 경화 이후 상기 중축합체는 상기 다중 방향족 고리 구조로부터 유래하는 고 탄소 함량 특성을 유지하여 고 내에칭성을 구현할 수 있다.The protecting group may be acid-decomposable or thermal-decomposable, and may be removed in a baking process after coating the composition to be converted into, for example, a hydroxyl group. Therefore, after curing, the polycondensate may maintain high carbon content characteristics derived from the multi-aromatic ring structure to implement high etch resistance.

상기 하드마스크용 조성물로부터 형성된 하드마스크를 사용하여 고해상도의 포토리소그래피 공정이 구현될 수 있으며, 원하는 미세 선폭의 타겟 패턴을 형성할 수 있다.A high-resolution photolithography process can be implemented using the hardmask formed from the hardmask composition, and a target pattern having a desired fine line width can be formed.

도 1 내지 도 5는 예시적인 실시예들에 따른 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.1 to 5 are schematic cross-sectional views for explaining a pattern forming method according to example embodiments.

본 발명의 실시예들은 보호기로 치환된 다중 방향족 고리 구조 함유 중축합체를 포함하며, 이에 따라 용해성 및 내에칭성이 함께 현저히 향상된 하드마스크용 조성물을 제공한다. Embodiments of the present invention include a polycondensate containing a multi-aromatic ring structure substituted with a protecting group, and thus provide a composition for a hard mask with significantly improved solubility and etch resistance.

상기 하드마스크용 조성물을 사용하여 예를 들면 포토레지스트 층 및 식각 대상막 사이에 도포되어 레지스트 하부막으로 활용되는 하드마스크 막이 형성될 수 있다. 상기 하드마스크 막을 포토레지스트 패턴을 통해 부분적으로 제거하여 하드마스크를 형성할 수 있으며, 상기 하드마스크를 추가적인 식각 마스크로 사용할 수 있다.Using the hardmask composition, for example, a hardmask film used as a resist lower film may be formed by being applied between the photoresist layer and the etch target film. The hard mask layer may be partially removed through a photoresist pattern to form a hard mask, and the hard mask may be used as an additional etching mask.

상기 하드마스크 막 또는 하드마스크는, 예를 들면, 스핀-온 하드마스크(Spin-On Hardmask: SOH)로 활용될 수 있다.The hardmask layer or hardmask may be used as, for example, a spin-on hardmask (SOH).

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물에 대해 상세히 설명한다. 본 출원에 사용된 화학식으로 표시되는 화합물 또는 수지의 이성질체가 있는 경우에는, 해당 화학식으로 표시되는 화합물 또는 수지는 그 이성질체까지 포함하는 대표 화학식을 의미한다.Hereinafter, the composition for a hard mask according to embodiments of the present invention will be described in detail. When there is an isomer of the compound or resin represented by the formula used in the present application, the compound or resin represented by the formula means the representative formula including the isomer.

본 명세서에서 사용되는 용어 "탄소 함량"은 화합물의 분자당 총 질량수 대비 탄소 질량수의 비율을 의미할 수 있다.As used herein, the term “carbon content” may mean a ratio of the number of carbon masses to the total number of masses per molecule of a compound.

본 명세서에서 사용되는 용어 "다중고리 방향족"은 복수의 방향족 고리가 방향성을 유지하며 융합된(fused) 구조를 포함할 수 있다.As used herein, the term “polycyclic aromatic” may include a structure in which a plurality of aromatic rings are fused while maintaining aromaticity.

본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물은 중합체(또는 축합체) 및 용매를 포함하며, 가교제, 촉매 등과 같은 추가 제제를 더 포함할 수도 있다.The composition for a hard mask according to embodiments of the present invention includes a polymer (or condensate) and a solvent, and may further include additional agents such as a crosslinking agent and a catalyst.

중축합체polycondensate

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 하드마스크용 조성물은 하기의 화학식 1로 표시되는 반복 단위 구조를 포함할 수 있다.According to embodiments of the present invention, the composition for a hard mask may include a repeating unit structure represented by Chemical Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112018030926283-pat00009
Figure 112018030926283-pat00009

화학식 1중, Ar1은 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴렌기를 나타낼 수 있다. Ar2는 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴기를 나타낼 수 있다.In Formula 1, Ar1 may represent an arylene group having 10 to 30 carbon atoms and having a multiple aromatic ring structure. Ar2 may represent an aryl group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure.

X는 보호기를 나타내며, 하기의 화학식 2 또는 화학식 3의 구조를 가질 수 있다.X represents a protecting group, and may have a structure represented by the following Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3.

[화학식 2][Formula 2]

Figure 112018030926283-pat00010
Figure 112018030926283-pat00010

[화학식 3][Formula 3]

Figure 112018030926283-pat00011
Figure 112018030926283-pat00011

화학식 2 및 3 중 물결 표시는 화학식 1에 표시된 산소원자(O)와의 결합 부위를 나타낸다.In Formulas 2 and 3, the wavy mark indicates a bonding site with the oxygen atom (O) shown in Formula 1.

화학식 2 및 3 중, R1은 3차(tertiary) 탄화수소 그룹(예를 들면, 3차 알킬기)을 나타내며, R2는 탄소수 2 내지 10의 지방족 탄화수소 그룹 또는 실란기를 나타내며, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 지방족 탄화수소 그룹(예를 들면, 알킬기)을 나타낼 수 있다.In Formulas 2 and 3, R 1 represents a tertiary hydrocarbon group (eg, a tertiary alkyl group), R 2 represents an aliphatic hydrocarbon group having 2 to 10 carbon atoms or a silane group, and R 3 and R 4 are Each may independently represent hydrogen or an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms (eg, an alkyl group).

R2는 예를 들면, 에테르 결합 또는 카르보닐 결합에 의해 연결되는 지방족 탄화수소 그룹을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 수소 원자가 히드록실기 또는 할로겐 원자로 치환될 수 있다. R3 및 R4 역시 적어도 하나의 수소 원자가 히드록실기, 할로겐 원자, 시아노기, 니트로기 등으로 치환될 수도 있다.R 2 may include, for example, an aliphatic hydrocarbon group connected by an ether bond or a carbonyl bond, and at least one hydrogen atom may be substituted with a hydroxyl group or a halogen atom. R 3 and R 4 may also be substituted with at least one hydrogen atom with a hydroxyl group, a halogen atom, a cyano group, a nitro group, or the like.

예시적인 실시예들에 있어서, Ar1은 파이렌올(화학식 4) 또는 나프톨(화학식 5)로부터 유래할 수 있다.In exemplary embodiments, Ar1 may be derived from pyrenol (Formula 4) or naphthol (Formula 5).

[화학식 4][Formula 4]

Figure 112018030926283-pat00012
Figure 112018030926283-pat00012

[화학식 5][Formula 5]

Figure 112018030926283-pat00013
Figure 112018030926283-pat00013

바람직한 일 실시예에 있어서, 하드마스크의 내에칭성 향상을 위해 고 탄소함량을 갖는 파이렌올이 사용될 수 있다.In a preferred embodiment, pyrenol having a high carbon content may be used to improve the etch resistance of the hard mask.

예를 들면, X가 상기 화학식 2의 구조를 갖는 경우, 하기의 화학식 2-1의 화합물로부터 유래할 수 있다.For example, when X has the structure of Formula 2, it may be derived from a compound of Formula 2-1 below.

[화학식 2-1][Formula 2-1]

Figure 112018030926283-pat00014
Figure 112018030926283-pat00014

화학식 2-1 중, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 10의 3차 알킬기일 수 있다.In Formula 2-1, Ra and Rb may each independently represent a tertiary alkyl group having 4 to 10 carbon atoms.

예를 들면, 화학식 2-1의 화합물은 하기 화학식 2-1-1 또는 2-1-2의 화합물을 포함할 수 있다.For example, the compound of Formula 2-1 may include a compound of Formula 2-1-1 or 2-1-2 below.

[화학식 2-1-1][Formula 2-1-1]

Figure 112018030926283-pat00015
Figure 112018030926283-pat00015

[화학식 2-1-2][Formula 2-1-2]

Figure 112018030926283-pat00016
Figure 112018030926283-pat00016

일부 실시예들에 있어서, 파이렌올 및 보호기 제공 화합물로서 상기 화학식 2-1의 화합물이 사용되는 경우, 파이렌올의 히드록실기가 화학식 2-1에 포함된 하나의 카르보닐 탄소를 친핵성 공격하여 아래 반응식 1의 메커니즘에 의해 보호기(X)가 결합될 수 있다.In some embodiments, when the compound of Formula 2-1 is used as pyrenol and a compound providing a protecting group, a hydroxyl group of pyrenol may nucleophilically attack one carbonyl carbon included in Formula 2-1. The protecting group (X) may be bound by the mechanism of Scheme 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

Figure 112018030926283-pat00017
Figure 112018030926283-pat00017

예를 들면, X가 상기 화학식 3의 구조를 갖는 경우, 화학식 3-1 내지 화학식 3-20의 화합물로부터 유래할 수 있다.For example, when X has the structure of Formula 3, it may be derived from compounds of Formulas 3-1 to 3-20.

Figure 112018030926283-pat00018
Figure 112018030926283-pat00018

Figure 112018030926283-pat00019
Figure 112018030926283-pat00019

Figure 112018030926283-pat00020
Figure 112018030926283-pat00020

일부 실시예들에 있어서, 파이렌올 및 보호기 제공 화합물로서 상기 화학식 3-1의 화합물이 사용되는 경우, 파이렌올의 히드록실기가 화학식 3-1에 포함된 이중결합 탄소와 반응하여 아래 반응식 2의 메커니즘에 의해 보호기(X)가 결합될 수 있다.In some embodiments, when the compound of Formula 3-1 is used as pyrenol and a compound providing a protecting group, the hydroxyl group of pyrenol reacts with the double bond carbon included in Formula 3-1 to form a compound of Scheme 2 below The protecting group (X) may be bound by a mechanism.

[반응식 2][Scheme 2]

Figure 112018030926283-pat00021
Figure 112018030926283-pat00021

예시적인 실시예들에 있어서, Ar2는 다중고리 방향족 알데히드 또는 이의 합성 등가체로부터 유래될 수 있다. 바람직한 실시예들에 있어서, Ar2는 나프틸 알데히드(화학식 6) 또는 파이렌 알데히드(화학식 7)로부터 유래할 수 있다.In exemplary embodiments, Ar2 may be derived from a polycyclic aromatic aldehyde or a synthetic equivalent thereof. In preferred embodiments, Ar2 may be derived from naphthyl aldehyde (Formula 6) or pyrene aldehyde (Formula 7).

[화학식 6][Formula 6]

Figure 112018030926283-pat00022
Figure 112018030926283-pat00022

[화학식 7][Formula 7]

Figure 112018030926283-pat00023
Figure 112018030926283-pat00023

바람직한 일 실시예에 있어서, 용해성, 코팅성 등의 막 균일성을 고려하여 나프틸 알데히드가 사용될 수 있다. 그러나, 파이렌 알데히드가 사용되는 경우에도 후술하는 보호기(X)에 의해 충분한 용해도 및 평탄성이 구현될 수 있다.In a preferred embodiment, naphthyl aldehyde may be used in consideration of film uniformity such as solubility and coating properties. However, even when pyrene aldehyde is used, sufficient solubility and flatness may be realized by the protecting group (X), which will be described later.

일 실시예에 있어서, 중축합체의 주쇄 단위(예를 들면, Ar1) 및 링커 단위(또는 펜던트)(예를 들면, Ar2)를 모두 다중고리 방향족 구조를 포함하도록 설계함으로써 고 탄소 함량에 의해 하드마스크의 내에칭성을 현저히 향상시킬 수 있다.In one embodiment, a high carbon content is hardmasked by designing both the main chain unit (eg Ar1) and the linker unit (or pendant) (eg Ar2) of the polycondensate to contain a polycyclic aromatic structure. of the etch resistance can be significantly improved.

그러나, 탄소 함량이 높아질수록 중축합체의 용해성이 저하되어 막 균일성이 저하될 수 있으므로, Ar1에 보호기를 결합시켜 용해성을 보충할 수 있다. 상기 보호기는 작용기 내에 에테르 결합과 같은 회전 가능한 친수성기 또는 극성기를 포함할 수 있으며, 중축합체의 유연성과 함께 용해성을 증진시킬 수 있다.However, as the carbon content increases, the solubility of the polycondensate may decrease and thus the film uniformity may decrease. Therefore, the solubility may be supplemented by bonding a protecting group to Ar1. The protecting group may include a rotatable hydrophilic group or a polar group such as an ether bond in the functional group, and may improve solubility and flexibility of the polycondensate.

예시적인 실시예들에 따르면, 보호기(X)는 산-분해성 또는 열-분해성 관능기로 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들면 상기 하드마스크용 조성물을 도포한 후, 베이킹 또는 경화 공정시 보호기(X)가 이탈되어 Ar1에 결합된 치환기가 다시 히드록실기로 복원될 수 있다.According to exemplary embodiments, the protecting group (X) may be provided as an acid-decomposable or thermally-decomposable functional group. Accordingly, for example, after the hard mask composition is applied, the protecting group (X) is released during a baking or curing process, and the substituent bonded to Ar1 may be restored to a hydroxyl group.

따라서, 하드마스크 상태에서는 상기 중축합체의 고 탄소함량 구조가 유지되므로 향상된 내에칭성 효과를 구현할 수 있다.Therefore, since the high carbon content structure of the polycondensate is maintained in the hard mask state, an improved etch resistance effect can be realized.

일부 실시예들에 따르면, 중축합체 내에는 복수의 Ar1 그룹들이 존재하고, 복수의 Ar1 그룹들 중 일부 그룹들이 보호기(X)로 치환되며, 일부는 히드록실기가 Ar1에 결합된 채로 유지될 수 있다.According to some embodiments, a plurality of Ar1 groups are present in the polycondensate, some of the plurality of Ar1 groups are substituted with a protecting group (X), and some of the hydroxyl groups may remain bonded to Ar1. have.

예를 들면, 상기 중축합체는 하기의 화학식 8에 따른 구조 단위를 포함할 수 있다.For example, the polycondensate may include a structural unit according to Formula 8 below.

[화학식 8][Formula 8]

Figure 112018030926283-pat00024
Figure 112018030926283-pat00024

상기 화학식 8중, m 및 n은 대괄호로 표시된 각 단위의 몰비를 나타낸다. 일 실시예에 있어서, m 및 n은 각각 약 20 내지 80몰%일 수 있다.In Formula 8, m and n represent molar ratios of units indicated by square brackets. In one embodiment, m and n may each be about 20 to 80 mole %.

일 실시예에 있어서, 상기 중합체의 중량평균분자량은 예를 들면, 약 1,000 내지 10,000 범위일 수 있고, 상기 범위에서 바람직한 내열성, 내에칭성, 용해성 및 평탄성이 함께 확보될 수 있다.In one embodiment, the weight average molecular weight of the polymer may be in the range of, for example, about 1,000 to 10,000, and desirable heat resistance, etch resistance, solubility, and flatness may be secured together in the above range.

일 실시예에 있어서, 상기 중축합체의 다분산지수(PDI, Polydispersity index)[중량평균분자량(Mw)/수평균분자량(Mn)]는 약 1.5 내지 6.0일 수 있으며, 바람직하게는 약 1.5 내지 4.0일 수 있다. 상기 범위에서 바람직한 용해성, 내에칭성과 함께 코팅성 및 평탄성과 같은 막 형성 특성이 함께 향상될 수 있다.In one embodiment, the polydispersity index (PDI, Polydispersity index) [weight average molecular weight (Mw) / number average molecular weight (Mn)] of the polycondensate may be about 1.5 to 6.0, preferably about 1.5 to 4.0 can be In the above range, film forming properties such as coatability and flatness may be improved together with desirable solubility and etch resistance.

상기 중합체의 함량은 특별히 제한되지는 않으나, 예를 들면 하드마스크용 조성물 총 중량 중 약 5 내지 30중량%일 수 있으며, 일 실시예에 있어서 약 10 내지 30중량% 일 수 있다.The content of the polymer is not particularly limited, but may be, for example, about 5 to 30% by weight of the total weight of the composition for a hard mask, and in one embodiment, about 10 to 30% by weight.

용매menstruum

본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물에 사용되는 용매는 특별히 제한되는 것은 아니며, 상술한 중축합체에 충분한 용해성을 갖는 유기 용매를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 용매는 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate; PGMEA), 프로필렌글리콜 모노메틸에테르(propylene glycol monomethyl ether; PGME), 사이클로헥사논, 에틸락테이트, 감마-부티로락톤(γ-butyrolactone; GBL), 아세틸 아세톤(acetyl acetone)등을 포함할 수 있다. The solvent used in the composition for a hard mask according to embodiments of the present invention is not particularly limited, and may include an organic solvent having sufficient solubility in the polycondensate described above. For example, the solvent is propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone, ethyl lactate, gamma-butyrolactone. (γ-butyrolactone; GBL), acetyl acetone, and the like.

상기 용매의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 상기 중축합체 및 후술하는 추가 제제들을 제외한 잔량으로 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 용매는 하드마스크용 조성물 총 중량 중 약 70 내지 95중량%로 포함될 수 있다.The content of the solvent is not particularly limited, and may be included in the remaining amount excluding the polycondensate and additional agents to be described later. For example, the solvent may be included in an amount of about 70 to 95% by weight of the total weight of the composition for a hard mask.

추가 제제additional formulation

선택적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물은 가교제, 촉매, 계면활성제와 같은 추가 제제를 더 포함할 수 있다.Optionally, the composition for a hard mask according to embodiments of the present invention may further include an additional agent such as a crosslinking agent, a catalyst, and a surfactant.

상기 가교제는 상기 중합체에 포함된 반복단위들을 서로 가교할 수 있는 것으로서, 예를 들면, 상기 중합체에 포함된 히드록실기와 반응할 수 있다. 상기 가교제에 의해, 하드마스크용 조성물의 경화특성이 보다 강화될 수 있다.The crosslinking agent is capable of crosslinking the repeating units included in the polymer with each other, and may react with, for example, a hydroxyl group included in the polymer. By the crosslinking agent, the curing characteristics of the composition for a hard mask may be further strengthened.

상기 가교제의 예로서 멜라민, 아미노 수지, 글리콜루릴 화합물, 또는 비스에폭시 화합물 등을 들 수 있다. Examples of the crosslinking agent include melamine, an amino resin, a glycoluryl compound, or a bisepoxy compound.

상기 가교제는, 구체적인 예를 들면, 에테르화된 아미노 수지, 예를 들면 메틸화되거나 부틸화된 멜라민(구체적인 예로는, N-메톡시메틸-멜라민 또는 N-부톡시메틸-멜라민) 및 메틸화되거나 부틸화된 우레아(urea) 수지(구체적인 예로는, Cymel U-65 Resin 또는 UFR 80 Resin), 글리콜루릴 유도체(화학식 9 참조, 구체적인 예로는 Powderlink 1174), 화학식 10으로 표시되는 비스(히드록시메틸)-p-크레졸 화합물 등을 포함할 수 있다. 또한, 하기 화학식 11로 표시되는 비스에폭시 계통의 화합물과 하기 화학식 12로 표시되는 멜라민 계통의 화합물도 가교제로 사용할 수 있다.The crosslinking agent is, for example, an etherified amino resin, such as a methylated or butylated melamine (specifically N-methoxymethyl-melamine or N-butoxymethyl-melamine) and a methylated or butylated melamine urea resin (specific example, Cymel U-65 Resin or UFR 80 Resin), glycoluryl derivative (see Formula 9, specific example, Powderlink 1174), bis (hydroxymethyl)-p represented by Formula 10 -cresol compounds and the like may be included. In addition, a bisepoxy-based compound represented by the following Chemical Formula 11 and a melamine-based compound represented by the following Chemical Formula 12 may also be used as a crosslinking agent.

[화학식 9][Formula 9]

Figure 112018030926283-pat00025
Figure 112018030926283-pat00025

[화학식 10][Formula 10]

Figure 112018030926283-pat00026
Figure 112018030926283-pat00026

[화학식 11][Formula 11]

Figure 112018030926283-pat00027
Figure 112018030926283-pat00027

[화학식 12][Formula 12]

Figure 112018030926283-pat00028
Figure 112018030926283-pat00028

상기 촉매로는 산 촉매 또는 염기성 촉매를 사용할 수 있다.An acid catalyst or a basic catalyst may be used as the catalyst.

상기 산 촉매는 열 활성화된 산 촉매를 사용할 수 있다. 산 촉매의 예로는 p-톨루엔 술폰산과 같은 유기산이 사용될 수 있다. 상기 산 촉매로서 열산 발생제(thermal acid generator: TAG) 계통의 화합물을 사용할 수도 있다. 상기 열산 발생제 계통 촉매의 예로서 피리디늄 p-톨루엔 술포네이트(pyridinium p-toluene sulfonate), 2,4,4,6-테트라브로모시클로헥사디엔온, 벤조인토실레이트, 2-니트로벤질토실레이트, 유기술폰산의 알킬에스테르 등을 들 수 있다.The acid catalyst may be a thermally activated acid catalyst. As an example of the acid catalyst, an organic acid such as p-toluene sulfonic acid can be used. As the acid catalyst, a compound of a thermal acid generator (TAG) system may be used. Examples of the thermal acid generator system catalyst include pyridinium p-toluene sulfonate, 2,4,4,6-tetrabromocyclohexadienone, benzointosylate, 2-nitrobenzyltosyl and alkyl esters of organic sulfonic acids.

상기 염기성 촉매로는 NH4OH 또는 NR4OH(R은 알킬기)로 표시되는 암모늄 히드록사이드 중 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다.As the basic catalyst, any one selected from ammonium hydroxide represented by NH 4 OH or NR 4 OH (R is an alkyl group) may be used.

상기 가교제를 포함하는 경우, 가교제의 함량은 상기 중축합체 100중량부에 대하여 약 1 내지 30중량부일 수 있고, 바람직하게 약 5 내지 20 중량부, 보다 바람직하게는 약 5 내지 10 중량부일 수 있다. When the crosslinking agent is included, the content of the crosslinking agent may be about 1 to 30 parts by weight, preferably about 5 to 20 parts by weight, more preferably about 5 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycondensate.

상기 촉매를 포함하는 경우, 촉매의 함량은 상기 중축합체 100중량부에 대하여 약 0.001 내지 5중량부일 수 있고, 바람직하게는 약 0.1 내지 2중량부일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 0.1 내지 1중량부일 수 있다.When the catalyst is included, the content of the catalyst may be about 0.001 to 5 parts by weight, preferably about 0.1 to 2 parts by weight, and more preferably about 0.1 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the polycondensate. can

상기 가교제 및 상기 촉매의 함량 범위 내에서, 상기 중축합체의 내에칭성, 내열성, 용해성, 평탄성을 열화시키지 않으면서, 적절한 가교 특성을 획득할 수 있다.Within the content range of the crosslinking agent and the catalyst, appropriate crosslinking properties may be obtained without deteriorating etch resistance, heat resistance, solubility, and flatness of the polycondensate.

본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크용 조성물은 하드마스크의 표면 특성, 접착성 향상을 위해 계면 활성제를 더 포함할 수도 있다. 계면활성제로는 알킬벤젠설폰산염, 알킬피리디늄염, 폴리에틸렌글리콜류, 4차 암모늄염등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 계면활성제의 함량은 예를 들면, 상기 중축합체 100중량부에 대하여 약 0.1 내지 10중량부일 수 있다.The composition for a hard mask according to embodiments of the present invention may further include a surfactant to improve surface properties and adhesion of the hard mask. The surfactant may include, but is not limited to, alkylbenzenesulfonate, alkylpyridinium salt, polyethylene glycol, quaternary ammonium salt, and the like. The content of the surfactant may be, for example, about 0.1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of the polycondensate.

도 1 내지 도 5는 예시적인 실시예들에 따른 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 도 1 내지 도 5는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 하드마스크 조성물을 사용한 패턴 형성 방법을 제공한다.1 to 5 are schematic cross-sectional views for explaining a pattern forming method according to example embodiments. 1 to 5 provide a pattern forming method using the hard mask composition according to the above-described embodiments of the present invention.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 식각 대상막(110)을 형성할 수 있다. 기판(100)은 예를 들면, 단결정 실리콘 또는 단결정 게르마늄 등을 포함하는 반도체 기판일 수 있다. Referring to FIG. 1 , an etch target layer 110 may be formed on a substrate 100 . The substrate 100 may be, for example, a semiconductor substrate including single crystal silicon or single crystal germanium.

식각 대상막(110)은 타겟 패턴의 용도에 따라, 금속 혹은 금속 질화물과 같은 도전물질, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 등과 같은 절연물질, 혹은 폴리실리콘과 같은 반도체 물질 등을 포함할 수 있다.The etching target layer 110 may include a conductive material such as a metal or metal nitride, an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride, or a semiconductor material such as polysilicon, depending on the use of the target pattern.

도 2를 참조하면, 식각 대상막(110) 상에 상술한 하드마스크용 조성물을 예를 들면, 스핀 코팅 공정을 통해 도포하여 예비 하드마스크 막(120)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the preliminary hardmask layer 120 may be formed by applying the above-described hardmask composition on the etch target layer 110 through, for example, a spin coating process.

상술한 바와 같이, 상기 하드마스크용 조성물은 보호기로 치환된 다중 방향족 고리 구조를 포함하며, 상기 보호기를 통해 용해성이 향상된 중축합체를 포함할 수 있다. 따라서, 향상된 코팅성, 평탄성으로 균일한 프로파일의 예비 하드마스크 막(120)이 형성될 수 있다.As described above, the composition for a hard mask may include a multi-aromatic ring structure substituted with a protecting group, and may include a polycondensate having improved solubility through the protecting group. Accordingly, the preliminary hardmask film 120 having a uniform profile with improved coatability and flatness may be formed.

도 3을 참조하면, 예비 하드마스크 막(120)을 열처리하여 하드마스크 막(125)을 형성할 수 있다. 상기 열처리는 예를 들면, 약 100 내지 400℃의 온도에서 수행되는 베이킹 공정을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the hardmask layer 125 may be formed by heat-treating the preliminary hardmask layer 120 . The heat treatment may include, for example, a baking process performed at a temperature of about 100 to 400°C.

상기 보호기는 산-분해 또는 열-분해 가능한 관능기를 포함하며, 상기 열처리에 의해 상기 보호기가 이탈 또는 탈보호될 수 있다. 상기 보호기가 이탈된 사이트는 다시 히드록실기로 복원될 수 있다. 이에 따라, 상기 다중 방향족 고리의 탄소 함량이 증가하면서, 내에칭성이 증가된 하드마스크 막(125)이 형성될 수 있다. 하드마스크 막(125) 상에는 포토레지스트 막(130)이 형성될 수 있다. The protecting group includes an acid-decomposable or thermally-decomposable functional group, and the protecting group may be released or deprotected by the heat treatment. The site from which the protecting group is released may be restored to a hydroxyl group. Accordingly, as the carbon content of the multi-aromatic ring increases, the hardmask layer 125 having increased etch resistance may be formed. A photoresist layer 130 may be formed on the hard mask layer 125 .

도 4를 참조하면, 포토레지스트 막(130)을 선택적으로 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(135)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the photoresist layer 130 may be selectively exposed and developed to form a photoresist pattern 135 .

도 5를 참조하면, 포토레지스트 패턴(130)을 이용하여 하드마스크 막(125)를 선택적으로 식각하여 하드마스크 패턴(127)이 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5 , the hard mask layer 125 may be selectively etched using the photoresist pattern 130 to form a hard mask pattern 127 .

이후, 포토레지스트 패턴(130) 및 하드마스크 패턴(127)을 함께 식각마스크로 사용하여 식각 대상막(110)을 선택적으로 제거함으로써, 소정의 타겟 패턴(115)이 형성될 수 있다.Thereafter, the target layer 110 may be selectively removed using the photoresist pattern 130 and the hard mask pattern 127 together as an etch mask, thereby forming a predetermined target pattern 115 .

하드마스크 패턴(127)은 상기 중축합체를 통해 고 내에칭성을 가지므로, 예를 들면 건식 식각 공정에 사용되는 식각 가스로부터 식각 손상이 방지될 수 있다. 따라서, 식각 공정 중 리지드(rigid)한 식각 마스크 구조가 유지되며, 원하는 패턴 프로파일을 갖는 타겟 패턴(115)이 형성될 수 있다.Since the hard mask pattern 127 has high etch resistance through the polycondensate, etch damage from, for example, an etching gas used in a dry etching process may be prevented. Accordingly, a rigid etch mask structure is maintained during the etching process, and a target pattern 115 having a desired pattern profile may be formed.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 실시예들 및 비교예들을 포함하는 실험예를 제시하나, 이는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 첨부된 특허청구범위를 제한하는 것이 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 실시예에 대한 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.Hereinafter, experimental examples including specific examples and comparative examples are presented to help the understanding of the present invention, but these are merely illustrative of the present invention and do not limit the appended claims, the scope and description of the present invention It is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications to the embodiments are possible within the scope of the spirit, and it is natural that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

하기 표 1에 기재된 조성 및 함량(중량%)의 하드마스크용 조성물을 제조하였다. 실시예 및 비교예들에 있어서, 중합체(A) 형성 시 산촉매로서 파라톨루엔술폰산(중축합체 대비 5mol%)이 사용되었다.A composition for a hard mask of the composition and content (% by weight) described in Table 1 was prepared. In Examples and Comparative Examples, para-toluenesulfonic acid (5 mol% relative to the polycondensate) was used as an acid catalyst when forming the polymer (A).

구분division 중축합체(A)Polycondensate (A) 용매(B)Solvent (B) 가교제(C)Crosslinking agent (C) 촉매(D)Catalyst (D) 계면활성제
(E)
Surfactants
(E)
성분ingredient 함량content 성분ingredient 함량content 성분ingredient 함량content 성분ingredient 함량content 성분ingredient 함량content 실시예 1Example 1 A-1A-1 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 실시예 2Example 2 A-2A-2 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 실시예 3Example 3 A-3A-3 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 실시예 4Example 4 A-4A-4 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 실시예 5Example 5 A-1A-1 1010 B-1B-1 8888 C-1C-1 1One D-1D-1 1One -- -- 실시예 6Example 6 A-1A-1 1010 B-1B-1 8989 -- -- -- -- E-1E-1 1One 비교예 1Comparative Example 1 A'-1A'-1 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 A'-2A'-2 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- -- 비교예 3Comparative Example 3 A'-3A'-3 1010 B-1B-1 9090 -- -- -- -- -- --

A-1:

Figure 112018030926283-pat00029
,
Figure 112018030926283-pat00030
,
Figure 112018030926283-pat00031
(1:0.5:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 아래 화학식 13 구조의 공중합체(중량평균분자량: 4,300)A-1:
Figure 112018030926283-pat00029
,
Figure 112018030926283-pat00030
,
Figure 112018030926283-pat00031
(1:0.5:1 molar ratio) a copolymer of the following formula 13 produced by a condensation reaction (weight average molecular weight: 4,300)

[화학식 13][Formula 13]

Figure 112018030926283-pat00032
Figure 112018030926283-pat00032

A-2:

Figure 112018030926283-pat00033
,
Figure 112018030926283-pat00034
,
Figure 112018030926283-pat00035
(1:0.5:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 아래 화학식 14 구조의 공중합체(중량평균분자량: 4,100)A-2:
Figure 112018030926283-pat00033
,
Figure 112018030926283-pat00034
,
Figure 112018030926283-pat00035
(1:0.5:1 molar ratio) a copolymer of the following formula (14) produced by a condensation reaction (weight average molecular weight: 4,100)

[화학식 14][Formula 14]

Figure 112018030926283-pat00036
Figure 112018030926283-pat00036

A-3:

Figure 112018030926283-pat00037
,
Figure 112018030926283-pat00038
,
Figure 112018030926283-pat00039
(1:0.7:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 아래 화학식 15 구조의 공중합체(중량평균분자량: 5,700)A-3:
Figure 112018030926283-pat00037
,
Figure 112018030926283-pat00038
,
Figure 112018030926283-pat00039
(1:0.7:1 molar ratio) a copolymer of the following formula 15 produced by a condensation reaction (weight average molecular weight: 5,700)

[화학식 15][Formula 15]

Figure 112018030926283-pat00040
Figure 112018030926283-pat00040

A-4:

Figure 112018030926283-pat00041
,
Figure 112018030926283-pat00042
,
Figure 112018030926283-pat00043
(1:0.5:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 아래 화학식 16 구조의 공중합체(중량평균분자량: 3,950)A-4:
Figure 112018030926283-pat00041
,
Figure 112018030926283-pat00042
,
Figure 112018030926283-pat00043
(1:0.5:1 molar ratio) a copolymer of the following formula (16) produced by a condensation reaction (weight average molecular weight: 3,950)

[화학식 16][Formula 16]

Figure 112018030926283-pat00044
Figure 112018030926283-pat00044

A'-1:

Figure 112018030926283-pat00045
,
Figure 112018030926283-pat00046
(1:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 공중합체(중량평균분자량: 3,300)A'-1:
Figure 112018030926283-pat00045
,
Figure 112018030926283-pat00046
(1:1 molar ratio) of the copolymer produced by the condensation reaction (weight average molecular weight: 3,300)

A'-2:

Figure 112018030926283-pat00047
,
Figure 112018030926283-pat00048
(1:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 공중합체(중량평균분자량: 3,800)A'-2:
Figure 112018030926283-pat00047
,
Figure 112018030926283-pat00048
(1:1 molar ratio) of the copolymer produced by the condensation reaction (weight average molecular weight: 3,800)

A'-3:

Figure 112018030926283-pat00049
,
Figure 112018030926283-pat00050
(1:1 몰비율)의 축합반응으로 생성된 공중합체(중량평균분자량: 3,300)A'-3:
Figure 112018030926283-pat00049
,
Figure 112018030926283-pat00050
(1:1 molar ratio) of the copolymer produced by the condensation reaction (weight average molecular weight: 3,300)

B: PGMEAB: PGMEA

C: N-메톡시메틸-멜라민 수지C: N-methoxymethyl-melamine resin

D: p-톨루엔 술폰산-피리딘염D: p-toluene sulfonic acid-pyridine salt

E: 트리에틸렌글리콜E: triethylene glycol

실험예Experimental example

후술하는 평가 방법을 통해 표 1의 조성물들로 형성된 하드마스크층 또는 하드마스크의 내에칭성, 용해성 및 평탄성을 평가하였다. 평가 결과는 하기의 표 2에 나타낸다.Etching resistance, solubility, and flatness of the hard mask layer or hard mask formed of the compositions of Table 1 were evaluated through an evaluation method to be described later. The evaluation results are shown in Table 2 below.

(1) 내에칭성 평가(1) Evaluation of etch resistance

실시예 및 비교예들에 따른 조성물을 각각 실리콘웨이퍼 위에 스핀-코팅법으로 코팅하고, 60초간 200℃ 에서 베이킹하여 두께 1500Å의 하드마스크 층을 형성시켰다. 형성된 각각의 하드마스크 층 위에 ArF용 포토레지스트를 코팅하고 110℃ 에서 60초간 베이킹 한 후 ASML(XT:1450G, NA 0.93)사의 노광장비를 사용해 각각 노광을 한 다음 TMAH(2.38wt% 수용액)으로 각각 현상하여 60nm의 라인- 앤드-스페이스(line and space) 패턴을 얻었다. The compositions according to Examples and Comparative Examples were coated on a silicon wafer by spin-coating, respectively, and baked at 200° C. for 60 seconds to form a hard mask layer having a thickness of 1500 Å. A photoresist for ArF is coated on each hard mask layer formed, and after baking at 110°C for 60 seconds, exposure is performed using ASML (XT:1450G, NA 0.93) exposure equipment, and then each is exposed with TMAH (2.38wt% aqueous solution). After development, a line-and-space pattern of 60 nm was obtained.

상기 포토레지스트 패턴을 110℃ 에서 60초간 더 경화하고, 상기 포토레지스트 패턴 및 CHF3/CF4 혼합가스를 사용하여 상기 하드마스크 층에 대해 각각 20초간 드라이 에칭을 진행하고, FE-SEM으로 단면을 각각 관찰하여 에칭 속도를 측정하여 할로겐플라즈마에 대한 내에칭성을 판정하였다.The photoresist pattern is further cured at 110° C. for 60 seconds, and dry etching is performed on the hard mask layer for 20 seconds using the photoresist pattern and CHF 3 /CF 4 mixed gas, respectively, and the cross section is cut with FE-SEM. Each was observed to measure the etching rate to determine the etch resistance to halogen plasma.

<내에칭성 판정><Determination of etch resistance>

◎: 에칭속도 10A/Sec 미만◎: Etching rate less than 10A/Sec

○: 에칭속도 10A/Sec 이상 11A/Sec 미만○: Etching rate 10A/Sec or more and less than 11A/Sec

△: 에칭속도 11A/Sec 이상 12A/Sec 미만△: Etching rate 11A/Sec or more and less than 12A/Sec

×: 에칭속도 12A/Sec 이상×: Etching rate 12A/Sec or more

(2) 용해성(2) solubility

실시예 및 비교예의 조성물을 50℃에서 1시간 동안 교반한 뒤, 1) 가온 상태(50℃)에서의 공중합체의 용해 상태를 확인하고, 상온으로 냉각한 뒤, 2) 상온 상태(25℃)에서의 공합체의 용해 상태를 확인하고, 추가적으로 상온에서 6시간 교반하고, 3) 상온 방치 상태(25℃)에서의 중합체의 용해상태를 재확인하여, 용해성을 측정하였다.After stirring the compositions of Examples and Comparative Examples at 50 ° C. for 1 hour, 1) checking the dissolution state of the copolymer in a warm state (50 ° C), cooling to room temperature, 2) room temperature state (25 ° C) The dissolution state of the copolymer was confirmed, and the mixture was further stirred at room temperature for 6 hours, and 3) the dissolution state of the polymer at room temperature was reconfirmed (25° C.), and solubility was measured.

<용해성 판정><Solubility determination>

◎: 상온 방치 상태에서 미용해 폴리머가 육안으로 확인되지 않음.(double-circle): Undissolved polymer was not visually confirmed in the state left at room temperature.

○: 상온 상태에서 미용해 폴리머가 육안으로 확인되지 않으나, 상온 방치 상태에서 소량의 미용해 폴리머가 육안으로 확인됨.○: Undissolved polymer was not visually confirmed at room temperature, but a small amount of undissolved polymer was visually confirmed when left at room temperature.

△: 가온 상태에서 미용해 폴리머가 육안으로 확인되지 않으나, 상온 상태에 미용해 폴리머가 육안으로 확인됨.△: Undissolved polymer was not visually confirmed in a warm state, but undissolved polymer was visually confirmed in a room temperature state.

×: 가온 상태에서 미용해 폴리머가 소량 육안으로 확인됨.x: A small amount of undissolved polymer was visually confirmed in a heated state.

(3) 평탄성 평가(3) Flatness evaluation

실시예 및 비교예의 조성물들을 폭 10 ㎛, 깊이 0.50㎛의 트렌치를 포함하는 SiO2 웨이퍼 기판) 상에 도포 및 건조하여 하드마스크막을 형성하고, 트렌치 부분과 비트렌치 부분 사이의 두께차를 주사 전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하여 평탄성을 평가하였다. The compositions of Examples and Comparative Examples were coated on a SiO 2 wafer substrate including a trench having a width of 10 μm and a depth of 0.50 μm) and dried to form a hard mask film, and the thickness difference between the trench portion and the non-trench portion was measured using a scanning electron microscope. (SEM) was observed to evaluate the flatness.

<평탄성 판정><Flatness judgment>

◎: 두께차 150nm 미만◎: thickness difference less than 150 nm

○: 두께차 150 내지 175nm○: thickness difference 150 to 175 nm

△: 두께차 175 내지 200nmΔ: thickness difference 175 to 200 nm

×: 두께차 200nm 초과×: thickness difference greater than 200 nm

구분division 내에칭성etch resistance 용해성solubility 평탄성flatness 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 비교예 1Comparative Example 1 비교예 2Comparative Example 2 ×× ×× 비교예 3Comparative Example 3

표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따라 보호기가 치환된 중축합체가 포함된 하드 마스크의 경우 내에칭성을 유지하면서, 용해성 및 평탄성이 전체적으로 향상되었다. Referring to Table 2, in the case of the hard mask including the polycondensate substituted with the protecting group according to the embodiments of the present invention, solubility and flatness were improved while maintaining etch resistance.

반면, 보호기 적용이 생략된 비교예들의 경우 다중고리 방향족 고리 도입에 따라 용해성 및 평탄성이 모두 저하되었다.On the other hand, in the case of Comparative Examples in which the application of the protecting group was omitted, both solubility and flatness were lowered by the introduction of the polycyclic aromatic ring.

100: 기판 110: 식각 대상막
115: 타겟 패턴 120: 예비 하드마스크 막
125: 하드마스크 막 127: 하드마스크 패턴
130: 포토레지스트 막 135: 포토레지스트 패턴
100: substrate 110: etch target film
115: target pattern 120: preliminary hard mask film
125: hard mask film 127: hard mask pattern
130: photoresist film 135: photoresist pattern

Claims (10)

하기 화학식 1로 표시되는 반복단위 구조를 포함하는 중축합체; 및
용매를 포함하는, 하드마스크용 조성물:
[화학식 1]
Figure 112021075279030-pat00051

(화학식 1 중, Ar1은 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴렌기이며, Ar2는 다중 방향족 고리 구조를 갖는 탄소수 10 내지 30의 아릴기이며, X는 산-분해성 또는 열-분해성 보호기임).
a polycondensate comprising a repeating unit structure represented by the following formula (1); and
A composition for a hard mask comprising a solvent:
[Formula 1]
Figure 112021075279030-pat00051

(In Formula 1, Ar1 is an arylene group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, Ar2 is an aryl group having 10 to 30 carbon atoms having a multiple aromatic ring structure, and X is an acid-decomposable or thermal-decomposable protecting group ).
청구항 1에 있어서, X는 하기의 화학식 2 또는 화학식 3의 구조를 포함하는, 하드마스크용 조성물:
[화학식 2]
Figure 112018030926283-pat00052

[화학식 3]
Figure 112018030926283-pat00053

(화학식 2 및 3 중, R1은 3차(tertiary) 탄화수소 그룹이며, R2는 탄소수 2 내지 10의 지방족 탄화수소 그룹 또는 실란기이며, R3 및 R4는 각각 독립적으로 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 지방족 탄화수소 그룹임).
The composition for a hard mask according to claim 1, wherein X comprises a structure of Formula 2 or Formula 3 below:
[Formula 2]
Figure 112018030926283-pat00052

[Formula 3]
Figure 112018030926283-pat00053

(In Formulas 2 and 3, R 1 is a tertiary hydrocarbon group, R 2 is an aliphatic hydrocarbon group having 2 to 10 carbon atoms or a silane group, and R 3 and R 4 are each independently hydrogen or 1 to 4 carbon atoms. is an aliphatic hydrocarbon group of ).
청구항 2에 있어서, 상기 화학식 2의 구조는 하기 화학식 2-1의 화합물로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:
[화학식 2-1]
Figure 112018030926283-pat00054

(화학식 2-1 중, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 탄소수 4 내지 10의 3차 알킬기임)
The composition for a hard mask according to claim 2, wherein the structure of Formula 2 is derived from a compound of Formula 2-1:
[Formula 2-1]
Figure 112018030926283-pat00054

(In Formula 2-1, Ra and Rb are each independently a tertiary alkyl group having 4 to 10 carbon atoms)
청구항 2에 있어서, 상기 화학식 3의 구조는 하기 화학식 3-1 내지 3-20의 화합물 중 어느 하나로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:
Figure 112018030926283-pat00055

Figure 112018030926283-pat00056

Figure 112018030926283-pat00057
.
The composition for a hard mask according to claim 2, wherein the structure of Formula 3 is derived from any one of the following compounds of Formulas 3-1 to 3-20:
Figure 112018030926283-pat00055

Figure 112018030926283-pat00056

Figure 112018030926283-pat00057
.
청구항 1에 있어서, Ar1은 파이렌올 또는 나프톨로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물.
The composition for a hard mask according to claim 1, wherein Ar1 is derived from pyrenol or naphthol.
청구항 1에 있어서, Ar2는 나프틸 알데히드 또는 파이렌 알데히드로부터 유래하는, 하드마스크용 조성물:
The composition for a hard mask according to claim 1, wherein Ar2 is derived from naphthyl aldehyde or pyrene aldehyde:
청구항 1에 있어서, 상기 중축합체는 하기 화학식 8로 표시되는 구조 단위를 포함하는, 하드마스크용 조성물:
[화학식 8]
Figure 112018030926283-pat00058

(화학식 8중, m 및 n은 대괄호로 표시된 각 단위의 몰비를 나타내며, m 및 n은 각각 20 내지 80몰%임)
The composition for a hard mask according to claim 1, wherein the polycondensate comprises a structural unit represented by the following Chemical Formula 8:
[Formula 8]
Figure 112018030926283-pat00058

(In Formula 8, m and n represent the molar ratio of each unit indicated by square brackets, and m and n are each 20 to 80 mol%)
청구항 1에 있어서, 조성물 총 중량 중 상기 중합체 5 내지 30중량%, 및 상기 용매 70 내지 95중량%을 포함하는, 하드마스크용 조성물.
The composition for a hard mask according to claim 1, comprising 5 to 30% by weight of the polymer, and 70 to 95% by weight of the solvent based on the total weight of the composition.
기판 상에 식각 대상막을 형성하는 단계;
상기 식각 대상막 상에 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항의 하드마스크용 조성물을 도포하여 예비 하드 마스크막을 형성하는 단계;
상기 예비 하드 마스크막을 열처리하여 상기 중축합체에 포함된 상기 보호기가 탈보호된 하드마스크 막을 형성하는 단계;
상기 하드마스크 막 상에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 포토레지스트 패턴을 사용하여 상기 하드마스크막 및 상기 식각 대상막을 식각하는 단계를 포함하는, 패턴 형성 방법.
forming an etch target layer on a substrate;
forming a preliminary hard mask layer by applying the composition for a hard mask of any one of claims 1 to 8 on the etch target layer;
heat-treating the preliminary hard mask layer to form a hard mask layer in which the protecting group included in the polycondensate is deprotected;
forming a photoresist pattern on the hardmask layer; and
and etching the hardmask layer and the etch target layer using the photoresist pattern.
청구항 9에 있어서, 상기 보호기 탈보호된 상기 중축합체의 사이트는 히드록실기로 치환되는, 패턴 형성 방법.The method according to claim 9, wherein the site of the polycondensate deprotected by the protecting group is substituted with a hydroxyl group.
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