KR20160071639A - New polymers of bottom anti-reflective coating, and composition using same - Google Patents
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Abstract
Description
반도체 및 디스플레이용 반사방지막(Bottom Anti-Reflective Coating)Bottom Anti-Reflective Coating for Semiconductor and Display
반도체 리소그라피(lithography) 공정에서 보다 미세 패터닝 및 공정 단순화에 대한 요구가 점점 많아지면서 새로운 반사 방지막(bottom anti-reflective coating)에 대한 요구가 많아지게 되었다.As demand for micropatterning and process simplification increases in semiconductor lithography processes, there is a growing demand for new bottom anti-reflective coatings.
일반적으로 반사 방지막은 포토레지스트 패터닝 시에 하부 막질에서의 빛의 난반사에 의한 standing wave 또는 notching(측면파임) 현상을 방지하여 패턴 프로파일이 깨끗하게 구현되면서 동시에 패턴 해상도를 증가시키는 역할을 하는 재료이다. 이것은 주로 빛을 흡수할 수 있는 발색단(chromophore) 치환기와 포토레지스트 용액과의 상용성(intermixing)을 방지하기 위해 경화반응을 일으키는 촉매제로 이루어진다.Generally, the antireflection film prevents the standing wave or notching (lateral fringing) phenomenon due to irregular reflection of light in the underlying film quality when the photoresist patterning is performed, thereby realizing a clear pattern profile and simultaneously increasing the pattern resolution. It consists mainly of a catalyst that causes a curing reaction to prevent intermixing of photoresist solutions with chromophore substituents that can absorb light.
기존의 반사 방지막 고분자의 경우에는 주로 나프탈렌(naphthalene)(미국특허, US6399269 참조) 이나 안트라센(anthracene)(미국특허, US6486283 참조) 형태의 발색단을 고분자 chain에 도입하여 반사 방지막 기능을 이루었으나, 이러한 고분자들의 단점은 발색단 치환기의 고밀도 탄소 성분에 의한 포토레지스트와의 후속 에칭 공정에서의 에치 선택비가 심각하게 나쁘다는 점이다. 통상적으로 이러한 나프탈렌계 반사 방지막의 경우에는 포토레지스트 대비 1~1.5 배 정도의 etch rate를 가지게 되어 에칭 공정에서 반사 방지막 제거를 위해 포토레지스트 막질이 함께 에칭되면서 실제로 에칭하고자 하는 무기 막질(oxide, nitride, poly 등)에 대한 충분한 마스크 역할을 수행하기가 어려워진다. In the case of conventional antireflection film polymers, the antireflection film functions by introducing naphthalene (see US Pat. No. 6,999,269) or anthracene (see US Pat. No. US6486283) into the polymer chain, Is that the etch selectivity in the subsequent etching process with the photoresist by the high density carbon component of the chromophore substituent is seriously bad. In general, the naphthalene-based antireflection film has an etch rate of about 1 to 1.5 times that of the photoresist. In order to remove the antireflection film in the etching process, the photoresist film is etched together with the inorganic film to be etched. it becomes difficult to perform a sufficient mask function for the polygon (e.g., poly, etc.).
본 발명에서는 기존의 반사 방지막 재료들이 가지는 에치 선택비에 대한 단점을 극복하고 새로운 기능을 가지는 재료를 합성하여 기존 반사 방지막 대비해 매우 뛰어난 에치 선택비를 가지는 반사 방지막 조성물을 개발하고자 한다.In the present invention, an antireflection film composition having an etch selectivity that is superior to that of a conventional antireflection film is developed by overcoming the drawbacks of the etch selectivity of existing antireflection film materials and synthesizing materials having new functions.
본 발명은 반도체 리소그라피(lithography) 공정에 있어서 새로운 반사방지막(bottom anti-reflective coating)용 고분자 및 이를 이용한 반사방지막 조성물에 관한 것이다. 여기에 언급한 반사방지막 조성물은 여러가지 파장 영역에서 넓게 사용 가능하며, 특히 193nm 및 248nm 영역에서 함께 사용이 가능한 재료이며, 기존 반사방지막에 비해 포토레지스트(photoresist) 막질에 대한 에치 선택비(etch selectivity) 특성에서 매우 우수한 특성을 나타내는 것이 장점이다.The present invention relates to a polymer for a bottom anti-reflective coating in a semiconductor lithography process and an antireflection film composition using the same. The antireflection film composition described herein can be widely used in various wavelength regions. In particular, it can be used together in the regions of 193 nm and 248 nm. It has etch selectivity to photoresist film compared to conventional antireflection films, It is an advantage to exhibit very excellent characteristics in characteristics.
또한, 본 발명의 반사방지막 조성물의 또 다른 특징은 고분자 필름의 경화 반응을 위해 경화제를 사용하거나 강산을 사용하지 않아도 자체적으로 경화반응을 일으켜 포토레지스트 용액에 서로 intermixing 현상이 일어나지 않는다는 것이다.Another feature of the antireflection film composition of the present invention is that a hardening agent is used for the curing reaction of the polymer film or a curing reaction occurs without using a strong acid, so that the intermixing phenomenon does not occur in the photoresist solution.
이러한 반사방지막 특성을 구현하기 위하여 아래와 같은 고분자 구조를 개발 하였으며, 기본적으로 니트로(nitro) 치환기를 가지는 방향족 비닐 모노머와 무수말레산(maleic anhydride)와의 공중합체로 이루어지는 고분자 구조를 가진다.In order to realize such antireflection film characteristics, the following polymer structure has been developed and basically has a polymer structure composed of a copolymer of an aromatic vinyl monomer having a nitro substituent and maleic anhydride.
보다 자세하게는 본 발명의 고분자 구조는 발색단(chromophore) 방향족 화합물에 하나 이상의 nitro group를 가진 비닐 모노머(X)와 무수말레산과의 공중합체로 이루어지는 고분자 형태이다. More specifically, the polymer structure of the present invention is in the form of a polymer comprising a copolymer of a vinyl monomer (X) having at least one nitro group in a chromophore aromatic compound and maleic anhydride.
여기서 m은 주로 0 또는 1이며, X는 vinyl 형태를 가지는 모노머로서 무수말레산과의 공중합체를 이룰 수 있는 구조를 말하며, 주로 vinyl ether, acrylate, methacrylate, acrylamide, methacrylamide 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 acrylate, methacrylate 형태의 모노머가 사용되며, 사용 비율은 전체 고분자 몰(mol) 비의 10~70% 사이를 가지며, 보다 바람직하게는 20~50% 사이를 가진다. Herein, m is mainly 0 or 1, and X is a monomer having vinyl form and can form a copolymer with maleic anhydride. Vinyl ether, acrylate, methacrylate, acrylamide and methacrylamide can be used. Preferably, the monomer is in the form of acrylate or methacrylate. The proportion of the monomer used is between 10 and 70%, more preferably between 20 and 50% of the total molar ratio of the polymer.
한편, 분자량 범위는 주로 2,000~50,000 사이의 질량 평균분자량(Mw)을 가지며, 보다 바람직하게는 3,000~15,000 사이의 범위를 가진다.On the other hand, the molecular weight range mainly has a mass average molecular weight (Mw) of between 2,000 and 50,000, and more preferably between 3,000 and 15,000.
또한, 위에서 언급한 고분자 구조에서 Z는 비닐 모노머 X와 방향족 발색단(chromophore)의 연결고리를 말하며, 주로 에테르(ether), 에스테르(ester), 아미노(amino) group으로 연결된다. 그리고 여기서 R1, R2는 같거나 다를 수 있으며 hydrogen, alcohol, halogen, nitro, alkyl group 형태를 가지는 치환기로서, 바람직하게는 주로 nitro 또는 alcohol 형태의 치환기를 가지는 구조이다.
In the above-mentioned polymer structure, Z is a linkage between a vinyl monomer X and an aromatic chromophore, and is mainly linked to an ether, an ester, and an amino group. Here, R1 and R2 may be the same or different and are substituents having hydrogen, alcohol, halogen, nitro, and alkyl group, and preferably have a substituent mainly in the form of nitro or alcohol.
본 발명에서 이러한 방향족 니트로 모노머들은 포토레지스트를 사용하는 패터닝 공정에서 매우 유리한 장점을 가지고 있는데, 기본적으로 사용되는 두개의 파장 영역(193nm, 248nm)에서 높은 빛 흡수율(흡수계수, k > 0.2)을 나타내 ArF(193nm) 및 KrF(248nm) 양쪽 영역에서 사용이 가능하며, 더불어 굴절율(n) 수치를 높이는 효과를 가질 수 있어 패터닝 공정에서 반사 방지막으로서 매우 우수한 특성을 가진다.In the present invention, these aromatic nitro monomers have a very advantageous advantage in the patterning process using a photoresist, and exhibit a high light absorption rate (absorption coefficient, k> 0.2) in two wavelength regions (193 nm and 248 nm) Can be used in both ArF (193 nm) and KrF (248 nm) regions, and has an effect of raising the refractive index (n). Thus, it has excellent characteristics as an antireflection film in the patterning process.
또한, 본 발명의 반사방지막 조성물의 가장 큰 장점으로 니트로 화합물이 가지는 높은 산소 함유량에 의해 후속 에칭(etching) 공정에서 포토레지스트 막질과의 높은 에치 선택비를 가진다는 것이다. 일반적으로 반사방지막의 가장 중요한 기능으로 패터닝 후에 포토레지스트 막질과의 에치 공정에서 쉽게 제거가 일어나면서 남아있는 포토레지스트가 하부 막질(silicon oxide, silicon nitride, poly 등)의 에칭을 위해 충분한 마스크 역할을 할 수 있게 해야 한다. 이를 위해서 통상 반사방지막으로 사용되는 고분자 물질들은 발색단 치환기를 포함하여 주로 산소 함량이 많은 고분자 재료들로 이루어지는데, 주로 methacrylate, polyester, polyether 형태에서 포토레지스트 막질 대비 산소 함량이 많은 재료를 사용한다. In addition, the greatest advantage of the antireflection film composition of the present invention is that the high oxygen content of the nitro compound has a high etch selectivity with the photoresist film in the subsequent etching process. In general, the most important function of the antireflective film is to easily remove the photoresist film from the etch process after patterning, and the remaining photoresist acts as a mask sufficient for etching the underlying film (silicon oxide, silicon nitride, poly, etc.) It should be possible. For this purpose, the polymeric materials used as the antireflection film are mainly composed of polymeric materials having a high oxygen content including a chromophore substituent. In the case of methacrylate, polyester, and polyether, materials having a high oxygen content relative to the photoresist film are used.
반사방지막에서 이러한 높은 에치 선택비를 나타내기 위해서는 단위 고분자에서 탄소 원자 대비 산소 원자의 함량이 높으면 높을수록 높은 에치 선택비를 나타낸다. 이것은 Ohnishi parameter(O/P) 라는 식으로 주로 많이 나타낼 수 있으며, 단위 분자 당 탄소 대비 산소 함량이 높을수록 높은 O/P 수치를 나타내게 되어 포토레지스트 에칭 시에 높은 에치 선택비를 가지게 된다.
In order to show such a high etch selectivity in the antireflection film, the higher the content of oxygen atoms relative to carbon atoms in the unit polymer, the higher the etch selectivity. This is mainly due to the Ohnishi parameter (O / P), and the higher the oxygen content per unit molecule is, the higher the O / P value is, and the higher the etch selectivity in the photoresist etching.
본 발명에서는 이러한 반사 방지막에서의 높은 에치 선택비를 구현하기 위해 새로운 형태의 고분자 재료를 개발하였으며, 이것은 하나 이상의 니트로 group를 가지는 방향족 발색단을 가지는 비닐 모노머와 무수 말레산과의 공중합체 형태를 가지는 고분자로 이루어지며, 이러한 고분자들은 단위 고분자 chain에서 기존 반사 방지막 고분자들이 가지는 산소 함유량 대비 매우 높은 비율의 산소 함유량을 가지고 있다.
In the present invention, a new type of polymer material has been developed in order to realize a high etch selectivity in such an antireflection film. This is a polymer having a vinyl monomer having an aromatic chromophore having at least one nitro group and a copolymer of maleic anhydride These polymers have a very high oxygen content relative to the oxygen content of conventional antireflection film polymers in the unit polymer chain.
또한 본 발명의 반사방지막 조성물은 포토레지스트 용액과의 intermixing를 방지하기 위해 경화반응을 시키는데 있어서 기존의 강산(strong acid) 존재 하에서 경화제(crosslinker)를 사용하는 것에 비해 자체적으로 경화반응을 일으킬 수 있는 고분자 구조를 가지므로 반사방지막 조성물에 있어서 강산 첨가에 의한 보관안정성 부작용을 피할 수 있어 상온에서 오랫동안 보관할 수 있다.In addition, the antireflection film composition of the present invention is a polymer capable of causing a curing reaction itself in comparison with the use of a crosslinker in the presence of a strong acid in the curing reaction in order to prevent intermixing with a photoresist solution Structure, it is possible to avoid the side effects of storage stability due to the addition of strong acid in the antireflection film composition, so that it can be stored at room temperature for a long time.
따라서, 본 발명의 구체적인 실시예를 통하여 보다 자세한 발명의 효과를 설명하고자 한다.Accordingly, the effect of the present invention will be described in more detail through a specific embodiment of the present invention.
발색단으로 니트로 그룹을 가지는 방향족 화합물을 이용한 고분자 수지를 합성하였으며, 고온 처리 시에 경화 반응을 일으키기 위해 무수 말레산 모노머와의 공중합체 형태의 고분자 수지를 합성하여 산소 플라즈마에 대한 에칭 속도가 매우 빠른 반사방지막 조성물을 제조할 수가 있었다. A polymer resin was synthesized using an aromatic compound having a nitro group as a chromophore. In order to cause a curing reaction at high temperature treatment, a polymer resin in the form of a copolymer with a maleic anhydride monomer was synthesized, A barrier film composition could be produced.
본 발명의 가장 큰 효과로는 니트로 화합물이 가지는 높은 산소 함유량에 의해 후속 에칭(etching) 공정에서 포토레지스트 막질과의 높은 에치 선택비를 가지며, 더불어 두개의 파장 영역(193nm, 248nm)에서 높은 빛 흡수율(흡수계수, k > 0.2)을 나타내 ArF(193nm) 및 KrF(248nm) 양쪽 영역에서 사용이 가능하다.The most significant effect of the present invention is that it has a high etch selectivity with a photoresist film in a subsequent etching process due to the high oxygen content of the nitro compound and also has a high light absorption rate in two wavelength regions (193 nm, 248 nm) (Absorption coefficient, k> 0.2) and can be used in both ArF (193 nm) and KrF (248 nm) regions.
또한 본 발명의 반사방지막 조성물은 포토레지스트 용액과의 intermixing를 방지하기 위해 경화반응을 시키는데 있어서 기존의 강산(strong acid) 존재 하에서 경화제(crosslinker)를 사용하는 것에 비해 자체적으로 경화반응을 일으킬 수 있는 고분자 구조를 가지므로 반사방지막 조성물에 있어서 강산 첨가에 의한 보관안정성 부작용을 피할 수 있어 상온에서 보다 오랫동안 보관할 수 있다.In addition, the antireflection film composition of the present invention is a polymer capable of causing a curing reaction itself in comparison with the use of a crosslinker in the presence of a strong acid in the curing reaction in order to prevent intermixing with a photoresist solution Structure, it is possible to avoid the side effects of storage stability due to addition of strong acid in the antireflection film composition, so that it can be stored at room temperature for a longer time.
도면 1. 실시예 3-8에서의 고분자 FT-IR 스펙트럼 (붉은색: 반응 전(前), 검은색: 반응 후(後))Figure 1. Polymer FT-IR spectra (red: before reaction, black: after reaction) in Examples 3-8.
III. 모노머 및 고분자 합성 실시예III. Example of Monomer and Polymer Synthesis
3-1. Methacrylate 모노머(M-I) 합성
3-1. Methacrylate monomer (MI) synthesis
- 1000ml 플라스크에 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)(41.6g)를 TEA(triethylamine)(30g)과 함께 THF 600g에 녹인 다음에, ice-bath에서 DNBC(dinitrobenzoyl chloride)(67g)를 천천히 떨어뜨린 다음에 상온에서 약 30분 정도 반응 시킨 후, 60도 조건에서 4시간 정도 반응시킨다.- Dibutyltin methacrylate (HEMA) (41.6 g) was dissolved in 600 g of THF together with 30 g of triethylamine (30 g), and the dinitrobenzoyl chloride (67 g) was slowly dropped in an ice-bath. For about 30 minutes and react at 60 ° C for about 4 hours.
-
반응이 끝난 후, 생성된 salt를 거른 다음에 과량의 THF를 rotary evaporator를 이용해서 적당량 날린 후, column chromatography(n-hexane : ethyl acetate=2:1)를 이용해 product를 얻었다. (수율; 90%)
- After the reaction was completed, the resulting salt was filtered and excess THF was transferred to a rotary evaporator, and the product was obtained by column chromatography (n-hexane: ethyl acetate = 2: 1). (Yield: 90%)
3-2. Acrylate 모노머(M-II) 합성3-2. Acrylate monomer (M-II) synthesis
- 1000ml 플라스크에 HEA(2-hydroxyethyl acrylate)(33.7g)를 TEA(triethylamine)(26.5g)과 함께 THF 600g에 녹인 다음에, ice-bath에서 DNBC(dinitrobenzoyl chloride)(60g)를 천천히 떨어뜨린 다음에 상온에서 약 30분 정도 반응 시킨 후, 60도 조건에서 4시간 정도 반응시킨다.- Dissolve HEA (2-hydroxyethyl acrylate) (33.7 g) in TEA (triethylamine) (26.5 g) in a 1000 ml flask in 600 g of THF and slowly drop the dinitrobenzoyl chloride (60 g) in an ice bath After reacting at room temperature for about 30 minutes, react at 60 ℃ for 4 hours.
-
반응이 끝난 후, 생성된 salt를 거른 다음에 과량의 THF를 rotary evaporator를 이용해서 적당량 날린 후, column chromatography(n-hexane : ethyl acetate=2:1)를 이용해 product를 얻었다. (수율; 91%)
- After the reaction was completed, the resulting salt was filtered and excess THF was transferred to a rotary evaporator, and the product was obtained by column chromatography (n-hexane: ethyl acetate = 2: 1). (Yield: 91%)
3-3. 고분자 합성
3-3. Polymer synthesis
- 둥근 플라스크에 위에서 합성한 methacrylate 모노머 M-I(12mmol, 3.9g) 및 HEA(2-hydroxyethyl acrylate)(6mmol, 0.7g), 그리고 MAA(methacrylic acid)(6mmol, 0.52g)를 PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate) 10g과 CH(cyclohexanone) 10g 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(azoisobutyronitrile)(4mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다.- In a round flask, methacrylate monomer MI (12 mmol, 3.9 g), HEA (6 mmol, 0.7 g) and MAA (6 mmol, 0.52 g) synthesized above were dissolved in propylene glycol monomethyl ether acetate ) And 10 g of cyclohexanone CH (cyclohexanone) 10 g. Then, AIBN (azoisobutyronitrile) (4 mol%) is added thereto and sufficiently degassed in a nitrogen atmosphere, followed by reaction at 80 ° C. for 5 hours.
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반응이 끝난 다음에 질량 평균분자량(Mw)이 21,700 인 고분자를 얻을 수가 있었다.
After the reaction was completed, a polymer having a mass average molecular weight (Mw) of 21,700 was obtained.
3-4. 고분자 합성
3-4. Polymer synthesis
- 둥근 플라스크에 위에서 합성한 methacrylate 모노머 M-I(10mmol, 3.2g) 및 MA(maleic anhydride)(10mmol, 0.98g), 그리고 MAA(methacrylic acid)(6mmol, 0.52g)를 PGMEA(9g)/ CH(9g) 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(3mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다.- (9 g) / CH (9 g), methacrylate monomer (10 mmol, 3.2 g), MA (maleimidhydride) (10 mmol, 0.98 g) and MAA (methacrylic acid) (6 mmol, 0.52 g) synthesized above were placed in a round- After dissolving in a co-solvent, AIBN (3 mol%) is added thereto, degassed sufficiently in a nitrogen atmosphere, and reacted at 80 ° C. for 5 hours.
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반응이 끝난 다음에 질량 평균분자량(Mw)이 6,400 인 고분자를 얻을 수가 있었다.
After the reaction was completed, a polymer having a mass average molecular weight (Mw) of 6,400 was obtained.
3-5. 고분자 합성
3-5. Polymer synthesis
- 250ml 플라스크에 위에서 합성한 methacrylate 모노머 M-I(60mmol, 19.5g) 및 MA(maleic anhydride)(90mmol, 8.8g), 그리고 AA(acrylic acid)(30mmol, 2.1g)를 PGMEA(50g)와 CH(50g) 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(2mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다.- (50 mmol) of methacrylate monomer (60 mmol, 19.5 g), MA (maleic anhydride) (90 mmol, 8.8 g) synthesized above and 30 mmol (2.1 g) After dissolving in a co-solvent, AIBN (2 mol%) is added thereto and sufficiently degassed in a nitrogen atmosphere, followed by reaction at 80 ° C. for 5 hours.
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반응이 끝난 다음에 질량 평균분자량(Mw)이 8,500 인 고분자를 얻을 수가 있었다.
After the reaction was completed, a polymer having a mass average molecular weight (Mw) of 8,500 was obtained.
3-6. 고분자 합성
3-6. Polymer synthesis
- 둥근 플라스크에 위에서 합성한 acrylate 모노머 M-II(10mmol, 3.1g) 및 MA(15mmol, 1.47g), 그리고 AA(5mmol, 0.36g)를 PGMEA(10g)와 CH(10g) 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(2mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다.- (10 mmol, 3.1 g), MA (15 mmol, 1.47 g) and AA (5 mmol, 0.36 g) were dissolved in PGMEA (10 g) and CH (10 g) co-solvent in a round- , AIBN (2 mol%) was added thereto, and degassed sufficiently in a nitrogen atmosphere, followed by reaction at 80 ° C. for 5 hours.
- 반응이 끝난 다음에 질량 평균분자량(Mw)이 9,800 인 고분자를 얻을 수가 있었다.- After the reaction was completed, a polymer having a mass average molecular weight (Mw) of 9,800 was obtained.
3-7. 고분자 합성
3-7. Polymer synthesis
- 둥근 플라스크에 위에서 합성한 methacrylate 모노머 M-I(10mmol, 3.1g), MA(maleic anhydride)(10mmol, 0.98g), 그리고 HEMA(2-hydroxyethyl methacrylate)(10mmol, 1.3g)를 PGMEA 10g과 CH 10g 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(4mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다.- 10 mmol of maleic anhydride (10 mmol, 0.98 g) and 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) (10 mmol, 1.3 g) were added to a round flask with 10 g of PGMEA and 10 g of CH , And then AIBN (4 mol%) was added thereto. After degassing sufficiently in a nitrogen atmosphere, the reaction was carried out at 80 ° C. for 5 hours.
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반응이 끝난 다음에 질량 평균분자량(Mw)이 4,600 인 고분자를 얻을 수가 있었다.
After the reaction was completed, a polymer having a mass average molecular weight (Mw) of 4,600 was obtained.
3-8. 고분자 합성
3-8. Polymer synthesis
- 250ml 플라스크에 GMA(glycidyl methacrylate)(80mmol, 11.4g), MA(maleic anhydride)(80mmol, 7.84g)를 PGMEA 40g과 CH 40g 공용매에 녹인 다음에, 여기에 AIBN(6mol%) 넣어 질소 분위기 하에서 충분히 degassing 시킨 후 80도 조건에서 5시간 반응시킨다. - GMA (80 mmol, 11.4 g) and MA (maleic anhydride) (80 mmol, 7.84 g) were dissolved in a PGMEA 40 g and CH 40 g co-solvent, and AIBN (6 mol%) was added thereto in a 250 ml flask. After degassing sufficiently, react at 80 ° C for 5 hours.
- 중합이 끝난 다음에 상온에서 고분자 용액에 DNBA(dinitrobenzoic acid)(16.8g)와 BTEAC(benzyltriethylammonium chloride)(0.16g)를 넣은 뒤 PGMEA 40g과 CH 40g를 추가로 넣어 준 다음에 120도 조건에서 5시간 반응시킨다.- After the polymerization, DNB (dinitrobenzoic acid) (16.8g) and BTEAC (benzyltriethylammonium chloride) (0.16g) were added to the polymer solution at room temperature, and 40g of PGMEA and 40g of CH were further added. Respectively.
-
반응이 끝난 다음에 GPC 및 FTIR를 이용해 합성된 고분자를 확인 한 결과, 최종 질량 평균분자량(Mw)이 6,000 나왔으며, FTIR 상에서 hydroxyl(OH) 및 nitro(NO2) peak를 확인할 수 있었다.
- After the reaction was completed, the polymer synthesized by GPC and FTIR was confirmed. The final mass average molecular weight (Mw) was 6,000 and hydroxyl (OH) and nitro (NO2) peaks were observed on FTIR.
위의 실시예를 통해서 여러가지 방향족 고리에 니트로 기를 가지는 고분자들을 합성할 수가 있는데, 방향족 고리에 carboxylic acid, sulfonic acid, hydroxy, amino 기능기를 가진 발색단 화합물과 반응하여 합성할 수 있다. 보다 자세하게는 benzoic acid, salicylic acid, phenol 이나 aniline 형태의 니트로 화합물을 이용하여 고분자 반응을 시킬 수가 있으며 이럴 경우에는 무수 말레산이 일부 반응에 참여해 카르복실산(carboxylic acid) 형태의 고분자를 얻을 수도 있다. Through the above examples, polymers having nitro groups in various aromatic rings can be synthesized. They can be synthesized by reacting with a chromophore compound having carboxylic acid, sulfonic acid, hydroxy, amino functional group in an aromatic ring. More specifically, a polymer reaction can be performed using a nitro compound such as benzoic acid, salicylic acid, phenol, or aniline. In this case, a maleic anhydride may participate in a partial reaction to obtain a carboxylic acid type polymer.
이러한 니트로 기를 가지는 방향족 화합물과 무수 말레산과의 공중합체 합성에 있어서 질량 평균분자량의 조절은 촉매제(radical initiator)의 양을 조절하여 얻는데 주로 촉매제의 양은 고분자 몰(mol)비의 1~10% 정도를 사용한다. 경우에 따라서는 보다 적은 분자량을 얻기 위해서 chain-transfer agent를 사용하기도 하는데, 주로 n-butyl mercaptan이나 n-octyl mercaptan를 이용하여 질량 평균분자량을 조절할 수가 있다. In the synthesis of a copolymer of an aromatic compound having a nitro group and maleic anhydride, the weight average molecular weight is controlled by adjusting the amount of a radical initiator. The amount of the catalyst is about 1 to 10% of the molar ratio of the polymer use. In some cases, a chain-transfer agent may be used to obtain a lower molecular weight. The mass average molecular weight can be controlled mainly by using n-butyl mercaptan or n-octyl mercaptan.
본 발명에서의 반사 방지막용 고분자의 경우에는 질량 평균분자량의 범위가 2,000~50,000 정도의 범위를 가지는데, 바람직하게는 3,000~15,000 정도의 범위를 가진다.In the case of the antireflection film polymer of the present invention, the weight average molecular weight ranges from about 2,000 to about 50,000, preferably from about 3,000 to about 15,000.
또한, 위의 여러가지 실시예에서 합성한 고분자에서 니트로 방향족 발색단의 함량은 전체 고분자 몰(mol)비의 10~70% 사이를 가지며, 바람직하게는 20~50% 사이에 포함되는 게 좋다.
In addition, the content of the nitroaromatic chromophore in the polymer synthesized in the above various examples is between 10 and 70%, preferably between 20 and 50% of the total polymer molar ratio.
IV. 반사방지막 조성물IV. Antireflection film composition
본 발명의 반사방지막 조성물은 위의 실시예에서 합성한 고분자들과 용매만으로도 150~200도 온도 조건에서 60~90초 가열할 경우에 자체적으로 경화반응이 일어나 반사방지막 역할을 수행할 수가 있다. 또한, 필요에 따라서는 PPTS(pyridinium p-toluenesulfonate)를 촉매량 첨가해서 경화반응을 진행할 수도 있으며, 부가적으로 glycoluril, triglycidyl isocyanurate 등과 같은 경화제(crosslinker)를 첨가하여 경화반응을 수행할 수도 있다. 이때, 첨가하는 경화제의 함량은 보통 전체 고분자 무게 비의 5~50% 범위에서 사용하며, 바람직하게는 20~40% 정도를 사용하는 게 좋다.The antireflection film composition of the present invention can act as an antireflection film due to its own curing reaction when heated at a temperature of 150 to 200 ° C for 60 to 90 seconds using only the polymers and solvents synthesized in the above examples. If necessary, a curing reaction may be carried out by adding a catalytic amount of pyridinium p-toluenesulfonate (PPTS). In addition, a curing reaction may be performed by adding a crosslinker such as glycoluril, triglycidyl isocyanurate and the like. At this time, the content of the curing agent to be added is usually in the range of 5 to 50%, preferably 20 to 40%, of the total weight of the polymer.
그리고 사용하는 용매로는 주로 PGMEA(propylene glycol monomethyl ether acetate), PGME(propylene glycol monomethyl ether), CH(cyclohexanone), MIBK(methyl isobutyl ketone) 등을 사용하며, 단독 또는 공용매 형태로 사용하게 된다. 이때, 사용하는 용매의 함량은 적용하고자 하는 반사방지막의 두께에 따라 달라지며 주로 전체 반사 방지막 용액 무게 비의 70~95% 사이를 가진다.
The solvent used is mainly propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone (CH), and methyl isobutyl ketone (MIBK). At this time, the content of the solvent to be used depends on the thickness of the antireflection film to be applied, and it is mainly between 70 and 95% of the total antireflection film solution weight ratio.
4-1. 반사방지막 조성물 실시예 (MA47)4-1. Antireflection Film Composition Example (MA47)
- 실시예 3-4에서 합성한 고분자(M-I/MA/MAA=5/5/3) 1g과 glycoluril 0.3g, 그리고 PPTS(pyridinium p-toluenesulfonate)(0.5wt%)를 PGMEA(6g)/CH(5g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 0.1um filter를 이용해 필터링한다.- 1 g of the polymer (MI / MA / MAA = 5/5/3) synthesized in Example 3-4, 0.3 g of glycoluril and 0.5 g of PPTS (pyridinium p-toluenesulfonate) were added to PGMEA (6 g) / CH ) Dissolve completely in the co-solvent and filter it with a 0.1um filter.
- 용액을 1500rpm으로 spin-coating 하여 110도 60초 동안 pre-bake 실시하고, 이어서 200도 60초 동안 hard bake를 실시한다. - The solution is spin-coated at 1500 rpm and pre-baked at 110 ° C for 60 seconds, followed by hard bake at 200 ° C for 60 seconds.
-
코팅된 반사방지막을 elipsometer 설비를 이용해 두께를 측정한 결과, 두께=2100A, 굴절율(n) =1.63, 흡수계수(k)=0.22 값을 얻었다.
- The thickness of the coated antireflection coating was measured by using an elipsometer. The thickness was 2100 A, the refractive index (n) was 1.63, and the absorption coefficient (k) was 0.22.
4-2. 반사방지막 조성물 실시예 (MA55)4-2. Antireflection Film Composition Example (MA55)
-
실시예 3-4에서 합성한 고분자(M-I/MA/MAA=2/3/1) 1g과 glycoluril 0.3g, 그리고 PPTS(0.5wt%)를 PGMEA(6g)/CH(5g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 진행한 결과, 두께=2230A, 굴절율(n)=1.74, 흡수계수(k)=0.20 값을 얻었다.
- 1 g of the polymer (MI / MA / MAA = 2/3/1) synthesized in Example 3-4, 0.3 g of glycoluril and 0.5 wt% of PPTS were completely dissolved in PGMEA (6 g) / CH The thickness was 2230 A, the refractive index (n) was 1.74, and the absorption coefficient (k) was 0.20 as a result.
4-3. 반사방지막 조성물 실시예 (MA62)4-3. Antireflection Film Composition Example (MA62)
-
실시예 3-5에서 합성한 고분자(M-I/MA/AA=3/4/1) 1g 를 PGMEA(4g)/CH(4g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 진행한 결과, 두께=2710A, 굴절율(n)=1.84, 흡수계수(k)=0.34 값을 얻었다.
1 g of the polymer synthesized in Example 3-5 (MI / MA / AA = 3/4/1) was completely dissolved in a co-solvent of PGMEA (4 g) / CH (4 g) (N) = 1.84, and the absorption coefficient (k) = 0.34.
4-4. 반사방지막 조성물 실시예 (MA63)4-4. Antireflection Film Composition Example (MA63)
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실시예 3-5에서 합성한 고분자(M-I/MA/AA=2/3/1) 1g를 PGMEA(6g)/CH(5g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 진행한 결과, 두께=1105A, 굴절율(n)=1.73, 흡수계수(k)=0.24 값을 얻었다.
1 g of the polymer synthesized in Example 3-5 (MI / MA / AA = 2/3/1) was completely dissolved in a co-solvent of PGMEA (6 g) / CH (5 g) (N) = 1.73, and the absorption coefficient (k) = 0.24.
4-5. 반사방지막 조성물 실시예 (MA68)4-5. Antireflection Film Composition Example (MA68)
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실시예 3-5에서 합성한 고분자(M-I/MA/AA=1/2/1) 1g를 PGMEA(5g)/CH(5g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 진행한 결과, 두께=1370A, 굴절율(n)=1.75, 흡수계수(k)=0.19 값을 얻었다.
1 g of the polymer synthesized in Example 3-5 (MI / MA / AA = 1/2/1) was completely dissolved in a co-solvent of PGMEA (5 g) / CH (5 g) , The thickness was 1370 A, the refractive index (n) was 1.75, and the absorption coefficient (k) was 0.19.
4-6. 반사방지막 조성물 실시예 (MA63-G)4-6. Antireflection Film Composition Example (MA63-G)
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실시예 3-5에서 합성한 고분자(M-I/MA/AA=2/3/1) 1g, glycoluril 0.35g, 그리고 PPTS(pyridinium p-toluenesulfonate)(0.5wt%)를 PGMEA(5g)/CH(4g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 코팅, bake 단계를 실시한 후 elipsometer 두께 측정한 결과, 두께=2940A, 굴절율(n)=1.67, 흡수계수(k)=0.23 값을 얻었다.
- 1 g of the polymer synthesized in Example 3-5 (MI / MA / AA = 2/3/1), 0.35 g of glycoluril and 0.5 wt% of PPTS (pyridinium p-toluenesulfonate) (N) = 1.67, the absorption coefficient (k) = 0.23, and the thickness of the elipsometer was measured as follows: thickness = 2940 A; refractive index Value.
4-7. 반사방지막 조성물 실시예 (GMA-G)4-7. Antireflection Film Composition Example (GMA-G)
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실시예 3-8에서 합성한 고분자 1g, glycoluril 0.3g, 그리고 PPTS(pyridinium p-toluenesulfonate)(0.5wt%)를 PGMEA(5g)/CH(5g) 공용매에 완전히 녹인 다음, 실시예 4-1)과 같은 방식으로 코팅, bake 단계를 실시한 후 elipsometer 두께 측정한 결과, 두께=2534A, 굴절율(n)=1.68, 흡수계수(k)=0.12 값을 얻었다.
1 g of the polymer synthesized in Example 3-8, 0.3 g of glycoluril and 0.5 g of PPTS (pyridinium p-toluenesulfonate) were completely dissolved in a co-solvent of PGMEA (5 g) / CH (5 g) The thickness of the elipsometer was measured to be 2534A, refractive index (n) = 1.68, and absorption coefficient (k) = 0.12.
각 실시예 조성물에 대한 물성 결과를 정리하면 다음과 같다.The results of the physical properties of the respective compositions are summarized as follows.
4-8. 포토레지스트 용액과의 상용성 및 에칭 특성 비교
4-8. Compatibility with photoresist solution and comparison of etching characteristics
본 발명의 반사방지막 조성물에 대한 포토레지스트 용액과의 상용성(intermixing) 유무를 확인하기 위해 각각 조성물에 대해서 bare Si wafer에 스핀 코팅 후 고온 bake 과정을 거친 후에 레지스트 용액으로 사용하는 PGMEA 또는 CH를 각각의 wafer에 뿌리면서 약 3분 정도 표면을 적신 후에 반사방지막 코팅막의 용해 유무를 확인하였다. In order to confirm the intermixing of the antireflection film composition of the present invention with the photoresist solution, each composition was spin-coated on a bare Si wafer and subjected to a high-temperature bake process. Thereafter, PGMEA or CH used as a resist solution And the surface was soaked for about 3 minutes while spraying on the wafer, and the presence or absence of dissolution of the antireflection coating film was confirmed.
또한, 반사방지막의 경화반응에 대한 진행 유무를 확인하기 위해 앞에서 고온 처리한 반사방지막 코팅막을 레지스트 현상액으로 사용하는 TMAH(tetramethylammonium hydroxide) 2.34wt% 용액에 약 60초 정도 dipping 처리한 후에 용해성 유무를 확인하였다.
In order to confirm the progress of the curing reaction of the antireflection film, a 2.34 wt% solution of TMAH (tetramethylammonium hydroxide) using a high-temperature antireflection coating film as a resist developer was dipped for about 60 seconds, Respectively.
각 조성물에 대한 용해성 결과를 아래 표에 정리하였다. Solubility results for each composition are summarized in the table below.
한편, 각 반사방지막 조성물에 대한 포토레지스트 막질에 비해 에칭 공정에서 얼마나 빠른 에치 속도를 나타내는지 확인하기 위해서 각각의 반사방지막 코팅막을 제조하여 CF4 80sccm/ CHF3 20sccm/ O2 5sccm 공정조건(5mtorr / 400Ws /150Wb)으로 약 30초간 bulk etch를 진행하여 각각의 두께 변화를 확인하여 최종 에치 속도를 확인하였다.
In order to determine how fast the etch rate is in the etching process than that of the photoresist film for each antireflection film composition, each antireflection film coating film was prepared, and CF4 80sccm / CHF3 20sccm / O2 5sccm process condition (5mtorr / 400Ws / 150Wb ) For 30 seconds, and the final etch rate was confirmed by confirming the change of each thickness.
각 코팅막에 대한 에치 결과를 아래 표에 정리하였다.The etch results for each coating are summarized in the table below.
이상과 같이 본 발명의 반사방지막 조성물들의 실시예를 통해서 포토레지스트 용액과의 상용성이 없으며, 또한 TMAH 현상액에 용해되지 않음을 알 수 있었다. 이것은 반사방지막 조성물들이 고온 bake 과정을 통해서 완전히 고분자 막질이 경화됨을 알 수 있었다.As described above, it was found that the antireflective coating compositions of the present invention had no compatibility with the photoresist solution and were not soluble in the TMAH developer. It was found that the antireflection film compositions were completely cured by the high temperature bake process.
한편, 반사방지막의 가장 중요한 에치 특성에 있어서 비교예-1(KrF PR) 에치 속도를 기준으로 비교한 결과, 비교예-2(ArF PR) 경우에 약 1.6배 정도 나왔으며, 본 발명의 반사방지막 조성물들은 대략 2.5~3.4 배 정도의 에치 선택비를 보여주고 있었다. 이것으로서 본 발명의 반사방지막 조성물들이 포토레지스트 막질에 비해 매우 우수한 에치 속도를 가지는 걸 확인할 수 있었다.On the other hand, the comparison of the most important etch characteristics of the antireflection film on the basis of the etch rate of Comparative Example-1 (KrF PR) was about 1.6 times as high as that of Comparative Example-2 (ArF PR) The compositions showed an etch selectivity of about 2.5 to 3.4 times. As a result, it was confirmed that the antireflection film compositions of the present invention had a significantly higher etch rate than the photoresist film.
MA : maleic anhydride
MAA : methacrylic acid
AA : acrylic acid
GMA : glycidyl methacrylateMA: maleic anhydride
MAA: methacrylic acid
AA: acrylic acid
GMA: glycidyl methacrylate
Claims (6)
여기서 m은 0, 1이며, X는 vinyl 형태를 가지는 모노머이며, Z는 비닐 모노머 X와 방향족 발색단(chromophore)의 연결고리를 말한다. 그리고 R1, R2는 같거나 다를 수 있으며 hydrogen, alcohol, halogen, nitro, alkyl, alkoxy group 형태를 가지는 치환기로서, 바람직하게는 주로 nitro 또는 alcohol 형태의 치환기를 가지는 구조이다
한편, 분자량 범위는 주로 2,000~50,000 사이의 질량 평균분자량(Mw)을 가지며, 보다 바람직하게는 3,000~15,000 사이의 범위를 가진다.A polymer structure having a polymer structure in which at least one nitro group is substituted with an aromatic ring structure and a maleic anhydride copolymer having the following structure.
Where m is 0, 1, X is a monomer having vinyl form, and Z is a linkage between vinyl monomer X and an aromatic chromophore. And R1 and R2 may be the same or different and are substituents having hydrogen, alcohol, halogen, nitro, alkyl, alkoxy group, preferably having a substituent in the form of nitro or alcohol
On the other hand, the molecular weight range mainly has a mass average molecular weight (Mw) of between 2,000 and 50,000, and more preferably between 3,000 and 15,000.
An acid salt catalyst such as a maleic anhydride polymer and a pyridinium p-toluenesulfonate (PPTS), and a solvent. Here, the amount of acid salt used ranges from 0.01 to 3 wt% of the total polymer weight. Preferably between 0.1 and 1 wt%.
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