KR20160136616A - Polymer for spin on carbon hardmask and composition including same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a polymer for a spin-on carbon hardmask and a composition for a carbon hardmask comprising the same. Disclosed is a polymer comprising a bisphenylphenol fluorine-based monomer and satisfying specific requirements for weight-average molecular weight, and more desirably, disclosed is a spin-on carbon hardmask organic material comprising a polymer in which an additive monomer component is polymerized for the bisphenylphenol fluorine-based monomer. Since the bisphenylphenol fluorine-based polymer has an excellent optical property, and at the same time, is able to be applied on a substrate via spin coating, a semiconductor hyperfine patterning process can be performed after performing a photolithography process by using the composition.

Description

스핀-온 카본 하드마스크용 중합체 및 이를 함유한 카본 하드마스크용 조성물 {POLYMER FOR SPIN ON CARBON HARDMASK AND COMPOSITION INCLUDING SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer for a spin-on carbon hard mask, and a composition for a carbon hard mask containing the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 스핀-온 카본 하드마스크용 중합체 및 이를 함유한 카본 하드마스크용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체로부터 특정의 중량평균분자량의 요건을 충족한 신규한 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공하고, 이를 포함하는 조성물은 기판 상에 스핀코팅으로 도포가능하고, 포토리소그래피 공정 후 반도체 초미세 패터닝 공정이 가능한, 스핀-온 카본 하드마스크용 중합체 및 이를 함유한 카본 하드마스크용 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer for a spin-on carbon hard mask and a composition for a carbon hard mask containing the same, and more particularly to a novel polymer for a spin-on carbon hard mask which satisfies a specific weight average molecular weight requirement from a biphenyl phenol fluorene monomer The present invention provides an organic material for a spin-on carbon hard mask, which comprises a polymer for a spin-on carbon hard mask, which can be applied by spin coating on a substrate and which can be subjected to a semiconductor ultra-fine patterning process after a photolithography process, And a composition for a carbon hard mask containing the same.

최근 반도체 소자의 소형화 및 집적화에 수반하여, 패턴의 크기가 작아짐에 따라, 포토레지스트 패턴의 쓰러짐 현상을 방지하기 위하여, 포토레지스트 막 및 패턴의 두께가 점차 얇아지고 있다. In recent years, with the miniaturization and integration of semiconductor devices, the thickness of the photoresist film and the pattern has gradually become thinner in order to prevent the collapse of the photoresist pattern as the pattern size becomes smaller.

그러나, 얇아진 포토레지스트 패턴을 사용하여 피식각층을 식각(etching)하기 어렵기 때문에, 포토레지스트와 피식각층 사이에 식각 내성이 강한 무기물막 또는 유기물막으로서, 실리콘막, 절연막, 도전막 등을 도입하는데, 이러한 막들을 하층막 또는 하드마스크라 칭한다. However, since it is difficult to etch the etching layer by using the thinned photoresist pattern, a silicon film, an insulating film, a conductive film, or the like is introduced as an inorganic film or an organic film having high etching resistance between the photoresist and the etching layer , And these films are referred to as a lower layer film or a hard mask.

포토레지스트 패턴을 이용하여 하층막을 식각하여 패터닝한 후, 하층막의 패턴을 이용하여 피식각층을 식각하는 공정을 레지스트 하층막 공정이라고 한다. 이때, 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. The step of etching the lower layer film by using the photoresist pattern and patterning and then etching the etching layer by using the pattern of the lower layer film is called a resist lower layer film process. At this time, the inorganic underlayer 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 subjected to chemical vapor deposition (CVD) Lt; / RTI >

상기 화학증기증착법에 의해 생성된 하층막은 식각 선택성이나 식각 내성이 우수하지만, 파티클(particle) 문제, 초기 설비 투자비 문제 등의 몇 가지 문제점이 있다. 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.

이에, 반도체 소자 패턴의 미세화를 충족하기 위하여 KrF 엑시머 레이저나 ArF 엑시머 레이저의 광원을 이용한 마이크로 리소그래피 공정이 사용되고 있으며 이러한 공정에서 최대한 작은 패턴을 만들기 위한 기술들 중 하나가 하드마스크 공정이다. 따라서, 종래의 증착식 하드마스크 공정을 대체하여 스핀 도포가 가능한 스핀-온 카본 하드마스크 재료에 대한 연구가 활발하다. Therefore, a microlithography process using a KrF excimer laser or a light source of an ArF excimer laser is used in order to meet the miniaturization of a semiconductor device pattern. One of techniques for making a pattern as small as possible in this process is a hard mask process. Therefore, research on a spin-on carbon hard mask material capable of spin application in place of the conventional deposition hard mask process has been actively studied.

최근 기상 증착된 재료들은 스핀-온 에칭 마스크로 대체되어 왔다. 예를 들면, van Delft 등에 의해 J. Vac . Sci . Technol . B, 18(2000) 3419에 보고된 대로, 노볼락-수소화 실세스퀴옥산(HSQ) 2층 적층체를 이용하여 종횡비 20:1의 분리된 40nm 라인 뿐 아니라 종횡비 3.25:1의 40nm 반-피치 해상도 달성을 보고한 바 있다. 그러나 하부의 HSQ 층을 불소를 이용하여 에칭하면, 패턴화된 노볼락 형상부가 팽창하여 파형 변형이 관찰되는 문제가 있다. 따라서 변형 없이 불소를 이용한 하부층의 에칭에 대해 내성이 있어 고해상도의 패턴을 형성할 수 있는 스핀-온 하드-마스크 재료가 요구된다.Recent vapor deposited materials have been replaced by spin-on etch masks. For example, van Delft et al ., J. Vac . Sci . Technol . (HSQ) two-layer laminate as reported in B- 18 (2000) 3419, as well as a separate 40 nm line with an aspect ratio of 20: 1, as well as a 40 nm half-pitch Resolution. However, if the underlying HSQ layer is etched using fluorine, there is a problem that the patterned novolak-shaped part expands and waveform deformation is observed. Therefore, there is a demand for a spin-on hard-mask material which is resistant to etching of a lower layer using fluorine without deformation and capable of forming a high-resolution pattern.

그 일례로 대한민국 공개특허 제2015-28221호에는 풀러렌(Fullerene) 유도체 및 2개 이상의 열 또는 촉매 반응성 기를 갖는 가교제를 포함하는 스핀-온 하드-마스크 형성용 조성물을 개시하고 있다. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-28221 discloses a composition for spin-on hard-mask formation comprising a fullerene derivative and a cross-linking agent having two or more heat or catalytic reactive groups.

그러나, 본 발명자들은 종래의 증착식 하드마스크 공정을 대체하여 스핀 도포가 가능한 카본 하드마스크용 재료에 대한 연구를 진행한 결과, 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체를 함유하되, 특정 중량평균분자량의 요건을 충족한 신규한 중합체 또는 상기 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체에, 부가 단량체 성분과 중합반응된 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공하고, 이를 포함하는 조성물은 기판 상에 스핀코팅으로 도포 가능하므로, 상기 조성물을 이용하여 포토리소그래피 공정 후 반도체 초미세 패터닝 공정이 가능함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.However, the inventors of the present invention have conducted research on a material for a carbon hard mask capable of spin application in place of the conventional deposition hard mask process. As a result, it has been found that a bismuth molybdenum compound containing a biphenyl phenol fluorene monomer, The present invention provides an organic material for a spin-on carbon hard mask comprising a novel polymer or a polymer obtained by polymerizing the above-mentioned bisphenyl phenol fluorene monomer with an addition monomer component, and a composition comprising the same is prepared by spin coating It is possible to perform a semiconductor ultrafine patterning process after the photolithography process using the above composition, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 고해상도의 패턴을 형성할 수 있는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide an organic material for a spin-on carbon hard mask capable of forming a high-resolution pattern.

본 발명의 다른 목적은 상기 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 함유한 조성물을 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a composition containing the organic material for the spin-on carbon hard mask.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체를 함유하되, 중량평균분자량 1,000 내지 10,000을 충족하는 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides an organic material for a spin-on carbon hard mask comprising a polymer containing a biphenyl phenol fluorene monomer represented by the following formula (1) and having a weight average molecular weight of 1,000 to 10,000 do.

화학식 1Formula 1

Figure pat00001
Figure pat00001

구체적으로, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료는 상기 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체에, 하기 화학식 2 내지 화학식 5로 이루어진 단량체 중 적어도 1종 이상의 부가 단량체 성분과 중합 반응시켜 얻어진 중합체이다. Specifically, the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention is a polymer obtained by the polymerization reaction of at least one of the monomers represented by the following formulas (2) to (5) with the biphenyl phenol fluorene monomer .

화학식 2(2)

Figure pat00002
Figure pat00002

화학식 3(3)

Figure pat00003
Figure pat00003

화학식 4Formula 4

Figure pat00004
Figure pat00004

화학식 5Formula 5

Figure pat00005
Figure pat00005

더욱 구체적으로, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료로서, 바람직한 제1실시형태로는 하기 화학식 6으로 표시되는 중합체로 이루어진 것이다.More specifically, as the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention, the first preferred embodiment is made of a polymer represented by the following formula (6).

화학식 66

Figure pat00006
Figure pat00006

(상기 식에서, R1 및 R2는 동일하거나 독립적일 수 있으며, 화학식 2 내지 화학식 5로 표시되는 화합물기 중 어느 하나의 화합물기이고, n은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.)(Wherein R 1 and R 2 may be the same or independent and are any one of the compound groups represented by the general formulas (2) to (5), and n is a natural number of 1 to 10 as the repeating unit.

상기 제1실시형태의 유기재료의 구체적인 일례로는 하기 화학식 7로 표시되는 중합체이다.A specific example of the organic material of the first embodiment is a polymer represented by the following general formula (7).

화학식 7Formula 7

Figure pat00007
Figure pat00007

(상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.)(In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.)

또한, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료로서 하기 화학식 8로 표시되는 중합체를 제공한다. Further, as the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention, there is provided a polymer represented by the following formula (8).

화학식 8 8

Figure pat00008
Figure pat00008

(상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.)(In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.)

본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료로서, 바람직한 제2실시형태로는 하기 화학식 9로 표시되는 중합체를 제공한다.As a second preferred embodiment of the organic material for a spin-on carbon hard mask of the present invention, a polymer represented by the following general formula (9) is provided.

화학식 9Formula 9

Figure pat00009
Figure pat00009

(상기 식에서, l은 2 내지 20이고, m은 0 내지 40이고, n은 1 내지 65이다.)(Wherein l is 2 to 20, m is 0 to 40, and n is 1 to 65.)

나아가, 본 발명은 이상의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료에서 선택되는 어느 하나의 중합체 1 내지 25 중량%가 유기용매에 함유된 스핀-온 카본 하드마스크용 조성물을 제공한다.Further, the present invention provides a composition for a spin-on carbon hard mask wherein 1 to 25% by weight of any one of the polymers selected from organic materials for spin-on carbon hard masks is contained in an organic solvent.

본 발명은 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체로부터 특정의 중량평균분자량의 요건을 충족한 신규한 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공함으로써, 이를 포함하는 조성물은 스핀코팅으로 기판 상에 도포할 수 있다. 이에 별도의 특수 설비없이 일반적인 코팅장비에서 적층이 가능하므로 코팅시간이 짧고 간단하며, 용액에 첨가되는 첨가제들에 따라 두께 및 친수도 등을 비교적 자유롭게 조절할 수 있다.The present invention provides an organic material for a spin-on carbon hard mask comprising a novel polymer satisfying the requirement of a specific weight average molecular weight from a biphenyl phenol fluorene monomer, Can be applied. Therefore, it is possible to laminate in general coating equipment without special special equipment, so the coating time is short and simple, and thickness and hydrophilicity can be adjusted freely according to the additives added to the solution.

나아가, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 함유한 조성물을 이용하여 반도체 소자의 초미세 패턴을 형성할 수 있다. Furthermore, the ultrafine pattern of the semiconductor device can be formed using the composition containing the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 중합체의 중량평균분자량을 측정한 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 결과이고,
도 2는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 중합체의 중량평균분자량을 측정한 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 결과이고,
도 3은 본 발명의 실시예 3에서 제조된 중합체의 중량평균분자량을 측정한 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 결과이다.
Fig. 1 is a graph showing the relationship between The results of gel permeation chromatography (GPC) of measuring the weight average molecular weight of the polymer,
Fig. 2 is a graph showing the relationship between The results of gel permeation chromatography (GPC) of measuring the weight average molecular weight of the polymer,
Fig. 3 is a graph showing the relationship between Gel permeation chromatography (GPC) results of measuring the weight average molecular weight of the polymer.

이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체를 함유하되, 중량평균분자량 1,000 내지 10,000을 충족하는 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공한다. The present invention provides an organic material for a spin-on carbon hard mask comprising a polymer containing a biphenyl phenol fluorene monomer represented by the following formula (1) and having a weight average molecular weight of 1,000 to 10,000.

화학식 1Formula 1

Figure pat00010
Figure pat00010

상기 비스페닐페놀 플루오렌(fluorene)계 단량체로부터 중합된 중합체는 짧은 파장 영역(예를 들어, 157, 193, 248nm)에서 강한 흡수를 갖는 특성에 의해 우수한 광학적 특성, 기계적 특성 및 에칭 선택비 특성을 제공하며, 동시에 스핀-온 도포 기법을 이용하여 도포 가능한 특성을 제공할 수 있다. Polymers polymerized from the biphenyl phenol fluorene monomer have excellent optical, mechanical and etch selectivity properties due to their strong absorption properties in short wavelength regions (e.g., 157, 193, 248 nm) And at the same time, it is possible to provide a coatable property using a spin-on coating technique.

또한, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 단량체는 스핀 온 카본 하드마스크에 사용되는 중합체에 요구되는 높은 굴절률을 충족하고, 동시에 공지된 비스페놀 플루오렌(fluorene)계 단량체의 경우보다 탄소원자의 비율을 최대한 높여, 이로부터 중합된 중합체의 경우 높은 건식 식각 내성을 개선한다. In addition, the monomer represented by the formula (1) of the present invention satisfies the high refractive index required for a polymer used in a spin-on carbon hard mask, and at the same time, maximizes the ratio of carbon atoms to that of a known bisphenol fluorene- , Which improves the high dry etch resistance for the polymerized polymer.

이에, 상기 화학식 1로 표시되는 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체는 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 구성하는 필수 중합성분으로서 바람직하다.Accordingly, the biphenyl phenol fluorene monomer represented by the above formula (1) is preferable as an essential polymerization component constituting the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention.

구체적으로, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 구성하는 중합체는 상기 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체에, 하기 화학식 2 내지 화학식 5로 이루어진 단량체 중 적어도 1종 이상의 부가 단량체 성분과 중합반응시켜 얻어진 것을 특징으로 한다. Specifically, the polymer constituting the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention is prepared by polymerizing the biphenyl phenol fluorene monomer with at least one additional monomer component of the monomers represented by the following formulas (2) to (5) .

화학식 2(2)

Figure pat00011
Figure pat00011

화학식 3(3)

Figure pat00012
Figure pat00012

화학식 4Formula 4

Figure pat00013
Figure pat00013

화학식 5Formula 5

Figure pat00014
Figure pat00014

본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 중합체는 겔 투과 크로마토그래피(gel permeation chromatography; GPC)로 측정하였을 때 폴리스티렌 환산 평균분자량으로 중합체의 중량평균분자량(Mw)이 1,000 내지 10,000, 바람직하게는 2,000 내지 6,000, 더욱 바람직하게는 3,000 내지 5,000을 충족하는 것을 특징으로 한다. 이때, 중합체의 중량평균분자량(Mw)이 1,000 미만이면, 코팅성, 내열성, 식각저항성 등이 저하될 수 있고, 중량평균분자량(Mw)이 10,000을 초과하면, 점도가 높아져 스핀 코터로 도포할 때 고르게 도포되지 않을 수 있다.The polymer for a spin-on carbon hard mask of the present invention preferably has a weight average molecular weight (Mw) of 1,000 to 10,000, preferably 2,000 to 10,000, more preferably 2,000 to 10,000, as measured by gel permeation chromatography (GPC) 6,000, and more preferably 3,000 to 5,000. If the weight average molecular weight (Mw) of the polymer is less than 1,000, the coating property, heat resistance, and etching resistance may be lowered. If the weight average molecular weight (Mw) exceeds 10,000, It may not be uniformly applied.

이상의 요건을 충족한 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료에 대하여 바람직한 제1실시형태로는 하기 화학식 6으로 표시되는 중합체로 이루어진 것이다. The first preferred embodiment of the organic material for a spin-on carbon hard mask of the present invention satisfying the above requirements is composed of a polymer represented by the following formula (6).

화학식 66

Figure pat00015
Figure pat00015

(상기 식에서, R1 및 R2는 동일하거나 독립적일 수 있으며, 화학식 2 내지 화학식 5로 표시되는 화합물기 중 어느 하나의 화합물기이고, n은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.)(Wherein R 1 and R 2 may be the same or independent and are any one of the compound groups represented by the general formulas (2) to (5), and n is a natural number of 1 to 10 as the repeating unit.

더욱 바람직하게는 본 발명의 유기재료가 하기 화학식 7로 표시되는 중합체이다. More preferably, the organic material of the present invention is a polymer represented by the following formula (7).

화학식 7Formula 7

Figure pat00016
Figure pat00016

(상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.)(In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.)

구체적으로는, 상기 화학식 7로 표시되는 중합체는 본 발명의 실시예 1에 개시된 것으로서, 중량평균분자량(Mw) 3,620인 중합체(n1=4)로서, 각 단량체간의 중합반응에 의해 얻을 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 부가 단량체 성분의 선택에 따라 다양한 중합체가 제공될 수 있다. Specifically, the polymer represented by the formula (7) is a polymer (n1 = 4) having a weight average molecular weight (Mw) of 3,620 as disclosed in Example 1 of the present invention and can be obtained by a polymerization reaction between monomers. Without being limited, various polymers may be provided depending on the selection of the additive monomer component.

또 다른 일례로, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료는 하기 화학식 8로 표시되는 중합체를 제공한다.As another example, the organic material for the spin-on carbon hard mask of the present invention provides a polymer represented by the following formula (8).

화학식 88

Figure pat00017
Figure pat00017

(상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10 인 자연수이다.)(In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.)

또한, 본 발명의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료의 바람직한 제2실시형태로는 하기 화학식 9로 표시되는 중합체를 제공한다. Further, a second preferred embodiment of the organic material for a spin-on carbon hard mask of the present invention provides a polymer represented by the following formula (9).

화학식 9Formula 9

Figure pat00018
Figure pat00018

(상기 식에서, l은 2 내지 20이고, m은 0 내지 40이고, n은 1 내지 65이다.)(Wherein l is 2 to 20, m is 0 to 40, and n is 1 to 65.)

이상의 화학식 9로 표시되는 중합체의 일례로는 화학식 10으로 표시되는 중합체인 것이다. An example of the polymer represented by the above formula (9) is a polymer represented by the formula (10).

하기 화학식 10으로 표시되는 중합체는 실시예 2 또는 실시예 3에 기재된 바와 같이, 각 단량체간의 중합반응에 의해 얻을 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 부가 단량체 성분과 몰비율의 선택에 따라 다양한 중합체가 제공될 수 있다. 이상의 중합체는 스핀 온 카본 하드마스크 적용에 요구되는 바람직한 중량평균분자량의 요건을 충족한다. The polymer represented by the following formula (10) can be obtained by a polymerization reaction between the respective monomers as described in Example 2 or Example 3, but not limited thereto, and various polymers may be provided depending on the selection of the molar ratio with the additional monomer component . The above polymers meet the requirements of the preferred weight average molecular weight required for spin-on carbon hardmask applications.

화학식 1010

Figure pat00019
Figure pat00019

(상기 식에서, l 및 n은 상기 화학식 9에서 정의한 바와 같다.)Wherein l and n are the same as defined in the above formula (9).

나아가, 본 발명은 상기의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료에서 선택되는 어느 하나의 중합체 1 내지 25 중량%가 유기용매에 함유된 카본 하드마스크용 조성물을 제공한다.Further, the present invention provides a composition for a carbon hard mask wherein 1 to 25% by weight of any one of the polymers selected from the organic materials for the spin-on carbon hard mask is contained in the organic solvent.

상기 카본 하드마스크용 조성물에 있어서, 상기 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 구성하는 중합체의 함량은 1 내지 25중량%, 바람직하게는 3 내지 20중량%, 더욱 바람직하게는 4 내지 16중량%이며, 상기 유기용매의 함량은 상기 중합체 등의 고형분을 제외한 나머지를 차지한다. In the composition for the carbon hard mask, the content of the polymer constituting the organic material for the spin-on carbon hard mask is 1 to 25% by weight, preferably 3 to 20% by weight, more preferably 4 to 16% , And the content of the organic solvent accounts for the remainder excluding the solid content of the polymer and the like.

본 발명에 사용되는 유기용매는 중합체에 대한 용해성을 갖고 통상의 하드마스크용도에 사용되는 유기용매군에서 제한 없이 채용할 수 있으며, 바람직한 일례로는, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(propylene glycol monomethylether acetate: PGMEA), 프로필렌글리콜모노메틸에테르(propyleneglycol monomethyl ether: PGME), 사이클로헥산온(cyclohexanone: CH), 에틸락테이트(ethyl lactate: EL), 감마부티로락톤(gamma-butyrolactone: GBL) 또는 이들의 혼합형태를 사용할 수 있다.The organic solvent used in the present invention is soluble in a polymer and can be used without limitation in an organic solvent group commonly used for hard mask applications. As a preferable example, propylene glycol monomethylether acetate PGMEA), propylene glycol monomethyl ether (PGME), cyclohexanone (CH), ethyl lactate (EL), gamma-butyrolactone (GBL) Shape can be used.

이에, 본 발명의 카본 하드마스크용 조성물은 한정되지는 않으나, 기판 상에 스프레이 코팅, 블레이드 코팅, 스핀코팅 또는 이들의 조합에 의해 코팅하는 것이 적절할 수 있다. Thus, the composition for the carbon hard mask of the present invention is not limited, but it may be appropriate to coat the substrate by spray coating, blade coating, spin coating, or a combination thereof.

바람직하게는 스핀코팅에 의해 실시하는 것으로서, 본 발명의 카본 하드마스크용 조성물은 스핀코팅으로 기판 상에 도포할 수 있어 별도의 설비 없이 일반적인 코팅장비에서 적층이 가능하고 코팅시간이 짧고 간단하며, 용액에 첨가되는 첨가제들에 따라 두께 및 친수도 등 비교적 자유롭게 조절이 가능하다.The carbon hard mask composition according to the present invention can be applied on a substrate by spin coating, so that it can be laminated in general coating equipment without any additional equipment, the coating time is short and simple, The thickness and the hydrophilicity can be adjusted freely according to the additives added to the resin.

이때, 스핀 속도 범위는 100 내지 8000rpm이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 200 내지 2000rpm, 더욱 더 바람직하게는 800 내지 1500rpm으로 실시하는 것이다. 또한, 스핀 시간은 10초 내지 150초가 바람직하다. In this case, the spin speed range is preferably 100 to 8000 rpm, more preferably 200 to 2000 rpm, still more preferably 800 to 1500 rpm. The spin time is preferably 10 seconds to 150 seconds.

상기 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 코팅한 기판은 적절하게는 가교 전에 소프트 베이킹할 수 있는데, 이때 소프트 베이킹 온도 범위는 50 내지 150℃가 바람직하다.The substrate coated by any one of the above methods may suitably be soft baked prior to crosslinking, wherein the soft baking temperature range is preferably from 50 to 150 < 0 > C.

또한, 본 발명의 카본 하드마스크용 조성물에는 가교성분, 산발생제 및 계면활성제가 더 함유될 수 있다. The composition for a carbon hard mask of the present invention may further contain a crosslinking component, an acid generator, and a surfactant.

상기 가교성분은 가교반응을 유도하여 더욱 경화시킬 목적으로 사용되며, 2개 이상의 가교 형성 관능기를 갖는 화합물로서, 가교 형성 관능기는 옥세타닐기, 옥사졸린기, 시클로카보네이트기, 알코올시시릴기, 아미노 메티올기 또는 알콕시메틸기, 아지리디닐기, 메티올기, 이소시아네이트기, 알콕시메틸아미노기, 또는 다관능성 에폭시기 등일 수 있다. 이에, 멜라민 타입, 에폭시 타입 등의 통상적인 가교 성분을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상용화된 가교제로서, 산화케미칼사의 MX-270, MX-280, MX-390 및 2-{[4-(2-옥시라닐메톡시)페녹시]메틸}옥시란(2-{[4-(2-oxiranylmethoxy)phenoxy]methyl} oxirane) 등을 사용할 수 있다. The crosslinking component is a compound having two or more crosslinking functional groups. The crosslinking functional group is an oxetanyl group, an oxazoline group, a cyclocarbonate group, an alcoholic silyl group, an amino A methiol group or an alkoxymethyl group, an aziridinyl group, a methiol group, an isocyanate group, an alkoxymethylamino group, or a polyfunctional epoxy group. MX-270, MX-280, MX-390, and 2 - {[4- (2-hydroxyethyl) (2 - {[4- (2-oxiranylmethoxy) phenoxy] methyl} oxirane) and the like can be used.

이때, 전체 조성물에 대하여, 가교성분의 함량은 0 내지 4중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%이다. 상기 가교성분의 함량이 4중량%를 초과하면, 레지시트의 안정성을 저하시킬 우려가 있다.At this time, the content of the crosslinking component is 0 to 4% by weight, preferably 0.5 to 3% by weight, based on the whole composition. When the content of the crosslinking component exceeds 4% by weight, there is a fear that the stability of the resin sheet is lowered.

또한, 산발생제는 중합체의 가교반응의 온도를 낮추어 주고, 가교율을 향상시키기 위하여 첨가되는데, 산발생제로는 통상의 광산발생제와 열산발생제를 사용할 수 있다. 바람직하게는 광산발생제보다 높은 온도에서 촉매로서의 효율이 우수한 열산발생제를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 킹인더스트리사의 TAG-시리즈 등의 열산발생제를 사용할 수 있다. 상기 산발생제를 사용할 경우, p-톨루엔 술폰산 모노 하이드레이트(p-toluenesulfonic acid mono hydrate), 피리딘 p-톨루엔술폰산(Pyridine p-toluenesulfonic acid), 2,4,4,6-테트라브로모시클로헥사디엔온, 벤조인 토실레이트, 2-니트로벤질 토실레이트, 및 유기 술폰산의 다른 알킬 에스테르로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. Further, the acid generator is added to lower the temperature of the crosslinking reaction of the polymer and to improve the crosslinking ratio. As the acid generator, a conventional photo acid generator and a thermal acid generator may be used. Preferably, a thermal acid generator having a high efficiency as a catalyst at a temperature higher than that of the photoacid generator can be used. For example, a thermal acid generator such as TAG-series manufactured by King Industries Co., Ltd. can be used. When the acid generator is used, p-toluenesulfonic acid monohydrate, pyridine p-toluenesulfonic acid, 2,4,4,6-tetrabromocyclohexadiene Benzoin tosylate, 2-nitrobenzyl tosylate, and other alkyl esters of organic sulfonic acids.

이에, 전체 스핀-온 카본 하드마스크용 조성물에 대하여, 산발생제의 바람직한 함량은 0.25 중량% 이하, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 중량%를 함유하는 것이다. 이때, 산발생제의 사용량이 0.25 중량%를 초과하면, 레지스트의 안정성을 저하시킬 우려가 있다.Thus, the preferable content of the acid generator is 0.25% by weight or less, preferably 0.05 to 0.2% by weight, based on the composition for the entire spin-on carbon hard mask. At this time, when the amount of the acid generator used exceeds 0.25% by weight, the stability of the resist may be lowered.

상기 계면활성제는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 구성하는 중합체 함량의 증가에 따라 발생하는 코팅불량의 개선하기 위해 사용한다. The surfactant is used to improve coating defects that occur as the polymer content of the organic material for the spin-on carbon hard mask increases.

일례로, 상용화된 계면활성제인 에어프로덕트사의 설피놀 계열, DIC사의 F-시리즈(F-410, F-444, F-477, R-08, R-30 등) 등을 사용할 수 있고 계면활성제의 바람직한 함량은 전체 스핀-온 카본 하드마스크용 조성물에 대하여, 0.0001 내지 0.001 중량%, 바람직하게는 0.0001 내지 0.0008중량%를 사용할 수 있으며, 상기 계면활성제의 함량이 0.001 중량%를 초과하면, 레지스트 막질이 불량해질 수 있다.
For example, Sulfinol series, F-series (F-410, F-444, F-477, R-08, R-30 and the like) of DIC Co. can be used as a commercial surfactant, The preferred content is 0.0001 to 0.001% by weight, preferably 0.0001 to 0.0008% by weight, based on the composition for the entire spin-on carbon hard mask. If the content of the surfactant exceeds 0.001% by weight, It can become bad.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. The present invention is intended to more specifically illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these embodiments.

<< 실시예Example 1> 1>

비스(오르쏘-페닐페놀)플루오렌 50.3g(0.1mol)과 1-하이드록시파이렌 21.8g(0.1mol), 1-나프톨 14.4g(0.1mol), 파라포름알데히드 9.1g(0.3mol), 파라-톨루엔설폰산 일수화물 17.1g(0.09mol)을 150㎖의 프로필렌글리콜 모노메틸에테르아세테이트(PGMEA)에 현탁시킨 후, 상기 용액을 100℃에서 30시간 동안 교반하여 중합하였다. 반응 종료 후 상온으로 냉각하고 물과 메탄올의 혼합용매(1:10 부피비)를 사용하여 파라-톨루엔설폰산을 제거한 후, 메탄올을 사용하여 저분자량체를 제거하여 하기 화학식 7로 표시되는 중량평균분자량(Mw) 3,620의 중합체(n1=4)를 얻었다. 상기 얻어진 중합체의 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 측정결과는 도 1에 도시되었다. (0.1 mol) of 1-hydroxypyrrole, 14.4 g (0.1 mol) of 1-naphthol, 9.1 g (0.3 mol) of paraformaldehyde, After 17.1 g (0.09 mol) of para-toluenesulfonic acid monohydrate was suspended in 150 ml of propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), the solution was polymerized by stirring at 100 DEG C for 30 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, p-toluenesulfonic acid was removed using a mixed solvent of water and methanol (1:10 by volume), and the low molecular weight was removed using methanol to obtain a weight average molecular weight Mw) of 3,620 (n1 = 4) was obtained. The gel permeation chromatography (GPC) measurement results of the obtained polymer are shown in Fig.

화학식 7Formula 7

Figure pat00020
Figure pat00020

<< 실시예Example 2>  2>

비스(오르쏘-페닐페놀)플루오렌 43.7g(0.087mol)과 1-나프톨 25.2g(0.174mol), 파라포름알데히드 9.0g(0.3mol), 파라-톨루엔설폰산 일수화물 13.2g(0.069mmol)을 320㎖의 프로필렌글리콜 모노메틸에테르(PGME)에 현탁시킨 후, 상기 용액을 100℃에서 44시간 동안 교반하여 중합하였다. 반응 종료 후 상온으로 냉각하고 테트라하이드로퓨란 100㎖와 28% 암모니아수 11㎖를 투입하고 교반하여 중화하였다. 반응혼합물을 노말헥산 2100㎖에 1시간 동안 적가하고 1시간 교반 후 여과하여 습체분말을 얻었다. 습체분말을 에틸아세테이트 200㎖에 녹이고 여과하여 불용물을 제거한 후 초순수로 유기층을 세척하였다. 얻어진 유기층을 노말헥산 280㎖에 적가하여 고체상 분말을 생성시켜 화학식 9로 표시되는 중량평균분자량(Mw) 4,275의 중합체(l=5, n=10)를 얻었다. 상기 얻어진 중합체의 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 측정결과는 도 2에 도시되었다. (0.087 mol) of bis (ortho-phenylphenol) fluorene, 25.2 g (0.174 mol) of 1-naphthol, 9.0 g (0.3 mol) of paraformaldehyde and 13.2 g (0.069 mmol) of para- Was suspended in 320 ml of propylene glycol monomethyl ether (PGME), and the solution was polymerized by stirring at 100 DEG C for 44 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, and 100 ml of tetrahydrofuran and 11 ml of 28% aqueous ammonia were added and stirred to neutralize. The reaction mixture was added dropwise to 2100 ml of n-hexane for 1 hour, stirred for 1 hour, and filtered to obtain a wet powder. The wet powder was dissolved in 200 ml of ethyl acetate, filtered to remove insolubles, and the organic layer was washed with ultrapure water. The obtained organic layer was added dropwise to 280 ml of n-hexane to produce a solid phase powder to obtain a polymer (l = 5, n = 10) having a weight average molecular weight (Mw) of 4,275 represented by the formula (9). The results of gel permeation chromatography (GPC) measurement of the obtained polymer are shown in FIG.

화학식 1010

Figure pat00021
Figure pat00021

<< 실시예Example 3>  3>

비스(오르쏘-페닐페놀)플루오렌 55.3g(0.110mol)과 1-하이드록시파이렌 12.0g(0.055mol), 파라포름알데히드 6.6g(0.220mol), 파라-톨루엔설폰산 일수화물 11.6g(0.061mmol)을 320㎖의 프로필렌글리콜 모노메틸에테르(PGME)에 현탁시킨 후, 상기 용액을 100℃에서 50시간 동안 교반하여 중합하였다. 반응 종료 후 상온으로 냉각하고 테트라하이드로퓨란 100㎖와 28% 암모니아수 11㎖를 투입하고 교반하여 중화하였다. 반응혼합물을 노말헥산 2100㎖에 1시간 동안 적가하고 1시간 교반 후 여과하여 습체분말을 얻었다. 습체분말을 에틸아세테이트 200㎖에 녹이고 여과하여 불용물을 제거한 후 초순수로 유기층을 세척하였다. 얻어진 유기층을 노말헥산 280㎖에 적가하여 고체상분말을 생성시켜 상기 화학식 10로 표시되는 중량평균분자량(Mw) 4,477의 중합체(l=8, n=4)를 얻었다. 상기 얻어진 중합체의 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 측정결과는 도 3에 도시되었다. A mixture of 55.3 g (0.110 mol) of bis (ortho-phenylphenol) fluorene, 12.0 g (0.055 mol) of 1-hydroxypyrrole, 6.6 g (0.220 mol) of paraformaldehyde, 11.6 g of para-toluenesulfonic acid monohydrate 0.061 mmol) was suspended in 320 mL of propylene glycol monomethyl ether (PGME), and the solution was polymerized by stirring at 100 DEG C for 50 hours. After completion of the reaction, the reaction mixture was cooled to room temperature, and 100 ml of tetrahydrofuran and 11 ml of 28% aqueous ammonia were added and stirred to neutralize. The reaction mixture was added dropwise to 2100 ml of n-hexane for 1 hour, stirred for 1 hour, and filtered to obtain a wet powder. The wet powder was dissolved in 200 ml of ethyl acetate, filtered to remove insolubles, and the organic layer was washed with ultrapure water. The obtained organic layer was added dropwise to 280 ml of n-hexane to produce a solid phase powder to obtain a polymer (l = 8, n = 4) having a weight average molecular weight (Mw) of 4,477 represented by the formula (10). The gel permeation chromatography (GPC) measurement results of the obtained polymer are shown in Fig.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체를 함유하되, 특정의 중량평균분자량의 요건을 충족한 중합체, 더욱 바람직하게는 상기 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체에, 부가 단량체 성분과 중합반응된 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료를 제공하였다. As described above, the present invention relates to a polymer containing a biphenyl phenol fluorene monomer and satisfying a requirement of a specific weight average molecular weight, more preferably the biphenyl phenol fluorene monomer, An organic material for a spin-on carbon hard mask consisting of the polymerized polymer was provided.

본 발명의 카본 하드마스크용 조성물은 상기 비스페닐페놀 플루오렌(fluorene)계 중합체가 짧은 파장 영역(예를 들어, 157, 193, 248nm)에서 강한 흡수를 갖는 우수한 광학적 특성을 가지며, 기계적 특성 및 에칭 선택비 특성을 제공하며, 동시에 스핀-온 도포 기법(spin-on application technique)을 이용하여 도포 가능하다. The composition for a carbon hard mask of the present invention is characterized in that the biphenyl phenol fluorene polymer has excellent optical properties with strong absorption in a short wavelength region (for example, 157, 193, 248 nm) Selectivity ratio, and is also applicable using a spin-on application technique.

특히, 본 발명의 화학식 1로 표시되는 비스페닐페놀 플루오렌(fluorene)계 단량체는 스핀 온 카본 하드마스크에 사용되는 중합체에 요구되는 높은 가지고 동시에 탄소원자의 비율을 최대한 높여 건식 식각 내성을 강한 장점이 있다.In particular, the biphenyl phenol fluorene-based monomer represented by the formula (1) of the present invention has a high resistance to dry etching by maximizing the ratio of carbon atoms at the same time as it has a high requirement for a polymer used in a spin-on carbon hard mask .

이에, 본 발명의 카본 하드마스크용 조성물을 이용하여 포토리소그래피 공정 후 반도체 초미세 패터닝 공정이 가능하다.
Thus, a semiconductor ultrafine patterning process can be performed after the photolithography process using the composition for a carbon hard mask of the present invention.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
While the invention has been shown and described with reference to certain exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (7)

하기 화학식 1로 표시되는 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체를 함유하되, 중량평균분자량 1,000 내지 10,000을 충족하는 중합체로 이루어진 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료:
화학식 1
Figure pat00022
An organic material for a spin-on carbon hard mask comprising a polymer containing a bisphenyl phenol fluorene monomer represented by the following formula (1) and having a weight average molecular weight of 1,000 to 10,000:
Formula 1
Figure pat00022
제1항에 있어서, 상기 비스페닐페놀 플루오렌계 단량체에, 하기 화학식 2 내지 화학식 5로 이루어진 단량체 중 적어도 1종 이상의 부가 단량체 성분과 중합반응시켜 얻어진 중합체로 이루어진 것을 특징으로 하는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료.
화학식 2
Figure pat00023

화학식 3
Figure pat00024

화학식 4
Figure pat00025

화학식 5
Figure pat00026
The spin-on carbon hardener according to claim 1, wherein the spin-on carbon hardener is composed of a polymer obtained by polymerizing the bismethylphenyl phenylene fluorene monomer with at least one additional monomer component of monomers represented by the following formulas (2) to Organic material for mask.
(2)
Figure pat00023

(3)
Figure pat00024

Formula 4
Figure pat00025

Formula 5
Figure pat00026
제1항에 있어서, 상기 유기재료가 하기 화학식 6으로 표시되는 중합체인 것을 특징으로 하는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료:
화학식 6
Figure pat00027

상기 식에서, R1 및 R2는 동일하거나 독립적일 수 있으며, 화학식 2 내지 화학식 5로 표시되는 화합물기 중 어느 하나의 화합물기이고, n은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.
The organic material for a spin-on carbon hard mask according to claim 1, wherein the organic material is a polymer represented by the following Chemical Formula 6:
6
Figure pat00027

In the above formula, R 1 and R 2 may be the same or independent and are any one of the compound groups represented by the general formulas (2) to (5), and n is a natural number of 1 to 10 as the repeating unit.
제3항에 있어서, 상기 유기재료가 하기 화학식 7로 표시되는 중합체인 것을 특징으로 하는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료:
화학식 7
Figure pat00028

상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.
The organic material for a spin-on carbon hard mask according to claim 3, wherein the organic material is a polymer represented by the following formula (7): &lt; EMI ID =
Formula 7
Figure pat00028

In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.
제1항에 있어서, 상기 유기재료가 하기 화학식 8로 표시되는 중합체인 것을 특징으로 하는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료:
화학식 8
Figure pat00029

상기 식에서, n1은 반복단위로서 1 내지 10인 자연수이다.
The organic material for a spin-on carbon hard mask according to claim 1, wherein the organic material is a polymer represented by the following formula (8): &lt; EMI ID =
8
Figure pat00029

In the above formula, n1 is a natural number of 1 to 10 as a repeating unit.
제1항에 있어서, 상기 유기재료가 하기 화학식 9로 표시되는 중합체인 것을 특징으로 하는 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료:
화학식 9
Figure pat00030

상기 식에서, l은 2 내지 20이고, m은 0 내지 40이고, n은 1 내지 65이다.
The organic material for a spin-on carbon hard mask according to claim 1, wherein the organic material is a polymer represented by the following formula (9): &lt; EMI ID =
Formula 9
Figure pat00030

Wherein l is from 2 to 20, m is from 0 to 40, and n is from 1 to 65.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스핀-온 카본 하드마스크용 유기재료에서 선택되는 어느 하나의 중합체 1 내지 25 중량%가 유기용매에 함유된 스핀-온 카본 하드마스크용 조성물.
A composition for a spin-on carbon hard mask in which from 1 to 25% by weight of any one of the polymers selected from the organic materials for the spin-on carbon hard mask of any one of claims 1 to 6 is contained in an organic solvent.
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