JP2001022080A - アミン汚染防止用トップコーティング組成物、フォトレジストパターン形成方法及び半導体素子 - Google Patents
アミン汚染防止用トップコーティング組成物、フォトレジストパターン形成方法及び半導体素子Info
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Abstract
2(157nm)、電子線(E−beam)、イオンビーム(io
n beam)、EUV(extremely ultra violet)等の光源
を利用したフォトリソグラフィー工程において、主鎖が
アリサイクリック系誘導体でなるフォトレジスト重合体
の問題点である露光後遅延によるT−top形成を克服す
ると同時に、酸の拡散による100nm以下の微細パター
ン形成の困難を克服できるアミン汚染防止のためのフォ
トレジスト用トップコーティング組成物、及びこれを利
用した微細パターン形成方法を提供する。 【解決手段】 アミノ酸誘導体を含むアミン誘導体、ア
ミド誘導体、ウレアを含むウレタン化合物、これらの
塩、及びこれらの混合物からなる群から選択された塩基
性化合物を含むアミン汚染防止用トップコーティング組
成物である。
Description
程中の一つであるフォトリソグラフィー工程で用いられ
るトップコーティング組成物及びこれを利用した微細パ
ターン形成方法に関し、特に、250nm以下の極短波長
領域光源を利用して超微細パターンを形成するフォトリ
ソグラフィー工程に有用な、アミン汚染防止用トップコ
ーティング組成物及びこれを利用したフォトレジストパ
ターン形成方法と半導体素子に関するものである。
成するため、近来は化学増幅性のDUV(Deep Ultra V
iolet)フォトレジストが脚光を浴びており、その組成
は光酸発生剤(photoacid generator)と酸に敏感に反
応する構造のマトリックス高分子及び溶媒を配合して製
造する。このようなフォトレジスト(以下、“PR”と
略称する)の作用機構は、光酸発生剤が光源から紫外線
光を受けると酸を発生させ、このように発生した酸によ
りマトリックス高分子の主鎖又は側鎖が反応して分解さ
れたり(ポジティブ型)、架橋結合(ネガティブ型)さ
れる等の作用により、露光部と非露光部のマトリックス
高分子特性が著しく異なるというものである。
現像工程で現像液により溶解される反面、非露光部は現
像液に溶解されないためポジティブ型パターンが形成さ
れ、これに比べネガティブ型PRの場合、現像工程で架
橋結合が形成された露光部がそのまま残りネガティブ型
パターンが形成される。このようなリソグラフィー工程
でパターンの解像度は光源の波長に依存し、光源の波長
が小さくなるほど微細パターンを形成させることができ
る。
nm以下の波長を有する光源を利用するリソグラフィー工
程に対する研究が活発に進められており、これに適した
フォトレジスト重合体として主鎖或いは側鎖にアリサイ
クリック(alicyclic)誘導体が含まれた重合体が関心
を集めている。
リサイクリック系重合体を実際に半導体製造工程に適用
する過程には相当の問題が発生している。即ち、前記ア
リサイクリック系重合体は露光により発生する酸により
その化学的特性が変化しなければならないが、露光によ
り発生した酸が露光後熱処理遅延(post exposure dela
y)時に外部大気のアミン(amine contamination)によ
り消滅されることにより、望む解像度が得られなかった
り、T−topが発生する等、アミン汚染に大変脆弱な問
題点を持っている。特に、外部(environment)のアミ
ン濃度が30ppb以上の時は、露光後熱処理遅延がなく
ても全くパターンが形成されない。
汚染の問題点を克服するための方法には、(1)PRコ
ーティングPR樹脂の硝子転移温度(Tg)以上でベーキ
ングするアニーリング方法(annealing method)[W.
D.Hinsberg,S.A.MacDonald,N.J.Clecak,C.D.
Snyder,and H.Ito,Proc.SPIE,1925,(1993)43;
H.Ito,W.P.England,R.Sooriyakumaran,N.J.Cl
ecak,G.Breyta,W.D.Hinsberg,H.Lee,and D.
Y.Yoon,J.Photopolymer Sci.and Technol.,6,(1
993)547;G.Breyta,D.C.Hofer,H.Ito,D.Seege
r,K.Petrillo,H.Moritz,and T.Fischer,J.Phot
opolymer Sci.and Technol.,7,(1994)449;H.Ito,
G.Breyta,D.Hofer,R.Sooriyakumaran,K.Petrill
o,and D.Seeger,J.Photopolymer Sci.and Techno
l.,7,(1994)433;H.Ito,G.Breyta,R.Sooriyakum
aran,and D.Hofer,J.Photopolymer Sci.and Techn
ol.,8,(1995)505],(2)PRにアミン化合物を導
入する方法[Y.Kawai,A.Otaka,J.Nakamura,A.Ta
naka,and T.Matsuda,J.Photopolymer Sci.and Tec
hnol.,8,(1995)535;S.Saito,N.Kihara,T.Nait
o,M.Nakase,T.Nakasugi,and Y.Kato,J.Photopo
lymer Sci.and Technol.,9,(1996)677;S.Funat
o,Y.Kinoshita,T.Kuto,S.Masuda,H.Okazaki,
M.Padmanaban,K.J.Przybilla,N.Suehiro,and
G.Pawlowski,J.Photopolymer Sci.and Technol.,
8,(1995)543]及び(3)PRコーティング及びベーキ
ング工程後に、外部アミン汚染からPRを保護するため
その上部に保護膜(top−coating)を形成する方法
[J.Nakamura,H.Ban,Y.Kawai,and A.Tanaka,
J.Photopolymer Sci.and Technol.,8,(1995)555;
A.Oikawa,Y.Hatakenaka,Y.Ikeda,Y.Kokubo,S.
Miyata,N.Santoh,and N.Abe,J.Photopolymer Sc
i.and Technol.,8,(1995)519]等がある。しかし、
前記の従来の方法等は工程を複雑にする等のさらに他の
問題を抱えており、実際に超微細パターン形成を得るの
も困難である。
ィング組成物及びこれを利用したフォトレジストパター
ン形成方法を提供することを目的とする。
め、本発明では従来のフォトレジスト用トップコーティ
ング組成物に塩基、又は弱塩基性質を有する化合物を添
加したアミン汚染防止用トップコーティング組成物、及
び前記組成物を利用した微細パターン形成方法を提供す
る。
トレジスト用トップコーティング組成物に、塩基性化合
物をさらに含むことを特徴とするアミン汚染防止用トッ
プコーティング組成物である。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記塩基性化合物の共役酸(conjugate acid)は、13
以下のpKaを有することを特徴とする。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記塩基性化合物は、窒素含有化合物であることを特徴
とする。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記塩基性化合物は、アミノ酸誘導体を含むアミン誘導
体、アミド誘導体、ウレアを含むウレタン化合物、これ
らの塩、及びこれらの混合物からなる群から選択された
ことを特徴とする。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記アミン誘導体は、下記式(1)に示される化合物で
あることを特徴とする。
直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20のアルキル
基である。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記アルキル基は、(i)非置換されたアルキル基、又
は(ii)直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20の
アルコール(−OH)、直鎖状又は側鎖を有する炭素数
C1〜C20のカルボン酸(COOH)、直鎖状又は側
鎖を有する炭素数C1〜C20のアミン、直鎖状又は側
鎖を有する炭素数C1〜C20のケトン、及び直鎖状又
は側鎖を有する炭素数C1〜C20のエステルからなる
群から選択される、置換されたアルキル基であることを
特徴とする。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物において、
前記アミン誘導体は、L−プロリン、テトラメチルアン
モニウムヒドロキシドペンタハイドレイト及びトリエタ
ノールアミン、及びこれらの混合物からなる群から選択
されたことを特徴とする。
フォトレジスト組成物を塗布してフォトレジスト膜を形
成する段階と、(b)前記フォトレジスト膜の上部に請
求項1〜7のいずれか記載のアミン汚染防止用トップコ
ーティング組成物を塗布し、保護膜を形成する段階と、
(c)露光装備を利用して前記(b)の結果物を露光す
る段階と、(d)前記(c)の結果物を現像してフォト
レジストパターンを形成する段階を含むことを特徴とす
るフォトレジストパターン形成方法である。
フォトレジストパターン形成方法において、前記露光装
備は、250nm以下の短波長光源を採用することを特徴
とする。
のフォトレジストパターン形成方法において、前記露光
装備は、KrF(248nm)、ArF(193nm)、F2(1
57nm)、電子線(E−beam)、イオンビーム(ion be
am)、及びEUV(extremely ultraviolet)からなる
群から選択された光源を用いることを特徴とする。
0のいずれか記載のフォトレジストパターン形成方法に
より製造されたことを特徴とする半導体素子である。
る。本発明では、従来のフォトレジスト用トップコーテ
ィング組成物にアミン汚染を防止するための物質として
塩基、又は弱塩基性化合物(即ち、塩基性化合物)を一
つ以上添加する。本発明では、半導体素子工程に用いら
れる従来のトップコーティング組成物はいずれも用いる
ことができるが、例えば商業的に市販されている“NF
C540(Japan Synthetic Rubber)”及び“Aquatar
(Clariant,Inc.)”等が本発明の実験に用いられて
いる。
弱塩基性物質であり、環式(cyclic)又は非環式(ancy
clic)の窒素−含有化合物を含む水溶性化合物であるこ
とが好ましい。本発明で有用に用いられ得る窒素−含有
化合物の例として、アミノ酸誘導体を含むアミン誘導
体、アミド誘導体、ウレアを含むウレタン化合物、又は
これらの塩を挙げることができる。アミン汚染防止用化
合物のmole%含量は、好ましくは水に対し0.001〜0.1mo
le%、さらに好ましくは0.005〜0.05mole%、最も好ま
しくは0.007〜0.03mole%である。さらに、前記塩基性
化合物の共役酸(conjugate acid)は約13以下のpK
a、好ましくは11以下のpKa、さらに好ましくは7以下
のpKa値を有する。
防止用化合物の一例を示すものである。
数1〜20のアルキル基である。
を有する脂肪族炭化水素である。このようなアルキル基
は、ハロゲン、アルケニル、アルキニル、アリル、ヒド
ロキシ、アミノ、チオ、アルコキシ、カルボキシ、オキ
ソ、又はシクロアルキルのような一つ以上の置換基に置
換され得ることもあり、置換されないこともある。さら
に、アルキル基内部に酸素、硫黄、又は置換又は非置換
された窒素原子が挿入されることもある。アルキル基
は、好ましくは(i)非置換されたアルキル基、及び(i
i)一つ以上のヒドロキシ、アミン及び/又はカルボニ
ル(ケトン、カルボン酸、及びエステル)基に置換され
たアルキルグループを含む。前記(ii)の置換されたア
ルキル基は直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20
のアルキル基、直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C
20のアルコール(−OH)、直鎖状又は側鎖を有する
炭素数C1〜C20のカルボン酸(COOH)、直鎖状
又は側鎖を有するC1〜C20のアミン、直鎖状又は側
鎖を有する炭素数C1〜C20のケトン、あるいは直鎖
状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20のエステルであ
る。
化合物の例として、アミノ酸の一種である下記式(2)
のL−プロリン、下記式(3)のテトラメチルアンモニ
ウムヒドロキシド ペンタハイドレイト、及び式(4)
のトリエタノールアミンがある。
発明のトップコーティング組成物を利用してトップコー
ティング工程を行なう場合、露光後熱処理遅延(post e
xposure delay;以下、“PED”と略称する)時に、
大気中のアミンによるPRのアミン汚染を効果的に遮断
する一方、 露光により発生した酸が非露光部に拡散す
るのを適切に遮断することにより、優れたプロファイル
を有する超微細パターンを形成できるという事実を見出
した。
本発明で用いられるアミン汚染防止用化合物を添加する
ことになると、前記トップコーティング組成物は適切な
水準の塩基性を帯びることになり、露光部で発生した酸
が外部大気のアミンにより汚染されるのを防止する緩衝
材(buffer)として機能することができるようになる。
さらに、前記トップコーティング組成物はPR上部に塗
布されるが、前記組成物に含まれたアミン汚染防止用化
合物がPR表面での酸拡散を適切に抑制することによ
り、垂直プロファイルの優れたパターンを得ることがで
きるようになる。
り詳しく説明する。本発明に係るアミン汚染防止用化合
物の効果を調べるため、トップコーティング工程を採用
してPRパターンを形成したが、その過程は具体的に下
記の段階を含む。 (a)基板上にフォトレジスト組成物を塗布してフォト
レジスト膜を形成する段階と、(b)前記フォトレジス
ト膜の上部に、前記アミン汚染防止用トップコーティン
グ組成物を塗布して保護膜を形成する段階と、(c)露
光装備を利用して前記(b)の結果物を露光する段階
と、(d)前記(c)の結果物を現像してフォトレジス
トパターンを形成する段階。
文献に記載されたものであり、(i)PR樹脂として、
ポリ(2−ヒドロキシエチル−5−ノルボルネン−2−
カルボン酸/t−ブチル−5−ノルボルネン−2−カル
ボキシレート/5−ノルボルネン−2−カルボン酸/無
水マレイン酸)と、(ii)光酸発生剤及び(iii)若干の
添加剤を(iv)プロピレングリコールメチルエーテルア
セテート(PGMEA:propylene glycol methyl ethe
r acetate)溶媒に溶解して製造したものを用いた[J.
C.Jung,C.K.Bok,and K.H.Baik,J.Photopolyme
r Sci.and Technol.,10,(1997)529;J.C.Jung,
C.K.Bok,and K.H.Baik,Proc.SPIE,3333,(199
8)11;J.C.Jung,M.H.Jung,and K.H.Baik,J.P
hotopolymer Sci.and Technol.,11,(1998)481]。
アミン汚染防止用トップコーティング組成物には、従来
のフォトレジスト用トップコーティング組成物に前述の
本発明に係るアミン汚染防止用化合物を添加して用い
た。なお、全てのパターン形成実験は大気アミン濃度が
15ppb以上の条件で行った。
た環境で、前記のPR組成物を基板上に塗布して110
℃で90秒間ベークした後23℃に冷却した。次いで、
PR上部をコーティングするためのトップコーティング
組成物として、Japan Synthetic Rubber(以下、“JS
R”に表記)社で生産したNFC540トップコーティ
ング物質(top coating material)を塗布し、60℃で
60秒間ベークした後、冷却することによりトップコー
ティング工程(top−coating process)を行った。
してから110℃で90秒間再びベークした後、2.38wt
%のTMAH(tetramethyl anmmonium hydroxide)溶
液を利用して現像した結果、図1に見られるような15
0nmのパターンが得られた。図1を詳しく検討してみれ
ば、パターン上部が相当損失しており、パターンの垂直
プロファイルが完全でないことを確認することができ
る。これはPED時に酸が非露光部に拡散したためであ
ると判断される。
た環境でPR組成物を基板上に塗布し、110℃で90
秒間ベークした後23℃に冷却した。次いで、クラリア
ント社(Clariant Inc.)で生産したアクアタールトッ
プコーティング物質(Aquatar top coating material)
を塗布し、60℃で60秒間ベークした後冷却させた。
その次に、前記結果物をArF露光装備で露光してから1
10℃で90秒間再びベークした後、2.38wt%のTMA
H溶液を利用して現像した結果、図2に見られるような
150nmのパターンが得られた。図2を詳しく検討して
みれば、図1のようにパターンの上部が相当損失してお
り、露光部位の現像状態も完全でないことが分かる。
グするためのトップコーティング組成物として、JSR
社で生産したNFC540というトップコーティング物
質20gと、本発明で用いられる式(2)のL−プロリ
ン0.016gを混合して新規のトップコーティング組成物
を製造した。トップコーティング組成物として前記で製
造した組成物を用いることを除いては、前記比較例1と
同じ方法でPRパターンを形成した。即ち、15ppbの
アミンで汚染された環境でPR組成物を基板上に塗布
し、110℃で90秒間ベークした後23℃に冷却し
た。
グ組成物を前記結果物上部に塗布し60℃で60秒間ベ
ークした後、冷却してトップコーティング工程を行っ
た。その次に、前記結果物をArF露光装備で露光してか
ら110℃で90秒間再びベークした後、2.38wt%のT
MAH溶液を利用して現像した結果、図3に見られるよ
うな150nmのパターンが得られた。図3のパターン写
真を図1と比較してみれば、図1に比べてパターン上部
の損傷が殆どなく、より向上した垂直プロファイルを有
することが分かる。
グするためのトップコーティング組成物として、JSR
社で生産したNFC540というトップコーティング物
質20gと、本発明で用いられる式(3)のテトラメチ
ルアンモニウムヒドロキシドペンタハイドレイト(tetr
amethylammonium hydroxide pentahydrate)0.025gを
混合して新規のトップコーティング組成物を製造した。
前記で製造されたトップコーティング組成物を用いるこ
とを除いては、前記比較例1と同じ方法でリソグラフィ
工程を行い、図4に見られるような150nmのパターン
を得た。図4のパターン写真を図1と比較してみれば、
パターン上部の損傷が殆どなく、より向上した垂直プロ
ファイルを有することが分かる。
グするためのトップコーティング組成物として、クラリ
アント社(Clariant Inc.)で生産したアクアタールト
ップコーティング物質(Aquatar top coating materia
l)20gと、本発明で用いられる式(2)のL−プロ
リン0.016gを混合して新規のトップコーティング組成
物を製造した。前記のように製造された化合物を用いて
上部コーティング工程を行うことを除いては、前記比較
例2と同じ方法で図5に見られるような150nmのPR
パターンを得た。これを図2と比較してみれば、パター
ン上部の損傷が殆どなく、より向上した垂直プロファイ
ルを有することが分かる。
グするためのトップコーティング組成物として、クラリ
アント社で生産したアクアタールトップコーティング物
質20gと、本発明で用いられる式(3)のテトラメチ
ルアンモニウムヒドロキシドペンタハイドレイト0.025
gを混合して新規のトップコーティング組成物を製造し
た。前記のように製造された化合物を用いて上部コーテ
ィング工程を行うことを除いては、前記比較例2と同じ
方法で図6に見られるような150nmのPRパターンを
得た。これを図2と比較してみれば、パターン上部の損
傷が殆どなく、より向上した垂直プロファイルを有する
ことが分かる。
グするためのトップコーティング組成物として、クラリ
アント社で生産したアクアタールトップコーティング物
質20gと、本発明に係る化学式4のトリエタノールア
ミン0.020gを混合して新規のトップコーティング組成
物を製造した。前記のように製造された化合物を用いて
上部コーティング工程を行うことを除いては、前記比較
例2と同じ方法で図7に見られるような150nmのPR
パターンを得た。これを図2と比較してみれば、パター
ン上部の損傷が殆どなく、より向上した垂直プロファイ
ルを有することが分かる。前記実験例1〜5では露光源
としてArF光が用いられたが、これ以外にも、KrF(24
8nm)、F2(157nm)、電子線(E−beam)、イオ
ンビーム(ion beam)、EUV(extremely ultra viol
et)等の極短波長光源を用いることもできる。また、P
R組成物として、前記の組成物以外に通常のPR組成物
を用いることもでき、その他のリソグラフィー条件は必
要に応じて多様に変形可能である。
ら、本発明に係るアミン汚染防止物質を通常のトップコ
ーティング組成物に添加することにより、PED時のア
ミン汚染を防止できるだけでなく、PR上部で酸の拡散
に伴うパターンの変形も防止できることが分かる。
ォトレジストパターンを示すSEM写真である。
ォトレジストパターンを示すSEM写真である。
トレジストパターンを示すSEM写真である。
トレジストパターンを示すSEM写真である。
トレジストパターンを示すSEM写真である。
トレジストパターンを示すSEM写真である。
トレジストパターンを示すSEM写真である。
Claims (11)
- 【請求項1】 フォトレジスト用トップコーティング組
成物に、塩基性化合物をさらに含むことを特徴とするア
ミン汚染防止用トップコーティング組成物。 - 【請求項2】 前記塩基性化合物の共役酸(conjugate
acid)は、13以下のpKaを有することを特徴とする請
求項1記載のアミン汚染防止用トップコーティング組成
物。 - 【請求項3】 前記塩基性化合物は、窒素含有化合物で
あることを特徴とする請求項1記載のアミン汚染防止用
トップコーティング組成物。 - 【請求項4】 前記塩基性化合物は、アミノ酸誘導体を
含むアミン誘導体、アミド誘導体、ウレアを含むウレタ
ン化合物、これらの塩、及びこれらの混合物からなる群
から選択されたことを特徴とする請求項1記載のアミン
汚染防止用トップコーティング組成物。 - 【請求項5】 前記アミン誘導体は、下記式(1)に示
される化合物であることを特徴とする請求項4記載のア
ミン汚染防止用トップコーティング組成物。 【化1】 前記式でR1、R2及びR3は、それぞれ水素、あるいは
直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20のアルキル
基である。 - 【請求項6】 前記アルキル基は、(i)非置換された
アルキル基、又は(i i)直鎖状又は側鎖を有する炭素
数C1〜C20のアルコール(−OH)、直鎖状又は側
鎖を有する炭素数C1〜C20のカルボン酸(COO
H)、直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20のア
ミン、直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20のケ
トン、及び直鎖状又は側鎖を有する炭素数C1〜C20
のエステルからなる群から選択される、置換されたアル
キル基であることを特徴とする請求項5記載のアミン汚
染防止用トップコーティング組成物。 - 【請求項7】 前記アミン誘導体は、L−プロリン、テ
トラメチルアンモニウムヒドロキシドペンタハイドレイ
ト及びトリエタノールアミン、及びこれらの混合物から
なる群から選択されたことを特徴とする請求項4記載の
アミン汚染防止用トップコーティング組成物。 - 【請求項8】 (a)基板上にフォトレジスト組成物を
塗布してフォトレジスト膜を形成する段階と、(b)前
記フォトレジスト膜の上部に請求項1〜7のいずれか記
載のアミン汚染防止用トップコーティング組成物を塗布
し、保護膜を形成する段階と、(c)露光装備を利用し
て前記(b)の結果物を露光する段階と、(d)前記
(c)の結果物を現像してフォトレジストパターンを形
成する段階を含むことを特徴とするフォトレジストパタ
ーン形成方法。 - 【請求項9】 前記露光装備は、250nm以下の短波長
光源を採用することを特徴とする請求項8記載のフォト
レジストパターン形成方法。 - 【請求項10】 前記露光装備は、KrF(248nm)、A
rF(193nm)、F 2(157nm)、電子線(E−bea
m)、イオンビーム(ion beam)、及びEUV(extreme
ly ultra violet)からなる群から選択された光源を用
いることを特徴とする請求項9記載のフォトレジストパ
ターン形成方法。 - 【請求項11】 請求項8〜10のいずれか記載のフォ
トレジストパターン形成方法により製造されたことを特
徴とする半導体素子。
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