JP2002311587A - 化学増幅レジスト組成物及びそれを用いたパターン形成方法 - Google Patents
化学増幅レジスト組成物及びそれを用いたパターン形成方法Info
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Abstract
基の脱離が容易に進行し、且つ感度の向上した化学増幅
レジスト組成物を提供すること。 【解決手段】 分子内(同一骨格内)にアセタール部位
と、酸により脱離する部位とを併せ持つ化合物を使用す
る。好ましくは、この化合物は、当該アセタール部位と
当該酸により脱離する部位を、酸の存在下での反応によ
り最終的に環構造を形成できる位置に有する。この化合
物は、化学増幅レジスト組成物に添加剤として添加して
もよく、あるいは化学増幅レジスト組成物を構成するベ
ース樹脂自身をそのような化合物としてもよく、後者の
場合、アセタール部位と酸により脱離する部位はベース
樹脂の一つの繰り返し単位内に存在するようにする。
Description
造において用いられる放射線感光材料であるレジスト組
成物、及びそのレジスト組成物を用いたパターン形成方
法に関する。ここで言う放射線とは、紫外線、真空紫外
線、遠紫外線、X線、電子線を含む。
では、微細パターンの形成が不可欠である。半導体集積
回路上への微細パターンの形成には、薄膜を形成した被
処理基板上をレジスト材料で被覆してレジスト層を形成
し、このレジスト層を選択露光を行った後に現像してレ
ジストパターンを作り、これをマスクとしてドライエッ
チングを行い下層の薄膜にパターンを転写し、その後に
レジスト層を除去することにより所望のパターンを得る
リソグラフィ(写真食刻)技術の使用が必須である。
当初は紫外線が使用されていたが、パターンの微細化に
伴いもっと波長の短い遠紫外線や電子線、X線などが光
源として使用されるようになってきた。光源の波長の変
更に応じ、使用光源に対応した、高解像性、高感度、優
れた耐ドライエッチング性を有するレジスト材料が要求
されている。特にエキシマ露光では、従来のレジスト材
料で使用されていたベンゼン環による吸収があるためレ
ジスト材料の解像性を維持しつつ感度を高めるために高
エネルギーの露光が避けられず、光源装置の石英製等の
照材(レンズ)の耐久性の低下、高レーザパワーの必要
性といった問題がある。一方、本来的にスループットの
低い電子線露光では、使用レジスト材料の感度が悪いと
スループットの向上が望めない。
料が提案されており、その一つとして、種々の化学増幅
レジスト材料が提供されている。基本的に、化学増幅レ
ジストは酸感応性物質と光酸発生剤を含む組成物であ
り、このような組成物を使用することによって、露光に
よる光あるいは放射線の作用で光酸発生剤から酸を発生
させ、次いで露光後ベーク(ポストベーク)により酸を
触媒として酸感応性物質を反応させて、その結果組成物
の現像液への溶解性を変化させることで、所定パターン
のレジストマスクを形成することができる。化学増幅レ
ジスト材料にあっては、解像度などの他の特性を損なわ
ずに高感度化を実現することが課題となっている。以
下、ArFエキシマレーザ光での露光に用いられる化学
増幅レジストを例にとってこれを説明する。
ール樹脂の水酸基の一部を酸不安定基で置き換えた樹脂
を用いたレジスト組成物が、特開平6−51518号公
報(日本ゼオン社)で提案されている。これはベース樹
脂を水素添加フェノール樹脂とすることで、感度、解像
度、耐エッチング性及び保存安定性などの特性のバラン
スの取れた化学増幅レジストを提示するものであるが、
化学増幅レジストを更に高感度化する技術を開示するも
のではない。
ートとγ−ブチルラクトンメタクリレートの2つのメタ
クリル系モノマーの共重合体をベース樹脂とし、スルホ
ン酸オニウム塩系光酸発生剤及びアニリン系クエンチャ
ーを用いたレジスト組成物は、高解像性と実用的なドラ
イエッチング耐性を備えた化学増幅レジスト材料として
知られている。このレジスト材料におけるベース樹脂で
ある上記の共重合体は、次の一般式
光用のレジスト材料で使用されるベース樹脂に含まれて
いたArFエキシマレーザ光の波長領域の放射線を強く
吸収するベンゼン環に代えて、2−メチルアダマンチル
基を取り入れている。このようなレジスト材料の感度
は、ブロセス条件によるが、実用的な解像性を維特した
状態で10〜20mJ/cm2程度である。一般に、A
rFエキシマレーザ光を使用する場合に実用的なレンズ
寿命を確保するには、10mJ/cm2以下の感度で解
像できることが望まれている。ところが、上記のレジス
ト材料のベース樹脂は、露光による反応基として活性化
エネルギーの高い四級炭素エステル基を用いているた
め、これ以上の高感度化は困難である。
後の極性が大きく変化し、現像液に対して高い溶解コン
トラストが容易に得られることから、解像性に優れたレ
ジスト材料を提供することができる。そのため、四級炭
素エステル反応基は、ArFエキシマレーザ光での露光
用レジストに限らず、KrFエキシマレーザ光、F2レ
ーザ光、極紫外光(EUV)、電子線露光用の種々のレ
ジスト材料における反応基としても用いられている。し
かしながら、これらのレジスト材料においても、ArF
エキシマレーザ光露光用のレジスト材料と同様に、良好
な解像性と高い感度とを両立することは困難である。
光時に発生した酸の作用により露光部分の現像液への溶
解性に変化を生じるタイプの化学増幅レジスト組成物で
あって、従来の同様タイプのものに比べ、露光時に発生
する酸に対して反応性が高くそのため酸感応性物質の保
護基の脱離が容易に進行し、且つ感度の向上した化学増
幅レジスト組成物を提供することを目的とするものであ
る。この化学増幅レジスト組成物を用いたパターン形成
方法を提供することも、本発明の目的である。
解決のために、分子内(同一骨格内)にアセタール部位
と、酸により脱離する部位とを併せ持つ化合物を使用す
る。好ましくは、この化合物は、当該アセタール部位と
当該酸により脱離する部位を、酸の存在下での反応によ
り最終的に環構造を形成できる位置に有する。この化合
物は、化学増幅レジスト組成物に添加剤として添加して
もよい。あるいは、化学増幅レジスト組成物を構成する
高分子樹脂(ベース樹脂)自身を、そのような化合物と
してもよく、この場合には、アセタール部位と酸により
脱離する部位はベース樹脂の一つの繰り返し単位内に存
在する。
供する化学増幅レジスト組成物は、酸の存在下で反応す
るベース樹脂と、露光により酸を発生する光酸発生剤
と、分子内にアセタール部位と酸により脱離する部位と
を併せ持つ化合物とを含む組成物である。
幅レジスト組成物は、一つの繰り返し単位内にアセター
ル部位と酸により脱離する部位とを併せ持つ共重合体で
あり且つ酸の存在下で反応するベース樹脂と、露光によ
り酸を発生する光酸発生剤とを含む組成物である。
レジスト組成物を用いる場合も、あるいは上記の如き化
合物をベース樹脂とする化学増幅レジスト組成物を使用
する場合も、パターンを形成すべき下地層を備えた基板
上に化学増幅レジスト組成物を塗布してレジスト層を形
成し、プリベーク後、レジスト層を放射線で選択的に露
光し、ポストベークし、次いで現像して所定のレジスト
パターンを形成し、このレジストパターンをマスクに下
地層のパターニングを行うことができる。
内)にアセタール部位と酸により脱離する部位とを併せ
持つ化合物を使用する。このような化合物の一例とし
て、下式
と、酸により脱離する脱離基を備えたカルボン酸エステ
ル部位を持つものを挙げることができる。ここに例示し
た化合物のアセタール部位は、露光により化学増幅レジ
スト組成物中の酸発生剤から発生した酸の存在下におい
て常温で脱離反応を起こし、新たな酸を発生させる。ま
た、温度を上げることによりカルボン酸エステル部位の
置換基が脱離することから、こちらでも酸が発生するこ
とになる。このように、酸の存在下での上記の化合物の
一連の反応は下式のように進行し、最終的に環構造を有
する生成物を生じさせる。
アセタール部位が脱離しそしてカルボン酸部位の置換基
が脱離して生じた、分子内にヒドロキシル基とカルボキ
シル基とを有する式(II)の化合物が、両方の基の活
性化エネルギーが低いため分子内で容易に環化反応を起
こし、最終的に式(III)で示される環構造の生成物
を生じる。このように、この一連の酸分解環化反応は酸
の存在下でスムーズに進行する。環構造を持ち露光後の
レジスト組成物中に残存している最終生成物は、例えば
テトラメチルアンモニウムハイドロキシド水溶液((T
MAH)aq.)に代表される現像液に溶解しやすいの
で、特にポジ型レジスト組成物の場合に、露光後のレジ
スト組成物はより少量の現像液での現像が可能であり、
レジスト組成物の感度の向上にとって有利である。
と酸により脱離する部位は分子の各末端に位置している
が、本発明の化学増幅レジスト組成物で用いる化合物は
アセタール部位と酸により脱離する部位の一方あるいは
両方が分子末端になくてもよい。この場合、アセタール
部位と酸により脱離する部位は、発生した酸の存在下で
の反応により最終生成物が環構造をとれるような位置に
ある方が好ましい。これは、アセタール部位と酸により
脱離する部位とを一つの繰り返し単位内に有する共重合
体をベース樹脂とする場合にも当てはまり、両者は発生
した酸の存在下での反応により最終生成物が環構造をと
れるような位置にある方がやはり好ましい。発生した酸
の存在下での化合物の一連の反応により生じる最終生成
物が環構造を持つことによって、本発明の化学増幅レジ
スト組成物は、例えば特開平6−51518号公報に記
載されたようにアセタール部位が単独で組み込まれた構
造のポリマーを用いた化学増幅レジスト比べて、高感度
化を期待することができる。また、化合物は立体構造的
に反応性が高い構造になっていることが好ましい。
酸により脱離する部位が分子末端にある化合物の一例と
して、次の式で表されるものを挙げることができる。
酸の存在下において、アセタール部位と酸により脱離す
る部位を各末端に持つ上述の化合物と同様に次の式のよ
うにして最終的に環構造を備えた生成物を生じさせるこ
とができる。
成するベース樹脂自身を、アセタール部位と酸により脱
離する部位とを併せ持つ化合物としてもよく、この場
合、アセタール部位と酸により脱離する部位はベース樹
脂の一つの繰り返し単位内に存在する。アセタール部位
と酸により脱離する部位とを一つの繰り返し単位内に併
せ持つ樹脂の例として、次の式
正の整数)を挙げることができ、この共重合体は、下式
り脱離する部位とを分子内に併せ持つ化合物(モノマ
ー)を、2−メチルアダマンチルメタクリレート及びγ
−ブチルラクトンメタクリレートと共重合させることに
より得ることができる。
る部位とを併せ持つ化合物を添加剤とする化学増幅レジ
スト組成物においては、本発明のレジスト組成物のベー
ス樹脂の主鎖は、安価で且つ解像性等のリソグラフィ性
能を重視するならアクリレート又はメタクリレートモノ
マーの単独重合体あるいは2種以上のそのようなモノマ
ーの共重合体でよく、レジスト組成物から形成したレジ
ストパターンのドライエッチング耐性を重視するならノ
ルボルネン−無水マレイン酸共重合体などのシクロオレ
フィン重合体でよく、あるいはアクリレート又はメタク
リレートモノマーとシクロオレフィンモノマーのハイブ
リッド重合体などでもよい。
部位とを一つの繰り返し単位内に併せ持つ化合物をベー
ス樹脂とする化学増幅レジスト組成物においても、ベー
ス樹脂は、そのような繰り返し単位のほかに、アクリレ
ート又はメタクリレートモノマー由来の繰り返し単位を
持つ共重合体、ノルボルネン−無水マレイン酸共重合体
などのシクロオレフィンモノマー由来の繰り返し単位を
持つ共重合体、あるいはアクリレート又はメタクリレー
トモノマーとシクロオレフィンモノマーの両方に由来す
る繰り返し単位を持つ重合体などでよい。
のタイプも考慮すべきである。例えば露光にArFレー
ザ光を使用する場合、ベース樹脂として使用できるポリ
マーの一例として、2−メチルアダマンチルメタクリレ
ートとγ−ブチルラクトンメタクリレートとの共重合
体、あるいは下式
kは正の整数)を挙げることができる。F2レーザ光を
使用する場合のベース樹脂の一例としては、下式
との共重合体である下式
を挙げることができる。また、KrFレーザ光を使用す
る場合のベース樹脂の一例としては、先に示した式
(4)の化合物に由来の繰り返し単位を含む下式
正の整数)を挙げることができる。
を併せ持つ化合物を添加剤とする場合も、あるいはそれ
をベース樹脂とする場合も、化学増幅レジスト組成物の
ベース樹脂は上記のものに限定されるものではない。
る光酸発生剤としては、当業者に広く知られた通常の化
学増幅レジスト組成物で使用されるもののいずれを用い
ても差し支えない。また、必要に応じ、やはり当業者に
広く知られたクエンチャーその他の任意成分を本発明の
化学増幅レジスト組成物で使用することも可能である。
を併せ持つ化合物を用いる本発明の化学増幅レジスト組
成物は、露光により光酸発生剤から発生した酸の存在下
で反応が進行しやすく、且つその反応の進行に伴い酸を
更に発生させることから、高感度を実現することができ
る。更に、このように向上した感度を備えていることか
ら、レジスト組成物のリソグラフィ特性を損なうことな
くその感度を調節できる利点も有する。
使用してパターンを形成する方法を、ポジ型レジストの
場合を例に、説明する。図1(a)に示したように、パ
ターンを形成すべき下地層12を備えた被処理基板11
上に化学増幅レジスト組成物を塗布してレジスト層13
を形成し、プリベーク後、図1(b)に示したように、
適当な光源からの放射線14を使ってレジスト層13を
選択的に露光する。次に、レジスト層13を被処理基板
11とともにポストベークし、そして適当な現像液を使
い現像して、図1(c)に示したように所定のレジスト
パターン13’を形成することができる。続いて、この
レジストパターン13’をマスクとして使用し、下地層
12のパターニングを行うことにより、図1(d)に示
したようにレジストパターンを下地層12に転写して、
所望のパターンを形成することができる。レジスト層1
3’は、その後除去することができる。この方法におけ
るレジスト組成物の塗布から下地層へのレジストパター
ンの転写とレジスト層の除去に至るまでの一連の工程
は、既知のやり方のいずれによって行っても差し支えな
い。
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
クリレートとγ−ブチルラクトンメタクリレートの2種
類のメタクリル系モノマーから、特開平11−1232
6号公報に記載されたように製造した下式で表される共
重合体(重量平均分子量約10000、m:n比=5
0:50)をベース樹脂とし、
ぞれ下式で表されるスルホニウム酸オニウム塩系光酸発
生剤3質量部及びアニリン系クエンチャー0.2質量部
を混合して、ポジ型の化学増幅レジスト組成物を調製し
た。
溶媒(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテ
ート(PGMEA))に溶解し、そして添加剤として下
式
対してそれぞれ5質量%及び10質量%添加して、レジ
スト溶液を作った。
ジスト溶液をシリコンウエハ基板にそれぞれ塗布し、1
15℃にて60秒のソフトベーク処理後、露光量を4m
J/cm2から0.2mJ/cm2の一定間隔で段階的に
増加させてArFエキシマレーザ光を照射し、続いて1
15℃で60秒の露光後ベーク処理を行い、膜厚0.4
μmのレジストフィルムを形成した。その後、TMAH
2.38%の現像液を用いてレジストフィルムの現像処
理を行った。その結果、4mJ/cm2の当初露光量に
おいて既に過剰露光となっていてレジストフィルムのパ
ターン形成ができなかったため、添加剤化合物の添加量
を1質量%としてレジスト溶液を再度調製して同様の処
理を行ったところ、10mJ/cm2以上の高感度で1
30nmの1:1のライン・アンド・スペースパターン
を形成できることが確認された。
nm)用レジストで一般的に使用されているポリヒドロ
キシスチレン(PHS)を脱離性置換基で置換した、下
式
10000、m:n比=70:30)をベース樹脂とし
て、実施例1で使用した光酸発生剤及びクエンチャーを
ベース樹脂100質量部に対しそれぞれ3及び0.2質
量部加えた上で、実施例2で用いた化合物を5質量%添
加して、ポジ型化学増幅レジスト溶液を作った。このレ
ジスト溶液を使って、実施例2で説明したのと同様のプ
ロセス処理をKrFレーザ光での露光により行ったとこ
ろ、20mJ/cm2以下の高感度で130nmの1:
1のライン・アンド・スペースパターンを形成できるこ
とが確認された。
の主鎖中に、下式
れて、下式で表されるポリマー(重量平均分子量100
00、m:n:k比=50:45:5)を得た。
として使用し、このベース樹脂100質量部に対し実施
例1で使用したのと同じスルホニウム酸オニウム塩系光
酸発生剤とアニリン系クエンチャーをそれぞれ3及び
0.2質量部を混合して、化学増幅レジスト組成物を調
製した。次に、得られた組成物を1000質量部の溶媒
(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
(PGMEA))に溶解して、レジスト溶液を作った。
液を使用し、実施例2で説明したように実験を行ったと
ころ、2mJ/cm2以上の高感度で130nmの1:
1のライン・アンド・スペースパターンを形成できるこ
とが確認された。
物はポジ型のものであったが、本発明は、露光により光
酸発生剤から発生する酸の作用でレジスト組成物の露光
部分の反応を進行させる点においてポジ型レジスト組成
物と異なるところのないネガ型レジスト組成物にも適用
可能であることは言うまでもない。
として列挙すれば、次のとおりである。 (付記1) 酸の存在下で反応するベース樹脂と、露光
により酸を発生する光酸発生剤と、分子内にアセタール
部位と酸により脱離する部位とを併せ持つ化合物とを含
む化学増幅レジスト組成物。 (付記2) 前記化合物が、酸の存在下での反応により
環構造を含む最終生成物を生成できる位置に、当該アセ
タール部位と酸により脱離する部位を有する、付記1記
載の化学増幅レジスト組成物。 (付記3) 前記化合物が、下式
物。 (付記4) 前記ベース樹脂が、アクリレートもしくは
メタクリレートモノマーの単独重合体あるいはそれらの
モノマーの2種以上のものの共重合体、シクロオレフィ
ンモノマーの重合体、又はアクリレートもしくはメタク
リレートモノマーとシクロオレフィンモノマーのハイブ
リッド重合体である、付記1から3までのいずれか一つ
に記載の化学増幅レジスト組成物。 (付記5) 前記ベース樹脂が、2−メチルアダマンチ
ルメタクリレートとγ−ブチルラクトンメタクリレート
との共重合体である、付記4記載の化学増幅レジスト組
成物。 (付記6) 一つの繰り返し単位内にアセタール部位と
酸により脱離する部位とを併せ持つ共重合体であり且つ
酸の存在下で反応するベース樹脂と、露光により酸を発
生する光酸発生剤とを含む化学増幅レジスト組成物。 (付記7) 前記繰り返し単位が、酸の存在下での反応
により環構造を含む最終生成物を生成できる位置に、当
該アセタール部位と酸により脱離する部位を有する、付
記6記載の化学増幅レジスト組成物。 (付記8) 前記共重合体が、前記アセタール部位と酸
により脱離する部位とを併せ持つ繰り返し単位以外の繰
り返し単位として、アクリレートもしくはメタクリレー
トモノマー由来の繰り返し単位を持つ共重合体、シクロ
オレフィンモノマー由来の繰り返し単位を持つ共重合
体、又はアクリレートもしくはメタクリレートモノマー
とシクロオレフィンモノマーの両方に由来する繰り返し
単位を持つ重合体である、付記6又は7記載の化学増幅
レジスト組成物。 (付記9) 前記共重合体が下式
は7記載の化学増幅レジスト組成物。 (付記10) 前記共重合体が下式
記載の化学増幅レジスト組成物。 (付記11) 前記共重合体が下式
は7記載の化学増幅レジスト組成物。 (付記12) 前記共重合体が芳香環を含まない、付記
1から11までのいずれか一つに記載の化学増幅レジス
ト組成物。 (付記13) パターンを形成すべき下地層を備えた基
板上にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成し、
プリベーク後、レジスト層を放射線で選択的に露光し、
ポストベークし、次いで現像して所定のレジストパター
ンを形成し、このレジストパターンをマスクに下地層の
パターニングを行うパターン形成方法であって、当該レ
ジスト組成物として付記1から12までのいずれか一つ
に記載の化学増幅レジスト組成物を使用することを特徴
とするパターン形成方法。 (付記14) 前記放射線がエキシマレーザ光、X線、
又は電子線である、付記13記載のパターン形成方法。 (付記15) 前記放射線がArFエキシマレーザ光又
はそれより短波長の真空深紫外線である、付記13記載
のパターン形成方法。
分子内にアセタール部位と酸により脱離する部位とを含
む化合物を化学増幅レジスト材料系に導入することによ
り、反応が進行しやすく、且つ高い効率で発生する酸の
作用により感度が向上した化学増幅レジスト組成物の利
用が可能となる。更に、こうして感度の向上した本発明
の化学増幅レジスト組成物は、解像性等のリソグラフィ
性能を損なわずに感度を調節できるという利点をも有
し、そのためレジスト材料開発の進展に大いに寄与する
ものと期待される。また、本発明の化学増輻レジスト
は、エキシマレーザ光、X線、電子線など幅広い放射線
での使用が可能であり、ポジ型レジスト材料としてもネ
ガ型レジスト材料としても適用可能である。
ターンの形成方法を説明する図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 酸の存在下で反応するベース樹脂と、露
光により酸を発生する光酸発生剤と、分子内にアセター
ル部位と酸により脱離する部位とを併せ持つ化合物とを
含む化学増幅レジスト組成物。 - 【請求項2】 前記化合物が、酸の存在下での反応によ
り環構造を含む最終生成物を生成できる位置に、当該ア
セタール部位と酸により脱離する部位を有する、請求項
1記載の化学増幅レジスト組成物。 - 【請求項3】 前記化合物が、下式 【化1】 で表される、請求項1又は2記載の化学増幅レジスト組
成物。 - 【請求項4】 前記ベース樹脂が、アクリレートもしく
はメタクリレートモノマーの単独重合体あるいはそれら
のモノマーの2種以上のものの共重合体、シクロオレフ
ィンモノマーの重合体、又はアクリレートもしくはメタ
クリレートモノマーとシクロオレフィンモノマーのハイ
ブリッド重合体である、請求項1から3までのいずれか
一つに記載の化学増幅レジスト組成物。 - 【請求項5】 一つの繰り返し単位内にアセタール部位
と酸により脱離する部位とを併せ持つ共重合体であり且
つ酸の存在下で反応するベース樹脂と、露光により酸を
発生する光酸発生剤とを含む化学増幅レジスト組成物。 - 【請求項6】 前記繰り返し単位が、酸の存在下での反
応により環構造を含む最終生成物を生成できる位置に、
当該アセタール部位と酸により脱離する部位を有する、
請求項5記載の化学増幅レジスト組成物。 - 【請求項7】 前記共重合体が、前記アセタール部位と
酸により脱離する部位とを併せ持つ繰り返し単位以外の
繰り返し単位として、アクリレートもしくはメタクリレ
ートモノマー由来の繰り返し単位を持つ共重合体、シク
ロオレフィンモノマー由来の繰り返し単位を持つ共重合
体、又はアクリレートもしくはメタクリレートモノマー
とシクロオレフィンモノマーの両方に由来する繰り返し
単位を持つ重合体である、請求項5又は6記載の化学増
幅レジスト組成物。 - 【請求項8】 パターンを形成すべき下地層を備えた基
板上にレジスト組成物を塗布してレジスト層を形成し、
プリベーク後、レジスト層を放射線で選択的に露光し、
ポストベークし、次いで現像して所定のレジストパター
ンを形成し、このレジストパターンをマスクに下地層の
パターニングを行うパターン形成方法であって、当該レ
ジスト組成物として請求項1から7までのいずれか一つ
に記載の化学増幅レジスト組成物を使用することを特徴
とするパターン形成方法。 - 【請求項9】 前記放射線がエキシマレーザ光、X線、
又は電子線である、請求項8記載のパターン形成方法。
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