JP2015228502A - ハードマスク組成物、及びそれを利用したパターンの形成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】0.01ないし40原子%の酸素を含む二次元炭素ナノ構造物又は該二次元炭素ナノ構造物の前駆体及び溶媒を含む。
【選択図】なし
Description
i)剥離された黒鉛から得た膨脹黒鉛、またはii)酸処理された黒鉛を酸化して得た生成物である。
好ましくは、前記ハードマスクを形成する段階は、ハードマスク組成物を、前記被エッチング膜上部にコーティングして実施される。
好ましくは、前記ハードマスクを形成する段階は、i)前記ハードマスク組成物を、前記被エッチング膜上部にコーティングした後、コーティングされた結果物を、酸化または還元して実施される段階、
ii)前記ハードマスク組成物を酸化または還元した後、それを前記被エッチング膜上部にコーティングする段階、または
iii)前記ハードマスク組成物を、前記被エッチング膜上部にコーティングしながら、酸化または還元が同時に進められる段階である。
硫酸(H2SO4)50mlに、黒鉛粉末(graphite powder)10gを入れ、80℃で4〜5時間撹拌した。撹拌された混合物を、脱イオン水(deionized water)1lで希釈させ、12時間ほど撹拌を実施した。次に、結果物を濾過し、前処理された黒鉛を得た。
五酸化リン(P2O5)を水80mlに溶解させ、硫酸480mlを付加してから、そこに前述の前処理された黒鉛4gを添加した後、過マンガン酸カリウム(KMnO4)24gを付加した。混合物を撹拌した後、1時間ソニケーション(sonication)を実施し、水(H2O)600mlを付加した。得られた反応混合物に、過酸化水素(H2O2)15mlを付加すると、反応混合物の色が、紫色から薄黄色の系統に変わり、該混合物を撹拌しながらソニケーションを実施した。反応混合物を濾過し、酸化されずに残っている黒鉛を除去した。濾過を介して得られた濾液からマンガン(Mn)を除去するために、濾液に塩酸(HCl)200ml、エタノール200ml、水200mlを付加して撹拌を実施した。撹拌を実施した混合物を遠心分離し、二次元炭素ナノ構造物前駆体を得た。ここで、二次元炭素ナノ構造物前駆体において、酸素含量は、30原子%ほどであった。
上記の過程によって得られた二次元炭素ナノ構造物前駆体0.5gを水1lに分散させ、ハードマスク組成物を得た。ハードマスク組成物を、シリコン酸化物膜が形成されたシリコン基板上にスプレーコーティングしながら、200℃で熱処理を実施した。次に、400℃で1時間ベーキングを実施した後、600℃で1時間真空熱処理を行うことにより、厚みが約200nmである二次元炭素ナノ構造物を含むハードマスクを形成した。
ハードマスク上部に、ArFフォトレジスト(PR)を1,700Åコーティングし、110℃で60秒間プリベーク(pre-bake)を実施した。ASML社の露光装置(XT:1400、NA 0.93)を使用して、露光を実施した後、110℃で60秒間ポストベーク(post-bake)を行った。次に、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)2.38wt%水溶液で現像し、フォトレジストパターンを形成した。
フォトレジストパターンをマスクにして、CF4/CHF3混合ガスで、乾式エッチングを行った。エッチング条件は、チャンバ圧力20mT、RF power 1,800W、C4F8/CHF3(4/10体積比)、時間120秒である。
乾式エッチングを実施した後、ハードマスク及び有機物に対して、O2アッシング工程及びウェットストリップ工程を進め、所望の最終パターンであるシリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を得た。
真空熱処理温度が850℃に変化されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、θシリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
真空熱処理温度が400℃に変化されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
真空熱処理温度が900℃に変化されたことを除いては、実施例1と同一方法によって実施し、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
酸素の含量が約0.01原子%である二次元炭素ナノ構造物を含んだハードマスクを得ることができるように、二次元炭素ナノ構造物前駆体の製造過程を制御したことを除いては、実施例1と同一に実施し、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
酸素の含量が約40原子%である二次元炭素ナノ構造物を含んだハードマスクを得ることができるように、二次元炭素ナノ構造物前駆体の製造過程を制御したことを除いては、実施例1と同一に実施し、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
実施例1によって得たハードマスク組成物の1/2に対し、シリコン酸化物が形成されたシリコン基板上に、一次スプレーコーティングを行いながら、200℃で熱処理を実施した。次に、400℃で1時間ベーキングを実施した後、400℃で1時間、一次真空熱処理を実施した。実施例7で使用された二次元炭素ナノ構造物前駆体において、酸素含量は、30原子%ほどであった。
次に、真空熱処理された結果物上部に、前述のハードマスク組成物の残り1/2に対し、二次スプレーコーティングを行いながら、200℃で熱処理を実施した。次に、400℃で1時間ベーキングを実施した後、400℃で、1時間二次真空熱処理を実施した。そのような二次真空熱処理を経て、厚みが約200nmである二次元炭素ナノ構造物を含むハードマスクを形成した。
実施例1によって得た二次元炭素ナノ構造物前駆体0.5gを水1lに分散させ、そこにアンモニアボラン0.5gを付加して80℃で還元させ、ハードマスク組成物を得た。ハードマスク組成物を、シリコン酸化物が形成されたシリコン基板上に200℃で蒸着し、厚みが約200nmである二次元炭素ナノ構造物を含むハードマスクを形成した。この二次元炭素ナノ構造物において、酸素の含量は、約16原子%であった。
高温非晶質炭素を含んだハードマスクを利用して、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を、次のように製造した。
シリコン基板上に形成されたシリコン酸化物膜上部に、炭素源(C3H6)を蒸着し、高温非晶質炭素を含むハードマスクを形成した。
上記の蒸着は、約550℃、圧力約0.05mTorr、イオンエネルギー250eVの条件の化学気相蒸着方法によって実施した。
ハードマスク上部に、ArFフォトレジスト(PR)を1,700Åコーティングし、110℃で60秒間プリベークを実施した。ASML社の露光装備(XT:1,400、NA 0.93)を使用して、露光を実施した後、110℃で60秒間ポストベークした。次に、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)2.38wt%水溶液で現像し、フォトレジストパターンを形成した。
フォトレジストパターンをマスクにして、CF4/CHF3混合ガスでドライエッチングを行った。エッチング条件は、チャンバ圧力20mT、RF power 1,800W、C4F8/CHF3混合比4/10体積比、時間120秒である。
乾式エッチングを実施した後、ハードマスク及び有機物に対して、O2アッシング工程及びウェットストリップ工程を進め、所望の最終パターンであるシリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を得た。
低温非晶質炭素が得られるように、炭素源(C3H6)の蒸着条件を300℃に変化させたことを除いては、比較例1と同一に実施し、低温非晶質炭素を含むハードマスクを利用して、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を得た。
下記化学式1で表示されるモノマーを、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)、N−メチルピロリドン及びガンマ−ブチロラクトン(40:20:40(v/v/v))の混合溶媒に溶解させた後、それを濾過してハードマスク組成物を製造した。
ハードマスク上部に、ArFフォトレジスト(PR)を1,700Åコーティングし、110℃で60秒間プリベークを実施した。ASML社の露光装備(XT:1,400、NA 0.93)を使用して露光を実施した後、110℃で60秒間ポストベークした。次に、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)2.38wt%水溶液で現像し、フォトレジストパターンを形成した。
フォトレジストパターンをマスクにして、CF4/CHF3混合ガスで乾式エッチングを行った。エッチング条件は、チャンバ圧力20mT、RF power 1,800W、C4F8/CHF3(4/10体積比)、時間120秒である。
乾式エッチングを実施した後、ハードマスク及び有機物に対して、O2アッシング工程及びウェットストリップ工程を進め、所望の最終パターンであるシリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を得た。
酸素の含量が約0.005原子%である二次元炭素ナノ構造物を含んだハードマスクを得ることができるように、二次元炭素ナノ構造物前駆体の製造過程を制御したことを除いては、実施例1と同一に実施し、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板を製造した。
実施例1〜3による二次元炭素ナノ構造物及び比較例1の高温非晶質炭素に対するXRD分析を実施した。XRDの分析時、BRUKER AXS社の12KW XRDを利用して、分析条件は、5゜〜80゜範囲で、1分当たり4゜ずつの測定条件下で実施した。
分析結果を図9に示した。
それを参照すれば、実施例1〜3によって製造された二次元炭素ナノ構造物は、比較例1の非晶質炭素(HT−ACL)と異なり、(002)の結晶面ピークの回折角2θが、25〜27°で示されるということが確認された。実施例1〜3によって製造された二次元炭素ナノ構造物のX線回折分析結果によって、層間間隔(d002)及び結晶の平均径(La)を得て、それを下記表1に示した。
層間間隔は、下記数式1で表示されるブラッグの法則(Bragg’s law)を利用して求め、結晶の平均径は、シェラー方程式(Scherrer equation)を利用して求めた(数式2)。
数式1:d002=λ/2sinθ
数式2:D=(0.9λ)/(βcosθ)
実施例1〜3で得られた二次元炭素ナノ構造物及び比較例1によって製造された高温非晶質炭素に対して、ラマン分光分析を実施した。ラマン分光分析結果を図10に示した。ラマン分光分析は、Renishaw社のRM−1000 Invia機器(514nm、Ar+ion laser)を利用した。ここで、Dピーク、Gピーク及び2Dピークは、それぞれ約1340〜1,350cm−1、1,580cm−1、2,700cm−1でのものをいう。
図10を参照すれば、実施例1〜3によって得られた二次元炭素ナノ構造物、並びに比較例1によって製造された高温非晶質、及び比較例2によって製造された低温非晶質炭素のGモードピークに対するDモードピークの強度比(ID/IG)、及びGモードピークに対する2Dモードピークの強度比(I2D/IG)を調査し、下記表2に示した。
Quantum 2000(Physical Electronics)装備を使用し、実施例1ないし4によって製造された二次元炭素ナノ構造物に対して、XPS分光試験を行った。
分析結果を下記表3に示した。
実施例2,3,7,8によって製造されたハードマスクを利用して、乾式エッチングを実施する前後のハードマスク、及びシリコン酸化物膜の厚み差を測定し、エッチング選択比を計算し、耐エッチング性を評価した。
下記表4でエッチング選択比は、シリコン酸化物のエッチング前後の厚み差に対するハードマスクのエッチング前後の厚み差の比を示したものである。
実施例1〜8及び比較例1〜3によって製造されたハードマスクを利用して、エッチングを実施した後、シリコン酸化物膜パターンが形成されたシリコン基板に係わる断面を、FE−SEM(field emission scanning electron microscope)で観察し、その結果を下記表5に示した。
11,21,61 被エッチング膜
11a,21a 被エッチング膜パターン
12,22,62 ハードマスク
12a,22a,22b,62a ハードマスク・パターン
13a,23a フォトレジストパターン
22c 第2ハードマスク・パターン
23 フォトレジスト膜
30 反射防止膜
30a 反射防止膜パターン
32 無機反射防止膜
32a 無機反射防止膜パターン
34 有機反射防止膜
34a 有機反射防止膜パターン
60 誘電層
62’ スペーサ
63a 第1フォトレジストパターン
63b 第1フォトレジストパターン
Claims (23)
- 0.01ないし40原子%の酸素を含む二次元炭素ナノ構造物、または前記二次元炭素ナノ構造物の前駆体;及び溶媒;を含むハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物前駆体は、酸素の含量が0.01原子%未満0原子%以上であるか、あるいは酸素の含量が40原子%を超え、80原子%以下である二次元炭素ナノ構造物であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物前駆体は、
i)剥離された黒鉛から得た膨脹黒鉛、またはii)酸処理された黒鉛を酸化して得た生成物であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。 - 前記二次元炭素ナノ構造物のラマン分光分析によって求められる、Gモードピークに対するDモードピークの強度比が、2以下であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物のラマン分光分析によって求められる、Gモードピークに対する2Dモードピークの強度比が、0.01以上であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物前駆体のラマン分光分析によって求められる、Gモードピークに対するDモードピークの強度比が、2以下であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物前駆体のラマン分光分析によって求められる、Gモードピークに対する2Dモードピークの強度比が、0.01以上であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物のX線回折分析によって求められる002面ピークの回折角2θが、20ないし27゜で示されることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物は、X線回折分析によって求められる層間間隔が、0.3nmないし0.5nmであることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物は、C軸に結晶性を有しており、結晶の平均径が1nm以上であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記溶媒が、水、メタノール、イソプロパノール、エタノール、N,N−ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、ジクロロエタン、ジクロロベンゼン、N,N−ジメチルスルホキシド、キシレン、アニリン、プロピレングリコール、プロピレングリコールジアセテート、メトキシプロパンジオール、ジエチレングリコール、γ−ブチロラクトン、アセチルアセトン、シクロヘキサノン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、O−ジクロロベンゼン、ニトロメタン、テトラヒドロフラン、ニトロメタン、ジメチルスルホキシド、ニトロベンゼン、亜硝酸ブチル、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエーテル、ジエチレングリコールエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエーテル、トルエン、ヘキサン、メチルエチルケトン、イソブチルケトン、ヒドロキシメチルセルロース及びヘプタンのうちから選択された一つ以上からなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 前記二次元炭素ナノ構造物のsp2炭素分率が、sp3炭素分率に比べ、1倍以上であることを特徴とする請求項1に記載のハードマスク組成物。
- 基板上に被エッチング膜を形成する段階と、
前記被エッチング膜上部に、請求項1ないし12のうちいずれか1項に記載のハードマスク組成物を供給し、二次元炭素ナノ構造物を含むハードマスクを形成する段階と、
前記ハードマスク上部に、フォトレジストパターンを形成する段階と、
前記フォトレジストパターンをエッチングマスクにして、前記二次元炭素ナノ構造物をエッチングし、前記被エッチング膜上部に、ハードマスク・パターンを形成する段階と、
前記ハードマスク・パターンをエッチングマスクにして、前記被エッチング膜をエッチングする段階と、を含むパターンの形成方法。 - 前記ハードマスクを形成する段階が、ハードマスク組成物を、前記被エッチング膜上部にコーティングして実施されることを特徴とする請求項13に記載のパターンの形成方法。
- 前記ハードマスク組成物を熱処理する段階をさらに含み、前記熱処理する段階を、前記ハードマスク組成物を、前記被エッチング膜上部にコーティングする過程中、あるいはコーティング後に、実施することを特徴とする請求項14に記載のパターンの形成方法。
- 前記被エッチング膜上部に前記ハードマスクを形成する段階が、二次元炭素ナノ構造物前駆体及び溶媒を前記被エッチング膜上部にコーティングした後、コーティングされた結果物を、酸化または還元して実施される段階、
前記二次元炭素ナノ構造物前駆体を酸化または還元し、二次元炭素ナノ構造物に変化させてから、それを前記被エッチング膜上部にコーティングする段階、または
前記二次元炭素ナノ構造物前駆体を前記被エッチング膜上部にコーティングしながら、酸化または還元が同時に進められる段階であることを特徴とする請求項13に記載のパターンの形成方法。 - 前記還元する段階が、化学的還元、熱処理による還元または電気化学的還元によって行われることを特徴とする請求項16に記載のパターンの形成方法。
- 前記化学的還元が、少なくとも一つの還元剤を利用して実施され、
前記少なくとも一つの還元剤が、アンモニアボラン、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム、ジメチルヒドラジン、硫酸、塩酸、ヨード化水素、臭化水素、硫化水素、ヒドロキノン、水素及び酢酸からなる群から選択された一つ以上であることを特徴とする請求項17に記載のパターンの形成方法。 - 前記熱処理による還元が、100ないし1,500℃で実施されることを特徴とする請求項17に記載のパターンの形成方法。
- 前記酸化する段階が、酸、酸化剤、UV(ultraviolet)、オゾン、IR(infrared)、熱処理、プラズマのうちから選択された一つ以上を利用して実施されることを特徴とする請求項16に記載のパターンの形成方法。
- 前記ハードマスク・パターンの二次元炭素ナノ構造物は、二次元ナノ結晶質炭素が積層されてなる構造体であることを特徴とする請求項13に記載のパターンの形成方法。
- 前記ハードマスクの厚みが、10nmないし10,000nmであることを特徴とする請求項13に記載のパターンの形成方法。
- 前記ハードマスクを形成する段階が、ハードマスク組成物をスピンコーティング、エアスプレー、電気噴霧、ディップコーティング、スプレーコーティング、ドクターブレード法、バーコーティングのうちから選択された一つによって実施されることを特徴とする請求項13に記載のパターンの形成方法。
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