JP2020203984A - 感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤及び化合物 - Google Patents

感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤及び化合物 Download PDF

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Abstract

【課題】露光光に対する感度が良好であり、LWR性能及びCDU性能に優れる感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤、及び化合物の提供を目的とする。【解決手段】本発明は、酸解離性基を含む構造単位を有する重合体と、下記式(1)で表される化合物とを含有する感放射線性樹脂組成物である。【選択図】なし

Description

本発明は、感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤及び化合物に関する。
リソグラフィーによる微細加工に用いられる感放射線性樹脂組成物は、ArFエキシマレーザー光(波長193nm)、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)等の遠紫外線、極端紫外線(EUV)等の電磁波、電子線等の荷電粒子線などの放射線の照射により露光部に酸を発生させ、この酸を触媒とする化学反応により露光部と未露光部との現像液に対する溶解速度に差を生じさせ、基板上にレジストパターンを形成する。
かかる感放射線性組成物には、露光光に対する感度が良好であることに加え、線幅の均一性を示すLWR(Line Width Roughness)性能及び長周期で線幅のばらつきを示すCDU(Critical Dimention Uniformity)性能が要求される。これらの要求に対しては、感放射線性樹脂組成物に用いられる重合体、酸発生剤、その他の成分の種類や分子構造等が検討されている(特開2009−14815号公報及び特開2013−200560号公報参照)。
特開2009−14815号公報 特開2013−200560号公報
しかし、レジストパターンの微細化が線幅40nm以下のレベルまで進展している現状にあっては、上記性能の要求レベルはさらに高まり、上記従来の感放射線性樹脂組成物では、これらの要求を満足させることはできていない。
本発明は以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、露光光に対する感度が良好であり、LWR性能及びCDU性能に優れる感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤及び化合物を提供することにある。
上記課題を解決するためになされた発明は、酸解離性基を含む構造単位(以下、「構造単位(I)」ともいう)を有する重合体(以下、[A]重合体ともいう)と、下記式(1)で表される化合物(以下、[C]化合物ともいう)とを含有する感放射線性樹脂組成物である。
Figure 2020203984
(式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。)
Figure 2020203984
(式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
Figure 2020203984
(式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
Figure 2020203984
(式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。)
上記課題を解決するためになされた別の発明は、基板に直接又は間接に感放射線性樹脂組成物を塗工する工程と、上記塗工工程により形成されたレジスト膜を露光する工程と、上記露光されたレジスト膜を現像する工程とを備え、上記感放射線性樹脂組成物が、[A]重合体と、[C]化合物とを含有するレジストパターン形成方法である。
上記課題を解決するためになされた別の発明は、上記式(1)で表される酸拡散制御剤である。
上記課題を解決するためになされた別の発明は、[C]化合物である。
本発明の感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法、酸拡散制御剤及び化合物によれば、露光光に対する感度が良好であり、LWR性能及びCDU性能に優れるレジストパターンを形成することができる。従って、これらは今後さらに微細化が進行すると予想される半導体デバイス製造用に好適に用いることができる。
<感放射線性樹脂組成物>
当該感放射線性樹脂組成物は、[A]重合体と、[C]化合物とを含有する。当該感放射線性樹脂組成物は、好適成分として、[B]酸発生体、[C]化合物以外の酸拡散制御体(以下、[c]酸拡散制御体ともいう)、[D]溶媒、及び[A]重合体よりもフッ素原子の合計質量含有率が大きい第2重合体(以下、「[E]重合体」ともいう)を含有していてもよく、本発明の効果を損なわない範囲において、その他の任意成分を含有していてもよい。
当該感放射線性樹脂組成物は、[A]重合体と、[C]化合物とを含有することで、露光光に対する感度が良好であり、LWR性能及びCDU性能に優れるレジストパターンを形成することができる。当該感放射線性樹脂組成物が上記構成を備えることで、上記効果を奏する理由については必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。すなわち、当該感放射線性樹脂組成物に含まれる[C]化合物のバルキーな立体構造に起因して、レジスト膜の露光によって発生した酸の拡散長が短くなり、LWR性能及びCDU性能が向上すると考えられる。なお、当該感放射線性樹脂組成物が[B]酸発生体を含有する場合には、レジスト膜の露光部では[B]酸発生体から発生した酸の拡散長が短くなり、未露光部ではこの酸に対する塩基として[C]化合物が機能し、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能が向上すると考えられる。以下、当該感放射線性樹脂組成物の各成分について説明する。
<[A]重合体>
[A]重合体は、酸解離性基を含む構造単位(以下、「構造単位(I)」ともいう)を有する重合体である。[A]重合体は、構造単位(I)以外に、ラクトン構造、環状カーボネート構造、スルトン構造又はこれらの組み合わせを含む構造単位(以下、「構造単位(II)」ともいう)、アルコール性水酸基を含む構造単位(以下、「構造単位(III)」ともいう)及び/又はフェノール性水酸基を含む構造単位(以下、「構造単位(IV)」ともいう)を有することが好ましく、上記構造単位(I)〜(IV)以外のその他の構造単位を有していてもよい。[A]重合体は、各構造単位を1種又は2種以上有していてもよい。以下、各構造単位について説明する。
[構造単位(I)]
構造単位(I)は、酸解離性基を含む構造単位である。「酸解離性基」とは、カルボキシ基又はフェノール性水酸基の水素原子を置換する基であって、酸の作用により解離する基をいう。「環構造」には、脂環構造及び芳香環構造が含まれる。[A]重合体が構造単位(I)中に酸解離性基を有することで、露光により発生した酸の作用により露光部において酸解離性基が解離し、露光部と未露光部とで現像液に対する溶解性に差異が生じることにより、レジストパターンを形成することができる。
構造単位(I)としては、例えば下記式(2−1A)、式(2−1B)、式(2−2A)、式(2−2B)で表される構造単位(以下、「構造単位(I−1A)、(I−1B)、(I−2A)、(I−2B)」ともいう)等が挙げられる。なお、構造単位(I−1A)〜(I−2B)において、カルボキシ基又はフェノール性水酸基に由来するオキシ酸素原子に結合する−CR又は−CR(OR)が酸解離性基である。
Figure 2020203984
上記式(2−1A)及び(2−1B)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であるか、又はR及びRが互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数3〜20の脂環構造若しくは環員数5〜20の脂肪族複素環構造の一部である。
上記式(2−2A)及び(2−2B)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。R及びRは、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であるか、又はR及びRが互いに合わせられRが結合する炭素原子及びこの炭素原子に隣接する酸素原子と共に構成される環員数4〜20の脂肪族複素環構造の一部である。
、R、R、R、R及びRで表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20の1価の鎖状炭化水素基、炭素数3〜20の1価の脂環式炭化水素基、炭素数6〜20の1価の芳香族炭化水素基等が挙げられる。
炭素数1〜20の1価の鎖状炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基等のアルキル基、エテニル基、プロペニル基等のアルケニル基、エチニル基、プロピニル基等のアルキニル基等が挙げられる。炭素数3〜20の1価の脂環式炭化水素基としては、例えばシクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基、アダマンチル基等の脂環式飽和炭化水素基、シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基、ノルボルネニル基等の脂環式不飽和炭化水素基等が挙げられる。炭素数6〜20の1価の芳香族炭化水素基としては、例えばフェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、アントリル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基、ナフチルメチル基、アントリルメチル基等のアラルキル基等が挙げられる。
及びRが互いに合わせられ構成される環員数3〜20の脂環構造としては、例えばシクロプロパン構造、シクロブタン構造、シクロペンタン構造、シクロヘキサン構造、ノルボルナン構造、アダマンタン構造等の飽和脂環構造、シクロプロペン構造、シクロブテン構造、シクロペンテン構造、シクロヘキセン構造、ノルボルネン構造等の不飽和脂環構造などが挙げられる。
及びRが互いに合わせられ構成される環員数4〜20の脂肪族複素環構造としては、例えばオキサシクロブタン構造、オキサシクロペンタン構造、オキサシクロヘキサン構造等の飽和酸素含有複素環構造、オキサシクロブテン構造、オキサシクロペンテン構造、オキサシクロヘキセン構造等の不飽和酸素含有複素環構造等が挙げられる。
としては、構造単位(I)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子又はメチル基が好ましい。Rとしては、水素原子、アルキル基又はアリール基が好ましい。R及びRとしては、アルキル基又は脂環式飽和炭化水素基が好ましい。構造単位(I)としては、上記構造単位(I−1A)が好ましい。
構造単位(I)の含有割合の下限としては、[A]重合体を構成する全構造単位に対して、15モル%が好ましく、25モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、75モル%が好ましく、65モル%がさらに好ましく、60モル%が特に好ましい。上記含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の露光光に対する感度をより高めることができ、その結果、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
[構造単位(II)]
構造単位(II)は、ラクトン構造、環状カーボネート構造、スルトン構造又はこれらの組み合わせを含む構造単位である。[A]重合体が構造単位(II)を有することで、[A]重合体の現像液への溶解性をより適度に調整し易くなり、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。構造単位(II)としては、例えば下記式で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2020203984
Figure 2020203984
Figure 2020203984
上記式中、RL1は水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。構造単位(II)としてはラクトン構造又はスルトン構造を含む構造単位が好ましい。
構造単位(II)の含有割合の下限としては、[A]重合体における全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、25モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、80モル%が好ましく、70モル%がより好ましく、65モル%がさらに好ましい。この含有割合は、露光光がArFエキシマレーザー光である場合に特に好ましい。露光光がEUVである場合、上記含有割合の下限としては、上記全構造単位に対して、1モル%が好ましく、5モル%がより好ましい。上記含有割合の上限としては、35モル%が好ましく、25モル%がさらに好ましい。構造単位(II)の含有割合を上記範囲とすることで、[A]重合体の現像液への溶解性をさらに適度に調整し易くなり、その結果、LWR性能及びCDU性能をさらに向上させることができる。
[構造単位(III)]
構造単位(III)は、アルコール性水酸基を含む構造単位である。[A]重合体が構造単位(III)を有することで、[A]重合体の現像液への溶解性をより適度に調整し易くなり、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。構造単位(III)としては、例えば下記式で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2020203984
上記式中、RL2は、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。
構造単位(III)の含有割合の下限としては、[A]重合体における全構造単位に対して、10モル%が好ましく、15モル%がより好ましく、20モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、45モル%が好ましく、40モル%がより好ましく、35モル%がさらに好ましい。構造単位(III)の含有割合を上記範囲とすることで、[A]重合体の現像液への溶解性をさらに適度に調整し易くなり、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をさらに向上させることができる。
[構造単位(IV)]
構造単位(IV)は、フェノール性水酸基を含む構造単位である。「フェノール性水酸基」とは、ベンゼン環に直結するヒドロキシ基に限らず、芳香環に直結するヒドロキシ基全般を指す。放射線としてArFエキシマレーザー光、KrFエキシマレーザー光、EUV、電子線等を用いる場合には、[A]重合体が構造単位(IV)を有することで、露光光に対する感度をより高めることができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。構造単位(IV)としては、例えば下記式(P)で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2020203984
上記式(P)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、単結合、−O−、−COO−又は−CONH−である。Arは、環員数6〜20のアレーンから(p+q+1)個の芳香環上の水素原子を除いた基である。pは、0〜10の整数である。pが1の場合、Rは、炭素数1〜20の1価の有機基又はハロゲン原子である。pが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRのうちの2つ以上が互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。qは、1〜11の整数である。但し、p+qは11以下である。
としては、構造単位(IV)を与える単量体の共重合性の観点から水素原子又はメチル基が好ましく、水素原子がより好ましい。Rとしては、単結合又は−COO−が好ましく、単結合がより好ましい。Arを与える環員数6〜20のアレーンとしては、例えばベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、テトラセン、ピレン等が挙げられる。これらの中でベンゼン又はナフタレンが好ましく、ベンゼンがより好ましい。
で表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば炭素数1〜20の1価の炭化水素基、この炭化水素基の炭素−炭素間又は結合手側の末端に2価のヘテロ原子含有基を含む基、上記炭化水素基及び上記2価のヘテロ原子含有基を含む基が有する水素原子の一部又は全部を1価のヘテロ原子含有基で置換した基等が挙げられる。Rとしては、炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。複数のRのうちの2つ以上が互いに合わせられ構成される環員数4〜20の環構造としては、例えばシクロヘキサン構造等の脂環構造などが挙げられる。pとしては、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。qとしては、1〜3が好ましく、1又は2がより好ましい。
構造単位(IV)としては、例えば下記式(P−1)〜(P−12)で表される構造単位(以下、「構造単位(IV−1)〜(IV−12)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2020203984
上記式(P−1)〜(P−12)中、Rは、上記式(P)と同義である。
[A]重合体が構造単位(IV)を有する場合、構造単位(IV)の含有割合の下限としては、[A]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がさらに好ましく、25モル%が特に好ましい。上記含有割合の上限としては、50モル%が好ましく、40モル%がさらに好ましく、35モル%が特に好ましい。構造単位(IV)の含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
[その他の構造単位]
その他の構造単位としては、例えば非酸解離性の炭化水素基を含む構造単位等が挙げられる。非酸解離性の炭化水素基としては、例えば−COO−のオキシ基に結合する1価の鎖状炭化水素基、1価の脂環式炭化水素基等が挙げられる。[A]重合体がその他の構造単位を有する場合、その他の構造単位の含有割合の上限としては、30モル%が好ましく、20モル%がより好ましい。上記含有割合の下限としては、例えば1モル%である。
[A]重合体としては、構造単位(III)を有する重合体が好ましい。すなわち、[A]重合体としては、構造単位(I)に加えて構造単位(III)を有する重合体が好ましい。このように[A]重合体が構造単位(III)を有する重合体であることで、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
[A]重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量(Mw)の下限としては、2000が好ましく、3000がより好ましく、4000がさらに好ましく、5000が特に好ましい。上記Mwの上限としては、30000が好ましく、20000がより好ましく、15000がさらに好ましく、10000が特に好ましい。[A]重合体のMwを上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の塗工性を向上させることができ、その結果、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
[A]重合体のGPCによるポリスチレン換算数平均分子量(Mn)に対するMwの比(Mw/Mn)の上限としては、3.00が好ましく、2.50がより好ましく、2.00がさらに好ましく、1.85が特に好ましい。上記比の下限としては、通常1.00であり、1.10が好ましい。
なお、本明細書における重合体のMw及びMnは、以下の条件によるゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定される値である。
GPCカラム:東ソー(株)の「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本及び「G4000HXL」1本
溶出溶媒 :テトラヒドロフラン
流量 :1.0mL/分
試料濃度 :1.0質量%
試料注入量 :100μL
カラム温度 :40℃
検出器 :示差屈折計
標準物質 :単分散ポリスチレン
[A]重合体は、例えば各構造単位を与える単量体を、公知の方法で重合することにより合成することができる。
当該感放射線性樹脂組成物の[D]溶媒以外の全成分における[A]重合体の含有割合の下限としては、50質量%が好ましく、70質量%がより好ましく、80質量%がさらに好ましい。
<[B]酸発生体>
[B]酸発生体は、放射線の照射により酸を発生する物質である。放射線としては、例えば可視光線、紫外線、遠紫外線、EUV、X線、γ線等の電磁波;電子線、α線等の荷電粒子線などが挙げられる。[B]酸発生体から発生した酸により[A]重合体が有する酸解離性基が解離してカルボキシ基又はフェノール性水酸基が生じ、[A]重合体の現像液への溶解性が変化するため、当該感放射線性樹脂組成物からレジストパターンを形成することができる。当該感放射線性樹脂組成物における[B]酸発生体の含有形態としては、低分子化合物の形態(以下、「[B]酸発生剤」ともいう)でも、[A]重合体等の重合体の一部として組み込まれた形態でも、これらの両方の形態でもよい。
酸が酸解離性基を解離させる温度の下限としては、60℃が好ましく、70℃がより好ましく、80℃がさらに好ましい。上記温度の上限としては、130℃が好ましく、120℃がより好ましく、110℃がさらに好ましい。酸が酸解離性基を解離させる時間の下限としては10秒が好ましく、1分がより好ましい。上記時間の上限としては、10分が好ましく、2分がより好ましい。
[B]酸発生体から発生する酸としては例えばスルホン酸、イミド酸等が挙げられる。
[B]酸発生剤としては、例えばオニウム塩化合物、N−スルホニルオキシイミド化合物、スルホンイミド化合物、ハロゲン含有化合物、ジアゾケトン化合物等が挙げられる。オニウム塩化合物としては、例えばスルホニウム塩、テトラヒドロチオフェニウム塩、ヨードニウム塩、ホスホニウム塩、ジアゾニウム塩、ピリジニウム塩等が挙げられる。[B]酸発生剤の具体例としては、例えば特開2009−134088号公報の段落[0080]〜[0113]に記載されている化合物等が挙げられる。
放射線の照射によりスルホン酸を発生する[B]酸発生剤としては、例えば下記式(3)で表される化合物(以下、「化合物(3)」ともいう)等が挙げられる。[B]酸発生剤が下記構造を有することで、発生する酸のレジスト膜中の拡散長が、[A]重合体との相互作用等により、より適度に短くなると考えられ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
Figure 2020203984
上記式(3)中、Rp1は、環員数5以上の環構造を含む1価の基である。Rp2は、2価の連結基である。Rp3及びRp4は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜20の1価の炭化水素基又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rp5及びRp6は、それぞれ独立して、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。np1は、0〜10の整数である。np2は、0〜10の整数である。np3は、0〜10の整数である。但し、np1+np2+np3は、1以上30以下である。np1が2以上の場合、複数のRp2は互いに同一又は異なる。np2が2以上の場合、複数のRp3は互いに同一又は異なり、複数のRp4は互いに同一又は異なる。np3が2以上の場合、複数のRp5は互いに同一又は異なり、複数のRp6は互いに同一又は異なる。Tは、1価の感放射線性オニウムカチオンである。
p1で表される環員数5以上の環構造を含む1価の基としては、例えば環員数5以上の脂環構造を含む1価の基、環員数5以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基、環員数5以上の芳香環構造を含む1価の基、環員数5以上の芳香族複素環構造を含む1価の基等が挙げられる。
環員数5以上の脂環構造としては、例えばシクロペンタン構造、シクロヘキサン構造、シクロヘプタン構造、シクロオクタン構造、シクロノナン構造、シクロデカン構造、シクロドデカン構造等の単環の飽和脂環構造、シクロペンテン構造、シクロヘキセン構造、シクロヘプテン構造、シクロオクテン構造、シクロデセン構造等の単環の不飽和脂環構造、ノルボルナン構造、アダマンタン構造、トリシクロデカン構造、テトラシクロドデカン構造等の多環の飽和脂環構造、ノルボルネン構造、トリシクロデセン構造等の多環の不飽和脂環構造等が挙げられる。
環員数5以上の脂肪族複素環構造としては、例えばヘキサノラクトン構造、ノルボルナンラクトン構造等のラクトン構造、ヘキサノスルトン構造、ノルボルナンスルトン構造等のスルトン構造、オキサシクロヘプタン構造、オキサノルボルナン構造等の酸素原子含有複素環構造、アザシクロヘキサン構造、ジアザビシクロオクタン構造等の窒素原子含有複素環構造、チアシクロヘキサン構造、チアノルボルナン構造等の硫黄原子含有複素環構造等が挙げられる。
環員数5以上の芳香環構造としては、例えばベンゼン構造、ナフタレン構造、フェナントレン構造、アントラセン構造等が挙げられる。
環員数5以上の芳香族複素環構造としては、例えばフラン構造、ピラン構造、ベンゾフラン構造、ベンゾピラン構造等の酸素原子含有複素環構造、ピリジン構造、ピリミジン構造、インドール構造等の窒素原子含有複素環構造等が挙げられる。
p1の環構造の環員数の下限としては、6が好ましく、8がより好ましく、9がさらに好ましく、10が特に好ましい。上記環員数の上限としては、15が好ましく、14がより好ましく、13がさらに好ましく、12が特に好ましい。上記環員数を上記範囲とすることで上述の酸の拡散長をさらに適度に短くすることができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
p1の環構造が有する水素原子の一部又は全部は、置換基で置換されていてもよい。上記置換基としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アシル基、アシロキシ基等が挙げられる。これらの中でヒドロキシ基が好ましい。
p1としては、環員数5以上の脂環構造を含む1価の基又は環員数5以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基が好ましく、環員数9以上の脂環構造を含む1価の基又は環員数9以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基がより好ましく、アダマンチル基、ヒドロキシアダマンチル基、ノルボルナンラクトン−イル基、ノルボルナンスルトン−イル基又は5−オキソ−4−オキサトリシクロ[4.3.1.13,8]ウンデカン−イル基がさらに好ましく、アダマンチル基が特に好ましい。
p2で表される2価の連結基としては、例えばカルボニル基、エーテル基、カルボニルオキシ基、スルフィド基、チオカルボニル基、スルホニル基、2価の炭化水素基等が挙げられる。これらの中で、カルボニルオキシ基、スルホニル基、アルカンジイル基又は2価の脂環式飽和炭化水素基が好ましく、カルボニルオキシ基又は2価の脂環式飽和炭化水素基がより好ましく、カルボニルオキシ基又はノルボルナンジイル基がさらに好ましく、カルボニルオキシ基が特に好ましい。
p3及びRp4で表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のアルキル基等が挙げられる。Rp3及びRp4で表される炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のフッ素化アルキル基等が挙げられる。Rp3及びRp4としては、水素原子、フッ素原子又はフッ素化アルキル基が好ましく、フッ素原子又はパーフルオロアルキル基がより好ましく、フッ素原子又はトリフルオロメチル基がさらに好ましい。
p5及びRp6で表される炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のフッ素化アルキル基等が挙げられる。Rp5及びRp6としては、フッ素原子又はフッ素化アルキル基が好ましく、フッ素原子又はパーフルオロアルキル基がより好ましく、フッ素原子又はトリフルオロメチル基がさらに好ましく、フッ素原子が特に好ましい。
p1としては、0〜5が好ましく、0〜3がより好ましく、0〜2がさらに好ましく、0又は1が特に好ましい。np2としては、0〜5が好ましく、0〜2がより好ましく、0又は1がさらに好ましく、0が特に好ましい。np3の下限としては、1が好ましく、2がより好ましい。np3を1以上とすることで、化合物(3)から生じる酸の強さを高めることができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。np3の上限としては、4が好ましく、3がより好ましく、2がさらに好ましい。np1+np2+np3の下限としては、2が好ましく、4がより好ましい。np1+np2+np3の上限としては、20が好ましく、10がより好ましい。
で表される1価の感放射線性オニウムカチオンとしては、例えば下記式(r−a)で表されるカチオン(以下、「カチオン(r−a)」ともいう)、下記式(r−b)で表されるカチオン(以下、「カチオン(r−b)」ともいう)、下記式(r−c)で表されるカチオン(以下、「カチオン(r−c)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2020203984
上記式(r−a)中、RB3及びRB4は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する硫黄原子と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。b3は、0〜11の整数である。b3が1の場合、RB5は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。b3が2以上の場合、複数のRB5は、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基若しくはハロゲン原子であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。nbbは、0〜3の整数である。
上記RB3、RB4及びRB5で表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば炭素数1〜20の1価の炭化水素基、この炭化水素基の炭素−炭素間又は末端に2価のヘテロ原子含有基を含む1価の基(g)、上記炭化水素基及び基(g)が有する水素原子の一部又は全部をヘテロ原子含有基で置換した1価の基等が挙げられる。
B3及びRB4としては、炭素数1〜20の1価の非置換の炭化水素基又は水素原子が置換基により置換された炭化水素基が好ましく、炭素数6〜18の1価の非置換の芳香族炭化水素基又は水素原子が置換基により置換された芳香族炭化水素基がより好ましく、置換又は非置換のフェニル基がさらに好ましく、非置換のフェニル基が特に好ましい。
上記RB3及びRB4として表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基が有する水素原子を置換していてもよい置換基としては、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−RBk、−SO−RBk、−ORBk、−COORBk、−O−CO−RBk、−O−RBk2−COORBk、−RBk2−CO−RBk又は−S−RBkが好ましい。RBkは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。RBkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
B5としては、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−RBk、−SO−RBk、−ORBk、−COORBk、−O−CO−RBk、−O−RBk2−COORBk、−RBk2−CO−RBk又は−S−RBkが好ましい。RBkは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。RBk2は、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
上記式(r−b)中、b4は、0〜9の整数である。b4が1の場合、RB6は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。b4が2以上の場合、複数のRB6は、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基若しくはハロゲン原子であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。b5は、0〜10の整数である。b5が1の場合、RB7は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。b5が2以上の場合、複数のRB7は、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基若しくはハロゲン原子であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子若しくは炭素鎖と共に構成される環員数3〜20の環構造の一部である。nb2は、0〜3の整数である。RB8は、単結合又は炭素数1〜20の2価の有機基である。nb1は、0〜2の整数である。
上記RB6及びRB7としては、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−ORBk、−COORBk、−O−CO−RBk、−O−RBk2−COORBk又は−RBk2−CO−RBkが好ましい。RBkは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。R2Bkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
上記式(r−c)中、b6は、0〜5の整数である。b6が1の場合、RB9は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。b6が2以上の場合、複数のRB9は、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基若しくはハロゲン原子であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。b7は、0〜5の整数である。b7が1の場合、RB10は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。b7が2以上の場合、複数のRB10は、互いに同一又は異なり、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基若しくはハロゲン原子であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。
上記RB9及びRB10としては、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−RBk、−SO−RBk、−ORBk、−COORBk、−O−CO−RBk、−O−RBk2−COORBk、−RBk2−CO−RBk、−S−RBk又はこれらの基のうちの2つ以上が互いに合わせられ構成される環構造が好ましい。RBkは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。RBk2は、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
B5、RB6、RB7、RB9及びRB10で表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えばメチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基等の直鎖状のアルキル基、i−プロピル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基等の分岐状のアルキル基、フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、ナフチル基等のアリール基、ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられる。
B8で表される2価の有機基としては、例えば上記式(r−a)のRB3、RB4及びRB5として例示した炭素数1〜20の1価の有機基から1個の水素原子を除いた基等が挙げられる。
上記RB5、RB6、RB7、RB9及びRB10で表される炭化水素基が有する水素原子を置換していてもよい置換基としては、例えばフッ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アシル基、アシロキシ基等が挙げられる。これらの中で、ハロゲン原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
B5、RB6、RB7、RB9及びRB10としては、非置換の直鎖状若しくは分岐状の1価のアルキル基、1価のフッ素化アルキル基、非置換の1価の芳香族炭化水素基、−OSO−RBk又は−SO−RBkが好ましく、フッ素化アルキル基又は非置換の1価の芳香族炭化水素基がより好ましく、フッ素化アルキル基がさらに好ましい。RBkは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。
式(r−a)におけるb3としては、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。nbbとしては、0又は1が好ましく、0がより好ましい。式(r−b)におけるb4としては、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。b5としては、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。nb2としては、2又は3が好ましく、2がより好ましい。nb1としては、0又は1が好ましく、0がより好ましい。式(r−c)におけるb6及びb7としては、0〜2が好ましく、0又は1がより好ましく、0がさらに好ましい。
としては、これらの中で、カチオン(r−a)が好ましく、トリフェニルスルホニウムカチオンがより好ましい。
[B]酸発生剤としては、スルホン酸を発生する酸発生剤として、例えば下記式(3−1)〜(3−16)で表される化合物(以下、「化合物(3−1)〜(3−16)」ともいう)、イミド酸を発生する酸発生剤として、例えば下記式(4−1)〜(4−3)で表される化合物(以下、「化合物(4−1)〜(4−3)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2020203984
Figure 2020203984
Figure 2020203984
上記式(3−1)〜(3−16)及び(4−1)〜(4−3)中、Tは、1価の感放射線性オニウムカチオンである。
また、[B]酸発生体としては、酸発生体の構造が[A]重合体の一部として組み込まれた重合体も挙げられる。
[B]酸発生体が[B]酸発生剤の場合、[B]酸発生剤の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、1質量部がより好ましく、10質量部がより好ましい。上記含有量の上限としては、50質量部が好ましく、30質量部がさらにより好ましく、20質量部が特にさらに好ましい。[B]酸発生剤の含有量を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の露光光に対する感度をより向上させることができ、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。当該感照射線性樹脂化合物は、1種又は2種以上の[B]酸発生体を含有することができる。
<[C]化合物>
当該感放射線性樹脂組成物は、[C]化合物を含有する。[C]化合物を、酸拡散制御剤として用いてもよい。当該感放射線性樹脂組成物が[B]酸発生体を有する場合、[C]化合物は、露光により[B]酸発生体等から生じる酸のレジスト膜中における拡散現象を制御し、未露光部における好ましくない化学反応を抑制することができる。また、露光光に対する感度、LWR性能及びCDU性能を向上させることができる。
Figure 2020203984
式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。
Figure 2020203984
(式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
Figure 2020203984
式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。
Figure 2020203984
式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。
上記式(1)のArで表される環員数6〜30のアレーンとしては、例えばベンゼン、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、テトラセン、ピレン等が挙げられる。これらの中で、ベンゼン又はナフタレンが好ましく、ベンゼンがより好ましい。上記式(1)のRで表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、上記構造単位(I)の上記式(2−1A)のR等で表される1価の炭化水素基が挙げられる。
を与えるラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基のうち、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基又はスルトン構造を含む基が好ましい。このようにRがラクトン構造、環状カーボネート構造を含む基又はスルトン構造を含む基であることで、CDU性能をより向上させることができる。
上記式(V−1)のRで表される炭素数1〜20の2価の炭化水素基としては、上記構造単位(I)の上記式(2−1A)のR等として例示した1価の炭化水素基から1個の水素原子を除いた基が挙げられる。Rで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、上記[B]酸発生体の式(r−a)のRB3等として例示した1価の有機基等が挙げられる。
上記式(V−2)のR及びRで表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、上記構造単位(I)の上記式(2−1A)のR等として例示した1価の炭化水素基等が挙げられる。Rは、−O−又は−S−であり、−O−が好ましい。Rで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、上記[B]酸発生体の式(r−a)のRB3等として例示した1価の有機基等が挙げられる。
上記式(V−3)のRで表される炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、上記[B]酸発生体の式(3)のRP5等として例示した1価のフッ素化炭化水素基等が挙げられる。Rで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、上記[B]酸発生体の式(r−a)のRB3等として例示した1価の有機基等が挙げられる。Rで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、上記[B]酸発生体の式(r−a)のRB3等として例示した1価の有機基等が挙げられる。
上記式(1)のmとしては、1又は2が好ましい。
上記式(1)のRとしては、上記式(V−1)で表される基が好ましい。この式(V−1)のRとしては、環員数3〜12の環構造を有する炭素数1〜20の1価の有機基が好ましい。このようにRが上記式(V−1)で表される基であり、この式(V−1)のRが上記環構造を有することで、露光光に対する感度をより向上させることができる。このようなRとしては、環員数3〜12の脂環構造を有する炭素数1〜20の1価の炭化水素基がより好ましく、環員数3〜12の脂環構造を有する炭素数1〜20の1価の炭化水素基であって酸解離性基を有する基がさらに好ましい。この酸解離性基は、カルボキシ基の水素原子を置換する基であって、酸の作用により解離する基である。
上記式(1)のmが2である場合、2個のRが、それぞれ独立して、上記式(V−1)で表される基であるとよい。このように上記2個のRが上記式(V−1)で表される基であることで、露光光に対する感度、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。
上記式(1)のMとしては、上記[B]酸発生体のTで表される1価の感放射線性カチオン等が挙げられる。
上記式(1)のMとしては、フッ素原子を有する1価の感放射線性カチオンが好ましい。このようにMがフッ素原子を有する1価の感放射線性カチオンであることで、露光光に対する感度をより向上させることができる。
上記式(1)のMとしては、上記[B]酸発生体の上記式(r−a)で表されるカチオンが好ましく、この式(r−a)中、RB3及びRB4が1価の有機基であり、これらの基が互いに合わせられこれらが結合する硫黄原子と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部であり、nbbが0であり、bが1であり、RB5が炭素数1〜20の1価の炭化水素基であることが好ましい。このようにMが上記式(r−a)で表される上記カチオンであることで、露光光に対する感度、LWR及びCDUをより向上させることができる。
[C]化合物としては、下記式(1−1)〜(1−18)で表される化合物(以下、「化合物(1−1)〜(1−18)」ともいう)で表される化合物等が挙げられる。
Figure 2020203984
Figure 2020203984
上記式(1−1)〜(1−18)中、Mは、1価の感放射線性オニウムカチオンである。
当該感放射線性樹脂組成物における[C]化合物の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、1質量部がより好ましい。上記含有量の上限としては、20質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、5質量部がさらに好ましい。
当該感放射線性樹脂組成物における[C]化合物の含有量の下限としては、[B]酸発生剤100モル%に対して、1モル%が好ましく、5モル%がより好ましく、10モル%がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、200モル%が好ましく、100モル%がより好ましく、50モル%がさらに好ましい。
[C]化合物の含有量を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の露光光に対する感度、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。当該感照射線性樹脂化合物は、1種又は2種以上の[C]化合物を含有することができる。
[C]化合物は、例えば後述する実施例に示す方法で合成することができる。
<[c]酸拡散制御体>
当該感放射線性樹脂組成物は、任意成分として[c]酸拡散制御体を含有する。[c]酸拡散制御体は、露光により[B]酸発生剤等から生じる酸のレジスト膜中における拡散現象を制御し、非露光領域における好ましくない化学反応を制御する効果を奏する。当該感放射線性樹脂組成物における[c]酸拡散制御体の含有形態としては、低分子化合物(以下、適宜「[c]酸拡散制御剤」ともいう)の形態でも、[A]重合体等の重合体の一部として組み込まれた形態でも、これらの両方の形態でもよい。
[c]酸拡散制御剤としては、例えば露光により感光し弱酸を発生する光崩壊性塩基等が挙げられる。光崩壊性塩基としては、例えば露光により分解する感放射線性オニウムカチオンと弱酸のアニオンとを含む化合物等が挙げられる。光崩壊性塩基は、露光部において、感放射線性オニウムカチオンが分解して生じるプロトンと、弱酸のアニオンとから弱酸が発生するので、酸拡散制御性が低下する。光崩壊性塩基としては、例えば下記式で表される化合物が挙げられる。
Figure 2020203984
当該感放射線性樹脂組成物が[c]酸拡散制御剤を含有する場合、[c]酸拡散制御剤の含有量の下限としては、[A]重合体成分100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、0.5質量部がより好ましく、1質量部がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、20質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、5質量部がさらに好ましい。
[c]酸拡散制御剤の含有量の下限としては、[B]酸発生剤100モル%に対して、1モル%が好ましく、5モル%がより好ましく、10モル%がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、250モル%が好ましく、150モル%がより好ましく、100モル%がさらに好ましい。
[c]酸拡散制御剤の含有量を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の露光光に対する感度、LWR性能及びCDU性能をより向上させることができる。当該感放射性樹脂組成物は1種又は2種以上の[c]酸拡散制御体を含有することができる。
<[D]溶媒>
当該感放射線性樹脂組成物は、通常[D]溶媒を含有する。[D]溶媒は、少なくとも[A]重合体、[C]化合物及び所望により含有される任意成分を溶解又は分散可能な溶媒であれば特に限定されない。
[D]溶媒としては、例えばアルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、エステル系溶媒、炭化水素系溶媒等が挙げられる。
アルコール系溶媒としては、例えば4−メチル−2−ペンタノール等の炭素数1〜18の脂肪族モノアルコール系溶媒、シクロヘキサノール等の炭素数3〜18の脂環式モノアルコール系溶媒、1,2−プロピレングリコール等の炭素数2〜18の多価アルコール系溶媒、プロピレングリコール−1−モノメチルエーテル等の炭素数3〜19の多価アルコール部分エーテル系溶媒等が挙げられる。
エーテル系溶媒としては、例えばジエチルエーテル等のジアルキルエーテル系溶媒、テトラヒドロフラン等の環状エーテル系溶媒、ジフェニルエーテル等の芳香環含有エーテル系溶媒等が挙げられる。
ケトン系溶媒としては、例えばアセトン等の鎖状ケトン系溶媒、シクロヘキサノン等の環状ケトン系溶媒、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン、アセトフェノン等が挙げられる。
アミド系溶媒としては、例えばN,N’−ジメチルイミダゾリジノン等の環状アミド系溶媒、N−メチルホルムアミド等の鎖状アミド系溶媒等が挙げられる。
エステル系溶媒としては、例えば乳酸エチル等のモノカルボン酸エステル系溶媒、酢酸プロピレングリコール等の多価アルコールカルボキシレート系溶媒、酢酸プロピレングリコールモノメチルエーテル等の多価アルコール部分エーテルカルボキシレート系溶媒、シュウ酸ジエチル等の多価カルボン酸ジエステル系溶媒、γ−ブチロラクトン等のラクトン系溶媒、ジメチルカーボネート等のカーボネート系溶媒などが挙げられる。
炭化水素系溶媒としては、例えばn−ペンタン等の炭素数5〜12の脂肪族炭化水素系溶媒、トルエン等の炭素数6〜16の芳香族炭化水素系溶媒等が挙げられる。
これらの中で、エステル系溶媒又はケトン系溶媒が好ましく、多価アルコール部分エーテルカルボキシレート系溶媒、モノカルボン酸エステル系溶媒、ラクトン系溶媒又は環状ケトン系溶媒がより好ましく、酢酸プロピレングリコールモノメチルエーテル、乳酸エチル、γ−ブチロラクトン又はシクロヘキサノンがさらに好ましい。当該感放射線性樹脂組成物は、1種又は2種以上の[D]溶媒を含有することができる。
当該感放射線性樹脂組成物における[D]溶媒の含有割合の下限としては、50質量%が好ましく、60質量%がより好ましく、70質量%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、99.9質量部が好ましく、99.5質量部が好ましく、99質量部がさらに好ましい。
[D]溶媒の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、100質量部が好ましく、500質量部がより好ましく、1000質量部がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、20000質量部が好ましく、15000質量部がより好ましく、10000質量部がさらに好ましい。
<[E]重合体>
[E]重合体は、[A]重合体よりもフッ素原子の合計質量含有率が大きい重合体である。ベース重合体となる重合体より疎水性が高い重合体は、レジスト膜表層に偏在化する傾向があり、[E]重合体は[A]重合体よりもフッ素原子及びケイ素原子の合計質量含有率が大きいため、この疎水性に起因する特性により、レジスト膜表層に偏在化する傾向がある。また、この疎水性に起因する特性により、レジスト膜と液浸媒体との後退接触角が大きくなる。よって、当該感放射線性樹脂組成物は、[E]重合体を含有することで液浸露光法に好適で、欠陥の発生が抑制されたレジストパターンを形成することができる。
[E]重合体のフッ素原子及びケイ素原子の合計質量含有率の下限としては、1質量%が好ましく、2質量%がより好ましく、3質量%がさらに好ましい。上記質量含有率の上限としては、60質量%が好ましく、50質量%がより好ましく、40質量%がさらに好ましい。フッ素原子及びケイ素原子の合計質量含有率を上記範囲とすることで、[E]重合体のレジスト膜における偏在化をより適度に調整することができる。なお、重合体のフッ素原子及びケイ素原子の合計質量含有率は、13C−NMRスペクトル測定により重合体の構造を求め、その構造から算出することができる。
[E]重合体がフッ素原子を含む重合体の場合、[D]重合体におけるフッ素原子の含有形態は特に限定されず、主鎖、側鎖及び末端のいずれに結合するものでもよいが、フッ素原子を含む構造単位(以下、「構造単位(F)」ともいう)を有することが好ましい。
[構造単位(F)]
構造単位(F)としては、例えば下記式(f−1)等が挙げられる。
Figure 2020203984
上記式(f−1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Gは、単結合、酸素原子、硫黄原子、−COO−、−SONH−、−CONH−又は−OCONH−である。Rは、フッ素原子を含む炭素数1〜18の1価の有機基である。
上記Rとしては、構造単位(f−1)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子又はメチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。上記Gとしては−COO−、−SONH−、−CONH−又は−OCONH−が好ましく、−COO−がより好ましい。
構造単位(F)の含有割合の下限としては、[E]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、100モル%が好ましく、90モル%がより好ましく、85モル%がさらに好ましい。構造単位(F)の含有割合を上記範囲とすることで、[E]重合体のフッ素原子の質量含有率をさらに適度に調整することができる。
[E]重合体は、アルコール性水酸基を含む構造単位を有することが好ましい。アルコール性水酸基を含む構造単位としては、例えば上記[A]重合体の構造単位(III)として例示した構造単位等が挙げられる。アルコール性水酸基を含む構造単位の含有割合の下限としては、[E]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、15モル%がより好ましく、20モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、85モル%がより好ましく、70モル%がさらに好ましい。
[E]重合体の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、1質量部がより好ましく、2質量部がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、20質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、7.5質量部がさらに好ましい。当該感放射線性樹脂組成物は[D]重合体を1種又は2種以上含有していてもよい。
[E]重合体は、上述した[A]重合体と同様の方法で合成することができる。
[E]重合体のGPCによるMwの下限としては、1000が好ましく、3000がより好ましく、4000がさらに好ましく、5000が特に好ましい。上記Mwの上限としては、50000が好ましく、20000がより好ましく、10000がさらに好ましく、8000が特に好ましい。
[E]重合体のGPCによるMnに対するMwの比(Mw/Mn)の比の上限としては、5.00が好ましく、3.00がより好ましく、2.50がさらに好ましく、2.00が特に好ましい。上記比の下限としては、通常1.00であり、1.20が好ましい。
<その他の任意成分>
その他の任意成分としては、例えば界面活性剤等が挙げられる。当該感放射線性樹脂組成物は、その他の任意成分をそれぞれ1種又は2種以上含有していてもよい。
<感放射線性樹脂組成物の調製方法>
当該感放射線性樹脂組成物は、例えば[A]重合体、[C]化合物及び必要に応じて、[B]酸発生剤、[c]酸拡散制御体、[D]溶媒、[E]重合体等の任意成分を所定の割合で混合し、好ましくは得られた混合物を孔径0.2μm以下のメンブランフィルターでろ過することにより調製することができる。
当該感放射線性樹脂組成物は、アルカリ現像液を用いるポジ型パターン形成用にも、有機溶媒含有現像液を用いるネガ型パターン形成用にも用いることができる。当該感放射線性樹脂組成物は、ArFエキシマレーザー光を露光するArF露光用にも、極端紫外線(EUV)を露光するEUV露光用にも、電子線を露光する電子線露光用にも好適に用いることができる。
<レジストパターン形成方法>
当該レジストパターン形成方法は、基板に直接又は間接に当該感放射線性樹脂組成物を塗工する工程(以下、「塗工工程」ともいう)と、上記塗工工程により形成されたレジスト膜を露光する工程(以下、「露光工程」ともいう)と、上記露光されたレジスト膜を現像する工程(以下、「現像工程」ともいう)とを備える。
当該レジストパターン形成方法によれば、上述の当該感放射線性樹脂組成物を用いているので、露光光に対する感度が良好であり、LWR及びCDUが小さいレジストパターンを形成することができる。以下、各工程について説明する。
[塗工工程]
本工程では、基板に直接又は間接に当該感放射線性樹脂組成物を塗工する。これによりレジスト膜が形成される。基板としては、例えばシリコンウエハ、二酸化シリコン、アルミニウムで被覆されたウェハ等の従来公知のもの等が挙げられる。また、例えば特公平6−12452号公報や特開昭59−93448号公報等に開示されている有機系又は無機系の反射防止膜を基板上に形成してもよい。塗工方法としては、例えば回転塗工(スピンコーティング)、流延塗工、ロール塗工等が挙げられる。塗工した後に、必要に応じて、塗膜中の溶媒を揮発させるため、プレベーク(PB)を行ってもよい。PBの温度の下限としては、60℃が好ましく、80℃がより好ましい。上記温度の上限としては、150℃が好ましく、140℃がより好ましい。PBの時間の下限としては、5秒が好ましく、10秒がより好ましい。上記時間の下限としては、600秒が好ましく、300秒がより好ましい。形成されるレジスト膜の平均厚みの下限としては、10nmが好ましく、20nmがより好ましい。上記平均厚みの上限としては、1000nmが好ましく、500nmがより好ましい。
[露光工程]
本工程では、上記塗工工程により形成されたレジスト膜を露光する。この露光は、フォトマスクを介して(場合によっては、水等の液浸媒体を介して)露光光を照射することにより行う。露光光としては、目的とするパターンの線幅等に応じて、例えば可視光線、紫外線、遠紫外線、EUV、X線、γ線等の電磁波、電子線、α線等の荷電粒子線などが挙げられる。これらの中でも、遠紫外線、EUV又は電子線が好ましく、ArFエキシマレーザー光(波長193nm)、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)、EUV又は電子線がより好ましく、ArFエキシマレーザー光又はEUVがさらに好ましい。なお、露光量等の露光条件は、当該感放射線性樹脂組成物の配合組成、添加剤の種類、露光光の種類等に応じて適宜選定することができる。
上記露光の後、ポストエクスポージャーベーク(PEB)を行い、レジスト膜の露光された部分において、露光で発生した酸に起因する[A]重合体が有する酸解離性基の解離を促進させることが好ましい。このPEBによって、露光部と未露光部とで現像液に対する溶解性の差異を増大させることができる。PEBの温度の下限としては、50℃が好ましく、80℃がより好ましく、90℃がさらに好ましい。上記温度の上限としては、180℃が好ましく、130℃がより好ましい。PEBの時間の下限としては、5秒が好ましく、10秒がより好ましく、30秒がさらに好ましい。上記時間の上限としては、600秒が好ましく、300秒がより好ましく、100秒がさらに好ましい。
[現像工程]
本工程では、上記露光されたレジスト膜を現像する。これにより、所定のレジストパターンを形成することができる。現像後は、水又はアルコール等のリンス液で洗浄し、乾燥することが一般的である。現像工程における現像方法は、アルカリ現像液を用いるアルカリ現像であっても、有機溶媒含有現像液を用いる有機溶媒現像であってもよい。
アルカリ現像の場合、現像に用いるアルカリ現像液としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、アンモニア水、エチルアミン、n−プロピルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、エチルジメチルアミン、トリエタノールアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)、ピロール、ピペリジン、コリン、1,8−ジアザビシクロ−[5.4.0]−7−ウンデセン、1,5−ジアザビシクロ−[4.3.0]−5−ノネン等のアルカリ性化合物の少なくとも1種を溶解したアルカリ水溶液等が挙げられる。これらの中で、TMAH水溶液が好ましく、2.38質量%TMAH水溶液がより好ましい。
有機溶媒現像の場合、有機溶媒含有現像液としては、アルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、エステル系溶媒、炭化水素系溶媒等の有機溶媒、上記有機溶媒を含有する溶媒等が挙げられる。上記有機溶媒としては、例えば上述の[D]溶媒として例示した溶媒の1種又は2種以上等が挙げられる。これらの中でも、エステル系溶媒又はケトン系溶媒が好ましい。エステル系溶媒としては、酢酸エステル系溶媒が好ましく、酢酸n−ブチルがより好ましい。ケトン系溶媒としては、鎖状ケトンが好ましく、2−ヘプタノンがより好ましい。現像液中の有機溶媒の含有量の下限としては、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましく、99質量%が特に好ましい。現像液中の有機溶媒以外の成分としては、例えば水、シリコンオイル等が挙げられる。
現像方法としては、例えば現像液が満たされた槽中に基板を一定時間浸漬する方法(ディップ法)、基板表面に現像液を表面張力によって盛り上げて一定時間静止することで現像する方法(パドル法)、基板表面に現像液を噴霧する方法(スプレー法)、一定速度で回転している基板上に一定速度で現像液塗出ノズルをスキャンしながら現像液を塗出し続ける方法(ダイナミックディスペンス法)等が挙げられる。
当該レジストパターン形成方法により形成されるパターンとしては、例えばラインアンドスペースパターン、ホールパターン等が挙げられる。
<酸拡散制御剤>
当該酸拡散制御剤は、上記式(1)で表される[C]化合物である。当該酸拡散制御剤は、上述した当該感放射線性樹脂組成物の成分として好適に用いることができる。当該酸拡散制御剤は、上述の[C]化合物として説明している。
<化合物>
当該化合物は、上記式(1)で表される[C]化合物である。当該化合物は、上述の当該感放射線性樹脂組成物の成分として好適に用いることができる。当該化合物は、上述の[C]化合物として説明している。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。各種物性値の測定方法を以下に示す。
[重量平均分子量(Mw)及び数平均分子量(Mn)]
重合体のMw及びMnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により、東ソー(株)のGPCカラム(「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本、及び「G4000HXL」1本)を使用し、以下の条件により測定した。また、分散度(Mw/Mn)は、Mw及びMnの測定結果より算出した。
溶出溶媒 :テトラヒドロフラン
流量 :1.0mL/分
試料濃度 :1.0質量%
試料注入量:100μL
カラム温度:40℃
検出器 :示差屈折計
標準物質 :単分散ポリスチレン
13C−NMR分析]
重合体の13C−NMR分析は、核磁気共鳴装置(日本電子(株)の「JNM−Delta400」)を用いて行った。
<[A]重合体及び[E]重合体の合成>
各実施例及び各比較例における各重合体の合成で用いた単量体を以下に示す。なお、以下の合成例においては特に断りのない限り、質量部は使用した単量体の合計質量を100質量部とした場合の値を意味し、モル%は使用した単量体の合計モル数を100モル%とした場合の値を意味する。
Figure 2020203984
[合成例1](重合体(A−1)の合成)
単量体(M−1)、単量体(M−2)及び単量体(M−10)を、モル比率が40/15/45(モル%)となるよう2−ブタノン(200質量部)に溶解し、開始剤としてAIBN(アゾビスイソブチロニトリル)(使用した単量体の合計100モル%に対して2モル%)を添加して単量体溶液を調製した。反応容器に2−ブタノン(100質量部)を入れ、30分窒素パージした後、反応容器内を80℃とし、撹拌しながら上記単量体溶液を3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合溶液を水冷して30℃以下に冷却した。冷却した重合溶液をメタノール(2000質量部)中に投入し、析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末をメタノールで2回洗浄した後、ろ別し、50℃で17時間乾燥させて白色粉末状の重合体(A−1)を得た(収率:80%)。重合体(A−1)のMwは8,700であり、Mw/Mnは1.49であった。また、13C−NMR分析の結果、(M−1)、(M−2)及び(M−10)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ39.9モル%、14.3モル%及び45.8モル%であった。
[合成例2〜11](重合体(A−2)〜重合体(A−11)の合成)
下記表1に示す種類及び配合割合の単量体を用いたこと以外は合成例1と同様にして、重合体(A−2)〜重合体(A−11)を合成した。得られた重合体の各構造単位の含有割合(モル%)、収率(%)及び物性値(Mw及びMw/Mn)を下記表1に合わせて示す。なお、下記表1における「−」は、該当する単量体を使用しなかったことを示す。
Figure 2020203984
[合成例12](重合体(A−12)の合成)
単量体(M−3)、単量体(M−18)及び単量体(M−12)を、モル比率が60/30/10(モル%)となるよう1−メトキシ−2−プロパノール(200質量部)に溶解し、開始剤としてAIBN(5モル%)を添加して単量体溶液を調製した。反応容器に1−メトキシ−2−プロパノール(100質量部)を入れ、30分窒素パージした後、反応容器内を80℃とし、撹拌しながら上記単量体溶液を3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合溶液を水冷して30℃以下に冷却した。冷却した重合溶液をヘキサン(2000質量部)中に投入し、析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末をヘキサンで2回洗浄した後、ろ別し、1−メトキシ−2−プロパノール(300質量部)に溶解した。次いで、メタノール(500質量部)、トリエチルアミン(50質量部)及び超純水(10質量部)を加え、撹拌しながら70℃で6時間加水分解反応を実施した。反応終了後、残溶媒を留去し、得られた固体をアセトン(100質量部)に溶解し、水(500質量部)の中に滴下して樹脂を凝固させた。得られた固体をろ別し、50℃で13時間乾燥させて白色粉末状の重合体(A−12)を得た(収率:78%)。重合体(A−12)のMwは5500であり、Mw/Mnは1.55であった。また、13C−NMR分析の結果、(M−3)、(M−18)及び(M−12)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ59.4モル%、32.1モル%及び8.5モル%であった。
[合成例13〜15](重合体(A−13)〜重合体(A−15)の合成)
下記表2に示す種類及び配合割合の単量体を用いたこと以外は合成例12と同様にして、重合体(A−13)〜重合体(A−15)を合成した。得られた重合体の各構造単位の含有割合(モル%)、収率(%)及び物性値(Mw及びMw/Mn)を下記表2に合わせて示す。
Figure 2020203984
[合成例16](重合体(E−1)の合成)
単量体(M−1)及び単量体(M−20)を、モル比率が20/80(モル%)となるよう2−ブタノン(200質量部)に溶解し、開始剤としてAIBN(3モル%)を添加して単量体溶液を調製した。反応容器に2−ブタノン(100質量部)を入れ、30分窒素パージした後、反応容器内を80℃とし、撹拌しながら上記単量体溶液を3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合溶液を水冷して30℃以下に冷却した。溶媒をアセトニトリル(400質量部)に置換した後、ヘキサン(100質量部)を加えて撹拌しアセトニトリル層を回収する作業を3回繰り返した。溶媒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に置換することで、重合体(E−1)の溶液を得た(収率:69%)。重合体(E−1)のMwは6000であり、Mw/Mnは1.62であった。また、13C−NMR分析の結果、(M−1)及び(M−20)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ19.9モル%及び80.1モル%であった。
[合成例17〜20](重合体(E−2)〜重合体(E−5)の合成)
下記表3に示す種類及び配合割合の単量体を用いたこと以外は合成例16と同様にして、重合体(E−2)〜重合体(E−5)を合成した。得られた重合体の各構造単位の含有割合(モル%)、収率(%)及び物性値(Mw及びMw/Mn)を下記表3に合わせて示す。
Figure 2020203984
<[C]化合物(酸拡散抑制剤)の合成>
[合成例21](化合物(C−1)の合成)
反応容器に2,5−ジヒドロキシ安息香酸メチル20.0mmol、1−エチルシクロペンチル−2−クロロアセテート30.0mmol、炭酸セシウム40.0mmol及びジメチルホルムアミド50gを加えて80℃で5時間撹拌した。その後、反応溶液を30℃以下に冷却し、水を加えて希釈させたのち、酢酸エチルを加えて抽出し、有機層を分離した。得られた有機層を飽和塩化ナトリウム水溶液、次いで水で洗浄した。硫酸ナトリウムで乾燥後、溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィーで精製することで、フェノール誘導体を良好な収率で得た。
上記フェノール誘導体にメタノール:水(1:1(質量比))の混合液を加えて1M溶液とした後、水酸化ナトリウム18.5mmolを加え、50℃で4時間反応させた。アセトニトリルで抽出し溶媒を留去することでナトリウム塩誘導体を得た。上記ナトリウム塩誘導体にトリフェニルスルホニウムクロリド15.0mmolを加え、水:ジクロロメタン(1:3(質量比))の混合液を加えた。室温で3時間激しく撹拌した後、ジクロロメタンを加えて抽出し、有機層を分離した。得られた有機層を硫酸ナトリウムで乾燥し、溶媒留去することで、下記式(C−1)で表される化合物(以下、「化合物(C−1)」又は「酸拡散制御剤(C−1)」と記載する場合がある。)を良好な収率で得た。以下に、化合物(C−1)の合成スキームを示す。
Figure 2020203984
[合成例22〜38](酸拡散制御剤(C−2)〜酸拡散制御剤(C−18)の合成)
原料及び前駆体を適宜変更したこと以外は合成例21と同様にして、下記式(C−2)〜(C−18)で表される化合物を合成した(以下、式(C−2)〜(C−18)で表される化合物をそれぞれ「化合物(C−2)」〜「化合物(C−18)」又は「酸拡散制御剤(C−2)」〜「酸拡散制御剤(C−18)」と記載する場合がある。)。
Figure 2020203984
Figure 2020203984
<感放射線性樹脂組成物の調製>
各感放射線性樹脂組成物の調製に用いた[A]重合体、[E]重合体及び[C]酸拡散制御剤以外の成分を以下に示す。
[[B]酸発生剤]
B−1〜B−16:下記式(B−1)〜(B−16)で表される化合物
Figure 2020203984
Figure 2020203984
[[c]酸拡散抑制剤((C−1)〜(C−18)以外の酸拡散制御剤]
cc−1〜cc−9:下記式(cc−1)〜(cc−9)で表される化合物(以下、式(cc−1)〜(cc−9)で表される化合物をそれぞれ「化合物(cc−1)」〜「化合物(cc−9)」又は「酸拡散制御剤(cc−1)」〜「酸拡散制御剤(cc−9)」と記載する場合がある。)
Figure 2020203984
[[D]溶媒]
D−1:酢酸プロピレングリコールモノメチルエーテル
D−2:シクロヘキサノン
D−3:γ−ブチロラクトン
D−4:乳酸エチル
[ArF露光用ネガ型感放射線性樹脂組成物の調製]
[実施例1]
[A]重合体としての(A−1)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−5)14.0質量部、[C]酸拡散制御剤としての(C−1)2.3質量部、[E]重合体としての(E−1)5.0質量部(固形分)、並びに[D]溶媒としての(D−1)/(D−2)/(D−3)=70/29/1(質量比)の混合溶媒3200質量部を混合し、孔径0.2μmのメンブランフィルターで濾過することにより、感放射線性樹脂組成物(J−1)を調製した。
[実施例2〜46、比較例1〜8及び参考例1〜3]
下記表4に示す種類及び含有量の各成分を用いたこと以外は実施例1と同様にして、感放射線性樹脂組成物(J−2)〜(J−46)、(CJ−1)〜(CJ−8)及び(RJ−1)〜(RJ−3)を調製した。
Figure 2020203984
<ArF露光用ネガ型感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンの形成>
12インチのシリコンウエハ上に、スピンコーター(東京エレクトロン(株)の「CLEAN TRACK ACT12」)を使用して、下層反射防止膜形成用組成物(ブルワーサイエンス社の「ARC66」)を塗布した後、205℃で60秒間加熱することにより平均厚さ105nmの下層反射防止膜を形成した。この下層反射防止膜上に上記スピンコーターを使用して上記調製したArF露光用ネガ型感放射線性樹脂組成物を塗布し、90℃で60秒間PB(プレベーク)を行った。その後、23℃で30秒間冷却することにより、平均厚さ90nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜に対し、ArFエキシマレーザー液浸露光装置(ASML社の「TWINSCAN XT−1900i」)を用い、NA=1.35、Annular(σ=0.8/0.6)の光学条件にて、40nmスペース、105nmピッチのマスクパターンを介して露光した。露光後、90℃で60秒間PEB(ポストエクスポージャーベーク)を行った。その後、有機溶媒現像液として酢酸n−ブチルを用いて上記レジスト膜を有機溶媒現像し、乾燥させることでネガ型のレジストパターン(40nmラインアンドスペースパターン)を形成した。また、マスクパターンを代えたこと以外は上述の操作と同様にして、ネガ型のレジストパターン(40nmホール、105nmピッチ)を形成した。
<評価>
上記ArF露光用感放射線性樹脂組成物を用いて形成したレジストパターンについて、感度、LWR性能及びCDU性能を下記方法に従って評価した。その結果を下記表5に示す。なお、レジストパターンの測長には、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ(株)の「CG−5000」)を用いた。
[感度]
上記ArF露光用感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンの形成において、40nmラインアンドスペースパターンを形成する露光量を最適露光量とし、この最適露光量を感度(mJ/cm)とした。感度は、25mJ/cm以下の場合は「良好」と、25mJ/cmを超える場合は「不良」と評価した。
[LWR性能]
上記感度の評価で求めた最適露光量を照射して40nmラインアンドスペースパターンを形成するようにマスクサイズを調整して、レジストパターンを形成した。形成したレジストパターンを、上記走査型電子顕微鏡を用い、パターン上部から観察した。線幅のばらつきを計500点測定し、その測定値の分布から3シグマ値を求め、この3シグマ値をLWR(nm)とした。LWRは、その値が小さいほど、ラインのラフネスが小さく良好であることを示す。LWR性能は、4.5nm以下の場合は「良好」と、4.5nmを超える場合は「不良」と評価した。
[CDU性能]
40nmホール、105nmピッチのレジストパターンを、上記走査型電子顕微鏡を用い、パターン上部から任意のポイントで計1800個測長した。寸法のバラつき(3σ)を求め、これをCDU性能(nm)とした。CDUは、その値が小さいほど、長周期でのホール径のばらつきが小さく良好であることを示す。CDU性能は、4.8nm以下の場合は「良好」と、4.8nmを超える場合は「不良」と評価した。
Figure 2020203984
表5の結果から明らかなように、実施例の感放射線性樹脂組成物は、ArF露光に用いた場合、感度、LWR性能及びCDU性能が良好であったのに対し、比較例及び参考例では、各特性が実施例に比べて劣っていた。したがって、実施例の感放射線性樹脂組成物をArF露光に用いた場合、高い感度でLWR性能及びCDU性能が良好なレジストパターンを形成することができる。
[極端紫外線(EUV)露光用感放射線性樹脂組成物の調製]
[実施例47]
[A]重合体としての(A−12)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−4)20.0質量部、[C]酸拡散制御剤としての(C−1)3.2質量部、[E]重合体としての(E−5)3.0質量部、並びに[D]溶媒としての(D−1)/(D−4)=70/30(質量比)の混合溶媒6000質量部を混合し、孔径0.2μmのメンブランフィルターで濾過することにより、感放射線性樹脂組成物(J−47)を調製した。
[実施例48〜58及び比較例9〜12]
下記表6に示す種類及び含有量の各成分を用いたこと以外は実施例47と同様にして、感放射線性樹脂組成物(J−48)〜(J−58)及び(CJ−9)〜(CJ−12)を調製した。
Figure 2020203984
<EUV露光用感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンの形成>
12インチのシリコンウエハ上に、スピンコーター(東京エレクトロン(株)の「CLEAN TRACK ACT12」)を使用して、下層反射防止膜形成用組成物(ブルワーサイエンス社の「ARC66」)を塗布した後、205℃で60秒間加熱することにより平均厚さ105nmの下層反射防止膜を形成した。この下層反射防止膜上に上記スピンコーターを使用して上記調製したEUV露光用感放射線性樹脂組成物を塗布し、130℃で60秒間PBを行った。その後、23℃で30秒間冷却することにより、平均厚さ55nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜に対し、EUV露光装置(ASML社の「NXE3300」)を用い、NA=0.33、照明条件:Conventional s=0.89、マスク:imecDEFECT32FFR02にて露光した。露光後、120℃で60秒間PEBを行った。その後、アルカリ現像液として2.38質量%のTMAH水溶液を用いて上記レジスト膜をアルカリ現像し、現像後に水で洗浄し、さらに乾燥させることでポジ型のレジストパターン(32nmラインアンドスペースパターン)を形成した。
<評価>
上記EUV露光用感放射線性樹脂組成物を用いて形成したレジストパターンについて、感度及びLWR性能を下記方法に従って評価した。その結果を下記表7に示す。なお、レジストパターンの測長には、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ(株)の「CG−5000」)を用いた。
[感度]
上記EUV露光用感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンの形成において、32nmラインアンドスペースパターンを形成する露光量を最適露光量とし、この最適露光量を感度(mJ/cm)とした。感度は、34mJ/cm以下の場合は「良好」と、34mJ/cmを超える場合は「不良」と評価した。
[LWR性能]
上記感度の評価で求めた最適露光量を照射して32nmラインアンドスペースのパターンを形成するようにマスクサイズを調整して、レジストパターンを形成した。形成したレジストパターンを、上記走査型電子顕微鏡を用い、パターン上部から観察した。線幅のばらつきを計500点測定し、その測定値の分布から3シグマ値を求め、この3シグマ値をLWR(nm)とした。LWRは、その値が小さいほど、ラインのがたつきが小さく良好であることを示す。LWR性能は、3.6nm以下の場合は「良好」と、3.6nmを超える場合は「不良」と評価した。
Figure 2020203984
表7の結果から明らかなように、実施例の感放射線性樹脂組成物は、EUV露光に用いた場合、感度及びLWR性能が良好であったのに対し、比較例では、各特性が実施例に比べて劣っていた。
[ArF露光用ポジ型感放射線性樹脂組成物の調製、この組成物を用いたレジストパターンの形成及び評価]
[実施例59]
[A]重合体としての(A−4)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−5)14.0質量部、[C]酸拡散制御剤としての(C−1)2.3質量部、[E]重合体としての(E−2)5.0質量部(固形分)、並びに[D]溶媒としての(D−1)/(D−2)/(D−3)=70/29/1(質量比)の混合溶媒3200質量部を混合し、孔径0.2μmのメンブランフィルターで濾過することにより、感放射線性樹脂組成物(J−59)を調製した。
12インチのシリコンウエハ上に、スピンコーター(東京エレクトロン(株)の「CLEAN TRACK ACT12」)を使用して、下層反射防止膜形成用組成物(ブルワーサイエンス社の「ARC66」)を塗布した後、205℃で60秒間加熱することにより平均厚さ105nmの下層反射防止膜を形成した。この下層反射防止膜上に上記スピンコーターを使用して上記調製したArF露光用ポジ型感放射線性樹脂組成物(J−59)を塗布し、90℃で60秒間PB(プレベーク)を行った。その後、23℃で30秒間冷却することにより、平均厚さ90nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜に対し、ArFエキシマレーザー液浸露光装置(ASML社の「TWINSCAN XT−1900i」)を用い、NA=1.35、Annular(σ=0.8/0.6)の光学条件にて、40nmスペース、105nmピッチのマスクパターンを介して露光した。露光後、90℃で60秒間PEB(ポストエクスポージャーベーク)を行った。その後、アルカリ現像液として2.38質量%のTMAH水溶液を用いて上記レジスト膜をアルカリ現像し、現像後に水で洗浄し、さらに乾燥させることでポジ型のレジストパターン(40nmラインアンドスペースパターン)を形成した。
上記ArF露光用ポジ型感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンについて、上記ArF露光用ネガ型感放射線性樹脂組成物を用いたレジストパターンの評価と同様にして評価した。その結果、実施例59の感放射線性樹脂組成物は、ArF露光にてポジ型のレジストパターンを形成した場合においても、感度、LWR性能及びCDU性能が良好であった。
本発明の感放射線性樹脂組成物及びレジストパターン形成方法によれば、露光光に対する感度が良好であり、LWR性能及びCDU性能に優れるレジストパターンを形成することができる。本発明の感放射線性酸発生剤は、当該感放射線性樹脂組成物の成分として好適に用いることができる。したがって、これらは、今後さらに微細化が進行すると予想される半導体デバイスの加工プロセス等に好適に用いることができる。

Claims (4)

  1. 酸解離性基を含む構造単位を有する重合体と、
    下記式(1)で表される化合物と
    を含有する感放射線性樹脂組成物。
    Figure 2020203984
    (式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。)
    Figure 2020203984
    (式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。)
  2. 基板に直接又は間接に感放射線性樹脂組成物を塗工する工程と、
    上記塗工工程により形成されたレジスト膜を露光する工程と、
    上記露光されたレジスト膜を現像する工程と
    を備え、
    上記感放射線性樹脂組成物が、
    酸解離性基を含む構造単位を有する重合体と、
    下記式(1)で表される化合物と
    を含有するレジストパターン形成方法。
    Figure 2020203984
    (式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。)
    Figure 2020203984
    (式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。)
  3. 下記式(1)で表される酸拡散制御剤。
    Figure 2020203984
    (式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。)
    Figure 2020203984
    (式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。)
  4. 下記式(1)で表される化合物。
    Figure 2020203984
    (式(1)中、Arは、炭素数6〜30のアレーンから芳香環上の(m+n+2)個の水素原子を除いた基である。−OH及び−COOは、Arにおける同一ベンゼン環の互いにオルトの位置に結合している。mは、1〜16の整数である。mが1の場合、Rは、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基又は下記式(V−3)で表される基を含む基である。mが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、下記式(V−1)で表される基、下記式(V−2)で表される基、ラクトン構造を含む基、環状カーボネート構造を含む基、スルトン構造を含む基、ケトン性カルボニル基を含む基、チオカーボネート基を含む基若しくは下記式(V−3)で表される基を含む基であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数5〜20の環構造の一部である。nは、0〜15の整数である。nが1の場合、Rは、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基又はハロゲン原子である。nが2以上の場合、複数のRは、互いに同一又は異なり、置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくはハロゲン原子であるか、又は複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に構成される環員数4〜20の脂環構造の一部である。但し、m+nは16以下である。Mは、1価の感放射線性カチオンである。)
    Figure 2020203984
    (式(V−1)中、Rは、置換又は非置換の炭素数1〜20の2価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−2)中、R及びRはそれぞれ独立して置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基若しくは水素原子であり、Rは−O−若しくは−S−であり、Rは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はR、R及びRが互いに合わせられこれらが結合する原子鎖と共に構成される環員数4〜20の環構造の一部である。*は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子と結合する部位を示す。)
    Figure 2020203984
    (式(V−3)中、Rは、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rは、水素原子、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。Rは、水素原子又は炭素数1〜20の1価の有機基である。**は、上記式(1)のArに隣接している酸素原子に結合する部位又はRにおける上記式(V−3)で表される基以外の部分に結合する部位を示す。)
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