JP2020501336A - 高耐エッチング性スピンオンカーボンハードマスク組成物及びそれを用いたパターン化方法 - Google Patents

高耐エッチング性スピンオンカーボンハードマスク組成物及びそれを用いたパターン化方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、半導体リソグラフィー工程に有用な高耐エッチング性を有するハードマスク組成物を提供するために、ジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ポリマーを含むスピンオンハードマスク組成物、及びその組成物をスピン塗布を介して被エッチング層上に塗布する工程及びベーク工程を行うことによりハードマスク層を形成させるパターン化方法を提供し、本発明に係るハードマスクは、多重エッチング（ｍｕｔｉｌｅｔｃｈ）過程に耐えられる高い耐エッチング性、優れた溶解度特性及び機械的特性を示す効果を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体リソグラフィー工程に有用な高耐エッチング性を有するハードマスク組成物に係り、特に、多重エッチング（ｍｕｔｉｌ ｅｔｃｈ）過程に耐えられる高い耐エッチング性を有するジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）ポリマーを含むハードマスク組成物及びパターン化方法に関する。
近年、半導体デバイスの小型化及び集積化に伴って微細パターンの実現が求められており、このような微細パターンを形成する方法では、露光装備の開発または追加工程の導入によるフォトレジストパターンの微細化が効率的である。
半導体装置の集積密度を増加させ、より微細なナノメートル範囲の寸法を有する構造形成を可能にするための方法として、高解像能を有するフォトレジスト及びフォトリソグラフィー工程ツールが開発されている。
半導体を製造する工程において、従来では、波長３６５ｎｍのｉ−ｌｉｎｅ光源を用いて半導体基板にパターンを形成したが、より微細なパターンを形成するためにさらに小さい波長帯の光源を必要とした。
実際に、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）を始めとしてＡｒＦ（１９８ｎｍ）、ＥＵＶ（ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ−極紫外線、１３．５ｎｍ）光源を用いたリソグラフィー（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術が開発され、現在商用化されているか商用化中であり、これを用いてより微細な波長を実現することができるようになった。
パターンのサイズが小さくなるにつれて、フォトレジストパターンの倒れ現象を防止するためにフォトレジストの厚さがますます薄くなった。薄くなったフォトレジストパターンを用いて被エッチング層をエッチングすることができなくなり、フォトレジスト層と被エッチング層との間に耐エッチング性に優れる膜質を導入するようになった。この膜質をハードマスクと称した。ハードマスク工程は、フォトレジストパターンを用いてハードマスクをエッチングしてパターニングした後、ハードマスクのパターンを用いて被エッチング層をエッチングする工程をいう。前記ハードマスク膜は、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法、またはスピンオンコーティング（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ）法によって製造される。
ＣＶＤ法によって製造されたハードマスク膜は、蒸着機の使用に起因する初期費用の増加や工程時間の増加、パーティクル問題などの欠点により、ハードマスク工程に対して、蒸着ではなくスピン塗布が可能な材料を用いて、コストと工程時間を短縮しようとする努力が続けられてきた。
スピンオンコーティング法によるハードマスク工程は、ＣＶＤ法に比べて初期投資費用が少なく、コーティング性が均一で、コーティング厚さを容易に制御することができ、工程時間を短縮することができるなどのメリットがある。
一方、最近の半導体工程がさらに微細化するにつれて、線幅は狭くなるが、高さはそのまま維持されるか或いは相対的に高くなることにより、パターンのアスペクト比が高くなった。ハードマスク層の高さが高くなりながらエッチング工程中にボーイング（ｂｏｗｉｎｇ）現象などの問題が現れ、エッチング選択比が不足してマスクの役割をまともに果たし難くなった。よって、エッチング性が改善された新しいハードマスク材料の開発が求められている。
本発明は、半導体製造工程中のスピンオンカーボンハードマスクを用いた高耐エッチング性パターン化方法と組成物に関するもので、エッチング選択性が高く、多重エッチングに対する耐性が十分であるうえ、溶解度に優れたハードマスク組成物、及びその組成物を用いたパターン化方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態によれば、下記化学式１で表されるジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）誘導体ポリマーまたはこれを含む構造を有し、重量平均分子量３，０００乃至８，０００を有することを特徴とする、スピンオンハードマスク組成物である。
式中、ｌとｍとｎはそれぞれ１≦ｌ≦２０、１≦ｍ≦２０、１≦ｎ≦２０の範囲であり、
Ｒ１は水素（Ｈ）、
、
、
及び
のうちのいずれかを含み、Ｒ２は
、
、
及び
のうちのいずれかを含み、Ｒ３は
、
、
、
及び
のうちのいずれかを含む。
本発明の一実施形態において、前記化学式１で表されるポリマー１重量％乃至５０重量％、有機溶媒５０重量％乃至９９重量％、及び界面活性剤０乃至２重量％を含むことが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記有機溶媒は、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、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）、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、エチルラクテート（ＥＬ）、メチルエチルケトン、ｎ−ブチルアセテート、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、メチル３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）、エチル３−エトキシプロピオネート（ＥＥＰ）、及びジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の中から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されるものであることが好ましい。
本発明の一実施形態において、前記界面活性剤は、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン類、ポリオキシエチレンラウリルエーテル類、及びポリオキシエチレンソルビタン類などの非イオン性界面活性剤から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されるものであることが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記組成物をスピン塗布を介して被エッチング層上に塗布し、ベーク工程を行ってハードマスク層を形成させるパターン化方法を提供する。
本発明の他の実施形態において、前記ベーク工程は、１５０℃乃至４００℃の温度で１分乃至５分間行ってパターンを形成することが好ましい。
本発明に係る高耐エッチング性ハードマスク組成物は、エッチング選択性が高く、多重エッチングに対する耐性が十分であるうえ、溶解度に優れて半導体微細パターン形成の際に優れた性能を提供することができる。
実施例２で製造されたポリマーの１Ｈ−ＮＭＲスペクトルである。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明は、下記化学式１で表されるジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）誘導体ポリマーまたはこれを含む構造を有し、重量平均分子量が３，０００乃至８，０００、好ましくは３，５００乃至７，０００、さらに好ましくは５，０００乃至６，０００であることを特徴とする、スピンオンハードマスク組成物を提供する。
式中、ｌとｍとｎはそれぞれ１≦ｌ≦２０、１≦ｍ≦２０、１≦ｎ≦２０の範囲であり、
Ｒ１は水素（Ｈ）、
、
、
及び
のうちのいずれかを含み、Ｒ２は
、
、
及び
のうちのいずれかを含み、Ｒ３は
、
、
、
及び
のうちのいずれかを含む。
式中、Ｒ２は、主に酸（ａｃｉｄ）触媒の条件下で行われ、形成された高分子物質の有機溶媒に対する溶解性を増加させる役割を果たす。
式中、Ｒ３は、主に全体高分子構造の熱硬化反応性及びエッチング選択比を改善させるための役割を果たす。
前記化学式１で表されるポリマーは、重量平均分子量が３，０００乃至８，０００であることを特徴とし、好ましくは３，５００乃至７，０００であり、さらに好ましくは５，０００乃至６，０００である。
前記化学式１で表されるポリマーの重量平均分子量が３，５００未満である場合には、十分な量のポリマー構造が生成されないため耐エッチング性に劣り、前記ポリマーの重量平均分子量が７，０００を超える場合には、コーティングされた面の物性が不均一であり得る。
前記ハードマスク組成物は、前記化学式１で表されるポリマー１重量％乃至５０重量％、有機溶媒５０重量％乃至９９重量％、及び界面活性剤０乃至２重量％を含むことができる。
前記ポリマー成分が１重量％未満であるか或いは５０重量％を超える場合には、目的のコーティング厚さ未満または超過になって正確なコーティング厚さを合わせ難く、コーティング厚さを超える場合には、コーティング性が悪くなるおそれがある。
前記有機溶媒は、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、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）、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、エチルラクテート（ＥＬ）、メチルエチルケトン、ｎ−ブチルアセテート、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、メチル３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）、エチル３−エトキシプロピオネート（ＥＥＰ）及びジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の中から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されるものであり得る。
前記界面活性剤は、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン類、ポリオキシエチレンラウリルエーテル類、ポリオキシエチレンソルビタン類などの非イオン性界面活性剤の単独或いはこれらの混合物よりなる群から選択されるものを使用することができる。
前記界面活性剤は、表面張力を下げて広がり性または浸透性を増大させることにより、コーティング性またはギャップフィル（Ｇａｐｆｉｌｌ）性能に役立つことができる。
本発明の他の一実施形態によれば、前記組成物をスピン塗布を介して被エッチング層上に塗布し、ベーク工程を行うことにより、ハードマスク層を形成させるパターン化方法を提供する。
前記組成物のスピン塗布厚さは、特に限定されないが、１００Å乃至３０，０００Åの厚さであることが好ましい。
前記ベーク工程は、１５０℃乃至４００℃の温度で１分乃至５分間行うことができる。前記ベーク工程で、前記組成物は自己架橋（ｓｅｌｆ−ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｉｎｇ）反応を起こすことができる。
「実施例」
以下、本発明の好適な実施例及び比較例を説明する。しかし、これらの実施例は、本発明の好適な一実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。
「実施例１」＜ジベンゾカルバゾール系環状ポリマーの合成＞
７−フェニルジベンゾ［Ｃ，Ｇ］カルバゾール２０ｇ、１，４−ビスメトキシメチルベンゼン９．７ｇ、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン２０．４ｇ、及び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）１５０ｇを入れ、窒素雰囲気を造成した。ここに硫酸ジエチル０．１６ｇを入れ、溶液を１４０℃で加熱した後、１８時間還流させた。反応終了後、前記溶液をヘキサン／メタノール／水（１：１：１）溶液で精製し、メタノール／水（１０：１）溶液を用いて再結晶させた後、真空乾燥して、ＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）５，５００の高分子化合物を得た。
「実施例２」
９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレンの代わりに９，９−ビス（６−ヒドロキシ−２ナフチル）フルオレン２６．２ｇを加えた以外は、実施例１と同様の過程で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，３００であった。
「実施例３」
９，９−ビス（６−ヒドロキシ−２ナフチル）フルオレンの代わりに３−ヒドロキシペリレン１５．６ｇを加えた以外は、実施例１と同様の過程で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，０００であった。
「実施例４」
７−（１−アントラセニル）ジベンゾ［Ｃ，Ｇ］カルバゾール２０ｇ、１，４−ビスメトキシメチルベンゼン７．５ｇ、９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン１５．７ｇ、及び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）１５０ｇを添加する。実施例１と同様の方法で合成した後、得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，４００であった。
「実施例５」
９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレンの代わりに９，９−ビス（６−ヒドロキシ−２ナフチル）フルオレン２０．２ｇを加えた以外は、実施例４と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，７００であった。
「実施例６」
９，９−ビス（６−ヒドロキシ−２ナフチル）フルオレン代わりに３−ヒドロキシペリレン１２ｇを加えた以外は、実施例４と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，９００であった。
「実施例７」
反応時間を１０時間とした以外は、実施例６と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は３，５００であった。
「実施例８」
反応時間を２７時間とした以外は、実施例６と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は７，０００であった。
「比較例１」
９，９−ビス（４−ヒドロキシフェニル）フルオレン２０ｇと１，４−ビスメトキシメチルベンゼン９．５ｇにＰＧＭＥＡ７０ｇを添加し、硫酸ジエチル０．１６ｇを添加する。実施例１と同様の方法で合成した後、得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は５，６００であった。
「比較例２」
反応時間を１０時間とした以外は、比較例１と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は３，３００であった。
「比較例３」
反応時間を２７時間とした以外は、比較例１と同様の方法で合成した。得られた高分子化合物のＧＰＣ測定結果、標準ポリスチレン換算による重量平均分子量（Ｍｗ）は７，２００であった。
「実験例１」
実施例１で得られた高分子化合物２．５ｇ、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート４７．５ｇを入れ、一日攪拌して溶解させた。この溶解液を０．２μｍの微細フィルターで濾過した後、ハードマスク膜形成用組成物を調製し、スピンコーターを用いてシリコンウエハー上に塗布した。ホットプレート上で２４０℃で１分、連続的に４００℃で１分間加熱することにより、ハードマスク膜を形成した。
「実験例２」
実施例２で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例３」
実施例３で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例４」
実施例４で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例５」
実施例５で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例６」
実施例６で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例７」
実施例７で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「実験例８」
実施例８で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「比較実験例１」
比較例１で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「比較実験例２」
比較例２で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
「比較実験例３」
比較例３で得られた高分子化合物２．５ｇを使用する以外は、実験例１と同様の方法で行った。
＜重量平均分子量の測定＞
上記の実施例で得られた重量平均分子量は、ケル透過クロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定した。測定にはＷＡＴＥＲＳ社製のＧＰＣ装置を使用し、測定条件は次のとおりである。
カラム温度：４０℃、移動相：テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、流量：１ｍＬ／１ｍｉｎ、ＧＰＣカラム：ＳＴＹＲＡＧＥＬ ＫＦ−８０１、８０２、８０３（ＷＡＴＥＲＳ社製、８×３００ｍｍ）を使用した。
＜光学物性試験＞
実験例１〜実験例８及び比較実験例１〜比較実験例３で形成されたハードマスク膜に対する屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）ｎと吸光係数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｏｆｆｉｃｉｅｎｔ）ｋをそれぞれ測定し、その結果を表１に示した。使用機器はエリプソメーター（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）（堀場製作所製）を用いた。
＜ドライエッチング特性の評価＞
実験例１〜実験例８及び比較実験例１〜比較実験例３で形成されたハードマスク膜に対してドライエッチング装備上でＣＦ４ガスを用いて１０秒間ドライエッチングを行った。ドライエッチング速度は、［（ドライエッチング前の膜厚−ドライエッチング後の膜厚）／時間］で定義した。ドライエッチング特性は、ＡＣＬ（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｃａｒｂｏｎ ｌａｙｅｒ）を１００％とした場合、ハードマスク膜のドライエッチング速度を示したもので、走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、日立製作所製）を用いて断面を確認し、測定結果を表２に示した。

Claims (14)

  1. 下記化学式１で表されるジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）誘導体ポリマーとして、重量平均分子量３，０００乃至８，０００を有するポリマーを含むことを特徴とする、スピンオンハードマスク組成物。
    （式中、ｌとｍとｎはそれぞれ１≦ｌ≦２０、１≦ｍ≦２０、１≦ｎ≦２０の範囲であり、
    Ｒ１は水素（Ｈ）、
    、
    、
    及び
    のうちのいずれかを含み、Ｒ２は
    、
    、
    及び
    のうちのいずれかを含み、Ｒ３は
    、
    、
    、
    及び
    のうちのいずれかを含む。）
  2. ポリマーの重量平均分子量が３，５００乃至７，０００であることを特徴とする、請求項１に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  3. ポリマーの重量平均分子量が５，０００乃至６，０００であることを特徴とする、請求項２に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  4. 前記ハードマスク組成物がジベンゾカルバゾール（ｄｉｂｅｎｚｏ ｃａｒｂａｚｏｌｅ）誘導体ポリマー、有機溶媒及び界面活性剤を含むことを特徴とする、請求項１に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  5. ポリマーが前記全体組成物に対して１〜５０重量％で含まれることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  6. 有機溶媒が前記全体組成物に対して５０〜９９重量％で含まれることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  7. 界面活性剤が前記全組成物に対して０〜２重量％で含まれることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  8. 有機溶媒が、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、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）、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、エチルラクテート（ＥＬ）、メチルエチルケトン、ｎ−ブチルアセテート、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、メチル３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）、エチル３−エトキシプロピオネート（ＥＥＰ）、及びジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の中から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  9. 界面活性剤が、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン類、ポリオキシエチレンラウリルエーテル類、及びポリオキシエチレンソルビタン類から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  10. ポリマーが前記全体組成物に対して１〜５０重量％で含まれ、有機溶媒が前記全体組成物に対して５０〜９９重量％で含まれ、界面活性剤が前記全組成物に対して０〜２重量％で含まれることを特徴とする、請求項４に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  11. 有機溶媒が、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、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）、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、エチルラクテート（ＥＬ）、メチルエチルケトン、ｎ−ブチルアセテート、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、メチル３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）、エチル３−エトキシプロピオネート（ＥＥＰ）、及びジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）の中から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  12. 界面活性剤が、ポリオキシエチレンアルキルエーテル類、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル類、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレン類、ポリオキシエチレンラウリルエーテル類、及びポリオキシエチレンソルビタン類から選ばれた１種または２種以上の混合物よりなる群から選択されることを特徴とする、請求項１０に記載のスピンオンハードマスク組成物。
  13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のハードマスク組成物をスピン塗布を介して被エッチング層上に塗布する工程及びベーク工程を行うことにより、ハードマスク層を形成させるパターン化方法。
  14. 前記ベーク工程は１５０℃乃至４００℃の温度で１〜５分間行ってハードマスク層を形成させる、請求項１３に記載のパターン化方法。
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