JP2962145B2 - ネガ型パターン形成材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子線、Ｘ線、紫外線
や遠紫外線等の放射線を使用して半導体素子、光学素子
等の機能素子の表面に超微細加工技術によるパターンを
形成する場合に用いられるネガ型パターン形成材料に関
し、特に超ＬＳＩ製造用材料として好適なネガ型パター
ン形成材料に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
ＬＳＩ技術の発展につれて、ＭＯＳＬＳＩチップ中に集
積するメモリーのビット数はメガビットのオーダーに突
入しており、これに伴い、配線パターンの微細化はサブ
ミクロンのルールを要求されている。このため、リソグ
ラフィー用光源の波長は、微細パターンニングに対して
より有利なように紫外領域から遠紫外領域へと単波長側
に移りつつあり、更に電子線、Ｘ線の利用が本格的に検
討されようとしている。

【０００３】このようなリソグラフィー技術の中にあっ
て、使用するレジスト材料には、その光源の波長に対す
る感光性と透過性、耐ドライエッチング性等が要求され
る。

【０００４】一方、これらの条件の下でホトリソグラフ
ィー、特にはＧ線やＩ線用リソグラフィーに使用される
レジスト材料としては、使用する光の波長に対する光透
過性、耐プラズマエッチング性等の点からノボラック系
樹脂等の芳香族系樹脂が好適に使用されている。

【０００５】しかし、Ｇ線やＩ線よりも単波長にある水
銀の輝線、ＫｒＦやＡｒＦのエキシマレザー光などの遠
紫外光、更には電子線、Ｘ線等の放射線の光源強度は、
Ｇ線やＩ線の光源の強度よりも桁違いに微弱であり、こ
れらの遠紫外光をホトリソグラフィーに利用する場合、
上記したＧ線やＩ線のレジストとして使用する従来型の
レジスト材料では、十分な露光感度が得られず、また遠
紫外光に対する光透過度が低下するなどの問題点があ
り、それ故、新しいタイプのパターン形成材料が望まれ
ていた。

【０００６】そこで、従来タイプに代わるものとして化
学増幅タイプのパターン形成材料が注目されており、例
えば特開昭６３−２３１１４２号公報には、酸発生オニ
ウム塩光反応開始剤と、多官能活性芳香族環の源と、多
官能カルボニウムイオンの源を含み、これら源のうち少
なくとも１つはポリマーであるネガティブフォトレジス
トが提案されている。また、特開平１−２９３３３９号
公報には、ビニルフェノール系単位をポリマー単位とし
て含む下記式で示される構造を含む架橋剤と光酸発生剤
からなるネガ型フォトレジスト材料が提案されている。

【０００７】

【化２】 （但し、式中Ｒ’は水素原子又は炭素数１〜５の低級ア
ルキル基である。）

【０００８】更に、特開昭６０−１７７４０号公報に
は、ヒドロキシスチレン系ポリマーの重量平均分子量と
数平均分子量の比が１．１〜１２．０、好ましくは２．
１〜３．５のポリマーを主成分とするネガ型感光性レジ
スト材料が提案されている。

【０００９】しかしながら、これらの公知の技術は、い
ずれもネガ型レジスト材の主成分であるポリマーの分子
量分布を積極的に狭分散化したり、主鎖のリニアリティ
ーの完全性を配慮したものではない。本発明者の検討に
よると、このような広い分子量分布を有するポリマーを
主成分とするパターン形成材料は、ウェハープロセス中
の真空工程においてポリマーの低分子量成分がガス化
し、これにより真空度の不安定化、プロセス雰囲気の汚
染の誘発の危険性、更には分子量分布不均質によるポリ
マーの溶解速度の変動やこれらに起因するプロセスマー
ジンの低下などの問題が常に存在し、その結果、パター
ンニングの不安定状態が発生しやすくなるという問題点
を原理的に有するものであった。

【００１０】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、
分子量分布が狭く、パターンニングの安定状態を良好に
保つことができ、電子線、Ｘ線、紫外線を使用して半導
体素子、光学素子等の機能素子の表面に超微細加工技術
によるパターンを形成する場合、特に超ＬＳＩ製造用材
料として好適なネガ型パターン形成材料を提供すること
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明者は上記
目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、下記示性式
（２）で示されるモノマーを構成成分に含むモノマーを
リビングアニオン重合してポリマーを得た後、このポリ
マーのヒドロキシ保護基を脱離することで得ることがで
きる、下記示性式（１）で示される重合単位を５０〜１
００モル％含み、重量平均分子量が３０００〜２０００
０であり、分子量分布（重量平均分子量Ｍｗ／数平均分
子量Ｍｎ）が１．０〜１．２５である狭分散ヒドロキシ
スチレン系ポリマーと、酸架橋剤と、光酸発生剤と、有
機溶媒とを配合したネガ型パターン形成材料が、これを
使用してパターンを形成した場合、紫外光や遠紫外光に
対しても十分な露光感度を有し、かつ光強度の低下が少
なく、しかも上述した問題点、即ちウェハー製造工程中
の真空工程における真空度の不安定化、プロセス雰囲気
の汚染の誘発、ポリマーの溶解速度の遅速などの問題が
解決されてパターニングの不安定さが解消され、超ＬＳ
Ｉ等の製造に好適に用いることができるネガ型パターン
形成材料が得られることを知見し、本発明をなすに至っ
た。

【００１２】

【化３】 （但し、式中Ｒは水素原子又は炭素数１〜４の低級アル
キル基、Ｂはヒドロキシ保護基である。）

【００１３】従って、本発明は、（１）上記示性式
（１）で示される重合単位を５０〜１００モル％含み、
重量平均分子量が３０００〜２００００であり、分子量
分布（重量平均分子量／数平均分子量）が１．０〜１．
２５である狭分散ヒドロキシスチレン系ポリマー （２）光酸発生剤 （３）酸架橋剤 （４）有機溶剤 を含有してなることを特徴とするネガ型パターン形成材
料を提供する。

【００１４】以下、本発明につき更に詳細に説明する
と、本発明のパターン形成材料は、下記示性式（１）で
示される重合単位を含み、分子量分布（Ｍｗ／Ｍｎ）が
１．０〜１．２５である狭分散ヒドロキシスチレン系ポ
リマーを主成分とするものである。

【００１５】

【化４】 （但し、式中Ｒは水素原子又は炭素数１〜４の低級アル
キル基、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、ブチ
ル基である。）

【００１６】この場合、この狭分散ヒドロキシスチレン
系ポリマーは、上記式（１）の重合単位のみから構成さ
れていてもよく、また他の重合単位を含んでいてもよい
が、他の重合単位としては特に下記の単位が挙げられ
る。

【００１７】

【化５】

【００１８】なお、上記式（１）の重合単位は、ポリマ
ー中５０〜１００モル％である。

【００１９】ここで、上記ポリマーの分子量分布は１．
０〜１．２５、より好ましくは１．０〜１．１であり、
１．２５より大きいと狭分散の効果が薄れ、パターンニ
ングの際に低分子量分布のポリマーによる不安定状態が
生じ、本発明の目的を達成することができない。なお、
この分子量分布は、重量平均分子量（Ｍｗ）と数平均分
子量（Ｍｎ）との比（Ｍｗ／Ｍｎ）であり、Ｍｗは光散
乱法により、Ｍｎは膜浸透圧計を用いて測定することが
できる。更に、分子量分布の評価は、ゲルパーミェーシ
ョンクロマトグラフィー（ＧＰＣ）によりポリマーのキ
ャラクタリゼーションを行うことで確認でき、ポリマー
の組成、分子構造は赤外吸収（ＩＲ）スペクトル及び¹
Ｈ−ＮＭＲスペクトルによって容易に確認することがで
きる。

【００２０】上記ポリマーの重量平均分子量は、３００
０〜３００００、特に３０００〜２００００の範囲が好
ましい。

【００２１】本発明のヒドロキシスチレン系ポリマー
は、下記示性式（２）で示されるモノマーを構成成分に
含むモノマーをアニオンリビング重合してポリマーを得
た後、このポリマーのヒドロキシ保護基を脱離すること
により合成することができる。

【００２２】

【化６】 （但し、式中Ｒは前記と同様であり、Ｂはヒドロキシ保
護基である。）

【００２３】上記式（２）において、Ｂのヒドロキシ保
護基としては、具体的にｔｅｒｔ−ブチル基、ｔｅｒｔ
−ブチルカルボニルオキシ基、メトキシメチル基、テト
ラヒドロピラニル基などの酸によって開裂する通常の保
護基が好適である。

【００２４】上記式（２）のモノマーは、置換基Ｒの種
類や保護基脱離後のヒドロキシスチレンの水酸基の位置
によって現像液に対する溶解性が変化するため、パター
ン形成材料の設計に応じたものを任意に選択することが
望ましい。また、その１種類を単独で使用しても２種類
以上を使用してもよい。なお、上記モノマーの中では、
特にｐ−ｔｅｒｔ−ブトキシスチレンが安価であるこ
と、リビング重合しやすいことから好適に用いられる。

【００２５】更に、本発明では、上記式（２）のモノマ
ー以外に他種のモノマーを使用してもよい。この場合、
他種のモノマーとしては、上記式（２）のモノマーとリ
ビング重合法で共重合し得るものであれば種々使用し得
るが、具体的にはメタクリル酸等が好適に使用される。

【００２６】上記式（２）のモノマーをリビング重合す
る場合、モノマーの官能基の選択によりリビング重合開
始剤やモノマーの有機溶液濃度などの最適反応条件が変
化するので、予め最適条件を設定するための予備実験を
行うことが好ましいが、一般に重合に供するモノマーの
有機溶媒溶液濃度は、１〜５０％（重量％、以下同
様）、特に５〜２０％が好適である。

【００２７】上記モノマーのリビング重合は、重合開始
剤を用いて行うことが好ましい。重合開始剤としては、
例えば有機金属化合物が好適であり、具体的にｎ−ブチ
ルリチウム、ｓｅｃ−ブチルリチウム、ｔｅｒｔ−ブチ
ルリチウム、ナトリウムナフタレン、アントラセンナト
リウム、α−メチルスチレンテトラマージナトリウム、
クミルカリウム、クミルセシウム等の有機アルカリ金属
化合物等が例示される。なお、重合開始剤の添加量は、
通常量とすることができる。

【００２８】また、リビング重合は一般に有機溶媒中で
行われる。有機溶媒としては、例えば環状エーテル等の
芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素溶媒等が挙げられ、具
体例としては、ベンゼン、トルエン、テトラヒドロフラ
ン、ジオキサン、テトラヒドロピラン、ジメトキシエタ
ン、ｎ−ヘキサン、シクロヘキサン等が例示される。こ
れら有機溶媒は、その１種類を単独で使用しても２種類
以上を組み合わせてもよい。

【００２９】更に、リビング重合反応は、反応系内を真
空吸引後、そのまま又はアルゴン、窒素等の不活性ガス
による置換雰囲気下でモノマーの有機溶媒溶液を十分攪
拌しながら行うことが望ましい。反応温度は、−１００
℃から室温まで適宜選択することができるが、特にテト
ラヒドロフラン溶媒を使用する場合は−１００℃〜０
℃、ベンゼン溶媒を使用する場合は室温が好ましい。ま
た、上記リビング重合では、フェニル基のエーテルの酸
素にはカルバアニオンが攻撃せずにスチレン部分のビニ
ル基のみが選択的に重合することでリビング重合が継続
的に進行し、通常約１０分〜５時間で重合反応が完了
し、下記式（３）で示される単位を含むポリマーが得ら
れる。

【００３０】

【化７】 （但し、式中Ｒ、Ｂはそれぞれ上記と同様である。）

【００３１】リビング重合反応終了後は、得られた反応
混合溶液に例えばメタノール、水、メチルブロマイド等
の停止剤を添加して反応を停止させ、更に、適当な溶
剤、例えばメタノールを添加して沈澱物を得、洗浄、乾
燥することにより、ポリマーを精製、単離することがで
きる。なお、通常、反応後のポリマーには、未反応物、
副反応物等が不純物として含有しており、このポリマー
を含むパターン形成材料を超ＬＳＩ等を製造する際のパ
ターン形成材料として用いた場合、この不純物がウェハ
ー製造工程に悪影響を及ぼすことがあるので、精製処理
は十分に施すことが好ましい。

【００３２】このようにして得られるポリマーは、分子
量分布の点で単分散（Ｍｗ／Ｍｎ＝１．０〜１．４）と
なり、目的とする狭分子量分布のポリマーを得ることが
できる。

【００３３】なお、ポリマーの収率は、反応に供したモ
ノマーに基づいてほぼ１００％であり、このポリマーの
分子量（Ｍｗ）は、使用したモノマーの重量と重合開始
剤のモル数（分子量）から容易に計算できる。また、Ｍ
ｎ、分子量分布は上記方法により求めることができ、分
子量分布の評価はＧＰＣによりポリマーのキャラクタリ
ゼーションを行って、得られたポリマーが目的とするポ
リマーであるか否か評価できる。

【００３４】次に、上記式（３）のポリマーの保護基を
脱離して下記構造式（１）で示される重合単位を含むヒ
ドロキシスチレン系ポリマーを得る。

【００３５】

【化８】

【００３６】この場合、上記ヒドロキシ保護基の脱離反
応は、ヒドロキシ保護基を有するヒドロキシスチレンに
ジオキサン、アセトン、アセトニトリル、ベンゼン等の
溶媒中で塩酸、臭化水素酸等の酸を滴下することによっ
て容易に行うことができる。この切断反応では、高分子
の主鎖が切断されたり、分子間に架橋反応が起こるとい
うことがないので、前駆体の例えばポリ第三級ブトキシ
−α−メチルスチレンの分子量分布そのままの狭い分子
量分布を有する単分散のポリヒドロキシスチレンを得る
ことができる。

【００３７】本発明のネガ型パターン形成材料は、上記
ポリヒドロキシスチレン系ポリマーと光酸発生剤、酸架
橋剤、有機溶剤等を配合して調製されるものである。

【００３８】ここで、光酸発生剤は、電子線、Ｘ線、紫
外光等の放射線照射により分子が分解し、強酸を発生す
るものである。即ち、この光酸発生剤を配合すると、電
子線描画装置、ＳＯＲ装置、遠紫外光ステッパー、遠紫
外光スキャナーなどからの放射線を受けてパターン形成
材料膜中の光酸発生剤が分解し、強酸が発生するもので
ある。

【００３９】このような光酸発生剤として具体的には、
下記のオニウム塩、ジアゾ化合物、スルフォン酸エステ
ル化合物などが例示される。なお、光酸発生剤は、これ
に制限されるものではなく、放射線照射により酸を発生
する物質であればその他の化合物も使用可能である。

【００４０】

【化９】

【００４１】光酸発生剤の配合量は、パターン形成材料
膜の光透過率、相溶性、描画時のパターンプロファイル
の良否、限界解像度等のパターン形成材料の性能に直接
的に影響を与え、特に光酸発生剤の添加量が多いほど光
透過率が通常低下するもので、光酸発生剤の添加量は、
パターン形成材料全体の０．０１〜２０％、特に１〜１
０％とすることが好ましい。

【００４２】次に、酸架橋剤は、酸の存在下で架橋反応
をし得る化合物である。この酸架橋剤としては、公知の
架橋剤を使用し得、例えばメラミン系架橋剤、エポキシ
系架橋剤等が挙げられ、具体的には下記化合物が例示さ
れる。なお、酸架橋剤としては、上記化合物に限定され
るものではなく、酸により架橋反応を開始するものであ
れば他の化合物も使用可能である。

【００４３】

【化１０】

【００４４】酸架橋剤の配合量は、その架橋能力、パタ
ーン形成材料の透過率、パターンプロファイル、限界解
像度等の描画結果によって決定されるものであるが、通
常は全体の３〜３０％の範囲で添加することが好まし
い。

【００４５】また、パターン形成材料は、通常その数倍
量の有機溶剤で溶解してパターン形成材料溶液としてシ
リコーンウェハーに滴下、塗布して使用する。ここで使
用する有機溶剤としては、パターン形成材料の各成分や
添加剤を溶解し得、かつパターン形成材料を均一の膜厚
として塗布できるものが好適に選択される。具体的に
は、エチルセロソルブアセテート、乳酸エチル、ＰＧＭ
ＥＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテ
ート）、メトキシプロパノール等の通常パターン形成材
料溶剤として使用されるものが例示される。これら有機
溶剤は、そのまま１種類を単独で使用しても２種類以上
を組み合わせてもよい。

【００４６】本発明のネガ型パターン形成材料を用いて
パターンを形成する場合は、ベースポリマー、酸発生
剤、酸架橋剤等の各成分を有機溶剤に溶解してパターン
形成材料溶液を調製し、微細な開口径のフィルターを通
過させることでパターン形成材料液中のパーティクル分
を濾過除去した後、ウェハーに塗布し、露光することが
好ましい。この場合、露光は、公知のリソグラフィー技
術を採用して実施することができるが、本発明材料で
は、特に露光に使用する放射線として２５４〜１９３ｎ
ｍの遠紫外、電子線、Ｘ線を使用して微細パターンニン
グを形成することができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明のネガ型パターン形成材料は、分
子量分布の狭いポリマーを主成分とすることから、任意
の分子量に制御することができると共に、紫外光や遠紫
外光に対しても十分な露光感度が得られ、かつ光強度の
低下を最小限に抑え、しかもウェハー製造工程中の真空
工程における真空度の不安定化、プロセス雰囲気の汚染
の誘発、ポリマーの溶解速度の遅速などが生じることが
ないので、パターンニングの不安定さが解消されて、超
ＬＳＩ等の製造に用いるパターン形成材料として非常に
好適である。

【００４８】

【実施例】以下、合成例、実施例及び比較例を示して本
発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限
されるものではない。

【００４９】〔合成例１〕狭分散のポリヒドロキシスチレンの合成 ：原料の北興化
学社製ｐ−ｔｅｒｔ−ブトキシスチレンモノマーにＣａ
Ｈ₂、ベンゾフェノンナトリウム等の精製剤を添加し、
このモノマー中の水分等の不純物を取り除いて精製し、
蒸留を行った。

【００５０】次に、１リットルのフラスコに溶媒として
テトラヒドロフラン５５０ｍｌ、重合開始剤としてｎ−
ブチルリチウム８．５×１０^-4ｍｏｌを仕込んだ後、こ
の混合液に−７８℃で５０ｍｌのテトラヒドロフランで
希釈した上記ｐ−ｔｅｒｔ−ブトキシスチレン２２ｇを
添加し、十分に攪拌しながら１時間重合させたところ、
溶液は赤色を呈した。所望の重合に達したことを確認し
た後、反応溶液にメタノールを添加して重合を終了させ
た。更に、この反応混合物をメタノール中に注ぎ、得ら
れた重合体を沈澱させた後、分離して乾燥させ、１８ｇ
の白色重合体〔ポリ（ｐ−ｔｅｒｔ−ブトキシスチレ
ン）〕を得た。

【００５１】このポリ（ｐ−ｔｅｒｔ−ブトキシスチレ
ン）１５ｇをアセトン２５０ｍｌに溶解させ、６０℃で
少量の濃塩酸を加えて６時間攪拌後、水に注ぎポリマー
を沈澱させて洗浄、乾燥したところ、６．５ｇのポリ−
ｐ−ヒドロキシスチレンポリマーが得られた。得られた
ポリ−ｐ−ヒドロキシスチレンポリマーのＭｗは１．４
×１０⁴であった。ＧＰＣ溶出曲線から非常に単分散性
の高い重合体であることが確認され、分子量分布Ｍｗ／
Ｍｎ＝１．１であった。

【００５２】〔合成例２〕狭分散でないポリヒドロキシスチレンポリマーの合成 ：
重合温度を−４０℃とし、重合時の攪拌を穏やかに実施
する以外は合成例１と同様にしてｐ−ｔｅｒｔ−ブトキ
シスチレンモノマーをアニオンリビング重合し、ポリヒ
ドロキシスチレンを合成した。得られたポリマーのＭｗ
は１．６×１０⁴、分子量分布Ｍｗ／Ｍｎ＝１．５２で
あった。

【００５３】〔実施例１〕合成例１で得られたポリヒド
ロキシスチレン０．８ｇ、光酸発生剤として下記式
（４）で示される化合物０．０４ｇ、下記式（５）で示
される酸架橋剤０．０５ｇをメトキシプロパノール４．
５ｇに溶解した後、これを０．２μｍの開口径をもつテ
フロンフィルターを通過させてパーティクルを除去し、
パターン形成材料溶液とした。

【００５４】

【化１１】

【００５５】この溶液をウェハー表面に滴下し、スピン
コーターで成膜した後に１００℃で２分間プリベーク
し、パターン形成材料膜の膜厚を測定したところ、０．
９５μｍであった。

【００５６】更に、このウェハーを２５４ｎｍの波長の
光を光源にもつ開口数０．５のステッパーにより２０ｍ
Ｊ／ｃｍ²の露光量でラインアンドスペース像を露光し
た後、２．３８％のテトラメチルアンモニウムヒドロキ
シド水溶液で３０秒間パドル現像した。得られたパター
ンの断面を電子顕微鏡観察したところ、０．２５μｍの
ラインアンドスペースの限界解像度を得た。パターンの
断面形状は矩型であった。

【００５７】〔比較例１〕合成例２で合成したポリヒド
ロキシスチレンを使用する以外は実施例１と同様の処方
でネガ型パターン形成材料溶液を調製し、パターンニン
グを実施した。得られたパターンの断面を電子顕微鏡観
察したところ、０．３０μｍのラインアンドスペースの
限界解像度を得た。パターンの断面形状はテーパー状で
あった。

【００５８】〔比較例２〕丸善石油化学社製ポリヒドロ
キシスチレン（リンカー：Ｍｗ７６００、Ｍｗ／Ｍｎ＝
２．４）をポリマーとして使用する以外は実施例１と同
様の処方でネガ型パターン形成材料溶液を調製し、パタ
ーンニングを実施した。得られたパターンの断面を電子
顕微鏡観察したところ、０．３４μｍのラインアンドス
ペースの限界解像度を得た。パターンの断面形状はテー
パー状であった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−45879（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−151665（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−253858（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−15270（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−224420（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−273751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−230136（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−271252（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−238041（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03F 7/038 G03F 7/004 G03F 7/033

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （１）下記示性式（１）で示される重合
   単位を５０〜１００モル％含み、重量平均分子量が３０
   ００〜２００００であり、分子量分布（重量平均分子量
   ／数平均分子量）が１．０〜１．２５である狭分散ヒド
   ロキシスチレン系ポリマー 【化１】 （但し、式中Ｒは水素原子又は炭素数１〜４の低級アル
   キル基である。） （２）光酸発生剤 （３）酸架橋剤 （４）有機溶剤 を含有してなることを特徴とするネガ型パターン形成材
   料。
2. 【請求項２】 （１）成分の狭分散ヒドロキシスチレン
   系ポリマーの分子量分布が１．０〜１．１である請求項
   １記載のネガ型パターン形成材料。