JP3578829B2

JP3578829B2 - ポジ型感光性組成物

Info

Publication number: JP3578829B2
Application number: JP09261195A
Authority: JP
Inventors: 為一落合; 由紀大坪
Original assignee: Shipley Co LLC
Current assignee: Rohm and Haas Electronic Materials LLC
Priority date: 1995-04-18
Filing date: 1995-04-18
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-10-20
Also published as: JPH08286367A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はポジ型感光性組成物に関するものである。より詳細には、露光部と未露光部の溶解コントラストが大きい化学増幅型ポジ型感光性組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高集積化は３年間に４倍のスピードで進行している。それに伴い、集積回路の生産に不可欠なフォトリソグラフィー技術に対する要求も年々厳しくなってきている。例えば、１６ＭビットＤＲＡＭの生産には、０．５μｍレベルのフォトリソグラフィー技術が必要とされ、６４ＭビットＤＲＡＭには、０．３５μｍレベルのフォトリソグラフィー技術が必要と予想される。このため、フォトレジストの露光に用いられる波長も、水銀灯のｇ線（４３６ｎｍ）からｉ線（３６５ｎｍ）、更にＫｒＦエキシマレーザー光（２４８ｎｍ）へと短波長化が進んでいる。
【０００３】
ところが、従来から使用されているナフトキノンジアジド系化合物を感光成分とするポジ型フォトレジストでは、ＫｒＦエキシマレーザー光等の遠紫外領域の光に対しては透過率が非常に低く、その結果、低感度且つ低解像度である。そのために、光酸発生剤、架橋剤、アルカリ可溶性樹脂からなる化学増幅型のネガ型フォトレジストが提案されている。
【０００４】
また、特開平２−１７３７５２ではスルホンアミド化合物とアルカリ可溶性樹脂からなる化学増幅型のネガ型フォトレジストが提案されている。
しかし、ＫｒＦエキシマレーザー光等の遠紫外領域の光に対応するポジ型フォトレジストの要望が多く、そのため、光酸発生剤と酸触媒反応によりアルカリ現像液に対する溶解性が増大するような化学増幅型ポジ型フォトレジストも種々提案されている。だが、これらポジ型フォトレジストでは露光部のアルカリ現像液に対する溶解速度が充分ではなく、未露光部の溶解抑制効果が充分ではなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は遠紫外領域の光に対応し、露光部と未露光部の溶解速度の比が大きい化学増幅型ポジ型感光性組成物を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的のために鋭意検討した結果、特定の光酸発生剤を使用することで、未露光部のアルカリ現像液に対する溶解速度が低下し、露光部のアルカリ現像液に対する溶解速度が増大することを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明の要旨は、一般式（１）で示される光酸発生剤を含有することを特徴とするポジ型感光性組成物に存する。
【０００７】
【化２】
Ａｒ^１−ＳＯ_２−ＮＨ−ＮＨ−ＳＯ_２−Ａｒ^２（１）
【０００８】
（式中、Ａｒ^１、Ａｒ^２は同一でも異なっていてもよい芳香族残基である）
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において、一般式（１）で示される光酸発生剤の置換基Ａｒ^１、Ａｒ^２は置換基を有してもよいアリール基または置換基を有してもよいＯ、Ｎ、Ｓを含む芳香複素環基が好ましく、特に好ましくは炭素数１〜６個のアルキル基、炭素数１〜６個のアルコキシ基、ハロゲン原子、ニトロ基、フェニル基、カルボキシル基、ヒドロキシ基、アミド基、イミド基、シアノ基等が置換しても良いフェニル基、ナフチル基である。
以下に、好ましい化合物の具体例を例示する。
【０００９】
【化３】

【００１０】
【化４】

【００１１】
【化５】

【００１２】
【化６】

【００１３】
【化７】

【００１４】
尚、一般式（１）で示される光酸発生剤はモル吸光係数εが５００〜２００，０００の範囲にあるものが好ましく、この範囲以下では、感度が低く、この範囲以上ではパターン形状が台形となったり、細かいパターンの形成が困難となる。また、本発明において、アルカリ可溶性樹脂としては露光部がアルカリ現像液に溶解性があり、未露光部がアルカリ現像液に溶解しないものであれば使用可能である。このようなものとして、次の２種のものが挙げられる。
【００１５】
（１）本来、アルカリ可溶性である樹脂の可溶性を与える官能基の一部または全部を、アルカリ不溶性となる保護基で保護することで、不溶化した樹脂で、露光により光酸発生剤により発生した酸の触媒作用により、アルカリ可溶性となる樹脂。
（２）溶解抑制剤の存在により、アルカリ不溶となる樹脂で、樹脂自体は露光前後で変化しないが、溶解抑制剤が露光により光酸発生剤により発生した酸の触媒作用により、溶解抑制能を喪失し、その結果、組成物全体としてアルカリ可溶性となる樹脂。
【００１６】
このような樹脂の具体例としては上記１）、２）に共通でポリヒドロキシスチレン類、ノボラック樹脂、ポリＮ−ヒドロキシフェニルマレイミド、ポリアクリル酸あるいはこれらの共重合体等が挙げられる。特に好ましくはポリヒドロキシスチレン類である。
ポリヒドロキシスチレン類としては、ｏ−ヒドロキシスチレン、ｍ−ヒドロキシスチレン、ｐ−ヒドロキシスチレン、２−（ｏ−ヒドロキシフェニル）プロピレン、２−（ｍ−ヒドロキシフェニル）プロピレン、２−（ｐ−ヒドロキシフェニル）プロピレン等のヒドロキシスチレン類の単独または２種以上をラジカル重合開始剤、カチオン重合開始剤またはアニオン重合開始剤の存在下で重合した樹脂等が挙げられる。また、吸光度を小さくするために水素添加したものも好ましく使用できる。
【００１７】
アルカリ可溶性樹脂の好ましい重量平均分子量としてはＧＰＣ測定でポリスチレン換算値で１，０００〜１００，０００であり、より好ましくは１，５００〜５０，０００である。この範囲以下では、組成物として塗布性が低下し、この範囲以上では露光部のアルカリ溶解性が低下する。
上記（１）の場合、保護基としては、炭酸エステル基、カルボン酸エステル基、エーテル基、アセタール基、シリル基等が挙げられる。このような保護基で保護された樹脂の具体例としては、ポリ−ｔｅｒｔ−ブチルオキシカルボニルオキシスチレン、ポリ−ｔｅｒｔ−ブチルオキシカルボニルオキシメチレンオキシスチレン、ポリテトラヒドロピラニルオキシスチレン、ポリテトラヒドロフラニルオキシスチレン、ポリトリメチルシリルオキシスチレン等が挙げられる。
【００１８】
上記（２）の場合、溶解抑制剤としてはカルボン酸エステル類、炭酸エステル類、エーテル類、アセタール類等が挙げられる。カルボン酸エステル類の具体例としては芳香族カルボン酸エステル、フェノール類の脂肪族カルボン酸エステル等が挙げられ、特に好ましいものとしては芳香族カルボン酸のｔｅｒｔ−ブチルエステルが挙げられる。
【００１９】
炭酸エステル類としては、多価フェノール、ビスフェノール類、トリスフェノール類等の水酸基をアルキルオキシカルボニルオキシ基で置換したものが挙げられる。
エーテル類としては多価フェノール、ビスフェノール類、トリスフェノール類等の水酸基をアルキルオキシ基で置換したものが挙げられる。
【００２０】
アセタール類としては、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ブチルアルデヒドなどのアルデヒド類と、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、グリコール、ポリビニルアルコール等の脂肪族アルコールまたはフェノール、クレゾール、キシレノール、レゾルシノール、ピロガロール、ナフトール、ビスフェノールＡ、ポリビニルフェノールなどのフェノール類とから誘導されるアセタール化合物が挙げられる。
【００２１】
一般式（１）で示される光酸発生剤は感光性組成物の全固形分濃度の２０〜０．５ｗｔ％の範囲で用いることが好ましい。更に好ましくは１５〜１ｗｔ％の範囲であればさらに好ましい。光酸発生剤がこの範囲より少ないと感度が低くなり、この範囲より多いと、レジスト膜の透明性の低下につながり、レジストパターンが台形となり解像力の低下を引き起こす。
【００２２】
感光性組成物が、アルカリ可溶性樹脂と、溶解抑制剤と一般式（１）で示される光酸発生剤で構成されている場合はアルカリ可溶性樹脂９８．５ｗｔ％〜５０ｗｔ％、該溶解抑制剤４９．５ｗｔ％〜１ｗｔ％、一般式１で示される光酸発生剤２０ｗｔ％〜０．５ｗｔ％の割合で好適に用いられる。該溶解抑制剤の量がこの量より多いと感光性組成物の塗布性が悪くなる傾向に有り、またこの量より少ないと露光部と未露光部の間で充分な溶解速度変化が得られず良好なパターンが得られがたい。
【００２３】
なお、本発明のポジ型感光性組成物は、その性質を損なわない範囲で塗布性改良剤など、他の添加剤を含有してもよい。
本発明のポジ型感光剤組成物は、通常、これらの成分を適当な溶媒に溶解して用いる。溶媒としては、前記アルカリ可溶性樹脂及び光酸発生剤に対して、十分な溶解性能を持ち、良好な塗布性を与える溶剤であれば特に制限はない。具体的には、２−ヘキサノン、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン、２−ヘプタノンなどのケトン系溶剤、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテートなどのセロソルブ系溶剤、ジエチルオキサレート、ピルビン酸エチル、エチル−２−ヒドロキシブチレート、エチルアセトアセテート、酢酸ブチル、酢酸アミル、酪酸エチル、酪酸ブチル乳酸メチル、乳酸エチル、３−メトキシプロピオン酸メチルなどのエステル系溶剤、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールジメチルエーテルなどのプロピリングリコール系溶剤あるいはこれらの混合溶剤、あるいはさらに芳香族系炭化水素を添加したものなどが挙げられる。溶剤の使用割合は、ポジ型感光性組成物中の固形分の総量に対して重量比として１〜２０倍の範囲であることが好ましい。
【００２４】
本発明のポジ型感光性組成物を用いて半導体基板上にレジストパターンを形成する場合には、通常、上記のような溶媒に溶解した本発明のポジ型感光性組成物を半導体基板上に塗布し、プリベーク、露光によるパターンの転写、露光後加熱（ポストエクスポージャーベーク；ＰＥＢ）および現像の各工程を経て、フォトレジストとして使用することができる。
【００２５】
塗布には、通常知られている方法が使用できるが、好ましくはスピンコーターが使用され、露光にはＫｒＦエキシマレーザーの２４８ｎｍが用いられるが、その他、高圧水銀灯の４３６ｎｍ、３６５ｎｍの光、低圧水銀灯の２５４ｎｍ、またはエキシマレーザーなどを光源とする１５７ｎｍ、１９３ｎｍ、２２２ｎｍの光も好適に用いられる。露光の際の光は、単色光だけではなくブロードであってもよい。また、位相シフト法による露光も適用可能である。
【００２６】
本発明のポジ型感光性組成物の現像液には、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、アンモニア水などの無機アルカリ類、エチルアミン、ｎ−プロピルアミンなどの第１級アミン類、ジエチルアミン、ジ−ｎ−プロピルアミンなどの第２級アミン類、トリエチルアミン、Ｎ，Ｎ−ジエチルメチルアミンなどの第３級アミン類、テトラメチルアンモニウムハイドロオキシド、トリメチルヒドロキシエチルアンモニウムハイドロオキシドなどの第４級アンモニウム塩、もしくはこれにアルコール、界面活性剤などを添加したものを使用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のポジ型感光性組成物は、露光部と未露光部の現像液に対する溶解速度の比は実用上の下限である１０００をはるかに超えており、超ＬＳＩその他のＩＣの製造、各種のマスク製造、画像形成、カラーフィルター製造、オフセット印刷等の各種の用途に応用することができる。
【００２８】
【実施例】
次に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳しく説明する。また、本実例及び比較例において、「重量平均分子量」は、ＧＰＣで測定した、ポリスチレン換算重量平均分子量をいう。
【００２９】
合成例１（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ポリビニルフェノールの合成）
窒素導入管、攪はん機、温度計を備えた１Ｌの４つ口フラスコにポリビニルフェノール（重量平均分子量５０００）１２４ｇとアセトン５００ｍｌとを加え、均一に溶解させたあと、触媒としてＮ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン０．２ｇを加えて、ウォーターバスで４０℃に加熱した。これに、ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−ジ−カーボネート５０ｇをゆっくり加え、４時間攪拌を続けた。反応後、４．５リットルのイオン交換水に投入して、ポリマーを回収した。このポリマーをアセトンに再び溶解させ、４．５リットルのイオン交換水に再沈させて、ポリマーを回収した。このポリマーを４リットルのイオン交換水で４回洗浄したあと、真空乾燥して、１３０ｇのｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ポリビニルフェノールを得た。
【００３０】
合成例２（ｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ビスフェノールＡの合成）
窒素導入管、攪拌機、温度計を備えた１リットルの４ツ口フラスコにテトラヒドロフラン４００ｍｌ、ビスフェノールＡ４８ｇ、４−Ｎ，Ｎ−ジメチルアミノピリジン０．１７ｇを入れて、均一に溶解させ、ウォーターバスで４０℃に加熱した。これに、ジ−ｔｅｒｔ−ブチル−ジ−カーボネート１００ｇをゆっくり加え、４時間攪拌を続けた。反応溶液を１リットルのイオン交換水に投入し、白色の固体を析出させた。この固体をイオン交換水で３回洗浄し、真空乾燥して、７０ｇのｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ビスフェノールＡを得た。
【００３１】
合成例３（Ｎ，Ｎ′−ジベンゼンスルフォニルヒドラジンの合成）
窒素導入管、攪拌機、温度計を備えた２００ｍｌの４ツ口フラスコに無水ピリジン１００ｍｌ、ベンゼンスルフォニルヒドラジドを入れて、均一に溶解させ、温度を２０℃に保った。これに、ベンゼンスルフォン酸クロライド１５．３９ｇをゆっくり加え、室温で１５時間攪拌を続けた。反応溶液を５％塩酸溶液１リットルに投入し、固体を析出させた。この固体をイオン交換水で３回洗浄し、真空乾燥して１３．９ｇのＮ，Ｎ′−ジベンゼルスルフォニルヒドラジンを得た。
【００３２】
得られた化合物をエタノールに溶解させ、厚さ１ｃｍの石英で分光光度計（Ｕ−５０００日立製作所製）で吸収スペクトルを測定した。２４８ｎｍでのモル吸光係数εは次の式、ε＝吸光度／モル濃度（モル／リットル）・セルの長さ（ｃｍ）で与えられこの式より２４８ｎｍのεを求めたところ５００となった。
合成例４（Ｎ−１−ナフチルスルフォニルＮ′−ｐ−トルエンスルフォニルヒドラジンの合成）
【００３３】
窒素導入管、攪拌機、温度計を備えた５０ｍｌの４ツ口フラスコに無水ピリジン３０ｍｌ、１−ナフチルスルフォニルヒドラジド３ｇを入れて、均一に溶解させ、温度を２０℃に保った。これに、ｐ−トルエンスルフォン酸クロライド２．５７ｇをゆっくり加え、室温で１５時間攪拌を続けた。反応溶液を５％塩酸溶液５００ｍｌに投入し、固体を析出させた。この固体をイオン交換水で３回洗浄し、真空乾燥して４．７５ｇのＮ−１−ナフチルスルフォニルＮ′−ｐ−トルエンスルフォニルヒドラジンを得た。
合成例３と同様にして、２４８ｎｍのεを求めたところ２４０００となった。
【００３４】
合成例５（Ｎ−２−メチルベンゼンスルフォニルＮ′−ベンゼンスルフォニルヒドラジンの合成）
窒素導入管、攪拌機、温度計を備えた１００ｍｌの４ツ口フラスコに無水ピリジン６０ｍｌ、２−メチルベンゼンスルフォニルヒドラジド５．７１ｇを入れて、均一に溶解させ、温度を２０℃に保った。これに、ベンゼンスルフォン酸クロライド５．４０ｇをゆっくり加え、室温で１５時間攪拌を続けた。反応溶液を５％塩酸溶液５００ｍｌに投入し、固体を析出させた。この固体をイオン交換水で３回洗浄し、真空乾燥して７．０ｇのＮ−２−メチルベンゼンスルフォニルＮ′−ベンゼンスルフォニルヒドラジンを得た。
得られた化合物の２４８ｎｍのεを求めたところ１４００となった。
【００３５】
実施例１
合成例１で合成した樹脂１．０ｇ、溶解抑制剤として、合成例２で合成したｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ビスフェノールＡ０．４３ｇ、光酸発生剤として合成例３で合成したＮ、Ｎ′−ジベンゼルスルフォニルヒドラジン０．０７ｇおよ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４．３ｇを混合し、レジスト感光液とした。この感光液をシリコン基板上にスピンコートし、ホットプレート上で１２０℃９０秒間ベークし、膜厚０．７μｍのレジスト膜とした。このシリコン基板上のレジスト膜を０．２６ｍＷ／ｃｍ^２の出力の低圧水銀灯を用い、露光秒数を変化させて露光した後、ホットプレート上で１００℃９０秒間ベークした。この後、デベロップメントレートモニター（以下ＤＲＭと略記する）で現像液としてテトラメチルアンモニウムヒドロキシド２．３８重量％水溶液を使用して、現像速度を測定した。未露光部のレジスト膜の溶解速度は０．０９ｎｍ／ｓｅｃ、飽和露光部の溶解速度は３４３ｎｍ／ｓｅｃとなりその比は３１４６となった。未露光部と飽和露光部の溶解速度の比はレジストの解像力の指標として知られており、一般的には１０００以上が必要である。
【００３６】
実施例２
合成例１で合成した樹脂１．０ｇ、溶解抑制剤として、合成例２で合成したｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ビスフェノールＡ０．４３ｇ、光酸発生剤として合成例４で合成したＮ−２メチルベンゼンスルフォニル−Ｎ′−１−ナフチルスルフォニルヒドラジン０．０７ｇおよ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４．３ｇを混合し、レジスト感光液とした。この感光液をシリコン基板上にスピンコートし、ホットプレート上で１２０℃９０秒間ベークし、膜厚０．７μｍのレジスト膜とした。このシリコン基板上のレジスト膜を０．２６ｍＷ／ｃｍ^２の出力の低圧水銀灯を用い、露光秒数を変化させて露光した後、ホットプレート上で１００℃９０秒間ベークした。この後、ＤＲＭで実施例１と同様に現像速度を測定した。未露光部のレジスト膜の溶解速度は０．０５３７ｎｍ／ｓｅｃ、飽和露光部の溶解速度は３１０ｎｍ／ｓｅｃとなりその比は５７７３となった。
【００３７】
実施例３
合成例１で合成した樹脂１．０ｇ、溶解抑制剤として、合成例２で合成したｔｅｒｔ−ブトキシカルボニルオキシ化ビスフェノールＡ０．４３ｇ、光酸発生剤として合成例５で合成したＮ−２メチルベンゼンスルフォニル−Ｎ′−ベンゼンスルホニルヒドラジン０．０７ｇおよ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４．３ｇを混合し、レジスト感光液とした。この感光液をシリコン基板上にスピンコートし、ホットプレート上で１２０℃９０秒間ベークし、膜厚０．７μｍのレジスト膜とした。このシリコン基板上のレジスト膜を０．２６ｍＷ／ｃｍ^２の出力の低圧水銀灯を用い、露光秒数を変化させて露光した後、ホットプレート上で１００℃９０秒間ベークした。この後、ＤＲＭで実施例１と同様に現像速度を測定した。未露光部のレジスト膜の溶解速度は０．０２８３ｎｍ／ｓｅｃ、飽和露光部の大きい溶解速度は６９．１ｎｍ／ｓｅｃとなりその比は２４４２となった。
【００３８】
比較例１
実施例１で使用した光酸発生剤、Ｎ，Ｎ′−ジベンゼンスルフォニルヒドラジドの代わりにトリフェニルスルフォニウム、トリフルオロメタンスルフォン酸を使用した以外他の成分は実施例１と同じ組成のレジスト感光液とし、実施例１と同様の条件で露光、ベーキングをし、現像速度を測定した。未露光部のレジスト膜の溶解速度は０．３３６ｎｍ／ｓｅｃ、飽和露光部の溶解速度は１３６ｎｍ／ｓｅｃとなりその比は４０５となった。
【００３９】
比較例２
実施例１で使用した光酸発生剤、Ｎ，Ｎ′−ジベンゼンスルフォニルヒドラジドの代わりにｐ−トルエンスルホンアミドを使用した以外他の成分は実施例１と同じ組成のレジスト感光液とし、実施例１と同様の条件で露光、ベーキングし、現像速度を測定した。
実用的な感度の上限と考えられているエネルギー１００ｍＪ露光した部分でさえレジスト膜は溶解しなかった。
【００４０】
比較例３
実施例１で使用した光酸発生剤、Ｎ，Ｎ′−ジベンゼンスルフォニルヒドラジドの代わりにｐ−トルエンスルホンアニリドを使用した以外他の成分は実施例１と同じ組成のレジスト感光液とし、実施例１と同様の条件で露光、ベーキングし現像速度を測定した。
実用的な感度の上限と考えられているエネルギー１００ｍＪ露光した部分でさえレジスト膜は溶解しなかった。

Claims

光酸発生剤、不溶化したアルカリ可溶性樹脂またはアルカリ可溶性樹脂及び溶解抑制剤ならびに有機溶剤を含有するポジ型感光性組成物において、光酸発生剤が下記一般式（１）で表される化合物であることを特徴とするポジ型感光性組成物。

（式中、Ａｒ^１及びＡｒ^２は、同一であっても異なっていてもよい芳香族基である。）
２４８ｎｍにおけるモル吸光係数（ε）が、５００〜２００，０００である光酸発生剤を用いる請求項１記載のポジ型感光性組成物。