JP3724994B2 - 化学増幅型レジスト用感光性ポリマーとこれを含む化学増幅型レジスト化合物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学増幅型レジスト用感光性ポリマーとこれを含む化学増幅型レジスト組成物に係り、特にリソグラフィー工程時の高解像度のパターンが形成できる化学増幅型レジスト用感光性ポリマーとこれを含む化学増幅型レジスト組成物に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体チップの集積度が増加するにつれてより微細なパターンが形成できるレジストが必要である。従って、既存のg-ライン(436nm)及びi-ライン(365nm)より短波長の遠紫外線(248nm)のエキシマレーザー光(KrF)を用いる必要があって、これに従って化学増幅型レジストが導入された。
【0003】
従来法では、側鎖として酸触媒下で容易に加水分解が起きるt-BOC(t−ブトキシカルボニル)基を有するベース樹脂よりなる化学増幅型レジストを使用した。しかし、このようなベース樹脂は分解温度がそのガラス転移温度より低い。従って、リソグラフィー工程時パターンのT-トッププロファイルが引き起こされるなど、環境汚染による影響をかなり受けるという問題点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来の問題点を解決するために、酸触媒下で効果的に加水分解することにより増加した極性変化を示しうる化学増幅型レジスト用感光性ポリマーを提供することである。
【0005】
本発明の他の目的は、露光前後の溶解度差が著しく高解像度のパターンを形成するのに有利で、熱的特性にも優れた化学増幅型レジスト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】
上記問題点を解決するために本発明は、レジスト組成物を構成するポリマーの側鎖にジアルキルマロネートを導入することにより、酸触媒による分解性が向上し、レジスト組成物の溶解度差を大きくしうることを見出し本発明を完成させた。
【0007】
すなわち前記目的は、本発明の
式:
【0008】
【化2】
【0009】
(式中、R1、R3及びR5は各々-H及び-CH3よりなる群から選択され、R2はt-ブチル、テトラヒドロピラニル及び1-アルコキシエチル基よりなる群から選択され、R4は-H、-CH3、t-ブチル、テトラヒドロピラニル及び1-アルコキシエチル基よりなる群から選択され、xは1〜4の整数で、l/(l+m+n)は0.1〜0.5で、m/(l+m+n)は0.01〜0.5で、(l+m)/(l+m+n)は0.1〜0.7である。)
で示される化学増幅型レジスト用感光性ポリマーにより達成される。
【0010】
さらに本発明は、5,000〜100,000の質量平均分子量を有する前記ポリマーである。
【0011】
さらに本発明は、R1、R3及びR5は各々-Hで、R2はt-ブチル基で、R4は-Hである前記ポリマーである。
【0012】
さらに本発明は、R1、R3及びR5は各々-Hで、R2及びR4は各々t-ブチル基である前記ポリマーである。
【0013】
さらに本発明は、R1、R3及びR5は各々-Hで、R2及びR4は各々1-エトキシエチル基である前記ポリマーである。
【0014】
また前記他の目的は、本発明の、前記化学増幅型レジスト用ポリマー、及び前記ポリマーの質量を基準として1〜15質量%の光酸発生剤を含むレジスト組成物により達成される。
【0015】
さらに本発明は、前記光酸発生剤はトリアリルスルホニウム塩、ジアリルヨードニウム塩、及びスルホン酸塩よりなる群から選択される何れか一つまたは二つ以上の混合物である前記レジスト組成物である。
【0016】
さらに本発明は、前記光酸発生剤はトリフェニルスルホニウムトリフレートもしくはN-ヒドロキシスクシンイミドトリフレート、またはそれらの混合物である前記レジスト組成物である。
【0017】
さらに本発明は、有機塩基をさらに含む前記レジスト組成物である。
【0018】
さらに本発明は、前記有機塩基の含量は前記ポリマーの質量を基準として0.01〜2.0質量%である前記レジスト組成物である。
【0019】
さらに本発明は、前記有機塩基はトリエチルアミン、トリイソブチルアミン、ジエタノールアミン、及びトリエタノールアミンよりなる群から選択される何れか一つまたは二つ以上の混合物である前記レジスト組成物である。
【0020】
本発明に係るレジスト組成物は、溶解抑制基であるCOOR2の作用により、露光前後の現像液に対する溶解度差が非常に大きく、レジストのコントラストに非常に優れ、分解温度が高くて熱的特性に優れる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明による感光性ポリマーを以下の式を参照して詳細に説明する。
【0022】
【化3】
【0023】
前記式中、R1、R3及びR5は各々各々-H及び-CH3が好ましく、
R2はt-ブチル、テトラヒドロピラニルまたは1-アルコキシエチル基、R4は-H、-CH3、t-ブチル、テトラヒドロピラニルまたは1-アルコキシエチル基が好ましく、その理由は酸条件下で分解が容易なためである。
【0024】
またxは1〜4の整数で、l/(l+m+n)は0.1〜0.5で、m/(l+m+n)は0.01〜0.5で、(l+m)/(l+m+n)は0.1〜0.7であることが好ましく、上記の範囲内にポリマーが構成されない場合、樹脂の接着性及び溶解度特性が劣化し、好ましくない。
【0025】
また前記ポリマーは、5,000〜100,000の質量平均分子量を有することが望ましい。前記質量平均分子量が5,000未満の場合、ガラス転移点(Tg)が下がり溶解度特性が劣化し、一方で100,000を超過する場合、樹脂の接着特性及び溶解度特性が劣化し、いずれも好ましくない。
【0026】
さらに本発明のレジスト組成物は、前記ポリマーと共に、感光性分として光酸発生剤を含有する。KrFレジストにおける光酸発生剤は、オニウム塩系PAGと同じ性質を持つ化合物が望ましく、これらは高感度用であるためである。具体的にはトリアリールスルホニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、スルホン酸塩、及びN-ヒドロキシスクシンイミド塩よりなる群から選択される何れか一つまたは二以上の混合物であることが望ましく、具体的にはトリフェニルスルホニウムトリフレート、トリフェニルスルホニウムアンチモ酸塩、ジフェニルヨードニウムトリフレート、ジフェニルヨードニウムアンチモ酸塩、メトキシジフェニルヨードニウムトリフレート、ジ-t-ブチルジフェニルヨードニウムトリフレート、2、6-ジニトロベンジルスルホン酸塩、及びピロガロールトリス(アルキルスルホン酸塩)等が望ましい。
【0027】
さらに前記レジスト組成物における前記光酸発生剤の含有量は、前記ポリマーの質量を基準として1〜15質量%であることが望ましい。前記含有量が1%未満の場合、感度が低下し、解像度が不良であり、一方で15%を超過する場合、透過度特性及び溶解度特性が劣化し、ありいずれも好ましくない。
【0028】
さらに前記レジスト組成物は、有機塩基を含有することも可能である。有機塩基の添加により露光後に起こる酸の拡散や活性を抑制することができ、レジストパターンの寸法変動を防止する効果があるためである。このような有機塩基は、具体的にトリエチルアミン、トリイソブチルアミン、ジエタノールアミン、およびトリエタノールアミンよりなる群から選択される何れか一つまたは二以上の混合物であることが望ましい。
【0029】
また前記レジスト組成物における前記有機塩基の含有量は、前記ポリマーの質量を基準として0.01〜2.0質量%であることが望ましい。前記含有量が0.01%未満の場合、フォトレジストが環境に敏感になり、例えばT−トッププロファイル減少が発生し、一方で2.0%を超過する場合、感度が低下し、解像度が劣化し、いずれも好ましくない。
【0030】
さらに、本発明による感光性ポリマー、及びレジスト組成物の製造方法を説明する。
【0031】
感光性重合体の製造方法
1.モノマーの製造
水素化ナトリウムを溶解させた溶媒(例えばテトラヒドロフランなど)に、ジアルキルマロネートをゆっくり滴下し常温で1時間反応させた後、置換化合物を0℃でゆっくり滴下し常温で12時間反応させる。その後過剰の溶媒を揮発させ、残留物を酸で中和しジエチルエーテルを用いて抽出する。その結果物を硫酸マグネシウムで乾燥し、減圧蒸留して生成物を回収する。
【0032】
2.ポリマーの製造:
上記で得られたジアルキルマロネート誘導体、アセトキシスチレン誘導体などの、目的のポリマーを構成するモノマーのそれぞれ適切な量を共にトルエンに溶解させ、窒素でパージし、70℃で24時間重合させる。結果物の10倍程度のn−ヘキサンで結果物を沈殿させ、沈殿物を50℃の真空オーブン内で24時間乾燥し生成物を回収する。
【0033】
さらにアセトキシスチレン誘導体のアセチル基を加水分解するために、前記生成物を水酸化アンモニウムとメタノールの混合溶液で4時間環流状態で反応させ、過量の水にゆっくり沈殿させ、酸で中和する。生じた沈殿をガラスフィルター等でろ過し、残留物を溶媒(例えばTHFなど)に再溶解し、適量のn−ヘキサンで再沈殿する。沈殿物を50℃の真空オーブン内で24時間乾燥し生成物を回収して目的のポリマーを得る。また、本発明による他のポリマーもこれと類似した方法を用いて製造される。
【0034】
3.レジスト組成物の調製およびこれを用いた写真蝕刻方法
上記の方法で製造したポリマーを任意の光酸発生剤と共に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)に完全に溶解させる。生じた溶液を適切なサイズのメンブレンフィルターでろ過しレジスト組成物を得る。
【0035】
前記レジスト組成物は一般の写真蝕刻工程に使用されうる。特に、露光源としてKrFエキシマレーザーを使用して0.40μm以下のデザインルールで微細パターンを形成する。
【0036】
まず、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理したシリコンウェーハ上に、前記フォトレジスト組成物を塗布して所定厚さのフォトレジスト膜を形成する。本発明に係るフォトレジスト組成物を構成する感光性重合体には水酸基が結合されているために接着力が良好である。従って、フォトレジスト膜を塗布しやすく、後続工程を経て完成されたフォトレジストパターンのリフティングも発生しない。
【0037】
次いでソフトべークを実施した後、露光源としてKrFエキシマレーザーを使用して所定のパターンが形成されたマスクを用いてフォトレジスト膜を露光させる。露光によりフォトレジスト膜内の光酸発生剤から酸が発生し、その酸が触媒作用をして感光性重合体を加水分解して多量のカルボキシ基を形成する。これにより露光部のフォトレジスト膜と非露光部のフォトレジスト膜との間に著しい極性の差が生じるることで、コントラストが著しく増加する。
【0038】
露光の完了後、短時間フォトレジスト膜を露光後焼成する。これは露光部内において酸触媒による加水分解反応をさらに活性化させ、感光性重合体の溶解抑制基(-COOR2)をカルボキシ基で加水分解させてコントラストを増加させるために実施する。
【0039】
次いで、適切な現像液を使用して現象工程を実施してフォトレジストパターンを完成する。この際、用いられる現像液は通常の工程に用いられる濃度の現像液、例えば2.38質量%のTMAHを使用する。フォトレジストパターンを形成した後、パタニングしようとする膜を蝕刻して所望のパターンを形成する。
【0040】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例に対して詳細に説明する。ただし本発明は下記実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内で当分野で通常の知識を有する者によっていろいろ変形できる。
【0041】
【実施例】
<参考例1>
ジ - t - ブチルマロニルプロピルアクリレート(DBMPA)の合成
【0042】
【化4】
【0043】
水素化ナトリウム(4.8g、0.12mol)をテトラヒドロフラン(THF)(250ml)に溶かした後、ここにジ-t-ブチルマロネート(25g、0.11mol)をゆっくり滴下して常温で1時間反応させた。その後、得られた溶液に2-ブロモエチルアクリレート(18g、0.1mol)を0℃でゆっくり滴下して常温で12時間反応させた。反応が終わった後、過剰のTHFを蒸発させ、残留物を過量の水に滴下した。その後、HClを用いて中和させ、ジエチルエーテルを用いて抽出した。得られた抽出物を硫酸マグネシウムを用いて乾燥させた後、減圧蒸留を用いて生成物を回収した(収率60%)。
【0044】
<参考例2>
ポリ(DBMPA - co - AA)の合成
【0045】
【化5】
【0046】
参考例1で合成したDBMPA(6.3g、20mmol)とアクリル酸(AA)(0.72g、10mmol)を0.4gのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)と共に無水THF(40ml)に溶かした後、窒素で1時間パージし、70℃で24時間重合させた。重合が終わった後、得られた生成物を過量のn-ヘキサン(10倍)で沈殿させた後、沈殿物をガラス充填剤を用いてろ過した。得られたろ過物をTHFに再び溶かし、n-ヘキサンで再沈殿させた。沈殿物をろ過した後、50℃に維持される真空オーブン内で24時間乾燥させて生成物を回収した(収率70%)。この際、得られた生成物の質量平均分子量は13,500で、多分散度は2.2であった。
【0047】
<参考例3>
ポリ(DBMPA - co - AST)の合成
【0048】
【化6】
【0049】
参考例1で合成したDBMPA(2.8g、9mmol)とアセトキシスチレン(AST)(4.5g、27mmol)を0.35gのアゾビスイソブチロニトリル(AIBN)と共にトルエン(35ml)に溶かした後、窒素で1時間パージし、70℃で24時間重合させた。重合が終わった後、得られた生成物を過量のn-ヘキサン(10倍)で沈殿させた後、沈殿物を50℃に維持した真空オーブン内で24時間乾燥させて生成物を回収した(収率70%)。この際、得られた生成物の質量平均分子量は12,500で、多分散度は1.87であった。
【0050】
<参考例4>
ポリ(DBMPA - co - HST)の合成
【0051】
【化7】
【0052】
参考例3で合成したポリ(DBMPA-co-AST)(10g)を水酸化アンモニウム(28%NH4OH溶液、10ml)とメタノール(50ml)の混合溶液で4時間還流状態で反応させた後、得られた結果物を過量の水にゆっくり沈殿させ、HClを用いて中和させた。沈殿物をガラス充填剤を用いてろ過した後、得られたろ過物をTHFに再び溶かし、過量のn-ヘキサンで再沈殿させた。沈殿物を50℃に維持した真空オーブン内で24時間乾燥させて生成物を回収した(収率90%)。この際、得られた生成物の質量平均分子量は11,300で、多分散度は1.86であった。
【0053】
<参考例5>
ターポリマー(DBMPA - BA - AST)の合成
参考例1で合成したDBMPA(6.3g、20mmol)とt-ブチルアクリレート(BA)(2.6g、20mmol)をアセトキシスチレン(AST)(10g、60mmol)と共にトルエン(80ml)に溶かした後、ここに0.66gのAIBNを入れて1時間窒素でパージし、70℃で24時間重合させた。重合が終わった後、得られた結果物を過量のn-ヘキサン(10倍)に沈殿させて、沈殿物を50℃に維持される真空オーブン内で24時間乾燥させて生成物を回収した(収率70%)。この際、得られた生成物の質量平均分子量は13,100で、多分散度は1.92であった。
【0054】
<実施例1>
ターポリマー(DBMPA - BA - HST)の合成
【0055】
【化8】
【0056】
参考例5で合成したターポリマーを参考例4の方法と同じ方法でアセチル基を加水分解させてターポリマーを製造した(収率91%)。この際、得られた生成物の質量平均分子量は12,200で、多分散度は1.95であった。
【0057】
<実施例2>
ターポリマー(DBMPA - BMA - HST)の合成
DBMPA(9.4g、30mmol)、t-ブチルメタクリレート(BMA)(1.4g、10mmol)及びアセトキシスチレンAST(10g、60mmol)に対して実施例2及び実施例3の方法と同じ方法で進行してターポリマーを製造した。この際、得られた生成物の質量平均分子量は12,700、多分散度は1.86、透過率(%/μm)は73%であった。
【0058】
<参考例6>
レジスト組成物(A)
参考例4で合成したポリDBMPA-co-HST(m/(m+n)は0.25、質量平均分子量は11,500)(1.0g)と光酸発生剤のトリフェニルスルホニウムトリフレート(0.03g)と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)(6.0g)に完全に溶解した。その後、得られた溶液を0.2μmメンブランフィルターを用いてろ過してレジスト組成物を得た。
【0059】
その後、このレジスト組成物をヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理したシリコンウェーハ上に約0.5μmの厚さでコーティングした。レジスト組成物がコーティングされた前記ウェーハを130℃の温度で90秒間ソフトベーキングし、開口数(NA)が0.45のKrFエクサイマーレーザーを用いて露光した後、140℃の温度で90秒間露光後焼成(PEB)を実施した。
【0060】
その後、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)溶液を用いて60秒間現像した。その結果、露光ドーズ量を約18mJ/cm2とした時、鮮明な0.30μmラインアンドスペースパターンが得られることを確認した。
【0061】
<参考例7>
レジスト組成物(B)
参考例4で合成したポリ(DBMPA-co-HST)(m/(m+n)は0.25、質量平均分子量は12,500)(1.0g)と光酸発生剤のトリフェニルスルホニウムトリフレート(0.03g)をPGMEA(6.0g)に溶解し、ここに有機塩基のトリエタノールアミン(3mg)を添加して完全に溶解した。その後、得られた溶液を0.2μmメンブランフィルターを用いてろ過してレジスト組成物を得た。
【0062】
その後、このレジスト組成物をヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理したシリコンウェーハ上に約0.5μmの厚さでコーティングした。レジスト組成物がコーティングされた前記ウェーハを130℃の温度で90秒間ソフトベーキングし、開口数(NA)が0.45のKrFエクサイマーレーザーを用いて露光した後、140℃の温度で90秒間PEBを実施した。
【0063】
その後、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)溶液を用いて60秒間現像した。その結果、露光ドーズ量を約26mJ/cm2とした時、鮮明な0.30μmラインアンドスペースパターンが得られることを確認した。
【0064】
<実施例3>
レジスト組成物(C)
実施例1で合成したポリ(DBMPA-BA-HST)(l/(l+m+n)は0.2、m/(l+m+n)は0.2、質量平均分子量は12、500)(1.0g)と光酸発生剤のトリフェニルスルホニウムトリフレート(0.03g)をPGMEA(6.0g)に溶解し、ここに有機塩基のトリエタノールアミン(3mg)を添加して完全に溶解した。その後、得られた溶液を0.2μmメンブランフィルターを用いてろ過してレジスト組成物を得た。
【0065】
その後、このレジスト組成物をヘキサメチルジシラザン(HMDS)で処理したシリコンウェーハ上に約0.5μmの厚さでコーティングした。レジスト組成物がコーティングされた前記ウェーハを130℃の温度で90秒間ソフトベーキングし、開口数(NA)が0.45のKrFエクサイマーレーザーを用いて露光した後、140℃の温度で90秒間PEBを実施した。
【0066】
その後、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)溶液を用いて60秒間現像した。その結果、露光ドーズ量を約30mJ/cm2とした時、鮮明な0.40μmラインアンドスペースパターンが得られることを確認した。
【0067】
<実施例4>
レジスト組成物(D)
実施例2で合成したポリ(DBMPA-BA-HST)(DBMPA:BMA:HSTは30:10:60、質量平均分子量は12,700)(1.0g)と光酸発生剤のトリフェニルスルホニウムトリフレート(0.03g)をPGMEA(6.0g)に溶解し、ここに有機塩基のトリエタノールアミン(3mg)を添加して完全に溶解した。その後、得られた溶液を0.2μmメンブランフィルターを用いてろ過してレジスト組成物を得た。
【0068】
その後、このレジスト組成物をヘキサメチルジシラザンHMDSで処理したシリコンウェーハ上に約0.5μmの厚さでコーティングした。レジスト組成物がコーティングされた前記ウェーハを130℃の温度で90秒間ソフトベーキングし、開口数(NA)が0.45のKrFエクサイマーレーザーを用いて露光した後、140℃の温度で90秒間PEBを実施した。
【0069】
その後、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)溶液を用いて60秒間現像した。その結果、露光ドーズ量を約33mJ/cm2とした時、鮮明な0.40μmラインアンドスペースパターンが得られることを確認した。
【0070】
【発明の効果】
本発明に係るレジスト組成物を構成するベース樹脂はその側鎖としてジアルキルマロネートを含んでいるので、光酸発生剤存在下で光により発生された酸によってマロン酸に加水分解されてポリマーの全体的な溶解度を増加させる。従って、本発明に係るレジスト組成物は、加水分解されると露光前後の現像液に対する溶解度差が著しくてレジストのコントラストに非常に優れ、分解温度が高くて熱的特性に優れる。
Claims (11)
- 5,000〜100,000の質量平均分子量を有する請求項1に記載のポリマー。
- R1、R3及びR5は各々-Hで、R2はt-ブチル基で、R4は-Hである請求項1または2に記載のポリマー。
- R1、R3及びR5は各々-Hで、R2及びR4は各々t-ブチル基である請求項1または2に記載のポリマー。
- R1、R3及びR5は各々-Hで、R2及びR4は各々1-エトキシエチル基である請求項1または2に記載のポリマー。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の化学増幅型レジスト用感光性ポリマー、及び
前記感光性ポリマーの質量を基準として1〜15質量%の光酸発生剤を含む化学増幅型レジスト組成物。 - 前記光酸発生剤はトリアリルスルホニウム塩、ジアリルヨードニウム塩、スルホン酸塩、及びN-ヒドロキシスクシンイミド塩よりなる群から選択される何れか一つまたは二つ以上の混合物である請求項6に記載のレジスト組成物。
- 前記光酸発生剤はトリフェニルスルホニウムトリフレート、もしくはN-ヒドロキシスクシンイミドトリフレートまたはこれらの混合物である請求項7に記載のレジスト組成物。
- 有機塩基をさらに含む請求項6〜8のいずれか一項に記載のレジスト組成物。
- 前記有機塩基の含量が前記ポリマーの質量を基準として0.01〜2.0質量%である請求項9に記載のレジスト組成物。
- 前記有機塩基はトリエチルアミン、トリイソブチルアミン、ジエタノールアミン、及びトリエタノールアミンよりなる群から選択される何れか一つまたは二つ以上の混合物である請求項9または10に記載のレジスト組成物。
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