JP3829914B2

JP3829914B2 - Antireflection film material and pattern forming method

Info

Publication number: JP3829914B2
Application number: JP2000311396A
Authority: JP
Inventors: 畠山　　潤; 裕次原田; 淳渡辺
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: JP2001194798A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にフォトレジストを用いたフォトリソグラフィーにおいて、凹凸のある基盤上にも高精度の微細加工を可能にする光反射防止膜材料及びこれを用いてレジストパターンを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、ＬＳＩの高集積化と高速度化に伴い、パターンルールの微細化が求められている中、現在汎用技術として用いられている光露光では、光源の波長に由来する本質的な解像度の限界に近づきつつある。
【０００３】
レジストパターン形成の際に使用する露光光として、水銀灯のｇ線（４３６ｎｍ）もしくはｉ線（３６５ｎｍ）を光源とする光露光が広く用いられており、更なる微細化のための手段として、露光光を短波長化する方法が有効とされてきた。このため、６４Ｍビット（加工寸法が０．２５μｍ以下）ＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリー）の量産プロセスには、露光光源としてｉ線（３６５ｎｍ）に代わって短波長のＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ）が利用されるようになった。しかし、更に微細な加工技術（加工寸法が０．２μｍ以下）を必要とする集積度２５６Ｍ及び１Ｇ以上のＤＲＡＭの製造には、より短波長の光源が必要とされ、特にＡｒＦエキシマレーザー（１９３ｎｍ）を用いたフォトリソグラフィーが検討されてきている。
【０００４】
ＫｒＦリソグラフィーの初期の段階において、色消しレンズ、あるいは反射光学系などと、ブロードバンド光との組み合わせのステッパーが開発された。しかしながら、色消しレンズあるいは非球面の反射光学系の精度が十分でなかったことから、単色光と屈折光学系レンズの組み合わせが主流になった。ここで、半−波長露光において、入射する光と、基盤からの反射光とが干渉し、定在波を発生することは古くからよく知られた現象である。定在波は、パターンの線幅などの寸法変動や、形状の崩れなどを引き起こした。
【０００５】
一方、コヒーレントな単色光の使用は、短波長化と共に定在波やハレーションを更に増幅させた。
【０００６】
従来、定在波を抑える方法として、レジスト材料に吸光剤を入れる方法、レジスト層上面（ＡＲＣＯＲ法、特開昭６２−６２５２０号、特開昭６２−６２５２１号、特開昭６０−３８８２１号公報）や基盤面に反射防止膜を敷く方法（ＢＡＲＣ法、特開昭６２−１５９１４３号公報）が提案された。ＡＲＣＯＲ法はレジスト層上部に透明な反射防止膜を形成し、露光後剥離する工程を含む方法であり、その簡便な方法で微細かつ高精度及び合わせ精度の高いパターンを形成する方法である。反射防止膜として低屈折率材料のパーフルオロアルキル化合物（パーフルオロアルキルポリエーテル、パーフルオロアルキルアミン）を用いると、レジスト−反射防止膜界面の反射光が大幅に低減し、寸法精度が向上する。
【０００７】
しかし、上記パーフルオロアルキル化合物は、有機物との相溶性が低いことから、塗布膜厚を制御するための希釈液にはフロンなどが用いられているが、周知の通りフロンは現在環境保全の観点からその使用が問題となっている。また、上記化合物は均一な成膜性に問題があり、反射防止膜としては十分であるとはいえなかった。また、フォトレジスト層の現像前に、反射防止膜をフロンで剥離しなければならなかった。そのため、従来装置に反射防止膜剥離用のシステムの増設をしなければならず、フロン系溶剤のコストがかなりかさむなどと実用面でのデメリットが大きかった。
【０００８】
従来装置に増設なしで反射防止膜の剥離を行おうとすると、現像ユニットを使って剥離を行うのが最も望ましい。フォトレジストの現像ユニットで用いられる溶液は、現像液であるアルカリ水溶液と、リンス液である純水であるので、これらの溶液で容易に剥離できる反射防止膜材料が望ましいといえる。そのため、数多くの水溶性の反射防止膜材料及びこれらを用いるパターン形成方法が提案された。例えば特開平６−２７３９２６、６−２８９６２０、７−１６０００２、７−１８１６８４、７−２３４５１４、７−２９５２１０、７−３３３８５５、８−４４０６６、８−９５２５３、８−１７９５０９、８−２９２５６２、８−３２０５６９、９−５０１２９、９−９０６１５、９−２３６９１５、９−２５８４５２、９−２５８４５３、９−２９１２２８、９−３２５５００、１０−３００１、１０−１７６２３、１０−６９０９１、１１−１２４５３１号公報、特許第２６４３０５６、２８７８１５０、２８０３５４９号公報が例示される。
【０００９】
ここで、定在波を０にするための上層反射防止膜の屈折率は、レジスト層の屈折率の平方根が理想的である。ＫｒＦで用いられているポリヒドロキシスチレン系のレジスト層の屈折率は１．８であるため、理想値が１．３４である。ＡｒＦに用いられている脂環族系レジスト層は、芳香環がなくなるため、一般的に芳香族系ポリマーに比べて屈折率が低下する。例えば、ポリアクリレートでは１．６となり、理想値が１．２７にまで低下する。このような低い屈折率を持つ材料は、テフロン系の材料に限定されるが、上層反射防止膜はアルカリ現像時に剥離が可能な方がプロセス的に有利であるため、前述の通り、水溶性材料であることが必要となる。しかし、非常に疎水性の高いパーフルオロ系材料を水溶性にするために、親水性置換基を導入すると、屈折率が増加し、従来のものでは、ＫｒＦでは１．４２前後、ＡｒＦにおいては１．５前後の値が限界であった。従って、ＫｒＦリソグラフィーで、０．２０μｍ以下のパターニングでは、吸光剤と上層反射防止膜の組み合わせだけでは定在波の影響を抑えて寸法を制御することができなくなってきている。ＡｒＦリソグラフィーにおいては、前記理由により、現状では、上層反射防止膜の効果は殆ど期待できず、ＫｒＦにおいても今後更なる線幅の縮小により線幅の管理が厳しくなってくると、更なる屈折率の低下が必要になってくると考えられる。
【００１０】
レジスト上層の反射防止膜に対して、下層に設ける反射防止膜は、高い反射防止効果を得ることができる。下地の反射防止膜は、その下がｐ−ＳｉやＡｌなどの高反射基盤の場合では、最適な屈折率（ｎ値）、吸光係数（ｋ値）の材料を適切な膜厚に設定することによって、基盤からの反射を１％以下に低減でき、極めて大きな効果を発揮することができる。例えば、レジスト層の屈折率が１．８として、露光波長２４８ｎｍ、ｎ１．５、ｋ０．５５、膜厚５５ｎｍに設定すると、反射率を０．５％以下にできる。しかしながら、下地に段差がある場合は、段差上で反射防止膜の膜厚が大きく変動する。下地の反射防止効果は、光の吸収だけでなく、干渉効果も利用しているため、干渉効果が強い５０〜６０ｎｍの第一底辺はそれだけ反射防止効果も高いが、膜厚の変動によって大きく反射率が変動する。反射防止膜材料に用いるベースポリマーの分子量を上げて段差上での膜厚変動を抑えたコンフォーマル性を高めた材料も提案されている（特開平１０−６９０７２号公報）が、ベースポリマーの分子量が高くなると、スピンコート後のピンホールが発生し易くなる問題や、濾過できなくなるといった問題が生じ、また、コンフォーマル性が発揮できるのは比較的高さの低い段差に限定されるといったこともあり、万能ではない。
【００１１】
そこで、反射防止膜の膜厚を上げて、膜厚変動による反射率の変動が比較的小さい膜厚（８０ｎｍ以上）を採用する方法が一般的に採られる。また、反射防止膜の下地がシリコン酸化膜や窒化膜などの透明膜で、更にその透明膜の下に段差がある場合、透明膜の表面がＣＭＰなどで平坦化されていたとしても、反射が高くなる部分が出現する。この場合も、反射率を安定化するために、前述と同様反射防止膜の膜厚を８０ｎｍ以上の厚膜にする必要がある。しかしながら、下地の反射防止膜を８０ｎｍ以上に設定すると、反射率が上昇し、最大４％の反射が起きる。０．２０μｍ以下の超微細加工の寸法制御においては反射率を少なくとも２％以下にしなければならず、下地の反射防止膜だけでは限界が生じている。しかしながら、上層の反射防止膜との併用で更に低減できると考えられ、上層反射防止膜の屈折率の更なる低下が要求されているのである。
【００１２】
更に、上層反射防止膜は、本来の反射防止膜としての機能だけでなく、露光後の環境遮断膜としての機能、あるいは現像液との親和性を上げることによって現像欠陥を防止するといった機能も有しており、今後ますます重要な材料になってくると思われる。
【００１３】
ＡｒＦ用の反射防止膜としては、前述の屈折率の問題だけでなく、透過率の問題がある。本発明者らが種々検討した結果、ＫｒＦ用に開発された反射防止膜の殆どがＡｒＦ光に対して強い吸収があることがわかった。
【００１４】
上層反射防止膜に強い吸収があれば、下層レジストに光が到達しないため、感度が低下するという問題が生じる。フェニル基などの芳香族や、ビニル基などの不飽和炭化水素基がＡｒＦ光に対して強い吸収を持つことは知られているが、カルボン酸アミドなども強い吸収を持つ。このため、親水性置換基としてカルボン酸のアミン塩や、カルボン酸アミドを含むフッ素系界面活性剤あるいはフッ素系ポリマーを添加し屈折率を下げているもの、あるいはポリビニルピロリドンをバインダーポリマーとして使っているものはＡｒＦには使えないことを知見した。
【００１５】
また、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドや、アルコール、アミンなどを親水性基として使うことも考えられるが、アミンはレジストから発生した酸と中和して、Ｔ−トッププロファイルになり、他のものはレジストと混合してミキシングを起してしまった。
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、微細で寸法精度及び合わせ精度が高く、簡便でかつ環境問題もなく、生産性が高く、再現性よくレジストパターンを形成するための光反射防止膜材料及びこれを用いたレジストパターンの形成方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、側鎖にスルホニル基を持つパーフルオロカーボンポリマー、特に下記一般式（２）で示される繰り返し単位を有するポリマーを光反射防止膜として使用することにより、入射光の損失なしにレジスト層表面での反射光を低減し、かつレジスト層での光多重反射干渉によるパターン寸法精度の低下を防止し得、しかも、水、あるいはアルカリ現像液で剥離も簡便に行うことができることを知見した。また、本発明者らの検討によると、スルホンアミド、スルホン酸のアミン塩はＡｒＦ光に吸収を持たず、特に本発明における、側鎖に親水性基を持つパーフルオロスルホン酸型の反射防止膜材料は、基本的に他の水溶性のバインダーポリマーを必要としないため、フッ素含有量が高く、屈折率が低く、ＡｒＦにおいても透明性が高いことを見出し、本発明をなすに至った。
【００１８】
即ち、本発明は、半導体素子などの製造工程における微細加工に用いられる反射防止膜材料のベース樹脂として好適な、側鎖にスルホニル基を持つ水溶性ポリパーフルオロアルキル材料を含む水溶性反射防止膜材料、及び遠紫外線、ＫｒＦエキシマレーザー光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザー光（１９３ｎｍ）などの高エネルギー線を露光光源として用いる際に好適なパターン形成方法に関するもので、
（Ｉ）重量平均分子量が１，０００〜１，０００，０００で、下記一般式（２）で示される繰り返し単位を有する、側鎖にスルホニル基を持つパーフルオロカーボンポリマーを含むことを特徴とする水溶性反射防止膜材料、
【化２】

（式中、ｅ，ｆは繰り返し単位数の比を示し、０≦ｅ＜１００、ｆ＝１であり、Ｘ⁺はＨ⁺又はＭＨ⁺で、Ｍはアミン化合物を示す。）
（ＩＩ）更に、上記請求項１記載のポリマー以外の成膜性を向上させるための水溶性ポリマー、界面活性剤、消泡剤を含む請求項１記載の水溶性反射防止膜材料、
（ＩＩＩ）ＫｒＦ又はＡｒＦリソグラフィー用である上記（Ｉ）又は（ＩＩ）記載の水溶性反射防止膜材料、
（ＩＶ）フォトレジスト層の上層として上記（Ｉ）、（ＩＩ）又は（ＩＩＩ）記載の光反射防止膜材料からなる光反射防止層を形成し、この光反射防止層を介して上記レジスト層を露光した後に上記光反射防止層を除去することを特徴とするパターン形成方法、
（Ｖ）レジスト層の露光後、アルカリ水溶液によるレジスト層の現像と同時に光反射防止層を除去する上記（ＩＶ）記載のパターン形成方法
を提供する。
【００１９】
以下、本発明につき更に詳しく説明する。
本発明の水溶性反射防止膜材料は、側鎖にスルホニル基を持つパーフルオロカーボンポリマーを主成分とするものである。
【００２０】
このポリマーとしては、特に下記一般式（２）で示される繰り返し単位を有するポリマーが好ましい。
【００２１】
【化３】

（式中、ｅ，ｆは繰り返し単位数の比を示し、０≦ｅ＜１００、ｆ＝１であり、Ｘ⁺はＨ⁺又はＭＨ⁺で、Ｍはアミン化合物を示す。）
【００２２】
ここで、Ｍのアミン成分としては、水溶性有機アミノ化合物が望ましく、例えば、アンモニア、トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン、ピリジン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、コリン、２，２’，２’’−ニトロトリエタノール、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、１，４−ジアザビシクロ［２．２．０］オクタン（ＤＡＢＣＯ）、１，５−ジアザビシクロ［４．３．０］ノネン−５（ＤＢＮ）、１，８−ジアザビシクロ［５．４．０］ウンデセン−７（ＤＢＵ）、１−デオキシ−１−（２−ヒドロキシエチルアミノ）−Ｄ−グルシトール、１−デオキシ−１−（メチルアミノ）−Ｄ−ガラクチトールなどが例示される。この水溶性有機アミノ化合物は、一般式（２）で示される化合物のスルホン酸基１モルに対して０．０１〜１０モル添加することが望ましい。
【００２４】
一方、式（２）において、ｆ＝１であり、ｅは、０≦ｅ＜１００であり、好ましくは０≦ｅ＜５０、更に好ましくは０≦ｅ＜３０である。
【００２５】
上記式（２）のポリマーの重量平均分子量は、１，０００〜１，０００，０００、特に２，０００〜１００，０００であることが好ましい。
【００２６】
本発明の反射防止膜材料は、ポリマー成分として上記パーフルオロカーボンポリマーのみを使用することもできるが、成膜性を向上させるために各種の水溶性ポリマー、例えばポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、アミロース、デキストラン、セルロース、プルランなどを上記パーフルオロカーボンポリマー１００重量部に対して０〜３００重量部添加することは任意である。
【００２７】
本発明の反射防止膜材料には、塗布性を向上させるために慣用されている界面活性剤を添加することができる。なお、その添加量は、本発明の効果を妨げない範囲で通常量とすることができる。
【００２８】
ここで、界面活性剤としては、パーフルオロアルキルポリオキシエチレンエタノール、フッ素化アルキルエステル、パーフルオロアルキルアミンオキサイド、含フッ素オルガノシロキサン系化合物等が挙げられる。例えばフロラード「ＦＣ−４３０」、「ＦＣ−４３１」（いずれも住友スリーエム（株）製）、サーフロン「Ｓ−１４１」、「Ｓ−１４５」、「Ｓ−３８１」、「Ｓ−３８３」（いずれも旭硝子（株）製）、ユニダイン「ＤＳ−４０１」、「ＤＳ−４０３」、「ＤＳ−４５１」（いずれもダイキン工業（株）製）、メガファック「Ｆ−８１５１」、「Ｆ−１７１」、「Ｆ−１７２」、「Ｆ−１７３」、「Ｆ−１７７」（いずれも大日本インキ工業（株）製）、「Ｘ−７０−０９２」、「Ｘ−７０−０９３」（いずれも信越化学工業（株）製）等を挙げることができる。好ましくは、フロラード「ＦＣ−４３０」（住友スリーエム（株）製）、「Ｘ−７０−０９３」（信越化学工業（株）製）が挙げられる。
【００２９】
また、水溶性反射防止膜材料は、泡を発生し易く、マイクロバブルと呼ばれるミクロン単位の微細な泡がパタ−ン欠陥を発生させるといわれている。マイクロバブルを低減させるためには、消泡剤を添加する方法が一般的である。水溶液用の消泡剤としては、大豆油、コーン油、オリーブ油、アマニ油、ヒマシ油、ラード油などの天然油脂類、アミルアルコール、オクチルアルコールなどの長鎖アルコール類、シリコーン樹脂類などが一般的に知られているが、これらのものは、水和性が低い、あるいは全く水和しない材料である。前記材料は、消泡性に優れるが、水溶性材料に添加して、スピンコーティングで成膜するときに、塗りムラが生じ、均一に成膜できない。スピンコーティングにより均一に成膜するためには、水和性が高い消泡剤が必要である。本発明において、水和性の高い消泡剤として、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、ｎ−ヘキシルアルコール、エチレングリコールなどのアルコール類、又は下記一般式（３）、（４）で示されるアセチレン系消泡剤を効果量用いることができる。
【００３０】
【化４】

【００３１】
ここで、Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³，Ｒ⁴，Ｒ⁷，Ｒ⁸はそれぞれ同一又は異種の水素原子あるいは炭素数１〜２０のアルキル基、Ｒ⁵，Ｒ⁶，Ｒ¹⁰は炭素数１〜１０のアルキレン基、ｍ，ｎ，ｏは０〜２０の整数である。
【００３２】
本発明の光反射防止膜材料を用いてレジストパターンを形成するためには、公知の方法を採用し得、例えば図１に示すリソグラフィー工程により行うことができる。まず、基盤１上層上にスピンコート等の方法でフォトレジスト層２を形成し（Ａ）、場合によってはプリベークを行い、このフォトレジスト層２の上に本発明の光反射防止膜材料をスピンコート等の方法で塗布して、場合によっては更にプリベークを行い、光反射防止層３を形成する（Ｂ）。光反射防止層３に波長１８０〜５００ｎｍの紫外線４を縮小投影露光法によりパターン形状に露光し、即ち図１（Ｃ）においてＡ部分を露光し、次いで光反射防止層３を除去し、現像液を用いて現像する方法によりレジストパターン５を形成することができる（Ｄ）。露光後、場合によってはポストエクスポジュアーベーク（ＰＥＢ）を行ってもよいが、レジスト層が化学増幅型レジスト層である場合は、ＰＥＢ工程が必須となる。この場合、光反射防止層を除去後、ＰＥＢを行ってもよく、ＰＥＢ後、光反射防止層を除去してもよい。
【００３３】
なお、光反射防止膜材料の希釈液としては、純水を使うことができる。更に、光反射防止層の除去は、通常のフォトレジスト現像ユニットの利用が可能であり、純水でリンスすることができるし、ＰＥＢ後の剥離であれば現像と同時に剥離することができる。
【００３４】
ここで、本発明の光反射防止膜の光低減効果について図２，３を参照して説明すると、図２に示すように、基盤１にレジスト層２を形成しただけでは、入射光Ｉ₀が空気−レジスト界面でかなりの反射Ｉｒ₁が起こり、入射光量が損失すると共に、レジスト層２内に入った光がレジスト層−基盤界面で反射Ｉｒ₂し、この反射光Ｉｒ₂がレジスト層−空気界面で再度反射Ｉｒ₃することが繰り返されるため、レジスト層で光多重反射干渉が生じる。
【００３５】
これに対して、図３に示すように、レジスト層２上に本発明の光反射防止層３を形成することにより、入射光Ｉ₀の空気−光反射防止膜界面での反射Ｉｒ₄、光反射防止膜−レジスト層界面での反射Ｉｒ₅を低減し得るので入射光量の損失が減少し、またＩｒ₆とＩｒ₇は光の位相が逆になるように光反射防止層３の膜厚が設定されているので、互いに弱め合い、レジスト層２内での光多重干渉が抑制される。
【００３６】
反射防止の原理から、レジストの露光光に対する屈折率をｎ、露光光の波長をλとすると、光反射防止膜の屈折率ｎ’を√ｎ、その膜厚をλ／４ｎ’の奇数倍に近づけるほど、反射率が低減し、定在波の影響を低減できる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
［実施例］
下記ポリマー３の１ｇを純水４０ｇに十分溶解し、０．１μｍサイズのフィルターで濾過して反射防止膜溶液（サンプル３）を作成した。
【００３８】
【化５】

【００３９】
次に、上記反射防止膜溶液を８インチシリコンウェハー上にディスペンスし、はじめに３００ｒｐｍで３秒間、その後４，０００ｒｐｍで２０秒間ウェハーを回転させ、膜厚４６ｎｍの反射防止膜を形成し、分光エリプソメトリで膜厚と屈折率、分光光度計で透過率を測定した。結果を表１に示す。この結果より、ＫｒＦだけでなく、ＡｒＦにおいても高い透過率と、低い屈折率が確認できた。
【００４０】
【表１】

【００４１】
次いで、ＫｒＦリソグラフィー用フォトレジストＳＥＰＲ４０１（信越化学工業（株）製、膜透過率３０％／μｍ）を、８インチのＳｉ基盤上に回転数を変えながらスピンコートし、温度１００℃、時間９０秒の条件でプリベークした。その上にサンプル３の反射防止膜溶液をディスペンスし、はじめに３００ｒｐｍで３秒間、その後４，０００ｒｐｍで２０秒間ウェハーを回転させ、反射防止膜を形成した。
【００４２】
ＫｒＦエキエシマレーザーステッパーでラインとスペース幅がそれぞれ０．２０μｍになるパターンを露光し、その後温度１１０℃、時間９０秒でポストエクスポジュアーベークし、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド２．３８重量％の現像液で温度２３℃、時間６０秒で静止パドル現像を行い、純水リンスを行った。結果を図４に示す。図４の結果より、本発明の反射防止膜材料を使うことにより、定在波による線幅の振幅を抑えることが可能であることが確認できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の光反射防止膜材料は、微細で寸法精度及び合わせ精度が高く、再現性よくレジストパターンを形成し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】光反射防止膜を利用したリソグラフィー工程の一説明図である。
【図２】光反射防止膜を用いない場合の入射光の反射状態の説明図である。
【図３】光反射防止膜を用いた場合の入射光の反射状態の説明図である。
【図４】光反射防止膜を用いた場合と用いない場合におけるレジスト層膜厚とレジスト線幅との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１基盤
２フォトレジスト層
３光反射防止層
４紫外線
５レジストパターン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an antireflection film material that enables high-precision fine processing even on an uneven substrate, and a method of forming a resist pattern using the same, particularly in photolithography using a photoresist.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
In recent years, with the higher integration and higher speed of LSIs, there has been a demand for finer pattern rules. In the light exposure currently used as a general-purpose technology, the intrinsic resolution limit derived from the wavelength of the light source. Is approaching.
[0003]
As exposure light used for forming a resist pattern, light exposure using a g-ray (436 nm) or i-line (365 nm) of a mercury lamp as a light source is widely used. As a means for further miniaturization, exposure light is used. The method of shortening the wavelength has been considered effective. For this reason, in the mass production process of DRAM (Dynamic Random Access Memory) 64Mbit (process size is 0.25μm or less), KrF excimer laser (248nm) with short wavelength instead of i line (365nm) as exposure light source Has been used. However, in order to manufacture DRAMs having a degree of integration of 256M and 1G or more, which requires finer processing technology (processing dimension is 0.2 μm or less), a light source with a shorter wavelength is required, particularly an ArF excimer laser (193 nm). Photolithography using a substrate has been studied.
[0004]
In the early stages of KrF lithography, steppers were developed that combine achromatic lenses or reflective optics with broadband light. However, since the accuracy of the achromatic lens or the aspherical reflecting optical system is not sufficient, a combination of monochromatic light and a refractive optical system lens has become mainstream. Here, in half-wavelength exposure, incident light and reflected light from the substrate interfere with each other to generate a standing wave, which is a well-known phenomenon for a long time. The standing wave caused dimensional fluctuations such as pattern line width and shape collapse.
[0005]
On the other hand, the use of coherent monochromatic light further amplified standing waves and halation as the wavelength was shortened.
[0006]
Conventionally, as a method for suppressing standing waves, a method of adding a light absorber to a resist material, an upper surface of a resist layer (ARCOR method, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-62520, 62-62521, and 60-38821) ) And a method of laying an antireflection film on the substrate surface (BARC method, Japanese Patent Laid-Open No. 62-159143) has been proposed. The ARCOR method is a method including a step of forming a transparent antireflection film on the resist layer and peeling it off after exposure, and is a method of forming a fine pattern with high accuracy and high alignment accuracy by the simple method. When a perfluoroalkyl compound (perfluoroalkyl polyether, perfluoroalkylamine), which is a low refractive index material, is used as the antireflection film, the reflected light at the resist-antireflection film interface is greatly reduced and the dimensional accuracy is improved.
[0007]
However, since the perfluoroalkyl compound has low compatibility with organic substances, chlorofluorocarbon is used as a diluent for controlling the coating film thickness. Therefore, its use has become a problem. Moreover, the said compound had a problem in uniform film formability, and it could not be said that it was enough as an antireflection film. In addition, before development of the photoresist layer, the antireflection film had to be peeled off with chlorofluorocarbon. For this reason, a system for removing the antireflection film had to be added to the conventional apparatus, and the cost of the fluorocarbon solvent was considerably increased.
[0008]
When the antireflection film is peeled off without adding to the conventional apparatus, it is most desirable to peel off using the developing unit. Since the solution used in the photoresist developing unit is an alkaline aqueous solution as a developer and pure water as a rinse solution, it can be said that an antireflection film material that can be easily peeled off with these solutions is desirable. Therefore, many water-soluble antireflection film materials and pattern forming methods using these have been proposed. For example, JP-A-6-273926, 6-289620, 7-160002, 7-181684, 7-234514, 7-295210, 7-333855, 8-44066, 8-95253, 8-179509, 8-292562, 8-32069 9-50129, 9-90615, 9-236915, 9-258452, 9-258453, 9-291228, 9-325500, 10-3001, 10-17623, 10-69091, 11-124531, JP 2643056 , 2878150, 2803549.
[0009]
Here, the refractive index of the upper antireflection film for setting the standing wave to 0 is ideally the square root of the refractive index of the resist layer. Since the refractive index of the polyhydroxystyrene resist layer used in KrF is 1.8, the ideal value is 1.34. Since the alicyclic resist layer used for ArF has no aromatic ring, the refractive index is generally lower than that of an aromatic polymer. For example, polyacrylate is 1.6, and the ideal value is reduced to 1.27. Such a material having a low refractive index is limited to a Teflon-based material, but it is advantageous in terms of process that the upper antireflection film can be peeled off during alkali development. It is necessary to be. However, when a hydrophilic substituent is introduced to make a highly hydrophobic perfluoro-based material water-soluble, the refractive index increases. In the conventional material, KrF is around 1.42 and ArF is 1 The value around .5 was the limit. Therefore, in KrF lithography, when the patterning is 0.20 μm or less, it is impossible to control the size by suppressing the influence of the standing wave only by the combination of the light absorber and the upper antireflection film. In ArF lithography, for the reasons described above, the effect of the upper antireflection film can hardly be expected at present, and in KrF, if the line width management becomes stricter due to further reduction of the line width, further refractive index will increase. It is thought that a decrease in the amount will be necessary.
[0010]
The antireflection film provided in the lower layer can obtain a high antireflection effect with respect to the antireflection film on the resist upper layer. When the underlying antireflection film is a highly reflective substrate such as p-Si or Al, the material of optimum refractive index (n value) and extinction coefficient (k value) should be set to an appropriate film thickness. Therefore, reflection from the substrate can be reduced to 1% or less, and a very large effect can be exhibited. For example, when the refractive index of the resist layer is 1.8 and the exposure wavelengths are set to 248 nm, n1.5, k0.55, and film thickness 55 nm, the reflectance can be reduced to 0.5% or less. However, when there is a step on the base, the thickness of the antireflection film varies greatly on the step. Since the antireflection effect of the base uses not only the light absorption but also the interference effect, the first base of 50 to 60 nm where the interference effect is strong also has a high antireflection effect. The rate fluctuates. There has also been proposed a material having an improved conformal property in which the molecular weight of the base polymer used for the antireflection film material is increased to suppress the film thickness fluctuation on the step (Japanese Patent Laid-Open No. 10-69072). When the height is high, there are problems that pinholes are likely to occur after spin coating, and that filtration is impossible, and that conformal properties can be exhibited only at relatively low steps. Yes, not universal.
[0011]
Therefore, a method is generally employed in which the film thickness of the antireflection film is increased and a film thickness (80 nm or more) in which the reflectance variation due to the film thickness variation is relatively small is employed. In addition, when the base of the antireflection film is a transparent film such as a silicon oxide film or a nitride film, and there is a step under the transparent film, even if the surface of the transparent film is flattened by CMP or the like, the reflection does not occur. The part which becomes high appears. Also in this case, in order to stabilize the reflectance, it is necessary to make the film thickness of the antireflection film 80 nm or more as described above. However, if the base antireflection film is set to 80 nm or more, the reflectance increases, and a maximum of 4% reflection occurs. In dimensional control of ultrafine processing of 0.20 μm or less, the reflectance must be at least 2% or less, and there is a limit only with the base antireflection film. However, it can be further reduced by the combined use with the upper antireflection film, and further reduction in the refractive index of the upper antireflection film is required.
[0012]
Furthermore, the upper antireflection film has not only a function as an original antireflection film, but also a function as an environment blocking film after exposure or a function of preventing development defects by increasing the affinity with a developer. Therefore, it will become an increasingly important material in the future.
[0013]
The antireflection film for ArF has a problem of transmittance as well as the above-described problem of refractive index. As a result of various studies by the present inventors, it has been found that most of the antireflection films developed for KrF have strong absorption against ArF light.
[0014]
If the upper layer antireflection film has strong absorption, light does not reach the lower layer resist, resulting in a problem that sensitivity is lowered. It is known that aromatic groups such as phenyl groups and unsaturated hydrocarbon groups such as vinyl groups have strong absorption against ArF light, but carboxylic acid amides also have strong absorption. For this reason, amines of carboxylic acids as hydrophilic substituents, fluorine surfactants or fluorinated polymers containing carboxylic acid amides are added to lower the refractive index, or polyvinyl pyrrolidone is used as the binder polymer. It was found that things cannot be used for ArF.
[0015]
It is also possible to use ethylene oxide, propylene oxide, alcohol, amine, etc. as the hydrophilic group, but the amine is neutralized with the acid generated from the resist to form a T-top profile, and the others are resists. Mixing with it caused mixing.
[0016]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an antireflection film material for forming a resist pattern that is fine, has high dimensional accuracy and alignment accuracy, is simple, has no environmental problems, has high productivity, and has high reproducibility. Another object of the present invention is to provide a resist pattern forming method using the same.
[0017]
Means for Solving the Problem and Embodiment of the Invention
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found that a perfluorocarbon polymer having a sulfonyl group in the side chain, particularly a polymer having a repeating unit represented by the following general formula ( 2), is used as an antireflection film. As a result, it is possible to reduce the reflected light on the resist layer surface without loss of incident light, and to prevent a decrease in pattern dimensional accuracy due to optical multiple reflection interference on the resist layer, and to develop with water or alkali It was found that peeling with a liquid can be easily performed. Further, according to the study by the present inventors, sulfonamides and amine salts of sulfonic acids do not absorb ArF light, and particularly perfluorosulfonic acid type antireflection films having a hydrophilic group in the side chain in the present invention. Since the material basically does not require any other water-soluble binder polymer, it has been found that the fluorine content is high, the refractive index is low, and ArF is also highly transparent, and the present invention has been made.
[0018]
That is, the present invention is a water-soluble antireflection film containing a water-soluble polyperfluoroalkyl material having a sulfonyl group in the side chain, which is suitable as a base resin for an antireflection film material used for microfabrication in the manufacturing process of semiconductor elements and the like. The present invention relates to a material and a pattern forming method suitable for using a high energy ray such as far ultraviolet rays, KrF excimer laser light (248 nm), ArF excimer laser light (193 nm) as an exposure light source,
(I) A water-soluble solution comprising a perfluorocarbon polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 1,000,000 and having a repeating unit represented by the following general formula (2) and having a sulfonyl group in the side chain. Antireflective coating material,
[Chemical 2]

(In the formula, e and f represent the ratio of the number of repeating units, 0 ≦ e <100, f = 1, X ⁺ represents H ⁺ or MH ⁺ , and M represents an amine compound.)
(II) The water-soluble antireflection film material according to claim 1, further comprising a water-soluble polymer, a surfactant, and an antifoaming agent for improving film-forming properties other than the polymer according to claim 1.
(III) The water-soluble antireflection film material according to the above (I) or (II), which is for KrF or ArF lithography,
(IV) An antireflection layer made of the antireflection film material described in (I), (II) or (III) is formed as an upper layer of the photoresist layer, and the resist layer is formed via the antireflection layer. A pattern forming method comprising removing the antireflection layer after exposure,
(V) The pattern formation method according to (IV) above, wherein after the exposure of the resist layer, the antireflection layer is removed simultaneously with the development of the resist layer with an alkaline aqueous solution.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The water-soluble antireflection film material of the present invention is mainly composed of a perfluorocarbon polymer having a sulfonyl group in the side chain.
[0020]
As this polymer, a polymer having a repeating unit represented by the following general formula ( 2) is particularly preferable.
[0021]
[Chemical 3]

(In the formula, e and f represent the ratio of the number of repeating units, 0 ≦ e <100, f = 1, X ⁺ represents H ⁺ or MH ⁺ , and M represents an amine compound.)
[0022]
Here, the amine component of M is preferably a water-soluble organic amino compound such as ammonia, tris (hydroxymethyl) aminomethane, pyridine, trimethylamine, triethylamine, tetramethylammonium hydroxide, tetraethylammonium hydroxide, tetrahydroxide. Propyl ammonium, tetrabutyl ammonium hydroxide, choline, 2,2 ′, 2 ″ -nitrotriethanol, monoethanolamine, diethanolamine, 1,4-diazabicyclo [2.2.0] octane (DABCO), 1,5 -Diazabicyclo [4.3.0] nonene-5 (DBN), 1,8-diazabicyclo [5.4.0] undecene-7 (DBU), 1-deoxy-1- (2-hydroxyethylamino) -D Glucitol, 1-deoxy-1- (methylamino )-D-galactitol and the like are exemplified. The water-soluble organic amino compound is desirably added in an amount of 0.01 to 10 mol with respect to 1 mol of the sulfonic acid group of the compound represented by the general formula ( 2).
[0024]
On the other hand, in Formula (2), f = 1 and e is 0 ≦ e <100, preferably 0 ≦ e <50, and more preferably 0 ≦ e <30.
[0025]
The weight average molecular weight of the polymer of the above formula ( 2) is preferably 1,000 to 1,000,000, particularly 2,000 to 100,000.
[0026]
The antireflection film material of the present invention can use only the above-mentioned perfluorocarbon polymer as a polymer component, but various water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polymethacrylic acid are used in order to improve the film formability. It is optional to add 0 to 300 parts by weight of polyvinyl pyrrolidone, polyethylene oxide, amylose, dextran, cellulose, pullulan, etc. with respect to 100 parts by weight of the perfluorocarbon polymer.
[0027]
In the antireflection film material of the present invention, a surfactant conventionally used for improving the coating property can be added. In addition, the addition amount can be made into a normal amount in the range which does not prevent the effect of this invention.
[0028]
Examples of the surfactant include perfluoroalkyl polyoxyethylene ethanol, fluorinated alkyl ester, perfluoroalkylamine oxide, and fluorine-containing organosiloxane compound. For example, Florard “FC-430”, “FC-431” (all manufactured by Sumitomo 3M Limited), Surflon “S-141”, “S-145”, “S-381”, “S-383” (any Manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), Unidyne "DS-401", "DS-403", "DS-451" (all manufactured by Daikin Industries, Ltd.), MegaFuck "F-8151", "F-171" , “F-172”, “F-173”, “F-177” (all manufactured by Dainippon Ink and Co., Ltd.), “X-70-092”, “X-70-093” (all Shin-Etsu) Chemical Industry Co., Ltd.). Preferably, Florard “FC-430” (manufactured by Sumitomo 3M Co., Ltd.), “X-70-093” (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) can be used.
[0029]
Further, the water-soluble antireflection film material is likely to generate bubbles, and it is said that fine bubbles in micron units called microbubbles cause pattern defects. In order to reduce microbubbles, a method of adding an antifoaming agent is common. Antifoaming agents for aqueous solutions are generally natural oils such as soybean oil, corn oil, olive oil, linseed oil, castor oil, lard oil, long chain alcohols such as amyl alcohol and octyl alcohol, and silicone resins. However, these are materials that have low or no hydration. The material is excellent in defoaming properties, but when it is added to a water-soluble material and film formation is performed by spin coating, uneven coating occurs and film formation cannot be performed uniformly. In order to form a film uniformly by spin coating, an antifoaming agent having high hydration properties is required. In the present invention, as a highly hydrating antifoaming agent, alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, n-butyl alcohol, n-hexyl alcohol, ethylene glycol, or the following general formulas (3) and (4) An effective amount of the acetylenic antifoaming agent shown can be used.
[0030]
[Formula 4]

[0031]
Here, R ¹ , R ² , R ³ , R ⁴ , R ⁷ and R ⁸ are the same or different hydrogen atoms or alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms, and R ⁵ , R ⁶ and R ¹⁰ are 1 carbon atoms. -10 alkylene groups, m, n, o are integers from 0-20.
[0032]
In order to form a resist pattern using the antireflection film material of the present invention, a known method can be adopted, and for example, it can be performed by a lithography process shown in FIG. First, a photoresist layer 2 is formed on the upper layer of the substrate 1 by a method such as spin coating (A). In some cases, pre-baking is performed, and the antireflection film material of the present invention is spin coated on the photoresist layer 2. In some cases, it is further pre-baked to form the antireflection layer 3 (B). The UV light 4 having a wavelength of 180 to 500 nm is exposed to the pattern shape by the reduced projection exposure method on the light reflection preventing layer 3, that is, the portion A in FIG. 1C is exposed, and then the light reflection preventing layer 3 is removed, and the developer The resist pattern 5 can be formed by a method of developing using (D). In some cases, post-exposure baking (PEB) may be performed after the exposure, but when the resist layer is a chemically amplified resist layer, a PEB step is essential. In this case, PEB may be performed after removing the antireflection layer, or the antireflection layer may be removed after PEB.
[0033]
Note that pure water can be used as a diluent for the light reflection preventing film material. Furthermore, the removal of the light reflection preventing layer can be performed by using a normal photoresist developing unit, which can be rinsed with pure water, and can be peeled off at the same time as development if peeled off after PEB.
[0034]
Here, the light reduction effect of the light reflection preventing film of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. As shown in FIG. 2, the incident light I ₀ can be obtained only by forming the resist layer 2 on the substrate 1. Considerable reflection Ir ₁ occurs at the air-resist interface, the amount of incident light is lost, and light entering the resist layer 2 is reflected Ir ₂ at the resist layer-substrate interface, and this reflected light Ir ₂ is reflected in the resist layer-air. Since the repeated reflection of Ir ₃ at the interface is repeated, optical multiple reflection interference occurs in the resist layer.
[0035]
On the other hand, as shown in FIG. 3, by forming the light reflection preventing layer 3 of the present invention on the resist layer 2, the reflection of the incident light I _{0 at} the air-light reflection preventing film interface Ir ₄ Since the reflected Ir ₅ at the interface between the antireflection film and the resist layer can be reduced, the loss of incident light amount is reduced, and the film thickness of the light antireflection layer 3 is such that Ir ₆ and Ir ₇ have the light phases reversed. Since they are set, they weaken each other, and the optical multiple interference in the resist layer 2 is suppressed.
[0036]
From the principle of antireflection, if the refractive index of the resist with respect to the exposure light is n and the wavelength of the exposure light is λ, the refractive index n ′ of the light antireflection film is √n, and the film thickness is an odd multiple of λ / 4n ′. The closer it is, the lower the reflectance and the influence of standing waves can be reduced.
[0037]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example.
[Example]
1 g of the following polymer 3 was sufficiently dissolved in 40 g of pure water and filtered through a 0.1 μm size filter to prepare an antireflection film solution (sample 3 ).
[0038]
[Chemical formula 5]

[0039]
Next, the antireflection film solution is dispensed on an 8-inch silicon wafer, and the wafer is first rotated at 300 rpm for 3 seconds and then at 4,000 rpm for 20 seconds to form an antireflection film having a film thickness of 46 nm. Spectroscopic ellipsometry The film thickness, refractive index, and transmittance were measured with a spectrophotometer. The results are shown in Table 1. From this result, it was confirmed that not only KrF but also ArF had high transmittance and low refractive index.
[0040]
[Table 1]

[0041]
Next, a KrF lithography photoresist SEPR401 (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., membrane transmittance 30% / μm) is spin-coated on an 8-inch Si substrate while changing the rotation speed, and the temperature is 100 ° C. for 90 seconds. Pre-baked under the conditions of The antireflection film solution of Sample 3 was dispensed thereon, and the wafer was first rotated at 300 rpm for 3 seconds and then at 4,000 rpm for 20 seconds to form an antireflection film.
[0042]
A KrF excimer laser stepper was used to expose a pattern with a line and space width of 0.20 μm, followed by post-exposure baking at a temperature of 110 ° C. for 90 seconds, and 2.38% by weight of tetramethylammonium hydroxide. Static paddle development was performed with a developer at a temperature of 23 ° C. for 60 seconds, and pure water was rinsed. The results are shown in FIG. From the result of FIG. 4, it was confirmed that the amplitude of the line width due to the standing wave can be suppressed by using the antireflection film material of the present invention.
[0043]
【The invention's effect】
The antireflection film material of the present invention is fine, has high dimensional accuracy and alignment accuracy, and can form a resist pattern with good reproducibility.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a lithography process using an antireflection film.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a reflection state of incident light when a light reflection preventing film is not used.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a reflection state of incident light when a light reflection preventing film is used.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the resist layer thickness and the resist line width when a light reflection preventing film is used and when it is not used.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base 2 Photoresist layer 3 Light reflection prevention layer 4 Ultraviolet ray 5 Resist pattern

Claims

A water-soluble antireflective composition comprising a perfluorocarbon polymer having a weight average molecular weight of 1,000 to 1,000,000 and having a repeating unit represented by the following general formula (2) and having a sulfonyl group in a side chain. Membrane material.

(In the formula, e and f represent the ratio of the number of repeating units, 0 ≦ e <100, f = 1, X ⁺ represents H ⁺ or MH ⁺ , and M represents an amine compound.)

The water-soluble antireflection film material according to claim 1, further comprising a water-soluble polymer, a surfactant, and an antifoaming agent for improving film-forming properties other than the polymer according to claim 1.

The water-soluble antireflection film material according to claim 1 or 2, which is used for KrF or ArF lithography.

An antireflection layer made of the antireflection film material according to claim 1, 2 or 3 is formed as an upper layer of the photoresist layer, and the resist layer is exposed through the antireflection layer, and then the antireflection layer is formed. The pattern formation method characterized by removing.

The pattern formation method according to claim 4, wherein after the exposure of the resist layer, the antireflection layer is removed simultaneously with the development of the resist layer with an alkaline aqueous solution.