JP4533744B2 - 反射防止膜用湿式現像性ポリマーバインダーとしてのスピン・ボウル適合性ポリアミック酸/イミド - Google Patents

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Description

発明の背景
発明の技術分野
本発明は、新規なポリマーおよびマイクロ電子デバイスの製造に使用するための反射防止組成物に関する。この組成物は、ポリアミック酸を含有し、水性フォトレジスト現像液中での現像が可能である。
従来技術の説明
集積回路製造では、歩留まりを改善し、ユニットケースを減らし、かつチップあたりの演算処理能力を向上させるために、基板ウエハサイズの最大化と、デバイスパターン像のサイズの最小化とが恒常的に求められている。シリコンまたは他のチップ上のデバイスパターン像のサイズは、高度化した遠紫外線(DUV)マイクロリソグラフィプロセスの出現により、いまやサブミクロンレベルである。
しかしながら、半導体デバイスを製造する際に、フォトレジストに付随して頻繁に起こる問題は、活性化光線が基板に反射し、基板上に支持されたフォトレジスト層中に跳ね返ってくることである。このような反射特性は、フォトレジストの解像力の低下につながる不鮮明なパターンを生じさせやすい。加工後のフォトレジストにおける解像力の低下は、基板が非平坦および/または高反射性である場合に特に問題となる。この課題のひとつの解決策は、基板のフォトレジスト層の直下に設けられる反射防止膜の利用である。反射防止膜は、反射の防止または低減に効果的である一方、その使用は、当該膜を除去するための除去工程を製造プロセス中に付加させる。必然的に、製造コストが引き上げられることになる。
このような課題のひとつの解決策として、湿式現像性の反射防止膜が使用されてきた。このタイプの膜は、フォトレジスト材料の曝露領域とともに除去することができる。つまり、パターンマスクを介してフォトレジスト層を光に曝露すると、フォトレジストの露光領域は湿式現像性であり、所望の溝およびホールパターンを残して、水性現像液により除去される。湿式現像性の反射防止膜は、この現像工程において除去されるため、付加的な除去工程を不要とする。
しかし残念ながら、湿式現像性の反射防止膜は、スピン・ボウル適合性とともに反射防止膜として有用な優れた光学的性質をも示すことが求められるという現実から、普遍的に使用されているとはいえない。したがって、汎用されているフォトレジスト現像剤によって除去される一方で、同時に優れたコーティング性および光学特性を示す反射防止膜用組成物が求められている。
本発明は、マイクロ電子デバイスの製造に有用なマイクロリソグラフィ組成物(特に、反射防止膜組成物)を広く含む。
より具体的には、本発明の組成物は、溶媒系に分散または溶解されたポリマーを含む。一態様例において、好ましいポリマーはポリアミック酸である。このポリアミック酸としては、下式で示される繰り返し単位が挙げられる。
上記態様において、ポリアミック酸は、好ましくは二無水物(dianhydride)とジアミンとの重合により形成される。好ましい二無水物は、下記式で示される。
特に好ましい二無水物は以下である。
好ましいジアミンは、下記式で示される。
特に好ましいジアミンは以下である。
他の好ましい態様において、好ましいポリマーは、下記式で示される繰り返し単位を含む。
上記式中、各Rは、それぞれ独立に、水素、-OH、脂肪族およびフェニルからなる群より選ばれる。好ましい脂肪族は、t-ブチル基およびイソプロピル基などのC〜Cの分枝または非分枝のアルキル基である。
Lは、-SO2-および-CR'2-からなる群より選ばれる。Lが-CR'2-であるとき、各R'は、それぞれ独立に、水素、脂肪族(好ましくはC〜Cの分枝または非分枝のアルキル)およびフェニルおよび-CXからなる群より選ばれる。R'が-CXである態様において、各Xは、それぞれ独立に、フッ素および塩素を特に好ましいハロゲンとするハロゲンからなる群より選ばれる。
さらに別の態様において、ポリマーは、下記式で示される化合物と、
下記式で示される化合物との重合により形成される。
上記態様の式中、各Rは、それぞれ独立に、-OH、-NH、水素、脂肪族およびフェニルからなる群より選ばれる。また最初の態様と同様に、好ましい脂肪族は、t-ブチル基およびイソプロピル基などのC〜Cの分枝または非分枝のアルキル基である。さらに、(1)の各環上のRの少なくとも1つは-NHであることが好ましい。
Lは、-SO2-および-CR'2-からなる群より選ばれ、ここでの各R'は、それぞれ独立に、水素、脂肪族(好ましくはC〜Cの分枝または非分枝のアルキル)、フェニルおよび-CXからなる群より選ばれる。Lが-CXである態様において、各Xは、それぞれ独立に、ハロゲンからなる群より選ばれる。
上記態様について、組成物は、ポリマーを溶解性の溶媒系に、好ましくは環境温度で、実質的に均質な分散状態となる充分な時間、単に分散または溶解することにより形成される。ポリマーは、組成物中の全固形分重量を100重量%をするとき、組成物中に1〜100重量%、より好ましくは約20〜80重量%、さらに好ましくは約40〜60重量%の割合で存在することが望ましい。上記ポリマーの平均分子量は、好ましくは約2,000〜1,000,000ダルトン、より好ましくは約5,000〜500,000ダルトン、より一層好ましくは約10,000〜100,000ダルトンである。
好ましい溶媒系としては、プロピレングリコールメチルエーテルアセタート(PGMEA)、プロピレングリコールメチルエーテル(PGME)およびこれらの混合物などが挙げられる。溶媒系は、沸点が50〜250℃、より好ましくは150〜200℃であることが望ましく、また組成物中の全固形分重量を100重量%をするとき、約50〜99重量%、好ましくは約90〜98重量%の量で用いられることが望ましい。
上記ポリマーとともに、他の成分を、上記溶媒系に溶解することが望ましい。このような成分の1つの架橋剤としては、アミノプラスト(たとえば、POWDERLINK(登録商標)1174、Cymel(登録商標)製品)およびエポキシ類が挙げられる。架橋剤は、組成物中の全固形分重量を100重量%をするとき、約0〜50重量%、好ましくは約10〜20重量%の割合で存在させることが望ましい。したがって、本発明の組成物は、約100〜250℃、より好ましくは約150〜200℃の温度で架橋させることが望ましい。
上記組成物は、減光性化合物または発色団の含有も好ましい。減光性化合物は、組成物中の全固形分重量を100重量%をするとき、約0〜50重量%、好ましくは約15〜30重量%の割合で存在させることが望ましい。減光性化合物は、該組成物に適用される波長に基づいて選択することが望ましい。したがって、248nmの波長における好ましい減光性化合物としては、ナフタレン類およびアンスラセン類などが挙げられ、特に好ましくは3,7-ジヒドロキシ-2-ナフトエ酸が挙げられる。365nmの波長における好ましい減光性化合物としては、ジアゾ染料および高度に共役したフェノール染料が挙げられる。193nmの波長における好ましい減光性化合物としては、フェニル環含有化合物が挙げられる。
上記組成物には、さらにいくつかの付加的な成分を含ませてもよいことはいうまでもない。典型的な付加成分としては、界面活性剤、触媒および接着促進剤が挙げられる。
本発明の組成物の基板への適用方法は、所定量の本発明の組成物を、公知のどれかの塗布方法(スピンコート法など)によって、単に、基板表面に塗布することからなる。基板は、一般的なチップ(たとえば、シリコンウエハ)またはイオン注入膜であればよい。
所望の皮膜層を設けた後、得られた膜を加熱して架橋を進行させる(たとえば、約100〜250℃の温度に)。厚み約40nmの膜における、波長約248nmでの硬化膜のk値(すなわち、屈折複素数の虚数成分)は、少なくとも約0.3、好ましくは少なくとも約0.45であり、n値(すなわち、屈折複素数の実数成分)は、少なくとも約1.0、好ましくは少なくとも約1.8となる。つまり、本発明の組成物から形成された硬化膜は、約248nmの波長における光を少なくとも約90%、好ましくは約99%吸収する。このDUV波長における吸光特性は、本発明の組成物の特に有用な利点である。
次いで、硬化した組成物にフォトレジストを塗布することができ、その後、該フォトレジストの露光、現像およびエッチングを行う。本発明の方法によれば、前述したような望ましい性質を有する前駆構造が得られる。
また、本発明組成物の硬化物が湿式現像性であることも高く評価される。すなわち、硬化した組成物は、水酸化テトラメチルアンモニウムまたは水酸化カリウム現像剤などの従来汎用の水性現像液で除去することができる。本発明に係る皮膜は、水酸化テトラメチルアンモニウム(たとえば、OPD262,オリン フォトディベローパー(Olin Photodeveloper)より入手)などの塩基性現像剤により、少なくとも約90%、好ましくは少なくとも約98%が除去される。市販品として入手可能な現像剤に対するこのような溶解度パーセントは、これにより、製造工程を短縮化し、コストを低減させることから、従来技術に対して著しく優位な利点である。
最後に、上記した多くの利点に加え、本発明の組成物はスピン・ボウル適合性である。これは、実施例2に示すように、PGMEAを用い、平均厚みを求めるために5つの測定値を用いることにより求められる。溶解度パーセントは、以下のように求められる。
本発明の組成物は、少なくとも約50%、より好ましくは約90%の溶解度パーセントを示す。
好ましい実施態様の詳細な説明
実施例
以下の実施例は本発明に係る好ましい方法を説明するものである。しかしながら、これら実施例は説明のためのものであって、これにより本発明全体の範囲をなんら限定するべきではないと理解されるべきである。
反射防止膜用組成物の調製
1. ポリマー調製
4,4'-ジアミノジフェニルスルホン(4,4'-DPS)、3,3'-ジヒドロキシベンジデン(HAB)および4,4'-ヘキサフルオロイソプロピリデンジフタル酸二無水物(6FDA)(それぞれクリスキュウ(KrisKev)社より入手)を、0.46:0.46:1のモル比で結合させることによりポリアミック酸を製造した。これら成分は、ジアセトンアルコール(アルドリッチより入手)中、60℃で結合させた。混合物を一晩撹拌し、こげ茶色で、固形分含量10重量%の粘性液が得られた。
2. 反射防止膜の調製
表1に示す各成分を混合し、反射防止膜用組成物を得た。

組成物中の全成分の合計重量を100重量%をする
プロピレングリコールメチルエーテルアセタート
MY720,アラルダイトより入手した4官能エポキシ樹脂,50重量%のジアセトンアルコール希釈液
試験方法および結果
1.GPC分析
上記実施例のパート1で調製されたポリマーを、ゲルパーミエーションカラムを備え、n-メチルピリリドンとともにテトラヒドロフランを移動相として用いるHPLCを用いて分析し、分子量を測定した。実施例1のパート1で調製したポリマーの重量分子量は24,908であり、数分子量は13,462であった。
2.スピン・ボウル/溶媒適合性試験
実施例1のパート2で調製された各組成物に、スピン・ボウル/溶媒適合性試験を課した。この試験は、各サンプルにつき5枚の4インチシリコンウェハに、組成物をスピンコーティングして行われた。スピンコーティング後、得られた膜を環境温度で24時間乾燥した。この時、Stokes(ストークス)エリプソメータを用いて、各ウェハの平均初期膜厚を測定した。厚み測定後、各ウェハを種々の溶媒(アセトン、乳酸エチル、PGMEA、プロピレングリコールメチルエーテル(PGME)および2-ヘプタノン)に、180秒間浸漬し、次いで3500rpmでスピン乾燥した。その後、再びStokesエリプソメータを用いて、それぞれの平均最終膜厚を測定した。各サンプルの平均最終膜厚値は、反射防止膜が各溶媒で100%除去されたことを示した。
3. 膜溶出試験
実施例1のパート2で調製された反射防止膜用組成物について、典型的なフォトレジスト溶媒と下層の反射防止膜との間での相互作用の度合を分析するために、膜溶出試験を課した。この試験では、4インチシリコンウェハを、所定の反射防止膜組成物で被覆した後、130℃で30秒間焼成し、150℃で60秒間第2焼成した。次いで、Stokesエリプソメータを用いて膜厚を測定した。膜厚を測定した後、ウェハに乳酸エチルを噴霧した。ウェハ上の液滴を10秒後そのままにした後、ウエハを3500rpmで20秒間スピン乾燥した。その後、ウェハを再びStokesエリプソメータで測定し、膜厚を求めた。溶出量は、初期および最終の膜厚測定値の差である。溶出率%は、下記式で示される。
本発明に係る組成物が与える溶出率%は、約20%より少ない、好ましくは約5%よりも少ない。これら組成物のいずれも、150〜205℃の焼成温度では溶出を示さなかった。
4. V.A.S.E.分析
この分析では、4インチシリコンウェハに、実施例1のパート2で得られる組成物をそれぞれ別個にコーティングした。変角分光エリプソメトリにより、それぞれの屈折率(すなわち、n値)および屈折率虚数成分(すなわち、k値)を求めた。各組成物は、248nmにおいて、n値1.1、k値0.45を示した。
5. フォトリソグラフィ
厚み40nmの膜を得るために、実施例1のパート2の組成物を、それぞれ8インチのシリコン基板上に、3500rpmで60秒間スピンコートした。その後、膜を130℃で30秒間焼成し、175℃で60秒間焼成した。各反射防止膜層上に、市販の500nmフォトレジスト(SEPR430,信越化学工業(Shinetsu))をスピンコートした後、90℃で軽く焼成した。次いで、外部シグマ0.87および内部シグマ0.57の環状照明およびNANA0.63のASML5500/300ステッパーを用い、フォトレジストを、ラインおよびスペースでパターン化した。KrFエキシマレーザーを26mj/cm照射した後、110℃で90秒間焼成した。その後、フォトレジストおよび反射防止膜を、0.26N水酸化テトラメチルアンモニウム水性現像液(商品名OPD262の市販品)で現像した。サンプルウェハの1つの断面観察を図3に示す。
フォトレジスト現像時に湿式現像性反射防止膜がどのように除去されるかを示す回路構造の断面図を示す走査型電子顕微鏡観察像(SEM)である。 フォトレジスト現像時に従来汎用の熱硬化性反射防止膜はどのように残存するかを示す回路構造の断面図を示すSEMである。 フォトレジスト現像時に本発明に係る湿式現像性反射防止膜がどのように除去されるかを示す回路構造の断面図を示すSEMである。

Claims (20)

  1. 溶媒系に溶解または分散したポリマーを含む、反射防止膜用組成物であって、組成物が熱架橋剤を含み、かつ、該ポリマーが、
    で示される化合物と、
    (式中、
    各Rは、それぞれ独立に、-OH、-NH、水素、脂肪族およびフェニルからなる群より選ばれ、(I)の各環上のRの少なくとも1つは、-NHであり;かつ
    Lは、-SO-および-CR'-からなる群より選ばれ、ここでの各R'は、それぞれ独立に、水素、脂肪族、フェニルおよび-CXからなる群より選ばれ、ここでの各Xは、それぞれ独立にハロゲンからなる群より選ばれる。)
    で示される化合物とのコポリマーであることを改良点とし、かつ
    40nmの厚みにおいて、248nmの波長でのk値は少なくとも0.3であり、n値が1.0である膜を形成することができる組成物。
  2. Lが、-SO-である請求項1に記載の組成物。
  3. Lが、-CR'-である請求項1に記載の組成物。
  4. 各R'が、-CFである請求項3に記載の組成物。
  5. 表面を有する基板と、前記表面に隣接した下記硬化した反射防止膜との積層体:
    熱架橋剤、および、溶媒系に溶解または分散したポリマーを含む組成物から形成される反射防止膜であって、該ポリマーが、
    で示される化合物と、下記式で示される化合物とのコポリマーであり、
    (式中、
    各Rは、それぞれ独立に、-OH、-NH、水素、脂肪族およびフェニルからなる群より選ばれ、(I)の各環上のRの少なくとも1つは、-NHであり;かつ
    Lは、-SO-および-CR'-からなる群より選ばれ、ここでの各R'は、それぞれ独立に、水素、脂肪族、フェニルおよび-CXからなる群より選ばれ、ここでの各Xは、それぞれ独立にハロゲンからなる群より選ばれる。)
    40nmの厚みにおいて、248nmの波長でのk値は少なくとも0.3であり、n値が1.0である反射防止膜。
  6. 前記硬化膜が、湿式現像性である請求項5に記載の積層体。
  7. 前記硬化膜が、プロピレングリコールメチルエーテルアセタートを溶媒とする時の溶解度パーセントが少なくとも50%である請求項5に記載の積層体。
  8. 前記基板が、シリコンウェハおよびイオン注入膜からなる群より選ばれる請求項5に記載の積層体。
  9. 前記積層体が、前記硬化膜に隣接したフォトレジスト膜をさらに含む請求項5に記載の積層体。
  10. 前記硬化膜が、塩基性現像剤に少なくとも90%溶解しうる請求項5に記載の積層体。
  11. Lが、-SO-である請求項5に記載の積層体。
  12. Lが、-CR'-である請求項5に記載の積層体。
  13. 各R'が、-CFである請求項12に記載の積層体。
  14. 反射防止膜用組成物の使用方法であって、該方法が基板に所定量の組成物を塗布して、前記組成物を加熱して架橋を進行させ、硬化膜を形成させることを含み、前記組成物は熱架橋剤と溶媒系に溶解または分散したポリマーを含み、該ポリマーは、
    で示される化合物と、下記式で示される化合物とのコポリマーであり、
    (式中、
    各Rは、それぞれ独立に、-OH、-NH、水素、脂肪族およびフェニルからなる群より選ばれ、(I)の各環上のRの少なくとも1つは、-NHであり;かつ
    Lは、-SO-および-CR'-からなる群より選ばれ、ここでの各R'は、それぞれ独立に、水素、脂肪族、フェニルおよび-CXからなる群より選ばれ、ここでの各Xは、それぞれ独立にハロゲンからなる群より選ばれる。)
    前記硬化膜は、40nmの厚みにおいて、248nmの波長でのk値は少なくとも0.3であり、n値が1.0である、組成物の使用方法。
  15. 前記塗布が、前記組成物を前記基板表面上にスピンコーティングすることを含む請求項14に記載の方法。
  16. 前記基板が、そこに形成されたホールを有し、該ホールが底部および側壁で形付けられ、前記塗布が、前記組成物を前記底部および側壁の少なくとも一部に塗布することを含む請求項14に記載の方法。
  17. 前記加熱が、100−250℃の温度で焼成することを含む、請求項14に記載の方法。
  18. 前記硬化膜にフォトレジストを塗布する工程をさらに含む請求項17に記載の方法。
  19. 下記工程をさらに含む請求項18に記載の方法:
    前記フォトレジストの少なくとも一部を活性化光線に露光する工程、および
    露光したフォトレジストを現像する工程。
  20. 前記現像工程により、前記露光したフォトレジストに隣接する領域から前記硬化膜を除去する請求項19に記載の方法。
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