JP4622735B2 - ポジ型感放射線性樹脂組成物 - Google Patents
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Description
この要求を達成するために、半導体デバイスに代表される各種デバイス機器には、より一層の高密度、高集積化が求められている。なかでも、微細加工を可能とするフォトリソグラフィー技術に対する要求は年々厳しくなっており、1Gビット以上の集積度を持つDRAMの製造には、最小線幅0.13ミクロン以下の加工技術が必要となり、それに対応して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利用され始めている。更に微細なパターンを加工する目的で、F2エキシマレーザー(157nm)を用いたフォトリソグラフィー及び液侵リソグラフィーの開発が進められている。
これらの波長領域においては、従来レジスト材料に用いられてきたノボラックやポリビニルフェノール系の樹脂は光の吸収が大きすぎて用いることができない。そこで、アクリル系樹脂(例えば、特許文献1)やシクロオレフィン系樹脂(例えば、特許文献2)が検討されてきている。しかしながら、F2エキシマレーザー(157nm)の波長で透明性が高い樹脂は非常に限られており、フッ素樹脂の優位性が明らかとなってきている。特にフッ素系水酸基含有のレジスト用樹脂は親水性にも優れた特性をもつことが報告されており、非常に期待が持たれている(例えば、非特許文献1、2)。
しかしながら、フッ素原子の導入は紫外線領域での透明性は向上するものの、同時にエッチング耐性の低下をもたらしてしまう。また、重合反応性についても、従来のノルボルネン環に直接フッ素原子やトリフルオロメチル基がついたモノマーは、重合反応性が低くて低収率であったり、材料として充分な分子量を得ることができなかったりと多くの課題を残していた。従って、これら既存の化合物が発揮しうる機能は必ずしも充分ではなく、更に優れた高分子化合物の創出が望まれていた。
本発明は、このような問題に対処するためになされたもので、ArF光源を利用するポジ型感放射線性樹脂組成物として、焦点深度余裕(DOF)に優れ、感度、現像性、寸法忠実度等にも優れる化学増幅型ポジ型レジストとして好適なポジ型感放射線性樹脂組成物の提供を目的とする。
この新規なα−置換アクリル酸ノルボルナニル類を重合させた含フッ素樹脂は、幅広い波長領域で高い透明性を有し、かつ基板への高い密着性及び成膜性を併せ持つばかりでなく、ノルボルネン環構造に由来する高いエッチング耐性を有するレジスト材料となる。更に、新規なα−置換アクリル酸ノルボルナニル類を重合させたこの含フッ素高分子化合物は分子内に環状構造を有することから耐熱性が高く、パーフルオロアルキルスルホンアミド構造に由来する良好な溶剤溶解性をもってコーティング性に優れ、成膜性や成形性にも優れている。
また、上記樹脂(A)がさらに下記一般式で表される繰り返し単位[8]を含むことを特徴とする。
特に、上記樹脂(A)が上記繰り返し単位[1]と、上記繰り返し単位[9]と、上記繰り返し単位[8]とで構成され、全繰り返し単位の合計量に対して、上記繰り返し単位[1]が10〜80モル%、上記繰り返し単位[9]が1〜70モル%、上記繰り返し単位[8]が60モル%以下であることを特徴とする。
また、上記ポジ型感放射線性樹脂組成物は、上記樹脂(A)、上記感放射線性酸発生剤(B)と共に、酸拡散制御剤(C)を含有することを特徴とする。
樹脂(A):
本発明のポジ型感放射線性樹脂組成物に使用される樹脂は、一般式[1]で表されるα−置換アクリル酸ノルボルナニル類由来の繰り返し単位を含む樹脂である。
R2、R3は、いずれか一つがRfSO2NHCH2−基(ここで、Rfは、炭素数1から炭素数4のパーフルオロアルキル基を表す。)であり、残りが水素原子である。
Rfの炭素数1から炭素数4のパーフルオロアルキル基としては、トリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基、パーフルオロプロピル基、パーフルオロブチル基である。これらの中でトリフルオロメチル基、パーフルオロエチル基が好ましく、特にトリフルオロメチル基が好ましい。
なお、本願明細書において、脂環族化合物を構成する炭素原子に結合している水素原子は省略してある。従って、R2、R3のいずれか一つは、同一炭素原子に2個の水素原子が結合している。
第一工程は、一般式[3]で表される置換ノルボルナニルアルコールを製造する工程である。
第一工程:スキーム1に示す。
一般式[5]中、R2、R3のうち、いずれか一つがRfSO2NHCH2−基(ここで、Rfは、炭素数1から炭素数4のパーフルオロアルキル基を表す。)であり、残りが水素原子である。
一般式[6]中、R4は一般式[4]のR4と同じで、R2、R3は一般式[5]のR2、R3と同じである。
一般式[3]中、R2、R3は、いずれか一つがRfSO2NHCH2−基(ここで、Rfは、炭素数1から炭素数4のパーフルオロアルキル基を表す。)であり、残りが水素原子である。
一般式[3]で表される置換ノルボルナニルアルコールは、はじめに一般式[4]で表される低級カルボン酸と一般式[5]で表される置換ノルボルネンを反応させ、一般式[6]で表される置換ノルボルナニル類を製造後、これを加水分解することにより製造することができる。このとき、得られる一般式[3]で表される置換ノルボルナニルアルコールは、異性体を含む混合物である。それぞれを分離精製して当該反応に供しても良いが、異性体混合物のまま供しても問題はない。
原料の一般式[5]で表される置換ノルボルネンはアリルアミンとシクロペンタジエンをルイス酸触媒存在、もしくは非存在下、Diels−Alder反応に付することによりアミノメチルノルボルネンを合成し(特開昭56−139543)、これをトリフルオロメタンスルホン酸無水物又はトリフルオロメタンスルホニルハライドと反応させることにより、得られることが知られている(Kas'yan, A. O., Maletina, I. I., et al, Zhurnal Organicheskoi Khimii, 31(3), 357-64(1995))。
実施する際の反応温度は0〜250℃であり、20〜200℃が好ましく、50〜160℃がより好ましい。0℃より低い場合には反応速度が極めて遅く実用的製造法とはならない。また、250℃を超えると原料の置換ノルボルネン又は生成物の置換ノルボルナニル類が分解する可能性があることから好ましくない。
本反応においては無溶媒が好ましいが、溶媒を使用することもできる。使用可能な溶媒の種類に特別な制限はないが、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン等の芳香族化合物、オクタン、ヘプタン、ヘキサン等の炭化水素類を使用することができる。これらは単独で用いても、複数の溶媒を併用しても良い。
本反応に溶媒を使用する場合、使用する溶媒の溶媒量は置換ノルボルネン1gに対して0.2〜50gであり、0.5〜20gが好ましく、1〜10gがより好ましい。溶媒量が置換ノルボルネン1gに対して50gを超えると生産性の観点から経済的に好ましくない。
また、使用する水の量は置換ノルボルナニル類1gに対して0.1〜10gであり、0.5〜5gが好ましく、1〜3gがより好ましい。置換ノルボルナニル1gに対して水の量が0.1gより少ない場合には反応が十分に進行せず、目的物の収率が低下し、10gを超えると単離するために使用する抽出溶媒量が増加し、経済的及び環境への負荷の増大の面から好ましくない。
実施する際の反応温度は0〜200℃であり、20〜170℃が好ましく、50〜120℃がより好ましい。0℃より低い場合には反応速度が極めて遅く実用的製造法とはならない。また、200℃を超えると原料の置換ノルボルナニル類又は生成物の置換ノルボルナニルアルコールが分解する可能性があることから好ましくない。
本反応において溶媒を使用することができる。使用可能な溶媒の種類に特別な制限はないが、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン等の芳香族化合物、ジエチルエーテル、メチル−t−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン系溶媒が好ましく、これらは単独で用いても、複数の溶媒を併用しても良い。
本反応に溶媒を使用する場合、使用する溶媒の溶媒量は置換ノルボルネン1gに対して0.1〜20gであり、0.2〜10gが好ましく、0.5〜5gがより好ましい。溶媒量が置換ノルボルネン1gに対して50gを超えると生産性の観点から経済的に好ましくない。
第一工程の反応を行う反応器は、四フッ化エチレン樹脂、クロロトリフルオロエチレン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、PFA樹脂、ガラスなどを内部にライニングしたもの、グラス容器、もしくはステンレスで製作したものが好ましい。
得られた反応液を水洗し、粗の一般式[6]で表される置換ノルボルナニル類、溶媒、水、水酸化カリウムを反応条件に耐えられる反応器に仕込み、撹拌しながら外部より加熱して反応を進行させる。サンプリング等により原料の消費をモニタリングし、反応が終了したのを確認し、反応液を冷却する。有機層を分離し、水層に無機酸をpH3になるまで添加し、有機溶媒により抽出、有機溶媒を留去することにより、一般式[3]で表される置換ノルボルナニルアルコールを得ることができる。
本反応で製造された一般式[3]で表される置換ノルボルナニルアルコールは公知の方法を適用して精製しても良いが、十分に高純度の置換ノルボルナニルアルコールを得ることができるため、第二工程の原料とする場合には、特に精製の必要はない。
本反応で得られる置換ノルボルナニルアルコールは異性体混合物であるが、分離することなく第二工程の原料とすることができる。
第二工程も、バッチ式反応装置において実施することができる。以下においてその反応条件を述べるが、それぞれの反応装置において、当業者が容易に調節しうる程度の反応条件の変更を妨げるものではない。
上記α−置換アクリル酸無水物は公知の方法で合成することができる。R1が水素、メチル基等の場合は試薬としても容易に入手可能である。また、例えばR1がCF3の場合は、2−ブロモ1,1,1−トリフルオロプロペンに対してPdを触媒とするCO挿入反応を(Heck反応)を行うことにより、容易に合成できることが知られている(例えば、特開昭59−21648号公報)。
また、反応を促進するために添加剤を添加することができ、これによって反応温度を下げることができる。反応温度が低くなることは、副生成物を抑える上で有効である。使用される添加剤としてはメタンスルホン酸、エタンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等有機スルホン酸類、三フッ化ホウ素、四塩化チタン、四塩化スズ等のルイス酸類の群から選ばれる少なくとも一種の酸が、好適に用いられる。
本反応に使用する添加剤の量は基質の置換ノルボルナニルアルコール1.0gに対して0.00005〜0.1gであり、0.0001〜0.01gが好ましく、0.0005〜0.005gがより好ましい。基質の置換ノルボルナニルアルコール1.0gに対して添加剤の量が0.00005gより少ない場合には反応の転化率、目的物の収率共に低下し、0.1gを超えると反応に関与しない添加剤の量が増加するため経済的に好ましくない。
本反応においては無溶媒が好ましいが、溶媒を使用することもできる。使用可能な溶媒の種類に特別な制限はないが、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン等の芳香族化合物、ジエチルエーテル、メチル−t−ブチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素等のハロゲン系溶媒が好ましく、これらは単独で用いても、複数の溶媒を併用しても良い。
本反応に溶媒を使用する場合、使用する溶媒の溶媒量は置換ノルボルナニルアルコ−ル1gに対して0.2〜50gであり、0.5〜20gが好ましく、1.0〜10gがより好ましい。溶媒量が置換ノルボルナニルアルコール1gに対して50gを超えると生産性の観点から経済的に好ましくない。
上記の重合禁止剤は市販品であり、容易に入手可能である。使用する重合禁止剤の量は、原料の置換ノルボナニルアルコール1モルに対して通常、0.000005〜0.1モルであり、0.00001〜0.05モルが好ましく、0.0001〜0.03モルがより好ましい。重合禁止剤の量が原料の置換ノルボナニルアルコール1モルに対して0.1モルを超えても重合を防止する能力に大きな差異はなく、そのため、経済的に好ましくない。
第二工程の反応を行う反応器は、四フッ化エチレン樹脂、クロロトリフルオロエチレン樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、PFA樹脂、ガラスなどを内部にライニングしたもの、グラス容器、もしくはステンレスで製作したものが好ましい。
副生するα-置換アクリル酸及び生成物のα−置換アクリル酸ノルボルナニル類を中和し、水層に溶解させるに十分な量の水酸化カリウム水溶液及び抽出溶媒を添加し、十分に撹拌する。有機層を分離し、水層に無機酸をpH3になるまで添加し、抽出溶媒により抽出、抽出溶媒を留去することにより、一般式[2]で表されるα−置換アクリル酸ノルボルナニル類を得ることができる。
樹脂(A)合成に際して、異性体の単離を行わずに、異性体の混合物として、レジスト用のモノマーに供することも可能であるが、より必要性能を高める目的がある場合、単一異性体を用いることが好適に採用される。これらの混合物の中で特定の異性体のみを単離する場合は、カラムクロマトグラフ等の手法を用いることもできる。
特定の異性体を工業的に得る方法として、本発明では得られた異性体混合物を炭化水素系溶媒により再結晶する第三工程を加えることにより、工業的に[2b](R2=H、R3=RfSO2NHCH2−基)を得ることができる。炭化水素系溶媒としては特に限定されないが、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等が好ましく、入手のし易さからヘキサンが特に好ましい。
今回、重合体にしたときの溶解速度の関係で特に有効であると期待できるexo−、exo−体(後述する合成例2参照)が再結晶という比較的容易な方法で高純度で得ることができ、単一の異性体を高分子化合物製造用のモノマーに供することが可能となった。
また、式[9]から式[11]において、R6はR5とは独立にメチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基、n−ブチル基、t−ブチル基、2−メチルプロピル基、1−メチルプロピル基、メトキシメチル基、エトキシメチル基、エトキシエチル基であり、式[11]においては特にt−ブチル基が好ましい。nは0又は1の整数、mは1又は2の整数である。
式[8]から式[11]の繰り返し単位は、それぞれ共重合体中単独で又は2種以上が存在することができる。
なお、式[8]から式[11]の繰り返し単位は、それぞれ対応するα−置換アクリル酸誘導体の重合性不飽和結合が開裂することで得られる。
その割合は、全繰り返し単位の合計量に対して、繰り返し単位(イ)が10〜80モル%、好ましくは20〜70モル%;繰り返し単位(ロ)が1〜70モル%、好ましくは3〜60モル%;繰り返し単位(ハ)が0〜60モル%、好ましくは0〜50モル%である。
繰り返し単位(イ)の含有率が、20モル%未満では、レジストとしての現像性が低下する傾向にあり、70モル%を超えると解像度の劣化及びレジスト溶剤への溶解性が低下する傾向にある。繰り返し単位(ロ)の含有率が、1モル%未満では、解像性が低下する傾向にあり、70モル%を超えると解像性が劣化する傾向にあり、また繰り返し単位(ハ)の含有率が60モル%を超えると現像性が低下する傾向にある。
上記重合に使用される溶媒としては、例えば、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン等のアルカン類;シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、デカリン、ノルボルナン等のシクロアルカン類;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、クメン等の芳香族炭化水素類;クロロブタン類、ブロモヘキサン類、ジクロロエタン類、ヘキサメチレンジブロミド、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類;酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸i−ブチル、プロピオン酸メチル等の飽和カルボン酸エステル類;2−ブタノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン等のケトン類;テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン類、ジエトキシエタン類等のエーエル類等を挙げることができる。
これらの溶媒は、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。
また、上記重合における反応温度は、通常、40〜120℃、好ましくは50〜90℃であり、反応時間は、通常、1〜48時間、好ましくは1〜24時間である。
また、樹脂のMwとゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算数平均分子量(以下、「Mn」という。)との比(Mw/Mn)は、通常、1〜5、好ましくは1〜3である。
なお、本発明に使用できる樹脂は、ハロゲン、金属等の不純物が少ないほど好ましく、それにより、レジストとしたときの感度、解像度、プロセス安定性、パターン形状等を更に改善することができる。本発明の重合体の精製法としては、例えば、水洗、液々抽出等の化学的精製法や、これらの化学的精製法と限外濾過、遠心分離等の物理的精製法との組み合わせ等を挙げることができる。
本発明に使用できる樹脂は、特に、ArFエキシマレーザー等の遠紫外線の如き放射線による微細加工に使用される化学増幅型レジストとして有用な感放射線性樹脂組成物の樹脂成分として極めて好適に使用することができる。
上記樹脂(A)と組み合わせて用いることができる感放射線性酸発生剤(B)は、放射線の照射により酸を発生する成分である。酸発生剤としては、スルホニウム塩やヨードニウム塩等のオニウム塩、有機ハロゲン化合物、ジスルホン類やジアゾメタンスルホン類等のスルホン化合物を挙げることができる。
感放射性酸発生剤として好ましいものとしては、トリフェニルスルホニウムトリフルオロメタンスルホネート、トリフェニルスルホニウムノナフルオロ−n−ブタンスルホネート、トリフェニルスルホニウムパーフルオロ−n−オクタンスルホネート、トリフェニルスルホニウム2−ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホネート、トリフェニルスルホニウム2−(3−テトラシクロ[4.4.0.12,5.17,10]ドデカニル)−1,1−ジフルオロエタンスルホネート、トリフェニルスルホニウムN,N'−ビス(ノナフルオロ−n−ブタンスルホニル)イミデート、トリフェニルスルホニウムカンファースルホネート等のトリフェニルスルホニウム塩化合物;
酸拡散制御剤は、照射により酸発生剤から生じる酸のレジスト被膜中における拡散現象を制御し、非照射領域における好ましくない化学反応を抑制する作用を有する成分である。
このような酸拡散制御剤を配合することにより、得られる感放射線性樹脂組成物の貯蔵安定性が向上し、またレジストとしての解像度がさらに向上するとともに、照射から現像処理までの引き置き時間(PED)の変動によるレジストパターンの線幅変化を抑えることができ、プロセス安定性に極めて優れた組成物が得られる。
上記酸拡散制御剤としては、レジストパターンの形成工程中の照射や加熱処理により塩基性が変化しない含窒素有機化合物が好ましい。
このような含窒素有機化合物としては、「3級アミン化合物」、「アミド基含有化合物」、「4級アンモニウムヒドロキシド化合物」、「含窒素複素環化合物」等が挙げられる。
「含窒素複素環化合物」としては、例えば、イミダゾール、4−メチルイミダゾール、1−ベンジル−2−メチルイミダゾール、4−メチル−2−フェニルイミダゾール、ベンズイミダゾール、2−フェニルベンズイミダゾール等のイミダゾール類;ピリジン、2−メチルピリジン、4−メチルピリジン、2−エチルピリジン、4−エチルピリジン、2−フェニルピリジン、4−フェニルピリジン、2−メチル−4−フェニルピリジン、ニコチン、ニコチン酸、ニコチン酸アミド、キノリン、4−ヒドロキシキノリン、8−オキシキノリン、アクリジン等のピリジン類;ピペラジン、1−(2−ヒドロキシエチル)ピペラジン等のピペラジン類のほか、ピラジン、ピラゾール、ピリダジン、キノザリン、プリン、ピロリジン、ピペリジン、3−ピペリジノ−1,2−プロパンジオール、モルフォリン、4−メチルモルフォリン、1,4−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン等が挙げられる。
上記酸拡散制御剤は、単独でまたは2種以上を混合して使用できる。酸拡散制御剤の配合量は、樹脂(A)100重量部に対して、通常、15重量部以下、好ましくは10重量部以下、さらに好ましくは5重量部以下である。この場合、酸拡散制御剤の配合量が15重量部をこえると、レジストとしての感度および放射線照射部の現像性が低下する傾向がある。なお、酸拡散制御剤の配合量が0.001重量部未満であると、プロセス条件によってはレジストとしてのパターン形状や寸法忠実度が低下するおそれがある。
酸解離性基を有する脂環族添加剤、または酸解離性基を有しない脂環族添加剤は、ドライエッチング耐性、パターン形状、基板との接着性等をさらに改善する作用を示す成分である。
このような脂環族添加剤としては、例えば、1−アダマンタンカルボン酸t−ブチル、1−アダマンタンカルボン酸t−ブトキシカルボニルメチル、1−アダマンタンカルボン酸αブチロラクトンエステル、1,3−アダマンタンジカルボン酸ジ−t−ブチル、1−アダマンタン酢酸t−ブチル、1−アダマンタン酢酸t−ブトキシカルボニルメチル、1,3−アダマンタンジ酢酸ジ−t−ブチル、2,5−ジメチル−2,5−ジ(アダマンチルカルボニルオキシ)ヘキサン等のアダマンタン誘導体類;デオキシコール酸t−ブチル、デオキシコール酸t−ブトキシカルボニルメチル、デオキシコール酸2−エトキシエチル、デオキシコール酸2−シクロヘキシルオキシエチル、デオキシコール酸3−オキソシクロヘキシル、デオキシコール酸テトラヒドロピラニル、デオキシコール酸メバロノラクトンエステル等のデオキシコール酸エステル類;リトコール酸t−ブチル、リトコール酸t−ブトキシカルボニルメチル、リトコール酸2−エトキシエチル、リトコール酸2−シクロヘキシルオキシエチル、リトコール酸3−オキソシクロヘキシル、リトコール酸テトラヒドロピラニル、リトコール酸メバロノラクトンエステル等のリトコール酸エステル類; アジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、アジピン酸ジプロピル、アジピン酸ジn−ブチル、アジピン酸ジt−ブチル等のアルキルカルボン酸エステル類等が挙げられる。
このような界面活性剤としては、例えば、ポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンn−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンn−ノニルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールジラウレート、ポリエチレングリコールジステアレート等のノニオン系界面活性剤のほか、以下商品名で、KP341(信越化学工業(株)製)、ポリフローNo.75,同No.95(共栄社化学(株)製)、エフトップEF301,同EF303,同EF352(トーケムプロダクツ(株)製)、メガファックスF171,同F173(大日本インキ化学工業(株)製)、フロラードFC430,同FC431(住友スリーエム(株)製)、アサヒガードAG710,サーフロンS−382,同SC−101,同SC−102,同SC−103,同SC−104,同SC−105,同SC−106(旭硝子(株)製)等が挙げられる。
これらの界面活性剤は、単独でまたは2種以上を混合して使用できる。界面活性剤の配合量は、樹脂100重量部に対して、通常、2重量部以下である。
このような増感剤としては、例えば、カルバゾール類、ベンゾフェノン類、ローズベンガル類、アントラセン類、フェノール類等が挙げられる。
これらの増感剤は、単独でまたは2種以上を混合して使用できる。増感剤の配合量は、樹脂100重量部に対して、好ましくは50重量部以下である。
さらに、上記以外の添加剤としては、ハレーション防止剤、接着助剤、保存安定化剤、消泡剤等が挙げられる。
上記組成物溶液の調製に使用される溶剤としては、例えば、2−ペンタノン、2−ヘキサノン、2−ヘプタノン、2−オクタノン等の直鎖状もしくは分岐状のケトン類;シクロペンタノン、シクロヘキサノン等の環状のケトン類;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等のプロピレングリコールモノアルキルエーテルアセテート類;2−ヒドロキシプロピオン酸メチル、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル等の2−ヒドロキシプロピオン酸アルキル類;3−メトキシプロピオン酸メチル、3−メトキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル等の3−アルコキシプロピオン酸アルキル類のほか、
エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチ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、酢酸n−ブチル、ピルビン酸メチル、ピルビン酸エチル、N−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。
これらの溶剤は、単独でまたは2種以上を混合して使用できるが、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メチルエーテル、2−ヘプタノン、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、3−エトキシプロピオン酸エチルから選ばれる少なくとも1種を含有することが好ましい。ただし、シクロヘキサノンは溶解性の点からは、有効な溶剤であるが、その毒性からは使用はできるだけ避けることが好ましい。
化学増幅型レジストにおいては、放射線照射により酸発生剤から発生した酸の作用によって、樹脂中の酸解離性基が解離して、カルボキシル基を生じ、その結果、レジストの照射部のアルカリ現像液に対する溶解性が高くなり、該照射部がアルカリ現像液によって溶解、除去され、ポジ型のレジストパターンが得られる。
本発明の感放射線性樹脂組成物からレジストパターンを形成する際には、組成物溶液を、回転塗布、流延塗布、ロール塗布等の適宜の塗布手段によって、例えば、シリコンウエハー、アルミニウムで被覆されたウエハー等の基板上に塗布することにより、レジスト被膜を形成し、場合により予め加熱処理(以下、「PB」という。)を行なったのち、所定のレジストパターンを形成するように該レジスト被膜に照射する。その際に使用される放射線としては、例えば、紫外線、KrFエキシマレーザー(波長248nm)、ArFエキシマレーザー(波長193nm)、F2エキシマレーザー(波長157nm)、EUV(極紫外線、波長13nm等)等の遠紫外線、電子線等の荷電粒子線、シンクロトロン放射線等のX線等を適宜選択して使用できるが、これらのうち遠紫外線、電子線が好ましい。また、照射量等の照射条件は、感放射線性樹脂組成物の配合組成、各添加剤の種類等に応じて、適宜選定される。
本発明においては、感放射線性樹脂組成物の潜在能力を最大限に引き出すため、例えば特公平6−12452号公報等に開示されているように、使用される基板上に有機系あるいは無機系の反射防止膜を形成しておくこともでき、また環境雰囲気中に含まれる塩基性不純物等の影響を防止するため、例えば特開平5−188598号公報等に開示されているように、レジスト被膜上に保護膜を設けることもでき、あるいはこれらの技術を併用することもできる。次いで、照射されたレジスト被膜をアルカリ現像液を用いて現像することにより、所定のレジストパターンを形成する。
上記アルカリ現像液としては、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドを溶解したアルカリ性水溶液が好ましい。
上記アルカリ性水溶液の濃度は、通常、10重量%以下である。この場合、アルカリ性水溶液の濃度が10重量%をこえると、非照射部も現像液に溶解するおそれがあり好ましくない。
また、上記アルカリ性水溶液には、界面活性剤等を適量添加することもできる。なお、アルカリ現像液で現像したのちは、一般に、水で洗浄して乾燥する。
各重合体のモノマー含有率及びMw:
日本電子(株)製「JNM−EX270」を用いた12C−NMR分析で、測定溶媒としてCDCL3を使用して実施した。また、Mwは東ソー(株)製GPCカラム(G2000HXL 2本、G3000HXL 1本、G4000HXL 1本)を用い、流量1.0ミリリットル/分、溶出溶媒テトラヒドロフラン、カラム温度40℃の分析条件で、単分散ポリスチレンを標準とするゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)により測定した。
撹拌装置及び還流冷却器をつけた500mlの三つ口フラスコにギ酸を205g(4.45モル)、N−(ビシクロ[2.2.1]ヘプト−5−エン−2−イルメチル)1,1,1−トリフルオロメタンスルホンアミドを113.6g(0.445モル)を入れ、130℃にて加熱撹拌した。
4時間後、組成をガスクロマトグラフィにより測定したところ、N−(ビシクロ[2.2.1]ヘプト−5−エン−2−イルメチル)1,1,1−トリフルオロメタンスルホンアミドの反応転化率は、98%であった。反応液を冷却後、227mlの水で2回洗浄し、粗の5−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル ホルメート120gを得た。これを撹拌装置及び還流冷却器をつけた500mlの三つ口フラスコに移し、水240ml、水酸化カリウム89.3g(1.6モル)、イソプロピルエーテル120gを入れ、80℃にて加熱撹拌した。
1時間後、組成をガスクロマトグラフィにより測定したところ、5−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル ホルメートの反応転化率は、99%以上であった。
得られた有機層からイソプロピルエーテルを留去し、目的物である1,1,1−トリフルオロ−N−[(5−ヒドロキシビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル)メチル]メタンスルホンアミド105gを得た。
ガスクロマトグラフィにより組成を調べたところ、1,1,1−トリフルオロ−N−[(5−ヒドロキシビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル)メチル]メタンスルホンアミドの純度は99.5%(1,1,1−トリフルオロ−N−[(5−exo−ヒドロキシビシクロ[2.2.1]ヘプト―2−exo−イル)メチル]メタンスルホンアミド 80.0%、その他異性体19.5%であった。収率は、85.9%であった。
1H−NMR(溶媒:CDCl3、基準物質:TMS);δ1.02 (ddd, J = 4.8,4.8,13.2, 1H), 1.24 (dddd, J = 1.3, 1.3, 1.3, 10.6 , 1H), 1.31 (dd, J = 2.6, 8.7, 1H), 1.36 (ddd, J = 2.6, 4.1, 13.2, 1H), 1.52 (dd, J =4.8, 8.7, 1H), 1.56 (dd, J =3.0, 10.5, 1H), 1.67 (dd, J =6.4, 13.2, 1H), 2.14 (d, J =4.1, 1H), 2.18 (d, J =4.5, 1H), 3.04(m, 1H), 3.07(m, 1H), 3.78 (dd, J =2.6, 6.4, 1H), 5.23(m, 1H), 7.95 (s, 1H)
19F−NMR(溶媒:CDCl3、基準物質:CCl3F);δ-77.7(s, 3F)
撹拌装置及び還流冷却器をつけた500mlの三つ口フラスコにメタクリル酸無水物を78.7g(0.42モル)、メタンスルホン酸を0.10g(1.0ミリモル)、1,1,1−トリフルオロ−N−[(5−ヒドロキシビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル)メチル]メタンスルホンアミドを105g(0.39モル)、ノンフレックスMBPを0.05g入れ、80℃で加熱撹拌した。
3時間後、組成をガスクロマトグラフィにより測定したところ、1,1,1−トリフルオロ−N−[(5−ヒドロキシビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル)メチル]メタンスルホンアミドの反応転化率は、99%以上であった。反応液を冷却後、水酸化カリウム50g(0.9モル)と水200mlからなる溶液を加え、良く撹拌した後、イソプロピルエーテル150gを加え、二層分離した。得られた水層に5%塩酸水をpH3に達するまで加えた。分液ロートに移し、イソプロピルエーテル150gを加え、抽出した。
得られた有機層からイソプロピルエーテルを留去し、5−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル 2−メチルアクリレートと6−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−イル 2−メチルアクリレートの混合物を得た。
この混合物にヘキサンを徐々に加え、結晶を析出させ、濾別後、減圧乾燥すると53.3gの結晶を得た。NMR及びガスクロマトグラフィにより組成を調べたところ、純度99.9%の5−exo−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−exo−イル 2−メチルアクリレートであった。収率は、40%であった。
1H−NMR(溶媒:CDCl3、基準物質:TMS);δ0.57 (ddd, J = 2.2, 4.6, 13.2, 1H), 0.85 (ddd, J = 1.2, 2.4, 10.6, 1H), 0.96 (ddd, J = 2.2, 8.5,13.2, 1H), 1.08 (m, 1H), 1.25 (m, 1H), 1.28 (ddd, J = 1.2, 3.0, 3.9,, 1H), 1.46 (ddd, J = 1.2, 2.4, 7.1, 1H), 1.72 (m, 1H), 1.80 (dd, J = 1.5, 1.7, 3H), 2.09 (m, 1H), 2.50 (dd, J = 7.2, 13.2, 1H), 2.62 (m, 1H), 4.53 (ddd, J = 1.2, 3.0, 7.1, 1H), 5.11 (dd, J = 5.3, 5.6, 1H), 5.22 (dd, J = 1.7, 1.7, 1H), 6.07 (dd, J = 1.5, 1.7, 1H)
19F−NMR(溶媒:CDCl3、基準物質:CCl3F);δ-77.8 (s, 3F)
合成例2で得られた単一異性体として取り出した5−exo−({[(トリフルオロメチル)スルホニル]アミノ}メチル)ビシクロ[2.2.1]ヘプト−2−exo−イル 2−メチルアクリレート[M−1]、及び以下に示すモノマー[M−2]、モノマー[M−3]、モノマー[M−4]を用いて樹脂を合成した。
合成例3〜合成例7で得られた各重合体と、以下に示す酸発生剤と、他の成分とを表2に示す割合で配合して各感放射線性樹脂組成物溶液を得た。得られた感放射線性樹脂組成物溶液を表3に示す条件にて露光して各種評価を行った。評価結果を表4に示す。ここで、部は、特記しない限り重量基準である。なお、表2〜表4において、実施例3〜4は参考例1〜2である。
酸発生剤(B)
(B−1):トリフェニルスルホニウム・ノナフルオロ−n−ブタンスルホネート
(B−2):4−シクロヘキシル−フェニル−ジフェニルスルホニウム・ノナフルオロ−n−ブタンスルホネート
酸拡散抑制剤(C)
(C−1):ピロリジン−1−ニル−酢酸t−ブチルエステル
溶剤(D)
(D−1):プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
(D−2):シクロヘキサノン
(1)感度:
ArF光源にて露光を行う場合、ウエハー表面に膜厚77nmのARC29((Brewer Science)社製)膜を形成したシリコンウエハー(ARC29)を用い、各組成物溶液を、先に作成したARC29を塗布したウエハー上にスピンコートにより塗布した。この時用いた塗布およびベーク、現像は東京エレクトロン社製ACT8を用いた。塗布後、表3に示す条件でACT8のホットプレート上にてベークを行い、冷却して形成した膜厚250nmのレジスト被膜に、ニコン製ArFエキシマレーザー露光装置(開口数0.75)を用い、マスクパターンを介して露光した。その後、表3に示す条件でPEBを行い、冷却後に、2.38重量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液により、23℃で30秒間現像し、水洗し、乾燥して、ポジ型のレジストパターンを形成した。このとき、線幅90nmのライン・アンド・スペースパターン(1L1S)を1対1の線幅に形成する露光量を最適露光量とし、この最適露光量を感度とした。
(2)解像度:
最適露光量で解像される最小のライン・アンド・スペースパターンの寸法を解像度とした。
感度の測定に記載の方法に準じて、形成されるライン・アンド・スペースパターン(1L1S)の線幅が90nmとなるような露光量を選択した。次いで、露光量を変えてパターンの線幅を細らせた場合の倒れが無く得られたパターンのうち最小パターンの線幅を比較した。この時の線幅の測定は日立製測長SEM:S9360を用いて行った。
(4)LSとISの共通DOF
感度の測定に記載の方法に準じて、形成されるライン・アンド・スペースパターン(1L1S)の線幅が100nmとなるような寸法のマスクであって、同時に、線幅が110nmとなる孤立スペースパターン(IS)が形成されるマスクを選択した。次いで、上記のとおり形成されるライン・アンド・スペースパターパターンのスペースの線幅が100nm以上120nm以下である焦点深度(DOF)の共通の範囲を測定した。
Claims (4)
- 下記一般式で表される繰り返し単位[1]及び繰り返し単位[9]を含有し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量が1,000〜100,000である樹脂(A)と、感放射線性酸発生剤(B)とを含有することを特徴とするポジ型感放射線性樹脂組成物。
- 前記樹脂(A)が前記繰り返し単位[1]と、前記繰り返し単位[9]と、前記繰り返し単位[8]とで構成され、全繰り返し単位の合計量に対して、前記繰り返し単位[1]が10〜80モル%、前記繰り返し単位[9]が1〜70モル%、前記繰り返し単位[8]が60モル%以下であることを特徴とする請求項2記載のポジ型感放射線性樹脂組成物。
- 前記樹脂(A)及び前記感放射線性酸発生剤(B)と共に、酸拡散制御剤(C)を含有することを特徴とする請求項1記載のポジ型感放射線性樹脂組成物。
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