JP5776580B2 - ポジ型レジスト材料及びこれを用いたパターン形成方法 - Google Patents
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Description
ナフタレン環、アセナフテンを有するイオンインプランテーションレジスト材料が提案されている(特許文献5:特開2008−197606号公報)。ナフタレンを有するモノマー及びアセナフチレンを、酸不安定基を有するモノマー及びラクトンを有する密着性基のモノマーと共重合した高分子化合物をベースポリマーとして用いている。ここで、ナフタレンがヒドロキシ基を有している場合は基板密着性が向上するが、埋め込み特性が向上することはない。
〔1〕
カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位を含む重量平均分子量が1,000〜500,000の範囲である高分子化合物と、ジヒドロキシナフタレンのノボラック樹脂と、光酸発生剤とを含有することを特徴とするポジ型レジスト材料。
〔2〕
カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位が、下記一般式(1)で示されることを特徴とする〔1〕記載のポジ型レジスト材料。
(式中、R1は水素原子又はメチル基である。Xは単結合、エステル基,エーテル基及びラクトン環から選ばれる1種又は2種以上を有する炭素数1〜12の連結基、又はナフチレン基であり、R2は環構造を有する酸不安定基である。)
〔3〕
ジヒドロキシナフタレンのノボラック樹脂が、下記一般式(2)で示される繰り返し単位を有する重量平均分子量が400〜20,000の範囲の樹脂であることを特徴とする〔1〕又は〔2〕記載のポジ型レジスト材料。
(式中、R3は水素原子、炭素数1〜10の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基、又は炭素数6〜10のアリール基であり、ヒドロキシ基、アルコキシ基もしくはアシロキシ基、エーテル基、又はスルフィド基を有していてもよい。R4は水素原子、又は炭素数1〜6の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基である。mは1〜4の整数である。)
〔4〕
下記一般式(1)で示される、カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位aと、ヒドロキシ基、カルボキシル基、ラクトン環、カーボネート基、チオカーボネート基、カルボニル基、環状アセタール基、エーテル基、エステル基、スルホン酸エステル基、シアノ基及びアミド基から選ばれる密着性基を有する繰り返し単位bを共重合した(ここで0<a<1.0、0<b<1.0、0.2≦a+b≦1.0の範囲である。)重量平均分子量が1,000〜500,000の範囲である高分子化合物と、下記一般式(2)で示される繰り返し単位を有する重量平均分子量が400〜20,000の範囲のジヒドロキシナフタレンノボラック樹脂とをベース樹脂とし、光酸発生剤を含有することを特徴とするポジ型レジスト材料。
(式中、R1は水素原子又はメチル基である。Xは単結合、エステル基,エーテル基及びラクトン環から選ばれる1種又は2種以上を有する炭素数1〜12の連結基、又はナフチレン基であり、R2は環構造を有する酸不安定基である。)
(式中、R3は水素原子、炭素数1〜10の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基、又は炭素数6〜10のアリール基であり、ヒドロキシ基、アルコキシ基もしくはアシロキシ基、エーテル基、又はスルフィド基を有していてもよい。R4は水素原子、又は炭素数1〜6の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基である。mは1〜4の整数である。)
〔5〕
更に、有機溶剤を含有する化学増幅型のレジスト材料であることを特徴とする〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のポジ型レジスト材料。
〔6〕
更に、添加剤として塩基性化合物及び/又は界面活性剤を配合してなることを特徴とする〔5〕記載のポジ型レジスト材料。
〔7〕
〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載のポジ型レジスト材料を基板上に塗布する工程と、加熱処理後、高エネルギー線で露光する工程と、現像液を用いて現像する工程とを含むことを特徴とするパターン形成方法。
〔8〕
高エネルギー線としてArFエキシマレーザーを用いることを特徴とする〔7〕記載のパターン形成方法。
〔9〕
現像液を用いてレジストパターンを形成した後に基板にイオンを打ち込むことを特徴とする〔7〕又は〔8〕記載のパターン形成方法。
本発明に係るレジスト材料は、カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位を含む高分子化合物、好ましくは下記一般式(1)で示される繰り返し単位を含む高分子化合物をベース樹脂にしていることを特徴とするレジスト材料である。
(式中、R1は水素原子又はメチル基である。Xは単結合、エステル基(−COO−),エーテル基(−O−)及びラクトン環から選ばれる1種又は2種以上を有する炭素数1〜12の連結基、又はナフチレン基であり、R2は環構造を有する酸不安定基である。)
(式中、R1は前述の通り、Rc3は炭素数1〜8の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基又は炭素数6〜20の置換されていてもよいアリール基を示す。Rc4〜Rc9及びRc12、Rc13はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜15のヘテロ原子を含んでもよい1価の炭化水素基を示し、Rc10、Rc11は水素原子又は炭素数1〜15のヘテロ原子を含んでもよい1価の炭化水素基を示す。Rc4とRc5、Rc6とRc8、Rc6とRc9、Rc7とRc9、Rc7とRc13、Rc8とRc12、Rc10とRc11又はRc11とRc12は互いに環を形成していてもよく、その場合には環の形成に関与する基は炭素数1〜15のヘテロ原子を含んでもよい2価の炭化水素基を示す。またRc4とRc13、Rc10とRc13又はRc6とRc8は隣接する炭素に結合するもの同士で何も介さずに結合し、二重結合を形成してもよい。また、本式により、鏡像体も表す。)
(式中、R23-1は水素原子、炭素数1〜4のアルキル基、アルコキシ基、アルカノイル基又はアルコキシカルボニル基である。m23は0又は1〜4の整数である。)
(式中、R20、R24、R28は水素原子又はメチル基、R21は単結合、フェニレン基、−O−R−、又は−C(=O)−Y−R−である。Yは酸素原子又はNH、Rは炭素数1〜6の直鎖状、分岐状又は環状のアルキレン基、アルケニレン基又はフェニレン基であり、カルボニル基(−CO−)、エステル基(−COO−)、エーテル基(−O−)又はヒドロキシ基を含んでいてもよい。R22、R23、R25、R26、R27、R29、R30、R31は同一又は異種の炭素数1〜12の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基であり、カルボニル基、エステル基又はエーテル基を含んでいてもよく、又は炭素数6〜12のアリール基、炭素数7〜20のアラルキル基又はチオフェニル基を表す。Z0は単結合、メチレン基、エチレン基、フェニレン基、フッ素化されたフェニレン基、−O−R32−、又は−C(=O)−Z1−R32−である。Z1は酸素原子又はNH、R32は炭素数1〜6の直鎖状、分岐状又は環状のアルキレン基、アルケニレン基又はフェニレン基であり、カルボニル基、エステル基、エーテル基又はヒドロキシ基を含んでいてもよい。M-は非求核性対向イオンを表す。0≦c1≦0.5、0≦c2≦0.5、0≦c3≦0.5、0≦c1+c2+c3≦0.5である。)
一般式(K−2)中、R103は水素原子、炭素数1〜30の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、アシル基、炭素数2〜20のアルケニル基、炭素数6〜20のアリール基、又はアリーロキシ基であり、エーテル基、エステル基、カルボニル基、又はラクトン環を有していてもよい。
(式中、R110〜R114は水素原子、炭素数1〜30のアルキル基、一部又は全てがハロゲン原子で置換されたアルキル基、ヒドロキシ基、アルコキシ基、アルカノイル基又はアルコキシカルボニル基、又は炭素数6〜10のアリール基、ハロゲン原子、又は1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロパノール基である。Xはメチレン基、酸素原子、又は硫黄原子である。0≦d1≦0.4、0≦d2≦0.4、0≦d3≦0.4、0≦d4≦0.4、0≦d5≦0.4、0≦d1+d2+d3+d4+d5≦0.5である。)
なお、重量平均分子量(Mw)は溶剤としてテトラヒドロフランを用いたゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算の測定値である(以下、同じ)。
また、組成比率や分子量分布や分子量が異なる2つ以上のポリマーや、一般式(1)で示される繰り返し単位aを共重合していないポリマーをブレンドすることも可能である。
ここで用いられるアルデヒド類としては、例えばホルムアルデヒド、トリオキサン、パラホルムアルデヒド、ベンズアルデヒド、メトキシベンズアルデヒド、フェニルベンズアルデヒド、トリチルベンズアルデヒド、シクロヘキシルベンズアルデヒド、シクロペンチルベンズアルデヒド、t−ブチルベンズアルデヒド、ナフタレンアルデヒド、ヒドロキシナフタレンアルデヒド、アントラセンアルデヒド、フルオレンアルデヒド、ピレンアルデヒド、メトキシナフタレンアルデヒド、ジメトキシナフタレンアルデヒド、アセトアルデヒド、プロピルアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、ナフタレンアセトアルデヒド、置換又は非置換のカルボキシルナフタレンアセトアルデヒド、α−フェニルプロピルアルデヒド、β−フェニルプロピルアルデヒド、o−ヒドロキシベンズアルデヒド、m−ヒドロキシベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、o−クロロベンズアルデヒド、m−クロロベンズアルデヒド、p−クロロベンズアルデヒド、o−ニトロベンズアルデヒド、m−ニトロベンズアルデヒド、p−ニトロベンズアルデヒド、o−メチルベンズアルデヒド、m−メチルベンズアルデヒド、p−メチルベンズアルデヒド、p−エチルベンズアルデヒド、p−n−ブチルベンズアルデヒド、フルフラール、フランカルボキシアルデヒド、チオフェンアルデヒド等を挙げることができる。これらのうち、特にホルムアルデヒドを好適に用いることができる。これらのアルデヒド類は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
上記アルデヒド類の使用量は、ジヒドロキシナフタレン1モルに対して0.2〜5モルが好ましく、より好ましくは0.5〜2モルである。
これらの酸性触媒の使用量は、ジヒドロキシナフタレン類1モルに対して1×10-5〜5×10-1モルである。
酸発生剤の具体例としては、特開2008−111103号公報の段落[0122]〜[0142]に記載されている。
有機溶剤の具体例としては特開2008−111103号公報の段落[0144]〜[0145]、塩基性化合物としては段落[0146]〜[0164]、界面活性剤としては段落[0165]〜[0166]、酸によってアミンが発生する化合物としては特許第3790649号公報記載のカルバメート基を有する化合物、溶解制御剤としては特開2008−122932号公報の段落[0155]〜[0178]、アセチレンアルコール類は段落[0179]〜[0182]に記載されている。特開2008−239918号公報に記載のポリマー型のクエンチャーを添加することもできる。これは、コート後のレジスト表面に配向することによってパターン後のレジストの矩形性を高める。ポリマー型クエンチャーは、液浸露光用の保護膜を適用したときのパターンの膜減りやパターントップのラウンディングを防止する効果もある。
密着性向上のために、基板をヘキサメチルジシラザン(HMDS)処理を行うことは有効である。HMDSの分解によってSi基板のシラノールをトリメチルシリル基に変えることによって疎水性が向上し、レジスト膜と同程度の表面エネルギーとなることによって接着力が向上する。
なお、本発明のレジスト材料は、特に高エネルギー線の中でもエキシマレーザー電子線、真空紫外線(軟X線)、X線、γ線、シンクロトロン放射線による微細パターニングに好適であり、これらの中でも波長193nmのArFエキシマレーザーによる微細パターニングが最適である。ArFエキシマレーザーによるパターニングはレンズをウエハーの間が大気中あるいは窒素雰囲気中であるドライ露光であってもよいが、液体を挿入する液浸露光であってもよい。
現像によってパターンの形成後、ベークによってパターンを熱フローさせることができる。これによってホールパターンの寸法をシュリンクさせることができる。
次いで現像後のレジストパターンをマスクにしてイオンの打ち込みを行う。イオンとしては、ボロン、リン、ヒ素が打ち込まれる。ドーパントのためのガスとしては、BF3、PH3、AsH3が用いられ、数keV〜数MeVの加速度でレジストパターンをマスクにして打ち込まれる。このため、レジスト膜はこれらのイオンの打ち込みに対して耐性を有する必要がある。
レジスト材料に用いる高分子化合物として、各々のモノマーを組み合わせてテトラヒドロフラン(THF)溶剤下で共重合反応を行い、メタノールに晶出し、更にヘキサンで洗浄を繰り返した後に単離、乾燥して、以下に示す組成の高分子化合物(ポリマー1〜12及び比較ポリマー1)を得た。得られた高分子化合物の組成は1H−NMR、分子量及び分散度はTHF溶剤によるゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより確認した。
ジヒドロキシナフタレン類、その他共縮合化合物、37質量%ホルマリン水溶液、シュウ酸を加え、100℃で24時間撹拌した。反応後、メチルイソブチルケトン500mlに溶解し、十分な水洗により触媒と金属不純物を除去し、溶剤を減圧除去し、150℃,2mmHgまで減圧し、水分、未反応モノマーを除き、以下に示すノボラック樹脂1〜18、比較ノボラック樹脂1,2を得た。
ノボラック樹脂14は37質量%ホルマリン水溶液を50質量%の下記に示すアルデヒド1のジオキサン溶液に、ノボラック樹脂15は37質量%ホルマリン水溶液を50質量%のアルデヒド2のジオキサン溶液に、ノボラック樹脂16は37質量%ホルマリン水溶液を50質量%のアルデヒド3のジオキサン溶液に、ノボラック樹脂17は37質量%ホルマリン水溶液を50質量%のアルデヒド4のジオキサン溶液に、ノボラック樹脂18は37質量%ホルマリン水溶液を50質量%のアルデヒド5のジオキサン溶液に変えてノボラック樹脂を得た。
上記で合成した高分子化合物を用いて、界面活性剤として住友スリーエム(株)製界面活性剤のFC−4430を100ppmの濃度で溶解させた溶剤に表1に示される組成で溶解させた溶液を、0.2μmサイズのフィルターで濾過してポジ型レジスト材料を調製した。
ポリマー1〜12、ノボラック樹脂1〜18、比較ポリマー1、比較ノボラック樹脂1,2:上記合成例で得られたもの
有機溶剤:PGMEA(プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート)
CyH(シクロヘキサノン)
酸発生剤:PAG1〜4(下記構造式参照)
表1に示されるレジスト材料を、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)ベーパープライムしたSi基板にスピンコートし、ホットプレートを用いて110℃で60秒間ベークし、レジスト膜の厚みを200nmにした。これをArFエキシマレーザースキャナー((株)ニコン製、NSR−S307E,NA0.85、σ0.93、2/3輪帯照明、6%ハーフトーン位相シフトマスク)を用いて90nmライン,180nmピッチのパターンを露光し、露光後直ちに表2に記載の温度で60秒間PEBし、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で30秒間現像を行って、90nmラインアンドスペースパターンを得、この時の感度とパターンの断面形状をSEMにて観察した。結果を表2に示す。
表1に示されるレジスト材料をシリコン基板上に塗布して、110℃で60秒間ベークし、膜厚200nmのレジスト膜を形成し、下記条件でCF4/CHF3系ガスでのエッチング試験を行った。この場合、東京エレクトロン(株)製ドライエッチング装置TE−8500を用い、エッチング前後のレジスト膜の膜厚差を測定し、1分あたりのエッチング速度を求めた。結果を表3に示す。
エッチング条件は下記に示す通りである。
チャンバー圧力 40.0Pa
RFパワー 1,000W
CHF3ガス流量 30ml/min
CF4ガス流量 30ml/min
Arガス流量 100ml/min
時間 60sec
表1に示されるレジスト材料を、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)ベーパープライムせずにSi基板にスピンコートし、ホットプレートを用いて110℃で60秒間ベークし、レジスト膜の厚みを200nmにした。これをArFエキシマレーザースキャナー((株)ニコン製、NSR−S307E,NA0.85、σ0.93、コンベンショナル照明、バイナリーマスク)を用いて300nmライン,600nmピッチのパターンを露光し、露光後直ちに表2に記載の温度で60秒間PEBし、2.38質量%のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの水溶液で30秒間現像を行って、300nmラインアンドスペースパターンが剥がれているかどうかを光学顕微鏡にて観察した。結果を表3に示す。
Si基板上に作製された膜厚300nmのSiO2膜のピッチ360nm,直径180nmのホールパターンの段差基板上に、平板上基板でレジスト膜の厚みが200nmになる条件でスピンコートし、ホットプレートを用いて110℃で60秒間ベークした。基板を割断し、SEMを用いて酸化膜のホールの底までレジスト膜が埋まっているかどうかを観察した。結果を表3に示す。
Claims (9)
- カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位を含む重量平均分子量が1,000〜500,000の範囲である高分子化合物と、ジヒドロキシナフタレンのノボラック樹脂と、光酸発生剤とを含有することを特徴とするポジ型レジスト材料。
- 下記一般式(1)で示される、カルボキシル基の水素原子が環構造を有する酸不安定基で置換されている(メタ)アクリレートの繰り返し単位aと、ヒドロキシ基、カルボキシル基、ラクトン環、カーボネート基、チオカーボネート基、カルボニル基、環状アセタール基、エーテル基、エステル基、スルホン酸エステル基、シアノ基及びアミド基から選ばれる密着性基を有する繰り返し単位bを共重合した(ここで0<a<1.0、0<b<1.0、0.2≦a+b≦1.0の範囲である。)重量平均分子量が1,000〜500,000の範囲である高分子化合物と、下記一般式(2)で示される繰り返し単位を有する重量平均分子量が400〜20,000の範囲のジヒドロキシナフタレンノボラック樹脂とをベース樹脂とし、光酸発生剤を含有することを特徴とするポジ型レジスト材料。
(式中、R1は水素原子又はメチル基である。Xは単結合、エステル基,エーテル基及びラクトン環から選ばれる1種又は2種以上を有する炭素数1〜12の連結基、又はナフチレン基であり、R2は環構造を有する酸不安定基である。)
(式中、R3は水素原子、炭素数1〜10の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、炭素数2〜10のアルケニル基、又は炭素数6〜10のアリール基であり、ヒドロキシ基、アルコキシ基もしくはアシロキシ基、エーテル基、又はスルフィド基を有していてもよい。R4は水素原子、又は炭素数1〜6の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基である。mは1〜4の整数である。) - 更に、有機溶剤を含有する化学増幅型のレジスト材料であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載のポジ型レジスト材料。
- 更に、添加剤として塩基性化合物及び/又は界面活性剤を配合してなることを特徴とする請求項5記載のポジ型レジスト材料。
- 請求項1〜6のいずれか1項記載のポジ型レジスト材料を基板上に塗布する工程と、加熱処理後、高エネルギー線で露光する工程と、現像液を用いて現像する工程とを含むことを特徴とするパターン形成方法。
- 高エネルギー線としてArFエキシマレーザーを用いることを特徴とする請求項7記載のパターン形成方法。
- 現像液を用いてレジストパターンを形成した後に基板にイオンを打ち込むことを特徴とする請求項7又は8記載のパターン形成方法。
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