JP6950662B2 - 基板保護膜形成用材料及びパターン形成方法 - Google Patents

基板保護膜形成用材料及びパターン形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、レジスト含有成分による基板の汚染を防ぐことを目的とし、レジスト膜と基板との間に形成される基板保護膜形成用材料に関する。
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急速に進んでいる。最先端の微細化技術としては、45nmノード以降のデバイスの量産にArF液浸リソグラフィーが適用されている。また、ArF液浸露光と併せて、二重露光(ダブルパターニング)プロセスが28nmノード以降の世代で実用化され、光学的限界を超える狭ピッチパターンの形成も可能となった。更に、20nmノード以降のデバイス製造においては、露光とエッチングを3回以上繰り返すことにより、より狭いピッチのパターンを作製する多重露光(マルチパターニング)プロセスの検討が進められている。しかしながら、多重露光プロセスは工程数が増えるため、製造期間の長期化や欠陥発生の頻度増大により生産性が低下し、コストが大幅に上昇する事態に直面している。
近年、ArF液浸リソグラフィーと多重露光プロセスとの併用に代わる有力な技術として、波長13.5nmの極端紫外光(EUV)リソグラフィーが注目されている。この技術を用いることにより、ハーフピッチ25nm以下の微細パターンを1回の露光で形成できることが可能になった。
一方で、EUVリソグラフィーでは、光源の出力不足を補うため、レジスト材料には高感度化が強く求められる。しかし、高感度化に伴うショットノイズの増大はラインパターンのエッジラフネス(LER、LWR)の増大に繋がり、高感度化と低エッジラフネスの両立がEUVリソグラフィーにおける重要な課題の一つに挙げられている。
レジスト材料の高感度化やショットノイズの影響の低減のための試みとして、レジスト材料に金属材料を用いることが近年検討されるようになった。バリウム、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、スズ等の金属元素を含む化合物は、金属を含まない有機材料に比べて、EUVに対する吸光度が高く、レジスト材料の感光性の向上やショットノイズの影響の抑制が期待できる。
例えば、特許文献1、2に記載の金属塩や有機金属錯体を添加したレジスト材料や、特許文献3、4、非特許文献1に記載の金属酸化物のナノ粒子を用いた非化学増幅型レジスト材料が検討されている。しかしながら、これらの金属含有レジストの課題として、レジスト由来の金属が無機基板又はレジスト下層の有機材料を汚染するおそれが指摘されている。金属が基板材料の電気的特性に影響するおそれがあるほか、エッチング処理による基板加工の際に、汚染箇所と周囲のエッチングレートが異なることにより、エッチング後の欠陥発生の原因になり得る点が懸念される。
特許第5708521号公報 特許第5708522号公報 米国特許第9310684号明細書 米国特許出願公開第2017/0102612号明細書
Proc. SPIE Vol. 7969, 796915 (2011)
本発明は、前記事情に鑑みなされたもので、金属含有レジスト膜を用いる場合でも、金属による基板の汚染を防ぐことが可能な基板保護膜を作製するための材料を提供することを目的とする。
本発明者らは、前記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、酸不安定基によりカルボキシ基が保護された構造を有する繰り返し単位と、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位とを含むポリマー、熱酸発生剤及び有機溶剤を含む基板保護膜形成用材料を用い、特定の処理方法を適用することにより、レジスト膜と基板の接触を防ぐとともに、エッチング工程前に基板保護膜形成用材料を除去することができ、基板の金属汚染を防止することができることを知見し、本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、下記基板保護膜形成用材料及びパターン形成方法を提供する。
1.(A)酸不安定基によりカルボキシ基が保護された構造を有する繰り返し単位(a1)と、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位(a2)とを含むポリマー、
(B)熱酸発生剤、並びに
(C)有機溶剤
を含み、レジスト膜と基板との間に形成される基板保護膜形成用材料。
2.繰り返し単位(a1)が、下記式(a1)で表されるものである1の基板保護膜形成用材料。
Figure 0006950662
(式中、RAは、水素原子又はメチル基である。R1は、酸不安定基である。xは、0又は1である。)
3.繰り返し単位(a2)が、下記式(a2)で表されるものである1又は2の基板保護膜形成用材料。
Figure 0006950662
(式中、RAは、水素原子又はメチル基である。R2は、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれるいずれかの構造を含む炭素数4〜15の1価環式炭化水素基である。yは、0又は1である。)
4.(A)成分のポリマーが、更にカルボキシ基を含む繰り返し単位(a3)を含む1〜3のいずれかの基板保護膜形成用材料。
5.(i)1〜4のいずれかの基板保護膜形成用材料を用いて基板上に基板保護膜を形成する工程と、(ii)前記基板保護膜上に、レジスト材料を用いてレジスト膜を形成する工程と、(iii)前記レジスト膜を高エネルギー線で露光する工程と、(iv)前記露光したレジスト膜を、現像液を用いて現像する工程と、(v)現像後に有機溶剤又は塩基性水溶液を用いて保護膜を全て又は部分選択的に溶解除去する工程を含むパターン形成方法。
6.工程(iv)に用いられる現像液が、2−オクタノン、2−ノナノン、2−ヘプタノン、3−ヘプタノン、4−ヘプタノン、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、ジイソブチルケトン、2−メチルシクロヘキサノン、3−メチルシクロヘキサノン、4−メチルシクロヘキサノン、アセトフェノン、2′−メチルアセトフェノン、4′−メチルアセトフェノン、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸イソアミル、酢酸フェニル、吉草酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸エチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、酢酸フェニル、酢酸ベンジル、フェニル酢酸メチル、3−フェニルプロピオン酸メチルから選ばれる1種以上の有機溶剤を含み、現像液中のこれらの有機溶剤の含有量が60質量%以上である5のパターン形成方法。
7.前記レジスト膜が、ケイ素、又は周期表の第4周期、第5周期及び第6周期の金属から選ばれる1種若しくは複数種の元素を2質量%以上含む5又は6のパターン形成方法。
本発明に係る特定の基板保護膜形成用材料を用いるパターン形成方法は、レジスト膜と基板の接触を防ぐことにより、金属レジストによる基板の金属汚染を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されない。なお、化学式で表される構造によっては不斉炭素が存在し、エナンチオマーやジアステレオマーが存在し得る場合があるが、その場合、1つの式で立体異性体の全てを代表して表す。これらの異性体は単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。
[基板保護膜形成用材料]
本発明の基板保護膜形成用材料は、(A)酸不安定基によりカルボキシ基が保護された構造を有する繰り返し単位(a1)と、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位(a2)とを含むポリマー、(B)熱酸発生剤、並びに(C)有機溶剤を含む。なお、基板保護膜とは、レジスト膜と基板との間に形成される膜である。
[(A)ポリマー]
(A)成分のポリマー(以下、ポリマーAともいう。)は、酸不安定基によりカルボキシ基が保護された構造を有する繰り返し単位(a1)と、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位(a2)を含む。
繰り返し単位(a1)において、酸不安定基としては、下記式(L1)〜(L8)で表される基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
(式中、破線は、結合手である(以下、同じ)。)
式(L1)中、RL01及びRL02は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜18、好ましくは1〜10のアルキル基である。前記アルキル基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、2−エチルヘキシル基、n−オクチル基、アダマンチル基等が挙げられる。
式(L1)中、RL03は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜18、好ましくは1〜10の1価炭化水素基である。前記ヘテロ原子としては、酸素原子、窒素原子、硫黄原子等が挙げられる。前記1価炭化水素基としては、直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基、これらの基の水素原子の一部がヒドロキシ基、アルコキシ基、オキソ基、アミノ基、アルキルアミノ基等で置換されたもの、これらの基の炭素原子の一部が酸素原子等のヘテロ原子含有基で置換されたもの等が挙げられる。前記アルキル基としては、RL01及びRL02で表されるアルキル基として前述したものと同様のものが挙げられる。また、置換アルキル基としては、以下に示す基等が挙げられる。
Figure 0006950662
L01とRL02と、RL01とRL03と、又はRL02とRL03とは、互いに結合してこれらが結合する炭素原子や酸素原子と共に環を形成してもよく、環を形成する場合には、これらが結合して形成される基は、それぞれ直鎖状又は分岐状の炭素数1〜18、好ましくは1〜10のアルカンジイル基である。
式(L2)中、RL04、RL05及びRL06は、それぞれ独立に、炭素数1〜15のアルキル基である。前記アルキル基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、2−エチルヘキシル基、n−オクチル基、1−アダマンチル基、2−アダマンチル基等が挙げられる。
式(L3)中、RL07は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のアリール基である。前記アルキル基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ビシクロ[2.2.1]ヘプチル基等が挙げられ、これらの水素原子の一部が、ヒドロキシ基、アルコキシ基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基、オキソ基、アミノ基、アルキルアミノ基、シアノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、スルホ基等で置換されていてもよく、これらのメチレン基の一部が、エーテル結合又はチオエーテル結合で置換されていてもよい。前記アリール基としては、フェニル基、メチルフェニル基、ナフチル基、アントリル基、フェナントリル基、ピレニル基等が挙げられる。式(L3)中、mは0又は1の整数であり、nは0〜3の整数であり、2m+n=2又は3を満たす。
式(L4)中、RL08は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のよいアリール基である。前記アルキル基及びアリール基の具体例としては、RL07の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。
式(L4)中、RL09〜RL18は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜15の1価炭化水素基である。前記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロペンチルメチル基、シクロペンチルエチル基、シクロペンチルブチル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルエチル基、シクロヘキシルブチル基等の直鎖状、分岐状又は環状のアルキル基等が挙げられ、これらの水素原子の一部が、ヒドロキシ基、アルコキシ基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基、オキソ基、アミノ基、アルキルアミノ基、シアノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、スルホ基等で置換されていてもよい。RL09〜RL18は、これらから選ばれる2個が互いに結合してこれらが結合する炭素原子と共に環を形成していてもよく(例えば、RL09とRL10、RL09とRL11、RL10とRL12、RL11とRL12、RL13とRL14、RL15とRL16等)、その場合には、環の形成に関与する基は炭素数1〜15の2価炭化水素基である。前記2価炭化水素基としては、前記1価炭化水素基として挙げたものから水素原子を1個除いたもの等が挙げられる。また、RL09〜RL18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(例えば、RL09とRL11、RL11とRL17、RL15とRL17等)。
式(L5)中、RL19は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のアリール基である。前記アルキル基及びアリール基の具体例としては、RL07の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。
式(L6)中、RL20は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のアリール基である。前記アルキル基及びアリール基の具体例としては、RL07の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。RL21及びRL22は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10の1価炭化水素基である。前記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、RL09〜RL18の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。また、RL21とRL22とは、互いに結合してこれらが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環又は置換若しくは非置換のシクロヘキサン環を形成してもよい。X1は、これが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環、置換若しくは非置換のシクロヘキサン環又は置換若しくは非置換のノルボルナン環を形成する2価の基である。pは、1又は2である。
式(L7)中、RL23は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のアリール基である。前記アルキル基及びアリール基の具体例としては、RL07の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。RL24及びRL25は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10の1価炭化水素基である。前記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、RL09〜RL18の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。また、RL24とRL25とは、互いに結合してこれらが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環又は置換若しくは非置換のシクロヘキサン環を形成してもよい。X2は、これが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環、置換若しくは非置換のシクロヘキサン環又は置換若しくは非置換のノルボルナン環を形成する2価の基である。qは、1又は2である。
式(L8)中、RL26は、ヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜10のアルキル基又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数6〜20のアリール基である。前記アルキル基及びアリール基の具体例としては、RL07の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。RL27及びRL28は、それぞれ独立に、水素原子又は炭素数1〜10の1価炭化水素基である。前記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、その具体例としては、RL09〜RL18の説明において述べたものと同様のものが挙げられる。また、RL27とRL28とは、互いに結合してこれらが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環又は置換若しくは非置換のシクロヘキサン環を形成してもよい。X3は、これが結合する炭素原子と共に置換若しくは非置換のシクロペンタン環、置換若しくは非置換のシクロヘキサン環又は置換若しくは非置換のノルボルナン環を形成する2価の基である。
式(L1)で表される酸不安定基のうち直鎖状又は分岐状のものとしては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L1)で表される酸不安定基のうち環状のものとしては、テトラヒドロフラン−2−イル基、2−メチルテトラヒドロフラン−2−イル基、テトラヒドロピラン−2−イル基、2−メチルテトラヒドロピラン−2−イル基等が挙げられる。
式(L2)で表される酸不安定基としては、tert−ブチル基、tert−ペンチル基、及び以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L3)で表される酸不安定基としては、1−メチルシクロペンチル基、1−エチルシクロペンチル基、1−n−プロピルシクロペンチル基、1−イソプロピルシクロペンチル基、1−n−ブチルシクロペンチル基、1−sec−ブチルシクロペンチル基、1−シクロヘキシルシクロペンチル基、1−(4−メトキシ−n−ブチル)シクロペンチル基、1−(ビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2−イル)シクロペンチル基、1−(7−オキサビシクロ[2.2.1]ヘプタン−2−イル)シクロペンチル基、1−メチルシクロヘキシル基、1−エチルシクロヘキシル基、3−メチル−1−シクロペンテン−3−イル基、3−エチル−1−シクロペンテン−3−イル基、3−メチル−1−シクロヘキセン−3−イル基、3−エチル−1−シクロヘキセン−3−イル基等が挙げられる。
式(L4)で表される酸不安定基としては、下記式(L4−1)〜(L4−4)で表される基が特に好ましい。
Figure 0006950662
式(L4−1)〜(L4−4)中、破線は、結合位置及び結合方向を示す。RL31は、それぞれ独立に、炭素数1〜10の1価炭化水素基である。前記1価炭化水素基は、直鎖状、分岐状又は環状のいずれでもよく、その具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、n−ペンチル基、tert−ペンチル基、n−ヘキシル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基等のアルキル基等が挙げられる。
式(L4−1)〜(L4−4)で表される基には、立体異性体(エナンチオマー又はジアステレオマー)が存在し得るが、式(L4−1)〜(L4−4)をもってこれらの立体異性体の全てを代表して表す。酸不安定基が式(L4)で表される基である場合は、複数の立体異性体が含まれていてもよい。
例えば、式(L4−3)は、下記式(L4−3−1)及び(L4−3−2)で表される基から選ばれる1種又は2種の混合物を代表して表すものとする。
Figure 0006950662
(式中、RL31は前記と同じ。)
また、式(L4−4)は、下記式(L4−4−1)〜(L4−4−4)で表される基から選ばれる1種又は2種以上の混合物を代表して表すものとする。
Figure 0006950662
(式中、RL31は前記と同じ。)
式(L4−1)〜(L4−4)、(L4−3−1)、(L4−3−2)、及び式(L4−4−1)〜(L4−4−4)は、それらのエナンチオマー及びエナンチオマーの混合物をも代表して表すものとする。
なお、式(L4−1)〜(L4−4)、(L4−3−1)、(L4−3−2)、及び式(L4−4−1)〜(L4−4−4)の結合方向が、それぞれビシクロ[2.2.1]ヘプタン環に対してexo側であることによって、酸触媒脱離反応における高反応性が実現される(特開2000−336121号公報参照)。ビシクロ[2.2.1]ヘプタン骨格を有する3級exo−アルキル基を置換基とする単量体の製造において、下記式(L4−1−endo)〜(L4−4−endo)で表されるendo−アルキル基で置換された単量体を含む場合があるが、良好な反応性の実現のためにはexo比率が50モル%以上であることが好ましく、exo比率が80モル%以上であることが更に好ましい。
Figure 0006950662
(式中、RL31は前記と同じ。)
式(L4)で表される酸不安定基としては、以下に示す基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L5)で表される酸不安定基としては、以下に示す基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L6)で表される酸不安定基としては、以下に示す基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L7)で表される酸不安定基としては、以下に示す基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
式(L8)で表される酸不安定基としては、以下に示す基が挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
繰り返し単位(a1)の構造は、酸の作用により酸不安定基が分解し、カルボン酸が発生するものであれば特に限定されないが、下記式(a1)で表される構造が好ましい。
Figure 0006950662
式(a1)中、RAは、水素原子又はメチル基である。R1は、酸不安定基である。xは、0又は1である。
繰り返し単位(a1)としては以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。なお、下記式中、RAは前記と同じである。
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
ポリマーA中、繰り返し単位(a1)は、1種のみが含まれていてもよく、2種以上が含まれていてもよい。
環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位(a2)は、下記式(a2)で表される構造のものが好ましい。
Figure 0006950662
式(a2)中、RAは、水素原子又はメチル基である。R2は、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれるいずれかの構造を含む炭素数4〜15の1価環式炭化水素基である。yは、0又は1である。
繰り返し単位(a2)としては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。なお、下記式中、RAは前記と同じである。
Figure 0006950662
Figure 0006950662
ポリマーA中、繰り返し単位(a2)は、1種のみが含まれていてもよく、2種以上が含まれていてもよい。
ポリマーAは、更に、カルボキシ基を含む繰り返し単位(a3)を含んでもよい。繰り返し単位(a3)を含むことが、レジスト溶剤や現像液に対する耐性の点で好ましい。繰り返し単位(a3)としては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。なお、下記式中、RAは前記と同じである。
Figure 0006950662
ポリマーAは、更に、ヒドロキシ基、アミノ基、アミド基、カーバメート基、シアノ基等の極性基を有し、芳香環を含まない繰り返し単位(a4)や芳香環を有する繰り返し単位(a5)を含んでもよい。
繰り返し単位(a4)としては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。なお、下記式中、RAは前記と同じである。
Figure 0006950662
繰り返し単位(a5)としては、以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。なお、下記式中、RAは前記と同じである。
Figure 0006950662
ポリマーA中の各繰り返し単位の好ましい組成比(モル比)は、繰り返し単位(a1)の組成比をr、繰り返し単位(a2)の組成比をs、繰り返し単位(a3)の組成比をt、それ以外の繰り返し単位の組成比をuとすると、0.2≦r≦0.8、0.2≦s≦0.8、0≦t≦0.3、0≦u≦0.3であることが好ましく、特に、0.3≦r≦0.7、0.3≦s≦0.7、0≦t≦0.2、0≦u≦0.2であることが、溶剤耐性や除去容易性の点で好ましい。なおr+s+t+u=1である。
ポリマーAは、溶剤としてテトラヒドロフラン(THF)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重量平均分子量(Mw)が、1,000〜500,000であることが好ましく、2,000〜30,000であることがより好ましい。ポリマーAの分子量分布(Mw/Mn)は、1.0〜2.2であることが好ましく、1.0〜1.8と狭分散であることがより好ましい。
基板保護膜形成用材料は、ポリマーAとして、組成比やMwやMw/Mnが異なる2種以上のポリマーを含んでもよい。
[(B)熱酸発生剤]
(B)成分の熱酸発生剤は、加熱により酸を発生する化合物である。(B)熱酸発生剤は、室温下では安定で、(A)成分のポリマーに含まれる酸不安定基の脱保護反応に必要な酸を、加熱により発生させることができる化合物であれば、特に限定されない。このような化合物としては、以下に示すフルオロアルカンスルホン酸イオン、フルオロベンゼンスルホン酸イオン、スルホンイミド酸イオン、メチド酸イオン等の強酸アニオンと1級〜4級のアンモニウムカチオンとの対からなるアンモニウム塩が挙げられる。
Figure 0006950662
また、(B)熱酸発生剤としては、下記式(B1)で表される構造のアンモニウム塩が、発生酸の酸性度が高く、かつ発生酸の揮発性や溶剤溶解性の制御が可能であり、更に基板保護膜形成用材料の長期安定性の点から好ましい。
Figure 0006950662
式(B1)中、R11は、フッ素原子、又はヘテロ原子を含んでいてもよい炭素数1〜50の1価炭化水素基であり、その水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換されていてもよい。
式(B1)中、R12、R13及びR14は、それぞれ独立に、ヘテロ原子を含んでいてもよい直鎖状若しくは分岐状の炭素数1〜10のアルキル基、直鎖状若しくは分岐状の炭素数2〜10のアルケニル基、炭素数6〜18のアリール基、又は炭素数7〜20のアラルキル基であり、これらの基の水素原子の一部又は全部が酸素原子、硫黄原子、窒素原子、ハロゲン原子等のヘテロ原子含有基で置換されていてもよく、これらの基の炭素原子の一部が酸素原子、硫黄原子、窒素原子等のヘテロ原子含有基で置換していてもよく、その結果、ヒドロキシ基、シアノ基、カルボニル基、エーテル結合、エステル結合、スルホン酸エステル結合、カーボネート結合、ラクトン環、スルトン環、カルボン酸無水物、ハロアルキル基等を含んでいてもよい。
また、R12、R13及びR14のうちのいずれか2つ以上が、互いに結合してこれらが結合する窒素原子と共に環を形成してもよい。
前記アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、tert−ペンチル基、n−ペンチル基、n−ヘキシル基、n−オクチル基、n−ノニル基、n−デシル基、2−エチルヘキシル基等が挙げられる。前記アルケニル基としては、ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、ブテニル基、ヘキセニル基等が挙げられる。
前記アリール基としては、フェニル基、トリル基、キシリル基、1−ナフチル基、2−ナフチル基等が挙げられる。前記アラルキル基としては、ベンジル基、1−フェニルエチル基、2−フェニルエチル基等が挙げられる。
式(B1)で表される化合物のアニオンとしては以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
Figure 0006950662
式(B1)で表される化合物のカチオンとしては以下に示すものが挙げられるが、これらに限定されない。
Figure 0006950662
(B)熱酸発生剤の配合量は、(A)成分のポリマー100質量部に対し、0.5〜20質量部が好ましく、1〜10質量部がより好ましい。(B)熱酸発生剤は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
[(C)有機溶剤]
(C)成分の有機溶剤は、各成分を溶解可能なものであれば特に限定されない。このような有機溶剤としては、シクロヘキサノン、メチル−2−n−アミルケトン等のケトン類;3−メトキシブタノール、3−メチル−3−メトキシブタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール等のアルコール類;プロピ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、エチレングリコールモノエチルエーテル、プロピ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メチルエーテル等のエーテル類;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、乳酸エチル、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メ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、酢酸tert−ブチル、プロピオン酸tert−ブチル、プロピレングリコールモノtert−ブチルエーテルアセテート等のエステル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類、及びこれらの混合溶剤が挙げられる。
(C)有機溶剤の配合量は、溶剤溶解性を制御する点から、(A)成分のポリマー100質量部に対し、100〜10,000質量部が好ましく、300〜8,000質量部がより好ましい。
[その他の成分]
本発明の基板保護膜形成用材料は、更に必要に応じて、保存安定性改善や塗布性改善のために、塩基性化合物や界面活性剤等のその他の成分を含んでもよい。
前記塩基性化合物としては、特開2008−111103号公報の段落[0146]〜[0164]に記載された1級、2級又は3級アミン化合物、ヒドロキシ基、エーテル結合、エステル結合、ラクトン環、シアノ基又はスルホン酸エステル基を有するアミン化合物、特許第3790649号公報に記載されたカルバメート基を有する化合物等が挙げられる。
前記界面活性剤としては、FC-4430(スリーエム社製)、サーフロン(登録商標)S-381(AGCセイミケミカル(株)製)、オルフィン(登録商標)E1004(日信化学工業(株)製)、KH-20、KH-30(AGCセイミケミカル(株)製)、及び下記式(surf−1)で表されるオキセタン開環重合物等が好ましい。
Figure 0006950662
ここで、R、Rf、A、B、C、m、nは、前述の記載にかかわらず、式(surf−1)のみに適用される。Rは、2〜4価の炭素数2〜5の脂肪族基である。前記脂肪族基としては、2価のものとしてはエチレン基、1,4−ブチレン基、1,2−プロピレン基、2,2−ジメチル−1,3−プロピレン基、1,5−ペンチレン基等が挙げられ、3価又は4価のものとしては下記のものが挙げられる。
Figure 0006950662
(式中、破線は、結合手であり、それぞれグリセロール、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールから派生した部分構造である。)
これらの中でも、1,4−ブチレン基、2,2−ジメチル−1,3−プロピレン基等が好ましい。
Rfは、トリフルオロメチル基又はペンタフルオロエチル基であり、好ましくはトリフルオロメチル基である。mは、0〜3の整数であり、nは、1〜4の整数であり、nとmの和はRの価数であり、2〜4の整数である。Aは、1である。Bは、2〜25の整数であり、好ましくは4〜20の整数である。Cは、0〜10の整数であり、好ましくは0又は1である。また、式(surf−1)中の各構成単位は、その並びを規定したものではなく、ブロック的に結合してもランダム的に結合してもよい。部分フッ素化オキセタン開環重合物系の界面活性剤の製造に関しては、米国特許第5650483号明細書等に詳しい。
前記塩基性化合物や界面活性剤の配合量は、その配合目的に応じて適宜選定し得る。前記塩基性化合物や界面活性剤は、1種単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
[パターン形成方法]
本発明のパターン形成方法は、(i)前記基板保護膜形成用材料を用いて基板上に基板保護膜を形成する工程と、(ii)前記基板保護膜上に、レジスト材料を用いてレジスト膜を形成する工程と、(iii)前記レジスト膜を高エネルギー線で露光する工程と、(iv)前記露光したレジスト膜を、現像液を用いて現像する工程と、(v)現像後に有機溶剤又は塩基性水溶液を用いて保護膜を全て又は部分選択的に溶解除去する工程を含む。
工程(i)は、前記基板保護膜形成用材料を用いて基板上に基板保護膜を形成する工程である。前記基板の種類は、特に限定されないが、シリコンウエハーを基体とし、表面にアモルファスシリコン膜や、酸化ケイ素膜、窒化ケイ素膜、アモルファスカーボン膜を化学気相成長法等により堆積させたものや、ケイ素含有材料、高炭素含有材料からなる溶液を塗布・ベークにより成膜したものが挙げられる。これらの基板は、レジストパターンをマスクにしたエッチング処理により加工することができる。
前記基板保護膜は、前記基板保護膜形成用材料を基板上に塗布し、加熱処理を施すことで形成することができる。このとき、基板保護膜形成用材料の脱保護率を制御し、次工程のレジスト材料塗布時の溶剤耐性や、最終工程での基板保護膜形成用材料の除去性を調整するという観点から、加熱温度は、120℃以上が好ましく、140℃以上がより好ましい。その上限は、特に限定されないが、通常200℃以下である。加熱時間は、15〜300秒が好ましく、30〜120秒がより好ましい。
前記基板保護膜形成用材料は、基板のどの部分に塗布してもよく、例えば、ウエハー全面に塗布しても、ウエハーの外縁部や裏面等、特定の部分に塗布しても構わない。また、塗布法も特に限定されない。
工程(ii)は、前記基板保護膜上に、レジスト材料を用いてレジスト膜を形成する工程である。前記レジスト膜は、ケイ素、又は周期表の第4周期、第5周期及び第6族周期の金属から選ばれる1種若しくは複数種の元素を2質量%以上含むことが、感度やエッチング耐性の観点で好ましい。これらの金属の中で、チタン、コバルト、ジルコニウム、銀、スズ、バリウム、セリウム、ハフニウム、白金が、塩化合物や錯体化合物としての応用性が高く、特に好ましい。
ケイ素、又は周期表の第4周期、第5周期及び第6族周期の金属から選ばれる1種若しくは複数種の元素を含むレジスト膜を与えるレジスト材料の具体例として、特許文献1〜4や非特許文献1に記載の組成物のほか、特許第6119544号公報、Proc. SPIE Vol. 8322, 83220U (2012)、Proc. SPIE Vol. 9048, 904805 (2014)、Proc. SPIE Vol. 9051, 90511B (2014)に記載の組成物が挙げられるが、これらに限定されない。
前記レジスト膜は、前記レジスト材料を基板保護膜上に塗布し、加熱処理を施すことで形成することができる。このとき、加熱温度は、70〜150℃が好ましく、90〜130℃がより好ましい。加熱時間は、15〜300秒が好ましく、30〜120秒がより好ましい。
工程(iii)は、前記レジスト膜を高エネルギー線で露光する工程である。前記高エネルギー線としては、EB、波長13.5nmのEUV、波長193nmのArFエキシマレーザー光、波長248nmのKrFエキシマレーザー光が挙げられるが、レジスト材料が前記金属を含む場合には、高感度化の効果を最大限に活用することが期待できるEUVが好ましい。
工程(iv)は、前記露光したレジスト膜を、現像液を用いて現像する工程である。前記現像液は、特に限定されず、用いるレジスト材料によって適当な現像液を選択することができる。本発明の基板保護膜形成用材料の保護能を最大限活用するためには、現像液が、2−オクタノン、2−ノナノン、2−ヘプタノン、3−ヘプタノン、4−ヘプタノン、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、ジイソブチルケトン、2−メチルシクロヘキサノン、3−メチルシクロヘキサノン、4−メチルシクロヘキサノン、アセトフェノン、2′−メチルアセトフェノン、4′−メチルアセトフェノン、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸イソアミル、酢酸フェニル、吉草酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸エチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、酢酸フェニル、酢酸ベンジル、フェニル酢酸メチル及び3−フェニルプロピオン酸メチルから選ばれる1種以上の有機溶剤を含み、現像液中のこれらの有機溶剤の含有量が60質量%以上であることが好ましい。
工程(v)は、現像してレジストパターンを形成した後に、有機溶剤又は塩基性水溶液を用いて、保護膜を全て又は不要な部分を選択的に溶解除去する工程である。
ここで用いられる有機溶剤としては、前記基板保護膜形成用材料の(C)成分である有機溶剤が挙げられ、中でも、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メチルエーテルアセテート、又はこれらの混合物が高い溶解性を示すことから好ましい。また、塩基性水溶液としては、汎用的に使用されているテトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)水溶液が高い溶解性を示すことから好ましい。この場合、好ましいTMAH水溶液の濃度は、1〜4質量%である。
以下、合成例、実施例及び比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例等に限定されない。
[1]ポリマーの合成
[合成例1]基板保護膜形成用材料用ポリマーの合成
各々のモノマーを組み合わせてTHF中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、以下に示す組成のポリマー(ポリマー1〜ポリマー17)を得た。得られたベースポリマーの組成は1H−NMRにより、Mw及びMw/MnはGPC(溶剤:THF、標準:ポリスチレン)により確認した。
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
Figure 0006950662
[合成例2]レジスト材料用ポリマーの合成
各々のモノマーを組み合わせてTHF中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、以下に示す組成のベースポリマー(PRP−1、PRP−2)を得た。得られたベースポリマーの組成は1H−NMRにより、Mw及びMw/MnはGPC(溶剤:THF、標準:ポリスチレン)により確認した。
Figure 0006950662
[2]基板保護膜形成用材料の調製
[実施例1−1〜1−16、比較例1−1〜1−4]
下記表1に示す組成で配合して溶剤に溶解させ、0.2μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過し、基板保護膜形成用材料(PL−1〜PL−20)を調製した。
Figure 0006950662
表1中、ポリマー1〜17は、前述したものである。溶剤、熱酸発生剤TAG−1〜TAG−5、塩基性化合物Base−1、Base−2、及び界面活性剤SF−1は、以下のとおりである。
・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
CyHO:シクロヘキサノン
GBL:γ−ブチロラクトン
・熱酸発生剤TAG−1〜TAG−5
Figure 0006950662
・塩基性化合物Base−1、Base−2
Figure 0006950662
・界面活性剤SF−1:3−メチル−3−(2,2,2−トリフルオロエトキシメチル)オキセタン・テトラヒドロフラン・2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール共重合物(オムノバ社製)(下記式)
Figure 0006950662
a:(b+b'):(c+c')=1:4〜7:0.01〜1(モル比)
Mw=1,500
[3]レジスト材料の調製
下記表2に示す組成で各成分を配合し、0.2μmのテフロン(登録商標)フィルターで濾過し、レジスト材料(R−1、R−2)を調製した。
Figure 0006950662
表2中、ベースポリマーPRP−1、PRP−2、界面活性剤SF−1及び溶剤は、前述したものである。光酸発生剤PAG−1、クエンチャーQ−1、金属含有添加剤MA−1及びMA−2は、以下のとおりである。
Figure 0006950662
[4]基板保護膜形成用材料評価−1:溶剤耐性試験
[実施例2−1〜2−20、比較例2−1〜2−6]
シリコンウエハー上に基板保護膜形成用材料PL−1〜PL−20をそれぞれ回転塗布し、ホットプレートを用いて下記表3に記載した温度でそれぞれ60秒間ベークし、厚さが300nmの保護膜を作製した。
この上に、ウエハーを回転させながら、レジスト溶剤又は現像液として使用可能な以下の3種の溶剤のいずれかを30秒間滴下し、その後の膜厚を測定することで、溶解による膜厚減少量を算出した。膜厚減少量が10nm以上の場合は耐性不良、10nm未満の場合は耐性良好と判定した。結果を表3に併記する。
試験溶剤:
・PGMEA/CyHO:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート及びシク
ロヘキサノンの混合溶剤(7:3質量比)
・BA:酢酸ブチル
・HPO:2−ヘプタノン
Figure 0006950662
[5]基板保護膜形成用材料評価−2:除去性試験
[実施例3−1〜3−20、比較例3−1〜3−6]
シリコンウエハー上に基板保護膜形成用材料PL−1〜PL−20をそれぞれ回転塗布し、ホットプレートを用いて下記表4に記載した温度でそれぞれ60秒間ベークし、厚さが300nmの保護膜を作製した。
この上に、ウエハーを回転させながら、以下に示した2種の除去液を30秒間滴下し、その後の膜厚を測定することで、溶解による膜厚減少量を算出した。残存膜厚が10nm未満の場合は除去性良好、10nm以上の場合は除去性不良と判定した。結果を表4に併記する。
試験除去液
・TMAH:2.38質量%TMAH水溶液
・PGMEA/PGME:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート及びプロ
ピレングリコールモノメチルエーテルの混合溶剤(3:7質量比)
Figure 0006950662
表3及び4に示した結果より、本発明の基板保護膜形成用材料がレジスト溶剤や現像液に対する溶剤耐性と除去工程における除去容易性を両立させるために有効であることが確かめられた。
[6]基板保護膜形成用材料評価−3:基板金属濃度測定
[実施例4−1〜4−4、比較例4−1〜4−4]
基板保護膜形成用材料PL−1及びPL−7を用いて、レジスト膜形成、レジスト膜の現像、溶解、及び基板保護膜溶解除去の工程を順に施した後の基板上の金属濃度を測定した。
シリコンウエハーに信越化学工業(株)製スピンオンカーボン膜ODL-50を回転塗布し、ホットプレートを用いて300℃にて60秒間ベークし、膜厚が200nmのスピンオンカーボン膜を形成した基板を作製した。この基板上に、基板保護膜形成用材料PL−1及びPL−7をそれぞれ回転塗布し、ホットプレートを用いて下記表5に記載した温度でそれぞれ60秒間ベークし、厚さが300nmの保護膜を作製した。
これらの上に、更にレジスト材料R−1又はR−2を回転塗布し、ホットプレートを用いて105℃にて60秒間ベークし、膜厚60nmのレジスト膜を形成した。次に、ウエハーを回転させながら2−ヘプタノン現像液を30秒間滴下し、レジスト膜を溶解除去した。
更に、ウエハーを回転させながら、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート及びプロピレングリコールモノメチルエーテルの混合溶剤(3:7質量比)を30秒間滴下し、基板保護膜を溶解除去した。
その後、スピンオンカーボン膜基板上の表面についてX線光電子分光分析(XPS)を行い、レジスト材料由来の金属であるバリウム(Ba)又はセリウム(Ce)の濃度を調べた。XPS表面分析装置(サーモフィッシャーサイエンティフィック社製K-ALPHA)を用い、光電子スペクトル上の、Ba−3d、Ce−3dの結合エネルギー位置に現れるピークに注目した。同様に、炭素、酸素、フッ素、窒素についても解析を行い、相対感度因子法により、ピーク強度面積より各元素の濃度(atomic %)を求めた。
また、比較実験として、スピンオンカーボン膜ODL-50を形成した基板に、本発明の基板保護膜形成用材料を成膜することなく、基板上に直接レジスト材料R−1又はR−2を回転塗布し、ホットプレートを用いて105℃にて60秒間ベークし、膜厚60nmのレジスト膜を形成し、ウエハーを回転させながら酢酸ブチル(AcOBu)又は2−ヘプタノン(2−HPO)を現像液として30秒間滴下し、レジスト膜を溶解除去した後にXPSによる表面元素濃度測定を行った。スピンオンカーボン膜とレジスト膜の積層条件、及びXPSの方法は、前記と同様である。
結果を表5に示す。なお、0.1atomic %以下は検出限界以下(ND)とした。
Figure 0006950662
表5に示した結果より、本発明の基板保護膜形成用材料が、金属を含むレジスト材料を用いたパターン形成工程において、基板の金属汚染を防ぐために有効であることが確かめられた。

Claims (6)

  1. (A)下記式(a1)で表され、酸不安定基によりカルボキシ基が保護された構造を有する繰り返し単位(a1)と、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれる構造を有する繰り返し単位(a2)とを含むポリマー、
    (B)熱酸発生剤、並びに
    (C)有機溶剤
    を含み、レジスト膜と基板との間に形成される基板保護膜形成用材料。
    Figure 0006950662
    (式中、R A は、水素原子又はメチル基である。R 1 は、酸不安定基である。xは、0又は1である。)
  2. 繰り返し単位(a2)が、下記式(a2)で表されるものである請求項記載の基板保護膜形成用材料。
    Figure 0006950662
    (式中、RAは、水素原子又はメチル基である。R2は、環状エステル、環状炭酸エステル及び環状スルホン酸エステルから選ばれるいずれかの構造を含む炭素数4〜15の1価環式炭化水素基である。yは、0又は1である。)
  3. (A)成分のポリマーが、更にカルボキシ基を含む繰り返し単位(a3)を含む請求項1又は2記載の基板保護膜形成用材料。
  4. (i)請求項1〜のいずれか1項記載の基板保護膜形成用材料を用いて基板上に基板保護膜を形成する工程と、(ii)前記基板保護膜上に、レジスト材料を用いてレジスト膜を形成する工程と、(iii)前記レジスト膜を高エネルギー線で露光する工程と、(iv)前記露光したレジスト膜を、現像液を用いて現像する工程と、(v)現像後に有機溶剤又は塩基性水溶液を用いて保護膜を全て又は部分選択的に溶解除去する工程を含むパターン形成方法。
  5. 工程(iv)に用いられる現像液が、2−オクタノン、2−ノナノン、2−ヘプタノン、3−ヘプタノン、4−ヘプタノン、2−ヘキサノン、3−ヘキサノン、ジイソブチルケトン、2−メチルシクロヘキサノン、3−メチルシクロヘキサノン、4−メチルシクロヘキサノン、アセトフェノン、2′−メチルアセトフェノン、4′−メチルアセトフェノン、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸アミル、酢酸イソアミル、酢酸フェニル、吉草酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸メチル、2−ヒドロキシイソ酪酸エチル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、酢酸フェニル、酢酸ベンジル、フェニル酢酸メチル、3−フェニルプロピオン酸メチルから選ばれる1種以上の有機溶剤を含み、現像液中のこれらの有機溶剤の含有量が60質量%以上である請求項記載のパターン形成方法。
  6. 前記レジスト膜が、ケイ素、又は周期表の第4周期、第5周期及び第6周期の金属から選ばれる1種若しくは複数種の元素を2質量%以上含む請求項又は記載のパターン形成方法。
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