JP7044976B2 - パターン形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パターン形成方法及び組成物に関する。
今日では、半導体デバイス、液晶デバイス等の各種電子デバイス構造の微細化に伴い、リソグラフィー工程におけるパターンの微細化が要求されている。このような要求に対し、一の性質を有する単量体とこの単量体とは性質の異なる単量体とが共重合してなるブロック共重合体が自己組織化により形成する相分離構造を利用して、より微細なパターンを形成する方法が提案されている(特開2008-149447号公報、特表2002-519728号公報及び特開2003-218383号公報参照)。
かかる方法を利用して、ホールパターンが形成された膜にブロック共重合体を含有する組成物を塗布した後、同心円柱状の相分離構造を形成させ、この相分離構造の中央の相を除去することにより、上記ホールパターンよりも小さいホール径のホールパターンを形成する方法が検討されている(米国特許出願公開第2010/0297847号明細書参照)。
しかし、上記従来のホールパターンの形成方法では、パターンが微細化し、形成するホール径が小さくなると、ホールパターンの中心の位置がバラつくプレイスメントエラーが顕著になり、また、ホールパターンの底部における残渣の発生が顕著になるため、又はCritical Dimension Uniformity(CDU)等で示されるパターンサイズの均一性が低いため、このホールパターンからエッチング等により、基板に良好な形状及び配列のホールパターンを形成することが困難になるという不都合がある。
特開2008-149447号公報 特表2002-519728号公報 特開2003-218383号公報 米国特許出願公開第2010/0297847号明細書
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができるパターン形成方法及び組成物を提供することにある。
上記課題を解決するためになされた発明は、基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターンを形成する工程(以下、「基礎パターン形成工程」ともいう)と、上記基礎パターンの凹部に、少なくとも2つのブロックを有する第1重合体(以下、「[A]重合体」ともいう)と溶媒(以下、「[S]溶媒」ともいう)とを含有する第1組成物(以下、「組成物(I)」ともいう)を充填する工程(以下、「充填工程」ともいう)と、上記充填工程により形成された充填層を相分離させる工程(以下、「相分離工程」ともいう)と、上記相分離工程後の充填層の一部の相を除去する工程(以下、「除去工程」ともいう)と、上記除去工程により形成された微細化パターンを直接的又は間接的に用いて上記基板をエッチングする工程(以下、「エッチング工程」ともいう)とを備え、上記基礎パターン形成工程が、上記基板の表面側にレジストパターンを形成する工程(以下、「レジストパターン形成工程」ともいう)と、上記レジストパターンの少なくとも側面に第2重合体(以下、「[B]重合体」ともいう)の層(以下、「[B]重合体層」ともいう)を、少なくとも基板又は他の層の表面に上記[B]重合体とは異なる第3重合体(以下、「[C]重合体」ともいう)の層(以下、「[C]重合体層」ともいう)を形成する工程(以下、「重合体層形成工程」ともいう)とを有するパターン形成方法(以下、「パターン形成方法(A)」ともいう)である。
上記課題を解決するためになされた別の発明は、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し-COOH及び-OHの少なくとも一方と化学結合を形成する第1官能基(以下、「官能基(1)」ともいう)を有する重合体と、主鎖の少なくとも一方の末端に結合しSi-H、Si-OH、Si=O及びSi-NR(Rは、それぞれ独立して、炭素数1~20の1価の有機基である)の少なくとも一方と化学結合を形成する第2官能基(以下「官能基(2)」ともいう)を有する重合体と、溶媒とを含有する組成物である。
上記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターンを積層する工程(以下、「基礎パターン積層工程」ともいう)と、上記基礎パターンの凹部の側面及び底面に第5組成物(以下、「組成物(V)」ともいう)を塗工する工程(以下、「塗工工程」ともいう)と、上記塗工工程により形成された塗工膜を加熱する工程(以下、「加熱工程」ともいう)と、上記塗工膜が積層された上記基礎パターンの凹部に第6組成物(以下、「組成物(VI)」ともいう)を充填する工程(充填工程)と、上記充填工程により形成された充填層を相分離させる工程(相分離工程)と、上記相分離工程後の充填層の少なくとも一部の相を除去する工程(除去工程)と、上記除去工程により形成された微細化パターンを用いて上記基板を1又は複数回エッチングする工程(エッチング工程)とを備えるパターン形成方法であって、上記基礎パターンが芳香環の含有割合が50質量%以上の重合体を主成分とし、上記組成物(V)が第1構造単位(以下、「構造単位(I)」ともいう)を有する第4重合体(以下、「[A’]重合体」ともいう)と溶媒とを含有し、上記組成物(VI)が第2構造単位(以下、「構造単位(II)」ともいう)からなる第1ブロック(以下、「ブロック(A)」ともいう)及び上記構造単位(II)よりも極性が高い第3構造単位(以下、「構造単位(III)」ともいう)からなる第2ブロック(以下、「ブロック(B)」ともいう)を有する第5重合体(以下、「[B’]重合体」ともいう)と溶媒とを含有し、上記加熱工程後の塗工膜における基礎パターンの凹部の側面側の水の接触角θ1と底面側の水の接触角θ2との差(│θ1-θ2│)が5°以上になることを特徴とするパターン形成方法(以下、「パターン形成方法(B)」ともいう)である。
ここで、「化学結合」とは、共有結合、イオン結合、金属結合及び配位結合の他、分子間の静電引力及び水素結合を含む概念である。
すなわち、パターン形成方法(A)及び(B)は、基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターンを形成する工程と、上記基礎パターンの凹部に、少なくとも2つのブロックを有する第1重合体と溶媒とを含有する第1組成物を充填する工程と、上記充填工程により形成された充填層を相分離させる工程と、上記相分離工程後の充填層の一部の相を除去する工程と、上記除去工程により形成された微細化パターンを直接的又は間接的に用いて上記基板をエッチングする工程とを備え、上記基礎パターンが、凹部の少なくとも側面に第1層を有し、凹部の少なくとも基板又は他の層の表面側に上記第1層とは表面の接触角が異なる第2層を有するパターン形成方法である。
本発明のパターン形成方法及び組成物によれば、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができる。従って、これらはさらなる微細化が要求されている半導体デバイス、液晶デバイス等の各種電子デバイス製造におけるリソグラフィー工程に好適に用いることができる。
基板の表面側にレジストパターンを形成した後の状態の一例を示す模式的断面図である。 図1におけるレジストパターンの側面及び基板の表面に[B]重合体層及び[C]重合体層を形成した後の状態の一例を示す模式的断面図である。 図2における基礎パターンの凹部に組成物(I)を充填した後の状態の一例を示す模式的断面図である。 図3における充填層を相分離させた後の状態の一例を示す模式的断面図である。 図4における相分離工程後の充填層の一部の相を除去した後の状態の一例を示す模式的断面図である。
以下、本発明のパターン形成方法の実施の形態について、図1~5を参照しつつ詳説する。
当該パターン形成方法としては、パターン形成方法(A)及びパターン形成方法(B)が挙げられる。パターン形成方法(A)によれば、パターンが微細な場合でも、プレイスメントエラーが抑制され、かつ底部残渣が低減された微細化パターンを形成することができる。パターン形成方法(B)によれば、パターンサイズ均一性に優れる微細化パターンを形成することができる。当該パターン形成方法によれば、これらの優れた微細化パターンを用いることにより、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができる。以下、パターン形成方法(A)及びパターン形成方法(B)について説明する。
<パターン形成方法(A)>
パターン形成方法(A)は、基礎パターン形成工程と、充填工程と、相分離工程と、除去工程と、エッチング工程とを備える。パターン形成方法(A)において、基礎パターン形成工程は、レジストパターン形成工程と、重合体層形成工程とを有する。
パターン形成方法(A)は、上記各工程を備え、かつ基礎パターン形成工程において、レジストパターン形成工程と、重合体層形成工程とを有し、この重合体層形成工程において、レジストパターンの少なくとも側面に[B]重合体層を、少なくとも基板又は他の層の表面に[C]重合体層を形成することで、パターンが微細な場合でも、プレイスメントエラーが抑制され、かつ底部残渣が低減された微細化パターンを形成することができ、このような優れた微細化パターンを用いることにより、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができる。パターン形成方法(A)が上記構成を備えることで、上記効果を奏する理由については必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。すなわち、レジストパターン形成工程と重合体層形成工程を有することで、レジストパターンの側面、つまり基礎パターンの凹部の側面に[B]重合体層を、基板又は他の層の表面、つまり基礎パターンの凹部の底面に[C]重合体層を形成することにより、基礎パターンの凹部の側面及び底面に異なる層が形成される。この凹部の側面及び底面にそれぞれ形成される層によって、その後にこの凹部に形成される[A]重合体の充填層がより適切に相分離すると考えられ、その結果、形成されるパターンが微細な場合であっても、プレイスメントエラーが抑制され、かつ底部残渣が低減されたパターンを形成することができる。以下、各工程について説明する。
[基礎パターン形成工程]
本工程では、基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターン(以下、「基礎パターン(I)」ともいう)を形成する。基礎パターン形成工程は、レジストパターン形成工程と、重合体層形成工程とを有する。図1は、基板1の表面側に直接、レジストパターン2を形成した場合を示す。図2は、このレジストパターン2の凹部に重合体層3を形成した場合を示す。図2の重合体層3のうち、レジストパターンの凹部の側面には[B]重合体層が形成されており、凹部の底面には[C]重合体層が形成されている。以下、工程について説明する。
基板1としては、例えばシリコン(Bare-Si)ウェハ、窒化シリコン等のシリコン製基板、アルミニウムで被覆されたウェハ等の従来公知の基板を使用できる。これらの中で、シリコン製基板が好ましく、シリコンウェハがより好ましい。
また、他の層としては、レジスト下層膜、SOG(Spin On Glass)膜等が挙げられる。SOG膜は、シリコン含有膜である。
レジスト下層膜を形成する組成物としては、従来公知の有機下層膜形成材料等が挙げられ、例えば架橋剤を含む下層膜形成用組成物等が挙げられる。
SOG膜を形成する組成物としては、従来公知のSOG組成物等を用いることができ、例えば有機ポリシロキサンを含有する組成物等が挙げられる。これらの中で、SOG膜が好ましい。
SOG膜の形成方法は特に限定されないが、例えば基板の一方の面又は上記下層膜の基板1とは反対側の面に、SOG組成物をスピンコート法等の公知の方法により塗工し、PBを行った後、得られる塗膜を放射線の照射及び/又は加熱を行うことにより硬化する方法等が挙げられる。照射する放射線としては、例えば可視光線、紫外線、遠紫外線、X線、γ線等の電磁波;電子線、分子線、イオンビーム等の粒子線などが挙げられる。加熱の温度の下限としては、100℃が好ましく、150℃がより好ましく、180℃がさらに好ましい。加熱の温度の上限としては、450℃が好ましく、400℃がより好ましく、350℃がさらに好ましい。加熱の時間の下限としては、5秒が好ましく、10秒がより好ましく、20秒がさらに好ましい。加熱の時間の上限としては、1,200秒が好ましく、600秒がより好ましく、300秒がさらに好ましい。SOG膜の平均厚みの下限としては、10nmが好ましく、15nmがより好ましく、20nmがさらに好ましい。上記平均厚みの上限としては、1,000nmが好ましく、500nmがより好ましく、100nmがさらに好ましい。
基板及び他の層は、Si-H、Si-OH、Si=O及びSi-NRの少なくとも1種を上面に有することが好ましい。Rは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数1~20の1価の有機基である。「有機基」とは、少なくとも1個の炭素原子を含む基をいう。1価の有機基としては、例えばメチル基、エチル基等のアルキル基等が挙げられる。Rとしては、水素原子が好ましい。すなわち、基板及び他の層のうち上方が、SiO製又はSiN製であることが好ましい。他の層を用いる場合、他の層としては、シリコン含有膜が好ましい。
(レジストパターン形成工程)
レジストパターン2は、図1に示すように、基板1の表面側に直接形成してもよく、又は基板1の表面側に他の層を介して、例えば基板1上に下層膜、SOG膜等を形成し、これらの膜の基板1と反対側の面に形成してもよい。これらのうち、形成されるレジストパターンをマスクとするエッチングにより簡便に基板にパターンを形成できる点から、レジストパターン2は、基板の表面側に直接形成することが好ましい。
レジストパターン2の形成方法としては、例えばレジスト組成物の塗工、露光及び現像により形成する方法等が挙げられる。
レジスト組成物としては、例えば酸解離性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するレジスト組成物、架橋性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するネガ型レジスト組成物等の従来のレジスト組成物などが挙げられる。「酸解離性基」とは、-COOH、-OH等の水素原子を置換する基であって、酸の作用により解離する基をいう。-COOHの水素原子を置換する酸解離性基としては、例えば3級炭化水素基等が挙げられ、t-ブチル基、t-アミル基等のt-アルキル基、1-エチルシクロペンタン-1-イル基等の1-アルキルシクロアルカン-1-イル基及び2-メチルアダマンタン-2-イル基等の2-アルキルビシクロアルカン-2-イル基等が挙げられる。
レジストパターン2の形成方法としては、まず、レジスト組成物を基板1の表面又は他の層の表面に塗工した後、プレベーク(PB)を行うことによりレジスト膜を形成する。次に、所望の形状のレジストパターン2を形成するためのマスクパターンを介して露光を行う。露光に用いる放射線としては、例えば紫外線、遠紫外線、極端紫外線(EUV)、X線等の電磁波;電子線、α線等の荷電粒子線などが挙げられる。これらの中で、遠紫外線が好ましく、ArFエキシマレーザー光及びKrFエキシマレーザー光がより好ましく、ArFエキシマレーザー光がさらに好ましい。露光方法としては液浸露光を行うこともできる。露光の後、ポストエクスポージャーベーク(PEB)を行うことが好ましい。次いで、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液、テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液等のアルカリ現像液、酢酸ブチル、アニソール等の有機溶媒現像液などの現像液を用いて現像を行う。
レジスト膜の平均厚みの下限としては、10nmが好ましく、30nmがより好ましく、50nmがさらに好ましい。上記平均厚みの上限としては、1,000nmが好ましく、500nmがより好ましく、200nmがさらに好ましい。
レジストパターン2の形状としては、最終的に基板に形成するパターンの形状に合わせて適宜選択することができ、例えば平面視において、円形状(略真円形状)、楕円形状(oval)、正方形状、長方形状、鈎形状、台形状、三角形状などが挙げられる。これらの中で、円形状が好ましい。
形成されるレジストパターン2が円形状の場合、その平均径の下限としては、10nmが好ましく、20nmがより好ましく、30nmがさらに好ましく、40nmが特に好ましい。上記平均径の上限としては、200nmが好ましく、100nmがより好ましく、90nmがさらに好ましく、80nmが特に好ましい。
形成されるレジストパターン2のピッチの下限としては、30nmが好ましく、50nmがより好ましく、70nmがさらに好ましく、90nmが特に好ましい。上記ピッチの上限としては、1,000nmが好ましく、500nmがより好ましく、200nmがさらに好ましく、150nmが特に好ましい。
レジストパターン2は、-COOH及び-OHの少なくとも一方を側面に有することが好ましい。
このような-COOH及び-OHの少なくとも一方を側面に有するレジストパターン2は、例えば酸解離性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するレジスト組成物の塗工、露光及び有機溶媒現像液による現像により形成することができる。また、酸解離性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するレジスト組成物の塗工、露光及びアルカリ現像液による現像を行った後、得られたレジスト膜を加熱又は露光することにより、レジスト膜中の酸解離性基を解離させることによっても形成することができる。
[重合体層形成工程]
本工程では、図2に示すように、レジストパターン2の少なくとも側面に[B]重合体層を、少なくとも基板又は他の層の表面に[C]重合体層を形成する。本工程は、[B]重合体層を形成する工程(以下、「[B]重合体層形成工程」ともいう)と、[C]重合体層を形成する工程(以下、「[C]重合体層形成工程」ともいう)とを有し、これらの工程を別々に行ってもよいし、同時に行ってもよい。
([B]重合体層形成工程)
本工程では、レジストパターン2の少なくとも側面に[B]重合体層を形成する。
[B]重合体層を形成する方法としては、例えば[B]重合体と溶媒(以下、「[S]溶媒」ともいう)とを含有する組成物(II)を塗工する工程(以下、「組成物(II)塗工工程」ともいう)を行う方法等が挙げられる。
(組成物(II))
組成物(II)は、[B]重合体と[S]溶媒とを含有する。組成物(II)は、[B]重合体及び[S]溶媒以外にも他の成分を含有していてもよい。
([B]重合体)
[B]重合体としては、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し、-COOH及び-OHの少なくとも一方と化学結合する官能基(1)を有することが好ましい。「主鎖」とは、重合体の原子鎖のうち最も長いものをいう。
官能基(1)としては、例えば水酸基、エポキシ基(オキシラニル基)、オキセタニル基等が挙げられる。これらの官能基は、-COOH及び/又は-OHと共有結合を形成する。
[B]重合体としては、例えばスチレン系重合体、(メタ)アクリル系重合体、エチレン系重合体、これらを組み合わせた共重合体等が挙げられる。
スチレン系重合体は、置換又は非置換のスチレンに由来する構造単位を有する。
置換スチレンとしては、例えばα-メチルスチレン、o-、m-、p-メチルスチレン、p-t-ブチルスチレン、2,4,6-トリメチルスチレン、p-メトキシスチレン、p-t-ブトキシスチレン、o-、m-、p-ビニルスチレン、o-、m-、p-ヒドロキシスチレン、m-、p-クロロメチルスチレン、p-クロロスチレン、p-ブロモスチレン、p-ヨードスチレン、p-ニトロスチレン、p-シアノスチレン等が挙げられる。
(メタ)アクリル系重合体は、(メタ)アクリル酸又は(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位を有する。
(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば
(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸t-ブチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル等の(メタ)アクリル酸アルキルエステル;
(メタ)アクリル酸シクロペンチル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸1-メチルシクロペンチル、(メタ)アクリル酸2-エチルアダマンチル、(メタ)アクリル酸2-(アダマンタン-1-イル)プロピル等の(メタ)アクリル酸シクロアルキルエステル;
(メタ)アクリル酸フェニル、(メタ)アクリル酸ナフチル等の(メタ)アクリル酸アリールエステル;
(メタ)アクリル酸2-ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸3-ヒドロキシアダマンチル、(メタ)アクリル酸3-グリシジルプロピル、(メタ)アクリル酸3-トリメチルシリルプロピル等の(メタ)アクリル酸置換アルキルエステルなどが挙げられる。
エチレン系重合体は、置換又は非置換のエチレンに由来する構造単位を有する。
置換エチレンとしては、例えば
プロペン、ブテン、ペンテン等のアルケン;
ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン等のビニルシクロアルカン;
シクロペンテン、シクロヘキセン等のシクロアルケン;
4-ヒドロキシ-1-ブテン、ビニルグリシジルエーテル、ビニルトリメチルシリルエーテル等が挙げられる。
[B]重合体の重量平均分子量(Mw)の下限としては、1,000が好ましく、3,000がより好ましく、5,000がさらに好ましく、5,500が特に好ましい。上記Mwの上限としては、100,000が好ましく、50,000がより好ましく、15,000がさらに好ましく、10,000が特に好ましい。
[B]重合体のMwの数平均分子量(Mn)に対する比(分散度)の上限としては、5が好ましく、3がより好ましく、2がより好ましく、1.3が特に好ましい。上記比の下限としては、通常1であり、1.05が好ましい。
本明細書におけるMw及びMnは、GPCカラム(東ソー社の「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本、「G4000HXL」1本)を用い、流量1.0mL/分、溶出溶媒:テトラヒドロフラン、試料濃度:1.0質量%、試料注入量:100μL、カラム温度:40℃の分析条件で、検出器として示差屈折計を使用し、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ー(GPC)により測定したものである。
[B]重合体の含有量の下限としては、組成物(II)における全固形分に対して、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、例えば100質量%である。「全固形分」とは、[S]溶媒以外の成分の総和をいう。
([S]溶媒)
[S]溶媒としては、少なくとも[B]重合体及び他の成分を溶解又は分散可能な溶媒であれば特に限定されない。
[S]溶媒としては、例えばアルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、エステル系溶媒、炭化水素系溶媒等が挙げられる。
アルコール系溶媒としては、例えば
メタノール、エタノール、n-プロパノール、iso-プロパノール、n-ブタノール、iso-ブタノール、sec-ブタノール、tert-ブタノール、n-ペンタノール、iso-ペンタノール、2-メチルブタノール、sec-ペンタノール、tert-ペンタノール、3-メトキシブタノール、n-ヘキサノール、2-メチルペンタノール、sec-ヘキサノール、2-エチルブタノール、sec-ヘプタノール、3-ヘプタノール、n-オクタノール、2-エチルヘキサノール、sec-オクタノール、n-ノニルアルコール、2,6-ジメチル-4-ヘプタノール、n-デカノール、sec-ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec-テトラデシルアルコール、sec-ヘプタデシルアルコール、フルフリルアルコール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、3,3,5-トリメチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコール等のモノアルコール系溶媒;
エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-ブチレングリコール、2,4-ペンタンジオール、2-メチル-2,4-ペンタンジオール、2,5-ヘキサンジオール、2,4-ヘプタンジオール、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等の多価アルコール系溶媒;
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、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、エチレングリコールモノ-2-エチルブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジ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モノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、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、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル等の多価アルコール部分エーテル系溶媒などが挙げられる。
エーテル系溶媒としては、例えば
ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル等のジアルキルエーテル系溶媒;
テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル系溶媒;
ジフェニルエーテル、アニソール等の芳香環含有エーテル系溶媒などが挙げられる。
ケトン系溶媒としては、例えば
アセトン、メチルエチルケトン、メチル-n-プロピルケトン、メチル-n-ブチルケトン、ジエチルケトン、メチル-iso-ブチルケトン、2-ヘプタノン、エチル-n-ブチルケトン、メチル-n-ヘキシルケトン、ジ-iso-ブチルケトン、トリメチルノナノン等の鎖状ケトン系溶媒;
シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロオクタノン、メチルシクロヘキサノン等の環状ケトン系溶媒;
2,4-ペンタンジオン、アセトニルアセトン、アセトフェノン等が挙げられる。
アミド系溶媒としては、例えば
N,N’-ジメチルイミダゾリジノン、N-メチルピロリドン等の環状アミド系溶媒;
N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチルプロピオンアミド等の鎖状アミド系溶媒などが挙げられる。
エステル系溶媒としては、例えば
酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n-プロピル、酢酸iso-プロピル、酢酸n-ブチル、酢酸iso-ブチル、酢酸sec-ブチル、酢酸n-ペンチル、酢酸i-ペンチル、酢酸sec-ペンチル、酢酸3-メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2-エチルブチル、酢酸2-エチルヘキシル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸n-ノニル等の酢酸エステル系溶媒;
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、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノ-n-ブ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オネート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジ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多価アルコール部分エーテルカルボキレート系溶媒;
γ-ブチロラクトン、バレロラクトン等のラクトン系溶媒;
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒;
ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリグリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n-ブチル、プロピオン酸iso-アミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ-n-ブチル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n-ブチル、乳酸n-アミル、マロン酸ジエチル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチルなどが挙げられる。
炭化水素系溶媒としては、例えば
n-ペンタン、iso-ペンタン、n-ヘキサン、iso-ヘキサン、n-ヘプタン、iso-ヘプタン、2,2,4-トリメチルペンタン、n-オクタン、iso-オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒;
ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、トリメチルベンゼン、メチルエチルベンゼン、n-プロピルベンゼン、iso-プロピルベンゼン、ジエチルベンゼン、iso-ブチルベンゼン、トリエチルベンゼン、ジ-iso-プロピルベンセン、n-アミルナフタレン等の芳香族炭化水素系溶媒などが挙げられる。
これらの中で、エステル系溶媒が好ましく、多価アルコール部分エーテルカルボキシレート系溶媒がより好ましく、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートがさらに好ましい。組成物(II)は、[S]溶媒を1種又は2種以上含有していてもよい。
(他の成分)
組成物(II)は、他の成分として、例えば界面活性剤等を含有していてもよい。組成物(II)は、界面活性剤を含有することで、レジストパターン2への塗工性を向上させることができる。
組成物(II)の塗工方法としては、例えばスピンコート法等が挙げられる。
([C]重合体層形成工程)
本工程では、レジストパターンの少なくとも基板又は他の層の表面に[C]重合体層を形成する。
[C]重合体層を形成する方法としては、例えば[C]重合体と[S]溶媒とを含有する組成物(III)を塗工する工程(以下、「組成物(III)塗工工程」ともいう)を行う方法等が挙げられる。
(組成物(III))
組成物(III)は、[C]重合体と[S]溶媒とを含有する。組成物(III)は、[C]重合体及び[S]溶媒以外の他の成分を含有してもよい。
([C]重合体)
[C]重合体としては、主鎖の少なくとも一方の末端に結合しSi-H、Si-OH、Si=O及びSi-NR(Rは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数1~20の1価の有機基である)の少なくとも1種と化学結合を形成する官能基(2)を有することが好ましい。
官能基(2)としては、例えばカルボキシ基、水酸基、ハロゲン原子等が挙げられる。これらの官能基は、Si-H、Si-OH、Si=O及び/又はSi-NRと共有結合を形成する。
[C]重合体としては、例えばスチレン系重合体、(メタ)アクリル系重合体、エチレン系重合体、これらを組み合わせた共重合体等が挙げられる。これらの重合体としては、例えば[B]重合体として例示したものと同様の重合体等が挙げられる。
[C]重合体の重量平均分子量(Mw)の下限としては、1,000が好ましく、3,000がより好ましく、4,000がさらに好ましく、5,000が特に好ましい。上記Mwの上限としては、100,000が好ましく、50,000がより好ましく、20,000がさらに好ましく、10,000が特に好ましい。
[C]重合体のMwの数平均分子量(Mn)に対する比(分散度)の上限としては、5が好ましく、3がより好ましく、2がより好ましく、1.4が特に好ましい。上記比の下限としては、通常1であり、1.1が好ましい。
[C]重合体の含有量の下限としては、組成物(III)における全固形分に対して、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、例えば100質量%である。
組成物(III)における[S]溶媒及び他の成分としては、上記組成物(II)の[S]溶媒及び他の成分として例示したのと同様のもの等が挙げられる。
組成物(III)の塗工方法としては、例えばスピンコート法等が挙げられる。
また、重合体層形成工程において、[B]重合体層形成工程と[C]重合体層形成工程とを同時に行う場合、[B]重合体と[C]重合体と[S]溶媒とを含有する組成物(以下、「組成物(IV)」ともいう)を塗工する工程(以下、「組成物(IV)塗工工程」ともいう)を行うこともできる。
(組成物(IV))
組成物(IV)は、[B]重合体と[C]重合体と[S]溶媒とを含有する。組成物(IV)は[B]重合体、[C]重合体及び[S]溶媒以外の他の成分を含有してもよい。
組成物(IV)における[B]重合体、[C]重合体、[S]溶媒及び他の成分としては、上記組成物(II)の[S]溶媒及び他の成分として例示したのと同様のもの等が挙げられる。
[B]重合体及び[C]重合体の合計含有量の下限としては、組成物(IV)における全固形分に対して、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましい。上記含有量の上限としては、例えば100質量%である。
[[B]重合体及び[C]重合体の合成方法]
[B]重合体及び[C]重合体は、アニオン重合、ラジカル重合等の重合によって合成することができるが、任意の末端構造を容易に導入することができるリビングアニオン重合が好ましい。リビングアニオン重合によれば、例えばスチレン等の単量体を重合し、その重合末端を、任意の末端処理剤で処理することにより、重合体の主鎖の末端に結合する官能基を導入することができる。
例えば末端に官能基(1)又は官能基(2)を有するポリスチレンブロックからなる重合体を合成する場合は、まずアニオン重合開始剤を使用して、適当な溶媒中でスチレンを重合することにより活性末端を有するスチレンの重合体を形成する。その後、官能基(1)又は官能基(2)を与える末端処理剤で処理することにより、ポリスチレンの主鎖の末端に官能基を導入された重合体を得ることができる。
すなわち、上記末端処理の方法としては、例えば下記スキームに示すような方法等が挙げられる。すなわち、重合中の活性末端に、例えば1,2-ブチレンオキシド等の末端処理剤を添加して末端を変性し、主鎖の末端に結合する官能基を有する重合体を得る。
Figure 0007044976000001
上記スキーム中、n及びmは、10~5,000の整数である。
水酸基を与える末端処理剤としては、例えば
1,2-ブチレンオキサイド、ブチルグリシジルエーテル、2-エチルヘキシルグリシジルエーテル、プロピレンオキサイド、エチレンオキサイド、スチレンオキサイド、エポキシアミン等のエポキシ化合物等が挙げられる。
カルボキシ基を与える末端処理剤としては、例えば二酸化炭素等が挙げられる。
エポキシ基を与える末端処理剤としては、例えばエピブロモヒドリン、エピクロロヒドリン等のハロゲン原子含有エポキシ化合物等が挙げられる。
オキセタニル基を与える末端処理剤としては、例えば3-クロロメチル-3-メチルオキセタン、3-クロロメチル-3-エチルオキセタン等のハロゲン原子含有オキセタン化合物等が挙げられる。
また、末端にカルボキシ基を有する重合体は、例えばスチレン等の単量体と、4-シアノ-4-[(ドデシルスルファニルチオカルボニルスルファン]ペンタン酸メチル等とを、アニソール等の溶媒中でRAFT重合(Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer重合、可逆的付加開裂連鎖移動重合)を行うことにより得ることができる。
末端にハロゲン原子を有する重合体は、例えばスチレン等の単量体と、臭化銅(II)及びトリス[(2-ジメチルアミノ)エチル]アミン等のアミン化合物と、アニソール等の溶媒とを仕込み、これに、2-ブロモイソ酪酸2-ヒドロキシエチル等のハロゲン化合物を加える方法により、原子移動ラジカル重合によって合成することができる。
上記得られた[B]重合体及び[C]重合体は、再沈殿法により回収することが好ましい。すなわち、末端処理反応終了後、反応液を再沈溶媒に投入することにより、目的の共重合体を粉体として回収する。再沈溶媒としては、アルコール類やアルカン類等を単独で又は2種以上を混合して使用することができる。再沈殿法の他に、分液操作やカラム操作、限外ろ過操作等により、単量体、オリゴマー等の低分子成分を除去して、重合体を回収することもできる。また、[B]重合体及び[C]重合体は、酸等による脱メタル処理などの精製を行うことが好ましい。
[組成物(II)~(IV)の調製方法]
組成物(II)~(IV)は、例えば[B]重合体及び/又は[C]重合体、[S]溶媒及び必要に応じて他の成分を所定の割合で混合し、好ましくは孔径0.45μm程度の高密度ポリエチレンフィルター等で濾過することにより調製することができる。組成物(II)~(IV)の固形分濃度の下限としては、0.1質量%が好ましく、0.5質量%がより好ましく、0.7質量%がさらに好ましい。上記固形分濃度の上限としては、30質量%が好ましく、10質量%がより好ましく、3質量%がさらに好ましい。
(基礎パターン形成工程における各工程の順序)
基礎パターン形成工程が、レジストパターン形成工程、[B]重合体層形成工程及び[C]重合体層形成工程を有する場合、これらの各工程は、下記のように種々の順序で行うことができる。すなわち、基礎パターン形成工程は、例えば
(1)レジストパターン形成工程、[B]重合体層形成工程、[C]重合体層形成工程の順
(2)レジストパターン形成工程、[C]重合体層形成工程、[B]重合体層形成工程の順
(3)[C]重合体層形成工程、レジストパターン形成工程、[B]重合体層形成工程の順
等で行うことができる。これらの中で、[B]重合体層及び[C]重合体層をより確実に形成できる観点から、上記(1)及び(3)が好ましい。
基礎パターン形成工程が、レジストパターン形成工程、組成物(II)塗工工程及び組成物(III)塗工工程を有する場合、これらの各工程を行う順序としては、例えば
(A)レジストパターン形成工程、組成物(II)塗工工程、組成物(III)塗工工程の順
(B)レジストパターン形成工程、組成物(III)塗工工程、組成物(II)塗工工程の順
(C)組成物(III)塗工工程、レジストパターン形成工程、組成物(II)塗工工程の順
等で行うことができる。これらの中で、[B]重合体層及び[C]重合体層をより確実に形成できる観点から、上記(A)及び(C)が好ましい。
基礎パターン形成工程において、組成物(IV)塗工工程を行う場合、[B]重合体層及び[C]重合体層をより確実に形成できる観点から、レジストパターン形成工程を行い、この工程の後に、組成物(IV)塗工工程を行うことが好ましい。
[充填工程]
本工程では、上記基礎パターン(I)の凹部に、[A]重合体と溶媒とを含有する組成物(I)を充填する。
(組成物(I))
組成物(I)は、[A]重合体と溶媒とを含有する。組成物(I)は、[A]重合体及び溶媒以外にも、その他の成分を含有することができる。
([A]重合体)
[A]重合体は、少なくとも2つのブロックを有する重合体である。すなわち、[A]重合体は、ブロック共重合体である。
[A]重合体は、ジブロック共重合体でも、トリブロック共重合体でも、4つ以上のブロックを有する共重合体でもよい。これらの中で、相分離構造の形成のし易さの観点から、ジブロック共重合体及びトリブロック共重合体が好ましく、ジブロック共重合体がより好ましい。また、[A]重合体は、隣接するブロック間に連結基を有していてもよい。
[A]重合体は、ジブロック共重合体である場合、ブロック(I)及びブロック(II)を有する。ブロック(II)はブロック(I)よりも構成する構造単位の極性が高い。
(ブロック(I))
ブロック(I)としては、例えばポリスチレンブロック等が挙げられる。ポリスチレンブロックは、置換又は非置換のスチレンに由来する構造単位を含むブロックである。これらの中で、スチレンに由来する構造単位を含むブロックが好ましい。
(ブロック(II))
ブロック(II)としては、例えばポリ(メタ)アクリル酸エステルブロック、ポリアルキレングリコールブロック、ポリエステルブロック、ポリアルキレンカーボナートブロック、ポリジアルキルシロキサンブロック及びポリ(メタ)アクリル酸アルキルシリルエステルブロック等が挙げられる。ポリ(メタ)アクリル酸エステルブロックは、(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位を含むブロックである。これらの中で、ポリ(メタ)アクリル酸エステルブロックが好ましく、ポリ(メタ)アクリル酸アルキルブロックがより好ましく、ポリ(メタ)アクリル酸メチルブロックがさらに好ましく、ポリメタクリル酸メチルブロックが特に好ましい。
(連結基)
連結基としては、例えば炭素数1~50の2価の有機基等が挙げられる。連結基を与える単量体としては、例えばジフェニルエチレン、スチルベン等が挙げられる。ジフェニルエチレン及びスチルベンは、[A]重合体をアニオン重合で合成する際に、途中で生成するアニオン末端を安定化させることができる。それにより、得られる[A]重合体の分散度(Mw/Mn比)がより小さくなり、その結果、形成されるパターンの寸法のばらつきをより小さくすることができる。[A]重合体は、ブロック数や目的とするパターン形状等に応じて連結基を1種又は2種以上有していてもよい。
[A]重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)による重量平均分子量(Mw)の下限としては、1,000が好ましく、10,000がより好ましく、50,000がさらに好ましい。上記Mwの上限としては、300,000が好ましく、200,000がより好ましく、100,000がさらに好ましい。[A]重合体のMwを上記範囲とすることで、プレイスメントエラーがより抑制され、かつ底部残渣がより低減されたコンタクトホールパターンを形成することができる。
[A]重合体のMwと数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn、分散度)の上限としては、5が好ましく、3がより好ましく、2がさらに好ましく、1.5が特に好ましく、1.1がさらに特に好ましい。上記比の下限としては、通常1であり、1.01が好ましい。Mw/Mn比を上記範囲とすることで、プレイスメントエラーがより抑制され、かつ底部残渣がより低減されたコンタクトホールパターンを形成することができる。
[A]重合体の含有量の下限としては、組成物(I)における全固形分に対して、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましく、99質量%が特に好ましい。組成物(I)の「全固形分」とは、溶媒以外の成分の総和をいう。
組成物(I)中の[A]重合体の濃度の下限としては、0.3質量%が好ましく、0.7質量%がより好ましく、1.0質量%がさらに好ましく、1.3質量%が特に好ましい。一方、上記濃度の上限としては、5質量%が好ましく、3質量%がより好ましく、2質量%がさらに好ましく、1.7質量%が特に好ましい。
<[A]重合体の合成方法>
[A]重合体は、リビングアニオン重合、リビングラジカル重合等によって合成することが出来るが、リビングアニオン重合がより好ましい。例えばポリスチレンブロック、ポリメタクリル酸メチルブロック及びこれら以外の他のブロックを所望の順で重合しながら連結し、その重合末端を任意の末端処理剤で処理することにより合成することができる。
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;
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、ノルボルナン等の脂環式炭化水素;
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;
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;
アセトン、メチルエチルケトン、4-メチル-2-ペンタノン、2-ヘプタノン等のケトン;
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テル;
メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、4-メチル-2-ペンタノール等のアルコールなどが挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよく2種以上を併用してもよい。
上記重合における反応温度は、開始剤の種類に応じて適宜決定すればよいが、反応温度の下限としては、-150℃が好ましく、-80℃がより好ましい。上記反応温度の上限としては、50℃が好ましく、40℃がより好ましい。反応時間の下限としては、5分が好ましく、20分がより好ましい。上記反応時間の上限としては、24時間が好ましく、12時間がより好ましい。
上記重合に使用される開始剤としては、例えばアルキルリチウム、アルキルマグネシウムハライド、ナフタレンナトリウム、アルキル化ランタノイド系化合物等が挙げられる。これらのうち、モノマーとしてスチレン、メタクリル酸メチル等を使用して重合する場合には、アルキルリチウム化合物を用いることが好ましい。
上記末端処理の方法としては、メタノール等のアルコール、2-エチルヘキシルグリシジルエーテル等のエポキシ化合物などの末端処理剤を添加して、重合反応中の鎖の末端を変性することにより、所定のブロック共重合体を得ることができる。得られたブロック共重合体は、脱メタル処理等の精製を行うことが好ましい。
<相分離工程>
本工程では、上記充填工程により形成された充填層4を相分離させる。これにより、図4に示すように、充填層4が、ブロック(α)相4aと、ブロック(β)相4bとに相分離する。
充填層4を相分離させる方法としては、例えばアニーリングする方法等が挙げられる。
アニーリングする方法としては、例えば加熱する方法等が挙げられる。加熱の手段としては、例えばオーブン、ホットプレート等が挙げられる。加熱の温度の下限としては、80℃が好ましく、100℃がより好ましく、150℃がさらに好ましい。加熱の温度の上限としては、400℃が好ましく、350℃がより好ましく、300℃がさらに好ましい。加熱の時間の下限としては、10秒が好ましく、1分がより好ましく、10分がさらに好ましい。加熱の時間の上限としては、120分が好ましく、60分がより好ましく、30分がさらに好ましい。
[除去工程]
本工程では、上記相分離工程後の充填層の一部の相を除去する。例えば図4における相分離工程後の充填層の一方の相であるブロック(β)相4bが除去され、図5に示すように、レジストパターン2、重合体層3及び除去されなかった充填層4aからなる微細化パターンが形成される。
除去工程において、例えば図4に示すように、充填層4が有する相分離構造のうちの一部のブロック(β)相4bを除去する。例えば相分離した各相のエッチングレートの差を用いて、ポリメタクリル酸メチルブロック相4bをエッチング処理により除去することができる。相分離構造のうちのポリメタクリル酸メチルブロック相4bを除去した後の状態を図5に示す。なお、上記エッチング処理の前に、必要に応じて放射線を照射してもよい。上記放射線としては、エッチングにより除去する相がポリメタクリル酸メチルブロック相である場合には、172nmの放射線を用いることができる。上記放射線照射により、ポリメタクリル酸メチルブロック相が分解されるため、よりエッチングされ易くなる。
相分離構造のうちのポリメタクリル酸メチルブロック相4bの除去の方法としては、例えばケミカルドライエッチング、ケミカルウェットエッチング等の反応性イオンエッチング(RIE);スパッタエッチング、イオンビームエッチング等の物理的エッチング等の公知の方法が挙げられる。これらの中で、反応性イオンエッチングが好ましく、CF、Oガス等を用いたケミカルドライエッチング、有機溶媒、フッ酸等の液体のエッチング溶液を用いたケミカルウェットエッチング(湿式現像)がより好ましく、ケミカルウェットエッチングがさらに好ましい。
ケミカルウェットエッチングに用いられる有機溶媒としては、例えば
n-ペンタン、n-ヘキサン、n-ヘプタン等のアルカン;
シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン等のシクロアルカン;
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;
アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、メチルn-ペンチルケトン等のケトン;
メタノール、エタノール、1-プロパノール、イソプロパノール(IPA)、4-メチル-2-ペンタノール等のアルコールなどが挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよく2種以上を併用してもよい。これらの中で、MIBK及びIPAとの混合溶媒が好ましい。
[エッチング工程]
本工程では、上記除去工程により形成された微細化パターンを直接的又は間接的に用いて上記基板をエッチングする。微細化パターンは、図5に示すように、基礎パターン(I)2、重合体層3及び除去工程で除去されなかったブロック(α)相から形成されている。この工程により、基板パターンが形成される。パターン形成方法(A)によれば、プレイスメントエラーが抑制され、かつ形状が良好な基板パターンを得ることができる。
このエッチングは、基礎パターン形成工程において、基板1の表面側に直接基礎パターン(I)2を形成した場合は、通常、微細パターンを直接的に用い、すなわち、エッチングを1回行い、基板パターンを得る。基板1の表面側に他の層を介して基礎パターン(I)を形成した場合は、通常、微細化パターンを間接的に用い、すなわち、微細化パターンを用いて、他の層をエッチングし、エッチング後の他の層をマスクとして、順次エッチングを行い、すなわち、エッチングを複数回行って、基板パターンを得る。
得られる基板パターンとしては、例えばホールパターン等が挙げられる。
エッチングの方法としては、例えばCF、Oガス等を用い、各層のエッチングレートの差等を利用するケミカルドライエッチング、有機溶媒、フッ酸等の液体のエッチング液を用いたケミカルウェットエッチング(湿式現像)等の反応性イオンエッチング(RIE);スパッタエッチング、イオンビームエッチング等の物理的エッチングなどの公知の方法が挙げられる。これらの中で、反応性イオンエッチングが好ましく、ケミカルドライエッチング及びケミカルウェットエッチングがより好ましく、ケミカルドライエッチングがさらに好ましい。
基板のパターニング完了後、マスクとして使用された部分は溶解処理等により基板の表面側から除去され、最終的にパターンが形成された基板を得ることができる。パターン形成方法(A)により得られる基板は半導体素子等に好適に用いられ、この半導体素子はLED、太陽電池等に広く用いられる。
<パターン形成方法(B)>
パターン形成方法(B)は、基礎パターン積層工程と、塗工工程と、加熱工程と、充填工程と、相分離工程と、除去工程と、エッチング工程とを備える。
パターン形成方法(B)は、上記各工程を備え、加熱工程後の塗工膜における基礎パターンの凹部の側面側と底面側との接触角の差を上記値以上とすることで、パターンサイズ均一性に優れる微細化パターンを形成することができ、このような優れた微細化パターンを用いることにより、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができる。パターン形成方法(B)が上記構成を備えることで、上記効果を奏する理由については必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。すなわち、加熱工程後における基礎パターンの凹部の側面側と底面側とが上記値以上の接触角の差を有することで、その後にこの凹部に形成される[A’]重合体の充填層がより適切に相分離すると考えられ、その結果、パターンサイズ均一性に優れる微細化パターンを形成することができる。以下、各工程について説明する。
[基礎パターン積層工程]
本工程では、基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターン(以下、「基礎パターン(II)」ともいう)を積層する。基礎パターン(II)としては、基板に直接積層されるものが好ましい。この基礎パターン(II)は、芳香環の含有割合が50質量%以上の重合体を主成分とする。芳香環の含有割合が50質量%以上の重合体を主成分とするものとして、例えばレジスト下層膜等が挙げられる。
基礎パターン(II)を積層する方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。基板の表面側に直接又は他の層を介してレジスト下層膜を形成する。次に、必要に応じて、上記レジスト下層膜の基板と反対側の面に、SOG膜を形成してもよい。上記レジスト下層膜又はSOG膜の基板と反対側の面にレジストパターンを形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして、上記SOG膜及び/又は上記レジスト下層膜を順次エッチングする。
基板、他の層並びにレジスト下層膜、SOG膜及びレジストパターンを形成方法としては、例えばパターン形成方法(A)の基礎パターン形成工程において例示したのと同様のもの等が挙げられる。基板としては、シリコン製が好ましい。
[塗工工程]
本工程では、上記基礎パターン(II)の凹部の側面及び底面に組成物(V)を塗工する。
(組成物(V))
組成物(V)は、[A’]重合体と溶媒([S]溶媒)とを含有する。組成物(V)は、[A’]重合体と[S]溶媒以外にも界面活性剤等の他の成分を含有していてもよい。
([A’]重合体)
[A’]重合体は、構造単位(I)を有する。構造単位(I)としては、例えば置換又は非置換のスチレンに由来する構造単位、(メタ)アクリル酸又は(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位、置換又は非置換のエチレンに由来する構造単位等が挙げられる。置換又は非置換のスチレン、(メタ)アクリル酸エステル及び置換又は非置換のエチレンとしては、例えばパターン形成方法(A)の[B]重合体において例示したのと同様のもの等が挙げられる。
[A’]重合体は、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し、-COOH及び-OHの少なくとも一方と化学結合する官能基を有することが好ましい。このような官能基としては、例えばパターン形成方法(A)における[B]重合体の官能基(1)として例示した官能基等が挙げられる。
[A’]重合体のMw及びMw/Mn、並びに組成物(V)における[A’]重合体の含有量の好ましい範囲としては、パターン形成方法(A)における[B]重合体及び組成物(II)と同様である。
[S]溶媒としては、例えばパターン形成方法(A)における組成物(II)の[S]溶媒として例示したものと同様の溶媒等が挙げられる。
[組成物(V)の調製方法]
組成物(V)は、例えば[A’]重合体、[S]溶媒及び必要に応じて他の成分を所定の割合で混合し、好ましくは孔径200nm程度のメンブランフィルター等で濾過することにより調製することができる。組成物(V)の固形分濃度の下限としては、0.1質量%が好ましく、0.5質量%がより好ましく、0.7質量%がさらに好ましい。上記固形分濃度の上限としては、30質量%が好ましく、10質量%がより好ましく、3質量%がさらに好ましい。
組成物(V)の塗工方法としては、例えばスピンコート法等が挙げられる。
[加熱工程]
本工程では、上記塗工工程により形成された塗工膜を加熱する。加熱工程後の塗工膜における基礎パターンの凹部の側面側の水の接触角θ1と底面側の水の接触角θ2との差(|θ1-θ2|、(θ1-θ2)の絶対値を意味する)は5°以上となる。この際、θ1とθ2の値はどちらが大きくてもよい。
θ1とθ2との差の下限としては、7°が好ましく、10°がより好ましい。θ1とθ2との差の上限としては、例えば30°である。
θ1の下限としては、50°が好ましく、80°がより好ましい。θ1の上限としては、90°が好ましく、88°がより好ましい。θ2の下限としては、60°が好ましく、70°がより好ましい。θ2の上限としては、85°が好ましく、80°がより好ましい。
加熱の手段としては、例えばオーブン、ホットプレート等が挙げられる。
加熱工程において、θ1とθ2との差が上記値以上となるよう、温度又は時間を制御する。加熱工程における温度及び時間は、例えば組成物(V)の[A’]重合体が有する官能基の種類等により変わってくる。
加熱の温度の下限としては、50℃が好ましく、100℃がより好ましく、120℃がさらに好ましく、140℃が特に好ましい。上記温度の上限としては、250℃が好ましく、200℃がより好ましく、180℃がさらに好ましく、160℃が特に好ましい。
加熱の時間の下限としては、10秒が好ましく、1分がより好ましく、5分がさらに好ましく、10分が特に好ましい。上記時間の上限としては、10時間が好ましく、1時間がより好ましく、30分がさらに好ましく、20分が特に好ましい。
[充填工程]
本工程では、上記塗工膜が積層された上記基礎パターンの凹部に組成物(VI)を充填する。
(組成物(VI))
組成物(VI)は、[B’]重合体と溶媒([S]溶媒)とを含有する。組成物(VI)は、[B’]重合体及び[S]溶媒以外にも、その他の成分を含有することができる。
([B’]重合体)
[B’]重合体は、ブロック(A)及びブロック(B)を有する。すなわち、[B’]重合体は、ブロック共重合体である。ブロック(A)は構造単位(II)からなり、ブロック(B)は構造単位(II)よりも極性が高い構造単位(III)からなる。[B’]重合体は、ジブロック共重合体でも、トリブロック共重合体でも、4つ以上のブロックを有する共重合体でもよい。これらの中で、相分離構造の形成のし易さの観点から、ジブロック共重合体及びトリブロック共重合体が好ましく、ジブロック共重合体がより好ましい。また、[B’]重合体は、隣接するブロック間に連結基を有していてもよい。
ブロック(A)としては、パターン形成方法(A)における[A]重合体のブロック(I)として例示したポリスチレンブロックが好ましい。すなわち、構造単位(II)としては、置換又は非置換のスチレンに由来する構造単位が好ましい。ブロック(B)としては、例えば[A]重合体のブロック(II)として例示したブロック等が挙げられる。ブロック(B)としては、ポリ(メタ)アクリル酸エステルブロックが好ましく、ポリメタクリル酸メチルブロックがより好ましい。構造単位(III)としては、(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位が好ましい。
[B’]重合体のMw及びMw/Mn、並びに組成物(VI)における[B’]重合体の含有量及び濃度としては、パターン形成方法(A)の[A]重合体及び組成物(I)におけるものと同様の範囲が好ましい。
[相分離工程]
本工程では、上記充填工程により形成された充填層を相分離させる。この工程は、パターン形成方法(A)における相分離工程と同様である。
[除去工程]
本工程では、上記相分離工程後の充填層の少なくとも一部の相を除去する。この工程は、パターン形成方法(A)における除去工程と同様である。
[エッチング工程]
本工程では、上記除去工程により形成された微細化パターンを用いて上記基板を1又は複数回エッチングする。この工程は、パターン形成方法(A)におけるエッチング工程と同様である。
<組成物>
当該組成物は、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し-COOH及び-OHの少なくとも一方と化学結合を形成する官能基を有する重合体と、主鎖の少なくとも一方の末端に結合しSi-H、Si-OH、Si=O及びSi-NR(Rは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数1~20の1価の有機基である)の少なくとも1種と化学結合を形成する官能基を有する重合体と、溶媒とを含有する。
当該組成物についてはパターン形成方法(A)で用いる組成物(II)として説明している。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。各物性値の測定方法を下記に示す。
[Mw及びMn]
重合体のMw及びMnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により東ソー社のGPCカラム(「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本及び「G4000HXL」1本)を使用し、以下の条件により測定した。
溶離液:テトラヒドロフラン(和光純薬工業社)
流量:1.0mL/分
試料濃度:1.0質量%
試料注入量:100μL
カラム温度:40℃
検出器:示差屈折計
標準物質:単分散ポリスチレン
H-NMR分析]
H-NMR分析は、核磁気共鳴装置(日本電子社の「JNM-EX400」)を使用し、測定溶媒としてDMSO-dを用いて行った。重合体における各構造単位の含有割合は、H-NMRで得られたスペクトルにおける各構造単位に対応するピークの面積比から算出した。
<パターン形成方法(A)>
<[A]重合体の合成>
[合成例1-1](重合体(a-1)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったテトラヒドロフラン(THF)200gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を0.29mL(0.256mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン22.7mL(0.197mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成し、その後、1,1-ジフェニルエチレン0.11mL(0.00077mol)及び塩化リチウムの0.5N THF溶液1.02mL(0.0005mol)を加え、重合系が暗赤色になったことを確認した。さらに、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったメタクリル酸メチル10.6mL(0.100mol)をこの溶液に30分かけて滴下注入して重合系が薄黄色になったことを確認し、その後120分間反応させた。この後、末端停止剤としてのメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してメチルイソブチルケトン(MIBK)で置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。次にポリスチレンのホモポリマーを除去するためシクロヘキサン500gを注ぎ、ポリスチレンホモポリマーをシクロヘキサンへ溶解させて重合体を洗浄した。なお、この洗浄は4回繰り返し、再度、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(a-1)24.1gを得た。
この重合体(a-1)は、Mwが79,000、Mnが77,000、Mw/Mnが1.03であった。また、H-NMR分析の結果、重合体(a-1)は、スチレンに由来する構造単位及びメタクリル酸メチルに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ65モル%及び35モル%であった。なお、重合体(a-1)はジブロック共重合体である。
Figure 0007044976000002
[合成例1-2](重合体(a-2)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF200gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を0.29mL(0.256mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン22.7mL(0.197mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成し、その後、1,1-ジフェニルエチレン0.11mL(0.00077mol)及び塩化リチウムの0.5Nテトラヒドロフラン溶液1.02mL(0.0005mol)を加え、重合系が暗赤色になったことを確認した。さらに、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったメタクリル酸メチル10.6mL(0.100mol)をこの溶液に30分かけて滴下注入して重合系が薄黄色になったことを確認し、その後120分間反応させた。この後、末端停止剤として2-エチルヘキシルグリシジルエーテル0.053mL(0.256mmol)を加えたのち、メタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。次にポリスチレンのホモポリマーを除去するためシクロヘキサン500gを注ぎ、ポリスチレンホモポリマーをシクロヘキサンへ溶解させて重合体を洗浄した。なお、この洗浄は4回繰り返し、再度、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(a-2)24.1gを得た。
この重合体(a-2)は、Mwが78,000、Mnが76,000、Mw/Mnが1.03であった。また、H-NMR分析の結果、重合体(A-2)は、スチレンに由来する構造単位及びメタクリル酸メチルに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ65モル%及び35モル%であった。なお、重合体(a-2)はジブロック共重合体である。
Figure 0007044976000003
[合成例1-3](重合体(a-3)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF200gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を0.28mL(0.256mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン26.0mL(0.226mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成し、その後、1,1-ジフェニルエチレン0.11mL(0.00077mol)、及び塩化リチウムの0.5Nテトラヒドロフラン溶液1.02mL(0.0005mol)を加え、重合系が暗赤色になったことを確認した。さらに、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったメタクリル酸メチル9.5mL(0.899mol)をこの溶液に30分かけて滴下注入して重合系が薄黄色になったことを確認し、その後120分間反応させた。この後、末端停止剤としてのメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。次にポリスチレンのホモポリマーを除去するためシクロヘキサン500gを注ぎ、ポリスチレンホモポリマーをシクロヘキサンへ溶解させて重合体を洗浄した。なお、この洗浄は4回繰り返し、再度、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(a-3)23.8gを得た。
この重合体(a-3)は、Mwが77,000、Mnが75,000、Mw/Mnが1.03であった。また、H-NMR分析の結果、重合体(a-3)は、スチレンに由来する構造単位及びメタクリル酸メチルに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ70モル%及び30モル%であった。なお、ブロック共重合体(a-3)はジブロック共重合体である。
Figure 0007044976000004
<[B]重合体の合成>
[合成例1-4](重合体(b-1)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.31mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤としてメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-1)11.7gを得た。
この重合体(b-1)は、Mwが5,600、Mnが5,300、Mw/Mnが1.06であった。
Figure 0007044976000005
[合成例1-5](重合体(b-2)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.30mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤としてスチレンオキサイド0.27mL(2.30mmol)、続いてメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-2)11.7gを得た。
このブロック共重合体(b-2)は、Mwが5,500、Mnが5,100、Mw/Mnが1.08であった。
Figure 0007044976000006
[合成例1-6](重合体(b-3)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.30mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤として二酸化炭素バブリングし、続いてメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-3)11.3gを得た。
この重合体(b-3)は、Mwが5,200、Mnが5,000、Mw/Mnが1.04であった。
Figure 0007044976000007
[合成例1-7](重合体(b-4)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.30mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、エピブロモヒドリンを0.19mL(2.30mmol)注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-4)11.1gを得た。
この重合体(b-4)は、Mwが5,700、Mnが5,200、Mw/Mnが1.10であった。
Figure 0007044976000008
[合成例1-8](重合体(b-5)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を3.95mL(3.84mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、エピブロモヒドリンを0.32mL(3.84mmol)注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-5)11.1gを得た。
この重合体(b-5)は、Mwが3,300、Mnが3,100、Mw/Mnが1.06であった。
Figure 0007044976000009
[合成例1-9](重合体(b-6)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を1.19mL(1.15mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、エピブロモヒドリンを0.10mL(1.15mmol)注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-6)11.5gを得た。
このブロック共重合体(b-6)は、Mwが11,600、Mnが10,400、Mw/Mnが1.12であった。
Figure 0007044976000010
[合成例1-10](重合体(b-7)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.30mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン13.3mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し6、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、3-クロロメチル-3-メチルオキセタンを0.25mL(2.30mmol)注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色のブロック共重合体(b-7)11.1gを得た。
このブロック共重合体(b-7)は、Mwが5,900、Mnが5,300、Mw/Mnが1.11であった。
Figure 0007044976000011
[合成例1-11](重合体(b-8)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を2.38mL(2.30mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行った4-t-ブチルスチレン21.2mL(0.115mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入のとき、反応溶液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、エピブロモヒドリンを0.19mL(2.30mmol)注入し重合末端の停止反応を行った。この反応溶液を室温まで昇温し、得られた反応溶液を濃縮してMIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返しシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた固体を60℃で減圧乾燥させることで白色の重合体(b-8)17.7gを得た。
このブロック共重合体(b-8)は、Mwが6,000、Mnが5,400、Mw/Mnが1.11であった。
Figure 0007044976000012
<[C]重合体の合成>
[合成例1-12](重合体(c-1)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた200mL三口フラスコにアニソール40g、スチレン16.7g(0.160mol)、メタクリル酸メチル3.00g(0.030mol)、2-ヒドロキシエチルメタクレート1.30g(0.01mol)、臭化銅(II)0.29g(2.00mmol)及びトリス[(2-ジメチルアミノ)エチル]アミン0.46g(2mmol)を加え、100℃に加熱し、2-ブロモイソ酪酸エチル0.53mL(3.6mmol)、を加え、窒素フロー下、8時間加熱撹拌した。得られた重合反応液は、セライト濾過し銅錯体を除去し、超純水500gにて洗浄を3回繰り返した。有機層を回収した後、濃縮し、得られた濃縮物にTHF50gを加えたものをメタノール/超純水(質量比=5/5)1,000gに加えて、沈殿精製させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた固体を減圧乾燥することで、白色の重合体(c-1)11.2gを得た。
この重合体(c-1)は、Mwが5,600、Mnが4,600、Mw/Mnが1.22であった。また、H-NMR分析の結果、スチレン、メチルメタクリレート及び2-ヒドロキシエチルメタクリレートに由来する構造単位の含有割合は、それぞれ80モル%、15モル%及び5モル%であった。
Figure 0007044976000013
[合成例1-13](重合体(c-2)の合成)
冷却管、滴下ロート0及び温度計を備えた200mL三口フラスコにアニソール40g、スチレン16.7g(0.160mol)、メタクリル酸メチル3.00g(0.030mol)、メタクリル酸0.86g(0.01mol)、臭化銅(II)0.29g(2.00mmol)及びトリス[(2-ジメチルアミノ)エチル]アミン0.46g(2mmol)を加え、100℃に加熱し、2-ブロモイソ酪酸エチル0.53mL(3.6mmol)、を加え、窒素フロー下、8時間加熱撹拌した。得られた重合反応液は、セライト濾過し銅錯体を除去し、超純水500gにて洗浄を3回繰り返した。有機層を回収した後、濃縮し、得られた濃縮物にTHF50gを加えたものをメタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて、沈殿精製させポリマーを析出させた。この白色固体をテトラヒドロフラン50gに溶解させ、1N塩酸水溶液5gを加え、80℃で2時間加熱撹拌し、加水分解反応を行った。加水分解後の反応溶液は、メタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて沈殿精製させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた固体を減圧乾燥することで、白色の重合体(c-2)11.0gを得た。
この重合体(c-2)は、Mwが5,500、Mnが4,400、Mw/Mnが1.25であった。また、H-NMR分析の結果、スチレン、メチルメタクリレート及びメタクリル酸に由来する構造単位の含有割合は、それぞれが80モル%、15モル%、及び5モル%であった。
Figure 0007044976000014
[合成例1-14](重合体(c-3)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた200mL三口フラスコにアニソール40g、スチレン14.6g(0.140mol)、メタクリル酸メチル6.00g(0.060mol)、4-シアノ-[4-ドデシル(スルファニルチオ)カルボニルスルファン]ペンタン酸0.403g(1mmol)及びアゾイソブチロニトリル0.164g(1mmol)を加え、80℃、8時間加熱撹拌した。得られた重合反応液は、メタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて沈殿生成させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた固体を減圧乾燥することで、黄色の重合体(c-3)11.5gを得た。
この重合体(c-3)は、Mwが8,400、Mnが6,600、Mw/Mnが1.27であった。また、H-NMR分析の結果、スチレン及びメチルメタクリレートに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ70モル%及び30モル%であった。
Figure 0007044976000015
[合成例1-15](重合体(c-4)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた200mL三口フラスコにアニソール40g、スチレン14.6g(0.140mol)、メタクリル酸メチル6.00g(0.006mol)及び4-シアノ-4-[(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル]ペンタン酸メチル0.417g(1.00mmol)を加え、80℃に加熱し、8時間撹拌した。得られた重合反応液は、メタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて沈殿生成させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた黄色の重合体は、Mwが、8,600、Mnが6,500、Mw/Mnが1.32であった。
次に、得られた黄色の固体を、ジメチルホルムアミドに溶解させ、4,4’-アゾビス-4-シアノ吉草酸2.80g(10mmol)を加え、80℃に加熱し、3時間撹拌した。アゾ分解終了後、メタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて沈殿生成させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた固体を減圧乾燥することで、黄色の重合体(c-4)11.0gを得た。
この重合体(c-4)は、Mwが8,400、Mnが6,200、Mw/Mnが1.35であった。また、H-NMR分析の結果、スチレン及びメチルメタクリレートに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ70モル%及び30モル%であった。
Figure 0007044976000016
[合成例1-16](重合体(c-5)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた200mL三口フラスコにアニソール40g、スチレン14.6g(0.140mol)、メタクリル酸メチル6.00g(0.060mol)、臭化銅(II)0.29g(2.00mmol)及びトリス[(2-ジメチルアミノ)エチル]アミン0.46g(2.0mmol)を加え、100℃に加熱し、2-ブロモイソ酪酸エチル0.53(3.6mmol)をシリンジにて加え、窒素フロー下、8時間加熱撹拌した。得られた重合反応液は、セライト濾過し銅錯体を除去し、超純水500gにて洗浄を3回繰り返した。有機層を回収した後、濃縮し、得られた濃縮物にTHF50gを加えたものをメタノール/超純水(質量比5/5)1,000gに加えて沈殿精製させた固体を得た。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール50gにて洗浄した。得られた固体を減圧乾燥することで白色の重合体(c-5)11.5gを得た。
この重合体(c-5)は、Mwが6,700、Mnが5,800、Mw/Mnが1.16であった。また、H-NMR分析の結果、スチレン及びメチルメタクリレートに由来する構造単位が、それぞれ70モル%及び30モル%であった。
Figure 0007044976000017
<組成物の調製>
[組成物(I)の調製]
[調製例1-1]
上記合成した[A]重合体としての(a-1)1.5gに、[S]溶媒としてのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート69gと乳酸エチル29.5gとを加え、撹拌したのち、0.45μmの細孔を有する高密度ポリエチレンフィルターにて濾過し、組成物(A-1)を調製した。
[調製例1-2及び1-3]
[A]重合体として、上記(a-1)の代わりに、同質量の(a-2)又は(a-3)を用いた以外は、調製例1-1と同様にして、組成物(A-2)及び(A-3)を調製した。
[組成物(II)の調製]
[調製例1-4]
上記合成した[B]重合体としての(b-1)1.2gに、[S]溶媒としてのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート98.8gを加え溶解させた後、0.45μmの細孔を有する高密度ポリスチレンフィルターにて濾過し、組成物(B-1)を調製した。
[調製例1-5~1-11]
[B]重合体として、上記(b-1)の代わりに、同質量の(b-2)~(b-8)を用いた以外は、調製例1-4と同様にして、組成物(B-2)~(B-8)を調製した。
[組成物(III)の調製]
[調製例1-12]
上記合成した[C]重合体としての(c-1)1.2gに、[S]溶媒としてのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート98.8gを加え溶解させた後、0.45μmの細孔を有する高密度ポリスチレンフィルターにて濾過し、組成物(C-1)を調製した。
[調製例1-13~1-16]
[C]重合体として、上記(c-1)の代わりに、同質量の(c-2)~(c-5)を用いた以外は、調製例1-12と同様にして、組成物(C-2)~(C-5)を調製した。
[組成物(IV)の調製]
[調製例1-17]
上記合成した[B]重合体としての(b-2)0.6g及び[C]重合体としての(c-5)0.6gに、[S]溶媒としてのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート98.8gを加え溶解させた後、0.45μmの細孔を有する高密度ポリスチレンフィルターにて濾過し、組成物(D-1)を調製した。
[調製例1-18~1-28]
下記表5に示す各重合体を用いた以外は、調製例1-17と同様にして、組成物(D-2)~(D-12)を調製した。
<レジスト組成物の調製>
[重合体の合成]
重合体(a1-1)及び(a2-1)の合成に用いた単量体化合物を以下に示す。
Figure 0007044976000018
[合成例1-17](重合体(a1-1)の合成)
上記化合物(M-1)12.9g(50モル%)及び化合物(M-2)17.1g(50モル%)を、メチルエチルケトン60gに溶解し、さらに2,2’-アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)1.77gを投入して溶解させ、単量体溶液を調製した。次に、30gのメチルエチルケトンを投入した200mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応釜を攪拌しながら80℃に加熱して、上記単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合反応液を水冷し30℃以下に冷却し、600gのメタノールへ投入して、析出した白色粉末を濾別した。濾別した白色粉末をそれぞれ150gのメタノールを用い、2回、スラリー状にして洗浄した後、再度濾別し、50℃にて17時間乾燥して白色粉末の重合体(a1-1)を得た(収率80%)。重合体(a1-1)のMwは6,900、Mw/Mnは1.35であった。また、13C-NMR分析の結果、重合体(a1-1)における(M-1)及び(M-2)に由来する構造単位の含有割合は、それぞれ49モル%及び51モル%であった。
[合成例1-18](重合体(a2-1)の合成)
上記化合物(M-3)10.4g(30モル%)及び化合物(M-4)19.6g(70モル%)を、メチルエチルケトン60gに溶解し、さらに2,2’-アゾビス(イソブチロニトリル)0.91g(化合物の合計に対して5モル%)を投入した単量体溶液を調製した。次に、30gのメチルエチルケトンを投入した200mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応釜を攪拌しながら80℃に加熱し、上記単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合反応液を水冷し30℃以下に冷却し、600gのメタノールへ投入して、析出した白色粉末を濾別した。濾別した白色粉末を150gのメタノールを用い、2回、スラリー状で洗浄した後、再度濾別し、50℃にて12時間乾燥して白色粉末の重合体(a2-1)を得た(収率68%)。重合体(a2-1)のMwは5,900、Mw/Mnは1.58であった。また、13C-NMR分析の結果、重合体(a2-1)における(M-3)及び(M-4)に由来する構造単位の含有割合は、それぞれ31モル%及び69モル%であった。
[調製例1-29](レジスト組成物(J-1)の調製)
上記合成した重合体(a1-1)100質量部及び重合体(a2-1)3質量部、感放射線性酸発生体としてのトリフェニルスルホニウム1,1,2,2-テトラフルオロ-6-(1-アダマンタンカルボニロキシ)ヘキサン-1-スルホネート10.8質量部、酸拡散制御剤としてのトリフェニルスルホニウムサリチレート4.3質量部、並びに溶媒としてのプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート2,185質量部、シクロヘキサノン935質量部及びγ-ブチロラクトン30質量部を混合してレジスト組成物(J-1)を調製した。
<基礎パターンの形成>
[基礎パターンの形成(1)]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み85nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板に下記表1に示す組成物(III)(組成物(C-1)~(C-5))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行った。次いで、未反応物等除去後の基板に上記調製したレジスト組成物(J-1)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、酢酸ブチルを用いて現像し、ホールサイズ60nm、ピッチ150nmのレジストホールパターンを形成した。
得られたレジストホールパターンに対して、下記表1に示す組成物(II)(組成物(B-1)~(B-8))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)を用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行い、基礎パターン(P-1)~(P-12)を形成した。
基礎パターン(P-13)は、上記基礎パターンの形成(1)において、上記組成物(III)として組成物(B-2)を用い、上記組成物(II)として組成物(C-1)を用いることにより形成した。
基礎パターン(P-14)は、上記基礎パターンの形成(1)において、上記組成物(III)及び上記組成物(II)としていずれも組成物(B-2)を用いることにより形成した。
基礎パターン(P-15)は、上記基礎パターンの形成(1)において、上記組成物(III)及び上記組成物(II)としていずれも組成物(C-1)を用いることにより形成した。
基礎パターン(P-16)は、上記基礎パターンの形成(1)において、上記組成物(III)及び上記組成物(II)の塗布を行わないで形成した。(表1中の「-」は、組成物(II)及び(III)の塗布を行わなかったことを示す。)
<評価>
得られた基礎パターン(P-1)~(P-16)の凹部の底面及び側面における水の静的接触角(単位:°)及び塗工膜の平均厚み(単位:nm)を、接触角計(KRUSS社の「DSA10L2E」)及び高速分光エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム・ジャパン社の「M2000」)を用い、基礎パターンと同様の表面状態とした塗工膜を用いて代替評価により測定した。評価結果を下記表1に合わせて示す。
Figure 0007044976000019
[基礎パターンの形成(2)]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み85nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板に下記表2に示す組成物(III)(組成物(C-1)又は(C-2))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板を、PGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行った。次いで、未反応物等除去後の基板にレジスト組成物(JSR社の「AIM5484JN」)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、2.38質量%テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて現像し、180℃で焼成し、ホールサイズ60nm、ピッチ150nmのレジストホールパターンを形成した。
得られたレジストホールパターンに対して、下記表2に示す組成物(II)(組成物(B-4))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板を、PGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行い、基礎パターン(P-17)及び(P-18)を形成した。
上記形成した基礎パターン(P-17)及び(P-18)の凹部の底面及び側面における水の静的接触角及び塗工膜の平均厚みを、上記同様の方法に従い測定した。評価結果を下記表2に合わせて示す。
Figure 0007044976000020
[基礎パターンの形成(3)]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み85nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板に下記表3に示す組成物(III)(組成物(C-1))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板を、PGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行った。次いで、未反応物等除去後の基板にレジスト組成物(JSR社の「AIM5484JN」)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、2.38質量%テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて現像し、ArF全面露光し、ホールサイズ60nm、ピッチ150nmのレジストホールパターンを形成した。
得られたレジストホールパターンに対して、下記表3に示す組成物(II)(組成物(B-))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板を、PGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行い、基礎パターン(P-19)及び(P-20)を形成した。
上記形成した基礎パターン(P-19)及び(P-20)の凹部の底面及び側面における水の静的接触角及び塗工膜の平均厚みを、上記同様の方法に従い測定した。評価結果を下記表3に合わせて示す。
Figure 0007044976000021
[基礎パターンの形成(4)]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み85nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板に上記調製したレジスト組成物(J-1)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、酢酸ブチルを用いて現像し、ホールサイズ60nm、ピッチ150nmのレジストホールパターンを形成した。
得られたレジストホールパターンに対して、下記表4に示す組成物(II)(組成物((B-1)~(B-8))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板をPGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行った。次いで、下記表4に示す組成物(III)(組成物(C-1)~(C-5))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板をPGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行い、基礎パターン(P-21)~(P-32)を形成した。
基礎パターン(P-33)は、上記基礎パターンの形成(4)において、上記組成物(II)として組成物(C-1)を用い、上記組成物(III)として組成物(B-2)を用いることにより形成した。
上記形成した基礎パターン(P-21)~(P-33)の凹部の底面及び側面における水の静的接触角及び塗工膜の平均厚みを、上記同様の方法に従い測定した。評価結果を下記表4に合わせて示す。
Figure 0007044976000022
[基礎パターンの形成(5)]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み85nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板に上記調製したレジスト組成物(J-1)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、酢酸ブチルを用いて現像し、ホールサイズ60nm、ピッチ150nmのレジストホールパターンを形成した。
得られたレジストホールパターンに対して、下記表5に示す組成物(IV)(組成物(D-1)~(D-12))を1,500rpmにてスピンコートし、220℃で60秒間焼成した。焼成後の基板をPGMEAを用いて4秒間リンスすることにより、未反応物等の除去を行い、基礎パターン(P-34)~(P-45)を形成した。
基礎パターン(P-46)は、上記基礎パターンの形成(5)において、上記組成物(IV)として組成物(B-2)を用いることにより形成した。
基礎パターン(P-47)は、上記基礎パターンの形成(5)において、上記組成物(IV)として組成物(C-1)を用いることにより形成した。
表5中の「-」は、用いた組成物が[B]重合体及び[C]重合体の両方を含有するものではないことを示す。
上記形成した基礎パターン(P-34)~(P-47)の凹部の底面及び側面における水の静的接触角及び塗工膜の平均厚みを、上記同様の方法に従い測定した。評価結果を下記表5に合わせて示す。
Figure 0007044976000023
<微細化パターンの形成>
[実施例1-1~1-54及び比較例1-1~1-5]
上記形成した基礎パターン(P-1)~(P-47)を用い、以下の手順により充填工程、相分離工程及び除去工程を行うことにより微細化コンタクトホールパターンを形成した。
(充填工程及び相分離工程)
上記形成した基礎パターン(P-1)~(P-47)に対し、上記調製した組成物(I)(組成物(A-1)~(A-3))を1,500rpmにてスピンコートにより塗工した。この基板を、窒素下、220℃で60秒間、熱アニールすることで相分離させた。
(除去工程)
上記相分離工程後の基板について、172nmの放射線を300mJ/cmの強度で照射した後、メチルイソブチルケトン(MIBK)/2-プロパノール(IPA)(2/8(質量比))の混合液中に5分間浸漬させて、重合体(A-1)~(A-3)におけるポリ(メタクリル酸メチル)ブロックからなる相を溶解させて除去することにより、微細化コンタクトホールパターンを形成した。
<評価>
上記形成した微細化コンタクトホールパターンについて、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジー社の「CG4000」)を用いて高倍率(300K)の画像を取得し、計算ツール(日立ハイテクノロジー社)を用いて周期解析を行うことにより、コンタクトホールパターンの平均直径(単位:nm)及びプレイスメントエラー(x方向及びy方向、単位:nm)を評価した。
プレイスメントエラー(x方向、y方向)は、3.5nm以下の場合は良好と、3.5nmを超える場合は不良と評価できる。
また、上記現像後の基板上に、感光性SOG組成物(JSR社の「DS492Y」)を1,500rpmにてスピンコートした後、80℃で30秒間ソフトベークし、KrF露光機にて200mJ/cmで照射した後、80℃で120秒間ゾル-ゲル硬化反応させた。このようにして微細化コンタクトホールパターンを埋め込んだ上で、底部残渣の平均厚み(単位:nm)を、測長SEMを用いる断面SEM観察により測定した。
微細化コンタクトホールパターンの平均直径、プレイスメントエラー及び底部残渣の平均厚みの評価結果を下記表6に合わせて示す。
Figure 0007044976000024
表6の結果から分かるように、パターン形成方法(A)によれば、ホール径が小さい場合でも、プレイスメントエラーが抑制され、かつ底部残渣が低減されたホールパターンを形成することができる。
<パターン形成方法(B)>
<[A’]重合体の合成>
[合成例2-1](重合体(A-1)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったテトラヒドロフラン(THF)120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-ブチルリチウム(sec-BuLi)の1Nシクロヘキサン溶液を3.10mL(3.00mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン16.6mL(0.150mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入の際、重合反応液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤として2-エチルヘキシルグリシジルエーテル0.63mL(3.00mmol)とメタノール1mLとの混合物を注入し重合末端の停止反応を行った。この重合反応液を室温まで昇温し、濃縮した後、メチルイソブチルケトン(MIBK)で置換した。その後、2質量%シュウ酸水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返してシュウ酸を除去した後、得られた溶液を濃縮した後、メタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた重合体を60℃で減圧乾燥させることで白色固体の下記式(A-1)で表される重合体14.8gを得た。この重合体(A-1)は、Mwが6,100、Mnが5,700、Mw/Mnが1.07であった。
Figure 0007044976000025
[合成例2-2](重合体(A-2)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったテトラヒドロフラン120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このテトラヒドロフランにsec-BuLiの1Nシクロヘキサン溶液を3.10mL(3.00mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン16.6mL(0.150mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入の際、重合反応液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤としてメチルグリシジルエーテル0.27mL(3.00mmol)とメタノール1mLとの混合物を注入し、重合末端の停止反応を行った。この重合反応液を室温まで昇温し、濃縮した後、MIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返してシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮した後、メタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた重合体を60℃で減圧乾燥させることで白色の下記式(A-2)で表される重合体14.6gを得た。この重合体(A-2)は、Mwが6,100、Mnが5,600、Mw/Mnが1.09であった。
Figure 0007044976000026
[合成例2-3](重合体(A-3)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったテトラヒドロフラン110gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このテトラヒドロフランにsec-BuLiの1Nシクロヘキサン溶液を3.43mL(3.33mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン16.6mL(0.150mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入の際、重合反応液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤として3-ブロモプロピオニトリル0.27mL(3.33mmol)を注入し、重合末端の停止反応を行った。この重合反応液を室温まで昇温し、濃縮した後、MIBKで置換した。その後、シュウ酸2質量%水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返してシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮した後、メタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた重合体を60℃で減圧乾燥させることで白色の下記式(A-3)で表される重合体14.8gを得た。この重合体(A-3)は、Mwが4,900、Mnが5,600、Mw/Mnが1.14であった。
Figure 0007044976000027
[合成例2-4](重合体(A-4)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったテトラヒドロフラン120gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このテトラヒドロフランにsec-BuLiの1Nシクロヘキサン溶液を3.43mL(3.33mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン16.6mL(0.150mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入の際、重合反応液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成した。この後、末端停止剤として過剰量のエピブロモヒドリン0.54mL(6.66mmol)とメタノール1mLとの混合物を注入し、重合末端の停止反応を行った。この重合反応液を室温まで昇温し、濃縮した後、MIBKで置換した。その後、シュウ酸0.2質量%水溶液500gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水500gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返してシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮した後、メタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた重合体を60℃で減圧乾燥させることで白色の下記式(A-4)で表される重合体14.6gを得た。この重合体(A-4)は、Mwが5,100、Mnが5,500、Mw/Mnが1.08であった。
Figure 0007044976000028
[合成例2-5](重合体(A-5)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた200mL三口フラスコにトルエン10g、スチレン5.60g(54mmol)及びメタクリル酸メチル4.40g(43mmol)、アゾイソブチロニトリル(AIBN)0.039g(0.24mmol)、2-メチル-2-[(ドデシルスルファニルチオカルボニル)スルファニル]プロパン酸0.088g(0.24mmol)を加え、窒素フロー下、60℃で4時間加熱撹拌した。得られた重合反応液は、メタノール100gへ沈殿精製させポリマーを析出させた。この固体をブフナーロートにて回収し、メタノール20gにて2回洗浄して開始剤由来の成分を除去した。減圧乾燥することで、白色固体の下記式(A-5)で表される重合体2.5gを得た。この重合体(A-5)はMnが5,200、Mw/Mnが1.17であった。また、H-NMR分析の結果、スチレンに由来する構造単位及びメタクリル酸メチルに由来する構造単位の含有割合は、それぞれ49モル%及び51モル%であった。
Figure 0007044976000029
[合成例2-6](重合体(A-a)の合成)
500mLのフラスコ反応容器を減圧乾燥した後、窒素雰囲気下、蒸留脱水処理を行ったTHF200gを注入し、-78℃まで冷却した。その後、このTHFにsec-BuLiの1Nシクロヘキサン溶液を0.30mL(0.27mmol)注入し、その後、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったスチレン17.7mL(0.154mol)を30分かけて滴下注入し、重合系が橙色であることを確認した。この滴下注入の際、重合反応液の内温が-60℃以上にならないように注意した。滴下終了後に30分間熟成し、その後、1,1-ジフェニルエチレン0.11mL(0.00081mol)と、塩化リチウムの0.5NTHF溶液1.08mL(0.0005mol)とを加え、重合系が暗赤色になったことを確認した。さらに、重合禁止剤除去のためのシリカゲルによる吸着濾別と蒸留脱水処理とを行ったメタクリル酸メチル10.0mL(0.094mol)を重合反応液に30分かけて滴下注入し、重合系が薄黄色になったことを確認し、その後120分間反応させた。この後、末端停止剤としてのメタノール1mLを注入し重合末端の停止反応を行った。この重合反応液を室温まで昇温し、濃縮した後、MIBKで置換した。その後、2質量%シュウ酸水溶液1,000gを注入撹拌し、静置後、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返し、Li塩を除去した。その後、超純水1,000gを注入撹拌し、下層の水層を取り除いた。この操作を3回繰り返してシュウ酸を除去した後、溶液を濃縮してメタノール500g中に滴下することで重合体を析出させ、ブフナーロートにて固体を回収した。次に、ポリスチレンのホモポリマーを除去するためヘプタン500gを注ぎ、重合体を洗浄し、ポリスチレンホモポリマーをヘプタンへ溶解させた。この操作を4回繰り返し、再度、ブフナーロートにて固体を回収した。得られた重合体を60℃で減圧乾燥させることで白色の下記式(A-a)で表される重合体(A-a)24.1gを得た。この重合体(A-a)は、Mwが79,000、Mnが77,000、Mw/Mnが1.03であった。また、H-NMR分析の結果、重合体(A-a)は、スチレンに由来する構造単位及びメタクリル酸メチルに由来する構造単位の含有割合が、それぞれ60.0質量%(60.0モル%)及び40.0質量%(40.0モル%)のジブロック共重合体であった。
Figure 0007044976000030
[合成例2-7](重合体(A-b)の合成)
冷却管、滴下ロート及び温度計を備えた100mL三口フラスコにテトラメトキシシラン5.23g(3.44mmol)、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン1.12g(0.57mmol)、tert-ブチル-2-((3-トリメトキシシリルプロピル)チオ)プロピオネート9.69g(2.98mmol)、プロピレングルコールモノエチルエーテル9.20gを加え、60℃で撹拌しつつ、10%シュウ酸水溶液4.33g、超純水0.43gを滴下ロートより、20分かけて滴下し、4時間加熱撹拌した。
得られた縮合物の溶液は濃縮したのち、プロピレングリコールモノエチルエーテルを加え、固形分濃度が30質量%となるように調製した。
<組成物(V)の調製>
組成物(V)の調製に用いた[A’]重合体以外の成分について以下に示す。
[[S]溶媒]
S1:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
[調製例2-1](組成物(S-1)の調製)
[A’]重合体としての(A-1)100質量部、[S]溶媒としての(S1)9,900質量部を混合し、得られた混合溶液を孔径200nmのメンブランフィルターで濾過して、組成物(S-1)を調製した。
[調製例2-2~2-7](組成物(S-2)~(S-6)及び(S-a)の調製)
下記表1に示す種類及び含有量の各成分を用いた以外は、調製例2-1と同様にして、組成物(S-2)~(S-6)及び(S-a)を調製した。
Figure 0007044976000031
<微細化パターンの形成>
[実施例2-1~2-6並びに比較例2-1及び2-2]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み100nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板にポジ型レジスト組成物(JSR社の「AIM5484JN」)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、有機溶媒現像し、レジストパターンを形成した。次に、このレジストパターンをマスクとして、CF/O/Airの混合ガスを用いてSOG膜のエッチングを行った。次いで、得られたSOG膜パターンをマスクとして、N/O混合ガスにて下層膜のエッチングを行い、プレパターンを形成した。プレパターン上に組成物(V)として、(S-1)~(S-6)のうち、下記表8に示すものを用いて塗工膜を形成し、下記表8に示す温度及び時間のベーク条件でベークし、PGMEAにてリンスした。表8における比較例2-1の「-」は、組成物(V)の塗工を行わなかったことを示す。続いて組成物(VI)としての(S-a)を用いて塗工膜を形成し220℃で20分間ベークした後、酸素ガスにて重合体(A-a)におけるPMMAブロックからなる相を除去し、微細化パターンを形成した。
(組成物(V)の基板表面選択性の評価)
Bare-Si基板上に下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み100nmの下層膜を形成し、250℃で60秒間ベーク、続いて340℃で90秒間ベークした。酸素ガスにて下層膜の表層をエッチングして基板選択性評価用基板(A)を作成した。基板(A)及びBare-Si基板(以下、「基板(B)」とする)上に組成物(V)として(S-1)~(S-6)を1500rpmにてスピンコートし塗工膜を形成し、ベークし、PGMEAにてリンスした後に水接触角を測定した。ベーク条件及び接触角を下記表8に合わせて示す。なお、接触角は85°以上を親PS性表面、74°~78°をPSブロック及びPMMAブロックに対する中性表面、70°以下を親PMMA性表面とみなす。基板(A)の表面は親PS性または親PMMA性を示し、基板(B)の表面は中性を示す場合、基板表面選択性が良好とみなす。下記に示した通り(S-1)~(S-6)はいずれも基板表面選択性が良好であることが確認された。基板(A)における接触角は、加熱工程後の塗工膜における基礎パターンの凹部の側面側の水の接触角(θ1)を示すと考えられる。比較例2-1における基板(A)と基板(B)とにおける接触角の差は5°未満であった。
Figure 0007044976000032
[実施例2-7及び2-8並びに比較例2-3及び2-4]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み100nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板にポジ型レジスト組成物(JSR社の「AIM5484JN」)を塗布することにより85nmのレジスト膜を形成し、ArF液浸露光し、有機溶媒現像し、レジストパターンを形成した。次に、このレジストパターンをマスクとして、CF/O/Airの混合ガスを用いてSOG膜のエッチングを行った。次いで、得られたSOG膜パターンをマスクとして、N/O混合ガスにて下層膜のエッチングを行いプレパターンを形成した。プレパターン上に組成物(V)として(S-1)又は(S-5)の塗工膜を形成し、下記表9に示すベーク条件でベークし、PGMEAにてリンスした。下記表9の比較例2-4における「-」は、組成物(V)の塗工を行わなかったことを示す。続いて組成物(VI)として(S-a)の塗工膜を形成し220℃で20分間ベークした後、酸素ガスにて重合体(A-a)におけるPMMAブロックからなる相を除去し、微細化パターンを形成した。
(組成物(VI)の塗工膜厚均一性の評価)
AFMにてプレパターン上での組成物(VI)の塗工膜厚均一性を評価した。評価結果を下記表9に合わせて示す。組成物(V)を用いた選択修飾プロセスを適用しない場合は、塗工膜厚の二峰性分散又はアイランドパターンの形成による局所的に膜厚増加がみられた。一方で、選択修飾プロセスを適用した場合は、アイランドパターンの形成は見られず、単峰性分散を示し、良好な塗工膜厚均一性が確認された。
Figure 0007044976000033
[実施例2-9及び比較例2-5]
Bare-Si基板上に、下層膜形成用組成物(JSR社の「HM710」)を用いて平均厚み100nmの下層膜を形成し、この下層膜上に、SOG組成物(JSR社の「ISX302」)を用いて平均厚み30nmのSOG膜を形成した。得られた基板にポジ型レジスト組成物(JSR社の「EUVJ2121」)を塗布することにより50nmのレジスト膜を形成し、EUV露光し、2.38質量%テトラブチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて現像し、レジストパターンを形成した。次に、このレジストパターンをマスクとして、CF/O/Airの混合ガスを用いてSOG膜のエッチングを行った。次いで、得られたSOG膜パターンをマスクとして、N/O混合ガスにて下層膜のエッチングを行い、プレパターンを形成した。プレパターン上に組成物(V)として(S-1)の塗工膜を形成し、下記表10に示すベーク条件でベークし、PGMEAにてリンスした。続いて組成物(VI)として(S-a)の塗工膜を形成し220℃で20分間ベーク後、酸素ガスにて重合体(A-a)におけるPMMAブロックからなる相を除去し、微細化パターンを形成した。
(パターンサイズ均一性(CDU)の評価)
上記形成した微細化ホールパターンについて、SEMにてCDU(nm)を評価した。評価結果を下記表10に合わせて示す。なお、CDUはその値が小さい程良好とみなす。組成物(V)を用いた選択修飾プロセスを適用することで、CDUで示されるパターンサイズの均一性の改良が確認された。
Figure 0007044976000034
表10の結果から分かるように、パターン形成方法(B)によれば、基板表面選択性に優れる組成物を用いて、膜厚均一性に優れる塗工膜を形成することにより、パターンサイズ均一性に優れるホールパターンを形成することができる。
本発明のパターン形成方法及び組成物によれば、基板に良好な形状及び配列のパターンを形成することができる。従って、これらはさらなる微細化が要求されている半導体デバイス、液晶デバイス等の各種電子デバイス製造におけるリソグラフィー工程に好適に用いることができる。
1 基板
2 レジストパターン
3 重合体層
4 充填層
4a ブロック(α)相
4b ブロック(β)相

Claims (15)

  1. 基板の表面側に直接又は他の層を介して基礎パターンを形成する工程と、
    上記基礎パターンの凹部に、少なくとも2つのブロックを有する第1重合体と溶媒とを含有する第1組成物を充填する工程と、
    上記充填工程により形成された充填層を相分離させる工程と、
    上記相分離工程後の充填層の一部の相を除去する工程と、
    上記除去工程により形成された微細化パターンを直接的又は間接的に用いて上記基板をエッチングする工程と
    を備え、
    上記基礎パターン形成工程が、
    上記基板の表面側にレジストパターンを形成する工程と、
    上記レジストパターンの少なくとも側面に第2重合体の層を、少なくとも基板又は他の層の表面に上記第2重合体とは異なる第3重合体の層を同時に又は別々に形成する重合体層形成工程と
    を有し、
    上記基板及び上記他の層がSi-H、Si-OH、Si=O及びSi-NR の少なくとも1種を上面に有し、Rは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数1~20の1価の有機基であり、
    上記第3重合体が、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し上記Si-H、Si-OH、Si=O及びSi-NR の少なくとも1種と共有結合を形成する第2官能基を有するパターン形成方法。
  2. 記レジストパターンが-COOH及び-OHの少なくとも一方を側面に有し、
    上記第2重合体が、主鎖の少なくとも一方の末端に結合し上記-COOH及び-OHの少なくとも一方と化学結合を形成する第1官能基を有する請求項1に記載のパターン形成方法。
  3. 上記重合体層形成工程が、
    上記第2重合体と溶媒とを含有する第2組成物を塗工する工程と、
    上記第3重合体と溶媒とを含有する第3組成物を塗工する工程と
    を有する請求項1又は請求項2に記載のパターン形成方法。
  4. 上記重合体層形成工程が、上記第2重合体と上記第3重合体と溶媒とを含有する第4組成物を塗工する工程を有する請求項1又は請求項2に記載のパターン形成方法。
  5. 上記基礎パターン形成工程を、上記レジストパターン形成工程、上記第2組成物塗工工程、上記第3組成物塗工工程の順に行う請求項3に記載のパターン形成方法。
  6. 上記基礎パターン形成工程を、上記第3組成物塗工工程、上記レジストパターン形成工程、上記第2組成物塗工工程の順に行う請求項3に記載のパターン形成方法。
  7. 上記基礎パターン形成工程を、上記レジストパターン形成工程を行い、この工程の後に、上記第4組成物塗工工程を行う請求項4に記載のパターン形成方法。
  8. 上記レジストパターンが、酸解離性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するレジスト組成物の塗工、露光及び有機溶媒現像液による現像により形成される請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  9. 上記レジストパターンが、酸解離性基を有する重合体及び感放射線性酸発生体を含有するレジスト組成物の塗工、露光、アルカリ現像液による現像及び加熱又は露光により形成される請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  10. 上記基板又は上記他の層が、SiO製又はSiN製である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  11. 上記他の層が、シリコン含有膜である請求項1から請求項9のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  12. 上記第1官能基が、水酸基、エポキシ基又はオキセタニル基である請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  13. 上記第2官能基が、カルボキシ基、水酸基又はハロゲン原子である請求項2から請求項11のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  14. 上記第1重合体が2つのブロックを有し、これら2つのブロックが、ポリスチレンブロック及び(メタ)アクリル酸エステルブロックである請求項1から請求項13のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
  15. ホールパターンを形成する請求項1から請求項14のいずれか1項に記載のパターン形成方法。
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