JP7205419B2 - オニウム塩、レジスト組成物及びパターン形成方法 - Google Patents
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Description
1.下記式(1)で表されるオニウム塩。
2.(A)1のオニウム塩、(B)有機溶剤、(C)酸不安定基を有する繰り返し単位を含むポリマー、及び(D)光酸発生剤を含むレジスト組成物。
3.酸不安定基を有する繰り返し単位が、下記式(a1)又は(a2)で表されるものである2のレジスト組成物。
4.前記ポリマーが、更に下記式(b1)又は(b2)で表される繰り返し単位を含む2又は3のレジスト組成物。
5.更に、(D)光酸発生剤が、下記式(2)又は(3)で表されるものである2~4のいずれかのレジスト組成物。
6.更に、(E)水に不溶又は難溶でアルカリ現像液に可溶な界面活性剤、及び/又は水及びアルカリ現像液に不溶又は難溶な界面活性剤を含む2~5のいずれかのレジスト組成物。
7.更に、(F)含窒素化合物を含む2~6のいずれかのレジスト組成物。
8.2~7のいずれかのレジスト組成物を用いて基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を、KrFエキシマレーザー光、ArFエキシマレーザー光、電子線(EB)又はEUVで露光する工程と、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を含むパターン形成方法。
本発明のレジスト組成物は、(A)式(1)で表されるオニウム塩からなるクエンチャーを必須成分とし、その他の材料として
(B)有機溶剤、
(C)酸不安定基を有する繰り返し単位を含むポリマー(ベース樹脂)、
(D)光酸発生剤
を含む。更に必要により、
(E)水に不溶又は難溶でアルカリ現像液に可溶な界面活性剤、及び/又は水及びアルカリ現像液に不溶又は難溶な界面活性剤(疎水性樹脂)
を配合でき、なお更に必要により、
(F)含窒素化合物を含むことができる。
(B)成分の有機溶剤としては、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、例えば、特開2008-111103号公報の段落[0144]~[0145]に記載の、シクロヘキサノン、メチル-2-n-ペンチ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、ジアセトンアルコ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。アセタール系の酸不安定基を用いる場合は、アセタールの脱保護反応を加速させるために高沸点のアルコール系溶剤、具体的にはジエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、1,4-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール等を加えることもできる。
本発明のレジスト組成物に使用されるベース樹脂は、酸不安定基を有する繰り返し単位を含むポリマーを含むものである。前記酸不安定基を有する繰り返し単位としては、下記式(a1)又は(a2)で表されるものが挙げられる。
(I)式(a1)又は(a2)で表される繰り返し単位の1種又は2種以上を、好ましくは1~60モル%、より好ましくは5~50モル%、更に好ましくは10~50モル%、
(II)式(b1)又は(b2)で表される繰り返し単位の1種又は2種以上を、好ましくは40~99モル%、より好ましくは50~95モル%、更に好ましくは50~90モル%、
(III)その他の単量体に由来する繰り返し単位の1種又は2種以上を、好ましくは0~50モル%、より好ましくは0~40モル%、更に好ましくは0~30モル%。
本発明のレジスト組成物は、更に光酸発生剤を含んでいてもよい。前記光酸発生剤としては、紫外線、遠紫外線、EB、EUV、X線、エキシマレーザー、γ線、シンクロトロン放射線等の高エネルギー線照射により酸を発生する化合物であれば、特に限定されない。好適な光酸発生剤としては、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、スルホニルジアゾメタン、N-スルホニルオキシジカルボキシイミド、O-アリ-ルスルホニルオキシム、O-アルキルスルホニルオキシム等の光酸発生剤等が挙げられる。これらは、1種単独又は2種以上を混合して用いることができる。これらの光酸発生剤としては、例えば、特開2007-145797号公報の段落[0102]~[0113]に記載のものが挙げられる。
本発明のレジスト組成物は、更に、(E)成分として塗布性を向上させるために慣用されている界面活性剤を含んでもよい。このような界面活性剤としては、特開2010-215608号公報や特開2011-016746号公報に記載のものを参照することができる。
-C(=O)-O-R305A (i)
(式中、R305Aは、直鎖状、分岐状又は環状の炭素数1~20のフッ素化炭化水素基を表す。)
で表される基である。R306は、直鎖状、分岐状又は環状の炭素数1~15の1価炭化水素基又はフッ素化1価炭化水素基であり、炭素-炭素結合間に、エーテル結合(-O-)又はカルボニル基(-C(=O)-)が含まれていてもよい。
本発明のレジスト組成物は、(A)成分であるクエンチャーが必須成分であるが、これに加えて含窒素化合物を同じくクエンチャーとして添加することもできる。このような含窒素化合物としては、特開2008-111103号公報の段落[0146]~[0164]に記載の、1級、2級又は3級アミン化合物、特にはヒドロキシ基、エーテル結合、エステル結合、ラクトン環、シアノ基、スルホン酸エステル結合を有するアミン化合物が挙げられる。また、特許第3790649号公報に記載の化合物のように、1級又は2級アミンをカーバメート基で保護した化合物も挙げることができる。
本発明のパターン形成方法は、前述したレジスト組成物を用いて基板上にレジスト膜を形成する工程、前記レジスト膜をKrFエキシマレーザー光、ArFエキシマレーザー光、EB又はEUVで露光する工程、及び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を含む。
・IR:サーモフィッシャーサイエンティフィック社製NICOLET 6700
・1H-NMR:日本電子(株)製ECA-500
・MALDI-TOFMS:日本電子(株)製S3000
[実施例1-1]トリフェニルスルホニウムビス(シクロヘキサンスルホニル)(メタンスルホニル)メチド(Q-A)の合成
(1)ビス(シクロヘキサンスルホニル)(メチルチオ)メタン(中間体A)の合成
IR (D-ATR): 2928, 2859, 1478, 1447, 1306, 1289, 1259, 1132, 1110, 1076, 1008, 991, 952, 763, 755, 750, 687, 657, 609, 544, 528, 514, 496 cm-1.
MALDI-TOFMS: POSITIVE [M+] 263 (C18H15S+相当)
NEGATIVE [M-]385 (C14H25O6S3 -相当)
(1)ベンジルトリメチルアンモニウムビス(シクロヘキサンスルホニル)(メタンスルホニル)メタン(中間体C)の合成
IR (D-ATR): 2965, 2935, 2856, 1483, 1453, 1290, 1270, 1246, 1215, 1126, 1093, 1011, 988, 951, 841, 655, 605, 542, 526, 518 cm-1.
MALDI-TOFMS: POSITIVE [M+] 393 (C20H26I+相当)
NEGATIVE [M-]385 (C14H25O6S3 -相当)
IR (D-ATR): 2936, 2921, 2849, 1448, 1307, 1287, 1244, 1113, 1096, 1010, 987, 957, 939, 770, 759, 661, 580, 541, 526 cm-1.
MALDI-TOFMS: POSITIVE [M+] 261 (C18H13S+相当)
NEGATIVE [M-]385 (C14H25O6S3 -相当)
IR (D-ATR): 2937, 2859, 1592, 1571, 1509, 1462, 1446, 1431, 1377, 1325, 1291, 1277, 1249, 1220, 1209, 1134, 1105, 1083, 1014, 991, 967, 957, 853, 819, 782, 771, 610, 545, 527, 518 cm-1.
MALDI-TOFMS: POSITIVE [M+] 303 (C18H23O2S+相当)
NEGATIVE [M-]385 (C14H25O6S3 -相当)
IR (D-ATR): 2931, 2851, 1449, 1291, 1272, 1255, 1134, 1110, 1011, 992, 962, 945, 754, 663, 607, 581, 557, 545, 527, 517 cm-1.
MALDI-TOFMS: POSITIVE [M+] 221 (C14H21S+相当)
NEGATIVE [M-]385 (C14H25O6S3 -相当)
[合成例1]ポリマーP1の合成
窒素雰囲気下、フラスコに、メタクリル酸1-エチルシクロペンチル19g、メタクリル酸2-オキソテトラヒドロフラン-3-イル17g、V-601(和光純薬工業(株)製)0.48g、2-メルカプトエタノール0.41g及びメチルエチルケトン50gをとり、単量体-重合開始剤溶液を調製した。窒素雰囲気とした別のフラスコにメチルエチルケトン23gをとり、攪拌しながら80℃まで加熱した後、前記単量体-重合開始剤溶液を4時間かけて滴下した。滴下終了後、重合液の温度を80℃に保ったまま2時間攪拌を続け、次いで室温まで冷却した。得られた重合液を、激しく攪拌したメタノール640g中に滴下し、析出したポリマーを濾別した。得られたポリマーをメタノール240gで2回洗浄した後、50℃で20時間真空乾燥して、白色粉末状のポリマーP1を得た(収量36g、収率90%)。GPCにて分析したところ、ポリマーP1のMwは8,755、Mw/Mnは1.94であった。
モノマーの種類、配合比を変えた以外は、合成例1と同様の方法で表1に示すポリマーを製造した。なお、表1において、導入比はモル比である。また表1中、各単位の構造を下記表2~4に示す。
[実施例2-1~2-16、比較例1-1~1-8]
クエンチャーQ-A~Q-E、比較例用クエンチャーQ-1~Q-4、ポリマーP1~P12、光酸発生剤PAG-X及びアルカリ可溶型界面活性剤SF-1を、下記表5及び6に示す組成にて、界面活性剤A(オムノバ社製)0.01質量%を含む溶剤中に溶解して溶液を調合し、更に該溶液を0.2μmのテフロン(登録商標)製フィルターでろ過することにより、レジスト組成物を調製した。
GBL(γ-ブチロラクトン)
Q-1:ラウリン酸2-(4-モルホリニル)エチルエステル
Q-2:トリフェニルスルホニウム10-カンファースルホネート
Q-3:トリフェニルスルホニウムサリチレート
Q-4:トリフェニルスルホニウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド
ポリ(メタクリル酸2,2,3,3,4,4,4-へプタフルオロ-1-イソブチル-1-ブチル・メタクリル酸9-(2,2,2-トリフルオロ-1-トリフルオロエチルオキシカルボニル)-4-オキサトリシクロ[4.2.1.03,7]ノナン-5-オン-2-イル)
Mw=7,700
Mw/Mn=1.82
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)
Mw=1,500
[実施例3-1~3-10、比較例2-1~2-4]
シリコン基板上に反射防止膜溶液(日産化学工業(株)製ARC29A)を塗布し、200℃で60秒間ベークして作製した反射防止膜(100nm膜厚)基板上に、レジスト組成物(R-01~R-08、R-15、R-16及びCR-01~CR-04をそれぞれスピンコーティングし、ホットプレートを用いて90℃で60秒間ベークし、膜厚90nmのレジスト膜を作製した。これをArFエキシマレーザースキャナー((株)ニコン製、NSR-S610C、NA1.30、4重極、6%ハーフトーン位相シフトマスク)を用いて液浸露光した後、表6に記載の温度で60秒間ベーク(PEB)し、2.38質量%TMAHの水溶液で60秒間現像を行い、40nmの1:1ラインアンドスペース(LS)パターンを得た。なお、液浸液としては、水を用いた。
前記LSパターンを電子顕微鏡にて観察し、ライン寸法幅が40nmとなる露光量を最適露光量Eop(mJ/cm2)とした。
最適露光量におけるライン側壁部のラフネスについて、スペース幅の長手方向に30箇所の寸法を測定し、その結果から標準偏差(σ)の3倍値(3σ)をLWRとして求めた。LWR値が小さいほど、ラインパターンの揺らぎがなく、良好である。
また、前記最適露光量におけるウエハー上の寸法において、ピッチ固定(80nm)でライン幅のみ変化させた(38~42nm、1nm刻み)マスクを使い、露光し、ウエハー転写後の寸法を測定した。ライン幅について、マスク設計寸法に対する転写パターンの寸法をプロットし、直線近似により傾きを算出し、これをMEFとした。MEF値が小さいほど、マスクパターンの仕上がり誤差の影響を抑えることができるため、良好である。
更に、露光量を大きくすることでライン寸法を細らせた場合に、ラインが倒れずに解像する最少寸法を求め、倒れ限界(nm)とした。数値が小さいほど倒れ耐性が高く好ましい。
[実施例4-1~4-10、比較例3-1~3-4]
レジスト組成物R-01~R-08、R-15、R-16及びCR-01~CR-04を、それぞれ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(カーボンの含有量が80質量%)を200nm、その上にケイ素含有スピンオンハードマスクSHB-A940(ケイ素の含有量が43質量%)を35nmの膜厚で成膜したトライレイヤープロセス用の基板上にスピンコーティングし、ホットプレートを用いて100℃で60秒間ベークし、膜厚90nmのレジスト膜を作製した。これをArFエキシマレーザー液浸スキャナー((株)ニコン製、NSR-610C、NA1.30、σ0.98/0.74、クロスポール開口35度)を用い、露光量とフォーカスを変化させながら露光を行った後、表7に記載の温度にて60秒間PEBを施し、その後現像液(酢酸ブチル)により30秒間現像を行った。
マスクはバイナリーマスクであり、マスク上デザインが55nmドット/90nmピッチ(1/4倍縮小投影露光のためマスク上実寸法は4倍)のパターンについて、レジスト上に形成された反転パターンのホールパターンを電子顕微鏡にて観察した。ホール内径が50nmとなる露光量を最適露光量Eop(mJ/cm2)とした。
溶剤現像のイメージ反転されたホールパターン50箇所の寸法を(株)日立ハイテクノロジーズ製TDSEM(S-9380)で測定し、その結果から算出した標準偏差(σ)の3倍値(3σ)を求め、CDUとした。CDUが小さいほど良好である。
また、前記最適露光量におけるウエハー上の寸法において、ピッチ固定でドット寸法のみ変化させたマスクを使い、露光し、ウエハー転写後のホール寸法を測定した。ホール寸法について、マスク設計寸法に対する転写パターンの寸法をプロットし、直線近似により傾きを算出し、これをMEFとした。MEF値が小さいほど、マスクパターンの仕上がり誤差の影響を抑えることができるため、良好である。
更に、最適露光量においてホールパターンが解像しているフォーカス範囲を求め、DOFとした。DOFの値が大きいほど、フォーカス変動に対する許容マージンが広く好ましい。
[実施例5-1~5-6、比較例4-1~4-4]
レジスト組成物R-09~R-14及びCR-05~CR-08を、それぞれ日産化学(株)製の反射防止膜DUV-62を60nm膜厚で形成したSi基板上にスピンコートし、ホットプレートを用いて105℃で60秒間プリベークして膜厚50nmのレジスト膜を作製した。これに、エリオニクス社製EB描画装置(ELS-F125、加速電圧125kV)を用いて露光し、ホットプレート上で表8記載の温度で60秒間PEBを行い、2.38質量%TMAH水溶液で30秒間現像を行って、ポジ型レジストパターンを形成した。その結果、露光部分が現像液に溶解しスペース幅45nm、ピッチ90nmのLSパターンが得られた。
前記LSパターンを電子顕微鏡にて観察し、スペース幅45nm、ピッチ90nmのLSパターンが得られる最適な露光量Eop(μC/cm2)を求めた。
最適露光量で照射して得たLSパターンを、(株)日立ハイテクノロジーズ製CD-SEM(CG-5000)でスペース幅の長手方向に10箇所の寸法を測定し、その結果から標準偏差(σ)の3倍値(3σ)をLWRとして求めた。この値が小さいほど、ラフネスが小さく均一なスペース幅のパターンが得られる。
最適露光量におけるパターン形状を比較し、以下の基準により良否を判別した。
良好:パターン形状が矩形であり側壁の垂直性が高い。
不良:パターン側壁の傾斜が大きいテーパー形状、又はトップロスによるトップラウ
ンディング形状。
Claims (8)
- 下記式(1)で表されるオニウム塩。
- 下記式のいずれかで表されるアニオンと、下記式(1-1)で表されるスルホニウムカチオン(ただし、下記式(1-1')で表されるものを除く。)又は下記式(1-2)で表されるヨードニウムカチオンとからなるオニウム塩。
- (A)下記式(1)で表されるオニウム塩であるクエンチャー、(B)有機溶剤、(C)下記式(L1)~(L4)から選ばれる基、炭素数4~20の3級アルキル基、各アルキル基がそれぞれ炭素数1~6のアルキル基であるトリアルキルシリル基及び炭素数4~20のオキソアルキル基から選ばれる酸不安定基を有する繰り返し単位を含むポリマー、及び(D)光酸発生剤を含むレジスト組成物(ただし、下記式(1')で表されるスルホニウム塩を含まない。)。
RL01及びRL02は、水素原子、又は直鎖状、分岐状若しくは環状の炭素数1~18のアルキル基である。RL03は、酸素原子等のヘテロ原子含有基を含んでいてもよい炭素数1~18の1価炭化水素基である。RL01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環の形成に関与するRL01、RL02及びRL03は、それぞれ直鎖状又は分岐状の炭素数1~18のアルカンジイル基である。
RL04は、炭素数4~20の3級アルキル基、各アルキル基がそれぞれ炭素数1~6のアルキル基であるトリアルキルシリル基、炭素数4~20のオキソアルキル基、又は式(L1)で表される基である。xは、0~6の整数である。
RL05は、置換されていてもよい直鎖状、分岐状若しくは環状の炭素数1~8のアルキル基、又は置換されていてもよい炭素数6~20のアリール基である。yは0又は1、zは0~3の整数であり、2y+z=2又は3である。
RL06は、置換されていてもよい直鎖状、分岐状若しくは環状の炭素数1~8のアルキル基、又は置換されていてもよい炭素数6~20のアリール基である。RL07~RL16は、それぞれ独立に、水素原子、又は置換されていてもよい炭素数1~15の1価炭化水素基である。RL07~RL16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、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。また、RL07~RL16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。
- 酸不安定基を有する繰り返し単位が、下記式(a1)又は(a2)で表されるものである請求項3記載のレジスト組成物。
- 更に、(D)光酸発生剤が、下記式(2)又は(3)で表されるものである請求項3~5のいずれか1項記載のレジスト組成物。
- 更に、(E)水に不溶又は難溶でアルカリ現像液に可溶な界面活性剤、及び/又は水及びアルカリ現像液に不溶又は難溶な界面活性剤を含む請求項3~6のいずれか1項記載のレジスト組成物。
- 請求項3~7のいずれか1項記載のレジスト組成物を用いて基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を、KrFエキシマレーザー光、ArFエキシマレーザー光、電子線又は極端紫外線で露光する工程と、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を含むパターン形成方法。
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