JP7427885B2 - フォトレジスト用フェノール樹脂組成物及びフォトレジスト組成物 - Google Patents
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Description
また、従来半導体分野においては、フォトリソグラフィー法によりレジストパターンを形成した後、ウェットエッチング法やドライエッチング法により配線形成する工程が普及している。その技術が、液晶表示素子の製造工程でも応用される流れがある。
1. 5~95質量%の第1の成分と、95~5質量%の第2の成分とを含有するフォトレジスト用フェノール樹脂組成物であって、
前記第1の成分は、下記一般式(1)で表され、質量平均分子量が5000以上のノボラック型フェノール樹脂(A)のみからなり、
(一般式(1)中、R1は、水酸基に対してメタ位又はパラ位に結合した炭素数1以上8以下の直鎖状若しくは分枝状のアルキル基を表し、同一でもよく又は異なっていてもよい。pは1以上3以下の整数を表し、同一でもよく又は異なっていてもよい。qは、1以上3以下の整数を表し、同一でもよく又は異なっていてもよい。ただし、p+q≦4である。nは0以上の整数を表す。)
(一般式(2)中、R2及びR3は、それぞれ独立に水酸基又は炭素数1~5のアルキル基であり、j及びkは、それぞれ独立に0~3の整数である。)
前記一般式(1)で表される化合物は、メタ置換体のモル数は、メタ置換体とパラ置換体の合計モル数の50%以下であるフォトレジスト用フェノール樹脂組成物。
本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物における第1の成分は、前記一般式(1)で表されるノボラック型フェノール樹脂(A)である。一般式(1)におけるnは、上述したとおり0以上の整数であるので、ノボラック型フェノール樹脂(A)には様々な分子量を有する成分が含まれている。しかしながら、ノボラック型フェノール樹脂(A)としては、一般式(1)とは異なる構造のものは、第1の成分には含まれず、一般式(1)で表されるノボラック型フェノール樹脂のみが用いられることが好ましい。このように、第1の成分が、一般式(1)で表されるノボラック型フェノール樹脂(A)のみからなるので、製造コストの高騰や煩雑なプロセスを回避することができる。
前記平均値n’は、ノボラック型フェノール樹脂(A)のGPC(ゲル浸透クロマトグラフィー)で測定される、ポリスチレン換算による重量平均分子量(Mw)が5000以上となるような値であり、6000以上となるような値であることが好ましく、8000以上となるような値であることがより好ましい。前記平均値n’は、重量平均分子量が12000以下となるような値であることが好ましく、8000を超えて10000以下となるような値であることがより好ましい。
なお、前記2核体以下の成分の面積比率により求められる含有量は、例えば、後述するノボラック型フェノール樹脂(A)の製造方法の後処理において減圧処理をすることにより、特定の範囲に調整することができる。
(式(3)中、nは0以上の整数を表す。)
前記一般式(1)で表されるノボラック型フェノール樹脂(A)は、下記一般式(4)で表されるフェノール化合物(a1)とホルムアルデヒドとを、酸触媒下で縮重合反応させることで得ることができる。
ノボラック型フェノール樹脂(A)の製造に使用されるフェノール化合物(a1)は、下記一般式(4)で表される。
(式(4)中、R1、p及びqは、前記一般式(1)における定義と同じである。)
また、p=2の化合物としては、カテコール、レゾルシン、ヒドロキノン、及びトリヒドロキシベンゼンなどを好適に挙げることができる。中でも、レゾルシンが好適である。
また、P=3の化合物としては、ヒドロキシキノール、フロログリシノール、ピロガロールなどが挙げられる。
また、ホルムアルデヒド(a2)としては、特に制限はないが、例えばホルムアルデヒド水溶液を用いることができる。また、酸存在下で分解してホルムアルデヒドとなる重合体(パラホルムアルデヒド、トリオキサンなど)を用いてもよい。取り扱いの容易なホルムアルデヒド水溶液であり、市販の42%ホルムアルデヒド水溶液をそのまま好適に使用することができる。
フェノール化合物(a1)とホルムアルデヒド(a2)とを反応させる際、ホルムアルデヒド(a2)のモル数は、フェノール化合物(a1)1モルに対して、0.2~1.0モルであることが好ましく、0.5~0.9モルであることがより好ましい。
フェノール化合物(a1)とホルムアルデヒド(a2)とのモル比(a1/a2)を上記範囲とすることで、ノボラック型フェノール樹脂(A)の重量平均分子量(Mw)を好ましい範囲とすることができる。
ノボラック型フェノール樹脂(A)の製造における縮重合の反応条件は、通常のフェノール樹脂を調製する際に適用される反応条件とすることができる。酸触媒としては、フェノ-ル化合物とホルムアルデヒドとを反応させる能力のある酸であれば、特に限定されず、例えば、シュウ酸、ベンゼンスルホン酸、p-トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸等の有機スルホン酸、塩酸、硫酸等の無機酸等を単独で又は2種以上を組み合わせて使用できる。硫酸、シュウ酸又はp-トルエンスルホン酸が特に好ましい。
反応溶媒としては、例えば水が挙げられ、原料のホルムアルデヒドに含まれる水が溶媒の役割を担うことができる。さらに必要に応じて、反応に影響を及ぼさない有機溶媒を使用してもよい。有機溶媒としては、ジエチレングリコールジメチルエーテル、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン等のエーテル類;プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等のエステル類;テトラヒドロフラン、ジオキサン等の環状エーテル類等が挙げられる。
反応溶媒の使用量は、一般的には、反応原料100質量部当り、20~1000質量部である。
縮重合反応の反応温度は、特に限定されず、通常50~200℃である。この温度範囲内であれば、反応が十分に進行するので、目的とするノボラック型フェノール樹脂(A)を安定して得ることができる。反応温度は、70~180℃が好ましく、80~170℃がより好ましい。
縮重合反応の反応時間は、反応温度にもよるが、通常は0.1~20時間程度である。また、縮重合反応は、通常は常圧で行われるが、加圧下或いは減圧下で行ってもよい。
縮重合反応の終了後には、後処理を行うことが好ましい。後処理においては、まず、塩基を添加して酸触媒を中和することで、反応を完全に停止させる。続いて、水を加えて水洗して、酸触媒を除去する。
本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物において、第2の成分としては、フルオレン化合物(B)が用いられる。フルオレン化合物を含有するフォトレジスト用フェノール樹脂組成物が用いられることから、密着性や耐ドライエッチング性の良好なパターンを形成できるフォトレジスト組成物を得ることができた。
フルオレン化合物(B)として具体的には、例えば、下記一般式(2)で表される化合物(9,9-ビス(ヒドロキシフェニル)フルオレン類)が挙げられる。
j及びkがいずれも1~3の整数である場合、R2及びR3は、同一のアルキル基であることが好ましいが、異なるアルキル基であっていてもよい。さらに、R2及びR3は、一般式(2)中、左右対称となる位置に結合していることが好ましいが、異なる位置に結合していてもよい。
jが2又は3の場合、複数のR2は、互いに同じであっても異なっていてもよく、kが2又は3の場合、複数のR3は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
前記一般式(2)中の各水酸基は、一般式(2)中で左右対称となる位置で、それぞれのフェニル基に結合していることが好ましいが、左右非対称となる位置に結合していてもよい。
フルオレン化合物(B)は、単独でも二種類以上を組み合わせて使用してもよい。
本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物は、5~95質量%の第1の成分(ノボラック型フェノール樹脂(A))と、95~5質量%の第2の成分(フルオレン化合物(B))とをポリマーブレンド(混合)して得られる。
本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物の製造方法において、ポリマーブレンド(混合)の方法としては、第1の成分としてのノボラック型フェノール樹脂(A)と第2の成分としてのフルオレン化合物(B)とを均一に混合できる方法であれば特に限定されない。例えば、ノボラック型フェノール樹脂(A)とフルオレン化合物(B)とを溶融混合して得ることが出来る。
また、上述したノボラック型フェノール樹脂(A)、フルオレン化合物(B)及び後述するその他の添加剤を適切な溶剤に溶解し、フォトレジスト組成物として得ることもできる。
本発明のフォトレジスト組成物は、本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物に加えて、感光剤(C)をさらに含有する。
ノボラック型フェノール樹脂(A)及びフォトレジスト組成物の性状を分析し、特性を評価する。いずれについても、分析する性状は、重量平均分子量及び軟化点であり、評価する特性は、アルカリ溶解速度、感度、残膜率、解像度、密着性及び耐ドライエッチング性である。以下に、それらの分析方法及び評価方法を説明する。
以下の条件でGPC測定を行い、ポリスチレン換算による重量平均分子量を求めた。
型式:Waters e2695 Waters(株)製
カラム:Shodex製 LF-804 1本
測定条件:カラム圧力 2.7MPa
溶離液:テトラヒドロフラン(THF)
フローレート:1mL/min
温度:40℃
検出器:UV-Visible Detector 2489
WAVE LENGTH:254nm
インジェクション量:100μmL
試料濃度:5mg/mL
軟化点は、JIS K6910に基づく環球法軟化点測定により求めた。
評価対象としてのノボラック型フェノール樹脂(A)又はフォトレジスト用フェノール樹脂組成物3gを、9gのPGMEAに溶解して樹脂溶液を調合し、0.2ミクロンメンブレンフィルターで濾過した。得られた濾液を4インチシリコンウェハー上にスピンコーターで塗布して、約15000Åの厚みの塗膜を形成した。塗膜は、110℃で60秒間ホットプレ-ト上で乾燥させて樹脂膜とした。次いで、現像液(1.60%テトラメチルアンモニウムヒドロオキシド(TMAH)水溶液)を用い、樹脂膜が完全に溶解して消失するまでの時間を計測した。樹脂膜が完全に溶解するまでの時間で、初期膜厚を割った値を溶解速度とした。
対象となる樹脂又は樹脂組成物を、4インチシリコンウェハー上にスピンコーターで塗布し、110℃、60秒間ホットプレート上で乾燥させて、厚みが15000Åの樹脂膜を形成した。その後、縮小投影露光装置を用い、露光時間を段階的に変えて最適な露光量を確認したうえで、最適な露光量になるように露光した。次いで、現像液(2.38%TMAH水溶液)を用いて60秒間現像し、リンス、乾燥を行なってパターンを得た。
露光量を変更する以外は上述と同様にしてパターンを形成し、走査型電子顕微鏡で形状の良好なパターンが確認される最少の露光量によって次のように評価した。なお、形状が良好なパターンとは、断面が矩形状のパターンをさす。
AA:3mJ/cm2未満
A:3mJ/cm2以上5mJ/cm2未満
B:5mJ/cm2以上
未露光部の樹脂膜の膜厚から残膜率を求めた。残膜率とは、現像後の樹脂膜の膜厚と現像前の樹脂膜の膜厚の比であり、下記式により表される値である。
残膜率は、98%以上であることが望まれる。
解像度は、テストチャートマスクを用い、解像できたパターンのライン&スペースの幅に基づいて以下のように評価した。
◎:1.5μライン&スペースが解像できる。
○:2.0μライン&スペースが解像できる。
△:2.0μライン&スペースが解像できない。
2.0μライン&スペースが解像できなければ、NGである。
図3を参照して、密着性の評価方法について説明する。
まず、図3(a)に示すように、基板10上に形成されたSiO2膜11(厚さ1000Å)上に、スピンコーターでフォトレジスト組成物を塗布し、110℃のホットプレート上で90秒間乾燥させて、厚みが15000Åのレジスト膜12を形成した。
その後、アセトンを用いてレジストパターン12aを剥離し、図3(d)に示すように、SiO2パターン11aの表面を露出した。次いで、純水で洗浄し更に乾燥させた。
算出された密着性は、以下の基準で評価した。
◎:120%以上
○:110%以上120%以未満
△:105%以上110%未満
密着性は、105%未満であればNGである。
形成されたパターンに対してドライエッチングを行って、パターンのエッチングレートを求めた。エッチングガスとしてCF4を用い、エッチング条件は、0.7sccm、80Wとした。その結果を、ノボラック型フェノール樹脂(A)のみを用いた場合のエッチングレートと比較し、以下の基準で評価した。評価が“C”の場合には、NGである。
A:エッチングレートがフェノール樹脂(A)のみの場合の1/1.3以下
B:エッチングレートがフェノール樹脂(A)のみの場合の1/1.1~1/1.2
C:エッチングレートがフェノール樹脂(A)のみの場合と同等以下
〔合成例A1〕ノボラック型フェノール樹脂(A1)
温度計、仕込・留出口および攪拌機を備えたのガラス製フラスコ(容量1000mL)に、m-クレゾール 75.8g(0.70モル)、p-クレゾール 113.8g(1.05モル)、42%ホルマリン 77.71g(1.09モル)、及び蓚酸0.7gを収容し、100℃で5時間反応させた。その後、180℃まで昇温して脱水し、30torrで2時間減圧蒸留を行って未反応原料などを除去した。こうして、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A1)142gを得た。
得られたメタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A1)は、重量平均分子量が5900であり、軟化点が142℃であり、アルカリ溶解速度が330Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A1)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
42%ホルマリンを75.25g(1.05モル)に変更した以外は、合成例A1と同様に操作して、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A2)を得た。メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A2)は、重量平均分子量が5000であり、軟化点が140℃であり、アルカリ溶解速度が480Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A2)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
42%ホルマリンを78.36g(1.10モル)に変更した以外は、合成例A1と同様に操作して、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A3)を得た。メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A3)は、重量平均分子量が6700であり、軟化点が148℃であり、アルカリ溶解速度が170Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A3)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
42%ホルマリンを80.77g(1.13モル)に変更した以外は、合成例A1と同様に操作して、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A4)を得た。メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A4)は、重量平均分子量が8100であり、軟化点が157℃であり、アルカリ溶解速度が157Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A4)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
42%ホルマリンを83.25g(1.17モル)に変更した以外は、合成例A1と同様に操作して、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A5)を得た。メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A5)は、重量平均分子量が11100であり、軟化点が159℃であり、アルカリ溶解速度が48Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A5)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
合成例A1で得られたメタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A1)を水蒸気蒸留により2核体以下の成分を低減させて、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A6)を得た。2核体以下の成分の含有量は、4%以下であることが面積比率により求められた。
得られたメタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A6)は、重量平均分子量が6300であり、軟化点が155℃であり、アルカリ溶解速度が310Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A6)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
温度計、仕込・留出口および攪拌機を備えた容量1000mLのガラス製フラスコにm-クレゾール 80.0g(0.74モル)、p-クレゾール 80.0g(0.74モル)、42%ホルマリン 70.9g(0.99モル)、及び蓚酸0.6gを入れ、100℃で5時間反応させた後180℃まで昇温して脱水した後、30torrで2時間減圧蒸留を行って未反応原料などを除去し、ノボラック型フェノール樹脂(A7)144gを得た。
得られたメタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A7)は、重量平均分子量が12000であり、軟化点が162℃であり、アルカリ溶解速度が170Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A7)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
42%ホルマリンを70.00g(0.98モル)に変更した以外は、合成例A1と同様に操作して、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A8)を得た。メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A8)は、重量平均分子量が3500であり、軟化点が135℃であり、アルカリ溶解速度が1200Å/sであった。
なお、メタ-パラクレゾールノボラック型フェノール樹脂(A8)は、一般式(1)におけるR1がメチル基、pが1、qが1の化合物である。
次に、本発明のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物及びそれを用いたフォトレジスト組成物の実施例を示す。
第2の成分であるフルオレン化合物(B)としては、以下の2種類を用意した。
(B1):(9,9-ビス(4-ヒドロキシフェニル)フルオレン)
(B2):(9,9-ビス(3-メチル-4-ヒドロキシフェニル)フルオレン)
第1の成分としてのノボラック型フェノール樹脂(A1)~(A8)と、第2の成分としてのフルオレン化合物(B)とを、下記表2に示す組み合わせで用いてフォトレジスト用フェノール樹脂組成物を調製し、さらに、所定の成分を配合してフォトレジスト組成物を得た。
第1の成分としてのノボラック型フェノール樹脂(A2)と、第2の成分としてのフルオレン化合物(B1)とを溶融混合して、フォトレジスト用フェノール樹脂組成物を調製した。具体的には、温度計、仕込・留出口及び攪拌機を備えた容量500mLのガラス製フラスコに、第1の成分90gと第2の成分10gとを収容し、さらに20gのp-クレゾールを添加して、185℃で溶融混合した。その後、30torrで1時間の減圧蒸留により未反応原料などを除去して、フォトレジスト用フェノール樹脂組成物100gを得た。
フォトレジスト組成物の物性を、上述した手法により評価した。その結果を、フォトレジスト用フェノール樹脂組成物の処方とともに下記表2にまとめる。
下記表2に示すように第1の成分と第2の成分とを用いる以外は実施例1と同様にして、フォトレジスト用フェノール樹脂組成物を調製し、さらにフォトレジスト組成物を得た。実施例2~14、比較例1のフォトレジスト組成物の物性を、上述と同様の手法により評価した。その結果を、各フォトレジスト用フェノール樹脂組成物の処方とともに下記表2にまとめる。
12a…レジストパターン 13…端部 14…サイドエッチング
W,W0…頂部幅
Claims (3)
- 70~80質量%の第1の成分と、30~20質量%の第2の成分とを含有するフォトレジスト用フェノール樹脂組成物であって、
前記第1の成分は、下記一般式(1)で表され、質量平均分子量が5000以上のノボラック型フェノール樹脂(A)のみからなり、
(一般式(1)中、R1は、水酸基に対してメタ位又はパラ位に結合した炭素数1以上8以下の直鎖状若しくは分枝状のアルキル基を表し、同一でもよく又は異なっていてもよい。pは1を表し、qは1を表し、nは0以上の整数を表す。)
前記第2の成分は、下記一般式(2)で表されるフルオレン化合物(B)からなり、
(一般式(2)中、R2及びR3は、それぞれ独立に炭素数1~5のアルキル基であり、j及びkは、それぞれ独立に1~3の整数である。)
前記一般式(1)で表される化合物は、メタ置換体のモル数は、メタ置換体とパラ置換体の合計モル数の50%以下であり、
前記第1の成分は、前記一般式(1)中のnが0である2核体成分の含有量が5%以下であるフォトレジスト用フェノール樹脂組成物。 - 前記ノボラック型フェノール樹脂(A)は、軟化点が150℃以上である、請求項1に記載のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物。
- 請求項1または2に記載のフォトレジスト用フェノール樹脂組成物と、感光剤とを含むフォトレジスト組成物。
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