JPH02209977A - 高感度ポジ型フオトレジスト組成物 - Google Patents

高感度ポジ型フオトレジスト組成物

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JPH02209977A
JPH02209977A JP1271936A JP27193689A JPH02209977A JP H02209977 A JPH02209977 A JP H02209977A JP 1271936 A JP1271936 A JP 1271936A JP 27193689 A JP27193689 A JP 27193689A JP H02209977 A JPH02209977 A JP H02209977A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、特定の部分が置換されているポリマ材料と、
カチオン性光開始剤との混合物である、高感度のポジ型
フォトレジスト組成物に関するものである。特に、その
処理性を損なうことなく、著しく改善された感光性をも
つフォトレジスト組成物を提供するものである。アルカ
リ性の現像液で都合よく現像することのできるこれらの
組成物は、紫外線(UV)、電子ビーム(E−ビーム)
、およびX−線放射線などに対して増大されI;感光性
を示し、約165℃までの温度に熱的に安定であり、基
体上の二酸化けい素および窒化けい素に対して容易に接
着し、そして現像後のベーキングをする必要なしに有機
金属試薬(例えばシリル化剤)によって処理することが
できるのである。形成された皮膜は、露光と現像に際し
て殆んど画像の収縮なしに処理することができ、そして
ひび割れのない層を与える。この部分的に置換されたポ
リマ材料は、ポリマ骨格に懸垂したアルカリ可溶性基を
もつくり返し構造からなり、この基の1部は酸に不安定
な基によって置換(保護)されている。
発明の背景 半導体装置の製造には、画像化されたパターンを処理操
作中に維持する、レジスト組成物を使用する必要がある
。半導体回路の密度を増加させることの必要性は大規模
集積(VLSI)装置から、超大規模集積(ULSI)
装置へと指向されているのでこれを作るために感度を有
する超微細写真製版により極微な公差で製造し維持する
ための要求はさらに重要となった。
ポリマと増感剤との組合せをもつ、化学的に増幅された
レジスト系は、増感剤からの当初の酸とポリマからの追
加的酸が発生し、UV、 E −ビームおよびX−線放
射線に対する増大した感度を与える。
イトウ氏他の米国特許第4,491.628号には、現
像液の選択によって、ポジまたはネガの階調のパターン
のいずれかを作りうる、紫外線(UV)、電子ビームお
よびX−線数射線感光性のレジストが開示されている。
このレジスト組成物は、極性(溶解性)の変化を生ずる
酸分解を効率よく行う、酸に活性な基(t−ブチルエス
テルおよび【−ブチルカーボネートなど)をくり返して
もつポリマと、放射線分解に際して酸を発生させる光開
始剤とから調製されている。このポリマは酸に活性な基
をくり返してもつポリマを含むコポリマであっても良い
。ポジ画像を作るため用いられるとき、このイトウ氏の
材料は故障の可能性を有して80、これはフィルム組成
物上の酸に活性な基の除去の完全性に直接関連している
。これらの7アクタは皮膜の形成性、伸縮性、ひび割れ
と密着性不良などに関連し、これを克服するためにはデ
リケートな調節を要するものである。
イトウ氏他の米国特許第4,552,833号にはネガ
の画像を作る方法が与えられており、ここでは基体上に
官能性がマスクされたポリマのフィルムが塗布され、こ
のフィルムは画像状に露光され、露光されたフィルムは
有機金属化剤で処理され、そしてこの処理をされたフィ
ルムは酸素プラズマで現像される。この記述は、米国特
許第4.491.628号中で述べられたものと類似の
ポリマの乾式現像を意図している。乾式現像法ではフィ
ルム組成の変化はさけられるが、処理は面倒である。
Chiong氏他の米国特許第4.613.398号で
は、有機金属化剤と反応することのできるヒドロキシル
、アミン、カルボキシル、フェノール、またはイミドN
Hなどのような、レジストポリマ上のアルカリ可溶性の
懸垂基から、酸に不安定な保護基を限定的に除去する別
の方法を述べている。ケイ素化とその後の処理でネガ画
像が得られる。
1986年IO月24日に出願され、本件出願人に譲渡
されている米国特許出願第922.657号では、カー
ボネートまたはカーボネート様の懸垂基をもつポリマ上
に、酸に不安定な置換基を形成する第2カルボニウムイ
オンを存在させることにより、高い自己分解温度を達成
させた高感度レジストについて説明されている。
イトウ氏はJ、 Po1y+oer 5cience 
Part A、 24゜2971〜80.(1986)
で、ポリ(p−t−ブチルオキシカルボニルオキシスチ
レン)の熱分解におけるp−ヒドロキシスチレン基の効
果を述べ、そしてホルミルオキシスチレンとブチルオキ
シカルボニルオキシスチレンとを共重合させ、つづいて
このホルミルスチレン部分をヒドロキシスチレン部分に
変化させるためフォト−フライ分解(photo−fr
ies deco+nposition)することによ
り、このように置換されたポリマを作る方法を工夫して
いる。
発明の要点 本発明によれば高感度のポジ型フォトレジスト組成物は
、アルカリ性の現像液中でのポリマの溶解性に寄与する
このポリマに懸垂する官能性基を持っており、該官能性
基の1部がポリマの溶解性を抑制している酸に不安定な
マスキングまたは保護基によって置換されているポリマ
材料と、このポリマから酸に不安定な基を分裂させもし
く取り除いて、官能性部位のマスクを取り除くかまたは
脱保護しうる強酸を放射線分解に際して発生する光開始
剤化合物とを組み合わすことにより作られる。この懸垂
官能性基(pendant functional g
roup)の15〜40%が、酸に不安定な基によって
マスクされまたは保護されている。好ましい保護基は分
裂または除去されるときに酸を発生し、そしてマスキン
グまたは保護基の分裂あるいは除去をさらに生じさせ、
潜像の形成を促進する。もっとも好ましい保護基−官能
性基の構造はフェノールの【−ブチルカーボネートであ
る。酸を発生する分解に関して、そのメカニズムはフェ
ノキシカルボニルオキシイオンおよび第3カルボニウム
イオンの生成を含み、これはさらにフェノール、2酸化
炭素、イソブチンおよびプロトン(H+)の断片を作る
ように分解し、後者はざらにポリマの脱保護化に利用さ
れるものと考えられる。本件出願に参考文献として含め
られている、米国特許出願第922,657号中で述べ
られている第2アルキルで置換された部分のような、プ
ロトンを発生する他の保護基を用いることもできるが、
このような基は一般にポリマ材料の官能性基にはるかに
強固に結合し、そしてフェノールのt−ブチルカーボネ
ート程には大きな感光性を与えない。
酸に不安定な保護基によって15〜40%置換されたポ
リマが、充分に保護されているポリマよりもはるかに大
きな感度を示すという驚くべきことが見出された。これ
は全く保護されていないポリマが、ポジ画像の非常に限
られた解像性と画像識別性としか与えないことからも驚
きである。
懸垂芳香基をもつポリマ骨格は熱安定性および寸法安定
性を与え、均一なうすい塗膜を基体に付与することので
きる材料として好ましく、ベークして溶剤を除去するこ
とができ、そして画像とパターンの形成後の引き続く処
理工程においで化学的な抵抗性を与える。
好ましいポリマ骨格は、ポリマに水性アルカリ可溶性を
付与するため、芳香環上に官能性置換基を有するポリス
チレンである。これらの基は溶解性を与えねばならぬだ
けではなく、酸を発生する増感剤の酸分解に応じて酸で
除去され得る、ブロックまたは保護基によってマスクさ
れうるものでなければならない。この官能性基は、理想
的には半導体取扱の環境に不都合な作用をしないもので
なければならない。このような理由でフェノール性の基
がもつとも好ましい。
この部分的に置換されたポリマ材料はモノマ材料の共重
合の結果ではなく、むしろホモポリマの側鎖置換による
結果である。
このホモポリマは、イトウ氏他の米国特許第4.491
.628号に記述された方法により作ることができ、こ
の開示をここに参考に挙げておく。
これらの方法にはp−t−ブチルオキシカルボニルオキ
シスチレンおよびp−t−ブチルオキシカルボニルオキ
シ−α−スチレンを作るための相転移反応、フリーラジ
カル重合およびカチオン性重合などを含んでいる。
具体的説明 本発明により置換ポリマは以下のようにして作られる: 実施例 l ポリ−(p−ヒドロキシスチレン−p−t−ブトキシカ
ルボニルオキシスチレン)の合成15、QOOの分子量
をもつ、ポリp−t−ブトキシカルボニルオキシスチレ
ンの3009を、1.2−ジメトキシエタンの1500
m12中に溶解し、この液を60.0℃に加熱した。撹
拌しているこの液に濃硫酸の20.0gを滴下した。こ
の液を3〜4時間60℃に保って、p’−L−ブトキシ
カルボニルオキシスチレン基の75モル%をp−ヒドロ
キシスチレンに変換させた。反応は反応液をIRにより
追跡した。カーボネート基のピーク(1750cm−’
 )に対する、ヒドロキシル(OH)基のピーク(34
00c+w−’)のIRピーク比をモニタして、p−ヒ
ドロキシスチレンの75モル%の所望の変換比を得た(
第1図と第2図参照)。p−ヒドロキシスチレンのモル
%は、ジグライム中の0.02重量%溶液の286nm
のUV吸収(ジグライムの吸収を補正して)により、最
終製品についても測定することができる。286nmに
おける0、01%のp−ヒドロキシスチレンの吸収に対
する、部分的に置換されたものの吸収の比を用いた。第
3図参照。このp−ヒドロキシスチレンは、初めのt−
ブトキシカルボニルオキシスチレンポリマを完全に変換
(酸分解)して作られる。IRモニタから、七−ブトキ
シカルボニルオキシスチレンの所望の変換が認められt
;後、反応を炭酸カリウム溶液1259/ 250m+
2水)を加えることにより停止した。
反応の上澄液は、0.05Mの酢酸アンモニウムを含む
10倍量の水溶液中で沈澱され、生成物を水で数回水洗
した。生成物を真空中50℃で1晩乾燥し、UV分析に
よりp−ヒドロキシスチレン含有量をチエツクしl;。
実施例 2 実施例1で述べたようにして、重量平均分子量約15.
000をもつ、t−ブトキシカルボニルオキシスチレン
ポリマの液相酸分解により、2種類の置換ポリマ組成物
を調製した。
第1の組成物は、t+V分光測定より約60モル%の【
−ブトキシカルボニルオキシスチレンと40モル%のp
−ヒドロキシスチレンとを含み、また第2の組成物は2
3モル%の【−ブトキシカルボニルオキシスチレンと7
7モル%のp−ヒドロキシスチレンとを含んでいた。こ
れらの置換ポリマは、(固体の重量を基準に)5%のト
リフェニルスルホニウムへキサ70ロアンチモネート塩
を含む、プロピレングリコールメチルエーテルアセテー
ト中で調製され、そしてシリコンウェハ上にスピン塗布
をされて約1.3ミクロンの厚みのフィルムを作った。
115℃、15分間のベータ後、このレジストを、パー
キンエルマー社の投射装置で、l〜100mJ/c+m
”の線量範囲のUV−2モード(240〜300nm)
で画像状露光をした。
ポスト露光変換は熱板上90℃で90秒間行った。
レジストは室温の0.27Nテトラメチルアンモニウム
ヒドロオキサイド現像液中で、30秒から5分の範囲の
時間現像された。未現像フィルムのアルファステップ表
面プロフィルムは、第1のレジストは18%のフィルム
収縮を有していたが、第2のレジストは僅かに7%の収
縮であることが示された。対照品としてのt−ブトキシ
カルボニルオキシスチレンホモポリマは33%のフィル
ム収縮を示した。現像した画像を検査すると、t−プト
キシ力ルポニルオキシスチレンボリマ対照品は、僅か3
0秒の現像後に著しいひび割れを生じていた。全体的の
密着性のロスが認められた。第1のレジストは30秒後
に低レベルのひび割れが認められ、密着性の不具合はな
かった。
第2のレジストは5分の現像時間まで、ひび割れもまた
密着性不良のいずれも認められなかつIこ 。
最終画像の走査電子顕微鏡検査で、コントロールは60
秒では現像不足であることが示された。
より長時間の現像では密着性不良およびひび割れのため
評価不能であった。第1のレジストは30秒の現像時間
で30w1Jの露光後、はぼl対lのマスク複製を与え
た。外見は若干パンの塊り状の、はぼ垂直の断面が得ら
れた。第2のレジストは、240〜300nmの範囲に
おいて吸光度がより高いので、より多くの露光量を必要
とした。
120秒の現像時間に対し100mJで、第2のレジス
トは70’〜80”の角度の側壁を与え、パンの塊り状
の外見を示さない。第1と第2のレジストは0.75ミ
クロンの最小マスクを解像することができる。
第4図は第1と第2のレジスト並びに十分保護した対照
品のレジストの、1.4ミクロン厚さのフィルムでのU
vスペクトルを示している。これらの各カーブは、フィ
ルムの中にp−ヒドロキシスチレンを導入することによ
り、240〜300naの範囲のその吸光度が増加する
ことを示している。かかる導入は77%置換されたポリ
マの第2のレジストについて得られた、増加した感度と
浅い像断面との理由を明らかにしている。
実施例 3 分子量15.000をもつp−t−ブチルオキシカルボ
ニルオキシスチレンポリマ(BCS)の1モルを、グラ
イム20重量%溶液中に溶解した。この液をついで窒素
雰囲気下に60℃に加熱した。撹拌しているこの液に濃
硫酸0.25モルを滴下され、反応の進行をt−ブチル
オキシカルボニル(BC)基の78モル%が除去される
までIR分光器でモニタし、そしてこのポリマは22%
のBC置換基と78%のヒドロキシル置換基とを有して
いた。反応は水酸化アンモニウムによって停止し、硫酸
アンモニウムは炉別した。ポリマ溶液を過剰の酢酸アン
モニウムによって沈澱させ、水で洗い、炉別しそして真
空中60℃で1晩乾燥させた。
実施例 4 分子量15,000のp−t−ブチルオキシカルボニル
オキシスチレンポリマ(BCS)t−1160℃で2時
間窒素中で加熱した。試料をときどき取り出し、残留B
Cの50モル%と0モル%間のt−ブチルカルボニル(
BC)基含有量について分析した。
すべての場合、プロピレングリコールアセテート中のポ
リマ溶液は濁っており、0.2μ嘗ミリポアが過器を通
して濾過できなかった。22モル%のt−ブチルオキシ
カルボニルオキシスチレンと78モル%のp−ヒドロキ
シスチレンとを有する試料を取り出した。
実施例 5 分子量11.000をもつポリp−ヒドロキシスチレン
ポリマと、グライム中のジーt−ブチルカーボネート溶
液とを、触媒としてのトリエチルアミンを用いて反応さ
せた。反応生成物を塩酸中に沈澱させ、酢酸アンモニウ
ムと共に撹拌し、そして水で洗った。IRとuv分析で
、このポリマは22モル%のt−ブチルオキシカルボニ
ル基を含んでいるものと特定された。
実施例 6 p−ヒドロキシスチレンモノマと、9  j−ブチルオ
キシカルボニルオキシスチレンモノマとの共重合により
、置換ポリマを作ることはp−ヒドロキシスチレンモノ
マの固有の不安定性のために試みられなかった。
実施例 7 実施例3〜5の各合成法により作られた、22%のt−
ブチルオキシカルボニルオキシスチレンと、78%のp
−ヒドロキシスチレンの平均モル%の組成をもつ各ポリ
マと、実施例3の出発材料のBCSを用いる対照品とを
、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート中に
、7%のトリフェニルスルホニウムへキサフロロアンチ
モネート増感剤とともに、レジストに処方した。各フィ
ルムを基体上にそれぞれ塗布し、95℃で5分間ベータ
し、245n+sの深t+V放射線で露光し、95℃で
90秒間ポストベークを行い、そしてテトラメチルアン
モニウムヒドロオキサイドの0.27N水溶液の現像液
中で現像した。
各レジストの感度は、所定の露光量において未露光皮膜
の95%が残留しているが、露光をされた区域は現像さ
れているという評価基準を用いて、段階ウエフアの厚み
を測ることにより測定した。結果を第1表中に示す。
第1表 実施例35 実施例425本 実施例545 対照品         30本本 本 画像中に多数の不溶性粒子または残留物。
本末  画像はひび割れで使用不能。
ヒドロキシル基に対して同じ比率のt−ブチルオキシカ
ルボニルオキシ基を有するポリマのレジスト組成物の感
度の相異の原因は不明である。この相異は再現性のある
ものであった。
さらに実施例3のポリマと、米国特許第4、491,6
28号により調製された、p−t−ブチルオキシカルボ
ニルオキシスチレンの対照品ポリマとから作られたレジ
スト間の比較で以下のデータが得られた: 第■表 感光性 υV写真感度       30mJ/cが    5
mJ/cm”E−ビーム露光      1 0uC/
cm ”      3uC/cm ”X−線露光  
     150mJ/cが   loomJ/cl熱
流動開始点        90℃      165
℃ケイ化処理可能性      不可本      可
DUV硬化後の像収縮     37%      7
%現像でのひび割れ       有       無
Si, SilN,面への密着性   不良     
 良好RIE腐食           35%   
   10%アルカリ現像性      ひび割れ  
   良好ひび割れなし uV硬化可能性       可能、収縮有   可能
本 ケイ化処理の前に全面υV露光とベークが必要実施
例 8 実施例3の方法に従って別の一連のポリマを作り、実施
例7の方法によりレジスト中に組み入れた。これらの各
ポリマと対照品とを含むレジストの諸性質を比較した。
第■表 ポリマ中の父のモル% 収縮率(%) 現像ひび割れ 密着性 耐アルカリ性 顕著 不良 良好 普通 普通 良好 無 良好 良好 無 良好 良好 無 良好 不良 本発明の好ましい具体例のみを以上説明をした、そして
当業者にとっては、別記した特許請求の範囲に記載した
本発明の思想と目的から外れることなく、多数の修正、
変更および改良が可能であるものとみなされよう。
以上本発明の詳細な説明したが、本発明は更に次の実施
態様によってこれを要約して示すことが出来る。
1)アルカリ性現像液中での、ポリマの溶解性に寄与す
るこのポリマに懸垂する官能性基を持っており、そして
該官能性基の1部がポリマのアルカリ可溶性を抑制して
いる酸に不安定な基で置換されたポリマ材料と、放射線
分解に際して強酸を発生してポリマの露光された区域中
で、この官能性基から酸に不安定な基をとり除く光開始
剤とから構成される、ポジ型の改良されたレジスト組成
物。
2)ポリマ性材料は、芳香族系ポリマからなるものであ
る、前項1記載のレジスト組成物。
3)芳香族系ポリマはポリスチレンである、前項2記載
の組成物。
4)アルカリ可溶性の官能基はヒドロキシル、アミン、
カルボキシル、およびイミド型NHからなる群より選ば
れるものである、前項l記載のレジスト組成物。
5)アルカリ可溶性の官能基はヒドロキシル基である、
前項4記載の組成物。
6)酸に不安定な基はアルキルオキシカルボニル、アリ
ールオキシカルボニルオキシ、およびアルキルオキシカ
ルボニルオキシからなる群より選ばれるものである、前
項l記載の組成物。
7)酸に活性な基のアルキル部分には、α位置の炭素原
子上に有効な水素を有するものである、前項6記載の組
成物。
8)酸に不安定な基のアルキル部分は、第2アルキルま
たは第3アルキルである、前項7記載の組成物。
9)懸垂基の約20%から約50%までが酸に不安定な
基によって置換されているものである、前項l記載の組
成物。
10)  ポリマはポリスチレンであり、官能基はヒド
ロキシルであり、そして酸に不安定な基は第2または第
3アルキルオキシカルボニルオキシ基である、前項l記
載の組成物。
11)  ポリマはp−ヒドロキシスチレンでありそし
て酸に不安定な基はt−ブチルオキシカルボニルオキシ
基である、前項lO記載の組成物。
12)(a)ポリマ骨格に対し懸垂している酸に不安定
な基をもつポリマを、酸に安定な溶剤中に溶解し、 (b)非反応性雰囲気下に、20’〜70℃の範囲の温
度にこの溶液を撹拌しつつ加熱し、(c)ポリマから酸
に不安定な基を除去するのに充分な量の、濃厚な鉱酸を
この撹拌されている溶液に加え、 (d)所望の程度に置換が達成されるまで反応を継続さ
せ、 (e)塩基によって反応を停止させ、そして(f)置換
されたポリマ性材料を沈澱させる、上記の工程からなる
レジスト組成物に使用するための置換されたポリマ材料
を製造する方法。
13)  ポリマがポリスチレンである、前qL12記
載の方法。
14)  酸に不安定な基はアルキルオキシカルボニル
、アリールオキシカルボニルオキシおよびアルキルオキ
シカルボニルオキシからなる群より選ばれるものである
、前項12記載の方法。
15)  酸に不安定な基のアルキル部分には、α位置
の炭素原子上に有効な水素を有するものである、前項1
4記載の方法。
16)  酸に不安定な基のアルキル部分は、第2アル
キルまたは第3アルキルである、前項15記載の方法。
17)  酸に不安定な基は【−ブチルオキシカルボニ
ルオキシ基である、前項16記載の方法。
1g)  鉱酸のpKa値が約4以下のものである、前
項12記載の方法。
19)  鉱酸は硫酸である、前項18記載の方法。
20)反応の温度は50〜60℃の範囲である、前項1
2記載の方法。
21)  反応は水酸化アンモニウムによって停止され
るものである、前項12記載の方法。
22)置換されたポリマ材料は酢酸アンモニウム中で沈
澱されるものである、前項12記載の方法。
【図面の簡単な説明】
第1図はポリマの脱炭酸の進行を示す赤外スペクトルで
ある。 第2図はポリマ中のp−ヒドロキシスチレンのモル%と
赤外吸収との間の関係である。 第3図は本発明ポリマの0.02%ジグライム溶液の、
l cry光路セルでの吸収曲線である。 第4図は種々の組成の1.4μ肩レジストフイルムのス
ペクトル図の比較である。 吸 光 度 D−ピドロキシス手しンの手ノL戸

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1)アルカリ性現像液中での、ポリマの溶解性に寄与す
    るこのポリマに懸垂する官能性基を持っており、そして
    該官能性基の1部がポリマのアルカリ可溶性を抑制して
    いる酸に不安定な基で置換されたポリマ材料と、放射線
    分解に際して強酸を発生してポリマの露光された区域中
    でこの官能性基から酸に不安定な基をとり除く光開始剤
    とから構成される、ポジ型の改良されたレジスト組成物
    。 2)(a)ポリマ骨格に対し懸垂している酸に不安定な
    基をもつポリマを、酸に安定な溶剤中 に溶解し、 (b)非反応性雰囲気下に、20゜〜70℃の範囲の温
    度にこの溶液を撹拌しつつ加熱し、 (c)ポリマから酸に不安定な基を除去するのに充分な
    量の、濃厚な鉱酸をこの撹拌されている溶液に加え、 (d)所望の程度に置換が達成されるまで反応を継続さ
    せ、 (e)塩基によって反応を停止させ、そして(f)置換
    されたポリマ性材料を沈澱させる、上記の工程からなる
    レジスト組成物に使用するための置換されたポリマ材料
    を製造する方法。
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