JPH06118651A - ポジ型レジスト材料 - Google Patents

ポジ型レジスト材料

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JPH06118651A
JPH06118651A JP4294009A JP29400992A JPH06118651A JP H06118651 A JPH06118651 A JP H06118651A JP 4294009 A JP4294009 A JP 4294009A JP 29400992 A JP29400992 A JP 29400992A JP H06118651 A JPH06118651 A JP H06118651A
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Haruyori Tanaka
啓順 田中
Yoshio Kawai
義夫 河合
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維人 松田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高感度、高解像性、プロセス適用性に優れた
化学増幅型シリコーン系ポジ型レジスト材料を提供す
る。 【構成】 一般式(化1): 【化1】 (式中x+m=1、x>0、n=1、2又は3)のシリ
コーンポリマー、及び一般式(化2):(R)p AM
〔Rは同一又は異なり、(置換)芳香族基、AはS又は
I、Mはトルエンスルホネート又はトリフルオロメタン
スルホネート、p=2又は3)のオニウム塩を含有す
る、レジスト材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、遠紫外線、電子線やX
線等の高エネルギー線に対して高い感度を有し、アルカ
リ水溶液で現像することによりパタンを形成できる、微
細加工技術に適したポジ型レジスト材料に関する。
【0002】
【従来の技術】LSIの高集積化と高速度化に伴い、パ
タンルールの微細化が求められているが、現在汎用技術
として用いられている光露光では、光源の波長に由来す
る本質的な解像度の限界に近付きつつある。g線(43
6nm)若しくはi線(365nm)を光源とする光露光で
は、おおよそ0.5μmのパタンルールが限界とされて
おり、これを用いて製作したLSIの集積度は、16M
ビットDRAM相当までとなる。しかし、LSIの試作
は既にこの段階にまできており、更なる微細化技術の開
発が急務となっている。このような背景により、次世代
の微細加工技術として遠紫外線リソグラフィが有望視さ
れている。遠紫外線リソグラフィは、0.3〜0.4μ
mの加工も可能であり、光吸収の小さいレジストを用い
た場合、基板に対して垂直に近い側壁を有するパタンの
形成が可能である。また、一括にパタンを転写すること
ができるために、電子線リソグラフィよりもスループッ
トの点で有利である。近年、遠紫外線の光源として高輝
度なKrFエキシマレーザを利用する段になり、量産技
術として用いられるには、光吸収が小さく、そして高感
度なレジスト材料が要望されている。近年開発された、
酸を触媒として化学増幅( chemical amplification )
を行うレジスト材料〔例えば、リュー( Liu )ら、ジャ
ーナル オブ バキュームサイエンス アンド テクノ
ロジー( J. Vac. Sci. Technol.) 、第B6巻、第37
9頁(1988)〕は、従来の高感度レジストと同等以
上の感度を有し、しかも解像性が高く、ドライエッチン
グ耐性も高い、優れた特徴を有する。そのため、遠紫外
線リソグラフィには特に有望なレジスト材料である。ネ
ガ型レジストとしてはシプリー( Shipley )社が、ノボ
ラック樹脂とメラミン化合物と酸発生剤からなる3成分
化学増幅レジスト(商品名SAL601ER7)を既に
商品化している。しかし、化学増幅系のポジ型レジスト
はいまだ商品化されたものはない。LSIの製造工程
上、配線やゲート形成などはネガ型レジストで対応でき
るが、コンタクトホール形成は、ネガ型レジストを用い
たのではカブリやすいために微細な加工はむずかしく、
ポジ型レジストがはるかに適している。そのため、高性
能なポジ型レジストが強く要望されている。従来、イト
ー( Ito )らは、ポリヒドロキシスチレンのOH基をt
−ブトキシカルボニル基(tBoc基)で保護したPB
OCSTという樹脂に、オニウム塩を加えてポジ型の化
学増幅レジストを開発している。しかし、用いているオ
ニウム塩は金属成分としてアンチモンを含む〔参考文
献:ポリマース イン エレクトロニクス、ACS シ
ンポジウム シリーズ( Polymers in Electronics,A
CS Symposium Series )第242回(アメリカ化学
会、ワシントン DC.1984)、第11頁〕。基板
への汚染を避けるために、一般的には、レジスト材料中
の金属成分は嫌われる。そのためにPBOCSTレジス
トはプロセス上好ましいものではない。上野らはポリ
(p−スチレンオキシテトラヒドロピラニル)を主成分
とし、酸発生剤を加えた遠紫外線ポジ型レジストを発表
している(参考:第36回応用物理学会関連連合講演
会、1989年、1p−k−7)。化学増幅レジストは
高感度で高解像性であることが知られているが、微細な
高アスペクト比のパタンを高精度に形成することはパタ
ンの機械的強度から困難であった。段差基板上に高アス
ペクト比のパタンを形成するには2層レジスト法が優れ
ているが、化学増幅型のシリコーン系ポジレジストはな
い。アルカリ現像するためにはヒドロキシ基やカルボキ
シル基などの親水性基を有するシリコーン系ポリマーが
必要になるが、この材料は酸により架橋反応を生ずるた
め、化学増幅型ポジレジストへの適用は困難であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
ノボラック樹脂やポリヒドロキシスチレンをベース樹脂
とした、遠紫外線、電子線及びX線に感度を有する化学
増幅系ポジ型レジストは、従来数多く発表されている
が、いずれも単層レジストであり、いまだ基板段差の問
題、基板からの光反射による定在液の問題、高アスペク
ト比のパタン形成が困難の問題があり、実用に供するこ
とがむずかしいのが現状である。本発明の目的は、2層
レジスト材料であり、高感度、高解像性、プロセス適用
性に優れた化学増幅型シリコーン系ポジレジスト材料を
提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明を概説すれば、本
発明はレジスト材料に関する発明であって、下記一般式
(化1):
【0005】
【化1】
【0006】(式中x、mはx+m=1となる数であり
xが0になることはない。またnは1〜3の正の整数で
ある)で表されるシリコーンポリマー(A)、オニウム
塩(B)の2成分を含む、アルカリ水溶液で現像可能な
高エネルギー線感応ポジ型レジストにおいて、該オニウ
ム塩(B)が下記一般式(化2):
【0007】
【化2】(R)p AM
【0008】(式中Rは同じでも異なってもよく芳香族
基あるいは置換芳香族基を示し、Aはスルホニウムある
いはヨードニウムを示す。Mはトルエンスルホネート基
あるいはトリフルオロメタンスルホネート基を示し、p
は2又は3を示す)で表されるオニウム塩であることを
特徴とする。また必要に応じて溶解阻害剤を添加した3
成分系のポジレジストであることを特徴とする。
【0009】トリフルオロメタンスルホネートあるいは
トルエンスルホネートのオニウム塩としては、上記式
(化2)で表される化合物には、下記式(化3)〜(化
7)で表される化合物:
【0010】
【化3】(C6 5 2 +-3 SCF3
【0011】
【化4】(C6 5 3 +-3 SCF3
【0012】
【化5】(C6 5 SC6 4 )(C6 5 2 +-
3 SCF3
【0013】
【化6】(C6 5 2 +-3 SC6 4 CH3
【0014】
【化7】 (t−C4 9 −C6 4 2 +-3 SCF3
【0015】が知られている。しかし、(化3)はエチ
ルセロソルブアセテート、乳酸エチル、1−メトキシ−
2−プロパノール等のレジストの塗布に好適な溶媒に対
して溶解性が低いため、レジスト中に適量を混合するこ
とが困難であった。これに対しトルエンスルホネート
(化6)はレジスト塗布溶媒に対する溶解性が優れる。
(化4)の溶解性は比較的良いが、これを用いて3成分
レジストを作製すると、溶解阻害剤の種類によらず、1
〜4μC/cm2 の露光量で膜減りするものの、露光部
が完全に溶解する前にネガ反転してしまい、ポジ型には
ならなかった。このようなネガ反転に関しては、シュレ
ゲルらも発表しており(参考文献;前述)、トリフルオ
ロメタンスルホネート系のオニウム塩はtBOC系溶解
阻害剤を含む3成分ポジ型レジストには有用でないこと
が、これまでの常識であった。上記式中他のオニウム塩
はいずれも有効であった。
【0016】従来、化学増幅レジスト用酸発生剤で最も
実用性のあるオニウム塩は、芳香族スルホニウム塩であ
るとされている(参考;笈川ら、第37回応用物理学会
関連連合講演会、1990年、28p−PD−2)。し
かし、上述したように、トリフルオロメタンスルホン酸
のスルホニウム塩は、レジスト塗布溶媒に対する溶解性
が悪い、ポジ−ネガ反転を生じ易いなどの問題があり、
実用に供さないものがある。本発明者らは、有機のオニ
ウム塩で、レジスト塗布溶媒への溶解性が高く、ポジ−
ネガ反転の生じないポジ型特性を示す酸発生剤を鋭意検
討した。その結果、フェニル(p−メトキシフェニル)
ヨードニウムトルエンスルホネート(化8):
【0017】
【化8】(p−CH3 O−C6 4 )(C6 5 )I+-
3 SC6 4 CH3
【0018】が良好な特性を示すことを見出した。これ
は結晶性で再結晶により精製することができ、酢酸エト
キシエチルに代表されるレジスト塗布溶媒への溶解性が
よい。また、一般式(化1)のシリコーンポリマーとの
相溶性も良く、30kVの加速電圧で電子線描画を行う
と、多くのtBoc溶解阻害基に対して、良好な酸発生
剤として機能し、D0 感度が3〜20μC/cm2 程度
になり、少なくとも72μC/cm2 まではポジネガ反
転しなかった。本発明のレジストにおける(化8)の顔
料は0.5〜15wt%が好適である。0.5%未満で
もポジ型のレジスト特性を示すが感度が低い。酸発生剤
の含量が増加すると、レジスト感度は高感度化する傾向
を示し、コントラスト(γ)は向上した。15%より多
くてもポジ型のレジスト特性を示すが、含量の増加によ
る更なる高感度化が期待できないこと、(化8)は高価
な試薬であること、レジスト内の低分子成分の増加はレ
ジスト膜の機械的強度を低下させること、等により(化
8)の含量は15%以下が好適である。
【0019】トリフルオロメタンスルホネート系オニウ
ム塩(化5)、(化7)も有効であるが、パタン断面形
状が逆テーパになる問題がある。トルエンスルホネート
系オニウム塩(化8)は逆に順テーパ気味であり、トリ
フルオロメタンスルホネートとトルエンスルホネートの
2つのオニウム塩を混合して用いた場合、パタン形状は
基板に対し垂直なパタンが得られた。特性の異なった2
つのオニウム塩を混合することにより、更に良好な特性
が得られた。
【0020】本発明によるところのレジスト材料は、一
般式(化1)で表されるシリコーンポリマーとオニウム
塩からなる2成分系レジストとして使用できるばかりで
なく、必要に応じて溶解阻害剤を添加した3成分系レジ
ストとしても使用できる。3成分系レジストの場合、高
感度化を図れる利点は有るが阻害剤にシリコン含有化合
物を使用しないと酸素プラズマエッチング耐性を損なう
問題がある。
【0021】溶解阻害剤の含量は、40wt%以下がよ
い。40%より多くては、レジストの酸素プラズマ耐性
が著しく低下するため、2層レジストとして使用できな
くなる。従来、発表されているポジ型レジスト用溶解阻
害剤としてのtBoc化合物は、ビスフェノールAのO
H基をtBoc化した材料やフロログルシンやテトラヒ
ドロキシベンゾフェノン等をtBoc化したものでも溶
解阻害剤として有用であることを見出した。
【0022】一般式(化1)で表されるシリコーンポリ
マーはKrFエキシマレーザに対する吸収が小さいので
使用することとしたが、式中のxが小さい場合、溶解阻
害効果が小さいため、阻害剤を添加することが必要不可
欠となる。xが大きくなるとポリマーのアルカリ溶解性
が低下するため、阻害剤は不要となる。xは0.05〜
0.5が好ましい。0.05未満では溶解阻害効果が小
さく、0.5超ではシリコン含有量低下に伴い、酸素プ
ラズマエッチング耐性が低下する問題がある。0.5超
ではアルカリ水溶液への溶解性が極度に低下するため、
一般に使用されている現像液では感度が極度に低下す
る。
【0023】なお、OH基のtBoc化はペプチド合成
では良く用いられる官能基の保護方法であり、ピリジン
溶液中で二炭酸ジt−ブチルと反応させることにより簡
単に行うことができる。
【0024】本発明のレジストを用いたパタン形成は以
下のようにして行うことができる。まず、シリコン基板
上に下層レジストとして厚い有機ポリマー層を形成した
のち、本発明のレジストの溶液をその上にスピン塗布
し、プリベークを行い、高エネルギー線を照射する。こ
の際、酸発生剤が分解して酸を生成する。露光後熱処理
( post exposure baking ;PEB)を行うことによ
り、酸を触媒としてtBoc基が分解し、溶解阻害効果
が消失する。アルカリ水溶液で現像し、水でリンスする
ことによりポジ型パタンを下層レジスト上に形成でき
る。下層レジストはノボラック樹脂系ポジ型フォトレジ
ストを使用でき、基板上に塗布したのち、200℃で1
時間ハードベイクすることにより、シリコーン系レジス
トとのインターミキシングを防ぐことができる。
【0025】以下に本発明で使用する原料の合成例を示
すが、これらに限定されない。
【0026】合成例1 ポリヒドロキシフェニルアルキルシルセスキオキサンの
合成 a)o−ヒドロキシフェニルプロピルシルセスキオキサ
ン 反応器に600mlの水を仕込み30℃でかくはんしなが
らo−メトキシフェニルプロピルトリクロロシラン28
3.5g(1mole)及び300mlトルエンの混合液を2
時間で滴下、加水分解した。分液操作により水層を除去
したのち、有機層をエバポレータにより溶媒留去した。
その濃縮液を減圧下200℃で2時間加熱し、重合し
た。重合物にアセトニトリル200gを加えて溶解し、
その溶液中に60℃以下でトリメチルシリルアイオダイ
ド240gを滴下し、60℃で10時間反応させた。反
応終了後水200gを加えて加水分解したのち、デカン
トによりポリマー層を得た。そのポリマー層を真空乾燥
することにより、ポリo−ヒドロキシフェニルプロピル
シルセスキオキサン192gが得られた。
【0027】b)p−ヒドロキシフェニルエチルシルセ
スキオキサン a)のo−ヒドロキシフェニルプロピルトリクロロシラ
ンの代りにp−メトキシフェニルエチルトリクロロシラ
ンを使用した他は合成例1a)と同様に行ったところ、
ポリp−ヒドロキシフェニルエチルシルセスキオキサン
が186g得られた。
【0028】c)p−ヒドロキシベンジルセスキオキサ
ン o−メトキシフェニルプロピルトリクロロシランの代り
にエトキシベンジルトリクロロシランを使用した他は合
成例1a)と同様に行ったところ、ポリp−ヒドロキシ
ベンジルシルセスオキサンが165g得られた。
【0029】合成例2 ポリヒドロキシフェニルアルキルシルセスキオキサンの
t−ブチルカーボネート化 ポリヒドロキシベンジルシルセスキオキサン〔合成例1
c)〕7gをピリジン40mlに溶解させ45℃でかくは
んしながら二炭酸ジ−t−ブチルを1g(約20mole
%)添加した。添加と同時にガスが発生するが、N2
流中で1時間反応させた。濃塩酸20gを含む水1リッ
トルに反応液を滴下し、白色の沈殿を得た。ろ過したの
ち、アセトン50mlに沈殿を溶解させ、水1リットルに
滴下した。沈殿をろ過したのち、40℃以下で真空乾燥
したところ、t−ブチルカーボネート化された、ポリヒ
ドロキシベンジルシルセスキオキサンが7g得られた。
【0030】
【実施例】本発明を以下の実施例で説明するが、本発明
はこれら実施例に限定されない。
【0031】実施例1 ベース樹脂(合成例2) 96重量部 フェニル(p−メトキシフェニル)ヨードニウムトシレート 4重量部 1−メトキシ−2−プロパノール 700重量部 からなるレジスト溶液をシリコン基板に2000rpm
でスピン塗布し、ホットプレート上にて85℃で1分間
プリベークした。膜厚は0.4μmであった。KrFエ
キシマレーザあるいは加速電圧30kVの電子線で描画
したのち、85℃で2分間PEBを行った。2.4%の
テトラメチルアンモニウムヒドロキシド(TMAH)の
水溶液で1分間現像を行い、水で30秒間リンスした。
ポジ型の特性を示し、D0 感度は6μC/cm2 であっ
た。電子線に代えて、遠紫外線であるKrFエキシマレ
ーザ光(波長248nm)で評価した場合のD0感度は1
5mJ/cm2 であった。PEBを85℃で5分間行っ
た場合は、電子線感度は4.5μC/cm2 であった。
ここで用いたベース樹脂は、現像液に対して35nm/s
の溶解速度を示した。本レジストは未露光部は約1.5
nm/sの溶解速度を有し、露光部はPEB後、23nm/
sの溶解速度を有した。KrFエキシマレーザ露光で
は、0.25μmライン&スペースパタンやホールパタ
ンが解像し、垂直な側壁を持つパタンが形成できた。ま
た、電子線描画では0.1μmが解像した。
【0032】実施例2〜12 実施例1におけるオニウム塩フェニル(p−メトキシフ
ェニル)ヨードニウムトシレートに代えて、下記表1の
オニウム塩を使用し、実施例1と同様の方法でKrFレ
ジスト特性を評価した。トシレート系よりもトリフルオ
ロメタンスルホネート系の方が高感度であった。しかし
ながら、トシレート系はPEB温度を高くした場合でも
オーバーハング形状になりにくい。解像性については、
いずれも0.25μm幅のパタンをKrFエキシマレー
ザで分離解像できた。
【0033】
【表1】
【0034】Ts:トシレート(p−トルエンスルホネ
ート) Tf:トリフレート(トリフルオロメタンスルホネー
ト)
【0035】実施例13〜15 ベース樹脂、オニウム塩(実施例1と同じ)を含むレジ
スト溶液を用い、各成分の分率を変えて、KrFエキシ
マレーザによるレジスト特性を検討した。表2に結果を
示す。基本的には、85℃で2分間PEBし、現像は
2.4%TMAH水溶液を用いて1分間行った。いずれ
も、0.25μm幅のパタンが解像できた。
【0036】
【表2】
【0037】オニウム塩:フェニル(p−メトキシフェ
ニル) ヨードニウムトシレート
【0038】実施例16 ベース樹脂(合成例2) 82重量部 2,2−ビス〔p−(t−ブトキシカルボニルオキシ) フェニル〕プロパン 14重量部 フェニル(p−メトキシフェニル)ヨードニウムトシレート 4重量部 1−メトキシ−2−プロパノール 700重量部 からなるレジスト溶液をシリコン基板に2000rpm
でスピン塗布し、ホットプレート上にて85℃で1分間
プリベークした。膜厚は0.4μmであった。KrFエ
キシマレーザあるいは加速電圧30kVの電子線で描画
したのち、85℃で2分間PEBを行った。2.4%の
TMAHの水溶液で1分間現像を行い、水で30秒間リ
ンスした。ポジ型の特性を示し、D0 感度は4μC/c
2 であった。電子線に代えて、遠紫外線であるKrF
エキシマレーザ光(波長248nm)で評価した場合のD
0 感度は12mJ/cm2 であった。KrFエキシマレ
ーザ露光では、0.25μmライン&スペースパタンや
ホールパタンが解像し、垂直な側壁を持つパタンが形成
できた。また、電子線描画では0.1μmが解像した。
溶解阻害剤を添加した方が高感度であった。
【0039】実施例17 ベース樹脂(合成例2) 96重量部 フェニル(p−メトキシフェニル)ヨードニウムトシレート 2重量部 ジ(p−ヒドロキシフェニル)フェニルスルホニウムトリフレート 2重量部 1−メトキシ−2−プロパノール 700重量部 からなるレジスト溶液をシリコン基板に2000rpm
でスピン塗布し、ホットプレート上にて85℃で1分間
プリベークした。実施例1と同様の方法でレジスト特性
を評価した結果、電子線感度は4μC/cm2 であっ
た。KrFエキシマレーザ光での感度は共に12mJ/
cm2 であった。この結果から、実施例1と比較して、
酸発生剤を混合することにより高感度となった。
【0040】実施例18及び19 実施例1のベース樹脂に代えて、o−ヒドロキシフェニ
ルプロピルシルセスキオキサン〔合成例1a)〕を合成
例2と同様の方法でtBOC化したもの(実施例1
8)、p−ヒドロキシフェニルエチルシルセスキオキサ
ン〔合成例1b)〕を合成例2と同様の方法でtBOC
化したもの(実施例19)を用いて、実施例1と同様に
レジスト溶液を調整した。実施例1と同様の方法でレジ
スト特性を評価した結果、いずれも同じ感度、解像性で
あった。
【0041】実施例20 シリコンウェハに下層レジストとしてOFPR800
(東京応化社製)を2μmの厚さに塗布し、200℃で
1時間加熱し、硬化させた。この下層レジストの上に実
施例1のレジストを実施例1と同様の方法で約0.4μ
m厚さで塗布し、プリベークした。実施例1と同様に電
子線あるいはKrFエキシマレーザで露光及び現像し、
パタンを下層レジスト上に形成した。その後、平行平板
型スパッタエッチング装置で酸素ガスをエッチヤントガ
スとしてエッチングを行った。下層レジスト上のエッチ
ンク速度が150nm/minであるのに対し実施例1
の組成のレジストは3nm/min以下であった。15
分間エッチングすることにより、レジストに覆われてい
ない部分の下層レジストは完全に消失し、2μm以上の
厚さの2層レジストパタンが形成できた。KrF露光で
は0.25μm、電子線露光では0.1μmのパタンが
高アスペクト比で形成できた。このエッチング条件を以
下に示す。 ガス流量:50SCCM, ガス圧:1.3Pa rfパワー:50W, dcバイアス:450V
【0042】
【発明の効果】本発明により得られるポジ型レジスト
は、高エネルギー線に感応し、感度、解像性、酸素プラ
ズマエッチング耐性に優れている。このため、下層レジ
スト上に本発明のレジストを塗布した2層レジストは微
細なパタンを高アスペクト比で形成できる特徴を有す
る。これらより、特に電子線や遠紫外線による微細加工
に有用である。特にKrFエキシマレーザの露光波長で
の吸収が小さいため、微細でしかも基板に対し垂直なパ
タンを容易に形成できる特徴がある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G03F 7/075 511 521 H01L 21/027

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記一般式(化1): 【化1】 (式中x、mはx+m=1となる数でありxが0になる
    ことはない。またnは1〜3の正の整数である)で表さ
    れるシリコーンポリマー(A)、オニウム塩(B)の2
    成分を含む、アルカリ水溶液で現像可能な高エネルギー
    線感応ポジ型レジストにおいて、該オニウム塩(B)が
    下記一般式(化2): 【化2】(R)p AM (式中Rは同じでも異なってもよく芳香族基あるいは置
    換芳香族基を示し、Aはスルホニウムあるいはヨードニ
    ウムを示す。Mはトルエンスルホネート基あるいはトリ
    フルオロメタンスルホネート基を示し、pは2又は3を
    示す)で表されるオニウム塩であることを特徴とするレ
    ジスト材料。
  2. 【請求項2】 該レジスト材料が、溶解阻害剤(C)を
    添加したものであることを特徴とする請求項1に記載の
    レジスト材料。
  3. 【請求項3】 該レジスト材料において、該オニウム塩
    (B)として2種類以上を使用することを特徴とする請
    求項1又は2に記載のレジスト材料。
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