JPH0829987A - ポジ型シリコーンレジスト材料 - Google Patents

ポジ型シリコーンレジスト材料

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JPH0829987A
JPH0829987A JP6187885A JP18788594A JPH0829987A JP H0829987 A JPH0829987 A JP H0829987A JP 6187885 A JP6187885 A JP 6187885A JP 18788594 A JP18788594 A JP 18788594A JP H0829987 A JPH0829987 A JP H0829987A
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JP6187885A
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Haruyori Tanaka
啓順 田中
Yoshio Kawai
義夫 河合
Jiro Nakamura
二朗 中村
Korehito Matsuda
維人 松田
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Original Assignee
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Photosensitive Polymer And Photoresist Processing (AREA)
  • Materials For Photolithography (AREA)

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レジスト材料を提供する。 【構成】 一般式(化1): 【化1】 (x+m=1、x≠0、n:1〜3)で表されるシリコ
ーンポリマー(A)、オニウム塩(B)、及び窒素含有
化合物(C)を含有するポジ型シリコーンレジスト材
料。更にラダー型ポリシロキサン(D)を含有していて
もよい。(C)の好例には芳香族アミンがある。

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波の問題、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
発明はポジ型シリコーン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材料において、
窒素含有化合物(C)が添加されていることを特徴とす
る。また、更にラダー型ポリシロキサン(D)が添加さ
れていてもよい。
【0007】オニウム塩(B)としては、下記式(化
2)〜(化7):
【化2】(C6 5 2 +-3 SCF3
【化3】(C6 5 3 +-3 SCF3
【化4】(C6 5 SC6 4 )(C6 5 2 +-
3 SCF3
【化5】(C6 5 2 +-3 SφCH3
【化6】(t−C4 9 −C6 4 2 +-3 SCF
3
【化7】(t−C4 9 −OC6 4 )(C6 5 2
+-3 SCF3
【0008】で表される化合物が知られている。しか
し、式(化2)はエチルセロソルブアセテート、乳酸エ
チル、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、式(化5)はレジスト塗布溶媒に対す
る溶解性が優れる。式(化3)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、シュレゲルらも公表しており(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。
【0009】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、ビス(t−ブチルフェニル)ヨード
ニウムトリフルオロメタンスルホネート、式(化6)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tB
oc溶解阻害基に対して、良好な酸発生剤として機能
し、DO 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式(化6)の含量は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、式(化6)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、等により式(化6)
の含量は15%以下が好適である。トリフルオロメタン
スルホネート系オニウム塩式(化3)、(化4)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っ
た。その他、トリフルオロメタンスルホネート系オニウ
ム塩で有効なものはフェニル基にt−ブチルオキシ基を
有するもの式(化7)であった。
【0010】本発明のレジスト材料は、上記オニウム塩
(B)と同時に窒素含有化合物(C)が添加されている
ことが特徴で、化学増幅型レジストの問題であるポスト
エクスポージャーディレー(PED)の問題を解決でき
ることを見出した。PEDの問題は、露光後大気中のア
ミン成分や水などの不純物がレジスト表面から拡散し、
膜中に不純物の分布を生じることにより起こる。特に表
面において不純物により酸が失活しやすいため、パタン
形状が“T−トップ”になる。窒素化合物をレジストに
添加することにより不純物の影響を受けにくくできる。
【0011】窒素化合物としてはN−メチルアニリン、
トルイジン、N−メチルピロリドンなど室温で液体のも
のと、アミノ安息香酸、フェニレンジアミンなど室温で
固体のものがある。液体のものは概して沸点が低いた
め、レジストのプリベークの時に蒸発し、有効に働かな
い場合がある。このため、この中ではo−アミノ安息香
酸、m−アミノ安息香酸、p−アミノ安息香酸、o−フ
ェニレンジアミン、m−フェニレンジアミン、p−フェ
ニレンジアミン、ジフェニルアミンが好ましく使用でき
る。トリフェニルアミンは有効でなかった。
【0012】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、必要に応じてラダー型ポリシロキサンを添加した
3成分系レジストとしても使用できる。ポリシロキサン
は酸素プラズマエッチング耐性に優れていることが知ら
れているが、本発明のレジスト材料との相溶性に問題が
あり多くを添加することが困難であった。これに対し、
ラダー型ポリシロキサン(ポリシルセスキオキサン)は
レジストとの相溶性が良く、レジストに20重量%添加
しても相分離を起こすことなくパタン形成が可能であっ
た。また、酸素プラズマエッチング耐性は大幅に改善さ
れレジスト膜厚が0.2μmの薄膜でもノボラック系下
層レジストを2μm厚さ精度良くエッチングできる。ラ
ダー型ポリシロキサンは側鎖がメチル基とフェニル基の
もの、あるいは両方が同じ主鎖に導入されたものが使用
できる。露光による架橋の生じるものはポジレジストに
好ましくない。ラダー型ポリシロキサンの含量は、40
wt%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向上するが、レジスト特性が悪
くなりポジレジストとして使用できなくなる。
【0013】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。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。
【0014】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。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。
【0015】以下、一般式(化1)で表される化合物の
うちのいくつかの物の製造例を合成例1及び2により示
す。
【0016】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、重合させ
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。 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−メト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。 c)p−ヒドロキシベンジルシルセスキオキサン 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p−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。
【0017】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。
【0018】
【実施例】本発明を以下の実施例でより具体的に説明す
るが、本発明はこれら実施例に限定されない。
【0019】実施例1 ベース樹脂(合成例2) 96重量部 ビス(t−ブチルフェニル)ヨードニウムトリフルオロ メタンスルホネート 4重量部 o−アミノ安息香酸 0.6重量部 1−エトキシ−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、DO 感度は8μC/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DO感度は2
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5.5μC/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。また、露光
後大気中30分間放置した後熱処理(PEB)しても、
レジスト特性に変化は認められなかった。
【0020】実施例2〜9 実施例1における窒素含有化合物o−アミノ安息香酸に
代えて、下記表1に示す窒素含有化合物を使用し、実施
例1と同様の方法でKrFレジスト特性を評価した。解
像性については、いずれも0.25μm幅のパタンをK
rFエキシマレーザで分離解像できた。また、N−メチ
ルピロリドンあるいはアニリン以外はPEDの問題もな
いことが確認された。N−メチルピロリドンとアニリン
は露光後30分間放置すると“T−トップ”形状になる
ことが確認されたが、程度は前者の方が優れていた。
【0021】
【表1】
【0022】実施例10 実施例1のオニウム塩ビス(t−ブチルフェニル)ヨー
ドニウムトリフルオロメタンスルホネートに代えて、ジ
フェニル(t−ブチルオキシフェニル)スルホニウムト
リフルオロメタンスルホネートを用いて、実施例1と同
様の方法でレジスト特性を評価した。実施例1と同じレ
ジスト特性が得られた。
【0023】実施例11〜13 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。下記表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。PEDの
問題もないことが確認された。
【0024】
【表2】
【0025】実施例14 ベース樹脂(合成例2) 82重量部 ポリメチルシルセスキオキサン 14重量部 ビス(t−ブチルフェニル)ヨードニウムトリフル オロメタンスルホネート 4重量部 o−アミノ安息香酸 0.6重量部 2−エトキシプロパノール 1000重量部 からなるレジスト溶液をシリコン基板に3000rpm
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0.2μm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、DO 感度は10μC/
cm2 であった。電子線に代えて、遠紫外線であるKr
Fエキシマレーザ光(波長248nm)で評価した場合の
O 感度は35mJ/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。PEDの問題のないことが確認され、酸素プラズマ
エッチング速度の選択比はラダー型ポリシロキサン添加
により40から50に改善された。
【0026】実施例15及び16 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
5)、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16)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。
【0027】実施例17 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ャントガ
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
【0028】
【発明の効果】本発明により得られるポジ型シリコーン
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。また、窒素
化合物を添加しているため、微細なパタンが精度良く形
成できる。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.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G03F 7/26 511 H01L 21/027 (72)発明者 松田 維人 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

    【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材料において、窒素含有化合物
    (C)が添加されていることを特徴とするポジ型シリコ
    ーンレジスト材料。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のレジスト材料が、ラダ
    ー型ポリシロキサン(D)も添加されているものである
    ことを特徴とするポジ型シリコーンレジスト材料。
JP6187885A 1994-07-19 1994-07-19 ポジ型シリコーンレジスト材料 Pending JPH0829987A (ja)

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