JPH11322856A - シリコンを含有するポリマー及びこれを含む化学増幅型レジスト組成物 - Google Patents

シリコンを含有するポリマー及びこれを含む化学増幅型レジスト組成物

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JPH11322856A
JPH11322856A JP10344032A JP34403298A JPH11322856A JP H11322856 A JPH11322856 A JP H11322856A JP 10344032 A JP10344032 A JP 10344032A JP 34403298 A JP34403298 A JP 34403298A JP H11322856 A JPH11322856 A JP H11322856A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高いシリコン含量を有し、膜質に対する優れ
た接着特性を有することから、次世代の半導体素子を製
造するに当り、極めて有用なレジスト組成物として使用
することのできる、シリコンを含有するポリマー及びこ
れを含む化学増幅型レジスト組成物を提供する。 【解決手段】 学増幅型レジストに用いる次式で表され
るポリマーであり、本発明によるレジスト組成物は、該
ポリマーとフォト酸ジェネレーターとからなる。 【化1】 (ここで、R2は−H及び−CH3よりなる群から選ば
れ、R3は−H及び−CH3よりなる群から選ばれ、R4
は−H、−CH3及び−CH2CH2OHよりなる群から
選ばれ、p、q及びrは整数であり、p/(p+q+
r)は0.1〜0.7であり、q/(p+q+r)は
0.1〜0.7であり、r/(p+q+r)は0.1〜
0.5)とからなる群から選ばれるいずれか一つであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、化学増幅型レジス
ト組成物に係り、特にシリコンを含有する高分子化合物
からなる化学増幅型レジスト組成物に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】半導
体製造工程が複雑化し、高集積化が進むにつれて、微細
なパターン形成が要求されてきている。これにより、リ
ソグラフィ技術においても新たなレジストの開発が必須
となっている。さらに、半導体素子の容量が1ギガビッ
ト級以上に増大するに従いArFエキサイマレーザー
(193nm)で作用し得る新たなレジスト材料が望ま
れる。
【0003】ArFレジストは、半導体工程の進行によ
ってSLR(single-layer resist)とBLR(bi-layer r
esist)とに大別できる。一般に、SLRを使用する場合
は、BLRを使用する場合に比べレジストパターンの形
成工程が単純である。しかし、SLRを用いレジストパ
ターンを形成する場合には、ドライエッチングに対する
耐性(dry etch resistance)を十分に確保することが困
難である。また、アスペクト比が大きくなるにつれ、レ
ジストパターンが傾くと垂れ下がる場合が多く、レジス
トパターンの形成がたいへん難しくなる。
【0004】BLRは、シリコンを含有するレジストで
ある。BLRを用いレジストパターンを形成する場合
は、SLRの場合に比べレジストパターンの形成工程が
複雑である。しかし、O2プラズマによるドライエッチ
ングの際に、レジスト物質内のシリコン原子がガラス化
して、レジスト層の表面に硬化層が形成され、このよう
に形成された硬化層が後続のドライエッチング工程に際
して、エッチングマスクとして作用するので、アスペク
ト比が大きい場合であってもレジストパターンを形成し
易い。
【0005】一方、BLRを製造する時は、ポリマーに
含まれているシリコンの含量が重要な因子として作用す
ることになる。
【0006】ArFエキサイマレーザーリソグラフィに
使用するためのBLRとして、今までは文献(アキコ
コタチ他、ArFエキサイマレーザーリソグラフィー用
のSi−含有ポジティブレジスト、 フォトポリマー科
学と技術 8巻4号頁615、1995年:Akiko Kota
chi他, "Si-containing Positive Resist for ArF Exci
mer Laser Lithography", J. Photopolymer Science an
d Technology, Vol. 8, No. 4, p615, 1995)に開示さ
れたシリコン含有ポリマーが知られている。
【0007】しかし、前記文献に開示されたポリマーの
シリコン含量は約8重量%である。一般に、十分なアス
ペクト比を確保するに、BLRで10重量%以上のシリ
コン含量が要求される点に鑑みてみれば、前記文献に開
示されたポリマーのシリコン含量では、十分なアスペク
ト比を確保し得ない。さらに、前記ポリマーは接着特性
が不良で、これより製造されたレジスト膜がその下地膜
から浮き上がる現象が生じうる。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、ArF
エキサイマレーザーリソグラフィに使用するためのBL
Rとして使用するに十分なシリコン含量を有する新たな
構造のポリマーを提供することである。
【0009】本発明の他の目的は、上記のようなポリマ
ーを含有する化学増幅型レジスト組成物を提供すること
である。
【0010】
【発明の実施の形態】前記目的を達成するために、本発
明は化学増幅型レジストに利用される次式を有するポリ
マーを提供する。本発明のポリマーは、次式に示すごと
く、親水性部分を多く有するため、フォトレジストにお
いて脂質に対する優れた接着力を奏するのである。
【0011】
【化7】
【0012】上記式中のR’は、以下の式(a)または
(b)のいずれかである。
【0013】
【化8】
【0014】(a)式において、R1は−Hおよび−CH
3よりなる群から選ばれ、mおよびnは整数である。ま
た、m、nの範囲は,m/(m+n)が0.1から0.
7であることが好ましく、より好ましくは0.3から
0.6である。一般に、BLRにおいてはベースポリマ
ーがO2プラズマによりエッチングされる際、PRマス
キングの役割をよく果たすために普通シリコン含量が1
0重量%以上となることが好ましいからである。
【0015】
【化9】
【0016】(b)式において、R2は、−Hおよび−
CH3よりなる群から選ばれ、R3は、−Hおよび−CH
3および−CH2CH2OHよりなる群から選ばれ、p、
qおよびrは整数であり、p/(p+q+r)は、0.
1〜0.7であり、q/(p+q+r)は0.1〜0.
7であり、r/(p+q+r)は0.1〜0.5であ
る。尚、p、q、rの合計は1である。これらを上記範
囲で選択したのは、シリコンポリマーが極めて高い疎水
性を有するため、脂質に対する接着特性および現像液に
対する溶解度特性を改善するためである。p、q、rの
最も好ましい範囲は、p=0.4、q=0.3、r=
0.3である。
【0017】前記他の目的を達成するために、本発明
は、上記したようなポリマーとフォト酸ジェネレーター
(photoacid generator)とからなるレジスト組成物を提
供する。フォトレジストに使用されるフォト酸ジェネレ
ーターとは、光により分解しつつ強酸を発生させる物質
をいう。フォト酸ジェネレーターは、ベースポリマーの
保護基を一定の温度以上で分解させる触媒の働きをす
る。このようなフォト酸ジェネレーターとしては、例え
ば、スルホニウム系化合物やヨードニウム化合物があ
り、具体的には、トリアリールスルホニウム塩、ジアリ
ールヨードニウム塩、スルホン酸塩及び該混合物等があ
る。
【0018】前記ポリマーは、3,000〜100,0
00の重量平均分子量を有する。より好ましくは10,
000〜30,000である。この範囲で優れた溶解度
特性を発揮するからである。
【0019】前記レジスト組成物は、前記ポリマーに対
し1〜15重量%のフォト酸ジェネレーターを含む。前
記フォト酸ジェネレーターは、トリアリールスルホニウ
ム塩、ジアリールヨードニウム塩、スルホン酸塩及び該
混合物よりなる群から選ばれるものが好ましい。
【0020】本発明によるレジスト組成物は有機塩基を
さらに有し得る。有機塩基を配合することにより、レジ
ストパターン作成時に発生するTトッピングプロファイ
ルを防止することができるからである。
【0021】前記有機塩基の含量は、前記ポリマーに対
し0.01〜0.2重量%である。前記有機塩基は、一
般にアミン系化合物であり、具体的には、トリエチルア
ミン、ジエチルアミン、トリエタノールアミン及び該混
合物より選ばれるものが好ましい。
【0022】本発明によれば、シリコンを含有する酸に
不安定な基(silicon-containing acid-labile group)を
導入したポリマー及びこれを用いたレジスト組成物を提
供することにより、既存のポリマーに比べ高いシリコン
含量を有するとともに、膜質に対し優れた接着特性を有
するシリコン含有レジスト組成物を提供することができ
る。
【0023】
【実施例】以下、本発明の好適な実施例について式を用
いて、さらに詳細に説明する。
【0024】<合成例1:ビス(トリメチルシリル)−
2−プロパノール(bis(trimethylsilyl)-2-propanol)の
合成>ビス(トリメチルシリル)−2−プロパノール
(I)の合成反応は次式で表現できる。
【0025】
【化10】
【0026】丸型フラスコ内にトリメチルシリルメチル
マグネシウムクロライド(ジエチルエーテル溶液に0.
3モル溶解)を仕込み、ここにエチルギ酸エステル
(0.1モル)を徐々に滴下した後に、得られた反応物
を還流状態で約12時間反応させた。反応が完了した
後、反応物を過量の水に流入させ、これをHClを用い
中和を行なった。その後、ジエチルエーテルを用い抽出
し、MgSO4を用い乾燥を行なった。得られた生成物
を減圧蒸留法により分離及び精製した(収率60%)。
【0027】得られた蒸留物に対するNMR(nuclear m
agnetic resonance)分析の結果及びFT−IR(Fourier
transform infrared radiation)分光分析の結果は以下
の通りであった。
【0028】1H−NMR(CDCl3,ppm):0.
0(18H,−CH3),0.9(4H,−CH2−),
1.2(1H,−OH),4.0(1H,−CH−)。
【0029】FT−IR(NaCl,cm-1):330
0(−OH),2950(C−H),1400及び12
60(Si−C)。
【0030】<合成例2:ビス(トリメチルシリル)プ
ロピルメタクリレート(BPMA)の合成>ビス(トリメチル
シリル)プロピルメタクリレート(BPMA)(II)
モノマーの合成反応は次式で表現できる。
【0031】
【化11】
【0032】丸型フラスコ内にビス(トリメチルシリ
ル)−2−プロパノール(I)(0.1モル)とトリエ
チルアミン(TEA)(0.1モル)とを塩化メチレン
(methylene chloride)に溶解させた後、ここにメタクリ
ロイルクロライド(methacryloyl chloride)(0.1モ
ル)を徐々に滴下した後、反応物を還流状態で約12時
間反応させた。反応が完了した後、反応物を過量の水に
流入させ、これをHClを用い中和を行なった。その
後、ジエチルエーテルを用い抽出し、MgSO4を用い
乾燥を行なった。得られた生成物を減圧蒸留法により分
離及び精製を行い、酸に不安定な1,3−ビス(トリメ
チルシリル)プロピル基を有するBPMAを得た(収率
70%)。
【0033】得られた蒸留物に対するNMR分析の結果
及びFT−IR分光分析の結果は以下の通りであった。
【0034】1H−NMR(CDCl3,ppm):0.
0(18H,Si−CH3),1.0(4H,−CH
2−),1.9(3H,−CH3),5.2(1H,−C
H−),5.5及び6.0(2H,=CH2)。
【0035】FT−IR(NaCl,cm-1):295
0(C−H),1720(C=O),1600(C=
C),1400及び1260(Si−C)。
【0036】<合成例3:ポリ[ビス(トリメチルシリ
ル)プロピルメタクリレート−コ−マレイン酸無水物]
の合成>ポリ[ビス(トリメチルシリル)プロピルメタ
クリレート−コ−マレイン酸無水物](III)モノマ
ーの合成反応は、次式で表現できる。
【0037】
【化12】
【0038】合成例2で合成したモノマーBPMA(I
I)(0.1モル)とマレイン酸無水物(0.1モル)
とをAIBN(azobisisobutyronitrile)(8ミリモル)
と共に無水THF溶液に溶解した後に、N2ガスを用い
約2時間パージを行い、反応物を還流状態で約24時間
重合させた。重合が完了した後、反応物を過量のn−ヘ
キサンで徐々に沈殿させ、その沈殿物を再度THFに溶
解した後、n−ヘキサンに再沈殿させた。得られた沈殿
物を約50℃に保たれる真空オーブン内で約24時間乾
燥を行い、ポリ[ビス(トリメチルシリル)プロピルメ
タクリレート−コ−マレイン酸無水物](III)を得
た(収率50%)。
【0039】この際、得られた生成物の重量平均分子量
は6,500であり、多分散度(polydispersity)は2.
1であった。
【0040】<合成例4:ポリ[ビス(トリメチルシリ
ル)プロピルメタクリレート−コ−N−ビニルピロリジ
ノン]の合成>ポリ[ビス(トリメチルシリル)プロピ
ルメタクリレート−コ−N−ビニルピロリジノン](I
V)の合成反応は次式で表現できる。
【0041】
【化13】
【0042】合成例2で合成したモノマーBPMA(I
I)(0.1モル)と1−ビニル−2−ピロリジノン
(0.1モル)とをAIBN(8ミリモル)と共に無水
THF溶液に溶解した後、N2ガスを用い約2時間パー
ジを行い、反応物を還流状態で約24時間重合させた。
重合が完了した後、反応物を過量のn−ヘキサンで徐々
に沈殿させ、その沈殿物を再度THFに溶解した後に、
n−ヘキサンに再沈殿させた。得られた沈殿物を約50
℃に保った真空オーブン内で約24時間乾燥を行い、ポ
リ[ビス(トリメチルシリル)プロピルメタクリレート
−コ−N−ビニルピロリジノン](IV)を得た(収率
75%)。
【0043】この際、得られた生成物の重量平均分子量
は13,00であり、多分散度は2.2であった。
【0044】<実施例1:ターポリマーの合成>本実施
例によるターポリマー(V)の合成反応は次式で表現で
きる。
【0045】
【化14】
【0046】
【化15】
【0047】合成例2で合成したBPMA(II)(4
0ミリモル)、1−ビニル−2−ピロリジノン(30ミ
リモル)及び2−ヒドロキシエチルメタクリレート(3
0ミリモル)をAIBN(4ミリモル)と共に無水TH
Fに溶解した後、N2ガスを用い約2時間パージを行
い、反応物を還流状態で約24時間重合させた。
【0048】重合が完了した後、反応物をn−ヘキサン
で沈殿させ、得られた沈殿物を再度THFに溶解した後
に、n−ヘキサンで再沈殿を行なった。最終的に得られ
た沈殿物を真空オーブンで約24時間乾燥させ、ターポ
リマー(V)を得た(収率75%)。
【0049】この際、得られたターポリマー(V)の重
量平均分子量は14,300であり、多分散度は2.0
であった。
【0050】<実施例2:リソグラフィパフォーマンス
>合成例3で合成したコポリマー(1g)をフォト酸ジ
ェネレーターのトリフェニルスルホニウムトリプレート
(0.02g)と共にプロピレングリコールモノメチル
エーテルアセテート(PGMEA)(7g)に完全に溶
解させた。その後、前記溶液を0.2μmフィルターを
用いろ過し、レジスト組成物を得た。その後、このレジ
スト組成物をヘキサメチルジシラザンで処理したシリコ
ンウェーハ上に約0.3μmの厚さでコーティングを行
なった。
【0051】レジスト組成物がコーティングされた前記
ウェーハを約130℃の温度で約90秒間プレベーク
し、開口数(NA)が0.45のKrFエキサイマレー
ザーを利用するステッパーを用い露光を行なった後、約
130℃の温度で約90秒間PEB(post-exposure bak
ing)を施した。
【0052】その後、結果物を2.38重量%テトラメ
チルアンモニウム水酸化物(tetramethylammonium hydro
xide:TMAH)溶液を用い現像を行なった。その結果、露光
線量を約21mJ/cm2とした時に、鮮明な0.3μ
mラインアンドスペースパターンが得られることを確め
た。
【0053】<実施例3:リソグラフィパフォーマンス
>合成例4で合成したコポリマー(1g)をフォト酸ジ
ェネレーターのトリフェニルスルホニウムトリプレート
(0.02g)と共にPGMEA(7g)に完全に溶解
させた。その後、前記溶液を0.2μmフィルターを用
いてろ過し、レジスト組成物を得た。その後、このレジ
スト組成物をHMDSで処理したシリコンウェーハ上に
約0.3μmの厚さでコーティングした。
【0054】レジスト組成物がコーティングされた前記
ウェーハを約130℃の温度で約90秒間プレべーク
し、開口数(NA)が0.45のKrFエキサイマレー
ザーを利用するステッパーを用い露光を行なった後、約
130℃の温度で約90秒間PEBを施した。
【0055】その後、2.38重量%TMAH溶液を用
い約60秒間現像を行なった。その結果、露光線量を約
25mJ/cm2とした時に鮮明な0.3μmラインア
ンドスペースパターンが得られることを確かめた。
【0056】次の反応式には本発明の実施例2により提
供されたターポリマーの露光メカニズムが示してある。
【0057】
【化16】
【0058】
【化17】
【0059】前記反応式から1,3−ビス(トリメチル
シリル)プロピル基は露光過程を経る前には現像液に溶
解し難い反面、酸の存在下に露光過程を経てからは分解
がおこり易く、前記ポリマーが現像液に容易に溶解する
ことが分かる。
【0060】<実施例4>実施例1で合成したターポリ
マー(1g)をフォト酸ジェネレーターのトリフェニル
スルホニウムトリプレート(0.02g)と共にPGM
EA(7g)に完全に溶解させた。その後、前記溶液を
0.2μmフィルターを用いてろ過し、レジスト組成物
を得た。その後、このレジスト組成物をHMDS処理済
みのシリコンウェーハ上に約0.3μmの厚さでコーテ
ィングした。
【0061】レジスト組成物がコーティングされた前記
ウェーハを約130℃の温度で約90秒間プレべーク
し、開口数(NA)が0.45のKrFエキサイマレー
ザーを利用するステッパーを用い露光を行なった後、約
130℃の温度で約90秒間PEBを施した。
【0062】その後、2.38重量%TMAH溶液を用
い約60秒間現像を行なった。その結果、露光線量を約
26mJ/cm2とした時に、鮮明な0.3μmライン
アンドスペースパターンが得られることを確かめた。
【0063】<実施例5>合成例4で合成したコポリマ
ー(1g)をフォト酸ジェネレーターのトリフェニルス
ルホニウムトリプレート(0.01g)及びN−ヒドロ
キシスクシンイミドトリプレート(0.01g)と共に
PGMEA(7g)に完全に溶解させた。次に、前記結
果物に有機塩基としてトリエチルアミン(フォト酸ジェ
ネレーターの20モル%)を添加した後、完全に溶解さ
せた。
【0064】その後、前記溶液を0.2μmフィルター
を用いてろ過し、レジスト組成物を得た。その後、この
レジスト組成物をHMDS処理済みのシリコンウェーハ
上に約0.3μmの厚さでコーティングした。
【0065】レジスト組成物がコーティングされた前記
ウェーハを約130℃の温度で約90秒間プレべーク
し、開口数(NA)が0.45のKrFエキサイマレー
ザーを利用するステッパーを用い露光を行なった後、約
130℃の温度で約90秒間PEBを施した。
【0066】その後、2.38重量%TMAH溶液を用
い約60秒間現像を行なった。その結果、露光線量を約
30mJ/cm2とした時に鮮明な0.3μmラインア
ンドスペースパターンが得られることを確かめた。
【0067】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、B
LRに使える新たな物質として、シリコンを含有する酸
に不安定な基(silicon-containing acid-labile group)
を導入したポリマー及びこれを用いたレジスト組成物が
得られる。
【0068】本発明によるシリコン含有ポリマーは、既
存のポリマーに比べ高いシリコン含量を有するととも
に、膜質に対する優れた接着特性を示す。従って、次世
代の半導体素子を製造するに当り、極めて有用なレジス
ト組成物として使用することができる。
【0069】以上、本発明を好適な実施例を通して詳細
に説明したが、本発明は前記実施例に限定されることな
く、本発明の技術的な思想範囲内で当分野における通常
の知識を有した者にとって種々の変形が可能である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化学増幅型レジストに用いる次式で表さ
    れるポリマー。 【化1】 (ここで、R2は−H及び−CH3よりなる群から選ば
    れ、R3は−H及び−CH3よりなる群から選ばれ、R4
    は−H、−CH3及び−CH2CH2OHよりなる群から
    選ばれ、p、q及びrは整数であり、p/(p+q+
    r)は0.1〜0.7であり、q/(p+q+r)は
    0.1〜0.7であり、r/(p+q+r)は0.1〜
    0.5)とからなる群から選ばれるいずれか一つであ
    る。
  2. 【請求項2】 前記R’が、下記式で表されることを特
    徴とする請求項1記載のポリマー。 【化2】
  3. 【請求項3】 前記R’が、下記式で表されることを特
    徴とする請求項1記載のポリマー。 【化3】
  4. 【請求項4】 前記ポリマーが、3,000〜100,
    000の重量平均分子量を有することを特徴とする請求
    項3に記載のポリマー。
  5. 【請求項5】 (A)化学増幅型レジストに用いられる
    次式で表されるポリマーと、(B)フォト酸ジェネレー
    ターとからなることを特徴とするレジスト組成物。 【化4】 (ここで、R2は−H及び−CH3よりなる群から選ば
    れ、R3は−H及び−CH3よりなる群から選ばれ、R4
    は−H、−CH3及び−CH2CH2OHよりなる群から
    選ばれ、p、q及びrは整数であり、p/(p+q+
    r)は0.1〜0.7であり、q/(p+q+r)は
    0.1〜0.7であり、r/(p+q+r)は0.1〜
    0.5)とからなる群から選ばれるいずれか一つであ
    る。
  6. 【請求項6】 前記R’が、下記式で表されることを特
    徴とする請求項5記載のレジスト組成物。 【化5】
  7. 【請求項7】 前記R’が、下記式で表されることを特
    徴とする請求項5記載のレジスト組成物。 【化6】
  8. 【請求項8】 前記ポリマーが、3,000〜100,
    000の重量平均分子量を有することを特徴とする請求
    項7に記載のレジスト組成物。
  9. 【請求項9】 前記ポリマーに対し1〜15重量%のフ
    ォト酸ジェネレーターを含むことを特徴とする請求項5
    に記載のレジスト組成物。
  10. 【請求項10】 前記フォト酸ジェネレーターが、トリ
    アリールスルホニウム塩、ジアリールヨードニウム塩、
    スルホン酸塩及び該混合物よりなる群から選ばれること
    を特徴とする請求項5に記載のレジスト組成物。
  11. 【請求項11】 前記フォト酸ジェネレーターが、トリ
    フェニルスルホニウムトリプレート、N−ヒドロキシス
    クシンイミドトリプレート及び該混合物よりなる群から
    選ばれることを特徴とする請求項10に記載のレジスト
    組成物。
  12. 【請求項12】 有機塩基をさらに含有することを特徴
    とする請求項5に記載のレジスト組成物。
  13. 【請求項13】 前記有機塩基の含量が、前記ポリマー
    に対し0.01〜0.2重量%であることを特徴とする
    請求項12に記載のレジスト組成物。
  14. 【請求項14】 前記有機塩基が、トリエチルアミン、
    ジエチルアミン、トリエタノールアミン及び該混合物よ
    り選ばれることを特徴とする請求項12に記載のレジス
    ト組成物。
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