JPWO2012063636A1 - ポジ型フォトレジスト組成物 - Google Patents

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Abstract

下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族化合物(A)と脂肪族アルデヒド(B)とを縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂(C)を必須成分として含有することを特徴とするポジ型フォトレジスト組成物を提供する。このポジ型フォトレジスト組成物は、これまで両立が困難であった感度及び耐熱性を高いレベルで両立し、近年の高集積化により、より細線化されたパターンの作製が要求されるIC、LSI等の半導体製造、LCD等の表示装置の製造、印刷原版の製造などに用いられるポジ型フォトレジストとして好適に用いることができる。(式中、R1、R2及びR3はそれぞれ独立して炭素原子数1〜8のアルキル基である。また、m、n及びpはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、qは1〜(5−p)の整数であり、sは1〜(9−p)の整数である。)

Description

本発明は、現像性及び耐熱性に優れたポジ型フォトレジスト組成物に関する。
IC、LSI等の半導体製造、LCD等の表示装置の製造、印刷原版の製造などに用いられるレジストとして、アルカリ可溶性樹脂及び1,2−ナフトキノンジアジド化合物等の感光剤を用いたポジ型フォトレジストが知られている。前記アルカリ可溶性樹脂として、m−クレゾールノボラック樹脂及びp−クレゾールノボラック樹脂からなる混合物をアルカリ可溶性樹脂として用いたポジ型フォトレジスト組成物が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1記載のポジ型フォトレジスト組成物は、感度等の現像性の向上を目的に開発されたものであるが、近年、半導体の高集積化が高まり、よりパターンが細線化する傾向にあり、より優れた感度が求められてきている。しかしながら、特許文献1記載のポジ型フォトレジスト組成物では、細線化に対応する十分な感度は得られない問題があった。さらに、半導体等の製造工程において様々な熱処理が施されることから、より高い耐熱性も求められているが、特許文献1記載のポジ型フォトレジスト組成物は、十分な耐熱性ではない問題があった。
また、優れた感度を有し、かつ高い耐熱性を有するものとして、p−クレゾール等と芳香族アルデヒドとを反応させた後、続けてフェノール類とホルムアルデヒドとを加えて酸性触媒下で反応させて得られるフォトレジスト用フェノール樹脂が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。このフォトレジスト用フェノール樹脂は、従来に比べ、耐熱性は向上するものの、近年の高い耐熱性の要求レベルには十分対応できるものではなかった。
さらに、優れた感度を有し、かつ高い耐熱性を有するものとして、m−クレゾール、p−クレゾール、2,3−キシレノール等のフェノール類と芳香族アルデヒドとを反応させた後、続けてホルムアルデヒドとを加えて酸性触媒下で反応させて得られるフォトレジスト用フェノール樹脂が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。このフォトレジスト用フェノール樹脂は、従来に比べ、感度は向上するものの、近年の高い耐熱性の要求レベルには十分対応できるものではなかった。
ここで、アルカリ可溶性樹脂であるノボラック樹脂の感度を向上させるため、アルカリ可溶性を向上する設計とすると耐熱性が低下し、耐熱性を向上させる設計にすると感度が低下するという問題があり、感度と耐熱性とを高いレベルで両立するのは困難であった。そこで、感度と耐熱性とを高いレベルで両立した材料が求められていた。
特開平2−55359号公報 特開2008−88197号公報 特開平9−90626号公報
本発明が解決しようとする課題は、これまで両立が困難であった感度及び耐熱性を高いレベルで両立し、非常に高い感度及び耐熱性を有するポジ型フォトレジスト組成物を提供することである。
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、アルキル置換フェノールとフェノール性水酸基を有する芳香族アルデヒドとを重縮合して得られた芳香族化合物を、さらに脂肪族アルデヒドと縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂を用いたポジ型フォトレジスト組成物は、優れた感度及び耐熱性を有することを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族化合物(A)と脂肪族アルデヒド(B)とを縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂(C)を必須成分として含有することを特徴とするポジ型フォトレジスト組成物に関する。
Figure 2012063636
(式中、R、R及びRはそれぞれ独立して炭素原子数1〜8のアルキル基である。また、m、n及びpはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、qは1〜(5−p)の整数であり、sは1〜(9−p)の整数である。)
本発明のポジ型フォトレジスト組成物は、これまで両立が困難であった感度及び耐熱性を高いレベルで両立しているため、より細線化されたパターンを作製するIC、LSI等の半導体製造、LCD等の表示装置の製造、印刷原版の製造などに用いられるポジ型フォトレジストとして好適に用いることができる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物は、下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族化合物(A)と脂肪族アルデヒド(B)とを縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂(C)を必須成分として含有するものである。
Figure 2012063636
(式中、R、R及びRはそれぞれ独立して炭素原子数1〜8のアルキル基である。また、m、n及びpはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、qは1〜(5−p)の整数であり、sは1〜(9−p)の整数である。)
前記芳香族化合物(A)は、例えば、アルキル置換フェノール(a1)とフェノール性水酸基を有する芳香族アルデヒド(a2)とを重縮合することによって得ることができる。
前記アルキル置換フェノール(a1)は、フェノールの芳香環に結合している水素原子の一部又は全部がアルキル基に置換している化合物である。このアルキル基としては、炭素原子数1〜8のアルキル基が挙げられ、特にメチル基が好ましい。前記アルキル置換フェノール(a1)としては、例えば、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、o−エチルフェノール、m−エチルフェノール、p−エチルフェノール、p−オクチルフェノール、p−t−ブチルフェノール、o−シクロヘキシルフェノール、m−シクロヘキシルフェノール、p−シクロヘキシルフェノール等のモノアルキルフェノール;2,5−キシレノール、3,5−キシレノール、3,4−キシレノール、2,4−キシレノール、2,6−キシレノール等のジアルキルフェノール;2,3,5−トリメチルフェノール、2,3,6−トリメチルフェノール等のトリアルキルフェノールなどが挙げられる。また、これらのアルキル置換フェノールの中でも、耐熱性とアルカリ溶解性のバランスに優れることから、フェノールの芳香環へのアルキル基の置換数2のものが好ましく、具体例としては、2,5−キシレノール、2,6−キシレノール等が挙げられる。これらのアルキル置換フェノール(a1)は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。
前記芳香族アルデヒド(a2)は、芳香環に少なくとも1つの水酸基とアルデヒド基とを有する化合物である。前記芳香族アルデヒド(a2)としては、例えば、サリチルアルデヒド、m−ヒドロキシベンズアルデヒド、p−ヒドロキシベンズアルデヒド等のヒドロキシベンズアルデヒド;2,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド、3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド等のジヒドロキシベンズアルデヒド;バニリン、オルトバニリン、イソバニリン、エチルバニリン等のバニリン化合物;2−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド、6−ヒドロキシ−2−ナフトアルデヒド等のヒドロキシナフトアルデヒドなどが挙げられる。また、これらの芳香族アルデヒド(a2)の中でも、工業的入手の容易さ、耐熱性とアルカリ溶解性のバランスに優れることから、p−ヒドロキシベンズアルデヒド、2−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド及び6−ヒドロキシ−2−ナフトアルデヒドが好ましい。これらの芳香族アルデヒド(a2)は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。
前記脂肪族アルデヒド(B)としては、例えば、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、1,3,5−トリオキサン、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、テトラオキシメチレン、ポリオキシメチレン、クロラール、ヘキサメチレンテトラミン、フルフラール、グリオキザール、n−ブチルアルデヒド、カプロアルデヒド、アリルアルデヒド、クロトンアルデヒド、アクロレイン等が挙げられる。これらのアルデヒド化合物(B)は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、前記脂肪族アルデヒド(B)として、ホルムアルデヒドを用いることが好ましく、ホルムアルデヒドとその他の脂肪族アルデヒドを併用しても構わない。ホルムアルデヒドとその他の脂肪族アルデヒドを併用する場合、その他の脂肪族アルデヒドの使用量は、ホルムアルデヒド1モルに対して、0.05〜1モルの範囲とすることが好ましい。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物の必須成分であるノボラック型フェノール樹脂(C)の製造方法としては、下記の3つの工程を経る方法が挙げられる。
(工程1)
前記アルキル置換フェノール(a1)と前記芳香族アルデヒド(a2)とを酸触媒存在下で、必要に応じて溶媒を用いて、60〜140℃の範囲で加熱し、重縮合することにより、前記芳香族化合物(A)を得る。
(工程2)
工程1で得られた前記芳香族化合物(A)を反応溶液中から単離する。
(工程3)
工程2で単離した前記芳香族化合物(A)と前記脂肪族アルデヒド(B)とを酸触媒存在下で、必要に応じて溶媒を用いて、60〜140℃の範囲で加熱し、重縮合することにより、本発明のポジ型フォトレジスト組成物の必須成分であるノボラック型フェノール樹脂(C)を得る。
上記工程1及び工程3で用いる酸触媒としては、例えば、酢酸、シュウ酸、硫酸、塩酸、フェノールスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、酢酸亜鉛、酢酸マンガン等が挙げられる。これらの酸触媒は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、これらの酸触媒の中でも、活性に優れる点から、工程1では硫酸、パラトルエンスルホン酸が好ましく、工程3では硫酸、シュウ酸、酢酸亜鉛が好ましい。なお、酸触媒は、反応前に加えても、反応途中で加えても構わない。
上記工程1及び工程3において必要に応じて用いる溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のモノアルコール;エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、トリメチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン等のポリオール;2−エトキシエタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノペンチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールエチルメチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル等のグリコールエーテル;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン等の環状エーテル;エチレングリコールアセテート等のグリコールエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素などが挙げられる。これらの溶媒は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、これらの溶媒の中でも、得られる化合物の溶解性に優れる点から、2−エトキシエタノールが好ましい。
工程1における前記アルキル置換フェノール(a1)と前記芳香族アルデヒド(a2)との仕込み比率[(a1)/(a2)]は、未反応の前記アルキル置換フェノール(a1)の除去性、生成物の収率及び反応生成物の純度に優れることから、モル比で1/0.2〜1/0.5の範囲が好ましく、1/0.25〜1/0.45の範囲がより好ましい。
工程3における前記芳香族化合物(A)と前記脂肪族アルデヒド(B)との仕込み比率[(A)/(B)]は、過剰な高分子量化(ゲル化)を抑制でき、フォトレジスト用フェノール樹脂として適正な分子量のものが得られることから、モル比で1/0.5〜1/1.2の範囲が好ましく、1/0.6〜1/0.9の範囲がより好ましい。
工程2における前記芳香族化合物(A)の反応溶液中からの単離方法としては、例えば、反応溶液を反応生成物が不溶又は難溶である貧溶媒(S1)に投入して得られた沈殿物を濾別した後、反応生成物を溶解し貧溶媒(S1)にも混和する溶媒(S2)に溶解し、再度貧溶媒(S1)に投入して生じた沈殿物を濾別する方法が挙げられる。この際に用いる前記貧溶媒(S1)としては、例えば、水;メタノール、エタノール、プロパノール等のモノアルコール;n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、シクロヒキサン等の脂肪族炭化水素;トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素が挙げられる。これらの貧溶媒(S1)の中でも、効率よく酸触媒の除去も同時に行えることから、水、メタノールが好ましい。一方、前記溶媒(S2)としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール等のモノアルコール;エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,7−ヘプタンジオール、1,8−オクタンジオール、1,9−ノナンジオール、トリメチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン等のポリオール;2−エトキシエタノール、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノペンチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールエチルメチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル等のグリコールエーテル;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン等の環状エーテル;エチレングリコールアセテート等のグリコールエステル;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトンなどが挙げられる。また、前記貧溶媒(S1)として水を用いた場合には、前記(S2)としては、アセトンが好ましい。なお、前記貧溶媒(S1)及び溶媒(S2)は、それぞれ1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。
また、上記工程1及び工程3において溶媒として、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素を用いた場合、80℃以上で加熱すれば、反応により生成した前記芳香族化合物(A)は溶媒中に溶解するので、そのまま冷却することで、前記芳香族化合物(A)の結晶が析出するため、これを濾別することで前記芳香族化合物(A)を単離することができる。この場合は、前記貧溶媒(S1)及び溶媒(S2)を使用しなくてもよい。
上記の工程2の単離方法により、下記一般式(1)又は(2)で表される前記芳香族化合物(A)を得ることができる。
Figure 2012063636
(式中、R、R及びRはそれぞれ独立して炭素原子数1〜8のアルキル基である。また、m、n及びpはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、qは1〜(5−p)の整数であり、sは1〜(9−p)の整数である。)
上記の製造方法で得られる前記ノボラック型フェノール樹脂(C)の重量平均分子量(Mw)は、2,000〜35,000の範囲が好ましく、2,000〜25,000の範囲がより好ましい。この重量平均分子量(Mw)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(以下、「GPC」と略記する。)を用いて、下記の測定条件で測定したものである。
[GPCの測定条件]
測定装置:東ソー株式会社製「HLC−8220 GPC」
カラム:昭和電工株式会社製「Shodex KF802」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF802」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF803」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF804」(8.0mmФ×300mm)
カラム温度:40℃
検出器: RI(示差屈折計)
データ処理:東ソー株式会社製「GPC−8020モデルIIバージョン4.30」
展開溶媒:テトラヒドロフラン
流速:1.0mL/分
試料:樹脂固形分換算で0.5質量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの(100μl)
標準試料:下記単分散ポリスチレン
(標準試料:単分散ポリスチレン)
東ソー株式会社製「A−500」
東ソー株式会社製「A−2500」
東ソー株式会社製「A−5000」
東ソー株式会社製「F−1」
東ソー株式会社製「F−2」
東ソー株式会社製「F−4」
東ソー株式会社製「F−10」
東ソー株式会社製「F−20」
本発明のポジ型フォトレジスト組成物では、上記の製造方法で得られるノボラック型フェノール樹脂(C)がアルカリ可溶性樹脂として必須成分となるが、他のアルカリ可溶性樹脂(D)を併用しても構わない。
前記アルカリ可溶性樹脂(D)としては、アルカリ水溶液に可溶な樹脂であれば良いが、中でもクレゾールノボラック樹脂が好ましい。前記クレゾールノボラック樹脂は、フェノール系化合物及びアルデヒド化合物を原料として、これらを縮合させたノボラック型フェノール樹脂であり、o−クレゾール、m−クレゾール及びp−クレゾールからなる群から選ばれる少なくとも1つのフェノール系化合物を必須原料として製造されたものである。
前記クレゾールノボラック樹脂の原料となるフェノール系化合物としては、o−クレゾール、m−クレゾール又はp−クレゾールが必須であるが、その他のフェノール又はその誘導体を併用しても構わない。このようなフェノール又はその誘導体としては、例えば、フェノール;2,3−キシレノール、2,4−キシレノール、2,5−キシレノール、2,6−キシレノール、3,4−キシレノール、3,5−キシレノール等のキシレノール;o−エチルフェノール、m−エチルフェノール、p−エチルフェノール等のエチルフェノール;イソプロピルフェノール、ブチルフェノール、p−t−ブチルフェノール等のブチルフェノール;p−ペンチルフェノール、p−オクチルフェノール、p−ノニルフェノール、p−クミルフェノール等のアルキルフェノール;フルオロフェノール、クロロフェノール、ブロモフェノール、ヨードフェノール等のハロゲン化フェノール;p−フェニルフェノール、アミノフェノール、ニトロフェノール、ジニトロフェノール、トリニトロフェノール等の1置換フェノール;1−ナフトール、2−ナフトール等の縮合多環式フェノール;レゾルシン、アルキルレゾルシン、ピロガロール、カテコール、アルキルカテコール、ハイドロキノン、アルキルハイドロキノン、フロログルシン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、ジヒドロキシナフタリン等の多価フェノール等が挙げられる。これらその他のフェノール又はその誘導体は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、その他のフェノール又はその誘導体を併用する場合、その他のフェノール又はその誘導体の使用量は、o−クレゾール、m−クレゾール及びp−クレゾールのクレゾール合計1モルに対して、0.05〜1モルの範囲とすることが好ましい。
また、前記クレゾールノボラック樹脂の原料となるアルデヒド化合物としては、例えば、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド、トリオキサン、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ポリオキシメチレン、クロラール、ヘキサメチレンテトラミン、フルフラール、グリオキザール、n−ブチルアルデヒド、カプロアルデヒド、アリルアルデヒド、ベンズアルデヒド、クロトンアルデヒド、アクロレイン、テトラオキシメチレン、フェニルアセトアルデヒド、o−トルアルデヒド、サリチルアルデヒド等が挙げられる。これらのアルデヒド化合物は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、前記クレゾールノボラック樹脂の原料として、ホルムアルデヒドを用いることが好ましく、ホルムアルデヒドとその他のアルデヒド化合物を併用しても構わない。ホルムアルデヒドとその他のアルデヒド化合物を併用する場合、その他のアルデヒド化合物の使用量は、ホルムアルデヒド1モルに対して、0.05〜1モルの範囲とすることが好ましい。
上記で例示したフェノール系化合物及びアルデヒド化合物を原料とした前記クレゾールノボラック樹脂の中でも、フェノール系化合物をm−クレゾール単独、又は、m−クレゾール及びp−クレゾールの併用とし、アルデヒド化合物をホルムアルデヒドとして、これらを縮合させたクレゾールノボラック樹脂が好ましい。また、m−クレゾールとp−クレゾールとのモル比率[m−クレゾール/p−クレゾール]は、感度と耐熱性を両立できることから、10/0〜2/8の範囲が好ましく、7/3〜2/8の範囲がより好ましい。
前記のフェノール系化合物及びアルデヒド化合物を縮合反応は、酸触媒存在下で行うことが好ましい。前記酸触媒としては、例えば、シュウ酸、硫酸、塩酸、フェノールスルホン酸、パラトルエンスルホン酸、酢酸亜鉛、酢酸マンガン等が挙げられる。これらの酸触媒は、1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。また、これらの酸触媒の中でも、触媒活性に優れる点から、シュウ酸が好ましい。なお、酸触媒は、反応前に加えても、反応途中で加えても構わない。
また、前記クレゾールノボラック樹脂を製造する際のフェノール系化合物(P)とアルデヒド化合物(F)とのモル比[(F)/(P)]は、優れた感度と耐熱性が得られることから、0.3〜1.6の範囲が好ましく、0.5〜1.3の範囲がより好ましい。
前記クレゾールノボラック樹脂のより具体的な製造方法としては、フェノール系化合物、アルデヒド化合物及び酸触媒を60〜140℃に加熱して、重縮合反応を進行させ、次いで減圧条件下で脱水、脱モノマーをさせる方法が挙げられる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物は、上記のノボラック型フェノール樹脂(C)及び任意に配合するアルカリ可溶性樹脂(D)以外に、通常、光感光剤(E)及び溶剤(F)を含有する。
前記感光剤(E)としては、キノンジアジド基を有する化合物を用いることができる。このキノンジアジド基を有する化合物としては、例えば、2,3,4−トリヒドロキシベンゾフェノン、2,4,4’−トリヒドロキシベンゾフェノン、2,4,6−トリヒドロキシベンゾフェノン、2,3,6−トリヒドロキシベンゾフェノン、2,3,4−トリヒドロキシ−2’−メチルベンゾフェノン、2,3,4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、2,2’,4,4’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、2,3’,4,4’,6−ペンタヒドロキシベンゾフェノン、2,2’,3,4,4’−ペンタヒドロキシベンゾフェノン、2,2’,3,4,5−ペンタヒドロキシベンゾフェノン、2,3’,4,4’,5’,6−ヘキサヒドロキシベンゾフェノン、2,3,3’,4,4’,5’−ヘキサヒドロキシベンゾフェノン等のポリヒドロキシベンゾフェノン系化合物;ビス(2,4−ジヒドロキシフェニル)メタン、ビス(2,3,4−トリヒドロキシフェニル)メタン、2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−(4’−ヒドロキシフェニル)プロパン、2−(2,4−ジヒドロキシフェニル)−2−(2’,4’−ジヒドロキシフェニル)プロパン、2−(2,3,4−トリヒドロキシフェニル)−2−(2’,3’,4’−トリヒドロキシフェニル)プロパン、4,4’−{1−[4−〔2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル〕フェニル]エチリデン}ビスフェノール,3,3’−ジメチル−{1−[4−〔2−(3−メチル−4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル〕フェニル]エチリデン}ビスフェノール等のビス[(ポリ)ヒドロキシフェニル]アルカン系化合物;トリス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、ビス(4−ヒドロキシ−3、5−ジメチルフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシ−2,5−ジメチルフェニル)−3,4−ジヒドロキシフェニルメタン、ビス(4−ヒドロキシ−3,5−ジメチルフェニル)−3,4−ジヒドロキシフェニルメタン等のトリス(ヒドロキシフェニル)メタン類又はそのメチル置換体;ビス(3−シクロヘキシル−4−ヒドロキシフェニル)−3−ヒドロキシフェニルメタン,ビス(3−シクロヘキシル−4−ヒドロキシフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン,ビス(3−シクロヘキシル−4−ヒドロキシフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン,ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−2−メチルフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン,ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−2−メチルフェニル)−3−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−2−メチルフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(3−シクロヘキシル−2−ヒドロキシフェニル)−3−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−3−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(3−シクロヘキシル−2−ヒドロキシフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(3−シクロヘキシル−2−ヒドロキシフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−2−ヒドロキシ−4−メチルフェニル)−2−ヒドロキシフェニルメタン、ビス(5−シクロヘキシル−2−ヒドロキシ−4−メチルフェニル)−4−ヒドロキシフェニルメタンなどの、ビス(シクロヘキシルヒドロキシフェニル)(ヒドロキシフェニル)メタン類又はそのメチル置換体などとナフトキノン−1,2−ジアジド−5−スルホン酸又はナフトキノン−1,2−ジアジド−4−スルホン酸、オルトアントラキノンジアジドスルホン酸等のキノンジアジド基を有するスルホン酸との完全エステル化合物、部分エステル化合物、アミド化物又は部分アミド化物などが挙げられる。これらの感光剤(E)は1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物における前記感光剤(E)の配合量は、良好な感度が得られ、所望のパターンが得られることから、前記ノボラック型フェノール樹脂(C)及び前記アルカリ可溶性樹脂(D)の合計100質量部に対して、3〜50質量部の範囲が好ましく、5〜30質量部の範囲がより好ましい。
前記溶剤(F)としては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノプロピルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル等のエチレングリコールアルキルエーテル;ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル等のジエチレングリコールジアルキルエーテル;メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート等のエチレングリコールアルキルエーテルアセテート;プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノプロピルエーテルアセテート等のプロピレングリコールアルキルエーテルアセテート;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルアミルケトン等のケトン;ジオキサン等の環式エーテル;2−ヒドロキシプロピオン酸メチル、2−ヒドロキシプロピオン酸エチル、2−ヒドロキシ−2−メチルプロピオン酸エチル、エトキシ酢酸エチル、オキシ酢酸エチル、2−ヒドロキシ−3−メチルブタン酸メチル、3−メトキシブチルアセテート、3−メチル−3−メトキシブチルアセテート、蟻酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル等のエステルなどが挙げられる。これらの溶剤(F)は1種類のみで用いることも2種以上併用することもできる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物における前記溶剤(F)の配合量は、組成物の流動性をスピンコート法等の塗布法により均一な塗膜を得られることから、該組成物中の固形分濃度が15〜65質量%となる量とすることが好ましい。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物には、前記ノボラック型フェノール樹脂(C)、任意に配合する他のアルカリ可溶性樹脂(D)、感光剤(E)及び溶剤(F)の他、本発明の効果を阻害しない範囲で各種添加剤を配合しても構わない。このような添加剤としては、充填材、顔料、レベリング剤等の界面活性剤、密着性向上剤、溶解促進剤などが挙げられる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物は、前記ノボラック型フェノール樹脂(C)、任意に配合する他のアルカリ可溶性樹脂(D)、感光剤(E)及び溶剤(F)、さらに必要に応じて加えた各種添加剤を通常の方法で、撹拌混合して均一な液とすることで調製できる。
また、本発明のポジ型フォトレジスト組成物に充填材、顔料等の固形のものを配合する際には、ディゾルバー、ホモジナイザー、3本ロールミル等の分散装置を用いて分散、混合させることが好ましい。また、粗粒や不純物を除去するため、メッシュフィルター、メンブレンフィルター等を用いて該組成物をろ過することもできる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物は、マスクを介して露光を行うことで、露光部においては樹脂組成物に構造変化が生じてアルカリ現像液に対しての溶解性が促進される。一方、非露光部においてはアルカリ現像液に対する低い溶解性を保持しているため、この溶解性の差により、アルカリ現像によりパターニングが可能となりレジスト材料として用いることができる。
本発明のポジ型フォトレジスト組成物を露光する光源としては、例えば、赤外光、可視光、紫外光、遠紫外光、X線、電子線等が挙げられる。これらの光源の中でも紫外光が好ましく、高圧水銀灯のg線(波長436nm)、i線(波長365nm)、EUVレーザー(波長13.5nm)が好適である。
また、露光後の現像に用いるアルカリ現像液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、メタケイ酸ナトリウム、アンモニア水等の無機アルカリ性物質;エチルアミン、n−プロピルアミン等の1級アミン;ジエチルアミン、ジ−n−ブチルアミン等の2級アミン;トリエチルアミン、メチルジエチルアミン等の3級アミン類;ジメチルエタノールアミン、トリエタノールアミン等のアルコールアミン;テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、テトラエチルアンモニウムヒドロキシド等の4級アンモニウム塩;ピロール、ピヘリジン等の環状アミンなどのアルカリ性水溶液を使用することができる。これらのアルカリ現像液には、必要に応じてアルコール、界面活性剤等を適宜添加して用いることもできる。アルカリ現像液のアルカリ濃度は、通常2〜5質量%の範囲が好ましく、2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液が一般的に用いられる。
以下に具体的な例を挙げて、本発明をさらに詳しく説明する。なお、合成した樹脂の重量平均分子量(Mw)は、下記のGPCの測定条件で測定したものである。
[GPCの測定条件]
測定装置:東ソー株式会社製「HLC−8220 GPC」
カラム:昭和電工株式会社製「Shodex KF802」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF802」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF803」(8.0mmФ×300mm)
+昭和電工株式会社製「Shodex KF804」(8.0mmФ×300mm)
カラム温度:40℃
検出器: RI(示差屈折計)
データ処理:東ソー株式会社製「GPC−8020モデルIIバージョン4.30」
展開溶媒:テトラヒドロフラン
流速:1.0mL/分
試料:樹脂固形分換算で0.5質量%のテトラヒドロフラン溶液をマイクロフィルターでろ過したもの
注入量:0.1mL
標準試料:下記単分散ポリスチレン
(標準試料:単分散ポリスチレン)
東ソー株式会社製「A−500」
東ソー株式会社製「A−2500」
東ソー株式会社製「A−5000」
東ソー株式会社製「F−1」
東ソー株式会社製「F−2」
東ソー株式会社製「F−4」
東ソー株式会社製「F−10」
東ソー株式会社製「F−20」
[合成例1]重縮合物(A−1)の合成
冷却管、温度計を備えた100mLの2口フラスコに、2,5−キシレノール3.66g(30mmol)及びp−ヒドロキシベンズアルデヒド1.22g(10mmol)を仕込み、2−エトキシエタノール10mLに溶解させた。氷浴中で冷却しながら硫酸1mLを加えた後、100℃で2時間加熱、攪拌し反応させた。反応後、得られた溶液を水で再沈殿操作を行い粗生成物を得た。粗生成物をアセトンに再溶解し、さらに水で再沈殿操作を行った後、得られた生成物を濾別、真空乾燥を行うことによって、下記式(3)で表される淡褐色結晶の重縮合物(C1)2.82gを得た。
Figure 2012063636
[合成例2]重縮合物(A−2)の合成
合成例1で用いた2,5−キシレノールに代えて2,6−キシレノールを用いた以外は合成例1と同様に操作を行うことによって、下記式(4)で表される橙色結晶の重縮合物(C2)2.85gを得た。
Figure 2012063636
[合成例3]フェノール型ノボラック樹脂(C−1)の合成
冷却管、温度計を備えた100mLの2口フラスコに、合成例1で得られた重縮合物(A−1)1.74g及び92質量%パラホルムアルデヒド0.16gを仕込み、2−エトキシエタノール5ml及び酢酸5mlに溶解させた。氷浴中で冷却しながら硫酸0.5mlを加えた後、70℃で4時間加熱、攪拌し反応させた。反応後、得られた溶液を水で再沈殿操作を行い粗生成物を得た。粗生成物をアセトンに再溶解し、さらに水で再沈殿操作を行った後、得られた生成物を濾別、真空乾燥を行い淡褐色粉末のフェノール型ノボラック樹脂(C−1)を得た。このフェノール型ノボラック樹脂(C−1)のGPC測定の結果は、数平均分子量(Mn)は6,601、重量平均分子量(Mw)は14,940、多分散度(Mw/Mn)=2.263であった。
[合成例4]フェノール型ノボラック樹脂(C−2)の合成
合成例3で用いた重縮合物(A−1)に代えて合成例2で得られた重縮合物(A−2)を用いた以外は合成例3と同様に操作を行い、淡褐色粉末のフェノール型ノボラック樹脂(C−2)1.68gを得た。このフェノール型ノボラック樹脂(C−2)のGPC測定の結果は、数平均分子量(Mn)が1,917、重量平均分子量(Mw)が2,763、多分散度(Mw/Mn)=1.441であった。
[合成例5]フェノール型ノボラック樹脂(H1)の合成
攪拌機、温度計を備えた4つ口フラスコに、m−クレゾール648g、p−クレゾール432g、シュウ酸2.5g及び42質量%ホルムアルデヒド水溶液492gを仕込み、昇温、反応させた。常圧で200℃まで脱水、蒸留し、230℃で6時間減圧蒸留を行い、フェノール型ノボラック樹脂(H1)736gを得た。このフェノール型ノボラック樹脂(H1)のGPC測定の結果は、数平均分子量(Mn)が2,425、重量平均分子量(Mw)が6,978、多分散度(Mw/Mn)=2.878であった。
[合成例6]フェノール型ノボラック樹脂(H2)の合成
攪拌機、温度計を備えた4口フラスコに、p−クレゾール497g、3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド138g及びパラトルエンスルホン酸5gを仕込み、昇温、反応させた。100℃で4時間加熱、攪拌し反応させた後、トリエチルアミン2.7gを加えて中和を行った。次いで、そこへm−クレゾール334g、37質量%ホルムアルデヒド水溶液323g及びシュウ酸4gを加え、還流下で2時間反応した。その後、200℃まで加熱して常圧下で脱水し、減圧下で230℃まで脱水・脱モノマーを行い、フェノール型ノボラック樹脂(H2)598gを得た。このフェノール型ノボラック樹脂(H2)のGPC測定の結果は、数平均分子量(Mn)が4,365、重量平均分子量(Mw)が11,634、多分散度(Mw/Mn)=2.665であった。
[合成例7]フェノール型ノボラック樹脂(H3)の合成
攪拌機、温度計を備えた4つ口フラスコに、m−クレゾール64.8g、p−クレゾール21.6g、2,3−キシレノール24.4g及びバニリン15.2gを仕込み、90℃に加熱、溶解した後、シュウ酸2水和物3.78gを添加した。30分後、130℃に加熱し、8.5時間還流させた。42質量%ホルムアルデヒド水溶液60.7gを30分で滴下し、混合物をさらに4時間還流させた。3−エトキシプロピオン酸エチルを30g添加した後、常圧で200℃まで脱水、蒸留し、230℃で6時間減圧蒸留を行い、フェノール型ノボラック樹脂98gを得た。このフェノール型ノボラック樹脂30gをアセトン300gに溶解し、撹拌しながらn−ヘキサン450gで再沈殿操作を行い、残った下層を減圧乾燥することでノボラック樹脂(H3)21gを得た。GPC測定の結果は、数平均分子量(Mn)は3,280、重量平均分子量(Mw)は8,932、多分散度(Mw/Mn)=2.723であった。
[ポジ型フォトレジスト組成物の調製]
上記の合成例3〜7で得られたフェノール型ノボラック樹脂を用いて、下記のようにポジ型フォトレジスト組成物を調製した。
[実施例1]
合成例3で得られたフェノール型ノボラック樹脂(C−1)14質量部をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(以下、「PGMEA」と略記する。)75質量部に加えて、混合、溶解して溶液を得た後に、この溶液に感光剤(東洋合成工業株式会社製「P−200」;4,4’−[1−[4−[1−(4−ヒドロキシフェニル)−1メチルエチル]フェニル]エチリデン]ビスフェノール1モルと1,2−ナフトキノン−2−ジアジド−5−スルホニルクロリド2モルとの縮合物)5質量部を加えて、混合、溶解して、ポジ型フォトレジスト組成物(1)を得た。また、同様の操作で、感光剤を加えないフェノール型ノボラック樹脂(C−1)のPGMEA溶液をポジ型フォトレジスト組成物(1’)として得た。
[アルカリ溶解速度の測定及び感度の評価]
上記の実施例1で得られた感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(1)及び感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(1’)について、それぞれのポジ型フォトレジスト組成物を直径5インチのシリコンウェハー上にスピンコーターを用いて塗布後、110℃で60秒乾燥し、1μmの厚さの薄膜を得た。アルカリ溶液(2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液)に60秒浸漬させ、浸漬後の膜厚を、膜厚計(フィルメトリクス社製「F−20」)を用いて測定してアルカリ溶解速度(ADR)を測定して、得られた値から下記の基準にしたがって感度及び耐アルカリ溶液性を評価した。なお、感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物での評価がポジ型フォトレジスト塗膜の露光部分の評価となり、感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物での評価がポジ型フォトレジスト塗膜の未露光部分の評価となる。
(感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物の感度の評価基準)
A:アルカリ溶解速度が20nm/秒以上である。
B:アルカリ溶解速度が10nm/秒以上20nm/秒未満である。
C:アルカリ溶解速度が10nm/秒未満である。
(感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物の耐アルカリ溶液性の評価基準)
A:アルカリ溶解速度が0.5nm/秒未満である。
B:アルカリ溶解速度が0.5nm/秒以上1.0nm/秒未満である。
C:アルカリ溶解速度が1.0nm/秒以上である。
[ガラス転移点温度測定及び耐熱性の評価]
上記の実施例1で得られた感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(1)を直径5インチのシリコンウェハー上にスピンコーターを用いて塗布後、110℃で60秒乾燥し、1μmの厚さの薄膜を得た。この薄膜をかき取り、ガラス転移点温度(以下、「Tg」と略記する。)を測定した。なお、Tgの測定は、示差熱走査熱量計(株式会社ティー・エイ・インスツルメント製「示差熱走査熱量計(DSC)Q100」)を用いて、窒素雰囲気下、温度範囲−100〜200℃、昇温速度10℃/分の条件で行った。得られたTgの値から、下記の基準にしたがって耐熱性を評価した。
A:Tgが150℃以上である。
B:Tgが150℃未満である。
[実施例2]
実施例1で用いたフェノール型ノボラック樹脂(C−1)に代えて、合成例4で得られたフェノール型ノボラック樹脂(C−2)を用いた以外は実施例1と同様に操作し、感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(2)及び感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(2’)を調製後、アルカリ溶解速度の測定及び感度の評価、ガラス転移点温度測定及び耐熱性の評価を行った。
[比較例1]
実施例1で用いたフェノール型ノボラック樹脂(C−1)に代えて、合成例5で得られたフェノール型ノボラック樹脂(H1)を用いた以外は実施例1と同様に操作し、感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(3)及び感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(3’)を調製後、アルカリ溶解速度の測定及び感度の評価、ガラス転移点温度測定及び耐熱性の評価を行った。
[比較例2]
実施例1で用いたフェノール型ノボラック樹脂(C−1)に代えて、合成例6で得られたフェノール型ノボラック樹脂(H2)を用いた以外は実施例1と同様に操作し、感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(4)及び感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(4’)を調製後、アルカリ溶解速度の測定及び感度の評価、ガラス転移点温度測定及び耐熱性の評価を行った。
[比較例3]
実施例1で用いたフェノール型ノボラック樹脂(C−1)に代えて、合成例7で得られたフェノール型ノボラック樹脂(H3)を用いた以外は実施例1と同様に操作し、感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(5)及び感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(5’)を調製後、アルカリ溶解速度の測定及び感度の評価、ガラス転移点温度測定及び耐熱性の評価を行った。
実施例1、2及び比較例1〜3で得られたポジ型フォトレジスト組成物(1)〜(5)及び(1’)〜(5’)を用いた各測定及び評価の結果を表1に示す。
Figure 2012063636
表1に示した評価結果から、実施例1で得られた本発明のポジ型フォトレジスト組成物(1)/(1’)について、露光部分に相当する感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(1’)は、150nm/秒と非常に速いアルカリ溶解速度を有しており、優れた感度を有することが分かった。また、未露光部分に相当する感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(1)のアルカリ溶解速度は、0.3nm/秒と非常に低く、アルカリ現像後もパターンが問題なく残ることが分かった。さらに、ポジ型フォトレジスト組成物(1)の塗膜のTgも203℃と非常に高く、耐熱性にも優れることが分かった。
また、実施例2で得られた本発明のポジ型フォトレジスト組成物(2)/(2’)について、露光部分に相当する感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(2’)は、150nm/秒と非常に速いアルカリ溶解速度を有しており、優れた感度を有することが分かった。また、未露光部分に相当する感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(2)のアルカリ溶解速度は、0.1nm/秒と非常に低く、アルカリ現像後もパターンが問題なく残ることが分かった。さらに、ポジ型フォトレジスト組成物(2)の塗膜のTgも157℃と非常に高く、耐熱性にも優れることが分かった。
一方、比較例1は、m−クレゾール及びp−クレゾールをホルムアルデヒドで縮合した公知のフェノール型ノボラック樹脂をアルカリ可溶性樹脂として用いたポジ型フォトレジスト組成物の例である。この比較例1で調製したポジ型フォトレジスト組成物(3)/(3’)については、露光部分に相当する感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(3’)は、9.6nm/秒とアルカリ溶解速度が遅く、感度が不十分であることが分かった。また、ポジ型フォトレジスト組成物(3)の塗膜のTgは、113℃と低く、耐熱性も不十分であることが分かった。
比較例2は、p−クレゾールと3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒドとを縮合反応させた後、p−クレゾール及びホルムアルデヒドを加えて、さらに縮合した公知のフェノール型ノボラック樹脂をアルカリ可溶性樹脂として用いたポジ型フォトレジスト組成物の例である。この比較例2で調製したポジ型フォトレジスト組成物(4)/(4’)については、露光部分に相当する感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(4’)は、12nm/秒とアルカリ溶解速度が遅く、感度が不十分であることが分かった。また、ポジ型フォトレジスト組成物(4)の塗膜のTgは、118℃と低く、耐熱性も不十分であることが分かった。
比較例3は、p−クレゾールと3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒドとを縮合反応させた後、p−クレゾール及びホルムアルデヒドを加えて、さらに縮合した公知のフェノール型ノボラック樹脂をアルカリ可溶性樹脂として用いたポジ型フォトレジスト組成物の例である。この比較例2で調製したポジ型フォトレジスト組成物(5)/(5’)については、露光部分に相当する感光剤を配合していないポジ型フォトレジスト組成物(5’)は、80nm/秒とアルカリ溶解速度が比較的速く、感度は良好であったが、未露光部分に相当する感光剤を配合したポジ型フォトレジスト組成物(2)のアルカリ溶解速度は、が不十分であることが分かった。また、ポジ型フォトレジスト組成物(4)の塗膜のTgは、118℃と低く、耐熱性も不十分であることが分かった。

Claims (4)

  1. 下記一般式(1)又は(2)で表される芳香族化合物(A)と脂肪族アルデヒド化合物(B)とを縮合して得られるノボラック型フェノール樹脂(C)を必須成分として含有することを特徴とするポジ型フォトレジスト組成物。
    Figure 2012063636
    (式中、R、R及びRはそれぞれ独立して炭素原子数1〜8のアルキル基である。また、m、n及びpはそれぞれ独立して0〜4の整数であり、qは1〜(5−p)の整数であり、sは1〜(9−p)の整数である。)
  2. 前記芳香族化合物(A)が、アルキル置換フェノール(a1)とフェノール性水酸基を有する芳香族アルデヒド(a2)とを重縮合したものであって、前記アルキル置換フェノール(a1)が、2,5−キシレノール及び/又は2,6−キシレノールである請求項1記載のポジ型フォトレジスト組成物。
  3. 前記芳香族アルデヒド(a2)がヒドロキシベンズアルデヒド及び/又はヒドロキシナフトアルデヒドである請求項1又は2記載のポジ型フォトレジスト組成物。
  4. 前記脂肪族アルデヒド化合物(B)がホルムアルデヒドである請求項1〜3のいずれか1項記載のポジ型フォトレジスト組成物。
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