KR101556279B1 - 레지스트 하층막용 조성물 및 패턴 형성 방법 - Google Patents

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KR101556279B1 KR1020120153562A KR20120153562A KR101556279B1 KR 101556279 B1 KR101556279 B1 KR 101556279B1 KR 1020120153562 A KR1020120153562 A KR 1020120153562A KR 20120153562 A KR20120153562 A KR 20120153562A KR 101556279 B1 KR101556279 B1 KR 101556279B1
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Abstract

하기 화학식 1로 표현되는 중합체 및 용매를 포함하는 레지스트 하층막용 조성물 및 상기 레지스트 하층막용 조성물을 사용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112012107946767-pat00014

상기 화학식 1에서,
R1a 내지 R1d는, R2 내지 R5, a 내지 d는 각각 명세서에서 정의한 바와 같다.

Description

레지스트 하층막용 조성물 및 패턴 형성 방법{RESIST UNDERLAYER COMPOSITION AND METHOD OF FORMING PATTERNS USING THE RESIST UNDERLAYER COMPOSITION}
레지스트 하층막용 조성물 및 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
마이크로일렉트로닉스 뿐만 아니라 마이크로스코픽 구조물(예를 들어, 마이크로머신, 마그네토레지스트 헤드 등)의 제작을 비롯한 산업 분야에서 패턴의 크기를 감소시켜 주어진 칩 크기에 보다 많은 양의 회로를 제공하고자 하는 요구가 존재한다.
효과적인 리쏘그래픽 기법은 패턴 크기를 감소시키기 위하여 필수적이다.  리쏘그래픽은 소정의 기판 상에 패턴을 직접적으로 이미지화시킨다는 측면에서뿐만 아니라 그러한 이미지화에 전형적으로 사용된 마스크를 제조한다는 측면에서 마이크로스코픽 구조물의 제조에 영향을 미친다.
전형적인 리쏘그래픽 공정은 이미지화 방사선에 방사선-민감성 레지스트를 패턴 방식으로 노출시킴으로써 패턴화된 레지스트 층을 형성하는 단계를 포함한다.  이어서, 노출된 레지스트 층을 현상액으로 현상한다.  이어서, 패턴은 패턴화된 레지스트 층의 개구부 내에 있는 물질을 에칭함으로써 이면 재료에 전사시킨다.  전사가 완료된 후, 잔류하는 레지스트 층은 제거한다.
그러나, 일부 리쏘그래픽 이미지화 공정의 경우, 사용된 레지스트는 레지스트 이면에 있는 층으로 소정의 패턴을 효과적으로 전사시킬 수 있을 정도로 후속적인 에칭 단계에 대한 충분한 내성을 제공하지 못한다.  따라서, 예컨대 초박막 레지스트 층이 필요한 경우, 에칭 처리하고자 하는 이면 재료가 두꺼운 경우, 상당할 정도의 에칭 깊이가 필요한 경우 및/또는 소정의 이면 재료에 특정한 에칭액(etchant)을 사용하는 것이 필요한 경우, 일명 레지스트 하층막(resist underlayer)이라고 불리는 하층막을 레지스트 층과 패턴화된 레지스트로부터 전사에 의해 패턴화될 수 있는 이면층 사이에 중간층으로 사용한다.  
상기 레지스트 하층막은 에칭 선택성이 높고 다중 에칭에 대한 내성이 충분하며 레지스트 층과 이면층 사이의 반사를 최소화할 수 있는 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 형성될 수 있다.
레지스트 하층막용 조성물은 레지스트 층의 해상도, 리쏘그래피 속도 및 잔사와 같은 노광 특성을 결정하는데 중요하다.  특히 극자외선(extreme ultraviolet radiation, EUV) 레이저를 사용하여 초미세화 리쏘그래피 공정을 수행하는 경우 이러한 노광 특성은 더욱 중요하다.
일 구현예는 막 밀도 및 노광 특성을 개선할 수 있는 레지스트 하층막용 조성물을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 레지스트 하층막용 조성물을 사용한 패턴 형성 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 부분을 포함하는 중합체 및 용매를 포함하는 레지스트 하층막용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112012107946767-pat00001
상기 화학식 1에서,
R1a 내지 R1d는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이고,
R2는 치환 또는 비치환된 락톤기 또는 치환 또는 비치환된 락톤 에스테르기이고,
R3는 히드록시기를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
R4는 할로겐 원자를 가지는 C1 내지 C30 지방족 기 또는 할로겐 원자를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
R5는 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐 기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
a≥0, b>0, c>0, d≥0 및 a+b+c+d=100을 만족한다.
상기 락톤기는 부티로락토닐기(butyrolactonyl group), 발레로락토닐기(valerolactonyl group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl group) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 락톤 에스테르 기는 부티로락토닐 에스테르기(butyrolactonyl ester group), 발레로락토닐 에스테르기(valerolactonyl ester group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐 에스테르기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl ester group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일 에스테르기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl ester group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일 에스테르기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl ester group) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 화학식 1의 R4는 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 알킬기, 복수의 불소로 치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C6 내지 C30 아릴기, 복수의 불소로 치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 헤테로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알키닐기 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 화학식 1의 a 내지 d는 각각 0≤a≤95, 0<b≤95, 0<c≤95 및 0≤d≤95을 만족할 수 있다.
상기 중합체는 약 3,000 내지 500,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 중합체는 상기 용매 100 중량부에 대하여 약 0.01 내지 50 중량부로 포함될 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물은 가교제를 더 포함할 수 있다.
상기 가교제는 아미노 수지, 글리콜루릴 화합물, 비스에폭시 화합물, 멜라민 화합물 및 멜라민 유도체로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가교제는 상기 레지스트 하층막용 조성물 100 중량부에 대하여 약 0.001 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 기판 위에 재료 층을 제공하는 단계, 상기 재료 층 위에 상기 레지스트 하층막용 조성물을 적용하는 단계, 상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계, 상기 레지스트 하층막 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계, 그리고 상기 재료 층의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
상기 레지스트 하층막을 형성하는 단계는 스핀-온-코팅 방법으로 수행할 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하는 단계는 약 150 내지 500℃에서 수행할 수 있다.
막 밀도 및 노광 특성을 개선할 수 있다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자(F, Cl, Br 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C4 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C20 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1개 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 설명한다.
일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물은 하기 화학식 1로 표현되는 부분을 포함하는 중합체 및 용매를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112012107946767-pat00002
상기 화학식 1에서,
R1a 내지 R1d는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이고,
R2는 치환 또는 비치환된 락톤기 또는 치환 또는 비치환된 락톤 에스테르기이고,
R3는 히드록시기를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
R4는 할로겐 원자를 가지는 C1 내지 C30 지방족 기 또는 할로겐 원자를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
R5는 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐 기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이다.
상기 a 내지 d는 각 반복단위의 상대적인 몰 비율이며, a≥0, b>0, c>0, d≥0 및 a+b+c+d=100을 만족한다. 상기 범위 내에서 0≤a≤95, 0<b≤95, 0<c≤95 및 0≤d≤95를 만족할 수 있다.
상기 화학식 1에서, 두 개의 "*" 사이에 위치하는 가로선은 중합체의 주쇄를 가리키고, "*"는 중합체 주쇄의 연결 부분을 가리킨다.
상기 화학식 1로 표현되는 부분은 락톤기 또는 락톤 에스테르 기를 가지는 모노머로부터 얻어진 제1 반복단위, 히드록시기를 가지는 방향족 기를 가지는 모노머로부터 얻어진 제2 반복단위, 할로겐 원자를 가지는 지방족 또는 방향족 기를 가지는 모노머로부터 얻어진 제3 반복단위 및 감광성 모노머로부터 얻어진 제4 반복단위를 포함한다.
상기 제1 반복단위는 적어도 하나의 락톤기 또는 락톤 에스테르 기를 가지는 측쇄를 포함한다.
상기 락톤기는 부티로락토닐기(butyrolactonyl group), 발레로락토닐기(valerolactonyl group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl group) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 락톤 에스테르 기는 부티로락토닐 에스테르기(butyrolactonyl ester group), 발레로락토닐 에스테르기(valerolactonyl ester group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐 에스테르기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl ester group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일 에스테르기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl ester group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일 에스테르기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl ester group) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 락톤기 또는 락톤 에스테르 기는 중합체의 밀도를 높이고 인접한 막에 대하여 밀착도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 치밀한 구조의 레지스트 하층막을 형성하여 하부막에서 용출될 수 있는 오염 물질의 침투를 효과적으로 막을 수 있는 동시에 레지스트 하층막의 상부에 위치하는 포토레지스트 층과의 밀착성을 개선할 수 있다.
상기 제2 반복단위는 히드록시기를 가지는 방향족 기 및 에스테르 기를 측쇄에 포함한다. 상기 방향족 기는 예컨대 적어도 하나의 히드록시기로 치환된 벤젠기, 적어도 하나의 히드록시기로 치환된 나프탈렌기 또는 적어도 하나의 히드록시기로 치환된 바이페닐기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 방향족 기는 불소와 같은 치환기로 더욱 치환될 수 있다.
상기 히드록시기는 가교력을 높여 막 밀도를 높일 수 있으며, 상기 방향족 기는 막 밀도 및 내식각성을 개선시킬 수 있다. 상기 에스테르 기는 감광성을 높일 수 있다.
상기 제3 반복단위는 적어도 하나의 할로겐 원자를 가지는 지방족 또는 방향족 기와 에스테르기를 측쇄에 포함한다. 상기 할로겐 원자는 불소(F), 염소(Cl), 브롬(Br) 및 요오드(I)에서 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 예컨대 복수 개를 포함할 수 있다. 상기 지방족 또는 방향족 기는 예컨대 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 알킬기, 복수의 불소로 치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C6 내지 C30 아릴기, 복수의 불소로 치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 헤테로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알키닐기 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 할로겐 원자는 레지스트 하층막의 상부에 형성되는 포토레지스트 층의 노광시 이차 전자의 발생을 도울 수 있고, 이에 따라 노광 특성을 개선할 수 있고 레지스트 하층막과 포토레지스트 층 사이에 스컴(scum) 및/또는 풋팅(footing)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 에스테르 기는 감광성을 높일 수 있다.
상기 제4 반복단위는 감광성을 보완하는 부분으로, 경우에 따라 생략되거나 필요시 종류가 상이한 두 개 이상이 포함될 수 있다.
상기 화학식 1에서, 상기 제1 반복단위 내지 상기 제4 반복단위의 순서는 바뀔 수 있으며, 랜덤하게 배열될 수도 있다.
상기 중합체는 상기와 같은 반복단위들을 포함함으로써 감광성을 확보하면서도 막 밀도 및 밀착성을 높이고 노광 특성을 개선할 수 있다.
상기 중합체는 약 3,000 내지 500,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 범위의 중량평균분자량을 가짐으로써 레지스트 하층막용 조성물의 용해성 및 코팅성이 좋아질 수 있다. 상기 범위 내에서 상기 중합체는 약 5,000 내지 200,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다.
상기 용매는 상기 중합체에 대한 충분한 용해성 또는 분산성을 가지는 것이라면 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 프로필렌글리콜, 프로필렌글리콜 디아세테이트, 메톡시 프로판디올, 디에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 부틸에테르, 트리(에틸렌글리콜)모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 사이클로헥사논(혹은 '아논'이라고 지칭함), 에틸락테이트, 감마-부티로락톤 및 아세틸아세톤에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 중합체는 상기 용매 100 중량부에 대하여 약 0.01 내지 50 중량부로 포함될 수 있다.  상기 범위로 포함됨으로써 레지스트 하층막용 조성물의 용해도 및 막형성시 코팅성이 좋아질 수 있다. 상기 범위 내에서 약 0.3 내지 20 중량부로 포함될 수 있다.  
상기 레지스트 하층막용 조성물은 추가적으로 계면 활성제 및 가교제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면 활성제는 예컨대 알킬벤젠설폰산 염, 알킬피리디늄 염, 폴리에틸렌글리콜, 제4 암모늄 염 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 가교제는 가열에 의해 중합체의 반복단위를 가교할 수 있는 것으로, 에테르화된 아미노 수지와 같은 아미노 수지; 하기 화학식 A로 표시되는 화합물과 같은 글리콜루릴 화합물; 하기 화학식 B로 표현되는 화합물과 같은 비스에폭시 화합물; 예컨대 N-메톡시메틸 멜라민, N-부톡시메틸 멜라민 또는 하기 화학식 C로 표현되는 멜라민 유도체와 같은 멜라민 또는 그 유도체; 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
[화학식 A]
Figure 112012107946767-pat00003
[화학식 B]
Figure 112012107946767-pat00004
[화학식 C]
Figure 112012107946767-pat00005
상기 계면 활성제 및 가교제는 상기 레지스트 하층막용 조성물 100 중량부에 대하여 각각 약 0.001 내지 3 중량부로 포함될 수 있다.  상기 범위로 포함함으로써 레지스트 하층막용 조성물의 광학적 특성을 변경시키지 않으면서 용해도 및 가교성을 확보할 수 있다. 
상기 레지스트 하층막용 조성물은 레지스트용 용매 및/또는 레지스트 형성용 현상액에 용해되지 않고 레지스트 용액과 혼합되지 않아 공정 중 화학적으로 안정할 수 있다.
이하 상술한 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 패턴을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.
일 구현예에 따른 패턴 형성 방법은 기판 위에 재료 층을 제공하는 단계, 상기 재료 층 위에 상술한 중합체 및 용매를 포함하는 레지스트 하층막용 조성물을 적용하는 단계, 상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계, 상기 레지스트 하층막 위에 레지스트 층을 형성하는 단계, 상기 레지스트 층을 노광 및 현상하여 레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 레지스트 패턴을 이용하여 상기 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계, 그리고 상기 재료 층의 노출된 부분을 에칭하는 단계를 포함한다.
상기 기판은 예컨대 실리콘웨이퍼, 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있다.
상기 재료 층은 최종적으로 패턴하고자 하는 재료이며, 예컨대 알루미늄, 구리 등과 같은 금속층, 실리콘과 같은 반도체 층 또는 산화규소, 질화규소 등과 같은 절연층일 수 있다.  상기 재료 층은 예컨대 화학기상증착방법으로 형성될 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물은 용액 형태로 제조되어 스핀-온-코팅(spin-on-coating) 방법으로 도포될 수 있다. 이 때 상기 레지스트 하층막용 조성물의 도포 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 약 80Å 내지 10,000Å 두께로 도포될 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하는 단계는 예컨대 약 150 내지 500℃에서 수행할 수 있다.  상기 열처리 단계에서, 상기 중합체는 가교 결합될 수 있다.
상기 레지스트 층을 노광하는 단계는 예컨대 ArF, KrF 또는 EUV 등을 사용하여 수행할 수 있다.  또한 노광 후 약 100 내지 500℃에서 열처리 공정을 수행할 수 있다.
상기 재료 층의 노출된 부분을 에칭하는 단계는 에칭 가스를 사용한 건식 식각으로 수행할 수 있으며, 에칭 가스는 예컨대 CHF3, CF4, Cl2, BCl3 및 이들의 혼합 가스를 사용할 수 있다.
상기 에칭된 재료 층은 복수의 패턴으로 형성될 수 있으며, 상기 복수의 패턴은 금속 패턴, 반도체 패턴, 절연 패턴 등 다양할 수 있으며, 예컨대 반도체 집적 회로 디바이스 내의 다양한 패턴으로 적용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
합성예
합성예 1
 질소 분위기 하의 플라스크에 γ-부티로락토닐 메타크릴레이트(γ-butyrolactonyl methacrylatem, GBLMA) 40mmol, 하이드록시퀴놀린 메타크릴레이트(hydroxyquinoline methacrylate) 30mmol 및 헥사플루오로프로파닐 메타크릴레이트(hexafluoropropanyl methacrylate) 30mmol 및 메틸에틸케톤(용매, 모노머의 총 중량에 대하여 약 2배)을 넣고 혼합하였다. 이어서 상기 혼합물에 중합개시제로서 디메틸-2,2'-아조비스(2-메틸프로피오네이트)(V601, Wako Chemicals사 제조) 7mmol을 80℃의 온도에서 약 4시간 동안 실린지로 첨가하고 2시간 추가로 중합하였다.
중합이 완료된 후, 얻어진 중합체를 과량의 헥산 용매에서 천천히 침전시키고, 생성된 침전물을 필터링한 후 다시 침전물을 적당량의 헥산(n-hexane)/이소프로판올(IPA) 혼합용매에 녹여 교반하였다.  이어서 얻어진 침전물을 50℃로 유지되는 진공 오븐 내에서 약 24시간 동안 건조하여 하기 화학식 2로 표현되는 중합체를 얻었다.
[화학식 2]
Figure 112012107946767-pat00006
(a=40, b=30, c=30)
수율은 75%이고, 얻어진 중합체의 중량 평균 분자량(Mw)은 8,800이고, 분산도(Mw/Mn)는 1.60이었다.
합성예 2
헥사플루오로프로파닐 메타크릴레이트 30mmol 대신 퍼플루오로페닐 메타크릴레이트(perfluorophenyl methacrylate) 30mmol을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여 하기 화학식 3으로 표현되는 중합체를 얻었다.
[화학식 3]
Figure 112012107946767-pat00007
(a=40, b=30, c=30)
수율은 65%이고, 얻어진 중합체의 중량 평균 분자량(Mw)은 7,350이고, 분산도(Mw/Mn)는 1.61이었다.
합성예 3
γ-부티로락토닐 메타크릴레이트 40mmol 대신 α-메틸렌 γ-부티로락톤(α-methylene γ-butyrolactone) 40mmol을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여 하기 화학식 4로 표현되는 중합체를 얻었다.
[화학식 4]
Figure 112012107946767-pat00008
(a=40, b=30, c=30)
수율은 60%이고, 얻어진 중합체의 중량 평균 분자량(Mw)은 6,740이고, 분산도(Mw/Mn)는 1.55이었다.
합성예4
γ-부티로락토닐 메타크릴레이트 40mmol 대신 α-메틸렌 γ-부티로락톤 40mmol을 사용하고 헥사플루오로프로파닐 메타크릴레이트 30mmol 대신 퍼플루오로페닐 메타크릴레이트 30mmol을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여 하기 화학식 5로 표현되는 중합체를 얻었다.
[화학식 5]
Figure 112012107946767-pat00009
(a=40, b=30, c=30)
수율은 60%이고, 얻어진 중합체의 중량 평균 분자량(Mw)은 7,500이고, 분산도(Mw/Mn)는 1.60이었다.
비교합성예 1
하이드록시퀴놀린 메타크릴레이트 30mmol 대신 하이드록시이소프로필 메타크릴레이트(hydroxylisopropyl methacrylate) 30mmol을 사용하고 헥사플루오로프로파닐 메타크릴레이트 30mmol 대신 벤질 메타크릴레이트 30mmol을 사용한 것을 제외하고는 합성예 1과 동일한 방법으로 수행하여 하기 화학식 6으로 표현되는 중합체를 얻었다.
[화학식 6]
Figure 112012107946767-pat00010
(a=40, b=30, c=30)
수율은 65%이고, 얻어진 중합체의 중량 평균 분자량(Mw)은 7,500이고, 분산도(Mw/Mn)는 1.63이었다.
레지스트 하층막용 조성물의 제조
실시예 1
합성예 1에서 얻은 중합체 0.5g, 가교제(PD1174, TCI사 제조) 0.125g 및 피리듐 p-톨루엔셀포네이트(PPTS) 0.125g을 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트(PGMEA)/프로필렌글리콜모노메틸에테르(PGME)(7/3 v/v) 100g에 녹인 후 여과하여 레지스트 하층막용 조성물을 제조하였다.
Figure 112012107946767-pat00011
Figure 112012107946767-pat00012
[PD1174] [PPTS]
실시예 2
합성예 1에서 얻은 중합체 대신 합성예 2에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 레지스트 하층막용 조성물을 제조하였다.
실시예 3
합성예 1에서 얻은 중합체 대신 합성예 3에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 레지스트 하층막용 조성물을 제조하였다.
실시예 4
합성예 1에서 얻은 중합체 대신 합성예 4에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 레지스트 하층막용 조성물을 제조하였다.
비교예 1
합성예 1에서 얻은 중합체 대신 비교합성예 1에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 레지스트 하층막용 조성물을 제조하였다.
평가
평가 1: 막 밀도
실리콘 기판 위에 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 스핀-온 코팅 방법으로 도포한 후, 핫플레이트 위에서 205℃에서 1분간 열처리하여 약 100nm 두께의 레지스트 하층막을 형성하였다.
이어서 상기 레지스트 하층막의 밀도를 측정하였다.  상기 레지스트 하층막의 밀도는 X-Ray Diffractometer (Model: X'Pert PRO MPD, Panalytical사 (Netherlands) 제조)를 사용하여 측정하였다.
그 결과는 표 1과 같다.
막 밀도(g/㎠)
실시예 1 1.37
실시예 2 1.39
실시예 3 1.41
실시예 4 1.43
비교예 1 1.25
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 형성된 막이 비교예 1에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 형성된 막보다 밀도가 높음을 알 수 있다. 이로부터 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용한 경우 더욱 치밀한 구조의 막을 형성할 수 있어서 기판에서 용출될 수 있는 오염 물질의 침투를 효과적으로 막을 수 있음을 알 수 있다.
평가 2: 노광 특성
실리콘 기판 위에 실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 스핀-온 코팅 방법으로 도포한 후, 핫플레이트 위에서 205℃에서 1분간 열처리하여 약 10nm 두께의 레지스트 하층막을 형성하였다.  이어서 상기 레지스트 하층막 위에 포토레지스트 용액을 스핀-온 코팅 방법으로 도포한 후, 핫플레이트 위에서 110℃에서 1분간 열처리하여 레지스트 층을 형성하였다.  상기 레지스트 층을 e-beam 노광기(Elionix 사 제조)를 사용하여 가속전압 100keV으로 노광한 후, 110℃에서 60초간 열처리하였다.  이어서 상기 레지스트 층을 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 2.38wt% 수용액으로 현상한 후 순수한 물에 15초간 린스하여 레지스트 패턴을 형성하였다.
상기 레지스트 패턴의 최적 노광량, 해상도 및 현상 잔사를 평가하였다.
여기서 0.25㎛의 라인 앤드 스페이스(line and space)를 1:1로 해상하는 노광량을 최적 노광량(Eop, μC/㎠)이라 하고, 상기 최적 노광량에 있어서 라인 앤드 스페이스의 최소 선폭을 해상도라고 한다.  해상도는 한계 해상도(nm)를 전자 주사 현미경(SEM) S-9260(Hitachi 제조)을 사용하여 측정하였다.
현상 잔사는 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 2.38wt% 수용액에 용해되는 속도(dissolution rate, DR)를 기준으로 하며, 그 속도가 빠를수록 패턴 형성 후의 현상 잔사가 감소하고 그 감소하는 정도를 전자 주사 현미경(SEM)으로 관찰하여 양호한 경우 ○, 미흡한 경우 △, 불량(스컴 발생)인 경우 X로 표시하였다.
그 결과는 표 2와 같다.
최적 노광량
(Eop, μC/㎠)
해상도(nm) 현상 잔사 상태
실시예 1 80 40
실시예 2 85 41
실시예 3 80 36
실시예 4 75 35
비교예 1 90 50 X
표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 형성된 패턴은 비교예 1에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 형성된 패턴과 비교하여 최적 노광량, 해상도 및 현상잔사 모두 개선되는 것을 알 수 있다.
이로부터, 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용한 경우 막 밀도 및 노광 특성이 모두 개선되는 것을 알 수 있다.
 
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 부분을 포함하는 중합체 및 용매를 포함하는 레지스트 하층막용 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112015048501446-pat00013

    상기 화학식 1에서,
    R1a 내지 R1d는 각각 독립적으로 수소 또는 메틸기이고,
    R2는 치환 또는 비치환된 락톤기 또는 치환 또는 비치환된 락톤 에스테르기이고,
    R3는 히드록시기를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
    R4는 할로겐 원자를 가지는 C1 내지 C30 지방족 기 또는 할로겐 원자를 가지는 C6 내지 C30 방향족 기이고,
    R5는 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C20 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 헤테로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐 기, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
    a≥0, b>0, c>0, d≥0 및 a+b+c+d=100을 만족한다.
  2. 제1항에서,
    상기 락톤기는 부티로락토닐기(butyrolactonyl group), 발레로락토닐기(valerolactonyl group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl group) 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 락톤 에스테르 기는 부티로락토닐 에스테르기(butyrolactonyl ester group), 발레로락토닐 에스테르기(valerolactonyl ester group), 1,3-사이클로헥산카르보락토닐 에스테르기(1,3-cyclohexanecarbolactonyl ester group), 2,6-노르보난카르보락톤-5-일 에스테르기(2,6-norbonanecarbolacton-5-yl ester group), 7-옥사-2,6-노프보난카르보락톤-5-일 에스테르기(7-oxa-2,6-norbornanecarbolacton-5-yl ester group) 또는 이들의 조합을 포함하는
    레지스트 하층막용 조성물.
  3. 제1항에서,
    상기 화학식 1의 R4는 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 알킬기, 복수의 불소로 치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C6 내지 C30 아릴기, 복수의 불소로 치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 복수의 불소로 치환된 C1 내지 C30 헤테로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 복수의 불소로 치환된 C2 내지 C30 알키닐기 또는 이들의 조합인 레지스트 하층막용 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 화학식 1의 a 내지 d는 각각 0≤a≤95, 0<b≤95, 0<c≤95 및 0≤d≤95을 만족하는 레지스트 하층막용 조성물.
  5. 제1항에서,
    상기 중합체는 3,000 내지 500,000의 중량평균분자량을 가지는 레지스트 하층막용 조성물.
  6. 제1항에서,
    상기 중합체는 상기 용매 100 중량부에 대하여 0.01 내지 50 중량부로 포함되어 있는 레지스트 하층막용 조성물.
  7. 제1항에서,
    상기 레지스트 하층막용 조성물은 가교제를 더 포함하는 레지스트 하층막용 조성물.
  8. 제7항에서,
    상기 가교제는 아미노 수지, 글리콜루릴 화합물, 비스에폭시 화합물, 멜라민 화합물 및 멜라민 유도체로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 레지스트 하층막용 조성물.
  9. 제7항에서,
    상기 가교제는 상기 레지스트 하층막용 조성물 100 중량부에 대하여 0.001 내지 3 중량부로 포함되는 레지스트 하층막용 조성물.
  10. 기판 위에 재료 층을 제공하는 단계,
    상기 재료 층 위에 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 적용하는 단계,
    상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하여 레지스트 하층막을 형성하는 단계,
    상기 레지스트 하층막 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계,
    상기 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계,
    상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 레지스트 하층막을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계, 그리고
    상기 재료 층의 노출된 부분을 에칭하는 단계
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  11. 제10항에서,
    상기 레지스트 하층막을 형성하는 단계는 스핀-온-코팅 방법으로 수행하는 패턴 형성 방법.
  12. 제10항에서,
    상기 레지스트 하층막용 조성물을 열처리하는 단계는 150 내지 500℃에서 수행하는 패턴 형성 방법.
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