KR101921892B1 - 리소그래피용 린스액 및 이를 사용한 패턴 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 패턴 붕괴, 표면 거칠기 및 표면 결함을 개량할 수 있는, 리소그래피용 린스액과 이를 사용한 패턴 형성 방법의 제공. [해결수단] 적어도 설폰산과, 알킬렌옥시기를 갖는 비이온성 계면활성제와, 물을 함유하는 리소그래피용 린스액, 및 이것을 사용한 패턴 형성 방법.

Description

리소그래피용 린스액 및 이를 사용한 패턴 형성 방법 {LITHOGRAPHY RINSING FLUID AND PATTERN FORMATION METHOD USING SAME}
본 발명은 리소그래피용 린스액에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 반도체 디바이스, 액정 표시 소자 등의 플랫 패널 디스플레이(FPD), 컬러 필터 등의 제조에 사용되는 감광성 수지 조성물의 현상 공정에서 적합하게 사용되는 리소그래피용 린스액, 및 이 리소그래피용 린스액을 사용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
LSI 등의 반도체 집적 회로나, FPD의 표시면의 제조, 컬러 필터, 서멀 헤드 등의 회로 기판의 제조 등을 비롯한 폭넓은 분야에서, 미세 소자의 형성 또는 미세 가공을 실시하기 위해, 종래부터 포토리소그래피 기술이 이용되고 있다. 포토리소그래피법에 있어서는, 레지스트 패턴을 형성하기 위해 포지티브형 또는 네거티브형의 감광성 수지 조성물이 사용되고 있다. 이들 감광성 수지 조성물 중, 포지티브형 포토레지스트로서는, 예를 들면, 알칼리 가용성 수지와 감광성 물질인 퀴논디아지드 화합물로 이루어진 감광성 수지 조성물이 널리 이용되고 있다.
그런데, 최근, LSI의 고집적화의 요구가 높아지고 있어, 레지스트 패턴의 미세화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 대응하기 위해, 단파장의, KrF 엑시머 레이저(248nm), ArF 엑시머 레이저(193nm), 극단 자외선(EUV; 13nm), X선, 전자선 등을 사용하는 리소그래피 프로세스가 실용화되고 있다. 이러한 패턴의 미세화에 대응하기 위해, 미세 가공시에 포토레지스트로서 사용되는 감광성 수지 조성물에도 고해상성의 것이 요구되고 있다. 또한, 감광성 수지 조성물에는 해상성에 더하여, 감도, 패턴 형상, 화상 치수의 정확성 등의 성능 향상도 동시에 요구되고 있다. 이에 대해, 단파장의 방사선에 감광성을 갖는 고해상도의 감방사선성 수지 조성물로서, 「화학증폭형 감광성 수지 조성물」이 제안되고 있다. 이 화학증폭형 감광성 수지 조성물은, 방사선의 조사에 의해 산을 발생하는 화합물을 포함하고, 방사선의 조사에 의해 상기 산 발생 화합물로부터 산이 발생되며, 발생된 산에 의한 촉매적인 화상 형성 공정에 의해, 높은 감도가 수득되는 점 등에서 유리하기 때문에, 종래의 감광성 수지 조성물을 대신하여 보급되고 있다.
그러나, 상기한 바와 같이 미세화가 진행되면, 패턴 붕괴나 패턴 거칠기 악화 등의 문제가 일어나는 경향이 있다. 이러한 문제에 대해, 예를 들면 레지스트 조성물의 성분 변경 등에 의한 개량 등이 검토되고 있다.
또한, 패턴 붕괴는, 현상 후에 순수로 패턴을 세정할 때에, 순수의 표면 장력에 의해 패턴간에 부압(負壓)이 생김으로써도 일어나는 것으로 여겨지고 있다. 이러한 관점에서, 패턴 붕괴를 개량하기 위해, 종래의 순수를 대신하여 특정한 성분을 함유한 린스액에 의해 세정하는 것이 제안되고 있다(특허문헌 1 내지 4 참조). 이들 특허문헌에는 특정한 비이온성 계면활성제를 함유하는 리소그래피용 린스액을 세정에 사용하는 것이 제안되고 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2004-184648호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 제(평)05-299336호 특허문헌 3: 일본 공개특허공보 제(평)07-140674호 특허문헌 4: 일본 공개특허공보 제2008-146099호
그러나, 이들 인용문헌에 기재된 방법은, 패턴 붕괴에 대해서는 개량 효과가 인정을 받지만, 더욱 개량이 요망되며, 또한 현상 처리 후의 레지스트 표면에서의 표면 결함이나 표면 거칠기에 대해서도 개량의 여지가 있었다. 이 때문에, 패턴 붕괴, 표면 결함, 표면 거칠기의 문제를 동시에 해결할 수 있는 리소그래피용 린스액 또는 레지스트 기판의 처리 방법이 요망되고 있었다.
본 발명에 의한 리소그래피용 린스액은, 적어도 설폰산과, 알킬렌옥시기를 갖는 비이온성 계면활성제와, 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 의한 패턴 형성 방법은,
(1) 기판에 감광성 수지 조성물을 도포하여 감광성 수지 조성물 층을 형성시키고,
(2) 상기 감광성 수지 조성물 층을 노광하고,
(3) 노광이 완료된 감광성 수지 조성물 층을 현상액에 의해 현상하고,
(4) 상기 리소그래피용 린스액으로 처리하는 것
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의한 리소그래피용 린스액을 사용함으로써, 형성되는 레지스트 패턴의 결함 제거, 패턴 붕괴의 방지, 및 표면의 거칠기 개량이 달성된다. 특히, 액침 레지스트에서, 접촉각을 크게 하기 위해 함불소 중합체가 사용되는 경우가 많으며, 이 경우에는 보다 결함이 발생하기 쉬운 것으로 알려져 있지만, 본 발명에 의한 린스액을 사용함으로써 효과적으로 결함의 제거를 실현할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 포토리소그래피용 린스액은 적어도 설폰산과, 알킬렌옥시기를 갖는 비이온성 계면활성제와, 물을 함유하여 이루어진다.
본 발명에서 사용되는 설폰산은, 설포기(-SO3H)를 갖는 화합물이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 하기 화학식 I로 표시되는 것이다.
화학식 I
R-SO3H
상기 화학식 I에서,
R은 탄소수 1 내지 30의 탄화수소기이며, 탄화수소기는 쇄상, 환상의 어느 것이라도 좋고, 분기쇄(分岐鎖)를 갖고 있어도 좋고, 2중 결합 또는 3중 결합을 포함하고 있어도 좋고, 또는 탄화수소기에 함유되는 수소의 일부 또는 전부가, 할로겐 원자, 하이드록실기, 설포기, 카복실기 등에 의해 치환되어 있어도 좋다.
이러한 설폰산 중에, 바람직한 것의 일례는 하기 화학식 Ia로 표시된다.
화학식 Ia
CnH2n+1-xFxSO3H
상기 화학식 Ia에서,
n은 1 내지 30, 바람직하게는 8 내지 20, 보다 바람직하게는 10 내지 18이고, 0 ≤ x ≤ 2n+1이다.
이러한 설폰산 중에, 특히 바람직한 것의 구체예로서는, t-부틸설폰산, n-헥실설폰산, 사이클로헥실설폰산, 옥틸설폰산, 노닐설폰산, 데실설폰산, 도데실설폰산, 테트라데실설폰산, 헥사데실설폰산, 에이코사닐설폰산, 1-하이드록시-n-옥틸설폰산, 1,8-디설포옥탄, 퍼플루오로데실설폰산 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히 옥틸설폰산, 데실설폰산, 도데실설폰산, 및 헥사데실설폰산이 수용성이나 입수 용이성의 관점에서 바람직하다.
또한, 다른 바람직한 설폰산의 예는 하기 화학식 Ib로 표시되는 것이다.
화학식 Ib
(R1)y-Ph-SO3H
상기 화학식 Ib에서,
Ph는 페닐렌기이며, R1은 수소, 상기 탄화수소기이며, 탄화수소기는 쇄상, 환상의 어느 것이라도 좋고, 분기쇄를 갖고 있어도 좋고, 2중 결합 또는 3중 결합을 포함하고 있어도 좋고, 또한 탄화수소기에 함유되는 수소의 일부 또는 전부가, 할로겐 원자, 하이드록실기, 설포기, 카복실기 등에 의해 치환되어 있어도 좋고, 0≤y≤5이며, y가 2 이상인 경우에는 각각의 R1은 동일하거나 상이해도 좋고, 식 중에 포함되는 탄소 원자의 총 수는 30 이하, 바람직하게는 20 이하이다.
이러한 설폰산 중에 특히 바람직한 것의 구체예로서는, 톨루엔설폰산, 쿠멘설폰산, p-옥틸벤젠설폰산, p-데실벤젠설폰산, p-도데실벤젠설폰산, 4-옥틸 2-페녹시벤젠설폰산, 설포살리실산, 4-카복시벤젠설폰산 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히 p-옥틸벤젠설폰산, p-데실벤젠설폰산이 수용성이나 입수 용이성의 관점에서 바람직하다.
또 다른 바람직한 설폰산의 예는 하기 화학식 Ic로 표시되는 것이다.
화학식 Ic
Figure 112018057896648-pat00001
상기 화학식 Ic에서,
R2는 수소, 탄화수소기이며, 상기 탄화수소기는 쇄상, 환상의 어느 것이라도 좋고, 분기쇄를 갖고 있어도 좋고, 2중 결합 또는 3중 결합을 포함하고 있어도 좋고, 또한 탄화수소기에 함유되는 수소의 일부 또는 전부가, 할로겐 원자, 하이드록실기, 설포기, 카복실기 등에 의해 치환되어 있어도 좋고, 또한 R2는 환을 구성하는 탄소에 2중 결합을 개재하여 결합된 산소라도 좋고, 0 ≤ z ≤ 5이며, z가 2 이상인 경우에는 각각의 R2는 동일하거나 상이해도 좋고, 식 중에 포함되는 탄소 원자의 총 수는 30 이하, 바람직하게는 20 이하이다.
이러한 설폰산 중에 특히 바람직한 것의 구체예로서는, 캄포설폰산, 3-브루모-10-캄포설폰산, 1-설포에틸노르보르난 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히 캄포설폰산이 수용성이나 입수 용이성의 관점에서 바람직하다.
이들 설폰산은 필요에 따라 2종류 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 특히 상기 화학식 Ia에 의해 표시되는 설폰산을 2종류 이상 조합하여 사용하면, 본 발명에 의한 효과가 강하게 발현되는 경향이 있어서 바람직하다.
본 발명에 의한 린스액에 있어서, 설폰산의 함유율은, 일반적으로 높은 쪽이 표면 결함이 감소되고 또한 거칠기가 개량되는 경향이 있어서 바람직하다. 한편, 패턴 붕괴는 설폰산 함유율이 높아지면 개량 효과가 커지지만, 과도하게 높으면 반대로 열화되는 경우가 있다. 실제로는 이들의 밸런스나 린스액의 성분에 의해 적당한 함유율이 선택된다. 구체적으로는, 설폰산 함유율은, 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여, 0.005 내지 10%인 것이 바람직하고, 0.01 내지 5%인 것이 보다 바람직하고, 0.02 내지 2%인 것이 가장 바람직하다. 또한, 어느 경우라도, 물, 설폰산, 및 계면활성제가 주성분이 되고, 그 이외의 성분 함유율은, 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 1% 이하인 것이 바람직하고, 0.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 의한 리소그래피용 린스액은 비이온성 계면활성제를 추가로 포함한다. 본 발명에서, 계면활성제는 린스액에 의한 레지스트 표면의 젖음성을 개량하고, 또한 표면 장력을 조정함으로써 패턴 붕괴나 패턴 박리를 개량하는 작용을 갖는다.
비이온 계면활성제로서는, 알킬렌옥시기를 갖는 비이온성 계면활성제가 특히 바람직하다. 이 계면활성제는 구체적으로는 하기 화학식 IIa 또는 IIb로 표시할 수 있다.
화학식 IIa
Figure 112018057896648-pat00002
화학식 IIb
Figure 112018057896648-pat00003
상기 화화식 IIa 및 IIb에서,
EO는 -(CH2)2-O-이고, PO는 -CH2-CH(CH3)-O-이고, EO 및 PO의 단위는 각각 랜덤하게 결합하고 있어도, 블록을 형성하고 있어도 좋다.
L은 탄소수 1 내지 30의 탄화수소 쇄이며, 불포화 결합을 포함하고 있어도 좋다. L은 바람직하게는 하기 화학식으로 표시되는 탄화수소 쇄이다.
Figure 112018057896648-pat00004
상기 화학식에서, 각각의 Ra는 독립적으로 탄소수 3 내지 10의 직쇄 또는 분기상의, 포화 또는 불포화의 탄화수소 쇄이며, 상기 탄화수소 쇄를 구성하는 탄소 원자에 결합된 수소가 -OH에 의해 치환되어 있어도 좋다.
또한, Rb는 탄소수 5 내지 30의 포화 또는 불포화의 탄화수소 쇄이다.
또한, r1 내지 r3 및 s1 내지 s3은 EO 또는 PO의 반복수를 나타내고, 20 이하의 정수이다. 여기서, r1 + s1 및 r2 + s2는 각각 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, 단, r1 + s1 + r2 + s2는 1 이상의 정수이다. r1 + s1 및 r2 + s2는 바람직하게는 2 내지 10의 정수이다. 또한, r3 + s3은 1 내지 20의 정수, 바람직하게는 2 내지 10의 정수이다.
이러한 비이온성 계면활성제의 예로서는, 하이드록시기, 특히 2개의 하이드록시기를 갖는 화합물과 폴리알킬렌글리콜의 축합물이 바람직하다. 하이드록시기를 갖는 화합물로서는, 포화 또는 불포화의 지방족 알코올, 지방족 디올이 바람직하고, 특히 불포화 지방족 디올인 것이 바람직하다. 특히 바람직한 것은, 아세틸렌 결합을 갖는 불포화 지방족 디올, 구체적으로는 아세틸렌글리콜이다. 이러한 아세틸렌글리콜을 원료로 한 계면활성제를 본 발명에 의한 린스액에 사용하면, 패턴 붕괴가 일어나기 어렵고, 또한 멜팅도 감소되므로 바람직하다.
이러한 계면활성제 중, 비교적 친수성이 높은 EO기 또는 PO기가 적고 L 또는 Rb에 포함되는 탄소수가 많고 소수성이 높은 것이, 멜팅 방지 효과가 강한 경향이 있으므로 바람직하다.
이들 계면활성제는, 필요에 따라 2종류 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.
본 발명에 의한 린스액에서, 계면활성제의 함유율은, 패턴 붕괴나 패턴 박리 등의 개량 효과를 최대로 발휘시키기 위해, 리소그래피용 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.005 내지 10%로 되는 것이 바람직하고, 0.01 내지 5%인 것이 보다 바람직하고, 0.02 내지 2%인 것이 가장 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 리소그래피용 린스액은, 상기한 설폰산 및 계면활성제 이외에 용매로서 물을 함유하여 이루어진다. 사용되는 물로서는 증류, 이온 교환 처리, 필터 처리, 각종 흡착 처리 등에 의해, 유기 불순물, 금속 이온 등이 제거된 것, 특히 순수가 바람직하다.
본 발명에 의한 리소그래피용 린스액은 필요에 따라 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 첨가제로서는, 예를 들면, 산, 염기, 또는 유기 용제 등을 들 수 있다.
산 또는 염기는, 처리액의 pH를 조정하거나, 각 성분의 용해성을 개량하기 위해 사용된다. 사용되는 산 또는 염기는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 임의로 선택할 수 있지만, 예를 들면 카복실산, 아민류, 암모늄염을 들 수 있다. 이들에는, 지방산, 방향족 카복실산, 제1급 아민, 제2급 아민, 제3급 아민, 암모늄 화합물류가 포함되며, 이들은 임의의 치환기에 의해 치환되어 있어도 좋다. 보다 구체적으로는, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 벤조산, 프탈산, 살리실산, 락트산, 말산, 시트르산, 옥살산, 말론산, 석신산, 푸말산, 말레산, 아코니트산, 글루타르산, 아디프산, 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 트리이소프로판올아민, 테트라메틸암모늄 등을 들 수 있다.
또한, 물 이외의 유기 용매를 공용매로서 사용할 수도 있다. 유기 용제는 린스액의 표면 장력을 조정하는 작용을 갖고, 또한 레지스트 표면에 대한 젖음성을 개량할 수 있는 경우가 있다. 이러한 경우에 사용할 수 있는 유기 용매는 물에 가용인 유기 용매로부터 선택된다. 구체적으로는, 메틸알코올, 에틸에탄올, 이소프로필알코올, 및 t-부틸알코올 등의 알코올류, 에틸렌글리콜 및 디에틸렌글리콜 등의 글리콜류, 아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤류, 아세트산메틸, 아세트산에틸, 락트산에틸 등의 에스테르류, 디메틸포름아미드, 디메틸설폭시드, 메틸셀로솔브, 셀로솔브, 부틸셀로솔브, 셀로솔브아세테이트, 알킬셀로솔브아세테이트, 프로필렌글리콜알킬에테르, 프로필렌글리콜알킬에테르아세테이트, 부틸카르비톨, 카르비톨아세테이트, 테트라하이드로푸란 등의 용매를 들 수 있다.
그러나, 이들 유기 용매는 패턴을 구성하는 레지스트를 용해하거나 변성시키는 경우가 있기 때문에, 사용할 경우에는 소량으로 한정된다. 구체적으로는, 유기 용매의 함유량은, 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 통상 50% 이하, 바람직하게는 5% 이하, 보다 바람직하게는 0.1% 이하이다. 단, 레지스트의 용해 또는 변성을 방지하는 목적을 위해서는 유기 용매는 전혀 사용하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 리소그래피용 린스액은, 살균제, 항균제, 방부제 및/또는 방미제(防黴劑)를 추가로 포함해도 좋다. 이들 약제는 박테리아 또는 균류가 경시(經時)한 린스액 중에서 번식하는 것을 막기 위해 사용된다. 이들 예로는, 페녹시에탄올, 이소티아졸론 등의 알코올이 포함된다. 니혼소다 가부시키가이샤에서 시판되고 있는 베스트 사이드(상품명)는 특히 유효한 방부제, 방미제 및 살균제이다. 전형적으로는, 이들 약제는 리소그래피용 린스액의 성능에는 영향을 주지 않는 것이며, 통상 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 1% 이하, 바람직하게는 0.1% 이하, 또한 바람직하게는 0.001% 이하의 함유량으로 된다.
다음에, 본 발명에 의한 패턴의 형성 방법에 대해서 설명한다. 본 발명의 패턴 형성 방법에 있어서의 리소그래피 공정은, 공지된 포지티브형의 감광성 수지 조성물, 네거티브형의 감광성 수지 조성물을 사용하여 레지스트 패턴을 형성하는 방법으로서 알려진 어느 것이라도 좋다. 본 발명의 리소그래피용 린스액이 적용되는 대표적인 패턴 형성 방법을 들면, 다음과 같은 방법을 들 수 있다.
우선, 필요에 따라 전처리된, 실리콘 기판, 유리 기판 등 기판의 표면에, 감광성 수지 조성물을 스핀 코트법 등 종래부터 공지된 도포법에 의해 도포하여, 감광성 수지 조성물 층을 형성시킨다. 감광성 수지 조성물의 도포에 앞서, 감광성 수지 조성물 층의 하층에 반사 방지막이 도포 형성되어도 좋다. 이러한 반사 방지막에 의해 단면 형상 및 노광 마진을 개선할 수 있다. 이러한 반사 방지막은 감광성 수지 조성물 층의 형성 후, 그 상층에 설치할 수도 있다.
본 발명의 패턴 형성 방법에는, 종래 알려져 있는 어떠한 감광성 수지 조성물을 사용할 수도 있다. 본 발명의 패턴 형성 방법에 사용할 수 있는 감광성 수지 조성물의 대표적인 것을 예시하면, 포지티브형에서는, 예를 들면, 퀴논디아지드계 감광제와 알칼리 가용성 수지로 이루어진 것, 화학증폭형 감광성 수지 조성물 등을 들 수 있고, 네거티브형에서는, 예를 들면, 폴리신남산비닐 등의 감광성기를 갖는 고분자 화합물을 함유하는 것, 방향족 아지드 화합물을 함유하는 것 또는 환화 고무와 비스아지드 화합물로 이루어진 아지드 화합물을 함유하는 것, 디아조 수지를 함유하는 것, 부가 중합성 불포화 화합물을 함유하는 광중합성 조성물, 화학증폭형 네거티브형 감광성 수지 조성물 등을 들 수 있다.
여기서 퀴논디아지드계 감광제와 알칼리 가용성 수지로 이루어진 포지티브형 감광성 수지 조성물에서 사용되는 퀴논디아지드계 감광제의 예로서는, 1,2-벤조퀴논디아지드-4-설폰산, 1,2-나프토퀴논디아지드-4-설폰산, 1,2-나프토퀴논디아지드-5-설폰산, 이들 설폰산의 에스테르 또는 아미드 등을 들 수 있고, 또한 알칼리 가용성 수지의 예로서는, 노볼락 수지, 폴리비닐페놀, 폴리비닐알코올, 아크릴산 또는 메타크릴산의 공중합체 등을 들 수 있다. 노볼락 수지로서는, 페놀, o-크레졸, m-크레졸, p-크레졸, 크실레놀 등의 페놀류의 1종 또는 2종 이상과, 포름알데히드, 파라포름알데히드 등의 알데히드류의 1종 이상으로 제조되는 것을 바람직한 것으로서 들 수 있다.
또한, 화학증폭형의 감광성 수지 조성물은, 포지티브형 및 네거티브형의 어느 것이라도 본 발명의 패턴 형성 방법에 사용할 수 있다. 화학증폭형 레지스트는 방사선 조사에 의해 산을 발생시키고, 이 산의 촉매 작용에 의한 화학 변화에 의해 방사선 조사 부분의 현상액에 대한 용해성을 변화시켜서 패턴을 형성하는 것으로, 예를 들면, 방사선 조사에 의해 산을 발생시키는 산 발생 화합물과, 산의 존재하에 분해하여 페놀성 하이드록실기 또는 카복실기와 같은 알칼리 가용성기가 생성되는 산 감응성기 함유 수지로 이루어진 것, 알칼리 가용 수지와 가교제, 산 발생제로 이루어진 것을 들 수 있다.
기판 위에 형성된 감광성 수지 조성물 층은, 예를 들면 핫 플레이트 위에서 프리베이크되어, 감광성 수지 조성물 중의 용제가 제거되고, 두께가 통상 0.05 내지 2.5㎛ 정도의 포토레지스트막으로 된다. 프리베이크 온도는, 사용하는 용제 또는 감광성 수지 조성물에 따라 상이하지만, 통상 20 내지 200℃, 바람직하게는 50 내지 150℃ 정도의 온도로 실시된다.
포토레지스트막은 그 후, 고압 수은등, 메탈할라이드 램프, 초고압 수은 램프, KrF 엑시머 레이저, ArF 엑시머 레이저, 연 X선 조사 장치, 전자선 묘화 장치 등 공지된 조사 장치를 사용하고, 필요에 따라 마스크를 개재하여 노광이 실시된다.
노광 후, 필요에 따라 베이킹을 실시한 후, 예를 들면 패들 현상 등의 방법으로 현상이 실시되어, 레지스트 패턴이 형성된다. 레지스트의 현상은 통상 알칼리성 현상액을 사용하여 실시된다. 알칼리성 현상액으로서는, 예를 들면 수산화 나트륨, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드(TMAH) 등의 수용액 또는 수성 용액이 사용된다. 현상 처리 후, 린스액을 사용하여 레지스트 패턴의 린스(세정)가 실시된다. 또한, 형성된 레지스트 패턴은 에칭, 도금, 이온 확산, 염색 처리 등의 레지스트로서 사용되며, 그 후 필요에 따라 박리된다.
본 발명에 의한 패턴 형성 방법은, 특히, 미세하고 종횡비가 높은 레지스트 패턴에 대하여도 유효하게 패턴 붕괴 및 멜팅을 개선할 수 있는 것이다. 여기서, 종횡비란 레지스트 패턴의 폭에 대한 높이의 비이다. 따라서, 본 발명에 의한 패턴 형성 방법은, 이러한 미세한 레지스트 패턴이 형성되는 리소그래피 공정, 즉, 노광 광원으로서, KrF 엑시머 레이저나 ArF 엑시머 레이저, 또한 X선, 전자선 등을 사용하는, 250nm 이하의 노광 파장으로의 노광을 포함하는 리소그래피 공정을 조합하는 것이 바람직하다. 또한, 레지스트 패턴의 패턴 치수로 보면, 라인·앤드·스페이스·패턴에 있어서의 선 폭, 또는 콘택트 홀·패턴에 있어서의 구멍 직경이 300nm 이하, 특히 50nm 이하의 레지스트 패턴을 형성하는 리소그래피 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 패턴 형성 방법에서는, 레지스트 패턴을 현상 후, 상기 리소그래피용 린스액으로 처리한다. 리소그래피용 린스액을 레지스트 기판에 접촉시키는 시간, 즉 처리 시간은 특별히 제한되지 않지만, 일반적으로 처리 시간을 1초 이상으로 함으로써 본 발명의 효과가 발현된다. 린스액을 레지스트에 접촉시키는 방법도 임의적이며, 예를 들면 레지스트 기판을 린스액에 침지하거나, 회전하고 있는 레지스트 기판 표면에 린스액을 적하, 분무 또는 분사에 의해 공급함으로써 실시할 수 있다.
본 발명에 의한 패턴 형성 방법에서는, 현상 후, 본 발명에 의한 특정한 린스액에 의해 처리하기 전에, 및/또는 본 발명에 의한 린스액에 의한 처리를 실시한 후에, 순수에 의해 세정 처리를 실시할 수 있다. 전자의 세정 처리는, 레지스트 패턴에 부착된 현상액을 세정하기 위해 실시되는 것이며, 후자의 세정 처리는 린스액을 세정하기 위해 실시되는 것이다. 순수에 의한 세정 처리의 방법은 임의의 방법에 의해 실시할 수 있고, 예를 들면 레지스트 기판을 순수에 침지하거나, 회전하고 있는 레지스트 기판 표면에 순수를 적하, 분무 또는 분사에 의해 공급함으로써 실시할 수 있다. 이들 순수에 의한 세정 처리는 어느 한쪽만, 또는 양쪽을 실시할 수 있다. 현상 처리 후에는 현상 후에 잔존하는 레지스트 잔사나 현상액을 세정 처리에 의해 제거함으로써, 본 발명의 효과를 보다 강하게 발현시킬 수 있으므로 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 후자의 세정 처리는 린스액의 제거를 위해 실시할 수 있다. 특히 1%를 초과하는 농도의 린스액을 사용한 경우에는, 린스액으로 처리한 후에 순수에 의해 세정 처리함으로써, 멜팅 개량 효과가 강해져, 본 발명의 효과를 최대한 발휘할 수 있는 경우가 있다.
본 발명을 모든 예를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 또한, 본 발명의 양태는 이들 예에 한정되는 것이 아니다.
비교예 101
실리콘 기판 위에 ArF 노광에 대응한 저면 반사 방지막용 조성물(AZ 일렉트로닉 마테리알즈 가부시키가이샤 제조 ArF1C5D(상품명))을 도포하고, 200℃에서 60초 동안 가열함으로써, 37nm의 막 두께로 반사 방지막을 제조하였다. 그 위에 ArF 레지스트 조성물(AZ 일렉트로닉 마테리알즈 가부시키가이샤 제조 AX2110P(상품명))을 막 두께 90nm이 되도록 도포하고, 100℃/60초의 조건으로 베이크 처리하여 레지스트막을 갖는 기판을 준비하였다. 수득된 기판을 ArF 노광 장치(니콘 가부시키가이샤 제조 NSR-S306C(상품명))로 노광하여, 110℃/60초의 조건으로 가열한 후, 테트라메틸암모늄 하이드록사이드 수용액을 사용하여 현상하고, 계속해서 순수로 린스하여, 라인 패턴을 갖는 현상이 완료된 레지스트 기판을 제작하였다. 또한, 노광시에 노광 조건을 변화시킴으로써 라인 폭을 변화시켜, 종횡비가 상이한 복수의 패턴을 형성시켰다.
형성된 패턴을 CD-SEM(S-9200형(상품명), 히타치세이사쿠쇼 가부시키가이샤 제조)에 의해 관찰하여, 패턴 붕괴가 일어나지 않은 최대의 종횡비가 몇인지를 평가하였다. 비교예 101에서, 패턴 붕괴가 일어나지 않는 종횡비는 3.0이었다.
또한, 수득된 패턴을 결함 검사 장치 KLA2115(KLA-Tencor사 제조)에 의해 관찰하여, 선 폭 거칠기(이하, LWR이라고 함) 및 패턴 표면에 재부착한 이물질을 평가하였다. 비교예 101에서 LWR은 5.5nm이며 표면 이물질 수는 10000 초과였다.
다음에, 본 발명에 의한 린스액을 조제하고, 이것을 사용했을 경우에 대해 마찬가지로 성능을 평가하였다. 이때, 사용한 계면활성제는 하기 화학식 S-1, S-2, 또는 S-3으로 표시되는 것을 사용하였다.
화학식 S-1
Figure 112018057896648-pat00005
화학식 S-2
Figure 112018057896648-pat00006
화학식 S-3
Figure 112018057896648-pat00007
상기 화학식 S-1, S-2 및 S-3에서,
Ra1은 메틸기이고, Ra2는 이소부틸기이고, r11, s11, r21 및 s21은 r11 + r21 = 5, s11 + s21 = 2를 각각 충족시키는 정수이고,
Rb2는 C18H37, r12 = 15이고,
Rb3은 C18H37, r13 = 10, s13 = 5이다.
실시예 101 내지 107
비교예 101에 대해, 현상 후에 각종 설폰산을 함유하는 린스액으로 처리하는 공정을 추가하여, 평가하였다. 린스 처리는, 현상 후의 레지스트 패턴을, 표 1에 기재한 설폰산을 함유하는 린스액을 패턴 표면에 적하하고, 1000rpm/20초, 1500rpm/10초의 조건으로 스핀 건조함으로써 실시하였다. 수득된 결과는 표 1에 기재한 바와 같다.
Figure 112018057896648-pat00008
상기 표에서, 알킬설폰산 혼합물은 탄소수 12 내지 18의 포화 지방족 설폰산의 혼합물이고, 알킬벤젠설폰산 혼합물은 탄소수 12 내지 18의 알킬벤젠설폰산의 혼합물이다.
상기 표에서 패턴 붕괴의 평가 기준은 다음과 같다.
A: 패턴 붕괴가 일어나는 종횡비가 5.0을 초과하고, 패턴 붕괴 개량 효과가 현저함.
B: 패턴 붕괴가 일어나는 종횡비가 4.0 이상 5.0 이하이며, 패턴 붕괴 개량 효과가 확인됨.
C: 패턴 붕괴가 일어나는 종횡비가 4.0 미만이며, 패턴 붕괴 개량 효과가 거의 없거나 전혀 확인되지 않음.
또한, 상기 표에서 표면 결함의 평가 기준은 다음과 같다.
A: 이물 부착 수가 250 이하.
B: 이물 부착 수가 250 내지 1,000.
C: 이물 부착 수가 1,000 초과.
비교예 201 및 실시예 201 내지 208, 211 내지 216
설폰산으로서 옥틸설폰산, 계면활성제로서 S-1을 함유하는 린스액을 사용하여, 비교예 101과 같은 평가를 실시하였다. 이때, 옥틸설폰산 및 S-1의 농도를 표 2에 기재한 바와 같이 변화시켰다. 수득된 결과는 표 2에 기재한 바와 같았다.
Figure 112018057896648-pat00009
상기 표에서, 패턴 붕괴 및 표면 결함의 평가 기준은 상기한 바와 같다.
비교예 301 내지 302 및 실시예 301 내지 305
설폰산 및/또는 계면활성제를 함유하는 린스액을 사용하여, 비교예 101과 같은 평가를 실시하였다. 이때 계면활성제로서는 화학식 S-1, S-2, 또는 S-3로 표시된 것을 사용하였다. 수득된 결과는 표 3에 기재한 바와 같았다.
Figure 112018057896648-pat00010
비교예 401 내지 402 및 실시예 401
레지스트 조성물로서, KrF용 레지스트 조성물을 사용한 것 이외에는, 비교예 101과 같이 하여 린스액으로서 순수를 사용하여 평가하였다(비교예 401). 레지스트 층을 도포한 기판은 다음과 같이 하여 작성하였다. 실리콘 기판 위에 KrF 노광에 대응한 저면 반사 방지막용 조성물(AZ 일렉트로닉 마테리알즈 가부시키가이샤 제조 KrF-17B (상품명))을 사용하여 80nm의 막 두께로 반사 방지막을 제조하였다. 그 위에 KrF 레지스트 조성물(AZ 일렉트로닉 마테리알즈 가부시키가이샤 제조 DX6270(상품명))을 막 두께 620nm이 되도록 도포하고, 130℃/90초의 조건으로 베이크 처리하여 레지스트막을 갖는 기판을 준비하였다. 수득된 기판을 KrF 노광 장치(캐논 가부시키가이샤 제조 FPA-EX5(상품명))로 노광하고 현상하여, 라인 패턴을 갖는 현상이 완료된 레지스트 기판을 제작하였다.
또한, 린스액을, 계면활성제만을 함유하는 것(비교예 402), 계면활성제와 설폰산을 함유하는 것(실시예 401)에 대해서도 마찬가지로 평가를 실시하였다. 수득된 결과는 표 4에 기재한 바와 같았다.
비교예 501 내지 502 및 실시예 501
레지스트 조성물로서 ArF용 레지스트 조성물을 사용하고, 린스액으로서 순수를 사용하여 평가하였다(비교예 501). 구체적으로는, 비교예 101을 반복하였다.
또한, 린스액을 계면활성제만을 함유하는 것(비교예 502), 계면활성제와 설폰산을 함유하는 것(실시예 501)에 대해서도 마찬가지로 평가를 실시하였다. 수득된 결과는 표 4에 기재한 바와 같았다.
비교예 601 내지 602 및 실시예 601
레지스트 조성물로서, 침지 노광용 레지스트 조성물을 사용하고, 비교예 101과 같이 하여 린스액으로서 순수를 사용하여 평가하였다(비교예 601). 레지스트 층을 도포한 기판은 다음과 같이 하여 작성하였다.
실리콘 기판 위에 액침 노광에 대응한 저면 반사 방지막용 조성물(ARC29SR(상품명), Brewer Science사 제조)을 도포하고, 205℃로 60초 가열하여 95nm의 막 두께로 반사 방지막을 제조하였다. 그 위에 액침 노광용 레지스트 조성물(스미토모 가가쿠 가부시키가이샤 제조 AY-2666(상품명))을 도포하고, 105℃/90℃로 60초 가열하여, 막 두께 110nm의 레지스트막을 형성시켰다. 또한 그 위에 탑 코트용 조성물(JSR 가부시키가이샤 제조 NFC TCX-041(상품명))을 도포하고, 90℃로 60초간 가열하여 두께 90nm의 탑 코트 층을 형성시켜, 도포가 완료된 기판을 준비하였다.
수득된 기판을 액침 노광 장치(ASML 홀딩 NV사 제조 TWINSCAN XT 1900i(상품명))를 사용하여 노광하고, 현상액으로서 TMAH 수용액(2.38%)을 사용하여, CLEAN TRACK ACT12형 현상 장치(도쿄일렉트론 가부시키가이샤 제조)에 의해 현상하였다. 평가는 CD-SEM(CG4000형(상품명), 히타치세이사쿠쇼 가부시키가이샤 제조)에 의해 실시하였다.
또한, 린스액을, 계면활성제만을 함유하는 것(비교예 602), 계면활성제와 설폰산을 함유하는 것(실시예 601)에 대해서도 마찬가지로 평가를 실시하였다. 수득된 결과는 표 4에 기재한 바와 같았다.
Figure 112018057896648-pat00011

Claims (9)

  1. (1) 기판에 감광성 수지 조성물을 도포하여 감광성 수지 조성물 층을 형성시키는 단계,
    (2) 상기 감광성 수지 조성물 층을 노광하는 단계,
    (3) 노광이 완료된 기판을 현상액에 의해 현상하는 단계, 및
    (4) 리소그래피용 린스액으로 처리하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법으로서,
    상기 리소그래피용 린스액은 설폰산, 알킬렌옥시기를 갖는 비이온성 계면활성제, 및 물을 함유하며,
    상기 설폰산은 t-부틸설폰산, n-헥실설폰산, 사이클로헥실설폰산, 옥틸설폰산, 노닐설폰산, 도데실설폰산, 테트라데실설폰산, 헥사데실설폰산, 에이코사닐설폰산, 1-하이드록시-n-옥틸설폰산, 1,8-디설포옥탄, 퍼플루오로데실설폰산, 쿠멘설폰산, p-옥틸벤젠설폰산, p-데실벤젠설폰산, p-도데실벤젠설폰산, 4-옥틸 2-페녹시벤젠설폰산, 설포살리실산, 및 4-카복시벤젠설폰산으로 이루어진 그룹으로부터 1종류 이상 선택되고,
    상기 설폰산, 상기 계면활성제 및 물 이외의 성분의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 1% 이하이고,
    상기 계면활성제의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.01 내지 5%인, 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설폰산이 옥틸설폰산, 도데실설폰산, 테트라데실설폰산, 헥사데실설폰산, p-옥틸벤젠설폰산 및 p-도데실벤젠설폰산으로 이루어진 그룹으로부터 1종류 이상 선택되는, 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 계면활성제가, 하기 화학식 IIa 또는 IIb로 표시되는, 패턴 형성 방법.
    화학식 IIa
    Figure 112018067411169-pat00012

    화학식 IIb
    Figure 112018067411169-pat00013

    상기 화학식 IIa 및 IIb에서,
    EO는 -(CH2)2-O-이고, PO는 -CH2-CH(CH3)-O-이고, EO 및 PO의 단위는 각각 랜덤하게 결합하고 있어도, 블록을 형성하고 있어도 좋고,
    L은 탄소수 1 내지 30의 탄화수소 쇄이며, 불포화 결합을 포함하고 있어도 좋고,
    Rb는 탄소수 5 내지 30의 포화 또는 불포화의 탄화수소 쇄이고,
    r1 내지 r3 및 s1 내지 s3은 EO 또는 PO의 반복수를 나타내고, 20 이하의 정수이고, r1 + s1 및 r2 + s2는 각각 독립적으로 0 내지 20의 정수이고, 단, r1 + s1 + r2 + s2는 1 이상의 정수이고, r3 + s3은 1 내지 20의 정수이다.
  4. 제3항에 있어서, 상기 L이 하기 화학식으로 표시되는, 패턴 형성 방법.
    Figure 112018067411169-pat00014

    상기 화학식에서, 각각의 Ra는 독립적으로 탄소수 3 내지 10의 직쇄 또는 분기상의, 포화 또는 불포화의 탄화수소 쇄이며, 상기 탄화수소 쇄를 구성하는 탄소 원자에 결합된 수소가 -OH에 의해 치환되어 있어도 좋다.
  5. 제4항에 있어서, 상기 설폰산의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.005 내지 10%인, 패턴 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 설폰산의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.02 내지 2%이고,
    상기 계면활성제의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.02 내지 2%이고,
    상기 설폰산, 상기 계면활성제 및 물 이외의 성분의 함유율이 린스액의 전체 중량을 기준으로 하여 0.5% 이하인, 패턴 형성 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 패턴 형성 방법을 포함하는, 반도체 장치의 형성 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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