KR20180062140A - 중합체, 유기막 조성물 및 패턴형성방법 - Google Patents

중합체, 유기막 조성물 및 패턴형성방법 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 1로 표현되는 중합체, 이를 포함하는 유기막 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00045

상기 화학식 1에서, Ar, X, Y, Z1, Z2, m 및 n의 정의는 명세서 내 기재한 바와 같다.

Description

중합체, 유기막 조성물 및 패턴형성방법{POLYMER, ORGANIC LAYER COMPOSITION, ORGANIC LAYER, AND METHOD OF FORMING PATTERNS}
신규한 중합체, 상기 중합체를 포함하는 유기막 조성물, 그리고 상기 유기막 조성물을 사용하는 패턴형성방법에 관한 것이다.
최근 일렉트로닉 디바이스의 소형화(miniaturization) 및 복잡화 (complexity)에 따른 고집적 설계는 더욱 진보된 소재와 관련 공정의 개발을 가속화하고 있으며, 이에 따라 기존 포토레지스트를 이용한 리소그래피 역시 새로운 패터닝 소재와 기법들을 필요로 하게 되었다.
패터닝 공정에서 포토레지스트의 미세 패턴을 붕괴현상 없이 충분한 깊이로 기판에 전사시키기 위하여 단단한 중간막인 일명 하드마스크 층(hardmask layer)이라고 불리는 유기막을 형성할 수 있다.
하드마스크 층은 선택적 식각 과정을 통하여 포토레지스트의 미세 패턴을 재료 층으로 전사해주는 중간막으로서 역할을 한다. 따라서 하드마스크 층은 다중 식각 과정 동안 견딜 수 있도록 내식각성의 특성이 필요하다. 또한, 하드마스크 층은 반사방지막으로서 사용 가능하려면 소정의 흡광도 특성이 요구된다.
한편, 근래 하드마스크 층은 화학기상증착 방법 대신 스핀 온 코팅(spin on coating) 방법으로 형성하는 것이 제안되었다. 스핀 온 코팅 방법은 용해성을 가지는 하드마스크 조성물을 사용할 수 있는데, 하드마스크 조성물의 용해성은 다중 패터닝 공정 등에서 요구되는 평탄화 특성 등에도 영향을 미친다.
일 구현예는 우수한 내식각성을 가지면서 동시에 평탄화 특성이 향상된 유기막을 형성할 수 있는 신규한 중합체를 제공한다.
다른 구현예는 상기 중합체를 포함하는 유기막 조성물을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 중합체를 포함하는 유기막 조성물을 사용한 패턴 형성 방법을 제공한다.
일 구현예에 따르면, 하기 화학식 1로 표현되는 중합체를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
Ar, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 0이고,
Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위이다:
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
A는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
B는 2가의 유기기이고,
*는 연결지점이다.
상기 화학식 1에서 m=n=1 또는 m=n=0을 만족할 수 있다.
상기 화학식 1 및 2에서 Ar, X, Y 및 A는 각각 독립적으로 하기 그룹 1에 나열된 치환 또는 비치환된 모이어티들 중 어느 하나일 수 있다.
[그룹 1]
Figure pat00003
상기 그룹 1에서,
M, M′및 M″는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, O, S, SO2, CRfRg, NRh, 또는 카르보닐이고, 여기서 Rf 내지 Rh는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
L1은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌옥사이드 함유기, 또는 이들의 조합이고,
r은 0 내지 10인 정수이고,
s는 3 내지 10인 정수이고,
k는 1 내지 3인 정수이다.
상기 중합체는 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표현될 수 있다.
[화학식 1-1]
Figure pat00004
[화학식 1-2]
Figure pat00005
상기 화학식 1-1 및 1-2에서,
Ar, A1, A2, B1, B2, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
p 및 q는 각각 독립적으로 2 내지 10 인 정수이고,
*는 연결지점이다.
상기 화학식 1-1에서 A1은 X와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기이고, A2는 Y와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기일 수 있다.
상기 화학식 2에서 A는 적어도 2 이상의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유할 수 있다.
상기 화학식 2에서 B는 하기 화학식 Z1 내지 화학식 Z4 중 어느 하나로 표현될 수 있다.
[화학식 Z1]
Figure pat00006
[화학식 Z2]
Figure pat00007
[화학식 Z3]
Figure pat00008
[화학식 Z4]
Figure pat00009
상기 화학식 Z1 내지 Z4에서,
e 및 f는 각각 독립적으로 0 또는 1이고,
g는 1 내지 5인 정수이고,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 고리기이고,
*은 연결지점이다.
상기 중합체는 중량평균분자량이 500 내지 100,000일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 중합체, 그리고 용매를 포함하는 유기막 조성물을 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 기판 위에 재료 층을 형성하는 단계, 상기 재료 층 위에 상술한 중합체 및 용매를 포함하는 유기막 조성물을 적용하는 단계, 상기 유기막 조성물을 열처리하여 하드마스크 층을 형성하는 단계, 상기 하드마스크 층 위에 실리콘 함유 박막층을 형성하는 단계, 상기 실리콘 함유 박막층 위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 실리콘 함유 박막층 및 상기 하드마스크 층을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계, 그리고상기 재료 층의 노출된 부분을 식각하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.
상기 포토레지스트 층을 형성하는 단계 전에 바닥 반사 방지 층(BARC)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
우수한 내식각성을 가지면서 동시에 평탄화 특성이 향상된 유기막을 형성할 수 있는 신규한 중합체를 제공한다.
도 1은 일 구현예에 따른 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,
도 2 및 3은 평탄화 특성의 평가 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
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 수소원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl, 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나그의염, 술폰산기나그의염, 인산이나그의염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C2 내지 C20 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로 사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S, Se, Te 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 중합체를 설명한다.
일 구현예에 따른 중합체는 하기 화학식 1로 표현된다.
[화학식 1]
Figure pat00010
상기 화학식 1에서,
Ar, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 0이고,
Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위이다:
[화학식 2]
Figure pat00011
상기 화학식 2에서,
A는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
B는 2가의 유기기이고,
*는 연결지점이다.
상기 중합체는 코어(core)에 Ar로 표현되는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기, 그리고 Ar의 양 측에 메틸렌을 사이에 두고 에테르(-O-)가 연결된 구조를 가진다.
상기 중합체는 코어(즉, -O-CH2-Ar-CH2-O-)에 고리기를 포함함으로써 기본적으로 내식각성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 상기와 같은 에테르 연결 구조를 가짐으로써 유연성(flexibility)를 증가시킬 수 있다. 이러한 유연한 구조는 중합체의 자유 부피(free volume)을 증가시켜 용해도를 향상시킬 뿐만 아니라, 유리전이온도(Tg)를 낮춤으로써 베이크 공정시 리플로우(reflow)를 증가시킴으로써 갭-필 성능 및 평탄화 향상을 가져올 수 있다.
한편, 상기 중합체는 코어(즉, -O-CH2-Ar-CH2-O-)의 양 측에 상기 화학식 2로 표현되는 구조단위(Z1 및 Z2)를 포함한다.
상기 화학식 2로 표현되는 구조 단위는 A로 표현되는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기, 그리고 B로 표현되는 2가의 유기기를 포함한다.
상기 중합체는 양 말단에 상기 화학식 2로 표현되는 구조단위를 포함함으로서 중합체의 내식각성을 더욱 확보할 수 있다.
상기 화학식 1에서, Z1 및 Z2로 표현되는 말단의 구조단위는 서로 같아도 되고 달라도 된다. 상기 화학식 1에서, Z1 및 Z2로 표현되는 말단의 구조단위 개수는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 상기 화학식 2로 표현되는 구조 단위 (즉, 화학식 1에서 Z1 및 Z2)가 화학식 1에 연결되는 위치는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 상기 화학식 2에서 B 부분이 화학식 1에 연결될 수 있고, 상기 화학식 2에서 A 부분이 화학식 1에 연결될 수도 있다.
예를 들어, 상기 화학식 1 및 2에서 Ar, X, Y 및 A는 각각 독립적으로 하기 그룹 1에 나열된 치환 또는 비치환된 모이어티들 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 1]
Figure pat00012
상기 그룹 1에서,
M, M′및 M″는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, O, S, SO2, CRfRg, NRh, 또는 카르보닐이고, 여기서 Rf 내지 Rh는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
L1은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌옥사이드 함유기, 또는 이들의 조합이고,
r은 0 내지 10인 정수이고,
s는 3 내지 10인 정수이고,
k는 1 내지 3인 정수이다.
상기 그룹 1에 나열된 모이어티들이 연결되는 지점은 특별히 한정되지 않으며, 이들 모이어티들은 비치환된 형태일 수도 있고, 예컨대 히드록시기, 할로겐 기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로알킬기, 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기에 의해 치환된 형태일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 2에서 A는 적어도 2 이상의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유할 수 있다. 이들 2 이상의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리는 예컨대 융합된 고리일 수 있다.
예를 들어, 상기 화학식 2에서 B는 하기 화학식 Z1 내지 화학식 Z4 중 어느 하나로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 Z1]
Figure pat00013
[화학식 Z2]
Figure pat00014
[화학식 Z3]
Figure pat00015
[화학식 Z4]
Figure pat00016
상기 화학식 Z1 내지 Z4에서,
e 및 f는 각각 독립적으로 0 또는 1이고,
g는 1 내지 5인 정수이고,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 고리기이고,
*은 연결지점이다.
상술한 바와 같이, 상기 중합체는 코어(즉, -O-CH2-Ar-CH2-O-)의 양 측에 상기 화학식 2로 표현되는 구조단위(Z1 및 Z2)를 포함하는데, 상기 코어와 상기 양 측의 구조단위(Z1 및 Z2)는 X 및 Y 로 표현되는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기를 사이에 두고 연결될 수 있다. 이 경우 상기 화학식 1에서 m 및 n은 모두 1이 된다. 그러나, 상기 화학식 2에서 m 및 n은 모두 0일 수도 있다.
예를 들어, 상기 중합체는 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1-1]
Figure pat00017
[화학식 1-2]
Figure pat00018
상기 화학식 1-1 및 1-2에서,
Ar, A1, A2, B1, B2, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
p 및 q는 각각 독립적으로 2 내지 10 인 정수이고,
*는 연결지점이다.
예를 들어, 상기 화학식 1-1에서 A1은 X와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기이고, A2는 Y와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기일 수 있다.
상술한 중합체는 코어(즉, -O-CH2-Ar-CH2-O-)에 에테르 연결 구조를 가짐으로써 기본적으로 유연성을 확보할 수 있게 되고, 그 구조 내 상대적으로 적은 수의 히드록시기(OH)를 가짐에 따라 분자 내 수소 결합 정도가 약화되어 레진 간의 상호작용을 줄이고 평탄화 성능을 강화시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 중합체는 약 500 내지 100,000, 약 500 내지 50,000, 또는 약 500 내지 20,000의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 상기 범위의 중량평균분자량을 가짐으로써 상기 중합체를 포함하는 유기막 조성물(예컨대, 하드마스크 조성물)의 탄소 함량 및 용매에 대한 용해도를 조절하여 최적화할 수 있다.
상기 중합체를 유기막 재료로서 사용할 경우, 베이크 공정 중 핀-홀 및 보이드의 형성이나 두께 산포의 열화없이 균일한 박막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 하부 기판 (혹은 막)에 단차가 존재하는 경우 혹은 패턴을 형성하는 경우 우수한 갭-필 및 평탄화 특성을 제공할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상술한 중합체, 그리고 용매를 포함하는 유기막 조성물을 제공한다.
상기 용매는 상기 중합체에 대한 충분한 용해성 또는 분산성을 가지는 것이면 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 프로필렌글리콜, 프로필렌글리콜 디아세테이트, 메톡시 프로판디올, 디에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 부틸에테르, 트리(에틸렌글리콜)모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트, 사이클로헥사논, 에틸락테이트, 감마-부티로락톤, N,N-디메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, 메틸피롤리돈, 메틸피롤리디논, 아세틸아세톤및 에틸 3-에톡시프로피오네이트에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 중합체는 상기 유기막 조성물의 총 함량에 대하여 약 0.1 내지 50 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 중합체가 포함됨으로써 유기막의 두께, 표면 거칠기 및 평탄화 정도를 조절할 수 있다.
상기 유기막 조성물은 추가적으로 계면활성제, 가교제, 열산 발생제, 가소제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 예컨대 알킬벤젠설폰산 염, 알킬피리디늄 염, 폴리에틸렌글리콜, 제4 암모늄 염 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 가교제는 예컨대 멜라민계, 치환요소계, 또는 이들 폴리머계 등을 들 수 있다. 바람직하게는, 적어도 2개의 가교 형성 치환기를 갖는 가교제로, 예를 들면, 메톡시메틸화 글리코루릴, 부톡시메틸화 글리코루릴, 메톡시메틸화 멜라민, 부톡시메틸화 멜라민, 메톡시메틸화 벤조구아나민, 부톡시메틸화 벤조구아나민, 메톡시메틸화요소, 부톡시메틸화요소, 메톡시메틸화 티오요소, 또는 부톡시메틸화 티오요소 등의 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 상기 가교제로는 내열성이 높은 가교제를 사용할 수 있다. 내열성이 높은 가교제로는 분자 내에 방향족 고리(예를 들면 벤젠 고리, 나프탈렌 고리)을 가지는 가교 형성 치환기를 함유하는 화합물을 사용할 수 있다.
상기 열산발생제는 예컨대 p-톨루엔술폰산, 트리플루오로메탄술폰산, 피리디늄p-톨루엔술폰산, 살리실산, 술포살리실산, 구연산, 안식향산, 하이드록시안식향산, 나프탈렌카르본산 등의 산성 화합물 또는/및 2,4,4,6-테트라브로모시클로헥사디에논, 벤조인토실레이트, 2-니트로벤질토실레이트, 그 밖에 유기술폰산알킬에스테르 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 첨가제는 상기 유기막 조성물 100 중량부에 대하여 약 0.001 내지 40중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함함으로써 유기막 조성물의 광학적 특성을 변경시키지 않으면서 용해도를 향상시킬 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상술한 유기막 조성물을 사용하여 제조된 유기막을 제공한다. 상기 유기막은 상술한 유기막 조성물을 예컨대 기판 위에 코팅한 후 열처리 과정을 통해 경화된 형태일 수 있으며, 예컨대 하드마스크 층, 평탄화 막, 희생막, 충진제, 등 전자 디바이스에 사용되는 유기 박막을 포함할 수 있다.
이하 상술한 유기막 조성물을 사용하여 패턴을 형성하는 방법에 대하여 도 1를 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 패턴 형성 방법을 설명하는 흐름도이다.
일 구현예에 따른 패턴 형성 방법은 기판 위에 재료 층을 형성하는 단계(S1), 상기 재료 층 위에 상술한 중합체 및 용매를 포함하는 유기막 조성물을 적용하는 단계(S2), 상기 유기막 조성물을 열처리하여 하드마스크 층을 형성하는 단계(S3), 상기 하드마스크 층 위에 실리콘 함유 박막층을 형성하는 단계(S4), 상기 실리콘 함유 박막층　위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계(S5), 상기 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계(S6), 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 실리콘 함유 박막층 및 상기 하드마스크 층을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계(S7), 그리고 상기 재료 층의 노출된 부분을 식각하는 단계(S8)를 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 화학기상증착 방법으로 형성될 수 있다.
상기 유기막 조성물은 전술한 바와 같으며, 용액 형태로 제조되어 스핀-온　코팅방법으로 도포될 수 있다. 이 때 상기 유기막 조성물의 도포 두께는 특별히 한정되지 않으나, 예컨대 약 50 내지 10,000Å 두께로 도포될 수 있다.
상기 유기막 조성물을 열처리하는 단계는 예컨대 약 100 내지 500℃에서 약 10초　내지 1시간　동안 수행할 수 있다.
상기 실리콘 함유 박막층은 예컨대 SiCN, SiOC, SiON, SiOCN, SiC, SiO및/또는 SiN 등의 물질로 형성할 수 있다.
또한 상기 포토레지스트 층을 형성하는 단계 전에 상기 실리콘 함유 박막층 상부에　바닥 반사방지 층(bottom anti-reflective coating, BARC)을 더 형성할 수도 있다.
상기 포토레지스트 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 식각하는 단계는 식각 가스를 사용한 건식 식각으로 수행할 수 있으며, 식각 가스는 예컨대 CHF3, CF4, Cl2, BCl3　및 이들의 혼합 가스를 사용할 수 있다.
상기 식각된 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.
중합예 1
응축기(Condenser)를 장착한 500 mL 2구 둥근 바닥 플라스크(2-neck round-bottomed flask)에 9,9-Bis(4-hydroxyphenyl)fluorene 70.08 g(0.20 mol), paraformaldehyde 3.0 g(0.10 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate 1.7 g(0.01 mol), 그리고 Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA) 150 g을 투입한 후, 100 에서 3 시간 내지 5 시간 동안 교반하여 중합 반응을 수행하였다. 중량평균분자량이 500 내지 1,500 일 때 반응을 완료하였다. 중합 반응 완료 후, 반응물을 상온으로 서서히 냉각시킨 후, 상기 반응물을 에틸아세테이트 300 g으로 희석하고, 증류수 300 g를 이용하여 10회 씻어주었다. 유기층을 감압 농축한 후, tetrahydrofurane(THF) 200 g으로 다시 희석하여 핵산 1 kg에 적가하여 침전이 생기면 여과 및 건조하여 하기 화학식 1-1로 표시되는 중합체를 얻었다.
[화학식 1-1]
Figure pat00019
중합예 2
중합예 1과 동일한 방법으로 9,9-Bis(4-hydroxynaphthyl)fluorene 90.02 g(0.20 mol), bis-4-methoxymethyl benzene 16.6 g(0.10 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate 5.1 g(0.03 mol), 그리고 Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA) 200 g을 투입한 후, 80 에서 3 시간 내지 5 시간 동안 중합하여 화학식 1-2로 표시되는 중합체를 얻었다. 이 때 분자량은 1,500 내지 2,500 이었다.
[화학식 1-2]
Figure pat00020
중합예 3
중합예 1과 동일한 방법으로 1-Pyrenol 43.6 g(0.20 mol), bis-4-methoxymethyl benzene 16.6 g(0.10 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate 3.4 g(0.02 mol), 그리고 Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA) 130 g을 투입한 후, 65 에서 2 시간 내지 5 시간 동안 중합하여 화학식 1-3로 표시되는 중합체를 얻었다. 이 때 분자량은 1000 내지 2000 이었다.
[화학식 1-3]
Figure pat00021
중합예 4
중합예 1과 동일한 방법으로 1-naphthol 28.8 g(0.20 mol), 6-hydroxypyrene-1-carboxaldehyde 23.0 g(0.10 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate 8.5 g(0.05 mol), 그리고 Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA) 120 g을 투입한 후, 70 에서 3 시간 내지 5 시간 동안 교반하여 중합 반응을 수행한 결과, 하기 화학식 1-4로 표시되는 중합체를 얻었다. 이 때 분자량은 600 내지 1,000 이었다.
[화학식 1-4]
Figure pat00022
중합예 5
중합예 1에서 만들어진 중합체 10 g 과 중합예 2에서 만들어진 중합체 15 g을 응축기(condenser)가 장착된 500ml 플라스크에 넣고, DMF 100 g에 완전히 녹인 후, K2CO3 0.28 g (0.002 mol)을 넣고 30 분간 교반 한다. 여기에 4,4-oxybis(bromomethyl)benzene 0.71 g (0.002 mol)을 넣고 상온에서 1시간 동안 교반한다. 반응물을 증류수 100 g으로 희석하고, Ethyl acetate 100 g으로 3회 추출한 뒤, 증류수 (100g X 10회)로 씻어주었다. 유기층을 감압 농축한 후, tetrahydrofurane(THF) 200 g으로 다시 희석하여 핵산 1 kg에 적가하여 침전이 생기면 여과 및 건조하여 하기 화학식 1-5로 표시되는 중합체를 얻었다 (m 및 n은 3 내지 5).
[화학식 1-5]
Figure pat00023
중합예 6
중합예 5와 동일한 방법으로 중합예 3에서 만들어진 중합체 10 g 과 중합예 4에서 만들어진 중합체 8 g, α, ?-Dibromo-p-xylene 0.52 g을 넣고 하기 화학식 1-6로 표현되는 중합체를 얻었다 (m 및 n은 2 내지 3).
[화학식 1-6]
Figure pat00024
중합예 7
중합예 5와 동일한 방법으로 중합예 1에서 만들어진 중합체 20 g 과 4,4-oxybis(bromomethyl)benzene 3.5 g을 넣고 하기 화학식 1-7로 표현되는 중합체를 얻었다 (m 및 n은 3 내지 5).
[화학식 1-7]
Figure pat00025
비교중합예 1
중합예 1과 동일한 방법으로 9,9-Bis(4-hydroxynaphthyl)fluorene 45.01 g(0.10 mol), 4,4-oxybis(methoxymethyl)benzene 25.83 g (0.10 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate 1.7 g(0.01 mol), 그리고 Propylene glycol monomethyl ether acetate(PGMEA) 140 g을 투입한 후, 70 에서 5 시간 내지 10 시간 동안 중합하여 화학식 A로 표시되는 구조단위를 포함하는 중합체를 얻었다. 이 때 분자량은 1,500 내지 2,500 이었다.
[화학식 A]
Figure pat00026
하드마스크 조성물의 제조
실시예 1
중합예 5에서 얻어진 중합체를 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate, PGMEA)에 녹인 후 여과하여 하드마스크 조성물을 제조하였다.　목적하고자 하는 두께에 따라 상기 중합체의 중량은 상기 하드마스크 조성물의 총중량에 대하여 5.0 중량% 내지 15.0 중량%로 조절하였다.
실시예 2
중합예 6에서 얻은 중합체 대신 중합예 2에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하드마스크 조성물을 제조하였다.
실시예 3
중합예 7에서 얻은 중합체 대신 중합예 3에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하드마스크 조성물을 제조하였다.
비교예 1
중합예 1에서 얻은 중합체 대신 비교중합예 1에서 얻은 중합체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 하드마스크 조성물을 제조하였다.
평가 1: 평탄화 특성 평가 (단거리)
실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따른 하드마스크 조성물을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅한 다음, 베이크 공정을 거쳐 절단면을 V-SEM 을 이용하여 관찰하였다.
평탄화 특성은 도 2에서 (h1-h2)의 값으로 나타내어지는 단차를 측정하였다. 도 2를 참고하면, h1은 기판에서 패턴이 형성되지 않은 임의의 3개 지점에서 측정한 박막의 두께를 평균한 값을 의미하고, h2는 기판에서 패턴이 형성된 임의의 3개 지점에서 측정한 박막의 두께를 의미한다. 기판 패턴의 aspect ratio는 1:3이다. 도 2를 참고하면, 평탄화 특성은 h1 및 h2의 차이가 크지 않을수록 우수한 것이다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. h1-h2 < 50nm 일 때 "좋음", 그렇지 않은 경우에 "나쁨"으로 나타내었다.
평가 2: 평탄화 특성 평가 (장거리)
실시예 1 내지 3과 비교예 1에 따른 하드마스크 조성물을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅한 다음, 베이크 공정을 거쳐 절단면을 V-SEM 을 이용하여 관찰하였다. 평탄화 특성은 도 3에서 (h0-h4)의 값으로 나타내어지는 단차를 측정하였다. 도 3에서 P는 패턴이 형성되지 않은 영역, 즉 페리(Peri) 영역을 나타내고, C는 패턴이 형성된 영역, 즉 셀(Cell) 영역을 나타낸다.
도 3를 참고하면, h0은 기판에서 패턴이 형성되지 않은 부분에서의 박막의 두께, h4는 패턴이 시작된 부분에서 4번째 라인(Line) 위에서의 박막의 두께를 의미한다. 패턴의 너비는 10 마이크로미터이며 L/S 비율은 1/1이다. 도 3를 참고하면, 평탄화 특성은 h0 및 h4의 차이가 크기 않을수록 우수한 것이다.
그 결과를 표 1에 나타낸다. h0-h4 < 200nm 일 때 "좋음", 그렇지 않은 경우에 "나쁨"으로 나타내었다.
평가 3: 갭-필 특성 평가
패턴화된 웨이퍼에 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1에 따른 하드마스크 조성물을 도포하고 400에서 60 내지 120초간 베이크 후 V-SEM 장비를 이용하여 갭-필 특성을 관찰하였다. 패턴 단면을 전자 주사 현미경(SEM)으로 관찰하여 보이드(Void) 발생 유무를 판별하였다.
평가 4: 내에칭성 평가
실리콘 웨이퍼 위에 실시예 1 내지 3 에 따른 하드마스크 조성물, 그리고 비교예 1에 따른 하드마스크 조성물을 5,000Å 두께로 스핀-온 코팅하고 핫 플레이트 위에서 400로 2분간 열처리하여 박막을 형성한 후 상기 박막의 두께를 측정하였다. 이어서 상기 박막에 CHF3/CF4 혼합 가스를 사용하여 120초간 건식 식각 후 박막의 두께를 다시 측정하였다. 건식 식각 전후의 박막의 두께와 식각 시간으로부터 하기 계산식 1에 의해 식각율(bulk etch rate, BER)을 계산하였다. 식각율이 적을수록 내식각성이 우수하다.
[계산식 1]
식각율(Å/s) = (초기 박막 두께 - 식각 후 박막 두께)/식각 시간
평탄화 성능 (단거리) 평탄화 성능(장거리) 갭-필 평가 식각율(Å/s)
실시예 1 좋음 좋음 Void 없음 28
실시예 2 좋음 좋음 Void 없음 27
실시예 3 좋음 좋음 Void 없음 29
비교예 1 나쁨 나쁨 Void 없음 30
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 3 에 따른 하드마스크 조성물로부터 형성된박막은 단거리 및 장거리의 평탄화 성능이 우수한 반면 비교예 1 에 따른 하드마스크 조성물로부터 형성된 박막은 단거리 및 장거리의 평탄화 성능이 모두 좋지 않음을 알 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 3 에 따른 하드마스크 조성물로부터 형성된 박막은 보이드가 관찰되지 않아 갭-필 특성이 우수할 뿐만 아니라, 비교예 1 에 따른 하드마스크 조성물로부터 형성된 박막과 비교하여 나은 수준의 내식각성을 확보함을 확인할 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 (18)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 중합체:
    [화학식 1]
    Figure pat00027

    상기 화학식 1에서,
    Ar, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 0이고,
    Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위이다:
    [화학식 2]
    Figure pat00028

    상기 화학식 2에서,
    A는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    B는 2가의 유기기이고,
    *는 연결지점이다.
  2. 제1항에서,
    상기 화학식 1에서 m=n=1 또는 m=n=0을 만족하는 중합체.
  3. 제1항에서,
    상기 화학식 1 및 2에서 Ar, X, Y 및 A는 각각 독립적으로 하기 그룹 1에 나열된 치환 또는 비치환된 모이어티들 중 어느 하나인 중합체:
    [그룹 1]
    Figure pat00029

    상기 그룹 1에서,
    M, M′및 M″는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, O, S, SO2, CRfRg, NRh, 또는 카르보닐이고, 여기서 Rf 내지 Rh는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
    L1은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌옥사이드 함유기, 또는 이들의 조합이고,
    r은 0 내지 10인 정수이고,
    s는 3 내지 10인 정수이고,
    k는 1 내지 3인 정수이다.
  4. 제1항에서,
    하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표현되는 중합체:
    [화학식 1-1]
    Figure pat00030

    [화학식 1-2]
    Figure pat00031

    상기 화학식 1-1 및 1-2에서,
    Ar, A1, A2, B1, B2, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    p 및 q는 각각 독립적으로 2 내지 10 인 정수이고,
    *는 연결지점이다.
  5. 제4항에서,
    상기 화학식 1-1에서 A1은 X와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기이고, A2는 Y와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기인 중합체.
  6. 제1항에서,
    상기 화학식 2에서 A는 적어도 2 이상의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 중합체.
  7. 제1항에서,
    상기 화학식 2에서 B는 하기 화학식 Z1 내지 화학식 Z4 중 어느 하나로 표현되는 중합체:
    [화학식 Z1]
    Figure pat00032

    [화학식 Z2]
    Figure pat00033

    [화학식 Z3]
    Figure pat00034

    [화학식 Z4]
    Figure pat00035

    상기 화학식 Z1 내지 Z4에서,
    e 및 f는 각각 독립적으로 0 또는 1이고,
    g는 1 내지 5인 정수이고,
    R1 내지 R4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 고리기이고,
    *은 연결지점이다.
  8. 제1항에서,
    중량평균분자량이 500 내지 100,000인 중합체.
  9. 하기 화학식 1로 표현되는 중합체, 그리고
    용매
    를 포함하는
    유기막 조성물:
    [화학식 1]
    Figure pat00036

    상기 화학식 1에서,
    Ar, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    m 및 n은 각각 독립적으로 1 또는 0이고,
    Z1 및 Z2는 각각 독립적으로 하기 화학식 2로 표현되는 구조단위이다:
    [화학식 2]
    Figure pat00037

    상기 화학식 2에서,
    A는 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    B는 2가의 유기기이고,
    *는 연결지점이다.
  10. 제9항에서,
    상기 화학식 1에서 m=n=1 또는 m=n=0을 만족하는 유기막 조성물.
  11. 제9항에서,
    상기 화학식 1 및 2에서 Ar, X, Y 및 A는 각각 독립적으로 하기 그룹 1에 나열된 치환 또는 비치환된 모이어티들 중 어느 하나인 유기막 조성물:
    [그룹 1]
    Figure pat00038

    상기 그룹 1에서,
    M, M′및 M″는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌기, O, S, SO2, CRfRg, NRh, 또는 카르보닐이고, 여기서 Rf 내지 Rh는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 할로겐 원자, 할로겐 함유기 또는 이들의 조합이고,
    L1은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C50 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬렌옥사이드 함유기, 또는 이들의 조합이고,
    r은 0 내지 10인 정수이고,
    s는 3 내지 10인 정수이고,
    k는 1 내지 3인 정수이다.
  12. 제9항에서,
    상기 중합체는 하기 화학식 1-1 또는 1-2로 표현되는 유기막 조성물:
    [화학식 1-1]
    Figure pat00039

    [화학식 1-2]
    Figure pat00040

    상기 화학식 1-1 및 1-2에서,
    Ar, A1, A2, B1, B2, X 및 Y는 각각 독립적으로 적어도 하나의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 기이고,
    p 및 q는 각각 독립적으로 2 내지 10인 정수이고,
    *는 연결지점이다.
  13. 제12항에서,
    상기 화학식 1-1에서 A1은 X와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기이고, A2는 Y와 동일한 골격을 가지는 방향족 고리기인 유기막 조성물.
  14. 제1항에서,
    상기 화학식 2에서 A는 적어도 2 이상의 치환 또는 비치환된 벤젠 고리를 함유하는 유기막 조성물.
  15. 제1항에서,
    상기 화학식 2에서 B는 하기 화학식 Z1 내지 화학식 Z4 중 어느 하나로 표현되는 유기막 조성물:
    [화학식 Z1]
    Figure pat00041

    [화학식 Z2]
    Figure pat00042

    [화학식 Z3]
    Figure pat00043

    [화학식 Z4]
    Figure pat00044

    상기 화학식 Z1 내지 Z4에서,
    e 및 f는 각각 독립적으로 0 또는 1이고,
    g는 1 내지 5인 정수이고,
    R1 내지 R4는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 방향족 고리기이고,
    *은 연결지점이다.
  16. 제1항에서,
    상기 중합체의 중량평균분자량이 500 내지 100,000인 유기막 조성물.
  17. 기판 위에 재료 층을 제공하는 단계,
    상기 재료 층 위에 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 유기막 조성물을 적용하는 단계,
    상기 유기막 조성물을 열처리하여 하드마스크 층을 형성하는 단계,
    상기 하드마스크 층 위에 실리콘 함유 박막층을 형성하는 단계,
    상기 실리콘 함유 박막층　위에 포토레지스트 층을 형성하는 단계,
    상기 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계
    상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 상기 실리콘 함유 박막층 및 상기 하드마스크 층을 선택적으로 제거하고 상기 재료 층의 일부를 노출하는 단계, 그리고
    상기 재료 층의 노출된 부분을 식각하는 단계
    를 포함하는 패턴 형성 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 포토레지스트 층을 형성하는 단계 전에 바닥 반사 방지 층(BARC)을 형성하는 단계를 더 포함하는 패턴 형성 방법.
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