Naphthalene derivatives, resist underlayer film material, the resist underlayer film forming method and pattern forming method |
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申请号 | JP2010140533 | 申请日 | 2010-06-21 | 公开(公告)号 | JP5229278B2 | 公开(公告)日 | 2013-07-03 |
申请人 | 信越化学工業株式会社; | 发明人 | 剛 金生; 勝也 竹村; 大佑 郡; 武 渡辺; 勤 荻原; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | 下記一般式(1)で表されるナフタレン誘導体。 (式中、環構造Ar1、Ar2はベンゼン環又はナフタレン環を表す。Xは単結合又は炭素数1〜20のアルキレン基を表す。mは0又は1を表す。nは分子量が100,000以下となるような任意の自然数を表す。) 下記一般式(2)で表される部分構造を有するナフタレン誘導体。 (式中、環構造Ar1、Ar2はベンゼン環又はナフタレン環を表す。Xは単結合又は炭素数1〜20のアルキレン基を表す。mは0又は1を表す。Yは単結合又は炭素数1〜20のアルキレン基を表す。p、qは0又は自然数を表すが、p、qが同時に0になることはない。n'は分子量が200,000以下となるような任意の自然数を表す。) 請求項1記載の一般式(1)又は請求項2記載の一般式(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料。 リソグラフィーで用いられる少なくとも三層を有する多層レジスト膜のレジスト下層膜の形成方法であって、請求項3に記載のレジスト下層膜材料を基板上にコーティングし、そのコーティングしたレジスト下層膜材料を150℃を超え600℃以下の温度で、10〜600秒間の範囲で熱処理して硬化させることを特徴とするレジスト下層膜形成方法。 請求項3に記載のレジスト下層膜材料を、スピンコート法で基板上にコーティングすることを特徴とする請求項4に記載のレジスト下層膜形成方法。 請求項3に記載のレジスト下層膜材料が、更に、有機溶剤を含有することを特徴とする請求項4又は5に記載のレジスト下層膜形成方法。 請求項3に記載のレジスト下層膜材料が、更に、架橋剤及び酸発生剤を含有することを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載のレジスト下層膜形成方法。 リソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に請求項4〜7のいずれか1項に記載のレジスト下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素原子を含有するレジスト中間層膜材料を用いてレジスト中間層膜を形成し、そのレジスト中間層膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記レジスト中間層膜をエッチングし、得られたレジスト中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。 リソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に請求項4〜7のいずれか1項に記載のレジスト下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素酸化膜、珪素窒化膜及び珪素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間層膜を形成し、その無機ハードマスク中間層膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記無機ハードマスク中間層膜をエッチングし、得られた無機ハードマスク中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。 リソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に請求項4〜7のいずれか1項に記載のレジスト下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素酸化膜、珪素窒化膜及び珪素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間層膜を形成し、その無機ハードマスク中間層膜の上に有機反射防止膜を形成し、その有機反射防止膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記有機反射防止膜と上記無機ハードマスク中間層膜をエッチングし、得られた無機ハードマスク中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。 上記請求項9又は10に記載の無機ハードマスク中間層膜が、CVD法あるいはALD法によって形成されることを特徴とする請求項9又は10に記載のパターン形成方法。 上記請求項8〜11 のいずれか1項に記載のレジスト上層膜材料が、珪素原子含有ポリマーを含まず、上記中間層膜をマスクにして行うレジスト下層膜のエッチングを酸素ガス又は水素ガスを主体とするエッチングガスを用いて行うことを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載のパターン形成方法。 |
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说明书全文 | 本発明は、半導体素子などの製造工程における微細加工に用いられる反射防止膜として有効なレジスト下層膜を形成するためのレジスト下層膜形成材料、下層膜形成方法及びこれを用いた遠紫外線、KrFエキシマレーザー光(248nm)、ArFエキシマレーザー光(193nm)、F 2レーザー光(157nm)、Kr 2レーザー光(146nm)、Ar 2レーザー光(126nm)、軟X線(EUV、13.5nm)、電子線(EB)、X線露光等に好適なパターン形成方法に関するものである。 近年、LSIの高集積化と高速度化に伴い、パターンルールの微細化が求められている中、現在汎用技術として用いられている光露光を用いたリソグラフィーにおいては、光源の波長に由来する本質的な解像度の限界に近づきつつある。 レジストパターン形成の際に使用するリソグラフィー用の光源として、水銀灯のg線(436nm)もしくはi線(365nm)を光源とする光露光が広く用いられており、更なる微細化のための手段として、露光光を短波長化する方法が有効とされてきた。 このため、64MビットDRAM加工方法の量産プロセスには、露光光源としてi線(365nm)に代わって短波長のKrFエキシマレーザー(248nm)が利用された。 しかし、更に微細な加工技術(加工寸法が0.13μm以下)を必要とする集積度1G以上のDRAMの製造には、より短波長の光源が必要とされ、特にArFエキシマレーザー(193nm)を用いたリソグラフィーが検討されてきている。 一方、従来、段差基板上に高アスペクト比のパターンを形成するには二層プロセスが優れていることが知られており、更に、二層レジスト膜を一般的なアルカリ現像液で現像するためには、水酸基やカルボキシル基等の親水基を有する高分子シリコーン化合物が必要である。 シリコーン系化学増幅ポジ型レジスト材料としては、安定なアルカリ可溶性シリコーンポリマーであるポリヒドロキシベンジルシルセスキオキサンのフェノール性水酸基の一部をt−Boc基で保護したものをベース樹脂として使用し、これと酸発生剤とを組み合わせたKrFエキシマレーザー用シリコーン系化学増幅ポジ型レジスト材料が提案された(特許文献1、非特許文献1等参照)。 また、ArFエキシマレーザー用としては、シクロヘキシルカルボン酸を酸不安定基で置換したタイプのシルセスキオキサンをベースにしたポジ型レジスト材料が提案されている(特許文献2、特許文献3、非特許文献2等参照)。 更に、F 2レーザー用としては、ヘキサフルオロイソプロピルアルコールを溶解性基として持つシルセスキオキサンをベースにしたポジ型レジスト材料が提案されている(特許文献4等参照)。 上記ポリマーは、トリアルコキシシラン、又はトリハロゲン化シランの縮重合によるラダー骨格を含むポリシルセスキオキサンを主鎖に含むものである。 珪素が側鎖にペンダントされたレジスト用ベースポリマーとしては、珪素含有(メタ)アクリルエステル系ポリマーが提案されている(特許文献5、非特許文献3等参照)。 二層プロセスのレジスト下層膜としては、酸素ガスによるエッチングが可能な炭化水素化合物であり、更にその下の基板をエッチングする場合におけるマスクになるため、高いエッチング耐性を有することが必要である。 酸素ガスエッチングにおいては、珪素原子を含まない炭化水素のみで構成される必要がある。 また、上層の珪素含有レジスト膜の線幅制御性を向上させ、定在波によるパターン側壁の凹凸とパターンの崩壊を低減させるためには、反射防止膜としての機能も有し、具体的にはレジスト下層膜からレジスト上層膜内への反射率を1%以下に抑える必要がある。 ここで、最大500nmの膜厚までの反射率を計算した結果を図2,3に示す。 露光波長は193nm、レジスト上層膜のn値を1.74、k値を0.02と仮定し、図2ではレジスト下層膜のk値を0.3に固定し、縦軸にn値を1.0〜2.0、横軸に膜厚0〜500nmの範囲で変動させたときの基板反射率を示す。 膜厚が300nm以上の二層プロセス用レジスト下層膜を想定した場合、レジスト上層膜と同程度かあるいはそれよりも少し屈折率が高いn値が1.6〜1.9の範囲で反射率を1%以下にできる最適値が存在する。 また、図3では、レジスト下層膜のn値を1.5に固定し、k値を0〜0.8の範囲で変動させたときの反射率を示す。 膜厚が300nm以上の二層プロセス用レジスト下層膜を想定した場合、k値が0.24〜0.15の範囲で反射率を1%以下にすることが可能である。 一方、40nm程度の薄膜で用いられる単層レジスト用の反射防止膜の最適k値は0.4〜0.5であり、300nm以上で用いられる二層プロセス用のレジスト下層膜の最適k値とは異なる。 二層プロセス用のレジスト下層膜では、より低いk値、即ちより高透明なレジスト下層膜が必要であることが示されている。 ここで、波長193nm用のレジスト下層膜材料として、非特許文献4に紹介されているようにポリヒドロキシスチレンとアクリル酸エステルの共重合体が検討されている。 ポリヒドロキシスチレンは193nmに非常に強い吸収を持ち、そのもの単独ではk値が0.6前後と高い値である。 そこで、k値が殆ど0であるアクリル酸エステルと共重合させることによって、k値を0.25前後に調整しているのである。 しかしながら、ポリヒドロキシスチレンに対して、アクリル酸エステルの基板エッチングにおけるエッチング耐性は弱く、しかもk値を下げるためにかなりの割合のアクリル酸エステルを共重合せざるを得ず、結果的に基板エッチングの耐性はかなり低下する。 エッチングの耐性は、エッチング速度だけでなく、エッチング後の表面ラフネスの発生にも現れてくる。 アクリル酸エステルの共重合によってエッチング後の表面ラフネスの増大が深刻なほど顕著になっている。 一方、珪素を含まない単層レジスト膜をレジスト上層膜、その下に珪素を含有するレジスト中間層膜、更にその下に有機膜のレジスト下層膜を積層する三層プロセスが提案されている(例えば、非特許文献5参照)。 一般的には珪素含有レジストより単層レジストの方が解像性に優れ、三層プロセスでは高解像な単層レジストを露光イメージング層として用いることができる。 レジスト中間層膜としては、スピンオングラス(SOG)膜が用いられ、多くのSOG膜が提案されている。 ここで三層プロセスにおける基板反射を抑えるための最適な下層膜の光学定数は二層プロセスにおけるそれとは異なっている。 基板反射をできるだけ抑え、具体的には1%以下にまで低減させる目的は二層プロセスも三層プロセスも変わらないのであるが、二層プロセスはレジスト下層膜だけに反射防止効果を持たせるのに対して、三層プロセスはレジスト中間層膜とレジスト下層膜のどちらか一方あるいは両方に反射防止効果を持たせることができる。 反射防止効果を付与させた珪素含有層材料が、特許文献6、特許文献7に提案されている。 一般的に単層の反射防止膜よりも多層の反射防止膜の方が反射防止効果は高く、光学材料の反射防止膜として広く工業的に用いられている。 レジスト中間層膜とレジスト下層膜の両方に反射防止効果を付与させることによって高い反射防止効果を得ることができる。 ここで、図4にレジスト中間層膜のk値を変化させたときの基板反射率を示す。 次に、レジスト下層膜のk値が0.2の場合と0.6の場合の、レジスト中間層膜とレジスト下層膜の膜厚を変化させたときの反射率変化を図5と図6に示す。 ここで、レジスト下層膜のk値が高い方(0.6の場合)が、より薄膜で反射を1%以下に抑えることができる。 レジスト下層膜のk値が0.2の場合、膜厚250nmでは反射を1%にするためにレジスト中間層膜の膜厚を厚くしなければならない。 しかし、このようにレジスト中間層膜の膜厚を上げると、レジスト中間層膜を加工するときのドライエッチング時に最上層のレジスト膜に対する負荷が大きく、好ましいことではない。 図5と図6は、露光装置のレンズのNAが0.85のドライ露光の場合の反射であるが、三層プロセス用のレジスト中間層膜のn、k値と膜厚を最適化することによって、レジスト下層膜のk値によらずに1%以下の反射率にすることができることが示されている。 ところが、液浸リソグラフィーによって投影レンズのNAが1.0を超え、レジスト膜だけでなくレジスト膜の下の反射防止膜に入射する光の角度が浅くなってきている。 反射防止膜は、膜自体の吸収だけでなく、光の干渉効果による打ち消しの作用を用いて反射を抑えている。 斜めの光は光の干渉効果が小さくなるため、反射が増大する。 三層プロセスの膜の中で光の干渉作用を用いて反射防止を行っているのはレジスト中間層膜である。 レジスト下層膜は干渉作用を用いるには十分に厚いために干渉効果による打ち消し合いによる反射防止効果はない。 レジスト下層膜表面からの反射を抑える必要があり、そのためにはレジスト下層膜のk値を0.6より小さく、n値を上層のレジスト中間層膜に近い値にしなければならない。 k値が小さすぎて透明性が高すぎると、基板からの反射も生じてくるため、液浸露光のNA1.3の場合、k値は0.25〜0.48程度が最適となる。 n値は中間層、下層共にレジストのn値1.7に近い値が目標値となる。 ベンゼン環構造は吸収が非常に強く、これを含むクレゾールノボラックやポリヒドロキシスチレンのk値は0.6を超える。 ベンゼン環よりも波長193nmにおける透明性が高く、エッチング耐性が高いものの一つにナフタレン環構造がある。 例えば、特許文献8にナフタレン環、アントラセン環を有するレジスト下層膜が提案されている。 本発明者らの測定値では、ナフトール共縮合ノボラック樹脂、ポリビニルナフタレン樹脂のk値は0.3〜0.4の間である。 また、ナフトール共縮合ノボラック樹脂、ポリビニルナフタレン樹脂の波長193nmにおけるn値は低く、ナフトール共縮合ノボラック樹脂で1.4、ポリビニルナフタレン樹脂に至っては1.2である。 例えば、特許文献9、特許文献10で示されるアセナフチレン重合体においては、193nmにおけるn値は1.5、k値は0.4で目標値に近い。 n値が高く、k値が低く、透明でかつエッチング耐性が高い下層膜が求められている。 また、下地の被加工基板に段差がある場合、レジスト下層膜によって段差を平坦化させる必要がある。 レジスト下層膜を平坦化させることによって、その上に成膜するレジスト中間層膜やレジスト上層膜であるフォトレジスト膜の膜厚変動を抑え、リソグラフィーのフォーカスマージンを拡大することができる。 しかし、メタンガス、エタンガス、アセチレンガスなどを原料に用いたCVDによって形成されたアモルファスカーボン下層膜は、段差をフラットに埋め込むことが困難である。 一方、レジスト下層膜をスピンコーティングによって形成した場合、基板の凹凸を埋め込むことができる長所がある。 また、更に、塗布型の材料において埋め込み特性を向上させるために特許文献12に示すように、分子量が低く、分子量分布が広いノボラックを用いる方法、特許文献13に示されるようにベースポリマーに低融点の低分子化合物をブレンドする方法が提案されている。 ノボラック樹脂が加熱だけで分子間架橋し硬化することは従来からよく知られている(非特許文献6)。 ここでは、加熱によってクレゾールノボラックのフェノール性水酸基にフェノキシラジカルが発生し、共鳴によってノボラック樹脂の連結基のメチレンにラジカルが移動し、メチレン同士が架橋するラジカルカップリングによる架橋メカニズムが報告されている。 特許文献14にポリアリーレンやナフトールノボラック、ヒドロキシアントラセンノボラックなどの多環芳香族化合物を熱によって脱水素あるいは脱水縮合反応によって炭素密度を高めた下層膜を用いるパターン形成方法が報告されている。 加工線幅の縮小に伴い、レジスト下層膜をマスクに被加工基板をエッチングするときにレジスト下層膜がよれたり曲がったりする現象が起きることが報告されている(非特許文献8)。 フルオロカーボン系のガスによる基板エッチング中に、レジスト下層膜の水素原子がフッ素原子で置換される現象が示されている。 レジスト下層膜表面がテフロン(登録商標)化されることによって下層膜の体積増加により膨潤したり、ガラス転移点が低下することによって、より微細なパターンのよれが生じるものと考えられる。 前述の文献では、水素含有率の低いレジスト下層膜を適用することによってよれが防止できることが示されている。 CVDで作製したアモルファスカーボン膜は、膜中の水素原子を極めて少なくすることができ、よれ防止には非常に有効である。 しかしながら、前述のようにCVDは段差の埋め込み特性が悪く、またCVD装置の価格と装置フットプリント面積の占有により導入が困難な場合がある。 コーティング、特にスピンコート法で成膜可能な下層膜材料でよれの問題を解決することができれば、プロセスと装置の簡略化のメリットは大きい。 レジスト下層膜の上にCVD法でハードマスクを形成するマルチレイヤープロセスが検討されている。 シリコン系のハードマスク(珪素酸化膜、珪素窒化膜、珪素窒化酸化膜)の場合においてもスピンコート法で形成するハードマスクよりもCVD等で形成した無機ハードマスクの方がエッチング耐性が高い。 また、被加工基板が低誘電率膜であり、そこからのフォトレジストへの汚染(ポイゾニング)が生じる場合があるが、CVD膜の方がポイゾニング防止の遮断膜としての効果が高い。 そこで、平坦化のためにレジスト下層膜をスピンコートで形成し、その上のレジスト中間層膜としての無機ハードマスク中間層膜をCVD法で作製するプロセスが検討されている。 CVD法で無機ハードマスク中間層膜を作製する場合、特に窒化物系の膜の作製において最低300℃、通常は400℃の基板の加熱が必要とされる。 従って、スピンコート法でレジスト下層膜を作製した場合、400℃の耐熱性が必要であるが、通常のクレゾールノボラック、ナフトールノボラック、及び耐熱性が高いフルオレンビスフェノールにおいても400℃の加熱に耐えることができず、加熱後大きな膜減りが生じてしまう。 このように、CVD法で無機ハードマスク中間層膜を形成する際の高温の加熱にも耐えることができるようなレジスト下層膜が求められている。 また、このような耐熱性が原因となる加熱後の膜減りや樹脂の劣化の問題から、従来レジスト下層膜材料の熱処理は通常300℃以下(好ましくは80〜300℃の範囲内)で行われていた。 しかしながら、溶媒処理後に減膜が生じたり、基板のエッチング中にパターンによれが生じてしまうという問題は生じたままであった。 以上より、反射防止膜としての最適なn、k値と埋め込み特性、優れたエッチング耐性、耐溶媒性を有し、更にCVD法などによる無機ハードマスク中間層膜形成中の高温にも耐えることができる耐熱性を有し、基板のエッチング中によれが生じないレジスト下層膜を形成するための方法が求められているのである。 SPIE vol. 1925(1993)p377 SPIE vol. 3333(1998)p62 J. Photopolymer Sci. and Technol. vol. 9 No. 3(1996)p435−446 SPIE vol. 4345(2001)p50 J. Vac. Sci. Technol. ,16(6),Nov. /Dec. 1979 SPIE vol. 469 p72(1984) Glass Carbon Bull. Chem. Soc. JPN. 41(12)3023−3024(1968) (Proc.of Symp.Dry.Process,(2005)p11) 本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、リソグラフィーで用いられる少なくとも三層を有する多層レジスト膜のレジスト下層膜材料であるナフタレン誘導体、それを用いたレジスト下層膜材料、レジスト下層膜形成方法及びパターン形成方法を提供することを目的とするものであって、反射率を低減でき、エッチング耐性が高く、高い耐熱性、耐溶媒性を有し、特に基板のエッチング中によれの発生がないレジスト下層膜を実現する手段を提供する。 本発明は、下記一般式(1)で表されるナフタレン誘導体を提供する。
また、本発明は、下記一般式(2)で表される部分構造を有するナフタレン誘導体を提供する。
また、本発明は、上記一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料を提供する。 更に、リソグラフィーで用いられる少なくとも三層を有する多層レジスト膜のレジスト下層膜の形成方法であって、上記一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料を基板上にコーティングし、そのコーティングしたレジスト下層膜材料を150℃を超え600℃以下の温度で、10〜600秒間の範囲で熱処理して硬化させることを特徴とするレジスト下層膜形成方法を提供する。 また、本発明はリソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に上記下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素原子を含有するレジスト中間層膜材料を用いてレジスト中間層膜を形成し、そのレジスト中間層膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記レジスト中間層膜をエッチングし、得られたレジスト中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法を提供する。 また、本発明は、リソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に上記レジスト下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素酸化膜、珪素窒化膜及び珪素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間層膜を形成し、その無機ハードマスク中間層膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記無機ハードマスク中間層膜をエッチングし、得られた無機ハードマスク中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法を提供する。 また、本発明は、リソグラフィーにより基板にパターンを形成する方法であって、少なくとも、基板上に上記レジスト下層膜形成方法によりレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上に珪素酸化膜、珪素窒化膜及び珪素酸化窒化膜から選ばれる無機ハードマスク中間層膜を形成し、その無機ハードマスク中間層膜の上に有機反射防止膜を形成し、その有機反射防止膜の上にフォトレジスト組成物からなるレジスト上層膜材料を用いてレジスト上層膜を形成して、上記レジスト上層膜のパターン回路領域を露光した後、現像液で現像して上記レジスト上層膜にレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをエッチングマスクにして上記有機反射防止膜と上記無機ハードマスク中間層膜をエッチングし、得られた無機ハードマスク中間層膜パターンをエッチングマスクにして上記レジスト下層膜をエッチングし、得られたレジスト下層膜パターンをエッチングマスクにして基板をエッチングして基板にパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法を提供する。 本発明の上記一般式(1)又は(2)のナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料を用いた少なくとも三層を有する多層レジスト膜のレジスト下層膜形成方法により、反射防止膜としての最適なn、k値と埋め込み特性、優れたエッチング耐性を有し、高い耐熱性、耐溶媒性を有し、ベーク中のアウトガスの発生を抑制でき、特には60nmよりも細い高アスペクトラインにおける基板のエッチング中によれが生じないレジスト下層膜を形成することが可能となる。 更に、本発明であるスピンコート法を用いて形成されたレジスト下層膜の上にCVD法により無機ハードマスクを形成する際、無機ハードマスク中間層膜形成時の高温処理にも耐えうる高い耐熱性を有するレジスト下層膜を形成できるため、スピンコート法で得られたレジスト下層膜とCVD法で得られた無機ハードマスクを組み合わせたパターン形成方法を提供することができる。 以下、本発明についてより具体的に説明する。 なお、以下の説明中、化学式で表される構造によっては不斉炭素が存在し、エナンチオ異性体(enantiomer)やジアステレオ異性体(diastereomer)が存在し得るものがあるが、その場合は一つの式でそれらの異性体を代表して表す。 それらの異性体は単独で用いてもよいし、混合物として用いてもよい。 本発明のナフタレン誘導体は、下記一般式(1)で表されるものである。
Ar1、Ar2はベンゼン環又はナフタレン環を表す。 即ち、部分構造
Xは単結合又は炭素数1〜20、好ましくは1〜18、特に1〜15のアルキレン基を表す。 Xとして単結合又はCHR(Rは水素原子又は炭素数1〜19のアルキル基又は炭素数6〜19のアリール基を表す。)を好ましく例示できる。 mは0又は1を表す。 即ち、部分構造
nは分子量が100,000以下となるような任意の自然数を表す。 ここで、分子量とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ(GPC)におけるポリスチレン換算の分子量のことであり、その重量平均分子量(Mw)が100,000以下であればよいが、700〜50,000、特に2,000〜30,000の範囲であるようなnが好ましい。 上記二つの部分構造の結合位置としては、下記一般式における結合位置が好ましいが、この位置に限定されない。 本発明の一般式(1)で表されるナフタレン誘導体の製造方法として、典型的な限定されない例として、下記ケトン化合物(3)とジナフチルエーテル化合物(4)の脱水縮合反応を挙げることができる。 この場合、式(3)のケトン化合物1モルに対して式(4)のジナフチルエーテル化合物を1〜20モル、特に1〜5モル使用することが好ましい。 反応は通常、無溶媒又は溶媒中で酸又は塩基を触媒として用いて、室温又は必要に応じて冷却又は加熱下に行う。 用いられる溶媒として、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセロール、エチレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等のアルコール類、ジエチルエーテル、ジブチルエーテル、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メチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン等のエーテル類、塩化メチレン、クロロフォルム、ジクロロエタン、トリクロロエチレン等の塩素系溶剤類、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、クメン等の炭化水素類、アセトニトリル等のニトリル類、アセトン、エチルメチルケトン、イソブチルメチルケトンなどのケトン類、酢酸エチル、酢酸n−ブチル、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどのエステル類、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、ヘキサメチルホスホリックトリアミド等の非プロトン性極性溶媒類が例示でき、これらを単独あるいは2種類以上を混合して用いることができる。 用いられる酸触媒として、塩酸、臭化水素酸、硫酸、硝酸、リン酸、ヘテロポリ酸等の無機酸類、シュウ酸、トリフルオロ酢酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等の有機酸類、三塩化アルミニウム、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、三臭化ホウ素、四塩化錫、四臭化錫、二塩化ジブチル錫、ジブチル錫ジメトキシド、ジブチル錫オキシド、四塩化チタン、四臭化チタン、チタン(IV)メトキシド、チタン(IV)エトキシド、チタン(IV)イソプロポキシド、酸化チタン(IV)等のルイス酸類を用いることができる。 用いられる塩基触媒として、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化バリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化カリウム、水素化カルシウム等の無機塩基類、メチルリチウム、n−ブチルリチウム、塩化メチルマグネシウム、臭化エチルマグネシウム等のアルキル金属類、ナトリウムメトキシド、ナトリウムエトキシド、カリウムt−ブトキシド等のアルコキシド類、トリエチルアミン、ジイソプロピルエチルアミン、N,N−ジメチルアニリン、ピリジン、4−ジメチルアミノピリジン等の有機塩基類を用いることができる。 反応温度は−50℃〜溶媒の沸点程度が好ましく、室温〜100℃が更に好ましい。 本発明の一般式(1)で表されるナフタレン誘導体の設計思想(Design concept)について述べる。 比較のためのレジスト下層膜に用いられるナフタレン誘導体の例として、例えば、下記式(5)で表される2−ナフトールとフルオレノンの縮合体、いわゆる、ビスナフトールフルオレン(以下、化合物(5)と呼ぶ)の例が特開2007−99741号公報に示されている。 この化合物(5)を高分子化する方法としてノボラック化の手法が知られており、ホルムアルデヒドを用いてノボラック化した樹脂として、例えば、下記式(5')で表される繰り返し単位を有する樹脂(以下、樹脂(5')と呼ぶ)が考えられる。 化合物(5)や樹脂(5')と比較して、本発明のナフタレン誘導体(1)は種々の構造上の利点を有する。 即ち、 上記一般式(1)のナフタレン誘導体をレジスト下層膜材料として用いる場合、本発明のナフタレン誘導体(1)を必要に応じて更に高分子化させ、下記一般式(2)で表される部分構造を有するナフタレン誘導体を得ることができる。
ナフタレン誘導体(1)の高分子化の例として、他の成分との縮合によるノボラック化する方法について説明する。 ノボラック化反応は上記一般式(2)においてYが炭素数1〜20のアルキレン基である場合に相当する。 ノボラック化反応に用いられるアルデヒド化合物としては、例えばホルムアルデヒド、トリオキサン、パラホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド、プロピオンアルデヒド、フェニルアセトアルデヒド、α−フェニルプロピオンアルデヒド、β−フェニルプロピオンアルデヒド、1−ナフタアルデヒド、2−ナフタアルデヒド、フルフラール等を挙げることができる。 また、これらのアルデヒド化合物中の水素原子はハロゲン原子、炭化水素基、水酸基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基等で置換されていてもよい。 これらのうち、特にホルムアルデヒド及びその等価体、ベンズアルデヒド、1−ナフタアルデヒド、2−ナフタアルデヒド、及びその置換体を好適に用いることができる。 これらのアルデヒド化合物は、単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 上記アルデヒド化合物の使用量は、本発明のナフタレン誘導体(1)1モルに対して0.2〜5モルが好ましく、より好ましくは0.5〜2モルである。 ノボラック化反応においては触媒を用いてもよい。 特に酸触媒が好ましい。 酸触媒として、塩酸、臭化水素酸、硫酸、硝酸、リン酸、ヘテロポリ酸等の無機酸類、シュウ酸、トリフルオロ酢酸、メタンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸等の有機酸類、三塩化アルミニウム、アルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、三フッ化ホウ素、三塩化ホウ素、三臭化ホウ素、四塩化錫、四臭化錫、二塩化ジブチル錫、ジブチル錫ジメトキシド、ジブチル錫オキシド、四塩化チタン、四臭化チタン、チタン(IV)メトキシド、チタン(IV)エトキシド、チタン(IV)イソプロポキシド、酸化チタン(IV)等のルイス酸類を用いることができる。 具体的には塩酸、硝酸、硫酸、ギ酸、シュウ酸、酢酸、メタンスルホン酸、カンファースルホン酸、トシル酸、トリフルオロメタンスルホン酸等の酸性触媒を挙げることができる。 これらの酸性触媒の使用量は、本化合物のナフタレン化合物(1)1モルに対して1×10 -5 〜5×10 -1モルである。 反応方法としては、ナフタレン化合物(1)、アルデヒド化合物、触媒を一括で仕込む方法や、任意の成分を滴下していく方法がある。 反応終了後、系内に存在する未反応原料、触媒等を除去するために、反応釜の温度を130〜230℃にまで上昇させ、1〜50mmHg程度で揮発分を除去することができる。 本発明のナフタレン誘導体(1)のノボラック化反応の際、他のフェノール化合物を共存させて共重合してもよい。 共重合可能なフェノール化合物は、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、2,3−ジメチルフェノール、2,5−ジメチルフェノール、3,4−ジメチルフェノール、3,5−ジメチルフェノール、2,4−ジメチルフェノール、2,6−ジメチルフェノール、2,3,5−トリメチルフェノール、3,4,5−トリメチルフェノール、2−t−ブチルフェノール、3−t−ブチルフェノール、4−t−ブチルフェノール、2−フェニルフェノール、3−フェニルフェノール、4−フェニルフェノール、3,5−ジフェニルフェノール、2−ナフチルフェノール、3−ナフチルフェノール、4−ナフチルフェノール、4−トリチルフェノール、レゾルシノール、2−メチルレゾルシノール、4−メチルレゾルシノール、5−メチルレゾルシノール、カテコール、4−t−ブチルカテコール、2−メトキシフェノール、3−メトキシフェノール、2−プロピルフェノール、3−プロピルフェノール、4−プロピルフェノール、2−イソプロピルフェノール、3−イソプロピルフェノール、4−イソプロピルフェノール、2−メトキシ−5−メチルフェノール、2−t−ブチル−5−メチルフェノール、ピロガロール、チモール、イソチモール1−ナフトール、2−ナフトール、2−メチル−1−ナフトール、4−メトキシ−1−ナフトール、7−メトキシ−2−ナフトール1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン、3−ヒドロキシナフタレン−2−カルボン酸メチル、4−トリチルフェノール、ヒドロキシアントラセン、ジヒドロキシアントラセン、トリヒドロキシアントラセン、ヒドロキシピレン、ビスフェノール、トリスフェノール等を挙げることができる。 また、これらの基中の水素原子はハロゲン原子、炭化水素基、水酸基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基等で置換されていてもよい。 また、本発明のナフタレン誘導体(1)を重縮合可能なモノマーと重縮合させて高分子化してレジスト下層膜材料として用いることができる。 具体的にはインデン、ヒドロキシインデン、ベンゾフラン、アセナフチレン、ビフェニル、ジシクロペンタジエン、テトラヒドロインデン、4−ビニルシクロヘキセン、ノルボルナジエン、5−ビニルノルボルナ−2−エン、α−ピネン、β−ピネン、リモネンなどが挙げられる。 また、これらの基中の水素原子はハロゲン原子、炭化水素基、水酸基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基等で置換されていてもよい。 三元以上の共重合体であっても構わない。 なお、上記他のフェノール化合物、重縮合可能なモノマーの使用割合は、ナフタレン誘導体に対し0質量%を超え50質量%以下とすることが好ましい。 上記ノボラック化樹脂や重縮合樹脂のポリスチレン換算の分子量は、重量平均分子量(Mw)が1,000〜200,000、特に2,000〜50,000であることが好ましい。 分子量分布は1.2〜7の範囲内が好ましく用いられる。 モノマー成分、オリゴマー成分又は分子量(Mw)1,000以下の低分子量成分をカットして分子量分布を狭くした方が架橋効率が高くなり、またベーク中の揮発成分を抑えることによりベークカップ周辺の汚染を防ぐこともできる。 ナフタレン誘導体(1)の高分子化の別の例として、脱水素による酸化的カップリング反応による方法について説明する。 酸化的カップリング反応は、上記一般式(2)においてYが単結合である場合に相当する。 酸化的カップリング反応は、空気又は酸素の存在下に80〜500℃に加熱することで進行する。 触媒あるいは反応剤として、四酢酸鉛、ジアセトキシヨウドベンゼン、オキシ塩化バナジウム、オキシフッ化バナジウム、塩化鉄(III)、過塩素酸鉄(III)、ヘキサシアノ鉄(III)カリウム、酸化ルテニウム、フッ化コバルト、トリフルオロ酢酸タリウム、塩化銅(II)、塩化ジ−μ−ヒドロキソ−[(N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン)銅(II)等の金属塩や錯体を用いてもよい。 予めナフタレン誘導体(1)を高分子化しておく手法として用いることもできるが、成膜時に空気中加熱することで反応を進行させることができる。 また、上記一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物に縮合芳香族、あるいは脂環族の置換基を導入することができる。 ここで導入可能な置換基は、具体的には下記に挙げることができる。 これらの中で248nm露光用には、多環芳香族基、例えばアントラセンメチル基、ピレンメチル基が最も好ましく用いられる。 193nmでの透明性向上のためには脂環構造を持つものや、ナフタレン構造を持つものが好ましく用いられる。 一方、波長157nmにおいてベンゼン環は透明性が向上するウィンドウがあるため、吸収波長をずらして吸収を上げてやる必要がある。 フラン環はベンゼン環よりも吸収が短波長化して157nmの吸収が若干向上するが、効果は小さい。 ナフタレン環やアントラセン環、ピレン環は吸収波長が長波長化することによって吸収が増大し、これらの芳香族環はエッチング耐性も向上する効果もあり、好ましく用いられる。 上記置換基の導入方法としては、上記本発明の一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物に上記置換基の結合位置が水酸基になっているアルコール化合物を酸触媒存在下に導入する方法が挙げられる。 酸触媒の例としては、上記ノボラック化反応において例示したものを挙げることができる。 これらは、上記ノボラック化反応と同時に進行させることもできる。 193nmにおける透明性を向上させるために、本発明の一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を水素添加を行うことができる。 好ましい水素添加の割合は、芳香族基の80モル%以下、特に60モル%以下である。 以上述べた本発明の一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物は、本発明の三層プロセス用レジスト下層膜形成方法で用いるレジスト下層膜材料として用いることができる。 これらの化合物は、四級炭素を有し、また炭素密度の割合が90%前後の高い値であるために非常に高い耐熱性を有する。 レジスト下層膜上にCVD法等で珪素酸化膜、珪素窒化膜、珪素窒化酸化膜等のハードマスクを形成する場合、特に窒化膜系の膜においては300℃以上の高温が必要であり、レジスト下層膜としても高耐熱性が要求される。 また、これらの化合物は、ベンゼン環の縮合炭化水素であるために吸収シフトによって波長193nmにおける吸収が比較的小さく、三層プロセスを用いたときに特に100nm以上の膜厚で良好な反射防止効果が期待される。 また、化合物は、通常のm−クレゾールノボラック樹脂よりも、基板加工に用いられるCF 4 /CHF 3ガス及びCl 2 /BCl 3系ガスエッチングに対するエッチング耐性が高く、芳香族の数が増えた分だけ水素原子が減ってエッチング耐性、とりわけエッチング中のパターンよれの発生を抑えることができる。 更に300℃を超える温度でベークをすることによって、更に高いエッチング耐性、耐溶媒性を有し、基板エッチング中のパターンよれの発生を抑えることができる。 本発明の三層プロセス用レジスト下層膜形成方法で用いるレジスト下層膜材料は、 本発明のレジスト下層膜形成方法に用いるレジスト下層膜材料において使用可能な有機溶剤(B)としては、上記の(A)〜(E)やその他の添加剤が溶解するものであれば特に制限はない。 具体的には、特開2007−199653号公報中の(0091)〜(0092)段落に記載されている溶剤を添加することができる。 より具体的には、シクロヘキサノン、メチル−2−アミルケトン等のケトン類;3−メトキシブタノール、3−メチル−3−メトキシブタノール、1−メトキシ−2−プロパノール、1−エトキシ−2−プロパノール等のアルコール類;プロピ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メチルエーテル、プロピ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エチルエーテル、プロピ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メチルエーテル等のエーテル類;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、乳酸エチル、ピルビン酸エチル、酢酸ブチル、3−メトキシプロピオン酸メチル、3−エトキシプロピオン酸エチル、酢酸tert−ブチル,プロピオン酸tert−ブチル、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tert−ブチルエーテルアセテート等のエステル類が挙げられ、これらの1種又は2種以上を混合使用できるが、これらに限定されるものではない。 溶剤の配合量は、(A)成分100質量部に対して200〜10,000質量部が好ましく、特に300〜5,000質量部とすることが好ましい。 上記レジスト下層膜材料は、有機溶剤を含有することが好ましく、更に、スピンコート特性、段差基板の埋め込み特性、膜の剛性や耐溶媒性を上げるために、架橋剤及び酸発生剤を含むことが好ましい。 更に、他のポリマーや化合物をブレンドすることもできる。 ブレンド用化合物又はブレンド用ポリマーとしては、請求項1記載の一般式(1)又は請求項2記載の一般式(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物と混合し、スピンコーティングの成膜性や、段差基板での埋め込み特性を向上させる役割を持つ。 また、炭素密度が高くエッチング耐性の高い材料が選ばれる。 このようなブレンド材料とは、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、2,3−ジメチルフェノール、2,5−ジメチルフェノール、3,4−ジメチルフェノール、3,5−ジメチルフェノール、2,4−ジメチルフェノール、2,6−ジメチルフェノール、2,3,5−トリメチルフェノール、3,4,5−トリメチルフェノール、2−t−ブチルフェノール、3−t−ブチルフェノール、4−t−ブチルフェノール、2−フェニルフェノール、3−フェニルフェノール、4−フェニルフェノール、3,5−ジフェニルフェノール、2−ナフチルフェノール、3−ナフチルフェノール、4−ナフチルフェノール、4−トリチルフェノール、レゾルシノール、2−メチルレゾルシノール、4−メチルレゾルシノール、5−メチルレゾルシノール、カテコール、4−t−ブチルカテコール、2−メトキシフェノール、3−メトキシフェノール、2−プロピルフェノール、3−プロピルフェノール、4−プロピルフェノール、2−イソプロピルフェノール、3−イソプロピルフェノール、4−イソプロピルフェノール、2−メトキシ−5−メチルフェノール、2−t−ブチル−5−メチルフェノール、ピロガロール、チモール、イソチモール、4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,2'ジメチル−4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,2'ジアリル−4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,2'ジフルオロ−4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,2'ジフェニル−4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,2'ジメトキシ−4,4'−(9H−フルオレン−9−イリデン)ビスフェノール、2,3,2',3'−テトラヒドロ−(1,1')−スピロビインデン−6,6'−ジオール、3,3,3',3'−テトラメチル−2,3,2',3'−テトラヒドロ−(1,1')−スピロビインデン−6,6'−ジオール、3,3,3',3',4,4'−ヘキサメチル−2,3,2',3'−テトラヒドロ−(1,1')−スピロビインデン−6,6'−ジオール、2,3,2',3'−テトラヒドロ−(1,1')−スピロビインデン−5,5'−ジオール、5,5'−ジメチル−3,3,3',3'−テトラメチル−2,3,2',3'−テトラヒドロ−(1,1')−スピロビインデン−6,6'−ジオール、1−ナフトール、2−ナフトール、2−メチル−1−ナフトール、4−メトキシ−1−ナフトール、7−メトキシ−2−ナフトール及び1,5−ジヒドロキシナフタレン、1,7−ジヒドロキシナフタレン、2,6−ジヒドロキシナフタレン等のジヒドロキシナフタレン、3−ヒドロキシ−ナフタレン−2−カルボン酸メチル、インデン、ヒドロキシインデン、ベンゾフラン、ヒドロキシアントラセン、アセナフチレン、ビフェニル、ビスフェノール、トリスフェノール、ジシクロペンタジエン、テトラヒドロインデン、4−ビニルシクロヘキセン、ノルボルナジエン、5−ビニルノルボルナ−2−エン、α−ピネン、β−ピネン、リモネンなどのノボラック樹脂、ポリヒドロキシスチレン、ポリスチレン、ポリビニルナフタレン、ポリビニルアントラセン、ポリビニルカルバゾール、ポリインデン、ポリアセナフチレン、ポリノルボルネン、ポリシクロデセン、ポリテトラシクロドデセン、ポリノルトリシクレン、ポリ(メタ)アクリレート及びこれらの共重合体が挙げられる。 また、特開2004−205658号公報記載のノルトリシクレン共重合体、特開2004−205676号公報記載の水素添加ナフトールノボラック樹脂、特開2004−205685号公報記載のナフトールジシクロペンタジエン共重合体、特開2004−354554号公報、特開2005−10431号公報記載のフェノールジシクロペンタジエン共重合体、特開2005−128509号公報に記載されるフルオレンビルフェノールノボラック、特開2005−250434号公報記載のアセナフチレン共重合、特開2006−53543号公報記載のインデン共重合体、特開2006−227391号公報記載のフェノール基を有するフラーレン、特開2006−259249号公報、特開2006−293298号公報、特開2007−316282号公報記載のビスフェノール化合物及びこのノボラック樹脂、特開2006−259482号公報記載のジビスフェノール化合物及びこのノボラック樹脂、特開2006−285095号公報記載のアダマンタンフェノール化合物のノボラック樹脂、特開2007−171895号公報記載のヒドロキシビニルナフタレン共重合体、特開2007−199653号公報記載のビスナフトール化合物及びこのノボラック樹脂、特開2008−26600号公報記載のROMP、特開2008−96684号公報記載のトリシクロペンタジエン共重合物に示される樹脂化合物、特開2006−227391号公報、特開2008−158002号公報記載のフラーレン類樹脂化合物をブレンドすることもできる。 上記ブレンド用化合物又はブレンド用ポリマーの配合量は、本発明の一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物100質量部に対して0〜1,000質量部、好ましくは0〜500質量部である。 反射防止膜機能を含むレジスト下層膜に要求される性能の一つとして、レジスト下層膜の上に形成される、珪素を含有するレジスト中間層及びレジスト上層膜とのインターミキシングがないこと、レジスト上層膜及びレジスト中間層膜ヘの低分子成分の拡散がないことが挙げられる(Proc. SPIE vol.2195、p225−229(1994))。 これらを防止するために、一般的に反射防止膜のスピンコート後のベークで熱架橋するという方法が採られている。 そのため、反射防止膜材料の成分として架橋剤を添加する場合、ポリマーに架橋性の置換基を導入する方法が採られることがある。 架橋剤を特に添加していない場合でも、本発明の一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物の場合は、350℃を超える加熱によって後述の反応機構によって架橋させることができる。 本発明のレジスト下層膜形成方法に用いられる本発明の上記一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物は、耐熱性が非常に高いため、これを350℃を超える高温でベークしても熱分解が殆ど起きない。 更にこれらの化合物は、350℃を超える高温ベークによって、溶媒等の蒸発が促進され、膜の炭素密度、緻密性が高くなる性質を持ち、エッチング耐性が向上することを見出した。 また、350℃を超えるベークによって、高い耐溶媒性を有し、基板のエッチング中に発生するよれを防止できることを見出した。 耐熱性の低い材料を350℃を超える高温でベークした場合は熱分解が起きるために必ずしも炭素密度が高くなるとは限らず、むしろ劣化する場合もある。 350℃より低い温度でベークすると十分な架橋を得られない場合があるが、架橋剤や酸発生剤を添加することで、150℃以上、好ましくは200℃以上350℃以下のベークで高い炭素密度、高い緻密性を得ることができる。 本発明で使用可能な架橋剤は、特開2007−199653号公報中の(0055)〜(0060)段落に記載されている材料を添加することができる。 本発明においては、熱による架橋反応を更に促進させるための酸発生剤を添加することができる。 酸発生剤は熱分解によって酸を発生するものや、光照射によって酸を発生するものがあるが、いずれのものも添加することができる。 具体的には、特開2007−199653号公報中の(0061)〜(0085)段落に記載されている材料を添加することができる。 更に、本発明のレジスト下層膜形成方法に用いるレジスト下層膜材料には、保存安定性を向上させるための塩基性化合物を配合することができる。 塩基性化合物としては、酸発生剤より微量に発生した酸が架橋反応を進行させるのを防ぐための、酸に対するクエンチャーの役割を果たす。 このような塩基性化合物としては、具体的には特開2007−199653号公報中の(0086)〜(0090)段落に記載されている材料を添加することができる。 本発明のパターン形成方法に用いる下層膜形成材料においてスピンコーティングにおける塗布性を向上させるために界面活性剤を添加することもできる。 界面活性剤は、特開2008−111103号公報中の(0165)〜(0166)段落に記載のものを用いることができる。 本発明のレジスト下層膜形成方法では、上記のレジスト下層膜材料を、フォトレジストと同様にスピンコート法などで被加工基板上にコーティングする。 スピンコート法などを用いることで、良好な埋め込み特性を得ることができる。 スピンコート後、溶媒を蒸発し、レジスト上層膜やレジスト中間層膜とのミキシング防止のため、架橋反応を促進させるためにベークを行う。 ベークは150℃を超え600℃以下の範囲内で行い、10〜600秒、好ましくは10〜300秒の範囲内で行う。 ベーク温度は、より好ましくは200℃以上400℃以下である。 デバイスダメージやウエハーの変形への影響を考えると、リソグラフィーのウエハープロセスでの加熱できる温度の上限は600℃以下、好ましくは500℃以下である。 前述のSPIE vol. 469 p72(1984)に記載されるように、本発明のレジスト下層膜形成方法に用いられる本発明の一般式(1)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物は、加熱によってラジカルが生じ架橋反応が進行する。 特に本発明の一般式(1)で表されるナフタレン誘導体を含有する高分子化合物中のベンジル位にメチレン基又はメチン基が存在する場合、ベンジルラジカル同士が結合し架橋反応が進行し易い。 この反応はラジカル的反応なので、脱離する分子が生じないために耐熱性が高い材料であれば架橋による膜収縮は起こらない。 ベーク中の雰囲気としては空気中でも構わないが、酸素を低減させるためにN 2 、Ar、He等の不活性ガスを封入しておくことは、レジスト下層膜の酸化を防止するために好ましい場合がある。 酸化を防止するためには酸素濃度をコントロールする必要がある場合には、1,000ppm以下、より好ましくは100ppm以下である。 ベーク中のレジスト下層膜の酸化を防止すると、吸収が増大したりエッチング耐性が低下したりすることがないため好ましい。 反面、酸化的カップリングによる分子架橋を意図する場合には空気又は高酸素濃度の気体中でのベークが好ましい場合もある。 レジスト下層膜の厚さは適宜選定されるが、30〜20,000nm、特に50〜15,000nmとすることが好ましい。 レジスト下層膜を作製した後、三層プロセスの場合はその上に珪素を含有するレジスト中間層膜、珪素を含まないレジスト上層膜を形成することができる。 本発明のパターン形成方法は、本発明の上記一般式(1)又は(2)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料を基板上にコーティングしてレジスト下層膜を形成し、そのレジスト下層膜の上にレジスト中間層膜を介してフォトレジスト組成物のレジスト上層膜を形成し、このレジスト上層膜の所用領域に放射線等を照射し、現像液で現像してレジストパターンを形成し、得られたレジストパターンをマスクにしてレジスト中間層膜をエッチングし、得られたレジスト中間層パターンをマスクにしてレジスト下層膜及び基板を加工するものである。 レジスト下層膜の上に無機ハードマスク中間層膜を形成する場合は、CVD法やALD法等で、珪素酸化膜、珪素窒化膜、又は珪素酸化窒化膜(SiON膜)が形成される。 窒化膜の形成方法としては、特開2002−334869号公報、国際公開第2004/066377号パンフレットに記載されている。 無機ハードマスクの膜厚は5〜200nm、好ましくは10〜100nmであり、中でも反射防止膜としての効果が高いSiON膜が最も好ましく用いられる。 SiON膜を形成する時の基板温度は300〜500℃となるために、下層膜として300〜500℃の温度に耐える必要がある。 本発明の一般式(1)で表されるナフタレン誘導体又はそれを含有する高分子化合物を用いたレジスト下層膜材料は、高い耐熱性を有しており300〜500℃の高温に耐えることができるため、CVD法あるいはALD法で形成された無機ハードマスクと、スピンコート法で形成されたレジスト下層膜の組み合わせが可能である。 このようなレジスト中間層膜の上にレジスト上層膜としてフォトレジスト膜を形成してもよいが、レジスト中間層膜の上に有機反射防止膜(BARC)をスピンコートで形成して、その上にフォトレジスト膜を形成してもよい。 レジスト中間層膜としてSiON膜を用いた場合、SiON膜とBARC膜の二層の反射防止膜によって1.0を超える高NAの液浸露光においても反射を抑えることが可能となる。 BARCを形成するもう一つのメリットとしては、SiON直上でのフォトレジストパターンの裾引きを低減させる効果があることである。 なお、BARC膜としては、一般的なArFリソグラフィーで用いられるBARCが好ましく、ARC−29A、ARC−93(日産化学工業(株)製)、AR−40(ローム・アンド・ハース社製)を挙げることができる。 その膜厚は300〜1,000Åが好ましい。 三層プロセスの珪素含有レジスト中間層膜としてはポリシルセスキオキサンベースの中間層も好ましく用いられる。 レジスト中間層膜に反射防止膜として効果を持たせることによって、反射を抑えることができる。 具体的には特開2004−310019号公報、特開2005−15779号公報、特開2005−18054号公報、特開2005−352104号公報、特開2007−65161号公報、特開2007−163846号公報、特開2007−226170号公報、特開2007−226204号公報に示されるシルセスキオキサンベースの珪素化合物を含む材料が挙げられる。 特に193nm露光用としては、レジスト下層膜として芳香族基を多く含み基板エッチング耐性が高い材料を用いると、k値が高くなり、基板反射が高くなるが、レジスト中間層膜で反射を抑えることによって基板反射を0.5%以下にすることができる。 反射防止効果があるレジスト中間層膜としては、248nm、157nm露光用としてはアントラセン、193nm露光用としてはフェニル基又は珪素−珪素結合を有する吸光基をペンダントし、酸あるいは熱で架橋するポリシルセスキオキサンが好ましく用いられる。 なお、レジスト中間層膜の厚さは、20〜100nmが好ましい。 CVD法よりもスピンコート法による珪素含有レジスト中間層膜の形成の方が簡便でコスト的なメリットがある。 三層レジスト膜におけるレジスト上層膜は、ポジ型でもネガ型でもどちらでもよく、通常用いられているフォトレジスト組成物と同じものを用いることができる。 上記フォトレジスト組成物により単層レジスト上層膜を形成する場合、上記レジスト下層膜を形成する場合と同様に、スピンコート法が好ましく用いられる。 フォトレジスト組成物をスピンコート後、プリベークを行うが、60〜180℃で10〜300秒の範囲が好ましい。 その後常法に従い、露光を行い、ポストエクスポジュアーベーク(PEB)、現像を行い、レジストパターンを得る。 なお、レジスト上層膜の厚さは特に制限されないが、30〜500nm、特に50〜400nmが好ましい。 次に、得られたレジストパターンをマスクにしてエッチングを行う。 三層プロセスにおけるレジスト中間層膜、特に無機ハードマスクのエッチングは、フロン系のガスを用いてレジストパターンをマスクにして行う。 次いでレジスト中間層膜パターン、特に無機ハードマスクパターンをマスクにして酸素ガス又は水素ガスを用いてレジスト下層膜のエッチング加工を行う。 次の被加工基板のエッチングも、常法によって行うことができ、例えば基板がSiO 2 、SiN、シリカ系低誘電率絶縁膜であればフロン系ガスを主体としたエッチング、p−SiやAl、Wでは塩素系、臭素系ガスを主体としたエッチングを行う。 基板加工をフロン系ガスでエッチングした場合、三層プロセスの珪素含有中間層は基板加工と同時に剥離される。 塩素系、臭素系ガスで基板をエッチングした場合は、珪素含有中間層の剥離は基板加工後にフロン系ガスによるドライエッチング剥離を別途行う必要がある。 本発明のレジスト下層膜形成方法で形成したレジスト下層膜は、これら被加工基板のエッチング耐性に優れる特徴がある。 なお、被加工基板としては、被加工層が基板上に成膜される。 基板としては、特に限定されるものではなく、Si、α−Si、p−Si、SiO 2 、SiN、SiON、W、TiN、Al等で被加工層と異なる材質のものが用いられる。 被加工層としては、Si、SiO 2 、SiON、SiN、p−Si、α−Si、W、W−Si、Al、Cu、Al−Si等種々のLow−k膜及びそのストッパー膜が用いられ、通常50〜10,000nm、特に100〜5,000nm厚さに形成し得る。 三層プロセスの一例について図1を用いて具体的に示すと下記の通りである。 以下、合成例、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。 [合成例1]ナフタレン誘導体(6)の合成 (1−1) ナフタレン誘導体(6): (1−2) ナフタレン誘導体(6): (1−3) ナフタレン誘導体(6): [合成例2]ナフタレン誘導体(7)の合成 14−(2−ナフチル)−14H−ジベンゾ[a,j]キサンテン9.94g(27.7mmol)、9−フルオレノン5.0g(27.7mmol)、1,2−ジクロロエタン30mlを3つ口フラスコに加え、オイルバス中で溶解させた。 溶解を確認後、3−メルカプトプロピオン酸0.6ml、メタンスルホン酸6.0mlを滴下し、還流下で23時間反応を行った。 反応終了後、飽和炭酸水素ナトリウム水溶液50mlでクエンチ後、THF120ml、トルエン30mlで希釈し、分液ロートに移し替え、分液を行った。 有機層を水、飽和食塩水で洗浄し、硫酸ナトリウムで乾燥した。 乾燥後、硫酸ナトリウムを濾別して減圧濃縮し、残渣にTHF70mlを加え、メタノール600mlでポリマーを晶出した。 晶出したポリマーを濾別し、減圧乾燥することでナフタレン誘導体(7)を得た。 ナフタレン誘導体(7): [合成例3]ナフタレン誘導体(8)の合成 14−(フェニル)−14H−ジベンゾ[a,j]キサンテン11.3g(27.7mmol)、9−フルオレノン5.0g(27.7mmol)、1,2−ジクロロエタン30mlを3つ口フラスコに加え、オイルバス中で溶解させた。 溶解を確認後、3−メルカプトプロピオン酸0.15ml、メタンスルホン酸1.5mlを滴下し、還流下で18時間反応を行った。 反応終了後、THF250ml、トルエン80mlで希釈し、分液ロートに移し替え、水洗分液を行った。 水洗を繰り返し、水層が中性になったのを確認後、減圧濃縮した。 残渣にTHF70mlを加え、ジイソプロピルエーテル800mlでポリマーを晶出した。 晶出したポリマーを濾別し、減圧乾燥することでナフタレン誘導体(8)を得た。 ナフタレン誘導体(8): [合成例4]ナフタレン誘導体(9)の合成 (4−1) ナフタレン誘導体(9): (4−2) ナフタレン誘導体(9): [合成例5]ナフタレン誘導体(10)の合成 2,2'−ジナフチルエーテル11.74g(43.4mmol)、9−ベンゾ[b]フルオレノン10.0g(43.4mmol)、1,2−ジクロロエタン60mlを3つ口フラスコに加え、オイルバス中で溶解させた。 溶解を確認後、3−メルカプトプロピオン酸0.30ml、メタンスルホン酸3.0mlを滴下し、還流下で35.5時間反応を行った。 反応終了後、THF250ml、トルエン300mlで希釈し、分液ロートに移し替え、水洗分液を行った。 水洗を繰り返し、水層が中性になったのを確認後、減圧濃縮した。 残渣にTHF120mlを加え、ヘキサン1,000mlでポリマーを晶出した。 晶出したポリマーを濾別し、減圧乾燥することでナフタレン誘導体(10)を得た。 ナフタレン誘導体(10): [合成例6]ナフタレン誘導体(11)、即ち、ナフタレン誘導体(6)のホルムアルデヒドによるノボラック化樹脂の合成 ナフタレン誘導体(6)(Mw=2,867、n=〜6.0(Mwから算出)、〜5.45( 13 C−NMRから算出)。)2.0g、1,2−ジクロロエタン20mlを3つ口フラスコに加え、オイルバス中で溶解させた。 溶解を確認後、パラホルムアルデヒド(ホルムアルデヒド含量94質量%)0.044gを加え、5分間撹拌を行い、トリフルオロメタンスルホン酸0.05mlを滴下し、還流下で2時間反応を行った。 反応終了後、THF50mlを加え、不溶分を濾別し、濾液をトルエン20mlで希釈し、分液ロートへ移した。 水洗分液を繰り返し、水層が中性になったのを確認後、有機層を乾固しナフタレン誘導体(11)を得た。 ナフタレン誘導体(11): [合成例7]ナフタレン誘導体(12)、即ち、ナフタレン誘導体(6)の2−ナフトアルデヒドによるノボラック化樹脂の合成 ナフタレン誘導体(6)(Mw=2,867、n=〜6.0(Mwから算出)、〜5.45( 13 C−NMRから算出)。)、2−ナフトアルデヒド0.22g(1.39mmol)を1,2−ジクロロエタン20mlを3つ口フラスコに加え、オイルバス中で溶解させた。 溶解を確認後、トリフルオロメタンスルホン酸0.05mlを滴下し、還流下で3時間反応を行った。 反応終了後、THF50ml、トルエン50mlで希釈し、分液ロートへ移した。 水洗分液を繰り返し、水層が中性になったのを確認後、減圧濃縮した。 残渣にTHF10mlを加え、ヘキサン100mlでポリマーを晶出した。 晶出したポリマーを濾別し、減圧乾燥することでナフタレン誘導体(12)を得た。 ナフタレン誘導体(12): [合成例8]ナフタレン誘導体(13)、即ち、ナフタレン誘導体(6)の酸化カップリング重合 フラスコにナフタレン誘導体(6)(Mw=2,867、n=〜6.0(Mwから算出)、〜5.45( 13 C−NMRから算出)。)、ジ−u−ヒドロキソ−ビス[(N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン)銅(II)]クロリド0.27g(0.58mmol)を加え、2−メトキシエタノール58mlで溶解させた。 室温、大気開放系で12時間反応を行い、1規定塩酸水溶液50mlで反応を停止した。 メチルエチルケトン150ml、トルエン25mlで抽出し、水洗分液を繰り返し行い、水層が中性になったのを確認後、減圧濃縮した。 残渣にTHF50mlを加え、ヘキサン100mlでポリマーを晶出した。 晶出したポリマーを濾別し、減圧乾燥することでナフタレン誘導体(13)を得た。 ナフタレン誘導体(13): 表1−1、表1−2に示すように上記合成例で得られたナフトール誘導体のそれぞれをPolymer1〜8とし、更に表1−3に示すようにAdditive1及び2、XL1で示される架橋剤、TAG1で示される熱酸発生剤、更に表1−4に示される比較Polymer9〜11を界面活性剤FC−4430(住友スリーエム(株)製)を含む溶媒中に溶解させ、0.1μmのフッ素樹脂製のフィルターで濾過することによって表2に示す下層膜材料を調製した。 (屈折率測定) (溶媒耐性測定;溶媒処理による膜の減少量) (CF 4 /CHF 3系ガスでのエッチング試験) 表3において、比較例1のCF 4 /CHF 3系ガスでのエッチングによって減少した膜厚を100としたときの実施例、比較例のそれぞれの膜減少を比率として表した。 その比率が小さいほど、エッチング耐性に優れることが判る。 (O 2系ガスでのエッチング試験) 上記と同様に、表3において、比較例1のO 2系ガスでのエッチングによって減少した膜厚を100としたときの実施例、比較例のそれぞれの膜減少を比率として表した。 その比率が小さいほど、エッチング耐性に優れることが判る。 (珪素含有下層膜上中間膜溶液の調製) (レジスト上層材料の調製及び液浸保護膜の調製) 液浸保護膜(TC−1)としては、表5に示す組成の樹脂を溶媒中に溶解させ、0.1μmのフッ素樹脂製のフィルターで濾過することによって調製した。 (パターンエッチング試験) (珪素含有レジスト中間層材料(SiL−1)の成膜) (レジスト上層膜材料(ArF用SLレジスト)及び保護膜の形成) (液浸露光にパターニング) (パターニング後のエッチング試験) レジストパターンのレジスト珪素含有中間層膜への転写条件。 珪素含有中間膜パターンの下層膜への転写条件。 レジスト下層膜パターンのSiO 2膜への転写条件。 それぞれのパターン断面を(株)日立製作所製電子顕微鏡(S−4700)にて観察し、形状を比較し、表6にまとめた。 (段差基板埋め込み特性) (アウトガス測定) 表2に示されるように、本発明のレジスト下層膜形成方法で形成したレジスト下層膜は、液浸リソグラフィー用の3層プロセスのレジスト下層膜としても実用に適する屈折率を有している。 表3に示すように、本発明のように350℃を超える温度でベークして形成すると、溶媒に不溶のレジスト下層膜が形成された(実施例1〜21)。 また、上記表1−3中に示された熱酸発生剤TAG1、架橋剤XL1を用いた場合、低温のベークが可能となり、溶媒に不溶のレジスト下層膜が形成された(表3、実施例22〜32)。 表6に示すように、本発明の方法で形成したレジスト下層膜のCF 4 /CHF 3ガスエッチングの速度、並びにO 2ガスエッチングの速度は、比較Polymer9〜11(比較例UDL−31〜36)、よりもエッチング速度が遅く、非常に高いエッチング耐性を有する。 表6に示すように、本発明の方法で形成したレジスト下層膜は、現像後のレジスト形状、酸素エッチング後、基板加工エッチング後の下層膜の形状が良好で、パターンのよれの発生も見られなかった(実施例33〜62)。 表7に示すように、比較例13においては埋め込み不良が発見された。 一方、モノマー(化合物)Additive1、Additive2をレジスト下層膜材料に添加することで、埋め込み特性が更に改善された。 しかし、モノマーを添加すると、表8の比較例15,16に示すように、ベーク中にパーティクルが発生し、ホットプレートのオーブンを汚染する。 本発明のビスナフトール化合物を含有したレジスト下層膜材料を用いて形成したレジスト下層膜は、モノマーのような低分子を多く添加してもパーティクルの発生がなく、埋め込み特性とパーティクル防止の両方の特性を同時に達成することができる。 なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。 上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に含有される。 1 基板2 被加工層3 レジスト下層膜4 レジスト中間層膜5 レジスト上層膜6 所用(露光)部分5a レジストパターン4a レジスト中間層膜パターン3a レジスト下層膜パターン2a パターン |