JP5708663B2 - 感放射線性樹脂組成物及び化合物 - Google Patents
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Description
[A]下記式(1)で表される化合物(以下、「[A]化合物」ともいう)、及び
[B]酸解離性基を有する構造単位を含む重合体(以下、「[B]重合体」ともいう)
を含有する感放射線性樹脂組成物である。
本発明の感放射線性樹脂組成物は、[A]化合物及び[B]重合体を含有する。また、当該感放射線性樹脂組成物は、[A]化合物以外の酸発生剤、[C]フッ素原子を含有する重合体、[D]含窒素化合物、[E]溶媒をさらに含有することができる。また、本発明の効果を損なわない限り、その他の任意成分を含有してもよい。以下、各成分について詳述する。
当該感放射線性樹脂組成物が含有する[A]化合物は上記式(1)で表され、露光により酸を発生する感放射線性酸発生剤として作用する。[A]化合物は上記特定構造を有することから、嵩高く、かつ極性が高いため、露光により発生する酸の拡散が適度に抑制される。その結果、[A]化合物を含有する当該感放射線性樹脂組成物は、MEEF性能に優れ、良好なレジストパターンを形成することができる。このような[A]化合物としては、上記式(2)で表されるものが好ましい。
[A]化合物は例えば下記に示す合成方法等により合成できる。
化合物(*−3)は、例えば、化合物(*−1)、化合物(*−2)とのディースルアルダー反応により合成できる。この際、溶媒(以下、「(α)溶媒」ともいう)を用いてもよいし、用いなくても良い。反応を促進させるため、加熱や加圧、ルイス酸の添加を行っても良い。反応後、必要に応じて蒸留、再結晶、カラムクロマトグラフィ、液−液洗浄、固−液洗浄等で精製後、化合物(*−3)を得ることが出来る。
化合物(*−4−1)及び化合物(*−4−2)は、例えば、化合物(*−3)のオレフィンの酸化開裂反応、又はオレフィンのジオール化に続くジオールの酸化開裂反応によって合成できる。R1’及びR2’が水素原子である場合は、化合物(*−4−1)となり、1価の有機基である場合は、化合物(*−4−2)となる。この際、(α)溶媒を用いてもよいし、用いなくてもよい。反応後、必要に応じて蒸留、再結晶、カラムクロマトグラフィ、液−液洗浄、固−液洗浄等で精製後、化合物(*−4−1)及び化合物(*−4−2)を得ることが出来る。
化合物(*−5)は例えば、化合物(*−4−1)のエステル化やアミド化により合成することが出来る。この際、(α)溶媒を用いてもよいし用いなくても良い。また、反応促進のため、塩基化合物(以下、「(β)塩基」ともいう)や酸性化合物(以下、「(γ)酸」ともいう)を添加してもよい。反応後必要に応じて蒸留、再結晶、カラムクロマトグラフィ、液−液洗浄、固−液洗浄等で精製後、化合物(*−5)を得ることが出来る。
当該感放射線性樹脂組成物が含有する[B]重合体は、(b1)酸の作用によりアルカリ現像液に対する溶解性が増大する構造単位(以下、「(b1)構造単位」ともいう)を有する。即ち、[B]重合体は酸解離性基を有するアルカリ不溶性又はアルカリ難溶性の樹脂であって、酸解離性基が解離した時にアルカリ可溶性となる。なお、本発明において「アルカリ不溶性又はアルカリ難溶性である」とは、当該感放射線性樹脂組成物から形成されたレジスト被膜からレジストパターンを形成する際に採用されるアルカリ現像条件下で、レジスト被膜の代わりに[B]重合体のみを用いた被膜を現像した場合に、当該被膜の初期膜厚の50%以上が現像後に残存する性質を有することを言う。また、[B]重合体は、さらに(b2)ラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位及び/又は(b3)極性基を有する構造単位を含むことが好ましい。以下、各構造単位について詳述する。
(b1)構造単位としては下記式(6)で示される構造単位が挙げられる。
[B]重合体は、(b2)ラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位をさらに含むことが好ましい。(b2)構造単位を含むことで、レジスト膜の基板への密着性を向上できる。
[B]重合体は、下記式で示される(b3)極性基を含む構造単位をさらに有することが好ましい。ここでいう「極性基」としては、水酸基、カルボキシル基、ケト基、スルホンアミド基、アミノ基、アミド基、シアノ基が挙げられる。
[B]重合体は、ラジカル重合等の常法に従って合成できる。例えば、
単量体及びラジカル開始剤を含有する溶液を、反応溶媒又は単量体を含有する溶液に滴下して重合反応させる方法;
単量体を含有する溶液と、ラジカル開始剤を含有する溶液とを各別に、反応溶媒又は単量体を含有する溶液に滴下して重合反応させる方法;
各々の単量体を含有する複数種の溶液と、ラジカル開始剤を含有する溶液とを各別に、反応溶媒又は単量体を含有する溶液に滴下して重合反応させる方法等の方法で合成することが好ましい。なお、単量体溶液に対して、単量体溶液を滴下して反応させる場合、滴下される単量体溶液中の単量体量は、重合に用いられる単量体総量に対して30モル%以上が好ましく、50モル%以上がより好ましく、70モル%以上がさらに好ましい。
メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、4−メチル−2−ペンタノール等のアルコール類;
アセトン、2−ブタノン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン等のケトン類;
酢酸エチル、酢酸n−ブチル、酢酸i−ブチル、プロピオン酸メチル等の飽和カルボン酸エステル類;
n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、n−オクタン、n−ノナン、n−デカン等のアルカン類;
シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、デカリン、ノルボルナン等のシクロアルカン類;
ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、クメン等の芳香族炭化水素類;
クロロブタン類、ブロモヘキサン類、ジクロロエタン類、ヘキサメチレンジブロミド、クロロベンゼン等のハロゲン化炭化水素類;
テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン類、ジエトキシエタン類等のエーテル類;
等が挙げられる。これらの溶媒は、単独で使用してもよく2種以上を併用してもよい。
当該感放射線性樹脂組成物は、好適成分として[C]フッ素原子を含有する重合体をさらに含有できる。当該感放射線性組成物が[C]重合体を含有することで、レジスト膜の疎水性が向上し液浸露光を行った場合においても物質溶出抑制に優れ、また、レジスト膜と液浸液との後退接触角を十分に高くでき、高速でスキャン露光した場合に水滴が残らない等の効果を奏する為、当該感放射線性組成物の液浸露光用としての有用性が高まる。
主鎖にフッ素化アルキル基が結合した構造;
側鎖にフッ素化アルキル基が結合した構造;
主鎖と側鎖とにフッ素化アルキル基が結合した構造が挙げられる。
(c1)構造単位は下記式(7)で示される構造単位である。
(c2)構造単位は、下記式(8)で示される構造単位である。
シクロプロパン、シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、シクロデカン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン等の単環式飽和炭化水素;
シクロブテン、シクロペンテン、シクロヘキセン、シクロヘプテン、シクロオクテン、シクロデセン、シクロペンタジエン、シクロヘキサジエン、シクロオクタジエン、シクロデカジエン等の単環式不飽和炭化水素;
ビシクロ[2.2.1]ヘプタン、ビシクロ[2.2.2]オクタン、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカン、トリシクロ[3.3.1.13,7]デカン、テトラシクロ[6.2.1.13,6.02,7]ドデカン、アダマンタン等の多環式飽和炭化水素;
ビシクロ[2.2.1]ヘプテン、ビシクロ[2.2.2]オクテン、トリシクロ[5.2.1.02,6]デセン、トリシクロ[3.3.1.13,7]デセン、テトラシクロ[6.2.1.13,6.02,7]ドデセン等の多環式炭化水素基から(m+1)個の水素原子を除いた基が挙げられる。
式(8−2)中、Rc3、Xc、Rc5及びkは、上記式(8)と同義である。但し、kが2又は3の場合、複数のXc及びRc5はそれぞれ同一でも異なっていてもよい。
[C]重合体は、さらに「他の構造単位」として、現像液への可溶性を高めるために、ラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位、エッチング耐性を高めるために脂環式構造を含む構造単位等を1種以上有してもよい。かかるラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位及び脂環式構造を含む構造単位としては、[B]重合体の(b2)ラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位と同様の構造単位が挙げられる。
[C]重合体は、例えば所定の各構造単位に対応する単量体を、ラジカル重合開始剤を使用し、適当な溶媒中で重合することにより製造できる。
[D]含窒素化合物は、露光により[A]化合物及び又は他の酸発生剤から生じる酸のレジスト被膜中における拡散現象を制御し、非露光領域における好ましくない化学反応を抑制する効果を奏し、レジストとしての解像度がより向上するとともに、得られる感放射線性樹脂組成物の貯蔵安定性が向上する。[D]含窒素化合物の当該感放射線性樹脂組成物における含有形態としては、遊離の化合物の形態でも、重合体の一部として組み込まれた形態でも、これらの両方の形態でもよい。
トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、トリ−n−ペンチルアミン、トリ−n−ヘキシルアミン、トリ−n−ヘプチルアミン、トリ−n−オクチルアミン、シクロヘキシルジメチルアミン、ジシクロヘキシルメチルアミン、トリシクロヘキシルアミン等のトリ(シクロ)アルキルアミン類;
アニリン、N−メチルアニリン、N,N−ジメチルアニリン、2−メチルアニリン、3−メチルアニリン、4−メチルアニリン、4−ニトロアニリン、2,6−ジメチルアニリン、2,6−ジイソプロピルアニリン等の芳香族アミン類;
トリエタノールアミン、N,N−ジ(ヒドロキシエチル)アニリン等のアルカノールアミン類;
N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラキス(2−ヒドロキシプロピル)エチレンジアミン、1,3−ビス[1−(4−アミノフェニル)−1−メチルエチル]ベンゼンテトラメチレンジアミン、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテル、ビス(2−ジエチルアミノエチル)エーテル等が挙げられる。
当該感放射線性樹脂組成物は、通常、[E]溶媒を含有する。[E]溶媒としては、例えば、アルコール系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒及びその混合溶媒等が挙げられる。当該感放射線性樹脂組成物において、[E]溶媒は1種又は2種以上用いてもよい。
メタノール、エタノール、n−プロパノール、iso−プロパノール、n−ブタノール、iso−ブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、n−ペンタノール、iso−ペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、tert−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、3−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、sec−オクタノール、n−ノニルアルコール、2,6−ジメチル−4−ヘプタノール、n−デカノール、sec−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec−テトラデシルアルコール、sec−ヘプタデシルアルコール、フルフリルアルコール、フェノール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、3,3,5−トリメチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、ジアセトンアルコール等のモノアルコール系溶媒;
エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、2,4−ペンタンジオール、2−メチル−2,4−ペンタンジオール、2,5−ヘキサンジオール、2,4−ヘプタンジオール、2−エチル−1,3−ヘキサンジオール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等の多価アルコール系溶媒;
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ヘキシルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、エチレングリコールモノ−2−エチルブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノプロピルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、プロピ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、プロピレングリコールモノプロピルエーテル、プロピレングリコールモノブチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノプロピルエーテル等の多価アルコール部分エーテル系溶媒等が挙げられる。
n−ペンタン、iso−ペンタン、n−ヘキサン、iso−ヘキサン、n−ヘプタン、iso−ヘプタン、2,2,4−トリメチルペンタン、n−オクタン、iso−オクタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒;
ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、エチルベンゼン、トリメチルベンゼン、メチルエチルベンゼン、n−プロピルベンゼン、iso−プロピルベンゼン、ジエチルベンゼン、iso−ブチルベンゼン、トリエチルベンゼン、ジ−iso−プロピルベンセン、n−アミルナフタレン等の芳香族炭化水素系溶媒;
ジクロロメタン、クロロホルム、フロン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等の含ハロゲン溶媒等が挙げられる。
当該感放射線性樹脂組成物は、本発明の効果を損なわない範囲で、[F]偏在化促進剤、脂環式骨格化合物、界面活性剤、増感剤等を含有できる。以下、これらのその他の任意成分について詳述する。これらのその他の任意成分は、単独で又は2種以上を混合して使用することができる。また、その他の任意成分の配合量は、その目的に応じて適宜決定することができる。
当該感放射線性樹脂組成物は、液浸露光法を使用しレジストパターンを形成する場合等に、[F]偏在化促進剤を配合することができる。[F]偏在化促進剤を配合することで、[C]重合体をさらに表層近傍に偏在化させることができる。[F]偏在化促進剤としては、例えばγ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネート等が挙げられる。
脂環式骨格化合物は、ドライエッチング耐性、パターン形状、基板との接着性等をさらに改善する作用を示す成分である。
界面活性剤は塗布性、ストリエーション、現像性等を改良する作用を示す成分である。
増感剤は、放射線のエネルギーを吸収して、そのエネルギーを[A]化合物に伝達しそれにより酸の生成量を増加する作用を示すものであり、当該感放射線性樹脂組成物の「みかけの感度」を向上させる効果を有する。
当該感放射線性樹脂組成物は、例えば上記[E]溶媒中で、上記[A]化合物、[B]重合体、必要に応じて加えられる[C]重合体、及びその他の任意成分を所定の割合で混合することにより調製できる。有機溶媒としては、上記の[E]溶媒として例示したものであって、[A]化合物、[B]重合体、[C]重合体、及びその他の任意成分を溶解又は分散可能であれば特に限定されない。当該感放射線性樹脂組成物は、通常、その使用に際して、全固形分濃度が1質量%〜50質量%、好ましくは2質量%〜25質量%となるように[E]溶媒に溶解した後、例えば孔径0.2μm程度のフィルターでろ過することによって、調製される。
本発明の感放射線性樹脂組成物を用いたパターン形成方法としては、例えば、
当該感放射線性樹脂組成物を用い、基板上にレジスト膜を形成する工程(以下、「(i)工程」ともいう)、
上記レジスト膜に露光する工程(以下、「(ii)工程」ともいう)、及び
上記露光されたレジスト膜をアルカリ現像する工程(以下、「(iii)工程」ともいう)
を含む方法等が挙げられる。以下、各工程を詳述する。
本工程では、感放射線性樹脂組成物又はこれを溶媒に溶解させて得られた組成物溶液を、回転塗布、流延塗布、ロール塗布等の塗布手段によって、シリコンウエハー、二酸化シリコン、下層反射防止膜で被覆されたウエハー等の基板上に所定の膜厚となるように塗布し、次いでプレベークすることにより塗膜中の溶媒を揮発させ、レジスト膜を形成する。なお、上記下層反射防止膜は、例えば下層反射防止膜形成剤を用いて、上記基板表面に形成することができる。
本工程では、工程(i)で形成されたレジスト膜に(場合によっては、水等の液浸媒体を介して)、放射線を照射し露光させる。なお、この際所定のパターンを有するマスクを通して放射線を照射する。放射線としては、目的とするパターンの線幅に応じて、可視光線、紫外線、遠紫外線、X線、荷電粒子線等から適宜選択して照射する。ArFエキシマレーザー(波長193nm)、KrFエキシマレーザー(波長248nm)に代表される遠紫外線が好ましく、ArFエキシマレーザーがより好ましい。次いで、露光されたフォトレジスト膜をポストエクスポージャーベーク(PEB)することで、レジスト膜の露光された部分において[A]化合物から発生した酸により重合体が脱保護される。PEBは、通常50℃〜180℃の範囲で適宜選択して実施される。
本工程では、露光されたレジスト膜を、現像液で現像することにより、所定のフォトレジストパターンを形成する。現像後は、水で洗浄し、乾燥することが一般的である。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、エチルアミン、n−プロピルアミン、ジエチルアミン、ジ−n−プロピルアミン、トリエチルアミン、メチルジエチルアミン、エチルジメチルアミン、トリエタノールアミン、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド、ピロール、ピペリジン、コリン、1,8−ジアザビシクロ−[5.4.0]−7−ウンデセン、1,5−ジアザビシクロ−[4.3.0]−5−ノネン等のアルカリ性化合物の少なくとも1種を溶解したアルカリ水溶液が好ましい。
本発明の化合物は、上記式(1)で表される。当該化合物としては、これらのうち、上記式(2)で表される化合物が好ましい。また、上記式(1)及び(2)中、R1が−OR5、R4が−OR6であり、このR5及びR6がそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10の脂環式基又は炭素数4〜12のラクトン構造を有する基である化合物が好ましい。当該化合物はレジスト膜形成用の感放射線性樹脂組成物等に含まれる酸発生剤として好適に使用することができる。当該化合物の詳細な説明については、当該感放射線性樹脂組成物に含有される[A]化合物の説明を適用できる。
カラム温度:40℃
溶出溶媒:テトラヒドロフラン(和光純薬工業社)
流速:1.0mL/分
試料濃度:1.0質量%
試料注入量:100μL
検出器:示差屈折計
標準物質:単分散ポリスチレン
[実施例1]
ジシクロペンタジエン108.5g及び1−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロ−3−ブテン322.4gをオートクレーブに入れ、重合禁止剤として4−メトキシフェノール0.3gをトルエン5mLに溶解した溶液を加えて、170℃で5時間攪拌した後、85℃、25mmHgにて減圧蒸留して精製することにより、下記式(a−1)で表される無色液状の1−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロ−2−(ノルボル−5―エン−2−イル)エタン(中間体化合物(a−1))326gを得た。
[実施例2]化合物(A−1)の合成
(前駆体化合物(a−2)の合成)
温度計、コンデンサーを備えたガラスのフラスコに、実施例1で得た中間体化合物(a−1)15.0g(54.9ミリモル)、水165g、アセトニトリル110g、酢酸エチル110g、三塩化ルテニウム228mg(1.10ミリモル)を投入し、氷浴で15分攪拌した。その後、過ヨウ素酸ナトリウム48.2g(225ミリモル)を、系内が20℃を超えないように注意しながら投入し、30分攪拌を続けた。その後、さらに室温で2時間反応を行い、TLCで原料消失を確認し、反応終了とした。
ガラスのフラスコに、4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボン酸3.00g(8.90ミリモル)、メタノール50g、p−トルエンスルホン酸0.300gを投入し、ディーンスターク装置を用いて10時間還流させた。その後、溶媒を留去し、酢酸エチル100mLを加え、有機層を炭酸水素ナトリウム水溶液50mLで3回、飽和食塩水50mLで1回洗浄した。洗浄した後、有機層の溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィーにより精製を行い、下記式(a−3)で表されるジメチル4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボキシレート(前駆体化合物(a−3))2.05gを得た(収率63%)。
温度計、コンデンサーを備えたガラスのフラスコに、ジメチル 4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボキシレート2.00g(5.49ミリモル)、炭酸水素ナトリウム0.920g(11.0ミリモル)、亜ジチオン酸ナトリウム1.62g(9.30ミリモル)、アセトニトリル15mL、水15mLを投入し、50℃で8時間攪拌した。19F−NMRにて原料消失を確認し、反応終了とした。その後、アセトニトリルを減圧留去し、これ以上の精製をせずに下記式(a−4)で表される2−(2,4−ビス(メトキシカルボニル)シクロペンチル)−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルフィン酸ナトリウム(前駆体化合物(a−4))粗生成物の水溶液を得て、次の反応に用いた。
温度計、コンデンサーを備えたガラスのフラスコに、上記で得られた2−(2,4−ビス(メトキシカルボニル)シクロペンチル)−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルフィン酸ナトリウム粗生成物の水溶液、タングステン酸(IV)ナトリウム2水和物を触媒量を投入し、35質量%過酸化水素水3.00gを滴下した。室温にて5時間攪拌後、19F−NMRにて原料消失を確認し反応終了とした。反応終了後、さらに水を20mL加え、水層を30mLのジクロロメタンで5回洗浄し、下記式(a−5)で表される2−(2,4−ビス(メトキシカルボニル)シクロペンチル)−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホン酸ナトリウム水溶液(前駆体化合物(a−5))を得て、次の反応に用いた。
ガラスのフラスコに、4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボン酸3.00g(8.90ミリモル)、イソプロパノール25g、シクロヘキサン25g、p−トルエンスルホン酸0.300gを投入し、ディーンスターク装置を用いて10時間還流させた。その後、溶媒を留去し、酢酸エチル100mLを加え、有機層を炭酸水素ナトリウム水溶液50mLで3回、飽和食塩水50mLで1回洗浄した。洗浄した後、有機層の溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィーにより精製を行い、下記式(a−6)で表されるジイソプロピル4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボキシレート(前駆体化合物(a−6))1.54gを得た(収率41%)。
(前駆体化合物(a−7)の合成)
ガラスのフラスコに、4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボン酸3.00g(8.90ミリモル)、4−オキサ−5−オキソトリシクロ[4.2.1.03,7]ノナン−2−オール13.7g(89.0ミリモル)、トルエン50g、p−トルエンスルホン酸0.300gを投入し、ディーンスターク装置を用いて26時間還流させた。その後、溶媒を留去し、ジクロロメタン100mLを加え、有機層を炭酸水素ナトリウム水溶液50mLで3回、水50mLで5回、飽和食塩水50mLで1回洗浄した。洗浄した後、有機層の溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィーにより精製を行い、下記式(a−7)で表されるビス(4−オキサ−5−オキソトリシクロ[4.2.1.03,7]ノナン−2−イル)4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボキシレート(前駆体化合物(a−7))2.33gを得た(収率43%)。
(前駆体化合物(a−8)の合成)
ガラスのフラスコに、4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)シクロペンタン−1,3−ジカルボン酸3.00g(8.90ミリモル)、シクロヘキシルアミン8.83g(89.0ミリモル)、トルエン50gを投入し、ディーンスターク装置を用いて10時間還流させた。その後、溶媒を留去し、ジクロロメタン100mLを加え、有機層を1M塩酸水50mLで4回、炭酸水素ナトリウム水溶液50mLで3回、飽和食塩水50mLで1回洗浄した。洗浄した後、有機層の溶媒を留去し、カラムクロマトグラフィーにより精製を行い、下記式(a−8)で表される4−(2−ブロモ−1,1,2,2−テトラフルオロエチル)−N1、N3−ジシクロヘキシルシクロペンタン−1,3−ジカルボキサミド(前駆体化合物(a−8))3.38gを得た(収率76%)。
化合物(M−1)21.54g(50モル%)、化合物(M−9)28.46g(50モル%)を、2−ブタノン100gに溶解し、さらにアゾビスイソブチロニトリル2.13gを投入した単量体溶液を準備した。50gの2−ブタノンを投入した500mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、1,000gのメタノールへ投入して析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を200gのメタノールに分散させてスラリー状にして洗浄した後、ろ別する操作を2回行った。50℃にて17時間乾燥して白色粉末の重合体(B−1)を得た(収量31g、収率62%)。この重合体は、Mwが6,100であり、Mw/Mnが1.4であり、フッ素原子含有率は0.0%であった。13C−NMR分析の結果、(M−1)及び(M−9)の含有率はそれぞれ48モル%、52モル%であった。
化合物(M−1)14.20g(35モル%)、化合物(M−9)26.81g(50モル%)を、2−ブタノン100gに溶解し、更にアゾビスイソブチロニトリル1.98gを投入した単量体溶液を準備した。50gの2−ブタノン及び化合物(M−5)8.99g(15モル%)を投入した500mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、1,000gのメタノールへ投入して析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を200gのメタノールに分散させてスラリー状にして洗浄した後、ろ別する操作を2回行った。50℃にて17時間乾燥して白色粉末の重合体(B−2)を得た(収量35g、収率70%)。この重合体は、Mwが6,300であり、Mw/Mnが1.4であり、フッ素原子含有率は0.0%であった。13C−NMR分析の結果、(M−1)、(M−5)および、(M−9)に由来する構造単位の含有率はそれぞれ34モル%、14モル%、52モル%であった。
化合物(M−3)19.18g(40モル%)、化合物(M−8)3.18g(10モル%)、化合物(M−9)24.43g(45モル%)を、2−ブタノン100gに溶解し、更にアゾビスイソブチロニトリル2.00gを投入した単量体溶液を準備した。50gの2−ブタノン及び化合物(M−6)3.21g(5モル%)を投入した500mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、1,000gのメタノールへ投入して析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を200gのメタノールに分散させてスラリー状にして洗浄した後、ろ別する操作を2回行った。50℃にて17時間乾燥して白色粉末の重合体(B−3)を得た(収量37g、収率74%)。この重合体は、Mwが6,100であり、Mw/Mnが1.3であり、フッ素原子含有率は0.0%であった。13C−NMR分析の結果、(M−3)、(M−6)、(M−8)および、(M−9)に由来する構造単位の含有率はそれぞれ39モル%、5モル%、10モル%、46モル%であった。
[合成例4]重合体(C−1)の合成
化合物(M−2)21.50g(70モル%)、化合物(M−13)8.50g(30モル%)を、2−ブタノン60gに溶解し、更にアゾビスイソブチロニトリル1.38gを投入した単量体溶液を準備した。30gの2−ブタノンを投入した300mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、600gのメタノール:水=8:2の溶液へ投入して樹脂を沈殿させた。上澄みの溶液を除いた後、沈殿した樹脂にメタノール120gを加え、樹脂を洗浄した。上澄み液を除いた後に、50℃にて17時間乾燥して、上記化合物(M−2)、及び(M−13)の重合体(C−1)を得た(収量18g、収率60%)。この重合体は、Mwが5,800であり、Mw/Mnが1.4、フッ素原子含有率が9.6質量%であった。
化合物(M−7)11.22g(40モル%)、化合物(M−11)18.78g(60モル%)を、2−ブタノン60gに溶解し、更にアゾビスイソブチロニトリル1.03gを投入した単量体溶液を準備した。30gの2−ブタノンを投入した300mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、600gのメタノール:水=8:2の溶液へ投入して樹脂を沈殿させた。上澄みの溶液を除いた後、沈殿した樹脂にメタノール120gを加え、樹脂を洗浄した。上澄み液を除いた後に、50℃にて17時間乾燥して、上記化合物(M−7)、及び(M−11)の重合体(C−2)を得た(収量19g、収率62%)。この重合体は、Mwが5,700であり、Mw/Mnが1.4、フッ素原子含有率が9.5質量%であった。
化合物(M−4)12.24g(40モル%)、化合物(M−12)17.76g(60モル%)を、2−ブタノン60gに溶解し、更にアゾビスイソブチロニトリル1.03gを投入した単量体溶液を準備した。30gの2−ブタノンを投入した300mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、反応器を攪拌しながら80℃に加熱し、上述のように準備した単量体溶液を、滴下漏斗を用いて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合開始時間とし、重合反応を6時間実施した。
重合終了後、重合溶液を水冷することにより30℃以下に冷却し、600gのメタノール:水=8:2の溶液へ投入して樹脂を沈殿させた。上澄みの溶液を除いた後、沈殿した樹脂にメタノール120gを加え、樹脂を洗浄した。上澄み液を除いた後に、50℃にて17時間乾燥して、上記化合物(M−4)、及び(M−12)の重合体(C−3)を得た(収量20g、収率67%)。この重合体は、Mwが5,900であり、Mw/Mnが1.4、フッ素原子含有率が9.5質量%であった。
[合成例7]上層膜用重合体(1)の調製
化合物(M−10)22.26gと2,2−アゾビス(2−メチルイソプロピオン酸メチル)4.64gをメチルエチルケトン25gに予め溶解させた単量体溶液(i)、及び化合物(M−14)27.74gをメチルエチルケトン25gに予め溶解させた単量体溶液(ii)をそれぞれ準備した。一方、温度計及び滴下漏斗を備えた500mLの三口フラスコにメチルエチルケトン100gを投入し、30分間窒素パージした。窒素パージ後、フラスコ内をマグネティックスターラーで撹拌しながら80℃になるように加熱した。
化合物(M−14)46.95g(85モル%)と、2,2’−アゾビス−(2−メチルプロピオン酸メチル)6.91gをイソプロピルアルコール100gに溶解した単量体溶液を準備した。一方、温度計及び滴下漏斗を備えた500mLの三つ口フラスコにイソプロピルアルコール50gを投入し、30分間窒素パージした。窒素パージの後、フラスコ内をマグネティックスターラーで攪拌しながら80℃になるように加熱した。滴下漏斗を用い、予め準備しておいた単量体溶液を2時間かけて滴下した。
合成例7で調製した上層膜用重合体(1)7質量部、合成例8で調製した上層膜用重合体(2)93部、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート10質量部、4−メチル−2−ヘキサノール(以下、「MIBC」ともいう)10質量部、及びジイソアミルエーテル(以下、「DIAE」ともいう)90質量部を混合することで上層膜形成組成物(G)を調製した。
[実施例6]
[B]重合体としての(B−1)を100質量部、[A]化合物としての(A−1)を8.1質量部、[D]含窒素化合物としての(D−1)を0.9質量部、[F]偏在化促進剤としてのγ−ブチロラクトン(F−1)を30質量部加え、さらに[E]溶媒として酢酸プロピレングリコールモノメチルエーテル(E−1)1,250質量部及びシクロヘキサノン(E−2)520質量部を混合し、フィルターを通してろ過し、感放射線性樹脂組成物を調製した。
表1及び表2に示す種類、量の各成分を使用した以外は実施例6と同様に操作して、感放射線性樹脂組成物を調製した。なお、表1中の「−」は、該当する成分を使用しなかったことを示す。
[パターン形成方法(P−1)]
8インチのシリコンウエハー表面に、下層反射防止膜形成剤(商品名「ARC29A」、日産化学社製)を用いて、膜厚77nmの下層反射防止膜を形成した。この基板の表面に、感放射線性樹脂組成物をスピンコートにより塗布し、ホットプレート上にて、120℃で60秒間SB(SoftBake)を行い、膜厚120nmのフォトレジスト膜を形成した。
このパターン形成方法を(P−1)とする。
パターン形成方法(P−1)と同様に下層反射防止膜を形成した12インチシリコンウェハ上に、感放射線性樹脂組成物によって、膜厚75nmのフォトレジスト膜を形成し、120℃で60秒間ソフトベーク(SB)を行った。次に、形成したフォトレジスト膜上に、上層膜形成用組成物(G)をスピンコートし、PB(90℃、60秒)を行うことにより膜厚90nmの上層膜を形成した。その後、ArFエキシマレーザー液浸露光装置(商品名「NSR S610C」、NIKON社製)を用い、NA=1.3、ratio=0.800、Annularの条件により、マスクパターンを介して露光した。露光後、90℃で60秒間ポストベーク(PEB)を行った。その後、2.38%のTMAH水溶液により現像し、水洗し、乾燥して、ポジ型のレジストパターンを形成した。このとき、50nmライン100nmピッチのパターン形成用のマスクを介して線幅50nmの1:1のラインアンドスペースを形成する露光量を最適露光量とした。なお、測長には走査型電子顕微鏡(CG−4000、日立ハイテクノロジーズ社)を用いた。
このパターン形成方法を(P−2)とする。
パターン形成方法(P−1)と同様に下層反射防止膜を形成した12インチシリコンウェハ上に、感放射線性樹脂組成物によって、膜厚75nmのフォトレジスト膜を形成し、120℃で60秒間ソフトベーク(SB)を行った。次に、このフォトレジスト膜を、前記ArFエキシマレーザー液浸露光装置を用い、NA=1.3、ratio=0.800、Annularの条件により、マスクパターンを介して露光した。露光後、90℃で60秒間ポストベーク(PEB)を行った。その後、2.38%のTMAH水溶液により現像し、水洗し、乾燥して、ポジ型のレジストパターンを形成した。このとき、50nmライン100nmピッチのマスクを介して線幅50nmの1:1のラインアンドスペースを形成する露光量を最適露光量とした。なお、測長には走査型電子顕微鏡(CG−4000、日立ハイテクノロジーズ社)を用いた。
このパターン形成方法を(P−3)とする。
上記最適露光量にてパターン形成方法が(P−1)の場合には、86nmライン180nmピッチ、88nmライン180nmピッチ、90nmライン180nmピッチ、92nmライン180nmピッチ、94nmライン180nmピッチとするパターン形成用のマスクパターンをそれぞれ介してLSパターンを形成し、パターン形成方法が(P−2)、(P−3)の場合には48nmライン100nm、49nmライン100nmピッチ、50nmライン100nmピッチ、51nmライン100nmピッチ、52nmライン100nmピッチとするパターン形成用のマスクパターンをそれぞれ介してLSパターンを形成した。このとき、マスクのラインサイズ(nm)を横軸に、各マスクパターンを用いてレジスト膜に形成されたライン幅(nm)を縦軸にプロットしたときの直線の傾きをMEEFとして算出した。MEEF(直線の傾き)は、その値が1に近いほどマスク再現性が良好である。結果を表1及び表2に合わせて示す。
Claims (7)
- [A]下記式(1)で表される化合物、及び
[B]酸解離性基を有する構造単位を含む重合体
を含有する感放射線性樹脂組成物。
(式(1)中、R1及びR4は、それぞれ独立して、水素原子、水酸基又は1価の有機基である。R2及びR3は、それぞれ独立して、水素原子又は1価の有機基である。X1及びX2は、それぞれ独立して、水素原子、水酸基、チオール基、スルホニル基又は1価の有機基である。但し、X1とX2とが結合して、−S−、−O−、−SO2−、炭素数1〜10のアルカンジイル基又はこれらを組み合わせてなる基を形成していてもよい。Aは、エタンジイル基である。X1、X2及びAが有する水素原子の少なくとも1つは、−Y−SO3 −M+で置換されている。Yは、フッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜10のアルカンジイル基である。M+は、1価のオニウムカチオンである。但し、−Y−SO3 −M+が複数ある場合、複数のY及びM+は、それぞれ同一でも異なっていてもよい。) - 上記R1が−OR5、上記R4が−OR6であり、
このR5及びR6がそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10の脂環式基又は炭素数4〜12のラクトン構造を有する基である請求項1又は請求項2に記載の感放射線性樹脂組成物。 - [B]重合体が、ラクトン構造又は環状カーボネート構造を有する構造単位、及び極性基を有する構造単位からなる群より選択される少なくとも1種の構造単位をさらに含む請求項1、請求項2又は請求項3に記載の感放射線性樹脂組成物。
- 下記式(1)で表される化合物。
(式(1)中、R1及びR4は、それぞれ独立して、水素原子、水酸基又は1価の有機基である。R2及びR3は、それぞれ独立して、水素原子又は1価の有機基である。X1及びX2は、それぞれ独立して、水素原子、水酸基、チオール基、スルホニル基又は1価の有機基である。但し、X1とX2とが結合して、−S−、−O−、−SO2−、炭素数1〜10のアルカンジイル基又はこれらを組み合わせてなる基を形成していてもよい。Aは、エタンジイル基である。X1、X2及びAが有する水素原子の少なくとも1つは、−Y−SO3 −M+で置換されている。Yは、フッ素原子で置換されていてもよい炭素数1〜10のアルカンジイル基である。M+は、1価のオニウムカチオンである。但し、−Y−SO3 −M+が複数ある場合、複数のY及びM+は、それぞれ同一でも異なっていてもよい。) - 上記R1が−OR5、上記R4が−OR6であり、
このR5及びR6がそれぞれ独立して炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10の脂環式基又は炭素数4〜12のラクトン構造を有する基である請求項5又は請求項6に記載の化合物。
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