JP6871520B2 - 感放射線性組成物及びパターン形成方法 - Google Patents
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Description
当該感放射線性組成物は、[A]粒子と、[B]凝集抑制剤と、[C]有機溶媒とを含有する。当該感放射線性組成物は、[A]〜[C]成分を含有することで、保存安定性に優れ、LWR性能、解像性及び感度の経時低下が抑制される。当該感放射線性組成物が上記構成を備えることで上記効果を奏する理由については必ずしも明確ではないが、例えば以下のように推察することができる。すなわち、当該感放射線性組成物は、金属含有物質として、金属酸化物を主成分とする[A]粒子を含有する。この[A]粒子は、[B]凝集抑制剤を共に含有させることで、[A]粒子の表面の官能基同士の縮合等による経時的な変質が起こり難くなる。その結果、当該感放射線性組成物は、保存安定性に優れたものとなり、LWR性能、解像性及び感度の経時低下が抑制されると考えられる。
[A]粒子は、金属酸化物を主成分とする粒子である。「金属酸化物」とは、金属原子と酸素原子とを含む化合物をいう。「主成分」とは、粒子を構成する物質のうち最も含有率が高いものをいい、好ましくは含有率が50質量%以上、より好ましくは60質量%以上であるものをいう。[A]粒子は、金属酸化物を主成分としているので、放射線を吸収して二次電子を生成することができ、この二次電子の作用によって[D]酸発生剤等の分解による酸の発生が促進される。その結果、当該感放射線性組成物の感度を高いものとすることができる。
[A]粒子の金属酸化物を構成する金属原子としては、例えば第3族〜第16族の金属原子等が挙げられる。
第4族の金属原子としては、例えばチタン、ジルコニウム、ハフニウム等が、
第5族の金属原子としては、例えばバナジウム、ニオブ、タンタル等が、
第6族の金属原子としては、例えばクロム、モリブデン、タングステン等が、
第7族の金属原子としては、マンガン、レニウム等が、
第8族の金属原子としては、鉄、ルテニウム、オスミウム等が、
第9族の金属原子としては、コバルト、ロジウム、イリジウム等が、
第10族の金属原子としては、ニッケル、パラジウム、白金等が、
第11族の金属原子としては、銅、銀、金等が、
第12族の金属原子としては、亜鉛、カドミウム、水銀等が、
第13族の金属原子としては、アルミニウム、ガリウム、インジウム等が、
第14族の金属原子としては、ゲルマニウム、スズ、鉛等が、
第15族の金属原子としては、アンチモン、ビスマス等が、
第16族の金属原子としては、テルル等が挙げられる。
ギ酸、酢酸、プロピオン酸、ブタン酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、2−エチルヘキサン酸、オレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸、trans−2,3−ジメチルアクリル酸、ステアリン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、サリチル酸、安息香酸、p−アミノ安息香酸、モノクロロ酢酸、ジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸、トリフルオロ酢酸、ペンタフルオロプロピオン酸、没食子酸、シキミ酸等のモノカルボン酸;
シュウ酸、マロン酸、マレイン酸、メチルマロン酸、フマル酸、アジピン酸、セバシン酸、フタル酸、酒石酸等のジカルボン酸;
クエン酸等の3以上のカルボキシ基を有するカルボン酸などが挙げられる。
カテコール、レゾルシノール、ハイドロキノン、1,2−ナフタレンジオール等の2価のフェノール類;
ピロガロール、2,3,6−ナフタレントリオール等の3価以上のフェノール類などが挙げられる。
マレイミド、コハク酸イミド等のカルボン酸イミド;
ジ(トリフルオロメタンスルホン酸)イミド、ジ(ペンタフルオロエタンスルホン酸)イミド等のスルホン酸イミドなどが挙げられる。
ベンズアルドキシム、サリチルアルドキシム等のアルドキシム;
ジエチルケトキシム、メチルエチルケトキシム、シクロヘキサノンオキシム等のケトキシムなどが挙げられる。
[A]粒子は、例えば[b]金属含有化合物を用いて加水分解縮合反応を行う方法、[b]金属含有化合物を用いて配位子交換反応を行う方法等により合成することができる。ここで「加水分解縮合反応」とは、[b]金属含有化合物が有する加水分解性基が加水分解して−OHに変換され、得られた2個の−OHが脱水縮合して−O−が形成される反応をいう。
[b]金属含有化合物は、加水分解性基を有する金属化合物(I)、加水分解性基を有する金属化合物(I)の加水分解物、加水分解性基を有する金属化合物(I)の加水分解縮合物又はこれらの組み合わせである。金属化合物(I)は、1種単独で又は2種以上組み合わせて使用できる。
エチレン、プロピレン等の鎖状オレフィン;
シクロペンテン、シクロヘキセン、ノルボルネン等の環状オレフィン;
ブタジエン、イソプレン等の鎖状ジエン;
シクロペンタジエン、メチルシクロペンタジエン、ペンタメチルシクロペンタジエン、シクロヘキサジエン、ノルボルナジエン等の環状ジエン;
ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサメチルベンゼン、ナフタレン、インデン等の芳香族炭化水素などが挙げられる。
[B]凝集抑制剤は、[A]粒子の凝集を抑制する。「凝集」とは、複数の[A]粒子が一体化して、より大きな粒子が形成されることをいう。
[B1]脱水剤は、感放射線性組成物中の水を除去することができる物質を意味する。[B1]脱水剤としては、上記性質を有する物質である限り、有機化合物でも無機化合物でも用いることができる。これらの中で、水との反応により生成する物質の当該感放射線性組成物への影響を小さくできる観点から、有機化合物が好ましい。無機化合物である[B1]脱水剤としては、例えば無水硫酸カルシウム、無水硫酸マグネシウム、ゼオライト等が挙げられる。
上記式(b)中、Rb1、Rb2及びRb3は、それぞれ独立して、置換又は非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。Rcは、水素原子又は置換若しくは非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。Rb1、Rb2、Rb3及びRcのうちの2つ以上が、互いに合わせられこれらが結合している原子鎖と共に環員数4〜20の環構造を表してもよい。
メチル基、エチル基、n−プロピル基、i−プロピル基等のアルキル基;
エテニル基、プロペニル基、ブテニル基等のアルケニル基;
エチニル基、プロピニル基、ブチニル基等のアルキニル基等が挙げられる。これらの中で、アルキル基が好ましく、炭素数1〜4のアルキル基がより好ましく、メチル基、エチル基及びi−プロピル基がさらに好ましく、エチル基が特に好ましい。
シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の単環の1価の脂環式飽和炭化水素基;
シクロペンテニル基、シクロヘキセニル基等の単環の1価の脂環式不飽和炭化水素基;
ノルボルニル基、アダマンチル基、トリシクロデシル基、テトラシクロドデシル基等の多環の1価の脂環式飽和炭化水素基;
ノルボルネニル基、トリシクロデセニル基、テトラシクロドデセニル基等の多環の1価の脂環式不飽和炭化水素基などが挙げられる。これらの中で単環の1価の脂環式飽和炭化水素基及び多環の1価の脂環式飽和炭化水素基が好ましく、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ノルボルニル基及びアダマンチル基がより好ましい。
フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、ナフチル基、メチルナフチル基、アントリル基、メチルアントリル基等のアリール基;
ベンジル基、フェネチル基、ナフチルメチル基、アントリルメチル基等のアラルキル基などが挙げられる。
ギ酸無水物、酢酸無水物(無水酢酸)、プロピオン酸無水物、酪酸無水物、吉草酸無水物、カプロン酸無水物等の飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;
(メタ)アクリル酸無水物、プロピオル酸無水物、クロトン酸無水物等の不飽和脂肪族モノカルボン酸無水物;
シュウ酸無水物、マロン酸無水物、コハク酸無水物、グルタル酸無水物等の飽和脂肪族ジカルボン酸無水物(分子内無水物を含む);
安息香酸無水物、トルイル酸無水物、フランカルボン酸無水物等の環含有カルボン酸無水物などが挙げられる。これらの中で、飽和脂肪族モノカルボン酸無水物及び不飽和脂肪族モノカルボン酸無水物が好ましく、無水酢酸及び(メタ)アクリル酸無水物がより好ましい。
ギ酸ハライド、酢酸ハライド、プロピオン酸ハライド、酪酸ハライド、吉草酸ハライド、カプロン酸ハライド等の飽和脂肪族モノカルボン酸ハライド;
(メタ)アクリル酸ハライド、プロピオル酸ハライド、クロトン酸ハライド等の不飽和脂肪族モノカルボン酸ハライド;
シュウ酸ジハライド、マロン酸ジハライド、コハク酸ジハライド、グルタル酸ジハライド等の飽和脂肪族ジカルボン酸ジハライド;
安息香酸ハライド、トルイル酸ハライド、フランカルボン酸ハライド等の環含有カルボン酸ハライドなどが挙げられる。これらの中で、飽和脂肪族モノカルボン酸ハライド、不飽和脂肪族モノカルボン酸ハライド及び環含有カルボン酸ハライドが好ましく、不飽和脂肪族モノカルボン酸ハライド及び環含有カルボン酸ハライドがより好ましく、(メタ)アクリル酸ハライド及び安息香酸ハライドがさらに好ましく、(メタ)アクリル酸クロリド及び安息香酸クロリドが特に好ましい。
[B2]配位子化合物は、金属原子に配位しうる化合物である。[B2]配位子化合物としては、上記性質を有する化合物であれば用いることができ、例えば金属原子に配位しうる官能基を有する化合物等が挙げられる。金属原子に配位しうる官能基としては、例えばヒドロキシ基、カルボキシ基、イソシアネート基、アミノ基、カルボニルオキシ炭化水素基、カルボニルアルカンジイルカルボニル炭化水素基等が挙げられる。
フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子;
メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等のアルコキシ基;
メトキシカルボニル基、エトキシカルボニル基等のアルコキシカルボニル基;
メトキシカルボニルオキシ基、エトキシカルボニルオキシ基等のアルコキシカルボニルオキシ基;
ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、ベンゾイル基等のアシル基;シアノ基、ニトロ基などが挙げられる。
nが2のものとして、
エチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ヘキサメチレングリコール等のアルキレングリコール;
ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ジブチレングリコール、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ジアルキレングリコール;
シクロヘキサンジオール、シクロヘキサンジメタノール、ノルボルナンジオール、ノルボルナンジメタノール、アダマンタンジオール等のシクロアルキレングリコール;
1,4−ベンゼンジメタノール、2,6−ナフタレンジメタノール等の芳香環含有グリコール;
カテコール、レゾルシノール、ハイドロキノン等の2価フェノールなどが挙げられ、
nが3のものとして、
グリセリン、1,2,4−ブタントリオール等のアルカントリオール;
1,2,4−シクロヘキサントリオール、1,2,4−シクロヘキサントリメタノール等のシクロアルカントリオール;
1,2,4−ベンゼントリメタノール、2,3,6−ナフタレントリメタノール等の芳香環含有グリコール;
ピロガロール、2,3,6−ナフタレントリオール等の3価フェノール;
トリメチロールプロパンエトキシレート等が挙げられ、
nが4のものとして、
エリスリトール、ペンタエリスリトール等のアルカンテトラオール;
1,2,4,5−シクロヘキサンテトラオール等のシクロアルカンテトラオール;
1,2,4,5−ベンゼンテトラメタノール等の芳香環含有テトラオール;
1,2,4,5−ベンゼンテトラオール等の4価フェノールなどが挙げられる。これらの中で、nが2及び3のものが好ましく、アルキレングリコール、ジアルキレングリコール、アルカントリオール及びトリメチロールプロパンエトキシレートがより好ましく、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン及びトリメチロールプロパンエトキシレートがさらに好ましい。
nが1のものとして、
酢酸、プロピオン酸等の鎖状飽和モノカルボン酸;
アクリル酸、メタクリル酸、トランス−2,3−ジメチルアクリル酸等の不飽和モノカルボン酸;
シクロヘキサンジカルボン酸、ノルボルナンカルボン酸、アダマンタンカルボン酸等の脂環式モノカルボン酸;
安息香酸、ナフタレンカルボン酸等の芳香族モノカルボン酸などが挙げられ、
nが2のものとして、
シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸等の鎖状飽和ジカルボン酸;
マレイン酸、フマル酸、trans−2,3−ジメチルアクリル酸等の鎖状不飽和ジカルボン酸;
1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、ノルボルナンジカルボン酸、アダマンタンジカルボン酸等の脂環式ジカルボン酸;
フタル酸、テレフタル酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,7−ナフタレンジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸などが挙げられ、
nが3のものとして、
1,2,3−プロパントリカルボン酸等の鎖状飽和トリカルボン酸;
1,2,3−プロペントリカルボン酸等の鎖状不飽和トリカルボン酸;
1,2,4−シクロヘキサントリカルボン酸等の脂環式トリカルボン酸;
トリメリット酸、2,3,7−ナフタレントリカルボン酸等の芳香族トリカルボン酸などが挙げられ、
nが4のものとして、
1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸等の鎖状飽和テトラカルボン酸;
1,2,3,4−ブタジエンテトラカルボン酸等の鎖状不飽和テトラカルボン酸;
1,2,5,6−シクロヘキサンテトラカルボン酸、2,3,5,6−ノルボルナンテトラカルボン酸等の脂環式テトラカルボン酸;
ピロメリット酸、2,3,6,7−ナフタレンテトラカルボン酸等の芳香族テトラカルボン酸などが挙げられる。これらの中で、nが1及び2のものが好ましく、鎖状飽和モノカルボン酸、鎖状不飽和モノカルボン酸、鎖状飽和ジカルボン酸及び鎖状不飽和モノカルボン酸より好ましく、酢酸、プロピオン酸、メタクリル酸、コハク酸、マレイン酸及びtrans−2,3−ジメチルアクリル酸がさらに好ましく、nが1のものが特に好ましく、酢酸、プロピオン酸、メタクリル酸及びtrans−2,3−ジメチルアクリル酸がさらに特に好ましい。
nが2のものとして、
エチレンジイソシアネート、トリメチレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等の鎖状ジイソシアネート;
1,4−シクロヘキサンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート等の脂環式ジイソシアネート;
トリレンジイソシアネート、1,4−ベンゼンジイソシアネート、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネートなどが挙げられ、
nが3のものとして、
トリメチレントリイソシアネート等の鎖状トリイソシアネート;
1,2,4−シクロヘキサントリイソシアネート等の脂環式トリイソシアネート;
1,2,4−ベンゼントリイソシアネート等の芳香族トリイソシアネートなどが挙げられ、
nが4のものとして、
テトラメチレンテトライソシアネート等の鎖状テトライソシアネート;
1,2,4,5−シクロヘキサンテトライソシアネート等の脂環式テトライソシアネート;
1,2,4,5−ベンゼンテトライソシアネート等の芳香族テトライソシアネートなどが挙げられる。
これらの中で、nが2のものが好ましく、鎖状ジイソシアネートがより好ましく、ヘキサメチレンジイソシアネートがさらに好ましい。
nが2のものとして、
エチレンジアミン、N−メチルエチレンジアミン、N,N’−ジメチルエチレンジアミン、トリメチレンジアミン、N,N’−ジメチルトリメチレンジアミン、テトラメチレンジアミン、N,N’−ジメチルテトラメチレンジアミン等の鎖状ジアミン;
1,4−シクロヘキサンジアミン、1,4−ジ(アミノメチル)シクロヘキサン等の脂環式ジアミン;
1,4−ジアミノベンゼン、4,4’−ジアミノジフェニルメタン等の芳香族ジアミンなどが挙げられ、
nが3のものとして、
トリアミノプロパン、N,N’,N”−トリメチルトリアミノプロパン等の鎖状トリアミン;
1,2,4−トリアミノシクロヘキサン等の脂環式トリアミン;
1,2,4−トリアミノベンゼン等の芳香族トリアミンなどが挙げられ、
nが4のものとして、
テトラアミノブタン等の鎖状テトラアミン;
1,2,4,5−テトラアミノシクロヘキサン、2,3,5,6−テトラアミノノルボルナン等の脂環式テトラアミン;
1,2,4,5−テトラアミノベンゼン等の芳香族テトラアミンなどが挙げられる。これらの中で、nが2のものが好ましく、鎖状ジアミンがより好ましく、N,N’−ジメチルエチレンジアミンがさらに好ましい。
[C]有機溶媒としては、少なくとも[A]粒子、[B]凝集抑制剤及び必要に応じて含有される任意成分等を溶解又は分散可能な有機溶媒であれば特に限定されない。[C]有機溶媒は1種又は2種以上を用いることができる。
4−メチル−2−ペンタノール、n−ヘキサノール等の炭素数1〜18の脂肪族モノアルコール系溶媒;
シクロヘキサノール等の炭素数3〜18の脂環式モノアルコール系溶媒;
1,2−プロピレングリコール等の炭素数2〜18の多価アルコール系溶媒;
プロピレングリコールモノメチルエーテル等の炭素数3〜19の多価アルコール部分エーテル系溶媒などが挙げられる。
ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジペンチルエーテル、ジイソアミルエーテル、ジヘキシルエーテル、ジヘプチルエーテル等のジアルキルエーテル系溶媒;
テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン等の環状エーテル系溶媒;
ジフェニルエーテル、アニソール等の芳香環含有エーテル系溶媒などが挙げられる。
アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、ジエチルケトン、メチル−iso−ブチルケトン、2−ヘプタノン、エチル−n−ブチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジ−iso−ブチルケトン、トリメチルノナノン等の鎖状ケトン系溶媒:
シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、シクロオクタノン、メチルシクロヘキサノン等の環状ケトン系溶媒:
2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン、アセトフェノンなどが挙げられる。
N,N’−ジメチルイミダゾリジノン、N−メチルピロリドン等の環状アミド系溶媒;
N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジエチルホルムアミド、アセトアミド、N−メチルアセトアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチルプロピオンアミド等の鎖状アミド系溶媒などが挙げられる。
酢酸n−ブチル、乳酸エチル等のモノカルボン酸エステル系溶媒;
プロピレングリコールアセテート等の多価アルコールカルボキシレート系溶媒;
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート等の多価アルコール部分エーテルカルボキシレート系溶媒;
シュウ酸ジエチル等の多価カルボン酸ジエステル系溶媒;
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート系溶媒などが挙げられる。
n−ペンタン、n−ヘキサン等の炭素数5〜12の脂肪族炭化水素系溶媒;
トルエン、キシレン等の炭素数6〜16の芳香族炭化水素系溶媒などが挙げられる。
[D]酸発生体は、放射線の照射により酸を発生する成分である。[D]酸発生体から発生する酸の作用により、感放射線性組成物(I)においては複数の[A]粒子の加水分解性基同士の加水分解縮合等が、感放射線性組成物(II)においては[F]重合体の酸解離性基の解離等が起こることにより、これらの現像液への溶解性等を変化させることができ、その結果、パターンを形成することができる。当該感放射線性組成物における[D]酸発生体の含有形態としては、低分子化合物の形態(以下、適宜「[D]酸発生剤」と称する)でも、[A]粒子、[F]重合体等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。
[E]酸拡散制御体は、露光により[D]酸発生体等から生じる酸の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する。また、当該感放射線性組成物の保存安定性がより向上すると共に、解像性がより向上する。さらに、露光から現像処理までの引き置き時間の変動によるパターンの線幅変化を抑えることができ、プロセス安定性に優れた感放射線性組成物が得られる。[D]酸拡散制御体の当該感放射線性組成物における含有形態としては、遊離の化合物(以下、適宜「[E]酸拡散制御剤」と称する)の形態でも、[A]粒子、[F]重合体等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。
[F]重合体は、酸解離性基を有する重合体である。感放射線性組成物(II)は、通常[F]重合体を含有する。[F]重合体は、通常、酸解離性基を含む構造単位(以下、「構造単位(I)」ともいう)を有する。感放射線性組成物(I)によれば、放射線の照射により[D]酸発生体等から生じる酸により露光部の[F]重合体の酸解離性基が解離し、露光部と未露光部とで現像液に対する溶解性に差異が生じ、その結果、パターンを形成することができる。[F]重合体は、通常、感放射線性組成物(I)におけるベース重合体となる。「ベース重合体」とは、パターンを構成する重合体のうちの最も含有率が大きい重合体であって、好ましくは50質量%以上、より好ましくは60質量%以上を占める重合体をいう。
構造単位(I)は、酸解離性基を含む構造単位である。構造単位(I)としては、例えば下記式(2)で表される構造単位(以下、「構造単位(I−1)」ともいう)等が挙げられる。
構造単位(I−1)は、下記式(2)で表される構造単位である。
シクロプロパン構造、シクロブタン構造、シクロペンタン構造、シクロヘキサン構造、シクロヘプタン構造、シクロオクタン構造等の単環の飽和脂環構造;
ノルボルナン構造、アダマンタン構造、トリシクロデカン構造、テトラシクロドデカン構造等の多環の飽和脂環構造等が挙げられる。これらの中で、環員数5〜8の単環の飽和脂環構造及び環員数7〜12の多環の飽和脂環構造が好ましく、シクロペンタン構造、シクロヘキサン構造、シクロオクタン構造、ノルボルナン構造、アダマンタン構造及びテトラシクロドデカン構造がより好ましく、シクロペンタン構造、アダマンタン構造及びテトラシクロドデカン構造がさらに好ましい。
上記式(2−1)中、iは、1〜4の整数である。
上記式(2−3)中、jは、1〜4の整数である。
上記式(2−6)中、R6’、R7’及びR7’は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。
構造単位(II)は、ラクトン構造、環状カーボネート構造、スルトン構造又はこれらの組み合わせを含む構造単位である。[F]重合体は、構造単位(I)に加え、構造単位(II)をさらに有することで現像液への溶解性をより適度に調整することができ、その結果、当該感放射線性組成物のLWR性能及び解像性をより向上させることができる。また、当該感放射線性組成物から形成されるパターンと基板との密着性を向上させることができる。
構造単位(III)は、フェノール性水酸基を含む構造単位である。パターン形成方法における露光工程で照射する放射線として、KrFエキシマレーザー光、EUV、電子線等を用いる場合には、[F]重合体が構造単位(III)を有することで、感度をより高めることができる。
構造単位(IV)は、アルコール性水酸基を含む構造単位である。[F]重合体は、構造単位(IV)を有することで、現像液への溶解性をより適度に調製することができ、その結果、当該感放射線性組成物のLWR性能及び解像性をより向上させることができる。また、パターンの基板への密着性をより高めることができる。
[F]重合体は、上記構造単位(I)〜(IV)以外にもその他の構造単位を有してもよい。上記その他の構造単位としては、例えばケトン性カルボニル基、シアノ基、カルボキシ基、ニトロ基、アミノ基又はこれらの組み合わせを含む構造単位、非解離性の1価の脂環式炭化水素基を含む(メタ)アクリル酸エステルに由来する構造単位等が挙げられる。その他の構造単位の含有割合の上限としては、[F]重合体を構成する全構造単位に対して、20モル%が好ましく、10モル%がより好ましい。
[F]重合体は、例えば各構造単位を与える単量体を、ラジカル重合開始剤等を用い、適当な溶媒中で重合することにより合成できる。
アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)、2,2’−アゾビス(2−シクロプロピルプロピオニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)、ジメチル2,2’−アゾビスイソブチレート等のアゾ系ラジカル開始剤;
ベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド等の過酸化物系ラジカル開始剤などが挙げられる。これらの中で、AIBN及びジメチル2,2’−アゾビスイソブチレートが好ましく、AIBNがより好ましい。これらのラジカル重合開始剤は1種又は2種以上を用いることができる。
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;
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;
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;
クロロブタン、ブロモヘキサン、ジクロロエタン、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;
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;
アセトン、メチルエチルケトン、4−メチル−2−ペンタノン、2−ヘプタノン等のケトン;
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;
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などが挙げられる。これらの重合に使用される溶媒は、1種又は2種以上を用いてもよい。
GPCカラム:例えば東ソー社の「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本及び「G4000HXL」1本
カラム温度:40℃
溶出溶媒:テトラヒドロフラン
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
当該感放射線性組成物が感放射線性組成物(I)である場合、感放射線性組成物(I)は、[G]有機酸を含有することにより、放射線の照射前後の[A]粒子の現像液への溶解性の変化をより大きくすることができ、その結果、感放射線性組成物(I)の感度、LWR性能及び解像性をより向上させることができる。
その他の任意成分としては、例えば界面活性剤等が挙げられる。その他の任意成分は1種又は2種以上を用いてもよい。
当該感放射線性組成物は、例えば[A]粒子、[B]凝集抑制剤、[C]有機溶媒及び必要に応じて[D]酸発生体等の任意成分を所定の割合で混合し、好ましくは、得られた混合物を孔径0.2μm程度のフィルターで濾過することにより調製することができる。当該感放射線性組成物の固形分濃度の下限としては、0.1質量%が好ましく、0.5質量%がより好ましく、1質量%がさらに好ましく、3質量%が特に好ましい。一方、上記固形分濃度の上限としては、50質量%が好ましく、30質量%がより好ましく、15質量%がさらに好ましく、7質量%が特に好ましい。
当該パターン形成方法は、基板の一方の面側に当該感放射線性組成物を塗工する工程(以下、「塗工工程」ともいう)と、上記塗工工程により得られた膜を露光する工程(以下、「露光工程」ともいう)と、上記露光された膜を現像する工程(以下、「現像工程」ともいう)とを備える。当該パターン形成方法によれば、上述の当該感放射線性組成物を用いているので、感放射線性組成物を長期間保存した場合でも、高い感度で、LWRが小さく、解像度が高いパターンを形成することができる。以下、各工程について説明する。
本工程では、基板の一方の面側に当該感放射線性組成物を塗工し、膜を形成する。具体的には、得られる膜が所望の厚さとなるように当該感放射線性組成物を塗工した後、必要に応じてプレベーク(PB)によって当該感放射線性組成物の溶媒等を揮発させることで膜を形成する。当該感放射線性組成物を基板に塗工する方法としては、特に限定されないが、例えば回転塗布、流延塗布、ロール塗布等の適宜の塗布手段を採用できる。上記基板としては、例えばシリコンウエハ、アルミニウムで被覆されたウエハ等が挙げられる。なお、感放射線性組成物の潜在能力を最大限に引き出すため、有機系又は無機系の反射防止膜を基板上に形成してもよい。
本工程では、塗工工程により得られた膜を露光する。具体的には、例えば所定のパターンを有するマスクを介して上記膜に放射線を照射する。本工程では、必要に応じ、水等の液浸媒体を介した放射線の照射、つまり液浸露光を採用してもよい。露光する放射線としては、例えば可視光線、紫外線、遠紫外線、極端紫外線(EUV;波長13.5nm)、X線、γ線等の電磁波;電子線、α線等の荷電粒子線などが挙げられる。これらの中で、放射線を吸収した[A]金属含有成分から発生する二次電子を増加させる観点から、EUV及び電子線が好ましい。
本工程では、現像液を用い、露光された膜を現像する。これにより、所定パターンが形成される。現像液としては例えばアルカリ水溶液、有機溶媒含有液等が挙げられる。すなわち、現像方法としては、アルカリ現像でも有機溶媒現像でもよい。
GPCカラム(東ソー社の「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本及び「G4000HXL」1本)を用い、流量:1.0mL/分、溶出溶媒:テトラヒドロフラン、試料濃度:1.0質量%、試料注入量:100μL、カラム温度:40℃、検出器:示差屈折計の分析条件で、単分散ポリスチレンを標準とするゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。また、分散度(Mw/Mn)は、Mw及びMnの測定結果より算出した。
合成した[A]粒子の粒径は、光散乱測定装置(ドイツALV社の「ALV−5000」)を用い、検出角度60°、測定時間120秒の条件により測定した。
[合成例1](粒子(A−1)の合成)
窒素置換した500mLの三口フラスコに、オルトチタン酸テトラブチル20.0g(58.7mmol)、テトラヒドロフラン100mL及びメタクリル酸100mLを加え、65℃に加熱した。20分撹拌後、水10.6g(587mmol)を10分かけて滴下した。65℃で18時間撹拌した後、再度、水10.6g(587mmol)を10分かけて滴下した。2時間撹拌した後、常温まで放冷して反応を終了した。得られた反応液に水を400mL加えて粒子を析出させた。析出した粒子を3,000rpmで10分間遠心分離し、上層の溶液をデカンテーションした。残った粒子をアセトン50gに溶解し、再度、水を400mL加えて析出させた。析出した粒子を3,000rpmで遠心分離し、上層をデカンテーションした。得られた粒子を10Paで15時間乾燥させることで、粒子(A−1)を11.2g得た。(収率56%)
下記表1に示す粒子(A−2)〜(A−6)について、合成例1と同様に、対応する金属アルコキシドを用いて合成した。
窒素置換した500mL三口フラスコに、上記合成した粒子(A−1)10.0g、テトラヒドロフラン100mL及び安息香酸30.0g(24.6mmol)を加え、室温で24時間撹拌した。その後、水を200mL加えて粒子を析出させた。析出した粒子にアセトン25g加えて溶解し、水200mLを加えて粒子を析出させた。析出した粒子を3,000rpmで遠心分離し、上層をデカンテーションした。得られた粒子を10Paで15時間乾燥させることで、粒子(A−7)を8.1g得た。
[F]重合体の合成に用いた単量体を以下に示す。
上記化合物(M−5)7.97g(35モル%)、化合物(M−6)7.44g(45モル%)及び化合物(M−7)4.49g(20モル%)を2−ブタノン40gに溶解し、ラジカル重合開始剤としてのAIBN0.80g(単量体の合計に対して5モル%)を添加して単量体溶液を調製した。次に、20gの2−ブタノンを入れた100mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、撹拌しながら80℃に加熱し、上記調製した単量体溶液を滴下漏斗にて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合反応液を水冷して30℃以下に冷却した。400gのメタノール中に冷却した重合反応液を投入し、析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を80gのメタノールで2回洗浄した後、ろ別し、50℃で12時間乾燥させて白色粉末状の重合体(F−1)を合成した(収量15.0g、収率75%)。重合体(F−1)のMwは7,200であり、Mw/Mnは1.56であった。13C−NMR分析の結果、(M−5)、(M−6)及び(M−7)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ34.3モル%、45.0モル%及び20.7モル%であった。
上記化合物(M−1)6.88g(40モル%)、化合物(M−8)2.30g(10モル%)及び化合物(M−2)10.83g(50モル%)を2−ブタノン40gに溶解し、ラジカル重合開始剤としてのAIBN0.72g(単量体の合計に対して5モル%)を添加して単量体溶液を調製した。次に、20gの2−ブタノンを入れた100mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、撹拌しながら80℃に加熱し、上記調製した単量体溶液を滴下漏斗にて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合反応液を水冷して30℃以下に冷却した。400gのメタノール中に冷却した重合反応液を投入し、析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を80gのメタノールで2回洗浄した後、ろ別し、50℃で17時間乾燥させて白色粉末状の重合体(F−2)を合成した(収量14.8g、収率74%)。重合体(F−2)のMwは7,500であり、Mw/Mnは1.53であった。13C−NMR分析の結果、(M−1)、(M−8)及び(M−2)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ40.2モル%、10.1モル%及び49.7モル%であった。
上記化合物(M−1)3.43g(20モル%)、化合物(M−10)3.59g(15モル%)、化合物(M−9)7.83g(40モル%)及び化合物(M−7)5.16g(25モル%)を2−ブタノン40gに溶解し、ラジカル重合開始剤としてのAIBN0.72g(単量体の合計に対して5モル%)を添加して単量体溶液を調製した。次に、20gの2−ブタノンを入れた100mLの三口フラスコを30分窒素パージした後、撹拌しながら80℃に加熱し、上記調製した単量体溶液を滴下漏斗にて3時間かけて滴下した。滴下開始を重合反応の開始時間とし、重合反応を6時間実施した。重合反応終了後、重合反応液を水冷して30℃以下に冷却した。400gのメタノール中に冷却した重合反応液を投入し、析出した白色粉末をろ別した。ろ別した白色粉末を80gのメタノールで2回洗浄した後、ろ別し、50℃で17時間乾燥させて白色粉末状の重合体(F−3)を合成した(収量15.3g、収率77%)。重合体(F−3)のMwは7,200であり、Mw/Mnは1.53であった。13C−NMR分析の結果、(M−1)、(M−10)、(M−9)及び(M−7)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ19.5モル%、15.5モル%、40.1モル%及び24.9モル%であった。
上記化合物(M−4)55.0g(65モル%)及び化合物(M−3)45.0g(35モル%)、ラジカル重合開始剤としてのAIBN4g並びにt−ドデシルメルカプタン1gを、プロピレングリコールモノメチルエーテル100gに溶解した後、窒素雰囲気下、反応温度を70℃に保持して、16時間重合させた。重合反応終了後、重合反応液を1,000gのn−ヘキサン中に滴下して、重合体を凝固精製した。次いで上記重合体に、再度プロピレングリコールモノメチルエーテル150gを加えた後、さらに、メタノール150g、トリエチルアミン34g及び水6gを加えて、沸点にて還流させながら、8時間加水分解反応を行った。反応終了後、溶媒及びトリエチルアミンを減圧留去し、得られた重合体をアセトン150gに溶解した後、2,000gの水中に滴下して凝固させ、生成した白色粉末を濾過し、50℃で17時間乾燥させて白色粉末状の重合体(F−4)を得た(収量65.7g、収率77%)。重合体(F−4)のMwは7,500であり、Mw/Mnは1.90であった。13C−NMR分析の結果、p−ヒドロキシスチレン及び(M−3)に由来する各構造単位の含有割合は、それぞれ65.4モル%及び34.6モル%であった。
感放射線性組成物の調製に用いた[B]凝集抑制剤、[C]有機溶媒、[D]酸発生剤及び[E]酸拡散制御剤について以下に示す。
B−1:メタクリル酸
B−2:メタクリル酸無水物
B−3:オルトギ酸トリエチル
B−4:メタクリル酸クロリド
B−5:安息香酸
B−6:フタル酸
B−7:無水酢酸
B−8:安息香酸クロリド
C−1:酢酸プロピレングリコールモノメチルエーテル
C−2:シクロヘキサノン
D−1:N−トリフルオロメタンスルホニルオキシ−5−ノルボルネン−2,3−ジカルボキシイミド(下記式(D−1)で表される化合物)
D−2:トリフェニルスルホニウムノナフルオロ−n−ブタン−1−スルホネート(下記式(D−2)で表される化合物)
E−1:トリオクチルアミン
E−2:トリフェニルスルホニウムサリチレート
[実施例1]
[A]粒子としての(A−1)100質量部、[B]凝集抑制剤としての(B−1)10質量部、[C]有機溶媒としての(C−1)3,880質量部並びに[D]酸発生剤としての(D−1)10質量部を配合し、孔径0.2μmのメンブレンフィルターで濾過し、感放射線性組成物(R1−1)を調製した。
下記表2に示す種類及び含有量の各成分を用いた以外は実施例1と同様に操作して、感放射線性組成物(R1−2)〜(R1−20)及び(CR1−1)〜(CR1−9)を調製した。表2中の「−」は、該当する成分を用いなかったことを示す。
上記調製した感放射線性組成物(I)について、形成された膜の溶解速度を下記方法により測定し、また、各期間保管した感放射線性組成物(I)について膜の溶解速度を測定し、これらの測定値により、感放射線性組成物(I)の保存安定性を評価した。
QCM基板表面にQCM用スピンコーター(リソテックジャパン社)を使用して、上記調製した感放射線性組成物(I)を塗布し、90℃で60秒間PBを行った後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み35nmの膜を形成した。この形成した膜について、レジスト現像速度測定装置(リソテックジャパン社の「RDA−Qz3」)を使用して膜の溶解速度(溶解時間(秒))を測定した。現像液は2−プロパノールを用いた。
8インチのシリコンウエハ表面に、スピンコーター(東京エレクトロン社の「CLEAN TRACK ACT8」)を使用して、上記調製した感放射線性組成物(I)を塗布し、90℃で60秒間PBを行った後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み35nmの膜を形成した。次に、膜に、簡易型の電子線描画装置(日立製作所社の「HL800D」、出力:50KeV、電流密度:5.0A/cm2)を用いて電子線を照射した。次いで、現像液として2.38質量%TMAH水溶液を用い、23℃で30秒間現像し、乾燥して、ポジ型のパターンを形成した。
上記TMAH水溶液の代わりに酢酸n−ブチルを用いて有機溶媒現像し、かつ水での洗浄を行わなかった以外は、上記レジストパターンの形成(1)と同様に操作して、ネガ型のパターンを形成した。
上記5℃で保管し、2週間後(T=2w)、4週間後(T=4w)、8週間後(T=8w)及び12週間後(T=12w)のそれぞれの感放射線性組成物について、下記方法に従い、LWR性能、解像性及び感度を測定した。評価結果を表4及び表5に示す。パターンの測長には、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社の「S−9380」)を用いた。
パターンを、上記走査型電子顕微鏡を用い、パターン上部から観察した。線幅を任意のポイントで計50点測定し、その測定値の分布から3シグマ値を求め、これをLWR性能(nm)とした。LWR性能は、その値が小さいほど良いことを示す。LWR性能の値を、表4及び表5に示すT=0(基準)の感放射線性組成物についての値と比べたとき、10%未満の変化(LWR性能の値が90%を超え110%未満)の場合は「同等」と、10%以上悪化した場合(LWR性能の値が110%以上)には「不良」と評価した。
形成される最小のレジストパターンの寸法を測定し、この測定値を解像性(nm)とした。解像性は、測定値が小さいほど良いことを示す。解像性は、表4及び表5に示すT=0(基準)の感放射線性組成物についての値と比べたとき、10%未満の変化(解像性の値が90%を超え110%未満)の場合は「同等」と、10%以上悪化した場合(解像性の値が110%以上)は「不良」と評価した。
150nmのラインアンドスペースパターンを形成するのに必要な露光量を測定し、この測定値を感度(μC)とした。感度は測定値が小さいほど良いことを示す。感度は表4及び表5に示すT=0(基準)の感放射線性組成物についての値と比べたとき、10%未満の変化(感度の値が90%を超え110%未満)の場合は「同等」と、10%以上変化した場合(感度の値が90%未満又は110%以上)には「不良」と評価した。
[実施例21]
[A]粒子としての(A−1)5質量部、[B]凝集抑制剤としての(B−1)10質量部、[C]有機溶媒としての(C−1)3,104質量部及び(C−2)776質量部、[D]酸発生剤としての(D−1)10質量部、[E]酸拡散制御剤としての(E−1)2.3質量部並びに[F]重合体としての(F−1)100質量部を配合し、孔径0.2μmのメンブレンフィルターで濾過し、感放射線性組成物(R2−1)を調製した。
下記表6に示す種類及び含有量の各成分を用いた以外は、実施例21と同様に操作して、感放射線性樹脂組成物(R2−2)〜(R2−20)及び(CR2−1)〜(CR2−12)を調製した。
8インチのシリコンウエハ表面に、スピンコーター(東京エレクトロン社の「CLEAN TRACK ACT8」)を使用して、上記調製した感放射線性組成物を塗布し、90℃で60秒間PBを行った後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み35nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜に、簡易型の電子線描画装置(日立製作所社の「HL800D」、出力:50KeV、電流密度:5.0A/cm2)を用いて電子線を照射した。次いで、アルカリ現像液としての2.38質量%TMAH水溶液を用い、23℃で30秒間現像し、水で洗浄し、乾燥してポジ型のレジストパターンを形成した。
調製直後(T=0)及び5℃で保管し、2週間後(T=2w)、4週間後(T=4w)、8週間後(T=8w)及び12週間後(T=12w)のそれぞれの感放射線性組成物について、上記同様の方法に従い、LWR性能、解像性及び感度を測定した。評価結果を表7に示す。パターンの測長には、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社の「S−9380」)を用いた。
Claims (12)
- 金属酸化物を主成分とする粒子と、
上記粒子の凝集を抑制する凝集抑制剤と、
有機溶媒と
を含有し、
上記凝集抑制剤が脱水能を有する化合物であり、
上記粒子の平均粒子径が0.5nm以上20nm以下であり、
上記平均粒子径が光散乱測定装置を用いたDLS法で測定される散乱光強度基準の調和平均粒子径である感放射線性組成物。 - 上記脱水能を有する化合物が、カルボン酸無水物、オルトカルボン酸エステル、カルボン酸ハライド又はこれらの組み合わせである請求項1に記載の感放射線性組成物。
- 上記粒子100質量部に対する上記凝集抑制剤の含有量が、0.001質量部以上である請求項1又は請求項2に記載の感放射線性組成物。
- 上記金属酸化物を構成する金属原子が、第3族、第4族、第5族、第6族、第7族、第8族、第9族、第10族、第11族、第12族、第13族及び第14族の少なくともいずれかの原子である請求項1、請求項2又は請求項3に記載の感放射線性組成物。
- 上記金属酸化物を構成する金属原子が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、スズ又はこれらの組み合わせである請求項4に記載の感放射線性組成物。
- 上記粒子を全固形分中の主成分として含有する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の感放射線性組成物。
- 酸解離性基を有する重合体をさらに含有する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の感放射線性組成物。
- 感放射線性酸発生体をさらに含有する請求項6又は請求項7に記載の感放射線性組成物。
- 基板の一方の面側に請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の感放射線性樹脂組成物を塗工する工程、
上記塗工工程により得られた膜を露光する工程、及び
上記露光された膜を現像する工程
を備えるパターン形成方法。 - 上記現像工程で用いる現像液がアルカリ水溶液である請求項9に記載のパターン形成方法。
- 上記現像工程で用いる現像液が有機溶媒含有液である請求項9に記載のパターン形成方法。
- 上記露光工程で用いる放射線が極端紫外線又は電子線である請求項9、請求項10又は請求項11に記載のパターン形成方法。
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