KR101688012B1 - 레지스트 하층막용 조성물, 이를 포함하는 박막 구조물 및 반도체 집적회로 디바이스 - Google Patents

레지스트 하층막용 조성물, 이를 포함하는 박막 구조물 및 반도체 집적회로 디바이스 Download PDF

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Abstract

하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 포함하는 유기실란계 중합체, 및 용매를 포함하고, 상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 0.1% 내지 30%인 것인 레지스트 하층막용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112014032702160-pat00004

상기 화학식 1에서, R1, R2　및 R3의 정의는 명세서에서 정의한 바와 같다.

Description

레지스트 하층막용 조성물, 이를 포함하는 박막 구조물 및 반도체 집적회로 디바이스{RESIST UNDERLAYER COMPOSITION, THIN FILM STRUCTURE INCLUDING THE COMPOSITION, AND INTEGRATED CIRCUIT DEVICE INCLUDING THE THIN FILM STRUCTURE}
본 발명은 광학특성 및 에치 선택성이 우수한 레지스트 하층막용 조성물, 상기 조성물을 포함하는 박막 구조물, 그리고 상기 박막 구조물을 포함하는 반도체 집적회로 디바이스에 관한 것이다.
반도체 미세회로에 쓰이는 선폭이 줄어들면서 포토레지스트(photoresist)의 두께가 얇아질 필요성이 있다. 　그러나, 포토레지스트의 두께가 지나치게 얇은 경우 패턴 전사 공정에서 포토레지스트가 모두 소모되어 원하는 깊이로 기질(substrate)을 에치할 수 없게 된다.
이에 따라 선택적 식각 과정을 통하여 포토레지스트의 미세 패턴을 기질로 전사해주는 중간막 역할을 하는 레지스트 하층막, 즉 하드마스크가 도입되었다. 　하드마스크는 주로 두 개의 층을 포함하는데, 일반적으로 패턴을 만들고자 하는 기질 위에 카본계 하드마스크를 형성하고 그 위에 실리콘계 하드마스크를 형성한 후, 최종적으로 포토레지스트를 형성하여 제조된다.
일반적으로 실리콘계 하드마스크는 기질보다 포토레지스트에 대해 더 높은 에치선택성을 갖기 때문에, 얇은 두께의 포토레지스트를 이용해도 패턴을 쉽게 전사할 수 있다. 　패턴이 전사된 실리콘계 하드마스크를 마스크로 카본계 하드마스크를 에치하여 패턴을 전사하고, 상기 카본계 하드마스크를 마스크로 기질에 패턴을 전사하게 된다. 　결과적으로 더 얇은 포토레지스트를 사용하여, 원하는 깊이로 기질을 에치할 수 있다.
한편, 근래 하드마스크 층은 화학기상증착 방법 대신 스핀-온 코팅(spin-on coating) 방법으로 형성하는 것이 제안되었다. 　그러나, 스핀-온-코팅이 가능한 하드마스크 재료를 만들기 위해서는 몇 가지 기술적인 문제를 풀어야 한다. 　특히 실리콘계 하드마스크의 경우 에치 선택성을 높이기 위해서 재료의 공정기술이 중요하며, 주위 막과 굴절율, 흡광도 등의 조화를 이루어야 한다.
일 구현예는 광학 특성 및 에치 선택성이 우수한 레지스트 하층막용 조성물을 제공한다.
다른 구현예는 상기 레지스트 하층막용 조성물을 포함하는 박막 구조물을 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 박막 구조물을 포함하는 반도체 집적회로 디바이스를 제공한다.
일 구현예는 하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 포함하는 유기실란계 중합체, 및 용매를 포함하고, 상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 0.1% 내지 30%인 것인 레지스트 하층막용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112014032702160-pat00001
상기 화학식 1에서,
R1, R2　및 R3은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬실릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬아미노기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 할로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 또는 이들의 조합이다.
상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 1% 내지 30%일 수 있다.
상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 5% 내지 30%일 수 있다.
상기 유기실란계 중합체의 중량평균분자량은 1,000 내지 50,000일 수 있다.
상기 유기실란계 중합체는 상기 레지스트 하층막용 조성물 총량에 대하여 1 내지 50 중량% 포함될 수 있다.
상기 용매는 크시렌(xylene), 디부틸에테르(dibutylether), 톨루엔(toluene), 벤젠(benzene), 디에틸에테르(diethyl ether), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 리모넨(limonene), 테트랄린(tetralin), 데칼린(decalin), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(propylene glycol methyl ether), 프로필렌 글리콜 에틸 에테르(propylene glycol ethyl ether), 프로필렌 글리콜 프로필 에테르(propylene glycol propyl ether) 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물은 가교제, 라디칼 안정제, 계면활성제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를　더 포함할 수 있다.
상기 첨가제는 피리디늄 p-톨루엔설포네이트(pyridiniump-toluenesulfonate), 아미도설포베타인-16(amidosulfobetain-16), 암모늄(-)-캠퍼-10-설폰산염(ammonium(-)-camphor-10-sulfonic acid ammonium salt), 암모늄포메이트(ammonium formate), 알킬암모늄포메이트(alkyltriethylammonium formate), 피리디늄포메이트(pyridinium formate), 테트라부틸암모늄아세테이트(tetrabutyl ammonium acetate),　테트라부틸암모늄아자이드(tetrabutyl ammonium azide),　테트라부틸암모늄벤조에이트(tetrabutyl ammonium benzoate),　테트라부틸암모늄바이설페이트(tetrabutyl ammonium bisulfate),　브롬화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium bromide),　염화 테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium chloride),　시안화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium cyanide),　불화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium fluoride),　요오드화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium iodide),　테트라부틸암모늄 설페이트(tetrabutyl ammonium sulfate), 테트라부틸암모늄나이트레이트(tetrabutyl ammonium nitrate),　테트라부틸암모늄나이트라이트(tetrabutyl ammonium nitrite),　테트라부틸암모늄 p-톨루엔설포네이트(tetrabutyl ammonium p-toluene sulfonate),　테트라부틸암모늄포스페이트(tetrabutyl ammonium phosphate) 또는 이들의 조합일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 기판, 상기 기판 위에 위치하는 제1 레지스트 하층막, 상기 제1 레지스트 하층막 위에 위치하고 상술한 레지스트 하층막용 조성물을 포함하는 제2 레지스트 하층막, 및 상기 제2 레지스트 하층막 위에 위치하는 포토레지스트층을 포함하는 박막 구조물을 제공한다.
상기 제2 레지스트 하층막과 상기 포토레지스트층 사이에 반사 방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 레지스트 하층막의 에치 선택비가 1.75 내지 1.90일 수 있다.
단, 상기 에치 선택비는 (제2 레지스트 하층막 식각량)/(SiON 막 식각량)으로 정의된다.
상기 제1 레지스트 하층막은 탄소 함유 박막층일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상술한 박막 구조물을 포함하는 반도체 집적회로 디바이스를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따른　레지스트 하층막용 조성물은 유기실란계 중합체 내의 탄소 원소의 함량을 제어함으로써, 실리콘계 레지스트 하층막에서 요구되는 광학 특성 및 에치 특성을 동시에 확보할 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 박막 구조물의 단면을 도시한 것이다.
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 수소 원자가 할로겐 원자(F, Br, Cl, 또는 I), 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬보란기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴보란기, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20의 알케닐기, C2 내지C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30의 아릴알킬기, C1 내지 C4의 알콕시기, C1 내지 C20의 헤테로알킬기, C3 내지C20의 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C15의 사이클로알키닐기, C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, B, N, O, S 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1 내지 3개 함유한 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 　레지스트 하층막용 조성물을　설명한다.
일 구현예에 따른 　레지스트 하층막용 조성물은 하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 포함하는 유기실란계 중합체, 및 용매를 포함한다.
[화학식 1]
Figure 112014032702160-pat00002
상기 화학식 1에서,
R1, R2　및 R3은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬실릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬아미노기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 할로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 또는 이들의 조합이다.
상기 유기실란계 중합체의 탄소(C) 원소의 질량을 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 0.1% 내지 30% 이다. 　　
상기 유기실란계 중합체 내에서 탄소 원소의 질량이 0.1% 미만인 경우 굴절률 및 흡광도 조절이 상대적으로 어려워지고, 상기 유기실란계 중합체 내에서 탄소 원소의 질량이 30% 초과인 경우 상대적으로 실리콘 함량이 줄어들게 됨으로써 에치 선택비가 낮아질 수 있다.
그러나 일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물은 유기실란계 중합체 내의 탄소 원소 함량을 상기 범위로 제어함으로써, 우수한 에치 특성을 나타냄과 동시에 193nm 파장에서 목적한 범위 내로 굴절률(refractive index) n과 흡광계수(extinction coefficient) k값을 조절할 수 있다.
상기와 같은 관점에서 상기 유기실란계 중합체의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 예컨대 1% 내지 30%, 5% 내지 30%, 또는 10% 내지 30%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 탄소 원소의 함량은 상기 유기실란계 중합체 합성시 단량체 함량을 조절함으로써 결정할 수 있다. 　탄소 원소 이외의 원소의 경우 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 예컨대 실리콘 원소를 35 내지 65%, 질소 원소를 5 내지 35%, 산소 원소를 5 내지 35%, 수소 원소를 3 내지 7%의 질량비로 조절할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 유기실란계 중합체의 중량평균분자량은 예컨대 1,000 내지 50,000일 수 있다.
상기 유기실란계 중합체의 함량은 본 발명의 일구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물의 코팅 성능을 고려하여, 상기 레지스트 하층막용 조성물 총량에 대하여 1 내지 50 중량% 포함시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물은 상기한 유기실란계 중합체와 용매를 포함하여 이루어진다. 　상기 용매는 보이드(void)를 방지하고, 필름을 천천히　건조함으로써 평탄성을 향상시키는 역할을 한다. 　이러한 용매의 종류는 당분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로 본 발명의 일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물의 코팅, 건조　및　경화시의 온도보다 좀 더 낮은 온도 근처에서 휘발하는 고비등 용매를 사용할 수 있다. 　보다 더 구체적으로 크시렌(xylene), 디부틸에테르(dibutylether), 톨루엔(toluene), 　벤젠(benzene), 디에틸에테르(diethyl ether), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 리모넨(limonene), 테트랄린(tetralin), 데칼린(decalin), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(propylene glycol methyl ether), 프로필렌 글리콜 에틸 에테르(propylene glycol ethyl ether), 프로필렌 글리콜 프로필 에테르(propylene glycol propyl ether) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 본 발명의 일구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물은 가교제, 라디칼 안정제, 계면활성제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를　더 포함할 수 있다.
상기 레지스트 하층막용 조성물은 피리디늄 p-톨루엔설포네이트(pyridiniump-toluenesulfonate), 아미도설포베타인-16(amidosulfobetain-16), 암모늄(-)-캠퍼-10-설폰산염(ammonium(-)-camphor-10-sulfonic acid ammonium salt), 암모늄포메이트(ammonium formate), 알킬암모늄포메이트(alkyltriethylammonium formate), 피리디늄포메이트(pyridinium formate), 테트라부틸암모늄아세테이트(tetrabutyl ammonium acetate),　테트라부틸암모늄아자이드(tetrabutyl ammonium azide),　테트라부틸암모늄벤조에이트(tetrabutyl ammonium benzoate),　테트라부틸암모늄바이설페이트(tetrabutyl ammonium bisulfate),　브롬화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium bromide),　염화 테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium chloride),　시안화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium cyanide),　불화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium fluoride),　요오드화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium iodide),　테트라부틸암모늄 설페이트(tetrabutyl ammonium sulfate), 테트라부틸암모늄나이트레이트(tetrabutyl ammonium nitrate),　테트라부틸암모늄나이트라이트(tetrabutyl ammonium nitrite),　테트라부틸암모늄 p-톨루엔설포네이트(tetrabutyl ammonium p-toluene sulfonate),　테트라부틸암모늄포스페이트(tetrabutyl ammonium phosphate) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 　이러한 첨가제는 본 발명의 일 구현에에 따른 레지스트 하층막용 조성물의 에치 특성과 내용제성 등을 고려하여, 유기실란계 중합체 100 중량부에 대하여, 0.0001 내지 0.01 중량부 범위로 포함될 수 있다.
이하 다른 일 구현예에 따른 박막 구조물에 관하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 박막 구조물의 단면을 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 박막 구조물(10)은 기판(1), 기판 위에 위치하는 제1 레지스트 하층막(3), 제1 레지스트 하층막 위에 위치하는 제2 레지스트 하층막(5), 및 제2 레지스트 하층막 위에 위치하는 포토레지스트층(7)을 포함한다.
기판(1) 은 예컨대 실리콘웨이퍼, 유리 기판 또는 고분자 기판일 수 있다.
제1 레지스트 하층막(3)은 일반적으로 유기물로 이루어지며 예컨대 탄소 함유 박막층일 수 있다. 　예를 들어, 제1 레지스트 하층막(3)은 치환 또는 비치환된 방향족 고리기를 포함할 수 있으며, 이 경우 짧은 파장 영역(특히, 193nm, 248nm)에서 광 흡수율이 증가하여 광학 특성이 향상될 수 있다.
제2 레지스트 하층막(5)은 상기 레지스트 하층막용 조성물을 함유하며, 이에 관한 내용은 상술한 바와 같다.
제2 레지스트 하층막(5)는 기판(1)보다 포토레지스트층(7)에 대해 더 높은 에치선택성을 갖기 때문에 얇은 두께의 포토레지스트층(7)을 사용하더라도 패턴을 쉽게 전사할 수 있다. 　패턴이 전사된 제2 레지스트 하층막(5)을 마스크로 제1 레지스트 하층막(3)을 에칭하여 패턴을 전사하고, 마지막으로 이 제1 레지스트 하층막(3)을 마스크로 기판(1)에 패턴을 전사한다. 　결과적으로 더 얇은 레지스트층(7)을 사용하여 원하는 깊이로 기판을 에칭할 수 있다.
상기 박막 구조물은 예컨대 2 레지스트 하층막과 포토레지스트층 사이에 바닥 반사방지 층(bottom anti-reflective coating, BARC)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 레지스트 하층막의 에치 선택비는 예컨대 1.75 내지 1.90일 수 있다.
이 때, 상기 제2 레지스트 하층막의 에치 선택비는 (제2 레지스트 하층막 식각량)/(SiON 막 식각량)으로 정의되며, 막 성분을 제외한 모든 조건을 동일하게 하여 상기 실리콘옥시나이트라이드(SiON) 막의 식각량(식각 두께)에 대한 상기 레지스트 하층막의 식각량(식각 두께)의 상대 값을 나타낸 것이다.
본　발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, (a) 기판 상에 재료층을 제공하는 단계; (b) 상기 재료층 위로 제1 레지스트 하층막을 형성시키는 단계; (c) 상기　제1 레지스트 하층막　위로 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 코팅하여　제2 레지스트 하층막을 형성시키는 단계; (d) 상기 제2 레지스트　하층막 위로 방사선-민감성 이미지화층을 형성시키는 단계; (e) 상기 방사선-민감성 이미지화층을 패턴 방식으로 방사선에 노출시킴으로써 상기 방사선-민감성 이미지층 내에서 방사선-노출된 영역의 패턴을 생성시키는 단계; (f) 상기 방사선-민감성 이미지화층 및 상기 제2 레지스트　하층막의 부분을 선택적으로 제거하여 상기　제1 레지스트 하층막의 부분을 노출시키는 단계; (g) 패턴화된 제2 레지스트　하층막 및 상기　제1 레지스트 하층막의 부분을 선택적으로 제거하여 재료층의 부분을 노출시키는 단계; 및 (h) 재료층의 노출된 부분을 에칭함으로써 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 단계를 포함하는 박막 구조물의 제조 방법을 제공한다.
상기 제2 레지스트　하층막을 형성시키는 (c)단계와 방사선-민감성 이미지화층을 형성시키는 (d)단계　사이에 추가로 반사방지막을 형성시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 따라 기판 상의 재료를 패턴화하는 방법은 보다 구체적으로 하기와 같이 수행될 수 있다. 　
먼저, 알루미늄과 SiN(실리콘 나이트라이드)등과 같은 패턴화하고자 하는 재료를 통상적인 방법에 따라 실리콘 기판 위에 형성시킨다. 　본 발명의 레지스트 하층막용 조성물이　사용되는 패턴화하고자 하는 재료는 전도성, 반전도성, 자성 또는 절연성 재료인 것이 모두 가능하다.
상기 패턴화하고자 하는 재료 상에 유기물로 이루어진 제1 레지스트 하층막을 형성한다. 　이 때, 상기 제1 레지스트 하층막은 탄소, 수소, 산소 원자를 포함하는 유기물 재료를 이용하여 200　내지 12000 Å의 두께로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 제1 레지스트 하층막의 종류 및 두께는 상기 범위로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
이어서, 본 발명의 일 구현예에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 사용하여 500 내지 4000 Å 두께로 스핀-코팅에 의해 제2 레지스트 하층막을 형성하고, 100 내지 400 ℃에서 10 초 내지 10 분간 베이킹하여 제2 레지스트 하층막을 형성한다. 　이 때, 상기 제2 레지스트 하층막의 두께, 베이킹 온도 및 시간은 상기 범위로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상기 제2 레지스트 하층막이 형성되면 방사선-민감성 이미지화층을 형성시키고, 상기 이미지화층을 통한 노광(exposure) 공정에 의해 패턴이 형성될 영역을 노출시키는 현상(develop)공정을 진행한다. 　이어서, 이미지화층 및 반사방지층을 선택적으로 제거하여 재료층의 부분을 노출시키고, 에칭가스를 이용하여 드라이 에칭을 진행한다. 　상기 에칭가스의 일반적인 예로는 CHF3, CF4, CH4, Cl2, BCl3, CH2F2, CHF3, CF4, C2F6 및 이들의 혼합가스로 이루어진 군에서 선택된 것을 사용할 수 있다. 　패턴화된 재료 형상이 형성된 후에는 통상의 포토레지스트 스트립퍼에 의해 잔류하는 임의의 방사선-민감성 이미지화층을 제거할 수 있다.　
본 발명의 또 다른 일 구현예는 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 의해 제조되어지는 박막 구조물을 포함하는 반도체 집적회로 디바이스를 제공한다. 　특히, 금속 와이어링 라인, 컨택트 또는 바이어스를 위한 홀과 같은 패터닝된 재료층 구조물; 다마스크 트렌치 또는 셀로우 트렌치 절연과 같은 절연색션; 집적 회로 장치의 설계와 같은 커패시터 구조물용 트렌치 등의 분야에 유용하게 적용될 수 있다. 　또한, 산화물, 질화물, 폴리실리콘 및 크롬의 패터닝된 층을 형성하는 데에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 　또한 본 발명은 임의의 특정 리쏘그래픽 기법 또는 디바이스 구조물에 국한되는 것이 아님을 이해해야 한다. 　
　
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 　다만, 하기에 기재된 　실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
　
비교예 1
기계교반기, 냉각관, 적가 깔대기, 질소가스 도입관을 구비한 10L의 4구 플라스크에 테트라에틸오쏘실리케이트(tetraethylorthosilicate) 1264g, 페닐트리메톡시실란(phenyltrimethoxysilane) 134g 및 비스트리에톡시실릴에탄(bis(triethoxysilyl)ethane) 2.4g을 투입하여 디메틸에테르(dimethylether) 5600g와 에탄올(ethanol) 3558g에 용해시켜 용액을 준비하였다. 　그 후 1000ppm 질산 수용액 1186g을 상기 용액에 첨가하였다. 　그 후, 50℃에서 24 시간 반응시킨 후, 음압을 가하여 생성된 메탄올(methanol)과 에탄올(ethanol)을 제거하였다. 　상기 과정에서 중합 용매는 디메틸에테르에서 　프로필렌글리콜 모노메틸에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate, PGMEA)로 치환되었다. 　그 후 50℃로 반응 온도를 유지하면서 반응을 2일 동안 진행시켰다. 　반응 후 중합이 끝난 고분자 4g에 PGMEA 50g과 에틸 락테이트(EL) 50g을 넣어 희석용액을 제조하였다. 　상기 희석 용액에 피리디늄 p-톨루엔술포네이트(pyridinium p-toluenesulfonate) 0.004g을 첨가하였다. 　　얻어진 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 240℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
　
비교예 2 　
교반장치 및 온도제어장치가 부착된 2L의 반응기 내부를 건조 질소로 치환했다.　　이어서 건조 피리딘 1,500 g을 상기 반응기에 주입한 후 5℃로 보온했다. 　이어서 페닐디클로로실란 245ｇ을 2시간에 걸쳐 서서히 주입했다. 　그 후 상기 반응기를 교반하면서 암모니아 85ｇ을 4.3시간에 걸쳐 서서히 주입했다. 　이어서 상기 반응기에 건조 질소를 120분간 주입하고, 반응기 내에 잔존하는 암모니아를 제거했다.
　　　　얻어진 백색의 슬러리 상의 생성물을 건조 질소 분위기 중에서 １㎛의 테프론제 여과기를 사용하여 여과하여 여액 1,000g을 얻었다. 　여기에 건조 자일렌,　1000g을 첨가한 후, 로터리 이베포레이터를 사용하여 용매를 피리딘에서 자일렌으로 치환하는 조작을 총３회 반복하면서 고형분 농도를 20%로 조정하고, 마지막으로 포어 사이즈 0.1㎛의 테프론제 여과기로 여과하였다. 　그 후 마지막으로 여과한 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 400℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
그 후, 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 상기 필름 내의 탄소 원소의 함량을 측정한 결과, 탄소 원소의 질량은 중합체 전체 원소의 질량 대비 40%였다.
　
실시예 1
교반장치 및 온도제어장치가 부착된 2L의 반응기 내부를 건조 질소로 치환했다. 　그 후 건조 피리딘 1,500 g을 반응기에 주입한 후 5℃로 보온했다. 　이어서 디클로로실란 140ｇ을 2시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　그리고 상기 반응기를 교반하면서 여기에 암모니아 85ｇ을 4.3시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　다음으로 건조 질소를 120분간 주입하고 반응기 내에 잔존하는 암모니아를 제거했다. 　
　　　　　　얻어진 백색의 슬러리 상의 생성물을 건조 질소 분위기 중에서 １㎛의 테프론제 여과기를 사용하여 여과하여 여액 1,000g을 얻었다. 　여기에 건조 자일렌,　1000g을 첨가한 후, 로터리 이베포레이터를 사용하여 용매를 피리딘에서 자일렌으로 치환하는 조작을 총３회 반복하면서 고형분 농도를 20%로 조정하고, 마지막으로 포어 사이즈 0.1㎛의 테프론제 여과기로 여과했다. 　　　그 후 마지막으로 여과한 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 400℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
그 후, 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 상기 필름 내의 탄소 원소의 함량을 측정한 결과, 탄소 원소의 질량은 중합체 전체 원소의 질량 대비 10%였다.
　
실시예 2
교반장치 및 온도제어장치가 부착된 2L의 반응기 내부를 건조 질소로 치환했다. 그리고 건조 피리딘 1,500 g을 반응기에 주입한 후 5℃로 보온했다. 　이어서 페닐디클로로실란 61g, 메틸디클로로실란 40g을 넣고 교반 후, 디클로로실란 70ｇ을 2시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　상기 반응기를 교반하면서 여기에 암모니아 85ｇ을 4.3시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　다음으로 건조 질소를 120분간 주입하고 반응기 내에 잔존하는 암모니아를 제거했다.
얻어진 백색의 슬러리 상의 생성물을 건조 질소 분위기 중에서 １㎛의 테프론제 여과기를 사용하여 여과하여 여액 1,000g을 얻었다. 　여기에 건조 자일렌,　1000g을 첨가한 후, 로터리 이베포레이터를 사용하여 용매를 피리딘에서 자일렌으로 치환하는 조작을 총３회 반복하면서 고형분 농도를 20%로 조정하고, 마지막으로 포어 사이즈 0.1㎛의 테프론제 여과기로 여과했다. 　그 후 마지막으로 여과한 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 400℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
그 후, 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 상기 필름 내의 탄소 원소의 함량을 측정한 결과, 탄소 원소의 질량은 중합체 전체 원소의 질량 대비 20%였다.
　
실시예 3
교반장치 및 온도제어장치가 부착된 2L의 반응기 내부를 건조 질소로 치환했다. 　그 후 건조 피리딘 1,500 g을 반응기에 주입한 후 5℃로 보온했다. 　이어서 페닐디클로로실란 61g, 메틸디클로로실란 80g을 넣고 교반 후, 디클로로실란 35ｇ을 2시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　상기 반응기를 교반하면서 여기에 암모니아 85ｇ을 4.3시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　다음으로 건조 질소를 120분간 주입하고 반응기 내에 잔존하는 암모니아를 제거했다. 　
얻어진 백색의 슬러리 상의 생성물을 건조 질소 분위기 중에서 １㎛의 테프론제 여과기를 사용하여 여과하여 여액 1,000g을 얻었다. 　여기에 건조 자일렌,　1000g을 첨가한 후, 로터리 이베포레이터를 사용하여 용매를 피리딘에서 자일렌으로 치환하는 조작을 총３회 반복하면서 고형분 농도를 20%로 조정하고, 마지막으로 포어 사이즈 0.1㎛의 테프론제 여과기로 여과했다. 　그 후 마지막으로 여과한 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 240℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
그 후, 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 상기 필름 내의 탄소 원소의 함량을 측정한 결과, 탄소 원소의 질량은 중합체 전체 원소의 질량 대비 25%였다.
　
실시예 4
교반장치 및 온도제어장치가 부착된 2L의 반응기 내부를 건조 질소로 치환했다. 　그 후 건조 피리딘 1,500 g을 반응기에 주입한 후 5℃로 보온했다. 　이어서 페닐디클로로실란 123g, 메틸디클로로실란 40g을 넣고 교반 후, 디클로로실란 350ｇ을 2시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　상기 반응기를 교반하면서 여기에 암모니아 85ｇ을 4.3시간에 걸쳐서 서서히 주입했다. 　다음으로 건조 질소를 120분간 주입하고 반응기 내에 잔존하는 암모니아를 제거했다.
얻어진 백색의 슬러리 상의 생성물을 건조 질소 분위기 중에서 １㎛의 테프론제 여과기를 사용하여 여과하여 여액 1,000g을 얻었다. 　여기에 건조 자일렌,　1000g을 첨가한 후, 로터리 이베포레이터를 사용하여 용매를 피리딘에서 자일렌으로 치환하는 조작을 총３회 반복하면서 고형분 농도를 20%로 조정하고, 마지막으로 포어 사이즈 0.1㎛의 테프론제 여과기로 여과했다. 　그 후 마지막으로 여과한 용액을 실리콘 웨이퍼에 스핀-코팅 법으로 코팅하여 120초간 240℃에서 구워서 두께 1000Å의 필름을 형성시켰다.
그 후, 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectrometry, SIMS)를 이용하여 상기 필름 내의 탄소 원소의 함량을 측정한 결과, 탄소 원소의 질량은 중합체 전체 원소의 질량 대비 30%였다.
　
평가 1
상기 비교예 1 및 2, 실시예　1 내지 4에서 제조된 레지스트 하층막에 대하여, 193nm 파장에서의 굴절률(refractive index) n과 흡광계수(extinction coefficient) k값을　Ellipsometer(J. A. Woollam 사　제품)을 이용하여 측정하였다.
　
평가 2
상기 비교예 1 및 2, 실시예　1 내지 4에서 제조된 레지스트 하층막에 대하여, CF4　가스로 식각을 수행한 후 에칭 전후의 막 두께 차이를 측정하여 식각량을 결정하였다. 그 후 하기 식 1에 따라 에치 선택비를 구하였다.
　
[식 1]
에치 선택비 = (얻어진 레지스트 하층막의 식각량) / (SiON 막 식각량)
구체적인 식각 조건은 하기 표 1과 같다.
　 N2/O2　plasma CFx plasma
플라즈마 40 sccm O2/ 20 sccm N2/ 500 sccm Ar 800 sccm Ar/ 50 sccm CF4/ 80 sccm CHF3/ 10 sccm CH2F2/ 20 sccm O2
챔버 전압 하부 27 MHz 300 W/ 상부 2 MHz 0 W 하부 27 MHz 600 W/ 상부 2 MHz 850 W
챔버 내 압력 50 mTorr 50 mTorr
상기 평가 1 및 2의 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
　 　광학특성 (193 nm) 에칭 선택비
굴절율 (n) 흡광도 (k)
비교예 1 1.69 0.20 0.92
비교예 2 1.56 0.34 0.70
실시예 1 1.94 0.09 1.75
실시예 2 1.7 0.21 1.84
실시예 3 1.65 0.14 1.94
실시예 4 1.6 0.18 1.90
　상기 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물은 ArF(193nm) 파장에서 레지스트 하층막으로 사용 가능한 굴절율 및 흡광도를 나타냄을 알 수 있다. 　　또한 중합체 내 탄소 원소 함량이 전체 원소 질량 대비 10%, 20%, 25% 및 30%인 실시예 1 내지 4에 따른 레지스트 하층막용 조성물의 경우 중합체 내 탄소 원소 함량이 전체 원소 질량 대비 40%인 비교예 2와 비교하여 더 높은 에칭 선택비를 가지므로 원하는 패턴을 보다 효과적으로 전사할 수 있음을 알 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.
1: 기판 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　3: 제1 레지스트 하층막
5: 제2 레지스트 하층막 　　　　　　 　7: 포토레지스트층

Claims (13)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 반복단위를 포함하는 유기실란계 중합체, 및
    용매
    를 포함하고,
    상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 0.1% 내지 30%인 것인
    레지스트 하층막용 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112016105452682-pat00003

    상기 화학식 1에서,
    R1, R2　및 R3은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C20 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬실릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 알킬아미노기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C20 할로알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 또는 이들의 조합이다.
  2. 제1항에서,
    상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 1% 내지 30%인 것인 레지스트 하층막용 조성물.
  3. 제2항에서,
    상기 유기실란계 중합체 내의 탄소(C) 원소의 질량은 상기 유기실란계 중합체의 전체 원소의 질량에 대하여 5% 내지 30%인 것인 레지스트 하층막용 조성물.
  4. 제1항에서,
    상기 유기실란계 중합체의 중량평균분자량은 1,000 내지 50,000인 레지스트 하층막용 조성물.
  5. 제1항에서,
    상기 유기실란계 중합체는 상기 레지스트 하층막용 조성물 총량에 대하여 1 내지 50 중량% 포함되는 것인 레지스트 하층막용 조성물.
  6. 제1항에서,
    상기 용매는 크시렌(xylene), 디부틸에테르(dibutylether), 톨루엔(toluene), 　벤젠(benzene), 디에틸에테르(diethyl ether), 클로로포름(chloroform), 디클로로메탄(dichloromethane), 리모넨(limonene), 테트랄린(tetralin), 데칼린(decalin), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), 프로필렌 글리콜 메틸 에테르(propylene glycol methyl ether), 프로필렌 글리콜 에틸 에테르(propylene glycol ethyl ether), 프로필렌 글리콜 프로필 에테르(propylene glycol propyl ether) 또는 이들의 조합인 레지스트 하층막용 조성물.
  7. 제1항에서,
    상기 레지스트 하층막용 조성물은 가교제, 라디칼 안정제, 계면활성제 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 첨가제를　더 포함하는 것인 레지스트 하층막용 조성물.
  8. 제7항에서,　
    상기 첨가제는 피리디늄 p-톨루엔설포네이트(pyridinium p-toluenesulfonate), 아미도설포베타인-16(amidosulfobetain-16), 암모늄(-)-캠퍼-10-설폰산 암모늄염(ammonium(-)-camphor-10-sulfonic acid ammonium salt), 암모늄포메이트(ammonium formate), 알킬트리에틸 암모늄 포메이트(alkyltriethyl ammonium formate), 피리디늄 포메이트(pyridinium formate), 테트라부틸암모늄아세테이트(tetrabutyl ammonium acetate),　테트라부틸암모늄아자이드(tetrabutyl ammonium azide),　테트라부틸암모늄벤조에이트(tetrabutyl ammonium benzoate),　테트라부틸암모늄바이설페이트(tetrabutyl ammonium bisulfate),　브롬화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium bromide),　염화 테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium chloride),　시안화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium cyanide),　불화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium fluoride),　요오드화테트라부틸암모늄(tetrabutyl ammonium iodide),　테트라부틸암모늄 설페이트(tetrabutyl ammonium sulfate), 테트라부틸암모늄나이트레이트(tetrabutyl ammonium nitrate),　테트라부틸암모늄나이트라이트(tetrabutyl ammonium nitrite),　테트라부틸암모늄 p-톨루엔설포네이트(tetrabutyl ammonium p-toluene sulfonate),　테트라부틸암모늄포스페이트(tetrabutyl ammonium phosphate) 또는 이들의 조합인 레지스트 하층막용 조성물.
  9. 기판,
    상기 기판 위에 위치하는 제1 레지스트 하층막,
    상기 제1 레지스트 하층막 위에 위치하고 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 레지스트 하층막용 조성물을 포함하는 제2 레지스트 하층막, 및
    상기 제2 레지스트 하층막 위에 위치하는 포토레지스트층
    을 포함하는
    박막 구조물.
  10. 제9항에서,　
    상기 제2 레지스트 하층막과 상기 포토레지스트층 사이에 반사 방지층을 더 포함하는 박막 구조물.
  11. 제9항에서,　
    상기 제2 레지스트 하층막의 에치 선택비가 1.75 내지 1.90인 박막 구조물.
    단, 상기 에치 선택비는 (제2 레지스트 하층막 식각량)/(SiON 막 식각량)으로 정의된다.
  12. 제9항에서,
    상기 제1 레지스트 하층막은 탄소 함유 박막층인 박막 구조물.
  13. 제9항에 따른 박막 구조물을 포함하는 반도체 집적회로 디바이스.
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