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JP2008129080A - 上面反射防止膜用組成物、およびそれを用いたパターン形成方法 - Google Patents

上面反射防止膜用組成物、およびそれを用いたパターン形成方法 Download PDF

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JP2008129080A
JP2008129080A JP2006310529A JP2006310529A JP2008129080A JP 2008129080 A JP2008129080 A JP 2008129080A JP 2006310529 A JP2006310529 A JP 2006310529A JP 2006310529 A JP2006310529 A JP 2006310529A JP 2008129080 A JP2008129080 A JP 2008129080A
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Abstract

【課題】露光工程において膜内の反射によるパターン不良を防ぎ、かつエッチング工程における残渣の問題がない上面反射防止膜形成用組成物と、それを用いたパターン形成方法の提供。
【解決手段】粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなる上面反射防止膜形成用組成物と、それを用いて上面反射防止膜を形成させることを含んでなるパターン形成方法。これらにより、レジスト膜と上面反射防止膜とを含んでなる複合膜を形成させることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は上面反射膜防止膜用組成物に関するものである。より詳しくは、半導体デバイス、液晶表示素子などのフラットパネルディスプレー(FPD)、電荷結合素子(CCD)、カラーフィルター等をフォトリソグラフィー法を用いて製造する場合、レジスト膜を露光する際に、レジスト膜の上側に設けられる反射防止膜を形成させるための組成物に関するものである。また、本発明はそのような上面反射防止膜用組成物を用いたパターン形成方法にも関するものである。
半導体デバイス、液晶表示素子などのFPD、CCD、カラーフィルター製造のため、従来よりフォトリソグラフィー法が用いられている。フォトリソグラフィー法を用いた集積回路素子等の製造では、例えば基板上にポジ型或いはネガ型のレジストが塗布され、ベーキングにより溶剤を除去した後、紫外線、遠紫外線、電子線、X線等の各種放射線により露光され、現像されレジストパターンが形成される。
しかしながら、レジスト層を通過した光が基板によって反射され、さらに基板で反射した光がレジスト上層で再反射され、レジスト中に再入射することにより、光が膜内で干渉する。その結果、レジストパターンの線幅、孔径が所望の寸法と異なった値となる場合がある。このような現象は反射率のより高い基板上で露光を行う場合に顕著である。
このような問題を解決するため、例えば露光用の光の波長領域に吸収を持つ色素をレジストに分散する方法、底面反射防止膜 (BARC)あるいは上面反射防止膜を設ける方法、上面結像法(TSI)、多層レジスト法(MLR)など種々の方法が研究、検討されている。これらの中では、底面反射防止膜による方法が、現在最も一般に用いられている方法である。底面反射防止膜には、無機膜および有機膜が知られており、無機膜を形成する方法としては、例えば、無機あるいは金属材料をCVD(Chemica1 Vapor Deposition)法、蒸着法あるいはスパッタリング法などにより被着させる方法が、また有機膜を形成する方法としては、有機ポリマー溶液に色素を溶解または分散したもの、あるいはポリマーに化学的に発色団を結合させた重合体染料の溶液または分散液を基板に塗布する方法などが知られている。
一方、ポリマーなどを含む成膜組成物をレジスト膜の上面に塗布して上面反射防止膜を形成させることが知られている。このような上面反射防止膜はレジスト膜内における光の干渉を低減させ、レジスト膜厚の変動などに起因するパターン幅の変動などを抑制して所望の形状のパターンを形成させるものである。従って、上面反射防止膜には低い屈折率と高い透過率が要求される。
しかしながら、従来の上面反射防止膜は屈折率が十分に低くすることが困難であり、上面反射防止膜としては、さらに改良の余地があった。
本発明は、上記したような問題点を解決し、最終的に十分な精度を有するパターンを形成することができる上面反射防止膜を形成することができる組成物を提供するものである。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなることを特徴とするものである。
また、本発明によるパターン形成方法は、
基板上にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成させ、
前記レジスト膜上に、粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなる上面反射防止膜形成用組成物を塗布し、乾燥させ、
像様露光し、
現像する
ことを含んでなることを特徴とするものである。
また、本発明による複合膜は、レジスト膜と、その上面を被覆する上面反射防止膜とを含んでなり、前記上面反射防止膜が、粒径が1〜100nmである微粒子を、上面反射膜形成用組成物中の固形分含有量を基準として、60〜100重量%含んでなることを特徴とするものである。
本発明によれば、特に微細なパターンを形成するにあたり、従来、達成が困難であった、例えば193nmにおける屈折率が1.4以下であるような低屈折率を達成し、フォトリソグラフィー法の露光工程における膜内の乱反射を低減させる上面反射防止膜を形成させることができる。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなる。ここで、微粒子は前記の粒径範囲にあるものであれば特にその組成は限定されず、有機微粒子であっても、無機微粒子であってもよい。より具体的には、炭素、二酸化ケイ素、二酸化チタン、窒化ケイ素、アルミナなどを挙げることができる。しかしながら、取り扱い性や入手の容易性などの観点から、これらのうち炭素微粒子または二酸化ケイ素微粒子が好ましい。
ここで、炭素微粒子とは実質的に炭素だけからなるものである。炭素は原子の結合状態により種々の形態をとりえるが、本発明に用いられる炭素微粒子は、いかなる形態のものであってもよい。具体的には、カーボンブラック、グラファイト、ダイアモンドなど、天然に産出され、また人工的にも製造されるもののほか、人工的にのみ製造されるフラーレンやカーボンナノチューブの形態のものであってもよい。
また、二酸化ケイ素微粒子は、コロイダルシリカ、フュームドシリカ、およびその他の、製造法や性状の異なるものが多種知られている。本発明においてはこれらのいずれを用いてもよい。
本発明に用いることができる微粒子は、その粒径が1〜100nm、好ましくは5〜70nm、より好ましくは10〜50nm、のものである。ここで、微粒子の粒径は動的光散乱法により測定されるものをいい、具体的には粒径アナライザーFPAR−1000(大塚電子株式会社製)により測定することができる。
本発明による組成物を用いて上面反射防止膜を形成させると、主に微粒子からなる上面反射防止膜が形成されるが、その膜内には微粒子の形状に応じた空隙が形成される。この空隙により屈折率低下などの本発明の効果が発現する。
なお、微粒子は粒径が1〜100nmのものが用いられるが、形成させようとするパターンの溝や孔の寸法が小さいときにはそれよりも小さい粒径のものを用いるべきである。なお、微粒子の粒径が大きいとパターンのラフネスが劣化する傾向にあり、注意が必要である。
上面反射防止膜形成用組成物中の微粒子の含有量は、前記組成物中の固形分含有量を基準として、60〜100重量%であることが好ましく、75〜100重量%であることがより好ましく、80〜100重量%であることが特に好ましい。この量よりも微粒子の量が少ないと、前記したように反射防止膜中に微粒子の間の適当な空隙が形成されず、本発明の効果が損なわれることがあるので注意が必要である。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、前記の微粒子のほかに溶媒を含んでなる。溶媒には一般に水が用いられるが、濡れ性などを改良するために少量の有機溶媒を共溶媒として用いてもよい。このような溶媒としてはメチルアルコール、エチルアルコール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、酢酸エチル等のエステル等が挙げられる。ここで溶媒は、その組成物が塗布されるレジスト膜を溶解または変性させないものから選択されるべきである。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、さらに水溶性ポリマー、好ましくはフッ素系ポリマーまたはアクリル系ポリマーなど、やフッ素系界面活性剤などの界面活性剤を含んでもよい。ここで、これらの成分は、上面反射防止膜を構成するよりも、組成物のレジスト上への塗布性を改良することを主たる目的とするものである。したがって、通常、これらの添加物は前記した微粒子に対して少量用いられる。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物が水溶性ポリマーを含む場合、用いられるポリマーとしては、フッ素系ポリマー、例えば、一般式
−(CFCFR)
(ここで、Rは直鎖状フッ素置換アルキル基であり、nは重合度を表す)
で表され、末端基がカルボキシル基を有するものであるポリマー、ポリアクリル酸などのアクリル系ポリマー、ビニルピロリドン、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。また、組成物が界面活性剤を含む場合、用いられる界面活性剤としては、ジ(2−エチルヘキシル)スルホコハク酸、例えば炭素数13〜18のアルキル鎖を有する、アルキルスルホン酸などのアニオン系界面活性剤、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムヒドロキシドなどのカチオン系界面活性剤、ポリエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドの共重合体などのノニオン系界面活性剤などが挙げられる。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物の固形分含有量は必要に応じて適切に調整される。通常、本発明による効果を強く発現させるためには、形成される上面反射防止膜を適切な膜厚とすることが好ましい。ここで、形成される上面反射防止膜によりレジスト膜全体を被覆するために膜厚を十分厚くすることが好ましく、また反対に、上面反射膜による光吸収が大きくなって必要な露光量も多くなることを防ぐために必要以上に膜厚を厚くしないことが好ましい。このため、本発明による上面反射防止膜形成用組成物の固形分含有量は、前記組成物全体の重量を基準として一般に0.5〜5重量%、好ましくは1〜4重量%である。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、必要に応じて、さらなる添加剤を含むこともできる。具体的には染料などの着色剤、ポリマーを架橋または硬化させる硬化剤、およびpH調整剤としての酸または塩基化合物などが挙げられる。
本発明による上面反射防止膜形成用組成物は、従来の上面反射防止膜形成用組成物と同様に用いることができる。言い換えれば、本発明による上面反射防止膜形成用組成物を用いるにあたって、製造工程を大幅に変更する必要はない。具体的に本発明による上面反射防止膜形成用組成物を用いたパターン形成方法を説明すると以下の通りである。
まず、必要に応じて前処理された、シリコン基板、ガラス基板等の基板の表面に、レジスト組成物をスピンコート法など従来から公知の塗布法により塗布して、レジスト組成物層を形成させる。レジスト組成物の塗布に先立ち、レジスト下層に下層反射防止膜が塗布形成されてもよい。このような下層反射防止膜は本発明による組成物によって形成された上面反射防止膜とあいまって断面形状および露光マージンを改善することができるものである。
本発明のパターン形成方法には、従来知られている何れのレジスト組成物を用いることもできる。本発明のパターン形成方法に用いることができるレジスト組成物の代表的なものを例示すると、ポジ型では、例えば、キノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性樹脂とからなるもの、化学増幅型レジスト組成物などが、ネガ型では、例えば、ポリケイ皮酸ビニル等の感光性基を有する高分子化合物を含むもの、芳香族アジド化合物を含有するもの或いは環化ゴムとビスアジド化合物からなるようなアジド化合物を含有するもの、ジアゾ樹脂を含むもの、付加重合性不飽和化合物を含む光重合性組成物、化学増幅型ネガ型レジスト組成物などが挙げられる。
ここでキノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性樹脂とからなるポジ型レジスト組成物において用いられるキノンジアジド系感光剤の例としては、1,2−ベンゾキノンジアジド−4−スルホン酸、1,2−ナフトキノンジアジド−4−スルホン酸、1,2−ナフトキノンジアジド−5−スルホン酸、これらのスルホン酸のエステル或いはアミドなどが、またアルカリ可溶性樹脂の例としては、ノボラック樹脂、ポリビニルフェノール、ポリビニルアルコール、アクリル酸或はメタクリル酸の共重合体などが挙げられる。ノボラック樹脂としては、フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、キシレノール等のフェノール類の1種又は2種以上と、ホルムアルデヒド、パラホルムアルデヒド等のアルデヒド類の1種以上から製造されるものが好ましいものとして挙げられる。
また、化学増幅型のレジスト組成物は、ポジ型およびネガ型のいずれであっても本発明のパターン形成方法に用いることができる。化学増幅型レジストは、放射線照射により酸を発生させ、この酸の触媒作用による化学変化により放射線照射部分の現像液に対する溶解性を変化させてパターンを形成するもので、例えば、放射線照射により酸を発生させる酸発生化合物と、酸の存在下に分解しフェノール性水酸基或いはカルボキシル基のようなアルカリ可溶性基が生成される酸感応性基含有樹脂からなるもの、アルカリ可溶樹脂と架橋剤、酸発生剤からなるものが挙げられる。
基板上に形成されたレジスト組成物層は、例えばホットプレート上でプリベークされてレジスト組成物中の溶剤が除去され、厚さが通常0.1〜5μm、好ましくは0.2〜3μm、のフォトレジスト膜とされる。レジストパターンの膜厚などは用いられる用途などに応じて適宜選択される。プリベーク温度は、用いる溶剤或いはレジスト組成物により異なるが、通常20〜200℃、好ましくは50〜150℃程度の温度で行われる。
このレジスト膜上に、スピンコート法などにより本発明による上面反射防止膜形成用組成物を塗布し、溶媒を蒸発させて上面反射防止膜を形成させる。このとき、形成される上面反射防止膜の厚さは、一般に10〜80nm、好ましくは20〜65nm、である。このようにレジスト膜上に上面反射防止膜を形成させることで、レジスト膜と上面反射防止膜とを含んでなる複合膜が形成される。この複合膜において、上面反射防止膜は前記組成物から溶媒が除去されたものに相当するので、その上面反射防止膜の重量を基準として60〜100重量%が前記の微粒子からなるものである。
なお、レジスト膜を塗布後、完全に乾燥せずに上面反射防止膜形成用組成物を塗布し、前記のプリベークにより上面反射防止膜形成用組成物の溶媒を除去することも可能である。
形成された上面反射防止膜形成用組成物は、前記したように微粒子を主体とした上面反射防止膜を形成させる。この上面反射防止膜は、従来のポリマー等を用いた反射防止膜では達成が困難であった、1.1〜1.7、好ましくは1.2〜1.6の屈折率を達成できるものであり、反射防止膜として十分な機能を発揮する。このような低屈折率が達成できるのは、微粒子により構成された上面反射防止膜の構造によるものであると考えられる。
レジスト膜はその後、高圧水銀灯、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、KrFエキシマレーザー、ArFエキシマレーザー、軟X線照射装置、電子線描画装置など公知の照射装置を用い、必要に応じマスクを介して、露光が行われる。
露光後、必要に応じベーキングを行った後、例えばパドル現像などの方法で現像が行われ、レジストパターンが形成される。レジスト膜の現像は、通常アルカリ性現像液を用いて行われる。アルカリ性現像液としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)などの水溶液或いは水性溶液が用いられる。現像処理後、必要に応じてリンス液、好ましくは純水、を用いてレジストパターンのリンス(洗浄)が行われる。
本発明によるパターン形成方法により得られたレジストパターンは、引き続き用途に応じた加工が施される。この際、加工には慣用の方法を用いることができる。具体的には、形成されたレジストパターンは、エッチング、メッキ、イオン拡散、染色処理などのマスクとして用いられ、その後必要に応じ剥離またはアッシングにより除去される。
ここで、本発明による上面反射防止膜を使用してパターンを形成させる場合には、上面反射防止膜に含まれる微粒子の種類により、上記のようなエッチングまたはアッシングなどの処理方法を調整することが好ましい場合がある。すなわち、微粒子として二酸化ケイ素などの無機物を選択し、エッチングまたはアッシング後に微粒子が残留した場合には、これらを除去するなどの処理が必要な場合がある。なお、微粒子として炭素微粒子を用いた場合には、特別な処理をしなくても、各種の加工による問題が起こりにくいという利点がある。これは炭素微粒子がエッチング加工の際にはレジスト膜とともにエッチングされ、アッシング加工の際には炭素微粒子が焼失するためである。
このように本発明の方法により形成されたパターンは、半導体デバイス、液晶表示素子などのフラットパネルディスプレー(FPD)、電荷結合素子(CCD)、カラーフィルターなどに、従来の方法で製造されたパターンと同様に適用することができる。
本発明を諸例を用いて説明すると以下の通りである。なお、本発明の態様はこれらの例に限定されるものではない。
比較例1
純水にアクリル酸(3.9重量%)、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(0.1重量%)を添加し、十分に撹拌して溶解させた。この溶液をシリコンウェハー上に塗布して製膜して試料を得た。膜厚は42nmであった。この試料の、193、248、365および633nmの波長の光に対する屈折率を測定した。測定にはVUV−302型エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム社製)を用いた。得られた結果は表1に示すとおりであった。
実施例1〜5
比較例1の溶液の組成を変化させ、粒径52.4nmのカーボンブラックを添加して、上面反射防止膜形成用組成物を調製した。その組成は表1に示すとおりであった。これらの組成物を比較例1と同様にシリコンウェハーに塗布し、膜厚および屈折率を測定した。得られた結果は表1に示すとおりであった。
Figure 2008129080
比較例2
エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(4重量%)を添加し、十分に撹拌して溶解させた。この溶液をシリコンウェハー上に塗布して製膜して試料を得た。膜厚は42nmであった。この試料の、193、248、365および633nmの波長の光に対する屈折率を測定した。測定にはVUV−302型エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム社製)を用いた。得られた結果は表2に示すとおりであった。
比較例2の溶液の組成を変化させ、粒径13nmの微粒子ダイアモンドを添加して、上面反射防止膜形成用組成物を調製した。その組成は表2に示すとおりであった。これらの組成物を比較例2と同様にシリコンウェハーに塗布し、膜厚および屈折率を測定した。得られた結果は表2に示すとおりであった。
Figure 2008129080
ここで、微粒子ダイアモンドを含まない比較例2の被膜は、ポリマーが凝集し、均一な膜面とならず、屈折率および透過率の測定ができなかったが、微粒子ダイアモンドを含む実施例6〜9では、微粒子同士が結合し、均一な膜となった。
比較例3および実施例10〜16
純水に粒径12nmの二酸化ケイ素微粒子、フッ素ポリマー(一般式−(CFCFR)−(ここで、Rは炭素数3の直鎖状フッ素置換アルキル基であり、nは重合度を表す)で表され、末端基がカルボキシル基を有するものであるポリマー)、炭素数13〜18のアルキル鎖を有するアルキルスルホン酸を表3に記載した割合で配合し、十分に撹拌して上面反射防止膜組成物を調製した。この組成物をシリコンウェハー上に2500rpmでスピンコートして製膜することにより試料を得た。さらにこれらの試料の、193、248、365および633nmの波長の光に対する屈折率を測定した。測定にはVUV−302型エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム社製)を用いた。得られた結果は表3に示すとおりであった。
Figure 2008129080
この結果より、本発明による微粒子を含んでなる上面反射防止膜を用いて形成させた上面反射防止膜は、従来、一般的に使用されていたフッ素ポリマーだけを含む上面反射防止膜形成用組成物(比較例3)を用いた場合と比較して、同等以下の屈折率を達成できることがわかる。
比較例4および実施例17〜23
純水に粒径12nmの二酸化ケイ素微粒子、アクリル酸、炭素数13〜18のアルキル鎖を有するアルキルスルホン酸を表4に記載した割合で配合し、十分に撹拌して上面反射防止膜組成物を調製した。この組成物をシリコンウェハー上に2500rpmでスピンコートして製膜することにより試料を得た。さらにこれらの試料の、193、248、365および633nmの波長の光に対する屈折率を測定した。測定にはVUV−302型エリプソメーター(ジェー・エー・ウーラム社製)を用いた。得られた結果は表4に示すとおりであった。
Figure 2008129080
比較例5および実施例24
シリコンウェハー上に、DX5240P(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコートにより塗布し、90℃で60秒間加熱することにより膜厚が400〜505nmのレジスト膜を形成させた(比較例5)。このレジスト膜に、粒径13nmの微粒子ダイヤモンド2重量%、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体0.1重量%および溶媒としての水を含む組成物をスピンコートにより塗布して膜厚が30nmの上面反射防止膜を形成させた(実施例24)。
これらの被膜を、KrFエキシマーステッパーFPA3000EX(キャノン株式機会社製)により露光し、120℃で60秒間加熱し、さらに2.38%水酸化テトラメチルアンモニウムで現像し、Energy Threshold(以下、Ethという)を測定した。Ethとは、レジスト膜に対して曝射露光し、現像したときに、レジスト膜をすべて溶解して基板を露出させるのに必要な感度である。膜厚に対するEthをプロットすると、振幅が減衰していく形状の曲線が得られる。このような曲線の形状は、膜面において光の干渉が起きるために起こるが、この振幅の減衰率をみることで反射防止膜の効果を評価することができる。
比較例5に対して実施例24の振幅の減衰率は61%低減しており、本発明による反射防止膜が反射防止膜として機能することが確認できた。
比較例6および実施例25
シリコンウェハー上に、DX5240P(AZエレクトロニックマテリアルズ株式会社製)をスピンコートにより塗布し、90℃で60秒間加熱することにより膜厚が520〜610nmのレジスト膜を形成させた(比較例6)。このレジスト膜に、粒径12nmの二酸化ケイ素微粒子2.2重量%、フッ素ポリマー(一般式−(CFCFR)−(ここで、Rは炭素数3の直鎖状フッ素置換アルキル基であり、nは重合度を表す)で表され、末端基がカルボキシル基を有するものであるポリマー)0.24重量%、アルキルスルホン酸(A−32−FW(商品名:竹本油脂株式会社製))0.06重量%および溶媒としての水を含む組成物をスピンコートにより塗布して膜厚が45nmの上面反射防止膜を形成させた(実施例25)。
得られた膜について、比較例6と同様にEthの測定を行った。比較例6に対して実施例25の振幅の減衰率は55%低減しており、本発明による反射防止膜が反射防止膜として機能することが確認できた。

Claims (9)

  1. 粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなることを特徴とする、上面反射防止膜形成用組成物。
  2. 前記組成物中の固形分含有量を基準として、前記微粒子の含有量が60〜100重量%である、請求項1に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  3. 前記組成物中の固形分含有量が、前記組成物全体の重量を基準として0.5〜5重量%である、請求項1または2に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  4. 水溶性ポリマーをさらに含んでなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  5. 前記水溶性ポリマーがフッ素系ポリマーまたはアクリル系ポリマーである、請求項4に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  6. 界面活性剤をさらに含んでなる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  7. 前記微粒子が、炭素微粒子または二酸化ケイ素微粒子である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の上面反射防止膜形成用組成物。
  8. 基板上にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成させ、
    前記レジスト膜上に、粒径が1〜100nmである微粒子と溶媒とを含んでなる上面反射防止膜形成用組成物を塗布し、乾燥させ、
    像様露光し、
    現像する
    ことを含んでなることを特徴とするパターン形成方法。
  9. レジスト膜と、その上面を被覆する上面反射防止膜とを含んでなり、前記上面反射防止膜が、粒径が1〜100nmである微粒子を、上面反射膜全体の重量を基準として、60〜100重量%含んでなることを特徴とする、複合膜。
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