JP5141106B2 - 化学増幅型ポジ型レジスト組成物及びヒドロキシスチレン誘導体 - Google Patents
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Description
リソグラフィにおいては、レイリー(Rayleigh)の回折限界の式で表されるように、原理的には露光波長が短いほど解像度を上げることが可能である。半導体の製造に用いられるリソグラフィ用露光光源は、波長436nmのg線、波長365nmのi線、波長248nmのKrFエキシマレーザー、波長193nmのArFエキシマレーザーと、年々短波長になってきており、次世代の露光光源として、波長13nm以下のEUV(極紫外線)、電子線、X線などについても精力的に研究されている。
(式(II)中、R1は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R2は炭素数1〜8のアルキル基を表し、環Xは脂肪族炭化水素基を表す。式(IV)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R10は炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数5〜7のシクロアルキル基を表す。R4あるいはR5がR10と一緒になってトリメチレン鎖もしくはテトラメチレン鎖を形成してもよい。)で示される重合単位から選ばれ、酸に不安定な基を持つ重合単位とを含有し、さらに
式(III)
(式(III)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。Eは2価の炭化水素基を表し、Gは単結合又はカルボニル基を表し、Zは単結合又はアルキレン基又はカルボニル基を表す。Lは下式(L1)〜(L4)から選ばれる基を表す。
(式(L1)〜(L4)中、R6は直鎖又は分岐の炭素数1〜6のアルキル基を表し、n1は0〜3の整数、n2は0〜7の整数、n3は0〜9の整数を表す。))で示される重合単位を含有することを特徴とする化学増幅型ポジ型レジスト組成物を提供する。
(式(II)中、R1は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R2は炭素数1〜8のアルキル基を表し、環Xは脂肪族炭化水素基を表す。式(IV)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R10は炭素数1〜6のアルキル基又は炭素数5〜7のシクロアルキル基を表す。R4あるいはR5がR10と一緒になってトリメチレン鎖もしくはテトラメチレン鎖を形成してもよい。)で示される重合単位から選ばれ、酸に不安定な基を持つ重合単位とを含有し、さらに
式(III)
(式(III)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。Eは2価の炭化水素基を表し、Gは単結合又はカルボニル基を表し、Zは単結合又はアルキレン基又はカルボニル基を表す。Lは下式(L1)〜(L4)から選ばれる基を表す。
(式(L1)〜(L4)中、R6は直鎖又は分岐の炭素数1〜6のアルキル基を表し、n1は0〜3の整数、n2は0〜7の整数、n3は0〜9の整数を表す。))で示される重合単位を含有することを特徴とする。
なお、「アルキル基」というときは直鎖および分岐のものを含む。
(式(Ia)中、R7は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R8は炭素数1〜4のアルキル基を表し、pは1〜3の整数を表し、qは0〜2の整数を表す。)で示されるものが好ましい。
式(II)中、R1は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。R2は炭素数1〜8のアルキル基を表し、直鎖状、分岐状、又は環状であってもよい。その中でもエチル基が好ましい。Xは炭素数3〜30の環状の脂肪族炭化水素基を表す。脂肪族炭化水素基としては、シクロアルカン、ビシクロアルカン、トリシクロアルカンなどから同一炭素上の2個の水素原子を除いた基などが挙げられる。これらの中でもシクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基、ノルボルニル基が好ましく、特にアダマンチル基が好ましい。
(式(IIa)中、R1は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R9は炭素数1〜8のアルキル基を表す。)で示される重合単位が好ましい。
Zは単結合又はアルキレン基又はカルボニル基を表し、カルボニル基が好ましい。アルキレン基の炭素数は1〜8が好ましい。
Lは前記式(L1)〜(L4)から選ばれる基を表し、その中でも(L3)および(L4)が好ましく、(L3)がさらに好ましい。
(式(IIIa)及び(IIIb)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。Eは2価の炭化水素基を表し、Gは単結合又はカルボニル基を表す。R6は直鎖又は分岐の炭素数1〜6のアルキル基を表し、n3は0〜9の整数を表す。)
式(XI)および式(XII)中、環Wはそれぞれ炭素数3〜30の単環式または多環式炭化水素基を表し、A+は有機対イオンを表す。Y1およびY2はそれぞれ独立にフッ素原子または炭素数1〜6のペルフルオロアルキル基を表す。式(XI)および式(XII)中の環Wは炭素数1〜6のアルキル基、炭素数1〜6のアルコキシ基、炭素数1〜4のペルフルオロアルキル基、炭素数1〜6のヒドロキシアルキル基、水酸基又はシアノ基を置換基として含んでいてもよい。
式(VIIIa)中、P1〜P3は、互いに独立に、直鎖又は分岐の炭素数1〜30のアルキル基又は炭素数3〜30の環式炭化水素基を表す。P1〜P3がアルキル基である場合には、水酸基、炭素数1〜12のアルコキシ基又は炭素数3〜12の環式炭化水素基の一つ以上を置換基として含んでいてもよく、P1〜P3が環式炭化水素基である場合には、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数1〜12のアルコキシ基の一つ以上を置換基として含んでいてもよい。該アルキル基及び該アルコキシ基は、直鎖でも分岐していてもよい。
該環式炭化水素基の具体例としては、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基、ビシクロヘキシル基、フェニル基、ナフチル基、フルオレニル、ビフェニル基などが挙げられる。
式(VIIIb)中、P4およびP5は、互いに独立に、水素原子、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数1〜12のアルコキシ基を表し、該アルキル基及び該アルコキシ基は、式(VIIIa)のアルキル基及びアルコキシ基と同じ意味を表す。
式(VIIIc)中、P6およびP7は、互いに独立に、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数3〜12のシクロアルキル基を表し、該アルキル基は、直鎖でも分岐していてもよい。該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基などが挙げられる。該シクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロデシル基などが挙げられる。また、P6とP7とが結合して、アルキレン基などの炭素数3〜12の2価の炭化水素基であってもよい。P8は水素原子を表し、P9は炭素数1〜12のアルキル基、炭素数3〜12のシクロアルキル基、またはフェニル基、ベンジル基などの置換されていてもよい芳香環基をあらわすか、P8とP9とが結合して、アルキレン基などの炭素数3〜12の2価の炭化水素基を表す。P9がアルキル基の場合、該アルキル基の具体例としては、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2−エチルヘキシル基などが挙げられる。P9がシクロアルキル基の場合、該シクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロデシル基などが挙げられる。ここで、式(VIIIc)における2価の炭化水素基に含まれる炭素原子は、その一部が任意に、カルボニル基、酸素原子、硫黄原子に置換されていてもよい。
式(VIIId)中、P10〜P21は、互いに独立に、水素原子、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数1〜12のアルコキシ基を表す。該アルキル基及び該アルコキシ基は、式(VIIIa)のアルキル基及びアルコキシ基と同じ意味を表す。Dは、硫黄原子又は酸素原子を表す。mは、0又は1を表す。
式(VIIIe)〜(VIIIg)中、P28〜P30は互いに独立に、直鎖又は分岐の炭素数1〜20のアルキル基を表すか又はフェニル基以外の炭素数3〜30の環式炭化水素基を表す。P28〜P30がアルキル基である場合には、水酸基、炭素数1〜12のアルコキシ基又は炭素数3〜12の環式炭化水素基の一つ以上を置換基として含んでいてもよく、P28〜P30が環式炭化水素基の場合には、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数1〜12のアルコキシ基の一つ以上を置換基として含んでいてもよい。式中のP31〜P36は、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基、炭素数1〜12のアルコキシ基又は炭素数3〜12の環式炭化水素基を表し、l、k、j、i、hおよびgは、互いに独立に0〜5の整数を表す。
式(VIIIh)中、P25〜P27は、互いに独立に、水素原子、水酸基、炭素数1〜12のアルキル基又は炭素数1〜12のアルコキシ基を表し、該アルキル基及び該アルコキシ基は、直鎖でも分岐していてもよい。
式(VIIIi)中、P22〜P24は、互いに独立に、水素原子、炭素数1〜4のアルキル基を表し、該アルキル基は、直鎖でも分岐していてもよい。
式(IX)中、R30及びR31は、それぞれ独立に炭素数3〜8の分岐状又は環状のアルキル基又はアリール基を表す。R30及びR31の具体例としては、tert−ブチル基、シクロヘキシル基、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基などが挙げられる。
ビス(フェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(4−クロロフェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(p−トリルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(2,4−キシリルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(4−イソプロピルフェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(4−tert−ブチルフェニルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(ナフチルスルホニル)ジアゾメタン、ビス(アントラセニルスルホニル)ジアゾメタンなどが挙げられる。
その中でも、ビス(シクロヘキシルスルホニル)ジアゾメタンが特に好ましい。これらは単独で用いてもよいし、2種類以上組み合わせて用いてもよい。
更に、該アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、又はアルコキシ基上の水素原子の少なくとも1個は、それぞれ独立に、ヒドロキシル基、アミノ基、又は1〜6個程度の炭素原子を有するアルコキシ基で置換されていてもよい。該アミノ基上の水素原子の少なくとも1個は、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基で置換されていてもよい。
更に、該アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、又はアルコキシ基上の水素原子の少なくとも1個は、それぞれ独立に、ヒドロキシル基、アミノ基、又は1〜6個程度の炭素原子を有するアルコキシ基で置換されていてもよい。該アミノ基上の水素原子の少なくとも1個は、1〜4個の炭素原子を有するアルキル基で置換されていてもよい。
また、R11〜R20において、直鎖構造と分岐構造の両方をとり得るものについては、そのいずれでもよい。
また、化学増幅型レジスト組成物としてクエンチャーである塩基性化合物を用いる場合は、レジスト組成物の全固形分量を基準に、0.01〜1重量%程度の範囲で含有するのが好ましい。
レジスト組成物としては、さらに、必要に応じて、増感剤、溶解抑止剤、他の樹脂、界面活性剤、安定剤、染料など、各種の添加物を少量含有することもできる。
実施例および比較例中、含有量ないし使用量を表す%及び部は、特記ないかぎり重量基準である。また重量平均分子量(Mw)及び分散度(Mw/Mn)は、ポリスチレンを標準品として、ゲルパーミュエーションクロマトグラフィーにより求めた値である。また、化合物の構造はNMRで確認した。
9−アントラセンカルボン酸5.0部をN,N’−ジメチルホルムアミド35部に溶解した。そこに炭酸カリウム3.1部とヨウ化カリウム0.9部を加えて攪拌し、50℃で1時間加熱した。50℃を保ったまま、クロロエチルビニルエーテル2.4部を1時間かけて滴下した。50℃で5.5時間、100℃で3.5時間加熱した。約20℃以下まで冷却し、イオン交換水46.4部を加えた。酢酸エチル23.2部で4回抽出した。酢酸エチル層を合わせて、イオン交換水30部で5回洗浄した。酢酸エチル層に活性炭0.8部と硫酸マグネシウム4.0部を加えて攪拌した。ろ過後ろ液を濃縮して得られた黄色固体にn−ヘプタン18.1部を加えて攪拌した。ろ過後ろ物を乾燥させて黄色固体として(D2)を5.2部得た。
MS(ESI(+)Spectrum):[M+Na]+ 315.1(C19H16Na03 +=315.10)
フラスコに、ポリ(p−ヒドロキシスチレン)(重量平均分子量は約15200、分散度は1.20(GPC法:ポリスチレン換算))のメチルイソブチルケトン溶液22.3g(ポリ(p−ヒドロキシスチレン)として7.5g)、p−トルエンスルホン酸1水和物0.0012g、及びメチルイソブチルケトン30.2gを仕込んで攪拌した。この樹脂溶液に(D2)9.4gをメチルイソブチルケトン6gで洗いこみながら加え25℃で3。5時間攪拌した。その後イオン交換水18gを加えて分液した。さらに得られた有機層を、イオン交換水18gで4回水洗分液した。この有機層から溶媒を留去して濃縮した後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを56g加えてさらに溶媒を留去することにより溶媒置換し、樹脂のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液58.8gを得た。この樹脂溶液の固形分濃度を加熱質量減量法により求めたところ、35.4%であった。また、核磁気共鳴(13C−NMR)分光計により、ポリ(p−ヒドロキシスチレン)中の水酸基のうち(D2)で保護化されたものの割合を求めたところ、19.7%であった。この樹脂を樹脂(A1)(式(III)で示される重合単位と重合単位(I)とを含む高分子である。)とする。
合成例5で得られる樹脂(A3)20.0gをメチルイソブチルケトン120gに溶解し全体が80gになるまで濃縮した。そこにp−トルエンスルホン酸1水和物0.003g、及びメチルイソブチルケトン57gを仕込んで攪拌した。この樹脂溶液に、(D2)5.9gを加え25℃で3時間攪拌した。その後イオン交換水36gを加えて分液した。さらに得られた有機層を、イオン交換水36gで4回水洗分液した。この有機層から溶媒を留去して濃縮した後、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートを150g加えてさらに溶媒を留去することにより溶媒置換し、樹脂のプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート溶液64.9gを得た。この樹脂溶液の固形分濃度を加熱質量減量法により求めたところ、39.6%であった。また、核磁気共鳴(13C−NMR)分光計により、ポリ(p−ヒドロキシスチレン)中の水酸基のうち、(D2)で保護化されたものの割合を求めたところ、7.3%であった。この樹脂を樹脂(A2)(式(II)で示される重合単位と式(III)で示される重合単位と重合単位(I)とを含む高分子である。)とする。
フラスコに、メタクリル酸2−エチル−2−アダマンチル39.7g(0.16モル)とp−アセトキシスチレン103.8g(0.64モル)とイソプロパノール265gを入れ、窒素雰囲気下にて75℃まで昇温した。その溶液に、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)11.05g(0.048モル)をイソプロパノール22.11gに溶かした溶液を滴下した。75℃で約0.3時間、還流下で約12時間熟成した後アセトンで希釈し、反応液を大量のメタノールに注いで重合物を沈殿させ、濾別した。得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−アセトキシスチレンとの共重合体は250g(ただし、メタノールを含んだウェットケーキの重量)であった。
フラスコに、合成例4で得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−アセトキシスチレンとの共重合体(20:80)250g、4−ジメチルアミノピリジン10.3g(0.084 モル)およびメタノール202gを入れ、還流下にて20時間熟成した。冷却後、反応液を氷酢酸7.6g(0.126モル)で中和し、大量の水に注ぐことにより沈殿させた。析出した重合物を濾別し、アセトンに溶解させた後、大量の水に注いで沈殿させる操作を計3回繰り返して精製した。得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−ヒドロキシスチレンとの共重合体は95.9gであった。また、重量平均分子量は約8600、分散度は1.65(GPC法:ポリスチレン換算)であり、共重合比は核磁気共鳴(13C−NMR)分光計により、約20:80と求められた。この樹脂を樹脂(A3)(式(II)で示される重合単位と重合単位(I)とを含む高分子である。)とする。
フラスコに、メタクリル酸2−エチル−2−アダマンチル59.6g(0.24モル)とp−アセトキシスチレン90.8g(0.56モル)とイソプロパノール279gを入れ、窒素雰囲気下にて75℃まで昇温した。その溶液に、ジメチル2,2’−アゾビス(2−メチルプロピオネート)11.05g(0.048モル)をイソプロパノール22.11gに溶かした溶液を滴下した。75℃で約0.3時間、還流下で約12時間熟成した後アセトンで希釈し、反応液を大量のメタノールに注いで重合物を沈殿させ、濾別した。得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−アセトキシスチレンとの共重合体の重量はメタノールを含んだウェットケーキの重量として250gであった。
フラスコに、合成例6で得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−アセトキシスチレンとの共重合体(30:70)250g、4−ジメチルアミノピリジン10.8g(0.088 モル)およびメタノール239gを入れ、還流下にて20時間熟成した。冷却後、反応液を氷酢酸8.0g(0.133モル)で中和し、大量の水に注ぐことにより沈殿させた。析出した重合物をアセトンに溶解させた後、水に注いで沈殿させる操作を計3回繰り返して精製した。得られたメタクリル酸2−エチル−2−アダマンチルとp−ヒドロキシスチレンとの共重合体の結晶は102.8gであった。また、重量平均分子量は約8200、分散度1.68(GPC法:ポリスチレン換算)であり、共重合比は核磁気共鳴(13C−NMR)分光計により、約30:70と求められた。この樹脂を樹脂(A4)(式(II)で示される重合単位と重合単位(I)とを含む高分子である。)とする。
以下の表1に示す各成分を混合して溶解し、さらに孔径0.2μmのフッ素樹脂製フィルタで濾過して、レジスト液を調製した。尚、( )内の数値は配合量(重量部)を示す。
(B1):トリフェニルスルホニウム 2,4,6−トリイソプロピルベンゼンスルホネート
(B2):ビス(シクロヘキシルスルホニル)ジアゾメタン
(S1):プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)/プロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)=8/2(重量比)
Claims (5)
- それ自身はアルカリ水溶液に不溶又は難溶であるが、酸に不安定な基が酸の作用により解裂した後はアルカリ水溶液に可溶となる樹脂と感放射線性酸発生剤とを含有する化学増幅型ポジ型レジスト組成物であって、該樹脂が、ヒドロキシスチレンから導かれる重合単位(I)と、式(IV)
(式(IV)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子、炭素数1〜4のアルキル基を表し、R10は炭素数1〜6のアルキル基もしくは炭素数5〜7のシクロアルキル基を表す。R4あるいはR5がR10と一緒になってトリメチレン鎖もしくはテトラメチレン鎖を形成してもよい。)で示される酸に不安定な基を持つ重合単位とを含有し、さらに
式(III)
(式(III)中、R3は水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表し、R4及びR5はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1〜4のアルキル基を表す。Eは2価の炭化水素基を表し、Gは単結合又はカルボニル基を表し、Zはカルボニル基を表す。Lは下式(L3)〜(L4)から選ばれる基を表す。
(式(L3)〜(L4)中、R6は直鎖又は分岐の炭素数1〜6のアルキル基を表し、n3は0〜9の整数を表す。))で示される重合単位を含有することを特徴とする化学増幅型ポジ型レジスト組成物。 - 樹脂中の式(III)で示される重合単位が0.1〜50モル%である請求項1または2に記載の組成物。
- 感放射線性酸発生剤としてジアゾメタン系酸発生剤を含有する請求項1〜3のいずれかに記載の組成物。
- さらに、塩基性含窒素有機化合物を含有する請求項1〜4のいずれかに記載の組成物。
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