JPWO2017122528A1 - 感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法及び酸拡散制御剤 - Google Patents

感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法及び酸拡散制御剤 Download PDF

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Abstract

本発明は、酸解離性基を含む第1構造単位を有する第1重合体と、感放射線性酸発生体と、放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる第1化合物とを含有する感放射線性樹脂組成物である。上記第1化合物は、放射線の照射により塩基性が変化する化合物であることが好ましい。上記第1化合物は、放射線の照射により酸を発生する化合物であることが好ましい。上記第1化合物は下記式(1)で表されることが好ましい。下記式(1)中、Arは、少なくとも1個の窒素原子を環構成原子として含む置換若しくは非置換の環員数4〜30のヘテロアレーンジイル基である。

Description

本発明は、感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法及び酸拡散制御剤に関する。
リソグラフィーによる微細加工に用いられる感放射線性樹脂組成物は、電磁波、荷電粒子線等の放射線の照射により露光部に酸を発生させ、この酸を触媒とする化学反応により、露光部と未露光部との現像液に対する溶解速度に差を生じさせ、基板上にレジストパターンを形成する。
現在では、より波長の短いレーザー光や電子線の使用及び液浸露光装置等により、レジストパターンの加工技術の微細化が図られている。かかる感放射線性樹脂組成物には形成されるレジストパターンの解像性に優れるだけでなく、LWR(Line Width Roughness)性能、焦点深度(Depth of Focus)、欠陥抑制性等のリソグラフィー性能にも優れ、高精度なパターンを高い歩留まりで得られることが要求される。これらの要求に対して、感放射線性樹脂組成物に用いられる感放射線性酸発生体、酸拡散制御剤及びその他の成分についてその種類や分子構造等が詳細に検討されている。かかる酸拡散制御剤としては、オニウムカチオンと、カルボン酸アニオンやスルホン酸アニオンとを含むオニウム塩化合物からなる光崩壊性塩基が知られている(特開平11−125907号公報、特開2002−122994号公報及び特開2010−061043号公報参照)。
しかし、レジストパターンの微細化が線幅45nm以下のレベルまで進展している現在にあっては、上記性能の要求レベルはさらに高まり、上記従来の感放射線性樹脂組成物では、これらの要求を満足させることはできていない。また、最近では、露光後加熱(Post Exposure Bake(PEB))の際のレジスト膜の収縮が小さいことが要求され、その結果、上述のレジスト膜としての諸性能がより向上することが求められている。さらに、上記従来の酸拡散制御剤を含有する感放射線性樹脂組成物は、その塩基性に起因して保存安定性が不十分であるという不都合もある。
特開平11−125907号公報 特開2002−122994号公報 特開2010−061043号公報
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、LWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性、PEB収縮抑制性及び保存安定性に優れる感放射線性樹脂組成物、レジストパターン形成方法並びに酸拡散制御剤を提供することにある。
上記課題を解決するためになされた発明は、酸解離性基を含む第1構造単位(以下、「構造単位(I)」ともいう)を有する第1重合体(以下、「[A]重合体」ともいう)と、感放射線性酸発生体(以下、「[B]酸発生体」ともいう)と、放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる第1化合物(以下、「[C]化合物」ともいう)とを含有する感放射線性樹脂組成物である。
上記課題を解決するためになされた別の発明は、基板の一方の面側に、当該感放射線性樹脂組成物を塗工する工程と、上記塗工により得られたレジスト膜を露光する工程と、上記露光されたレジスト膜を現像する工程とを備えるレジストパターン形成方法である。
上記課題を解決するためになされたさらに別の発明は、放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる化合物からなる酸拡散制御剤である。
ここで、「有機基」とは、少なくとも1個の炭素原子を含む基をいう。「酸解離性基」とは、カルボキシ基、ヒドロキシ基等の水素原子を置換する基であって、酸の作用により解離する基をいう。また、「環員数」とは、脂環構造、芳香環構造、脂肪族複素環構造又は芳香族複素環構造における環を構成する原子の数をいい、多環の場合は、この多環を構成する原子の総数をいう。
本発明の感放射線性樹脂組成物及びレジストパターン形成方法によれば、優れた焦点深度、PEB収縮抑制性及び保存安定性を発揮しつつ、LWRが小さく、解像度が高く、欠陥が少ないレジストパターンを形成することができる。本発明の酸拡散制御剤は、当該感放射線性樹脂組成物の酸拡散制御剤成分として好適に用いることができる。従って、これらは、さらなる微細化が進行すると予想される半導体デバイス製造等におけるパターン形成に好適に用いることができる。
<感放射線性樹脂組成物>
当該感放射線性樹脂組成物は、[A]重合体、[B]酸発生剤及び[C]化合物を含有する。当該感放射線性樹脂組成物は、好適成分として、[A]重合体よりもフッ素原子の質量含有率が大きい重合体(以下、「[D]重合体」ともいう)及び/又は[E]溶媒を含有していてもよい。さらに、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において、その他の任意成分を含有していてもよい。当該感放射線性樹脂組成物は、上記構成を有することで、LWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性、PEB収縮抑制性及び保存安定性(以下、これらの性能をまとめて「LWR性能等」ともいう)に優れる。以下、各成分について説明する。
<[A]重合体>
[A]重合体は、構造単位(I)を有する重合体である。当該感放射線性樹脂組成物によれば、放射線の照射により[B]酸発生体等から生じる酸により露光部の[A]重合体の酸解離性基が解離して、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、レジストパターンを形成することができる。[A]重合体は、通常、当該感放射線性樹脂組成物におけるベース重合体となる。「ベース重合体」とは、レジスト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。
[A]重合体は、構造単位(I)以外にも、ラクトン構造、環状カーボネート構造、スルトン構造若しくはこれらの組み合わせを含む構造単位(以下、「構造単位(II)」ともいう)、フェノール性水酸基を含む構造単位(以下、「構造単位(III)」ともいう)、及び/又はアルコール性水酸基を含む構造単位(以下、「構造単位(IV)」ともいう)を有することが好ましく、構造単位(I)〜(IV)以外のその他の構造単位を有していてもよい。[A]重合体はこれらの構造単位を1種又は2種以上有していてもよい。以下、各構造単位について説明する。
[構造単位(I)]
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)、アセタール構造を含む構造単位(以下、「構造単位(I−2)」ともいう)等が挙げられる。[A]重合体は、構造単位(I−1)又は構造単位(I−2)をそれぞれ1種又は2種以上有していてもよい。[A]重合体は、構造単位(I−1)及び構造単位(I−2)の両方を有していてもよい。以下、構造単位(I−1)及び構造単位(I−2)について説明する。
(構造単位(I−1))
構造単位(I−1)は、下記式(2)で表される構造単位である。
Figure 2017122528
上記式(2)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。R及びR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か、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数3〜20の脂環構造を表す。
「炭化水素基」は、飽和炭化水素基でも不飽和炭化水素基でもよい。この「炭化水素基」には、鎖状炭化水素基、脂環式炭化水素基及び芳香族炭化水素基が含まれる。「鎖状炭化水素基」とは、環状構造を含まず、鎖状構造のみで構成された炭化水素基をいい、直鎖状炭化水素基及び分岐状炭化水素基の両方を含む。「脂環式炭化水素基」とは、環構造としては脂環構造のみを含み、芳香環構造を含まない炭化水素基をいい、単環の脂環式炭化水素基及び多環の脂環式炭化水素基の両方を含む。但し、脂環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造を含んでいてもよい。「芳香族炭化水素基」とは、環構造として芳香環構造を含む炭化水素基をいう。但し、芳香環構造のみで構成されている必要はなく、その一部に鎖状構造や脂環構造を含んでいてもよい。
としては、構造単位(I−1)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子及びメチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
、R及びRで表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20の1価の鎖状炭化水素基、炭素数3〜20の1価の脂環式炭化水素基、炭素数6〜20の1価の芳香族炭化水素基等が挙げられる。
炭素数1〜20の1価の鎖状炭化水素基としては、例えば
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。
炭素数3〜20の1価の脂環式炭化水素基としては、例えば
シクロペンチル基、シクロヘキシル基等の単環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等の多環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等の多環の脂環式不飽和炭化水素基等が挙げられる。これらの中で単環の脂環式飽和炭化水素基及び多環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。
炭素数6〜20の1価の芳香族炭化水素基としては、例えば
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等が挙げられる。
及びRの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される炭素数3〜20の脂環構造としては、例えば
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、炭素数5〜8の単環の飽和脂環構造及び炭素数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、ノルボルナン構造及びアダマンタン構造がより好ましく、シクロペンタン構造及びアダマンタン構造がさらに好ましい。
構造単位(I−1)としては、例えば下記式(2−1)〜(2−6)で表される構造単位(以下、「構造単位(I−1−1)〜(I−1−6)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(2−1)〜(2−6)中、R〜Rは、上記式(2)と同義である。
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。
iとしては、1〜3が好ましく、1及び2がより好ましい。
構造単位(I)としては、構造単位(I−1−1)〜(I−1−5)が好ましい。
構造単位(I−1)としては、例えば下記式で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
上記式中、Rは、上記式(2)と同義である。
構造単位(I)としては、1−アルキル−単環シクロアルカン−1−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、2−アルキル−多環シクロアルカン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位及び2−(シクロアルカン−イル)プロパン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位が好ましく、1−i−プロピルシクロペンタン−1−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、1−メチルシクロヘキサン−1−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、2−エチル−アダマンタン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、2−エチル−テトラシクロドデカン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、2−(アダマンタン−1−イル)プロパン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位及び2−(シクロヘキサン−1−イル)プロパン−2−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位がより好ましい。
(構造単位(I−2))
構造単位(I−2)は、アセタール構造を含む構造単位である。アセタール構造を含む基としては、例えば下記式(A)で表される基(以下、「基(A)」ともいう)等が挙げられる。基(A)において、−C(R)(R10)(OR)が酸解離性基である。
Figure 2017122528
上記式(A)中、R及びR10は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。Rは、炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。*は、構造単位(I−2)中の上記基(A)以外の部分との結合部位を示す。
、R10及びRで表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば上記式(2)のR、R及びRの炭化水素基として例示したものと同様の基等が挙げられる。
及びR10としては、水素原子及び鎖状炭化水素基が好ましく、水素原子及びアルキル基がより好ましく、水素原子及びメチル基がさらに好ましい。Rとしては、鎖状炭化水素基及び脂環式炭化水素基が好ましく、脂環式炭化水素基がより好ましく、シクロアルキル基がさらに好ましく、テトラシクロドデシル基が特に好ましい。
構造単位(I−2)としては、例えば下記式(2’)で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(2’)中、R11は、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Lは、単結合又は炭素数1〜20の2価の有機基である。Tは、上記基(A)である。
11としては、構造単位(I−2)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子及びメチル基がより好ましく、メチル基がさらに好ましい。
で表される炭素数1〜20の2価の有機基としては、例えば置換又は非置換の炭素数1〜10の2価の炭化水素基、−CO−等が挙げられる。上記炭化水素基の置換基としては、例えば、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、アルコキシ基、シアノ基等が挙げられる。
としては、単結合及び−CO−が好ましく、−CO−がより好ましい。
構造単位(I−2)としては、1−(テトラシクロドデカン−2−イルオキシ)エタン−1−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位が好ましい。
構造単位(I)の含有割合の下限としては、[A]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましく、40モル%が特に好ましい。上記含有割合の上限としては、80モル%が好ましく、70モル%がより好ましく、60モル%がさらに好ましく、55モル%が特に好ましい。構造単位(I)の含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をさらに向上させることができる。
[構造単位(II)]
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。[A]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、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。また、当該感放射線性樹脂組成物から形成されるレジスト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(II)としては、例えば下記式で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
Figure 2017122528
Figure 2017122528
上記式中、RL1は、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。
構造単位(II)としては、ラクトン構造を有する構造単位、環状カーボネート構造を有する構造単位及びスルトン構造を有する構造単位が好ましく、ラクトン構造含有(メタ)アクリレートに由来する構造単位、環状カーボネート構造含有(メタ)アクリレートに由来する構造単位及びスルトン構造含有(メタ)アクリレートに由来する構造単位がより好ましく、ノルボルナンラクトン−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、シアノノルボルナンラクトン−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、ノルボルナンラクトン−イルオキシカルボニルメチル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、γ−ブチロラクトン−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、1−(3−メチル−γ−ノルボルナンラクトン−3−イル)エチル(メタ)アクリレートに由来する構造単位、エチレンカーボネート−イルメチル(メタ)アクリレートに由来する構造単位及びノルボルナンスルトン−イル(メタ)アクリレートに由来する構造単位がさらに好ましい。
[A]重合体が構造単位(II)を有する場合、構造単位(II)の含有割合の下限としては、[A]重合体における全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましく、40モル%が特に好ましい。上記含有割合の上限としては、80モル%が好ましく、70モル%がより好ましく、65モル%がさらに好ましく、60モル%が特に好ましい。構造単位(II)の含有割合を上記範囲とすることで、[A]重合体は現像液への溶解性をさらに適度に調整することができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をさらに向上させることができる。また、得られるレジストパターンと基板との密着性をさらに向上させることができる。
[構造単位(III)]
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。レジスト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、極端紫外線(EUV)、電子線等を用いる場合には、[A]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(III)としては例えば下記式(3)で表される構造単位(以下、「構造単位(III−1)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(3)中、R12は、水素原子又はメチル基である。R13は、炭素数1〜20の1価の有機基である。pは、0〜3の整数である。pが2又は3の場合、複数のR13は同一でも異なっていてもよい。qは、1〜3の整数である。但し、p+qは、5以下である。
上記R12としては、構造単位(III)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子が好ましい。
上記R13で表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば炭素数1〜20の1価の鎖状炭化水素基、炭素数3〜20の1価の脂環式炭化水素基、炭素数6〜20の1価の芳香族炭化水素基、これらの基の炭素−炭素間に−CO−、−CS−、−O−、−S−若しくは−NR”−又はこれらのうちの2種以上を組み合わせた基を含む基、これらの基が有する水素原子の一部又は全部を置換基で置換した基等が挙げられる。R”は、水素原子又は1価の有機基である。これらの中で、1価の鎖状炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましく、メチル基がさらに好ましい。
上記pとしては、0〜2の整数が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。
上記qとしては、1及び2が好ましく、1がより好ましい。
構造単位(III−1)としては、例えば下記式(3−1)〜(3−4)で表される構造単位(以下、「構造単位(III−1−1)〜(III−1−4)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(3−1)〜(3−4)中、R12は、上記式(3)と同義である。
構造単位(III)としては、構造単位(III−1)が好ましく、構造単位(III−1−1)及び構造単位(III−1−2)がより好ましく、構造単位(III−1−1)がさらに好ましい。
[A]重合体が構造単位(III)を有する場合、構造単位(III)の含有割合の下限としては、[A]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましく、40モル%が特に好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、80モル%がより好ましく、70モル%がさらに好ましく、60モル%が特に好ましい。構造単位(III)の含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物は感度をさらに向上させることができる。
なお、構造単位(III)は、ヒドロキシスチレンの−OH基の水素原子をアセチル基等で置換した単量体などを重合した後、得られた重合体を、アミン等の塩基存在下で加水分解反応を行うこと等により形成することができる。
[構造単位(IV)]
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。[A]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整することができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。また、レジストパターンの基板への密着性をより高めることができる。
構造単位(IV)としては、例えば下記式で表される構造単位等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式中、RL2は、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。
構造単位(IV)としては、ヒドロキシアダマンチル基を含む構造単位が好ましく、3−ヒドロキシアダマンチル(メタ)アクリレートに由来する構造単位がより好ましい。
[A]重合体が構造単位(IV)を有する場合、構造単位(IV)の含有割合の下限としては、[A]重合体を構成する全構造単位に対して、5モル%が好ましく、10モル%がより好ましく、30モル%がさらに好ましく、40モル%が特に好ましい。上記含有割合の上限としては、70モル%が好ましく、65モル%がより好ましく、60モル%がさらに好ましく、55モル%が特に好ましい。構造単位(IV)の含有割合を上記範囲とすることで、[A]重合体は現像液への溶解性をさらに適度に調整することができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をさらに向上することができる。また、レジストパターンの基板への密着性をさらに高めることができる。
[その他の構造単位]
[A]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、[A]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。
[A]重合体の含有量の下限としては、当該感放射線性樹脂組成物の全固形分に対して、70質量%が好ましく、80質量%がより好ましく、85質量%がさらに好ましい。「全固形分」とは、当該感放射線性樹脂組成物中の[E]溶媒以外の成分の総和をいう。当該感放射線性樹脂組成物は、[A]重合体を1種又は2種以上含有していてもよい。
<[A]重合体の合成方法>
[A]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。
上記ラジカル重合開始剤としては、例えば
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種単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
重合に使用される溶媒としては、例えば
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−デカン等の炭素数5〜10の直鎖又は分岐鎖アルカン;
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種単独で又は2種以上を併用してもよい。
重合における反応温度の下限としては、40℃が好ましく、50℃がより好ましい。上記反応温度の上限としては、150℃が好ましく、120℃がより好ましい。重合における反応時間の下限としては、1時間が好ましく、2時間がより好ましい。上記反応時間の上限としては、48時間が好ましく、24時間がより好ましい。
[A]重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によるポリスチレン換算重量平均分子量(Mw)の下限としては、1,000が好ましく、3,000がより好ましく、4,000がさらに好ましく、5,000が特に好ましい。上記Mwの上限としては、50,000が好ましく、30,000がより好ましく、20,000がさらに好ましく、10,000が特に好ましい。[A]重合体のMwを上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の塗工性を向上させることができ、その結果、LWR性能等をより向上させることができる。
[A]重合体のGPCによるポリスチレン換算数平均分子量(Mn)に対するMwの比(Mw/Mn)の下限としては、通常1であり、1.1が好ましい。上記比の上限としては、5が好ましく、3がより好ましく、2がさらに好ましく、1.5が特に好ましい。
本明細書における重合体のMw及びMnは、以下の条件によるGPCを用いて測定される値である。
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
<[B]酸発生体>
[B]酸発生体は、露光により酸を発生する物質である。この発生した酸により[A]重合体等が有する酸解離性基が解離してカルボキシ基、ヒドロキシ基等が生じ、[A]重合体の現像液への溶解性が変化するため、当該感放射線性樹脂組成物からレジストパターンを形成することができる。当該感放射線性樹脂組成物における[B]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「[B]酸発生剤」ともいう)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。
[B]酸発生剤としては、例えばオニウム塩化合物、N−スルホニルオキシイミド化合物、スルホンイミド化合物、ハロゲン含有化合物、ジアゾケトン化合物等が挙げられる。
オニウム塩化合物としては、例えばスルホニウム塩、テトラヒドロチオフェニウム塩、ヨードニウム塩、ホスホニウム塩、ジアゾニウム塩、ピリジニウム塩等が挙げられる。
[B]酸発生剤の具体例としては、例えば特開2009−134088号公報の段落[0080]〜[0113]に記載されている化合物等が挙げられる。
[B]酸発生体から発生する酸としては、例えばスルホン酸、イミド酸、アミド酸、メチド酸、ホスフィン酸、カルボン酸等が挙げられる。これらの中で、スルホン酸、イミド酸、アミド酸及びメチド酸が好ましい。
[B]酸発生剤としては、例えば下記式(4)で表される化合物(以下、「[B1]酸発生剤」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(4)中、Aは、1価のスルホン酸アニオン、1価のイミド酸アニオン、1価のアミド酸アニオン又は1価のメチド酸アニオンである。Zは、1価の感放射線性オニウムカチオンである。
[B1]酸発生剤は、上記式(4)におけるAがスルホン酸アニオンの場合(以下、「[B1a]」酸発生剤)ともいう)、スルホン酸が発生する。Aがイミド酸アニオンの場合(以下、「[B1b]酸発生剤」ともいう)、イミド酸が発生する。Aがアミド酸アニオンの場合(以下、「[B1c]酸発生剤」ともいう)、アミド酸が発生する。Aがメチド酸アニオンの場合(以下、「[B1d]酸発生剤」ともいう)、メチド酸が発生する。
[B1a]酸発生剤としては、例えば下記式(4−1)で表される化合物(以下、「化合物(4−1)」ともいう)等が挙げられる。[B1]酸発生剤が下記構造を有することで、[A]重合体の構造単位(I)との相互作用等により、露光により発生する酸のレジスト膜中の拡散長がより適度に短くなると考えられ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。
Figure 2017122528
上記式(4−1)中、Rp1は、環員数5以上の環構造を含む1価の基である。Rp2は、2価の連結基である。Rp3及びRp4は、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、炭素数1〜20の1価の炭化水素基又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。Rp5及びRp6は、それぞれ独立して、フッ素原子又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。np1は、0〜10の整数である。np2は、0〜10の整数である。np3は、0〜10の整数である。但し、np1+np2+np3は、1以上30以下である。np1が2以上の場合、複数のRp2は同一でも異なっていてもよい。np2が2以上の場合、複数のRp3は同一でも異なっていてもよく、複数のRp4は同一でも異なっていてもよい。np3が2以上の場合、複数のRp5は同一でも異なっていてもよく、複数のRp6は同一でも異なっていてもよい。Zは、上記式(4)と同義である。
p1で表される環員数5以上の環構造を含む1価の基としては、例えば環員数5以上の脂環構造を含む1価の基、環員数5以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基、環員数5以上の芳香環構造を含む1価の基、環員数5以上の芳香族複素環構造を含む1価の基等が挙げられる。
環員数5以上の脂環構造としては、例えば
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、シクロノナン構造、シクロデカン構造、シクロドデカン構造等の単環の飽和脂環構造;
シクロペンテン構造、シクロヘキセン構造、シクロヘプテン構造、シクロオクテン構造、シクロデセン構造等の単環の不飽和脂環構造;
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;
ノルボルネン構造、トリシクロデセン構造等の多環の不飽和脂環構造などが挙げられる。
環員数5以上の脂肪族複素環構造としては、例えば
ヘキサノラクトン構造、ノルボルナンラクトン構造等のラクトン構造;
ヘキサノスルトン構造、ノルボルナンスルトン構造等のスルトン構造;
オキサシクロヘプタン構造、オキサノルボルナン構造等の酸素原子含有複素環構造;
アザシクロヘキサン構造、ジアザビシクロオクタン構造等の窒素原子含有複素環構造;
チアシクロヘキサン構造、チアノルボルナン構造の硫黄原子含有複素環構造などが挙げられる。
環員数5以上の芳香環構造としては、例えば
ベンゼン構造、ナフタレン構造、フェナントレン構造、アントラセン構造等が挙げられる。
環員数5以上の芳香族複素環構造としては、例えば
フラン構造、ピラン構造、ベンゾピラン構造等の酸素原子含有複素環構造;
ピリジン構造、ピリミジン構造、インドール構造等の窒素原子含有複素環構造などが挙げられる。
p1の環構造の環員数の下限としては、6が好ましく、8がより好ましく、9がさらに好ましく、10が特に好ましい。上記環員数の上限としては、15が好ましく、14がより好ましく、13がさらに好ましく、12が特に好ましい。上記環員数を上記範囲とすることで、上述の酸の拡散長をさらに適度に短くすることができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。
p1の環構造が有する水素原子の一部又は全部は、置換基で置換されていてもよい。上記置換基としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アシル基、アシロキシ基等が挙げられる。これらの中でヒドロキシ基が好ましい。
p1としては、環員数5以上の脂環構造を含む1価の基及び環員数5以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基が好ましく、環員数9以上の脂環構造を含む1価の基及び環員数9以上の脂肪族複素環構造を含む1価の基がより好ましく、アダマンチル基、ヒドロキシアダマンチル基、ノルボルナンラクトン−イル基、ノルボルナンスルトン−イル基及び5−オキソ−4−オキサトリシクロ[4.3.1.13,8]ウンデカン−イル基がさらに好ましく、アダマンチル基が特に好ましい。
p2で表される2価の連結基としては、例えばカルボニル基、エーテル基、カルボニルオキシ基、スルフィド基、チオカルボニル基、スルホニル基、2価の炭化水素基等が挙げられる。これらの中で、カルボニルオキシ基、スルホニル基、アルカンジイル基及びシクロアルカンジイル基が好ましく、カルボニルオキシ基及びシクロアルカンジイル基がより好ましく、カルボニルオキシ基及びノルボルナンジイル基がさらに好ましく、カルボニルオキシ基が特に好ましい。
p3及びRp4で表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のアルキル基等が挙げられる。Rp3及びRp4で表される炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のフッ素化アルキル基等が挙げられる。Rp3及びRp4としては、水素原子、フッ素原子及びフッ素化アルキル基が好ましく、フッ素原子及びパーフルオロアルキル基がより好ましく、フッ素原子及びトリフルオロメチル基がさらに好ましい。
p5及びRp6で表される炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えば炭素数1〜20のフッ素化アルキル基等が挙げられる。Rp5及びRp6としては、フッ素原子及びフッ素化アルキル基が好ましく、フッ素原子及びパーフルオロアルキル基がより好ましく、フッ素原子及びトリフルオロメチル基がさらに好ましく、フッ素原子が特に好ましい。
p1としては、0〜5の整数が好ましく、0〜3の整数がより好ましく、0〜2の整数がさらに好ましく、0及び1が特に好ましい。
p2としては、0〜5の整数が好ましく、0〜2の整数がより好ましく、0及び1がさらに好ましく、0が特に好ましい。
p3の下限としては、1が好ましく、2がより好ましい。np3を1以上とすることで、化合物(4−1)から生じる酸の強さを高めることができ、その結果、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。np3の上限としては、4が好ましく、3がより好ましく、2がさらに好ましい。
p1+np2+np3の下限としては、2が好ましく、4がより好ましい。np1+np2+np3の上限としては、20が好ましく、10がより好ましい。
で表される1価の感放射線性オニウムカチオンとしては、例えば下記式(Z−1)〜(Z−3)で表されるカチオン(以下、「カチオン(Z−1)〜(Z−3)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(Z−1)中、Ra1及びRa2は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基である。Ra3は、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。k1は、それぞれ独立して0〜5の整数である。Ra3が複数の場合、複数のRa3は同一でも異なっていてもよく、また、複数のRa3は、互いに合わせられ環構造を構成してもよい。t1は、0〜3の整数である。
上記Ra1、Ra2及びRa3で表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば炭素数1〜20の1価の炭化水素基、この炭化水素基の炭素−炭素間又は結合手側の末端に2価のヘテロ原子含有基を含む1価の基(g)、上記炭化水素基及び基(g)が有する水素原子の一部又は全部をヘテロ原子含有基で置換した1価の基等が挙げられる。
a1及びRa2としては、炭素数1〜20の1価の非置換の炭化水素基及び水素原子が置換基により置換された炭化水素基が好ましく、炭素数6〜18の1価の非置換の芳香族炭化水素基及び水素原子が置換基により置換された芳香族炭化水素基がより好ましく、フェニル基がさらに好ましい。
上記Ra1及びRa2として表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基が有する水素原子を置換していてもよい置換基としては、置換又は非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−R、−SO−R、−OR、−COOR、−O−CO−R、−O−Rkk−COOR、−Rkk−CO−R及び−S−Rが好ましい。Rは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。Rkkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
a3としては、置換又は非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−R、−SO−R、−OR、−COOR、−O−CO−R、−O−Rkk−COOR、−Rkk−CO−R及び−S−Rが好ましい。Rは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。Rkkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
上記式(Z−2)中、Ra4及びRa5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。k2は、0〜7の整数である。Ra4が複数の場合、複数のRa4は同一でも異なっていてもよく、また、複数のRa4は、互いに合わせられ環構造を構成してもよい。k3は、0〜6の整数である。Ra5が複数の場合、複数のRa5は同一でも異なっていてもよく、また、複数のRa5は、互いに合わせられ環構造を構成してもよい。rは、0〜3の整数である。Ra6は、単結合又は炭素数1〜20の2価の有機基である。t2は、0〜2の整数である。
上記Ra4及びRa5としては、置換又は非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OR、−COOR、−O−CO−R、−O−Rkk−COOR及び−Rkk−CO−Rが好ましい。Rは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。Rkkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
上記式(Z−3)中、Ra7及びRa8は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基、ヒドロキシ基、ニトロ基又はハロゲン原子である。k4及びk5は、それぞれ独立して0〜5の整数である。Ra7が複数の場合、複数のRa7は同一でも異なっていてもよく、また、複数のRa7は、互いに合わせられ環構造を構成してもよい。Ra8が複数の場合、複数のRa8は同一でも異なっていてもよく、また、複数のRa8は、互いに合わせられ環構造を構成してもよい。
上記Ra7及びRa8としては、置換又は非置換の炭素数1〜20の1価の炭化水素基、−OSO−R、−SO−R、−OR、−COOR、−O−CO−R、−O−Rkk−COOR、−Rkk−CO−R、−S−R及びこれらの基のうちの2つ以上が互いに合わせられ構成される環構造が好ましい。Rは、炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。Rkkは、単結合又は炭素数1〜10の2価の炭化水素基である。
a3、Ra4、Ra5、Ra7及びRa8で表される炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば
メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基等の直鎖状のアルキル基;
i−プロピル基、i−ブチル基、sec−ブチル基、t−ブチル基等の分岐状のアルキル基;
フェニル基、トリル基、キシリル基、メシチル基、ナフチル基等のアリール基;
ベンジル基、フェネチル基等のアラルキル基等が挙げられる。
a6で表される2価の有機基としては、例えば上記式(Z−1)のRa1、Ra2及びRa3として例示した炭素数1〜20の1価の有機基から1個の水素原子を除いた基等が挙げられる。
上記Ra3、Ra4、Ra5、Ra7及びRa8で表される炭化水素基が有する水素原子を置換していてもよい置換基としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、シアノ基、ニトロ基、アルコキシ基、アルコキシカルボニル基、アルコキシカルボニルオキシ基、アシル基、アシロキシ基等が挙げられる。これらの中で、ハロゲン原子が好ましく、フッ素原子がより好ましい。
a3、Ra4、Ra5、Ra7及びRa8としては、非置換の直鎖状又は分岐状の1価のアルキル基、1価のフッ素化アルキル基、非置換の1価の芳香族炭化水素基、−OSO−R、−SO−R及び−ORが好ましく、フッ素化アルキル基、非置換の1価の芳香族炭化水素基及びアルコキシ基がより好ましく、フッ素化アルキル基及びアルコキシ基がさらに好ましい。
式(Z−1)におけるk1としては、0〜2の整数が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。t1としては、0及び1が好ましく、0がより好ましい。式(Z−2)におけるk2としては、0〜2の整数が好ましく、0及び1がより好ましく、1がさらに好ましい。k3としては、0〜2の整数が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。rとしては、2及び3が好ましく、2がより好ましい。t2としては、0及び1が好ましく、1がより好ましい。式(Z−3)におけるk4及びk5としては、0〜2の整数が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。
としては、これらの中で、カチオン(Z−1)及びカチオン(Z−2)が好ましく、トリフェニルスルホニウムカチオン及び4−ブトキシナフタレン−1−イルテトラヒドロチオフェニウムカチオンがより好ましい。
[B1a]酸発生剤としては、例えば下記式(4−1−1)〜(4−1−19)で表される化合物(以下、「化合物(4−1−1)〜(4−1−19)」ともいう)等が挙げられる。[B1b]酸発生剤としては、例えば下記式(4−2−1)〜(4−2−3)で表される化合物(以下、「化合物(4−2−1)〜(4−2−3)」ともいう)等が挙げられる。[B1c]酸発生剤としては、例えば下記式(4−3−1)、式(4−3−2)で表される化合物(以下、「化合物(4−3−1)、(4−3−2)」ともいう)等が挙げられる。[B1d]酸発生剤としては、例えば下記式(4−4−1)、式(4−4−2)で表される化合物(以下、「化合物(4−4−1)、(4−4−2)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
上記式(4−1−1)〜(4−1−19)、(4−2−1)〜(4−2−3)、(4−3−1)、(4−3−2)、(4−4−1)及び(4−4−2)中、Zは、1価のオニウムカチオンである。
[B1]酸発生剤としては、[B1a]酸発生剤及び[B1b]酸発生剤が好ましく、化合物(4−1−1)、(4−1−3)、(4−1−13)及び(4−1−16)〜(4−1−19)並びに化合物(4−2−1)がより好ましい。
[B1]酸発生剤としては、オニウム塩化合物が好ましく、スルホニウム塩及びテトラヒドロチオフェニウム塩がより好ましく、トリフェニルスルホニウム塩及び4−ブトキシナフタレン−1−イルテトラヒドロチオフェニウム塩がさらに好ましい。
また、[B]酸発生体としては、下記式(4−1’)で表される構造単位を有する重合体等の酸発生体の構造が重合体の一部として組み込まれた重合体も好ましい。
Figure 2017122528
上記式(4−1’)中、Rp7は、水素原子又はメチル基である。Lは、単結合又は、−COO−又は2価のカルボニルオキシ炭化水素基である。Rp8は、炭素数1〜10のフッ素化アルカンジイル基である。Zは、上記式(4)と同義である。
p7としては、上記式(4−1’)で表される構造単位を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子及びメチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
としては、2価のカルボニルオキシ炭化水素基が好ましく、カルボニルオキシアルカンジイル基及びカルボニルアルカンジイルアレーンジイル基がより好ましい。
p8としては、炭素数1〜4のフッ素化アルカンジイル基が好ましく、炭素数1〜4のパーフルオロアルカンジイル基がより好ましく、ヘキサフルオロプロパンジイル基がさらに好ましい。
[B]酸発生体が[B]酸発生剤の場合、[B]酸発生剤の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、0.5質量部がより好ましく、1質量部がさらに好ましく、2質量部が特に好ましく、3質量部がさらに特に好ましく、5質量部が最も好ましい。上記含有量の上限としては、50質量部が好ましく、40質量部がより好ましく、30質量部がさらに好ましく、20質量部が特に好ましい。
また、[B]酸発生剤の含有量の下限としては、固形分換算、すなわち当該感放射線性樹脂組成物の全固形分に対して、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、2質量%が特に好ましく、3質量%がさらに特に好ましく、5質量%が最も好ましい。上記含有量の上限としては、50質量%が好ましく、40質量%がより好ましく、30質量%がさらに好ましく、20質量%が特に好ましい。
[B]酸発生剤の含有量を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の感度及び現像性が向上し、その結果、LWR性能等を向上させることができる。特に、露光光が電子線又はEUVの場合、当該感放射線性樹脂組成物の感度をより高める観点から、[B]酸発生剤の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して10質量部が好ましく、15質量部がより好ましく、18質量部がさらに好ましい。また、[B]酸発生剤の含有量の下限としては、当該感放射線性樹脂組成物の全固形分に対して10質量%が好ましく、15質量部がより好ましく、18質量部がさらに好ましい。当該感放射線性樹脂組成物は[B]酸発生体を1種又は2種以上を含有していてもよい。
<[C]化合物>
[C]化合物は、放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる化合物である。すなわち、[C]化合物は、放射線の作用により、分子構造が変化して、塩となる化合物である。放射線としては、例えば可視光線、紫外線、ArFエキシマレーザー光(波長193nm)、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)等の遠紫外線、極端紫外線(Extreme Ultraviolet(EUV)、13.5nm)、X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。放射線としては、レジストパターンの形成において用いる露光光であることが好ましい。
[C]化合物は、通常、塩ではない化合物である。また、[C]化合物は、通常、塩基性化合物である。
当該感放射線性樹脂組成物は、[A]重合体及び[B]酸発生体に加えて、[C]化合物を含有することで、LWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性、PEB収縮抑制性及び保存安定性に優れる。当該感放射線性樹脂組成物が上記構成を有することで、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、[C]化合物は、未露光部では、露光部において[B]酸発生体から発生する酸を捕捉する一方、露光部では、放射線の作用より塩に変化するので酸の捕捉機能が低下する。その結果、露光部と未露光部とのコントラストを向上させることができ、LWR性能、現像性及び焦点深度をより向上させることができる。[C]化合物は、光崩壊性塩基等の感放射線性の酸拡散制御剤とは異なり、現像液への溶解性の変化が[A]重合体と同様であるため、欠陥抑制性が高い。また、露光部において塩となるため、揮発性が小さく、そのため、PEB収縮抑制性にも優れる。さらに、[C]化合物は、従来の酸拡散制御剤に比べて、塩基性が低いため、これを含有する感放射線性樹脂組成物は、保存安定性に優れるものとなると考えられる。
[C]化合物は、通常、放射線の照射により塩基性が変化する化合物である。また、[C]化合物は、通常、放射線の照射により酸を発生し、この酸が[C]化合物が有する塩基性部位と結合することにより塩を形成し、それにより塩基性が低下する。
[C]化合物としては、下記式(1)で表される化合物(以下、「化合物(I−1)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(1)中、Arは、少なくとも1個の窒素原子を環構成原子として含む置換若しくは非置換の環員数4〜30のヘテロアレーンジイル基である。Arは、少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している置換若しくは非置換の環員数6〜30のアリール基又は少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している置換若しくは非置換の環員数4〜30のヘテロアリール基である。Arは、少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合し、上記脱離基以外の置換基を有していてもよい環員数6〜30のアリール基又は少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合し、上記脱離基以外の置換基を有していてもよい環員数4〜30のヘテロアリール基である。但し、上記Arの上記水素原子が結合する炭素原子と上記Arの脱離基が結合する炭素原子との間の最短の結合路を構成する共有結合の数は、4以上7以下である。
化合物(I−1)は、例えばArのヘテロアレーンジイル基により放射線を吸収し、Arのアリール基又はヘテロアリール基の水素原子と、Arの芳香環に結合している脱離基とが合わさって酸を発生して脱離し、ArとArとが結合すると共に、この発生した酸がArの窒素原子と結合して塩を形成することができる。
上記Arで表される少なくとも1個の窒素原子を環構成原子として含む環員数4〜30のヘテロアレーンジイル基としては、例えば
ピロールジイル基、ピリジンジイル基等の1個の窒素原子を環構成原子として含む基;
イミダゾールジイル基、ピラゾールジイル基、ピラジンジイル基、ピリミジンジイル基、ピリダジンジイル基等の2個の窒素原子を環構成原子として含む基などが挙げられる。これらの中で、LWR性能等を高める観点から、2個の窒素原子を環構成原子として含む基が好ましく、イミダゾールジイル基がより好ましい。
上記ヘテロアレーンジイル基の置換基としては、例えば1価の有機基等が挙げられる。また、ヘテロアレーンジイル基の置換基は、上記ヘテロアレーン環に縮環する芳香環、脂環等の環構造を形成する基であってもよい。
上記Arで表される少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している環員数6〜30のアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、アントリル基等が挙げられる。これらの中で、フェニル基が好ましい。
上記Arで表される少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している環員数4〜30のヘテロアリール基としては、例えばピローリル基、ピリジル基、フリル基、チオフェニル基等が挙げられる。これらの中で、ピリジル基が好ましい。
上記少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している環員数6〜30のアリール基及び環員数4〜30のヘテロアリール基の置換基としては、例えば1価の有機基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基等が挙げられる。これらの中で、フッ素原子、アミノ基、ニトロ基、フッ素化アルキル基、アルキル基及びアルコキシ基が好ましい。
Arにおけるアリール基及びヘテロアリール基の芳香環の炭素原子に結合する脱離基としては、例えば酸から酸性の水素原子を除いた基等が挙げられる。
酸としては、例えば
フッ酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸等のハロゲン化水素酸:
スルホン酸、リン酸、カルボン酸等のオキソ酸などが挙げられる。これらの中で、放射線による塩形成の容易性の観点から、スルホン酸及び臭化水素酸が好ましく、スルホン酸がより好ましく、トリフルオロメタンスルホン酸及びトルエンスルホン酸がさらに好ましく、トリフルオロメタンスルホン酸が特に好ましい。
化合物(I−1)における酸の脱離の容易性の観点から、上記脱離基から生成する酸のpKaの上限としては、3が好ましく、1がより好ましく、0がさらに好ましく、−1が特に好ましい。
Arで表される少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合する環員数6〜30のアリール基におけるアリール基としては、例えばフェニル基、ナフチル基、アントリル基等が挙げられる。これらの中で、フェニル基及びナフチル基が好ましく、フェニル基がより好ましい。
Arで表される少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合する環員数4〜30のヘテロアリール基におけるヘテロアリール基としては、例えばピリジル基、ピローリル基、フリル基、チオフェニル基等が挙げられる。これらの中で、ピリジル基が好ましい。
上記少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合する環員数6〜30のアリール基及び環員数4〜30のヘテロアリール基が有していてもよい置換基としては、例えば1価の有機基、ハロゲン原子、ヒドロキシ基、ニトロ基等が挙げられる。これらの中で、フッ素原子、アミノ基、ニトロ基、フッ素化アルキル基、アルキル基及びアルコキシ基が好ましい。
化合物(I−1)における酸の脱離の容易性の観点から、上記Arの水素原子が結合する炭素原子と、上記Arの脱離基が結合する炭素原子との間の最短の結合路を構成する共有結合の数の下限としては5が好ましい。上記共有結合の数の上限としては6が好ましい。
化合物(I−1)としては、例えば下記式(1−1)で表される化合物(以下、「化合物(I−1−1)」ともいう)等が挙げられる
Figure 2017122528
上記式(1−1)中、R及びRは、それぞれ独立して水素原子若しくは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数4〜20の環構造を表す。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。nは、0〜4の整数である。nが2以上の場合、複数のRは同一でも異なっていてもよく、複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に環員数4〜20の環構造を形成していてもよい。Rは、上記脱離基以外の炭素数1〜20の1価の有機基である。mは、0〜4の整数である。mが2以上の場合、複数のRは同一でも異なっていてもよく、複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に環員数4〜20の環構造を形成していてもよい。Xは、1価の上記脱離基である。
上記R及びRで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば炭素数1〜20の1価の炭化水素基、この炭化水素基の炭素−炭素間に2価のヘテロ原子含有基を含む基(α)、上記炭化水素基及び上記基(α)が有する水素原子の一部又は全部を1価のヘテロ原子含有基で置換した基等が挙げられる。
炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、例えば上記式(2)のR、R及びRの炭化水素基として例示したものと同様の基等が挙げられる。
1価及び2価のヘテロ原子含有基を構成するヘテロ原子としては、例えば酸素原子、窒素原子、硫黄原子、リン原子、ケイ素原子、ハロゲン原子等が挙げられる。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。
2価のヘテロ原子含有基としては、例えば−O−、−CO−、−S−、−CS−、−NR’−、−SO−、−SO−、これらのうちの2つ以上を組み合わせた基等が挙げられる。R’は、水素原子又は1価の炭化水素基である。これらの中で、−O−、−S−及び−NR’−が好ましい。
1価のヘテロ原子含有基としては、例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等のハロゲン原子、ヒドロキシ基、カルボキシ基、シアノ基、アミノ基、スルファニル基(−SH)等が挙げられる。これらの中で、ヒドロキシ基及びシアノ基が好ましい。
上記R及びRの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数4〜20の環構造としては、例えば
ベンゼン構造、ナフタレン構造、アントラセン構造、フェナントレン構造等の芳香族炭素環構造;
ピリジン構造、キノリン構造、チオフェン構造、フラン構造等の芳香族複素環構造;
シクロペンタン構造、シクロヘキサン構造等の脂環構造;
アザシクロペンタン構造、アザシクロヘキサン構造等の脂肪族複素環構造などが挙げられる。これらの中で、芳香族炭素環構造が好ましく、ベンゼン構造、ナフタレン構造及びフェナントレン構造がより好ましく、フェナントレン構造がさらに好ましい。
上記Rで表される炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば上記R及びRとして例示した1価の有機基と同じもの等が挙げられる。
nとしては、0〜2が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。
複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に形成する環員数4〜20の環構造としては、例えば上記R及びRの基が互いに合わせられ構成される環構造として例示した環構造と同様のもの等が挙げられる。
上記Rで表される上記脱離基以外の炭素数1〜20の1価の有機基としては、例えば上記R及びRとして例示した1価の有機基と同じもの等が挙げられる。
mとしては、0〜2が好ましく、0及び1がより好ましく、0がさらに好ましい。
複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に形成する環員数4〜20の環構造としては、例えば上記R及びRの基が互いに合わせられ構成される環構造として例示した環構造と同様のもの等が挙げられる。
Xで表される1価の脱離基としては、例えば上記式(1)のArに結合する脱離基として例示したもののうち1価の基等が挙げられる。これらの中で、スルホン酸、リン酸、カルボン酸等のオキソ酸から酸性の水素原子を除いた基が好ましく、スルホン酸から酸性の水素原子を除いた基がより好ましく、トリフルオロメタンスルホン酸及びトルエンスルホン酸から酸性の水素原子を除いた基がさらに好ましく、トリフルオロメタンスルホン酸から酸性の水素原子を除いた基が特に好ましい。
化合物(I−1)としては、例えば下記式(1−1−1)〜(1−1−60)で表される化合物(以下、「化合物(I−1−1−1)〜(I−1−1−60)」ともいう)等が挙げられる。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
Figure 2017122528
[C]化合物のうち、化合物(I−1−1)は、下記式で示すように、下記式(a)で表される化合物と、下記式(b)で表される化合物と、下記式(c)で表される化合物とを、例えば酢酸アンモニウム等の存在下、酢酸等の溶媒中で反応させることにより合成することができる。化合物(I−1−1)以外の[C]化合物についても同様にして合成することができる。
Figure 2017122528
[C]化合物の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、0.2質量部がより好ましく、0.5質量部がさらに好ましく、1質量部が特に好ましい。上記含有量の上限としては、20質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、5質量部がさらに好ましく、3質量部が特に好ましい。[C]化合物の含有量を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物のLWR性能等をより向上させることができる。当該感放射線性樹脂組成物は、[C]化合物を1種又は2種以上含有していてもよい。
<[D]重合体>
[D]重合体は、[A]重合体よりもフッ素原子の質量含有率が大きい重合体である。[D]重合体は、[A]重合体よりもフッ素原子の質量含有率が大きいため、その撥油性的特徴により、レジスト膜を形成した際にその分布がレジスト膜表層に偏在化する傾向がある。その結果、当該感放射線性樹脂組成物によれば、液浸露光時における酸発生剤、酸拡散制御体等が液浸媒体に溶出することを抑制することができる。また、当該感放射線性樹脂組成物によれば、この[D]重合体の撥水性的特徴により、レジスト膜と液浸媒体との前進接触角を所望の範囲に制御でき、バブル欠陥の発生を抑制できる。さらに、当該感放射線性樹脂組成物によれば、レジスト膜と液浸媒体との後退接触角が大きくなり、水滴が残らずに高速でのスキャン露光が可能となる。当該感放射線性樹脂組成物は、このように[D]重合体を含有することにより、液浸露光法に好適なレジスト膜を形成することができる。
[D]重合体のフッ素原子の質量含有率の下限としては、1質量%が好ましく、2質量%がより好ましく、4質量%がさらに好ましく、7質量%が特に好ましい。上記質量含有率の上限としては、60質量%が好ましく、50質量%がより好ましく、40質量%がさらに好ましく、30質量%が特に好ましい。フッ素原子の質量含有率を上記範囲とすることで、[D]重合体のレジスト膜における偏在化をより適度に調整することができる。なお、重合体のフッ素原子の質量含有率は、13C−NMRスペクトル測定により重合体の構造を求め、その構造から算出することができる。
[D]重合体におけるフッ素原子の含有形態は特に限定されず、主鎖、側鎖及び末端のいずれに結合するものでもよいが、フッ素原子を含む構造単位(以下、「構造単位(F)」ともいう)を有することが好ましい。[D]重合体は、構造単位(F)以外にも、当該感放射線性樹脂組成物の欠陥抑制性向上の観点から、酸解離性基を含む構造単位を有することが好ましい。酸解離性基を含む構造単位としては、例えば、[A]重合体における構造単位(I)等が挙げられる。
また、[D]重合体は、アルカリ解離性基を有することが好ましい。[D]重合体がアルカリ解離性基を有すると、アルカリ現像時にレジスト膜表面を疎水性から親水性に効果的に変えることができ、当該感放射線性樹脂組成物の欠陥抑制性がより向上する。「アルカリ解離性基」とは、カルボキシ基、ヒドロキシ基等の水素原子を置換する基であって、アルカリ水溶液(例えば、23℃の2.38質量%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液)中で解離する基をいう。
構造単位(F)としては、下記式(f−1)で表される構造単位(以下、「構造単位(F−1)」ともいう)及び下記式(f−2)で表される構造単位(以下、「構造単位(F−2)」ともいう)が好ましい。構造単位(F)は、構造単位(F−1)及び構造単位(F−2)をそれぞれ1種又は2種以上有していてもよい。
[構造単位(F−1)]
構造単位(F−1)は、下記式(f−1)で表される構造単位である。[D]重合体は構造単位(F−1)を有することでフッ素原子の質量含有率を調整することができる。
Figure 2017122528
上記式(f−1)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Gは、単結合、酸素原子、硫黄原子、−COO−、−SONH−、−CONH−又は−OCONH−である。Rは、炭素数1〜6の1価のフッ素化鎖状炭化水素基又は炭素数4〜20の1価のフッ素化脂環式炭化水素基である。
としては、構造単位(F−1)を与える単量体の共重合性の観点から、水素原子及びメチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
Gとしては、−COO−、−SONH−、−CONH−及び−OCONH−が好ましく、−COO−がより好ましい。
で表される炭素数1〜6の1価のフッ素化鎖状炭化水素基としては、例えばトリフルオロメチル基、2,2,2−トリフルオロエチル基、パーフルオロエチル基、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピル基、1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロプロピル基、パーフルオロ−n−プロピル基、パーフルオロ−i−プロピル基、パーフルオロ−n−ブチル基、パーフルオロ−i−ブチル基、パーフルオロ−t−ブチル基、2,2,3,3,4,4,5,5−オクタフルオロペンチル基、パーフルオロヘキシル基等が挙げられる。
上記Rで表される炭素数4〜20の1価のフッ素化脂環式炭化水素基としては、例えばモノフルオロシクロペンチル基、ジフルオロシクロペンチル基、パーフルオロシクロペンチル基、モノフルオロシクロヘキシル基、ジフルオロシクロペンチル基、パーフルオロシクロヘキシルメチル基、フルオロノルボルニル基、フルオロアダマンチル基、フルオロボルニル基、フルオロイソボルニル基、フルオロトリシクロデシル基、フルオロテトラシクロデシル基等が挙げられる。
としては、フッ素化鎖状炭化水素基が好ましく、2,2,2−トリフルオロエチル基及び1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2−プロピル基がより好ましく、2,2,2−トリフルオロエチル基がさらに好ましい。
[D]重合体が構造単位(F−1)を有する場合、構造単位(F−1)の含有割合の下限としては、[D]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、70モル%がより好ましく、50モル%がさらに好ましい。構造単位(F−1)の含有割合を上記範囲とすることで、[D]重合体のフッ素原子の質量含有率をさらに適度に調整することができる。
[構造単位(F−2)]
構造単位(F−2)は、下記式(f−2)で表される構造単位である。[D]重合体は構造単位(F−2)を有することで、アルカリ現像液への溶解性が向上し、現像欠陥の発生を抑制することができる。構造単位(F−2)は、(x)アルカリ可溶性基を有する場合と、(y)アルカリの作用により解離してアルカリ現像液への溶解性が増大する基(以下、「アルカリ解離性基」ともいう)を有する場合の2つに大別される。
Figure 2017122528
(x)、(y)双方に共通して、上記式(f−2)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、単結合、炭素数1〜20の(s+1)価の炭化水素基、この炭化水素基のR側の末端に酸素原子、硫黄原子、−NR’−、カルボニル基、−COO−若しくは−CONH−が結合された構造、又はこの炭化水素基が有する水素原子の一部がヘテロ原子を有する有機基により置換された構造である。R’は、水素原子又は炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。sは、1〜3の整数である。但しsが1の場合、Rが単結合である場合はない。
構造単位(F−2)が(x)アルカリ可溶性基を有する場合、Rは水素原子であり、Aは酸素原子、−COO−*又は−SOO−*である。*はRに結合する部位を示す。Wは単結合、炭素数1〜20の炭化水素基又は2価のフッ素化炭化水素基である。Aが酸素原子である場合、WはAが結合する炭素原子にフッ素原子又はフルオロアルキル基を有するフッ素化炭化水素基である。Rは単結合又は炭素数1〜20の2価の有機基である。sが2又は3の場合、複数のR、W、A及びRはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。構造単位(F−2)が(x)アルカリ可溶性基を有することで、アルカリ現像液に対する親和性を高め、現像欠陥を抑制することができる。(x)アルカリ可溶性基を有する構造単位(F−2)としては、Aが酸素原子でありWが1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロパンジイル基である場合が特に好ましい。
構造単位(F−2)が(y)アルカリ解離性基を有する場合、Rは炭素数1〜30の1価の有機基であり、Aは酸素原子、−NRaa−、−COO−*又は−SOO−*である。Raaは水素原子又は炭素数1〜10の1価の炭化水素基である。*はRに結合する部位を示す。Wは単結合又は炭素数1〜20の2価のフッ素化炭化水素基である。Rは、単結合又は炭素数1〜20の2価の有機基である。Aが−COO−*又は−SOO−*である場合、W又はRはAと結合する炭素原子又はこれに隣接する炭素原子上にフッ素原子を有する。Aが酸素原子である場合、W、Rは単結合であり、Rは炭素数1〜20の炭化水素基のR側の末端にカルボニル基が結合された構造であり、Rはフッ素原子を有する有機基である。sが2又は3の場合、複数のR、W、A及びRはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。構造単位(F−2)が(y)アルカリ解離性基を有することにより、アルカリ現像工程においてレジスト膜表面が疎水性から親水性へと変化する。この結果、現像液に対する親和性を大幅に高め、より効率的に現像欠陥を抑制することができる。(y)アルカリ解離性基を有する構造単位(F−2)としては、Aが−COO−*であり、R若しくはW又はこれら両方がフッ素原子を有するものが特に好ましい。
としては、構造単位(F−2)を与える単量体の共重合性等の観点から、水素原子及びメチル基が好ましく、メチル基がより好ましい。
で表される炭素数1〜20の(s+1)価の炭化水素基としては、例えば上記式(2)のR〜Rとして例示した炭素数1〜20の1価の炭化水素基からs個の水素原子を除いた基等が挙げられる。
sとしては、1及び2が好ましく、1がより好ましい。
としては、sが1の場合、単結合及び2価の炭化水素基が好ましく、単結合及びアルカンジイル基がより好ましく、単結合及び炭素数1〜4のアルカンジイル基がさらに好ましく、単結合、メタンジイル基及びプロパンジイル基が特に好ましい。
で表される炭素数1〜20の2価の有機基としては、例えば上記式(2’)のLの炭素数1〜20の2価の有機基として例示したものと同様の基等が挙げられる。
としては、単結合及びラクトン構造を有する基が好ましく、単結合及び多環のラクトン構造を有する基がより好ましく、単結合及びノルボルナンラクトン構造を有する基がより好ましい。
で表される炭素数1〜20の2価のフッ素化鎖状炭化水素基としては、例えば
フルオロメタンジイル基、ジフルオロメタンジイル基、フルオロエタンジイル基、ジフルオロエタンジイル基、テトラフルオロエタンジイル基、ヘキサフルオロプロパンジイル基、オクタフルオロブタンジイル基等のフッ素化アルカンジイル基;
フルオロエテンジイル基、ジフルオロエテンジイル基等のフッ素化アルケンジイル基などが挙げられる。これらの中で、フッ素化アルカンジイル基が好ましく、ジフルオロメタンジイル基がより好ましい。
としては、酸素原子、−COO−*、−SOO−*が好ましく、−COO−*がより好ましい。
で表される炭素数1〜30の1価の有機基としては、例えばアルカリ解離性基、酸解離性基、炭素数1〜30の炭化水素基等が挙げられる。Rとしては、これらの中で、アルカリ解離性基が好ましい。Rをアルカリ解離性基とすることで、アルカリ現像時に、レジスト膜表面を疎水性から親水性により効果的に変えることができ、当該感放射線性樹脂組成物の欠陥抑制性がさらに向上する。
がアルカリ解離性基である場合、Rとしては、下記式(iii)〜(v)で表される基(以下、「基(iii)〜(v)」ともいう)が好ましい。
Figure 2017122528
上記式(iii)中、R5a及びR5bは、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数3〜20の脂環構造を表す。
Figure 2017122528
上記式(iv)中、R5c及びR5dは、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する窒素原子と共に構成される環員数3〜20の複素環構造を表す。
Figure 2017122528
上記式(v)中、R5eは、炭素数1〜20の1価の炭化水素基又は炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基である。
炭素数1〜20の1価の有機基及び上記炭素数1〜20の1価の炭化水素基としては、上記式(I)のRとして例示したものと同様の基等が挙げられる。
炭素数1〜20の1価のフッ素化炭化水素基としては、例えば上記炭素数1〜20の1価の炭化水素基として例示した基が有する水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換された基等が挙げられる。
基(iii)としては下記式(iii−1)〜(iii−4)で表される基(以下、「基(iii−1)〜(iii−4)」ともいう)が、基(iv)としては下記式(iv−1)で表される基(以下、「基(iv−1)」ともいう)が、基(v)としては下記式(v−1)〜(v−5)で表される基(以下、「基(v−1)〜(v−5)」ともいう)が好ましい。
Figure 2017122528
これらの中で、基(v−3)及び基(v−5)が好ましい。
また、Rが水素原子であると、[D]重合体のアルカリ現像液に対する親和性が向上するため好ましい。この場合、Aが酸素原子かつWが1,1,1,3,3,3−ヘキサフルオロ−2,2−プロパンジイル基であると、上記親和性がさらに向上する。
[D]重合体が構造単位(F−2)を有する場合、構造単位(F−2)の含有割合の下限としては、[D]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、40モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、85モル%がより好ましく、80モル%がさらに好ましい。構造単位(F−2)の含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物から形成されたレジスト膜表面をアルカリ現像前後で撥水性から親水性へより適切に変えることができる。
構造単位(F)の含有割合の下限としては、[D]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、25モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、85モル%がより好ましく、80モル%がさらに好ましい。
[D]重合体における酸解離性基を含む構造単位の下限としては、[D]重合体を構成する全構造単位に対して、10モル%が好ましく、20モル%がより好ましく、50モル%がさらに好ましい。上記含有割合の上限としては、90モル%が好ましく、80モル%がより好ましく、75モル%がさらに好ましい。酸解離性基を含む構造単位の含有割合を上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の欠陥抑制性をさらに向上させることができる。
当該感放射線性樹脂組成物が[D]重合体を含有する場合、[D]重合体の含有量の下限としては、[A]重合体100質量部に対して、0.1質量部が好ましく、0.5質量部がより好ましく、1質量部がさらに好ましく、2質量部が特に好ましい。上記含有量の上限としては、30質量部が好ましく、20質量部がより好ましく、15質量部がさらに好ましく、10質量部が特に好ましい。当該感放射線性樹脂組成物は[D]重合体を1種又は2種以上含有していてもよい。
[D]重合体は、上述した[A]重合体と同様の方法で合成することができる。
[D]重合体のGPCによるMwの下限としては、1,000が好ましく、3,000がより好ましく、4,000がさらに好ましく、5,000が特に好ましい。上記Mwの上限としては、50,000が好ましく、30,000がより好ましく、20,000がさらに好ましく、10,000が特に好ましい。[D]重合体のMwを上記範囲とすることで、当該感放射線性樹脂組成物の塗工性及び欠陥抑制性が向上する。
[D]重合体のGPCによるMnに対するMwの比(Mw/Mn)の下限としては、通常1であり、1.2が好ましい。上記比の上限としては、5が好ましく、3がより好ましく、2がさらに好ましい。
<[E]溶媒>
当該感放射線性樹脂組成物は、通常[E]溶媒を含有する。[E]溶媒は、少なくとも[A]重合体、[B]酸発生体、[C]化合物、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溶媒であれば特に限定されない。
[E]溶媒としては、例えばアルコール系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アミド系溶媒、エステル系溶媒、炭化水素系溶媒等が挙げられる。
アルコール系溶媒としては、例えば
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。
エーテル系溶媒としては、例えば
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。
ケトン系溶媒としては、例えば
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、アセトフェノン等が挙げられる。
アミド系溶媒としては、例えば
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。
エステル系溶媒としては、例えば
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;
γ−ブチロラクトン、δ−バレロラクトン等のラクトン系溶媒;
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレン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。
炭化水素系溶媒としては、例えば
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等が挙げられる。
[E]溶媒としては、エステル系溶媒及びケトン系溶媒が好ましく、多価アルコール部分エーテルカルボキシレート系溶媒、ラクトン系溶媒、モノカルボン酸エステル系溶媒及び環状ケトン系溶媒がより好ましく、多価アルコール部分アルキルエーテルアセテート、ブチロラクトン、乳酸エステル及びシクロアルカノンがさらに好ましく、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、乳酸エチル及びシクロヘキサノンが特に好ましい。当該感放射線性樹脂組成物は、[E]溶媒を1種又は2種以上含有していてもよい。
<その他の任意成分>
当該感放射線性樹脂組成物は、上記[A]〜[E]成分以外のその他の任意成分を含有していてもよい。その他の任意成分としては、例えば[C]化合物以外の酸拡散制御体(以下、「他の酸拡散制御体」ともいう)、界面活性剤、脂環式骨格含有化合物、増感剤等が挙げられる。これらのその他の任意成分は、それぞれ1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。
[他の酸拡散制御剤]
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において、[C]化合物以外の他の酸拡散制御体を含有していてもよい。他の酸拡散制御体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(以下、適宜「他の酸拡散制御剤」という)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。
他の酸拡散制御剤としては、例えば下記式(5)で表される化合物(以下、「含窒素化合物(I)」ともいう)、同一分子内に窒素原子を2個有する化合物(以下、「含窒素化合物(II)」ともいう)、窒素原子を3個有する化合物(以下、「含窒素化合物(III)」ともいう)、アミド基含有化合物、ウレア化合物、含窒素複素環化合物等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(5)中、R20、R21及びR22は、それぞれ独立して、水素原子、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換の1価の脂環式飽和炭化水素基、置換若しくは非置換のアリール基又は置換若しくは非置換のアラルキル基である。
含窒素化合物(I)としては、例えばn−ヘキシルアミン等のモノアルキルアミン類;ジ−n−ブチルアミン等のジアルキルアミン類;トリエチルアミン等のトリアルキルアミン類;アニリン、2,6−ジ−i−プロピルアニリン等の芳香族アミン類等が挙げられる。
含窒素化合物(II)としては、例えばエチレンジアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン等が挙げられる。
含窒素化合物(III)としては、例えばポリエチレンイミン、ポリアリルアミン等のポリアミン化合物;ジメチルアミノエチルアクリルアミド等の重合体などが挙げられる。
アミド基含有化合物としては、例えばホルムアミド、N−メチルホルムアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、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、プロピオンアミド、ベンズアミド、ピロリドン、N−メチルピロリドン等が挙げられる。
ウレア化合物としては、例えば尿素、メチルウレア、1,1−ジメチルウレア、1,3−ジメチルウレア、1,1,3,3−テトラメチルウレア、1,3−ジフェニルウレア、トリブチルチオウレア等が挙げられる。
含窒素複素環化合物としては、例えばピリジン、2−メチルピリジン等のピリジン類;N−プロピルモルホリン、N−(ウンデシルカルボニルオキシエチル)モルホリン等のモルホリン類;ピラジン;ピラゾール;ベンズイミダゾール、2−フェニルベンズイミダゾール等のイミダゾール類などが挙げられる。
含窒素有機化合物として、酸解離性基を有する化合物を用いることもできる。このような酸解離性基を有する含窒素有機化合物としては、例えばN−t−ブトキシカルボニルピペリジン、N−t−ブトキシカルボニルイミダゾール、N−t−ブトキシカルボニルベンズイミダゾール、N−t−ブトキシカルボニル−2−フェニルベンズイミダゾール、N−(t−ブトキシカルボニル)ジ−n−オクチルアミン、N−(t−ブトキシカルボニル)ジエタノールアミン、N−(t−ブトキシカルボニル)ジシクロヘキシルアミン、N−(t−ブトキシカルボニル)ジフェニルアミン、N−t−ブトキシカルボニル−4−ヒドロキシピペリジン、N−t−アミルオキシカルボニル−4−ヒドロキシピペリジン等が挙げられる。
また、他の酸拡散制御剤として、露光により感光し酸を発生する光崩壊性塩基を用いることもできる。光崩壊性塩基としては、例えば露光により分解して酸拡散制御性を失うオニウム塩化合物等が挙げられる。オニウム塩化合物としては、例えば下記式(6−1)で表されるスルホニウム塩化合物、下記式(6−2)で表されるヨードニウム塩化合物等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記式(6−1)及び式(6−2)中、R23〜R27は、それぞれ独立して、水素原子、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基又はハロゲン原子である。E及びQは、それぞれ独立して、OH、Rβ−COO、Rγ−SO 又は下記式(6−3)で表されるアニオンである。Rβは、アルキル基、アリール基又はアラルキル基である。Rγは、アルキル基又はアラルキル基である。
Figure 2017122528
上記式(6−3)中、R28は、炭素数1〜12の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基、炭素数1〜12の直鎖状若しくは分岐状のフッ素化アルキル基又は炭素数1〜12の直鎖状若しくは分岐状のアルコキシ基である。uは、0〜2の整数である。uが2の場合、2つのR28は同一でも異なっていてもよい。
上記光崩壊性塩基としては、例えば下記式で表される化合物等が挙げられる。
Figure 2017122528
上記光崩壊性塩基としては、これらの中で、スルホニウム塩が好ましく、トリアリールスルホニウム塩がより好ましく、トリフェニルスルホニウムサリチレート及びトリフェニルスルホニウム10−カンファースルホネートがさらに好ましい。
当該感放射線性樹脂組成物が他の酸拡散制御剤を含有する場合、他の酸拡散制御剤の含有量の下限としては、[C]化合物100質量部に対して、100質量部が好ましく、50質量部がより好ましく、20質量部がさらに好ましい。また、他の酸拡散制御剤の含有量の上限としては、[A]重合体100質量部に対して、20質量部が好ましく、10質量部がより好ましく、5質量部がさらに好ましい。
[界面活性剤]
界面活性剤は、塗工性、ストリエーション、現像性等を改良する効果を奏する。界面活性剤としては、例えばポリオキシエチレンラウリルエーテル、ポリオキシエチレンステアリルエーテル、ポリオキシエチレンオレイルエーテル、ポリオキシエチレンn−オクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンn−ノニルフェニルエーテル、ポリエチレングリコールジラウレート、ポリエチレングリコールジステアレート等のノニオン系界面活性剤;市販品としては、信越化学工業社の「KP341」、共栄社化学社の「ポリフローNo.75」、「同No.95」、トーケムプロダクツ社の「エフトップEF301」、「同EF303」、「同EF352」、DIC社の「メガファックF171」、「同F173、住友スリーエム社の「フロラードFC430」、「同FC431」、旭硝子工業社の「アサヒガードAG710」、「サーフロンS−382」、「同SC−101」、「同SC−102」、「同SC−103」、「同SC−104」、「同SC−105」、「同SC−106」等が挙げられる。界面活性剤の含有量の上限としては、[A]重合体100質量部に対して、2質量部が好ましく、1質量部がより好ましい。
[脂環式骨格含有化合物]
脂環式骨格含有化合物は、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改善する効果を奏する。
[増感剤]
増感剤は、[B]酸発生剤等からの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奏する。
増感剤としては、例えばカルバゾール類、アセトフェノン類、ベンゾフェノン類、ナフタレン類、フェノール類、ビアセチル、エオシン、ローズベンガル、ピレン類、アントラセン類、フェノチアジン類等が挙げられる。これらの増感剤は、単独で使用してもよく2種以上を併用してもよい。増感剤の含有量の上限としては、[A]重合体100質量部に対して、2質量部が好ましく、1質量部がより好ましい。
<感放射線性樹脂組成物の調製方法>
当該感放射線性樹脂組成物は、例えば[A]重合体、[B]酸発生体、[C]化合物並びに必要に応じて含有される[D]重合体、[E]溶媒及びその他の任意成分を所定の割合で混合し、好ましくは、得られた混合液を、例えば孔径0.2μm程度のフィルター等でろ過することで調製することができる。当該感放射線性樹脂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質量部がより好ましく、1質量%がさらに好ましい。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、20質量%がさらに好ましい。
当該感放射線性樹脂組成物は、アルカリ現像液を用いるポジ型パターン形成用にも、有機溶媒を含有する現像液を用いるネガ型パターン形成用にも用いることができる。これらのうち、有機溶媒を含有する現像液を用いるネガ型パターン形成に用いる場合、当該感放射線性樹脂組成物は、より高い解像性を発揮することができる。
<レジストパターン形成方法>
当該レジスト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樹脂組成物を塗工する工程(以下、「塗工工程」ともいう)と、上記塗工により得られたレジスト膜を露光する工程(以下、「露光工程」ともいう)と、上記露光されたレジスト膜を現像する工程(以下、「現像工程」ともいう)とを備える。
当該レジストパターン形成方法によれば、上述した当該感放射線性樹脂組成物を用いているので、優れた焦点深度、PEB収縮抑制性及び保存安定性を発揮しつつ、LWRが小さく、解像度が高く、欠陥が少ないレジスト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。
[塗工工程]
本工程では、基板の一方の面側に当該感放射線性樹脂組成物を塗工する。これにより、レジスト膜を形成する。当該感放射線性樹脂組成物を塗工する基板としては、例えばシリコンウェハ、アルミニウムで被覆したウェハ等が挙げられる。当該感放射線性樹脂組成物の塗工方法としては、特に限定されないが、例えばスピンコート法等の公知の方法等が挙げられる。当該感放射線性樹脂組成物を塗工する際には、形成されるレジスト膜が所望の厚みとなるように、塗工する当該感放射線性樹脂組成物の量を調整する。なお当該感放射線性樹脂組成物を基板上に塗工した後、溶媒を揮発させるためにプレベーク(以下、「PB」ともいう)を行ってもよい。PBの温度の下限としては、30℃が好ましく、50℃がより好ましい。上記温度の上限としては、200℃が好ましく、150℃がより好ましい。PBの時間の下限としては、10秒が好ましく、30秒がより好ましい。上記時間の上限としては、600秒が好ましく、300秒がより好ましい。レジスト膜の平均厚みの下限としては、10nmが好ましく、20nmがより好ましく、50nmがさらに好ましい。上記平均厚みの上限としては、1,000nmが好ましく、200nmがより好ましく、150nmがさらに好ましい。
[露光工程]
本工程では、上記塗工により得られたレジスト膜を露光する。この露光は、場合によっては、水等の液浸露光液を介し、所定のパターンを有するマスクを介して放射線を照射することにより行う。
液浸露光液としては、通常、空気より屈折率の大きい液体を使用する。具体的には、例えば純水、長鎖又は環状の脂肪族化合物等が挙げられる。この液浸露光液を介した状態、すなわち、レンズとレジスト膜との間に液浸露光液を満たした状態で、露光装置から放射線を照射し、所定のパターンを有するマスクを介してレジスト膜を露光する。
上記放射線としては、使用される感放射線性酸発生剤の種類に応じて、可視光線、紫外線、ArFエキシマレーザー光(波長193nm)、KrFエキシマレーザー光(波長248nm)等の遠紫外線、極端紫外線(Extreme Ultraviolet(EUV)、13.5nm)、X線等の電磁波、電子線、α線等の荷電粒子線等から適宜選定されて使用されるが、これらの中でも、ArFエキシマレーザー光、KrFエキシマレーザー光、EUV、X線及び電子線が好ましく、ArFエキシマレーザー光、EUV及び電子線がより好ましい。なお、露光量等の露光条件は、当該感放射線性樹脂組成物の配合組成、添加剤の種類等に応じて適宜選定することができる。
露光後のレジスト膜に対し、加熱処理(以下、「露光後加熱(ポストエクスポージャーベーク、PEB)」ともいう)を行うことが好ましい。このPEBにより、[A]重合体等の酸解離性基の解離反応を円滑に進行させることができる。PEBの加熱条件は、感放射線性樹脂組成物の配合組成によって適宜調整されるが、PEBの温度の下限としては、30℃が好ましく、50℃がより好ましく、70℃がさらに好ましい。上記温度の上限としては、200℃が好ましく、150℃がより好ましく、120℃がさらに好ましい。PEBの時間の下限としては、10秒が好ましく、30秒がより好ましい。上記時間の上限としては、600秒が好ましく、300秒がより好ましい。
また、感放射線性樹脂組成物の潜在能力を最大限に引き出すため、例えば特公平6−12452号公報、特開昭59−93448号公報等に開示されているように、使用される基板上に有機系又は無機系の反射防止膜を形成しておくこともできる。また、環境雰囲気中に含まれる塩基性不純物等の影響を防止するため、例えば特開平5−188598号公報等に開示されているように、レジスト膜上に保護膜を設けることもできる。
[現像工程]
本工程では、上記露光工程で露光されたレジスト膜を現像する。この現像に用いる現像液としては、例えばアルカリ水溶液(アルカリ現像液)、有機溶媒を含有する液(有機溶媒現像液)等が挙げられる。これにより、所定のレジストパターンが形成される。
アルカリ現像液としては、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、けい酸ナトリウム、メタけい酸ナトリウム、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(TMAH)、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等が挙げられる。これらの中で、TMAH水溶液が好ましく、2.38質量%TMAH水溶液がより好ましい。
有機溶媒現像液としては、例えば炭化水素系溶媒、エーテル系溶媒、エステル系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒等の有機溶媒、又は有機溶媒を含有する液が挙げられる。有機溶媒としては、例えば上述の感放射線性樹脂組成物の[E]溶媒として例示した溶媒の1種又は2種以上等が挙げられる。これらの中でも、エステル系溶媒及びケトン系溶媒が好ましい。エステル系溶媒としては、酢酸エステル系溶媒が好ましく、酢酸n−ブチルがより好ましい。ケトン系溶媒としては、鎖状ケトンが好ましく、2−ヘプタノンがより好ましい。有機溶媒現像液中の有機溶媒の含有量の下限としては、80質量%が好ましく、90質量%がより好ましく、95質量%がさらに好ましく、99質量%が特に好ましい。有機溶媒現像液中の有機溶媒以外の成分としては、例えば水、シリコーンオイル等が挙げられる。
これらの現像液は、単独で又は2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、現像後は、水等で洗浄し、乾燥することが一般的である。
<酸拡散制御剤>
当該酸拡散制御剤は、放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる化合物からなる。当該酸拡散制御剤は、上述の性質を有するので、当該感放射線性樹脂組成物の酸拡散制御剤成分として好適に用いることができ、この感放射線性樹脂組成物のLWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性、PEB収縮抑制性及び保存安定性を向上させることができる。当該酸拡散制御剤については、上記[C]化合物の項で説明している。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。各種物性値の測定方法を以下に示す。
[重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)及び分散度(Mw/Mn)]
重合体のMw及びMnは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により東ソー社製のGPCカラム(「G2000HXL」2本、「G3000HXL」1本、「G4000HXL」1本)を使用し、以下の条件により測定した。また、分散度(Mw/Mn)は、Mw及びMnの測定結果より算出した。
溶出溶媒:テトラヒドロフラン
流量:1.0mL/分
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
標準物質:単分散ポリスチレン
H−NMR分析及び13C−NMR分析]
化合物のH−NMR分析及び重合体の各構造単位の含有割合を求めるための13C−NMR分析は、核磁気共鳴装置(日本電子社の「JNM−ECX400」)を使用し、測定溶媒として重クロロホルムを使用して測定した。
<化合物の合成>
[C]化合物として下記式(C−1)〜(C−16)で表される化合物を合成した。
Figure 2017122528
[合成例1](化合物(C−1)の合成)
9,10−フェナントレンキノン2.08g(10mmol)、3,4,5−トリメトキシアニリン2.75g(15mmol)、2−トリフルオロメタンスルホニルオキシベンズアルデヒド2.54g(10mmol)、酢酸アンモニウム3.85g(50mmol)及び酢酸100mLを反応容器に入れ、110℃に加熱し4時間撹拌した。次に、減圧条件下で酢酸を除去し、酢酸エチル50mL及び飽和炭酸水素ナトリウム水溶液50mLを加えて分液を行った。有機層を無水硫酸ナトリウムで乾燥させ、濾過し、溶媒を留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィーによる精製を行い、化合物(C−1)を得た(収量4.43g、収率73%)。
Figure 2017122528
[合成例2〜16](化合物(C−2)〜(C−16)の合成)
前駆体を適宜選択し、合成例1と同様の操作を行うことによって、上記化合物(C−2)〜(C−16)を合成した。
<重合体の合成>
[A]重合体及び[D]重合体の合成に用いた単量体を以下に示す。化合物(M−16)は、重合体中において、p−ヒドロキシスチレン単位を与える。
Figure 2017122528
[[A]重合体の合成]
[合成例17](重合体(A−1)の合成)
上記化合物(M−1)7.32g(40モル%)、化合物(M−3)2.32g(10モル%)及び化合物(M−8)10.36g(50モル%)を2−ブタノン40gに溶解させ、さらにラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル0.766g(全単量体に対して5モル%)を溶解させ、単量体溶液を調製した。次に、2−ブタノン20gを入れた200mL三口フラスコを窒素雰囲気下で撹拌しながら80℃に加熱し、上記調製した単量体溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、さらに3時間、80℃で加熱することにより重合反応を行った。重合反応終了後、重合反応液を室温に冷却し、メタノール300g中に投入して析出した固体を濾別した。濾別した固体をメタノール60mLで2回洗浄し、濾別した後、減圧下、50℃で15時間乾燥させ、重合体(A−1)を合成した(収量15.8g、収率78.9%)。重合体(A−1)のMwは6,100であり、Mw/Mnは1.41であった。13C−NMR分析の結果、(M−1)、(M−3)及び(M−8)に由来する構造単位の含有割合は、それぞれ41.2モル%、9.2モル%及び49.6モル%であった。
[合成例18〜22](重合体(A−2)〜(A−6)の合成)
下記表1に示す種類及び使用量の単量体を用いた以外は、合成例17と同様の操作を行うことによって、重合体(A−2)〜(A−6)を合成した。
[合成例23](重合体(A−7)の合成)
上記化合物(M−16)45.24g(50モル%)、化合物(M−1)54.76g(50モル%)、ラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル4.58g(全単量体に対して5モル%)、及びt−ドデシルメルカプタン1.14gをプロピレングリコールモノメチルエーテル100gに溶解させた後、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凝固精製した後、得られた固体に、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、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、得られた固体をアセトン150gに溶解させた後、2,000gの水中に滴下して凝固させ、生成した固体をろ過し、50℃で17時間乾燥させて白色粉末状の重合体(A−7)を得た(収量63.8g、収率72.3%)。重合体(A−7)のMwは6,400であり、Mw/Mnは1.72であった。13C−NMR分析の結果、p−ヒドロキシスチレン単位及び(M−1)に由来する構造単位の含有割合は、それぞれ51.2モル%及び48.8モル%であった。
Figure 2017122528
[[D]重合体の合成]
[合成例24](重合体(D−1)の合成)
上記化合物(M−17)21.5g(70モル%)及び化合物(M−18)8,5g(30モル%)を2−ブタノン20gに溶解させ、さらにラジカル重合開始剤としてのアゾビスイソブチロニトリル1.38g(全単量体に対して5モル%)を溶解させ、単量体溶液を調製した。次に、2−ブタノン10gを入れた100mL三口フラスコを窒素雰囲気下で撹拌しながら80℃に加熱し、上記調製した単量体溶液を3時間かけて滴下した。滴下終了後、さらに3時間、80℃で加熱することにより重合反応を行った。重合反応終了後、重合反応液を室温に冷却した。重合反応液を分液漏斗に移液した後、45gのn−ヘキサンで上記反応溶液を均一に希釈し、180gのメタノールを投入して混合した。次いで9gの蒸留水を投入し、さらに攪拌して30分静置した。次いで、下層を回収し、溶媒をプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートに置換することで、固形分である重合体(D−1)を含む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を得た(収率60.0%)。重合体(D−1)のMwは7,200であり、Mw/Mnは2.00であった。13C−NMR分析の結果、(M−17)及び(M−18)に由来する構造単位の含有割合は、それぞれ71.1モル%及び28.9モル%であった。
<感放射線性樹脂組成物の調製>
感放射線性樹脂組成物の調製に用いた[B]酸発生剤、[C]化合物及び[E]溶媒を以下に示す。
[[B]酸発生剤]
B−1〜B−9:下記式(B−1)〜(B−9)で表される化合物。
Figure 2017122528
[[C]化合物]
C−1〜C−16:上記合成した化合物(C−1)〜(C−16)。
CC−1〜CC−8:下記式(CC−1)〜(CC−8)で表される化合物。
Figure 2017122528
[[E]溶媒]
E−1:プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート
E−2:シクロヘキサノン
E−3:γ−ブチロラクトン
E−4:乳酸エチル
[ArF露光用感放射線性樹脂組成物の調製]
[実施例1](感放射線性樹脂組成物(J−1)の調製)
[A]重合体としての(A−1)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−1)7.9質量部、[C]化合物としての(C−1)1.6質量部、[D]重合体としての(D−1)3.0質量部、並びに[E]溶媒としての(E−1)2,240質量部、(E−2)960質量部及び(E−3)30質量部を混合し、得られた混合溶液を孔径0.20μmのフィルターでろ過することにより、感放射線性樹脂組成物(J−1)を調製した。
[実施例2〜27及び比較例1〜8]
下記表2及び表3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、感放射線性樹脂組成物(J−2)〜(J−27)及び(CJ−1)〜(CJ−8)を調製した。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
<レジストパターンの形成>
[レジストパターンの形成(1)]
12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 ACT12」)を使用して、下層反射防止膜形成用組成物(ブルワーサイエンス社の「ARC66」)を塗工した後、205℃で60秒間加熱することにより平均厚み105nmの下層反射防止膜を形成した。この下層反射防止膜上に、上記スピンコーターを使用して上記調製した各感放射線性樹脂組成物を塗工し、90℃で60秒間PBを行った。その後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み90nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜を、ArFエキシマレーザー液浸露光装置(NIKON社の「NSR−S610C」)を用い、NA=1.3、ダイポール(シグマ0.977/0.782)の光学条件にて、40nmラインアンドスペース(1L1S)マスクパターンを介して露光した。露光後、90℃で60秒間PEBを行った。その後、アルカリ現像液としての2.38質量%TMAH水溶液を用いてアルカリ現像し、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。このレジストパターン形成の際、ターゲット寸法が40nmの1対1ラインアンドスペースのマスクを介して形成したパターンが、線幅40nmの1対1ラインアンドスペースに形成される場合の露光量を最適露光量とした。
[レジストパターンの形成(2)]
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、ネガ型のレジストパターンを形成した。
<評価>
上記形成した各レジストパターンについて、下記方法に従って測定することにより、各感放射線性樹脂組成物のLWR性能、解像性、焦点深度及び欠陥抑制性を評価した。また、有機溶媒現像の場合は、PEB収縮抑制性についても評価した。さらに、各感放射線性樹脂組成物の保存安定性の評価を行った。なお、レジスト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「CG−4100」)を用いた。評価結果を有機溶媒現像の場合を下記表4に、アルカリ現像の場合を表5にそれぞれ示す。
[LWR性能]
上記走査型電子顕微鏡を用いてレジストパターンを上部から観察した。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性能とした。LWR性能は、値が小さいほど良いことを示す。LWR性能は、4.9nm以下の場合は良好と、4.9nmを超える場合は不良と評価できる。
[解像性]
上記最適露光量において、ラインアンドスペース(1L/1S)を形成するマスクパターンのサイズを変えた場合に解像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とした。解像性は、値が小さいほど良いことを示す。解像性は、36nm以下の場合は良好と、36nmを超える場合は不良と評価できる。
[焦点深度]
上記最適露光量において解像されるレジストパターンにおいて、深さ方向にフォーカスを変化させた際の寸法を観測し、ブリッジや残渣が無いままパターン寸法が基準の90%〜110%に入る深さ方向の余裕度を測定し、この測定結果を焦点深度とした。焦点深度は、50nmを超える場合は良好と、50nm以下の場合は不良と評価できる。
[PEB収縮抑制性]
12インチのシリコンウエハー表面に、スピンコーター(東京エレクトロン社の「CLEAN TRACK ACT12」)を使用して、下層反射防止膜形成用組成物(ARC66、ブルワーサイエンス製)を塗工した後、205℃で60秒間加熱することにより平均厚み105nmの下層反射防止膜を形成した。この下層反射防止膜上に、上記スピンコーターを使用して上記調製した各感放射線性樹脂組成物を塗工し、90℃で60秒間PBを行った。その後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み90nmのレジスト膜を形成した。次に、このレジスト膜を、ArFエキシマレーザー液浸露光装置(NIKON社の「NSR−S610C」)を用い、70mJで全面露光を行った後に膜厚測定を実施し、膜厚Aを求めた。続いて、90℃で60秒間PEBを実施した後に、再度膜厚測定を実施し、膜厚Bを求めた。膜厚A及び膜厚Bの値から、100×(A−B)/A(%)を求め、これをPEB収縮抑制性とした。PEB収縮抑制性は、値が小さいほど良いことを示す。PEB収縮抑制性は、14%以下である場合は良好と、14%を超える場合は不良と評価できる。
[保存安定性]
感放射線性樹脂組成物調製直後及び3か月25℃で保管した後の40nmの1対1ラインアンドスペースのマスクを介して形成したパターンが、線幅40nmの1対1ラインアンドスペースに形成される露光量をそれぞれEa及びEbとした場合の(Ea−Eb)×100/Ea(%)を求め、これを保存安定性の尺度とした。保存安定性は、−1.00≦(Ea−Eb)×100/Ea≦1.00である場合は良好と、(Ea−Eb)×100/Ea<−1.00又は1.00<(Ea−Eb)×100/Eaである場合は不良と評価できる。
[欠陥抑制性]
上記最適露光量において解像されるレジストパターンにおいて、欠陥数を、欠陥検査装置(KLA−Tencor社の「KLA2810」)を用いて測定した。欠陥抑制性は、単位面積当たりの欠陥の数が少ないほど良好である。欠陥抑制性は、0.2個/cm以下である場合は良好と、0.2個/cmを超える場合は不良と評価できる。
Figure 2017122528
Figure 2017122528
[電子線露光用感放射線性樹脂組成物の調製]
[実施例28](感放射線性樹脂組成物(J−28)の調製)
[A]重合体としての(A−7)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−7)20質量部、[C]化合物としての(C−5)2.5質量部、並びに[E]溶媒としての(E−1)4,280質量部及び(E−2)1,830質量部を混合し、孔径0.2μmのメンブランフィルターでろ過することにより感放射線性樹脂組成物(J−28)を調製した。
[実施例29〜32並びに比較例9及び10]
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28と同様に操作して、感放射線性樹脂組成物(J−28)〜(J−31)並びに(CJ−9)及び(CJ−10)を調製した。
Figure 2017122528
[レジストパターンの形成(3)]
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、上記調製した各感放射線性樹脂組成物を塗工し、90℃で60秒間PBを行った。その後、23℃で30秒間冷却し、平均厚み50nm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/cm)を用いて電子線を照射した。照射後、120℃で60秒間PEBを行った。次いで、アルカリ現像液としての2.38質量%TMAH水溶液を用いて23℃で30秒間現像し、水で洗浄し、乾燥してポジ型の線幅100nmの1対1ラインアンドスペースパターンを形成した。
<レジストパターンの形成(4)>
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(3)と同様に操作して、ネガ型のレジストパターンを形成した。
<評価>
上記電子線露光により形成したレジストパターンについて、上記ArF露光の場合と同様の手法で、LWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性及びPEB収縮抑制性を評価した。また、感放射線性樹脂組成物の保存安定性の評価を行った。評価結果を下記表7に示す。
Figure 2017122528
[KrF露光用感放射線性樹脂組成物の調製]
[実施例32]
[A]重合体としての(A−7)100質量部、[B]酸発生剤としての(B−7)10質量部、[C]化合物としての(C−1)0.8質量部、並びに[E]溶媒としての(E−1)180質量部及び溶媒(E−4)430質量部を混合し、孔径0.2μmのメンブランフィルターでろ過することにより、感放射線性樹脂組成物(J−32)を調製した。
[実施例33〜35並びに比較例11及び12]
下記表8に示す種類及び含有量の各成分を用いた以外は、実施例32と同様に操作して、感放射線性樹脂組成物(J−33)〜(J−35)並びに(CJ−11)及び(CJ−12)を調製した。
Figure 2017122528
<レジストパターンの形成(5)>
上記調製した各感放射線性樹脂組成物を、シリコンウエハー上に回転塗工したのち、110℃で90秒間PBを行なって、平均厚み0.3μmのレジスト膜を形成した。次に、レジスト膜に、KrFエキシマレーザー照射装置(NIKON社の「NSR−S203B」を用い、KrFエキシマレーザー(波長248nm)をマスクパターンを介し、露光量を変えて露光したのち、110℃で90秒間PEBを行なった。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60秒間現像したのち、水で30秒間洗浄し、乾燥して、ポジ型の線幅180nmの1対1ラインアンドスペースパターンを形成した。
<レジストパターンの形成(6)>
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(5)と同様に操作して、ネガ型のレジストパターンを形成した。
<評価>
上記KrF露光により形成したレジストパターンについて、上記ArF露光の場合と同様の手法で、LWR性能、解像性、焦点深度、欠陥抑制性及びPEB収縮抑制性を評価した。また、感放射線性樹脂組成物の保存安定性の評価を行った。評価結果を下記表9に示す。なお、KrF露光の場合、解像性は100nm以下の場合は良好と、100nmを超える場合は不良と評価できる。
Figure 2017122528
表4、表5、表7及び表9の結果から明らかなように、実施例の感放射線性樹脂組成物はArF露光、電子線露光及びKrF露光の場合、かつアルカリ現像及び有機溶媒現像の場合とも、LWR性能、解像性、焦点深度、保存安定性及び欠陥抑制性に優れており、また、有機溶媒現像の場合、PEB収縮抑制性に優れている。比較例では、これらの各特性が実施例に比べて劣っていた。一般的に、電子線露光によれば、EUV露光の場合と同様の傾向を示すことが知られており、従って、実施例の感放射線性樹脂組成物によれば、EUV露光の場合においても、LWR性能等に優れると推測される。
本発明の感放射線性樹脂組成物及びレジストパターン形成方法によれば、優れた焦点深度、PEB収縮抑制性及び保存安定性を発揮しつつ、LWRが小さく、解像度が高く、欠陥が少ないレジストパターンを形成することができる。本発明の酸拡散制御剤は、当該感放射線性樹脂組成物の酸拡散制御剤成分として好適に用いることができる。従って、これらは、さらなる微細化が進行すると予想される半導体デバイス製造等におけるパターン形成に好適に用いることができる。

Claims (8)

  1. 酸解離性基を含む第1構造単位を有する第1重合体と、
    感放射線性酸発生体と、
    放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる第1化合物と
    を含有する感放射線性樹脂組成物。
  2. 上記第1化合物が、放射線の照射により塩基性が変化する化合物である請求項1に記載の感放射線性樹脂組成物。
  3. 上記第1化合物が、放射線の照射により酸を発生する化合物である請求項1又は請求項2に記載の感放射線性樹脂組成物。
  4. 上記第1化合物が下記式(1)で表される請求項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。
    Figure 2017122528

    (式(1)中、Arは、少なくとも1個の窒素原子を環構成原子として含む置換若しくは非置換の環員数4〜30のヘテロアレーンジイル基である。Arは、少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している置換若しくは非置換の環員数6〜30のアリール基又は少なくとも1個の水素原子が芳香環の炭素原子に結合している置換若しくは非置換の環員数4〜30のヘテロアリール基である。Arは、少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合し、上記脱離基以外の置換基を有していてもよい環員数6〜30のアリール基又は少なくとも1個の脱離基が芳香環の炭素原子に結合し、上記脱離基以外の置換基を有していてもよい環員数4〜30のヘテロアリール基である。但し、上記Arの上記水素原子が結合する炭素原子と上記Arの脱離基が結合する炭素原子との間の最短の結合路を構成する共有結合の数は、4以上7以下である。)
  5. 上記式(1)で表される化合物が下記式(1−1)で表される請求項4に記載の感放射線性樹脂組成物。
    Figure 2017122528

    (式(1−1)中、R及びRは、それぞれ独立して水素原子若しくは炭素数1〜20の1価の有機基であるか、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数4〜20の環構造を表す。Rは、炭素数1〜20の1価の有機基である。nは、0〜4の整数である。nが2以上の場合、複数のRは同一でも異なっていてもよく、複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に環員数4〜20の環構造を形成していてもよい。Rは、上記脱離基以外の炭素数1〜20の1価の有機基である。mは、0〜4の整数である。mが2以上の場合、複数のRは同一でも異なっていてもよく、複数のRが互いに合わせられこれらが結合する炭素鎖と共に環員数4〜20の環構造を形成していてもよい。Xは、1価の上記脱離基である。)
  6. 上記第1構造単位が、下記式(2)で表される構造単位、アセタール構造を含む構造単位又はこれらの組み合わせである請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の感放射線性樹脂組成物。
    Figure 2017122528

    (式(2)中、Rは、水素原子、フッ素原子、メチル基又はトリフルオロメチル基である。Rは、炭素数1〜20の1価の炭化水素基である。R及びR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か、又はこれらの基が互いに合わせられこれらが結合する炭素原子と共に構成される環員数3〜20の脂環構造を表す。)
  7. 基板の一方の面側に、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樹脂組成物を塗工する工程と、
    上記塗工により得られたレジスト膜を露光する工程と、
    上記露光されたレジスト膜を現像する工程と
    を備えるレジストパターン形成方法。
  8. 放射線の照射により分子内で構造が変化して塩形成を行いうる化合物からなる酸拡散制御剤。
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