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CN114380849B - 有机膜形成用材料、有机膜的形成方法、图案形成方法、以及有机膜形成用化合物 - Google Patents

有机膜形成用材料、有机膜的形成方法、图案形成方法、以及有机膜形成用化合物 Download PDF

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Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Abstract

本发明涉及有机膜形成用材料、有机膜的形成方法、图案形成方法、以及有机膜形成用化合物。本发明的课题提供不仅在空气中会硬化,在钝性气体中的成膜条件下也会硬化,可形成耐热性、于基板所形成的图案的填埋、平坦化特性优异,而且对于基板的成膜性、密接性良好的有机下层膜的酰亚胺化合物、及含有该化合物的有机膜形成用材料。一种有机膜形成用材料,含有:(A)下列通式(1A)表示的有机膜形成用化合物;及(B)有机溶剂。[化1][化2]

Description

有机膜形成用材料、有机膜的形成方法、图案形成方法、以及 有机膜形成用化合物
【技术领域】
本发明关于半导体装置制造步骤中使用的有机膜形成用材料、使用了该材料的半导体装置制造用基板、有机膜的形成方法、利用多层抗蚀剂法的图案形成方法、及可理想地使用于上述材料的有机膜形成用化合物。
【背景技术】
以往,半导体装置的高集成化与高速化,利用作为通用技术的使用了光曝光的光刻技术(光学光刻)中的光源的短波长化所获致的图案尺寸的微细化而达成。为了在半导体装置基板(被加工基板)上形成如此的微细的电路图案,通常使用以形成有图案的光致抗蚀剂膜作为蚀刻掩膜,并利用干蚀刻对被加工基板进行加工的方法。但是现实上,并不存在可在光致抗蚀剂膜与被加工基板之间取得完全的蚀刻选择性的干蚀刻方法,故近年一般利用多层抗蚀剂法来进行基板加工。该方法是如下的方法:使蚀刻选择性与光致抗蚀剂膜(以下称为抗蚀剂上层膜)不同的中间膜介于抗蚀剂上层膜与被加工基板之间,在抗蚀剂上层膜获得图案后,以抗蚀剂上层膜图案作为干蚀刻掩膜,利用干蚀刻将图案转印至中间膜,再以中间膜作为干蚀刻掩膜,并利用干蚀刻将图案转印至被加工基板。
作为多层抗蚀剂法之一,有可使用单层抗蚀剂法中所使用的一般的抗蚀剂组成物来实施的3层抗蚀剂法。该方法通过于被加工基板上使用由含有有机树脂的组成物构成的有机下层膜材料进行涂布、煅烧而将有机下层膜(以下称为有机膜)予以成膜,并通过在其上使用由含有含硅树脂的组成物构成的抗蚀剂中间膜材料进行涂布、煅烧而成膜为含硅膜(以下称为含硅抗蚀剂中间膜),并于其上形成一般的有机系光致抗蚀剂膜(以下,称为抗蚀剂上层膜)。将该抗蚀剂上层膜图案化后,实施利用氟系气体电浆所为的干蚀刻的话,有机系抗蚀剂上层膜相对于含硅抗蚀剂中间膜可获得良好的蚀刻选择比,故可将抗蚀剂上层膜图案转印至含硅抗蚀剂中间膜。根据该方法,即使使用不具有直接加工被加工基板所需的充分膜厚的抗蚀剂上层膜、不具有被加工基板的加工所需的充分干蚀刻耐性的抗蚀剂上层膜,由于相较于抗蚀剂上层膜,含硅抗蚀剂中间膜通常为同等以下的膜厚,故仍可轻易地将图案转印至含硅抗蚀剂中间膜。然后,通过以转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为干蚀刻掩膜,并利用氧系或氢系气体电浆所为的干蚀刻将图案转印至有机膜的话,即可对具有基板的加工所需的充分干蚀刻耐性的有机膜进行图案转印。将该经图案转印的有机膜图案使用氟系气体、氯系气体等进行干蚀刻,可将图案转印至基板。
另一方面,半导体装置的制造步骤中的微细化,已逐渐趋近来自光学光刻用光源的波长的固有极限。因此,近年来已有人研究不依赖于微细化的半导体装置的高集成化,就其方法之一而言,有人研究具有多闸极结构等复杂结构的半导体装置,一部分已经实用化。利用多层抗蚀剂法形成如此的结构时,可使用能以膜无空隙地填埋被加工基板上所形成的孔、沟渠、鳍等微小图案,或以膜填埋高低差、图案密集部分及无图案的区域并且平坦化(planarization)的有机膜材料。通过使用如此的有机膜材料在高低差基板上形成平坦的有机膜表面,可抑制在其上成膜的含硅抗蚀剂中间膜、抗蚀剂上层膜的膜厚变动,并可抑制光学光刻的焦点裕度、之后的被加工基板的加工步骤中的宽容度降低。借此,能以良好的产能制造半导体装置。另一方面,单层抗蚀剂法中,为了填埋存有高低差、图案的被加工基板,上层抗蚀剂膜的膜厚会加厚,因而导致曝光显影后的图案崩塌、由于曝光时来自基板的反射导致图案形状劣化等,曝光时的图案形成裕度变窄,不易以良好的产能制造半导体装置。
另外,作为次世代的半导体装置的高速化的方法,例如,已有人开始研究使用了应变硅晶(strained silicon)、镓砷等电子移动度高的新颖材料、控制在埃单位的超薄膜多晶硅等精密材料的采用。但是,采用了如此的新颖的精密材料的被加工基板,于以如上述的有机膜材料进行平坦化膜形成时的条件,例如于空气中、300℃以上的成膜条件,会因空气中的氧而导致该材料被腐蚀,半导体装置的高速化无法发挥原本材料设计的性能,可能会无法达到工业化生产需要的产能。因此,为了避免因为如此的高温条件下的空气导致基板腐蚀所造成的产能降低,期待可于钝性气体中成膜的有机膜材料。
以往,就多层抗蚀剂法用的有机膜形成用材料而言,已知有对于苯酚系、萘酚系化合物使用作为缩合剂的酮类、醛类等羰基化合物、芳香族醇类而得的缩合树脂类。例如可例示:专利文献1记载的芴双酚酚醛清漆树脂、专利文献2记载的双酚化合物及其酚醛清漆树脂、专利文献3记载的金刚烷苯酚化合物的酚醛清漆树脂、专利文献4记载的双萘酚化合物及其酚醛清漆树脂等。如此的材料,通过利用作为交联剂的羟甲基化合物所为的交联、利用空气中的氧的作用使芳香环的α位氧化与之后的缩合所为的交联反应引起的硬化作用,而成膜为对于之后步骤使用的涂布膜材料具有溶剂耐性的膜。
另外,已知有使用三键作为硬化性树脂的分子间交联基团的材料。例如,已知有专利文献5~10等。这些材料中,不仅利用前述源自羟甲基的交联,还利用三键的聚合所为的交联,来形成具有溶剂耐性的硬化膜。但是,这些有机膜形成用材料,于基板所形成的图案的填埋特性、平坦化特性并不充分。
又,就具有酰亚胺结构的化合物而言,可例示专利文献11记载的聚酰亚胺、专利文献12记载的酰亚胺化合物等作为具有优异耐热性的化合物,但耐热性、平坦性面、对于基板的密接性等并不充分,有改善的余地。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本特开2005-128509号公报
[专利文献2]日本特开2006-293298号公报
[专利文献3]日本特开2006-285095号公报
[专利文献4]日本特开2010-122656号公报
[专利文献5]日本特开2010-181605号公报
[专利文献6]WO2014-208324号
[专利文献7]日本特开2012-215842号公报
[专利文献8]日本特开2016-044272号公报
[专利文献9]日本特开2016-060886号公报
[专利文献10]日本特开2017-119671号公报
[专利文献11]日本特开2013-137334号公报
[专利文献12]WO2019-146378号
【发明内容】
[发明所欲解决的课题]
本发明鉴于上述事实而成,旨在提供一种酰亚胺化合物,不仅在空气中会硬化,在钝性气体中的成膜条件下也会硬化,可形成耐热性、于基板所形成的图案的填埋、平坦化特性优异,而且对于基板的成膜性、密接性良好的有机下层膜;及提供含有该化合物的有机膜形成用材料。另外,本发明也提供使用了该材料的半导体装置制造用基板、有机膜的形成方法、及图案形成方法。
[解决课题的手段]
为了解决上述课题,本发明提供一种有机膜形成用材料,含有:
(A)下列通式(1A)表示的有机膜形成用化合物;及
(B)有机溶剂。
[化1]
式中,W1为4价有机基团,n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上。
[化2]
若为如此的有机膜形成用材料,会成为不仅在空气中会硬化,在钝性气体中的成膜条件下也会硬化,可形成兼具高耐热性、对于基板的良好密接性、高程度的填埋/平坦化特性的有机膜的有机膜形成用组成物。
又,前述(A)成分宜为下列通式(1C)或(1D)表示的化合物。
[化3]
[化4]
上述式中的n1、n2、R1与前述相同。
通过于有机膜形成用化合物中如上述般导入螺结构或咔哚(cardo)结构,以缓和酰亚胺基彼此的分子间相互作用、阻碍结晶性,可改善于有机溶剂的溶解性与成膜性,且可兼顾耐热性与填埋/平坦化特性之类的相反性能。
另外,前述(A)成分宜为下列通式(1E)或(1F)表示的化合物。
[化5]
[化6]
有机膜形成用化合物具有如上述的末端结构的话,就耐热性的观点是较佳的。
再者,前述(A)成分的利用凝胶渗透层析法获得的聚苯乙烯换算的重量平均分子量Mw与数量平均分子量Mn的比率Mw/Mn,宜为1.00≤Mw/Mn≤1.10。
通过将有机膜用形成用化合物的Mw/Mn控制在如此的范围,可形成填埋特性与平坦性优异的有机膜。
又,前述(B)成分宜为1种以上的沸点未达180度的有机溶剂与1种以上的沸点为180度以上的有机溶剂的混合物。
若为如此的有机膜形成用材料,通过于有机膜形成用化合物中添加高沸点溶剂而赋予热流动性,会成为兼具更高程度的填埋、平坦化特性的有机膜形成用材料。
前述有机膜形成用材料宜更含有(C)酸产生剂、(D)表面活性剂、(E)交联剂、及(F)塑化剂中的1种以上。
本发明的有机膜形成用材料,可因应其目的含有上述(C)~(F)成分中的1种以上。
另外,本发明提供一种半导体装置制造用基板,于基板上形成有上述有机膜形成用材料硬化而成的有机膜。
若为本发明的有机膜,通过兼具高程度的填埋/平坦化特性,会成为无因填埋不良所导致的微小空孔、因平坦化不足所导致的有机膜表面的凹凸的有机膜。经以本发明的有机膜平坦化的半导体装置制造用基板,图案化时的制程裕度广,能以良好产能制造半导体装置。
又,本发明提供一种有机膜的形成方法,是形成应用于半导体装置的制造步骤的有机膜的方法,于被加工基板上旋转涂布上述有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的被加工基板,在钝性气体环境下于50℃以上600℃以下的温度以10秒~7200秒的范围进行热处理,而获得硬化膜。
又,本发明提供一种有机膜的形成方法,是形成应用于半导体装置的制造步骤的有机膜的方法,于被加工基板上旋转涂布上述有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的被加工基板,在空气中于50℃以上250℃以下的温度以5秒~600秒的范围进行热处理,以形成涂布膜,然后,在钝性气体环境下于200℃以上600℃以下的温度以10秒~7200秒的范围进行热处理,而获得硬化膜。
利用本发明的方法形成的应用于半导体装置的制造步骤的有机膜,具有高耐热性与高程度的填埋/平坦化特性,使用于半导体装置的制造步骤中的话,半导体装置的产能变得良好。
另外,前述钝性气体中的氧浓度宜为1%以下。
若为本发明的有机膜形成用材料,即使于如此的钝性气体环境中加热,也可在不产生升华物的情况下充分地硬化,又,可形成对于基板的密接性优异的有机膜。
再者,就前述被加工基板而言,宜使用具有高度30nm以上的结构体或高低差的被加工基板。
本发明的有机膜的形成方法,于在如此的被加工基板上形成平坦的有机膜的情形尤其有用。
又,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含硅抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
另外,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含硅抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上形成有机抗反射膜,于该有机抗反射膜上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,以制成4层膜结构,于前述抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机抗反射膜与前述含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
再者,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜、钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
又,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜、钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上形成有机抗反射膜,于该有机抗反射膜上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,以制成4层膜结构,于前述抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机抗反射膜与前述无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
本发明的有机膜形成用材料,可理想地使用于使用了含硅抗蚀剂中间膜或无机硬掩膜的3层抗蚀剂处理、除这些外还使用了有机抗反射膜的4层抗蚀剂处理等各种图案形成方法。半导体装置的制造步骤中,若利用如此的本发明的图案形成方法形成电路图案,能以良好产能制造半导体装置。
又,前述无机硬掩膜宜利用CVD法或ALD法形成。
本发明的图案形成方法中,例如可利用如此的方法形成无机硬掩膜。
另外,前述电路图案的形成中,宜利用使用了波长为10nm以上300nm以下的光的光刻、电子束所为的直接描绘、纳米压印、或它们的组合来形成电路图案较佳。
再者,前述电路图案的形成中,宜利用碱显影或有机溶剂来对电路图案进行显影。
本发明的图案形成方法中,可理想地使用如此的电路图案的形成手段及显影手段。
又,就前述被加工体而言,宜使用半导体装置基板、或于该半导体装置基板上形成有金属膜、金属碳化膜、金属氧化膜、金属氮化膜、金属氧化碳化膜、及金属氧化氮化膜中的任一种膜者。
另外,就前述被加工体而言,宜使用含有硅、钛、钨、铪、锆、铬、锗、铜、银、金、铝、铟、镓、砷、钯、铁、钽、铱、钴、锰、钼、或它们的合金者。
若为本发明的图案形成方法,可将如上述的被加工体进行加工而形成图案。
又,本发明提供一种有机膜形成用化合物,是以下列通式(1A)表示者。
[化7]
式中,W1为4价有机基团,n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上。
[化8]
若为具有如此的酰亚胺结构的化合物,会成为如下的有机膜形成用化合物:不仅在空气中会硬化,在钝性气体中的成膜条件下也会硬化,具有高耐热性、高程度的填埋/平坦化特性,而且通过组合酰亚胺结构与含有氧官能基的杂环结构,可形成对于基板的密接性优异的有机膜。
另外,前述有机膜形成用化合物宜为下列通式(1C)或(1D)表示者。
[化9]
[化10]
上述式中的n1、n2、R1与前述相同。
若为如此的化合物,会成为可在不损及耐热性、填埋/平坦化特性的情况下,赋予优异的溶剂溶解性,而且不依赖于被加工基板的形状,成膜性优异的有机膜形成用化合物。
再者,前述有机膜形成用化合物宜为下列通式(1E)或(1F)表示者。
[化11]
[化12]
若为如此的化合物,会成为在空气中、钝性气体中的任意煅烧条件下,均展现优异的耐热性的有机膜形成用化合物。
[发明的效果]
如上述说明,本发明的有机膜形成用化合物,即使于防止基板腐蚀的钝性气体中成膜,也会硬化而不产生副产物,且对于形成兼具高程度的填埋及平坦化特性的有机膜是有用的化合物。又,含有该化合物的有机膜形成用材料,是会形成具有优异的填埋/平坦化特性,而且兼具耐热性、蚀刻耐性、对于基板的密接性等各种特性的有机膜的材料。因此,例如作为2层抗蚀剂法、使用了含硅抗蚀剂中间膜的3层抗蚀剂法、使用了含硅抗蚀剂中间膜及有机抗反射膜的4层抗蚀剂法之类的多层抗蚀剂法中的有机膜材料、或半导体装置制造用平坦化材料极为有用。又,由本发明的有机膜形成用材料形成的有机膜,耐热性优异,故即使于该有机膜上形成CVD硬掩膜时,也不会有因热分解所导致的膜厚变动,适合于图案形成。
【附图说明】
[图1]是本发明中的平坦化特性的说明图。
[图2](A)~(F)是本发明的利用3层抗蚀剂法的图案形成方法的一例的说明图。
[图3](G)~(I)是实施例中的填埋特性评价方法的说明图。
[图4](J)、(K)是实施例中的平坦化特性评价方法的说明图。
[图5]是实施例中的密接性测定方法的说明图。
【具体实施方式】
如上述,寻求开发如下的有机膜形成材料:即使为了防止基板腐蚀而于钝性气体中的成膜条件、例如300℃以上也不会产生副产物,可形成不仅于基板上所形成的图案的填埋、平坦化特性优异,而且基板加工时的干蚀刻耐性也良好的有机膜,且即使于该有机膜上形成CVD硬掩膜时,也不会有因热分解所导致的有机膜的膜厚变动;并寻求开发于使用了该材料的图案形成方法是有用的有机膜形成用化合物。
通常形成有机膜时,将有机膜形成用化合物以有机溶剂溶解,制成组成物,并将其涂布在形成有半导体装置的结构、配线等的基板上,进行煅烧而形成有机膜。组成物刚涂布时会形成沿着基板上的高低差结构的形状的涂布膜,但将该涂布膜进行煅烧的话,在直到硬化为止的期间,有机溶剂大部分会蒸发,而通过残留在基板上的有机膜形成用化合物形成有机膜。本申请发明人等想到此时残留在基板上的有机膜形成用化合物若具有充分的热流动性的话,可通过热流动使刚涂布时的高低差形状平坦化,而形成平坦的膜。
本申请发明人等进一步研究,发现若为具有下列通式(1A)表示的酰亚胺结构的有机膜形成用化合物,因R1表示的取代基的作用,不仅在空气中,在钝性气体中也具有与以往的下层膜材料同等的热硬化性,且通过以二噁英(dioxin)环连接的部分结构,而赋予密接性、热流动性、高程度的填埋/平坦化特性,借此,可提供兼具即使形成CVD硬掩膜时也不会有因热分解所导致的涂布膜厚变动的耐热性的有机膜形成用组成物,而完成了本发明。
也即,本发明是一种有机膜形成用材料,含有:
(A)下列通式(1A)表示的有机膜形成用化合物;及
(B)有机溶剂。
[化13]
式中,W1为4价有机基团,n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上。
[化14]
以下,针对本发明详细地说明,但本发明并不限定于这些。
<有机膜形成用化合物>
本发明的有机膜形成用化合物,是下列通式(1A)表示的有机膜形成用化合物。
[化15]
式中,W1为4价有机基团,n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上。
[化16]
如上述(1A)的酰亚胺化合物因酰亚胺基的作用而耐热性、密接性优异,又,因R1表示的取代基的作用而可在大气中及钝性气体下赋予硬化性。因此,使用本发明的酰亚胺化合物形成的有机膜,于有机膜上利用CVD法、ALD法形成无机硬掩膜时,可防止因有机膜的耐热性不足而产生的缺陷、因密接力不足而产生的膜剥落。
上述通式(1A)中的W1可例示下列等,这些芳香环上也可具有取代基,取代基可例示:碳数1~10的烷基、碳数3~10的炔基及烯基、碳数6~10的芳基、硝基、卤素基、腈基、碳数1~10的烷氧基羰基、碳数1~10的烷酰氧基等。这些之中,考量耐热性的观点,宜为具有芴环者,考量平坦性的观点,宜为具有螺环结构者。
[化17]
本发明的有机膜形成用化合物,宜为具有下列通式(1C)或(1D)表示的结构的化合物。
[化18]
[化19]
上述式中的n1、n2、R1与前述相同。
通过纳入至上述(1C)、(1D)表示的主骨架中的芴结构或螺结构,可抑制酰亚胺环彼此的凝聚,赋予优异的于有机溶剂的溶解性,且可兼顾耐热性与填埋/平坦化特性之类的相反特性。
本发明的有机膜形成用化合物,宜为具有下列通式(1E)或(1F)表示的结构的化合物。
[化20]
[化21]
通过上述(1E)、(1F)表示的末端基即乙炔基的热硬化作用,可抑制利用烘烤使有机膜热硬化时产生的膜的热收缩。
本发明的有机膜形成用化合物,宜为利用凝胶渗透层析法获得的聚苯乙烯换算的重量平均分子量Mw与数量平均分子量Mn的比率Mw/Mn为1.00≤Mw/Mn≤1.10的有机膜形成用化合物较佳。
通过将有机膜用形成用化合物的Mw/Mn控制在如此的范围,可形成填埋特性与平坦性优异的有机膜。
若为如上述的Mw/Mn的范围者,有机膜形成用化合物的热流动性变得更加良好,故掺合于组成物时,不仅可良好地填埋基板上所形成的微细结构,还可形成基板整体平坦的有机膜。
[有机膜形成用化合物的制造方法]
作为获得本发明的有机膜形成用化合物的手段,可通过利用下列所示的四羧酸二酐与苯胺衍生物的反应获得酰胺酸化合物(STEP1)后,进行热酰亚胺化或化学酰亚胺化(STEP2)而合成。此时,合成酰胺酸化合物时所使用的四羧酸二酐、苯胺衍生物可单独使用或使用2种以上。这些可因应要求的特性而适当选择并组合。下式中的W1、R1、n1、n2与前述相同。
[化22]
STEP1
STEP2
关于STEP1表示的酰胺酸的合成,通常可在有机溶剂中于室温或视需要的冷却或加热下获得。所使用的溶剂可例示:甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、乙二醇、丙二醇、二乙二醇、甘油、乙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚等醇类;二乙醚、二丁醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二甲醚、四氢呋喃、1,4-二噁烷等醚类;二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、三氯乙烯等氯系溶剂类;己烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯等烃类;乙腈等腈类;丙酮、甲乙酮、异丁基甲基酮、环己酮等酮类;乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、丙二醇甲醚乙酸酯、γ-丁内酯等酯类;N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、六甲基磷酰三胺等非质子性极性溶剂类等,这些可单独使用或将2种以上混合使用。这些溶剂能以相对于反应原料100质量份为0~2000质量份的范围使用,反应温度宜为约-50℃至溶剂的沸点,为室温~150℃更佳。反应时间可从0.1~100小时适当选择。
这些的合成视需要也可使用碱催化剂,碱催化剂可列举:碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸铯、氢氧化钠、氢氧化钾、氢化钠、磷酸钾等无机碱化合物;三乙胺、二异丙基乙胺、N,N-二甲基苯胺、吡啶、甲基吡啶、4-二甲基氨基吡啶等有机碱类,这些可单独使用,也可将2种以上组合使用。就使用量而言,相对于原料的酸二酐的摩尔数为0.01~20摩尔,宜为0.05~10摩尔的范围。
就反应方法而言,有如下方法等:将四羧酸二酐、苯胺衍生物一次性地加入溶剂中;将四羧酸二酐与苯胺衍生物各自滴加来加入或将它们混合并使其分散或溶解后再进行滴加来加入;将酸二酐或苯胺衍生物中的任一者分散或溶解于溶剂中后,再滴加已分散或溶解于溶剂中的另一者来加入。又,四羧酸二酐、苯胺衍生物各自加入多种时,可为事先进行混合并使其反应的方法,也可个别按顺序使其进行反应。使用碱催化剂时,可列举如下方法等:将酸二酐或苯胺衍生物一次性地加入;事先将碱催化剂分散或溶解后再进行滴加。获得的酰胺酸溶液也可接着进行STEP2的反应,也可为了除去存在于体系内的未反应的原料、催化剂等而以有机溶剂稀释后进行分液洗净并回收。
分液洗净所使用的有机溶剂,只要是可溶解化合物且和水混合的话会分离成2层者,则无特别限制,可列举:己烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯等烃类;乙酸乙酯、乙酸正丁酯、丙二醇甲醚乙酸酯等酯类;甲乙酮、甲基戊基酮、环己酮、甲基异丁基酮等酮类、二乙醚、二异丙醚、甲基-叔丁醚、乙基环戊基甲醚等醚类;二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、三氯乙烯等氯系溶剂类;及它们的混合物等。此时使用的洗净水,通常使用称为去离子水、超纯水者即可。洗净次数为1次以上即可,即使洗净10次以上,也不一定会获得相应的洗净效果,故宜为约1~5次。
分液洗净时为了除去体系内的未反应原料或酸性成分,也可利用碱性水溶液进行洗净。作为碱,具体而言可列举:碱金属的氢氧化物、碱金属的碳酸盐、碱土金属的氢氧化物、碱土金属的碳酸盐、氨、及有机铵等。
另外,分液洗净时为了除去体系内的未反应原料、金属杂质或碱成分,也可利用酸性水溶液进行洗净。作为酸,具体而言,可列举:盐酸、氢溴酸、硫酸、硝酸、磷酸、杂多酸等无机酸类;草酸、富马酸、马来酸、三氟乙酸、甲磺酸、苯磺酸、对甲苯磺酸、三氟甲磺酸等有机酸类等。
上述利用碱性水溶液、酸性水溶液所为的分液洗净可仅进行其中一者,也可组合进行。考量除去金属杂质的观点,分液洗净宜以碱性水溶液、酸性水溶液的顺序进行。
上述利用碱性水溶液、酸性水溶液所为的分液洗净后,也可继续利用中性水进行洗净。洗净次数只要进行1次以上即可,宜为约1~5次。中性水可使用上述去离子水、超纯水等。洗净次数为1次以上即可,但次数少的话,会有无法除去碱成分、酸性成分的情况。即使洗净10次以上,也不一定会获得相应的洗净效果,故宜为约1~5次。
另外,分液操作后的反应产物,也可于减压或常压将溶剂浓缩干固或进行晶析操作,而以粉体形式回收,为了改善制备有机膜形成用材料时的操作性,也可预先制成适度浓度的溶液状态。此时的浓度宜为0.1~50质量%,更佳为0.5~30重量%。若为如此的浓度,粘度不易变高,故可防止损及操作性,又,溶剂的量不会过大,故是经济的。
此时的溶剂只要是可溶解化合物者,则无特别限制,举具体例的话,可列举:环己酮、甲基-2-戊基酮等酮类;3-甲氧基丁醇、3-甲基-3-甲氧基丁醇、1-甲氧基-2-丙醇、1-乙氧基-2-丙醇等醇类;丙二醇单甲醚、乙二醇单甲醚、丙二醇单乙醚、乙二醇单乙醚、丙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚等醚类;丙二醇单甲醚乙酸酯、丙二醇单乙醚乙酸酯、乳酸乙酯、丙酮酸乙酯、乙酸丁酯、3-甲氧基丙酸甲酯、3-乙氧基丙酸乙酯、乙酸叔丁酯、丙酸叔丁酯、丙二醇单叔丁醚乙酸酯等酯类,这些可单独使用或将2种以上混合使用。
STEP2表示的酰胺酸的酰亚胺化,可利用热酰亚胺化或化学酰亚胺化进行。这些方法可因应作为目的的酰亚胺化合物的交联基团的热稳定性、导入的取代基与化学酰亚胺化时所使用的试剂的反应性来适当选择。
进行热酰亚胺化时,将STEP1获得的酰胺酸化合物的反应液或以粉体回收时预先溶解于可溶的溶剂后,添加可与水共沸的溶剂,加热至100℃~250℃,边除去生成的水边利用脱水闭环反应进行酰亚胺化。
此时的溶剂可使用:γ-丁内酯等酯类、N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺等极性溶剂;苯、甲苯、二甲苯、均三甲苯等非极性溶剂等,宜将这些溶剂单独或混合并进行加热,边将因闭环而生成的水馏出至体系外边进行脱水较佳。这些溶剂能以相对于反应原料100质量份为0~2000质量份的范围使用。
进行化学酰亚胺化的情况下,将STEP1获得的酰胺酸化合物的反应液或以粉体回收时预先溶解于可溶的溶剂后,添加碱催化剂与作为脱水剂的酸酐等并加热至0℃~120℃,进行酰亚胺化。
化学酰亚胺化所使用的碱催化剂,可列举:吡啶、三乙胺、三甲胺、三丁胺、三辛胺等,其中,吡啶具有使反应进行所需的适度的碱性,故较佳。脱水剂可列举:乙酸酐、偏苯三甲酸酐、均苯四甲酸酐、三氟乙酸酐、聚磷酸、五氧化磷、五氯化磷、亚硫酰氯等,考量反应后的精制的观点,宜为乙酸酐。就这些催化剂的使用量而言,相对于原料的酸二酐的摩尔数为0.1~20摩尔,宜为0.2~10摩尔的范围。又,碱催化剂、脱水剂各自可单独使用,或将2种以上混合使用,这些可通过配合作为目的的化合物的要求性能,适当调节催化剂量、脱水剂量、反应温度、反应时间,来适当控制酰亚胺化率。
此时所使用的溶剂只要是对上述反应不活泼的溶剂,则无特别限制,可例示:二乙二醇二乙醚、二乙二醇二甲醚、四氢呋喃、1,4-二噁烷等醚类;二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、三氯乙烯等氯系溶剂类;己烷、庚烷、苯、甲苯、二甲苯、异丙苯等烃类;乙腈等腈类;丙酮、甲乙酮、异丁基甲基酮、环己酮等酮类;乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、丙二醇甲醚乙酸酯、γ-丁内酯等酯类;N-甲基-2-吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、六甲基磷酰三胺等非质子性极性溶剂类等,这些可单独使用或混合使用。这些溶剂能以相对于反应原料100质量份为0~2000质量份的范围使用。
关于这些经酰亚胺化的化合物的反应方法、回收方法,可使用酰胺酸化合物的部分所说明的方法。
上述酰胺酸或酰亚胺化合物的制备,可配合要求性能而组合四羧酸二酐、苯胺衍生物。具体而言,可使用配合期望的要求性能而导入了有助于改善溶剂溶解性、密接性、填埋/平坦化特性的取代基、有助于蚀刻耐性、成膜性的取代基等者。使用了这些化合物的有机膜材料能以高维度兼顾填埋/平坦化特性与耐热性。
如上述,若为本发明的有机膜形成用化合物,可提供兼具400℃以上的耐热性及高程度的填埋/平坦化特性的有机膜形成用组成物。
此外,本发明中,平坦化特性是指使基板的表面平坦化的性能。若为含有本发明的有机膜形成用化合物的组成物,例如如图1所示,于基板1上涂布有机膜形成用组成物3’,进行加热以形成有机膜3,借此,可将基板1中的100nm的高低差减小至30nm以下。此外,图1所示的高低差形状是显示半导体装置制造用基板中的高低差形状的典型例,可利用含有本发明的有机膜形成用化合物的组成物予以平坦化的基板的高低差形状当然不限定于此。
<有机膜形成用材料>
又,本发明提供一种有机膜形成用材料(有机膜形成用组成物),含有(A)上述(1A)表示的本发明的有机膜形成用化合物及(B)有机溶剂。此外,本发明的有机膜形成用材料中,上述本发明的有机膜形成用化合物可单独使用1种或将2种以上组合使用。
本发明的有机膜形成用材料中可使用的有机溶剂,只要是会溶解前述基础聚合物、酸产生剂、交联剂、其他添加剂等材料中含有的构成成分者,则无特别限制。具体而言,可使用日本特开2007-199653号公报中的[0091]~[0092]段落记载的溶剂等沸点未达180℃的溶剂。其中,可理想地使用丙二醇单甲醚乙酸酯、丙二醇单甲醚、2-庚酮、环戊酮、环己酮及这些中的2种以上的混合物。
若为如此的有机膜形成用材料,可利用旋转涂布进行涂布,又,由于含有如上述的本发明的有机膜形成用化合物,会成为兼具400℃以上的耐热性及高程度的填埋/平坦化特性的有机膜形成用材料。
另外,本发明的有机膜形成用材料中,就有机溶剂而言,也可于上述沸点未达180℃的溶剂中添加沸点为180℃以上的高沸点溶剂(沸点未达180℃的溶剂与沸点为180℃以上的溶剂的混合物)。作为高沸点有机溶剂,只要是可溶解有机膜形成用化合物者,则无烃类、醇类、酮类、酯类、醚类、氯系溶剂等的限制,具体例可例示:1-辛醇、2-乙基己醇、1-壬醇、1-癸醇、1-十一醇、乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丁二醇、2,4-戊烷二醇、2-甲基-2,4-戊烷二醇、2,5-己烷二醇、2,4-庚烷二醇、2-乙基-1,3-己烷二醇、二乙二醇、二丙二醇、三乙二醇、三丙二醇、甘油、乙酸正壬酯、乙二醇单己醚、乙二醇单-2-乙基己醚、乙二醇单苯醚、乙二醇单苄醚、二乙二醇单乙醚、二乙二醇单异丙醚、二乙二醇单-正丁醚、二乙二醇单异丁醚、二乙二醇单己醚、二乙二醇单苯醚、二乙二醇单苄醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丁醚、二乙二醇丁基甲醚、三乙二醇二甲醚、三乙二醇单甲醚、三乙二醇-正丁醚、三乙二醇丁基甲醚、三乙二醇二乙酸酯、四乙二醇二甲醚、二丙二醇单甲醚、二丙二醇单-正丙醚、二丙二醇单-正丁醚、三丙二醇二甲醚、三丙二醇单甲醚、三丙二醇单-正丙醚、三丙二醇单-正丁醚、乙二醇单乙醚乙酸酯、乙二醇单丁醚乙酸酯、二乙二醇单甲醚乙酸酯、二乙二醇单乙醚乙酸酯、二乙二醇单丁醚乙酸酯、三乙酸甘油酯、丙二醇二乙酸酯、二丙二醇单甲醚乙酸酯、二丙二醇甲基-正丙醚、二丙二醇甲醚乙酸酯、1,4-丁烷二醇二乙酸酯、1,3-丁二醇二乙酸酯、1,6-己烷二醇二乙酸酯、三乙二醇二乙酸酯、γ-丁内酯、丙二酸二己酯、琥珀酸二乙酯、琥珀酸二丙酯、琥珀酸二丁酯、琥珀酸二己酯、己二酸二甲酯、己二酸二乙酯、己二酸二丁酯等,这些可单独或混合使用。
就上述高沸点溶剂的沸点而言,配合将有机膜形成用材料进行热处理的温度适当选择即可,所添加的高沸点溶剂的沸点宜为180℃~300℃,更佳为200℃~300℃。若为如此的沸点,则不会有因沸点过低而烘烤(热处理)时挥发过快的风险,可获得充分的热流动性。又,若为如此的沸点,则不会有因沸点高而烘烤后也不挥发并残存在膜中的情况,故不会有对蚀刻耐性等膜物性造成不良影响的风险。
又,使用上述高沸点溶剂时,高沸点溶剂的掺合量相对于沸点未达180℃的溶剂100质量份,宜为1~30质量份。若为如此的掺合量,则不会有掺合量过少而在烘烤时无法赋予充分的热流动性,或掺合量过多而残存在膜中,导致蚀刻耐性等膜物性劣化的风险。
若为如此的有机膜形成用材料,会成为通过于上述有机膜形成化合物中添加高沸点溶剂以赋予热流动性,而兼具高程度的填埋/平坦化特性的有机膜形成用材料。
本发明的有机膜形成用材料中,为了进一步促进硬化反应,可添加(C)酸产生剂。酸产生剂有因热分解而产生酸者、因光照射而产生酸者,皆可添加。具体而言,可添加日本特开2007-199653号公报中的[0061]~[0085]段落记载的材料,但不限定于这些。
上述酸产生剂可单独使用1种或将2种以上组合使用。添加酸产生剂时的添加量,相对于前述化合物100份宜为0.05~50份,更佳为0.1~10份。
本发明的有机膜形成用材料中,为了改善旋涂中的涂布性,可添加(D)表面活性剂。就表面活性剂而言,例如可使用日本特开2009-269953号公报中的[0142]~[0147]记载者。添加表面活性剂时的添加量,相对于前述化合物100份宜为0.01~10份,更佳为0.05~5份。
又,本发明的有机膜形成用材料中,为了提高硬化性,并进一步抑制与上层膜的交互混合,也可添加(E)交联剂。交联剂并无特别限定,可广泛使用已知的各种系统的交联剂。作为一例,可例示:三聚氰胺系交联剂、甘脲系交联剂、苯并胍胺系交联剂、脲系交联剂、β-羟基烷基酰胺系交联剂、异氰尿酸酯系交联剂、氮丙啶系交联剂、噁唑啉系交联剂、环氧系交联剂。
作为三聚氰胺系交联剂,具体而言,可例示六甲氧基甲基化三聚氰胺、六丁氧基甲基化三聚氰胺、它们的烷氧基及/或羟基取代体、及它们的部分自缩合体。作为甘脲系交联剂,具体而言,可例示四甲氧基甲基化甘脲、四丁氧基甲基化甘脲、它们的烷氧基及/或羟基取代体、及它们的部分自缩合体。作为苯并胍胺系交联剂,具体而言,可例示四甲氧基甲基化苯并胍胺、四丁氧基甲基化苯并胍胺、它们的烷氧基及/或羟基取代体、及它们的部分自缩合体。作为脲系交联剂,具体而言,可例示二甲氧基甲基化二甲氧基亚乙基脲、其烷氧基及/或羟基取代体、及它们的部分自缩合体。作为β-羟基烷基酰胺系交联剂,具体而言,可例示N,N,N’,N’-四(2-羟基乙基)己二酰胺。作为异氰尿酸酯系交联剂,具体而言,可例示异氰尿酸三环氧丙酯、异氰尿酸三烯丙酯。作为氮丙啶系交联剂,具体而言,可例示4,4’-双(亚乙基亚氨基羰基氨基)二苯基甲烷、2,2-双羟基甲基丁醇-三[3-(1-氮丙啶基)丙酸酯]。作为噁唑啉系交联剂,具体而言,可例示:2,2’-异亚丙基双(4-苄基-2-噁唑啉)、2,2’-异亚丙基双(4-苯基-2-噁唑啉)、2,2’-亚甲基双4,5-二苯基-2-噁唑啉、2,2’-亚甲基双-4-苯基-2-噁唑啉、2,2’-亚甲基双-4-叔丁基-2-噁唑啉、2,2’-双(2-噁唑啉)、1,3-亚苯基双(2-噁唑啉)、1,4-亚苯基双(2-噁唑啉)、2-异丙烯基噁唑啉共聚物。作为环氧系交联剂,具体而言,可例示:二环氧丙醚、乙二醇二环氧丙醚、1,4-丁烷二醇二环氧丙醚、1,4-环己烷二甲醇二环氧丙醚、聚(甲基丙烯酸环氧丙酯)、三羟甲基乙烷三环氧丙醚、三羟甲基丙烷三环氧丙醚、新戊四醇四环氧丙醚。添加交联剂时的添加量,相对于前述化合物100份宜为1~100份,更佳为5~50份。
又,本发明的有机膜形成用材料中,为了进一步改善平坦化/填埋特性,可添加(F)塑化剂。塑化剂并无特别限定,可广泛使用已知的各种系统的塑化剂。作为一例,可例示邻苯二甲酸酯类、己二酸酯类、磷酸酯类、偏苯三甲酸酯类、柠檬酸酯类等低分子化合物、聚醚系、聚酯系、日本特开2013-253227记载的聚缩醛系聚合物等聚合物。添加塑化剂时的添加量,相对于前述化合物100份宜为1~100份,更佳为5~30份。
又,本发明的有机膜形成用材料中,就用以与塑化剂同样赋予填埋/平坦化特性的添加剂而言,例如可理想地使用具有聚乙二醇、聚丙二醇结构的液状添加剂、或于30℃至250℃之间的重量减少率为40质量%以上且重量平均分子量为300~200,000的热分解性聚合物。该热分解性聚合物宜为含有具有下列通式(DP1)、(DP1a)表示的缩醛结构的重复单元者。
[化23]
式中,R6为氢原子或也可经取代的碳数1~30的饱和或不饱和的一价有机基团。Y1为碳数2~30的饱和或不饱和的二价有机基团。
[化24]
式中,R6a为碳数1~4的烷基。Ya为碳数4~10的饱和或不饱和的二价烃基,也可具有醚键。n表示平均重复单元数,为3~500。
如上述,若为本发明的有机膜形成用材料,会成为兼具400℃以上的耐热性及高程度的填埋/平坦化特性的有机膜形成用材料。故,本发明的有机膜形成用材料,作为2层抗蚀剂法、使用了含硅抗蚀剂中间膜或含硅无机硬掩膜的3层抗蚀剂法、使用了含硅抗蚀剂中间膜或含硅无机硬掩膜及有机抗反射膜的4层抗蚀剂法等之类的多层抗蚀剂法的有机膜形成用材料是极为有用的。又,本发明的有机膜形成用材料,即使于钝性气体中成膜也不会产生副产物,具有优异的填埋/平坦化特性,故也可理想地用作多层抗蚀剂法以外的半导体装置制造步骤中的平坦化材料。
<半导体装置制造用基板>
又,本发明提供一种半导体装置制造用基板,是于基板上形成有上述有机膜形成用材料硬化而成的有机膜。
若为由本发明的有机膜形成用材料形成的有机膜,通过兼具高程度的填埋/平坦化特性,会成为无因填埋不良所导致的微小空孔、因平坦化不足所导致的有机膜表面的凹凸的有机膜,经利用如此的有机膜平坦化的半导体装置基板,图案化时的制程裕度广,能以良好产能制造半导体装置。
<有机膜的形成方法>
用以形成有机膜(有机下层膜)的加热成膜步骤可使用1段烘烤、2段烘烤或3段以上的多段烘烤,1段烘烤或2段烘烤在经济上是较佳的。利用1段烘烤所为的成膜,宜于50℃以上600℃以下的温度以10~7200秒的范围,较佳为于150℃以上500℃以下的温度以10~3600秒的范围进行较佳。通过以如此的条件进行热处理,可促进因热流动所获致的平坦化与交联反应。多层抗蚀剂法中,有时会在该获得的膜上形成涂布型含硅抗蚀剂中间膜、CVD硬掩膜。使用涂布型含硅抗蚀剂中间膜时,宜于比起将含硅抗蚀剂中间膜予以成膜的温度更高的温度进行成膜。通常含硅抗蚀剂中间膜于100℃以上400℃以下,较佳为150℃以上350℃以下成膜。于比起该温度更高的温度将有机膜予以成膜的话,可防止由含硅抗蚀剂中间膜形成用组成物所形成的有机膜的溶解,并形成不会与该组成物混合的有机膜。
使用CVD硬掩膜时,宜于比起形成CVD硬掩膜的温度更高的温度将有机膜予以成膜。形成CVD硬掩膜的温度,可例示150℃以上500℃以下的温度。
另一方面,在利用2段烘烤所为的成膜中,就第1段烘烤而言,考量空气中的氧所导致的基板的腐蚀的影响,于空气中的处理温度的上限为300℃以下,较佳为250℃以下以5~600秒的范围进行。就第2段的烘烤温度而言,宜比起第1段的烘烤温度更高,宜于600℃以下,较佳为500℃以下的温度以10~7200秒的范围进行。多层抗蚀剂法中,有时会在该获得的膜上形成涂布型含硅抗蚀剂中间膜、CVD硬掩膜。使用涂布型含硅抗蚀剂中间膜时,宜于比起将含硅抗蚀剂中间膜予以成膜的温度更高的温度进行成膜。通常含硅抗蚀剂中间膜于100℃以上400℃以下,较佳为150℃以上350℃以下成膜。于比起该温度更高的温度将有机膜予以成膜的话,可防止由含硅抗蚀剂中间膜形成用组成物所形成的有机膜的溶解,并形成不会与该组成物混合的有机膜。
于2段烘烤中使用CVD硬掩膜时,宜于比起形成CVD硬掩膜的温度更高的温度将有机膜予以成膜。形成CVD硬掩膜的温度,可例示150℃以上500℃以下的温度。
又,本发明提供一种有机膜形成方法,是形成作为半导体装置的制造步骤中使用的有机下层膜而发挥功能的有机膜的方法,为了防止被加工基板的腐蚀,通过将被加工基板于氧浓度1%以下的环境进行热处理,而形成硬化膜。
该有机膜形成方法中,首先,将上述本发明的有机膜形成用材料旋转涂布于被加工基板上。旋转涂布后,于2段烘烤中,首先在空气中、300℃以下烘烤后,于氧浓度1%以下的环境进行第2段烘烤。1段烘烤的情况,将开始的第1段的在空气中的烘烤省略即可。此外,烘烤中的气体环境可例示氮气、氩气、氦气等钝性气体。若为本发明的有机膜形成用材料,则即使在如此的钝性气体环境中煅烧,也可形成充分硬化的有机膜,而不会产生升华物。
又,本发明的有机膜形成方法中,可使用具有高度30nm以上的结构体或高低差的被加工基板。如上述,本发明的有机膜形成用材料,由于填填埋/平坦化特性优异,故即使被加工基板有高度30nm以上的结构体或高低差(凹凸),仍可形成平坦的硬化膜。也即,本发明的有机膜形成方法对于在如此的被加工基板上形成平坦的有机膜的情形特别有用。
此外,形成的有机膜的厚度可适当选择,宜为30~20,000nm,尤其宜为50~15,000nm。
又,于使用本发明的有机膜形成用材料形成有机下层膜用的有机膜的情形、及形成平坦化膜用的有机膜的情形,两者皆可采用上述有机膜形成方法。
本发明提供一种有机膜形成方法,是形成应用于半导体装置的制造步骤的有机膜的方法,于被加工基板上旋转涂布上述有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的被加工基板,在钝性气体环境下于50℃以上600℃以下的温度以10秒~7200秒的范围进行热处理,而获得硬化膜。
又,本发明提供一种有机膜形成方法,是形成可将半导体装置的制造步骤中使用的高低差基板的表面予以平坦化的有机膜的方法,于被加工基板上旋转涂布上述本发明的有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的基板于50℃以上250℃以下的温度以10~600秒的范围在空气中进行热处理,然后,在钝性气体中于200℃以上600℃以下的温度,较佳为于250℃以上的温度进行10~7200秒热处理,借此形成硬化膜。
该有机膜形成方法中,首先,将上述本发明的有机膜形成用材料旋转涂布(旋涂)于被加工基板上。通过使用旋涂法,可获得良好的填埋特性。旋转涂布后,为了促进因热流动所获致的平坦化与交联反应,实施烘烤(热处理)。此外,通过该烘烤,可使有机膜形成用材料中的溶剂蒸发,故即使在有机膜上形成抗蚀剂上层膜、含硅抗蚀剂中间膜时,也能防止混合。
<图案形成方法>
[使用了含硅抗蚀剂中间膜的3层抗蚀剂法]
本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述本发明的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含有硅原子的含硅抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上使用由光致抗蚀剂组成物构成的抗蚀剂上层膜材料形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有电路图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至上述含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至上述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至上述被加工体。
就被加工体而言,宜使用半导体装置基板、或于该半导体装置基板上形成有金属膜、金属碳化膜、金属氧化膜、金属氮化膜、金属氧化碳化膜、及金属氧化氮化膜中的任一种膜者,更具体而言,并无特别限定,可使用Si、α-Si、p-Si、SiO2、SiN、SiON、W、TiN、Al等基板、于该基板上形成有上述金属膜等作为被加工层者等。
被加工层可使用Si、SiO2、SiON、SiN、p-Si、α-Si、W、W-Si、Al、Cu、Al-Si等各种Low-k膜及其阻挡膜,通常可形成50~10,000nm,尤其可形成100~5,000nm的厚度。此外,将被加工层予以成膜时,基板与被加工层是使用不同材质者。
此外,被加工体宜使用含有硅、钛、钨、铪、锆、铬、锗、铜、银、金、铝、铟、镓、砷、钯、铁、钽、铱、钴、锰、钼、或它们的合金者。
又,被加工体宜使用具有高度30nm以上的结构体或高低差的被加工基板。
于被加工体上使用本发明的有机膜形成用材料形成有机膜时,使用上述本发明的有机膜形成方法即可。
然后,于有机膜之上使用含有硅原子的抗蚀剂中间膜材料形成抗蚀剂中间膜(含硅抗蚀剂中间膜)。含硅抗蚀剂中间膜材料宜为聚硅氧烷系的中间膜材料。通过使含硅抗蚀剂中间膜带有抗反射效果,可抑制反射。尤其就193nm曝光用途而言,使用含有多数芳香族基且和基板的蚀刻选择性高的材料作为有机膜形成用材料的话,k值增高,基板反射变高,但通过使含硅抗蚀剂中间膜带有会成为适当k值的吸收,可抑制反射,能使基板反射成为0.5%以下。作为有抗反射效果的含硅抗蚀剂中间膜,248nm、157nm曝光用途可理想地使用悬垂结构或聚硅氧烷结构中具有蒽且会因酸或热而交联的聚硅氧烷,193nm曝光用途可理想地使用悬垂结构或聚硅氧烷结构中具有含苯基或硅-硅键的吸光基且会因酸或热而交联的聚硅氧烷。
然后,于含硅抗蚀剂中间膜之上使用由光致抗蚀剂组成物构成的抗蚀剂上层膜材料形成抗蚀剂上层膜。抗蚀剂上层膜材料可为正型也可为负型,可使用和通常使用的光致抗蚀剂组成物相同者。宜将抗蚀剂上层膜材料旋涂后,于60~180℃以10~300秒的范围进行预烘。之后,依常法进行曝光,进一步进行曝光后烘烤(PEB)、显影,获得抗蚀剂上层膜图案。此外,抗蚀剂上层膜的厚度并无特别限制,宜为30~500nm,尤其宜为50~400nm。
然后,于抗蚀剂上层膜形成电路图案(抗蚀剂上层膜图案)。电路图案的形成中,宜利用使用了波长为10nm以上300nm以下的光的光刻、电子束所为的直接描绘、纳米压印、或它们的组合来形成电路图案。
此外,曝光光可列举波长300nm以下的高能量射线,具体而言,可列举远紫外线、KrF准分子激光(248nm)、ArF准分子激光(193nm)、F2激光(157nm)、Kr2激光(146nm)、Ar2激光(126nm)、3~20nm的软X射线(EUV)、电子束(EB)、离子束、X射线等。
又,电路图案的形成中,宜利用碱显影或有机溶剂对电路图案进行显影。
然后,将形成有电路图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至含硅抗蚀剂中间膜。将抗蚀剂上层膜图案作为掩膜而进行的含硅抗蚀剂中间膜的蚀刻,宜使用氟碳系气体进行。借此,形成含硅抗蚀剂中间膜图案。
然后,将转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至有机膜。含硅抗蚀剂中间膜对于氧气或氢气,相较于有机物显示较高的蚀刻耐性,故将含硅抗蚀剂中间膜图案作为掩膜而进行的有机膜的蚀刻,宜使用以氧气或氢气为主体的蚀刻气体进行。借此,可形成有机膜图案。
然后,将转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至被加工体。之后的被加工体(被加工层)的蚀刻,可依常法进行,例如被加工体若为SiO2、SiN、二氧化硅系低介电率绝缘膜,则进行以氟龙(flon)系气体为主体的蚀刻,若为p-Si、Al、W,则进行以氯系、溴系气体为主体的蚀刻。基板加工系利用以氟龙系气体所为的蚀刻进行时,含硅抗蚀剂中间膜图案会在基板加工的同时被剥离。另一方面,基板加工利用以氯系、溴系气体所为的蚀刻进行时,为了将含硅抗蚀剂中间膜图案予以剥离,需于基板加工后另外进行以氟龙系气体所为的干蚀刻剥离。
使用本发明的有机膜形成用材料获得的有机膜,可成为如上述的被加工体的蚀刻时的蚀刻耐性优异者。
[使用了含硅抗蚀剂中间膜与有机抗反射膜的4层抗蚀剂法]
又,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述本发明的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含有硅原子的抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上形成有机抗反射膜,于该有机抗反射膜上使用由光致抗蚀剂组成物构成的抗蚀剂上层膜材料形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有电路图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用干蚀刻将图案转印至上述有机抗反射膜与上述含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至上述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至上述被加工体。
此外,该方法除了在含硅抗蚀剂中间膜与抗蚀剂上层膜之间形成有机抗反射膜(BARC)以外,可与上述使用了含硅抗蚀剂中间膜的3层抗蚀剂法同样地进行。
就有机抗反射膜而言,可使用已知的有机抗反射膜材料并利用旋涂形成。
[使用了无机硬掩膜的3层抗蚀剂法]
又,作为利用使用了上述本发明的有机膜形成用材料的3层抗蚀剂法的图案形成方法,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述本发明的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜及钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上使用由光致抗蚀剂组成物构成的抗蚀剂上层膜材料形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有电路图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
此外,该方法除了在有机膜之上形成无机硬掩膜以替代含硅抗蚀剂中间膜以外,可与上述使用了含硅抗蚀剂中间膜的3层抗蚀剂法同样地进行。
选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜(SiON膜)、钛氧化膜及钛氮化膜的无机硬掩膜,可利用CVD法、ALD法等形成。作为硅氮化膜的形成方法,例如记载于日本特开2002-334869号公报、国际公开第2004/066377号公报等。无机硬掩膜的膜厚宜为5~200nm,更佳为10~100nm。无机硬掩膜宜使用作为抗反射膜的效果高的SiON膜最佳。形成SiON膜时的基板温度为300~500℃,故下层膜需耐受300~500℃的温度。使用本发明的有机膜形成用组成物所形成的有机膜具有高耐热性,能够耐受300℃~500℃的高温,故可为利用CVD法或ALD法形成的无机硬掩膜、及利用旋转涂布法形成的有机膜的组合。
[使用了无机硬掩膜与有机抗反射膜的4层抗蚀剂法]
又,作为利用使用了上述本发明的有机膜形成用材料的4层抗蚀剂法的图案形成方法,本发明提供一种图案形成方法,于被加工体上使用上述本发明的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜及钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上形成有机抗反射膜,该有机抗反射膜上使用由光致抗蚀剂组成物构成的抗蚀剂上层膜材料形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有电路图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机抗反射膜与前述无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至前述被加工体。
此外,该方法除了在无机硬掩膜与抗蚀剂上层膜之间形成有机抗反射膜(BARC)以外,可与上述使用了无机硬掩膜的3层抗蚀剂法同样地进行。
尤其使用SiON膜作为无机硬掩膜时,通过SiON膜与BARC的2层抗反射膜,在超过1.0的高NA的浸润曝光中仍可抑制反射。形成BARC的另一优点,具有减少在SiON膜正上方的抗蚀剂上层膜图案的拖尾的效果。
此处,本发明的利用3层抗蚀剂法的图案形成方法的一例示于图2中的(A)~(F)。3层抗蚀剂法的情形,如图2中的(A)所示,在形成于基板1之上的被加工层2上,使用本发明的有机膜形成用材料形成有机膜3,然后形成含硅抗蚀剂中间膜4,于其上形成抗蚀剂上层膜5。然后,如图2中的(B)所示,将抗蚀剂上层膜5的曝光部分6予以曝光,并进行PEB(曝光后烘烤)。然后,如图2中的(C)所示,进行显影而形成抗蚀剂上层膜图案5a。然后,如图2中的(D)所示,将抗蚀剂上层膜图案5a作为掩膜,使用氟龙系气体对含硅抗蚀剂中间膜4进行干蚀刻加工,形成含硅抗蚀剂中间膜图案4a。然后,如图2中的(E)所示,除去抗蚀剂上层膜图案5a后,将含硅抗蚀剂中间膜图案4a作为掩膜,对有机膜3进行氧电浆蚀刻,形成有机膜图案3a。进一步,如图2中的(F)所示,除去含硅抗蚀剂中间膜图案4a后,将有机膜图案3a作为掩膜,对被加工层2进行蚀刻加工,形成图案2a。
形成无机硬掩膜时,将含硅抗蚀剂中间膜4变更为无机硬掩膜即可,形成BARC时,在含硅抗蚀剂中间膜4与抗蚀剂上层膜5的间形成BARC即可。BARC的蚀刻,可在含硅抗蚀剂中间膜4的蚀刻之前连续进行,也可仅进行BARC的蚀刻后,改变蚀刻装置等再进行含硅抗蚀剂中间膜4的蚀刻。
如上述,若为本发明的图案形成方法,可利用多层抗蚀剂法在被加工体以高精度形成微细的图案。
[实施例]
以下,举合成例、比较合成例、实施例、及比较例更具体地说明本发明,但本发明不限定于这些。此外,就分子量及分散度而言,求出利用以四氢呋喃作为洗提液的凝胶渗透层析法(GPC)获得的聚苯乙烯换算的重量平均分子量(Mw)、数量平均分子量(Mn),并求出分散度(Mw/Mn)。
[合成例有机膜形成用材料用化合物的合成]
有机膜形成用材料用的化合物(A1)~(A6)、比较例用化合物(R1)~(R3)的合成,使用下列所示的四羧酸二酐类:(B1)~(B3)、苯胺衍生物类:(C1)~(C6)。
四羧酸二酐类:
[化25]
(B3)是使用东京化成工业(股)的试剂。苯胺衍生物类:
[化26]
此外,四羧酸酐(B1)及(B2)如下述般合成。四羧酸酐(B1)的合成、中间体(b1)的合成
[化27]
于5,5’,6,6’-四羟基-3,3,3’,3’-四甲基-1,1’-螺联茚满15.61g、碳酸钾31.68g中加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)100g,在氮气环境下、内温70℃制成分散液后,缓慢滴加25wt%的4,5-二氟邻苯二甲腈的NMP溶液63.2g。之后,于内温80℃反应6小时。将获得的反应溶液冷却至室温后,滴加至纯水500g中,使结晶析出。将析出的结晶利用过滤分离,以纯水300ml洗净2次,以甲醇300ml洗净2次,回收结晶。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(b1)25.89g。
四羧酸酐(B1)的合成、中间体(b2)的合成
[化28]
于(b1)20.32g、KOH13.67g中加入超纯水50g、乙醇50g,在氮气环境下、内温80℃反应30小时。将获得的反应溶液冷却至室温后,滴加至5%盐酸水溶液150g中后,以乙酸乙酯400ml进行萃取。将有机层回收,进一步以纯水100ml洗净4次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF100g制成均匀溶液后,在二异丙醚(IPE)500g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以IPE300ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(b2)21.91g。
四羧酸酐(B1)的合成
[化29]
于(b2)21.8g中加入乙酸酐160g,在氮气环境下、内温150℃进行反应。将获得的反应溶液冷却至室温后,加入甲苯300g,将析出的结晶利用过滤分离,以甲苯200ml洗净3次,回收结晶。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(B1)19.00g。
四羧酸酐(B2)的合成、中间体(b3)的合成
[化30]
于9,9-双(3,4-二羟基苯基)芴21.04g、碳酸钾36.14g中加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)100g,在氮气环境下、内温70℃制成分散液后,缓慢滴加25wt%的4,5-二氟邻苯二甲腈的NMP溶液75.84g。之后,于内温80℃反应6小时。冷却至室温后,在反应液中加入甲苯300ml、纯水500ml,使析出的盐溶解后,除去分离的水层。进一步,将有机层以纯水100ml进行洗净后,于有机层中追加甲醇200ml使结晶析出。将析出的结晶利用过滤分离,以甲醇300ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(b3)26.32g。
四羧酸酐(B2)的合成、中间体(b4)的合成
[化31]
于(b3)26.20g、KOH21.94g中加入超纯水100g、乙醇100g,在氮气环境下、内温80℃反应24小时。将获得的反应溶液冷却至室温后,滴加至5%盐酸水溶液400g中后,以乙酸乙酯200ml与THF200ml的混合溶剂进行萃取。将回收的有机层进一步以超纯水100ml洗净4次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF50g制成均匀溶液后,加入甲苯300g使结晶析出。将沉降的结晶利用过滤分离,以IPE300ml洗净2次并回收结晶。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(b4)28.10g。
四羧酸酐(B2)的合成
[化32]
于(b4)28.00g中加入乙酸酐160g,在氮气环境下、内温150℃进行反应。将获得的反应溶液冷却至室温后,加入甲苯300g使结晶析出。将析出的结晶利用过滤分离,以甲苯200ml洗净2次,以IPE200ml进行洗净,并回收结晶。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(B2)11.40g。
[合成例1]化合物(A1)的合成
[化33]
于四羧酸酐(B1)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C1)2.46g,于内温40℃进行3小时反应,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50ml及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100g洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A1)6.18g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A1):Mw=950、Mw/Mn=1.01
[合成例2]化合物(A2)的合成
[化34]
于四羧酸酐(B1)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C3)1.96g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A2)6.11g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A2):Mw=900、Mw/Mn=1.00
[合成例3]化合物(A3)的合成
[化35]
于四羧酸酐(B1)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C4)1.96g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100g与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A3)5.98g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A3):Mw=880、Mw/Mn=1.00
[合成例4]化合物(A4)的合成
[化36]
于四羧酸酐(B2)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C2)3.09g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A4)6.75g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A4):Mw=1120、Mw/Mn=1.03
[合成例5]化合物(A5)的合成
[化37]
于四羧酸酐(B2)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C3)1.83g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A5)6.15g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A5):Mw=840、Mw/Mn=1.01
[合成例6]化合物(A6)的合成
[化38]
于四羧酸酐(B2)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C4)1.83g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(A6)6.09g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(A6):Mw=820、Mw/Mn=1.00
[比较合成例1]化合物(R1)的合成
[化39]
于四羧酸酐(B3)5.00g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C5)2.77g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入邻二甲苯100g,边于内温150℃将生成的低沸物及生成的水从体系内除去边反应9小时,实施脱水酰亚胺化。反应结束后,冷却至室温,在甲醇300g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(R1)6.34g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(R1):Mw=830、Mw/Mn=1.01
[比较合成例2]化合物(R2)的合成
[化40]
于四羧酸酐(B3)5.00g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C6)3.21g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入邻二甲苯100g,边于内温150℃将生成的低沸物及生成的水从体系内除去边反应9小时,实施脱水酰亚胺化。反应结束后,冷却至室温,在甲醇300g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(R2)。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(R2):Mw=890、Mw/Mn=1.03
[比较合成例3]比较例用化合物(R3)的合成
[化41]
于四羧酸酐(B3)5.0g中加入N-甲基吡咯烷酮30g,在氮气环境下、内温40℃制成均匀溶液后,加入胺化合物(C4)3.21g,于内温40℃反应3小时,得到酰胺酸溶液。于获得的酰胺酸溶液中加入吡啶1.26g,进一步缓慢滴加乙酸酐3.25g后,于内温60℃反应4小时而实施酰亚胺化。在反应液中加入甲基异丁基酮100ml与纯水50ml使其均匀化后,除去分离的水层。进一步,将有机层以3%硝酸水溶液50g及纯水50ml洗净6次后,将有机层进行减压干固。于残渣中加入THF30g制成均匀溶液后,在甲醇100g中进行晶析。将沉降的结晶利用过滤分离,以甲醇100ml洗净2次并回收。将回收的结晶于70℃进行真空干燥,借此得到(R3)6.09g。利用GPC求出重量平均分子量(Mw)、分散度(Mw/Mn),结果如下。
(R3):Mw=850、Mw/Mn=1.01
上述获得的合成例1~6的化合物的结构式、重量平均分子量(Mw)及分散度(Mw/Mn)一并示于表1、2。又,比较例使用的化合物(R1)~(R3)的Mw、Mw/Mn也一并示于表3。
[表1]
[表2]
[表3]
[有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-1~3)的制备]
将上述化合物(A1)~(A6)及(R1)~(R3)、作为高沸点溶剂的(S1)1,6-二乙酰氧基己烷:沸点260℃、(S2)γ-丁内酯:沸点204℃及(S3)三丙二醇单甲醚:沸点242℃,以表4所示的比例溶解于含有丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)或环己酮(CyHO)、FC-4430(住友3M(股)制)0.1质量%的溶剂中,利用0.1μm的氟树脂制的过滤器进行过滤,借此分别制备有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较例UDL-1~3)。
[表4]
[实施例1溶剂耐性测定(实施例1-1~1-9、比较例1-1~1-3)]
将上述制备的有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-1~3)涂布于硅基板上,在氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤60秒后,测定膜厚,于其上点胶PGMEA溶剂,放置30秒并旋干,于100℃烘烤60秒使PGMEA蒸发,测定膜厚,求出PGMEA处理前后的膜厚差。
[表5]
由表5所示可知,本发明的有机膜形成用材料(实施例1-1~1-9),PGMEA处理后的残膜率为99.8%以上,于氮气环境下也会发生交联反应,展现充分的溶剂耐性。反观比较例1-1、1-2中不具有成为交联基团的取代基,故PGMEA处理后的残膜率未达50%,未发生硬化反应,故不展现溶剂耐性。具有乙炔基的比较例1-3中展现溶剂耐性,残膜率为99.8%以上。由这些结果可知,作为取代基导入的R1表示的取代基有效地作为热交联基团发挥功能。
[实施例2耐热特性评价(实施例2-1~2-9、比较例2-1~2-3)]
将上述有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-1~3)分别涂布在硅基板上,在大气中、180℃进行煅烧,形成200nm的涂布膜,测定膜厚。将该基板进一步于氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤10分钟,并测定膜厚。这些结果示于表6。
[表6]
由表6所示可知,本发明的有机膜形成用材料(实施例2-1~2-9),于450℃煅烧10分钟后,膜厚减少也未达3%,本发明的有机膜形成用材料即使在450℃之类的高温条件下也可形成具有高耐热性的有机膜。尤其于R1具有乙炔基的实施例2-2、2-3、2-5、2-6、2-7、2-9中,即使于450℃烘烤10分钟后,膜厚减少也抑制为未达1%,耐热性特别优异。反观可知无交联结构的比较例2-1、2-2中,发生超过60%的大幅的膜厚减少,因为没有有助于交联反应的末端结构,故膜的耐热性低。
[实施例3填埋特性评价(实施例3-1~3-9、比较例3-1~3-3)]
如图3所示,将上述有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-1~3)分别涂布在具有密集孔图案(孔直径0.16μm、孔深度0.50μm、相邻两个孔的中心间的距离0.32μm)的SiO2晶圆基板上,使用加热板于氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤60秒,形成有机膜8。所使用的基板是图3中的(G)(俯视图)及(H)(剖面图)所示的具有密集孔图案的基底基板7(SiO2晶圆基板)。使用扫描式电子显微镜(SEM)观察获得的各晶圆基板的剖面形状,确认是否以有机膜无孔隙(空隙)地填充于孔内部。结果示于表7。使用填埋特性差的有机膜材料时,在本评价中于孔内部产生孔隙。使用填埋特性良好的有机膜材料时,在本评价中如图3中的(I)所示般有机膜8无孔隙地填充于孔内部。
[表7]
如表7所示,本发明的有机膜形成用材料(实施例3-1~3-9)可不产生孔隙地填充孔图案,可确认具有良好的填埋特性。另一方面,比较例3-1、3-2中,如实施例2的结果耐热性不足导致产生孔隙。由该结果可确认本发明的有机膜形成用材料具有良好的填埋特性。
[实施例4平坦化特性评价(实施例4-1~4-9、比较例4-1~4-3)]
将有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-1~3)分别涂布在具有巨大孤立沟渠图案(图4中的(J)、沟渠宽度10μm、沟渠深度0.10μm)的基底基板9(SiO2晶圆基板)上,于氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤60秒后,使用Park Systems公司制NX10原子力显微镜(AFM)观察沟渠部分与非沟渠部分的有机膜10的高低差(图4中的(K)中的delta10)。结果示于表8。本评价中,高低差越小,可谓平坦化特性越良好。此外,本评价中,通常使用膜厚约0.2μm的有机膜材料将深度0.10μm的沟渠图案予以平坦化,是为了评价平坦化特性的优劣而采用严格的评价条件。
[表8]
由表8所示可确认,本发明的有机膜形成用材料(实施例4-1~4-9),相较于比较例4-1~4-3,沟渠部分与非沟渠部分的有机膜的高低差小,平坦化特性优异。比较例4-1、4-2中,如耐热特性评价结果所示耐热性不足,于450℃烘烤时膜会大幅收缩,成为平坦性劣化的结果。又,比较例4-3中,以乙炔基作为交联基团,耐热性虽优异,但由于酰亚胺化合物不具有如本发明的结构,故成为流动性未改善,平坦性差的结果。又,分别比较添加了高沸点溶剂的实施例4-7~4-9与未添加的实施例4-2、4-4及4-6的话,可知通过添加高沸点溶剂,平坦性更为改善。由该结果可知,本发明的有机膜形成用材料的耐热性优异,故高温烘烤时的膜收缩受到抑制,展现优异的平坦化特性。
[实施例5图案形成试验(实施例5-1~5-9、比较例5-1)]
将上述有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-3)分别涂布在形成有300nm的SiO2膜的硅晶圆基板上,于氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤60秒,形成有机膜(抗蚀剂下层膜)。于其上形成CVD-SiON硬掩膜,进一步涂布有机抗反射膜材料(ARC-29A:日产化学公司制),于210℃烘烤60秒,形成膜厚80nm的有机抗反射膜,于其上涂布抗蚀剂上层膜材料的ArF用单层抗蚀剂,于105℃烘烤60秒,形成膜厚100nm的光致抗蚀剂膜。于光致抗蚀剂膜上涂布浸润保护膜材料(TC-1),在90℃烘烤60秒,形成膜厚50nm的保护膜。此外,比较例UDL-1及UDL-2中因耐热性差,故未能形成CVD-SiON硬掩膜,因而无法进行之后的图案形成试验。
就抗蚀剂上层膜材料(ArF用单层抗蚀剂)而言,通过将聚合物(RP1)、酸产生剂(PAG1)、碱性化合物(Amine1)以表9的比例溶解于含有FC-430(住友3M(股)制)0.1质量%的溶剂中,利用0.1μm的氟树脂制的过滤器进行过滤而制备。
[表9]
所使用的聚合物(RP1)、酸产生剂(PAG1)、及碱性化合物(Amine1)如下所示。
[化42]
就浸润保护膜材料(TC-1)而言,通过将保护膜聚合物(PP1)以表10的比例溶解于有机溶剂中,并利用0.1μm的氟树脂制的过滤器进行过滤而制备。
[表10]
所使用的聚合物(PP1)如下所示。
[化43]
然后,利用ArF浸润曝光装置(Nikon(股)制;NSR-S610C,NA1.30、σ0.98/0.65、35度偶极s偏光照明、6%半阶度相位偏移掩膜)进行曝光,于100℃烘烤(PEB)60秒,利用2.38质量%四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液显影30秒,得到55nm1:1的正型线与间距图案。
然后,使用东京威力科创制蚀刻装置Telius,利用干蚀刻将抗蚀剂图案作为掩膜,对有机抗反射膜与CVD-SiON硬掩膜进行蚀刻加工,形成硬掩膜图案,将获得的硬掩膜图案作为掩膜,对有机膜进行蚀刻,形成有机膜图案,将获得的有机膜图案作为掩膜,进行SiO2膜的蚀刻加工。蚀刻条件如下所示。
抗蚀剂图案转印至SiON硬掩膜的条件。
腔室压力10.0Pa
RF功率1,500W
CF4气体流量75sccm
O2气体流量15sccm
时间15sec
硬掩膜图案转印至有机膜的条件。
腔室压力2.0Pa
RF功率500W
Ar气体流量75sccm
O2气体流量45sccm
时间120sec
有机膜图案转印至SiO2膜的条件。
腔室压力2.0Pa
RF功率2,200W
C5F12气体流量20sccm
C2F6气体流量10sccm
Ar气体流量300sccm
O2气体流量60sccm
时间90sec
利用日立制作所(股)制电子显微镜(S-4700)观察图案剖面,结果示于表11。
[表11]
如表11所示,由本发明的有机膜形成用材料(实施例5-1~5-9)的结果,确认到抗蚀剂上层膜图案最终均良好地转印至基板,本发明的有机膜形成用材料适合使用于利用多层抗蚀剂法的微细加工。比较例5-1中,虽可于下层膜(有机膜)上形成CVD-SiON硬掩膜,但膜的密接性不足,故图案形成时会发生从基板的剥落,无法形成图案。
[实施例6密接性试验(实施例6-1~6-9、比较例6-1)]
将上述有机膜形成用材料(UDL-1~9、比较UDL-3)涂布在SiO2晶圆基板上,于氧浓度管理为0.2%以下的氮气流下、450℃烘烤60秒,借此,形成膜厚200nm的有机膜。将该附设有有机膜的晶圆切出1×1cm的正方形,使用专用治具于切出的晶圆安装附设有环氧粘接剂的铝销。之后,使用烘箱于150℃加热1小时,使铝销粘接于基板。冷却至室温后,使用薄膜密接强度测定装置(Sebastian Five-A)利用抵抗力评价初始密接性。
图5显示表示密接性测定方法的说明图。图5的11表示硅晶圆(基板),12表示硬化皮膜,13表示附设粘接剂的铝销、14表示支持台,15表示抓握部,16表示拉伸方向。密接力是12点测定的平均值,数值越高,有机膜对于基板的密接性越高。通过比较获得的数值来评价密接性。其结果示于表12。
[表12]
由表12所示,使用本发明的有机膜形成用化合物的聚酰亚胺的有机膜材料(实施例6-1~6-9),相较于由实施例5的图案形成试验结果可知未能形成图案的比较例6-1,密接力优异。由密接力试验的结果也可确认本发明的有机膜形成用材料可理想地用作图案形成材料。
由上可知,若为含有本发明的有机膜形成用化合物的本发明的有机膜形成用材料,于不含氧的钝性气体下,也可兼具400℃以上的耐热性及高程度的填埋/平坦化特性,故作为多层抗蚀剂法所使用的有机膜材料是极为有用的,又,可知若为使用了该有机膜形成用材料的本发明的图案形成方法,即使被加工体为具有高低差的基板,也能以高精度形成微细的图案。
此外,本发明不限定于上述实施形态。上述实施形态是例示的,和本发明的权利要求书记载的技术思想有实质上相同的构成且可发挥同样的作用效果者皆包括在本发明的技术范围内。
【附图标记说明】
1:基板
2:被加工层
2a:图案(形成于被加工层的图案)
3:有机膜
3’:有机膜形成用组成物
3a:有机膜图案
4:含硅抗蚀剂中间膜
4a:含硅抗蚀剂中间膜图案
5:抗蚀剂上层膜
5a:抗蚀剂上层膜图案
6:曝光部分
7:具有密集孔图案的基底基板
8:有机膜
9:具有巨大孤立沟渠图案的基底基板
10:有机膜
delta10:沟渠部分与非沟渠部分的有机膜的高低差
11:硅晶圆
12:硬化皮膜
13:附设粘接剂的铝销
14:支持台
15:抓握部
16:拉伸方向

Claims (23)

1.一种有机膜形成用材料,含有:
(A)下列通式(1A)表示的有机膜形成用化合物;及
(B)有机溶剂;
式中,W1选自下列基团,
n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上;
2.根据权利要求1所述的有机膜形成用材料,其中,该(A)成分是下列通式(1C)或(1D)表示的化合物;
上述式中的n1、n2、R1与前述相同。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的有机膜形成用材料,其中,该(A)成分是下列通式(1E)或(1F)表示的化合物;
4.根据权利要求1或权利要求2所述的有机膜形成用材料,其中,该(A)成分的利用凝胶渗透层析法获得的聚苯乙烯换算的重量平均分子量Mw与数量平均分子量Mn的比率Mw/Mn,为1.00≤Mw/Mn≤1.10。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的有机膜形成用材料,其中,该(B)成分系1种以上的沸点未达180度的有机溶剂与1种以上的沸点为180度以上的有机溶剂的混合物。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的有机膜形成用材料,该有机膜形成用材料更含有(C)酸产生剂、(D)表面活性剂、(E)交联剂、及(F)塑化剂中的1种以上。
7.一种半导体装置制造用基板,是于基板上形成有根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料硬化而成的有机膜。
8.一种有机膜的形成方法,是形成应用于半导体装置的制造步骤的有机膜的方法,其特征为:于被加工基板上旋转涂布根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的被加工基板,在钝性气体环境下于50℃以上600℃以下的温度以10秒~7200秒的范围进行热处理,而获得硬化膜。
9.一种有机膜的形成方法,是形成应用于半导体装置的制造步骤的有机膜的方法,其特征为:于被加工基板上旋转涂布根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料,将该涂布有有机膜形成用材料的被加工基板,在空气中于50℃以上250℃以下的温度以5秒~600秒的范围进行热处理,以形成涂布膜,然后,在钝性气体环境下于200℃以上600℃以下的温度以10秒~7200秒的范围进行热处理,而获得硬化膜。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的有机膜的形成方法,其中,该钝性气体中的氧浓度为1%以下。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的有机膜的形成方法,其中,使用具有高度30nm以上的结构体或高低差的被加工基板作为该被加工基板。
12.一种图案形成方法,其特征为:于被加工体上使用根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含硅抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该被加工体。
13.一种图案形成方法,其特征为:于被加工体上使用根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上使用含硅抗蚀剂中间膜材料形成含硅抗蚀剂中间膜,于该含硅抗蚀剂中间膜之上形成有机抗反射膜,于该有机抗反射膜上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,以制成4层膜结构,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机抗反射膜与该含硅抗蚀剂中间膜,将该转印有图案的含硅抗蚀剂中间膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该被加工体。
14.一种图案形成方法,其特征为:于被加工体上使用根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜、钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该被加工体。
15.一种图案形成方法,其特征为:于被加工体上使用根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的有机膜形成用材料形成有机膜,于该有机膜之上形成选自硅氧化膜、硅氮化膜、硅氧化氮化膜、钛氧化膜、钛氮化膜的无机硬掩膜,于该无机硬掩膜之上形成有机抗反射膜,于该有机抗反射膜上使用光致抗蚀剂组成物形成抗蚀剂上层膜,以制成4层膜结构,于该抗蚀剂上层膜形成电路图案,将该形成有图案的抗蚀剂上层膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机抗反射膜与该无机硬掩膜,将该转印有图案的无机硬掩膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该有机膜,进一步,将该转印有图案的有机膜作为掩膜,利用蚀刻将图案转印至该被加工体。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的图案形成方法,其中,该无机硬掩膜利用CVD法或ALD法形成。
17.根据权利要求12至权利要求15中任一项所述的图案形成方法,其中,该电路图案的形成中,利用使用了波长为10nm以上300nm以下的光的光刻、电子束所为的直接描绘、纳米压印、或它们的组合来形成电路图案。
18.根据权利要求12至权利要求15中任一项所述的图案形成方法,其中,该电路图案的形成中,利用碱显影或有机溶剂来对电路图案进行显影。
19.根据权利要求12至权利要求15中任一项所述的图案形成方法,其中,该被加工体是使用半导体装置基板、或于该半导体装置基板上形成有金属膜、金属碳化膜、金属氧化膜、金属氮化膜、金属氧化碳化膜、及金属氧化氮化膜中的任一种膜者。
20.根据权利要求19所述的图案形成方法,其中,该被加工体是使用含有硅、钛、钨、铪、锆、铬、锗、铜、银、金、铝、铟、镓、砷、钯、铁、钽、铱、钴、锰、钼、或它们的合金者。
21.一种有机膜形成用化合物,是以下列通式(1A)表示者;
式中,W1选自下列基团,
n1表示0或1的整数,n2表示1至3的整数,R1表示下列通式(1B)中的任1者以上;
22.根据权利要求21所述的有机膜形成用化合物,该有机膜形成用化合物是下列通式(1C)或(1D)表示者;
上述式中的n1、n2、R1与前述相同。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的有机膜形成用化合物,该有机膜形成用化合物是下列通式(1E)或(1F)表示者;
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