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JP5141882B2 - Composition for forming resist underlayer film exhibiting barrier property and method for evaluating barrier property of resist underlayer film - Google Patents
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JP5141882B2 - Composition for forming resist underlayer film exhibiting barrier property and method for evaluating barrier property of resist underlayer film - Google Patents

Composition for forming resist underlayer film exhibiting barrier property and method for evaluating barrier property of resist underlayer film Download PDF

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本発明は、半導体装置を製造する過程のリソグラフィー工程において所望の形状のレジストパターンを得るために、レジストパターン形状を変化させる物質がレジストへ拡散する障壁となるレジスト下層膜を形成するのに有用な組成物に関する。さらに、このレジスト下層膜のバリア性評価方法に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for forming a resist underlayer film that serves as a barrier for a substance that changes the resist pattern shape to diffuse into the resist in order to obtain a resist pattern having a desired shape in a lithography process in the process of manufacturing a semiconductor device. Relates to the composition. Furthermore, the present invention relates to a method for evaluating the barrier property of the resist underlayer film.

本明細書において、バリア性とは、レジストパターン形状を変化させる物質が上層のレジストへ拡散(移動)することを抑制する特性を意味する。また、本明細書において、当該物質がレジストへ拡散する障壁となるレジスト下層膜のことを特にバリア層又はバリア膜と表現する。 In the present specification, the barrier property means a characteristic that suppresses diffusion (movement) of a substance that changes the resist pattern shape to an upper resist layer. In this specification, a resist underlayer film that serves as a barrier for the substance to diffuse into the resist is particularly expressed as a barrier layer or a barrier film.

リソグラフィー工程において、エッチングの際のマスク材としてレジストパターンが形成される。従来、基板に対して垂直方向におけるレジストパターンの断面が、例えば、アンダーカット形状、T−トップ形状、フッティング形状になり、所望の形状にならないという問題がしばしば発生していた。ここで、所望の形状とは、レジストパターンの裾部がストレート形状で、前記断面がほぼ矩形である形状である。レジストパターンがアンダーカット形状である場合、レジストパターンとレジスト下層膜とが接する面積が、所望の形状である場合よりも狭いため、レジストパターンの倒壊が発生しやすい。 In the lithography process, a resist pattern is formed as a mask material for etching. Conventionally, the cross section of the resist pattern in the direction perpendicular to the substrate has, for example, an undercut shape, a T-top shape, or a footing shape, and often has a problem that it does not become a desired shape. Here, the desired shape is a shape in which the bottom of the resist pattern is a straight shape and the cross section is substantially rectangular. When the resist pattern has an undercut shape, the area where the resist pattern and the resist underlayer film are in contact with each other is narrower than that in a desired shape, so that the resist pattern is likely to collapse.

近年、レジストパターンの微細化及び薄膜化が進むにつれ、上記問題の解決はますます重要になっている。しかしながら、従来から反射防止膜として用いられているレジスト下層膜は、必ずしも十分なバリア性を有するとはいえない。 In recent years, as the resist pattern becomes finer and thinner, the solution to the above problem is becoming more and more important. However, the resist underlayer film conventionally used as an antireflection film does not necessarily have sufficient barrier properties.

ところで、誘電体層による、フォトレジスト層のコンタミネーション(contamination)又はポイズニング(poisoning)を減少させるバリア層を形成するための組成物が、特許文献1に記載されている。当該組成物は架橋可能なポリマーを含み、このポリマーとしてフェノールノボラック樹脂が挙げられている。
特開2002−128847号公報
By the way, Patent Document 1 discloses a composition for forming a barrier layer that reduces contamination or poisoning of a photoresist layer by a dielectric layer. The composition includes a crosslinkable polymer, which includes a phenol novolac resin.
JP 2002-128847 A

レジストパターン形状を変化させる物質とは、酸、又はアミンのような塩基であると考えられる。レジスト下層膜からポジ型レジストへ酸が拡散する場合について、検討する。レジスト下層膜からの酸の拡散に起因して、ポジ型レジストとレジスト下層膜との界面近傍において酸性が強くなり、当該界面近傍におけるポジ型レジストのアルカリ現像液に対する溶解性が増す。その結果、形成されるレジストパターンはアンダーカット形状になると考えられる。逆に、レジスト下層膜からポジ型レジストへ塩基が拡散する場合、ポジ型レジストとレジスト下層膜との界面近傍において塩基性が強くなり、当該界面近傍におけるポジ型レジストのアルカリ現像液に対する溶解性が低下し、形成されるレジストパターンはフッティング形状になると考えられる。 The substance that changes the resist pattern shape is considered to be an acid or a base such as an amine. Consider the case where acid diffuses from a resist underlayer film to a positive resist. Due to the acid diffusion from the resist underlayer film, the acidity becomes strong near the interface between the positive resist and the resist underlayer film, and the solubility of the positive resist in the alkaline developer near the interface increases. As a result, it is considered that the formed resist pattern has an undercut shape. On the contrary, when the base diffuses from the resist underlayer film to the positive resist, the basicity becomes strong near the interface between the positive resist and the resist underlayer film, and the solubility of the positive resist in the alkaline developer near the interface is increased. It is considered that the resist pattern to be formed becomes a footing shape.

レジストパターンを形成する工程において、例えば80℃以上250℃以下の温度で0.5分以上5分以下のベーク処理が、少なくとも1回、例えば2回行われる。そのベーク処理中に、レジスト下層膜、基板等からレジストへ酸又は塩基が拡散しやすい。その他、レジストパターン形状の変化は、レジストを塗布する工程で、レジストに含まれる低分子成分がレジスト下層膜に染み込むことに起因する場合がある。   In the step of forming the resist pattern, for example, the baking process is performed at a temperature of 80 ° C. to 250 ° C. for 0.5 minutes to 5 minutes at least once, for example, twice. During the baking process, acid or base easily diffuses from the resist underlayer film, the substrate or the like to the resist. In addition, the change in the resist pattern shape may be caused by the low molecular component contained in the resist soaking into the resist underlayer film in the step of applying the resist.

前述の特許文献1には、フォトレジストの下層にバリア層を設けることは記載されているが、レジストパターン形状を変化させる物質のレジスト下層膜からの拡散について記載又は示唆はない。さらに、バリア層のバリア性評価法についても記載又は示唆はない。 Patent Document 1 described above describes providing a barrier layer under a photoresist, but does not describe or suggest diffusion of a substance that changes the resist pattern shape from the resist underlayer film. Furthermore, there is no description or suggestion about the barrier property evaluation method of the barrier layer.

本発明は、レジスト下層膜のバリア性を、適当な数値に換算して評価する方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for evaluating the barrier property of a resist underlayer film in terms of an appropriate numerical value.

さらに本発明は、レジスト下層膜上に形成されるレジストパターンが所望の形状となる、バリア性を示すレジスト下層膜を形成するための組成物を提供することを目的とする。このバリア性を示すレジスト下層膜は、ArF又はKrFエキシマレーザー、EUV(極端紫外線)等の放射線でレジストを露光する際の反射防止特性を具備するレジスト下層膜を伴って、又は当該レジスト下層膜を伴わずに、基板とレジストの間に設けられる。本発明のバリア性を示すレジスト下層膜は、必ずしも反射防止特性を具備している必要はない。 A further object of the present invention is to provide a composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties in which a resist pattern formed on the resist underlayer film has a desired shape. The resist underlayer film exhibiting this barrier property is accompanied by a resist underlayer film having antireflection characteristics when the resist is exposed with radiation such as ArF or KrF excimer laser, EUV (extreme ultraviolet), or the resist underlayer film. Without being accompanied, it is provided between the substrate and the resist. The resist underlayer film showing the barrier property of the present invention does not necessarily have antireflection properties.

本発明の発明者らは、レジスト下層膜に対するバリア性の評価方法を新たに考案し、その方法に基づき種々のレジスト下層膜を評価した結果、特にバリア性に優れたレジスト下層膜を見出した。そして、バリア性に優れたレジスト下層膜を形成するには、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物、有機溶剤、及び架橋剤を含む組成物を用いる必要があることが判明した。   The inventors of the present invention newly devised a method for evaluating the barrier property of a resist underlayer film, and as a result of evaluating various resist underlayer films based on the method, the inventors have found a resist underlayer film particularly excellent in barrier properties. Then, it was found that in order to form a resist underlayer film having excellent barrier properties, it is necessary to use a composition containing a compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent, and a crosslinking agent. .

本発明の第1の態様は、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物と有機溶媒と架橋剤を含み、前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は下記式(1):

〔上記式中、Xは下記式(2)、式(3)又は式(4):

(上記式中、R乃至Rはそれぞれ独立に、水素原子、炭素原子数1乃至6のアルキル基、炭素原子数3乃至6のアルケニル基、ベンジル基又はフェニル基を表し、前記フェニル基は、炭素原子数1乃至6のアルキル基、ハロゲン原子、炭素原子数1乃至6のアルコキシ基、ニトロ基、シアノ基及び炭素原子数1乃至6のアルキルチオ基からなる群から選ばれる少なくとも1つの基で置換されていてもよく、RとR、RとRは互いに結合して炭素原子数3乃至6の環を形成していてもよい)を表す〕
で表される繰り返し単位構造を有する、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物である。
A first aspect of the present invention includes a compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent, and a crosslinking agent, and the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded has the following formula: (1):

[In the above formula, X represents the following formula (2), formula (3) or formula (4):

(Wherein R 1 to R 5 each independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkenyl group having 3 to 6 carbon atoms, a benzyl group or a phenyl group, , At least one group selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a halogen atom, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, a nitro group, a cyano group, and an alkylthio group having 1 to 6 carbon atoms. R 1 and R 2 , R 3 and R 4 may be bonded to each other to form a ring having 3 to 6 carbon atoms)]
It is a composition for forming the resist underlayer film which shows the barrier property which has the repeating unit structure represented by these.

前記式(1)で表される繰り返し単位構造を有する化合物は、例えば下記式(5):

で表される繰り返し単位構造を有する。
The compound having a repeating unit structure represented by the formula (1) is, for example, the following formula (5):

Comprising monomer units represented in.

本発明の第2の態様は、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物と有機溶媒と架橋剤を含み、前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は下記式(6):

(上記式中、R及びRはそれぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1乃至6のアルキル基を表し、Y及びYはそれぞれ独立にフェノール誘導体を表す)
で表される繰り返し単位構造を有する、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物である。ここで、フェノール誘導体とは、フェノールのベンゼン環における水素原子少なくとも1つが有機基(炭素原子を含む置換基)で置換されたものである。
A second aspect of the present invention includes a compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent, and a crosslinking agent, wherein the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded is represented by the following formula: (6):

(In the above formula, R 6 and R 7 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and Y 1 and Y 2 each independently represent a phenol derivative)
It is a composition for forming the resist underlayer film which shows the barrier property which has the repeating unit structure represented by these. Here, the phenol derivative is one in which at least one hydrogen atom in the phenol benzene ring is substituted with an organic group (a substituent containing a carbon atom).

前記式(6)で表される繰り返し単位構造を有する化合物は、例えば下記式(7):

〔上記式中、Z乃至Zはそれぞれ独立に水素原子又は下記式(8a):

(上記式中のZ乃至Zも上記同様である)を表す〕で表される繰り返し単位構造を有する。この式(7)で表される繰り返し単位構造を有する化合物は、分岐ポリ−ヒドロキシスチレン(Branched Poly−(hydroxy)styrene)である。
The compound having a repeating unit structure represented by the formula (6) is, for example, the following formula (7):

[In the above formula, Z 1 to Z 4 are each independently a hydrogen atom or the following formula (8a ):

(In the above formula, Z 1 to Z 4 are the same as above)]. The compound having the repeating unit structure represented by the formula (7) is branched poly-hydroxystyrene (Branched Poly- (hydroxy) styrene).

本発明の第1の態様、第2の態様における前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は、ポリマー、オリゴマー、又はそれらの組み合わせである。そして、前記化合物の少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環は、ポリマー(オリゴマー)の主鎖に導入されていても、側鎖に導入されていてもよい。
In the first and second aspects of the present invention, the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded is a polymer, an oligomer, or a combination thereof. The aromatic ring to which at least one hydroxyl group of the compound is bonded may be introduced into the main chain of the polymer (oligomer) or may be introduced into the side chain.

本発明の第3の態様は、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物と有機溶媒と架橋剤を含み、前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は下記式(9):

で表される構造を有する、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物である。
A third aspect of the present invention includes a compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent, and a crosslinking agent, and the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded has the following formula: (9):

It is a composition for forming the resist underlayer film which has the structure represented by this, and shows barrier property.

本発明の第3の態様における前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は、前記式(9)で表される構造を末端に有するオリゴマー、下記式(10):

で表されるモノマー、又はそれらの組み合わせである。
In the third aspect of the present invention, the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded is an oligomer having a structure represented by the formula (9) at the end, the following formula (10):

Or a combination thereof.

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物に含まれる有機溶媒は、例えばプロピレングリコールモノメチルエーテル(PGME)、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プロピルエーテル、メチルエチルケトン、乳酸エチル、シクロヘキサノン、γ−ブチロラクトン、N−メチルピロリドンから選択される少なくとも1種からなる。 The organic solvent contained in the resist underlayer film forming composition showing the barrier property of the present invention is, for example, propylene glycol monomethyl ether (PGME), propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), propylene glycol monopropyl ether, methyl ethyl ketone, ethyl lactate, It consists of at least one selected from cyclohexanone, γ-butyrolactone, and N-methylpyrrolidone.

上記有機溶媒を除く、本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物の成分を固形分と定義すると、当該固形分の割合は、本発明の組成物に対し、例えば1質量%以上30質量%以下である。 When the component of the resist underlayer film forming composition showing the barrier property of the present invention excluding the organic solvent is defined as a solid content, the ratio of the solid content is, for example, 1% by mass or more and 30% with respect to the composition of the present invention. It is below mass%.

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物に含まれる架橋剤は、例えばメチロール基またはアルコキシメチル基が結合した窒素原子を2つ乃至4つ有する含窒素化合物である。架橋剤の具体例として、ヘキサメトキシメチルメラミン、テトラメトキシメチルベンゾグアナミン、1,3,4,6−テトラキス(メトキシメチル)グリコールウリル、1,3,4,6−テトラキス(ブトキシメチル)グリコールウリル、1,3,4,6−テトラキス(ヒドロキシメチル)グリコールウリル、1,3−ビス(ヒドロキシメチル)尿素、1,1,3,3−テトラキス(ブトキシメチル)尿素及び1,1,3,3−テトラキス(メトキシメチル)尿素等が挙げられる。固形分に対する架橋剤の割合は、例えば10質量%以上70質量%以下、好ましくは20質量%以上50質量%以下である。架橋剤の割合が増加するほど、形成されるレジスト下層膜のバリア性は高くなる傾向があるが、架橋剤の割合が所定の割合を超えるとバリア性はほとんど向上しなくなる。架橋剤を含まない場合、形成されるレジスト下層膜のバリア性は低く、バリア層(バリア膜)として使用できない。 The crosslinking agent contained in the resist underlayer film forming composition showing the barrier property of the present invention is, for example, a nitrogen-containing compound having 2 to 4 nitrogen atoms bonded with methylol groups or alkoxymethyl groups. Specific examples of the crosslinking agent include hexamethoxymethyl melamine, tetramethoxymethyl benzoguanamine, 1,3,4,6-tetrakis (methoxymethyl) glycoluril, 1,3,4,6-tetrakis (butoxymethyl) glycoluril, 1 , 3,4,6-tetrakis (hydroxymethyl) glycoluril, 1,3-bis (hydroxymethyl) urea, 1,1,3,3-tetrakis (butoxymethyl) urea and 1,1,3,3-tetrakis (Methoxymethyl) urea etc. are mentioned. The ratio of the crosslinking agent to the solid content is, for example, 10% by mass or more and 70% by mass or less, preferably 20% by mass or more and 50% by mass or less. As the proportion of the crosslinking agent increases, the barrier property of the resist underlayer film to be formed tends to increase. However, when the proportion of the crosslinking agent exceeds a predetermined proportion, the barrier property hardly improves. When the crosslinking agent is not included, the formed resist underlayer film has low barrier properties and cannot be used as a barrier layer (barrier film).

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物は、添加物として酸性を示す化合物を更に含んでもよい。酸性を示す化合物は、架橋反応を促進させる作用を有する。例えばスルホン酸化合物は酸性を示す化合物に該当し、その具体例として、p−トルエンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、ピリジニウム−p−トルエンスルホン酸、カンファースルホン酸、5−スルホサリチル酸、4−クロロベンゼンスルホン酸、4−ヒドロキシベンゼンスルホン酸、ベンゼンジスルホン酸、1−ナフタレンスルホン酸及びピリジニウム−1−ナフタレンスルホン酸等が挙げられる。固形分に対する酸性を示す化合物の割合は、例えば0.1質量%以上10質量%以下である。 The composition for forming a resist underlayer film showing the barrier property of the present invention may further contain a compound showing acidity as an additive. A compound showing acidity has an action of promoting a crosslinking reaction. For example, a sulfonic acid compound corresponds to a compound showing acidity, and specific examples thereof include p-toluenesulfonic acid, trifluoromethanesulfonic acid, pyridinium-p-toluenesulfonic acid, camphorsulfonic acid, 5-sulfosalicylic acid, 4-chlorobenzenesulfone. Examples include acid, 4-hydroxybenzenesulfonic acid, benzenedisulfonic acid, 1-naphthalenesulfonic acid, and pyridinium-1-naphthalenesulfonic acid. The ratio of the compound which shows the acidity with respect to solid content is 0.1 to 10 mass%, for example.

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物は、添加物として界面活性剤を更に含んでもよい。界面活性剤は、基板又は下地に対する塗布性を向上させるための添加物である。ノニオン系界面活性剤、フッ素系界面活性剤のような公知の界面活性剤を用いることができる。 The resist underlayer film forming composition exhibiting barrier properties of the present invention may further contain a surfactant as an additive. The surfactant is an additive for improving the coating property to the substrate or the base. Known surfactants such as nonionic surfactants and fluorine-based surfactants can be used.

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜形成用組成物を使用する、半導体装置の製造に用いるレジストパターンの形成方法は、基板上に第1のレジスト下層膜形成用組成物を塗布しベークして第1のレジスト下層膜を形成する工程と、本発明のバリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物を前記第1のレジスト下層膜上に塗布しベークして第2のレジスト下層膜を形成する工程と、前記第2のレジスト下層膜上にレジストを塗布しベークする工程と、前記レジストを露光する工程と、露光後の前記レジストを現像する工程を含む。必要に応じて、さらにPEB(Post Exposure Bake)工程を上記露光工程と現像工程の間に追加する。上記第2のレジスト下層膜は、バリア層(バリア膜)と換言することができる。 The method for forming a resist pattern used in the manufacture of a semiconductor device using the resist underlayer film forming composition showing the barrier property of the present invention comprises applying a first resist underlayer film forming composition on a substrate and baking it. A step of forming a first resist underlayer film and a composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties according to the present invention are applied onto the first resist underlayer film and baked to form a second resist underlayer film. A step of applying a resist onto the second resist underlayer film, baking, a step of exposing the resist, and a step of developing the resist after exposure. If necessary, a PEB (Post Exposure Bake) process is further added between the exposure process and the development process. In other words, the second resist underlayer film can be referred to as a barrier layer (barrier film).

第1のレジスト下層膜形成用組成物が塗布される基板は、例えば半導体基板、代表的にはシリコンウエハーであるが、SOI(Silicon on Insulator)基板、または砒化ガリウム(GaAs)、リン化インジウム(InP)、リン化ガリウム(GaP)などの化合物半導体ウエハーを用いてもよい。半導体基板のかわりに、例えばガラス基板、石英基板、セラミックス基板を用いてもよい。いずれかの基板上に、絶縁膜、半導体膜、導電膜等が既に形成されていてもよい。 The substrate to which the first resist underlayer film forming composition is applied is, for example, a semiconductor substrate, typically a silicon wafer, but an SOI (Silicon on Insulator) substrate, gallium arsenide (GaAs), indium phosphide ( A compound semiconductor wafer such as InP) or gallium phosphide (GaP) may be used. For example, a glass substrate, a quartz substrate, or a ceramic substrate may be used instead of the semiconductor substrate. An insulating film, a semiconductor film, a conductive film, or the like may already be formed over any substrate.

レジストに対して行われる露光は、例えばArFエキシマレーザーを用いる。ArFエキシマレーザーにかえて、KrFエキシマレーザー又はEUV(波長約13.5nm)を用いてもよい。電子線(EB)を用いて露光してもよい。レジストは、ポジ型レジスト、ネガ型レジストいずれでもよく、ArFエキシマレーザー、KrFエキシマレーザー、EUV又は電子線に感光する化学増幅型レジストを用いることができる。 For the exposure performed on the resist, for example, an ArF excimer laser is used. Instead of the ArF excimer laser, a KrF excimer laser or EUV (wavelength of about 13.5 nm) may be used. You may expose using an electron beam (EB). The resist may be either a positive resist or a negative resist, and an ArF excimer laser, a KrF excimer laser, EUV, or a chemically amplified resist that is sensitive to an electron beam can be used.

本発明の第4の態様は、
第1の条件でベークすることにより基板上に第1のレジスト下層膜を形成し、前記第1のレジスト下層膜を第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量Sを定量し、
前記第2の条件でベークすることにより基板上に第2のレジスト下層膜を形成する際に発生する昇華物の量Sを定量し、
前記第1の条件でベークすることにより基板上に前記第1のレジスト下層膜を形成し、前記第1のレジスト下層膜上に前記第2のレジスト下層膜を前記第2の条件でベークすることにより形成する際に発生する昇華物の量SU+Bを定量し、
定量された前記昇華物の量S、S及びSU+Bを用いて、前記第2のレジスト下層膜のバリア性を評価する、レジスト下層膜のバリア性評価方法である。
A fourth aspect of the present invention,
The first resist underlayer film is formed on the substrate by baking under a first condition, to quantify the amount S U sublimate generating the first resist underlayer film when baked at a second condition ,
Quantifying the amount S B of sublimate generated when the second resist underlayer film is formed on the substrate by baking under the second condition;
Forming the first resist underlayer film on the substrate by baking under the first condition, and baking the second resist underlayer film over the first resist underlayer film under the second condition. The amount of sublimate generated when forming by SU + B is quantified,
It is a method for evaluating the barrier property of a resist underlayer film, wherein the barrier property of the second resist underlayer film is evaluated using the determined amounts of sublimates S U , S B and S U + B.

本発明のレジスト下層膜のバリア性評価方法では、第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量のみが定量されることに留意する必要がある。上記第2のレジスト下層膜のバリア性は、SU+BとSとの差が小さく且つSの値が小さいほど、又はSU+BとSとの差が小さく且つSの値が大きいほど、高いことが示唆される。 In the method for evaluating the barrier property of the resist underlayer film of the present invention, it should be noted that only the amount of sublimate generated when baking under the second condition is quantified. The barrier properties of the second resist underlayer film, S as U + B and the value of the difference is small and S B with S B is small, or S U + B and as the value of the difference is small and S U and S B is greater , high it is suggested.

本発明のレジスト下層膜のバリア性評価方法は、定量された前記昇華物の量S、S及びSU+Bを、例えば下記式:
〔1−(SU+B−S)/S〕×100
に代入して算出される数値によって、第2のレジスト下層膜のバリア性を評価する。本明細書では、この数値を、「%」を単位とするバリア率(Barrier rate)と称する。このバリア率が高いほど(100%に近いほど)バリア性が高いと判断し、バリア率が80%以上であるレジスト下層膜が、バリア層(バリア膜)として特に有効であるとみなす。このように、レジスト下層膜のバリア性は、レジスト下層膜の昇華物透過性に置き換えることで数値化することができる。そして、数値化することによって、レジスト下層膜のバリア性を容易に評価できる。
In the method for evaluating the barrier property of the resist underlayer film of the present invention, the quantified amounts of the sublimates S U , S B and S U + B are expressed by, for example, the following formula:
[1- (S U + B −S B ) / S U ] × 100
The barrier property of the second resist underlayer film is evaluated by a numerical value calculated by substituting for. In the present specification, this numerical value is referred to as a “barrier rate” in units of “%”. It is judged that the barrier property is higher as the barrier rate is higher (closer to 100%), and a resist underlayer film having a barrier rate of 80% or more is regarded as being particularly effective as a barrier layer (barrier film). Thus, the barrier property of the resist underlayer film can be quantified by replacing it with the sublimate permeability of the resist underlayer film. The barrier properties of the resist underlayer film can be easily evaluated by digitization.

本発明の第4の態様における、前記第1の条件は130℃以上180℃以下の温度で0.5分以上5分以下の時間、前記第2の条件は130℃以上250℃以下の温度で0.5分以上5分以下の時間である。前記第1の条件の温度は前記第2の条件の温度よりも低くすることが好ましい。なぜなら、前記第1の条件でのベークにより第1のレジスト下層膜を形成する際に発生する昇華物の量をできるだけ少なくすることによって、その後第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量を増やし、昇華物量の定量結果に基づくバリア性評価の精度を高めることができる。実際に定量される昇華物の量は、ナノグラム(ng)の単位で表されるレベルであり、微量である。 In the fourth aspect of the present invention, the first condition is a temperature of 130 ° C. to 180 ° C. and a time of 0.5 minutes to 5 minutes, and the second condition is a temperature of 130 ° C. and 250 ° C. The time is from 0.5 minutes to 5 minutes. The temperature of the first condition is preferably lower than the temperature of the second condition. This is because the amount of sublimation generated when the first resist underlayer film is formed by baking under the first condition is reduced as much as possible, and then the sublimation generated when baking under the second condition is reduced. The amount can be increased, and the accuracy of the barrier property evaluation based on the quantitative result of the sublimate amount can be increased. The amount of sublimate that is actually quantified is a level expressed in nanogram (ng) units, and is very small.

前記昇華物の量S、S及びSU+Bは、例えばQCM(水晶振動子マイクロバランス)法によって定量される。QCM法として、国際公開第2007/111147号パンフレットに記載の装置を用いる方法を採用することができる。 The amounts of the sublimates S U , S B and S U + B are quantified by, for example, a QCM (quartz crystal microbalance) method. As the QCM method, a method using an apparatus described in International Publication No. 2007/111147 pamphlet can be employed.

本発明のレジスト下層膜のバリア性評価方法により、レジスト下層膜のバリア性の高さを容易に評価することができる。したがって、このバリア性評価方法によりバリア性の高いレジスト下層膜を見出し、当該レジスト下層膜をバリア層(バリア膜)として採用することができる。さらに、このバリア性評価方法によって見出されたバリア性の高いレジスト下層膜は、前記バリア率の膜厚依存性が小さい。すなわち、比較的薄い膜厚でもバリア性が高く、バリア層(バリア膜)として有効である。   By the method for evaluating the barrier property of the resist underlayer film of the present invention, the high barrier property of the resist underlayer film can be easily evaluated. Therefore, a resist underlayer film having a high barrier property can be found by this barrier property evaluation method, and the resist underlayer film can be employed as a barrier layer (barrier film). Furthermore, the resist underlayer film having a high barrier property found by this barrier property evaluation method is less dependent on the film thickness of the barrier rate. That is, the barrier property is high even with a relatively thin film thickness, and is effective as a barrier layer (barrier film).

本発明のバリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物を用いることによって、当該組成物から形成されるバリア性の高いレジスト下層膜上に、所望の形状(基板に対して垂直方向の断面がほぼ矩形)のレジストパターンを、倒壊することなく形成できる。 By using the composition for forming a resist underlayer film exhibiting the barrier property of the present invention, a desired shape (a cross section in a direction perpendicular to the substrate is formed on the resist underlayer film having a high barrier property formed from the composition. A (rectangular) resist pattern can be formed without collapsing.

第2のレジスト下層膜のバリア性を評価する、本発明のバリア性評価方法について、以下に説明する。   The barrier property evaluation method of the present invention for evaluating the barrier property of the second resist underlayer film will be described below.

ポリマー、有機溶媒及び架橋剤を含む、第1のレジスト下層膜形成用組成物を用意する。ポリマーとして、反射防止膜形成用組成物に用いられる、例えばアクリル系ポリマーを用いる。さらに、酸発生剤が添加されていてもよい。この第1のレジスト下層膜形成用組成物を基板上にスピナー等により塗布し、第1の条件、例えば180℃で1分間ベークすることにより硬化させ、第1のレジスト下層膜を形成する。基板として、例えばシリコンウエハーを用いる。   A first resist underlayer film forming composition containing a polymer, an organic solvent, and a crosslinking agent is prepared. As the polymer, for example, an acrylic polymer used in the composition for forming an antireflection film is used. Furthermore, an acid generator may be added. The first resist underlayer film forming composition is applied onto a substrate by a spinner or the like, and cured by baking at a first condition, for example, at 180 ° C. for 1 minute to form a first resist underlayer film. For example, a silicon wafer is used as the substrate.

次に、第2のレジスト下層膜形成用組成物(酸発生剤を含まない)を用意する。この第2のレジスト下層膜形成用組成物を、形成された第1のレジスト下層膜上にスピナー等により塗布した後、国際公開第2007/111147号パンフレットに記載されている昇華物量測定装置に、当該組成物が塗布された基板を設置する。この昇華物量測定装置は、基板を加熱するためのホットプレート、電極が形成された水晶振動子(QCMセンサー)、を少なくとも備えており、水晶振動子(電極)の表面に昇華物が付着するようになっている。そして、昇華物の付着によって、水晶振動子の周波数が変化することを利用し、微量の質量変化を測定することができる。電極材料として、例えば、珪素とアルミニウムを主成分とする材料(AlSi)、又は金(Au)を用いる。実際に昇華物量測定装置によって測定されるのは、水晶振動子の周波数変化ΔFであるため、所定の換算式によりΔFを質量変化Δmに変換する。換算式として、Δm=ΔF×1.07を利用することができる。   Next, a second resist underlayer film forming composition (not containing an acid generator) is prepared. After applying this second resist underlayer film forming composition on the formed first resist underlayer film with a spinner or the like, the sublimation amount measuring device described in International Publication No. 2007/111147 pamphlet is used. A substrate coated with the composition is placed. This sublimation amount measuring apparatus includes at least a hot plate for heating a substrate and a crystal resonator (QCM sensor) on which an electrode is formed so that the sublimate adheres to the surface of the crystal resonator (electrode). It has become. Then, by utilizing the fact that the frequency of the crystal resonator changes due to the attachment of the sublimate, it is possible to measure a small amount of mass change. As the electrode material, for example, a material mainly composed of silicon and aluminum (AlSi) or gold (Au) is used. Since what is actually measured by the sublimation amount measuring device is the frequency change ΔF of the crystal resonator, ΔF is converted into a mass change Δm by a predetermined conversion formula. As a conversion formula, Δm = ΔF × 1.07 can be used.

それから、第1のレジスト下層膜上に塗布された第2のレジスト下層膜の形成用組成物を、第2の条件、例えば205℃で1分間ベークすることにより硬化させ、第2のレジスト下層膜を形成する。第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量を、前述の昇華物量測定装置により定量し、その結果をSU+Bとする。 Then, the composition for forming the second resist underlayer film applied on the first resist underlayer film is cured by baking at a second condition, for example, at 205 ° C. for 1 minute, so that the second resist underlayer film is formed. Form. The amount of sublimate generated when baking under the second condition is quantified by the above-mentioned sublimate amount measuring apparatus, and the result is set to SU + B.

一方、基板(シリコンウエハー)上に、第1のレジスト下層膜を、前述と同様の方法及び条件により形成する。その後、第2のレジスト下層膜形成用組成物を塗布することなく、第1のレジスト下層膜が形成された基板を、前述の昇華物量測定装置に設置する。それから、第1のレジスト下層膜を第2の条件でベークし、その際に発生する昇華物の量を定量し、その結果をSとする。 On the other hand, a first resist underlayer film is formed on the substrate (silicon wafer) by the same method and conditions as described above. Thereafter, the substrate on which the first resist underlayer film is formed is placed in the above-described sublimation amount measuring apparatus without applying the second resist underlayer film forming composition. Then, the first resist underlayer film was baked under the second condition, to quantify the amount of sublimate generated during its to the result with S U.

また、第1のレジスト下層膜が形成されていない基板(シリコンウエハー)上に、第2のレジスト下層膜形成用組成物(酸発生剤を含まない)をスピナー等により塗布し、前述の昇華物量測定装置に設置する。それから、基板上に塗布された第2のレジスト下層膜形成用組成物を、第2の条件でベークすることにより硬化させ、第2のレジスト下層膜を形成する。第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量を定量し、その結果をSとする。 In addition, a second resist underlayer film-forming composition (not containing an acid generator) is applied onto a substrate (silicon wafer) on which the first resist underlayer film is not formed by using a spinner or the like, and the amount of the sublimate described above installed in the measurement device. Then, the second resist underlayer film forming composition applied on the substrate is cured by baking under the second condition to form a second resist underlayer film. The amount of sublimate generated when baking under the second condition is quantified, and the result is S B.

最後に、得られた結果を式:〔1−(SU+B−S)/S〕×100
に代入してバリア率(%)を算出する。
Finally, the obtained result is expressed by the formula: [1- (S U + B −S B ) / S U ] × 100
Substituting into, the barrier rate (%) is calculated.

バリア率が80%以上の値を示す場合、第2のレジスト下層膜は、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物、有機溶剤、及び架橋剤を含む組成物から得られる。少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は、必ずしもポリマーである必要はない。逆に、このような芳香族環を有する化合物を含まない組成物から得られる第2のレジスト下層膜は、バリア率が80%以上の値にならない。   When the barrier rate is 80% or more, the second resist underlayer film is obtained from a composition containing a compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent, and a crosslinking agent. A compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded is not necessarily a polymer. On the contrary, the second resist underlayer film obtained from the composition not containing the compound having an aromatic ring does not have a barrier rate of 80% or more.

少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物の具体例を、以下の式(11)乃至式(15)に示すが、これらの具体例に限定されない。


Specific examples of the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded are shown in the following formulas (11) to (15), but are not limited to these specific examples.


レジスト下層膜形成用組成物の固形分を構成する化合物の合成、及び当該レジスト下層膜形成用組成物の調整について、具体例を挙げて説明する。   The synthesis of the compound constituting the solid content of the resist underlayer film forming composition and the adjustment of the resist underlayer film forming composition will be described with specific examples.

本明細書の下記合成例に示す重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(以下、GPCと略称する)による測定結果である。測定には東ソー(株)製GPC装置を用い、測定条件等は次のとおりである。
GPCカラム:Shodex〔登録商標〕・Asahipak〔登録商標〕(昭和電工(株))
カラム温度:40℃
溶媒:N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)
流量:0.6ml/min
標準試料:ポリスチレン(東ソー(株))
The weight average molecular weight shown in the following synthesis examples of this specification is a measurement result by gel permeation chromatography (hereinafter abbreviated as GPC). The measurement conditions etc. are as follows using the Tosoh Co., Ltd. product GPC apparatus for a measurement.
GPC column: Shodex (registered trademark) and Asahipak (registered trademark) (Showa Denko KK)
Column temperature: 40 ° C
Solvent: N, N-dimethylformamide (DMF)
Flow rate: 0.6ml / min
Standard sample: Polystyrene (Tosoh Corporation)

<合成例1>
ベンジルメタクリレート(東京化成工業(株))13.2g(0.08モル)、ヒドロキシプロピルメタクリレート(東京化成工業(株))8.0g(0.07モル)、及びγ−ブチロラクトンメタクリレート(東京化成工業(株))18.8g(0.15モル)を乳酸エチル131.6gに溶解させた後、70℃へ昇温した。乳酸エチル溶液が70℃で安定したところで、アゾビスイソブチロニトリル0.4gを乳酸エチル30gに溶解させた溶液を滴下して加えた。滴下終了後、24時間、70℃で攪拌して反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は28000であった。この反応生成物は、下記式で表されるように、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有さない。
<Synthesis Example 1>
Benzyl methacrylate (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 13.2 g (0.08 mol), hydroxypropyl methacrylate (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 8.0 g (0.07 mol), and γ-butyrolactone methacrylate (Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) 18.8 g (0.15 mol) was dissolved in 131.6 g of ethyl lactate, and the temperature was raised to 70 ° C. When the ethyl lactate solution was stabilized at 70 ° C., a solution prepared by dissolving 0.4 g of azobisisobutyronitrile in 30 g of ethyl lactate was added dropwise. After completion of the dropwise addition, the solution containing the reaction product was obtained by stirring at 70 ° C. for 24 hours. When the GPC analysis of the obtained reaction product was conducted, the weight average molecular weight was 28000 in standard polystyrene conversion. This reaction product does not have a hydroxyl group bonded to an aromatic ring, as represented by the following formula.

<合成例2>
モノアリルジグリシジルイソシアヌル酸(四国化成工業(株)、商品名:MADGIC)23.346g、ジエチルバルビツール酸15.473g、及び触媒としてベンジルトリエチルアンモニウムクロリド0.845gをプロピレングリコールモノメチルエーテル160.34gに溶解させた後、130℃で4時間反応させ、反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は9700であった。この反応生成物は下記式で表されるように、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有さない。
<Synthesis Example 2>
Monoallyl diglycidyl isocyanuric acid (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name: MADGIC) 23.346 g, diethylbarbituric acid 15.473 g, and benzyltriethylammonium chloride 0.845 g as a catalyst to propylene glycol monomethyl ether 160.34 g After dissolving, reaction was performed at 130 ° C. for 4 hours to obtain a solution containing the reaction product. When the GPC analysis of the obtained reaction product was conducted, the weight average molecular weight was 9700 in standard polystyrene conversion. This reaction product does not have a hydroxyl group bonded to an aromatic ring as represented by the following formula.

<合成例3>
モノアリルジグリシジルイソシアヌル酸(四国化成工業(株)、商品名:MADGIC)23.447g、5−ヒドロキシイソフタル酸15.366g、及びベンジルトリエチルアンモニウムクロリド0.848gをプロピレングリコールモノメチルエーテル160.34gに溶解させた後、130℃で4時間反応させ、反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のプロトンNMR分析をおこなったところ、芳香族性ヒドロキシル基のピークが確認された。また、得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は17000であった。この反応生成物は前記式(11)で表される。
<Synthesis Example 3>
Monoallyl diglycidyl isocyanuric acid (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name: MADGIC) 23.447 g, 5-hydroxyisophthalic acid 15.366 g, and benzyltriethylammonium chloride 0.848 g are dissolved in propylene glycol monomethyl ether 160.34 g. And then reacted at 130 ° C. for 4 hours to obtain a solution containing the reaction product. As a result of proton NMR analysis of the obtained reaction product, an aromatic hydroxyl group peak was confirmed. Moreover, when the GPC analysis of the obtained reaction product was performed, the weight average molecular weight was 17000 in standard polystyrene conversion. This reaction product is represented by the formula (11).

<合成例4>
モノアリルジグリシジルイソシアヌル酸(四国化成工業(株)、商品名:MADGIC)22.773g、5−メトキシイソフタル酸16.074g、及び触媒としてベンジルトリエチルアンモニウムクロリド0.824gをプロピレングリコールモノメチルエーテル160.33gに溶解させた後、130℃で4時間反応させ反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は7000であった。この反応生成物は下記式で表されるように、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有さない。
<Synthesis Example 4>
Monoallyl diglycidyl isocyanuric acid (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name: MADGIC) 22.773 g, 5-methoxyisophthalic acid 16.074 g, and benzyltriethylammonium chloride 0.824 g as a catalyst, 160.33 g of propylene glycol monomethyl ether Then, it was reacted at 130 ° C. for 4 hours to obtain a solution containing the reaction product. When the GPC analysis of the obtained reaction product was performed, the weight average molecular weight was 7000 in standard polystyrene conversion. This reaction product does not have a hydroxyl group bonded to an aromatic ring as represented by the following formula.

<合成例5>
モノアリルジグリシジルイソシアヌル酸(四国化成工業(株)、商品名:MADGIC)37.720g、酒石酸20.371g、及び触媒としてエチルトリフェニルホスホニウムブロミド1.365gをプロピレングリコールモノメチルエーテル140.54gに溶解させた後、130℃で4時間反応させ反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は10000であった。この反応生成物は下記式で表されるように、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有さない。
<Synthesis Example 5>
Monoallyl diglycidyl isocyanuric acid (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd., trade name: MADGIC) 37.720 g, tartaric acid 20.371 g, and 1.365 g of ethyltriphenylphosphonium bromide as a catalyst were dissolved in 140.54 g of propylene glycol monomethyl ether. Thereafter, the reaction was carried out at 130 ° C. for 4 hours to obtain a solution containing the reaction product. When the GPC analysis of the obtained reaction product was conducted, the weight average molecular weight was 10,000 in standard polystyrene conversion. This reaction product does not have a hydroxyl group bonded to an aromatic ring as represented by the following formula.

<合成例6>
トリス(2,3−エポキシプロピル)イソシアヌル酸(日産化学工業(株)、商品名:TEPIC〔登録商標〕)39.159g、3,5−ジヒドロキシ安息香酸60.841gをプロピレングリコールモノメチルエーテル100.00gに溶解させた後、130℃で24時間反応させ反応生成物を含む溶液を得た。得られた反応生成物のGPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は1000であった。この反応生成物は例えば前記式(15)で表され、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有する。
<Synthesis Example 6>
Tris (2,3-epoxypropyl) isocyanuric acid (Nissan Chemical Industry Co., Ltd., trade name: TEPIC [registered trademark]) 39.159 g, 3,5-dihydroxybenzoic acid 60.841 g, propylene glycol monomethyl ether 100.00 g Then, it was reacted at 130 ° C. for 24 hours to obtain a solution containing the reaction product. When the GPC analysis of the obtained reaction product was performed, the weight average molecular weight was 1000 in standard polystyrene conversion. This reaction product is represented by the above formula (15), for example, and has a hydroxyl group bonded to an aromatic ring.

合成例1で得られた反応生成物4.905gを含む溶液24.379gに、乳酸エチル32.04g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート22.08g、酸発生剤であるトリフェニルスルホニウムトリフルオロメタンスルホネート(みどり化学(株)、商品名:TPS−105)0.192g、テトラメトキシメチルグリコールウリル(日本サイテックインダストリーズ(株)、商品名:POWDERLINK〔登録商標〕1174)1.226g、及びピリジニウム−p−トルエンスルホネート0.0766gを加え、溶液とした。その後、孔径0.10μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過して、第1のレジスト下層膜形成用組成物を調製した。   To 24.379 g of the solution containing 4.905 g of the reaction product obtained in Synthesis Example 1, 32.04 g of ethyl lactate, 22.08 g of propylene glycol monomethyl ether acetate, triphenylsulfonium trifluoromethanesulfonate (Midori Kagaku) as an acid generator Co., Ltd., trade name: TPS-105 0.192 g, tetramethoxymethyl glycoluril (Nippon Cytec Industries, Ltd., trade name: POWDERLINK [registered trademark] 1174) 1.226 g, and pyridinium-p-toluenesulfonate 0 0.0766 g was added to make a solution. Then, it filtered using the polyethylene micro filter with a hole diameter of 0.10 micrometer, and prepared the 1st composition for resist underlayer film formation.

<比較例1>
合成例1で得られた反応生成物2.510gを含む溶液12.549gに、プロピレングリコールモノメチルエーテル43.7g、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート23.4g、テトラメトキシメチルグリコールウリル(日本サイテックインダストリーズ(株)、商品名:POWDERLINK〔登録商標〕1174)0.627g、及びピリジニウム−p−トルエンスルホネート0.063gを加え、溶液とした。その後、孔径0.10μmのポリエチレン製ミクロフィルターを用いてろ過して、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Aという)を調製した。
<Comparative Example 1>
To 12.549 g of the solution containing 2.510 g of the reaction product obtained in Synthesis Example 1, 43.7 g of propylene glycol monomethyl ether, 23.4 g of propylene glycol monomethyl ether acetate, tetramethoxymethyl glycoluril (Nippon Cytec Industries, Ltd.) (Trade name: POWDERLINK [registered trademark] 1174) and 0.663 g of pyridinium-p-toluenesulfonate were added to obtain a solution. Then, it filtered using the polyethylene micro filter with a hole diameter of 0.10 micrometer, and prepared the 2nd composition for resist lower layer film formation (henceforth the composition A).

<比較例2>
合成例2で得られた反応生成物を含む溶液を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Bという)を調整した。
<Comparative Example 2>
Using the solution containing the reaction product obtained in Synthesis Example 2, the same treatment as in Comparative Example 1 was performed to prepare a second resist underlayer film forming composition (hereinafter referred to as composition B).

<実施例1>
合成例3で得られた反応生成物を含む溶液を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Cという)を調整した。
<Example 1>
Using the solution containing the reaction product obtained in Synthesis Example 3, the same treatment as in Comparative Example 1 was performed to prepare a second resist underlayer film forming composition (hereinafter referred to as composition C).

<実施例2>
分岐ポリ−パラヒドロキシスチレン(デュポン・エレクトロニックポリマー(株)、商品名:PHS−B5E)を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Dという)を調整した。使用した分岐ポリ−パラヒドロキシスチレンは、芳香族環に結合したヒドロキシル基を有し、GPC分析をおこなったところ、標準ポリスチレン換算にて重量平均分子量は5000であった。
<Example 2>
Using a branched poly-parahydroxystyrene (DuPont Electronic Polymer Co., Ltd., trade name: PHS-B5E), the same treatment as in Comparative Example 1 was performed, and a second resist underlayer film forming composition (hereinafter, composition) It was adjusted) that D. The used branched poly-parahydroxystyrene has a hydroxyl group bonded to an aromatic ring and was subjected to GPC analysis. The weight average molecular weight was 5000 in terms of standard polystyrene.

<比較例3>
合成例4で得られた反応生成物を含む溶液を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Eという)を調整した。
<Comparative Example 3>
Using the solution containing the reaction product obtained in Synthesis Example 4, the same treatment as in Comparative Example 1 was performed to prepare a second resist underlayer film forming composition (hereinafter referred to as composition E).

<比較例4>
合成例5で得られた反応生成物を含む溶液を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Fという)を調整した。
<Comparative Example 4>
Using the solution containing the reaction product obtained in Synthesis Example 5, the same treatment as in Comparative Example 1 was performed to prepare a second resist underlayer film forming composition (hereinafter referred to as composition F).

<実施例3>
合成例6で得られた反応生成物を含む溶液を用い、比較例1と同様の処理をおこない、第2のレジスト下層膜形成用組成物(以下、組成物Gという)を調整した。
<Example 3>
Using the solution containing the reaction product obtained in Synthesis Example 6, the same treatment as in Comparative Example 1 was performed to prepare a second resist underlayer film forming composition (hereinafter referred to as composition G).

(フォトレジストパターン形状の評価)
酸発生剤を含む前述の第1のレジスト下層膜形成用組成物を、スピナーによりシリコンウエハー上に塗布し、ホットプレート上、205℃で1分間ベークし、第1のレジスト下層膜(膜厚0.023μm)を形成した。このような第1のレジスト下層膜が形成されたシリコンウエハーを3枚用意した。
(Evaluation of the photoresist pattern shape)
The first resist underlayer film-forming composition containing an acid generator is applied onto a silicon wafer by a spinner and baked on a hot plate at 205 ° C. for 1 minute to form a first resist underlayer film (thickness 0). .023μm) was formed. Three silicon wafers on which such a first resist underlayer film was formed were prepared.

次に、組成物A、組成物C及び組成物Dを用い、上記第1のレジスト下層膜それぞれの上に、第2のレジスト下層膜を形成した(205℃で1分間ベーク)。これらの第2のレジスト下層膜それぞれの上に、市販のフォトレジスト溶液(東京応化工業(株)、商品名:TArF−P6111ME)をスピナーにより塗布し、ホットプレート上、130℃で1分間加熱してフォトレジストの層を形成した。 Next, using the composition A, the composition C, and the composition D, a second resist underlayer film was formed on each of the first resist underlayer films (baked at 205 ° C. for 1 minute). On each of these second resist underlayer films, a commercially available photoresist solution (Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., trade name: TArF-P6111ME) was applied with a spinner and heated on a hot plate at 130 ° C. for 1 minute. A photoresist layer was formed.

それから、(株)ニコン製ArFステッパー(波長:193nm、NA:0.55(Conventional))を用い、現像後にフォトレジストのライン幅が0.08μm、ライン間の幅が0.1μmであるラインが9本形成されるように設計されたマスクを通して露光をおこなった。フォトレジストを露光後、PEB(Post Exposure Bake)を130℃で1分間おこない、冷却後、工業規格の60秒シングルパドル式工程にて0.26規定のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド現像液を用いて現像して、フォトレジストのパターンを形成した。 Then, using an ArF stepper manufactured by Nikon Corporation (wavelength: 193 nm, NA: 0.55 (Conventional)), after development, a line having a photoresist line width of 0.08 μm and a line width of 0.1 μm Exposure was performed through a mask designed to form nine lines. After exposure of the photoresist, PEB (Post Exposure Bake) is performed at 130 ° C. for 1 minute, and after cooling, developed using a 0.26N tetramethylammonium hydroxide developer in an industrial standard 60-second single paddle process. Then, a photoresist pattern was formed.

さらに、比較のため、第1のレジスト下層膜が形成されない点のみが異なる(つまり、上記3種類の第2のレジスト下層膜のいずれかとフォトレジストパターンが形成されている)シリコンウエハーを用意した。 Further, for comparison, a silicon wafer was prepared which differs only in that the first resist underlayer film was not formed (that is, a photoresist pattern formed with any of the above-described three types of second resist underlayer films).

第1のレジスト下層膜が形成されない場合のレジストパターンの断面形状を、図1のCondition−1に示す。一方、酸発生剤を含む第1のレジスト下層膜上に、第2のレジスト下層膜を積層した場合のフォトレジストパターンの断面形状を、図1のCondition−2に示す。図2は、シリコンウエハー101上に、酸発生剤を含む第1のレジスト下層膜102、第2のレジスト下層膜103が積層される様子を示している。 The cross-sectional shape of the resist pattern when the first resist underlayer film is not formed is shown in Condition-1 in FIG. On the other hand, Condition-2 in FIG. 1 shows a cross-sectional shape of the photoresist pattern when the second resist underlayer film is laminated on the first resist underlayer film containing the acid generator. FIG. 2 shows a state in which a first resist underlayer film 102 and a second resist underlayer film 103 containing an acid generator are stacked on a silicon wafer 101.

図1に示す結果は、第2のレジスト下層膜が組成物Aを用いて形成される場合、酸発生剤を含む第1のレジスト下層膜の有無によって、レジストパターンの断面形状が大きく変化し、当該第1のレジスト下層膜が存在するとフォトレジストパターンが倒壊することを示している。すなわち、組成物Aを用いて形成される第2のレジスト下層膜は、酸の拡散に対するバリア性が低いことを示唆している。一方、第2のレジスト下層膜が組成物C又は組成物Dを用いて形成される場合、酸発生剤を含む第1のレジスト下層膜の有無によって、レジストパターンの断面形状はほとんど変化しない。すなわち、組成物C又は組成物Dを用いて形成される第2のレジスト下層膜は、酸の拡散に対するバリア性が高いことを示唆している。   The results shown in FIG. 1 show that when the second resist underlayer film is formed using the composition A, the cross-sectional shape of the resist pattern greatly changes depending on the presence or absence of the first resist underlayer film containing an acid generator, The presence of the first resist underlayer film indicates that the photoresist pattern collapses. That is, the second resist underlayer film formed using the composition A suggests that the barrier property against acid diffusion is low. On the other hand, when the second resist underlayer film is formed using the composition C or the composition D, the cross-sectional shape of the resist pattern hardly changes depending on the presence or absence of the first resist underlayer film containing the acid generator. That is, it is suggested that the second resist underlayer film formed using the composition C or the composition D has a high barrier property against acid diffusion.

(バリア性の評価)
前述の第1のレジスト下層膜形成用組成物(ただし酸発生剤を含まない)を用いて、シリコンウエハー上に形成された第1のレジスト下層膜(膜厚約80nm)単層から発生する昇華物の量Sを、前述の昇華物量測定装置で定量した。組成物A乃至組成物Gを用いてシリコンウエハー上に第2のレジスト下層膜(膜厚約30nm)単層をそれぞれ形成する際に発生する昇華物の量Sを、前述の昇華物量測定装置で定量した。シリコンウエハー上に前記第1のレジスト下層膜(膜厚約80nm)を形成し、その上に前記第2のレジスト下層膜(膜厚約30nm)を図2に示すように形成する際に発生する昇華物の量SU+Bを、前述の昇華物量測定装置で定量した。定量時のベーク条件は、205℃で2分間である。ベーク時間が長くなるほど、昇華物の量は増加するが、所定の時間を超えると昇華物の量はほとんど増加しなくなる。
(Barrier properties of the evaluation)
Sublimation generated from a single layer of a first resist underlayer film (film thickness of about 80 nm) formed on a silicon wafer using the above-described first resist underlayer film forming composition (but not containing an acid generator). the amount S U of the object and quantified by sublimation quantity measuring device described above. The amount S B of composition A to sublimate generated when the second resist underlayer film (film thickness: about 30 nm) single layer to form respectively on a silicon wafer using a composition G, the aforementioned sublimation quantity measuring device in was quantified. This occurs when the first resist underlayer film (film thickness of about 80 nm) is formed on a silicon wafer, and the second resist underlayer film (film thickness of about 30 nm) is formed thereon as shown in FIG. The amount of sublimation SU + B was quantified with the above-mentioned sublimation amount measuring apparatus. The baking condition at the time of quantification is 205 ° C. for 2 minutes. As the baking time is increased, the amount of sublimate increases, but the amount of sublimate hardly increases after a predetermined time.

定量されたS、S及びSU+Bの値から、下記式を用いてバリア率(Barrier rate)を算出した結果を表1に示す。
バリア率(%)=〔1−(SU+B−S)/S〕×100
Table 1 shows the results of calculating the barrier rate from the quantified values of S U , S B and S U + B using the following formula.
Barrier rate (%) = [1− (S U + B −S B ) / S U ] × 100

表1は、組成物Cを用いて形成される第2のレジスト下層膜、及び組成物Dを使用して形成される第2のレジスト下層膜は、高いバリア性を有することを示している。表1はさらに、組成物Gを用いて形成される第2のレジスト下層膜についても、高いバリア性を有することを示している。組成物Gに含まれる合成例6で得られた反応生成物は、GPC分析による重量平均分子量から、ポリマーであるとはいえず、オリゴマー、モノマー、又はそれらの組み合わせであると考えられる。組成物Cを用いて形成される第2のレジスト下層膜、組成物Dを用いて形成される第2のレジスト下層膜、及び組成物Gを用いて形成される第2のレジスト下層膜は、バリア層(バリア膜)として十分なバリア性を備えていることがわかった。   Table 1 shows that the second resist underlayer film formed using the composition C and the second resist underlayer film formed using the composition D have high barrier properties. Table 1 further shows that the second resist underlayer film formed using the composition G also has a high barrier property. The reaction product obtained in Synthesis Example 6 contained in the composition G is not a polymer, but is considered to be an oligomer, a monomer, or a combination thereof, from the weight average molecular weight determined by GPC analysis. The second resist underlayer film formed using the composition C, the second resist underlayer film formed using the composition D, and the second resist underlayer film formed using the composition G are: It was found that the film has a sufficient barrier property as a barrier layer (barrier film).

一方、組成物Aを用いて形成される第2のレジスト下層膜、組成物Bを用いて形成される第2のレジスト下層膜、組成物Eを用いて形成される第2のレジスト下層膜、及び組成物Fを用いて形成される第2のレジスト下層膜は、バリア性が低い結果となった。この結果は、これらの第2のレジスト下層膜をバリア層(バリア膜)と称することは、不適切であることを示している。   On the other hand, a second resist underlayer film formed using the composition A, a second resist underlayer film formed using the composition B, a second resist underlayer film formed using the composition E, And the 2nd resist underlayer film formed using the composition F resulted in a low barrier property. This result indicates that it is inappropriate to refer to these second resist underlayer films as barrier layers (barrier films).

表1において、バリア率が80%以上である結果を示す第2のレジスト下層膜は、いずれも、少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環(フェノール性ヒドロキシル基)を有する化合物を含む組成物から形成される。一方、バリア率が80%よりずっと低い結果を示す第2のレジスト下層膜は、いずれも、そのような芳香族環を有する化合物を含む組成物から形成されていない(合成例1,2,4,5参照)。 In Table 1, each of the second resist underlayer films showing the result that the barrier rate is 80% or more includes a compound having an aromatic ring (phenolic hydroxyl group) to which at least one hydroxyl group is bonded. Formed from. On the other hand, none of the second resist underlayer films showing the result that the barrier rate is much lower than 80% is formed from a composition containing such a compound having an aromatic ring (Synthesis Examples 1, 2, 4). , 5).

(バリア率の膜厚依存性)
膜厚の異なる第2のレジスト下層膜について、バリア率を算出した結果を図3に示す。第2のレジスト下層膜として、2種類の膜を用いた。一方はフェノール性ヒドロキシル基を有する化合物を含む組成物から形成され、他方はフェノール性ヒドロキシル基を有する化合物を含まない組成物から形成されたものである。30nm程度の薄い膜厚で高いバリア性を示す第2のレジスト下層膜は、フェノール性ヒドロキシル基を有する化合物を含む組成物から形成され、膜厚の変化に伴うバリア率の変化は小さい。30nm程度の薄い膜厚でのバリア性が低い第2のレジスト下層膜は、膜厚を厚くしなければ、バリア率を上昇させることができない。
(Film thickness dependence of the barrier rate)
FIG. 3 shows the result of calculating the barrier rate for the second resist underlayer films having different film thicknesses. Two types of films were used as the second resist underlayer film. One is formed from a composition containing a compound having a phenolic hydroxyl group, and the other is formed from a composition not containing a compound having a phenolic hydroxyl group. The second resist underlayer film showing a high barrier property with a thin film thickness of about 30 nm is formed from a composition containing a compound having a phenolic hydroxyl group, and the change in the barrier rate due to the change in the film thickness is small. The second resist underlayer film having a low barrier property at a thin film thickness of about 30 nm cannot increase the barrier ratio unless the film thickness is increased.

(バリア率と膜密度との関係)
組成物Aを用いて形成される第2のレジスト下層膜と組成物Cを用いて形成される第2のレジスト下層膜(いずれも膜厚約100nm)の密度を、PANalytical社製X線回折装置(X’Pert PRO MRD)を用いて測定したところ、前者は1.26g/cm、後者は1.41g/cmであった。この結果は、膜密度が高いほどバリア率も高い傾向を示唆している。
(Relationship between barrier rate and film density)
The density of the second resist underlayer film formed using the composition A and the second resist underlayer film formed using the composition C (both having a film thickness of about 100 nm) was determined using an X-ray diffraction apparatus manufactured by PANalytical. When measured using (X′Pert PRO MRD), the former was 1.26 g / cm 3 and the latter was 1.41 g / cm 3 . This result suggests that the barrier rate tends to be higher as the film density is higher.

レジストパターンの断面形状を比較する図である。It is a figure which compares the cross-sectional shape of a resist pattern. シリコンウエハー上に第1のレジスト下層膜と第2のレジスト下層膜が積層される様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the 1st resist underlayer film and the 2nd resist underlayer film are laminated | stacked on a silicon wafer. 第2のレジスト下層膜の膜厚に対するバリア率の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the barrier rate with respect to the film thickness of a 2nd resist lower layer film.

符号の説明Explanation of symbols

101 シリコンウエハー
102 第1のレジスト下層膜
103 第2のレジスト下層膜
101 Silicon wafer 102 First resist underlayer film 103 Second resist underlayer film

Claims (9)

少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物と有機溶媒と架橋剤を含み、前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物は下記式(6):

(上記式中、R及びRはそれぞれ独立に水素原子又は炭素原子数1乃至6のアルキル基を表し、Y及びYはそれぞれ独立にフェノール誘導体を表す)
で表される繰り返し単位構造を有する、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物。
The compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded, an organic solvent and a crosslinking agent, and the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded are represented by the following formula (6):

(In the above formula, R 6 and R 7 each independently represent a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and Y 1 and Y 2 each independently represent a phenol derivative)
A composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties, having a repeating unit structure represented by:
請求項1に記載のバリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物において、前記式(6)で表される繰り返し単位構造を有する化合物は下記式(7):

〔上記式中、Z乃至Zはそれぞれ独立に水素原子又は下記式(8a):

(上記式中のZ乃至Z も上記同様である)を表す〕で表される繰り返し単位構造を有する、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物。
The composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties according to claim 1, wherein the compound having a repeating unit structure represented by the formula (6) is represented by the following formula (7):

[In the above formula, Z 1 to Z 4 are each independently a hydrogen atom or the following formula (8a ):

(Z 1 to Z 2 in the above formula are the same as above)] A composition for forming a resist underlayer film having a barrier property and having a repeating unit structure represented by:
請求項1又は請求項2に記載のバリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物において、前記少なくとも1つのヒドロキシル基が結合した芳香族環を有する化合物はポリマー、オリゴマー、又はそれらの組み合わせである、バリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物。 3. The composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties according to claim 1 or 2, wherein the compound having an aromatic ring to which at least one hydroxyl group is bonded is a polymer, an oligomer, or a combination thereof. A composition for forming a resist underlayer film exhibiting barrier properties. 基板上に第1のレジスト下層膜形成用組成物を塗布しベークして第1のレジスト下層膜を形成する工程と、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のバリア性を示すレジスト下層膜の形成用組成物を前記第1のレジスト下層膜上に塗布しベークして第2のレジスト下層膜を形成する工程と、前記第2のレジスト下層膜上にレジストを塗布しベークする工程と、前記レジストを露光する工程と、露光後の前記レジストを現像する工程、を含む半導体装置の製造に用いるレジストパターンの形成方法。 The process for apply | coating and baking the 1st composition for resist underlayer film formation on a board | substrate, and forming a 1st resist underlayer film, The barrier property as described in any one of Claim 1 thru | or 3 is shown. A step of applying a resist underlayer film forming composition on the first resist underlayer film and baking to form a second resist underlayer film, and applying and baking a resist on the second resist underlayer film A resist pattern forming method used for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step; a step of exposing the resist; and a step of developing the resist after exposure. 第1の条件でベークすることにより基板上に第1のレジスト下層膜を形成し、前記第1のレジスト下層膜を第2の条件でベークする際に発生する昇華物の量Sを定量し、
前記第2の条件でベークすることにより基板上に第2のレジスト下層膜を形成する際に発生する昇華物の量Sを定量し、
前記第1の条件でベークすることにより基板上に前記第1のレジスト下層膜を形成し、前記第1のレジスト下層膜上に前記第2のレジスト下層膜を前記第2の条件でベークすることにより形成する際に発生する昇華物の量SU+Bを定量し、
定量された前記昇華物の量S、S及びSU+Bを用いて、前記第2のレジスト下層膜のバリア性を評価する、レジスト下層膜のバリア性評価方法。
The first resist underlayer film is formed on the substrate by baking under a first condition, to quantify the amount S U sublimate generating the first resist underlayer film when baked at a second condition ,
Quantifying the amount S B of sublimate generated when the second resist underlayer film is formed on the substrate by baking under the second condition;
Forming the first resist underlayer film on the substrate by baking under the first condition, and baking the second resist underlayer film over the first resist underlayer film under the second condition. The amount of sublimate generated when forming by SU + B is quantified,
A barrier property evaluation method for a resist underlayer film, wherein the barrier property of the second resist underlayer film is evaluated using the determined amounts of sublimates S U , S B and S U + B.
請求項5に記載のレジスト下層膜のバリア性評価方法において定量された前記昇華物の量S、S及びSU+Bを下記式:
〔1−(SU+B−S)/S〕×100
に代入して算出される数値によって第2のレジスト下層膜のバリア性を評価する、レジスト下層膜のバリア性評価方法。
The amount S U , S B and S U + B of the sublimate quantified in the barrier property evaluation method for a resist underlayer film according to claim 5 is expressed by the following formula:
[1- (S U + B −S B ) / S U ] × 100
The barrier property evaluation method of a resist underlayer film which evaluates the barrier property of a 2nd resist underlayer film with the numerical value substituted by substituting and calculating.
請求項5又は請求項6に記載のレジスト下層膜のバリア性評価方法において、前記第1の条件は130℃以上180℃以下の温度で0.5分以上5分以下の時間、前記第2の条件は130℃以上250℃以下の温度で0.5分以上5分以下の時間である、レジスト下層膜のバリア性評価方法。 7. The resist underlayer film barrier property evaluation method according to claim 5, wherein the first condition is a temperature of 130 ° C. or higher and 180 ° C. or lower and a time of 0.5 minutes or longer and 5 minutes or shorter, The method for evaluating the barrier property of a resist underlayer film, wherein the conditions are a temperature of 130 ° C. to 250 ° C. and a time of 0.5 minutes to 5 minutes. 請求項7に記載のレジスト下層膜のバリア性評価方法において、前記第1の条件の温度は前記第2の条件の温度よりも低い、レジスト下層膜のバリア性評価方法。 The barrier property evaluation method for a resist underlayer film according to claim 7, wherein the temperature of the first condition is lower than the temperature of the second condition. 請求項5乃至請求項8のいずれか一項に記載のレジスト下層膜のバリア性評価方法において、前記昇華物の量S、S及びSU+BはQCM(水晶振動子マイクロバランス)法によって定量される、レジスト下層膜のバリア性評価方法。
9. The method for evaluating barrier properties of a resist underlayer film according to claim 5, wherein the amounts of sublimates S U , S B and S U + B are quantified by a QCM (quartz crystal microbalance) method. A method for evaluating the barrier property of a resist underlayer film.
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