KR0123265B1 - 미세 레지스트 패턴의 형성방법 - Google Patents

미세 레지스트 패턴의 형성방법

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KR0123265B1
KR0123265B1 KR1019940007170A KR19940007170A KR0123265B1 KR 0123265 B1 KR0123265 B1 KR 0123265B1 KR 1019940007170 A KR1019940007170 A KR 1019940007170A KR 19940007170 A KR19940007170 A KR 19940007170A KR 0123265 B1 KR0123265 B1 KR 0123265B1
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forming
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다께오 이시바시
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기다오까 다까시
미쓰비시 뎅끼 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 레지스트 패턴의 해상도를 향상하기 위한 것이다.
나프토퀴논 다이아지드 유도체와 노보락수지를 포함하는 레지스트막(2)이 반도체 기판(1)상에 형성된다.
레지스트막(2)은 선택적으로 광조사되어 레지스트막(2)에 화상을 형성한다.
레지스트막(2)은 알칼리 현상액을 사용하여 중도까지 현상된다.
중도까지 현상된 레지스트막은 열처리된다.
그뒤, 레지스트막이 레지스트 패턴(4)을 완성하도록 알칼리 현상액을 사용하여 제2회 현상과정이 행하여진다.

Description

미세 레지스트 패턴의 형성방법
제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법의 각 공정에 있어서의 반도체장치의 부분 단면도.
제2도는 본 발명에 사용된 퍼들현상 방법을 나타내는 다이어그램.
제3도는 중도까지 현상된 레지스트막이 CEB에 의하여 처리되었을 때 노광 영역과 미노광 영역의 표면에서의 화학반응공식을 나타내는 도.
제4도는 본 발명에 따른 EO/ Ec의 증가를 나타내는 다이어드램.
제5도는 제1회 현상시간이 짧을 때의 레지스트 패턴을 나타내는 도.
제6도는 다양한 CEB온도에서의 포커스 오프셋과 노광 마진과의 관계(EO/ Ec)를 나타내는 도.
제7도는 CEB온도와 EO/ Ec간의 관계를 나타내는 도.
제8도는 단차부를 가지는 반도체 기판을 사용하여 본 발명에 따라 얻어진 레지스트 패턴의 단면도.
제9도는 다양한 조사량으로 종래의 현상방법에 따른 경우의 포커스 오프셋과 레지스트 패턴 치수와의 관계를 나타내는 도.
제10도는 다양한 조사량으로 본 발명의 현상방법에 따른 경우의 포커스 오프셋과 레지스트 패턴 치수와의 관계를 나타내는 도.
제11도는 본 발명에서 사용된 폴리머의 공중합 모노머성분의 화학식을 나타내는도.
제12도는 본 발명에 사용된 감광제의 감광모체에 결합되는 감광성분의 화학식을 나타내는 도.
제13도는 레지스트 패턴을 형성하는 종래의 방법을 각 공정에서의 반도체장치의 부분 단면도.
제14도는 반도체 기판의 표면에 단차가 있을 때 초점이탈이 발생하는 것을 나타내는 다이어그램.
제15도는 종래의 방법에서의 문제점을 나타내는 다이어그램.
제16도는 노광(EO/ Ec)의 마진 개념을 설명하는 다이어그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체 기판 2 : 레지스트막
3 : 포토마스크 4 : 레지스트 패턴
본 발명은 일반적으로 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 레지스트 패턴의 해상도를 향상시키는 미세 레지스트 패턴을 형성하는 개량된 방법에 관한 것이다.
제13도는 레지스트 패턴을 형성하는 종래의 방법에서의 각 제조공정에서의 반도체 장치의 부분단면을 나타낸다.
제13(a)도를 참조하면,나프토퀴논 다이아지드 유도체(naphthoquinone diazid -e derivative)(감광제)와 노보락수지(novolac)를 포함하는 레지스트막(2)이 반도체 기판(1)에 도포되어 있다.
13(b)도를 참조하면, 레지스트막(2)은 80~100℃에서 프제리베이커되어 레지스트막(2)내의 용매를 증발시킨다.
제13(c)도를 참조하면, 포토마스크(3)를 사용하여 레지스트막(2)에 광을 선택적으로 조사하여 레지스트막(2)에 화상을 형성한다.
제13(d)도를 참조하면, 노광후의 열처리(Post Exposure Bake : PEB)가 약 100~130℃에서 행해지고, 이 PEB 과정에 의하여, 레지스트막(2)내의 용매가 증발되고 감광제가 레지스트막(2)으로 확산된다.
제13(d), 13(e)도를 참조하면, 레지스트막(2)은 알칼리 현상액 (alkaline developer)으로 현상되어 노광부분이 제거된다.
따라서, 파즈티브형의 레지스트 패턴(4)이 형성된다.
레지스트 패턴을 형성하는 종래의 방법은 상기와 같이 이루어지므로, 레지스트 패턴의 치수가 작지 않은 때에는 큰 문제가 없었다.
그러나 레지스트 패턴의 미세화에 따라, 초점 심도에 대한 요구가 충족되지 않았다.
즉, 노광시의 광학계의 초점의 변동은 레지스트 패턴이 점점 미세화됨에 따라 더 이상 무시될 수 없게 되었다.
초점 심도에 대한 요구가 충족되지 않기 때문에, 제14도에서와 같이 단차(5)가 반도체 기판(1)의 표면에 존재할때는 문제가 발생하게 된다.
제14도를 참조하면, 만약 초점이 위치 A에 맞추어지면, 위치 B,C는 초점밖에 있게 된다.
만약 그러한 상태로 노광된 레지스트막(2)이 현상되면, 위치 A에서는 양호한 레지스트 패턴이 발생할 것이나. 제15도에서와 같이 위치 B,C에서는 양호한 레지스트 패턴이 발생되지 않는다.
위치 B에서는 압축부(50)가 나타나고, 위치 C에서는 막감(60)이 발생된다.
또한, 레지스트 패턴의 치수가 점점 미세화됨에 따라 노광마진에 대한 욕구가 충족될 수 없다.
제16(a), 제16(b)를 참조하면, 노광의 마진은 E0 /Ec로 표시된다.
노광량 EO는 제16(a)도에서와 같이, 패턴을 형성하기 위하여 필요한 최소 노광 에너지를 나타낸다.
만약 노광 에너지가 Ec보다 작으면, 현상 레지스트막(2)의 해상도가 악화되어 패턴(4a)은 패턴(4b)로부터 분리될 수 없다.
노광량 Ea은 제16(b)도에서와 같이, 포토마스크의 목표치수와 일치하는 레지스트 패턴(4)을 형성하는데 필요한 노광 에너지이다.
일반적으로 레지스트막은 노광 Ec에 의하여 노광된다.
노광기의 노광에너지가 변동하고, 레지스트막의 두께 또한 변동하기 때문에, 노광 에너지의 마진은 가능한 한 커야 한다.
그러나, 이 노광 에너지의 마진은 레지스트 패턴이 점점 미세화됨에 따라 감소되어, 미세한 레지스트 패턴이 안정하게 형성될 수 없다는 문제점을 야기시킨다.
상기 사항을 고려하여, 본 발명의 목적은 초점심도를 확대하도록 개량된 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 노광 에너지의 마진을 증가하도록 개량된 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 해상도를 증가하도록 개량된 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 0.5㎛~0.25㎛의 L/S를 가지는 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법에 의하면, O-퀴논 다이아지드 화합물을 가지는 감광제와, 수산기 및 방향환을 가지는 폴리머와를 포함하는 레지스트막이 반도체 기판상에 형성된다.
광이 레지스트막에 선택적으로 조사되어 레지스트막에 화상을 형성한다.
제1회 현상과정에 의하여, 레지스트막은 알칼리 현상액을 사용하여 중도까지 현상된다.
중도까지 현상된 레지스트막이 열처리되는 것에 의하여 레지스트막의 표면은 레지스트막의 표면에 잔존하는 알칼리 현상과 레지스트막이 열처리되는 것에 의하여 레지스트막의 표면에 잔존하는 알칼리 현상액과 화학적으로 반응한다.
제2회 현상과정이 그 후 알칼리 현상액에 의하여 레지스트막에 행해지고, 이것에 의하여 레지스트막은 완성된다.
본 발명의 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법에 의하면 레지스트막은 알칼리 현상액을 사용하여 중도까지 현상되고 그뒤 열처리된다.
이 열처리 과정은 레지스트막의 표면과 레지스트막의 표면에 잔존하는 알칼리 현상액과의 화학반응을 일으켜서 용해촉진층을 노광부에 형성하고, 난용화층을 미노광부에 형성한다.
본 발명의 상기 목적, 특징, 특성 및 잇점은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 다음의 상세한 설명에 의하여 더욱 분명해질 것이다.
이하 본 발명의 일실시예가 도면을 참조하여 설명된다.
제1(a)도를 참조하면, 나프토퀴논 다이아지드 유도체(감광제)와 노보락 수지를 포함하는 레지스트막(2)이 반도체 기판(1)상에 형성된다.
제1(b)도를 참조하면, 레지스트막(2)은 80~100℃에서 프리베이커되어 레지스트막(2)내의 용매를 증발한다. 제1(c)도를 참조하면, 포토마스크(3)를 사용하여 광이 레지스트막(2)에 선택적으로 조사되어 레지스트막(2)에 화상을 형성한다.
제1(d)도를 참조하면, 레지스트막(2)은 노광후에 100~130℃의 온도에서 열처리(PEB과정)되어 레지스트막(2)내의 용매를 증발시키고 감광제를 확산시킨다.
이 PEB과정은 약 1분 동안 행해진다.
제1(e)도를 참조하면, 제1회 현상과정은 테트라메틸 암모니움 수산화물(tetramethyl ammonium hydroxide)을 함유하는 알칼리 현상액으로 약 20초간 퍼들 현상법에 의하여 이루어진다.
그 결과, 레지스트막(2)은 중도까지 현상된다.
이 제1회 현상 과정은 전체 현상시간의 1/10 ~ 1/2을 차지하는 것이 바람직하다.
제2도는 퍼들 현상법을 설명하는 다이어그램이다.
퍼들 현상장치(7)는 반도체 기판(1)의 저부를 지지하기 위한 지지대(9), 정수를 공급하기 위한 파이프 및 현상액을 공급하기 위한 파이프(11)를 포함한다.
지지부(9)는 화살표 R의 방향으로 회전된다.
PEB 과정이 이루어진 반도체 기판이 지지부(9)에 탑재된다.
반도체 기판(1)을 회전시키면서 현상액이 파이프에 의하여 반도체 기판(1)상에 공급된다.
회전이 멈춰지고, 현상이 약 20초동안 이루어진다.
그뒤 반도체 기판(1)을 회전시키면서 정수가 파이프(10)로부터 반도체 기판(1)상에 공급된다.
이후, 반도체 기판(1)이 건조된다.
제1도(f)도로 돌아가면, 레지스트막(2)이 1분동안 50~130℃의 온도에서, 바람직하게는 약 100℃에서 열처리된다.
이 열처리과정에 의하여, 레지스트막(2)의 표면은 제3(a),3(b)도에 표시된 반응공식에 따라 잔존하는 알칼리 현상액과 반응한다.
이 열처리과정은 화학반응을 촉진하기 위한 베이킹 과정이다.이 열처리 과정을 이하 CEB라고 한다.
제3(a), 제1(f)도를 참조하면, 미노광 영역의 레지스트막의 나프토퀴논 다이아지드 유도체와 노보락수지가 아조 커플링(azo coupling) 혹은 아조옥시 커플링(azoxy coupling)에 의하여 결합되어 난용화층(12)을 형성한다.
아조 커플링과 아조옥시 커플링 반응은 레지스트막의 표면에 잔존하는 알칼리를 촉매로하여 일어난다.
제3(b), 제1(f)도를 참조하면, 노광 영역의 나프토퀴논 다이어지드 유도체의 분해에 의하여 발생된 케틴(ketene)에 물이 공급되는 것에 의하여, 인덴 카르복실산 유도체(indene carboxylic acid derivative)가 발생하여 용해촉진층(13)을 형성한다.
제1(f), 제2도를 참조하면, 난용화층(12)과 용해촉진층(13)을 함유하는 반도체 기판(1)이 지지부(9)에 탑재된다.
현상액이 반도체 기판(1)이 회전(1000rpm)되는 동안 파이프(11)로부터 반도체 기판(1)에 공급된다.
그뒤, 회전이 멈춰진다.
레지스트막(2)은 40초동안 현상된다.
그 결과, 레지스트막(2)의 현상이 완성되어 레지스트 패턴(4)을 제1(g)도에서와 같이 형성한다.
제1(f)도를 참조하면, 용해 촉진층(13)이 노광부에 형성되고, 난용화층(12)이 미노광 영역에 형성된다.
이 용해 대비가 강화될수록 레지스트 패턴(4)이 높은 정확성과 안정성을 가지고 형성된다.
제1(f), 제4도를 참조하면, 용화 촉진층(13)의 작용에 의하여, 최소 노광 에너지 Ec가 감소하고, 패턴의 측벽에 형성된 난용화층(12)의 작용에 의하여, 포토 마스크의 목표 치수와 일치하는 레지스트 패턴을 형성하는데 필요한 노광 에너지(EO)가 증가한다.
따라서, 노광 에너지(EO/ Ec)의 마진이 증가한다.
총 현상 시간(제1회 현상시간과 제2회 현상시간)이 60초이고 제1회 현상시간이 변동할때의 EO/ EC, 형상의 포커스 마진 및 레지스트 치수의 포커스 마진의 값이 표 1에 표시되어 있다.
이것은 L/S 가 0.45㎛, 0.40㎛, 0.35㎛ 인 경우에 얻어진 것이다.
CEB공정의 온도가 60℃일때 데이타 역시 참고로 표 1에 나타나 있다.
1회 현상을 행하는 종래의 현상법에 따라 얻어진 데이타 역시 표기되어 있다.
Dev (1) : 제1회 현상시간(초)/제2회 현상시간(초)
DEB (2) : 처리의 온도(℃)
DOF (3) : 형상의 포커스 마진(㎛)
DOF (4) : 치수의 포커스 마진(㎛)
〈5〉: 일회의 현상과정으로 레지스트 패턴을 완성시키는 종래의 방법(현상시간 60초)
〈6〉: 상이 없음
표 1로부터 노광 에너지(E/E)의 마진과 형상과 치수의 포커스마진이, 제1회 현상시간이 10초이고 제2회 현상시간이 50초일때 최고인 것을 알 수 있다.
실험을 통하여는 제1회 현상과정이 전체 현상시간의 적어도 1/10을 필요로 한다는 것을 알 수 없다. 만약 제1회 현상과정의 시간이 전체 현상과정의 1/10 이하를 차지한다면, 패턴(2)은 제5(b)도에서와 같이 적절하게 형성되지는 않을 것이다.
제5(a)도는 패턴(2)이 양호하게 형성된 반도체 장치의 단면도이다.
만약 제1회 현상과정의 시간이 전체 현상시간의 1/2 이상이면, 표 1에서와 같이 상이 형성되지 않는다.
따라서 제1회 현상과정의 시간은 전체 현상시간의 1/10~1/2인 것이 바람직하다.
제6도는 다양한 CEB온도에 따른 초점 오프셋과 노광 에너지 마진(E/E)과의 관계를 나타낸다.
제1회 현상과정에서는 현상이 10초동안 이루어지고 제2회 현상과정에서는 50초동안 이루어진다.
평가 패턴은 0.4㎛ L/S이다.
85℃, 100℃, 120℃의 세가지 온도가 CEB노도로서 선택되었다.
제6도는 또한 종래의 방법(CEB과정이 없는 방법)에 따라 얻어진 데이타를 나타낸다.
제7도는 횡축을 따라서는 CEB온도를, 종축을 따라서는 E/E값을 가진다.
제6도와 제7도로부터, CEB온도가 100℃일때 E/E가 최대값을 갖는다는 것은 분명하다.
또한 CEB온도의 바람직한 범위는 85~120℃임을 알 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제8도에서와 같이, 반도체 기판의 표면에 단차가 있는 경우에는, 초점이 적당한 부분 A 뿐만 아니라, 초점밖의 부분 B, C에서도 양호한 레지스트 패턴(4)이 형성된다.
이것은 본 발명에 의하면 초점심도가 증가된다는 것을 의미한다.
제9, 제10도는 각 조사량에 대하여 레지스트 치수가 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 그레프이다.
조사량(조사시간 ms에 의하여 표시되고, 조도는 500mW/㎠이다)과 포커스 오프셋(㎛)은 0.4㎛ L/S패턴에 대하여 매트릭스 변화된다.
이 도면에서, 조사량은 상측 곡선으로부터 하측곡선이 향하는 방향으로 증가한다.
제9도는 현상 시간이 60초인 종래의 현상과정에 따른 결과를 나타낸다.
0.40㎛L/S의 패턴이 선택되었다.
제10도는 본 발명의 방법에 따라 행하여진 결과를 나타내는데, 여기서 제1회와 제2회의 현상시간은 각각 10, 50초이고, CES 온도는 100℃이다.
0.40μmL/S의 패턴이 선택되었다.
제9, 제10도에서 종축은 레지스트 치수율, 횡축은 포커스 오프셋 값을 나타낸다.
조사량이 적을 때, 레지스트 치수는 포커스 오프셋에 대하여 상당한 레벨의 추이를 나타낸다.
레지스트 치수는 조사량이 증가함에 따라 포커스 오프셋에 대하여 적은 레벨의 추이를 나타낸다.
포커스 오프셋에 대한 치수 추이는 조사량이 적을 때 U-형상 추이를 나타낸다.
이것은 초점이탈에 의해 라인 앤드 스페이스가 이어질 가능성이 있음을 의미한다.
반대로, 조사량이 많을 때, 포커스 오프셋에 대한 치수는 볼록형 추이를 나타낸다.
이것은 초점이탈에 의해 라인 앤드 스페이스가 단선된 것을 의미한다.
종래의 현상법에 의하면 마스크 설계치(0.4μmL/S)대로 레지스트 치수를 얻기 위하여는, 조사량이 550ms 정도일 때 치수의 포커스 마진(레지스트 치수:0.40μm~0.05μm)이 -0.3μm~+0.6μm(범위:0.9μm)임을 제9도에서 알 수 있다.
본 발명에서는, 치수의 포커스 마진은 제10도의 575ms~600ms의 중간정도의 조사량에서 추정하여보면, -0.7μm~+0.9μm(범위:1.6μm)이다.
본 발명에 따르면 0.7μm의 포커스 마진이 증가한다.
또한 조사량이 더 큰 볼록형에서 포커스 마진이 증가됨을 알 수 있다.
본 발명은 베이스 폴리머를 상기 실시예에서 설명된 노보락 수지로 제한하지 않는다.
제11도를 참조하면, 모노머군(a)에 속하는 페놀(11), 크레졸(12), 레조르시놀(13), 메틸 레조르시놀(14), 크시레놀(15), 카테콜(16), 히드로퀴놀(17), 플로토글리신(18), 1,2,4-벤젠트리올 중에서 선택하는 모노머와, 모노머군(b)에 속하는 포르말린(20), 아세트 알데히드(21), 아세톤(22), 벤조 알데히드(23) 중에서 선택하는 공중합 모너머와의 공중합체도 사용될 수 있다.
상기 실시예에서 나프트퀴논 다이아지드 유도체가 감광제로서 예시되었다.
더욱 상세하게는, 감광제로는 1,2-나프로퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르(24), 1,2-나프로퀴논 다이아지드-5-술폰산 에스테르(25), 2,1-나프로퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르(26), 2,1-나프로퀴논 다이아지드-5-술폰산 에스테르(27)가 감광 모체(29)에 결합되어 사용될 수 있다.
또한, 1,2-벤조퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르(24)가 감광모체(29)에 결합되어 감광제로 사용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법에 의하면, 레지스트막은 알칼리 현상액을 사용하여 중도까지 현상되고 그 뒤 열처리(CEB)된다.
이 열처리과정은 레지스트막의 표면과 레지스트막의 표면에 잔존하는 알칼리 현상액과의 화학반응을 야기시켜, 용해 촉진층을 노광 영역에 형성하고, 난용화충을 미노광 영역에 형성한다.
그 결과, 초점심도 및 노광 에너지 마진이 증가될 수 있다.
또한 해상도가 향상된다.
비록 본 발명이 상세히 설명되었지만, 동일한 것이 상기 설명과 예시를 대신할 수 있어, 이에 한정되지 않고 본 발명의 정신과 영역은 오직 첨부된 특허청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (8)

  1. 미세 레지스트 패턴을 형성하는 방법이, O-퀴논 다이아지드 화합물을 가지는 감광제와, 수산기 및 방향환을 가지는 폴리머와를 포함하는 레지스트막(2)을 반도체 기판(1)위에 형성하는 공정과, 레지스트막에 화상을 형성하도록 상기 레지스트막(2)에 광을 선택적으로 조사하는 공정과, 상기 레지스트막(2)이 알칼리 현상액을 사용하여 중도까지 현상되는 제1회 현상공정과, 상기 중도까지 현상된 레지스트막(2)을, 상기 레지스트막(2)의 표면과 상기 레지스트막(2)의 표면에 잔존하는 알칼리 현상액 사이에 화학반응이 일어나도록 열처리하는 공정과, 상기 열처리된 레지스트막(2)이 다시 알칼리 현상액을 사용하여 현상되어 레지스트 패턴(4)을 완성하는 제2차 현상공정과를 포함하는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 O-퀴논 다이아지드 화합물이 1,2-벤조퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르, 1,2-나프로퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르, 1,2-나프로퀴논 다이아지드-5-술폰산 에스테르, 2,1-나프로퀴논 다이아지드-4-술폰산 에스테르 및 2,1-나프로퀴논 다이아지드-5-술폰산 에스테르중에서 선택되는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리머가 노보락 수지를 포함하여 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리머가 페놀, 크레졸, 레조르시놀, 메틸 레조르시놀, 크리세놀, 카테콜, 히드로퀴논, 플로로그리신 및 1,2,4-벤젠트리올 중에서 선택되는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1회 현상과정이 레지스트 패턴(4)을 완성하는데 최소한으로 필요한 현상시간 1/10~1/2의 시간동안 행해지므로 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 화학반응을 행하기 위한 상기 열처리가 85℃~120℃의 온도에서 행하여지는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광조사 과정 이후 상기 제1회 현상과정 이전에 상기 레지스트막(2)을 100℃~130℃에서 열처리하는 공정을 또한 포함하는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1,2차 현상 과정이 퍼들법에 의하여 행하여지는 미세 레지스트 패턴 형성방법.
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