KR0177869B1 - 고해상도 포토리소그래피 방법 및 구조 - Google Patents

Abstract

집적회로와 집적회로장치의 제조에 이용되는 무반사 코팅(116)은 크롬산화물(CrO) 또는 크롬아산화물(CrO_X)의 막을 구비한다(여기서, X1). 광이 고반사층(114)에 인가될때, 무반사층은 정재파와 포토레지스트층(118)의 지형적인 노칭을 감소시킨다. 고반사층은 알루미늄 또는 금과 같은 금속, 실리사이드, 또는 실리콘과 같은 반도체일 수 있다. 이들 코팅은 스퍼터링실내의 산소의 부분압으로 크롬 타겟의 반응 스퍼터링에 의해 형성된다. 무반사층은 파(波)정합보다 흡수에 의해 작동한다. 이 무반사층은 양호한 접착력을 나타내며, 장치에 집적될 수 있다. 장치에 무반사층을 집적시키는 것은 하부층의 응력을 감소시킬 수 있고 수율과 신뢰성을 개선시킨다.

Description

고해상도 포토리소그래피 방법 및 구조

제1a도 내지 제1c도는 무반사 코팅이 반사층과 포토레지스트층 사이에 있는 본 발명의 일실시예를 나타내는 개략도.

제2a도 내지 제2c도는 무반사 코팅이 패턴된 반사층 위의 유전체층과 포토레지스트층 사이에 있는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

114, 214 : 반사층 116, 226 : 크롬산화물/아산화물층

118, 228 : 포토레지스트층 222 : 유전체층

본 발명은 반도체 집적회로 제조방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반사층의 고해상도 포토리소그래피 방법을 제공하는 것이다.

포토리소그래피는 집적회로 또는 집적회로장치의 제조에 사용되는 일반적인 공정이다. 이들 장치는 다양한 공정 단계를 거쳐 반도체 웨이퍼상에 형성된다. 이들 공정 단계가 웨이퍼상에서 수행되어 예를 들어, 절연물질, 금속, 실리콘 등의 얇은 층위의 패턴을 이용하여 집적회로소자를 형성한다.

일반적으로, 이들 포토리소그래피 기술은 얇은 층위의 패턴을 형성하기 위하여 사용되는 순차적인 단계이다. 이들 단계는 종종 포토레지스트라 칭하는 감광성 물질의 층을 웨이퍼의 표면에 인가하는 단계와, 패턴 마스크 또는 포토마스크를 통해 포토레지스트의 부분을 노출시키는 단계를 포함한다. 포토마스크는 일반적으로 한쪽면에 화상과 같은 패턴을 갖는 유리판이다. 패턴되는 쪽을 포토레지스트층에 인접한 곳 또는 때때로 그 위에 위치시켜 마스크로부터 포토레지스트로 패턴을 정확하게 이동시킨다.

특수 램프는 포토레지스트층을 노광하는데 사용된다. 일반적으로, 이 램프는 우수한 단파장의 광을 발생시킨다. 소망하는 광의 양이 포토레지스트상에 조사되도록 노광이 조절된다. 너무 많거나 너무 적은 광은 나쁜 노광을 초래할 수 있다. 램프는 또한 마스크에 수직으로 광을 조사하여 마스크상의 패턴을 포토레지스트에 정확하게 재생산하도록 한다. 기울어져 입사된 광은 패턴 마스크의 음영 영역 아래의 노광되지 않아야 할 포토레지스트를 노광시킬 수 있다.

노광후에, 포토레지스트를 현상한다. 일반적으로, 웨이퍼를 용제욕에 담가 불필요한 포트레지스트를 세척한다. 포토레지스트가 포지티브형이면, 마스크의 음영 영역 아래의 포토레지스트는 남고 광에 노출된 레지스트의 영역은 씻겨 나간다. 이것은 마스크상의 패턴, 즉, 마스크 패턴의 포지티브 영상과 마찬가지로 포토레지스트에 패턴을 형성시킨다. 포토레지스트가 네가티브형이면, 광에 노출된 영역은 남고, 음영 영역은 씻겨 나간다. 이것은 마스크상에 패턴가 반대로 포토레지스트의 패턴을 형성시킨다.

포토레지스트의 패턴은 에칭 또는 다른 공정에 의해 웨이퍼상에 하부층으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼를 화학 욕에 담가 포토레지스트에 의해 보호되지 않는 층의 노출된 부분을 용해시킨다. 그 목적은 마스크상의 패턴과 유사한 패턴을 웨이퍼상에 형성하는 것이다.

층에서 반사하는 광이 포토레지스트를 부분적으로 노광시키기 때문에 고반사층상에 정확한 패턴을 형성하는 것이 어렵다. 고반사층은 알루미늄 또는 금과 같은 금속, 실리콘과 같은 반도체, 또는 실리콘과 금속의 합금인 실리사이드의 층을 포함한다. 반사된 광의 양은 넓은 음영을 형성하는 두꺼운 선보다 협소한 음영을 형성하는 얇은 선을 노출시키는데 상대적으로 큰 영향을 주므로 패턴이 미세해질수록 이 문제는 중요하게 된다. 고반사층 위의 무반사 코팅은 포토레지스트 패턴의 해상도와 반사층의 패턴의 정밀도를 개선시킬 수 있다.

포토리소그래피 공정을 개선하기 위하여 반사 표면상에 무반사코팅을 형성하는 방법이 많이 제안되어 왔다. 광 흡수 염료로 폴리이미드를 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이 방법은 제어하기 어려운 몇 개의 공정을 필요로 한다. 또한, 폴리이미드 코팅은 노출된 패턴의 정밀도를 보존하기 위하여 얇아야 한다. 그러나, 얇은 층은 광을 덜 흡수한다. 그러므로, 폴리이미드층의 두께는 일반적으로 양호한 광 흡수와 양호한 패턴 해상도를 절충하여 결정되어야 한다. 이 폴리이미드층은 또한 일반적으로 웨이퍼 공정을 행하기 전에 제거된다.

질화티탄(TiN) 또는 이산화티탄(TiO₂)과 같은 복합 티탄의 코팅을 금속층의 위에 형성하여 정재파를 억제하는 다른 방법이 있다. 이 방법은 코팅의 두께와 포토레지스트를 노광시키는 데 사용되는 광의 파장의 정확한 매칭에 의존한다. 그러나 유전체층의 증착의 정확한 제어가 어려울 뿐만 아니라 그러한 무반사층은 특수 파장의 광을 이용하여 포토레지스트를 노광시켜야 한다. 하나의 광원에 사용되는 코팅된 기판이 다른 광원에 노출되었을 경우에는 불량하게 수행된다.

이 방법의 다른 문제점은 복소 굴절율의 실수부와 비교하여 복소 굴절율의 허수부가 0은 아니지만 작은 물질을 사용하여야 한다는 것이다.(참조 : H. A. M. van den Berg 와 J. B. van Staden, 포토리소그래피용 금속층 위의 무반사 코팅, J. Appl. Phvs., 50(3) 1979년 3월)이 필수 요건은 소망하는 물질의 목록을 한정한다. 크롬산화물(Cr₂O₃)은 Cr, Fe, Ni과 같은 다커(darker) 반사기(약 0.4의 정재파비를 발생)위의 무반사에 사용되고, Al과 같은 브라이터(Brighter) 반사기(약 0.9의 정재파비의 발생)에 최적한 것은 아니다. 이것은 Cr₂O₃는 굴절율의 허수부가 0이기 때문이다.

노광 파장과 층 두께를 정밀하게 정합하는 것에 의존하지 않는 무반사층을 형성하기 위한 다른 물질과 기술은 유용한 개선점을 갖는다. 포토리소그래피의 개선된 기술을 쉽게 적용하여 미세한 선을 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명은 반사 표면과 포토레지스트층 사이에 흡수성과 무반사층을 설치함으로써 집적회로 구조를 제조하는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 무반사 코팅은 알루미늄과 실리사이드와 같은 반사층 위에 크롬산화물(CrO)및/또는 크롬아산화물(CrO_X여기서, 0X1)을 형성함으로써 성취된다. 본 발명은 유전체 물질의 1/4파장층보다 무반사층의 두께의 변화에 덜 민감하다. 본 발명은 포토리소그래피후에 반도체장치로부터 제거될 필요가 없다. 장치 구조에 CrO_X층을 삽입함으로써 금속 또는 실리사이드층에 응력을 감소시킨다. 또한, CrO_X층은 장치에 남아 있을 수 있으므로, 유기 무반사층을 제거하기 위하여 필요한 공정 단계가 본 발명에서는 필요하지 않다.

따라서, 본 발명의 한 형태에 의하면, 무반사층은 산소의 부분압으로 아르곤 대기하에서 크롬이나 크롬 합금을 반응 스퍼터링함으로써 형성된다. 반응 스퍼터링에 의한 크롬산화물의 형성은 층의 화학량론적 구성이 변화하는 것을 허용한다. CrO_X층에 의한 광의 흡수는 CrO_X층의 화학량론적 구성에 의해 변화하므로, 반사층으로부터 포토레지스트층으로의 반사가 조정된다.

본 발명의 특징과 이점을 이해하기 위하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1a도는 본 발명의 일실시예의 단면도이다. 제1a도는 상부에 유전체층(112)을 갖는 기판(110)을 나타낸다. 기판은 반도체, 세라믹, 또는 다른 물질일 수 있지만, 실리콘이 바람직하다. 물론, 응용에 따라서 다른 기판이 이용될 수도 있다.

유전체층은, 예를 들어, 이산화규소, 질화규소 등의 절연물질을 사용할 수 있다. 절연층은 화학 증기 증착(CVD)법, 열적 성장법, 스퍼터링, 또는 다른 잘 알려진 방법을 이용하여 형성된다. 바람직하게는, 유전체층은 이산화규소이다.

금속/실리사이드층(114)이 유전체층 위에 형성된다. 금속/실리사이드층은 알루미늄, 알루미늄 구리 합금, 또는 다른 알루미늄 합금과 같은 금속, 또는 금일 수도 있다. 그러한 층들은 60% 내지 90%의 범위, 특히, 80%의 반사성을 갖는다. 금속층은 증착, 스퍼터링 또는 CVD법에 의해 형성된다. 물론, 응용에 따라 다른 금속이 사용될 수 있다.

다른 방법으로, 금속/실리사이드층이 금속-실리콘 합금인 실리사이드일 수도 있다. 그러한 층은 50% 내지 70%의 범위, 특히, 60%의 반사성을 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 층(114)은 실리사이드의 금속 성분이 코발트, 하프늄, 니오븀, 니켈, 팔라듐, 백금, 탄탈, 티탄, 텅스텐 또는 지르코늄과 같은 내화물 또는 귀금속인 실리사이드이다. 실리사이드층을 형성하기 위하여 합금되는 바람직한 금속은 티탄이다. 금속층 위에 실리사이드층을 형성하는 것이 실리사이드층이 일반적으로 950℃까지 올라가는 후속 공정에서 고온에 잘 견디며 손상이 없는 이점이 있기 때문이다. 알루미늄을 함유하는 웨이퍼는, 예를 들어, 400℃ 이하에서 유지되어야 한다. 실리사이드층은 또한 일반적으로 폴리실리콘층보다 낮은 면적 저항률을 가지므로 기술의 다른 분야에서는 금속층을 대신하여 사용된다.

일실시예에서는, 실리사이드층이 동시 증착(co-evaporation), 동시스퍼터링(co-sputtering)또는 복합 스퍼터링 타겟의 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다. 실리사이드층을 형성하는 바람직한 기술은 복합 스퍼터링 타겟의 스퍼터링이다. 동시 증착과 동시에 스퍼터링은 소망하는 합금의 두성분이 분리된 소오스로부터 동시에 증착되고 스퍼터링되는 공정을 말한다. 복합 타겟으로부터 스퍼터링은 소망의 실리사이드의 두성분, 실리콘과 적당한 금속을 함유하는 단일 스퍼터링 타겟을 포함한다.

실리사이드층을 형성하는 다른 방법은 유전체층 위에 실리콘을 증착하고, 소망의 합금되는 금속, 예를 들어, 상술한 내화물 또는 귀금속중의 하나를 증착하고, 바람직하게는, 증착된 실리콘 위에 티탄을 증착하는 방법이 있다. 다음의 소결 단계는 증착된 실리콘과 금속을 결합하여 실리사이드 합금을 형성한다. 소결은 증착된 실리콘과 증착된 금속으로부터 실리사이드층을 형성하는 고체 상태 반응이 일어나는 충분한 온도로 기판을 가열하는 것을 포함한다. 소결 공정은 종종 실리사이드으의 수축에 의해 금속/실리사이드층과 유전체층의 접착에 영향을 주는 잔류 응력을 남긴다.

금속이나 실리사이드층을 형성한 후에, 금속/실리사이드층 위에 크롬산화물층(116)을 형성한다. 이 경우, 크롬산화물층의 의미는 화학량론적 CrO 와 아산화물(CrO_X)을 포함하는데, 여기서, X는 0보다 크고 1보다 작은 것을 말한다. 크롬산화물층은 크롬산화물층(Cr₂O₃)과 별개인 다른 화합물이어야 한다. 크롬산화물층(Cr₂O₃)은 크롬 이온이 +3가인 크롬의 산화물이다. CrO의 크롬이온은 +2가로 환원한 것이지만, 크롬은 -2로부터 +6의 다가이다. 그러므로, CrO_X막의 각각의 크롬 이온은 +2가를 갖지 않을 수도 있다. 일반적으로, 크롬산화물층은 평균적으로 크롬 이온이 +2가인 상태에서 크롬 원자당 산호 원자가 1개 미만이다. 그러므로, 크롬산화물과 크롬아산화물을 표현하기 위하여 편의상 CrO_X를 사용한다.

바람직한 실시예에 있어서, CrO_X층은 기체를 함유하는 산소(O₂)의 부분압으로 일차 스퍼터링 기체로서 아르곤을 이용하여 크롬 타겟(target)으로부터 반응 스퍼터링에 의해 형성된다. 아르곤의 바람직한 압력은 3mTorr이다. 바람직한 타겟은 크롬이다. 스퍼터링의 속도는 10Å/초 내지 20Å/초이고, 바람직하게는, 15Å/초이다. 스퍼터링 기체중 산소는 스퍼터링되는 크롬가 반응하여 금속/실리사이드층의 표면에 크롬산화물층을 형성한다. 그러한 시스템에 있어서, 바람직한 산소 유동 속도는 40sccm이지만, 상황에 따라 30sccm 내지 50sccm도 가능하다. CrO_X층의 두께는 100Å 내지 500Å의 범위내에 있으며, 바람직하게는 300Å가 좋다. 스퍼터링 공정중에 스퍼터링실내에 허용되는 부분압으로 표시되는 산소의 양을 변화시킴으로써 증착된 크롬산화물층의 화학량론을 제어할 수 있다. Cr:O의 비는 1:1 내지 1:0.25이며, 바람직한 비는 1: 0.85이다.

CrO_X층의 광흡수성은 층내의 Cr과 O의 화학량론적 비에 의존하며, 300Å의 두께를 갖고 Cr:O의 비가 4:1 내지 4:3인 CrO_X층의 흡수는 40% 내지 92%까지 변화한다. 그러므로, 스퍼터링 공정중에 스퍼터링실내에 허용되는 기체를 포함하는 산소의 양을 변화시킴으로써 CrO_X층의 흡수성을 조정할 수 있다.

크롬산화물층의 목적은 금속/실리사이드층의 표면으로부터 반사성을 감소시키기 위한 것이다. 이거은 노광원(도면 표시 생략)으로부터 조사된 광(120)이 포토마스크(122)를 통과하고 금속/실리사이드층을 반사할 때 광학적인 정재파와 포토레지스트층(118)의 지형적인 노칭을 감소시킨다. 상술한 바와 같이, 고반사층과 포토레지스트층 사이에 CrO_X무반사층을 삽입함으로써 정재파를 50%까지 감소시킬 수 있다. 본 발명의 특징은 1900Å 내지 5000Å의 노광 파장에서 잘 작동되며, 바람직하게는, 노광 파장이 3650Å이다.

CrO_X층이 금속/실리사이드층으로부터 포토레지스트층으로 반사된 광의 양을 감소시키는 방법은 3가지 있다.

첫째, CrO_X층은 노광원으로부터 금속/실리사이드층으로 전달되는 광을 어느 정도 흡수한다. 이것은 반사될 수 있는 금속/실리사이드층에 도달하는 광의 양을 감소시킨다.

둘째, 반사된 광은 포토레지스트층으로 되돌아오는 길에 CrO_X층을 통과해야 한다. 이것은 금속/실리사이드층을 반사하여 되돌아오는 광의 양을 감소시킨다.

셋째, 일반적으로, 포토레지스트층의 굴절율이 1.65-j0.02인 것과 반대로, CrO_X층의 굴절율이 3.47-j3.83로부터 1.39-j0.88로 변화하기 때문에, 약간의 광이 CrO_X-포토레지스트 계면으로부터 반사된다. 이것은 더욱 금속/실리사이드층에 도달하여 반사되는 광의 양을 감소시킨다. 금속/실리사이드층의 표면으로부터 반사된 광을 감소시킴으로써 광학적인 정재파와 포토레지스트층의 지형적인 노칭을 감소시킨다.

포토레지스트에는 포지티브 포토레지스트 또는 네거티브 포토레지스트가 사용된다. 바람직한 형태의 포토레지스트는 DNQ/Novolac 형태이다. 제1b도는 무반사 코팅층상의 현상된 포지티브 포토레지스트층을 표시한다. 포토레지스트를 현상하기 위하여 표준 공정을 사용할 수도 있다. 현상 공정은 포토마스크상의 패턴에 따라서 포토레지스트층에 패턴을 형성시킨다.

제1c도는 당업자에게 공지된 후속 공정 과정을 수행한 후의 집적회로 구조를 표시한다. 이 후속 공정에서는 포토레지스트 층에 형성된 패턴에 따라서 CrO_X및 금속/실리사이드층을 에칭한다. 후속 공정은 집적회로 구조로부터 포토레지스트층을 제거한다. 특히 주목할 것은 패턴된 금속/실리사이드층상에 CrO_X이 남게 된다는 것이다.

실리사이드와 폴리사이드층은 형성 또는 소결후에 종종 수축된다. 이러한 수축은 실리사이드층 또는 폴리사이드층에 높은 잔류 응력을 유발시킨다. 이러한 응력에 의해, 상기 층에 크랙이 형성되거나 하부의 유전체층으로부터 층이 분리될 수 있다. 회로 구조내에 CrO_X층을 집적시킴으로써 실리사이드층 또는 폴리사이드층내의 잔류 응력을 줄일 수 있으며, 회로의 신뢰성과 수율을 개선시킬 수 있다.

제2a도는 무반사 코팅층인 CrO_X의 또 다른 실시예 단면도이다. 본 실시예에서, 패턴된 금속/실리사이드층(214)은 반도체 기판(210)상에 형성되며, 바람직하게는 실리콘상에 형성된다. 제2a도는 패턴된 금속/실리사이드층을 표시하지만, 당업자들은 금속/실리사이드층에 패턴되지 않아도 된다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 즉, 기판을 완전히 도포할 수도 있다. SiO₂와 같은 유전체층(222)은 금속/실리사이드 층과 기판을 도포한다. SiO₂층의 두께는 20000Å 내지 30000Å이다. 상술한 것처럼, 무반사 CrO_X층(226)은 유전체층의 상부에 형성된다. CrO_X층의 바람직한 두께는 300Å이고 Cr : O의 바람직한 화학량론적 비는 4 : 3 이다. 포토레지스트 층(228)이 CrO_X층의 상부에 형성된다.

노광원(도면표시 생략)에서 나오는 광은 포토마스크(230)를 통과하여 포토레지스트층을 노광시킨다. 제2b도는 표준 공정에 의하여 포토레지스트층을 현상한 후의 구조 단면도이다. 제2c도는 표준 리소그래피 공정에 의하여 CrO_x층과 유전체층이 형성된후 구조 단면도이다. SiO₂층에 대한 CrO_X층의 우수한 접착성은 집적 회로 구조로의 병합을 가능하게 한다.

CrO_X은 종래 기술의 무반사 코팅보다 개선된 무반사 코팅이다. 코팅의 흡수성은 무반사 코팅을 야기시키며, 그 유용성은 종래 기술의 코팅보다 코팅의 두께 또는 노광원으로부터의 광 파장에 덜 민감하다는 것이다. 또한, 종래의 코팅으로는 장치 구조로 집적시키는데 어려움이 있었다. 이러한 코팅을 제거하기 위해서는 또 다른 공정 단계가 필요하였다. CrO_X무반사 코팅은 장치 구조로의 집적이 가능하다. 이는 공정 단계를 감소시킨다. 또한, CrO_X층은 하부층내의 응력을 제거하는 역할을 하며, 따라서 신뢰성과 수율이 개선된다.

이상은, 소정 실시예에 대하여 설명을 하였지만, 다양한 변형과 또 다른 대체 구조와 그외의 유사한 것이 사용될 수 있다. 예를 들면, 위의 설명은 포지티브 포토레지스트를 사용하는 경우를 기술하였지만, 네거티브 포토레지스트의 사용도 가능하다. 이와 유사하게, 상기 설명은 반도체 회로상의 반사층에 관한 것이지만, 예를 들어 사파이어상에 박막 회로를 형성하기 위하여 무바사 코팅층을 사용하여도 비슷한 이점을 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 기판상에 배치된 반사층상에, 크롬 산화물/아산화물을 포함하며, 크롬원자 대 산소원자의 화학량론적 비가 약 1:1과 약 4:1 사이인 비를 가지는 무반사층을 형성하는 단계; 상기 무반사층상에 패턴된 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 패턴된 포토레지스트층에 상기 무반사층과 상기 반사층에 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 패턴된 무반사층과 상기 반사층이 남도록 상기 패턴된 포토레지스트층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 배치된 반사층상에 패턴을 형성하는 포토리소그래피방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사층은 알루미늄, 알루미늄합금, 실리사이드 및 폴리사이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 무반사층의 형성은 반응 스퍼터링에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피방법.
4. 기판상에 배치된 반사층상의 유전체층상에, 크롬 산화물/아산화물을 포함하며, 크롬원자 대 산소원자의 화학량론적 비가 약 1:1 과 약 4:1 사이인 비를 가지는 무반사층을 형성하는 단계; 상기 무반사층상에 패턴된 포토레지스트층을 형성하는 단계; 상기 패턴된 포토레지스트층에 따라 상기 무반사층과 상기 유전체층에 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 패턴된 무반사층과 상기 유전체층이 남도록 상기 패턴된 포토레지스트을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판상에 배치된 반사층상의 유전체층상에 패턴을 형성하는 포토리소그래피방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 유전체층이 SiO₂인 것을 특징으로 하는 포토리소그래피방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 반사층이 알루미늄, 알루미늄합금, 실리사이드 및 폴리사이드로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 무반사층의 형성은 반응 스퍼터링에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 포토리소그래피방법.