KR100244516B1 - 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

포토 레지스트를 사용하여 반도체 기판상에 레지스트 패턴을 형성시킨 후, 상기 반도체 기판을 건조시킬 때, 상기 반도체 기판상에 물반점이 형성되는 것을 방지시킬 수 있는 패턴의 형성 방법이 개시되어 있다. 반도체 기판상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막상에 레지스트 패턴을 형성한다. 상기 레지스트 패턴을 자외선에 노출시켜 상기 레지스트 패턴의 표면부위의 소수성을 감소시킨 후, 상기 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 레지스트 패턴에 의하여 노출된 절연막의 일부를 습식 식각한다. 레지스트 패턴의 표면으로부터 탈이온수가 탈수되는 시간이 길어지고, 상대적으로 반도체 기판은 레지스트 패턴에 비하여 소수성을 갖게 되어 반도체 기판상에 잔류하는 탈이온수의 탈수시간은 레지스트 패턴상에서의 탈수시간보다 짧아지게 된다. 따라서, 반도체 기판의 표면상에 존재하는 탈이온수를 용이하게 제거할 수 있다.

Description

패턴 형성 방법

본 발명은 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 장치의 절연층 형성후 반도체 기판을 건조 시킬 때, 상기 반도체 기판상에 물반점이 발생되는 것을 방지시키기 위한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 기판상에 적층된 절연층은 마스크를 형성하기 위한 포토리쏘그래피 공정과 습식 식각 공정, 또는 건식 식각 공정에 의하여 소정 형상으로 패터닝된다.

도 1a 내지 도 1b는 종래의 습식 식각 공정을 사용하여 반도체 기판상에 패턴을 형성시키는 방법을 나타낸다.

도 1a를 참조하면, 먼저 반도체 기판(10)상에 산화 실리콘과 같은 절연 물질을 소정 두께로 증착하여 절연층(12)을 형성하고, 상기 절연층(12)상에 포토 레지스트를 스핀도포법에 의해 도포하여 포토 레지스트 막(14)을 형성한다. 다음에, 상기 포토 레지스트 막(14)을 프리 베이킹(Pre-Bake)공정을 거쳐서 통상적인 사진 공정에 의하여 일정한 패턴을 갖는 마스크를 사용하여 노광한 후 현상하여 상기 절연층(12)의 식각될 부위를 노출하는 개구부(16)를 형성한다. 다음에, 상기 레지스트 패턴(14)을 하드 베이킹(Hard-Bake)공정을 거쳐서 레지스트 패턴(14)의 내에칭성(etch resistance), 접착성(adhesion)을 증가시키고, 잔류 용매를 제거한다.

다음에, 도 1b를 참조하면, 상기 개구부(16)가 형성되어 있는 레지스트 패턴(14)을 식각 마스크로 사용하고, 불화수소를 포함하는 식각액인 BOE(Buffered Oxide Etchant: NH₄F:HF=6:1(부피비)의 혼합물)을 사용하여, 상기 절연층(12)을 습식 에칭하면, 상기 개구부(16)에 의해 노출된 절연층(12)의 일부가 제거되어 절연층 패턴(12A)이 형성된다. 이후에, 탈이온수를 사용하여 상기 반도체 기판(10)을 세정(rinse)한 후, 상기 반도체 기판(10)을 건조기내에 넣어서 건조 공정을 수행하여 잔류하는 탈이온수를 제거한다. 다음에, 잔류하는 레지스트 패턴(14)을 스트립핑(striping)하여 제거한다.

이와 같이, 레지스트 패턴(14)을 에칭 마스크로 사용하여 절연막(12)을 패터닝하고 나서 패터닝할 때, 레지스트 패턴(14)이 잔류하고 있는 반도체 기판(10)을 탈이온수내에 담근 후, 탈이온수를 탈수시킬 때, 탈이온수의 일부가 상기 반도체 기판(10)상에 부분적으로 잔류하게 된다. 제2도는 탈이온수의 탈수시에 절연막 패턴(12A)간의 노출된 반도체 기판(10)상에 존재하는 잔류하는 탈이온수(18)를 나타낸다.

상기 탈이온수(18)는 후속하는 건조 공정에 의하여 제거되지만, 잔류하는 탈이온수에 의해 반도체 기판상에는 물 반점(water marks)이 형성된다. 게이트 산화막을 형성하기 전에 형성된 물 반점은 오염 물질로 구성되어 있고, 이러한 물반점은 열산화에 의한 게이트 산화막을 형성할 때, 산소의 공급원으로서 작용하여 국부적으로(locally) 산화막을 두껍게 형성하여 반도체 장치의 전기적 실패(electrical failure)의 원인이 된다.

상기와 같은 물 반점이 형성되는 이유로서는 반도체 웨이퍼상의 실리콘 습윤성(Wettablity of Silicon)에 의존한다고 보고되어 있다(문헌: Effect of Drying Methods and Wettability of Silicon on the Formation of Water Marks in Semiconductor Processing by Jin-Goo Park and Michael F. Pas, J. Electrochem. Soc., Vol. 142, No, 6, pp2028-2031). Park 등에 의하면, 친수성 웨이퍼는 스핀 건조 방법이든, Vapor 건조 방법이든 드라이 방법에 관계없이 물반점을 형성하지 않는 반면, 소수성 웨이퍼를 스핀 건조하는 경우에는 다량의 물반점이 형성된다. 균일한 친수성 표면을 갖는 웨이퍼나 소수성 표면을 갖는 웨이퍼는 후속하는 Vapor 건조시에 물반점이 형성되지 않은 반면에, 소수성 및 친수성 표면 부위 모두를 갖는 웨이퍼는 패턴 공정후에 IPA(Isopropanol Alcohole) Vapor 건조 공정후에도 물반점을 형성한다. 즉, 건조시에 균일하게 물을 제거할 수 있는 친수성 표면을 갖는 웨이퍼는 물반점을 형성하지 않고 실리콘의 습윤성에 차이가 많은 웨이퍼는 다수의 물반점을 형성한다. 따라서, 웨이퍼 표면의 습윤성의 차이는 물반점의 형성에 중요한 역할을 한다.

게이트막 형성시에 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 습식 식각하는 공정이 가장 널리 사용된다. 플루오르화수소를 사용한 습식 식각 공정에 의해 식각 공정에 노출된 반도체 기판이나 절연막의 표면은 높은 소수성(high hydrophobicity)을 갖게 된다.

포토 레지스트를 사용하여 형성된 레지스트 패턴은 유기 물질로 구성되어 있어서 소수성을 갖는다. 이러한 소수성을 갖는 레지스트 패턴과 소수성으로 변화된 반도체 기판이나 절연막의 표면간에는 소수성의 차이가 있고, 이에 의해 물반점이 형성되는 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 포토 레지스트를 사용하여 반도체 기판상에 소정 형상의 레지스트 패턴을 형성시킨 후, 상기 반도체 기판을 건조시킬 때, 상기 반도체 기판상에 물반점이 형성되는 것을 방지시킬 수 있는 패턴의 형성 방법을 제공하는 데 있다.

도 1a 내지 도 1b는 종래의 습식 식각 공정을 이용하여 반도체 기판상에 패턴을 형성시키는 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 2는 도 1a 및 도 1b에 도시한 방법의 수행중에 탈이온수의 탈수시에 절연막 패턴간의 노출된 반도체 기판상에 존재하는 잔류하는 탈이온수를 나타낸다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10, 110 : 반도체 기판 12, 112 : 절연층

12A, 112A : 절연층 패턴 14, 114 : 포토 레지스트막

16, 116 : 개구부 18 : 탈이온수

150 : 자외선

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

반도체 기판상에 레지스트 패턴을 형성하는 단계;

상기 레지스트 패턴을 자외선에 노출시켜 상기 레지스트 패턴의 표면 부위를 친수성화시키는 단계; 그리고

상기 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 레지스트 패턴에 의해 노출된 반도체 기판을 습식 식각하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

반도체 기판상에 절연막을 형성하는 단계;

상기 절연막상에 레지스트 패턴을 형성하는 단계;

상기 레지스트 패턴을 자외선에 노출시켜 상기 레지스트 패턴의 표면부위를 친수성으로 변화시키는 단계; 그리고

상기 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 레지스트 패턴에 의하여 노출된 절연막의 일부를 습식 식각하는 단계로 구성된 반도체 장치의 패턴 형성 방법을 제공한다.

레지스트 패턴의 표면을 자외선에 노출시키면, 레지스트 패턴의 표면 부위가 친수성화된다. 레지스트 패턴은 소수성이지만, 자외선 조사에 의해 레지스트 물질이 표면부위에서 국부적으로 레지스트 패턴내에 잔류하는 산소와 반응하여 분자내에 산소 결합을 유도함으로써 소수성이 감소하고 친수성화된다. 따라서, 레지스트 패턴의 표면으로부터 탈이온수가 탈수되는 시간이 길어지고, 상대적으로 반도체 기판은 레지스트 패턴에 비하여 큰 소수성을 갖게 되어 반도체 기판상에 잔류하는 탈이온수의 탈수시간은 레지스트 패턴상에서의 탈수시간보다 짧아지게 된다. 따라서, 반도체 기판의 표면상에 존재하는 탈이온수를 용이하게 제거할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.

도 3a를 참조하면, 먼저 반도체 기판(110)의 표면 부위를 열산화법에 의해 산화시켜 소정 두께(예를 들면, 250Å이상의 두께)를 갖는 절연층(112)을 형성한다. 이와 같이 형성된 절연층(112)은 산화 실리콘으로 구성된다. 상기 절연층(112)상에 포토 레지스트를 스핀도포법에 의해 도포하여 포토 레지스트 막(114)을 형성한다. 다음에, 상기 포토 레지스트 막(114)을 프리 베이킹(Pre-Bake)공정을 거쳐서 통상적인 사진 공정에 의하여 일정한 패턴을 갖는 마스크를 사용하여 노광한 후 현상하여 상기 절연층(112)의 식각될 부위를 노출하는 개구부(116)를 형성한다.

다음에, 도 3b를 참조하면, 상기 레지스트 패턴(114)을 자외선(150)으로 처리하여 상기 레지스트 패턴(114)의 표면 부위의 소수성을 감소시킨다.(즉, 친수성을 증가시킨다). 상기 레지스트 패턴(114)은 통상의 하드 베이킹 공정에서와 같이, 레지스트 패턴(114)의 내에칭성(etch resistance), 접착성(adhesion)을 증가시키고, 잔류 용매를 제거한다. 또한, 자외선(150)의 작용에 의해 고분자 물질로 구성된 레지스트 패턴(114)의 표면 부위는 부분적으로 활성화되어 잔류하는 용매중에 잔류하는 산소 분자와 결합하여 레지스트 패턴(114)의 소수성을 감소시키고 친수성을 증가시킨다고 생각된다.

한편, 상기 레지스트 패턴(114)의 표면상에 자외선을 조사시키기 위한 장비는 상압 챔버(chamber)를 포함한다. 상기 상압 챔버내에는 레지스트 패턴(114)이 형성되어 있는 반도체 기판(110)을 지지하기 위한 지지대와 상기 지지대의 위에는 소정 간격으로 이격되어 있는 자외선 조사 램프가 구비되어 있다. 상기 지지대의 하부에는 반도체 기판을 가열하기 위한 가열 장치가 구비되어 있다.

즉, 상기 가열 장치의 동작에 의해 상기 지지대상에 지지된 반도체 기판(110)을 가열하면서, 상기 반도체 기판(110)상에 형성된 상기 레지스트 패턴(114)은 상기 자외선 조사 램프에 의하여 자외선에 노출된다.

상기 자외선 조사는 고온 플레이트의 온도를 1차로 105℃ 내지 120℃의 온도에서, 10초 내지 35초 동안 수행한 후, 2차로 온도를 145℃ 내지 170℃의 온도로 상승시켜서, 40초 내지 80초 동안 수행한다. 이 때, 자외선은 220∼320㎚범위 내의 파장(또는, 850W/㎤ 내지 870W/㎤, 바람직하게는 860W/㎤의 High Power 에서 80초 동안, 20W/㎤ 내지 30W/㎤, 바람직하게는 25W/㎤의 Low Power에서 5초 동안) 조사한다.

다음에, 도 3c를 참조하면, 상기 개구부(116)가 형성되어 있고 그 표면이 친수성으로 변화되어 있는 레지스트 패턴(114)을 식각 마스크로 사용하고, 불화수소를 포함하는 식각액인 BOE를 사용하여, 상기 절연층(112)을 습식 식각하면, 상기 개구부(116)에 의해 노출된 절연층(112)의 일부가 제거되어 절연층 패턴(112A)이 형성된다. 다음에, 탈이온수를 사용하여 상기 반도체 기판(110)을 세정한 후, 상기 반도체 기판(110)을 건조기 내에 넣어서 건조 공정을 수행하여 잔류하는 탈이온수를 제거한다.

이 때, 상기 레지스트 패턴(114)은 소수성이 감소되어 있고, 상기 습식 식각 공정에 의해 노출된 반도체 기판(110)의 표면 부위는 소수성을 갖게 된다. 즉, 레지스트 패턴(114)의 소수성은 반도체 기판(110)의 노출된 표면 부위의 소수성 보다 작게 된다. 따라서, 절연층 패턴(112A)간의 공간에 잔류하는 탈이온수는 친수성이 증가된 레지스트 패턴(114)에 의해 끌려서 레지스트 패턴(114)상으로 이동하면서 건조된다. 즉, 보다 소수성이 강한 부위인 절연층 패턴(114)간의 공간 부위에 있는 탈이온수가 먼저 제거되고, 보다 소수성이 약한 레지스트 패턴(114)상의 탈이온수가 후속하여 제거되게 된다. 따라서, 세정 공정에서 사용된 탈이온수는 건조 공정중에 반도체 기판(110)상의 탈이온수가 먼저 제거되고 계속하여 레지스트 패턴(114)상의 탈이온수가 제거되므로 반도체 기판(110)상의 탈이온수는 완전하게 제거되어 물반점이 형성되는 것이 방지된다. 즉, 절연층의 패턴(112A)의 형성시에 노출된 반도체 기판(110)은 강소수성을 갖는 반면에, 레지스트 패턴(114)은 약소수성을 갖게 되므로, 상기 탈이온수의 제거 공정시 상기 반도체 기판(110)의 표면상에 잔존하는 탈이온수는 완전 제거되는 반면에 상기 레지스트 패턴(114)의 표면상에 일부 탈이온수가 잔존하게 된다. 이 후에, 상기 레지스트 패턴(114)상에 잔존하는 일부 탈이온수는 건조기내에서 건조되어 제거된다. 그 결과, 상기 반도체 기판(110)상에 물반점이 형성되는 것을 방지시킨다. 다음에, 잔류하는 레지스트 패턴(114)을 스트립핑하여 소정 형상을 갖는 절연층 패턴(112A)을 완성한다.

상기 도 3a 내지 도 3c에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 방법 및 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같은 종래의 방법에 따라서 레지스트 패턴을 형성하였다. 먼저, 반도체 기판의 표면 부위를 산화시켜 250Å의 두께를 갖는 산화막을 형성하고, 레지스트 패턴을 형성하였다. 상기 레지스트 패턴을 본 발명의 방법에 따라 자외선 처리하였다. 이때, 상기 자외선 처리는 반도체 기판을 지지하는 고온 플레이트의 온도를 1차로 120℃에서 35초 동안, 2차로 170℃에서 40초 동안 20W/㎤ 내지 30W/㎤, 바람직하게는 25W/㎤의 Low Power에서 조사(5초) 및 850W/㎤ 내지 870W/㎤, 바람직하게는 860W/㎤의 High Power에서 조사(80초)를 수행하였다. 다음에, 상기 레지스트 패턴을 에칭 마스크로 사용하여 상기 산화막을 BOE을 사용하여 습식 식각하고 상기 반도체 기판을 탈이온수를 사용하여 세정하여 산화막 패턴을 형성하여였다.

한편, 상기 자외선 처리 공정 대신에 종래의 하아드 베임킹 공정을 수행하는 것을 제외하고는 상기와 동일한 조건에서 산화막 패턴을 형성하였다. 이때, 상기 하아드 베이킹 공정은 130℃의 오븐에서 30분간 수행하였다.

레지스트 패턴 형성후, 탈이온수를 사용하여 상기 레지스트 패턴을 세정할 때, 상기 레지스트 패턴상에 잔류하는 탈이온수의 탈수시간(sheet off time)을 관찰하였다.

또한, 본 발명의 방법 및 종래의 방법에 따라서 형성된 레지스트 패턴을 이용하여 산화막패턴을 습식 에칭 방법에 의해 에칭하여 형성한 후, 탈이온수로 린싱하고 대기중에서 자연 건조하여 형성한후, 물 반점의 발생율을 현미경으로 관찰하였다. 관찰은 웨이퍼상의 20 포인트를 무작위로 추출하여 관찰하였다. 관찰된 탈수 시간과 물반점 발생율을 하기 표 1에 나타낸다.

	탈수 시간(sec.)	물반점 발생율(%)
본 발명의 방법	190.0	0
종래 방법	0.80	80

상기 표 1에서 알수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 따라 자외선 처리된 레지스트 패턴상의 탈이온수의 탈수시간은 약 190초인 반면에 종래의 하아드 베이킹 공정에 의해 형성된 레지스트 패턴상의 탈이온수의 탈수시간은 약 0.8초이었다.

따라서, 레지스트 패턴을 자외선에 노출시킨 경우에는, 레지스트 패턴의 표면 부위가 친수성으로 변화하여 탈수시간이 약 200배 이상으로 길어졌음을 알 수 있었다.

또한, 본 발명의 방법에 의한 경우에는, 관찰한 웨이퍼에서는 물반점이 전혀 관찰되지 않은 반면에, 종래의 방법에 의한 경우에는 16 포인트에서 물반점의 형성이 관찰되었다. 따라서, 종래의 방법에서와 같이, 레지스트 패턴의 표면에 자외선 처리를 하지 않은 경우에는 물반점 발생율이 80%인 것에 비하여 본 발명에 따라서 레지스트 패턴의 표면을 자외선에 노출시킨 경우에는 물반점 발생율이 0.0%이었다. 따라서, 본 발명의 방법에 의한 경우 물반점 형성이 효과적으로 방지됨을 알 수 있었다.

본 발명의 방법에 따라 레지스트 패턴의 표면을 자외선에 노출시킨 경우에는 레지스트 패턴의 표면 부위가 친수성으로 변화됨에 따라서 레지스트 패턴의 표면으로부터 탈이온수가 탈수되는 시간이 길어지고, 상대적으로 반도체 기판은 레지스트 패턴에 비하여 소수성을 갖게 되어 반도체 기판상에 잔류하는 탈이온수의 탈수시간은 레지스트 패턴상에서의 탈수시간보다 짧아지게 된다. 따라서, 반도체 기판의 표면상에 존재하는 탈이온수를 용이하게 제거할 수 있다.

따라서, 상기 반도체 기판을 건조시키기 전에 상기 반도체 기판상에 잔류하는 탈이온수의 탈수시간을 레지스트 패턴상에서의 탈수시간보다 짧게 함으로써 반도체 기판의 표면상에 존재하는 탈이온수를 용이하게 제거하여 물반점 현상을 방지시킬 수 있다.

본 발명은 산화막 습식 식각 공정 또는 베리드 콘택 습식 식각 공정과 같이 반도체 제조 공정중 레지스트 패턴 형성후, BOE용액을 사용하여 산화막 습식 식각 공정시 식각된 부분에 반도체 웨이퍼의 표면이 노출되는 공정에 적용되어서 반도체 기판상에 물반점이 형성되는 것을 억제시킬 수 있다. 따라서, 절연막 습식 식각 공정에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 당업자의 통상의 지식 범위내에서 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (10)

1. 반도체 기판 상에 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 상기 레지스트 패턴의 표면부위가 후속하여 습식식각 공정을 받은 이후의 상기 반도체 기판이 갖는 소수성보다 낮은 소수성을 갖도록 상기 레지스트 패턴의 표면부위의 소수성을 감소시키는 단계; 그리고 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 레지스트 패턴에 의해 노출된 상기 반도체 기판을 습식 식각하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 레지스트 패턴에 자외선을 조사하는 단계는 상압에서 상기 반도체 기판을 가열하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 반도체 기판의 가열은 1차로 120℃에서 35초 동안, 2차로 170℃에서 40초 동안 고온 플레이트를 사용하여 상기 반도체 기판의 배면에서 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 자외선 조사는 20W/㎤ 내지 30W/㎤의 Low power에서 5초 동안 그리고 850W/㎤ 내지 870W/㎤의 High Power에서 80초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
5. 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계; 상기 절연막 상에 레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 레지스트 패턴에 자외선을 조사하여 상기 레지스트 패턴의 표면부위가 후속하는 습식 식각 공정을 받은 이후의 상기 반도체 기판이 갖는 소수성보다 작은 소수성을 갖도록 상기 레지스트 패턴 표면부위의 소수성을 감소시키는 단계; 그리고 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 레지스트 패턴에 의하여 노출된 상기 절연막의 일부를 습식 식각하는 단계를 포함하는 반도체 장치의 패턴 형성 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 절연막을 형성하는 단계는 산화실리콘을 이용하여 250Å이상의 두께를 갖도록 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 패턴 형성 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 노출된 절연막의 일부를 습식 식각하는 단계 후, 상기 반도체 기판을 탈이온수를 사용하여 세정하는 단계 및 상기 반도체 기판을 대기중에서 자연 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 패턴 형성 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 레지스트 패턴에 자외선을 조사하는 단계는 상압에서 상기 반도체 기판을 가열하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 반도체 기판의 가열은 1차로 120℃에서 35초 동안, 2차로 170℃에서 40초 동안 고온 플레이트를 사용하여 상기 반도체 기판의 배면에서 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 자외선 조사는 20W/㎤ 내지 30W/㎤의 Low Power에서 5초 동안 그리고 850W/㎤ 내지 870W/㎤의 High Power에서 80초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.