KR100274751B1 - 화학증폭형감광막패턴방법 - Google Patents

화학증폭형감광막패턴방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
반도체 제조 분야에 관한 것임.
2. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제
복잡한 공정의 추가 및 장비의 개선 없이 리소그래피 공정의 해상력을 증가시키는 감광막 형성 방법을 제공한다.
3. 발명의 해결 방법의 요지
화학증폭형 감광막을 알칼리 수용액으로 표면 처리를 실시함으로써 감광막 표면에 얇은 난용화층을 형성시켜 해상력 및 공정 상의 초점 여유도를 증가시킨다.
4. 발명의 중요한 용도
반도체 장치 제조 공정에 이용됨

Description

화학증폭형 감광막 패턴 방법{Method for forming chemically amplified photoresist pattern}
본 발명은 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로 특히 미세 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
리소그래피(lithography) 공정은 마스크 상에 레이아웃(lay out)된 패턴을 공정제어규격(specification)대로 반도체 기판 상에 1차적으로 구현하는 기술이다. 감광막(photoresist)이 도포되어 있는 반도체 기판 상에 패턴이 형성되어 있는 마스크를 통하여 특정한 파장을 갖고 있는 빛을 투영하면 빛에 노광된 감광막 영역에서 광화학반응이 일어나고, 후속 현상(develop) 공정시 노광된 영역에서 화학 반응에 의한 용해도가 상대적으로 커서 패턴이 형성된다. 형성된 감광막 패턴은 후속 공정인 식각 또는 이온주입 공정시 마스크 역할을 하게 되며 최종적으로 O2플라즈마에 의하여 제거된다.
반도체 장치의 고집적화에 따라서 반도체 기판 상에 구현되는 패턴의 크기가 현재 0.25 ㎛이하의 크기로 점점 미세화 된다. 따라서 투영광학렌즈를 사용하는 광학 노광기술에 있어서 노광하는 빛의 단파장화, 투영 렌즈 구경(numerical aperture)의 확대, 마스크 투과시 빛의 간섭을 역이용하여 공간 형상(aerial image) 콘트라스트를 크게 향상시키는 위상반전 마스크(phase shift mask), 마스크 상에 빛을 경사 입사시켜 미세 패턴에 대하여 광콘트라스트를 증가시키는 방법 등 공정 능력을 개선하기 위한 기술이 개발되고 있다.
KrF를 광원으로 사용하는 DUV(deep ultra violet) 리소그래피 공정 한계는 투영 렌즈의 구경이 0.55 일 때 0.2 ㎛ 정도이다. 따라서, 이보다 더 미세하며 해상력이 우수한 콘택홀을 얻기 위해서는 새로운 감광막과 ArF 또는 전자-빔 장비와 같은 새로운 노광 장비가 필요하다.
또한, 종래의 하프톤(halftone) 위상반전마스크 공정에서 통상 마스크 바이어스(mask bias)를 결정할 때 사이드로브가 나타나지 않는 조건에서 정하기 때문에 이것이 초점 여유도(density of focus)의 감소를 가져와 공정상 적용에 문제점이 되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 복잡한 공정이나 장비의 개선 없이 화학증폭형 레지스트를 이용한 리소그래피 공정의 해상력을 증가시킬 수 있는, 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도1a는 종래의 감광막을 이용한 노광 공정시의 공간 형상 및 잠재적인 감광막 형상을 도시한 단면도,
도1b는 본 발명에 따라 알칼리 수용액으로 처리된 감광막을 이용한 노광 공정시의 공간 형상 및 잠재적인 감광막 형상을 도시한 단면도,
도2a 및 도2b는 각각 종래의 감광막 및 본 발명의 일실시예에 따른 감광막을 이용하여 형성한 패턴의 SEM 사진,
도3a 및 도3b는 각각 종래의 감광막 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 감광막을 이용하여 형성한 패턴의 SEM 사진,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 패턴의 프로파일을 나타내는 SEM 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
11: 반도체 기판 12: 감광막
13: 마스크 14: 공간 형상
15: 잠재적 형상 a: 1차광
b: 회절광
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서, 상기 반도체 기판 표면을 HMDS로 처리하는 제1 단계; 알칼리 수용액으로 상기 반도체 기판 표면을 처리하는 제2 단계; 상기 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제3 단계; 소프트베이크를 실시하는 제4 단계; 및 상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제5 단계를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서 상기 반도체 기판에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제1 단계; 알칼리 수용액으로 상기 화학증폭형 감광막을 처리하는 제2 단계; 소프트베이크를 실시하는 제3 단계; 및 상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제4 단계를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법을 제공한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서 상기 반도체 기판에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제1 단계; 소프트베이크를 실시하는 제2 단계; 22 ℃ 내지 100 ℃ 온도의 순수로 상기 화학증폭형 감광막을 세척하는 제3 단계; 및 상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제4 단계를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명은 화학 증폭형 감광막을 알칼리 수용액으로 처리하여 미세 패턴의 해상력을 향상시키는데 그 특징이 있다.
화학증폭형 감광막은 노광 에너지에 의하여 광활성화합물(photo active compound)이 강산(H+) 이온을 발생시키고, 후속베이크(post exposure bake) 공정시 열에너지에 의하여 이미 발생된 강산이 촉매 역할을 하여 연쇄반응을 일으킴으로써 중합체와의 결합을 분해하여 저분자화시켜 현상공정시 용해 작용을 촉진하게 된다. 즉, 감광막의 화학 반응이 2단계로 이루어지며 후속베이크 공정시 완전한 잠재 형상이 얻어지므로 작은 노광 에너지를 이용하여 매우 민감한 광반응을 일으키는 특성을 갖는다.
화학증폭형 감광막 표면을 알칼리 수용액으로 처리하면 노광시 빛을 받는 부분에서 알칼리에 의해 감광막 표면상에 얇은 막이 형성되어 콘트라스트(contrast)를 향상시킨다. 즉, 노광시 공간 형상 상의 빛 강도가 약한 광에 의해 광활성 화합물(PAC, photo active compound)이 표백되지 않기 때문에 마스크 상의 임계치수(critical dimension) 보다 미세한 콘택홀 프로파일을 얻게 된다.
도1a 및 도1b는 각각 종래의 화학증폭형 감광막을 이용한 노광 공정시의 공간 형상 및 잠재적 형상을 도시한 것이고, 도1b는 본 발명에 따른 알칼리 수용액으로 처리된 화학증폭형 감광막을 이용한 노광 공정 시의 공간 형상 및 잠재적 형상을 도시한 것이다. 본 발명에 따른 알칼리 수용액으로 처리된 화학증폭형 감광막으로 형성되는 패턴의 크기(w2)가 종래의 화학증폭형 감광막으로 형성된 패턴의 폭(w1)보다 작음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 미세 패턴 형성 방법을 설명한다.
먼저, 반도체 기판 표면을 HMDS(Hexamethydisilazane)처리한다. (CH3)Si3-NH-Si(CH3)3는 Si 기판에서 Si과 산소가 화학적 반응을 일으키고 감광막과 CH3가 물리적으로 결합하여 기판과 감광막간의 접착력을 향상시킨다.
이어서, 감광막을 도포하고 소프트베이크(soft bake)한 후, 알칼리 수용액으로 상기 감광막을 처리한다. 이어서, 감광막을 노광하고 후속베이크(post bake)한 후 현상한다. 상기 알칼리 수용액으로 감광막을 처리하는 과정은 이온화되지 않은 순수한 물로 세척하는 과정을 더 포함하기도 한다.
또한, 상기 알칼리 수용액으로 감광막을 처리하는 공정은 반도체 기판 표면을 HMDS 처리하고 감광막을 도포하기 전에 실시되기도 한다.
상기 감광막은 KrF, ArF, 전자-빔, 엑스선(X-ray)등 모든 광원에 반응하는 화학 증폭형 감광막이며, 상기 노광 공정은 KrF, ArF, 전자-빔, 엑스선을 노광원으로 사용하는 공정이다.
상기 알칼리 수용액 처리 공정에 사용하는 알칼리계 수용액은 이온화되지 않은 순수한 물, TMAH(tetramethly-ammonium hydroxide) 등의 아민계 알칼리 화합물 및 그 외 NaOH, KOH 등 유기금속계 알칼리 화합물 수용액이다. 또한, 상기 알칼리 수용액의 농도는 100 M 이하이고 표면처리 방법은 스프레이 방식 및 디핑(dipping) 방식을 포함하며, 공정 처리 시간은 3600 초 이하로 실시한다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 설명한다.
반도체 기판 상에 HMDS 처리를 하고 감광막을 도포한 후, 소프트베이크한 후, 고온의 순수로 상기 반도체 기판을 세척한다. 이후 건조 공정, 노광 공정 및 현상 공정을 차례로 실시한다. 상기 순수의 온도는 22 ℃ 내지 100 ℃ 이다.
첨부된, 도2a 및 도2b는 각각 종래의 감광막 및 본 발명에 따라 60초 동안 알칼리 수용액으로 처리된 감광막으로 같은 노광 및 현상 조건으로 패턴을 형성한 결과를 나타내는 SEM(scanning electro microscopy) 사진이다. 도2a의 종래의 감광막을 사용한 경우 임계치수가 238. 8 ㎚인데 반해 도2b의 알칼리 수용액으로 처리된 감광막을 사용한 경우는 임계치수가 180.9 ㎚로 형성되었다.
도3a 및 도3b는 역시 각각 종래의 감광막 및 본 발명에 따라 60초 동안 알칼리 수용액으로 처리된 감광막을 사용하여 같은 노광 및 현상 조건으로 패턴을 형성한 결과를 나타내는 SEM 사진이다. 도3a의 종래의 감광막을 사용한 경우 임계치수(critical dimension)가 213.7 ㎚인데 반해 도3b의 알칼리 수용액으로 처리된 감광막을 사용한 경우는 임계치수가 159.9 ㎚로 형성되었다.
도4는 상기 도2b의 감광막 패턴의 프로파일(profile)을 보이는 SEM 사진으로 패턴이 소정의 깊이 감광막까지 균일하게 형성되어 있음을 나타낸다.
상기 결과로 알 수 있듯이 본 발명은 화학 증폭형 감광막으로서 KrF 광원을 이용해 ArF 및 그 외 공정 기술이 구현할 수 있는 해상력 향상을 얻을 수 있다.
화학 증폭형 감광막의 화학적 개념은 노광에 의해 광산화제의 분해로 발생된 산이 열에너지의 힘을 빌어 연쇄적인 화학반응의 결과로써 감광막 성분의 용해도 차를 크게 하여 패턴을 형성하는 것이다. 따라서, 노광 전에 본 발명과 같이 화학증폭형 감광막을 알칼리 용액으로 처리함으로써, 알카리 이온이 감광막의 표면에 있던 광산화제 또는 기타 첨가제들과 반응하여 감광막 표면이 상대적으로 현상액에 난용화되고, 이와 같이 화학증폭형 감광막 표면의 개질을 통하여 난용화된 아주 얇은 층은 마스크 공정에서 야기되는 여광에 의해 감광막이 표백되지 않는다. 특히, 통상의 하프톤 마스크에서 발생되는 사이드로브 형상이 전사되지 않는다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 해상력을 향상시킬 수 있어 반도체 소자의 고집적화에 따른 패턴의 미세화에 능동적으로 대응할 수 있다. 또한, 하프톤 위상 반전 마스크 공정에서 사이드로브 형성 방지로 인한 초점 여유도의 증가로써 공정의 안정화를 기할 수 있다.

Claims (16)

  1. 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서,
    상기 반도체 기판 표면을 HMDS로 처리하는 제1 단계;
    알칼리 수용액으로 상기 반도체 기판 표면을 처리하는 제2 단계;
    상기 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제3 단계;
    소프트베이크를 실시하는 제4 단계; 및
    상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제5 단계
    를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계 후,
    순수를 이용하여 상기 반도체 기판을 세척하는 제6 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    아민계 알칼리 화합물 또는 유기금속계 알칼리 화합물 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액의 농도는 100 M 보다 높지 않은 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    분사 방법 또는 담그기 방법 중의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    3600 초를 넘지 않는 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제5 단계는,
    KrF, ArF, 전자-빔, 엑스선 중의 어느 하나를 노광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법
  8. 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서,
    상기 반도체 기판에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제1 단계;
    알칼리 수용액으로 상기 화학증폭형 감광막을 처리하는 제2 단계;
    소프트베이크를 실시하는 제3 단계; 및
    상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제4 단계
    를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 단계 후,
    순수를 이용하여 상기 반도체 기판을 세척하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    아민계 알칼리 화합물 또는 유기금속계 알칼리 화합물 수용액을 이용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액의 농도는 100 M 보다 높지 않은 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    분사 방법 또는 담그기 방법 중의 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 단계는,
    3600 초를 넘지 않는 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 제4 단계에서,
    KrF, ArF, 전자-빔, 엑스선 중의 어느 하나를 노광 원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  15. 반도체 기판 상에 화학증폭형 감광막을 이용한 미세 패턴 형성 방법에 있어서,
    상기 반도체 기판에 화학증폭형 감광막을 도포하는 제1 단계;
    소프트베이크를 실시하는 제2 단계;
    22 ℃ 내지 100 ℃ 온도의 순수로 상기 화학증폭형 감광막을 세척하는 제3 단계; 및
    상기 화학증폭형 감광막을 노광하는 제4 단계
    를 포함하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제4 단계에서,
    KrF, ArF, 전자-빔, 엑스선 중의 어느 하나를 노광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 화학증폭형 감광막 패턴 형성 방법.
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