KR100277490B1 - 반도체소자의미세패턴형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법에 관한 것으로, 패터닝하고자하는 표면층 및 그 위에 포토 레지스트층이 형성된 기판을 패터닝하는 공정에 있어서, 노광공정시 입사빔의 노출을 2회로 나누어 1차 노출시 입사하고자하는 강도의 1/2만 조사하는 단계와, 2차 노출시 입사하고자하는 나머지 1/2강도의 입사빔을 조사하되, 입사빔의 회절에 의해 나타나는 선폭 변화량에 해당하는 폭만큼 웨이퍼를 이동하여 실시하는 단계를 포함한다.

따라서 본 발명에 따르면, 마스크 패턴을 포토 레지스트층에 전사하는 과정에서 노출을 2 회로 나누어 실시하면서 웨이퍼를 소정거리 이동시킴으로써 입사빔이 마스크 패턴을 통과하면서 그 경계부분에서 빔의 회절이 일어나더라도 선폭 변화에 영향을 미치는 에너지 이하로 선폭 변화영역을 조절할 수 있어 마스크의 선폭과 동일하게 포토 레지스트층에 전사할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Description

반도체 소자의 미세 패턴 형성방법{METHOD FOR PATTERNING OF SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마스크 패턴을 포토 레지스트층에 전사하는 과정에서 노출을 2 회로 나누어 실시하여 선폭 변화를 최소화할 수 있는 노광공정에 관한 것이다.

반도체 공정기술은 웨이퍼 표면에 반도체 소자나 집적회로를 형성하는 제조공정을 일컫는다. 기본적으로 웨이퍼를 가공하기 위해서는 여러 가지 물질의 박막을 웨이퍼 표면에 성장시키거나 증착하고, 웨이퍼 위에 형성된 박막을 부분적으로 제거하여 패턴을 형성하며, 필요에 따라 웨이퍼의 선택된 지역의 전도형태와 저항성을 변화시키기 위해 불순물을 주입한다.

특히, 웨이퍼 표면에 형성된 박막을 선택적으로 제거하는 공정을 패턴 형성공정이라 하며, 반도체 소자 또는 회로의 집적도를 향상시키기 위한 연구의 일환으로 미세한 선폭을 구현할 수 있는 미세 패턴 형성공정에 대한 연구가 계속되고 있다.

통상적으로, 종래의 미세 패턴 형성공정은 포토 마스크를 이용하여 웨이퍼의 표면층 위에 형성된 포토 레지스트층에 마스크의 패턴을 전사하고, 그 패턴을 이용해서 표면층에 미세 패턴을 구현하는 것이다.

도 1은 종래의 반도체 소자의 미세 패턴 공정을 순차적으로 도시한 공정단면도이다.

도시된 바와 같이, 미세 패턴을 구현하고자하는 표면층(2)이 형성된 웨이퍼(1) 위에 포토 레지스트층(3)을 도포한다. 포토 레지스트층(3)은 광조사에 의해서 감광부분이 현상액에 용해하지 않게 되거나(네거티브형) 용해하게 되는(포지티브형) 등의 성질을 가진 것으로, 어느 것이나 그것들의 성분(일반적으로 유기고분자)이 유기 용제 중에 용해한 것이다. 따라서 포토 레지스트 도포 공정은 웨이퍼(1)를 진공중에서 고속 회전시키면서 포토 레지스트을 도포하는 스핀 코팅 등의 방법으로 이루어진다.

이어서, 포토 레지스트층(3)을 도포한 웨이퍼(1) 위에 마스크(4)를 올려 놓고, 자외선을 조사해서 패턴을 인화하는 마스크 맞춤 및 노광 공정을 수행한다. 마스크(4) 패턴과의 위치 맞춤은 웨이퍼(1) 위에 이미 그 이전의 마스크 맞춤 공정에서 인화되어 위치 맞춤용 패턴을 사용해서 자동으로 진행한다. 노광을 위한 광원으로는 자외선 영역에 분광 에너지 분포의 피크를 많이 가진 초고압 수은등이나 크세논 램프, 카본 아크등 사용된다. 포토 레지스트층(3)은 마스크(4)를 통해서 광조사를 받으면 곧 에너지를 흡수해서 광화학 반응을 일으켜, 잠상(潛像)을 형성한다.

이어서, 포토 레지스트층(3)의 노광부와 비노광부 용해도의 차를 이용해서 패턴을 얻는 현상공정이 수행된다. 즉, 노광부와 비노광부 중 어느 한 부위만을 제거하는 특성을 가진 현상액에 웨이퍼(1)를 담그거나 현상액을 분사하는 등의 방법으로 진행한다.

이어서, 포토 레지스트층(3)이 제거된 웨이퍼(1)의 표면층(2)을 선택적으로 제거하는 식각공정을 수행한다. 식각방법으로는 습식식각, 플라즈마 식각, 이온빔 밀링, RIE(Reactive Ion Etch) 등의 방법이 있다.

이와같은 식각이 끝나면 포토 레지스트층(3)을 제거하여 패터닝된 웨이퍼(1)의 표면층(2)이 드러나도록 함으로써 미세 패턴 공정을 완료한다.

그런데 이와같은 종래의 미세 패턴 형성공정을 수행하는데 있어서 노출 광원은 도 2 에 도시된 바와 같이, 마스크(4)를 통과하면서 빛의 회절이 발생되어 포토 레지스트층(3)의 패턴 크기를 변경시키게 되며, 이는 포토 레지스트층(3)의 패턴에 따라 선택적으로 제거되는 표면층(2)의 미세 선폭 구현에 제한을 주는 문제점으로 대두되었다.

한편, 습식식각방법을 적용하여 식각선택비가 우수한 식각액으로 패터닝하는 방법을 고려할 수 있으나, 통상적으로 습식식각은 등방성으로 식각되므로 미세 선폭을 구현하고자 하는 공정에서는 적용을 기피하고 있으며, 결국 이방성 식각이 가능한 건식식각방법을 주로 이용하고 있는데 이와같은 광원이 회절되는 문제는 포토 레지스트층(3)이 얇을수록 그 영향을 적게 받게 되나, 포토 레지스트층(3)을 얇게 형성한 경우 패터닝하고자하는 표면층(2) 두께에도 제한을 주게 되는 문제가 있었다.

한편, 노광공정시 마스크(4)를 쓰지 않는 E-빔(Beam)장치를 이용하면 회절의 영향을 받지 않아 정확한 패턴을 얻을 수 있으나, 이는 장치의 가격이 비싸고 처리속도가 느린 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마스크 패턴을 포토 레지스트층에 전사하는 과정에서 노출을 2 회로 나누어 실시하면서 웨이퍼를 소정거리 이동시킴으로써 입사빔이 마스크 패턴을 통과하면서 그 경계부분에서 빔의 회절이 일어나더라도 선폭 변화에 영향을 미치는 에너지 이하로 선폭 변화영역을 조절할 수 있어 마스크의 선폭과 동일하게 포토 레지스트층에 전사할 수 있는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 패터닝하고자하는 표면층 및 그 위에 포토 레지스트층이 형성된 기판을 패터닝하는 공정에 있어서, 노광공정시 입사빔의 노출을 2회로 나누어 1차 노출시 입사하고자하는 강도의 1/2만 조사하는 단계와, 2차 노출시 입사하고자하는 나머지 1/2강도의 입사빔을 조사하되, 입사빔의 회절에 의해 나타나는 선폭 변화량에 해당하는 폭만큼 웨이퍼를 이동하여 실시하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법을 제공한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로 부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1a 내지 1e는 종래의 반도체 소자의 미세 패턴 공정을 도시한 공정단면도,

도 2는 종래의 반도체 소자의 노광공정을 도시한 단면도,

도 3은 노광공정시 빔의 흡수에 따른 포토 레지스트층의 에너지 프로파일을 나타낸 개념도,

도 4는 본 발명에 따른 미세 패턴 형성방법을 에너지 프로파일을 근거로하여 도시한 개념도.

도 5는 본 발명에 따른 에너지 프로파일을 확대도시한 개념도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

10 ; 웨이퍼 12 ; 표면층

14 ; 포토 레지스트층 20 ; 마스크

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 미세 패턴 형성방법을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 노광공정시 빔의 흡수에 따른 포토 레지스트층의 에너지 프로파일을 나타낸 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 미세 패턴 형성방법을 에너지 프로파일을 근거로하여 도시한 개념도이다.

예시도면의 I는 입사빔의 강도를 나타내며, I₀는 포토 레지스트층(14)의 성질이 변할때의 입사빔의 강도를 나타내며, x는 선폭 변형량을 나타낸다.

즉, 도 3에 도시된 바와같이, 미세 패턴을 구현하고자하는 표면층(12)이 형성된 웨이퍼(10) 위에 포토 레지스트층(14)을 도포한다. 이어서, 포토 레지스트층(14)을 도포한 웨이퍼(10) 위에 마스크(16)를 올려 놓고, 입사빔을 조사하면 마스크(16)의 창부분을 통해서 포토 레지스트층(14)의 일단이 빔조사를 받게되어 광화학 반응을 일으키게 된다.

한편, 최소한 I₀이상의 에너지를 넘어서야 현상공정을 통해 포토 레지스트층(14)이 제거된다라고 가정할 때 마스크(16)의 패턴을 통해 입사되는 에너지의 프로파일은 앞서 언급한 바와 같이 입사빔이 마스크(16)를 통과하면서 회절을 일으켜 포토 레지스층에 도달하는 과정에서 굴절되는 영향 및 표면층(12)의 반사 등으로 인해 마스크(16) 패턴의 경계부분에서는 소정의 기울기를 갖게된다.

따라서, 마스크(16) 패턴을 통해 입사빔의 에너지(I)가 조사될 때 현상 가능할 정도로 광화학반응이 일어나는 포토 레지스트층(14)의 선폭은 마스크(16) 패턴의 선폭보다도 넓게 이루어져 선폭의 변화를 가져오게 된다. 한편, 그 선폭 변화의 양을 X 라하면 경계선부분을 따라 X/2 만큼씩의 선폭 변화가 일어난다.

한편, 도 4의 하단에 도시된 그래프는 패턴 선폭 변화영역의 구배를 단순화하기 위하여 직선적으로 나타낸 것이다.

이처럼 패턴의 선폭 변화영역의 구배를 단순화한 에너지 프로파일을 기초로하여 본 발명에 따른 패턴의 선폭 변화를 최소화할 수 있는 미세 패턴 형성방법을 설명한다.

먼저, 입사빔 노출공정을 2회로 나누어 실시한다. 즉, 도 4의 상단에 도시된 그래프와 같이, 1차 노출시 입사빔의 강도를 I/2만 조사한다. 한편, 2차 노출시에는 웨이퍼(10)를 선폭 변화량에 해당하는 X만큼 이동시킨 상태에서 I/2 강도의 입사빔을 조사한다. 따라서, 1차 노출과 2차 노출을 통해 I₀이상의 에너지를 갖는 부분만이 현상공정시 현상액에 의해 제거되거나 반대로 남게되어 패터닝된다.

그 합성된 에너지 프로파일이 도 4의 최하단에 도시되어 있다. 즉, 입사빔의 강도를 1/2로 나누어 2차 노출시 소정거리 이동시킴으로써 선폭 변화영역에 해당하는 패턴의 경계부분에서는 입사빔의 회절에 의한 영향을 받는다 하더라도 각각 현상공정을 통해 패터닝될 수 있는 최소한의 에너지인 I₀이하의 에너지만이 조사되기 때문에 선폭 변화에 영향을 미치지 않게 된다. 따라서, 마스크(16)의 선폭 변화를 없이 동일한 선폭으로 포토 레지스트층(14)에 형성될 수 있다.

더욱 바람직하기로는 도 5에 도시된 바와 같이, 1 차 노출시 웨이퍼(10)를 기준점에서 -X/2만큼 이동시킨 상태에서 실시하고, 2 차 노출시 1차 노출시와 반대방향으로 웨이퍼(10)를 X만큼 이동하여 +X/2의 위치로 이동시킨 상태에서 실시하면 기준점을 중심으로 마스크(16)의 선폭이 동일하게 포토 레지스트층(14)에 형성된다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 마스크 패턴을 포토 레지스트층에 전사하는 과정에서 노출을 2 회로 나누어 실시하면서 웨이퍼를 소정거리 이동시킴으로써 입사빔이 마스크 패턴을 통과하면서 그 경계부분에서 빔의 회절이 일어나더라도 선폭 변화에 영향을 미치는 에너지 이하로 선폭 변화영역을 조절할 수 있어 마스크의 선폭과 동일하게 포토 레지스트층에 전사할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (2)

1. 패터닝하고자하는 표면층 및 그 위에 포토 레지스트층이 형성된 기판을 패터닝하는 공정에 있어서,

   노광공정시 입사빔의 노출을 2회로 나누어 입사하고자하는 강도의 1/2만 조사하는 1차 노출 단계와,

   입사빔의 회절에 의해 나타나는 선폭 변화량(X)에 해당하는 폭만큼 웨이퍼를 이동하여 나머지 1/2강도의 입사빔을 조사하는 2차 노출 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1 차 노출 단계에서 웨이퍼를 기준점에서 -X/2(Ｘ:선폭변형량) 만큼 이동시킨 상태에서 실시하고, 상기 2 차 노출 단계에서 1차 노출시 이동 방향과 반대방향으로 웨이퍼를 X만큼 이동하여 +X/2의 위치로 이동시킨 상태에서 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법.

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