KR100283370B1 - 반도체소자의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 반도체 소자의 제조 공정중 도전층 패턴을 형성하기 위한 노광 작업시 입사된 광이 하부층에 의해 반사되어 포토리지스트층으로 되돌아오는 것을 억제시키기 위해, 주 반사억제층과 포토리지스트층 사이에 보조 반사억제층을 형성하여 포토리지스트 패턴의 노칭(notching) 현상 등과 같은 포토리지스트 패턴 불량 요인을 효과적으로 제거하므로, 양호한 형상(profile)을 갖는 포토리지스트 패턴을 식각 마스크로 도전층을 패터닝할 수 있어 소자의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 소자의 제조 방법{Mechod of manufacturing of a semiconductor device}

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정중 도전층 패턴을 형성하기 위한 노광 작업시 입사된 광이 하부층에 의해 반사되어 포토리지스트층으로 되돌아오는 것을 효과적으로 억제시켜 포토리소그라피(photolithography) 공정을 용이하게 실시할 수 있게 하는 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 회로선폭의 축소가 필수적이다. 이러한 선폭의 축소를 구현하기 위해서는 단 파장을 갖는 광원을 사용하여 노광 공정을 실시하여야 한다. 그러나, 파장이 단 파장으로 될수록 대상물로부터 반사되는 반사율은 증가되기 때문에, 이러한 단 파장을 갖는 광원으로 리소그라피 공정을 진행할 경우 단차가 진 부분에서는 양호한 형상(profile)의 포토리지스트 패턴을 얻기가 어렵다. 포토리지스트 패턴의 불량은 여러 가지 원인이 있으나, 노광 공정시 대상물로부터의 반사광에 의해 원하지 않는 부분도 노광되어 발생하는 소위 노칭(notching)이라 불리는 현상이 하나의 원인이 된다. 노칭 현상은 단차가 없는 평평한 부분보다 단차가 진 부분에서 많이 발생되며, 이러한 노칭 현상을 억제하기 위해서는 대상물로부터의 반사광이 포토리지스트층으로 되돌아오는 것을 막아야 한다. 따라서, 종래에는 대상물과 포토리지스트층 사이에 반사율이 낮은 반사억제층을 형성하여 포토리지스트층으로 되돌아오는 반사광의 강도를 약화시키고 있다.

도 1은 종래 반사억제층을 적용한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판(1)상에 층간 절연층(2)이 형성된다. 층간 절연층(2)은 이미 형성된 여러 요소에 의해 그 표면에 단차가 생기게 된다. 이러한 단차를 갖는 층간 절연층(2)상에 도전층(3)이 형성된다. 워드 라인, 비트 라인, 금속 배선 등과 같은 반도체 소자의 구성 요소를 형성하기 위해 도전층(3)을 패터닝하게 되는데, 패터닝 공정중 노광 공정시 도전층(3)으로 부터의 반사광을 억제시키기 위해, 도전층(3)상에 반사억제층(4)이 형성된다. 반사억제층(4)상에 포토리지스트층(5)을 도포하고, 그 상부 쪽에 레티클(reticle; 6)을 위치시킨 후, 광원으로부터 광을 조사하므로 포토리지스트층(5)이 선택적으로 노광되어 노광 부분(5A)과 비노광 부분(5B)으로 나누어지게 된다. 이후, 현상 공정을 통해 포토리지스트 패턴을 형성한다.

상기에서, 광원으로부터 조사된 입사광은 포토리지스트층(5)을 노광시키면서 하부층인 반사억제층(4) 및 도전층(3)까지 도달하게 된다. 광은 다른 종류의 매질(굴절율이 다를 경우 모두 다른 종류의 매질임)을 통과할 때는 반드시 반사와 굴절을 일으킨다. 따라서, 광원으로부터 조사된 입사광은 반사억제층(4)에서 반사와 굴절을 일으켜 반사광은 포토리지스트층(5)으로 되돌아가 포토리지스트층(5)을 재노광시키고, 굴절광은 도전층(3)에서 다시 반사와 굴절을 일으키게 된다. 도전층(3)으로 부터의 반사광은 반사억제층(4)에 의해 포토리지스트층(5)으로 되돌아가는 반사광의 강도를 약화시키게 된다.

반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 회로선폭의 축소가 필수적이다. 이러한 선폭의 축소를 구현하기 위해, 노광 공정을 248 nm 의 단 파장을 갖는 광원을 사용할 경우, 반도체 소자의 도전층(3)으로 사용되는 폴리실리콘, 금속 실리사이드, 도전성 금속 물질 등은 반사율이 매우 증대되고, 반사억제층(4)으로 사용되는 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)의 굴절률은 1.90 내지 2.10 정도이고, 포토리지스트층(5)의 굴절률은 약 1.70 정도가 된다. 즉, 반사억제층(4)은 포토리지스트층(5)의 굴절률보다 높고, 도전층(3)의 굴절률보다 훨씬 낮은 굴절률을 갖는다.

단차가 진 부분에서, 반사억제층(4)에서 반사된 반사광이 큰 각을 가지고 비노광 부분(5B)의 포토리지스트층(5)을 노광 시켜 불필요한 노광 부분(5C)을 형성하게 되고, 또한 비록 반사억제층(4)에 의해 광 강도가 약화되긴 했지만 도전층(3)으로 부터의 반사광 역시 비노광 부분(5B)의 포토리지스트층(5)을 노광 시켜 불필요한 노광 부분(5C)을 형성하게 된다. 이러한 불필요한 노광 부분(5C)으로 인하여 노칭 현상을 유발시키게 된다. 즉, 노칭 현상은 포토리지스트층(5)의 하부층(3 및 4)에서 반사되어 포토리지스트층(5)으로 굴절되어 들어가는 광의 각도가 커질수록 노칭에 의한 임계 치수(critical dimension; CD)의 변화 효과는 더욱 증가된다.

반사억제층(4)의 굴절률을 포토리지스트층(5)과 유사한 굴절률을 갖도록 하여 반사광의 각도를 줄일 수는 있지만, 이럴 경우 반사억제층(4)은 도전층(3)에 대한 반사억제 역할을 충분히 수행할 수 없게 되어 도전층(3)으로 부터의 반사광이 포토리지스트층(5)을 재노광시키게 되어 노칭 현상은 더욱 증가되게 된다. 따라서, 반사억제층(4)은 적절한 굴절률을 갖도록 하여야 하기 때문에, 노칭 현상을 줄이는데 한계가 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 반사억제층은 노칭 현상을 줄이는데 한계가 있어, 양호한 형상을 갖는 미세 선폭의 금속층 패턴을 형성하기 어렵고, 이로 인하여 반도체 소자의 고집적화를 실현할 수 없게된다.

따라서, 본 발명은 반도체 소자의 제조 공정중 도전층 패턴을 형성하기 위한 노광 작업시 입사된 광이 하부층에 의해 반사되어 포토리지스트층으로 되돌아오는 것을 효과적으로 억제시켜 포토리소그라피 공정을 용이하게 실시할 수 있게 하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판 상에 도전층을 형성하는 단계; 상기 도전층상에 248nm의 파장에서 1.90 내지 2.10의 굴절률을 갖는 물질로 반사 억제층을 형성하는 단계; 상기 반사 억제층상에 248nm의 파장에서 1.70 내지 1.90의 굴절률을 갖는 물질로 보조 반사 억제층을 형성하는 단계; 상기 보조 반사 억제층상에 248nm의 파장에서 1.7의 굴절률을 갖는 포토리지스트층을 형성하는 단계; 상기 포토리지스트층을 선택적으로 노광하는 단계; 현상 공정으로 포토리지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도.

도 3은 전반사 원리를 설명하기 위한 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 및 11: 기판 2 및 12: 층간 절연층

3 및 13: 도전층 4 및 14: 반사억제층

5 및 15: 포토리지스트층 5A 및 15A: 포토리지스트층의 노광 부분

5B 및 15B: 포토리지스트층의 비노광 부분

5C: 반사광에 의한 노광 부분 6 및 16: 레티클

20: 보조 반사억제층 30: 제 1 매질

40: 제 2 매질

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 소자의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판(11)상에 층간 절연층(12)이 형성된다. 층간 절연층(12)은 이미 형성된 여러 요소에 의해 그 표면에 단차가 생기게 된다. 이러한 단차를 갖는 층간 절연층(12)상에 도전층(13)이 형성된다. 워드 라인, 비트 라인, 금속 배선 등과 같은 반도체 소자의 구성 요소를 형성하기 위해 도전층(13)을 패터닝하게 되는데, 패터닝 공정중 노광 공정시 도전층(13)으로 부터의 반사광을 억제시키기 위해, 도전층(13)상에 반사억제층(14) 및 보조 반사억제층(20)을 순차적으로 형성한다. 보조 반사억제층(20)상에 포토리지스트층(15)을 도포하고, 그 상부 쪽에 레티클(16)을 위치시킨 후, 광원으로부터 광을 조사하므로 포토리지스트층(15)이 선택적으로 노광되어 노광 부분(15A)과 비노광 부분(15B)으로 나누어지게 된다. 이후, 현상 공정을 통해 포토리지스트 패턴을 형성한다.

상기에서, 광원으로부터 조사된 입사광은 포토리지스트층(15)을 노광시키면서 하부층인 보조 반사억제층(20), 반사억제층(14) 및 도전층(13)까지 도달하게 된다. 만약, 반도체 소자를 고집적화시키기 위해 노광 공정을 248nm의 단파장을 갖는 광원을 사용할 경우, 반도체 소자의 도전층(13)으로 사용되는 폴리실리콘, 금속 실리사이드, 도전성 금속 물질 등은 반사율이 매우 증대되고, 반사억제층(14)으로 사용되는 실리콘 옥시나이트라이드(SiON)의 굴절률은 1.90 내지 2.10 정도이고, 포토리지스트층(15)의 굴절률은 약 1.70 정도가 된다. 여기서 중요한 것은 보조 반사억제층(20)의 굴절률로서 반사억제층(14)의 굴절률과 포토리지스트층(15)의 굴절률의 중간 정도의 반사율을 갖는 물질로 형성하여야 한다. 이와 같은 반사율을 갖는 보조 반사억제층(20)을 형성하는 이유는, 종래 기술에서 전술한 바와 같이, 포토리지스트층의 하부층에서 반사되어 포토리지스트층으로 굴절되어 들어가는 광의 각도를 줄이기 위함이다. 또한, 보조 반사억제층(20)과 반사억제층(14) 사이에서 전반사가 이루어지도록 하여 종래와 같이 반사억제층(14)으로 부터의 반사광이 포토리지스트층(15)으로 굴절되어 들어가지 않도록 하기 위해서이다. 즉, 전반사는 포토리지스트층(15)으로 굴절되어 들어가는 광의 각도가 커질수록 그 효과는 증대되는데, 그 원리는 후술하기로 한다.

단차가 진 부분에서, 보조 반사억제층(20)은 포토리지스트(15)의 굴절률과 반사억제층(14)의 굴절률의 중간 값을 갖기 때문에 1.90 내지 2.10의 굴절률을 갖는 반사억제층(14)에서 반사된 반사광보다 작은 각을 가지기 때문에 비노광 부분(15B)의 포토리지스트층(15)을 재노광시키는 비율이 낮아 나칭 현상을 일으키지 않게 되며, 또한 굴절율이 높은 반사억제층(14)에서 반사된 반사광은 큰 각을 가지게 되지만 굴절율이 낮은 보조 반사억제층(20) 사이에서 전반사가 이루어지기 때문에 반사억제층(14)의 반사광은 포토리지스트층(15)에 도달하지 않게 되어 나칭 현상 가능성을 더욱 줄이게 된다. 보조 반사억제층(20)과 반사억제층(14) 사이에 반사광의 전반사가 이루어지지 않더라도 반사억제층(14)의 반사광이 보조 반사억제층(20)에 의해 반사광의 일부는 반사되고 일부는 보조 반사억제층(20)에서 굴절되어 포토리지스트층(15)에서 전반사되어 소멸하게 된다. 굴절율이 매우 높은 도전층(13)에서 반사된 반사광은 반사억제층(14) 및 보조 반사억제층(20)에 의해 전반사되거나 또는 포토리지스트층(15)으로 되돌아가는 반사광의 강도가 매우 약화되어 나칭 현상이 일어나지 않게 된다.

반사억제층(14)은 SiH₄가스, N₂O 가스 및 He 가스를 소오스 가스로 한 플라즈마 증가형 화학 기상 증착법으로 굴절율이 1.90 내지 2.10인 실리콘 옥시나이트라이드로 형성되며, 보조 반사억제층(20)은 인-시튜(in-situ) 방식으로 반사억제층(14)의 소오스 가스중 SiH₄가스의 양을 줄이거나 N₂O 가스의 양을 증가시켜 플라즈마 증가형 화학 기상 증착법으로 굴절율이 1.70 내지 1.90인 실리콘 옥시나이트라이드로 형성된다.

한편, 반도체 소자의 제조 공정중 금속 배선 형성 공정시 나칭 현상을 줄이기 위해 금속층상에 티타늄 나이트라이드층을 일반적으로 적용하고 있다. 상기한 실시예의 원리를 여기에 적용할 경우 나칭 현상을 더욱 더 방지할 수 있다. 이때, 반사억제층(14)은 보조 반사억제층(20)의 굴절률과 티타늄 나이트라이드층의 굴절률의 중간 값이 되도록 한다.

도 3은 전반사 원리를 설명하기 위한 도면이다. 광은 굴절율이 다른 매질을 통과할 때는 굴절과 반사를 하게 된다. 광이 제 1 매질(30)로부터 제 2 매질(40)로 입사할 때, 문턱각(θc) 이상으로 입사할 경우 입사광의 반사는 물론이고(반사는 문턱각 이하에서도 일어남), 투과되어 굴절될 광도 모두 반사가 이루어지게 된다. 이러한 원리는 광통신의 기본 요소인 광섬유를 만드는 원리인 전반사의 원리로 널리 알려져 있다. 즉, 광이 문턱각 이상으로 입사하여 전반사가 이루어지면 제 1 매질(30)로부터 제 2 매질(40)로 입사되는 광은 모두 다시 제 1 매질(30)로 되돌아오기 때문에 제 2 매질(40)로 입사되는 광은 전무하다. 이러한 전반사가 이루어지는 문턱각은 ″θc = sin^-1(n₂/n₁)″의 식으로 구할 수 있다. 여기서, ″n₁″은 제 1 매질(30)의 굴절율이고, ″n₂″는 제 2 매질(40)의 굴절율이다. 만약 ″n₁″이 ″n₂″보다 크다면 n₂/n₁는 1 보다 작아질 수 있어 90°이하의 각에서 문턱각이 존재할 수 있게 된다. 즉, 전반사의 원리를 적용하기 위해서는 반드시 ″n₁″이 ″n₂″보다 커야 된다는 전제 조건이 필요하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체 소자의 제조 공정중 도전층 패턴을 형성하기 위한 노광 작업시 입사된 광이 하부층에 의해 반사되어 포토리지스트층으로 되돌아오는 것을 억제시키기 위해, 주 반사억제층과 포토리지스트층 사이에 보조 반사억제층을 형성하여 이들 층 사이에서 전반사가 이루어지도록 하므로, 포토리지스트 패턴의 노칭 현상을 방지할 수 있고, 이로 인하여 양호한 형상을 갖는 포토리지스트 패턴을 식각 마스크로 도전층을 패터닝할 수 있어 소자의 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

1. 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 구조의 기판 상에 도전층을 형성하는 단계;

   상기 도전층상에 248nm의 파장에서 1.90 내지 2.10의 굴절률을 갖는 물질로 반사 억제층을 형성하는 단계;

   상기 반사 억제층상에 248nm의 파장에서 1.70 내지 1.90의 굴절률을 갖는 물질로 보조 반사 억제층을 형성하는 단계;

   상기 보조 반사 억제층상에 248nm의 파장에서 1.7의 굴절률을 갖는 포토리지스트층을 형성하는 단계;

   상기 포토리지스트층을 선택적으로 노광하는 단계;

   현상 공정으로 포토리지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전층은 폴리실리콘, 금속 실리사이드 및 도전성 금속 물질 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 억제층은 SiH₄가스, N₂O 가스 및 He 가스를 소오스 가스로 한 플라즈마 증가형 화학 기상 증착법으로 증착되는 실리콘 옥시나이트라이드로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 반사 억제층은 소량의 SiH₄가스, 다량의 N₂O 가스 및 He 가스를 소오스 가스로 한 플라즈마 증가형 화학 기상 증착법으로 증착되는 실리콘 옥시나이트라이드로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 반사 억제층은 SiH₄가스, N₂O 가스 및 He 가스를 소오스 가스로 한 플라즈마 증가형 화학 기상 증착법으로 형성되며, 상기 보조 반사 억제층은 인-시튜 방식으로 상기 반사 억제층의 소오스 가스중 SiH₄가스의 양을 줄이거나 N₂O 가스의 양을 증가시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 도전층과 상기 반사억제층 사이에 티타늄 나이트라이드층을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 티타늄 나이트라이드층은 상기 반사 억제층의 굴절률 보다 높은 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조 방법.

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