KR100301654B1 - 반도체장치의 미세패턴 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체장치의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 식각마스크로 포토레지스트패턴을 이용하는 경우 식각패턴이 정의된 포토레지스트패턴의 고분자 구조를 변경시킨 후 열을 가하여 리플로잉(reflowing)시키므로서 유체의 거동을 가역적으로 조절하므로서 노광기의 한계를 극복하여 더욱 미세한 패턴을 형성하도록 한 반도체장치의 미세패턴의 선폭(critical dimension) 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 반도체장치 미세패턴 형성방법은 웨이퍼 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와, 포토레지스트막에 소정 패턴을 갖는 포토마스크를 이용한 노광 및 현상을 실시하여 웨이퍼 소정 부위를 노출시키는 제 1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와, 제 1 포토레지스트패턴의 물성을 변화시키는 단계와, 물성이 변화된 제 1 포토레지스트패턴을 리플로잉 시킬 수 있는 온도로 베이킹시켜 리플로잉된 제 1 포토레지스트패턴으로 부터 임계치수가 작아진 제 2 포토레지스트패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 반도체장치의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로서, 특히, 식각마스크로 포토레지스트패턴을 이용하는 경우 식각패턴이 정의된 포토레지스트패턴의 고분자 구조를 변경시킨 후 열을 가하여 리플로잉(reflowing)시키므로서 유체의 거동을 가역적으로 조절하므로서 노광기의 한계를 극복하여 더욱 미세한 패턴을 형성하도록한 반도체장치의 미세패턴의 선폭(critical dimension) 제어방법에 관한 것이다.
콘택홀을 형성하는 경우를 예로 들면, 일반적으로 실리콘 기판 위에 산화막이 두껍게 증착되고 그위에 콘택홀 형성을 위한 포토레지스트패턴이 형성되는데, 이러한 포토레지스트패턴에 따라 콘택 내지는 비어홀의 선폭이 결정되어진다.
따라서, 소자가 초고집적화됨에 따라 더욱 미세한 홀을 형성할 수 있는 포토레지스트패턴이 요구되며, 이를 위하여 포토리쏘그래피 공정에서 미세홀 포토마스크와 고가의 장비가 필요로 하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성 장치이다.
도 1을 참조하면, 포토레지스트 패턴(12)이 형성된 웨이퍼(11)를 핫-플레이트(hot plate)챔버(13) 내에서 핫-플레이트(10) 위에 놓고 가열하여 포토레지스트 패턴을 리플로잉 시켜 현상된 패턴 보다 더 작은 선폭을 갖는 미세 패턴을 형성한다.
도 2는 종래 기술에 따른 미세패턴 형성시 온도에 따른 자유체적의 그래프이다.
도 2를 참조하면, 수평좌표는 온도를 나타내고 수직좌표는 포토레지스트패턴의 자유체적(free volume)을 나타낸다.
소정 온도 부터 상 변화(phase change)가 발생하는 용융온도(Tg)까지 자유체적은 완만한 기울기를 가지며 증가하는 그래프(S1)를 보여주며, 용융온도(Tg) 이상 부터 급격하게 그 체적이 증가하는 그래프(L1)를 나타낸다.
이와 같이 체적증가율이 급격하게 일어나므로, 미세패턴의 프로파일의 변화가 크게되어 식각공정에 바람직하지 못한 포토레지스트패턴의 프로파일을 초래한다. 이와같은 단면 프로필이 도 3에 나타나 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 미세패턴의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 반도체기판(31) 위에 이온주입 없이 현상된 후 리플로잉된 포토레지스트패턴(33)이 형성되어 있다. 이때, 점선(32)은 열처리공정 등으로 리플로잉되기 전의 포토레지스트패턴(32)의 단면 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도면에서 알 수 있듯이, 리플로잉된 포토레지스트패턴(33)은 그 자유체적의 증가가 급격하게 일어나므로 식각마스크로 사용되는 미세 포토레지스트패턴(33)의 프로필이 S자 형태로 형성되어, 비록 미세패턴은 형성되었지만 식각마스크로서 우수한 단면 프로파일을 제공하기 어렵다.
종래 기술에서 열처리공정을 통한 미세패턴 제어방법은 다음과 같다.
노광 및 현상공정으로 포토레지스트패턴이 형성된 반도체기판을 고정밀도 베이킹 유닛에 반입한 다음, 소정의 열처리 조건으로 포토레지스트패턴을 베이킹한다.
그리고, 고체에서 액체상태로 상변화가 일어나는 유리전이온도 이상의 고온 공정을 추가로 포토레지스트패턴에 실시하여, 이미 비고체상태로 경화되어 있는 고밀도 집적패턴을 갖는 포토레지스트패턴에 유체거동성 변화를 유도하여 이미 확보된 선폭(critical dimension)보다 작은 선폭을 갖는 포토레지스트패턴을 형성한다.
따라서, 적절한 소정의 온도, 시간, 횟수의 열처리 과정을 통하여 노광기의 기기 한계를 초월한 고집적 미세패턴을 형성한다.
종래 기술에서 콘택홀 형성을 위한 미세패턴 형성방법은 다음과 같다.
소자 등이 형성되고 절연층이 형성된 실리콘기판 위에 포토레지스트를 도포한 다음, 노광장치에서 포토마스크로 형성될 홀의 패턴대로 노광을 실시한다.
노광 공정 후 현상공정을 웨이퍼에 실시하여 제 1 포토레지스트패턴을 형성한 다음, 하드 베이킹 단계(hard baking step)에서 감광제가 갖는 열적안정성 한께 온도보다 높은 온도에서 적정시간 동안 포토레지스트패턴에 열을 가한다. 이때, 일반적으로 포토레지스트의 열적 안정온도는 약 130℃이고, 본 발명에서 베이킹하는 온도는 130이상 150℃ 이하로 한다. 물론, 이러한 온도범위는 포토레지스트의 종류에 따라 변화할 수 있다.
포토레지스트패턴이 가열되면, 포토레지스트에 리플로잉(reflowing) 현상이 발생하게 되어 제 1 포토레지스트패턴이 갖는 홀(hole) 패턴보다 더욱 미세한 홀 패턴을 갖는 제 2 포토레지스트패턴을 형성할 수 있게 된다.
따라서, 제 2 포토레지스트패턴으로 보호되니 않는 부위의 절연층을 제거하면 처음 포토마스크에 정의된 것보다 더 작은 선폭을 갖는 미세홀을 형성할 수 있게 된다.
그러나, 상술한 종래 기술에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성방법은 각각의 포토레지스트가 갖는 물성을 변화시키지 못하고 고유물성을 이용하여 리플로잉 시키므로 미세패턴을 형성하기 위한 대상물질의 선정 폭이 좁다.
그리고, 상기 물성중 특성조건영역의 협소와 비가역성에 기인하여, 장비 및 조건에 따라 그 적용 마진이 적고 재현성이 작으며, 사용하는 제품에 따른 물성차의 영향이 크다.
또한, 사용하는 포토레지스트의 레이아웃 및 패턴 밀도에 따른 패턴의 프로파일의 변화가 큰 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 식각마스크로 포토레지스트패턴을 이용하는 경우 포토레지스트 기본 물성의 가변성 확보를 위하여, 현상공정으로 식각패턴이 정의된 포토레지스트패턴을 이온주입으로 경화시킨 후 열을 가하여 리플로잉(reflowing)시키므로서 포토레지스트의 물성을 조절하여 포토레지스트의 선택폭을 넓히고, 공정마진을 개선하며 우수한 미세패턴의 프로필을 형성하는 반도체장치의 미세패턴 형성방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체장치 미세패턴 형성방법은 웨이퍼 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와, 포토레지스트막에 소정 패턴을 갖는 포토마스크를 이용한 노광 및 현상을 실시하여 웨이퍼 소정 부위를 노출시키는 제 1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와, 제 1 포토레지스트패턴의 물성을 변화시키는 단계와, 물성이 변화된 제 1 포토레지스트패턴을 리플로잉 시킬 수 있는 온도로 베이킹시켜 리플로잉된 제 1 포토레지스트패턴으로 부터 임계치수가 작아진 제 2 포토레지스트패턴을 형성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체장치 미세패턴 형성방법은 피식각층이 형성된 반도체기판 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와, 포토레지스트막에 소정 패턴을 갖는 포토마스크를 이용한 노광 및 현상을 실시하여 피식각층의 소정 부위를 노출시키는 제 1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와, 제 1 포토레지스트패턴을 비활성 불순물이온으로 도핑시키는 단계와, 도핑된 제 1 포토레지스트패턴을 리플로잉 시킬 수 있는 온도로 베이킹시켜 리플로잉된 상기 제 1포토레지스트패턴으로 부터 제 2 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와, 제 2 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 피식각층을 제거하는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성 장치
도 2는 종래 기술에 따른 미세패턴 형성시 온도에 따른 자유체적의 그래프
도 3은 종래 기술에 따른 미세패턴의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성 장치
도 5는 본 발명에 따른 미세패턴 형성시 온도에 따른 자유체적의 그래프
도 6은 본 발명에 따른 미세패턴의 단면도
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도
본 발명에서 임계치수 제어를 위한 포토레지스트의 경화 및 열처리공정은 다음과 같다.
반도체기판에 포토레지스트를 도포한 후 포토마스크를 이용하여 노광공정을 실시하여 고집적 포토레지스트패턴을 형성한 다음 열처리공정 진행전에, 포토레지스트패턴에 Si 또는 Ge 이온 등의 비활성이온을 이용한 이온주입을 30KeV정도의 에너지와 1E15 ions/㎠ 정도의 도우즈로 실시한다. 이때, 고집적 포토레지스트 미세패턴에 주입된 이온은 포토레지스트와 충돌하여 아웃-개싱(out-gassing) 및 고분자 체인의 결합을 변화시켜 포토레지스트의 점도 등의 물성을 변화시킨다.
그리고, 이온주입이 완료된 고집적 포토레지스트패턴이 형성된 반도체기판 내지는 웨이퍼를 베이킹 유닛에 재반입시켜 열처리공정을 진행하므로써, 포토레지스트의 유체거동성 변화를 유도하여 이미 확보된 임계치수 보다 작은 임계치수를 갖는 포토레지스트 미세패턴을 형성한다. 이때, 온도, 시간, 횟수 등의 열처리공정 조건을 적절하게 선택하여 노광기의 노광 한계를 극복한 고집적 포토레지스트 미세패턴을 형성한다.
또한, 본 발명의 기본 콘셉(concept)은, 첫째, 두단계의 열처리 공정을 진행하여 포토레지스트패턴의 균일성(uniformity)를 개선할 수 있고, 이온주입 대신 빛, 전자, 방사선 등의 조사(irradiation)로 포토레지스트의 물성을 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성 장치이다.
도 4를 참조하면, 비활성 이온으로 이온주입된 포토레지스트 패턴(42)이 형성된 웨이퍼(41)를 핫-플레이트(hot plate)챔버(43) 내에서 핫-플레이트(40) 위에 놓고 가열하여 포토레지스트 패턴을 리플로잉 시켜 현상된 패턴 보다 더 작은 선폭과 우수한 패턴의 단면 프로파일을 갖는 미세 패턴을 형성한다.
도 5는 본 발명에 따른 미세패턴 형성시 온도에 따른 자유체적(free volume)의 그래프이다.
도 5를 참조하면, 수평좌표는 온도를 나타내고 수직좌표는 포토레지스트패턴의 자유체적(free volume)을 나타낸다.
포토레지스트패턴의 소정 온도 부터 상 변화(phase change)가 발생하는 용융온도(Tg)까지 자유체적은 완만한 기울기를 가지며 증가하는 그래프(S2)를 보여주며, 이온주입되지 않은 포토레지스트패턴에서 용융온도(Tg) 이상 부터 급격하게 그 체적이 증가하는 그래프(L2)를 나타내고, 실리콘 또는 게르마늄 등의 비활성 불순물로 이온주입된 포토레지스트패턴에서 용융온도(Tg) 이상 부터 비교적 완만하게 그 체적이 증가하는 그래프(L3)가 도시되어 있다.
이와 같이 체적증가율이 이온주입되지 아니한 경우보다 완만하므로, 미세패턴의 프로파일의 변화가 작아 식각공정에 바람직한 포토레지스트패턴의 프로파일을 제공한다. 이와 같은 단면 프로필이 도 6에 나타나 있다.
도 6은 본 발명에 따른 포토레지스트 미세패턴의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 반도체기판(61) 위에 패턴 현상공정 후 Si, Ge 등의 비활성 불순물이 이온주입된 후 리플로잉된 포토레지스트 미세패턴(63)이 형성되어 있다. 이때, 점선(62)은 열처리공정 등으로 리플로잉되기 전의 포토레지스트패턴(62)의 단면 모습을 도식적으로 나타낸 것이다.
도면에서 알 수 있듯이, 리플로잉된 포토레지스트 미세패턴(63)은 그 자유체적의 증가가 종래 보다 완만하게 일어나므로 식각마스크로 사용되는 미세 포토레지스트패턴(63)의 프로필이 거의 수직형태로 형성되어, 포토레지스트 미세패턴(62)은 식각마스크로서 우수한 단면 프로파일을 제공한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 반도체장치의 미세패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따라 포토레지스트 미세패턴을 형성하여 콘택홀을 형성하는 공정단면도이다.
도 7a를 참조하면, 활성영역과 필드영역을 정의하는 필드산화막(71)이 형성된 웨이퍼인 실리콘기판(70)상에 게이트절연막(72)을 열산화막으로 형성한 다음 게이트 형성을 위한 도핑된 폴리실리콘층을 증착하여 형성한 후, 사진식각공정을 실시하여 게이트(73)와 게이트산화막(72)을 패터닝하여 형성한다. 그리고 게이트(73)를 이온주입마스크로 이용하여 게이트산화막(72) 아래 기판(70)내에 소스/드레인(74)을 형성한다. 이때, 소스/드레인(74)은 게이트 측벽을 형성한 다음 LDD를 갖도록 형성할수 있다.
그다음 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition : 이하, CVD라 칭함) 방법으로 산화실리콘을 증착하여 층간절연층(75)을 형성한다. 상기에서 기판(70)은 불순물영역이 확산된 반도체기판이거나 또는, 하부 배선층(도시되지 않음)일 수도 있다.
그리고, 층간절연층(75) 상에 포토레지스트(76)를 도포한다.
그다음, 형성될 콘택홀의 선폭 보다 약간 큰 패턴을 갖는 포토마스크를 이용하여 노광장치에서 포토레지스트를 노광시킨다. 따라서, 포토레지스트에는 포토마스크에 구현된 패턴에 따라 형성될 제 1 포토레지스트패턴이 정해진다.
그다음, 포토레지스트를 현상하여 콘택홀 형성용 식각마스크로 이용될 고집적 제 1 포토레지스트패턴(760)을 형성한다. 이 때, 층간절연층(75)의 노출된 부분은 반도체기판(70)의 불순물영역(74)과 게이트(73)의 상부 표면이나, 또는 도면에 표시되지 아니한 하부 배선층과 대응한다.
그리고, 제 1 포토레지스트패턴(760)에 Si 또는 Ge 등의 비활성 이온으로 이온주입을 실시하여 제 1 포토레지스트패턴(760)의 물성을 변화시킨다. 이때, 이온주입은 30KeV정도의 에너지와 1E15 ions/㎠ 정도의 도우즈로 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 고집적 포토레지스트패턴에 주입된 이온은 포토레지스트와 충돌하여 아웃-개싱(out-gassing) 및 고분자 체인의 결합을 변화시켜 포토레지스트의 점도 등의 물성을 변화시켜, 이후 열공정에서 온도에 따른 자유체적의 증가가 완만하게 하므로서 형성되는 포토레지스트 미세패턴의 프로필을 개선시킨다.
도 7b를 참조하면, 제 1 포토레지스트패턴을 형성한 다음, 하드 베이킹 단계(hardbaking step)에서 감광제가 갖는 열적안정성 한계 온도보다 높은 온도에서 적정시간 동안 포토레지스트패턴에 열을 가한다. 이때, 일반적으로 포토레지스트의 열적 안정온도는 약 130℃이고, 본 발명에서 베이킹하는 온도는 130이상 150℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 물론, 이러한 온도범위는 포토레지스트의 종류에 따라 변화할 수 있다.
포토레지스트패턴이 가열되면, 포토레지스트에 리플로잉(reflowing) 현상이 발생하게 되어 제 1 포토레지스트패턴이 갖는 홀(hole) 패턴보다 더욱 미세한 홀 패턴을 갖는 제 2 포토레지스트패턴(761)이 형성다. 이때, 제 2 포토레지스트패턴(761)의 단면 프로필은 도 6에 나타난 바와 같이 종래에 비해 수직형태로 형성되므로 식각마스크로서의 안정성이 확보된다.
도 7c를 참조하면, 제 2 포토레지스트패턴(761)으로 보호되지 않는 부위의 층간절연층을 Ar, CHF3, CF4의 혼합기체를 사용한 플라즈마 건식식각으로 제거하여 콘택홀 및 워드라인 콘택홀을 형성한다.
도 7d를 참조하면, 제 2 포토레지스트패턴을 산소 플라즈마로 애슁(ashing)하여 제거한다.
이때, 형성되는 콘택홀의 크기 즉 지름(d2)은 도 7a의 제 1 포토레지스트패턴의 지름(d1) 보다 축소되어 장비의 해상력과 포커스마진의 한계를 넘어 더욱 작아진 콘택홀 선폭 또는 임계치수(critical dimension)을 갖게된다.
이후 도시되지는 않았지만, 잔류한 층간절연층(750) 상에 기판(70)에 형성된 콘택홀을 채워 기판(70)의 소스/드레인(74) 또는 게이트(73)와 접촉되도록 텅스텐 등의도전물질을 증착하고 패터닝하여 플러그를 형성한 다음 워드라인과 비트라인 등을 형성한다.
따라서, 본 발명의 반도체장치의 미세패턴 형성방법은 각각의 포토레지스트가 갖는 물성을 가변시키므로서 미세패턴을 형성하기 위한 대상물질의 선정 폭이 넓고, 상기 물성중 특성조건영역의 협소와 가변성에 기인하여, 장비 및 조건에 따라 그 적용 마진이 및 재현성이 크므로 사용하는 제품에 따른 물성차의 영향이 작으며, 또한, 사용하는 포토레지스트의 레이아웃 및 패턴 밀도에 따른 패턴의 프로파일의 변화가 감소하는 장점이 있다.
Claims (5)
- 피식각층이 형성된 반도체기판 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와,상기 포토레지스트막에 소정 패턴을 갖는 포토마스크를 이용한 노광 및 현상을 실시하여 상기 피식각층의 소정 부위를 노출시키는 제 1 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와,상기 제 1 포토레지스트패턴을 비활성 불순물이온으로 도핑시키는 단계와,도핑된 상기 제 1 포토레지스트패턴을 리플로잉 시킬 수 있는 온도로 베이킹시켜 리플로잉된 상기 제 1 포토레지스트패턴으로 부터 상기 피시각츠의 노출부위를 감소시키는 제 2 포토레지스트패턴을 형성하는 단계와,상기 제 2 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 상기 피식각층을 제거하는 단계로 이루어진 반도체장치의 미세패턴 형성방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 온도는 130℃ 이상인 것이 특징인 반도체장치의 미세패턴 형성방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 비활성 불순물이온은 Si 또는 Ge 중 어느 하나를 선택적으로 사용하는 것이 특징인 반도체장치의 미세패턴 형성방법.
- 청구항 7에 있어서, 제거된 상기 피식각층 부위는 콘택홀 또는 비어홀인 것이 특징인 반도체장치의 미세패턴 형성방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 제 1 포토레지스트패턴을 비활성 불순물이온으로 도핑시키는 단계 대신, 상기 제 1 포토레지스트패턴의 물성을 온도에 대한 체적증가율이 완화되도록 전자, 방사선 등의 조사(irradiation)로 상기 제 1 포토레지스트패턴의 물성을 조절하는 것이 특징인 반도체장치의 미세패턴 형성방법.
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