KR100307629B1 - 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성 및 적용방법 - Google Patents

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Abstract

헬륨가스(He gas)를 사용하지 않고 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성함으로써 식각선택비를 개선하고, 제거가 용이하며, 낮은 원가로 박막을 형성할 수 있는 반사방지막의 형성 및 적용방법에 관해 개시한다. 이를 위해 본 발명은, 하지층이 형성된 반도체 기판에 고반사막을 형성하는 공정과, 상기 고반사막 위에 하이드로 카본계 가스만을 이용하여 반사방지막을 형성하는 공정과, 상기 반사방지막 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 하부의 반사방지막 및 고반사막을 식각하는 공정과, 상기 결과물에서 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 동시에 제거하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성 및 적용방법을 제공한다.

Description

하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성 및 적용방법{Method for forming and applicating a anti reflective film using hydrocarbon based gas}
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 반사방지막(ARC: Anti Reflective Coating)의 형성 및 적용방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화, 고성능화가 진행됨에 따라 반도체 소자의 제조공정에서 미세 패턴 형성 기술에 대한 요구도가 높아지고 있다. 이러한 반도체 소자의 미세패턴 형성은 일반적으로 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 형성된다. 그러나 포토리소그래피 공정 도중에 포토레지스트 아래의 막에서 포토레지스트로 반사된 빛은 크게 다음과 같은 공정상의 문제점을 유발시킨다.
첫째, 포토레지스트막 안에서의 빛의 다중 간섭 현상에 의해 생기는 정상파 효과(Standing Wave Effect)에 의하여 포토레지스트 패턴의 프로파일(profile)에 물결 모양의 리플(ripple)이 생겨 정확한 선폭을 제어하기 힘들다. 노광 후 베이킹(post exposure baking)에 의하여 이러한 리플을 제거한다고 하여도 포토레지스트 패턴이 꼬리(tail) 모양으로 변형되거나, 언더컷(undercut)을 야기시킨다.
둘째, 포토레지스트막 안에서의 빛의 다중 간섭 현상에 의하여 동일한 노광에너지를 사용하더라도, 포토레지스트막으로 흡수된 빛의 양이 포토레지스트막의 두께에 따라 주기적으로 변하는 스윙 현상(Swing Effect)이 발생한다. 이러한 스윙 현상은 형성하고자 하는 미세패턴의 선폭을, 요구하는 범위 내로 제어하기 힘들게 하는 원인으로 작용한다.
셋째, 반도체 소자의 제조과정에서 생긴 하부막질의 단차 부위에서 발생하는반사광에 의해 포토레지스트 패턴에 나칭(notching) 또는 브릿징(bridging)이 발생하게 된다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 반사방지막 형성방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 1 및 도 2는 일반적인 반도체 소자의 제조공정에 대한 포토리소그래피 공정을 설명하기 위하여 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(50)에 단차를 갖는 하지층(52)을 형성하고, 투명한 절연막과 같은 굴절율이 높은 고반사막(54)을 상기 하지층(52) 위에 형성한다. 이어서 패터닝을 위하여 상기 고반사막(54) 위에 포토레지스트막(56)을 도포하고 노광 장비(미도시)에서 차광막(58)이 설치된 마스크(60)를 사용하여 광원(62)을 조사한다.
도 2를 참조하면, 상기 도 1의 노광공정을 완료한 후, 현상공정을 통하여 포토레지스트 패턴(64, 66)을 형성한다. 이때, 하지층(52)에 단차가 없는 영역에서는 비교적 미세패턴의 선폭이 안정된 포토레지스트 패턴(64)이 형성된다. 하지만, 단차가 있는 영역에서는 고반사막(54)에 조사되는 광원(62)의 빛의 다중간섭 현상에 의하여 포토레지스트 패턴의 선폭이 정확히 제어되지 않는 변형된 포토레지스트 패턴(66)이 형성된다. 이러한 변형이 심화된 경우에는 나칭(notching)이나 브릿징(bridging) 결함으로 연결되어 미세패턴 형성에 있어 치명적인 결함으로 심화하게 된다.
도 3은 일반적인 반도체 소자의 제조공정에서 반사방지막을 적용하였을 때, 광원(62)에 대한 반사방지막의 원리를 설명하기 위하여 도시한 단면도이다. 참조부호 68은 포토레지스트막(56)과 고반사막(54) 사이에 형성된 일반적인 반사방지막을 가리킨다. 이러한 반사방지막(68)이 형성된 상태에서 하부막질(54, 68)에서 포토레지스트막으로 반사되는 빛은, 반사방지막(68)과 포토레지스트막(56)의 경계면에서 반사되는 빛(벡터 1)과, 고반사막(54)과 반사방지막(68)의 경계면에서 반사되는 빛(벡터 2)의 합이 된다. 이러한 반사되는 빛(벡터 1+2)을 줄이기 위해서는, ① 벡터 1과 2의 위상차를 180도로 만들어서 소멸간섭을 하도록 하거나, ② 반사되는 빛인 벡터 1 또는 2가 반사방지막(68)에 거의 흡수되어 포토레지스트막(56)으로 빛이 반사되지 않도록 해야 한다. 여기서, 상기 ①의 경우에 해당되는 반사방지막을 간섭형 반사방지막이라 하고, ②의 경우에 해당되는 반사방지막을 흡수형 반사방지막이라 하는데, 경우에 따라서는 상기 간섭형 반사방지막과 흡수형 반사방지막의 중간 정도의 특성을 갖는 혼합형 반사방지막이 사용되기도 한다.
이러한 반사방지막으로 하이드로 카본(Hydrocarbon)과 헬륨(helium)의 혼합가스를 사용하여 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 반사방지막을 형성하는 기술이 미합중국 특허 제 5,569,501호(title: Diamond-like carbon films from hydrocarbon helium plasma, Date of Patent: Oct. 29, 1996)로 특허 등록된 바 있다. 그러나 캐리어 가스로 헬륨을 사용함으로서 막질의 특성이 떨어지거나, 플라즈마 생성시에 발생하는 막질의 손상(damage)과 같은 문제가 유발된다. 참고로, 상기 PECVD 방식은 플라즈마 챔버(chamber)의 기판하부에서만 온도를 조절하여 비정질 카본막을 형성하는 방식이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 반사방지막으로 비정질 카본막을 만드는데 있어서, PECVD 챔버에서 캐리어 가스(carrier gas)로 사용되는 헬륨가스를 배제하고, 하이드로 카본계의 가스만을 사용하고 챔버의 기판 상부 및 하부에서 온도를 조절하면서 반사방지막을 형성하여, 식각선택비 개선 및 제조비용의 절감이 가능한 반사방지막을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 반사방지막을 이용하여 공정을 단순화시키고, 제거가 용이한 특징을 갖는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법을 제공하는데 있다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 의한 반사방지막 형성방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 4는 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막을 형성한 후, 이를 반도체 제조공정에 적용하는 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 7은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법에 대한 변형예를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법에 대한 다른 변형예를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 온도 변화에 대한 굴절율(refractive index) 특성을 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 온도 변화에 대한소멸계수(extinction coefficient) 특성을 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 증착시간의 변화에 따른 두께 특성을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 반사방지막의 두께 변화에 따른 굴절율 및 소멸계수의 변화를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 반사방지막의 XRD 표면분석 결과를 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 고반사막을 알루미늄으로 형성하였을 때에, 굴절율과 소멸계수에 따른 반사율의 시뮬레이션(Simulation) 결과를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 16 및 도 17은 고반사막으로 실리콘막을 형성하였을 때에, 굴절율과 소멸계수에 따른 반사율의 시뮬레이션(Simulation) 결과를 설명하기 위해 도시한 그래프이다
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100: 반도체 기판, 102: 하지층,
104: 고반사막, 106: 반사방지막,
108: 포토레지스트 패턴, 110: 마스크,
112: 차광막, 114: 광원,
116: 절연막.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막 형성방법은, 하지층이 형성된 반도체 기판에 고반사막을 형성한 후, 상기 고반사막 위에 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성한다. 마지막으로 상기 반사방지막 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 반도체 기판은, 실리콘 단결정 기판(Single crystall silicon substrate), 에스. 오. 아이(SOI)기판, 에스. 오. 에스(SOS) 기판 및 갈륨아산나이드 기판(Gallium Arsenide substrate) 중에서 선택된 하나를 사용하는 것이 적합하고, 상기 고반사막은 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 반사율이 높은 물질중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것이 적합하다.
바람직하게는, 상기 고반사막과 상기 포토레지스트 패턴 사이에 절연막을 형성하는 공정을 더 진행하는 것이 적합하며, 이러한 절연막은 상기 고반사막과 상기 반사방지막 사이에 형성할 수 있고, 상기 포토레지스트 패턴과 상기 반사방지막 사이에 형성할 수도 있다. 상기 절연막은, 폴리실리콘 산화물, 열성장된 실리콘 산화물 및 옥시나이트라이드(SiON)로 이루어진 투명하거나 반투명한 막질중에서 선택된 하나의 막을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하이드로 카본계의 가스는, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌, 프로펜 및 n-부탄 중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반사방지막을 형성하는 방법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성하되, 플라즈마 챔버에서 기판의 상부 및 하부에서 각각 온도조절을 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 반사방지막은 비정질카본막을 사용하는 것이 적합하며, 이러한 비정질카본막은 노광파장에 대하여 굴절율(refraction ratio)이 1.2 내지 2.5 사이에 있고, 소멸계수(extinction coefficient)가 0.2내지 0.8 사이의 막을 사용하는 것이 적합하다.
상기 비정질카본막은 산소, 주석, 납, 실리콘, 불소 및 염소로 이루어진 첨가제중에서 적어도 어느 하나가 포함된 것이 바람직하고, 상기 반사방지막을 형성한 후에 열처리(annealing), 플라즈마 처리, 전자빔 처리(E-beam) 및 큐어링(curing)을 추가로 진행하여 막질의 밀도를 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법은, 먼저 하지층이 형성된 반도체 기판에 고반사막을 형성한다. 상기 고반사막 위에 하이드로 카본계 가스만을 이용하여 반사방지막을 형성하고, 상기 반사방지막 위에 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 하부의 반사방지막 및 고반사막을 식각한 후, 상기 결과물에서 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 동시에 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 반사방지막은 150∼10000Å의 두께로 형성하는 것이 적합하고, 상기 반사방지막을 식각하는 방법은 산소 및 아르곤 가스를 포함하는 식각가스를 사용하는 것이 적합하다.
바람직하게는, 반사방지막 및 고반사막을 제거하는 방법은, 반사방지막과 고반사막을 순차적으로 제거하거나, 반사방지막과 고반사막을 동시에 제거할 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 동시에 제거하는 방법은 상기 반사방지막을 제거하는 공정을 추가로 진행하지 않고 포토레지스트 제거공정만으로 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 제거하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 첫째 하이드로 카본계의 가스만을 사용하여 식각선택비의 조절이 용이한 특성을 지닌 반사방지막을 형성함으로써, 값비싼 박막형성 가스를 사용하여 반사방지막을 형성할 때보다 제조원가를 절감할 수 있다. 둘째, 반사방지막을 제거할 때, 추가로 건식식각을 진행하지 않고 포토레지스트 패턴을 제거하는 방식만으로 반사방지막과 포토레지스트 패턴을 동시에 제거함으로써, 공정을 단순화시키고, 반사방지막의 사용으로 의해 발생되는 반도체 기판 내의 단차를 줄임으로서 미세패턴으로 된 고집적화 된 반도체 소자를 구현할 수 있다. 셋째, 반사방지막을 형성할 때에 하나의 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성함으로써 비교적 쉽게 반사방지막을 형성할 수 있고 공정변수의 영향을 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 그 정신 및 필수 특징을 이탈하지 않고 다른 방식으로 실시할 수 있다. 예를 들면, 아래의 바람직한 실시예에 있어서는 반사방지막을 형성하는 방법이 PECVD 방식이지만, 이는 스퍼터링(sputtering), 화학기상증착(CVD) 및 레이저 에블레이션(LASER ablation)법과 같은 다양한 방법을 사용하여도 무방하다. 그러므로 하이드로 카본계의 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성하고, 그 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 경우는 본 발명의 범위에 속한다고 보아야 할 것이다. 따라서, 아래의 바람직한 실시예에서 기재한 내용은 예시적인 것이며 한정하는 의미가 아니다.
제1 실시예: 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법
도 4는 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법을 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 트랜지스터나 비트라인(bit line)과 같은 하지층(102)을 형성한다. 이때, 반도체 기판(100)은 일반적인 단결정 실리콘 기판(single crystall silicon substrate) 뿐만 아니라, 에스. 오. 아이(SOI: Silicon On Insulator), 에스. 오. 에스(SOS: Silicon On Sapphire) 및 갈륨아산나이드(gallium-Arsenide) 반도체 기판을 전부 포함한다. 또한, 하지층(102)은 통상의 하부구조를 형성하는 과정에서 단차가 형성된 임의의 층으로 가정한다. 이어서, 식각을 하거나 이온주입을 할 대상인 고반사막(104)을 상기 단차가 있는 하지층(102) 위에 적층한다. 대표적으로 반사율이 높아서 식각시에 패턴의 변형을 초래하는 막의 예(例)로서 텅스텐(W), 텅스텐 실리사이드(WSix), 티타늄 실리사이드(TiSix), 알루미늄(Al) 및 알루미늄 합금으로 된 막(layer)등이 있다.
이어서, 상기 고반사막(104) 위에 본 발명에 있어 가장 핵심을 이루는 반사방지막(106)을 PECVD(Plasma Enhanced CVD) 방식으로 형성한다. 이때, 챔버 내로 투입되는 반응소스로는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌, 프로펜 및 n-부탄가스등과 같이 액체 및 기체 상태의 다양한 반응 소스(source)를 사용하는 것이 가능하나, 본 실시예에서는 일 예로 메탄(CH4) 가스를 사용한다. 또한, 종래 기술에서는 플라즈마를 생성하기 위한 캐리어 가스(Carrier gas)로 헬륨(Helium)을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 캐리어 가스(carrier gas)를 사용하지 않고 단독으로 메탄(CH4) 가스만을 사용하여 반사방지막(106)인 비정질 카본막(amorphous Carbon film)을 형성한다.
이러한 비정질카본막은 다른 막질과의 식각선택비가 우수하고, 막질의 특성이 포토레지스트와 유사하여 후속공정을 진행한 후에 제거가 용이한 특성을 갖는다. 즉 종래 기술에서는 반사방지막을 건식식각을 통하여 제거하였으나, 본 발명에서는 포토레지스트 패턴을 제거하는 공정인 에싱(Ashing) 및 황산 스트립(H2SO4strip)에 이은 세정공정만으로 반사방지막의 제거가 가능하기 때문에 공정 단순화의 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 비교적 값이 싼 메탄(CF4) 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성할 수 있기 때문에 반도체 소자의 제조원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
이때, 캐리어 가스가 아닌 산소, 주석, 납, 실리콘, 불소 및 염소성분의 첨가제를 추가함으로써 사용자가 원하는 굴절율과, 막질의 조성 및 화학적 특성을 갖는 반사방지막을 얻는 것이 가능하다. 굴절율이란 임의의 광이 서로 다른 두 개 막질의 경계면을 통과하면서 굴절되는 정도를 의미한다. 여기서, PECVD 방식으로 반사방지막을 형성시에 챔버 내부의 온도는 막질의 특성에 영향을 미치는데, 본 실시예에서는 종래와 같이 기판 하부에서만 온도를 조절하지 않고, 기판의 상부 및 하부에서 온도를 0∼1000℃ 사이로 변화시켜가면서 반사방지막을 형성할 수 있는 것이 종래 기술과 구분되는 다른 특징중의 하나라고 할 수 있다.
구체적인 반사방지막(106)의 형성조건을 설명하면, 반응소스로서 메탄가스를 250±10 sccm을 주입하고 RF 파워를 150±10 W로 조절하여 반사방지막(106)으로서의 비정질 카본막을 형성하면 DUV(Deep UV; 248nm) 파장영역에서 굴절율(refraction ratio)이 1.0 이상이고, 소멸계수(extinction coefficient)가 0.05 이상인 비정질 카본막을 얻을 수 있다. 이러한 본 발명에 의한반사방지막(106)은 굴절율이 1.2 내지 2.5사이, 그리고 소멸계수가 0.2 내지 0.8 사이에서 효과적인 반사방지막으로 작용할 수 있다. 여기서 소멸계수는 임의의 광이 하나의 막질을 투과하는 정도를 나타내는 계수이다. 상기 비정질 카본막, 즉 반사방지막(106)은 식각하고자 하는 하부막질인 고반사막(104)과의 식각선택비 특성에 따라 두께를 100∼10000Å까지 형성할 수 있다. 일반적으로 고반사막이 절연막인 경우에는 두께를 얇게 형성하고, 고반사막이 도전성 막질인 경우에는 두께를 두껍게 형성한다.
여기서 상기 반사방지막(106)을 형성한 후에 인시튜(In-situ)로 열처리(annealing) 공정을 수행하여 막질의 밀도(Density)를 증가시키거나, 별도의 RF 플라즈마 처리, E-빔(beam) 처리 및 큐어링(curing) 처리를 실시하여 막질의 특성 및 밀도를 조정하는 것이 가능하다.
이어서, 상기 비정질 카본막을 사용하여 형성한 반사방지막(106) 위에 포토레지스트막을 도포하고 436, 365, 248, 196 nm과 같은 450nm이하의 광원(114)과 차광막(112)이 구성된 마스크(110)를 사용하여 포토레지스트 패턴(108)을 형성하면, 정재파 효과(standing wave effect) 및 스윙효과(swing effect) 등에 의한 패턴의 변형이 억제된 우수한 형태의 포토레지스트 패턴(108)의 형성이 가능하다. 여기서 포토레지스트는 포지티브형(positive type), 네거티브형(negative type), i-line용 및 DUV(Deep UV)용 어느 것이든 사용이 가능하다.
제2 실시예: 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막을 형성한 후, 이를 반도체 제조공정에 적용하는 방법을 설명하기 위해 도시한 단면도들이다.
도 5를 참조하면, 상기 450㎚ 이하의 광원과 차광막이 구성된 마스크를 사용하여 포토레지스트 패턴(108)을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴(108)을 식각마스크로 하부의 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 식각한다. 이때, 하부의 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 식각하는 방법은 반사방지막(106)을 따로 식각하고, 고반사막(104)을 이어서 식각할 수 있고, 다르게 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 동시에 식각할 수도 있다.
여기서, 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 각각 식각할 경우에는 반사방지막은 일반적으로 산화막을 식각하는 조건과 동일하게 식각할 수 있으며, 고반사막(104)은 막질의 특성에 따라 각각 식각방법을 달리한다.
그리고, 고반사막이 산화막(SiO2) 또는 질화막(SiN)인 경우에는, 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 동시에 식각하는 것이 가능한데, 본 실시예에서는 건식식각을 통하여 식각이 이루어진다. 상기 포토레지스트막이 DUV용을 사용하고 고반사막(104)이 산화막인 경우에는, 산소를 0-50sccm, 아르곤을 0-1000sccm, 메탄(CF4)을 0-50sccm 정도 식각가스로 공급한 후, 파워를 0-1000W, 압력을 0-500 mTorr의 범위 내에서 조절하면서 식각시간을 조절하면 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 동시에 제거할 수 있다. 상기 고반사막(104)이 질화막인 경우에는 산소를 0-50sccm, 아르곤을 0-1000sccm, 일산화탄소(CO)를 0-50sccm, CHF3을 0-100sccm 정도 식각가스로 공급한 후, 파워를 0-2000W, 압력을 0-500 mTorr의 범위 내에서 조절하고, 식각시간을 조절하면 반사방지막(106)과 고반사막(104)을 동시에 제거할 수 있다. 본 발명에서는 고반사막이 산화막과 질화막일 때, 식각조건을 자세히 설명하였다. 하지만, 이러한 식각조건은 고반사막(104)으로 사용하는 박막의 막질 특성에 따라 각각 다르게 적용할 수 있다.
또한, 상기 반사방지막(106) 및 고반사막(104)에 대한 식각이 진행되는 동안에, 포토레지스트 패턴(108)의 소모(A)가 발생하더라도 하부에 구성된 반사방지막(106)은 그대로 남아있게 되어 후속공정에서 일어나는 식각 또는 이온주입 공정에서 마스크로 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 반사방지막(106), 예컨대 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 형성한 비정질카본막의 식각선택비는 i-line용 포토레지스트막과 0.7이고, DUV용 포토레지스트막과는 0.5 이상의 식각선택비를 가지고, 산화막과는 5 이상의 식각선택비를 갖는다.
도 6을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(108)과 반사방지막(106)을 건식식각 공정의 진행없이, 포토레지스트 패턴을 제거하는 방식으로 제거한다. 여기서 포토레지스트 패턴을 제거하는 공정은, 산소 플라즈마(O2plasma)를 이용한 에싱(ashing), 황산 스트립(H2SO4strip), 세정공정(SC1; Standard cleaning 1)을 말한다.
종래 기술에서는 상기 반사방지막(106)을 추가로 건식식각하여 제거하였다. 그러나, 본 발명에 의한 반사방지막(106), 예컨대 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 형성한 비정질카본막은 자체가 유기물인 특성을 갖는다. 따라서, 포토레지스트를 제거하는 방식과 동일한 공정으로 포토레지스트 패턴(108)과 반사방지막(106)을 동시에 제거함으로써 반사방지막(106)의 적층으로 유발되었던 반도체 기판내의 단차를 줄인다. 또한, 반도체 소자의 제조공정에서 건식식각 단계를 하나 줄임으로써 공정 단순화의 효과와, 이에 따른 공정 진행시간(throughput time)을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
제1 변형예
도 7은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법에 대한 변형예를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 제1 실시예에서 추가로 투명하거나 반투명한 절연막(116)을 상기 포토레지스트막의 하부의 임의 영역에 구성하여 반사되는 반사파끼리의 위상차를 이용하여 소멸효과를 증대시킴으로 반사방지막의 효과를 최대화시키는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 이러한 투명하거나 반투명한 절연막(116)을 고반사막(104)과 반사방지막(106) 사이에 형성하여 제1 실시예에서 설명된 효과를 더욱 강화하였다. 이러한 투명하거나 반투명한 절연막(116)의 재질로는 폴리실리콘 산화물, 불순물이 첨가된 폴리실리콘 산화물, 열성장된 실리콘 산화물 및 옥시나이트라이드(Oxynitride) 질화막 등이 있다.
따라서, 본 변형예를 적용한 경우에는 식각할 대상이 되는 막질이 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 반사율이 높은 도전성 금속의 고반사막(104) 대신에 상술한 절연막(116)이 된다.따라서 반사방지막(106)을 이용하여 식각할 대상이 되는 막질은 도전성 금속막 또는 절연막 어느 것이든 가능하다. 상기 절연막(116) 이외의 구성부재에 대한 재질 및 형성방법은 상술한 제1 실시예와 동일하기 때문에 중복을 피하여 설명을 생략한다.
제2 변형예
도 8은 본 발명에 의한 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 형성방법에 대한 다른 변형예를 설명하기 위해 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 변형예에서 설명된 투명하거나 반투명한 절연막(116)을 반사방지막(106) 위에 형성하여 상기 제1 실시예에 설명된 효과를 더욱 강화하는 경우이다. 여기서, 상기 절연막(116)을 포함한 나머지 구성부재의 재질 및 구성방법은 제1 실시예 및 제1 변형예에서 설명된 것과 동일하기 때문에 중복을 피하여 설명을 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면의 자료를 통하여 본 발명에 의한 하이드로 카본계 가스만을 사용한 비정질 카본막에 대한 특성을 상세히 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 온도 변화에 대한 굴절율(refractive index) 특성을 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도 9를 참조하면, X축은 본 발명에 의한 반사방지막이 위치한 플레이트(plate)의 온도[℃]를 나타내고, Y축은 온도 변화에 따른 굴절율(refractive index, n)을 가리킨다. 온도를 140℃에서 260℃까지 올릴 때, 굴절율은 1.2에서 2.5까지 분포하게 되며, 반도체 소자의 여러 공정에서 쉽게 적용될 수 있는 특성을 띈다.
도 10은 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 온도 변화에 대한 소멸계수(extinction coefficient) 특성을 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, X축은 본 발명에 의한 반사방지막이 위치한 플레이트(plate)의 온도[℃]를 나타내고, Y축은 온도 변화에 따른 소멸계수(extinction coefficient, k)를 가리킨다. 온도를 140℃에서 260℃까지 올릴 때, 소멸계수는 0.2에서 0.8까지 분포하게 되고, 반도체 소자의 여러 공정에서 쉽게 적용될 수 있는 특성을 띈다
도 11은 본 발명에 의해 형성된 반사방지막의 증착시간의 변화에 따른 두께 특성을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, X축은 PECVD 방식으로 박막을 형성할 때의 증착 시간[sec]을 가리키고, Y축은 이에 따라 적층된 박막의 두께[Å]를 나타낸다. 그래프에서 볼 수 있듯이 증착시간에 따라 적층된 반사방지막의 두께가 매우 선형적으로 증가한다. 이것은 반도체 소자의 제조공정에 따라 비정질 카본막인 반사방지막이 다른 두께를 가질 경우, 증착시간만 조절하면 쉽게 두께를 조절할 수 있는 특성이 있음을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 반사방지막의 두께 변화에 따른 굴절율 및 소멸계수의 변화를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 12를 참조하면, X축은 반사방지막의 두께[Å]를 가리키고, Y축은 이에 대한 소멸계수[k] 및 굴절율[n]의 변화이다. 일반적으로 반사방지막이 반도체 소자의 제조공정에 적용될 때, 두께가 달라지면 반사율도 달라져서 임계치수(CD: Critical Dimension)가 달라지는 단점이 있다. 이 때문에 기존 공정에서 반사방지막을 사용할 때에는 두께를 정확하게 제어해야 한다. 그러나 본 발명에 의한 반사방지막, 예컨대 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 형성한 비정질카본막은 두께가 150Å 이상에서는 굴절율과 소멸계수가 변하지 않고 일정한 특성을 보이기 때문에 기존의 반사방지막에 비하여 반도체 소자의 제조공정에 적용할 때에 유리한 장점을 갖는다.
도 13은 본 발명에 따른 반사방지막의 XRD(X-Ray Diffraction)를 이용한 표면분석 결과를 보여주기 위해 도시한 그래프이다.
도13을 참조하면, X축은 표면분석시의 입사각[2θ]을 가리키고, Y축은 이때의 입사된 빛의 세기[cps]를 나타낸다. 시료는 본 발명에 따라서 100Å과 300Å의 두께로 형성된 반사방지막을 사용하였다. 표면분석 결과를 얻기 위하여, 시료를 고정시키고 X-Ray 빛을 20-60도(degree)로 2θ만큼 입사하였을 때의 빛의 강도의 결과값이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 본 발명에 의한 반사방지막은 비정질(amorphous) 구조를 갖는다. 따라서, 노광시 사용되는 광원에 대하여 반사방지막의 막질이 비교적 안정된 소멸계수 및 굴절율을 갖게 된다.
도 14 및 도 15는 고반사막을 알루미늄으로 형성하였을 때에, 굴절율과 소멸계수에 따른 반사율의 시뮬레이션(Simulation) 결과를 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 식각할 대상인 고반사막으로 알루미늄막을 적층하고, 본 발명에 의한 반사방지막을 형성한 경우이다. 도 14는 반사방지막의 굴절율은 1.81의 상수로 고정시키고, 반사방지막의 두께(그래프의 X축)와 소멸계수(그래프의 범례)를 변화시켰을 때의 반사율을 도시한 그래프이다. 도 15는 두께를 300Å의 상수로 고정시키고, 굴절율(그래프의 Y축)과 소멸계수(그래프의 X축)의 변화에 따른 반사율을 나타낸 그래프이다. 그래프에서 알 수 있듯이 굴절율이 1.6에서 2.4 사이의 구간과, 소멸계수가 0.4에서 1.1 사이의 영역에서 5% 미만의 반사율을 가졌다. 따라서, 본 발명에 의한 반사방지막은 소멸계수가 1.2-2.5 사이의 구간과, 소멸계수가 0.2-0.8사이의 구간에서 고반사막을 식각하기 위한 반사방지막으로 적용할 수 있다.
도 16 및 도 17은 고반사막으로 실리콘막을 형성하였을 때에, 굴절율과 소멸계수에 따른 반사율의 시뮬레이션(Simulation) 결과를 설명하기 위해 도시한 그래프이다
도 16 및 도 17을 참조하면, 식각할 대상인 고반사막으로 실리콘막을 적층하고, 본 발명에 의한 반사방지막을 형성한 경우이다. 공정조건 및 그래프의 도시 방식은 상기 도14 및 도 15와 동일하고 단지 차이점은 고반사막으로 알루미늄막 대신에 실리콘막을 사용하였다는 것이다. 즉, 도 16에서는 굴절율을 1.81로 고정시키고, 반사방지막의 두께와 소멸계수를 변화시킬 때의 반사율의 결과를 Y축에 도시하였고, 도 17에서는 반사방지막의 두께를 300Å으로 고정시키고, 소멸계수 및 굴절율을 변화시킬 때의 반사율을 도시하였다. 이 경우에도 굴절율이 1.6에서 2.4 사이의 구간과, 소멸계수가 0.4에서 1.1 사이의 영역에서 5% 미만의 반사율을 갖는것을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속한 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함이 명백하다.
따라서, 상술한 본 발명에 따르면, 첫째 하이드로 카본계의 가스만을 사용하여 식각선택비의 조절이 용이한 특성을 지닌 반사방지막을 형성함으로써, 값비싼 박막형성 가스를 사용하여 반사방지막을 형성할 때보다 제조원가를 절감할 수 있다. 둘째, 반사방지막을 제거할 때, 추가로 건식식각을 진행하지 않고 포토레지스트 패턴을 제거하는 방식만으로 반사방지막과 포토레지스트 패턴을 동시에 제거함으로써, 공정을 단순화시키고, 반사방지막의 사용으로 의해 발생되는 반도체 기판 내의 단차를 줄임으로서 미세패턴으로 된 고집적화 된 반도체 소자를 구현할 수 있다. 셋째, 반사방지막을 형성할 때에 하나의 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성함으로써 비교적 쉽게 반사방지막을 형성할 수 있고 공정변수의 영향을 줄일 수 있다.

Claims (26)

  1. 하지층이 형성된 반도체 기판에 고반사막을 형성하는 제1 공정;
    상기 고반사막 위에 하이드로 카본계 가스만을 사용하여 반사방지막을 형성하는 제2 공정;
    상기 반사방지막 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 제3 공정을 구비하는것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 반도체 기판은,
    실리콘 단결정 기판(Single crystall silicon substrate), 에스. 오. 아이(SOI)기판, 에스. 오. 에스(SOS) 기판 및 갈륨아산나이드 기판(Gallium Arsenide substrate) 중에서 선택된 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고반사막은 텅스텐, 텅스텐 실리사이드, 티타늄 실리사이드, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 이루어진 반사율이 높은 물질중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고반사막과 상기 포토레지스트 패턴 사이에 절연막을 형성하는 공정을 더 진행하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 절연막은 상기 고반사막과 상기 반사방지막 사이에 형성하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 절연막은 상기 포토레지스트 패턴과 상기 반사방지막 사이에 형성하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 절연막은,
    폴리실리콘 산화물, 열성장된 실리콘 산화물 및 옥시나이트라이드(SiON)로 이루어진 투명하거나 반투명한 막질중에서 선택된 하나의 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 하이드로 카본계의 가스는,
    메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌, 프로펜 및 n-부탄 중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 반사방지막을 형성하는 방법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방식으로 형성하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 PECVD 방식은
    플라즈마 챔버에서 기판의 상부 및 하부에서 각각 온도조절을 실시하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 반사방지막은 비정질카본막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 비정질카본막은 노광파장에 대하여 굴절율(refraction ratio)이 1.2 내지 2.5 사이의 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 비정질카본막은 소멸계수(extinction coefficient)가 0.2내지 0.8 사이의 막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 비정질카본막은 산소, 주석, 납, 실리콘, 불소 및 염소로 이루어진 첨가제중에서 적어도 어느 하나가 포함된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 반사방지막을 형성한 후에 열처리(annealing), 플라즈마 처리, 전자빔 처리(E-beam) 및 큐어링(curing)을 추가로 진행하여 막질의 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계 가스를 사용한 반사방지막 형성방법.
  16. 하지층이 형성된 반도체 기판에 고반사막을 형성하는 제1 공정;
    상기 고반사막 위에 하이드로 카본계 가스만을 이용하여 반사방지막을 형성하는 제2 공정;
    상기 반사방지막 위에 포토레지스트 패턴을 형성하는 제3 공정;
    상기 포토레지스트 패턴을 이용하여 하부의 반사방지막 및 고반사막을 식각하는 제4 공정;
    상기 결과물에서 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 동시에 제거하는 제5 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 제2 공정의 반사방지막은 150∼10000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 제2 공정의 하이드로 카본계의 가스는,
    메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 아세틸렌, 프로펜 및 n-부탄 중에서 선택된 하나의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 제2 공정의 반사방지막은 비정질 카본막을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 비정질카본막은 산소, 주석, 납, 실리콘, 불소 및 염소로 이루어진 첨가제중에서 적어도 어느 하나가 포함된 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 제2 공정의 반사방지막을 형성한 후에 막질의 밀도를 증가시키기 위해 열처리, 플라즈마 처리, 전자빔 처리(E-beam) 및 큐어링(curing) 공정을 추가로 진행하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  22. 제 16항에 있어서,
    상기 제4 공정의 반사방지막을 식각하는 방법은 산소 및 아르곤 가스를 포함하는 식각가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  23. 제 16항에 있어서,
    상기 제4 공정의 반사방지막 및 고반사막을 제거하는 방법은,
    상기 반사방지막을 먼저 제거하고, 이어서 상기 고반사막을 제거하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  24. 제 16항에 있어서,
    상기 제4 공정의 반사방지막 및 고반사막을 제거하는 방법은,
    상기 반사방지막과 상기 고반사막을 동시에 제거하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 고반사막은 산화막 또는 질화막과 같은 절연막인 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
  26. 제 16항에 있어서,
    상기 제5공정의 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 동시에 제거하는 방법은 상기 반사방지막을 제거하는 공정을 추가로 진행하지 않고 포토레지스트 제거공정만으로 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지막을 제거하는 것을 특징으로 하는 하이드로 카본계의 가스를 이용한 반사방지막의 적용방법.
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