KR100438806B1 - 광향상전자방출을이용한전자빔리소그래피방법 - Google Patents

광향상전자방출을이용한전자빔리소그래피방법 Download PDF

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Abstract

필드에미터에 빛을 조사하면서 전자빔을 방출하는 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법을 개시한다. 이 방법은 필드에미터로부터 방출되는 전자빔을 사용하여 기판 위에 적층된 포토레지스트막을 노광하는 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법에 있어서, 상기 필드에미터에서 방출된 전자빔이 상기 포토레지스트막을 노광하는 동안 상기 필드에미터에 빛을 조사하여 상기 필드에미터의 턴온전압을 낮추고 전류밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법{Method for electron beam lithography using photo-enhanced electron emission}
본 발명은 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 평판 필드에미터(field emitter)에 빛을 조사하여 필드에미터의 소요전압을 낮추고 전류밀도를 향상시키는 전자빔 리소그래피 방법에 관한 것이다.
리소그래피(lithography)라는 말은 원래 석판 인쇄법을 의미하지만, 반도체 기술분야에서는 패턴을 전사한다는 의미로 사용된다. 리소그래피 공정은 크게 포토레지스트에 마스크 패턴을 전사하는 공정과 전사된 포토레지스트의 패턴을 사용해서 그 바탕의 막을 에칭하는 공정으로 나눌 수 있다. 패턴전사 공정으로는 주로 빛 특히 자외선을 사용한 패턴전사 방법이 사용되지만, 반도체가 고집적 대용량화되어감에 따라 선폭을 줄이기 위한 기술개발이 급격히 이루어져 왔으며 종래의 미세가공기술인 자외선 포토리소그래피(UV-photolithography) 방법에 의해서는 패턴의 해상도 및 패턴정합력이 각각 1㎛, ±3㎛로 한정되므로 선폭을 줄이는데 한계가 있게 된다. 따라서 미세 선폭의 패턴을 형성하기 위한 여러 가지 기술 및 장치들이 개발되고 있으며, 이에 대한 응용기술도 많은 발전을 거듭하고 있다. 이에 따라 조사하는 에너지원으로서는 원적외선외에 전자빔, X선, 이온빔, 레이저등이 개발되어 사용되고 있다.
한편, 0.1㎛ 이하의 미세선폭의 패턴을 형성하기 위한 방법의 하나로 기존에사용되고 있는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography ) 기술은 일반적으로 기판상에 포토레지스트를 도포하고, 소정의 마스크 층을 통하여 고속 전자선을 주사함으로써 상기 포토레지스트를 부분적으로 노광시킨 후, 현상하여 패턴을 형성한다. 그러나 기존의 전자빔 리소그래피는 하나의 칼럼(column)으로부터 나오는 전자빔을 포커싱하여 패턴을 형성하기 때문에 포토리소그래피 기술에 비해 노광속도가 느리다는 단점을 가지고 있다.
한편, 상기와 같은 단점을 보완하기 위하여 평판의 전자 방출원(이하 필드에미터라 함)을 원하는 모양으로 패턴하여 그 패턴된 모양대로 전자빔을 목표물의 전영역에 걸쳐 동시에 조사시키면 노광속도를 크게 향상시킬 수 있다. 그러나 필드에미터에서 전자가 방출되기 위해서는 턴온(turn-on)전압 즉, 임계전압 이상의 고전압을 걸어 주어야 하는데, 고전압을 사용할 경우 전자선의 전방산란과 후방산란의 영향이 상대적으로 증가하여 패턴형성시 근접한 패턴에 의해 이웃한 패턴들의 형성이 어려워지는 통칭 근접효과(proximity effect)라고 부르는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 단점을 감안하여 안출된 것으로서, 필드에미터에 빛을 쪼여줌으로써 필드에미터의 턴온전압을 낮추고 전류밀도를 높인 전자빔 리소그래피 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 네가티브 패턴 전자빔 리소그래피로서 각각동시노광 및 순차적 노광을 보여주는 개략적인 단면도.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 포지티브 패턴 전자빔 리소그래피로서 동시노광 및 순차적 노광을 보여주는 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 전자빔 리소그래피로서 접촉노광을 보여주는 개략적인 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2, 22, 32:패턴을 형성하고자 하는 대상물
3, 23, 33:포토레지스트 4, 24, 34:전자빔
5, 35:차단 마스크층 6, 25, 36:필드에미터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법은, 반도체 기판 위에 적층된 포토레지스트막을 상기 포토레지스트막상의 광 투과 영역을 한정하는 소정의 패턴에 따라 필드에미터로부터 방출되는 전자 빔을 사용하여 노광하는 전자빔 리소그래피 방법에 있어서, 상기 필드에미터에 계속적으로 빛을 쪼이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 설명한 바와 같이 필드에미터로부터 전자를 방출시키기 위해서는 턴온전압 이상의 전압을 걸어주어야 하는데, 이 턴온전압을 낮추고 주어진 전압에서의 전류밀도를 향상시키는 것이 필수적이다.
그런데, 물질의 표면에 강한 전계를 가해주면 물질과 진공사이의 전위장벽 (potential barrier)이 얇아지기 때문에 물질에 따라 물질내부의 전자가 진공중으로 턴널링 현상에 의해 방출된다. 부도체 물질이나 도핑되지 않은 반도체 물질에서는 전자들이 가전자대에 존재하게 되며, 도핑된 반도체 물질의 경우에는, 도핑 원소들에 따라 전자들이 도너(donor)나 어셉터(accepter) 레벨에 존재하게 되고 또한, 물질내부의 결함이나 표면상태등으로 인하여 전자들이 금지대내에도 존재하게 된다. 이 물질들에 전자들이 여기되기에 충분한 빛 또는 열 등의 에너지를 외부에서 가해주게 되면 전자들이 더 높은 에너지 레벨이나 전도대로 여기된다. 이러한 경우, 외부에너지를 가해주기 이전보다 더 낮은 전계에서 전자들이 방출되며, 일정한 전계에서는 외부에너지를 가해주기 전보다 더 높은 전류밀도를 얻을 수 있다.
필드에미터로부터의 전자의 방출을 이용한 전자빔 리소그래피에는 여러 가지 방법이 있는데, 일반적으로 네가티브 패턴 방식, 포지티브 패턴 방식 및 접촉 방식으로 나눌 수 있으며, 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 제1실시를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 일측 제1전극(1)상에 패턴을 형성시키고자 하는 대상물(2)과 전자에 감응하는 포토레지스트(3)를 순차적으로 적층시키고, 반대측 제2전극상(8)에 광투과성 물질(7), 필드에미터(6), 차단 마스크층(5)을 순차적으로 적층시킨다. 이때, 상기 차단 마스크층(5)은 전자빔(4)이 통과할 수 있는 개구부를 구비하도록 소정의 패턴을미리 형성시킨 상태에서 상기 필드에미터(6)위에 적층된다. 본 제1실시예는 네가티브 패턴 방식에 의한 필드에미터(6)로부터의 전자의 방출을 이용한 것으로, 전자빔 리소그래피나 기타 다른 방법에 의해 패턴을 전사하고자 하는 대상물(2)을 향하며, 필드에미터(6)를 덮고 있으며 소정의 패턴이 형성되어 있는 차단 마스크층(5)에 노출된 필드에미터(6) 부위에서 전자가 방출되도록 하므로써 패턴을 전사하고자 하는 대상물에 상이 맺어지도록 하는 경우이다.
패턴을 형성시키고자 하는 대상물(32)에 패턴을 전사하기 위하여, 도 1a와 같이 미리 형성된 여러개의 동일한 패턴을 갖는 하나의 차단 마스크층(5)의 개구부를 통하여 필드에미터(6)로부터 방출된 전자빔(4)을 포토레지스트(3)에 동시에 조사하거나, 또는 도 1b와 같이 미리 형성된 하나의 패턴을 갖는 차단 마스크층(5)이 덮혀있는 하나의 필드에미터(6)를 순차적으로 이동시키면서 차단 마스크층(5)의 개구부를 통하여 필드에미터(6)로부터 방출된 전자빔(4)을 포토레지스트(3)에 순차적으로 조사할 수도 있다.
한편, 상기와 같은 네가티브 패턴 방식에 의한 필드에미터(6)로부터의 전자의 방출을 이용한 전자빔 리소그래피에 있어서, 상기 필드에미터(6)로부터 포토레지스트(3)쪽으로 전자빔이 조사되는 부위만큼 제2전극(8)에 개구부를 형성하고 제2전극(8)에서 상기 필드에미터쪽 방향으로 빛을 조사한다. 이렇게 하므로써 필드에미터(6)내의 전자들을 여기시켜 빛을 조사하기 전보다 상대적으로 낮은 턴온전압에서 필드에미터(6)로부터 전자를 방출시킬 수 있다. 외부에서 필드에미터(6)에 가해줄 빛의 파장은 필드에미터(6) 물질의 종류, 도핑 여부 및 도핑 원소의 종류, 필드에미터 물질의 내부에 존재하는 결함, 필드에미터 물질의 표면상태등 방출될 전자의 분포에 따라 결정되는데, 적외선으로부터 자외선까지 해당된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 제2실시예로서, 일측 제1전극(21)상에 패턴을 형성시키고자 하는 대상물(22), 전자에 감응하는 포토레지스트(23)를 순차적으로 적층시키는 것은 상기 제1실시예와 동일하고, 반대측 제2전극상(27)에 광투과성 물질(26), 필드에미터(25)를 순차적으로 적층시킨 구조를 갖는다. 이때, 상기 필드에미터(25)는 전자빔(24)이 방출되어 소정의 패턴이 형성될 수 있도록 미리 필드에미터(25) 자체를 패터닝하여 일부분만을 남겨둔 상태가 된다. 즉, 본 실시예는 포지티브 패턴 방식에 의한 필드에미터(25)로부터의 전자의 방출을 이용한 것이다.
패턴을 형성시키고자 하는 대상물(22)에 패턴을 전사하기 위하여, 상기 제1실시예와 마찬가지로 도 2a와 같이 미리 형성된 여러개의 동일한 패턴을 갖는 하나의 필드에미터(25)로부터 방출된 전자빔(24)을 포토레지스트(23)에 동시에 조사하거나, 또는 도 2b와 같이 미리 형성된 하나의 패턴을 갖는 필드에미터(25)를 순차적으로 이동시키면서 필드에미터(25)로부터 방출된 전자빔(24)을 포토레지스트(23)에 순차적으로 조사할 수도 있다.
한편, 본 제2실시예에 있어서도 상기 제1실시예와 마찬가지로, 상기 필드에미터(25)로부터 포토레지스트(23)쪽으로 전자빔이 조사되는 부위만큼 제2전극(27)에 개구부를 형성하고 제2전극(27)에서 상기 필드에미터(25)쪽 방향으로 빛을 조사한다. 이렇게 하므로써 제1실시예와 마찬가지로 필드에미터(25)내의 전자들을 여기시켜 빛을 조사하기 전보다 상대적으로 낮은 턴온전압에서 필드에미터(25)로부터전자를 방출시킬 수 있으며, 외부에서 필드에미터(25)에 가해줄 빛의 파장도 제1실시예와 마찬가지로 방출될 전자의 분포에 따라 결정된다.
도 3은 본 발명에 따른 제3실시예로서, 일측 제1전극(31)상에 패턴을 형성시키고자 하는 대상물(32), 전자에 감응하는 포토레지스트(33)를 순차적으로 적층시키는 것은 상기 제1실시예와 동일하고, 반대측 제2전극상(38)에 광투과성 물질(37), 필드에미터(36), 차단 마스크층(35)을 순차적으로 적층시킨 구조를 갖는다. 이때, 상기 차단 마스크층(35)은 전자빔(34)이 통과할 수 있는 개구부를 구비하도록 소정의 패턴을 미리 형성시킨 상태에서 상기 필드에미터(6)위에 적층되며, 상기 차단 마스크층(35)과 상기 포토레지스트(33)는 상호 접촉된 상태에 있다. 즉, 본 제3실시예는 전자빔의 퍼짐을 최소화하기 위하여 접촉 방식에 의한 필드에미터(35)로부터의 전자의 방출을 이용한 전자빔 리소그래피의 경우이다.
패턴을 형성시키고자 하는 대상물(32)에 패턴을 전사하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 형성된 여러개의 동일한 패턴을 갖는 하나의 필드에미터(36)로부터 방출된 전자빔(34)을 포토레지스트(33)에 동시에 조사한다.
한편, 본 제3실시예에 있어서도 상기 제1실시예와 마찬가지로, 상기 필드에미터(35)로부터 포토레지스트(33)쪽으로 전자빔이 조사되는 부위만큼 제2전극(38)에 개구부를 형성하고 제2전극(38)에서 상기 필드에미터(36)쪽 방향으로 빛을 조사한다. 이렇게 하므로써 제1실시예와 마찬가지로 필드에미터(36)내의 전자들을 여기시켜 빛을 조사하기 전보다 상대적으로 낮은 턴온전압에서 필드에미터(36)로부터 전자를 방출시킬 수 있으며, 외부에서 필드에미터(36)에 가해줄 빛의 파장도 제1실시예와 마찬가지로 방출될 전자의 분포에 따라 결정된다.
상기 제1실시예 내지 제3실시예에 있어서, 필드에미터 물질로 다이아몬드나 비결정성 탄소(amorphos carbon)를 사용하는 경우, 외부에서 쪼여주는 빛은 가시광선 또는 자외선 영역(약 5.4eV)의 파장을 갖게 된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법은 필드에미터에서 전자가 방출될 때 외부에서 필드에미터에 빛을 쪼여주므로써, 턴온전압을 낮출 수 있고 빛을 쪼이기 전에 비해 상대적으로 전류밀도를 증가시킬 수 있다.

Claims (2)

  1. 필드에미터로부터 방출되는 전자빔을 사용하여 기판 위에 적층된 포토레지스트막을 노광하는 전자빔 리소그래피 방법에 있어서,
    상기 필드에미터에서 방출된 전자빔이상기 포토레지스트막을 노광하는 동안 상기 필드에미터에 빛을 조사하여 상기 필드에미터의 턴온전압을 낮추고 전류밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필드에미터 물질은 다이아몬드 또는 비결정성 탄소이고 상기 필드에미터에 조사하는 빛은 가시광성 또는 자외선인 것을 특징으로 하는 광향상 전자방출을 이용한 전자빔 리소그래피 방법.
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