KR100520153B1 - A method for a fine pattern of a semiconductor device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체소자의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 0.1 ㎛ 디자인룰(design)을 갖는 반도체소자의 고집적화에 의한 식각공정시 감광막이 식각가스, 온도, 압력, 식각 시간에 따라 변형되는 현상을 억제하기 위하여, 피식각층이 구비되는 반도체기판 상부에 반사방지막을 형성하고 그 상부에 ArF 용 감광막패턴을 형성하고 상기 반사방지막의 식각공정시 상기 감광막패턴의 표면에 폴리머를 형성하여 상기 감광막패턴을 경화시킨 다음, 상기 감광막패턴을 마스크로하여 상기 피식각층을 식각함으로써 예정된 크기의 피 식각층 패턴을 형성하고 그에 따른 반도체소자의 생산성 및 수율을 향상시키는 기술이다. The present invention relates to a method of forming a fine pattern of a semiconductor device, and suppresses a phenomenon in which a photoresist film is deformed according to an etching gas, temperature, pressure, and etching time during an etching process by high integration of a semiconductor device having a 0.1 μm design rule. To this end, an anti-reflection film is formed on an upper surface of the semiconductor substrate having an etched layer, an ArF photoresist pattern is formed thereon, and a polymer is formed on the surface of the photoresist pattern during the etching process of the antireflection film to cure the photoresist pattern. Next, the etching target layer is etched using the photoresist pattern as a mask to form an etching target layer pattern having a predetermined size, thereby improving productivity and yield of a semiconductor device.
Description
본 발명은 반도체소자의 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 특히 0.1 ㎛ 디자인룰(design)을 갖는 반도체소자의 고집적화에 의한 식각공정시 감광막이 식각가스, 온도, 압력, 식각 시간에 따라 변형되는 현상을 억제하기 위하여 감광막의 식각 내성을 증가시키는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a fine pattern of a semiconductor device, and in particular, the phenomenon that the photosensitive film is deformed according to the etching gas, temperature, pressure, and etching time during the etching process by the high integration of the semiconductor device having a 0.1 μm design rule. It relates to a technique for increasing the etching resistance of the photoresist film in order to suppress.
반도체 소자 제조에 있어 패턴 크기가 작아짐에 따라 더욱 미세한 감광막 마스크 형성이 필요해진다. 반도체 소자의 최소 패턴 크기가 0.1um 이하의 소자 제조 시 기존 사용되는 KrF, DUV( +248nm) 파장을 사용하여 미세 패턴을 형성하기가 매우 어려워진다. As the pattern size decreases in the manufacture of semiconductor devices, the formation of finer photoresist masks is required. It is very difficult to form a fine pattern using KrF and DUV (+248 nm) wavelengths that are used when fabricating a device having a minimum pattern size of 0.1 μm or less.
상기한 미세 패턴을 형성하기 위해서는 KrF 파장보다 ArF, DUV 파장 ( =193nm)을 사용함으로써 가능해진다. ArF 파장으로 감광막 마스크에 노광 및 현상을 통해 마스크 패턴을 형성하기 위해서는 ArF 파장에 반응하는 ArF 전용의 감광막(PR:Photoresist)을 사용하여야 한다. In order to form the above fine pattern, it is possible to use ArF and DUV wavelengths (= 193 nm) rather than KrF wavelengths. In order to form a mask pattern through exposure and development on the photoresist mask at an ArF wavelength, an ArF photoresist (PR: Photoresist) responding to the ArF wavelength should be used.
상기 ArF 전용 감광막은 KrF 전용 감광막과는 다르게 식각시 내성이 약한 특성이 있다. 즉, 마스크 패턴을 식각하고자 하는 층에 전사하기 위해서는 식각이 진행하는 동안 감광막이 식각 가스, 온도, 압력, 식각 시간 등 식각 조건에 대해 내성을 갖으며 패턴모양을 유지하여야 하는데 KrF 용 감광막 과는 달리 ArF 용 감광막은 식각이 진행하는 동안 식각 조건에 내성이 약하여 마스크 패턴이 모양을 유지하지 못하고 변형되어 결과적으로 전사되는 식각층의 식각된 패턴모양이 변형된다. The ArF-only photoresist film has a weak resistance in etching, unlike the KrF-only photoresist film. In other words, in order to transfer the mask pattern to the layer to be etched, the photoresist film must be resistant to etching conditions such as etching gas, temperature, pressure, and etching time while the etching process is performed, and the pattern shape must be maintained. The photoresist for ArF has a low resistance to etching conditions during the etching process, so that the mask pattern is deformed without maintaining its shape, resulting in the deformation of the etched pattern of the etched layer.
이와 같이 감광막이 식각 조건에 내성이 없는 경우 식각공정이 어려워져 최종적인 식각층 패턴 형성이 어렵게 하는 문제점이 있다. As such, when the photoresist film is not resistant to etching conditions, there is a problem in that the etching process becomes difficult, thereby making it difficult to form a final etching layer pattern.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술의 실시예에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법을 도시한 단면도 및 평면도로서, 상기 평면도는 사진으로 구성된 것이다. 1A to 1C are cross-sectional views and plan views illustrating a method of forming a fine pattern of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the prior art, wherein the plan views are composed of photographs.
도 1a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 소정 소자가 구비되는 층간절연막(11)을 형성하고 그 상부에 유기 반사방지막 ( organic ARC )을 형성하고 그 상부에 감광막패턴(15)을 형성한다. 이때, 상기 반사방지막은 ArF 용 감광막으로 형성한다. 그리고, 상기 층간절연막(11)은 산화막으로 형성한다. Referring to FIG. 1A, an interlayer insulating film 11 having a predetermined element is formed on a semiconductor substrate (not shown), an organic antireflection film (organic ARC) is formed thereon, and a photoresist pattern 15 is formed thereon. do. In this case, the anti-reflection film is formed of an ArF photosensitive film. The interlayer insulating film 11 is formed of an oxide film.
도 1b를 참조하면, 상기 감광막패턴(15)을 마스크로 하여 상기 유기 반사방지막(13)을 식각한다. Referring to FIG. 1B, the organic antireflection film 13 is etched using the photoresist pattern 15 as a mask.
이때, 상기 반사방지막(13)의 식각공정은 CxFy, CxHyFz, SxFy등 F이 포함된 가스를 사용하여 식각하되 O2가스나 질소가스를 혼합하여 실시한다.In this case, the etching process of the anti-reflection film 13 is performed by using a gas containing F, such as CxFy, CxHyFz, SxFy, but mixed with O 2 gas or nitrogen gas.
그러나, ArF 용 감광막을 사용한 식각시 상기한 가스만을 사용하여 실시하는 경우 발생되는 Polymer는 단단하지 않기 때문에 ArF 전용 감광막의 식각 조건에 대한 낮은 내성이 그대로 유지되어 식각시 감광막의 변형을 막을 수 없다. However, since the polymer generated when only the above gas is used for etching using the ArF photoresist film is not hard, low resistance to the etching conditions of the ArF photosensitive film is maintained as it is, and thus deformation of the photoresist film cannot be prevented during etching.
여기서, 우측에 구비되는 사진은 상기 감광막패턴(15)의 평면사진을 도시한 것이다. Here, the photograph provided on the right side shows a planar photograph of the photoresist pattern 15.
도 1c를 참조하면, 상기 감광막패턴(15)을 마스크로하여 상기 층간절연막(11)을 식각하여 패터닝한다. Referring to FIG. 1C, the interlayer insulating layer 11 is etched and patterned using the photoresist pattern 15 as a mask.
이때, 상기 식각공정은 CxFy, CxHyFz, SxFy등 F이 포함된 가스만을 사용하여 실시한다. At this time, the etching process is performed using only the gas containing F, such as CxFy, CxHyFz, SxFy.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 예정된 크기로 패터닝된 감광막패턴의 표면을 개질화시켜 후속 식각공정시 마스크로 사용함으로써 공정의 안정성을 향상시키고 그에 따른 반도체소자의 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 반도체소자의 미세패턴 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다. In order to solve the above problems of the prior art, the surface of the photoresist pattern patterned to a predetermined size is modified to be used as a mask in a subsequent etching process to improve the stability of the process and thereby increase the productivity and yield of the semiconductor device. It is an object of the present invention to provide a method for forming a fine pattern of a semiconductor device that can be improved.
이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법은, In order to achieve the above object, the method of forming a fine pattern of a semiconductor device according to the present invention,
층간절연막이 구비되는 반도체기판 상부에 유기 반사방지막을 형성하는 공정과,Forming an organic antireflection film on the semiconductor substrate including the interlayer insulating film;
상기 유기 반사방지막 상부에 ArF 용 감광막패턴을 형성하는 공정과,Forming a photoresist pattern for ArF on the organic antireflection film;
상기 감광막패턴을 마스크로하여 상기 유기 반사방지막을 식각하는 동시에 상기 감광막패턴 표면에 폴리머를 형성하여 경화시키는 공정과,Etching the organic antireflection film using the photoresist pattern as a mask and simultaneously forming and curing a polymer on the surface of the photoresist pattern;
상기 감광막패턴을 마스크로하여 상기 층간절연막을 식각하는 공정을 포함하는 것을 특징으로한다. And etching the interlayer insulating film using the photosensitive film pattern as a mask.
한편, 본 발명의 기술적 원리는 다음과 같다. On the other hand, the technical principle of the present invention is as follows.
본 발명은, ArF 파장을 사용하여 패턴을 형성한 ArF 전용 감광막 마스크를 사용하는 절연막 식각공정시 ArF 용 감광막의 나쁜 식각 내성으로 인해 식각 시 감광막의 패턴 모양이 변형되는 것을 방지하며 식각 공정을 진행함으로써 마스크 패턴을 원하는 피식각층에 전사하는 기술에 관한 것이다.The present invention is to prevent the deformation of the pattern shape of the photosensitive film during etching due to the bad etching resistance of the ArF photosensitive film during the insulating film etching process using the ArF photosensitive film mask formed by using the ArF wavelength by performing the etching process A technique for transferring a mask pattern to a desired etching layer.
그리고, ArF 파장을 사용하여 감광막 위에 미세한 마스크 패턴을 형성 공정은 노광시 마스크에 전사되는 패턴이 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일하고, 변형되지 않는 패턴을 형성는 공정은 노광시 하부층에서 감광막으로의 난반사를 막아주는 반사방지막 (ARC(Anti-Reflected Layer))를 감광막 아래에 형성하는 것이 필수적이다.In the process of forming a fine mask pattern on the photoresist using ArF wavelengths, the pattern transferred to the mask during exposure is uniform throughout the wafer, and the process of forming a non-deformed pattern prevents diffuse reflection from the lower layer to the photoresist during exposure. It is essential to form an anti-reflective layer (ARC) under the photoresist.
상기 ArF를 광원으로 사용하는 경우는, 식각 후 제거가 어려운 SiON과 같은 Inorganic ARC 와, 식각후 O2 Plasma 등에 의한 감광막 제거시 쉽게 제거되는 Organic ARC를 사용할 수 있지만, 패턴이 미세화 되면서 오직 감광막 마스크 패턴형성을 위해 존재하는 ARC를 쉽게 제게하는 것이 용이한 Organic ARC를 일반적으로 사용한다.When ArF is used as a light source, Inorganic ARC such as SiON, which is difficult to remove after etching, and Organic ARC, which is easily removed when removing the photoresist by O 2 Plasma after etching, may be used. Organic ARC is generally used, which is easy to remove the ARC present for formation.
본 발명은 ArF 전용 감광막 마스크를 사용한 절연막 식각 공정에서 Organic ARC 식각시 Cl2, HBr, HI 가스등을 첨가함으로써 식각시 감광막 주위에 단단한 폴리머(Polymer) 부산물을 형성시켜 감광막을 고형화 함으로써 하부층 식각시 식각가스, 온도, 압력, 식각시간 등 식각 조건에 대한 내성을 강화시켜 감광막의 변형을 방지하는 방법이다.According to the present invention, by adding Cl 2 , HBr, HI gas, etc. during organic ARC etching in the insulating film etching process using an ArF photosensitive film mask, a solid polymer by-product is formed around the photosensitive film during etching, thereby solidifying the photosensitive film to etch gas during the lower layer etching. It is a method of preventing deformation of the photoresist film by enhancing resistance to etching conditions such as temperature, pressure, and etching time.
즉, 산화막, 질화막 및 산화질화막 등의 절연막은 CxFy, CxHyFz, SxFy등 F이 포함된 가스를 사용하여 식각하는데 Organic ARC 또한 이러한 가스와 O2가스를 혼합하여 실시해야 한다.That is, insulating films such as oxide films, nitride films, and oxynitride films are etched using a gas containing F, such as CxFy, CxHyFz, and SxFy. Organic ARC should also be mixed with these gases and O 2 gas.
그러나, ArF 용 감광막을 사용한 식각시 상기한 가스만을 사용하여 실시하는 경우 발생되는 폴리머는 단단하지 않기 때문에 ArF 전용 감광막의 식각 조건에 대한 낮은 내성이 그대로 유지되어 식각시 감광막의 변형을 막을 수 없다.However, since the polymer produced when using only the above-described gas when etching using the ArF photosensitive film is not hard, low resistance to the etching conditions of the ArF-only photosensitive film is maintained as it is, and thus deformation of the photosensitive film cannot be prevented during etching.
따라서, Clx, HBr, HI 가스는 단단한 Polymer를 형성하는 특성을 이용해 이러한 가스와 Organic ARC 식각가스인 O2 가스를 혼합하여 Organic ARC를 식각함으로써 ARC 식각시 감광막 주위에 Organic ARC 식각가스인 O2가스를 혼합하여 Organic ARC를 식각하고 ARC 식각시 감광막 주위에 단단한 Polymer를 형성하여 감광막의 식각 조건에 대한 내성을 높인 다음, CxFy, CxHyFz, SxFy등 가스를 사용하여 하부 절연막을 식각함으로써 식각시 감광막이 변형되는 것을 방지할 수 있다.Therefore, Clx, HBr, and HI gases are mixed with these gases and O 2 gas, which is an organic ARC etching gas, by using a characteristic of forming a solid polymer to etch Organic ARC, so that the organic ARC etching gas O 2 gas is around the photoresist during ARC etching. Etch organic ARC and form a solid polymer around the photoresist during ARC etching to increase the resistance to the etching conditions of the photoresist, and then etch the lower insulating film using gases such as CxFy, CxHyFz and SxFy to deform the photoresist during etching. Can be prevented.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법을 도시한 단면도 및 평면도로서, 상기 평면도는 사진으로 구성된 것이다. 2A and 2B are cross-sectional views and a plan view illustrating a method of forming a fine pattern of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, wherein the plan view is composed of photographs.
도 2a를 참조하면, 반도체기판 상부에 층간절연막(21)을 형성한다. 이때, 상기 층간절연막(21)은 산화막, 질화막 또는 산화질화막 등으로 형성할 수 있다. Referring to FIG. 2A, an interlayer insulating film 21 is formed on the semiconductor substrate. In this case, the interlayer insulating film 21 may be formed of an oxide film, a nitride film, or an oxynitride film.
그리고, 상기 층간절연막(21)을 전체표면상부에 유기 반사방지막(23)을 형성하고 그 상부에 감광막패턴(25)을 형성한다. An organic antireflection film 23 is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 21, and a photosensitive film pattern 25 is formed on the interlayer insulating film 21.
그리고, 상기 감광막패턴(25)을 마스크로하여 상기 유기 반사방지막(23)을 식각하여 패터닝하는 동시에 상기 감광막패턴(25) 주위에 단단한 폴리머(Polymer)(도시안됨)를 형성한다. The organic anti-reflection film 23 is etched and patterned using the photoresist pattern 25 as a mask, and at the same time, a solid polymer (not shown) is formed around the photoresist pattern 25.
이때, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 주식각가스인 O2 에 Cl2, BC13, HB 또는 HI 가스 등과 같이 할로겐 원소가 포함된 가스를 첨가하여 실시할 수 있다.In this case, the etching process of the organic antireflection film 23 may be performed by adding a gas containing a halogen element, such as Cl 2 , BC1 3 , HB or HI gas, to O 2 , which is a stock angle gas.
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 CxFy 계 가스, CxHyFz 계 가스 또는 SF6 가스에 Cl2, BC13, HB 또는 HI 가스 등과 같이 할로겐 원소가 포함된 가스를 첨가하여 실시할 수 있다.In addition, the etching process of the organic antireflection film 23 may be performed by adding a gas containing a halogen element, such as Cl 2 , BC1 3 , HB, or HI gas, to a CxFy-based gas, a CxHyFz-based gas, or an SF 6 gas. .
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 O2 에 Cl2, BC13, HB 또는 HI 가스 등과 같이 할로겐 원소가 포함된 가스 그리고, CxFy 계 가스또는 CxHyFz 계 가스를 첨가하여 실시할 수 있다.In addition, the etching process of the organic antireflection film 23 may be performed by adding a gas containing a halogen element, such as Cl 2 , BC1 3 , HB, or HI gas, and CxFy gas or CxHyFz gas to O 2 . .
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 식각정지 특성을 개선하기 위하여 불활성가스를 첨가하여 실시할 수 있다. In addition, the etching process of the organic anti-reflection film 23 may be performed by adding an inert gas to improve the etching stop characteristics.
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 식각장비에 구비되는 하부전극의 쿨링 온도를 20 °이하로 유지하며 실시한다. In addition, the etching process of the organic anti-reflection film 23 is carried out while maintaining the cooling temperature of the lower electrode provided in the etching equipment to 20 ° or less.
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 식각 장비의 압력을 30 mT 이하로 유지하여 실시한다. The etching process of the organic antireflection film 23 is performed by maintaining the pressure of the etching equipment at 30 mT or less.
그리고, 상기 유기 반사방지막(23)의 식각공정은 식각장비의 바이어스 전력을 1400 와트 이하로 유지하며 실시한다. The etching process of the organic anti-reflection film 23 is performed while maintaining the bias power of the etching equipment at 1400 watts or less.
한편, 상기 폴리머로 인하여 상기 도 2a 의 일측에 도시된 평면도와 같이 명확한 패턴이 형성된다. Meanwhile, due to the polymer, a clear pattern is formed as shown in the plan view shown on one side of FIG. 2A.
도 2b를 참조하면, 상기 감광막패턴(25)을 마스크로하여 상기 층간절연막(21)을 식각한다. Referring to FIG. 2B, the interlayer insulating layer 21 is etched using the photoresist pattern 25 as a mask.
이때, 상기 층간절연막(21)의 식각공정은 O2 가스, Cl2, BC13, HB 또는 HI 가스 등과 같이 할로겐 원소가 포함된 가스 그리고 CxFy 계 가스나 CxHyFz 계 가스를 첨가하여 실시한다.At this time, the etching process of the interlayer insulating film 21 is performed by adding a gas containing a halogen element, such as O 2 gas, Cl 2 , BC1 3 , HB or HI gas, and CxFy gas or CxHyFz gas.
이때, 상기 감광막패턴(25)이 폴리머로 인하여 경화된 상태이기 때문에 감광막 패턴 모양 및 층간절연막 식각 모양이 변형되지 않는다.At this time, since the photoresist pattern 25 is hardened by the polymer, the photoresist pattern shape and the interlayer insulating film etching shape are not deformed.
후속공정으로, 상기 감광막패턴(25)과 유기 반사방지막(23)을 제거한다. In a subsequent step, the photoresist pattern 25 and the organic antireflection film 23 are removed.
본 발명의 다른 실시예로서, 피식각층으로서 상기 층간절연막(21) 대신 절연막이 아닌 폴리실리콘, 단결정실리콘, W, Ti, Tin, WSix, TiSix 등 도전층인 경우의 식각공정은, CxFy 계 가스, CxHyFz 계 또는 SF6 가스에 Cl2, BC13, HBr 또는 HI 가스 등과 같은 할로겐 가스를 첨가하여 실시할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the etching process in the case of a conductive layer such as polysilicon, single crystal silicon, W, Ti, Tin, WSix, TiSix, etc., instead of the insulating film instead of the interlayer insulating film 21 as the etching target layer, may be performed using CxFy-based gas, It can be carried out by adding a halogen gas such as Cl 2 , BC1 3 , HBr or HI gas to the CxHyFz system or SF 6 gas.
또한, 상기 감광막패턴은 Acylate 계 ArF 용 감광막이나 COMA(Cyclo-Olefin Maleic Anhydride) 계 ArF 용 감광막을 사용할 수 있다. In addition, the photoresist pattern may be an Acylate ArF photosensitive film or COMA (Cyclo-Olefin Maleic Anhydride) based ArF photosensitive film.
그리고, 상기 유기 반사방지막이 무기 반사방지막으로 형성되는 경우의 식각공정은, O2 가스, Cl2, BC13, HB 또는 HI 가스 등과 같이 할로겐 원소가 포함된 가스 그리고 CxFy 계 가스나 CxHyFz 계 가스를 첨가하여 실시할 수 있다.In the case where the organic antireflection film is formed of an inorganic antireflection film, an etching process may include a gas containing a halogen element such as O 2 gas, Cl 2 , BC1 3 , HB, or HI gas, and a CxFy gas or a CxHyFz gas. It can add and carry out.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법은, 식각시 마스크 패턴 변형에 의한 식각층의 식각 모양 변형을 방지하여 패턴 형성불량에 의한 소자 특성 저하 및 수율 저하 등의 문제를 방지함으로써 ArF 감광막패턴을 사용하여 ArF 파장을 사용한 마스크 패턴 형성 및 식각이 가능하는 효과를 제공한다.As described above, the method for forming a micropattern of a semiconductor device according to the present invention prevents etch shape deformation of an etching layer due to mask pattern deformation during etching, thereby preventing problems such as deterioration of device characteristics and yield reduction due to poor pattern formation. By using the ArF photosensitive film pattern to provide an effect capable of forming and etching the mask pattern using the ArF wavelength.
도 1a 내지 도 1c 는 종래기술에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법을 도시한 단면도 및 평면도.1A to 1C are cross-sectional views and plan views illustrating a method of forming a fine pattern of a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 반도체소자의 미세패턴 형성방법을 도시한 단면도 및 평면도.2A and 2B are a cross-sectional view and a plan view showing a method for forming a fine pattern of a semiconductor device according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
11,21 : 층간절연막 13,23 : 유기 반사방지막11,21: interlayer insulating film 13,23: organic antireflection film
15,25 : 감광막패턴15,25: photoresist pattern
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