KR100520669B1 - Ｔｓｉ 공정에 의한 초미세 패턴의 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TSI 공정에 의한 초미세 패턴의 형성방법에 관한 것으로, TSI 공정에 있어서 소프트 베이크, 프리실릴레이션 베이크(presilylation bake) 및 실릴레이션 과정의 온도와 시간을 결정하고, 적절한 실릴화제(silylation agent)를 선정하는 등, 초미세 패턴을 형성하기에 최적화된 본 발명의 TSI 공정을 이용하면 기존의 미세 패턴 형성 공정에 비하여 매우 효과적으로 4G DRAM 또는 16G DRAM 반도체 제조공정에 적용할 수 있는 초미세 패턴을 얻을 수 있다.

Description

ＴＳＩ 공정에 의한 초미세 패턴의 형성방법{Method for Forming Ultrafine Pattern by Top Surface Imaging Process}
본 발명은 TSI 공정 (Top Surface Imaging Process)에 의한 초미세 패턴의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TSI 공정에 있어서 소프트 베이크, 프리실릴레이션 베이크(presilylation bake) 및 실릴레이션 (silylation)과정의 온도와 시간을 결정하고, 적절한 실릴화제(silylation agent)를 선정하는 등, 각 공정의 조건을 조절함으로써 초미세 패턴을 형성하기에 최적화된 TSI 공정을 제공한다.
초미세 패턴을 형성할 때 예상되는 가장 큰 문제는 현상 공정시 패턴의 무너짐 현상이 발생할 수 있다는 점과 해상력이 부족하다는 점이다. 또한 100nm 이하의 초미세 회로를 사용한 4G DRAM 또는 16G DRAM 제조에 있어서, 패턴이 미세화됨에 따라 포토레지스트의 두께가 얇아져야 패턴 형성이 가능하다. 그러나 패턴의 두께가 얇아지면 에칭이 불가능해지므로, 포토레지스트가 가져야 할 필수조건은 에칭 내성이다. 그러나 이 에칭 내성의 극복은 사실상 매우 곤란하다. 아울러 ArF 또는 EUV 등과 같은 원자외선으로 패턴을 형성할 때에는, 광학계의 광에너지에 의해 패턴이 변형되는 문제가 있다. 따라서 적은 양의 광에너지에서도 패턴 형성이 가능한 고감도의 포토레지스트의 개발이 요구된다.
상기와 같은 문제점들을 극복할 수 있는 유일한 대안은, 실릴레이션 (silylation)을 이용한 TSI 공정이다. 그러나 TSI 공정을 사용하더라도 기존의 KrF 엑시머 레이저를 사용하여 4G 또는 16G DRAM 반도체 제조공정에 적용할 수 있는 초미세 패턴을 형성하는 것을 불가능하다. 따라서 ArF를 이용한 TSI용 포토레지스트를 이용하여야 0.10㎛ L/S 이하의 초미세 패턴을 형성할 수 있다.
현재, 전세계적으로 많은 연구진들이 일본 스미토모 (SUMITOMO)사의 ArF TSI용 포토레지스트 제품인 NTS-4를 이용하여 TSI 공정에 의한 초미세 패턴을 형성하기 위하여 연구 중이나, 제시되는 패턴의 형태는 실제 반도체 공정에 적용하기에 어려운 정도의 형태이다. 스미토모사가 제시한 사진 (도 1 참조)에서 보는 바와 같이 패턴의 갈라짐 현상이 완전하지 못하고, 밑부분에는 포토레지스트가 건식 현상 후임에도 불구하고 많은 부분 남아 있으며, 패턴의 윗 부분은 지나친 건식 현상에 의하여 많은 부분이 식각되었음을 알 수 있다. 따라서 이러한 패턴을 실제 반도체 공정에 적용하기에는 큰 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점들을 해결하고자 연구를 계속하던 중, 4G DRAM 또는 16G DRAM의 초미세 패턴을 해상하기 위한 TSI 공정을 최적화함으로써 기존의 미세 패턴에 비하여 뛰어난 초미세 패턴을 얻을 수 있는 방법을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 TSI 공정에 의하여 4G DRAM 또는 16G DRAM에 적용 가능한 초미세 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 TSI 공정에 있어서,소프트 베이크, 프리실릴레이션 베이크 및 실릴레이션 과정의 온도와 시간을 결정하고, 적절한 실릴화제를 선정하는 등, 각 공정의 조건을 조절함으로써 초미세 패턴을 형성하기에 최적화된 TSI 공정을 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.도 2는 본 발명의 TSI 공정에 의한 초미세 패턴 형성과정을 나타낸 개략도이다.도 2를 참조하면, 본 발명에서는 우선 TSI 공정에 의하여 초미세 패턴을 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 TSI 공정에 의한 초미세 패턴의 형성방법은 ; 기판에 피식각층(3)을 형성한 후 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트막(2)을 형성하고, 상기 포토레지스트막(2)을 소프트 베이크한 후, 미세 패턴을 정의하는 마스크(1)를 사용하여 상기 포토레지스트막(2)을 노광하고, 상기 포토레지스트막(2)을 프리실릴레이션 베이크한 다음, 상기 포토레지스트막(2)을 실릴화제로 실릴레이션 시키고, 이를 건식현상한 다음 오버 에칭함으로써 수행된다.
삭제
TSI 공정에서는 소프트 베이크와 프리실릴레이션 베이크의 최적 온도와 최적 시간을 선정하는 것이 일차적으로 중요하며, 실릴화제는 사용되는 포토레지스트와의 결합력에 적합하도록 선정하는 것이 바람직하다. 실릴화제로는 많은 실라잔 계통의 물질이 사용되는데 KrF 또는 ArF의 노광 조건에 가장 큰 흡수도를 보이는 벤젠 고리의 화학 구조, 예를 들어 폴리비닐페놀 등이 이들 실릴레이션 공정의 매트릭스 수지로 사용된다. 폴리비닐페놀과 같이 열적 안정성이 큰 수지는 테트라메틸 디실라잔과 같은 비교적 높은 증기압력을 가진 실릴화제가 사용되나 열적 안정성이 낮은 수지를 매트릭스 수지로 사용한 포토레지스트의 경우 디메틸 아민 디실라잔과 같은 비교적 낮은 온도에서 증기화가 일어나는 실릴화제를 사용하는 것이 바람직하다, 특히 본 발명에서 주로 사용한 테트라메틸 디실라잔은 높은 온도에서의 확산 속도가 매우 빠르고 짧은 시간의 실릴레이션 공정 중에서도 포토레지스트에 대한 충분한 실릴레이션을 시킬 수 있다는 큰 장점이 있다.
또한 실릴레이션의 온도와 시간은 공정 중에 형성되는 실릴레이션 층의 두께를 결정하는데, 이 층의 두께는 차후 공정인 건식 현상 공정의 조건을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 이 때 건식 현상은 2단계로 나눌 수 있는데, 포토레지스트와 실릴화제의 화학적 결합에 의하여 형성된 실릴레이션층을 불소계, 염소계, 산소계 혼합가스의 최적 조건 분위기 하에서 건식 현상을 시키면(1단계) 노광 지역과 비노광 지역에 선택적으로 SiOx 층이 형성되고, 이 SiOx 층을 배리어 마스크 (barrier mask)로 산소계 또는 설퍼디옥사이드(SO2) 가스의 혼합가스를 이용하여 최적 조건에서 나머지 부분을 건식 현상 시킨 다음(2단계), 오버 에칭함으로써 초미세 패턴을 얻을 수 있다.
상기 최적의 TSI 공정을 이용한 본 발명의 초미세 패턴 형성방법은 하기와 같이 요약될 수 있다;
(a) 기판에 폴리비닐페놀계에서 선택되는 단중합체 또는 공중합체와 멜라민(melamine) 가교제를 포함하는 KrF, ArF, EUV, E-빔 또는 X-레이용 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트막을 형성하는 단계;
(b) 상기 포토레지스트막을 90∼130℃의 온도에서 60∼90초 동안 소프트 베이크하는 단계;
(c) 상기 포토레지스트막을 노광하는 단계;
(d) 상기 포토레지스트막을 90∼130℃의 온도에서 30∼90초 동안 프리실릴레이션 베이크 (presilylation bake)하는 단계;
(e) 상기 포토레지스트막을 실릴화제 (silylation agent)를 이용하여 120∼170℃의 온도에서 60∼150초 동안 실릴레이션 (silylation)시키는 단계;
(f) 불소계 또는 염소계 가스와 산소계 가스를 1 : 5의 비율로 혼합한 가스로 10∼20초 동안 건식 현상하여 실릴레이션된 층을 형성하는 제 1 건식 현상 단계; 및
(g) 산소계와 설퍼디옥사이드 가스를 3 : 1의 혼합한 가스로 15∼30초 동안 (f) 단계에서 현상되지 않은 나머지 부분을 현상하는 제 2 건식 현상 단계; 및
(h) 상기 (g) 단계의 결과물을 20 내지 30% 오버 에칭하는 단계.
상기 과정에 있어서, 포토레지스트는 폴리비닐페놀계 이외에 폴리이미드계, 폴리안하이드라이드계, 폴리노르보넨계, 폴리아미딘계 등의 단중합체 또는 공중합체와 디아조나프토퀴논 또는 멜라민(melamine)과 같은 가교제를 포함하는 KrF, ArF, EUV, E-빔 또는 X-레이용 포토레지스트를 사용할 수도 있다. 이때, 실릴레이션의 선택비를 높이기 위하여 가교제로서 멜라민을 사용하는 것이 바람직하며, 가교제는 포토레지스트에 대하여 0.5∼10 중량%의 양으로 포함될 수 있다.
삭제
또한 상기 공정에서 (c)의 노광 단계는 KrF, ArF, EUV, E-빔 및 X-레이로 이루어지는 군으로부터 선택되는 광원을 이용하여 수행될 수 있다.
또한 (e) 단계의 실릴화제는 헥사메틸 디실라잔, 테트라메틸 디실라잔, 비스디메틸아미노 디메틸실란, 비스디메틸아미노 메틸실란, 디메틸실릴 디메틸아민, 디메틸실릴 디에틸아민, 트리메틸실릴 디메틸아민, 트리메틸실릴 디에틸아민 및 디메틸아미노 펜타메틸디실란으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
실릴화제를 이용한 실릴레이션은 액상 또는 기상에서 수행될 수 있으며, 기상 상태에서 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 본 발명의 TSI 공정에 따른 초미세 패턴의 형성
본 발명의 TSI 공정에 적용하기 위하여 일본 스미토모사의 폴리비닐 페놀을 메트릭스 수지로 사용한 포토레지스트 제품인 NTS-4 를 사용하였으며, 이러한 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼에 스핀 도포하여 박막을 제조하고, 130℃에서 90초 동안 소프트 베이크를 시행한 후 130℃에서 90초 동안 프리실릴레이션 베이크를 시행하였다. 그 후 실릴화제로 테트라 메틸 디실라잔을 이용하여 170℃ 온도에서 150초 동안 실릴레이션을 실시하였다. 그런 다음 건식 공정의 첫단계로서 불소계 가스 와 산소를 1:5 의 비율로 혼합한 가스로 실릴레이션된 층을 현상하고, 두 번째 단계에서는 산소와 설퍼디옥사이드(SO2) 3:1의 혼합가스로 나머지 부분을 현상한 후 오버 에칭시킴으로써 초미세 패턴을 얻었다. 도 3은 본 실시예에서 얻어진 0.13㎛ 및 0.14㎛의 초미세 패턴이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 기존에 일본 스미토모사의 NTS-4 ArF TSI용 포토레지스트를 이용하여 얻어진 패턴의 형태 (도 1 참조)는 실제 반도체 공정에 이용할 수 없는데 반하여, 본 발명에 따라 최적화된 TSI 공정에 의해 제조된 초미세 패턴 (도 3 참조)은 4G 또는 16G DRAM의 반도체 제조 공정에 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 종래의 TSI 공정을 이용하여 얻어진 초미세 패턴이고,
(왼쪽 : 0.13㎛ 초미세 패턴 / 오른쪽 : 0.14㎛ 초미세 패턴)
도 2는 본 발명의 TSI 공정에 의한 초미세 패턴 형성과정을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 TSI 공정을 이용하여 얻어진 초미세 패턴이다.
(왼쪽 : 0.13㎛ 초미세 패턴 / 오른쪽 : 0.14㎛ 초미세 패턴)
< 도면의 주요부분에 대한 설명 >
1 : 마스크 2: 포토레지스트막
3 : 피식각층

Claims (7)

  1. (a) 기판에 폴리비닐페놀계에서 선택되는 단중합체 또는 공중합체와 멜라민(melamine) 가교제를 포함하는 KrF, ArF, EUV, E-빔 또는 X-레이용 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 포토레지스트막을 90∼130℃의 온도에서 60∼90초 동안 소프트 베이크하는 단계;
    (c) 상기 포토레지스트막을 노광하는 단계;
    (d) 상기 포토레지스트막을 90∼130℃의 온도에서 30∼90초 동안 프리실릴레이션 베이크 (presilylation bake)하는 단계;
    (e) 상기 포토레지스트막을 실릴화제 (silylation agent)를 이용하여 120∼170℃의 온도에서 60∼150초 동안 실릴레이션 (silylation)시키는 단계;
    (f) 불소계 또는 염소계 가스와 산소계 가스를 1 : 5의 비율로 혼합한 가스로 10∼20초 동안 건식 현상하여 실릴레이션된 층을 형성하는 제 1 건식 현상 단계; 및
    (g) 산소계와 설퍼디옥사이드 가스를 3 : 1의 혼합한 가스로 15∼30초 동안 (f) 단계에서 현상되지 않은 나머지 부분을 현상하는 제 2 건식 현상 단계; 및
    (h) 상기 (g) 단계의 결과물을 20 내지 30% 오버 에칭하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 TSI (Top Surface Imaging) 공정에 의한 초미세 패턴의 형성방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    가교제는 포토레지스트에 대하여 0.5∼10 중량%의 양으로 포함되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    (c) 단계는 KrF, ArF, EUV, E-빔 및 X-레이로 이루어지는 군으로부터 선택되는 광원을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    (e) 단계의 실릴화제는 헥사메틸 디실라잔, 테트라메틸 디실라잔, 비스디메틸아미노 디메틸실란, 비스디메틸아미노 메틸실란, 디메틸실릴 디메틸아민, 디메틸실릴 디에틸아민, 트리메틸실릴 디메틸아민, 트리메틸실릴 디에틸아민 및 디메틸아미노 펜타메틸디실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    실릴화제를 이용한 실릴레이션은 액상 또는 기상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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