KR100537181B1 - 노광후 현상 지연에 의한 패턴 불량을 방지할 수 있는포토레지스트 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토레지스트 노광 후 실시되는 현상공정 지연의 영향에 의한 패턴 형성의 어려움을 최소화시키기 위하여 포토레지스트 구조를 노광시 발생된 산이 공기중의 아민 또는 암모늄으로부터의 영향을 최소화할 수 있는 화학구조로 변화시키는 것으로서, 기판 상부에 포토레지스트를 도포한 후 용매 제거를 위한 소프트 베이크 공정을 실시하고 노광 단계 이전에 레지스트의 유리전이 온도 부근의 온도에서 30초 내지 20분 동안 열처리를 실시하는데 특징이 있다. 상기 열처리 후 0.1 ℃/min. 내지 20 ℃/min.의 냉각속도로 열처리를 실시하는데 본 발명의 또 다른 특징이 있다.

Description

노광후 현상 지연에 의한 패턴 불량을 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성 방법{METHOD FOR FORMING PHOTORESIST PATTERN CAPABLE OF PREVENTING DEGRADATION CAUSED WITH DELAYING DEVELOP AFTER EXPOSURE}

본 발명은 반도체 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 화학증폭형 레지스트의 노광 후 현상공정이 지연됨에 따른 패턴 불량을 효과적으로 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 소자 제조를 위한 패터닝(patterning) 공정에서는 소자의 집적도 향상에 따라 작아지는 설계규칙(design rule)을 만족시키기 위해 해상능력이 뛰어난 화학증폭형 포토레지스트(chemically amplified resist)가 많이 이용되고 있다.

화학증폭형 레지스트는 일반적으로 감광작용에 의하여 강산을 발생하는 광산발생제(photo acid generator), 유형의 이미지(physical image)를 형성하는 폴리머(polymer), 그리고 노광시 발생한 강산이 노광후열처리(post exposure bake, 이하 PEB라 함) 공정에서 열에너지에 의해 폴리머의 주쇄 결합(chain bond)을 결합 또는 분리시킬 수 있도록 도와주는 촉매제로 구성된다.

이러한 화학증폭형 레지스트는 노광에 의해 광산발생제로부터 많은 양의 산이 발생하게 된다. 이때 발생한 산은 레지스트의 말단 기(radical)에 있는 블로킹 기(blocking radical)를 공격함으로써 알카리성의 현상액에 대한 용해력의 차이를 유발하여 노광부와 비노광부를 선택적으로 용해시킴으로써 원하는 패턴을 형성하게 된다. 그러나, 노광후 발생된 산 중 많은 양이 공정 환경의 아민 또는 암모늄계 등으로부터 공격을 받아 산의 농도가 급격히 감소하게 된다. 또한 적은 농도의 아민 분위기라 할지라도 노광 후 현상전까지의 시간이 지연될 경우에, 장시간 동안 진행되는 아민의 공격에 의해 산의 농도는 현저하게 줄어들게 된다. 도1은 공기중의 아민과 쉽게 접촉하는 레지스트의 표면들이 현상시에도 용해되지 않아 패턴이 양호하게 형성되지 않은 상태를 보이는 사진이다.

종래 포토레지스트 패턴 형성 공정에서는 기판 상부에 포토레지스트를 도포한 후 용매를 제거하기 위하여 90 ℃ 내지 140 ℃ 온도에서 60초 내지 150초 동안 소프트 베이크(soft bake) 공정을 실시하고, 노광장비로 기판을 이동시켜 노광을 실시한다. 소프트 베이크 공정 후 레지스트의 매트릭스(matrix) 수지 사슬은 도2와 같이 무정형 상태가 된다.

따라서, 불규칙적으로 나열되어 있는 사슬 사이에 이후 실시되는 노광 공정에서 발생한 산(H⁺)과 공기중의 아민 또는 암모늄이 혼재되기 때문에, 노광시 발생된 산은 쉽게 아민 등과 반응하여 농도가 급격히 감소한다. 산 농도의 감소에 따라 매트릭스 수지에 달려있는 블록킹기 중 소량만이 수산기(OH^-)로 바뀌게 되어 결국은 후속 현상의 공정시 정상적인 패터닝이 어려워져 도1과 같은 패턴 불량이 발생한다.

노광 후 현상전까지의 시간지연에 의한 영향이 적을수록 패터닝 공정에 의한 안정화를 기대할 수 있다. 따라서, 이러한 노광 후 현상이 진행되기까지의 공정 시간지연에 의한 영향을 최소화하기 위해 많은 공정 조건의 개선에 대한 연구와 레지스트의 화학구조 자체를 변형시키는 방법에 대한 연구들이 많이 진행되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 화학증폭형 레지스트의 노광 후 현상공정의 지연에 따라 노광시 발생된 산이 감소하는 것을 억제하여 패턴 불량을 효과적으로 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 기판 상부에 광산발생제를 포함하는 포토레지스트를 도포하는 제1 단계; 상기 포토레지스트를 소프트 베이크 하는 제2 단계; 상기 포토레지스트의 유리전이 온도에서 열처리하는 제3 단계; 상기 포토레지스트를 노광하는 제4 단계; 상기 포토레지스트를 노광후열처리하는 제5 단계; 및 상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 제6 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공한다.

또한 상기 제3 단계 후, 상기 포토레지스트를 냉각하는 제7 단계를 더 포함하는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공한다.

본 발명은 노광 후 실시되는 현상공정 지연의 영향에 의한 패턴 형성의 어려움을 최소화시키기 위하여 포토레지스트 구조를 노광시 발생된 산이 공기중의 아민 또는 암모늄으로부터의 영향을 최소화할 수 있는 화학구조로 변화시키는 것으로서, 기판 상부에 포토레지스트를 도포한 후 용매 제거를 위한 소프트 베이크 공정을 실시하고 노광 단계 이전에 레지스트의 유리전이 온도 부근의 온도에서 30초 내지 20분 동안 열처리를 실시하는데 특징이 있다. 상기 열처리 후 0.1 ℃/min. 내지 20 ℃/min.의 냉각속도로 열처리를 실시하는데 본 발명의 또 다른 특징이 있다.

소프트 베이크 후 본 발명에 따라 유리전이 온도 부근의 온도에서 열처리를 실시하면, 포토레지스트 매트릭스 수지의 점탄성 성질에 의하여 외부로부터 가해진 열에 의하여 수지가 이동을 하게 되며 사슬들이 패킹(packing)을 하여 도3과 같이 질서있게 배열되고, 소프트 베이크만을 실시한 경우보다 구조가 치밀해져 결국 공기중의 아민 또는 암모늄 등으로부터의 공격을 덜 받게 된다. 따라서, 노광시 발생된 산의 농도를 노광 후 및 노광후열처리 뒤에도 유지함으로써, 노광후 현상공정의 진행이 지연되더라도 패턴이 불량하게 형성되는 것을 방지하고 이에 따라 공정의 안정성을 도모할 수 있다.

본 발명은 i-라인, KrF, ArF, DUV(deep UV), 전자 빔(electron beam) 또는 X-선(X-ray)을 이용한 노광공정에 이용되는 노볼락(novolak)계, 폴리비닐페놀(polyvinyl phenol)계, 폴리하이드록시 스타이렌(polyhydroxy styrene)계, 노르보넨(Norbonene)계, 아다맨탄(Adamantane)계의 단중합체 또는 공중합체의 포토레지스트를 프로필렌 글라이콜 메칠 에테르 아세테이트(Propylene Glycol Methyl Ether Acetate, PGMEA) 등의 통상적인 용매를 이용하여 0.2 ㎛ 내지 1.5 ㎛ 두께로 도포한다. 상기 포토레지스트는 광산발산제가 함유된 포토레지스트이며, 이러한 포토레지스트를 실리콘 기판, 질화막, 폴리실리콘막, 산화막, 알루미늄막 또는 BPSG(borophophosilicate glass)막 상에 도포한다.

이어서, 용매를 제거하기 위하여 110 ℃ 내지 130 ℃에서 소프트 베이크를 실시하고, 소프트 베이크가 완료된 기판을 콘택 방식 또는 근접(proximity) 방식의 오븐으로 이동시킨 다음, 공정 환경 중의 아민 또는 암모늄으로부터의 오염을 최소화하기 위하여 질소 또는 아르곤 등의 비활성 가스 분위기에서 상기 포토레지스트의 유리전이 온도 부근인 80 ℃ 내지 130 ℃ 조건으로 5분 내지 20분 동안 열처리를 실시한다.

이러한 열처리 후 웨이퍼를 낮은 온도(약 20 ℃ 내지 40 ℃)로 바로 이동시키지 않고 서서히 냉각시켜 실온에 도달하도록 한다. 즉, 열처리 후 0.1 ℃/min. 내지 20 ℃/min.의 냉각속도로 냉각을 실시한다. 포토레지스트의 유리전이 온도와 열처리 온도의 차이가 클 수록 냉각속도를 느리게 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.

제1 실시예.

i-라인용의 노볼락(Novolak)계 레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 110 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 노볼락 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 5분간 열처리를 실시하고, 이와 같이 열처리된 상기 레지스트를 노광한 다음 60분이 경과한 후 습식현상을 실시한다. 도4는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따라 소프트 베이크 공정 후 유리전이 온도 이하에서 열처리를 실시하고, 노광 및 현상공정을 진행하여 얻은 패턴의 양상을 보이는 사진으로서, 종래 소프트 베이크 공정만을 진행한 경우보다 패턴이 보다 양호하게 형성됨을 도4로부터 알 수 있다.

제2 실시예.

DUV용 폴리하이드록시 스타이렌계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 120 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 폴리하이드록시 스타이렌 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 20분간 열처리를 실시하고, 이와 같이 열처리된 상기 레지스트를 노광한 다음 60분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

제3 실시예.

ArF용 노르보넨계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 130 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 노르보넨 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 10분간 열처리를 실시하고, 이와 같이 열처리된 상기 레지스트를 노광한 다음 60분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

제4 실시예.

전자빔(electron beam)용 폴리하이드록시 스타이렌계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 110 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 폴리하이드록시 스타이렌 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 10분간 열처리를 실시하고, 이와 같이 열처리된 상기 레지스트를 노광한 다음 60분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

제5 실시예.

i-라인용 노볼락계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 110 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 노볼락 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 5분간 열처리를 실시하고, 3 ℃/min.의 느린 냉각속도로 상온까지 냉각시킴으로써 수지의 치밀화를 극대화시킨다. 이와 같이 냉각된 상기 레지스트를 노광한 다음 80분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

제6 실시예.

DUV용 폴리하이드록시 스타이렌계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 110 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 폴리하이드록시 스타이렌 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 5분간 열처리를 실시하고, 2 ℃/min.의 느린 냉각속도로 상온까지 냉각시킴으로써 수지의 치밀화를 극대화시킨다. 이와 같이 냉각된 상기 레지스트를 노광한 다음 80분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

제7 실시예.

ArF용 노르보넨계 포토레지스트를 실리콘 웨이퍼 상에 코팅하고, 용매 제거를 위하여 110 ℃ 정도의 온도에서 약 90초 동안 소프트 베이크 공정을 실시한 후, 노르보넨 수지의 유리전이 온도 부근인 90 ℃ 내지 110 ℃에서 5분간 열처리를 실시하고, 4 ℃/min.의 느린 냉각속도로 상온까지 냉각시킴으로써 수지의 치밀화를 극대화시킨다. 이와 같이 냉각된 상기 레지스트를 노광한 다음 80분이 경과한 후 습식현상을 실시한다.

전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 포토레지스트의 소프트 베이크 후 매트릭스 수지의 유리전이 온도 부근에서 열처리를 실시하고, 느린 냉각속도로 상온까지 냉각시킴으로써 패터닝 공정 환경의 아민 또는 암모늄에 의한 산 농도의 감소를 최소화시킬 수 있다. 따라서 노광 후 현상 전에 장시간 동안 공정환경에 노출되더라도 안정된 패턴을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 포토레지스트의 소프트 베이크 후 매트릭스 수지의 유리전이 온도부근에서 열처리를 실시하고 또한 상온까지의 냉각속도를 느리게 조절함으로써 패터닝 공정시 환경에 의한 아민의 오염으로부터의 영향을 최소화할 수 있다. 결국 노광 후 장시간의 공정환경에 노출되더라도 안정된 패턴을 얻을 수 있으며 향후 1G, 4G, 16G DRAM 등과 같은 반도체 소자 제조 공정의 안정화에 크게 이바지 할 것으로 기대된다.

도1은 종래 기술에 따라 형성된 포토레지스트 패턴을 보이는 사진,

도2는 소프트 베이크 후의 매트릭스 수지의 배열을 보이는 개략도,

도3은 본 발명에 따라 소프트 베이크 및 열처리 후 매트릭스 수지 배열을 보이는 개략도,

도4는 본 발명에 따라 형성된 포토레지스트 패턴을 보이는 사진.

Claims (7)

1. 포토레지스트 패턴 형성 방법에 있어서,

   반도체 기판 상부에 광산발생제를 포함하는 포토레지스트를 도포하는 제1 단계;

   상기 포토레지스트를 소프트 베이크 하는 제2 단계;

   상기 포토레지스트의 유리전이 온도에서 열처리하는 제3 단계;

   상기 포토레지스트를 노광하는 제4 단계;

   상기 포토레지스트를 노광후열처리하는 제5 단계; 및

   상기 포토레지스트를 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 제6 단계

   를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3 단계 후,

   상기 포토레지스트를 냉각하는 제7 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제4 단계에서,

   i-라인, KrF, ArF, DUV, 전자 빔 또는 X-선을 이용하여 노광하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1 단계에서,

   노볼락계, 폴리비닐페놀계, 폴리하이드록시 스타이렌계, 노보넨계, 아다맨탄계의 단중합체 또는 공중합체의 포토레지스트를 도포하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 단계에서,

   80 ℃ 내지 130 ℃ 온도에서 30초 내지 20분 동안 열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제3 단계는,

   질소 또는 아르곤 등의 비활성 가스 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 제7 단계에서,

   0.1 ℃/min. 내지 20 ℃/min.의 냉각속도로 상기 포토레지스트를 냉각하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성 방법.