KR100557556B1 - 산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는포토레지스트 조성물 - Google Patents

산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는포토레지스트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는 포토레지스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토리소그래피 공정 중 노광 공정에 의해 노광부에서 발생된 산이 비노광부로 확산되는 것을 방지하기 위하여 사용하는 하기 화학식 1의 포토레지스트 첨가제, 이를 함유하는 포토레지스트 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 첨가제를 포함하는 포토레지스트 조성물을 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성하면 적은 양을 사용하여도 산 확산을 효과적으로 제어할 수 있어 LER을 향상시키고, 프로파일을 개선시키며, Eop를 낮출 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112001027426848-pat00001
상기 식에서, R1, R2, R3, R4 및 k는 명세서에서 정의한 바와 같다.

Description

산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는 포토레지스트 조성물{Photoresist additive for preventing acid diffusion and photoresist composition containing the same}
도 1은 본 발명에 따른 실시예 1에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 2에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 3에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 4에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
도 5는 비교예 1에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
도 6은 비교예 2에 의해 형성된 포토레지스트 패턴 사진.
본 발명은 산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는 포토레지스트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토리소그래피 공정 중 노광 공정에 의해 노광부에서 발생된 산이 비노광부로 확산되는 것을 방지하기 위하여 사용하는 포토레지스트 첨가제, 이를 함유하는 포토레지스트 조성물 및 이를 이용한 패턴 형성방법에 관한 것이다.
반도체 제조공정에 있어 고감도의 초미세 패턴을 형성하기 위해, 근래에는 화학증폭성인 DUV(Deep Ultra Violet) 포토레지스트가 각광을 받고 있으며, 그 조성은 광산발생제(photoacid generator)와 산에 민감하게 반응하는 구조의 고분자 화합물을 배합하여 제조한다.
이러한 포토레지스트의 작용 기전은 광산발생제가 광원으로부터 자외선 빛을 받게 되면 산을 발생시키고, 이렇게 발생된 산에 의해 노광후 베이크 공정에서 매트릭스 고분자 화합물의 주쇄 또는 측쇄가 반응하여 분해되거나, 가교결합되면서 고분자 화합물의 극성이 크게 변하여, 노광부위와 비노광부위가 현상액에 대해 서로 다른 용해도를 갖게 된다. 예를 들어, 포지티브 포토레지스트의 경우, 노광부에서는 산이 발생되고, 발생된 산이 노광후 베이크 공정에서 매트릭스 고분자 화합물과 반응하여 고분자의 주쇄 또는 측쇄가 분해되어 후속 현상공정에서 녹아 없어지게 된다. 반면, 비노광부위에서는 산이 발생되지 않으므로 본래의 고분자 화합물 구조를 그대로 갖기 때문에 후속 현상공정에서 녹지 않는다. 그 결과, 마스크의 상이 기판 위에 양화상으로 남겨진다.
이와 같은 리소그래피 공정에서 해상력을 높이고 프로파일을 개선하기 위해서는 노광부위에서 발생된 산의 비노광부위로의 확산을 효과적으로 제어할 필요가 있다.
종래에는 노광부위에서 광산발생제에 의해 발생된 산을 효과적으로 제어하기 위해 아민 또는 아마이드 화합물과 같은 첨가제를 광산발생제에 대해 5 내지 30몰%의 비율로 사용하였는데, 이들 화합물의 과량 사용으로 인해 광흡수도가 증가하고 최적 노광에너지(이하 "Eop"라 함)가 증가하는 부작용을 초래하였다. 이는 곧 노광장비의 생산성 저하의 결과를 초래하게 되는 것이다.
또한 종래의 포토레지스트들은 110nm L/S 패턴에서 대부분 10-20nm 사이의 라인 가장자리 거칠음(Line Edge Roughness : 이하 "LER"이라 함)을 보여왔다. 이는 110nm 이하의 패턴형성 공정에서 LER로 인한 공정 불안정성이 10%이상임을 의미하는 바, 이는 디바이스의 안정적 생산에 큰 걸림돌이 될 것이다.
이에 본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 노력하여 오던 중, 강력한 염기성을 나타내는 화합물을 포토레지스트 조성물에 첨가하여 사용함으로써, 미량으로도 노광부위에서 비노광부위로의 산 확산을 효과적으로 제어할 수 있다는 점을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 산 확산을 효과적으로 제어할 수 있는 포토레지스트 첨가제 및 이를 함유하는 포토레지스트 조성물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 상기 포토레지스트 조성물을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법 및 이러한 방법에 의해 얻어진 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에서는 우선, 산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제로 사용되는 하기 화학식 1의 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112001027426848-pat00002
상기 식에서,
R1, R2, R3 및 R4는 각각 수소이거나, C1-C10 의 직쇄 또는 측쇄 알킬이고, k는 0 또는 1이다.
상기 화학식 1의 화합물은 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민 또는 N,N'-디메틸-1,8-나프탈렌디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-디아미노플루오렌 또는 N,N'-디메틸-1,8-디아미노플루오렌인 것이 바람직하다.
이들은 pKa가 12 내지 16 정도의 극도로 강력한 염기성을 지닌 화합물 즉, 산 흡수 화합물(proton sponge)로서, 포토레지스트 조성물에 첨가되어 산의 확산을 효과적으로 제어한다.
즉, 노광부위에서 발생한 산이 비노광부위로 확산하는 경우, 비노광부위에 존재하는 상기 산 흡수 화합물이 이를 흡수함으로써 산이 비노광부로 확산하는 것을 방지한다. 따라서 비노광부위는 포토레지스트 물성이 변하지 않아 현상 후에 양호한 프로파일이 얻어진다.
본 발명에서는 또한 (i) 전술한 상기 화학식 1의 본 발명에 따른 산 확산 방 지용 포토레지스트 첨가제 (ii) 베이스 수지 (iii) 광산발생제 및 (iv) 유기용매를 포함하는 포토레지스트 조성물을 제공한다.
상기 화학식 1의 첨가제는 첨가제는 상기 광산발생제에 대해 0.5 내지 20몰% 바람직하게는 1 내지 10몰%의 비율로 사용된다.
상기 포토레지스트 조성물에 포함되는 베이스 수지, 광산발생제 및 유기용매는 통상의 화학증폭형 포토레지스트 조성물에 사용되는 것이면 무엇이든 가능하며 예를 들어 US 5,212,043 (1993. 5. 18), WO 97/33198 (1997. 9. 12), WO 96/37526 (1996. 11. 28), EP 0 794 458 (1997. 9. 10), EP 0 789 278 (1997. 8. 13), US 5,750,680 (1998. 5. 12), GB 2,340,830 A (2000. 3. 1), US 6,051,678 (2000. 4. 18), GB 2,345,286 A (2000. 7. 5), US 6,132,926 (2000. 10. 17), US 6,143,463 (2000. 11. 7), US 6,150,069 (2000. 11. 21), US 6,180,316 B1 (2001. 1. 30), US 6,225,020 B1 (2001. 5. 1), US 6,235,448 B1 (2001. 5. 22) 및 US 6,235,447 B1 (2001. 5. 22) 등에 개시된 것을 포함한다.
특히 베이스 수지는 사이클로 올레핀 백본(back bone) 구조를 갖는 것으로서, 소정의 기능기(functional group), 예를 들어, 용해억제기로 작용하는 산에 민감한 보호기 및 카르복실산 등의 기능기를 갖는 사이클로올레핀계 공단량체들이 부가 중합된 사이클로 올레핀 백본의 고리(ring) 구조가 깨지지 않고 주쇄 내에 유지되어 있는 반복단위체를 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 기판 접착성 및 민감성 조절을 위한 히드록시 알킬 기능기를 갖는 사이클로 올레핀 공단량체를 포함하는 것이 좋다.
예를 들어 하기 화학식 2의 중합 반복 단위를 포함하는 베이스 수지를 들 수 있는데, 여기서 기판에 대한 접착성을 향상시키기 위하여 2-히드록시에틸 바이사이클로[2.2.1]헵트-5-엔-2-카르복실레이트(m=1) 또는 2-히드록시에틸 바이사이클로 [2.2.2]옥트-5-엔-2-카르복실레이트(m=2) 공단량체를 포함하는 것이 바람직하다.
[화학식 2]
Figure 112001027426848-pat00003
상기 식에서,
a : b : c : d는 30-50몰% : 20-50몰% : 1-30몰% : 1-45몰%이고, m은 1 또는 2이다.
상기 광산발생제로는 바람직하게 193nm 및 248nm에서 상대적으로 흡광도가 적은 디아조메탄계 화합물, 글리옥심계 화합물 및 벤질토실레이트계 화합물, 예를 들어 프탈이미도트리플루오로메탄술포네이트, 디니트로벤질토실레이트, n-데실디술폰 및 나프틸이미도트리플루오로메탄술포네이트가 주로 사용되며; 황화염계 화합물 및 오니움염계 화합물인 디페닐요도염 헥사플루오르포스페이트, 디페닐요도염 헥사플루오르 아르세네이트, 디페닐요도염 헥사플루오르 안티모네이트, 디페닐파라메톡 시페닐 트리플레이트, 디페닐파라톨루에닐 트리플레이트, 디페닐파라이소부틸페닐 트리플레이트, 디페닐파라-t-부틸페닐 트리플레이트, 트리페닐설포늄 헥사플루오르 포스페이트, 트리페닐설포늄 헥사플루오르 아르세네이트, 트리페닐설포늄 헥사플루오르 안티모네이트, 트리페닐설포늄 트리플레이트 또는 디부틸나프틸설포늄 트리플레이트 화합물을 겸용할 수도 있다.
상기 광산발생제는 포토레지스트 중합체에 대해 0.05 내지 10 중량% 비율로 사용되는 것이 바람직한데, 0.05중량% 이하의 양이 사용될 때에는 포토레지스트의 광에 대한 민감도가 취약하게 되고 10중량% 이상의 양이 사용될 때는 광산발생제가 원자외선을 많이 흡수하고 산이 다량 발생되어 단면이 좋지 않은 패턴을 얻게 된다.
또한, 상기 유기용매로는 바람직하게 메틸 3-메톡시프로피오네이트, 에틸 3-에톡시프로피오네이트, 프로필렌글리콜 메틸에테르아세테이트, 사이클로헥사논, 2-헵타논 또는 에틸락테이트를 사용하며, 상기 포토레지스트 중합체에 대해 200 내지 1000중량% 비율로 사용되는데, 이는 원하는 두께의 포토레지스트 막을 얻기 위한 것으로 예를 들면, 포토레지스트 중합체에 대해 유기용매가 500중량% 사용될 때의 포토레지스트 두께는 약 0.5㎛가 된다.
본 발명에서는 또한 하기와 같은 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다:
(a) 상기 본 발명에 따른 포토레지스트 조성물을 피식각층 상부에 코팅하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
(b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계; 및
(c) 상기 노광된 포토레지스트 막을 현상하여 포토레지스트 패턴을 얻는 단계.
상기 과정에서 (b)단계의 노광전에 소프트 베이크 공정, 또는 (b)단계의 노광후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이 베이크 공정은 70 내지 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노광원은 VUV(157nm), ArF(193nm), KrF(248nm), EUV(13nm), E-빔, X-선 또는 이온빔을 사용하여, 0.1 내지 50mJ/cm2의 노광에너지로 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 상기에서 현상 단계 (c)는 알칼리 현상액을 이용하여 수행될 수 있으며, 알칼리 현상액은 0.01 내지 5중량%의 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH) 수용액인 것이 바람직하다.
본 발명에서는 또한 상기 본 발명의 포토레지스트 조성물을 이용하여 제조된 반도체 소자를 제공한다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(1)
베이스 수지로서 상기 화학식 2의 화합물(10g), 첨가제로서 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민(0.006g), 광산발생제로서 프탈이미도트리플루오로메탄 술포네이트(0.06g)과 트리페닐설포늄 트리플레이트(0.06g)를 유기용매인 프로필렌글리콜메틸에테르아세테이트 (PGMEA) 100g에 녹인 후 20㎛ 필터로 여과시켜 포토레지스트 조성물을 제조하였다.
이렇게 얻은 포토레지스트 조성물을 실리콘 웨이퍼의 피식각층 상부에 스핀 코팅하여 포토레지스트 박막을 제조한 다음, 140℃의 오븐 또는 열판에서 90초간 소프트 베이크를 하고, ArF 레이저 노광장비로 노광한 후 140℃에서 90초간 다시 포스트 베이크하였다. 이렇게 노광한 웨이퍼를 2.38% TMAH 수용액에서 40초간 침지하여 현상함으로써 110nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 13mJ/cm2이고, LER은 9.4nm로 종래의 10-20nm에 비해 크게 향상되었다(도 1 참조).
LER 측정은 120K 배율로 32포인트를 측정하고, 각 포인트의 sum line은 5nm로 하였다. 측정값은 3σ 값이다.
실시예 2 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(2)
실시예 1의 첨가제인 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민을 사용하는 대신 N,N'-디메틸-1,8-나프탈렌디아민(0.006g)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 110nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 10.5mJ/cm2이고 LER이 13nm였다(도 2 참조).
실시예 3 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(3)
실시예 1의 첨가제인 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민을 사용하는 대신 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-디아미노플루오렌(0.006g)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 110nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 15mJ/cm2이고 LER이 12nm였다(도 3 참조).
실시예 4 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(4)
실시예 1의 첨가제인 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민을 사용하는 대신 N,N'-디메틸-1,8-디아미노플루오렌(0.006g)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 110nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 11mJ/cm2이고 LER이 11.6nm였다(도 4 참조).
비교예 1 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(5)
실시예 1의 첨가제인 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민을 사용하는 대신 널리 사용되고 있는 3차 아민인 트리옥틸아민(0.006g)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 조성물을 제조하고, 이를 이용하여 110nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 16.7mJ/cm2이고 LER이 14.3nm였다(도 5 참조).
비교예 2 : 포토레지스트 조성물의 제조 및 포토레지스트 패턴 형성(6)
실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 조성물을 제조하되, 실시예 1의 첨가제인 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민을 첨가하진 않았다. 이를 이용하여 120nm L/S 초미세 포토레지스트 패턴을 얻었다. 그 결과 Eop는 37.4mJ/cm2이고 LER이 16nm 이상이었다(도 6 참조).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 첨가제를 포함하는 포토레지스트 조성물을 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성하면 적은 양을 사용하여도 산 확산을 효과적으로 제어할 수 있어 LER을 향상시키고, 프로파일을 개선시키며, Eop를 낮출 수 있다.

Claims (8)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 산 확산 방지용 포토레지스트 첨가제, 베이스 수지, 광산발생제 및 유기용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112005061698346-pat00004
    상기 식에서,
    R1, R2, R3 및 R4는 각각 수소이거나, C1-C10의 직쇄 또는 측쇄 알킬이고, k는 0 또는 1이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물은 N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-나프탈렌디아민, N,N'-디메틸-1,8-나프탈렌디아민, N,N,N',N'-테트라메틸-1,8-디아미노플루오렌 또는 N,N'-디메틸-1,8-디아미노플루오렌인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 조성물.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트 첨가제는 상기 광산발생제에 대해 0.5 내지 20몰%의 비율로 사용되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 조성물.
  5. (a) 제 1 항에 기재된 포토레지스트 조성물을 피식각층 상부에 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계; 및
    (c) 상기 노광된 포토레지스트 막을 현상하여 원하는 패턴을 얻는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 노광전에 소프트 베이크 공정, 또는 (b)단계의 노광후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 노광원은 VUV, ArF, KrF, EUV, E-빔, X-선; 및 이온빔으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  8. 제 5 항 기재의 방법을 이용하여 제조된 반도체 소자.
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