KR100562323B1 - 반도체 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 0.15㎛ 급 고집적 소자에서 BARC막의 두께를 증가시키지 않으면서 포토레지스트막과 BARC막 사이의 반사율을 최소화할 수 있는 BARC막 조건을 결정하여 우수한 프로파일의 포토레지스트 패턴을 형성하는 것이다.
본 발명의 목적은 반도체 기판 상에 식각층을 형성하는 단계; 식각층 상에 굴절률(n)이 0.36±0.06이고 흡광계수(k)가 1.98±0.06이며 두께가 330±20Å인 난반사막을 형성하는 단계; 및 난반사막 상에 포토레지스트막을 도포한 후 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게, 난반사막은 실리콘옥시나이트라이드 (SixOyNz)막으로 이루어진다.
BARC, 흡광계수, 굴절률, 두께, 반사율, 포토레지스트

Description

반도체 소자 및 그 제조방법{Semiconductor device and method of manufacturing the same}
도 1은 종래 BARC막을 적용하지 않은 경우의 포토레지스트 패턴을 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 BARC막이 식각층의 반사율을 최소화하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 종래 0.18㎛ 급 소자에서 BARC막을 적용한 경우 포토레지스트 패턴을 나타낸 도면.
도 5는 종래 0.15㎛ 급 소자에서 BARC막을 적용한 경우 포토레지스트 패턴을 나타낸 도면.
도 6은 종래 BARC막 두께에 따른 BARC막과 포토레지스트막 계면의 반사율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따라 BARC막 두께가 250Å(a), 300Å(b), 350Å(c), 400Å(d)인 각각의 경우에 대하여 굴절률(n)과 흡광계수(k)를 변화시키면서 BARC막과 포토레지스트막의 계면 반사율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 흡광계수(k)와 굴절률(n)의 상관관계를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 흡광계수(k)와 굴절률(n) 조건에서 BARC 두께에 따라 BARC막과 포토레지스트막의 계면 따른 반사율을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 흡광계수(k), 굴절률(n) 및 두께 조건을 가지는 BARC막을 적용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법을 설명하기 위한 순차적 단면도.
도 11은 본 발명의 BARC 조건을 적용하여 형성된 포토레지스트 패턴을 나타낸 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
110 : 반도체 기판 120 : 식각층
130 : BAR막 140 : 포토레지스트막
140a : 포토레지스트 패턴
200 : 노광 마스크
본 발명은 반도체 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 난반사막 및 이를 적용한 포토레지스트 패턴 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조 공정에서는 반도체 기판에 소자를 형성하기 위해 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 마스크로하여 식각공정이나 이온주입공정 등을 수행하고 있다.
통상적으로 포토레스트 패턴은 포토레지스트막을 도포하고 노광 마스크를 이 용하여 이를 노광한 후 현상하는 포토리소그라피 공정에 의해 형성하는데, 반도체 소자의 고집적화에 따라 패턴의 선폭이 점점 더 감소하면서 포토레지스트 패턴의 정확하고 미세한 CD(Critical Dimensiton; CD) 제어가 요구되고 있다.
그런데, 포토레지스트막의 노광 시 하부 식각층에서 반사되어 포토레지스트막 내로 입사되는 빛에 의해, 포토레지스트막 내에서 빛의 다중간섭 현상이 발생하여 도 1의 (a)와 같이 포토레지스트 패턴에 물결모양의 리플(ripple)이 생기는 스탠딩 웨이브 효과(standing wave effect)가 발생할 뿐만 아니라, 반도체 기판에 단차가 존재하는 경우에는 단차 부분에서 포토레지스트막의 두께가 불균일하여 샛길 반사나 표면 그레인에 의한 광산란 등이 발생하여 노광되어야할 부분이 노광되지 않거나 노광되지 않아야 할 부분이 노광되어 포토레지스트 패턴의 형상이 변형되는 노칭(notching) 현상이 발생하는 문제가 있다. 또한, 이러한 문제는 식각층이 고반사율의 금속층인 경우 더욱 더 심하게 발생된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 포토레지스트막과 식각층 사이에 저부 난반사(Bottom Anti-Reflective Coating; BARC)막을 형성하여 식각층에서 반사된 빛이 포토레지스트 내부로 입사되지 못하도록 하는 방법을 적용하고 있다.
BARC막은 도 2와 같이 식각층/BARC막/포토레지스트막이 적층된 경우 매질의 굴절률(n)과 BARC막 두께(t)의 조합에 의해 포토레지스트막과 BARC막의 계면으로부터 반사되는 광(L1)과 식각층으로부터의 광(L2)이 λ/2 만큼의 위상차에 의해 상쇄간섭되어 소멸되는 위상반전해제(phase shift cancellation)와 흡광계수(k)에 의한 매질 자체의 광흡수와 같은 2 가지 원리에 의해 식각층의 반사율을 최소화하는데, 이를 그래프로 나타내면 도 3과 같다.
도 3에 나타낸 바와 같이, BARC막과 포토레지스트막 계면의 반사율은 굴절률에 의한 사인(sign) 그래프(a)로 나타나고, 흡광계수와 연관된 매질자체의 광흡수는 지수(exponential) 그래프(b)로 나타나며, 두 그래프(a)(b)의 합은 (c)로 나타난다.
한편, 0.18㎛ 급 소자 공정 중 예컨대, Ti/AlCu/Ti/TiN의 금속층이 적용되는 배선 공정에서는 선폭(Line/Space)이 0.21/0.245(㎛)이고 금속층의 두께가 140/4500/200/275(Å)이며, BARC막으로서 무기 BARC막인 실리콘옥시나이트라이드 (SixOyNz)막을 250Å의 두께, 1.83의 굴절률(n), 0.14의 흡광계수(k) 조건으로 사용하고, 포토레지스트막으로서 PEK111을 0.895㎛의 두께, 0.71의 굴절률, 0.01의 흡광계수 조건으로 사용하면서, SixOyNz막 표면의 아민기(NH-)와 산(acid) 성분인 포토레지스트막 사이의 반응에 의한 포토레지스트 풋팅(footing)이 발생되지 않도록 SixOyNz막과 포토레지스트막 계면에 약 50Å 두께의 실리콘산화(SiO 2)막을 형성하게 되면, 도 4와 같이 노칭 및 스탠딩 웨이브 효과 등이 발생되는 것 없이 우수한 포토레지스트 패턴 프로파일을 얻을 수 있다.
그런데, 0.15㎛ 급 소자 공정 중 Ti/AlCu/Ti/TiN의 금속층을 적용한 배선 공정에서는 선폭(Line/Space)이 0.19/0.20(㎛)이고 배선 두께가 140/3500/50/60(Å)이며, 미세 CD 제어를 위해 포토레지스트막으로서 상기와 달리 낮은 두께까지 조절이 가능한 UV135를 0.61㎛의 두께, 1.77의 굴절률, 0.01의 흡광계수 조건으로 사용 함에 따라, 상술한 조건의 BARC막을 적용하게 되면, 도 5와 같이 스탠딩 웨이브 효과에 의해 포토레지스트 패턴의 프로파일이 열악해지게 된다.
이때, BARC막 두께에 따른 BARC막과 포토레지스트막 계면의 반사율을 시뮬레이션(simulation)하면, 도 6에서와 같이 BARC막 두께가 250Å인 경우 반사율이 5% 이상으로 높으므로 포토레지스트 패턴의 스탠딩 웨이브 효과가 발생할 가능성이 높음을 확인할 수 있고, 두께가 적어도 1000Å 이상이어야 반사율이 2% 정도로 낮아짐을 알 수 있다.
따라서, 반사율을 최소화하여 우수한 프로파일의 포토레지스트 패턴을 얻으려면 BARC막의 두께를 증가시켜야 한다.
그러나, BARC막의 두께가 증가하면 포토레지스트 패턴 형성 후 배선 식각 공정 시 BARC막을 제거하기가 어려워 적용이 불가능하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 0.15㎛ 급 고집적 소자에서 BARC막의 두께를 증가시키지 않으면서 포토레지스트막과 BARC막 사이의 반사율을 최소화할 수 있는 BARC막 조건을 결정하여 우수한 프로파일의 포토레지스트 패턴을 형성하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 금속층과 포토레지스트막 사이에 난반사막이 개재된 구조로 이루어지고, 난반사막이 0.36±0.06의 굴절률(n), 1.98±0.06의 흡광계수(k) 및 330±20Å의 두께를 가지는 반도체 소자에 의해 달성될 수 있 다.
또한, 본 발명의 목적은 반도체 기판 상에 식각층을 형성하는 단계; 식각층 상에 굴절률(n)이 0.36±0.06이고 흡광계수(k)가 1.98±0.06이며 두께가 330±20Å인 난반사막을 형성하는 단계; 및 난반사막 상에 포토레지스트막을 도포한 후 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
바람직하게, 난반사막은 실리콘옥시나이트라이드(SixOyNz)막으로 이루어지며, 난반사막과 포토레지스트막 사이에 약 50Å 두께의 실리콘산화(SiO2)막이 개재될 수 있다.
또한, 식각층은 금속층으로서 Ti/AlCu/Ti/TiN으로 이루어지고, 140/3500/50/60(Å)의 두께를 갖는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 0.15㎛ 급 소자에 적합한 BARC막 형성조건을 찾기 위해, 먼저 배선 식각 공정 시 BARC막 제거를 고려하여 BARC막인 SixOyNz막의 두께를 240 내지 400Å의 범위로 한정하고, 도 7과 같이 SixOyNz막 두께가 250Å(a), 300Å(b), 350Å(c), 400Å(d)인 각각의 경우에 대하여 굴절률(n)이 1.5 내지 2.5, 흡광계수(k)가 0 내지 10인 범위에서, BARC막과 포토레지스트막의 계면 반사율의 시뮬레이션을 실시하여 계면 반사율의 변화 궤적(등고선)을 통하여 반사율이 최소가 될 수 있는 조건을 찾아낸다.
도 7에 나타낸 바와 같이, BARC막의 두께가 250Å이고, 흡광계수(k)가 0.4 근방이고, 굴절률(n)은 2.2 정도이면 반사율이 최소가 되나, 두께가 증가함에 따라 흡광계수(k)에는 변화가 없으나 굴절률(n)은 낮아져야 반사율이 낮아지는 상호 반비례 관계를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 반사율이 최소가 될 수 있는 BARC막 조건 중 흡광계수(k)는 0.4 근방, 바람직하게 0.36±0.06 으로 결정한다.
그 다음, BARC막인 SixOyNz막이 통상적으로 굴절률(n)과 흡광계수(k)가 일정한 경향성을 가지고 변동되는 특성을 가지기 때문에 흡광계수(k)가 0.36±0.06로 일정하면 굴절률(n)도 일정한 값을 가지므로, 흡광계수(k)가 0.36±0.06일 때 굴절률(n)을 찾아낸 후, 이 흡광계수(k)와 굴절률(n)에서 반사율이 최소가 되는 두께를 찾아낸다.
이를 위해 본 발명에서는 플라즈마강화(Plasma Enhnaced; PE)-화학기상증착 (Chemcial Vapor Deposition; CVD) 장비인 AMAT 센츄라 5200 DxZ를 이용하여 [표 1]과 같이 반응가스인 SiH3/N2O 비율을 각각 변화시켜 BARC막인 SixO yNz막을 형성하여 SixOyNz막의 흡광계수(k)와 굴절률(n) 변화를 조사하여 이들의 상관관계를 찾아내고, [표 1]의 실험조건 중 증착시간을 변화시켜 반사방지막 두께를 변화시켜 각각의 두께에 따른 반사율을 측정한 후, 반사율이 최소가 되는 흡광계수(k)와 굴절률(n)에서의 두께를 찾아낸다.
즉, [표 1]의 흡광계수(k)와 굴절률(n) 결과를 토대로 그래프화하면, 도 8과 같이 굴절률(n)이 증가함에 따라 흡광계수(k)도 증가하는 경향을 보이며 로그함
[표 1]
실험조건 Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6
증착시간(sec) SiH4 유량(sccm) N2O 유량(sccm) SiH4/N2O 비율 He 유량(sccm) 압력(Torr) 온도(℃) RF파워(W) 스페이스(miles) 두께 7.2 41 125 0.33 2000 5.5 350 120 375 260.8 7.2 47 118 0.40 2000 5.5 350 120 375 251.2 7.2 52 112 0.46 2000 5.5 350 120 375 245.8 7.2 64 100 0.64 2000 5.5 350 120 375 245.7 7.2 75 87 0.86 2000 5.5 350 120 375 240.7 7.2 86 74 1.16 2000 5.5 350 120 375 228.9
굴절률(n) 흡광계수(k) 1.787 0.123 1.830 0.140 1.982 0.369 2.062 0.594 2.079 0.827 2.128 1.092
수와 유사한 곡선을 나타내고, 반사방지막 두께에 따른 반사율을 측정해보면 도 9와 같은 그래프를 얻을 수 있다. [표 1] 및 도 8에서 흡광계수(k)가 0.36±0.06 인 경우는 Test 3의 경우인 0.369로 굴절률(n)은 1.982 정도이고, 이때 반사율이 최소가 되는 SixOyNz막, 즉 BARC 두께는 도 9를 통해 찾아내는데, 도 9에 나타낸 바와 같이, 반사율이 가장 낮은 BARC 두께가 330±20Å 정도 임을 알 수 있다.
이러한 BARC막 조건을 적용한 0.15㎛ 급 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성방법을 도 10a 및 도 10b를 참조하여 설명한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(110) 상에 식각이 이루어질 식각층(120)을 형성한다. 예컨대, 식각층은 Ti/AlCu/Ti/TiN의 금속층으로 이루어질 수 있고, 금속층은 140/3500/50/60(Å)의 두께를 가질 수 있다. 그 다음, 식각층(120) 상에 BARC막(130)으로서 330±20Å의 두께, 0.36±0.06의 흡광계수(k) 및 1.98±0.06의 굴절률(n) 조건을 가지는 SixOyNz막을 형성한 후, 그 상부에 UV135, 0.61㎛의 두께, 1.77의 굴절률 및 0.01의 흡광계수 조건을 가지는 포토레지스트막(140)을 도포한다.
이때, SixOyNz막 표면의 아민기(NH-)와 산 성분인 포토레지스트막 사이의 반응에 의한 포토레지스트 풋팅이 발생되지 않도록 BARC막(130)과 포토레지스트막(140) 사이에 약 50Å 두께의 SiO2막을 개재할 수 있다.
그 다음, 도 10b에 도시된 바와 같이, 노광 마스크(200)를 이용하여 포토레지스트막(140)을 노광한 후 현상하여 포토레지스트 패턴(140a)을 형성한다.
이때의 포토레지스트 패턴(140)을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM)을 통해 확인해보면, 도 11의 (a)(b)와 같이 노칭 및 스탠딩 웨이브 효과가 발생되지 않아 미세하고 정확한 CD가 구현된 우수한 프로파일을 가짐을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 0.15㎛ 급 소자에 적합한 새로운 BARC 조건을 시뮬레이션 등을 통하여 찾아내어 이를 포토레지스트 패턴 형성에 적용한다.
이에 따라, 포토레지스트 패턴의 노칭 및 스탠딩 웨이브 효과가 발생되지 않은 미세하고 정확한 CD 구현이 가능해져, 미세 패턴 형성이 용이해지므로 고집적화 달성이 용이해진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (8)

  1. 금속층과 포토레지스트막 사이에 난반사막이 개재된 구조로 이루어진 반도체 소자로서,
    상기 난반사막이 0.36±0.06의 굴절률(n), 1.98±0.06의 흡광계수(k) 및 330±20Å의 두께를 가지는 반도체 소자.
  2. 반도체 기판 상에 식각층을 형성하는 단계;
    상기 식각층 상에 굴절률(n)이 0.36±0.06이고 흡광계수(k)가 1.98±0.06이며 두께가 330±20Å인 난반사막을 형성하는 단계; 및
    상기 난반사막 상에 포토레지스트막을 도포한 후 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 난반사막은 실리콘옥시나이트라이드(SixOyNz)막으로 이루어진 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 난반사막과 포토레지스트막 사이에 실리콘산화(SiO2)막이 개재되는 반 도체 소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 실리콘산화(SiO2)막이 약 50Å의 두께를 가지는 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 식각층은 금속층으로 이루어진 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속층은 Ti/AlCu/Ti/TiN으로 이루어진 반도체 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속층은 140/3500/50/60(Å)의 두께를 가지는 반도체 소자의 제조방법.
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