KR100598290B1 - 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 감광막을 코팅하고 노광, 현상 공정을 거친 후 전면노광 및 현상 공정을 추가적으로 더 수행하여 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴 등의 불량을 방지하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

본 발명의 상기 목적은 하부층이 형성된 기판에 감광막을 코팅하는 단계, 상기 기판을 노광하는 단계, 상기 감광막을 1차 현상하는 단계, 상기 기판을 전면노광하는 단계 및 상기 감광막을 2차 현상하는 단계를 포함하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법은 적은 비용과 짧은 공정 시간으로도 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량을 방지하는 효과가 있다.

리소그래피, 감광막, 스컴, 전면노광

Description

리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법{Method of patterning photoresist in lithography process}

도 1은 감광막 현상 후 스컴 및 감광막 잔류물을 나타낸 단면도.

도 2는 종래기술에 의한 리소그래피 공정의 흐름도.

도 3은 본 발명에 의한 리소그래피 공정의 흐름도.

도 4는 감광막 두께와 문턱에너지의 관계를 나타낸 도면.

도 5는 노광에너지와 현상 후 감광막 두께의 관계를 나타낸 도면.

본 발명은 감광막을 코팅하고 노광, 현상 공정을 거친 후 전면노광 및 현상 공정을 추가적으로 더 수행하여 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴(scum) 등의 불량을 방지하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

근래에 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 발전에 따라 반도체 소자 제조 기술도 비약적으로 발전하고 있다. 상기 반도체 소자는 집적도, 미세화, 동작속도 등 을 향상시키는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 이에 따라 집적도 향상을 위한 리소그래피 공정과 같은 미세 가공 기술에 대한 요구 특성 또한 엄격해지고 있다.

리소그래피 기술은 마스크(mask) 상에 형성된 패턴을 기판으로 전사하는 사진 기술로서 반도체 소자의 미세화 및 고집적화를 주도하는 핵심 기술이다. 일반적으로, 리소그래피 공정은 감광막을 코팅하는 단계, 소프트베이크(softbake)하는 단계, 정렬 및 노광하는 단계, 노광후베이크(Post Exposure Bake, 이하 PEB)하는 단계 및 현상하는 단계를 포함하는 일련의 공정을 거쳐 수행된다.

감광막은 하부층을 식각할 때 내식각성을 가지고 빛에 반응하는 감광성을 가진 재료로 양성 감광막(positive photoresist)과 음성 감광막(negative photoresist)이 존재한다. 양성 감광막은 빛에 노출된 영역에서 분해, 분자쇄 절단 등의 반응이 일어나 용해성이 크게 증가하여 현상시 제거되는 것으로서 내식각성이 강하고 해상력이 뛰어나 고집적도 반도체 공정에 많이 사용되고 있다. 이에 비해 음성 감광막은 빛에 노출된 영역에서 가교 등의 반응이 일어나 분자량이 크게 증가하여 현상시 제거되지 않고 남는 특성을 보이는 감광막이다.

현상이란 노광에 의해 변화된 감광막을 제거하여 마스크의 패턴을 기판에 전사하는 공정으로, 일반적으로 테트라메틸 암모늄 하이드록사이드(TetraMethyl Ammonium Hydroxide, 이하 TMAH)를 주성분으로 하는 알칼리 수용액을 현상액으로 사용하는 습식 현상을 주로 이용한다.

패턴을 구현하기 위한 현상 방식으로는 푸들(puddle), 스프레이(spray), 디핑(dipping) 방식 등이 있다. 푸들 방식은 기판 위에 현상액을 도포한 후 기판을 정지시킨 상태에서 감광막이 현상되도록 하는 방식이며, 스프레이 방식은 현상액을 계속 분사하면서 현상하는 방법으로 연속공정에서는 우수하나 현상액의 소모가 많다. 디핑 방식은 연속공정이 불가능하고 현상액의 소모가 많아 연구개발시에 주로 사용되고 있다.

어떠한 현상 방식을 사용하든 정도의 차이가 있을 뿐 패턴과 패턴 사이의 감광막이 얇게 남는 스컴, 감광막의 일부가 떨어져 나가 현상시 제거되지 않고 남는 감광막 잔류물(residue) 등의 불량이 발생할 수 있으며 상기 스컴 및 감광막 잔류물은 하부층의 식각 공정시 하부층의 식각을 방해함으로써 배선 라인 사이의 브리지(bridge)를 형성하여 소자의 쇼트(short) 불량을 유발하기도 한다.

도 1은 감광막 현상 후 스컴 및 감광막 잔류물을 나타낸 단면도로서, 하부층(11)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 감광막(12)을 코팅하고 정렬 및 노광한 후 현상하여 소정의 감광막 패턴을 구현한 단면도이다. 상기 감광막(12)이 제거되지 않고 남아있는 스컴(12a), 감광막 잔류물(12b)이 존재하여 이후의 공정에서 불량을 일으키는 원인이 되고 있다. 특히, 외부 회로와의 본딩이 이루어질 금속패드를 드러나도록 식각하는 패드오픈 패턴 공정은 상대적으로 두꺼운 감광막과 낮은 노광에너지를 사용하므로 감광막 두께 및 노광에너지 불균일에 기인한 상기 스컴과 같은 불량이 자주 발생한다.

상기 하부층(11)이 SiON과 같은 실리콘 산질화막 또는 SiNx와 같은 실리콘 질화막일 경우, 상기 감광막(12)을 코팅한 후 베이크를 실시하면 감광막의 구성물 중 하나인 광 반응성 물질(PAG : Photo Acid Generator)이 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막과 반응하여 새로운 생성물질을 만들고 이 생성물질은 현상액과의 반응성이 낮아 현상과정에서 제거되지 않고 스컴의 형태로 남아있게 되는 경우가 많이 발생한다. 상기 패드오픈 공정은 하부층이 일반적으로 실리콘 질화막이므로 스컴과 같은 불량이 더욱 더 많이 발생하게 된다.

이하 종래기술에 의한 리소그래피 공정의 흐름도인 도 2를 참조하여 종래기술에 의한 감광막 패턴 형성 공정을 포함한 리소그래피 공정을 설명하도록 한다.

먼저, 감광막의 접착력을 강화시키기 위한 표면처리를 한 후 감광막을 코팅한다(S100). 접착력 향상을 위해서는 기판 표면을 소수성화시켜 수분에 대한 저항을 향상시키는 재료, 예를 들어 HMDS(Hexa Methyldisilazane)를 질소 가스와 함께 탱크 내로 도입하여 기판에 기상도포한다.

다음, 소프트베이크를 실시하고 기판에 마스크를 정렬하여 노광을 실시한다(S101). 소프트베이크는 감광막의 용액을 제거하기 위한 것으로 감광막 성분이 열분해되지 않을 정도의 온도 조건을 설정한다.

다음, PEB를 실시하고 현상한다(S102). 상기 PEB는 정재파(standing wave) 현상을 제거하여 기판 내의 선폭의 균일성을 높이고자 실시하는 것이다. 이때, 현상 후 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량이 발생한다.

마지막으로, 하부층을 식각하여(S103) 원하는 패턴을 얻은 후 감광막을 제거한다(S104). 상기 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량은 하부층의 식각 공정시 하부층의 식각을 방해함으로써 배선 라인 사이의 브리지를 형성하여 소자의 쇼트 불량을 유발하기도 한다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제 2003-0056342호는 패턴을 형성하고자 하는 박막을 형성하는 단계, 상기 박막의 표면을 산소 플라즈마를 이용하여 처리하는 단계 및 상기 플라즈마 처리된 박막 위에 감광막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기와 같은 패턴 형성 방법은 상기 박막의 재질에 제한이 있으며 플라즈마 처리 후에도 발생하는 스컴의 제거는 불가능하다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 감광막을 코팅하고 노광, 현상 공정을 거친 후 전면노광 및 현상 공정을 추가적으로 더 수행하여 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴 등의 불량을 방지하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 하부층이 형성된 기판에 감광막을 코팅하는 단계, 상기 기판을 노광하는 단계, 상기 감광막을 1차 현상하는 단계, 상기 기판을 전면노광하는 단계 및 상기 감광막을 2차 현상하는 단계를 포함하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설 명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 3는 본 발명에 의한 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 공정을 포함한 리소그래피 공정의 흐름도이다.

먼저, 하부층이 형성된 기판에 감광막의 접착력을 강화시키기 위한 표면처리를 한 후 감광막을 코팅한다(S200). 상기 하부층은 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 또한, 상기 감광막 코팅 전 하부층에 대한 산소 플라즈마 처리를 수행하여 표면 개질을 통한 스컴 등의 불량을 일차적으로 제거할 수 있다. 특히, 하부층이 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막일 경우 플라즈마 처리에 의한 표면 개질의 효과가 명백하다. 스컴 등의 불량이 많이 발생하는 패드오픈 공정의 경우 패드용 금속막 상부에 실리콘 질화막이 존재하는 경우가 일반적이며 따라서 산소 플라즈마 처리를 수행함으로써 스컴의 발생 원인을 일차적으로 제거할 수 있다.

상기 산소 플라즈마 처리는 하부층 표면의 Si-N 결합을 Si-O 결합으로 치환하여 그 표면을 친수성으로 개질하는 것이며 그로 인해 감광막 코팅 후 감광막과 하부층과의 반응이 일어나지 않게 되어 스컴 등의 불량 발생을 억제하게 된다.

다음, 기판에 마스크를 정렬하여 노광을 실시한다(S201). 상기 마스크의 정렬 및 노광 실시 전에 소프트베이크 공정을 실시한다. 상기 소프트베이크 공정은 감광막의 용매를 제거하기 위해 실시하는 것으로서 감광막 성분이 열분해되지 않을 정도의 온도 조건을 설정한다. 상기 소프트베이크 공정 후, 얼라인먼트(alignment) 센서를 이용하여 기판에 존재하는 얼라인 마크의 위치를 읽는 단계, 상기 얼라인 마크의 위치와 잡파일(job file)에 설정된 얼라인 마크와의 위치를 비교하여 위치 오차(position error)를 산출하는 단계, 상기 위치오차를 기준으로 기판의 이동(translation), 회전(rotation), 팽창(expansion) 데이터를 산출하는 단계, 상기 산출된 데이터를 바탕으로 현재 레어의 노광위치를 산출하는 단계 및 상기 기판을 노광하는 단계를 포함하는 일련의 정렬 및 노광 공정을 수행한다.

본 발명에서 사용가능한 마스크로서는 석영 기판상에 크롬/산화크롬을 증착한 통상의 마스크 외에도 반사형 마스크(reflective mask) 또는 위상 반전 마스크(phase shift mask) 등을 들 수 있다. 사용할 수 있는 광원으로는, 예를 들어 수은 램프나 제논(Xe) 램프 등에서 나오는 436 nm의 g-line, 365 nm의 i-line, 405 nm의 h-line 및 브로드 밴드(240~440 nm) 뿐만 아니라 DUV(Deep Ultraviolet) 영역의 248nm의 파장을 가지는 KrF 레이저와 193nm의 파장을 가지는 ArF 레이저 같은 엑시머 레이저 등을 사용한 광원 등이 쓰일 수 있다.

다음, 상기 감광막을 1차 현상한다(S202). 상기 1차 현상 전, 정재파 현상을 제거하여 기판 내의 선폭의 균일성을 높이고자 PEB를 실시하는 것이 바람직하다. 상기 감광막의 1차 현상은 TMAH를 주성분으로 하는 알칼리 수용액을 사용한 습식 현상을 통해 수행하는 것이 바람직하다. 감광막 밑에 존재하는 하부층에 대한 산소 플라즈마 처리를 수행하여 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량을 상당 부분 제거할 수 있으나 상기 1차 현상 후에도 여전히 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량이 존재할 수 있으며 이하에서 서술할 전면노광 및 2차 현상을 통해 상기 불량을 완전히 제거하게 된다.

다음, 전면노광을 실시한다(S203). 상기 전면노광은 상기 노광(S201)에서 사 용한 것과 동일한 광원을 사용하며, 감광막 패턴에는 거의 영향을 주지 않고 상기 스컴, 감광막 잔류물만을 선택적으로 제거할 정도의 낮은 노광에너지를 사용함으로써 기판과 마스크를 정렬하지 않도록 할 수 있다. 즉, 상기 노광에서 실시한 일련의 기판 정렬을 포함한 노광 공정을 수행하지 않아도 되는 노광에너지를 설정한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 현상시 감광막을 제거하기 위해 필요한 최소 노광에너지(threshold energy) 값이 존재하는데 일반적으로 감광막의 두께가 두꺼울수록 높은 값을 갖고 얇을수록 낮은 값을 가지므로 원래의 감광막 패턴에는 거의 영향을 주지 않으면서 스컴이나 감광막 잔류물만 선택적으로 제거할 수 있는 노광에너지가 존재한다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 현상 후 초기 감광막의 두께가 5 ~ 20%, 보다 바람직하게는 10% 이내만큼 될 정도에 해당하는 노광에너지를 기판 전체에 전면노광하면 스컴이나 감광막 잔류물만 선택적으로 제거하는 것이 가능하다.

상기 전면노광을 실시함으로써 추가적인 비용이 거의 들지 않고 공정시간도 크게 늘리지 않으면서도 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량을 방지할 수 있다. 그러나, 노광 공정이 전체 공정 시간의 병목(bottle neck) 현상을 일으키지 않는다면 상기 감광막을 패터닝하기 위한 마스크를 얼라인하고 노광하여 좀 더 정밀한 패턴 형성을 하는 것도 가능하다.

상기 스컴이나 감광막 잔류물을 전면노광하여 제거하기 위해서는 상기 감광막은 빛에 노출된 부분이 제거되는 양성 감광막이 바람직하다. 상기 양성 감광막으로서는 노볼락계 조성물, 화학증폭형 조성물 또는 연쇄 절단형 조성물 등을 들 수 있다.

다음, 2차 현상을 실시하여 스컴 및 감광막 잔류물을 제거한다(S204). 상기 2차 현상은 1차 현상과 동일한 현상액을 사용하여 실시하는 것이 바람직하다.

마지막으로, 하부층을 식각하고(S205) 감광막을 제거한다(S206). 패드오픈 공정의 경우, 상기 하부층을 식각함으로써 외부 회로부와의 본딩을 위한 금속 패드가 드러나게 된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법은 적은 비용과 짧은 공정 시간으로도 패턴 형성의 정밀도를 높이고 스컴, 감광막 잔류물 등의 불량을 방지하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법에 있어서,

   하부층을 산소 플라즈마 처리하는 단계;

   상기 하부층이 형성된 기판에 감광막을 코팅하는 단계;

   상기 기판을 노광하는 단계;

   상기 감광막을 1차 현상하는 단계;

   상기 기판을 전면노광하는 단계; 및

   상기 감광막을 2차 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 하부층은 실리콘 산질화막 또는 실리콘 질화막임을 특징으로 하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 전면노광은 초기 감광막의 두께가 10% 이내만큼 감소하는 경우에 해당하는 노광에너지를 사용하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 노광과 전면노광은 동일한 광원을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 리소그래피 공정의 감광막 패턴 형성 방법.

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