KR100605788B1 - 전기장을 이용한 수직한 포토레지스트 패턴의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직한 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 화학증폭형 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피 공정의 노광후 베이크 과정 중에 전기장을 인가하여, 노광에 의해 레지스트 내에 발생된 산이 레지스트 두께에 따라 균일하게 확산되게 함으로써 수직한 패턴을 얻을 수 있다.

Description

전기장을 이용한 수직한 포토레지스트 패턴의 형성방법{Forming method of vertical photoresist pattern using the electric field}

도 1a는 산 (H⁺)이 레지스트 상부 지역으로 이동하도록 직류 전기장을 유도한 경우를 나타낸 도면.

도 1b는 상기 도 1a의 결과 형성된 레지스트 패턴의 단면도.

도 2a는 산 (H⁺)이 레지스트 하부 지역으로 이동하도록 직류 전기장을 유도한 경우를 나타낸 도면.

도 2b는 상기 도 3a의 결과 형성된 레지스트 패턴의 단면도.

도 3a는 산 (H⁺)이 레지스트 내부에 골고루 확산되도록 직류 전기장을 유도한 경우를 나타낸 도면.

도 3b는 상기 도 2a의 결과 형성된 레지스트 패턴의 단면도.

도 4a는 산 (H⁺)이 레지스트 내부에 골고루 확산되도록 교류 전기장을 유도한 경우를 나타낸 도면.

도 4b는 상기 도 4a의 결과 형성된 레지스트 패턴의 단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : PEB 열판 12 : 반도체 기판

14 : 레지스트 비노광 영역 16 : 레지스트 노광 영역

18 : 전극 20, 22, 24 : 레지스트 패턴

본 발명은 수직한 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학증폭형 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피 공정의 노광후 베이크 과정 중에 전기장을 인가하여, 노광에 의해 레지스트 내에 발생된 산이 레지스트 두께에 따라 균일하게 확산되게 함으로써 수직한 패턴을 얻을 수 있는 패턴 형성방법에 관한 것이다.

일반적인 화학증폭형 포토레지스트는 산에 민감한 보호기 (acid labile protecting group)를 포함하는 포토레지스트 중합체와 광산발생제 (photoacid generator)를 포함하는데, 이러한 화학증폭형 포토레지스트가 빛을 받으면 광산발생제로부터 산이 발생되고, 후속단계인 노광후 베이크 공정에서 발생된 산이 상기 산에 민감한 보호기를 탈리시키는 촉매로 사용된다. 산에 민감한 보호기는 용해 억제제 (dissolution inhibitor)의 역할을 하는 것으로서, 산에 만감한 보호기가 붙어 있는 중합체는 현상액에 용해되지 않지만, 이것이 탈리된 중합체는 현상액에 잘 녹게 된다. 즉, 산의 농도가 높을수록 포토레지스트는 현상액에 잘 녹게 된다.

이러한 화학증폭형 포토레지스트를 이용한 종래의 패터닝 공정의 문제점은 산의 농도가 레지스트 두께 방향으로 일정하지 않고, 레지스트 상부 지역의 농도가 하부 지역보다 높다는데 기인한다. 이것은 빛이 레지스트를 투과할 때, 레지스트 상부에서 빛의 세기가 가장 크고, 하부로 갈수록 빛이 레지스트에 흡수되어 그 세기가 약해지기 때문이다. 산의 농도가 높으면 높을수록 산에 민감한 보호기가 수지로부터 잘 떨어지므로 산의 농도가 높은 지역에서는 현상속도 (development rate)가 빨라져서 레지스트가 현상액에 잘 녹는다. 즉, 레지스트 상부가 하부보다 용해속도가 빠르게 되어 레지스트 상부에서 레지스트 손실이 발생되므로 삼각형 모양의 레지스트 패턴이 형성된다. 삼각형 모양의 레지스트 패턴은 후속 식각공정에서 플라즈마에 대한 마스크 역할을 충분히 할 수 없기 때문에 패턴 불량의 원인이 된다.

이에 본 발명의 목적은 노광에 의해 발생된 산이 화학증폭형 포토레지스트 내에 고르게 확산되도록 함으로써 수직한 패턴을 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 화학증폭형 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피 공정의 노광후 베이크 과정 중에 전기장을 인가함으로써 수직한 패턴을 얻을 수 있는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 우선, 하기와 같은 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공한다:

(a) 반도체 기판 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성시키는 단계;

(b) 상기 결과물을 노광하는 단계;

(c) 상기 결과물에 전기장을 인가하면서 베이크하는 단계; 및

(d) 상기 결과물을 현상하여 포토레지스트 패턴을 얻는 단계.

전술한 바와 같이, 포토레지스트의 흡광도에 의하여 노광에 의해 발생된 산이 포토레지스트 하부보다 상부에 많이 존재하는 현상이 발생하는데, 본 발명에서는 산의 확산이 진행되는 노광후 베이크를 실시하는 동안에 전기장을 걸어줌으로써, 산의 확산이 레지스트 내부에 일정하게 분포되도록 하는 것에 그 특징이 있다. 전기장 인가시, 포토레지스트 막 하부에는 음극(-)을, 포토레지스트 막 상부에는 양극(+)을 위치시킨다.

산 (H⁺)은 양성을 띠기 때문에 음극 방향으로 이동하므로, 직류 또는 교류의 전기장을 적절히 이용하면 그 이동을 제어할 수 있는데, 그 다양한 예를 도 1∼도 4에 나타내었다. 도 1∼도 4에 도시된 바와 같이 레지스트가 도포된 반도체 기판 (12)을 PEB를 수행하기 위한 열판 (10)에 위치시키되, 상기 레지스트의 하부 즉, 반도체 기판 (12) 하부 및 레지스트의 상부에 각각 전극 (18)을 위치시켜서 전기장을 인가한다.

우선, 도 1a는 레지스트의 노광 영역 (16)의 산이 레지스트 상부 지역으로 이동하도록 직류 전기장을 유도한 경우를 도시한 것인데, 포토레지스트 막 하부에 는 양극(+)을 상부에는 음극(-)을 위치시키며, 그 결과 도 1b에 나타낸 것과 같은 삼각형 모양의 패턴 (20)의 형성된다.

도 2a는 노광 영역 (16)의 산이 레지스트 하부 지역으로 이동하도록 직류 전기장을 유도한 경우를 도시한 것인데, 결과적으로 도 2b에 나타낸 것과 같이 T자 모양의 패턴 (22)의 형성된다.

도 3a는 노광 영역 (16)의 산이 레지스트 내부에 골고루 확산되도록 직류 전기장을 유도한 경우인데, 그 결과 도 3b에 나타낸 바와 같이 수직한 패턴 (24)이 형성된다.

상기 도 2a 및 도 3a는 포토레지스트 막 하부에는 음극(-)을 상부에는 양극(+)을 위치시킨다는 점에서는 같지만, 도 2a의 경우는 전압을 강하게 인가하여 레지스트 상부에 존재하는 고농도의 산을 레지스트 하부 쪽으로 완전히 이동시킨 것이고, 도 3a의 경우는 상부의 고농도의 산을 하부 쪽으로 약간만 이동하도록 전압을 조절하여 산이 레지스트 내부에 골고루 퍼지도록 한 것이다. 즉, 전압의 세기에 따라 산의 이동을 조절할 수 있으며, 최적의 전압은 사용하는 레지스트에 따라 달라진다.

도 4a는 노광 영역 (16)의 산이 레지스트 내부에 골고루 확산되도록 교류 전기장을 유도한 경우인데, 그 결과 도 4b에 나타낸 바와 같이 수직한 패턴 (24)이 형성된다.

본 발명에서 인가하는 전기장은 직류 또는 교류 전기장이며, 최적 인가 조건은 사용하는 레지스트 종류에 따라 달라지지만, 직류의 경우 0.1∼10 V의 전압과 1 ∼10 ㎐의 주파수 조건에서, 교류의 경우 1∼10 V의 전압과 1∼10 ㎐의 주파수 조건에서 인가하는 것이 바람직한데, 전압의 세기에 영향을 덜 받는 교류를 이용하는 것이 직류를 이용하는 것보다 유리하다.

또한, 상기 전기장 인가시 사용하는 전극은 알루미늄 전극인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 사용되는 포토레지스트 물질로는 화학증폭형 포토레지스트이면 무엇이든 가능하나, 예를 들어 하기 화학식 1의 중합반복단위를 포함하는 중합체를 베이스 수지로 포함하는 것을 사용할 수 있다.

[화학식 1]

상기 식에서,

X₁, X₂, Y₁, Y₂, Z₁ 및 Z₂ 는 각각 CH ₂ 또는 CH₂CH₂이고,

R₁, R₃ 및 R₄ 는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C₁∼C ₁₀ 알킬이며,

R₂ 는 C₁∼C₁₀ 히드록시알킬이고,

R*는 산에 민감한 보호기이며,

p, q 및 r 은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,

a : b : c : d 는 5∼90 mol% : 5∼90 mol% : 0∼90 mol% : 0∼90 mol%이다.

상기 포토레지스트 중합체는 상기 화학식 1의 중합반복단위에 더하여 아크릴레이트계 중합반복단위를 포함하는 혼합된 형태 (hybrid type)의 공중합체를 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 패턴 형성공정에서 사용되는 노광원은 ArF (193nm), KrF (248nm), F₂ (157nm), EUV (13nm), E-빔, X-선 또는 이온빔을 사용할 수 있다.

본 발명에서는 화학증폭형 레지스트 공정의 노광후 베이크 단계에서 전기장을 이용하여 산의 확산 방향을 제어함으로써 레지스트 패턴 프로파일을, 용이하게 수직한 모양으로 개선시킬 수 있다.

이에 따라, 선폭 (CD) 측정의 재현성이 개선되고, 후속 식각 공정에서 패턴 손실이 없는 양호한 패턴을 형성시킴으로써 소자 특성의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 종래 공정에서는 패턴 크기가 작아질수록, 삼각형 모양의 패턴이 형성되기 때문에 해상도가 저하되었으나, 본 발명의 방법을 이용하면 장비 한계 부근의 패턴 크기에서도 수직한 모양의 패턴이 형성되므로 결과적으로 장비 한계를 극복하여, 신규 장비를 투자하지 않고도, 기존 장비의 수명을 연장시키는 것이 가능하므로 비용을 절감할 수 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. (a) 반도체 기판 상부에 하기 화학식 1의 포토레지스트 중합체를 포함하는 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성시키는 단계;

   (b) 상기 결과물을 노광하는 단계;

   (c) 상기 결과물에 전기장을 인가하면서 베이크하는 단계; 및

   (d) 상기 결과물을 현상하여 포토레지스트 패턴을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법:

   [화학식 1]

   

   상기 식에서,

   X₁, X₂, Y₁, Y₂, Z₁ 및 Z₂ 는 각각 CH₂ 또는 CH₂CH₂이고,

   R₁, R₃ 및 R₄ 는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C₁∼C₁₀ 알킬이며,

   R₂ 는 C₁∼C₁₀ 히드록시알킬이고,

   R*는 산에 민감한 보호기이며,

   p, q 및 r 은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,

   a : b : c : d 는 5∼90 mol% : 5∼90 mol% : 0∼90 mol% : 0∼90 mol%이다.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 (c) 단계의 전기장 인가시, 포토레지스트 막 하부에는 음극(-)이, 포토레지스트 막 상부에는 양극(+)이 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 전기장은, 직류의 경우 0.1∼10 V의 전압과 1∼10 ㎐의 주파수 조건에서, 교류의 경우 1∼10 V의 전압과 1∼10 ㎐의 주파수 조건에서 인가하는 것을 특 징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 전기장 인가시 사용하는 전극은 알루미늄 전극인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
6. 삭제
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 포토레지스트 중합체는 상기 화학식 1의 중합반복단위에 더하여 아크릴레이트계 중합반복단위를 포함하는 혼합된 형태 (hybrid type)의 공중합체인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   상기 노광공정의 광원은 ArF (193nm), KrF (248nm), F₂ (157nm), EUV (13nm), E-빔, X-선 또는 이온빔인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.

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