KR100609547B1 - 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 패턴을 형성하기 위한 리소그래피(lithography) 공정에서 라인/스페이스(Line/Space) 패턴용 노광 마스크 및 홀(Hole) 패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 공정을 수행하여 브릭 월(brick wall) 패턴을 형성하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명으로 높은 해상도와 높은 공정 마진을 가지는 브릭 월 패턴을 형성할 수 있으므로, 새로운 장비 개발의 투자비용을 절감할 수 있다.

Description

반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법{Method for Forming Fine Pattern of Semiconductor Device}
도 1은 종래의 브릭 월(brick wall) 패턴의 평면도.
도 2는 종래의 라인/스페이스 패턴의 평면도.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 브릭 월 패턴의 공정도.
< 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 >
1 : 기판 3 : 피식각층
5 : 포토레지스트 막 5-1 : 노광 지역
5-2 : 비노광 지역 5-3 : 브릭 월 패턴
7 : 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크
9 : 홀 패턴용 노광 마스크
11 : 쿼츠 영역 13 : 크롬 영역
본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 패턴을 형성하기 위한 리소그래피(lithography) 공정에서 라인/스페이스(Line/Space) 패턴용 노광 마스크 및 홀(Hole)패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 공정을 수행하여 브릭 월(brick wall) 패턴을 형성하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
현재 반도체 제조 공정에서는 디바이스의 밀도를 증가시키기 위하여 디바이스의 크기를 줄이려는 방법이 연구되고 있다. 그러나, 디바이스 스케일링(scaling)에는 한계가 있으며, 디바이스 밀도가 증가함에 따라, 성능 및 기능 집적을 향상시키기 위한 패턴 형성이 가장 큰 문제점으로 여겨지고 있다.
상기 각종 패턴은 게이트 또는 비트라인 공정에 쓰이는 라인/스페이스 패턴 또는 DRAM 반도체의 분리(isolation)공정에서 이용되는 일반적인 브릭 월 패턴 등이 있는데, 이러한 패턴은 포토리소그래피 기술에 의하여 형성된다.
상기 포토리소그래피 기술은 반도체 웨이퍼 상의 절연막이나 도전막 등 패턴을 형성하여야 할 막 상부에 x선이나 레이저 및 자외선등과 같은 광선을 조사시키기 의하여 용해도(solubility)가 변화하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 막의 소정 부위를 광선에 노출시킨 후 현상에 의해 용해도가 큰 부분을 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계 및 상기 패턴을 형성하여야 할 막의 노출된 부분을 에칭에 의해 제거하여 배선이나 전극 등 각종 패턴을 형성하는 단계로 구성된다.
이때, 상기 브릭 월 패턴(도 1 참조)은 넓이(x축) 및 길이(y축)의 양방향으로 패턴이 반복되기 때문에, 넓이 방향의 한쪽으로만 주기 패턴을 가지고 반복되는 라인/스페이스 패턴(도 2 참조)에 비해 제조 공정이 어렵다는 문제점을 가지고 있 다.
즉, 상기 브릭 월 패턴이 일반적으로 패턴 넓이(line) 방향은 1 : 1, 패턴 간격(space)의 길이 방향은 5 : 3 정도의 차이와 같이 두 방향으로 패턴 주기성을 가지기 때문에, 빛의 회절(diffraction) 역시 두 방향에서 발생되어 두 방향의 패턴을 동시에 형성시키는 것은 매우 어렵다.
본 발명에서는 상기 문제점을 극복하기 위하여, 이에 본 발명자들은 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크 및 홀 패턴용 노광 마스크를 이용하여 브릭 월 패턴을 형성하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는
반도체기판 상부에 피식각층을 형성하는 공정과,
상기 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 공정과,
상기 포토레지스트 막을 노광하되, 라인/스페이스(Line/Space) 패턴용 노광 마스크 및 홀(Hole) 패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 브릭 월 패턴을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 제공한다.
이때, 상기 방법은
(a) 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
(b) 상기 포토레지스트 막을 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크를 이용하여 1차 노광하는 단계;
(c) 상기 결과물에 대해 홀 패턴용 노광 마스크를 이용하여 2차 노광하는 단계; 및
(d) 상기 결과물을 현상하는 단계를 포함하여 브릭 월 패턴을 형성하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 제공한다.
이때, 상기 (b) 단계의 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 공정 및 상기 (c) 단계의 홀 패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 공정 순서는 변경할 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계의 노광 공정 후에 50∼200℃의 포스트 베이크(post exposure bake;이하"PEB"라 칭함) 공정을 30∼300 초 동안 수행하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 (d) 단계의 현상 공정은 TMAH(tetramethyl ammonium hydroxide) 용액을 이용하여 10∼100 초간 현상(development)하는 것이 바람직하다.
상기 (a) 단계의 포토레지스트 막은 i-line(365nm)용 포토레지스트 조성물이나 KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm), EUV(13nm) 및 e-빔(e-beam)용 화학증폭형 포토레지스트 조성물로서, 예를 들면 노볼락 중합체, 폴리비닐페놀계 중합체 및 카르보닐기(-C=O)를 포함하는 중합체로 이루어진 조성물이면 무엇이든 사용 가능하다.
상기 카르보닐기를 포함하는 중합체는 (i) 아크릴레이트형 중합체; (ii) 사이클로올레핀계 단량체들과 말레익 안하이드라이드의 공중합체(cyclo olefin-maleic anhydride copolymer;이하“COMA형 공중합체”라 칭함); 및 (iii) 상기 (i) 및 (ii)의 혼합 공중합체를 반복단위로 포함하는 포토레지스트용 조성물을 이용하 는 것이 바람직하다.
이때, 상기 COMA형 공중합체는 하기 화학식 1의 중합반복단위를 포함하는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112002043718515-pat00001
상기 식에서,
X1, X2, Y1, Y2, Z1 및 Z2는 각각 CH 2 또는 CH2CH2이고,
R1, R3 및 R4는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C1∼C 10 알킬이며, R2는 C1∼C10 히드록시알킬이고, R*는 산에 민감한 보호기이며.
p, q 및 r은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,
a : b : c : d는 각각 5∼90mol% : 5∼90mol% : 0∼90mol% : 0∼90mol%이다.
상기 산에 민감한 보호기(acid labile protecting group)란 산에 의해 탈리 될 수 있는 그룹으로서, PR 물질의 알칼리 현상액에 대한 용해 여부를 결정한다. 즉, 산에 민감한 보호기가 붙어있는 경우에는 PR 물질이 알칼리 현상액에 의해 용해되는 것이 억제되며, 노광에 의해 발생된 산에 의해 산에 민감한 보호기가 탈리 되면 PR 물질이 현상액에 용해될 수 있게 된다. 이러한 산에 민감한 보호기는 상기와 같은 역할을 수행할 수 있는 것이면 무엇이든 가능하며, 그 예로는 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), 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 포함하고, 바람직하게는 t-부틸, 테트라히드로피란-2-일, 2-메틸 테트라히드로피란-2-일, 테트라히드로퓨란-2-일, 2-메틸 테트라히드로퓨란-2-일, 1-메톡시프로필, 1-메톡시-1-메틸에틸, 1-에톡시프로필, 1-에톡시-1-메틸에틸, 1-메톡시에틸, 1-에톡시에틸, t-부톡시에틸, 1-이소부톡시에틸 또는 2-아세틸멘트-1-일 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 포토레지스트 막은 0.05∼1.0㎛ 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 노광 공정은 10∼100mJ/cm2의 노광에너지를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 노광원은 i-line, KrF, ArF, F2, EUV 및 e-빔 등을 이용하여 수행된다.
이하 본 발명을 도면을 들어 본 발명을 상세히 설명한다.
도 3a를 참조하면, 반도체 기판(1) 상부에 피식각층(3)을 형성한 다음, HMDS(hexamethyldisilazane)를 이용하여 1분∼30분 동안 표면처리 하고, 그 상부에 0.05∼1.0㎛ 두께의 포토레지스트 막(5)을 순차적으로 형성한다.
도 3b를 참조하면, 상기 결과물에 대해 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크(7)를 이용한 노광 공정을 수행하는데, 이때, 노광 공정은 10∼100mJ/cm2의 노광에너지를 이용하며, 노광원은 i-line, KrF, ArF, F2, EUV 및 e-빔 등을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.
도 3c를 참조하면, 상기 노광 공정으로 인하여 포토레지스트 막(5) 상부에는 노광 지역(5-1)과 비노광 지역(5-2)이 형성된다.
도 3d를 참조하면, 노광 지역(5-1)과 비노광 지역(5-2)이 형성된 포토레지스트 막(5) 상부에 대해 쿼츠 영역(11) 및 크롬 영역(13)을 포함하는 홀 패턴용 노광 마스크(9)를 이용한 재 노광 공정을 수행한 다음, 상기 결과물에 대해 베이크 공정을 수행한다.
이때, 노광 공정은 10∼100mJ/cm2의 노광에너지를 이용하고, 노광원은 i-line, KrF, ArF, F2, EUV 및 e-빔 등을 이용하여 수행되는 것이 바람직하다.또한, 상기 베이크 공정은 50∼200℃의 온도에서 30∼300 초 동안 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같은 상기 결과물에 대해 TMAH 현상액을 이용한 현상 공정을 10∼100 초간 실시한다.
도 3e 및 도 3f를 참조하면, 상기와 같은 방법에 의하여 높은 해상도와 높은 공정 마진을 가지는 브릭 월 패턴(5-3)을 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 미세 패턴을 포함하는 반도체 소자를 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크를 이용한 1 차 노광 공정을 수행한 다음, 상기 결과물에 상부에 대해 홀 패턴용 노광 마스크를 이용한 2 차 재 노광 공정을 수행하여 브릭 월 패턴을 형성하는 것이다.
일반적인 홀 패턴은 브릭 월 패턴과 같이 X 및 Y의 양방향으로 패턴이 반복되기 때문에 라인/스페이스 패턴에 비해 패턴을 형성하는 것이 어렵지만, 본 발명에 이용되는 홀 패턴의 홀 크기를 Y 방향보다 X 방향을 더 크게 형성할 수 있으므로 해상도(resolution)를 향상시킬 수 있다.
상기 본 본 발명의 공정 방법은 i-line, KrF, ArF, F2, EUV 및 e-빔 등의 모든 종류의 리소그래피 공정에서 사용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크 및 홀 패턴용 노광 마스크를 이용하여 해상도가 개선된 브릭 월 패턴을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 브릭 월 패턴을 형성하기 위한 새로운 장비 개발에 대한 투자비용을 절감할 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체기판 상부에 피식각층을 형성하는 공정과,
    상기 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 공정과,
    상기 포토레지스트 막을 노광하되, 라인/스페이스(Line/Space) 패턴용 노광 마스크 및 홀(Hole) 패턴용 노광 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정으로 브릭 월 패턴을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 패턴 형성 방법은
    (a) 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 포토레지스트 막을 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크를 이용하여 1차 노광하는 단계;
    (c) 상기 결과물에 대해 홀 패턴용 노광 마스크를 이용하여 2차 노광하는 단계; 및
    (d) 상기 결과물을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 패턴 형성 방법은
    (a) 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 포토레지스트 막을 홀 패턴용 노광 마스크를 이용하여 1차 노광하는 단계;
    (c) 상기 결과물에 대해 라인/스페이스 패턴용 노광 마스크를 이용하여 2차 노광하는 단계; 및
    (d) 상기 결과물을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 노광 공정 후에 50∼200℃의 포스트 베이크(post exposure bake) 공정을 30∼300 초 동안 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 현상 공정은 TMAH 용액을 이용하여 10∼100 초간 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트는 하기 화학식 1의 중합반복단위를 포함하는 중합체를 베이스 수지로 포함하는 화학증폭형 포토레지스트인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
    [화학식 1]
    Figure 112002043718515-pat00002
    상기 식에서,
    X1, X2, Y1, Y2, Z1 및 Z2는 각각 CH 2 또는 CH2CH2이고,
    R1, R3 및 R4는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C1∼C 10 알킬이며, R2는 C1∼C10 히드록시알킬이고, R*는 산에 민감한 보호기이며.
    p, q 및 r은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,
    a : b : c : d는 각각 5∼90mol% : 5∼90mol% : 0∼90mol% : 0∼90mol%이다.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광 공정은 10∼100mJ/cm2의 노광에너지를 이용하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광 공정은 광원으로서 i-line, KrF, ArF, F2, EUV 및 e-빔을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
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