KR100617069B1 - 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법 - Google Patents

반도체 소자의 반사 방지막 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 막의 코팅 가능성 및 균일도 향상을 이룸과 동시에 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법에 관한 것으로서, 무기 ARC 물질을 미세 입자로 형성하는 단계와, 상기 미세 입자로 형성된 무기 ARC 물질을 유기 용매에 확산시키는 단계와, 상기 유기 용매에 확산된 무기 ARC 물질을 기판상에 스핀 코팅하는 단계와, 상기 스핀 코팅된 무기 ARC 물질을 소정온도에서 베이킹하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
반사 방지막, ARC, 스핀 코팅, 무기 ARC

Description

반도체 소자의 반사 방지막 형성방법{method for forming ARC of semiconductor device}
도 1은 일반적인 스핀 코팅 장치를 나타낸 개략적인 구성도
도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 반사 방지막의 형성방법을 나타낸 순서도
본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 막의 코팅 가능성 및 균일도 향상을 이룸과 동시에 소자의 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 예를 들어 실리콘 웨이퍼를 포함하는 반도체 기판 상에 레지스트 패턴(resist pattern)을 형성할 때, 포토-리소그래피(photo-lithography) 기술이 사용되고 있다.
이러한 포토-리소그래피 공정은 반도체 기판에 활성 영역과 비활성 영역을 구분하기 위해 필드 산화막을 제조하는 과정에서부터 게이트 패턴, 비트라인, 커패시터 및 소자 영역들을 서로 접촉시키기 위한 콘택 제조 과정에 이르기까지 매우 빈번히 실시되고 있는 주요 공정중의 하나이다.
통상적인 포토-리소그래피 기술을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 피가공 기판으로서의 반도체 기판 상에 레지스트막(레지스트층)을 형성한다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 자외선 등의 활성 광선이 조사되면 그 조사 부분의 알칼리성 용액에 대한 용해도가 변화하는 유기층을 형성한다.
다음으로, 원하는 형상으로 패턴이 형성된 마스크(또는 레티클(reticle))를 통해, 상기 레지스트막에 자외선, 원자외선, 엑시머 레이저, X선, 전자선 등의 활성 광선을 선택적으로 조사한다.
마지막으로 현상 처리를 행하여 레지스트 패턴을 형성한다. 구체적으로, 알칼리 용액에 의해 현상 처리하고, 이 알칼리 용액에 대하여 용해도가 큰 부분(포지티브형의 레지스트의 경우 노광된 부분)은 제거하고 용해도가 작은 부분은 남긴다.
이에 따라 반도체 기판 상에 레지스트 패턴이 형성된다.
다음으로 상기 레지스트 패턴이 형성되어 있지 않은 부분, 즉 표면이 노출된 피가공 기판 또는 피가공막을 식각 처리한다.
그리고 레지스트 패턴을 플라즈마 회분화(ashing) 및 화학용액 등에 의해 제거한다. 이에 따라 각종 배선, 전극 등에 필요한 디바이스 패턴이 형성된다.
현재 양산에 사용되고 있는 리소그래피 기술은 노광 광원에, 예를 들어 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저 등의 광을 사용한 포토 리소그래피 기술이다.
그리고 이 포토 리소그래피 기술을 사용한 패턴 형성을 반복함으로써 많은 반도체 장치(반도체 소자)가 반도체 기판 상에 제조된다.
또한, 이러한 포토 리소그래피 기술에서 사용되는 레지스트로서는, 활성 광선의 조사부가 현상 시에 불용화되는 네거티브형 레지스트나 활성 광선의 조사부가 현상 시에 용해 제거되는 포지티브형 레지스트가 있고, 사용 목적에 따라서 적절하게 선택될 수 있다.
그러나 포토 리소그래피 기술에 의한 패턴 형성에서는 레지스트막 내에서 노광광(활성 광선)의 다중 간섭이 발생하고, 레지스트막 두께의 변동에 따라 레지스트 패턴 치수 폭이 변동하는 것으로 알려져 있다.
이 다중 간섭은 레지스트막에 입사한 노광광이 기판으로부터의 반사광과 간섭하고 레지스트막의 두께 방향에서 노광 강도가 불균일해지는 것이 원인으로 발생한다. 또한 이 다중 간섭은 현상 후에 얻어지는 레지스트 패턴의 치수 폭에 영향을 주고, 그 결과로서 레지스트 패턴의 치수 정밀도를 저하시킨다.
특히, 단차를 갖는 반도체 기판 상에 미세한 레지스트 패턴을 형성할 경우에 현저하다. 보다 구체적으로는 단차를 갖는 기판 상에 레지스트를 도포하면 레지스트막 두께가 단차에 따라서 불균일해지고, 상기 노광에 사용되는 광의 다중 간섭이 발생한다. 이 때문에, 레지스트 패턴의 치수 정밀도가 저하되어 고해상도의 패턴 형성을 할 수 없게 된다.
그래서 광의 간섭 작용을 없애고, 단차를 갖는 기판 상에서도 미세한 패턴을 우수한 치수 정밀도로 형성할 수 있는 기술의 개발이 요망되고 있다.
이 광의 간섭 작용을 저감하는 수단으로는 미국 특허 제4,910,122호에 개시되어 있는 바와 같은 피가공 기판 상에 반사 방지막(ARC: anti-reflective coating)을 형성하는 방법이 제안되었다.
상기 반사 방지막은 감광층으로서의 포토 레지스트막의 하부에 도입되는, 광 흡수 염료를 함유한 균일 박막이다. 이 반사 방지막은 기판으로부터 반사되는 광을 흡수하여 미세한 감광막 패턴(레지스트 패턴)을 우수한 치수 정밀도로 형성할 수 있다. 그리고 많은 반사 방지막이 시판되고 있다.
지금까지 널리 알려진 반사방지막으로써 무기 SiON막은 KrF line을 이용한 리소그래피 공정에서 주로 사용되는 하부 반사 방지막(Bottom Anti-Reflective Layer; BARL)이었다.
일반적으로, 반도체 소자의 제조시 포토 리소그래피 공정에 따른 빛의 반사를 방지하기 위하여 비교적 높은 반사율을 갖는 물질막 상부에 반사 방지막(Anti Reflection Coating; ARC)이 형성되어야 한다.
이러한 ARC막을 적용한 종래의 반도체 소자의 제조 방법에서는, 먼저 비교적 높은 반사율을 갖는 물질막이 형성된 반도체 기판 상에 ARC막을 형성한다. 여기서, ARC막은 일반적으로 그 원료가스로서 SiH4와 N2O를 사용하여 산질화막 또는 질소 산화막(OxyNitride)으로 형성한다.
그 다음, ARC 막상에 포토 레지스트막과의 접착력을 향상시키기 위하여 HMDS막을 형성하고, 그 상부에 포토 레지스트막을 형성한다. 그 후, 사진 식각으로 포토레지스트막을 노광 및 현상한다.
일반적으로, 무기 ARC Material로 SiON을 사용하면 질화물(Nitride) 성분이 노광 에너지에 의해 발생한 DUV의 PR의 Acid(H+)와 반응하여 현상(Develop) 시에 감광막 패턴(PR Pattern)에 풋팅(Footing)이 발생한다.
이를 억제하기 위한 방법으로 SiON 막 상부에 수백 Å의 산화막(Oxide Film)을 증착(Deposition)한다. 이와 같이 SiON 위에 산화막이 증착된 웨이퍼 상부에 사진 공정을 진행하게 되면 감광액과 기판의 흡착력을 증가시키기 위해 HMDS 처리를 하게 된다.
도 1은 일반적인 스핀 코팅 장치를 나타낸 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 스핀 코팅 장치(100)는 척(10)의 하부에 수직 회전축(20)이 체결되고, 수직 회전축(20)에 스핀 구동부(30)가 설치된다. 여기서, 웨이퍼(1)가 예를 들어 진공 흡착에 의해 상기 척(10)의 상부면에 고정된다.
또한, 노즐(40)이 웨이퍼(1)에 감광막(도시 안됨)과 같은 액상의 케미컬을 상기 척(10) 상의 웨이퍼(1)의 상부면 중심부를 향해 하향 토출시킬 수 있도록 상기 척(10)의 수직 상측으로 일정 거리를 두고 위치한다.
또한, 케미컬 공급부(50)가 케미컬 저장부(51)와 펌핑부(53)를 포함하여 구성된다. 케미컬 저장부(51)가 예를 들어 액상의 감광막과 같은 케미컬을 저장하고, 펌핑부(53)가 예를 들어 모터 구동형 펌핑장치로서 케미컬 저장고(51)내의 감광막을 케미컬 공급라인(60)을 거쳐 노즐(40)로 공급시켜준다.
또한, 항온부(70)가 노즐(40)로 공급될 공급라인(60)의 감광막을 최적의 공정에 필요한 온도로 유지, 조절시켜주기 위해 열 교환부(71)와 온도조절부(73)로 구성된다. 열 교환부(71)가 노즐(40)에 근접한 부분의 케미컬 공급라인(60)을 에워 싸고 열 교환부(71) 내의 항온수(W)에 의해 케미컬 공급라인(60) 내의 감광막의 열을 교환한다.
또한, 온도조절부(73)가 열 교환부(71) 내의 항온수(W)를 강제 순환 공급시키면서 공급라인(60)의 감광막을 최적의 공정에 필요한 온도로 유지, 조절시킨다.
또한, 펌핑부(53)는 토출 조절 밸브(54)를 포함하여 구성된다. 토출 조절 밸브(54)가 에어 작동 방식의 석백밸브(Suckback Valve)로서 노즐(40)로부터 웨이퍼(1)로 감광막을 토출하는 조건을 유지, 조절한다. 즉, 토출 조절 밸브(54)가 온/오프 상태의 전환에 따라 감광막을 노즐(40)로부터 웨이퍼(1)로 토출시키거나 노즐(40)로부터 웨이퍼(1)로 토출하는 것을 차단시킨다.
또한 토출 조절 밸브(54)가 노즐(40)의 선단부에서 감광막 드리핑(Dripping) 현상이 발생하는 것을 방지시켜줌으로써 척(10) 상의 웨이퍼(1)에 불필요한 감광막이 떨어지는 것을 방지시켜준다.
종래 기술에 의한 반도체 소자의 제조에서, 금속배선을 형성하기 위해 포토(photo) 공정시 사용되는 ARC는 현재 유기 ARC와 무기 ARC로 나뉘어 있는데 유기 ARC의 경우 현재 용매에 녹여 스핀 코팅(spin coating)을 가능하게 하여 막(film) 형성의 용이성을 도모하며 막의 균일성이 무기 ARC에 비해서 상당히 우수하다.
그러나 유기 ARC의 단점인 식각(etch)에 대한 선택비가 좋지 않아 공정조건에 따라 감광막의 두께가 두꺼워져 공정 진행의 어려움을 갖는다.
한편, 무기 ARC의 장점은 식각에 대한 선택비가 우수하여 낮은 두께의 감광막을 형성 할 수 있어 포토 공정의 패턴 형성을 용이하게 한다.
그러나 상기 무기 ARC의 경우에 스퍼터 또는 CVD 등의 증착(deposition) 방법을 사용하여 막을 형성해야 하므로 막 형성 시간이 오래 걸리며 두께에 따라 균일도가 나빠지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 막의 코팅 가능성 및 균일도 향상을 이룸과 동시에 특성을 향상시키도록 한 반도체 소자의 반사방지막 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법은 무기 ARC 물질을 미세 입자로 형성하는 단계와, 상기 미세 입자로 형성된 무기 ARC 물질을 유기 용매에 확산시키는 단계와, 상기 유기 용매에 확산된 무기 ARC 물질을 기판상에 스핀 코팅하는 단계와, 상기 스핀 코팅된 무기 ARC 물질을 소정온도에서 베이킹하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 반사 방지막의 형성방법을 나타낸 순서도이다.
도 2에서와 같이, 무기 ARC 물질을 미세 입자로 형성한다(S100).
여기서, 상기 무기 ARC 물질은 치환기를 이요한 변형 물질을 포함하여 이루어져 있다.
이어, 상기 미세 입자로 형성된 무기 ARC 물질을 유기 용매에 유상액(emulsion) 상태로 확산(disperse)시킨다(S200).
여기서, 상기 무기 ARC 물질을 유기 용매에 유상액 상태로 확산시키는 이유는 점성(viscosity)이 높은 용액을 제조하기 위해서이다.
이어, 상기 유기 용매에 확산되어 유상액 상태로 변한 무기 ARC 물질을 기판상에 스핀 코팅(spin coating)한다(S300).
여기서, 상기 기판상에는 금속막 등의 식각 대상물이 형성되어 있다.
한편, 상기와 같이 유상액 상태로 변한 무기 ARC 물질을 스핑 코팅하여 형성함으로써 기존 유기 ARC를 이용한 장점인 막 형성의 용이성을 도모함과 무기 ARC를 사용한 장점인 식각에 대한 선택비가 우수하여 낮은 두께의 PR를 형성할 수 있다.
한편, 상기 유상액의 기본 첨가물은 다음과 같다.
즉, 미세한 무기 ARC 물질, 유기 용매, 무기 ARC 물질의 경화 역할을 하는 유기 경화제, 기타 코팅 및 경화 특성 및 균일성(용액상태 및 필름 형성시)을 향상시키는 유기 첨가제 일체를 포함한다.
그리고 상기 스핀 코팅된 무기 ARC 물질을 소정 온도에서 베이킹(baking) 처리하여 무기 ARC막을 형성한다(S400).
여기서, 상기 스핀 코팅에 의해 형성된 무기 ARC층내에 포함된 유기 솔벤트는 베이크시 기화되어 사라지고 유기 경화제가 무기 물질의 경화력 및 감광막과의 결합력을 높여 준다.
또한, 상기 베이킹 처리는 190 ~ 300℃의 온도에서 약 60초간 실시한다.
한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 무기 ARC 물질을 미세 입자로 형성하여 유기 용매에 유상액 상태로 확산시킴으로써 점성이 높은 용액을 제조하여 스핀 코팅법으로 형성함으로써 기존 유기 ARC를 이용한 장점과 무기 ARC를 사용한 장점을 동시에 살릴 수 있다.
뿐만 아니라 감광막과의 접합성을 좋게 하여 무기 물질로만 이루어진 ARC 사용시 HMDS(Hexa Methylene Disilazame)를 사용하는 수고를 덜 수 있다.

Claims (4)

  1. 무기 ARC 물질을 미세 입자로 형성하는 단계;
    상기 미세 입자로 형성된 무기 ARC 물질을 유기 용매에 확산시키는 단계;
    상기 유기 용매에 확산된 무기 ARC 물질을 기판상에 스핀 코팅하는 단계;
    상기 스핀 코팅된 무기 ARC 물질을 소정온도에서 베이킹하는 단계를 포함하여 형성함을 특징으로 하는 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 ARC 물질은 치환기를 이용한 변형 물질 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 무기 ARC 물질을 유기 용매에 확산시키는 단계에서 유기 첨가제 또는 유기 경화제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 베이킹 처리는 190 ~ 300℃의 온도에서 60초간 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 반사 방지막 형성방법.
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