본 발명은 (a) 적어도 하나는 하기 화학식 2를 포함한 2종 이상의 방향족(aromatic ring) 고리 함유 중합체; (b) 가교 성분; 및 (c) 산 촉매를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사방지 하드마스크 조성물을 제공한다.
본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 상기 방향족 고리 함유 중합체는 하기 화학식 1에서 선택된 1종 이상과 화학식 2에서 선택된 1종 이상의 블렌딩(blending)으로 형성되는 혼합물인 것을 특징으로 한다.
(n은 1≤n<190의 범위이고, R
1 및 R
2는 수소 또는 메틸기이며, R
3 및 R
4는 수소이거나 가교 성분과 반응하는 반응성 부위 또는 발색단(chromophore) 부위를 포함하고, R
5는
,
,
중 어느 하나이고, OH기는
Ortho-, Meta-, Para- 모두 가능하다.)
(m+n은 1≤ m+n < 1000의 범위, R9는
,
,
,
,
,
중 어느 하나이고, R10은
,
및 -(CH
2)p- (단, p는 2~20의 정수) 또는 탄소수 2~20의 알킬기를 포함한 아로마틱링 중 어느 하나 이상.)
본 발명에서는 상기 조성물이 (a) 방향족 고리(aromatic ring) 함유 중합체 1~20 중량%, (b) 가교 성분 0.1~5 중량%, (c) 산 촉매 0.001~0.05 중량% 이고,잔량으로서 유기용매를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 화학식 1의 중합체는 중량 평균 분자량을 기준으로 500 ~ 30,000인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 조성물이 추가로 용매 또는 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사방지 하드마스크 조성물이 제공된다.
화학식 1의 상기 발색단 부위가 페닐, 크리센(chrysene), 피렌, 플루오르안트렌, 안트론, 벤조페논, 티오크산톤, 안트라센 및 안트라센 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 가교 성분이 멜라민 수지, 아미노 수지, 글리콜루릴 화합물 및 비스에 폭시 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 산 촉매가 p-톨루엔 술폰산 모노 하이드레이트(p-toluenesulfonic acid mono hydrate), 피리딘 p-톨루엔술폰산(Pyridine p-toluenesulfonic acid), 2,4,4,6-테트라브로모시클로헥사디엔온, 벤조인 토실레이트, 2-니트로벤질 토실레이트, 및 유기 술폰산의 다른 알킬 에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 반사방지 하드마스크 조성물을 이용하는 방법으로서, (a) 기판 상에 재료 층을 제공하는 단계; (b) 재료 층 위로 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 반사방지 하드마스크 층을 형성시키는 단계; (c) 반사방지 층 위로 방사선-민감성 이미지화 층을 형성시키는 단계; (d) 이미지화 층을 방사선에 패턴 방식으로 노출시킴으로써 이미지화 층 내에서 방사선-노출된 영역의 패턴을 생성시키는 단계; (e) 이미지화 층 및 반사방지 층의 부분을 선택적으로 제거하여 재료 층의 부분을 노출시키는 단계; 및 (f) 재료 층의 노출된 부분을 에칭함으로써 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사방지 하드마스크 조성물을 이용하여 기판 상에 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 방법이 제공된다.
또한, 본 발명은 상기 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 집적회로 디바이스를 제공한다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 하드마스크 조성물은 짧은 파장 영역(예를 들어, 157, 193, 248㎚)에서 강한 흡수를 갖는 방향족 고리(aromatic ring) 함유 중합체가 존재하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 반사방지 하드마스크 조성물은 (a) 짧은 파장 영역에서 강한 흡수를 갖는 방향족 고리(aromatic ring) 함유 중합체; (b) 가교 성분; 및 (c) 산 촉매를 포함한다.
본 발명의 하드마스크 조성물에서, 상기 (a) 방향족 고리 함유 중합체의 방향족 고리는 중합체의 골격 부분 내에 존재하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 방향족 고리 함유 중합체는 가교 성분과 반응하는 중합체를 따라 분포된 다수의 반응성 부위를 함유하는 것이 바람직하며, 페놀, 크레졸, 나프톨을 그 단위 유니트에 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 종래의 스핀-코팅에 의해 층을 형성시키는데 도움이 되는 용액 및 막 형성(film-forming) 특성을 가져야 한다.
한편, 본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 상기 (b) 가교 성분은 발생된 산에 의해 촉매 작용된 반응에서 가열에 의하여 중합체의 반복단위를 가교할 수 있는 것이 바람직하고, 상기 (c) 산 촉매는 열 활성화된 산 촉매인 것이 바람직하다.
구체적으로, 본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 상기 (a) 방향족 고리 함유 중합체는 하기 화학식 1과 화학식2의 블랜딩으로 형성되는 혼합물이 바람직하다.
(n은 1≤n<190의 범위이고, R
1 및 R
2는 수소 또는 메틸기이며, R
3 및 R
4는 수소이거나 가교 성분과 반응하는 반응성 부위 또는 발색단(chromophore) 부위를 포함하고, R
5는
,
,
중 어느 하나이고, OH기는
Ortho-, Meta-, Para- 모두 가능하다.)
(m+n은 1≤ m+n < 1000의 범위, R9는
,
,
,
,
,
중 어느 하나이고, R10은
,
및 -(CH
2)p- (단, p는 2~20의 정수) 또는 탄소수 2~20의 알킬기를 포함한 아로마틱링 중 어느 하나 이상.)
보다 구체적으로, 본 발명의 방향족 고리 함유 중합체의 반응성 부위 함유 기 R3 및 R4에서, 바람직한 반응성 부위로는 에폭시드기 또는 알콜 등이 가능하나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 방향족 고리 함유 중합체의 발색단 함유 기 R3 및 R4에서, 바람직한 발색단 부위로는 193㎚과 248㎚ 파장의 방사선의 경우 이미 중합체의 골격에 포함된 방향족 고리 자체가 적합한 발색단이지만, 여기에 추가로 R3, R4가 발색단 기능을 할 수 있는 구조인 페닐, 크리센(chrysene), 피렌, 플루오르안트렌, 안트론, 벤조페논, 티오크산톤, 안트라센 및 안트라센 유도체가 될 수 있다. 9-안트라센 메탄올은 바람직한 발색단이다. 발색단 부위는 페놀 티아진과 같은 가능한 탈활성화된 아미노 질소를 제외하고는 질소를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 그리고 화학식 1의 중합체는 중량 평균 분자량을 기준으로 약 500 ~ 30,000 인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 하드마스크 조성물에서, 방향족 고리 함유 중합체는 상기 화학식 1 과 2의 혼합비율은 1:99 내지 99:1이 가능하며 특성에 따라 그 혼합비를 달리 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 상기 (b) 가교 성분은 생성된 산에 의해 촉매작용화될 수 있는 방식으로 방향족 고리 함유 중합체의 히드록시와 반응될 수 있는 가교제인 것이 바람직하다. 일반적으로, 본 발명의 반사방지 하드마스크 조성물에 사용된 가교제로는 에테르화된 아미노 수지, 예를 들면 메틸화되거나 부틸화된 멜라민 수지(N-메톡시메틸-멜라민 수지 또는 N-부톡시메틸-멜라민 수지), 및 에테르화된 아미노 수지, 예를 들면 메틸화되거나 부틸화된 우레아 레진(Urea Resin) 수지(Cymel U-65 Resin 또는 UFR 80 Resin), 아래에 나타낸 구조 와 같은 메틸화된/부틸화된 글리콜루릴(Powderlink 1174), 예를들면 캐나다 특허 제1 204 547호에 기재된 화합물, 2,6-비스(히드록시메틸)-p-크레졸 화합물을 비롯한 하기 구조를 갖는 화합물, 예를 들면 일본 특허 공개 제1-293339호에 기재된 화합물이 포함된다. 상기한 아미노수지 및 글리콜루릴은 사이텍 인더스트리(Cytec Industries)로부터 구입 가능하다. 또한 비스에폭시 계통의 화합물도 가교제로 사용할 수 있다.
본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 상기 (c) 산 촉매는 p-톨루엔술폰산 모노 하이드레이트(p-toluenesulfonic acid mono hydrate) 등의 일반적인 유기산이 사용될 수 있고, 또한 보관안정성을 도모한 TAG(Thermal Acid Generater)계통의 화합물을 촉매로 사용할 수 있다. TAG는 열 처리시 산을 방출하도록 되어있는 산 생성제 화합물로서, 예를 들어 피리딘 p-톨루엔술폰산(Pyridine p-toluenesulfonic acid), 2,4,4,6-테트라브로모시클로헥사디엔온, 벤조인 토실레이트, 2-니트로벤질 토실레이트, 및 유기 술폰산의 다른 알킬 에스테르 등을 사용하는 것이 바람직하다.
적합한 방사선-민감성 산 촉매의 예는 미국 특허 제5,886,102호 및 제5,939,236호에 기재되어 있다. 또한, 레지스트 기술 분야에서 공지된 다른 방사선-민감성 산 촉매도 이것이 반사방지 조성물의 다른 성분과 상용성이 있는 한 사용 할 수 있다.
본 발명의 하드마스크 조성물은 (a) 짧은 파장 영역에서 강한 흡수를 갖는 방향족 고리(aromatic ring) 함유 중합체 1~20 중량%, 보다 바람직하게는 3~10 중량%, (b) 가교 성분 0.1~5 중량%, 보다 바람직하게는 0.1~3 중량%, 및 (c) 산 촉매 0.001~0.05 중량%, 보다 바람직하게는 0.001~0.03 중량% 함유하는 것이 바람직하다.
상기 중합체 함량이 1 중량% 미만일 경우, 필요두께 이하로 형성되어 하부 막질의 에칭공정을 효과적으로 수행할수 없으며, 20 중량% 를 초과할 경우, 상부 포토레지스트를 사용한 하드마스크의 에칭공정을 효과적으로 수행할 수 없게 된다.
상기 가교 성분의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우, 상부 포토레지스트 용액에 의하여 막질손상이 일어날 수 있으며, 5 중량% 이상의 경우, 포토레지스트의 프로파일상 푸팅(Footing) 현상이 일어나거나 하부 막질의 에칭공정을 효과적으로 수행할 수 없게 된다.
상기 산 촉매의 함량이 0.001 중량% 이하의 경우 상부 포토레지스트 용액에 의하여 막질손상이 일어날 수 있으며, 0.03 중량% 이상의 경우 포토레지스트의 프로파일상 언더컷(Undercut) 현상이 일어날 수 있다.
본 발명의 하드마스크 조성물은 추가적으로, 레지스트에 통상적으로 사용되는 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트와 같은 용매를 함유할 수 있으며, 이외에도 계면 활성제 등을 함유할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 하드마스크 조성물을 사용하여 기판 상의 이면 재료 층을 패턴화시키는 방법을 포함한다.
구체적으로, 기판 상에 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 방법은
(a) 기판 상에 재료 층을 제공하는 단계;
(b) 재료 층 위로 본 발명의 반사방지 하드마스크 층을 형성시키는 단계;
(c) 반사방지 층 위로 방사선-민감성 이미지화 층을 형성시키는 단계;
(d) 이미지화 층을 방사선에 패턴 방식으로 노출시킴으로써 이미지화 층 내에서 방사선-노출된 영역의 패턴을 생성시키는 단계;
(e) 이미지화 층 및 반사방지 층의 부분을 선택적으로 제거하여 재료 층의 부분을 노출시키는 단계; 및
(f) 재료 층의 노출된 부분을 에칭함으로써 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 기판 상에 패턴화된 재료 형상을 형성시키는 방법은 구체적으로 하기와 같이 수행될 수 있다. 먼저, 알루미늄과 SiN(실리콘 나트라이드)등과 같은 패턴화하고자 하는 재료를 통상적인 방법에 따라 실리콘 기판 위에 형성시킨다. 본 발명의 하드마스크 조성물에 사용되는 패턴화하고자 하는 재료는 전도성, 반전도성, 자성 또는 절연성 재료인 것이 모두 가능하다. 이어서, 본 발명의 하드마스크 조성물을 사용하여 500Å ~ 4000Å 두께로 스핀-코팅에 의해 하드마스크층을 형성하고, 100℃ 내지 300℃에서 10초 내지 10분간 베이킹하여 하드마스크 층을 형성한다. 하드마스크층이 형성되면 방사선-민감성 이미지화층을 형성시키고, 상 기 이미지화층을 통한 노광(exposure) 공정에 의해 패턴이 형성될 영역을 노출시키는 현상(develop)공정을 진행한다. 이어서, 이미지화층 및 반사방지층을 선택적으로 제거하여 재료층의 부분을 노출시키고, 일반적으로 CHF3/CF4 혼합가스 등을 이용하여 드라이 에칭을 진행한다. 패턴화된 재료 형상이 형성된 후에는 통상의 포토레지스트 스트립퍼에 의해 잔류하는 임의의 레지스트를 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명의 조성물 및 형성된 리쏘그래픽 구조물은 도 1과 같은 반도체 제조공정에 따라 집적 회로 디바이스의 제조 및 설계에 사용될 수 있다. 예를 들면 금속 배선, 컨택트 또는 바이어스를 위한 홀, 절연 섹션(예, DT(Damascene Trench) 또는 STI(Shallow Trench Isolation)), 커패시터 구조물을 위한 트렌치 등과 같은 패턴화된 재료 층 구조물을 형성시키는 데 사용할 수 있다. 또한 본 발명은 임의의 특정 리쏘그래픽 기법 또는 디바이스 구조물에 국한되는 것이 아님을 이해해야 한다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
[실시예 1 ]
1. 화합물 1 합성
기계교반기, 냉각관, 300ml 적가 깔대기, 질소가스 도입관을 구비한 1ℓ의 4구 플라스크에 4,4'-(9-플루오레닐리덴)디페놀 28.03g (0.08몰)과 p-톨루엔술폰산 0.3g을 200g의 γ-부티로락톤에 녹인 용액을 담고 질소가스를 유입하면서 자기교반기로 교반하고 있는 오일조에서 플라스크를 가열하여 반응용액의 내부온도가 100℃에 도달한 시점에서, 적가 깔대기로 37중량% 포름알데히드 수용액 5.27g(0.065몰)을 30분간 천천히 적가하고 12시간 반응을 실시하였다. 반응종료 후 반응용기가 충분히 실온까지 냉각된 후, 반응용액을 메틸아민케톤(이하, MAK로 칭함)을 사용하여 20중량% 농도의 용액으로 조정하고, 3ℓ 분액깔대기로 3회 물세정하여 증발기로 농축하였다. 이어서 MAK와 메탄올을 사용하여 희석하고 15 중량% 농도의 MAK/메탄올=4/1(중량비)의 용액으로 조정하였다. 이 용액을 3ℓ 분액깔대기에 넣고, 이것에 n-헵탄을 첨가하여 모노머를 함유하는 저분자량체를 제거하여 목적하는 페놀수지(Mw=4000, n=10~11)를 얻었다.
2. 화합물 2 합성
BAFL 27.596g을 NMP 78g에 녹인 용액에 6-FDA 35.539g을 넣고 10분간 교반해 녹인 다음, NMP 487.6g을 넣어 희석함. 그리고 상온에서 12시간 교반하여 원하는 생성물을 얻었음. (Mn=140K, Mw=200K)
3. 샘플용액 제조
0.70g의 화합물 1과 0.10g의 화합물 2와 가교제(Powderlink 1174) 0.2g과 피리디늄 P-톨루엔 술포네이트 2mg을 PGMEA 9g에 넣어서 녹인 후 여과하여 샘플용액을 만들었다.
[실시예 2]
1. 화합물 3 합성
(m:n= 7:3)
BAFL 17.42g을 NMP 354.9g에 녹인 용액에 6-FDA 22.21g을 넣고 12시간 동안 교반하여 방응을 진행한 다음, Pyridine 11.8g과 Acetic Anhydride 15.24g을 넣은 다음, 90℃에서 1시간 동안 가열한다. 그리고 추가로 NMP를 투입하여 증류과정을 통해 Pyridine과 Acetic Anhydride가 포함된 NMP를 제거하여 원하는 용액을 얻을 수 있었다. (Mn=135K, Mw=180K)
2. 샘플용액 제조
0.70g의 화합물 1과 0.10g의 화합물 3과 가교제(Powderlink 1174) 0.2g과 피리디늄 P-톨루엔 술포네이트 2mg을 PGMEA 9g에 넣어서 녹인 후 여과하여 샘플용액을 만들었다.
[비교예 1]
화합물 1의 고분자 0.80g과 아래의 구조단위의 반복으로 이루어진 올리고머 상태인 가교제(Powderlink 1174) 0.20g과 피리디늄 P-톨루엔 술포네이트(Pyridinium P-toluene sulfonate) 2mg을 프로필렌글리콜모노에틸아세테이트(Propyleneglycolmonoethylacetate, 이하 PGMEA이라 칭함) 9g에 넣어서 녹인 후 여과하여 샘플용액을 만들었다.
* 실리콘웨이퍼 적용 후 굴절률 n과 흡광계수 k 측정비교
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 샘플용액을 실리콘웨이퍼에 스핀-
코팅법으로 코팅하여 60초간 200℃에서 구워서 두께 1500Å의 필름을 각각 형성시켰다. 상기 제조된 필름들에 대한 굴절률(refractive index) n과 흡광계수(extinction coefficient) k를 구하였으며, 사용기기는 Ellipsometer(J. A. Woollam 사)이고 측정결과는 표 1과 같다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
광학 특성 (193nm) |
광학 특성 (248nm) |
n(굴절율) |
k(흡광계수) |
n(굴절율) |
k(흡광계수) |
실시예 1 |
1.45 |
0.81 |
1.99 |
0.28 |
실시예 2 |
1.43 |
0.95 |
2.00 |
0.27 |
비교예 1 |
1.42 |
0.80 |
2.01 |
0.25 |
* 알루미늄 코팅 실리콘웨이퍼에 적용한 후의 90nm의 라인 앤드 스페이스 패턴 비교
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 샘플을 알루미늄이 입혀진 실리콘웨이퍼 위에 스핀-코팅법으로 코팅하여 60초간 200℃에서 구워서 두께 1500Å의 필름을 각각 형성시켰다. 얻어진 필름위에 KrF용 포토레지스트를 코팅하고 110℃에서 60초간 굽고 ASML(XT:1400, NA 0.93)사의 노광장비를 사용해 노광을 한 다음 TMAH(2.38wt% 수용액)으로 현상하였다. 그리고 FE-SEM을 사용하여 90nm의 라인 앤드 스페이스(line and space) 패턴을 고찰한 결과 하기 표 2와 같은 결과를 얻었다. 노광량의 변화에 따른 EL(expose latitude) 마진(margine)과 광원과의 거리변동에 따른 DoF(depth of focus) 마진(margine)을 고찰하여 기록하였다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
패턴특성 |
EL 마진(△mJ/exposure energy mJ) |
DoF 마진 (㎛) |
실시예 1 |
0.07 |
0.1 |
실시예 2 |
0.10 |
0.2 |
비교예 1 |
0.07 |
0.1 |
상기 패턴화된 시편들을 CHF3/CF4 혼합가스를 사용하여 드라이 에칭을 진행하고 이어서 BCl3/Cl2 혼합가스를 사용하여 드라이 에칭을 다시 진행하였다. 마지막으로 O2가스를 사용하여 남아 있는 유기물을 모두 제거한 다음, FE SEM으로 각각의 단면을 고찰하여 표 3에 결과를 나타내었다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
에칭 후 패턴 모양 |
실시예1 |
수직모양 |
실시예2 |
수직모양 |
비교예1 |
테이퍼진 모양 |
상기 시편을 CHF3/CF4 혼합가스를 사용하여 드라이 에칭을 진행하고 전후의 두께차를 표 4에 수록하였다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
BCl3/Cl2 가스 에칭속도 (nm/min) |
실시예1 |
94 |
실시예2 |
89 |
비교예1 |
95 |
* SiN 코팅 실리콘웨이퍼에 적용한 경우의 80nm의 라인 앤드 스페이스 패턴 비교
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서 만들어진 샘플을 SiN(실리콘나이트라이드)이 입혀진 실리콘웨이퍼 위에 스핀-코팅법으로 코팅하여 60초간 200℃에서 구워서 두께 1500Å의 필름을 형성시켰다. 제조된 필름위에 ArF용 포토레지스트를 코팅하고 110℃에서 60초간 굽고 ArF 노광장비인 ASML1250 (FN70 5.0 active, NA 0.82)를 사용해 노광을 한 다음 TMAH(2.38wt% 수용액)으로 현상하였다. 그리고 FE-SEM을 사용하여 80nm의 라인 앤드 스페이스(line and space) 패턴을 고찰한 결과 하기 표 5와 같은 결과를 얻었다. 노광량의 변화에 따른 EL(expose latitude) 마진(margine)과 광원과의 거리변동에 따른 DoF(depth of focus) 마진(margine)을 고찰하여 표5에 기록하였다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
패턴특성 |
EL 마진(△mJ/exposure energy mJ) |
DoF 마진 (㎛) |
실시예 1 |
0.05 |
0.1 |
실시예 2 |
0.1 |
0.2 |
비교예 1 |
0.05 |
0 |
상기 패턴화된 시편을 CHF3/CF4 혼합가스를 사용하여 드라이 에칭을 진행하고 이어서 선택비를 달리한 CHF3/CF4 혼합가스를 사용하여 드라이 에칭을 다시 진행하였다. 마지막으로 O2가스를 사용하여 남아 있는 유기물을 모두 제거한 다음, FE SEM으로 단면을 고찰하여 표 6에 결과를 수록하였다.
필름 제조에 사용된 샘플 |
에칭 후 패턴 모양 |
실시예1 |
패턴 형성 안됨 |
실시예2 |
수직모양 |
비교예1 |
테이퍼진 모양 |