KR100694398B1

KR100694398B1 - 반도체 소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR100694398B1
Application number: KR1020050035126A
Authority: KR
Inventors: 이근수; 복철규; 문승찬; 이성구
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2007-03-12
Also published as: US20060246382A1; KR20060112562A

Abstract

본 발명은 포토레지스트 패턴을 축소하는 방법에 관한 것으로, 포토레지스트 패턴 형성 과정 중에 물 및 계면활성제를 포함하는 수용성 조성물을 분사하고, 추후에 열에 의해 패턴을 플로우시킴으로써 포토레지스트 패턴을 균일하고 수직하게 축소할 수 있을 뿐만 아니라 식각 바이어스를 개선하여 공정 마진을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 소자의 제조 방법{Preparation method of semiconductor device}

도 1은 종래의 레지스트 플로우 방법에 의한 미세 패턴 형성 방법의 공정 단면도.

도 2는 본 발명의 방법에 의한 미세 패턴 형성 방법의 공정 단면도.

도 3은 비교예 1에 의해 형성된 미세 패턴 평면 사진.

도 4는 비교예 2에 의해 형성된 미세 패턴 평면 및 단면 사진.

도 5는 실시예 1에서 형성된 1차 포토레지스트 패턴의 평면 및 단면 사진.

도 6은 실시예 1에서 형성된 2차 포토레지스트 패턴의 평면 및 단면 사진.

도 7은 실시예 2에서 형성된 2차 포토레지스트 패턴의 평면 및 단면 사진.

도 8은 실시예 3에서 형성된 2차 포토레지스트 패턴의 평면 및 단면 사진.

도 9는 비교예 3에서 피식각층을 식각한 결과를 나타낸 단면 사진.

도 10은 실시예 4에서 피식각층을 식각한 결과를 나타낸 단면 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 100 : 기판 12, 120 : 피식각층

14 : 포토레지스트 패턴 16 : 플로우된 포토레지스트 패턴

140 : 1차 포토레지스트 패턴 160 : 2차 포토레지스트 패턴

a : 초기 CD (DICD) b : 플로우 후 CD

b' : 플로우 후 상부 (top) CD b" : 플로우 후 하부 (bottom) CD

c, c' : 식각후 CD (FICD)

본 발명은 미세패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패턴 형성 공정 중 포스트 베이크 하기 전의 적절한 시점에, 물 및 계면 활성제를 포함하는 수용성 조성물을 분사한 다음, 현상 공정을 거쳐 형성된 패턴에 열을 가하여 플로우 시킴으로써 패턴 간 간격을 많이 감소시킬 수 있는 패턴 형성방법을 포함하는 반도체 소자의 제조방법에 관한 것이다.

최근 반도체 장치의 제조 기술의 발달과 메모리 소자의 응용 분야가 확장되어 감에 따라 집적도가 향상된 메모리 소자를 개발하기 위하여, 리소그래피 공정의 발전 즉, 포토레지스트의 개발, 새로운 노광원의 개발, 노광 장비의 개발 등에 의한 디자인 룰의 축소가 가속되고 있다.

하지만, 현재 상용화되고 있는 KrF 및 ArF 노광 장비를 이용해 얻어지는 콘택홀 패턴의 해상도는 0.1㎛ 이내로 한정되어 있기 때문에, 고집적화된 반도체 소자를 위한 미세패턴을 형성하는 것에 어려움이 있다.

종래 미세패턴을 형성하기 위한 대표적인 방법으로는 레지스트 플로우 공정(resist flow process; 이하 “RFP”라 칭함)이 있다.

상기 RFP는 피식각층 (12) 상부에 노광 공정과 현상 공정을 실시하여 노광 장비의 분해능 정도의 포토레지스트 패턴 (14)을 형성한 다음 [도 1의 (a) 참조], 포토레지스트의 유리전이 온도 이상의 온도에서 일정시간 동안 열을 가하여 포토레지스트가 플로우 (thermal flow)되도록 함으로써, 포토레지스트 패턴의 크기를 감소시키는 방법이다 [도 1의 (b) 참조].

상기 REF는 공정 방법이 단순하지만, 패턴의 축소 정도가 주변 포토레지스트의 양에 의존성(duty ratio)이 높기 때문에, 형성된 콘택홀에서 상층부와 중앙부 그리고 하층부에 존재하는 플로우 될 수 있는 포토레지스트 양이 많으면 패턴의 축소가 많이 일어나고, 포토레지스트 양이 적으면 패턴의 축소가 적게 일어나므로 다양한 패턴이 함께 존재하는 기판에 수행될 때는 축소되는 양이 각각 달라 균일한 패턴을 형성할 수 없다.

특히, 열 공정시에 같은 열 에너지가 전달되어도 하층부에서 흐르는 포토레지스트의 양이 상층부나 중앙부보다 상대적으로 많아서 패턴의 상부 (top) 부분이 심하게 벌어지는 문제점이 있다 (b'>b").

한편, RFP에 의해 생성된 패턴 (16)의 CD (Critical Dimension)는 하부 (bottom) CD (b")를 기준으로 하면 초기 CD (a)에 비해 축소되지만, 이를 식각 마스크로 하여 피식각층 (12)을 식각하는 경우 식각후 피식각층 패턴의 CD (c')가 다시 커지는 문제점이 있다 (b"< c').

종래의 RFP 공정은 전술한 바와 같은 문제점이 있어서, 식각 바이어스 (etch bias)가 크고 이에 따라 공정 마진 (process margin)도 좋지 않았다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 포토레지스트 패턴의 CD를 효과적으로 축소함으로써, 식각 바이어스 및 패턴 프로파일을 개선하고 공정 마진을 크게 향상시킬 수 있는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 포토레지스트 패턴 형성 과정 중에 물 및 계면활성제를 포함하는 조성물을 분사하고, 추후에 열에 의해 패턴을 플로우시키는 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 포토레지스트 패턴 형성방법에서는,

(a) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 포토레지스트 조성물을 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;

(b) 상기 포토레지스트 막을 소프트 베이크하는 단계;

(c) 상기 포토레지스트 막을 노광하는 단계;

(d) 상기 포토레지스트 막을 포스트 베이크하는 단계; 및

(e) 상기 노광된 포토레지스트 막을 현상액으로 현상하여 1차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 거쳐 포토레지스트 패턴을 형성할 때,

상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이, (b) 단계와 (c) 단계 사이, 및 (c) 단계와 (d) 단계 사이 중 적어도 한 번 이상,

물 및 계면 활성제를 포함하는 수용성 조성물을 분사하고,

상기 (e) 단계 이후에,

(f) 상기 1차 포토레지스트 패턴에 열을 가하여 플로우시켜 1차 포토레지스트 패턴보다 CD가 작은 2차 포토레지스트 패턴을 형성한다.

상기 노광 공정은 KrF (248nm), ArF (193nm), VUV (157nm), EUV (13nm), E-빔, X-선 또는 이온빔 등의 노광원을 사용하여 0.1∼50 mJ/㎠의 노광 에너지로 수행할 수 있다.

상기 소프트 베이크 및 포스트 베이크는 50∼150℃ 온도에서 30∼120초간 수행하는 것이 바람직하다.

상기 (f) 단계는 포토레지스트 조성물 내 포토레지스트 수지의 유리전이 온도 이상으로 열 에너지를 인가하여 포토레지스트 조성물을 플로우시키는 단계이므로, 사용되는 포토레지스트 수지에 따라 적용되는 온도 범위가 다를 수 있으나, 주로 120∼200℃ 온도에서 30∼120 초간 수행된다.

또한, 상기 (f) 단계 이후에,

(g) 상기 2차 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하여 피식각층 패턴을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.

상기 포토레지스트 패턴 또는 피식각층 패턴은 콘택홀 패턴 또는 L/S (line and space) 패턴이다.

상기 조성물에 포함되는 계면 활성제는 특별히 한정되지는 않지만 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.

[화학식 1]

상기 식에서,

R 및 R'는 각각 H, C_1∼20의 알킬, C_6∼20의 (알킬)아릴이고,

n은 10∼300의 정수이다.

상기 화학식 1의 화합물의 R₁ 및 R₂는 각각 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 옥틸, 옥틸페닐, 노닐, 노닐페닐, 데실, 데실페닐, 운데실, 운데실페닐, 도데실 또는 도데실페닐 등인 것이 바람직하다.

한편, 상기 화학식 1의 화합물 외에 비이온성 계면활성제를 사용할 수도 있다.

상기 수용성 조성물의 물 : 계면 활성제의 조성비는 90∼99.999중량% : 0.001∼10중량% 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 수용성 조성물은 알코올 화합물 및 염기성 화합물 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 더 포함할 수 있다.

상기 알코올 화합물은 C₁∼C₁₀의 알킬 알코올 또는 C₃∼C₁₀의 알콕시알킬 알코올 화합물로서, 예를 들면 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, n-부탄올, sec-부탄올, t-부탄올, 1-펜탄올, 2-펜탄올, 3-펜탄올, 2,2-디메틸-1-프로판올, 2- 메톡시에탄올, 2-(2-메톡시에톡시)에탄올, 1-메톡시-2-프로판올 또는 3-메톡시-1,2-프로판디올 등을 들 수 있으며, 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 염기성 화합물은 pH가 7∼12인 유기 화합물이라면 특별히 한정되지는 않으며, 예컨대 N-메틸-2-피롤리돈, 트리에틸아민, 트리에탄올 아민, 15-크라운-5, 18-크라운-6, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜 또는 테트라에틸렌 클리콜 등을 들 수 있으며, 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 조성물의 물 : 계면 활성제 : 알코올 화합물의 조성비는 80∼99.998중량% : 0.001∼10중량% : 0.001∼10중량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 원리는 하기와 같다.

일반적으로 노광후 현상을 거쳐 얻어진 포토레지스트 패턴은 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같다. 그러나 전술한 바와 같이, 상기 수용액 조성물을 분사한 다음 현상하면 도 2의 (a)에서 볼 수 있는 바와 같이 포토레지스트 패턴 (140) 상층부에 티탑 (T-topping) 현상이 나타난다. 포토레지스트 조성물 도포 후 소프트 베이크 전이나, 소프트 베이크 후 노광 전에 상기 수용액 조성물을 분사하는 경우에는 포토레지스트 막의 상층부에 존재하는 광산 발생제가 씻겨져 나가므로 노광, 포스트 베이크, 현상 공정을 거치면서 상층부에 산 농도가 줄어들기 때문에 도 2의 (a)와 같은 패턴 (140)이 얻어지게 되는 것이다. 또한, 노광 후 포스트 베이크 전에 수용액 조성물을 처리한 경우에도 포토레지스트 막 상층부에 생성되어 있는 산이 바로 씻겨져 나가서 상기와 동일한 현상이 발생하여 도 2의 (a)와 같은 패턴 (140)이 얻어진다.

이렇게 상기 도 2의 (a)와 같은 패턴이 형성된 기판 (100)에 포토레지스트 조성물 내 포토레지스트 수지의 유리전이 온도 이상으로 열을 가하면 포토레지스트 패턴 (140)에 플로우가 일어나 패턴의 전체가 수직하게 형성되면서 패턴 간 간격이 줄어든다. 이때 티탑이 형성된 패턴의 상층부보다 패턴의 중하부층 부분의 플로우가 더욱 빠르게 진행되어 플로우 후의 CD (b)가 균일하게 축소된다 [도 2의 (b) 참조]. 한편, 여기에서 형성된 균일한 포토레지스트 패턴 (160)을 식각 마스크로 하여 식각 공정을 진행하였을 때 얻어지는 피식각층 패턴의 최종 CD (c)는 상기 포토레지스트 패턴의 CD (b)와 큰 차이가 없다 [b≒c, 도 2의 (c) 참조].

이하 실시예를 들어 본원 발명을 더욱 상세히 설명하지만 본원 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

비교예 1.

반도체 기판에 ArF 포토레지스트 조성물 (금호 케미칼, A52T3)을 2400Å 두께로 코팅한 후 110℃에서 소프트 베이크하고, 노광 (ArF 스캐너, 0.85NA)하였다. 그런 다음, 120℃에서 포스트 베이크를 수행하고, 2.38중량% TMAH 현상액으로 현상하여 초기 CD (DICD; Develop Inspection Critical Dimension)가 115nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다 (도 3 참조).

비교예 2.

상기 비교예 1에서 형성된 패턴에 153℃ 온도로 60초간 열을 가하여 패턴을 플로우 시켜 평균 CD가 82.5nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다. 일반적인 레지스트 플로우 공정인 비교예 2의 경우는 패턴의 CD는 상기 비교예 1의 초기 CD (115nm)에 비하여 많이 감소했지만, 하부 쪽이 상부 쪽보다 더 많이 플로우 되어서 패턴 상부의 CD가 하부의 CD보다 훨씬 큰 것을 볼 수 있다 (도 4 참조).

실시예 1. 노광 후 포스트 베이크 전에 수용액 처리 한 경우

반도체 기판에 ArF 포토레지스트 조성물 (금호 케미칼, A52T3)을 2400Å 두께로 코팅한 후 110℃에서 소프트 베이크하고, 노광 (ArF 스캐너, 0.85NA)하였다. 그런 다음, 영창케미칼(주)에서 제조된 수용액 조성물인 ANTICOL 75㎖를 3초간 30 rpm으로 분사하고, 120℃에서 포스트 베이크를 수행하였다. 그런 다음 2.38 중량% TMAH 현상액으로 현상하여 평균 CD가 86nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다 (도 5 참조).

형성된 패턴에 153℃ 온도로 60초간 열을 가하여 패턴을 플로우 시켜 평균 CD가 73nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다 (도 6 참조).

도 5에서, 본 발명에서 얻어진 1차 포토레지스트 패턴의 상부에 티탑 현상을 관찰할 수 있으며, 이를 플로우 시켰을 때 티탑의 하부 부분의 플로우가 일어나 수직한 프로파일로 CD가 축소되었음을 도 6에서 확인할 수 있었다.

실시예 2. 소프트 베이크 후 노광 전에 수용액 처리한 경우

ANTICOL 수용액 처리를, 소프트 베이크 한 다음, 노광 전에 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다. 그 결과 평균 CD가 74.2nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다 (도 7 참조).

실시예 3. 포토레지스트 도포후 소프트 베이크 전에 수용액 처리한 경우

ANTICOL 수용액 처리를, 포토레지스트 조성물을 도포한 다음, 소프트 베이크 전에 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하였다. 그 결과 평균 CD가 77.4nm인 포토레지스트 패턴을 형성하였다 (도 8 참조).

상기 실시예 1∼실시예 3의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 2차 포토레지스트의 CD가 크게 감소된 것을 알 수 있었다.

실시예 4. 식각 바이어스 실험

본 발명의 실시예와 같은 조건으로 수용액 처리를 한 후 열을 가하여 플로우시켜 다양한 패턴을 얻고, 이를 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하였다. 그 결과를 도 9 및 하기 표 1에 나타내었다.

비교예 3. 식각 바이어스 실험

상기 비교예 2와 같은 조건으로 레지스트 플로우 공정을 수행하여 다양한 패턴을 얻고, 이를 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하였다. 그 결과를 도 10 및 하기 표 1에 나타내었다.

[표 1]

	항목	평균값	3σ	L	B	C	T	R	식각 바이어스
비교예 3	DICD	83.40	2.88	83.00	84	79	87	84	11.7
	top FICD	142.91	5.91	147.70	139.35	134.75	149.00	143.75
	btm FICD	95.10	10.35	95.70	102.60	78.15	104.30	94.75
	깊이	241.79	10.64	244.35	240.75	245.05	224.85	253.95
실시예 4	DICD	73.60	6.27	78.00	73.00	63.00	78.00	76.00	0.80
	top FICD	119.24	11.76	125.00	134.10	106.30	122.55	108.25
	btm FICD	72.80	11.03	80.60	84.80	58.95	75.85	63.80
	깊이	241.13	9.57	250.30	235.40	238.70	251.65	229.60
DICD : 초기 CD (Develop Inspection Critical Dimension) FICD : 식각후 최종 CD (Final Inspection Critical Dimension) btm : bottom 단위 : nm

상기 표 1의 내용을 요약하면 하기 표 2와 같다.

[표 2]

	초기 CD(nm)	플로우 후 CD(nm)	FICD(nm)	축소된 폭(nm)	식각 바이어스(nm)
비교예 3	115	83.4	95.1	20	11.7
실시예 4	115	73.6	72.8	42	0.8

상기 표 1 및 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 공정의 경우 식각 바이어스가 매우 적다는 점을 확인하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 공정에 따르면 패턴 형성 공정 중에 수용액 조성물을 도포하여 티탑이 발생한 1차 포토레지스트 패턴을 얻은 다음 이를 열을 가해 플로우시킴으로써 레지스트 플로우 공정의 단점을 극복하고, 효과적으로 패턴의 CD를 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 공정은 피식각층의 식각 이후에도 패턴의 CD가 거의 변하지 않아 시각 바이어스가 매우 적으며, 공정 마진도 크게 향상시킬 수 있다.

Claims

(a) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 포토레지스트 조성물을 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;

(b) 상기 포토레지스트 막을 소프트 베이크 하는 단계;

(c) 상기 포토레지스트 막을 노광하는 단계;

(d) 상기 포토레지스트 막을 포스트 베이크 하는 단계; 및

(e) 상기 노광된 포토레지스트 막을 현상액으로 현상하여 1차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법을 포함하는 반도체 소자 제조방법에 있어서,

상기 (a) 단계와 (b) 단계 사이, (b) 단계와 (c) 단계 사이, 및 (c) 단계와 (d) 단계 사이 중 적어도 한 번 이상,

물 및 계면 활성제를 포함하는 수용성 조성물을 분사하고,

상기 (e) 단계 이후에,

(f) 상기 1차 포토레지스트 패턴에 열을 가하여 플로우시켜 2차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 노광 단계의 노광원은 KrF (248nm), ArF (193nm), VUV (157nm), EUV (13nm), E-빔, X-선 및 이온빔으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 소프트 베이크 및 포스트 베이크는 50∼150℃ 온도에서 30∼120초간 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (f) 단계는 포토레지스트 조성물 내 포토레지스트 수지의 유리전이 온도 이상으로 열 에너지를 인가하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 4 항에 있어서,

상기 (f) 단계는 120∼200℃ 온도에서 30∼120 초간 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 (f) 단계 이후에,

(g) 상기 2차 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하여 피식각층 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,

상기 포토레지스트 패턴 또는 피식각층 패턴은 콘택홀 패턴 또는 L/S (line and space) 패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 수용성 조성물의 물 : 계면 활성제의 조성비는 90∼99.999중량% : 0.001∼10중량% 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 수용성 조성물은 알코올 화합물 및 염기성 화합물 중에서 선택되는 하나 이상의 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
제 9 항에 있어서,

상기 수용성 조성물의 물 : 계면 활성제 : 알코올 화합물 : 염기성 화합물의 조성비는 70∼99.997중량% : 0.001∼10중량% : 0.001∼10중량% : 0.001∼10중량%인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.