KR100858874B1 - 불화아르곤 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법 - Google Patents
불화아르곤 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 F2 또는 불화아르곤(ArF)등의 보다 발전된(Advanced) 노광원을 이용한 반도체소자의 패턴 형성시 반사방지막 식각시 포토레지스트 패턴의 변형을 방지할 수 있는 F2 또는 불화아르곤등의 보다 발전된 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 피식각층 상에 반사방지막을 도포하는 단계; 상기 제1반사방지막 상에 소정의 패턴 형성을 위한 ArF 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; Cl2/Ar/He의 혼합 가스를 이용한 식각 공정으로 상기 ArF 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 반사방지막을 식각하여 패턴 형성 영역을 정의하는 단계; 및 적어도 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법을 제공한다.
반사방지막, He, ArF, F2, 워드라인, 비트라인, 콘택홀.
Description
도 1은 종래의 질화막 하드마스크를 사용하여 게이트전극 패턴 형성시 각 공정 단계에 따른 CD를 도시한 평면 SEM 사진.
도 2는 전술한 도 1의 게이트전극 패턴을 도시한 단면 SEM 사진.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 F2 또는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 패턴 형성 공정을 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
30 : 기판 31a : 전도층
32b : 반사방지막 33b : 포토레지스트 패턴
본 발명은 반도체소자 제조방법에 관한 것으로, 특히 반도체소자의 패턴 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 F2 또는 불화아르곤(ArF)등의 보다 발전된(Advanced) 노광원을 이용한 반도체소자의 패턴 형성방법에 관한 것이다.
반도체소자의 진전을 지지해 온 미세 가공 기술은 사진식각(Photo lithography) 기술인 바, 이 기술의 해상력 향상이 반도체 소자의 고집적화의 장래와 직결된다고 해도 과언은 아니다.
이러한 사진식각 공정은 주지된 바와 같이, 포토레지스트 패턴을 형성하는 공정과 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 통해 피식각층을 식각해서 원하는 형태의 패턴 예컨대, 콘택홀 또는 게이트전극 등의 라인 패턴 등을 형성하는 공정을 포함하는 바, 여기서 포토레지스트 패턴은 피식각층 상에 포토레지스트를 도포하는 공정과 준비된 노광 마스크를 이용해 포토레지스트를 선택적으로 노광하는 공정 및 소정의 화학용액으로 노광되거나, 또는 노광되지 않은 포토레지스트 부분을 제거하는 현상 공정을 통해 이루어진다.
한편, 사진식각 공정으로 구현할 수 있는 패턴의 임계치수(Critical Dimension; 이하 CD라 함)는 상기한 노광 공정에서 어떤 파장의 광원을 사용하냐에 따라 좌우된다. 이것은 노광 공정을 통해 구현할 수 있는 포토레지스트 패턴의 폭에 따라 실제 패턴의 CD가 결정되기 때문이다.
636㎚ (g-line)의 파장의 광원과 365㎚(i-line)의 광원을 사용하던 초기의 스테퍼(Stepper)를 거쳐 현재는 248㎚(KrF Excimer Laser) 파장의 DUV(Deep Ultra- violet)를 이용하는 스테퍼나 스캐너 타입의 노광장비를 주로 사용하고 있는 바, 248㎚의 DUV 사진식각 기술은 초기에 시간 지연 효과, 기질 의존성 등과 같은 많은 문제들이 발생하였으며, 0.18㎛ 디자인의 제품 개발에 사용되었다. 그러나 0.15㎛ 이하의 디자인을 갖는 제품을 개발하기 위해서는 새로운 193㎚(ArF Excimer Laser) 또는 157nm(F2 Laser)의 파장을 갖는 새로운 DUV 사진식각 기술로의 기술개발이 필수적이다. 그러나, 이러한 DUV 사진식각 기술에서 해상력을 높이기 위한 여러 기술을 조합한다 하여도 0.1㎛ 이하의 패턴은 불가능하므로 새로운 광원을 갖는 사진식각 기술의 개발이 활발히 진행되고 있다.
현재는 ArF(불화아르곤) 레이저(λ=193㎚)를 사용하는 노광장비를 0.11㎛까지의 패턴을 목표로 개발하고 있다. DUV 사진식각 기술은 i-선 대비 해상도 및 DOF 등의 성능면에서 우수하지만, 공정제어가 쉽지 않다. 이러한 문제는 짧은 파장에서 기인된 광학적인 원인과 화학증폭형 포토레지스트의 사용에 의한 화학적인 원인으로 구분할 수 있다. 파장이 짧아지면 정지파 효과에 의한 CD 흔들림 현상과 기질 위상에 의한 반사광의 새김현상이 심해진다. CD 흔들림이란 입사광과 반사광의 간섭 정도가 레지스트의 미소한 두께 차이 또는 기질 필름의 두께차이에 따라 변함으로써 결과적으로 선 두께가 주기적으로 변하는 현상을 말한다. DUV 공정에서는 민감도 향상을 위해서 화학증폭형 포토레지스트를 사용할 수밖에 없는데, 그 반응 메카니즘과 관련하여 PED(Post Exposure Delay) 안정성, 기질 의존성 등의 문제점이 발생하는 바, F2 또는 ArF 노광기술의 핵심 과제 중의 하나는 F2 또는 ArF용 포토레 지스트의 개발이다. F2 또는 ArF는 KrF와 같은 화학 증폭형이지만 재료를 근본적으로 개량해야 하는 필요가 있기 때문인데, 특히 ArF 포토레지스트 재료 개발이 어려운 것은 벤젠고리를 사용할 수 없기 때문이다. 벤젠고리는 건식 식각(Dry etching) 내성을 확보하기 위해 i-선 및 KrF용 포토레지스트에 사용되어 왔다. 그러나 예컨대, ArF용 포토레지스트에 벤젠고리가 사용될 경우 ArF 레이저의 파장영역인 193nm에서 흡광도가 크기 때문에 투명성이 떨어져 포토레지스트 하부까지 노광이 불가능한 문제가 발생한다. 이 때문에, 벤젠고리를 가지지 않고 건식 식각 내성을 확보할 수 있으며, 접착력이 좋고 2.38% TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)로 현상되어질 수 있는 재료의 연구가 진행 되고 있다. 현재까지 세계적으로 많은 회사 및 연구소에서 연구성과를 발표하고 있는 상태이며, 아직까지 상용화 되어 있는 것으로는 COMA(CycloOlefin-Maleic Anhydride) 또는 아크릴레이드(Acrylate) 계통의 폴리머 형태, 또는 이들의 혼합 형태이다. 하지만, 상기한 포토레지스트는 상기한 바와 같은 벤젠 구조를 가지고 있다.
따라서, F2 또는 ArF 노광원을 이용한 사진식각을 통해 예컨대, 게이트전극 패턴 등을 형성하기 위해 식각공정을 진행할 때 줄무늬 모양 형태의 패턴의 변형(Striation)이 일어나거나, 식각 도중 포토레지스트가 뭉치거나(Cluster) 성형 변형(Plastic deformation)되는 현상과 식각 도중 포토레지스트의 내성이 약하여 한쪽으로 몰리는 현상이 발생하며, 이로 인해 주로 게이트전극 패턴 상의 하드마스크층의 두께가 불균일해 짐으로 인해 노치(Notch) 발생 등 하드마스크의 국부적인 식각 손실이 발생한다.
도 1은 종래의 질화막 하드마스크를 사용하여 게이트전극 패턴 형성시 각 공정 단계에 따른 CD를 도시한 평면 SEM 사진이며, 도 2는 전술한 도 1의 게이트전극 패턴을 도시한 단면 SEM 사진이다.
도 1을 참조하면, 게이트전극의 질화막 하드마스크(10)를 식각마스크로 전도층을 선택적으로 식각하여 게이트전극 패턴을 형성한 후, CD 관찰을 위한 촬영한 SEM 사진으로서, 게이트전극 패턴의 최상부에 위치하는 질화막 하드마스크(10)의 두께가 불균일해졌음을 확인할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 2는 도 1을 X-X' 방향으로 절단한 단면을 도시하는 것으로, 전도층 패턴(11)과 하드마스크(10)가 적층된 다수의 게이트전극 패턴이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도면부호 'A'에 지시된 부분과 같이 질화막 하드마스크(10)의 두께가 불균일해져, 이로인해 질화막 하드마스크(10) 상에 노치가 발생하는 등 국부적인 식각 손실이 발생함을 확인할 수 있으며, 이러한 식각 손실은 전도층 패턴에 전사되어 전도층 패턴을 손상시킴으로써, 소자의 불량을 초래하게 된다.
전술한 노치 현상은 ArF 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 반사방지막으로 사용되는 유기 계열의 반사방지막을 식각하는 과정에서 주로 사용되는 불소계 가스 예컨대, CF 계열의 가스(O2도 첨가됨)를 사용하므로 이는 포토레지스트 패턴의 식각 가스와 유사하여, 반사방지막 식각 과정에서 ArF 포토레지스트 패턴이 손실됨 으로써 발생한다.
한편, 텅스텐을 하드마스크로 사용하여 ArF 패턴의 변형을 방지하고자 하는 노력이 진행되고 있다(국내출원번호 2002-056772).
한편, 이 경우에는 불소계 가스를 사용함에 따라 ArF 패턴의 변형을 초래할 뿐만아니라, O2 가스에 의해 텅스텐이 일부 산화되어 제거되기 때문에 O2를 첨가한 조건으로 텅스텐 하드마스크 상부의 반사방지막을 식각할 수 없다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, F2 또는 불화아르곤(ArF)등의 보다 발전된(Advanced) 노광원을 이용한 반도체소자의 패턴 형성시 반사방지막 식각시 포토레지스트 패턴의 변형을 방지할 수 있는 F2 또는 불화아르곤등의 보다 발전된 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 피식각층 상에 반사방지막을 도포하는 단계; 상기 제1반사방지막 상에 소정의 패턴 형성을 위한 ArF 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; Cl2/Ar/He의 혼합 가스를 이용한 식각 공정으로 상기 ArF 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 반사방지막을 식각하여 패턴 형성 영역을 정 의하는 단계; 및 적어도 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법을 제공한다.
본 발명은 반사방지막 식각시 기판 바이어스를 낮춘 상태에서 Cl2/Ar의 혼합 가스를 주식각가스로 사용하고 여기에 He을 첨가하여 반사방지막 식각시 ArF 포토레지스트 패턴과 식각방지막간의 식각선택비를 종래의 1:1에서 1.5:1 이상으로 유지하여(즉, ArF 포토레지스트의 식각 속도 대비 반사방지막 식각 속도를 증가시킴) ArF 포토레지스트 패턴의 손실을 최소화한다. 여기서, He 가스는 ArF 포토레지스트에 비해 반사방지막의 식각속도를 증가시키는 역할을 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일실시예에 따른 F2 또는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 패턴 형성 공정을 도시한 단면도로서, 이를 참조하여 상세히 설명한다.
후술하는 본 발명의 일실시예에서는 반도체소자의 라인 패턴 구체적으로, 전도층패턴 중 게이트전극 패턴(워드라인) 형성 공정을 그 일예로 하여 설명하는 바, 본 발명의 적용 대상이 되는 라인 패턴(전도층패턴)은 일실시예에서 제시한 게이트전극 패턴만으로 한정되는 것이 아니라 비트라인, 스토리지노드 콘택 또는 금속배선 등의 다양한 형태의 패턴 형성 공정에도 적용이 가능하다.
또한, 전술한 라인 형태의 패턴 이외에 고립된 형태인 섬형(Island type), 스토리지노드 콘택과 같은 도넛츠형 등에도 적용이 가능하며, 전도층이 아닌 절연막 패턴에도 적용이 가능하다. 즉, 본 발명의 일실시예에서는 양각 패턴을 형성하는 공정으로의 적용을 나타낸다고 할 수 있다.
먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 반도체 소자를 형성하기 위한 여러 요소가 형성된 기판(30) 상에 피식각층으로 전도층(31a)을 형성한다.
한편, 전도층(31a) 상에 절연성 물질이면서도 피식각층인 전도층(31a)과 선택비를 갖어 하드마스크 재료로 사용되는 Si3N4 또는 SiON 등의 질화막계열의 박막 또는 SiO2 등의 산화막계열의 박막을 사용하여 하드마스크용 절연막을 추가로 형성할 수도 있으나, 설명의 간략화를 위해 생략한다.
여기서, 전도층(31a)은 폴리실리콘막, Al막, W막, WSix(x는 1 내지 2)막, WN막, Ti막, TiN막, TiSix(x는 1 내지 2)막, TiAlN막, TiSiN막, Pt막, Ir막, IrO2막, Ru막, RuO2막, Ag막, Au막, Co막, Au막, TaN막, CrN막, CoN막, MoN막, MoSix(x는 1 내지 2)막, Al2O3막, AlN막, PtSix(x는 1 내지 2)막 및 CrSix(x는 1 내지 2)막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나의 박막을 이용한다.
또한, 기판(30)은 그 내부에 절연구조와 도전구조를 모두 포함하는 것으로, 전술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에서 처럼 전도층(31a)이 게이트전극 패턴 형성용이라면 전도층(31a)과 기판(30) 사이의 계면에 게이트절연막(도시하지 않음)을 포함하고 있으며, 전도층(31a)이 비트라인 또는 금속배선이라면 기판(30)과의 계면에 Ti막/TiN막 등의 확산배리어막, 소스/드레인 등의 불순물 접합층, 층간절연막 또는 폴리실리콘막 또는 텅스텐(W)막 등의 박막으로 이루어진 플러그가 형성되어 있을 것이다.
이어서, 전도층(31a) 상에 패턴 형성을 위한 노광시 전도층(31a)의 광반사도가 높음으로 인해 난반사가 이루어져 원하지 않는 패턴이 형성되는 것을 방지하며, 전도층(31a)과 후속 포토레지스트의 접착력을 향상시킬 목적으로 반사방지막(32, ARC)을 형성한다.
여기서, 반사방지막(32)은 포토레지스트와 그 식각 특성이 유사한 유기계열(Organic)의 물질을 이용하는 것이 바람직하다.
이어서, 반사방지막(32) 상에 F2 노광원용 또는 ArF 노광원용의 포토레지스트 예컨대, COMA 또는 아크릴레이드를 사용하며, 이들을 스핀 코팅(Spin coating) 등의 방법을 통해 적절한 두께로 도포한다. 도 3a는 포토레지스트막(33a)이 도포된 공정 단면을 나타낸다.
다음으로, F2 노광원 또는 ArF 노광원과 게이트전극 폭을 정의하기 위한 소정의 레티클(도시하지 않음)을 이용하여 포토레지스트막(33a)의 소정 부분을 선택 적으로 노광하고, 현상 공정을 통해 노광 공정에 의해 노광되거나 혹은 노광되지 않은 부분을 잔류시킨 다음, 후세정 공정 등을 통해 식각 잔유물 등을 제거함으로써 포토레지스트 패턴(33b)을 형성한다.
도 3b는 게이트전극 패턴 형성을 위한 포토레지스트 패턴(33b)이 형성된 공정 단면을 나타낸다.
이어서, 포토레지스트 패턴(33b)을 식각마스크로 하는 선택적 식각 공정을 통해 반사방지막(32)을 선택적으로 식각한다.
이 때, 포토레지스트 패턴(33b)의 손실을 최소화하기 위해 기판 바이어스를 낮춘 상태에서 Cl2/Ar의 혼합 가스를 주식각가스로 사용하고 여기에 He을 첨가하여 반사방지막 식각시 ArF 포토레지스트 패턴(33b)과 식각방지막 간의 신각선택비를 종래의 1:1에서 1.5:1 이상으로 유지하여(즉, ArF 포토레지스트의 식각 속도 대비 반사방지막 식각 속도를 증가시킴) ArF 포토레지스트 패턴(33b)의 손실을 최소화한다. 여기서, He 가스는 ArF 포토레지스트에 비해 반사방지막의 식각속도를 증가시키는 역할을 한다.
구체적으로, 챔버 내의 압력을 5mTorr ∼ 20mTorr로 유지하면서, 300W ∼ 800W의 소스 파워와 50W ∼ 200W의 바이어스 파워를 사용한다.
Cl2 가스는 20SCCM ∼ 100SCCM, Ar 가스는 20SCCM ∼ 100SCCM, He 가스는 5SCCM ∼ 20SCCM을 사용한다.
전술한 식각방지막(32) 식각공정은 MERIE(Magnetic Enhancement Reactive Ion Etching) 타입의 식각 장비, RIE(Reactive Ion Etching) 타입의 장비, ICP(Inductively Coupled Plasma) 타입의 장비 또는 TCP(Transformer Coupled Plasma) 타입의 장비 등을 이용할 수 있으며, 이 때 기판 바이어스는 50W ∼ 200W를 유지하는 것이 바람직하다.
도 3c는 반사방지막(32)이 식각되어 게이트전극 패턴 영역이 정의된 공정 단면을 나타낸다.
전술한 바와 같이 반사방지막(32) 식각시 첨가된 He 가스에 의해 반사방지막(32)의 식각률을 높여 포토레지스트 패턴(33b)에 비해 식각이 잘 이루어지도록 함으로써, 반사방지막(32) 식각에 따른 포토레지스트 패턴(33b)의 변형을 방지할 수 있다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(33b)을 식각마스크로 전도층(31a)를 선택적으로 식각하여 전도층패턴(31b) 즉, 게이트전극 패턴을 형성한다.
이어서, 포토레지스트 패턴(33b)과 반사방지막(32)을 제거한 다음, 세정 공정을 실시한다.
전술한 일실시예에서는 전도성 라인패턴 형성 공정을 그 실시예로 하였으나, 반도체소자의 스페이스 패턴(Space pattern) 예컨대, 콘택홀 패턴 형성 공정에도 적용이 가능하다.
이러한 콘택홀 패턴은 금속배선 콘택과 비트라인 또는 캐패시터의 스토리지 노드 콘택을 위한 소스/드레인 접합 등의 기판 내의 불순물 접합층과의 콘택 및 콘 택 패드 형성을 위한 공정 등에 적용이 가능하다.
또한, 이 때의 피식각층은 절연막을 사용하며, 이러한 절연막 패턴 형성 공정인 소자분리(Isolation)를 위한 트렌치(Trench) 형성 공정이나, 피식각층을 전도층으로 하는 공정 예컨대, 박막트랜지스터(Thin film transistor)의 채널 형성 부분을 오픈시키기 위한 폴리실리콘을 식각하는 공정 등에도 적용이 가능하다. 즉, 음각 패턴을 형성하는 공정으로의 적용을 나타낸다고 할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, ArF 포토리소그라피 공정을 적용한 반조체소자의 패턴 형성 공정에서 포토레지스트 패턴의 변형에 가장 큰 영향을 끼치는 반사방지막 식각 공정에서 Cl2/Ar의 주가스에 He 가스를 첨가하여 사용함으로써, ArF 포토레지스트에 대한 반사방지막의 식각률을 높여 반사방지막 식각시 ArF 포토레지스트 패턴의 변형을 방지할 수 있음을 실시예를 통해 알아 보았다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명은, ArF 또는 F2 노광원을 이용한 패턴 형성시 패턴 변형을 방지할 수 있어, 궁극적으로 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과를 기대할 수 있다.
Claims (6)
- 피식각층 상에 반사방지막을 도포하는 단계;상기 제1반사방지막 상에 소정의 패턴 형성을 위한 ArF 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;Cl2/Ar/He의 혼합 가스를 이용한 식각 공정으로 상기 ArF 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 반사방지막을 식각하여 패턴 형성 영역을 정의하는 단계; 및적어도 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소정의 패턴은 비트라인, 워드라인 또는 금속배선 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 소정의 패턴은 콘택홀 패턴인 것을 특징으로 하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사방지막은 유기 계열인 것을 특징으로 하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 반사방지막을 식각하는 단계에서, 상기 Cl2 가스는 20SCCM 내지 100SCCM, 상기 Ar 가스는 20SCCM 내지 100SCCM, 상기 He 가스는 5SCCM 내지 20SCCM을 사용하는 것을 특징으로 하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 반사방지막을 식각하는 단계에서, 챔버 내의 압력을 5mTorr 내지 20mTorr로 유지하면서, 300W 내지 800W의 소스 파워와 50W 내지 200W의 바이어스 파워를 사용하는 것을 특징으로 하는 ArF 노광원을 이용한 반도체소자 제조방법.
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| JP2000091318A (ja) | 1998-09-09 | 2000-03-31 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| KR20020045897A (ko) * | 2000-12-11 | 2002-06-20 | 박종섭 | 반도체소자의 미세패턴 형성방법 |
| KR20030027628A (ko) * | 2001-09-29 | 2003-04-07 | 삼성전자주식회사 | 반도체소자를 위한 건식 식각방법 |
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2002
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