KR100926021B1 - 패턴 미세화용 피복형성제 및 그것을 사용한 미세 패턴의형성방법 - Google Patents

패턴 미세화용 피복형성제 및 그것을 사용한 미세 패턴의형성방법 Download PDF

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Abstract

포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에 피복되고, 그 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴 간격을 협소하게 한 후, 해당 피복을 실질적으로 완전히 제거하여 미세 패턴을 형성하기 위해 사용되는 피복형성제로서, 수용성 폴리머와 수용성 불소화합물 (플루오로알킬알콜류, 플루오로알킬카르복실산류 등) 을 함유하는 것을 특징으로 하는 패턴 미세화용 피복형성제 및, 이 피복형성제를 이용한 미세 패턴의 형상방법이 개시된다. 본 발명에 의해, 발포, 디펙트를 저감화시키고, 레벨링성, 도포성이 우수하며, 양호한 프로필 및 현재의 반도체 디바이스에서의 요구 특성을 구비한 미세 패턴을 얻을 수 있다.

Description

패턴 미세화용 피복형성제 및 그것을 사용한 미세 패턴의 형성방법{OVER-COATING MATERIAL FOR FORMING FINER-PATTERNS AND A METHOD FOR FORMING FINER-PATTERNS USING THE SAME}
본 발명은 포토리소그래피 기술분야에서의 패턴 미세화용 피복형성제 및 그것을 사용한 미세 패턴의 형성방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 최근의 반도체 디바이스의 집적화, 미소화(微小化)에 대응할 수 있는 패턴 미세화용 피복형성제 및 그것을 사용한 미세 패턴의 형성방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스, 액정 디바이스 등의 전자부품의 제조에서는 기판에 에칭 등의 처리를 실시할 때, 활성 방사선에 감응하는 소위 감(感)방사선 포토레지스트를 사용하여 기판 상에 피막 (포토레지스트층) 을 형성하고, 이어서 이것을 활성 방사선으로 선택적으로 조사하여 노광하고, 현상처리를 실시하여 포토레지스트층을 선택적으로 용해 제거하여 기판 상에 화상패턴 (포토레지스트패턴) 을 형성하고, 이것을 보호층 (마스크패턴) 으로 하여 기판에 홀 패턴, 트렌치패턴 등의 콘택트용 패턴 등의 각종 패턴을 형성하는 포토리소그래피 기술이 이용되고 있다.
최근, 반도체 디바이스의 집적화, 미소화의 경향이 높아져 이들 패턴의 형성 에 대해서도 미세화가 진행되어, 현재 패턴폭 0.20㎛ 이하의 초미세 가공이 요구되고 있고, 마스크패턴 형성에 사용되는 활성 광선도 KrF, ArF, F2 엑시머레이저광이나, 전자선 등의 단파장 조사광이 이용되고, 마스크패턴 형성 재료로서의 포토레지스트 재료에 대해서도 이들 조사광에 대응한 물성을 갖는 것의 연구ㆍ개발이 이루어지고 있다.
이와 같은 포토레지스트 재료 면에서의 초미세화 대응책에 추가로, 패턴 형성방법 면에서도 포토레지스트 재료가 갖는 해상도의 한계를 초월하는 기술의 연구ㆍ개발이 이루어지고 있다.
예컨대, 일본 공개특허공보 평5-166717호에서는 기판 상에 도포한 패턴 형성용 레지스트에 펀칭패턴을 형성한 후, 이 패턴 형성용 레지스트와 믹싱하는 믹싱 생성용 레지스트를 기판 전면에 도포한 후, 베이킹하여 믹싱층을 패턴 형성용 레지스트 측벽 내지 표면에 형성하고, 상기 믹싱 생성용 레지스트의 비믹싱 부분을 제거하고, 상기 믹싱층 치수분의 미세화를 도모한 펀칭패턴 형성방법이 개시되어 있다. 또, 일본 공개특허공보 평5-241348호에서는 산발생제를 함유하는 레지스트패턴을 형성한 기판 상에, 산의 존재하에서 불용화하는 수지를 피착한 후, 열처리하고, 상기 수지에 레지스트로부터 산을 확산시켜 수지와 레지스트패턴 계면 부근에 일정 두께의 레지스트를 형성한 후, 현상하여 산이 확산되어 있지 않은 수지 부분을 제거함으로써, 상기 일정 두께 치수분의 미세화를 도모한 패턴 형성방법이 개시되어 있다.
그러나, 이들 방법은 레지스트패턴 측벽에 형성되는 층의 두께 컨트롤이 어렵고, 웨이퍼 면내의 열의존성이 수십 ㎚/℃ 정도로 크고, 현재의 반도체 디바이스의 제조에서 사용되는 가열장치에서는 웨이퍼 면내를 균일하게 유지하는 것이 매우 곤란하여 패턴 치수의 편차 발생이 현저하게 나타난다는 문제가 있다.
한편, 레지스트패턴을 열처리 등으로 유동화시켜 패턴 치수를 미세화하는 방법도 알려져 있다. 예컨대 일본 공개특허공보 평1-307228호에서는 기판 상에 레지스트패턴을 형성한 후, 열처리를 실시하여 레지스트패턴의 단면 형상을 변형시킴으로써, 미세한 패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 또 일본 공개특허공보 평4-364021호에서는 레지스트패턴을 형성한 후, 가열하고, 레지스트의 유동화에 의해 그 패턴 치수를 변화시켜 미세한 패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있다.
이들 방법은 웨이퍼 면내의 열의존성은 수 ㎚/℃ 정도로 이 점에서의 문제점은 적지만, 열처리에 의한 레지스트의 변형ㆍ유동의 컨트롤이 곤란하기 때문에, 웨이퍼 면내에서 균일한 레지스트패턴을 형성하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
상기 방법을 더욱 발전시킨 방법으로서, 예컨대 일본 공개특허공보 평7-45510호에서는 기판 상에 레지스트패턴을 형성한 후, 기판 상에 상기 레지스트패턴이 지나치게 열유동되는 것을 방지하기 위한 스토퍼로서의 수지를 형성하고, 이어서 열처리하고, 레지스트를 유동화시켜 패턴 치수를 변화시킨 후, 수지를 제거하여 미세한 패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 그리고, 상기 수지로서 수용성 수지, 구체적으로는 폴리비닐알콜을 사용하고 있지만, 폴리비닐알콜은 물에 대한 용해성이 불충분하기 때문에, 수세로 완전이 제거하기는 어려워 양호한 프로필의 패턴 형성이 어렵고, 또 시간경과에 따른 안정성 면에서도 반드시 만족할 수 있는 것이라고는 말할 수 없고, 또한 도포성이 양호하지 않은 등의 문제가 있어 실용화로 이어지지 않는다.
또한 현재, 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에 피복 재료를 도포할 때, 기포 (발포. 마이크로폼) 발생과 같은 문제가 있고, 이것이 디펙트라고 불리우는 패턴결함의 발생과 관련이 있다는 점에서, 이와 같은 문제점도 아울러 해결할 수 있는 피복용 재료가 요구되고 있다.
또한 일본 공개특허공보 2001-281886호에는 수용성 수지를 함유하는 레지스트패턴 축소화 재료로 이루어지는 산성 피막을 레지스트패턴 표면에 피복한 후, 레지스트패턴 표면층을 알칼리 가용성으로 전환하고, 이어서 이 표면층과 산성 피막을 알칼리성 용액으로 제거하여 레지스트패턴을 축소시키는 방법이 개시되고, 또 일본 공개특허공보 2002-184673호에는 기판 상에 레지스트패턴과, 이 레지스트패턴 상에 수용성 막형성 성분을 함유하는 도막을 형성하고, 이들 레지스트패턴과 도막을 열처리한 후, 테트라메틸암모늄히드록시드 수용액에 침수시키고, 드라이에칭공정을 거치지 않고 미세화 레지스트패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있는데, 이들은 모두 레지스트패턴 자체를 미세화하는 방법으로, 본원 발명과 그 목적이 전혀 다르다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소시키고자 하는 것으로, 발포, 디펙트를 저감화시키고, 레벨링성, 도포성이 우수하며, 양호한 프로필 및 현재의 반도 체 디바이스에서의 요구 특성을 구비한 미세 패턴을 얻을 수 있는 피복형성제 및, 이것을 사용한 미세 패턴 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에 피복되고, 그 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴 간격을 협소하게 한 후, 당해 피복을 실질적으로 완전히 제거하여 미세 패턴을 형성하기 위해 사용되는 피복형성제로서, 수용성 폴리머와 수용성 불소화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 패턴 미세화용 피복형성제를 제공한다.
상기에서 수용성 불소화합물로서 플루오로알킬알콜류 및, 플루오로알킬카르복실산류 중에서 선택되는 적어도 1 종을 사용하는 것이 바람직하다.
또 본 발명은, 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에, 상기 패턴 미세화용 피복형성제를 피복한 후, 열처리에 의해 이 피복형성제를 열수축시키고, 그 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴간의 간격을 협소하게 하고, 이어서 상기 피복형성제를 실질적으로 완전히 제거하는 공정을 포함하는 미세 패턴의 형성방법을 제공한다.
상기에서 열처리를 기판 상의 포토레지스트 패턴에 열유동을 일으키지 않는 온도에서 가열하여 실시하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 대해 상세하게 서술한다.
본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제는 기판 상에 형성된 포토레지스트패턴 (마스크패턴) 사이에 획정된 홀 패턴, 트렌치패턴 등으로 대표되는 패턴을 피복하 기 위한 것으로, 가열에 의한 이 피복형성제의 열수축작용에 의해 포토레지스트패턴을 폭광ㆍ광대시키고, 이로 인해 상기 포토레지스트패턴간에 획정되는 홀 패턴, 트렌치패턴 등의 패턴의 넓이, 폭을 협소하게 한 후, 해당 피복을 실질적으로 완전히 제거하여 미소 패턴을 형성하는 데에 사용되는 것이다.
여기에서,「피복을 실질적으로 완전히 제거하여」란, 이 피복형성제의 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴 간격을 협소하게 한 후, 포토레지스트패턴과의 계면에 이 피복형성제를 유의한 두께분 잔존시키지 않고 모두 완전히 제거한다는 것을 의미하는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 이 피복형성제를 포토레지스트패턴 계면 부근에 일정 두께 잔존시켜 이 잔존 소정 두께분만큼 패턴을 미세화하는 등의 방법은 포함하지 않는다.
이러한 본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제는 수용성 폴리머와 수용성 불소화합물을 함유한다.
상기 수용성 폴리머는 실온에서 물에 용해시킬 수 있는 폴리머이라면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 아크릴계 중합체, 비닐계 중합체, 셀룰로오스계 유도체, 알킬렌글리콜계 중합체, 요소계 중합체, 멜라민계 중합체, 에폭시계 중합체, 아미드계 중합체 등이 바람직하게 사용된다.
아크릴계 중합체로는 예컨대 아크릴산, 아크릴산메틸, 메타크릴산, 메타크릴산메틸, N,N-디메틸아크릴아미드, N,N-디메틸아미노프로필메타크릴아미드, N,N-디메틸아미노프로필아크릴아미드, N-메틸아크릴아미드, 디아세톤아크릴아미드, N,N-디메틸아미노에틸메타크릴레이트, N,N-디에틸아미노에틸메타크릴레이트, N,N-디메 틸아미노에틸아크릴레이트, 아크릴로일모르폴린 등의 단량체를 구성 성분으로 하는 중합체 또는 공중합체를 들 수 있다.
비닐계 중합체로는 예컨대 N-비닐피롤리돈, 비닐이미다졸리디논, 아세트산비닐 등의 단량체를 구성 성분으로 하는 중합체 또는 공중합체를 들 수 있다.
셀룰로오스계 유도체로는 예컨대 히드록시프로필메틸셀룰로오스프탈레이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스아세테이트프탈레이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스헥사히드로프탈레이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스아세테이트숙시네이트, 히드록시프로필메틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 셀룰로오스아세테이트헥사히드로프탈레이트, 카르복시메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다.
알킬렌글리콜계 중합체로는 예컨대 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜 등의 부가 중합체 또는 부가 공중합체 등을 들 수 있다.
요소계 중합체로는 예컨대 메틸롤화 요소, 디메틸롤화 요소, 에틸렌 요소 등을 구성 성분으로 하는 것을 들 수 있다.
멜라민계 중합체로는 예컨대 메톡시메틸화 멜라민, 메톡시메틸화 이소부톡시메틸화 멜라민, 메톡시에틸화 멜라민 등을 구성 성분으로 하는 것을 들 수 있다.
또한, 에폭시계 중합체, 아미드계 중합체 등 중에서 수용성인 것도 사용할 수 있다.
그 중에서도, 알킬렌글리콜계 중합체, 셀룰로오스계 유도체, 비닐계 중합체, 아크릴계 중합체 중에서 선택되는 적어도 1 종을 포함하는 구성으로 하는 것이 바 람직하고, 특히 pH 조정이 용이하다는 점에서 아크릴계 중합체가 가장 바람직하다. 또한, 아크릴계 중합체와, 아크릴계 중합체 이외의 수용성 폴리머와의 공중합체로 하는 것이 가열처리시에 포토레지스트패턴의 형상을 유지하면서, 포토레지스트패턴 간격의 수축효율을 높일 수 있다는 점에서 바람직하다. 수용성 폴리머는 1 종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있다.
수용성 폴리머는 공중합체로 사용한 경우, 구성 성분의 배합비는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 특히 시간경과에 따른 안정성을 중시한다면, 아크릴계 중합체의 배합비를 그 이외의 다른 구성 중합체보다 많게 하는 것이 바람직하다. 또한, 시간경과에 따른 안정성의 향상은 아크릴계 중합체를 상기와 같이 과다하게 배합하는 것 이외에, p-톨루엔술폰산, 도데실벤젠술폰산 등의 산성 화합물을 첨가함으로써 해결할 수도 있다.
상기 수용성 불소화합물로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 수용성 폴리머에 첨가했을 때, 용해성이 높고 현탁을 발생시키지 않으며 폴리머 성분에 대한 상용성이 있는 등의 특성이 필요하다. 이와 같은 특성을 만족시키는 수용성 불소화합물을 사용함으로써 레벨링성 (피복제의 확산정도) 을 향상시킬 수 있다. 단, 이 레벨링성은 계면 활성제의 첨가에 의한 접촉각의 저하에 의해 달성할 수도 있지만, 계면 활성제 첨가량을 과잉량으로 한 경우, 어느 일정 이상의 도포 향상성이 관찰되지 않을 뿐만 아니라, 과잉량으로 도포했을 때, 도포조건에 따라서는 피복막 상에 기포 (마이크로폼) 가 발생하여 디펙트의 원인이 될 수 있다는 문제가 있다. 본 발명에서의 수용성 불소화합물의 첨가는 그와 같은 발포를 억제시키 면서 접촉각을 낮춰 레벨링성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는 향후의 대구경(大口徑) 기판에도 대응할 수 있을 정도로 매우 우수한 레벨링성을 얻을 수 있다.
이러한 수용성 불소화합물로는 플루오로알킬알콜류, 플루오로알킬카르복실산류 등이 바람직하게 사용된다. 플루오로알킬알콜류로는 2-플루오로-1-에탄올, 2,2-디플루오로-1-에탄올, 트리플루오로에탄올, 테트라플루오로프로판올, 옥타플루오로아밀알콜 등이 예시된다. 플루오로알킬카르복실산류로는 트리플루오로아세트산 등이 예시된다. 단, 이들 예시에 한정되는 것은 아니며, 수용성을 갖는 불소화물로서, 본 발명 효과를 나타내는 것이면 한정되지 않는다. 본 발명에서는 특히 탄소원자수 6 이하의 플루오로알킬알콜류가 바람직하게 사용된다. 그 중에서도 입수 용이성 등의 점에서 플루오로에탄올이 특히 바람직하다.
수용성 불소화합물의 배합량은 피복형성제 (고형분) 에 대해 0.1∼30 질량% 정도로 하는 것이 바람직하고, 특히 0.1∼15 질량% 정도로 하는 것이 특히 바람직하다. 상기 배합량 범위 미만에서는, 도포조건에 따라서는 도포성 악화에 기인하는 면내 균일성의 저하에 따른 패턴 수축률의 편차가 발생할 우려가 있다. 또 상기 배합량보다 과잉량 배합한 경우, 배합량에 상응하는 레벨링성의 향상은 기대할 수 없다.
본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제에는 불순물 발생방지, pH 조정 등의 점에서 원하는 바에 따라, 추가로 수용성 아민을 배합해도 된다.
이러한 수용성 아민으로는 25℃ 의 수용액에서의 pKa (산해리 정수) 가 7.5 ∼13 의 아민류를 들 수 있다. 구체적으로는, 예컨대 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 2-(2-아미노에톡시)에탄올, N,N-디메틸에탄올아민, N,N-디에틸에탄올아민, N,N-디부틸에탄올아민, N-메틸에탄올아민, N-에틸에탄올아민, N-부틸에탄올아민, N-메틸디에탄올아민, 모노이소프로판올아민, 디이소프로판올아민, 트리이소프로판올아민 등의 알칸올아민류; 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 프로필렌디아민, N,N-디에틸에틸렌디아민, 1,4-부탄디아민, N-에틸-에틸렌디아민, 1,2-프로판디아민, 1,3-프로판디아민, 1,6-헥산디아민 등의 폴리알킬렌폴리아민류; 트리에틸아민, 2-에틸-헥실아민, 디옥틸아민, 트리부틸아민, 트리프로필아민, 트리알릴아민, 헵틸아민, 시클로헥실아민 등의 지방족 아민; 벤질아민, 디페닐아민 등의 방향족 아민류; 피페라진, N-메틸-피페라진, 히드록시에틸피페라진 등의 환상 아민류 등을 들 수 있다. 그 중에서도 비점 140℃ 이상 (760㎜Hg) 인 것이 바람직하고, 예컨대 모노에탄올아민, 트리에탄올아민 등이 바람직하게 사용된다.
수용성 아민을 배합하는 경우, 피복형성제 (고형분) 에 대해 0.1∼30 질량% 정도의 비율로 배합하는 것이 바람직하고, 특히 2∼15 질량% 정도인 것이 바람직하다. 0.1 질량% 미만에서는 시간경과에 따른 액의 열화가 생길 우려가 있고, 한편 30 질량% 초과에서는 포토레지스트패턴의 형상 악화를 초래할 우려가 있다.
또 본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제에는 패턴 치수의 미세화, 디펙트의 발생억제 등의 점에서 원하는 바에 따라, 추가로 비아민계 수용성 유기용매를 배합해도 된다.
이러한 비아민계 수용성 유기용매로는 물과 혼화성이 있는 비아민계 유기용매가면 되고, 예컨대 디메틸술폭사이드 등의 술폭사이드류; 디메틸술폰, 디에틸술폰, 비스(2-히드록시에틸)술폰, 테트라메틸렌술폰 등의 술폰류; N,N-디메틸포름아미드, N-메틸포름아미드, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸아세트아미드, N,N-디에틸아세트아미드 등의 아미드류; N-메틸-2-피롤리돈, N-에틸-2-피롤리돈, N-프로필-2-피롤리돈, N-히드록시메틸-2-피롤리돈, N-히드록시에틸-2-피롤리돈 등의 락탐류; 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, 1,3-디에틸-2-이미다졸리디논, 1,3-디이소프로필-2-이미다졸리디논 등의 이미다졸리디논류; 에틸렌글리콜, 에틸렌글리콜모노메틸에테르, 에틸렌글리콜모노에틸에테르, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 에틸렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 에틸렌글리콜모노에틸에테르아세테이트, 디에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜모노에틸에테르, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 글리세린, 1,2-부틸렌글리콜, 1,3-부틸렌글리콜, 2,3-부틸렌글리콜 등의 다가 알콜류 및 그 유도체를 들 수 있다. 그 중에서도, 패턴 치수의 미세화, 디펙트발생 억제의 점에서 다가 알콜류 및 그 유도체가 바람직하고, 특히 글리세린이 바람직하게 사용된다. 비아민계 수용성 유기용매는 1 종 또는 2 종 이상을 사용할 수 있다.
비아민계 수용성 유기용매를 배합하는 경우, 수용성 폴리머에 대해 0.1∼30 질량% 정도의 비율로 배합하는 것이 바람직하고, 특히 0.5∼15 질량% 정도인 것이 바람직하다. 상기 배합량이 0.1 질량% 미만에서는 디펙트 저감효과가 저하되기 쉽고, 한편 30 질량% 초과에서는 포토레지스트패턴과의 사이에서 믹싱층을 형성하 기 쉬워져 바람직하지 않다.
피복형성제에는 또한 도포 균일성, 면내 균일성 등의 점에서 원하는 바에 따라 계면 활성제를 배합할 수 있는데, 본 발명에서는 그 첨가량은 피복형성제 (고형분) 에 대해 10 질량% 정도 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
계면 활성제로는 N-알킬피롤리돈계 계면 활성제, 제4급 암모늄염계 계면 활성제 및, 폴리옥시에틸렌의 인산에스테르계 계면 활성제 등을 들 수 있다.
N-알킬피롤리돈계 계면 활성제로는 하기 화학식 1
Figure 112003022217517-pat00001
(식 중, R1 은 탄소원자수 6 이상인 알킬기를 나타냄)
로 표시되는 것이 바람직하다.
이러한 N-알킬피롤리돈계 계면 활성제로서 구체적으로는 N-헥실-2-피롤리돈, N-헵틸-2-피롤리돈, N-옥틸-2-피롤리돈, N-노닐-2-피롤리돈, N-데실-2-피롤리돈, N-운데실-2-피롤리돈, N-도데실-2-피롤리돈, N-트리데실-2-피롤리돈, N-테트라데실-2-피롤리돈, N-헵타데실-2-피롤리돈, N-헥사데실-2-피롤리돈, N-헵타데실-2-피롤리돈, N-옥타데실-2-피롤리돈 등을 들 수 있다. 그 중에서도 N-옥틸-2-피롤리돈 (「SURFADONE LP100」; ISP 사 제조) 이 바람직하게 사용된다.
제4급 암모늄계 계면 활성제로는 하기 화학식 2
Figure 112003022217517-pat00002
[식 중, R2, R3, R4, R5 는 각각 독립적으로 알킬기 또는 히드록시알킬기를 나타내고 (단, 그 중 적어도 하나는 탄소원자수 6 이상의 알킬기 또는 히드록시알킬기를 나타냄); X- 는 수산화물 이온 또는 할로겐 이온을 나타냄]
로 표시되는 것이 바람직하다.
이러한 제4급 암모늄계 계면 활성제로서 구체적으로는 도데실트리메틸암모늄히드록시드, 트리데실트리메틸암모늄히드록시드, 테트라데실트리메틸암모늄히드록시드, 펜타데실트리메틸암모늄히드록시드, 헥사데실트리메틸암모늄히드록시드, 헵타데실트리메틸암모늄히드록시드, 옥타데실트리메틸암모늄히드록시드 등을 들 수 있다. 그 중에서도 헥사데실트리메틸암모늄히드록시드가 바람직하게 사용된다.
폴리옥시에틸렌의 인산에스테르계 계면 활성제로는 하기 화학식 3
Figure 112003022217517-pat00003
(식 중, R6 은 탄소원자수 1∼10 의 알킬기 또는 알킬알릴기를 나타내고; R7 은 수소원자 또는 (CH2CH2O)R6 (여기에서, R6 은 상기에서 정의한 바와 같음) 을 나타내고; n 은 1∼20 의 정수를 나타냄)
으로 표시되는 것이 바람직하다.
이러한 폴리옥시에틸렌의 인산에스테르계 계면 활성제로는 구체적으로는「프라이서프A212E」,「프라이서프A210G」(이상, 모두 다이이치공업제약 (주) 제조) 등으로 시판되고 있는 것을 바람직하게 사용할 수 있다.
본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제는 3∼50 질량% 농도의 수용액으로 사용하는 것이 바람직하고, 5∼30 질량% 농도의 수용액으로 사용하는 것이 특히 바람직하다. 농도가 3 질량% 미만에서는 기판에 대한 피복불량이 될 우려가 있고, 한편 50 질량% 초과에서는 농도를 높인 것에 상응한 효과의 향상이 나타나지 않고 취급성의 점에서도 바람직하지 않다.
또한, 본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제는 상기한 바와 같이 용매로서 물을 사용한 수용액으로 통상 사용되지만, 물과 알콜계 용매와의 혼합 용매를 사용할 수도 있다. 알콜계 용매로는, 예컨대 메틸알콜, 에틸알콜, 프로필알콜, 이소프로필알콜 등의 1 가 알콜 등을 들 수 있다. 이들 알콜계 용매는 물에 대해 30 질량% 정도를 상한으로 혼합하여 사용된다.
본 발명의 패턴 미세화용 피복형성제는 포토레지스트 재료가 갖는 해상도의 한계를 초과할 정도로 해상성을 향상시키는 효과를 나타내고, 또 기판 면내에서의 패턴 편차를 시정하여 면내 균일성을 얻을 수 있고, 또한 형광광의 기판으로부터의 반사광 등에 기인하는 패턴형상의 흐트러짐 (러프니스) 을 시정하여 프로필의 양호한 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 디펙트발생을 억제할 수 있는 효과를 나타낸다.
본 발명에 관련되는 미세 패턴 형성방법은, 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에, 상기 패턴 미세화용 피복형성제를 피복한 후, 열처리에 의해 이 피복형성제를 열수축시키고, 그 열수축작용에 의해 포토레지스트패턴간의 간격을 협소하게 하고, 이어서 상기 피복형성제를 실질적으로 완전히 제거하는 공정을 포함한다.
포토레지스트패턴을 갖는 기판의 제작은 특별히 한정되는 것은 아니며, 반도체 디바이스, 액정표시소자, 자기헤드 또는 마이크로렌즈 등의 제조에서 사용되는 통상적인 방법에 의해 실시할 수 있다. 예컨대. 실리콘웨이퍼 등의 기판 상에 화학증폭형 등의 포토레지스트용 조성물을 스피너 등으로 도포, 건조시켜 포토레지스트층을 형성한 후, 축소 투영노광장치 등에 의해 자외선, deep-UV, 엑시머레이저광 등의 활성 광선을 원하는 마스크패턴을 통하여 조사하거나, 또는 전자선에 의해 묘화한 후, 가열하고, 이어서 이것을 현상액, 예컨대 1∼10 질량% 테트라메틸암모늄히드록시드 (TMAH) 수용액 등의 알칼리성 수용액 등을 사용하여 현상처리함으로써 기판 상에 포토레지스트패턴을 형성할 수 있다.
또한 포토레지스트패턴의 재료가 되는 포토레지스트용 조성물로는 특별히 한정되는 것은 아니며, i, g 선용 포토레지스트 조성물, KrF, ArF, F2 등의 엑시머레이저용 포토레지스트 조성물, 나아가서는 EB (전자선) 용 포토레지스트 조성물 등, 널리 일반적으로 사용되는 포토레지스트 조성물을 사용할 수 있다.
a. 피복형성제 도포공정
이어서, 이와 같은 마스크패턴으로서의 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상의 전 면에 걸쳐 패턴 미세화용 피복형성제를 도포하여 피복한다. 또한, 피복형성제를 도포한 후에, 80∼100℃ 의 온도에서 30∼90 초 동안, 기판에 프리베이킹을 실시해도 된다.
피복방법은 종래의 열플로우 프로세스에서 통상 실시되던 방법에 따라 실시할 수 있다. 즉, 바코팅법, 롤코팅법, 스피너를 사용한 회전도포방법 등 공지된 도포수단에 의해 상기 패턴 미세화용 피복형성제의 수용액을 기판 상에 도포한다.
b. 열처리 (열수축) 공정
이어서, 열처리를 실시하여 피복형성제로 이루어지는 도막을 열수축시킨다. 이 도막의 열수축력의 영향을 받아, 이 도막에 접하는 포토레지스트패턴의 치수가 도막의 열수축 상당분 커지고, 포토레지스트패턴이 폭넓고 광대해져 포토레지스트패턴간의 간격이 좁아진다. 이 포토레지스트패턴간의 간격은, 즉 최종적으로 얻어지는 패턴의 직경이나 폭을 규정하기 때문에, 이로 인해 홀 패턴의 직경이나 트렌치패턴의 폭을 협소화, 폭협화(幅狹化)시킬 수 있어 패턴을 미세화할 수 있다.
가열온도는 피복형성제로 이루어지는 도막의 열수축을 일으킬 수 있는 온도이며, 패턴의 미세화를 실시하기에 충분한 온도이면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 포토레지스트패턴에 열유동을 일으키지 않는 온도에서 가열하는 것이 바람직하 다. 포토레지스트패턴에 열유동을 일으키지 않는 온도란, 피복형성제로 이루어지는 도막이 형성되지 않고, 포토레지스트패턴만을 형성한 기판을 가열한 경우, 이 포토레지스트패턴의 치수를 변화시키지 않는 온도를 말한다. 이와 같은 온도에서의 가열처리에 의해 프로필의 양호한 미세 패턴의 형성을 더 한층 효과적으로 실시할 수 있고, 또 특히 웨이퍼 면내에서의 듀티 (Duty) 비, 즉 웨이퍼 면내에서의 패턴 간격에 대한 의존성을 작게 할 수 있는 점 등에서 매우 효과적이다. 현재의 포토리소그래피 기술에서 사용되는 다양한 포토레지스트 조성물의 연화점을 고려하면, 바람직한 가열처리는 통상 80∼160℃ 정도의 온도범위에서, 단 포토레지스트가 열유동을 일으키지 않는 온도에서 30∼90 초 정도 실시된다.
또, 패턴 미세화용 피복형성제로 이루어지는 도막의 두께로는 포토레지스트패턴의 높이와 동일한 정도 또는 그것을 덮을 정도의 높이가 바람직하다.
c. 피복형성제 제거공정
이 후, 패턴 상에 잔류하는 피복형성제로 이루어지는 도막은 수계(水系) 용제, 바람직하게는 순수에 의해 10∼60 초 동안 세정함으로써 제거된다. 또한, 수세 제거에 앞서, 원하는 바에 따라 알칼리 수용액 (예컨대, 테트라메틸암모늄히드록시드 (TMAH), 콜린 등) 으로 린스처리해도 된다. 본 발명에 관련되는 피복형성제는 물에 의한 세정제거가 용이하며, 또한 기판 및 포토레지스트패턴으로부터 완전히 제거할 수 있다.
그리고 기판 상에 폭광ㆍ광대해진 포토레지스트패턴 사이에 획정된, 미소화된 패턴을 갖는 기판을 얻을 수 있다.
본 발명에 의해 얻어지는 미세 패턴은 지금까지의 방법에 의해 얻어지는 해상 한계보다 더 미세한 패턴사이즈를 갖는 동시에, 양호한 프로필을 갖고, 소요 요구 특성을 충분히 만족시킬 수 있는 물성을 구비한 것이다.
또한, 상기 a.∼c. 공정을 복수회 반복 실시해도 된다. 이와 같이 a.∼c. 공정을 복수회 반복함으로써 포토레지스트패턴 (마스크패턴) 을 서서히 폭광ㆍ광대로 할 수 있다. 또 피복형성제로서 수용성 폴리머, 수용성 불소화합물을 함유한 것을 사용함으써, 복수회의 수세 제거작업에서도 그때마다 완전하게 피복형성제를 제거할 수 있기 때문에, 두꺼운 막의 포토레지스트패턴을 갖는 기판을 사용한 경우라도 패턴 일그러짐이나 변형을 초래하지 않고 양호한 프로필의 미세 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명이 적용되는 기술분야로는 반도체분야에 한정되지 않고, 널리 액정표시소자, 자기헤드 제조, 나아가서는 마이크로렌즈 제조 등에 사용할 수 있다.
[실시예]
다음에, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 예에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다. 또한 배합량은 특별한 기재가 없는 한 질량% 이다.
실시예 1
기판 상에 포지티브형 포토레지스트인「TDUR-P036PM」(도오꾜오까고오교 (주) 제조) 을 회전 도포하고, 80℃ 에서 90 초 동안 베이킹처리하여 막두께 0.48㎛ 의 포토레지스트층을 형성하였다.
이 포토레지스트층에 대해 KrF 엑시머레이저 노광장치 (「FPA-3000 EX3」; 캐논 (주) 제조) 를 사용하여 노광처리하고, 120℃ 에서 90 초 동안 가열처리를 실시하고, 2.38 질량% TMAH (테트라메틸암모늄히드록시드) 수용액을 사용하고 현상처리하여 포토레지스트패턴을 형성하였다. 이 포토레지스트패턴의 형성에 의해 직경 180㎚ (즉, 포토레지스트패턴이 이루는 간격이 180㎚. 초기 홀 치수) 의 홀 패턴을 형성하였다.
이어서, 이 홀 패턴 상에 표 1 에 나타내는 조성의 피복형성제를 도포하고 116℃ 에서 60 초 동안 가열처리하였다. 계속해서 23℃ 에서 순수를 사용하여 피복형성제를 제거하였다. 이 때 홀 패턴의 직경을 각각 측정하였다. 또 하기 평가기준에 의해 소포 (消泡) 상황, 디펙트, 레벨링성을 평가하였다.
[소포상황]
피복형성제의 수용액을 30cc 의 샘플병에 넣고, 이 샘플병을 10 초 정도 손으로 흔든 후, 정치하여 그 소포상황을 육안으로 관찰하고, 하기 평가기준에 의해 평가하였다.
(평가기준)
A: 10 분간 경과후에 완전히 소포되었음.
B: 2 시간 경과후에 완전히 소포되었음.
C: 24 시간 경과후에도 소포되지 않았음.
[디펙트]
홀 패턴을 형성한 기판의 디펙트 상황을 KLA (KLA 텐콜사 제조) 에 의해 관 찰하고, 하기 평가기준에 의해 평가하였다.
(평가기준)
A: 디펙트의 발생은 관찰되지 않았음.
B: 디펙트가 약간 발생했지만, 프로세스 개선으로 충분히 대응할 수 있는 것이었음.
C: 디펙트의 발생이 관찰되어 디바이스 제조에 지장을 초래하는 것이었음.
[레벨링성]
레벨링성 (피복형성제의 확산정도) 에 대해 SEM (주사형 전자현미경) 으로써 하기 평가기준에 의해 평가하였다.
(평가기준)
S: 장래적인 기판의 대구경화에도 충분히 대응할 수 있을 정도로 레벨링성이 우수한 것이었음.
A: 현재의 기판사이즈에서는 대응할 수 있는 레벨링성이었지만, 향후의 대구경화 기판에서는 추가로 프로세스 개선이 필요해질 가능성이 높음.
피복형성제(질량%)
수용성 폴리머 수용성 불소화합물 수용성 아민 비아민계 수용성 유기용매 계면 활성제 물
실시예1 PAA＋PVP (2:1) (6.93) 트리플루오로에탄올(CF3CH2OH) (1.0) - - 「프라이서프 A210G」 (0.07) (잔부)
실시예2 PAA＋PVP (2:1) (6.36) 트리플루오로에탄올(CF3CH2OH) (1.0) N(CH2CH2OH)3 트리에탄올아민 (0.57) - 「프라이서프 A210G」 (0.07) (잔부)
실시예3 PAA＋PVP (2:1) (6.19) 트리플루오로에탄올(CF3CH2OH) (1.0) N(CH2CH2OH)3 트리에탄올아민 (0.56) 글리세린 (0.19) 「프라이서프 A210G」 (0.06) (잔부)
비교예1 PAA＋PVP (2:1) (6.36) - - - 「프라이서프 A210G」 (0.07) (잔부)
비교예2 PAA＋PVP (2:1) (6.19) - - 글리세린 (0.19) 「프라이서프 A210G」 (0.06) (잔부)
비교예3 PAA＋PVP (2:1) (6.30) - - - 「프라이서프 A210G」 (0.70) (잔부)
표 1 중, PAA＋PVP (2:1) 는 아크릴산과 비닐피롤리돈의 코폴리머 (아크릴산:비닐피롤리돈=2:1 (중합비)) 를 나타낸다. 「프라이서프A210G」(다이이치공업제약 (주)) 는 폴리옥시에틸렌의 인산에스테르계 계면 활성제이다.
초기 홀 치수(㎚) 처리후 홀 치수(㎚) 소포상황 디펙트 레벨링성
실시예1 180.0 160.5 A A S
실시예2 180.0 160.3 A A S
실시예3 180.0 157.5 A A S
비교예1 180.0 160.1 B B A
비교예2 180.0 157.3 B B A
비교예3 180.0 160.7 C C A
이상 상세하게 서술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 포토레지스트패턴 (마스크패턴) 을 갖는 기판 상에 피복형성제 (도막) 를 형성하고, 이것을 열처리하여 포 토레지스트패턴 간격을 좁히고, 이어서 상기 도막을 제거하는 미세 패턴의 형성방법을 이용한 기술에서 발포, 디펙트의 발생을 방지하고, 도포성도 우수하며, 또한 양호한 프로필 및 반도체 디바이스에서의 요구 특성을 구비한 미세 패턴을 얻을 수 있다. 본 발명의 피복형성제는 향후의 대구경 기판에도 충분히 대응할 수 있을 정도로 매우 우수한 레벨링성을 갖는다.

Claims (9)

  1. 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에 피복되고, 그 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴 간격을 협소하게 한 후, 당해 피복을 실질적으로 완전히 제거하여 미세 패턴을 형성하기 위해 사용되는 피복형성제로서, 수용성 폴리머와 수용성 불소화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 패턴 미세화용 피복형성제.
  2. 제 1 항에 있어서, 수용성 불소화합물이 플루오로알킬알콜류 및, 플루오로알킬카르복실산류 중에서 선택되는 1 종 이상인 패턴 미세화용 피복형성제.
  3. 제 1 항에 있어서, 수용성 불소화합물이 탄소원자수 6 이하의 플루오로알킬알콜류 중에서 선택되는 1 종 이상인 패턴 미세화용 피복형성제.
  4. 제 1 항에 있어서, 수용성 불소화합물을 피복형성제 (고형분) 중에 0.1∼30 질량% 함유하는 패턴 미세화용 피복형성제.
  5. 제 1 항에 있어서, 수용성 폴리머가 알킬렌글리콜계 중합체, 셀룰로오스계 유도체, 비닐계 중합체, 아크릴계 중합체, 요소계 중합체, 에폭시계 중합체, 멜라민계 중합체 및 아미드계 중합체 중에서 선택되는 1 종 이상인 패턴 미세화용 피복형성제.
  6. 제 1 항에 있어서, 수용성 폴리머가 알킬렌글리콜계 중합체, 셀룰로오스계 유도체, 비닐계 중합체 및 아크릴계 중합체에서 선택되는 1 종 이상인 패턴 미세화용 피복형성제.
  7. 제 1 항에 있어서, 피복형성제가 농도 3∼50 질량% 의 수용액인 패턴 미세화용 피복형성제.
  8. 포토레지스트패턴을 갖는 기판 상에, 제 1 항에 기재된 패턴 미세화용 피복형성제를 피복한 후, 열처리에 의해 이 피복형성제를 열수축시키고, 그 열수축작용을 이용하여 포토레지스트패턴간의 간격을 협소하게 하고, 이어서 상기 피복형성제를 실질적으로 완전히 제거하는 공정을 포함하는 미세 패턴의 형성방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 열처리를, 기판 상의 포토레지스트패턴에 열유동을 일으키지 않는 온도에서 가열하여 실시하는 미세 패턴의 형성방법.
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