KR100939157B1 - 이머젼 리소그라피를 이용한 반도체 소자 제조방법 - Google Patents

이머젼 리소그라피를 이용한 반도체 소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이머젼 리소그라피를 이용한 반도체 소자 제조방법에 관한 것으로, 반도체 웨이퍼 상의 피식각층 상부에 레지스트막을 형성하는 단계와, 상기 레지스트막 상부에 오버 코팅막 조성물을 스핀 코팅한 후 베이크하여 오버 코팅막을 형성하는 단계와, 상기 오버 코팅막 상부에 수산화나트륨 (NaOH) 또는 수산화암모늄 (NH4OH) 용액을 스핀 코팅하는 단계와, 이머젼 리소그라피용 노광 장비를 이용하여 노광 공정을 수행하는 단계와, 상기 결과물을 노광 후 베이크하는 단계와, 상기 결과물을 현상하여 원하는 패턴을 얻는 단계를 포함한다.

Description

이머젼 리소그라피를 이용한 반도체 소자 제조방법{Fabricating Method of Semiconductor Device Using Immersion Lithography}
도 1a 내지 도 1c 는 종래 기술에 따른 이머젼 리소그라피에서 발생하는 디펙트를 도시하는 SEM 사진.
도 2 는 종래 기술에 따른 이머젼 리소그라피에서 발생하는 워터 마크 디펙트 맵 (map).
도 3a 내지 도 3c 는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조방법을 도시하는 공정 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 이머젼 리소그라피 노광 공정시 물과 알코올의 결합으로 형성되는 클러스터를 도시하는 개략도.
도 5 는 본 발명에 따른 이머젼 리소그라피에서 발생하는 워터 마크 디펙트 맵.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 반도체 웨이퍼 12 : 하부 반사방지막
14 : 레지스트막 16 : 오버 코팅막
18 : 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액
20 : 물과 알코올의 클러스터층 100 : 노광 렌즈
200 : 물
본 발명은 이머젼 리소그라피를 이용한 반도체 소자 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이머젼 리소그라피 공정시 발생하는 워터 마크 등의 디펙트를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 제조방법에 관한 것이다.
현재 반도체 디자인 패턴이 계속 축소되고 있고, 이에 따라 렌즈의 개구수 (Numerical Aperture)를 1.0 이상으로 사용할 수 있는 이머젼 리소그라피 (immersion lithography)가 60㎚ 이하의 패턴을 정의할 수 있는 수단으로 대두되었지만, 상기 이머젼 리소그라피 공정시 버블 (bubble)이나 워터 마크 (water mark)와 같은 디펙트가 발생하는 등 많은 취약점을 보여왔다 (도 1a 내지 도 1c 참조).
구체적으로, 도 1a 는 종래의 이머젼 리소그라피에서의 버블에 의해 나타나는 디펙트를, 도 1b 는 종래의 이머젼 리소그라피에서의 워터 마크에 의해 나타나는 디펙트를, 도 1c 는 종래의 이머젼 리소그라피에서의 블리스터 (blister) 디펙트를 도시한다. 또한, 도 2 는 종래 기술에 따른 이머젼 리소그라피 공정 수행 결과 나타나는 웨이퍼 상의 워터 마크 디펙트 맵이다.
상기의 디펙트들은 곧바로 패터닝 불량으로 연결되어 반도체 다이의 수율에 직접적인 영향을 미치고 있기 때문에, 이러한 디펙트를 감소시키기 위해 레지스트막 상부에 오버 코팅막을 사용하여 보완하려 했으나, 레지스트막과 오버 코팅막 사 이에 공기가 들어가 디펙트가 발생할 뿐만 아니라, 레지스트막과 오버 코팅막간의 상호 호환성이 좋지 않아 발생하는 디펙트가 다른 디펙트의 소스로서 작용하는 문제점이 있다.
또한 노광 공정 전후에 계면활성제를 이용하는 세정 공정인 프리 소우크 (presoak) 공정 또는 포스트 소우크 (postsoak) 공정을 수행하였으나, 이것들 또한 디펙트의 원인이 되었다.
본 발명은 상기와 같이 이머젼 리소그라피 공정시 버블, 워터 마크, 블리스터 등의 디펙트 현상이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 레지스트막 상부의 오버 코팅막에서의 에스테르화 반응을 이용해 디펙트를 감소시킬 수 있는 반도체 소자 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 하기의 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법을 제공한다:
반도체 웨이퍼 상의 피식각층 상부에 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 레지스트막 상부에 오버 코팅막 조성물을 코팅하여 오버 코팅막을 형성하는 단계;
상기 오버 코팅막 상부에 수산화나트륨 (NaOH) 또는 수산화암모늄 (NH4OH) 용액을 코팅하는 단계; 및
이머젼 리소그라피 공정을 수행하여 원하는 패턴을 형성하는 단계.
상기 본 발명에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는 이머젼 리소그라피용 노광 장비를 이용하여 노광 공정을 수행하고 베이크한 다음, 노광된 부분을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오버 코팅막 조성물은 비닐렌을 백본으로 하고, 비닐렌 백본에 에스테르기 (-COO-) 가 측쇄 결합되어 있는 중합체를 포함하고, 상기 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액의 사용량은 상기 중합체 1 M(mol/ℓ)에 대해 0.0001 내지 0.01 M 인 것을 특징으로 한다.
일반적으로 이머젼 리소그라피에 의해 발생하는 디펙트는 워터 마크, 버블, 블리스터 또는 브릿지 (bridge) 등으로 구분할 수 있다. 이 중 워터 마크는 레지스트막 상부 반사방지막의 소수성 (hydrophobicity)이 높아질수록 감소하고, 버블은 반사방지막의 친수성 (hydrophilicity)이 높아질수록 감소한다.
특히, 본 발명에서는 노광시 오버코팅막 표면이 이머젼 리소그라피 유체, 예컨대 물과 직접 닿게 되므로 오버코팅막 표면의 소수성을 높이기 위하여, 오버 코팅막의 에스테르기와 NaOH 또는 NH4OH 의 에스테르화 반응을 이용한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 3a 내지 도 3c 는 본 발명에 따른 반도체 소자 제조방법을 도시하는 공정 단면도이다.
도 3a 를 참조하면, 반도체 웨이퍼(10) 상의 피식각층(미도시) 상부에 하부 반사방지막(12)을 형성한 다음, 하부 반사방지막(12) 상부에 포토레지스트를 도포한 후 베이크 하여 레지스트막(14)을 형성한다.
상기 하부 반사방지막(12)은 동진 케미컬사의 A25 Model을 사용하여 형성하고, 상기 레지스트막(14)을 형성하는 포토레지스트로는 JSR 사의 AIM5076 Model을 사용한다.
다음, 레지스트막(14) 상부에 오버 코팅막 조성물을 스핀 코팅한 후 베이크하여 오버 코팅막(16)을 형성한다.
상기 오버 코팅막 조성물에 포함되는 중합체는 비닐렌을 백본으로 하고, 비닐렌 백본에 에스테르기 (-COO-) 가 측쇄 결합된 구조로 되어 있다.
구체적으로, 상기 오버 코팅막 조성물에 포함되는 중합체는 하기 화학식 1 의 반복 단위를 포함한다:
[화학식 1]
Figure 112006089493733-pat00001
상기 식에서,
R1 및 R2 는 수소 또는 메틸이고,
R3 은 탄소수 1 내지 10의 주쇄 혹은 측쇄 치환된 알킬이며,
a : b 의 상대비는 2∼20몰% : 80∼98몰%이다.
상기 화학식 1 의 반복단위의 바람직한 예로는 폴리(아크릴산/메틸아크릴레이트) 또는 폴리(아크릴산/메틸메트아크릴레이트)를 들 수 있다.
도 3b 를 참조하면, 오버 코팅막(16) 상부에 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액(18)을 스핀 코팅한다. 이때 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액(18)은 오버 코팅막(16)에 포함되는 중합체 1 M(mol/ℓ)에 대해 0.0001 내지 0.01 M, 바람직하게는 0.001 M 사용한다.
도 3c 를 참조하면, 노광 렌즈(100)와 반도체 웨이퍼(10) 사이에 노광 빔의 매체로서 이머젼 리소그라피 유체, 예컨대 물(200)이 사용되는 이머젼 리소그라피 노광 공정을 수행한다. 그 결과, 오버 코팅막(16) 상부에는 물과 알코올의 클러스터층(20)이 형성된다.
구체적으로, 통상의 상부 반사방지막 중합체에 에스테르기가 결합한 경우에 대하여 오버 코팅막(16) 상부에는 하기와 같은 에스테르화 반응이 일어난다.
Figure 112006089493733-pat00002
즉, 물(200)과 오버 코팅막(16)의 접촉에 의해 에스테르화 반응이 일어남으로써, 오버 코팅막(16)의 표면에 생성된 알코올 (ROH)과 물(200)이 만나 분자 수준 에서 클러스터를 형성하는 것이다 (도 4 참조).
이때, 노광시 생긴 열에너지로 인해 에스테르화 반응은 더욱 잘 일어나고, 오버 코팅막(16) 표면의 엔트로피가 높아지게 되어 클러스터의 생성 속도는 더욱 빨라지게 된다. 이러한 클러스터로 인하여 물(200)이 오버 코팅막(16)에 스며드는 것을 방지하여 블리스터 디펙트를 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기 노광 공정에 의해 레지스트막(14)에는 노광 영역 및 비노광 영역을 형성된다. 이때, 레지스트막(14)이 화학 증폭형 감광제에 의해 형성된 경우 상기 감광제 내의 산 발생제에 의해 노광 영역에서는 산이 발생한다.
다음, 상기 결과물을 베이크한다. 그 결과, 상기 노광 공정시 노광 영역에 발생한 산에 의해 상기 감광제 내의 고분자에 붙어 있는 탈보호기가 탈리됨으로써 노광 영역은 후술하는 현상액에 용해되는 성질로 전환된다.
다음, TMAH 2.38 wt% 수용액 등의 현상액을 이용하여 상기 노광 영역을 선택적으로 제거함으로써 원하는 패턴을 얻는다.
여기서, "선택적"이라 함은 레지스트막(14)이 포지티브 포토레지스트에 의해 형성된 경우에 노광 영역만이 상기 현상액에 용해됨을 의미한다. 만약, 레지스트막(14)이 네가티브 포토레지스트에 의해 형성된 경우라면 비노광 영역만이 상기 현상액에 용해된다.
아울러, 전술한 바와 같이 오버 코팅막(16)의 에스테르기와 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액(18)의 에스테르화 반응에 의해 생성되는 알코올과 물(200)이 형성하는 클러스터로 인하여 물(200)이 오버 코팅막(16)이 스며드는 것을 방지하여 블리스터 디펙트를 줄일 수 있게 된다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 별도의 계면활성제를 사용하지 않아도 되고, 프리 소우크 공정 및 포스트 소우크 공정을 수행하지 않아도 되므로, 공정 단순화를 가져와 효율을 극대화할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 이머젼 리소그라피에서 발생하는 워터 마크 디펙트 맵으로, 본 발명에서 레지스트막(14) 상부의 오버 코팅막(16)에서의 에스테르화 반응을 이용함으로써, 이머젼 리소그라피 공정 수행 결과, 웨이퍼(10) 상에서의 워터 마크가 상당히 감소하였음을 나타낸다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 및 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 이머젼 리소그라피 공정을 수행하여 반도체 소자를 제조함에 있어, 레지스트막 상부의 오버 코팅막을 형성하는 에스테르기와 수산화나트륨 또는 수산화암모늄과의 에스테르화 반응을 통하여 오버 코팅막 상부에 일시적으로 알코올을 발생시켜, 이머젼 리소그라피에서 발생하는 워터 마크, 버블 또는 블리스터 등에 의한 디펙트를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 별도의 프리 소우크 공정 또는 포스트 소우크 공정을 수행하지 않아도 되기 때문에 공정 단순화를 가져와 효율을 극대화시킬 수 있고, 결과적으로 반도체 소자의 수율 을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 반도체 웨이퍼 상의 피식각층 상부에 레지스트막을 형성하는 단계;
    상기 레지스트막 상부에 비닐렌을 백본으로 하고, 비닐렌 백본에 에스테르기 (-COO-) 가 측쇄 결합되어 있는 중합체를 포함하는 오버 코팅막 조성물을 코팅하여 오버 코팅막을 형성하는 단계;
    상기 오버 코팅막 상부에 수산화나트륨 (NaOH) 또는 수산화암모늄 (NH4OH) 용액을 코팅하는 단계; 및
    이머젼 리소그라피 공정을 수행하여 원하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 단계는
    이머젼 리소그라피용 노광 장비를 이용하여 노광 공정을 수행하고 베이크한 다음, 노광된 부분을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체는 하기 화학식 1 의 반복 단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112009041013710-pat00003
    상기 식에서,
    R1 및 R2 는 수소 또는 메틸이고,
    R3 은 탄소수 1 내지 10의 주쇄 혹은 측쇄 치환된 알킬이며,
    a : b 의 상대비는 2∼20몰% : 80∼98몰%이다.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화학식 1 의 반복 단위는 폴리(아크릴산/메틸아크릴레이트) 또는 폴리(아크릴산/메틸메트아크릴레이트)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수산화나트륨 또는 수산화암모늄 용액의 사용량은 상기 중합체 1 M(mol/ℓ)에 대해 0.0001 내지 0.01 M 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005099648A (ja) * 2003-08-25 2005-04-14 Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd 液浸露光プロセス用レジスト保護膜形成用材料、該保護膜形成材料からなるレジスト保護膜、および該レジスト保護膜を用いたレジストパターン形成方法
KR20060052062A (ko) * 2004-10-30 2006-05-19 주식회사 케맥스 포토리소그래피를 위한 오버코팅용 조성물과 그 제조방법및 이를 이용한 반도체장치 제조방법

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