KR100944336B1 - 반도체 소자의 미세패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 미세 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성한 후 패턴 형성용 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 2) 상기 제1 포토레지스트 패턴을 노광 마스크를 제거한 상태에서 전면 노광한 후 베이크 하는 단계; 및 3) 상기 제1 포토레지스트 패턴에 레지스트를 플로우 공정을 적용하여 제2 포토레지스트 패턴을 얻는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법을 이용하면 포토레지스트 막의 물성을 개선시켜 플로우 공정시 웨이퍼 상의 위치에 관계없이 패턴이 플로우되는 정도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있다.

콘택홀, 레지스트, 플로우

Description

반도체 소자의 미세패턴 형성 방법{Method of Forming Fine Pattern of Semiconductor Device}

도 1은 레지스트 패턴 플로우(flow) 전후의 콘택홀의 크기 변화를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 노광장비의 해상 한계를 넘어 미세 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로 노광장비의 해상 한계를 넘어서 콘택홀을 형성하기 위해서는 콘택홀 패턴 형성 후 포토레지스트의 유리전이 온도 이상으로 가열하여 패턴에 플로우가 일어나게 함으로써 본래보다 작은 크기의 콘택홀을 형성하게 된다. 그러나, 이 방법을 사용할 경우 웨이퍼 중앙 부분의 콘택홀 크기가 다른 부분에 비해 상대적으로 작아지게 되는 경우가 발생하게 된다. 이렇게 중앙 부분의 콘택홀 크기가 다른 부분보다 작아지게 되면 결국 소자의 수율이 낮아져서 생산 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 반도체 소자 제조 방법상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 노광 장비의 해상 한계 이하의 미세 패턴 형성을 형성하기 위해 패턴을 플로우시킬 때 베이크 공정 이전에 DUV (deep ultraviolet)로 노광하는 단계를 추가로 실시함으로써 웨이퍼 중앙 부분의 패턴 크기가 다른 부분에 비해 작아지는 현상을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

1) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성한 후 패턴 형성용 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

2) 상기 제1 포토레지스트 패턴을 노광 마스크를 제거한 상태에서 전면 노광한 후 베이크 하는 단계; 및

3) 상기 제1 포토레지스트 패턴에 레지스트를 플로우 공정을 적용하여 제2 포토레지스트 패턴을 얻는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공한다.

상기에서, 단계 (2)의 노광원으로는 400 nm 이하의 파장을 가지는 모든 광원, 구체적으로는 ArF (193 nm), KrF (248 nm), EUV (Extreme Ultra Violet), VUV (Vacuum Ultra Violet, 157 nm), E-빔, X-선 및 이온빔으로 구성된 군으로부터 선택되는 광원이 사용될 수 있으며, 1 내지 100 mJ/㎠의 노광에너지로 수행되는 것이 바람직하다. 이중에서 노광원으로는 ArF, KrF 또는 VUV를 사용하는 것이 바람직하 고, ArF를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 1차 베이크는 포토레지스트의 플로우가 일어나지 않도록 포토레지스트의 유리전이온도 이하에서 소정 시간동안 수행한다. 이때, 베이크 시간은 노광에 의해 카르복시산 말단을 갖게 된 포토레지스트의 플로우 물성이 좋아질 정도의 시간으로 적절히 선택될 수 있다. 이는 포토레지스트의 베이크 온도에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 유리전이온도가 150℃인 포토레지스트의 경우, 1차 베이크는 100 내지 149℃에서 30 내지 120초, 바람직하게는 120℃의 온도에서 90초간 수행한다. 이때, 통상의 화학증폭형 ArF 포토레지스트의 경우에는 산탈리기를 갖고 있으며, 산탈리에 의해 카르복시산 말단을 갖게 되는 일반적인 화학증폭형 포토레지스트 물질이면 무엇이든 사용가능하다. 바람직하게는 개환된 말레익안하이드라이드(ROMA; ring-opened maleic anhydride)를 포함하고 있는 중합체를 포함한 ROMA 형의 포토레지스트를 사용하거나, 또는 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트계 중합체를 포함하는 포토레지스트를 사용할 수 있으며, 이들과 함께 사이클로올레핀과 말레익안하이드라이드의 공중합체(COMA)와 상기 중합체가 혼합된 형태(hybrid type)의 포토레지스트를 사용할 수도 있다. 상기 혼합된 형태의 공중합체에는 사이클로올레핀 계의 공중합체가 추가로 포함되어 있어도 무방하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 ROMA 형의 ArF 포토레지스트인 A52T3 포토레지스트(금호석유화학)를 사용하였다.

상기와 같이 DUV 광원으로 제1 포토레지스트 패턴을 재노광 후 가열하게 되면 포토레지스트 패턴 내의 화학증폭형 포지티브 포토레지스트 수지에 포함되어 있는 산에 민감한 보호기가 탈리되어 수지 내에 카르복시산 성분이 매우 많아지게 됨 으로써 포토레지스트가 소수성에서 친수성으로 변하게 된다. 이렇게 카르복시산의 양이 증가하게 되면 플로우 물성이 좋아지게 되어 웨이퍼 전체에 걸쳐 패턴의 폭이 균일하게 줄어들게 되며, 이때 패턴의 균일도 향상은 콘택홀 패턴 형성시에 더욱 두드러진다.

단계 (3)에 있어서, 레지스트 플로우 공정은 포토레지스트의 유리전이온도 이상의 온도에서 수행된다. 예를 들어, 상기 화학증폭형 ArF 포토레지스트의 유리전이온도가 150℃인 경우 150 내지 170℃, 바람직하게는 154℃의 온도에서 30 내지 120초, 바람직하게는 60초간 수행한다. 30초 이하로 수행할 경우에는 플로우 양이 작아서 크기가 줄어드는 정도가 미흡하고, 120초 이상 수행할 경우에는 시간이 너무 길어서 생산성이 떨어진다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<참고예> 제1 콘택홀 패턴 형성

ArF 포토레지스트인 A52T3 포토레지스트(금호석유화학, 유리전이온도:141℃)를 250 nm 두께로 코팅한 후 110℃에서 90초간 소프트 베이크 하였다. 소프트 베이크 후 ArF 노광장비인 XT:1400E(ASML 사)를 이용하여 노광 후 다시 110℃에서 90초간 포스트 베이크 하였다. 포스트 베이크 후 2.35% TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) 현상액으로 현상하여 콘택홀 패턴을 얻었다. 얻어진 콘택홀의 크기를 웨이퍼의 좌측부분에서 우측부분으로 이동하면서 9 포인트를 측정한 결과, 콘택홀 은 100∼105 nm 범위의 크기를 보였다(도 1의 ●).

<실시예> 재노광 후 제2 콘택홀 패턴 형성

상기 참고예에서 얻어진 콘택홀 패턴을 ArF 노광 장비를 이용하여 별도의 노광 마스크 없이 전 영역을 재노광한 후, 120℃에서 90초간 베이크 하였다. 상기 웨이퍼를 다시 154℃에서 60초간 베이크하여 콘택홀 패턴을 플로우시킴으로써 제2 콘택홀 패턴을 얻었다. 얻어진 콘택홀의 크기를 웨이퍼의 좌측부분에서 우측부분으로 이동하면서 9 포인트를 측정한 결과, 제2 콘택홀의 크기는 64∼68 nm 범위였다(도 1의 ■). 즉, 상기 참고예의 제1 콘택홀에 비해 평균적으로 약 40 nm 정도 작은 콘택홀 패턴을 얻었으며, 이때 웨이퍼 상의 위치에 상관없이 균일한 크기를 나타내었다.

<비교예> 재노광 없이 제2' 콘택홀 패턴 형성

상기 참고예에서 얻어진 콘택홀 패턴을 별도의 재노광 공정 없이 154℃에서 60초간 베이크하여 콘택홀 패턴을 플로우시킴으로써 제2' 콘택홀 패턴을 얻었다. 얻어진 콘택홀의 크기를 웨이퍼의 좌측부분에서 우측부분으로 이동하면서 9 포인트를 측정한 결과, 제2' 콘택홀의 크기는 49∼61 nm 범위였다(도 1의 ▲). 그러나, 상기 실시예의 경우와는 달리 웨이퍼의 중앙 부위의 경우 콘택홀의 크기가 49 nm로 나타나 다른 8개 부위보다 약 10 nm 이상 작게 형성됨을 확인하였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용하면 포토레지스트 막의 물성을 개선시켜 플로우 공정시 웨이퍼 상의 위치에 상관없이 패턴이 플로우되는 정도를 일정하게 유지시킬 수 있으므로 반도체 소자의 수율을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 반도체 기판의 피식각층 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성한 후 포토리소그라피 공정을 실시하여 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   노광마스크를 제거한 상태에서 상기 제1 포토레지스트 패턴에 대한 전면 노광 공정을 실시하는 단계;

   상기 전면 노광 된 제1 포토레지스트 패턴 전면에 대하여 포토레지스트의 유리전이온도 미만의 온도에서 1차 베이크하는 단계; 및

   상기 제1 포토레지스트 패턴을 레지스트 플로우시키기 위하여, 포토레지스트의 유리전이온도 이상의 온도에서 2차 베이크 공정을 수행하여 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 포토레지스트 패턴 형성 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전면 노광 공정의 노광원은 KrF, ArF 또는 VUV인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 포토레지스트 패턴 형성 방법.
3. 삭제
4. 삭제

Images