KR100983708B1 - 반도체 소자의 패턴 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, SPT 공정 시 스페이서를 산화막으로 형성하고, 피식각층 식각 공정 이전에 혼 형태로 형성된 스페이서를 제거함으로써, 후속 공정 시 혼 형태가 하부로 전사되어 피식각층 식각 시 CD의 콘트롤을 용이하게 하여 소자의 특성을 향상시키는 기술을 개시한다.

Description

반도체 소자의 패턴 형성 방법{METHOD FOR FORMING A PATTERN OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 특히, SPT(Spacer Patterning Technology) 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 고집적화에 따라 패턴 크기가 감소되고 있으며, 이에 따라 미세 패턴을 형성하기 위해서 장비 및 공정 측면에서 다양한 접근이 이루어지고 있다. 예를 들어, 미세 패턴 형성을 위해서 노광 파장을 줄이거나, 렌즈의 크기를 크게 하는 방법을 주로 이용하여 왔다.
그런데, 이러한 방법은 장비의 개발을 필요로 하여 장비 투자비가 증가되며, 장비 운영의 어려움이 있어서 많은 문제점들을 야기하였다.
이에, 기존의 장비를 이용하고서도 고집적화에 부합하는 미세 패턴을 형성할 수 있는 다른 방법으로서 2장의 노광 마스크를 이용하는 이중 노광 기술 및 3장의 노광 마스크를 이용하는 SPT(Spacer Patterning Technology) 방법이 제안되고 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 SPT 공정을 이용한 반도체 소자의 패 턴 형성 방법을 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(100) 상부에 피식각층(110), 희생막(120) 및 하드마스크층(130)을 형성한다.
다음에, 셀 영역(Ⅰ)의 하드마스크층(130) 상부에 반사방지막(140) 및 라인 형태의 감광막 패턴(150)을 형성한다.
여기서, 피식각층(110)은 비정질 탄소(Amorphous Carbon, 103) 및 질화막(105)으로 형성한다.
도 1b를 참조하면, 감광막 패턴(150)을 마스크로 반사방지막(140) 및 하드마스크층(130)을 식각한 후 반사방지막(140) 및 제 1 감광막 패턴(150)을 제거한다.
다음에, 상기 식각된 하드마스크층 패턴을 마스크로 희생막(120)을 식각하여 희생막 패턴(120a)을 형성한다.
그 다음, 상기 하드마스크층 패턴을 제거한다.
다음에, 희생막 패턴(120a) 측벽에 스페이서(155)를 형성한다.
이때, 스페이서(155)는 폴리실리콘층 또는 질화막으로 형성하는 것이 바람직하다.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 희생막 패턴(120a)을 제거하여 스페이서(155)만 남겨지도록 한다. 여기서, 희생막 패턴(120a)을 제거하는 공정은 습식 식각으로 진행하는 것이 바람직하다.
다음에, 주변회로 영역(Ⅱ)의 피식각층(110) 상부에 패드 형성용 제 2 감광막 패턴(160)을 형성한다.
다음에, 스페이서(155) 및 제 2 감광막 패턴(160)을 마스크로 피식각층(110)을 식각하여 피식각층 패턴(110a)을 형성한다.
그 다음, 스페이서(155) 및 제 2 감광막 패턴(160)을 제거한다.
도시되지는 않았지만 후속 공정을 설명하면, 피식각층 패턴(110a)이 형성된 반도체 기판의 최외곽을 노출시키는 제 3 감광막 패턴(미도시)을 형성한다.
여기서, 상기 제 3 감광막 패턴(미도시)은 스페이서 물질층 증착 시 발생한 라인 끝단 영역의 스페이서 부분을 분리하기 위한 컷팅 마스크이다.
상기 제 3 감광막 패턴(미도시)을 마스크로 라인 끝단의 피식각층 패턴(110a)의 일부를 제거하여 각각의 라인을 분리시킨 후 상기 제 3 감광막 패턴(미도시)을 제거한다.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 SPT 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법 시 발생되는 문제점을 도시한 사진도이다.
도 2a를 참조하면, 스페이서만 남겨진 후의 모습을 도시한 것으로, 스페이서 간에 A1 및 B1의 간격을 가지고 있다.
도 2b는 스페이서를 마스크로 하부의 질화막(105)을 식각한 후의 모습을 도시한 것으로, 질화막 패턴 사이에 A2 및 B2의 간격을 가지고 있으며, 도 2c는 상기 질화막 패턴을 마스크로 비정질 탄소층을 식각한 후의 모습을 도시한 것으로, 비정질 탄소층 패턴 사이에 A3 및 B3의 간격을 가지고 있다.
여기서, 상기 '도 2a' 내지 '도 2c'를 참조하면, 혼(Horn) 형태로 형성된 스페이서를 마스크로 식각 공정이 진행됨에 따라 스페이스 CD(A1, A2, A3) 및 희생막 패턴이 형성되었던 영역의 CD(B1, B2, B3)가 균일하지 않게 되는 것을 알 수 있다.
상술한 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법에서, 혼 형태로 형성된 스페이서를 마스크로 하드마스크층 및 피식각층을 식각하게 되는데, 이로 인해 최종 형성된 패턴의 CD(Critical Dimension)의 균일도가 저하되며, 콘트롤(Control)이 어렵게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 SPT 공정 시 스페이서를 산화막으로 형성하고, 피식각층 식각 공정 이전에 혼 형태로 형성된 스페이서를 제거함으로써, 후속 공정 시 혼 형태가 하부로 전사되어 피식각층 식각 시 CD의 콘트롤을 용이하게 하여 소자의 특성을 향상시키는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법은
반도체 기판 상부에 피식각층 및 하드마스크층을 형성하는 단계와,
상기 하드마스크층 상부에 희생막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 희생막 패턴 양측에 스페이서를 형성하는 단계와,
상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 스페이서만 남기는 단계와,
상기 스페이서를 마스크로 상기 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 단계와,
상기 스페이서를 제거하는 단계와,
상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 것과,
상기 피식각층은 비정질 탄소(Amorphous Carbon), 질화막 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것과,
상기 하드마스크층은 폴리실리콘층으로 형성하는 것과,
상기 희생막 패턴은 비정질 탄소(Amorphous Carbon)층, SOC(Spin On Carbon)층 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것과,
상기 희생막 패턴은 라인/스페이스 형태로 형성되며, 상기 라인 : 스페이스의 비율은 1 : 3인 것과,
상기 희생막 패턴을 제거하는 단계는 O2 플라즈마를 이용하여 수행하는 것과,
상기 스페이서를 형성하는 단계는
상기 희생막 패턴을 포함하는 전체 상부에 산화막을 증착하는 단계와,
에치백 공정을 수행하여 상기 희생막 패턴 양측에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것과,
상기 산화막은 100 ~ 200℃의 온도에서 증착하는 것과,
상기 스페이서를 제거하는 단계는 BOE(Buffer Oxide Etchant) 용액을 이용한 습식 딥 아웃 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법은 SPT 공정 시 스페이서를 산화막으로 형성하고, 피식각층 식각 공정 이전에 혼 형태로 형성된 스페이서를 제거함으로써, 후속 공정 시 혼 형태가 하부로 전사되어 피식각층 식각 시 CD의 콘트롤을 용이하게 하여 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.
아울러 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 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 셀 영역(Ⅰ) 및 주변회로 영역(Ⅱ)의 반도체 기판(300) 상부에 피식각층(310), 하드마스크층(320) 및 희생막(330)을 순차적으로 형성한다.
여기서, 피식각층(310)은 비정질 탄소(Amorphous Carbon, 303) 및 질화막(305)으로 형성하며, 하드마스크층(320)은 폴리실리콘층으로 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 상기 셀 영역(Ⅰ)의 희생막(330) 상부에 제 1 감광막 패턴(340)을 형성한다. 여기서, 제 1 감광막 패턴(340) 라인 : 스페이스 형태로 형성하며, 그 비율이 1 : 3이 되도록 한다.
그리고, 제 1 감광막 패턴(340)의 두께는 800 ~ 1200Å인 것이 바람직하다.
이때, 제 1 감광막 패턴(340)의 두께가 낮으므로, 제 1 감광막 패턴(340) 하부에 실리콘 산화질화막(SiON), 다기능 하드마스크(Multi Function Hard Mask) 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나를 더 포함할 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 제 1 감광막 패턴(340)을 마스크로 희생막(330)을 식각하 여 희생막 패턴(330a)을 형성한다.
여기서, 희생막(330)은 비정질 탄소(Amorphous Carbon)층, SOC(Spin On Carbon)층 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.
다음에, 희생막 패턴(330a)을 포함하는 전체 상부에 일정 두께의 산화막(미도시)을 증착한다. 이때, 상기 산화막(미도시)은 100 내지 200℃의 온도에서 증착 가능한 산화 계열의 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
그 다음, 에치백(Etch-Back) 공정을 수행하여 희생막 패턴(330a) 양측에 스페이서(350)를 형성한다.
도 3c를 참조하면, 희생막 패턴(330a)을 제거하여 스페이서(350)만 남겨지도록 한다.
여기서, 희생막 패턴(330a)은 02 플라즈마를 이용하여 제거하는 것이 바람직하다.
다음에, 스페이서(350)가 형성된 반도체 기판의 최외곽을 노출시키는 제 2 감광막 패턴(미도시)을 형성한다. 여기서, 상기 제 2 감광막 패턴(미도시)은 스페이서 물질층 증착 시 발생한 라인 끝단 영역의 스페이서 부분을 분리하기 위한 컷팅 마스크이다.
상기 제 2 감광막 패턴(미도시)을 마스크로 라인 끝단의 스페이서(350)의 일부를 제거하여 각각의 라인을 분리시킨 후 상기 제 2 감광막 패턴(미도시)을 제거한다.
도 3d 및 도 3e를 참조하면, 스페이서(350)을 마스크로 하드마스크층(320)을 식각하여 하드마스크 패턴(320a)을 형성한다.
다음에, 스페이서(350)를 제거한다. 이때, 스페이서(350)는 산화막 계열의 물질로 형성되었으므로, 습식 딥 아웃(Wet Dip Out) 공정을 수행하여 제거할 수 있다.
이때, 상기 딥 아웃 공정은 BOE(Buffer Oxide Etchant)를 사용하여 수행하는 것이 바람직하며, 스페이서(350) 하부에 형성된 상기 폴리실리콘층 및 LP(Low-Pressure) 질화막은 상기 BOE 용액에 의해 식각되지 않는다.
도 3f 및 도 3g를 참조하면, 주변회로 영역(Ⅱ) 상부에 패드 형성용 제 3 감광막 패턴(360)을 형성한다.
다음에, 상기 셀 영역(Ⅰ) 및 주변회로 영역(Ⅱ)은 각각 하드마스크 패턴(320a) 및 제 3 감광막 패턴(360)을 마스크로 피식각층(310)을 식각하여 패턴(310a)을 형성한다.
상기와 같이 스페이서만 남긴 후 상기 스페이서를 마스크로 하부의 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하고, 상기 스페이서를 제거한 후 상기 하드마스크층 패턴을 마스크로 피식각층을 식각함으로써, 혼(Horn) 형태의 스페이서로 하부층을 식각하면서 발생하는 패턴의 CD(Critical Dimension) 불균일 현상을 방지할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 2a 내지 도 2c는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 시 발생하는 문제점을 도시한 사진도.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도들.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 >
300 : 반도체 기판 310 : 피식각층
320 : 하드마스크층 330 : 희생막
340 : 제 1 감광막 패턴 350 : 스페이서
360 : 제 3 감광막 패턴

Claims (9)

  1. 반도체 기판 상부에 피식각층 및 하드마스크층을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크층 상부에 희생막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 희생막 패턴 양측에 스페이서를 형성하는 단계;
    상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 스페이서만 남기는 단계;
    상기 스페이서를 마스크로 상기 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 스페이서를 제거하는 단계; 및
    상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피식각층은 비정질 탄소(Amorphous Carbon), 질화막 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하드마스크층은 폴리실리콘층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생막 패턴은 비정질 탄소(Amorphous Carbon)층, SOC(Spin On Carbon)층 및 이들의 조합 중 선택된 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생막 패턴은 라인/스페이스 형태로 형성되며, 상기 라인 : 스페이스의 비율은 1 : 3인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 희생막 패턴을 제거하여 상기 스페이서만 남기는 단계는 O2 플라즈마를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이서를 형성하는 단계는
    상기 희생막 패턴을 포함하는 전체 상부에 산화막을 증착하는 단계; 및
    에치백 공정을 수행하여 상기 희생막 패턴 양측에 스페이서를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화막은 100 ~ 200℃의 온도에서 증착하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스페이서를 제거하는 단계는 BOE(Buffer Oxide Etchant) 용액을 이용한 습식 딥 아웃 공정인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
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