KR101037491B1 - 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법에 관한 것으로, 피식각층 상부에 하부 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 하부 레지스트막을 형성하는 단계와, 상기 하부 레지스트막 상부에 실리콘을 함유하는 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 실리콘 함유 레지스트막을 형성하는 단계와, 상기 실리콘 함유 레지스트막을 O2 플라즈마로 처리하여 산화막으로 형성하는 단계와, 상기 산화막 상부에 상부 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 상부 레지스트막을 형성하는 단계와, 상기 상부 레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상하여 상부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 상부 레지스트막 패턴을 식각마스크로 상기 산화막을 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 산화막 패턴을 식각마스크로 상기 하부 레지스트막을 식각하여 하부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 개시한다.
Description
도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10, 110 : 피식각층 12, 112 : 하부 레지스트막
114 : 실리콘 함유 레지스트막 14, 116 : 산화막
16, 118 : 상부 레지스트막 20, 120 : 비노광영역
22, 122 : 노광영역 24, 124 : 상부 레지스트막 패턴
26, 126 : 산화막 패턴 28, 128 : 하부 레지스트막 패턴
30, 130 : 노광마스크
본 발명은 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부 레지스트막과 하부 레지스트막 사이에 플라즈마 인핸스드 방법을 이용하여 산화막을 증착하는 대신 실리콘을 함유하는 레지스트막을 형성시킨 후 O2 플라즈마 처리하여 산화막으로 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법에 관한 것이다.
최근, 0.13㎛ 이하의 초미세 패턴 형성에 있어서, 종래의 레지스트막 두께에서는 아스펙트 비(aspect ratio)가 높아 패턴이 쓰러지는 문제가 발생하고 있으나, 이를 위해 레지스트막의 두께를 낮추면 에칭시 내성이 없어져 후속 공정이 불가능하다.
이에 따라, 초미세 패턴 형성시 레지스트막의 두께는 낮추되 에칭시 내성을 갖도록 하기 위하여 상부 레지스트막과 하부 레지스트막을 형성시키고, 이들의 중간에 산화막을 개재하는 방법을 사용하는 3층 레지스트(three-layered resist) 패턴 형성공정이 대두되고 있다.
도 1a 내지 도 1g는 종래 기술에 따른 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 피식각층(10) 상부에 하부 레지스트 조성물을 0.5∼0.7㎛의 두께로 도포한 다음, 150∼170℃의 온도에서 60∼120초동안 베이크하여 하부 레지스트막(12)을 형성한다.
상기 하부 레지스트 조성물은 g-line(436nm), i-line(365nm), KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm) 또는 EUV(13nm) 등의 파장에서 사용되는 모든 레지스트 수지 를 포함할 뿐만 아니라, 유기 반사방지용 물질을 사용할 수도 있으며, 상기 모든 레지스트에 대해 비용을 줄이기 위해서 감광성 물질(photoactive compound)을 포함하지 않아도 된다. 바람직하게는 i-line 레지스트 및 g-line 레지스트에 사용되는 노볼락(novolac) 수지, KrF 레지스트에 사용되는 폴리히드록시스티렌, ArF 및 F2 레지스트에 사용되는 아크릴레이트계 수지를 사용할 수 있다.
도 1b를 참조하면, 하부 레지스트막(12) 상부에 플라즈마 인핸스드 화학기상증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, 이하 "PECVD"라 칭함) 방법을 이용하여 150∼200℃의 온도에서 500∼1500Å의 두께로 PE-TEOS(Plasma Enhanced-tetraethyl ortho silicate)막을 증착하여 산화막(14)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 산화막(14) 상부에 상부 레지스트 조성물을 0.1∼0.3㎛의 두께로 도포한 다음, 110∼130℃의 온도에서 60∼120초동안 베이크하여 상부 레지스트막(16)을 형성한다.
상기 상부 레지스트 조성물은 감광성 물질을 포함하는 용해억제형 레지스트 (Dissolution Inhibition Resist) 또는 화학증폭형 레지스트(Chemically Amplified Resist)로서, 보다 상세하게는 g-line(436nm) 또는 i-line(365nm)의 파장에서 사용되는 용해억제형 레지스트의 경우 노볼락 수지와 감광성 물질을 함께 포함하는 것이고, KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm) 또는 EUV(13nm)의 파장에서 사용되는 화학증폭형 레지스트의 경우 폴리히드록시스티렌 또는 아크릴레이트계 수지와 함께 광산발생제를 포함하는 것이다.
도 1d를 참조하면, 노광마스크(30)를 이용하여 상부 레지스트막(16)을 5∼50 mJ/㎠의 노광에너지로 선택 노광하여 노광영역(22) 및 비노광영역(20)을 형성한다. 이때, g-line(436nm), i-line(365nm), KrF(248nm), ArF (193nm), F2(157nm), EUV (13nm) 또는 전자빔을 노광원으로 사용한다.
도 1e를 참조하면, 노광영역(22)을 2.38wt% 농도의 TMAH 수용액으로 30∼40초간 현상하여 제거함으로써, 상부 레지스트막 패턴(24)을 형성한다.
도 1f를 참조하면, 상부 레지스트막 패턴(24)을 식각마스크로 하고, 플라즈마를 사용하여 하부의 산화막(16)을 식각하여 산화막 패턴(26)을 형성한 다음, 상부 레지스트막 패턴(24)을 제거한다.
도 1g를 참조하면, 산화막 패턴(26)을 식각마스크로 하고 플라즈마를 사용하여 하부의 하부 레지스트막(12)을 식각하여 하부 레지스트막 패턴(28)을 형성함으로써 피식각층(10) 식각시 마스크 역할을 하는 레지스트 패턴을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 종래에는 하부 레지스트막(12)과 상부 레지스트막(18) 사이에 산화막(16)을 형성하기 위하여 PECVD 장비가 필요했고, 또한 산화막(16) 증착시 하부 레지스트막(12)의 온도가 200℃ 이상으로 올라감에 따라 하부 레지스트막 (12)에 데미지(damage)가 발생하는 문제점이 있었다.
아울러, 하부 레지스트막(12)과 산화막(14) 간의 접착력이 불량하기 때문에 하부 레지스트막(12)을 건식 식각할 때에 산화막(14) 하부에서 언더컷(undercut)이 발생되어 패턴의 선폭 제어가 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래와 같이 PECVD 산화막을 증착하는 대신, 실리콘을 함유하는 레지스트막을 형성시킨 후 O2 플라즈마 처리하여 산화막으로 형성하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법은
피식각층 상부에 하부 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 하부 레지스트막 상부에 실리콘을 함유하는 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 실리콘 함유 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 실리콘 함유 레지스트막을 O2 플라즈마로 처리하여 산화막으로 형성하는 단계;
상기 산화막 상부에 상부 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 상부 레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상하여 상부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계;
상기 상부 레지스트막 패턴을 식각마스크로 상기 산화막을 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계; 및
피식각층 상부에 하부 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 하부 레지스트막 상부에 실리콘을 함유하는 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 실리콘 함유 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 실리콘 함유 레지스트막을 O2 플라즈마로 처리하여 산화막으로 형성하는 단계;
상기 산화막 상부에 상부 레지스트막을 형성하는 단계;
상기 상부 레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상하여 상부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계;
상기 상부 레지스트막 패턴을 식각마스크로 상기 산화막을 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 산화막 패턴을 식각마스크로 상기 하부 레지스트막을 식각하여 하부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명에 따른 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법을 도시한 공정 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 금속층, 절연막 또는 도전막인 피식각층(110) 상부에 하부 레지스트 조성물을 0.5∼0.7㎛의 두께로 도포한 다음, 150∼170℃의 온도에서 60∼120초, 바람직하게는 90초동안 베이크하여 하부 레지스트막(112)을 형성한다.
상기 하부 레지스트 조성물은 g-line(436nm), i-line(365nm), KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm) 또는 EUV(13nm) 등의 파장에서 사용되는 모든 레지스트 수지를 포함할 뿐만 아니라, 유기 반사방지용 물질을 사용할 수도 있으며, 상기 모든 레지스트에 대해 비용을 줄이기 위해서 감광성 물질(photoactive compound)을 포함하지 않아도 된다. 바람직하게는 i-line 레지스트 및 g-line 레지스트에 사용되는 노볼락(novolac) 수지, KrF 레지스트에 사용되는 폴리히드록시스티렌, ArF 및 F2 레지스트에 사용되는 아크릴레이트계 수지를 사용할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 하부 레지스트막(112)의 상부에 실리콘(Si)을 함유하는 레지스트 조성물을 0.1∼0.2㎛의 두께로 도포한 다음, 100∼130℃의 온도에서 60 내지 120초, 바람직하게는 90초동안 베이크하여 실리콘 함유 레지스트막(114)을 형성한다.
상기 실리콘을 함유하는 레지스트 조성물로는 본 출원인에 의해 기출원된 공개특허 제1999-57356호, 제2001-11768호, 제2001-81753호 및 제2002-59호에 개시되어 있는 조성물을 사용할 수 있고, 그 외 실리콘을 함유하는 통상의 레지스트 조성물이라면 어느 것을 사용하여도 무방하다.
도 2c를 참조하면, 실리콘 함유 레지스트막(114)을 O2 플라즈마로 처리하여 산화막(116)으로 형성한다. 이는 실리콘 함유 레지스트막(114) 내부의 실리콘과 산소가 반응하여 SiO2 산화막이 형성되는 것이다.
상기 O2 플라즈마 처리공정의 조건은 식각장비에 따라 다르기는 하나, 30∼60mT의 압력, 500∼1000W의 파워(power) 및 5∼10MHz의 RF 전력 조건하에서 산소의 유량을 20∼30sccm으로 하는 것이 바람직하다.
도 2d를 참조하면, 산화막(116) 상부에 상부 레지스트 조성물을 0.1∼0.3㎛의 두께로 도포한 다음, 110∼130℃의 온도에서 60∼120초, 바람직하게는 90초동안 베이크하여 상부 레지스트막(118)을 형성한다.
상기 상부 레지스트 조성물은 감광성 물질을 포함하는 용해억제형 레지스트 (Dissolution Inhibition Resist) 또는 화학증폭형 레지스트(Chemically Amplified Resist)로서, 보다 상세하게는 g-line(436nm) 또는 i-line(365nm)의 파장에서 사용되는 용해억제형 레지스트의 경우 노볼락 수지와 감광성 물질을 함께 포함하는 것 이고, KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm) 또는 EUV(13nm)의 파장에서 사용되는 화학증폭형 레지스트의 경우 폴리히드록시스티렌 또는 아크릴레이트계 수지와 함께 광산발생제를 포함하는 것이다.
도 2e를 참조하면, 노광마스크(130)를 이용하여 상부 레지스트막(118)을 5∼50mJ/㎠의 노광에너지로 선택 노광한 다음, 100∼130℃의 온도에서 60∼120초, 바람직하게는 90초동안 포스트 베이크하여 노광영역(122) 및 비노광영역(120)을 형성한다. 이때, 노광원으로는 g-line(436nm), i-line(365nm), KrF(248nm), ArF (193nm), F2(157nm), EUV(13nm) 또는 전자빔을 사용한다.
도 2f를 참조하면, 노광영역(122)을 0.1∼10wt%, 바람직하게는 2.38wt% 농도의 TMAH 수용액으로 30∼40초간 현상하여 제거함으로써, 상부 레지스트막 패턴 (124)을 형성한다.
도 2g를 참조하면, 상부 레지스트막 패턴(124)을 식각마스크로 하고, C4F8 플라즈마, C4F6 플라즈마 또는 C5F8 플라즈마를 사용하여 하부의 산화막(116)을 식각하여 산화막 패턴(126)을 형성한 다음, 상부 레지스트막 패턴(124)을 제거한다.
도 2h를 참조하면, 산화막 패턴(126)을 식각마스크로 하고 O2 플라즈마 및 SO2 플라즈마를 동시에 사용하여 하부의 하부 레지스트막(112)을 식각하여 하부 레지스트막 패턴(128)을 형성함으로써, 피식각층(110) 식각시 마스크 역할을 하는 레지스트 패턴을 얻을 수 있다.
이때, 상기 O2 플라즈마는 하부 레지스트막(112)을 식각하는 역할을 하고, SO2 플라즈마는 식각된 하부 레지스트막(112)의 측벽에 폴리머를 형성시켜 하부 레지스트막 패턴(128)이 수직한 모양으로 형성되도록 도와주는 역할을 한다. 또한, 상기 식각공정시 불활성 가스인 N2 가스를 넣어줌으로써 식각반응에는 영향을 주지 않으나 플라즈마의 밀도가 높아지도록 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 실리콘을 함유하는 레지스트막을 형성시킨 후 O2 플라즈마 처리하여 산화막으로 형성함으로써, 고가의 PECVD 장비를 사용하여 산화막을 증착하지 않아도 되고, 실리콘을 함유하는 레지스트막 형성시 증착온도를 130℃ 이하로 할 수 있어, 하부 레지스트막에 변형을 유발시키지 않으므로 하부 레지스트막을 건식 식각할 때에 패턴 선폭 제어에 불량이 발생하는 비율 및 디펙트 발생이 감소한다. 또한, 산화막과 하부 레지스트막간의 접착력이 우수하기 때문에 언더컷이 발생하지 않는다.
Claims (8)
- 피식각층 상부에 하부 레지스트막을 형성하는 단계;상기 하부 레지스트막 상부에 실리콘을 함유하는 레지스트 조성물을 도포한 후 베이크하여 실리콘 함유 레지스트막을 형성하는 단계;상기 실리콘 함유 레지스트막을 O2 플라즈마로 처리하여 산화막으로 형성하는 단계;상기 산화막 상부에 상부 레지스트막을 형성하는 단계;상기 상부 레지스트막을 선택적으로 노광 및 현상하여 상부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계;상기 상부 레지스트막 패턴을 식각마스크로 상기 산화막을 식각하여 산화막 패턴을 형성하는 단계; 및상기 산화막 패턴을 식각마스크로 상기 하부 레지스트막을 식각하여 하부 레지스트막 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 피식각층은 금속층, 절연막 및 도전막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 함유 레지스트 조성물의 베이크 공정은 100∼130℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 O2 플라즈마 처리 조건은 30∼60mT의 압력, 500∼1000W의 파워(power) 및 5∼10MHz의 RF 전력 조건하에서 산소의 유량을 20∼30sccm으로 하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 노광 공정은 g-line(436nm), i-line(365nm), KrF(248nm), ArF(193nm), F2(157nm), EUV(13nm) 또는 전자빔을 노광원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화막 식각 공정은 C4F8 플라즈마, C4F6 플라즈마 및 C5F8 플라즈마로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 하부 레지스트막의 식각 공정은 O2 플라즈마 및 SO2 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 3층 레지스트 패턴 형성방법.
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