KR102398530B1 - 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents
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미세 패턴 형성 방법에 관한 기술이다. 본 실시예의 미세 패턴 형성 방법은, 식각 대상층을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 식각 대상층 상부에 하부층을 형성하는 단계; 상기 하부층 상부에 금속 이온을 포함하는 포토 레지스트막을 도포하는 단계; 상기 포토 레지스트막을 노광 및 현상하여 상기 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토 레지스트 패턴 사이의 상기 하부층을 전체 두께 중 일부 두께만큼 식각하여, 상기 포토레지스트 패턴 사이에 잔류되는 상기 금속 이온을 포함하는 공정 부산물을 제거하는 단계; 및 상기 포토 레지스트 패턴을 이용하여 잔류하는 하부층 및 상기 식각 대상층을 패터닝하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 패턴 결함이 감소된 미세 패턴 형성방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 집적 밀도가 증대됨에 따라, 미세 패턴의 요구가 증가되고 있다. 미세 패턴을 제작하기 위하여, 높은 해상도의 리소그라피 공정이 진행되고 있다. 현재, 13.5nm 파장을 갖는 EUV(Extreme ultra-violet)을 광원으로 이용하여, 리소그라피 공정이 수행되고 있다.
아울러, 상기한 EUV 광원을 이용하면서, 보다 미세한 선폭의 패턴을 제작하고자, 금속 원자를 포함하는 레지스트(이하, 금속 레지스트)를 마스크 물질로 사용하고 있다.
그런데, 상기 금속 레지스트는 EUV 광원에 대해 높은 해상도 및 민감도를 갖는 반면, 리소그라피 공정 중 레지스트내에 함유된 금속 원자들이 이탈되어, 패턴 결함을 유발할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 패턴 결함을 방지할 수 있는 미세 패턴 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 패턴 형성 방법은, 식각 대상층을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 식각 대상층 상부에 하부층을 형성하는 단계; 상기 하부층 상부에 금속 이온을 포함하는 포토 레지스트막을 도포하는 단계; 상기 포토 레지스트막을 노광 및 현상하여 상기 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토 레지스트 패턴 사이의 상기 하부층을 전체 두께 중 일부 두께만큼 식각하여, 상기 포토레지스트 패턴 사이에 잔류되는 상기 금속 이온을 포함하는 공정 부산물을 제거하는 단계; 및 상기 포토 레지스트 패턴을 이용하여 잔류하는 하부층 및 상기 식각 대상층을 패터닝하는 단계를 포함한다.
상기 하부층은 상기 포토레지스트막의 노광 및 현상 단계시, 상기 포토 레지스트막과 수소 결합을 발생시키는 물질을 포함할 수 있다.
상기 하부층은 PVP(Polyvinylpyrrolidone: (C6H9NO)n), P-HEMA(Polyhydroxyethylmethacrylate: (C6H10O3)n), PMMA(Poly methyl methacrylate: (C5O2H8)n) 또는 PVA(polyvinyl alcohol: (C2H4O)x)등의 폴리머 또는 보호기에 의해 보호된 변성 폴리비닐 알콜을 포함할 수 있다.
상기 하부층을 식각하기 위한 식각 용액은 메틸 알콜, 에틸 알콜, n-프로필 알콜, 이소프로필 알콜(IPA) 등의 알콜류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 2-헵타논, 사이클로헥사논 등의 케톤류; 아세트산메틸, 아세트산에틸 등의 에스테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 락트산메틸, 락트산에틸 등의 락트산에스테르류, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소류, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈 등의 아미드류; 또는 γ-부티로락톤 등의 락톤류를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 하부층을 식각하기 위한 식각 용액은 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 또는 이소프로필 알코올과 같은 알코올 용제, 적어도 하나의 상기 알코올 용제에 N,N-디메틸포름아미드 및/또는 디메틸설폭사이드가 혼합된 화합물, 산기 성분을 포함하는 수계 현상액, 및 염기 성분을 포함하는 수계 현상액 중 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
상기 하부층의 상기 일부 두께는, 상기 하부층을 등방성으로 식각할 때, 상기 포토레지스트 패턴 하부로 언더컷(undercut)이 발생되지 않을 만큼의 두께에 해당할 수 있다. 바람직하게는 상기 하부층은 상기 하부층 전체 두께의 1 내지 20%의 두께만큼 식각할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 식각 대상층과 금속 포함 포토 레지스트막 사이에 접착층으로서 하부층을 개재하고, 포토레지스트 패턴 사이에 잔류 또는 발생될 수 있는 금속 이온과 같은 공정 부산물을 제거하기 위하여, 상기 하부층의 일부 두께만큼을 제거한다. 상기 하부층은 언더 컷이 발생되지 않을 만큼의 두께 정도만이 제거되므로써, 포토 레지스트 패턴 사이의 공정 부산물은 효과적으로 제거하는 한편, 포토 레지스트 패턴 가장자리 부분은 상기 하부층과 수소 결합에 의해 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 포토 레지스트 패턴의 치우침 또는 쓰러짐과 같은 패턴 불량을 개선할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부층의 화학 구조식의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예의 하부층을 전체적으로 식각하는 경우를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부층의 화학 구조식의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예의 하부층을 전체적으로 식각하는 경우를 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 층 및 영역들의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(100)이 준비된다. 반도체 기판(100)은 Si 기판, Ge 기판, SOI(silicon on insulator) 기판, 또는 그 밖의 반도체 물질을 포함하는 기판일 수 있다. 반도체 기판(100) 상부에 식각 대상층(110)이 증착된다. 본 실시예의 식각 대상층(110)으로는 다양한 물질이 여기에 해당할 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 반도체 기판(100)과 식각 대상층(110) 사이에 다양한 소자층이 개재될 수 있다.
식각 대상층(110) 상부에 하부층(under layer:120)을 도포한다. 하부층(120)은 상기 식각 대상층(110)과 이후 형성될 레지스트막 간의 접착 특성을 개선하기 위하여 제공될 수 있다. 하부층(120)은 상부에 형성될 레지스트막과 수소 결합을 발생시킬 수 있는 성분, 예컨대, 수산화기(OH-)를 포함하는 물질일 수 있다. 본 실시예의 하부층(120)은 도 5에 도시된 화학식 구조를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 도 5에서, R1 및 R2는 수소 또는 치환되거나 치환되지 않은 알킬기일 수 있다. 또한, 도 5에서 x:y는 30~100mol%: 0~60mol%의 범위일 수 있다.
상기 하부층(120)은 상기 화학식을 만족하는 물질로서, PVP(Polyvinylpyrrolidone: (C6H9NO)n), P-HEMA(Polyhydroxyethylmethacrylate: (C6H10O3)n), PMMA(Poly methyl methacrylate: (C5O2H8)n) 또는 PVA(polyvinyl alcohol: (C2H4O)x)등의 폴리머를 포함할 수 있다. 또한, 하부층(120)은 보호기로 보호된 변성 폴리비닐 알코올을 포함할 수 있다. 이때, 상기 보호기는 포르밀 그룹, 아세틸 그룹, 말로닐 그룹, 벤조일 그룹, 신나모일 그룹, 포르말 그룹, 아세탈 그룹, 부티랄 그룹, t-부톡시카보닐 그룹 및 에톡시에틸렌 그룹의 폴리머중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이와 같은 하부층(120)은 폴리머 기준 1 내지 60 중량% 의 가교제를 포함할 수 있고, 폴리머 기준 1 내지 20 중량%의 열적 산 발생제(TAG: thermal acid generator)를 포함할 수 있다. 나아가, 하부층(120)은 실리콘, 불소, 탄소계 계면 활성제 또는 레벨링제를 첨가제로서 포함할 수 있다.
본 실시예의 하부층(120)은 스핀 코팅 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부층(120)은 500 내지 1500 rpm으로, 15초 내지 45초 범위에서, 약 30 내지 500Å 두께로 도포될 수 있다.
상기 하부층(120)은 180 내지 210℃의 온도에서, 약 30 내지 90초 동안 베이크(bake) 처리되어, 표면이 경화될 수 있다.
다음, 하부층(120) 상부에 포토 레지스트막, 예를 들어, 금속 이온(131)을 포함하는 포토 레지스트막(130)을 도포한다. 상기 금속 이온(131)은 Sn, In 또는 Sb를 포함할 수 있다. 상기 포토 레지스트막(130)은 예를 들어, 200 내지 230℃에서 소프트 베이크 처리가 진행될 수 있다.
도 2를 참조하면, EUV 광원과 같은 단파장 광원을 이용하여, 포토 레지스트막(130)의 선택된 부분을 노광한다. 상기 선택된 부분은 레티클(도시되지 않음)에 의해 한정될 수 있다. EUV 광원으로부터 노광되지 않은(혹은 노광된) 상기 포토 레지스트막(130)을 현상 용액에 의해 선택적으로 제거하여, 포토 레지스트 패턴(130a)을 형성한다. 공지된 바와 같이, 현상 용액에 의해 제거되는 부분은 포토레지스트막의 타입에 따라 노광되지 않은 부분이 될 수도 있고, 노광된 부분이 될 수도 있다. 이때, 상기 포토 레지스트막(130)과 상기 하부층(120)의 계면에, 수소 결합이 발생되어, 상기 포토 레지스트막(130)과 상기 하부층(120)이 견고히 접착될 수 있다.
그후, 상기 포토 레지스트 패턴(130a)은 200 내지 300℃ 온도에서 포스트 베이크(post bake) 처리가 진행될 수 있다.
상기 포토 레지스트 패턴(130a)을 형성하는 공정 중, 포토 레지스트 패턴(130a) 내부의 금속 이온들(131)이 외부로 방출되어, 상기 하부층(120) 표면에 스컴(scum)과 같은 공정 부산물(135)을 유발할 수 있다. 이와 같은 공정 부산물(135)은 패턴 결함을 유발할 수 있다.
그후, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부층(120) 상의 공정 부산물(135)을 제거하기 위하여, 상기 하부층(120)의 소정 두께만큼을 선택적으로 식각할 수 있다. 예를 들어, 하부층(120)은 전체 하부층(120)의 두께의 1 내지 20%의 두께만큼을 선택적으로 제거할 수 있다. 하부층(120)의 일부 식각으로, 상기 하부층(120) 상부에 잔류하는 공정 부산물(135), 즉, 금속 이온이 동시에 제거될 수 있다.
일예로서, 상기 하부층(120)을 일부 제거하기 위한 식각 용액으로는 예를 들어, 메틸 알콜, 에틸 알콜, n-프로필 알콜, 이소프로필 알콜(IPA) 등의 알콜류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 2-헵타논, 사이클로헥사논 등의 케톤류; 아세트산메틸, 아세트산에틸 등의 에스테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 락트산메틸, 락트산에틸 등의 락트산에스테르류, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소류, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈 등의 아미드류; γ-부티로락톤 등의 락톤류 등을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 식각 용액으로는 메틸 알콜, 에틸 알콜, n-프로필 알콜, 이소프로필 알콜 등의 C1 내지 C4의 알코올 용제, 적어도 하나의 상기 알코올 용제에 N,N-디메틸포름아미드 및/또는 디메틸설폭사이드가 혼합된 화합물, 산기 성분을 포함하는 수계 현상액 및 염기 성분을 포함하는 수계 현상액을 사용할 수 있다.
다른 일예로서, 상기 하부층(120)을 일부 제거하기 위한 식각 용액으로는, 초산기, 염산기, 또는 황산기를 포함하는 산기 성분, 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide)기 또는 아민(amine)기를 포함하는 염기 성분을 물(H2O)에 희석한 수계 현상액이 이용될 수 있다. 이때, 상기 산기 성분 및 염기성 성분은 0.1 내지 20% 정도 물에 포함될 수 있다.
일반적으로, 식각 용액에 의한 물질(예컨대, 하부층)의 제거는 등방성(isotropic)으로 진행될 수 있다. 만일, 이와 같은 식각 방식을 이용하여, 하부층(120)의 전체 두께를 제거하는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 포토 레지스트 패턴(130a) 사이에 존재하는 하부층(120) 뿐만 아니라, 상기 포토 레지스트 패턴(130a)의 하부 가장자리에 위치하는 하부층(120)까지 언더 컷(undercut)된다. 그러므로, 상기 포토 레지스트 패턴(130)의 가장자리 부분이 지지층 없이 들 뜬 상태로 존재하게 되므로, 상기 포토레지스트 패턴(130)이 치우침(leaning) 또는 붕괴(collapse)될 수 있었다.
하지만, 본 실시예에서는 하부층(120)을 전체적으로 식각하지 않고, 포토레지스트 패턴(130)의 가장자리 하부로 언더컷이 발생되지 않을 만큼의 두께, 예를 들어, 전체 두께의 1 내지 20%만큼 식각한다. 이에 따라, 포토레지스트 패턴(130a) 사이에 잔류되는 금속 이온과 같은 공정 부산물(135)은 선택적으로 제거하면서, 상기 포토 레지스트 패턴(130a)의 가장자리 부분을 상기 하부층(120)에 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 포토레지스트 패턴(130a)의 치우침 또는 붕괴등의 결함이 방지된다.
다음, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 포토 레지스트 패턴(130a)의 형태로 상기 하부층(120) 및 식각 대상층(110)을 식각하여, 미세 패턴(110a)을 제작할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 식각 대상층과 금속 포함 포토 레지스트막 사이에 접착층으로서 하부층을 개재하고, 포토레지스트 패턴 사이에 잔류 또는 발생될 수 있는 금속 이온과 같은 공정 부산물을 제거하기 위하여, 상기 하부층의 일부 두께만큼을 제거한다. 상기 하부층은 언더 컷이 발생되지 않을 만큼의 두께 정도만이 제거되므로써, 포토 레지스트 패턴 사이의 공정 부산물은 효과적으로 제거하는 한편, 포토 레지스트 패턴 가장자리 부분은 상기 하부층과 수소 결합에 의해 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 포토 레지스트 패턴의 치우침 또는 쓰러짐과 같은 패턴 불량을 개선할 수 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 반도체 기판 110 : 식각 대상층
120 : 하부층 130 : 포토 레지스트막
130a : 포토 레지스트 패턴
120 : 하부층 130 : 포토 레지스트막
130a : 포토 레지스트 패턴
Claims (11)
- 식각 대상층을 포함하는 반도체 기판을 제공하는 단계;
상기 식각 대상층 상부에 하부층을 형성하는 단계;
상기 하부층 상부에 금속 이온을 포함하는 포토 레지스트막을 도포하는 단계;
상기 포토 레지스트막을 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴 사이의 상기 하부층을 전체 두께 중 일부 두께만큼 식각하여, 상기 포토레지스트 패턴 사이에 잔류되는 상기 금속 이온을 포함하는 공정 부산물을 제거하는 단계; 및
상기 포토 레지스트 패턴을 이용하여 잔류하는 하부층 및 상기 식각 대상층을 패터닝하는 단계를 포함하며,
상기 하부층은 다음의 화학식 구조를 포함하고
상기 식에서, R1은 수소이고, R2는 치환되거나, 치환되지 않은 알킬기를 포함하고, x:y는 30~100mol%: 0~60mol%인 미세 패턴 형성방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부층은 상기 포토레지스트막의 노광 및 현상 단계시, 상기 포토 레지스트막과 수소 결합을 발생시키는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성방법. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하부층은 PVP(Polyvinylpyrrolidone: (C6H9NO)n), P-HEMA(Polyhydroxyethylmethacrylate: (C6H10O3)n), PMMA(Poly methyl methacrylate: (C5O2H8)n), PVA(polyvinyl alcohol: (C2H4O)x)등의 폴리머 또는 보호기에 의해 보호된 변성을 포함하는 미세 패턴 형성방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 보호기는 포르밀 그룹, 아세틸 그룹, 말로닐 그룹, 벤조일 그룹, 신나모일 그룹, 포르말 그룹, 아세탈 그룹, 부티랄 그룹, t-부톡시카보닐 그룹 또는 에톡시에틸렌 그룹을 포함하는 미세 패턴 형성방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 하부층을 형성하는 단계는,
상기 하부층을 스핀 코팅 방식에 의해 도포하는 단계; 및
상기 도포된 하부층을 베이크(bake)하는 단계를 포함하는 미세 패턴 형성방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부층을 식각하기 위한 용액은 메틸 알콜, 에틸 알콜, n-프로필 알콜, 이소프로필 알콜(IPA) 등의 알콜류; 아세톤, 메틸 에틸 케톤, 2-헵타논, 사이클로헥사논 등의 케톤류; 아세트산메틸, 아세트산에틸 등의 에스테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 에틸렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르류; 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌 글리콜 모노에틸 에테르 아세테이트 등의 프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르 아세테이트류; 락트산메틸, 락트산에틸 등의 락트산에스테르류, 톨루엔, 크실렌 등의 방향족 탄화수소류, N,N-디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리돈 등의 아미드류; 또는 γ-부티로락톤 등의 락톤류를 포함하는 미세 패턴 형성방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부층을 식각하기 위한 용액은 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 또는 이소프로필 알코올과 같은 알코올 용제, 적어도 하나의 상기 알코올 용제에 N,N-디메틸포름아미드 및/또는 디메틸설폭사이드가 혼합된 화합물, 산기 성분을 포함하는 수계 현상액, 및 염기 성분을 포함하는 수계 현상액 중 선택되는 하나를 포함하는 미세 패턴 형성방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 하부층의 상기 일부 두께는, 상기 하부층을 등방성으로 식각할 때, 상기 포토레지스트 패턴 하부로 언더컷(undercut)이 발생되지 않을 만큼의 두께에 해당하는 미세 패턴 형성방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 하부층은 상기 하부층 전체 두께의 1 내지 20%의 두께만큼 식각하는 미세 패턴 형성방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 포토 레지스트막을 도포하는 단계와 상기 포토 레지스트막을 노광 및 현상하는 단계 사이에, 상기 포토 레지스트막을 소프트 베이크하는 단계를 더 포함하고,
상기 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계와 상기 하부층을 식각하는 단계 사이에 상기 포토레지스트 패턴을 포스트 베이크하는 단계를 더 포함하는 미세 패턴 형성 방법.
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