KR19980040599A - 반도체장치의 콘택홀 형성 방법 - Google Patents

Abstract

반도체장치의 콘택홀 형성 방법이 개시되어 있다. 반도체기판 상에 형성된 패터닝하고자 하는 층 상에 제1 포토레지스트를 도포한다. 라인/스페이스(L/S) 패턴이 정의되어 있는 제1 마스크를 이용하여 상기 제1 포토레지스트를 제1 방향으로 패터닝한다. 결과물 전면에 제2 포토레지스트를 도포한다. 상기 제1 마스크의 L/S 패턴에 대해 수직으로 L/S 패턴이 정의되어 있는 제2 마스크를 이용하여 상기 제2 포토레지스트를 상기 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향으로 패터닝한다. 상기 패터닝된 제1 및 제2 포토레지스트를 이용하여 상기 패터닝하고자 하는 층을 식각함으로써 콘택홀을 형성한다. 광학 근접 효과의 영향을 받지 않고 마스크 설계에 충실한 형태의 콘택홀을 형성할 수 있다.

Description

반도체장치의 콘택홀 형성 방법

본 발명은 반도체장치의 콘택홀 형성 방법에 관한 것으로, 특히 광학 근접 효과의 영향을 받지 않고 콘택홀(Contact hole)을 형성할 수 있는 반도체장치의 콘택홀 형성 방법에 관한 것이다.

반도체장치의 각종 패턴은 리소그라피(Lithography) 기술에 의해 형성된다는 것은 널리 알려져 있다. 리소그라피 기술은 반도체 웨이퍼 상의 절연막이나 도전막 등, 패턴을 형성하여야 할 막 위에 X선이나 자외선 등과 같은 광선의 조사에 의해 용해도(solubility)가 변화하는 포토레지스트 막을 형성하는 단계, 이 포토레지스트 막의 소기 부분을 광선에 노출시킨 후 현상에 의해서 용해도가 큰 부분을 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 패턴을 형성하여야 할 막의 노출된 부분을 에칭에 의하여 제거하여 배선이나 전극 등 각종 패턴을 형성하는 단계로 구성된다.

반도체장치를 제조하는데 사용되어지는 패턴들의 대부분은 장방형으로 이루어지는데, 이러한 직선형 패턴을 웨이퍼 상에 전사할 때 특히 그 코너 영역에서 어떤 문제가 발생한다. 예를 들어, 노광시, 포토레지스트막은 모든 주변 영역으로 부터 에너지를 제공받아 집적시킨다. 이는 웨이퍼의 한 부근에서의 노광 도즈(Dose)가 이웃한 부근들에서의 노광 도즈에 영향을 받음을 의미한다. 이러한 현상을 광학 근접 효과(Optical promixity effect)라 하는데, 광학 근접 효과는 투사 시스템에서 광학 회절에 의해 야기되는 것으로 알려져 있다. 광학 회절은 인접하는 패턴들이 서로 상호작용하도록 함으로써, 패턴 의존성을 갖는 변동을 야기한다.

광학 근접 효과는 라인/스페이스(이하 L/S라 한다) 패턴과 같은 주기적인 그레인 타입의 패턴에서는 심각하지 않지만, 액티브(Active), 콘택홀, 캐패시터의 스토리지 노드와 같은 섬(island) 패턴에서는 그 특성 저하를 유발할 만큼 심각한 문제를 발생시킨다. 즉, 이러한 섬 패턴들의 코너 영역에서는 이웃하는 영역들이 없기 때문에, 코너 영역에서의 노광 도즈가 패턴의 몸체 또는 신장된 측면에 도달되는 노광 도즈에 비해 항상 작아진다. 그 결과, 현상된 패턴의 코너 영역이 다소 둥글어진다. 소자 형상들이 큰 저밀도 반도체 장치에서는 코너의 원형화(Rounding)가 소자 특성에 미치는 영향이 무시할 수 있을 정도이지만, 소자의 형상 사이즈가 서브-마이크론(Sub-micron) 이하로 작아지는 초고집적 반도체장치에서는 이러한 원형화가 회로 동작에 심각한 영향을 미치게 된다.

도 1은 종래의 마스크에 형성되어 있는 콘택홀 패턴의 상면도이고, 도 2는 상기 마스크를 통해 웨이퍼 상에 전사된 콘택홀 패턴을 나타내는 상면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 정방형의 콘택홀 패턴(h1)이 형성되어 있는 마스크(10)를 통해 상기 콘택홀 패턴(h1)을 웨이퍼 상에 도포된 포토레지스트(PR)에 전사하면, 입사광의 회절에 의해 야기되는 광학 근접 효과로 인하여 실제로 포토레지스트(PR) 상에 전사된 콘택홀 패턴(h2)은 그 코너가 둥글어지게 된다. 이러한 현상은 입사광이 디포커스(defocus)될 때 더욱 심화된다.

반도체 리소그라피 공정에 있어서 패턴의 해상도(Resolution)를 증가시키기 위한 방법들의 대부분은 L/S 패턴에 관한 것이고, 콘택홀에 대한 방법으로는 모든 L/S 패턴의 주위에 시프터(Shifter)를 형성시켜서 패턴 엣지부 만을 개선한 주변효과강조(rim)형 위상 반전 마스크, 하프톤 위상 반전 마스크 및 세리프 콘택 형성법 등이 고작이다. 따라서, 반도체 리소그라피 공정을 진행하기에 가장 어려운 층이 콘택층이라고 알려지고 있다.

일반적으로, 해상도(R)는 사용광원의 파장(│K)에 비례하고 사용 노광장치(stepper)의 개구수(NA)에 반비례한다.

여기서, k₁는 상수로서 공정의존성을 지닌다. 그러나, k₁의 값과 R은 비례관계에 있어서 가급적 k₁이 작아야 R이 작아지므로, k₁을 작게 하려는 노력을 기울이고 있다. 레지스트의 개선, 레지스트 공정의 개선, 마스크 패턴의 최적화 등을 통해 상기 k₁값을 작게할 수 있다. L/S 패턴에 대해서는 일반적으로 콘택홀보다 k₁값이 작으며 (예컨대, L/S 패턴의 k₁은 0.55이고 콘택홀의 k₁은 0.65이다), 대부분의 경우 L/S 패턴에서는 해상도의 개선에 효과는 있으나 콘택홀에서는 상대적으로 그 효과가 부족한 실정이다. 따라서, 소자의 설계시 설계 룰(Design rule)은 L/S 패턴과 콘택홀에 공통으로 적용하고 있으나, 웨이퍼에 프린트되어 나타나는 결과는 콘택홀이 원형으로 나타나면서 커지게 된다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광학 근접 효과의 영향을 받지 않고 콘택홀을 형성할 수 있는 반도체장치의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 마스크에 형성되어 있는 콘택홀 패턴의 상면도이다.

도 2는 도 1의 마스크를 통해 웨이퍼 상에 전사된 콘택홀 패턴을 나타내는 상면도이다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체장치의 콘택홀 형성방법을 설명하기 위한 평면도들이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 ... 반도체기판102 ... 제1 포토레지스트

104 ... 제2 포토레지스트106 ... 콘택홀

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

반도체기판 상에 형성된 패터닝하고자 하는 층상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계;

L/S 패턴이 정의되어 있는 제1 마스크를 이용하여 상기 제1 포토레지스트를 제1 방향으로 패터닝하는 단계:

상기 결과물 전면에 제2 포토레지스트를 도포하는 단계;

상기 제1 마스크의 L/S 패턴에 대해 수직으로 L/S 패턴이 정의되어 있는 제2 마스크를 이용하여 상기 제2 포토레지스트를 상기 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향으로 패터닝하는 단계; 및

상기 패터닝된 제1 및 제2 포토레지스트를 이용하여 상기 패터닝하고자 하는 층을 식각함으로써 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, L/S 패턴이 정의되어 있는 제1 및 제2 마스크를 사용하여 제1 및 제2 포토레지스트를 서로 수직인 방향으로 패터닝한다. 이때, 제1 및 제2 마스크는 서로 다른 마스크일 수도 있고, 동일한 마스크일 수도 있다. 상기 제1 및 제2 마스크를 동일한 마스크로 사용하는 경우에는, 상기 제1 마스크를 90°회전시켜서 제2 포토레지스트를 제1 포토레지스트에 대해 수직인 방향으로 패터닝한다.

또한, 상기 제2 포토레지스트를 도포하기 전에, 패터닝된 제1 포토레지스트를 자외선 처리(U.V cure)하거나 경화(Hard bake)시키는 단계를 더 구비할 수 있다. 상기한 단계를 거치면, 제2 포토레지스트를 패터닝하기 위한 현상공정시 그 하부의 제1 포토레지스트가 함께 현상되지 않는다. 그 결과, 콘택홀이 형성될 영역 만이 노출되고, 나머지 영역은 제1 및 제2 포토레지스트로 덮여 있게 된다.

따라서, 2회의 리소그라피 공정을 이용하여 주기적인 L/S 패턴으로 포토레지스트를 패터닝하기 때문에 광학 근접 효과의 영향을 받지 않고 마스크 설계에 충실한 형태의 콘택홀을 형성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체장치의 콘택홀 형성방법을 설명하기 위한 평면도들이다.

도 3a를 참조하면, 그 위에 패터닝하고자 하는 층(도시되지 않음)이 형성되어 있는 반도체기판(100) 상에 제1 포토레지스트(102)를 스핀-코팅(Spin-coating) 방식으로 도포한다. 여기서, 상기 제1 포토레지스트(102)를 도포하기 전에, 기판 또는 패터닝하고자 하는 층과 포토레지스트와의 접착력을 향상시키기 위하여, 예컨대 HMDS(Hexamethyldisilazane)를 이용한 표면 처리 공정을 실시할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 포토레지스트(102)를 포지티브(Positive) 레지스트로 형성한다. 포지티브 레지스트는 광 에너지를 받지 않은 상태에서는 알카리 불용성이나 빛을 받은 후에는 알카리 가용성이 되어 현상시 빛을 받은 부분이 제거되는 레지스트를 의미한다. 이와 반대로, 네거티브 레지스트는 빛을 받지 않은 부분이 제거되어 네거티브의 이미지를 형성하게 하는 레지스트를 의미한다. 포지티브 레지스트는 노광되지 않은 부분에 현상액이 침투되지 않으므로, 현상된 후에도 노광 직후에 갖는 크기를 근접하게 유지하게 된다. 반면에, 네거티브 레지스트의 경우는, 현상액이 노광된 영역과 노광되지 않은 영역 모두에 침투된다. 이에 따라, 노광되지 않은 영역에서는 막이 용해되지만, 막의 용해가 거의 일어나지 않아야 할 노광된 영역에서는 용매의 침투로 인해 레지스트의 크기가 증가되고 일그러지게 된다. 이것은 레지스트의 해상력을 열화시키는 결과를 초래한다. 따라서, 미세패턴 형성을 위한 리소그라피 공정에서는 네거티브 레지스트에 비해 포지티브 레지스트가 높은 해상도로 인하여 점점 우세해지고 있다.

이어서, 상기 제1 포토레지스트(102)가 도포되어 있는 기판(100) 전면에 연화(Soft-bake) 공정을 실시한다. 상기 연화 공정은 제1 포토레지스트(102) 내의 용매 레벨을 감소시키고, 상기 제1 포토레지스트(102)의 접착력(Adhesion)을 향상시키며, 스핀-코팅 공정 동안 발생하는 전단력(Shear force)에 의해 야기되는 스트레스를 완화시키는 역할을 한다. 다음에, L/S 패턴이 정의되어 있는 제1 마스크를 이용하여, 스테퍼(Stepper)에서 예컨대 g-라인(436nm) 광원으로 상기 제1 포토레지스트(102)를 노광한다. 이어서, 현상 공정으로 상기 제1 포토레지스트(102)의 노광된 부분을 제거하면, 도 3a에 도시된 바와 같이 제1 포토레지스트(102)가 L/S 패턴으로 패터닝된다. 상기 제1 포토레지스트(102)는 L/S 패턴으로 패터닝되기 때문에, 광학 근접 효과의 영향을 받지 않는다.

도 3b를 참조하면, 상술한 바와 같이 제1 포토레지스트(102)를 L/S 패턴으로 패터닝한 후, 패터닝된 제1 포토레지스트(102)를 자외선 처리하거나 경화시킨다. 이와 같이 제1 포토레지스트(102)를 자외선 처리하거나 경화시키게 되면, 후속 현상 공정시 상기 제1 포토레지스트(102)가 제거되지 않는다. 이어서, 상기 결과물 전면에 제2 포토레지스트(104)를 도포한 후, 이를 연화시킨다. 상기 연화 공정은 제2 포토레지스트(104) 내의 용매 레벨을 감소시키고, 상기 제2 포토레지스트(104)의 접착력을 향상시키며, 스핀-코팅 공정 동안 발생하는 전단력에 의해 야기되는 스트레스를 완화시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 제2 포토레지스트(104)는 포지티브 레지스트를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.

도 3c를 참조하면, 상기 제1 마스크의 L/S 패턴에 수직으로 L/S 패턴이 정의되어 있는 제2 마스크를 이용하여 스테퍼에서 예컨대 g-라인(436nm) 광원으로 상기 제2 포토레지스트(104)를 노광한다. 이때, 상기 제2 마스크는 제1 포토레지스트를 패터닝할 때 사용하였던 제1 마스크와 동일한 마스크를 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 마스크를 90°회전시켜서 제1 포토레지스트(102)의 L/S 패턴에 대해 수직으로 L/S 패턴이 정의되는 제2 마스크를 얻은 후, 이를 이용하여 제2 포토레지스트(104)를 노광한다. 이때, 상기 제2 포토레지스트(104)의 노광되는 영역은 인접하는 L/S 패턴의 제1 포토레지스트(102)에 의해 광학 근접 효과의 영향을 받지 않는다.

이어서, 현상 공정으로 상기 제2 포토레지스트(104)의 노광된 부분을 제거한다. 이때, 상기 제2 포토레지스트(104) 하부에 남아있는 제1 포토레지스트(102)는 제거되지 않는다. 따라서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 콘택홀이 형성될 영역(105) 만이 노출되고, 나머지 영역은 제1 및 제2 포토레지스트(102, 104)로 덮여 있게 된다.

도 3d를 참조하면, 남아있는 제1 및 제2 포토레지스트(102, 104)를 식각마스크로 이용하여 상기 패터닝하고자 하는 층을 예컨대 이방성 식각 공정으로 식각함으로써, 콘택홀(106)을 형성한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 L/S 패턴이 정의되어 있는 제1 및 제2 마스크를 사용하여 제1 및 제2 포토레지스트를 서로 수직인 방향으로 패터닝한다. 이때, 제1 및 제2 마스크는 서로 다른 마스크일 수도 있고, 동일한 마스크일 수도 있다. 상기 제1 및 제2 마스크를 동일한 마스크로 사용하는 경우에는, 상기 제1 마스크를 90°회전시켜서 제2 포토레지스트를 제1 포토레지스트에 대해 수직인 방향으로 패터닝한다.

또한, 상기 제2 포토레지스트를 도포하기 전에, 패터닝된 제1 포토레지스트를 자외선 처리하거나 경화시키는 단계를 더 구비할 수 있다. 상기한 단계를 거치면, 제2 포토레지스트를 패터닝하기 위한 현상공정시 그 하부의 제1 포토레지스트가 함께 현상되지 않는다. 그 결과, 콘택홀이 형성될 영역 만이 노출되고, 나머지 영역은 제1 및 제2 포토레지스트로 덮여 있게 된다.

따라서, 본 발명에 의한 반도체장치의 콘택홀 형성방법에 의하면, 2회의 리소그라피 공정을 이용하여 주기적인 L/S 패턴으로 포토레지스트를 패터닝하기 때문에 광학 근접 효과의 영향을 받지 않고 마스크 설계에 충실한 형태의 콘택홀을 형성할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 반도체기판 상에 형성된 패터닝하고자 하는 층 상에 제1 포토레지스트를 도포하는 단계;

   라인/스페이스(L/S) 패턴이 정의되어 있는 제1 마스크를 이용하여 상기 제1 포토레지스트를 제1 방향으로 패터닝하는 단계;

   상기 결과물 전면에 제2 포토레지스트를 도포하는 단계;

   상기 제1 마스크의 라인/스페이스(L/S) 패턴에 대해 수직으로 라인/스페이스(L/S) 패턴이 정의되어 있는 제2 마스크를 이용하여 상기 제2 포토레지스트를 상기 제1 방향에 대해 수직인 제2 방향으로 패터닝하는 단계; 및

   상기 패터닝된 제1 및 제2 포토레지스트를 이용하여 상기 패터닝하고자 하는 층을 식각함으로써 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 포토레지스트를 도포하는 단계 전에, 상기 제1 방향으로 패터닝된 제1 포토레지스트를 자외선 처리하거나 경화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 포토레지스트를 패터닝할 때 그 하부에 남아있는 제1 포토레지스트가 제거되지 않는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 마스크와 제2 마스크는 서로 동일한 마스크로서, 상기 제2 마스크는 상기 제1 마스크를 90°회전시킨 것임을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 포토레지스트로서 포지티브 레지스트를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.