KR19990061090A - 다층 레지스트 공정용 포토레지스트와 이를 이용한반도체 소자의 미세패턴 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 레지스트용 포토레지스트와 이를 사용한 미세패턴 형성방법에 관한 것으로서, 다층 레지스트 공정에서 비교적 단가가 저렴한 I-라인, G-라인 또는 KrF용 등의 포토레지스트들에 데카메칠싸이크로펜타실록산, 테트라메칠싸이크로테트라실록산, 옥타메칠싸이크로테트라실록산, 옥타메칠싸이크로트리실록산, 트리스(디메칠실록시)메틸시랜, 테트라키스(트리메칠시릴)시랜, 트리스(트리메칠실록시)시랜, 트리스(트리메칠시릴)시랜, 트리스(트리메칠시릴)메탄 중 적어도 하나의 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 공중합체 수지를 형성하고, 이를 용매 및 광산발생제와 혼합하여 포토레지스트를 형성하고, 이를 상층 감광막을 형성한 후에 선택 노광하고 현상하여 상층 감광막패턴을 형성하고, 이를 마스크로 하층 감광막을 건식현상하여 하층 감광막패턴을 형성하였으므로, 소자의 제조단가를 절감할 수 있으며, 미세 패턴의 패턴 불량을 방지하고, 상층 감광막이 얇게 형성되므로 해상도가 증가되어 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

다층 레지스트 공정용 포토레지스트와 이를 이용한 반도체소자의 미세패턴 제조방법

본 발명은 다층 레지스트 공정용 포토레지스트와 이를 이용한 반도체소자의 미세패턴 제조방법에 관한 것으로서, 특히 통상의 포토레지스트에 실리콘 화합물을 혼합하여 다층 레지스트 공정에서 얇게 형성되는 상층 감광막으로 사용하여 제조단가를 절감하고, 공정분해능이 향상되며, 안정적인 패턴이 형성되어 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 다층 레지스트 공정용 포토레지스트 및 이를 이용한 반도체소자의 미세패턴 제조방법에 관한 것이다.

최근의 반도체 장치 고집적화 추세는 미세패턴 형성기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 반도체 장치의 제조 공정 중에서 식각 또는 이온 주입 공정 등의 마스크로 사용되는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건이다.

일반적인 감광막 패턴의 제조 공정을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 소정의 하부구조가 형성되어 표면이 굴곡진 상태의 패턴을 형성하고자 하는 반도체기판상에 감광제 및 수지(resin) 등이 용재인 솔밴트에 일정 비율로 용해되어 있는 감광막을 형성한 후, 투명기판 상에 상기 감광막에서 패턴 또는 비패턴으로 예정되어 있는 부분과 대응되는 위치에 광차단막 패턴이 형성되어 있는 노광마스크를 사용하여 빛을 선택적으로 조사하여 패턴 또는 비패턴으로 예정된 부분의 폴리머를 중합시킨다.

그다음 상기 노광 공정을 진행한 웨이퍼에 TMAH(tetra methylammonium hydroxide)등을 주원료로 하는 약알칼리성 현상액을 사용하여 상기 감광막의 노광/비노광 영역들을 선택적으로 제거하고, 상기 웨이퍼를 탈이온수로 세척한 후, 건조시켜 감광막 패턴을 형성한다.

상기 감광막 패턴의 분해능(R)은 노광 공정에 사용되는 축소노광장치의 광원의 파장(λ) 및 공정변수(k)에 비례하고, 렌즈구경(numerical aperture; NA)에 반비례한다.

여기서 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되며, 예를 들어 파장이 436 및 365㎚인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이다.

따라서 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 형성하기 위해 파장이 작은 극자외선, 예를 들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광장치를 이용하거나, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘(contrast enhancement layer; CEL) 방법 또는 위상반전 마스크를 사용하기도 한다.

그러나 장비의 광원을 미세 파장으로 바꾸는 데에도 한계가 있고, 상기 CEL 방법은 공정이 복잡하여 수율이 떨어진다.

또한 종래 기술의 다른 실시예로서, 두개의 감광막 사이에 중간층을 개재시킨 TLR 방법은 피식각층상에 하층 감광막과 중간층 및 상층 감광막을 순차적으로 형성하고, 상기 상층 감광막을 노광마스크를 사용하여 선택노광 및 현상하여 상층 감광막 패턴을 형성한 후, 이를 마스크로 중간층을 패턴닝하여 중간층 패턴을 형성하고, 다시 중간층 패턴을 마스크로 하층 감광막을 패턴닝하여 하층 감광막 패턴을 형성하여 상기 하층 감광막 패턴을 피식각층의 패턴닝 마스크로 사용한다.

상기와 같은 TLR 공정은 단층 레지스트 방법보다는 공정변수가 작아 단층 감광막 방법에 비해 약 30% 정도 분해능이 향상되어 0.25㎛ 정도의 미세 패턴 형성이 가능하나, 256M나 1G DRAM 이상의 고집적 반도체소자에서 필요한 0.2㎛ 정도의 패턴 형성이 어려워 소자의 고집적화에 한계가 있고, 재현성이 적다.

또한 상층 감광막을 분해능이 우수한 극자외선용의 화학 증폭형 감광막을 사용하는 경우, 상기 화학 증폭형 감광막이 기판 의존 특성을 가지므로 하부막인 중간층의 막질에 영향을 받게 되는데, 상기 중간층은 하층 감광막의 변형을 방지하기 위하여 저온 산화막, 예를 들어 저온 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 CVD라 칭함) 산화막이나 에스.오.지(spin on glass; SOG)등을 사용하는데, 상기의 저온 산화막은 막질이 열악하여 화학 증폭형 감광막의 패턴 형성시 패턴의 경사도(slope)가 크게 형성되고, 패턴의 상부가 손상되어 감광막 패턴 자체의 형성이 어려워지는 문제점이 있다.

또한 0.2㎛ 정도의 폭을 갖는 감광막패턴을 에스팩트비가 크게 형성하면 감광막패턴이 구부러지거나, 부러지거나, 기판에서 떨어지는 등의 패턴 무너짐(pattern collapse) 불량이 발생하여 공정수율을 떨어뜨리는 다른 문제점이 있다.

또한 ArF용의 포토레지스트를 개발하고 있으나, 아직은 접착성이나 내에칭성 및 해상도면에서 안정적으로 공정에 사용되기에는 물질의 개선이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 I-라인, G-라인 ArF, KrF 또는 이온빔용의 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 형성된 수지를 혼합하여 이를 사용하여 포토레지스트를 형성하고, 상기의 포토레지스트를 다층 레지스트 공정에서의 상층 레지스트로 사용하여 단가가 싼 수지를 사용할 수 있어 제조단가를 절감하고, 미세 패턴의 패턴 불량을 방지하여 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 포토레지스트를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 포토레지스트를 얇게 형성되는 상층 레지스트로 사용하여 해상도를 증가시켜 공정여유도 증가에 따른 수율을 향상시킬 수 있는 미세패턴 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 공중합체 수지의 구조를 설명하기 위한 개략도.

도 2는 도1의 수지에 실리콘 함유 화합물이 혼합된 상태의 개략도.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 미세패턴 제조 공정도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 반도체기판 12 : 하층 감광막

14 : 상층 감광막 20 : 노광마스크

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층 레지스트 공정용 포토레지스트의 특징은,

레지스트용 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 공중합체 수지와, 광산발생제가 용매에 혼합되어있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 반도체소자의 미세패턴 제조방법의 특징은,

반도체기판상에 하부 감광막을 형성하는 공정과,

상기 하부 감광막상에 레지스트용 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물이 혼합되어있는 수지로된 포토레지스트를 사용하여 상부 감광막을 형성하는 공정과,

상기 상부 감광막을 선택 노광 및 현상하여 상부 감광막 패턴을 형성하는 공정과,

상기 상부 감광막 패턴을 마스크로 하여 노출되어있는 하부 포토레지스트층을 건식 현상으로 제거하여 하부 포토레지스트층 패턴을 형성하는 공정을 구비함에 있다.

이하, 본 발명에 따른 다층 레지스트 공정용 포토레지스트와 이를 사용한 미세 패턴 제조방법에 관하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

실시예1; 포토레지스트용 공중합체의 형성

먼저, 도 1에 도시되어있는 바와 같은 구조를 가지는 I-라인, G-라인 ArF, KeF, X선 또는 이온빔용의 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물, 예를 들어

하기 화학식1의 데카메칠싸이크로펜타실록산(decamethylcyclopentasiloxane),

화학식2의 테트라메칠싸이크로테트라실록산(decamethylcyclotetrasiloxane),

화학식3의 옥타메칠싸이크로테트라실록산(oxtamethylcyclotetrasiloxane),

화학식4의 옥타메칠싸이크로트리실록산(oxtamethylcyclotrisiloxane),

화학식5의 트리스(디메칠실록시)메틸시랜(tris(dimethylsiloxy)methylsilane),

화학식6의 테트라키스(트리메칠시릴)시랜(tetrakis(trimethylsilyl)silane),

화학식7의 트리스(트리메칠실록시)시랜(tris(trimethylsiloxy)silane),

화학식8의 트리스(트리메칠시릴)시랜(tris(trimethylsilyl)silane),

화학식9의 트리스(트리메칠시릴)메탄(tris(trimethylsilylmethan) 중 적어도 하나를 혼합시켜, 도 2와 같은 구조를 가지게한다.

이때 상기 실리콘 함유 혼합물은 공중합체수지에 대해 1∼50중량% 정도의 비로 혼합하되, 바람직하게는 10∼30중량% 정도 혼합시키는데, 화학 반응을 하지 않고 섞여있는 상태이며, 이를 통상의 유기용매와 통상적인 광산발생제와 혼합하여 포토레지스트를 제조함으로써 미세화상 형성에 사용할 수 있다.

실시예2; 포토레지스트의 형성

상기에서 형성된 공중합체 수지를 시클로헥사논에 10 ∼ 30 중량%로 용해시키고, 광산발생제로서 오니움염 또는 유기설폰산을 공중합체 수지에 대해 0.1 ∼ 10 중량%로 배합한 후, 초미세필터로 여과하여 포토레지스트를 제조한다.

본 발명에서 사용되는 광산발생제로는 트리페닐설포늄 트리플레이트, 디부틸나프틸설포늄 트리플레이트, 2,6-디메틸페닐설포네이트, 비스(아릴설포닐)-디아조메탄, 옥심설포네이트, 1,2-디아조나프토퀴논-4-설포네이트 등을 포함한다.

이러한 포토레지스트는 비교적 단가가 저렴한 I-라인, G-라인 또는 원자외선용 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 사용하므로 제조 단가가 절감된다.

실시예3; 패턴의 형성

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 포토레지스트를 사용한 미세 패턴 형성 공정도이다.

먼저, 소정 구조의 반도체기판(10)의 표면을 HMDS(Hexamethyl Disilazane) 증기로 표면처리하고, 상기 반도체기판(10)의 비교적 단가가 저렴한 포토레지스트, 예를 들어 I-라인, G-라인, KrF, ArF, X선 또는 이온 빔용의 포토레지스트를 사용하여 0.5∼1.5㎛ 정도 두께의 하층 감광막(12)을 도포한 후, 하드 베이크를 실시하여 용매를 증발시킨다.

그다음 상기 하층 감광막(12) 상에 상기 실시예2에서 형성된 포토레지스트 로된 상층 감광막(14)을 0.05∼0.5㎛ 정도 두께로 형성하고, 노광마스크(20)를 사용하여 I-라인, G-라인, KrF, ArF, 이온빔 또는 X등의 광원을 사용하여 선택 노광한다. (도 3a 참조).

그후, 상기 선택 노광된 상층 감광막(14)을 0.1∼10%의 TMAH 용액으로된 현상액으로 현상하여 노광된 부분을 제거하여 상층 감광막(14) 패턴을 형성하고, 소프트 베이크를 실시하여 용매를 제거한 후, (도 3b 참조), 상기 상층 감광막(14) 패턴에 의해 노출되어있는 하층 감광막(12)을 산소 플라즈마를 사용하는 건식현상 방법으로 제거하여 하층 감광막(12) 패턴을 형성하는데, 이 때 상기 상층 감광막(14) 패턴의 내부에 함유되어있던 실리콘이 산소와 결합하여 상층 감광막(14) 패턴의 표면에 실리콘 산화막(도시되지 않음)이 형성되어 식각 공정에서의 하드 마스크가 되며, 이렇게 형성된 산화막은 후속 공정에서 제거하여 하층 감광막(12) 패턴을 형성할 수 있다. (도 3c 참조). 또한 0.13㎛ 이하의 미세패턴이 형성 가능한 반도체[소자를 얻을 수 있다.

상기와 같이 형성된 하층 감광막 패턴은 식각 마스크나 이온주입 마스크로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다층 레지스트용 포토레지스트와 이를 사용한 미세패턴 형성방법은 다층 레지스트 공정에서 비교적 단가가 저렴한 I-라인, G-라인 또는 KrF용 등의 포토레지스트들에 데카메칠싸이크로펜타실록산, 테트라메칠싸이크로테트라실록산, 옥타메칠싸이크로테트라실록산, 옥타메칠싸이크로트리실록산, 트리스(디메칠실록시)메틸시랜, 테트라키스(트리메칠시릴)시랜, 트리스(트리메칠실록시)시랜, 트리스(트리메칠시릴)시랜, 트리스(트리메칠시릴)메탄 중 적어도 하나의 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 공중합체 수지를 형성하고, 이를 용매 및 광산발생제와 혼합하여 포토레지스트를 형성하고, 이를 상층 감광막을 형성한 후에 선택 노광하고 현상하여 상층 감광막패턴을 형성하고, 이를 마스크로 하층 감광막을 건식 현상하여 하층 감광막패턴을 형성하였으므로, 소자의 제조단가를 절감할 수 있으며, 미세 패턴의 패턴 불량을 방지하고, 상층 감광막이 얇게 형성되므로 해상도가 증가되어 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

1. 다층 레지스트 공정용 포토레지스트에 있어서,

   레지스트용 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물을 혼합하여 공중합체 수지와, 광산발생제가 용매에 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 레지스트용 공중합체 수지가 I-라인, G-라인 원자외선 및 이온빔용 수지인 것을 특징으로 하는 포토레지스트.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 함유 화합물을 하기 화학식1의 데카메칠싸이크로펜타실록산(decamethylcyclopentasiloxane), 화학식2의 테트라메칠싸이크로테트라실록산(decamethylcyclotetrasiloxane), 화학식3의 옥타메칠싸이크로테트라실록산(oxtamethylcyclotetrasiloxane), 화학식4의 옥타메칠싸이크로트리실록산(oxtamethylcyclotrisiloxane), 화학식5의 트리스(디메칠실록시)메틸시랜(tris(dimethylsiloxy)methylsilane), 화학식6의 테트라키스(트리메칠시릴)시랜(tetrakis(trimethylsilyl)silane), 화학식7의 트리스(트리메칠실록시)시랜(tris(trimethylsiloxy)silane), 화학식8의 트리스(트리메칠시릴)시랜(tris(trimethylsilyl)silane) 및 화학식9의 트리스(트리메칠시릴)메탄(tris(trimethylsilylmethan)로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 적어도 하나를 혼합시켜는 것을 특징으로하는 포토레지스트.

   [화학식1]

   [화학식2]

   [화학식3]

   [화학식4]

   [화학식5]

   [화학식6]

   [화학식7]

   [화학식8]

   [화학식9]
4. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘 함유 혼합물은 공중합체수지에 대해 1∼50중량% 정도의 비로 혼합하는 것을 특징으로하는 포토레지스트.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 실리콘 함유 혼합물은 공중합체수지에 대해 10∼30중량% 비로 혼합하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 용매가 시클로헥사논에 10 ∼ 30 중량%로 용해되어있는 것을 특징으로 하는 포토레지스트.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 광산발생제가 오니움염 또는 유기설폰산으로서, 공중합체 수지에 대해 0.1 ∼ 10 중량%로 배합되어있는 것을 특징으로하는 포토레지스트.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 광산발생제가 트리페닐설포늄 트리플레이트, 디부틸나프틸설포늄 트리플레이트, 2,6-디메틸페닐설포네이트, 비스(아릴설포닐)-디아조메탄, 옥심설포네이트 및 1,2-디아조나프토퀴논-4-설포네이트로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나를 사용하는 것을 특징으로하는 포토레지스트.
9. 반도체기판상에 하부 감광막을 형성하는 공정과,

   상기 하부 감광막상에 레지스트용 공중합체 수지에 실리콘 함유 화합물이 혼합되어있는 수지로된 포토레지스트를 사용하여 상부 감광막을 형성하는 공정과,

   상기 상부 감광막을 선택 노광 및 현상하여 상부 감광막 패턴을 형성하는 공정과,

   상기 상부 감광막 패턴을 마스크로하여 노출되어있는 하부 포토레지스트층을 건식 현상으로 제거하여 하부 포토레지스트층 패턴을 형성하는 공정을 구비하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 하층 감광막 형성전에 기판 표면을 HMDS로 처리하는 공정을 구비하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 하층 감광막을 I-라인, G-라인, 원자외선 또는 이온빔용 포토레지스트를 사용하여 0.5∼1.5㎛ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
12. 제 9 항에 있어서, 상기 하층 감광막 도포 후에 하드 베이크 공정이 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 상층 감광막에 사용된 실리콘 함유 화합물을 하기 화학식1의 데카메칠싸이크로펜타실록산(decamethylcyclopentasiloxane), 화학식2의 테트라메칠싸이크로테트라실록산(decamethylcyclotetrasiloxane), 화학식3의 옥타메칠싸이크로테트라실록산(oxtamethylcyclotetrasiloxane), 화학식4의 옥타메칠싸이크로트리실록산(oxtamethylcyclotrisiloxane), 화학식5의 트리스(디메칠실록시)메틸시랜(tris(dimethylsiloxy)methylsilane), 화학식6의 테트라키스(트리메칠시릴)시랜(tetrakis(trimethylsilyl)silane), 화학식7의 트리스(트리메칠실록시)시랜(tris(trimethylsiloxy)silane), 화학식8의 트리스(트리메칠시릴)시랜(tris(trimethylsilyl)silane) 및 화학식9의 트리스(트리메칠시릴)메탄(tris(trimethylsilylmethan)로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 적어도 하나를 혼합시켜 형성된 포토레지스트를 사용하여 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.

    [화학식1]

    [화학식2]

    [화학식3]

    [화학식4]

    [화학식5]

    [화학식6]

    [화학식7]

    [화학식8]

    [화학식9]
14. 제 9 항에 있어서, 상기 상층 감광막을 0.05∼0.5㎛ 두께로 형성하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
15. 제 9 항에 있어서, 상기 상층 감광막 선택 노광 공정을 I-라인, G-라인, KrF, ArF, 이온빔 및 X선으로 이루어지는 군에서 임의로 선택되는 하나의 광원을 사용하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
16. 제 9 항에 있어서, 상기 상층 감광막의 현상을 0.1∼10%의 TMAH 용액으로 현상하는 것을 특징으로하는 반도체소자의 미세패턴 제조방법.
17. 상기 제1항 내지 제8항의 포토레지스트를 사용하여 형성된 반도체소자.