KR19990072848A - 포토레지스트막및그의패턴형성방법 - Google Patents
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Abstract
포토레지스트는 하부층, 중간층 및 상부층의 3층 구조이고, 상기 하부 및 상부층이 포토레지스트층이고, 하부층은 상부층이 감광되는 광보다 긴 파장을 가진 광에 감광되며, 상기 중간층은 하부 및 상부층들이 감광되는 광들에 하부층이 노광되지 않을 정도의 투과율을 가진 유기 물질로 형성된 차광막이다.
Description
본 발명은 포토레지스트막 및 그 포토레지스트막의 패턴형성방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로(이하, "LSI" 라 함)는, 해마다 고집적화가 진행되어, 그의 설계룰보다 미세화되도록 크기 축소를 요구하고 있다. 포트리소그라피 공정에 사용될 광원으로는, 머큐리 램프(i빔;365nm) 또는 KrF 엑시머 레이저(248nm)가 주류를 이루고 있다. 그러나, 미래에 예상되는 설계룰(0.2μm 이하)은 이들 광원의 파장 이하의 크기로 된 패턴 형성을 요구하기 때문에, 새로운 방법을 개발해야 한다.
이 요구에 대한, 단층 레지스트를 사용한 접근은 이하의 흐름을 따라 검토되고 있다. 즉, 제 1 방법으로서, KrF 엑시머 레이저와 변형 조명법 또는 위상 시프트법을 병용하는 방법이 현재 연구되고 있다. 이 방법을 이용하면, 막두께 1000Å에서의 해상도는 0.14μm로 된다. 또한, 제 2 방법으로서, 새로운 광원인 ArF 엑시머 레이저(193nm)를 채용하는 방법이 검토되고 있다. 이 ArF 엑시머 레이저를 사용한 경우, 막두께 1000Å에서의 해상도는 0.12μm로 된다. 미래의 사용을 위한, 제 3 방법으로서, ArF엑시머 레이저와 변형조명법 또는 위상 시프트법을 병용하는 방법이 검토되고 있다. 이 방법에 의하면, 막두께 1000Å에서의 해상도는 0.1μm로 된다.
이들 방법을 이용하는 경우, 막두께를 고려하지 않으면 해상도 0.15μm 이하의 매우 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 그러나, 실제로는 포토레지스트막의 패터닝후 에칭 공정이 실행되어야 하므로, 레지스트의 막두께는 최저 5000Å 정도가 되어야 한다. 이 5000Å의 막두께에 대한 해상도는 제 1 방법으로는 0.18μ m, 제 2 방법으로는 0.16μm, 제 3 방법으로는 0.14μm 이다. 따라서, 포토레지스트막의 두께가 두껍게 됨에 따라, 해상도는 (막두께 1000Å에서 성취된) 원래의 해상도보다 0.04μm 만큼 나빠지게 된다. 즉, 종래의 단층 포토레지스트막을 이용하여 패턴이 형성되는 한에는, 다음 공정의 에칭에 대한 내성을 고려하여 포토레지스트막의 두께가 결정되기 때문에, 미세한 해상도의 장점을 충분히 이끌어 내지 못한다.
한편, 노광후 포토레지스트막의 표면을 실레이트(silylate)화하고, 드라이 현상을 실시하여 고해상도 및 드라이 에칭 내성이 뛰어난 패턴을 형성하는 표면 수식법이 검토되고 있다. 이 방법에 의하면, 포토레지스트막의 표면의 1000Å 정도의 두께의 영역에 초기 패턴이 형성되기 때문에, 종래 방법에 비하여 해상도가 높다. 또한, 표면에 형성된 실레이트화층이 하부층을 확고하게 보호하기 때문에, 드라이 에칭 내성이 뛰어난 패턴을 형성할 수 있다. 그러나, 드라이 현상시에, 플라즈마가 실레이트화층 아래의 포토레지스트층의 측벽을 깎아내어, 테이퍼진 단면 형상을 형성한다. 또한, 실레이트화된 표면의 형성이 물질내 확산에 의해 진행되는 고유의 특성상, 패턴 치수 안정성이 불량해지게 되어, 상기 방법은 실용화에 알맞지 않다.
따라서, 다층 레지스트를 이용하는 패터닝법이 개발되어 있다. 예컨대, 일본국 공개 특허 공보 제95-142365호에 개시되어 있는 방법에서는, 먼저, i빔에 감광되는 하부 레지스트층(43)을 후공정에서 에칭될 막(42)상에 형성하고, KrF 엑시머 레이저빔에 감광되는 상부 레지스트층(44)을 하부 레지스트층(43)상에 설치한다(도 5(a)). 이어서, KrF 엑시머 레이저빔을 마스크를 이용하여 조사한후, 현상하여 상부 레지스트층(44)만을 패터닝한다(도 5(b)). 그후, i빔을 전면에 조사하여, 현상한다. 그러나, 이 방법에 의하면 원리적으로는 패터닝가능하지만, i빔을 이용한 제 2 노광시에 조사된 빔이 상부 레지스트층(44)에 의해 완전하게 차광될 수 없고, 그 결과 하부 레지스트층(43) 전부가 i빔에 노광됨으로써, 도 5(c)에 나타낸 바와 같이 하부 레지스트층(43)의 선폭이 불균일하게 되어, 양호한 패턴 형성이 어렵게 된다. 도 5(a)-5(c)에서, 참조 부호(41)는 웨이퍼 기판이다.
따라서, 포토레지스트막의 두께로 인한 해상도의 저하를 극복하는 포토레지스트막은 아직 개발되어 있지 않은 실정이다.
본 발명의 목적은 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저빔 등의 노출 광을 이용하여 패턴을 형성할 때, 포토레지스트막의 두께로 인한 해상도의 저하를 초래하지 않으며 드라이 에칭 내성을 열화시키지 않고, 패터닝될 수 있는 포토레지스트막 및 그의 패턴형성방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서는, 하부층, 중간층 및 상부층의 3층 구조이고, 상기 하부 및 상부층이 포토레지스트층이고, 하부층은 상부층이 감광되는 광보다 긴 파장을 가진 광에 감광되며, 상기 중간층은 하부 및 상부층들이 감광되는 광들에 하부층이 노광되지 않을 정도의 투과율을 가진 유기 물질로 형성된 차광막인 포토레지스트막을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 : 에칭될 층상에 상기한 층구조를 가진 포토레지스트막을 형성하는 공정; 소정 형상의 마스크를 이용하여, 상부층이 감광되는 광을 조사하여 상기 상부층만을 패터닝하는 공정; 상기 패터닝 공정에서 노출된 중간층을 상기 하부층의 표면이 노출될 때까지 에칭하는 공정; 및 상기 하부층이 감광되는 광을 전면에 조사함에 의해 상기 하부층을 패터닝하는 공정을 포함하는 포토레지스트 막의 패턴 형성 방법이 제공된다.
첨부 도면들을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 설명으로부터 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 포토레지스트막이 에칭될 막상에 형성된 상태를 나타낸 도면,
도 2a 내지 2c는 본 발명의 포토레지스트막의 패턴 형성 공정의 일부를 나타낸 단면도들,
도 3a 내지 3c는 본 발명의 포토레지스트막의 패턴형성공정의 일부를 나타낸 단면도들,
도 4a 내지 4c는 본 발명의 포토레지스트막의 패턴형성공정의 일부를 나타낸 단면도들, 및
도 5a 내지 5c는 종래의 포토레지스트막의 패턴형성공정의 일부를 나타낸 단면도이다.
본 발명을 도시된 실시예들에 의해 설명한다. 그러나, 이 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 포토레지스트막이 에칭될 층상에 형성된 상태를 나타낸 도면이고, 도 2a 내지 4c는 본 발명의 포토레지스트막의 패턴을 형성하는 공정들의 일부를 각각 나타낸 단면도들이다. 도 1 내지 4c에는, 웨이퍼 기판(1), 에칭될 막(2), 하부층(3), 중간층(4), 상부층(5), 및 마스크(6)가 도시된다.
에칭될 층은 원하는 형태의 패턴이 포토리소그라피 및 에칭에 의해 형성될 층이다. 이 층은 반도체기판상에 직접 형성되거나 또는 트랜지스터 또는 커패시터 등의 장치, 절연막, 도전층중 하나 이상을 통해 형성되지만, 반도체기판 자체로도 될 수 있다. 상기 에칭될 층은 알루미늄, 동, 은, 금 또는 백금 등의 금속, 텅스텐, 탄탈륨, 코발트 또는 티탄 등의 고융점 금속, 그러한 금속을 포함하는 합금, 폴리실리콘, 폴리실리콘 및 상기 금속으로 구성된 폴리사이드 또는 실리사이드등으로 형성될 수 있다. 상기 층의 두께는 특별하게 제한되지 않는다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 포토레지스트막은 하부층(3), 중간층(4) 및 상부층(5)의 3층 구조를 가진다. 하부층(3)은 i빔 또는 KrF 엑시머 레이저빔에 감광되는 포토레지스트층이다. 중간층(4)은 상기 하부 및 상부층들이 감광되는 광에 하부층이 노출되지 않을 정도의 투과율을 가진 유기 물질로 형성된 차광막이다. 상부층(5)은 KrF 엑시머 레이저빔 또는 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 포토레지스트층이다. 본 명세서에서, 상기 투과율은 50% 이하가 바람직하다. 하부 및 상부층이 감광되는 광들이 본 명세서에 특별히 도시되어 있지만, 그들은 단지 예시적인 목적일 뿐이고 사용될 광들은 하부층이 감광되는 광의 파장이 상부층이 감광되는 광의 파장보다 긴 것이라면 특별히 제한되지 않는다.
중간층(4)은 형성의 용이성, 하부층에 대한 손상 및 드라이 에칭에 대한 내성의 관점에서 유기 물질로 형성됨이 바람직하다. 중간층(4)이 무기 물질로 형성되면, 막두께의 제어가 어렵고, 하부층이 중간층(4)의 형성시에 손상받기 쉽고, 또한 에칭 속도가 드라이 에칭에 대한 내성에 대해 느리게 됨으로써, 무기 물질은 본 발명의 포토레지스트막의 중간층의 재료로서 적합하지 않다.
본 발명의 포토레지스트막의 패턴 형성 방법에 대해 설명한다. 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 에칭될 막(2)상에 포토레지스트막이 형성된다. 다음, 포토레지스트막의 상부층(5)이 마스크(6)에 의해 KrF 엑시머 레이저빔 또는 ArF 엑시머 레이저빔에 노출(이하, "제 1 노광"이라 함)되고(도 2b), 이어서 상부층(5)만을 패터닝(이하, "제 1 패터닝"이라 함)하도록 현상된다(도 2c). 따라서, 상부층(5)만이 패터닝되어 상부층(5)을, 하부의 중간층(4)을 주위의 대기에 노출시키도록 상부층(5)이 제거된 부분 및 상부층(5)이 그대로 잔존하는 부분으로 분리시킨다. 이 단계에서, 하부층(3)과 중간층(4)은 전혀 패터닝되지 않는다.
따라서, 본 발명의 포토레지스트막의 상부층(5)은 KrF 엑시머 레이저빔 또는 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 포토레지스트층으로 제조된다. 이 레지스트는 포지티브형 또는 네가티브형이다. 대조적으로, 중간층(4)은 광을 차폐하여 하부층(3)이 제 1 노출 공정에서 광에 노출되지 않게 한다.
다음, 산소 플라즈마 발생 장치에 의해 전면이 에칭 처리된다(도 3a). 상기 에칭 처리는 제 1 패터닝 공정이 완전히 제거된 후에 중간층(4)이 주위 대기에 노출되는 반면에 상부층(5)의 잔존 부분 아래의 중간층(4)은 완전히 제거되지 않을 정도로 실행된다(도 3b). 이하, 이 조건하에서의 에칭 처리를 "하프(half) 에칭"이라 한다.
그후, 마스크를 이용하지 않고 전면이 i빔 또는 KrF 엑시머 레이저빔에 노출(이하, "제 2 노광"이라 함)되며, 이어서 하부층(3)을 패터닝(이하, "제 2 패터닝"이라 함)하도록 현상한다(도 4a). 상기 제 2 노광 공정에서, 중간층(4) 아래의 하부층(3)은 광에 노출되지 않는데, 그 이유는 광이 제 1 패터닝 공정후에 잔존하는 상부층(5)의 부분에 의해, 즉 하프 에칭 공정후에 잔존하는 중간층(4)의 부분에 의해 차광되기 때문이다.
한편, 하부층(3)은 제 1 패터닝후에 주위 대기에 노출되는 중간층(4)의 부분, 즉 하프 에칭 공정후의 중간층(4)의 완전한 제거에 의해 주위 대기에 노출되는 하부층(3)의 부분(하프 에칭 공정후에 나타나는 하부층(3)의 노출된 부분)에서의 제 2 노출에 의해 광에 노출된다. 따라서, 본 발명의 포토레지스트막의 중간층(4)은 제 1 및 제 2 노출 공정들 모두에서 광(방사 빔)을 차광해야 한다. 즉, 제 1 노출시에 KrF 엑시머 레이저빔을 이용하고 제 2 노출시에 i빔을 이용하는 경우, i빔 및 KrF 엑시머 레이저 빔의 각각에 대한 중간층(4)의 투과율은 50% 이하가 바람직하다. 제 1 노출시에 ArF 엑시머 레이저빔을 이용하고 제 2 노출시에 KrF 엑시머 레이저빔을 이용하는 경우, ArF 엑시머 레이저빔 및 KrF 엑시머 레이저 빔 각각에 대한 중간층(4)의 투과율도 50% 이하가 바람직하다. 제 1 노출시에 ArF 엑시머 레이저빔을 이용하고 제 2 노출시에 i빔을 이용하는 경우, i빔 및 ArF 엑시머 레이저 빔 각각에 대한 중간층(4)의 투과율도 50% 이하가 바람직하다.
또한, 본 발명의 포토레지스트막의 하부층(3)은 KrF 엑시머 레이저빔 또는 i빔에 감광되는 포토레지스트층으로 제조된다.
포토레지스트 패턴이 형성된 후(도 4b), 통상의 LSI 제조 공정이 실행되어 웨이퍼 기판(1)상에 형성된 막(2)을 에칭한다(도 4c). 본 발명의 최종 패터닝 공정후의 에칭에 대한 내성은 잔존하는 3개의 층 모두에 의해 발생된다. 또한, 에칭 공정이 완료된후, 하부층(3)은 계속해서 존재하여 레지스트의 잔존하는 부분하의 막(2)이 에칭됨을 방지한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 따르면, 하부층(3)이 단부에서 패터닝되고(도 4a에 도시된 바와 같이 제 2 패터닝 공정후에 하부층(3)의 잔존하는 부분 및 하부층(3)의 제거되는 부분으로 분리됨), 이어서 통상의 LSI 제조 공정에 의해 막(2)을 에칭한다. 따라서, 하부층은 에칭에 대해 양호한 내성을 가질 것이 요구된다. 에칭 내성을 개선하도록, 본 발명에 사용될 하부층(3)은 구성 성분으로서 주쇄 또는 측쇄에 적어도 하나의 벤젠 고리를 포함하는 것이 바람직하다. 벤젠 고리는 드라이 에칭 공정시에, 여자 상태의 편평한 구조에서 구부려짐에 의해 기판상으로 충돌하는 고속 이온 및 고속 전자의 에너지를 받는다. 즉, 벤젠 고리는 구부려짐으로써 충돌 이온 등에 대한 충격 버퍼로서 작용하여, 충돌 이온 등의 에너지를 작은 진동 에너지로 변환하여 그 에너지를 감소시켜서 벤젠 고리의 원래의 편평한 구조를 회복시킨다. 따라서, 벤젠 고리를 포함하는 포토레지스트층은 드라이 에칭에 대한 양호한 내성을 나타낸다.
하부층(3)의 두께는 에칭 내성과 해상도의 양쪽 관점에서 결정된다. 에칭 내성의 관점에서는, 하부층(3)이 두꺼운 쪽이 바람직하고, 해상도의 관점에서는, 하부층(3)이 얇은 쪽이 바람직하다. 특히, 하부층(3)의 두께는 3000∼7000Å의 범위내인 것이 바람직하다. 통상의 단층 포토레지스트에서는, 에칭 내성의 관점에서 5000Å 정도의 두께가 요구되지만, 본 발명의 포토레지스트막은 3층구조를 갖고 있고, 이 3층 전체의 에칭 내성이 중요하게 된다. 따라서, 하부층(3)의 두께는 3000Å 이상인 것이 바람직하다. 한편, 해상도의 관점에서는, 하부층(3)의 두께는 7000Å 이하로 하는 것이 바람직하다. 막두께가 3000Å 미만의 경우, 본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 의한 패턴 형성후의 에칭 공정이 어느 정도 제약을 받기 때문에, 바람직하지 못하다. 한편, 막두께가 7000Å를 넘는 경우에는, 해상도가 어느 정도의 제약을 받기 때문에, 바람직하지 못하다.
제 1 패터닝 공정후 주위 대기에 노출된 중간층(4)의 부분은 산소 플라즈마에 의해 하부층(3)이 주위 대기에 노출될 때까지 에칭된다. 한편, 제 1 패터닝 공정후 잔존하는 상부층(5)의 부분하의 중간층(4)은, 에칭 공정 초기에는 상부층(5)에 의해 보호되기 때문에 에칭되지 않는다. 에칭 공정은 상기한 바와 같이 제 1 패터닝 공정후 주위 대기에 노출된 중간층(4)의 노출부가 완전히 제거되어 하부층(3)이 주위 대기에 노출될 때까지 실행된다. 그러나, 제 1 패터닝 공정후 잔존하는 상부층(5)의 부분 하의 중간층(4)은 다음 공정에서의 레이저빔의 전면 노광시에 i빔 또는 KrF 엑시머레이저빔을 차광하여 하부층(3)이 빔에 노출되지 않도록 에칭 종료후에도 잔존해야 한다. 이 조건들을 만족시키기 위하여, 중간층(4)의 에칭 속도는 하부층(3)에 비하여 큰 쪽이 바람직하다. 특히, 본 발명의 실시에 유효한 중간층(4)의 에칭 속도는 하부층(3)의 에칭 속도보다 1.2배 이상인 것이 바람직하다. 이 에칭 속도는 중간층과 하부층의 재료 및 사용될 에천트에 따라 적절하게 결정된다.
중간층(4)의 두께는 에칭 내성과 제 1 노광 및 제 2 노광 공정에서의 방사광(광원은 특히 한정되지 않는다)에 대한 투과율의 양쪽 관점에서 결정된다. 즉, 에칭 내성의 관점에서는, 하프 에칭 공정시에 제 1 패터닝 공정후 주위 대기에 노출된 중간층의 부분이 빠르게 제거되도록 중간층(4)이 얇은 쪽이 바람직하다. 한편, 제 1 노광 및 제 2 노광 공정에서 하부층(3)이 노광되지 않도록 방사광을 차광하기 위해서는 중간층(4)이 두꺼운 쪽이 좋다. 이 조건들을 만족하는 중간층(4)의 막두께로서는 200∼2000Å의 범위내에 있는 것이 바람직하다. 중간층(4)의 두께가 200Å 미만의 경우, 방사광의 차광이 불충분하므로, 바람직하지 못하다. 한편, 중간층의 두께가 2000Å를 넘으면, 하프 에칭 공정에 오랜 시간이 걸리게 됨으로써, 치수 제어성이 악화되고, 처리량도 감소하기 때문에, 바람직하지 못하다.
상부층(5)은 제 1 패터닝 공정에 의해 패터닝된다. 제 1 패터닝 공정후 잔존하는 상부층(5)의 부분은, 특히 에칭 공정의 초기에 그 아래의 중간층(4)을 후에 실시되는 하프 에칭 공정시에 보호하는 작용을 한다. 따라서, 어느 정도의 드라이 에칭 내성과 막두께가 요구된다. 한편, 해상도의 관점에서는, 상부층(5)의 두께는 얇은 쪽이 바람직하다. 이 요구들로부터, 하부층(3)의 에칭 속도에 대한 상부층(5)의 에칭 속도는 1.5배 이하인 것이 바람직하다. 에칭 속도가 1.5배를 넘으면, 하프 에칭 공정시에 제 1 패터닝 공정후 잔존하는 상부층(5)의 부분하의 중간층(4)까지 에칭이 도달하여, 제 2 노광 공정시에 중간층(4)에 의해 방사광의 차광이 불충분하여 지므로, 바람직하지 못하다.
상부층(5)의 두께는 500∼3000Å의 범위내인 것이 바람직하다. 막두께가 500Å 미만의 경우, 하프 에칭 공정시의 제 1 패터닝 공정후 잔존하는 상부층(5)의 부분하의 중간층(4)의 부분이 불충분하게 되고, 중간층(4)이 과도하게 에칭되어, 제 2 노광 공정시에 중간층(4)에 의해 방사광의 차광이 불충분하게 되므로, 바람직하지 못하다. 한편, 3000Å를 넘는 경우, 제 1 패터닝에 의한 해상도가 악화되기 때문에, 바람직하지 못하다.
본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 의하면, 먼저 본 발명의 포토레지스트막이 마스크를 사이에 두고 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저빔에 노광되고, 이어서 현상되어 마스크 패턴을 제 1 패터닝 공정시에 상부층(5)에 전사한다.
다음, 주위 대기에 노출된 중간층(4)의 부분이 산소 플라즈마에 의해 하부층(3)이 노출될 때까지 에칭되어, 상부층(5)에 전사된 패턴이 중간층(4)에 전사된다. 이어서, 마스크를 이용하지 않고 i빔 또는 KrF 엑시머 레이저 빔에 전면이 노광되어, 중간층(4)에 전사된 패턴이 하부층(3)에 전사된다.
본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 있어서, 제 1 패터닝 공정시의 가열처리에 의해 레지스트내에 포함된 산 발생기에 의해 형성된 산을 효과적으로 확산시켜 양호한 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2 패터닝 공정시의 가열 처리에 의해 레지스트내에 포함된 산을 효과적으로 확산시켜 양호한 패턴을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 가열처리는 통상 PEB(Post Exposure Bake)라 하는 것으로, 노광만으로 얻어진 산의 량이 부족하게 되는 경우, 그 산을 증폭시켜 정재파(定在波)에 의한 산의 분포의 불균일성을 시정할 목적으로 실행한다. 가열 온도 및 처리 시간은 산의 농도, 레지스트의 조성등에 의해서 적절하게 결정된다.
이어서, 현상이 실행된다. 본 발명에서, 현상은 통상의 현상법에 의해 실행된다. 구체적으로는, 예컨대 TMAH 2.38%의 수용액(현상액)에 레지스트면을 담그고, 그후, 현상액을 건조함에 의해 현상을 실행한다.
본 발명의 하부층(3), 중간층(4) 및 상부층(5)은 통상의 포토리소그라피 공정에서 채용되는 바와 같이, 스핀 코팅법에 의해 형성될 수 있다. 또한, 필요에 따라서, 기판의 친유화, 코팅 공정후의 용매 제거 및 레지스트 경화를 위한 가열 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
하부층(3)은, 예컨대 i빔에 감광되는 재료로서 노볼락계 수지, 또는 KrF 엑시머 레이저 빔에 감광되는 재료로서 아세탈기, t-부트옥시카르보닐기 등에 의해 수산기가 보호되는 폴리비닐 페놀로 제조될 수 있다.
중간층(4)은, 예컨대 방사광을 차광하기 위한 염료를 함유한 재료 및 에칭 속도가 빠른 아크릴계의 수지를 주성분으로 하는 재료로 제조될 수 있다.
상부층(5)은, 예컨대 KrF 엑시머 레이저빔에 감광되는 아세탈기, t-부트옥시카르보닐기 등에 의해 수산기가 보호되는 폴리비닐 페놀로 제조될 수 있다. 이와 다르게, 상부층(5)은, 예컨대 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 재료로서, 메타크릴산, 테르트-부틸 메타크릴레이트 및 메틸 메타크릴레이트의 3원 공중합체 레지스트, 메타크릴산, 테르트-부틸 메타크릴레이트 및 아다만틸 메타크릴레이트의 3원 공중합체 레지스트, 메타크릴산, 테르트-부틸 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 및 이소보닐 메타크릴레이트의 4원 공중합체 레지스트, 메타크릴산, 테르트-부틸 메타크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트 및 아다만틸 메타크릴레이트의 4원 공중합체 레지스트등으로 제조될 수 있다.
실시예
실시예 1
약 0.5μm의 SiN 막을 형성한 6인치의 실리콘 웨이퍼를 묽은 불화수소산용액으로 세정한 후, 고온에서 건조하여 웨이퍼 표면을 처리하였다. 다음에, 헥사메틸디실라잔(HMDS)으로 표면을 친유화하였다. 이어서, KrF 엑시머 레이저빔에 감광되며 폴리비닐 페놀을 골격 수지로 포함하는 레지스트를 표 1에 나타낸 두께로 도포하였다. 다음, 표 1에 나타낸 특성(KrF 엑시머 레이저빔 및 ArF 엑시머 레이저빔에 대한 투과율, 막두께 및 하부층의 에칭 속도에 대한 에칭속도비)을 가진 유기 물질을 도포하여 중간층을 형성한다. 또한, ArF 엑시머 레이저빔에 감광되며 표 1에 나타낸 특성(막두께 및 하부층의 에칭 속도에 대한 에칭 속도비)을 가진 레지스트를 도포하여 상부층을 형성한다. 한편, 표 1에 있어서, 제 1층은 하부층을 나타내며, 제 2층은 중간층을 나타내고, 제 3층은 상부층을 나타낸다.
KrF 엑시머 레이저빔에 감광되는 레지스트로서, 오늄염 등의 산 발생기를 포함하는 아세탈형 플라이히드록시스티렌 수지가 사용되었다.
아다만탄 등의 지환족 측쇄를 가진 아세탈 수지가 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 레지스트로서 사용되었다.
폴리비닐 알콜 수지는 중간층으로서 사용되었다.
그후, ArF 엑시머 레이저 노광 장치(일본의 니콘사 제품인 프로토형 장치)를 이용하여 엑시머 레이저빔을 조사하여 0.15μm의 마스크 사이즈의 라인 앤드 스페이스(L/S)패턴이 형성되고, 이어서 120℃에서 90초 동안 가열 처리하여 현상하였다.
다음에, 산소 플라즈마를 이용한 에칭 장치(어플라이드 마터리얼사 제품 상품명 "P5000")에 의해 에칭 처리가 실행되어 전의 패터닝 공정으로 주위 대기에 노출된 중간층이 완전히 제거된다.
다음, KrF 엑시머 레이저 노광 장치(일본 캐논사 제품, 상품명 "FPA-3000 EX3")를 이용하여 웨이퍼 전면에 KrF 엑시머 레이저빔을 조사한 다음, 105℃에서 90초 동안 가열 처리하여 현상하였다.
상기 2회의 현상 공정은 TMAH 2.38%를 함유한 현상액을 이용하여 실시하였다. 다음에, 웨이퍼 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 함께 나타낸다.
레지스트의 최종 패턴 형성후, 마그네트론 RIE 에칭 장치에 의해 웨이퍼표면(SiN)을 깊이 0.3μm까지 에칭하였다. 또한, 상기 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 함께 나타낸다.
비교예 1
비교예 1에서는, 실시예 1의 하부층 형성시에 사용한 레지스트만을 도포하여 중간층 및 상부층이 없는 포토레지스트막을 실시예 1과 동일한 방식으로 형성한다. 그후, 0.15μm의 마스크 사이즈의 L/S 패턴의 마스크를 이용하여 KrF 엑시머 레이저빔을 변형조명법(슈린크)에 의해 조사하고, 이어서 110℃에서 90초 동안 열처리하여 현상하였다. 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
두께가 두꺼운 (4000Å 정도) 경우에, 해상도가 악화되었다. 한편, 두께가 얇은 (약 2000Å 정도) 경우에, 패터닝은 거의 양호하지만, 막두께가 얇아서 에칭에 견디지 못하고, 에칭 공정이 완료된 후는 레지스트가 모두 제거되어, 정상적인 에칭면은 얻어지지 않았다.
비교예 2
비교예 2에서는, 실시예 1의 상부층 형성시에 사용된 레지스트만을, 하부층 및 중간층 없이 도포하여 실시예 1과 동일한 방식으로 포토레지스트막을 형성하였다. 다음, 실시예 1과 동일한 마스크를 이용하여 ArF 엑시머 레이저빔을 조사한후, 가열 처리 및 현상을 실시하였다. 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
레지스트 패턴 형성후, 실시예 1과 동일한 방식으로 웨이퍼 표면을 깊이 0.3μm까지 에칭하여, 그 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
두께가 두꺼운(5000Å 정도)경우에, 해상도가 악화되었다. 한편, 두께가 얇은(3000Å) 경우에, 패터닝은 양호하지만, 막두께가 얇아서 에칭에 견디지 못하고, 에칭 공정 완료후는 레지스트가 모두 제거되어, 정상적인 에칭면은 얻어지지 않았다.
비교예 3
실시예 1의 중간층없이 하부층 및 상부층만의 2층 구조로 이루어지는 포토레지스트막을 제조하였다. 실시예 1과 동일한 마스크를 이용하여 ArF 엑시머 레이저빔을 조사한후, 가열 처리 및 현상을 하였다. 또한, KrF 엑시머 레이저빔을 웨이퍼 전면에 조사한후, 가열 처리 및 현상을 하였다. 이어서, 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 전면의 노광 공정시에, 하부층 모두가 노광되어, 도 5c에 도시된 바와같이 하부층의 두께가 감소하고 패턴 폭도 불균일하였다. 그후 실행된 에칭 공정에서는 선폭이 불균일한 패턴이 되었다.
실시예 2
약 0.5μm의 폴리실리콘막을 형성한 8인치의 실리콘 웨이퍼를 황산용액으로 세정한 후, 고온에서 건조하여 웨이퍼표면을 처리하였다. 이어서, HMDS에서 표면을 처리하여 친유화하였다. 그후, i빔에 감광되며 노볼락 수지를 골격수지로서 포함하는 레지스트를 막두께 3500Å로 도포하여 하부층을 형성하였다. 이어서, i빔에 대한 투과율 20%, ArF 엑시머 레이저빔에 대한 투과율 15%, 막두께 800Å 및 하부층 레지스트에 대한 에칭 속도비 1.4의 유기질 물질을 도포하여 중간층을 형성하였다. 또한, ArF 엑시머 레이저빔에 감광되며 막두께 800Å 및 하부층 레지스트에 대한 에칭속도비 1.2의 레지스트를 도포하여 상부층을 형성하였다.
나프토퀴논 디아지드 감광기를 가진 노볼락 수지가 i빔에 감광되는 레지스트로서 사용되었다.
지환족 측쇄를 가진 아다만탄 등의 아세탈 수지가 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 레지스트로서 사용되었다.
폴리비닐 알콜 수지가 중간층으로서 사용되었다.
이어서, 실시예 1과 같은 ArF 엑시머 레이저 노광 장치에 의해 엑시머 레이저 빔을 조사하여 0.16μm의 마스크 사이즈의 라인 앤드 스페이스(L/S) 패턴을 형성한후, 120℃에서 90초 동안 가열 처리하여, 현상하였다.
이어서, 실시예 1과 같이 산소 플라즈마를 이용하여 에칭 처리를 실시함으로써 전의 패터닝 공정에 의해 주위 대기에 노출된 중간층을 완전히 제거하였다.
다음, i빔 노광 장치(일본 니콘사 제품, 상품명"NSR2005i9C")를 이용하여 i빔을 웨이퍼 전면에 조사한후, 105℃에서 90초 동안 가열 처리하고 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하였다.
실시예 1과 같은 방식으로 웨이퍼 단면을 전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 그 결과는 양호한 패턴 형상이었다. 또한, 실시예 1과 같은 방식으로 레지스트 패턴을 형성한후, 헬리콘 웨이브 플라즈마 에칭 장치에 의해 웨이퍼 표면을 깊이 0.3μm까지 에칭하였다. 그 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰하였다. 그 결과는 양호하게 에칭된 것이다.
실시예 3
약 0.3μm 두께의 SiN 막을 형성한 8인치의 실리콘 웨이퍼를 황산용액으로 세정한후, 고온에서 건조하여 웨이퍼 표면을 처리하였다. 이어서, 헥사메틸디실라잔(HMDS)으로 처리하여 웨이퍼 표면을 친유화하였다. 이어서, i빔에 감광되며 노볼락 수지를 골격 수지로 포함하는 레지스트를 4500Å 두께로 도포하여 하부층을 형성하였다. 다음, i빔에 대한 투과율 20%, KrF 엑시머 레이저빔에 대한 투과율 15%, 막두께 650Å 및 하부층의 레지스트에 대한 에칭 속도비 1.3의 유기 물질을 도포하여 중간층을 형성하였다. 또한, KrF 엑시머 레이저빔에 감광되며 막두께 700Å 및 하부층의 레지스트에 대한 에칭 속도비 1.3의 레지스트를 도포하여 상부층을 형성하였다.
나프토퀴논 디아지드 감광기를 가진 노볼락 수지가 i빔에 감광되는 레지스트로서 사용되었다.
지환족 측쇄를 가진 아다만탄 등의 아세탈 수지가 ArF 엑시머 레이저빔에 감광되는 레지스트로서 사용되었다.
폴리비닐 알콜 수지가 중간층으로서 사용되었다.
그후, ArF 엑시머 레이저 노광 장치를 이용하여 엑시머 레이저빔을 조사함으로써 마스크 사이즈 0.17μm의 라인 앤드 스페이스(L/S) 패턴을 형성한후, 120℃에서 90초 동안 가열 처리하여 현상하였다.
다음에, 실시예 1과 동일한 방식으로 산소 플라즈마에 의한 에칭 장치를 이용하여, 전의 패터닝 공정에서 주위 대기에 노출된 중간층이 완전히 제거될 때까지 에칭하였다.
다음, i빔 노광장치를 이용하여 웨이퍼 전면에 i빔을 조사한후, 105℃에서 90초 동안 가열처리하여 현상하였다. 한편, 상기 2회의 현상 공정은 TMAH 2. 38%를 함유한 현상액을 이용하여 실시하였다. 이어서, 웨이퍼 단면을 전자현미경으로 관찰한 바, 양호한 패턴 형상이었다.
또한, 실시예 1과 동일한 방식으로 레지스트 패턴을 형성한후, 마그네트론 RIE 에칭장치를 이용하여 웨이퍼 표면을 깊이 0.4μm까지 에칭하였다. 그 웨이퍼의 단면을 전자현미경으로 관찰한 바, 양호하게 에칭되어 있었다.
이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명은 KrF 또는 ArF 엑시머 레이저빔 등의 노출광을 이용하여 패턴을 형성하는 경우 레지스트막 두께로 인한 해상도의 저하를 초래하지 않으며 드라이 에칭 내성을 열화시키지 않고 패터닝될 수 있는 포토레지스트 막을 형성할 수 있다.
하부층이 특정 구성 성분을 포함하므로, 드라이 에칭 내성을 향상시킬 수 있다.
중간층의 투과율이 50% 이하이므로, 패턴 치수의 안정성을 향상시킬 수 있다.
하부층이 소정 두께를 가지므로, 에칭 내성 및 해상도가 뛰어난 포토레지스트막이 얻어진다.
중간층이 소정 두께를 가지므로, 조사광의 차광이 충분하고 치수 제어성이 양호한 포토레지스트막이 얻어진다.
상부층이 소정 두께를 가지므로, 중간층의 차광성을 충분히 유지하고 해상도가 양호한 포토레지스트막이 얻어진다.
본 발명의 포토레지스트막의 패턴 형성 방법은 보다 양호한 패턴 형상을 제공한다.
이상 본 발명이 첨부 도면들을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 당업자들에 의해 여러 가지 변경 및 개조가 용이하게 실시될 수 있다. 따라서, 이러한 변경 및 개조가 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는다면, 본 발명에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.
Claims (11)
- 하부층, 중간층 및 상부층의 3층 구조이고, 상기 하부 및 상부층이 포토레지스트층이고, 하부층은 상부층이 감광되는 광보다 긴 파장을 가진 광에 감광되며, 상기 중간층은 하부 및 상부층들이 감광되는 광들에 하부층이 노광되지 않을 정도의 투과율을 가진 유기 물질로 형성된 차광막인 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 및 상부층들이 감광되는 광들의 조합은 i빔 및 KrF 엑시머 레이저빔의 조합, i빔 및 ArF 엑시머 레이저빔의 조합, 및 KrF 엑시머 레이저빔 및 ArF 엑시머 레이저빔의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부층은 구성 성분으로서 주쇄 또는 측쇄에 적어도 하나의 벤젠 고리를 포함하는 포토레지스트층인 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중간층은 하부층이 감광되는 광 및 상부층이 감광되는 광의 각각에 대해 50% 이하의 투과율을 갖는 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부층이 3000 내지 7000Å의 두께를 갖는 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 중간층이 200 내지 2000Å의 두께를 갖는 포토레지스트막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 상부층이 500 내지 3000Å의 두께를 갖는 포토레지스트막.
- 에칭될 층상에 청구항 1의 포토레지스트막을 형성하는 공정;소정 형상의 마스크를 이용하여, 상부층이 감광되는 광을 조사하여 상기 상부층만을 패터닝하는 공정;상기 패터닝 공정에서 노출된 중간층을 상기 하부층의 표면이 노출될 때까지 에칭하는 공정; 및상기 하부층이 감광되는 광을 전면에 조사함에 의해 상기 하부층을 패터닝하는 공정을 포함하는 포토레지스트 막의 패턴 형성 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 하부 및 상부층들이 감광되는 광들의 조합은 i빔 및 KrF 엑시머 레이저빔의 조합, i빔 및 ArF 엑시머 레이저빔의 조합, 및 KrF 엑시머 레이저빔 및 ArF 엑시머 레이저빔의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상부층에 광을 조사한후 가열 처리를 실행하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 하부층에 광을 조사한후 가열 처리를 실행하는 방법.
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