KR19990072893A - 포토레지스트패턴의형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에칭시킬 층상에 화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 도포한 후, 노출 및 현상함으로써 레지스트 패턴을 형성하는 공정, 및 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선으로 상기 레지스트 패턴의 전면을 조사하는 공정을 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 디바이스 및 집적 회로의 제작시 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법, 보다 상세하게는 리토그래피에 의한 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
최근, LSI 기술의 집적화가 진행되면서, 미세 포토레지스트 패턴의 형성에 대한 요구가 증가하고 있다. 반도체 디바이스의 제조시 보다 미세한 패턴을 사용함에 따라, 자외선의 파장보다 짧은 파장의 방사선이 포토레지스트 패턴을 형성하기 위한 광원으로서 사용되고 있다. 0.25 ㎛ 이하의 해상도를 요구하는 포토리토그래피에서, 화학 증폭형 레지스트막이 고감도이고 또 고해상도를 제공할 수 있기 때문에, 현재 주류가 되고 있다. 이전 세대의 종래 레지스트막은 자외선과 같은 광을 노출시키면, 가용성/불용성 부분으로 변하였다. 반면, 최근의 레지스트막은 촉매의 존재하에서 광에 노출시킴으로써 산을 발생시킨 다음, 발생한 산이 레지스트막을 가용성/불용성 부분으로 변화시키는 작용을 한다. 즉, 산이 발생하면 화학 증폭형 레지스트막이 약한 광에 반응할 수 있기 때문에, 종래의 레지스트막에 비해 고감도이다.
고밀도 집적 회로의 제조에 있어서, 높은 내에칭성을 갖는 레지스트 패턴을 정확하게 형성할 수 있는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
도 1(a) 내지 1(f)은 본 발명에 따른 레지스트 패턴의 형성 방법을 설명하는 개략적인 단면도이다.
도 2는 에칭 속도 및 본 발명의 방법에 따른 화학 증폭형 레지스트막의 방사선의 조사량 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 에칭 속도 및 본 발명의 방법에 따른 화학 증폭형 레지스트막의 조사 후 기재의 가열 온도 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 4는 에칭 속도 및 본 발명의 방법에 따른 화학 증폭형 레지스트막의 파장 633 nm에서 굴절율 간의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 선폭 변화 및 본 발명에 따른 화학 증폭형 레지스트막의 선폭 수축율 간의 관계를 도시한 그래프이다.
화학 증폭형 레지스트막은 노출시 산을 발생시키는 하나 이상의 산 발생제 및 산에 대해 반응성이 있는 중합체를 함유하는 레지스트막을 의미하고 또 원자외선 영역 내의 파장을 갖는 광에 대해 낮은 흡광도를 갖는다. 화학 증폭형 포지티브 레지스트막의 산에 대해 반응성이 있는 중합체로서, 페놀 부분의 OH기가 하기 화학식(1)으로 나타낸 바와 같은 보호기에 의해 보호되는 폴리비닐페놀(PVP)을 주쇄로 갖는 화합물이 공지되어 있다:
상기 식에서,
R은 삼차부톡시카르보닐(t-BOC), 이소프로폭시카르보닐(i-PrOC), 테트라히드로피라닐(THP), 트리메틸실릴(TMS), 삼차부톡시카르보닐메틸(t-BOC-CH2), 알콕시알킬, 할로알콕시알킬, 아랄킬옥시알킬기 등이다.
페놀 부분의 OH기가 t-BOC에 의해 보호되는 중합체에서, 예컨대 노출에 의해 산 발생제로부터 발생한 산은 다음과 같은 노출 후 베이킹 처리(이후, PEB로 약칭함)를 일으킨다:
상기 반응에서, 산은 촉매로서 작용한다. 따라서, 종래의 레지스트막과 비교하여, 고감도 및 고해상도를 갖는 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 도 1(a) 내지 1(f)를 참조로 하여, 전형적인 화학 증폭형 레지스트막을 사용하는 레지스트 패턴 형성 방법의 개요를 설명하며, 이 방법은 일본 미심사 특공평 제 6(1994)-214402호 공보에 제안되어 있다.
먼저, 에칭시킬 박막(2)을 반도체 기판(3) 상에 형성한 다음, 레지스트막(1)을 회전 도포한다(도 1(a) 참조). 레지스트막을 패턴화하기 위해 사용하는 광원이 KrF 엑시머 레이저(파장 248 nm)인 경우, 레지스트막(1)은 주쇄로서, 용해 억제기가 도입된 OH기를 갖는 PVP를 함유하는 레지스트막으로 형성된다. 광원이 ArF 엑시머 레이저(파장 193 nm)인 경우, 레지스트막(1)은 측쇄에 축합된 지환족기 등을 함유하는 레지스트막으로 형성된다. 회전 도포에 의해 형성된 레지스트막(1)을 90 내지 110℃의 분위기에서 70 내지 120초 동안 둔다. 이하, 상기 가열 처리 공정을 "연화 베이킹 공정"으로 칭한다.
다음, 레지스트막(1) 상에 소망하는 패턴을 형성하기 위해 마스크(6)를 통해 레지스트막(1)을 방사선(4)에 노출시킨다(도 1(b) 참조).
이후, 90 내지 110℃에서 약 90초 동안 가열 처리한다. 상기 가열 처리 공정은 PEB이다. 상기 공정에서, 산이 존재하는 레지스트막(1)의 영역은 현상액에 용해되고 또 산이 존재하지 않는 영역은 현상액에 불용성이 된다. PEB 후, 2.38% 테트라메틸암모늄(TMAH) 수용액, 알칼리 현상액을 사용하는 현상을 실시하여 레지스트 패턴(1A)을 형성시킨다(도 1(c)참조).
화학 증폭형 레지스트막이 광 예컨대 원자외선에 대해 흡수하는 방사선에 형성된 레지스트 패턴(1A)을 재노출시킨다(도 1(d) 참조). 이후, 반도체 기판(3)을 레지스트의 유리 전이점 이하의 온도, 예컨대 150℃ 이하에서 가열한다.
다음, 마스크로서, 얻은 레지스트 패턴(1A)을 사용하여 박막(2)을 이방성 에칭시켜 패턴을 형성(도 1(e)참조)하고, 또 레지스트 패턴(1A)을 회분화(ashing)시켜 제거한다(도 1(f) 참조).
상술한 바와 같이, 현상 후 레지스트 패턴의 전면에 원자외선 방사선을 조사하고 또 레지스트 패턴을 가열함으로써, 고내열성 및 높은 내에칭성을 갖는 포토레지스트 패턴을 얻을 수 있다.
그러나, 본 발명의 발명자는 상술한 원자외선으로 화학 증폭형 레지스트막을 조사하고 또 열처리하면, 레지스트 패턴의 에칭 후 선폭을 조절하는 것이 어렵다는 것을 발견하였다. 예컨대, 고밀도 집적 회로를 안정하게 제조하기 위해, 3σ(레지스트 패턴의 선폭 변화)은 20 nm 이하로 조절되어야 한다. 그러나, 상술한 방법에 따르면, 의도한 선폭 240 nm을 갖는 레지스트 패턴에 대해, 3σ는 30 nm 이다. 따라서, 포토레지스트 패턴을 형성하는 종래의 방법은 레지스트 패턴의 선폭을 정확하게 조절하는 것이 어렵다. 게다가, 상기 방법에 따르면, 회분화 후 레지스트막의 잔류물이 발견된다.
상술한 방법에 의한 포토레지스트 패턴의 선폭 변화는 장파장 성분을 포함하는 다양한 파장의 할로겐 램프와 같은 광원을 사용하는 재-노출 과정 중에, 레지스트막의 온도 상승에 의한 포토레지스트 패턴의 변형 때문인 것으로 생각된다. 또한, 재-노출 과정 중의 레지스트 패턴의 온도 상승은 회분화에서 쉽게 제거될 수 없는 화학 물질, 즉 레지스트막의 잔류물을 발생시키는 것으로 생각된다.
따라서, 지금까지 내열성, 건식 에칭 내성, 크기 제어성 및 레지스트막 박리성에 대해 만족스러운 성능을 제공할 수 있는 어떠한 포토레지스트 패턴의 형성 방법도 밝혀지지 않았다.
본 발명은 에칭시킬 층상에 화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 도포한 후, 노출 및 현상함으로써 레지스트 패턴을 형성하고 또 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선으로 레지스트 패턴의 전면을 조사하는 공정을 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 내열성 및 건식 에칭 내성을 유지하면서 우수한 크기 제어성 및 양호한 레지스트막 박리성을 갖는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법에서, 먼저 화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 에칭시킬 층상에 도포한 후, 노출 및 현상을 실시하여 레지스트 패턴을 형성한다.
에칭시킬 층은 포토리토그래피 및 에칭에 의해 소망하는 배열의 패턴이 형성되는 층이다. 이 층은 전형적으로 반도체 기판상에 직접 형성되거나 또는 트랜지스터 또는 커패시터과 같은 하나 이상의 디바이스, 절연막, 도전층 등의 삽입과 함께 형성되지만, 반도체 기판 그 자체일 수 있다. 에칭시킬 층은 알루미늄, 구리, 은, 금 또는 백금, 고융점 금속 예컨대 텅스텐, 탄탈, 코발트 또는 티탄, 상기 금속을 함유한 합금, 상기 금속으로 구성된 폴리실리콘, 규화물 또는 폴리사이드(polycide)로 형성될 수 있다. 상기 층의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 약 3000 내지 8000 Å 일 수 있다.
화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 에칭시킬 상술한 층상에 도포한다. 본 기술 분야에 통상적으로 사용되면, 어떠한 화학 증폭형 포지티브 레지스트막이 사용될 수 있다. 상기 형태의 화학 증폭형 포지티브 레지스트막은 통상적으로 방사선 노출시 산을 발생시키는 산 발생제 및 산에 대해 반응성이 있는 중합체로 이루어진다.
상기 중합체의 예는 주쇄로서 폴리비닐페놀을 갖고, 또 페놀 부분의 OH기가 삼차부톡시카르보닐(t-BOC), 이소프로폭시카르보닐(i-PrOC), 테트라히드로피라닐 (THP), 트리메틸실릴(TMS), 삼차부톡시카르보닐메틸(t-BOC-CH2), 알콕시알킬(예컨대 메톡시메틸, 에톡시메틸, 프로폭시메틸, 메톡시에틸, 에톡시에틸, 프로폭시에틸 등), 할로알콕시알킬, 아랄킬옥시알킬 등으로 보호되는 상술한 화학식(1)을 갖는 화합물을 포함한다. 또한, 다른 중합체를 포함한다.
상기 산 발생제의 예는 오늄염, o-니트로벤젠 에스테르, p-니트로벤젠 에스테르, 트리(메탄술포닐옥시)벤젠 등을 포함한다.
공지의 방법, 예컨대 회전 도포, 닥터 블레이드 방법 등과 같은 방법에 의해 화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 약 3000 내지 10000 Å의 두께로 도포할 수 있다. 바람직하게는, 레지스트막을 도포하기 전에, 에칭시킬 층의 표면을 예컨대 헥사메틸디실라잔 등으로 처리하여 친유성화 한다.
노출에 대해 소망하는 배열의 패턴을 갖는 마스크의 삽입과 함께, 자외선, 전자선, X-선 등을 조사함으로써 화학 증폭형 포지티브 레지스트막 노출을 실행될 수 있다.
레지스트막을 현상하기 위해 통상 사용하는 현상제를 사용함으로써, 화학 증폭형 포지티브 레지스트막 현상을 실시할 수 있다. 예컨대, 약 수% 농도의 테트라메틸암모늄의 수용액 등을 들 수 있다.
이후, 상기에서 얻은 레지스트 패턴의 전면을 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선으로 조사한다.
이때, 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선의 예는 광학 필터에 의해 단색화한 UV 램프, KrF 엑시머 레이저광(파장 248 nm), Xe 엑시머 레이저광(파장 172 nm), XeCl 엑시머 레이저광(파장 308 nm), 전자선, X-선 등의 광을 포함한다. 특히, 술포늄염, 디아조 디술폰 등과 같은 산 발생제에 의해 에너지가 흡수될 수 있는 파장에서 단일 피크를 갖는 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 특별하게는, KrF 엑시머 레이저, ArF 엑시머 레이저 등으로부터 얻어지는 자외선은 취급이 간단하고 또 단색성이 높고 또 산 및 중합체의 상술한 화학 반응을 효율적으로 유도할 수 있기 때문에 유리하다. 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선을 사용하는 이유는 조사시 레지스트 패턴 자체의 온도 상승에 의해 레지스트 패턴의 크기 제어성이 감소되는 것을 방지하기 위해서이다. 이때의 방사선 조사량은 바람직하게는 사용된 화학 증폭형 포지티브 레지스트막의 감도에 대해 약 2배 이상, 보다 바람직하게는 감도의 약 2 내지 4배 이상이다. 이때, 감도는 현상 후 양호한 노출이 화학 증폭형 포지티브 레지스트막의 패턴을 얻기 위해 필요한 방사선의 최소량을 의미한다. 감도의 2배 이상의 방사선 조사량으로 조사하면, 레지스트막에서 중합체 보호기 제거 반응이 완전하게 일어나므로 레지스트 패턴의 내에칭성이 실질적으로 개량될 수 있다.
본 발명에서, 레지스트 패턴을 포함하여 에칭할 전체 층을 바람직하게는 레지스트 패턴의 전면에 대해 조사한 후 가열한다. 이때, 에칭시킬 층을 가열하여, 레지스트 패턴이 균일하게 약 130 내지 200℃, 바람직하게는 약 150 내지 200℃가 되도록 한다. 예컨대 가열 시간은 레지스트 패턴의 배열, 두께 등에 따라 다를 수 있지만, 약 1분 동안 가열한다. 이러한 가열은 산 발생제로부터 발생하는 산이 전체 레지스트 패턴에 확산되도록 할 수 있다. 산은 방사선의 단순한 조사에 의해 제거되지 않는 중합체의 보호기를 효과적으로 제거시키는 작용을 한다. 따라서, 레지스트막의 내에칭성은 개량될 수 있다.
또한, 조사 전과 비교하여, 본 발명에서 방사선으로 레지스트를 조사한 후 레지스트막의 광 굴절율은 3% 이상, 보다 바람직하게는 약 3 내지 10% 만큼 증가한다. 굴절율의 증가는 레지스트막에서 중합체 보호기를 충분히 제거하는 반응에 있어 도움이 되며 또 레지스트 패턴의 내에칭성을 실질적으로 개량시킬 수 있다. 레지스트막의 광 굴절율에 대해, 통상의 박막 간섭계가 매우 정확하게 이들의 굴절율을 측정할 수 있다면, 어떠한 파장의 광이라도 사용할 수 있다. 예컨대, 633 nm의 파장을 갖는 광 등을 들 수 있다. 전체 레지스트 패턴에 대한 방사선의 조사량, 가열 온도, 가열 시간, 레지스트막의 재료 등을 상술한 범위 내로 조정함으로써, 레지스트막의 굴절율을 증가시킬 수 있다.
또한, 방사선으로 레지스트 패턴을 조사한 후 레지스트 패턴의 선폭은 조사 전과 비교하여, 바람직하게는 5% 이상, 보다 바람직하게는 약 5 내지 8%까지 수축된다. 레지스트 패턴의 선폭에서의 이러한 수축으로 선폭을 보다 미세하게 조정할 수 있고, 선폭의 변화를 감소시킬 수 있다. 전체 레지스트 패턴에 대한 방사선의 조사량, 가열 온도, 가열 시간, 레지스트막의 재료 등을 상술한 범위 내로 조정함으로써, 레지스트 패턴의 선폭을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 레지스트 패턴을 형성한 후, 마스크로서 레지스트 패턴을 사용하는 공지의 방법에 의해 에칭시킬 층을 패턴화하고 또 레지스트 패턴을 예컨대 회분화에 의해 제거시킨다. 따라서, 층의 패턴화 공정을 종결한다.
본 발명의 포토레지스트 패턴 형성 방법은 수반 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예 1
먼저, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)상에 퇴적한 두께 5,000 Å의 폴리실리콘막(2)을 갖는 반도체 기판 상에 화학 증폭형 레지스트막을 회전 도포시켰다. 화학 증폭형 레지스트막으로서, 일본 도꾜 오까사가 제조한 TDUR-P034를 사용하였다. 이 레지스트막은 주쇄로서 폴리히드록시스티렌을 갖으며 또 용해 억제기(주로 t-BOC기)를 폴리히드록시스티렌의 히드록시기에 도입한 것이다. 이후, 110℃에서 1분 동안 가열판 상에서 연화 베이킹(soft baking) 공정을 실시하여, 두께 0.7 ㎛의 레지스트막(1)을 형성하였다.
이어서, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, KrF 엑시머 레이저광(4)을 마스크(6)를 통해 레지스트막(1)에 조사하였다. 이 엑시머 레이저광은 파장 248 nm을 갖으며 또 사이머(Cymer) 사가 제조한 레이저 광 발생제 ELS-4300를 사용하여 300 J/m2의 에너지에서 조사하였다. 상기 레이저광을 사용하는 이유는 상기 자외선 방사선이 취급이 간단하고, 매우 단색성이며 또 레지스트막(1)에서 상술한 화학 반응을 효과적으로 유도할 수 있기 때문에, 유리하다는 것이다. 이후, 100℃에서 100초 동안 가열판 상에서 레지스트막(1)에 PEB(노출후 베이킹) 공정을 실시하였다.
다음, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 90초 동안 2.38% 테트라메틸암모늄히드록시드(TMAH) 수용액으로 현상하여, 레지스트 패턴(1A)을 얻었다.
이후, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)의 온도를 25℃로 유지하면서, 파장 248 nm 에서 단일 피크를 갖는 자외선(5)을 2,000 J/m2의 에너지로 레지스트 패턴(1A)의 전면 상에 조사하여, 레지스트 패턴(1A)에서 삼차부톡시카르보닐기를 제거하였다.
다음, 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 얻어진 레지스트 패턴(1A)을 사용하여 하층의 폴리실리콘막(2)을 에칭 장치 및 불소-함유 가스 예컨대 CH2F2등으로 이방성 에칭시켜 소정의 형상을 갖는 폴리실리콘막(2)을 얻었다.
마지막으로, 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 레지스트 패턴(1A), 화학 증폭형 레지스트막을 회분화시켜 제거하였다. 회분화 공정을 위해, 일본 스미토모 메탈 인더스트리즈 사가 제조한 표면파 플라즈마 회분화 장치를 사용하였다.
하기 표는 에칭 후 레지스트 패턴(1A)의 선폭(에칭 후 선폭: 도 1(e)에서 레지스트 패턴(1A)의 선폭) 및 레지스트막의 에칭 속도(레지스트 에칭 속도) 간의 관계를 나타내고 있다. 이 표는 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선 조사는 레지스트 에칭 속도를 현저하게 감소시키고 있음을 나타내고 있다. 또한, 하기 표는 에칭 후 레지스트 패턴(1A)의 선폭 변화(에칭 후 선폭 변화)를 도시하고 있다. 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 패턴 형성 후 방사선의 조사에 의해 에칭 후 선폭 변화가 감소하였다.
상술한 실시예 1에 의하면, 한 부분 이상의 페놀성 히드록시기가 산의 작용에 의해 제거되는 보호기로 치환된 중합체 주쇄를 갖는 포지티브 레지스트막을 사용하는 것에 의해 레지스트 패턴(1A) 형성 후 자외선과 같은 방사선을 조사함으로써, 높은 내에칭성을 갖고 또 선폭 변화가 거의 없는 레지스트 패턴을 쉽게 형성할 수 있었다.
비교예 1
본 비교예에서, 도 1(d)에 도시한 바와 같이 실시예 1의 레지스트 패턴(1A)을 형성한 후의 방사선 조사를 생략하였다.
하기 표는 비교예 1의 결과를 나타낸다. 실시예 1에 비해 레지스트막의 에칭 속도가 큼을 나타내고 있다.
비교예 2
본 비교예 2에서, 도 1(d)에 도시한 바와 같이 실시예 1에서 레지스트 패턴(1A)을 형성한 후 방사선 조사의 광원으로서 수은 램프를 사용하였다.
하기 표는 비교예 2의 실시예 1의 결과를 나타내고 있다. 레지스트막의 에칭 속도는 비교예 1에 비해 낮았지만, 실시예 1에 비해 에칭 후 레지스트 패턴의 선폭 변화는 보다 넓었다. 또한, 회분화 후 레지스트막의 잔류물이 관찰되었다.
| 평가 항목 | 실시예 1 | 비교예 1 | 비교예 2 |
| 현상 후 패턴 선폭(nm)* | 240 | 241 | 242 |
| 에칭 후 패턴 선폭(nm)** | 237 | 241 | 239 |
| 에칭 후 선폭 변화(3σ,nm) | 15 | 20 | 28 |
| 레지스트 에칭 속도(nm/분) | 110 | 200 | 120 |
| 회분화 후 레지스트 잔류물 | 없음 | 없음 | 있음 |
*: 도 1(c)의 레지스트 패턴 선폭
**: 도 1(e)의 레지스트 패턴 선폭
실시예 2 내지 9
도 1(a)를 참조하여, 반도체 기판 상부에 형성된 두께 1,000 Å의 TiN 막(2)을 갖는 반도체 기판(3) 상에 화학 증폭형 레지스트막을 회전 도포하였다. 화학 증폭형 레지스트막으로서, 일본 스미토모 케미칼 인더스트리즈 사가 제조한 PEK-101을 사용하였다. 이 레지스트막은 주쇄로서 용해 억제기가 도입된 히드록시기를 갖는 폴리히드록시스티렌을 가졌다. 이후, 90℃에서 1분 동안 가열판 상에서 열처리를 실시하여 레지스트막(1)을 형성하였다.
이어서, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 마스크(6)를 통해 KrF 엑시머 레이저광(4)으로 레지스트막(1)을 조사하였다. 이 엑시머 레이저광은 248 nm의 파장을 갖았고 또 일본 고마쯔 사가 제조한 전형적인 ArF 엑시머 레이저광 발생기를 사용하여 에너지 350 J/m2에서 조사하였다. 상기 레이저광을 사용하는 이유는 취급이 간단하고, 단색성이 크며 또 레지스트막(1)에서 상술한 화학 반응을 효과적으로 유도할 수 있기 때문에 상기 자외선이 유리하다는 것이다. 이후, 110℃에서 80초 동안 가열판 상에서 레지스트막(1)을 연화 베이킹 공정 처리하였다.
다음, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 2.38%의 테트라메틸암모늄히드록시드 수용액으로 90초 동안 레지스트막(1)을 현상 처리하여 레지스트 패턴(1A)을 얻었다.
이후, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)의 온도를 30℃로 유지하면서, ArF 엑시머 레이저광(5)(피크 파장: 193 nm)을 레지스트 패턴(1A)(전면 조사)의 전면상에 조사하였다.
실시예 2 내지 9에서, 본 공정에 따른 전면 조사 에너지는 하기 표 2에 도시한 바와 같이 다양화하였다. 전면 조사 이전 공정 및 그 이후 공정은 실시예 2 내지 9에서 모두 동일하였다.
다음, 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 얻은 레지스트 패턴(1A)을 사용하여, 하층의 TiN 막(2)을 염소-기재 가스 예컨대 Cl2등을 사용하는 에칭 장치로 이방성 에칭시켜 금속 패턴을 형성하였다.
최종적으로, 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 레지스트 패턴(1A), 마스크로서 사용한 화학 증폭형 레지스트막을 회분화시켜 제거하였다.
도 2는 전면 조사 에너지 및 에칭 속도 간의 관계를 도시하고 있다. 도 2는 전면 조사 에너지가 레지스트막 감도의 2배(상기 실시예에서, 120 J/m2) 이상인 경우, 레지스트막의 에칭 속도가 현저하게 개량되었음을 보여주고 있다.
| 전면 조사 에너지(J/m2) | 레지스트막 감도에 대한 에너지 세기(시간) | 에칭 속도(nm/분) | |
| 실시예 2 | 50 | 0.42 | 300 |
| 실시예 3 | 100 | 0.83 | 290 |
| 실시예 4 | 150 | 1.25 | 240 |
| 실시예 5 | 250 | 2.08 | 220 |
| 실시예 6 | 400 | 3.33 | 215 |
| 실시예 7 | 600 | 5.00 | 211 |
| 실시예 8 | 1000 | 8.33 | 204 |
| 실시예 9 | 2000 | 16.67 | 200 |
실시예 10 내지 16
도 1(a)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판 상부에 형성한 두께 1,000 Å의 SiN 막(2)을 갖는 반도체 기판(3) 상에 화학 증폭형 레지스트막을 회전 도포하였다. 화학 증폭형 레지스트막으로서, 메타크릴산/3-옥소시클로헥실-2-메틸-2-아다만틸메타크릴레이트 공중합체를 함유하는 중합체를 주성분으로서 사용하였다. 산 발생제로서, 하기 화합물을 사용하였다.
이후, 130℃에서 2분 동안 가열판 상에서 열처리를 하여, 0.4 ㎛ 두께의 레지스트막(1)을 형성하였다. 가열 온도는 130℃로 한정되지 않고, 100 내지 140℃, 바람직하게는 125 내지 135℃일 수 있다. 상기 온도 범위가 레지스트 패턴을 위한 양호한 형상을 제공하기 때문이다.
이어서, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 마스크(6)를 통해 ArF 엑시머 레이저광(4)으로 레지스트막(1)을 조사하였다. 이 엑시머 레이저 광은 파장 193 nm를 가졌으며 또 사이머 사가 제조한 전형적인 ArF 엑시머 레이저광 발생기를 사용하여 에너지 100 J/m2에서 조사하였다. 상기 레이저광을 사용하는 이유는 상기 자외선이 취급이 간단하고, 단색성이 크며 또 상술한 화학 반응을 효과적으로 유도할 수 있기 때문에 유리하다는 것이다.
이후, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 레지스트막(1)을 PEB로서 150℃에서 80초 동안 가열판 상에서 가열한 다음, 0.12 중량% TMAH 수용액으로 90초 동안 현상 처리하여 레지스트 패턴(1A)을 얻었다.
이후, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)의 온도를 100℃ 이하로 유지하면서, ArF 엑시머 레이저(193 nm)를 레지스트 패턴(1A) 상에 대해 에너지 2,000 J/m2에서 조사하였다. 일본 고마쯔 사가 제조한 전형적인 ArF 엑시머 레이저광 발생기를 사용하여 ArF 엑시머 레이저광을 발생시켰다. 상기 레이저광을 사용하는 이유는 상기 자외선이 취급이 간단하고, 단색성이 크며 또 상술한 화학 반응을 효과적으로 유도할 수 있기 때문에 유리하다는 것이다.
이어서, 반도체 기판(3)을 가열하였다. 실시예 10 내지 16에서, 반도체 기판(3)의 온도(기판 가열 온도)를 하기 표에 도시한 바와 같이 변화시켰다. 모든 공정은 반도체 기판(3)의 온도를 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 10 내지 16과 동일하였다.
| 기판 가열 온도(℃) | |
| 실시예 10 | 30 |
| 실시예 11 | 60 |
| 실시예 12 | 90 |
| 실시예 13 | 120 |
| 실시예 14 | 150 |
| 실시예 15 | 180 |
| 실시예 16 | 210 |
다음, 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 얻은 레지스트 패턴(1A)을 사용함으로써, 하층의 SiN 막(2)을 불소-함유 가스 예컨대 CHF3등을 사용하는 에칭 장치로 이방성 에칭하여, 패턴을 하층으로 전사시켰다.
최종적으로, 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 화학 증폭형 레지스트막(1A)을 회분화시켜 제거하였다.
도 3은 전면 조사 후 기판 가열 온도 및 에칭 속도 간의 관계를 도시하고 있다. 이 그래프는 전면 조사 후 기판 가열 온도가 PEB 공정 온도(이 실시예에서 150℃)보다 높은 경우가 레지스트막을 전체적으로만 조사하는 경우보다 개량되었음을 보여주고 있다.
실시예 17 내지 25
도 1(a)를 참조하여, 반도체 기판 상부에 형성한 두께 5,000 Å의 SiO2막(2)을 갖는 반도체 기판(3) 상에 화학 증폭형 레지스트막을 회전 도포하였다. 화학 증폭형 레지스트막으로서, 일본 시네쯔 가가꾸 사가 제조한 SEPR-4103PH을 사용하였다. 이 레지스트막은 주쇄로서 용해 억제기가 도입된 히드록시기를 갖는 폴리히드록시스티렌을 함유한다. 이들 실시예에서, 상이한 비율로 보호되는 히드록시기를 갖는 몇몇 레지스트막을 제조하였다. 이후, 90℃에서 2분 동안 열처리를 실시하여, 두께 0.8 ㎛의 레지스트막(1)을 형성하였다.
이어서, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 마스크(6)를 통해 KrF 엑시머 레이저광(4)으로 레지스트막(1)을 조사하였다. 사이머 사가 제조한 KrF 엑시머 레이저광 발생기 ELS-4300을 사용하여 에너지 600 J/m2에서 KrF 엑시머 레이저(248 nm)를 조사하였다.
이후, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 레지스트막(1)을 110℃의 가열판 상에서 80초 동안 가열한 다음, 2.38% 테트라메틸암모늄히드록시드 수용액으로 90초 동안 현상 처리하여 레지스트 패턴(1A)을 얻었다.
이후, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)의 온도를 50℃로 유지하면서, 단일 피크(172 nm)를 갖도록 한 Xe 엑시머 램프광을 레지스트 패턴(1A)의 전면 상에 조사하였다. 이어서, 레지스트 패턴(1A)이 PEB로서 변형되지 않을 정도로 반도체 기판(3)을 하기 표(전면 조사 후 가열 온도)에 나타낸 온도로 가열하였다.
이들 실시예에서, 하기 표에 나타낸 바와 같이, 상술한 공정에서 레지스트막의 히드록시기 보호율, 전면 조사의 세기 및 전면 조사 후 가열 온도를 변화시킴으로써, 레지스트막의 굴절율을 1.55 내지 1.64의 범위로 변화시켰다.
다음, 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 얻은 레지스트 패턴(1A), 하층의 SiO2막(2)을 불소-기재 가스 예컨대 CH4및 H2의 혼합물 가스를 함유하는 혼합 가스를 사용하는 에칭 장치로 이방성 에칭하여, 하층의 SiO2막(2)으로 패턴을 전사시켰다.
최종적으로, 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 레지스트 패턴(1A)을 회분화시켜 제거하였다.
도 4는 상술한 공정을 통해 얻은 레지스트막의 굴절율 및 에칭 속도 간의 관계를 도시하고 있다. 이 그래프는 레지스트막의 굴절율이 조사 전 굴절율에 비해 3% 이상 증가한 경우, 레지스트막의 에칭 속도가 상당히 개량(예컨대 감소)되었음을 보여주고 있다.
| OH기의 보호율(%) | 전면 조사의 세기(J/m2) | 전면 조사 후 가열 온도(℃) | 레지스트막의 굴절율 | 굴절율의 증가율(%) | |
| 실시예 17 | 30 | 500 | 100 | 1.55 | 0.6 |
| 실시예 18 | 30 | 1500 | 140 | 1.58 | 2.6 |
| 실시예 19 | 30 | 5000 | 180 | 1.63 | 5.8 |
| 실시예 20 | 35 | 500 | 140 | 1.57 | 1.9 |
| 실시예 21 | 35 | 1500 | 180 | 1.60 | 3.9 |
| 실시예 22 | 35 | 5000 | 100 | 1.57 | 1.9 |
| 실시예 23 | 40 | 500 | 180 | 1.61 | 4.5 |
| 실시예 24 | 40 | 1500 | 100 | 1.60 | 3.9 |
| 실시예 25 | 40 | 5000 | 140 | 1.64 | 6.5 |
실시예 26 내지 34
도 1(a)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판 상부에 형성한 두께 1,000 Å의 SiN 막(2)을 갖는 반도체 기판(3) 상에 화학 증폭형 레지스트막을 회전 도포하였다. 화학 증폭형 레지스트막으로서, 메타크릴산/3-옥소시클로헥실-2-메틸-2-아다만틸메타크릴레이트 공중합체를 사용하였다. 이후, 130℃에서 2분 동안 가열판 상에서 열처리를 실시하여, 두께 0.4 ㎛의 레지스트막(1)을 형성하였다.
이어서, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 마스크(6)를 통해 ArF 엑시머 레이저광(4)으로 레지스트막(1)을 조사하였다. 사이머 사가 제조한 전형적인 ArF 엑시머 레이저광 발생기를 사용하여 에너지 100 J/m2에서 엑시머 레이저(193 nm)를 조사하였다.
이후, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 레지스트막(1)을 150℃의 가열판 상에서 80초 동안 가열한 다음, 0.12 중량%의 TMAH 수용액으로 90초 동안 현상 처리하여, 레지스트 패턴(1A)을 얻었다.
이후, 도 1(d)에 도시한 바와 같이, 반도체 기판(3)의 온도를 50℃로 유지하면서, 레지스트 패턴(1A)의 전면 상에 에너지 3,000 J/m2에서 ArF 엑시머 레이저광(193 nm)을 조사하였다. 이어서, 반도체 기판(3)을 하기 표에 나타낸 바와 같은 온도(전면 조사 후 기판 가열 온도)로 가열하였다.
실시예 26 내지 34에서, 화학 증폭형 레지스트막내에서 공중합체의 2-메틸-2-아다만틸(2M2A)의 비율 및 전면 조사 후 기판 가열 온도를 하기 표에 나타낸 바와 같이 변화시켰다.
| 2M2A의 비율(%) | 전면 조사 후 가열 온도(℃) | 에칭 후 선폭(nm) | 선폭의 수축율(%) | 크기 제어성(3σ)(nm) | |
| 비교예 3 | 50 | 120 | 245 | 2.0 | 26 |
| 실시예 26 | 40 | 120 | 240 | 4.0 | 20 |
| 실시예 27 | 50 | 120 | 237 | 5.2 | 15 |
| 실시예 28 | 60 | 120 | 230 | 8.0 | 9 |
| 실시예 29 | 40 | 150 | 238 | 4.8 | 17 |
| 실시예 30 | 50 | 150 | 233 | 6.8 | 12 |
| 실시예 31 | 60 | 150 | 231 | 7.6 | 10 |
| 실시예 32 | 40 | 180 | 237 | 5.2 | 14 |
| 실시예 33 | 50 | 180 | 232 | 7.2 | 10 |
| 실시예 34 | 60 | 180 | 231 | 7.6 | 9 |
다음, 도 1(e)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 얻은 레지스트 패턴(1A)을 사용함으로써, 하층의 SiN 막(2)을 불소-기재 가스 예컨대 CHF3등을 사용하는 에칭 장치로 이방성 에칭하여, 하층의 SiN 막(2)으로 패턴을 전사시켰다.
최종적으로, 도 1(f)에 도시한 바와 같이, 마스크로서 사용한 화학 증폭형 레지스트막(1)을 회분화시켜 제거하였다.
도 5는 레지스트 패턴 형성 후 레지스트 패턴의 선폭 변화 및 선폭 수축율 간의 관계를 도시하고 있다. 이 그래프는 전면 조사 후 레지스트 표면의 선폭 및 반도체 기판의 가열이 조사 전 레지스트 패턴의 선폭에 비해 5% 이상 감소하는 경우, 에칭 후 선폭 변화가 감소함을 보여주고 있다.
본 발명의 레지스트 패턴 형성 방법에 따르면, 레지스트 패턴 형성 후 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선으로 화학 증폭형 레지스트막의 전면을 조사함으로써, 화학 증폭형 레지스트막의 보호기를 완전히 제거시킬 수 있었다. 이것은 레지스트막의 내에칭성 개량을 도와준다. 특별하게는, 폴리비닐 페놀의 OH기가 적어도 부분적으로 보호기에 의해 보호된 중합체를 주성분으로 함유한 화학 증폭형 레지스트막은 내에칭성이 불량하였지만, 중합체의 유리 전이점 이하에서 중합체막을 유지하면서 상기 보호기를 주쇄로부터 분리할 수 있었다. 따라서, 내에칭성을 충분히 확인할 수 있었다. 또한, 특정 파장에서 단일 피크를 갖는 광원을 사용함으로써, 조사시 종래의 광원을 사용하는 경우와 비교하여 레지스트막이 가열되는 것을 막을 수 있었고, 또 레지스트 패턴의 선폭 변화를 감소시킬 수 있었다. 이러한 이유 때문에, 본 발명을 이용하면, 높은 내에칭성을 갖는 레지스트 패턴을 매우 정확하게 형성할 수 있으므로, 따라서 본 발명은 고밀도 집적 회로의 제조에 크게 도움이 된다.
더욱이, 레지스트 패턴의 전면 조사 후 반도체 기판을 방사선으로 가열하면 전면 조사에 의해 제거되지 않은 보호기를 제거할 수 있기 때문에, 화학 증폭형 레지스트막의 내에칭성이 상당히 개량된다. 또한, 이것은 보호기가 쉽게 제거되지 않는 중합체를 주성분으로 함유하는 레지스트막의 내에칭성을 개량하기 위한 효과적인 수단을 보여주고 있다.
또한, 내에칭성을 제공하는 공정에서 방사선 에너지를 감도와 동일하거나 또는 2배 이상으로 설정함으로써, 레지스트 패턴의 내에칭성을 실질적으로 개량할 수 있었다.
또한, 레지스트막의 굴절율 변화를 체크함으로써, 화학 증폭형 레지스트막의 에칭 속도를 예상할 수 있었다. 이것은 양호한 레지스트 패턴을 형성하기 위한 매우 실질적인 방법의 수립을 가능하게 하였다.
또한, 전면 조사 후 레지스트 패턴의 선폭을 5% 이상으로 수축시킴으로써, 패턴의 선폭 변화를 조절할 수 있었다.
본 발명의 레지스트막 형성 방법에 의하면, 조사시 종래의 광원을 사용하는 경우와 비교하여 레지스트막이 가열되는 것을 막을 수 있었고, 또 레지스트 패턴의 선폭 변화를 감소시킬 수 있으므로, 높은 내에칭성을 갖는 레지스트 패턴을 매우 정확하게 형성할 수 있었다.
Claims (5)
- 에칭시킬 층상에 화학 증폭형 포지티브 레지스트막을 도포한 후, 노출 및 현상함으로써 레지스트 패턴을 형성하는 공정, 및특정 파장에서 단일 피크를 갖는 방사선으로 상기 레지스트 패턴의 전면을 조사하는 공정을 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법.
- 제 1항에 있어서, 조사 후에 레지스트 패턴 뿐만 아니라 에칭시킬 층을 가열하는 공정을 더 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 방사선의 조사량이 화학 증폭형 포지티브 레지스트막 감도의 2배 이상인 포토레지스트 패턴의 형성 방법.
- 제 1항에 있어서, 조사 전의 굴절율에 비해, 조사 후의 레지스트막의 광 굴절율이 3% 이상 증가하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법.
- 제 1항에 있어서, 조사 전의 레지스트 패턴의 선폭에 비해, 조사 후의 레지스트 패턴의 선폭이 5% 이상 수축하는 포토레지스트 패턴의 형성 방법.
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