KR20000039799A - 리소그라피 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미세 크기의 콘택홀을 형성하기 위한 리소그라피 공정에 관한 것이다. 본 발명의 리소그라피 공정은, 실리콘 기판 표면을 HMDS 처리하는 단계; HMDS 처리된 실리콘 기판 상에 레지스트를 도포하는 단계; 상기 레지스트를 소프트 베이크하는 단계; 소프트 베이크된 레지스트를 소정의 레티클을 이용하여 노광하는 단계; 노광된 레지스트를 소정 시간 동안 열처리하는 단계; 및 열처리된 레지스트를 소정의 화학용액으로 현상하는 단계를 포함하여 이루어지는 리소그라피 공정에 있어서, 상기 레지스트를 노광하는 단계와 노광된 레지스트를 열처리하는 단계 사이에, 상기 레지스트에 의해 형성되는 콘택홀의 크기를 제어하기 위하여 상기 레지스트의 표면을 HMDS 처리하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

리소그라피 공정

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 미세 크기의 콘택홀을 형성하기 위한 리소그라피 공정에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정에 있어서, 콘택홀 또는 패턴을 형성하기 위한 방법으로서, 감광성 중합체 패턴을 마스크로해서 그 하부의 피식각층을 식각하는 리소그라피(Lithography) 공정이 이용되고 있다.

이러한 리소그라피 공정은 피식각층 상에 레지스트 패턴(Resist Pattern)을 형성하는 공정과, 상기 레지스트 패턴을 베리어로하여 피식각층을 식각하는 공정을 포함한다.

여기서, 레지스트 패턴을 형성하는 공정은, 도 1에 도시된 바와 같이, 레지스트의 접착력을 향상시키기 위하여 피식각층, 예컨데, 실리콘 기판 표면을 질소기를 포함한 HMDS(Hexamethyl Disilazane) 용액으로 표면 처리하는 공정과, HMDS 처리된 실리콘 기판 상에 레지스트를 도포하는 공정, 레지스트에 함유된 솔벤트를 제거하기 위하여 상기 레지스트를 소정의 온도로 소프트 베이크(Soft Bake)하는 공정, 소프트 베이크된 레지스트를 준비된 레티클(Reticle)을 이용하여 선택적으로 노광하는 공정과, 노광된 레지스트에 대하여 이후에 수행될 현상 공정시에 패터닝이 매끄럽게 되도록 하기 위하여 소정의 온도 및 시간 동안 열처리 하는 PEB(Post Exposure Bake) 공정, 및, 노광된 레지스트 부위가 제거되도록 하기 위하여 소정의 화학용액으로 현상하는 공정을 포함하여 이루어진다.

한편, 리소그라피 공정으로 구현할 수 있는 패턴의 임계 치수(Critical Demension), 즉, 최소 폭은 상기한 리소그라피 공정에서 매우 중요한 변수이며, 이러한 임계 치수는 하기의 레이레이식(Rayleigh's equation)에 의해 결정된다.

R = k ( λ / NA)

여기서, R은 해상도, λ는 노광 파장, NA는 노광 장비의 렌즈 개구수(0.55∼0.63), k는 공정관련 상수로서 공정 능력에 따라 변하는 값이지만, 양산 단계에서는 약 0.7 정도이다.

예컨데, 통상의 양산 공정에서 사용되는 365㎚ 파장의 I-라인 노광 장비를 이용하고, 이러한 노광 장비의 렌즈 개구수가 0.55인 경우에, 상기의 레이레이식으로부터 패턴의 임계 치수는 약 0.5㎛ 정도가 됨을 알 수 있다.

그런데, 콘택홀의 임계 치수가 0.35㎛ 이내로 감소되고 있는 최근의 추세에서, 상기한 I-라인 장비는 고집적 반도체 소자의 제조 공정에 적용할 수 없다.

이에 따라, 최근에는 I-라인 보다도 더 짧은 파장, 예컨데, 248㎚ KrF 노광 장비를 이용하는 Duv(Deep ultraviolet) 공정이 제안되었다. 이러한 Duv 공정은 종래의 리소그라피 공정과 동일한 공정순으로 수행되며, 단지, 248㎚ KrF 노광 장비로 노광 공정을 수행한다는 것이 상이할 뿐이다.

그러나, 상기한 Duv 공정에서, 레지스트에 형성되는 콘택홀의 크기는 노광시에 가해지는 에너지와 현상 시간에 따라 결정되는데, 종래에는 콘택홀의 크기를 제어하기 위하여, 상기와 같은 공정순으로 이루어지는 리소그라피 공정을 수행한 후, 이 결과로 얻어진 콘택홀의 크기를 측정하고, 이 값을 토대로하여 콘택홀의 크기가 원하는 치수 이상이면 노광 에너지를 감소시키고, 반대로, 원하는 치수 이하이면 노광 에너지를 증가시키는 방법을 택하고 있기 때문에, 전체적인 공정 진행 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 공정 조건의 제어가 매우 어려운 문제점이 있었다.

또한, 최초의 리소그라피 공정을 진행한 후에, 얻어진 콘택홀 크기를 토대로하여, 재차 리소그라피 공정을 전체적으로 다시 수행해야 하기 때문에, 리워크(Rework) 시간이 많이 소요되는 문제점이 있었다.

게다가, Duv 공정으로 구현할 수 있는 패턴의 임계 치수는 0.35㎛ 정도이기 때문에, 상기한 Duv 공정으로는 0.22㎛ 이하의 임계 치수를 갖는 반도체 소자를 제조할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 보다 용이하게 콘택홀의 크기를 제어함과 동시에 미세 콘택홀의 형성이 가능한 리소그라피 공정을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 리소그라피 공정의 공정 흐름도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리소그라피 공정의 공정 흐름도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리소그라피 공정의 모식도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에서 열처리 시간에 따른 콘택홀 크기의 변화를 설명하기 위한 도면.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1 : 실리콘 기판 2 : 레지스트

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 리소그라피 공정은, 실리콘 기판 표면을 HMDS 처리하는 단계; HMDS 처리된 실리콘 기판 상에 레지스트를 도포하는 단계; 상기 레지스트를 소프트 베이크하는 단계; 소프트 베이크된 레지스트를 소정의 레티클을 이용하여 노광하는 단계; 노광된 레지스트를 소정 시간 동안 열처리하는 단계; 및 열처리된 레지스트를 소정의 화학용액으로 현상하는 단계를 포함하여 이루어지는 리소그라피 공정에 있어서, 상기 레지스트를 노광하는 단계와 노광된 레지스트를 열처리하는 단계 사이에, 상기 레지스트에 의해 형성되는 콘택홀의 크기를 제어하기 위하여 상기 레지스트의 표면을 HMDS 처리하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레지스트 표면을 HMDS 처리한 후에 수행되는 열처리 단계는 핫 플레이트 방식 또는 오븐 방식을 포함한 모든 방식으로 열처리하며, 이때, 열처리는 80∼110℃에서 80∼200초 동안 수행하며, 특히, 10^-1.5∼10^-1㎜Hg의 진공 상태에서 수행한다.

본 발명에 따르면, 노광된 레지스트에 대한 열처리 단계를 수행하기 전에, 레지스트의 표면을 HMDS 처리하는 것으로 인하여, 이후에 실시되는 열처리의 시간을 조절하게 되면, 레지스트에 의해 형성되는 콘택홀의 크기를 실제 노광된 레지스트 부위의 크기 보다 더 크게, 또는, 더 작게 만들 수 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리소그라피 공정을 설명하기 위한 공정 흐름도로서, 이를 설명하면 다음과 같다.

우선, 레지스트의 접착력을 향상시키기 위하여, 피식각층, 예컨데, 실리콘 기판의 표면을 1차로 HMDS 처리하고, 이어서, 1차 HMDS 처리된 실리콘 기판 상에 레지스트를 도포한다. 그런 다음, 도포된 레지스트에 대하여 준비된 레티클을 이용하여 노광 공정을 수행하고, 다음으로, 노광된 레지스트 표면을 2차로 HMDS 처리한다. 여기서, 2차 HMDS 처리 공정은, 이후에 설명되겠지만, 실제 노광 공정에 의해 얻어지는 콘택홀의 크기 보다, 더 작은 크기의 콘택홀을 얻기 위한 것이다. 계속해서, 2차 HMDS 처리된 레지스트에 대하여 소정 온도 및 시간 동안 열처리하는 PEB 공정을 수행하고, 이 후, 콘택홀을 갖는 레지스트 패턴이 얻어지도록 현상 공정을 수행한다.

상기에서, 본 발명의 실시예에서 사용되는 레지스트의 조성물은 일반적으로 사용되는 화학증폭형, 용해억제형, 또는 주쇄절단형의 레지스트 등이며, 그 도포 두께는 0.1∼2.0㎛ 정도로 한다. 또한, PEB 공정은 핫 플레이트(Hot Plate) 방식, 오븐(Oven) 방식 등으로 수행하며, 이때의 열처리 온도는 80℃에서부터 레지스트의 조성물이 유리화되는 온도(Glass Transition Temperature)까지, 바람직하게는, 80∼110℃로 하고, 80∼200초 동안 수행하며, 특히, 열처리 공정은 10^-1.5∼10^-1㎜Hg의 진공 상태에서 수행한다.

상기와 같은 공정순으로 이루어지는 리소그라피 공정에서의 콘택홀 크기의 제어방법을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

1차 HMDS 처리된 피식각층, 예컨데, 실리콘 기판(1) 상에 레지스트(2)를 도포한 상태에서, 레지스트(2)에 대하여 소프트 베이크 공정을 수행하고, 이어서, 노광 공정을 수행한다. 이때, 도시된 바와 같이, 노광 공정이 수행된 레지스트(2) 내에는 다수의 프로톤(proton : H⁺)이 생성된다.

이어서, 노광된 레지스트(2) 표면에 HMDS를 고르게 분사시키고, 이어서, 프로톤과 HMDS간의 반응이 일어날 수 있을 정도의 온도로 PEB 공정을 수행한다.

이때, PEB 공정이 수행되는 동안, 노광 공정에 의해 레지스트 내에 생성된 프로톤이 상기 레지스트의 표면으로 확산되고, 이렇게 확산된 프로톤은 레지스트 표면에서 그의 표면에 분사되어 있던 HMDS와 결합하게 되며, 결합된 프로톤과 HMDS는 다시 레지스트의 내부로 확산되는 현상이 계속적으로 일어나게 된다.

그런데, 노광 공정에 의해 생성된 프로톤은 PAG(Photo Acid Generator) 현상에 기인하여 레지스트의 표면으로부터 내부로 가면서 계속해서 새로운 프로톤을 생성시키는 것이 일반적인데, 본 발명의 실시예에서는 레지스트 표면으로 확산된 프로톤이 HMDS와 결합되어 상기 레지스트 내부로 재확산되기 때문에, 레지스트 내부에서의 또 다른 프로톤의 생성 작용은 억제된다.

이에 따라, 노광 및 현상에 의해 레지스트에 형성될 콘택홀에서, HMDS와 반응하는 프로톤의 반응 분자수는 비교적 프로톤의 농도가 적은 콘택홀 측벽 부분이 콘택홀의 중심 부분과 비교해서 상대적으로 많게 됨으로써, HMDS와 결합된 프로톤이 후속에서 수행되는 현상 공정시에 TMAH(Tetramethyl Ammonium Hydroxide)에 의해 현상되지 않고 반응된 분자수만큼 콘택홀의 측벽 부분에서 고르게 잔류하게 된다.

따라서, 콘택홀의 측벽 부분이 TMAH에 의해 현상되지 않는 것에 기인하여, 결과적으로, 일반적인 노광 및 현상 공정에 의해 형성되는 콘택홀의 크기 보다 더 미세 크기의 콘택홀을 형성할 수 있게 된다. 이때, 콘택홀 크기의 감소 정도는 열처리 공정, 즉, PEB 공정의 열처리 시간에 따라 달라지기 때문에, 이러한 PEB 공정의 열처리 시간을 적절하게 조절하게 되면, 콘택홀의 크기를 제어할 수 있게 된다.

한편, PEB 공정시에 프로톤과 HMDS간의 반응이 충분히 일어날 수 있는 시간인 임계 시간으로 열처리를 수행하는 경우에는 노광된 레지스트 부위의 중심부로 HMDS의 확산 속도가 증가하게 됨으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 레지스트(2)에 형성되는 콘택홀의 크기는 증가하게 되지만, 열처리 시간을 임계 시간 이상으로 수행하는 경우에는 더 이상의 HMDS의 확산은 일어나지 않게 되고, 오히려, HMDS의 농도가 낮은 부분으로의 역확산이 일어남으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 콘택홀의 크기는 감소하게 된다. 도면에서, 미설명된 도면부호 1은 실리콘 기판이다.

따라서, 1차 리소그라피 공정을 수행하여 레지스트 패턴을 형성한 후에, 상기 레지스트 패턴에 의해 형성되는 콘택홀의 측정하고, 이 결과를 토대로하여 PEB 공정시에 열처리 시간을 적절하게 조절하게 되면, 종래의 방법에 비해 콘택홀의 크기를 보다 효과적으로 제어할 수 있음은 물론, 리워크 시간으 감소시킬 수 있게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명은 노광된 레지스트 표면을 HMDS로 처리하고, 이어서, PEB 공정을 수행하되, 상기 PEB 공정시의 열처리 시간을 적절하게 조절함으로써, 보다 효과적으로 콘택홀의 크기를 제어하기 위한 공정 조건을 얻을 수 있다.

또한, 콘택홀의 크기를 제어할 수 있는 공정 조건이 노광된 레지스트 표면을 HMDS 처리하는 공정과, 이후에 수행되는 PEB 공정의 시간을 조절하는 것에 의해 얻어지므로, 종래에 비해 공정 조건을 얻는데 필요한 리워크 시간을 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

게다가, 임계 치수의 결함이 발생된 웨이퍼에 대해서는, HMDS 처리 공정과 PEB 공정을 수행하여 요구되는 콘택홀의 크기를 얻을 수 있다.

아울러, 열처리 시간을 조절하는 것으로 레지스트에 의해 형성되는 콘택홀의 크기를 더욱 감소시킬 수 있기 때문에, 0.18㎛ 이하의 임계 치수를 갖는 반도체 소자의 제조에 매우 유리하게 적용시킬 수 있다.

한편, 여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

Claims (3)

1. 실리콘 기판 표면을 HMDS 처리하는 단계; HMDS 처리된 실리콘 기판 상에 레지스트를 도포하는 단계; 상기 레지스트를 소프트 베이크하는 단계; 소프트 베이크된 레지스트를 소정의 레티클을 이용하여 노광하는 단계; 노광된 레지스트를 소정 시간 동안 열처리하는 단계; 및 열처리된 레지스트를 소정의 화학용액으로 현상하는 단계를 포함하여 이루어지는 리소그라피 공정에 있어서,

   상기 레지스트를 노광하는 단계와 노광된 레지스트를 열처리하는 단계 사이에, 상기 레지스트에 의해 형성되는 콘택홀의 크기를 제어하기 위하여, 상기 레지스트의 표면을 HMDS 처리하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 리소그라피 공정.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 80∼110℃에서 80∼200초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 리소그라피 공정.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 10^-1.5∼10^-1㎜Hg의 진공 상태에서 수행하는 것을 특징으로 하는 리소그라피 공정.