KR20010019928A - 알칼리 처리 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법 - Google Patents

알칼리 처리 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알칼리 처리 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법에 관한 것으로, 반도체 기판 상부에 포토레지스트 막을 형성한 다음 알칼리 처리하는 과정을 포함하는 본 발명의 방법으로 포토레지스트 패턴을 형성하면 종래의 방법으로 형성된 패턴에 흔히 나타나는 T-탑 (T-topping) 및 탑 로스 (Top loss) 현상이 나타나지 않아 보다 나은 패턴을 얻을 수 있으며, 패턴의 재현성을 확보할 수 있다.

Description

알칼리 처리 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법{Forming method of photoresist pattern including alkali treatment process}
본 발명은 알칼리 처리 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 기판 상부에 포토레지스트 막을 형성한 다음 알칼리 처리하는 과정을 수행함으로써 T-탑 (T-topping) 및 탑 로스 (Top loss) 현상을 해결하여 보다 나은 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.
종래의 포토레지스트 패턴 형성과정에서는 실리콘 기판과 포토레지스트 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 헥사메틸디실라잔 (hexamethyldisilazane; HMDS)과 같은 화합물을 기판 위에 증착시킨 후 그 위에 포토레지스트를 코팅하고 노광하며, 노광후 테트라메틸암모늄하이드록사이드 (tetramethylamoniumhydroxide; TMAH)와 같은 현상액으로 현상하여 패턴을 얻었다.
그러나 대부분의 화학증폭형 레지스트들은 공기중에 존재하는 아민과 같은 오염원으로 인하여 노광후 현상액으로 처리하기까지의 시간, 즉 노광후 지연 시간 동안 노광시 발생된 산이 외부 아민과 반응하여 소멸되어 현상할 때 노광 부위의 표면이 녹지 않아 미세 패턴을 얻을 수 없거나 심각한 T-탑 (T-topping) 현상이 나타나 패턴의 모양이 나빠지고 CD (선폭; Critical Dimension)차가 유발되었다.
이를 방지하기 위하여 탑 반사방지 코팅 (Top anti-reflective coating; 이하 "Top ARC"라 약칭함)을 하는데 이 경우엔 Top ARC가 적절하지 않아 형성된 패턴의 상층부에 심각한 탑 로스 (Top loss)를 유발하는 경우가 많다. 특히 산성인 Top ARC 물질의 경우는 탑 로스가 더욱 심하다. 산성의 Top ARC 물질은 공기 중의 아민과 접촉하면 염을 형성하여 대체 오염됨으로써 노광시 발생된 산의 급격한 소멸을 막아주어 심각한 T-탑을 방지해주는 역할을 한다. 그러나 이들 대부분은 카르복실산과 수산기를 많이 함유하고 있어 노광시 발생된 산과 수소 결합을 형성하여 베이크후 상층부 산의 밀도를 높이는 집적적인 원인이 된다. 이로 말미암아 상층부에서는 노광후 베이크 (PEB; post exposure bake)시 비노광 부위까지 산이 확산되어 비노광 부위의 상층부 수지의 보호기 (Blocking group)를 깨뜨림으로써 탑 로스를 일으키는 원인이 된다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 연구를 계속하여 오던중, 반도체 기판 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성한 다음 알칼리로 처리하면 노광후 지연에 의하여 T-탑 현상이 발생하는 문제점과 이를 해결하기 위하여 Top ARC를 수행한 경우 탑 로스가 유발되는 문제점 등을 모두 해결할 수 있음을 밝혀 내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 포토레지스트 패턴에 발생하는 T-탑 및 탑 로스 현상을 해결하여 보다 나은 패턴을 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 반도체 기판 상부에 본 발명의 알칼리 처리 공정 (ATP)을 수행한 경우의 단면도로서, 왼쪽은 알칼리 처리 공정후에 탑 반사방지 코팅 (Top-ARC)을 수행한 경우이고, 오른쪽은 Top-ARC를 수행하지 않은 경우이다.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하고, ATP 처리한 경우이고,
도 2b는 본 발명의 비교예 1에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하고, ATP 처리하지 않은 경우이며,
도 3a는 본 발명의 실시예 2에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하고, ATP 처리한 경우이고,
도 3b는 본 발명의 비교예 2에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하고, ATP 처리한 경우이며,
도 4a는 본 발명의 실시예 3에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하지 않고, ATP 처리한 경우이고,
도 4b는 본 발명의 비교예 3에서 형성된 패턴 사진으로 Top-ARC를 수행하지 않고, ATP 처리하지 않은 경우이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 반도체 기판 상부에 포토레지스트 막을 형성한 다음 알칼리 처리하는 과정을 포함하는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 우선, 알칼리 처리하는 과정을 포함하는 화학증폭형 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공하는데, 그 과정은 하기와 같은 단계를 포함한다 :
(a) 화학증폭형 포토레지스트 조성물을 반도체 기판 상부에 도포하여 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
(b) 상기 화학증폭형 포토레지스트 막 상부에 알칼리 수용액을 도포하여 알칼리 처리하는 단계;
(c) 상기 결과물을 노광하는 단계; 및
(d) 상기 결과물을 현상하여 패턴을 얻는 단계.
본 발명에서와 같이, 노광전 알칼리 처리를 하고 노광을 해주면 이 알칼리가 Top ARC 와 접촉되는 포토레지스트 상층 표면 부위의 급격한 산 확산을 막아주어 탑 로스를 방지해 주는 역할을 한다. 알칼리는 또한 Top ARC 의 산성막과 적절히 결합하여 염을 형성함으로써 외부 아민으로부터의 급격한 오염을 막아주는 방패 역할을 수행하여 T-탑을 막아주는 역할도 한다. 한편 알칼리는 Top ARC 를 사용하지 않는 화학증폭형 포토레지스트의 미세 패턴에서 유발되는 심각한 탑 로스도 본 발명의 알칼리 처리를 함으로서 예방할 수 있다.
본 발명의 알칼리 처리에 사용되는 알칼리 수용액은 R4N+X-(아민염) 또는 MXn수용액인 것이 바람직하다. 이 때 R은 탄소수 1 내지 10인 알킬 그룹; M은 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra를 포함하는 1족 및 2족 금속; X는 할로겐 원소 또는 수산기; n은 1 또는 2의 정수이다.
또한 상기 알칼리 중에서도 아민염 (R4N+X-)인 경우가 바람직하며, X는 수산기 (OH)인 경우가 바람직한데, 이러한 알칼리의 구체적인 예로서 테트라메틸암모늄하이드록사이드 [TMAH; (CH3)4N+OH-] 또는 테트라부틸암모늄하이드록사이드 [(CH3CH2CH2CH2)4N+OH-]를 들 수 있다.
상기 (a) 내지 (d) 단계로 이루어지는 방법에 있어서, (b) 단계 후 (c) 단계 전에 탑 반사방지 코팅 (Top ARC; Top anti-reflective coating)을 수행할 수도 있고, 수행하지 않을 수도 있는데, Top ARC의 사용 여부와 무관하게 본 발명의 방법이 양호한 패턴 형성에 도움을 준다는 것은 전술한 바와 같다.
한편 탑 반사방지 코팅을 수행할 경우 반사방지 물질은 100 내지 3000Å의 두께, 바람직하게는 100 내지 500Å의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에서는 (a) 단계 후 (b) 단계 전에 소프트 베이크 (soft bake)를 수행할 수 있으며, (c) 단계 후 (d) 단계 전에 포스트 베이크 (post bake)를 수행할 수 있는데, 이러한 베이크 공정은 70 내지 200℃에서 1 내지 2분간 수행하는 것이 바람직하다.
또한 상기 노광공정은 광원으로서 ArF, KrF 및 EUV를 포함하는 원자외선(DUV; Deep Ultra Violet), E-빔, X-선 또는 이온 빔을 이용하여 수행된다.
또한 상기 현상 공정은 주로 테트라메틸암모늄하이드록사이드 (TMAH) 수용액을 현상액으로 이용하여 수행된다.
한편 본 발명의 방법은 KrF, ArF, VUV, EUV 또는 E-빔용 레지스트를 포함하는 모든 화학증폭형 레지스트에 적용될 수 있으며, 얻어지는 포토레지스트 패턴은 포지티브 패턴 또는 네가티브 패턴 모두 가능하다.
또한 본 발명에서는 상기 본 발명의 방법에 의하여 제조된 반도체 소자를 제공한다.
이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
하기 화학식 1의 화학증폭형 포토레지스트를 실리콘 기판 위에 스핀 코팅하고 2.38% TMAH 수용액을 50초간 포토레지스트 막 위에 뿌리고 막 표면을 건조시킨 다음 (알칼리 처리), 100∼2000Å 두께로 Top ARC 물질을 코팅하였다. 다음, ArF 광원으로 노광하고 노광후 110℃에서 90초간 베이크하고 다시 2.38% TMAH 수용액으로 현상하여 130nm L/S 포지티브 패턴을 얻었다 (도 2a 참조).
[화학식 1]
비교예 1.
실시예 1에서 화학식 1의 포토레지스트를 실리콘 기판 위에 스핀 코팅한 다음에 행하는 알칼리 처리 (2.38% TMAH 수용액으로 50초간 처리)를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 130nm L/S 패턴을 얻었다 (도 2b 참조).
실시예 2.
실시예 1에서 화학식 1의 포토레지스트 대신에 하기 화학식 2의 포토레지스트를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 130nm L/S 포지티브 패턴을 얻었다 (도 3a 참조).
[화학식 2]
비교예 2.
실시예 2에서 화학식 2의 포토레지스트를 실리콘 기판 위에 스핀 코팅한 다음에 행하는 알칼리 처리 (2.38% TMAH 수용액으로 50초간 처리)를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 130nm L/S 패턴을 얻었다 (도 3b 참조).
실시예 3.
하기 화학식 3의 화학증폭형 포토레지스트를 실리콘 기판 위에 스핀 코팅하고 2.38% TMAH 수용액을 50초간 포토레지스트 막 위에 뿌리고 막 표면을 건조시켰다 (알칼리 처리). 다음, Top ARC 를 수행하지 않은 상태에서 ArF 광원으로 노광하고 노광후 110℃에서 90초간 베이크하고 다시 2.38% TMAH 수용액으로 현상하여 130nm L/S 패턴을 얻었다 (도 4a 참조).
[화학식 3]
비교예 3.
실시예 3에서 화학식 3의 포토레지스트를 실리콘 기판 위에 스핀 코팅한 다음에 행하는 알칼리 처리 (2.38% TMAH 수용액으로 50초간 처리)를 수행하지 않는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 130nm L/S 패턴을 얻었다 (도 4b 참조).
상기 실시예 및 비교예의 결과를 살펴보면, 비교예에서 얻어진 패턴은 모두 탑 로스가 심하게 발생하였으며, 특히 Top ARC 를 사용하지 않은 비교예 3의 경우 (도 4b)는 탑 로스가 매우 심하였다. 그러나 본 발명의 방법 (실시예)에 의하면 탑 로스 현상의 발생없이 양호한 패턴을 얻을 수 있었다 (도 2a, 도 3a 및 도 4a).
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서 사용한 알칼리 처리는 패턴의 모양을 개선시키고 패턴 모양의 재현성을 향상시킬 수 있으므로 현재의 64M DRAM 이후의 128M, 256M, 1G, 4G, 16G, 32G 및 64G DRAM 이상의 반도체 소자 개발을 위한 패턴 형성에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 포토레지스트 패턴의 형성방법에 있어서, 반도체 기판 상부에 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성한 다음 알칼리 처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과정은
    (a) 화학증폭형 포토레지스트 조성물을 반도체 기판 상부에 도포하여 화학증폭형 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 화학증폭형 포토레지스트 막 상부에 알칼리 수용액을 도포하여 알칼리 처리하는 단계;
    (c) 상기 결과물을 노광하는 단계; 및
    (d) 상기 결과물을 현상하여 패턴을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    알칼리 수용액은 아민염 (R4N+X-) 또는 MXn수용액인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법 (R은 탄소수 1 내지 10인 알킬 그룹; M은 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba 및 Ra를 포함하는 1족 및 2족 금속; X는 할로겐 원소 또는 수산기; n은 1 또는 2의 정수).
  4. 제 3 항에 있어서,
    알칼리 수용액은 테트라메틸암모늄하이드록사이드 [TMAH; (CH3)4N+OH-] 또는 테트라부틸암모늄하이드록사이드 [(CH3CH2CH2CH2)4N+OH-] 수용액인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 후 (c) 단계 전에 탑 반사방지 코팅 (Top ARC; Top anti-reflective coating)을 수행하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    탑 반사방지 코팅은 반사방지 물질을 100 내지 3000Å의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 두께는 100 내지 500Å인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    (a) 단계 후 (b) 단계 전에 소프트 베이크 (soft bake)를 수행하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    (c) 단계 후 (d) 단계 전에 포스트 베이크 (post bake)를 수행하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 베이크 공정은 70 내지 200℃에서 1 내지 2분간 수행되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광공정은 광원으로서 ArF, KrF 및 EUV를 포함하는 원자외선(DUV; Deep Ultra Violet), E-빔, X-선 또는 이온 빔을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 현상 공정은 테트라메틸암모늄하이드록사이드 (TMAH) 수용액을 현상액으로 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    포토레지스트 패턴은 포지티브 패턴 또는 네가티브 패턴인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
  14. 제 1항의 방법에 의하여 제조된 반도체 소자.
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