KR20020028114A - Method of forming photoresist pattern for critical dimension reduction - Google Patents

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남정림
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윤종용
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Abstract

PURPOSE: A method for fabricating a photoresist pattern for reducing a critical dimension is provided to uniformly maintain a flow point of time by performing an exposure process using a light source of a uniform wavelength, and to easily control the critical dimension by omitting a heat treatment process. CONSTITUTION: A photoresist layer is applied to the upper surface of a lower material layer(100), and an exposure/developing process is performed according to a predetermined pattern to form the photoresist pattern(106). A light source of a uniform wavelength is irradiated to the photoresist pattern. The photoresist pattern is flowed.

Description

선폭감소를 위한 포토 레지스트패턴 형성방법{Method of forming photoresist pattern for critical dimension reduction}Method of forming photoresist pattern for critical dimension reduction

본 발명은 반도체 장치의 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 장치의 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a photoresist pattern of a semiconductor device.

반도체 장치의 고집적화, 고성능화가 진행됨에 따라 반도체 장치의 선폭(critical dimension)이 점차 작아지고 있는데, 이러한 선폭의 감소를 실현하기 위해서 반도체 공정측면에서 여러가지의 방법이 제시되고 있다.As the integration and performance of semiconductor devices have increased, the critical dimensions of semiconductor devices have gradually decreased. Various methods have been proposed in terms of semiconductor processing in order to realize such reduction in line width.

이러한 방법의 하나로 포토레지스트 패턴의 수축에 의해 선폭변화를 유도하는 방법이 있다. 이것은 고온의 열처리로 포토레지스트 패턴의 유동(flow)을 발생시켜 선폭을 감소시키는 방법인데, 주로 반도체 기판 상의 물질층에 콘택홀을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴의 형성과정에서 주로 사용된다.One such method is to induce a change in line width by shrinking a photoresist pattern. This is a method of reducing the line width by generating a flow of the photoresist pattern by high temperature heat treatment, and is mainly used in the process of forming the photoresist pattern for forming contact holes in the material layer on the semiconductor substrate.

도 1의 흐름도를 참조하여, 종래의 선폭변화를 위한 포토레지스트 패턴의 형성방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the flow chart of Figure 1, the conventional method for forming a photoresist pattern for changing the line width is as follows.

먼저 원하는 패턴을 형성하고자 하는 물질층 상에 포토레지스트막을 도포한다. 이러한 도포는 통상의 방법, 즉 스핀코팅(spin coating)에 의해 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 포토레지스트막을 일정한 파장의 광원에 노출하여 상기 원하는 패턴에 따라 노광시킨다.First, a photoresist film is coated on a material layer on which a desired pattern is to be formed. Such application may be by conventional methods, ie, spin coating. Subsequently, the photoresist film is exposed to a light source having a constant wavelength and exposed according to the desired pattern.

이어서, 상기 패턴을 현상액에 담가서 현상하는데, 포토레지스트막의 종류에 따라 노광된 부분이 용해되어 제거되거나(포지티브형) 노광되지 않은 부분이 용해되어 제거된다(네거티브형). 이상의 공정을 통해 하부의 물질층에 소정의 패턴을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.Subsequently, the pattern is immersed in a developing solution and developed. The exposed part is dissolved and removed according to the type of photoresist film (positive type) or the unexposed part is dissolved and removed (negative type). Through the above process, a photoresist pattern for forming a predetermined pattern on the lower material layer may be formed.

상기의 과정을 거쳐 형성된 포토레지스트 패턴의 선폭을 감소시키기 위하여 종래에는 열처리 방법을 사용하였는데, 이것은 포토레지스트막에 열을 가하여 탈보호화반응을 일으킴과 동시에 포토레지스트막을 유동시켜 선폭변화를 유도하는 것이다. 통상 열처리는 2단계의 과정을 거쳐 이루어진다. 여기서 1차 열처리는 탈보호화반응을 일으키는 것을 주된 목적으로 하며, 2차 열처리는 보다 고온에서 포토레지스트막의 유동을 위한 열에너지를 공급하기 위한 것이다.In order to reduce the line width of the photoresist pattern formed through the above process, a heat treatment method has been conventionally used, which causes a deprotection reaction by applying heat to the photoresist film and induces a line width change by flowing the photoresist film. In general, heat treatment is performed through a two-step process. The primary heat treatment is intended to cause a deprotection reaction, the secondary heat treatment is to supply thermal energy for the flow of the photoresist film at a higher temperature.

그러나, 이러한 종래의 방법에서는 1차 열처리시 탈보호화반응을 통한 빈 공간(free volume)의 형성과 동시에 포토레지스트막의 유동이 발생하여 유동발생시점을 정확히 조절할 수 없을 뿐만 아니라 유동량 및 막질 전체에 걸친 유동의 균일성을 보장할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 이러한 문제점들로 인해 종래의 방법에 의해 형성된 포토레지스트 패턴은 스웰링(swelling), 즉 패턴의 중앙부가 부풀어오르는 현상이 발생하여 선폭변화를 정확히 조절할 수 없다는 단점도 가지고 있다.However, in the conventional method, the flow of the photoresist film occurs at the same time as the formation of the free volume through the deprotection reaction during the first heat treatment, and thus it is not possible to precisely control the timing of the flow. There is a problem that can not guarantee the uniformity of. In addition, due to these problems, the photoresist pattern formed by the conventional method has a disadvantage in that swelling, that is, swelling of the center portion of the pattern, cannot accurately adjust the line width change.

본 발명은 선폭감소를 위한 포토레지스트패턴의 형성방법에 있어서, 포토레지스트막의 유동시점을 일정하게 하고 유동의 균일성을 보장할 수 있는 포토레지스트 패턴의 형성방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a method of forming a photoresist pattern in the method of forming a photoresist pattern for reducing the line width, which can make the flow time of the photoresist film constant and ensure the uniformity of the flow.

도 1은 종래기술에 따른 선폭변화를 위한 포토레지스트 패턴의 형성방법을 도시한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method of forming a photoresist pattern for changing a line width according to the prior art.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 선폭변화를 위한 포토레지스트 패턴의 형성방법을 도시한 단면도들이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of forming a photoresist pattern for changing a line width according to an embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 탈보호화되기 전의 심자외선용 포토레지스트막의 구조를 도시한 것이다.3A illustrates the structure of a deep ultraviolet photoresist film before deprotection according to an embodiment of the present invention.

도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 노광되어 탈보호화된 심자외선용 포토레지스트막의 구조를 도시한 것이다.3B illustrates a structure of a deep ultraviolet photoresist film exposed and deprotected according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 사용된 심자외선용 포토레지스트막의 열처리온도에 따른 중량변화를 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the weight change with the heat treatment temperature of the deep ultraviolet photoresist film used in the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 하부 물질층 상에 포토레지스트막을 도포하고 소정의 패턴대로 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 포토레지스트 패턴에 일정한 파장의 광원을 조사하여 탈보호반응시키는 단계, 상기 탈보호화된 포토레지스트 패턴의 막질을 유동시키는 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention, by applying a photoresist film on the lower material layer, the exposure and development according to a predetermined pattern to form a photoresist pattern, by irradiating a light source of a predetermined wavelength to the photoresist pattern It provides a method of forming a photoresist pattern comprising the step of performing a protective reaction, the flow of the film quality of the deprotected photoresist pattern.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을상술한다.Hereinafter, the present invention will be described by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the drawings.

본 실시예는 반도체 기판의 물질층 상에 콘택홀을 형성하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제시한다. 도 2a 내지 도 2d는 이러한 과정을 설명하기 위한 단면도들이다. 먼저 도 2a를 참조하면, 원하는 패턴을 형성할 물질층(100) 상에 포토레지스트막(101)을 형성한다. 본 실시예에서 상기 포토레지스트막(101)으로는 KRF(Kripton Fluoride) 레이저(248nm)로 노광되는 심자외선(deep ultra violet)용 포토레지스트를 사용하였다. 물론, 다른 파장에서 노광되는 포토레지스트막, 예컨대 통상의 i-라인용(365nm) 포토레지스트의 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.This embodiment provides a method of forming a photoresist pattern for forming contact holes on a material layer of a semiconductor substrate. 2A through 2D are cross-sectional views for describing this process. First, referring to FIG. 2A, a photoresist film 101 is formed on the material layer 100 to form a desired pattern. In the present embodiment, a photoresist for deep ultra violet light exposed by a KRF laser (248 nm) was used as the photoresist film 101. Of course, the same can be applied to the photoresist film exposed at other wavelengths, for example, a photoresist for a conventional i-line (365 nm).

도 3a에 본 실시예에 사용된 심자외선용 포토레지스트막(101)의 기본 구조를 도시하였다. 여기서, 도 2a와 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭한다. 상기 포토레지스트막(101)은 크게 고분자물질(111)과 보호기(protection gruop; 112)으로 이루어져 있는데, 상기 보호기(112)는 후속되는 현상공정에서 포토레지스트막이 현상액에 용해하는 것을 억제하는 역할을 한다.3A shows the basic structure of the deep ultraviolet photoresist film 101 used in this embodiment. Here, the same reference numerals as in FIG. 2A refer to the same element. The photoresist film 101 is composed of a polymer material 111 and a protection group (protection gruop) 112. The protecting group 112 serves to prevent the photoresist film from dissolving in the developer in a subsequent development process. .

계속 도 2a를 참조하면, 상기 물질층(100)에 콘택홀을 형성하기 위한 패턴이 정의된 포토마스크(104)를 사용하여 상기 포토레지스트막(101)을 노광시킨다. 상기 노광은 통상의 방법으로 행해지는데, 본 실시예에서는 상기 포토레지스트막(101)이 심자외선용 포토레지스트이므로, 248nm의 파장을 가진 KRF 레이저를 통해 노광하였다. 이상의 노광공정에 의해 상기 포토레지스트막(101)에는 노광된 부분(102)과 노광되지 않은 부분(103)이 존재하게 된다.Referring to FIG. 2A, the photoresist film 101 is exposed using a photomask 104 having a pattern for forming a contact hole in the material layer 100. The exposure is carried out in a conventional manner. In this embodiment, since the photoresist film 101 is a deep ultraviolet photoresist, it was exposed through a KRF laser having a wavelength of 248 nm. Through the above exposure process, the exposed portion 102 and the unexposed portion 103 exist in the photoresist film 101.

도 2b를 참조하면, 상기 노광된 포토레지스트막(101)을 통상의 방법으로 현상하여 포토레지스트 패턴(106)을 형성한다. 도 2a의 포토레지스트막(101) 중 노광된 부분(102)은 현상액에 의해 제거되어 홀(107)을 형성하고 노광되지 않은 부분만 남게 된다. 이것은 앞서 도 2a와 관련하여 설명한 보호기(112)가 노광에 의해 반응하여 현상액에 용해되기 쉬운 물질로 되기 때문이다.Referring to FIG. 2B, the exposed photoresist film 101 is developed in a conventional manner to form a photoresist pattern 106. The exposed portion 102 of the photoresist film 101 of FIG. 2A is removed by the developer to form the holes 107, leaving only the unexposed portions. This is because the protecting group 112 described above with reference to FIG. 2A becomes a substance which is easily dissolved in the developer by reacting by exposure.

도 2c을 참조하면, 상기 현상공정이 수행된 트랙(track) 내에서 248nm의 파장을 가진 헬륨-네온 램프를 광원(108)으로하여 상기 포토레지스트 패턴(106)을 전면노광한다. 상기 노광되는 광원(108)의 에너지는 10~20mJ/cm2가 적당하다. 노광은 상기 포토레지스트 패턴(106)의 막질에 존재하는 보호기(protection group; 도 3a의 112)와 고분자간의 결합을 끊어 상기 포토레지스트 막질 내에 빈 공간(free volume)을 형성하기 위한 것이다. 즉, 상기 헬륨-네온 램프에 의한 노광에 의해 탈보호화 반응을 일으키는 것이다. 도 3b에 상기 도 3a와 비교하여 보호기가 제거되어 고분자물질(111)간에 빈 공간(113)이 형성된 본 실시예의 심자외선용 포토레지스트(101) 막질의 구조를 도시하였다. 도 3b에서 도 3a의 참조부호와 동일한 참조부호는 동일한 요소를 의미한다.Referring to FIG. 2C, the photoresist pattern 106 is overexposed using a helium-neon lamp having a wavelength of 248 nm as a light source 108 in a track in which the developing process is performed. The energy of the light source 108 to be exposed is appropriately 10 ~ 20mJ / cm 2 . The exposure is to form a free volume in the photoresist film by breaking the bond between the protection group (112 of FIG. 3A) and the polymer in the film of the photoresist pattern 106. That is, deprotection reaction is caused by exposure with the helium-neon lamp. 3B illustrates the structure of the deep ultraviolet photoresist 101 film of the present embodiment, in which a protecting group is removed and an empty space 113 is formed between the polymer material 111 in comparison with FIG. 3A. In FIG. 3B, the same reference numerals as used in FIG. 3A mean the same elements.

앞서 살펴본 바와 같이, 종래에는 이 과정에서 열처리를 행하였다. 도 4는 상기 심자외선용 포토레지스트를 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 포토레지스트의 중량변화를 나타낸 것이다. 도 4를 보면, 열처리온도가 증가함에 따라 상기 포토레지스트의 질량이 감소하는데, 이는 열처리를 통해 포토레지스트의 고분자간을 결합하고 있는 보호기가 제거되어 질량이 감소하기 때문이다. 따라서, 열처리를통해 포토레지스트내에는 빈 공간(free volume)들을 만들 수 있게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 열처리를 통해 탈보호화 반응을 시키지 않고, 포토레지스트가 감광되는 파장의 빛으로 노광시킴으로써 상기 포토레지스트 내에 탈보호화 반응을 발생시키게 된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 종래의 방법에 의할 경우 열처리를 통한 탈보호화 반응시, 열에너지로 인한 고분자의 유동이 발생하여 안정된 유동특성을 확보할 수 없는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명은 탈보호화 반응을 노광에 의해 행함으로써, 이러한 문제점을 극복할 수 있다. 또한 본 발명의 탈보호화 반응은 일정한 파장의 광원에 의한 전면노광으로 수행되므로 열처리과정에서 발생하는 막질간에 온도편차가 생길 여지가 없다. 따라서 막질 전체에 걸쳐 균일한 탈보호화반응을 유도할 수 있게 된다. 또한 열처리와는 달리 하부 물질층에 종류에 따른 의존성이 없다.As described above, conventionally, heat treatment was performed in this process. Figure 4 shows the weight change of the photoresist according to the heat treatment temperature when the heat treatment for the deep ultraviolet photoresist. Referring to FIG. 4, the mass of the photoresist decreases as the heat treatment temperature increases, because the protecting group which bonds the polymers of the photoresist through the heat treatment is removed to reduce the mass. Therefore, the heat treatment allows the formation of free volumes in the photoresist. However, in the present embodiment, the deprotection reaction is generated in the photoresist by exposing the photoresist to light having a photosensitive wavelength without performing the deprotection reaction through heat treatment. As described above, when the deprotection reaction by heat treatment is performed by the conventional method, there is a problem in that a flow of a polymer due to thermal energy is generated and thus a stable flow characteristic cannot be secured. However, the present invention can overcome this problem by performing a deprotection reaction by exposure. In addition, since the deprotection reaction of the present invention is carried out by front exposure by a light source having a constant wavelength, there is no room for temperature deviation between the films generated during the heat treatment. Therefore, it is possible to induce a uniform deprotection reaction throughout the membrane. In addition, unlike the heat treatment, there is no dependency on the type of the underlying material layer.

이어서, 도 2d를 참조하면, 상기 탈보호화 반응을 통해 내부에 빈 공간(free volume; 도 3b의 113)이 형성된 포토레지스트 패턴(106)을 유리전이온도(glass transition temperature; Tg)부근의 온도에서 열처리한다. 본 실시예에서 상기 열처리는 170℃에서 행하였으나, 상기 열처리는 110~170℃의 온도범위에서 가능하다. 상기 열처리를 통해 포토레지스트 패턴(106)내의 고분자는 유동에 충분한 에너지를 확보하게 되어 주변의 빈공간(free volume; 도 3b의 113))을 메꾸어 재정렬하게 된다. 여기서, 고분자물질은 하중에 의해 아래방향으로 이동이 원활하게 일어나, 결과적으로 상기 노광을 통해 하부의 물질층에 형성될 콘택홀에 대응되는 포토레지스트 패턴의 홀(107)은 열처리에 의해 열처리전(점선으로 표시)의 홀의 선폭(CD1)에 비해 작은 선폭(CD2)을 가진 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.Subsequently, referring to FIG. 2D, the photoresist pattern 106 having a free volume 113 formed therein through the deprotection reaction is formed at a temperature near glass transition temperature (T g ). Heat treatment at In this embodiment, the heat treatment is performed at 170 ° C., but the heat treatment is possible in a temperature range of 110 to 170 ° C. Through the heat treatment, the polymer in the photoresist pattern 106 secures sufficient energy for flow, thereby rearranging the empty space (113 in FIG. 3B). Here, the polymer material moves smoothly downward by the load, and as a result, the hole 107 of the photoresist pattern corresponding to the contact hole to be formed in the lower material layer through the exposure is heat-treated before heat treatment ( A photoresist pattern having a smaller line width CD 2 than a line width CD 1 of a hole of a dotted line may be formed.

본 발명에 따르면, 포토레지스트 막질의 탈보호화 반응을 일정파장의 광원으로 노광함으로써 탈보호화 반응시 막질의 유동이 발생하지 않게 되므로 유동시점을 일정하게 유지할 수 있게 된다. 또한 탈보호화 반응시 열처리 공정을 사용하지 않으므로 열처리로 인해 발생하는 제반 문제점들인 막질간의 불균일성이 발생하지 않으므로 선폭변화를 용이하게 조절할 수 있게 된다.According to the present invention, since the deprotection reaction of the photoresist film is exposed to a light source having a constant wavelength, the flow of the film does not occur during the deprotection reaction, so that the flow point can be kept constant. In addition, since the heat treatment process is not used during the deprotection reaction, the non-uniformity between films, which is a problem caused by heat treatment, does not occur, thereby making it possible to easily adjust the line width change.

Claims (5)

하부 물질층 상에 포토레지스트막을 도포하고 소정의 패턴대로 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;Applying a photoresist film on the lower material layer, and exposing and developing the photoresist pattern to form a photoresist pattern; 상기 포토레지스트 패턴에 일정한 파장의 광원을 조사하여 탈보호반응시키는 단계;Irradiating the photoresist pattern with a light source having a predetermined wavelength to deprotect the reaction; 상기 탈보호화된 포토레지스트 패턴의 막질을 유동시키는 단계를 포함하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.A method of forming a photoresist pattern comprising flowing the film quality of the deprotected photoresist pattern. 제1항에 있어서, 상기 탈보호반응단계의 광원으로 헬륨-네온 램프를 사용하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.The method of claim 1, wherein a helium-neon lamp is used as a light source of the deprotection reaction step. 제2항에 있어서, 상기 헬륨-네온 램프는 임의영역의 파장만을 통과시키는 필터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.The method of claim 2, wherein the helium-neon lamp further comprises a filter for passing only wavelengths in an arbitrary region. 제1항에 있어서, 상기 막질의 유동단계는 약 110~170℃의 온도에서 열처리하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.The method of claim 1, wherein the flow of the film quality is performed by heat treatment at a temperature of about 110 ° C. to 170 ° C. 7. 제1항에 있어서, 상기 탈보호반응단계에서 상기 포토레지스트 패턴에 조사되는 광원의 에너지는 약 10~20mJ/cm2인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴의 형성방법.The method of claim 1, wherein the energy of the light source irradiated to the photoresist pattern in the deprotection step is about 10-20 mJ / cm 2 .
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