KR20030089063A

KR20030089063A - 포토레지스트 패턴 형성방법

Info

Publication number: KR20030089063A
Application number: KR1020020027092A
Authority: KR
Inventors: 공근규; 김진수
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-21

Abstract

본 발명은 블랭크 노광 (blank exposure)후 Relacs (resist enhancement lithography assisted by chemical shrink) 물질을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미 형성된 포토레지스트 패턴에 블랭크 노광을 하고, Relacs 물질을 도포한 후 가열하고 다시 현상함으로써 패턴 형성후 선폭을 SEM으로 측정할 때 패턴이 축소되는 라인 슬리밍 현상을 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성방법에 관한 것이다.

Description

포토레지스트 패턴 형성방법{Forming method of photoresist pattern}

본 발명은 블랭크 노광 (blank exposure)후 Relacs (resist enhancement lithography assisted by chemical shrink) 물질을 이용하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이미 형성된 포토레지스트 패턴에 블랭크 노광을 수행하고, Relacs 물질을 도포한 후 가열하고 다시 현상함으로써 패턴 형성후 선폭을 SEM으로 측정할 때 패턴이 축소되는 라인 슬리밍 현상을 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성방법에 관한 것이다.

100nm 이하의 초미세 회로를 사용한 4G DRAM 또는 16G DRAM 제조시, 패턴이 미세화됨에 따라 원자외선용, 특히 ArF용 포토레지스트 사용이 불가피하다. 즉,고집적화되는 디바이스에서는 식각 선택비가 높은 포토레지스트 사용이 필수적이다.

한편, 반도체 공정시, CD 타켓 (CD target)을 설정하여 공정을 진행하므로, 미세 포토레지스트 패턴 형성시 패턴 형성 후 SEM으로 CD를 측정한다. SEM의 원리는 e-빔 (e-beam)을 고진공에서 투사하여 이미지를 보는 것인데, 현재 상용화되고 있는 대부분의 ArF 레지스트는 e-빔에 의해 크래킹 (cracking)이 일어나고 이때 고진공에 의해 크래킹된 부분들이 없어지기 때문에 패턴 폭이 감소되는 현상 즉, 라인 슬리밍 (line slimming 또는 line shrinkage)이 발생된다. 따라서 반도체 공정 진행시 CD 측정이 곤란하여 CD 타겟 설정이 곤란하고, 디바이스 제작 진행이 불가능하게 되는 문제점이 발생되었다.

이에 본 발명자들은 라인 슬리밍 현상을 방지하기 위하여 노력하여 오던 중, 형성된 포토레지스트 패턴을 블랭크 노광한 다음, Relacs 물질을 도포하면 CD의 SEM 측정시 패턴 선폭이 축소되지 않는다는 점을 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 포토레지스트 패턴 형성 후 SEM으로 CD 측정시 SEM 빔에 의해 패턴의 폭이 감소하는 것을 방지할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 공정을 나타낸 개요도.

도 2는 실시예 1에서, 블랭크 노광전에 형성된 1차 패턴 사진.

도 3은 실시예 1에서, 블랭크 노광후 형성된 2차 패턴 사진.

도 4는 실시예 1에서, Relacs 물질을 도포하여 가열한 후 현상하여 형성된 3차 패턴 사진.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 1차로 형성된 포토레지스트 패턴에 블랭크 노광을 수행하고 가열하여 1차 패턴보다 미세한 2차 패턴을 얻고, 2차 패턴 전면에 Relacs 물질을 도포한 후 가열하고 다시 현상하여 상기 2차 패턴의 가장자리에 가교 결합이 형성된 3차 패턴을 얻는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공한다.

한편, Relacs (resist enhancement lithography assisted by chemical shrink) 물질이란 산의 존재하에서 포토레지스트 수지와 가교 결합을 형성할 수 있는 물질로서, 특히 클라리언트 (Clariant)사에서 라이선스를 가지고 있는 물질이 상품화되어 있으며, 주로 콘택홀의 크기를 축소시키는 공정에 사용되고 있다 (Laura J. Peters, "Resist Join the Sub-λ Revolution",Semiconductor International,Sep. 1999; Toshiyuki Toyoshima, "0.1㎛ Level contact hole pattern formation with KrF lithography by Resist Enhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink", IEEE, 1998). 그러나, 이 외에도 포토레지스트 수지의 종류에 따라 적절한 물질을 선택할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 Relacs 물질을 이용하여 포토레지스트 패턴의 라인 슬리밍을 방지하고자 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 CD SEM 측정시 발생되는 라인 슬리밍을 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성방법을 제공하는데, 그 과정은 하기와 같은 단계로 구성된다:

(a) 피식각층 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 단계;

(b) 상기 포토레지스트 막을 선택적으로 노광 및 현상하여 1차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

(c) 상기 포토레지스트 패턴을 블랭크 노광한 후 가열하여 2차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

(d) 상기 (c) 단계의 결과물에 Relacs 물질을 도포하여 가열하는 단계; 및

(e) 상기 (d) 단계의 결과물을 현상하여 3차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계.

상기 (a) 및 (b) 단계는 기존의 패턴 형성방법에 의하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 과정으로서 [도 1의 (a) 및 (b) 참조], 상기 (b) 단계의 노광전에 소프트 베이크 공정을 수행하고, 노광후에 포스트 베이크 공정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 소프트 베이크 및 포스트 베이크는 100∼150℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

상기 (c)∼(e) 단계는 본 발명에 의해 새로 도입된 단계인데, 우선 (c) 단계에서는 이미 형성된 패턴을 다시 블랭크 노광한 후 베이크만 하여 2차 패턴을 형성시킨다. 블랭크 노광이란 플러드 노광 (flood exposure)라고도 하는데, 레티클 (reticle) 즉, 노광 마스크 없이 노광하는 공정을 의미하며, 블랭크 노광후 가열하는 베이크 공정을 수행함으로써 현상 공정 없이도 (b)에서 얻어진 패턴에 비하여 선폭이 10nm 정도 감소한다. 따라서 이와 같은 블랭크 노광 공정을 수행함으로써 보다 미세한 패턴을 형성할 수 있게 된다.

다음, (d) 단계에서는 상기에 형성된 2차 패턴 상부에 Relacs 물질을 도포하는데, Relacs 물질은 수용성이기 때문에 (c)에서 형성된 패턴 위에 도포가 가능하다. 도포가 끝난 후 가열하면 블랭크 노광시 감광제에서 발생된 산이 Relacs 물질쪽으로 확산되어 Relacs 물질과 감광제 사이에서 일부가 가교반응을 일으킨다 [도 1의 (d) 참조]. 이때 산이 확산된 거리만큼 포토레지스트 수지와 Relacs 물질간의가교반응이 일어나는데, 온도에 따라 산의 확산 거리가 다르므로 이에 따라 가교되는 면적이 결정되게 된다.

다음, 현상시, 미가교 상태의 수용성 물질인 Relacs 물질은 용해되어 없어지게 되고, 상기 가교 부위는 용해되지 않고 남게 되어 상기 (b) 단계에서 형성된 1차 패턴보다 (c) 단계에서 CD가 10nm 감소된 2차 패턴이 형성되고, (e) 단계에서 가교부위만큼 CD가 커진 3차 패턴이 형성되는 것이다 [도 1의 (d) 및 (e) 참조].

한편, 상기 (a) 및 (c) 단계의 노광공정의 노광원은 VUV, ArF, KrF, EUV, E-빔, X-선 또는 이온빔 등이고, (c) 단계의 블랭크 노광은 10∼20mJ/㎠의 노광 에너지로 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (c) 단계의 가열 온도는 100∼180℃인 것이 바람직하고, (d) 단계의 가열 온도는 90∼150℃인 것이 바람직하다.

본 발명의 패턴 형성방법에 사용되는 감광제, 즉 포토레지스트 조성물은 어느 것이나 가능하나, 특히 광산발생제 또는 열산발생제를 포함하는 포토레지스트 조성물이 바람직하고, 포토레지스트 조성물 내의 베이스 수지는 특히 사이클로올레핀 백본(back bone) 구조를 갖는 것으로서, 소정의 기능기(functional group), 예를 들어, 용해억제기로 작용하는 산에 민감한 보호기 및 카르복실산 등의 기능기를 갖는 사이클로올레핀계 공단량체들이 부가 중합된 사이클로 올레핀 백본의 고리(ring) 구조가 깨지지 않고 주쇄 내에 유지되어 있는 반복단위체를 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 기판 접착성 및 민감성 조절을 위한 히드록시 알킬 기능기를 갖는 사이클로 올레핀 공단량체를 포함하는 것이 좋다.

즉, 기판에 대한 접착성을 향상시키기 위하여 2-히드록시에틸 바이사이클로[2.2.1]헵트-5-엔-2-카르복실레이트 또는 2-히드록시에틸 바이사이클로[2.2.2]옥트-5-엔-2-카르복실레이트 공단량체를 포함하는 것이 바람직하고, 예를 들어 하기 화학식 1의 중합반복단위를 포함하는 베이스 수지를 포함할 수 있다.

[화학식 1]

상기 식에서,

X₁, X₂, Y₁, Y₂, Z₁및 Z₂는 각각 CH₂또는 CH₂CH₂이고,

R₁, R₃및 R₄는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C₁∼C₁₀알킬이며,

R₂는 C₁∼C₁₀히드록시알킬이고,

R*는 산에 민감한 보호기(acid labile protecting group)이며,

p, q 및 r 은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,

a : b : c : d 는 5∼90 mol% : 5∼90 mol% : 0∼90 mol% : 0∼90 mol%이다.

상기 산에 민감한 보호기란 산에 의해 탈리될 수 있는 그룹으로서, 포토레지스트 물질의 알칼리 현상액에 대한 용해 여부를 결정한다. 즉, 산에 민감한 보호기가 붙어있는 경우에는 포토레지스트 물질이 알칼리 현상액에 의해 용해되는 것이 억제되며, 노광에 의해 발생된 산에 의해 산에 민감한 보호기가 탈리되면 포토레지스트 물질이 현상액에 용해될 수 있게 된다. 이러한 산에 민감한 보호기는 상기와 같은 역할을 수행할 수 있는 것이면 무엇이든 가능하며, 그 예로는 US 5,212,043 (1993. 5. 18), WO 97/33198 (1997. 9. 12), WO 96/37526 (1996. 11. 28), EP 0 794 458 (1997. 9. 10), EP 0 789 278 (1997. 8. 13), US 5,750,680 (1998. 5. 12), GB 2,340,830 A (2000. 3. 1), US 6,051,678 (2000. 4. 18), GB 2,345,286 A (2000. 7. 5), US 6,132,926 (2000. 10. 17), US 6,143,463 (2000. 11. 7), US 6,150,069 (2000. 11. 21), US 6,180,316 B1 (2001. 1. 30), US 6,225,020 B1 (2001. 5. 1), US 6,235,448 B1 (2001. 5. 22) 및 US 6,235,447 B1 (2001. 5. 22) 등에 개시된 것을 포함하고, 바람직하게는t-부틸, 테트라히드로피란-2-일, 2-메틸 테트라히드로피란-2-일, 테트라히드로퓨란-2-일, 2-메틸 테트라히드로퓨란-2-일, 1-메톡시프로필, 1-메톡시-1-메틸에틸, 1-에톡시프로필, 1-에톡시-1-메틸에틸, 1-메톡시에틸, 1-에톡시에틸,t-부톡시에틸, 1-이소부톡시에틸 또는 2-아세틸멘트-1-일 등이 될 수 있다.

한편, 상기 사이클로올레핀계 중합체 외에, 아크릴레이트계 (acrylate type) 중합체 또는 사이클로올레핀계 중합체와 아크릴레이트계 중합체가 혼합된 형태 (hybrid type)의 공중합체도 사용될 수 있다.

본 발명의 방법을 이용하면, 패턴 선폭의 SEM 측정시 라인 슬리밍을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 포토레지스트 패턴의 식각 특성을 향상시키는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.

또한 본 발명에서는, 상기 포토레지스트 패턴 형성방법에 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. Relacs 물질을 이용한 미세 패턴 형성

하기 화학식 1a의 중합체를 이용하여 제조된 감광제를 웨이퍼에 도포하고 110℃ 온도로 60초 동안 가열한 후, ArF용 노광장비로 노광하고, 140℃ 온도로 90초 동안 가열한 다음 2.38wt% TMAH 수용액으로 현상하여 도 2와 같은 패턴을 얻었다 (CD : 100nm). 여기에 20mJ/㎠의 노광 에너지로 블랭크 노광한 후 120℃ 온도로 90초 동안 가열하여 도 3의 패턴을 얻었다 (CD : 90nm).

상기 결과물에 Relacs 물질 (클라리언트사, 시료명: EXP.R-2L06)을 0.25㎛ 두께로 도포하고 110℃ 온도로 90초 동안 가열한 후 다시 증류수 (DI WATER)로 현상하여 도 4와 같은 패턴을 형성하였다 (CD : 98nm).

이렇게 형성된 패턴의 CD를 SEM으로 시간별로 측정하였다.

도 2의 CD는 100nm 이고 도 3의 CD는 90nm이므로, 블랭크 노광후 10nm 패턴이 축소하였고, 도 4의 CD는 98nm이므로, 감광제와 Relacs 물질간에 8nm (좌우 각각 약 4nm) 만큼 가교 반응이 일어난 것을 확인할 수 있었다.

[화학식 1a]

상기 식에서 a : b : c 는 1.0 mol% : 0.85 mol% : 0.15 mol% 이다.

실시예 2. Relacs 물질을 이용한 라인 슬리밍 개선

상기 실시예 1의 방법으로 형성된 패턴을 CD SEM 측정 장비에서 5초 동안 포커싱 (focusing)하고 정지한 후 CD 측정하는 방법으로 60초 동안 반복하면서 비교예로서 KrF용 감광제 (-■-) 및 ArF용 감광제 (-●-)만을 사용하여 종래의 방법으로 패터닝한 경우의 패턴 및 본 발명의 방법으로 패터닝한 패턴 (-◆-)의 CD를 측정하였다.

그 결과 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 경우는 ArF 감광제를 사용하는 경우에도 거의 KrF 감광제 수준으로 CD가 거의 변하지 않았음을 확인할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 패턴 형성방법은 기존의 방법에 의해 형성된 포토레지스트 패턴에 블랭크 노광한 후 Relacs 물질을 도포하고 가열하여, 포토레지스트 패턴의 가장자리에서 가교가 일어나게 함으로써 패턴 선폭을 SEM으로 측정할 때 라인 슬리밍 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한 본 발명에서는 부수적인 효과로서 CD 균일도를 향상시키는 결과도 얻을 수 있다.

Claims

(a) 기판 상부에 포토레지스트 막을 형성하는 단계;

(b) 상기 포토레지스트 막을 선택적으로 노광 및 현상하여 1차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

(c) 상기 포토레지스트 패턴을 블랭크 노광 (blank exposure)한 후 가열하여 2차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

(d) 상기 (c) 단계의 결과물에 Relacs 물질을 도포하여 가열하는 단계; 및

(e) 상기 (d) 단계의 결과물을 현상하여 3차 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 2차 포토레지스트 패턴의 CD는 1차 포토레지스트 패턴의 CD보다 작고, 상기 3차 포토레지스트 패턴의 CD는 2차 포토레지스트 패턴의 CD보다 큰 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 포토레지스트 막은 열산 발생제 또는 광산 발생제를 포함하는 포토레지스트 조성물을 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 Relacs 물질은 클라리언트 (Clariant)사의 EXP.R-2L06 (시료명; sample name)인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (e) 단계의 현상액은 증류수인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 포토레지스트 막에 사용되는 포토레지스트 중합체는 ArF용 포토레지스트 중합체인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 6 항에 있어서,

상기 포토레지스트 중합체는 히드록실기를 갖는 사이클로올레핀계 중합반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 7 항에 있어서,

상기 포토레지스트 중합체는 하기 화학식 1의 중합반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.

[화학식 1]

상기 식에서,

X₁, X₂, Y₁, Y₂, Z₁및 Z₂는 각각 CH₂또는 CH₂CH₂이고,

R₁, R₃및 R₄는 각각 수소; 또는 치환되거나 치환되지 않은 C₁∼C₁₀알킬이며,

R₂는 C₁∼C₁₀히드록시알킬이고,

R*는 산에 민감한 보호기(acid labile protecting group)이며,

p, q 및 r 은 각각 0∼2 중에서 선택되는 정수이고,

a : b : c : d 는 5∼90 mol% : 5∼90 mol% : 0∼90 mol% : 0∼90 mol%이다.
제 1 항에 있어서,

상기 포토레지스트 막에 사용되는 포토레지스트 중합체는 아크릴레이트계 중합체 또는 사이클로올레핀계 중합체와 아크릴레이트계 중합체가 혼합된 형태 (hybrid type)의 공중합체인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (b) 단계의 노광전에 소프트 베이크 공정을 수행하고, 노광후에 포스트 베이크 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (c) 단계의 블랭크 노광은 10∼20mJ/㎠의 에너지로 수행되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (c) 단계의 가열은 100∼180℃ 온도로 수행되고, (d) 단계의 가열은 90 ∼150℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (a) 및 (c) 단계의 노광공정의 노광원은 VUV, ArF, KrF, EUV, E-빔, X-선 및 이온빔으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 포토레지스트 패턴 형성방법.
제 1 항 기재의 방법에 의하여 제조된 반도체 소자.