KR20040060246A - 포토레지스트 현상액 조성물 및 이를 이용한 반도체소자의 패턴 형성 방법 - Google Patents

포토레지스트 현상액 조성물 및 이를 이용한 반도체소자의 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토레지스트 현상액 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하는 공정에서, 물과 유기물에 친화력을 가지는 중합체를 포함하는 현상액 조성물을 이용하여 포토레지스트 패턴을 현상함으로써, 후속 린스(rinse) 공정 시에 모세관력(capillary force)을 감소하여 패턴의 무너짐(collapse) 현상을 개선할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

포토레지스트 현상액 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법{Composition for developing photoresist and Pattern Forming Method of Semiconductor Device}
본 발명은 포토레지스트 현상액 조성물 및 이를 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하는 공정에서, 물과 유기물에 친화력을 가지는 중합체를 포함하는 현상액 조성물을 이용하여 포토레지스트 패턴을 현상함으로써, 후속 린스(rinse) 공정에서 모세관력(capillary force)을 감소시켜 패턴의 무너짐(collapse) 현상을 개선할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
근래에 디바이스가 점점 미세화 되어감에 따라 리소그래피(lithography) 공정에서 미세 패턴을 형성하는 것이 어려워졌다.
일반적으로 패턴의 크기가 점점 미세화 되면서 포토레지스트 패턴의 종횡비(aspect ratio; 포토레지스트 두께, 즉 형성된 패턴의 높이/선폭)는 높아졌는데, 이때 포토레지스트 패턴의 높이가 임계 높이를 넘는 경우, 포토레지스트와 하부 피식각층간의 접착성이 낮기 때문에, 현상 공정의 후속 공정으로 린스 공정을 수행할 때 모세관력이 포토레지스트 자체의 탄성력을 능가하게 되므로 패턴이 무너지는 현상이 발생된다.
상기 패턴의 무너짐 현상을 개선하기 위하여 포토레지스트의 종횡비를 낮추는 방법으로 패턴을 형성하였으나, 이때 포토레지스트의 두께가 낮기 때문에 후속 식각 공정을 수행하는 과정에서 포토레지스트의 하부 피식각층까지 손상(damage) 되는 또 다른 문제점이 발생된다.
포토레지스트 패턴은 반도체 기판 상에 피식각층을 형성하고, 피식각층 위에 포토레지스트를 형성한 다음, 노광 공정과 현상 공정을 순차적으로 수행하여 형성된다. 이때, 상기 포토레지스트가 포지티브형일 경우에는 현상 공정 시에 상기 노광된 포토레지스트 부분을 염기성이 강한 현상액, 예를 들면 테트라메틸암모늄하이드록사이드(TMAH)등의 알칼리 수용액 등을 이용하여 제거한다.
그러나, 상기 강염기 현상액은 포토레지스트 패턴이 팽윤되는 것을 억제하기 어렵기 때문에, 포토레지스트 패턴의 현상 공정 후에 증류수를 분사시켜서 반도체 기판을 세정하는 린스 공정을 수행할 때, 증류수의 높은 표면장력으로 인하여 패턴 무너짐 현상이 발생된다.
도 2는 이러한 종래의 현상액을 이용하여 포토레지스트 패턴을 현상한 다음에 후속 세정 공정 시에 패턴이 무너지는 현상을 도시한 사진이다.
이에 본 발명자들은 패턴 무너짐 현상을 개선하고자, 종래의 알칼리 현상액 대신 새로운 조성을 가지는 현상액을 개발하여, 포토레지스트 패턴과 기판의 접착성을 향상하고, 포토레지스트의 모세관력을 낮춰서 포토레지스트 패턴의 무너짐 현상을 개선할 수 있는 방법을 알아내었다.
본 발명에서는 물에 대한 친화력과 유기물에 대한 친화력을 동시에 가지는 중합체를 포함하는 포토레지스트 현상액 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 현상액 조성물을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 현상액 조성물을 이용하여 형성된 포토레지스트 패턴을 나타낸 사진.
도 2는 종래 현상액을 이용하여 형성된 포토레지스트 패턴을 나타낸 사진.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 알칼리 수용액 및 하기 화학식 1의 반복단위로 이루어진 포토레지스트 현상액 중합체를 포함하는 포토레지스트 현상액 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
상기 식에서,
R1은 수소 또는 C1∼C5의 알킬이고,
R2및 R3은 수소 또는 C1∼C3의 알킬이며,
n은 1 내지 500 중에서 선택되는 정수이다.
상기 알칼리 수용액은 일반적인 0.01∼5 wt%의 TMAH 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 화학식 1의 반복단위의 바람직한 예는 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone)이며, 분자량은 10000∼15000, 바람직하게는 12,000이다.
상기 화학식 1의 반복단위로 이루어진 중합체는 현상액의 용매인 물과 유기물인 포토레지스트에 대해 동시에 친화력을 가지기 때문에, 상기 중합체의 일부가 현상 공정 시에 포토레지스트 표면에 흡착되어 있다가, 후속 린스 공정 시에 물과 친화력을 가지도록 반응하여 포토레지스트 패턴의 모세관력을 낮추므로 패턴의 무너짐 현상을 감소시킬 수 있다.
상기 현상액 조성물의 중합체 : 알칼리 수용액의 조성비는 1∼10 : 99∼90 wt%이며, 바람직하게는 5 : 95 wt% 이다.
상기 중합체가 알칼리 수용액 내에 1 중량%보다 적게 포함되는 경우에는 패턴의 무너짐을 방지하는 효과가 낮고, 10 중량%보다 많이 포함되는 경우에는 포함된 양에 비하여 패턴 무너짐을 개선하는 효과가 낮아서 제조 비용이 증가하는 문제가 발생한다.
또한, 본 발명에서는 상기 포토레지스트 현상액 조성물을 이용한 패턴 형성 방법을 제공한다.
(a) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 통상의 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
(b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계
(c) 상기 노광된 포토레지스트 막을 본 발명의 현상액으로 현상하는 단계 ; 및
(d) 상기 결과물을 세정하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공한다.
이때, 상기 피식각층은 절연층 또는 도전층을 사용하며, 알루미늄(Al) 이나 텅스텐(W)과 같은 금속층을 사용할 수도 있다.
상기 과정에서 (b) 단계에서 노광 전에 소프트 베이크 공정이나 노광 후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이때 베이크 공정은 70 ∼ 200℃에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 노광공정은 KrF(248nm), ArF(193nm), VUV(157nm), EUV(13nm), E-빔, X-선 또는 이온빔을 노광원으로 사용하여, 0.1 ∼ 50mJ/cm2의 노광에너지로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 세정 단계는 물 또는 물과 계면활성제를 포함하는 일반적인 세정액 조성물을 이용하여 수행된다.
상기 전술한 방법과 같이, 본 발명의 현상액 조성물을 이용하여 현상한 다음에 후속 린스 공정을 실시하면, 도 1에 도시한 바와 같이 패턴의 무너짐 현상이 개선된 신뢰성 있는 반도체 소자를 제공 할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
I. 포토레지스트 현상용 조성물의 제조
제조예 1.
폴리비닐피롤리돈 1g을 2.38 wt% TMAH 현상액 70g에 녹인 후, 0.2㎛ 필터로 여과시켜 신규한 포토레지스트 현상액 조성물을 제조하였다.
II. 포토레지스트 패턴 형성
실시예 1.
실리콘 웨이퍼 상에 AX1020P(Clariant사) 포토레지스트를 코팅한 후, 120℃에서 90초간 베이크 하였다. 베이크 후, ArF 노광장비(ASML사)를 이용하여 노광 시킨 후, 120℃에서 90초간 다시 베이크하였다.
상온에서 상기 웨이퍼를 상기 제조예 1의 현상액 조성물에 1분 정도 담가 120nm L/S 패턴을 얻은 후, 물을 이용한 린스 공정을 실시하면 무너지지 않은 패턴을 얻을 수 있었다(도 1 참조).
비교예 1. 종래의 포토레지스트 제거 방법
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 포토레지스트 패턴을 얻은 후, 상기 웨이퍼를 통상의 TMAH 2.38 wt% 의 현상액을 이용하여 현상하여 120nm L/S 패턴을 얻은 후 물을 이용한 린스 공정을 실시하면, 무너진 패턴이 얻어졌다(도 2 참조).
이상에서 살펴본 바와 같이, 물과 유기물 모두에 친화력을 가지는 고분자를 첨가한 본 발명의 포토레지스트 현상액 조성물은 종래 현상액보다 패턴의 표면장력이 낮출 수 있으므로, 패턴의 무너짐 현상을 크게 감소시킬 수 있으므로, 130nm 이하의 초미세 포토레지스트 패턴 형성 공정 시에 신뢰성 있는 반도체 소자를 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 알칼리 수용액 및 하기 화학식 1로 표시되는 반복단위로 이루어진 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토레지스트 현상액 조성물.
    [화학식 1]
    상기 식에서,
    R1은 수소 또는 C1∼C5의 알킬이고,
    R2및 R3는 수소 또는 C1∼C3의 알킬이며,
    n은 1 내지 500 중에서 선택되는 정수이다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 화합물은 폴리비닐피놀리돈(polyvinylpyrrolidone)인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 현상액 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중합체의 분자량은 10000∼15000인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 현상액 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알칼리 수용액은 0.01∼5 wt%의 TMAH 수용액인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 현상액 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조성물의 중합체 : 알칼리 수용액의 조성비는 1 : 99∼10 : 90 wt%인 것을 특징으로 하는 포토레지스트 현상액 조성물.
  6. (a) 반도체 기판에 형성된 피식각층 상부에 통상의 포토레지스트를 도포하여 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    (b) 상기 포토레지스트 막을 노광원으로 노광하는 단계;
    (c) 상기 노광된 포토레지스트 막을 제 1 항 기재의 포토레지스트 현상액 조성물로 현상하는 단계 ; 및
    (d) 상기 결과물을 세정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 피식각층은 절연층, 도전층 또는 금속층인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b)단계의 노광 전에 소프트 베이크 공정 및 (b)단계의 노광 후에 포스트 베이크 공정을 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 노광원은 KrF, ArF, VUV, EUV, E-빔, X-선 및 이온빔으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 세정 단계는 물 또는 물과 계면활성제로 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.
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