KR20040078867A - 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

ArF 레지스트 패턴을 형성한 후, 레지스트 패턴을 열처리하는 동안 VUV (vacuum ultraviolet) 엑시머 레이저로부터의 조사 또는 E-빔 조사에 의해 노광하여 레지스트 패턴의 Tg를 일시적으로 감소시켜 패턴의 스페이스 및 개구 사이즈를 감소시킴으로써 반도체 소자 위에 미세 패턴, 특히 콘택홀을 형성하는 방법에 관하여 개시한다.

Description

미세 패턴 형성 방법{Method for forming fine patterns}

본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 특히 현상 후공정을 통하여 패턴 피쳐사이즈를 줄이는 방법에 관한 것이다.

광범위한 전자 소자에 사용하기 위하여 증가된 처리 속도를 가지는 반도체 소자 및 고집적화된 메모리 소자가 요구됨에 따라 서브미크론 사이즈를 가지는 회로 제품의 생산이 요구되어 왔다. 고집적 소자에서의 이와 같은 요구에 따라 리소그래피 기술을 개발하여 개선된 포토레지스트 조성물을 개발하고, 얻고자 하는 패턴 특히 최소 피쳐 사이즈를 가지는 구조에 필요한 패턴의 개선된 치수 정밀도를 얻고자 하는 노력이 가속되었다. 고집적 반도체 소자를 성공적으로 제조하기 위하여는 식각 및 이온 주입 공정시 마스크로 널리 사용되는 포토레지스트 패턴을 보다 정밀하고 미세하게 형성할 필요가 있다. 이들 제품을 구현하기 위하여는 민감한 포토레지스트가 요구되나, 민감한 포토레지스트를 사용하는 경우에는 복잡한 부가 공정이 수반된다. 단일층 레지스트를 사용하는 0.13㎛ 공정을 이용하는 소자 제조 공정에서는 ArF 리소그래피 기술이 이용되나, 장래의 0.10㎛ 이하의 공정에서는 보다 더 높은 정확도 및 치수 제어가 필요하게 될 것이다.

다음의 레일리 공식(Rayleigh's equation)에 따르면, 노광 광원의 파장이 감소됨에 따라 해상도는 향상되는 경향을 나타낸다.

R = k₁λ/NA

식중, R은 해상도이고, k₁은 상수이고, λ는 노광중 사용된 광원의 파장이고, NA는 조명 광학계의 구경수(numerical aperture)이다. 이 원리는 g-라인 (436nm) 노광 광원으로부터 i-라인 (365 nm) 노광 광원에 이르기까지의 포토리소그래피 공정의 변천에 따라 적용되어 왔으며, 최근에는 노광 광원으로서 KrF 엑시머 레이저 (248 nm)를 사용하는 투영 노광 장비에까지 적용되고 있다. 이와 같이 점차 보다 작은 파장을 이용하는 경향은 투영 노광 장비의 개발과, 노광 광원으로서 ArF 엑시머 레이저 (중심 파장 193 nm) 또는 F₂엑시머 레이저 (중심 파장 157 nm)를 사용하게 되는 공정의 개발을 초래하게 된다.

노광 광원의 파장은 노광 장비에서 얻어질 수 있는 최소 해상도에 직접 영향을 미친다. 예를 들면, 미세한 라인 앤드 스페이스 (L/S) 패턴을 형성하는 데 있어서, g-라인 노광 장비의 해상 한계는 약 0.5 ㎛이고, i-라인 노광 장비의 해상 한계는 약 0.3 ㎛이다. 그러나, 보다 최근의 소자 디자인 룰은 약 0.2 ㎛ 이하의 L/S 측정치에 근접해가고 있는 추세이다. 이러한 패턴들을 투영 마스크로부터 웨이퍼상에 충분한 정확도로 전사하기 위하여 노광 광원으로서 KrF 및 ArF 엑시머 레이저가 사용되어 왔다.

차세대 소자 디자인 룰에서 허용되는 최소 피쳐 사이즈는 계속 감소될 것으로 예측된다. 이러한 디자인 룰을 가지는 소자를 제조할 수 있는 노광 장비로서 사용 가능한 예를 들면 F₂엑시머 레이저, X-선, 및 전자빔(EB 또는 E-빔) 노광 장비를 들 수 있다. 특히, 소자 디자인 룰이 점차 작아지는 최소 피쳐 사이즈를 허용할수록 비슷한 사이즈를 가지는 L/S 패턴을 형성하는 경우에 비하여 콘택 및 비아홀을 형성하기 위한 공정 마진을 충분히 확보하기 어렵다. 이는 특히 소자의 셀 어레이 영역에서 높은 아스팩트비를 가지는 작은 콘택홀을 형성할 필요가 있는 고집적 소자를 제조하는 데 있어서 더욱 심각하다.

높은 아스팩트비를 가지는 작은 콘택홀을 형성하는 데 있어서의 고유한 문제점들을 역점을 두고 다루기 위하여 다양한 공정들이 개발되었으며, 그 예를 들면 열에 의한 플로우 공정과 RELACS (Resolution Enhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink) 공정이 있다. 열에 의한 플로우 공정에서는 형성하고자 하는 최종 콘택홀 사이즈보다 더 큰 사이즈의 콘택홀이 형성된 초기 콘택홀 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 상기 포토레지스트 패턴을 포토레지스트의 유리 전이 온도 (Tg) 이상의 온도로 가열하여 미세 패턴을 형성한다. 이 가열에 의하여 가교된 포토레지스트의 점도가 감소되고, 이로 인하여 포토레지스트가 유동하거나 가라앉게 되어 콘택 개구 사이즈가 감소됨으로써 원하는 콘택홀 사이즈를 얻게 된다.

열에 의한 플로우 공정은 i-라인 또는 KrF 레지스트를 이용하는 포토리소그래피 공정에서는 유효하게 적용될 수 있으나, ArF 레지스트의 경우에는 일반적으로 약 180℃ 이하인 ArF 레지스트의 분해 온도 (Td)보다 Tg (최소 온도 약 200℃)가 더 높다. 따라서, ArF 레지스트의 경우에는 레지스트 패턴이 유동되기 전에 분해가 시작될 것이므로 열에 의한 플로우 공정은 이용할 수 없다.

RELACS 공정에서는 형성하고자 하는 최종 콘택홀 사이즈보다 큰 사이즈를 가지는 콘택 개구가 형성된 통상의 콘택홀 포토레지스트 패턴을 다시 형성함으로써 미세 패턴을 형성한다. 그 후, 상기와 같이 형성된 초기의 포토레지스트 패턴 위에 수용성 폴리머를 코팅한다. 상기 수용성 폴리머는 상기 포토레지스트 패턴과 반응하여 그 표면에 따라 불용성 가교층을 형성하게 된다. 그 후, 상기 포토레지스트 패턴을 린스하여 반응되지 않은 폴리머를 제거한다. 상기 가교층에 의하여 포토레지스트 패턴의 유효 사이즈가 증가되어 콘택 개구 또는 L/S 패턴에서의 스페이스 크기를 감소시킨다. 그러나, 수용성 폴리머를 제거하기 위하여 단일 스텝을 이용하는 RELACS 공정에서는 수용성 폴리머의 불완전한 제거로 인하여 패턴에 반점 또는 막질 등과 같은 현상 잔류물들이 남아있게 된다. 이와 같은 현상 잔류물들은 후속의 식각 공정중에 최종 소자에서의 결함 발생 가능성을 증가시켜, 수율 및 신뢰성을 저하시킨다. 웨이퍼를 제1 용액으로 세정한 후 물로 린스하는 2단계 세정 공정을 적용하면 웨이퍼상에 남아있는 현상 잔류물의 양을 감소시킬 수는 있으나 공정이 복잡해지고 비용이 상승된다.

폴리(메트)아크릴레이트, COMA (cyclo-olefin maleic anhydride), 폴리노르보르넨 등과 같은 ArF 엑시머 레이저 노광 광원 (ArF 레지스트)을 사용하기 적합한 레지스트 조성물은 도 1에 도시한 바와 같이 SEM 측정중에 임계치수 (CD) 선폭이 축소되는, 소위 CD 슬리밍으로 칭해지는 문제가 쉽게 발생된다. ArF 레지스트도 역시 건식 식각에 대한 약한 내성, LER (Line Edge Roughness) 및 CD 슬리밍에 따른 문제를 가지고 있다. 그 중에서도 특히 LER 및 CD 슬리밍은 ArF 레지스트를 이용하는 공정에서 심각한 문제들을 남기게 된다. CD-SEM 측정중에는 측정하는 동안 미세한 레지스트 구조물에 전자가 부딪힘으로써 피쳐 사이즈가 실제로 계속 감소될 수 있다. 동일한 레지스트 구조물에 대하여 재측정을 시도하는 경우, 피쳐 사이즈가 계속 축소된다. 도 2에는 반복되는 측정중에 측정 CD가 감소되는 양상을 보여주는예가 나타나 있다.

KrF 레지스트와 ArF 레지스트간의 조성물 차이는 재료의 성능에 있어서 중요한 차이점을 발생시킨다. 예를 들면, KrF 레지스트는 CD-SEM 측정중에 CD 슬리밍 (<2%)에 대한 내성이 큰 반면, ArF 레지스트는 SEM 측정중에 6% 내지 15%의 CD 슬리밍을 나타낸다. 이들 결과는 CD 슬리밍이 ArF 레지스트에 있어서 폭넓은 문제로 될 수 있다는 것을 시사한다. 일반적으로, 패턴 라인 CD는 감소하는 경향이 있는 반면 그에 상응하는 패턴 스페이스 또는 홀의 사이즈는 증가하며, 특히 최소 치수 개구의 경우에는 더욱 심각하다. 또한, ArF 레지스트 패턴은 중합중에 ArF 레지스트의 균질성이 감소되어 결과적으로 바람직하지 않은 러프니스 (LER)를 나타낼 수 있다.

최근, ArF 레지스트에서 격고 있는 CD 슬리밍 및 LER 문제를 해결하기 위한 대응책으로서 E-빔 큐어링이 제안되었다. E-빔 큐어링에서는 SEM 측정 동안의 CD 축소를 감소시키기 위하여 전형적으로 현상된 ArF 레지스트 패턴을 SEM 측정 전에 FEM (focus expose matrix)를 사용하여 E-빔 도즈로 노광하여 이를 경화시킴으로써 현저한 분해 또는 질량 손실이 발생되기 전에 레지스트 패턴의 가교 정도 및 강성을 증가시킨다. 그러나, E-빔 큐어링은 제조 공정이 복잡하고 길며, 부가적인 수작업으로 인해 파티클에 의한 오염 가능성이 높아진다.

본 발명의 목적은 높은 아스팩트비를 가지는 작은 콘택홀을 형성할 필요가 있는 고집적 소자를 제조하는 데 있어서 향상된 CD 안정성 및 재현성을 가지고 포토레지스트 패턴의 개구 사이즈를 감소시킴으로써 반도체 소자의 공정 수율 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 패턴 형성 공정을 이용할 때 SEM에 의해 야기되는 CD 슬리밍 효과를 나타내는 도면이다.

도 2는 종래의 패턴 형성 공정에 의하여 형성된 레지스트 패턴상에서 반복되는 SEM 측정중에 관측된 CD 슬리밍을 나타내는 그래프이다.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 포토레지스트 패턴의 CD 측정치 변화 및 플로우 양 변화를 온도의 함수로서 나타낸 그래프들이다.

도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 레지스트 패턴의 LER을 VUV 처리 시간의 함수로서 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 예시적인 실시예들 및 종래 기술에 따른 패턴 형성 방법에 따라 반복되는 SEM 측정중에 발생되는 CD 슬리밍에 대한 내성을 VUV 처리 조건에 따라 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명의 예시적인 실시에에 따른 방법을 설명하기 위한 공정 플로우차트이다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 ArF 레지스트 패턴에 의하여 반도체 소자 위에 미세 패턴, 특히 콘택홀을 형성한 후, 열처리하는 동안 172 nm 이하의 파장을 가지는 VUV (vacuum ultraviolet) 엑시머 레이저 또는 E-빔 조사에 의해 레지스트 패턴을 노광시켜 패턴의 개구 사이즈를 줄이는 방법을 제공한다. VUV는 파장이 가장 긴 X-선과 약 100 ∼ 200 nm 파장 영역의 원자외선과의 사이의 전자기파 스펙트럼 영역을 칭한다. 이 영역의 스펙트럼의 빛 에너지는 O₂에 흡수되어 감쇄된다. 또한, VUV 공정 분위기중에 O₂가 존재하는 경우에는 VUV에 의해 O₃가 발생하고 이로 인한 유기물의 산화로 레지스트막의 두께 감소가 발생된다. 따라서, 대부분의 VUV 공정은 진공하에서, 또는 분위기중의 O₂함량을 감소시키기 위한 N₂퍼지하에서 행하게 된다. 특히, 본 발명의 예시적인 실시예들은 ArF 레지스트 패턴을 열처리하는 동안 약 30 ∼ 180℃의 온도에서 VUV 빛 에너지 또는 E-빔 에너지에 노출시켜 제어 가능하고 재현 가능한 방법으로 레지스트 패턴을 플로우시킴으로써 콘택홀의 사이즈를 축소시킨다. 따라서, 이 패터닝 방법은 CD 안정성 및 재현 가능성을 향상시키면서 미세한 레지스트 패턴에 형성되어 있는 개구 사이즈를 감소시킬 수 있으며, 따라서 이로부터 얻어지는 반도체 소자의 공정 수율 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 172 nm 이하의 중심 파장을 가지는 빛 에너지를 이용한 VUV 처리 또는 E-빔 에너지를 이용함으로써 패턴 개구, 특히 콘택 및 비아홀의 사이즈를 줄이고, 식각 내성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. PHP (polyhydroxy phenol) 폴리머는 KrF 포토레지스트 조성물에 유용하게 사용되지만, 중심 파장이 약 193 nm인 ArF 엑시머 레이저로부터의 빛 에너지의 낮은 투과도 (높은 흡광도)를 나타내므로 ArF 포토레지스트 조성물에 사용하기에는 일반적으로 적절하지 않다. 아크릴레이트 폴리머, COMA (cycloolefin/maleic anhydride) 폴리머, 폴리노르보르넨 폴리머 또는 VEMA (vinylether/maleic anhydride)는 약 193 nm의 빛 에너지의 투과도 및 해상도가 우수하므로 ArF 포토레지스트 조성물에 사용하기 더 적합하다. 그러나, 이러한 ArF 포토레지스트 조성물들은 그 유리 전이 온도 Tg가 전형적으로 200℃ 이상으로 KrF 포토레지스트 재료에 비해 높아서 곤란하다. 이 높은 Tg로 인하여 ArF 포토레지스트 패턴이 분해 온도 Td를 초과하여 반도체 웨이퍼에 보다 높은 온도를 인가하지 않고는 플로우되기 어렵다.

ArF와 관련된 곤란한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에서는 VUV 엑시머 레이저 또는 E-빔을 사용하여 Tg를 일시적으로 보다 낮은 유효 유리 전이 온도 Tg_eff까지 낮추는 방법을 이용하여 통상의 방법으로는 플로우가 불가능한 포토레지스트 패턴을 플로우시키는 방법을 제공한다. ArF 포토레지스트 조성물에는 많은 종류의 폴리머 백본이 사용되며, 이들 대부분의 폴리머 백본은 알칼리 용액에 가용성인 카르복시산(carboxylic acid)을 포함한다. 카르복시산은 생체분자를 관능화된 표면에 부착하는 등, 화학적 부착 또는 1차 막의 변형에 있어서 특히 유용한 관능기이다. 아다만탄과 같은 지환식 기로 블로킹된 카르복시산은 지환식 기가 산에 의해 분해 가능한 보호기로 작용하므로 일반적으로 알칼리 용액에 불용성을 나타낸다. 산에 의해 분해 가능한 관능화된 유니트는 일반적으로 수용액에 불용성이며, 따라서 노광된 포토레지스트의 비노광 영역의 현상을 지연시키는 작용을 하여 얻어지는 레지스트 패턴에서 보다 버티컬한 프로파일을 제공하도록 한다. PAG (photoacid generator)는 노광 공정중 활성화 조사(照射)에 노출될 때 산을 발생시킨다. 산에 의해 분해 가능한 보호기는 노광 및 PEB (post exposure bake) 공정 후에 발생된 산에 의해 탈보호된다.

특히, 포토레지스트의 조사에 후속되는 PEB 공정중에, 포토레지스트층의 노광 부분에서 형성된 산은 포토레지스트 내의 폴리머에서 일련의 체인 파괴 및/또는 다른 화학 반응을 촉진시킨다. 이들 반응은 폴리머 내에서의 구조적 반응을 발생시키고 포토레지스트막의 노광 영역이 비노광 영역에서의 포토레지스트보다 알칼리 용액에 더 잘 용해될 수 있도록 한다. 이와 같은 레지스트막의 노광 영역 및 비노광 영역에서의 알칼리 용액에 대한 용해도 차이에 의하여 포토레지스트막의 노광 부분을 제거함으로써 노광된 포토레지스트막으로부터 포토레지스트 패턴으로 현상될 수 있게 된다. 그러나, ArF 포토레지스트에 형성될 수 있는 최소 피쳐 사이즈는 여전히 노광 에너지의 파장에 의해 제한받고 있으며 원하는 사이즈보다 더 크게 될수 있다. 그 결과, 포토레지스트 패턴의 개구 사이즈를 줄이기 위하여 몇가지 현상 후 공정을 요구하게 된다.

본 발명의 예시적인 방법은 레지스트 패턴을 VUV 빛 에너지 또는 E-빔 에너지를 이용하여 노광하는 동안 Tg 및 Td 이하의 공정 온도로 상기 레지스트 패턴을 가열하여 ArF 포토레지스트 패턴에서의 개구 사이즈를 감소시키는 수단을 제공한다. VUV 빛 에너지 또는 E-빔 에너지는 레지스트 패턴의 유리 전이 온도를 일시적으로 감소시킴으로써 레지스트 패턴을 유동시켜 패턴 개구 사이즈를 감소시킬 수 있도록 한다. VUV 에너지를 인가하는 데 있어서, 공정 챔버 내에서의 산소 농도를 낮춤으로써 챔버 내에서의 분위기에 의해 VUV 에너지가 흡수되는 것을 억제하고 유기물 산화로 인한 레지스트막의 두께 감소를 방지하도록 한다. VUV 처리하는 동안, 노광 광원의 파장보다 더 짧은 파장을 가지는 VUV 빛 에너지를 사용함으로써 포토레지스트 패턴에 에너지를 입력하고, 이로 인하여 유리 전이 온도를 감소시키며 따라서 낮은 온도에서 레지스트를 유동시켜 개구 사이즈를 줄일 수 있도록 한다.

172 nm 이하의 단파장 레이저광은 카르복시기에 의하여 흡수되는 경향이 있으며, 이는 폴리머 체인 중의 카르복시기를 분해시켜 이산화탄소가 발생되고, 폴리머와 분해된 보호기에는 라디칼이 발생하게 되며, 발생된 이산화탄소는 레지스트 패턴으로부터 증발되고, 라디칼들은 다시 결합한다. 따라서, 이산화탄소가 증발하는 동안 큰 자유 체적이 형성되고, 아다만탄과 같은 탈보호된 산에 의해 분해 가능한 기들은 레지스트막 내에서 일시적으로 보다 작은 분자를 형성한다. 자유 체적의 증가 및 작은 분자들의 존재는 각각 열가소제로 작용하여 포토레지스트 패턴의 유동성을 증가시키는 경향이 있다. 가소제라는 용어는 어떤 폴리머에 가해졌을 때 그 Tg를 낮추는 경향이 있는 작은 분자들을 일컷는다. 따라서, 열처리중에 포토레지스트 폴리머의 Tg는 급속히 낮아져서 포토레지스트막이 통상의 Tg 아래인 Tg_eff에서 유동될 수 있도록 한다. 그러나, 열처리중에 포토레지스트 패턴에서는 발생된 라디칼이 즉시 다른 곳에 결합되는 결과에 의하여 야기되는 가교 반응도 이루어지게 된다. 포토레지스트막에서 가교 반응이 진행됨에 따라 포토레지스트 폴리머의 최종 유리 전이 온도 Tg_final은 원래의 Tg 이상으로 증가하고 남아있는 포토레지스트 패턴의 밀도 및 경도는 증가한다.

물론, 폴리머중에서의 가소제의 형성 및 가교 반응의 결과로서 현상 후 처리 동안 포토레지스트 패턴의 특성은 변화된다. 그러나, 이들 특성 변화는 포토레지스트 패턴의 식각 마스크로서의 유효성을 감소시키지는 않으며 오히여 증가시키게 된다. Td 이하의 온도로 유지시키고 불필요한 가열을 피하기 위하여, 패턴 형성된 웨이퍼를 약 30℃ 내지 약 180℃의 온도, 특히 약 40℃ 내지 80℃의 온도로 유지하면서 VUV 처리를 행할 수 있다. 처리 온도는 핫플레이트, 할로겐 램프 또는 다른 적합한 가열 장치를 사용하여 제어할 수 있다.

도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 포토레지스트 패턴의 플로우 양은 온도에 정비례하여 증가하는 경향이 있다. 포토레지스트막이 플로우된 후 포토레지스트막의 두께는 약간 감소되나, 포토레지스트막의 건식 식각 내성은 증가한다. 이는 건식 식각 내성을 열화시키는 것으로 알려진 산소의 함량이 감소되고 포토레지스트막이 경화 및 치밀화되었기 때문이다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 172 nm VUV 처리는 CD 슬리밍 또는 LER 없이 향상된 건식 식각 내성을 가지는 미세한 포토레지스트 패턴을 형성하는 방법을 제공한다. 도 4 및 도 5는 ArF 포토레지스트 패턴의 VUV 처리 후 감소된 LER 및 CD 슬리밍에 대한 내성의 향상을 보여준다. ArF 포토레지스트의 VUV 처리를 통하여 얻어진 결과와 동일한 결과를 E-빔 처리를 통하여 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 미세한 포토레지스트 패턴 형성 방법을 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는 일련의 예들 및 이들 다양한 실시예와 함께 달성된 결과를 통하여 보다 상세히 개시한다. 예시적인 실시예들에서는 다양한 ArF 포토레지스트, 노광, 베이크 공정 및 현상후 처리를 포함한다. 각 예시적인 실시예에 관한 상세한 사항은 다음의 표 1 내지 표 5에 기재되어 있다.

각 예에 있어서, 기판 표면 위에 시판되는 ArF 포토레지스트 조성물을 코팅하여 포토레지스트층을 형성하였다. 각 포토레지스트층을 간단한 베이크에 의하여 건조시켜 약 2600 ∼ 2900Å의 두께를 가지는 포토레지스트막을 형성하였다. 그 후, 마스크 패턴을 사용하여 노광 광원 (NA = 0.75, σ = 0.7)으로서 ArF 엑시머 레이저에 의하여 약 25 ∼ 40 mJ/cm²의 노광 도즈량으로 상기 포토레지스트막을 노광하여 노광된 포토레지스트막을 형성하였다.

그 후, 노광된 포토레지스트막을 열처리(베이킹)함으로써 레지스트막의 노광부에서 산을 발생시켰다. 산은 촉매로 작용하여 포토레지스트막을 구성하는 폴리머의 일부를 특히 알칼리 용액에 대하여 향상된 용해도를 가지는 화합물로 분해시키는 반응을 촉진시킨다. 이 열처리는 일반적으로 포토레지스트의 노광부 내에서 충분한 반응이 얻어지는 데 필요한 시간을 감소시키기 위하여 약 50℃ 이상의 온도에서 행하고, 포토레지스트막의 노광부 및 비노광부에서의 분해를 방지하거나 감소시키기 위하여 약 180℃ 이하의 온도에서 행한다. 열처리를 행하지 않은 경우에는 노광된 기판을 실온에서 상당 시간 방치하면 포토레지스트의 노광부 내에서 충분한 반응이 이루어져 패턴이 현상될 수 있게 된다.

노광된 포토레지스트막 내에서 충분한 반응이 이루어졌으면 포토레지스트막을 알칼리 용액으로 처리하여 현상함으로써 포토레지스트막의 노광부에서 분해된 부분을 제거하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 알칼리 용액은 예를 들면 딥핑, 스프레이 또는 퍼들 방법과 같은 다양한 방법에 의하여 다양한 시간 동안, 예를 들면 30 ∼ 120초 동안 인가될 수 있다. 어떤 경우라도 노광되어 반응이 이루어진 포토레지스트막을 현상하는 데 사용되는 특정한 파라미터들은 포토레지스트막의 비노광부는 그대로 남겨둔 상태에서 포토레지스트막의 노광 영역으로부터 포토레지스트 및 분해된 화합물을 실질적으로 완전히 제거되기에 충분하도록 설정되어야 한다. 아래의 표 1 내지 표 5에 반영된 특정한 포토레지스트들 및 처리 방법들에 있어서, 포토레지스트 패턴의 현상은 알칼리성 현상액을 사용하여 이를 기판에 퍼들 방법으로 인가하여 약 60초 동안 현상하는 방법으로 이루어졌다.

중성 용액을 사용할 수도 있으나, 알칼리 용액을 사용하면 현상 공정을 향상시킨다. 현상액으로서 약 0.5 wt% 내지 약 2.5 wt%의 테트라메틸암모늄 히드록사이드 용액을 사용할 수 있다. 히드록사이드 외에, 1종 이상의 알콜 및/또는 계면활성제를 소량 함유시킬 수도 있다. 약 2.38 wt% 이하의 테트라메틸암모늄 히드록사이드(TMAH) 알칼리성 용액이 본 예들에서 사용된 포토레지스트막의 노광 및 비노광부에 있어서 충분한 용해도 차이를 제공하여 적절한 패턴 현상이 이루어지는 것을 확인하였다. 기판의 노광부와 현상된 포토레지스트막(레지스트 패턴)을 물로 세정하여 현상액을 제거하고 건조시켰다. 포토레지스트 패턴에 형성된 콘택홀의 사이즈를 측정한 결과, 약 100 nm 내지 약 220 nm의 직경을 가지는 것으로 나타났다.

패턴 형성된 웨이퍼를 통상의 웨이퍼 이송 시스템을 사용하여 VUV 노광 및 가열용 핫플레이트 척으로 이송시켰다. 웨이퍼를 핫플레이트 척 위에 위치시킨 후, VUV 챔버를 N₂로 퍼지시켜 산소 농도를 20 ppm 이하로 유지시켰다. 이 N₂퍼지중에 핫플레이트 및/또는 할로겐 램프 어셈블리를 사용하여 웨이퍼를 가열하여 약 30℃ 내지 약 50℃의 온도로 유지시켰다. 웨이퍼가 공정 온도까지 승온되고 O₂농도가 충분히 낮아졌을 때, Xe₂광원을 사용하여 약 0.5 J/cm²내지 30 J/cm²의 에너지로 포토레지스트 패턴을 VUV 조사에 노출시킴으로써 패턴을 플로우시키고 콘택 개구 사이즈를 감소시켰다. 감소된 콘택 개구를 다시 측정하여 VUV 처리에 의해 감소된 사이즈 정도를 측정하였다. 본 예들을 처리하는 데 있어서 Xe₂광원을 사용하였으나, 다른 VUV 광원, 특히 Ar₂및 Kr₂광원, 또는 E-빔 소스를 사용하여 처리하여도 ArF 레지스트에 형성된 콘택홀의 사이즈를 감소시킬 수 있다. 포토레지스트막을 노광하는 데 사용되는 파장보다 더 짧은 파장을 가지는 VUV 광원을 선택함으로써 본 발명에 따른 이점을 향상시킬 수 있다. ArF 엑시머 레이저 (약 193 nm)로 노광되도록 설계된 ArF 포토레지스트 조성물에 대하여 예를 들면 Xe₂광원 (약 172 nm)을 사용하는 VUV 처리를 행함으로써 만족할 만한 결과를 얻을 수 있다. 마찬가지로, 본 예들에서는 VUV 챔버 내부의 산소 (O₂) 농도를 20 ppm 이하로 감소시키기 위하여 N₂퍼지를 사용하였으나, 다른 가스 또는 가스 혼합물, 진공 펌프 또는 이들의 조합을 사용하여도 마찬가지로 VUV 작업을 하기에 충분할 정도로 산소 농도를 낮출 수 있다.

예 1 내지 예 4를 표 1에 나타낸다.

표 1에서,¹은 쉬플리사(Shipley Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트,²는 JSR사(JSR Corporation)에서 시판하는 ArF 포토레지스트,³은 신에츠사(Shinetsu Chemical Co., Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트, 그리고⁴는 PEB (Post Exposure Bake)를 나타낸다.

예 5 내지 예 8을 표 2에 나타낸다.

표 2에서,⁵는 TOK사(TOK Bearing Co., Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트,⁶은 동진사(Dongjin Semichem Co., Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트,⁷은 클라리언트사(Clariant Finance (BV1) Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트, 그리고⁸은 클라리언트사(Clariant Finance (BV1) Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트를 나타낸다.

예 9 내지 예 12를 표 3에 나타낸다.

표 3에서,⁹는 수미토모(Sumitomo Wiring Systems Ltd.)에서 시판하는 ArF 포토레지스트를 나타낸다.

예 13 내지 예 16을 표 4에 나타낸다.

예 17 및 예 18을 표 5에 나타낸다.

본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법에서는 ArF 레지스트 패턴에 의하여 반도체 소자 위에 미세 패턴, 특히 콘택홀을 형성한 후, 이를 열처리하는 동안 172 nm 이하의 파장을 가지는 VUV 엑시머 레이저 또는 E-빔 조사에 의해 노광시켜 패턴의 개구 사이즈를 줄인다. 또한, 본 발명에 따른 미세 패턴 형성 방법에서는 ArF 레지스트 패턴을 열처리하는 동안 약 30 ∼ 180℃의 온도에서 VUV 빛 에너지 또는 E-빔 에너지에 노출시킴으로써 제어 가능하고 재현 가능한 방법으로 레지스트 패턴을 플로우시켜 콘택홀의 사이즈를 축소시킨다. 본 발명에 따르면, CD 안정성 및 재현 가능성을 향상시키면서 미세한 레지스트 패턴에서의 개구 사이즈를 감소시킬 수 있으므로 반도체 소자의 공정 수율 및 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (21)

1. 파장 W₁의 UV 조사에 의한 노광에 적합하고 유리 전이 온도 Tg 및 분해 온도 Td를 가지는 레지스트를 사용하여 기판상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와,

   UV 조사에 의해 상기 포토레지스트막의 일부를 노광하여 노광부 및 비노광부를 가지는 노광된 포토레지스트막을 형성하는 단계와,

   상기 노광된 포토레지스트막을 현상하여 임계 치수 d₁을 가지는 개구가 형성된 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,

   상기 제1 포토레지스트 패턴을 파장 W₂의 VUV 조사에 의해 노광하여 유효 유리 전이 온도 Tg_eff(Tg_eff< Tg)를 일시적으로 생성시키는 동시에 상기 제1 포토레지스트 패턴을 Tg_eff또는 그 이상의 온도로 가열하여 임계 치수 d₂(d₂< d₁)를 가지는 개구가 형성된 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로하는 미세 패턴 형성 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노광된 포포레지스트막을 현상하기 전에 상기 노광된 포토레지스트막을 Td 이하의 온도로 베이킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 노광된 포토레지스트막을 현상하는 단계는

   상기 노광된 포토레지스트막을 알칼리성 용액으로 적셔서 상기 노광된 포토레지스트막의 노광부를 용해시키는 단계와,

   상기 알칼리성 용액 및 상기 노광된 포토레지스트막의 용해된 부분을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 알칼리성 용액은 테트라메틸암모늄 히드록사이드 수용액인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 알칼리성 용액은 0.1 ∼ 10 중량%의 테트라메틸암모늄히드록사이드(TMAH)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 수용액은 알콜 및 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 첨가제의 총량은 상기 수용액의 5 중량% 이하이고,

   상기 수용액 내에 테트라메틸암모늄 히드록사이드가 2 ∼ 2.5 중량%의 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
8. 제2항에 있어서,

   상기 포토레지스트막은 KrF 포토레지스트, ArF 포토레지스트 및 F₂포토레지스트로 이루어지는 군에서 선택되는 포토레지스트로 이루어지고,

   상기 UV 조사 파장 W₁은 248 nm, 193 nm 및 157 nm로 이루어지는 군에서 선택되고,

   상기 VUV 조사 파장 W₂은 172 nm, 146 nm 및 126 nm로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
9. 제8항에 있어서,

   Tg - Tg_eff≥ 20℃이고,

   W₁> W₂인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 VUV 조사는 0.1 ∼ 100 J/cm²의 레벨로 인가되고,

    Tg_eff≤ 100℃인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
11. 제2항에 있어서,

    Td < Tg인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
12. 파장이 250 nm 이하인 UV 조사에 의한 노광에 적합하고 유리 전이 온도 Tg 및 분해 온도 Td를 가지는 레지스트를 사용하여 기판상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와,

    파장이 250 nm 이하인 UV 조사에 의해 상기 포토레지스트막의 일부를 노광하여 노광부 및 비노광부를 가지는 노광된 포토레지스트막을 형성하는 단계와,

    상기 노광된 포토레지스트막을 현상하여 임계 치수 d₁을 가지는 개구가 형성된 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와,

    상기 제1 포토레지스트 패턴을 E-빔 조사에 의해 노광하여 유효 유리 전이 온도 Tg_eff(Tg_eff< Tg)를 일시적으로 생성시키는 동시에 상기 제1 포토레지스트 패턴을 Tg_eff또는 그 이상의 온도로 가열하여 임계 치수 d₂(d₂< d₁)를 가지는 개구가 형성된 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 노광된 포토레지스트막을 현상하기 전에 상기 노광된 포토레지스트막을 Td 이하의 온도로 베이킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 노광된 포토레지스트막을 현상하는 단계는

    상기 노광된 포토레지스트막을 알칼리성 용액으로 적셔서 상기 노광된 포토레지스트막의 노광부를 용해시키는 단계와,

    상기 알칼리성 용액 및 상기 노광된 포토레지스트막의 용해된 부분을 상기 기판으로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
15. 제3항에 있어서,

    상기 알칼리성 용액은 10 중량 % 이하의 테트라메틸암모늄 히드록사이드 수용액인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
16. 제15항에 있어서,

    상기 수용액은 알콜, 점도 조절제 및 계면활성제로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
17. 제13항에 있어서,

    상기 포토레지스트막은 KrF 포토레지스트, ArF 포토레지스트 및 F₂포토레지스트로 이루어지는 군에서 선택되는 포토레지스트로 이루어지고,

    상기 UV 조사 파장은 248 nm, 193 nm 및 157 nm로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
18. 제13항에 있어서,

    Tg - Tg_eff≥ 20℃인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
19. 제13항에 있어서,

    상기 E-빔 조사는 0.1 ∼ 100 J/cm²의 레벨로 인가되고,

    Tg_eff≤ 100℃인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
20. 제13항에 있어서,

    Td < Tg인 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.
21. 제12항에 있어서,

    상기 제1 포토레지스트 패턴은 E-빔 조사 및 172 nm 이하의 파장을 가지는 VUV 조사에 의하여 동시에 노광되고, 상기 E-빔 조사 및 VUV 조사에 의하여 유효 유리 전이 온도 Tg_eff(Tg_eff< Tg)를 일시적으로 발생시키는 것을 특징으로 하는 미세 패턴 형성 방법.