KR20060097147A - 반도체 소자의 패턴 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액침 노광(immersion lithography) 공정 시에, 포토레지스트막 상부에 형성된 상부 반사방지막(top anti-reflectivity coating)막을 1단계 현상 공정으로 모두 제거한 다음, 2단계 현상 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성함으로써, 패턴의 라인 엣지 러프니스(line edge roughness)를 개선할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 소자의 패턴 형성 방법{Method for Forming Pattern of Semiconductor Device}
도 1은 종래 TARC 물질을 사용한 액침 노광 리소그라피 공정 단면도.
도 2는 상기 도 1에 의해 형성되는 포토레지스트막과 TARC막 사이의 상호작용을 도시한 계략도.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 방법에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 공정 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 >
1, 31:피식각층 3, 13, 33:포토레지스트층
5, 15, 35:TAR막 7, 39:액침 상태
9:렌즈 17:상호작용
19:혼합 영역 31-1:피식각층 패턴
33-1:포토레지스트 패턴 41:노광 공정
본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액침 노광(immersion lithography) 공정 시에, 포토레지스트막 상부에 형성된 상부 반사방지막(top anti-reflectivity coating; 이하 "TARC막"이라 칭함)을 1단계 현상 공정으로 모두 제거한 다음, 2단계 현상 공정으로 포토레지스트 패턴을 형성함으로써, 패턴의 라인 엣지 러프니스(line edge roughness; 이하 "LER"이라 칭함)를 개선할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 집적도가 향상됨에 따라 반도체 소자 제조공정 시에 서브-마이크론 급의 미세 패턴을 형성하기 위한 기술 개발이 요구되고 있다.
이에 따라, 노광 공정 시에 g-라인(436nm) 및 i-라인(365nm) 광원 대신 원자외선(DUV: Deep Ultra Violet) 영역의 광원인 KrF(248nm), ArF(193nm), VUV(vacuum ultraviolet; 157nm) 또는 EUV(Extremely Ultraviolet; 13nm) 등과 같은 단파장의 광원을 사용하면서, 높은 개구수(high Numerical Aperture; 이하 "NA"라 칭함)를 가지는 렌즈를 함께 사용하는 방법이 진행된다.
현재 일반적으로 사용되고 있는 노광 공정의 시스템은 드라이 노광 공정으로서 상기 노광원과 NA 렌즈를 이용하되, 렌즈와 웨이퍼 사이가 공기로 채워진 노광 시스템이었으나, 최근에는 피식각층 상부에 포토레지스트막을 형성한 다음, 노광 시에 웨이퍼와 스테퍼 투영 렌즈와의 사이 공간을 물로 채우는 NA scaling 기술을 이용하여 통과한 빛을 크게 굴절시켜 더욱 미세한 고정밀도의 포토레지스트 패턴을 형성하는 액침 노광 시스템이 관심을 모으고 있다.
상기 액침 노광 공정의 경우, 공지의 굴절률(n=1) 보다 큰 매질(물: n=∼1.4)을 적용하기 때문에 공기에 대한 물의 굴절률만큼의 하이퍼(hyper) NA 렌즈를 구현할 수 있어 해상력이 상승하는 효과가 있으므로, 작은 피치(pitch)의 초정밀 패턴을 형성하는 것이 가능하다.
한편, 상기 노광 공정 시에는 포토레지스트막에 대한 하부 층의 광학적 성질 및 포토레지스트막 자체의 두께 변동에 의하여 정재파 및 반사광(reflectivity) 등의 발생으로 포토레지스트 패턴의 선폭(critical dimension)이 변하거나, 물에 의해 포토레지스트막 표면과 렌즈가 직접 접촉하여 포토레지스트에 존재하는 광산발생제 및 퀀처(quencher)에서 발생된 수소 이온에 의해 노광 렌즈가 오염되는 등의 문제가 있어 균일한 패턴을 형성하기 어렵다.
이러한 문제점 즉, 상기 액침 노광 공정 시에 노광 광원 시 마스킹(masking) 공정을 수행하는 포토레지스트막 내에서 반사광 및 난반사가 발생하거나, 노광 렌즈가 오염되는 것을 개선하기 위하여, 노광원으로 사용하는 빛의 파장대에서 광흡수를 잘하는 TARC 막을 포토레지스트 상부에 형성하여 반사광 및 회절광 등에 의한 포토레지스트 패턴의 무너짐 등을 해결할 수 있는 기술이 도입되었다.
상기 TARC 막은 노광원에 대해 투명성 및 1.4∼2.0의 굴절률을 가져야 하고, 포토레지스트 상부에 코팅하는 경우 포토레지스트막을 용해시키지 않아야 하며, 노광 시에는 물 용해되지 않고, 현상액에만 용해될 수 있는 물성을 가지는 지용성 물질을 사용하여 형성한다.
상기 TARC 막을 사용하는 액침 노광 공정 조건을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도 1의 도면을 참조하여 설명할 수 있다.
도 1을 참조하면, 피식각층(1) 상부에 포토레지스트막(3)과 TARC막(5)을 순 차적으로 형성하고, 상기 TARC막(5)과 노광 렌즈(9) 사이에 액침 상태(7)를 형성한 다음, 노광 공정을 수행한다.
그리고 상기 TARC막(5)과 포토레지스트막(3)에 대한 1단계 현상 공정으로 상기 TARC(5)막은 제거함과 동시에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다.
상기 현상 공정은 염기성 현상액인 2.38중량%의 테트라메틸암모늄하이드라이드(TMAH)에 침지하여 수행된다.
이때, 상기 현상액에 침지된 동안 포토레지스트막(13)과 TARC막(15) 간의 계면(interface)에서 용매에 의한 상호 작용(interaction)(17)이 발생하여 포토레지스트막(13) 표면의 광산발생제나 산이 두 막의 계면으로 이동하면서 혼합(intermixing) 영역(19)이 형성된다. 그 결과, 포토레지스트막(13) 상부에 결점(defect)(미도시)이 발생하여 수직의 패턴을 얻을 수 없다(도 2 참조).
이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점에 대한 연구를 하던 중 고가의 장비 개발 없이 현상 공정을 두 단계로 수행하는 것만으로 종래의 문제점들을 극복하는 새로운 개념의 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 TARC 물질을 이용한 액침 노광 공정 수행 시에 현상 공정을 두 단계로 수행함으로써, 패턴의 LER을 개선할 수 있는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는
(a) 피식각층 상부에 포토레지스트막 및 TARC막이 순차적으로 형성된 적층 구조를 형성하는 단계;
(b) 상기 적층 구조에 대한 액침 노광 공정을 수행하는 단계;
(c) 상기 포토레지스트막이 노출될 때까지 1단계 현상 공정을 수행하여 상기 TARC막을 모두 제거하는 단계;
(d) 상기 노출된 포토레지스트막에 대한 2단계 현상 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 피식각층에 대한 식각 공정을 수행하여 피식각층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공한다.
이때, 상기 1단계 현상 공정 시 사용되는 현상액은 포토레지스트막이 영향을 받지 않는 현상액이면 특별히 제한을 두지 않으나, n-부탄올을 포함하는 현상액이 바람직하다.
또한, 상기 2단계 현상 공정 시 사용되는 현상액은 일반적인 현상액이면 특별히 제한을 두지 않으나, 2.38중량%의 TMAH를 포함하는 염기성 현상액이면 바람직하다.
이하, 본 발명의 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도면을 들어 더욱 상세히 설명한다.
우선, 도 3a를 참조하면, 피식각층(31) 상부에 포토레지스트막(33) 및 TARC막(35)이 순차적으로 형성된 적층 구조를 형성한다.
이때, 상기 포토레지스트막은 특별히 제한을 두지 않으나, 화학증폭형 포토레지스트 물질이 바람직하다.
상기 TARC막은 도포 시에 포토레지스트막을 용해시키지 않는 물성을 가지는 지용성 물질로써, 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시되는 1,000-1,000,000의 중량 평균 분자량을 가지는 중합체를 포함하는 물질이 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112005011670059-PAT00001
상기 식에서,
R1 및 R2는 수소, 불소, 메틸 또는 불화메틸이고,
R3는 C1∼10의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 또는 수소 중 일부가 불소로 치환된 C1∼10의 알킬이며,
a, b 및 c는 각 단량체의 몰분율로서, a : b : c가 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9이다.
상기 화학식 1의 화합물은 바람직하게 폴리(t-부틸아크릴레이트-메트아크릴산-2,2,3,4,4,4-헥사플루오르부틸 메트아크릴레이트) 또는 폴리(t-부틸아크릴레이트-2-(트리플루오르메틸)아크릴산-트리플루오르아크릴산-2,2,3,4,4,4-헥사플루오르부틸 메트아크릴레이트)이다.
더욱 바람직하게, 상기 TARC막은 상기 화학식 1의 중합체와 광산발생제 및 유기용매를 포함하는 TARC 조성물을 제조한 후, n-부탄올에 용해시켜 코팅하는데, 이는 대부분의 포토레지스트막이 n-부탄올에 용해되지 않기 때문에, TARC막과 포토레지스트막 간에 상호 작용을 방지할 수 있다.
이때, 상기 광산발생제는 상기 화학식 1의 중합체의 양을 기준으로 0.05∼5중량%의 광산발생제를 포함하는데, 만약 0.05중량% 미만으로 포함되는 경우에는 광산발생제로서의 효과를 거의 얻을 수 없고, 5중량% 초과량으로 포함되는 경우에는 193nm 광을 흡수하여 실제 TARC막으로서의 역할을 수행할 수 없다.
또한, 상기 코팅 용매로 사용되는 n-부탄올은 상기 화학식 1 의 중합체의 양을 기준으로, 1,000-10,000중량%를 사용하는데, 이는 반사방지막의 두께를 고려한 것으로, n-부탄올의 양이 지나치게 적어지거나, 많아지면 TARC막의 최적 두께를 달성하기 힘들다.
이와 같이 상기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 TARC막은 투과도가 높고, 물이나 염기성 현상액에 용해되지 않으면서, 후속 노광 공정 시에 포토레지스트막 상부에서의 난반사를 효과적으로 막을 수 있어 현상 공정 시에 패턴의 CD 변동이나, 무너짐 현상을 방지할 수 있다.
그 다음, 상기 도 3a에서 형성된 TARC막(35) 상부와 노광 렌즈(미도시) 사이에 도 3b에서 도시한 바와 같이 액침 상태(39)를 형성한 다음, 노광 공정(41)을 수행한다.
이때, 상기 노광 공정은 KrF, ArF, VUV, F2 또는 E-빔(beam) 등을 이용하여 1 내지 100 mJ/cm2의 에너지로 수행된다.
상기 도 3b의 노광 공정(41) 후에 TARC막(35)에 대한 1단계 현상 공정을 수행하여 상기 TARC막(35)을 모두 제거하여 도 3c에 도시한 바와 같이 포토레지스트막(33) 표면을 노출한다.
이때, 상기 1단계 현상 공정은 하부 포토레지스트막에 영향이 없도록 n-부탄올이 포함된 현상액을 이용하여 상온에서 수행된다.
상기 도 3c의 노출된 포토레지스트막(33)에 대한 2단계 현상 공정을 수행하여 도 3d에 도시한 바와 같이 피식각층(31)이 일부 노출된 포토레지스트 패턴(33-1)을 형성한다.
이때, 상기 2단계 현상 공정은 2.38중량%의 TMAH에 1∼5분 동안 상온에서 침지하여 수행된다.
상기 도 3d의 포토레지스트 패턴(33-1)을 식각 마스크로 상기 노출된 피식각층(31)에 대한 식각 공정을 수행한 다음, 포토레지스트 패턴(33-1)을 모두 제거하여 도 3e에 도시한 바와 같이 피식각층 패턴(31-1)을 형성한다.
또한, 본 발명에서는 상기 방법을 이용하여 제조된 반도체 소자를 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 TARC막과 포토레지스트막을 두 단계의 현상 공정으로 제거함으로써, 두 막의 계면에서 형성되는 혼합 영역을 방지할 수 있으므로 LER이 개선된 수직의 균일한 패턴을 형성할 수 있어 공정 신뢰도를 높 일 수 있다. 그 뿐만 아니라, 현재 사용하는 노광 광원의 연장 사용으로 반도체 장비 수명을 연장할 수 있어 공정 비용을 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 TARC막과 포토레지스트막을 두 단계의 현상 공정으로 제거함으로써, 두 막의 계면에서 형성되는 혼합 영역을 방지할 수 있으므로 LER이 개선된 수직의 균일한 패턴을 형성할 수 있어 공정 신뢰도를 높일 수 있다. 그 뿐만 아니라, 현재 사용하는 노광 광원의 연장 사용으로 반도체 장비 수명을 연장할 수 있어 공정 비용을 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. (a) 피식각층 상부에 포토레지스트막 및 상부 반사방지막(TARC막)이 순차적으로 형성된 적층 구조를 형성하는 단계;
    (b) 상기 적층 구조에 대한 액침 노광 공정을 수행하는 단계;
    (c) 상기 포토레지스트막이 노출될 때까지 1단계 현상 공정을 수행하여 상기 TARC막을 모두 제거하는 단계;
    (d) 상기 노출된 포토레지스트막에 대한 2단계 현상 공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 상기 피식각층에 대한 식각 공정을 수행하여 피식각층 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 TARC막은 하기 화학식 1로 표시되는 1,000-1,000,000의 중량 평균 분자량을 가지는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법;
    [화학식 1]
    Figure 112005011670059-PAT00002
    (상기 식에서,
    R1 및 R2는 수소, 불소, 메틸 또는 불화메틸이고, R3는 C1∼10의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 또는 수소 중 일부가 불소로 치환된 C1∼10의 알킬이며, a, b 및 c는 각 단량체의 몰분율로서, a : b : c가 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9이다).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 화학식 1의 중합체는 폴리(t-부틸아크릴레이트-메트아크릴산-2,2,3,4,4,4-헥사플루오르부틸 메트아크릴레이트) 또는 폴리(t-부틸아크릴레이트-2-(트리플루오르메틸)아크릴산-트리플루오르아크릴산-2,2,3,4,4,4-헥사플루오르부틸 메트아크릴레이트)인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 TARC막은 하기 화학식 1 의 중합체, 광산발생제 및 유기용매를 포함하는 조성물로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법;
    [화학식 1]
    Figure 112005011670059-PAT00003
    (상기 식에서,
    R1 및 R2는 수소, 불소, 메틸 또는 불화메틸이고, R3는 C1∼10의 직쇄 또는 측쇄 알킬, 또는 수소 중 일부가 불소로 치환된 C1∼10의 알킬이며, a, b 및 c는 각 단량체의 몰분율로서, a : b : c가 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9 : 0.05∼0.9이다).
  5. 제 1 항에 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TARC막은 상기 조성물을 n-부탄올에 용해시켜 코팅하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1단계 현상 공정은 n-부탄올을 포함하는 현상액으로 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 2단계 현상 공정은 염기성 현상액으로 수행되는 것을 특징으로 하는 반 도체 소자의 패턴 형성 방법.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 염기성 현상액은 2.38중량%의 TMAH인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 1단계 및 2단계 현상 공정은 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 노광 공정은 KrF, ArF, VUV, F2 또는 E-빔(beam)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  11. 제 1 항의 방법에 의해 제조된 반도체 소자.
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