KR20070004234A - 미세패턴의 형성방법 및 이를 이용한 구조물 - Google Patents

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Abstract

레지스트 자체를 패터닝하여 낮은 공정상수를 극복할 수 있는 미세패턴의 형성방법 및 이를 이용한 구조물을 제공한다. 그 형성방법은 제1 레지스트 구조물의 표면에 디프로텍팅(deprotecting) 그룹이 외부로 확산시킬 수 있는 멤브레인을 형성하고. 제1 구조물의 전면을 노광하여 상기 제1 구조물 내에 디프로텍팅 그룹을 생성시킨 후, 디프로텍팅 그룹을 제2 레지스트층으로 확산시켜 제1 구조물 근처의 제2 레지스트층에 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 형성한다.
미세패턴, 디프로텍팅, 멤브레인, 확산

Description

미세패턴의 형성방법 및 이를 이용한 구조물{Method of forming fine pattern and structure formed using the method}
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 미세패턴 형성방법을 나타낸 공정단면도들이다.
도 8 내지 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 의한 미세패턴 형성방법을 나타낸 공정단면도들이다.
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 의한 미세패턴이 형성된 모습을 평면적으로 나타낸 사진이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
12; 제1 레지스트 구조물 14; 경화물 멤브레인
18; 디프로텍팅 그룹 22; 제2 레지스트층
22a; 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역
22b; 디프로텍팅 그룹이 부족한 영역
24; 제2 레지스트 구조물
본 발명은 반도체소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히 미세한 패턴을 형성하는 방법과 이를 이용한 미세패턴 구조물에 관한 것이다.
반도체소자가 고집적화됨에 따라, 게이트, 배선 또는 콘택 등의 패턴도 미세해지고 있다. 상기 패턴은 리소그래피를 이용하여 형성된 레지스트 패턴을 따라 각종 피식각막을 식각하여 형성된 것이다. 리소그래피는 레지스트 도포, 패턴에 따른 노광 및 현상을 통하여 행하여진다. 리소그래피에 의해 형성된 레지스트 패턴의 최소선폭(R)은 아래의 식(1)과 같다.
R = K1×(λ/NA) ‥ (1)
여기서, K1은 공정에 기인한 공정상수이고, λ는 노광된 광의 파장이며, NA는 투영렌즈의 개구수이다. K1은 공정상수로써, 리소그래피의 공정의 난이도를 평가하는 기준이 된다. 구체적으로, K1의 값이 작을수록 구현하기 어려운 공정이며, 클수록 용이하게 실시할 수 있는 공정이다. K1 값이 0.25 이하는 리소그래피로써 구현하기 어려운 물리적인 한계로써 받아들여지고 있다.
그런데, 디자인룰이 감소되면서 기존의 포토리소그래피는 한계에 다다르게 되었다. 상기 한계를 극복하기 위하여, 낮은 공정상수(K1)를 구현하는 공정을 확립하는 방법과 공정상수(K1)가 0.25 이하에서의 패턴 형성방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 전자의 예로써는 측벽 패터닝(sidewall patterning)과 같이 식각공정을 포함한 공정을 확립하는 방법이 있고, 후자의 예로써는 이중 패터닝(double patterning)과 같이 레지스트를 2회 패터닝하는 방법이 있다.
전자는 식각공정까지 고려한 공정에 의해 낮은 공정상수(K1)를 구현하는 것으로, 동일한 결과가 반복되지 않는 등 신뢰도가 떨어지고 있다. 후자는 광을 이용하여 레지스트 자체를 패터닝하는 것으로, 전자에 비해 상대적으로 신뢰도가 향상되었다. 그러나, 후자는 셀 내의 패턴 사이 또는 셀과 패턴 사이에 오버레이가 일치하지 않는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 레지스트 자체를 패터닝하여 낮은 공정상수를 극복할 수 있는 미세패턴의 형성방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 레지스트 자체를 패터닝하여 낮은 공정상수를 극복할 수 있는 상기 미세패턴의 형성방법에 의한 구조물을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 미세패턴의 형성방법은 먼저 반도체기판을 제공한다. 그후, 상기 반도체기판 상에 제1 피치를 가지면서, 디프로텍팅(deprotecting) 그룹을 포함하는 제1 레지스트 구조물을 형성한다. 상기 제1 레지스트 구조물의 표면에 상기 디프로텍팅(deprotecting) 그룹이 외부로 확산시킬 수 있는 멤브레인을 형성한다. 상기 제1 구조물의 전면을 노광하여 상기 제1 구조물 내에 디프로텍팅 그룹을 생성시킨다. 상기 제1 구조물과 상기 반도체기판의 노출된 부분을 제2 레지스트를 도포하여 제2 레지스트층을 형성한다. 상기 제2 레지스트가 도포된 상기 반도체기판에 열을 가하여, 상기 디프로텍팅 그룹을 상기 제2 레지스트층으로 확산시켜 상기 제1 구조물 근처의 상기 제2 레지스트층에 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 형성한다. 상기 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 현상액에 의해 제거하여 상기 제1 레지스트 구조물 사이에 제2 레지스트 구조물을 형성한다.
상기 멤브레인은 플라즈마, 자외선 또는 전자빔 중에서 선택된 어느 하나의 소스를 이용하여 상기 제1 레지스트 구조물의 표면을 경화시켜 형성할 수 있다. 상기 멤브레인은 실리콘으로 이루어진 막으로 형성될 수 있다. 상기 멤브레인은 상기 디프로텍팅 그룹은 외부로 이동시킬 수 있으나, 외부로부터 상기 제1 레지스트 구조물 내로 상기 현상액이 침투되는 것을 방지할 수 있다..
상기 제1 레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 유기물일 수 있다. 상기 디프로텍팅 그룹은 화학증폭형 감광성 고분자에 포함된 광산복합물, 광산발생기, 광산복합물의 변형물 또는 광산발생기의 변형물 중에 서 선택된 적어도 하나의 유기물일 수 있다. 상기 제2 포토레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물일 수 있다.
상기 제1 구조물과 상기 제2 구조물 사이의 간격은 상기 디프로텍팅 그룹이 상기 제2 구조물 내로 확산되는 거리에 의해 결정될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 상기 미세패턴의 형성방법에 의해 제조된 구조물은 반도체기판과, 상기 반도체기판 상에 제1 피치를 가지며, 디프로텍팅(deprotecting) 그룹을 포함하는 제1 레지스트 구조물을 포함한다. 상기 제1 레지스트의 표면부위에 형성되며, 상기 디프로텍팅(deprotecting) 그룹이 외부로 확산시킬 수 있는 멤브레인 및 상기 제1 레지스트 구조물 사이에 제2 피치를 가진 제2 레지스트 구조물을 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 층이 게재될 수도 있다. 실시예 전체에 걸쳐서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 실시예는 멤브레인의 종류에 따라 나누어 설명된다. 예컨대, 레지스트 자체의 표면을 경화시켜 형성한 멤브레인은 제1 실시예, 그리고 레지스트 표면에 실리콘막과 같은 멤브레인을 형성한 제2 실시예로 나누어진다. 하지만, 상기 멤브레인은 디프로텍팅(deprotecting) 그룹은 외부로 방출하고, 현상액이 침투되는 것을 방지하는 물질로써, 본 발명의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
제1 실시예
도 1 내지 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 미세패턴 형성방법을 나타낸 공정단면도들이다.
도 1을 참조하면, 반도체기판(10) 상에 제1 피치(a)를 가지면서, 디프로텍팅(deprotecting) 그룹을 포함하는 제1 레지스트 구조물(12)을 형성한다. 여기서, 피치는 반복되어지는 동일한 패턴 사이의 최소거리이다. 제1 피치(a)는 원하는 패턴의 피치에 비해 최소한 2배 이상으로 설정할 수 있다. 제1 레지스트 구조물(12)은 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 유기물일 수 있다. 디프로텍팅 그룹(도 3의 18)은, 예를 들어 화학증폭형 감광성 고분자에 포함된 광산복합물(photo acid compound), 광산발생기(photo acid generator), 광산복합물의 변형물(derivatives) 또는 광산발생기의 변형물(derivatives) 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물일 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 레지스트 구조물(12)의 표면에 디프로텍팅 그룹(18)이 제1 레지스트 구조물(12)의 외부로 이동할 수 있는 멤브레인(14; membrane)을 형성한다. 멤브레인(14)은 디프로텍팅 그룹(18)은 외부로 이송시킬 수 있으나, 후속 공정에서 사용되는 현상액의 침투는 방지할 수 있는 다공성막이다. 또한, 멤브레인(14)은 이후에 도포되는 제2 레지스트와 상호 혼합되는 것을 방지하는 역할도 한다. 본 발명의 제1 실시예에서는 플라즈마, 자외선 또는 전자빔 중에서 선택된 어 느 하나의 소스(source)를 이용하여 상기 제1 레지스트 구조물(12)의 표면을 경화시켜 멤브레인(14)을 형성한다. 참조번호 16은 플라즈마, 자외선 또는 전자빔을 지칭한다.
도 3을 참조하면, 제1 레지스트 구조물(12)의 전면을 현상(develope)이 일어나는 문턱에너지(threshold energy; Eth)보다 3 내지 5배 낮은 에너지로 노광(20)한다. 노광을 실시하면, 멤브레인에 둘러싸인 제1 레지스트 구조물(12) 내에 디프로텍팅 그룹(18)이 생성된다. 예를 들어, 1 레지스트 구조물(12)이 포지티브 형태의 감광성 고분자인 경우에, 제1 레지스트 구조물(12)에 전면을 노광하여 산(acid) 성분을 증가시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 레지스트 구조물(12)과 반도체기판(10)의 노출된 부분을 제2 레지스트로 도포하여 제2 레지스트층(22)을 형성한다. 제2 레지스트층(22)은 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물일 수 있다. 제2 포토레지스트는 제1 포토레지스트에 비해 적은 량의 디프로텍팅 그룹을 포함하는 것이 바람직하다.
선택적으로 도 5와 같이, 제2 레지스트층(22)이 현상액과 반응하기 위한 최소에너지 이하의 에너지로 제2 레지스트층(22)의 전면을 노광(24)하여 디프로텍팅 그룹을 더 생성시킬 수도 있다.
도 6을 참조하면, 제2 레지스트가 도포된 반도체기판(10)에 열을 가하여, 디프로텍팅 그룹을 제2 레지스트층(22)으로 확산시켜 제1 구조물(12) 근처의 제2 레지스트층(22)에 디프로텍팅 그룹(18)이 풍부한 영역(22a)을 형성한다. 제1 구조물(12)의 근처는 반도체기판(10) 상의 제1 구조물(12)이 양측과 제1 구조물(12)의 상부를 포함한다. 이에 따라, 제2 포토레지스트층(22)은 디프로텍팅 그룹 풍부한 영역(22a)과 상대적으로 부족한 영역(22b)이 교대로 반복된다. 이때, 가해지는 열은 디프로텍팅 그룹(18)의 확산계수 등을 고려하여 결정될 수 있다. 가해진 열은 디프로텍팅 그룹이 확산하기에 충분한 열적 에너지를 말하고, 통상적으로 사용되는 열판(hot plate)의 온도보다 약간 높은 온도가 바람직하다.
도 7을 참조하면, 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역(22a)을 현상액을 이용하여 제거한다. 이에 따라, 제1 레지스트 구조물(12) 사이의 반도체기판(10) 상에는 디프로텍팅 그룹이 부족한 영역(22b)이 그대로 남아서 제2 레지스트 구조물(26)을 형성된다. 제2 구조물(26)은 제2 피치(b)를 가지면서 반복된다.
그런데, 주어진 열에 의해 디프로텍팅 그룹(18)이 확산되는 거리는 일정하므로, 제1 피치(a)의 제1 구조물(12)과 일정한 간격(c)을 가진 제2 구조물(26)을 형성할 수 있다. 즉, 제1 피치(a)에 비해 감소된 간격(c)을 가진 구조물(12, 26)을 형성할 수 있다. 또한, 열에 의하여 디프로텍팅 그룹(18)의 확산되는 거리를 조절할 수 있으므로, 가해진 열을 조절하여 상기 간격(c)을 결정할 수 있다. 나아가 제2 구조물(26)은 별도의 리소그래피를 거치지 않고 자기정렬 방식으로 형성되므로, 미세패턴의 오버랩 마진을 확보하는 데 유리하다.
제2 실시예
도 8 내지 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 의한 미세패턴 형성방법을 나타낸 공정단면도들이다. 본 발명의 제2 실시예에 적용되는 멤브레인은 다공성 실리콘막을 이용한다는 점이 제1 실시예에서의 멤브레인과 다른 점이다. 노광에 의해서 디프로텍팅 그룹을 생성하고 제2 레지스트 구조물을 형성하는 과정은 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명한 제1 실시예와 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 도 1에서 설명된 바와 같이 제1 레지스트 구조물(12)을 형성한다.
도 9를 참조하면, 제1 레지스트 구조물(12)의 노출된 표면에 실리콘으로 이루어진 다공성막(30)을 형성한다. 실리콘 다공성막(30)은 실리콘 물질을 스퍼터링 방식으로 이용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 알곤(Ar) 플라즈마(32)를 사용하여 실리콘 타겟을 스퍼터링하여 제1 레지스트 구조물(12)의 표면에 실리콘 다공성막(30)을 증착한다. 실리콘 다공성막(30)은 디프로텍팅 그룹(18)은 외부로 이송시킬 수 있으나, 후속 공정에서 사용되는 현상액의 침투는 방지할 수 있는 막이다. 또한, 실리콘 다공성막(30)은 이후에 도포되는 제2 레지스트와 상호 혼합되는 것을 방지하는 역할도 한다. 실리콘 다공성막(30)의 두께는 1 내지 5 nm정도가 바람직하다.
도 15는 본 발명의 제2 실시예에 의한 미세패턴이 형성된 모습을 평면적으로 나타낸 사진이다.
도 15를 참조하면, 제1 레지스트 구조물(12)의 양측에는 실리콘 다공성막(30)이 형성되어 있고, 간격(c)만큼 이격되어 제2 레지스트 구조물(26)이 위치하고 있다. 간격(c)은 제2 레지스트 구조물(26)에서 디프로텍팅 그룹(18)이 풍부한 영역이 현상액에 의해 제거되어 반도체기판(10)이 노출된 부분이다.
이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 본 발명에 따른 미세패턴의 형성방법 및 구조물에 의하면, 디프로텍팅 그룹의 확산에 의해 조성된 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 현상액에 의해 제거함으로써, 제거되는 영역에 해당하는 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 제2 구조물은 별도의 리소그래피를 거치지 않고 자기정렬 방식으로 형성되므로, 미세패턴의 오버랩 마진을 확보하는 데 유리하다.

Claims (19)

  1. 반도체기판을 제공하는 단계;
    상기 반도체기판 상에 제1 피치를 가지면서, 디프로텍팅(deprotecting) 그룹을 포함하는 제1 레지스트 구조물을 형성하는 단계;
    상기 제1 레지스트 구조물의 표면에 상기 디프로텍팅(deprotecting) 그룹이 외부로 확산시킬 수 있는 멤브레인을 형성하는 단계;
    상기 제1 구조물의 전면을 노광하여 상기 제1 구조물 내에 디프로텍팅 그룹을 생성시키는 단계;
    상기 제1 구조물과 상기 반도체기판의 노출된 부분을 제2 레지스트를 도포하여 제2 레지스트층을 형성하는 단계;
    상기 제2 레지스트가 도포된 상기 반도체기판에 열을 가하여, 상기 디프로텍팅 그룹을 상기 제2 레지스트층으로 확산시켜 상기 제1 구조물 근처의 상기 제2 레지스트층에 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 디프로텍팅 그룹이 풍부한 영역을 현상액에 의해 제거하여 상기 제1 레지스트 구조물 사이에 제2 레지스트 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 미세패턴의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 플라즈마, 자외선 또는 전자빔 중에서 선택된 어느 하나의 소스를 이용하여 상기 제1 레지스트 구조물의 표면을 경화시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 실리콘으로 이루어진 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 실리콘막은 실리콘 물질을 스퍼터링 방식으로 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 디프로텍팅 그룹은 외부로 이동시킬 수 있으나, 외부로부터 상기 제1 레지스트 구조물 내로 상기 현상액이 침투되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 디프로텍팅 그룹은 화학증폭형 감광성 고분자에 포함된 광산복합물, 광산발생기, 광산복합물의 변형물 또는 광산발생기의 변형물 중에 서 선택된 적어도 하나의 유기물인 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제2 포토레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 레지스트층을 형성하는 단계 이후에,
    상기 제2 레지스트층이 상기 현상액과 반응하기 위한 최소에너지 이하의 에너지로 상기 제2 레지스트층의 전면을 노광하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 레지스트 구조물이 포지티브 형태의 감광성 고분자인 경우에, 상기 제1 레지스트 구조물을 형성하는 단계 이후에,
    상기 제1 레지스트 구조물의 전면을 노광하여 산(acid) 성분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 구조물과 상기 제2 구조물 사이의 간격은 상기 디프로텍팅 그룹이 상기 제2 구조물 내로 확산되는 거리에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  12. 반도체기판;
    상기 반도체기판 상에 제1 피치를 가지며, 디프로텍팅(deprotecting) 그룹을 포함하는 제1 레지스트 구조물;
    상기 제1 레지스트의 표면부위에 형성되며, 상기 디프로텍팅(deprotecting) 그룹이 외부로 확산시킬 수 있는 멤브레인; 및
    상기 제1 레지스트 구조물 사이에 제2 피치를 가진 제2 레지스트 구조물을 포함하는 미세패턴의 구조물.
  13. 제12항에 있어서, 상기 멤브레인은 플라즈마, 자외선 또는 전자빔에서 선택된 어느 하나의 소스를 이용하여 상기 제1 포토레지스트 구조물의 표면이 경화되어 형성된 경화물인 것을 특징으로 하는 미세패턴의 구조물.
  14. 제12항에 있어서, 상기 멤브레인은 실리콘으로 이루어진 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 미세패턴의 구조물.
  15. 제12항에 있어서, 상기 실리콘막은 1 내지 5nm의 두께를 가진 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 디프로텍팅 그룹은 외부로 이동시킬 수 있으나, 외부로부터 상기 제1 레지스트 구조물 내로 현상액이 침투되는 것을 방 지하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 형성방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제1 레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 구조물.
  18. 제12항에 있어서, 상기 디프로텍팅 그룹은 화학증폭형 감광성 고분자에 포함된 광산복합물, 광산발생기, 광산복합물의 변형물 또는 광산발생기의 변형물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물인 것을 특징으로 하는 미세패턴의 구조물
  19. 제12항에 있어서, 상기 제2 레지스트는 화학증폭형 감광성 고분자, 양이온을 이용한 유기물, 음이온을 이용한 유기물 또는 나노임프린트(nanoimprint)에 사용하는 유기물 중에서 선택된 적어도 하나의 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세패턴의 구조물.
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