KR20080050016A - 액침 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법 - Google Patents

액침 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액침 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액침 노광 공정에서 포토레지스트막 상부를 알칸 또는 알코올 용매로 전처리한 다음, 오버코팅막을 형성하는 단계를 포함함으로써, 소량의 용매로 균일한 오버코팅막을 형성할 수 있는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

액침 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법{Method for Forming Pattern of Semiconductor Device Using Immersion Lithography Process}
본 발명은 액침(immersion) 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 집적도가 향상됨에 따라 서브-마이크론 급의 미세 패턴을 형성하기 위한 기술 개발이 요구되고 있으며, 이에 따라 반도체 제조 공정에서 회로의 미세화와 집적도를 결정 짓는 핵심 기술인 포토리소그라피 공정 개발을 위한 연구가 가속화되어 왔다.
종래 포토리소그라피 공정에서는 g-라인(436nm) 및 i-라인(365nm) 광원이 노광원으로 사용되었으나, 점차 KrF(248nm) 또는 ArF(193nm) 등과 같은 원자외선(DUV: Deep Ultra Violet) 영역의 광원에서부터 F2 (157㎚) 또는 EUV(Extremely Ultraviolet; 13nm) 등과 같은 단파장 광원이 생산 공정에 적용되고 있다.
반면, 새로운 광원을 채용하는 경우 새로운 노광 장비의 개발이 필요하기 때문에 제조 비용 면에서 효율적이지 않다. 또한, 현재 노광 장비에서는 해상도 이상 의 패턴을 얻는 것에 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 드라이(dry) 노광 공정 대신 노광 렌즈와 웨이퍼 사이를 용액으로 채운 후 노광 공정을 실시하는 액침 노광 공정이 소자 양산 공정에 적용되고 있다. 액침 노광 공정은 포토레지스트막과 노광 렌즈 사이에 굴절률을 갖는 용액을 매개체로 형성하여 수행되기 때문에, 공기에 대한 물의 굴절률만큼의 하이퍼(hyper) NA 렌즈를 구현할 수 있어 해상력 상승 효과를 얻을 수 있으며, 초점 심도의 저하가 없어 작은 피치(pitch)를 가지는 초정밀 패턴 형성이 가능하다.
하지만, 액침 노광 공정에서 사용되는 매개체는 대부분 비열(specific heat)이 높은 물 등의 용액이기 때문에, 제거하여도 패턴 상에 일부 잔류하여 원형 브리지(bridge) 형태의 워터 마크 디펙트 (water mark defect)나, 버블(bubble) 등을 발생시킨다. 더욱이, 액침 노광 공정 중에 포토레지스트로부터 매개체(용액)로 오염원들이 용출되면서, 접촉된 노광 렌즈가 오염된다.
이에, 포토레지스트 상에 오버코팅막을 형성한 후, 액침 노광 공정을 실시하는 방법이 도입되었다. 상기 오버코팅막은 통상 포토레지스트 상부를 포토레지스트 조성물의 구성 용매를 이용하여 전처리한 다음에, 그 상부에 형성한다.
이때, 상기 전처리 용액에 의해 포토레지스트 일부가 용해되어 후속 공정으로 균일한 오버코팅막을 형성하는 것이 어렵다. 특히, 300mm 웨이퍼 상에 균일한 오버코팅막을 형성하기 위해서는 5ml 이상의 다량의 용매가 필요하기 때문에, 제조비용이 증가한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 액침 노광 공정에서 포토레지스트 상부를 알칸 또는 알코올 용매로 전처리 한 다음, 오버코팅막을 형성하는 단계를 포함하는 액침 노광 공정을 이용한 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하, 본 발명에서는
식각 대상층이 형성된 기판 상부에 포토레지스트막을 도포하는 단계;
상기 포토레지스트막 표면을 알코올 또는 알칸 용매를 이용하여 전처리하는 단계;
상기 결과물 상부에 오버코팅막을 형성하는 단계; 및
액침 노광 장비를 이용하여 상기 결과 구조물을 노광하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공한다.
상기 식각 대상층은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 보로포스포실리케이트 글라스(phosphosilicate glass; BPSG), PSG (phosphosilicate glass), USG막 (undoped silicate glass), PE-TEOS (plasma enhanced-tetraethoxysilicate glass) 산화막, 실리콘 산화질화막, 폴리실리콘막, 유기계 난반사막, 무기계 난반사막, 이 들의 적층막 및 이들의 조합으로 이루어진 것을 사용하여 형성한다.
상기 포토레지스트막은 일반적인 포토레지스트 중합체면 특별히 제한하지 않으며, 대한민국 특허공개번호 제1984-0003145호, 대한민국 특허공개번호 제1985- 0008565호, 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), 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, 바람직하게는 폴리 비닐페놀계, 폴리하이드록시스틸렌계, 폴리노르보넨계, 폴리아다만틸계, 폴리이미드계, 폴리아크릴레이트계, 폴리메타아크릴레이트계, 폴리플루오린계 중 선택된 하나 이상을 베이스 수지로 포함한다.
또한, 상기 전처리 공정은 상기 알코올 용매나 알칸 용매를 기체 상태로 분사하거나, 액체 상태로 코팅하는 과정을 1회 또는 다수 회 수행할 수 있으며, 이때 60∼150℃ 온도에서 50∼150초 동안 수행하는 것이 바람직하다.
상기 알코올 용매는 포토레지스트층이 용해되지 않는 용매라면 특별히 제한하지 않으며, 바람직하게는 카본수 4 이상, 바람직하게는 카본수 4∼15의 알코올 용매, 예를 들면 부탄올, 펜탄올, 헵탄올, 옥탄올, 노난올 및 데칸올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 사용한다.
상기 알칸 용매는 포토레지스트층이 용해되지 않는 용매라면 특별히 제한하지 않으며, 바람직하게는 카본수 7 이상, 바람직하게는 카본수 7∼20의 유기 용매, 예컨대 헵탄, 옥탄, 노난 및 데칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매를 사용한다.
본 발명의 방법과 같이 오버코팅막 형성 전에 포토레지스트막 표면을 오버코팅막을 구성하는 용매와 유사한 용액으로 전처리하는 경우, 습식이 잘되어 후속 공정 시에 소량의 용매를 이용하여도 균일한 오버코팅막을 코팅하는 것이 가능하다.
상기 오버코팅막은 굴절율이 낮은 액침 노광용 오버코팅막으로 사용하는 불소계 탄화수소 화합물을 포함하는 것이면 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 포토레지스트가 용해될 수 있는 용매 대신 상기 전술한 바와 같이 카본수 4 이상의 알코올 용매나, 카본수 7 이상의 알칸 용매에 용해되는 퍼플루오로알킬 화합물, 예컨대 TCX-041(JSR 사 제조)를 사용하여 스핀 코팅 법으로 형성한다.
또한, 본 발명의 방법은 상기 포토레지스트막 도포 전에, 상기 식각 대상층 상부에 하부 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 하부 반사방지막 상부를 프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트(PGMEA), 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르, 메틸 3-메톡시프로피오네이트, t-부틸 아세테이트 및 이들의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 용액으로 전처리하여 친감광성을 부여한 다음, 그 상부에 포토레지스트막을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 액침 노광 공정은 노광원으로는 KrF, ArF, VUV, EUV, E-빔(beam), X-선 또는 이온빔 등을 사용하며, 0.1∼100mJ/㎠의 노광 에너지로 실시하는 것이 바람직하다.
상기 액침 노광 공정은 매개체로 물, 핵산, 크실렌, 사이클로옥탄, 퍼플루오로폴리에테르 및 이들의 혼합 용액중 선택된 것을 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.
결론적으로, 본 발명의 방법은 포토레지스트막 상부를 오버코팅막 구성 용매를 이용하여 전처리한 다음, 그 상부에 오버코팅막을 형성하는 단계를 포함함으로써, 300mm 웨이퍼 상에 2ml 이하의 최소 코팅 용액을 사용하여 균일한 오버코팅막을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 반도체 소자 제조 비용이 낮아진다.
이상에서 전술한 바와 같이, 본원 발명의 방법에서는 오버코팅막 구성 용매를 이용하여 포토레지스트막 표면을 전처리한 다음, 그 상부에 오버코팅막을 형성함으로써, 소량의 용매로 균일한 오버코팅막을 형성할 수 있다.

Claims (14)

  1. 식각 대상층이 형성된 기판 상부에 포토레지스트막을 도포하는 단계;
    상기 포토레지스트막 표면을 알코올 또는 알칸 용매를 이용하여 전처리하는 단계;
    상기 결과물 상부에 오버코팅막을 형성하는 단계; 및
    액침 노광 장비를 이용하여 상기 결과 구조물을 노광하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 식각 대상층은 실리콘 질화막, 실리콘 산화막, 보로포스포실리케이트 글라스, 포스포실리케이트 글라스, 언도프드 실리케이트 글라스, 피이-테오스 산화막, 실리콘 산화질화막, 폴리실리콘막, 유기계 난반사막, 무기계 난반사막, 이들의 적층막 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포토레지스트막은 폴리비닐페놀계, 폴리하이드록시스틸렌계, 폴리노르보넨계, 폴리아다만틸계, 폴리이미드계, 폴리아크릴레이트계, 폴리메타아크릴레이트계 및 폴리플루오린계로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 베이스 수지로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전처리 공정은 용매를 기체 상태로 분사하거나, 또는 액체 상태로 코팅하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알코올 용매는 카본수 4 내지 15의 알코올 용매인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알코올 용매는 부탄올, 펜탄올, 헵탄올, 옥탄올, 노난올 및 데칸올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알칸 용매는 카본수 7 내지 20의 알칸 용매인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 알칸 용매는 헵탄, 옥탄, 노난 및 데칸으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 용매인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 오버코팅막은 불소계 탄화수소 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 불소계 탄화수소 화합물은 카본수 4 내지 15의 알코올 용매나, 카본수 7 내지 20의 알칸 용매에 용해되는 퍼플루오로알킬 화합물인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 포토레지스트막 도포 전에, 식각 대상층 상부에 하부 반사방지막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방법은 포토레지스트막 도포 전에, 하부 반사방지막 상부를 프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌글리콜 모노메틸 에테르, 메틸 3-메톡시프 로피오네이트, t-부틸 아세테이트 및 이들의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 용액으로 전처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 액침 노광 공정은 노광원으로는 KrF, ArF, VUV, EUV, E-빔, X-선 및 이온빔으로 이루어진 군으로부터 선택된 광원을 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 액침 노광 공정은 매개체로 물, 핵산, 크실렌, 사이클로옥탄, 퍼플루오로폴리에테르 및 이들의 혼합 용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 용매를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.
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