KR20080064461A

KR20080064461A - Method for manufacturing of semiconductor device

Info

Publication number: KR20080064461A
Application number: KR1020070001412A
Authority: KR
Inventors: 김형륜
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2008-07-09

Abstract

A method for fabricating semiconductor devices is provided to prevent leaching even when a top coating layer is contacted with a photoresist layer by implementing the top coating layer using ice. Photoresist compositions are coated on a semiconductor substrate(10) including an object etch layer. Then, a photoresist film is formed. Liquid water is coated on the photoresist film and the coated water is hardened. At this time, the liquid water is cooled down to the temperature of 0 to -20°C. A top coating layer(16) is then formed. An exposure process is performed on the resultant structure using an immersion lithography process. By developing the resultant structure, micro patterns are formed.

Description

Method for manufacturing a semiconductor device

도 1a 내지 도 1c 는 종래기술에 따른 반도체 소자 제조 방법에 따른 문제점을 도시하는 SEM 사진.1A to 1C are SEM photographs showing the problems caused by the semiconductor device manufacturing method according to the prior art.

도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시하는 단면도.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

도 3a 내지 도 3c 는 본 발명에 따른 저온 공정시 하부 막들에 대한 스트레스를 도시하는 그래프.3a to 3c are graphs showing the stress on the underlying films during the low temperature process according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10 : 반도체 기판 12 : 포토레지스트 막10 semiconductor substrate 12 photoresist film

12a : 노광 영역 12b : 비노광 영역12a: exposure area 12b: non-exposure area

14 : 액상의 물 16 : 탑 코팅막14 liquid water 16 top coating film

18 : 이머젼 리소그라피용 유체 20 : 포토레지스트 패턴18 fluid for immersion lithography 20 photoresist pattern

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이머젼 리소그라피 공정에서 탑 코팅막 물질로서 유기 고분자 물질 대신 고체상의 물을 사용함으로써, 유기 고분자 물질로부터 발생되는 디펙트를 해결할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for solving defects generated from an organic polymer material by using solid water instead of an organic polymer material as a top coating film material in an immersion lithography process. will be.

점차 미세화되는 반도체 소자를 제조하기 위하여 패턴의 크기 또한 점차 작아지는 추세이다. 그동안 미세한 패턴을 얻기 위해서 노광 장비와 그에 대응하는 레지스트를 개발하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다.In order to manufacture a semiconductor device which is gradually miniaturized, the size of the pattern is also gradually decreasing. In the meantime, research has been conducted toward developing an exposure apparatus and a corresponding resist in order to obtain a fine pattern.

노광 장비에 있어서, 노광 광원은 주로 248㎚ 파장의 KrF 또는 193㎚ 파장의 ArF 광원이 생산 공정에 적용되었으나, 점차 F₂ (157㎚) 또는 EUV (13nm) 등과 같이 단파장화 광원과 렌즈 개구수 (numerical aperture)를 증대시키기 위한 노력이 시도되고 있다.In exposure equipment, an exposure light source is mainly a KrF of 248 nm wavelength or an ArF light source of 193 nm wavelength is applied to the production process, but gradually a short wavelength light source and a lens numerical aperture (F ₂ (157 nm) or EUV (13 nm), etc.) are applied. Efforts have been made to increase the numerical aperture.

하지만, F₂등 새로운 광원을 채용하는 경우에는 새로운 노광 장치가 필요하게 되므로 제조 비용 면에서 효율적이지 못하고, 개구수를 증대시키는 방안 또한 초점 심도 폭이 저하되는 문제가 있다.However, when a new light source such as F ₂ is employed, a new exposure apparatus is required, which is not efficient in terms of manufacturing cost, and there is a problem that a method of increasing the numerical aperture also lowers the depth of focus.

최근, 이러한 문제를 해결하기 위하여 이머젼 리소그라피 공정이 개발되었다. 기존 노광 공정의 경우 노광 장비에서 최종 투영 렌즈와 레지스트막이 형성된 웨이퍼 중간의 노광 빔의 매체로서 굴절률 1.0의 값을 갖는 공기를 사용하는 반면, 상기 이머젼 리소그라피 공정은 중간 매체로서 1.0 이상의 굴절률을 갖는 물(H₂O) 또는 유기 용매 등의 유체들을 사용함으로써, 같은 노광 파장의 광원을 사용해도 보다 단파장의 광원을 사용하거나 높은 개구수의 렌즈를 이용한 것과 같은 효과를 달성할 수 있으며, 초점 심도의 저하도 없다.Recently, immersion lithography processes have been developed to solve this problem. In the conventional exposure process, the exposure equipment uses air having a refractive index of 1.0 as a medium of the exposure beam intermediate the wafer on which the final projection lens and the resist film are formed, whereas the immersion lithography process uses water having a refractive index of 1.0 or more as an intermediate medium. By using fluids such as H ₂ O) or an organic solvent, the same effect as using a shorter wavelength light source or a lens having a high numerical aperture can be achieved even when using a light source of the same exposure wavelength, and a decrease in depth of focus. none.

상기 이머젼 리소그라피 공정은 초점 심도를 현저히 개선할 수 있고, 기존 노광원을 사용하더라도 더 작은 60nm 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있다는 장점이 있다.The immersion lithography process has an advantage that the depth of focus can be remarkably improved and a smaller fine pattern of less than 60 nm can be formed even using an existing exposure source.

그런데, 상기 이머젼 리소그라피 공정시 상기 유체가 포토레지스트막으로의 침투할 수 있고, 상기 포토레지스트막 성분이 유체에 용해되는 리칭 현상과 같은 디펙트가 발생하며, 포토레지스트막 상에 버블이 발생하기 쉽기 때문에, 이들 디펙트를 감소시키기 위해 포토레지스트막 상부에 탑 코팅 물질을 도포하여 탑 코팅막을 형성하였다.However, during the immersion lithography process, the fluid may penetrate into the photoresist film, defects such as a leaching phenomenon in which the photoresist film component is dissolved in the fluid, and bubbles are likely to occur on the photoresist film. Therefore, in order to reduce these defects, a top coating material was applied on the photoresist film to form a top coating film.

구체적으로, 도 1a 는 유체가 포토레지스트막으로의 침투하는 디펙트를, 도 1b 는 포토레지스트막 성분이 유체에 용해되는 리칭 현상을 나타내는 디펙트를, 도 1c 는 포토레지스트막 상에 발생한 버블 디펙트를 도시한다. Specifically, FIG. 1A is a defect in which a fluid penetrates into a photoresist film, FIG. 1B is a defect showing a leaching phenomenon in which a photoresist film component is dissolved in a fluid, and FIG. 1C is a bubble defect generated on a photoresist film. Show the effect.

하지만, 상기 탑 코팅 물질로 유기 고분자를 사용하였기 때문에, 이 경우에도 탑 코팅막이 하부의 포토레지스트 막과 접촉하여 리칭이 발생하고, 상부의 이머젼 리소그라피용 유체와의 접촉에 의해 유체의 침투 현상이 발생하였으며, 탑 코팅막 상에 버블이 발생하는 문제는 여전히 해결되지 않았다.However, since the organic polymer is used as the top coating material, even in this case, the top coating film contacts the lower photoresist film to cause leaching, and the penetration of the fluid occurs due to the contact with the upper immersion lithography fluid. The problem of bubbles on the top coating layer was still not solved.

본 발명의 목적은 이머젼 리소그라피 공정에서 탑 코팅막 물질로서 유기 고분자 물질 대신 고체상의 물을 사용함으로써, 유체 침투, 리칭 및 버블 발생 현상 등과 같은 디펙트를 해결하여 60㎚급 이하의 반도체 소자를 제조하기 위한 방법을 제공함에 있다. Disclosure of Invention An object of the present invention is to use a solid water instead of an organic polymer material as a top coating film material in an immersion lithography process to solve defects such as fluid penetration, leaching and bubble generation, and to manufacture a semiconductor device of 60 nm or less. In providing a method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 하기의 단계를 포함하는 반도체 소자의 제조 방법을 제공한다:In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device comprising the following steps:

피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 포토레지스트 조성물을 도포하여 포토레지스트막을 형성하는 단계;Forming a photoresist film by applying a photoresist composition on a semiconductor substrate on which an etched layer is formed;

상기 포토레지스트막 상에 액상의 물을 도포하고 고체화시켜 탑 코팅막을 형성하는 단계;Forming a top coating layer by applying liquid to the photoresist layer and solidifying the photoresist layer;

상기 결과물 상에 이머젼 리소그라피 공정을 이용한 노광 공정을 수행하는 단계; 및 Performing an exposure process using an immersion lithography process on the resultant; And

상기 결과물을 현상하여 미세 패턴을 형성하는 단계.Developing the result to form a fine pattern.

상기 탑 코팅막을 형성하는 단계는 상기 액상의 물을 0 내지 -20℃ 의 온도로 냉각하는 단계를 포함하고,Forming the top coating film includes the step of cooling the liquid water to a temperature of 0 to -20 ℃,

상기 노광 공정을 수행하는 단계에서 탑 코팅막과 최종 투영 렌즈 사이에 위치하는 이머젼 리소그라피 유체가 물이며,In the performing the exposure process, the immersion lithography fluid located between the top coating layer and the final projection lens is water,

상기 포토레지스트 조성물은 KrF용 포토레지스트 조성물 또는 KrF용 포토레지스트 조성물이고,The photoresist composition is a photoresist composition for KrF or a photoresist composition for KrF,

상기 노광 공정을 수행하는 단계는 ArF용 노광원 또는 KrF용 노광원을 이용하는 것을 특징으로 한다.The performing of the exposure process is characterized by using an ArF exposure source or a KrF exposure source.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2a 내지 도 2d 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도이다.2A to 2D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.

도 2a 를 참조하면, 소정의 하부 구조물을 포함하는 피식각층이 구비된 반도체 기판(10) 상에 포토레지스트 조성물을 도포한 후 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 포토레지스트 막(12)을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a photoresist composition is applied onto a semiconductor substrate 10 having an etched layer including a predetermined lower structure, and then baked at a temperature of 90 to 150 ° C. for 30 to 180 seconds. ).

상기 포토레지스트 조성물은 ArF용 포토레지스트 조성물 또는 KrF용 포토레지스트 조성물로서, 바람직하게는 HAS4473, HAS4459, SL4000 (상품명)을 사용할 수 있다.The photoresist composition is preferably a photoresist composition for ArF or a photoresist composition for KrF, preferably HAS4473, HAS4459, SL4000 (trade name).

다음, 포토레지스트 막(12) 상에 액상의 물(14)을 스핀 코팅 또는 기상 증착하는 방법을 이용하여 100 내지 3000Å 의 두께로 도포한다.Next, the liquid water 14 is coated on the photoresist film 12 with a thickness of 100 to 3000 kPa using a method of spin coating or vapor deposition.

도 2b 를 참조하면, 상기 액상의 물을 0 내지 -20℃ 의 온도로 냉각하여 고체화시킴으로써, 얼음으로 형성된 탑 코팅막(16)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, the liquid water is cooled to a temperature of 0 to -20 ° C. to solidify, thereby forming a top coating film 16 formed of ice.

이때, 0 내지 -20℃ 에서의 저온 공정을 수행하여도 하부막에 대한 영향은 극히 미미하다. 구체적으로 도 3a, 도 3b 및 도 3c 는 각각 폴리실리콘막, 산화막 및 질화막에 대하여 온도에 대한 스트레스를 도시하는 그래프로서, 폴리실리콘막, 산화막 및 질화막 등의 하부막에 대한 영향이 극히 미미함을 설명한다.At this time, even if a low temperature process is performed at 0 to -20 ° C, the effect on the lower layer is extremely small. Specifically, FIGS. 3A, 3B, and 3C are graphs showing stress on temperature of the polysilicon film, the oxide film, and the nitride film, respectively, and show that the influence on the lower films such as the polysilicon film, the oxide film, and the nitride film is extremely insignificant. Explain.

도 2c 를 참조하면, 상기 결과물 상에 노광 마스크와 이머젼 리소그라피용 노광 장비를 이용한 노광 공정을 수행한다. 상기 노광 공정의 광원으로는 KrF (248㎚) 또는 ArF (193㎚)를 사용한다. Referring to FIG. 2C, an exposure process using an exposure mask and exposure equipment for immersion lithography is performed on the resultant product. KrF (248 nm) or ArF (193 nm) is used as a light source of the said exposure process.

상기 노광 장비의 최종 투영 렌즈(미도시)와 탑 코팅막(16) 중간의 노광 빔의 매체인 이머젼 리소그라피용 유체(18)로는 액상의 물이 사용되기 때문에, 탑 코팅막(16)과 이머젼 리소그라피용 유체(18)의 굴절률은 모두 1.333으로 굴절률의 변화가 없다.Since the liquid water is used for the immersion lithography 18, which is a medium of the exposure beam between the final projection lens (not shown) and the top coating layer 16 of the exposure equipment, the top coating layer 16 and the immersion lithography fluid The refractive index of (18) is 1.333, and there is no change of refractive index.

이때, 탑 코팅막(16)이 고체 상태의 얼음으로 형성되었기 때문에 탑 코팅막(16)이 하부의 포토레지스트 막(12)과 접촉하여도 리칭이 발생하지 않고, 상부의 이머젼 리소그라피용 유체(18)와 접촉하여도 유체(18)의 침투 현상은 발생하지 않으며, 탑 코팅막(16) 상에 버블도 발생하지 않는다.At this time, since the top coating layer 16 is formed of ice in a solid state, even if the top coating layer 16 is in contact with the lower photoresist layer 12, no etching occurs, and the upper immersion lithography fluid 18 Even when contacted, no penetrating phenomenon of the fluid 18 occurs, and no bubbles are generated on the top coating layer 16.

상기 노광 공정의 결과 레지스트막(12)에는 노광 영역(12a)과 비노광 영역(12b)이 형성된다.As a result of the exposure process, the exposed region 12a and the non-exposed region 12b are formed in the resist film 12.

도 2d 를 참조하면, 상기 결과물을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크한 후, TMAH 2.38 wt% 수용액을 현상액으로 현상하여 포토레지스트 패턴(20)을 형성한다.Referring to FIG. 2D, the resultant is post-baked at a temperature of 90 to 150 ° C. for 30 to 180 seconds, followed by developing a 2.38 wt% aqueous solution of TMAH with a developer to form a photoresist pattern 20.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 및 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.On the other hand, the preferred embodiment of the present invention for the purpose of illustration, those skilled in the art will be possible to various modifications, changes, replacements and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are as follows It should be regarded as belonging to the claims.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법에 따르면, 이머젼 리소그라피 공정을 이용한 미세 패턴을 형성함에 있어, 탑 코팅막을 고체 상태의 얼음으로 형성하였기 때문에 탑 코팅막이 하부의 포토레지스트 막과 접촉하여도 리칭이 발생하지 않고, 상부의 이머젼 리소그라피용 유체와 접촉하여도 유체의 침투 현상은 발생하지 않으며, 탑 코팅막 상에 버블도 발생하지 않는다. 그 결과, 노광 공정의 기술의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 유기 고분자 물질을 대체할 수 있어 원가 절감에 기여한다.As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in forming a fine pattern using an immersion lithography process, since the top coating film is formed of solid ice, the top coating film is formed by Even when contacted, no leaching occurs, and even when contacted with the upper immersion lithography fluid, no penetrating phenomenon occurs, and no bubbles are generated on the top coating layer. As a result, not only the reliability of the technology of the exposure process can be improved, but also expensive organic polymer materials can be replaced, thereby contributing to cost reduction.

Claims

Forming a photoresist film by applying a photoresist composition on a semiconductor substrate on which an etched layer is formed;

Forming a top coating layer by applying liquid to the photoresist layer and solidifying the photoresist layer;

Performing an exposure process using an immersion lithography process on the resultant; And

Developing the resultant to form a fine pattern.

The method of claim 1,

Forming the top coating film is a semiconductor device manufacturing method comprising the step of cooling the liquid water to a temperature of 0 to -20 ℃.

The method of claim 1,

And the immersion lithography fluid located between the top coating film and the final projection lens in the performing of the exposure process is water.

The method of claim 1,

The photoresist composition is a semi-structured device manufacturing method characterized in that the photoresist composition for KrF or a photoresist composition for KrF.

The method of claim 1,

The performing the exposure process is a semiconductor device manufacturing method, characterized in that using an ArF exposure source or KrF exposure source.