KR20080106696A - 탑코팅 패턴을 보조 식각마스크로 활용하는 반도체 소자의제조방법 - Google Patents

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Abstract

액침 노광공정을 이용하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. 반도체 기판 상에 포토레지스트막을 형성한다. 상기 포토레지스트막 상에 감광제를 함유하는 탑코팅막을 형성한다. 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 액침 노광공정을 통하여 노광한다. 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 현상하여 탑코팅 패턴 및 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 탑코팅 패턴 및 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 상기 반도체 기판을 식각할 수 있다.

Description

탑코팅 패턴을 보조 식각마스크로 활용하는 반도체 소자의 제조방법{A manufacturing method using a top coating pattern as a supplementary etching mask}
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.
본 발명은 반도체 소자의 제조방법들에 관한 것으로, 특히 포토레지스트막(PR; photoresist)에 대한 액침 노광기술을 포함하는 반도체 제조방법을 다룬다.
반도체 소자의 제조공정에 있어서 디자인 룰(design rule)이 수십 나노미터 수준으로 감소됨에 따라 보다 미세한 패턴을 형성하는 기술의 개발이 가속되고 있다. 현재 널리 사용되고 있는 ArF 엑시머 레이저의 경우 193 nm 파장의 광원을 가지는바, 이를 이용한 통상의 리소그라피 공정에서는 60 nm 급의 패턴 형성이 그 한계로 알려져 왔다. 다만 최근에는, 상기 미세패턴 형성의 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술들이 속속 개발되고 있다.
액침 노광공정(immersion lithography) 기술은 상기 새로운 기술들 중에서 가장 주목받고 있는 것들 중 하나이다. 상기 액침 노광공정에서는 투영 광학 박스 내의 최종 렌즈와 반도체 기판 사이의 공간이 액침매체로 완전히 채워진 상태에서 노광이 진행된다. 일반적으로, 노광공정에서의 개구수(numerical aperture)는 노광 용 레이저광이 진행하는 매질의 굴절률에 비례한다. 따라서, 상기 액침 노광공정에서는 상기 액침매체에 의하여 개구수가 증대되어 노광의 해상도를 증가시킬 수 있게 된다.
상기 액침 노광공정에서 액침매체로서 가장 일반적으로 사용되는 것은 탈이온수(deionized water)이다. 상기 탈이온수는, 탄화수소 화합물 및 알코올을 포함한 일반적인 유기용매에 비하여, 굴절률이 높고 환경문제로부터 자유로울 수 있기 때문이다. 그러나, 상기 탈이온수를 액침매체로 사용하는 것에는 몇 가지 문제가 제기되고 있다. 그 중 가장 심각한 문제는 노광이 진행되는 반도체 기판 상의 포토레지스트막의 구성성분이 상기 탈이온수로 침출되는 것을 들 수 있다.
상기 침출문제의 해결을 위한 가장 일반적인 기술은 탑코팅(top coating)막을 사용하는 것이다. 상기 탑코팅막으로 상기 PR막을 덮을 경우 탈이온수가 상기 포토레지스트막의 내부로 스며드는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 탑코팅막을 사용할 경우, 침출문제의 해결 외에도, 탈이온수와 상기 포토레지스트막 사이에 일어날 수 있는 레이저광의 반사에 따른 크로스토크(crosstalk)의 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래기술에 따른 반도체 소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(101) 상에 하드마스크(103)를 형성한다. 상기 하드마스크(103) 상에 반사방지막(105)을 형성한다. 상기 반사방지막(105) 상에 포토레지스트막(107)을 형성한 후, 상기 포토레지스트막(107)을 덮는 탑코팅막(109)을 형성한다.
상기 하드마스크(103)의 형성공정은 디자인 룰이 80 nm 이하인 고집적 반도체 소자의 제조공정에서는 필수불가결하다고 인정되고 있다. 디자인 룰이 작은 경우, 종횡비(aspect ratio)가 증가하는 문제로 인하여 상기 포토레지스트막(107)의 두께를 얇게 형성하게 되는바, 이 경우 후속의 식각공정에서 상기 포토레지스트막(107)만으로는 충분한 내에칭성을 가질 수 없기 때문이다.
도 1b를 참조하면, 상기 반도체 기판을 액침매체(113)에 잠기게 한 뒤 ArF 엑시머 레이저광(115)으로써 액침 노광공정을 수행한다. 상기 레이저광(115)은 노광용 마스크(117)를 포함하는 투사형 광학기기를 통해 상기 액침매체(113)로 입사될 수 있다. 상기 탑코팅막(109)은 상기 ArF 엑시머 레이저광(115)을 투과시킬 수 있는 재료로 이루어지는바, 그 하부의 상기 포토레지스트막(107)이 상기 레이저광에 의해 광반응되어 노광부분(107b) 및 비노광부분(107a)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 상기 액침 노광공정이 완료된 상기 반도체 기판(101)에 대해 피이비(PEB; post-exposure baking) 공정을 수행한 뒤 알칼리 용액으로 상기 탑코팅막(109)을 제거한다. 상기 탑코팅막(109)의 제거와 동시에 노광된 상기 포토 레지스트막(107a, 107b)에 대한 현상이 진행될 수 있다. 상기 현상공정 이후에 하드베이크(hard bake)를 수행하여 포토레지스트 패턴(107a′)을 형성한다. 이에 더하여, 상기 포토레지스트 패턴(107a′)을 식각마스크로 사용한 식각공정을 수행함으로써 상기 포토레지스트 패턴(107a′)의 하부에 반사방지막 패턴(105′) 및 하드마스크 패턴(103′)을 형성할 수 있다.
상기 반도체 기판(101) 상에 차례로 적층된 상기 하드마스크 패턴(103′), 상기 반사방지막 패턴(105′), 및 상기 포토레지스트 패턴(107a′)은 마스크 패턴(121)을 구성한다. 상기 마스크 패턴(121)을 사용하여 상기 반도체 기판(101)에 대하여 후속의 식각공정을 수행한다.
상기 종래기술의 경우, 상기 액침 노광공정의 수행을 위하여 형성된 상기 탑코팅막(109)이, 노광된 상기 포토레지스트막(107a, 107b))의 현상을 위하여 모두 제거되어야 하는바, 이와 관련하여 비용경제적인 문제점이 제기될 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 액침 노광공정에 따른 포토레지스트 패턴의 형성에 있어서, 상기 액침 노광공정에서 사용된 탑코팅막을 재활용하여 후속의 식각공정에서도 사용할 수 있는 반도체 소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 액침 노광공정을 이용하는 반도체 소자의 제조방법을 제공한다. 반도체 기판 상에 포토레지스트막을 형성한 다. 상기 포토레지스트막 상에 감광제를 함유하는 탑코팅막을 형성한다. 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 액침 노광기술을 이용하여 노광한다. 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 현상하여 탑코팅 패턴 및 포토레지스트 패턴을 형성한다.
또 다른 실시예들에서, 상기 반도체 기판 및 상기 포토레지스트막 사이에 반사방지층을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 탑코팅막은 상기 감광제 및 알칼리 가용성 수지로 이루어진 탑코팅 조성물로 형성할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 탑코팅 조성물을 유기용매에 용해시키어 탑코팅 조성물용액을 준비할 수 있다. 상기 탑코팅 조성물용액을 상기 포토레지스트막 상에 스핀코팅할 수 있다. 상기 탑코팅 조성물용액을 열처리하여 상기 탑코팅막을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, KrF 엑시머 레이저 또는 ArF 엑시머 레이저를 사용하여 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막에 대한 액침 노광공정을 수행할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 노광한 후, 상기 반도체 기판에 피이비(PEB; post-exposure baking) 공정을 수행할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막의 현상을 위하여 알칼리성 현상액을 사용할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트 패턴을 사용하 여 상기 반도체 기판을 식각할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 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 개재될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조방법들을 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 반도체 소자의 제조방법은 반도체 기판(201) 상에 반사방지막(205)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 반사방지막(205)은 실리콘산질화막(SiON)으로 형성할 수 있다. 다른 방법으로, 상기 반사방지막(205)은 생략할 수 있다.
상기 반사방지막(205) 상에 포토레지스트막(207)을 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트막(207)은 자외선 레이저에 의한 광반응이 가능한 포토레지스트 조성물용액을 스핀코팅한 뒤 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 포토레지스트 조성물용액은 포지티브형일 수 있다. 다른 방법으로, 상기 포토레지스트 조성물용액은 네거티 브형일 수 있다.
이하에서는, 상기 포토레지스트 조성물이 포지티브형인 경우를 상정하여 설명하기로 한다.
상기 포토레지스트막(207) 상에 탑코팅막(209)을 형성할 수 있다. 상기 탑코팅막(209)은 감광제 및 알칼리 가용성 수지로 이루어진 탑코팅 조성물로 형성될 수 있다. 상기 탑코팅막(209)의 형성은, 상기 탑코팅 조성물을 유기용매에 녹인 탑코팅 조성물용액을 상기 반도체 기판(201) 상에 스핀코팅한 뒤 열처리함으로써 완성될 수 있다. 상기 감광제는 포지티브형 또는 네거티브형일 수 있다. 바람직하게는, 상기 탑코팅 조성물은 상기 포토레지스트 조성물용액과 동일한 감광특성을 가지는 것으로 선택할 수 있다.
상기 탑코팅 조성물 중 상기 알칼리 가용성 수지를 선정함에 있어서는, 상기 탑코팅막(209) 형성공정의 후속공정인 액침 노광공정(immersion lithography)에서의 상기 탑코팅막(209)의 작용을 고려하여야 한다. 구체적으로, 상기 탑코팅막 조성물은 상기 액침 노광공정 중에 상기 포토레지스트막(207) 및 액침매체 사이에 일어나는 크로스토크(crosstalk)를 방지하기에 적합한 굴절률을 가져야 한다. 또한, 상기 액침 노광공정에 사용되는 레이저 광원의 파장에서의 흡광도가 낮아야 한다.
이에 더하여, 상기 탑코팅막(209)은 상기 액침 노광공정 중 상기 포토레지스트막(207)이 액침매체로 침출되지 않도록 상기 포토레지스트막(207)을 상기 액침매체로부터 차단할 수 있어야 한다. 따라서, 상기 탑코팅막(209)의 조성물은 상기 액침매체에 의해 훼손되지 않는 화학적 특성을 갖추어야 한다. 또한, 상기 액침 노광 공정 후에는, 상기 탑코팅막(209)의 비노광부분이 알칼리성의 현상액에 의해 용이하게 용해될 수 있어야 한다.
일반적으로, 상기 알칼리 가용성 수지로는, 종래의 액침 노광공정에서 티에이알시(TARC; top anti-reflection coating) 소재로서 일반적으로 쓰이는 수지들을 선택할 수 있다. 상기 티에이알시(TARC) 소재로는, 불화탄화수소 사슬을 포함한 수지, 실리콘-산소 결합사슬을 포함한 수지, 또는 고리형 탄화수소 기능기를 포함한 수지 등을 들 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 포토레지스트막(207) 및 상기 탑코팅막(209)이 형성된 상기 반도체 기판(201)을 액침매체(213) 하에서 노광할 수 있다. 상기 액침매체(213)는 탈이온수(deionized water)일 수 있다. 상기 액침 노광공정은 KrF(248 nm) 엑시머 레이저 또는 ArF(193 nm) 엑시머 레이저에서 발생된 레이저광(215)을 사용하여 수행할 수 있다. 상기 레이저광(215)은 노광용 마스크(217)를 포함하는 투사형 광학기기를 통해 상기 액침매체(213)로 입사될 수 있다.
상기 탑코팅 조성물의 선정과 관련하여 이미 상술한 바, 상기 탑코팅막(209)은 상기 액침매체(213) 및 상기 포토레지스트막(207)의 경계면에서 발생할 수 있는 노광용 레이저광의 반사에 의한 크로스토크(crosstalk) 현상을 방지해줄 수 있다. 또한, 상기 탑코팅막(209)은 상기 액침매체(213)가 상기 포토레지스트막(207)의 표면과 접촉하지 못하도록 함으로써 상기 포토레지스트막(207)을 보호해줄 수 있다.
다만, 본 발명의 특징으로서, 상기 탑코팅 조성물은 상기 알칼리 가용성 수지뿐 아니라, 상기 노광용 레이저광에 감응할 수 있는 감광제를 더 포함하고 있다. 따라서, 상기 액침 노광공정에 의하여 상기 포토레지스트막(207) 뿐 아니라, 상기 탑코팅막(209) 또한 광반응할 수 있다. 그 결과, 상기 탑코팅막(209)이 광반응하여, 탑코팅막의 노광부분(209b) 및 탑코팅막의 비노광부분(209a)을 형성할 수 있다.
마찬가지로, 상기 액침 노광공정에 의하여 상기 탑코팅막(209)의 하부에 위치한 상기 포토레지스트막(207)이 광반응하여, 포토레지스트막의 노광부분(207b) 및 포토레지스트막의 비노광부분(207a)을 형성할 수 있다.
노광된 상기 탑코팅막(209b) 및 노광된 상기 포토레지스트막(207b)의 광화학반응에 의한 막질의 변경을 마무리하기 위하여, 상기 액침 노광공정이 수행된 상기 반도체 기판(201)에 대해 피이비(PEB; post-exposure baking) 공정을 수행할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 피이비(PEB) 공정이 수행된 이후, 상기 탑코팅막의 노광부분(209b) 및 상기 포토레지스트막의 노광부분(207b)을 후속의 현상공정에 의해 제거할 수 있다. 예를 들면, 상기 탑코팅 조성물 및 상기 포토레지스트막 조성물을 동일한 포지티브형으로 선택할 수 있다. 이 경우, 상기 탑코팅막의 노광부분(209b) 및 상기 포토레지스트막의 노광부분(207b)의 제거는 알칼리성 현상액을 이용한 단일의 현상공정에 의하여 동시에 수행될 수 있다. 그 결과, 포토레지스트 패턴(207a′) 및 탑코팅 패턴(209a′)이 상기 반도체 기판(201) 상에 차례로 적층된 상태로 드러날 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(207a′) 및 상기 탑코팅 패턴(209a′)에 대하여 하 드베이크를 수행할 수 있다. 상기 하드베이크 공정 이후에, 상기 반도체 기판(201)의 표면이 드러나도록 상기 반사방지막(205)을 식각하여 반사방지막 패턴(205′)을 형성할 수 있다.
도 2d 및 도 2e를 참조하면, 상기 반도체 기판(201) 상에 차례로 적층된 상기 반사방지막 패턴(205′), 상기 포토레지스트 패턴(207a′), 및 상기 탑코팅 패턴(209a′)은 마스크 패턴(221)을 구성한다. 상기 마스크 패턴(221)을 사용하여 상기 반도체 기판(201)에 대한 식각공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 마스크 패턴(221)이 형성된 상기 반도체 기판(201)에 대하여 이방성 식각을 수행함으로써 상기 반도체 기판(201)의 소정영역(223)을 제거할 수 있다.
상기 식각공정이 완료되면, 상기 마스크 패턴(221)을 제거함으로써 상기 반도체 기판(도 2e의 201)에 대한 패터닝 공정을 완료할 수 있다.
도 1c를 다시 참조하면, 종래의 액침 노광공정 기술의 경우, 포토레지스트막(107) 상에 형성된 탑코팅막(109)은 노광된 상기 포토레지스트막(107)에 대한 현상공정을 위해 제거된다. 이 경우, 후속의 식각공정에서 상기 탑코팅막(109)은 반도체 기판(101) 상에 존재하지 않는바 아무런 역할을 하지 못하게 된다. 따라서, 종횡비(aspect ratio)의 한계에 따라 상기 포토레지스트막(107)이 얇게 형성될 수 밖에 없는 고집적 반도체의 제조공정의 경우, 상기 포토레지스트막(107)만으로는 충분한 내식각성을 확보하기 어려워진다. 그 결과, 상기 종래의 액침노광 기술의 경우, 상기 포토레지스트막(107)의 하부에 하드마스크(103)층을 별도로 형성하는 것이 필수불가결한 공정으로 여겨지고 있다.
도 2d를 다시 참조하면, 본 발명에서는, 포토레지스트 패턴(207a′)의 형성을 위한 현상공정이 완료된 이후에 상기 포토레지스트 패턴(207a′)은 그 상부에 탑코팅 패턴(209a′)을 가질 수 있게 된다.
상기 탑코팅 패턴(209a′)은 감광제 및 알칼리 가용성 수지로 이루어진 탑코팅 조성물로 형성될 수 있다. 상기 알칼리 가용성 수지로서는, 액침 노광공정에 일반적으로 사용되는 티에이알시(TARC) 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 불화탄화수소 사슬을 포함한 수지, 실리콘-산소 결합사슬을 포함한 수지, 또는 고리형 탄화수소 기능기를 포함한 수지 등을 들 수 있다. 이러한 수지들은, 통상적인 액침 노광공정에서 포토레지스트 조성물로 쓰이는 수지들에 비하여 내식각성이 우수한 기능기를 가지고 있다. 따라서, 상기 탑코팅 패턴(209a′)은 상기 포토레지스트 패턴(207a′)을 사용한 식각공정에서 상기 포토레지스트 패턴(207a′)의 내식각성을 보완해주는 기능을 가질 수 있다.
본 발명에서와 같이, 상기 탑코팅막(209)을 부분적으로 잔류시켜 후속의 식각공정에 활용하는 제조공정을 채택할 경우, 특히 고집적 반도체 소자의 제조공정 상 경제적인 강점을 가질 수 있다. 본 발명을 채용한 반도체 소자의 제조공정의 경우, 60 nm 이하의 디자인 룰이 요구되는 곳에서도 별도의 하드마스크 층을 형성하지 않고서 내식각성이 우수한 마스크 패턴을 형성할 수 있기 때문이다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 탑코팅 패턴의 형성을 포함한 반도체 소자의 제조공정이 제공된다. 포토레지스트막 상에 액침 노광공정을 수행하기 위한 탑코팅막을 형성하되, 상기 탑코팅막은 감광제 및 알칼리 가용성 수지로 이루어진 탑코팅 조성물로 형성된다. 상기 탑코팅막은 상기 포토레지스트막과 함께 액침 노광공정 중에 광반응할 수 있다. 상기 포토레지스트막의 현상을 위해 상기 탑코팅막 전부를 제거하는 종래기술과 달리, 본 발명에서는 상기 탑코팅막이 부분적으로 제거되면서 포토레지스트 패턴의 상부에 배치된 탑코팅 패턴으로서 잔류할 수 있다. 상기 탑코팅 패턴은 후속의 식각공정에서 상기 포토레지스트 패턴의 내식각성을 보완할 수 있다.

Claims (8)

  1. 반도체 기판 상에 포토레지스트막을 형성하고,
    상기 포토레지스트막 상에 감광제를 함유하는 탑코팅막(top coating film)을 형성하고,
    상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 액침 노광기술을 이용하여 노광하고,
    상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 현상하여 탑코팅 패턴 및 포토레지스트 패턴을 형성하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 기판 및 상기 포토레지스트막 사이에 반사방지층을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑코팅막은 상기 감광제 및 알칼리 가용성 수지로 이루어진 탑코팅 조성물로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 탑코팅막을 형성하는 것은
    상기 탑코팅 조성물을 유기용매에 용해시키어 탑코팅 조성물용액을 준비하고,
    상기 탑코팅 조성물용액을 상기 포토레지스트막 상에 스핀코팅하고,
    상기 탑코팅 조성물용액을 열처리하는 것을 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 액침 노광기술은 KrF 엑시머 레이저 또는 ArF 엑시머 레이저를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 노광한 후,
    상기 반도체 기판에 피이비(PEB; post-exposure baking) 공정을 수행하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑코팅막 및 상기 포토레지스트막을 현상하는 것은, 알칼리성 현상액을 사용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탑코팅 패턴 및 상기 포토레지스트 패턴을 마스크패턴으로 사용하여 상기 반도체 기판을 식각하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100949892B1 (ko) * 2007-01-08 2010-03-25 주식회사 하이닉스반도체 반도체 소자의 미세패턴 형성 방법

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