KR20090072673A - Method for forming a pattern of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 특히, 나노 임프린트 리소그래피(Nano Imprint Lithography)를 적용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of forming a pattern of a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a pattern formation method using nano imprint lithography.
리소그래피(Lithography) 기술은 웨이퍼 상에 집적회로를 정의하는 복잡한 패턴을 인쇄하여 형성하는 기술로서, 리소그래피 기술의 발전은 오늘날 집적회로의 고 집적도를 가능하게 하였다.Lithography technology is the technology of printing and forming complex patterns that define integrated circuits on a wafer. Advances in lithography technology have enabled the high integration of today's integrated circuits.
기존에 널리 사용되던 광학 리소그래피는 레지스트층이 도포된 반도체 웨이퍼 상에 고정밀 광학계를 이용하여 축소된 마스크 상의 패턴을 이미지화한다. Background Art [0002] Optical lithography, which is widely used in the past, uses high precision optics to image a pattern on a reduced mask on a semiconductor wafer to which a resist layer is applied.
이러한 광학 리소그래피는, g-line(435㎚), i-line(365㎚)을 거쳐서 현재 248㎚ DUV(Deep Ultraviolet)를 생성하는 KrF(Krypton Fluoride) 엑시머 레이저를 광원으로 사용한다.Such optical lithography uses a KrF (Krypton Fluoride) excimer laser that currently produces 248 nm Deep Ultraviolet (DUV) via g-line (435 nm) and i-line (365 nm) as a light source.
그러나, 기존의 광학 리소그래피는 70㎚ 이하의 초극미세 패턴형성은 한계가 있다.However, conventional optical lithography is limited to ultrafine pattern formation of 70 nm or less.
이러한 광학 리소그래피의 한계를 극복하기 위해, 이른바 차세대 리소그래피(Next-Generation Lithographies, NGLs)라고 불리는 기술들이 개발되고 있다.To overcome this limitation of optical lithography, so-called Next-Generation Lithographies (NGLs) have been developed.
이러한 기술로는 EUV 리소그래피(EUVL), X-ray 리소그래피, Ion-beam Projection 리소그래피, Electron-Beam 리소그래피, Dip pen 리소그래피, AFM(Atomic Force Microscope) 및 STM(Scanning Tunneling Microscope)을 이용한 Proximal Probe 리소그래피 등이 제안되고 있다.These technologies include EUV lithography (EUVL), X-ray lithography, Ion-beam Projection lithography, Electron-Beam lithography, dip pen lithography, atomic force microscopy (AFM), and Proximal Probe lithography using Scanning Tunneling Microscope (STM). It is proposed.
이와 같이, 상기한 리소그래피 방법은, 최대 패터닝 면적이 작고, 패터닝 속도 및 처리량이 너무 낮을 뿐만 아니라 비용이 과도히 소모된다는 문제점을 갖고 있어 나노패턴의 경제적인 대량생산이라는 측면에 문제가 있다. As described above, the lithographic method has a problem in that the maximum patterning area is small, the patterning speed and throughput are too low, and the cost is excessively consumed.
또한, 적용하기 위해서 다단계의 전처리 과정을 거치거나 복잡한 장치를 필요로 하거나, 패턴의 높이가 마스크로 사용될 수 없을 정도로 작다는 등의 이유로 실제 나노패턴 공정에서의 적용은 지극히 비현실적이다. In addition, the application in the actual nanopattern process is extremely impractical because it requires a multi-step pretreatment process, requires a complicated device, or the pattern is too small to be used as a mask.
이러한 리소그래피 방법들의 문제를 극복하기 위해 제안된 나노 임프린트 리소그래피 방법은, 나노 구조물 및 나노 소자의 경제적인 대량생산을 위한 기술로 각광받고 있다. The nanoimprint lithography method proposed to overcome the problems of such lithography methods has been spotlighted as a technology for economic mass production of nanostructures and nano devices.
여기서, 나노 임프린트 리소그래피 방법이란, PMMA(Polymethylmethacrylate) 등의 자외선 경화성 또는 열가소성 폴리머 등으로 코팅한 기판표면을 나노 크기의 구조물(100㎚이하)을 갖는 스탬프(stamp)로 압착하여 기판상의 폴리머 레지스트(resist) 표면 위에 스탬프의 패턴을 옮기는 방법이다. Here, the nanoimprint lithography method refers to a substrate resist coated with a UV-curable or thermoplastic polymer such as PMMA (Polymethylmethacrylate) with a stamp having a nano-sized structure (100 nm or less) and a polymer resist on the substrate. ) The method of moving the stamp pattern on the surface.
이때, 레지스트에 각인된 나노구조는 스탬프의 형상과 동일하게 형성되며, 스탬프는 주로 나노 크기의 패턴을 가진 실리콘, 실리콘 산화물 등으로 제작된다.At this time, the nanostructures stamped on the resist is formed in the same shape as the stamp, the stamp is mainly made of silicon, silicon oxide, etc. having a nano-size pattern.
도 1a 내지 도 1e는 종래기술에 따른 임프린트 리소그래피를 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도들이다. 1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern of a semiconductor device using imprint lithography according to the prior art.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 웨이퍼(100) 상에 레지스트층(110)을 형성한다. 1A and 1B, a
여기서, 레지스트층(110)은 자외선 경화성이나 열경화성 고분자 수지와 같은 레지스트를 사용한다.Here, the
다음에, 라인/스페이스 패턴을 정의하는 요철부가 구비된 임프린트용 스탬프(120)로 레지스트층(110) 표면을 압착시켜 임프린트용 스탬프(120)의 패턴이 임프린트되도록 한다.Next, the surface of the
여기서, 상기 임프린트 공정은 직접 압력을 가하여 찍어내는 방법도 있고, 임프린트용 스탬프와 레지스트층 간에 작용하는 흡착력을 이용하는 방법도 있다. In this case, the imprint process may be applied by directly applying pressure, or there may be a method using an adsorption force acting between the imprint stamp and the resist layer.
도 1c를 참조하면, 임프린트용 스탬프(120)에 의해 임프린트된 레지스트층(110)에 자외선을 투사하여 레지스트층(110)이 하드닝(Hardening)되도록 한다. Referring to FIG. 1C, ultraviolet rays are projected onto the
이때, 자외선을 투과하는 방법 이외에도 웨이퍼(100) 하부에 레지스트층(110)의 유리전이온도 이상의 열을 가하여 레지스트층(110)이 하드닝되도록 할 수 도 있다.In this case, in addition to the method of transmitting ultraviolet rays, the
여기서, 레지스트층(110)이 자외선 경화성 고분자 수지를 사용한 경우에는 자외선으로 노광하고, 레지스트층(110)이 열경화성 고분자 수지일 경우에는 열을 가하여 레지스트를 경화시키는 것이 바람직하다.Here, when the
도 1d 및 도 1e를 참조하면, 임프린트용 스탬프(120)를 레지스트층(110)으로 부터 분리시킨다. 이때, 웨이퍼(100) 표면까지 압력이 가해지지 않고, 레지스트층(110) 내에서만 압력이 가해지기 때문에 패턴이 형성되는 부분의 레지스트층 사이에 일정 두께의 레지스트 레지듀층이 남겨지게 된다.1D and 1E, the
다음에, 전면 식각을 수행하여 패턴 사이의 레지스트 레지듀층을 제거하여 패턴(110a)을 형성한다. Next, the entire surface is etched to remove the resist residue layer between the patterns to form the
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 임프린트 리소그래피 방법을 이용한 반도체 소자의 패턴 형성 방법의 문제점을 도시한 단면도이다. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a problem of a method for forming a pattern of a semiconductor device using an imprint lithography method according to the prior art.
도 2a를 참조하면, 웨이퍼(200) 상부에 레지스트층을 형성한 후 패턴을 정의하는 요철부가 구비된 임프린트용 스탬프(220)로 레지스트층(210) 표면을 압착시킨다.Referring to FIG. 2A, after forming a resist layer on the
이때, 웨이퍼(200) 또는 임프린트용 스탬프(220)가 약간이라도 기울게 되면 패턴이 형성되는 부분 사이에 남겨지는 레지스트 레지듀층의 두께가 일정하지 않게 되는 문제가 발생한다. At this time, when the
또한, 도 2b를 참조하면, 패턴이 형성되는 부분 사이의 레지스트 레지듀층의 두께가 상기 패턴이 형성되는 부분의 두께와 비교하여 상대적으로 두껍게 형성되는 경우, 후속 식각 공정 시 상기 패턴이 마스크 역할을 하지 못하여 패턴의 CD 균일도(Critical Dimension Uniformity)가 저하되거나, 상기 패턴 사이가 낫 오픈(Not- Open)되는 문제가 발생한다. Also, referring to FIG. 2B, when the thickness of the resist resist layer between the portions where the pattern is formed is relatively thick compared to the thickness of the portions where the pattern is formed, the pattern does not act as a mask during the subsequent etching process. In this case, the CD uniformity (Critical Dimension Uniformity) of the pattern is deteriorated or the problem of not-opening between the patterns occurs.
상술한 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법에서, 임프린트 시 패턴 사이에 남겨지는 레지스트 레지듀층의 두께가 균일하지 않게 형성되거나, 상 기 패턴의 두께에 비해 상대적으로 두껍게 형성되는 경우, 후속 식각 공정 시 패턴의 CD 균일도가 저하되거나, 낫 오픈 현상이 발생하여 소자의 특성이 저하되는 문제가 있다. In the method of forming a pattern of a semiconductor device according to the related art described above, a subsequent etching process is performed when the thickness of the resist resist layer remaining between the patterns during imprinting is not uniform or is formed relatively thicker than the thickness of the pattern. There is a problem that the CD uniformity of the time pattern is lowered, or a sickle open phenomenon occurs and the characteristics of the device are lowered.
본 발명은 오버레이 버니어 또는 얼라인먼트 키의 단차를 임프린트용 스탬프의 임프린트 정지막으로 사용함으로써, 레지스트층에서 패턴이 형성된 부분 사이에 남겨진 레지스트 레지듀층의 두께를 일정하게 하며 후속 식각 공정 시 패턴의 CD 균일도 및 식각 속도를 일정하게 제어하여 소자의 특성을 향상시키는 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention uses the overlay vernier or the alignment key step as the imprint stop film of the stamp for imprint, thereby making the thickness of the resist resist layer remaining between the patterned portions of the resist layer constant and the CD uniformity of the pattern during the subsequent etching process and It is an object of the present invention to provide a method for forming a pattern of a semiconductor device in which the etching rate is controlled to improve the characteristics of the device.
본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법은 The method of forming a pattern of a semiconductor device according to the present invention
정렬 마크를 포함하는 웨이퍼 상부에 레지스트층을 도포하는 단계와,Applying a resist layer over the wafer including alignment marks,
임프린트용 스탬프의 패턴을 상기 레지스트층에 임프린트하되, 상기 임프린트용 스탬프가 상기 정렬 마크에 접촉되면 임프린트가 정지되는 단계와,Imprinting a pattern of an imprint stamp on the resist layer, wherein the imprint is stopped when the imprint stamp contacts the alignment mark;
상기 임프린트용 스탬프에 의해 임프린트된 상기 레지스트층을 하드닝(Hardening)시키는 단계와,Hardening the resist layer imprinted by the imprint stamp;
상기 임프린트용 스탬프를 분리하는 단계와,Separating the imprint stamp;
상기 임프린트된 레지스트층의 패턴 형성 부분 사이에 형성된 레지스트 레지듀층을 제거하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것과, Removing the resist resist layer formed between the pattern forming portions of the imprinted resist layer to form a pattern;
상기 정렬 마크는 오버레이 버니어(Overlay Vernier) 또는 얼라인먼트 키(Alignment Key)를 포함하는 것과, The alignment mark includes an overlay vernier or an alignment key;
상기 정렬 마크의 두께를 조절할 수 있는 것과, To adjust the thickness of the alignment mark,
상기 레지스트층은 자외선 경화성 또는 열경화성 고분자 수지인 것과, The resist layer is an ultraviolet curable or thermosetting polymer resin,
상기 임프린트용 스탬프는 실리콘(Silicon), 쿼츠(Quartz) 또는 니켈(Nikel)으로 형성되는 것과, The imprint stamp is formed of silicon, quartz or nickel,
상기 레지스트 레지듀층을 제거하는 단계는 에치백 공정으로 진행하는 것을 특징으로 한다. Removing the resist residue layer is characterized in that to proceed to the etch back process.
본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법은 오버레이 버니어 또는 얼라인먼트 키의 단차를 임프린트용 스탬프의 임프린트 정지막으로 사용함으로써, 레지스트층에서 패턴이 형성된 부분 사이에 남겨진 레지스트 레지듀층의 두께를 일정하게 하며 후속 식각 공정 시 패턴의 CD 균일도 및 식각 속도를 일정하게 제어하여 소자의 특성을 향상시킬 수 있다.In the method of forming a pattern of a semiconductor device according to the present invention, by using an overlay vernier or an alignment key as an imprint stop film of an imprint stamp, the thickness of the resist resist layer remaining between the portions where the pattern is formed in the resist layer is constant and subsequently During the etching process, the CD uniformity and the etching rate of the pattern may be constantly controlled to improve device characteristics.
아울러 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 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, a preferred embodiment of the present invention is for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims It should be seen as belonging to a range.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 도시한 단면도이다. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 정렬 마크(310)가 구비된 웨이퍼(300) 상에 레지스트층(320)을 형성한다. 3A and 3B, a
여기서, 웨이퍼(300)에는 정렬 마크(310)를 포함하고 있으며, 레지스트층(320)은 자외선 경화성이나 열경화성 고분자 수지와 같은 레지스트를 사용한다.Here, the
이때, 정렬 마크(310)는 오버레이 버니어(Overlay Vernier) 또는 얼라인먼트 키(Alignment Key)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 오버레이 버니어는 필드(Field)의 가장자리 코너부에 형성되어 있으며, 하나의 필드(Filed)당 최소 4개의 오버레이 버니어가 형성되어 있다.In this case, the
다음에, 라인/스페이스 패턴을 정의하는 요철부가 구비된 임프린트용 스탬프(330)로 레지스트층(320) 표면을 압착시켜 임프린트용 스탬프(330)의 패턴이 임프린트(Imprint)되도록 한다. Next, the surface of the
이때, 임프린트용 스탬프(330)는 실리콘(Silicon), 쿼츠(Quartz) 또는 니켈(Nikel)으로 형성되는 것이 바람직하다. In this case, the
그리고, 상기 임프린트 공정은 직접 압력을 가하여 찍어내는 방법도 있고, 임프린트용 스탬프와 레지스트층 간에 작용하는 흡착력을 이용하는 방법도 있다.In addition, the imprint process may be applied by directly applying pressure, or there may be a method using an adsorption force acting between the imprint stamp and the resist layer.
여기서, 상기 임프린트 공정 시 정렬 마크(310)의 단차를 임프린트용 스탬프(330)의 정지막으로 사용하여 상기 임프린트된 레지스트층(320)에서 패턴이 형성된 부분 사이에 남겨지는 레지스트 레지듀층의 두께를 일정하게 한다. 이때, 정렬 마크(310) 형성 시 그 두께를 조절하여 상기 레지스트 레지듀층의 두께를 조절할 수 있다. Here, in the imprint process, the thickness of the resist resist layer remaining between the patterned portions of the imprinted
다음에, 임프린트용 스탬프(330)에 의해 임프린트된 레지스트층(320)에 자외선을 투사하여 레지스트층(320)이 하드닝(Hardening)되도록 한다. Next, ultraviolet rays are projected onto the
이때, 자외선을 투과하는 방법 이외에도 웨이퍼(300) 하부에 레지스트층(320)의 유리전이온도 이상의 열을 가하여 레지스트층(320)이 하드닝되도록 할 수 도 있다.In this case, in addition to the method of transmitting ultraviolet rays, the resist
여기서, 레지스트층(320)이 자외선 경화성 고분자 수지를 사용한 경우에는 자외선으로 노광하고, 레지스트층(320)이 열경화성 고분자 수지일 경우에는 열을 가하여 레지스트를 경화시키는 것이 바람직하다.Here, when the resist
도 3c를 참조하면, 임프린트용 스탬프(330)를 상기 임프린트된 레지스트층(320)으로부터 분리시킨다. Referring to FIG. 3C, the
여기서, 임프린트용 스탬프(330)를 분리시키는 공정은 공기압이나 진공을 이용하여 수행하는 것이 바람직하다. Here, the process of separating the
도 3d를 참조하면, 상기 임프린트된 레지스트층(320)은 패턴이 형성된 부분과 상기 패턴 사이에 레지스트 레지듀층이 남겨지게 된다. Referring to FIG. 3D, the imprinted resist
이때, 정렬마크(320)에 의해 임프린트가 정지되었으므로, 남겨지는 레지스트 레지듀층의 두께는 일정하게 된다. At this time, since the imprint is stopped by the
다음에, 전면 식각 공정을 수행하여 상기 패턴이 형성된 부분 이외의 레지스트 레지듀층을 식각하여 패턴(320a)을 형성한다. Next, the entire surface etching process is performed to etch a resist resist layer other than the portion where the pattern is formed to form a
상기와 같이 오버레이 버니어나 얼라인먼트 키의 단차를 이용하여 이를 임프린트 공정의 식각 정지막으로 사용함으로써, 레지스트 레지듀층의 두께를 일정하게 하여 패턴의 CD 균일도(Critical Dimension Uniformity) 저하, 낫 오픈(Not Open) 현상 및 식각 타겟(Etch Target) 부족 등과 같은 문제를 방지할 수 있다. By using the overlay vernier or alignment key as described above, this is used as an etch stop layer in the imprint process, thereby making the thickness of the resist resist layer constant so that the CD uniformity of the pattern is lowered and not open. Problems such as development and lack of etching targets can be prevented.
도 1a 내지 1e는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도.1A to 1E are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern of a semiconductor device according to the prior art.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법 시 발생되는 문제점을 도시한 단면도.2A and 2B are cross-sectional views illustrating problems occurring in the method of forming a pattern of a semiconductor device according to the prior art.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 패턴 형성 방법을 도시한 단면도. 3A to 3D are cross-sectional views illustrating a method of forming a pattern of a semiconductor device according to the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 ><Explanation of Signs of Major Parts of Drawings>
300 : 웨이퍼 310 : 정렬 마크300: wafer 310: alignment mark
320 : 레지스트층 330 : 임프린트용 스탬프320: resist layer 330: imprint stamp
320a : 패턴320a: pattern
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