KR20090082674A - Pattern forming method using top surface imaging and double patterning technology - Google Patents

Pattern forming method using top surface imaging and double patterning technology Download PDF

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Abstract

A pattern formation method using TSI and double patterning process for improving a process margin is provided to prevent a pattern collapse by using the excellent etching selectivity of an SiO2 layer. A pattern formation method of a semiconductor device applies a top surface imaging process in a double patterning process. An etched layer(13) is formed at the upper part of the semiconductor substrate(11). The photo-resist composition is coated on the etched layer and the first photo-resist is formed. The exposed first photo-resist is silylation and the silylation film is formed. The silylation layer pattern is to the etching mask and the first photo-resist is etched and the first photo-resist pattern is formed. After the second photosensitive film is formed on the first photo-resist pattern upper, the second photosensitive pattern is taken shape in order not to overlap with the first photo-resist pattern.

Description

TSI 및 이중 패터닝 공정을 이용한 패턴 형성방법{Pattern forming method using top surface imaging and double patterning technology}Pattern forming method using TSI and double patterning process {Pattern forming method using top surface imaging and double patterning technology}

본 발명은 반도체 소자의 패턴 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 패터닝 공정시 탑 서페이스 이미징 (Top Surface Imaging, 이하 "TSI"라 약칭함) 공정을 적용한 미세 패턴 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a pattern of a semiconductor device, and more particularly, to a method of forming a fine pattern in which a top surface imaging (TSI) process is applied during a double patterning process.

현재 디바이스 제조업체에서 사용하고 있는 노광 장비는 100nm 노드 (node)에서는 KrF 광원을 이용하고 있고, 60nm 노드에서는 ArF 광원을 이용하고 있다. 그러나 현재 45nm 노드 디바이스의 미세 콘택홀 및 라인/스페이스를 형성하는 방법에 대해서는 연구가 진행 중에 있으며, 더욱 작은 30nm 노드 패턴 형성에 대해서는 정확한 로드맵이 형성되지 못하고 있다. 60nm 이하의 패턴, 즉, 45nm 또는 30nm 노드 이하의 디바이스 개발에 있어서는 많은 연구가 진행되고 있으며, 가장 유력한 방법은 EUV 및 나노 임프린트 방법이 ArF 광원을 이용한 이머전 리소그라피 방법을 대체할 가장 유력한 방법으로서 연구되고 있다.The exposure equipment currently used by device manufacturers uses KrF light sources at 100 nm nodes and ArF light sources at 60 nm nodes. However, research is currently being conducted on the formation of fine contact holes and lines / spaces of 45nm node devices, and an accurate roadmap for smaller 30nm node pattern formation has not been formed. Much research is being done on the development of sub-60nm patterns, i.e. devices below 45nm or 30nm nodes, and the most promising methods are EUV and nanoimprint methods as the most likely alternatives to immersion lithography using ArF light sources. have.

그러나 새로운 EUV 장비의 개발이 지연되고, 새로운 리소그라피 적용에 대한 투자 비용 등이 소요되는 등 EUV 및 나노 임프린트 방법을 실제 공정에 적용하기에 는 부족함이 많다. 따라서 최대한 ArF 광원을 연장하여 사용하면서도 더욱 작은 패턴을 형성하고자 하는 노력의 일환으로 이중 패터닝 공정을 적용하는 연구가 활발하다.However, due to the delay in the development of new EUV equipment and the investment cost of applying new lithography, there are many shortcomings in applying the EUV and nanoimprint methods to the actual process. Therefore, as part of an effort to form a smaller pattern while extending the ArF light source as much as possible, studies are being actively applied to apply the double patterning process.

그러나 현재 이중 패터닝 방법은 193nm 광원이 갖는 해상력에 한계가 있고, 패턴의 재현성이 부족하며 (poor pattern fidelity), 공정 마진이 불충분하고 (insufficient process window margin), 패턴 라인의 둥금 현상 (line edge roughness: LER)이 발생하며, 2중 패턴 형성에 따른 오버레이 마진이 부족하고, 공정 적용이 복잡하고 어렵다는 점 등의 제한이 많다. 따라서 이중 패터닝 방법을 적용한다 해도 40nm 선폭이 한계이다.However, current double patterning methods have limitations in the resolution of 193 nm light sources, lack pattern reproducibility (poor pattern fidelity), insufficient process margin (insufficient process window margin), and line edge roughness: LER), lack of overlay margin due to double pattern formation, and complicated and difficult process application. Therefore, even when applying the double patterning method, the 40nm line width is the limit.

또한, 1차 패터닝에는 주로 네거티브 타입의 감광제가 적용되는데 일반적으로 네거티브 타입의 감광제는 포지티브 타입의 감광제에 비하여 해상력이 부족하며, 패턴 라인의 둥금 현상 등이 발생하여 적극적인 적용에 걸림돌이 되고 있다.In addition, a negative type photosensitive agent is mainly applied to the primary patterning, and in general, a negative type photosensitive agent has a lower resolution than a positive type photosensitive agent, and a rounding phenomenon of a pattern line occurs, which is an obstacle to active application.

특히, 1차 패터닝시 형성된 감광막 패턴은 2차 패터닝에 의하여 형성된 감광막 패턴과 동시에 우수한 식각 선택비를 가져야 하나, 감광제 특성상 선택비 향상에 한계가 있는 실정이다.In particular, the photoresist pattern formed during the primary patterning should have an excellent etching selectivity at the same time as the photoresist pattern formed by the secondary patterning.

한편, 현재 이중 패터닝 방법은 1차 패터닝된 감광막 패턴과 2차 패터닝 시 적용되는 감광막이 혼합 (intermixing)되는 것을 막기 위해 1차 패터닝된 감광막 패턴에 전면 조사하여 1차 감광막 패턴을 경화시키는 공정을 수행하고 있다.Meanwhile, the current double patterning method performs a process of curing the primary photoresist pattern by totally irradiating the first patterned photoresist pattern to prevent intermixing of the first patterned photoresist pattern and the photoresist applied during the second patterning. Doing.

본 발명은 이중 패터닝 공정을 적용할 때 감광막 간의 혼합을 방지하며, 1차 및 2차 감광막 패턴이 뛰어난 식각 선택비를 가져 해상력과 공정 마진을 개선할 수 있는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a fine pattern of a semiconductor device, which prevents mixing between photoresist layers when applying a double patterning process, and improves resolution and process margins by having an excellent etching selectivity of primary and secondary photoresist patterns. .

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 반도체 소자의 패턴 형성방법으로서, 이중 패터닝 공정시 TSI 공정을 적용하는 반도체 소자의 패턴 형성방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method of forming a pattern of a semiconductor device, a method of forming a pattern of the semiconductor device, applying a TSI process during the double patterning process.

상기 TSI 공정은 실릴레이션 (silylation) 공정일 수 있다.The TSI process may be a sillation process.

상기 TSI 공정은 이중 패터닝 공정시 1차 패터닝시에만 적용할 수도 있고, 2차 패터닝시에만 적용할 수도 있으며, 양쪽 모두에 적용할 수도 있다.The TSI process may be applied only in the first patterning in the double patterning process, only in the second patterning, or in both.

상기 패턴 형성방법은 구체적으로, The pattern forming method is specifically,

반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;Forming an etched layer on the semiconductor substrate;

상기 피식각층 위에 감광제 조성물을 도포하여 제1 감광막을 형성하는 단계;Forming a first photoresist film by applying a photoresist composition on the etched layer;

상기 제1 감광막을 노광하는 단계;Exposing the first photosensitive film;

상기 노광된 제1 감광막을 실릴레이션 하여 실릴레이션 막을 형성하는 단계;Silylating the exposed first photosensitive film to form a silylation film;

상기 실릴레이션 막을 패터닝하는 단계;Patterning the silylation film;

상기 실릴레이션 막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 감광막을 식각하여 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;Forming a first photoresist pattern by etching the first photoresist layer using the silicide film pattern as an etching mask;

상기 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성한 후, 제1 감광막 패턴과 겹치지 않도록 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a second photoresist layer pattern on the first photoresist layer pattern so as not to overlap the first photoresist layer pattern; And

상기 제1 감광막 패턴과 제2 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.And etching the etched layer using the first photoresist pattern and the second photoresist pattern as an etching mask.

또한, 상기 패턴 형성방법은In addition, the pattern forming method is

반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;Forming an etched layer on the semiconductor substrate;

상기 피식각층 위에 감광제 조성물을 도포하여 제1 감광막을 형성하는 단계;Forming a first photoresist film by applying a photoresist composition on the etched layer;

상기 제1 감광막을 노광 및 현상하여 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;Exposing and developing the first photoresist film to form a first photoresist pattern;

상기 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성하는 단계;Forming a second photoresist layer on the first photoresist pattern;

상기 제2 감광막을 노광하는 단계;Exposing the second photosensitive film;

상기 노광된 제2 감광막을 실릴레이션 하여 실릴레이션 막을 형성하는 단계;Silylating the exposed second photosensitive film to form a silylation film;

상기 실릴레이션 막을 패터닝하는 단계;Patterning the silylation film;

상기 실릴레이션 막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제2 감광막을 식각하여 제1 감광막 패턴과 겹치지 않도록 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a second photoresist pattern so that the second photoresist layer is etched using the silicide film pattern as an etch mask so as not to overlap the first photoresist pattern; And

상기 제1 감광막 패턴과 제2 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하는 단계를 포함할 수 있다.And etching the etched layer using the first photoresist pattern and the second photoresist pattern as an etching mask.

상기 실릴레이션 공정은 실릴화제를 이용하여 90 내지 250 ℃의 온도에서 30 내지 300 초 동안 액상 또는 기상에서 수행되는 것이 바람직하다.The silylation process is preferably carried out in the liquid or gas phase for 30 to 300 seconds at a temperature of 90 to 250 ℃ using a silylating agent.

상기 실릴화제로는 헥사메틸 디실라잔, 테트라메틸 디실라잔, 비스디메틸아미노 디메틸실란, 비스디메틸아미노 메틸실란, 디메틸실릴 디메틸아민, 디메틸실릴 디에틸아민, 트리메틸실릴 디메틸아민, 트리메틸실릴 디에틸아민 또는 디메틸아미노 펜타메틸디실란 등을 이용할 수 있다.The silylating agent is hexamethyl disilazane, tetramethyl disilazane, bisdimethylamino dimethylsilane, bisdimethylamino methylsilane, dimethylsilyl dimethylamine, dimethylsilyl diethylamine, trimethylsilyl dimethylamine, trimethylsilyl diethylamine Or dimethylamino pentamethyldisilane may be used.

상기 노광 후 실릴레이션 전에, 감광막을 경화시키기 위하여 90 내지 250 ℃의 온도에서 30 내지 300 초 동안 프리실릴레이션 베이크 하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include presilylation baking for 30 to 300 seconds at a temperature of 90 to 250 ° C. in order to cure the photosensitive film after the post-exposure sililation.

또한, 상기 제2 감광막 패턴에 실릴레이션 공정을 적용하는 공정에 있어서는, 제1 감광막 패턴을 형성한 후 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성하기 전에 제1 감광막 패턴에 E-빔을 전면 조사하는 단계를 더 포함함으로써 제1 감광막 패턴의 식각 선택비를 높일 수 있다.In addition, in the process of applying the silylation process to the second photoresist pattern, after forming the first photoresist pattern and before forming the second photoresist on the first photoresist pattern, the entire surface of the first photoresist pattern is irradiated with the E-beam. By further including the step of increasing the etching selectivity of the first photosensitive film pattern.

한편, 상기 패턴 형성방법에 있어, 사용하는 제1 감광막 또는 제2 감광막은 경우에 따라 포지티브 감광제 또는 네거티브 감광제를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.On the other hand, in the said pattern formation method, the 1st photosensitive film or the 2nd photosensitive film to be used can select suitably a positive photosensitive agent or a negative photosensitive agent suitably depending on a case.

본 발명의 방법은 이중 패터닝 공정시 1차 감광막 패턴 또는 2차 감광막 패턴 상부에 실릴레이션 공정에 의해 SiO2 층을 형성시킴으로써 SiO2 층의 뛰어난 식각 선택비를 이용하여 패턴 붕괴를 막아 해상력과 공정 마진을 개선하고, 깊고 좁은 단차의 토폴로지 형성에 매우 효과적이다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면 보다 개선되고 안정된 수율로 반도체 소자를 제조를 제조할 수 있다.The method of the invention a double patterning process during the first photosensitive pattern or a second by forming a SiO 2 layer is formed by the chamber correlation process to the photoresist pattern upper prevent pattern collapse with a superior etching selectivity of the SiO 2 layer is not resolution and process margin It is very effective in improving the topology and forming the topology of deep and narrow steps. Thus, according to the method of the present invention, it is possible to manufacture semiconductor devices with improved and stable yields.

또한, 본 발명과 같이 이중 패터닝 시 TSI 공정을 적용할 경우 감광막 하부 에 유기 반사 방지막을 적용할 필요가 없으므로 공정 단순화와 원가 절감 또한 기대할 수 있다.In addition, when applying the TSI process in the double patterning as in the present invention, there is no need to apply the organic anti-reflection film to the lower photosensitive film can be expected to simplify the process and cost reduction.

이하, 본 발명을 첨부 도면을 참고로 하여 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1a 내지 도 1h는 1차 패터닝시 실릴레이션을 적용한 2중 패터닝 공정의 공정 단면도이다.1A to 1H are cross-sectional views of a double patterning process to which silylation is applied during primary patterning.

반도체 기판 (11) 상부에 피식각층 (13) 및 제1 감광막 (15)을 순차적으로 형성하고 (도 1a 참조), 노광 공정을 수행한다 (도 1b 참조).The etched layer 13 and the first photosensitive film 15 are sequentially formed on the semiconductor substrate 11 (see FIG. 1A), and an exposure process is performed (see FIG. 1B).

그런 다음, 실릴화제를 이용하여 실릴레이션 공정을 수행하면 실릴레이션 막 (17)이 형성되는데 (도 1c 참조), 실릴레이션 막 (17)이 감광막과 반응 후 감광막액에 따라 후속의 에칭 공정에 사용되는 O2 가스에 의해 노광 혹은 비노광 영역에 실리콘 산화막, 즉 SiO2 층이 형성된다.Then, the silylation process is carried out using a silylating agent to form a silylation film 17 (see FIG. 1C), which is used for the subsequent etching process depending on the photoresist liquid after the reaction with the photoresist film. A silicon oxide film, that is, an SiO 2 layer, is formed in the exposed or non-exposed areas by the O 2 gas.

예를 들어, 네거티브 감광제를 사용하는 경우에는 비노광 영역에 SiO2 층 (19)이 형성되는데, 이때 도시되지는 않았지만, 통상의 공정에 따라 실릴레이션 막 (17)을 패터닝 하여 SiO2 층 (19) 패턴을 형성하고, 패터닝된 SiO2 층 (19)을 식각 마스크로 하여 제1 감광막 (15)을 식각하여 제1 감광막 패턴 (15')을 형성한다 (도 1d 참조).For example, in the case of using a negative photoresist, an SiO 2 layer 19 is formed in the non-exposed region, although not shown, the silication film 17 is patterned according to a conventional process to form the SiO 2 layer 19 ), A first photosensitive film 15 is etched using the patterned SiO 2 layer 19 as an etch mask to form a first photosensitive film pattern 15 '(see FIG. 1D).

그럼 다음, 상기 구조 전면에 제2 감광막 (21)을 형성하는데, 제1 감광막 패 턴 (15') 상부에 SiO2 층이 형성되어 있으면 제1 감광막과 제2 감광막이 용이하게 혼합되지 않는다 (도 1e 참조).Then, the second photoresist film 21 is formed on the entire structure. When the SiO 2 layer is formed on the first photoresist pattern 15 ', the first photoresist film and the second photoresist film are not easily mixed (Fig. 1e).

그런 다음, 2차 노광 및 현상하여 제2 감광막 패턴 (21')을 형성하면, 상부에 SiO2 층 (19)이 형성된 제1 감광막 패턴 (15')과 제2 감광막 패턴 (21')이 교대로 형성된 구조를 얻을 수 있다 (도 1g 참조).Then, when the second photoresist pattern 21 'is formed by secondary exposure and development, the first photoresist pattern 15' and the second photoresist pattern 21 'having the SiO 2 layer 19 formed thereon alternately. The structure formed can be obtained (see FIG. 1G).

상기 상부에 SiO2 층 (19)이 형성된 제1 감광막 패턴 (15')과 제2 감광막 패턴 (21')을 식각 마스크로 이용하여 피식각층 (13)을 식각하여 피식각층 패턴 (13')을 얻는다 (도 1h 참조). SiO2 층 (19)이 형성된 제1 감광막 패턴 (15')은 식각 선택비가 우수하기 때문에 하부의 하드마스크 층을 낮은 두께로 형성할 수 있어, 하드마스크 선정에 매우 유리하여 효과적으로 미세 패턴을 형성할 수 있다.The etched layer 13 is etched by using the first photoresist pattern 15 ′ and the second photoresist pattern 21 ′ having the SiO 2 layer 19 formed thereon as an etching mask. (See FIG. 1H). Since the first photoresist pattern 15 ′ having the SiO 2 layer 19 formed thereon has an excellent etching selectivity, the lower hard mask layer can be formed to a low thickness, which is very advantageous for selecting a hard mask, thereby effectively forming a fine pattern. Can be.

한편, 도 1a 내지 도 1h에는 1차 패터닝 즉, 실릴레이션 공정에 네거티브 감광제를 사용하고, 2차 패터닝에 포지티브 감광제를 사용하는 경우에 대해 도시했지만 이에 한정되는 것은 아니며, 포지티브 또는 네거티브 감광제를 사용 목적에 따라 선택하여 사용할 수 있다.1A to 1H illustrate a case in which a negative photosensitive agent is used for primary patterning, that is, a silylation process, and a positive photosensitive agent is used for secondary patterning, but the present invention is not limited thereto, and a positive or negative photosensitive agent is used. Can be selected according to the use.

도 2a 내지 도 2h는 2차 패터닝시 실릴레이션을 적용한 2중 패터닝 공정의 공정 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views of a double patterning process using sililation during secondary patterning.

반도체 기판 (11) 상부에 피식각층 (13) 및 제1 감광막 (15)을 순차적으로 형성하고 (도 2a 참조), 1차 노광 공정을 수행하고 (도 2b 참조), 현상하여 제1 감 광막 패턴 (15')을 형성한다 (도 2c 참조).An etched layer 13 and a first photosensitive film 15 are sequentially formed on the semiconductor substrate 11 (see FIG. 2A), a first exposure process is performed (see FIG. 2B), and developed to form a first photosensitive film pattern. (15 ') (see Figure 2c).

제1 감광막 패턴 (15') 상부에 제2 감광막 (21)을 도포하고 (도 2d 참조), 2차 노광한다 (도 2e 참조).The second photosensitive film 21 is coated on the first photosensitive film pattern 15 '(see FIG. 2D) and subjected to secondary exposure (see FIG. 2E).

그런 다음, 실릴화제를 이용하여 실릴레이션 공정을 수행하면 실릴레이션 막 (17)이 형성되는데 (도 2f 참조), 실릴레이션 막 (17)이 감광막과 반응 후 감광막액에 따라 후속의 에칭 공정에 사용되는 O2 가스에 의해 노광 혹은 비노광 영역에 실리콘 산화막, 즉 SiO2 층이 형성된다.Then, the silylation process is performed using a silylating agent to form a silylation film 17 (see FIG. 2F), which is used for the subsequent etching process depending on the photoresist liquid after the reaction with the photoresist film. A silicon oxide film, that is, an SiO 2 layer, is formed in the exposed or non-exposed areas by the O 2 gas.

예를 들어, 네거티브 감광제를 사용하는 경우에는 비노광 영역에 SiO2 층 (19)이 형성되는데, 이때 도시되지는 않았지만, 통상의 공정에 따라 실릴레이션 막 (17)을 패터닝 하여 SiO2 층 (19) 패턴을 형성하고, 패터닝된 SiO2 층 (19)을 식각 마스크로 하여 제2 감광막 (21)을 식각하여 제2 감광막 패턴 (21')을 형성한다 (도 2g 참조). 도 2g에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 감광막 패턴 (15')과 상부에 SiO2 층 (19)이 형성된 제2 감광막 패턴 (21')이 교대로 형성된 구조를 얻을 수 있다.For example, in the case of using a negative photoresist, an SiO 2 layer 19 is formed in the non-exposed region, although not shown, the silication film 17 is patterned according to a conventional process to form the SiO 2 layer 19 ), And the second photosensitive film 21 is etched using the patterned SiO 2 layer 19 as an etch mask to form a second photosensitive film pattern 21 '(see FIG. 2G). As can be seen in FIG. 2G, a structure in which the first photoresist pattern 15 'and the second photoresist pattern 21' having the SiO 2 layer 19 formed thereon are alternately formed.

상기 제1 감광막 패턴 (15')과 상부에 SiO2 층 (19)이 형성된 제2 감광막 패턴 (21')을 식각 마스크로 이용하여 피식각층 (13)을 식각하여 피식각층 패턴 (13')을 얻는다 (도 2h 참조). The etched layer 13 is etched using the first photoresist pattern 15 'and the second photoresist pattern 21' having the SiO 2 layer 19 formed thereon as an etch mask, thereby etching the etched layer pattern 13 '. (See FIG. 2H).

이와 같이 2차 패터닝시 실릴레이션 공정을 적용하면, 2차 패터닝시의 높은 아스펙트 비율 (aspect ratio)에 의해 발생하는 패턴 붕괴를 개선할 수 있는 매우 우수한 장점이 있다. 2차 패터닝시에 실릴레이션 공정을 적용하는 경우에는 제1 감광막 패턴 (15') 형성 후 2차 감광막 (21) 도포 전에 E-빔 전면 조사 등을 수행하여 1차 감광막 패턴 (15')의 식각 내성도 높여 주는 것이 더욱 바람직하다.As described above, the application of the silylation process during the second patterning has an excellent advantage of improving the pattern collapse caused by the high aspect ratio during the second patterning. When the silylation process is applied during the second patterning, the first photoresist pattern 15 'is formed and then the E-beam entire surface is irradiated before the application of the second photoresist 21 to etch the primary photoresist pattern 15'. It is more preferable to increase the resistance.

한편, 1차 감광막을 네거티브 감광제를 사용하여 형성하는 경우에는 감광막 패턴이 가교된 상태이므로 E-빔 전면 조사를 하지 않아도 식각 내성에 문제가 없다.On the other hand, when the primary photosensitive film is formed using a negative photosensitive agent, the photoresist pattern is crosslinked, so there is no problem in etching resistance even if the E-beam entire surface is not irradiated.

한편, 도 2a 내지 도 2h에는 1차 패터닝에 포지티브 감광제를 사용하고, 2차 패터닝 즉, 실릴레이션 공정에 네거티브 감광제를 사용하는 경우에 대해 도시했지만 이에 한정되는 것은 아니며, 포지티브 또는 네거티브 감광제를 사용 목적에 따라 선택하여 사용할 수 있다.2A to 2H illustrate a case in which a positive photosensitive agent is used for primary patterning and a negative photosensitive agent is used for secondary patterning, that is, a silylation process, but the present invention is not limited thereto, and a positive or negative photosensitive agent is used. Can be selected according to the use.

하기 실시예는 본 발명에 따른 이중 패터닝 공정과 TSI 공정을 적용하여 안정된 미세 패턴을 형성할 수 있는 구체적인 방법에 대하여 기재한 것이다.The following example describes a specific method capable of forming a stable fine pattern by applying a double patterning process and a TSI process according to the present invention.

실시예 1.Example 1.

하드마스크 나이트라이드 상부에 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅 및 베이크하고 노광한 다음, 프리실릴레이션 베이크 공정을 120℃에서 90초 동안 실시하였다. 그런 다음, 테트라메틸 디실라잔을 이용하여 170℃에서 150초 동안 기상으로 실릴레이션하였다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2 의 혼합 가스를 이용하여 -10℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 테트라메틸 디실라잔과 화학결합이 된 부분에 실리콘 디옥사이드층이 형성된다. 이후 두 번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드층을 배리어로 비노광 지역을 건식 식각하여 1차 패턴을 형성하였다. 이후 2차 패턴 형성을 위하여 1차 패턴 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 HAS4473을 코팅, 베이크, 노광 및 현상 공정을 수행하여 도 3과 같은 미세 패턴을 형성하였다.After coating, baking and exposing NTS4, which is an ArF resist for TSI, on top of the hard mask nitride, and exposing, a presilylation bake process was performed at 120 ° C. for 90 seconds. Then, tetramethyl disilazane was used to silylate the gas phase at 170 ° C. for 150 seconds. Subsequently, in the etching chamber, the wafer is placed in one step with fluorine / O 2 / SO 2. It was etched in an etching chamber at -10 ° C using a mixed gas of. At this time, the silicon dioxide layer is formed in a portion where the chemical bond with tetramethyl disilazane in the non-exposed area. O 2 / SO 2 in the subsequent etching process The first pattern was formed by dry etching the non-exposed areas with the silicon dioxide layer as a barrier. Subsequently, in order to form a second pattern, a fine pattern as illustrated in FIG. 3 was formed by coating, baking, exposing, and developing a HAS4473 of Shin-Etsu Co., Ltd., an ArF resist, on the first pattern.

실시예 2.Example 2.

하드마스크 나이트라이드 상부에 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅 및 베이크하고 노광한 다음, 프리실릴레이션 베이크 공정을 130℃에서 90초 동안 실시하였다. 그런 다음, 테트라메틸 디실라잔을 이용하여 170℃에서 150초 동안 기상으로 실릴레이션하였다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2 의 혼합 가스를 이용하여 -10℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 테트라메틸 디실라잔과 화학결합이 된 부분에 실리콘 디옥사이드층이 형성된다. 이후 두 번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드층을 배리어로 비노광 지역을 건식 식각하여 1차 패턴을 형성하였다. 이후 2차 패턴 형성을 위하여 1차 패턴 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 HAS4473을 코팅, 베이크, 노광 및 현상 공정을 수행하여 도 4와 같은 미세 패턴을 형성하였다.After coating, baking and exposing NTS4 of Sumitomos, an ArF resist for TSI, to the top of the hard mask nitride, a presilylation bake process was performed at 130 ° C. for 90 seconds. Then, tetramethyl disilazane was used to silylate the gas phase at 170 ° C. for 150 seconds. Subsequently, in the etching chamber, the wafer is placed in one step with fluorine / O 2 / SO 2. It was etched in an etching chamber at -10 ° C using a mixed gas of. At this time, the silicon dioxide layer is formed in a portion where the chemical bond with tetramethyl disilazane in the non-exposed area. O 2 / SO 2 in the subsequent etching process The first pattern was formed by dry etching the non-exposed areas with the silicon dioxide layer as a barrier. Subsequently, to form a second pattern, a fine pattern as illustrated in FIG. 4 was formed by coating, baking, exposing, and developing a HAS4473 of Shin-Etsu Co., Ltd., an ArF resist, on the first pattern.

실시예 3.Example 3.

하드마스크 폴리 상부에 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅 및 베이크하고 노광한 다음, 프리실릴레이션 베이크 공정을 120℃에서 80초 동안 실시 하였다. 그런 다음, 헥사메틸 디실라잔을 이용하여 160℃에서 140초 동안 기상으로 실릴레이션하였다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2 의 혼합 가스를 이용하여 -15℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 헥사메틸 디실라잔과 화학결합이 된 부분에 실리콘 디옥사이드층이 형성된다. 이후 두 번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드층을 배리어로 비노광 지역을 건식 식각하여 1차 패턴을 형성하였다. 이후 2차 패턴 형성을 위하여 1차 패턴 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 SXM4096을 코팅, 베이크, 노광 및 현상 공정을 수행하여 도 5와 같은 미세 패턴을 형성하였다.After coating, baking and exposing NTS4 of Sumitomo Co., Ltd., an ArF resist for TSI, onto the hardmask poly, the presilylation bake process was performed at 120 ° C. for 80 seconds. Then, hexamethyl disilazane was used to silylate the gas phase at 160 ° C. for 140 seconds. The wafer was then etched in an etch chamber at −15 ° C. using a mixed gas of fluorine / O 2 / SO 2 in one step. At this time, the silicon dioxide layer is formed in a portion that is chemically bonded to hexamethyl disilazane in the non-exposure region. O 2 / SO 2 in the subsequent etching process The first pattern was formed by dry etching the non-exposed areas with the silicon dioxide layer as a barrier. Subsequently, in order to form a second pattern, a fine pattern as illustrated in FIG. 5 was formed by coating, baking, exposing, and developing the SXM4096 of Shin-Etsu, an ArF resist, on the first pattern.

실시예 4.Example 4.

하드마스크 나이트라이드 상부에 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅 및 베이크하고 노광한 다음, 프리실릴레이션 베이크 공정을 140℃에서 70초 동안 실시하였다. 그런 다음, 헥사메틸 디실라잔을 이용하여 150℃에서 150초 동안 기상으로 실릴레이션하였다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2 의 혼합 가스를 이용하여 -15℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 헥사메틸 디실라잔과 화학결합이 된 부분에 실리콘 디옥사이드층이 형성된다. 이후 두번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드층을 배리어로 비노광 지역을 건식 식각하여 1차 패턴을 형성하였다. 이후 2차 패턴 형성을 위하여 1차 패턴 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 SXM4096을 코팅, 베이크, 노광 및 현상 공정을 수행하여 도 6과 같은 미세 패턴을 형성하였다.After coating, baking and exposing NTS4 of Sumitomos, an ArF resist for TSI, to the hardmask nitride, the presilylation bake process was performed at 140 ° C. for 70 seconds. Then, hexamethyl disilazane was used to silylate at 150 ° C. for 150 seconds. Subsequently, in the etching chamber, the wafer is placed in one step with fluorine / O 2 / SO 2. It was etched in the etching chamber at -15 degreeC using the mixed gas of. At this time, the silicon dioxide layer is formed in a portion that is chemically bonded to hexamethyl disilazane in the non-exposure region. O 2 / SO 2 in the subsequent etching process The first pattern was formed by dry etching the non-exposed areas with the silicon dioxide layer as a barrier. Subsequently, in order to form a secondary pattern, a fine pattern as illustrated in FIG. 6 was formed by coating, baking, exposing, and developing the SXM4096 of Shin-Etsu, an ArF resist, on the first pattern.

실시예 5.Example 5.

하드마스크 나이트라이드 상부에 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅 및 베이크하고 노광한 다음, 프리실릴레이션 베이크 공정을 150℃에서 60초 동안 실시하였다. 그런 다음, 테트라메틸 디실라잔을 이용하여 160℃에서 130초 동안 기상으로 실릴레이션하였다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2 의 혼합 가스를 이용하여 -20℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 테트라메틸 디실라잔과 화학결합이 된 부분에 실리콘 디옥사이드층이 형성된다. 이후 두번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드층을 배리어로 비노광 지역을 건식 식각하여 1차 패턴을 형성하였다. 이후 2차 패턴 형성을 위하여 1차 패턴 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 SXM4096을 코팅, 베이크, 노광 및 현상 공정을 수행하여 도 6과 같은 미세 패턴을 형성하였다.After coating, baking and exposing NTS4 of Sumitomo Inc., an ArF resist for TSI, to the top of the hard mask nitride, a presilylation bake process was performed at 150 ° C. for 60 seconds. Then, tetramethyl disilazane was used to silylate the gas phase at 160 ° C. for 130 seconds. Subsequently, in the etching chamber, the wafer is placed in one step with fluorine / O 2 / SO 2. It was etched in the etching chamber at -20 degreeC using the mixed gas of. At this time, the silicon dioxide layer is formed in a portion where the chemical bond with tetramethyl disilazane in the non-exposed area. O 2 / SO 2 in the subsequent etching process The first pattern was formed by dry etching the non-exposed areas with the silicon dioxide layer as a barrier. Subsequently, in order to form a secondary pattern, a fine pattern as illustrated in FIG. 6 was formed by coating, baking, exposing, and developing the SXM4096 of Shin-Etsu, an ArF resist, on the first pattern.

실시예 6.Example 6.

하드마스크 폴리 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 SXM4096을 코팅하고 베이킹 한 후 노광 공정을 거쳐 미세 패턴을 1차로 형성하였다. 이후 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅과 베이킹 단계를 거친 후 노광 단계를 거쳐 프리실리레이션 베이킹 공정을 120℃에서 80초 동안 실시한 후 핵사메틸 디실라잔을 이용하여 160℃에서 140초 동안 기상으로 실리레이션시켰다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2의 혼합 가스를 이용하여 -15℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 핵사메틸 디실라잔과 화학 결합된 부분이 실리콘 디 옥사이드 층으로 바뀐다. 이후 두번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드 층을 배리어로 노광 지역을 건식 식각하여 2차 패턴을 형성하였다.Shin-Etsu SXM4096, an ArF resist, was coated on the hardmask poly and baked, followed by exposure to form a fine pattern. After coating and baking the NTS4 of TSI ArF resist, Sumitomos Inc., after the exposure step, the presiliation baking process was performed at 120 ° C. for 80 seconds, followed by vapor phase at 160 ° C. for 140 seconds using nuxamethyl disilazane. Silicate as. The wafer was then etched in an etch chamber at −15 ° C. using a mixed gas of fluorine / O 2 / SO 2 in one step. At this point, the chemically bonded portion of the nucleated methyl disilazane in the non-exposed area is turned into a silicon dioxide layer. Subsequently, in the etching process of the second step, a second pattern was formed by dry etching the exposure area using a barrier layer of silicon dioxide with O 2 / SO 2 gas.

실시예 7.Example 7.

하드마스크 나이트라이드 상부에 ArF 레지스트인 신에츠사의 HAS4473을 코팅하고 베이킹 한 후 노광 공정을 거쳐 미세 패턴을 1차로 형성하였다. 이후 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅과 베이킹 단계를 거친 후 노광 단계를 거쳐 프리실리레이션 베이킹 공정을 130℃에서 60초 동안 실시한 후 핵사메틸 디실라잔을 이용하여 150℃에서 150초 동안 기상으로 실리레이션시켰다. 이후 에칭 챔버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2의 혼합 가스를 이용하여 -20℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 핵사메틸 디실라잔과 화학 결합된 부분이 실리콘 디옥사이드 층으로 바뀐다. 이후 두번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2 가스로 실리콘 디옥사이드 층을 배리어로 노광 지역을 건식 식각하여 2차 패턴을 형성하였다.The hard mask nitride was coated with ArF resist HAS4473 Co., Ltd. HAS4473 and baked to form a fine pattern primarily through an exposure process. Subsequently, the NTS4 of Sumitomos, an ArF resist for TSI, was coated and baked, followed by an exposure step, followed by a presilicate baking process at 130 ° C. for 60 seconds, followed by vapor phase at 150 ° C. for 150 seconds using nuxamethyl disilazane. Silicate as. The wafer was then etched in an etching chamber at −20 ° C. using a mixed gas of fluorine / O 2 / SO 2 in one step. At this point, the chemically bonded portion of the nucleated methyl disilazane in the non-exposed area is turned into a silicon dioxide layer. Subsequently, in the etching process of the second step, a second pattern was formed by dry etching the exposure area using a barrier layer of silicon dioxide with O 2 / SO 2 gas.

실시예 8.Example 8.

하드마스크 나이트라이드 상부에 ArF 레지스트인 JSR사의 AIM5076을 코팅하고 베이킹 한 후 노광 공정을 거쳐 미세 패턴을 1차로 형성하였다. 이후 TSI용 ArF 레지스트인 스미토모사의 NTS4를 코팅과 베이킹 단계를 거친 후 노광 단계를 거쳐 프리실리레이션 베이킹 공정을 140℃에서 60초 동안 실시한 후 핵사메틸 디실라잔을 이용하여 160℃에서 140초 동안 기상으로 실리레이션시켰다. 이후 에칭 챔 버에서 웨이퍼를 1단계로 불소/O2/SO2의 혼합 가스를 이용하여 -15℃의 에칭 챔버에서 에칭하였다. 이때 비노광 지역의 핵사메틸 디실라잔과 화학 결합된 부분이 실리콘 디옥사이드 층으로 바뀐다. 이후 두번째 단계의 에칭 공정에서 O2/SO2의 가스로 실리콘 디옥사이드 층을 배리어로 노광 지역을 건식 식각하여 2차 패턴을 형성하였다.On top of the hard mask nitride, ASR5076, an ArF resist, was coated and baked, followed by exposure to form a fine pattern. Subsequently, the NTS4 of Sumitomos, an ArF resist for TSI, was coated and baked, followed by an exposure step, followed by a presiliency baking process at 140 ° C. for 60 seconds, followed by vapor phase at 160 ° C. for 140 seconds using nuxamethyl disilazane. Silicate as. Thereafter, in the etching chamber, the wafer was etched in an etching chamber at −15 ° C. using a mixed gas of fluorine / O 2 / SO 2 in one step. At this point, the chemically bonded portion of the nucleated methyl disilazane in the non-exposed area is turned into a silicon dioxide layer. Subsequently, in the etching process of the second step, a second pattern was formed by dry etching the exposure area with a barrier of silicon dioxide layer using a gas of O 2 / SO 2 .

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.Preferred embodiments of the present invention are for the purpose of illustration, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, substitutions and additions through the spirit and scope of the appended claims, and such modifications may be made by the following claims. Should be seen as belonging to.

도 1a 내지 도 1h는 1차 패터닝시 실릴레이션을 적용한 2중 패터닝 공정의 공정 단면도이다.1A to 1H are cross-sectional views of a double patterning process to which silylation is applied during primary patterning.

도 2a 내지 도 2h는 2차 패터닝시 실릴레이션을 적용한 2중 패터닝 공정의 공정 단면도이다.2A to 2H are cross-sectional views of a double patterning process using sililation during secondary patterning.

도 3 내지 도 7은 각각 실시예 1 내지 실시예 5에서 얻어진 미세 패턴 사진이다.3 to 7 are fine pattern photographs obtained in Examples 1 to 5, respectively.

<부호의 설명><Description of the code>

11: 반도체 기판11: semiconductor substrate

13: 피식각층13: etched layer

13': 피식각층 패턴13 ': Etch layer pattern

15: 제1 감광막15: first photosensitive film

15': 제1 감광막 패턴15 ': first photosensitive film pattern

17: 실릴레이션 막17: silication film

19: 실리콘 산화막19: silicon oxide film

21: 제2 감광막21: second photosensitive film

21': 제2 감광막 패턴21 ': second photosensitive film pattern

Claims (9)

반도체 소자의 패턴 형성방법으로서, 이중 패터닝 공정시 탑 서페이스 이미징 (Top Surface Imaging) 공정을 적용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.A pattern forming method of a semiconductor device, comprising: applying a top surface imaging process during a double patterning process. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탑 서페이스 이미징 공정은 실릴레이션 공정인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.The top surface imaging process is a silicide process, characterized in that the pattern forming method of a semiconductor device. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 탑 서페이스 이미징 공정은 이중 패터닝 공정시 1차 패터닝 공정 또는 2차 패터닝 공정에 적용되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.The top surface imaging process is a pattern forming method of a semiconductor device, characterized in that applied to the first patterning process or the second patterning process in the double patterning process. 청구항 1에 있어서, 상기 패턴 형성방법은The method of claim 1, wherein the pattern forming method 반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;Forming an etched layer on the semiconductor substrate; 상기 피식각층 위에 감광제 조성물을 도포하여 제1 감광막을 형성하는 단계;Forming a first photoresist film by applying a photoresist composition on the etched layer; 상기 제1 감광막을 노광하는 단계;Exposing the first photosensitive film; 상기 노광된 제1 감광막을 실릴레이션 하여 실릴레이션 막을 형성하는 단계;Silylating the exposed first photosensitive film to form a silylation film; 상기 실릴레이션 막을 패터닝하는 단계;Patterning the silylation film; 상기 실릴레이션 막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제1 감광막을 식각하여 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;Forming a first photoresist pattern by etching the first photoresist layer using the silicide film pattern as an etching mask; 상기 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성한 후, 제1 감광막 패턴과 겹치지 않도록 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a second photoresist layer pattern on the first photoresist layer pattern so as not to overlap the first photoresist layer pattern; And 상기 제1 감광막 패턴과 제2 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.And etching the etched layer by using the first photoresist pattern and the second photoresist pattern as an etching mask. 청구항 1에 있어서, 상기 패턴 형성방법은The method of claim 1, wherein the pattern forming method 반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;Forming an etched layer on the semiconductor substrate; 상기 피식각층 위에 감광제 조성물을 도포하여 제1 감광막을 형성하는 단계;Forming a first photoresist film by applying a photoresist composition on the etched layer; 상기 제1 감광막을 노광 및 현상하여 제1 감광막 패턴을 형성하는 단계;Exposing and developing the first photoresist film to form a first photoresist pattern; 상기 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성하는 단계;Forming a second photoresist layer on the first photoresist pattern; 상기 제2 감광막을 노광하는 단계;Exposing the second photosensitive film; 상기 노광된 제2 감광막을 실릴레이션 하여 실릴레이션 막을 형성하는 단계;Silylating the exposed second photosensitive film to form a silylation film; 상기 실릴레이션 막을 패터닝하는 단계;Patterning the silylation film; 상기 실릴레이션 막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 제2 감광막을 식각하여 제1 감광막 패턴과 겹치지 않도록 제2 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및Forming a second photoresist pattern so that the second photoresist layer is etched using the silicide film pattern as an etch mask so as not to overlap the first photoresist pattern; And 상기 제1 감광막 패턴과 제2 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.And etching the etched layer by using the first photoresist pattern and the second photoresist pattern as an etching mask. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 실릴레이션 공정은 실릴화제를 이용하여 90 내지 250 ℃의 온도에서 30 내지 300 초 동안 액상 또는 기상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.The silylation process is a pattern forming method of a semiconductor device, characterized in that carried out in the liquid or gas phase for 30 to 300 seconds at a temperature of 90 to 250 ℃ using a silylating agent. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 실릴화제는 헥사메틸 디실라잔, 테트라메틸 디실라잔, 비스디메틸아미노 디메틸실란, 비스디메틸아미노 메틸실란, 디메틸실릴 디메틸아민, 디메틸실릴 디에틸아민, 트리메틸실릴 디메틸아민, 트리메틸실릴 디에틸아민 및 디메틸아미노 펜타메틸디실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성 방법.The silylating agents are hexamethyl disilazane, tetramethyl disilazane, bisdimethylamino dimethylsilane, bisdimethylamino methylsilane, dimethylsilyl dimethylamine, dimethylsilyl diethylamine, trimethylsilyl dimethylamine, trimethylsilyl diethylamine and dimethyl A method of forming a pattern of a semiconductor device, characterized in that it is selected from the group consisting of amino pentamethyldisilane. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 노광 후 실릴레이션 전에 90 내지 250 ℃의 온도에서 30 내지 300 초 동안 프리실릴레이션 베이크 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.And presilyling bake for 30 to 300 seconds at a temperature of 90 to 250 ° C. after the exposure after siliculation. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 제1 감광막 패턴을 형성한 후 제1 감광막 패턴 상부에 제2 감광막을 형성하기 전에 제1 감광막 패턴에 E-빔을 전면 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으 로 하는 반도체 소자의 패턴 형성방법.And forming an entire surface of the first photoresist pattern and then irradiating an E-beam to the first photoresist pattern before forming the second photoresist on the first photoresist pattern.
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