KR20090117324A

KR20090117324A - 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법

Info

Publication number: KR20090117324A
Application number: KR1020080043318A
Authority: KR
Inventors: 오태환
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12

Abstract

반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법을 개시한다. 본 발명에 의한 포토레지스트의 패터닝 방법은 반도체 기판 위에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC 막을 형성하는 단계; 상기 Si-ARC 막 위에 포토레지스트막을 형성하는 단계;를 포함한다. 상기 Si-ARC 막을 형성한 후 상기 포토레지스트막 형성 전 상기 Si-ARC 막 내의 상기 5-히드록시카르복실산 그룹을 락톤 그룹으로 변환하기 위하여 상기 Si-ARC 막의 노광을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 비극성의 락톤 그룹을 포함하는 Si-ARC 막의 표면은 비극성의 포토레지스트와의 접착성이 향상된다.

포토레지스트 패터닝, Si-ARC 막, 5-히드록시카르복실산 그룹, 락톤 그룹, 극성, 비극성

Description

반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법{Method of photoresist patterning for semiconductor device fabrication}

본 발명은 반도체 소자의 포토레지스트 공정에 관한 것으로서, 특히 실리콘을 함유하는 반사방지막을 적용하는 포토레지스트 공정에 관한 것이다.

반도체 소자의 미세 패턴의 형성을 위해 반도체 기재 위에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이것을 마스크로서 반도체 기재을 식각하는 사진 식각 공정이 사용된다.

미세한 패턴을 구현하기 위하여 노광원의 파장이 짧아짐에 따라, 포토레지스트막과 밑바탕 기재 사이에서 방사선의 반사에 의한 광간섭 효과가 일어난다. 그 결과 포토레지스트 패턴의 선폭이 변동하여 정확한 패턴을 얻을 수 없게 된다. 이와 같은 장해를 억제하기 위해서 포토레지스트와 반도체 기재와의 사이에 반사방지막(antireflective coatings: ARC)이나 보호막 등을 형성하는 것이 실시되고 있다. 그러나 유기 반사방지막이나 보호막을 사용하는 경우 이들 막의 내식각성이 포토레지스트의 내식각성과 근사하여 패턴의 전사에 장애가 된다.

이러한 문제를 해결하고자 반사방지막에 무기물인 Si 함유량을 높여서 내식 각성을 향상시킨 Si-ARC (실리콘 함유 반사방지막)를 채용하고 있다. 도 1은 Si-ARC 막을 사용한 포토레지스트 패턴을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 패터닝하고자 하는 반도체 기재(10) 위에 C-SOH층(탄소-함유 스핀온 하드마스크층)(22), Si-ARC 막(24)이 형성되어 있고, 그 위에 포토레지스트 패턴(26) 이 형성되어 있다.

도 1의 Si-ARC 막(24)은 무기계 반사방지막의 일종으로서 실리콘 함유량을 높여서 내식각성을 증가시키고 있다. 따라서 포토레지스트에 대한 식각 선택비를 높일 수 있어서 포토레지스트 패터닝에 유리하다. 또한 Si-ARC 막(24)은 증착(deposition)이 아닌 스핀 코팅(spin coating)을 이용하여 형성할 수 있어서 CVD(chemical vapor deposition) 방법에 의해 형성하는 다른 무기계 반사방지막인 ACL(amorphous carbon layer) 보다 비용 절감이나 공정의 단순화 측면에서 유리하다.

그러나 내식각성을 증가시키기 위해 실리콘 함유량을 높일 경우 무기(inorganic) 환경의 Si-ARC층(24)과 유기(organic) 환경의 포토레지스트(26)층 사이의 접착(adhesion)이 불량해져서 포토레지스트(26) 패턴이 붕괴되는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 목적은 Si-ARC층과 포토레지스트막 사이의 접착성을 향상시켜서접착 불량에 의한 포토레지스트 패턴의 붕괴를 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴의 형성방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위한 포토레지스트의 패터닝 방법은 반도체 기판 위에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC 막을 형성하는 단계; 상기 Si-ARC 막 위에 포토레지스트막을 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 Si-ARC 막을 형성한 후 상기 포토레지스트막 형성하기 전에 상기 Si-ARC 막 내의 상기 5-히드록시카르복실산 그룹을 락톤으로 변환하기 위하여 상기 Si-ARC 막의 노광을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 Si-ARC 막의 노광은 KrF, ArF, EUV(Extreme Ultra Violet), VUV, E-빔, X-선 또는 이온빔으로 수행될 수 있다. 상기 Si-ARC 막의 노광은 130~150℃의 온도 범위에서 수행될 수 있고, 상기 Si-ARC 막의 노광은 1 내지 100mJ/cm² 의 에너지로 수행될 수 있다.

5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 상기 Si-ARC 막을 형성하는 단계는 실세스퀴옥산 고분자에 4-클로로-5-하이드록시펜타노익산(4-chloro-5-hydroxypentanoic acid)을 반응시키는 단계를 포함한다. 상기 실세스퀴옥산 고분자에 4-클로로-5-하이드록시펜타노익산을 반응시키는 단계는 에틸렌디아 민(ethylenediamine)을 촉매로 사용할 수 있다.

상기 Si-ARC 막을 형성하기 전 하드마스크층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 하드마스크층은 탄소를 함유한 스핀온 하드마스크층(C-SOH)일 수 있다.

상기 포토레지스트막은 아세탈(acetal)형, 아크릴레이트(acrylate)형, ESCAP형, 사이클로올레핀계 단량체들과 말레익안하이드라이드(Cyclo olefin-Maleic anhydride copolymer; COMA)형의 공중합체 및 COMA형과 아크릴레이트형의 하이브리드(hybrid)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되어 형성될 수 있다.

5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막은 노광에 의하여 5-히드록시카르복실산 그룹이 락톤 그룹으로 변화하여 Si-ARC막 표면의 극성을 극성에서 비극성으로 변화시킬 수 있어서 비극성의 포토레지스트와의 접착성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동 일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트의 패터닝 방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

먼저 도 2a를 참조하면, 반도체 기판(100) 위에 C-SOH층(탄소-함유 스핀온 하드마스크층)(122)을 형성한다. 반도체 기판(100)은 반도체 소자의 패턴을 형성하는 반도체층, 도전층이나 절연층일 수 있다. 본 실시예에서는 C-SOH층을 사용하였으나 다른 종류의 하드마스크층을 사용할 수 있고, 경우에 따라서는 C-SOH층을 사용하지 않을 수 있다.

도 2b를 참조하면, C-SOH 막(122) 위에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막(실리콘 함유 반사방지막)(124)을 형성한다.

도 3은 5-히드록시카르복실산 그룹이 Si-ARC막에 도입되는 과정의 화학식이다. 도 3을 참조하면, Si-ARC막의 레진을 구성하는 실세스퀴옥산 고분자에 4-클로로-5-히드록시펜타노익산(4-chloro-5-hydroxypentanoic acid)을 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 촉매로 하여 0도에서 24시간 반응시킨 후 정제한다. 도 3의 4-염화-5-히드록시펜타노익산의 R1, R2는 알킬 그룹으로 이루어져 있으며 알킬 그룹의 탄소 분자가 많을 수록 소수성 포토레지스트와의 접착성은 증가한다. 따라서 알킬 그룹의 탄소수를 조절하여 일정 범위에서 포토레지스트와의 접착성의 향상을 도모할 수 있다.

5-히드록시카르복실산 그룹은 극성을 많이 띄기 때문에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막은 극성 포토레지스트와의 접착성이 좋고 HMDS(hexamethyldisilazane: 헥사메틸디실라잔)으로 표면 처리된 반도체 기판과의 반응성이 좋아 적은 양의 도포로도 큰 효과를 낼 수 있다.

반면, 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막 위에 비극성 포토레지스트를 사용하게 될 경우 극성 차이로 인해 Si-ARC막과 포토레지스트막 사이에 접착 불량이 발생할 수 있다. 이 경우에는 포토레지스트막을 형성하기 전에 Si-ARC막을 노광처리하여 Si-ARC막 내의 5-히드록시카르복실산을 비극성을 띠는 육각형 형태의 락톤으로 변환시킴으로써 Si-ARC막과 포토레지스트 사이의 극성 차이를 줄일 수 있다. Si-ARC막과 포토레지스트가 모두 비극성이 되어 극성 차이가 줄어들면 Si-ARC막 위의 포토레지스트의 접촉성이 증대하여 포토레지스트 패턴의 붕괴를 막을 수 있다.

노광에 의해 5-히드록시카르복실산 그룹이 육각형 형태의 락톤 그룹으로 변하는 과정에서 부산물로서 물분자가 발생한다. 물분자는 노광 후 열처리 공정에서 증발하여 제거되기 때문에 열처리 공정 후 포토레지스트 도포 과정에 다른 부작용을 일으키지 않는다.

5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막은 카르복실산 구조나 락톤 구조에서 모두 열적으로 안정하며 노광 후 가열 과정에서 다른 부반응은 일어나지 않는다.

도 2c를 참조하면, Si-ARC 막(124)이 도포된 반도체 기판을 노광 처리한다. 이때 노광은 패터닝을 위한 것이 아니므로 마스크 없이 Si-ARC 막(124) 표면을 전면으로 노광하는 것이다. Si-ARC 막(124)의 노광은 KrF, ArF, EUV(Extreme Ultra Violet), VUV, E-빔, X-선 또는 이온빔으로 수행할 수 있다. Si-ARC 막(124)의 노광은 130~150℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.

Si-ARC 막(124)의 노광에 의하여 Si-ARC 막(124)의 표면에서는 5-히드록시카르복실산 그룹이 락톤 그룹으로 변환된다. 도 4는 노광에 의하여 5-히드록시카르복실산 그룹이 락톤 그룹으로 변환되는 과정을 나타낸 화학식이다. 락톤 그룹을 포함하는 Si-ARC 막(125)은 비극성을 띠게 되어 비극성 포토레지스트와의 접착성이 좋아진다.

도 2d를 참조하면, 노광에 의하여 형성된 락톤 그룹을 포함하는 Si-ARC 막(125) 위로 포토레지스트를 도포하고 노광에 의하여 포토레지스트 패턴(126)을 형성한다. 락톤 그룹을 포함하는 Si-ARC 막(125)에 의하여 Si-ARC 막(124)과 포토레지스트 패턴(126)의 접착성이 좋아져서 미세한 패턴의 포토레지스트 프로파일을 패턴 붕괴 없이 형성할 수 있다.

도 2e를 참조하면, 포토레지스트 패턴(126)을 마스크로 하여 Si-ARC 막(124, 125)과 C-SOH 막(122)을 식각하여 반도체 기재를 식각하기 위한 마스크 패턴(120)을 형성한다.

5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC막은 노광에 의하여 5-히드록시카르복실산 그룹이 락톤 그룹으로 변화하여 Si-ARC막 표면의 극성을 극성에서 비극성으로 변화시킬 수 있어서 비극성의 포토레지스트와의 접착성을 향상시킬 수 있다. 한편, 5-히드록시카르복실산 그룹은 극성을 띠므로 극성의 포토레지스트를 사용할 경우에는 노광 공정에 의한 5-히드록시카르복실산 그룹의 락톤 그룹으로의 변 환 없이 Si-ARC막을 사용하여 극성의 포토레지스트와의 접착성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1은 Si-ARC 막을 사용하는 포토레지스트 적층 구조의 단면도이다.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토레지스트의 패터닝 방법을 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.

도 3은 5-히드록시카르복실산 그룹이 Si-ARC막에 도입되는 과정의 화학식이다.

도 4는 노광에 의하여 5-히드록시카르복실산 그룹이 락톤 그룹으로 변환되는 과정을 나타낸 화학식이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100: 반도체 기판 120: 마스크 패턴

122: C-SOH 막 124, 125: Si-ARC 막

126: 포토레지스트막

Claims

반도체 기판 위에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 Si-ARC 막을 형성하는 단계;

상기 Si-ARC 막 위에 포토레지스트막을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제1 항에 있어서, 상기 Si-ARC 막을 형성한 후 상기 포토레지스트막 형성 전 상기 Si-ARC 막 내의 상기 5-히드록시카르복실산 그룹을 락톤으로 변환하기 위하여 상기 Si-ARC 막의 노광을 수행하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제2 항에 있어서, 상기 Si-ARC 막의 노광은 KrF, ArF, EUV(Extreme Ultra Violet), VUV, E-빔, X-선 또는 이온빔으로 수행되는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제2 항에 있어서, 상기 Si-ARC 막의 노광은 130~150℃의 온도 범위에서 수행되는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제4 항에 있어서, 상기 Si-ARC 막의 노광은 1 내지 100mJ/cm² 의 에너지로 수행되는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제1 항에 있어서, 레진에 5-히드록시카르복실산 그룹이 도입된 상기 Si-ARC 막을 형성하는 단계는 세스퀴옥산 고분자에 4-클로로-5-하이드록시펜타노익산(4-chloro-5-hydroxypentanoic acid)을 반응시키는 단계를 포함하는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제6 항에 있어서, 상기 실세스퀴옥산 고분자에 4-클로로-5-하이드록시펜타노익산을 반응시키는 단계는 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 촉매로 사용하는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제1 항에 있어서, 상기 Si-ARC 막을 형성하기 전 하드마스크층을 형성하는 단계를 더 포함하는 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제8 항에 있어서, 상기 하드마스크층은 탄소를 함유한 스핀온 하드마스크층(C-SOH)인 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.
제1 항에 있어서, 상기 포토레지스트막은 아세탈(acetal)형, 아크릴레이 트(acrylate)형, ESCAP형, 사이클로올레핀계 단량체들과 말레익안하이드라이드(Cyclo olefin-Maleic anhydride copolymer; COMA)형의 공중합체 및 COMA형과 아크릴레이트형의 하이브리드(hybrid)로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되어 형성된 반도체 소자의 형성을 위한 포토레지스트의 패터닝 방법.