KR20090122649A - 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 소자 패턴의 해상도를 향상시키기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 반도체 기판 위에 소정의 임계치수로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 열산 발생제, 솔벤트 및 수지를 포함하는 캡핑 포토레지스트를 상기 형성된 포토레지스트 패턴 위에 도포하는 단계; 상기 반도체 기판을 일정한 온도로 가열하여, 상기 포토레지스트와 상기 캡핑 포토레지스트가 반응하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 주위로 산화막이 확산되게 하는 단계; 상기 캡핑 포토레지스트 위에 현상액을 분사하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 및 가열에 의해 확산된 산화막을 제외한 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 방법에 따르면, 새로운 장비를 도입할 필요없이 기존의 ArF 노광원 또는 KrF 노광원을 그대로 사용하면서도 반도체 소자 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.

반도체 소자 패턴, 캡핑 포토레지스트, 산화막, 해상도, 유기 물질

Description

반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법{Method for enhancing resolution of semicondutor element pattern}

본 발명은 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법에 관한 것이고, 특히 사진 식각 공정(photolithography)에 의해 생성되는 반도체 소자 패턴의 임계치수(CD; critical dimension)를 감소시켜 해상도를 향상시키도록 하는 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법에 관한 것이다.

반도체 소자가 고집적화, 소형화 및 고속화 되어감에 따라, 미세 가공 기술, 즉 사진 식각 공정은 반도체 소자 제조에서 매우 중요한 공정 중 하나가 되고 있다. 이러한 사진 식각 공정은 알려진 바와 같이, 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하는 공정과, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하는 식각 공정을 통해 피식각층을 제거하여 원하는 형태의 패턴을 형성하는 공정이다. 여기서, 포토레지스트 패턴은 피식각층 위에 포토레지스트를 코팅하는 공정과, 준비된 노광 마스크를 이용해 포토레지스트를 노광하는 공정과, 소정의 화학 용액으로 노광되거나 또는 노광되지 않은 포토레지스트 부분을 제거하는 현상 공정을 통해 형성된다.

한편, 사진 식각 공정으로 구현할 수 있는 포토레지스트 패턴의 임계치수는 노광 공정에서 어떤 파장의 광원을 사용하느냐에 따라 좌우되며, 보다 미세한 선폭을 구현하기 위해서는 보다 짧은 파장의 빛을 사용한 노광 공정으로 포토레지스트 패턴을 형성한다.

종래에는, KrF 노광원을 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성하였으나, 이 노광원에 의해 130㎚ 이하의 선폭을 갖는 소자를 구현하는 것은 매우 어렵다. 따라서, 근래에는 KrF 노광원에 비해 파장이 짧고 해상도가 좋은 ArF 노광원을 사용하여 포토레지스트 패턴을 형성하고 있다. 또한, ArF 노광원인 경우에도 등급에 따라 구현할 수 있는 해상도의 차이가 있다.

일반적으로 임계 치수의 한계를 극복하여 더 미세한 패턴을 형성하기 위한 방법 중 간단한 방법은 해상도가 좋은 장비로 업그레이드하는 것이다. 하지만, 신규 장비를 새로 도입하여야 하기 때문에 생산비용을 증가시킨다는 문제점이 있으며, 새로운 장비의 도입에 따라 공정을 새롭게 셋업(set-up)해야 한다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 새로운 장비를 도입할 필요없이 기존의 ArF 노광원 또는 KrF 노광원을 그대로 사용하면서도 반도체 소자 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있도록 된 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법은 반도체 기판 위에 소정의 임계치수로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 열산 발생제, 솔벤트 및 수지를 포함하는 캡핑 포토레지스트를 상기 형성된 포토레지스트 패턴 위에 도포하는 단계; 상기 반도체 기판을 일정한 온도로 가열하여, 상기 포토레지스트와 상기 캡핑 포토레지스트가 반응하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 주위로 산화막이 확산되게 하는 단계; 상기 캡핑 포토레지스트 위에 현상액을 분사하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 및 가열에 의해 확산된 산화막을 제외한 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산화막의 확산 거리는 반도체 기판의 가열 온도에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캡핑 포토레지스트는 1600 내지 3000 Å의 두께로 도포되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반도체 기판의 가열 온도는 100 내지 140℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 새로운 장비를 도입할 필요없이 기존의 ArF 노광원 또는 KrF 노광원을 그대로 사용하여 반도체 소자 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더 라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 기존의 ArF 노광원을 사용하여 반도체 기판(10) 위에 사진 식각 공정에 의해 120nm의 선폭을 갖는 포토레지스트 패턴(20)을 형성한 상태를 나타내는 도면이다.

포토레지스트 패턴을 형성하는 공정은 피식각층 위에 포토레지스트를 코팅하는 공정과, 준비된 노광 마스크를 이용해 포토레지스트를 노광하는 공정과, 소정의 화학 용액으로 노광되거나 또는 노광되지 않은 포토레지스트 부분을 제거하는 현상 공정을 통해 형성된다. 일반적으로, 포토레지스트는 광산 발생제(photo acid generator; PAG), 솔벤트 및 수지를 포함한다. 이러한 공정들 사이에는 반도체 기판을 가열하는 베이킹(baking) 공정도 포함된다.

도 2는 도 1에 도시된 포토레지스트 패턴(20) 위에 캡핑 포토레지스트(capping photoresist; 30)를 도포한 상태를 나타내는 도면이다. 여기서, 캡핑 포토레지스트(30)는 기판 위에 형성된 포토레지스트의 유기 물질과 반응하여 산화막을 형성하는 열산 발생제(thermal acid generator; TAG), 솔벤트 및 수지를 포함하는 물질을 말한다. 이러한 캡핑 포토레지스트의 코팅은 상기 포토레지스트 패턴이 형성된 반도체 기판을 소정 속도로 회전시키면서 그 위에 캡핑 포토레지스트(30)를 분사하는 스핀 코팅 방법으로 수행된다. 상기 캡핑 포토레지스트(30)는 약 1600 내지 3000 Å의 두께로 도포된다.

도 3은 베이킹(baking) 공정에 의해 반도체 기판 위에 형성된 포토레지스트 패턴(20)의 유기 물질과 그 위에 도포된 캡핑 포토레지스트(30)가 반응하여 산화막(40)이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.

이때, 포토레지스트 패턴(20)의 OH-기와 캡핑 포토레지스트(30)의 OH-기 간의 결합이 일어나며, 동시에 N-R 결합과 R-R 결합이 일어난다. 부산물로 H₂O가 발생하고, 베이킹 공정시 사라진다. 이러한 포토레지스트 패턴(20)의 유기물질과 캡핑 포토레지스트(30) 간의 화학반응이 도 5에 도시되어 있다.

또한, 상기 캡핑 포토레지스트(30)는 기존의 포토레지스트보다 적은 양의 솔벤트를 포함하여, 한 번의 베이킹으로도 솔벤트가 휘발되어 사라진다. 이때, 산화막(40)의 확산거리는 베이킹 온도에 의해 정해진다.

임계치수를 60nm 정도로 하기 위해서는, 산화막을 약 30nm 정도로 확산시키면 된다. 포토레지스트 패턴 주위의 양 측면으로 30nm 정도로 산화막이 확산되므로, 소자 패턴의 선폭은 60nm가 줄어들게 되어, 패턴의 선폭은 60nm가 된다. 상기 베이킹 온도는 100 내지 140℃ 정도이다. 이러한 베이킹 온도에 의해서 임계거리를 조절할 수 있다.

도 4는 현상 공정에 의해 캡핑 포토레지스트(30)가 제거되고 최종적으로 포토레지스트 패턴이 완성된 상태를 나타내는 도면이다. 도면부호 50은 확산된 산화 막을 포함하는 완성된 포토레지스트 패턴을 나타낸다.

알려진 바와 같이, 현상 공정은 노광된 포토레지스트 패턴 중 불필요한 부분을 제거하여 웨이퍼의 표면에 의도한 패턴을 형성시키는 공정이다. 현상을 위해서는, 노광된 웨이퍼의 표면에 현상액을 분사하여 포토레지스트의 특성에 따라서 노광된 부분 또는 그렇지 않은 부분이 현상액과 반응하여 기판 표면에 남거나 제거된다. 그 후, 순수(DI Water)를 분사하여 웨이퍼 표면을 세정한다.

현상 단계에서, 포지티브 포토레지스트에서는 노광된 영역이 제거되고, 네거티브 포토레지스트에서는 노광되지 않은 영역이 제거된다. 본 발명의 캡핑 포토레지스트는 상기 노광되지 않은 영역이 현상 공정에 의해 제거되므로 네거티브 포토레지스트와 유사하다고 할 수 있다.

이와 같이, 최종적으로 형성된 포토레지스트 패턴(50)의 선폭은 60nm가 되어, 포토레지스트 패턴의 임계치수가 감소되므로 해상도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 해상도 향상 방법은 기존의 ArF 노광원을 사용하여 반도체 기판 위에 120nm의 선폭을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 캡핑 포토레지스트의 코팅, 베이킹, 현상 단계를 거치면서 형성된 포토레지스트 패턴 주위로 산화막을 확산시킴으로써 패턴의 임계치수를 감소시킨다.

이러한 방법에 따르면, 120nm의 선폭을 갖는 기존의 ArF 노광원을 그대로 사 용하면서도 반도체 소자 패턴의 임계치수를 60nm 정도로 감소시킬 수 있어 해상도를 증가시킬 수 있다. 또한, 베이킹 온도 조절에 따른 산화막의 확산 정도에 따라 임계치수를 45nm 정도까지 감소시킬 수도 있다.

또한, 기존의 KrF 노광원을 사용하는 경우에도, 임계치수의 감소에 의해 기존의 ArF 노광원 수준의 해상도를 얻는 것이 가능하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

도 1은 ArF 노광원을 사용하여 반도체 기판 위에 120nm의 선폭을 갖는 포토레지스트 패턴을 형성한 상태를 나타내는 도면.

도 2는 도 1의 포토레지스트 패턴 위에 캡핑 포토레지스트를 도포한 상태를 나타내는 도면.

도 3은 베이킹 공정에 의해 반도체 기판 위에 형성된 소자 패턴 주위로 산화막이 형성된 상태를 나타내는 도면.

도 4는 현상 공정에 의해 캡핑 포토레지스트가 제거되고 최종적으로 포토레지스트 패턴이 완성된 상태를 나타내는 도면.

도 5는 포토레지스트의 유기물질과 캡핑 포토레지스트 간의 화학반응을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반도체 기판

20 : 포토레지스트 패턴

30 : 캡핑 포토레지스트

40 : 산화막

50 : 최종적으로 형성된 포토레지스트 패턴

Claims (4)

1. 반도체 기판 위에 소정의 임계치수로 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   열산 발생제, 솔벤트 및 수지를 포함하는 캡핑 포토레지스트를 상기 형성된 포토레지스트 패턴 위에 도포하는 단계;

   상기 반도체 기판을 일정한 온도로 가열하여, 상기 포토레지스트와 상기 캡핑 포토레지스트가 반응하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 주위로 산화막이 확산되게 하는 단계;

   상기 캡핑 포토레지스트 위에 현상액을 분사하여 상기 형성된 포토레지스트 패턴 및 가열에 의해 확산된 산화막을 제외한 물질을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산화막의 확산 거리는 반도체 기판의 가열 온도에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 캡핑 포토레지스트는 1600 내지 3000 Å의 두께로 도포되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반도체 기판의 가열 온도는 100 내지 140℃인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 패턴의 해상도 향상 방법.

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