KR20130030869A

KR20130030869A - 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법

Info

Publication number: KR20130030869A
Application number: KR1020110094428A
Authority: KR
Inventors: 이성구
Original assignee: 에스케이하이닉스 주식회사
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-28

Abstract

본 발명의 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법은, 반도체 기판의 피식각층 상부에 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG), 고분자 수지(resin polymer) 및 용매(solvent)로 구성되는 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)를 도포하는 단계; 상기 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가하는 단계; 제1 패턴 형성을 위해 제1 포토마스크를 사용하여 1차 노광을 실시하는 단계; 상기 제1 패턴보다 작은 제2 패턴 형성을 위해 제2 포토마스크를 사용하여 2차 노광을 실시하는 단계; 및 상기 2차 노광 공정 후에 PEB(Post Exposure Bake) 공정, 현상(Development) 공정을 진행하여 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴을 형성하는 단계를 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법{METHOD FOR FORMING FINE PATTERNS USING DOUBLE EXPOSURE}

본 발명은 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 별도로 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가한 감광제에 대하여 1차 노광 및 2차 노광을 진행하여 30nm 이하 수준의 초미세패턴을 구현하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법에 관한 것이다.

오늘날 메모리 소자를 장착한 개인 휴대 장비와 개인용 컴퓨터 등과 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라 대용량의 저장 능력을 가지면서 데이터 액세스(data access) 동작 속도가 향상된 신뢰성 있는 고집적 반도체 소자를 제조하기 위한 공정 설비 및 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.

고집적 반도체 소자는 패턴 선폭의 임계 치수(Critical Dimension, CD), 즉 패턴의 선폭 크기가 작을수록 정보 처리 속도가 빠르다. 이에 따라, ArF(193nm) 또는 VUV(157nm)와 같은 단파장의 화학 증폭형의 원자외선(Deep Ultra Violet, DUV) 광원을 사용하는 포토 리소그라피(photo lithography) 공정에서 패턴 선폭의 임계 치수(Critical Dimension, CD)를 제어하는 기술이 중요한 기술로 대두 되고 있다.

하지만, 현재 개구 수(Numerical Aperture, NA)가 1.0 이하인 ArF 노광 장비의 한계 상 통상적인 1회 노광 공정을 이용하는 액침(immersion) 리소그라피 공정으로는 30nm 이하의 라인 앤 스페이스(Line and Space, L/S) 패턴을 형성하기 어렵다.

이로 인해 차세대 노광 기술이 도입되기 전까지 포토 리소그라피(photo lithography) 기술의 해상도 향상 및 공정 마진 확장 일환으로, 얻고자 하는 패턴 선폭보다 두 배의 선폭을 가지는 제1 패턴들을 형성한 후 제1 패턴들 사이에 똑같은 선폭 주기를 가지는 제2 패턴들을 형성하는 소위 “이중 노광(Double Exposure)” 기술이 현재 반도체 소자의 양산 공정에 적용되고 있다.

도 1a ~ 도 1g는 종래의 LLE(Litho-Litho-Etch) 공정에 의한 패턴 형성과정을 도시한 것으로, 이중 도 1a는 종래의 1차 노광, 현상에 의해 1차 양성 포토레지스트 패턴이 형성된 단면을 도시한 것이다.

도 1a를 참조하면, 종래의 1차 양성 포토레지스트 패턴 형성 과정은 실리콘(Si) 기판(110) 위에 차례로 PE-TEOS (plasma-enhanced tetraethylorthosilicate, 121), ACL(Armorphous Carbon Layer, 122), SiON(123) 층이 증착된 하드 마스크(hard mask) 및 BARC(Bottom Anti-Reflective Coating, 125)이 형성된 층 상부에 양성감광막(Positive photoresist layer)을 도포한 후 1차 노광 및 현상 공정을 실시하여 1차 양성 포토레지스트 패턴(130a)을 형성하는 과정을 갖는다.

도 1b는 종래의 2차 노광 및 현상에 의해 2차 음성 포토레지스트 패턴이 형성된 단면을 도시한 것이다.

도 1b를 참조하면, 종래의 2차 음성 포토레지스트 패턴 형성 과정은 실리콘(Si) 기판(110) 위에 차례로 PE-TEOS (plasma-enhanced tetraethylorthosilicate, 121), ACL(Armorphous Carbon Layer, 122), SiON(123) 층이 증착된 하드 마스크(hard mask) 및 BARC(Bottom Anti-Reflective Coating, 125)이 형성된 층 상부에 음성감광막(Negative photoresist layer)을 도포한 후 2차 노광 및 현상 공정을 실시하여 2차 음성 포토레지스트 패턴(130b)을 형성하는 과정을 갖는다.

도 1c는 도 1a, 도 1b에 의해 형성된 1차 양성 포토레지스트 패턴 및 2차 음성 포토레지스트 패턴이 형성된 단면을 도시한 것이다.

도 1d ~ 도 1g는 도 1c에 형성된 1차 양성 포토레지스트 패턴(130a) 및 2차 음성 포토레지스트 패턴(130b)을 이용하여 원하는 소정의 1차 패턴 및 2차 패턴을 형성하는 일련 과정을 도시한 것이다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 도 1d는 SiON(123)를 식각 스토퍼(etch stopper)로 사용하여 BARC(125)을 식각(etch) 하여 소정의 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.

도 1e ~ 도 1g는 각각 ACL(122), PE-TEOS(121), 실리콘(Si) 기판(110)을 식각 스토퍼(etch stopper)로 사용하여 차례대로 SiON(123), ACL(122), PE-TEOS(121)을 식각(etch) 하여 소정의 패턴을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.

하지만 종래의 LLE 공정에 의한 패턴 형성과정은 아래와 같은 문제점이 있었다.

첫째, 종래의 LLE 공정에 의한 패턴 형성과정은 1차 노광 공정 진행 후 후속의 2차 노광 공정 수행을 위해 별도로 프리징 에이전트(freezing agent) 등을 도포해야 할 뿐 아니라, 이로 인해 별도의 트랙(Track) 노즐 등의 수정 작업이 요구되어 추가 비용 및 공정수가 증가된다는 문제점이 있었다.

둘째, 종래의 LLE 공정에 의한 패턴 형성과정은 2차 노광 공정 수행 시 음성감광막(Negative photoresist layer)을 사용함으로써 NTD(Negative Tone Development)을 수행하기 위한 전용 현상기(Developer)가 필수적으로 요구되고, 이로 인해 별도의 전용 트랙(Track) 장비 내 유닛(Unit)이 필요할 정도로 공정이 복잡하고 비용이 대폭 상승된다는 문제점이 있었다.

셋째, 종래의 LLE 공정에 의한 패턴 형성과정은 2차 노광 공정 수행 시 음성감광막(Negative photoresist layer)을 도포할 경우 제1 양성 포토레지스트 패턴과 제2 음성 포토레지스트 패턴 간에 유발되는 인터믹싱(intermixing) 현상에 의해 제1 양성 포토레지스트 패턴이 손상되는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 별도로 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가한 감광제에 대하여 1차 노광 및 2차 노광을 진행하여 30nm 이하 수준의 초 미세패턴을 구현하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법은, 반도체 기판의 피식각층 상부에 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG), 고분자 수지(resin polymer) 및 용매(solvent)로 구성되는 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)를 도포하는 단계; 상기 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가하는 단계 제1 패턴 형성을 위해 제1 포토마스크를 사용하여 1차 노광을 실시하는 단계; 상기 제1 패턴보다 작은 제2 패턴 형성을 위해 제2 포토마스크를 사용하여 2차 노광을 실시하는 단계; 및 상기 2차 노광 공정 후에 PEB(Post Exposure Bake) 공정, 현상(Development) 공정을 진행하여 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴을 형성하는 단계를 제공한다.

본 발명은 종전의 LLE 공정에서 요구되었던 프리징 에이전트(freezing agent), NTD(Negative Tone Development), 스페이서(Spacer) 형성 등 추가 공정을 사용하지 않고, 간단한 이중 노광(double exposure)을 통해 미세패턴을 형성할 수 있는 기술적 효과가 있다.

도 1a ~ 도 1g는 종래의 LLE 공정에 의한 패턴 형성과정을 도시한 것이다.
도 2a ~ 도 2d 본 발명에 의한 패턴 형성과정을 도시한 것이다.
도 3은 도 2b, 도 2c의 메커니즘을 설명하기 위한 참고도를 나타낸 것이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2a는 본 발명에 의한 1차 패턴 형성을 위해 1차 노광 공정만을 실시하는 과정을 도시한 것이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명은 복수의 비투과층(220a~220d)을 포함하는 제1 포토마스크(220), 반도체 기판(210), 상기 반도체 기판(210)의 피식각층 상부에 소정의 두께로 도포된 감광막(photoresist layer, 미도시)을 포함한다.

복수의 비투과층(220a ~ 220d)은 빛을 투과시키지 않는 크롬(Cr)을 패턴 닝(patterning) 하여 형성되고, 이들은 서로 이웃한 간격(W1)이 40nm ~ 50nm 정도의 크기를 갖는다.

1차 노광된 빛은 상기 간격(W1)을 통과하여 반도체 기판(210) 상의 복수의 노광영역(240a ~ 240c)을 조사하게 한다.

이로써 제1 포토마스크(220)는 구현하고자 하는 최종 패턴의 크기(이를 테면, 10nm ~ 30nm) 보다 더 크게 마스크 크기(Mask size)를 조절하는 것이 가능하여 마스크(Mask) 제작 상 마진(margin)을 갖는 장점이 있다.

본 발명은 종래와 달리, ArF(193nm) 액침(Immersion)용 감광제(photo sensitizer)로 사용하는 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR) 외에 별도로 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가한 감광제(photo sensitizer)를 사용함에 기술적 특징이 있다.

이하 본 발명에 사용된 감광제(photo sensitizer)에 대해 상세히 설명한다.

화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)는 원자외선(DUV) 등의 활성광선 또는 방사선의 조사에 의해 노광 영역에 산(acid)을 생성시키고, 생성된 산(acid)을 촉매로 반응을 진행하여 활성광선 또는 방사선의 조사부와 비조사부의 현상액에 대한 용해성을 변화시켜 패턴을 기판 상에 형성시키는 패턴 형성 재료이다.

화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)는 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG), 고분자 수지(resin polymer), 용매(solvent)로 구성되며, 원자외선(DUV) 조사에 매우 민감하고 현상액에서 노광된 영역과 노광되지 않은 영역에서 용해도가 완전히 다른 특성을 나타낸다.

광산발생제(Photo Acid Generator, PAG)는 촉매작용을 하여 약간의 빛으로도 사슬 반응을 일으키고 궁극적으로 아주 적은 양의 빛으로도 고감도를 유지할 수 있도록 제조되는데, 이는 최근의 단파장 빛들이 흡수가 잘되어 적은 양의 빛으로도 해상도를 유지해야 하기 때문이다.

화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR) 물질로 바람직하게는 폴리 비닐페놀계, 폴리하이드록시스틸렌계, 폴리노르보넨계, 폴리아다만틸계, 폴리이미드계, 폴리아크릴레이트계, 폴리메타아크릴레이트계, 폴리플루오린계 중에서 선택된 하나 이상의 고분자 수지(resin polymer), 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG) 및 유기 용매(organic solvent)를 포함하여 사용할 수 있다.

광염발생제(Photo Base Generator)는 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG)의 함량을 고려하여 첨가하는 양을 결정한다. 바람직하게는 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG) 100 중량부[wt %]에 대해 0.005 ~ 80 중량부[wt %], 0.001 ~ 50 중량부[wt %] 또는 0.005~30 중량부[wt %]를 갖는 광염발생제(Photo Base Generator)를 첨가한다.

본 발명의 경우 사용한 감광제(photo sensitizer)는 양성감광막(Positive photoresist layer)으로, 이는 도 3에서 도시한 바와 같이, 광세기(Eop)의 변화에 대해 감광막의 두께 변화 즉 보다 큰 기울기 분포(점선 분포)를 보이는 하이어 콘트라스트(higher contrast) 특성을 갖는다.

도 3에서 제1 영역(S1)은 비 노광 지역에서 감광막(photoresist)이 남아 있는 영역을 나타낸 것이고, 제2 영역(S2)은 2차 패턴이 형성되는 영역을 나타낸 것이며, 제3 영역(S3)은 노광에 의해 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG)가 활성화 되어 감광막(photoresist)이 완전히 제거된 영역을 나타낸 것이다.

광염발생제(Photo Base Generator, PBG) 물질로 [화학식1], [화학식2], [화학식3]에 각각 도시된 Carbamate, Benzyl Carbamate, Benzoin Carbamate의Carbamate 계열의 물질을 사용하거나, [화학식4], [화학식5]에 각각 도시된 제1, 제2 O-carbamoyl hydroxylamine를 사용하는 Hydroxyamine 계열의 물질을 사용할 수 있다.

본 발명의 1차 노광 공정은 공정이 가능한 패턴 선폭인 40nm 정도의 1차 패턴 형성을 위해 노광 만을 진행 하고, 노광 후 별도의 통상적인 PEB(Post Exposure Bake) 공정 및 현상(Development) 공정을 진행하지 않으므로 종전의 LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)처럼 공정이 복잡해지는 점을 방지한다.

도 2b 본 발명의 2차 노광에 의한 2차 패턴 형성과정 시 메커니즘을 설명하는 도면을 나타낸 것이고, 도 2c는 본 발명의 2차 노광에 의한 2차 패턴 형성과정 시 반응이 완료 후 패턴의 단면을 각각 나타낸 것이다.

도 2b를 참조하면, 본 발명은 10nm ~ 30nm의 간격(W2)을 서로 두고 형성된 복수의 비투과층(220a’ ~ 220d’)을 포함하는 제2 포토마스크(220’)를 사용하여 1차 노광 시 노출된 복수의 노광영역(240a ~ 240c)의 중심부를 향해 2차 노광을 실시한다.

이때 1차 노광 시 노출된 광세기(Eop) 보다 큰 노출량(over expose)으로 2차 노광을 진행하면, 아래와 같은 메커니즘에 의해 상기 중심부에 새로운 2차 패턴이 형성된다.

즉 1차 노광 시 활성화 된 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG)에서 발생한 산(H⁺)은 앞의 도 2a에서 설명한 바 있는 별도로 첨가된 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)와 반응하여 점차 소멸되는 과정을 갖는다.

반응 초기에 상기 중심부의 양성감광막(Positive photoresist layer)은 현상액에 용해되지 않는 특성을 갖는 베이스(base, 245a~245c)로 변경되는데(도2b 참조), 이 점이 1차 노광 시 빛을 받은 부분이 현상액에 용해되는 통상의 양성감광막(Positive photoresist layer)의 특성과 구별되는 점이다.

반응이 진행되어 발생한 산(H⁺)이 완전히 제거되면, 상기 중심부에 최초 두께(t)를 갖는 감광막의 상층면으로부터 소정의 두께(t)가 식각된 제2 패턴(245a ~ 245c)이 자발적으로 형성된다. (도2c 참조)

도 2d는 본 발명의 2중 노광에 의해 형성되는 1차, 2차 패턴의 단면을 도시한 것이다.

도 2d를 참조하면, 제1 패턴들(230a~230d) 및 제2 패턴 들(245a~245c)은 상기 도 2c의 2차 노광 공정을 진행한 이후 가열을 통해 노광지역의 경계를 지어 주기 위한 통상적인 PEB(Post Exposure Bake) 공정 및 패턴형성에 불필요한 감광막(photoresist)을 제거하기 위한 통상적인 현상(Development) 공정을 통해 완성된다.

이 경우 제1 패턴 들(230a~230d) 간의 거리(W1) 즉 선폭(Critical Dimension, CD)은 1차 노광 시 제1 포토마스크(220)의 비투과층(220a~220d)들 간의 서로 이웃한 간격(W1)인 40nm ~ 50nm 정도의 크기를 갖는다.

반면, 제2 패턴 들(245a~245c)의 폭(W2)은 2차 노광 시 제2 포토마스크(220’)의 비투과층(220a’~220d’)들 간의 서로 이웃한 간격(W2)인 10nm ~ 30nm 정도의 크기를 갖는다.

이로써 본 발명은 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 별도로 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가한 감광제에 대하여 1차 노광 및 2차 노광을 진행하여 30nm 이하 수준의 초 미세패턴을 구현할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

220 : 제1 포토마스크
W1 : 제1 포토마스크의 비투과층들 사이의 간격
220’: 제2 포토마스크
W2 : 제2 포토마스크의 비투과층들 사이의 간격
230a ~ 230d : 제1 패턴들
245a ~ 245c : 제2 패턴들
210 : 반도체 기판

Claims

반도체 기판의 피식각층 상부에 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG), 고분자 수지(resin polymer) 및 용매(solvent)로 구성되는 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)를 도포하는 단계;
상기 화학증폭감광제(Chemical Amplified Resist, CAR)에 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)를 첨가하는 단계;
제1 패턴 형성을 위해 제1 포토마스크를 사용하여 1차 노광을 실시하는 단계;
상기 제1 패턴보다 작은 제2 패턴 형성을 위해 제2 포토마스크를 사용하여 2차 노광을 실시하는 단계; 및
상기 2차 노광 공정 후에 PEB(Post Exposure Bake) 공정, 현상(Development) 공정을 진행하여 상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)는,
상기 광산발생제(Photo Acid Generator, PAG) 100 중량부[wt %]에 대해 0.001 ~ 50 중량부[wt %] 또는 0.005~30 중량부[wt %]를 첨가하는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 2항에 있어서, 상기 광염발생제(Photo Base Generator, PBG)는,
Carbamate, Benzyl Carbamate, Benzoin Carbamate, O-carbamoyl hydroxylamine 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 고분자 수지(resin polymer)는,
폴리 비닐페놀계, 폴리하이드록시스틸렌계, 폴리노르보넨계, 폴리아다만틸계, 폴리이미드계, 폴리아크릴레이트계, 폴리메타아크릴레이트계, 폴리플루오린계 중 어느 하나를 선택하여 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 제1 포토마스크는,
비투과층들 사이의 서로 이웃하는 간격이 40nm ~ 50nm 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 제2 포토마스크는,
비투과층들 사이의 서로 이웃하는 간격이 10nm ~ 30nm 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 2차 노광은,
상기 1차 노광 시 사용된 광세기(Eop) 보다 큰 노출량(over expose)을 사용하여, 상기 1차 노광 시 빛에 노출된 노광지역의 중심부를 향해 노광을 진행하는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.
제 1항에 있어서, 상기 1차 노광 및 상기 2차 노광은,
ArF(193nm) 광원을 사용하여 빛을 노출하는 것을 특징으로 하는 이중 노광을 이용한 미세 패턴 형성방법.