KR20140030873A - 패턴 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
패턴 형성 방법으로, 기판 상에 실리콘 산 질화물을 포함하는 가이드막을 형성하고, 상기 가이드막 상에 DBARC막 및 포토레지스트막을 형성한다. 상기 포토레지스트막 및 DBARC막을 노광하고, 네거티브 톤 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이 후, 중성막을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴과 DBARC막의 노광부를 제거하여 상기 중성막의 일부를 리프트 오프시켜 중성막 패턴을 형성한다. 상기 중성막 패턴에 의해 생성된 개구부의 저면의 가이드막을 가이드 패턴으로 사용하여 블록 공중합체막을 자기 정렬시키는 공정을 포함하여 미세 마스크 패턴을 형성한다. 상기 미세 마스크를 이용하여, 콘택홀 또는 라인 형상의 패턴을 형성할 수 있다. 상기 강한 친수성을 갖는 실리콘 산 질화물을 가이드 패턴으로 사용함으로써, 미세 콘택홀 또는 미세 라인 패턴을 용이하게 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 패턴 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 미세한 내부폭을 갖는 개구부들이 포함되는 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
반도체 소자가 고집적화됨에 따라 미세한 내부폭을 갖는 콘택홀 및 미세한 선폭의 패턴이 요구되고 있다. 이러한 미세 콘택홀 및 미세 패턴을 형성하기 위하여, 노광 공정시 사용되는 광원의 파장을 짧게하는 방법, 렌즈의 유효 구경을 증가시키는 방법 등이 연구되고 있다. 이와는 다르게, 분자들의 자기 조립(Directed Self Assembly, DSA) 현상을 이용하여 미세 콘택홀 및 미세 패턴을 형성하는 방법도 연구되고 있다.
본 발명의 목적은 노광 공정 한계를 극복하여 미세한 내부폭을 갖는 개구부를 포함하는 패턴 형성 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 피식각막이 형성된 기판 상에 친수성을 갖는 가이드막을 형성한다. 상기 가이드막 상에 DBARC막 및 포토레지스트막을 순차적으로 형성한다. 상기 포토레지스트막 및 그 하부의 DBARC막의 일부 영역을 노광하여 상기 포토레지스트막 및 DBARC막에 각각 노광부 및 비노광부를 형성한다. 상기 비노광부의 포토레지스트막을 제거하여 노광부의 포토레지스트로 이루어지는 포토레지스트 패턴을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴 및 비노광부의 DBARC막 표면에 중성막을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴 표면에 형성된 중성막이 제거되도록 상기 포토레지스트 패턴 및 노광부의 DBARC막을 제거하여, 상기 친수성막의 표면이 노출되는 제1 개구부를 형성한다. 상기 제1 개구부 내부를 채우면서 상기 중성막 상에 제1 및 제2 폴리머 블록을 포함하는 블록 공중합체로 형성되는 블록 공중합체층을 코팅한다. 상기 블록 공중합체층을 미세 상분리시켜, 상기 제1 개구부 내부 및 상기 중성막 상에 제1 폴리머 블록으로 형성되는 제1 패턴 및 상기 제2 폴리머 블록으로 형성되고 제1 패턴을 둘러싸는 형상을 갖는 제2 패턴이 반복 배치되는 미세 패턴층을 형성한다. 상기 미세 패턴층에 포함된 적어도 하나의 폴리머 블록을 포함하는 패턴을 제거하여 미세 패턴 마스크를 형성한다. 또한, 상기 미세 패턴 마스크를 이용하여 상기 피식각막을 식각하여 제2 개구부를 포함하는 패턴을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 친수성을 갖는 가이드막은 실리콘 산 질화막으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 포토레지스트막 및 DBARC막의 노광부는 가이드 패턴이 형성될 부위 상에 위치하고, 상기 노광부의 상부면은 원형의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 미세 상분리는 상기 블록 공중합체층의 유리 전이 온도 이상에서 어닐링하는 공정을 포함하고, 상기 제1 패턴은 상기 개구부 저면에 노출되는 가이드막과 접촉하면서 형성되고, 상기 가이드막과 접촉되는 제1 패턴들에 의해 어드레싱되어 상기 개구부 내부 및 중성막 상에 상기 제1 패턴 및 제2 패턴들이 반복 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 개구부의 내부폭은 최종적으로 형성하고자 하는 제2 개구부들의 내부폭보다 넓고, 상기 제1 개구부 사이의 간격은 상기 제1 개구부의 내부폭과 동일하거나 상기 제1 개구부의 내부폭보다 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 개구부는 콘택홀 형상을 갖고, 상기 제1 패턴들은 기둥 형상을 가지면서 규칙적으로 형성될 수 있다.
상기 블록 공중합체층에 포함되는 상기 제1 폴리머 블록은 친수성을 갖고, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성을 갖는 물질로 사용되고, 상기 제1 폴리머 블록은 20 내지 40% 부피 비율을 갖고, 상기 제2 폴리머 블록은 60 내지 80%의 부피 비율을 가질 수 있다.
상기 미세 패턴 마스크를 형성하는 공정에서, 상기 제1 폴리머 블록으로 이루어지는 제1 패턴을 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 블록 공중합체층은 PS-b-PMMA를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 포토레지스트막은 포지티브 포토레지스트이고, 상기 비노광부의 포토레지스트막은 네거티브 톤 현상액을 사용하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 포토레지스트 패턴 및 노광부의 DBARC막은 TMAH 현상액을 사용하여 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 포토레지스트막은 네거티브 포토레지스트이고, 상기 비노광부의 포토레지스트막은 TMAH 현상액을 사용하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 포토레지스트 패턴 및 노광부의 DBARC막은 신너 조성물을 사용하여 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 개구부는 라인 형상을 갖고, 상기 제1 패턴 및 제2 패턴들은 각각 라인 형상을 가지면서 번갈아가며 규칙적으로 형성될 수 있다.
상기 블록 공중합체층에 포함되는 상기 제1 폴리머 블록은 친수성을 갖고, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성을 갖는 물질로 사용되고, 상기 제1 폴리머 블록은 45 내지 55%의 부피 비율을 갖고, 제2 폴리머 블록은 45 내지 55%의 부피 비율을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 미세한 폭을 갖는 콘택홀 또는 라인 을 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 상기 콘택홀 또는 라인 패턴을 형성하기 위한 가이드막은 강한 친수성을 갖고 재료 입수 및 증착이 용이하여 반도체 소자 제조 공정에 적합한 물질을 사용하여 형성되기 때문에, 간단한 공정을 통해 상기 콘택홀 또는 라인 패턴을 형성할 수 있다.
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
본 발명에서는 미세 콘택홀을 형성하기 위하여 자기조립 거동을 갖는 물질을 이용하여 콘택홀의 피치를 조절함으로써 패턴 밀도를 증가시킨다. 예를들어, 블록 공중합체의 상분리 현상을 이용하면 자발적 자기조립을 통하여 반복적으로 배치되는 미세 구조들을 얻을 수 있다. 블록 공중합체의 자기조립 특성을 이용한 패턴 형성 공정은 포토리소그래피 공정과는 달리 얻어지는 미세 패턴 또는 콘택홀의 크기가 단일 분자층 두께와 거의 비슷하게 되어 기존의 포토리소그래피 공정에서의 분해능 한계를 초월하는 미세 패턴 또는 미세 콘택홀을 형성할 수 있다.
블록 공중합체는 두 가지 또는 그 이상의 서로 다른 구조를 가지는 고분자 블록들이 공유 결합을 통해 하나의 고분자로 결합된 형태의 기능성 고분자이다. 블록 공중합체를 구성하는 각 고분자 블록들은 각각의 화학 구조의 차이로 인해 서로 다른 섞임 특성 및 선택적 용해도를 가진다. 이는 블록 공중합체가 용액상 혹은 고체상에서 미세 상분리(Microphase Separation) 또는 선택적 용해에 의해 자기조립 구조(self-assembled structure)가 형성된다. 블록 공중합체가 자기조립을 통해 특정 형상의 미세 구조를 형성하는 것은 상기 블록 고분자의 물리/화학적 특성에 영향을 받는다. 예를 들면, 2 개의 서로 다른 고분자로 이루어진 블록 공중합체 (diblock copolymer)가 벌크(bulk) 기판상에서 자기조립되는 경우, 블록 공중합체를 구성하는 각 고분자 블록들의 부피 비율 (volume fraction)은 각 고분자 블록의 분자량에 의해 일차적으로 영향을 받는다.
블록 공중합체의 자기조립 구조는 블록 공중합체를 구성하는 각 고분자 블록들의 부피 비율, 온도, 분자의 크기, 분자량 등에 따라 실린더형(cylinder phase) 구조 및 판상(lamellar) 구조 등과 같은 다양한 구조들 중 어느 하나의 구조가 된다. 이 때, 각 구조 내에서의 각 고분자 블록의 크기는 해당 고분자 블록의 분자량에 비례하게 된다.
반도체 소자의 미세 패턴을 형성하는 데 있어서 상기 실린더형 구조 및 판상 구조로 자기 조립되는 블록 공중합체들을 이용할 수 있다. 상기 실린더형 구조를 이용하는 경우, 원통형의 기둥들이 원형 또는 육각형으로 채워져서 형성되는 구조이므로 얻어지는 구조의 배향이 비교적 단순하며, 기둥의 배향 방향에 따라 반복적으로 배열되는 복수의 홀(hole) 패턴 구조를 형성할 수 있다. 판상 구조는 2 차원 판형 구조가 반복적으로 중첩되어 있는 것으로서, 상기 판상 구조의 블록 공중합체가 기판 표면에 수직으로 배향되는 경우, 종횡비(aspect ratio)가 큰 라인 앤드 스페이스 패턴을 형성할 수 있다.
블록 공중합체의 자기조립 구조는 고분자의 분자 크기에 비례하여 수 nm 내지 수 십 nm의 미세한 자기조립 구조를 형성하게 된다. 블록 공중합체의 자기조립 구조는 일반적인 포토리소그래피 공정과 같은 가공 기술에서 요하는 고가의 장비가 필요 없으며, 자발적 열역학적 과정을 이용함으로써 공정 수가 대폭 감소되어 패턴 형성 공정이 단순화될 수 있다. 또한, 블록 공중합체의 자기조립 특성을 이용하여 미세 패턴을 형성함으로써 일반적 가공기술로 달성하기 어려운 수 내지 수 십 nm 수준의 초미세 패턴을 형성할 수 있으므로 미래 전자 소자 분야에서 다양한 응용 가능성을 가지고 있다.
반도체 소자 제조에 필요한 미세 패턴을 형성하는 데 있어서 블록 공중합체의 자기조립 특성을 이용하기 위하여, 기판상의 소정의 평면 막질 위에 블록 공중합체를 포함하는 물질층을 박막 형태로 형성하고, 상기 블록 공중합체의 유리전이 온도 이상의 온도로 가열하여 자기조립을 유도한다. 여기서, 가장 중요한 점은 블록 공중합체의 자기조립의 결과로서 얻어지는 미세 구조의 배향을 조절하는 것이다. 여기서, 고분자의 자기조립 현상은 분자들이 열역학적으로 안정된 상태로 존재하려고 하는 자발적 과정이므로 얻어지는 자기조립 구조를 미리 설계한 대로 배향시킬 수 있다. 이를 위하여, 기판 상에는 자기 조립시 폴리머 블록들의 배향을 유도하기 위한 가이드 막 또는 가이드 패턴이 요구된다.
이하에서는, 상기 자기 조립 구조를 형성함으로써 미세 콘택홀을 형성하는 방법에 대해 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 설명하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
실시예 1
도 1a 내지 도 1i는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 1a 내지 도 1i는 도 2a의 I-I' 부위를 절단한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100)상에 식각 대상이 되는 피식각막(102)을 형성한다. 상기 피식각막(102)은 절연막으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 피식각막(102)은 산화막, 질화막, 산화질화막 등을 포함할 수 있다. 한편, 상기 기판(100) 자체를 식각하는 경우에는, 상기 피식각막(102)은 생략될 수 있다.
상기 피식각막(102) 상에 가이드막(104)을 형성한다. 상기 가이드막(104)은 강도, 친수성 및 내열성이 높고, 블록 공중합체를 녹이는 용매에 대한 용해도는 매우 낮거나 전혀 용해되지 않아야 한다. 또한, 후속에 진행되는 열처리 공정들에 의해 막의 특성 및 형태가 변형되지 않아야 한다. 또한, 반도체 제조 공정에서 입수하기에 용이한 재료 및 증착 공정이 용이한 막인 것이 바람직하다. 이러한 조건의 가이드막(104)으로는 실리콘 산 질화막(SiON)을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 산 질화막은 강한 친수성을 가지기 때문에, 상기 가이드막(104)으로써 사용하기에 매우 적합하다. 또한, 반도체 소자를 제조하는데 일반적으로 사용되는 막질이기 때문에 재료 입수 및 막의 증착이 용이하다. 상기 실리콘 산 질화막은 화학기상 증착법을 통해 형성할 수 있다.
상기 가이드막(104) 상에 DBARC(Developable Bottom Anti-Reflective Coating, 106)막을 형성한다. 상기 DBARC막(106)은 스핀 코팅 공정을 통해 형성할 수 있다. 상기 DBARC막(106)은 후속의 포토레지스트막의 노광 공정 시에 바닥 부위에서의 반사를 방지하는 역할을 한다. 상기 DBARC막(106)은 발색기(chromophore group)를 포함하는 폴리머, 산과 반응하여 상기 폴리머와 가교될 수 있는 가교제(cross-linker), PAG, 열 산 발생제(thermal-acid generator, TAG) 및 용매를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 가이드막(104) 상에 형성되는 반사 방지막은 현상액에 의해 선택적 제거가 가능한 것이어야 한다. 때문에, 상기 반사 방지막으로써 DBARC막(106)으로 사용하는 것이다. 한편, 유기 반사 방지막의 경우에는 선택적 제거가 가능하지 않다. 그러므로, 본 실시예의 경우, 상기 가이드막(104) 상에는 상기 유기 반사 방지막을 사용하지 않는다.
이 후, 상기 DBARC막(106) 상에 포지티브 포토레지스트막(108)을 형성한다. 상기 포지티브 포토레지스트막(108)에 포함되는 레지스트는 KrF 엑시머 레이저(248 nm)용 레지스트, ArF 엑시머 레이저(193nm)용 레지스트, 또는 F2 엑시머 레이저(157nm)용 레지스트, 또는 극자외선(extreme ultraviolet, EUV)(13.5 nm)용 레지스트일 수 있다.
도 1b 및 도 2a를 참조하면, 상기 포지티브 포토레지스트막(108)에서 포토레지스트 패턴이 형성되어야 할 부위를 노광한다. 상기 포토레지스트 패턴이 형성되는 부위는 가이드 패턴이 형성될 부위의 상부가 된다.
즉, 노광 마스크(도시안됨)를 이용하여 가이드 패턴으로 형성될 부위의 상부에 해당하는 포지티브 포토레지스트막(108)을 노광한다. 상기 노광 마스크는, 예를 들면 석영 기판 위에 원형의 노광 부위를 갖는 차광막을 포함할 수 있다. 상기 차광막은, 예를 들면, 크롬으로 형성될 수 있다.
상기 노광 마스크를 통과한 광(L)에 의해, 상기 포지티브 포토레지스트막(108)은 노광부(108a)와 비노광부(108b)로 구분될 수 있다. 상기 노광부(108a)는 노광에 의하여 산이 발생되고, 상기 비노광부(108b)는 노광되지 않았기 때문에 산이 발생되지 않는다. 상기 노광에 이용되는 광은 사용되는 포지티브 포토레지스트막(108)에 따라 달라질 수 있다. 예를들어, 상기 노광에 이용되는 광은 KrF 엑시머 레이저 (248 nm), ArF 엑시머 레이저 (193nm), F2 엑시머 레이저 (157nm), 또는 EUV (13.5 nm)일 수 있다.
후속 공정에서, 상기 가이드막(104)이 노출되는 부위는 콘택홀 형성을 위한 가이드 패턴으로써 제공된다. 상기 가이드 패턴의 상부면은 형성하고자하는 콘택홀의 저면부 형상과 같은 원형을 가질 수 있다. 그러므로, 상기 포지티브 포토레지스트막의 노광부(108a)는 원형을 가질 수 있다. 또한, 상기 포지티브 포토레지스트막의 노광부(108a)는 각각 X축 방향으로 제1 간격으로 이격되고, Y축 방향으로 제2 간격으로 이격되어 어레이 형상을 가지면서 반복 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 간격은 동일하거나 또는 다를 수도 있다.
상기 노광부(108a)의 내부폭(즉, 직경)은 최종적으로 형성하고자 하는 콘택홀의 내부폭보다는 넓을 수 있다. 또한, 상기 노광부들 간의 이격되는 제1 및 제2 간격은 각각 상기 노광부들의 내부폭과 동일하거나, 사익 노광부들의 내부폭보다 더 넓을 수 있다.
상기 노광 공정 시에 조사되는 광(L)은 상기 포지티브 포토레지스트막(108) 뿐 아니라 상기 포지티브 포토레지스트막(108) 하부에 위치하는 DBARC막(106)에 까지 전사된다. 그러므로, 상기 포지티브 포토레지스트막의 노광부(108a) 아래에 위치하고 있는 DBARC막(106)도 함께 노광되어, 상기 DBARC막(106)은 노광부(106a) 및 비노광부(106b)로 구분된다. 상기 DBARC막(106)에서 노광부(106a)와 비노광부(106b)는 서로 용해도가 달라지게 된다.
한편, 상기 DBARC막(106)과 포지티브 포토레지스트막(108)은 접착력이 매우 우수하다. 그러므로, 상기 DBARC막(106) 상에 상기 포지티브 포토레지스트막의 접착력을 증가시키기 위한 별도의 막이 요구되지 않는다. 즉, 상기 DBARC막(106) 상에 또는 상기 가이드막(104) 상에 HMDS (Hexamethyldisilazane)과 같은 접착막이 필요하지 않는다.
도 1c 및 도 2b를 참조하면, 상기 포지티브 포토레지스트막(108)의 비노광부(108b)를 제거하여, 상기 노광부(108a)만으로 구성되는 포토레지스트 패턴(108a)을 형성한다.
상기 포지티브 포토레지스트막의 비노광부(108b)를 제거하기 위하여 네가티브 톤 현상액(negative tone developer, NTD)의 유기 용매를 이용할 수 있다. 상기 유기 용매는 일반적인 현상액인 포지티브 톤 현상액과는 다른 것으로서, 비극성 용매일 수 있다. 상기 네가티브 톤 현상액은 에테르계 유기 용매, 아세테이트계 유기 용매, 프로피오네이트계 유기 용매, 부티레이트계 유기 용매, 락테이트계 유기 용매 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 1종일 수 있다. 일 예로, 상기 네가티브 톤 현상액은 n-부틸 아세테이트일 수 있다.
상기 노광부의 상부면이 원형 형상을 가지므로, 상기 포토레지스트 패턴(108a)은 기둥 형상을 갖는다. 즉, 도 2b에서 도시된 것과 같이, 상기 포토레지스트 패턴(108a)은 각각 X축 방향으로 제1 간격으로 이격되고, Y축 방향으로 제2 간격으로 이격되어 어레이 형상을 가지면서 배치될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(108a)의 상부면 직경은 통상의 포토리소그래피 공정에서의 해상 한계 내에서 구현될 수 있다.
이 후, 상기 포토레지스트 패턴(108a)을 200 내지 250도의 온도하에서 베이크하여 상기 포토레지스트 패턴(108a)을 경화시킨다.
도 1d를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(108a)의 외부 표면 및 상기 노출된 DBARC막(106b)의 상부면에 중성막(110)을 형성한다. 상기 중성막(110)은 후속에 형성되는 블록 공중합체에 포함된 각 블록들에 대해 동일한 친화력을 갖는 물질로 형성되어야 한다. 상기 중성막(110)은 예를들어, 랜덤 폴리머를 들 수 있다.
이 후에 사용되는 블록 공중합체로써 폴리스티렌(PS)-폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 블록 공중합체(PS-b-PMMA)를 사용하는 경우, 상기 중성막(110)은 상기 PS 및 PMMA에 대해 동일한 친화력을 가지며 중성의 웨팅 특성을 갖는 광 가교 결합가능 랜덤 PS:PMMA 공중합체(PS-r-PMMA)의 박막을 사용할 수 있다. 상기 중성막(110)은 스핀 코팅 공정을 통해 형성할 수 있다.
상기 중성막(110)은 상기 노출된 DBARC막(106b)의 상부면에는 상대적으로 두껍게 형성되고 기둥 형상으로 돌출되어 있는 상기 포토레지스트 패턴(108a)의 외부 표면에는 상대적으로 얇게 형성된다.
상기 DBARC막(106b)의 상부면에 형성되는 중성막(110)의 두께를 기준으로, 상기 중성막(110)의 두께가 50Å보다 얇으면, 상기 중성막(110)이 균일하게 형성되기 어려울 수 있다. 또한, 상기 중성막(110)의 두께가 200Å보다 더 두꺼우면 현상액의 침투가 어려워지게 되어 후속 공정에서 상기 포토레지스트 패턴(108a)을 제거하는 공정이 용이하지 않을 수 있다. 그러므로, 상기 중성막(110)은 50 내지 200Å의 두께로 형성될 수 있다.
도 1e 및 도 2c를 참조하면, 상기 중성막(110)이 형성된 기판을 현상액을 이용하여 현상함으로써 상기 포토레지스트 패턴(108a) 및 상기 포토레지스트 패턴(108a) 하부에 위치하는 DBARC막의 노광부(106a)를 제거한다. 상기 현상액은 염기성 수용액을 이용할 수 있으며 예를들어, 테트라메틸암모늄히드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH) 수용액을 이용할 수 있다. 상기 TMAH 수용액의 농도는, 예를 들면, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%일 수 있다.
즉, 상기 현상액이 상기 중성막(110)의 내부로 침투됨으로써 노광부의 포지티브 레지스트로 이루어지는 상기 포토레지스트 패턴(108a)은 모두 제거되고, 상기 DBARC막(106)은 노광부(106a)만 제거된다. 그러므로, 상기 포토레지스트 패턴들(108a) 사이에 위치하는 상기 가이드막(104) 상에는 상기 DBARC 패턴(106b)이 형성된다. 또한, 상기 포토레지스트 패턴(108a) 및 상기 DBARC막의 노광부(106a)의 제거에 의해, 상기 포토레지스트 패턴(108a) 상부면 및 측벽에 위치하는 중성막(110)이 리프트 오프되어 제거된다. 따라서, 상기 DBARC 패턴(106b) 상에 형성된 중성막만이 남아있게 되어 중성막 패턴(110a)이 형성된다.
상기 포토레지스트 패턴(108a)은 기둥 형상을 갖고 있으므로, 상기 포토레지스트 패턴(108a) 및 그 하부의 DBARC막(106)이 제거된 부위에는 콘택홀 형상의 제1 개구부(112)들이 형성된다. 도시된 것과 같이, 상기 제1 개구부들(112)은 X축 및 Y축 방향으로 반복 배치될 수 있다. 상기 제1 개구부(112)의 내부폭은 최종적으로 형성하고자 하는 제2 개구부들의 내부폭보다 넓을 수 있다. 또한, 상기 제1 개구부(112) 사이의 제1 및 제2 간격은 상기 제1 개구부(112)의 내부폭과 동일하거나 상기 제1 개구부의 내부폭보다 넓을 수 있다.
또한, 상기 제1 개구부들(112)의 저면에는 상기 가이드막(104)이 노출된다. 상기 노출된 부위의 가이드막(104)은 후속의 블록 공중합체의 상분리 현상을 이용한 패턴 형성 시의 가이드 패턴(105)으로써 제공된다. 즉, 상기 가이드막(104)을 직접 식각하여 패터닝하는 것이 아니라, 상기 가이드막(104)의 일부만 외부에 노출되도록 함으로써 가이드 패턴(105)으로써의 역할을 한다.
도 1f를 참조하면, 상기 제1 개구부(112) 및 중성막 패턴(110a)이 형성된 구조물 상에 블록 공중합체층(114)을 형성한다.
상기 블록 공중합체층(114)을 형성하기 위하여 블록 공중합체를 용매에 녹인 다음 스핀 코팅한다. 상기 용매는 예를들어 톨루엔일 수 있다. 상기 용매는 코팅 후에 대부분 증발될 수 있다. 따라서, 상기 제1 개구부(112) 내부를 채우면서 상기 중성막 패턴(110a) 상에 블록 공중합체층(114)이 형성된다.
상기 블록 공중합체층(114)에 포함된 블록 공중합체는 2 개의 폴리머 블록(이하, 제1 및 제2 폴리머 블록)으로 이루어지는 디블록 공중합체일 수 있다. 상기 제1 및 제2 폴리머 블록은 각각의 폴리머 반복 단위의 화학 구조의 차이로 인해 서로 다른 섞임 특성, 웨팅 특성, 선택적 용해도, 극성을 가질 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 폴리머 블록은 상대적으로 친수성의 특징을 가지며, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성의 특징을 가질 수 있다.
상기 블록 공중합체에 포함되는 제1 및 제2 폴리머 블록의 부피 비율에 따라 후속 공정에서 형성되는 패턴 형상이 달라지게 된다. 본 실시예의 경우, 후속 공정을 통해 콘택홀들이 형성되어야 하므로, 상기 제1 및 제2 폴리머는 미세 상분리를 통해 실린더 구조를 가질 수 있는 부피 비율을 가져야 한다. 이를 위하여, 상기 블록 공중합체는 제1 폴리머 블록의 부피 비율은 20 내지 40% 범위 내에 있을 수 있고, 상기 제2 폴리머 블록의 부피 비율은 60 내지 80% 범위 내에 있을 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 폴리머 블록의 부피 비율은 30 내지 35%이고, 상기 제2 폴리머 블록의 부피 비율은 65 내지 70%일 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 블록 공중합체는 폴리스티렌(PS)-폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 블록 공중합체일 수 있다. 상기 제1 폴리머 블록은 친수성을 갖는 PMMA이고, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성을 갖는 PS일 수 있다. 그러므로, 상기 PS-b-PMMA에서 상기 PS 도메인은 60 내지 80%의 부피 비율을 갖고, 상기 PMMA 도메인은 20 내지 40%의 부피 비율을 가질 수 있다.
상기 블록 공중합체의 다른 예로, 폴리에틸렌옥사이드-폴리이소프렌, 폴리에틸렌옥사이드-폴리부타디엔, 폴리에틸렌옥사이드-폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드-폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌-폴리비닐피리딘, 폴리스티렌-폴리이소프렌(PS-b-PI), 폴리스티렌-폴리부타디엔, 폴리부타디엔-폴리비닐피리딘, 폴리이소프렌-폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리스티렌-폴리랙타이드 등을 들 수 있다. 또한, 상기 블록 공중합체는 3 개 또는 그 이상의 폴리머 블록을 포함하는 트리블록 공중합체 또는 멀티 블록 공중합체도 사용될 수 있다. 상기 트리블록 공중합체의 예는 폴리(스티렌-블록 메틸메타크릴레이트-블록-에틸렌 옥사이드)를 들 수 있다.
도 1g 및 도 2d를 참조하면, 상기 블록 공중합체층(114)의 상분리를 통해 상기 블록 공중합체층(114) 내의 성분들을 재배열시켜 기둥 형상의 패턴을 포함하는 미세 패턴층(114a, 114b)을 형성한다.
상기 가이드막(104)의 노출 부위인 가이드 패턴(105)은 친수성을 가지기 때문에, 상기 제1 폴리머 블록인 PMMA와의 접착성이 우수하다. 따라서, 상기 제1 폴리머 블록은 상기 가이드 패턴(105)에 어드레싱되어 기둥 형상의 제1 패턴(114b)이 형성된다. 또한, 상기 어드레싱된 제1 폴리머 블록을 둘러싸도록 상기 제2 폴리머 블록인 PS가 자기 조립되어 박막(114b)이 형성된다. 계속 이어서, 상기 제1 폴리머 블록들은 기둥 형상의 제1 패턴(114a)의 형상을 가지면서 정렬되고, 상기 제1 패턴(114a) 둘러싸도록 상기 제2 폴리머 블록이 자기 조립되어 박막(114b)이 형성된다. 따라서, 도시된 것과 같이, 상기 PMMA로 이루어지는 기둥 형상의 제1 패턴(114a)과, 상기 기둥 형상의 패턴을 둘러싸는 상기 PS로 이루어지는 박막(114b)을 포함하는 미세 패턴층(114a, 114b)이 형성된다. 이와같이, 상기 가이드 패턴(105)에 상기 제1 폴리머 블록이 기둥 형상을 가지면서 정렬됨으로써, 매우 좁은 직경을 갖는 기둥 형상의 제1 패턴들(114a)이 규칙적으로 형성될 수 있다.
설명한 것과 같이, 상기 블록 공중합체층(114)을 상분리하여 상기 블록 공중합체층(114)의 성분들을 재배열시키기 위하여, 상기 블록 공중합체층(114) 내의 블록 공중합체의 유리전이온도 보다 더 높은 온도하에서 상기 블록 공중합체층(114)을 어닐링한다. 예를 들면, 상기 블록 공중합체층(114)을 상분리하기 위하여 약 100 ∼ 190 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도하에서 약 1 ∼ 24 시간 동안 상기 블록 공중합체층(114)을 어닐링할 수 있다.
상기 가이드 패턴(105)은 200℃ 이상의 온도에서도 열적 변형이 일어나지 않으므로, 상기 블록 공중합체층(114)을 상분리하기 위한 온도 범위에서 상기 가이드 패턴(105)의 구조가 변형되지 않고 그대로 유지될 수 있다.
도 1h 및 도 2e를 참조하면, 상기 미세 패턴층(114a, 114b)에서 제1 폴리머 블록 및 제2 폴리머 블록 중 어느 하나를 제거하여 미세 패턴 마스크(118)를 형성한다. 본 실시예에서는, 상기 제1 폴리머 블록인 PMMA를 제거한다. 따라서, 상기 기둥 형상의 제1 패턴들(114a)이 제거됨으로써, 콘택홀 형상의 제2 개구부(116)를 포함하는 미세 패턴 마스크(118)가 형성된다. 상기 미세 마스크 패턴(118)은 상기 제2 폴리머 블록인 PS로 형성될 수 있다.
상기 제1 폴리머 블록을 제거하기 위하여, 예를 들면 제거하고자 하는 상기 제1 폴리머 블록에 UV를 조사하거나 산소 플라즈마에 노출시켜 광분해시킨 후, 광분해된 부분을 세정액으로 스트립하는 공정을 이용할 수 있다.
도 1i를 참조하면, 상기 미세 패턴 마스크(118)를 식각 마스크로 하여 상기 가이드막(104)의 노출 부위를 식각하고, 이어서 상기 피식각막(102)을 식각하여 미세 콘택홀(120)을 형성한다. 상기 피식각막(102)이 기판 자체인 경우, 상기 미세 패턴 마스크(118)를 식각 마스크로 하여 상기 기판(100)을 식각하여 미세 콘택홀을 형성할 수도 있다. 최종적으로 형성되는 미세 콘택홀(120)은 상기 제2 개구부(116)와 실질적으로 동일한 내부폭을 가질 수 있다. 또한, 상기 미세 콘택홀(120)은 상기 제1 개구부(112)보다 좁은폭을 가질 수 있다.
이 후, 상기 미세 패턴 마스크(118)를 제거하고, 불필요한 막들을 제거한다.
상기에서 설명한 것과 같이, 실리콘 산 질화막을 가이드막으로 사용하고 블록 공중합체를 이용하여 미세한 내부폭을 갖는 미세 콘택홀을 형성할 수 있다. 상기 실리콘 산 질화막은 매우 높은 친수성을 가지며, 높은 열 안정을 갖고 있고 재료의 입수가 용이하여 반도체 소자의 제조 공정에 사용하기에 매우 적합하다. 따라서, 상기 실리콘 산 질화막을 가이드막으로 사용하면 폴리머 블록의 어드레싱 특성이 향상되고, 균일한 내부폭을 갖고 규칙적으로 반복 배치되는 미세 콘택홀들을 형성할 수 있다.
실시예 2
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
본 실시예에서는 라인 앤드 스페이스 형상의 미세 패턴을 형성할 수 있다. 상기 미세 패턴 형상이 실시예 1과 다르기 때문에, 상기 가이드 패턴 형상과 상기 블록 공중합체의 각 폴리머 블록들의 부피율이 실시예 1과 다르며 나머지 세부적인 공정들은 실시예 1과 거의 동일하다. 그러므로, 중복되는 설명은 간단히 하거나 생략한다. 또한, 라인 패턴의 경우는 단면 형상이 도 1a 내지 도 1i에 도시된 것과 동일하기 때문에, 각 단면도는 생략한다.
도 3a 및 도 4a를 참조하면, 기판(200)상에 식각 대상이 되는 피식각막(202)을 형성한다. 본 실시예의 경우, 라인 패턴을 형성하므로, 상기 피 식각막은 절연막 또는 도전막일 수 있다. 예를 들면, 상기 피식각막(202)은 산화막, 질화막, 산화질화막, 금속막, 폴리실리콘막, 또는 기판 자체일 수 있다.
상기 피식각막(202) 상에 가이드막(204)을 형성한다. 상기 가이드막(204)은 강한 친수성을 갖는 실리콘 산 질화막을 사용하여 형성한다. 상기 실리콘 산 질화막은 화학기상 증착법을 통해 형성할 수 있다. 상기 가이드막(204) 상에 DBARC(Developable Bottom Anti-Reflective Coating)막을 형성한다. 상기 DBARC막 상에 포지티브 포토레지스트막을 형성한다.
이 후, 상기 포지티브 포토레지스트막에서 포토레지스트 패턴이 형성되어야 할 부위를 노광한다. 노광 공정이 수행된 상기 포지티브 포토레지스트막(208)은 노광부(208a)와 비노광부(208b)로 구분될 수 있다.
상기 노광 부위는 하부의 가이드막(204)이 노출되어야 할 부위이며, 상기 가이드막(204)이 노출 부위는 라인 패턴 형성을 위한 가이드 패턴으로써 제공된다. 본 실시예의 경우, 라인 앤드 스페이스가 반복되는 패턴이 형성되어야 하므로, 상기 가이드 패턴은 라인 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 포지티브 포토레지스트막(208)의 노광 부위는 라인 형상을 가질 수 있다.
상기 노광 공정 시에 조사되는 광은 상기 포지티브 포토레지스트막(208) 뿐 아니라 상기 포지티브 포토레지스트막(208) 하부에 위치하는 DBARC막(204)에 까지 전사된다. 그러므로, 상기 노광부의 포지티브 포토레지스트막(208) 하부에 위치하고 있는 DBARC막(204)도 함께 노광되어, 상기 DBARC막(204)은 노광된 부분 및 노광되지 않은 부분으로 구분된다. 상기 DBARC막(204)에서 노광된 부분과 노광되지 않은 부분은 서로 용해도가 달라지게 된다.
도 3b 및 도 4b를 참조하면, 상기 포지티브 포토레지스트막(208)의 비노광부(208b)를 제거한다. 상기 포지티브 포토레지스트막(208)의 비노광부(208b)를 제거하기 위하여 네가티브 톤 현상액(negative tone developer)의 유기 용매를 이용할 수 있다.
상기 비노광부(208b)의 포지티브 포토레지스트막(208)을 제거함으로써, 상기 노광부(208a)의 포지티브 포토레지스트막(208)만 남게되어 포토레지스트 패턴(208a)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(208a)은 라인 형상을 가지면서 반복 배치된다. 이 후, 상기 포토레지스트 패턴(208a)을 200 내지 250도의 온도하에서 베이크하여 상기 포토레지스트 패턴(208a)을 경화시킨다.
도 3c 및 도 4c를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(208a)의 외부 표면 및 상기 노출된 DBARC막(206b)의 상부면에 중성막(도시안됨)을 형성한다. 상기 중성막은 후속에 형성되는 블록 공중합체의 각 블록들에 대해 동일한 친화력을 갖는 물질로 형성되어야 한다. 상기 중성막은 예를들어, 랜덤 폴리머를 들 수 있다.
상기 중성막이 형성된 기판(200)을 현상액을 이용하여 현상함으로써 상기 포토레지스트 패턴(208a) 및 상기 포토레지스트 패턴(208a) 하부에 위치하는 DBARC막의 노광부(206a)를 제거한다. 상기 현상액은 염기성 수용액을 이용할 수 있으며 예를들어, 테트라메틸암모늄히드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH) 수용액을 이용할 수 있다.
상기 공정을 수행하면, 상기 포토레지스트 패턴(208a)은 모두 제거되고, 상기 DBARC막(206)은 노광부(206a)만 제거되어 DBARC 패턴(206b)이 형성된다. 또한, 상기 제거 공정에서, 상기 포토레지스트 패턴(208a) 상부면 및 측벽에 위치하는 중성막이 리프트 오프되어 제거된다. 따라서, 상기 DBARC 패턴(206b) 상에 위치하는 중성막만이 남아있게 되어 중성막 패턴(210a)이 형성된다.
상기 포토레지스트 패턴(208a) 및 그 하부의 DBARC막(206a)이 제거된 부위에는 라인 형상의 제1 개구부들(212)이 형성된다. 또한, 상기 제1 개구부(202)의 저면에는 상기 가이드막(204)이 노출된다. 상기 노출된 부위의 가이드막(204)은 후속의 블록 공중합체의 상분리 현상을 이용한 패턴 형성 시의 가이드 패턴으로써 제공된다.
도 3d 및 도 4d를 참조하면, 상기 제1 개구부(212) 및 중성막 패턴(210a)이 형성된 구조물 상에 블록 공중합체층을 형성한다.
상기 블록 공중합체층은 2개의 폴리머 블록(이하, 제1 및 제2 폴리머 블록)으로 이루어지는 블록 공중합체를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제1 폴리머 블록은 상대적으로 친수성의 특징을 가지며, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성의 특징을 가질 수 있다.
상기 블록 공중합체에 포함되는 제1 및 제2 폴리머 블록의 부피 비율에 따라 후속 공정에서 형성되는 패턴 형상이 달라지게 된다. 본 실시예의 경우, 후속 공정에서 라인 앤드 스페이스 형상의 패턴이 형성되어야 하므로, 상기 제1 및 제2 폴리머 블록은 라멜라 구조를 가질 수 있는 부피 비율을 가져야 한다. 이를 위하여, 상기 블록 공중합체에서 상기 제1 폴리머 블록은 45 내지 55%의 부피 비율을 갖고, 제2 폴리머 블록은 45 내지 55%의 부피 비율을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 폴리머 블록 : 제2 폴리머 블록의 부피 비율을 1:1 일 수 있다.
본 실시예에서 사용되는 블록 공중합체는 폴리스티렌(PS)-폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 블록 공중합체일 수 있다. 이 때, 상기 PS-b-PMMA에서 상기 PS 도메인은 50%의 부피 비율을 갖고, 상기 PMMA 도메인은 50%의 부피 비율을 가질 수 있다.
상기 블록 공중합체는 상기 PS-b-PMMA에 한정되지 않으며, 다른 종류의 디블록 공중합체, 트리블록 공중합체 또는 멀티 블록 공중합체도 사용될 수 있다.
상기 블록 공중합체층의 상분리를 통해 상기 블록 공중합체층의 성분들을 재배열시켜 라인이 형상으로 반복되는 미세 패턴층(214a, 214b)을 형성한다. 상기 상분리를 위하여, 100 ∼ 190 ℃의 범위 내에서 선택되는 온도하에서 약 1 ∼ 24 시간 동안 상기 블록 공중합체층을 어닐링할 수 있다.
이 때, 상기 제1 폴리머 블록인 PMMA는 상기 가이드막의 노출 부위에 어드레싱되어 라인 형상의 제1 패턴(214a)이 형성된다. 또한, 상기 어드레싱된 제1 폴리머 블록과 인접하여 상기 제2 폴리머 블록인 PS가 자기 조립되어 라인 형상의 제2 패턴(214b)이 형성된다. 따라서, 상기 제1 패턴(214a) 및 제2 패턴(214b)이 반복하여 배치되는 구조의 미세 패턴층이 형성된다.
도 3e 및 도 4e를 참조하면, 상기 미세 패턴층(214a, 214b)에서 제1 폴리머 블록 및 제2 폴리머 블록 중 어느 하나를 제거하여 미세 패턴 마스크를 형성한다. 예를들어, 상기 제1 폴리머 블록인 PMMA를 제거할 수 있다.
상기 미세 패턴 마스크를 식각 마스크로 하여 상기 가이드막(204)의 노출 부위를 식각하고, 이어서 상기 피식각막(202)을 식각하여 라인 앤드 스페이스 형상의 미세 패턴들(205)을 형성한다. 상기 미세 패턴들 사이에는 제2 개구부(220)가 형성된다. 상기 피식각막(202)이 기판 자체인 경우, 상기 미세 패턴 마스크를 식각 마스크로 하여 상기 기판(200)을 식각하여 패턴을 형성할 수 있다.
이 후, 상기 미세 패턴 마스크를 제거하고, 불필요한 막들을 제거한다.
상기 설명한 공정을 수행함으로써, 노광 공정 한계 이상의 좁은 선폭 및 이격 거리를 갖는 라인 앤드 스페이스 형상의 미세 패턴을 형성할 수 있다.
실시예 3
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘택홀 형성 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5a를 참조하면, 기판(100)상에 식각 대상이 되는 피식각막(102)을 형성한다. 상기 피식각막(102) 상에 가이드막(104)을 형성한다. 상기 가이드막(104)은 강한 친수성을 갖는 실리콘 산 질화막을 사용하여 형성한다. 상기 실리콘 산 질화막은 화학기상 증착법을 통해 형성할 수 있다. 상기 가이드막(104) 상에 DBARC(Developable Bottom Anti-Reflective Coating)막(106)을 형성한다.
상기 DBARC막(106) 상에 네거티브 포토레지스트막(150)을 형성한다. 상기 네거티브 포토레지스트막(150)은 산에 의해 가교되어 현상액에 불용성이 되는 고분자, 광산발생제 및 용매를 포함한다. 따라서, 상기 네거티브 포토레지스트막(150)은 노광된 부분이 경화되어 패턴을 이루고 노광되지 않는 부분이 현상액에 의해 용해된다.
상기 네거티브 포토레지스트막(150)에 포함되는 레지스트는 KrF 엑시머 레이저(248 nm)용 레지스트, ArF 엑시머 레이저(193nm)용 레지스트, 또는 F2 엑시머 레이저(157nm)용 레지스트, 또는 극자외선(extreme ultraviolet, EUV)(13.5 nm)용 레지스트일 수 있다.
이 후, 상기 네거티브 포토레지스트막(150)에서 포토레지스트 패턴이 형성되어야 할 부위를 노광한다. 노광 공정이 수행된 상기 네거티브 포토레지스트막(150)은 노광부(150a)와 비노광부(150b)로 구분될 수 있다. 상기 노광 공정을 수행하면, 상기 노광부의 네거티브 포토레지스트막(150) 하부에 위치하는 DBARC막(106)도 함께 노광되어, 상기 DBARC막(106)은 노광부(106a) 및 비노광부(106b)로 구분된다.
상기 노광 부위는 하부의 가이드막(104)이 노출되어야 할 부위이며, 상기 가이드막(104)이 노출 부위는 콘택홀 형성을 위한 가이드 패턴으로써 제공된다. 본 실시예의 경우, 상기 가이드 패턴은 상부면이 원형의 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 네거티브 포토레지스트막(150)의 노광 부위는 원형의 형상을 가질 수 있다.
도 5b를 참조하면, 현상액을 이용하여 상기 네거티브 포토레지스트막(150)의 비노광부(150b)를 제거한다. 상기 현상액은 가교된 고분자를 거의 용해시키지 못하고, 가교되지 않은 고분자를 용해시킬 수 있는 물질일 수 있다.
상기 현상액은 염기성 수용액을 이용할 수 있으며 예를들어, 테트라메틸암모늄히드록사이드(tetramethyl ammonium hydroxide, TMAH) 수용액을 이용할 수 있다. 상기 TMAH 수용액의 농도는, 예를 들면, 약 2 중량% 내지 약 5 중량%일 수 있다.
상기 비노광부의 네거티브 포토레지스트막을 제거함으로써, 상기 노광부의 네거티브 포토레지스트막만 남게되어 포토레지스트 패턴(150a)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(150a)은 기둥 형상을 가질 수 있다. 이 후, 상기 포토레지스트 패턴(150a)을 200 내지 250도의 온도하에서 베이크하여 상기 포토레지스트 패턴(150a)을 경화시킨다.
도 5c를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(150a)의 외부 표면 및 상기 노출된 DBARC막의 상부면에 중성막(도시안됨)을 형성한다. 상기 중성막은 후속에 형성되는 블록 공중합체의 각 블록들에 대해 동일한 친화력을 갖는 물질로 형성되어야 한다. 상기 중성막은 예를들어, 랜덤 폴리머를 들 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(150a) 및 상기 포토레지스트 패턴(150a) 하부에 위치하는 DBARC막의 노광부(106a)를 제거한다. 상기 포토레지스트 패턴은 가교결합되지 않은 고분자로 이루어지므로, 현상액에 의해서는 제거되지 않는다. 그러므로, 상기 포토레지스트 패턴(150a) 및 DBARC막의 노광부는 신너 조성물을 이용하여 제거할 수 있다. 즉, 상기 신너 조성물에 딥핑(dipping)시키는 방법 또는 회전-척 및 노즐을 사용하여 상기 기판 상에 신너 조성물을 분사함으로써, 상기 포토레지스트 패턴(150a) 및 상기 포토레지스트 패턴(150a) 하부에 위치하는 DBARC막의 노광부(106a)를 제거한다. 그러나, 상기 제거 공정에서, 비노광된 DBARC막 부위(106b)는 제거되지 않도록 하여야 한다.
다른 제거 방법으로, 상기 신너 조성물을 이용하여 상기 포토레지스트 패턴(150a)을 대부분 제거한다. 그 다음, 현상액을 이용하여 상기 DBARC막의 노광부(106a)를 제거할 수도 있다.
상기 포토레지스트 패턴(150a) 및 그 하부의 DBARC막(106a)이 제거된 부위에는 콘택홀 형상의 제1 개구부들(112)이 형성된다. 또한, 상기 제1 개구부(112)의 저면에는 상기 가이드막(104)이 노출된다. 상기 노출된 부위의 가이드막(104)은 후속의 블록 공중합체의 상분리 현상을 이용한 패턴 형성 시의 가이드 패턴(105)으로써 제공된다.
상기 설명한 공정들을 수행하면, 도 1e에 도시된 것과 동일한 구조가 형성된다. 이 후에, 도 1f 내지 도 1i를 참조로 설명한 것과 동일한 공정들을 수행하여 도 1i에 도시된 것과 동일한 미세 콘택홀을 형성한다.
상기에서 설명한 것과 같이, 실리콘 산 질화막을 가이드막으로 사용하고 블록 공중합체를 이용하여 미세한 내부폭을 갖는 미세 콘택홀을 형성할 수 있다.
실시예 4
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 패턴 형성 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 6a를 참조하면, 기판(200)상에 식각 대상이 되는 피식각막(202)을 형성한다. 상기 피식각막(202) 상에 가이드막(204)을 형성한다. 상기 가이드막(204)은 강한 친수성을 갖는 실리콘 산 질화막을 사용하여 형성한다. 상기 실리콘 산 질화막은 화학기상 증착법을 통해 형성할 수 있다. 상기 가이드막(204) 상에 DBARC(Developable Bottom Anti-Reflective Coating)막(206)을 형성한다. 상기 DBARC막(206) 상에 네거티브 포토레지스트막(250)을 형성한다.
이 후, 상기 네거티브 포토레지스트막(250)에서 포토레지스트 패턴이 형성되어야 할 부위를 노광한다. 노광 공정이 수행된 상기 네거티브 포토레지스트막(250)은 노광부(250a)와 비노광부(250b)로 구분될 수 있다. 상기 노광 공정을 수행하면, 상기 노광부의 네거티브 포토레지스트막(250) 하부에 위치하는 DBARC막(206)도 함께 노광되어, 상기 DBARC막(206)은 노광된 부분(206a) 및 노광되지 않은 부분(206b)으로 구분된다.
상기 노광 부위는 하부의 가이드막(204)이 노출되어야 할 부위이며, 상기 가이드막(204)이 노출 부위는 라인 및 스페이스 형상의 패턴 형성을 위한 가이드 패턴으로써 제공된다. 본 실시예의 경우, 상기 가이드 패턴은 상부면이 라인 형상을 가질 수 있다. 따라서, 상기 네거티브 포토레지스트막(250)의 노광 부위는 라인 형상을 가질 수 있다.
도 6b를 참조하면, 현상액을 이용하여 상기 네거티브 포토레지스트막(250)의 비노광부(250b)를 제거한다.
상기 비노광부의 네거티브 포토레지스트막(250b)을 제거함으로써, 라인 형상의 포토레지스트 패턴(250a)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(250a)은 라인 형상을 가지면서 반복 배치된다. 이 후, 상기 포토레지스트 패턴(250a)을 200 내지 250도의 온도하에서 베이크하여 상기 포토레지스트 패턴(250a)을 경화시킨다.
도 6c를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(250a)의 외부 표면 및 상기 노출된 DBARC막(206)의 상부면에 중성막(도시안됨)을 형성한다. 상기 중성막은 후속에 형성되는 블록 공중합체의 각 폴리머 블록들에 대해 동일한 친화력을 갖는 물질로 형성되어야 한다. 상기 중성막은 예를들어, 랜덤 폴리머를 들 수 있다.
상기 포토레지스트 패턴(250a) 및 상기 포토레지스트 패턴(250a) 하부에 위치하는 DBARC막의 노광부(106a)를 제거한다. 상기 제거 공정은 신너 조성물을 이용할 수 있다. 또는, 상기 제거 공정은 신너 조성물을 이용하여 상기 포토레지스트 패턴을 대부분 제거한 다음, 현상액을 이용하여 상기 DBARC막의 노광부(106a)를 제거할 수도 있다. 상기 제거 공정에서, 상기 DBARC막의 비노광된 부위(106b)는 제거되지 않도록 하여야 한다.
상기 공정에서 중성막이 리프트 오프되어 중성막 패턴(210a)이 형성된다. 또한, 상기 포토레지스트 패턴(250a) 및 그 하부의 DBARC막이 제거된 부위에는 라인 형상의 제1 개구부들(212)이 형성된다. 또한, 상기 제1 개구부(212)의 저면에는 상기 가이드막(204)이 노출된다. 상기 노출된 부위의 가이드막(204)은 후속의 블록 공중합체의 상분리 현상을 이용한 패턴 형성 시의 가이드 패턴으로써 제공된다.
상기 공정을 수행하면, 도 3c에 도시된 것과 동일한 구조가 형성된다.
이 후에, 도 3d 및 도 3e를 참조로 설명한 것과 동일한 공정들을 수행하여 도 3e에 도시된 것과 같은 미세한 선폭을 갖는 라인 패턴을 형성한다.
본 발명은 초미세 패턴들을 포함하는 반도체 소자의 제조 공정에 폭넓게 사용될 수 있다.
100: 기판 102: 피식각막
104, 204 : 가이드막 105 : 가이드 패턴
106, 206 : DBARC막 108, 208 : 포토레지스트막
108a, 208a : 포토레지스트 패턴 110 : 중성막
110a : 중성막 패턴 112, 212 : 제1 개구부
114 : 블록 공중합체층
114a, 114b, 214a, 214b : 미세 패턴층
116 : 제2 개구부 118 : 미세 패턴 마스크
120, 220 : 미세 콘택홀
104, 204 : 가이드막 105 : 가이드 패턴
106, 206 : DBARC막 108, 208 : 포토레지스트막
108a, 208a : 포토레지스트 패턴 110 : 중성막
110a : 중성막 패턴 112, 212 : 제1 개구부
114 : 블록 공중합체층
114a, 114b, 214a, 214b : 미세 패턴층
116 : 제2 개구부 118 : 미세 패턴 마스크
120, 220 : 미세 콘택홀
Claims (10)
- 피식각막이 형성된 기판 상에 친수성을 갖는 가이드막을 형성하는 단계;
상기 가이드막 상에 DBARC막 및 포토레지스트막을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 포토레지스트막 및 그 하부의 DBARC막의 일부 영역을 노광하여 상기 포토레지스트막 및 DBARC막에 각각 노광부 및 비노광부를 형성하는 단계;
상기 비노광부의 포토레지스트막을 제거하여 노광부의 포토레지스트로 이루어지는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴 및 비노광부의 DBARC막 표면에 중성막을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴 표면에 형성된 중성막이 제거되도록 상기 포토레지스트 패턴 및 노광부의 DBARC막을 제거하여, 상기 친수성막의 표면이 노출되는 제1 개구부를 형성하는 단계;
상기 제1 개구부 내부를 채우면서 상기 중성막 상에 제1 및 제2 폴리머 블록을 포함하는 블록 공중합체로 형성되는 블록 공중합체층을 코팅하는 단계;
상기 블록 공중합체층을 미세 상분리시켜, 상기 제1 개구부 내부 및 상기 중성막 상에 제1 폴리머 블록으로 형성되는 제1 패턴 및 상기 제2 폴리머 블록으로 형성되고 제1 패턴을 둘러싸는 형상을 갖는 제2 패턴이 반복 배치되는 미세 패턴층을 형성하는 단계;
상기 미세 패턴층에서 적어도 하나의 폴리머 블록을 포함하는 패턴을 제거하여 미세 패턴 마스크를 형성하는 단계; 및
상기 미세 패턴 마스크를 이용하여 상기 피식각막을 식각하여 제2 개구부를 포함하는 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법. - 제1항에 있어서, 상기 친수성을 갖는 가이드막은 실리콘 산 질화막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포토레지스트막 및 DBARC막의 노광부는 가이드 패턴이 형성될 부위 상에 위치하고, 상기 노광부의 상부면은 원형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미세 상분리는 상기 블록 공중합체층의 유리 전이 온도 이상에서 어닐링하는 공정을 포함하고, 상기 제1 패턴은 상기 개구부 저면에 노출되는 가이드막과 접촉하면서 형성되고, 상기 가이드막과 접촉되는 제1 패턴들에 의해 어드레싱되어 상기 개구부 내부 및 중성막 상에 상기 제1 패턴 및 제2 패턴들이 반복 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 개구부의 내부폭은 최종적으로 형성하고자 하는 제2 개구부들의 내부폭보다 넓고, 상기 제1 개구부 사이의 간격은 상기 제1 개구부의 내부폭과 동일하거나 상기 제1 개구부의 내부폭보다 넓은 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 개구부는 콘택홀 형상을 갖고, 상기 제1 패턴들은 기둥 형상을 가지면서 규칙적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 블록 공중합체층에 포함되는 상기 제1 폴리머 블록은 친수성을 갖고, 상기 제2 폴리머 블록은 소수성을 갖는 물질로 사용되고, 상기 제1 폴리머 블록은 20 내지 40%의 부피 비율을 갖고, 상기 제2 폴리머 블록은 60 내지 80%의 부피 비율을 갖는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법
- 제1항에 있어서, 상기 블록 공중합체층은 PS-b-PMMA를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포토레지스트막은 포지티브 포토레지스트이고, 상기 비노광부의 포토레지스트막은 네거티브 톤 현상액을 사용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 포토레지스트 패턴 및 노광부의 DBARC막은 TMAH 현상액을 사용하여 제거하는 패턴 형성 방법.
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