KR910008981B1 - 콘트라스트 증강형 반도체 사진 식각방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

콘트라스트 증강형 반도체 사진 식각방법
제1a도는 종래의 사진식각 공정도이고, (b)는 본 발명의 사진식각 공정도.
제2도는 본 발명의 CEL 공정에 의한 출력 파형도.
제3도는 본 발명의 CEM에 대한 분광 특성 곡선을 나타낸 도면.
제4도는 본 발명의 CEM의 표백효과를 나타낸 도면.
제5도와 제6도는 포토레지스트 S1400-27와 TSMR-8800 및 이들에 CEM-420WS를 도포한 경우의 콘트라스트 곡선을 나타낸 도면.
제7도와 제8도는 TSMR-8800 및 CEM-420WS를 도포한 경우의 CD 선형성과 보성플롯을 나타낸 도면.
제9도는 CD에 대한 노광시간 허용도를 나타낸 도면.
제10도-제13도는 종래와 CEL 공정의 노광도 허용도, DOF, 프로파일 및 디포커스된 프로파일을 비교하여 나타낸 도면.
본 발명은 반도체 소자의 사진식각방법에 관한 것으로서 특히, 콘트라스트 증강물질 도포공정과 콘트라스트 증강물질 스트립 공정을 추가하여 감광액의 측면각, 최소미세패턴, 초점심도등을 개선할 수 있는 콘트라스트 증강형 반도체 사진식각방법에 관한 것이다.
오늘날, 반도체 제조공정이 고집적화로 급속히 진보됨에 따라 이에 부응하는 설비 또는 공정이 절실히 요청되고 있는데, 현 광시스템의 성능이 한계에 도달하여 이를 극복하기 위한 새로운 공정개발 및 적용이 불가결한 상태에 이르고 있다.
본 발명은 상기 광공정의 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, 포토레지스트층에 광탈색층(Photo bleachable layer)인 콘트라스트 증강물질(Contrast Enhancement Material, CEM)을 도포하여 콘트라스트 증강층(Contrast Enhancement Layer, CEL)을 형성하여서 레티클/마스크 이메지를 CEM이 받아 수정하므로써 하부의 레지스트층에 직접 전달하여 개선된 이메지를 얻을 수 있는 반도체 사진식각방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 해상력, 초점심도, 공정허용도 및 프로파일을 극복하는데 그 목적이 있다.
반도체 광 리소그라피 시스템(Lithography System)을 레티클/마스크와 웨이퍼간의 거리로써 분류하면 콘택트 프린팅, 근접 프린팅(Proximity Printing) 및 투사프린팅(Projection Printing)의 3가지 시스템으로 분류할 수 있는데, 이중 가장 깨끗한 패턴전사가 가능한 시스템은 콘택트 프린팅이다. 이는 레티클/마스크와 웨이퍼간의 거리가 0인 경우로써 가공 이메지가 가장 완벽한 상태가 된다.
종래 사진식각방법은 레티클/마스크를 통과한 빛이 감광액의 표면에 도달할 때 빛의 회절현상에 의해 패턴의 가장자리가 선명하지 않았는데, 본 발명은 종래 사진식각법에서 소프트 베이크 공정 후 빛이 조사됨에 따라 표백되는 콘트라스트 증강물질을 도포하는 공정과 정렬/노광공정과 현상공정 사이에 콘트라스트 증강물질 스트립공정을 추가하므로써 레티클/마스크를 통과한 빛이 감광액 표면에 도달할 때 패턴 가장자리의 약한 빛을 모두 차단하므로써 선명한 패턴을 형성하도록 하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 종래와 콘트라스트 증강층의 형성공정을 비교실험하였는데, CEM과 레지스트의 혼합방지용으로
Figure kpo00002
AMERICA 사의 CEM-420WS와 BS-5를 사용하였으며, 하부 레지스트로 TSMR-8800을 사용하였다.
이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제1a도는 종래의 사진식각 공정도이며, 제1(b)도는 본 발명의 콘트라스트 증강형 사진식각 공정도를 나타낸 것이다.
종래의 사진식각 방법은 전처리 공정, 감광물질(Photoresist)을 도포시키는 공정, 도포된 감광물질을 가벼운 열처리하는 소프트베이크(Soft bake) 공정과, 마스크 정렬을 하고 자외선에 노광하는 노광 공정과, 노광 후 소프트 베이크 공정의 온도보다 높은 온도에서 열처리를 실시하는 노광 후 베이크(Post Exposure Bake, PEB) 공정과, 마지막으로 감광물질을 현상하는 현상공정으로 이루어졌다.
상기한 공정을 행하는 경우 감광액의 특성상 미세패턴형성의 한계에 부딪쳐 감광액의 측면각, 최소 미세 패턴 및 초점심도 등이 나쁠 뿐만 아니라 공정 안정도가 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래 공정의 소프트 베이크 공정 후 BC-5 물질을 도포하는 공정 및 CEM을 도포하는 공정과, 자외선 노광 공정과 PEB 공정 사이에 CEM, BC-5 스트립 공정이 추가된 것이다.
제2도는 본 발명의 콘트라스트 증강을 위해 콘트라스트 증강층을 형성하여 사진식각을 하는 콘트라스트 증강형 사진식각 공정(이하 CEL 공정이라 칭함)에 따른 출력 파형도를 나타낸 것이다.
광학계를 통과한 빛이 감광액에 도달할 때 제2a도의 점선처럼 이상적인 출력파형을 갖지 못하고 실선과 같은 파형을 갖게 되어 감광액 측면도가 제2f도와 같이 된다. 그러나, 제2b도와 같이 CEM을 감광액 위에 도포하여 노광 초기 상태에서 현상을 하면 (c)처럼 파형의 가장자리가 개선되어 (g)와 같은 감광액 측면 상태가 나타난다.
한편, 노광완료 상태에서는 (d)처럼 CEM이 거의 투명한 상태가 되고, 출력 파형이 (e)와 같이 되어 가장자리와 가운데 부분이 모두 개선되어 사각형을 형성하여 감광물질에 전달되므로 감광액 측면 상태는 (g)와 같이 되어 노광 초기의 측면상태(제2g)보다 훨씬 양호한 상태로 된다.
그러면, 상기 설명한 바와 같이 감광액의 측면을 개선시키는 본 발명의 CEL 공정 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.
광식각(Optical Lithography)에 있어서, 해상도(Resolution) 및 초점심도(Depth of Focus, DOF)는 다음과 같은 식으로 각각 나타낼 수 있다.
Figure kpo00003
Figure kpo00004
이때, NA는 개구수(Numerical Aperture), λ는 파장, K1과 K2는 각각 상수를 나타내는 것으로, 설비가 일단 선정되면 λ와 NA는 고정치가 된다.
따라서, 선정된 설비로써 해상도 및 DOF를 향상시키기 위해서는 물질(material) 또는 공정에 의존하는 상수 K1, K2를 양호하도록 설정해야 한다.
본 발명에서는 CEM-420WS를 사용한 CEL 공정에 의해 상수 K1, K2를 수정하여 해상도와 DOF를 동시에 향상시키고자 하는 것이다.
CEM(Contrast Enhancement Material, CEM)은 고감도의 탈색염료를 함유하는 물질로써 제2도에서처럼 광초기의 특정파장대에서는 불투명하다가 점점 탈색되어가면서 투명해지는 물질이며, CEM에 입사되는 가공 이메지(aerial image)를 보다 첨예하게 수정하여 하부의 포토레지스트층에 전달하므로써 콘택트 프링팅의 효과를 얻는다.
제2i도에 도시한 바와 같이, 다이어릴니트론즈(diarylnitrones)는 농도 짙은 광흡수 분자들로서 치환 그룹인 R과 R'를 변경시켜 분광특성(Spectral characteristic)을 변화시킬 수 있으며, 빛을 받으면 N-CH의 더블 밴드가 끊어져 옥사지리딘즈(Oxaziridines)라는 광투과가 양호한 물질로 바뀐다.
다이어릴니트론즈(diarylnitrones)도 솔벤트를 함유하고 있어 포토레지스트를 부식시키므로 R, R'의 극성을 변화시켜 부식을 최소화시킬 수 있으나 본 발명에서는 안전을 위해 CEM과 포토레지스트 사이에 폴리비닐알코올(PVA)을 주성분으로 하는 수용성 물질인 BC-5를 도포하여 계면영역에서의 혼합을 방지하도록 한다.
제3도는 CEM의 분광특성 곡선을 나타낸 것으로 CEM-420의 경우 365nm(i-line)에서 13%, 405nm(H-line)에서 1%, 436nm(G-line)에서 2%의 투과성을 보이므로 노광초기에는 거의 암흑 상태가 된다.
제4도는 CEM-388의 경우 노광초기와 후기에서의 투과율 변화를 나타낸 것으로 388nm에서 거의 0% 초기투과성을 갖다가 노광 후기에 거의 35%의 투과성을 갖게 된다.
CEM의 이와 같은 특성에 의해 제2도와 같이 광학계를 적용한 가공영상(aerial image)의 가장자리부분이 개선되어 포토레지스트에 도착하게 되어 CEM에 의한 콘택트 프린팅의 효과를 나타내게 된다.
다음, CEL 공정순서에 대해 설명하면 다음과 같다.
CEL 공정은 종래의 공정에 비해 BC-5와 CEM의 도포과정이 첨가되므로 웨이퍼 공정시간이 길어진다. 이때, BC-5와 CEM에 대해 도포 후 베이크 공정을 하게 되면 열에 의해 탈색이 되어버려 본래의 목적과 벗어나게 되므로 베이크 공정을 생략한다.
또한, 노광 후 실시하는 PEB 공정 역시 CEM, BC-5 스트립 공정 후 진행하여 CEM과 BC-5의 경화를 사전에 방지하므로써 스트립이 용이하도록 한다.
CEM, BC-5는 웨이퍼 스트립 물질(Wafer Strippable material)인 경우 다이 워터(DI water)나 현상액으로 프리웨트(약 5초 이상)시켜 스트립할 수 있다.
다음으로, 통상의 사진식각 공정과 상기 공정순서에 따른 본 발명의 CEL 공정간의 a.콘트라스트 곡선비교 b.CD(Crtical Dimension)선형성 비교, c.보성 플롯(Bossung Plot) 비교 d.노광시간 허용도 비교 e.DOF 비교, f. 해상도 비교 g.레지스트 프로파일 비교를 하기 위한 실험방법 및 그에 대한 결과는 다음과 같다.
[A. 실험방법]
a. 웨이퍼 : 순수 실리콘
b. 포토레지스트 : TSMR-8800 1.05㎛
소프트 베이크 : 90.9℃
c. CEM : CEM-420WS 0.7㎛
BC-5 0.1㎛
d. 도광장치 : NA=0.42 λ=436nm 5xSTEPPER
e. PEB : 100.9℃ Hot Plate
f. 현상 : NSD-TD PUDDLE DEVELOP
상기 a-f조건은 최적의 CEL 공정으로서, 종래의 공정에서는 CEM-420WS 및 BC-5의 도포를 하지 않으며 PEB가 110.9℃라는 점이 다르다.
[B. 실험결과]
a) 콘트라스트 곡선
제5도와 제6도는 포토레지스트 S1400-27 및 TSWR-8800에 CEM-420WS를 도포한 경우의 콘트라스트 곡선을 각각 나타내는 것이다.
한계 노광시간(Thershold exposune time, Eo)은 종래의 경우 S1400-27은 140ms, TSMR-8800은 170ms이고, 여기에 CEM-420WS를 도포한 본 발명의 경우는 각각 320ms, 360ms로써 종래보다 각각 180ms, 190ms의 노광시간이 필요하게 되는데, 이는 하부 레지스트에 CEM을 추가했기 때문이다.
콘트라스트(r) 값은 다음 식(3)으로 나타낼 수 있다.
Figure kpo00005
여기서, E1은 한계 노광시간(Eo)에서 접선을 그었을 때 종래의 남아 있는 포토레지스트 두께와 만나는 점의 노광시간이다.
상기식에 의한 r값은 (표 1)과 같이 되는데, TSMR-8800에 CEM-420WS를 사용하면 종래보다 매우 양호한 콘트라스트를 얻을 수 있다.
[표 1]
Figure kpo00006
b) CD 선형성
CD 선형도는 소자내에 LSP(Line/Spaces Pair)가 각각 다른 크기로 공존할 수 있으므로 매우 중요한 의미를 갖는데, 모든 LSP에 대해 웨이퍼상의 CD가 마스크 CD와 동일한 것이 이상적이나 LSP 크기가 작아질수록 해상력 한계에 걸리기 쉬우므로 이를 따르지 못하게 된다.
제7도는 CEM-420WS를 사용한 본 발명의 CD 선형성 (b)와 종래의 CD 선형성 (a)를 비교한 것으로서, 종래의 경우 (a)에서 보면 300ms에서 0.7㎛ L/S까지 CD 선형성이 성립되고, CEL 공정의 경우 (b)에서 보면 700ms 에서 0.6㎛ L/S까지 CD 선형성이 성립되므로 CEM-420WS를 사용한 공정이 0.1㎛ 더 감소되었음을 알 수 있다.
이때, (a)의 종래 CE 선형성 0.7㎛의 의미는 인-라인 반도체상으로 나타난 CD값에만 의존하고 프로파일은 고려하지 않은 것으로 해상력과는 다르다.
c) 보성 플롯(Bossung Plot)
보성 플롯은 사진공정의 허용도(Margin)을 알아볼 수 있는 좋은 척도로 초점이 나빠지더라도 CD 변화가 적게 일어나는 공정이 바람직한 공정이다.
제8도는 CEM-420WS를 사용한 경우 (b)와 사용하지 않은 경우 (a)를 비교하여 나타낸 것이다. CEM-420WS를 사용하지 않은 종래 공정에서는 통상 마스크 CD±10%의 영역에 -1.2㎛-+1.6㎛의 디포커스영역(300ms)에 들어가고, 본 발명의 CEL 공정에서는 -1.8㎛-+1.8㎛ 이상의 디포커스영역(700ms)에 들어가므로 보성플롯상으로 CEL 공정이 광공정 허용도가 훨씬 넓음을 의미한다.
d) 노광시간 허용도
노광시간이 증가함에 따라 라인은 가늘어지고 스페이스는 넓어지게 되나 그 정도가 노광시간 허용도(Margin) 확보에 있어서 매우 중요한 요소가 된다. 노광장치의 램프열화, 현상액의 감도 변화 등이 CD(Cirbical dimension)에 매우 큰 영향을 주게 된다.
노광시간이 어느 정도 증가하더라도 라인이 쉽게 가늘어지지 않는 안정성이 필수적이다.
제9도는 종래와 본 발명의 CEL 공정에 있어서 CD에 대한 노광시간과의 관계를 나타낸 것이다. CEL 공정은 종래 공정에 CEM 도포공정을 추가했으므로 이 CEM을 노광시키는데 필요한 노광시간이 요구되어 진다.
도면에서 보는 바와 같이 마스크 CD를 ADI CD로 그대로 재현시키는데 필요한 노광시간은 종래 공정에서 280ms, CEL 공정에서 700ms로 상당한 차이가 있으나 CEL 공정은 노광시간 변화에 따른 CD가 매우 안정적임을 알 수 있다.
제10도는 노광시간 허용도를 비교하여 도시한 것으로서, 종래 공정에서는 1.0㎛ L/S(±10% 이내)를 형성하는데 중심치 노광시간에서 120ms(±60ms)의 허용범위를 갖는 반면 CEL 공정에서는 260ms(±130ms)의 허용범위를 갖는다. 또한 0.8㎛ L/S 에서 종래 공정이 75ms(±37.5ms)인데 반해 CEL 공정에서는 200ms(±100ms)로 월등하게 향상되었으며, 0.65㎛ L/S에서도 CEL 공정이 140ms(±70ms)나 넓은 범위를 차지하고 있어 노광시간을 일단 세팅해 두면 노광장치나 현상액의 감도(sensitivity)에 관계없이 안정적인 공정을 가질 수 있다.
e) DOF
DOF는 초점심도로서, 제11도에서 보는 바와 같이 일정 크기의 L/S가 ±10%내에 들면서 레지스트 프로파일이 80°이상일때를 기준으로 하였다. 1.0㎛ L/S에서 CEL 공정이 5.2㎛인 반면 종래 공정에서는 3.2㎛이며, 0.8㎛ L/S에서 CEL 공정이 3.75㎛인 반면 종래 공정에서는 1.75㎛를 나타내고 있다. 또한, 0.65㎛ L/S에서도 CEL 공정만이 가능하고 이때의 DOF는 2.5㎛이며, 0.6㎛ L/S에서는 CEL 공정이 1.5㎛의 DOF를 갖고 있어 잘 콘트롤 하게 되면 유용한 크기가 될 수 있다.
f) 해상도
해상도는 사진공정중 가장 중요한 피라미터로 상기 식(1)과 같다.
Figure kpo00007
식(1)에서 NA=0.42, λ=436nm(g선)으로 보고 종래 경우 K1=0.8, 본 발명의 CEL 공정에서 K1=0.6으로 보면 종래 공정에서 Re=0.83㎛, CEL 공정에서 Re=0.62㎛가 된다.
이때 K1은 공정에 크게 의존되는 요소로 사용되는 레지스터와 현상액에 의해서도 좌우된다.
레지스트 프로파일이 80°이상이고 DOF가 2.0㎛ 이상이며 선형성이 마스크 CD±10% 이내인 조건을 충족시키는 부분에서의 K1은 종래 공정에서 0.77 CEL 공정에서는 0.63을 실험적으로 얻었다. 이때의 해상도는 종래의 경우 0.8㎛ L/S, CEL 공정의 경우 0.65㎛ L/S로, 본 발명의 CEL 공정이 종래의 공정보다 0.15㎛의 해상도 향상을 나타낸다.
g) 레지스트 프로파일
제12도와 제13도는 종래의 공정과 CEL 공정의 레지스트 프로파일을 패턴 사이즈와 디포커스 별로 비교하여 각각 도시한 것이다.
제12도에서, 종래 공정의 θ가 85°-87°로 양호한 포지티브 프로파일을 보이고, CEL 공정에서도 역시 θ가 88°-92°로 약간 양호한 상태를 나타내고 있다.
제13도는 +15㎛, -1.5㎛ 디포커스시킨 상태에서의 프로파일을 비교한 것으로 종래의 경우는 0.8㎛ L/S, CEL 공정에서는 0.7㎛ L/S이다.
또한, 종래 공정은 θ=77°인 반면 CEL 공정은 87°의 프로파일을 보이고 있어 L/S가 더 작음에도 불구하고 +1.5㎛ 디포커스에서 프로파일이 월등히 양호함을 알 수 있다.
상기 (a)-(f)의 종래 공정과 CEL 공정의 비교테스트를 통해 (표 2)와 같은 비교표를 얻을 수 있다.
비교표에서 해상도라함은 종래 경우 L/S ±10%, 레지스트 프로파일 80°이상 DOF 2.0㎛ 영역 이상을 기준으로 할 때 종래의 경우는 0.8㎛ 까지 CEL 공정은 0.62㎛까지 해상도를 얻을 수 있다는 것이다.
CEL 공정인 경우 0.6㎛ L/S도 DOF 1.5 영역에서 패터닝되므로 세밀하게 관리하면 해상도가 0.6㎛도 가능하다.
[표 2]
Figure kpo00008
상기와 같이 설명한 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째로, 본 발명이 접촉형 노광방식(감광액과 콘트라스트 증강물질간의 접촉)과 유사하므로 종래공정보다 최소 미세패턴의 형성력을 향상시키고, 둘째로, (표 2)에서 보는 바와 같이, 접촉형 노광방식이므로 해상도, DOF, CD 선형성 및 콘트라스트등을 향상시키며, 셋째로, 제2도에서 보는 바와 같이 빛이 조사됨에 따라 표백되는 물질을 포토레지스트 위에 도포하므로써 감광액의 측면각도를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 감광액의 측면 각도가 개선되므로 공정의 한계성을 극복할 수 있다.

Claims (2)

  1. 전처리 공정, 감광액도포 공정, 소프트 베이크 공정, 노광 공정, 노광 후 베이크 공정 및 현상 공정으로 이루어지는 반도체 사진 식각방법에 있어서, 소프트 베이크 공정 후 감광액 위에 감광액 물질과 콘트라스트 증강물질의 혼합 방지용 물질과 콘트라스트 증강물질을 도포하고, 노광 공정 후 상기 감광액 물질과 콘트라스트 증강물질의 혼합방지용 물질과 콘트라스트 증강물질을 스트립하여 노광 후 베이크 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 증강형 반도체 사진식각방법.
  2. 제1항에 있어서, 콘트라스트 증강형 물질이 빛에 의해 표백되는 광표백효과를 갖는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 증강형 반도체 사진식각방법.
KR1019880015771A 1988-11-29 1988-11-29 콘트라스트 증강형 반도체 사진 식각방법 KR910008981B1 (ko)

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