KR940005623B1 - 패턴형성방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

패턴형성방법

제1도는 단차에 따라 서로 상이한 두께의 레지스트가 웨어퍼상에 도포되어 있음을 나타내는 단면도.

제2도는 종래의 방법에 따라 광선의 촛점면을 단자위에 레지스트 중심선에 맞추어 노광시킬 때의 광도분포.

제3도는 제2도에서 노광된 레지스트를 현상하여 수득한 레지스트 패턴의 단면도.

제4도는 제3도의 단면도에 상응하는 웨이퍼상에 형성된 패턴의 평면도.

제5도는 본 발명의 방법에 따라 레지스트의 중심선에 광선의 촛점을 맞추어 노광했을 때 수득한 광도분포.

제6도는 제5도와 같이 노광된 레지스트를 현상했을 때 수득한 레지스트 패턴의 단면도를 나타낸다.

본 발명은 패턴형성방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 밀집단차 및 광역단차(global step)를 포함하는 기판에의 패턴형성방법에 관한 것이다.

반도체 집적회로등의 고집적화, 고성능화가 진전함에 따라서 반도체기판등의 미세패턴형성 기술에 대한 요구가 높아지고 있다.

반도체장치나 자기버블 메모리장치등의 각종 패턴은 포토리토 그래픽에 의해 형성된다는 것은 널리 알려져 있다.

포토리토그래피는 다음과 같이 구성된다. 즉, 절연막, 전도성막 또는 반도체 웨이퍼등, 패턴을 형성하고자 하는 면상에 빛이나 X선의 조사에 의하여 용해도의 변화가 있는 막(포토레지스트막)을 형성한다.

이 포토레지스트막의 소기부분에 포토마스트를 사용하여 빛을 선택적으로 조사한 후, 현상하여 용해도가 큰 부분을 제거하여 포토레지스트상에 패턴을 형성한다. 상기 패턴이 형성될 부분은 노출되어 있어서, 이 부분을 에칭에 의해 제거한 후 각종 배선, 전극등에 필요한 패턴을 형성할 수 있다.

이와 같은 포토리토그래피에 의한 패턴성형방법은 미세한 패턴을 정확하게 형성할 수 있기 때문에, 각종 반도체장치나 자기버블 메모리장치의 제조에 널리 사용되고 있으나, 보다 미세한 패턴을 형성하기 위하여는 공정상의 개선점을 필요로 한다.

즉, 포토레지스트 필름을 노광시킨 후, 현상하여 수득한 미세한 패턴에서 패턴의 선폭(linewidth)은 포토 마스크상에 형성된 패턴과 동일하게 일정한 것이 요구된다. 그렇지만 포토리토그래피에 여러 단계의 공정이 존재하기 때문에 패턴의 선폭을 일정하게 유지하기는 매우 곤란하다. 이와 같은 선폭 편차는 주로 a)상이 한 레지스트 두께를 갖는 레지스트내로 모아지는 에너지 차이, b) 회절 및 방사에 기인한 단차에서의 빛의 산란; 및 c) 정재파 영향에 기인한다(S.Wolf and R.N. Tauber, Silicom processing for the VLSI Era, Vol.1, P439(1986)

제1도는 단차의 존재에 의하여 서로 상이한 두께의 레지스트가 웨이퍼상에 도포되어 있음을 나타내는 단면도이다.

웨이퍼를 100∼1000rpm의 회전속도로 회전시키면서 감광성 재료를 웨이퍼상에 도포한 후 웨이퍼를 고속회전(2000∼6000rpm)시키면 감광성 재료가 원심력에 의해 방사상으로 퍼지면서 웨이퍼 전체에 균일한 두께의 레지스트 필름을 형성하게 된다.

이때 웨이퍼상에 이미 패턴이 에칭되어 있는 경우에는 제1도에 나타낸 바와 같이, 단차의 피치가 짧은 부분에서는 평탄하지만 단차가 끝나는 곳에서는 레지스트가 두꺼워지고 단차가 없는 곳에서는 다시 평탄하게 된다.

동도에서 점선은, 레지스트에 양호한 패턴을 형성시키고자 할 때, 광선의 촛점이 맺혀져야 하는 레지스트의 중심선이다. 이와 같이, 레지스트의 중심선은 수평면을 이루고 있지 않기 때문에, 레지스트 노광시에는 1회의 노광에 의해 광선의 촛점과 레지스트의 중심선과 일치시키는 것은 불가능하다.

제2도는 광선의 촛점면(focal plane)을 단자상의 레지스트 중심선에 맞추어서 노광시킬 때의 광도분포(light intensity profile)를 나타낸 것이다. 동도에 나타낸 바와 같이, 레지스트의 중심선에 촛점면이 맞추어진 단차영역부위인 "3"부분은 (A)에 나타낸 바와 같이 샤프(sharp)한 광도분포를 갖는 반면, "4" 및 "5"부분의 광도분포는 브로드(broad)하다.

통상, "2"와 "3", "4"와 "5" 및 "6"과 "7"이 대등한 정도의 크기인 경우에 균일한 광도분포가 형성되어 현상이후에 에칭에 의해 기판상에 패턴을 형성시킬 수 있지만, 제2도에 나타낸 바와 같이,(2) 및 (3) 영역에서는 "4"와 "5" 및 "6"와"7"의 크기가 서로 상이하기 때문에 이 부분은 현상하면 서로 다른 선폭을 갖는 패턴이 레지스트에 형성된다. 따라서 기판상의 레지스트에 형성되는 패턴의 선폭이 일정하지 않을 뿐만 아니라 해상을 하더라도 기판을 에칭시킬 수 없게 될 가능성이 존재한다.

제3도는 제2도에서 노광된 레지스트를 현상한 후, 현상된 레지스트의 단면도를 나타낸 것이다. 동도에서 (2) 및 (3) 영역에서는 패턴의 프로필이 불량하기 때문에 웨이퍼기판을 에칭할 수 없다.

제4도는 상기 제3도의 단면도에 대응하는 웨이퍼상의 레지스트에 형성된 패턴을 도시와 평면도이다. 동도에서 (4) 영역은 현상후 밀집단차 영역에 형성된 레지스트의 패턴을 나타내고, (5) 영역은 광역단차영역에 형성된 레지스트의 패턴을 나타낸다. 영역(4)에서는 촛점이 레지스트의 중심선에 맞추어져 있었기 때문에 양호한 레지스트 패턴을 형성시킬 수 있었지만, 영역(5)에 있어서는 선폭이 예상된 패턴의 선폭에 비해 넓어지고 어떤 부위에서는 기판상까지 레지스트가 해상되지 않았다. 따라서 반도체기판상을 에칭하여 기판에 패턴을 형성하고 하는 경우에 이와 같은 부위에서는 에칭할 수 없게 된다.

상기한 문제를 해결하기 위하여 박막트랜지스 필름을 사용하면 정재파나 기판의 반사로부터 기인한 문제점을 해결할 수 있을 것이다. 그렇지만 단차에 기인한 상이한 두께의 레지스트로부터 기인한 문제점을 해결하는 데는 한계가 있다.

이와 같은 기판표면의 요철(凹凸)이나 단차에 의하여 일으키는 문제를 해결하기 위하여 "다층 레지스트법(Multilayer Resist Method)"이라고 하는 방법이 제안되어 있다.

다층레지스크법에서는, 우선 웨이퍼상에 기판의 단파 보다 두껍게 유기층을 스핀도포하여 원래의 웨이퍼 형상보다 평탄하고 매끈한 표면을 제공한다. 이 기저층을 예비베이크한 후, 얇은 이메지층(thin imaging layer)를 증착시킨다. 어떤 경우에는 이메지층의 증착전에 기저층상에 SiO₂와 같은 제3의 얇은 전이층(thansfer layer)를증착시키기도 한다. 다음에 최상의 얇은 층에 고해상도의 패턴이 수득된다. 다음에, 묘사된 이메지층을 블랭킷 노출마스크(blanket exposure mask)나 에칭마스크를 사용하여 기저층내로 고해상도의 패턴을 전이시켜서 평탄화층을 패턴한다. 0.5㎛이하의 해상도를 갖는 패턴이 다층레지스트법에 의하여 묘사될 수 있다.

이와 같은 다층레지스트법으로는, 예를 들면, 일본국 특허공개공보소화 51-107775호에는 기판에 요철이나 단차가 존재할 때, 두꺼운 유기물층(하층막)을 피가공막 위에 도포하여 평탄하게 한후, 그 위에 SOG(Spin On Glass)나 PSG(Phosphosilicate glass) 혹은 SiO₂로 구성된 박막(중간막) 및 포토레지스트박막(상측막)을 형성시킨 후, 통상의 포토리토그래피 기술에 의하여, 상기 상층막으로의 노광 및 현상, 상기 중간막의 에칭을 행하여, 상기 중간막을 소기형상으로 가공한 후, 수득한 중간막으로 되는 패턴을 마스크로 하여 상기 두꺼운 하층막의 노출된 부분을 드라이에칭하여 제거하고, 상기 피가공막의 노출된 부분을 에칭에 의하여 제거하여 소기패턴을 형성하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 한국특허공고 제89-3903호에는 다층레지스트법에 있어서, 중간막의 빛의 굴절률과, 상층막 및 하층막의 빛의 굴절률의 차를 적게하는 것에 의하여, 상층막과 중간막 및 중간막과 하층막의 사이의 각 계면에 있어서의 빛의 반사를 감소시킴과 동시에 하층막에 있어서의 막의 두께의 상위에 의해 생기는 막내 간섭을 방지하고, 패턴형성시 치수변동을 억제함으로써 패턴의 해상도를 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 상기한 문헌에 의하면, 피가공막, 유기고분자 화합물로 된 하층막, 상기 하층막보다도 내 드라이에칭성이 큰 재료로 된 중간막 및 감광성을 가진 상층막을 기판상에 차례로 적층하여 형성하는 공정과, 상기 상층막의 소기부분에 선택적으로 빛을 조사한 후 현상하고, 소기형상을 가진 상층막의 패턴을 형성하는 공정과, 상기 하층막의 노출된 부분을 제거하는 공정과, 상기 피가공막의 노출된 부분을 제거해서, 상기 피가공물로 되는 패턴을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 중간막의 광굴절률과 상기 상층막 및 상기 하층막의 광굴절률의 차가 각각 12%이하인 패턴형성방법이 제공된다.

또한 한국특허 공고 제89-4986호에는 미세한 패턴을 얻기 위하여, 반도체의 다층 포토레지스트 제조공정중 제1마스크 물질에 포토레지스트 패턴을 형성함에 있어서, 포토레지스트(14)를 이방성건식식각시의 마스크로 사용하기 위한 이미지 리버설 마스크를 형성하고 제2마스크물질(15)를 도포한 다음, 에치백 공정에 의한 제2마스크물질(15)의 패터닝에 의하여 선명하지 않은 기존 포토레지스트의 패턴위에서도 선명한 패턴이 형성될 수 있게 함을 특징으로 하는 반도체의 다층레지스트 제조방법이 기재되어 있다.

이와 같이 다층레지스크법에 의하여 미세한 해상도의 패턴을 얻을 수 있지만, 많은 공정을 거치기 때문에, 쓰루프트(throughput)를 감소시키고 결점이 증가될 가능성이 커지며 반도체제조의 비용이 증가된다.

따라서 본 발명의 목적은 다층레지스크법과 같이 복잡한 단계를 거치지 않고서도, 기판상에 요철이나 단차에 의하여 형성되는 포토레지스트 두께간의 차이에 의해 발생하는 패턴의 선폭편차를 감소시켜 보다 높은 해상도를 갖는 패턴을 형성하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 의하면, 부위에 따라 두께가 다른 레지스트의 노출방법에 있어서, 레지스트의 두께의 중심선에 광선의 촛점을 맞추어 레지스트를 노출시켜 레지스트패턴을 형성하는 방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 특징 및 이점등을 하기에 상세히 설명한다.

본 발명에 의하면, 예를 들면 제1도에 나타낸 바와 같이, 반도체 웨이퍼상에 도포 된 레지스트필름의 노출 방법에서, 광선의 촛점을 조정하여 점선으로 도시한 레지스트의 중심선에 광선의 촛점이 맺히도록 한다. 이와 같은 광선에 대한 노출방법은 일반적으로 반도체 웨이퍼의 포토리토그래피 공정에서 사용되고 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 의하면, 광선의 촛점면을 레지스트의 중심선이 맞추기 위하여 서로 다른 패턴이 형성되어 있는 포토마스크를 2개 이상 사용하여 수행한다. 즉, 밀집단차 영역에 형성된 패턴에 상응하는 패턴이 형성되어 있고, 광역단차 영역의 패턴은 차공층으로 도포된 포토마스트와, 광역단차 영역에 형성될 패턴에 상응하는 패턴이 형성되어 있고, 밀집단차 영역의 패턴은 차광층으로 도포된 마스크를 각각 사용한다. 상이한 높이를 갖는 단차들이 다수 존재하기 때문에 레지스트의 두께가 매우 불균일하여 촛점면을 3개 이상 맞츨 필요가 있는 경우에는 촛점면의 갯수에 상응하여 각각의 포토마스크를 제조하는 것이 바람직하다.

마스크는 일반적으로 경질마스크와 연질마스크로 구분되지만, 연질마스크는 2.5㎛이하의 미세한 패턴을 형성하기가 곤란하기 때문에 최근의 반도체 제조에서는 경질마스크가 주로 사용된다. 경질마스크는 기판상에 차광성 박막재료를 증착, 스퍼터 또는 화학기상증착에 의해 도포하여 제조한다. 마스크기판의 재료로서는 소다석회(soda lime), 보로실리케이트 또는 석영등을 들수 있다. 그 중에서도 특히, 석영은 값은 비싸지만 열팽창 계수가 극히 낮고, 근자외선이나 원자외선의 투과율이 매우 높다. 따라서 본 발명에서는 석영을 마스크기판 재료로서 사용하는 것이 바람직하다.

마스크상에 도포될 차광성 박막재료로서는 실리콘, 산화철, 크롬 또는 그의 산화물을 들 수 있다. 특히, 크롬 및 산화크롬의 복합재료를 사용것하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용가능한 마스크로서는 상기한 기판상에 크롬/산화크롬을 피복한 통상 마스크 이외에도, 반사형 마스크(reflective mask)또는 위상반전마스크(phase shift mask)등을 사용할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 의하면 처음에 밀집단자 영역부위에 도포된 레지스트의 중심선(제5도의 (1))에 촛점면을 맞추어 노광하고, 다음에 광역단차 부위에 도포된 레지스트의 중심선(제5도의 (2))에 촛점면을 맞추어 노광시킨다. 이를 반대로 수행하여도 무방하다. 촛점면간의 편차는 레지스트 두께, 단차(step)의 높이 등에 따라 변화할 수 있다. 단차의 높이가 0.3㎛보다 낮으면 1회의 조사로서도 균일한 광도분포를 갖는 노광을 수행할 수 있기 때문에 본 발명의 방법의 효율성이 적어지고, 단차의 높이가 5㎛이상의 경우에는 이후의 공정단계 예를 들면 에칭이나 CVD 공정등에서 불량부위 형성의 가능성이 크다. 따라서 단차의 높이는 03.㎛ 내지 5㎛인 것이 바람직하다.

촛점면간의 편차는 주로 상기한 단차의 높이에 비례하게 된다. 상기 촛점면 간의 편차가 ±5㎛이상이면 노출장치의 광학계로서 조정하는 것이 곤란하기 때문에 촛점면간의 편차는 -5㎛내지 +5㎛인 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용할 수 있는 광선에는 레지스트에 노광부위와 비노광부위간에 용해도 차이를 일으켜 패턴을 형성할 수 있는 한 제한이 없다. 사용할 수 있는 광선의 파장으로서는, 예를 들면 수온 램프나 Xe램프 등에서 나오는 g-line(436nm), i-line(365nm), h-line(405nm) 및 보르드 밴드(240∼440nm)뿐만 아니라 엑시머 레이저(248nm, 193nm)등을 들수 있다.

감광성 재료는 일반적으로 포지형과 네가형으로 구분한다. 네가형 감광성 재료는 환화 고무계수지와 비스아지드계 화합물과의 혼합물로 구성되어 있으며 광조사 부분에 가교제(비스아지드계 화합물)에 의해 망목구조를 형성하여 경화되고 미조사부분은 현상액에 용해된다. 반면에 포지형 감광성 재료는 일반적으로 퀴논 디아지드계의 감광제, 알칼리 가용성 페놀계수지 및 유기용제로 구성되어 있으며 그 자체는 알칼리 불용성이지만 광조사에 의해 알칼리 가용성으로 변한다. 포지형의 감광성재료가 보다 높은 해상도를 갖기 때문에, 최근에는 포지형이 널리 사용되고 있다.

본 발명에서는 사용할 수 있는 감광성 재료로서는 포지형이나 네가형 어느 쪽을 사용하여도 무방하지만, 상기한 바와 같이 해상도가 좋은 포지형을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용할 수 있는 포지형 감광성 재료로서는, 노블락계 레지스트조성물, 화학증폭형(chemically amplified)레지스트조성물, 또는 측쇄절단형(chain scission계) 레지스트 조성물등을 들수 있다.

제5도는 본 발명의 방법에 따라 레지스트의 중심선에 광선의 촛점이 맺혔을때 얻어지는 광도분포를 나타낸 것이고, 제6도는 상기 노출된 레지스트를 현상했을 때 수득하는 레지스트패턴이 단면도 를나타낸 것이다.

이와 같이 레지스트의 노출시 광선의 촛점을 레지스트의 중심선에 맞추었을 때 현상후 모든 노출부위에서의 광도분포가 샤프하기 때문에 현상후 수득하는 레지스트의 단면은 매우 명확함을 알수 있다.

이하 실시예로서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

밀집차단부위와 광역단차부위가 혼재하는 웨이퍼의 기판상에 7000Å의 두께를 갖는 산화막을 형성시킨다.

감광성 재료로서는 도오꾜오오까사의 TSMR-ill00(상품명)을 사용하여 스핀도포법에 의해 레지스트막을 형성시킨다. 형성된 레지스트막의 두께는 1.2㎛이다. 제1도에 나타낸 바와 같은 단면도를 갖는 레지스트가 도포된 웨이퍼를 수득한다.

한편, 마스크 기판재료로서 석영을 사용하고, 착광성 박막재료로서 크롬/산화크롬 혼합물을 사용하여, 밀집단차영역에 형성될 패턴에 상응하는 포토마스크와 광역단차 영역에 형성될 패턴에 상응하는 포토마스크를 각각 준비한다.

먼저 노광장치에 밀집단차 영역의 패턴 형성용 포토마스크를 끼워서 촛점면이 제5도의 점선(1)에 위치하도록 조정한 후 레지스트를 노광시킨다. 이때 노광장치로서는 니콘사의 NSR 1755i를 사용하고 광원파장은 365nm(i-line)이고, 노광에너지는 300mj/cm²이다.

다음에 상기 포토마스크를 광역단차 형성용 포토마스크로 대체하고, 촛점면이 제5도의 점선(2)에 위치하도록 조정한 후, 상기와 같이 레지스트를 노광시킨다. 이때 점선(1)과 일치하는 촛점면을 기준으로 하면, 점선(2)와 일치하는 촛점면의 오프셋(off set)값은 -0.6㎛이다.

상기 노광한 레지스트를 현상하여 제6도에 나타낸 바와 같은 양호한 포로필을 갖는 레지스트패턴이 형성된 웨이퍼를 수득한다.

상기 실시예로부터 알수 있는 바와 같이 본 발명의 방법에 따라 노광을 수행하는 경우에, 다층레지스트 법에서 얻을 수 있는 바와 같은 양호한 포로필을 갖는 레지스트패턴을 단지 2개의 포토마스크를 준비하여 노광시킴으로써 간편하게 수득할 수 있다.

따라서 단차의 존재에도 불구하고 미크론 이하의 미세한 패턴을 용이하게 형성시킬 수 있다. 뿐만 아니라 광도분포를 일정하게 조정함으로써 노출에너지가 소기패턴에 따라 균일하게 되어 레지스트 패턴의 선폭 변화가 거의 없다.

Claims (12)

1. 부위에 따라 두께가 다른 레지스트를 노출시켜 패턴을 형성하는 방법에 있어서, 레지스트의 두께의 중심선에 광선의 촛점을 맞추어 레지스트를 노출시킴을 특징으로 하는 패턴형성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 방법이 반도체 제조에서의 포토리토그래피 공정의 노출 공정인 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서 노광공정을 서로 다른 패턴을 갖는 포토마스크를 2개 이상 사용하여 수행함을 특징으로 하는 패턴형성방법.
4. 제3항에 있어서, 광역단차의 패턴에 대응하는 포토마스크를 사용하여 광역단차 부위를 노광하는 공정 및 밀집단차의 패턴을 대응하는 포토마스크를 사용하여 밀집단차 부위를 노광하는 공정을 포함함을 특징으로 하는 패턴형성방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 포토마스크가 통상마스크, 반사형마스크 또는 위상반전마스크인 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 촛점면간의 편차가 -5.0㎛ 내지 +5.0㎛인 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 두께의 레지스트는 반도체 기판의 단차에 따라 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
8. 제6항에 있어서, 밀집단차부위의 레지스트의 두께는 광역단차부위의 레지스트의 두께보다 작음을 특징으로 하는 패턴형성방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 단차의 높이는 0.3㎛∼5.0㎛인 것을 특징으로 하는 패턴형성방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레지스트가 포지형인 것을 특징으로 하는 패턴형성방법
11. 제9항에 있어서, 상기 레지스트가 노블락계, 화학증폭형 및 측쇄절단형 중 어느 하나임을 특징으로 하는 패턴형성방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광선이 g-라인(436nm), i-라인(356nm), h-라인(405nm), 엑시머레이저(248nm, 193nm) 또는 브로드 밴드(240∼440nm)를 갖는 광선임을 특징으로 하는 패턴형성방법.