KR940010491B1 - Fine pattern forming method - Google Patents

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Abstract

Micro pattern is formed on a semiconductor wafer by two-step photolitho- graphy. The photoresist film is exposed to the light with an energy of half optimum value through the mask pattern. It is exposed again in the same manner but through another mask pattern with diffrent configuration. After development, holes are formed only at the region of intersection of two mask patterns. In this way, the size of the hole can reach 0.55 microns or less.

Description

미세패턴 형성방법Fine pattern formation method

제 1 도는 종래의 광 노광 해상도 향상기술인 FLEX법을 설명하기 위한 개념도를 나타냄.1 is a conceptual diagram for explaining the FLEX method which is a conventional optical exposure resolution improving technique.

제 2 도는 본 발명을 설명하기 위한 콘트라스트 커브(Contrast Curve)를 나타냄.2 shows a contrast curve for explaining the present invention.

제 3a 도 내지 제 3d 도는 본 발명에 의한 미세패턴 형성방법을 나타냄.3a to 3d show a method for forming a micropattern according to the present invention.

제 4a 도 내지 제 4f 도는 본 발명의 일실시예를 나타낸 도면.4a to 4f show an embodiment of the present invention.

본 발명은 반도체장치 제조공정중 포토리소그래피 공정에 의한 미세패턴 형성방법에 관한 것으로, 특히 콘택홀 형성을 위한 미세패턴 형성방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a fine pattern by a photolithography process in a semiconductor device manufacturing process, and more particularly to a method of forming a fine pattern for forming a contact hole.

반도체 집적회로의 집적밀도 향상은 현저하여 이미 서브미크론(Submicron)수준의 가공이 실현되고 있는바, 이 집적밀도 향상을 떠받쳐온 주된 기술이 미세가공기술이었다. 그 중에서도 미세패턴을 웨이퍼상에 형성하는 리소그래피(Lithography)기술이 핵심적인 기술중의 하나이다. 이 리소그래피 기술의 발전은 광학기술의 진보에 의한 것으로, 구체적으로는 스텝퍼 (Stepper ; 축소투영노광장치)의 축소광학렌즈의 해상도 향상에 의한 것이다. 이 관계는 다음식으로 표현된다.Since the integration density of semiconductor integrated circuits has been remarkable, submicron-level processing has already been realized, and the main technology that has sustained this integration density improvement has been microfabrication technology. Among them, lithography, which forms fine patterns on a wafer, is one of the key technologies. The development of this lithography technology is due to the advance of optical technology, specifically, the resolution of the reduced optical lens of the stepper (reduced projection exposure apparatus). This relationship is represented by

R=K1×λ /NAR = K 1 × λ / NA

여기에서 R은 해상도, λ는 전사파장, NA는 축소광학계의 개구수, K₁은 프로세스등으로 결정되는 비례정수이다. 상기 식에서 알 수 있듯이 해상도의 증가는 고NA화, 단파장화, K₁의 감소에 의해 실현되는데 고NA화에 수반되는 초점심도의 극단적인 감소나 단파장화에 수반되는 레지스트내의 광흡수증가가 문제가 된다. 이러한 문제점의 해결책으로서 종래의 광원을 사용하여 실용수준의 초점심도를 확보한 후에 고해상도를 겨냥하는 방법들이 제안되었는데, 광학상의 콘트라스트를 증가시키는 CEL법, 현상속도제어에 의한 콘트라스트 개량방법인 REL법 및 SEPACE법, 레지스트 표면반응을 이용한 콘트라스트 개량방법인 DESIRE법, 다층막으로 이용한 콘트라스트 향상방법, 광학상의 콘트라스트 개량방법인 위상쉬프트(Phase Shift)법 및 FLEX법등이 그것이다.Where R is the resolution, λ is the transfer wavelength, NA is the numerical aperture of the reduced optical system, and K₁ is the proportional constant determined by the process. As can be seen from the above equation, the increase in resolution is realized by high NA, short wavelength, and decrease of K₁, which is a problem of extreme decrease in depth of focus accompanying high NA and increase in light absorption in resist accompanied by short wavelength. . As a solution to this problem, a method of aiming at high resolution after securing a practical depth of focus using a conventional light source has been proposed. The CEL method for increasing the contrast of the optical image, the REL method for improving the contrast by the development speed control, and These include the SEPACE method, the DESIRE method for improving the contrast using the resist surface reaction, the contrast enhancement method for the multilayer film, the Phase Shift method and the FLEX method for improving the optical contrast.

한편, 반도체소자가 고집적화됨에 따른 미세패턴의 형성능력은 최소선폭 크기뿐만 아니라 최소크기의 콘택홀 형성여부에도 좌우된다. 실제로 최소선폭 크기에 대하여 최소 콘택홀 크기는 약 10%-20%정도 크게 형성되는데 이 콘택홀 크기를 최소화하는 것도 고집적 반도체장치 제조를 위한 큰 과제이다. 콘택홀과 같은 독립된 휘점(輝點)을 가진 패턴 형성에 유효한 방법으로 상기 FLEX(Flex Latitude Enhancement Exposure)법을 들 수가 있다.On the other hand, as the semiconductor device is highly integrated, the ability to form a fine pattern depends not only on the minimum line width but also on the formation of the minimum size contact hole. In fact, the minimum contact hole size is about 10% to 20% larger than the minimum line width, and minimizing the contact hole size is a big problem for manufacturing highly integrated semiconductor devices. As a method effective for forming patterns having independent bright spots such as contact holes, the above-described Flex Latitude Enhancement Exposure (FLEX) method can be used.

제 1 도는 이 FLEX법의 개념도를 도시한 것이다.1 shows a conceptual diagram of this FLEX method.

이 도면은 동일한 패턴을 두고 스텝퍼 광학렌즈의 초점위치를 변화시키면서 광학상의 콘트라스트 분포를 측정한 것이다. 구체적으로, 스텝퍼 광학렌즈의 초점위치를 각각 달리하여 광감도의 분포를 측정하였으며 이를 도면상에서 Ⅰ의 경우와 Ⅱ의 경우로 나타내었다. 또한 동일한 패턴을 Ⅰ의 초점과 Ⅱ의 초점으로 그 초점위치를 변화시키면서 여러차례 같은 위치에서 노광을 행한 것, 즉 FLEX법에 의한 노광을 Ⅰ+Ⅱ 의 경우로 나타내었다.In this figure, the contrast distribution of the optical image is measured while changing the focal position of the stepper optical lens with the same pattern. Specifically, the distribution of light sensitivity was measured by varying the focal position of the stepper optical lens, which is shown as the case of I and II in the drawing. In addition, the same pattern was exposed at the same position several times while changing the focal position between the focus of I and the focus of II, that is, the exposure by the FLEX method as the case of I + II.

도면상의 Ⅰ과 Ⅱ아래에 나타낸 각각 10개씩의 파형은 광축방향을 변화시킴에 따른 광감도의 분포를 표시한 것이다. 위 각각의 경우에서 광감도는 광축방향의 일부에 걸쳐서만 효과적인 크기를 가지고 있다. 그러나 Ⅰ+Ⅱ의 경우, 즉 FLEX법의 경우 전 광축방향에서 효과적인 광감도의 크기를 지닌다. 이에 따라 이 방법에서는 광축방향을 따라 길게 광학상의 콘트라스트를 유지하는 것이 가능하다.Each of the ten waveforms shown below I and II in the figure shows the distribution of light sensitivity as the optical axis direction is changed. In each case above, the light sensitivity is effective only over a part of the optical axis. However, in the case of I + II, that is, the FLEX method, it has an effective light sensitivity in the entire optical axis direction. Accordingly, in this method, it is possible to maintain the optical image contrast along the optical axis direction.

그러나 상기 FLEX법은 초점을 변화시키면서 다중노광을 실시하는 것으로서 초점심도를 높여 콘트라스트를 개량하거나 해상도를 향상시키는 데에는 유효하지만 콘택홀의 크기를 작게 하는데에는 효과가 없는 한계가 있다. 구체적으로, 반도체장치에서의 미세패턴 형성능력은 콘트라스트 개량에 의한 최소선폭의 조절뿐만 아니라 최소 크기의 콘택홀 형성여부에도 좌우되는 것이기 때문에 상기 FLEX법의 한계는 곧 반도체소자의 고집적화의 한계로 된다.However, the FLEX method is effective for improving the contrast or increasing the resolution by increasing the depth of focus by performing multiple exposures while changing the focus, but there is a limit that is ineffective in reducing the size of the contact hole. Specifically, since the ability to form a fine pattern in a semiconductor device depends not only on the control of the minimum line width by the contrast improvement but also on the formation of the minimum size of the contact hole, the limitation of the FLEX method is the limit of the high integration of the semiconductor device.

제 2 도는 포토레지스트가 받은 노광 에너지와 현상후의 포토레지스트 두께와의 관계를 나타낸 그래프, 즉 콘트라스트 커브(Contrast Curve)로서, 종축은 현상후의 포토레지스트 두께를 나타내고 횡축은 노광에너지를 나타내며, 참조부호 Eth는 적정 노광에너지, Eo는 포토레지스트를 현상할 수 있는 최소 노광에너지를 나타내는 바, 포토레지스트를 현상하기 위해서는 어떤 값, 즉 Eo이상의 노광에너지가 필요하며 감광된 부분을 완전히 현상하기 위해서는 적정한 노광에너지(Eth)가 필요함을 상기 그래프로부터 알 수 있다.2 is a graph showing the relationship between the exposure energy received by the photoresist and the thickness of the photoresist after development, that is, a contrast curve, with the vertical axis representing the photoresist thickness after development and the horizontal axis representing the exposure energy. th is the appropriate exposure energy and E o is the minimum exposure energy to develop the photoresist. To develop the photoresist, a certain value, that is, an exposure energy of at least E o is required, and the proper exposure is required to completely develop the photosensitive part. It can be seen from the graph that the exposure energy E th is required.

한편, 포토레지스트가 두꺼워질수록 노광되는 에너지의 회절과 분산으로 인하여 콘트라스트 또는 해상도가 떨어진다.On the other hand, the thicker the photoresist, the lower the contrast or resolution due to the diffraction and dispersion of the exposed energy.

상기 사실들과 상술한 FLEX법을 응용하여, 소정 두께의 포토레지스트를 현상할 때 상기 적정 노광에너지의 50%씩을 2회에 나누어 중첩하는 서로 다른 2개의 마스크패턴을 통해 노광하면, 중첩해서 노광되는 소정부분에서는 100%의 적정 노광에너지를 얻는 한편, 상기 부위에서 높은 콘트라스트 또는 해상도를 얻을 수 있다. 상기 적정 노광에너지의 33.33%씩을 3회에 나누거나, 25%씩을 4회에 나누어 노광하더라도 감광되어야 할 부위, 예컨대 콘택홀에서의 완전한 현상 및 상기 콘택홀에서의 높은 콘트라스트 또는 해상도를 얻을 수 있음은 자명한 사실이다.By applying the above-described facts and the above-described FLEX method, when developing a photoresist having a predetermined thickness, when exposed through two different mask patterns overlapping by dividing 50% of the appropriate exposure energy in two times, the overlapping exposure is performed. In a predetermined portion, a suitable exposure energy of 100% can be obtained, while high contrast or resolution can be obtained in the region. Even if 33.33% of the appropriate exposure energy is divided into three times or 25% of the proper exposure energy is exposed in four times, it is possible to obtain a complete phenomenon in a portion to be exposed, such as a complete development in a contact hole and high contrast or resolution in the contact hole. It is self-evident.

본 발명의 목적은 스페이스패턴의 최소선폭과 거의 동등한 크기로 콘택홀을 작게 형성시킬 수 있는 미세패턴 형성방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fine pattern forming method capable of forming a contact hole small in a size substantially equal to the minimum line width of the space pattern.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 포토리소그래피 공정에 의해 반도체장치의 미세패턴을 형성하는 방법에 있어서, 최소선폭의 스페이스패턴을 2장의 마스크로 제작하고, 이 2장의 마스크를 각각 적용하여 2회 노광하는 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 최소선폭과 동등한 크기의 최소 콘택홀을 형성하는 것을 특징으로 한다.The method of the present invention for achieving the above object is a method of forming a fine pattern of a semiconductor device by a photolithography process, the space pattern of the minimum line width is made of two masks, each of the two masks are applied The photolithography process is performed by exposing to light to form a minimum contact hole having a size equivalent to the minimum line width.

본 발명에서는 포토리소그래피 공정에서 형성가능한 최소 크기의 스페이스(Space)패턴을 2장의 마스크패턴으로 설계하는데, 이 2장의 마스크가 서로 십(+)자로 겹치도록 한 뒤, 적정노광에너지의 50%씩을 2회에 나누어 상기 마스크패턴을 노광한다. 상기 2장의 마스크로 제작된 최소선폭의 스페이스패턴은 최종적으로 형성되는 패턴형태를 각각 가로부분과 세로부분으로 분할한 형태를 가지고 있다.In the present invention, a space pattern having the smallest size that can be formed in a photolithography process is designed as two mask patterns. After the two masks overlap each other with a cross (+), 50% of the appropriate exposure energy is reduced by two. The mask pattern is exposed at times. The space pattern of the minimum line width made of the two masks has a form in which the pattern form finally formed is divided into a horizontal portion and a vertical portion, respectively.

상기 마스크패턴이 중복하는 부위는 100%의 적정노광에너지를 공급받게 되면서 콘택홀 부위가 되고 그이외의 부위는 패턴 형성에 필요한 에너지를 공급받지 못하게 된다. 따라서 최종적으로 현상을 완료했을 때 형성되는 콘택홀의 크기는 처음의 스페이스패턴의 최소선폭 크기와 같아질 수 있다.The overlapped part of the mask pattern is supplied with the appropriate exposure energy of 100% and becomes a contact hole part, and the other parts are not supplied with the energy required for pattern formation. Therefore, the size of the contact hole formed when the development is finally completed may be the same as the minimum line width of the initial space pattern.

제 3a 도 내지 제 3d 도는 본 발명에 의한 미세패턴 형성방법을 나타낸 것이다.3A to 3D show a method for forming a micropattern according to the present invention.

제 3a 도를 참조하면, 웨이퍼(1)상의 포토레지스트(2)를 제 1 마스크패턴(3)을 통하여 노광시킨다. 이때 적정노광에너지의 50%에 해당하는 에너지를 공급한다. 이에 따라 포토레지스트(2')는 상기 마스크패턴(3)의 형태에 따라 소정부위에서 절반의 두께에 걸쳐 감광되어진다.Referring to FIG. 3A, the photoresist 2 on the wafer 1 is exposed through the first mask pattern 3. At this time, 50% of the appropriate exposure energy is supplied. Accordingly, the photoresist 2 'is exposed to a thickness of half at a predetermined portion according to the shape of the mask pattern 3.

제 3b 를 참조하면, 상기 노광단계를 거친 웨이퍼(1')상의 포토레지스트(2')를 제 2 마스크패턴(3')을 통하여 노광시킨다. 이때 적정노광에너지의 50%에 해당하는 에너지를 공급한다. 이에 따라 포토레지스트(2')는 상기 마스크패턴(3')의 형태에 따라 소정부위에서 절반의 두께에 걸쳐 감광되어진다.Referring to 3B, the photoresist 2 'on the wafer 1' subjected to the exposure step is exposed through the second mask pattern 3 '. At this time, 50% of the appropriate exposure energy is supplied. Accordingly, the photoresist 2 'is exposed to a thickness of half at a predetermined portion according to the shape of the mask pattern 3'.

제 3c 도를 참조하면, 상기 제 3a 도의 노광과 3b 도의 노광을 거치면서 노광부위가 중첩된 곳에서 웨이퍼(1)상의 포토레지스트(2")의 전 두께에 걸친 완전한 감광이 일어난다.Referring to FIG. 3C, through the exposure of FIG. 3A and the exposure of FIG. 3B, complete photosensitivity occurs over the entire thickness of the photoresist 2 "on the wafer 1 where the exposure sites overlap.

제 3d 도를 참조하면, 상기 단계를 거치고 난 뒤 최종적으로 현상이 완료되었을 때 포토레지스트(2")에 미세 콘택홀이 최초 스페이스패턴과 동일한 크기로 형성되어진다.Referring to FIG. 3D, when the development is finally completed after the above steps, fine contact holes are formed in the photoresist 2 ″ with the same size as the initial space pattern.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 제 4a 도 내지 제 4b 도를 참조하여 설명한다.Hereinafter, one preferred embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4A to 4B.

제 4a 도는 실제 설계된 최소 크기의 제 2 스페이스패턴 나타낸다.Figure 4a shows a second space pattern of the minimum size actually designed.

제 4a 도를 참조하면, 실리콘 웨이퍼(1)상에 포토레지스트(2)를 도포하고 소프트 베이크(Soft Bake)한 후, 상기 제 1 스페이스패턴을 적용한 마스크패턴(3)으로 노광을 수행한다. 이때 노광에너지는 적정노광에너지의 50%에 해당하는 에너지를 사용한다.Referring to FIG. 4A, after the photoresist 2 is applied and soft baked on the silicon wafer 1, exposure is performed using the mask pattern 3 to which the first space pattern is applied. In this case, the exposure energy uses energy corresponding to 50% of the appropriate exposure energy.

제 4c 도는 실제 설계된 최소 크기의 제 2 스페이스패턴을 나타낸다.4c shows the second space pattern of the minimum size actually designed.

제 4d 도를 참조하면, 제 4b 도에서 수행하였던 공정에 이어 제 2 스페이스패턴을 적용한 마스크패턴(3')으로 적정노광에너지의 50%에 해당하는 에너지로 두 번째의 노광을 수행한다. 이때 이중으로 노광이 중첩된 부분(B)은 포토레지스트(2)의 전 두께에 걸쳐 감광되어 진다.Referring to FIG. 4D, a second exposure is performed with an energy corresponding to 50% of the appropriate exposure energy to the mask pattern 3 ′ using the second space pattern following the process of FIG. 4B. At this time, the portion B in which the exposure is overlapped twice is exposed to the entire thickness of the photoresist 2.

제 4f 도를 참조하면, 상기 이중 노광 공정에 의해 노광된 상기 포토레지스트(2)를 현상하면 적정노광에너지 50%씩의 노광이 중첩된 부분(B)만이 현상되어 최소 크기의 콘택홀이 형성되어진다.Referring to FIG. 4F, when the photoresist 2 exposed by the double exposure process is developed, only a portion B in which exposures of 50% of appropriate exposure energy are overlapped is developed to form a contact hole having a minimum size. Lose.

이상 본 발명을 구체적인 실시예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 국한되지 아니하고, 당업자가 가진 통상적인 지식의 범위내에서 그 변형이나 개량이 가능하다.Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and modifications and improvements are possible within the scope of ordinary knowledge of those skilled in the art.

Claims (4)

포토리소그래피 공정에 의해 반도체장치의 미세패턴을 형성하는 방법에 있어서, 최소선폭의 스페이스패턴을 2장의 마스크로 제작하고, 상기 2장의 마스크를 각각 적용하여 2회 노광하는 포토리소그래피 공정을 수행하여 상기 최소선폭과 동일한 크기의 최소 콘택홀을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성방법.In the method of forming a fine pattern of a semiconductor device by a photolithography process, a minimum width of the space pattern is made of two masks, and the photolithography process is performed by applying the two masks to each other twice to perform the photolithography process. The method of forming a fine pattern, characterized in that to form a minimum contact hole of the same size as the line width. 제 1 항에 있어서, 상기 2장의 마스크로 제작된 최소선폭의 스페이스패턴은 최종적으로 형성되는 패턴 형태를 각각 가로부분과 세로부분으로 분할한 형태인 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성방법.The method of claim 1, wherein the space pattern having the minimum line width formed by the two masks is divided into a horizontal portion and a vertical portion, respectively. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 2회의 노광이 상기 2장의 스페이스패턴을 중첩하면서 수행되는 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the two exposures are performed while overlapping the two space patterns. 제 1 항에 있어서, 상기 2회 노광시의 노광에너지는 각각 적정노광에너지의 50%인 것을 특징으로 하는 미세패턴 형성방법.The method of forming a fine pattern according to claim 1, wherein the exposure energy during the second exposure is 50% of the appropriate exposure energy, respectively.
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