KR100265361B1 - 포토레지스트의 식각 선택비 개선방법 - Google Patents

포토레지스트의 식각 선택비 개선방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토레지스트의 두께를 증가시키지 않으면서 식각 대상층에 대한 포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선하여 사진 및 식각 공정의 안정성과 공정 마진을 개선하는 반도체 장치 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. 포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선하기 위해서는 포토레지스트의 물리적 성질을 개선시켜야 한다. 원자외선 포토레지스트는 유기 용제, 강산 발산제, 고분자 수지, 첨가제 등의 복합물질이다. 고분자 수지는 폴리하이드록시 스틸렌 수지에 25∼30%의 용해억제 기능기가 부착되어 있다. 폴리하이드록시 스틸렌 수지에 용해억제 기능기가 부착되면, 폴리 하이드록시 스틸렌 고유의 물성이 변화된다. 즉, 용해억제 기능기가 부착되면 고분자 수지의 유리전이 온도(glass transition temperature)가 감소하게 되고 고분자 수지의 경도가 감소하게 되어 결과적으로, 활성화된 화학물질과 물리적 충격에 대한 내성이 감소된다. 즉, 식각 선택비 특성이 저하된다. 본 발명에 따라 고분자 수지에 부착된 용해억제 기능기를 빛을 사용하여 탈기시키면 고분자 수지의 유리전이 온도가 다시 증가하게 되고, 폴리 하이드록시 스틸렌 수지의 경도가 증가하게 된다. 결국, 고분자 수지의 화학적 내성이 증가하게 되며, 폴리 하이드록시 스틸렌 수지 경도의 증가는 화학물질과 물리적 충격에 대한 포토레지스트의 내성 증가를 유발하며, 이를 통해 포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선할 수 있다.

Description

포토레지스트의 식각 선택비 개선방법
본 발명은 반도체 제조 분야에 관한 것으로, 특히 리소그래피 공정시 식각 대상층에 대한 포토레지스트의 식각 선택비를 개선하는 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 고집적화에 따라 포토레지스트를 사용하여 각종 패턴을 디파인하기 위한 사진 및 식각 공정은 반도체 장치의 집적도 및 성능을 결정하는 요소로서 자리잡게 되었다.
i-라인 포토레지스트의 해상도 한계(0.25㎛)에 따라 64M DRAM급 이상의 고집적 반도체 장치에서는 원자외선(DUV) 포토레지스트 리소그래피 공정이 도입되고 있다. 그런데, 원자외선 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하는 식각 공정시 식각 대상층에 대한 포토레지스트 패턴의 식각 선택비 특성이 i-라인 메커니즘에 비해 떨어지는 문제점이 있었다.
원자외선 포토레지스트를 이용한 식각 공정시 포토레지스트 패턴의 식각 속도를 '1'로 할 때, 각 식각 대상층(기판)의 식각 선택비는 실리콘 산화막(콘택홀 공정)에서 2.2∼2.5, 폴리실리콘막은 1.8 정도, 금속막은 1.1 정도를 나타낸다. 이처럼 원자외선 포토레지스트 패턴의 식각 선택비 특성이 열악한 관계로 포토레지스트 패턴을 0.78㎛ ∼ 1.2㎛의 두께로 두껍게 코팅하여 사용하고 있다.
이처럼 두꺼운 두께의 포토레지스트를 사용할 경우, 포토레지스트의 소비량 증가를 차제하더라도 포토레지스트 패턴의 쓰러짐 현상 및 패턴의 균일도 저하(웨이퍼 전체 또는 단위 공정에 투입되는 25장의 웨이퍼에서 패턴 크기의 균일도가 저하됨) 등의 문제가 대두된다. 또한, 이와 같은 문제점은 반도체 장치의 고집적화 따른 패턴의 미세화 및 단차비(aspect ratio)의 증가에 따라 더욱 심각한 문제점을 유발한다.
본 발명은 포토레지스트의 두께를 증가시키지 않으면서 식각 대상층에 대한 포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선하여 사진 및 식각 공정의 안정성과 공정 마진을 개선하는 반도체 장치 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 장치의 미세 패턴 형성 공정도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 실리콘 기판 11 : 식각 대상층
12 : 원자외선 포토레지스트 13 : 포토레지스트 패턴
14 : 미세 패턴 20 : 포토마스크
포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선하기 위해서는 포토레지스트의 물리적 성질을 개선시켜야 한다. 원자외선 포토레지스트는 유기 용제, 강산 발산제, 고분자 수지, 첨가제 등의 복합물질이다. 고분자 수지는 폴리하이드록시 스틸렌 수지에 25∼30%의 용해억제 기능기가 부착되어 있다. 폴리하이드록시 스틸렌 수지에 용해억제 기능기가 부착되면, 폴리 하이드록시 스틸렌 고유의 물성이 변화된다. 즉, 용해억제 기능기가 부착되면 고분자 수지의 유리전이 온도(glass transition temperature)가 감소하게 되고 고분자 수지의 경도가 감소하게 되어 결과적으로, 활성화된 화학물질과 물리적 충격에 대한 내성이 감소된다. 즉, 식각 선택비 특성이 저하된다. 본 발명에 따라 고분자 수지에 부착된 용해억제 기능기를 빛을 사용하여 탈기시키면 고분자 수지의 유리전이 온도가 다시 증가하게 되고, 폴리 하이드록시 스틸렌 수지의 경도가 증가하게 된다. 결국, 고분자 수지의 화학적 내성이 증가하게 되며, 폴리 하이드록시 스틸렌 수지 경도의 증가는 화학물질과 물리적 충격에 대한 포토레지스트의 내성 증가를 유발하며, 이를 통해 포토레지스트의 식각 선택비 특성을 개선할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 원리로부터 제공되는 특징적인 반도체 장치 제조방법은 소정의 식각 대상층 상부에 포토레지스트를 코팅하는 제1 단계; 상기 포토레지스트를 선택적으로 노광하고, 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2 단계; 엑시머 레이저 전면 노광을 실시하는 제3 단계; 상기 포토레지스트 패턴의 경도를 증가시키기 위하여 열처리를 실시하는 제4 단계; 및 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 식각 대상층을 선택적으로 식각하는 제5 단계를 포함하여 이루어진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상술한다.
첨부된 도면 도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 미세 패턴 형성 공정을 도시한 것이다.
우선, 도 1a에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(10) 상부에 형성된 식각 대상층(11) 상에 원자외선 포토레지스트(12)를 도포한 다음, 소정의 포토마스크(20)를 사용하여 원자외선 노광을 실시한다.
계속하여, 현상 공정을 통해 포토레지스트 패턴(13)을 형성하고, 도 1b에 도시된 바와 같이 193∼400㎚ 파장을 가진 엑시머 레이저(excimer laser)를 사용하여 전면 노광을 실시한다. 이때, 온도는 0∼180℃ 범위에서 조절하며, 노광 에너지는 1∼200mJ/㎠ 범위에서 조절한다.
이어서, 도 1c에 도시된 바와 같이 엑시머 레이저 처리된 포토레지스트 패턴(13)의 경도를 높이기 위하여 20∼180℃에서 열처리를 실시한다. 이때, 진공 기술을 사용하면 효과적이다. 진공은 0.1∼600mmHg로 조절한다. 이러한 공정을 진행하면 포토레지스트 패턴(13)으로부터 저분자가 제거되고, 포토레지스트 패턴(13)의 두께는 5∼10% 정도 감소하게 된다.
다음으로, 도 1d에 도시된 바와 같이 포토레지스트 패턴(13)을 식각 마스크로 사용하여 식각 대상층(11)을 선택 식각하여 미세 패턴(14)을 형성하고, 포토레지스트 패턴(13)을 제거한다. 여기서, 경도가 증가된 포토레지스트 패턴(13)을 식각 마스크로 사용함에 따라 포토레지스트 패턴(13)의 식각 선택비 특성이 50∼100% 정도 향상된다.
상술한 일실시예는 원자외선 메커니즘을 일례로 들어 설명하였으나, 본 발명은 아르곤 플로라이드(ArF) 포토레지스트를 비롯한 다른 종류의 포토레지스트를 사용한 리소그래피 공정시에도 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 포토레지스트 패턴의 식각 선택비 특성을 향상시킴으로써 식각 공정을 안정화할 수 있으며, 이에 따라 포토레지스트의 두께 감소가 가능해지므로 사진 공정이 안정화되어 재공정 빈도가 줄어들게 되고 포토레지스트의 사용량을 줄여 원가 절감 효과를 기대할 수 있다. 또한, 포토레지스트 두께의 감소로 인하여 0.18㎛, 0.16㎛ 선폭의 미세 패턴 형성 기술이 확보되어 차세대 반도체 제조시 조기 양산을 기대할 수 있다.

Claims (5)

  1. 소정의 식각 대상층 상부에 포토레지스트를 코팅하는 제1 단계;
    상기 포토레지스트를 선택적으로 노광하고, 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 제2 단계;
    엑시머 레이저 전면 노광을 실시하는 제3 단계;
    상기 포토레지스트 패턴의 경도를 증가시키기 위하여 열처리를 실시하는 제4 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 상기 식각 대상층을 선택적으로 식각하는 제5 단계
    를 포함하여 이루어진 반도체 장치 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포토레지스트가
    원자외선 포토레지스트 또는 아르곤 플로라이드 포토레지스트인 반도체 장치 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제3 단계가
    0℃ 내지 100℃의 온도에서 1mJ/㎠ 내지 200mJ/㎠의 노광 에너지를 사용하여 이루어진 반도체 장치 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제4 단계가
    20℃ 내지 180℃의 온도에서 이루어지는 반도체 장치 제조방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제4 단계가
    500mmHg 내지 0.1mmHg 압력 하에서 이루어지는 반도체 장치 제조방법.
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