KR100369866B1 - 반도체소자의미세콘택홀형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법에 관한 것으로, 종래의 노광기술인 DESIRE 공정에서 감광막의 노광영역과 Si 가 접합되는 실리레이션 영역의 스웰링 특성을 이용하여 미세 콘택홀을 형성하므로, 초고집적 소자의 개발을 가능하게 하고 고해상 노광장치의 새로운 장비를 이용하지 않고도 미세한 크기의 콘택홀을 형성할 수 있는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 소자의 미세콘택홀 형성방법에 관한 것으로서, 특히 종래의 노광기술인 디자이어(Diffusion Enhanced Silylated resist; 이하 DESIRE 라 칭함.) 공정에서 감광막의 노광영역과 실리콘(Si)이 접합되는 실리레이션 (silylation) 영역의 스웰링(Swelling) 특성을 콘택홀 형성에 적용하여 미세 콘택홀을 형성할 수 있게 함으로써, 초고집적 소자의 개발을 가능하게 하고 고해상 노광장치의 새로운 장비를 이용하지 않고도 미세한 크기의 콘택홀을 형성할 수 있는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법에 관한 것이다.
최근의 반도체 소자의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성기술의 발전에 큰 영향을 받고 있다. 특히 사진 현상공정으로 형성되는 감광막 패턴은 반도체 소자의 제조 공정중에서 식각 또는 이온 주입등의 마스크로 매우 폭넓게 사용되고 있다. 따라서 감광막 패턴의 미세화, 공정진행의 안정성, 공정완료후의 깨끗한 제거 그리고 잘못 형성된 감광막 패턴을 제거하고 다시 형성하는 재작업의 용이성 등이 반도체 소자의 공정수율 및 신뢰성에 중요한 영향을 미친다.
일반적인 감광막 패턴 형성공정에 관하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 사진공정은 감광제 및 수지(Resin)등이 용제인 솔벤트에 일정비율로 용해되어 있는 감광액을 스핀도포 방법으로 반도체 기판상에 균일하게 도포하여 감광막을 형성한 후, 저온에서 일차 열처리를 하여 실시한다. 다음, 노광 마스크를 통하여 빛을 선택적으로 조사하여 상기 감광막의 패턴으로 예정된 부분에 감광제의중합이 일어나도록 하여 경화시킨 후, 고온에서 이차 열처리를 실시한다. 그 다음, 티.엠.에이.에이치(Tetra Methylammonium Hydroxide ; 이하 TMAH 라 칭함.)를 주원료로 하는 약알칼리 현상액을 사용하여 상기 감광액의 경화되지 않은 부분들을 제거하는 현상공정을 진행하여 감광막 패턴을 형성하고, 예정된 온도에서 열처리를 실시한다.
그러나 반도체 소자가 고집적화되어 감에 따라 감광막 패턴이 서브마이크로 (sub-micro)화 되어 상기와 같은 습식공정(wet process)에 의한 감광막 패턴 제조방법으로는 감광막 자체의 분해능, 노광장치의 정밀도, 광의 파장등과 같은 많은 제약 요인이 있어 어느 정도 이하의 미세패턴은 형성할 수 없다.
예를들어, 파장이 각각 436, 365 및 248nm 인 G-라인, i- 라인 및 원자외선 엑시머 레이저 축소노광장치로는 공정 분해능이 약 0.7, 0.5 또는 0.3㎛ 정도 크기의 패턴을 형성하는 정도가 한계이다.
또한 다층의 막이 적층되어 단차가 어느 정도 이상으로 크거나, 기판의 표면 토플리지(Topology) 변화가 크거나 또는 고에너지, 예를들어 1MeV 이상의 고에너지 이온주입 마스크나, 식각 선택비차가 작은 층의 식각 마스크로 사용할 때에는 두꺼운, 예를들어 2㎛ 이상되는 두꺼운 감광막 패턴이 요구된다.
그러나, 종래의 단일 감광막으로는 통상 0.4∼1.5㎛ 정도 두께는 용이하게 균일도를 조절하여 형성할 수 있으나, 두꺼운 감광막을 형성하기 위하여 감광막을 이중-상중으로 도포하는 경우에는 감광막에 포함된 솔벤트등과 같은 용제의 영향으로 두께가 제한되고 균일도가 떨어진다.
또한 일반적인 감광막 패턴 제조방법으로는 단차가 어느 정도 이상으로 커지면 미세패턴의 형성이 불가능하고, 기판의 표면이 거칠면 감광막 패턴의 일부가 유실되는 나칭(notching)이 발생되며, 식각 마스크로 사용될 경우에는 피식각층과의 식각 선택비차를 고려하여 매우 두껍게 형성하여야 하는 경우에는 종래의 단일 감광막으로는 공정이 어려워지는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 다층 감광막(tri layer resist 또는 multi layer resist ; 이하 MLR 이라 칭함.) 방법이나, 상부면 이메징 (Top Surface Imaging ; 이하 TSI 이라 칭함.) 공정 등이 연구 실행되고 있다.
상기 MLR 방법은 상,하측 감광막의 사이에 에스.오.지(Spin on glass ; 이하 SOG 라 칭함.)등으로된 중간층을 개재시키고, 포토리소그라피(Photo lithography) 공정으로 형성하여 하측 감광막 패턴을 형성하여 이를 패턴 마스크로 이용하는 방법으로서, 공정이 복잡하고 공정 부산물이 다량 발생되어 공정수율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 표면노광 공정은 감광막의 패턴으로 예정된 부분의 상부에 선택적으로 Si, Ge 등의 유기 금속물질과 결합된 비교적 단단한 상부층을 형성한 후, 상기 상부층이 형성되어 있지 않은 감광막을 산소 플라즈마 에칭하여 감광막 패턴을 형성하는 방법이다.
상기 TSI 공정중 감광막 패턴의 상부에 Si를 포함시키는 공정을 실리레이션 공정 또는 DESIRE 공정이라 한다.
상기 감광막 패턴을 이용하여 콘택홀을 형성하는 종래의 콘택홀 형성방법에대해 첨부도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
제 1A 도와 제 1B 도는 종래의 포토리소그라피 공정에 의한 콘택홀 형성방법을 도시한 단면도이다.
제 1A 도를 참조하면, 반도체 기판(1)의 상부에 소정두께의 절연막(3)과 감광막(5)을 형성한다.
그리고, 콘택 마스크(7)을 사용한 노광공정으로 상기 감광막(5)을 노광한다.
제 1B 도를 참조하면, 상기 노광된 영역의 감광막(5)을 현성한 후, 상기 감광막(5)을 마스크로 상기 절연막(3)을 식각하여 콘택홀 패턴(9)을 형성한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 포토리소그라피 공정에 의한 콘택홀 형성방법에 있어서는 상기 도면에 도시된 바와같이, 노광장치나 또는 감광막(3)의 특성에 의해 감광막(3)상에 미세 콘택홀이 원할히 형성되지 못하고 있다.
즉, 해상도(Resolution) 한계를 벗어나는 미세 콘택홀을 형성하는 것이 어렵다.
제 2A 도 내지 제 2C 도는 종래의 DESIRE 공정을 도시한 단면도이다.
제 2A 도를 참조하면, 단차를 갖는 반도체 기판(1) 상부에 감광막(5)을 도포하고, 콘택 마스크(7')를 사용한 얕은(Shallow) 노광공정으로 콘택홀을 형성된 부위 이와의 감광막(5) 표면부분만 노광되게 한다
제 2B 도를 참조하면, 가스(Gas) 상태의 실리레이션 분위기(8)에서 상기 감광막(5)의 표면일부가 노광된 부분을 Si와의 반응을 일으켜 Si 와 결합구조를 갖는 층(10)을 형성시킨다.
이때, 비노광 영역에서도 어느 정도의 실리레이션이 일어난다.
제 2C 도를 참조하면, 상기 Si 와 결합구조를 갖는 층(10)과 같은 부분에서 실리레이션될 때, 가스 상태의 실리레이션 물질 예컨대, HMDS, TMDS, TMSDMA와 같은 물질과의 결합으로 실리레이션부분이 부풀어 오르는 스웰링(Swelling) 현상이 나타난다. 상기 스웰링 현상은 형성하고자 하는 패턴의 CD(Critical Dimension) 의 변화를 유도하고 CD 값의 조절을 어렵게 하므로 스웰링된 부분과 비노광영역 표면의 실리레이션된 부분을 식각하고, 식각한 후 형서된 부위(11)를 이용하여 O2플라즈마로 건식 형성하여 제 2C 도에 도시된 바와같은 감광막(5) 패턴을 얻는다.
상기와 같은 종래의 콘택홀 형성방법에 있어서, 반도체 기판 상부에 감광막을 코팅한 후, 노광 및 현상하여 콘택홀 패턴을 형성하는 종래 공정의 해상도 한계와, 상기 DESIRE 공정에서의 스웰링 현상으로 인해 서브-마이크론 이하의 미세 콘택홀을 형성하는 데 많은 어려움이 따르는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 노광기술인 DESIRE 공정에서 감광막의 노광영역과 Si 가 접합되는 실리레이션 영역의 스웰링 특성을 콘택홀 형성에 적용하여 미세 콘택홀을 형성할 수 있게 함으로써, 초고집적 소자의 개발을 가능하게 하고 고해상 노광장치의 새로운 장비를 이용하지 않고도 미세한 크기의 콘택홀을 형성할 수 있는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 반도체 기판 상부에 절연막과감광막을 형성하는 단계와,
제 1 콘택 마스크를 사용한 노광공정을 상기 감광막을 노광하는 단계와,
상기 감광막을 제 1 베이킹하는 단계와,
상기 노광 영역의 감광막을 현상하여 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 제 1 콘택 마스크보다 넓은 투광 영역을 갖는 제 2 콘택 마스크로 상기 감광막 패턴의 측면을 노광하는 단계와,
상기 감광막을 제 2 베이킹하는 단계와,
상기 노광 영역에 가스 상태의 실리레이션 물질을 반응시켜 스웰링된 감광막 패턴을 형성하는 단계와,
상기 스웰링된 감광막 패턴을 마스크로 상기 절연막을 식각하여 미세 콘택홀을 형성하는 단계로 구성되는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 상세한 설명을 하기로 한다.
제 3A 도 내지 제 3E 도는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 미세 콘택홀 제조공정을 도시한 단면도이다.
제 3A 도를 참조하면, 반도체 기판(31)의 상부에 소정두께의 절연막(33)과 감광막(35)을 형성한다.
그 후, 제 1 콘택 마스크(37)를 사용하여 노광장치의 해상도 한계 내에서 상기 감광막(35)의 콘택홀로 예정된 부위를 노광한다.
이때, 상기 노광공정 후에는 이후 공정에서 진행되어질 실리레이션 공정전에 노광된 감광막(35)을 베이킹하여 사전 열처리를 실시하는 실리레이션 전 베이크(Pre Silylation Bake; 이하 PSB 라 칭함.) 온도보다 낮은 온도에서 열처리를 하는 노광후 베이크(Post Exposure Bake; 이하 PEB 라 함.)를 실시한다.
상기 PEB를 실시할 경우, 베이킹 온도는 PSB 온도보다 낮은 온도에서 실시 해야한다. 그 이유는 상기 감광막(35)이 피.에이.시(Photo Active Compound; 이하 PAC 라 함.)와 레진(Resin)으로 구성되어 있는 바, 노광에 의해 빛을 받게되면, PAC가 Acid 로 변하여 비노광영역에서 일어나는 PAC 와 레진(Resin)이 결합되어 치밀한 구조를 갖는 현상이 일어나지 않게 되기 때문이다.
즉, 만약 PSB 전단계에서 상기 제 3A 도와 같은 노광공정 후, 베이킹 즉, PEB를 PSB의 온도보다 높게하게 되면, 상기 감광막(35)이 실리레이션 시 반응하지 못하게 된다. 이것은 패턴닝된 상기 감광막(35)이 가스 상태의 실리레이션에 반응할 수 없는 치밀한 결합구조(Crosslinking Constructure)를 갖기 때문이다.
제 3B 도를 참조하면, 저온의 PEB 를 실시한 후, 또는 PEB 를 실시하지 않은 상태에서, 상기 노광된 영역의 감광막(35)을 현상하여 감광막(35) 패턴을 형성한다.
그리고, 상기 제 1 콘택 마스크(37)보다 넓은 투명 영역을 갖는 제 2 콘택 마스크(41)를 사용하여 상기 감광막(35) 패턴의 측면을 노광시킨다.
이때, 제 3B' 도는 전면노광(Blank Exposure)을 실시한 상태의 도면이고, 비노광 부위의 실리레이션의 정도를 약화시키기 위한 상기 PSB를 상기 제 3B 도에 있어서는 실시하고, 상기 제 3B' 도는 PSB를 할 필요가 없다.
제 3C 도와 제 3C' 도를 참조하면, 상기 제 3B 도의 노광된 영역에 가스상태의 실리레이션 에이젼트(Silylation Agent) 예컨데, HMDS, THDS 및 TMSDEA로 이루어지는 군에서 임으로 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질로 반응시켜 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(43)을 형성시킨다.
이때, 도면에 도시된 바와같이, 상기 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(43)은 일정부피로 부풀어오르는 스웰링 현상이 일어나게는데, 상기 감광막(35) 패턴의 내부 측면에는 스웰링이 일어나 결국, 콘택홀 패턴을 미세화시키게 된다.
제 3D 도와 제 3D' 도를 참조하면, 상기 스웰링된 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(43)을 이용하여 상기 절연막(33)을 식각하여 콘택홀(45)을 형성한다.
제 3E 도는 상기 감광막(35)을 제거한다.
제 4A 도 내지 제 4C 도는 콘택홀 형성 시 하드 마스크층을 사용하는 경우의 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 미세 콘택홀 제조공정을 도시한 단면도이다.
제 4A 도를 참조하면, 반도체 기판(51)의 상부에 소정두께의 절연막(53)과 다결정 실리콘층과 같은 하드 마스크(Hard mask)층(55)을 형성한다. 이때, 상기 절연막(53)을 상기 제 3A 도 내지 제 3E 도에 기술된 절연막(33)의 두께보다 두껍게 형성한다.
그리고, 상기 하드 마스크층(55) 상부에 감광막(57)을 도포한 후, 제 1 콘택 마스크(도시하지 않음)를 사용한 노광 방법에 의해 상기 감광막(57)의 콘택홀을 예정된 부위를 노광한다. 이때, 상기 노광공정 후에는 PSB 온도보다 낮은 온도에서 열처리를 하는 PEB를 실시한다.
이어, 저온의 PEB 를 실시한 후, 또는 PEB를 실시하지 않은 상태에서, 상기 노광된 영역의 감광막(57)을 현상하여 감광막(57) 패턴을 형성한다.
그리고, 상기 제 1 콘택 마스크보다 넓은 투광 영역을 갖는 제 2 콘택 마스크(도시하지 않음)를 사용하여 상기 감광막(57) 패턴의 측면을 노광시킨다.
그 후, PSB를 실시한 다음, 상기 노광된 영역에 가스 상태의 실리레이션 에이젼트 예컨데, HMDS, TMDS, TMSDMA 등과 같은 물질로 반응시켜 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(59)을 형성한다.
이때, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(59)은 일정부피를 부풀어오른 스웰링 현상이 일어나게 된다.
제 4B 도를 참조하면, 상기 수웰링된 Si 과 같은 결합구조를 갖는 층(59)을 이용하여 상기 하드 마스크층(55)을 식각한 후, 상기 감광막(57)을 제거한다.
제 4C 도를 참조하면, 상기 하드 마스크층(55)을 마스크로 상기 절연막(53)을 식각하여 콘택홀(61)을 형성하고, 상기 하드 마스크층(55)을 제거한다.
이상, 상술한 바와같이, 종래의 노광기술인 DESIRE 공정에서 감광막의 노광 영역과 Si 가 접합되는 실리레이션 영역의 스웰링 특성을 콘택홀 형성에 적용하여 미세 콘택홀을 형성할 수 있게 함으로써, 초고집적 소자의 개발을 가능하게 하고 고해상 노광장치의 새로운 장비를 이용하지 않고도 미세한 크기의 콘택홀을 형성할 수 있다.
제 1A 도와 제 1B 도는 종래의 포토리소그라피 공정에 의한 콘택홀 형성방법을 도시한 단면도.
제 2A 도 내지 제 2C 도는 종래의 DESIRE 공정을 도시한 단면도.
제 3A 도 내지 제 3E 도는 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 미세 콘택홀 제조공정을 도시한 단면도.
제 1A 도 내지 제 4C 도는 콘택홀 형성 시 하드 마스크층을 사용하는 경우의 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 소자의 미세 콘택홀 제조공정을 도시한 단면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1,31,52: 반도체 기판 3,33,53 : 절연막
5,35,57 : 감광막 7 : 콘택 마스크
8 : 가스 상태의 실리레이션(Silylation) 분위기
9 : 콘택홀 패턴 10,43,59 : Si 와 결합구조를 갖는 층
37 : 제 1 콘택 마스크 41 : 제 2 콘택 마스크
45,61 : 콘택홀 55 : 하드 마스크층
Claims (6)
- 반도체 기판 상부에 절연막과 감광막을 형성하는 단계와,제 1 콘택 마스크를 사용한 노광공정으로 상기 감광막을 노광하는 단계와,상기 감광막을 제 1 베이킹하는 단계와,상기 노광 영역의 감광막을 현상하여 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 제 1 콘택 마스크보다 넓은 투광 영역의 갖는 제 2 콘택 마스크로 상기 감광막 패턴을 전면 노광하는 단계와,상기 감광막을 제 2 베이킹하는 단계와,상기 노광 영역에 가스 상태의 실리레이션 물질을 반응시켜 스웰링된 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 스웰링된 감광막 패턴을 마스크로 상기 절연막을 식가하여 미세 콘택홀을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세패턴 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 베이킹의 온도는 상기 제 2 베이킹의 온도보다 낮도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 베이킹을 50~200℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체소자의 미세 콘택홀 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 베이킹을 80℃~1250℃의 온도로 실시하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스 상태의 실리레이션 에어젼트로 HMDS, TMDS, TMSDMA, DMADMA 및 TMSDEA로 이루어지는 군에서 임으로 선택되는 하나 또는 둘 이상의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 콘택홀 형성방법.
- 반도체 기판 상부에 절연막과 감광막을 형성하는 단계와,제 1 콘택 마스크를 사용한 노광공정으로 상기 감광막을 노광하는 단계와,상기 감광막을 베이킹하는 단계와,상기 노광 영역의 감광막을 현상하여 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 감광막 패턴을 전면 노광하는 단계와,상기 노광 영역에 가스 상태의 실리레이션 물질을 반응시켜 스웰링된 감광막 패턴을 형성하는 단계와,상기 스웰링된 감광막 패턴을 마스크로 상기 절연막을 식각하여 미세 콘택홀 을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세패턴 형성방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950034289A KR100369866B1 (ko) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | 반도체소자의미세콘택홀형성방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019950034289A KR100369866B1 (ko) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | 반도체소자의미세콘택홀형성방법 |
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| KR970024005A KR970024005A (ko) | 1997-05-30 |
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1995
- 1995-10-06 KR KR1019950034289A patent/KR100369866B1/ko not_active IP Right Cessation
Also Published As
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| KR970024005A (ko) | 1997-05-30 |
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