KR20060103651A - 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포토리소그래피의 세정 또는 건조 공정에서 발생하는 포토레지스트의 붕괴 (collapse) 특성을 억제하도록, 실제 소자 패턴과 함께 보조 패턴을 형성하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴의 형성 방법을 개시한다. 본 발명은 기판 상에 포토레지스트층을 도포하는 단계; 적어도 하나 이상의 소자 패턴과 상기 소자 패턴에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토마스크를 이용하여 상기 포토레지스트층을 노광하는 단계; 및 상기 노광된 포토레지스트층을 현상하여 상기 기판 상에 적어도 하나 이상의 소자 패턴과 상기 소자 패턴에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

포토레지스트 패턴, 붕괴 (collapse), 만곡 (meniscus), 현상액, 세정액, 표면장력

Description

반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법{Method of forming resist pattern for manufacturing semiconductor devices}

도 1 은 세정 후 건조 공정에서 포토레지스트 패턴 사이에 충전된 세정액에 의해 발생하는 모세관력을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2 는 도 1 의 포토레지스트 패턴이 연속적으로 배치된 경우에 발생하는 모세관력의 불균일을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6 은 포토레지스트 패턴의 붕괴를 억제하기 위한 종래 기술과 본 발명의 적용 결과를 나타낸 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10, 20, 30, 40 : 기판

11, 21, 31, 41, 51a, 51b, 51c : 실제 소자의 포토레지스트 패턴

12, 22, 32, 32', 42, 42' : 현상액 또는 세정액

33, 43, 53a, 53b, 53c : 보조 패턴

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 미세 패턴 형성시 포토레지스트 패턴의 붕괴 (collapse) 특성을 억제할 수 있는 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조에 있어서, 디자인 룰이 감소함에 따라 더욱 미세한 감광막 마스크의 형성이 요구되며, 통상 이러한 감광막 마스크로서 사용되는 포토레지스트의 경우 리소그래피 공정에서 포토레지스트 패턴의 붕괴 현상이 나타난다. 이러한 포토레지스트 패턴의 패턴 붕괴 현상은, 종횡비 (aspect ratio) 가 약 3 보다 크고 선폭이 150 nm 미만으로 감소할수록, 배선 단부의 영역에서 빈번히 발생한다.

이러한 포토레지스트 패턴의 붕괴 원인과 그에 따른 개선 방법은, 일반적으로, 노광 공정과 관련된 조명계적 범주와, 현상 또는 세정 공정에서 사용된 현상액 또는 세정액의 표면장력과 관련된 역학적 범주로 나뉘어 보고되고 있다.

예를 들면, 첫째, 노광 공정 동안 포토레지스트 막의 하부층에 도달한 광이 하부막으로부터 반사됨으로써 발생하는 포토레지스트 수직 단부의 언더컷이 원인이 될 수 있으며, 이를 개선하기 위하여, 기판의 반사 효과를 줄이도록 광을 잘 흡수하는 유기계 또는 무기계의 반사방지막 (anti reflective coating) 을 이용하는 기 술이 있다.

둘째, 레이아웃 (layout) 의 임계 선폭 (critical dimension) 이 노광 공정 장비의 해상도 한계에 접근하면서, 광 근접 효과 (optical proximity effect) 로 인한 포토레지스트 패턴의 선폭 감소가 원인이 될 수 있다. 이와 같은 광 근접 효과를 억제하기 위해서, 기판으로 전사되지 않는 스캐터링 보조 패턴을 포토마스크에 배치하여 고밀도 패턴의 해상력을 극대화하는 방안들이 연구되고 있다.

세째, 세정 또는 건조 공정 동안, 이웃하는 포토레지스트 패턴 사이에 충전된 현상액 또는 세정액의 표면 장력에 의한 패턴간 인력이 원인이 될 수 있다.

도 1 은 세정 후 건조 공정에서 포토레지스트 패턴 사이에 충전된 세정액에 의해 발생하는 모세관력을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 2 는 도 1 의 포토레지스트 패턴이 연속적으로 배치된 경우에 발생하는 모세관력의 불균일을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 을 참조하면, 이웃하는 포토레지스트 패턴들 (11) 사이에 현상액 또는 세정액 (12) 이 충전된 경우 이 액체의 응집력과 이 액체와 포토레지스트의 부착력의 차이에 의해 이 액체 표면에 만곡 (meniscus) 이 발생하며, 이 경우 양 패턴 사이에서 수평 방향 성분의 인력 (W) 이 발생하여 패턴의 변형 (11') 이 일어난다. 여기서, L 과 H 는 각각 포토레지스트 패턴의 폭과 높이이고 d 는 패턴 사이의 거리이며, θ 는 포토레지스트 패턴의 측면에 대한 이 액체의 접촉각을, δ 는 인력 (W) 에 의한 포토레지스트 패턴의 변위를 나타낸다.

도 2 를 참조하면, 기판 (20) 상의 연속하는 패턴들 (21) 사이에 현상액 또 는 세정액 (22) 이 충전된 경우, 포토레지스트 패턴의 양쪽 측면에 존재하는 이 액체의 접촉각 θ₁, θ₂ 가 다르면, 이 패턴에 수평 방향으로 작용하는 힘 f₁ 과 f₂ 의 차이에 의해 포토레지스트 패턴의 붕괴 현상이 발생한다. 이와 같이 이웃하는 포토레지스트 패턴 사이에 액체가 충전된 경우, 이 액체의 접촉각과 포토레지스트 패턴에 대하여 수평 방향으로 작용하는 힘 f₁ 및 f₂ 의 관계는 아래 수학식 1 로 표시된다.

f = γ × sin θ

위의 수학식 1 에서, γ 는 액체의 표면장력을, θ 는 액체의 만곡과 포토레지스트 패턴의 벽면이 이루는 접촉각을, f 는 액체의 표면장력에 의해 포토레지스트 패턴에 대하여 수평 방향으로 작용하는 힘을 나타낸다.

이를 해결하기 위하여, 세정액 등에 계면활성제를 첨가하여 포토레지스트와 세정액의 계면에서 발생하는 표면 장력을 감소시키려는 노력이 있으며, 물을 용매로 사용하는 세정액 대신에 다른 희석제를 용매로 사용하는 세정액을 이용함으로써 패턴 사이의 인력을 감소시켜 패턴 붕괴가 없는 미세 패턴을 얻으려는 방법이 있다.

상기의 원인과 그 해결 방안 이외에도, 포토레지스트와 기판과의 부착력, 포토레지스트의 기계적 강도 또는 스핀 드라이 공정 동안의 원심력과 같은 인자에 의해서도 패턴 붕괴가 발생할 수 있으며, 이의 개선을 위해 첨가제를 이용하여 포토 레지스트의 조성을 변화시킴으로써 포토레지스트의 내부 탄성을 증가시키거나 하부층과 포토레지스트의 부착력을 높히는 방법 등이 제안되고 있다.

그러나, 이러한 패턴 붕괴의 원인 중에서 포토레지스트 패턴 사이에 충전된 세정액의 표면 장력에 의한 패턴간 인력이 패턴 붕괴의 주요한 원인임이 당업자에게 경험적으로 인식되고 있으며, 이를 해결하기 위해 세정액에 계면활성제를 첨가하는 경우 평형상태에서는 효과적으로 표면 장력이 감소되나, 동적 상태, 예를 들면 스프레이 코팅 공정, 스핀 드라이 공정 등에서는 표면 장력을 감소시키는 데에는 효과적이지 못하거나 발포 생성의 부작용이 있어, 패턴 붕괴 결함을 제거하는데에 효과적이지 못한 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보조 패턴을 사용함으로써, 세정 후 건조 공정에서 발생하는 세정액의 모세관력에 기인하는 포토레지스트 패턴 사이의 불균일한 인력을 제어하여, 포토레지스트 패턴의 붕괴 특성을 방지할 수 있는 포토레지스트 패턴 형성 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법에 따르면, 기판 상에 포토레지스트층을 도포하는 단계; 적어도 하나 이상의 소자 패턴 열과 상기 소자 패턴 열에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토마스크를 이용하여 상기 포토레지스트층을 노광하는 단계; 및 상기 노광된 포토레지스트층을 현상하여 상기 기판 상에 적어도 하나 이상의 소자 패턴 열과 상기 소자 패 턴 열에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면에서 층이나 영역들의 두께는 설명을 명확하게 하기 위하여 과장된 것이다.

도 3 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3 을 참조하면, 실제 소자 패턴과 보조 패턴을 포함하는 포토마스크를 이용하여 노광하고, 이를 현상하여 기판 (30) 상에 실제 소자 패턴 열 (31) 로부터 평행 방향 (X 축 방향) 으로 소정의 거리만큼 이격하여 보조 패턴 (33) 을 형성한다. 실선은 실제 소자 패턴 사이에 충전된 세정액의 만곡을 나타내며, 굵은 실선은 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 세정액의 만곡을 나타낸다. 그 결과, 세정후 건조 공정에서는, 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 세정액의 표면 장력에 의해 상기 실제 소자 패턴들 사이의 인력과 상기 실제 소자 패턴과 상기 보조 패턴 사이의 인력의 불균일이 감소되어 패턴 붕괴가 없는 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 보조 패턴의 폭 (L') 은 실제 소자 패턴의 폭 (L) 보다 큰 것이 바람직하다. 본 실시예에서 실제 소자 패턴 (31) 과 보조 패턴 (33) 사이의 거리 (d') 는 실제 소자 패턴의 라인 피치의 0.5 내지 2 배인 것이 바람직하며, 보조 패턴의 긴 방향의 길이는 실제 소자 패턴 열의 길이와 동등 이상이 바람직하다.

도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4 를 참조하면, 도 3 에 나타낸 제 1 실시예와 달리, 실제 소자 패턴과 보조 패턴을 포함하는 포토마스크를 이용하여 노광하고, 이를 현상하여 기판 (40) 상에 실제 소자 패턴 열 (41) 의 단부로부터 직교 방향 (Y 축 방향) 으로 소정의 거리만큼 이격하여 보조 패턴 (43) 을 형성한다. 실선은 보조 패턴이 없는 경우 실제 소자 패턴과 기판 (40) 사이에 충전된 세정액의 만곡 (42) 을 나타내며, 굵은 실선은 본 발명에 따라 보조 패턴이 도입된 경우에 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 세정액의 만곡 (42') 을 나타낸다. 그 결과, 세정후 건조 공정에서는, 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 세정액의 표면 장력에 의해 상기 실제 소자 패턴과 상기 보조 패턴 사이의 인력이 추가적으로 발생하여 패턴 붕괴가 없는 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 이러한 보조 패턴의 폭은 실제 소자 패턴의 폭보다 큰 것이 바람직하다. 본 실시예에서 실제 소자 패턴 (41) 과 보조 패턴 (43) 사이의 거리 (d')는 실제 소자 패턴의 라인 피치의 0.5 내지 2 배인 것이 바람직하며, 보조 패턴의 긴 방향의 길이는 실제 소자 패턴 열의 시작 열에서 마지막 열까지의 거리와 동등 이상이 바람직하다.

도 5 는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 반도체 소자의 포토레지스트 패턴 형 성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5 를 참조하면, 실제 소자 패턴 (51a, 51b, 51c) 에 대하여 평행 방향 및 직교 방향으로 이격하여 보조 패턴 (53a, 53b, 53c) 을 배치함으로써, 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 세정액의 표면 장력에 의한 인력의 불균일을 개선할 수 있어 패턴 붕괴가 없는 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 보조 패턴은, 실제 소자 패턴과 이격 거리가 평행 방향으로는 실제 소자 패턴의 라인 피치의 0.5 내지 2 배이며, 직교 방향으로는 실제 소자 패턴의 라인 피치의 0.5 내지 2 배인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제 4 실시예로서, 도 5 를 참조하면, 보조 패턴 (53a, 53b, 53c) 은 반도체 소자의 기능에 따라 실제 소자 패턴으로 대신하여 배치함으로써, 상기 세정된 포토레지스트를 건조시키는 단계에서, 상기 실제 소자 패턴 사이에 충전된 세정액에 의해 상기 실제 소자 패턴만으로도 실제 소자 패턴 사이의 인력을 제어하여 패턴 붕괴가 없는 포토레지스트 패턴을 형성할 수 있다.

도 6 은 포토레지스트 패턴의 붕괴를 억제하기 위한 종래 기술과 본 발명의 적용 결과를 나타낸다. 도 6a 는, 종래기술에 따라, 광 근접 효과를 억제하기 위하여 기판으로 전사되지 않는 스캐터링 보조 패턴 (63a) 을 포함하는 포토마스크를 이용하여 포토리소그래피 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 6b 는, 본 발명에 따라, 실제 소자 패턴 단부에 형성되는 세정액의 모세관력의 불균일을 개선하기 위하여 기판으로 전사되는 보조 패턴 (63b) 을 포함하는 포토마스크를 이용하여 포토리소그래피 공정을 수행한 결과를 나타낸다. 도 6a1과 도 6b1 은 각각 종래기술과 본 발명에 사용된 포토마스크를 나타내며, 도 6a2 와 도 6b2 는 각각 종래 기술과 본 발명에 따라 형성된 포토레지스트 패턴의 전자주사현미경 사진이다. 도 6a2 에 나타낸 바와 같이, 광학적으로 기판에 전사되지 않는 종래의 스캐터링 보조 패턴의 경우에는 여전히 배선 패턴 단부에서 패턴 붕괴 현상이 나타난다. 이와 대조적으로, 도 6b2 에 나타낸 바와 같이, 광학적으로 기판에 전사되는 본 발명에 따른 보조 패턴의 경우에는 배선 패턴 단부의 패턴 붕괴 현상이 억제되었음을 볼 수 있다. 이로부터, 패턴 붕괴의 현상의 원인은 광 근접 효과로 인한 포토레지스트 패턴 선폭의 감소라기 보다는 포토레지스트 패턴 사이에 충전된 현상액 또는 세정액의 표면 장력에 의한 패턴간 인력이 주요 원인임을 실험적으로 추론할 수 있으며, 세정액의 표면 장력에 의해 패턴 사이의 인력을 제어하는 것이 종래 조명계적 기술 보다 더 효과적임을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 보조 패턴은 부가적으로 스케터링 보조 패턴으로도 기능하여 광 근접 효과를 억제할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 따르면, 기판 상에 실제 소자 패턴과 함께 보조 패턴을 전사하여, 세정 및 건조 공정동안 실제 소자 패턴과 보조 패턴 사이에 충전된 상기 세정액에 의해, 상기 실제 소자 패턴과 상기 보조 패턴 사이의 인력을 제어할 수 있기 때문 에, 패턴 붕괴가 없는 미세 포토레지스트 패턴을 얻을 수 있다. 장래, 반도체 소자의 디자인 룰의 감소와 후속하는 에칭 단계의 중요 파라미터인 종횡비 (aspect ratio) 의 증가에 대비하여 이러한 노력은 보다 향상된 마스크 패턴의 임계 선폭 제어와 반도체 소자의 수율 향상 등을 꾀할 수 있도록 한다.

Claims (5)

1. 기판 상에 포토레지스트층을 도포하는 단계;

   적어도 하나 이상의 소자 패턴 열과 상기 소자 패턴 열에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토마스크를 이용하여 상기 포토레지스트층을 노광하는 단계; 및

   상기 노광된 포토레지스트층을 현상하여 상기 기판 상에 적어도 하나 이상의 소자 패턴 열과 상기 소자 패턴 열에 인접하는 보조 패턴을 포함하는 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 패턴은 상기 소자 패턴 열로부터 평행 방향으로 상기 소자 패턴 열의 라인 피치의 0.5 내지 2 배만큼 이격 배치되고, 상기 보조 패턴의 긴 방향의 길이는 실제 소자 패턴 열의 길이와 동등 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 패턴은 상기 소자 패턴 열의 단부로부터 직교 방향으로 상기 소자 패턴 열의 라인 피치의 0.5 내지 2 배만큼 이격 배치되고, 상기 보조 패턴의 긴 방향의 길이는 실제 소자 패턴 열의 시작 열에서 마지막 열까지의 거리와 동등 이상 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 패턴은 상기 소자 패턴 열로부터 평행 방향 및 직교 방향으로 각각 상기 소자 패턴의 라인 피치의 0.5 내지 2 배만큼 이격 배치되고, 상기 보조 패턴의 길이는 실제 소자 패턴의 대향하는 길이와 동등 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조 패턴은 반도체 소자의 기능에 따라 실제 소자 패턴으로 대신하여 배치하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 제조용 포토레지스트 패턴 형성 방법.

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