KR100396193B1 - 패턴의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 패턴의 형성방법은,

기판 상에 포지티브형의 포토레지스트 층을 형성하는 단계,

최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전마스크를 사용하여 포토레지스트 층을 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 포토레지스트 층에 개구부를 형성하는 단계,

상기 얻어진 기판 전체 면에 비감광성 유기막을 도포하여 비감광성 유기막으로 개구부를 매립하는 단계,

포토레지스트층 상의 비감광성 유기막을 포토레지스트 층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하는 단계, 및

포토레지스트 층 전체 면을 노광 및 현상하여 포토레지스트 층 제거하여 소망하는 패턴의 비감광성 유기막을 얻는 단계를 포함한다.

Description

패턴의 형성방법{Formation Method Of Pattern}

본 발명은 패턴의 형성방법, 특히, 고정밀도의 양호한 형상을 갖는 패턴의 형성방법에 관한 것이다.

반도체장치의 고집적화, 고성능화가 진전함에 따라 배선 등의 형성에 있어서고정밀도의 미세 가공이 요구되고, 그에 따라 포토리소그라피 기술에서의 고정밀도 패턴의 형성이 중요해졌다. 종래의 포토리소그라피 기술에 의한 반도체기판 상에의 패턴의 형성방법을, 도2a∼2c에서 간단히 설명한다.

우선, 도2a에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(1) 상에 포토레지스트층(2)을 코팅법으로 형성한다. 다음에, 도2b에 나타낸 바와 같이, 마스크(3)를 통해 자외선, 전자빔(EB) 등의 소정의 노광광을 이용하여 포토레지스트층(2)을 노광하여 소망의 패턴 상을 포토레지스트층(2)에 형성한다. 이어서, 포토레지스트층(2)을 알칼리 수용액 등의 현상액으로 현상하면, 포토레지스트층(2)이 부분적으로 용해 및 잔존하고, 레지스트로 이루어지는 패턴(4)이 형성된다.

여기서, 노광된 부분이 현상에 의해 용해하는 레지스트는 포지티브 레지스트라 하고, 반대로 잔존하는 레지스트는 네가티브 레지스트라고 불리운다. g선 및 i선의 파장을 이용한 포토리소그라피 기술에 있어서, 레지스트 성능(해상성, 초점심도 등)이 높기 때문에 포지티브 레지스트가 통상 사용되고 있다.

또한, 보다 고해상도로 레지스트 패턴을 형성하는 방법이, 일본공개 특허공보 제9-190959호에 기재되어 있다. 이 공보에 기재된 방법은, 레지스트 패턴의 해상성이 패턴 그 자체에 의존하는 것을 이용하고, 좁은 스페이스 패턴이 콘택트홀 패턴을 형성하는 것을 목적으로 한 방법이다.

상기 공보기재의 방법을 도3a∼3c을 이용하여 간단히 설명한다.

우선, 반도체기판(11) 상에 비교적 해상성이 양호한 밀집 트레이스 패턴, 고립 트레이스 패턴, 충전재 패턴 등을 형성한다. 도3a에서는, 일례로서 충전재 패턴(12)을 형성하고 있다. 상기 패턴의 형성은, 밀집 테레이스 패턴, 고립 트레이스 패턴, 충전재 패턴 등과 같이 포토레지스트의 현상 후의 잔존부가 패턴으로 되는 경우가, 콘택트홀 및 고립 스페이스 등의 패턴과 같이 포토레지스트의 현상 후의 용해부가 패턴으로 되는 경우에 비해, 해상성이 높은 것을 이용하고 있다. 이어서, 도3b에 나타낸 바와 같이, 네가티브 레지스트층(13)을 기판의 전체 면에 형성한다. 그 다음, 전체 노광과 현상을 하여 충전재 패턴(12)만을 제거함으로써 최종적으로 도3c에 나타낸 바와 같은 홀패턴(14)을 얻을 수 있다.

반도체장치의 미세화를 실현하기 위해서, 레지스트층의 해상도를 향상시키고, 포커스 어긋남에 대한 여유도(초점심도)가 넓어지도록 패턴 형성시의 각종 조건을 설정해야 한다.

특히, 주로 이온주입용 마스크로서 사용되는 충전재 패턴에서는, 그 형상이 트랜지스터 특성에 큰 영향을 주기 때문에, 보다 정밀도가 높은 패턴을 형성할 필요가 있다. 또한, 반도체 장치의 미세화가 진행된 경우, 레지스트 형상도 엄격히 제어할 필요가 있게 된다.

그러나, 상기 종래 기술 같은 포지티브 레지스트를 이용하여 충전재 등의 패턴을 형성한 경우, 도4a-1 및 4a-2에 나타낸 바와 같이, 노광 시에 마스크(3)의 외부에서 회절된 광의 영향으로, 현상 후 패턴의 형상이 도4b-1 및 4b-2에 나타낸 바와 같은 완만한 산 형상으로 되기 쉽다.

또한, 상기 공보에 기재된 바와 같이, 홀패턴보다도 충전재 패턴이 비교적해상도가 높지만, 양자의 해상도 차는, 노광광이 i선에서 포지티브형 레지스트를 이용한 0.35㎛ 룰의 경우, 0.05㎛에 지나지 않는다. 한편, 초점 어긋남에 대한 여유도(초점심도)는, 홀패턴 형성시 보다 충전재 패턴 형성시 쪽이 극도로 작다(표1참조). 이 현상은 패턴의 가공 치수가 미세하게 되면 될수록 현저해 지고, 쿼터미크론 이하에서는 안정한 초점심도를 유지하여 충전재 패턴을 형성하는 것은 곤란하다. 또, 표1에서 "초점심도"란, 각 패턴의 치수가 ±0.05㎛이고, 또 패턴불량(개구 불량, 쇼트, 단선, 레지스트 높이 손실 등)이 없는 초점 범위를 의미한다.

	패턴 종류
	라인 등	콘택트홀, 스페이스 등
	밀집 트레이스	고립 트레이스	충전재	고립 스페이스	고립 홀	밀집홀
현상후 패턴의 해상성	0.35	0.35	0.35	0.40	0.40	0.40
패턴 치수가 0.4㎛일 때의 초점 심도(㎛)	1.0	0.8	0.2	0.8	0.8	0.8
초점심도가 1.0㎛이상인패턴 치수	0.40	0.45	0.80	0.45	0.45	0.45

도 1a∼1f는 본 발명에 따른 패턴의 형성방법의 개략적인 공정 단면도.

도 2a∼2c는 종래의 패턴의 형성방법의 개략적인 공정 단면도.

도 3a∼3c는 종래의 패턴의 형성방법의 개략적인 공정 단면도.

도 4a-1, 4a-2, 4b-1 및 4b-2는 종래의 패턴 형성방법의 문제점을 나타낸 도면.

[부호의 설명]

1,11,21: 반도체기판 2,22: 포토레지스트 층

3,24: 마스크4 패턴 12,23: 충전재 패턴

13: 네가티브 레지스트층 14: 홀패턴

25: 개구부 26: 비감광성 유기막

따라서, 본 발명에 의하면, 기판 상에 포지티브형 레지스트층을 형성하는 단계,

최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전 마스크를 이용하여 포토레지스트층을 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 포토레지스트층에 개구부를 형성하는 단계,

포토레지스트층을 포함하는 기판 전체 면에 비감광성 유기막을 도포하여 비감광성 유기막으로 개구부를 매립하는 단계,

포토레지스트층 상의 비감광성 유기막을 포토레지스트층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하는 단계, 및

포토레지스트층 전체 면을 노광 및 현상하여 포토레지스트층을 제거하여 소망하는 패턴의 비감광성 유기막을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1 패턴의 형성방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 기판 상에 포지티브형의 제1 포토레지스트층을 형성하는 단계,

최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전마스크를 이용하여, 소정의 파장의 노광광에 의해 제1 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 제1 포토레지스트층에 개구부를 형성하는 단계,

개구부를 매립하도록 제1 포토레지스트층을 포함하는 기판 전체 면에 제2 포토레지스트층을 도포에 의해 형성하는 단계,

제1 포토레지스트층 상에 제2 포토레지스트를 제1 포토레지스트층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하는 단계, 및

개구부의 형성에 사용한 노광광과 동일한 파장의 노광광을, 제1 포토레지스트층과 제2 포토레지스트층의 전체 면에 조사하여 노광 및 현상하도록 제1 포토레지스트층을 제거하여, 소망하는 패턴의 제2 포토레지스트층을 얻는 간계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 패턴의 형성방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 목적들은 하기 설명으로부터 쉽게 이해될 수 있다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 실시예들은 본 발명의 양호한 실시예들을 나타내는 것이며 예증 목적으로만 제공되는 것이다. 따라서, 본 기술 분야의 숙련자들이라면 본 발명의 정신 범위를 벗어나지 않고 여러 가지로 변형할 수 있다.

[발명의 실시의 형태]

이하, 본 발명의 제1 형성방법을 설명한다.

우선, 기판 상에 포지티브형의 포토레지스트층을 형성한다.

본 발명에 사용할 수 있는 기판은, 특히 한정되지 않고, 그 위에 패턴을 형성하는 것이 바람직한 기판을 어느 것이나 사용할 수가 있다. 구체적으로는, 반도체기판, 유리기판, 수지기판 등을 들 수 있다.

또한, 포지티브형의 포토레지스트층은, 본 기술 분야에서 통상 사용되는 포지티브형의 포토레지스트재로 이루어질 수 있다. 포토레지스트층은 0.5∼1.5㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 포토레지스트층의 형성방법은 예컨대, 포토레지스트재를 포함하는 용액을 기판 상에 회전 도포하는 방법을 들 수 있다. 이 방법으로 얻어진 포토레지스트층은 소정의 온도에서 프리베이킹하는 것이 바람직하다.

다음에, 최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전 마스크를 이용하여 포토레지스트층을 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 포토레지스트층에 개구부를 형성한다.

이 공정에서 사용할 수 있는 마스크는, 크롬 차폐판 부착 유리 마스크, 하프톤 형의 위상 시프트 마스크 등을 들 수 있다. 상기 하프톤 형의 위상 시프트 마스크를 사용하면, 위상 시프트마스크에 의해 실현되는 효과(해상성 향상효과)와 본 발명의 효과(초점심도의 향상효과)에 의해, 더욱 초점심도가 양호한 패턴을 형성할수 있다.

노광의 광원으로서는, 특히 한정되지 않고, 자외선, i선, g선, KrF선, ArF선, EB선 등을 들 수 있다. 또한, 노광후, 포토레지스트층을 베이킹하는 것이 바람직하다. 현상에 사용되는 현상액은, 사용하는 포토레지스트층을 구성하는 재료에 따라서 적절히 선택된다. 통상, 현상액으로서, 알칼리 수용액이 사용된다.

상기 노광 및 현상에 의해, 최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위의 포토레지스트층에 개구부가 형성된다. 개구부의 형상은 특히 한정되지 않고, 용도에 따라 소망의 형상을 취할 수 있다. 예컨대, 반도체장치의 분야에서는, 충전재 패턴상, 밀집 트레이스 패턴상, 고립 트레이스 패턴상 등의 형상을 들 수 있다.

또한, 현상후, 수분을 제거하기 위해 포스트베이킹하는 것이 바람직하다.

이어서, 포토레지스트층을 포함하는 기판 전체 면에 비감광성 유기막을 형성하여 비감광성 유기막으로 개구부를 매립한다.

비감광성 유기막은, 예컨대, 수지, 용제, 가교제 등으로 이루어지는 유기재료를 포함하는 용액을 회전 도포함으로써 형성할 수 있다. 비감광성 유기막은, 편평한 기판 상에 도포한 경우, 0.05∼0.5㎛의 두께가 되는 조건으로, 기판 상에 도포하는 것이 바람직하다. 비감광성 유기막을 도포에 의해 형성한 경우, 개구부가 상기 비감광성 유기막으로 대부분 매립되고, 포토레지스트층 상에는 비감광성 유기막이 거의 형성되지 않는다.

그 다음, 비감광성 유기막을 베이킹하는 것이 바람직하다. 베이킹 온도 및 시간은, 포토레지스트층 중에 잔존하는 감광재가 승화 등에 의해 비산하지 않고,비감광성 유기막이 충분히 열경화 또는 가교되며, 포토레지스트층 및 비감광성 유기막을 구성하는 수지가 서로 열이동하지 않는 한, 특히 한정되지 않는다. 즉, 포토레지스트층과 비감광성 유기막을 구성하는 수지가 서로 용융하지 않는 한, 적당한 베이킹 온도와 시간을 설정할 수 있다.

다음에, 포토레지스트층 상의 비감광성 유기막을 포토레지스트층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백한다. 이 에칭백은, 예컨대 산소 플라즈마를 사용하여 할 수 있다. 또한, 에칭백에 의해, 개구부의 포토레지스트층이 30% 정도 깊이 방향으로 감소한다.

그 다음, 포토레지스트층 전체 면을 노광 및 현상하여 포토레지스트층을 제거함으로써, 소망하는 패턴의 비감광성 유기막을 얻을 수 있다. 이 노광 및 현상의 조건은, 개구부 형성 시의 조건과 동일한 조건을 채용할 수 있다.

이하, 본 발명의 제2 형성 방법을 설명한다.

제2 형성방법은, 제1 포토레지스트층에 형성된 개구부에 매립되는 수지층(제2 포토레지스트층)을, 비감광성 유기막 대신에, 감광성 수지층(공지의 포토레지스트층)을 사용한 것 이외는, 기본적으로 제1 형성방법과 동일하다. 이 경우, 제2 포토레지스트층이, 2회째 노광때에 노광광의 파장에 대하여 흡수가 크고, 노광광을 투과하지 않은 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.

예컨대, i선을 이용한 리소그라피 방법으로 주류의 노볼락 수지를 베이스 수지로서 포함하는 포토레지스트는, KrF 엑시머 레이저로부터의 빛(파장λ= 248 nm)에 대하여 흡수가 크고, 5% 정도밖에 입사광을 투과하지 않는다.

한편, KrF 엑시머 레이저용 폴리히드록시스티렌(PHS 수지)을 베이스 수지로서 포함하는 포토레지스트는 ArF 엑시머 레이저로부터의 빛(파장λ= 193 nm)에 대하여 흡수가 크고, 입사광을 거의 투과하지 않는다.

이는, 현상 후에 제2 포토레지스트를 잔류시키도록 제2 노광시 노광광의 파장을 조절함으로써, 제2 포토레지스트층의 내부를 대폭 노광 부족 상태로 할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 제2 포토레지스트층은 반사 방지막으로서의 기능도 갖는다.

보다 구체적으로는, 노광광의 파장이 248 nm인 경우, 개구부에 매립되는 제2 포토레지스트층은 노볼락 수지를 베이스 수지로서 포함하는 i선용 포토레지스트층이어도 좋다. 마찬가지로, 노광광의 파장이 193 nm인 경우, 폴리히드록시스티렌을 베이스 수지로서 포함하는 KrF 엑시머 레이저용 포토레지스트층이어도 좋다.

또한, 제2 포토레지스트층은 회전 도포법에 의해 형성하는 단계, 그 후 베이킹 처리하는 것이 바람직하다. 베이킹 처리의 온도 및 시간은 제1 포토레지스트층과 제2 포토레지스트층을 구성하는 수지가 서로 용융하지 않는 온도 및 시간으로 적절히 설정하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

본 발명의 실시예를 도1a∼1f를 참고로 설명한다.

우선, 도1a에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(21) 상에 약1.0㎛의 포지티브형의 포토레지스트층(22)을, 포토레지스트재(PFI-38A9; 스미토모가가쿠사제)를 이용하여 2500 rpm에서 회전도포하고, 90℃에서 60초 동안 프리베이킹 함으로써 형성하였다.

다음에, 도1b에 나타낸 바와 같이, 형성을 소망하는 충전재 패턴의 부위에 개구를 갖는 반전 마스크로서의 크롬 차폐판 부착 유리마스크(24)를 이용하고, i선(파장365 nm)으로 축소투영형 노광장치(스텝퍼)로 노광하였다.

노광후, 포토레지스트층(22)을 100℃에서 60초 동안 베이킹(PEB)하고, 알칼리 수용액(NMD-W; 도쿄오카 고교사 제)에 의해 현상을 하였다. 이에 의해, 충전재 패턴의 형성을 소망하는 개소에, 개구부(25)를 형성할 수 있다(도1c참조). 그 다음, 포토레지스트층(22)에 잔류하는 수분을 제거하기 위해서, 110℃에서 60초 동안 포토레지스트층(22)을 포스트베이킹하였다. 여기서, 개구부(25)는, 형성을 소망하는 충전재 패턴보다도 깊은 초점심도를 갖고 있다. 또한, 개구부(25)는 테이퍼가 작은 (즉, 직사각형에 가까움) 양호한 형상이었다.

다음에, 도1d에 나타낸 바와 같이, 포토레지스트층(22)을 포함하는 반도체기판(21)의 전체 면에 비감광성 유기막(26)을, 편평한 기판 상에서 약0.2㎛의 두께가 되는 조건으로, 1500 rpm으로 회전 도포함으로써 형성하였다. 비감광성 유기막(26)의 형성재료는, 반사 방지막을 형성할 수 있는 XHRI-11(Brewer Science 사제)을 사용하였다. 여기서, 개구부는 0.9㎛ 정도 이상의 고단차로 되어있기 때문에, 비감광성 유기막(26)의 형성재료는, 개구부에 거의 유입되고, 포토레지스트층(22) 상에는 비감광성 유기막(26)이 거의 형성되지 않았다. 구체적으로는, 비감광성 층(22)은 개구부(25)내에, 두께 0.7㎛ 정도로 형성되고, 포토레지스트층(22)상에, 두께0.02㎛ 정도로 형성되었다. 그 다음, 비감광성 유기막(26)을 100℃에서 60초간 베이킹하였다.

다음에, 도1(e)에 나타낸 바와 같이, 산소 플라즈마를 이용하여 포토레지스트층(22)상의 비감광성 유기막(26)을 포토레지스트층(22)이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하였다. 이 에칭백에 의해 개구부내의 비감광성 유기막은 두께가 0.6㎛ 정도로 감소하였다.

이어서, 마스크를 사용하지 않고, 포토레지스트층(22)을 i선(파장 365 nm)으로, 축소 투영형 노광장치(스텝퍼)로써 전체 면을 노광하였다. 다시 알칼리 수용액으로 포토레지스트 층(22)을 현상함으로써 포토레지스트층(22)은 모두 용해 제거되고, 도1f에 나타낸 바와 같이 잔존하는 비감광성 유기막(26)에 의한 충전재 패턴을 형성할 수가 있었다.

이상의 실시예에 의하면, 통상 콘택트홀을 포토리소그라피 기술에 의해 형성함으로써 개선된 초점심도를 갖고, 또한 양호한 형상의 충전재 패턴을 형성할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 종래 포토레지스트 층만으로 형성하고 있는 패턴을, 노광광의 파장에 대하여 비감광성 유기막으로 치환함으로써, 종래보다도 더욱 미세하고 종횡비가 높고, 충분한 초점심도를 갖는, 양호한 형상의 패턴을 형성할 수가 있다. 이 패턴을, 에칭마스크, 주입 저지 마스크 등으로서 사용하면, 마스크로서의 정밀도가 높기 때문에, 고정밀도인 반도체장치를 형성할 수 있다.

Claims (8)

1. 기판 상에 포지티브형의 포토레지스트층을 형성하는 단계,

   최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전마스크를 사용하여 포토레지스트층을 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 포토레지스트층에 개구부를 형성하는 단계,

   포토레지스트층을 포함하는 기판 전체 면에, 노광광을 흡수하는 재료로 이루어지는 비감광성 유기막을 도포하여 비감광성 유기막으로 개구부를 매립하는 단계,

   포토레지스트층 상의 비감광성 유기막을 포토레지스트층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하는 단계, 및

   포토레지스트층 전체 면을 노광 및 현상하여 포토레지스트층을 제거하여 소망하는 패턴의 비감광성 유기막을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패턴의 형성방법.
2. 제 1항에 있어서, 비감광성 유기막이 흡광재를 포함하는 고분자 화합물 막으로 이루어지고 반사방지막으로서 사용되는, 패턴의 형성방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 반전마스크가 위상 시프트마스크인, 패턴의 형성방법.
5. 제 1항에 있어서, 포토레지스트층이 i선, KrF선, ArF 선 또는 EB를 포토레지스트 층에 조사함으로써 노광되는, 패턴의 형성방법.
6. 기판 상에 포지티브형의 제1 포토레지스트층을 형성하는 단계,

   최종적으로 패턴의 형성을 소망하는 부위에 개구를 갖는 반전마스크를 이용하여, 소정의 파장의 노광광에 의해 제1 노광 및 현상하여 상기 부위의 기판이 노출하도록 제1 포토레지스트층에 개구부를 형성하는 단계,

   개구부를 매립하도록 제1 포토레지스트층을 포함하는 기판 전체 면에, 제1 레지스트 노광용의 광을 흡수하는 재료로 이루어지는 제2 포토레지스트층을 도포하는 단계,

   제1 포토레지스트층 상에 제2 포토레지스트를 제1 포토레지스트층이 노출할 때까지 전체 면에 에칭백하는 단계, 및

   개구부의 형성에 사용한 노광광과 동일한 파장의 노광광을, 제1 포토레지스트층과 제2 포토레지스트층의 전체 면에 조사하여 노광 및 현상하도록 제1 포토레지스트층을 제거하여, 소망하는 패턴의 제2 포토레지스트층을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패턴의 형성방법.
7. 제 6항에 있어서, 제1 포토레지스트층이 폴리히드록시스티렌을 베이스 수지로서 포함하고, 제2 포토레지스트층이 노볼락 수지를 베이스 수지로서 포함하고, 노광광이 248 nm의 파장의 광인 것을 특징으로 하는, 패턴의 형성방법.
8. 제 6항에 있어서, 제1 포토레지스트층이 폴리메타크릴산을 베이스 수지로서 포함하고, 제2 포토레지스트층이 폴리히드록시스티렌을 베이스 수지로서 포함하고, 노광광이 193 nm의 파장의 광인 것을 특징으로 하는, 패턴의 형성방법.