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KR100876783B1 - 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법 - Google Patents

반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법 Download PDF

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KR100876783B1
KR100876783B1 KR1020070001407A KR20070001407A KR100876783B1 KR 100876783 B1 KR100876783 B1 KR 100876783B1 KR 1020070001407 A KR1020070001407 A KR 1020070001407A KR 20070001407 A KR20070001407 A KR 20070001407A KR 100876783 B1 KR100876783 B1 KR 100876783B1
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Abstract

본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 제 1 포토레지스트 패턴 상에 패턴 하드닝 코팅제를 코팅하여 패턴 하드닝막을 형성하는 단계와, 상기 결과물 상에 제 2 포토레지스트 막을 형성하는 단계와, 상기 제 2 포토레지스트 막에 노광 및 현상 공정을 수행하여 상기 제 1 포토레지스트 패턴 사이에 제 2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법{Method for Forming Fine Pattern of Semiconductor Device}
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 단면도.
도 2 는 실시예 1 에 의해 제조되는 제 1 포토레지스트 중합체의 NMR 스펙트럼.
도 3 은 실시예 3 에 의해 제조되는 미세 패턴의 SEM 사진.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
11 : 반도체 기판 13 : 하드마스크층
15 : 반사방지막 17 : 제 1 포토레지스트 패턴
19 : 패턴 하드닝막 21 : 제 2 포토레지스트 막
23 : 제 2 포토레지스트 패턴
본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
점차 미세화되는 반도체 소자를 제조하기 위하여 패턴의 크기 또한 점차 작 아지는 추세이다. 그동안 미세한 패턴을 얻기 위해서 노광 장비와 그에 대응하는 레지스트를 개발하는 방향으로 연구가 진행되어 왔다.
노광 장비에 있어서, 노광 광원은 주로 248㎚ 파장의 KrF 또는 193㎚ 파장의 ArF 광원이 생산 공정에 적용되었으나, 점차 F2 (157㎚) 또는 EUV (13nm) 등과 같은 단파장화 광원과 렌즈 개구수 (numerical aperture)를 증대시키기 위한 노력이 시도되고 있다.
하지만, F2 또는 EUV 등 새로운 광원을 채용하는 경우에는 새로운 노광 장치가 필요하게 되므로 제조 비용 면에서 효율적이지 못하고, 개구수를 증대시키는 방안 또한 초점 심도 폭이 저하되는 문제점이 있다.
최근, 이러한 문제를 해결하기 위하여 고굴절률을 갖는 이머젼 용액을 사용하는 이머젼 리소그라피 공정이 개발되었으나 아직까지 양산에 적용하기에는 많은 문제점이 있다.
한편, 이중 노광 방법을 이용하여 리소그라피 한계 이상의 해상도를 갖는 미세 패턴을 형성하였으나, 중첩도 및 정렬도 마진 확보가 용이하지 않으며 비용 및 공정 시간 등이 과다하게 소비되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 이미 형성된 제 1 포토레지스트 패턴 상에 패턴 하드닝막을 형성하는 방법으로 제 1 포토레지스트 패턴을 하드닝한 다음, 제 2 포토레지스트 막을 형성하고 노광 및 현상 공정을 수행 하여 제 2 포토레지스트 패턴을 형성함으로써, 리소그라피 한계 이상의 피치를 갖는 미세 패턴을 형성할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 하기의 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 제공한다:
(a) 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
(b) 상기 제 1 포토레지스트 패턴 상에 패턴 하드닝 코팅제를 코팅하여 패턴 하드닝막을 형성하는 단계;
(c) 상기 결과물 상에 제 2 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 제 2 포토레지스트 막에 노광 및 현상 공정을 수행하여 상기 제 1 포토레지스트 패턴 사이에 제 2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계.
상기 패턴 하드닝 코팅제는 불소 함유 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위 및 글리시딜기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위를 포함하는 부가 공중합체, 바람직하게는 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 반복단위 및 글리시딜 메타크릴레이트 반복단위를 포함하는 부가 공중합체; 및 탄소수 5 이상의 고급 알코올계 유기 용매를 포함하고, 2-히드록시시클로헥실 p-톨루엔설포네이트를 더 포함할 수 있고,
상기 패턴 하드닝 코팅제는, 코팅제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부의 부가 공중합체; 및 잔량의 유기 용매를 포함하며,
상기 (b) 단계는 상기 패턴 하드닝 코팅제를 150 내지 300 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 패턴 하드닝막을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 (a) 단계는 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 포토레지스트 조성물을 도포하여 제 1 포토레지스트 막을 형성하는 단계; A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 1 노광 마스크를 이용하여 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 제 1 포토레지스트 막을 노광하는 단계; 상기 결과물을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크하는 단계; 및 상기 결과물을 현상하는 단계를 포함하며,
상기 (d) 단계는 A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 2 노광 마스크를 이용하여 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 제 1 포토레지스트 막을 노광하는 단계; 상기 결과물을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크하는 단계; 및 상기 결과물을 현상하는 단계를 포함하고,
상기 제 2 노광 마스크는 상기 제 1 노광 마스크를 소정 거리 이동시켜 사용하거나, 별도의 노광 마스크를 사용하는 것이며,
상기 (a) 단계 및 (d) 단계의 노광 공정은 이머젼 리소그라피용 장비를 이용하고,
상기 제 1 포토레지스트 패턴간 피치는 A 이고, 제 1 포토레지스트 패턴과 제 2 포토레지스트 패턴간의 피치는 A/2 인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1d 는 본 발명에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 단면도이다.
도 1a 를 참조하면, 소정의 하부 구조물을 포함하는 피식각층이 구비된 반도체 기판(11) 상에 하드마스크층(13)을 형성하고, 그 상부에 반사방지막(15)을 형성한다.
다음, 반사방지막(15) 상부에 제 1 포토레지스트 조성물을 도포한 후 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 제 1 포토레지스트 막(미도시)을 형성한다.
상기 제 1 포토레지스트 조성물로는 이머젼 리소그라피 공정에 통상적으로 사용될 수 있는 모든 화학증폭형 포토레지스트 조성물을 사용할 수 있다.
다음, 이머젼 리소그라피 장비를 이용하고, A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 1 노광 마스크를 이용하며, 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 상기 제 1 포토레지스트 막을 노광한다. 또한, 노광 공정의 광원으로는 G-라인 (436㎚), i-라인 (365㎚), KrF (248㎚), ArF (193㎚), F2 (157㎚) 또는 EUV (13㎚) 을 사용한다.
다음, 상기 결과물을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크한 후, TMAH 2.38 wt% 수용액을 현상액으로 현상하여 제 1 포토레지스트 패턴(17)을 형성한다.
도 1b 를 참조하면, 제 1 포토레지스트 패턴(17) 상에 패턴 하드닝 코팅제를 코팅하고, 150 내지 300 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 패턴 하드닝 막(19)을 형성한다.
상기 패턴 하드닝 코팅제는 불소 함유 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위 및 글리시딜기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위를 포함하는 부가 공중합체; 및 유기 용매를 포함한다.
상기 부가 공중합체는 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 반복단위 및 글리시딜 메타크릴레이트 반복단위를 포함하는 부가 공중합체인 것이 바람직하다.
상기 불소 함유 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위는 상기 부가 공중합체를 고급 알코올계 용매에 용해시키는 역할을 하고, 상기 글리시딜기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위는 가교 역할을 한다.
상기 부가 공중합체는 상기 패턴 하드닝 코팅제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부 사용하는 것이 바람직한데, 1 중량부 보다 적게 사용하면 충분한 가교 반응이 일어나지 못하는 점에서 바람직하지 않고, 5 중량부를 초과하여 사용하면 포토레지스트 패턴의 CD 가 커지기 때문에 바람직하지 않다.
또, 상기 유기 용매로는 노말 펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올 등의 탄소수 5 이상의 고급 알코올계 용매로 이루어진 군으로부터 선택된 1 이상의 화합물을 사용함으로써, 상기 패턴 하드닝 코팅제가 제 1 포토레지스트 패턴(17) 상에 코팅되어도 제 1 포토레지스트 패턴(17)을 용해시키지 않는다.
또한, 상기 패턴 하드닝 코팅제는 가교시 촉매 작용을 하는 2-히드록시시클 로헥실 p-톨루엔설포네이트를 더 포함할 수 있다.
도 1c 를 참조하면, 상기 결과물 상에 제 2 포토레지스트 조성물을 도포한 후, 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 제 2 포토레지스트 막(21)을 형성한다.
상기 제 2 포토레지스트 조성물로는 이머젼 리소그라피 공정에 통상적으로 사용될 수 있는 모든 화학증폭형 포토레지스트 조성물을 사용할 수 있다.
이때, 제 2 포토레지스트 조성물을 도포하더라도, 제 1 포토레지스트 패턴(17)이 패턴 하드닝막(19)에 의해 하드닝되어 있어서, 제 2 포토레지스트 조성물에 의해 변화되지 않는다.
도 1d 를 참조하면, 이머젼 리소그라피 장비를 이용하고, A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 2 노광 마스크를 이용하며, 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 제 2 포토레지스트 막(21)을 노광한다.
상기 제 2 노광 마스크는 상기 제 1 노광 마스크를 소정 거리 이동시켜 사용하거나, 별도의 노광 마스크를 사용한다.
다음, 상기 결과물을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크한 후, TMAH 2.38 wt% 수용액을 현상액으로 현상하여 제 2 포토레지스트 패턴(23)을 제 1 포토레지스트 패턴(17)들의 사이에 형성한다. 즉, 제 2 포토레지스트 패턴(23)은 리소그라피 공정의 한계인 최소 피치 크기의 패턴 사이에 또 하나의 패턴이 형성된 것으로, 최소 피치 크기보다 작은 피치 크기 (A/2)의 패턴으로 형성 된 것이다.
본 발명에서는 하드닝된 제 1 포토레지스트 패턴(17)이 후속 공정에서 노광 및 현상 공정을 거치더라도 원래 패턴 형상을 유지하기 때문에, 제 1 포토레지스트 패턴(17)들의 사이에 제 2 포토레지스트 패턴(23)을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법은 도 1a 내지 도 1d 의 공정을 적어도 2 회 이상 반복 실시함으로써, 더욱 미세한 크기의 패턴을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
실시예 1 : 본 발명의 패턴 하드닝 코팅제 중합체 제조
2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 13.2g, 글리시딜 메타크릴레이트 8g, 중합 개시제인 아조비스이소부티로니트릴 (AIBN) 0.4g 및 중합 용매인 프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트 (PGMEA) 100g을 250mL 라운드 플라스크 용기에 넣은 후, 질소 분위기에서 8시간 반응시켰다. 반응 완료 후, 1000mL 의 노말 헥산에서 침전을 잡은 후 진공 건조하여, 본 발명의 패턴 하드닝 코팅제 중합체를 91% 의 수율로 얻었다 (도 2 참조).
실시예 2 : 본 발명의 패턴 하드닝 코팅제 제조
상기 실시예 1 에서 제조된 패턴 하드닝 코팅제 중합체 10g, 2-히드록시시클 로헥실 p-톨루엔설포네이트 0.3g 을 노말 펜탄올 500g 에 용해하여 본 발명의 패턴 하드닝 코팅제를 제조하였다.
실시예 3 : 본 발명의 미세 패턴 제조
제 1 포토레지스트 패턴 형성
웨이퍼 상에 동진의 이머젼용 포토레지스트 조성물 (상품명: DHAI102)을 도포한 후, 100℃ 에서 60초간 프리 베이크하였다. 베이크 후 80㎚ 하프 피치를 갖는 마스크를 이용하고 이머젼 리소그라피 장비를 이용하여 37 mJ/cm2의 노광 에너지로 노광시킨 후에, 100℃ 에서 60초간 포스트 베이크하고 나서 TMAH 2.38 wt% 수용액으로 현상하여 30㎚ 크기의 제 1 포토레지스트 패턴을 얻었다.
패턴 하드닝막 형성
다음, 상기 제 1 포토레지스트 패턴 상에 실시예 2 에서 제조된 패턴 하드닝 코팅제를 도포한 후 170℃ 에서 90초간 베이크하여 패턴 하드닝막을 형성한 결과, 제 1 포토레지스트 패턴의 크기가 40㎚ 로 증가하였다.
제 2 포토레지스트 패턴 형성
그런 다음, JSR사의 AIM5076 포토레지스트 조성물을 상기 결과물 상에 도포한 후, 100℃ 에서 60초간 프리 베이크하였다. 베이크 후 80㎚ 하프 피치를 갖는 마스크를 이용하고, 이머젼 리소그라피 장비를 이용하여 38 mJ/cm2의 노광 에너지로 노광시킨 후에, 100℃ 에서 60초간 포스트 베이크하고 나서 TMAH 2.38 wt% 수용액으로 현상하여 40㎚ 크기의 제 2 포토레지스트 패턴을 얻었다.
결과적으로 제 2 포토레지스트 패턴이 상기 제 1 포토레지스트 패턴들의 사이에 들어가도록 형성하였기 때문에 80㎚ 하프 피치를 갖는 마스크를 이용하여 40㎚ 하프 피치를 갖는 패턴을 얻었다 (도 3 참조). 이때, 노광 공정시 상기 마스크는 제 1 포토레지스트 패턴 형성시 사용한 마스크를 소정 거리 이동시켜 사용하였다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에 따르면, 이미 형성된 제 1 포토레지스트 패턴 상에 패턴 하드닝막을 형성하는 방법으로 제 1 포토레지스트 패턴을 하드닝한 다음, 제 2 포토레지스트 막을 형성하고 노광 및 현상 공정을 수행하여 제 2 포토레지스트 패턴을 형성함으로써, 리소그라피 한계 이상의 피치를 갖는 미세 패턴을 형성할 수 있다. 아울러, 상기한 방법을 여러 번 반복 수행함으로써 더욱 미세한 패턴도 해상이 가능한다.

Claims (15)

  1. 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1 포토레지스트 패턴 상에 패턴 하드닝 코팅제를 코팅하여 패턴 하드닝막을 형성하는 단계;
    상기 패턴 하드닝막 상에 제 2 포토레지스트 막을 형성하는 단계; 및
    상기 제 2 포토레지스트 막에 노광 및 현상 공정을 수행하여 상기 제 1 포토레지스트 패턴 사이에 제 2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 하드닝 코팅제는 불소 함유 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위 및 글리시딜기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위를 포함하는 부가 공중합체; 및 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 부가 공중합체는 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 반복단위 및 글리시딜 메타크릴레이트 반복단위를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유기 용매는 탄소수 5 이상의 알코올계 용매인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴 하드닝 코팅제는, 코팅제 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부의 부가 공중합체; 및 잔량의 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 하드닝막을 형성하는 단계는 상기 패턴 하드닝 코팅제를 150 내지 300 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 베이크하여 패턴 하드닝막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계는
    피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 제 1 포토레지스트 조성물을 도포하여 제 1 포토레지스트 막을 형성하는 단계;
    A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 1 노광 마스크를 이용하여 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 제 1 포토레지스트 막을 노광하는 단계;
    상기 제 1 포토레지스트 막을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크하는 단계; 및
    상기 제 1 포토레지스트 막을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 포토레지스트 패턴 사이에 제 2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계는
    A 피치의 라인 패턴을 갖는 제 2 노광 마스크를 이용하여 10 내지 200 mJ/cm2의 노광 에너지로 제 2 포토레지스트 막을 노광하는 단계;
    상기 제 2 포토레지스트 막을 90 내지 150 ℃ 의 온도에서 30 내지 180 초간 포스트 베이크하는 단계; 및
    상기 제 2 포토레지스트 막을 현상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 노광 마스크는 상기 제 1 포토레지스트 패턴 형성시 사용되는 제 1 노광 마스크를 소정 거리 이동시켜 사용하거나, 별도의 노광 마스크를 사용하는 것임을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계에서의 노광 공정은 이머젼 리소그라피용 장비를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 포토레지스트 패턴 사이에 제 2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계에서의 노광 공정은 이머젼 리소그라피용 장비를 이용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 포토레지스트 패턴간 피치는 A 이고, 제 1 포토레지스트 패턴과 제 2 포토레지스트 패턴간의 피치는 A/2 인 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법.
  13. 불소 함유 알킬기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위 및 글리시딜기를 가지는 (메타)아크릴산 에스테르로부터 유도되는 반복단위를 포함하는 부가 공중합체; 및 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 하드닝 코팅제.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅제는 2,2,3,4,4,4-헥사플루오로부틸 메타크릴레이트 반복단위 및 글리시딜 메타크릴레이트 반복단위를 포함하는 부가 공중합체; 및 유기 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 하드닝 코팅제.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 코팅제는 2-히드록시시클로헥실 p-톨루엔설포네이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 하드닝 코팅제.
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