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KR20140059132A - 패턴 형성 방법 및 블록 공중합체 - Google Patents

패턴 형성 방법 및 블록 공중합체 Download PDF

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KR20140059132A
KR20140059132A KR1020130132756A KR20130132756A KR20140059132A KR 20140059132 A KR20140059132 A KR 20140059132A KR 1020130132756 A KR1020130132756 A KR 1020130132756A KR 20130132756 A KR20130132756 A KR 20130132756A KR 20140059132 A KR20140059132 A KR 20140059132A
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poly
pattern
forming
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히에노 아츠시
히로코 나카무라
고지 아사카와
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은, 하지층상에 제공되고 개구부를 갖는 레지스트 층의 개구부에 폴리스티렌 유도체 및 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 함유하는 블록 공중합체 층을 형성하는 단계; 상기 블록 공중합체 층을 상-분리시킴으로써 상기 개구부에 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층 및 아크릴을 함유하는 제2 층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 층을 제거하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

Description

패턴 형성 방법 및 블록 공중합체{PATTERN FORMATION METHOD AND BLOCK COPOLYMER}
관련 출원에 대한 설명
본 출원은 2012년 11월 7일자로 출원된 일본 특허 출원 제2012-245531호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 특허 출원은 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
기술분야
본 발명의 실시양태들은 전반적으로 패턴 형성 방법 및 블록 공중합체에 관한 것이다.
다양한 전자 장치, 예컨대 반도체 장치에서 예를 들면 리소그래피(lithography) 기술에 의해서 미세 패턴이 형성된다. 패턴의 장래 소형화에 대응하기 위한 새로운 리소그래피로서, 여러 종류의 중합체들이 결합되어 있는 블록 공중합체를 미소상-분리하고 수득한 물질을 사용해서 가공을 수행하는 방법이 있다.
이러한 방법에서는, 소정의 위치에서 소정의 배향으로 블록 공중합체를 미소상-분리하는 것이 중요하다. 또한, 공정 수를 감소시키는 것 등에 의해서 저렴한 비용으로 미세 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
도 1a 내지 도 1c는 한 실시양태에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 횡단면 개요도이고;
도 2a 내지 도 2c는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 평면 개요도이며;
도 3a 내지 도 3d는 참고예에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 횡단면 개요도이고;
도 4a 내지 도 4f는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성을 도시한 횡단면 개요도이며;
도 5a 내지 도 5f는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성을 도시한 평면 개요도이고;
도 6은 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수에 대한 물 접촉각을 나타낸 그래프이며;
도 7a 내지 도 7f는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성 방법에서 상-분리를 도시한 AFM 이미지이고;
도 8은 상기 실시양태에 의한 폴리스티렌의 측쇄의 탄소 원자 수와 건식 에칭 내성 사이의 엄지손가락 원리를 나타낸 그래프이다.
한 실시양태에 의하면, 패턴 형성 방법은, 하지층상에 제공되고 개구부를 갖는 레지스트(resist) 층의 개구부에 폴리스티렌 유도체 및 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 함유하는 블록 공중합체 층을 형성하는 단계; 상기 블록 공중합체 층을 상-분리시킴으로써 상기 개구부에 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층 및 아크릴을 함유하는 제2 층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 층을 제거하는 단계를 포함한다.
이하에서는, 본 발명의 실시양태들을 첨부 도면에 의거하여 설명하고자 한다.
도면은 개요도 또는 개념도이며; 부분의 두께와 폭 사이의 관계, 부분들 사이의 분율 등은 그 실제값과 반드시 동일한 것은 아니다. 또한, 치수와 분율은, 동일한 부분이라 할지라도 도면마다 다르게 도시되어 있다.
본원 명세서 및 도면에서, 도면과 관련하여 설명한 것과 유사한 요소들은 동일한 도면부호로 표시하였으며 상세한 설명은 적절히 생략하였다.
도 1a 내지 도 1c는 한 실시양태에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 횡단면 개요도이다.
도 2a 내지 도 2c는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 평면 개요도이다.
도면에서, 하지층(15)의 주요 표면에 수직인 방향을 Z 축 방향으로 취한다. Z축 방향에 수직인 한 방향을 X축 방향으로 취한다. Z축 방향과 X축 방향에 수직인 방향을 Y축 방향으로 취한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 의한 패턴 형성 방법은 하지층(15)상에 제공되고 개구부(20h)를 갖는 레지스트층(20)의 개구부(20h)에 블록 공중합체 층(30)을 형성하는 단계(제1 단계)를 포함한다. 상기 하지층(15)는 예컨대 Si 기판이다. 상기 개구부(20h)는 예컨대 통공이다. 개구부(20h)가 오목부일 수도 있다. 상기 블록 공중합체 층(30)은 폴리스티렌 유도체 및 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 함유한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 이러한 실시예에서, 레지스트 층(20)의 개구부(20h)는 원형을 가지며, X방향과 Y방향으로 주기적으로 배열된다. 그러나, 개구부(20h)의 평면 형태가 원형에 제한되는 것은 아니다.
상기 패턴 형성 방법은 블록 공중합체 층(30)을 상-분리시켜서 상기 개구부(20h)에 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층(31)과 아크릴을 함유하는 제2 층(32)을 형성하는 단계를 더 포함한다(제2 단계).
상기 블록 공중합체는 두 종류의 중합체 A와 B를 함유하며, 중합체 A의 표면 에너지가 더 작은 것으로 생각된다. 레지스트 층(20)의 표면 에너지가 중합체 B의 표면 에너지보다는 중합체 A의 표면 에너지에 더 가까울 경우에, 중합체 A와 레지스트 층(20) 사이의 친화도가 더 높고 중합체 A가 레지스트 층(20)의 측벽에 모이기 쉽다. 그 반면에, 레지스트 층(20)의 표면 에너지가 중합체 A의 표면 에너지보다도 중합체 B의 표면 에너지에 더 가까울 경우에, 중합체 B와 레지스트 층(20) 사이의 친화도가 더 높고 중합체 B가 레지스트 층(20)의 측벽에 모이기 쉽다.
블록 공중합체 층(30)을 형성하기 전에, 개구부(20h)를 갖는 레지스트층(20)을 형성한다. 개구부(20h)를 형성한 후에, 레지스트 층(20)을 가교시키고, 가교후 레지스트 층(20)은 블록 공중합체를 용해하는 용매에 불용화된다. 블록 공중합체를 용해하는 용매로서는, 방향족 탄화수소, 예컨대 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌, 케톤, 예컨대 시클로헥산온, 아세톤, 에틸 메틸 케톤 및 메틸 이소부틸 케톤, 및 셀로솔브(Cellosolves)TM, 예컨대 메틸 셀로솔브TM, 메틸 셀로솔브TM 아세테이트, 에틸 셀로솔브TM 아세테이트, 및 부틸 셀로솔브TM 아세테이트를 들 수 있다. 또한, 양질의 용매, 예컨대 테트라히드로푸란 및 클로로포름도 사용된다. 2종 이상의 용매를 필요에 따라 병용할 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 블록 공중합체 층(30)을 어니일링에 의해 미소상-분리시켜서 개구부(20h)에서 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층(31) 및 아크릴을 함유하는 제 층(32)를 형성한다. 이러한 실시예에서, 실린더 구조물(40)의 패턴이 형성된다. 실린더 구조물(40)은 상기 제1 층(31) 및 제2 층(32)을 포함한다. 이와 같은 실시양태에서, 블록 공중합체를 어니일링하기 위한 방법 및 분위기는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 블록 공중합체의 미소상 분리는 환원 작용을 갖는 기체, 예컨대 수소가 비활성 기체와 혼합되어 있는 포밍 가스(forming gas) 중에서 가열에 의해 수행한다. 이외에도, 어니일링에 사용되는 분위기는 진공 및 비활성 기체, 예컨대 아르곤 및 질소일 수 있다. 어니일링 장치는 특별히 제한되지 않으며, 오븐, 핫플레이트 등을 사용하는 것이 바람직하다.
가열 이외의 어니일링 방법으로서, 용매 어니일링 방법을 사용할 수 있으며, 이 방법에서는 블록 공중합체를 용매 증기 분위기에 노출시켜서 미소상 분리 구조를 형성한다. 용매 어니일링에 사용되는 용매로서는, 방향족 탄화수소, 예컨대 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌, 케톤, 예컨대 시클로헥산온, 아세톤, 에틸 메틸 케톤 및 메틸 이소부틸 케톤, 및 셀로솔브TM, 예컨대 메틸 셀로솔브TM, 메틸 셀로솔브TM 아세테이트, 에틸 셀로솔브TM 아세테이트, 및 부틸 셀로솔브TM 아세테이트를 들 수 있다. 또한, 양질의 용매, 예컨대 테트라히드로푸란 및 클로로포름을 사용할 수 있다. 2종 이상의 용매를 필요에 따라 병용할 수 있다.
블록 공중합체 층(30)에 함유된 중합체들 중 한 중합체와 레지스트 층(20) 사이의 친화도가 다른 한 중합체에 대한 친화도보다 더 높을 경우에, 블록 공중합체에 포함된 중합체들 중에서 그 한 중합체가 레지스트 층(20)의 측벽에 모이기 쉽다.
레지스트 층(20)에 대한 제1 층(31)의 친화도가 레지스트 층(20)에 대한 제2 층(32)의 친화도보다 더 높다.
그러므로, 도 2b에 도시된 바와 같이, 레지스트 층(20)과 접촉하는 제1 층(31) 및 제1 층(31)에 의해 둘러싸인 제2 층(32)을 포함하는 실린더 구조물(40)이 형성된다. 제1 층(31)은 둥근 실린더 형태를 갖고 제2 층(32)은 둥근 주상 형태를 갖는다.
상기 패턴 형성 방법은 레지스트 층(20)의 개구부(20h)로부터 제2 층(32)을 제거하는 단계(제3 단계)를 더 포함한다.
도 1c에 도시한 바와 같이, 제2 층(32)은 에칭에 의해서 레지스트 층(20)의 개구부(20h)에서 제거된다. 여기서, 제2 층(32)의 내에칭성은 제1 층(31)의 내에칭성보다 낮다. 그러므로, 제2 층(32)이 개구부(20h)로부터 선택적으로 제거된다. 미소상 분리후에 한 중합체를 제거하는 방법(여기서는, 층(32)을 제거하는 방법)으로서는, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 습식 에칭을 들 수 있다. RIE에 의하면, 블록 공중합체를 구성하는 중합체 A와 중합체 B가 상이한 RIE 내성을 갖는다는 특성을 이용해서 한 중합체를 제거할 수 있다.
예를 들면, 폴리스티렌과 폴리부타디엔으로 이루어진 블록 공중합체를 미소상-분리할 경우에, 오존 처리에 의해서 폴리스티렌 블록만을 남길 수 있다. 폴리스티렌과 폴리(메틸 메타크릴레이트)로 이루어진 블록 공중합체를 미소상-분리할 경우, 산소 및 할로겐화 탄소와 같은 반응성 기체를 사용하는 RIE에 의해서 폴리스티렌 블록만을 남길 수 있다(미국 특허 제6,565,763호 및 K. Asakawa et al., Jpn. J. Appl. Phys., 41, 6112-6118, 2002 참조). RIE에 사용되는 기체가 특별히 제한되는 것은 아니다. 산소, 플루오르, 염소, 브롬 또는 요오드 함유 할로겐계 기체, 및 할로겐화 탄소를 사용할 수 있다.
그 반면에, 습식 에칭의 경우에, 에너지선 조사에 의해 분해가능한 중합체 A와 에너지선 조사에 의해 거의 분해 불가능한 중합체 B를 포함하는 블록 공중합체를 미소상-분리시킨 후에, 블록 공중합체 층에 빛 또는 전자빔을 조사하여 중합체 A를 분해하고, 중합체 A를 용매를 사용해서 세척해낸다. 이로써, 중합체 A를 선택적으로 제거할 수 있다. 에너지선으로서는, 자외선, 전자빔, X선 등을 예로 들 수 있다. 용매로서는, 방향족 탄화수소, 예컨대 톨루엔, 크실렌 및 메시틸렌, 시클로알칸, 예컨대 톨루엔, 시클로헥산, 시클로헵탄, 시클로옥탄 및 시클로노난, 알칸, 예컨대 헥산, 헵탄, 옥탄, 노난 및 데칸, 알킬 알코올, 예컨대 메탄올, 에탄올, 1-프로판올 및 2-프로판올 등을 들 수 있다.
또한, 유기 용매, 예컨대 케톤, 셀로솔브TM 및 에스테르를 사용할 수 있다. 케톤류 용매로서는, 시클로헥산온, 아세톤, 에틸 메틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤 등을 들 수 있다. 셀로솔브(Cellosolves)TM류 용매로서는, 메틸 셀로솔브TM, 메틸 셀로솔브TM 아세테이트, 에틸 셀로솔브TM 아세테이트, 부틸 셀로솔브TM 아세테이트 등을 들 수 있다. 에스테르류 용매로서는, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 이소아밀 아세테이트, γ-부티로락톤, 메틸 3-메톡시프로피오네이트 등을 들 수 있다. 2종 이상의 용매를 필요에 따라 병용할 수 있다.
도 2c에 도시한 바와 같이, 제2 층(32)을 개구부(20h)로부터 제거한 후에, 원형 실린더 형태로 존재하는 제1 층(31)이 개구부(20h)에 남는다. 이로써, 개구부(20h)의 내경보다 더 작은 직경을 갖는 개구부(31h)가 형성된다.
블록 공중합체 층의 상분리의 실시예를 이하에 설명한다.
블록 공중합체는 구조물들(블록들)을 포함하며, 각각의 구조물에서는 예컨대 동일한 종류의 단량체가 다수 연속적으로 결합된다. 블록들은 서로 화학적으로 결합된다. 블록 공중합체에서, 블록 형태로 존재하는 여러 종류의 중합체들이 서로 화학적으로 결합된다. 중합체들간의 반발력을 사용하는 미소상 분리에 의해서 미세한 주기적 패턴이 형성된다. 블록 공중합체 상 분리 구조물의 형태(형상)은 블록의 부피 분율에 의해서 결정된다. 그 형태의 예로는 실린더 구조, 층상 구조 등을 들 수 있다.
예를 들면, 두 종류의 중합체(중합체 A와 중합체 B)로 이루어진 블록 공중합체의 경우에, 한 중합체의 부피 분율은 실린더 구조물 중에서 약 30%이다. 층상 구조에서, 두 중합체의 부피 분율은 약 50%이다. 실린더 구조물에서, 보다 낮은 비율의 중합체는 원형 주상 형태를 갖고, 원형 주상체들이 주기적으로 정렬된다. 보다 높은 부피 분율의 중합체는 그 주위에 매트릭스 상을 형성한다. 그 반면에, 층상 구조물에서는, 층들이 교대로 형성되고, 중합체 A와 중합체 B가 중합체 A, 중합체 B, 중합체 A, 중합체 B …… 와 같이 교대로 정렬된다.
미소상 분리만이 수행될 경우에는, 지문형 패턴, 다양한 도메인(domain) 등이 형성된다. 이 경우에는 규칙적인 패턴을 형성하기가 곤란하다. 규칙적인 패턴은 예컨대 반도체 패턴에 필요한 접촉공(C/H) 패턴, 선과 공간(L&S) 패턴 등을 포함한다. 또한, 미소상 분리만이 수행될 경우에는, 어느 중합체가 소정의 위치에 배열되는지를 미리 정할 수 없다. 블록 공중합체의 특이적인 중합체를 소정의 위치에 규칙적으로 배열하기 위한 가이드 패턴이 제공된다. 이로써, 규칙적인 패턴이 형성될 수 있고, 중합체의 위치를 미리 정할 수 있다. 가이드 패턴의 예로서는, 물리적 가이드 및 화학적 가이드를 들 수 있다.
한 실시양태에 의한 물리적 가이드를 이하에 설명한다. 물리적 가이드는 블록 공중합체를 규칙적으로 배향시키기 위한 요철 구조체이다. 상기 구조체의 트렌치(trench)에서 측벽과 중합체 사이의 친화도가 이용된다. 상기 구조체의 측벽과 한 중합체 사이의 친화도가 높을 경우에, 그 한 중합체가 측벽상에 정렬된다. 이로부터 출발하여, 블록 공중합체가 트렌치에 규칙적으로 배열된다. 블록 공중합체의 배향은 예컨대 상기 구조체의 바닥면상에서도 배향 제어층을 형성함으로써 제어할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 물리적 가이드가 제공된다.
실린더 구조물(40)을 형성하는 경우에, 제1 층(31)과 제2 층(32)은 실린더의 축이 하지층(15)의 층 표면에 수직이 되도록 물리적 가이드를 사용해서 배향시킨다. 제1 층(31)이 실린더를 형성하고 제2 층(32)이 제1 층(31)을 둘러싸는 경우에, 예컨대 제1 층(31)의 축이 하지층(15)의 층 표면에 대하여 수직을 이룬다. 역으로, 제2 층(32)이 실린더를 형성하고 제1 층(31)이 제2 층(32)을 둘러싸는 경우에는, 예컨대 제2 층(32)의 축이 하지층(15)의 층 표면에 대하여 수직을 이룬다. 이로써, 블록 공중합체가 소정의 위치에서 소정의 배향으로 미소상-분리될 수 있다.
이러한 실시양태에서, 하지층(15)은 예컨대 Si 기판이다. 그러나, 실제 반도체 소자 제작시에는 회로 기판이 사용된다. 회로 기판을 가공하기 위해서, 하지층(15)은 레지스트, 반사 방지막, 전사막 등을 포함한다. 상기 실시양태는 예컨대 반도체의 패턴을 형성하는 리소그래피 기법에 관한 것이다. 상기 실시양태는 특히 블록 공중합체를 미소상-분리시킨 후에 한 중합체 상을 제거하여 예컨대 나머지 중합체 상을 에칭 마스크로서 사용하는 패턴형성 기법에 사용된다.
미소상 분리 이후 층상 구조물 또는 실린더 구조물에서, 블록 공중합체에 포함된 한 중합체를 선택적으로 제거함으로써 C/H 패턴 또는 L&S 패턴을 형성할 수 있다. 기판 표면에 대하여 수직인 원형 주상 축을 가진 실린더 구조물은 원형 주상부를 형성하는 중합체 상을 제거함으로써 C/H 패턴을 형성한다. 기판 표면에 대하여 수직인 중합체 계면을 갖도록 배향된 층상 구조물은 한 중합체 상을 선택적으로 제거함으로써 L&S 패턴을 형성한다. 이런 식으로 블록 공중합체의 미소상 분리 구조물로 이루어진 C/H 패턴 및 L&S 패턴은 레지스트 패턴을 대신하는 에칭 마스크로서 작용한다.
예를 들어 폴리스티렌(PS) 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)를 포함하는 블록 공중합체를 레지스트 층(20)의 개구부(20h)에 사용할 경우에, 적절한 접촉공 패턴이 형성될 수 없다. 그 이유는 레지스트가 친수성이어서 친수성 PMMA의 부분이 레지스트의 측벽에 모이기 때문이다.
그러므로, PS와 PMMA를 포함하는 블록 공중합체를 사용하는 패턴 형성 방법에는 하기 공정이 고찰된다.
도 3a 내지 도 3d는 참고예에 의한 패턴 형성 방법을 도시한 횡단면 개요도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 가공하고자 하는 막(11)상에 C 막(12)이 제공되고, C 막(12)상에 Si 옥시드 막(13)이 제공된다. 또한, Si 옥시드 막(13)상에 C 막(12)이 제공되고, 상기 C 막(12)상에 Si 옥시드 막(13)이 제공된다. 다시 말해서, 두 세트의 C 막(12)과 Si 옥시드 막(13)이 준비된다. 최상층 Si 옥시드 막(13)상에 레지스트 층(20)이 형성된다. 전술한 바와 같은 개구부(20h)가 레지스트 층(20)에 제공된다. 레지스트 층(20)으로부터 노출된 Si 옥시드 막(13) 및 레지스트 층(20)으로부터 노출된 Si 옥시드 막(13) 하부의 C 막(12)이 RIE에 의해서 제거된다.
이로써, 도 3b에 도시한 바와 같이, 레지스트 패턴이 Si 옥시드 막(13)으로 전사되고, Si 옥시드 막 패턴은 C 막(12)으로 전사된다. 개구부(12h)가 C 막(12)에 형성된다. 이 단계에서, 레지스트 층(20)은 이미 제거되어 있다.
이어서, 도 3c에 도시한 바와 같이, 폴리스티렌(PS)와 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)를 함유하는 블록 공중합체 층이 C 막(12)의 개구부(12h)에 형성된다.
이어서, 도 3d에 도시한 바와 같이, 블록 공중합체 층(35)상에서 가열 처리(예: 250℃ 부근)를 수행한다. 가열 처리에 의해서, 블록 공중합체 층(35)이 미소상-분리되어 개구부(12h)에서 폴리스티렌을 함유하는 층(36) 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 함유하는 층(37)을 형성한다. 여기서, C 막(12)에 대한 폴리스티렌의 친화도가 C 막(12)에 대한 폴리(메틸 메타크릴레이트)의 친화도보다 더 높다. 그러므로, 레지스트 층(20)과 접촉하는 층(36) 및 층(36)에 의해 둘러싸인 층(37)이 형성된다. 층(36) 및 층(37)은 실린더 구조를 갖는다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 방법에서는, 두 세트의 Si 옥시드 막(13)과 C 막(12)이 필요하다. 이러한 이유때문에, 비용이 증가된다. 또한, 실린더 구조를 얻기 위해서 가열 처리를 250℃ 부근에서 수행하기 때문에, 어니일링 공정에서도 비용이 증가된다.
다시 말하면, C/H 패턴을 저비용으로 형성하기 위해서는, Si 옥시드 막(13)과 C 막(12)의 제조 공정의 수를 감소시키고 가열 처리에서 온도를 저하시키는 것이 효과적이다. 그러나, 현재 상태에서는, 이 둘을 모두 달성하는 방법이 없으며 참고예와 같은 공정을 통과할 필요가 있으므로; 비용이 증가된다.
도 4a 내지 도 4f는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성을 도시한 횡단면 개요도이다.
도 5a 내지 도 5f는 상기 실시양태에 의한 패턴 형성을 도시한 평면 개요도이다.
도 4a는 상기 패턴 형성 방법이 적용된 레지스트 물리적 가이드(200)을 도시한 것이다. 레지스트 물리적 가이드(200)은 레지스트 패턴이다. Si 옥시드 막을 레지스트 패턴의 개구부(200h)에 노출시킨다. 레지스트 패턴 가장자리는 블록 공중합체 미소상 분리 이후에 블록 공중합체 배열의 개시점으로서 작용한다.
레지스트 물리적 가이드(200)의 패턴형성은 통상적인 노광 공정과 동일하기 때문에, 반사 감쇠 기능이 이용된다. 예컨대, ArF 광을 노광에 사용한다. 여기서, Si 옥시드 막(130)(SOG 막; 스핀-온-글래스)/C 막(120)(SOC 막; 스핀-온-카본)의 적층 구조물이 반사 감쇠막의 기능을 갖는다. Si 옥시드 막(130)은 실리콘 화합물 막의 일례이고, C 막(120)은 유기 막의 일례이다. 레지스트 물리적 가이드(200) 하부의 적층체가 하지층으로서 사용된다.
C 막(120) 하부에 가공하고자 하는 막(110)이 존재한다. 가공하고자 하는 막(110)은 예컨대 Si 옥시드 막(131)(TEOS 막; 테트라에틸 오르토실리케이트)에 매립된 금속 배선(132)으로 형성된다. 금속 배선에 사용되는 재료로서는, 텅스텐, 알루미늄, 구리, 구리 코발트, 니켈 실리사이드, 코발트 실리사이드, 텅스텐 실리사이드 등을 들 수 있다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 레지스트 물리적 가이드(200)은 C/H 패턴을 갖는다. 예를들면, 레지스트 물리적 가이드(200)에 원형 개구부(200h)가 제공된다.
이어서, 도 4b에 도시한 바와 같이, 폴리스티렌(PS) 및 폴리(n-헥실 메타크릴레이트)(PnHMA)를 함유하는 블록 공중합체 층(300)이 레지스트 물리적 가이드(200)의 개구부(200h)에 형성된다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 개구부(200h)에 형성된 블록 공중합체 층(300)은 미소상 분리 이전의 상태로 존재한다. 예를 들면, 중량 평균 분자량이 70,000이고 몰분율(f(PS))이 0.80인 블록 공중합체 PS-b-PnHMA가 개구부(200h)에 형성된다.
이어서, 도 4c에 도시한 바와 같이, 블록 공중합체 층(300)상에서 어니일링 처리를 수행한다. 어니일링 온도는 실온(예: 25℃) 이상 150℃ 이하로 조정된다. 제1 실시예에서, 일례로 150℃의 어니일링 온도로 8 시간 어니일링을 수행한다. 도 1b에서 설명한 바와 같이, 어니일링 방법 및 분위기는 특별히 제한되지 않는다.
도 4c는 미소상 분리 이후의 상태를 도시한 것이다. 이러한 실시예에서, 레지스트 물리적 가이드(200)와 폴리스티렌(PS) 사이에는 친화도가 존재하기 때문에, 레지스트 패턴의 측벽에 폴리스티렌이 모인다. 블록 공중합체 층(300)을 미소상-분리시킬 때, 폴리스티렌(PS)을 함유하는 층(310) 및 폴리(n-헥실 메타크릴레이트)(PnHMA)를 함유하는 층(320)이 개구부(200h)에 형성된다.
도 5c에 도시한 바와 같이, 레지스트 물리적 가이드(200)와 접촉하는 층(310) 및 층(310)에 의해 둘러싸인 층(320)이 형성된다. 층(310) 및 층(320)은 실린더 구조를 갖는다.
이어서, 도 4d에 도시한 바와 같이, 층(320)을 에칭에 의해 선택적으로 제거한다. 층(320)을 선택적으로 제거하는 방법은 도 1c의 층(32)를 제거하는 방법과 유사하다.
따라서, 도 5d에 도시한 바와 같이, 개구부(200h)보다 작은 직경을 갖는 개구부(310h)가 형성된다.
이어서, 도 4e 및 도 5e에 도시한 바와 같이, 남아 있는 층(310) 및 레지스트 물리적 가이드(200)를 마스크로서 사용하여 Si 옥시드 막(130) 및 C 막(120)상에서 패턴 전사를 수행한다.
예를 들면, 레지스트 물리적 가이드(200) 및 층(310)을 마스크로서 사용하여 염소계 기체를 이용해서 Si 옥시드 막(130)을 에칭한다. 그 후에, Si 옥시드 막 패턴을 마스크로서 사용하여 CF4/O2/Ar계 기체를 이용해서 C 막(120)을 에칭한다.
이어서, 도 4f 및 도 5f에 도시한 바와 같이, C 막의 패턴을 마스크로서 사용하여 플루오르계 기체를 이용해서 Si 옥시드 막(131)을 에칭한다. 최종적으로, 에칭은 금속 배선(132)에 도달한다.
PS 패턴을 SOG 막에, SOG 패턴을 SOC 막에, 그리고 SOC 막 패턴을 Si 옥시드 막과 금속 배선에 전사함으로써, 충분한 에칭 선택률이 달성될 수 있고 얇은 막 두께를 갖는 PS를 사용할 경우에도 에칭 공정이 가능하다.
전술한 방법에 의하면, 포토레지스트의 가이드 패턴을 사용할 수 있으므로 단 한 세트의 SOG/SOC 층이면 충분하다. 또한, PS-b-PnHMA가 실온 이상 내지 150℃ 이하의 범위에서 상분리 구조물을 형성할 수 있기 때문에, PS-b-PMMA에 비해서 어니일링 온도를 저하시킬 수 있다. 그러므로, 상기 실시예는 비용을 감소시킨다.
앞에서, 레지스트 물리적 가이드(200)이 ArF 광에 의해 형성되는 실시예를 설명하였다. 그러나, 레지스트 물리적 가이드(200)을 형성하기 위한 수단이 이것에 제한되는 것은 아니다. 에너지선 조사에 의해 현상제-가용성 부분과 현상제-불용성 부분이 생성될 수 있는 임의의 재료를 레지스트 물리적 가이드(200)로서 사용할 수 있다. ArF 광 이외의 에너지선으로서, 전자빔, EUV 광, 이온빔, 및 입자빔을 사용할 수 있다.
폴리스티렌 유도체와 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴의 블록 공중합체를 선택하는 이유를 이하에 설명하기로 한다.
먼저, 아크릴을 선택하는 이유를 설명한다. 친수성 레지스트의 물리적 가이드에 적절한 실린더 구조물을 형성하기 위해서, PS와 PS보다 더 소수성인 중합체의 블록 공중합체를 선택할 필요가 있다. 그 이유는 상기 블록 공중합체를 사용할 경우, 매트릭스 상의 PS가 레지스트의 물리적 가이드의 측벽에 모이기 쉽고 PS보다 더 소수성인 중합체가 실린더 상을 형성하므로; 적절한 실린더 구조가 형성되기 때문이다. 아크릴 이외에 PS보다 더 소수성인 중합체로서는, 폴리디메틸실록산(PDMS) 및 폴리(2,2,2-트리플루오로에틸 메타크릴레이트)(PTFEMA)를 예로 들 수 있다. 그러나, 다음과 같은 관점에서 아크릴이 PDMS 및 PTFEMA보다 더 좋다.
PS-b-PDMS를 사용하는 경우를 이하에 설명한다. O2 플라즈마에 대한 PDMS의 내에칭성은 PS의 내에칭성보다 더 높다. 그러므로, RIE 이후에, 매트릭스 상의 PS가 먼저 제거되고, 원형 주상 형태로 PDMS가 잔류하므로; C/H 패턴이 형성될 수 없다.
이어서, PS-b-PTFEMA를 사용하는 경우를 설명한다. 블록 공중합체의 상 분리는 일반적으로 유리 전이 온도 이상에서 일어나기 때문에, 유리 전이 온도가 더 낮을 때 상 분리가 더 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 아크릴인 PnHMA의 유리 전이 온도(Tg)는 -27℃인 반면에, PTFEMA의 유리 전이 온도(Tg)는 80℃이다. 그러므로, PS와 PTFEMA는 저온 어니일링에 의해서는 PS-b-PnHMA와 같은 수준으로 미소상-분리될 수 없다.
아크릴계 중합체의 합성 관점에서의 장점은 원료로서 작용하는 단량체가 입수 용이하고 중합법이 간단하다는 것이다.
그러므로, 아크릴을 PS보다 더 소수성인 중합체로서 선택한다.
이어서, 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 선택하는 이유를 설명한다.
먼저, 유리 전이 온도의 관점에서 설명한다. 일반적으로, 미소상 분리 구조물은 블록 공중합체를 유리 전이 온도 이상에서 어니일링함으로써 얻어진다. 그러므로, 유리 전이 온도가 낮을 때, 상분리를 위한 어니일링 온도가 낮아질 수 있다. 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수를 증가시킴으로써, 중합체 사슬 사이의 분자간 힘이 감소되므로 유리 전이 온도가 저하될 수 있다. 예컨대 거의 동일한 분자량을 갖는 PMMA, PnBMA 및 PnHMA의 유리 전이 온도는 각각 110℃, 39℃ 및 -27℃이다. 그러므로, 상 분리를 위한 어니일링 온도를 저하시키기 위해서, 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수가 더 큰 것이 바람직하다.
이어서, 표면 에너지의 관점에서 설명한다.
도 6은 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수에 대한 물의 접촉각을 나타낸 그래프이다.
도 6은 물에 대한 폴리(n-헥실 메타크릴레이트)(PnHMA), 폴리스티렌(PS), 폴리(n-부틸 메타크릴레이트)(PnBMA), 폴리(n-프로필 메타크릴레이트)(PnPMA), 및 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)의 접촉각을 보여준다. 물의 접촉각을 표면 에너지의 척도로서 사용한다. 물의 접촉각이 증가함에 따라 표면 에너지가 감소한다. 그 반면에, 물의 접촉각이 감소함에 따라 표면 에너지가 증가한다.
PS-b-PnHMA를 블록 공중합체의 일례로 취한다. PS는 매트릭스 상을 형성하고 PnHMA는 실린더 상을 형성한다. 각각의 단독중합체의 물의 접촉각을 측정할 경우, 물과의 접촉각은 PS가 94도이고 PnHMA가 104도이다. 그러므로, PnHMA는 PS보다 더 작은 표면 에너지를 갖는다. 다시 말해서, PS-b-PnHMA의 실린더 구조를 친수성 레지스트의 가이드 패턴에 형성할 경우에, 보다 높은 표면 에너지를 갖는 PS가 레지스트의 측벽에 모이기 쉽다. 그러므로, 레지스트의 가이드 패턴에서 적절한 실린더 구조를 형성할 수 있다. 그 반면에, PnBMA, PnPMA 및 PMMA의 물과의 접촉각은 PS의 그것보다 더 낮다. 다시 말해서, PnBMA, PnPMA 및 PMMA는 PS보다 더 큰 표면 에너지를 갖는다.
그러므로, 레지스트를 가이드 패턴으로서 사용할 경우에, 높은 표면 에너지를 갖는 PnBMA, PnPMA 및 PMMA가 레지스트의 측벽에 모이기 쉬워서 적절한 C/H 패턴이 형성되지 않는다. 도 6으로부터 추정하건대, 폴리(n-펜틸 메타크릴레이트(측쇄의 탄소 원자수가 5임)은 대략 PS와 동등한 접촉각을 갖는다. 그러므로, PS와 폴리(n-펜틸 메타크릴레이트) 사이의 반발력은 적고, PS와 폴리(n-펜틸 메타크릴레이트)의 공중합체가 상 분리를 일으키기가 어렵다. 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수에 대한 용해도 파라미터의 관계는 종래 문헌에도 비슷하게 보고되어 있다(Ruzette et al., Macromolecules 1998, 31, 8509-8516). 그러므로, 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수가 6 이상인 것이 바람직하다.
실제로 상-분리된 블록 공중합체의 평면 AFM(원자력 현미경) 이미지를 이하에 설명한다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 실시양태에 의한 패턴 형성 방법에서 상 분리를 도시한 AFM 이미지이다.
도 7a 내지 도 7f는 도포 직후의 블록 공중합체의 평면 AFM 이미지(상단) 및 어니일링 처리후 블록 공중합체의 평면 AFM 이미지(하단)를 도시한 것이다. AFM 이미지에서, 물리적 가이드는 제공되지 않는다. 즉, 이러한 AFM 이미지에서, 두 종류의 중합체 A 및 B를 함유하는 블록 공중합체 층이 정해진 온도에서 중합체 A를 함유하는 층과 중합체 B를 함유하는 층으로 상-분리되어있는지의 여부를 조사한다. 이들의 어니일링 시간은 8 시간으로 설정하였다.
도 7a 및 도 7d는 PS-b-PMMA 층의 평면 AFM 이미지를 도시한 것이다. 어니일링 이전의 PS-b-PMMA 층에서, 상 분리 패턴은 나타나지 않았다(도 7a). 160℃에서 어니일링 처리후 상 분리 패턴이 나타났다(도 7d).
도 7b 및 도 7e는 PS-b-PnBMA 층의 평면 AFM 이미지를 도시한 것이다. 어니일링 이전에 PS-b-PnBMA 층에서 상 분리 패턴은 나타나지 않았다(도 7b). 도 7e에 도시한 바와 같이 어니일링 처리 이후에도 상 분리 패턴은 나타나지 않았다. 어니일링 온도는 180℃이다. 열중량 분석 결과 PnBMA가 180℃ 이상에서 분해하는 것으로 나타나므로, 어니일링 온도의 상한은 180℃이다. 따라서, PS-b-PnBMA 층은 180℃에서조차 상 분리하기 쉽지 않은 것으로 밝혀졌다.
이와 달리, 도 7c 및 도 7f는 PS-b-PnHMA 층의 AFM 이미지를 도시한 것이다. 도 7c에 도시한 바와 같이, PS-b-PnHMA 층에서, 어니일링을 수행하지 않은 경우조차도 상 분리 패턴이 나타났다. 150℃에서 어니일링 처리시에도 상 분리 패턴을 관찰할 수 있었다(도 7f). PS-b-PnHMA 층은 약 150℃에서 충분히 상 분리하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, PS-b-PnHMA는 PS-b-PMMA에 비해서 어니일링 온도를 저하시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시양태에 의한 폴리스티렌의 측쇄의 탄소 원자 수와 건식 내에칭성 사이의 엄지손가락 원리를 도시한 그래프이다.
횡축은 폴리스티렌의 측쇄의 탄소 원자 수이고, 종축은 오니시(Ohnishi) 파라미터(N/(Nc-No))이며, 여기서 N은 총 원자 수를 나타내고, Nc는 탄소 원자의 수를, 그리고 No는 산소 원자의 수를 나타낸다.
오니시 파라미터는 단위 중합 부피당 탄소의 밀도를 나타내고, 일반적으로 오니시 파라미터가 감소함에 따라 내에칭성이 증가한다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 측쇄의 탄소 원자의 수가 6 내지 18일 때 건식 내에칭성이 증가한다. 측쇄의 탄소 원자의 수가 증가함에 따라서, 입체 장애가 커지므로 중합체를 합성하기가 더욱 곤란해진다. 그러므로, 아크릴의 측쇄의 탄소 원자의 수는 6 이상 18 이하인 것이 바람직하다.
PS의 건식 내에칭성은 아크릴의 건식 내에칭성보다 높다. 따라서, PS와 아크릴을 함유하는 실린더 구조물상에서 건식 에칭 공정을 수행할 경우, 아크릴이 선택적으로 에칭-제거된다.
이러한 실시양태에서, 폴리스티렌 유도체와 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴의 블록 공중합체가 사용된다. 폴리스티렌 유도체로서는, 폴리스티렌, 폴리히드록시스티렌, 폴리(2-비닐피리딘) 등을 예로 들 수 있다. 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴로서는, 폴리(n-헥실 메타크릴레이트)(PnHMA), 폴리(n-헵틸 메타크릴레이트), 폴리(n-옥틸 메타크릴레이트), 폴리(n-노닐 메타크릴레이트), 폴리(n-데실 메타크릴레이트), 폴리(n-운데실 메타크릴레이트), 폴리(라우릴 메타크릴레이트)(PnLMA), 폴리(옥타데실 메타크릴레이트)(PnOMA), 폴리(n-헥실 아크릴레이트), 폴리(n-헵틸 아크릴레이트), 폴리(n-옥틸 아크릴레이트), 폴리(n-노닐 아크릴레이트), 폴리(n-데실 아크릴레이트), 폴리(n-운데실 아크릴레이트), 폴리(라우릴 아크릴레이트), 폴리(n-옥타데실 아크릴레이트) 등을 들 수 있다. 이외에도, 유사한 화학 구조의 아크릴이 아크릴의 측쇄의 탄소 원자 수가 6 이상인 한 포함될 수 있다.
실시예
이하에서는 실시예를 설명한다.
실시예 1
ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 Si 기판상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클(reticle)을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB(노광후 소성)을 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH(테트라메틸암모늄 히드록시드)를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 여기서, 전체 표면 노광에 사용된 광원을 KrF 엑시머 레이저, 저압 수은 랩프 또는 고압 수은 램프로 대체한 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. 그러나, 저압 수은 램프 및 고압 수은 램프의 노광량에 대해서는, 254 nm의 파장의 값으로 전환된 값을 사용한다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PnHMA(폴리스티렌-폴리(n-헥실 메타크릴레이트) 블록 공중합체) 용액을 제조한다. 여기서, 사용된 PS-b-PnHMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.80이다. PS-b-PnHMA가 상-분리될 때, PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 직경이 25 nm인 실린더 상을 형성한다. 1.5 중량%의 농도가 되도록 PS-b-PnHMA가 PGMEA(프로필렌 글리콜 1-모노메틸에테르 2-아세테이트)에 용해된 PS-b-PnHMA 용액을 수득한다. 이어서, 준비된 PS-b-PnHMA 용액을 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 2000 rpm하에 35초 동안 스핀 코팅에 의해 도포한다. 물리적 가이드에서 PS-b-PnHMA 층의 막 두께는 80 nm이다. 수득한 막을 110℃에서 90초 동안 소성하여 용매를 제거한다. 이어서 150℃에서 60분 동안 어니일링을 수행하여 PS-b-PnHMA를 상-분리시킨다. 그 결과, PS-b-PnHMA는 70 nm의 직경을 갖는 물리적 가이드에서 상 분리 구조를 형성한다. PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 25 nm의 직경을 갖는 실린더 상을 형성한다.
그 후에, O2 플라즈마 에칭을 수행하여 PnHMA로 형성된 실린더 상을 선택적으로 제거한다. Si 기판의 표면이 나타날 때까지 O2 플라즈마 에칭을 수행한 결과, 25 nm 의 직경을 갖는 C/H 패턴이 형성될 수 있다. C/H 패턴의 횡단면을 SEM(주사 전자 현미경)으로 관찰한 결과 35 nm의 높이를 갖는 C/H 패턴이 기판 표면에 수직으로 형성될 수 있음이 밝혀졌다. 통공 직경/통공 길이의 종횡비 = 1/1.4인 C/H 패턴을 수득할 수 있다.
실시예 2
상 분리 이후에 PS-b-PnHMA를 선택적으로 제거하는 방법으로서 습식 에칭을 사용하는 경우를 이하에 설명한다.
ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 Si 기판상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB를 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 여기서, 전체 표면 노광에 사용된 광원을 KrF 엑시머 레이저, 저압 수은 랩프 또는 고압 수은 램프로 대체한 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. 그러나, 저압 수은 램프 및 고압 수은 램프의 노광량에 대해서는, 254 nm의 파장의 값으로 전환된 값을 사용한다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PnHMA 용액을 제조한다. 여기서, 사용된 PS-b-PnHMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.80이다. PS-b-PnHMA가 상-분리될 때, PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 직경이 25 nm 인 실린더 상을 형성한다. 1.5 중량%의 농도가 되도록 PS-b-PnHMA가 PGMEA에 용해된 PS-b-PnHMA 용액을 수득한다. 이어서, 준비된 PS-b-PnHMA 용액을 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 2000 rpm하에 35초 동안 스핀 코팅에 의해 도포한다. 물리적 가이드에서 PS-b-PnHMA 층의 막 두께는 80 nm이다. 수득한 막을 110℃에서 90초 동안 소성하여 용매를 제거한다. 이어서 150℃에서 60분 동안 어니일링을 수행하여 PS-b-PnHMA를 상-분리시킨다. 그 결과, PS-b-PnHMA는 70 nm의 직경을 갖는 물리적 가이드에서 상 분리 구조를 형성한다. PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 25 nm의 직경을 갖는 실린더 상을 형성한다.
그 후에, 1800 mJ/㎠으로 172 nm의 파장을 갖는 DUV(진공 자외선)을 전체 표면에 조사한다. DUV 조사에 의해서, PnHMA가 분해된다. 광원을 KrF 엑시머 레이저, 저압 수은 램프 또는 고압 수은 램프로 대체한 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. 이어서, 메틸 이소부틸 케톤과 2-프로판올이 1:3의 비율로 혼합된 혼합 용매를 사용해서 30초 동안 현상을 수행한다. 현상에 의해서, 분해된 PnHMA만이 선택적으로 제거된다. 이로써, 직경이 25 nm인 C/H 패턴이 형성될 수 있다. 부틸 아세테이트, 크실렌, 디부틸 에테르 또는 톨루엔을 현상제로서 사용할 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. SEM으로 C/H 패턴의 횡단면을 관찰한 결과 높이가 75 nm인 C/H 패턴이 기판 표면에 수직으로 형성될 수 있음이 밝혀졌다. O2 플라즈마 에칭의 경우와 같이 PS 상이 에칭되지 않기 때문에, 높은 종횡비(통공 직경/통공 길이= 1/3)를 갖는 C/H 패턴을 수득할 수 있다.
실시예 3
SOC 층(막 두께: 150 nm) 및 SOG 층(막 두께: 45 nm)를 최상층에서의 W( 텅스텐) 배선(배선폭: 100 nm) 및 TEOS 막(막 두께: 150 nm)으로 이루어진 반도체 회로 기판상에 이 순서대로 적층한다. JSR 코오포레이션에 의해 제조된 CT08을 사용하여 TEOS 필름 상에서 1500 rpm하에 30초 동안 스핀 코팅을 수행하여 SOC 층을 수행한다. 그 후에, JSR 코오포레이션에 의해 제조된 SOG080을 사용해서 1500 rpm하에 30초 동안 SOC상에서 스핀 코팅을 수행하여 SOG 층을 형성한다. 이어서, ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 상기 다층막상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB를 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 여기서, 전체 표면 노광에 사용된 광원을 KrF 엑시머 레이저, 저압 수은 랩프 또는 고압 수은 램프로 대체한 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. 그러나, 저압 수은 램프 및 고압 수은 램프의 노광량에 대해서는, 254 nm의 파장의 값으로 전환된 값을 사용한다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PnHMA 용액을 제조한다. 여기서, 사용된 PS-b-PnHMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.80이다. PS-b-PnHMA가 상-분리될 때, PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 직경이 25 nm 인 실린더 상을 형성한다. 1.5 중량%의 농도가 되도록 PS-b-PnHMA가 PGMEA에 용해된 PS-b-PnHMA 용액을 수득한다. 이어서, 준비된 PS-b-PnHMA 용액을 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 2000 rpm하에 35초 동안 스핀 코팅에 의해 도포한다. 물리적 가이드에서 PS-b-PnHMA 층의 막 두께는 80 nm이다. 수득한 막을 110℃에서 90초 동안 소성하여 용매를 제거한다. 이어서 150℃에서 60분 동안 어니일링을 수행하여 PS-b-PnHMA를 상-분리시킨다. 그 결과, PS-b-PnHMA는 70 nm의 직경을 갖는 물리적 가이드에서 상 분리 구조를 형성한다. PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnHMA는 25 nm의 직경을 갖는 실린더 상을 형성한다.
그 후에, O2 플라즈마 에칭을 수행하여 PnHMA로 형성된 실린더 상을 선택적으로 제거한다. SOG 기판의 표면이 나타날 때까지 O2 플라즈마 에칭을 수행한다. 포토레지스트의 물리적 가이드 및 PS의 매트릭스 상을 마스크로서 사용하여 플루오르계 기체로 SOG 막을 에칭한다. 이어서, SOG의 패턴을 마스크로서 사용하여 CF4/O2/Ar계 기체로 SOC 막을 에칭한다. 최종적으로, SOC 패턴을 마스크로서 사용하여 플루오르계 기체로 TEOS 막을 에칭한다. 그 결과, 25 nm의 직경을 갖는 C/H 패턴이 W 배선상에 형성된다. C/H 패턴의 횡단면을 SEM으로 관찰한 결과 80 nm의 높이를 갖는 C/H 패턴이 W 배선의 표면에 수직으로 형성될 수 있음이 밝혀졌다.
실시예 4
사용되는 블록 공중합체를 PS-b-PnHMA로부터 PS-b-PnOMA(폴리스티렌-폴리(옥타데실 메타크릴레이트) 블록 공중합체)로 변경한 경우를 이하에 설명한다.
ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 Si 기판상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB를 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 여기서, 전체 표면 노광에 사용된 광원을 KrF 엑시머 레이저, 저압 수은 랩프 또는 고압 수은 램프로 대체한 경우에도 유사한 결과가 얻어진다. 그러나, 저압 수은 램프 및 고압 수은 램프의 노광량에 대해서는, 254 nm의 파장의 값으로 전환된 값을 사용한다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PnOMA 용액을 제조한다. 여기서, 사용된 PS-b-PnOMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.89이다. PS-b-PnOMA가 상-분리될 때, PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnOMA는 직경이 25 nm 인 실린더 상을 형성한다. 1.5 중량%의 농도가 되도록 PS-b-PnOMA가 PGMEA에 용해된 PS-b-PnOMA 용액을 수득한다. 이어서, 준비된 PS-b-PnOMA 용액을 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 2500 rpm하에 35초 동안 스핀 코팅에 의해 도포한다. 물리적 가이드에서 PS-b-PnOMA 층의 막 두께는 80 nm이다. 수득한 막을 110℃에서 90초 동안 소성하여 용매를 제거한다. 이어서 150℃에서 60분 동안 어니일링을 수행하여 PS-b-PnOMA를 상-분리시킨다. 그 결과, PS-b-PnOMA는 70 nm의 직경을 갖는 물리적 가이드에서 상 분리 구조를 형성한다. PS는 매트릭스 상을 형성하고, PnOMA는 25 nm의 직경을 갖는 실린더 상을 형성한다.
그 후에, O2 플라즈마 에칭을 수행하여 PnOMA로 형성된 실린더 상을 선택적으로 제거한다. Si 기판의 표면이 나타날 때까지 O2 플라즈마 에칭을 수행한 결과, 25 nm의 직경을 갖는 C/H 패턴이 형성될 수 있다. C/H 패턴의 횡단면을 SEM으로 관찰한 결과 25 nm의 높이를 갖는 C/H 패턴이 기판 표면에 수직으로 형성될 수 있음이 밝혀졌다.
비교예 1
PS-b-PMMA를 블록 공중합체로서 사용할 경우에 PS-b-PnHMA와 같이 적절한 C/H 패턴이 얻어질 수 없다는 것을 보여주는 실시예를 이하에 설명한다.
ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 Si 기판상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB를 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PMMA 용액을 제조한다. 여기서, 사용된 PS-b-PMMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.68이다. PS-b-PMMA가 상-분리될 때, PS는 매트릭스 상을 형성하고, PMMA는 직경이 25 nm 인 실린더 상을 형성한다. 1.5 중량%의 농도가 되도록 PS-b-PMMA가 PGMEA에 용해된 PS-b-PnHMA 용액을 수득한다. 이어서, 준비된 PS-b-PMMA 용액을 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 2000 rpm하에 35초 동안 스핀 코팅에 의해 도포한다. 110℃에서 90초 동안 소성한 후에, 200℃에서 1분 동안 어니일링을 수행한다. 그 결과, PS-b-PMMA는 상 분리되어 25 nm의 직경을 갖는 실린더 구조를 형성한다. 그 후에, O2 플라즈마 에칭을 수행하여 PMMA 상을 선택적으로 제거한다. 그 결과, 적절한 C/H 패턴이 얻어지지 않는다. 그 이유는 도 6에 도시한 바와 같이 PMMA가 PS보다 더욱 친수성이 커서 친수성 포토레지스트의 측벽에도 모이기 때문이다.
비교예 2
PS-b-PnBMA를 블록 공중합체로서 사용할 경우에 PS-b-PnHMA와 같이 적절한 C/H 패턴이 얻어질 수 없다는 것을 보여주는 실시예를 이하에 설명한다.
ArF 노광용 포토레지스트(JSR 코오포레이션에 의해 제조된 AR2395)를 1500 rpm 및 30초의 조건하에 스핀 코팅에 의해서 Si 기판상에 도포한다. 이어서, 120℃에서 90초 동안 예비 소성을 수행한 후에, C/H 패턴의 레티클을 사용해서 ArF 엑시머 레이저로 패턴 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. PEB를 125℃에서 60초 동안 수행하고, 2.38% TMAH를 사용해서 현상을 수행한다. 이어서, ArF 엑시머 레이저로 현상한 후에 포토레지스트상에서 전체 표면 노광을 수행한다. 노광량은 25 mJ/㎠으로 설정한다. 이어서, 포토레지스트를 185℃에서 120초 동안 어니일링함으로써 경화시킨다. 포토레지스트의 전체 표면 노광 및 어니일링에 의해서, 포토레지스트는 블록 공중합체 용액에 불용화된다. 이런 식으로 포토레지스트의 막 두께가 125 nm이고 개구부 직경이 70 nm인 C/H 패턴(물리적 가이드)를 수득한다.
이어서, PS-b-PnBMA 용액을 별도로 제조하고 C/H 패턴으로 제작된 포토레지스트상에 도포한다. 여기서, 사용된 PS-b-PnBMA의 중량 평균 분자량은 70,000이고, 몰 분율(f(PS))은 0.76이다. 110℃에서 90초 동안 소성한 후에, 180℃에서 60분 동안 어니일링을 수행한다. 그러나, PS-b-PnBMA는 실린더 구조를 형성할 수 없다. 따라서, 결국에는 물리적 가이드보다 더 미세한 C/H 패턴을 형성할 수 없다. 그 이유는 도 6에 도시한 바와 같이, PnBMA의 접촉각이 PS의 접촉각과 거의 동일하므로(PS와 PnBMA의 표면 에너지가 거의 동일함), PS와 PnBMA 사이의 반발력이 작아서 PS-b-PnBMA가 상 분리 구조를 형성하기 곤란하기 때문이다. 이는 도 7a 내지 도 7f의 AFM 결과로부터도 확인할 수 있다.
본 발명의 실시양태에 의하면, 폴리스티렌 유도체와 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴로 이루어진 블록 공중합체를 사용함으로써 레지스트를 가이드 패턴으로서 이용할 수 있으므로; 공정 수를 감소시킬 수 있다. 또한, 상 분리 어니일링 온도를 저하시킬 수 있으므로, 저렴한 비용으로 미세한 C/H 패턴을 형성하는 방법 및 상기 패턴 형성 방법에 사용되는 블록 공중합체를 제공할 수 있다.
이상에서는 구체적인 실시예에 의거하여 본 발명의 실시양태들을 설명하였다. 그러나, 본 발명이 이러한 구체적인 실시예에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 당업자라면 패턴 형성 방법에 사용되는 성분들, 예컨대 다양한 층, 막, 고체, 액체 및 기체의 특이적인 구성을 종래 기술로부터 적절하게 선택하여 본 발명을 유사하게 실시할 수 있을 것이다. 이와 같은 실시양태도 본 발명과 유사한 효과가 얻어지는 한 본 발명의 범위내에 포함된다.
또한, 상기 실시양태에 포함된 2개 이상의 성분들을 기술적으로 유용한 것인 한 조합할 수도 있다. 이와 같은 조합도 본 발명의 실시양태의 특징을 포함하는 것인 한, 본 발명의 실시양태의 범위내에 포함된다.
또한, 당업자라면 전술한 패턴 형성 방법을 기본으로 하여 그 기술요지내에서 다양한 개조예 및 변경예를 유추할 수 있을 것이다. 이와 같은 개조예 및 변경예도 본 발명의 실시양태의 범위내에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.
이상에서는 특정의 실시양태들을 설명하였지만, 이러한 실시양태들은 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 결코 아니다. 실제로, 본 명세서에 설명된 신규 실시양태들은 여러 가지 다른 형태로도 실시될 수 있으며; 또한 전술한 실시양태들의 형태에서 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않고 다양한 삭제, 치환 및 교환이 이루어질 수 있다. 첨부된 특허 청구의 범위 및 그 등가의 범위는 본 발명의 기술사상과 보호범위내에 포함되는 모든 형태 또는 개조예도 망라하는 것이다.
15: 하지층 20: 레지스트 층
20h, 200h: 개구부 30, 300: 블록 공중합체 층
31: 제1층 32: 제2층
40: 실린더 구조물 120: C 막
130: Si 옥시드 막 132: 금속 배선
200: 레지스트 물리적 가이드

Claims (13)

  1. 하지층상에 제공되는 레지스트 층의 개구부에 폴리스티렌 유도체 및 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 함유하는 블록 공중합체 층을 형성하는 단계;
    상기 블록 공중합체 층을 상-분리시킴으로써 상기 개구부에 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층 및 아크릴을 함유하는 제2 층을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 층을 제거하는 단계를 포함하는, 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서 상기 제1 층 및 제2 층을 형성하는 단계가 상기 개구부에 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 포함하는 실린더 구조물을 형성하는 것을 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 유도체가 폴리스티렌을 포함하고, 상기 아크릴이 폴리(헥실 메타크릴레이트)를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 폴리스티렌 유도체가 폴리스티렌, 폴리히드록시스티렌, 및 폴리(2-비닐피리딘) 중 하나인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아크릴이 폴리(n-헥실 메타크릴레이트)(PnHMA), 폴리(n-헵틸 메타크릴레이트), 폴리(n-옥틸 메타크릴레이트), 폴리(n-노닐 메타크릴레이트), 폴리(n-데실 메타크릴레이트), 폴리(n-운데실 메타크릴레이트), 폴리(라우릴 메타크릴레이트)(PnLMA), 폴리(옥타데실 메타크릴레이트)(PnOMA), 폴리(n-헥실 아크릴레이트), 폴리(n-헵틸 아크릴레이트), 폴리(n-옥틸 아크릴레이트), 폴리(n-노닐 아크릴레이트), 폴리(n-데실 아크릴레이트), 폴리(n-운데실 아크릴레이트), 폴리(라우릴 아크릴레이트), 및 폴리(n-옥타데실 아크릴레이트) 중 하나인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 블록 공중합체 층을 형성하는 단계 이전에 상기 레지스트 층을 형성하는 단계를 더 포함하며,
    상기 레지스트 층을 형성하는 단계는 상기 레지스트 층을 가교시켜서, 상기 레지스트 층을 상기 개구부가 상기 레지스트 층에 형성된 후에 상기 블록 공중합체 층을 용해하기 위한 용매에 불용화시키는 것을 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 용매가 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌, 시클로헥산온, 아세톤, 에틸 메틸 케톤, 메틸 이소부틸 케톤, 메틸 셀로솔브TM, 메틸 셀로솔브TM 아세테이트, 에틸 셀로솔브TM 아세테이트, 부틸 셀로솔브TM 아세테이트, 테트라히드로푸란, 및 클로로포름으로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 하지층은 실리콘 화합물을 함유하는 제3 층 및 상기 제3 층 하부에 제공된 가공하고자 하는 막을 포함하고,
    상기 방법은 상기 레지스트 층 및 상기 제1 층을 마스크로서 사용함으로써 상기 제3 층을 에칭하는 단계; 및 상기 에칭된 제3 층을 마스크로서 사용함으로써 상기 제3층 하부에 제공된 가공하고자 하는 막을 에칭하여, 상기 가공하고자 하는 에칭된 막의 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 하지층은 실리콘 화합물을 함유하는 제3 층 및 상기 제3 층 하부에 제공된 가공하고자 하는 막을 포함하고,
    상기 방법은 상기 제3 층과 상기 가공하고자 하는 막 사이에 유기 막을 형성하는 단계; 상기 레지스트 층 및 상기 제1 층을 마스크로서 사용함으로써 상기 제3 층을 에칭하는 단계; 및 상기 제3 층을 마스크로서 사용함으로써 상기 유기 막을 에칭하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 하지층상에 제공되는 레지스트 층의 개구부에 폴리스티렌 유도체 및 측쇄상에 6개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴을 함유하는 블록 공중합체 층을 형성하는 단계; 상기 블록 공중합체 층을 상-분리시킴으로써 상기 개구부에 폴리스티렌 유도체를 함유하는 제1 층 및 아크릴을 함유하는 제2 층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 층을 제거하는 단계를 포함하는 패턴 형성 방법에서 상기 블록 공중합체 층에 사용되는 블록 공중합체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 층 및 제2 층을 형성하는 단계가 상기 개구부에 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 포함하는 실린더 구조물을 형성하는 것을 포함하는 블록 공중합체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 폴리스티렌 유도체의 부피 분율과 상기 아크릴의 부피 분율이 다른 것인 블록 공중합체.
  13. 제10항에 있어서, 상기 폴리스티렌 유도체가 폴리스티렌을 포함하고, 상기 아크릴이 폴리(헥실 메타크릴레이트)를 포함하는 것인 블록 공중합체.
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