Dry development of silsesquioxane-based photoresists using CF3I

Abstract

As the integration degree of devices increases, extreme ultraviolet lithography (EUVL) and e-beam lithography (EBL) technologies have been proposed and expected to push the limits of conventional lithography. The basic steps of lithography consist of coating, exposure, development, rinse, and drying process. The next-generation lithography technologies can form the delicate pattern by increasing the resolution. However, photoresists must still have sufficient thickness to transfer pattern information through etching and lift-off processes. With the introduction of next-generation lithography technologies, there is a difference in reduction rate between pattern pitch and photoresist thickness. In this study, we applied the dry development process to prevent pattern collapse during rinse and drying processes, which became severe due to the difference in reduction rate. In addition, we evaluated the feasibility of the dry development process, which excludes the rinse and drying processes. In the case of wet development, the rinse and drying process after the development process causes a capillary force in the pattern, which makes degradation of pattern characteristics. Therefore, the dry development process was applied to silsesquioxane-based photoresists to form a pad pattern and the tendency of CF3I manifested depending on the type of photoresist was investigated. Silsesquioxane-based photoresists inside the process chamber were developed by the plasma generated with the gas mixture of CF3I and O2. We measured the thickness of the pattern before and after the development process with spectroscopic ellipsometry (SPME) and scanning electron microscope (SEM). We calculated development properties such as development rate and selectivity between exposed and non-exposed regions through the thickness difference value. In addition, we evaluated the surface shape and thickness of the formed pattern through a non-contact surface profiler. As a result, the feasibility of the dry development process to the silsesquioxane-based photoresists was confirmed. In the case of HSQ, a reaction to CF3I appears, the development rate was 12.9 nm/min, and the selectivity between exposed and non-exposed regions was 8.6. On the other hand, in the case of Al-HSQ, there is a limit to applying the dry development process using CF3I because of an Al2O3 thin film formed during the infiltration process of TMA. In addition, we confirmed the necessity of evaluating the applicability of the dry development process to various patterns such as L/S patterns and pillar patterns and silsesquioxane-based photoresists such as Medusa 82 and Medusa 82 with PAGs. It means the possibility that we can apply the dry development process using CF3I to most silsesquioxane-based photoresists, and the infiltration process using appropriate materials can improve light source absorption and prevent pattern collapse of the fine patterns.|소자의 직접도가 높아지면서 극자외선 노광기술 (Extreme ultraviolet lithography, EUVL)과 전자빔 노광기술 (Electron beam lithography, EBL)이 기존 리소그래피의 한계를 극복하기 위해 제안되었다. 리소그래피 공정은 코팅, 노광, 현상, 린스 및 건조 등의 공정으로 이루어져 있다. 차세대 리소그래피 기술은 해상도를 높여 미세 패턴을 형성할 수 있지만, 포토레지스트는 식각 및 리프트 오프 공정을 통해 패턴을 전사하기 위해서 충분한 두께를 가져야 한다. 차세대 리소그래피 기술이 도입되면서 패턴의 선폭과 포토레지스트 두께 사이의 감소 정도에 차이가 발생한다. 본 연구에서는 감소률 차이로 인해 심해진 린스 및 건조 공정 과정에서 패턴이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 건식 현상 공정을 적용하였다. 또한, 린스 및 건조 공정을 포함하지 않은 건식 현상 공정의 타당성을 평가하였다. 습식 현상의 경우 현상 공정 후 린스 및 건조 공정에서 패턴에 모세관 힘이 발생해 패턴 특성이 저하된다. 따라서, 실세세스퀴옥세인 기반 포토레지스트에 건식 현상 공정을 적용하여 패드 패턴을 형성하였고, 포토레지스트의 종류에 따른 CF3I 의 경향성을 조사하였다. 공정 챔버 내부의 실세스퀴옥세인 기반 포토레지스트는 CF3I 와 O2 가스 혼합물로 발생된 플라즈마를 이용하여 현상하였다. 포토레지스트의 현상 전후 두께는 엘립소미터와 주사전자현미경으로 측정하였고, 각 두께의 차이를 통해 현상 속도 및 노광 영역과 비노광 영역의 현상 선택비를 계산하였다. 형성된 패턴의 표면 모양과 두께는 비접촉식 표면조도 분석기를 통해 평가하였다. 결과적으로 실세스퀴옥세인 기반 포토레지스트에 대한 건식 현상 공정의 적합성을 확인하였다. HSQ 의 경우 CF3I 에 대한 반응이 나타나며 현상 속도는 12.9 nm/min, 노광 영역과 비노광 영역의 선택비는 8.6 으로 나타났다. Al-HSQ 의 경우 광원의 흡수도 개선을 위해 첨가한 TMA 의 침투 과정에서 내부에 Al2O3 박막이 형성되어 CF3I 를 이용한 건식 현상을 적용하기에 한계가 있다는 것을 확인하였다. 또한, L/S 패턴 및 pillar 패턴 등 다양한 패턴들에 대한 건식 현상 공정의 적용 가능성 및 Medusa 82 와 같은 추가적인 실세스퀴옥세인 기반 포토레지스트의 건식 현상 적용 가능성에 대한 검토 필요성을 확인하였다. 이는 대부분의 실세스퀴옥세인 기반 포토레지스트에 CF3I 를 이용한 건식 현상 공정을 적용해 볼 수 있으며, 적절한 소재를 활용하는 침투 공정을 적용하여 포토레지스트의 광원 흡수를 향상시킬 뿐만 아니라 미세 패턴의 패턴 붕괴도 방지할 수 있다는 것을 의미한다