KR100289373B1 - 리쏘그래피용 마스크 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리쏘그래피용 마스크 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 전자에너지를 흡수하는 흡수층 역할을 하는 상부마스크와 전자빔이 통과되어 노광시 패턴을 정의하는 하부마스크의 이중구조를 갖는 스텐실 마스크(stencil mask)를 형성하므로서 마스크의 열적 안정성을 향상시켜서 노광공정시의 정밀 패턴의 신뢰성을 향상시키는 반도체장치의 리쏘그래피용 전자빔(electron beam) 또는 이온빔(ion beam)을 사용하는 마스크 또는 어퍼쳐(aperture) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리쏘그래피용 마스크는 표면에 제 1 도전막이 형성되고 빔 투과부를 갖는 제 1 어퍼쳐 패턴이 형성된 제 1 스텐실 마스크와, 제 1 스텐실 마스크의 상부 표면 가장자리에 위치하는 제 1 돌출부와, 표면에 제 2 도전막이 형성되고, 상기 제 1 어퍼쳐 패턴의 빔 투과부보다 적어도 큰 빔 투과부를 갖는 제 2 어퍼쳐 패턴이 형성되고, 상기 제 1 돌출부위에 부착된 제 2 마스크를 포함하여 이루어진다. 본 발명에 따른 리쏘그래피용 마스크 제조방법은 제 1 칩영역과 제 2 칩영역을 갖는 웨이퍼의 앞면의 소정 부위를 패터닝하여 제 1 칩영역의 웨이퍼의 소정 부위에 제 1 패턴을 갖는 제 1 트렌치를 소정의 깊이로 형성하고, 제 2 칩영역의 웨이퍼의 소정 부위에 제 1 패턴의 거울상 패턴을 갖는 제 2 트렌치를 소정의 깊이로 형성하는 단계와, 웨이퍼상에 제 1 칩영역의 가장자리에 제 1 돌출부를 형성하고 제 2 칩 영역의 가장자리에 제 2 돌출부를 형성하는 단계와, 웨이퍼의 뒷면의 소정 부위를 제거하여 제 1 트렌치와 제 2 트렌치가 웨이퍼를 관통하도록 하는 제 1 어퍼쳐와 제 2 어퍼쳐를 각각 형성하는 단계와, 웨이퍼로부터 제 1 칩영역과 제 2 칩영역을 분리하여 제 1 칩과 제 2 칩을 형성하는 단계와, 제 1 칩과 제 2 칩의 표면에 제 1 도전막과 제 2 도전막을 각각 형성하는 단계와, 제 1 어퍼쳐와 제 2 어퍼쳐를 정렬시켜 제 1 돌출부의 상부에 제 2 돌출부를 부착시켜 제 1 칩 위에 제 2 칩을 위치시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 리쏘그래피용 마스크 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 전자에너지를 흡수하는 흡수층 역할을 하는 상부마스크와 전자빔이 통과되어 노광시 패턴을 정의하는 하부마스크의 이중구조를 갖는 스텐실 마스크(stencil mask)를 형성하므로서 마스크의 열적 안정성을 향상시켜서 노광공정시의 정밀 패턴의 신뢰성을 향상시키는 반도체장치의 리쏘그래피용 전자빔(electron beam) 또는 이온빔(ion beam)을 사용하는 마스크 또는 어퍼쳐(aperture) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
반도체장치의 제조에 사용되는 리쏘그래피(lithography)공정의 종류로 광학(optical) 리쏘그래피, 전자빔(electron beam) 리쏘그래피, 엑스선(X-ray) 리쏘그래피, 이온빔(ion beam) 리쏘그래피 등이 있다. 이들은 각가 리쏘그래피 공정에서 조사(irradiation)되는 빛의 종류에 따라 구분된다.
이러한 리쏘그래피공정에서 마스크는 가장 중요한 요소이다. 일반적인 광학 ??그래피에서, 석영(quartz) 또는 유리는 투명하여 빛을 통과시키고 얇은 금속박막은 빛을 흡수하여 빛을 차단한다여 노광공정을 수행한다. 리쏘그래피공정에서는 빛의 방사(radiation)가 고에너지를 갖는 포톤(photon), 이온(ion) 또는 전자(electron)와 같은 입자들로 이루어지므로 마스크를 이용하여 공간적으로 상이한 양을 적절하게 분포시키는 일이 매우 어렵다.
리쏘그래피공정에서는 일단 소정의 패턴이 형성된 마스크를 제작한 후, 이 마스크를 이용하여 포토레지스트 등이 도포된 기판 위에 선택적으로 빛 등을 조사시켜 포토레지스트에 노광이 이루어지도록 한다. 따라서, 정확한 마스크패턴을 형성하는 일이 리쏘그래피 공정의 관건이 된다.
전자빔 또는 이온빔을 이용하는 포토리쏘그래피에서는 스텐실 마스크(stencil mask)가 사용된다. 스텐실 마스크는 마스크의 전면에 전자빔 또는 이온빔을 조사하고 그 중 일부가 선택적으로 마스크를 통과하여 레지스트(resist)가 도포된 기판에 이미지를 형성시킨다.
그러나, 조사되는 입자의 에너지가 고에너지를 갖고 또한, 형성하고자 하는 패턴의 이미지가 더욱 미세해짐에 따라 마스크는 노광시 패턴의 형상에 변형(distortion)이 일어나게 된다. 이러한 변형은 주로 홀 등을 형성할 때 발생한 기계적 스트레스와 입사되는 입자들에 의한 마스크의 가열에 기인한 열팽창(heat expansion)때문에 발생하는 것으로 보인다. 이때, 발생한 열은 방사(radiation)와 열의 전도(conduction) 작용에 의하여 마스크로 부터 빠져나온다.
전자빔 또는 이온빔을 사용하는 마스크 또는 어퍼쳐는 일반적인 반도체소자 제조공정을 이용하여 실리콘 등의 반도체기판을 이용한 박막형태의 스텐실 마스크가 제조되며, 이에 관한 종래 기술로 미국특허 5,770,336이 있다.
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 제조방법을 도시한 공정단면도이다.
도 1a를 참조하면, 표면으로 부터 소정의 깊이에 실리콘 산화막(11)이 형성된 에스오아이(silicon on insulator, SOI) 실리콘 웨이퍼(10,12)의 양면을 씨엠피(chemical mechanical polishing) 등의 공정으로 평탄화시켜 제 1 실리콘층(10)과 제 2 실리콘층(12)의 표면을 가공한다. 이때, 에스오아이 웨이퍼는 산화층이 내부에 형성되어 웨이퍼의 상부와 하부를 전기적으로 절연시키는 형태의 웨이퍼이다.
도 1b를 참조하면, 제 2 실리콘층(12)의 노출된 표면에 하드(hard) 마스크로 이용될 절연막으로 산화막을 화학기상증착법(chemical vapor deposition, 이하, CVD라 칭함)으로 약 1 ㎛의 두께로 증착하여 형성한다. 그리고, 절연막인 산화막 위에 포토레지스트를 도포한 다음, 제 2 실리콘층(12)에 스텐실 마스크의 패턴을 형성하기 위하여 전자빔을 이용한 노광 및 현상으로 제 1 스텐실 패턴 형성용 제 1 포토레지스트패턴(14)을 형성한다.
제 1 포토레지스트패턴(14)을 식각 마스크로 이용하는 식각공정을 절연막인 산화막 위에 실시하여 제 1 포토레지스트패턴(14) 하부에 위치한 산화막(13)을 잔류시킨다.
도 1c를 참조하면, 제 1 포토레지스트패턴(14)과 잔류한 산화막(13)을 식각마스크로 이용하는 건식식각을 노출된 제 1 실리콘층의 표면에 실시하여 식각마스크로 보호되지 않는 부위의 제 1 실리콘층을 제거하여 잔류한 제 2 실리콘층(120)으로 구성된 제 1 스텐실 마스크패턴(120)을 형성한다.
그리고, 제 1 포토레지스트패턴(14)과 잔류한 산화막(13) 및 노출된 층간절연막인 산화막을 제거하여 잔류한 제 2 실리콘층(120)의 표면, 소정 부위가 제거된 층간절연층인 산화막(110))의 측면 및 제 1 실리콘층(10)의 표면을 모두 노출시킨다.
그다음, 노출된 제 2 실리콘층(120)의 표면, 소정 부위가 제거된 층간절연층인 산화막(110))의 측면 및 제 1 실리콘층(10)의 표면 등 웨이퍼의 전 표면에 질화막(15)을 소정의 두께로 CVD법으로 증착하여 형성한다.
도 1d를 참조하면, 제 1 실리콘층(10)의 표면이 상측에 위치하도록 웨이퍼를 뒤집은 다음, 질화막(15)의 상부 표면에 포토레지스트를 도포한 다음, 웨이퍼를 관통시키는 제 2 스텐실 패턴을 제 1 실리콘층(10)에 형성하기 위한 노광 및 현상을 포토레지스트에 실시하여 잔류한 포토레지스트로 이루어진 제 2 포토레지스트패턴(16)을 형성한다. 이때, 제 2 포토레지스트패턴(16)은 이미 잔류한 제 2 실리콘층(120)으로 이루어진 제 1 스텐실 패턴(120)과 대응하도록 형성하며, 그(16) 패턴의 크기는 이후 형성될 제 2 스텐실패턴의 임계 디메션(critical dimension)이 크도록 마진을 주어 형성한다.
도 1e를 참조하면, 제 2 포토레지스트패턴으로 보호되지 않는 부위의 질화막을 제거하여 잔류한 질화막(150)으로 이루어진 식각마스크를 형성한 다음, 이를 이용한 식각공정을 노출된 제 1 실리콘층의 표면에 실시하여 제 1 스텐실 패턴(120)의 어퍼쳐(aperture)에 위치한 질화막(150)이 노출되도록 한다.
따라서, 잔류한 제 1 실리콘층(101)으로 이루어진 제 2 스텐실 패턴(101)이 형성된다. 결국, 제 1 스텐실패턴(120)과 제 2 스텐실패턴(101)은 질화막(150)이 그 경계부에 잔류하여 완전한 스텐실 마스크를 이루지 못한 상태이다.
도 1f를 참조하면, 웨이퍼의 전 표면에 잔류한 질화막(150)을 습식식각으로 제거하여 제 1 및 제 2 스텐실 패턴(120, 101)의 표면과 층간절연층(110)의 일부 표면을 노출시킨다.
그 다음, 노출된 웨이퍼의 전 표면에 백금(Pt), 티타늄(Ti) 등을 사용한 도전막(17)을 스퍼터링 또는 CVD법으로 증착하여 형성한다. 이때, 도전막을 형성하는 이유는 이온빔 또는 전자빔에서 발생하는 전자를 외부로 배출시키기 위해서이다.
따라서, 제 1 스텐실패턴(120) 및 제 2 스텐실패턴(101)과 그 사이에 개개된 층간절연층(110)을 기본 프레임으로 하여 이루어진 스텐실 마스크가 완성되었다.
이후 제 1 스텐실 패턴(120) 하부 가장자리에 마스크 지지대로 이용되는 도전체로 이루어진 홀더(holder, 도시안됨)를 부착한다.
도 2는 종래 기술에 따라 제조된 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도전체인 금속으로 이루어진 홀더(23) 위에 스텐실마스크의 지지부(21)가 장착되어있다. 스텐실 마스크는 얇게 가공된 웨이퍼에 소정의 패턴(22)을 이루는 다수개의 어퍼쳐(aperture)가 형성되어 있으며, 그 가장자리에 지지부(21)가 형성되어 있다. 또한, 스텐실 마스크의 전 표면은 도전체인 백금 또는 티타늄 등으로 이루어진 금속막(24)으로 도금되어 있다. 스텐실 마스크의 저면부는 식각되어 창(window)을 이루고 있어 전자빔 또는 이온빔의 마스크 통과가 용이하게 도와 준다.
조사되는 전자빔 또는 이온빔의(E1) 일부는 어퍼쳐를 통과하여 그 하부에 위치하는 레지스트(resist)가 도포된 기판을 노광시키며, 패턴(22)에 의하여 통과하지 못한 전자빔 또는 이온빔(E2)은 표면에 형성된 금속막(24)과 홀더(23)를 통하여 외부로 방출된다.
이와 같이, 스텐실 마스크의 하면부가 식각되어 윈도우를 이루며 패턴(22)들 사이의 공산인 어퍼쳐를 통하여 일부 전자빔(E1)이 통과하고, 나머지 전자빔(E2)은 실리콘으로 이루어진 패턴(22)에 의하여 차단된다. 따라서, 하부에 위치한 레지스트(도시안함)에 선택적인 노광에 의한 레지스트의 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 마스크를 통과하지 못한 전자들은 마스크의 금속막(24)을 통하여 접지되고, 전자빔 조사시 발생하는 열도 금속막(24), 실리콘, 홀더 등을 통하여 외부로 방출된다.
전자빔에 의한 노광공정은 전자빔의 가속에너지가 높을 수록 이미지가 향상되므로 고에너지의 전자빔을 사용한다. 일반적으로, 전자빔의 조사면적이 5㎛ × 5㎛ 이고 에너지가 50 KeV이고 빔전류가 1.2㎂이면, 집속된(focused) 전자빔에 의하여 스텐실 마스크의 실리콘 박막에 열적 스트레스(thermal stress)가 발생하며, 더우기, 선택적인 패턴을 형성하기 위하여 전자빔의 조사 부위가 변화하면 이러한 열적 스트레스에 기인한 국부적인 왜곡현상(distortion)이 발생한다. 따라서, 스텐실 마스크에 왜곡이 생겼으므로 당연히 노강된 패턴의 위치 및 크기 등의 변화가 나타난다.
따라서, 상술한 종래 기술에 따른 리쏘그래피용 마스크 및 그 제조방법은 전자빔에 의해 발생된 열을 방출하기 위하여 열 전달률이 큰 재료를 두겁게 증착하게 되므로 스텐실 마스크 패턴의 변화가 존재하며 또한 금속막과 실리콘막과의 왜곡(distortion)이 발생한다.
그리고, SOI 웨이퍼를 사용하므로, 열 방출시 실리콘의 열전달률 보다 실리콘 산화막의 열전달률이 작으므로 열적 스트레스값이 커지게 되어 전자빔의 위치가 변화할 때 왜곡현상이 증폭된다.
또한, 형성하고자 하는 마스크의 패턴이 더욱 작아지면 어퍼쳐 형성을 위한 트렌치의 크기도 작아지므로 이를 개선하기 위하여 패턴 형성용 트렌치의 크기를 작게 하여야 한다. 따라서 마스크를 이루는 실리콘 박막의 두께가 더욱 얇아지므로 전기한 현상이 마스크 패턴의 신뢰성을 열악하게 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자에너지를 흡수하는 흡수층 역할을 하는 상부마스크와 전자빔이 통과되어 노광시 패턴을 정의하는 하부마스크의 이중구조를 갖는 스텐실 마스크(stencil mask)를 형성하므로서 마스크의 열적 안정성을 향상시켜서 노광공정시의 정밀 패턴의 신뢰성을 향상시키는 반도체장치의 리쏘그래피용 전자빔(electron beam) 또는 이온빔(ion beam)을 사용하는 마스크 또는 어퍼쳐(aperture) 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리쏘그래피용 마스크는 표면에 제 1 도전막이 형성되고 빔 투과부를 갖는 제 1 어퍼쳐 패턴이 형성된 제 1 스텐실 마스크와, 제 1 스텐실 마스크의 상부 표면 가장자리에 위치하는 제 1 돌출부와, 표면에 제 2 도전막이 형성되고, 상기 제 1 어퍼쳐 패턴의 빔 투과부보다 적어도 큰 빔 투과부를 갖는 제 2 어퍼쳐 패턴이 형성되고, 상기 제 1 돌출부위에 부착된 제 2 마스크를 포함하여 이루어진다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리쏘그래피용 마스크 제조방법은 제 1 칩영역과 제 2 칩영역을 갖는 웨이퍼의 앞면의 소정 부위를 패터닝하여 제 1 칩영역의 웨이퍼의 소정 부위에 제 1 패턴을 갖는 제 1 트렌치를 소정의 깊이로 형성하고, 제 2 칩영역의 웨이퍼의 소정 부위에 제 1 패턴의 거울상 패턴을 갖는 제 2 트렌치를 소정의 깊이로 형성하는 단계와, 웨이퍼상에 제 1 칩영역의 가장자리에 제 1 돌출부를 형성하고 제 2 칩 영역의 가장자리에 제 2 돌출부를 형성하는 단계와, 웨이퍼의 뒷면의 소정 부위를 제거하여 제 1 트렌치와 제 2 트렌치가 웨이퍼를 관통하도록 하는 제 1 어퍼쳐와 제 2 어퍼쳐를 각각 형성하는 단계와, 웨이퍼로부터 제 1 칩영역과 제 2 칩영역을 분리하여 제 1 칩과 제 2 칩을 형성하는 단계와, 제 1 칩과 제 2 칩의 표면에 제 1 도전막과 제 2 도전막을 각각 형성하는 단계와, 제 1 어퍼쳐와 제 2 어퍼쳐를 정렬시켜 제 1 돌출부의 상부에 제 2 돌출부를 부착시켜 제 1 칩 위에 제 2 칩을 위치시키는 단계를 포함하여 이루어진다.
도 1a 내지 도 1f는 종래 기술에 따른 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 제조방법을 도시한 공정단면도
도 2는 종래 기술에 따라 제조된 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 단면도
도 3은 본 발명에 따라 제조된 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 단면도
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 제조방법을 도시한 공정단면도
본 발명에서는 스텐실 마스크를 종래의 SOI 웨이퍼를 사용하지 않고 통상적인 벌크(bulk) 기판을 이용하여 형성하고, 마스크를 상부 마스크와 이의 미러 이미지(mirror image)를 갖는 하부 마스크를 제조한 다음, 상부 마스크와 하부 마스크 사이에 마스크 재료보다 열전달률이 낮은 물질로 연결부를 형성하고 이들을 서로 맞붙여서 하나의 스텐실 마스크를 형성한다. 따라서, 상부 마스크와 하부 마스크는 서로 열적으로 이격되어 있으므로 상호간의 열전달률이 감소하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 스텐실 마스크는 전자빔 또는 이온빔을 사용한 노광시, 상부 마스크에서 전자빔 또는 이온빔을 거의 차단하므로 하부 마스크에는 상부 마스크를 통과한 전자빔 또는 이온빔만이 하부 마스크에 도달하게 된다. 또한, 하부 마스크와 상부 마스크는 서로 거울상(mirror image)를 갖도록 정의 되었으므로 상부 마스크의 어퍼쳐와 하부 마스크의 어퍼쳐만을 통과하는 전자빔 또는 이온빔만이 하부 마스크를 통과하게 된다. 따라서, 하부 마스크에 축적되는 에너지가 최소화된다. 이때, 상부 마스크의 어퍼쳐는 공정 마진을 위하여 하부 마스크의 어퍼쳐 보다 약간 크게 형성하는 것이 유리하다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도전체인 금속으로 이루어진 홀더(43) 위에 하부 마스크의 지지부(40)가 장착되어있다. 이때, 하부 마스크는 얇게 가공된 웨이퍼에 소정의 패턴(44)을 이루는 다수개의 어퍼쳐(aperture)가 형성되어 있으며, 그 가장자리에 지지부(40)가 형성되어 있다. 또한, 하부 마스크의 전 표면은 도전체인 백금 또는 티타늄 등으로 이루어진 금속막(42)으로 도금되어 있다. 하부 마스크의 저면부는 식각되어 창(window)을 이루고 있어 마스크의 패턴 형성부가 얇은 박막을 형성하도록 하여 전자빔 또는 이온빔의 마스크 통과가 용이하게 도와 준다.
하부 마스크의 지지부(40) 상부 표면의 가장자리에는 열전달률이 하부 마스크 재료보다 낮은 물질로 이루어진 제 1 단차부(step,41)가 형성되어 있다.
제 1 단차부(41) 상에는 유사한 패턴으로 이루어진 제 2 단차부(410)가 위치하며 제 2 단차부(410) 상부 표면에는 상부 마스크의 지지부(400)가 위치하므로, 결국 제 1 단차부(41)와 제 2 단차부(410)을 매개로 하여 하부 마스크 위에 상부 마스크가 위치하는 형태를 갖는다.
또한, 제 1 단차부(41)와 제 2 단차부(410)의 표면에도 금속막(42,420)이 위치하여 상부 마스크와 하부 마스크를 전기적으로 연결시킨다. 즉, 상부 마스크와 하부 마스크는 열적으로는 거의 절연 상태를 이루게 형성하고 전기적으로는 연결되게 형성하였다.
그러나, 상부 마스크와 하부 마스크를 전기적으로 연결시키기 위하여 하부 및 상부 금속막(42,420)을 제 1, 제 2 단차부(41,410)에도 형성하였으므로 열적 절연을 위해서는 바람직하지 않으므로, 단차부(41,410)에는 금속막을 형성하지 않고 상부 금속막(420)을 직접 접지시킬 수도 있다.
상부 마스크의 패턴(440)은 는 하부 마스크의 패턴(44)과 미러 이미지를 갖도록 정의 하였으나 공정 마진을 위하여 상부어퍼쳐의 크기가 하부 마스크의 어퍼쳐보다 크도록 형성되어 있다.
또한, 상부 마스크의 전 표면은 도전체인 백금 또는 티타늄 등으로 이루어진 금속막(420)으로 도금되어 있다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 하부 마스크의 지지부(40)와 홀더(43)는 Zn, Sn 등의 금속막으로 상호 부착되어 있다. 이때, 은접착제(silver glue)로 양 부위를 직접 접착시킬 수 있다.
이와 같이 이중 구조로 형성된 본 발명에 의한 스텐실 마스크는 상부 와 하부가 서로 열적으로 절연되어 있으므로, 전자빔 또는 이온 빔 조사시 발생하는 열을 실리콘 패턴과 지지부 그리고 금속막으로 통하여 각각 분산시켜 방열하므로 열적 스트레스를 최소화하고, 전자 또는 이온은 금속막과 홀더를 통하여 접지되어 방출된다.
즉, 상부 마스크가 일차적으로 조사되는 전자빔 또는 이온빔의(E3) 일부는 어퍼쳐를 통과하여 그 하부에 위치하는 레지스트(resist)가 도포된 기판을 노광시키며, 패턴(440,44)에 의하여 통과하지 못한 전자빔(E4) 또는 이온빔(E4)은 표면에 형성된 금속막(420,42)과 홀더(43)를 통하여 외부로 방출된다.
따라서, 하부에 위치한 레지스트(도시안함)에 선택적인 노광에 의한 레지스트의 패턴을 형성할 수 있다. 본 발명에 의한 마스크는 상부 마스크에서 불필요한 전자빔 또는 이온빔을 일차적으로 막아주므로 노광공정에 최소 한도로 필요한 전자빔 또는 이온 빔만을 레지스트에 이루게 하므로서 하부 마스크에 축적되는 에너지 양을 최소화하여 마스크 패턴의 신뢰성을 크게 향상시킨다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명에 따른 반도체장치의 리쏘그래피용 마스크 제조방법을 개략적으로 도시한 공정단면도이다.
도 4a를 참조하면, 양면이 연마된(polished) 반도체기판(30)인 실리콘 웨이퍼(30)의 앞면(front side)위에 트렌치 형성용 마스크 재료로 이용될 마스크층(31)을 형성한다. 이때, 소정 두께를 갖는 마스크층(31)은 산화막 또는 질화막을 화학기상증착법(chemical mechanical deposition, 이하, CVD라 칭한다)으로 증착하여 형성하거나, 웨이퍼(300)의 앞면에 레지스트(resist)를 도포하여 형성한다.
마스크층(31)을 산화막으로 형성한 경우, 마스크층(31) 위에 포토레지스트를 도포한 다음 스텐실 마스크의 어퍼쳐(aperture)를 형성하기 위한 노광 및 현상을 포토레지스트에 실시하여 제 1 포토레지스트패턴(32)을 형성한다.
이때, 웨이퍼상에는 다수개의 실리콘 칩 형태의 마스크패턴을 형성할 수 있으므로 웨이퍼의 다른 부위에 제 1 포토레지스트패턴(32)과 미러 이미지(mirror image)를 갖는 제 1 거울상 포토레지스트패턴(도시 안함)을 제 1 포토레지스트패턴(32)과 동시에 형성한다. 제 1 거울상 포토레지스트패턴은 제 1 포토레지스트패턴(32)의 한축(x축 또는 y축)과 대칭되는 형태를 갖게 된다.
여기서, 제 1 포토레지스트패턴(32)은 본 발명에서 제조하고자 하는 이중층 구조의 스텐실 마스크의 하부 스텐실 마스크를 제조하기 위한 패턴이고, 제 1 거울상 포토레지스트패턴은 하부 스텐실 마스크 위에 접착되는 상부 스텐실 마스크를 형성하기 위한 패턴이다.
따라서, 동일한 웨이퍼 또는 반도체기판 상에서 하부 스텐실 마스크와 상부 스텐실 마스크를 동시에 제조한다.
이후, 본 발명에 대한 설명은 하부 스텐실 마스크를 형성하기 위한 제조단계를 중심으로 설명하고, 상부 스텐실 마스크 제조공정은 이와 동일하게 이루어지는 것으로 간주하기로 한다.
즉, 이후 공정을 거쳐서 제조되는 하부 스텐실 마스크와 상부 스텐실 마스크와의 제조공정 차이점은 상부 스텐실 마스크의 어퍼쳐의 크기가 하부 스텐실 마스크의 어퍼쳐의 크기보다 약간 크다는 점을 제외하고는 동일하다.
도 4b를 참조하면, 제 1 포토레지스트패턴(32)으로 보호되지 않는 부위의 마스크층을 건식식각으로 제거하여 잔류한 마스크층으로 이루어진 제 1 식각마스크(310)를 형성한다. 제 1 포토레지스트패턴(32)과 제 1 식각마스크(310)를 제 1 트렌치 형성용 식각마스크로 이용하여 이로 부터 보호되지 않는 부위의 반도체기판을 소정 깊이로 제거하여 하부 스텐실 마스크의 어퍼쳐로 이용될 제 1 트렌치를 형성한다.
도 4c를 참조하면, 제 1 포토레지스트패턴을 제거한 다음, 하부 스텐실 마스크와 상부 스텐실 마스크의 부착 부위에 단차를 주기 위한 제 1 단차부를 돌출된 형태로 형성하기 위하여, 스텐실 마스크 형성 부위의 가장자리 부위에만 산화막으로 이루어진 제 1 식각마스크를 잔류시켜 제 1 단차부(311)를 형성한다. 이때, 제 1 단차부(311)는 제 1 식각마스크를 완전히 제거한 다음, 트렌치가 형성되고 노출된 반도체기판(300)의 전면에 다시 산화막 등의 절연막을 증착한 다음 이를 사진식각공정으로 스텐실 마스크 형성 부위의 가장자리에만 잔류시켜 형성할 수 도 있다.
이러한 제 1 단차부(311)를 형성하는 이유는, 이후 형성될 상부 스텐실 마스크와 하부 스텐실 마스크를 공간적으로 이격시키며 동시에 양 마스크간의 열전달률을 감소시키기 위하여이다. 따라서, 제 1 단차부(311)는 반도체기판인 웨이퍼(300)의 열전달률 보다 낮은 물질로 형성한다.
도 4d를 참조하면, 노출된 반도체기판(300)의 전 표면과 제 1 단차부(311)의 노출된 전 표면에 트렌치 형성용 제 2 식각마스크를 형성하기 위하여 제 1 단차부(311)와 상이한 식각률을 갖는 물질로 마스크층(33)을 형성한다. 이때, 질화막(33)으로 마스크층(33)을 CVD법으로 소정의 두께로 증착하여 형성한다.
제 1 단차부(311)와 제 1 트렌치가 앞면에 형성된 반도체기판(300)을 뒤집어서 기판(300)의 후면(back side)이 상부에 오도록 한다. 그리고 상부에 위치한 질화막(33)의 표면에 포토레지스트를 도포한 다음 스텐실 마스크의 어퍼쳐를 형성하기 위하여 도 4b 단계에서 형성된 트렌치와 대응하는 위치의 상부에 위치한 질화막을 노출시키는 제 2 포토레지스트패턴(34)을 노광 및 현상으로 형성한다.
그리고, 제 2 포토레지스트패턴(34)으로 보호되지 않는 부위의 질화막을 건식식각으로 제거하여, 잔류한 질화막(33)으로 이루어지고 제 1 트렌치와 대응하는 부위의 반도체기판(300) 표면을 노출시키는 제 2 트렌치형성용 제 2 식각마스크(33)를 형성한다.
도 4e를 참조하면, 제 2 포토레지스트패턴과 제 2 식각마스크를 이용하는 건식식각을 노출된 반도체기판 부위에 실시하여 제 2 트렌치를 형성한다. 이때, 제 2 트렌치는 제 1 트렌치의 내부에 위치하는 질화막(33)이 노출될 때까지 실시하여 제 1 트렌치와 제 2 트렌치가 질화막을 경계로 하여 서로 이웃하도록 한다.
이때, 제 2 트렌치를 형성하기 위한 식각은 KOH나 HF와 HNO3의 혼합용액을 사용하는 습식식각으로 수행한다. 습식식각은 다음과 같은 단계로 실시한다.
먼저, 하나의 웨이퍼에 최소한 하부 스텐실 마스크가 형성되는 제 1 칩과 하부 스텐실 마스크의 거울상 패턴을 갖는 상부 스텐실 마스크가 형성되는 제 2 칩이 존재하므로 이들 사이의 경계면을 표시하는 스크라이브 라인 등의 큰 패턴이 로딩효과(loading effect)에 의하여 일차 식각식각되도록 한다.
그리고, 제 2 트렌치와 제 1 트렌치가 만날 수 있도록 기판을 충분히 식각한다.
그다음, 기판의 후면부 쪽에서 현미경 검사를 실시하여 앞면의 제 1 트렌치 패턴이 나타나는 것을 확인하여 제 2 트렌치 형성이 완료되었음을 확인한다.
제 2 포토레지스트패턴을 제거한 다음, H3PO4 등을 이용하는 습식식각으로 잔류한 모든 질화막(33)을 제거한다. 따라서, 제 1 트렌치와 제 2 트렌치 사이에 위치하는 질화막도 동시에 제거되므로 제 1 트렌치와 제 2 트렌치는 서로 관통되어 어퍼쳐를 형성하게 된다. 이때, 어퍼쳐는 이후 완성될 스텐실 마스크의 전자빔 또는 이온빔이 통과하는 부위가 된다.
그리고, 노출된 반도체기판(301)과 제 1 단차부(311)의 노출된 표면에 도전막(35)을 형성한다. 이때, 도전막(35)은 Pt 또는 Pt-Pd 등의 금속을 스퍼터링 등의 방법으로 증착하여 형성하며, 전자빔 또는 이온빔 주입시 전자 등을 스텐실 마스크 외부로 방출시키는 이동통로 역할을 한다. 또한, Pt를 사용하여 도전막(35)을 형성할 경우, 실리콘과 백금의 접착력을 고려하여 기판(301) 및 제 1 단차부(311)의 전면에 Ti 등의 배리어 금속층을 형성한 다음 그 위에 Pt를 스퍼터링법으로 증착한다.
따라서, 이중층 구조의 스텐실 마스크의 하부 스텐실 마스크가 제조되었다. 물론, 이와 동시에, 도시되지는 않았지만, 하부 스텐실 마스크와 거울상을 갖는 상부 스텐실 마스크의 제조도 완료된다.
도면부호 'd1'은 이와 같이 형성된 어퍼쳐의 구경을 나타낸다. 따라서, 본 도면에서는 하부 스텐실 마스크를 제조하는 단계를 도시하고 있으므로, 도시되지 아니한 상부 스텐실 마스크의 어퍼쳐의 크기는 이보다 약간 크게 형성된다.
도 4f를 참조하면, 도전막이 형성된 하부 스텐실 마스크의 제 1 단차부(311)가 상부로 향하게 한다음, 그 위에 상부 스텐실 마스크의 제 2 단차부(m311)가 맞닿도록하여 상부 스텐실 마스크와 하부 스텐실 마스크를 부착시킨다. 이때, 부착은 Sn 또는 Zn 등의 박막을 제 1 단차부(311)와 제 2 단차부(m311)의 부착붕위에 증착한 다음 20-300℃의 온도에서 소정의 전압을 인가하여 부착시킨다. 또는, 부착 부위에 실버 페이스트(silver paste)를 이용하여 직접 양 부위를 접착시킬 수 있다.
이와 같이, 상부 스텐실 마스크는 패터닝된 반도체기판(m301)과 제 2 단차부(m311) 및 도전막(m35)으로 형성되며, 하부 스텐실 마스크와 거울상을 가지며 단지 어퍼쳐의 크기만이 상이할 뿐이다. 이때, 상부 스텐실 마스크의 어퍼쳐의 크기는 'd2'로 표시되어 있다. 이는 각각의 스텐실 마스크의 어퍼쳐의 정렬 마진(alignment margin)을 확보하기 위해서이다.
도시되지는 않았지만, 하부 스텐실 마스크의 후면부 가장자리에 도전성 물질로 홀더를 부착한다. 홀더를 금속 등의 도전체로 형성하는 이유는, 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 전자빔에 의해 스텐실 마스크에 축적되는 전자를 스텐실 마스크 외부로 접지시키기 위한 통로로 이용하기 위해서다. 이때, 홀더의 표면에 백금 등을 증착하여 도전막을 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 리쏘그래피용 마스크 및 그 제조방법은 하부 스텐실 마스크의 거울상 패턴을 갖는 상부 스텐실 마스크에서 전자빔 또는 이온빔을 대부분 차단하고 하부 스텐실 마스크에서는 상부 패턴과 하부패턴의 어퍼쳐가 중첩되는 부위로만 빔들을 통과시켜 하부 스텐실 마스크에 축적되는 에너지를 최소화 한다. 따라서, 상부 스텐실 마스크와 하부 스텐실 마스크에서 발생하는 열은 기판을 이루는 실리콘과 도금막을 이루는 백금을 통하여 외부로 방열되고, 전자 또는 이온은 도금막 등을 통하여 접지되어 스텐실 마스크 외부로 접지된다.
결국, 스텐실 마스크가 받는 열을 일차로 상부 스텐실 마스크에서 차단하므로서 마스크에 형서오딘 패턴이 받는 왜곡성분(distortion)을 최소화하여 전체적인 마스크패턴의 안정적인 전자빔 또는 이온빔의 유지가 가은하다. 따라서, 이러한 스텐실 마스크를 통해 노광되는 레지스트의 위치 및 크기를 안정적으로 확보하게 되는 장점이 있다.
Claims (15)
- 표면에 제 1 도전막이 형성되고 빔 투과부를 갖는 제 1 어퍼쳐 패턴이 형성된 제 1 스텐실 마스크와,상기 제 1 스텐실 마스크의 상부 표면 가장자리에 위치하는 제 1 돌출부와,표면에 제 2 도전막이 형성되고, 상기 제 1 어퍼쳐 패턴의 빔 투과부보다 적어도 큰 빔 투과부를 갖는 제 2 어퍼쳐 패턴이 형성되고, 상기 제 1 돌출부위에 부착된 제 2 마스크로 이루어진 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 2 어퍼쳐 패턴은 상기 제 1 어퍼쳐 패턴이 전사된 모양을 갖는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 스텐실 마스크와 상기 제 2 스텐실 마스크는 반도체 웨이퍼로 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 돌출부는 상기 제 1 내지 제 2 스텐실 마스크보다 열전달률이 낮은 물질로 이루어진 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 4에 있어서, 상기 제 1 돌출부의 표면에 제 3 도전막이 형성된 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 제 1 내지 제 3 도전막은 Pt 또는 Pt-Pd로 이루어진 것이특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 돌출부는 상기 제 1 스텐실 마스크의 상부에 형성된 제 2 돌출부와 상기 제 2 스텐실 마스크의 하부에 위치하는 제 3 돌출부로 이루어진 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제 1 스텐실 마스크 하부 가장자리 표면에 부착되고 상기 제 1 내지 제 2 스텐실 마스크를 지지하는 도전성 홀더를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크.
- 제 1 칩영역과 제 2 칩영역을 갖는 웨이퍼의 앞면의 소정 부위를 패터닝하여 상기 제 1 칩영역의 상기 웨이퍼의 소정 부위에 제 1 패턴을 갖는 제 1 트렌치를 소정의 깊이로 형성하고, 상기 제 2 칩영역의 상기 웨이퍼의 소정 부위에 상기 제 1 패턴의 거울상 패턴을 갖는 제 2 트렌치를 소정의 깊이로 형성하는 단계와,상기 웨이퍼상에 상기 제 1 칩영역의 가장자리에 제 1 돌출부를 형성하고, 상기 제 2 칩 영역의 가장자리에 제 2 돌출부를 형성하는 단계와,상기 웨이퍼의 뒷면의 소정 부위를 제거하여 상기 제 1 트렌치와 상기 제 2 트렌치가 상기 웨이퍼를 관통하도록 하는 제 1 어퍼쳐와 제 2 어퍼쳐를 각각 형성하는 단계와,상기 웨이퍼로부터 상기 제 1 칩영역과 상기 제 2 칩영역을 분리하여 제 1 칩과 제 2 칩을 형성하는 단계와,상기 제 1 칩과 상기 제 2 칩의 표면에 제 1 도전막과 제 2 도전막을 각각 형성하는 단계와,상기 제 1 어퍼쳐와 상기 제 2 어퍼쳐를 정렬시켜 상기 제 1 돌출부의 상부에 상기 제 2 돌출부를 부착시켜 상기 제 1 칩 위에 상기 제 2 칩을 위치시키는 단계로 이루어진 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 리쏘그래피용 마스크 제조방법은 상기 제 1 도전막이 형성된 상기 제 1 칩의 하부 가장자리에 도전성을 갖는 홀더를 부착시키는 단계를 더 포함하여 이루어진 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 돌출부와 상기 제 2 돌출부는 상기 웨이퍼 보다 열전달률이 낮은 물질로 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 제 1 돌출부와 상기 제 2 돌출부는 상기 제 1 트렌치와 상기 제 2 트렌치를 형성하기 위한 식각마스크의 일부를 잔류시켜 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 상기 제 1 내지 제 2 돌출부는 산화막으로 형성하며 상기 제 1 내지 제 2 도전막은 Pt 또는 Pt-Pd로 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 제 2 트렌치의 선폭은 상기 제 2 트렌치의 선폭보다 크게 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 거울상 패턴은 노광시 상기 제 2 칩을 통과는 빔이 상기 제 1 칩을 통과할 수 있도록 상기 제 2 칩에 형성된 패턴이 상기 제 1 칩에 형성된 패턴과 서로 전사될 수 있도록 형성하는 것이 특징인 리쏘그래피용 마스크 제조방법.
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