KR100386231B1 - 반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크 - Google Patents

반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크 Download PDF

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Abstract

기판(1)의 표면에 차광막(2)이 형성되어 있으며, 이 차광막(2)에는 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)이 실질적으로 동일한 선폭으로 상호 간격을 두고 나란히 연장하고 또한 다른 광투과용 개구 패턴(2a)으로부터 고립하도록 형성되어 있다. 이 포토마스크(5)를 이용하여 포토레지스트를 노광할 때의 노광량(충분히 큰 개구 패턴으로의 노광 에너지)은 노광에 의해 포토레지스트가 현상액에 대해 용해성으로부터 불용해성이 되는 경계의 노광량 또는 불용해성으로부터 용해성이 되는 경계의 노광량의 4배이상 20배이하이다. 이에 따라 보조 패턴법이나 위상 시프트마스크등을 이용하지 않아도 미세 패턴의 형성이 가능하며, 마스크의 결함 검사를 용이하게 할 수 있다.

Description

반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계 방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크{METHOD FOR FORMATION OF SEMICONDUCTOR DEVICE PATTERN, METHOD FOR DESIGNING PHOTO MASK PATTERN, PHOTO MASK AND PROCESS FOR PHOTO MASK}
본 발명은 반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계 방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크에 관한 것으로, 특히 반도체 장치에 있어서 미세 패턴을 형성하는 포토리소그래피 기술에 있어서의 반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계 방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크에 관한 것이다.
최근, 반도체 집적 회로에서의 고집적화 및 미세화에는 놀라운 것이 있다. 그에 따라, 반도체 기판(이하, 단순히 웨이퍼라고 칭함) 상에 형성되는 회로 패턴의 미세화도 급속히 진행했다.
그 중에서도 포토리소그래피 기술이 패턴 형성에서의 기본 기술로서 널리 인식되는 점이다. 따라서, 오늘까지 여러 개발, 개량이 이루어져 왔다. 그러나, 패턴의 미세화는 멈추지 않고, 패턴의 해상도 향상의 요구도 더욱 강해졌다.
이 포토리소그래피 기술이란, 웨이퍼 상에 도포된 포토레지스트에 포토마스크(원화) 위의 패턴을 전사하며, 그 전사된 포토레지스트를 이용하여 하층의 피에칭막을 패터닝하는 기술이다.
이 포토레지스트의 전사 시에는 포토레지스트에 현상 처리가 실시되지만, 이 현상 처리에 따라 빛이 닿은 부분의 포토레지스트가 제거되는 타입을 포지티브형, 빛이 닿지 않은 부분의 포토레지스트가 제거되는 타입을 네가티브형의 포토레지스트라고 한다.
일반적으로, 축소 노광 방법을 이용한 포토리소그래피 기술에 있어서의 해상 한계 R(㎚)은,
R=k1·λ/(NA)
로 나타내어진다. 여기서, λ을 사용하는 빛의 파장(㎚), NA는 렌즈의 투영 광학계의 개구 수, k1은 레지스트 프로세스에 의존하는 상수이다.
상기 식으로부터 알 수 있듯이 해상 한계 R의 향상을 꾀하기 위해서는 즉 미세 패턴을 얻기 위해서는 k1과 λ와의 값을 작게 하고, NA의 값을 크게 하는 방법을 생각할 수 있다. 즉, 레지스트 프로세스에 의존하는 상수를 작게 함과 함께, 단파장화나 고 NA 화를 진행시키면 된다.
그러나, 광원이나 렌즈의 개량은 기술적으로 어렵고, 또한 단파장화 및 고 NA 화를 진행시킴으로써, 빛의 초점 심도δ(δ=k2·λ/(NA)2)가 얕아져, 오히려 해상도의 저하를 초래한다고 하는 문제도 나온다.
이러한 상황 하에서 반도체 집적 회로의 제조에서는 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 형성하는 것이 필요하다. 밀집 패턴의 형성에 대해서는 변형 조명법이 유효하며, 널리 실용화되고 있다. 한편, 고립선 패턴을 큰 프로세스 여유도로 형성하는 방법으로는 리벤슨(Levenson)형 위상 시프트 마스크를 이용하는 방법이있다.
그러나, 리벤슨형 위상 시프트 마스크의 경우, 노광광의 위상을 180° 변환하기 위한 위상 시프터를 제작할 필요가 있기 때문에, 마스크의 제작이 곤란하다고 하는 문제점이 있다. 또한, 리벤슨형 위상 시프트 마스크는, 위상이 다른 투과광을 적극적으로 간섭시킴에 따라 해상도의 향상을 도모하기 때문에, 투영 노광 장치의 렌즈 수차의 영향을 받기 쉽고, 무수차로서는 얻을 수 있는 우수한 특성을 얻을 수 없다는 등의 문제도 있다. 이 때문에, 리벤슨형 위상 시프트 마스크를 이용한 방법은 실용화가 진행되지 않은 상황에 있다.
또한, 마스크상에 해상하지 않은 선폭의 선을 본래의 선 패턴에 따라 배치함에 따른 프로세스 여유도의 개선 방법(소위 보조 패턴법)을 생각할 수 있다. 그러나, 이 방법으로는 마스크 패턴 치수가 매우 작아지기 때문에, 마스크의 결함 검사가 곤란하다는 등의 문제가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크의 구성을 개략적으로 나타내는 평면도.
도 2는 도 1의 II-II 선을 따르는 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크를 이용한 반도체 장치의 패턴의 형성 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4a와 도 4b는 포토마스크의 패턴과 상대 광학상 강도 분포와의 관계를 나타내는 도면.
도 5a와 도 5b는 노광 에너지가 작은 경우의 노광 에너지 분포와 레지스트 패턴과의 관계를 나타내는 도면.
도 6a와 도 6b는 노광 에너지가 큰 경우의 노광 에너지 분포와 레지스트 패턴과의 관계를 나타내는 도면.
도 7은 통상 조명을 설명하기 위한 도면.
도 8은 변형 조명을 설명하기 위한 도면.
도 9는 고리형 조명 조리개의 구성을 나타내는 평면도.
도 10은 4 중극 조명 조리개의 구성을 나타내는 평면도.
도 11은 2 중극 조명 조리개의 구성을 나타내는 평면도.
도 12a는 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크를 하프톤형 위상 시프트 마스크로 한 경우의 구성을 나타내는 도면이며, 도 12b는 투과광의 강도 분포(b)를 나타내는 도면.
도 13은 변형 조명에서의 각 부의 정의를 설명하기 위한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크를 과노광한 경우의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 15는 도 14의 태선사각으로 둘러싼 부분의 확대도.
도 16은 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크를 과노광한 경우의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 17은 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크를 과노광한 경우에 포커스 오프셋과 노광량을 바꾸었을 때의 레지스트 패턴의 상면을 촬영한 SEM 사진.
도 18은 레지스트의 선폭과 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 19는 0.18㎛L/S 에서의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 20은 0.18㎛ 폭의 고립암선에 있어서의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 21은 0.18㎛ 폭의 고립명선에 있어서의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 22는 0.18㎛L/S 에서의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 23은 0.18㎛ 폭의 고립암선에 있어서의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 24는 0.18㎛ 폭의 고립명선에 있어서의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 25는 본 발명의 실시예1에 있어서의 포토마스크의 치수 W2를 바꾸었을 때의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 26은 본 발명의 실시예1에 있어서의 포토마스크의 치수 W3을 바꾸었을 때의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 27은 본 발명의 실시예1에서의 포토마스크의 치수 W1을 바꾸었을 때의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 28은 본 발명의 실시예2에서의 포토마스크를 통상 조명을 이용하여 노광한 경우의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 29는 본 발명의 실시예2에서의 포토마스크를 통상 조명을 이용하여 노광했을 때의 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 30은 본 발명의 실시예3에서의 하프톤형 위상 시프트 마스크를 이용하여 노광을 행했을 때의 상대 광학상 강도 분포를 나타내는 도면.
도 31은 2치 마스크와 하프톤형 위상 시프트 마스크에 있어서, 상 폭과 상대적 노광량과의 관계를 나타내는 도면.
도 32는 2치 마스크와 하프톤형 위상 시프트 마스크에 있어서, 상 폭과 마스크의 선폭과의 관계를 나타내는 도면.
도 33은 본 발명의 실시예3에서의 포토마스크를 이용하여 노광했을 때의 암선상의 선폭과 마스크의 선폭과의 관계를 나타내는 도면.
도 34는 렌즈 수차가 없는 경우의 본 발명의 실시예3에서의 포토마스크를 이용하여 노광했을 때의 상의 선폭과 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 35는 렌즈 수차가 없는 경우의 리벤슨(Levenson) 형 위상 시프트 마스크를 이용하여 노광했을 때의 상의 선폭과 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 36은 렌즈 수차가 있는 경우의 본 발명의 실시예3에서의 포토 마스크를 이용하여 노광했을 때의 상의 선폭과 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 37은 렌즈 수차가 있는 경우의 리벤슨형 위상 시프트 마스크를 이용하여 노광했을 때의 상의 선폭과 포커스 오프셋과의 관계를 나타내는 도면.
도 38a는은 SRAM의 게이트 패턴을 나타내는 평면도.
도 38b는 제1 포토마스크의 평면도.
도 38c는 제2 포토마스크의 평면도.
도 39는 도 38a의 XXXIX-XXXIX 선을 따르는 개략 단면도.
도 40은 도 38b의 XL-XL 선을 따르는 개략 단면도.
도 41은 도 38c의 XLI-XLI 선을 따르는 개략 단면도.
도 42∼도 46은 본 발명의 실시예4에서의 포토마스크를 이용한 패턴의 형성 방법을 공정순으로 나타내는 개략 단면도.
도 47, 도 48은 하드 마스크를 이용한 패턴의 형성 방법을 공정순으로 나타내는 개략 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 기판
2 : 차광막
2a : 광투과용 개구부
2b : 충분히 큰 개구 패턴
5, 55 : 포토마스크
14 : 조리개
14a : 투과부
21 : 웨이퍼
21a, 101 : 반도체 기판
21b, 111, 112 : 포토레지스트
51 : 투명 기판
52 : 차광막
102 : 절연층
103, 122 : 도전층
103a : 개구 패턴
111a : 미세 개구 패턴
121 : 하드 마스크 패턴
그렇기 때문에 본 발명의 목적은 보조 패턴법이나 위상 시프트 마스크등을 이용하지 않아도 미세 패턴의 형성이 가능하고, 또한 마스크의 결함 검사가 용이한 반도체 장치의 패턴 형성 방법, 포토마스크의 패턴 설계 방법, 포토마스크의 제조 방법 및 포토마스크를 제공하는 것이다.
본 발명의 반도체 장치의 패턴 형성 방법은 실질적으로 동일한 선폭으로 상호 간격을 두어 나란히 연장하고, 또한 다른 광투과용 개구 패턴으로부터 고립한 2개조의 광투과용 개구 패턴을 갖는 제1 포토마스크를 통해 투영 노광법에 따라 웨이퍼 표면의 제1 포토레지스트를 노광하는 제1 노광 공정을 포함하고, 제1 포토레지스트를 노광할 때의, 충분히 큰 마스크 개구를 갖는 패턴에 주어지는 에너지로 정의되는 노광량은 노광에 의해 제1 포토레지스트가 현상액에 대해 용해성으로부터 불용해성이 되는 경계의 노광량 또는 불용해성으로부터 용해성이 되는 경계의 노광량의 4배이상 20배이하이다.
본 발명의 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 따르면, 2개조의 광투과용 개구 패턴을 갖는 제1 포토마스크를 통해 통상의 노광보다도 노광량을 크게 한, 소위 과노광에 의해 제1 포토레지스트가 노광된다. 이에 따라, 포커스가 어느 정도 변화해도 패턴 치수의 변동이 작은 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 일정한 결상 성능을 유지할 수 있는 초점 범위인 초점 심도(DOF : depth of focus)를 크게 할 수 있다. 따라서, 보조 패턴법이나 위상 시프트 마스크를 이용하지 않고 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에서 바람직하게는 제1 노광 공정후 로서 현상 공정전에 2개조의 광투과용 개구 패턴 이외의 그 밖의 영역에 대응하는 제1 포토레지스트의 영역을 노광하는 제2 노광 공정이 더욱 포함되어 있다.
이와 같이 이중 노광을 행함에 따라 복잡한 패턴에 대응할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는, 제1 노광은 변형 조명에 의해 행해진다.
이에 따라, 더욱 해상도와 초점 심도를 향상시킬 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 변형 조명은 조명 광학계에고리형 조명 조리개를 이용하여 행해지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 해상도와 초점 심도를 향상시킬 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 변형 조명은 조명 광학계에 4 중극 조명 조리개를 이용하여 행해진다.
이에 따라, 해상도와 초점 심도를 향상시킬 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 제1 포토마스크는 2개조의 광투과용 개구 패턴을 갖는 반투과 차광막을 구비한 하프톤형의 위상 시프트 마스크이다. 반투과 차광막은 반투과 차광막을 투과한 후의 노광광의 위상이 2개조의 광투과용 개구 패턴을 투과한 후의 노광광의 위상과 180도 다른 위상이 되거나 반투과 차광막을 투과한 후의 노광광의 강도가 2개조의 광투과용 개구 패턴을 투과한 후의 노광광의 강도보다도 작아지는 재질로 이루어져 있다.
이와 같이 하프톤형 위상 시프트 마스크를 이용함으로써, 더욱 가공 한계를 높일 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 반투과 차광막의 노광광의 투과율이 2% 이상 10% 이하이다.
이에 따라, 위상 시프트 마스크의 효과를 효과적으로 발휘할 수 있다.
또한, 반투과 차광막의 노광광의 투과광이 2% 미만에서는 반투과 차광막을 투과한 노광광의 강도가 너무 작아져, 하프톤형 위상 시프트 마스크의 효과를 유효하게 얻을 수 없다. 또한, 반투과 차광막의 노광광의 투과율이 10%를 넘으면, 반투과 차광막을 투과한 노광광에 의해 현상 후의 포토레지스트의 막 두께가 0이 되던지, 혹은 막이 감소하던지 해서 포토레지스트를 에칭 마스크에 이용할 수 없게 된다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법으로 바람직하게는 고리형 조명 조리개를 이용한 노광에 있어서 조명 광학계에 의해 형성되는 조명광의 제1 포토마스크에의 최대 입사각의 정현 a와 투영 광학계에 따른 웨이퍼 상으로의 결상에서의 최대 입사광선 각도의 정현 R의 비(a/R)에 투사 광학계의 축소 배율 r을 곱한 것(r×a/R)이 0.6 이상 0.9 이하이다.
이에 따라, 양호한 해상성을 얻을 수 있다. 상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 고리형 조명 조리개를 이용한 노광에 있어서 조명 광학계에 의해 형성되는 조명광의 제1 포토마스크에의 최소 입사각의 정현 b가 최대 입사각의 정현 a의 1/2 이상이다.
이에 따라, 양호한 해상성을 얻을 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 4 중극 조명 조리개를 이용한 노광에 있어서, 조명 광학계에 의해 형성되는 조명광의 제1 포토마스크에의 최대 입사각의 정현 a와 투영 광학계에 의한 웨이퍼상에의 결상에서의 최대 입사광선 각도의 정현 R과의 비(a/R)에 투사 광학계의 축소 배율 r을 곱한 것(r×a/R)이 0.6 이상 0.9 이하이다.
이에 따라, 양호한 해상성을 얻을 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 4 중극 조명 조리개를 이용한 노광에 있어서, 조명 광학계에 의해 형성되는 조명광의 제1 포토마스크에의 최소 입사각의 정현 b와 투영 광학계에 의한 웨이퍼상에의 결상에서의 최대 입사광선 각도의 정현 R과의 비(b/R)에 투사 광학계의 축소 배율 r을 곱한 것(r×b/R)이 0.3 이상이다.
이에 따라, 양호한 해상성을 얻을 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 2개조의 광투과용 개구 패턴의 각각의 선폭 W1은 노광광의 파장을 λ로 하고, 투영 광학계의 개구 수를 NA로 했을 때, 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 관계를 충족시킨다.
이러한 선폭의 광투과용 개구 패턴에서는 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 2개조의 광투과용 개구 패턴의 간격 W2는 노광광의 파장을 λ로 하고, 투영 광학계의 개구 수를 NA로 했을 때, 0.35<W2/(λ/NA)가 관계를 충족시킨다.
이러한 간격의 광투과용 개구 패턴에서는 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 2개조의 광투과용 개구 패턴과 다른 광투과용 개구 패턴과의 간격 W3은 0.70<W3/(λ/NA)의 관계를 충족시킨다.
이와 같이 다른 광투과용 개구 패턴과의 간격 W3을 유지시킴에 따라 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에서 바람직하게는 2개조의 광투과용개구 패턴의 각각의 길이 L은 1.3<L/(λ/NA)의 관계를 충족시킨다.
이러한 길이 L의 광투과용 개구 패턴에서는 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 노광된 제1 포토레지스트를 현상함으로써 패터닝하는 공정과, 패터닝되면 제1 포토레지스트를 마스크로 하여 제1 포토레지스트하의 제1 피가공막을 가공하는 공정과, 제1 포토레지스트를 제거한 후에 제2 포토레지스트를 도포하는 공정과, 2개조의 광투과용 개구 패턴에 끼워지는 영역 외의 그 밖의 영역에 대응하는 제2 포토레지스트의 영역을 노광하는 제2 노광 공정과, 노광된 제2 포토레지스트를 현상함으로써 패터닝하는 공정과, 패터닝된 제2 포토레지스트를 마스크로 하여 제2 포토레지스트하의 제1 피가공막을 가공하는 공정이 포함되어 있다.
이에 따라, 복잡한 미세 패턴을 피가공막에 정밀도 좋게 전사할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는 제1 및 제2 포토레지스트를 포토마스크로서 가공된 제1 피가공막을 마스크로 하여 제1 피가공막하의 제2 피가공막을 패터닝하는 공정이 더욱 포함되어 있다.
이에 따라, 피가공막을 하드 마스크로 하여, 그 하층을 패터닝할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에서 바람직하게는 제1 피가공막의 재질은 실리콘 산화막을 포함하고 제2 피가공막의 재질은 다결정 실리콘을 포함한다.
이와 같이 제1 및 제2 피가공막의 재질을 선택할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법으로 제1 포토레지스트를 현상하기 전에 제1 노광이 복수회 행해지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 복잡한 패턴에도 대응할 수 있다.
상기된 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 있어서 바람직하게는, 제2 포토레지스 테스트를 현상하기 전에 제2 노광이 복수회 행해진다.
이에 따라, 복잡한 패턴에도 대응할 수 있다.
본 발명의 포토마스크의 패턴 설계 방법은 이하의 공정을 포함하고 있다.
우선 설계 패턴 레이아웃으로부터 미세선 패턴 도형 부분이 추출된다. 그리고 미세선 패턴 도형 부분의 마스크암선 선폭 W2가 노광광의 파장을 λ로 하고, 투영 광학계의 개구 수를 NA로 했을 때, 0.35<W2/(λ/NA)의 관계를 충족시키도록 조정된다. 그리고, 선폭 W2의 마스크 암선을 삽입하도록 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 관계를 충족시키는 선폭 W1을 갖는 2개조의 광투과용 개구 패턴이 배치된다.
이에 따라, 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있는 포토마스크의 패턴을 설계하는 것이 가능해진다.
본 발명의 포토마스크의 제조 방법에 따르면, 상기된 포토마스크의 패턴 설계 방법에 따라 산출된 선폭 W1 및 W2에 기초하여 2개조의 광투과용 개구 패턴을 적어도 전 패턴의 일부로서 갖는 포토마스크가 제조된다.
이에 따라, 상기 마스크 패턴을 갖는 포토마스크를 제조할 수 있다.
본 발명의 포토마스크는 기판과, 차광막을 구비하고 있다. 기판은 주 표면을 갖고 있다. 차광막은 기판의 주 표면 상에 형성되며, 또한 실질적으로 동일한 선폭으로 상호 간격을 두고 나란히 연장하고, 또한 다른 광투과용 개구 패턴으로부터 고립한 2개조의 광투과용 개구 패턴을 갖는다. 2개조의 광투과용 개구 패턴의 선폭을 W1, 2개조의 광투과용 개구 패턴의 간격을 W2, 2개조의 광투과용 개구 패턴과 다른 광투과용 개구 패턴과의 최소 간격을 W3으로 했을 때, W1, W2, W3 각각은 0.54<W2/W1및 1.08<W3/W1의 관계를 충족시킨다.
이에 따라, 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있는 포토마스크를 얻을 수 있다.
<발명의 실시예>
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
(실시예1)
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시예의 포토마스크(5)는 예를 들면 석영등으로 이루어지는 투명 기판(1)과, 예를 들면 크롬등으로 이루어지는 차광막(2)을 갖고 있다. 차광막(2)은 도면 중 중앙부에 실질적으로 동일한 선폭 W1로 상호 간격 W2를 갖고 나란히 연장하도록 형성된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 포함하고 있다.
또한 차광막(2)은 이 패턴뿐만 아니라 도면 중 좌측에 도시된 실질적으로 동일한 선폭 W1a에서 상호 간격 W2a를 갖고, 나란하게 연장하도록 형성된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)이나, 도면 중 우측에 도시된 실질적으로 동일한 선폭 W1b에서 상호 간격 W2b를 갖고 나란히 연장하도록 형성된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a) 등을 포함해도 좋다.
이 각 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)은 다른 광투과용 개구 패턴(2a)사이에 넓은 간격 W3을 갖고 있으며, 고립하고 있다.
광투과용 개구 패턴(2a)의 선폭 W1(또는 W1a, W1b)과, 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W2 (또는 W2a, W2b)와, 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)과 다른 광투과용 개구 패턴(2a)과의 간격 W3의 각각은 0.54<W2/W1 및 1.08<W3/W1의 관계를 충족시키고 있다.
또한 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a) 각각의 선폭 W1(또는 W1a, Wlb)은 노광 시의 노광광의 파장을 λ로 하고, 투영 광학계의 개구 수를 NA로 했을 때, 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 관계를 충족시킨다. 또한 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W2(또는 W2a, W2b)는 0.35<W2/(λ/NA)의 관계를 충족시키고, 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)과 다른 광투과용 개구 패턴(2a)과의 간격 W3은 0.70<W3/(λ/NA)의 관계를 충족시킨다.
또한, 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a) 각각의 길이 L은 1.3<L/(λ/NA)의 관계를 충족시킨다.
또, 도면 중 좌우의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 선폭 W1a와 W1b는 중앙의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 선폭 W1과 동일 치수라도 좋고, 또한 다른 치수라도 좋다. 단, 이들 선폭 W1a와 W1b의 쌍방 모두 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 관계를 충족시킬 필요가 있다. 또한, 선폭 W1a와 W1b 끼리 상기 관계를 충족시키는한 동일 치수라도 좋으며, 또한 다른 치수라도 좋다.
또한, 도면 중 좌우의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W2a와 W2b는 중앙의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W2와 동일 치수라도 좋고, 또한 다른 치수라도 좋다. 단, 이들 간격 W2a와 W2b의 쌍방 모두 0.35<W2/(λ/NA)의 관계를 충족시킬 필요가 있다. 또한, 간격 W1a와 W1b 끼리 상기 관계를 충족시키는한 동일 치수라도 좋고, 또한 다른 치수라도 좋다.
또한, 도면 중 중앙 및 좌측의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W3과, 도면 중 중앙 및 우측의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W3에 대해서도 0.70<W3/(λ/NA)의 관계를 충족시키는 것이면, 상호 동일 치수라도 좋고, 또한 다른 치수라도 좋다.
또한, 도면 중 중앙부, 좌측부 및 우측부의 각 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 길이 L은 상호 동일 치수라도 좋고, 또한 다른 치수라도 좋다. 단, 이들 길이 L은 모두 1.3<L/(λ/NA)의 관계를 충족시킬 필요가 있다.
이어서, 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크를 이용한 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 대해 설명한다.
도 3을 참조하여, 이 투영 노광 장치는 포토마스크 상의 패턴을 축소하고 웨이퍼(21) 표면의 포토레지스트(21b)에 투사하는 것이다. 또한 투영 노광 장치는 광원(11)으로부터 포토마스크(5)의 패턴까지의 조명 광학계와, 포토마스크(5)의 패턴으로부터 웨이퍼(21)까지의 투영 광학계를 갖고 있다.
조명 광학계는 광원인 수은 램프(11)와, 반사경(12)과, 집광 렌즈(18)와 플라이 아이 렌즈(13)와, 조리개(14)와, 집광 렌즈(16a, 16b, 16c)와, 블라인드 조리개(15)와, 반사경(17)을 포함하고 있다. 또한 투영 광학계는 망원 랜즈(19a, 19b)와, 아이리스(25)를 포함하고 있다.
그 노광 동작에서는 우선 수은 램프(11)로부터 발생한 빛(11a)은 반사경(12)에 의해 예를 들면 g선(파장: 436㎚)만이 반사되어, 단 파장의 빛이 된다. 이어서, 빛(11a)은 집광 렌즈(18)를 통과하여 플라이 아이 렌즈(13)의 각 플라이 아이 구성 렌즈(13a) 각각에 입사하여, 그 후에 조리개(14)를 통과한다.
여기서, 빛(11b)은 1개의 플라이 아이 구성 렌즈(13a)에 의해 만들어진 광로를 나타내고, 빛(11c)은 플라이 아이 렌즈(13)에 의해 만들어진 광로를 나타낸다.
조리개(14)를 통과한 빛(11a)은 집광 렌즈(16a), 블라인드 조리개(15) 및 집광 렌즈(16b)를 통과하여, 반사경(17)에 의해 소정 각도로 반사된다.
반사경(17)에 의해 반사된 빛(11a)은 집광 렌즈(16c)를 투과한 후, 소정의 패턴이 형성된 포토마스크(5)의 전면을 균일하게 조사한다. 이 후, 빛(11a)은 투영 렌즈(19a, 19b)에 의해 소정의 배율로 축소되어, 반도체 기판(21a) 상의 포토레지스트(21b)를 노광한다.
본 실시예에서는 상기된 노광은 과노광에 의해 행해진다. 즉, 포토레지스트(21b)를 노광할 때의 노광량은 노광에 의해 포토레지스트(21b)가 현상액에 대해 용해성으로부터 불용해성이 되는 경계의 노광량 또는 불용해성으로부터 용해성이 되는 경계의 노광량의 4배이상 20배 이하가 된다. 또, 통상의 노광에서는 노광량은 경계의 노광량의 2.5배이상 3.5배이하 정도이다.
이와 같이 함으로써 노광된 포토레지스트(21b)는 현상에 의해 패터닝된다. 이 현상에서는 포토레지스트(21b)가 포지티브형인 경우에는 소정의 값이상의 노광 에너지가 입력된 부분의 포토레지스트만이 제거되며, 네가티브형인 경우에는 소정의 값 이하의 노광 에너지가 입력된 부분만이 제거된다. 이와 같이 함으로써 포토레지스트(21b)의 패턴이 형성된다.
이 후, 포토레지스트(21b)의 패턴을 마스크로 하여 그 하층의 피가공막을 에칭 등의 가공을 함으로써 피가공막이 패터닝된다.
이어서, 상기에서 규정한 노광광의 강도에 대해 상세히 설명한다.
예를 들면 도 4a에 도시된 포토마스크(5)를 투과한 노광광의 상대광 강도 분포는 도 4b에 도시된 바와 같다. 즉, 충분히 큰 개구 패턴(2b)을 투과한 노광광의 빛 강도가 가장 높아지고, 2개조의 개구부(2a)를 투과한 노광광의 빛 강도는 그것보다도 작아진다.
여기서, 도 5a에 도시된 바와 같이 충분히 큰 개구 패턴(2b)에 대해 포토레지스트에 입력되는 노광 에너지가 상기된 경계의 노광 에너지(여기서는 1.0으로 함)가 되는 경우, 도 5b에 도시된 바와 같이 개구 패턴(2b)에 대응하는 부분의 포토레지스트(21b)만이 제거되고, 2개조의 개구 패턴(2a)에 대응하는 패턴은 얻을 수 없다.
그래서, 도 6a에 도시된 바와 같이 충분히 큰 개구 패턴에 대해 포토레지스트에 입력되는 노광 에너지를 도 5에서의 충분히 큰 개구 패턴에 대해 포토레지스트에 입력되는 노광 에너지의 예를 들면 5배로 함으로써, 2개조의 개구 패턴(2a)의 투과광에 의해 포토레지스트에 입력되는 노광 에너지를 경계의 노광 에너지(여기서는 1.0)보다도 크게 할 수 있다. 이에 따라, 도 6b에 도시된 바와 같이 2개조의 개구 패턴(2a)에 대응한 패턴을 포토레지스트(21b)에 형성할 수 있다.
즉, 상기된 노광 에너지는 포토마스크(5)가 충분히 큰 개구부(2b)를 투과한 노광광에 의해 웨이퍼 상의 대응하는 패턴에 주어지는 노광 에너지가 포토레지스트(21b)가 현상액에 대해 용해성으로부터 불용해성이 되는 경계 혹은 불용해성으로부터 용해성이 되는 경계의 노광 에너지의 4배 이상 20배 이하가 되는 것을 뜻하고 있다.
이 패턴 형성 방법에 있어서 노광은 통상 조명에 의해 행해져도 좋지만, 변형 조명에 의해 행해지는 것이 바람직하다. 통상 조명의 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 포토마스크(5)에 대해 노광광이 수직으로 조사되며, 0차광 및 ±1차광의 3 광속에 의해 웨이퍼(21)가 노광된다. 그러나, 포토마스크(5)의 패턴이 미세해지면 회절 각도가 커지기 때문에, 수직 조명으로는 ±1차광이 렌즈 속에 들어가지 않게 되며, 해상하지 않게 될 우려가 있다.
그래서, 도 8에 도시된 바와 같이 변형 조명에 의해 조명광속이 포토마스크(5)에 대해 비스듬히 입사된다. 이에 따라, 포토마스크(5)에 의해 회절한 0차광과 +1차 혹은 -1차광의 2 광속만으로 노광할 수 있어, 해상성을 얻을 수 있다.
이 변형 조명에 이용되는 조리개(14)로서 도 9에 도시된 바와 같이 고리형의 투과부(14a)를 갖는 고리형 조명 조리개나, 도 10에 도시된 바와 같이 4개의 투과부(14a)를 갖는 4 중극 조명 조리개가 이용되어도 좋다. 또한 도 11에 도시된 바와 같이 2개의 투과부(14a)를 갖는 2 중극 조명 조리개가 이용되어도 좋다.
또한 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크(5)는 도 12a에 도시된 바와 같이 하프톤형의 위상 시프트 마스크라도 좋다. 이 경우, 차광막(2)을 대신하여 어느 정도 노광광을 투과하는 반투과 차광막(2)이 이용된다. 이 반투과 차광막(2)은 반투과 차광막(2)을 투과한 후의 노광광의 위상이 광투과용 개구 패턴(2a)을 투과한 후의 노광광의 위상과 실질 180°다른 위상이 되도록 위상 시프터의 기능을 지니고, 또한 반투과 차광막(2)을 투과한 후의 노광광의 강도가 광투과용 개구 패턴(2a)을 투과한 후의 노광광의 강도보다도 작아지도록 노광광을 감쇠시키는 기능을 갖는다. 이 반투과 차광막(2)의 노광광의 투과율은 2% 이상 10% 이하인 것이 바람직하다.
이에 따라, 도 12b에 도시된 바와 같이 광투과용 개구 패턴(2a)과 차광부의 경계에서 역 위상의 빛이 중복됨으로써 빛이 상호 상쇄하여 노광 패턴의 엣지에서의 빛 강도를 작게 할 수 있으며, 패턴 상의 해상도를 올리는 것이 가능해진다.
또한 도 13에 도시된 바와 같이 아이리스의 반경 R은 결상에서의 광선의 최대 입사각의 정현(=NA)에 비례한다. 또한 포토마스크(5)에의 최대 입사각조명광선의 눈동자에서의 지위 a는 조명 최대 입사각의 정현에 비례하고, 포토마스크(5)에의 최소 입사각 조명광선의 눈동자에서의 위치 b는 조명 최소 입사각의 정현에 비례한다. 조명의 간섭성 지표의 σ(coherency)는 종래 조명일 때, σ=a/R로 주어진다. 또한 변형 조명의 형상도, 최대/최소 입사각의 정현과 NA의 비이며, σout=a/R, σin=b/R로 표현된다. 또, 이 설명에서는 등배 투영이며, 투영 광학계에서의 축소 배율 r은 1이다.
고리형 조명 조리개를 이용한 노광에서는 최대 입사각의 정현 a와 투영 광학계의 최대 입사광선 각도의 정현 R과의 비(a/R)가, 0.6 이상 0.9 이하인 것이 바람직하다. 또한 고리형 조명 조리개를 이용한 노광에서는 최소 입사각의 정현 b가 최대 입사각의 정현 a의 1/2 이상인 것이 바람직하다.
또한 4 중극 조명 조리개를 이용한 노광에서는 최대 입사각의 정현 a와 투영 광학계의 최대 입사광선 각도의 정현 R과의 비(a/R)가 0.6 이상 0.9 이하인 것이 바람직하다. 또한 4 중극 조명 조리개를 이용한 노광에서는 최소 입사각의 정현 b와 투영 광학계의 최대 입사광선 각도의 정현 R과의 비(b/R)가 0.3 이상인 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 갖는 포토마스크(5)를 통해 과노광에 의해 포토레지스트(21b)를 노광하기 때문에 포커스가 변화해도 레지스트 치수가 변화하기 어렵고, 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성하는 것이 가능해진다. 본원 발명자는 이하의 실험등을 행함에 따라 상기 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크(5)를 차광막(2)에 크롬(Cr)을 이용한 2치 마스크로 하고, 선폭 W1을 170㎚, 간격 W2를 170㎚, 간격 W3을 360㎚(즉 피치로 870㎚)로 하였다. 이 포토마스크(5)를 KrF 엑시머 레이저광(파장: 248㎚)을 이용하여 NA를 0.65로 하고, 2/3 고리형 조명(σout/σin=0.80/0.53)으로 노광하면, 도 14에 도시된 바와 같은 상대 광학상 강도 분포(relative image intensity)를 갖는 광학상을 얻을 수 있었다.
도 14에서 광학상 강도 분포의 좌우 양측의 빛 강도가 높은 부분은 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)에 대응하여 그 동안의 빛 강도가 낮은 부분은 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)에 삽입되는 차광부에 대응한다. 이 광학상 강도 분포는 포커스 위치를 0∼0.5㎛의 범위에서 바꾸어 나타내고 있다. 도면 중 태선 사각으로 둘러싼 부분의 확대도를 도 15에 도시한다.
도 15를 참조하여, 포커스가 변화해도 포토레지스트의 패턴 치수가 변화하지않은 빛 강도(Iso-Focal Slice Level)가 노광량의 조정에 따라 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 이 치수 변동이 없는 빛 강도로 상(패턴)의 치수를 90㎚ 정도로 미세하게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크(5)를 이용하여 과노광을 함으로써 디포커스에 의한 치수 변동이 적은 미세한 패턴을 형성할 수 있다.
또한, 포지티브형의 포토레지스트에 패턴을 형성하기 위해서는 2개조의 광투과용 개구 패턴에 삽입할 수 있는 차광 패턴부에서의 빛 강도는 패턴 엣지에 비해 어떤 레벨(Resolution Criteria)보다도 작은 것이 필요하다. 이 결상의 경우, 0.5㎛의 디포커스로 그 레벨보다 빛 강도가 커지기 때문에, ∼1.0㎛의 초점 심도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크(5)를 이용하여 과노광을 함으로써, 치수 변동이 적고 미세한 패턴의 형성에 있어서, 큰 초점 심도를 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 16은, 도 14 및 도 15 경우의 CD(critical dimension)값과 포커스 오프셋과의 관계(CD-Focus 특성)를 나타낸다. 도 16에서도 알 수 있듯이, CD 치가 80∼90㎚의 범위에서는 포커스가 변화해도 CD치가 거의 변화하지 않고, CD-Focus 특성이 양호한 것을 알 수 있다.
도 17은, 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크의 패턴을 상기된 노광 조건에 있어서 포커스 오프셋과 노광량(exposure dose)을 바꿔 포토레지스트에 전사했을 때의 포토레지스트의 패턴의 상면을 나타낸다. 도 17을 참조하여 사진 중에 첨부된 수치는 CD 치의 측정치이다. 이 결과로부터도 포커스가 변화해도 포토레지스트에 실제로 전사된 패턴 치수가 거의 변화하지 않은 것을 알 수 있다.
또한 도 18은, 도 1 및 도 2에 도시된 Cr의 차광막(2)을 갖는 포토마스크(2치 마스크 : 5)를 이용하여 변형 조명으로 노광을 행한 경우의 포토레지스트의 패턴의 선폭(resist line width)과 포커스 오브 세트와의 관계를 나타낸다. 도 18을 참조하여, 본 실시예의 패턴 형성 방법에 따르면 선폭∼100㎚의 포토레지스트의 패턴을 초점 심도∼1.0㎛의 범위에서 형성할 수 있는 것을 알 수 있다.
이어서, 포토마스크에 형성된 패턴이 라인·앤드·스페이스(L/S) 패턴, 고립암선(Isolated Dark Line) 패턴 또는 고립 명선(Isolated Bright Line) 패턴의 경우에는 노광량을 바꿔 선을 가늘게 해도 본 실시예와 같은 양호한 특성을 얻을 수 없는 것에 대해 설명한다.
도 19, 도 20 및 도 21은 0.18㎛L/S(라인 폭과 스페이스 폭의 쌍방이 0.18㎛), 0.18㎛ 폭의 고립암선, 및 0.18㎛ 폭의 고립명선 각각에 있어서 포커스를 파라미터로 한 상대 광학상 강도 분포를 나타낸다.
이들 도 19∼도 21 중 파선은 베스트포커스로 마스크대로(0.l 8㎛)의 치수로 할 때의 노광량에 대응하는 빛 강도(Exp. level to Mask Width)와, 0.10㎛의 치수로 할 때의 노광량에 대응하는 빛 강도(Exp. level to 0.10㎛ Width)를 나타내고 있다. 이들 도 19∼도 21로부터 3개의 패턴의 어떤 경우에서도 패턴의 폭을 가늘게 하려고 하면, 포커스의 변화에 대해 치수의 변동이 커지는 것이 예상된다.
도 22, 도 23 및 도 24는 0.18㎛L/S, 0.18㎛ 폭의 고립암선 및 0.18 폭의 고립명선의 각각에 있어서 노광 레벨을 미세하게 바꿨을 때의 CD-Focus 특성을 나타낸다. 도 22∼도 24에 도시된 CD 치와 포커스 오프셋과의 관계는 도 19∼도 21에 도시된 상 강도로부터 예상되는 행동이 된다. 즉, 치수(CD 치)를 작게 하면 할수록 포커스 오프셋의 변동에 대한 CD 치의 변동이 커져, CD-Focus 특성이 양호하지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 0.18㎛L/S는 0.18㎛ 폭의 고립암선 및 0.18 폭의 고립명선에 비교하면, 포커스 오프셋의 변동에 대한 CD 치의 변동이 적지만, 그래도 0.3㎛의 디포커스에 대해 ∼0.02㎛의 치수 변화가 생기기 때문에, 본 실시예에 비교하여 나쁜 CD-Focus 특성으로 되어 있다.
이상으로부터, 본 실시예에서는 고립한 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 갖는 패턴으로 함에 따라, 다른 패턴으로는 얻을 수 없는 양호한 CD-Focus 특성을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.
이어서, 도 1 및 도 2에 도시된 광투과용 개구 패턴(2a) 각 부의 치수에 대해 고찰한다.
도 25, 도 26 및 도 27은 도 1 및 도 2에 도시된 포토마스크 각 부의 치수W1, W2, W3 각각을 변화시켰을 때의 CD-Focus 특성을 나타낸다.
도 25∼도 27의 측정에서 각 마스크 패턴에 대해 포커스가 0∼0.5㎛의 범위에서 패턴을 해상할 수 있는 상 콘트라스트가 되도록 노광 레벨을 조정하였다. 또한 가장 작은 치수에 있어서 W2/W1이 일정해지도록 조정하였다. 또한 마스크 패턴을 바꾸었을 때에 노광량을 바꾸어도 좋다고 해도, 디포커스 0.5㎛까지 해상할 수 있는 최소 치수(레지스트) 패턴의 CD-Focus 특성을 구하였다.
우선 도 25를 참조하여, 치수 W2가 0.16∼0.20㎛ 에서는 CD 치도 작고, 포커스 오프셋의 변동에 따른 CD 치의 변동도 적다(즉 포커스 특성이 좋음). 한편, 치수 W2가 0.14∼0.12㎛ 에서는 CD 치가 작아지지만, 포커스 오프셋의 변동에 대해 CD 치의 변동이 커져, 포커스 특성이 나빠진다. 한쪽, 치수 W2를 0.22∼0.24㎛로 하면, 포커스 오프셋의 변동에 대해 CD 치의 변동이 적은 우수한 포커스 특성을 갖고 CD 치를 크게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 감안하여, 노광 시의 노광광의 파장 λ과 투영 광학계의 개구 수 NA를 고려에 넣으면, 치수 w2가 바람직한 범위는,
0.35<W2/(λ/NA)
이 된다.
이어서 도 26를 참조하여 치수 W3이 0.32㎛보다 큰 경우에는 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)에 삽입되는 암선의 치수(CD 치)는 작아지며 포커스 오프셋의 변동에 대한 CD 치의 변동도 적어 포커스 특성도 좋아진다. 한편, 치수 W3이 0.28 및 0.24일 때에는 포커스 특성은 양호하지만, CD 치가 커진다. 이 결과를 감안하여, 노광 시의 노광광의 파장 λ과 투영 광학계의 개구 수 NA를 고려에 넣으면 치수 W3의 바람직한 범위는,
W3> 0.70×(λ/NA)
가 된다.
이어서 도 27을 참조하여 치수 W1이 0.24 이상에서는 CD 치가 너무 커지고, 0.10 이하에서는 CD 치가 커짐과 함께 포커스 오프셋의 변동에 대한 CD 치의 변동이 커져 포커스 특성이 나빠진다. 이 결과를 감안하여 노광 시의 노광광의 파장 λ와 투영 광학계의 개구 수 NA를 고려에 넣으면 치수 W1의 바람직한 범위는,
0.35<W1/(λ/NA)<0. 65
가 된다.
상기 관계식으로부터,
W2/W1>0.35/0.65≒0.54
W3/W1>0.70/0.65≒1.08
이 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 패턴 길이 L에 대해서는 패턴의 길이 방향의 양단부에서 0.3㎛ 이하의 영역에서는 치수가 변화하기 때문에, 근접 효과 보정(OPC : 마스크의 치수를 단부에서 바꾸는 것)을 하지 않는다고 하면, 적어도 패턴 길이 L은 0.6㎛ 이상 필요해진다. 이 것을 고려하여 패턴 길이 L의 바람직한 범위를 구하면,
1.3<d/(λ/NA)
이 된다.
(실시예2)
실시예1과 동일한 포토마스크(5)(도 1 및 도 2)를 이용하여 KrF 엑시머 레이저광에 의해 NA를 0.60으로서 통상 조명(σ=0.85)으로 노광을 했을 때의 계산에 따른 상대 광학상 강도 분포를 도 28에 CD-Focus 특성을 도 29에 도시한다.
도 28 및 도 29로부터 도 1 및 도 2의 포토마스크(5)를 이용하여 과노광을 함으로써, 전혀 초해상법을 이용하지 않아도 140㎚의 선폭의 선이 포커스에 대해 CD 치가 거의 변화하지 않은 특성으로 형성할 수 있는 것을 알 수 있다.
(실시예3)
실시예 1 및 2와 동일 치수이기는 하지만, 도 12에 도시된 바와 같이 반투과차광막(2)이 노광광의 3%를 투과하는 하프톤형 위상 시프트 마스크(attenuating phase shift mask : Atten-PSM)를 이용하여 투영 광학계의 개구수 NA를 0.65로 하고, 2/3 고리형 조명(σout/σin=0.80/0.53)에 의해 노광했을 때의 계산에 따른 광학상 강도 분포를 도 30에 도시한다. 도 30의 결과로부터 포커스의 변동에 대해 포토레지스트의 패턴 치수가 변동하지 않은 치수는 80㎛로 실시예1보다도 작아지는 것을 알 수 있다. 또한 0.5㎛의 디포커스에서도 해상할 수 있는 상질을 유지하는 것을 알 수 있다.
또한 실시예1에서 이용한 2치 마스크(5)와 본 실시예의 하프톤형 위상 시프트 마스크에 대해 노광량의 마진을 조사한 결과를 도 31에 도시한다. 도 31의 횡축은 상대 노광량(relative exposure level)이고, 종축은 상의 CD 치(image width)이다. 도 31 중에 도시된 식(ΔCD(%)/ΔExp.(%))으로 정의되는 노광 여유도는 2치 마스크에서는 1.5, 하프톤형 위상 시프트 마스크에서는 1.2이다. 어느 쪽의 노광 여유도도 실용에 견딜 수 있는 것이지만, 하트톤형 위상 시프트 마스크의 노광 여유도가 개선되는 것은 분명하다.
또한, 상기 식에서의 ΔCD(%)는 CD 치의 변동분을 나타내고, ΔExp.(%)는 노광량의 변동분을 나타내고 있다.
또한 실시예1에서 이용한 2치 마스크와 본 실시예의 하프톤형 위상 시프트 마스크에서의 마스크 치수(mask line width)의 변화에 따른 CD 치의 변화의 모습을 도 32에 도시한다. 도 32를 참조하여, 미세 포토리소그래피에서는 MEF (mask error enchancement factor)가 커지고, 큰 기술 장벽(마스크의 치수 균일성이 엄격해짐)으로 되어 있다. 그러나, 본원의 기술에 따르면, 2치 마스크의 경우에 ∼1.5, 하프톤형 위상 시프트 마스크에서 ∼1.3으로 MEF는 다른 기술에 비해 작다. 또한, 통상의 MEF는 10 혹은 그 이상이다.
도 33은 도 1 및 도 2에 도시된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격 W2만을 바꿔, 다른 치수를 일정하게 했을 때의 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a) 사이의 마스크 치수의 변화에 따른 그것에 대응한 암선상의 선폭의 변화를 나타낸다. 도 33을 참조하여 본 실시예의 기술에 따르면, 암선상의 선폭은 80㎚까지는 마스크의 선폭에 비례하고 있다. 종래법에서는 상의 선폭이 200㎚로 마스크의 선폭에 비례하지 않게 되기 때문에 본 실시예의 기술은 종래법보다도 매우 미세화에 적합하다는 것을 알 수 있다.
또한 렌즈수차에 따른 CD-Focus 특성의 열화에 대해 본 실시예의 기술과 리벤슨형 위상 시프트 마스크(alternating phase shift mask : Alt-PSM)를 이용한 경우에서 비교를 행하였다.
도 34와 도 35는 렌즈수차가 없는 경우의 본 실시예의 기술과 리벤슨형 위상 시프트 마스크를 이용한 경우와의 각 CD-Focus 특성을 나타낸다. 또한 도 36 및 도 37은 렌즈 수차가 있는 경우의 본 실시예의 기술과 리벤슨형 위상 시프트 마스크를 이용한 경우와의 CD-Focus 특성을 나타낸다. 또, 수차는 저차구면 수차로 0.05λ의 크기를 가정하고 있다.
도 35 및 도 37로부터 리벤슨형 위상 시프트 마스크를 이용한 경우에는 수차에 따라 상의 선폭이 포커스의 변동과 동시에 현저히 변동하는 특성이 되고, CD-Focus 특성이 크게 열화하는 것을 알 수 있다. 이에 대해 도 34및 도 36으로부터 본 실시예의 기술에 따르면, 렌즈 수차가 있는 경우라도 상의 선폭은 포커스의 변동에 따른 변화량은 적고, CD-Focus 특성의 열화는 거의 없다는 것을 알 수 있다.
(실시예4)
본 실시예에서는 도 1 및 도 2의 포토마스크(5)를 과노광함으로써 실제의 패턴을 형성하는 방법에 대해 설명한다.
도 38a는 SRAM(static random access memory)의 메모리 셀을 구성하는 각 트랜지스터의 게이트 패턴을 나타낸다. 또한 도 38b 및 도 38c는 도 38a의 패턴을 형성하기 위해 이용하는 제1 및 제2 포토마스크의 패턴을 나타낸다.
우선 도 38b, 도 38c에 도시된 제1 및 제2 포토마스크(5, 55)의 패턴의 설계 방법에 대해 설명한다.
도 38a에 도시된 설계 패턴으로부터 미세선 부분만이 추출된다. 이 추출된 미세선 부분의 선폭이 확대된다. 이 때, 미세선 부분의 양측에 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 치수를 부가하여 확대시킨다. 이 확대된 선폭을 갖는 패턴의 중앙부에서 0.35<W2/(λ/NA)의 관계를 충족시키는 치수 W2를 감소시킴에 따라 도 38b에 도시된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)이 설계된다.
이 때문에, 제1 포토마스크(5)는 도 40에 도시된 바와 같이 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 여러개 갖는 차광막(혹은 반투과 차광막 : 2)이 투명 기판(1) 상에 형성된 구성을 갖는다.
또한 도 38a에 도시된 설계 패턴에 상술된 0.35<W1/(λ/NA)<0.65의 관계를 충족시키는 선폭 W1의 2개조의 패턴을 붙임에 따라 도 38c에 도시된 차광 패턴(52)이 설계된다.
이 때문에, 제2 포토마스크(55)는 도 41에 도시된 바와 같이 상술된 차광 패턴을 구성하는 차광막(52)이 투명 기판(51) 상에 형성된 구성을 갖고 있다.
이어서 이들 제1 및 제2 포토마스크(5, 55)를 이용한 게이트 패턴의 형성 방법에 대해 설명한다.
도 42를 참조하여, 실리콘등으로 이루어지는 반도체 기판(101) 상에 게이트 절연막이 되는 절연층(102)이 형성된다. 이 절연층(102) 상에 게이트 전극이 되는 도전층(103)이 형성된다. 이 도전층(103) 상에 예를 들면 포지티브형의 포토레지스트(111)가 도포된다. 또, 절연층(102)은 예를 들면 실리콘 산화막으로 이루어지고, 도전층(103)은 예를 들면 불순물이 도핑된 다결정 실리콘막으로 이루어져 있다.
이 포토레지스트(111)가 도 38b에 도시된 제1 포토마스크(5)를 이용하여 제1 노광을 실시된 후에 현상된다. 이 제1 노광시에는 통상의 노광보다도 노광량을 크게 한 과노광에 의해 노광이 행해진다. 이 과노광은, 실시예1에서 설명한 바와 같이 포토레지스트(111)를 노광할 때의 노광량, 즉 충분히 큰 투과 개구를 갖는 패턴에의 노광 에너지가, 노광에 의해 포토레지스트(111)가 현상액에 대해 불용해성으로부터 용해성이 되는 경계의 노광 에너지의 4배 이상 20배 이하이다.
이에 따라, 포토레지스트(111)에 2개조의 광투과용 개구 패턴에 대응한 미세 개구 패턴(111a)이 형성된다.
도 43을 참조하여, 패터닝된 포토레지스트(111)를 마스크로 하여 그 하층의 도전층(103) 및 절연층(102)이 순서대로 에칭되며, 개구 패턴(103a)이 형성된다. 이 후, 포토레지스트(111)는 예를 들면 애싱등에 의해 제거된다.
도 44를 참조하여 이 애싱등에 의해 도전층(103)의 상면이 노출된다.
도 45를 참조하여 표면 전면에 예를 들면 포지티브형의 포토레지스트(112)가 도포된 후, 도 38c에 도시된 제2 포토마스크(55)를 이용하여 포토레지스트(112)가 제2 노광을 실시된 후에 현상된다. 이에 따라, 포토레지스트(112)는 2개조의 개구 패턴(103a) 및 그 사이에 끼워진 부분의 상부를 피복하도록 잔존된다. 이 포토레지스트(112)의 패턴을 마스크로 하여 도전층(103) 및 절연층(102)이 제거된다.
도 46을 참조하여, 이에 따라 포토레지스트(112)의 패턴이 형성되지 않은 영역에서는 반도체 기판(101)의 표면이 노출된다. 이 후, 포토레지스트(112)의 패턴이 예를 들면 애싱등에 의해 제거됨으로써, 도 38a 및 도 39에 도시된 도전층(103)으로 이루어지는 게이트 패턴이 형성된다.
또한, 상기한 제1 노광은 포토레지스트(111)가 현상될 때까지 복수회 행해져도 좋다. 또한 상기된 제2 노광은 포토레지스트(112)가 현상될 때까지 복수회 행해져도 좋다.
또한 상기된 바에 있어서는, 포토레지스트의 패턴을 이용하여 직접 게이트 패턴이 되는 도전층을 패터닝으로 하는 경우에 대해 설명했지만, 하드 마스크를 이용하여 게이트 패턴이 되는 도전층을 패터닝해도 좋다. 이하, 그것을 설명한다.
우선, 상술된 도 42∼도 46 방법에 따라 게이트 패턴을 대신하여 도 47에 도시된 바와 같이 하드 마스크 패턴(121)이 형성된다. 이 하드 마스크 패턴(121)을 마스크로 하여 그 하층에 있는 게이트 전극이 되는 도전층(122)이 에칭된다.
도 48을 참조하여, 이 에칭에 의해 도전층(122)이 패터닝되어 게이트 패턴이 형성된다.
또, 게이트 패턴이 되는 도전층(122) 하부의 게이트 절연층이 되는 절연층은 설명의 편의상 생략하고 있다.
이번 개시된 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각할 수 있다. 본 발명의 범위는 상기된 설명이 아니고 특허 청구의 범위에 의해 도시되고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
본 발명의 반도체 장치의 패턴 형성 방법에 따르면, 2개조의 광투과용 개구 패턴을 갖는 제1 포토마스크를 통해 통상의 노광보다도 노광량을 크게 한, 소위 과노광에 의해 제1 포토레지스트가 노광된다. 이에 따라, 포커스가 어느 정도 변화해도 패턴 치수의 변동이 작은 미세한 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 일정한 결상 성능을 유지할 수 있는 초점 범위인 초점 심도를 크게 할 수 있다. 따라서, 보조 패턴법이나 위상 시프트 마스크를 이용하지 않고 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있다.
본 발명의 포토마스크의 패턴 설계 방법에 따르면, 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있는 마스크 패턴을 설계하는 것이 가능해진다.
본 발명의 포토마스크에 따르면, 미세 패턴을 큰 프로세스 여유도로 정밀도 좋게 형성할 수 있는 마스크를 얻을 수 있다.

Claims (3)

  1. 실질적으로 동일한 선폭으로 상호 간격을 두고 나란히 연장하고, 또한 다른 광투과용 개구 패턴으로부터 고립된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 갖는 제1 포토마스크(5)를 통해 투영 노광법에 따라 웨이퍼(21) 표면의 제1 포토레지스트(21b)를 노광하는 제1 노광 공정을 포함하고,
    상기 제1 포토레지스트(21b)를 노광할 때의 충분히 큰 마스크 개구를 갖는 패턴에 주어지는 에너지로 정의되는 노광량은, 노광에 의해 상기 제1 포토레지스트(21b)가 현상액에 대해 용해성으로부터 불용해성이 되는 노광 에너지 또는 불용해성으로부터 용해성이 되는 노광 에너지의 4배 이상 20배 이하인, 반도체 장치의 패턴 형성 방법.
  2. 설계 패턴 레이아웃으로부터 미세선 패턴 도형 부분을 추출하는 공정과,
    상기 미세선 패턴 도형 부분의 마스크 암선 선폭 W2를, 노광광의 파장을 λ로 하고, 투영 광학계의 개구수를 NA로 했을 때, 0.35 < W2/(λ/NA)의 관계를 충족시키도록 조정하는 공정과,
    상기 선폭 W2의 마스크암선이 삽입되도록 0.35 < W1/(λ/NA) < 0.65의 관계를 충족시키는 선폭 W1을 갖는 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 배치하는 공정을 포함한 포토마스크의 패턴 설계 방법.
  3. 주 표면을 갖는 기판(1)과,
    상기 기판(1)의 주 표면 상에 형성되며, 또한 실질적으로 동일한 선폭으로 상호 간격을 두고 나란히 연장하고, 또한 다른 광투과용 개구 패턴(2a)으로부터 고립된 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)을 갖는 차광막(2)을 포함하며,
    상기 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 선폭을 W1, 상기 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)의 간격을 W2, 상기 2개조의 광투과용 개구 패턴(2a)과 상기 다른 광투과용 개구 패턴(2a)과의 최소 간격을 W3으로 했을 때, W1, W2, W3 각각은 0.54 < W2/W1 및 1.08 < W3/W1의 관계를 충족시키는 포토마스크.
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