KR100393978B1 - 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노광 공정시 사용하는 I 라인 장비로 미세 패턴의 형성을 가능하게 한 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법에 관한 것으로, 셀 영역과 주변 영역으로 구분하여 정의된 투명 기판 상에 PSM막, 차광막을 차례로 증착하는 단계와, 상기 셀 영역의 차광막을 제거하여 PSM막의 표면을 노출시키는 단계와, 상기 노출된 셀 영역의 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 PSM막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 주변 영역의 차광막 및 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 차광막 패턴 및 PSM막 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 형성됨을 특징으로 한다.

Description

하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법{Method for Forming Half Tone Phase Shift Mask}

본 발명은 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것으로 특히, 노광 공정시 사용하는 I 라인 장비로 미세 패턴의 형성을 가능하게 한 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 제조에 있어서는 노광 공정을 통해 마스크의 패턴을 웨이퍼에 전사시킨다. 이 때 노광원으로는 자외선(UV light), E-beam, X-ray, Ion-beam 등이 있다.

특히, 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 노광원의 파장이 짧아야 한다. 지금까지는 0.25㎛이하의 L/S(Line/Space)를 형성하기 위해서는 DUV(Deep Ultra Violet)(248㎚의 파장) 장비를 사용했다.

그러나, DUV(Deep Ultra Violet) 장비로 미세 패턴 구현이 가능하더라도, 생산 원가가 증가하는 문제 때문에 I라인 장비(365㎚의 파장)로 미세 패턴을 구현하려는 연구가 시행되고 있다.

한편, 미세 패턴의 형성을 위하여 상기와 같은 노광원의 파장을 조절하는 방법 외에 해상력을 높이는 방법이 제시되고 있다. 그 중 하나가 PSM(Phase Shift Mask)이다.

PSM(Phase Shift Mask)은 광의 간섭 또는 부분 간섭을 이용하여 원하는 크기의 패턴을 노광함으로써, 해상도나 초점 심도를 증가시킨다.

즉, 빛이 마스크 기판을 통과할 때, 또는 시프터(Shifter) 막을 통과할 때, 그 파장은 진공 중의 파장을 굴절율로 나눈 값으로 짧아진다. 따라서, 같은 위상의 빛이 시프터의 유무에 따라서 차이가 생기게 되며, 이 때 광 경로 차를 θ라하며, θ=2πt(n-1)/λ(n은 시프터의 굴절율, t는 시프터의 두께, λ는 사용되는 빛의 파장)이고, θ가 π인 경우에 시프터를 통과한 광선은 역위상을 갖게 된다.

따라서, 투광층 부분만을 통과한 빛과 시프터를 통과한 빛이 역위상이기 때문에, 시프터를 마스크 패턴의 가장자리에 위치시키면, 패턴의 경계 부분에서는 빛의 세기가 제로로 되어 콘트라스트(contrast)가 증가한다.

이러한 PSM은 종래의 다른 미세 패턴 형성 방법과 달리, 새로운 장비의 추가 없이 마스크 제조 방법의 변경만으로 빛의 회절을 역이용하여 마스크의 분해능이 향상될 수 있기 때문에 차세대 반도체 소자 제조의 유력한 양산 기술로 고려되고 있다.

이와 같은 원리를 이용한 PSM의 예로는, 라인/스페이스(Line/Space)가 밀집하게 반복되어 있는 경우 교대로 시프터(Shifter)를 배치함으로써, 전기장 파동이 두 라인간에 상대적으로 반대 방향이 되도록 한 공간 주파 변조형(Alternating Phase Shifter) 마스크, 패턴의 주위에 해상도 이하의 작은 보조 패턴을 넣어 위상을 시프트시킨 보조 시프터 첨가형 마스크, 모든 패턴의 주위에 시프터를 형성시켜서 패턴 에지 부분만을 개선한 주변 효과 강조형(Rim Shifter) 마스크, 크롬 없이 위상 시프터의 경계면의 광량이 제로가 되는 원리를 이용한 무크롬 위상 시프트형(Chromless Phase Shifting) 마스크 및 광차단부의 투과율을 0에서 0이 아닌 값으로 투과율을 높이고, 그 외 부분을 위상 반전시켜 서로 상쇄되는 효과를 이용한 하프 톤형 위상 반전 마스크(Half Tone Phase Shift Mask) 등을 들 수 있다.

상기 PSM(Phase Shift Mask) 중 특히, 라인/스페이스(Line/Space)의 반복 패턴 및 콘택 홀 패턴에 가장 효과적으로 적용할 수 있는 마스크는 하프 톤형 위상 반전 마스크(Half Tone Phase Shift Mask)로 알려져 있으며, 상기 마스크는 특별한 위상 시프트 패턴을 필요로 하지 않기 때문에 사용 가능성이 제일 높은 PSM이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 일반적인 마스크에 대해 설명한다.

도 1a는 일반적인 바이너리 마스크를 나타낸 단면도이다.

도 1a와 같이, 투명 기판(Quartz)(11) 상에 차광막(Cr)을 증착하고 패터닝하여 차광막 패턴(12)을 형성한 이중 막의 바이너리 마스크(Binary Mask)는, 상기 바이너리 마스크에 빛을 투과시켰을 때, 상기 투명 기판(11)이 오픈된 영역은 그대로 빛이 통과하여 반도체 기판의 오픈 영역을 정의하고, 차광막 패턴(12)이 형성된 영역은 빛이 통과하지 않게 되어 반도체 기판 상에 패턴을 형성하게 한다.

도 1b 내지 도 1c는 도 1a의 바이너리 마스크를 통과한 빛의 위상 및 빛의 세기를 나타낸 그래프이다.

도 1b와 같이, 상기 바이너리 마스크(Binary Mask)를 통해 기판에 노광했을때, 반도체 기판 상의 빛 에너지는 상기 마스크로 인해 기판상의 오픈된 영역으로 정의된 부위마다 빛 에너지의 위상이 최고조를 이루는 사인(sine) 파형이 반복을 이룬다. 따라서, 인접 파형간의 간섭 효과로 인해 마스크 상에는 차광막 패턴(12)이 형성되어 있더라도 실제 반도체 기판 상에는 일정 량 이상의 노광 효과가 발생하게 된다.

도 1c와 같이, 상기 바이너리 마스크를 통해 노광했을 때의 빛의 세기(Intensity)는 빛의 제곱 값이므로, 빛의 위상과 마찬가지로 반도체 기판 상의 오픈 영역으로 정의되는 부위마다 최고조를 이루며, 항상 양의 값을 갖게 된다.

도 2a는 일반적인 하프 톤 위상 반전 마스크(Half Tone Phase Shift Mask)의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2a와 같이, 하프 톤 위상 반전 마스크는 투명 기판(21) 상에 PSM 패턴(22)이 형성되어 있다.

도 2b 내지 도 2c는 도 2a의 하프 톤 위상 반전 마스크를 사용하여 통과한 빛의 위상 및 광도를 나타낸 그래프이다.

도 2b와 같이, 마스크의 투명 기판이 오픈된 영역을 통과한 빛 에너지의 위상은 고조를 이루고 있다. 반면 마스크의 PSM 패턴(22)이 형성되어 있는 영역을 통과한 빛은 위상 반전을 하며, 빛의 투과율(transmittance)이 4내지 8%이므로, 위상 변화 폭은 상기 오픈된 영역에 비하여 매우 작다.

도 2c와 같이, 도 2b의 빛의 에너지의 제곱 값을 취하는 빛의 세기는 PSM 패턴(22)이 형성된 영역과 부위와 PSM 패턴이 형성되지 않은 영역(투명 기판의 오픈영역)을 통과한 부위간의 경계에서 0값을 취하며, 그 외의 영역에서는 양의 값을 갖는다. 이 때, 상기 빛 에너지의 위상 변화와 마찬가지로, 상기 투명 기판(21)이 오픈된 영역을 통과한 빛의 세기는 매우 큰 폭의 변화를 취하는 반면에, PSM 패턴 (22)을 통과한 빛의 세기는 매우 작은 폭의 변화를 갖는다.

PSM 패턴(22)이 전사(projection)되는 반도체 기판 상의 부위는 소정 값 이하의 빛의 세기를 가져야 패턴이 형성되므로, 상기와 같이 빛의 투과율이 4내지 8%로 저조하게 되면, PSM패턴(22)으로 정의된 반도체 기판 상의 부위는 노광으로 인한 스페이스 패턴 형성없이 모두 라인 패턴으로 남게 된다.

도 1a내지 도 1c에서 기술한 바이너리 마스크는 투명 기판(11)이 오픈된 영역으로 들어오는 빛간의 간섭 효과에 의해 비노광부에도 일정량의 빛이 투과가 되어 반도체 기판 상에 생기는 패턴에 단차가 생길 수 있다. 이를 개선한 것이 도 2a 내지 도 2c에서 기술한 하프 톤형 위상 반전 마스크이다. 상기 하프 톤형 위상 반전 마스크는 PSM막에 의해 생기는 역상의 위상차로 인한 노광부와 비노광부의 콘트라스트 차를 이용하여 해상력을 높일 수 있는 특징이 있다. 이 때 상기 PSM막의 투과율은 4내지 8%로 낮게 조정하여 비노광부에 패턴이 형성되지 않도록 하였다.

그러나, 상기와 같은 종래의 하프 톤형 위상 반전 마스크는 다음과 같은 문제점이 있다.

종래의 하프 톤형 위상 반전 마스크는 4내지 8%의 투과율(transmittance)을 가진 PSM층을 이용하였다. 이와 같은 PSM층을 가진 마스크는 빛의 투과율이 낮기때문에 PSM층이 형성된 영역은 그대로 반도체 기판 상에 패턴으로 남았다.

종래의 I라인 장비는 노광되는 빛의 파장이 365㎚(=0.365㎛)이기 때문에, 이러한 저투과율의 하프 톤형 위상 반전 마스크를 사용하였을 때는 0.25㎛ 이하의 패턴 형성이 곤란하여 필히 DUV(Deep Ultra Violet) 장비(248㎚)를 사용함으로써 원가 상승의 주 요인이 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 노광 공정시 사용하는 I 라인 장비로 미세 패턴의 형성을 가능하게 한 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법을 제공하는 데, 그 목적이 있다.

도 1a는 일반적인 바이너리 마스크의 구조를 나타낸 단면도

도 1b 내지 도 1c는 도 1a의 바이너리 마스크를 통과한 빛의 위상 및 빛의 세기를 나타낸 그래프

도 2a는 일반적인 하프 톤형 위상 반전 마스크의 구조를 나타낸 단면도

도 2b 내지 도 2c는 도 2a의 하프 톤형 위상 반전 마스크를 통과한 빛의 위상 및 빛의 세기를 나타낸 그래프

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크 형성 방법을 나타낸 공정 단면도

도 4a는 본 발명의 시뮬레이션을 위한 PSM패턴의 레이 아웃도

도 4b는 도 4a의 PSM 패턴을 통과한 빛의 세기를 나타낸 그래프

도 4c는 도 4a의 PSM 패턴의 투과율 변화에 따라 형성되는 L/S 패턴을 나타낸 시뮬레이션 결과도

도 5a는 하프 톤형 위상 반전 마스크를 사용하여 형성한 셀 영역의 미세 패턴을 나타낸 레이 아웃도

도 5b는 도 5a의 패턴 형성을 위해 사용한 하프 톤형 위상 반전 마스크

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

A : PSM패턴 내 빛의 세기가 소정 크기 이하인 영역

B : PSM패턴 내 빛의 세기가 소정 크기 이상인 영역

31 : 투명 기판 32 : PSM막

33 : 차광막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법은 셀 영역과 주변 영역으로 구분하여 정의된 투명 기판 상에 PSM막, 차광막을 차례로 증착하는 단계와, 상기 셀 영역의 차광막을 제거하여 PSM막의 표면을 노출시키는 단계와, 상기 노출된 셀 영역의 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 PSM막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 주변 영역의 차광막 및 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 차광막 패턴 및 PSM막 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 형성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법을 상세히 설명한다.

도 3a 내지 3d는 본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법을 나타낸 공정 단면도이다.

본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크는 셀 영역에는 하프 톤형 위상 반전 마스크를, 주변 영역에는 바이너리 마스크를 형성한 것이다.

도 3a와 같이, 셀 영역과 주변 영역이 정의된 투명 기판(quartz)(31) 상에 PSM 막(32), 차광막(Cr막)(33)을 차례로 증착한다.

이 때, 상기 PSM막(32)은 180° 위상 이동, 즉, 위상 반전을 위하여 쓰인다. 상기 PSM막(32)의 물질은 Cr, CrOx, MoSi 등을 사용하며, 상기 물질의 두께 및 성분비를 조절하여 PSM막(32)의 투과율을 조정한다.

여기서는 PSM막(32)의 투과율을 20 내지 35%로 한다.

도 3b와 같이, 상기 셀 영역의 차광막(33)을 제거하여 셀 영역의 PSM막(32)을 노출시킨다. 이 때 주변 영역은 차광막(33)이 그대로 남아있는 상태이다.

도 3c와 같이, 상기 노출된 셀 영역의 PSM막(32)에 라이팅(writing) 및 식각 공정을 실시함으로써 상기 PSM막(32)을 선택적으로 제거하여 PSM막 패턴(32a)을 형성한다.

도 3d와 같이, 주변 영역의 차광막(33) 및 PSM막(32)에 라이팅(writing) 및 식각(etch) 공정을 실시함으로써 차광막 패턴(33a) 및 PSM 패턴(32a)을 형성한다.

이와 같이, 형성된 하프 톤형 위상 반전 마스크의 투명 기판(31) 상에 노광을 실시하여 반도체 기판에 상기 하프 톤형 위상 반전 마스크의 패턴을 전사한다.

본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크(Half Tone Phase Shift Mask)를 통하여 노광 공정을 실시하게 되면, I 라인 장비를 이용하여도 반도체 기판 상의 셀 영역에서는, 마스크의 PSM막의 패턴(32a)을 이용하여 0.25㎛이하의 L/S 패턴의 형성이 가능하다. 또한, 반도체 기판 상의 나머지 주변 영역은 마스크의 차광막 패턴(33a) 및 PSM막 패턴(32a)을 이용하여 바이너리 마스크형의 패턴(0.30㎛이상의 패턴)을 형성한다.

도 4a는 본 발명의 시뮬레이션을 위한 하프 톤형 위상 반전 마스크의 레이 아웃도이다.

이하의 시뮬레이션은 I 라인(365㎚의 파장) 장비로 실시한다.

도 4a와 같이, PSM(Phase Shift Mask)막의 패턴을 0.8㎛의 바 패턴으로 형성하여 시뮬레이션을 한다.

이 때, 상기 PSM막의 물질은 Cr, CrOx, MoSi 등을 사용하고, 이러한 성분 및 두께를 조절하여 빛의 투과율을 조절한다. 상기 빛의 투과율(transmittance)은 15%, 20%, 30%로 조정하여 각각의 경우에 대해 시뮬레이션 한다. 상기 PSM막의 패턴이 형성되지 않은 영역은 투명 기판이 오픈된 영역으로 도면에는 도시하지 않았지만, 바이너리 마스크의 투명 기판 오픈 영역과 마찬가지로 빛 에너지의 위상 및 빛의 세기 모두 고조를 이룬 파형을 가진다.

도 4b는 도 4a의 하프 톤형 위상 반전 마스크를 통과한 빛의 세기를 나타낸 그래프이다.

소정 값 이상의 빛의 세기를 가져야 PSM막의 패턴이 전사(projection)되는 반도체 기판 상의 부위에 노광 효과가 일어난다. 즉, 스페이스 패턴이 형성된다. 20 내지 35%의 고 투과율의 PSM막을 사용하는 것은 상기 PSM막을 투과한 빛의 위상 및 세기를 반도체 기판 상의 패턴이 전사되는 부위에서 소정 값 이상으로 하기 위한 것이다.

도 4b와 같이, 도 4a의 빛의 세기를 시뮬레이션한 값을 나타내면, PSM막이 형성된 영역과 오픈된 영역간의 경계면에서 0값을 나타내며, 상기 경계면을 경계로 오픈된 영역에서는 증가하는 사인(sine)파형을 갖게 되고, 패턴이 형성된 영역에서는 점점 증가하여 소정 세기 이상의 값을 일정 폭 유지하게 된다.

이 때, 상기 PSM막을 통과한 빛의 세기가 반도체 기판 상에서, 소정 세기 이상의 값을 취하는 영역을 B라 하고, 그렇지 않은 영역을 A라 한다. 상기 A 영역에서는 그대로 패턴이 남게되고(라인 형성), 상기 B 영역에서는 일정 세기 이상의 빛이 조사되므로, 패턴이 제거된다(스페이스 형성). 이러한 A영역과 B영역의 폭의 조절은 상기 PSM막의 투과율을 조절함으로써 가능하다.

이 때 PSM막 투과율의 조절은 PSM막의 두께 또는 성분을 조정함으로써 한다. 또한, 상기 B 영역은 일정 세기 이상의 빛의 조사 영역이므로, B 영역 폭의 조절은 노광원으로 쓰는 I 라인의 세기를 조절함으로써도 가능하다.

도 4c는 도 4a의 하프 톤형 위상 반전 마스크의 PSM막의 투과율 변화에 따른 L/S(라인/스페이스) 패턴 형성을 나타낸 시뮬레이션 결과도이다.

도 4c와 같이, 빛의 투과율을 달리하여 L/S(line/space)패턴을 시뮬레이션한 결과 값을 살펴본다.

첫 번째, 빛의 투과율을 15%로 조정한 PSM막을 사용하면 반도체 기판 상에는 라인(A 영역)은 0.367㎛, 스페이스(B 영역)는 0.058㎛로 형성된다. 즉, 가운데 0.058㎛의 스페이스(B 영역)를 두고, 그 외부 영역에 0.367㎛의 두 개의 라인(A 영역)이 생기게 된다.

두 번째, 빛의 투과율을 20%로 조정하면, 라인(A 영역)은 0.213㎛, 스페이스(B영역)는 0.371㎛의 패턴이 형성된다. 첫 번째 경우와 같이, 라인(A 영역)은 패턴의 가장자리에, 스페이스(B 영역)는 패턴의 중앙에 형성된다.

세 번째, 빛의 투과율을 30%로 조정하면, 라인(A 영역)은 0.150㎛, 스페이스(B 영역)는 0.504㎛이다. 역시 라인(A 영역)은 가장자리에 생성되고, 스페이스(B 영역)는 중앙에 형성된다.

라인 패턴 형성의 관점에서 볼 때 투과율을 20%이상으로 하여야 0.25㎛미만의 형성이 가능하다.

빛의 투과율이 높을수록 라인 폭은 더 작게 구현할 수 있고, 스페이스 폭은 더 크게 구현할 수 있게 된다.

도 5a는 하프 톤형 위상 반전 마스크를 사용하여 형성한 셀 영역의 미세 패턴을 나타낸 레이 아웃도이다.

도 5b는 도 5a의 패턴 형성을 위해 사용한 하프 톤형 위상 반전 마스크이다.

도 5a와 같이, 라인과 스페이스 패턴 폭이 다르게 형성하기 위해서는 각기 다른 투과율의 패턴을 갖는 PSM막을 형성한다. 이 때, PSM막의 패턴은 물질을 조정하거나, 두께를 달리하여 투과율을 변화시킬 수 있다.

셀 이외의 영역 즉, 주변 영역(Peripheral area)은 0.30㎛의 라인으로 디자인되어 있으므로, 상기와 같이 미세 패턴을 형성하기 위한 PSM막을 사용하지 않아도 된다. 따라서, 주변 영역은 일반적인 경우와 같이, 바이너리 마스크를 사용한다.

상기와 같은 본 발명의 하프 톤형 위상 반전 마스크 형성 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

고 투과율(high transmittance)의 PSM(Phase Shift Mask)막을 이용하여 0.25㎛ 이하의 패턴을 I 라인 장비에서도 형성할 수 있다. 따라서, I 라인 장비로 패턴을 정의(Define)하는 데 생기는 한계를 개선할 수 있다. 이로써, 고가 장비인 DUV를 사용하지 않고, I 라인 장비를 사용하여 미세 패턴의 정의가 가능함으로써, 생산 원가를 감소시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 365nm의 파장을 갖는 광선을 조사하는 I 라인 장비를 이용한 패턴 형성을 위한 위상 반전 마스크의 제조에 있어서,

   셀 영역과 주변 영역으로 구분하여 정의된 투명 기판 상에 투과율이 20내지 35%의 PSM막, 차광막을 차례로 증착하는 단계;

   상기 셀 영역의 차광막을 제거하여 PSM막의 표면을 노출시키는 단계;

   상기 노출된 셀 영역의 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 PSM막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 주변 영역의 차광막 및 PSM막을 선택적으로 제거하여 일정한 간격을 갖는 차광막 패턴 및 PSM막 패턴이 동일 너비로 적층되는 바이너리 마스크를 형성하는 단계를 포함하여 형성됨을 특징으로 하는 하프 톤형 위상 반전 마스크의 형성 방법.
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