KR100518222B1 - 이 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X방향과 Y방향으로의 패턴의 주기가 서로 다른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법에 관한 것으로, 본 발명의 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법은, X방향으로 배열된 패턴들 또는 Y방향으로 배열된 패턴들 중, 어느 하나의 방향으로 배열된 패턴들은 위상반전마스크를 이용하여 형성하고, 다른 방향으로 배열된 패턴들은 사입사 조명으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

이 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법{METHOD FOR FORMING FINE PATTERN HAVING DIFFERENT PERIOD}

본 발명은 미세 패턴의 형성방법에 관한 것으로, 특히, X방향과 Y방향으로의 패턴의 주기가 서로 다른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정에서 콘택홀 또는 각종 패턴들은, 통상, 포토리소그라피 (Photolithography) 공정을 통해 형성된다. 상기 포토리소그라피 공정은, 주지된 바와 같이, 레지스트의 도포 및 상기 레지스트에 대한 노광 및 현상 공정을 통해 레지스트 패턴을 형성하는 제1단계 공정과, 상기 레지스트 패턴을 마스크로하는 식각 공정을 통해 소망하는 형태의 패턴을 형성하는 제2단계 공정을 포함한다.

여기서, 상기 레지스트에 대한 노광은 투광성 기판 상에 비투광성의 크롬 패턴이 형성되어져 제작된 레티클(reticle)이라 불리우는 노광용 마스크를 이용하여 수행되어 왔다. 그런데, 종래의 노광용 마스크는 그 해상력이 낮은 단점이 있기 때문에, 연구·개발 중인 고집적 반도체 소자의 제조에는 그 적용이 제한되고 있다.

이에 따라, 최근에는 해상력이 우수한 위상반전마스크(Half Tone Phase Shift Mask)의 사용이 이루어지고 있다. 상기 위상반전마스크는 빛이 투과되는 부분들 중, 일부분에 위상반전 처리를 행하여, 이웃하는 패턴들간의 위상이 180° 차이가 나도록 함으로써, 종래의 노광용 마스크에 비해 해상력이 향상되도록 한 것이다. 이러한 위상반전마스크는 일반적인 미세 패턴은 물론, 반복적으로 배열되는 미세 패턴들에 대해서도 이웃하는 미세 패턴들간의 위상을 반전시키는 것에 의해 뛰어난 해상력을 얻는다.

예를들어, 도 1에 도시된 바와 같이, X방향으로의 패턴의 주기(X)와 Y방향으로의 패턴의 주기(Y)가 서로 다른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴(1)을 형성하고자 할 때, 위상반전 마스크(10)는 도 2a에 도시된 바와 같은 형태로 제작되고, 또한, 도 2b와 같은 형태의 광원(B)이 이용된다. 여기서, 도 2b에 도시된 광원은 실제 광원의 형상이 아닌, 광원으로부터 조사된 광이 어퍼쳐(Apertuer)를 투과하여 나온 광원의 형태(이하, 유효 광원이라 칭함)를 나타내는 것이다. 도 2a에서, 도면부호 2는 위상반전 처리가 되지 않은 제1투과 영역을 나타내고, 4는 위상반전 처리가된 제2투과 영역을 나타낸다. 이때, 상기 제1투과영역(2)과 제2투과 영역(4)은 180°의 위상차를 갖는다. 또한, 도 2b에서 도면부호 A는 어퍼쳐에 의해 만들어지는 유효 광원의 최대 크기를 나타내고, B는 실제 유효 광원을 나타낸다.

그러나, 상기와 같이 위상반전마스크를 이용하여 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하는 종래의 방법은, 디포커스(defocus) 현상, 즉, 광원의 초점면이 변동되는 현상에 의해, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 실제 웨이퍼에 구현되는 패턴(12)의 가로 및 세로측 원형의 크기, 특히, 세로측 원형의 크기가 감소되는 현상이 일어나게 됨으로써, 소망하는 공정 결과를 얻을 수 없게 되는 문제점이 있다. 여기서, 도 3a는 디포커스 현상이 일어나지 않은 경우에서의 위상반전마스크에 구비된 마스크 패턴(11) 및 웨이퍼 상에 구현되는 실제 패턴(12)을 도시한 도면이고, 도 3b는 0.3㎛ 정도의 디포커스가 일어난 경우에서의 마스크 패턴(11) 및 실제 패턴(12a)을 도시한 도면이며, 도 3c는 0.6㎛ 정도의 디포커스가 일어난 경우에서의 마스크 패턴(11) 및 실제 패턴(12b)을 도시한 도면이다.

이와 같은 디포커스 현상이 발생되는 이유는, 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 빛의 회절 각이 패턴들의 주기에 따라 상이하기 때문이며, 예를들어, 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴들의 경우에는 X방향 및 Y방향에 따라 회절각이 상이하게 되므로, 상기 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴들을 구현하기 위하여 위상반전마스크를 이용하게 되면, 렌즈에 입사되는 빛의 차수가 상이한 것에 기인하여, 디포커스에 따른 상의 변형이 방향에 따라 서로 상이하게 나타나게 되기 때문이다. 여기서, 도 4a는 상대적으로 짧은 주기 방향에서의 빛의 회절을 나타낸 것이고, 도 4b는 상대적으로 긴 주기 방향에서의 빛의 회절을 나타낸 것이며, 빛의 회절각은 주기가 클수록 작아짐을 알 수 있다. 또한, 도면부호 20a 및 20b는 각각 짧은 주기와 긴 주기의 위상반전마스크를 나타내고, 14는 크롬막, 15는 위상반전층, 16은 광 투과 영역, 그리고, 17은 투사 렌즈를 각각 나타낸다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴들을 형성하고자 할 때, X방향 또는 Y방향 중, 어느 한 방향의 패턴들에 대해서는 위상반전마스크를 이용하여 형성하고, 다른 방향의 패턴들에 대해서는 사입사 조명을 이용하여 형성시킴으로써, 위상반전마스크만을 사용할 경우에서 조절하기 어려운 방향 및 주기에 따른 디포커스에 의한 상의 변형을 방지할 수 있는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은, X방향으로의 패턴의 주기와 Y방향으로의 패턴의 주기가 서로 다른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법으로서, X방향으로 배열된 패턴들 또는 Y방향으로 배열된 패턴들 중, 어느 하나의 방향으로 배열된 패턴들은 위상반전마스크를 이용하여 형성하고, 다른 방향으로 배열된 패턴들은 사입사 조명으로 형성하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법에 의하여 달성된다.

본 발명에 따르면, 어느 한 방향으로 배열된 미세 패턴들에 대해서는 위상반전마스크를 사용하여 형성하고, 다른 방향으로 배열된 미세 패턴들에 대해서는 사입사 조명을 이용하여 형성함으로써, 디포커스에 의한 상의 변형을 방지할 수 있고, 이에 따라, 상 변형에 따른 소자 특성의 열화를 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하기 위하여 적용된 위상반전마스크를 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 위상반전마스크(30)는 그 내부에 구비되는 마스크 패턴들(22, 24) 중에서 X방향, 또는, Y방향 중에서 어느 한 방향, 바람직하게는, X방향의 마스크 패턴들에 대해서만 위상반전 처리된다. 따라서, 위상반전 처리된 제1마스크 패턴 라인과 위상반전 처리되지 않은 제2마스크 패턴 라인은 교대로 배열된 형태가 되며, 이때, 상기 제1마스크 패턴(22)과 제2마스크 패턴(24)은 180°의 위상차를 갖게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 사입사 조명을 위하여 적용된 유효 광원을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 사입사 조명을 위하여 적용된 유효 광원(32)은 그 형태가 종래와 유사하지만, 그 위치가 종래 유효 광원의 중심으로부터 소정 거리만큼이 이격되어 배치된다. 이때, 중심으로부터 이격되는 유효 광원(32)의 거리(d)는 하기의 식 1로부터 디포커스에 가장 둔감한 조건을 얻을 수 있는 거리로 구비된다.

d = (빛의 파장/렌즈 구경수) / (2×패턴 주기) --------- (식 1)

또한, 어퍼쳐를 통해 만들어지는 유효 광원(32)은 적어도 하나 이상이 구비되도록 함으로써, 사입사 조명이 이루어짐과 동시에, 투과량을 증가시키는 것에 의해 생산성이 향상되도록 한다.

상기에서, 사입사 조명은 노광용 마스크에 입사되는 빛이 수직이 아닌 사선으로 입사되도록 하는 방법으로서, 이에 대하여 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 노광 공정의 원리를 살펴보면, 어퍼쳐를 통해 만들어진 유효 광원이 집광 렌즈를 투과하여 마스크에 입사되고, 상기 마스크를 투과한 빛은 소정 각도로 회절되며, 회절된 빛 중, 투사 렌즈에 입사되는 빛이 다시 회절을 일으키어, 최종적으로, 동일한 초점면에 도달하는 적어도 두 개의 빛에 의해 노광이 이루어진다.

그런데, 도 7a에 도시된 바와 같이, 위상반전마스크(50a)에 빛이 수직으로 입사되는 경우에는 0차 회절 광이 존재함은 물론, 소정 각도로 회절되는 광도 존재하게 된다. 이때, 회절된 빛들이 투명 렌즈(52a)를 투과하게 되면, 서로 다른 각으로 또 한번 회절되기 때문에, 이러한 상태의 빛이 웨이퍼에 입사되면, 두 개의 빛이 모여지는 초점면은 여러개가 존재하게 되고, 이 결과로, 디포커스에 의한 상의 변형이 심하게 일어나게 된다.

이에 반해, 도 7b에 도시된 바와 같이, 위상반전마스크(50b)에 빛이 수직이 아닌 사선으로 입사되는 사입사 조명의 경우에는, 회절된 빛들 중, 그 일부가 투사 렌즈(52b)를 벗어나는 것에 의해 상기 투사 렌즈(52b)를 투과하지 못하기 때문에, 실질적으로 웨이퍼에 입사되는 빛은 적어지게 되고, 이에 따라, 빛이 수직으로 입사되는 경우와 비교해서 초점면이 줄어드는 것에 의해 디포커스에 의한 상의 변형이 감소하게 된다. 예를들어, 사입사 각도가 0차 회절 광 및 1차 회절 광의 각도의 절반에 해당하는 각도를 갖게 되면, 디포커스 현상에 의한 상의 변형이 없게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이, 위상반전마스크의 형태를 변경하고, 아울러, 사입사 조명을 이용할 경우에는, 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 디포커스가 일어나지 않은 경우와 디포커스가 일어난 경우를 비교할 때, 거의 차이가 없음을 알 수 있고, 특히, 위상반전마스크만을 이용하는 종래의 방법과 비교할 때, 보다 향상된 해상력을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 도 8a는 디포커스 현상이 일어나지 않은 경우에서의 위상반전마스크에 구비된 마스크 패턴(62) 및 웨이퍼 상에 구현되는 실제 패턴(64)을 나타낸 것이고, 도 8b는 0.3㎛ 정도의 디포커스가 일어난 경우에서의 마스크 패턴(62) 및 실제 패턴(64a)을 나타낸 것이며, 도 8c는 0.6㎛ 정도의 디포커스 현상이 발생되는 경우에서의 마스크 패턴(62) 및 실제 패턴(64b)을 나타낸 것이다.

도 9는 사입사 조명을 위하여 적용된 본 발명의 다른 실시예에 따른 이 주기를 갖는 미세 패턴 형성방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 중심이 이동된 유효 광원을 이용하지 않고, 일반적인 형태의 유효 광원(72)을 그대로 이용하되, 집광 렌즈(74)와 위상반전마스크(76) 사이에 더미 회절 마스크(75)를 삽입시켜, 사입사 조명이 이루어지도록 한다. 미설명된 도면부호 78은 투사 렌즈, 그리고, 80은 웨이퍼를 각각 나타낸다.

상기에서, 더미 회절 마스크(75)는, 도 10a에 도시된 바와 같이, 투광성 기판(75a)의 일부분을 위상반전 처리해 준 것으로서, 위상반전 처리된 부분(75b)과 위상반전 처리되지 않은 부분(75c)을 투과하는 빛의 위상이 180。 차이가 나도록제작된 것이다. 또한, 상기 더미 회절 마스크(75a)는 도 10b에 도시된 바와 같은 형태로 제작될 수도 있다. 도 10a 및 도 10b에서, 도면부호 72a와 72b는 각각의 더미 회절 마스크에 해당하는 유효 광원을 나타낸 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 위상반전마스크와 사입사 조명법을 이용함으로써, 보다 향상된 해상력을 얻을 수 있고, 아울러, 디포커스에 의한 상 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 소자 특성의 열화를 방지할 수 있으며, 아울러, 제조수율을 향상시킬 수 있다.

한편, 여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만, 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

도 1은 X방향과 Y방향으로 주기가 서로 다른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 도시한 도면.

도 2a는 종래 기술에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하기 위한 노광 공정에서 적용된 위상반전마스크를 도시한 도면.

도 2b는 종래 기술에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하기 위한 노광 공정에서 적용되는 유효 광원을 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3c는 종래의 문제점을 설명하기 위한 도면.

도 4a 및 도 4b는 위상반전마스크에서 주기에 따른 빛의 회절을 설명하기 위한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하기위한 노광 공정에 적용되는 위상반전마스크를 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴을 형성하기위한 노광 공정에 적용되는 유효 광원을 도시한 도면.

도 7a 및 도 7b는 사입사 조명을 설명하기 위한 도면.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴 형성방법에 의하여 형성된 실제 패턴을 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴 형성방법을 설명하기 위한 도면.

도 10a 및 도 10b는 더미 회절 마스크를 도시한 도면.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

30 : 위상반전마스크 32 : 유효 광원

62 : 마스크 패턴 64a,64b,64c : 실제 패턴

75 : 더미 회절 마스크

Claims (5)

1. X방향으로의 패턴의 주기와 Y방향으로의 패턴의 주기가 서로 다른 패턴들을 형성하기 위한 이(異) 주기 패턴의 형성방법으로서,

   X방향으로 배열된 패턴들 또는 Y방향으로 배열된 패턴들 중, 어느 하나의 방향으로 배열된 패턴들은 위상반전 마스크를 이용하여 형성하고, 다른 방향으로 배열된 패턴들은 사입사 조명으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 사입사 조명에서의 광원은, 유효 광원이 광원의 중심으로부터 소정 거리만큼 이격되어 구비된 것을 특징으로 하는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 이격 거리는 하기의 식으로부터 얻는 것을 특징으로 하는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법.

   이격 거리 = (빛의 파장/렌즈 구경수) / (2×패턴 주기)
4. 제 2 항에 있어서, 상기 유효 광원은 적어도 하나 이상이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 사입사 조명은, 회절 마스크를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 이(異) 주기를 갖는 미세 패턴의 형성방법.