KR100523646B1 - 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 제조 방법은 광투과성 기판 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴을 형성하는 단계와, 차광막 패턴 사이의 기판 상부에 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴과 위상 반전 패턴과 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴을 형성하는 단계를 포함한다. 따라서 본 발명은 위상 반전 마스크의 홀 패턴과 위상 반전 패턴 주위에 위상을 반전시키는 보조 패턴을 추가함으로써 홀 패턴과 위상 반전 패턴 사이에서 발생하는 사이드 로브 현상을 방지하여 미세한 홀 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.

Description

보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크 및 그 제조 방법{PHASE SHIFTING MASK WITH AN ASSIST PATTERN AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 위상 반전 마스크 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 특히 홀 패턴(hole pattern)을 위한 포토리소그래피 공정에서 패턴 사이에 발생되는 사이드 로브(side lobe) 현상을 방지하여 반도체 공정의 신뢰성을 향상시키는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 포토리소그래피 기술은 마스크설계를 정교하게 해줌으로써 마스크로 투광되어 나오는 빛의 양을 적당하게 조절할 수 있게 되었다. 이를 위해 광학 근접 보상기술(OPC: Optical Proximity Correction)이라든가 위상 반전 마스크(PSM: Phase Shifting Mask) 기술이 등장하였고 마스크에 그려진 패턴 형상에 의한 빛의 왜곡 현상을 최소화시킬 수 있는 여러 방법들이 모색되었다.

도 1a는 종래 기술에 의한 일반 포토 마스크 구조와 이를 이용한 마스크 위상, 웨이퍼 위상 및 광강도 그래프들을 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하면, 일반 포토 마스크는 광투과성 기판(10)에 크롬(Cr) 등의 차광막 패턴(12)이 형성되어 차광막 패턴(12)이 있는 부분이 광차단 영역이 되며 기판(10)이 노출되는 부분이 광투과 영역(14)이 된다. 이 경우 마스크의 위상(A)과 웨이퍼의 위상(B)이 서로 다른 상태를 갖을 경우 빛의 간섭에 의해 차광막 패턴(12)이 제 역할을 하지 못하여 웨이퍼의 광강도(C) 경계부가 불투명해진다.

이러한 빛의 간섭 현상으로 인한 포토 마스크의 해상도 저하를 방지하고자 위상 반전 마스크 기술은 인접된 패턴간에 작용하는 빛의 간섭현상 대신 위상 천이 현상이 일어나도록 포토 마스크를 제작하는 것이다.

도 1b는 종래 기술에 의한 위상 반전 마스크 구조와 이를 이용한 마스크 위상, 웨이퍼 위상 및 광강도 그래프들을 나타낸 도면이다. 도 1b를 참조하면, 종래 위상 반전 마스크는 광투과성 기판(10)에 크롬(Cr) 등의 차광막 패턴(12)이 형성되어 있으며 차광막 패턴(12) 사이에 위상 반전 패턴(16)이 형성되어 있다. 위상 반전 패턴(16)이 있는 부분은 차광막 패턴(12) 사이의 광투과 영역(14)에 비해 마스크 위상이 서로 반전(A', A)된다. 이러한 위상 반전 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정시 웨이퍼에는 위상 반전 영역과 그렇지 않은 영역의 경계 사이에서 상보 위상(B')을 갖게 되며 웨이퍼 광강도(C)는 인접 패턴 간에 선명하게 차단 효과를 얻는다.

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 위한 위상 반전 마스크의 홀 패턴 구조를 나타낸 도면들로서, 이들 도면을 참조하면 위상 반전 마스크의 기판(11) 위에는 밀집된 콘택홀 패턴인 개구부(14)가 형성되어 있다. 상기 마스크를 통과한 빛은 위상 반전에 의한 광강도가 인접된 차광막 패턴(12)의 중간 지점에서 합쳐지는 사이드 로브(side lobe) 현상으로 인한 불필요한 새로운 홀(hole) 패턴을 생성한다. 이렇게 생성된 홀 패턴(12')은 웨이퍼의 포토리소그래피 공정시 매우 치명적으로 작용한다.

도 3은 도 2b의 위상 반전 마스크의 홀 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정시 사이드 로브 현상이 발생된 웨이퍼 레지스트 이미지 프로파일이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 위상 반전 마스크의 홀 패턴 사이에 새롭게 형성된 사이드 로브 패턴에 의해 웨이퍼 포토리소그래피 공정시 레지스트 이미지 프로파일(b)에 비정상적인 프로파일(a)을 제공한다. 이러한 사이드 로브에 의한 생성된 홀 패턴은 밀집된 정상의 홀 패턴 사이가 가까울수록 심각하게 작용한다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 위상 반전 마스크의 홀 패턴과 위상 반전 패턴 주위에 위상을 반전시키는 보조 패턴을 추가함으로써 홀 패턴과 위상 반전 패턴 사이에서 발생하는 사이드 로브 현상을 방지하여 미세한 홀 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있으며 홀 패턴의 모서리에서 일어나는 광학 근접 효과를 줄일 수 있는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 위상 반전 마스크에 있어서, 광투과성 기판 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴과, 차광막 패턴 사이의 기판 상부에 형성되어 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴과, 위상 반전 패턴과 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴을 구비한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 위상 반전 마스크를 제조하는 방법에 있어서, 광투과성 기판 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴을 형성하는 단계와, 차광막 패턴 사이의 기판 상부에 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴과 위상 반전 패턴과 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도로서, 이들 도면을 참조하여 본 발명의 위상 반전 마스크의 제조 과정에 대해 설명한다.

우선 도 4a에 도시된 바와 같이, 글래스(glass), 쿼츠(quartz) 등의 광투과성 기판(100) 상부에 크롬(Cr) 등의 차광막(102)을 증착하고, 포토리소그래피 공정을 진행하여 차광막(102) 상부에 포토레지스트(104)를 도포한다. 이때 포토레지스트(104)는 전자빔(e-beam)용 레지스트를 사용한다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 전자빔 노광 및 현상 공정으로 미세 홀 패턴 영역과 위상 반전 패턴 영역과, 이들 패턴에 인접되는 보조 패턴 영역을 정의하는 포토레지스트 패턴(104')을 형성한다. 그리고 포토레지스트 패턴(104')을 이용한 식각 공정으로 하부의 차광막(102)을 패터닝(102')한다. 이로 인해 차광막 패턴(102')이 있는 기판(100) 부분은 광차단 영역(도면 부호 표시 안함)이 되며 차광막 패턴(102')이 없는 기판(100) 부분은 광투과 영역(106, 108, 110)이 된다. 이때, 광투과 영역은 미세 홀 패턴의 영역(110), 위상 반전 패턴의 영역(106), 또는 보조 패턴의 영역(108)이 형성될 부분이다. 여기서 보조 패턴의 영역(108)은 이후 형성될 미세 홀 패턴 및 위상 반전 패턴의 해상력을 높이며 광학 근접 효과를 보상하는 역할을 한다.

그런 다음 도 4c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(104')을 제거한다. 그리고나서 차광막 패턴(102')이 형성된 기판(100) 상부에 위상 반전막으로서, 실리콘 산화막(SiO2) 등을 증착하고 이를 패터닝하여 차광막 패턴(102') 사이의 기판 상부에 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴(112)을 형성함과 동시에 위상 반전 패턴(112)과 차광막 패턴(102') 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)을 형성한다. 여기서, 차광막 패턴(102') 사이의 광투과 영역의 기판인 110은 미세 홀 패턴의 영역이다.

위상 반전 패턴(112)과 보조 패턴(108a, 108b)을 이루는 위상 반전막의 두께(d)는 이다. 이때 λ는 광원의 파장, n은 위상 반전 패턴의 굴절율 , n0는 공기의 굴절율이다.

그러므로, 본 발명에 따라 제조된 위상 반전 마스크는 광투과성 기판(100) 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴(102')과, 차광막 패턴(102') 사이의 기판 상부에 형성되어 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴(112)과, 위상 반전 패턴(112)과 차광막 패턴(102') 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)으로 이루어진다. 여기서 차광막 패턴(102') 사이의 광투과 영역의 기판인 110은 미세 홀 패턴의 영역이 된다.

본 발명의 위상 반전 마스크는 미세 홀 패턴(110)과 그에 인접한 위상 반전 패턴(112)에 각각 소정 거리 이격(isolate)(예컨대 1:1 피치 이내의 간격을 유지), 서로 모서리가 맞닿도록, 또는 서로 모서리가 오버랩(overlap)되도록 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)을 배치한다.

본 발명의 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)은 각 모서리로부터 인접된 다른 패턴(110, 112)들에 대해 0°∼ 90°의 위상차를 갖는다. 즉, 108a의 보조 패턴은 미세 홀 패턴(110)에 대해 인접되어 있으며 위상 반전 물질로 되어 있는 반면에 미세 홀 패턴(110)은 기판이 드러나는 광 투과 영역이므로 양 패턴은 서로 위상차를 갖게 된다. 108b역시 광 투과 영역인 미세홀 패턴(110)에 대해 인접되어 있으며 위상 반전 물질로 되어 있어 미세 홀 패턴(110)과는 서로 다른 위상차를 갖는다. 위상 반전 패턴(112) 양쪽에 인접된 각 보조 패턴(108c, 108d)은 기판이 드러나는 광투과 영역으로 되어 있는 반면에 위상 반전 패턴(112)은 위상 반전 물질로 되어 있기 때문에 양 패턴은 서로 다른 위상차를 갖는다.

그리고 본 발명에 있어서, 차광막 패턴(102') 사이의 광투과 영역인 미세 홀 패턴(110)과 위상 반전 패턴(112) 사이의 거리는 미세 홀 패턴(110)의 중심으로부터 단방향 길이의 3배 이내의 거리에 인접된 보조 패턴(108b, 108c)의 중심이 위치하도록 한다. 또 미세 홀 패턴(110)과 이에 인접한 보조 패턴(108a, 108b) 사이의 중심 거리는 차광막 패턴(102')의 끝단 모서리로부터 홀 패턴(110)의 단방향 길이 이내의 거리에 위치하도록 한다. 또한 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)의 단방향 길이는 노광원의 한계 해상도 이내로 한정하며 미세 홀 패턴(110)의 단방향 길이의 1/3이하로 한다.

이에 따라 본 발명의 위상 반전 마스크는 메인 패턴인 미세 홀 패턴(110)과 위상 반전 패턴(112)에 각각 인접한 보조 패턴(108a, 108b, 108c, 108d)에 의해서 투과 광의 세기가 바꿔져 홀 패턴(110)과 위상 반전 패턴(112) 사이에서 발생하는 사이드 로브 현상과 광학 근접 효과를 보상할 수 있다.

도 5a 및 도 5c는 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 다양한 홀 패턴 구조를 나타낸 도면들이다.

도 5a를 참조하면, 본 실시예의 위상 반전 마스크는 배경이 차광막 패턴(도면 부호 미표시)으로 되어 있으며 실제 홀 패턴(200)과 이의 위상 반전 패턴(200') 사이에서 위상 반전 효과를 얻는다. 더욱이 홀 패턴(200)과 위상 반전 패턴(200') 주위에 이격되어 배치된 보조 패턴(210', 210)은 각 패턴(200, 200')에 인접된 보조 패턴(210', 210)에서 위상 반전을 일으켜 위상 반전 마스크에서 발생하는 사이드 로브 현상을 보상할 수 있다. 또한 보조 패턴(210', 210)은 홀 패턴(200)과 위상 반전 패턴(200')의 모서리 부분에서 발생되는 광 부족 현상을 채워주는 역할을 하고 실제로 원자외선(DUV KrF) 노광 장치로 노광시 0.1um 이내의 설계상의 길이를 갖게 되므로 정 노광(설계 길이= 웨이퍼 표면의 패턴길이)시 웨이퍼에 해상은 되지 않으면서 상기 패턴(200, 200')의 광학 근접 효과를 보상할 수 있다. 본 실시예에서는 홀 패턴(200)과 위상 반전 패턴(200')의 모서리 해상 능력을 높이기 위하여 인접된 보조 패턴(210', 210)과의 사이를 일정 간격을 두고 배치하였다.

도 5b를 참조하면, 원자외선(DUV KrF) 노광 장치의 광 강도를 계속 높일 경우 홀 패턴(300)과 위상 반전 패턴(300')의 공간 이미지(마스크를 통과한 빛이 웨이퍼에 도달하기 전 상태)를 접촉 직전의 상태까지 늘릴 수 있고, 늘어난 패턴(300, 300)의 이미지 크기에 비례해 보조 패턴(310', 310)의 이미지 크기도 비례해 전체적으로 위상 반전 및 광학 근접효과 보상을 극대화 할 수 있다.

이 방법을 확대 적용하기 위해 광 강도를 높이게 되면, 도 5c와 같이 홀 패턴(400)과 위상 반전 패턴(400')에 대해 각 보조 패턴(410', 410)의 모서리 이미지가 서로 중첩되더라도 밀집된 패턴간에 발생하는 사이드 로브 현상이 잘 일어나지 않는다. 또한 서로 마주보는 패턴(400, 400')과 보조 패턴(410', 410)간에 발생하는 위상 충돌이 일어나지 않도록 서로 반대의 위상을 갖도록 위상차를 발생하였기 때문에 서로 상보 효과를 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정시 사이드 로브 현상이 제거된 웨이퍼 레지스트 이미지 프로파일이다.

도 6을 참조하면, 위상 반전 마스크의 홀 패턴과 위상 반전 패턴 주위에 새롭게 형성된 보조 패턴에 의해 웨이퍼 포토리소그래피 공정시 얻어진 레지스트 이미지 프로파일(b')에서 홀 패턴과 위상 반전 패턴 사이인 웨이퍼 레지스트 패턴에 정상적인 프로파일(a)이 발생하게 된다. 이에 따라, 본 발명은 종래 기술에 비해 사이드 로브가 개선되며 해상도가 향상되며 광학 근접 효과가 보상됨을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 위상 반전 마스크의 홀 패턴과 위상 반전 패턴 주위에 위상을 반전시키는 보조 패턴을 추가함으로써 홀 패턴과 위상 반전 패턴 사이에서 발생하는 사이드 로브 현상을 방지하여 미세한 홀 패턴의 해상도를 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 홀 패턴 또는 위상 반전 패턴 주위에 배치된 보조 패턴 사이의 간격을 조정해서 노광 에너지에 따라 패턴의 모서리에서 일어나는 광학 근접 효과를 줄일 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것이 아니라 후술되는 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상과 범주내에서 당업자에 의해 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1a는 종래 기술에 의한 일반 포토 마스크 구조와 이를 이용한 마스크 위상, 웨이퍼 위상 및 광강도 그래프들을 나타낸 도면,

도 1b는 종래 기술에 의한 위상 반전 마스크 구조와 이를 이용한 마스크 위상, 웨이퍼 위상 및 광강도 그래프들을 나타낸 도면,

도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 위한 위상 반전 마스크의 홀 패턴 구조를 나타낸 도면들,

도 3은 도 2b의 위상 반전 마스크의 홀 패턴을 이용한 포토리소그래피 공정시 사이드 로브 현상이 발생된 웨이퍼 레지스트 이미지 프로파일,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 제조 과정을 나타낸 공정 순서도,

도 5a 및 도 5c는 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 다양한 홀 패턴 구조를 나타낸 도면들,

도 6은 본 발명에 따른 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크를 이용한 포토리소그래피 공정시 사이드 로브 현상이 제거된 웨이퍼 레지스트 이미지 프로파일.

Claims (14)

1. 위상 반전 마스크에 있어서,

   광투과성 기판 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴;

   상기 차광막 패턴 사이의 기판 상부에 형성되어 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴; 및

   상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴에 대해 상기 보조 패턴이 소정 거리 이격되도록 배치된 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
3. 제 1항에 있어서, 상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴에 대해 상기 보조 패턴이 모서리가 맞닿도록 배치된 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
4. 제 1항에 있어서, 상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴에 대해 상기 보조 패턴이 서로 모서리가 오버랩되도록 배치된 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
5. 제 1항에 있어서, 상기 보조 패턴은 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 양쪽에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
6. 제 1항에 있어서, 상기 보조 패턴은 상기 위상 반전 패턴의 양쪽에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
7. 제 1항에 있어서, 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역과 위상 반전 패턴 사이의 거리는 광투과영역의 중심으로부터 단방향 길이의 3배 이내의 거리에 보조 패턴의 중심이 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
8. 제 1항에 있어서, 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역과 보조 패턴 사이의 중심 거리는 차광막 패턴의 끝단 모서리로부터 광투과영역의 단방향 길이 이내의 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
9. 제 1항에 있어서, 상기 보조 패턴의 단방향 길이는 노광원의 한계 해상도 이내로 한정하며 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 단방향 길이의 1/3이하인 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
10. 제 1항에 있어서, 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역과 위상 반전 패턴에 각각 인접된 보조 패턴은 각 모서리로부터 0˚~ 90˚의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.
11. 제 1항에 있어서, 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역과 위상 반전 패턴에 각각 인접된 보조 패턴사이의 위상 반전 두께는 인 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크.

    λ는 광원의 파장, n은 위상 반전 패턴의 굴절율 , n0는 공기의 굴절율임.
12. 위상 반전 마스크를 제조하는 방법에 있어서,

    광투과성 기판 상부에 광투과 영역과 광차단 영역을 정의하는 차광막 패턴을 형성하는 단계; 및

    상기 차광막 패턴 사이의 기판 상부에 투과되는 광의 위상차를 발생하는 위상 반전 패턴과 상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴 사이의 광투과 영역의 기판 상부에 각각 인접되게 배치되어 인접된 패턴의 광과 소정의 위상차를 갖도록 하는 보조 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 제조 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 위상 반전 패턴과 차광막 패턴에 대해 상기 보조 패턴이 소정 거리 이격, 서로 모서리가 맞닿도록, 또는 서로 모서리가 오버랩되도록 배치된 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 제조 방법.
14. 제 12항에 있어서, 상기 차광막 패턴 사이의 광투과 영역과 위상 반전 패턴에 각각 인접된 보조 패턴은 각 모서리로부터 0˚∼ 90˚의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 보조 패턴을 갖는 위상 반전 마스크의 제조 방법.