KR100597767B1 - 노광 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특정의 패턴이 고립 영역에 해당되는지 밀접 영역에 해당되는지를 정의하고 그에 따라, 특정의 위상 반전 마스크를 적용함으로써 패턴의 선폭 균일성 및 해상력 향상을 담보할 수 있는 노광 방법에 관한 것으로서,
본 발명의 노광 방법은 복수의 콘택홀 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하기 위한 노광 공정에 있어서, 상기 복수의 콘택홀 영역을 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역으로 정의하는 단계;와, 복수의 액티브 영역을 구비하고 상기 액티브 영역 상에 하부 패턴이 형성된 반도체 기판 상에 층간절연막을 적층하는 단계;와, 상기 층간절연막 상에 감광막을 도포하는 단계;와, 복수의 콘택홀 영역을 정의하는 레이아웃이 구비된 제 1 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 1 노광 공정;과, 상기 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 각각 투과율이 다른 하프톤막이 형성된 제 2 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 2 노광 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
하프톤, 콘택홀

Description

노광 방법{Method for exposure in photo lithography process}
도 1은 광학근접효과를 설명하기 위한 공정 단면도.
도 2a 및 도 2b는 각각 밀집 영역의 콘택홀과 고립 영역의 콘택홀을 나타낸 SEM 사진.
도 3은 일반적인 하프톤 위상 반전 마스크의 구조를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 노광 방법을 설명하기 위한 참고도로서, 패턴이 고립되어 있는 영역과 패턴이 밀집되어 있는 영역을 나타낸 레이아웃.
도 5는 도 4의 A-A`선에 따른 단면도.
도 6a 내지 6d는 도 4의 A-A`선에 따른 단면에 대한 공정 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
501 : 반도체 기판 502 : 소자분리막
503 : 게이트층 504 : 층간절연막
505 : 감광막 511 : 유리기판
512 : 차광막 513a, 513b : 하프톤막
본 발명은 노광 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정의 패턴이 고립 영역에 해당되는지 밀접 영역에 해당되는지를 정의하고 그에 따라, 특정의 위상 반전 마스크를 적용함으로써 패턴의 선폭 균일성 및 해상력 향상을 담보할 수 있는 노광 방법에 관한 것이다.
포토리소그래피(Photo lithography) 공정은 반도체 소자 제조에 있어 필수적인 공정으로서, 웨이퍼 상에 감광막을 균일하게 도포한 다음, 소정의 레이아웃(lay-out)으로 형성된 포토 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행하고 노광된 감광막을 현상하여 특정 형상의 패턴으로 형성하는 공정을 말한다.
한편, 최근의 반도체 소자의 고집적화에 따라 설계 룰(design rule)이 미세화되면서, 포토리소그래피 공정 수행시 인접 패턴과의 광학근접효과(Optical Proximity Effect, OPC)에 의해 패턴에 결함이 발생하는 문제점이 대두되었다. 즉, 사각형 형상의 패턴을 형성하는 경우, 빛의 회절 및 간섭에 의해 사각형 패턴의 모서리가 둥글게 되는 코너 라운딩(corner rounding) 현상이 발생된다. 또한, 패턴들이 밀집되어 있는 영역(밀집 영역)에 비하여 패턴들이 고립되어 있는 영역(고립 영역)의 패턴들이 그 크기가 작게 패터닝되는 현상이 발생되는데 이 역시 광학근접효과에 기인한다. 이와 같은 광학근접효과를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1에 도시한 바와 같이 반도체 기판(101) 상에 층간절연막(102)이 적층된 상태에 서 상기 층간절연막(102)의 소정 부위를 식각하여 동일한 직경을 갖는 복수개의 콘택홀을 형성하는 공정을 진행하는 경우, 콘택홀이 밀집되어 형성되는 영역(A)의 감광막 패턴(103)의 개구부(d1)보다 콘택홀이 고립되어 형성되는 영역(B)의 감광막 패턴(103)의 개구부(d2)가 광학근접효과에 의해 작게 형성되어 결과적으로 고립 영역(B)의 콘택홀(104b)의 크기가 상대적으로 작게 패터닝된다(도 2a 및 2b 참조). 이 때, 상기 감광막 패턴(103)은 유리기판(111)과 차광막(112)으로 구성되는 통상의 포토 마스크를 이용하여 형성한다.
이에 따라, 상기와 같은 광학근접효과를 억제하고 해상도를 향상시키기 위하여 광학근접보상(Optical Proximity Correction) 방법, 위상 반전(Phase Shift) 방법 등이 제안되었다. 상기 광학근접보상 방법은 광학근접보상 패턴을 이용하여 빛의 회절 및 간섭 문제를 보상하는 방법을 말하며, 상기 위상 반전 방법은 소정의 위상 반전 마스크를 이용하여 빛의 위상을 적절히 반전시켜 패턴의 공간주파수를 줄이거나, 특정 위치의 콘트라스트(contrast)를 증가시키는 간섭 효과를 구현하는 것이다.
상기 위상 반전 방법을 구현하는 위상 반전 마스크는 크게 마스크의 제조방법 및 위상 반전 영역의 진폭에 따라 스트롱(Strong)형과 위크(Weak)형으로 구분된다. 상기 스트롱형에는 교번(alternating)형, 아웃리거(outrigger)형, 림(rim)형이 있으며, 상기 위크형으로는 감쇄(attenuated)형 위상 반전 마스크가 속한다. 상기 감쇄형 위상 반전 마스크는 하프톤(half-tone) 위상 반전 마스크로도 불리며, 위상 반전의 기능은 물론 재료의 선택에 의해 투과율을 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 하프톤 위상 반전 마스크의 구조를 간략히 살펴보면 다음과 같다. 도 3은 일반적인 하프톤 위상 반전 마스크의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 하프톤 위상 반전 마스크(300)는 통상적으로 유리 기판(301) 상에 형성되며, 상기 유리 기판(301) 상에는 미세 패턴을 형성하기 위한 개구부 즉, 노광 영역을 갖는 하프톤막(302)이 형성되어 있다. 또한, 상기 하프톤막 상에는 소정의 너비로 하프톤막의 개구부보다 넓게 형성된 개구부를 갖는 차광막(303)이 구비되어 있다. 여기서, 상기 차광막(303)은 통상 크롬막으로 구성되며, 상기 하프톤막(302)은 소정의 굴절률을 갖는 크롬 산화막(Cr2O3), 크롬 질화막(CrN) 또는 몰리브덴 실리사이드(MoSi)막 등으로 구성된다. 또한, 상기 하프톤막(302)은 전술한 바와 같이 재료 선택에 따라 70∼95%의 투과율을 갖도록 조절할 수 있다.
한편, 반도체 소자의 고집적화 및 하나의 칩 내에 다양한 종류의 소자가 형성됨에 따라, 소자 내에 형성되는 패턴들이 불규칙적인 배열 구조를 갖거나 균일한 패턴 구조를 갖지만 복잡한 회로 패턴을 갖는 구조의 경우 상기와 같은 위상 반전 마스크를 사용함에 있어, 일률적인 기준으로 적용하기에는 어려움이 있다. 즉, 고립 영역에서의 패턴 형성시와 밀집 영역에서의 패턴 형성시, 패턴의 크기 및 밀집도를 고려하여 광학근접보상 또는 특정의 위상 반전 마스크를 적용해야 한다.
그러나, 종래의 기술에 있어서는 고립 영역과 밀집 영역에 대한 정의가 유동적이며 이에 따라 적용되는 위상 반전 마스크를 특정하기에 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 특정의 패턴이 고립 영역에 해당되는지 밀접 영역에 해당되는지를 정의하고 그에 따라, 특정의 위상 반전 마스크를 적용함으로써 패턴의 선폭 균일성 및 해상력 향상을 담보할 수 있는 노광 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 노광 방법은 복수의 콘택홀 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하기 위한 노광 공정에 있어서, 상기 복수의 콘택홀 영역을 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역으로 정의하는 단계;와, 복수의 액티브 영역을 구비하고 상기 액티브 영역 상에 하부 패턴이 형성된 반도체 기판 상에 층간절연막을 적층하는 단계;와, 상기 층간절연막 상에 감광막을 도포하는 단계;와, 복수의 콘택홀 영역을 정의하는 레이아웃이 구비된 제 1 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 1 노광 공정;과, 상기 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 각각 투과율이 다른 하프톤막이 형성된 제 2 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 2 노광 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 복수의 콘택홀 영역을 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역으로 정의하는 단계는, 콘택홀의 직경 또는 한 변의 길이는 L, 상기 액티브 영역과 인접하는 또 다른 액티브 영역 또는 하부 패턴 사이의 최단 거리는 F, 인접하는 콘택홀들 사이의 최단 거리는 E, 상기 콘택홀과, 상기 콘택홀을 둘러싸는 액티브 영역 또는 하부 패턴 영역 사이의 동서남북 방향의 거리를 각각 D1, D2, D3, D4 라고 정의한 상태에서, F≥ 4L 이고, E≥2L 이며, L이 D1, D2, D3, D4 와 같은 4개의 거리 중 적어도 3개 이상보다 크면 해당 콘택홀은 고립 영역의 콘택홀이며 그 이외의 콘택홀은 밀집 영역의 콘택홀로 정의할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제 2 포토 마스크는 고립 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 95%의 투과율을 갖는 하프톤막이 형성되어 있고, 밀집 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 90%의 투과율을 갖는 하프톤막이 형성될 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 층간절연막의 소정 부위를 식각하여 고립 영역 및 밀집 영역의 하부 패턴을 노출시키는 콘택홀 또는 비아홀을 형성하는 공정을 진행함에 있어서, 상기 층간절연막 상에 감광막을 도포한 다음, 통상의 포토 마스크를 이용한 제 1 노광 공정을 진행하고 밀집 영역의 콘택홀을 정의하는 감광막과 고립 영역의 콘택홀을 정의하는 감광막에 서로 다른 광량을 투과시키는 서로 다른 종류의 하프톤막이 구비된 하프톤 위상 반전 마스크를 이용한 제 2 노광 공정을 실시하여 상기 제 1 노광 공정에서 발생된 광학근접효과를 보상할 수 있게 되어 고립 영역 및 밀집 영역의 콘택홀들을 균일한 크기로 형성할 수 있게 된다.
또한, 콘택홀들 사이의 거리, 콘택홀 및 콘택홀과 인접하는 액티브 영역 또는 게이트층 사이의 거리, 액티브 영역 간 또는 액티브 영역과 게이트층 사이의 거 리 등을 고려하여 패터닝하고 하는 패턴 예를 들어, 콘택홀이 고립 영역에 속하는 콘택홀인지 밀집 영역에 속하는 콘택홀인지에 대한 정의를 함으로써 상기 제 1 및 제 2 노광 공정으로 구성되는 본 발명의 노광 방법을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 노광 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 노광 방법을 설명하기 위한 참고도로서, 패턴이 고립되어 있는 영역과 패턴이 밀집되어 있는 영역을 나타낸 레이아웃이다.
반도체 기판 상에는 메모리 셀 영역과 같이 패턴들이 밀집되어 패턴 밀도가 높은 영역과 로직 영역과 패턴들이 고립되어 패턴 밀도가 낮은 영역이 존재한다. 도 4은 콘택홀을 예를 들어 도시한 것으로서, 밀집된 영역의 콘택홀(505b)과 고립된 영역의 콘택홀(505a)을 나타내고 있다. 도 4의 구성 요소를 도 4의 A-A`선에 따른 단면 구조로 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 도시한 바와 같이 반도체 기판이 패턴 밀도가 높은 영역 즉, 밀집 영역과 패턴 밀도가 낮은 영역 즉, 고립 영역으로 구분되며, 상기 반도체 기판(501)은 소자분리막(502)에 의해 액티브 영역이 정의된다. 이와 같은 상태에서, 상기 반도체 기판(501)의 소정 영역 상에는 복수의 게이트층(503)이 형성되어 있다. 또한, 상기 게이트층(503)을 포함한 기판(501) 전면 상에는 층간절연막(504)이 형성되어 있다. 상기 층간절연막(504)의 소정 부위는 식각되어 상기 액티브 영역 또는 상기 게이트층(503) 상의 소정 영역을 노출시키는 콘택홀이 형성되어 있다. 이 때, 상기 콘택홀은 상기 밀집 영역 또는 고립 영역에 모두 형성될 수 있으며 상기 콘택홀들의 직경(d1)(d2)은 모두 동일한 것으로 가정한다. 여기서, 상기 도 5는 게이트층(503)을 일 예로 들었으나, 상기 게이트층(503) 이외에 금속 배선이 해당될 수도 있다.
한편, 종래 기술의 설명에서 언급한 바와 같이 고립 영역과 밀집 영역의 패턴 형성시 예를 들어, 콘택홀 형성시 광학근접효과에 의해 고립 영역에 형성되는 콘택홀이 밀집 영역에 형성되는 콘택홀보다 그 직경이 작게 패터닝되는 현상이 발생한다. 도 4 및 도 5의 콘택홀 형성 공정시에도 통상의 포토리소그래피 공정을 적용하게 되면 상기와 같은 광학근접효과가 발생하게 되고 결과적으로 영역에 따라 콘택홀 크기의 차이가 발생하게 된다. 본 발명에 있어서는 이러한 고립 영역과 밀집 영역에서의 패턴 크기 차이 발생을 방지하기 위하여 다음과 같은 노광 방법을 제시한다.
먼저, 본 발명의 노광 방법은 패터닝하고자 하는 패턴이 밀집 영역의 패턴인지 고립 영역의 패턴인지에 대하여 정의한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 복수개의 콘택홀은 모두 직경 또는 한 변의 길이가 L, 상기 액티브 영역(502a) 사이 또는 액티브 영역(502a)과 게이트층(503) 사이의 거리는 F, 인접하는 콘택들 사이의 최단 거리는 E, 상기 콘택홀과 액티브 영역 또는 상기 콘택홀과 게이트층(503) 사이의 거리를 수직, 수평 방향에 따라 D1, D2, D3, D4 라고 정의한 다. 이와 같은 상태에서 고립 영역에 속하는 콘택홀(505a)은 다음과 같은 조건을 만족해야 한다. 첫 번째 조건으로 F≥ 4L 이고, 두 번째 조건은 E≥2L 이며, 세 번째 조건으로 L이 D1, D2, D3, D4 와 같은 4개의 거리 중 적어도 3개 이상보다 크다라는 것을 만족해야 한다.
상기 세 가지 조건을 모두 만족하는 콘택홀은 고립 영역의 콘택홀(505a)이며 그 이외의 콘택홀들은 밀집 영역의 콘택홀(505b)에 해당된다. 한편, 이와 같은 세 가지 조건의 만족 여부는 상기 포토 마스크에 전사된 회로 패턴을 이용하여 인지될 수 있다.
상기의 과정으로 고립 영역의 콘택홀(505a)과 밀집 영역의 콘택홀(505b)을 정의한 상태에서, 본격적인 콘택홀 형성 공정을 진행한다. 도 6a 내지 6d는 도 4의 A-A`선에 따른 단면에 대한 공정 단면도를 나타낸 것이다.
먼저, 도 6a에 도시한 바와 같이 반도체 기판(501)이 소자분리막(502)에 의해 액티브 영역이 정의되고 상기 액티브 영역의 반도체 기판(501) 상에 복수의 게이트층(503)이 형성되고 상기 게이트층(503)을 포함한 기판(501) 전면 상에 층간절연막(504)이 적층되어 있다. 이와 같은 상태에서 상기 층간절연막(504) 상에 감광막(505)을 도포한다.
그런 다음, 도 6b에 도시한 바와 같이 제 1 포토 마스크를 이용하여 콘택홀이 형성될 영역의 감광막(505)을 노광하는 제 1 노광 공정을 진행한다. 이 때, 상기 제 1 포토 마스크를 유리기판(511)과 차광막(512)으로 구성되는 통상의 포토 마 스크이다. 한편, 상기 제 1 포토 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행할 경우 전술한 바와 같은 광학근접효과가 발생하게 되어 상기 고립 영역의 경우 실제 콘택홀의 크기(C2)보다 작은 크기(C1) 상기 감광막(505)이 노광된다. 참고로, 상기 노광 공정에 사용되는 장치의 일 예로 광원의 파장이 248nm이고, 개구수(Numerical Aperture, NA) 0.6, 시그마(sigma) 0.48 인 장치를 사용한다.
상기 제 1 노광 공정 후 감광막(505)을 현상하지 않은 상태에서, 도 6c에 도시한 바와 같이 제 2 포토 마스크를 이용한 제 2 노광 공정을 진행한다. 상기 제 2 포토 마스크는 하프톤 위상 반전 마스크로서 고립 영역의 콘택홀을 개구하는 부위는 95% 의 투과율을 갖는 하프톤막(513a)이 형성되어 있으며 밀집 영역의 콘택홀을 개구하는 부위는 90%의 투과율을 갖는 하프톤막(513b)이 형성되어 있다. 이 때, 상기 제 2 포토 마스크는 상기 제 1 포토 마스크에 콘택홀이 개구되는 부위 즉, 빛이 투과되는 부위에 고립 영역과 밀집 영역에 따라 각각 투과율이 다른 하프톤막을 형성한 것이다. 즉, 밀집 영역의 콘택홀이 형성될 영역의 감광막(505)보다 고립 영역의 콘택홀이 형성될 영역의 감광막(505)에 보다 많은 광량을 노출시킴으로써 상기 제 1 노광 공정에서 광학근접효과로 인해 실제 콘택홀 크기보다 작게 노광된 고립 영역의 콘택홀 영역의 감광막(505)을 밀집 영역의 콘택홀 영역의 감광막(505)보다 상대적으로 많이 노광시킨다. 이에 따라, 상기 고립 영역 및 밀집 영역의 콘택홀들을 정의하는 감광막(505) 패턴의 개구부(C2)는 그 크기가 동일하게 된다.
이와 같은 상태에서, 도 6d에 도시한 바와 같이 상기 감광막(505)을 현상하 여 복수의 콘택홀을 정의하는 감광막(505) 패턴을 형성하고 상기 감광막(505) 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 층간절연막(504)을 식각하여 동일한 크기(d1)(d2)를 갖는 복수의 콘택홀을 형성한다.
이와 같이, 상기 제 1 노광 공정을 통상의 포토 마스크를 이용하여 수행하고 그에 따라 발생하는 광학근접효과를 상기 제 2 노광 공정을 통하여 보상함으로써 복수의 콘택홀들의 크기를 균일하게 형성할 수 있게 된다. 한편, 본 발명의 노광 방법은 게이트층(503) 또는 액티브 영역을 노출시키는 콘택홀 형성 공정을 일 실시예로 설명하였으나, 금속 배선 등을 노출시키는 비아홀 공정에서도 동일하게 적용 가능하다.
본 발명에 따른 노광 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
층간절연막의 소정 부위를 식각하여 고립 영역 및 밀집 영역의 하부 패턴을 노출시키는 콘택홀 또는 비아홀을 형성하는 공정을 진행함에 있어서, 상기 층간절연막 상에 감광막을 도포한 다음, 통상의 포토 마스크를 이용한 제 1 노광 공정을 진행하고 밀집 영역의 콘택홀을 정의하는 감광막과 고립 영역의 콘택홀을 정의하는 감광막에 서로 다른 광량을 투과시키는 서로 다른 종류의 하프톤막이 구비된 하프톤 위상 반전 마스크를 이용한 제 2 노광 공정을 실시하여 상기 제 1 노광 공정에서 발생된 광학근접효과를 보상할 수 있게 되어 고립 영역 및 밀집 영역의 콘택홀 들을 균일한 크기로 형성할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 복수의 콘택홀 영역을 정의하는 감광막 패턴을 형성하기 위한 노광 공정에 있어서,
    상기 복수의 콘택홀 영역을 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역으로 정의하는 단계;
    복수의 액티브 영역을 구비하고 상기 액티브 영역 상에 하부 패턴이 형성된 반도체 기판 상에 층간절연막을 적층하는 단계;
    상기 층간절연막 상에 감광막을 도포하는 단계;
    복수의 콘택홀 영역을 정의하는 레이아웃이 구비된 제 1 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 1 노광 공정;
    상기 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 각각 투과율이 다른 하프톤막이 형성된 제 2 포토 마스크를 이용하여 상기 감광막을 노광하는 제 2 노광 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 콘택홀 영역을 고립 영역의 콘택홀 영역과 밀집 영역의 콘택홀 영역으로 정의하는 단계는,
    콘택홀의 직경 또는 한 변의 길이는 L,
    상기 액티브 영역과 인접하는 또 다른 액티브 영역 또는 하부 패턴 사이의 최단 거리는 F,
    인접하는 콘택홀들 사이의 최단 거리는 E,
    상기 콘택홀과, 상기 콘택홀을 둘러싸는 액티브 영역 또는 하부 패턴 영역 사이의 동서남북 방향의 거리를 각각 D1, D2, D3, D4,
    라고 정의한 상태에서,
    F≥ 4L 이고, E≥2L 이며, L이 D1, D2, D3, D4 와 같은 4개의 거리 중 적어도 3개 이상보다 크면 해당 콘택홀은 고립 영역의 콘택홀이며 그 이외의 콘택홀은 밀집 영역의 콘택홀로 정의하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 포토 마스크는 고립 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 95%의 투과율을 갖는 하프톤막이 형성되어 있고, 밀집 영역의 콘택홀 영역을 투과하는 부위에 90%의 투과율을 갖는 하프톤막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 하부 패턴은 게이트층(503) 또는 금속 배선인 것을 특징으로 하는 노광 방법.
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