KR100647182B1

KR100647182B1 - 포토마스크, 포토마스크의 제조 방법, 및 그 포토마스크를이용한 반도체 장치의 제조 방법

Info

Publication number: KR100647182B1
Application number: KR1020040076934A
Authority: KR
Inventors: 다나까도시히꼬; 나까오슈지
Original assignee: 가부시끼가이샤 르네사스 테크놀로지
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-11-23
Also published as: JP2005107195A; TWI268399B; US20050069788A1; KR20050031952A; TW200516343A; CN1603949A; CN100507713C

Abstract

본 전사(轉寫)를 행하는 본체 패턴(5)에 대하여 노광광의 위상이 동상이 되며 노광광을 감광(減光)하는 필드(4)와, 본체 패턴(5)의 림 부분에 노광광을 투과시키며 본체 패턴 투과광과는 역위상이 되는 림 패턴(6)을 갖는 포토마스크를 특징으로 한다. 이 포토마스크를 이용함으로써, 65nm 노드에도 적응할 수 있는 실용 해상도를 갖고, 무결함이며 결함 검사 가능한 포토마스크 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이 가능해진다.

전사, 포토마스크, 패턴 투과광, 반도체 장치, 미세 패턴, 해상 성능

Description

포토마스크, 포토마스크의 제조 방법, 및 그 포토마스크를 이용한 반도체 장치의 제조 방법{PHOTOMASK, PHOTOMASK MANUFACTURING METHOD AND SEMICONDUCTOR DEVICE MANUFACTURING METHOD USING PHOTOMASK}

도 1은 본 발명에 기초한 실시 형태에 있어서의 포토마스크의 주요부 단면 구조도.

도 2a 및 도 2b는 종래 포토마스크의 구조를 설명한 구조도로서, 도 2a는 평면도, 도 2b는 주요부 단면 구조도.

도 3a 및 도 3b는 제2 종래의 포토마스크의 구조를 설명한 구조도로서, 도 3a는 평면도, 도 3b는 주요부 단면 구조도.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 기초한 실시 형태에 있어서의 포토마스크의 구조를 설명한 구조도로서, 도 4a는 평면도, 도 4b는 주요부 단면 구조도.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 기초한 제1 실시 형태에 있어서의 포토마스크의 제조 공정을, 주요부 구조도를 들어 도시한 포토마스크 제조 공정도.

도 6a 내지 도 6d는 도 5a 내지 도 5d에서 도시한 제조 공정에 이어서, 본 발명에 기초한 제1 실시 형태에서의 포토마스크의 제조 공정을, 주요부 구조도를 들어 도시한 포토마스크 제조 공정도.

도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 기초한 다른 실시 형태에 있어서의 포토마스 크의 제조 공정을, 주요부 구조도를 들어 도시한 포토마스크 제조 공정도.

도 8a 내지 도 8e는 반도체 장치의 제조 공정을, 주요부 구조도를 들어 도시한 반도체 장치 제조 공정도.

도 9는 본 발명에 기초한 실시 형태에 있어서의 반도체 장치의 제1 패턴 레이아웃 도면.

도 10은 본 발명에 기초한 실시 형태에 있어서의 반도체 장치의 제2 패턴 레이아웃 도면.

도 11은 본 발명에 기초한 실시 형태에 있어서의 반도체 장치의 제3 패턴 레이아웃 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 유리 기판

2 : 위상 시프터재

3 : 하프톤재

4 : 필드

5 : 본체 패턴

6 : 림부

7, 8, 9, 10 : 노광광

본 발명은 반도체 장치 및 전자 디바이스 등의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 미세 구멍 패턴을 갖는 반도체 장치의 제조에 적합한 반도체 장치의 제조 방법, 그것에 이용하는 포토마스크, 및 그 포토마스크의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 집적 회로 장치의 제조에서는 미세 패턴을 반도체 웨이퍼상에 전사하는 방법으로서 리소그래피 기술이 이용된다. 리소그래피 기술에서는 주로 투영 노광 장치가 이용되고, 투영 노광 장치에 장착한 포토마스크의 패턴을 반도체 웨이퍼상에 전사하여 디바이스 패턴을 형성한다.

최근, 디바이스의 고집적화, 디바이스 동작 속도의 향상 요구에 답하기 위해서 형성해야 할 패턴의 미세화가 진행되고 있다. 이러한 배경하에 하프톤 위상 시프트법이라는 노광 방법이 사용되고 있다. 하프톤 위상 시프트형의 포토마스크(이하, 하프톤 위상 시프트 마스크라 함)는 노광광에 대하여 반투명한 막(하프톤막이라고 함)을 투명 베이스 기판(블랭크스)상에 형성한 마스크이다. 그 막의 노광광에 대한 투과율은 통상 1% 내지 25% 내로 조정되고 있다. 또한 이 막을 투과하는 노광광은 이 막이 없는 경우에 대하여 위상에 차이가 발생하도록 조정되어 있다. 가장 높은 해상 성능을 끌어 내는 위상차는 180도 및 그 홀수배이지만, 180도의 전후 90도에 들어가면 해상 향상 효과가 있다. 하프톤 위상 시프트 마스크를 이용하면 일반적으로 해상도가 5% 내지 20% 정도 향상된다는 것이 알려져 있다. 하프톤막으로서는 MoSi, ZrSixOy, CrFxOy, SiNx, SiON 등의 무기막이 이용되고 있다. 여기에서 x나 y는 성분 비율을 나타내는 서픽스이다.

구멍 패턴을 하프톤 위상 시프트법으로 형성하는 경우는, 도 2에 도시한 바 와 같이 필드 부분을 하프톤막(22)으로 하고, 구멍을 형성하는 부분의 하프톤막에 개구(23)를 형성한 하프톤 위상 시프트 마스크를 이용한다. 또, 도 2a, 도 2b의 투명 베이스 기판(21)에는 일반적으로 석영 유리가 이용되고 있다. 또, 여기에서 도 2a는 마스크 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 IIA-IIA로 절단했을 때의 단면을 도시한 단면도이다. 하프톤 위상 시프트에 관한 기재로서는, 예를 들면 일본 특허공개 평5-181257호 공보 등이 있다.

또한, 구멍 패턴에 대해 해상도 및 노광 여유도를 향상시키는 방법으로서 OL-PSM(OutLine-Phase Shifting Mask)라는 포토마스크가 제안되어 있다. 이 마스크의 개요를 마스크 평면도인 도 3a와 도 3a 중의 IIIA-IIIA로 절단했을 때의 단면을 도시한 단면도인 도 3b를 이용하여 설명한다. 이 도면 중에서 유리 기판(31), 하프톤막(32), 본체 패턴(33), 그리고 보조 패턴(34)이 개시되어 있다. 하프톤막(32)은 투과하는 노광광의 위상을 반전시키고, 또한 원하는 값까지 노광광을 감광(減光)시키는 막이다. 상술한 하프톤 위상 시프트 마스크의 하프톤막이 자주 이용된다.

본체 패턴부(33)에서는 유리 기판(31)이 홈이 패여, 본체 패턴부를 투과하는 노광광과 하프톤막(32)을 투과하는 노광광이 동위상이 되도록 조정된다. 본체 패턴의 주위에 근접시켜 보조 패턴(34)이 배치된다. 보조 패턴(34)은 그 자체가 전사되지 않는 크기의 것으로 통상 본체 패턴(32)의 1/10 내지 1/3 크기의 것으로 되어 있다. 보조 패턴(34)은 본체 패턴에 인접되어 배치되지만, 거리를 둔 배치로서, 접하고 있는 배치는 아니다. 따라서 도 3b에 도시한 바와 같이 보조 패턴과 본체 패턴 사이에는 미세한 하프톤막 패턴이 형성되어 있다. 이 보조 패턴을 투과하는 노광광의 위상은 본체 패턴이나 하프톤막을 투과하는 노광광에 대하여 역위상으로 되어 있다.

이 포토마스크를 이용함으로써 초점 심도는 깊어지고, 광학상(光學像) 콘트라스트도 취할 수 있기 때문에 노광량 마진이 얻어지며, 후술하는 MEF의 값도 1 근처까지 작아져 마스크 치수 편차에 대한 마진도 증가한다. 또, OL-PSM에 관해서는 SPIE 학회 회보 5040권(2003), 제1220 내지 제1230 페이지(Improved outline phase shifting mask(OL-PSM) for reduction of the mask error enhancement factor, Optical Microlithography XVI, Anthony yen, Editor, Proceedings of SPIE Vol, 5040(2003), pp1220-1230)에 걸쳐 기재되어 있다.

MEF(Mask Error enhance Factor)란 마스크상의 치수차 ΔLw에 대하여 전사된 패턴의 치수차 ΔLm이 얼마만큼 증폭되었는지를 나타내는 지표로서, 투영 렌즈의 축소율을 M이라고 하면 하기의 수학식으로 표시된다. 여기에서 M은 예를 들면 4x 렌즈를 이용한 경우에는 1/4이 된다.

MEF=ΔLm/(M·ΔLw)

하프톤 위상 시프트 마스크를 사용하는 미세 패턴에서는 통상 MEF가 2 내지 3, 즉 마스크의 치수 편차는 2M 내지 3M배로 증폭되어 전사된다. 예를 들면 축소율이 4인 스캐너를 이용한 경우에는 마스크상의 치수 변화에 대해 전사 치수의 변화가 1/4이 되어야 하지만, MEF=4일 때에는 1, 즉 마스크상의 치수 변화와 웨이퍼상의 치수 변화가 동일해진다는 것을 나타낸다.

상기 종래법에는 이하에 나타내는 문제가 있었다.

하프톤 위상 시프트 마스크는 통상의 Cr 마스크에 비하면 해상도는 향상되지만 해상도 향상 효과는 5% 내지 20%에 그치고 있다. 현재 개발이 진행되고 있는 65nm 노드의 SoC(System on Silicon)에서는 파장 193nm의 ArF 리소그래피로 90nm 또는 80nm 직경의 구멍을 200nm 피치에서 고립까지 형성하는 것이 요구되고 있다.

렌즈의 NA를 높여 해상도 향상을 도모하여 왔지만 트레이드오프의 관계로 초점 심도가 저하되고 있어, 초점 심도를 고려한 실질 해상도는 한계점에 도달하게 된다. 90nm 구멍의 초점 심도는 150nm 정도이며, MEF는 5 전후가 된다. 웨이퍼 평탄도, 렌즈 왜곡, 포커스 검출 정밀도, 포커스 관리 정밀도 등을 고려하면 65nm 노드에서의 필요 초점 심도는 250nm로서, 초점 심도가 부족하다. 이것은 해상 불량이 많이 발생한다는 것을 의미하고 있다. 또한 MEF도 커서 마스크 제작이 곤란하다. 레지스트 구멍 직경의 정밀도는 11nm 전후가 요구되고 있고, 이를 달성하기 위해서는 마스크 요인만으로 결정된다고 해도 8.8nm의 치수 정밀도로 마스크를 제작해야만 한다. 웨이퍼상의 치수 정밀도는 마스크 요인 뿐만이 아니므로 하프톤 위상 시프트 마스크에서 65nm 노드의 구멍 패턴을 형성하는 것은 매우 곤란하다.

OL-PSM 마스크에서는 90nm 구멍의 초점 심도가 250nm 레벨이며, MEF도 1 전후이므로 웨이퍼 해상은 가능한 레벨에 있다. 그러나, 도 3b에 도시한 보조 패턴(36)의 선 폭은 마스크상에서 200nm 전후의 것이 요구되며, 보조 패턴과 본체 패턴 사이에 형성되는 하프톤 격벽 패턴(37)의 폭은 마스크상에서 80nm 전후의 것이 된다. 이 격벽 패턴은 유리 기판과의 접촉면이 작아 마스크 무결함화에 필수인 마스 크 세정시에 박리가 발생한다. 본체 패턴과 보조 패턴은 다른 묘화로 형성되지만, 그 묘화시의 오정렬로 인해 한쪽의 격벽 패턴은 더욱 폭이 좁게 되어 박리가 조장된다. 이러한 박리가 다발하는 구조이면서 마스크 결함 검사도 매우 곤란하다.

마스크 결함 검사 장치는 그 스루풋의 요구로부터 광 검출 방식이 채용되고 있지만, 이러한 미세 패턴에서는 검출광에 예를 들어 파장이 짧은 ArF 엑시머 레이저를 가져 오더라도 그 파장은 193nm로서, 보조 패턴과 거의 동일한 치수이고, 격벽 패턴(37)에 도달해서는 절반의 치수로 되어 있다. 더구나 이러한 미세 패턴이 밀집하여 배치되기 때문에 검사를 할 수 없다. 보조 패턴의 결함이 발견되지 않을 뿐만 아니라, 의사 결함으로서 오류 검출을 다발하기 때문에 본체 패턴의 결함 검사조차 불가능한 상황이 된다.

이상 하프톤 위상 시프트 노광법에서는 65nm 노드에 대응하는 실용 해상도를 얻을 수가 없어, OL-PSM에서는 무결함 마크스의 제조가 매우 곤란하고, 또한 마스크 결함 검사도 할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상기 종래법의 과제를 해결하여 65nm 노드에도 적응할 수 있는 실용 해상도를 갖고, 무결함이며 또한 결함 검사 가능한 포토마스크 및 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 필드 부분이 노광광을 감광(減光)하는 성질을 가지며, 필드 부분과 본체 패턴 부분을 투과하는 노광광의 위상이 거 의 동상(0°)이 되고, 또한 본체 패턴의 림부에 노광광을 투과시키고, 또한 그곳을 통과하는 노광광의 위상이 본체 패턴을 통과하는 노광광의 위상에 대해 거의 반전(180°)하는 포토마스크로 하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 포토마스크를 이용하여 반도체 장치를 제조하는 것을 특징으로 한다.

(제1 실시 형태)

여기에서는 본 발명에 기초한 실시 형태에서의 포토마스크 구성을 도시하는 도 1을 이용하여 발명의 개요를 설명하고, 이어서 본 포토마스크의 제1 제조 방법을, 마스크 제조 공정을 마스크 주요부의 단면 구조를 따름으로써 도시한 도 5a 내지 도5d 및 도 6a 내지 6d를 이용하여 설명한다.

본 포토마스크는 석영 유리 등의 유리 기판(1), 노광광에 대하여 투명한 위상 시프터재(2), 노광광을 감광(減光)하는 하프톤재(3)로 구성된다. 여기에서 투명이란 노광광을 70% 이상, 일반적으로는 90% 이상 투과시키는 상태를 말한다. 또한 여기에서의 감광(減光)은 투과광량이 25% 이하가 되는 것을 말하지만, 4% 이상 9% 이하가 필요한 해상도가 얻어지고, 또한 본래 패턴 전사가 일어나서는 안되는 필드 부분에 주위의 패턴으로부터 돌아 들어간 광이 간섭을 일으켜 광의 스폿을 형성하여, 이상 패턴이 형성되는 이른바 서브 피크 전사를 방지하는 데에 있어서 바람직하다. 하프톤재(3)가 형성되어 있는 장소에서 필드(4)가 형성되고, 본체 패턴은 개구(5)로 형성된다. 본체 패턴(5)의 개구 외측에 개구를 접하여 림부(6)가 형성되며, 그곳은 유리 기판과 투명 위상 시프터재로 구성되어 있다.

따라서, 필드 부분을 투과하는 노광광(8)은 유리 기판과 투명 시프터재와 하 프톤재를 투과하고, 림부를 투과하는 노광광(9)은 유리 기판과 투명 시프터재를 투과하고, 본체 패턴인 개구부(5)를 투과하는 노광광(7)은 유리 기판만을 투과한다. 여기에서, 투명 시프터재(2)는 유리 기판상에 적층된 투명막, 예를 들면 SOG(Spin On Glass)나 CVD(Chemical Vapor Deposition) 형성의 SiO₂막이어도 되지만, 유리 기판 그 자체이어도 좋다. 즉, 유리 기판의 일부에 홈을 파고 그 막두께차를 이용하여 그 기능을 갖게 하여도 좋다. 막을 형성했을 경우에는 유리 기판부와 에칭 선택비도 얻어지고, 막두께 제어성도 우수한, 즉 위상 제어성에 우수하다고 하는 특징이 있다.

한편, 유리 기판에 홈을 파는 경우에는 블랭크 재료비가 싸고, 또한 노광 조사 내성의 문제가 없다고 하는 특징이 있다. 여기에서, 본체 패턴부를 투과하는 노광광(7)과 림부를 투과하는 노광광(9)은 그 위상이 반전, 즉 180° 또는 그 홀수배 차이가 생기도록 투명 위상 시프터재(2)의 막두께를 조정한다. 그 위상은 180±5°, 더욱 높은 치수 제어성이 요구되는 경우에는 180±2°에 들도록 설정한다. 투명 위상 시프터재의 노광광에 대한 굴절률을 n₁, 노광광의 파장을 λ로 하면 위상이 반전되는 막두께는 λ/2(n₁-1)이 된다. 또한 필드 부분을 투과하는 노광광(8)과 림부를 투과하는 노광광의 위상도 마찬가지로 반전하도록 하프톤재(3)의 막두께나 그 막의 노광광에 대한 굴절률 n₂를 조정한다. 그 위상은 180±5°, 더욱 높은 치수 제어성이 요구되는 경우에는 180±2°에 들도록 설정한다. 위상 180° 반전은 하프톤재의 막두께가 λ/2(n₂-1)이 되었을 때에 일어난다. 이와 같이 하면, 필드 부분과 본체 개구 패턴부를 통과하는 노광광에서는 그 위상차가 없어져서, 위상적으로 동상(0°) 상태가 된다. 림부의 폭은 본체 패턴 폭의 1/6 내지 1/3로 한다. 이것보다 크거나 작아도 노광 파장의 절반 정도 크기의 미소 패턴을 만드는 경우에는 콘트라스트가 저하된다.

이 마스크에 경사 입사 상태에서 노광광(10)을 조사한다. 고리띠 조명이나 4중극 조명, 또는 이중극 조명 등을 행함으로써 노광광은 경사 입사 조명이 된다. 필드 부분을 투과하는 노광광과 본체 패턴부를 투과하는 노광광이 간섭하면 콘트라스트는 충분하지는 않지만 디포커스 의존도가 낮은 광학상(光學像)이 형성된다. 또한 림부로부터의 위상이 반전된 노광광은 본체 패턴부 투과광 및 필드부를 약간 누설되어 오는 광과 간섭하여 광학상 콘트라스트를 향상시킨다. 이러한 것으로부터 해상도가 높으며, 노광 여유도도 취할 수 있는 노광을 행하는 것이 가능해진다. 또한 이 마스크 구조에서는 위상차를 발생하는 단차가 하프톤부, 투명 위상 시프터부와 순서대로 단계적으로 형성되어, 하나씩의 단차의 벽이 비교적 낮아져 있으므로 측벽 반사에 의한 광학상의 열화가 적고, 콘트라스트가 높으며, 해상도가 높은 전사를 행하는 것이 가능해진다.

이어서, 본 마스크의 제조 방법을 도 5a 내지 도 5d 및 도 6a 내지 도 6d를 이용하여 설명한다. 우선 도 5a에 도시한 바와 같이 유리 기판(1)상에 하프톤막(3)을 형성한다. 여기에서 하프톤막(3)은 상술한 투과율과 위상차를 부여하는 조건으로 해 둔다. 그 위에 레지스트(11)를 형성하고 원하는 패턴을 전자선(12) 또는 광에 의해 묘화한다. 그 후, 도 5b에 도시한 바와 같이 현상을 행하여 레지스트 패턴(13)을 형성한다. 그 후, 도 5c에 도시한 바와 같이 레지스트 패턴(13)을 마스크로 하프톤막 및 유리 기판의 일부를 에칭하여 하프톤막 및 유리 기판에 개구(14)를 형성한다. 그 후, 도 5d에 도시한 바와 같이 레지스트(13)를 제거한다.

이어서, 도 6a에 도시한 바와 같이 레지스트(15)를 도포하고, 본체 패턴을 포함하여, 보다 큰 영역을 전자선(16) 또는 광에 의해 묘화한다. 현상을 하여 도 6b에 도시한 바와 같이 본체 패턴의 외측 림부가 노출되도록 본체 패턴(14)보다 개구가 큰 레지스트 패턴(17)을 형성한다. 그 후, 도 6c에 도시한 바와 같이 하프톤막을, 레지스트 패턴(17)을 마스크로 하여 에칭한다. 마지막으로, 도 6d에 도시한 바와 같이 레지스트 패턴(17)을 박리, 세정하여 필드부(4), 림부(6) 및 본체 패턴부(5)로 이루어지는 본 마스크를 제조하였다.

본 마스크에서는 마스크상 100nm 폭을 밑도는 미세 격벽 패턴 등이 없고, 형성된 패턴은 최소라도 마스크상 선폭 120nm 이상이었기 때문에 패턴 박리의 문제는 발생하지 않았다. 또한, 마스크상 200nm 선폭의 미세 개구 패턴 등도 없었기 때문에 외관 결함 검사도 가능하고, 의사 결함의 관측도 없었다.

본 마스크를 NA 0.78의 ArF 스캐너로 노광 전사 평가를 행하였더니, 웨이퍼 치수로 90nm 직경의 구멍 패턴의 초점 심도는 190nm 피치에서 완전 고립까지 250nm 이상을 확보할 수 있어, 초점 심도 부족에 의한 해상 불량은 발생하지 않았다. 또한, MEF는 거의 1이며 마스크 정밀도의 문제도 발생하지 않았다. 여기에서는, 림 부의 폭은 25nm로 했지만, 20nm 내지 35nm의 범위에서 상기 초점 심도를 확보할 수 있었다. 림부 폭의 전사 치수에 미치는 영향은 적어 제어성이 있는 마스크로 되어 있었다. 또, 형성한 구멍 패턴의 크기는 90nm이지만 마스크상의 본체 개구부의 개구폭(도 4b 중의 w1)은 마스크상 치수로 440nm(웨이퍼상 환산으로 110nm)로 하였다.

(제2 실시 형태)

제2 실시 형태를 도 7a 내지 도 7e를 이용하여 설명한다. 본 실시의 형태에서는 간편한 마스크 제법을 제공한다. 우선, 도 7a에 도시한 바와 같이 유리 기판(1)상에 하프톤막(3) 및 레지스트 패턴(13)을 형성한다. 제1 실시 형태와 마찬가지로 하프톤막(3)은 상술한 투과율과 위상차를 부여하는 조건으로 해 둔다. 그 후, 도 7b에 도시한 바와 같이 레지스트 패턴(13)을 마스크로 하여 하프톤막을 에칭하고, 계속해서 도 7c에 도시한 바와 같이 유리 기판도 에칭하여 원하는 본체 패턴의 개구부(14)를 형성한다. 유리 기판의 에칭 깊이는 유리 기판면에 대하여 노광광의 위상이 반전하는 상술한 조건으로 해 둔다. 그 후, 도 7d에 도시한 바와 같이 하프톤막에 대한 선택적 등방성 에칭을 행하여 원하는 림폭 정도까지 후퇴한 하프톤 패턴(18)을 형성한다. 그 후, 레지스트 패턴(13)을 제거, 세정하여 도 7e에 도시한 바와 같이 필드부(4), 림부(6), 본체 패턴부(5)로 이루어지고, 필드부와 본체 패턴부가 동위상이고, 림부가 역위상이 되는 본 발명의 포토마스크를 제조하였다.

본 제조 방법에서는 묘화 공정이 1 공정이고, 또한 본체 패턴과 림 패턴과의 오정렬이 없는 본 마스크를 제조할 수 있었다. 묘화 공정이 적기 때문에 저비용이며 제조 TAT(Turn Around Time)가 짧다고 하는 특징이 있었다. 90nm 직경 레벨의 LSI에서는 약 12시간 내지 24시간의 마스크 묘화 시간이 걸리기 때문에 TAT를 요구받는 SoC에서는 그 효과가 컸다.

(제3 실시 형태)

제3 실시 형태를 웨이퍼 프로세스 흐름을 나타내는 도 8a 내지 도 8e를 참조하면서 설명한다. 본 실시의 형태에서는 제1 실시 형태에서 나타낸 포토마스크를 베이스로 본체 패턴 개구부의 크기를 더욱 크게 한(브로드하게 한) 마스크를 이용하였다. 구체적으로는 제1 실시 형태에서는 본체 구멍 패턴 개구부의 폭(도 4b 중의 w1)을 마스크상에서 440nm로 했지만, 여기에서는 520nm(웨이퍼 환산으로 130nm)로 한 마스크를 이용하였다. 최소의 패턴 피치는 웨이퍼상에서 200nm, 마스크상에서는 800nm이다. 림폭(도 4b 중의 w2)는 마스크상 100nm(웨이퍼상 환산으로 25nm)로 하였다.

따라서, 패턴 간의 최소의 하프톤 패턴폭(도 4b중의 w3)은 마스크상에서 80nm이 되었다. 80nm로 미세하였지만 인접한 패턴까지의 거리(도 4b 중의 w1+w2+ w2)는 마스크상에서 720nm으로 미세한 하프톤 패턴의 박리는 없었다. 박리는 웨트 세정의 공정에서 일어나는데, 패턴간 거리가 떨어져 있기 때문에 세정 공정 건조 시에 발생하는 캐피럴리 포스(계면 장력에 기인한 모세관력)가 약하기 때문이다, 또한 200nm을 밑도는 미세폭 패턴도 없기 때문에 마스크 외관 검사도 가능하며, 의사 결함의 발생도 없었다.

한편, 필드부와 본체 패턴부가 역시 노광광에 대하여 동일 위상이 되도록 설정된 OL-PSM인 경우는, 본체 개구 패턴을 본 실시예와 동일하게 마스크상 80nm 브로드하면 하프톤 격벽 패턴폭(도 3b 중의 d2)은 마스크상 70nm, 보조 패턴폭(도 3b중의 d3)은 140nm이 된다. 하프톤 격벽 패턴은 거리 140nm이라는 짧은 거리로 인접하기 때문에 마스크 세정시에 강한 캐피럴리 포스가 작용하여 박리가 발생하였다. 또한, 폭 70nm, 140nm, 70nm이라는 미세 패턴이 인접하여 배열되기 때문에 마스크 외관 검사를 행할 수 없었다.

도 8a에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 포토마스크(81)를 이용하여 웨이퍼(82)에 형성된 포토레지스트(84)를 노광하였다. 노광은 투영 렌즈를 통하여 행하였다. 여기에서, 조명으로서는 경사 입사 조명(85)을 이용하였다. 본 마스크에서는 경사 입사 조명시에 해상도, 및 노광 여유도의 향상이 생긴다. 여기에서는 경사 입사 조명으로서 2/3 고리띠를 이용하였다. 이 밖에 패턴 레이아웃에 따라서는 4중극 조명이나 이중극 조명도 이용할 수 있다. 또, 도 8a 내지 도 8e에 있어서, 반사 방지막(83)으로서 여기에서는 도포계의 반사 방지막을 이용하였다. CVD 성막의 반사 방지막이어도 좋다. 기판 반사가 작은 경우에는 이 반사 방지막을 생략하는 것도 가능하다.

이어서, 도 8b에 도시한 바와 같이, 현상을 행하여 레지스트 패턴(86)을 형성하였다. 그 구멍 패턴(87)의 크기는 110nm이며, 원하는 크기 90nm보다 큰 것이다. 이와 같이 큰 치수의 구멍으로 했기 때문에,노광 여유도는 제1 실시 형태일 때보다 더욱 개선되어 200nm 피치의 패턴에서 고립된 패턴까지 초점 심도는 300nm 확보할 수 있었다. 그 후, 도 8c에 도시한 바와 같이, 레지스트상에 열처리에 의해 레지스트와 믹싱층을 형성하는 피막(88)을 도포 형성하고 열처리를 행하였다. 그 후, 현상을 하고 도 8d에 도시한 바와 같이 레지스트 패턴(86)의 주위에 믹싱층(89)을 형성하여 패턴 개구를 작게 하였다. 그 후, 도 8e에 도시한 바와 같이, 반사 방지막(83)을 에칭하여 원하는 구멍 직경을 갖는 레지스트 패턴(90)을 형성하였다.

이 일련의 홀 축소 수순을 홀 쉬링크라고 한다. 여기에서의 구멍 직경은 90nm이며, 최소 패턴 피치는 200nm이다. 앞서도 기술한 바와 같이 초점 심도는 300nm 확보할 수 있었다. 마스크 결함도 발생하지 않고, 마스크 결함 검사도 할 수 있었기 때문에 이 패턴 형성의 수율은 높았다. 또한, 본 방법을 80nm 구멍 직경, 최소 피치 180nm의 패턴 형성에도 적용하여 초점 심도 250nm을 확보할 수 있었다.

또, 본 실시 형태에서는 홀 쉬링크에 레지스트와의 믹싱을 일으키는 막을 피복하는 방법을 이용했지만, 이 밖에 산 존재하에 열을 가함으로써 가교(架橋)가 진행하여, 피막이 남는 방법이나, 열수축막에 도포 형성한 후 열처리를 행함으로써 연화된 레지스트 패턴 보강하여 홀 쉬링크을 행하는 방법이나, 단순하게 열처리를 행하여 레지스트를 열에 의해 흐르게 하여 홀 쉬링크을 행하는 방법으로도 미세 패턴을 형성할 수 있었다. 단순 열처리법은 간편하고 재료비가 싸다고 하는 특징이 있다. 열수축막 도포법은 구멍 내에 매립된 열수축막의 체적에 따라 수축하기 때문에 커다란 패턴의 수축량은 크고, 작은 패턴의 수축량은 작아지므로 패턴 사이즈 는 일정한 값에 근접하여, 치수 정밀도를 향상시키는 데 적합하였다. 또 열수축 도포막으로서는 폴리비닐피롤리돈 수지를 베이스로 한 수지와 재료 등이 있다.

본 기술을 로직 LSI에 적용한 예를 도 9. 도 10 및 도 11을 이용하여 설명한다. 도 9는 로직부, 도 10은 SRAM(Static Random Access Memory) 메모리셀부, 도 11은 SRAM 주변 회로부의 패턴 레이아웃을 나타낸다. 두 도면에 있어서, 확산층(액티브 영역; 101), 게이트 배선(102), 컨택트홀(도통 구멍; 103, 104 및 105)이 개시되어 있다. 65nm 노드용에서 최소 컨택트 직경은 90nm, 최소 패턴 피치는 200nm로 하였다. 본 노광 기술을 적용한 것은 컨택트홀 부분이다. 로직부는 비교적 컨택트홀(103) 간격이 넓고, SRAM 메모리셀부에서는 직사각형 구멍(104)이 사용되고, SRAM 주변 회로부에서는 조밀한 컨택트홀(105)이 이용되고 있지만, 동시에 이들 컨택트홀을 ±11nm의 치수 정밀도로 수율 높게 뚫을 수 있었다. 종래의 하프톤 위상 시프트법에서는 패턴 해상하지 않고, OL-PSM법에서는 마스크 결함의 문제를 해결할 수 없었다.

(제4 실시 형태)

본 제4 실시 형태의 포토마스크를 이용하여 커스텀 LSI를 제작하였다. 본 포토마스크를 적용한 공정은 확산층과의 전기적 접속을 취하는 컨택트홀층 형성 공정과, 게이트 배선과 최초의 배선층과의 전기적 접속을 취하는 제1 비아홀층 형성 공정이다. 5층 배선의 커스텀 LSI를 제조했지만, 다른 배선층과의 접속을 취하는 제2 이후의 비아홀층의 형성에는 필드 부분과 본체 패턴부와의(노광광에 대한) 위상차가 π가 되는 통상의 하프톤 위상 시프트 마스크를 이용하였다. 컨택트층의 형성에는 구멍 직경이 90nm로 작으므로 해상도가 높은 제2 실시 형태의 마스크를 이용하였다. 비아 1층의 형성에는 최소 직경이 100nm으로 비교적 큰 것이지만 두꺼운 층간막을 가공할 필요에서 레지스트막 두께도 300nm이 필요해져 충분한 노광 콘트라스트를 확보하기 위해서 제2 실시 형태의 마스크를 이용하였다. 비아 2층 이후의 형성에는 커스텀품으로서 이용자 사양 변경이 많고, 마스크 TAT가 요구되므로 마스크 제조 TAT가 우수한 하프톤 위상 시프트 마스크를 이용하였다. 본 방법에 의해 TAT는 약 90nm 최소 직경을 갖는 커스텀 LSI를 제조하는 것이 가능해졌다.

이상과 같이 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 발명의 상세한 설명의 항에서 이루어진 구체적인 실시 형태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 분명히 하는 것으로서, 그러한 구체적예만으로 한정하여 협의로 해석되는 것은 아니며, 본 발명의 정신과 다음에 기재하는 특허 청구 범위내에서 여러 가지로 변경하여 실시할 수 있다.

본 발명에 의해, 65nm 노드에도 적응할 수 있는 실용 해상도가 확보된다. 또한, 공급되는 포토마스크는 무결함이며, 결함 검사도 가능해진다. 이 때문에, 제조되는 반도체 장치도 수율이 높아진다.

Claims

필드 부분이 노광광을 감광(減光)하고 패턴 부분이 노광광을 투과시키는 하프톤 위상 시프트형 포토마스크로서,

필드 부분과 패턴 부분을 투과하는 노광광의 위상이 동일한 위상이며, 상기 패턴 부분의 외측에, 또한 상기 패턴 부분에 접하여 노광광을 투과시키는 림 부분이 설치되고, 상기 림 부분을 투과하는 노광광이 상기 필드 부분 및 상기 패턴 부분을 투과하는 노광광과 반대 위상으로 되어 있는 것을 특징으로 한 포토마스크.
제1항에 있어서,

상기 림 부분의 선 폭이 상기 패턴 부분의 선 폭의 1/6 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
포토마스크의 제조 방법으로서,

유리 기판상에 노광광을 감광(減光)하고, 또한 그 막을 투과하는 노광광의 위상이 막이 없는 경우에 대하여 반전하는 소위 하프톤막을 형성하는 공정과,

상기 하프톤막상에 레지스트 패턴을 형성하여 에칭을 행하고 레지스트 개구부의 하프톤막을 제거하여 하프톤 패턴을 형성하는 공정과,

상기 하프톤막을 투과하는 노광광의 위상과 상기 에칭된 개구부를 투과하는 노광광의 위상이 거의 동상이 되는 깊이까지 상기 레지스트 개구부의 상기 유리 기판을 에칭하는 공정과,

등방성 에칭에 의해 상기 하프톤 패턴의 개구부를 확장하는 공정과,

상기 레지스트 패턴을 제거하는 공정

을 포함하는 것을 특징으로 한 포토마스크의 제조 방법.
필드 부분이 노광광을 감광(減光)하고 패턴 부분이 노광광을 투과시키고, 상기 필드 부분과 상기 패턴 부분을 투과하는 노광광의 위상이 동일 위상이며, 상기 패턴 부분의 외측에, 또한 상기 패턴 부분에 접하여 노광광을 투과시키는 림 부분이 설치되고, 상기 림 부분을 투과하는 노광광이 상기 필드 부분 및 상기 패턴 부분을 투과하는 노광광과 반대 위상으로 되어 있는 것을 특징으로 한 하프톤 위상 시프트형의 포토마스크를 이용하여 반도체 장치를 형성하는 것을 특징으로 한 반도체 장치의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 하프톤 위상 시프트형의 포토마스크를 이용하여 구멍 패턴을 형성하는 것을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
제5항에 있어서,

기판 활성층과의 접속을 행하는 컨택트홀층의 패터닝, 및 게이트 전극과 배선층과의 접속을 행하기 위해, 최초의 비아홀층의 패터닝에 상기 하프톤 위상 시프트형의 포토마스크를 이용하는 것을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
제5항에 있어서,

원하는 크기보다 큰 개구를 갖는 레지스트 구멍 패턴을 상기 하프톤 위상 시프트형의 포토마스크를 이용하여 형성하는 공정과, 레지스트 쉬링크(resist shrink)법에 의해 상기 레지스트 구멍 패턴을 원하는 크기로 조정하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 레지스트 쉬링크법이 열처리에 의한 것인 것을 특징으로 한 반도체 장치의 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 레지스트 쉬링크법은 피막을 형성하는 공정과, 열처리를 행하는 공정과, 상기 피막 제거를 행하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 피막이 열수축성을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 피막이 레지스트와 믹싱하는 성질을 갖는 것을 특징으로 한 반도체 장치의 제조 방법.
제9항에 있어서,

상기 피막이 산(酸) 존재하에서 열처리를 행하는 것에 의해 불용화(不溶化)하는 성질을 갖는 것을 특징으로 한 반도체 장치의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 노광광은 경사 입사광인 반도체 장치의 제조 방법.
제4항에 있어서,

필드 부분 및 패턴 부분을 투과하는 노광광의 위상이 반전하는 하프톤 위상 시프트 마스크를 더 사용하여 반도체 장치를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.