KR100850858B1 - 반도체용 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 패턴 형성방법 - Google Patents

Abstract

반도체 소자의 제조 공정에 사용되는 반도체용 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 패턴 형성 방법이 개시된다.

본 발명의 반도체용 마스크는, 다수의 영역으로 구분된 마스크 기판; 및 각 영역에 소정 간격을 두고 형성된 다수의 차광 패턴을 포함한다. 각 차광 패턴에 의해 차광 영역과 투광 영역이 정의될 수 있다. 이러한 경우, 다수의 영역 간에는 서로 상이한 단차를 갖도록 형성된다.

따라서 본 발명은 마스크에 렌즈의 왜곡을 반영함으로써, 렌즈의 왜곡에 의한 초점 심도의 차이로 인한 소자의 불량을 방지하여 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

반도체 소자, 마스크, 차광 패턴, 초점 심도, 렌즈, 단차

Description

반도체용 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 패턴 형성 방법{Mask for semiconductor device, method of manufacturing the same and method of forming pattern using mask}

도 1a 및 도 1b는 종래에 마스크를 대상으로 노광하는 모습을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 마스크를 개략적으로 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 마스크를 제조하는 공정을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 마스크 21: 마스크 기판

22: 차광 패턴 23: 투광 영역

24: 차광 영역 30: 포토레지스트막

31, 32, 33: 포토레지스트 패턴

본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 특히 반도체 소자의 제조 공정에 사 용되는 반도체용 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 패턴 형성 방법에 관한 것이다.

종래의 반도체 포토리소그라피 기술은 마스크 제조를 정교하게 해줌으로써 마스크로 투광되어 나오는 빛의 양을 적절히 조절할 수 있게 되었다. 이를 위하여 광학근접보상기술(optical proximity correction, 이하 OPC)과 위상반전마스크기술(phase shifting mask)이 등장하였고, 마스크에 그려진 패턴 형상에 의한 빛의 왜곡 현상을 최소화 시킬 수 있는 여러 방법들이 모색되었다.

최근에는 원자외선 파장(248nm or 194 nm wavelength)의 빛과 감광력이 뛰어난 화학증폭형 레지스트의 개발로 더욱 해상도를 증가시킬 수 있는 실질적인 기술들이 등장하였다. 광학근접보상기술은 John L. Nistler et al.,"Large area optical design rule checker for Logic PSM application", SPIE Vol.2254 Photomask and X-Ray Mask Technology(1994)에 의해 발표되면서 마스크 자체에 대한 효과가 검증되었다.

특히, 노광 과정에서 렌즈에 의한 수차는 반도체 기판에 투영되는 광학 이미지를 변형시키고 렌즈 중심 영역을 통과한 빛의 경로와 렌즈 에지 영역을 통과한 빛 간의 경로차(OPD: Optical Path Difference)를 유발시켜, 궁극적으로 반도체 기판의 중심 영역과 에지 영역 간에 미세한 초점 심도의 차이를 유발시킨다. 이러한 렌즈의 수차에 의한 왜곡 현상은 근본적으로 보상하기가 매우 어렵다.

도 1a 및 도 1b는 종래에 마스크를 대상으로 노광하는 모습을 도시한 도면이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 마스크(1)에는 투명 마스크 기판(2) 상에 소정 간격을 두고 차광 패턴(3)이 형성되어 있다. 반도체 기판(5)상에는 패턴 형성을 위한 포토레지스트막(6)이 형성되어 있다. 이러한 경우, 마스크(1)를 이용하여 노광 공정을 수행하면, 빛이 마스크(1)의 차광 패턴(3) 사이의 투명 마스크 기판(2)을 통과하여 투영 렌즈(4)에 의해 집광되고, 집광된 빛에 의해 반도체 기판(5)상에 초점이 결상된다.

도 1b에 도시한 바와 같이, 마스크(1)를 통과한 빛에 의해 반도체 기판(5)상의 포토레지스트막(6)이 경화되고, 이를 현상하면 마스크(1)의 차광 패턴(3)에 대응된 포토레지스트 패턴(10a, 10b)이 형성된다.

상기 마스크(1)를 통과한 빛은 회절 현상을 일으키게 되어, 다수차의 빛으로 진행될 수 있다. 이를 포리에 변환(Fourier transform)으로 나타내면, 0차광, +1차광, -1차광, ... 등으로 나타내어질 수 있다.

아울러, 투영 렌즈(4)는 중심 영역으로 빛이 집광되도록 볼록 렌즈로 형성될 수 있다. 따라서 투영 렌즈(4)의 두께는 라운드 형상으로 중심 영역에서 에지 영역으로 갈수록 작아지게 된다.

이러한 경우, 마스크(1)의 중심 영역을 통과한 빛과 에지 영역을 통과한 빛은 상기 투영 렌즈(4)에 의해 서로 상이한 초점 심도를 가지게 된다.

예컨대, 마스크(1)의 중심 영역과 투영 렌즈(4)의 중심 영역을 통과한 빛이 반도체 기판(5) 상의 포토레지스트막(6) 상에 정확히 초점을 맺도록 설계된 경우, 마스크(1)의 에지 영역을 통과한 빛은 투영 렌즈(4)의 에지 영역에 의해 굴절되게 되고, 이러한 굴절된 빛은 광 경로가 길어지게 되어, 결국 반도체 기판(5)의 포토 레지스트막(6) 상에 초점을 맺지 못하게 된다.

따라서 종래에 같이 노광을 수행하게 되는 경우, 도 1b에 도시한 바와 같이, 서로 상이한 폭을 갖는 포토레지스트 패턴(10a, 10b)이 형성되게 된다. 즉, 마스크(1) 상의 차광 패턴(3)은 동일한 폭을 가짐에도 불구하고, 상기 마스크(1) 상의 이미지를 형성한 반도체 기판(5) 상의 포토레지스트 패턴(10a, 10b)은 중심 영역은 정확히 마스크(1)의 차광 패턴(3)과 동일한 폭을 갖지만, 에지 영역은 마스크(1)의 차광 패턴(3)보다 작은 폭을 가지게 된다.

이와 같이, 종래에 볼록한 투영 렌즈(4)를 사용하여 노광을 하는 경우, 마스크(1)의 중심 영역과 에지 영역 간의 초점 심도의 차이로 인해 반도체 기판(5) 상에 서로 상이한 포토레지스트 패턴(10a, 10b)이 형성되게 되어 반도체 소자의 불량을 발생시키는 문제가 있다.

본 발명은 렌즈에 의한 왜곡 현상을 마스크 상에 단차를 형성하여 제거함으로써, 소자의 불량을 방지할 수 있는 반도체용 마스크, 그 제조 방법 및 이를 이용한 패턴 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 반도체 소자용 마스크의 이미지를 갖는 빛을 투영 렌즈에 투과시켜 반도체 기판에 조사하는 반도체 소자의 제조 장치에 있어서 반도체 소자용 마스크는, 다수의 영역으로 구분된 마스크 기판; 및 각 영역에 소정 간격을 두고 형성된 다수의 차광 패턴을 포함하고, 상기 각 차광 패턴에 의해 차광 영역과 투광 영역이 정의되고, 상기 각 영역에는 다수의 투과 영역을 포함하며, 상기 각 영역 간의 투과 영역 사이에는 서로 상이한 단차가 형성된다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 반도체 소자용 마스크의 제조 방법은, 소정 간격으로 배치된 다수의 패턴을 갖는 마스크 기판의 중심 영역에 대응된 제1 영역이 노출되는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 제1 영역에 제1 깊이를 형성하는 단계; 상기 마스크 기판의 상기 제1 영역에 인접한 제2 영역이 노출되는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 상기 제2 영역에 제2 깊이를 형성하는 단계; 상기 마스크 기판의 상기 제2 영역에 인접한 제3 영역이 노출되는 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제3 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 상기 제3 영역에 제3 깊이를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 내지 제3 깊이에 의해 상기 제1 내지 제3 영역 간에 서로 상이한 단차가 형성된다.

본 발명의 제3 실시예에 따르면, 패턴 형성 방법은, 본 발명의 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행하여 소정의 패턴을 형성한다.

본 발명의 제4 실시예에 따르면, 반도체 소자용 마스크의 이미지를 갖는 빛을 투영 렌즈에 투과시켜 반도체 기판에 조사하는 반도체 소자의 제조 장치에 있어서 반도체 소자용 마스크는, 마스크 기판; 및 상기 마스크 기판 상에 소정 간격을 두고 형성된 다수의 차광 패턴을 포함하고, 상기 각 차광 패턴에 의해 차광 영역과 투광 영역이 정의되며, 상기 각 차광 패턴에 의해 정의된 다수의 투과 영역 간에는 서로 상이한 깊이를 갖는 단차가 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 마스크를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 마스크(20)는 투명 마스크 기판(21)상에 소정 간격을 두고 차광 패턴(22)이 형성된다. 상기 마스크(20)는 제1 내지 제 3 영역을 포함하는 다수의 영역으로 구분된다. 각 영역 간의 투과 영역(23) 사이에는 단차가 형성된다. 상기 각 영역은 다수의 투과 영역(23)과 다수의 차광 영역(24)을 포함할 수 있다. 상기 투과 영역(23)은 빛이 투과하는 영역이고, 차광 영역(24)은 빛이 차단되는 영역을 의미한다. 상기 투과 영역(23)에 대응하는 상기 마스크(20) 상에는 차광 패턴(22)이 형성되지 않고, 상기 차광 영역(24)에 대응하는 상기 마스크(20) 상에는 차광 패턴(22)이 형성된다. 따라서, 빛은 차광 패턴(22)이 형성된 차광 영역(24)에서는 투과되지 못하고, 차광 패턴(22)이 형성되지 않은 투과 영역(23)에서는 투과될 수 있다.

예컨대, 마스크(20)의 중심 영역은 제1 영역에 대응되고, 에지 영역은 제3 영역에 대응된다. 아울러, 상기 마스크(20)의 제1 및 제3 영역 사이에 제2 영역이 위치된다. 따라서 상기 마스크(20)의 중심 영역으로부터 에지 영역으로 제1, 제2 및 제3 영역으로 순서로 위치된다.

제1 내지 제3 영역 각각은 동일한 깊이를 갖는 다수의 투과 영역(23)을 가질 수 있다. 예컨대, 도 2에서는 제1 내지 제3 영역 각각에 동일한 깊이를 갖는 2개의 투과 영역(23)을 가진다.

투과 영역(23)의 깊이를 살펴보면, 제1 영역의 투과 영역(23)의 깊이(d1)가 가장 깊고, 제2 영역의 투과 영역(23)의 깊이(d2)가 그 다음 깊으며, 마지막으로 제3 영역의 투과 영역(23)의 깊이(d3)가 가장 얕게 형성될 수 있다. 도 2에서는 마스크(20)의 에지 영역에 대응된 제3 영역의 투과 영역(23)도 소정 깊이(d3)를 갖는 것으로 도시되고 있지만, 마스크(20)의 에지 영역에 대응된 제3 영역의 투과 영역(23)은 차광 패턴(22)의 저면과 동일한 높이를 가질 수 있다. 즉, 상기 제3 영역의 투과 영역(23)은 원래의 투명 마스크 기판(21) 그대로의 표면을 유지한 채 어떠한 깊이도 갖지 않도록 형성될 수 있다.

이러한 경우, 제1 내지 제3 영역간의 투과 영역(23)의 깊이로 인한 단차는 투영 렌즈(도 1a의 4)의 구경에 따라 조절될 수 있다. 중요한 점은 제1 내지 제3 영역 간의 투과 영역(23)의 깊이로 인한 단차는 상기 마스크(20)를 통과한 빛이 상기 투영 렌즈를 통해 반도체 기판의 모든 영역에 걸쳐 균일한 초점 심도를 갖도록 형성되어야 한다는 점이다.

투영 렌즈의 구경이 커짐에 따라 상기 제1 내지 제3 영역 간의 투과 영역(23)의 깊이로 인한 단차가 커질 수 있고, 반대로 투영 렌즈의 구경이 작아짐에 따라 상기 제1 내지 제3 영역 간의 투과 영역(23)의 깊이로 인한 단차가 작아질 수 있다.

이에 따라, 투영 렌즈의 왜곡을 상기 마스크(20)의 단차를 이용하여 보상함으로써, 이러한 마스크(20)를 이용하여 반도체 기판 상에 패턴을 형성하는 경우, 반도체 기판 상의 모든 영역에 걸쳐 동일한 초점 심도를 가지게 되어, 동일한 패턴 폭이 형성될 수 있으므로, 소자의 불량을 방지할 수 있어 제품에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 마스크를 제조하는 공정을 도시한 도면이다.

도 3a에 도시한 바와 같이, 마스크(20)의 투명 마스크 기판(21) 상에 소정 간격을 두고 다수의 차광 패턴(22)이 형성되고, 그 위에 포토레지스트막(30)을 형성한다. 차광 패턴(22)이 형성된 영역은 빛이 투과되지 못하는 차광 영역(24)이고, 차광 패턴(22)이 형성되지 않은 영역은 빛이 투과되는 투과 영역(23)이다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 마스크(20) 상에 형성된 포토레지스트막(30)을 패터닝하여 중심 영역에 대응된 제1 영역의 포토레지스트막(30)을 제거하는 제1 포토레지스트 패턴(31)을 형성한다.

이어서, 상기 제1 포토레지스트 패턴(31)을 대상으로 식각 공정을 수행하여 가장 깊은 깊이(d1)로 상기 제1 영역의 투과 영역(23)을 식각한다.

이후, 상기 제1 포토레지스트 패턴(31)은 스트립하여 제거한다.

도 3c에 도시한 바와 같이, 상기 마스크(20) 상에 포토레지스트막(30)을 형성한 후 패터닝하여 중심 영역에 인접한 인접 영역에 대응된 제2 영역의 포토레지스트막(30)을 제거하여 제2 포토레지스트 패턴(32)을 형성한다.

도 3d에 도시한 바와 같이, 상기 제2 포토레지스트 패턴(32)을 대상으로 식각 공정을 수행하여 상기 제1 영역의 투과 영역(23)의 식각 깊이(d1)보다는 작은 깊이(d2)로 상기 제2 영역의 투과 영역(23)을 식각한다.

이후, 상기 제2 포토레지스트 패턴(32)은 스트립하여 제거한다.

도 3e에 도시한 바와 같이, 상기 마스크(20) 상에 포토레지스트막(30)을 형성한 후 패터닝하여 에지 영역에 대응된 제3 영역의 포토레지스트막(30)을 제거하여 제3 포토레지스트 패턴(33)을 형성한다.

이어서, 상기 제3 포토레지스트 패턴(33)을 대상으로 식각 공정을 수행하여 상기 제2 영역의 투과 영역(23)의 식각 깊이(d2)보다 작은 깊이(d3)로 상기 제3 영역의 투과 영역(23)을 식각한다.

이후, 상기 제3 포토레지스트 패턴(33)은 스트립하여 제거한다.

이상에서는 마스크(20)의 에지 영역인 제3 영역도 소정 깊이(d3)로 식각하는 것으로 설명하고 있지만, 마스크(20)의 에지 영역의 투과 영역(23)은 전혀 식각을 하지 않아도 무방하다. 이와 같이, 마스크(20)의 에지 영역의 투과 영역(23)을 전혀 식각하지 않아도, 상기 마스크(20)의 에지 영역, 즉 제3 영역의 투과 영역(23)의 표면과 상기 제2 영역의 투과 영역(23)의 식각 깊이(d2)만큼 단차가 발생하게 된다.

이상에서는 마스크(20)를 각 영역으로 구분하고 각 영역에 동일한 깊이를 갖는 다수의 투과 영역(23)이 존재하는 것으로 설명하고 있다.

하지만, 각 영역을 구분하지 않고, 마스크(20)의 중심 영역으로부터 에지 영역까지 보다 깊은 깊이에서 보다 얕은 깊이를 갖도록 각 투과 영역(23) 간에 서로 상이한 단차가 형성되도록 마스크(20)를 제조할 수도 있다. 이러한 경우, 각 투과 영역(23)마다 미세하게 단차를 조절할 수 있으므로, 투영 렌즈의 구경을 보다 정확하게 반영할 수 있다.

이와 같이 제조된 마스크를 대상으로 노광을 수행하는 경우, 투영 렌즈의 왜곡을 보상하도록 미리 마스크에 단차를 주었기 때문에, 마스크를 통과한 빛이 투영 렌즈를 경유하여 반도체 기판의 모든 영역에 걸쳐 균일한 초점 심도를 가지므로, 원하는 패턴을 정확하게 형성할 수 있어 소자의 불량을 원천적으로 차단할 수 있어, 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 마스크에 영역별로 단차를 주어 렌즈의 왜곡을 반영함으로써, 렌즈의 왜곡에 의한 초점 심도의 차이로 인한 소자의 불량을 방지하여 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (14)

1. 반도체 소자용 마스크의 이미지를 갖는 빛을 투영 렌즈에 투과시켜 반도체 기판에 조사하는 반도체 소자의 제조 장치에 있어서,

   다수의 영역으로 구분된 마스크 기판; 및

   각 영역에 소정 간격을 두고 형성된 다수의 차광 패턴을 포함하고,

   상기 각 차광 패턴에 의해 차광 영역과 투광 영역이 정의되고,

   상기 각 영역에는 다수의 투과 영역을 포함하며,

   상기 각 영역 간의 투과 영역 사이에는 서로 상이한 단차가 형성되며,

   상기 다수의 영역은, 상기 마스크 기판의 중심 영역으로부터 에지 영역까지 제1 내지 제3 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 영역 각각은 서로 동일한 깊이를 갖는 다수의 투과 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
4. 제1항에 있어서, 제1 영역으로부터 제3 영역으로 갈수록 상기 투과 영역의 깊이는 얕아지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
5. 제1항에 있어서, 상기 제3 영역의 투과 영역은 상기 차광 패턴의 저면과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
6. 제1항에 있어서, 상기 단차는 상기 투영 렌즈의 구경을 반영하여 조절되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
7. 소정 간격으로 배치된 다수의 차광 패턴을 갖는 마스크 기판의 중심 영역에 대응된 제1 영역이 노출되는 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 제1 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 제1 영역에 제1 깊이를 형성하는 단계;

   상기 마스크 기판의 상기 제1 영역에 인접한 제2 영역이 노출되는 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;

   상기 제2 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 상기 제2 영역에 제2 깊이를 형성하는 단계;

   상기 마스크 기판의 상기 제2 영역에 인접한 제3 영역이 노출되는 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 제3 포토레지스트 패턴을 대상으로 식각하여 상기 마스크 기판의 상기 제3 영역에 제3 깊이를 형성하는 단계를 포함하고,

   상기 제1 내지 제3 깊이에 의해 상기 제1 내지 제3 영역 간에 서로 상이한 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크의 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 영역 각각에는 서로 동일한 깊이를 갖는 다수의 투과 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 영역의 인접하는 영역 간의 투과 영역 사이에 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크의 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 영역의 깊이는 상기 제1, 제2 및 제3 깊이의 순서로 얕아지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크의 제조 방법.
11. 제7항에 있어서, 상기 마스크 기판의 에지 영역의 투과 영역은 상기 차광 패턴의 저면과 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크의 제조 방법.
12. 제7항에 기재된 방법에 의해 제조된 마스크를 이용하여 노광 공정을 수행하여 소정의 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴 형성 방법.
13. 반도체 소자용 마스크의 이미지를 갖는 빛을 투영 렌즈에 투과시켜 반도체 기판에 조사하는 반도체 소자의 제조 장치에 있어서,

    마스크 기판; 및

    상기 마스크 기판 상에 소정 간격을 두고 형성된 다수의 차광 패턴을 포함하고,

    상기 각 차광 패턴에 의해 차광 영역과 투광 영역이 정의되며,

    상기 각 차광 패턴에 의해 정의된 다수의 투과 영역 간에는 서로 상이한 깊이를 갖는 단차가 형성되며,

    상기 마스크 기판의 중심 영역에서 에지 영역으로 갈수록, 상기 각 투과 영역의 깊이는 단차를 갖고 얕아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자용 마스크.
14. 삭제

Images