KR100895401B1 - 포토 마스크 및 반도체 소자의 형성 방법 - Google Patents

포토 마스크 및 반도체 소자의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토 마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 노광 장비의 해상도 한계를 극복하기 위하여 더블 패터닝 공정(Double Patterning Technology)을 수행하는데 있어서, 미세 패턴이 제 1 및 제 2 포토 마스크에 분산되어 정의되므로 각 포토 마스크에 투광 영역이 증가하여 빛의 조절 능력이 감소되고 콘트라스트(Contrast)가 감소되어 노광 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위하여, 포토 마스크의 투광 영역을 중심으로 한 석영 기판 내부에 손상 패턴들을 추가함으로써, 더블 패터닝 공정에서 넓어진 투광 영역의 영향을 받지 않고 노광 공정을 정상적으로 수행할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

포토 마스크 및 반도체 소자의 형성 방법{PHOTOMASK AND METHOD FOR FORMING SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 단면도들.
도 2는 본 발명에 따른 포토 마스크를 도시한 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들.
본 발명은 포토 마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 노광 장비의 해상도 한계를 극복하기 위하여 더블 패터닝 공정(Double Patterning Technology)을 수행하는데 있어서, 미세 패턴이 제 1 및 제 2 포토 마스크에 분산되어 정의되므로 각 포토 마스크에 투광 영역이 증가하여 빛의 조절 능력이 감소되고 콘트라스트(Contrast)가 감소되어 노광 효율이 저하되는 문제를 해결하고, 더블 패터닝 공정에서 넓어진 투광 영역의 영향을 받지 않고 노광 공정을 정상적으로 수행할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.
최근 반도체 소자의 극미세화 및 고집적화가 진행됨에 따라 메모리 용량의 증가에 비례하여 전체적인 칩(chip) 면적은 증가되고 있지만 실제로 반도체 소자의 패턴이 형성되는 셀(cell) 영역의 면적은 감소되고 있다.
따라서, 원하는 메모리 용량을 확보하기 위해서는 한정된 셀 영역 내에 보다 많은 패턴이 형성되어야만 하므로, 패턴의 선폭(critical dimension)이 감소되어 점점 미세해 지고 있다.
이와 같이 선폭이 미세한 패턴을 형성하기 위해서 리소그래피 공정(Lithography Process)의 발전이 요구된다.
상기 리소그래피 공정이란, 기판 상부에 감광막(photoresist)을 도포하고, 365㎚, 248㎚, 193㎚ 및 153㎚의 파장 길이를 가지는 광원을 이용하여 미세 패턴이 정의된 노광 마스크를 사용하여 감광막에 노광 공정을 수행한 다음, 현상(development) 공정을 수행하여 미세 패턴을 정의하는 감광막 패턴을 형성하는 공정이다.
이와 같은 리소그래피 공정은 R = k1×λ / NA와 같이 광원의 파장(λ)과 개구수 (Numercial Aperture:NA)에 따라 그 해상도(R)가 정해진다.
상기 식에서 k1은 공정 상수를 의미하는데, 이는 물리적인 한계를 가지므로 통상적인 방법으로 그 값을 감소시키는 것을 거의 불가능하며, 단파장을 이용하는 노광 장치와 함께 상기 단파장에 대해 반응성이 높은 감광막 물질을 새로 개발해야 하므로, 단파장 이하의 선폭을 갖는 미세 패턴을 형성하는 것이 어렵다.
따라서, 노광 장치의 공정 능력을 고려한 패턴을 이중으로 중첩시킴으로써 미세한 패턴이 형성될 수 있도록 하는 더블 패터닝 공정(Double Patterning Technology)이 개발되었다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 기판(10) 상부에 피식각층(20)을 형성하고, 그 상부에 제 1 하드마스크층을 형성한다.
다음에는, 제 1 하드마스크층 상부에 제 1 감광막을 형성하고, 미세 패턴의 3배에 해당하는 선폭을 정의하는 제 1 마스크(50)를 이용하여 제 1 감광막을 노광 및 현상하고, 제 1 감광막 패턴(40)을 형성한다. 이때, 제 1 마스크(50)의 투광 영역은 일반적인 마스크 투광 영역의 3배 내지 5배 만큼 증가하게 된다. 따라서, 투광 영역에서의 빛의 회절량이 감소하게 되고, 콘트라스트가 열화되고, 이에 따라 형성되는 감광막 패턴의 균일도는 자연스럽게 감소하게 된다.
다음에는, 제 1 감광막 패턴(40)을 이용하여 제 1 하드마스크층을 식각하여 제 1 하드마스크 패턴(30)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 제 1 감광막 패턴(40)을 제거하고 제 1 하드마스크 패턴(30) 상부에 제 2 감광막을 형성한 후 상기 도 1a의 공정에서 사용된 제 1 마스크(50)의 패턴이 상기 제 1 하드마스크 패턴(30)과 엇갈리도록 정렬된 제 2 마스크(55)를 이용하여 노광 및 현상 공정을 수행함으로써, 제 2 감광막 패턴(60)을 형성한다.
도 1c를 참조하면, 제 1 하드마스크 패턴(30) 및 제 2 감광막 패턴(60)을 마 스크로 피식각층(20)을 식각하여 미세 패턴을 형성한다.
도 1d를 참조하면, 제 1 하드마스크 패턴(30) 및 제 2 감광막 패턴(60)을 제거한다.
상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 반도체 소자의 미세 패턴 형성 방법에서, 노광 장비의 해상도에 한계로 인해 선폭이 미세한 패턴의 형성이 어려운 문제가 있으며, 이를 극복하기 위한 더블 패터닝 공정을 수행하고 있으나, 노광 공정을 위한 포토 마스크의 패턴 분포 비율이 흐트러져 노광 공정의 효율이 감소되고, 이에 따라 마스크 패턴의 균일도가 저하되는 문제가 있다. 따라서, 반도체 소자의 형성 공정 수율이 감소되고 신뢰성이 저하되었다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 더블 패터닝 공정을 이용하여 미세 패턴을 형성하되, 더블 패터닝 공정에 사용되는 포토 마스크의 투광 영역을 중심으로한 석경 기판 내에 빛을 산란하여 회절효과를 증가시킬 수 있는 손상 패턴을 더 형성함으로써, 포토 마스크에 형성되는 패턴들의 비율이 균일하게 유지될 수 있도록 하고, 노광 공정의 FL(Focus Latitude;초점심도 마진) 및 EL(Exposure Latitude; 에너지 노광 마진)을 향상시켜 미세 패턴을 형성하는 공정 수율을 증가시킬 수 있도록 하는 포토 마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 포토 마스크(Photo Mask)는
더블 패터닝(Double Patterning) 공정에 사용되는 제 1 및 제 2 포토 마스크를 포함하는 포토 마스크에 있어서,
상기 제 1 포토 마스크는
상기 제 1 포토 마스크의 본체를 구성하는 제 1 석영 기판; 및
상기 제 1 석영 기판 상에 미세패턴이 분할된 형태로 정의되는 제 1 차광 패턴; 및
상기 제 1 차광 패턴에 의해 정의되는 제 1 투광 패턴을 포함하고,
상기 제 2 포토 마스크는
상기 제 2 포토 마스크의 본체를 구성하는 제 2 석영 기판;
상기 제 2 석영 기판 상에 미세패턴이 분할된 형태로 정의되는 제 2 차광 패턴; 및
상기 제 2 차광 패턴에 의해 정의되는 제 2 투광 패턴을 포함하고,
상기 제 1 석영 기판, 상기 제 2 석영 기판 또는 상기 제 1 석영 기판 및 상기 제 2 석영 기판 내부에 손상을 포함한다.
또한, 상기 손상은 레이져 펄스에 의해 발생 된 크랙 또는 고열 멜팅 스팟(Spot) 형태로 구비되고,
상기 손상은 도트(Dot) 패턴 또는 바(Bar) 패턴으로 하나의 층으로 배열되어 구비되고,
상기 손상은 상기 제 1 및 제 2 차광 패턴이 구비된 표면으로부터 0.5 ~ 100mm 깊이로 구비되고,
상기 손상의 CD(Critical Dimension)은 0.1 ~ 10㎛ 인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 반도체 소자 형성 방법은
청구항 1 기재의 제 1 및 제 2 포토 마스크를 준비하는 단계;
반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;
상기 피식각층 상부에 제 1 하드마스크층을 형성하는 단계;
상기 제 1 포토 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 제 1 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판 전면에 제 2 하드마스크층을 형성하는 단계;
상기 제 2 포토 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 제 2 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;
상기 제 1 및 제 2 하드마스크 패턴을 이용하여 상기 피식각층을 식각하는 단계; 및
상기 제 1 및 제 2 하드마스크 패턴을 제거하여 미세 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 포토 마스크 및 반도체 소자의 형성 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 포토 마스크를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 더블 패터닝(Double Patterning) 공정에 사용되는 포토 마스크의 본체를 구성하는 석영 기판(100)이 구비된다. 이때, 석영 기판(100)의 두께(D)는 200 ~ 300 mm로 형성하는 것이 바람직하다.
다음에는, 석영 기판(100) 상에 각각 분할된 형태로 구비되어 미세 패턴을 정의하는 차광 패턴(120)이 구비된다. 이때, 차광 패턴(120)은 1000Å 두께(B)의 크롬(Cr)으로 구비되며 MoSiON 또는 하프톤 위상 반전층을 더 포함할 수 있다.
그 다음에는, 차광 패턴(120) 사이의 투광영역과 중첩되는 부분들을 중심으로한 석영 기판(100) 내부에 손상 패턴(130)들이 구비된다. 이때, 손상 패턴(130)은 석영 기판(100)에 차광 패턴(120)이 구비된 면의 표면으로부터 0.5 ~ 100mm 인 내부(A)에 구비되며, 두께(C)인 CD(Critical Dimension)는 0.1 ~ 10㎛ 으로 형성한다.
여기서, 손상 패턴(130)은 레이져 펄스에 의해 발생 된 크랙 또는 고열 멜팅 스팟(Spot) 형태로 구비되는 것으로 도트(Dot) 패턴 또는 바(Bar) 패턴으로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 손상 패턴(130)들은 포토 마스크에 구비된 차광 패턴과 투광 패턴의 분포 비율이 1:1 이 되도록 하는 효과를 유발하여 노광 공정의 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 반도체 소자의 형성 방법을 도시한 단면도들이다.
도 3을 참조하면, 더블 패터닝(Double Patterning) 공정을 수행하기 위하여 먼저 반도체 기판(200) 상에 제 1 하드마스크층을 형성한다. 이때, 제 1 하드마스크층의 하부에는 게이트 물질층과 같은 피식각층들이 더 형성될 수 있다.
다음에는, 미세 패턴의 일부분만 정의하는 제 1 차광 패턴(120a) 및 일반 차 광 패턴(125a)을 포함하는 제 1 포토 마스크를 이용한 리소그래피 공정을 수행하여 미세 패턴의 일부분을 정의하는 제 1 하드마스크 패턴(210) 및 일반 하드마스크 패턴(215)을 형성한다. 이때, 제 1 차광 패턴(120a)이 형성된 영역의 제 1 석영 기판(100a)에는 제 1 손상 패턴(130a)들이 형성되고, 미세 패턴을 정의하지 않는 일반적인 차광 패턴(125a)이 형성된 영역에는 손상 패턴들이 형성되지 않는다. 일반적으로 차광 패턴과 스페이스 패턴의 선폭 비율이 1 : 1로 형성되는 영역에는 콘트라스트가 일정하게 나타나므로 패턴 형성에 문제가 없으나 제 1 차광 패턴(120a)과 같이 더블 패터닝 공정을 위한 영역에서는 콘트라스트가 약화될 위험이 있으므로 제 1 손상 패턴(130a) 들을 형성하는 것이다.
따라서, 제 1 포토 마스크의 제 1 석영 기판(100a)에 구비된 제 1 손상 패턴(130a) 들에 의하여 리소그래피 공정에서 사용되는 광원의 회절효과가 증가되고 콘트라스트가 증가하여 제 1 하드마스크 패턴(210)이 정상적으로 형성된다.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(200) 전면에 제 2 하드마스크층을 형성하고, 미세 패턴의 나머지 영역을 정의하는 제 2 차광 패턴(120b)을 포함하는 제 2 포토 마스크를 이용한 리소그래피 공정으로 제 2 하드마스크 패턴(220)을 형성한다.
이때도, 도 3에서와 마찬가지로 제 2 석영 기판(100b)에 구비된 제 2 손상 패턴(130b) 들에 의하여 리소그래피 공정 마진을 극대화시킬 수 있다. 또한, 일반 차광 패턴(125b)이 형성된 영역에는 일반 하드마스크 패턴(215)을 보호하기 위한 마스크 패턴(225)을 형성하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 더블 패터닝 공정을 이용하여 미세 패턴을 형 성하되, 더블 패터닝 공정에 사용되는 포토 마스크의 석영 기판 내부에 광학 근접 보정 효과를 낼 수 있는 손상 패턴을 추가함으로써 미세 패턴의 균일성을 확보할 수 있도록 한다. 손상 패턴은 포토 마스크의 투광 영역을 중심으로한 석영 기판 내부에 도트(Dot) 또는 바(bar) 형태로 구비되어 차광 패턴과 투광 영역과의 비율이 균일하게 유지될 수 있도록 하는 효과를 제공한다. 따라서, 리소그래피 공정에서 노광 빛의 회절을 증가시켜 노광 빛이 종래보다 많이 통과되는 효과를 나타낸다. 따라서, 노광 공정의 FL(Focus Latitude; 초점심도 마진) 및 EL(Exposure Latitude; 에너지 노광 마진)을 향상시켜 미세 패턴을 형성하는 수율을 증가시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 포토 마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법은 더블 패터닝 공정을 위해 형성하는 포토 마스크에 투광 영역이 증가하게 되므로, 노광 공정이 효율이 감소되는 문제를 해결하기 위하여, 포토 마스크의 투광 영역과 중첩되는 위치의 석영 기판 내부에 레이저 펄스에 의해 형성된 크랙 또는 고열 멜팅 형태의 손상 패턴을 추가함으로써, 노광 빛의 회절을 증가시키고 노광 공정의 FL(Focus Latitude; 초점심도 마진) 및 EL(Exposure Latitude; 에너지 노광 마진)을 향상시켜 미세 패턴을 형성하는 수율 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 더블 패터닝(Double Patterning) 공정에 사용되는 제 1 및 제 2 포토 마스크를 포함하는 포토 마스크에 있어서,
    상기 제 1 포토 마스크는
    상기 제 1 포토 마스크의 본체를 구성하는 제 1 석영 기판; 및
    상기 제 1 석영 기판 상에 미세패턴이 분할된 형태로 정의되는 제 1 차광 패턴; 및
    상기 제 1 차광 패턴에 의해 정의되는 제 1 투광 패턴을 포함하고,
    상기 제 2 포토 마스크는
    상기 제 2 포토 마스크의 본체를 구성하는 제 2 석영 기판;
    상기 제 2 석영 기판 상에 미세패턴이 분할된 형태로 정의되는 제 2 차광 패턴; 및
    상기 제 2 차광 패턴에 의해 정의되는 제 2 투광 패턴을 포함하고,
    상기 제 1 석영 기판, 상기 제 2 석영 기판 또는 상기 제 1 석영 기판 및 상기 제 2 석영 기판 내부에 손상을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상은 레이져 펄스에 의해 발생 된 크랙 또는 고열 멜팅 스팟(Spot) 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상은 도트(Dot) 패턴 또는 바(Bar) 패턴으로 하나의 층으로 배열되어 구비되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상은 상기 제 1 및 제 2 차광 패턴이 구비된 표면으로부터 0.5 ~ 100mm 깊이로 구비되는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상의 CD(Critical Dimension)은 0.1 ~ 10㎛ 인 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
  6. 청구항 1 기재의 제 1 및 제 2 포토 마스크를 준비하는 단계;
    반도체 기판 상부에 피식각층을 형성하는 단계;
    상기 피식각층 상부에 제 1 하드마스크층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 포토 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 제 1 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 반도체 기판 전면에 제 2 하드마스크층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 포토 마스크를 이용한 패터닝 공정을 수행하여 제 2 하드마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 하드마스크 패턴을 이용하여 상기 피식각층을 식각하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 하드마스크 패턴을 제거하여 미세 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
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