KR101129025B1 - 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법은, 투광기판 위에 위상반전패턴이 형성된 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법으로서, 투광기판을 투과하는 광의 위상과 위상반전패턴을 투과하는 광의 위상 사이의 위상차를 측정하여 위상차 에러 발생 여부를 판별하는 단계와, 그리고 위상차 에러가 발생된 경우 투광기판 위에 자기조립단분자막을 코팅하여 위상차 에러를 보정하는 단계를 포함한다.
위상반전마스크, 위상차 에러, 자기조립단분자막(SAM), 굴절율

Description

위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법{Method of correcting error of phase difference in phase shift mask}
본 발명은 반도체소자 제조에 이용되는 포토마스크에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체소자는 각종 패턴들로 이루어지는데, 이와 같은 패턴들을 형성하기 위해서는 포토리소그라피(photolithography) 공정을 사용한다. 이 포토리소그라피 공정에 따르면, 웨이퍼 상의 패턴대상막 위에 광의 조사에 의해 용해도가 변화하는 포토레지스트막을 형성하고, 이 포토레지스트막의 일정 부위를 포토마스크를 사용하여 노광시킨 후, 현상액에 대하여 용해도가 변화되거나 또는 변화되지 않은 부분을 제거하여 포토레지스트막패턴을 형성한다. 그리고 이 포토레지스트막패턴에 의해 노출되는 패턴대상막을 식각을 통해 제거하여 패턴을 형성한다.
그런데 최근 반도체소자의 집적도가 증가함에 따라 패턴의 크기도 작아지고 있으며, 이에 따라 포토리소그라피 공정을 이용한 패턴을 형성하는데 있어서 해상력 저하 등의 원인으로 인한 패턴불량이 심각한 문제로 대두되고 있다. 이에 따라 해상도를 증대시킬 수 있는 여러 해상도 증대 기술(RET; Resolution Enhancement Technique)에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있으며, 그 중 하나로서 기존의 바이너리(binary) 마스크 대신 위상반전마스크(PSM; Phase Shift Mask)를 이용해 해상도를 증대시켜 패턴불량을 최소화하는 방법이 있다.
도 1은 일반적인 위상반전마스크의 일 예를 나타내 보인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 위상반전마스크(100)는, 쿼츠와 같은 투광기판(110) 위에 위상반전패턴으로서 위상반전막(120)이 배치되는 구조를 갖는다. 이와 같은 위상반전마스크(100)를 사용하여 노광공정을 수행하는 경우, 투광기판(110)이 노출되는 위상비반전영역을 투과하는 광(131)과 위상반전막(120)이 배치되는 위상반전영역을 투과하는 광(132) 사이에는 일정 크기, 예컨대 180도의 위상차가 나타난다. 이와 같은 위상차는 투광기판(110), 위상반전막(120) 및 대기중에서의 굴절율 차이로 인해 발생된다. 즉 위상반전영역을 투과하는 광(132)의 경우 굴절율이 상대적으로 큰 위상반전막(120)을 투과하는 동안 파장이 감소되고, 그 결과 위상이 180도 반전되기 때문이다. 이와 같은 위상차는 위상반전영역과 위상비반전영역의 경계 부분에서 소멸간섭을 유발하고, 이 소멸간섭에 의해 패턴 형성 과정에서의 해상도는 증가된다.
따라서 이와 같은 해상도 증가 효과를 얻기 위해서는 위상반전마스크를 제조하는 과정에서 위상비반전영역을 투과하는 광(131)과 위상반전영역을 투과하는 광(132) 사이에 180도의 위상차가 나타나도록 하는 것이 중요하다. 위에서 언급한 바와 같이, 위상차는 투광기판(110) 및 위상반전막(120)의 굴절율에 의해 좌우되며, 또한 투광기판(110) 및 위상반전막(120)의 두께에 의해서도 좌우된다. 따라서 위상반전마스크를 설계하는데 있어서 투광기판(110) 및 위상반전막(120)의 두께 및 굴절율은 소망하는 위상차를 얻을 수 있는 값으로 결정된다.
그러나 위상반전마스크를 제조하는 과정에서 투광기판(110) 및 위상반전막(120)의 두께에 오차가 발생될 수 있다. 일 예로, 위상반전마스크를 제조하기 위해서는 투광기판(110) 위에 위상반전막(120) 형성을 위한 위상반전물질막을 형성한 후에, 위상반전물질막의 일부를 제거하는 식각공정을 수행하여야 한다. 그런데 이 식각과정에서 투광기판(110)의 일부 표면이 식각되어 투광기판(110)의 두께가 국부적으로 감소될 수 있다. 이 외에도, 식각과정에서 위상반전막(120)의 상부면이 식각되어 위상반전막(120)의 두께도 감소될 수도 있다. 이와 같은 식각 영향으로 인해, 투광기판(110)과 위상반전막(120)의 각 굴절율의 변화 없이 두께가 변화하게 되면, 위상비반전영역을 투과하는 광(131)과 위상반전영역을 투과하는 광(132) 사이의 위상차가 180도보다 적거나 크게 되는 위상차 에러가 발생되며, 특히 한계오차 이상의 위상차 에러가 발생하게 되는 경우 원하는 정도의 해상도 감소 효과를 얻을 수 없게 된다.
따라서 종래에는 이와 같은 위상차 에러가 발생하는 경우, 투광기판(110) 및/또는 위상반전막(120)에 대한 추가적인 식각공정을 수행하여 전체적으로 두께를 다시 조절함으로써 위상차 에러를 보정하는 방법을 사용하였다. 그러나 이 경우 추가적인 식각공정으로 인해 위상반전막(120)의 시디(CD; Critical Dimension)가 훼손될 수 있으며, 전체적인 시디 균일도(CD uniformity)도 저하될 수 있다. 또한 식각 부산물 등에 의한 결함이 유발될 수도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 추가적인 식각공정 없이 위상차 편차가 보정될 수 있도록 하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법은, 투광기판 위에 위상반전패턴이 형성된 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법으로서, 투광기판을 투과하는 광의 위상과 위상반전패턴을 투과하는 광의 위상 사이의 위상차를 측정하여 위상차 에러 발생 여부를 판별하는 단계와, 그리고 위상차 에러가 발생된 경우 투광기판 위에 자기조립단분자막을 코팅하여 위상차 에러를 보정하는 단계를 포함한다.
일 예에서, 위상차 에러 발생 여부를 판별하는 단계는, 위상차 에러가 위상차 부족 에러인지 위상차 초과 에러인지를 판별하여 수행할 수 있다. 이 경우, 위상차 에러가 위상차 부족 에러인 경우 위상차 에러를 보정하는 단계는, 투광기판 위에 굴절율이 1.1 내지 1.5인 자기조립단분자막을 코팅하여 수행한다. 위상차 에러가 위상차 초과 에러인 경우 위상차 에러를 보정하는 단계는, 투광기판 위에 굴절율이 0.5 내지 0.9인 자기조립단분자막을 코팅하여 수행한다.
일 예에서, 자기조립단분자막로 플로로-실란 계열의 자기조립단분자막을 사용할 수 있다.
일 예에서, 자기조립단분자막의 코팅은 진공챔버 내에서의 기상법 또는 액체용기 내에서의 액상법을 사용하여 수행할 수 있다.
일 예에서, 자기조립단분자막은 소수성의 작용기를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 위상차 에러가 발생된 경우 투광기판 표면 위에 자기조립단분자막을 코팅하여 위상차 에러를 보정함으로써, 위상차 에러 보정을 위한 추가적인 식각이 불필요하며, 특히 자기조립단분자막의 작용기가 소수성을 갖도록 함으로써 위상반전마스크 표면에서의 이물질 발생도 억제시킬 수 있다는 이점이 제공된다.
도 2는 본 발명에 따른 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로챠트이다. 그리고 도 3 내지 도 7은 도 2의 각 단계를 상세하게 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도들이다.
도 3 내지 도 7과 함께 도 2를 참조하면, 먼저 위상반전패턴으로 위상반전막이 투광기판 위에 형성된 위상반전마스크의 위상비반전영역을 투과하는 광과 위상반전영역을 투과하는 광의 위상차를 측정한다(단계 210). 구체적으로 도 3에 나타낸 바와 같이, 투광기판(310)의 일 표면 위에 위상반전막(320)이 형성된 위상반전마스크에 대해 위상반전막(320)이 배치된 면과 반대되는 면으로부터 광(331, 332)을 투과시킨다. 일 예에서, 투광기판(310)은 쿼츠(quartz)로 이루어지며, 이 경우 투광기판(310)의 굴절율은 대략 1.5이다. 그리고 위상반전막(320)은 몰리브데늄실 리콘나이트라이드(MoSiN)로 이루어지며, 이 경우 위상반전막(320)의 굴절율은 대략 2.6이다. 정상적인 경우, 이와 같은 굴절율 차이로 인해 투광기판(310)이 노출되어 있는 위상비반전영역(A)을 투과하는 광(331)과 위상반전막(320)이 배치되는 위상반전영역(B)을 투과하는 광(332) 사이에는 일정 각도, 예컨대 180도의 위상차가 발생된다. 따라서 단계 210에서는 위상비반전영역(A)을 투과하는 광(331)과 위상반전막(320)이 배치되는 위상반전영역(B)을 투과하는 광(332) 사이의 위상차를 측정하고, 그 결과에 따라 위상차 에러가 발생하였는지의 여부를 판단할 수 있다.
다음에 위상차 에러가 있는 경우 위상차 에러가 한계오차(α)보다 큰지의 여부를 판단한다(단계 220). 여기서 위상차 에러는 위상비반전영역을 투과하는 광과 위상반전영역을 투과하는 광의 위상차가 180도에서 벗어난 정도를 의미한다. 따라서 위상차 에러가 한계오차(α)보다 큰 경우는 측정된 위상차가 180±α보다 큰 값을 나타내는 경우를 의미한다.
위상차 에러가 발생되는 경우는 여러가지 원인들이 있는데 일 예로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 투광기판(410)의 일부가 식각되었기 때문에 위상차 에러가 발생될 수 있다. 즉 위상반전막(420)의 두께는 유지되는 반면에, 투광기판(410)의 일부가 식각되어 점선으로 나타낸 정상적인 표면보다 낮은 표면을 갖게 되면, 이 부분에서의 투광기판(410)의 두께는 정상적인 두께보다 작아지게 된다. 그 결과 이 부분을 투과하는 광(431)과 위상반전영역(B)을 투과하는 광(432) 사이의 위상차는 180도 보다 작게 나타나고, 작은 정도가 한계오차(α) 이상인 경우 위상차 에러 보정이 필요하다.
위상차 에러가 발생되는 원인의 다른 예로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 위상반전막(520)들 중에서 일부 위상반전막(522)이 과도하게 식각되었기 때문에 위상차 에러가 발생될 수 있다. 이 경우 투광기판(510)의 두께는 유지되는 반면에, 위상반전막(522)이 점선으로 나타낸 정상적인 두께보다 작게 되며, 그 결과 이 부분을 투과하는 광(532)과 위상비반전영역(A)을 투과하는 광(531) 사이의 위상차가 180도보다 크게 나타난다. 이 경우에도 큰 정도가 한계오차(α) 이상인 경우 위상차 에러 보정이 필요하다.
위상차 에러가 포지티브(+)값을 갖는지 네가티브(-)값을 갖는지에 따라 위상차 에러 보정 과정이 구별되며, 이를 위해 위상차 에러가 한계오차(α)보다 큰 경우, 즉 위상차 에러를 보정해야 할 경우 발생한 위상차 에러가 포지티브(+)값을 갖는지 네가티브(-)값을 갖는지를 먼저 판단한다(단계 230). 위상차 에러가 네가티브(-)값을 갖는 경우는, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 위상비반전영역(A)을 투과하는 광(431)을 기준으로 위상차가 180도 보다 한계오차(α) 이상으로 작은 경우를 의미한다. 위상차 에러가 포지티브(+)값을 갖는 경우는, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 위상비반전영역(A)을 투과하는 광(531)을 기준으로, 위상차가 180도 보다 한계오차(α) 이상으로 큰 경우를 의미한다.
상기 단계 230의 판단 결과, 위상차 에러가 포지티브(+)값을 갖는 경우, 도 6에 나타낸 바와 같이, 투광기판(410) 위에 굴절율이 0.5 내지 0.9인 자기조립단분자막(SAM; Self-Assembled Monolayer)(600)을 코팅하여 위상차 에러를 보정한다(단계 240). 자기조립단분자막(600)의 두께는 보정하고자 하는 위상차 에러의 크기에 따라 달라질 수 있다. 자기조립단분자막(600)은 위상차 에러가 발생된 부분에 코팅되는 자기조립단분자막(602)과 정상적인 부분에 코팅되는 자기조립단분자막(604)을 포함한다. 이 경우 위상차 에러가 발생된 부분에 코팅되는 자기조립단분자막(602)으로 인해 이 부분을 투과하는 광(631)과 위상반전막(420)을 투과하는 광의 위상차 에러는 보정되지만, 다른 정상적인 부분을 투과하는 광(633)과 위상반전막(520)을 투과하는 광 사이에는 자기조립단분자막(604)으로 인해 위상차 편차가 발생될 수 있다. 따라서 이 경우 자기조립단분자막(600)의 두께를 적절하게 조절하여 정상적인 부분을 투과하는 광(633)과 위상반전막(520)을 투과하는 광 사이의 위상차 편차가 한계오차(α) 이내가 되도록 한다.
상기 단계 230의 판단 결과, 위상차 에러가 네가티브(-)값을 갖는 경우, 도 7에 나타낸 바와 같이, 투광기판(510) 위에 굴절율이 1.1 내지 1.5인 자기조립단분자막(700)을 코팅하여 위상차 에러를 보정한다(단계 250). 자기조립단분자막(700)의 두께는 보정하고자 하는 위상차 에러의 크기에 따라 달라질 수 있다. 이 경우에도 자기조립단분자막(700)으로 인해 이 부분을 투과하는 광(731)과 과도식각이 이루어진 위상반전막(522)을 투과하는 광의 위상차 에러는 보정되지만, 다른 정상적인 위상반전막(520)을 투과하는 광(733)과 위상차 편차가 발생될 수 있다. 따라서 이 경우에도 자기조립단분자막(700)의 두께를 적절하게 조절하여 정상적인 위상반전막(520)을 투과하는 광(733)과 자기조립단분자막(700)을 투과하는 광 사이의 위상차 편차가 한계오차(α) 이내가 되도록 한다.
도 8은 굴절율에 따른 자기조립단분자막의 두께를 나타내 보인 표이다. 구체 적으로 도 8의 표에, 광원으로서 ArF 광원을 사용한 경우와 KrF 광원을 사용한 경우 각각 위상차 부족일 때와 위상차 초과일 때 위상차 에러가 1도 보정되는 자기조립단분자막의 두께(단위는 nm)를 굴절율(n)에 따라 나타내었다. 여기서 위상차 부족은, 도 5 및 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 위상차 에러가 네가티브(-)값을 갖는 경우를 의미한다. 그리고 위상차 초과는, 도 4 및 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 위상차 에러가 포지티브(+)값을 갖는 경우를 의미한다. 광원으로서 ArF를 사용하고 위상차 부족인 경우를 예로 들면, 굴절율(n)이 1.3인 자기조립단분자막을 코팅하여 위상차 에러를 보정하고자 하는 경우, 1도의 위상차 에러를 보정하기 위해서는 1.79nm 두께의 자기조립단분자막을 코팅하여야 한다. 따라서 이 경우 7.17nm의 자기조립단분자막을 코팅함으로써 4도의 위상차 에러를 보정할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 자기조립단분자막의 코팅 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다. 먼저 도 9a에 나타낸 바와 같이, 자기조립단분자막의 코팅은 진공챔버 내에서의 기상법을 사용하여 수행할 수 있다. 구체적으로 내부 반응 공간(914)이 한정된 챔버(910)의 플레이트(plate)(912) 위에 위상반전마스크(920)를 로딩시킨다. 그리고 공기를 배출하여 내부 반응 공간(914)을 진공 상태로 만든 후에, 도면에서 화살표(918)로 나타낸 바와 같이, 가스 공급 노즐(916)을 통해 자기조립단분자막 프리커서(precursor)를 내부 반응 공간(914) 내에 공급한다. 그러면 포토마스크(920) 표면, 특히 투광기판 표면 위에 자기조립단분자막이 코팅된다. 경우에 따라서는 자기조립단분자막의 코팅을 활성화시키기 위하여 플레이트(912)를 통해 위상반전마스크(920)의 온도를 일정 온도 이상으로 상승시킬 수도 있다.
자기조립단분자막의 코팅은, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 액체용기 내에서의 액상법을 사용하여 수행할 수 있다. 구체적으로 자기조립단분자(930)가 들어있는 용액(942)을 액체용기(940)에 수용한 상태에서 그 용액(942) 안으로 위상반전마스크(920)를 침수시킨다. 그러면 자기조립단분자(930)가 투광기판 표면 성분과 반응하여 자기조립단분자막이 코팅된다. 기상법 또는 액상법을 사용하여 자기조립단분자막을 코팅하는 경우, 코팅을 수행하기 전에 투광기판에 UV를 조사하여 표면을 활성화시킴으로써 자기조립단분자막과 투광기판과의 반응성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 투광기판 위에 코팅된 자기조립단분자막을 상세하게 나타내 보인 도면이다. 도 10을 참조하면, 위상반전마스크(920)의 투광기판 위에 코팅되는 자기조립단분자막(930)은 헤드 그룹(head group)(931), 히드로카본 체인(hydrocarbon chain)(932) 및 터미널 그룹(terminal group)(933)으로 이루어진다. 헤드 그룹(931)은 투광기판 표면 위에 화학흡착되는 부분이고, 히드로카본 체인(932)은 알킬 사슬로서 긴 사슬간의 반데르발스(Van Der Waals) 상호작용으로 인해 정렬된 단분자막을 갖는다. 그리고 터미널 그룹(933)은 작용기 부분으로서 그 용도에 따라 다양하게 대체가 가능하다. 본 실시예에서는 자기조립단분자막(930)의 헤드 그룹(931)으로 실란(silane) 계열을 사용한다. 실란 계열의 헤드 그룹(931)은 -OH기와의 반응성이 좋으며, 따라서 쿼츠로 이루어진 투광기판 표면에 용이하게 화학흡착된다. 자기조립단분자막(930)의 터미널 그룹(933)으로는 플르오르(fluoro) 계열의 작용기를 사용한다. 플르오르 계열의 작용기는 코팅된 표면의 표면 에너지를 줄여주고 소수성 성질을 갖고 있으며, 이에 따라 위상반전마스크 표면에 오염물질이 부착되는 것을 막아준다. 이와 같은 실란-플르오르 계열의 자기조립단분자막의 일 예로 Perfluoroalkylsilane ([)CF3(CF2)7CH2CH2Si(OMe)3])을 사용할 수 있다.
도 1은 일반적인 위상반전마스크의 일 예를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 플로챠트이다.
도 3 내지 도 7은 도 2의 각 단계를 상세하게 설명하기 위하여 나타내 보인 단면도들이다.
도 8은 굴절율에 따른 자기조립단분자막의 두께를 나타내 보인 표이다.
도 9a 및 도 9b는 자기조립단분자막의 코팅 방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다.
도 10은 투광기판 위에 코팅된 자기조립단분자막을 상세하게 나타내 보인 도면이다.

Claims (7)

  1. 투광기판 위에 위상반전패턴이 형성된 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법에 있어서,
    상기 투광기판을 투과하는 광의 위상과 상기 위상반전패턴을 투과하는 광의 위상 사이의 위상차를 측정하여 위상차 에러 발생 여부를 판별하는 단계; 및
    상기 위상차 에러가 발생된 경우 상기 투광기판 위에 자기조립단분자막을 코팅하되, 상기 자기조립단분자막이 코팅된 정상적인 부분에서의 위상차 편차와 상기 자기조립단분자막이 코팅된 위상차 에러 발생 부분에서의 위상차 편차가 모두 한계오차 이내가 되도록 하는 두께로 상기 자기조립단분자막을 코팅하는 단계를 포함하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상차 에러 발생 여부를 판별하는 단계는, 상기 위상차 에러가 위상차 부족 에러인지 위상차 초과 에러인지를 판별하여 수행하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 위상차 에러가 위상차 부족 에러인 경우 상기 위상차 에러를 보정하는 단계는, 상기 투광기판 위에 굴절율이 1.1 내지 1.5인 플로로-실란 계열의 자기조립단분자막을 코팅하여 수행하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 위상차 에러가 위상차 초과 에러인 경우 상기 위상차 에러를 보정하는 단계는, 상기 투광기판 위에 굴절율이 0.5 내지 0.9인 플로로-실란 계열의 자기조립단분자막을 코팅하여 수행하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기조립단분자막의 코팅은 진공챔버 내에서의 기상법 또는 액체용기 내에서의 액상법을 사용하여 수행하는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자기조립단분자막은 소수성의 작용기를 갖는 위상반전마스크의 위상차 에러 보정방법.
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