KR101152618B1 - 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법 - Google Patents

하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크는 투명 기판, 위상반전막, 금속막 및 레지스트막이 순차적으로 적층되어 이루어진다. 여기에서 위상반전막은 막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 갖는다. 이때 위상반전막의 두께 방향으로 조성비가 변하는 원소는 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같다. 본 발명에 따르면, 위상반전막이 두께 방향으로 서로 다른 조성비를 가지도록 함으로써, 위상반전막의 접착력, 파티클, 핀홀, 내화학성, 내노광성, 잔류응력, 면저항 특성이 우수한 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크의 제조가 가능하다.

Description

하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법{Half-tone phase shift blankmask, half-tone phase shift photomask and manutacturing methods of the same}
본 발명은 반도체 리소그래피(Lithography) 공정에서 고정밀도의 최소 선폭 (Critical Dimension : CD)의 구현이 가능한 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 248 nm 파장의 KrF 리소그래피 및 193 nm 파장의 ArF 리소그래피에 적용할 수 있는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 집적회로의 고집적화로 인해 반도체 제조의 핵심 공정인 리소그래피 기술의 중요성이 점점 부각되고 있다. 이러한 리소그래피 기술은 반도체 회로 패턴의 해상도(Resolution) 향상을 위해 436 nm의 G-line, 365 nm의 i-line, 248 nm의 KrF, 193 nm의 ArF 등으로 노광파장의 단파장화가 이루어져 왔다. 그러나 이러한 노광파장의 단파장화는 해상도 향상에는 크게 기여하였으나, 초점심도(Depth of Focus : DoF)에는 악영향을 주어, 렌즈를 비롯한 광학시스템의 설계에 대해 많은 부담이 증대되는 문제점을 가져왔다.
상기와 같은 문제점인 초점심도를 향상시키고, 설계에 대한 부담을 감소시키기 위해 위상반전 포토 마스크가 등장하게 되었으며, 이러한 위상반전 포토 마스크는 위상반전 블랭크 마스크를 통해 제조하게 된다. 현재는 이와 같은 위상반전 블랭크 마스크 중에서도 특히 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크의 활용도가 높은 편이다.
종래의 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크는 일반적으로 152 mm의 크기를 가지는 6025 합성석영유리를 근간으로 하는 6025 기판 위에 몰리브데늄 및 실리콘을 동시에 필수적으로 포함하는 위상반전막이 형성하여 제조된다. 이때 일반적으로 위상반전막의 조성비, 밀도, 결정화 상태 등과 같은 특성은 박막 두께 방향으로 일정하다. 이와 같이 박막의 두께 방향으로 일정한 특성을 가지는 위상반전막은 블랭크 마스크, 포토 마스크 및 반도체 공정시 여러가지 문제점을 야기하게 된다.
먼저 블랭크 마스크 측면에서 살펴본다. 위상반전막은 기판 및 금속막 사이에 위치하게 되는데, 이때 위상반전막의 기판 및 금속막에 대한 접착성이 중요하다. 포토 마스크 제조시 위상반전막 및 금속막 패턴을 형성할 경우 접착력이 약하면, 위상반전막이 떨어져 나가게 되어 결함으로 작용하게 된다. 또한 포토 마스크 제조시 초음파를 이용하여 파티클 제거를 실시하게 된다. 따라서, 접착력이 약하게 되면 패턴이 떨어져 나갈 수 있는 확률이 높아지므로, 위상반전막의 접착력을 높일 필요가 있다.
또한 포토마스크 제조시 파티클의 제거를 위해 황산, 암모니아 등과 같은 케미컬을 이용한 세정 공정을 수행하게 된다. 이때 위상반전막의 케미칼에 대한 내구성이 약하면 세정 공정시 위상반전막의 손상이 발생하게 되어 위상반전막의 기능을 잃어버리게 되는 문제가 있다. 따라서 케미컬에 대한 내구성이 우수한 위상반전막이 요구되며, 특히 위상반전막의 표면에서 우수한 내화학성이 요구되게 된다. 또한 세정 공정시 완전히 제거되지 않은 잔류 케미컬에 의한 헤이즈(Haze) 문제도 발생하게 되는데, 두께 방향으로 특성이 일정한 위상반전막의 경우 헤이즈가 쉽게 발생하게 되어 포토 마스크의 수명이 짧아지는 문제가 발생하게 된다.
또한 투명 기판과 위상반전막 사이에 응력이 발생하면, 포토 마스크 제조시 접착력이 저하되는 문제가 발생하거나, 패턴 형성시 잔류 응력으로 인한 패턴 왜곡(Pattern Distortion)이 발생하게 되어, registration 특성을 저하시키는 문제가 발생하게 된다. 또한, 반도체 소자 제조시 포토 마스크를 용요하여 리소그래피 공정을 진행하게 되는데, 일반적으로 기판에서 위상반전막 방향으로 노광광을 조사하게 된다. 이때 위상반전막의 노광광에 대한 내구성인 내노광 특성이 중요하다. 하지만 두께 방향으로 특성이 일정한 단일막의 위상반전막의 경우 내노광 특성에 대한 제어가 되지 않아 내노광 특성이 취약한 문제가 있다.
나아가, 위상반전 블랭크 마스크를 이용하여 포토 마스크를 제조할 때 전자선을 통한 레지스트 패턴 발생 공정이 적용되는 경우도 있다. 이때 낮은 면저항을 통한 electron charging 현상을 감소시키는 것이 중요하지만, 두께 방향으로 특성이 일정한 단일막의 위상반전막의 경우 높은 면저항 특성으로 인해 전자선 노광 특성이 좋지 않아 최소선폭 특성이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 위상반전막의 접착력, 내화학성, 내노광성, 헤이즈, 박막의 결정화 상태, 조성비, 잔류 응력, 면저항 특성이 향상된 248 nm의 KrF와 193 nm의 ArF 리소그래피를 위한 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크의 바람직한 실시예는, 투명 기판, 위상반전막, 금속막 및 레지스트막을 포함하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크에 있어서, 상기 위상반전막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 가지고, 상기 위상반전막의 두께 방향으로 조성비가 변하는 원소는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 상기 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 포토 마스크의 바람직한 실시예는 투명 기판, 위상반전막, 금속막 및 레지스트막이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 위상반전막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 가지는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크를 패터닝 및 식각하여 제조된다.
상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법의 바람직한 실시예는 투명 기판 상에 위상반전막, 금속막 및 레지스트막을 순차적으로 형성하되, 플라즈마가 켜져 있는 상태에서 공정 조건을 구성하는 복수의 조건 중에서 적어도 하나를 단계적으로 또는 연속적으로 변경하여 막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 포함하는 상기 위상반전막을 형성하고, 상기 위상반전막의 두께 방향으로 조성비가 변하는 원소는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 상기 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같다.
본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법에 의하면, 위상반전막이 두께 방향으로 서로 다른 조성비를 가짐으로 인해 위상반전막 내부에서의 위치에 따라 다양한 기능 구현이 가능하다. 이에 의해 위상반전막의 접착력, 파티클, 핀홀, 내화학성, 내노광성, 잔류응력, 면저항 특성이 우수한 위상반전 블랭크 마스크의 제조가 가능해짐으로써, 고품질의 포토마스크 제조가 가능해지며, 결국에는 고품질을 가지는 반도체 소자의 제조가 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 하드 마스크용 블랭크 마스크에 대한 바람직한 실시예의 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 하드 마스크용 블랭크 마스크 제조 방법에 대한 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도, 그리고,
도 3은 본 발명에 따른 하드 마스크용 블랭크 마스크의 제조에 사용되는 롱 쓰루 스퍼터링 장비의 개략도이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 블랭크 마스크, 포토 마스크 및 그의 제조 방법에 대한 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크(100)는 투명 기판(110), 위상반전막(120), 금속막(130) 및 레지스트막(140)을 포함한다. 위상반전막(120), 금속막(130) 및 레지스트막(140)은 투명 기판(110) 상에 순차적으로 적층되어 형성된다.
투명 기판(110)은 기판 모재에 대해 복수의 랩핑(Lapping) 공정과 폴리싱(Polishing) 공정을 수행하여 형성된다. 투명 기판(110)의 소재는 합성 석영(Synthetic Quartz), 불화칼슘(CaF2), 불소도핑석영(F-Doped Quartz) 중 하나가 될 수 있다. 투명 기판(110)의 크기는 6025이며, 193 nm에서의 복굴절률이 2 nm/6.35 mm 이하인 것이 바람직하다. 이때 기판 모재는 순도가 99.9999 % 이상인 산화규소(SiO2)로 이루어지며, 합성석영 잉곳(Ingot)을 슬라이싱(Slicing)과 에지 그라인딩(Edge Grinding) 가공을 통해 제조되어 152x152±0.2 mm 크기 및 6.3 mm 이상의 두께를 가진다.
투명 기판(110)은 기판 모재에 대해 복수회의 랩핑(Lapping) 공정과 복수회의 폴리싱(Polishing) 공정을 수행하여 제조된다. 먼저, 152x152±0.2 mm 크기 및 6.3 mm 이상의 두께를 갖는 기판 모재에 대해 먼저 복수회의 랩핑(Lapping) 공정을 수행한다. 일회의 랩핑 공정을 수행하는 경우에는 공정의 효율성을 고려하여 상대적으로 큰 크기의 연마 입자를 사용하여 높은 압력 하에서 랩핑 공정을 진행한다. 이 경우 목표 두께 감소량은 쉽게 달성할 수 있지만, 기판 표면에서 두께 방향으로 생성되는 크랙 (Crack)을 포함하는 손상(Damage)이 발생한다. 이와 같이 기판 모재에 내부적으로 발생된 크랙은 후 공정에서 결함으로 발견된다. 또한 거친 연마입자의 영향으로 목표 두께 정확도를 달성하기 어려워진다. 따라서 본 발명에 사용되는 투명 기판(110)은 기판 모재에 대해 결함 감소 및 목표 두께 정확도를 달성하기 위해 복수회의 랩핑 공정을 수행하여 제조되는 것이 바람직하다. 기판 모재의 랩핑 공정에서 적용되는 연마입자는 실리콘 카바이드(SiC), 다이아몬드(C), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 중에서 선택된 1종 이상의 연마입자로서, 이를 복수의 랩핑 공정에 적용한다. 또한, 랩핑 공정에 적용되는 연마입자의 크기는 4 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다. 연마입자의 크기가 4 ㎛ 이하이면 목표 두께 정확도는 쉽게 달성할 수 있지만 공정 시간이 길어짐에 따라 생산성이 저하된다. 그리고 연마입자의 크기가 20 ㎛ 이상이면 목표 두께 정확도를 달성하기 어렵고, 결함 레벨이 저하된다.
다음으로 복수회의 랩핑 공정이 수행된 기판 모재에 대해 복수회의 폴리싱 공정을 수행한다. 이와 같은 복수회의 폴리싱 공정에서 사용되는 슬러리는 산화세륨(CeO2), 콜로이달 실리카(SiO2) 연마입자, 과산화수소(H2O2)를 함유하며, 질산(HNO3) 또는 수산화칼륨(KOH)으로 pH를 조절한다. 폴리싱 공정에서 연마 슬러리의 전체적인 pH는 6 내지 12로 조절되는 것이 바람직하다. 특히 수산화칼륨(KOH)과 같은 무기 알칼리는 기판 모재의 에칭(Etching) 효과를 가져서 시너지 효과를 보이는 장점을 가진다. 한편 폴리싱 공정에서 연마입자는 물리적으로 기판 모재를 제거하는 역할을 한다. 이때 연마입자의 크기가 5 ㎛ 이상이면 목표 두께 감소량을 달성하는 것이 용이하나 양호한 표면 거칠기를 확보하기 어려운 결과를 가져올 수 있다. 또한 연마입자의 크기가 0.5 ㎛ 이하이면 랩핑 공정을 거친 기판 모재의 두께 감소량이 작아서 오랜 공정 시간을 필요하게 되어 공정의 효율성을 저하시킨다. 따라서 폴리싱 공정에서 산화세륨 연마입자의 크기는 0.5 내지 5 ㎛인 것이 바람직하다. 또한 복수회의 폴리싱 공정에 사용되는 콜로이달 실리카 연마입자의 크기는 20 내지 200 nm인 것이 바람직하다. 이때 콜로이달 실리카 연마입자의 크기가 20 nm 이하이면 폴리싱 공정의 효율성이 저하되고, 200 nm 이상이면 폴리싱 공정에서 획득해야 하는 표면 거칠기를 만족시킬 수 없다.
폴리싱 공정은 표면 거칠기를 향상시키는 공정이므로, 폴리싱 공정의 수행시마다 점차적으로 작은 연마입자를 이용하는 것이 바람직하다. 1차 폴리싱 공정에서는 랩핑 공정으로 인해 상대적으로 거친 표면 상태를 가지므로, 2차 및 3차 폴리싱 공정보다 많은 양의 기판 모재를 제거해야 한다. 따라서 1차 폴리싱 공정에서는 경도가 높고 압축률이 낮은 다공성 세륨패드를 연마패드로 사용하고, 2차 폴리싱 공정에서는 연질 패드인 SUBA #400 내지 800을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 연마 패드는 종류에 따라 기판 모재의 제거양과 표면 상태를 결정한다. #400 이하의 연마패드를 사용하면 상대적으로 높은 압축률과 탄성회복률 및 낮은 경도 특성 때문에 공정 시간이 늘어나 연마 효율성이 저하되는 결과를 가져온다. 그리고 #800 이상의 연마패드를 사용하면 낮은 압축률과 탄성회복률 및 높은 경도 특성 때문에 목표 표면 거칠기를 달성하기 어렵다. 또한 2차 폴리싱 공정에 사용되는 연질 패드의 압축률은 3 % 이상,　탄성회복률은 65 % 이상인 것이 바람직하다. 3 % 이상의 압축률을 가지는 연마패드는 연마 압력이 실리카 입자에 부과될 때 입자를 둘러싸는 냅층이 탄성적으로 변형됨으로써, 연마 압력을 분산 및 흡수하여 기판 표면에 발생할 수 있는 오목 형상의 결점 형성을 억제한다. 한편 65 % 이상의 높은 탄성회복률을 가지는 연마패드는 냅층이 용이하게 압축 및 회복(Recovery)할 수 있어 큰 실리카 입자들이 냅층에 남아 있지 않게 만들어 오목 형상 결점을 억제시킬 수 있는 장점이 있다. 그리고 3차 폴리싱 공정에서는 초연질 패드인 스웨이드(Suede) 패드를 연마패드로 사용한다. 3차 폴리싱 공정은 표면 거칠기와 파티클 특성을 최대한 개선하는 공정이므로, 경도가 낮고 탄성회복률과 압축률이 상대적으로 큰 초연질의 연마패드를 사용한다. 3차 폴리싱 공정에 사용되는 초연질 연마패드의 압축률은 6 % 이상,　탄성회복률은 72 % 이상인 것이 바람직하다. 3차 폴리싱 공정에서는 결함을 더욱 엄격하게 관리해야 하기 때문에 2차 연마패드 보다 더 큰 압축률 및 탄성회복률을 가지는 연마패드를 사용해야 한다.
한편 폴리싱 공정에 사용되는 연마패드에 존재하는 홈(Groove)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 일예로 피치(Pitch) 25 mm, 폭(Width) 4 mm, 깊이(Depth) 0.5 mm 형태의 홈을 가진 연마패드를 사용할 수 있다. 연마패드의 홈은 폴리싱 공정시 투명 기판(110)에 충분한 양의 슬러리를 공급해줌으로써, 투명 기판(110)의 연마 효율성을 증가시키는 역할을 한다. 이때, 홈이 형성되지 않은 연마패드의 사용도 가능하다. 홈의 크기는 연마 공정에 따라 변경될 수 있으며, 홈이 형성되어 있는 연마패드의 사용여부 역시 연마 공정에 따라 선택적으로 결정될 수 있다. 나아가 폴리싱 공정에 사용되는 연마패드가 2층 이상 구조로 구성된 경우에, 정반 방향으로부터 2층에 해당하는 연마패드의 냅(Nap) 층의 두께는 200 내지 600 ㎛인 것이 바람직하다. 냅층의 두께가 200 ㎛ 이하이면 연마패드의 탄성회복률이 떨어져 표면 거칠기 확보가 어렵고 파티클을 포함하는 결함 측면에서도 악영향을 줄 수 있다. 그리고 냅층이 600 ㎛ 이상이면 표면 거칠기 확보를 위한 연마의 효율성이 떨어진다.
위상반전막(120)은 노광광의 위상을 180° 반전시키는 부분이다. 위상반전막(120)은 몰리브덴과 실리콘을 필수적으로 함유하며, 질소, 탄소, 산소 및 불소 중에서 1종 이상의 원소를 추가적으로 함유할 수 있다. 이러한 위상반전막(120)을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나는 위상반전막(120) 내에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같은 구간(이하, '성분변화구간'이라 함)이 존재한다. 또한 위상반전막(120)은 원소들의 함유량이 두께 방향으로 상이하며, 성분변화구간의의 두께는 선택적으로 조절될 수 있다. 함유량이 상이한 원소는 몰리브덴과 실리콘인 것이 바람직하며, 몰리브덴 또는 실리콘의 함유량은 3 at% 이상 차이가 나는 것이 바람직하다. 이때 위상반전막(120)의 두께 방향으로 몰리브덴 또는 실리콘의 함유량이 3 at% 이상 차이가 나는 구간이 나머지 구간과의 사이에서 계면을 형성하는 경우에 몰리브덴 또는 실리콘의 조성비의 차이가 3 at% 이상 차이가 나는 구간의 두께는 50 Å 이하인 것이 바람직하다. 만약 위상반전막(120)의 두께 방향으로 몰리브덴 또는 실리콘의 조성비의 차이가 3 at% 이상 차이가 나는 구간의 두께가 50 Å 이상이면, 몰리브덴 또는 실리콘의 함유량이 3 at% 이상 차이가 나는 구간이 나머지 구간과 계면을 형성하지 않는 것으로 볼 수 있다.
또한 위상반전막(120)을 구성하는 원소의 함유량은 위상반전막(120)의 넓이 방향으로는 균일한 것이 바람직하다. 이때 위상반전막(120)의 넓이 방향으로는 조성비 균일도는 10 % 이하인 것이 바람직하다. 조성비 균일도는 다음의 수학식으로 계산할 수 있으며, 측정 위치는 넓이 방향으로 최소 5 군데 이상이다. 그리고 박막의 조성비는 AES, XPS, RBS 등과 같은 방법을 통해 분석이 가능하다.
Figure 112010042278862-pat00001
한편 위상반전막(120)은 두께 방향으로 박막 밀도의 차이가 0.2 ~ 2.0 g/㎤의 범위 내인 것이 바람직하다. 박막의 두께 방향으로의 밀도 변화가 0.2 g/cm3보다 작은 경우에는 박막의 밀도가 변하지 않은 상태와 유사하게 되며, 2.0 g/cm3보다 큰 경우에는 박막 내부의 응력이 서로 크게 달라지는 문제가 있다. 또한 위상반전막(120)은 두께 방향으로 상이한 잔류 응력을 가지며, 특히, 두께 방향으로 잔류 응력의 차이가 10 MPa 이상인 구간을 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같은 위상반전막(120)을 스퍼터링에 의해 형성할 경우에 공정 조건은 다음의 표에 기재된 바와 같다.
공정 조건 공정 조건값
공정 압력 0.01 ~ 0.4 Pa
기판과 타겟 사이의 거리 100 ㎜ 이상
전력 밀도 0.6 ~ 13 W/㎟
기판 가열 온도 50 ~300 ℃
위상반전막(120)은 표 1에 기재된 바와 같은 공정 조건하에서 몰리브덴의 함유량이 5 ~ 30 at%이고, 나머지는 실리콘인 몰리브덴 실리사이드 타겟을 스퍼터링하여 제조된다. 이때 스퍼터 타겟은 두께 방향과 넓이 방향으로 구성원소의 분포가 균일하며, 특히 조성비 균일도는 10 % 이하인 것이 바람직하다. 나아가 스퍼터 타겟은 HP(Hot Press) 또는 HIP(Hot Iso-static Pressure) 방식을 통해 제조되며, 입자의 직경은 30 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 스퍼터 타겟은 두께 또는 넓이 방향으로 입자의 크기 분포가 균일하며, 두께 또는 넓이 방향으로 입자 크기의 분포 오차가 10 % 이하인 것이 바람직하다.
금속막(130)은 다층막으로 구성된다. 금속막(130)이 2층 구조를 갖는 경우에 기판에 가까운 하부층은 차광막의 역할을 하며, 주성분은 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물이다. 그리고 금속막(130)의 기판으로부터 먼 상부층은 반사방지막의 역할을 하며, 주성분은 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물이다. 이때 반사방지막의 반사율은 노광광의 파장에서 10 ~ 25 %이고, 광학 밀도는 2.5 이상이다. 특히 광학 밀도의 경우에 금속막(130) 단독으로 2.5 이상을 구현하거나 위상반전막(120)과 금속막(130)을 결합하여 2.5 이상의 광학 밀도를 구현하는 것도 가능하다. 또한 금속막(130)은 막두께 방향으로 구성원소의 조성비의 차이가 3 at% 이상 되는 구간의 두께가 50Å 이하이며, 이와 같이 구성원소의 조성비의 차이가 3 at% 이상 되는 구간은 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간으로 이루어진다.
이때, 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간이 형성된다는 것은 각각의 박막의 특성 제어를 위한 공정 조건이 플라즈마를 끄지 않은 상태로 연속적으로 또는 단계적으로 변하는 구간을 하나 이상 포함하여 증착된다는 것을 의미한다. 즉, 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간이 형성되기 위해서는 기판에 대한 박막의 스퍼터링(Sputtering) 중 공정 조건에 연속적 또는 단계적 변화를 가지는 것을 의미한다.
나아가 금속막(130)은 차광막, 반사방지막, 식각저지막의 3층 구조를 가질 수 있다. 3층 구조의 금속막(130)에 있어서 차광막 및 반사방지막으로 기능하는 층들은 MoSi를 주성분으로 하고 MoSi, MoSiO, MoSiN, MoSiC, MoSiCN, MoSiCO, MoSiCON 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 그리고 식각저지막으로 기능하는 층은 크롬을 주성분으로 하고 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 나아가 3층 구조의 금속막(130)은 막두께 방향으로 구성원소의 조성비의 차이가 3 at% 이상 되는 구간의 두께가 50Å 이하이며, 이와 같이 구성원소의 조성비의 차이가 3 at% 이상 되는 구간은 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간(즉, 계면이 없는 구간)으로 이루어진다. 또한 금속막(130)은 내부에 계면을 갖는 단계적인 다층막 구조를 갖거나 위상반전막(120)과 동일하게 막의 깊이 방향으로 연속적으로 변하는 구간을 가질 수 있다. 나아가 위상반전막(120)과 금속막(130) 사이에 추가적으로 식각저지막이 포함될 수 있다.
레지스트막(140)은 강산을 포함하는 레지스트 물질로 구성되고, 레지스트막(140)의 하부에는 레지스트막(140)보다 높은 농도를 가지는 강산을 포함하는 유기 박막이 형성되는 것이 바람직하다. 이때 레지스트막(140)의 하부에 위치한 유기 박막은 노광공정의 적용여부와 관계없이 현상액에 의해 현상된다. 레지스트막(140)의 두께는 1,000 ~ 4,500 Å인 것이 바람직하다. 그리고 레지스트막(140)의 하부에 레지스트막(140)보다 높은 농도를 가지는 강산을 포함하는 두께가 700 Å 이하인 유기 박막이 형성되는 것이 바람직하다. 이때 레지스트막(140)의 하부에 위치한 유기 박막은 노광공정의 적용여부와 관계없이 현상액에 의해 현상될 수 있다. 그리고 하드 마스크막(130)의 표면에 코팅되는 레지스트 물질은 화학증폭형 레지스트이다.
도 2는 본 발명에 따른 하프톤형 위상반전 마스크용 블랭크 마스크의 제조 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 6025 크기의 투명기판(110) 위에 HP 또는 HIP 방식으로 제조된 Mo:Si의 조성비가 2:8(즉, Mo:Si=20 at%:80 at%)인 스퍼터 타겟을 이용하여 도 3에 도시된 바와 같은 롱 쓰루 스퍼터링 장비를 적용하여 위상반전막(120)을 형성한다. 위상반전막(120)의 증착시 공정 조건은 다음의 표에 기재된 바와 같다.
공정 조건 설정값
제1증착 공정 제2증착 공정
스퍼터링 전력 0.7 kW 1.5 kW
비반응성 가스(Ar) 유량 3 sccm 3 sccm
반응성 가승(N2) 유량 5 sccm 17 sccm
공정 압력 0.05 Pa 0.08 Pa
공정 진행 시간 30 초 360 초
표 2에 기재된 바와 같은 공정 조건으로 30초 동안 위상반전막(120)에 대한 제1증착 공정을 수행한다(S200). 이때 가스 유량은 3 ~ 5 sccm으로 한정되는 것이 아니라, 체적 %(vol%)를 기준으로 아르곤(Ar)은 10~70 %, 질소(N2)는 20 ~ 85 %의 범위에서 선택할 수 있으며, 압력의 경우에도 0.01 ~ 0.4 Pa의 범위에서 선택할 수 있고, 스퍼터링 전력의 경우에도 0.6 ~ 13 W/㎟의 범위에서 선택할 수 있다. 다음으로 연속적으로 제2증착 공정을 수행한다(S210). 이 경우에도 위상반전막(120)의 특성을 조절하기 위해 공정 조건의 변경이 가능하다.
이상과 같은 과정을 통해 두께 방향으로 두 가지의 특성을 가지는 단일층의 위상반전막(120)을 제조할 수 있다. 이때 투명 기판(110) 상에 하부층과 상부층의 계면이 없는 위상반전막(120)을 형성하기 위해 위상반전막(120)의 하부층에서 상부층으로 증착 조건을 변경할 때, 아르곤 가스의 유량은 3 sccm으로 계속 유지하고, 질소 가스의 유량은 5 → 9 → 13 → 17 (sccm)과 같이 단계적으로 증가시켰다. 또한 스퍼터링 전력 역시 0.7 → 1.0 → 1.2 → 1.5 (kW)와 같이 단계적으로 증가시켰다. 이때 Auger를 통해 실시한 결과, 위상반전막(120)의 원소 함유량은 하부층의 경우에는 Mo가 15 at%, Si가 40 at% 그리고 N이 45 at%이며, 상부층의 경우에는 Mo가 11 at%, Si가 35 at% 그리고 N이 54 at%이다. 이와 같이 위상반전막(130)의 상부층은 상대적으로 많은 양의 질소를 포함하므로, 내화학성, 헤이즈, 금속박막과의 우수한 접착력, 잔류응력, 우수한 비정질 상태를 달성할 수 있다. 그리고 위상반전막(120)의 하부층은 상대적으로 적은 양의 질소를 포함하므로, 내노광성, 기판과의 우수한 접착력, 면저항 등이 우수하고, 특히 핀홀 및 파티클이 우수한 특성을 얻을 수 있다. 그리고 위상반전막(120)에는 막을 구성하는 하나 이상의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간을 형성함으로써, 핀홀 및 파티클 특성의 향상이 가능하다.
다음으로 스퍼터링 공정을 통해 위상반전막(120) 상에 금속막(130)을 형성한다(S220). 이때 금속막(130)은 2층 이상의 박막으로 구성될 수 있다. 다음으로 금속막(130) 위에 스핀 코팅으로 강산을 함유하는 유기 박막을 100Å의 두께로 형성한다(S230). 이러한 유기 박막은 소프트 베이킹 조건 조절을 통해 노광 공정없이 현상액에 현상이 가능하다. 또한 소프트 베이킹 조건 조절을 통해 노광 공정 후 현상 공정에 의해 현상이 되지 않으며, 건식 식각 공정만을 통해서 제거하는 것도 가능하다. 다음으로 유기 박막 위에 포지티브형 화학증폭형 레지스트 물질을 코팅하여 최종적인 레지스트막을 형성한다(S240). 이상과 같은 과정을 통해 연속적인 다층막의 구조를 가지는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크의 제조가 가능하다. 그리고 제조된 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크를 패터닝 및 식각하여 하프톤형 위상반전 포토 마스크를 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (28)

  1. 투명 기판, 위상반전막, 금속막 및 레지스트막을 포함하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크에 있어서,
    상기 위상반전막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 포함하고,
    상기 위상반전막의 두께 방향으로 조성비가 변하는 원소는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 상기 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 위상반전막은 몰리브덴과 실리콘을 필수적으로 포함하고, 상기 몰리브덴과 상기 실리콘 중에서 적어도 하나는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 위상반전막은 몰리브덴과 실리콘을 필수적으로 포함하고, 상기 몰리브덴과 상기 실리콘 중에서 적어도 하나는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 상기 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 위상반전막은 몰리브덴과 실리콘을 필수적으로 포함하고, 상기 위상반전막의 두께 방향으로 밀도 차이는 0.2 g/㎤ 내지 2.0 g/㎤의 범위 내인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 위상반전막을 구성하는 원소의 조성비 균일도는 10 % 이하인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  6. 제 1항에 있어서.
    상기 위상반전막은 두께 방향으로 상이한 잔류 응력을 가지는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 위상반전막은 두께 방향으로 잔류 응력의 차이가 10 MPa보다 크거나 같은 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 금속막은 다층 구조로 이루어지고, 차광막으로 기능하는 상기 투명 기판에 가까운 하부층의 주성분은 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물이고, 반사방지막으로 기능하는 상기 투명 기판으로부터 먼 상부층의 주성분은 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상전이 블랭크 마스크.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 다층 구조의 금속막은 막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 함유량이 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 가지며, 상기 금속막의 성분변화구간의 두께는 50Å 이하인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속막은 두께 방향으로 잔류 응력의 차이가 10 MPa보다 크거나 같은 구간인 성분변화구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 금속막은 3층 구조로 이루어지고, 차광막 및 반사방지막으로 기능하는 제1층과 제2층은 MoSi를 필수적으로 함유하고 MoSi, MoSiO, MoSiN, MoSiC, MoSiCN, MoSiCO, MoSiCON 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 포함하며, 식각저지막으로 기능하는 제3층은 크롬을 필수적으로 함유하고 Cr, CrN, CrCN, CrON, CrCON, CrO, CrCO 중에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 3층 구조의 금속막은 막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 함유량이 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 가지며, 상기 3층 구조의 금속막의 성분변화구간의 두께는 50Å 이하인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 레지스트막은 강산을 포함하는 레지스트 물질로 이루어지고, 상기 레지스트막 하부에는 상기 레지스트막보다 더 높은 농도를 가지는 강산을 포함하는 유기 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 레지스트막 하부에 형성된 유기 박막은 현상액에 의해 현상되는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 투명 기판은 복수회의 랩핑 공정 및 복수회의 폴리싱 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 복수회의 랩핑 공정은 실리콘 카바이드(SiC), 다이아몬드(C), 지르코니아(ZrO2) 및 알루미나(Al2O3) 중에서 적어도 하나의 물질을 포함하는 연마입자를 이용하는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  17. 삭제
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 복수회의 폴리싱 공정은 산화세륨(CeO2), 콜로이달 실리카(SiO2) 및 과산화수소(H2O2)를 포함하는 슬러리를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 제 1항 내지 제 16항 또는 제18항 중 어느 한 항에 기재된 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크를 패터닝 및 식각하여 제조된 하프톤형 위상반전 포토 마스크.
  23. 투명 기판 상에 위상반전막, 금속막 및 레지스트막을 순차적으로 형성하여 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크를 제조하는 방법에 있어서,
    플라즈마가 켜져 있는 상태에서 공정 조건을 구성하는 복수의 조건 중에서 적어도 하나를 단계적으로 또는 연속적으로 변경하여 막을 구성하는 원소 중에서 적어도 하나의 원소의 조성비가 막의 두께 방향으로 연속적으로 변하는 구간인 성분변화구간을 포함하는 상기 위상반전막을 형성하고,
    상기 위상반전막의 두께 방향으로 조성비가 변하는 원소는 상기 성분변화구간에서 두께 방향으로 함유량의 차이가 3 at%보다 크거나 같으며, 상기 성분변화구간의 두께는 50 Å보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 공정 조건을 구성하는 복수의 조건은 비반응성 가스의 유량, 반응성 가스의 유량, 공정 압력 및 스퍼터링 전력을 포함하고,
    상기 비반응성 가스의 유량은 10~70 체적%(Vol%)의 범위에서 선택되고, 반응성 가스의 유량은 20 ~ 85 체적%(Vol%)의 범위에서 선택되며, 공정 압력은 0.01 ~ 0.4 Pa의 범위에서 선택되고, 스퍼터링 전력은 0.6 ~ 13 W/㎟의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
  25. 제 23항 또는 제 24항에 있어서,
    상기 비반응성 가스는 아르곤이고, 상기 반응성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 위상반전막의 상부층의 질소 함유량이 하부층의 질소 함유량보다 큰 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
  27. 제 23항에 있어서,
    스퍼터링에 의해 상기 위상반전막 상에 상기 금속막을 형성하는 단계; 및
    상기 금속막 상에 레지스트막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 레지스트막은 강산을 포함하는 레지스트 물질로 이루어지고, 상기 레지스트막 하부에는 상기 레지스트막보다 더 높은 농도를 가지는 강산을 포함하는 유기 박막이 형성된 것을 특징으로 하는 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크 제조 방법.
KR1020100062648A 2010-02-12 2010-06-30 하프톤형 위상반전 블랭크 마스크, 하프톤형 위상반전 포토 마스크 및 그의 제조 방법 KR101152618B1 (ko)

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