KR101403391B1 - 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법 및 이에 이용되는 하프톤 위상반전마스크 - Google Patents

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Abstract

하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법 및 이에 이용되는 하프톤 위상반전마스크에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법은 하기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 연산되는 복합 파장의 위상 평균값이 180° 또는 미리 정해진 값이 되도록, 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상, 광원의 세기, 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 투과율 및 포토레지스트의 흡수율 중에서 하나 이상을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112013039984359-pat00017

[수학식 2]
Figure 112013039984359-pat00018

Description

하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법 및 이에 이용되는 하프톤 위상반전마스크 {EXPOSURE METHOD WITH MULTI-WAVELENGTH USING HALFTONE PHASE SHIFT MASK}
본 발명은 반도체나 평판디스플레이 제조시 포함되는 노광 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법 및 이에 이용되는 하프톤 위상반전마스크에 관한 것이다.
일반적으로, 평판 디스플레이 제조 또는 반도체 제조시 각종 패턴 형성을 위하여 포토 마스크를 이용한 노광 공정(lithography process)을 포함한다.
포토 마스크는 대표적으로 이진강도마스크(Binary Intensity Mask; BIM)와 위상반전마스크(Phase Shift Mask; PSM)로 구분할 수 있다.
이 중에서 위상반전마스크의 경우는 완전히 빛을 차단하는 차단 영역과 빛을 100% 투과하는 투과 영역에 위상을 조절하거나 또는 위상과 투과율을 조절하여, 노광 공정에서 필요한 공정 마진인 해상도(resolution) 및 초점심도(depth of focus)를 향상시킬 수 있다. 이때, 하나의 박막으로 위상과 투과율을 조절하는 위상반전마스크를 하프톤 위상반전마스크(Halftone Phase Shift Mask)라고 한다.
최근, 평판 디스플레이 제작 공정에서는 고화질 제품에 대한 기술 개발이 요구 되면서, 패널상에 필요한 해상도 및 초점심도에 대한 개선을 필요로 하고 있다.
하프톤 위상반전마스크 제작 및 노광 공정에 있어서, 평판 디스플레이 패널용 하프톤 위상반전마스크는, 반도체 제조용 하프톤 위상반전마스크의 경우와는 달리, 아래와 같은 특성이 요구된다.
반도체 제조용 노광 공정에서 사용되는 빛의 파장은 ArF(193nm), KrF(248nm)와 같이 단일 파장을 사용한다. 반면, 평판 디스플레이용의 경우는 대면적을 빠른 시간에 노광해야 하므로, 광원에서 나오는 i-line(365nm), h-line(405nm), g-line(436nm)의 모든 파장을 동시에 사용해야 한다. 또한, 하프톤 위상반전마스크는 단일 박막으로 구현되며, 위상은 180°가 되어야 한다.
한편, 하프톤 위상반전마스크의 경우, 투과율 값이 높을수록 위상반전 효과는 증가하나, 패턴의 주변부에 비정상적으로 빛의 세기가 증가하는 사이드 로브(Side Lobe) 효과도 함께 증가한다. 사이드 로브에 의해 원하지 않은 패턴이 형성될 수 있으므로, 위상반전 효과와 사이드 로브 효과를 절충하여 투과율을 결정한다. 이러한 점을 고려하여 현재는 대략 6% 정도의 투과율을 사용하고 있다.
여러 파장의 빛을 사용할 경우, 빛의 전체적인 위상 평균값을 180°로 구현하기 어렵다. 즉, 위상의 경우 파장에 반비례하므로, i-line에 180°의 위상을 구현하면 h-line, g-line에서는 180°보다 낮은 값의 위상을 얻을 수 밖에 없다. 그러므로 복합파장(i-line, h-line, g-line)의 빛을 사용할 경우, 위상반전마스크에서 구현되는 빛의 전체적인 위상 평균값은 180°보다 낮은 값을 얻을 수 밖에 없다.
도 1은 노광 공정에서 포커스 값의 변화에 따른 선폭(CD) 또는 콘트라스트(Contrast) 값의 변화를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 위상반전마스크에서 구현되는 빛의 전체적인 위상 평균값이 180°인 경우, 디포커스(Defocus)가 발생할 경우 선폭 또는 콘트라스트 값이 대칭적으로 변할 수 있다.
반면, 위상반전마스크에서 구현되는 빛의 전체적인 위상 평균값이 180°가 아닐 경우, 전체적으로 악화되면서 최상의 성능을 보이는 지점, 즉 베스트 포커스(Best Focus)가 변화된다. 빛의 전체적인 위상 평균값이 180°보다 작을 경우는 + Focus 쪽으로 움직이며, 반대로 빛의 전체적인 위상 평균값이 180°보다 클 경우는 - Focus 방향으로 움직인다. 베스트 포커스 변경에 의하여 얻어지는 영역(a1, b2)과 잃는 영역(a2, b1)의 크기를 비교하면 항상 잃는 영역의 크기가 크다 (a1<b1, a2>b2). 따라서, 빛의 전체적인 위상 평균값이 180°가 아닌 상태로 위상반전 마스크가 제작되면 DOF(Depth Of Focus) 마진이 적어지고, 해상도 향상 효과도 적어지는 문제가 발생한다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0075777호(2001.08.11. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 하프톤 위상반전 마스크 및 그 제조방법이 개시되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 평판 디스플레이 제조 과정과 같이 하프톤 위상반전 마스크를 적용하는 노광 공정에서 복합파장을 갖는 광을 사용할 때 발생할 수 있는 문제점을 해결하여, 최적의 위상 및 투과율을 제공함으로써, 노광 공정에서 해상도 및 초점심도를 향상시킬 수 있는 하프톤 위상반전 마스크를 이용한 복합파장 노광 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복합파장 노광 공정에 적용할 수 있도록 위상 평균값이 보정된 하프톤 위상반전 마스크를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법은 방출되는 광이 3개의 복합 파장(i-line, h-line, g-line)을 갖는 광원 및 하프톤 위상반전마스크를 이용하는 노광 방법으로서, 하기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 연산되는 복합 파장의 위상 평균값(PhaseAverage)이 180° 또는 미리 정해진 값이 되도록, 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line), 광원의 세기(Ii-line, Ih-line, Ig-line), 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 투과율(Ti-line, Th-line, Tg-line) 및 포토레지스트의 흡수율(Ai-line, Ah-line, Ag-line) 중에서 하나 이상을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112013039984359-pat00001
[수학식 2]
Figure 112013039984359-pat00002

이때, 상기 3개의 복합 파장(i-line, h-line, g-line)에 대한 상기 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line) 각각은 하기 수학식 3에 의해 정해질 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112013039984359-pat00003
(a, b는 상수, 두께 및 파장 단위는 nm)
또한, 본 발명에 따른 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법은 하기 수학식 4에 의해 타겟의 투과율을 추가로 조절할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112013039984359-pat00004

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하프톤 위상반전마스크는 광이 투과되는 투과 영역 및 광의 투과율이 조절되는 위상반전 영역을 구비하는 활성 영역과, 상기 활성 영역의 외측을 둘러싸며 광이 차단되는 차단 영역을 구비하는 비활성 영역을 갖는 투명 기판; 상기 투명 기판 상의 상기 차단 영역에 형성되어, 입사광을 차단하는 광차단막; 및 상기 투명 기판 상의 상기 위상반전 영역에 형성되어, 입사광의 투과율을 조절하는 위상반전막;을 포함하며, 하기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 연산되는 복합 파장의 위상 평균값(PhaseAverage)이 180° 또는 미리 정해진 값이 되도록 상기 위상반전막의 위상 및 상기 위상반전막의 투과율 중 하나 이상이 조절된 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112013039984359-pat00005
[수학식 2]
Figure 112013039984359-pat00006
본 발명에 따른 하프톤 위상반전 마스크를 이용한 복합파장 노광 방법에 의하면, 하프톤 위상 반전마스크를 이용한 복합파장 노광 공정시 파장의 평균 위상을 개발된 식 1 내지 식 3에 의하여 180°로 정확히 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 하프톤 위상반전 마스크를 이용한 복합하장 노광 방법에서는 개발된 식 4에 의하여 타겟의 투과율을 원하는 목표치로 쉽게 조절할 수 있다.
이에 따라, 하프톤 위상반전 마스크를 위한 노광 공정시 최적의 위상을 제공할 수 있으며, 이에 따라, 노광 공정에서 해상도 및 초점심도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 위상 오차가 발생하였을 때의 베스트 포커스 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 위상반전막의 파장별 투과율 특성을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술되는 실시예 및 첨부된 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 실시예들은 단지 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법 및 이에 이용되는 하프톤 위상반전마스크에 관하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서는 복합파장을 사용하는 노광 공정의 경우에, 전술한 바와 같이 광의 전체적인 위상 평균값이 180°로 하기 위하여, 아래 3가지 요소를 변수로 고려하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
첫째, 광원에서 나오는 빛의 3가지 파장이 존재하며, 각 파장의 세기(Intensity)가 상이하다. 이 때의 각 파장의 세기 각각을 Ii-line, Ih-line, Ig-line 이라고 정의하였다.
둘째, 위상반전을 구현하는 박막은 하나 이여야 한다. 파장 별로 박막을 따로 구현하는 위상반전마스크의 구현이 불가능하다. 그러므로 하나의 위상반전 박막으로 구현되는 위상이 다르다. 각 파장별로 구현되는 위상을 Pi-line, Ph-line, Pg-line이라고 정의하였다.
셋째, 포토레지스트 가 각 파장 별로 반응하는 속도, 즉 각 파장에 대한 포토레지스트의 흡수율이 상이하다. 각 파장별 포토레지스트의 흡수율을 Ai-line, Ah-line, Ag-line이라고 정의하였다.
투과율의 경우, 하나의 위상반전 박막에서 복합파장(i-line, h-line, g-line)를 사용할 경우 일반적으로 아래와 같은 특성을 보인다.
도 2는 파장에 따른 투과율의 변화를 나타낸 것이다. 일반적으로 박막에서 파장이 길어지면 투과율이 증가한다. 예를 들어 i-line에 타겟 투과율을 설정할 경우, 전체적인 투과율 값은 타겟 투과율보다 높은 값을 나타낸다. 중간 파장 h-line을 타겟 투과율을 설정한 경우도 위상반전 박막의 투과율의 평균값은 설정된 값으로 할 수 있지만, 광원의 파장별 세기 및 포토레지스트의 흡수율이 다르기 때문에 노광 공정에서 진정으로 필요한 투과율은 설정된 값에서 벋어나게 된다. 구현되는 각 파장에 대한 위상반전막의 투과율을 Ti-line, Th-line, Tg-line이라고 정의하였다.
본 발명에 따른 발명자들은 오랜 연구결과 복합 파장을 사용하였을 경우 평균 위상은 아래 수학식 1 및 수학식 2에 따르는 것을 알아내었다.
[수학식 1]
Figure 112013039984359-pat00007
[수학식 2]
Figure 112013039984359-pat00008

위상 반전막에서 각 파장별로 구현되는 위상 Pi-line, Ph-line, Pg-line 각각은 아래 수학식 3으로 표현할 수 있으며, 실측도 가능하다.
[수학식 3]
Figure 112013039984359-pat00009
(a, b는 상수, 두께 및 파장 단위는 nm)
상기 수학식 3에서 상수 a, b는 실측값을 통하여 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 복합파장의 평균 위상이 180°가 되어야 도 1에서와 같은 베스트 포커스 변화가 발생하지 않는다.
기존의 경우는 타겟 파장에서이 위상을 180°로 목표를 설정하였으나 본 발명은 복합 파장의 평균 위상을 180°로 설정하여 포커스 변화가 발생하는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다. 위상 평균값이 180°가 되지 않으면, Target 파장의 위상을 가감하여 복합파장의 위상이 180°가 되게 할 수 있으며, 이 때, 수식 1와 수식 2을 사용한다.
위상 반전 마스크의 또 다른 중요한 요인인 투과율의 경우는 기존의 경우, Target 파장에서 특정한 값으로 설정하였으나, 본 발명에서는 아래의 수학식 4에 의하여 계산된 값이 원하는 투과율 값이 되게 하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 4]
Figure 112013039984359-pat00010

수학식 1~4에 의할 때 예를 들어 다음과 같이 적용할 수 있다.
예를 들어, 광원의 세기(Ii-line, Ih-line, Ig-line) 및 포토레지스트의 흡수율(Ai-line, Ah-line, Ag-line)이 정해져 있다면 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line) 혹은 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 투과율(Ti-line, Th-line, Tg-line)를 조절함으로써 복합파장 노광 공정에서 복합파장의 평균 위상을 180°로 조절할 수 있다.
이 경우, 본 발명에 적용되는 하프톤 위상반전 마스크는 광이 투과되는 투과 영역 및 광의 투과율이 조절되는 위상반전 영역을 구비하는 활성 영역과, 상기 활성 영역의 외측을 둘러싸며 광이 차단되는 차단 영역을 구비하는 비활성 영역을 갖는 투명 기판, 상기 투명 기판 상의 상기 차단 영역에 형성되어, 입사광을 차단하는 광차단막 및 상기 투명 기판 상의 상기 위상반전 영역에 형성되어, 입사광의 투과율을 조절하는 위상반전막을 포함할 수 있으며, 복합 파장의 위상 평균값(PhaseAverage)이 180° 또는 미리 정해진 값이 되도록 위상반전막의 위상 및 투과율 중 하나 이상이 조절될 수 있다.
다른 방법으로, 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line) 혹은 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 투과율(Ti-line, Th-line, Tg-line)이 정해져 있다면, 광원의 세기(Ii-line, Ih-line, Ig-line) 또는 포토레지스트의 흡수율(Ai-line, Ah-line, Ag-line)을 조절함으로써 복합파장 노광 공정에서 복합파장의 평균 위상을 180°로 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법에서는 입사광의 파장을 i-라인, h-라인 및 g-라인의 복합파장에서 수식 1과 수식 2를 사용하여 복합 파장의 평균 위상값이 원하는 값이 되게 하여 노광 공정에서 위상값이 오차에 의하여 발생하는 Focus 변화를 감소시키거나 0로 사용 가능한 초점 심도를 최대한으로 하고, 기존 사용하고 있는 Binary Intensity Mask(BIM)과 동일한 Best Focus를 적용할 수 있어 공정 단순화가 가능하다. FPD 영역의 경우 하나 패널에 구현 가능한 노광 Shot의 개수가 Wafer에 비하여 매주 적으므로 Mask 별로 Best Focus를 찾는 것이 거의 불가능하다. 그러므로 하프톤 위상반전마스크에서 위상 오차를 근본적으로 없애는 것이 가장 좋은 해결방법이다.
하프톤 위상반전마스크에서 또 다른 중요한 항목인 투과율을 결정할 때 수식 3을 적용하여 투과율의 평균값이 높을 때 발생하는 문제(Side Lobe Effect)를 예방할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 방출되는 광이 3개의 복합 파장(i-line, h-line, g-line)을 갖는 광원 및 하프톤 위상반전마스크를 이용하는 노광 방법에 있어서,
    하기 수학식 1 및 수학식 2에 의해 연산되는 복합 파장의 위상 평균값(PhaseAverage)이 180° 또는 미리 정해진 값이 되도록, 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line), 광원의 세기(Ii-line, Ih-line, Ig-line ), 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 투과율(Ti-line, Th-line, Tg-line) 및 포토레지스트의 흡수율(Ai-line, Ah-line, Ag-line) 중에서 하나 이상을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112013039984359-pat00011

    [수학식 2]
    Figure 112013039984359-pat00012

  2. 제1항에 있어서,
    상기 3개의 복합 파장(i-line, h-line, g-line)에 대한 상기 하프톤 위상반전마스크에 형성된 위상반전막의 위상(Pi-line, Ph-line, Pg-line) 각각은 하기 수학식 3에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법.
    [수학식 3]
    Figure 112013039984359-pat00013

    (a, b는 상수, 두께 및 파장 단위는 nm)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하기 수학식 4에 의해 타겟의 투과율을 조절하는 것을 특징으로 하는 하프톤 위상반전마스크를 이용한 복합파장 노광 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112013039984359-pat00014

  4. 삭제
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