KR101934860B1 - 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 기판 상에 실리콘(Si) 또는 실리콘(Si) 화합물로 이루어지며, 고투과율 특성을 갖는 위상반전막이 구비된 고투과율 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크를 제공한다.
본 발명에 따른 위상반전 블랭크 마스크는 위상반전막이 50% 이상의 고투과율을 가짐에 따라 반도체 소자, 예를 들어, 디램(DRAM), 플래쉬 메모리(Flash Memory), 로직 디바이스(Logic Device)에 대해 32㎚급 이하, 특히, 14㎚급 이하, 바람직하게, 10㎚급 이하의 미세 패턴 구현이 가능하다.

Description

위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크 {Phase Shift Blankmask and Photomask}
본 발명은 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 웨이퍼 노광 시 노광 허용도(Exposure Latitude) 및 초점 심도(Depth of Focus) 마진(Margin)을 향상시키기 위하여 위상반전막이 노광 파장에 대하여 50% 이상의 고투과율을 가지는 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크에 관한 것이다.
오늘날 대규모 집적회로의 고집적화 및 회로패턴의 미세화 요구에 맞춰 고도의 반도체 미세공정 기술이 매우 중요한 요소로 자리 잡고 있다. 반도체 집적회로의 경우, 저전력 및 고속동작을 위해 회로 배선이 미세화되고 있고, 층간연결을 위한 컨택 홀 패턴(Contact Hall Pattern) 및 집적화에 따른 회로 구성 배치 등에 대한 기술적 요구가 점점 높아지고 있다.
이와 같은, 미세패턴의 고집적화에 따라 포토마스크에 요구되는 해상도(Resolution), 패턴 정렬도(Registration)의 규격은 점점 더 엄격해지고 있으며, 나아가 복잡한 다층의 반도체 소자 제조 시 필요한 노광 허용도(Exposure Latitude) 및 초점 심도(Depth of Focus) 마진 확보는 반도체 소자 제조의 핵심 문제로 대두되고 있다.
상기 문제는 포토마스크 및 반도체 소자 제조 공정뿐만 아니라, 반도체 소자 제조의 핵심 부품소재인 블랭크 마스크의 특성에 영향을 받는다. 예를 들어, 위상반전 블랭크 마스크로 제조된 포토마스크로 반도체 디바이스를 제작하는 경우, 명암비(Image Contrast)가 높아져 고해상도 구현이 가능하며, 초점 심도 마진이 높아지는 효과를 가진다.
최근에는, 보다 더 정밀하고 미세화된 반도체 디바이스 소자가 필요함에 따라, 기존 6% 투과율을 갖는 위상반전막에 대비하여 12%, 18%, 24%, 30%와 같은 고 투과율의 위상반전막이 구비된 위상반전 블랭크 마스크가 개발되고 있다. 상기와 같은 고투과율 위상반전 마스크는 기존 6% 투과율의 위상반전 마스크에 대비하여 노광 허용도 및 초점 심도 마진이 더욱 증가하는 효과를 가진다.
한편, 고투과율 위상반전 패턴 구현을 위한 또 다른 위상반전 포토마스크 기술로서 투명 기판을 식각하여 위상반전 패턴을 형성하는 CPL(Chromless Phase shift Lithography)용 위상반전 마스크가 주목받고 있다. 상세하게, CPL 위상반전 마스크는 투명 기판 상에 차광막 및 레지스트막 패턴을 형성한 후, 식각 공정을 통해 차광막 패턴을 형성하고, 차광막 패턴을 식각 마스크로 투명 기판을 일부 깊이로 식각하여 약 100%의 투과율 및 180°의 위상반전량을 갖는 위상반전 패턴을 형성하여 위상반전부로 이용한다.
그러나, 상기 CPL용 위상반전 마스크는 위상반전 패턴을 형성하기 위한 투명 기판의 식각 공정에서 하기와 같은 문제점으로 인하여 활용성이 제한된다.
먼저, CPL용 위상반전 마스크는 투명 기판에 대한 식각 종점(Etch End-Point)을 구분할 수 있는 박막층이 존재하지 않음에 따라, 기판 식각 시, 특정 물질의 검출량 차이가 없어 식각 종점을 명확히 구분하기 어렵다. 일반적으로 박막의 식각 종점 검출은 박막들 내에 존재하는 금속 및 질소(N), 산소(O), 탄소(C)를 포함하는 경원소의 검출량 차이를 이용하지만, 투명 기판은 특정 물질의 변화가 없어 식각 종점 검출이 어렵다. 이에 따라, 투명 기판을 식각하여 형성하는 위상반전부는 식각 시간에 의존하여 투명 기판에 대한 식각을 진행함에 따라 위상반전부의 위상량 재현성 확보 및 식각 제어가 어려워 해상도가 저하되는 등의 문제가 발생한다.
또한, 투명 기판은 고온 열처리 공정을 통해 형성되어 경도가 높기 때문에 투명 기판의 식각 시 발생되는 결함(Defect)에 대한 수리(Repair)가 어렵다. 이에 따라, CPL용 마스크는 그 특성이 우수함에도 대량으로 생산하여 사용하기 어렵다.
본 발명은 50% 이상의 고투과율을 갖는 위상반전막이 적용된 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크를 제공한다.
본 발명은 레지스트막의 박막화가 가능하고, 해상도(Resolution), 임계 치수(Critical Dimension) 정밀도 및 선형성(Linearity)을 향상시킨 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크를 제공한다.
본 발명은 다양한 반도체 소자에 대해 32㎚급 이하, 특히, 14㎚급 이하의 미세 패턴 구현이 가능한 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크를 제공한다.
본 발명에 따른 위상반전 블랭크 마스크는, 투명 기판 상에 구비된 위상반전막을 포함하며, 상기 위상반전막은 상기 투명 기판과 동일한 물질에 식각되고, 상기 투명 기판에 대비하여 식각 종점 검출이 가능한 물질을 포함하여 이루어진다.
상기 위상반전막은 노광광에 대하여 50% 이상의 투과율을 갖는다.
상기 위상반전막은 실리콘(Si) 또는 실리콘(Si)화합물로 이루어진다.
상기 식각 종점 검출이 가능한 물질은 질소(N)이다.
상기 위상반전막 상에 구비된 차광막을 더 포함한다.
상기 차광막은 크롬(Cr), 크롬(Cr) 화합물, 몰리브데늄크롬(MoCr) 또는 몰리브데늄크롬(MoCr) 화합물 중 하나로 이루어진다.
상기 순차적으로 적층된 위상반전막 및 차광막 상에 구비된 하드마스크막을 더 포함한다.
상기 하드마스크막은 상기 위상반전막과 식각 특성이 동일하고, 상기 차광막과 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어진다.
상기 위상반전막의 상부에 구비된 레지스트막 및 상기 레지스트막 상에 구비된 차징 방지막을 더 포함한다.
상기 차징 방지막은 자기도핑된 수용성 전도성 중합체(Self-doped Water Soluble Conducting Polymer)로 이루어진다.
본 발명은 노광 파장에 대하여 50% 이상의 고투과율을 가지는 위상반전막이 구비된 위상반전 포토마스크를 이용함에 따라 반도체 소자 제조를 위한 웨이퍼 노광 시, 고해상도 뿐만 아니라 노광 허용도 및 초점 심도 마진을 넓게 하여 최종적으로 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 패턴 형성을 위하여 하드마스크막(Hardmask)을 이용함에 따라 레지스트막의 박막화가 가능하고, 이를 통해, 해상도(Resolution), 임계 치수(Critical Dimension) 정밀도 및 선형성(Linearity)을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 이용하여 반도체 소자, 예를 들어, 디램(DRAM), 플래쉬 메모리(Flash Memory), 로직 디바이스(Logic Device) 등 다양한 반도체 소자 제조 시 공정 윈도우(Window)를 증가시켜 최종적으로 공정 수율를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도
도 2는 본 발명의 제 2 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 3 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도
도 4는 본 발명의 제 2 구조에 따른 고투과율 위상반전 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위하여 도시한 단면도.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 실시예는 단지 본 발명의 예시 및 설명을 하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술력 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위상반전 블랭크 마스크(100)는 투명 기판(102), 투명 기판(102) 상에 순차적으로 형성된 위상반전막(104), 차광막(106) 및 레지스트막(110)을 포함한다.
투명 기판(102)은 석영유리, 합성 석영유리, 불소 도핑 석영유리로 구성된다. 투명 기판(102)의 평탄도(Flatness)는 상부에 형성되는 어느 하나의 박막, 예를 들어, 위상반전막(104), 차광막(106) 등의 평탄도에 영향을 미치고, 웨이퍼 노광 시 초점 심도 마진에 영향을 미치게 됨에 따라 성막되는 면의 평탄도를 TIR(Total Indicated Reading) 값으로 정의할 때, 그 값은 142㎟의 측정영역에서 1,000㎚, 바람직하게, 500㎚, 더욱 바람직하게, 300㎚ 이하로 제어되는 것이 우수하다.
위상반전막(104)을 구성하는 물질은 실리콘(Si), 몰리브데늄(Mo), 탄탈(Ta), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 팔라듐(Pd), 아연(Zn), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 셀레늄(Se), 구리(Cu), 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 중 1 종 이상의 물질을 포함하여 이루어지거나, 또는, 상기 물질에 질소(N), 산소(O), 탄소(C), 붕소(B), 수소(H)를 포함하는 경원소 중 1종 이상의 물질로 이루어진다.
특히, 위상반전막(104)은 고투과율 구현을 위하여 실리콘(Si)을 포함하는 화합물 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 상세하게, 위상반전막(104)은 실리콘(Si) 또는 실리콘(Si)에 산소(O), 질소(N), 탄소(C), 붕소(B) 중 하나 이상의 경원소를 포함하는 SiN, SiC, SiO, SiCN, SiCO, SiNO, SiCON, SiB, SiBN, SiBC, SiBO, SiBCN, SiBCO, SiBNO, SiBCON 중 선택되는 1종 이상이 포함되는 실리콘(Si) 화합물로 구성되는 것이 바람직하다.
위상반전막(104)은 193㎚의 노광 파장에 대하여 50% 이상, 바람직하게, 70% 이상, 더욱 바람직하게, 90% 이상의 투과율을 갖는다. 본 발명에 목적에 따른 위상반전막(104)은 50% 이상의 고투과율을 가지기 위하여 실리콘(Si) 화합물 중 특히 산소(O)를 포함하는 실리콘(Si) 화합물 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si) 화합물에 포함되는 산소(O) 함유량의 증가는 위상반전막의 굴절률(n) 및 소멸계수(k)를 감소시켜 최종적으로 위상반전막의 투과율 및 두께를 증가시킨다.
그러나, 위상반전막(104)의 투과율 증가는 웨이퍼 노광 시, 패턴 가장자리에서의 상쇄 간섭을 향상시키는 작용을 하지만, 두께 증가는 포토마스크 제조 시 패턴 종횡비(Aspect Ratio)를 크게 하여, 최종적으로 패턴 무너짐(Collapse)의 원인이 된다. 이에 따라, 위상반전막(104)에 포함되는 산소(O) 함유량을 적절히 제어함으로써 위상반전막의 투과율 및 두께를 제어할 수 있다. 예를 들어, 100nm 닷(Dot) 패턴 형성을 위하여 고투과율 위상반전 마스크 제조 시, 2 이하의 패턴 종횡비를 유지함과 아울러 90% 이상의 고투과율을 구현하기 위해 산소(O)의 함유량을 증가시켜 200nm 두께로 설계가 가능하다. 또한, 70nm 닷(Dot) 패턴 형성 시 동일하게 패턴 종횡비(Aspect Ratio)를 2 이하로 가져가기 위해서 박막은 140nm 이하의 두께를 가져야 한다. 이때, 위상량 제어를 위해서는 상대적으로 산소(O)의 함유량을 감소시키거나, 또는, 질소(N)의 함유량을 증가시켜 70%의 투과율을 가지는 위상반전막을 제조할 수 있다.
추가적으로, 상기 언급한 위상반전막(104)에 포함되는 산소(O), 질소(N)의 함유량은 식각 시 식각 종점(Etch End Point) 확인을 위한 목적으로도 사용됨에 따라 적절히 제어되어야 한다. 예를 들어, 위상반전(104)에 산소(O) 함유량이 높을 경우 하부의 투명 기판(102)에 대해 식각 종점(Etch Point) 확인이 어려운 문제점을 가진다. 따라서, 위상반전막(104)의 식각 종점 확인을 위해 산소(O)외 경원소 예를 들어, 질소(N), 탄소(C) 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 질소(N)를 포함하는 것이 식각 종점 확인이 용이하다. 그러나, 위상반전막(104)에 포함되는 질소(N) 함유량이 높으면, 노광 파장에 대한 위상반전막(104)의 투과율이 감소하게 된다. 따라서, 위상반전막(106)의 고투과율을 가지며, 식각 종점을 용이하게 판단하기 위해서는 산소(O)의 함유량 및 질소(N)등의 경원소의 함유량의 적절한 제어가 필요하다.
상기의 특성을 만족하기 위하여, 위상반전막(104)은 실리콘(Si)이 10at% ∼ 40at%, 경원소(N, O, C 등의 합계)의 함유량 60at% ∼ 90at%인 조성비를 가지는 것이 바람직하다. 특히, 위상반전막(104)에 포함하는 경원소 중 질소(N)의 함유량은, 1at% ∼ 20at%, 바람직하게, 3at% ∼ 20at%의 함유량을 갖는 것이 우수하다. 질소(N)의 함유량이 1at% 이하이면, 하부의 투명기판(102)에 대비하여 식각 종점 확인이 어려우며 20at% 이상이면, 위상반전막(106)의 고투과율 확보가 어렵다.
위상반전막(104)에 포함되는 경원소 중 산소(O)의 함유량은 50at% ∼ 90at%인 것이 바람직하다. 상기 산소(O)의 함유량이 50at% 이하이면 위상반전막(106)의 고 투과율 확보가 어려우며, 90at% 이상이면 하부의 투명 기판(102)에 대비하여 식각 종점 확인이 어렵다.
위상반전막(104)은 스퍼터링 공정(Sputtering Process)을 통해 형성되며, 상기 스퍼터링 공정은 실리콘(Si) 타겟 또는 스퍼터링 전기 전도도를 높이기 위하여 보론(B)이 도핑된(Dopping) 실리콘(Si) 타겟을 이용하여 형성할 수 있다. 이때, 보론(B)이 도핑된 실리콘 타겟의 비저항(Resistivity)은 1.0E-04Ω·㎝ ∼ 1.0E+01Ω·㎝, 바람직하게, 1.0E-03Ω·㎝ ∼ 1.0E-02Ω·㎝인 것이 우수하다. 상기 타겟의 비저항이 높으면 스퍼터링 시 아크(Arc)와 같은 이상 방전 현상이 발생하며, 이는 박막의 특성 및 결함을 발생시키는 요인으로 작용한다.
위상반전막(104)에 포함되는 산소(O)는 스퍼터링 시 반응성 가스인 일산화질소(NO), 이산화질소(N2O), 이산화탄소(CO2)등에서 선택되는 1종 이상의 가스(Gas)를 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 위상반전막(104) 형성을 위한 실리콘(Si) 타겟은 주상정 또는 단결정 방법을 적용하여 제조할 수 있다.
상기 타겟은 박막을 형성하는 스퍼터링 공정 시 결함 발생을 최소화하기 위하여, 타겟에 포함되는 불순물 함유량을 제어하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 실리콘(Si) 타겟에 포함되는 불순물의 함량, 특히, 탄소(C) 및 산소(O)의 함유량은 30ppm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5.0ppm 이하가 적절하다. 상기 탄소(C), 산소(O)를 제외한 불순물, 예를 들어, Al, Cr, Cu, Fe, Mg, Na, K은 1.0ppm 이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.05ppm 이하인 것이 우수하다. 또한, 이러한 불순물 조절을 통한 타겟의 순도는 4N 이상, 바람직하게, 5N 이상으로 제조되는 것이 결함 제어율에서 우수하다.
위상반전막(104)은 균일한 조성을 갖는 단층, 조성 또는 조성비가 연속적으로 변하는 단층 연속막, 조성 또는 조성비가 상이한 하나 이상의 막들이 각 1층 이상 적층된 다층막 중 하나의 구조를 갖는다.
위상반전막(104)은 1,000Å ∼ 2,000Å의 두께, 바람직하게, 1,100Å ∼ 1,800Å의 두께를 가지며, 193㎚ 파장의 노광광에 대하여 170°∼ 240°, 바람직하게, 180°∼ 230°, 더욱 바람직하게는 190° ~ 220°의 위상량을 갖는다. 또한, 위상반전막(104)은 190㎚ ∼ 1,000㎚ 파장 전체에서 20% 이하의 반사율을 갖는다.
위상반전막(104)은 박막 형성 시 발생되는 박막 스트레스(Stress)를 완화(Release)시키기 위하여 100℃ ∼ 1,000℃의 온도에서 열처리(Heat-Treatment)를 하는 것이 바람직하다. 상기 열처리 공정은 진공 급속 열처리(Vacuum Rapid Thermal Process) 장치, 퍼니스(Furance), 핫 플레이트(Hot-plate)를 이용한 방법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 열처리 공정은 산소(O) 또는 질소(N)를 포함하는 가스 분위기에서 진행함으로써 박막 표면 특성, 예를 들어, 세정 시 사용되는 약품에 내성을 향상시킬 수 있다.
위상반전막(104)은 박막 스트레스(Stress)를 TIR(Total Indicated Reading)으로 정의할 때, 성막 전/후의 TIR 변화율이 300nm 이하, 바람직하게는 200nm 이하인 것이 우수하다.
차광막(106)은 위상반전막(104) 상에 단층, 연속막, 제1차광층 및 제2차광층을 포함하는 2층 이상의 다층막 등 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 위상반전막(104)에 대한 건식 식각시 10 이상의 식각 선택비(Etch Selectivity)를 갖는 물질로 형성한다.
차광막(106)은 몰리브데늄(Mo), 탄탈(Ta), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 팔라듐(Pd), 아연(Zn), 주석(Sn), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 망간(Mn), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 리튬(Li), 셀레늄(Se), 하프늄(Hf), 텅스텐(W) 중 1 종 이상의 물질을 포함하여 이루어지거나, 또는, 상기 물질에 질소(N), 산소(O), 탄소(C) 중 1 종 이상의 경원소를 포함하여 이루어진다. 특히, 차광막(106)은, 크롬(Cr)을 포함하는 금속 화합물로 이루어지는 것이 바람직하다. 차광막(106)이 크롬(Cr) 화합물로 형성되는 경우, 크롬(Cr)이 30at% ∼ 70at%, 질소(N)가 10at% ∼ 40at%, 산소(O)가 0 ∼ 50at%, 탄소(C)가 0 ∼ 30at%인 조성비를 갖는다.
차광막(106)은 크롬(Cr) 및 몰리브데늄(Mo)을 포함하여 형성되는 화합물로 구성할 수 있으며, 몰리브데늄(Mo)을 함유함으로서, 식각 속도(Etch-rate) 및 소멸계수를 증가시켜 차광막(106)의 박막화가 가능하다. 이때, 상기 화합물은 몰리브데늄(Mo)이 2at% ∼ 30at%, 크롬(Cr)이 30at% ∼ 60at%, 질소(N)가 10at% ∼ 40at%, 산소(O)가 0 ∼ 50at%, 탄소(C)가 0 ∼ 30at%인 조성비를 갖는 몰리브데늄크롬(MoCr) 화합물 중 하나로 이루어진다.
차광막(106)은 500Å ∼ 1,000Å의 두께를 갖고, 바람직하게, 500Å∼ 800Å의 두께를 갖는다.
아울러, 도시하지는 않았지만, 차광막(106) 상에는 노광광의 반사를 억제하는 반사방지막이 더 구비될 수 있으며, 상기 반사방지막은 차광막(106)과 동일한 식각 특성을 갖는 물질로 형성되거나, 식각 선택비를 갖는 물질로 형성할 수 있다.
위상반전막(104) 및 차광막(106)이 적층된 박막은 193㎚ 파장의 노광광에 대하여 2.5 ∼ 3.5의 광학 밀도(Optical Density)를 갖고, 바람직하게, 2.7 ∼ 3.2의 광학 밀도를 가지며, 10% ∼ 40%, 바람직하게, 20% ∼ 35%의 표면 반사율을 갖는다.
차광막(106)은 선택적으로 열처리를 실시할 수 있으며, 이때 열처리 온도는 하부 위상반전막(104)의 열처리 온도와 대비하여 동등하거나 낮은 조건에서 실시할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크(200)는 투명 기판(202), 투명 기판(202) 상에 순차적으로 구비된 위상반전막(204), 차광막(206), 하드마스크(208)막 및 레지스트막(210)을 포함한다. 여기서, 투명 기판(202), 위상반전막(204) 및 차광막(206)은 상술한 본 발명의 제 1 구조에서 설명된 사항과 동일하다.
하드마스크막(208)은 차광막(206) 상에 형성되어 차광막(206) 패턴 형성 시 식각 마스크로 역할을 하며, 이에 따라, 하드마스크막(208)은 하부 차광막(206)에 대한 식각 선택비(Etch Selectivity)가 10 이상인 것이 바람직하다.
하드마스크막(208)은 포토마스크 제조 공정의 단순화를 위하여 위상반전막(204)과 동일한 식각 특성을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하며, 위상반전막(204)의 패턴을 형성하기 위한 식각 공정 시 패턴 형태의 하드마스크막(208)은 함께 제거된다.
이에 따라, 하드마스크막(208)은, 예를 들어, 실리콘(Si) 또는 실리콘(Si)에 산소(O), 질소(N), 탄소(C) 중 하나 이상의 경원소를 포함하는 SiN, SiC, SiO, SiCN, SiCO, SiNO, SiCON, SiB, SiBN, SiBC, SiBO, SiBCN, SiBCO, SiBNO, SiBCON와 같은 실리콘(Si) 화합물, 몰리브데늄실리사이드(MoSi) 또는 MoSiN, MoSiC, MoSiO, MoSiCN, MoSiCO, MoSiNO, MoSiCON을 포함하는 몰리브데늄실리사이드(MoSi) 화합물 중 하나로 이루어진다.
하드마스크막(208)은 20Å ∼ 200Å의 두께를 가지며, 바람직하게, 50Å ∼ 150Å의 두께를 갖는다. 하드마스크막(208)은 10Å/sec 이하의 식각 속도를 갖는다.
하드마스크막(208) 상에 형성되는 레지스트막(210)은 포지티브(Positivie) 또는 네거티비(Negative) 화학증폭형 레지스트(Chemically Amplified Resist)가 사용될 수 있다. 레지스트막(210)은 400Å ∼ 1,500Å의 두께를 가지며, 바람직하게는, 600Å ∼ 1,200Å의 두께를 갖는다.
도시하지는 않았지만, 레지스트막(210)과 하부의 박막 사이에는 레지스트막(210)과 하부 박막과의 접착력(Adhesion) 향상을 위하여 HMDS를 선택적으로 형성할 수 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 제 3 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 도시한 단면도이다.
도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크(300)는 상술한 제 1 구조 및 제 2 구조의 레지스트막(110, 210) 상에 구비된 차지 방지막(312, Charge Dissipation layer; CDL)을 포함한다. 여기서, 투명 기판(102, 202), 위상반전막(104, 204), 차광막(106, 206) 및 하드마스크막(208)은 상술한 본 발명의 제 1 및 제 2 구조에서 설명된 사항과 동일하다.
차지 방지막(112, 212)은 선택적으로 상기 레지스트막 상부에 형성될 수 있으며, 초순수 물(DI-water)에 용해되는 특성을 갖는 자기도핑된 수용성 전도성 중합체(Self-doped Water Soluble Conducting Polymer)로 형성할 수 있다. 이를 통해, 노광 시 전자(Electron)의 차지업(Charge-up) 현상을 방지하고, 차지업 현상에 의한 레지스트막(110, 210)의 열적 변형을 방지한다.
차지 방지막(112, 212)은 5㎚ ∼ 60nm, 바람직하게, 5㎚ ∼ 30nm의 두께를 갖는다.
이상에서와 같이, 본 발명은 노광 파장에 대하여 50% 이상의 고투과율을 가지는 위상반전막이 구비된 위상반전 포토마스크를 이용함에 따라 반도체 소자 제조를 위한 웨이퍼 노광 시, 고해상도 뿐만 아니라 노광 허용도 및 초점 심도 마진을 넓게 하여 최종적으로 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 패턴 형성을 위하여 하드마스크막(Hardmask)을 이용함에 따라 레지스트막의 박막화가 가능하고, 이를 통해, 해상도(Resolution), 임계 치수(Critical Dimension) 정밀도 및 선형성(Linearity)을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명은 고투과율 위상반전 블랭크 마스크를 이용하여 반도체 소자, 예를 들어, 디램(DRAM), 플래쉬 메모리(Flash Memory), 로직 디바이스(Logic Device) 등 다양한 반도체 소자 제조 시 공정 윈도우(Window)를 증가시켜 최종적으로 공정 수율를 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 위상반전 블랭크 마스크를 상세히 설명한다.
(실시예)
실시예 1 : 블랭크 마스크 및 포토마스크 제조 방법 (투과율 약 70% PSM )
본 실시예는 본 발명의 제 2 구조에 따른 고투과율 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위해 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4(a)를 참조하면, 투명 기판(202) 상에 순차적으로 위상반전막(204), 차광막(206), 하드마스크(208)막 및 레지스트막(210)을 형성한다.
투명 기판(202)은 오목한 형태를 갖고, 평탄도를 TIR(Total Indicated Reading)로 정의할 때 그 값이 -82㎚을 갖는 것을 이용하였다.
위상반전막(204)은 주상정 공법을 이용하여 제조되고, 순도가 6N 이며, 보론(B)이 도핑된 실리콘(Si) 타겟을 장착한 매엽식 구조의 DC 마그네트론 스퍼터링(Sputtering) 장치에 공정 가스를 Ar : N2 : NO = 5sccm : 5 sccm : 5.3sccm 주입하고, 1.0kW의 공정 파워를 인가하여 125㎚ 두께를 갖는 SiON막으로 형성하였다.
위상반전막(204)은 투과율 및 위상량을 n&k Analyzer 3700RT 장비를 이용하여 측정한 결과, 193㎚ 파장에 대하여 투과율 중심값은 68%, 위상량 중심값은 205˚를 나타내었으며, 평탄도를 측정한 결과 볼록한 형태로 +80㎚를 나타내었다. 또한, 위상반전막(204)의 조성비를 AES 장비를 이용하여 분석한 결과, 실리콘(Si) : 질소(N) : 산소(O) = 16.3at% : 15.6at% : 68.1at%를 나타내었다.
이후, 진공 급속 열처리 장치를 이용하여 500℃의 온도에서 40분 동안 위상반전막(204)에 평탄도 개선을 위한 열처리를 실시하였다. 위상반전막(204)의 스트레스를 측정한 결과 볼록한 형태의 +30㎚를 나타내어 전체 위상반전막(204)의 스트레스 변화량(Delta Stress)은 +112nm를 나타내었으며, 열처리 과정을 통해 스트레스 풀림 현상을 확인할 수 있었다.
차광막(206)은 크롬(Cr) 타겟을 장착한 매엽식 구조의 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 공정 가스를 Ar : N2 : CH4 = 5 sccm : 12 sccm : 0.8sccm 주입하고, 1.4kW의 공정 파워를 인가하여 43㎚ 두께를 갖는 CrCN 막으로 이루어진 하층막을 형성하였다. 이후, 공정 가스를 Ar : N2 : NO = 3 sccm : 10 sccm : 5.7sccm 주입하고, 0.62kW의 공정 파워를 인가하여 16㎚ 두께를 갖는 CrON 막으로 이루어진 상층막을 형성하여 2층 구조로 제조하였다.
이후, 차광막(206)에 대하여 광학 밀도 및 반사율을 측정한 결과, 차광막(206)은 193㎚ 파장의 노광광에 대하여 광학 밀도는 3.10를 나타내었고, 반사율은 29.6%를 나타내어 차광막(206)으로 사용하기 문제가 없음을 확인하였다.
하드마스크막(208)은 실리콘(Si) 타겟을 장착한 매엽식 구조의 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 공정 가스를 Ar : N2 : NO = 7 sccm : 7 sccm : 5sccm 주입하고, 0.7kW의 공정 파워를 인가하여 10㎚ 두께를 갖는 SiON 막으로 형성하였다.
그런 다음, 하드마스크막(208) 상에 HMDS 공정을 실시한 후, 네가티브(Negative) 화학증폭형 레지스트를 스핀 코팅 설비를 이용하여 100㎚ 두께로 형성하여 최종적으로 위상반전 블랭크 마스크 제조를 완료하였다.
상기와 같이 제조된 블랭크 마스크에 노광 공정을 실시한 후, PEB(Post Exposure Bake)를 100도 10분 실시하고, 현상하여 레지스트막 패턴(210a)을 형성하였다.
이후, 레지스트막 패턴(210a)을 식각 마스크 하부의 하드마스크막을 플로린(Flourine) 가스를 기반으로 건식 식각하여 하드마스크막 패턴(208a)을 형성하였다. 이때, 상기 하드마스크막의 식각 시간 종점을 EPD(End Point Detection) 시스템을 이용하여 측정한 결과 17초를 나타내었다.
도 4(b)를 참조하면, 상기 레지스트막 패턴을 제거한 후, 하드마스크막 패턴(208a)을 식각 마스크로 하부 차광막을 식각하여 차광막 패턴(206a)을 형성하였다. 한편 상기 차광막은 레지스트막 및 하드마스크막을 식각 마스크로 하여 식각하여도 무방하다.
도 4(c)를 참조하면, 하드마스크막 패턴(208a) 및 차광막 패턴(206a)을 식각마스크로 하부의 위상반전막을 플로린(Fluorine) 가스를 기반으로 건식 식각하여 위상반전막 패턴(204a)을 형성하였다.
이때, 위상반전막 패턴(204a)은 EPD 시스템을 이용하여 식각 종점을 분석한 결과, 하부 투명 기판(202)에 대비하여 질소(N) 피크(Peak)를 이용함으로써 식각 종점 구별이 가능함을 확인하였다. 여기서, 하드마스크막 패턴(208a)은 위상반전막 패턴(204a) 형성을 위한 식각 시 모두 제거되었다.
도 4(d) 및 도 4(e)를 참조하면, 위상반전막 패턴(204a)이 형성된 투명 기판(202) 상에 2차 레지스트막 패턴(214a)을 형성한 후, 외주 영역을 제외한 노출된 메인 영역(Main Area)의 차광막 패턴(206a)을 제거하여 최종적으로 위상반전 포토마스크 제조를 완료하였다.
상기와 같이 제조된 위상반전 포토마스크에 대하여 위상반전막 패턴의 순수한 투과율 및 위상량을 MPM-193 장비를 이용하여 측정하였다. 그 결과, 193㎚ 파장에서 투과율이 72.3%를 나타내었으며, 위상량은 215°를 나타내었다. 또한, 패턴 프로 파일을 TEM을 이용하여 관찰한 결과 86°를 나타내었다.
실시예 2 : 블랭크 마스크 및 포토마스크 제조 방법 (투과율 약 100% PSM )
본 실시예에서는, 실시예 1과 대비하여 위상반전막 패턴의 투과율이 높은 위상반전 포토마스크를 제조하였다.
먼저, 실시예 1과 동일하게 스퍼터링 타겟 및 장치를 준비한 다음, 공정 가스를 Ar : N2 : NO = 5sccm : 5 sccm : 7.1sccm 주입하고, 1.0kW의 공정 파워를 인가하여 160㎚ 두께를 갖는 SiON막으로 형성하였다.
상기 형성된 위상반전막(104)의 투과율 및 위상량을 n&k Analyzer 3700RT 장비를 이용하여 측정한 결과, 193㎚ 파장에 대하여 투과율은 87%, 위상량은 204˚를 나타내었다. 위와 같이 제조된 위상반전막의 조성비를 AES 장비를 이용하여 분석한 결과, 실리콘(Si) : 질소(N) : 산소(O) = 21.2at% : 4.0at% : 74.8at%를 나타내었다.
또한, 순차적으로 실시예 1과 동일하게 차광막, 하드마스크, 레지스트를 적층한 후 포토마스크 공정을 통해 제조된 후 MPM-193를 이용하여 위상반전막 패턴의 순수한 투과율 및 위상량을 측정한 결과, 투과율은 97.2%, 위상량은 213˚를 나타내었다.
비교예 : 기판 식각형 위상반전 블랭크 마스크 제조
본 비교예는 실시예 1과 대비하기 위하여 기판 식각형 위상반전 블랭크 마스크 및 포토마스크를 제조하였다.
상기 기판 식각형 블랭크 마스크는, 우선, 투명 기판 상에 크롬(Cr) 타겟을 장착한 매엽식 구조의 DC 마그네트론 스퍼터링 장치에 공정 가스를 Ar : N2 : CH4 = 5 sccm : 5 sccm : 0.8sccm 주입하고, 1.4kW의 공정 파워를 인가하여 43㎚ 두께를 갖는 CrCN 막으로 이루어진 하층막을 형성하였다. 이후, 공정 가스를 Ar : N2 : NO = 3 sccm : 10 sccm : 5.7sccm 주입하고, 0.62kW의 공정 파워를 인가하여 16㎚ 두께를 갖는 CrON 막으로 이루어진 상층막을 형성하여 2층 구조로 형성하였다.
여기서, 상기 차광막에 대하여 광학 밀도 및 반사율을 측정한 결과, 차광막은 193㎚ 파장의 노광광에 대하여 광학 밀도는 3.05를 나타내었고, 반사율은 31.2%를 나타내었다.
그런 다음, 하드마스크막 상에 네가티브(Negative) 화학증폭형 레지스트를 스핀코팅 설비를 이용하여 170㎚ 두께로 형성하여 최종적으로 위상반전 블랭크 마스크 제조를 완료하였다.
이후, 레지스트막 패턴을 형성한 후, 레지스트막 패턴을 식각 마스크로 하부의 차광막을 식각하여 차광막 패턴을 형성하였다. 이어서, 상기 레지스트막을 제거한 후, 차광막 패턴을 식각 마스크로 하부의 노출된 투명 기판 부분을 플로린(F) 가스를 기반으로 식각하였다.
이때, 상기 투명 기판의 식각은 식각 시간을 지정하여 실시하였으며, 식각된 투명 기판의 두께는 200㎚, 위상량은 220°를 나타내었다.
한편, 상기 실시예 1에 따른 위상반전 포토마스크의 위상반전부와 비교예와 같이 제조된 기판 식각형 위상반전 포토마스크의 위상반전부에 대한 균일도를 측정한 결과 아래의 표 1과 같았다.
Point #1 Point #2 Point #3 Point #4 Point #5 Range
(Max-Min)
투과율
@193nm		 실시예 1 72.3% 72.9% 73.2% 72.2% 71.8% 1.4%
비교예 99.8% 100% 99.2% 100% 99.3% 0.8%
위상량
@193nm		 실시예 1 215.2° 215.3° 216.2° 215.0° 215.2° 1.2°
비교예 219° 220° 225° 217° 22° 8°
표 1을 참조하면, 실시예 1 및 비교예는 투과율의 경우 각각 범위 차이가 미미하지만, 위상량의 경우, 실시예 1은 1.2°의 위상량 범위(Range)인 것에 대비하여 비교예는 8°의 범위를 나타내어 기판 식각형 위상반전 포토마스크는 사용하기 어려운 것을 확인하였다.
상기와 같은 투과율 및 위상량에 대하여 실시예 1 및 비교예에 따른 위상반전 포토마스크를 각 5매씩 제작하고 그 중심값을 측정하는 재현성 평가 공정을 진행하였으며, 결과 아래의 표 2과 같았다.
Point #1 Point #2 Point #3 Point #4 Point #5 Lot-to-lot
(Max-Min)
투과율
@193nm		 실시예 1 72.5% 72.2% 72.7% 73.2% 73.6% 0.014%
비교예 99% 98% 99% 99% 99% 0.01%
위상량
@193nm		 실시예 1 215° 214° 215° 216° 215° 2°
비교예 220° 216° 224° 226° 213° 13°
표 2를 참조하면, 실시예 1 및 비교예는 각 플레이트(Plate)별 투과율 중심값이 유사한 값을 나타내어 큰 차이가 없었으나, 위상량은 실시예 1은 2°를 나타내었지만, 비교예는 13°를 나타내어 위상량 제어가 상대적으로 어려운 것을 확인하였다.
이상, 본 발명을 가장 바람직한 실시예를 이용하여 설명하였지만, 본 발명의 기술적 범위는, 상기 실시예에 기재된 범위에 한정되지 않는다. 상기 실시예에 다양한 변경 또는 개량을 가하는 것이 가능하다는 것은 해당 기술분야의 일반적인 기술자라면 용이하게 알 수 있을 것이다. 그와 같은 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함될 수 있다는 것이 특허 청구 범위의 기재로부터 분명하다.
100, 200 : 위상반전 블랭크 마스크
102 : 투명 기판
104 : 위상반전막
106 : 차광막
108 : 하드마스크막
110 : 레지스트막

Claims (26)

  1. 투명 기판 상에 구비된 위상반전막을 포함하는 위상반전 블랭크 마스크에 있어서,
    상기 위상반전막은 상기 투명 기판과 동일한 물질에 식각되고, 질소(N)를 포함하며,
    상기 질소(N)는 상기 투명 기판에 대비하여 식각 종점 검출이 가능하고, ArF 노광광에 대하여 50% 이상의 투과율 확보가 가능하도록 1at% 초과 내지 20at% 미만의 함유량을 갖는 위상반전 블랭크 마스크.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막은 실리콘(Si) 또는 실리콘(Si)에 하나 이상의 경원소 물질을 포함하는 SiN, SiCN, SiNO, SiCON, SiBN, SiBCN, SiBNO, SiBCON 중 하나의 실리콘(Si) 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상반전막이 실리콘(Si) 화합물로 이루어지는 경우, 상기 실리콘(Si)이 10at% ∼ 40at%, 경원소가 60at% ∼ 90at%인 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막이 산소(O)가 포함되는 경우, 산소(O)의 함유량은 50at% ∼ 90at%인 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 위상반전막은 실리콘(Si) 타겟 또는 보론(B)이 도핑된(Dopping) 실리콘(Si) 타겟을 이용하여 형성하며, 상기 타겟의 비저항(Resistivity)은 1.0E-04Ω·㎝ ∼ 1.0E+01Ω·㎝인 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막은 균일한 조성을 갖는 단층, 조성 또는 조성비가 연속적으로 변하는 단층 연속막, 조성 또는 조성비가 상이한 하나 이상의 막들이 각 1층 이상 적층된 다층막 중 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막은 1,000Å ∼ 2,000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막은 193㎚ 파장의 노광광에 대하여 170°∼ 240°의 위상량을 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막 상에 구비된 차광막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 차광막은 크롬(Cr) 또는 크롬(Cr)이 30at% ∼ 70at%, 질소(N)가 10at% ∼ 40at%, 산소(O)가 0 ∼ 50at%, 탄소(C)가 0 ∼ 30at%인 조성비를 갖는 크롬(Cr) 화합물, 몰리브데늄크롬(MoCr) 또는 몰리브데늄(Mo)이 2at% ∼ 30at%, 크롬(Cr)이 30at% ∼ 60at%, 질소(N)가 10at% ∼ 40at%, 산소(O)가 0 ∼ 50at%, 탄소(C)가 0 ∼ 30at%인 조성비를 갖는 몰리브데늄크롬(MoCr) 화합물 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 차광막은 500Å ∼ 1,000Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 차광막 상에 구비된 반사방지막을 더 포함하며, 상기 반사방지막은 차광막과 동일한 식각 특성을 갖는 물질로 형성되거나, 식각 선택비를 갖는 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 차광막 또는 위상반전막과 차광막이 적층된 구조는 노광광에 대하여 2.5 ∼ 3.5의 광학 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 위상반전막 및 차광막이 적층된 부분은 10% ∼ 40%의 표면 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 순차적으로 적층된 위상반전막 및 차광막 상에 구비된 하드마스크막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 하드마스크막은 상기 위상반전막과 식각 특성이 동일하고, 상기 차광막과 식각 선택비를 갖는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 하드마스크막은 실리콘(Si) 또는 SiN, SiC, SiO, SiCN, SiCO, SiNO, SiCON, SiB, SiBN, SiBC, SiBO, SiBCN, SiBCO, SiBNO, SiBCON을 포함하는 실리콘(Si) 화합물, 몰리브데늄실리사이드(MoSi) 또는 MoSiN, MoSiC, MoSiO, MoSiCN, MoSiCO, MoSiNO, MoSiCON을 포함하는 몰리브데늄실리사이드(MoSi) 화합물 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 하드마스크막은 10Å/sec 이하의 식각 속도를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 하드마스크막은 20Å ∼ 200Å의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전막의 상부에 구비된 레지스트막 및 상기 레지스트막 상에 구비된 차징 방지막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 차징 방지막은 자기도핑된 수용성 전도성 중합체(Self-doped Water Soluble Conducting Polymer)로 이루어진 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  25. 제 23 항에 있어서
    상기 차징 방지막은 5㎚ ∼ 60nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 위상반전 블랭크 마스크.
  26. 제 1 항, 제 3 항, 제 4 항, 제 7 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항의 위상반전 블랭크 마스크를 이용하여 제조된 위상반전 포토마스크.
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