KR20010019170A - 포토마스크 제조 방법과 그 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 장치 제조 방법 중 포토마스크 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 위상 반전막을 사용하면서 투과율을 증가시키고 180°의 위상 반전을 유지시킬 수 있는 포토마스크 제조 방법을 제공한다. 위상 반전막을 소정 두께가 되도록 식각하여 투과율을 높일 수 있고 감소된 위상차는 투명 기판에 트렌치를 형성하므로 보상 받을 수 있다.

Description

포토마스크 제조 방법과 그 구조{METHOD FOR FABRICATING PHOTOMASK AND STRUCTURE THEREOF}

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 포토마스크 제조 방법과 그 구조에 관한 것이다.

반도체 장치가 고집적화, 고용량화되어 감에 따라 미세 패턴 형성 기술에 대한 요구가 증대되고 있다. 미세 패턴을 갖는 최종 구조물을 얻기 위해서는 여러 공정 기술들이 필요하다. 그 중에서도 미세 패턴을 형성하기 위한 최우선적인 단계가 포토마스크(photomask), 즉 레티클(reticle)의 제작에 있다. 원하는 패턴을 형성하기 위해 반도체 기판 상에 사진 공정이 수행되며, 이 사진 공정은 패터닝된 포토마스크를 사용하여 반도체 기판에 노광을 하므로 실현된다.

기존의 포토마스크는 투명 기판에 차광막을 증착한 후 패터닝하여 패턴을 형성한다. 그러나, 낮은 해상도(resolution)와 좋지 않은 초점심도(DOF:Depth Of Focus)로 개선이 요구됐다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 것이 위상 반전 마스크(PSM:Phase Shift Mask)이다. 위상 반전 마스크는 인접하는 영역에 투과하는 광선간에 위상을 반대(180°)로 주어 투과광 상호간의 간섭(interference) 효과를 역 이용하는 것이다. 그럼으로써, 마스크(mask)를 투과한 가상(aerial image)의 콘트라스트(contrast)를 증가시켜 해상도와 초점심도를 개선시킬 수 있다.

하프톤(halftone) 위상 반전막은 특별히 콘택홀(contact hole) 형성용 마스크에 있어서 유리하다. 위상 반전막의 광 투과율을 의도적으로 5-12% 정도로 하여 위상 반전막을 투과하는 광과 투명 기판만을 투과하는 광 사이에 위상차를 180°유지시킴으로써 가상(aerial image)의 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 매우 효과적인 방법이다.

그러나, 일반적으로 사용되는 하프톤 위상 반전 마스크는 투과율이 10% 미만으로 낮아 해상도를 향상시키는데 한계를 갖고 있다. 아직까지는 고투과율을 가지면서 180°의 위상차를 주는 물질의 개발이 어렵다. 또한, 하프톤 위상 반전 마스크의 최대 광 투과율은 30%를 넘을 수 없다. 그 이유는 그 이상이 되면 위상 반전막을 통과한 빛이 반도체 기판 상의 포토레지스트막에 노광되어 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 주기 때문이다. 그리고, 하프톤 위상 반전 마스크는 사이드 로브(side-lobe; ghost image)라는 원치 않는 패턴을 형성하는 문제점을 갖고 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 포토마스크 제작 방법을 순차적으로 보여주는 흐름도이다.

도 1a를 참조하면, 투명 기판(110) 상에 하프톤 위상 반전막, 차광막 및 제 1 포토레지스트막(112, 114, 116)이 차례로 증착된다. 상기 제 1 포토레지스트막(116)이 패터닝된다.

도 1b를 참조하면, 상기 제 1 포토레지스트 패턴(116)을 마스크로 사용하여 상기 차광막 및 하프톤 위상 반전막(114, 112)이 식각된다. 상기 투명 기판(110) 전면에 제 2 포토레지스트막(118)이 증착된다. 상기 제 2 포토레지스트막(118)이 패터닝된다. 이 때, 상기 제 2 포토레지스트 패턴 폭은 상기 제 1 포토레지스트 패턴 폭보다 크게 형성된다.

도 1c를 참조하면, 상기 제 2 포토레지스트 패턴(118)을 마스크로 사용하여 상기 차광막(114)이 식각된다. 이로써, 상기 투명 기판(110)이 노출되어 위상 반전 없이 빛이 투과(Y)되는 영역과 상기 위상 반전막을 투과하여 빛이 위상 반전되는 영역(X)으로 구분된다.

본 발명의 목적은 위상차를 유지하면서 하프톤 위상 반전막의 투과율을 증대시키는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 미세 패턴은 형성할 수 있는 위상 반전 마스크를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 위상 반전 마스크를 제작하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 포토마스크 제작 방법 및 문제점을 차례로 보여주는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 형성된 포토마스크의 구조를 보여주는 단면도이다.

도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 실시예에 따른 포토마스크 제조 방법을 순차적으로 보여주는 단면도이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 하프톤 위상 반전막의 투과율에 따른 해상도의 시뮬레이션 결과를 보여주는 도표이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110, 210, 310 : 석영 기판 112, 212, 312 : 위상 반전막

114, 214, 314 : 차광막 116, 316 : 제 1 포토레지스트막

216, 318 : 트렌치 118, 320 : 제 2 포토레지스트막

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 포토마스크 제작 방법은 투명 기판 상에 위상 반전막, 차광막 및 제 1 포토레지스트막을 차례로 증착한 후 상기 제 1 포토레지스트막을 패터닝한다. 상기 제 1 포토레지스트막 패턴을 마스크로 사용하여 상기 차광막과 위상 반전막을 식각한다. 상기 차광막과 위상 반전막을 마스크로 사용하여 상기 투명 기판을 소정의 깊이로 식각하여 트렌치를 형성한다. 상기 기판 전면에 제 2 포토레지스트막을 증착한 후 패터닝하되 상기 패터닝 폭은 상기 트렌치 폭보다 크도록 형성한다. 상기 제 2 포토레지스트막 패턴을 마스크로 사용하여 상기 차광막을 식각한다. 상기 차광막을 마스크로 사용하여 상기 위상 반전막을 소정의 두께 만큼 식각한다.

이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 투명 기판은 석영 기판이다.

이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 위상 반전막의 광투과율은 5-10%이다.

이 방법의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 위상 반전막은 MoSiON, SiN_x및 CrF 중 하나를 사용한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 포토마스크 구조는 소정의 깊이로 형성된 트렌치를 포함하는 투명 기판과; 상기 트렌치를 제외한 상기 투명 기판 상에 위상 반전막을 형성하되 상기 트렌치에 가까운 영역이 먼 영역보다 더 얇은 위상 반전막과; 상기 트렌치에서 먼 영역의 위상 반전막 상에 형성된 차광막을 포함한다.

(실시예)

이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예를 자세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 포토마스크 구조를 보여주는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 소정 깊이(D)로 형성된 트렌치(216)를 포함하는 석영 기판이 있다. 상기 석영 기판(210) 상에 위상 반전막을 형성하되 상기 트렌치와 가까운 영역(A)이 먼 영역(B)보다 더 얇게 형성된다.

본 발명의 신규한 포토마스크 제작 방법은, 투명 기판 상에 위상 반전막과 차광막이 차례로 증착된다. 사진 공정을 통해 상기 차광막 및 위상 반전막이 패터닝된다. 상기 패턴을 마스크로 사용하여 상기 투명 기판을 식각하므로 내에 트렌치가 형성된다. 또 한 번의 사진 공정을 통해 상기 위상 반전막이 노출되도록 상기 차광막이 더 넓게 패터닝 된다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 포토마스크 제작 방법 및 시뮬레이션 결과를 각각 보여준다.

도 3a를 참조하면, 투명 기판(310) 상에 위상 반전막, 차광막 및 제 1 포토레지스트막(312, 314, 316)이 차례로 증착된다. 상기 투명 기판(310)은 빛의 투과성이 좋은 석영(quartz) 기판이 사용된다. 상기 위상 반전막(312)은 하프톤(halftone) 위상 반전막으로 투과광의 위상을 180°로 반전시킬 수 있으며, 10% 미만의 투과율을 갖는다. 상기 위상 반전막(312)은 MoSiON으로 형성된다.

상기 위상 반전막(312)이 원하는 정도의 위상차를 갖기 위해서는 증착 두께가 중요한다. 예를 들면, 파장 길이 2480Å인 DUV(Deep Ultra Violet)광이 굴절율(refractive index) 2.38인 상기 MoSiON막을 투과하여 180°의 위상차가 생기려면 상기 MoSiON막의 두께는 약 900Å 정도 되어야 한다. 상기 제 1 포토레지스트막(316)이 패터닝되어 식각 패턴(316)이 형성된다.

도 3b를 참조하면, 상기 식각 패턴(316)을 마스크로 사용하여 상기 투명 기판(310)이 노출될 때까지 상기 차광막(314)과 위상 반전막(312)이 식각된다. 다음, 상기 제 1 포토레지스트막(316)이 제거된다.

도 3c를 참조하면, 상기 차광막(314)과 위상 반전막(312)이 마스크로 사용되어 상기 투명 기판(310)이 식각되므로 트렌치(318)가 형성된다. 상기 트렌치(318)로 인하여 투과광의 위상차가 생긴다. 즉, 상기 트렌치(318) 영역을 통과하는 빛과 트렌치(318)를 제외한 영역을 통과하는 영역 간의 위상차가 생긴다. 상기 위상차는 상기 트렌치(318)의 깊이(D)를 조절함으로써 그 크기가 결정된다.

상기 트렌치(318)의 깊이는 여러 조건에 따라 필요한 만큼 식각된다. 예를 들면, 파장 길이 2480Å인 DUV광을 사용하여 1.51의 굴절율을 갖는 석영 기판을 투과하는 빛에 90°의 위상차를 주기 위해서는 약 1200Å의 깊이가 필요하다.

도 3d를 참조하면, 상기 트렌치(318)가 채워지도록 상기 투명 기판(310) 전면에 제 2 포토레지스트막(320)이 증착된 후 패터닝되어 식각 패턴(320)이 형성된다.

도 3e를 참조하면, 상기 식각 패턴(320)을 마스크로 사용하여 상기 차광막(314a)이 식각된다. 다음, 상기 제 2 포토레지스트막(320)이 제거된다.

도 3f를 참조하면, 상기 차광막(314b)이 마스크로 사용되어 상기 위상 반전막(312a)이 식각된다. 상기 위상 반전막(312a)은 원래의 두께의 절반, 예를 들면 450Å 정도가 식각된다. 상기 위상 반전막(312a)이 식각되어 얇아지므로 위상차는 감소되고 투과율은 증가된다. 예를 들면, DUV광이 사용될 때 상기 종래의 위상 반전막 투과율은 5% 정도이다. 본 실시예에서와 같이 그 두께를 절반으로 줄이면 투과율이 23%로 증가된다. 또한, 상기 위상 반전막의 위상 변이는 180°에서 90°로 감소된다. 그러나, 이와 같은 위상 감소는 상기 트렌치(318)를 통해 보상을 받는다. 즉, 상기 트렌치(318)를 제외한 영역(A)을 통과하는 빛은 상기 트렌치(318) 영역을 통과하는 빛에 비해 90°의 위상차가 있다. 상기 트렌치(318)를 제외한 영역(A)을 통과한 빛이 다시 상기 위상 반전막(312a)을 통과하므로 180°의 위상이 생기게 된다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 기존의 크롬(Cr) 박막이 사용되었을 때의 해상도 시뮬레이션(simulation) 결과이다. 가로축의 디포커스(defocus)는 노광시 초점의 오차 정도를 나타낸다. 즉, 초점에서 벗어나는 정도가 표시되어 있다. 세로축은 노광에 의해 기판에 형성되는 구조물의 최소 크기의 한계를 표시하고 있다. 디포커스의 폭이 넓다는 것은 초점의 범위를 조금 벗어나더라도 원하는 패턴을 형성할 수 있다는 것으로 그 만큼 공정 마진(margin)이 증가함을 의미한다.

도 4a는 기존의 크롬 박막을 사용했을 경우의 디포커스에 대한 웨이퍼 CD 변화이고 도 4b는 투과율이 5%일 경우의 디포커스에 대한 웨이퍼 CD 변화이며, 도 4c는 투과율 21%일 경우의 디포커스에 대한 웨이퍼 CD 변화이다. 도면에서 보듯이, 투과율이 증가할수록 디포커스가 커지며 웨이퍼의 최소 한계값이 작아짐을 알 수 있다. 즉, 공정 마진이 커지며 해상도가 증가하는 것이다.

본 발명은 입사광의 종류와 기판 및 위상 반전막의 물질에 따라 트렌치의 깊이와 위상 반전막의 두께를 다양하게 조절할 수 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 포토마스크 제조 방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

본 발명은 기존의 하프톤 위상 반전막의 표면 일부를 식각하여 빛의 투과율을 높이는 효과가 있다.

또한, 투명 기판에 트렌치를 형성하여 위상차를 만들어 줌으로 위상 반전막의 감소된 위상차를 보상해 주는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 투명 기판(310) 상에 위상 반전막, 차광막 및 제 1 포토레지스트막(312, 314, 316)을 차례로 증착한 후 상기 제 1 포토레지스트막(316)을 패터닝하는 단계;

   상기 제 1 포토레지스트막 패턴(316)을 마스크로 사용하여 상기 차광막(314)과 위상 반전막(312)을 식각하는 단계;

   상기 차광막(314)과 위상 반전막(312)을 마스크로 사용하여 상기 투명 기판(310)을 소정의 깊이(D)로 식각하여 트렌치(318)를 형성하는 단계;

   상기 기판(310) 전면에 제 2 포토레지스트막(320)을 증착한 후 패터닝하되 상기 패터닝 폭은 상기 트렌치(318) 폭보다 크도록 형성하는 단계;

   상기 제 2 포토레지스트막 패턴(320)을 마스크로 사용하여 상기 차광막(314a)을 식각하는 단계 및;

   상기 차광막(314b)을 마스크로 사용하여 상기 위상 반전막(312a)을 소정의 두께(d1-d2) 만큼 식각하는 단계를 포함하는 포토마스크 제작 방법.
2. 상기 투명 기판(310)은 석영 기판이고 상기 위상 반전막은 MoSiON, SiNx 및 CrF 중 하나로 형성되며, 상기 트렌치의 깊이(D)는 DUV광에 대해서 약 1200Å이고 상기 위상 반전막 식각 두께(d1-d2)는 약 450Å인 포토마스크 제작 방법.
3. 소정의 깊이(D)로 형성된 트렌치(216)를 포함하는 투명 기판(210)과;

   상기 트렌치(216)를 제외한 상기 투명 기판(210) 상에 위상 반전막(212)을 형성하되 상기 트렌치(216)에 가까운 영역(A)이 먼 영역(B)보다 더 얇은 위상 반전막(212)과;

   상기 트렌치(216)에서 먼 영역(B)의 위상 반전막(212) 상에 형성된 차광막(214)을 특징으로 하는 포토 마스크 구조.