KR20020002015A - 콘택홀용 위상반전마스크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PSM에 관한 것으로서, 광차단막 패턴을 구비하는 하프톤형 PSM을 구성하되, 콘택홀 부분을 노출시키는 광투과성막 패턴을 투명기판상에 형성하고, 다시 콘택홀 공정마진이 작은 축 방향, 예를들어 라인 패턴과 수직하는 방향으로 오픈되어 콘택홀을 노출시키는 광차단막 패턴을 형성하여 콘택홀 노광에너지를 종래의 경우 보다 강하게 노광하였으므로, 강한 노광에 의해 공정여유도가 큰 X축 방향으로는 콘택홀의 크기가 증가되어 콘택 전체의 저항을 감소시키고, 공정여유도가 작은 Y축 방향으로는 콘택 크기가 증가되지 않아 오버랩 여유도를 종래대로 유지할 수 있어 콘택홀 형성의 공정이 용이해져 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬지고 수 있다.

Description

콘택홀용 위상반전마스크{PSM}

본 발명은 반도체소자의 콘택홀용 위상반전마스크에 관한 것으로, 특히 콘택홀형성에서 X-Y 방향중 공정여유도가 있는 방향에 광차단막 패턴을 형성하여 공정여유도를 향상시켜 미세 콘택을 정확하게 형성할 수 있는 위상반전마스크에 관한 것이다.

최근의 반도체 장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성 기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 미세 패턴 형성을 위하여는 반도체 장치의 제조 공정 중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건이다.

이러한 감광막 패턴의 분해능(R)은 감광막 자체의 재질이나 기판과의 접착력등과도 밀접한 연관이 있으나, 일차적으로는 사용되는 축소노광장치의 광원 파장(λ) 및 공정 변수(k)에 비례하고, 노광 장치의 렌즈 구경(numerical aperture; NA, 개구수)에 반비례한다.

여기서 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되는데, 예를들어 파장이 436 및 365㎚인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 라인/스페이스 패턴의 경우 각각 약 0.7, 0.5㎛ 정도가 한계이고, 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 이보다 파장이 더 작은 원자외선(deep ultra violet; DUV), 예를들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광 장치를 이용하여야 한다.

또한 축소노광장치와는 별도로 공정 상의 방법으로는 통상의 노광마스크(photo mask) 대신에 위상반전마스크(phase shift mask)로 사용하는 방법이나, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘(contrast enhancement layer; CEL) 방법이나, 두층의 감광막 사이에 에스.오.지(spin on glass; SOG)등의 중간층을 개재시킨 삼층레지스트(Tri layer resister; 이하 TLR이라 칭함) 방법 또는 감광막의 상측에 선택적으로 실리콘을 주입시키는 실리레이션 방법 등이 개발되어 분해능 한계치를 낮추고 있다.

더욱이 상하의 도전배선을 연결하는 콘택홀은 상기에서의 라인/스페이스 패턴에 비해 디자인 룰이 더 크게 나타나는데, 소자가 고집적화 되어감에 따라 자체의 크기와 주변배선과의 간격이 감소되고, 콘택홀의 지름과 깊이의 비인 에스팩트비(aspect ratio)가 증가됨에 따라 다층의 도전배선을 구비하는 고집적 반도체소자에서는 콘택을 형성하기 위하여 제조 공정에서의 마스크들간의 정확하고 엄격한 정렬이 요구되어 공정여유도가 감소된다.

이러한 콘택 홀은 홀간의 간격 유지를 위하여 마스크 정렬시의 오배열 여유(misalignment tolerance), 노광공정시의 렌즈 왜곡(lens distortion), 마스크 제작 및 사진식각 공정시의 임계크기 변화(critical dimension variation), 마스크간의 정합(registration)등과 같은 요인들을 고려하여 마스크를 형성하여야하므로 더욱 공정마진이 감소되어 소자의 고집적화를 방해한다.

또다른 미세패턴 형성을 위한 접근방법은 노광마스크의 개선에 의한 방법에 있다.

일반적으로 감광막 패턴 형성을 위한 노광 공정시 광원과 접안랜즈의 사이에 계제되어 입사광이 이미지를 갖도록하는데 사용되는 노광마스크는 석영등과 같은투명기판에 크롬층이나 알루미늄등의 광차단막을 도포한 후, E-빔 노광장비를 사용하여 이온 빔 에칭하여 패턴과 대응되는 부분에 광차단막 패턴이 남도록하여 형성한다. 그러나 상기의 일반적인 노광마스크로는 광분해능 이하의 미세 패턴의 형성이 어려우며, 현재 사용되는 통상의 감광액 및 노광 장비, 예를들어 파장이 436nm 인 G라인이나, 365nm인 I라인 스테퍼로는 0.5μm 이하의 미세 패턴을 얻기가 어려워 새로운 공정방법이 개발되고있다.

더욱이 64M 디램 이상의 초고집적 소자들은 0.5μm 이하의 미세 패턴이 요구되며, 이러한 극미세 패턴은 고해상도의 감광막 패턴을 얻기 위한 한가지 방법으로 위상반전마스크(phase shift mask; 이하 PSM이라 칭함)을 사용하게 된다. 상기 PSM은 노광마스크의 광차단막 패턴과 함께 광의 위상을 180˚ 또는 90˚ 이동시키는 위상반전막 패턴을 형성하여, 노광 공정시 웨이퍼상에 조사되는 광의 진폭을 일정하게 유지하고, 위상반전막 패턴을 통과한 광과 인접 패턴을 통과한 광과의 간섭에 의한 노광 효과가 최소가 되도록하여 감광막 패턴의 해상도를 향상시키는 원리를 사용한 것이다.

이러한 PSM은 입사되는 광의 파장 λ와, 굴절율 n인 위상 반전 물질을 광의 위상이 180˚ 정도 반전시키는 두께로 형성하여, 감광막에 조사되는 광의 콘트라스트(contrast) 비를 크게 하였다. 예를들어 입사광이 G-라인 또는 i-라인이고, 위상 반전 물질로 에스.오.지(spin on glass; 이하 SOG라 칭함), 산화막 또는 질화막 등을 사용할 경우에 위상 반전 물질을 3400∼4000Å 정도의 두께로 형성하면 된다. 상기의 위상반전 마스크를 사용하면, 종래의 i-라인용 감광액 및 노광 장비를 사용하여 0.5μm 이하의 미세패턴도 형성할 수 있다.

도1 내지 도 4은 종래 기술에 따른 반도체소자의 콘택홀 제조방법을 설명하기 위한 도면들로서, 서로 연관시켜 설명한다.

먼저, 종래의 일반적인 노광마스크를 사용하는 콘택홀은 도 1에 도시되어있는 것과 같이, 실리콘 웨이퍼등의 반도체기판(10)상에 게이트전극등의 라인패턴(12)이 형성되고, 그 상부에 상부배선과의 연결을 위한 콘택홀(14)이 형성된다.

이러한 콘택홀은 도 3에 도시된 통상의 노광마스크(20)를 사용하는데, 상기 노광마스크(20)는 투명기판(22)에서 콘택홀로 예정되어있는 부분을 노출시키는 사각 형상의 노출부를 가지는 광차단막 패턴(24)으로 구성된다.

상기의 노광마스크(20)를 사용하는 노광 공정은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 입사광이 노출 부분에서 +의 전기장을 가지고, 약간의 경사진 꼬리 부분이 포함되는 광 세기 분포를 가지게 된다.

상기와 같이 통상의 노광마스크를 사용하여 형성되는 콘택홀은 도 2에 도시되어있는 바와 같은 공정여유도를 가지는데, 이는 콘택시키는 라인/스페이스 패턴의 중첩 오버랩을 고려하여 공정여유도가 결정된다. 따라서 X축이나 Y축 어느 한방향으로는 공정여유도가 크지만(δx) 다른축 방향으로는 매우 작은 공정여유도(δy)를 가지게 되어 이 작은 공정여유도가 전체 콘택홀 형성의 디자인룰이 된다.

상기와 같은 종래 기술에 따른 반도체소자의 콘택홀 제조방법은 콘택 노광 공정시의 노광에너지가 증가되면 회절 현상에 의해 콘택홀의 크기가 증가되나 공정마진이 작은 축방향의 공정마진에 의해 노광에너지가 제한되어 콘택 형성이 어렵고 공정수율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은

하프톤형 PSM으로 공정여유도가 큰 축방향으로는 콘택 크기를 증가시켜 콘택 저항을 감소시키고, 공정여유도가 작은 임계오버랩 축 방향으로는 노광에너지가 증가되어도 임계크기 변화 폭이 작아 전체적인 공정여유도를 증가시킬 수 있는 콘택홀용 PSM에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따라 콘택홀이 형성된 반도체기소자의 레이아웃도.

도 2는 종래 기술에 따른 콘택홀 제조의 문제점을 설명하기 위한 개략도.

도 3은 종래 기술에 따른 콘택홀용 노광마스크의 평면도.

도 4는 도 3의 노광마스크의 선Ⅰ-Ⅰ 및 Ⅱ-Ⅱ의 단면에서의 위치에 따른 전기장 및 광세기 분포 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 콘택홀용 하프톤형 PSM의 평면도.

도 6a 및 도 6b는 도 5의 노광마스크의 선Ⅲ-Ⅲ 및 Ⅳ-Ⅳ의 단면에서의 위치에 따른 전기장 및 광세기 분포 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 반도체기판 12 : 라인패턴

14 : 콘택홀 20 : 노광마스크

22,32 : 투명기판 24,36 : 광차단막

30 : PSM 34 : 광투과성막

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PSM의 특징은,

투명기판상에 광차단막 패턴과 광차단막 패턴을 구비하는 콘택홀 제조용 PSM에 있어서,

상기 투명기판상에 형성되어있으며, 투명기판의 콘택홀 부분을 노출시키는 광차단막 패턴과,

상기 광차단막 패턴상에 형성되며, 상기 투명기판의 콘택홀 부분을 노출시키고, 상기 콘택홀의 공정여유도가 다른 축 방향에 비해 작은 축 방향으로 인접한 콘택홀간의 광투과성막을 노출시키는 광차단막 패턴을 구비함에 있다.

이하, 본 발명에 따른 콘택용 PSM에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 PSM의 평면도로서, 가로 방향으로 라인 패턴들이 형성되어있는 소자의 콘택에서 투명기판(32)상에 MoSiN등과 같은 MoSi 계이거나, SiON게열로서 입사광의 6∼10% 정도를 위상반전시켜 통과시키는 광투과성막(34) 패턴이 형성되되, 콘택으로 예정되어있는 부분의 투명기판(32)을 노출시키도록 형성되어있고,, 상기 광투과성막(34) 패턴상에 상기 라인 패턴과 수직한 방향으로 연장되어 그 상부를 노출시키는 광차단막(36) 패턴이 Cr등으로 형성되어있다. 여기서 상기 Cr 대신에 유기 감광막 패턴을 형성하고 이를 200∼350℃정도의 열로 경화시켜 형성할 수도 있다. 또한 사진 식각공정에서의 난반사를 방지하기 위하여 반사방지막은 형성하고 후속공정을 진행할 수도 있다.

도 5의 PSM은 X 축 및 Y 축 방향 단면은 도 6a 및 도 6b에 도시되어있는 바와 같고, X축 방향 단면에서는 도 5에서와 같이, 종래와 같은 광세기 분포를 가지므로 광세기를 증가시키면 회절에 의해 X축 방향 콘택홀 크기는 증가되며, Y축 방향으로는 도 6과 같은 전기장 분포에 의해 경사면이 급하게 형성된 광세기 분포를 가지게되어 입사광의 세기를 크게하여도 공정여유도가 적은 Y축 방향으로는 콘택홀 크기가 증가되지 않아 충분한 오버랩 마진을 가지도록 콘택홀을 형성할 수 있다.

상기의 PSM은 석영등의 투명재질의 투명기판상에 광투과성막과 광차단막을 순차적으로 형성하고, E빔을 사용하는 일차 사진식각공정으로 콘택홀 부분의 광차단막과 광투과성막을 순차적으로 제거하여 콘택홀을 오픈하고, 다시 광차단막에서 y축 방향으로 인접한 콘택 사이를 오픈시키기 위한 후 이차 사진식각 공정을 진행하여 콘택홀 사이의 광투과성막을 노출시켜 하프톤형 PSM을 형성한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 PSM은, 콘택홀 부분을 노출시키는 광투과성막패턴을 투명기판상에 형성하고, 다시 콘택홀 공정마진이 작은 축 방향, 예를들어 라인 패턴과 수직하는 방향으로 오픈되어 콘택홀을 노출시키는 광차단막 패턴을 형성하여 콘택홀 노광에너지를 종래의 경우 보다 강하게 노광하였으므로, 강한 노광에 의해 공정여유도가 큰 X축 방향으로는 콘택홀의 크기가 증가되어 콘택 전체의 저항을 감소시키고, 공정여유도가 작은 Y축 방향으로는 콘택 크기가 증가되지 않아 오버랩 여유도를 종래대로 유지할 수 있어 콘택홀 형성의 공정이 용이해져 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 투명기판상에 광차단막 패턴과 광차단막 패턴을 구비하는 콘택홀 제조용 PSM에 있어서,

   상기 투명기판상에 형성되어있으며, 투명기판의 콘택홀 부분을 노출시키는 광차단막 패턴과,

   상기 광차단막 패턴상에 형성되며, 상기 투명기판의 콘택홀 부분을 노출시키고, 상기 콘택홀의 공정여유도가 다른 축 방향에 비해 작은 축 방향으로 인접한 콘택홀간의 광투과성막을 노출시키는 광차단막 패턴을 구비하는 PSM.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 투명기판이 석영기판인 것을 특징으로하는 PSM.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광투과성막이 MoSiN막인 것을 특징으로하는 PSM.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광차단막이 Cr막인 것을 특징으로하는 PSM.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 광차단막을 유기 감광막 패턴을 형성하고 이를 200∼350℃ 의 열로 경화시켜 형성하는 것을 특징으로하는 PSM.