KR20020009410A - 3원 리소그래픽 ａｔｔ-ＰＳＭ 포토마스크 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

포토레지스트로 코팅된 반도체 웨이퍼를 세 개의 상이한 광 강도의 레벨에 동시에 노출시키도록 하는 3원 리소그래픽(ternary lithographic) att-PSM(하프톤(halftone)) 포토마스크가 개시되어 있다. 상기 개선된 포토마스크는 투명 판 상에 제 1 구성에 따른 위상 시프트 재료(phase shift material)(PSM)의 패터닝된 층(patterned layer)을 가지며 상기 패터닝된 PSM 층상에 형성된 제 2 구성에 따른 크롬의 패턴층을 갖는 상기 투명 판을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 구성 각각은 상이한 마스킹 레벨에 대응한다. 상기 포토마스크를 이용하면, 통상 두 개의 포토마스크 및 두 개의 노출 단계를 이용하는 대신에 포토리소그래피 공정 동안에 상기 반도체 웨이퍼의 단일 노출 경로 내에 주름진(corrugated) 표면을 갖는 포토레지스트층을 생성할 수 있다.

Description

3원 리소그래픽 ａｔｔ-ＰＳＭ 포토마스크 및 그 제조 방법{A TERNARY PHOTOMASK AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 반도체 집적 회로(IC)의 제조에 관한 것으로서, 특히, 포토리소그래피 공정 동안 포토레지스트로 코팅된 반도체 웨이퍼를 상이한 세 개의 광 강도의 레벨에 동시에 노출시키도록 하는 3원의(ternary) 리소그래픽 포토마스크에 관한 것이다. 상기 포토마스크는 기본적으로 감쇄된 위상 시프트형(attenuated phase shift type)이지만 종래의 위상 시프트 재료 패턴 외에 적절한 패턴의 크롬을 더 구비한다. 단일 포토마스크 내에 두 패턴을 조합하면, 통상적인 두 개의 포토마스크와 두 노출 단계 대신 포토리소그래피 공정 동안 반도체 웨이퍼의 단일 노출 통로 내의 포토레지스트층 내에 주름진 표면(a corrugated surface)을 생성할 수 있다. 본 발명은 또한 그러한 다중 강도 리소그래픽 포토마스크를 제조하는 방법을 포함한다.
본질적으로, 반도체 집적 회로의 제조에 있어서, 포토리소그래피 공정은 포토레지스트층을 실리콘 웨이퍼 상에 증착하고, 포토레지스트층을 마스크를 통해 UV광에 노출시키고, 그 다음에 상기 포토레지스트층을 현상하여 소정의 구성을 갖는 패터닝된 포토레지스트층이 남게 하는 기본적인 단계들을 포함한다. 이들 처리 단계들을 보다 상세히 살펴보자. 첫째, 실리콘 웨이퍼가 포토레지스트 재료로 코팅된다. 대개, 무반사 코팅(anti-reflecting coating)(BARC) 재료의 하부층이 제공된다. 필요하다면 이들 재료들의 증착전 및 증착후 베이크(pre and post-deposition bakes)가 표준 방식으로 수행된다. 포토레지스트로 코팅된 웨이퍼는 포토마스크를 통해 리소그래피 노출 툴(lithography exposure tool) 내의 단색 UV 광원에 노출된다. 상기 포토마스크는 노출 단계에서 웨이퍼 상에 재생되는 유효 영역 내에 특정 구성을 포함한다. 상기 구성은 웨이퍼 제조시 결정된 마스킹 레벨의 레이아웃에 대응한다. 포토레지스트층 내에 잠상(latent image)이 형성된다. 노출 후, 포토레지스트층이 표준 방식으로 베이킹되고 현상된다. 축소된 크기로 상기 원하는 구성을 갖는 웨이퍼 표면상에 패터닝된 포토레지스트층이 생성된다. 이제 웨이퍼는 처리 동작(이온 주입, 에칭, ...)에 대해 준비된다.
포토레지스트는 네거티브 또는 포지티브 유형 중 어느 한 유형일 수 있다. 만약, 포지티브 포토레지스트가 사용되면, 노출 단계 동안 광에 노출된 포토레지스트층의 영역이 현상 후에 제거될 것이다. 반면에, 네거티브 포토레지스트가 사용되면, 노출 단계 동안 광 방사를 수신한 영역이 현상 후에 남게 될 것이다.
그러한 패터닝된 포토레지스트층들을 생성하기 위해 포토리소그래피 공정에서 시작하는데 사용된 종래의 포토마스크를 제거하는 다른 방법들이 있다. 그중 몇몇을 아래에 간략하게 설명한다. 본질적으로 종래의 포토마스크는 유리 마스크상의 크롬, 감쇄된 위상 시프트 마스크(attenuated phase shift mask)(또는 하프톤(halftone) 마스크) 및 교번 위상 시프트 마스크(alternated phase shift mask)(또는 Levenson 마스크)의 세 개의 넓은 군으로 분류될 수 있다. 모든 경우에 있어서, 2원의(binary) 포토마스크는 일반적으로 원하는 위치에서 기판 위에 형성된 UV 광에 대해 실질적으로 불투명한(또는 부분적으로 불투명한) 패턴을 갖는 수정(또는 초고순도 유리) 판으로 만들어진 투명 기판으로 구성된다. 본원에서 사용된 "실질적으로 불투명한"이란 광학적 방사의 0.1% 미만이 통과할 수 있는 재료를 의미한다. 크롬은 반도체 마스크 제조 산업에서 널리 사용되므로 특히 바람직하다.
COG(chromium-on-glass) 마스크는 먼저 상기 수정판(quartz plate) 표면 상에 크롬계 재료(a chromium-based material)(이 재료의 실제 조성은 마스크 공급자의 제조 공정에 많이 의존함)의 바닥층을 증착(예를 들면, 스퍼터링 또는 기상 증착(sputtering or vapor phase deposition) 기술을 이용함)시킴으로서 생성된다. 그 다음에, 상기 수정판은 포토레지스트 재료의 상부막으로 코팅된다. 그 결과의 부분, 즉, 이중 크롬/포토레지스트층으로 코팅된 수정판을 "블랭크(blank)"라 한다. 그 다음에 상기 블랭크는 적절한 구성에 따라 노출되며, 이어서 실리콘 웨이퍼를 코팅하는 포토레지스트층 상에 원하는 패턴을 생성한다. 상기 노출은 레이저빔 또는 전자 빔 장비를 이용하여 이루어진다. 노출 후, 상기 블랭크는 패터닝된 포토레지스트층을 인시튜 마스크(an in-situ mask)로 이용하여 습식 또는 건식 에칭 공정을 이용하여 에칭되어, 크롬층에 원하는 패턴이 재생되도록 한다. 그 다음에, 표준 방식으로서 애싱(ashing) 또는 습식 에칭에 의해 나머지 포토레지스트 재료가 제거된다. 마지막으로, 보호 목적으로 상기 구조 상에 박막이 덮여져서 완전한 COG 마스크를 생성한다. 전술한 마스크 제조 공정은 또한 본원 명세서에서 단순화를 위해 상술하지는 않았지만 COG 마스크 표면상에서 결함 발생을 방지하기 위한 몇몇 세정 및 검사 단계를 포함한다.
att-PSM 마스크라고도 하는 감쇄된 위상 시프트 마스크는 COG 마스크의 분해능을 개선하기 위한 것이지만, COG 마스크보다 더 복잡한 제조 공정을 요구한다. 상기 목적을 위하여, 크롬 이외의 재료가 블랭크에 사용되었다. 본 경우의 att-PSM 마스크에서, 기판은 여전히 수정판이다. 먼저, 위상 시프트 재료층이 수정판 상에 증착된다. 그 다음에, 크롬계 재료가 상기 구조상에 증착되고 포토레지스트층이 증착된다. 그 결과의 부분도 또한 "블랭크(blank)"라 한다. 이 모든 제조 단계들은 일본 도쿄 소재의 HOYA 사 또는 일본 도쿄 소재의 TOPPAN PRINTING 사와 같은 블랭크 공급자의 마스크 하우스에서 수행된다. 반도체 제조업자들은 일반적으로 att-PSM 블랭크만 구입하여 이들의 특정 디자인 요구를 충족시키도록 이들을 특화시킨다. 이제, COG 마스크에 있어서, att-PSM 블랭크가 상기 적절한 구성에 따라서 노출된 후 현상된다. 현상 후, 원하는 위치에서 크롬을 제거하되 후속하여 패터닝된 크롬층이 하드 마스크로서 사용되도록 남겨두는 제 1 에칭이 수행된다. 그 다음에 상기 구조는 세정되고 크롬 하드 마스크를 통해 노출된 위상 시프트 재료가 에칭된다. 상기 에칭 단계는 상기 위상 시프트 재료 내의 상기 구성을 전사한다. 그 다음에, 제 2 포토레지스트층이 상기 구조 상에 증착되고, 표준 방식으로 노출되고 현상되어 패터닝된 포토레지스트층을 생성한다. 크롬은, 예를 들어 적절한 화학제를 이용하는 습식 에칭에 의해, 패터닝된 PSM 층을 둘러싼 크롬 프레임을 남겨두도록 경계 부분을 제외하고 완전히 에칭되어 제거된다. 제조 공정의 상기 단계에서, 나머지 포토레지스트는 표준 방식으로서 에싱(ashing) 또는 습식 세정에 의해 제거된다. 크롬 프레임은 그 후에 포토리소그래피 노출 시스템에 필요한 모든 필요한 2차 패턴들(바코드, 정렬 마스크, ...)을 포함한다. att-PSM 마스크의 주변에 형성된 크롬 프레임은 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 상에 재생 또는 인쇄될 패턴을 형성한다. 마지막으로, COG 마스크에 있어서, 보호 박막이 상기 마스크 상에 단단히 덮여진다. 또한, 세정 및 조사 단계는 단순화를 위해 상기 설명에 포함되지 않았지만, 여전히 att-PSM 마스크 제조 공정에 존재한다.
도 1은 그러한 제조 공정으로 얻어진 att-PSM 마스크의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. att-PSM 마스크(10)는 그 위에 형성된 패터닝된 PSM 층(12)을 갖는 수정판으로 이루어진다(도면은 반드시 실측이 아님을 이해하는 것이 중요하다). 마스크(10) 주변에 형성된 크롬 프레임(13)은 패터닝된 PSM 층(12)의 작업 표면, 즉, 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 상에 재생될 구성을 형성한다. 보호 박막(14)은 마스크(10) 상에 단단히 부착되며 알루미늄 링(15) 상에 고정된다.
도 2는, 산화물 또는 MoSi의 옥시니트라이드(oxynitride)가 표준 방식으로 PSM 재료로서 사용된다고 가정하면(이들 화합물은 DUV 248 nm 파장의 방사에 대해 약 6%의 투과율을 가짐), 도 1의 att-PSM 마스크(10)를 통하여 조명될 때, 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 상에서 얻어지는 광의 강도의 통상적인 투과 함수를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 곡선은, 투과 함수가 단지 두 개의 통상적인 값, 즉, 6%와 100%를 취할 수 있기 때문에(0%를 제외하면), att-PSM 마스크(10)의 의사-2원(quasi-binary) 구조를 도시하고 있다. 광 투과 함수는 마스크와 충돌하는 광의 강도에 대한 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼를 조명하기 위해 상기 마스크를 가로지르는 광의 강도, 즉, 입사 광의 강도에 대해 마스크를 통과하는 투과된 광의 강도의 비에 관한 것이다.
전술한 바와 같이, 위상 시프트 재료는 포토리소그래피 공정의 노출 단계 동안 사용되는 작업 파장(working wavelength)에 대해 보통 6% 정도인 투과율을 갖는다(상기 투과 함수는 어느 정도 보다 낮은 값으로부터 보다 높은 값까지의 범위를 가질 수 있다). 상기 위상 시프트 재료는 단지 수정판만을 통과하는 광에 비해 180°위상 시프트를 유도한다. 그러나, 과거에는, 보다 높은 투과 함수(통상적으로 15% 이상)를 갖는 위상 시프트 재료가 사용되었다. 이 경우, 두 패턴간의 나머지 광의 강도는 웨이퍼 상의 포토레지스트의 감광도를 초과할 수 있다. 그 결과, 노출 및 현상 후 실리콘 웨이퍼를 코팅하는 패터닝된 포토레지스트층에 웨이퍼 제조 수율에 막대한 손실을 끼치는 기생 패턴들(기술적 용어로 "사이드 로브(side lobes)"라 지칭됨)이 나타나기 쉽다. 상기 기생 패턴들이 발생할 때 그 결함을 수정하기 위해, att-PSM 마스크 제조 동안 패터닝된 PSM 층 내의 임의의 개구들 사이에 일부 크롬 재료가 남겨졌다. 그러나, 이 기술은 좀처럼 사용되지 않았는데, 그 이유는 상기 기술이 아주 정확한 마스크 정렬 및 치밀하게 제어된 에칭 공정들을 필요로 하며, 마스크 제조 수율을 크게 감소시키는 것과 같은 중대한 제조상의 문제를 발생시켰기 때문이다. 그 결과로서, 상기 기술은 급속히 사라져 더 이상 사용되지 않고 있다.
마지막으로, alt-PSM 마스크라고 하는 교번 위상 시프트 마스크는 att-PSM 마스크로 얻어진 분해능(resolution)을 훨씬 더 증가시킬 수 있다. 그 원리는 다음과 같다. 크롬 패턴의 라인 주위의 선택적인 에칭 영역을 이용하면, 라인들의 각 측면에 광의 위상을 조절하는 것이 가능하다. 만약 위상차가 180°이면, 가장 높은 분해능이 얻어질 수 있다.
모든 경우에 있어서, 에칭 후에 포토마스크의 수정판을 코팅하는 마스킹 재료가 있든 없든간에 2원 패턴을 갖는 포토마스크가 생성된다. 이들 포토마스크는 이하에 2원 포토마스크라 지칭된다. 상기 마스킹 재료의 스텝 높이는 전체 포토마스크 표면을 가로지르는 높이와 같다.
포토레지스트층으로 코팅된 웨이퍼의 경우를 고려해 보자(포토레지스트층 아래에 BARC 필름을 가질 수도 있고 가지지 않을 수도 있다). 그 결과의 구조는 포토레지스트 스택 또는 간단히 스택이라 한다. 노출 단계에 있어서, 상기 스택은 다른 파라미터들 중에서 (1) 인쇄 도우즈(dose to prnit)(DTP) 및 (2) 클리어 도우즈(dose to clear)(DTC)의 두 값에 의해 특징지워진다. 인쇄 도우즈는 스택 내의 잠상 인쇄를 시작하는데 필요한 에너지(mJ/cm2)의 최소량이다. 클리어 도우즈는 전체 스택 두께에 걸쳐 상기 잠상을 현상하는데 필요한 에너지의 최소량(mJ/cm2)이다. 따라서, 주어진 스택 및 주어진 DTC 및 DTP 값에 있어서, DTP와 DTC 값 사이의 에너지를 갖는 임의의 노출은 포토레지스트 재료를 부분적으로 현상할 것이다. 스택의 노출은 임의의 2원 포토마스크로 수행될 수 있다(즉, COG 또는 att-PSM 또는 alt-PSM 마스크).
반도체 웨이퍼 공정에서, 주름진 표면으로 실리콘 웨이퍼를 코팅하는 패터닝된 포토레지스트 스택을 생성하는 것이 때론 바람직하다. 지금까지, 상기 결과는 스택의 두 노출 단계 및 두 개의 상이한 마스크를 이용함으로서만 달성될 수 있다.
다음은 주름진 패터닝된 포토레지스트 스택을 생성하는 종래의 방법을 도 3a 내지 3c를 참조하여 설명한다. 도 3a에는 기판 상에 형성된 포토레지스트 스택(18)을 갖는 실리콘 기판(17)으로 이루어진 반도체 구조(16)가 개략적으로 도시되어 있다. 스택(18)은 제 1 구성을 갖는 att-PSM 마스크(10')를 통해 UV 광에 노출된다. 상기 제 1 노출은 포토레지스트 재료가 부분적인 노출을 생성하도록 스택을 조명하는 에너지의 양이 인쇄 도우즈와 클리어 도우즈 사이가 되도록 된다. 도 3a는 노출 후의 스택을 도시한 것으로 노출된 부분은 회색으로 표시되어 있다. 이제, 상기 결과의 반도체 구조(16)는 att-PSM 마스크(10")와 같은 제 2 구성을 갖는 제 2원 마스크를 이용하여 도 3b에 도시된 바와 같이 제 2 노출을 받는다. 마스크(10', 10")는 att-PSM 마스크(10)와 동일한 구성을 갖는 보다 큰 att-PSM 마스크의 일부를 나타낸다. 제 2 노출에 있어서, 클리어 도우즈보다 더 높은 도우즈를 사용하는 것이 가능하므로, 스택(18)의 전체 두께가 완전한 노출을 위한 UV 광에 의해 노출된다. 도 3b의 단계에서, 완전히 노출된 스택(18) 내의 부분들은 검은색으로 표시되어 있다. 그 다음에 스택(18)은 표준 방식으로 현상된다. 도 3c에서명확하듯이, 현상 후에, 반도체 구조(16)는 주름진 표면을 갖는 패터닝된 스택(18)을 구비한다. 두 개의 노출 단계들의 순서는 무관하다.
전술한 공정은 두 개의 마스킹 레벨을 투과하기 위해 두 개의 상이한 마스크를 가질 필요가 있으며 두 개의 노출 단계를 수행할 것을 요구함을 의미한다. 또한, 두 노출 사이의 오버레이가 일치하지 않고 변해서 웨이퍼 제조 수율에 영향을 미칠 수 있는 공정 변화를 일으킨다. 또한 전체 포토리소그래피 공정에 대한 턴어라운드 시간(turn-around-time)(TAT)에 영향을 준다.
주름진 패터닝된 포토레지스트 스택을 생성하는 또 다른 방법은 상이한 감도, 즉, 상이한 DTP 및 DTC 값을 갖는 두 개의 광감 재료층을 포개는 것이다. 첫 번째 증착된 포토레지스트는 두 번째 증착된 포토레지스트보다 더 높은 DTC 값을 가져야 한다. BARC 재료는 일반적으로 사용될 수도 있고 사용되지 않을 수도 있다. 이 기술은 하나가 아니라 두 개의 상이한 포토레지스트 재료를 이용하며, 도 3a 내지 3c와 관련하여 전술한 방법에서와 같이 두 개의 노출 단계와 두 개의 마스크를 여전히 필요로 한다. 그러나, 실제로는 단점들이 거의 동일하다.
따라서 지금까지는, 간단하고 적절한 포토리소그래피 공정으로 실리콘 웨이퍼를 코팅하는 포토레지스트 스택 내에 주름진 패턴을 생성하는 것은 불가능하다. 전술한 현 기술 상태의 방법들은 두 개의 노출 단계와 두 개의 마스크를 요구한다. 따라서, 단지 하나의 마스크 및 하나의 노출 단계로 주름진 패터닝된 포토레지스트 스택을 생성할 수 있는 새로운 포토리소그래피 공정을 정의하는 것이 아주 바람직할 것이다. 공정 통합이 크게 개선되고 공정 단계들의 수가 감소되면, 시간 및 비용을 절약할 수 있을 것이다. 또한, 실리콘 웨이퍼 제조 과정에서 현 기술 수준의 포토리소그래피 공정에서의 어떠한 큰 변화 없이 상기 주름진 패터닝된 포토레지스트 스택을 생성하는 것이 주요한 개선이 될 것이다.
따라서, 본 발명의 주요한 목적은 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제공하는 포토리소그래피 공정을 개선하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 att-PSM 포토마스크 제조 공정에서 어떠한 큰 변화도 요구하지 않는 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 포토리소그래피 공정 동안 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 내의 패터닝된 포토레지스트 스택 상에 주름진 표면을 생성하기 위해 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 att-PSM 포토마스크의 단면을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 UV 광 방사가 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼와 충돌할 때 도 1의 포토마스크의 투과 함수(transmission function)를 도시한 도면.
도 3a 내지 3c는 두 개의 노출 단계 및 두 개의 마스크를 필요로 하는 종래 기술의 통상적인 기술에 따른 실리콘 상에 주름진 표면을 갖는 패터닝된 포토레지스트 스택의 제조 과정을 도시한 도면.
도 4a 내지 4h는 세 개의 강도(intensity) 레벨을 갖는 광을 투과하도록 된 본 발명에 따른 3원의(ternary) 포토마스크의 제조 과정을 도시한 도면.
도 5는 UV 광 방사가 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼와 충돌할 때 도 4h의 포토마스크의 투과 함수를 도시한 도면.
도 6은 도 4h의 3원의 포토마스크가 사용될 때 단지 하나의 노출 단계만으로 제조되는 실리콘 웨이퍼 상에 주름진 표면을 갖는 패터닝된 포토레지스트 스택을 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
19 : att-PSM 블랭크 20 : 수정판
21 : 바닥층 22 : 크롬층
23, 24 : 포토레지스트층
이들 바람직한 결과들 및 본 발명의 다른 목적들은, 제 1 마스킹 레벨의 구성에 따라서 위상 시프트 재료(PSM)의 패터닝된 층을 가지며 패터닝된 PSM 층상에 형성된 제 2 마스킹 레벨의 구성에 따라서 크롬과 같은 불투명 재료의 패터닝된 층을 갖는 투명판을 포함하는 본 발명의 3원 리소그래픽 포토마스크에 의해 실현된다. 그 결과, 높은 광 투과 영역과, 중간 광 투과 영역과 낮은 광 투과 영역이 상기 포토마스크에서 정의된다.
본 발명은 또한,
a) 높은 광 투과율을 갖는 판, 중간 광 투과율을 갖는 위상 시프트 재료(PSM)의 바닥층, 낮은 광 투과율을 갖는 크롬과 같은 불투명 재료층 및 포토레지스트의 최상부층을 포함하는 att-PSM 블랭크를 제공하는 단계와,
b) 제 1 마스킹 레벨의 구성에 따라서 리소그래피 단계에서 상기 최상부 포토레지스트층을 패터닝하는 단계와,
c) 에칭 단계에서 상기 크롬층 내에 상기 제 1 구성을 전사하는 단계와,
d) 에칭 단계에서 상기 패터닝된 크롬층을 이용하여 인시튜 마스크로서 PSM 층 내에 상기 제 1 구성을 전사하는 단계와,
e) 잔여 포토레지스트 재료를 제거하는 단계와,
f) 포토레지스트 재료층을 현 구조물(the resulting structure) 상에 증착시키는 단계와,
g) 제 2 마스킹 레벨의 구성에 따라서 리소그래피 단계에서 상기 포토레지스트 재료층을 패터닝하는 단계와,
h) 에칭 단계에서 하부 크롬층 내에 상기 제 2 구성을 전사하는 단계와,
i) 잔여 포토레지스트 재료를 제거하는 단계를 포함하고,
어떠한 재료로도 코팅되지 않은 판의 부분이 상기 높은 광 투과 영역을 형성하고, 단지 위상 시프트 재료로만 코팅된 판의 부분이 중간 광 투과 영역을 형성하고, 상기 크롬 재료로 코팅된 판의 부분이 낮은 광 투과 영역을 형성하여 3원 포토마스크를 형성하는 상기 3원 리소그래픽 포토마스크를 제조하는 방법을 포함한다.
본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징들은 첨부한 청구범위에 개시되어 있다. 그러나, 본 발명 그 자체 및 본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 첨부한 도면과 함께 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 전술한 "2원(binary)" 포토마스크의 경우에서와 같이 두 개의 광의 강도 레벨 대신에 세 개의 상이한 레벨의 광을 투과시키기에 적합한 3원 포토마스크가 개시되어 있다. 이 3원 포토마스크는 광 투과가 없는 영역, 최대 광 투과 영역, 중간 광 투과 영역을 포함한다. 본원 명세서에서 사용된 바와 같이, 높은 투과율의 재료는 입사광의 50% 이상을 투과시키는 재료이고, 낮은 투과율의 재료는 입사광의 35% 이하를 투과시키는 재료이다. 투과율은 작업 파장(working wavelength)에 크게 의존한다.
3원 포토마스크 제조
3원 마스크는 다음의 방법을 이용하여 제조된다. 개시 재료로서 일본 토쿄 Hoya 사에 의해 공급된 6×6 인치 DUV att-PSM 블랭크 관련 레퍼런스(blank bearing reference) EHQ60252SK52A-AR3 이 사용될 수 있다. 도 4a의 att-PSM 블랭크(19)는 제조 공정의 초기 단(stage)에서의 포토마스크를 나타낸다. 도 4a에서,상기 블랭크는 (248nm 파장의 광 방사에 적합한)80nm MoSi의 바닥층(21), 100nm 두께의 크롬층(22) 및 300nm 두께의 ZEP 7000의 최상부 포토레지스트층(23)(일본 도쿄의 NIPPON ZEON 사에 의해 제공됨)으로 코팅된 250 밀(mil) 두께의 수정판(20)으로 구성된다.
제 1 구성은 (미국 캘래포니아에 위치한 ETEC Systems 사에 의해 상용화된)MEBES 4500D 전자 빔 기록 툴을 이용하여 포토레지스트층에서 인쇄된다. 이 구성은 기록 툴의 메모리에 저장된 특정 마스크 설계 데이터 집합으로 표현되며 제 1 마스킹 레벨에 대응한다. 노출 후, 상기 블랭크는 도 4b에 도시되어 있다. 그 다음에, 포토레지스트층(23)은 (독일 스테르넨펠스의 STEAG Hamatech 사의)ASE 500 습식 에칭 툴에서 현상되어 4c에 도시된 바와 같이 마스킹층을 생성한다. 그 다음에, 패터닝된 포토레지스트층(23)을 통해 노출된 크롬층(22)이 미국 캘리포니아 프레몬트의 FAIRCHILD CONVAC 사에 의해 제공된 툴인 APT 3110을 이용하여 표준 방식으로 에칭된다. 마스크 제조 공정의 상기 단계에서, 블랭크가 도 4d에 도시되어 있다. 층(23)의 나머지 포토레지스트 재료는 표준 방식으로 90℃의 피라냐(Piranha) 용액을 이용하여 (독일 스테르넨펠스의 STEAG Hamatech로부터의)ASC 500 툴에서 습식 에칭에 의해 제거된다.
크롬에칭이 완료된 후, 잔류 크롬층(22)을 인시튜 하드 마스크로서 이용하여, 위상 시프트 재료가 프랑스 그레노블의 NEXTRAL 사의 NEXTRAL 330 RIE 반응기에서 표준 방식으로 CF4/O2 화학제를 이용한 건식 에칭에 의해 에칭된다. 블랭크(19)는 도 4e에 도시되어 있다.
그 다음에, 예를 들어 IP3600(일본 가나가와 TOKYO OHKA KOGYO 사의 제품)과 같은 새로운 포토레지스트층(24)이 RC8 툴 스핀 코팅기(독일 무니시 Karl SUSS사의 제품)를 이용하여 포토마스크 상에 증착되고 표준 방식으로 노출된다(도 4f). 제 2 노출 경로는 다른 마스킹 레벨에 대응하는 제 2 구성을 기록하는데 있다. 상기 제 2 기록 동작은 ALTA 3700 노출 툴(ETEC Systems 사의 제품)로 수행된다. 포토레지스트 재료층(24)은 전술한 APT 3110 툴을 이용하여 현상되어 패터닝된 포토레지스트층이 남겨진다(도 4g).
마지막으로, 마스킹층으로서 상기 패터닝된 포토레지스트층(24)을 이용하여, 크롬층(22)이 APT 3110 툴을 이용하여 전술한 바와 같이 에칭된다. 마지막으로, 잔여 포토레지스트층(24)이 ASC 500 툴에서 전술한 바와 같이 제거된다. 상기 제조 공정의 마지막 단에서, 본 발명의 3원 att-PSM 포토마스크가 도 4h에 참조번호 25로서 도시되어 있다(보호 박막은 나타나 있지 않다). 단순화를 위해, 세정 및 조사 단계들은 본원 명세서에 기술하지 않았다.
본 발명의 현저한 특징은 전술한 모든 공정 단계들(포토레지스트 증착 및 현상, 크롬 에칭, ...)은 표준이며, 위에서 인용된 모든 툴은 상용화된 제품이라는 것이다. 본 발명의 3원 att-PSM 포토마스크는 단지 (크롬 프레임 외에)크롬층 내에 원하는 패턴이 있다는 사실에 의해서만 종래의 att-PSM 마스크와 구별될 수 있다. 제 1 구성(이것은 제 1 마스킹 레벨에 대응함)은 패터닝된 PSM 층(21)에 의해 재생되고 제 2 구성(이것은 제 2 마스킹 레벨에 대응함)은 패터닝된 크롬층(22)에 의해 재생된다. 본 발명에 따르면, 두 개의 상이한 포토마스크 내에 개별적으로인쇄되는 대신에 하나의 포토마스크 내에 인쇄되는 마스크 설계 데이터의 두 집합이 연결된다.
도 5는 도 4h의 3원 att-PSM 포토마스크(25)를 통해 광이 조명될 때, 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 상에 얻어지는 광 강도의 통상적인 투과 함수를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 곡선은, 만약 포토마스크(25)가 248nm 파장의 방사에 사용되면, 투과 함수가 세 개의 값(0%, 6%, 100%)을 취할 수 있기 때문에 3원 구조를 명확히 나타낸다. 그러나, 이들 세 개의 값들 사이의 차는 노출 단계 동안 적절한 콘트라스트에 도달하기에 불충분할 수 있다. 상기 예에서, 상기 세 개의 값이 각각 0%, 15%, 100%가 되도록(이들은 이 점에 있어서 훨씬 더 양호하다) 실리콘으로 코팅된 웨이퍼를 365nm 파장의 광 방사로 노출시키는 것이 권장된다.
포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼의 노출
다음은 도 4h의 3원 포토마스크(25)의 사용 및 부가적인 이점들을 도 6을 참조하여 기술한다. 이 실험에 있어서, 표준 200mm 직경의 실리콘 웨이퍼가 사용된다. 먼저, 상기 실리콘 웨이퍼가 TEL ACT8 포토레지스트 코팅기(일본 도쿄 TOKYO ELECTRON 사에 의해 제조된 툴)를 이용하여 (일본 가나가와 Tokyo Ohka Kogyo 사에 의해 제공된)TOK3250 포토레지스트 층으로 코팅된다. 도 6은 포토레지스트 스택(28)(일반적으로 BARC 재료의 하부층을 사용하는 것이 최적임)으로 코팅된 기판(27)을 포함하는 구조(26)를 개략적으로 도시하고 있다. 포토레지스트 스택(28)은 표준 방식으로 적절한 열처리를 이용하여 베이킹되며, 그 다음에포토마스크(25)를 이용하여 노출된다. 노출은 더 나은 결과를 위해 전술한 365nm 파장 상에서 조정되는 스텝 및 리피트 시스템(step and repeat system)인 Nikon NSR 2205i-12-D(일본 도쿄 소재의 니콘사 제품)에서 발생한다.
노출된 웨이퍼는 표준 작업 조건들을 이용하는 TEL ACT8 툴(일본 도쿄의 TOKYO ELECTRON 사)을 이용하여 베이킹되고 현상된다. 도 6에서 명확히 도시한 바와 같이, 스택(28)은 주름진 표면을 가지며 상이한 두 높이(H1, H2)를 갖는 스텝을을 제공한다. 이점에 있어서, 스택(28)은 도 3c의 스택(18)과 동일하지만 이 결과는 단지 하나의 포토마스크 및 하나의 노출 단계로 얻어졌다는 점에 주목하라.
전술한 실험의 최종적인 웨이퍼의 특화는 미국 뉴욕 플레인뷰의 VEECO Instruments 사의 장비인 Dektak AFM(atomic force microscope)로 수행되었다. 상기 측정에 따르면, 본 발명의 3원 포토마스크(25)로 수행된 단일 노출은 도 6에 개략적으로 도시한 패터닝된 포토레지스트 스택 내에 원하는 주름진 표면을 실제로 생성하였음을 보여준다.
보다 일반적으로, 포지티브 포토레지스트가 실리콘 웨이퍼를 그러한 3원 att-PSM 포토마스크(25)를 통하여 노출되도록 코팅하는 경우를 가정해 보자. 이 경우, 높은 광 투과를 갖는 포토마스크(25)의 영역은 현상 단계 후에 포토레지스트가 완전히 제거될 수 있도록 설계되고, 낮은 광 투과를 갖는 영역은 가능한 한 적은 포토레지스트가 제거될 수 있도록 설계되고, 마지막으로 중간 광 투과를 갖는 영역은 전부는 아닌 소정 양의 포토레지스트가 제거될 수 있도록 설계된다. 이것은 작업 파장(working wavelength)에 대해 15%-25% 범위의 중간 광 투과율로 PSM층을 이용하여 얻어질 수 있다. 층(21)을 통과하는 광은 포토레지스트 스택 상에 잠상(latent image) 인쇄를 개시하기에 충분한 에너지를 갖지만, 이 에너지는 전체 두께를 통하여 상기 잠상을 인쇄하기에는 충분하지 않다.
상기 공정 파라미터(포토레지스트 및 그 두께의 성질, BARC의 유무, 베이크 단계들 동안의 열처리, 노출, 현상 및 에칭 작업 조건, ...)를 조정함으로서, 스텝 높이의 비(H1/H2) 및 상기 스텝들의 경사를 제어할 수 있다.
이와 마찬가지로, 마스크 파라미터(부분적인 투과층을 형성하는 재료, 마스크 처리 단계들, ...)가 또한 조정될 수 있다.
3원 포토마스크는 광의 탈위상(light dephasing) 및 광 감쇠를 가능하게 하는, 즉, 포토마스크를 가로지르는 광 투과의 강도에 영향을 미치는 위상 시프트 재료의 이용에 기초한 전술한 방법의 변형을 이용하여 제조될 수 있다. 이들 방법은 세 개의 광 강도 레벨보다 많은 강도의 광을 투과할 수 있는 다중 강도의 마스크(multi-intensity masks)의 제조에 일반화될 수 있다. 그러한 다중 강도의 포토마스크는 대응하는 수의 중간 값을 실현하는 상이한 광 투과 함수를 갖는 적어도 두 개의 시프트 재료의 사용에 기초할 것이다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어나지 않고 그 형식 및 상세에 있어서 전술한 변경 및 다른 변경들이 이루어질 수 있음을 당업자들은 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제공하는 포토리소그래피 공정을 개선하여, 종래의 att-PSM 포토마스크 제조 공정에서 어떠한 큰 변화도 요구하지 않는 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제조하는 방법을 제공하고, 포토리소그래피 공정 동안 포토레지스트로 코팅된 실리콘 웨이퍼 내의 패터닝된 포토레지스트 스택 상에 주름진 표면을 생성하기 위해 세 개의 강도 레벨을 갖는 광을 투과시키기에 적합한 3원 리소그래픽 포토마스크를 제공한다.

Claims (2)

  1. 높은 광 투과 영역, 중간 광 투과 영역 및 낮은 광 투과 영역을 갖는 3원 리소그래픽(ternary lithographic) att-PSM 포토마스크를 제조하는 방법으로서,
    a) 높은 광 투과율을 갖는 판, 중간 광 투과율을 갖는 위상 시프트 재료(PSM)의 바닥층, 낮은 광 투과율을 갖는 크롬과 같은 불투명 재료층 및 포토레지스트의 최상부층을 포함하는 att-PSM 블랭크를 제공하는 단계와,
    b) 제 1 마스킹 레벨의 구성에 따라서 리소그래피 단계에서 상기 최상부 포토레지스트층을 패터닝하는 단계와,
    c) 에칭 단계에서 상기 크롬층 내에 상기 제 1 구성을 전사하는 단계와,
    d) 에칭 단계에서 상기 패터닝된 크롬층을 인시튜 마스크로서 이용하여 상기 PSM 층 내에 상기 제 1 구성을 전사하는 단계와,
    e) 잔여 포토레지스트 재료를 제거하는 단계와,
    f) 포토레지스트 재료층을 현 구조물(the resulting structure) 상에 증착시키는 단계와,
    g) 리소그래피 단계에서 제 2 마스킹 레벨의 구성에 따라서 상기 포토레지스트 재료층을 패터닝하는 단계와,
    h) 에칭 단계에서 상기 하부 크롬층 내에 상기 제 2 구성을 전사하는 단계와,
    i) 잔여 포토레지스트 재료를 제거하는 단계를 포함하고,
    어떠한 재료로도 코팅되지 않은 상기 판의 부분이 상기 높은 광 투과 영역을 형성하고, 단지 상기 위상 시프트 재료로만 코팅된 판의 부분이 중간 광 투과 영역을 형성하고, 상기 크롬 재료로 코팅된 판의 부분이 낮은 광 투과 영역을 형성하여 3원 포토마스크를 형성하는 상기 3원 리소그래픽 포토마스크를 제조하는 방법
  2. 3원 리소그래픽 att-PSM 포토마스크로서,
    투명 판 상에 제 1 마스킹 레벨의 구성에 따라서 위상 시프트 재료(phase shift material)(PSM)의 패터닝된 층(patterned layer)을 가지며 상기 패터닝된 PSM 층상에 형성된 제 2 마스킹 레벨의 구성에 따라서 크롬과 같은 불투명 재료의 패터닝된 층을 갖는 상기 투명판을 포함하여, 상기 포토마스크 내에 높은 광 투과 영역, 중간 광 투과 영역 및 낮은 광 투과 영역을 규정하는 3원 리소그래픽 att-PSM 포토마스크.
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