KR20030019728A

KR20030019728A - 위상시프트 마스크

Info

Publication number: KR20030019728A
Application number: KR1020010053000A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 박철홍
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2003-03-07

Abstract

본 발명은 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토공정에서 동일한 시그마를 사용하면서도 공정 마진을 증가시켜, 공정의 안정성과 재현성을 유지하면서 게이트 패턴을 형성할 수 있는 위상시프트 마스크에 관한 것이다.

본 발명의 위상시프트 마스크는 180° 위상 클리어 영역, 0° 위상 클리어 영역, 위상시프트 마스크 크롬, 제어 크롬, 및 분할 크롬을 포함하며, 분할 크롬은 180° 위상 클리어 영역과 0° 위상 클리어 영역을 소정의 수로 분할하도록 마스크 상에 소정의 수로 형성된다.

Description

위상시프트 마스크{PHASE SHIFT MASK}

본 발명은 위상시프트 마스크에 관한 것으로서, 특히 시프터 분할 방법을 이용한 위상시프트 마스크에 관한 것이다.

최근 반도체 장치가 날로 고집적화되어 그 패턴이 미세해짐에 따라 종래의 포토마스크(photo mask)로는 소정 한계 이하의 선폭을 갖는 패턴을 구현하기 어렵게 되었다. 이에, 종래의 포토마스크보다 구현된 패턴의 해상도가 매우 좋고 임계선폭(critical dimension, CD)을 더 작게 할 수 있는 위상시프트 마스크가 사용되기에 이르렀다.

위상시프트 마스크는 종래의 포토마스크와는 달리 위상시프터(phase shifter)를 구비한 마스크를 말한다. 위상시프트 마스크를 사용하여 패턴을 형성하는 방법은, 위상시프터가 있는 부분과 없는 부분을 투과한 광이 서로 180°의 위상차를 갖도록 하여 상쇄간섭시키는 원리에 기초를 둔다.

위상시프트 마스크를 사용하여 패턴을 형성하는 방법은, 미국등록특허 제 5,858,580 호에 개시되어 있다. 이 특허에 개시된 위상시프트 마스크는, 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 2 개의 마스크를 구비하는데, 제 1 마스크는 위상시프트 마스크이고 제 2 마스크는 단상 구조 마스크(single phase structure mask)이다. 위상시프트 마스크는 주로 위상시프트가 필요한 영역을 정의하고, 단상 구조 마스크는 주로 위상시프트가 필요하지 않은 영역을 정의한다. 단상 구조 마스크는 또한, 위상시프트 영역의 지워지는 것을 방지하고, 위상시프트 마스크에 의해 발생될 수도 있는 원치 않는 물질(artifact)이 발생하는 것을 방지하는 역할을 한다.

도 1 은 미국등록특허 제 5,858,580 호에 개시되어 있는 종래 기술에 따른 집적회로에서 트랜지스터의 게이트를 축소하기 위한 듀얼 마스크 위상시프트 공정을 도시한 것이다.

도 1 은 기존 마스크(100), 위상시프트 마스크(210), 구조 마스크(220), 위상시프트 마스크 이미지(230), 구조 마스크 이미지(240), 및 결과 이미지(250)를 포함한다. 기존 마스크(100)는 클리어 영역(101), 게이트 크롬 영역(102), 구조 크롬 영역(103), 및 기존 게이트 길이(109)를 포함한다. 위상시프트 마스크(210)는 180°위상 클리어 영역(213), 0°위상 클리어 영역(215), 위상시프트 마스크 크롬(216), 및 제어 크롬(217)을 포함한다. 구조 마스크(220)는 가변 게이트 보호 크롬(222), 클리어 영역(224), 및 구조 크롬(226)을 포함한다. 위상시프트 마스크이미지(230)는 게이트 암 영역(232), 위상시프트 마스크 명 영역(233), 및 다른 암 영역(236)을 포함한다. 구조 마스크 이미지(240)는 게이트 보호 암 영역(242), 구조 명 영역(244), 및 구조 암 영역(246)을 포함한다. 결과 이미지(250)는 명 영역(251), 게이트 암 영역(232), 구조 암 영역(246), 및 새로운 게이트 길이(259)를 포함한다.

이하, 이들 소자들 사이의 관계를 설명한다.

위상시프트 마스크(210)는 축소된 트랜지스터의 게이트 길이 등과 같이, 상쇄간섭을 필요로 하는 원하는 회로 크기를 만들어내는 데 단독으로 사용되는 마스크의 평면도를 나타낸다. 180°위상 클리어 영역(213)은 0°위상 클리어 영역(215)에 인접하여 위치하고 있고, 이들 클리어 영역 각각은 빛의 완전한 투과를 허용하도록 설계되어 있다. 180°위상 클리어 영역(213)은 그 경계에서 0°위상 클리어 영역(215)과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 두께로 형성되어 있다. 제어 크롬(217)은 불투명하고, 빛의 투과를 허용하지 않는다. 제어 크롬(217)은 180°위상 클리어 영역(213)과 0°위상 클리어 영역(215) 사이의 경계 중앙에 위치하고 있다. 이 제어 크롬(217)의 폭은 가변되어, 축소된 게이트의 길이를 제어하는데 사용된다. 위상시프트 마스크 크롬(216)은 마스크의 나머지 부분을 덮고 있으며, 또한 불투명하다. 위상시프트 마스크 크롬(216)의 유일한 목적은 포토레지스트(photoresist)의 나머지 부분이 노광되지 않도록 유지하여, 후에 구조 마스크(220)에 의하여 구조가 포토레지스트층 상에 프린트되도록 하는 것이다.

구조 마스크(220)는 포토레지스트층 상에 원하는 폴리실리콘 구조를 프린트하기 위하여 사용되는 마스크의 평면도를 나타낸다. 구조 마스크(220)는 또한 위상시프트 마스크(210)에 의해 형성된 트랜지스터를 보호하고, 위상시프트 마스크(210)에 의해 생성된 원치 않는 물질(artifact)을 지우는 역할을 한다. 클리어 영역(224)은 빛의 완전투과를 허용하며, 위상시프트 마스크(210)에 의해 원치 않는 물질이 형성되어 있을 수도 있는 모든 영역을 덮는다. 구조 크롬(226)은 불투명하고, 원하는 폴리실리콘 회로구조를 정의하도록 모양과 크기를 갖는다. 가변 게이트 보호 크롬(222)은 뜻하지 않은 노광으로부터 게이트를 보호하기 위하여, 원하는 게이트가 점유할 수 있는 전 영역을 덮도록 설계된 가변 폭을 갖는다.

위상시프트 마스크 이미지(230)는 위상시프트 마스크(210)가 웨이퍼 바로 위에 있는 동안, 웨이퍼가 쪼여진 빛을 받은 후, 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼의 평면도를 나타낸다. 밝은 영역은 포토레지스트가 빛에 노출된 영역을 나타낸다. 구조 마스크 이미지(240)는 구조 마스크(220)가 웨이퍼 바로 위에 있는 동안, 웨이퍼가 쪼여진 빛을 받은 후, 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼의 평면도를 나타낸다. 밝은 영역은 포토레지스트가 빛에 노출된 영역을 나타낸다.

결과 이미지(250)는 2 개의 분리된 경우에 대하여 쪼여진 빛을 받은 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼의 평면도를 나타낸다. 한 번은 위상시프트 마스크(210)가 웨이퍼 바로 위에 있게 되고, 또 한 번은 구조 마스크(220)가 웨이퍼 바로 위에 있게 된다.

상기한 바와 같은 종래의 위상시프트 마스크 기술은 기존 장비와 레이아웃 데이터를 그대로 이용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만, 게이트 패턴을 형성시키기 위해 위상시프트 마스크와 구조 마스크를 이용한 2 회의 노광 공정을 거쳐야 하며, 각각의 노광 공정에서 요구되는 공정변수인 응집도(degree of coherence)(이하, 시그마라 칭함)는 위상시프트 마스크 포토공정에서는 작은 값, 구조 마스크 포토공정에서는 큰 값을 각각 사용해야 하므로, 각 스텝마다 스테퍼(stepper) 의 설정을 바꾸어 주어야 한다. 이 과정에서 포토공정이 흔들릴 가능성이 있으므로, 안정성과 재현성이 감소하게 되며, 스루풋(throughput) 또한 감소하게 되는 문제점이 있었다.

RES를 분해능(resolution), NA를 개구수(numerical aperture), 및 σ를 응집도라 할 때, 분해능은 RES = K1·λ/((σ+ 1)·NA) 의 식으로 주어진다. 만일, 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토공정을 모두 로우 시그마를 사용하게 되면, 구조 마스크에 의해 구현되는 필드 폴리(field poly)의 분해능이 감소하여 도 4 의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 미세한 패턴을 구현하지 못하게 된다. 반면, 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토공정을 모두 하이 시그마를 사용하게 되면, 위상시프트 마스크 포토공정에서 빛의 간섭성이 줄어들어, 초점 깊이(DOF; Depth Of Focus)와 도우즈 마진(dose margin)이 감소하여 공정 윈도우가 심하게 감소한다. 도 5 는 종래의 위상시프트 마스크 기술에서 시그마 값의 증가에 따른 공정 윈도우의 감소를 보여주는 시뮬레이션 결과이며, 도 6 은 시그마와 디포커스 량이 커짐에 따라 패터닝이 되지 않는 사실을 나타내는 이미지 에어리얼 시뮬레이션(aerial simulation) 결과이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토공정에서 동일한 시그마를 사용하면서도 공정 마진을 증가시켜, 공정의 안정성과 재현성을 유지하면서 게이트 패턴을 형성할 수 있는 위상시프트 마스크를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 집적회로의 제조공정에서 분해능이 향상되고, 공정 윈도우를 크게 할 수 있는 위상시프트 마스크를 제공하는 것이다.

도 1 은 종래의 트랜지스터 게이트를 축소하기 위한 듀얼 마스크 위상시프트 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터 게이트를 축소하기 위한 듀얼마스크 위상시프트 공정의 위상시프트 마스크를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 은 본 발명의 위상시프트 마스크를 적용하여 트랜지스터의 게이트를 축소하기 위한 듀얼마스크 위상시프트 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 종래의 위상시프트 마스크기술에서, 시그마값과 구현된 패턴과의 관계를 나타내는 도면,

도 5는 종래의 위상시프트 마스크기술에서, 시그마값의 증가에 따른 공정윈도우의 감소를 나타내는 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면,

도 6은 종래의 위상시프트 마스크 기술에서, 시그마값과 디포커스 양이 증가함에 따라 패터닝되지 않은 사실을 나타내는 이미지 에어리얼 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면,

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100 : 기존 마스크 101, 224 : 클리어 영역

102 : 게이트크롬 영역 103 : 구조크롬 영역

109 : 기존 게이트 길이 210, 310 : 위상시프트 마스크

213, 313 : 180 위상 클리어 영역 215, 315 : 0 위상 클리어 영역

216, 316 : 위상시프트 마스크 크롬 217, 317 : 제어크롬

318 : 분할크롬 220, 320 : 구조 마스크

222, 322 : 가변 게이트 보호크롬 224, 324 : 클리어 영역

226, 326 : 구조크롬 230, 330 : 위상시프트 마스크 이미지

232, 332 : 게이트 암 영역 233, 333 : 위상시프트 마스크 명 영역

236, 336 : 다른 암 영역 240, 340 : 구조 마스크 이미지

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있는 0°위상 클리어 영역; 0°위상 클리어 영역에 인접하여 위치하고, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있으며, 그 경계에서 상기 0°위상 클리어 영역과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 두께로 형성된 180°위상 클리어 영역; 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역 사이의 경계 중앙에 위치하고, 불투명하여 빛을 투과시키지 않는 제어 크롬; 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역을 소정의 수로 분할하도록 마스크 상에 소정의 수로 형성되는 분할 크롬; 및 마스크 상에서 상기 180°위상 클리어 영역, 상기 0°위상 클리어 영역, 상기 제어 크롬, 및 상기 분할 크롬을 제외한 나머지 부분을 덮고 있는 위상시프트 마스크 크롬을 포함하는 위상시프트 마스크를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있는 0°위상 클리어 영역; 0°위상 클리어 영역에 인접하여 위치하고, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있으며, 그 경계에서 상기 0°위상 클리어 영역과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는두께로 형성된 180°위상 클리어 영역, 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역 사이의 경계 중앙에 위치하고, 불투명하여 빛을 투과시키지 않는 제어 크롬, 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역을 소정의 수로 분할하도록 마스크 상에 소정의 수로 형성되는 분할 크롬, 및 마스크 상에서 상기 180°위상 클리어 영역, 상기 0°위상 클리어 영역, 상기 제어 크롬, 및 상기 분할 크롬을 제외한 나머지 부분을 덮고 있는 위상시프트 마스크 크롬을 포함하는 위상시프트 마스크; 및 빛을 완전 투과시키며, 상기 위상시프트 마스크에 의해 원치 않는 물질이 형성되어 있을 수 있는 영역을 덮고 있는 클리어 영역, 불투명하고 원하는 폴리실리콘 회로구조를 정의하는 모양과 구조를 갖도록 형성된 구조 크롬, 및 게이트가 점유할 수 있는 모든 영역을 덮으며 변화할 수 있는 폭을 갖는 가변 게이트 보호 크롬을 포함하는 구조 마스크로 구성된 것을 특징으로 하는 듀얼 위상시프트 마스크를 제공하는 것을 특징으로 한다.

실시예

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 일 실시예를 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 집적회로에서 트랜지스터의 게이트를 축소하기 위한 듀얼 마스크 위상시프트 공정의 위상시프트 마스크를 도시한 것이고, 도 2 는 도 1 에 도시된 종래 기술에서 위상시프트 마스크(210) 부분만 다르고, 나머지 부분은 동일하다.

본 발명의 위상시프트 마스크(310)는 180°위상 클리어 영역(213), 0°위상클리어 영역(315), 위상시프트 마스크 크롬(316), 제어 크롬(317), 및 분할 크롬(318)을 포함한다.

이하, 이들 소자들 사이의 관계를 설명한다.

위상시프트 마스크(310)는 축소된 트랜지스터의 게이트 길이 등과 같이, 상쇄간섭을 필요로 하는 원하는 회로 크기를 만들어내는 데 단독으로 사용되는 마스크의 평면도를 나타낸다. 180°위상 클리어 영역(313)은 0°위상 클리어 영역(315)에 인접하여 위치하고 있고, 이들 클리어 영역 각각은 빛의 완전한 투과를 허용하도록 설계되어 있다. 180°위상 클리어 영역(313)은 그 경계에서 0°위상 클리어 영역(315)과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 두께로 형성되어 있다. 제어 크롬(317)은 불투명하고, 빛의 투과를 허용하지 않는다. 제어 크롬(317)은 180°위상 클리어 영역(313)과 0°위상 클리어 영역(315) 사이의 경계 중앙에 위치하고 있다. 이 제어 크롬(317)의 폭은 가변되어, 축소된 게이트의 길이를 제어하는데 사용된다. 위상시프트 마스크 크롬(316)은 마스크의 나머지 부분을 덮고 있으며, 또한 불투명하다. 위상시프트 마스크 크롬(316)의 유일한 목적은 포토레지스트(photoresist)의 나머지 부분이 노광되지 않도록 유지하여, 후에 구조 마스크(320)에 의하여 구조가 포토레지스트층 상에 프린트되도록 하는 것이다. 분할 크롬(318)은 불투명하고, 빛의 통과를 허용하지 않는다. 분할 크롬(318)은 0°위상 클리어 영역(315)과 180°위상 클리어 영역(313) 각각을 적당한 수로 분할하도록 적당한 수로 형성한다. 분할 갭(g)은 실제로 웨이퍼 상에서는 패터닝이 되지 않아야 하므로 분해능 이하의 값을 가져야 하며, 공정 윈도우(process window)를 크게 유지할 수 있도록 최적화시켜야한다. 분할 폭(d)은 분해능 이상의 값을 가져야 하며, 2 개 이상의 분할 갭을 취할 수 없는 조밀한(dense) 패턴에서는 (s - g)/2 의 값을 갖도록 하고, 0°위상 클리어 영역(315)과 180°위상 클리어 영역(313) 각각의 중앙에 위치시킨다. 성긴(sparse) 패턴에서는 분할 폭(d)은 유동적인 값을 가질 수 있다. 그러므로, 조밀한 패턴과 성긴 패턴 각각의 공정 윈도우는 서로 많이 다르지만, 조밀한 패턴과 성긴 패턴에서 분할 폭(d)와 분할 갭(g)을 최적화시킴으로써, 공통의 공정 윈도우를 크게 확보해 줄 수 있다.

여기서, 분할 크롬(318)의 분할 갭(g)과 분할 폭(d)은 위상시프트 마스크의 제조공정 조건에 따라 변화될 수 있는 것이므로 그 값을 특정할 수 는 없다.

도 3 은 본 발명의 위상시프트 마스크(310)를 적용하여 트랜지스터의 게이트를 축소하기 위한 듀얼 마스크 위상시프트 공정을 도시한 것이다.

미세 패턴을 구현하기 위해서는 분해능을 향상시키고, 공정 윈도우를 크게 해 주어야 한다. 이것은 리소그래피 시스템에서 한정된 크기의 결상렌즈가, 마스크를 통과한 빛 중 패턴정보를 많이 가지고 있는 고차 광을 많이 받아들이게 함으로써 가능하지만, 패턴의 피치(pitch)가 작아짐에 따라서 회절현상에 의해 결상렌즈가 받아들이는 고차 광의 강도(intensity)는 작아지는 반면, 패턴정보를 가지고 있지 않은 0차 광의 강도는 커지게 된다.

하지만, 위상시프터(phase shifter)를 분할함으로써, 0차 광의 강도는 줄게 되고, 고차 광의 강도는 커져서, 분해능의 향상되고 초점 깊이가 증가하며 결국 공정 윈도우가 커지게 된다.

종래의 방법을 이용하여, 위상시프트 마스크 포토공정은 0.3 시그마, 구조 마스크 포토 공정은 0.7 시그마를 사용하면, 초점 깊이는 0.6 ㎛, 도우스 범위(dose latitude)는 17% 인 공정 윈도우를 확보하지만, 위상시프터 분할방법(phase shifter chopping method)을 사용하면, 위상시프트 마스크 포토공정 과 구조 마스크 포토 공정 모두 0.5 시그마 공정조건을 사용하면서도 초점 깊이는 0.8 ㎛, 도우즈 범위(dose latitude)는 14 % 인 공정 윈도우를 확보할 수 있다. 만일 위상시프터 분할방법을 사용하지 않고, 종래의 방법에 의해 설계된 위상시프트 마스크로 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토 공정 모두 0.5 시그마 공정조건을 사용하여 노광하면, 도우즈 범위는 28 % 로 향상되지만, 초점 깊이는 0.2 ㎛ 로 감소하여 전체적인 공정 윈도우는 감소하게 된다.

상기한 바와같은 본 발명의 위상시프트 마스크에 따르면, 위상시프트 마스크 포토공정과 구조 마스크 포토공정에서 동일한 응집도(시그마)를 사용하여 게이트 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 위상시프트 마스크에 따르면, 집적회로의 제조공정에서 분해능이 향상되고, 공정 윈도우를 크게 할 수 있는 잇점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있는 0°위상 클리어 영역;

0°위상 클리어 영역에 인접하여 위치하고, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있으며, 그 경계에서 상기 0°위상 클리어 영역과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 두께로 형성된 180°위상 클리어 영역;

상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역 사이의 경계 중앙에 위치하고, 불투명하여 빛을 투과시키지 않는 제어 크롬;

상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역을 소정의 수로 분할하도록 마스크 상에 소정의 수로 형성되는 분할 크롬; 및

마스크 상에서 상기 180°위상 클리어 영역, 상기 0°위상 클리어 영역, 상기 제어 크롬, 및 상기 분할 크롬을 제외한 나머지 부분을 덮고 있는 위상시프트 마스크 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상시프트 마스크.
빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있는 0°위상 클리어 영역, 0°위상 클리어 영역에 인접하여 위치하고, 빛을 완전히 투과시키도록 형성되어 있으며, 그 경계에서 상기 0°위상 클리어 영역과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 두께로 형성된 180°위상 클리어 영역, 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역 사이의 경계 중앙에 위치하고, 불투명하여 빛을 투과시키지 않는 제어 크롬, 상기 180°위상 클리어 영역과 상기 0°위상 클리어 영역을 소정의 수로 분할하도록 마스크 상에 소정의 수로 형성되는 분할 크롬, 및 마스크 상에서 상기 180°위상 클리어 영역, 상기 0°위상 클리어 영역, 상기 제어 크롬, 및 상기 분할 크롬을 제외한 나머지 부분을 덮고 있는 위상시프트 마스크 크롬을 포함하는 위상시프트 마스크; 및

빛을 완전 투과시키며, 상기 위상시프트 마스크에 의해 원치 않는 물질이 형성되어 있을 수 있는 영역을 덮고 있는 클리어 영역, 불투명하고 원하는 폴리실리콘 회로구조를 정의하는 모양과 구조를 갖도록 형성된 구조 크롬, 및 게이트가 점유할 수 있는 모든 영역을 덮으며 변화할 수 있는 폭을 갖는 가변 게이트 보호 크롬을 포함하는 구조 마스크로 구성된 것을 특징으로 하는 듀얼 위상시프트 마스크.