KR20030067039A - 사입사 조명을 구현하는 포토마스크 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20030067039A
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Abstract

사입사 조명(Off-Axis illumination)을 구현하는 포토마스크 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다. 본 발명에 따른 포토마스크는 투명기판과, 상기 투명기판의 전면(前面)에 형성되어 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴, 및 상기 투명기판의 후면(後面)에 형성되어 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 상기 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명(modified illumination)을 구현할 수 있는 다수의 위상 격자(phase grating)를 포함하여 이루어진다.

Description

사입사 조명을 구현하는 포토마스크 및 그 제조 방법{Photomask for off-axis illumination and fabricating method the same}
본 발명은 반도체 소자 제조를 위한 포토마스크 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 사입사 조명을 위해 위상 격자가 형성된 포토마스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
사진식각 프로세스에서 다양한 구성요소들을 규정하는 포토마스크 이미지 또는 패턴은 빛을 이용하여 포토레지스트 상에 포커싱된다. 아주 소형의 특징을 구현하려면 더욱 미세한 이미지가 포토레지스트 상에 포커싱되어야 하므로, 광학 해상도가 증가하여야 한다. 그러나 획득가능한 해상도에는 제한이 있다.
따라서, 해상한계 근처에서 사진식각을 이용하여 반도체 소자를 제조하기 위해서는 해상력 향상 기술(Resolution Enhancement Technique)의 사용이 필수적이다. 이러한 해상력 향상 기술로는, 종래보다 파장이 좀 더 작은 광원을 이용하는 방법, 위상반전 마스크(phase shift mask)를 이용하는 방법, 변형 조명 방법(modified illumination)의 일종인 사입사 조명(Off-Axis Illumination : 이하, "OAI")을 이용하는 방법 등이 있다.
이론적으로 OAI를 이용하면, 컨벤셔널(conventional) 조명을 이용하는 경우에 비하여 해상도가 약 1.5배정도 증가되며, 초점심도(Depth Of Focus : 이하, "DOF")또한 향상된다. 반도체 소자의 집적도가 증가할수록 DOF를 향상시키는 것이 중요한데, 이는 패턴을 투영한 웨이퍼에는 이미 형성된 패턴이나 웨이퍼의 휘어짐등에 의해 요철이 반드시 생기기 마련이고, 웨이퍼 면내 또는 동일 칩 안의 모든 장소에서 포토레지스트의 노광이 동일한 초점 면상에서 행해지는 것은 없기 때문이다.
OAI를 구현하기 위한 방법으로는, 광투과영역이 원형인 컨벤셔널 어퍼쳐(aperture)대신 광투과영역이 애뉼러(annular), 다이폴(dipole) 또는 쿼드러폴(quadrupole)과 같은 변형 어퍼쳐를 노광설비에 설치하는 방법이 있다. 이 방법에서는 입사광의 수직성분을 차단하고 경사진 성분(즉, 사입사 성분)만이 포토마스크 상에 도달하게 한다. 이 경우, 광원에서 나온 빛이 변형 어퍼쳐를 거치면서 그 세기가 감소되는 문제가 있다.
OAI를 구현하기 위한 다른 방법으로는, 컨벤셔널 어퍼쳐를 사용하되, 위상 격자를 가진 별도의 마스크(이하, 그레이팅 마스크)를 포토마스크 후면(後面)에 부착하는 방법이 있다. 이 방법에서는 빛이 위상 격자에 의해 회절되어 수직 성분은 상쇄되고 사입사 성분만 투영렌즈(projection lens)에 들어가며, 투영렌즈를 통과한 빛만이 포토레지스트가 도포되어 있는 웨이퍼 상에서 서로 간섭하면서 이미지를 형성하게 된다. 변형 어퍼쳐를 사용할 때처럼 빛의 세기 감소 문제는 없으나, 그레이팅 마스크를 포토마스크 후면에 부착하는 과정에서 사고 위험성을 배제할 수 없다. 그리고, 일정 기간 마스크 사용 후 클리닝을 함에 있어 그레이팅 마스크를 탈착하고 재부착해야 하는 등 여러 가지 손실 및 불합리 요소가 내재되어 있어 양산에 적용하기는 사실상 불가능하다.
한편, 도 1 및 도 2는 종래의 그레이팅 마스크를 설명하는 도면들로서, 각도면의 우측은 그레이팅 마스크에 의한 조명 형태를 시뮬레이션한 결과를 도시하였다. 참고적으로 본 발명에서 사용하는 시뮬레이션 툴(tool)은 SOLID-C이다. 그리고, 조명 형태를 나타낸 도면에서 밝은 부분은 광투과영역이고, 어두운 부분은 광차단영역이다.
먼저 도 1은 등간격의 라인 앤드 스페이스(line & space) 타입의 위상 격자(5)가 형성된 그레이팅 마스크(10)로서, 입사광을 180°위상반전시킨다. 이 경우, 도 1의 우측과 같이 다이폴 형태의 조명이 구현된다. 이러한 형태의 조명은 수평 또는 수직 방향 패턴에 변형 조명 효과를 주기 때문에 웨이퍼 상에 라인 앤드 스페이스 패턴을 전사할 때에 효과적이다.
그리고, 도 2는 바둑판 모양의 위상 격자(15)가 형성된 그레이팅 마스크(20)로서, 입사광을 180°위상반전시킨다. 이 경우, 도 2의 우측과 같이 쿼드러폴 형태의 조명이 구현된다. 쿼드러폴 형태의 조명은 수평 및 수직방향 패턴에 대해 동일한 변형 조명 효과를 준다. 따라서, 셀 내에만 규칙적인 패턴이 있고 주변부에는 패턴들이 없거나, 주변부에 패턴들이 있더라도 셀부의 패턴보다 작은 것이 일반적인 고립형 패턴의 효과적인 패턴 전사를 위하여, 쿼드러폴 형태의 조명을 이용한다.
그러나, 라인 앤드 스페이스와 같이 피치가 일정한 경우가 아니라, x, y 그리고 대각선 방향의 피치가 다양하게 존재하는 패턴을 웨이퍼 상에 전사하는 경우에는 한 가지 조명 조건만으로 각각의 방향에 대한 패턴 형성 자체가 매우 어렵다. 이는 결국 각 방향에 대한 원하는 임계치수(Critical Dimension, 이하 CD)를 얻는데 많은 제약으로 작용하게 되므로, 결과적으로 공정 마진을 확보하는 것이 불가능하게 된다. 따라서, 공정 마진을 확보하기 위해서는 다양한 패턴 모양 각각에 대해 적합한 조명 조건을 얻는 것이 필요하다.
뿐만 아니라, 종래의 OAI 방법에 의하면, 노광설비의 OAI 한계는 노광설비에 포함된 콘덴서(condenser) 렌즈의 개구수(Numerical Aperture, 이하 "NA")에 의해 결정된다. 그러나, 디자인 룰의 감소가 가속화됨에 따라 노광설비에서 제공하는 OAI로는 원하는 공정 마진을 확보하기 어렵게 되었다. 이러한 경우 새로운 기술을 적용하거나 보다 높은 NA의 노광설비를 도입하는 방법 이외에는 별다른 방법이 없게 된다. 그러나, 제조단가 측면에서는 기존에 사용하던 낮은 NA의 노광설비를 사용하는 것이 유리하다. 이 경우, 현재의 RET만으로는 공정능력을 확보하기가 매우 힘들므로, 현 실정에서 노광설비의 OAI 한계를 극복할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 현재의 노광설비를 그대로 사용하면서 노광설비의 OAI 한계를 극복하고, 또한 다양한 패턴 레이아웃에 적합한 조명조건(illumination condition)을 제공함으로써 웨이퍼 공정능력을 향상시킬 수 있는 포토마스크를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기와 같은 포토마스크 제조 방법으로서, 종래 그레이팅 마스크를 포토마스크 후면에 탈/부착함으로써 양산에 적용할 수 없었던 문제점을 해결할 수 있는 포토마스크 제조 방법을 제공하는 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 그레이팅 마스크(grating mask)를 설명하는 도면들로서, 각 도면의 우측은 그레이팅 마스크에 의한 조명 형태를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 포토마스크의 단면도들이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 포토마스크에 포함될 수 있는 위상 격자의 예를 나타내는 도면들이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7에 나타낸 위상 격자에 의해 차광패턴의 레이아웃(layout)에 적합한 조명을 구현할 수 있음을 설명하기 위한 도면들이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따라 공정 마진이 확보되는 효과를 검증하기 위하여 종래의 경우와 비교한 시뮬레이션 결과들이다.
도 10a 내지 도 10e는 본 발명의 제3 실시예에 따라 포토마스크를 제조하는 공정 단계를 나타내는 도면들이다.
도 11a 내지 도 11f는 본 발명의 제4 실시예에 따라 포토마스크를 제조하는 공정 단계를 나타내는 도면들이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 포토마스크는 투명기판과, 상기 투명기판의 전면(前面)에 형성되어 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴, 및 상기 투명기판의 후면(後面)에 형성되어 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 상기 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있는 다수의 위상 격자를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 다수의 위상 격자는 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들일 수 있다. 이 때 상기 위상 격자는 입사광을 180°또는 그 미만으로 위상반전시키는 것일 수 있다. 대안으로서, 상기 다수의 위상 격자는 등간격의 라인 앤드 스페이스 타입으로서, 입사광을 180°미만으로 위상반전시키는 것일 수 있다.
상기 위상 격자는 상기 투명기판과 일체로 형성된 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 위상 격자는 상기 투명기판의 후면을 식각하여 형성된 것이거나, 또는 상기 투명기판 후면 상에 형성된 위상차를 가지는 물질막을 식각하여 형성된 것일 수 있다. 상기 물질막은 예를 들어 SOG(Spin On Glass)막이다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 포토마스크 제조 방법은 다음과 같은 단계들로 이루어진다. 먼저, 투명기판의 전면에 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴을 형성한다. 다음, 상기 투명기판의 후면에 상기 투명기판과 일체로, 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 상기 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있는 다수의 위상 격자를 형성한다.
이 때, 상기 위상 격자를 형성하는 단계는 상기 투명기판의 후면에 레지스트를 도포하는 단계, 상기 레지스트를 노광 및 현상하여 원하는 위상 격자를 위한 레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계, 및 상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 레이저(laser) 노광설비를 이용하여 수행할 수 있다. 아니면, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 투명기판의 후면에 차징(charging) 방지막을 형성하는 단계를 더 포함시켜 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계를 이-빔(e-beam) 노광설비를 이용하여 수행할 수도 있다.
상기 투명기판과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 투명기판의 후면에 크롬막을 형성할 수도 있다. 이 때에는, 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 크롬막을 식각함으로써 크롬막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 상기 크롬막 패턴 및 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 수행하고, 상기 크롬막 패턴은 상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계에서 제거된다. 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 이-빔 노광설비를 이용하여 수행한다.
본 발명에 따른 포토마스크 제조 방법에 있어서, 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 건식 식각과 습식 식각을 혼용하여 수행할 수 있다. 그리고, 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 다단계로 나누어 수행하되, 위상 조절(phase control)과 균일성(uniformity) 향상을 위해 각 단계마다 식각율을 산출하여 그 다음 단계에 적용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 포토마스크와 일체로 그 후면에 위상 격자를 형성함으로써 노광설비의 한계를 극복하여 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안, 변형 및 등가를 포함한다. 또한, 후속하는 본 발명의 상세한 설명에서 다수의 특정 세부는 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그러나, 당분야에서 숙련된 자라면 이들 특정 세부가 없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 명백히 알 것이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 포토마스크의 단면도들이다.
먼저 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 포토마스크(30)는 투명기판(100)에 구현된다. 상기 투명기판(100)은 유리 또는 쿼츠(quartz)이다. 상기 투명기판(100)의 전면에는 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴(110)이 형성되어 있다. 상기 차광패턴(110)은 DRAM 형성을 위한 패턴일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 차광패턴(110)은 적절한 차광 물질, 예컨대 크롬으로 이루어질 수 있다.
상기 투명기판(100)의 후면에는 다수의 위상 격자(130)가 형성되어 있다. 단면으로 보이듯이, 상기 위상 격자(130)들은 규칙적으로 주기적인 요철을 형성한다. 여기서, 상기 위상 격자(130)는 상기 투명기판(100)의 후면을 식각하여 형성된 것이다.
다음에 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 포토마스크(40)는 투명기판(100)과, 상기 투명기판(100)의 전면에 형성된 다수의 차광패턴(110) 및 상기 투명기판(100)의 후면에 형성된 다수의 위상 격자(140)를 포함한다. 상기 위상 격자(140)는 상기 투명기판(100)과 일체로 형성된 것이지만, SOS막과 같이 위상차를 갖는 물질막을 상기 투명기판(100) 후면에 형성한 다음, 이를 식각하여 형성한 것이다.
본 발명에 따른 포토마스크에 포함되는 위상 격자는 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있도록 형성되어야 한다. 임의의 적절한 위상 격자라도 본 발명에 대해 사용될 수 있지만, 도 5 내지 도 7에 나타낸 바와 같은 위상 격자(150, 160, 170)가 특히 유용할수 있다. 각 도면의 우측에는 각 위상 격자에 의한 조명 형태를 시뮬레이션한 결과를 도시하였다.
먼저 도 5를 참조하면, 포토마스크(50) 후면에 형성된 다수의 위상 격자(150)는 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들이다. 여기서, 상기 위상 격자(150)는 입사광을 180°로 위상반전시키는 것이다. 위상 격자는 수직으로 입사하는 광원을 비스듬하게 사입사시키는 기능을 갖고 있으므로, 이러한 광원의 기울기로 인하여 위상차를 일으킨다. 이 경우에, 도 5의 우측에 나타낸 바와 같이 다이폴에 가깝게 변형된 쿼드러폴 조명이 구현된다. 상기 위상 격자(150)의 종횡비가 커질수록 쿼드러폴은 다이폴 형태에 더욱 근접하게 된다.
도 6의 좌측에 나타낸 바와 같은 포토마스크(60) 후면에 형성된 다수의 위상 격자(160)도 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들이다. 그러나, 상기 위상 격자(160)는 입사광을 180° 미만, 예를 들어 90°로 위상반전시키는 것이다. 즉, 인위적으로 0차광 성분을 입사시키는 것이다. 위상반전되는 각도는 차광패턴의 레이아웃에 따라 달리할 수 있다. 이와 같이 할 경우에, 도 6의 우측에 나타낸 바와 같이 다이폴에 가깝게 변형된 쿼드러폴과 컨벤셔널 조명의 조합이 얻어진다.
도 7은 위상 격자의 또 다른 예를 나타낸다. 포토마스크(70) 후면에 형성된 다수의 위상 격자(170)는 등간격의 라인 앤드 스페이스 타입으로서 입사광을 180°미만, 예를 들어 90°로 위상반전시킴으로써 0차광 성분을 인위적으로 입사시킨다. 상기 위상 격자(170)의 피치는 노광설비의 정해진 NA에 맞도록 적절히 조정한다.이 경우에, 도 7의 우측에 나타낸 바와 같이 다이폴과 컨벤셔널 조명의 조합이 얻어진다.
도 7과 같은 위상격자(170)는 특히 도 8a에 나타낸 차광패턴(110')의 레이아웃에 대해 유용하다. 도 8a는 라인 앤드 스페이스와 같이 피치가 일정한 경우가 아니라, 차광패턴(110')간에 x방향 피치(a), y방향 피치(b) 그리고 대각선 방향의 피치(c)가 존재하는 경우를 나타낸다.
도 8a의 레이아웃은 도 8b와 같은 라인(A) 앤드 스페이스(B)의 레이아웃과 도 8c와 같은 콘택(contact, C)의 레이아웃으로 분리할 수 있다. 도 8b의 라인 앤드 스페이스(A, B)는 도 1을 참조한 설명에서와 같이 다이폴 조명을 사용하여 패터닝할 수 있다. 그리고, 도 8c와 같은 콘택(C)은 컨벤셔널 조명을 사용하여 패터닝할 수 있다.
그러나, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 종래기술에 의하면, 이와 같이 두 가지 이상의 레이아웃이 조합된 형태의 패턴을 형성하는 데 적합한 조명조건을 얻을 수 없다. 각각의 레이아웃에 적합한 조명 조건을 무시한 채, 이들의 결합된 형태인 본래의 레이아웃에 대한 한가지 조명조건만을 사용하여 패터닝한다면, 어느 한 부분의 파이델리티(fidelity)는 취약할 수밖에 없어 결과적으로는 패턴 형성 자체가 불가능하게 된다.
몰론 웨이퍼에 이중 노광법(double exposure scheme)을 적용하여, 하나의 레이아웃을 2개 이상으로 분리하여 각각의 레이아웃에 알맞은 조명 조건을 사용하여 패터닝할 수는 있다. 그러나, 이렇게 할 경우 포토마스크가 2장 필요하고 2번의사진 공정을 거쳐야 하는 등 많은 손실이 발생되는 문제가 있어 양산에 적용하기에는 많은 부담요소가 있다.
이에 비하여, 본 발명에 따라 도 7과 같이 다이폴과 컨벤셔널 조명의 결합된 형태를 구현할 수 있는 위상 격자를 형성하면 도 8a와 같은 형태의 본래의 패턴도 1장의 포토마스크를 이용하여 1번의 노광 과정에서 형성할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있다. 다음으로 도 9a 내지 도 9c를 참조하여, 본 발명의 다른 장점인, 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있게 하여 공정 마진을 증가시키는 효과에 대해 설명한다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 효과를 검증하기 위하여 종래의 경우와 비교한 시뮬레이션 결과로서, 각 그래프의 x축은 초점심도(DOF)를, y축은 노광도즈(exposure dose)를 나타낸다. 그래프에서 보이는 박스들은 공정 윈도우를 의미한다. 차광패턴은 장축 및 단축을 갖는 바(bar) 타입으로서 0.292㎛의 피치로 배열된 경우를 상정하였다.
도 9a는 0.7 NA의 노광설비에 대해 쿼드러폴 어퍼쳐를 사용하여 OAI를 구현한 경우인데, 어퍼쳐의 직경을 σ라 할 때, 0.55σ내지 0.85σ 부분을 광투과영역으로서 사용하였다(0.85/0.55로 표기함). 즉, 광투과영역의 두께는 0.3σ이다. 이 경우, 장축 및 단축 오버랩(overlap) 공정 마진은 DOF가 약 0.4㎛, EL(Exposure Latitude)이 약 10% 정도임을 알 수 있다.
도 9b는 도 9a의 경우보다 낮은 등급인 0.63 NA의 노광설비에 대해 쿼드러폴 어퍼쳐를 사용하여 OAI를 구현한 경우이다. 그리고, 이 설비의 한계인 0.85/0.55 조건을 사용하였다. 이 경우 장축 및 단축 오버랩 마진을 볼 때, 도 9a의 경우보다 EL이 약 4%로 감소함을 확인할 수 있다. 이와 같은 정도는 양산이 불가능하다.
한편 도 9c는 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 본 발명을 적용한 경우로서, 도 9a의 경우보다 낮은 등급인 0.63 NA의 노광설비를 그대로 사용하면서 OAI 조건으로서 어퍼쳐의 최외곽까지 사용하는 조건으로 변형한 경우이다. 대신에, 광투과영역의 두께는 도 9a의 경우와 동일하게 0.3σ이 되도록, 어퍼쳐의 0.7σ내지 1σ 부분을 광투과영역으로서 사용하게 하였다(1/0.7로 표기함). 이 경우, 장축 및 단축 오버랩 공정 마진은 도 9a의 경우와 유사함을 알 수 있다. 즉, 본 발명을 적용한 경우에는 낮은 NA의 노광설비를 사용하더라도 도 9a에서와 같이 높은 NA의 노광설비에서의 공정 마진과 동일한 공정마진을 얻게 됨을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 낮은 0.7 NA보다 낮은 등급의 0.63 NA의 노광설비를 사용하더라도 이 설비의 OAI 한계인 0.85/0.55를 극복하여 어퍼쳐의 최외곽까지 사용하는 조건 1/0.7로 변형함으로써, 0.7 NA의 노광설비에서의 공정 마진과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 현재 거의 모든 반도체 업체에서 관심있는 사항은 투자없이 차세대 제품을 기존 설비를 이용해서 개발/양산하는 것과 가능한 한 낮은 등급 즉, 낮은 NA의 노광설비를 이용해서 고집적된 소자를 양산하는 것이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 포토마스크는 이러한 관심 사항을 만족시킬 수 있다.
계속하여 도 10a 내지 도 10e 및 도 11a 내지 도 11f를 참조하여, 상술한 바와 같은 포토마스크를 제조하는 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 제조 방법에서는 포토마스크용 투명기판으로서 통상 사용하는 6인치 투명기판의 후면에 위상 격자를 곧바로 형성하는 것이 핵심 기술이다. 이 기술을 통하여, 여러 가지 고려 사항 즉, 디자인 룰이 작아짐에 따라 위상 격자 크기도 함께 감소하게 되는데 이를 투명기판 상에 구현하면서 듀티 레이쇼(duty ratio)를 정확히 1:1로 조절하는 것, 그리고 원하는 위상차를 확보할 수 있도록 위상을 정확히 조절하는 것과 이에 대한 균일도를 확보하는 것을 만족시킬 수 있다.
먼저, 도 10a를 참조하면, 투명기판(100)의 전면에 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴(110)을 형성한다.
다음, 도 10b를 참조하면, 상기 투명기판(100)과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 투명기판(100)의 후면에 HMDS(HexaMethylDisilazane, 115) 처리한다. 이어서, 상기 투명기판(100)의 후면에 레지스트(120)를 도포한다. 이 때, 노광설비의 종류에 따라, 즉 광원으로서 레이저(laser) 혹은 이-빔(e-beam)을 이용하는지에 따라, 포토레지스트 또는 이-빔 레지스트를 선택해야 한다. 이-빔 노광설비를 이용하려면 차징(charging) 효과를 방지하기 위하여, 상기 레지스트(120)를 도포하기 전에 상기 투명기판(100)의 후면에 차징 방지막을 형성하여야 한다.
도 10c를 참조하면, 상기 레지스트(120)를 노광 및 현상하여 원하는 위상 격자를 위한 레지스트 패턴(120a)을 형성한다. 이 단계에서 상기 HMDS(115)도 패터닝된다(115a). 위상 격자는 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 차광패턴(110)의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명을 구현할 수 있어야 한다. 레이저 또는 이-빔이 레지스트(120) 표면에 설계된 레지스트 패턴의 데이터 정보를 주사하면 레지스트(120)의 폴리머 화학적 결합구조의 특성이 물리적으로 변화된다. 현상장비에서 현상액을 스핀 또는 퍼들(puddle) 방식으로 분사시키면 노광된 레지스트 영역은 선택적으로 노출된다. HMDS(115) 처리하므로, 레지스트(120)의 현상시 패턴이 뜯겨 나가는 것이 방지된다. 이-빔 공정에서는 추가적으로 하드 베이킹의 소성 공정 및 현상 후에 남는 잔류 레지스트 찌꺼기(scum)를 플라즈마를 이용하여 제거하는 디스컴(descum) 공정이 필요하다.
도 10d를 참조하면, 상기 레지스트 패턴(120a)을 식각 마스크로 하여 상기 투명기판(100)의 후면을 소정 깊이 식각하여 상기 투명기판(100)의 후면에 상기 투명기판(100)과 일체로 다수의 위상 격자(130)를 형성한다. 상기 투명기판(100)의 후면을 식각하기 위해서는 건식 식각과 습식 식각을 모두 사용할 수 있으며, 특히 이방성 식각 성질을 갖는 건식 식각과 등방성 식각 성질을 갖는 습식 식각을 혼용하여 수행하면, 위상 격자의 크기를 정밀하게 조정할 수 있고, 이를 통해 위상 격자의 듀티 레이쇼를 정확히 1:1로 구현할 수 있다.
상기 다수의 위상 격자(130)는 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들로서 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 위상 격자(130)는 입사광을 180°위상반전시키도록 형성하거나, 180°미만으로 위상반전시키도록 형성한다.또는, 상기 다수의 위상 격자(130)는 등간격의 라인 앤드 스페이스 타입으로서 입사광을 180°미만으로 위상반전시키도록 형성할 수도 있다.
위상반전되는 각도의 투명기판(100)의 식각 깊이를 조절함으로써 조절된다. 위상 조절과 균일성 향상을 위해서는, 상기 투명기판(100)의 후면을 식각하는 단계를 다단계로 나누어 수행하되, 각 단계마다 식각율을 산출하여 그 다음 단계에 적용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 원하는 위상차를 정확히 확보할 수 있고, 또한 각 단계에서의 식각 시간을 적절히 분배하는 것이 가능하기 때문에 식각 시간의 증가에 의한 균일도의 저하를 방지할 수 있다.
다음에 도 10e에서와 같이, 상기 레지스트 패턴(120a)과 HMDS(115a)를 제거하면, 변형 조명을 위해 위상 격자(130)가 형성된 포토마스크가 완성된다.
도 11a 내지 도 11f의 제조 방법은 앞에서 설명한 제조 방법과 대체로 동일하나, HMDS 처리대신 크롬막을 형성한 다음, 이-빔리소그래피를 이용하는 것이 특징이다.
먼저 도 11a를 참조하면, 투명기판(100)의 전면에 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴(110)을 형성한다.
다음, 도 11b를 참조하면, 상기 투명기판(100)과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 투명기판(100)의 후면에 크롬막(117)을 형성한다. 상기 크롬막(117)은 스퍼터링(sputtering)에 의해 형성할 수 있다. 이어서, 상기 투명기판(100)의 후면에 이-빔 레지스트(122)를 도포한다.
도 11c를 참조하면, 상기 이-빔 레지스트(122)를 노광 및 현상하여 원하는위상 격자를 위한 이-빔 레지스트 패턴(122a)을 형성한다. 이 단계는 이-빔 노광설비를 이용하여 수행한다. 추가적으로 디스컴 공정을 수행한다.
그리고, 상기 이-빔 레지스트 패턴(122a)을 식각 마스크로 하여 상기 크롬막(117)을 식각함으로써 크롬막 패턴(117a)을 형성한다. 이 때, 습식 식각에 의할 수 있는데, 이-빔레지스트패턴(122a)이 보호막 역할을 하면서 하부의 크롬막(117)을 선택적으로 식각한다.
도 11d를 참조하면, 상기 크롬막 패턴(117a) 및 이-빔 레지스트 패턴(122a)을 식각 마스크로 하여 상기 투명기판(100)의 후면을 식각하여 상기 투명기판(100)의 후면에 상기 투명기판(100)과 일체로 다수의 위상 격자(130)를 형성한다.
다음에 도 11e에서와 같이, 상기 이-빔 레지스트 패턴(122a)을 제거하고, 도 11f에서와 같이, 상기 크롬막 패턴(117a)을 제거함으로써 포토마스크가 완성된다.
이상 설명한 바와 같은 제조 방법은 투명기판 후면에 SOG막을 형성한 다음, 이를 식각하여 위상 격자를 형성하는 경우에도 그대로 적용될 수 있다.
즉, 투명기판의 후면에 SOG막을 형성함 다음, 상기 SOG막 상에 레지스트를 도포하고, 상기 레지스트를 노광 및 현상하여 원하는 위상 격자를 위한 레지스트 패턴을 형성한다. 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 SOG막을 식각하고, 상기 레지스트 패턴을 제거하여 포토마스크를 제조한다. 이 때, 레지스트와 SOG막의 점착력을 증가시키기 위하여, HMDS처리하거나 크롬막을 개재시킬 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 수정 및 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 범주는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해 한정된다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 포토마스크 후면에 위상 격자를 형성하여 인위적으로 회절각을 조절함으로써, 현재의 노광설비를 그대로 사용하면서 노광설비의 OAI 한계를 극복하고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용이 가능하다. 따라서, 노광설비에서 제공할 수 없는 OAI 조건 효과를 낼 수 있다. 낮은 NA의 노광설비를 이용하더라도 원하는 공정 윈도우를 확보할 수 있기 때문에 고가의 높은 NA 노광설비를 도입하지 않아도 되므로 제조비용이 대폭 감소된다.
그리고, 본 발명에 따른 위상 격자는 차광패턴의 레이아웃에 상응하여 형성되므로, 임의의 레이아웃의 차광패턴에서도 최적화된 사입사 조명 효과를 얻을 수 있다. 이를 통해서 광 기능(optical performance) 및 웨이퍼 공정능력을 향상시킬 수 있다. 라인 앤드 스페이스와 같이 피치가 일정한 경우가 아니라, x, y 그리고 대각선 방향의 피치가 다양하게 존재하는 패턴을 웨이퍼 상에 구현하는 경우라도, 각 방향에 대한 원하는 CD를 구현할 수 있다. 따라서, 적절한 공정 마진을 확보할 수 있다.
또한, 포토마스크용 투명기판으로서 통상 사용되는 6인치 포토마스크 후면을 식각하거나, 그 위에 도포된 SOG막을 식각함으로써 포토마스크와 일체로 위상 격자를 형성함으로써 앞에 기술한 종래의 여러 가지 문제를 해결할 수 있어 결과적으로양산 적용이 가능해 진다.
뿐만 아니라, 포토마스크 자체에 의하여 사입사 효과를 누릴 수 있으므로, 종래 어퍼쳐를 이용하여 조명계에 전달되는 빛의 일부를 차단하는 구조에 비하여 빛이 투과되는 면적이 크므로 노광량이 커진다. 따라서, 노광시간이 짧아져서 생산성이 증대된다.

Claims (30)

  1. 투명기판;
    상기 투명기판의 전면(前面)에 형성되어 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴; 및
    상기 투명기판의 후면(後面)에 형성되어, 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 상기 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명(modified illumination)을 구현할 수 있는 다수의 위상 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 위상 격자는 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 위상 격자는 입사광을 180°위상반전시키는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 위상 격자는 입사광을 180°미만으로 위상반전시키는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 위상 격자는 등간격의 라인 앤드 스페이스(line & space) 타입으로서 입사광을 180°미만으로 위상반전시키는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 차광패턴은 DRAM 형성을 위한 패턴인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 위상 격자는 상기 투명기판과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 위상 격자는 상기 투명기판의 후면을 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 위상 격자는 상기 투명기판 후면 상에 형성된 위상차를 가지는 물질막을 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 물질막은 SOG(Spin On Glass)막인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  11. 투명기판의 전면(前面)에 패턴 형성을 위한 투광부를 정의하는 다수의 차광패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 투명기판의 후면(後面)에 상기 투명기판과 일체로, 입사되는 광원을 노광설비의 사입사 한계 이상으로 사입사시키고, 어퍼쳐의 최외곽 영역까지 사용할 수 있도록 하며, 상기 차광패턴의 레이아웃에 적합한 형태의 변형 조명(modified illumination)을 구현할 수 있는 다수의 위상 격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 위상 격자를 형성하는 단계는
    상기 투명기판의 후면에 레지스트를 도포하는 단계;
    상기 레지스트를 노광 및 현상하여 원하는 위상 격자를 위한 레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계; 및
    상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 투명기판과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 투명기판의 후면에 HMDS(HexaMethylDisilazane) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 투명기판의 후면에 차징(charging) 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 이-빔(e-beam) 노광설비를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 투명기판과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 투명기판의 후면에 크롬막을 형성하는 단계; 및
    상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 크롬막을 식각함으로써 크롬막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 상기 크롬막 패턴 및 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 수행하고, 상기 크롬막 패턴은 상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계에서 제거되는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 건식 식각과습식 식각을 혼용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 투명기판의 후면을 식각하는 단계는 다단계로 나누어 수행하되, 위상 조절(phase control)과 균일성(uniformity) 향상을 위해 각 단계마다 식각율을 산출하여 그 다음 단계에 적용하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 위상 격자를 형성하는 단계는
    상기 투명기판의 후면에 SOG(Spin On Glass)막을 형성하는 단계;
    상기 SOG막 상에 레지스트를 도포하는 단계;
    상기 레지스트를 노광 및 현상하여 원하는 위상 격자를 위한 레지스트 패턴을 형성하는 단계;
    상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 SOG막을 식각하는 단계; 및
    상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 SOG막과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 SOG막 상에 HMDS(HexaMethylDisilazane) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  20. 제 12 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 레이저(laser) 노광설비를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 SOG막 상에 차징(charging) 방지막을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 이-빔(e-beam) 노광설비를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  22. 제 18 항에 있어서, 상기 SOG막과 레지스트의 점착력을 향상시키기 위하여, 상기 레지스트를 도포하는 단계 전에 상기 SOG막 상에 크롬막을 형성하는 단계; 및
    상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 크롬막을 식각함으로써 크롬막 패턴을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 SOG막을 식각하는 단계는 상기 크롬막 패턴 및 상기 레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 수행하고, 상기 크롬막 패턴은 상기 레지스트 패턴을 제거하는 단계에서 제거되는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  23. 제 15항 또는 제 22 항에 있어서, 상기 레지스트 패턴을 형성하는 단계는 이-빔(e-beam) 노광설비를 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 상기 SOG막을 식각하는 단계는 건식 식각과 습식 식각을 혼용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  25. 제 18 항에 있어서, 상기 SOG막을 식각하는 단계는 다단계로 나누어 수행하되, 위상 조절(phase control)과 균일성(uniformity) 향상을 위해 각 단계마다 식각율을 산출하여 그 다음 단계에 적용하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  26. 제 11 항에 있어서, 상기 다수의 위상 격자는 모서리를 공유하며 모자이크 형태로 배열된 직사각형 패턴들로서 형성하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 위상 격자는 입사광을 180°위상반전시키도록 형성하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법 제조 방법.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 위상 격자는 입사광을 180°미만으로 위상반전시키도록 형성하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  29. 제 11 항에 있어서, 상기 다수의 위상 격자는 등간격의 라인 앤드스페이스(line & space) 타입으로서 입사광을 180°미만으로 위상반전시키도록 형성하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
  30. 제 11 항에 있어서, 상기 차광패턴은 DRAM 형성을 위한 패턴인 것을 특징으로 하는 포토마스크 제조 방법.
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