KR20040079613A - 포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 웨이퍼에 대한 상에 미세 피치의 콘택-홀(contact-hole)을 형성하기 위한 노광 공정에서 사용되는 포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법에 관한 것으로서, 포토 마스크가 콘택-홀의 형성을 위한 영역으로서 광원으로부터의 빛이 0°의 위상차로 투과되는 영역과 위상차 반전 홈이 형성되어 광원으로부터의 빛이 180° 위상차로 투과되는 영역을 갖는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 콘택-홀 형성을 위한 영역을 형성하는 차광막을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 반도체 웨이퍼 상에 0.3㎛이하의 미세 피치를 가지며 반복적으로 형성되는 콘택-홀의 형성이 가능하다.

Description

포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법{Photo mask and forming method for fine pitch contact-hole using thereof}

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 웨이퍼에 대한 상에 미세 피치의 콘택-홀(contact-hole)을 형성하기 위한 노광 공정에서 사용되는 포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 장치가 고집적화, 고용량화 되어 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 포토 마스크(photo mask), 즉 레티클(reticle)의 제작에 있다. 원하는 패턴을 형성하기 위해 반도체 기판 상에 사진 공정이 수행되며, 이 사진 공정은 패터닝(patterning)된 포토 마스크를 사용하여 반도체 기판에 노광을 하므로 실현된다.

기존의 포토 마스크는 투명 기판에 패터닝된 차광막이 증착된 구조의 것이 사용되어져 왔다. 그러나, 낮은 해상도(resolution)와 좋지 않은 초점심도(DOF; Depth Of Focus)로 개선이 요구됐다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 것이 투명 기판에 하프톤(halftone) 위상 반전막이 형성된 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 역이용하는 것이다. 이에 의해, 포토 마스크를 투과한 가상(aerial image)의 콘트라스트(contrast)가 증가되어 해상도와 초점심도를 개선될 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 콘택-홀(contact hole) 형성을 위한 바이너리 포토 마스크(binary mask)를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃(layout), 명암 프로파일 그래프, 및 가상(aerial image)이고, 도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 하프-톤 위상 반전 마스크를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃, 명암 프로파일 그래프, 및 가상이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 바이너리 포토 마스크(60)는 투명 기판(61)에 콘택-홀 영역의 투명 기판을 노출시키도록 소정 패턴으로 빛의 투과를 차단하는 차광막(63)이 증착되어 있는 구조를 갖는다. 투명 기판(61)은 석영 기판이 사용되며 차광막(63)으로는 보통 크롬(Cr)이 사용된다. 이와 같은 콘택-홀 형성을 위한 바이너리 포토 마스크(60)는 예를 들어 도 1b에서와 같은 레이아웃(layout)을 가지고, 도 1c에서와 같은 명암 프로파일(intensity profile)을 나타내며, 시뮬레이션(simulation)에 의해 도 1d에서와 같은 가상(aerial image)을 나타낸다.

그리고, 도 2a에 도시된 바와 같이 하프톤 위상 반전 포토 마스크(50)는 투명 기판(51) 상에 하프톤 위상 반전막(53)이 형성되어 있는 구조로서, 하프톤 위상 반전막(53)에 의해 위상의 반전 없이 빛이 투과되는 영역과 하프톤 위상 반전막(53)을 투과하여 빛이 위상 반전되는 영역으로 구분된다. 콘택-홀의 형성을 위하여 도 2b에 도시된 바와 같은 레이아웃을 가지며, 도 2c에서와 같은 명암 프로파일을 갖는다. 하프톤 위상 반전 마스크(50)를 사용하여 콘택-홀을 형성할 경우의 시뮬레이션 결과 도 2d에서와 같은 가상을 나타낸다. 이와 같은 하프톤 위상 반전포토 마스크(50)는 하프톤 위상 반전막(53)의 광 투과율을 의도적으로 5-12% 정도로 하여 하프톤 위상 반전막을 투과하는 광과 투명 기판만을 투과하는 광 사이에 위상차를 180°로 유지시킴으로써 가상(aerial image)의 콘트라스트를 향상시킬 수 있어 효과적이다.

전술한 바와 같은 종래의 포토 마스크들은 콘택-홀 형성에 있어서 한계가 있다. 하프톤 위상 반전 포토 마스크는 투과율이 10%미만으로 낮아 해상도를 향상시키는 데 한계를 갖고 있고, 광 투과율이 30% 이상이 되면 위상 반전막을 통과한 빛이 반도체 기판 상의 포토레지스트막에 노광되어 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 주기 때문에 하프톤 위상 반전 마스크의 최대 광 투과율은 30%를 넘을 수 없다. 콘택-홀들의 피치(pitch)가 감소됨에 따라 바이너리 포토 마스크 및 하프톤 위상 반전 마스크를 이용하여도 0.3㎛ 피치 이하의 콘택-홀 구현이 어렵고, 개구수(NA; Numerical aperture)가 0.7 정도인 노광 장치에서는 패턴 형성이 되지 않는다. 또한, 아직까지는 고 투과율을 가지면서 180°의 위상차를 주는 물질의 개발이 어렵다. 따라서, 고 개구수(high NA) 장비에 대한 개발이 필요하다. 일반적인 분해능 R은 수학식1에서 알 수 있는 바와 같이 노광원 파장 λ가 일정할 때 개구수 NA가 커질수록 좋아지기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은 0.3㎛ 피치 이하의 미세 피치로 반도체 웨이퍼 상에 콘택-홀을 형성할 수 있는 포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법을 제공하는 데에 있다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 콘택-홀(contact hole) 형성을 위한 바이너리 포토 마스크(binary mask)를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃(layout), 명암 프로파일 그래프, 및 가상(aerial image)을 나타낸다.

도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 위상 반전 마스크를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃, 명암 프로파일 그래프, 및 가상을 나타낸다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 포토 마스크를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃, 명암 프로파일 그래프, 및 가상을 나타낸다.

도 4내지 도 6은 본 발명에 따른 콘택-홀 형성 방법에 따른 공정 진행을 나타낸 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10,50,60; 포토 마스크 11,51,61; 투명 기판

13,63; 차광막 15; 위상 반전 홈

31; 금속층 33; 절연막

35; 포토레지스트막 37; 콘택-홀

53; 하프톤 위상 반전막

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포토 마스크는, 반도체 웨이퍼에 대한 반복적인 패턴의 콘택-홀 형성을 위한 포토 마스크로서, 콘택-홀의 형성을 위한 영역으로서 광원으로부터의 빛이 0°의 위상차로 투과되는 영역과 위상차 반전 홈이 형성되어 광원으로부터의 빛이 180° 위상차로 투과되는 영역을 갖는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 콘택-홀 형성을 위한 영역을 형성하는 차광막을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 콘택-홀 형성 방법은, 반도체 기판 상의 절연막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와, 투명 기판에 콘택-홀의 형성을 위한 영역이 차광막에 의해 형성되어 있고 그 콘택-홀 형성을 위한 영역이 광원으로부터의 빛이 0°의 위상차로 투과되는 영역과 위상차 반전 홈에 의해 180° 위상차로 투과되는 영역이 형성된 포토 마스크로 노광하여 상기 포토레지스막에 대한 콘택-홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 포토 마스크와 그를 이용한 콘택-홀 형성 방법을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 포토 마스크를 개략적으로 나타낸 단면도, 마스크 레이아웃(layout), 명암 프로파일 그래프, 및 가상(aerial image)이다.

도 3a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 포토 마스크(10)는 투명 기판(11) 상에 차광막(13)이 증착되어 광원으로부터 빛을 투과시키는 영역(A,B)과 빛을 차단하는 영역(C)이 형성되어 있고, 빛을 투과시키는 영역(A,B)은 다시 투과되는 빛이 0°의 위상차를 갖고 투과되는 영역(A)과 180°의 위상차로 투과되는 영역(B)으로 이루어져 있다. 투명 기판(11)에 투과되는 빛의 반전을 위하여 위상 반전 홈(15)이 형성되어 광원으로부터의 빛이 180°의 위상차로 투과될 수 있게 된다. 위상 반전 홈(15)은 차광막(13)이 형성된 면으로부터 일정 깊이로 형성된다. 여기서, 광원으로부터의 빛이 투과하는 영역들(A,B)이 반도체 웨이퍼 상에 반복적으로 형성될 콘택-홀에 대응된다. 투명 기판(11)으로는 석영 기판이 사용될 수 있다. 이와 같은 포토 마스크는 반복적인 콘택-홀의 형성을 위하여 도 3b에 도시된 바와 같은 레이아웃을 가지게 된다. 여기서, 참조번호 21이 0°의 위상차를 갖고 투과되는 영역이고 참조번호 25가 180°의 위상차를 갖고 투과되는 영역이며 참조번호 23은 차광막이다. 이와 같은 포토 마스크는 도 3c에서와 같은 명암 프로파일을 가지며, 도 3d에는 콘택-홀을 형성할 경우의 시뮬레이션 결과에 의한 가상을 갖는다. 도 3c의 명암 프로파일에 나타난 바와 같이 종래에 비하여 초점심도가 매우 좋게 나타남을 알 수 있고, 도 3d에서와 같이 콘택-홀 피치가 매우 작은 경우에도 가상이 잘 나타남을 알 수 있다.

전술한 실시예에서와 같이 본 발명의 포토 마스크는 콘택-홀 형성을 위한 투과 영역으로서 0°와 180°의 위상차의 투과 영역을 가지며 각각의 영역이 반복적으로 배치되도록 함으로써 명암 콘트라스트를 증가시켜 주어 0.3㎛이하의 미세 피치의 콘택-홀 형성을 가능하게 한다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 콘택-홀 형성 방법에 따른 공정 진행을 나타낸 단면도이다. 먼저, 도 4에서와 같이 콘택-홀의 형성을 위하여 먼저 반도체 웨이퍼의 소정의 회로배선을 형성하는 금속층(metal layer; 31) 위의 절연막(33) 상에 포토레지스트막(35)을 형성한다. 그리고, 도 5에서와 같이 형성하고자 하는 콘택-홀에 대응되는 영역이 차광막(13)에 의해 형성되어 있고 그 콘택-홀에 대응되는 영역이 광원으로부터의 빛이 0°와 180°의 위상차를 갖도록 위상 반전 홈(15)이 형성된 부분과 형성되지 않은 부분이 이웃하도록 하여 형성된 포토 마스크(10)를 반도체 웨이퍼에 정렬시킨 후 노광을 진행한다. 노광이 완료된 후 포토레지스트막(35)을 벗겨내면 도 6에서와 절연막 하부의 금속층(31)과 추후에 형성된 금속층을 연결시키기 위한 콘택-홀(37)의 형성이 완료된다.

이상과 같은 본 발명에 따른 포토 마스크 및 콘택-홀 형성 방법에 의하면, 반도체 웨이퍼 상에 0.3㎛이하의 미세 피치를 가지며 반복적으로 형성되는 콘택-홀의 형성이 가능하다. 따라서, 미세 패턴의 고집적화된 반도체 장치의 구현이 가능하다.

Claims (2)

1. 반도체 웨이퍼에 대한 반복적인 패턴의 콘택-홀 형성을 위한 포토 마스크로서, 콘택-홀의 형성을 위한 영역으로서 광원으로부터의 빛이 0°의 위상차로 통과되는 영역과 위상차 반전 홈이 형성되어 광원으로부터의 빛이 180°의 위상차로 통과되는 영역을 갖는 투명 기판과, 상기 투명 기판 상에 콘택-홀 형성을 위한 영역을 형성하는 차광막을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토 마스크.
2. 반도체 기판 상의 절연막 상에 포토레지스트막을 형성하는 단계와, 투명 기판에 콘택-홀의 형성을 위한 영역이 차광막에 의해 형성되어 있고 그 콘택-홀 형성을 위한 영역이 광원으로부터의 빛이 0°의 위상차로 투과되는 영역과 위상차 반전 홈에 의해 180° 위상차로 투과되는 영역이 형성된 포토 마스크로 노광하여 상기 포토레지스막에 대한 콘택-홀을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 콘택-홀 형성 방법.