KR20050117880A - 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법 - Google Patents

중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 레디칼과 중성빔만을 선택적으로 프로세스 챔버에 제공하여 상부 포토 마스크의 표면에 실리콘 산화막을 형성하므로, 종래와 같이 산소 플라즈마에 존재하는 이온에 노출되는 것에 비하여 상부 포토 마스크의 손상을 최소화하면서 실리콘 산화막을 형성할 수 있다. 또한, 프로세스 챔버의 압력을 최대한으로 낮추어 프로세스 챔버에 존재하는 레디칼의 양을 최소로 한 후 상부 윈도우에 노출된 하부 감광막 부분을 식각하기 때문에, 레디칼에 의한 측면 식각을 최소화하면서 중성빔에 의한 수직 식각을 진행할 수 있어 상부 윈도우에 대응되는 하부 윈도우의 수직 프로파일을 쉽게 얻을 수 있다. 그리고 낮은 에너지의 중성빔을 제공하여 상부윈도우에 노출된 하부 감광막 부분을 식각하기 때문에, 중성빔에 의한 상부 포토 마스크의 손상을 최소화할 수 있다.

Description

중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법 {method of forming bi-layer photo mask using neutral beam source}
본 발명은 포토 마스크의 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상부 마스크와 하부 마스크로 이루어지는 이중층 포토 마스크의 형성 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원판 형태의 웨이퍼(예컨대, 실리콘 기판) 상에 반도체 소자를 제조하기 위해서는 절연층과 도전층을 번갈아 적층하면서 소정의 패턴으로 형성하는 기술이 필요하다. 이러한 기술을 소위 사진석판술(photolithography)이라 한다.
사진석판술은 마스크에 형성된 소정의 패턴을 도포, 노광, 현상, 식각 등의 일련의 공정을 통하여 웨이퍼로 이식시키는 기술이다. 이 과정에서 웨이퍼 상에 원하는 형상의 패턴을 형성하거나 또는 선택적으로 제거하기 위하여 먼저 마스크(mask)를 형성하는 것이 필요하며, 통상적으로 감광제(photoresist)를 이용한 포토 마스크(photo mask)가 사용된다. 이와 같은 포토 마스크를 형성하고 제거하는 공정을 사진 공정(lithography step)이라 한다.
그런데 반도체 소자의 디자인 룰이 극도로 작아짐에 따라 사진 공정이 가능한 감광막의 두께는 점점 낮아지고 있다. 반면에 반도체 소자의수직 방향 크기는 여러 가지 이유 때문에 그다지 줄어들지 않고 있다. 따라서 얇은 감광막을 이용하여 두꺼운 막을 식각해야 하는 요구가 점점 늘고 있으나, 식각 공정 자체의 한계로 인하여 더 높은 포토레지스트의 선택비를 확보하여 두꺼운 막을 식각하는 것은 매우 어렵다.
이러한 한계를 극복하기 위하여 개발된 기술 중의 하나가 이중층(bi-layer) 포토 마스크를 이용하는 방법이다. 이중층 포토 마스크는 실리콘이 함유된 감광제로 형성된 상부 포토 마스크와, 일반적인 감광제로 형성된 하부 포토 마스크로 이루어진다.
이중층 포토 마스크를 형성하는 종래의 방법은 다음과 같다. 먼저, 하부 감광막 위에 실리콘이 함유된 감광제를 도포하여 상부 감광막을 형성한다. 그리고 일반적인 사진 공정을 진행하여 상부 감광막을 패터닝하여 상부 포토 마스크를 형성한다. 다음으로 상부 포토 마스크에 대해 선택비를 갖는 건식 식각 공정 조건에서 하부 감광막을 식각한다.
하부 감광막을 건식 식각하는 공정은 산소(O2) 가스를 기본으로 한 산소 플라즈마를 이용한다. 상부 포토 마스크에 함유된 실리콘은 산화 반응에 의하여 산소 가스에 대한 보호층(즉, 실리콘 산화막)을 만들기 때문에, 하부 감광막이 식각되는 동안 상부 포토 마스크가 식각되지 않도록 선택비를 확보할 수 있다.
그런데 상부 포토 마스크에 함유된 실리콘의 양이 전체의 10 내지 15% 정도로 그다지 많지 않고 나머지 성분은 하부 감광막의 소재와 거의 유사하기 때문에, 높은 선택비를 얻는 것은 어렵다. 특히, 하부 감광막을 식각하기 위한 초기 단계에는 상부포토 마스크 표면에 실리콘산화막이 없기 때문에, 선택비가 매우 낮게 된다. 따라서 초기에 산소 플라즈마 내의 이온이 포토 마스크 표면에 충돌하면서 상부 포토 마스크 표면을 깎기 때문에, 상부 포토 마스크의 손실이 크게 나타나서 원하는 형태의 이중층 포토 마스크를 형성하기는 쉽지 않다.
따라서 본 발명의 목적은 상부 포토 마스크의 손실을 방지하면서 이중층 포토 마스크를 형성하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상부 포토 마스크와 하부 감광막 사이에 높은 선택비를 확보하여 원하는 형태의 이중층 포토 마스크를 형성하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 산소 가스를 기본으로 하여 플라즈마 챔버에서 발생되는 중성빔 소스를 선택적으로 프로세스 챔버로 제공하여 이중층 포토 마스크를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법은, (a) 실리콘 기판 위에 하부 감광막과 실리콘이 함유된 상부 감광막을 차례로 도포하는 단계와 (b) 상기 상부 감광막을 패터닝하여 상부 포토 마스크를 형성하는 단계와 (c) 상기 상부 포토 마스크가 형성된 상기 실리콘 기판을 상기 프로세스 챔버로 제공하는 단계와 (d) 상기 플라즈마챔버의 중성빔 소스에서 레디칼과 중성빔을 선택적으로 상기 프로세스 챔버로 제공하여 상기상부 포토 마스크의 표면에 표면 산화막을 형성하는 단계 및 (e) 상기 플라즈마 챔버의 중성빔 소스에서 레디칼이 최소화된 저에너지의 중성빔을 상기 프로세스 챔버로 제공하여 상기 상부 포토 마스크에 노출된 상기 하부 감광막을 식각하여 상기 상부 포토 마스크에 대응되게 하부 포토 마스크를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법에 있어서, 상기 (d) 단계에서는 상기 플라즈마 챔버의 이온 추출기의 가속 전압을 조절하여 레디칼과 중성빔만을 상기 프로세스 챔버로 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 (e) 단계에서는 0.01 내지 5mTorr의 압력에서 10 내지 200eV의 중성빔을 상기 프로세스 챔버로 제공하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 보다 명확히 하기 위함이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 다소 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소들의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
실시예
도 1은 중성빔을 이용하는 식각 장치(50)를 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 중성빔을 이용한 식각 장치(50; 이하, '중성빔 식각 장치'라 함)는 프로세스 챔버(20; process chamber)와 중성빔 발생부(30)를 포함한다. 프로세스 챔버(20)는 웨이퍼(10)가 탑재되는 스테이지(24; stage)를 구비한다. 중성빔 발생부(30)는 프로세스 챔버(20) 내로 중성빔을 공급하기 위하여 중성빔을 발생시킨다. 중성빔 발생부(30)는 소스 가스(21)로부터 플라즈마를 포함한 중성빔 소스를 발생시키는 플라즈마 챔버(32; plasma chamber)를 포함한다. 또한, 중성빔 발생부(30)는 플라즈마 챔버(32)와 프로세스 챔버(20) 사이에 차례로 설치된 이온 추출기(34; ion extractor)와 중화기(36; neutralizer)를 포함한다.
플라즈마 챔버(32)에서 발생된 중성빔 소스는 중성빔(neutral beam) 뿐만 아니라 이온(ion), 레디칼(radical), 전자 등을 포함한다. 플라즈마 챔버(32) 내의 중성빔을 매스 플로우(mass flow)하여 프로세스 챔버(20)로 공급할 때, 이온, 전자 등은 이온 추출기(34)와 중화기(36)에 의하여 추출되거나 중성빔으로 변화된다. 프로세스 챔버(20)로 공급된 중성빔은 스테이지(24)에 탑재된 웨이퍼(10) 위에 분사되면서 식각 작용을 하게 된다. 식각 공정 후 잔류가스(29)는 프로세스 챔버(20) 밖으로 배출된다.
본 발명의 실시예에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법은 전술한 중성빔 식각 장치(50)를 이용한다. 본 발명의 실시예에 따른 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법이 도 2의 공정 흐름도(40)에 도시되어 있다. 그리고 도 3 내지 도 6은 도 2의 형성 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들이다. 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이중층 포토 마스크의 형성 방법을 설명하겠다. 도면을 통틀어 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 감광막(12)과 상부 감광막(14)이 차례로 도포된 실리콘 기판(10)을 준비한다(도 2의 41). 실리콘 기판(10) 위에 형성되는 이중 감광막(12, 14)의 두께는 식각할 하부막(12)의 두께에 따라 달라지며, 상부 감광막(14)은 하부 감광막(12)에 비하여 얇게 형성한다. 예컨대, 하부 감광막(12)은 3000 내지 9000??, 상부 감광막(14)은 2000?? 이하로 형성한다. 본 실시예는 실리콘 기판(10) 위에 곧바로 이중 감광막(12, 14)이 형성된 예를 개시하였지만, 실리콘 기판(10)과 이중 감광막(12, 14) 사이에 적어도 한 개 이상의 다른 층이 형성되어 있을 수 있다.
하부 감광막(12)의 소재는 일반적으로 사용되는 감광제이며, 예컨대 유기물 감광제, 비정질 탄소(amorphous carbon) 감광제 등을 포함할 수 있다. 상부 감광막(14)의 소재는 실리콘이 10 내지 50%가 함유된 실리콘 감광제가 사용된다.
다음으로 도 4에 도시된 바와 같이, 상부 감광막(14)을 노광, 현상하여 소정을 패턴을 갖는 상부 포토 마스크(13)를 형성한다(도 2의 42). 이 때, 상부 포토 마스크(13)에는 하부 감광막(12)을 부분적으로 노출시키는 상부 윈도우(15)가 형성된다.
이어서 실리콘 기판(10)을 프로세스 챔버(20)에 로딩하여 스테이지(24)에 탑재하고(도 2의 43), 플라즈마 챔버(32)에서 프로세스 챔버(20)로 레디칼과 중성빔을 제공한다(도 2의 44). 따라서 상부 포토 마스크(13)에 함유된 실리콘이 산화되면서, 도 5에 도시된 바와 같이 상부 포토 마스크(13)의 표면에 실리콘 산화막(16)이 형성된다(도 2의 45). 이 때, 플라즈마 챔버(32)에 공급되는 소스 가스(21)는 산소(O2) 가스를 기본으로 하며, 아르콘(Ar) 가스, 헬륨(He) 가스, 질소(N2) 가스 등이 선택적으로 포함될 수 있다.
특히, 플라즈마 챔버(32)로부터 프로세스 챔버(20)로 레디칼과 중성빔을 제공할 때, 이온 추출기(34)의 가속 전압을 조절함으로써 플라즈마 챔버(32)에 존재하는 이온이 프로세스 챔버(20)로 제공되는 것을 억제할 수 있다. 이와 같은 공정 조건에서 상부 포토 마스크(13)의 표면에 실리콘 산화막(16)을 형성하기 때문에, 종래와 같이 산소 플라즈마에 존재하는 이온에 상부 포토 마스크(13)가 직접 노출되는 것에 비해서 상부 포토 마스크(13)의 손상을 최소화하면서 실리콘 산화막(16)을 형성할 수 있다. 그리고 실질적인 하부 감광막(12)에 대한 식각 공정을 진행하기 전에 상부 포토 마스크(13)의 표면에 실리콘 산화막(16)을 형성함으로써, 다음에 진행될 중성빔 식각 공정에서 중성빔에 의한 상부 포토 마스크(13)의 손실을 최소화할 수 있다.
이어서 도 6에 도시된 바와 같이, 저에너지 중성빔을 제공하면서(도 2의 46),상부 포토 마스크(13)를 식각 마스크로 하여 하부 감광막(도 5의 12)을 식각한다. 따라서 하부 감광막이 선택적으로 식각되면서 하부 포토 마스크(17)가 형성된다(도 2의 47). 저에너지 중성빔을 제공할 때는 프로세스 챔버(20)의 압력을 가능한 최대로 낮추어 프로세스 챔버(20)에 존재하는 레디칼의 양을 최소로 한다. 저에너지 중성빔은 상부 윈도우(15)에 노출된 하부 감광막 부분을 식각한다. 따라서 하부 포토 마스크(17)에는 상부 윈도우(15)에 대응되는 하부 윈도우(19)가 만들어진다.
이상 설명한 바와 같이 상부 포토 마스크(13)와 하부 포토 마스크(17)로 이루어지는 이중층 포토 마스크(18)를 형성하면, 상부 윈도우(15)와 하부 윈도우(19)로 이루어지는 윈도우(11)를 통하여 실리콘 기판(10)의 식각 목표 부분이 노출된다.
한편, 프로세스 챔버(20)의 압력을 낮게 조절하여 레디칼의 양을 최소화하면, 레디칼에 의한 측면 식각(lateral etching)을 최소화하면서 중성빔에 의한 수직 식각(vertical etching)을 진행할 수 있기 때문에, 윈도우(11)의 수직 프로파일(vertical profile)을 쉽게 얻을 수 있다. 그리고 낮은 에너지의 중성빔을 제공함으로써 중성빔에 의해 상부 포토 마스크(13)가 손상되는 것을 최소화할 수 있다.
하부 감광막(도 5의 12)에 대한 바람직한 식각 공정 조건은, 프로세스 챔버(20)의 압력을 0.01 내지 5mTorr로 유지한 상태에서 10 내지 200eV의 중성빔을 프로세스 챔버(20)의 실리콘 기판(10)으로 제공하는 것이다. 따라서 상부 포토 마스크(13)와 하부 감광막(도 5의 12) 사이에 높은 선택비를 얻을 수 있다.
그리고 하부 감광막(도 5의 12)을 식각하여 실리콘 기판(10)이 노출되는 시점인 식각 종말점(end point)을 검출하기 위하여 RGA(Residual Gas Analyzer) 또는 일립서메터(ellipsometer)와 같은 식각 종말점 검출 장치(End Point Detector EPD)를 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 이중층 포토마스크 형성 방법은, 플라즈마 영역에서 선택적으로 레디칼과 중성빔을 제공하여 상부 포토 마스크에 함유된 실리콘을 산화시킴으로써 상부 포토 마스크의 표면에 실리콘 산화막을 형성하기 때문에, 종래와 같이 산소 플라즈마에 존재하는 이온에 노출되는 것에 비해서 상부 포토 마스크의 손상을 최소화하면서 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법은, 프로세스 챔버의 압력을 최대한 낮추어 프로세스 챔버에 존재하는 레디칼의 양을 최소로 한 후 상부 윈도우에 노출된 하부 감광막 부분을 식각하기 때문에, 레디칼에 의한 측면 식각을 최소화하면서 중성빔에 의한 수직 식각을 진행할 수 있어 상부 윈도우에 대응되는 하부윈도우의 수직 프로파일을 쉽게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법은, 낮은 에너지의 중성빔을 제공하여 상부 윈도우에 노출된 하부 감광막 부분을 식각하기 때문에, 중성빔에 의한 상부 포토 마스크의 손상을 최소화할 수 있는 장점도 있다.
본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 중성빔을 이용하는 식각 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 식각 장치를 이용하는 본 발명의 실시예에 따른 이중층 포토 마스크 형성 방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 3 내지 도 6은 도 2의 형성 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들로서,
도 3은 실리콘 기판 위에 이중 감광막이 형성된 상태를 보여주는 단면도이고,
도 4는 상부 감광막을 패터닝하여 상부 포토 마스크를 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 5는 레디칼과 중성빔을 공급하여 상부포토 마스크의 표면에 실리콘 산화막을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 6은 저에너지의 중성빔을 제공하여 상부 포토 마스크를 식각 마스크로 하부 감광막을 식각하여 하부 포토 마스크를 형성하는 단계를 보여주는 단면도이다.
<도면에 사용된 참조 번호의 설명>
10: 웨이퍼 11: 윈도우
12: 하부 감광막 13: 상부 포토 마스크
14: 상부 감광막 15: 상부 윈도우
16: 실리콘 산화막 17: 하부 포토 마스크
18: 이중 포토 마스크 19: 하부 윈도우
20: 프로세스 챔버 21: 소스 가스
24: 스테이지 29: 잔류 가스
30: 중성빔 발생부 32: 플라즈마 챔버
34: 이온 추출기 36: 중화기
50: 중성빔 식각 장치

Claims (3)

  1. 산소 가스를 기본으로 하여 플라즈마챔버에서 발생되는 중성빔 소스를 선택적으로 프로세스 챔버로 제공하여 이중층 포토 마스크를 형성하는 방법으로서,
    (a) 실리콘 기판 위에 하부 감광막과 실리콘이 함유된 상부 감광막을 차례로 도포하는 단계
    (b) 상기 상부 감광막을 패터닝하여 상부 포토 마스크를 형성하는 단계
    (c) 상기 상부 포토 마스크가 형성된 상기 실리콘 기판을 상기 프로세스 챔버로 제공하는 단계
    (d) 상기 플라즈마 챔버의 중성빔 소스에서 레디칼과 중성빔을 선택적으로 상기 프로세스 챔버로 제공하여 상기 상부 포토 마스크의 표면에 표면 산화막을 형성하는 단계 및
    (e) 상기 플라즈마 챔버의 중성빔 소스에서 레디칼이 최소화된 저에너지의 중성빔을 상기 프로세스 챔버로 제공하여 상기 상부 포토 마스크에 노출된 상기 하부 감광막을 식각하여 상기 상부 포토 마스크에 대응되게 하부포토 마스크를 형성하는 단계를 포함하는 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서는 상기 플라즈마 챔버의 이온 추출기의 가속 전압을 조절하여 레디칼과 중성빔만을 상기 프로세스 챔버로 제공하는 것을 특징으로 하는 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 (e) 단계에서는 0.01 내지 5mTorr의 압력에서 10 내지 200eV의 중성빔을 상기프로세스 챔버로 제공하는 것을 특징으로 하는 중성빔 소스를 이용한 이중층 포토 마스크 형성 방법.
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