KR20060000549A - 반도체 장치의 미세 패턴 제조방법 - Google Patents

반도체 장치의 미세 패턴 제조방법 Download PDF

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Abstract

사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 구비하는 노광장비를 사용하여 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하는 방법에서 상기 미세 패턴의 특정한 크기의 스페이스(space)에서 고스트 이미지 패턴(ghost image pattern)의 발생을 억제하기 위하여 상기 마스크의 위상을 변경시켜 반도체 소자의 미세 패턴을 형성한다. 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하여 반도체 소자의 불량을 감소시킨다.

Description

반도체 장치의 미세 패턴 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FINE PATTERN OF SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따라 제조된 반도체 소자의 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 3의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 5는 높은 코히어런스(coherence)에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 6는 상쇄 간섭에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다
도 7은 상쇄 간섭과 디포커스(Defocus)에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 9는 도 8의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면 도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 소자의 패턴를 보여주는 평면도이다.
도 11는 도 10의 반도체 소자의 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 100 : 반도체 기판 5, 105 : 층
5a, 105a : 반도체 소자 패턴 10, 110 : 포토레지스트 패턴
20 : 고스트 이미지 포토레지스트 패턴
5b : 고스트 이미지 패턴 50 : 마스크 패턴
60, 80, 90 : 광의 강도 프로파일 70 : 포토레지스트 노광 문턱전압
85, 95 : 광의 강도가 더 떨어지는 영역
본 발명은 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 구비하는 노광장비를 사용하여 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법에 관한 것이다.
사진 공정 기술은 반도체 소자의 제조에서 패턴 형상을 전사하는 데 널리 이 용되고 있다. 그런데, 반도체 소자의 집적도가 급격히 증가하고 디자인 룰(design rule)이 급격히 감소함에 따라, 사진 공정의 해상도(resolution) 증가가 매우 중요시되고 있다.
사진 공정의 해상도 한계는 노광 광원의 파장, 투영 렌즈(projection lens)의 개구수, 초점 심도 및 공정 변수 등과 같은 여러 가지 오인들에 의해서 결정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 반도체 제조 공정에서의 해상도의 증가 요구가 현재의 노광 장비들의 한계를 넘어서고 있다.
이에 따라, 이러한 사진 공정에서의 해상도의 한계를 조명계(illumination system)를 변형시켜 극복하고자 하는 시도나 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 도입하여 극복하고자 하는 시도가 제시되고 있다.
이에 따라, 메모리 소자의 제조에 있어서도, 메모리 셀 사이즈가 줄어듦에 따라, 종래의 일반적인 조명계에서 애뉼러(annular), 쿼드러폴(quardropole), 크로스폴(crosspole) 및 다이폴(dipole) 등의 사입사 조명계로 변경하여 사용하고 있다.
특히, 상술한 사입사 조명계 중에 다이폴(dipole)을 사용할 경우에 해상도가 양호하여 작은 피치(pitch)에서 CD(critical dimension) 산포 및 LWR(line width roughness)를 개선하는 탁월한 효과가 있으나, 특정한 크기의 스페이스(space)에서 광의 강도(intensity)의 낮아짐(drop)으로 인해 상기 특정 스페이스(space)에 원하지 않는 패턴, 소위 '고스트 이미지(ghost image)'라 불리는 패턴이 발생된다. 이하에서는 고스트 이미지 패턴(ghost image pattern)으로 명명한다.
도 1은 종래 기술에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 1를 참조하면, 층(5)이 형성된 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 다수의 포토레지스트 패턴(10)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스에 고스트 이미지 포토레지스트 패턴(20)이 형성되어 있다.
구체적으로, 층(5)이 형성된 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 구비하는 노광장비를 사용한 사진 공정을 수행하여 다수의 포토레지스트 패턴(10)을 형성한다. 이 때, 통상적으로 위상 변이 마스크의 위상은 180°이다.
이 때, 포토레지스트 패턴(10) 사이의 특정 크기의 스페이스(a)에서 원하지 않는 패턴, 즉 고스트 이미지(ghost image) 포토레지스트 패턴(20)이 발생된다. 그리고, 고스트 이미지 포토레지스트 패턴(ghost image pattern. 20)은 포토레지스트 패턴(10)의 크기에 의존하는 것이 아니고, 포토레지스트 패턴(10) 사이의 스페이서의 거리에 의존하여 발생된다.
도 2는 도 1의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 층(5)이 형성된 반도체 기판(1) 상에 포토레지스트 패턴(10)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스(a)에서 고스트 이미지 포토레지스트 패턴(20)이 형성되어 있다.
도 3은 종래 기술에 따라 제조된 반도체 소자의 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 3을 참조하면, 반도체 기판(1) 상에 반도체 소자 패턴(5a)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스에 고스트 이미지 패턴(5b)이 형성되어 있다.
구체적으로, 도 3를 참조하면, 도 1의 상기 포토레지스트 패턴(10)을 식각 마스크로 이용하여 층(5)을 식각한다. 이때, 도 1의 고스트 이미지 포토레지스트 패턴(20)도 동일하게 식각마스크로 이용되어 층(5)을 식각한다. 이로써, 반도체 기판(1) 상에 반도체 소자의 패턴(5a)과 고스트 이미지 패턴(5b)을 동시에 형성한다.
도 4는 도 3의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 반도체 기판(1) 상에 반도체 소자의 패턴(5a)이 형성되어 있다. 그리고, 반도체 소자의 패턴(5a) 사이에 고스트 이미지 패턴(5b)이 형성되어 있다. 이러한 고스트 이미지 패턴(5b)은 불필요한 것으로 반도체 소자의 불량을 유발시킨다.
상기의 문제점을 해결하고자, 크로스폴(crosspole) 및 변형 다이폴(dipole) 등을 구비하는 다른 사입사 조명계를 사용하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 상기의 다른 사입사 조명계를 사용하는 방법은 노광 속도을 느리게 하여 생산성을 떨어뜨린다.
또한, 상기의 문제점을 해결하고자, 고스트 이미지 패턴(5b)이 형성되는 영역에 해당되는 마스크에 산란 스페이스(scattering space)를 형성하는 방법을 이용하고 있다. 그러나, 상기 산란 스페이스를 형성하는 방법은 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하나, 포커스 마진(margin)을 좁게 한다.
본 발명의 목적은 상기의 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예는 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 구비하는 노광장비를 사용하여 반도체 소자의 미세 패턴를 형성하는 방법에서 상기 미세 패턴의 특정한 크기의 스페이스(space)에서 고스트 이미지 패턴(ghost image pattern)의 발생을 억제하기 위하여 상기 마스크의 위상을 변경시켜 반도체 소자의 미세 패턴을 형성한다.
본 발명에 의하면, 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하여 반도체 소자의 불량을 감소시킨다.
다음에, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명을 돕기 위하여 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)를 사용할 경우에 스페이서 거리에 따른 광의 강도의 프로파일의 변경을 설명한다.
도 5는 높은 코히어런스(coherence)에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 다이폴을 구비한 사입사 조명계로부터 발사되는 광이 마스크에 형성된 패턴(50)을 통과 한 후에 검출되는 광의 강도 프로파일(60)을 나타내고 있다.
도 5에서 보여주듯이, 광의 파장이 패턴(50) 사이의 스페이서 크기(b)에 맞을 때, 광의 강도 프로파일의 모든 부분이 포토레지스트가 정상적으로 노광되는 문턱전압(70)을 넘는다. 그러므로, 모든 영역에서 포토레지스트 패턴이 정상적으로 형성된다.
도 6는 상쇄 간섭에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다
도 6를 참조하면, 다이폴을 구비한 사입사 조명계로부터 발사되는 광이 마스크에 형성된 패턴(50)을 통과하면서 상쇄 간섭에 의하여 변경된 광의 강도 프로파일(80)을 나타내고 있다.
도 6에서 보여주듯이, 광의 파장이 패턴(50) 사이의 스페이서 크기(c)에 맞지 않기 때문에 광이 상쇄 간섭을 일으킨다. 그러므로, 상기 스페이서에 광의 강도가 포토레지스트가 정상적으로 노광되는 문턱전압(70) 이하로 떨어지는 영역(85)이 발생한다.
그러므로, 광의 강도가 떨어지는 영역에서는 후속에 정상적으로 포토레지스트가 현상되지 않고, 불량 패턴인 고스트 이미지 포토레지스트 패턴을 형성한다.
도 7은 상쇄 간섭과 디포커스(Defocus)에서의 광의 강도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 7를 참조하면, 다이폴을 구비한 사입사 조명계로부터 발사되는 광이 마스 크에 형성된 패턴(50)을 통과하면서 상쇄 간섭과 디포커스(Defocus)에 의하여 변경된 광의 프로파일(90)을 나타내고 있다.
도 7에서 보여주듯이, 광의 파장이 패턴(50) 사이의 스페이서 크기(c)에 맞지 않기 때문에 광이 상쇄 간섭을 일으킨다. 또한, 동시에 디포커스(Defocus)가 발생되어 도 6 보다도 광의 강도가 더 떨어지는 영역(95)이 발생한다.
그러므로, 광의 강도가 떨어지는 영역에서는 후속에 정상적으로 포토레지스트가 현상되지 않고, 불량 패턴인 고스트 이미지 포토레지스트 패턴을 형성한다.
상기 도 5 내지 도 7의 결과에 따라, 다이폴 조명계를 적용할 때, 광의 파장과 맞지 않는 스페이스 크기에서 발생되는 광의 강도의 떨어짐 현상을 해결하고자 위상 변이 마스크(phase shift mask)의 위상을 변화시켜 해결하고자 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 포토레지스트 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 8를 참조하면, 층(105)이 형성된 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 다수의 포토레지스트 패턴(110)이 형성되어 있다. 특정한 크기의 스페이스에 고스트 이미지 패턴이 형성되어 있지 않다.
구체적으로, 층(105)이 형성된 반도체 기판(도시하지 않음) 상에 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)의 위상을 변경시킨 위상 변이 마스크를 구비하는 노광장비를 사용한 사진 공정을 수행하여 다수의 포토레지스트 패턴(110)을 형성한다.
이 때, 바람직하게는 상기 위상 변이 마스크의 위상을 종래의 180°에서 230 °내지 270°로 변경시킨 위상 변이 마스크를 사용하였다.
미 도시하였지만, 상기 230°내지 270°로 변경시킨 위상 변이 마스크는 투과성 퀄츠 재질의 기판 상에 230° 내지 270°의 위상과 8% 광 투과율의 특성을 갖는 몰리브덴 실리사이드층을 형성하여 제조 될 수 있다. 특히, 상기 위상의 변경은 상기 몰리브덴 실리사이드층의 두께로 결정되어 진다.
상기 위상 변이 마스크의 위상 변경은 상기 마스크의 위상을 전체적으로 230°내지 270°로 변경시킬 수도 있고, 사입사 조명계에서 발사되는 광의 강도의 떨어짐이 발생하는 특정한 크기의 스페이스에 해당하는 상기 위상 변이 마스크의 위상을 230°내지 270°로 변경시킬 수도 있다. 본 발명에서는 바람직하게 상기 마스크의 위상을 전체적으로 변경시킨다.
상술한 위상 변이 마스크의 위상을 변경시켜 노광 장비에 적용하였을 때, 도 8에서 보여주듯이, 본 발명의 일 실시예에서는 포토레지스트 패턴(110) 사이의 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 포토레지스트 패턴이 발생하지 않았다.
도 9는 도 8의 포토레지스트 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 층(105)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 포토레지스트 패턴(105)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스(a)에서 포토레지스트가 정상적으로 현상되어 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 반도체 소자의 패턴를 보여주는 평면도이다.
도 10를 참조하면, 반도체 기판(100) 상에 반도체 소자 패턴(105a)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스에 고스트 이미지 패턴(20)이 형성되어 있지 않다.
구체적으로, 도 8의 포토레지스트 패턴(110)을 식각 마스크로 이용하여 층(105)을 식각하여 반도체 소자의 패턴(105a)을 형성한다. 이 때, 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 포토레지스트 패턴이 없으므로, 고스트 이미지 패턴이 형성되지 않는다.
도 11는 도 10의 반도체 소자의 패턴을 I-I' 방향으로 절단하여 보여주는 단면도이다.
도 11를 참조하면, 층(105)이 형성된 반도체 기판(100) 상에 반도체 소자의 패턴(105a)이 형성되어 있다. 그리고, 특정한 크기의 스페이스(a)에서 고스트 이미지 패턴이 형성되어 않고 정상적으로 층(105)이 제거되어 있다.
이로써, 반도체 소자의 특정한 크기의 스페이스에서 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하여 반도체 소자의 불량을 감소시킨다.
<위상의 변경에 따른 고스트 이미지 포토레지스트 패턴의 발생에 대한 시뮬레이션(simulation) 결과>
위상 변이 마스크의 위상의 변경에 따른 반도체 소자의 특정 스페이스를 갖는 포토레지스트 패턴에서 고스트 이미지 포토레지스트 패턴의 발생에 대한 시뮬레이션(simulation) 결과를 표 1에 기록하였다.
위상의 변경 140° 160° 180° 200° 220° 240°
고스트 이미지 포토레지스트 패턴 발생 결과 유 유 유 유 무 무
표 1를 참조하면, 위상 변이 마스크의 위상을 140°에서 240°까지 20° 단위로 변경시키면서 시뮬레이션을 실시하였다.
결과적으로, 고스트 이미지 포토레지스트 패턴의 발생은 마스크의 위상이 220°내지 240°에서는 고스트 이미지 패턴이 발생되지 않음을 확인했다.
<위상의 변경과 마스크 상에 형성된 패턴의 피치의 변경에 따른 메모리 소자의 고스트 이미지 포토레지스트 패턴의 발생에 대한 평가 결과>
위상의 변경과 마스크 상에 형성된 패턴의 피치를 변경시키면서 고스트 이미지 포토레지시트 패턴의 발생에 대한 시뮬레이션(simulation) 결과를 표 2에 기록하였다.( 상기 패턴의 피치는 포토레지스트 패턴인 바와 포토레지스트 패턴 사이의 스페이스의 합이다)
160° 180° 200° 220° 240°
0.62㎛ 유 유 유 무 무
0.66㎛ 유 유 유 유 무
0.70㎛ 유 유 유 무 무
0.74㎛ 무 무 무 무 무
0.78㎛ 무 무 무 무 무
0.82㎛ 무 무 무 무 무
표 1를 참조하면, 위상을 160°에서 240°까지 20°단위로 변경시키고, 마스크 상에 형성된 패턴의 피치를 0.62㎛에서 0.82㎛까지 0.04㎛ 단위로 변경시키면서 시뮬레이션을 실시하였다. 여기서, 상기 패턴의 피치의 모든 조건에서 스페이스를 0.04㎛ 단위의 변경시켰다. 그러므로, 상기 패턴의 모든 조건에 바는 동일 크기이다.
결과적으로, 마스크의 위상이 클수록 고스트 이미지 포토레지스트 패턴이 생하지 않는다는 것을 알 수 있었다.
본 발명에 따르면, 위상 변이 마스크의 위상을 변경시켜 특정 스페이스에서 고스트 이미지 패턴의 발생을 억제하여 반도체 소자의 불량을 감소시킨다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 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 (3)

  1. 사입사 조명계(off-axis illumination)인 다이폴(dipole)과 위상 변이 마스크(phase shift mask)를 구비하는 노광장비를 사용하여 반도체 소자의 미세 패턴을 형성하는 방법에 있어서,
    상기 미세 패턴의 특정한 크기의 스페이스(space)에서 고스트 이미지 패턴(ghost image pattern)의 발생을 억제하기 위하여 상기 마스크의 위상을 변경시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마스크의 위상을 변경시키는 것은,
    상기 미세 패턴의 특정한 크기의 스페이스에 해당하는 상기 마스크의 위상을 변경시키는 것을 특징으로 하는 변경시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마스크의 위상을 변경시키는 것은,
    상기 마스크의 위상을 230°내지 270°로 변경시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 미세 패턴 형성방법.
KR1020040049460A 2004-06-29 2004-06-29 반도체 장치의 미세 패턴 제조방법 KR20060000549A (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8241820B2 (en) 2009-01-15 2012-08-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Photomask used in fabrication of semiconductor device

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US8241820B2 (en) 2009-01-15 2012-08-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Photomask used in fabrication of semiconductor device

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