KR20070002629A - 크롬리스 위상반전마스크 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크롬리스 위상반전마스크 형성방법에 관한 것으로, 예정된 형태의 크롬리스 위상반전마스크를 형성하기 위하여, CHF3 가스를 이용한 다단계 식각공정 및 배기 공정을 2회 이상 반복 실시하여 형성된 트렌치의 식각면이 수직하고 저부가 평탄한 위상반전영역을 형성하여 후속 노광공정으로 반도체기판 상에 예정된 크기의 감광막패턴을 형성할 수 있도록 하고 그에 따른 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

Description

크롬리스 위상반전마스크 형성방법{Method for forming chromeless phase shift masks}

도 1a 및 도 1b 는 위상반전마스크의 원리를 도시한 단면도.

도 2a 및 도 2b 는 크롬리스 위상반전마스크의 위상반전영역 저부 구조를 도시한 단면도.

도 3a 내지 도 3d 는 종래기술에 따른 크롬리스 위상반전마스크의 문제점을 도시한 단면도.

도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 크롬리스 위상반전마스크를 도시한 단면도.

도 5a 및 도 5b 는 본 발명에 따른 크롬리스 위상반전마스크와 이를 이용하여 반도체기판에 형성하는 감광막 패턴을 도시한 사진.

본 발명은 크롬리스 위상반전마스크 형성방법에 관한 것으로, 특히 리소그래피 공정시 이미지 콘트라스트의 향상 및 분해능을 향상시키기 위하여 사용되고 있는 PSM { phase shift masks } 기술의 한가지인 크롬리스 위상반전마스크를 제작하 여 셀에 패턴을 형성할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 노광공정은 크롬이 차광영역에 패터닝되는 노광마스크를 이용하여 실시한다.

반도체소자의 MOSFET 소자의 제조공정에 있어 먼저 원하는 특성을 얻기 위한 소자를 설계하고, 이를 웨이퍼에 전사하기 위하여 설계 레이아웃 상의 패턴을 레티클에 그려 넣는다. 후속 공정으로 UV 레이저를 이용하여 웨이퍼에 마스크 패턴을 그려 넣게 된다.

현재 가장 범용으로 이용되고 있는 UV 레이저는 248nm의 파장을 이용한 KrF 광원을 이용하고 있다. 그러나, 보다 빠른 스피드와 소자의 감소를 위해 향후 193nm의 ArF 및 157nm의 F2 레이저로의 전환이 이루어 지고 있다.

그러나, 보다 짧은 파장을 이용하는 전환과정에서 소자 개발에 대단히 큰 문제점, 즉 레티클 디그리데이션 ( reticle degradation ) 이 급격히 발생하는 문제점이 유발된다.

보다 상세하게 설명하면, 저유전상수를 갖는 물질을 이용한 공정 ( Low k1 process ) 를 이용하는 어드밴스드 원자외선 리소그래피 ( advanced DUV lithography ) 공정에서 193nm or 157nm 파장을 이용할 경우, 기존 248nm의 KrF파장보다 더 큰 에너지를 갖는 광원을 이용하게 되고, 또한 200mm 웨이퍼에서 300mm 웨이퍼로 전환하는 과정에서 실제 2배에 가까운 넷 다이 ( net die ) 를 노광하면서 마스크는 200mm 웨이퍼를 노광 할 때 보다 더 긴 시간 동안 강한 에너지에 노출됨으로써 레티클 디그리데이션 현상이 유발된다.

이를 극복하기 위한 방법으로 여러 연구가 진행되고 있지만, 가장 유력한 방법 중에 하나가 크롬을 사용하지 않는 크롬리스 마스크 ( Chromeless mask )를 사용하는 것이다.

상기 크롬리스 마스크는 마스크 상의 반응성이 큰 금속 재료와 환경적 요인에 의해 발생하는 시안산 ( cyanic acid ) 나 암모늄 ( Ammonium ) 에 의해 형성된 황산염 ( sulfate ) 이나 탄산염 ( carbonate )을 형성하게 됨으로써 마스크 패턴의 디그리데이션이 발생하는 것을 억제할 수 있다는 것이다. 즉, 근본적인 해결을 위해 마스크 상에 크롬이 없는 마스크를 제작하여 사용하는 것이다.

또한, 상기 크롬리스 마스크는 리소그래피 ( lithography ) 공정에 이용하는 광원이 제한적이기 때문에 이를 연장하기 위한 대안으로 개발이 이루어져 왔다.

도 1a 및 도 1b 는 종래기술에 따른 위상반전마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 원리를 도시한 단면도이다.

상기 도 1a 는 상 변위를 위하여 사용되던 알터네이트 형태 PSM ( alternate type PSM ) 이나 Mo-Si 등의 위상반전물질 ( shifter )을 패터닝하여 상변위를 일으키는 어테뉴에이티드 PSM ( attenuated-PSM ) 을 도시한 것이다.

상기 도 1b 는 석영기판 자체를 상변위를 일으킬 수 있는 깊이 만큼 식각하여 패터닝함으로써 위상차를 유도하는 새로운 100 퍼센트 어테뉴에이티드 되는 마스크를 도시한 것이다.

상기 도 1b 는 크롬리스 위상반전마스크를 도시한 것으로, 상기 크롬리스 위상반전 마스크는 마스크를 만들기 위해 석영물질 외에 다른 어떤 재료도 필요하지 않다는 것과, 알터네이트 PSM 과는 다르게 위상반전마스크를 만들기 위해 원하지 않는 상의 에지 ( phase edge ) 나 이미지 패턴 ( image patterns ) 을 제거하기 위한 두 번째 트림 마스크 노광 ( second trim mask exposure ) 를 할 필요가 없으며, 멀티 소자 ( multiple device ) 형태나 멀티플 층 ( multiple layer ) 에 이용하기에 경제적인 이점이 많다는 대단히 큰 장점이 있다.

하지만, 여러 장점에도 불구하고 이용에 제한이 되었던 원인은 마스크 제작이 용이하지 않기 때문이었다. 상기 마스크 제작 중 가장 큰 어려운 것은 석영기판을 일정한 모양으로 식각할 수 있는 재현성이 쉽게 개발되지 못했으며, 패턴된 석영기판의 표면 거칠기 ( surface roughness of patterned quartz ) 가 좋지 않아 마스크를 투과하는 빛이 원하지 않는 산란을 하게 됨으로써 웨이퍼에 전사되는 스트레이 라이트 ( stray light ) 을 제공한다는 단점이 있었다.

도 2a 및 도 2b 는 석영기판을 식각하여 크롬리스 위상반전마스크를 형성할 때 유발되는 마이크로 로딩 효과 ( micro loading effect ) 를 도시한 단면도이다.

상기 도 2a 식각된 석영기판의 저부가 볼록하게 형성된 경우를 도시한 것이고, 상기 도 2b 는 식각된 석영기판의 저부가 오목하게 형성된 경우를 도시한 것이다.

상기 도 2a 및 도 2b 는 마이크로 로딩 효과에 의한 마이크로 트렌치 ( micro trench ) 현상에 의하여 나타난 것이다.

이때, 문제가 되는 현상은 노광시 KrF, ArF 또는 F2 레이저가 마스크패턴의 저부를 통과하면서 일정한 방향으로 마스크 표면을 통과하지 못하고 예정되지 않은 방향으로 산란이 일어나게 된다. 상기 산란에 의한 빛은 스캐너 ( scanner ) 의 렌즈를 통과하여 웨이퍼에 전사되면 스트레이 라이트와 같이 감광막 패턴이 제어되지 않는 현상이 유발된다.

도 3a 내지 도 3d 는 종래기술에 따른 크롬리스 위상반전마스크의 형성공정시 유발될 수 있는 문제점을 도시한 단면도로서, 마이크로 로딩 효과에 의한 마이크로 트렌치에 의하여 유발되는 현상들이다.

상기 도 3a는 감광막의 상측이 손상되는 현상을 도시하고, 도 3b 는 감광막의 하측에 언더컷이 유발된 것을 도시하고, 도 3c 및 도 3d 는 식각된 석영기판의 저부가 볼록 ( Concave type ) 하거나 오목 ( Convex type ) 하게 형성된 것을 도시한 것이다.

여기서, 상기 도 3a 및 도 3b 는 식각후 발생하는 소오스 가스 ( source gas ) 의 리프레쉬 ( refreshing ) 이 원활히 되지 않기 때문에 발생하는 현상이다.

또한, 도 3c 및 도 3d 는 패턴 크기 ( pattern size ) 감소에 따른 저부의 프로파일 ( bottom profile ) 은 ArF or F2 레이저 이용시 심각한 패턴 디그리데이션 ( pattern degradation ) 현상을 도시한 것이다.

상기 식각된 패턴의 마이크로 트렌치 현상은 식각되는 석영기판의 깊이, 즉 트렌치 깊이가 증가할수록, SiO2 식각에 첨가되는 CO 가스량 및 유량이 증가할수록 증가한다. ( Profile Control of SiO2 Trench Etching for Damascene Interconnection Process, JJAP Vol.40 (2001) )

상기한 바와 같이 종래기술에 따른 크롬리스 위상반전마스크 형성방법은, 마 스크 재료인 석영기판을 일정한 모양으로 식각할 수 있는 재현성이 저하되고, 패터닝된 석영기판의 표면 거칠기 ( surface roughness of patterned quartz ) 가 나빠 노광공정시 마스크를 투과하는 빛의 산란으로 웨이퍼에 전사되는 스트레이 라이트 ( stray light ) 을 제공함으로써 예정된 패턴을 형성하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위하여, 석영기판 식각시 트렌치의 저부 프로파일을 평탄화시켜 형성할 수 있도록 크롬리스 위상반전마스크 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 크롬리스 위상반전마스크 형성방법은,

석영기판 상에 감광막패턴을 형성하고 이를 마스크로 하여 석영기판을 소정깊이 식각하는 공정으로 크롬리스 위상반전마스크를 형성하는 방법에 있어서,

상기 식각공정시 CHF3 가스를 이용한 다단계 식각공정 및 배기 공정을 2회 이상 반복 실시하여 식각면이 수직하고 저부가 평탄한 트렌치 형태의 위상반전영역을 석영기판에 형성하는 것과,

상기 식각공정은 13.56 MHz 전력의 RF 마그네트론 ( magnetron )을 이용한 RIE 장비로 30 ∼ 100 mTorr 의 압력, 60 ∼ 80 ℃ 의 온도 및 70 ∼ 300 sccm 의 CHF3 유량을 이용하는 조건으로 실시하는 것과,

상기 감광막패턴은 30 ㎚ ∼ 3 ㎛ 의 두께로 1 ∼3 의 에스펙트비를 갖도록 형성된 것과,

상기 마스크에 펠리클 ( pellicle ) 을 탑재하여 사용하는 경우 상기 석영기판에 형성되는 트렌치의 에스펙트비 ( aspect ratio ) 를 1 ∼ 3 으로 형성하는 것과,

상기 식각공정은 라인/스페이스 패턴이 1 : 1∼3 으로 설계된 경우, 그리고 반복적으로 구비되는 콘택홀의 CD 크기와 콘택홀 간의 간격이 1 : 1∼3 으로 설계된 경우에 적용하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 원리는 다음과 같다.

일반적으로 석영기판인 SiO2 박막을 패터닝하는데 사용하는 식각 가스는 F-base 의 혼합 가스를 사용한다. 현재 상기 F-base 의 혼합 가스 중에서 가장 많이 이용하는 CF4, CHF3, C4F6, C4F8 등이 사용되고 있으며, 이들 중에서 CHF3 를 이용한 다단계 식각공정 ( multi-step etching ) 및 배기 ( evacuation ) 공정을 반복 실시하여 트렌치 깊이를 조절 ( trench-type control ) 함으로써 마이크로 로딩 효과 ( micro loading effect ) 에 의한 마이크로 트렌치 ( micro-trench ) 현상을 최소화시키고 그에 따라 상의 균일도를 향상시키는 평탄한 저부 ( flat bottom )를 갖는 크롬리스 위상반전마스크를 형성하는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 크롬리스 위상반전마스크 형성방법을 도시한 단면도로서, 도 4a 는 수직한 프로파일을 형성하는 것을 도시하고, 도 4b 는 평탄한 저부 프로파일을 형성하는 것을 도시한다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 미세패턴 식각시 발생되는 마이크로 로딩 효과를 제어하기 위해서 다단계 식각 및 배기 공정을 반복 실시하는 식각공정으로 저부가 평탄하고 식각면이 수직한 트렌치 형태의 위상반전영역을 형성한다. 즉, 식각 및 배기 공정을 2 단계 이상으로 반복 진행함으로써 부산물 ( by-product ) 의 리프레싱 ( refreshing ) 부족으로 발생하는 마이크로 로딩 효과를 제거한다.

그리고, 식각된 저부 프로파일을 조절하기 위하여 CHF3 + SiO2 → SiF4 + CO2 + F2 의 식각 메카니즘 ( etch mechanism ) 에서 CHF3 의 유량 ( flow rate ) 과 압력 ( pressure ) 을 조절함으로써 저부 프로파일의 모양을 조절한다.

이때, 상기 CHF3 의 유량 및 압력이 증가함에 따라 식각된 저부 프로파일은 오목 ( convex type ) 에서 볼록 ( concave type ) 형태로 변경된다. (H.Hayashi and M.Sekine; JJAP.38 (1999) P.4910)

상기한 식각공정들을 2회 이상 반복하여 수직한 프로파일 ( vertical profile ) 로 저부가 평탄한 프로파일 ( bottom etched profile )을 갖는 패턴을 형성한다.

상기한 바와 같이, 상기 도 4a 및 도 4b 의 공정을 이용하여 석영기판을 식각하는 공정은 CHF3 + SiO2 → SiF4 + CO2 + F2 의 식각 메가니즘 ( etch mechanism ) 에서 13.56 MHz 전력의 RF 마그네트론 ( magnetron )을 이용한 RIE 장비를 통해 30 ∼ 100 mTorr 의 압력, 60 ∼ 80 ℃ 의 온도 및 70 ∼ 300 sccm 의 CHF3 유량을 이용하여 조건으로 실시한 실시한다.

이때, 상기 식각공정에 사용되는 감광막패턴은 30 ㎚ ∼ 3 ㎛ 의 두께로 1 ∼3 의 에스펙트비를 갖도록 형성된 것이다.

또한, 노광마스크에 펠리클 ( pellicle )을 사용하며 석영기판을 식각하는 경우는 에스펙트비 ( aspect ratio ) 가 1 ∼ 3, 마이크로 트렌치 레이셔 ( micro trench ratio ) 가 1 ∼ 2 이내의 패턴을 형성할 때 사용한다. 이는 주로 듀티 사이즈 ( duty size ) 가 1 : 1∼3인 라인/스페이스 패턴이나 콘택형태의 패턴을 식각하는데 사용된다. 이때, 상기 듀티 사이즈는 라인/스페이스 패턴의 라인과 스페이스 비를 도시하거나 반복적으로 구비되는 콘택홀의 CD 와 콘택홀 간격의 비를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b 는 본 발명에 따라 형성된 크롬리스 위상반전마스크와 이를 이용하여 반도체기판 상에 형성한 감광막패턴을 각각 도시한 사진이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 크롬리스 위상반전마스크 형성방법은, CHF3 가스를 이용하여 석영기판을 식각하되, 다단계 식각공정 및 배기 공정을 2번 이상 반복 실시함으로써 예정된 형태의 패턴을 형성할 수 있도록 하고 그에 따른 반도체소자의 형성 공정을 용이하게 실시할 수 있도록 하여 반도체소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. 석영기판 상에 감광막패턴을 형성하고 이를 마스크로 하여 석영기판을 소정깊이 식각하는 공정으로 크롬리스 위상반전마스크를 형성하는 방법에 있어서,

   상기 식각공정시 CHF3 가스를 이용하여 다단계로 식각하는 공정과,

   상기 식각공정에 사용된 가스를 배기하는 공정과,

   상기 식각공정 및 배기 공정을 적어도 2회 이상 반복 실시하여 트렌치 형태의 위상반전영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 크롬리스 위상반전마스크 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 식각공정은 13.56 MHz 전력의 RF 마그네트론 ( magnetron ) 을 이용한 RIE 장비로 30 ∼ 100 mTorr 의 압력, 60 ∼ 80 ℃ 의 온도 및 70 ∼ 300 sccm 의 CHF3 유량을 이용하는 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 크롬리스 위상반전마스크 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 감광막패턴은 30 ㎚ ∼ 3 ㎛ 의 두께로 1 ∼3 의 에스펙트비를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 크롬리스 위상반전마스크 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 마스크에 펠리클 ( pellicle ) 을 탑재하여 사용하는 경우 상기 석영기판에 형성되는 트렌치의 에스펙트비 ( aspect ratio ) 를 1 ∼ 3 으로 형성하는 것을 특징으로 하는 크롬리스 위상반전마스크 형성방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 식각공정은 라인/스페이스 패턴이 1 : 1∼3 으로 설계된 경우, 그리고 반복적으로 구비되는 콘택홀의 CD 크기와 콘택홀 간의 간격이 1 : 1∼3 으로 설계된 경우에 적용하는 것을 특징으로 하는 크롬리스 위상반전마스크 형성방법.

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