KR20080084254A - 노광 마스크 제조 방법 및 반도체 소자 - Google Patents

노광 마스크 제조 방법 및 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 노광 마스크 제조 방법 및 반도체 소자에 관한 것으로서, 종래 기술에 따른 위상반전 마스크는 마스크를 구성하는 투명 기판을 식각하여 위상반전 패턴을 형성하여 위상반전 패턴을 균일하게 형성하지 못하고, 위상반전 패턴 형성을 위해 사용하는 TiN층이 산화되어 반도체 소자의 형성 공정이 정상적으로 수행되지 못하는 문제를 해결하기 위하여, 위상반전 패턴 형성을 위한 위상반전용 식각층을 별도로 구비하되, 그 하부에는 산화막과 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막을 더 형성하고 그 상부에는 루테늄산화막과 같은 정전기방지막을 더 형성함으로써, 정형화된 위상반전 패턴을 용이하게 형성하고, 반도체 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발명에 관한 것이다.

Description

노광 마스크 제조 방법 및 반도체 소자{METHOD FOR FABRICATING LITHOGRAPHY MASK AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
도 1은 종래 기술에 따른 위상반전 마스크의 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 노광 마스크의 제조 방법을 도시한 단면도들.
본 발명은 노광 마스크 제조 방법 및 반도체 소자에 관한 것으로서, 종래 기술에 따른 위상반전 마스크는 마스크를 구성하는 투명 기판을 식각하여 위상반전 패턴을 형성하여 위상반전 패턴을 균일하게 형성하지 못하고, 위상반전 패턴 형성을 위해 사용하는 TiN층이 산화되어 반도체 소자의 형성 공정이 정상적으로 수행되지 못하는 문제를 해결하기 위하여, 위상반전 패턴 형성을 위한 위상반전용 식각층을 별도로 구비하되, 그 하부에는 산화막과 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막을 더 형성하고 그 상부에는 루테늄산화막과 같은 정전기방지막을 더 형성함으로써, 정형화된 위상반전 패턴을 용이하게 형성하고, 반도체 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발명에 관한 것이다.
최근의 반도체 장치의 고집적화 추세는 미세 패턴 형성 기술의 발전에 큰 영향을 받고 있으며, 미세 패턴 형성을 위하여는 반도체 장치의 제조 공정 중에서 식각 또는 이온주입 공정 등의 마스크로 매우 폭 넓게 사용되는 감광막 패턴의 미세화가 필수 요건이다.
이러한 감광막 패턴의 분해능(R)은 감광막 자체의 재질이나 기판과의 접착력 등과도 밀접한 연관이 있으나, 일차적으로는 사용되는 축소노광장치의 광원 파장(λ) 및 공정 변수(k)에 비례하고, 노광 장치의 렌즈 구경(numerical aperture; NA, 개구수)에 반비례한다. [R=k*λ/NA,~R=해상도,~λ=광원의~파장,~NA=개구수~]
여기서 상기 축소노광장치의 광분해능을 향상시키기 위하여 광원의 파장을 감소시키게 되는데, 예를 들어 파장이 436 및 365㎚인 G-라인 및 i-라인 축소노광장치는 공정 분해능이 라인/스페이스 패턴의 경우 각각 약 0.7 내지 0.5㎛ 정도가 한계이고, 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 형성하기 위해서는 이보다 파장이 더 작은 원자외선(deep ultra violet; DUV), 예를 들어 파장이 248㎚인 KrF 레이저나 193㎚인 ArF 레이저를 광원으로 사용하는 노광 장치를 이용하여야 한다.
일반적으로 감광막 패턴 형성을 위한 노광 공정시 사용되는 노광 마스크는 석영 기판에 크롬층을 도포한 후, 이온 빔 에칭에 의해 광차단막 패턴을 형성한다. 그러나 상기의 일반적인 노광 마스크로는 광분해능 이하의 미세 패턴의 형성이 어려우며, 현재 사용되는 통상의 감광액 및 노광 장비, 예를들어 파장이 436㎚ 인 G라인이나, 365㎚인 I라인 스테퍼로는 0.5㎛ 이하의 미세 패턴을 얻기가 어렵다.
더우기 64M 디램 이상의 초고집적 소자들은 0.5㎛ 이하의 미세 패턴이 요구 되며, 이러한 극미세 패턴은 고해상도의 감광막 패턴을 얻기 위해서는 위와 같은 광원에 의한 미세화에도 한계가 있어, 광원과 해상력증가법(resolution enhancement technique)을 결합시켜 미세화를 진행하고 있다.
이와 같은 해상력증가법은 통상의 노광 마스크(lithography mask) 대신에 위상반전 패턴을 사용하는 방법이나, 이미지 콘트라스트를 향상시킬 수 있는 별도의 박막을 웨이퍼 상에 형성하는 씨.이.엘(contrast enhancement layer; CEL) 방법이나, 두 층의 감광막 사이에 에스.오.지(spin on glass; SOG)등의 중간층을 개재시킨 삼층레지스트(Tri layer resister; 이하 TLR이라 칭함) 방법 또는 감광막의 상측에 선택적으로 실리콘을 주입시키는 실리레이션 방법 등이 개발되어 분해능 한계치를 낮추고 있으며, 그중 공정 재현성이 우수한 위상반전 패턴을 사용법이 가장 주목 받고 있다. 이러한 위상반전 패턴을 포함하는 노광 마스크는 일반적인 마스크에 비해 해상력이 커지고, 초점심도 폭(focus latitude)이 커 미세한 패턴을 안정적으로 형성할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 위상반전 마스크의 단면도로서, 변형(alternating) 위상반전 패턴의 예이다.
먼저, 석영 투명기판(10)상에 다양한 패턴 폭을 가지는 크롬막 패턴(30)들을 형성한다. 다음에는, 크롬막 패턴(30)들 사이의 투명기판(10)을 위상반전 영역에 필요한 깊이만큼 식각한다.
이와 같이 형성된 노광 마스크의 위상반전 패턴(40)은 크롬막 패턴(30)들과 함께 광의 위상을 180˚ 반전시킴으로써, 노광 공정시 웨이퍼상에 조사되는 광의 진폭을 일정하게 유지하고, 위상반전 영역을 통과한 광과 인접 패턴을 통과한 광과의 간섭 효과가 최소가 되도록하여 감광막 패턴의 해상도를 향상시키는 원리를 사용한 것이다.
그러나, 투명기판을 식각하여 위상반전 패턴을 형성하는데 투명기판을 식각하는 공정을 조절하는 것이 어려우므로 정형화된 위상반전 패턴을 형성하는데 어려움이 있다. 따라서, 균일하지 않은 위상반전 패턴을 포함하는 노광 마스크를 이용하여 반도체 소자를 형성할 경우 소자의 불량 발생 비율이 높아져 공정 수율이 감소되고 소자의 동작 신뢰성이 감소되는 문제가 있다.
또한, 크롬막 패턴(30) 형성시 투명기판(10)이 손상되는 문제를 해결하기 위하여 배리어막으로 크롬막과 투명기판(10) 사이의 영역에 TiN막을 사용하는데, 위상반전 패턴 형성 후 반도체 소자를 형성하는 노광 공정에서 TiN막이 쉽게 산화되어 노광 마스크에 손상이 가해지고, 손상된 노광 마스크를 이용하여 형성한 반도체 소자는 정상적으로 형성되지 못하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 위상반전용 식각층을 별도의 산화막층에 구비하되, 그 하부에는 산화막과 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막을 더 형성하고 그 상부에는 루테늄산화막과 같은 정전기방지막을 더 형성함으로써, 정형화된 위상반전 패턴을 용이하게 형성하고, 노광 마스크 제조 공정의 수율을 향상시키고, 반도체 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 노광 마스크 제조 방법 및 그를 이용하여 형성한 반도체 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 노광 마스크 제조 방법은
투명기판 상부에 실리콘질화막(Si3N4)을 형성하는 단계와,
상기 실리콘질화막 상부에 위상반전용 식각층을 형성하는 단계와,
상기 위상반전용 식각층 상부에 정전기방지막(Anti-Static)을 형성하는 단계와,
상기 정전기방지막 상부에 크롬막을 형성하는 단계와,
상기 크롬막에 제 1 리소그래피 공정을 수행하여 크롬막 패턴을 형성하는 단계 및
상기 크롬막 패턴에 의해 노출되는 상기 정전기방지막 중 소정 부분에 제 2 리소그래피 공정을 수행하여 상기 정전기방지막 및 위상반전용 식각층이 제거된 위상반전 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실리콘질화막은 5 ~ 10Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 실리콘질화막은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, NH3, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 질소반응물과, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 원자층 단위증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 위상반전 용 식각층은 원자층단위증착(ALD) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2) 및 스핀온글래스막(Spin-On Glass) 중 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 원자단위증착 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2)은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, O2, O3, N2O 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 산소반응물과, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 정전기방지막은 루테늄산화막(RuO2) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 이리듐산화막(IrO2) 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 2 리소그래피 공정 시 상기 위상반전용 식각층 제거 공정은 CF4, C2H5, CHF3 및 이들의 혼합가스 중 선택된 어느 하나에 H2, O2 및 이들의 혼합 가스를 첨가제로 이용하는 건식 식각 방법인 것을 특징으로 하고, 상기 제 2 리소그래피 공정을 수행한 후 Ar, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 어닐링(Annealing) 처리를 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 노광 마스크의 제조 방법 및 이를 이용하여 형성한 반도체 소자에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 노광 마스크의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 투명기판(100) 상부에 실리콘질화막(Si3N4)(120)을 형성한다. 이때, 실리콘질화막(120)은 5 ~ 10Å의 두께로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 실리콘질화막은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, NH3, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 질소반응물을 이용하며, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 원자층 단위증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 방법을 이용하여 형성한다.
여기서, 실리콘질화막(120)은 5 ~ 10Å의 두께에서 투명한 상태로 존재하므로 투명 기판(100)의 투과도에는 영향을 미치지 않으면서 투명 기판(100)에 가해지는 충격을 보호할 수 있는 기능을 수행한다. 따라서, 실리콘질화막(120)은 후속의 위상반전 패턴을 형성하는데 있어서 식각 정지막으로 작용하게 된다.
다음에는, 실리콘질화막(120) 상부에 위상반전용 식각층(130)을 형성한다. 이때, 위상반전용 식각층(130)은 원자층단위증착(ALD) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2) 및 스핀온글래스막(Spin-On Glass) 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 여기서, 원자단위증착(ALD) 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2)은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, O2, O3, N2O 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 산소반응물을 이용하며, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 위상반전용 식각층(130) 상부에 정전기방지막(Anti- Static)(140)을 형성한다. 이때, 정전기방지막은 루테늄산화막(RuO2) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 이리듐산화막(IrO2) 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 정전기방지막(140) 상부에 크롬막을 형성하고, 크롬막에 제 1 리소그래피 공정을 수행하여 크롬막 패턴(150)을 형성한다. 이때, 크롬막 패턴(150)을 형성하는 제 1 리소그래피 공정은 전자빔을 이용한 패터닝 방법을 이용하는 것이 바람직하다.
도 2b를 참조하면, 위상반전 패턴 형성을 위한 제 2 리소그래피 공정을 수행한다. 먼저 투명기판(100) 상부에 크롬막 패턴(150) 중 위상반전 패턴이 형성될 영역을 노출시키는 감광막 패턴(160)을 형성한다.
도 2c를 참조하면, 감광막 패턴(160)에 의해 노출되는 영영의 정전기방지막(140) 및 위상반전용 식각층(130)을 제거하여 위상반전 패턴(170)을 형성한다. 이때, 위상반전용 식각층(130) 제거 공정은 CF4, C2H5, CHF3 및 이들의 혼합가스 중 선택된 어느 하나에 H2, O2 및 이들의 혼합 가스를 첨가제로 이용하는 건식 식각 방법을 이용하여 수행하는 것이 바람직하다.
다음에는, 감광막 패턴(160)을 제거한다.
그 다음에는, Ar, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 어닐링(Annealing) 처리를 수행한다. 이때, 어닐링 온도는 500 ~700℃로 유지하여 수 행하는 것이 바람직하며, 어닐링 공정을 통하여 제 2 리소그래피 공정을 수행하면서 손상된 기판의 표면을 안정화시킬 수 있다.
이와 같이, 위상반전용 패턴을 실리콘 산화막으로 형성할 경우 위상반전용 패턴인 산화막과 그 하부에 형성된 실리콘 질화막 질화막간의 식각선택비차이 있으므로, 식각 선택비를 이용하면 종래 기술에서 투명기판을 식각하여 발생하는 위상불균일도를 개선할 수 있다.
그 다음에는, 위상반전 패턴(170)이 구비된 노광 마스크를 이용하여 웨이퍼(미도시) 리소그래피 공정을 수행한다. 도 2c와 같이 형성된 위상반전 패턴을 포함하는 노광 마스크는 위상반전 효과를 안정적으로 증폭시킬 수 있게 한다. 따라서 불균일한 패턴을 형성하게 될 확률이 감소하고, 그로 인하여 공정수율 및 소자동작의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 노광 마스크 제조 방법은 위상반전 패턴 형성을 위한 위상반전용 식각층을 산화막으로 구비하고, 그 하부에 산화막과 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막을 더 형성함으로써, 정형화된 위상반전 패턴을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 마스크 패턴을 정의하는 크롬막 패턴 형성 공정에서 사용되는 정전기방지막을 루테늄산화막을 이용하여 형성함으로써 후속의 반도체 소자를 형성하는 노광 공정에서 정전기 방지막이 산화되어 발생할 수 있는 문제를 해결하고, 소자 동작의 신뢰성이 향상된 반도체 소자를 형성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 노광 마스크의 제조 방법 및 이 를 이용하여 형성한 반도체 소자는, 위상반전용 식각층을 별도의 산화막층에 구비하되, 그 하부에는 산화막과 식각 선택비를 갖는 실리콘 질화막을 더 형성하고 그 상부에는 루테늄산화막과 같은 정전기방지막을 더 형성함으로써, 정형화된 위상반전 패턴을 용이하게 형성하고, 노광 마스크 제조 공정의 수율을 향상시키고, 반도체 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시 예는 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 (9)

  1. 투명기판 상부에 실리콘질화막(Si3N4)을 형성하는 단계;
    상기 실리콘질화막 상부에 위상반전용 식각층을 형성하는 단계;
    상기 위상반전용 식각층 상부에 정전기방지막(Anti-Static)을 형성하는 단계;
    상기 정전기방지막 상부에 크롬막을 형성하는 단계;
    상기 크롬막에 제 1 리소그래피 공정을 수행하여 크롬막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 크롬막 패턴에 의해 노출되는 상기 정전기방지막 중 소정 부분에 제 2 리소그래피 공정을 수행하여 상기 정전기방지막 및 위상반전용 식각층이 제거된 위상반전 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘질화막은 5 ~ 10Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘질화막은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, NH3, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 질소반응물과, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 원자층 단위증착(Atomic Layer Deposition : ALD) 방법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상반전용 식각층은 원자층단위증착(ALD) 또는 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2) 및 스핀온글래스막(Spin-On Glass) 중 선택된 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 원자단위증착 방법을 이용하여 형성한 실리콘산화막(SiO2)은 SiH4, Si2H6, Si(OC2H5)4, SiH2Cl2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 실리콘반응물과, O2, O3, N2O 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나인 산소반응물과, O2 또는 H2 플라즈마를 사용하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 정전기방지막은 루테늄산화막(RuO2) 또는 ITO(Indium Tin Oxide), 이리듐산화막(IrO2) 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 리소그래피 공정 시 상기 위상반전용 식각층 제거 공정은 CF4, C2H5, CHF3 및 이들의 혼합가스 중 선택된 어느 하나에 H2, O2 및 이들의 혼합 가스를 첨가제로 이용하는 건식 식각 방법인 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 리소그래피 공정을 수행한 후 Ar, N2 및 이들의 혼합물 중 선택된 어느 하나를 이용하여 어닐링(Annealing) 처리를 하는 것을 특징으로 하는 노광 마스크 제조 방법.
  9. 청구항 1의 제조 방법에 의하여 형성된 노광 마스크를 이용하여 형성한 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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