KR20090044767A - 블록 공중합체를 이용한 포토마스크의 투과율 조절 방법 - Google Patents

Abstract

블록 공중합체를 이용한 포토마스크의 투과율 조절 방법을 개시한다. 본 발명의 포토마스크의 투과율 조절 방법은 차광막 패턴이 형성되어 있는 포토마스크의 전면에 블록 공중합체(block copolymer)를 코팅하는 단계; 상기 포토마스크의 투과율을 높이고자 하는 영역의 상기 블록 공중합체 내부에 미세한 수직 홀을 형성하기 위하여 상기 블록 공중합체를 선택적으로 노광하는 단계; 및 상기 노광된 블록 공중합체를 마스크로 하여 상기 차광막 패턴을 식각하는 단계; 를 포함한다. 블록 공중합체를 노광하여 형성한 블록 공중합체 패턴을 마스크로 삼고 차광막 패턴을 식각하여 포토마스크의 원하는 영역의 투과율을 조절할 수 있다.

블록 공중합체, 포토마스크, 차광막 패턴, 투과율

Description

블록 공중합체를 이용한 포토마스크의 투과율 조절 방법{Method for control of transmittance of photomask using block copolymer}

본 발명은 반도체 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토 마스크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 공정에서 포토리소그래피(photolithography) 공정은 반도체 소자의 구성 요소를 이루는 미세 패턴들을 반도체 웨이퍼 상으로 전사하는데 이용된다. 포토마스크에는 포토리소그래피 공정에 의하여 반도체 웨이퍼 상에 전사될 미세 패턴들이 형성되어 있다.

포토마스크는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 이용하여 다음과 같은 일련의 공정을 거쳐서 제조된다. 우선, 석영이나 유리 등의 재질로 된 투명한 기판 상에 차광막과 전자빔 레지스트(resist)가 순차적으로 적층된다. 상기 전자빔 레지스트에 원하는 패턴 대로 전자빔을 노광한다. 이어서 노광된 전자빔 레지스트를 현상하여 전자빔 레지스트 패턴을 형성한다. 그리고 전자빔 레지스트 패턴을 마스크로 차광막을 식각하여 차광막 패턴을 형성한다. 이후 전자빔 레지스트 패턴을 제거함으로써 포토마스크를 완성한다.

포토마스크의 균일도(uniformity)는 포토마스크의 품질을 결정짓는 중요한 요소들 중의 하나이다. 포토마스크의 균일도는 일반적으로 임계 치수(CD: critical dimension)의 균일한 정도를 의미한다. 균일도는 크게 포괄적 균일도(global uniformity)와 국부적 균일도(local uniformity)로 구분할 수 있다. 포괄적 균일도는 포토마스크 전반에 걸쳐서 균일한 정도를 의미한다. 전자빔 리소그래피 공정에서 스캐터링 또는 현상이나 식각 공정에서의 포괄적 로딩(loading)에 의하여 포괄적인 비균일도가 발생한다. 이러한 포괄적인 비균일도에 의한 CD의 에러는 전자빔 보정(e-beam correction)에 의해 보정이 가능하다. 국부적 균일도는 특정 영역에서의 균일한 정도를 의미한다. 국부적인 비균일도는 예를 들면 셀과 페리/코어 사이의 국부적인 영역에서 발생할 수 있다. 이러한 국부적인 영역에서 발생하는 CD 에러는 보정이 쉽지 않은 문제가 있다.

본 발명의 목적은 국부적인 영역에서 발생하는 포토마스크의 CD 에러를 보정할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에서는 감광성의 블록 공중합체를 이용하여 특정 영역의 포토마스크의 차광 패턴에 수직홀을 형성하여 포토마스크의 투과율을 조절한다.

선택한 특정 영역의 포토마스크의 투과율을 조절함으로써 국부적인 CD 에러 를 보정할 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 포토마스크의 투과율 조절 방법은 차광막 패턴이 형성되어 있는 포토마스크의 전면에 블록 공중합체(block copolymer)를 코팅하는 단계; 상기 포토마스크의 투과율을 높이고자 하는 영역의 상기 블록 공중합체 내부에 미세한 수직 홀을 형성하기 위하여 상기 블록 공중합체를 선택적으로 노광하는 단계; 및 상기 노광된 블록 공중합체를 마스크로 하여 상기 차광막 패턴을 식각하는 단계;를 포함한다.

여기서 상기 미세한 수직 홀은 상기 블록 공중합체를 수직으로 관통한다.

상기 블록 공중합체를 노광하는 단계는 DUV(deep UV)를 사용할 수 있다.

상기 블록 공중합체는 이중 블록 공중합체(diblock copolymer)를 포함할 수 있다. 이때 상기 이중 블록 공중합체는 P(S-r-BCB-r-MMA) 및 P(S-b-MMA) 단량체를 포함할 수 있다.

이와 같은 이중 블록 공중합체를 코팅하는 단계는 P(S-r-BCB-r-MMA)의 벤젠용액을 코팅하는 단계; 상기 P(S-r-BCB-r-MMA)의 벤젠용액을 코팅한 후 어닐링하는 단계; 상기 P(S-r-BCB-r-MMA) 막 위에 P(S-b-MMA)의 톨루엔 용액을 코팅하는 단계; 및 상기 P(S-b-MMA)의 톨루엔 용액을 코팅한 후 어닐링하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 블록 공중합체를 노광한 후 상기 블록 공중합체를 현상하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 아세트산(acetic acid)를 현상 용액으로 사용할 수 있다.

상기 블록 공중합체를 현상한 후 CF₄ 가스를 이용하여 P(S-r-BCB-r-MMA) 부분을 시각 제거할 수 있다.

블록 공중합체의 정의

기존의 나노 기술에 대한 연구들은 나노미터 수준의 크기에서만 나타나는 새로운 현상들을 이용하여 새로운 기능을 가지는 전자기 소자나 바이오 소자들을 개발하는데 집중해왔다. 그러나 최근에는 그 동안 발견되어온 현상들을 실제 전자장치나 바이오센서 등에 적용하기 위하여 넓은 면적에서 나노미터 크기의 소자들을 원하는 형태로 배열시키는 방법에 대한 연구들이 주목을 받고 있다.

공중합체(copolymer)는 둘 이상의 고분자 유닛(polymer unit)으로 형성되어 있는 고분자를 일컫는다. 공중합체는 적어도 두 종류의 단위 유닛을 가지므로 이 단위 유닛들이 어떻게 배열되어 있느냐에 따라 구분할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 단위 유닛들의 배열에 따른 공중합체의 종류를 도시하였다. 도 1a에 도시된 공중합체는 교대 공중합체(alternating copolymer)이며, 유닛 A와 유닛 B가 규칙적으로 교대로 배열되어 있다. 도 1b에 도시된 공중합체는 불규칙 공중합체(random copolymer)이며, 유닛 A와 유닛 B가 무작위로 배열되어 있다. 도 1c에 도시된 공중합체는 블록 공중합체(block copolymer)이며, 공유결합에 의하여 링크되어 정션 블록(junction block)을 이루는 유닛 A와 유닛 B가 결합되어 있다. 블록 공중합체는 구별되는 블록의 수에 따라서 이중 블록 공중합체(diblock copolymer), 삼중 블록 공중합체(triblock copolymer) 등으로 분류될 수 있다.

블록 공중합체는 다른 성질을 갖는 두 가지 이상의 고분자로 이루어지므로 일정한 조건 아래에서 미세상 분리(microphase separation)를 한다. 미세상 분리는 물과 기름이 섞이지 않는 것과 비슷하여 두 블록이 가능한 멀리 떨어지려고 하지만 공유결합을 이루고 있으므로 아주 멀리 떨어지지는 못한다. 블록 공중합체는 적절한 조건으로 조절하면 미세상 분리에 의하여 다양한 주기적인 나노 구조(nano structure)를 형성할 수 있다. 도 2에 A, B, C의 세 블록으로 이루어진 삼중 블록 공중합체가 만드는 층상(laminar), 원통형(cylinder), 스트라이프(stripe), 큐빅(cubic), 구(sphere) 등의 여러가지 구조들을 도시하였다. 이중 블록 공중합체로도 다양한 나노 구조를 형성할 수 있다. 도 2의 다양한 나노 구조를 형성하는 원리는 친수기와 소수기가 같이 존재하는 미셸 간의 상호 작용(interaction)과 미셸의 농도(혹은 수 밀도)를 조절하여 이들의 입체구조를 제어하는 것이다.

도 3은 빛에 의하여 미셸의 배열이 이루어지는 것을 도시한 도면이며, 중합체에 따라 포지티브 톤(positive tone)과 네거티브 톤(negative tone)의 패턴을 모두 형성할 수 있다. 이와 같은 블록 공중합체는 과거에는 주로 고분자 복합체 제작을 위한 원료 등으로 이용되어 왔다. 그러나 최근에는 이들이 형성하는 다양한 나노 구조들을 이용하여 수~수십 ㎚ 수준의 반도체 선폭을 구현하는데 활용하려는 연구들이 많은 관심을 모으고 있다. 얇은 막 형태의 블록 공중합체 내에 스스로 형성되는 수십 나노미터 수준의 다양한 형태의 구조들을 이용하면 현재 산업계에서 이용되고 있는 반도체 제작법으로는 구현하기 힘든 수십 나노미터 크기의 미세한 점이나 선형태의 구조들을 매우 쉽게 만들어 낼 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 블 록 공중합체의 성질을 이용하여 포토마스크 패턴의 선폭을 조절한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4e를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 포토마스크의 차광막 패턴의 선폭 보정 방법을 상세히 설명한다.

도 4a는 기판(10) 위에 차광막 패턴(20)이 형성되어 있는 포토마스크의 단면도이다. 이때 이 포토마스크에 의한 웨이퍼 상의 샷 균일도(one shot uniformity)가 나쁜 상태라고 가정하자. 이와 같은 웨이퍼 상의 샷 균일도의 저하는 칩의 경계 부분에서 선폭이 크게 나타나는 현상으로 빈번히 발생한다. 또는 포토마스크 자체의 국부적인 영역에서 차광막 패턴 자체의 선폭 에러를 가정할 수도 있다.

도 4b를 참조하면, 차광막 패턴(20)이 형성되어 있는 포토마스크의 전면에 블록 공중합체(30)를 코팅한다. 본 실시예의 블록 공중합체(30)는 P(S-r-BCB-r-MMA)와 P(S-b-MMA)의 두 유닛으로 이루어진 이중 블록 공중합체로 형성할 수 있으며, 다음의 과정을 통하여 박막으로 코팅될 수 있다.

먼저, 차광막 패턴(20)이 형성된 포토마스크 위에 P(S-r-BCB-r-MMA)의 0.3 중량(wt) % 벤젠 용액으로 스핀 코팅한다. 이때 1분 동안 약 7-8 ㎚ 두께의 코팅막이 형성되도록 3000 rpm에서 스핀 코팅할 수 있다. 그리고 어닐링을 수행하며, 어닐링은 250℃의 온도에서 20분 동안 진공상태에서 진행할 수 있다. 이어서 톨루엔 또는 벤젠으로 세정할 수 있다.

이어서 P(S-b-MMA) 1 중량(wt) % 톨루엔 용액으로 스핀 코팅한다. 이때 1분 동안 약 30 ㎚ 두께의 코팅막이 형성되도록 3000 rpm에서 스핀 코팅할 수 있다. 그리고 어닐링을 수행하며, 어닐링은 180℃의 온도에서 2일 동안 진행할 수 있다.

도 4c를 참조하면, 선폭 에러가 존재하는 영역의 블록 공중합체(30) 박막을 DUV(deep UV)로 조사한다. DUV 광은 254㎚ 파장을 사용할 수 있다. DUV 광이 조사된 영역에서 구성 유닛 사이의 미세상 분리에 의하여 블록 공중합체(30)를 관통하는 수 ㎚ 크기의 직경을 갖는 수직 원통 구조들이 형성된다. 이때 수직 원통 구조들은 P(S-r-BCB-r-MMA) 유닛으로 형성되고, 수직 원통 바깥의 구조는 P(S-b-MMA) 유닛으로 형성된다.

도 4d를 참조하면, DUV 광의 조사 후 현상과 식각을 수행하여 P(S-b-MMA)으로 이루어진 수직 원통 구조 부분을 제거한다. 현상 용액으로 아세트산 용액을 사용할 수 있다. 식각은 CF₄ 가스를 이용한 RIE 식각을 이용할 수 있다. 수직 원통 부분이 제거되어 생긴 블록 공중합체(30)의 수직 홀 패턴에 의해 차광막 패턴(20)을 노출시킨다.

도 4e를 참조하면, 블록 공중합체(30) 패턴을 마스크로 삼고 차광막 패 턴(20)을 식각한다. 차광막 패턴(20)은 블록 공중합체(30)의 수직 홀 패턴에 의해 노출된 부분이 식각되므로 차광막 패턴(20)에도 수직 홀이 형성된다. 수직 홀들이 형성된 부분의 차광막 패턴(20)은 수직 홀들을 통하여 빛이 투과될 수 있으므로 투과율이 증가된다.

도 4e의 패턴을 이용하여 투과하는 빛의 세기에 관한 시뮬레이션을 수행해서 도 5에 도시하였고, 도 5의 원 부분을 도 6에 확대하여 나타내었다. 시뮬레이션은 Solid-E 프로그램을 사용하여 수행되었으며, 4× 200㎚의 라인 & 스페이스 패턴에 30㎚의 수직 홀이 생성되었을 경우의 투과광의 세기의 변화를 살펴보았다. 도 5에 나타난 바와 같이 차광막 패턴에 홀을 생성한 후 에어리얼 이미지의 세기가 상승함을 볼 수 있다. 이것은 선폭의 변화를 의미하며 정량적으로 FWHM을 문턱값(threshold)으로 한다면 약 1.8 ㎚ 의 선폭의 증가를 의미한다. 이와 같은 방법을 통해 전자-빔을 사용하여 또는 웨이퍼 상에서 보정할 수 없는 국부적인 선폭의 에러를 보정할 수 있으며 조사되는 UV의 양(dose) 및 디자인의 조절을 통하여 선폭의 크기 조절도 가능하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1a 내지 도 1c는 공중합체의 종류를 도시한 도면들이다.

도 2는 A, B, C의 세 블록으로 이루어진 삼중 블록 공중합체가 만드는 여러가지 구조들을 도시한 도면이다.

도 3은 빛에 의하여 블록 공중합체의 미셸의 배열이 이루어지는 것을 도시한 도면이다.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크의 차광막 패턴의 투과율 보정 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 5는 도 4e의 차광막 패턴을 투과하는 빛의 세기에 관한 시뮬레이션 결과를나타낸 다이어그램이다.

도 6은 도 5의 원 부분의 확대 다이어그램이다.

Claims (9)

1. 차광막 패턴이 형성되어 있는 포토마스크의 전면에 블록 공중합체(block copolymer)를 코팅하는 단계;

   상기 포토마스크의 투과율을 높이고자 하는 영역의 상기 블록 공중합체 내부에 미세한 수직 홀을 형성하기 위하여 상기 블록 공중합체를 선택적으로 노광하는 단계; 및

   상기 노광된 블록 공중합체를 마스크로 하여 상기 차광막 패턴을 식각하는 단계;를 포함하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 미세한 수직 홀은 상기 블록 공중합체를 수직으로 관통하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 블록 공중합체를 노광하는 단계는 deep UV를 사용하여 노광하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 블록 공중합체는 이중 블록 공중합체(diblock copolymer)를 포함하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
5. 제4 항에 있어서, 상기 블록 공중합체는 P(S-r-BCB-r-MMA) 및 P(S-b-MMA) 단 량체를 포함하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
6. 제5 항에 있어서, 상기 블록 공중합체를 코팅하는 단계는 P(S-r-BCB-r-MMA)의 벤젠용액을 코팅하는 단계;

   상기 P(S-r-BCB-r-MMA)의 벤젠용액을 코팅한 후 어닐링하는 단계;

   상기 P(S-r-BCB-r-MMA) 막 위에 P(S-b-MMA)의 톨루엔 용액을 코팅하는 단계; 및

   상기 P(S-b-MMA)의 톨루엔 용액을 코팅한 후 어닐링하는 단계;를 포함하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
7. 제1 항에 있어서, 상기 블록 공중합체를 노광한 후 상기 블록 공중합체를 현상하는 단계를 더 포함하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
8. 제7 항에 있어서, 상기 블록 공중합체의 현상은 아세트산(acetic acid)를 사용하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.
9. 제8 항에 있어서, 상기 블록 공중합체를 현상한 후 CF4 가스로 식각하여 P(S-r-BCB-r-MMA) 부분을 제거하는 포토마스크의 투과율 조절 방법.

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