KR20090052700A - 위상 반전 마스크 및 그를 이용한 반도체 소자 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화 질화막(Carbon Nitride; CNx) 또는 비정질 탄소막(amorphous carbon; a-C)을 이용하여 제작된 CPL(Chromeless Phase Lithography) 마스크를 이용하여 막 두께를 조절하면 크롬 또는 몰리브덴 등의 합금(metallic alloy)을 사용하지 않고 원하는 위상차를 제어할 수 있다. 따라서, 본 발명은 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있다.

위상 반전 마스크, CPL 마스크, 탄화 질화막, 비정질 탄소막, 고강도 물질

Description

위상 반전 마스크 및 그를 이용한 반도체 소자 형성 방법{Phase shift mask and method for manufacturing semiconductor device using the same}

본 발명은 위상 반전 마스크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있는 위상 반전 마스크에 관한 것이다.

일반적으로 리소그라피 공정(lithography process)은 웨이퍼 상에 감광막을 도포한 후 노광 및 현상을 수행하는 공정으로서 마스크를 필요로 하는 식각 공정이나 이온 주입 공정 이전에 수행된다.

반도체 소자가 고집적화됨에 따라 회로를 구성하는 패턴의 크기 및 간격(pitch)이 점점 감소하고 있다.

반도체 소자가 고집적화됨에 따라 가공 공정 중 사진 공정 기술은 마스크 설계를 정교하게 해줌으로써 마스크를 통해 나오는 빛의 양을 적절히 조절하고, 새로운 감광제의 개발, 고구경(high numerical aperture) 렌즈를 사용하는 스캐너(scanner)의 개발, 변형된 마스크를 개발하는 등의 노력에 의해 반도체 소자 제 조 장치가 갖고 있는 기술적인 한계를 극복하고 있다.

한편, 현재 가장 범용으로 이용되고 있는 UV 레이저는 248nm의 파장을 이용한 KrF 광원을 이용하고 있지만, 193nm의 ArF 및 157nm의 F2 레이저를 포함하여 더 짧은 파장인 EUV로 광원이 전화되고 있다.

그러나, 짧은 파장을 갖는 광원을 이용하는 경우 레티클 분해능이 저하(degration)되는 문제점이 있다. 즉, 193nm의 ArF 또는 157nm F2 레이저 및 그 이하의 파장을 갖는 광원을 이용하는 경우 에너지가 매우 커지고, 200mm 웨이퍼에서 300mm 웨이퍼로 전환하는 과정에서 실제로 2배에 가까운 넷 다이(net die)를 노광하기 위해 더 긴 시간 동안 노출되어 마스크 패턴 물질인 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo)이 열화되는 문제점이 있다.

본 발명은 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있는 위상 반전 마스크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있는 위상 반전 마스크를 이용한 반도체 소자 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 위상 반전 마스크는

석영 기판 상부에 두께에 따라 투과율이 변하는 탄소를 포함하는 고강도 물질을 사용하여 형성된 차광 패턴;

상기 석영 기판 상부에 상기 고강도 물질을 사용하여 형성된 위상 반전 패턴; 및

상기 석영 기판 상부에 상기 고강도 물질을 사용하여 상기 위상 반전 패턴에 근접하여 형성된 보조 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고강도 물질은 탄화 질화막 또는 비정질 탄소막이고,

상기 차광 패턴은 1000Å 내지 10000Å의 두께로 형성하고,

상기 위상 반전 패턴은 180Å 내지 220Å의 두께로 형성하고,

상기 보조 패턴은 36Å 내지 44Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 위상 반전 마스크를 이용한 반도체 소자 형성 방법은

반도체 기판 상부에 감광막을 도포하는 단계;

청구항 1항 기재의 위상 반전 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 통해 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및

상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 탄화 질화막(Carbon Nitride; CNx) 또는 비정질 탄소막(amorphous carbon; a-C)을 이용하여 제작된 CPL(Chromeless Phase Lithography) 마스크를 이용하여 막 두께를 조절하면 크롬 또는 몰리브덴 등의 합금(metallic alloy)을 사용하지 않고 원하는 위상차를 제어하여 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시되고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달되기 위해 제공되는 것이다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구 성요소를 나타낸다.

크롬을 사용하지 않은 마스크(chromeless mask)의 장점은 마스크 상의 반응성이 큰 메탈 물질과 환경적 요인에 의해 발생하는 시아누르 산(cyanuric acid)이나 암모늄(ammonium)에 의해 형성된 황산염(sulfate)이나 탄산염(carbonate)을 형성하여 마스크 패턴의 열화가 발생하는 것을 억제할 수 있는 것이다.

도 1은 통상의 교번 위상 반전 마스크(alt-PSM)을 이용하여 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 1 (a)를 참조하면, 레티클은 위상이 0°이고, 투과율(transmission)이 100%인 석영 기판(10)에 위상이 180°이고, 투과율이 6%인 몰리브덴 실리콘(MoSi)으로 구현된 패턴(12)들 및 패턴(12) 상부에 형성된 크롬막(14)을 포함한다.

따라서, 상기한 레티클을 사용하여 노광하면, 도 1 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같은 위상 에너지 및 강도(intensity)에 의해 웨이퍼 상부에 도포된 감광막에서 가교 반응을 일으키고 현상 공정을 통해 감광막 패턴을 형성하여 도 1 (d)에 도시된 바와 같이 웨이퍼에 레티클에 정의된 패턴(16)을 형성할 수 있다.

도 2는 일반적인 크롬을 사용하지 않는 위상 반전 마스크(chromeless PSG)를 이용하여 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 2 (a)를 참조하면, 위상이 0°인 석영 기판(20)을 식각하여 위상이 180°가 되는 트랜치(22)를 형성하고, 석영 기판(20) 상부에 탄화 질화막(CNx) 또는 비정질 탄소층(a-C)(24)을 형성한다.

따라서, 상기한 레티클을 사용하여 노광하면, 도 2 (b)에 도시된 바와 같이 트랜치(22) 영역에서는 음의 위상 에너지가 구현되어 도 2 (c)에 도시된 바와 같은 에너지 강도에 의해 웨이펴 상부에 도포된 감광막에서 가교 반응을 일으키고 현상 공정을 통해 감광막 패턴을 형성하여 도 2 (d)에 도시된 바와 같이 웨이퍼에 레티클에 정의된 패턴(26)을 형성할 수 있다.

본 발명은 상 변위를 위해 사용되던 교번 위상 반전 마스크(alt-PSM)나 몰디브텐 실리콘(MoSi) 등으로 시프터(shifter)를 패터닝하여 상 변위를 유도하는 감쇠형 위상 반전 마스크(attenuated PSM)와는 달리 크롬 또는 몰디브덴 등의 금속성 화합물(metallic alloy)을 사용하지 않고 DUV 광의 위상 차를 유도하여 광의 이미지 콘트라스트(image contrast)를 높일 수 있다.

여기서, 합금(metallic alloy)을 사용하지 않고 DUV 광의 위상 차를 유도할 수 있는 방법은 석영 기판 자체를 패터닝 및 식각하는 방법과 석영 기판 상부에 합금을 제거하고 다른 금속성 물질(material)을 도포하여 패터닝하는 방법이 있다. 그러나, 석영 기판(quartz)만을 이용한 패터닝 및 식각하는 방법은 패터닝 식각 시 미세 로딩 효과(micro loading effect)가 심하고 식각된 석영 기판의 하부 면의 미세 식각 제어(micro etch control)가 어려워 DUV 광의 산란 및 표유 광 제어(stray light control)가 어렵다.

현재 가장 널리 사용되는 박막 중 하나는 비정질 탄소(amorphous carbon) 및 실리콘 탄화물(SiC)로써 두께에 따라 DUV 광의 투과율(transmittance)이 상이하게 되고 이러한 두께에 따른 투과율을 이용하여 DUV 광에 대한 이미지 콘트라스트(image contrast)를 높일 수 있다. 그라나, 이러한 박막을 적용하는 경우 마스크 의 기판으로 이용되는 석영 기판과의 스트레스에 대한 변형율(strain) 정도와 DUV 광 노출에 대한 온도 증가로 인해 발생하는 박막 간의 열팽창 계수 차로 인한 박막 상의 패턴 리프팅(lifting)이나 패턴 왜곡 현상이 발생할 수 있다.

[표 1]은 여러 가지 고강도 박막(thin film) 재료들의 결합 길이를 나타내고, [표 2]는 강도를 나타낸다.

물질	결합 길이(Å)	이온화 정도	B(GPa)
다이아모드	1.54	0	435
c-BN	1.56	1	369
β-Si3N4	1.74	0.5	268
β-C3N4	1.47	0.4	483

물질	결정구조	경도(Hv)	압축잔류용력(GPa)	마찰계수(μ)
다이아몬드	다결정	7000~10000	≒1	Low
ta-C, ta-C:H	비정질	2000~8000	High	0.03≤μ≤0.2
c-BN	나노결정	5000~7000	High	Rather high
SiC	다결정 또는 비정질	2000~4500	Low	Low
α-SiC:H	비정질	2000~4000	Rather Low	0.03≤μ≤0.2
β-C3N4	다결정(추정)	≥10000	?	?

[표 1]을 참조하면, 탄화 질화물(carbon nitride)은 다이아몬드보다 결합 길이가 짧고, 강도 및 경도가 크다. 따라서, 탄화 질화물은 실리콘과 열팽창 계수 및 접착력이 높고, 강도 및 경도가 커서 x-ray 노광 마스크용 막 물질(lithography mask membrane materials)이나 DUV 광의 투과율이 좋고 실리콘과의 열팽창계수가 유사하여 마스크 패턴의 왜곡을 최소화하여 웨이퍼에 전사되는 패턴의 CD 및 오버레이(overlay) 왜곡을 최소화할 수 있다.

도 3은 탄화 질화막 두께(Thickness)에 따른 ArF 광원의 투과율(Transmittance) 변화를 나타낸 그래프로써, 탄화 질화막 두께를 조절하면 DUV(ArF) 광원의 투과율 변화에 대한 이미지 콘트라스트를 최대화할 수 있다.

도 4는 탄화 질화막에 대한 ArF 광원을 조사하는 시간(Exposure Time)에 따른 투과율(Transmittance) 변화를 나타낸 그래프로써, 193nm 파장을 갖는 ArF 광원으로 80분 동안 노광하더라도 투과율(Transmittance)이 변하지 않는 안정적인 상태를 나타낸다. 여기서, 80분 동안의 노출은 30mJ로 웨이퍼당 100개의 다이(die)를 300mm 웨이퍼에 450장을 노광한 에너지에 해당한다.

도 5는 본 발명에 따른 CPL(Chromeless Phase Lithograph) 마스크를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 석영 기판(20) 상부에 탄화 질화막 또는 비정질 탄소막을 사용하여 원하는 패턴들(22a, 22b, 22c)을 형성한다. 여기서, 제 1 패턴(22a)은 1000Å 내지 10000Å의 두께로 형성하여 차광 패턴으로 구현하고, 제 2 패턴(22b)은 180Å 내지 220Å의 두께로 형성하여 180°의 위상차를 갖는 위상 반전 패턴으로 구현하고, 제 3 패턴(22c)은 36Å 내지 44Å의 두께로 형성하여 보조 패턴(assist pattern)으로 구현한다.

본 발명에 따른 위상 반전 마스크는 탄화 질화막(Carbon Nitride; CNx) 또는 비정질 탄소막(amorphous carbon; a-C)을 이용하여 제작된 CPL 마스크를 이용하여 막 두께를 조절하면 크롬 또는 몰리브덴 등의 합금(metallic alloy)을 사용하지 않고 원하는 위상차를 제어할 수 있다. 또한, CPL 마스크뿐만 아니라 DUV 광의 투과율 차를 이용하여 원하는 스캐너(scanner)의 조명계를 제작하고자 할 때 본 발명의 방법대로 상기 탄화 질화막 또는 비정질 탄소막의 두께 차이에 따른 DUV 광의 투과율을 조절할 수 있다.

따라서, 본 발명은 석영 기판(Quartz)으로 제작된 CPL 마스크 등에서 발생하는 미세 트렌치 현상 및 이로 인한 노광 시 발생하는 표유 광(stray light)을 감소시킬 수 있다.

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.

도 1은 통상의 교번 위상 반전 마스크(alt-PSM)을 이용하여 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 2는 일반적인 크롬을 사용하지 않는 위상 반전 마스크(chromeless PSG)를 이용하여 웨이퍼 상에 패턴을 형성하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 3은 탄화 질화막 두께(Thickness)에 따른 ArF 광원의 투과율(Transmittance) 변화를 나타낸 그래프이다.

도 4는 탄화 질화막에 대한 ArF 광원을 조사하는 시간(Exposure Time)에 따른 투과율(Transmittance) 변화를 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 따른 CPL(Chromeless Phase Lithograph) 마스크를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10, 20, 30: 석영 기판(quartz) 12: 몰리브덴 실리콘(MoSi) 패턴

14: 크롬(Cr) 패턴 22: 트랜치

24: 탄화 질화막(CNx) 또는 비정질 탄소막(a-C) 패턴

32: 차광 패턴 34: 위상 반전 패턴

36: 보조 패턴

Claims (6)

1. 석영 기판 상부에 두께에 따라 투과율이 변하는 탄소를 포함하는 고강도 물질을 사용하여 형성된 차광 패턴;

   상기 석영 기판 상부에 상기 고강도 물질을 사용하여 형성된 위상 반전 패턴; 및

   상기 석영 기판 상부에 상기 고강도 물질을 사용하여 상기 위상 반전 패턴에 근접하여 형성된 보조 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 반전 마스크.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고강도 물질은 탄화 질화막 또는 비정질 탄소막인 것을 특징으로 하는 위상 반전 마스크.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 차광 패턴은 1000Å 내지 10000Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 위상 반전 마스크.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 위상 반전 패턴은 180Å 내지 220Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 위상 반전 마스크.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 보조 패턴은 36Å 내지 44Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 위상 반전 마스크.
6. 반도체 기판 상부에 감광막을 도포하는 단계;

   제 1 항 기재의 위상 반전 마스크를 이용한 노광 및 현상 공정을 통해 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및

   상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 반도체 기판을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 형성 방법.

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