KR20090072821A - 반도체 소자의 포토마스크 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 소자의 포토마스크 형성방법은, 기판 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하는 단계; 광차단막 위에 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계; 포토레지스트막 패턴을 마스크로 광차단막 및 위상반전막을 식각하여 광차단막 패턴 및 위상반전막 패턴을 형성하는 단계; 광차단막 패턴의 선폭을 측정하는 단계; 측정된 선폭과 타겟 선폭을 비교하여 선폭 보정 영역을 설정하는 단계; 설정된 선폭 보정 영역의 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하여 광차단막 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계; 변환된 포토레지스트막 패턴을 마스크로 노출된 광차단막 패턴을 식각하여 선폭을 보정하는 단계; 및 포토레지스트막 패턴을 제거하는 단계를 포함한다.

포토레지스트막, 선폭 균일도 보정, 극자외선

Description

반도체 소자의 포토마스크 형성방법{Method for fabricating photomask in semiconductor device}

본 발명은 포토리소그래피에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법에 관한 것이다.

포토마스크(Photomask)는 기판 상에 광차단막 또는 위상반전막을 포함하는 패턴을 웨이퍼로 전사시켜 웨이퍼 상에 원하는 패턴을 형성하는 역할을 한다. 이러한 포토마스크는 일반적으로 기판 위에 광차단막을 형성한 다음, 이를 원하는 패턴으로 식각하여 투과광이 기판만을 통과하여 웨이퍼 위에 전사될 수 있도록 한 바이너리 마스크(Binary Mask)를 사용하여 왔다. 그러나 반도체 소자의 집적도가 높아지면서 바이너리 마스크보다 미세한 패턴을 웨이퍼 상에 형성할 수 있는 마스크가 요구되고 있다. 이에 따라 수%의 투과율을 갖는 위상 반전 물질을 이용하여 보다 미세한 패턴을 웨이퍼 상에 형성할 수 있는 위상반전 마스크(Phase Shift Mask)가 제안되어 적용하고 있다.

도 1은 1차 포토리소그래피 공정이 진행된 위상반전 마스크를 나타내보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 기판(100) 위에 1차 포토리소그래피(photolithography) 공정에 의해 형성된 광차단막 패턴(110) 및 위상반전막 패턴(105)이 배치되어 있다. 1차 포토리소그래피 공정은 먼저, 기판(100) 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하고, 광차단막 위에 마스크막 패턴(115)을 형성한다. 다음에 이 마스크막 패턴(115)을 식각 마스크로 광차단막을 식각하여 광차단막 패턴(110)을 형성하고, 계속해서 마스크막 패턴(115) 및 광차단막 패턴(110)을 마스크로 위상반전막을 식각하여 위상반전막 패턴(105)을 형성한다.

일반적으로 광차단막 패턴(110)을 형성한 후, 연속적으로 위상반전막 패턴(105)을 식각 공정을 이용하여 형성하기 때문에 광차단막 패턴(110) 위의 마스크막 패턴(115)이 균일한 선폭(CD; Critical Dimension)을 유지하며 남겨져 있다. 다음에 광차단막 패턴(110) 및 위상반전막 패턴(105)을 형성한 후, 기판(100) 위에 형성된 패턴의 선폭(CD)을 측정한다.

선폭 균일도(CD uniformity)는 포토마스크를 제작하는데 있어 가장 중요한 관리 기준 중의 하나이다. 선폭 균일도의 이상은 웨이퍼 칩 제작에 직접적으로 영향을 미치므로 정해진 기준 내에서 관리되어야 한다. 그러나 현재 적용되고 있는 선폭 균일도 보정 방법은 기판(100)의 투과율을 조절하는 방법이다. 이 방법은 선폭 균일도를 보정할 수 있지만, 마스크 제조 공정에서 확인할 수 없는 단점이 있다. 종래의 선폭 균일도 보정은 기판(100)의 투과율 조절 정도에 따라 웨이퍼 상에 패턴을 인쇄할 수 있는 가능성(wafer printability)의 변화를 측정해야 효과를 확인할 수 있다. 그러나 현재 적용되고 있는 선폭 균일도 보정 방법은 선폭 균일도를 보정하는 전, 후의 비교가 독립적으로 평가될 수 없는 문제가 있다. 또한, 기판(100)의 투과율을 조절하여 선폭 균일도를 보정하는 방법은 CD MTT(CD Mean to target)과는 독립적으로 이루어지고 있기 때문에, CD MTT를 보정하여 최종적으로 얻어진 포토마스크에 적용해야 하는 제한성을 가진다. 이에 따라 마스크 제조 공정에서 선폭 균일도 보정을 확인할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 포토마스크 형성방법은, 기판 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하는 단계; 상기 광차단막 위에 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계; 상기 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 광차단막 및 위상반전막을 식각하여 광차단막 패턴 및 위상반전막 패턴을 형성하는 단계; 상기 광차단막 패턴의 선폭을 측정하는 단계; 상기 측정된 선폭과 타겟 선폭을 비교하여 선폭 보정 영역을 설정하는 단계; 상기 설정된 선폭 보정 영역의 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하여 상기 광차단막 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 변환된 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 노출된 광차단막 패턴을 식각하여 선폭을 보정하는 단계; 및 상기 포토레지스트막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위상반전막은 몰리브덴(Mo)계 화합물을 포함하고, 상기 광차단막은 크롬(Cr)을 포함하여 형성하는 것이 바람직하다.

상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭과 타겟 선폭이 대등한 제1 영역은 상기 포토레지스트막 패턴을 제거하여 상기 광 차단막 패턴을 노출시키는 것이 바람직하다.

상기 포토레지스트막 패턴은, 상기 포토레지스트막 패턴에 극자외선(UV)을 조사하면서 상기 극자외선의 광원의 세기와 조사 시간을 과도하게 조사하여 제거하는 것이 바람직하다.

상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭이 타겟 선폭보다 상대적으로 큰 제2 영역은, 상기 포토레지스트막 패턴의 선폭을 축소시켜 상기 축소된 선폭만큼 광차단막 패턴을 노출시키는 것이 바람직하다.

상기 포토레지스트막 패턴의 선폭은 상기 포토레지스트막 패턴 상에 극자외선(UV)을 조사하면서 상기 극자외선의 광원의 세기와 조사 시간을 조절하여 축소시키는 것이 바람직하다.

상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭이 타겟 선폭보다 상대적으로 작은 제3 영역은 상기 포토레지스트막 패턴이 제거되는 것을 방지하여 상기 광차단막 패턴의 노출을 억제하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 포토마스크 형성방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 2를 참조하면, 기판(200) 위에 위상반전막(shift layer, 205) 및 광차단막(absorb layer, 210)을 순차적으로 증착한다. 여기서 기판(200)은 석영(Quartz)을 포함하며, 빛을 투과시킬 수 있는 투명한 재질로 이루어진다. 기판(200) 위에 증착된 위상반전막(205)은 이후 진행될 노광 공정에서 기판(200) 상에 조사되는 빛의 위상을 반전시킬 수 있는 물질로 이루어진다. 이러한 위상반전막(205)은 몰리브데늄(Mo)을 함유하는 화합물, 예를 들어 몰리브덴 실리콘 나이트라이드막(MoSiON)을 포함하여 형성할 수 있다. 그리고 위상반전막(205) 위에 형성된 광차단막(210)은 이후 진행될 노광 공정에서 기판(200)을 통해 투과하는 빛을 차단한다. 이러한 광차단막(210)은 크롬막(Cr)을 포함하여 형성할 수 있다.

다음에 광차단막(210) 위에 마스크막 패턴(215)을 형성한다. 이 마스크막 패턴(215)은 광차단막(210)의 표면을 선택적으로 노출시키도록 소정 간격만큼 이격하여 배열하며, 포토레지스트막(photoresist layer)으로 형성할 수 있다.

도 3 내지 도 4c를 참조하면, 마스크막 패턴(215)을 이용한 1차 패터닝 공정을 진행하여 기판(200) 위에 광차단막 패턴(220) 및 위상반전막 패턴(225)을 형성한다. 여기서 1차 패터닝 공정은 건식 식각(dry etch) 공정을 이용하여 진행할 수 있다. 이때, 도 3은 기판의 일부 영역을 상부에서 나타내보인 평면도이고, 도 4a 내지 도 4c는 도 3을 A-A'방향 내지 C-C' 방향으로 나타내보인 단면도들이다.

구체적으로, 도 3을 참조하면, 마스크막 패턴(215)을 마스크로 광차단막(210, 도 2참조)을 식각하여 광차단막 패턴(220)을 형성한다. 계속해서 마스크막 패턴(215) 및 광차단막 패턴(220)을 마스크로 위상반전막(205, 도 2참조)을 식각하 여 기판(200)을 선택적으로 노출시키는 위상반전막 패턴(225)을 형성한다. 그리고 기판(200) 위에 형성된 패턴들의 선폭(CD; Critical Dimension)을 측정한다. 여기서 선폭은 전자주사현미경(SEM; Scanning electron microscope)을 이용하여 측정하거나 또는 반사광 및 RCWA(Rigorous coupled waved analysis) 방법을 이용하여 측정할 수 있다. 이때, 기판(200) 위에 형성된 패턴들의 선폭을 측정시 선폭 균일도 보정 영역을 설정할 수 있도록 칩 전체 영역의 다양한 지역을 측정하는 것이 바람직하다.

그런데, 이러한 1차 패터닝 공정을 진행하는 과정에서 도 4a 내지 도 4c에 도시한 바와 같이, 기판(200) 상에 형성된 광차단막 패턴(220) 및 위상반전막 패턴(225)의 선폭 균일도가 타겟 범위를 벗어나 형성되는 경우가 발생할 수 있다.

구체적으로, 도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(200) 위에 형성된 타겟 범위 내의 선폭(x₁) 및 인접하는 패턴들 사이의 공간(y₁)을 갖는 제1 패턴(230a)과 비교하여, 도 4b에 도시한 바와 같이, 기판(200) 위에 형성된 제2 패턴(230b)의 선폭(x₂)이 넓게 형성되어 제2 패턴(230b) 사이의 공간(y₂)이 타겟 범위보다 작게 형성될 수 있다. 또는, 도 4c에 도시한 바와 같이, 기판(200) 위에 형성된 제3 패턴(230c)의 선폭(x₃)이 좁게 형성되면서 제3 패턴(230c) 사이의 공간(y₃)은 타겟 범위보다 넓게 형성되면서 선폭 균일도가 저하될 수 있다. 여기서 제1 패턴(230a), 제2 패턴(230b) 및 제3 패턴(230c)은 광차단막 패턴(220) 및 위상반전막 패턴(225)을 포함하여 이루어진다.

한편, 선폭 균일도는 포토마스크를 제작하는데 있어 중요한 관리 기준 중의 하나로써, 선폭 균일도에 이상이 발생하면 웨이퍼 칩 제작에 직접적으로 영향을 미치므로 정해진 기준 내에서 관리되어야 한다. 이에 따라 선폭 균일도가 타겟 범위에서 벗어나 개선이 필요한 영역을 설정하고 선폭 MTT(Mean to target) 보정 값을 설정한다. 여기서 선폭 균일도의 개선이 필요한 영역은 타겟 범위보다 작게 형성되거나, 크게 형성된 제1 패턴(230a), 제2 패턴(230b) 또는 제3 패턴(230c)이 형성된 부분이다.

도 5 내지 도 6c를 참조하면, 선폭 균일도 보정 영역의 광차단막 패턴(220) 위에 형성되어 있는 마스크막 패턴(215) 상에 극자외선(UV; Ultra Violet)을 조사하여 마스크막 패턴(215)의 선폭을 타겟 범위와의 오차정도에 따라 선택적으로 변환시킨다. 여기서 도 5는 기판의 일부 영역을 상부에서 나타내보인 평면도이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 5를 A-A'방향 내지 C-C' 방향으로 나타내보인 단면도들이다. 이하 이에 대한 설명은 생략한다.

마스크막 패턴(215)으로 이용하는 포토레지스트막은 극자외선 조사에 의해 화학적으로 분쇄(degradation)되는 성질을 가지고 있다. 극자외선에 의해 화학적으로 분쇄되면 포토레지스트막이 내측으로 축소한다. 그리고 극자외선을 조사하면서 축소되는 포토레지스트막은 극자외선이 조사되는 시간 및 광원의 세기에 따라 축소되는 폭을 조절할 수 있다. 여기서 포토레지스트막의 높이가 축소되는 두께는 미미하여 이후 진행되는 추가 식각 공정에서 식각 배리어막으로 이용할 수 있다.

구체적으로, 도 6a를 참조하면, 정상 타겟 범위로 형성된 제1 패턴(230a)은 마스크막 패턴(215a, 도 4a참조) 상에 극자외선을 과도하게 조사한다. 그러면 극자외선에 과도하게 노출된 마스크막 패턴(215a)은 축소를 반복하면서 제거된다. 이에 따라 제1 패턴(230a)은 광차단막 패턴(220)이 노출된다. 다음에 도 6b를 참조하면, 정상 타겟 범위보다 넓은 폭으로 형성된 제2 패턴(230b)은 극자외선을 조사하면서 반응 가스 및 극자외선 광원의 세기를 조절한다. 그러면 제2 패턴(230b) 위에 형성된 마스크막 패턴(215b)이 내측으로 소정 폭(d)만큼 축소되면서 제2 패턴(230b)의 광차단막 패턴(220)이 일부 노출된다. 그리고 도 6c를 참조하면, 정상 타겟 범위보다 작은 폭으로 형성된 제3 패턴(230c)은 극자외선에 노출되는 것을 방지하여 마스크막 패턴(215c)이 축소되는 것을 방지한다.

도 7 내지 도 8c를 참조하면, 극자외선을 조사한 마스크막 패턴을 마스크로 노출된 광차단막 패턴을 식각하는 제2 패터닝 공정을 수행한다.

구체적으로, 도 8a를 참조하면, 정상 타겟 범위로 형성된 제1 패턴(230a, 도 6a참조)은 광차단막 패턴(220)이 모두 식각되면서 위상반전막 패턴(225)이 노출된다. 이에 따라 기판(200) 위에는 위상반전막 패턴(225) 단일막으로 이루어지는 제1 패턴이 형성된다. 다음에 도 8b를 참조하면, 축소된 마스크막 패턴(235, 도 6b참조)을 이용하여 정상 타겟 범위보다 넓은 폭으로 형성된 제2 패턴(230b)의 노출된 광차단막 패턴(220)을 식각한다. 그러면 위상반전막 패턴(225) 위에 축소된 광차단막 패턴(220a)이 배치되면서 위상반전막 패턴(225)을 부분적으로 노출시키는 제2 패턴(240)이 형성된다. 그리고 도 8c를 참조하면, 마스크막 패턴(215c)에 의해 하부의 광차단막 패턴(220)은 식각되지 않고, 제3 패턴(230c)이 그대로 남아 있게 된 다. 다음에 제2 패턴(240) 및 제3 패턴(245) 위에 남아 있는 마스크막 패턴(235, 215c)을 제거한다.

이와 같이 포토레지스트막 패턴 상에 극자외선의 광원 세기 및 조사 시간을 선택적으로 조절하고 이에 따라 제거, 축소 또는 잔류하는 포토레지스트막 패턴을 이용하여 형성된 광차단막 패턴에 의해 이후 노광 공정에서 광원이 선택적으로 조절되어 선폭 균일도를 보정할 수 있다. 이러한 선폭 균일도 보정 효과를 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 설명하기로 한다.

도 9a 내지 도 9c는 선폭 균일도가 보정된 패턴들에 광원을 조사하여 웨이퍼로 조사되는 광원의 파장을 나타내보인 도면들이다.

먼저 도 9a를 참조하면, 기판(200) 위에 위상반전막(225) 단일막이 존재하는 영역은 정상적인 위상반전 효과를 나타내며 웨이퍼 상에 전사시킨다.

이에 대하여 도 9b를 참조하면, 제2 패턴(230b)은 위상반전막 패턴(225) 위에 축소된 광차단막 패턴(220a)이 남으면서 이 축소된 광차단막 패턴(220a)과 위상반전막 패턴(225)의 제1 경계(250) 및 위상반전막 패턴(225)과 기판(200)의 제2 경계(255)로 나누어진다. 이러한 제1 경계(250) 및 제2 경계(255)에 의해 이후 웨이퍼로 마스크 패턴을 전사시키는 과정에서, 제2 패턴(230b)이 형성된 부분은 광차단막 패턴(220a)과 위상반전막 패턴(225)의 제1 경계(250) 부분에서 얻어지는 위상반전효과와 위상반전막 패턴(225)과 기판(200)의 제2 경계(255) 부분에서 얻어지는 위상반전 효과가 중첩적으로 발생할 수 있다. 이러한 위상반전의 중첩 효과는 도 9a의 위상반전막의 단일막만 존재할 때 발생되는 위상반전효과보다 강하게 형성되 는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 정상 타겟 범위보다 넓게 형성된 제2 패턴(230b)에 적용시, 강한 위상반전효과를 통해 정상 타겟 범위의 선폭으로 보정할 수 있다. 또한, 위상반전막 패턴(225) 위에 형성된 광차단막 패턴(220a)은 위상반전막의 투과율을 저하시키므로 투과되는 전체 빛의 콘트라스트(contrast) 차이를 더욱 크게 만들어 위상반전 중첩 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

또한, 도 9c에 도시한 바와 같이, 제3 패턴(245)은 직진으로 입사되는 광원인 0차광에 대하여 바이너리 마스크가 가지는 광차단막 패턴(220)의 효과는 갖는다. 그러나 위상반전막 패턴(225)이 광차단막 패턴(220)에 의해 차단되면서 위상반전 효과는 상실하게 된다. 따라서 위상반전효과는 소멸되므로 정상 선폭보다 상대적으로 작은 선폭으로 형성된 패턴에 이러한 구조를 도입하게 되면 정상적인 위상반전만 패턴의 단일막으로 형성된 도 9a의 마스크의 결과와 비교하여 확장된 파장이 웨이퍼 상에 전사되면서 확장된 선폭이 형성되게 된다. 이에 따라 정상 선폭보다 상대적으로 작은 선폭으로 형성된 패턴이 형성된 영역의 선폭 균일도를 보정할 수 있다.

마스크 도입에 의한 선폭 균일도 보정의 결과물은 마스크 숍과 웨이퍼 팹에서 각각 효과를 확인할 수 있다. 우선 마스크 숍에서는 마스크의 패턴이 가지는 인쇄가능도에 대한 가상적인 효과를 파악할 수 있는 장치인 AIMS 시뮬레이션을 통하여 일차적으로 선폭 균일도 개선 효과를 파악할 수 있다. 그리고 이차적으로는 웨이퍼 제조에서의 노광 및 현상 공정을 통해 선폭 균일도가 보정된 마스크의 개선 효과를 파악할 수 있다. 이러한 두 가지 개선 효과 파악에 관한 결과물은 마스크 형성의 공정 조건을 확립하는데 활용할 수 있다.

도 1은 1차 포토리소그래피 공정이 진행된 위상반전 마스크를 나타내보인 도면이다.

도 2 내지 도 8c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 포토마스크 형성방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.

도 9a 내지 도 9c는 선폭 균일도가 보정된 패턴들에 광원을 조사하여 웨이퍼로 조사되는 광원의 파장을 나타내보인 도면들이다.

Claims (7)

1. 기판 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하는 단계;

   상기 광차단막 위에 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 광차단막 및 위상반전막을 식각하여 광차단막 패턴 및 위상반전막 패턴을 형성하는 단계;

   상기 광차단막 패턴의 선폭을 측정하는 단계;

   상기 측정된 선폭과 타겟 선폭을 비교하여 선폭 보정 영역을 설정하는 단계;

   상기 설정된 선폭 보정 영역의 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하여 상기 광차단막 패턴을 선택적으로 노출시키는 단계;

   상기 변환된 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 노출된 광차단막 패턴을 식각하여 선폭을 보정하는 단계; 및

   상기 포토레지스트막 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 위상반전막은 몰리브덴(Mo)계 화합물을 포함하고, 상기 광차단막은 크롬(Cr)을 포함하여 형성하는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭과 타겟 선폭이 대등한 제1 영역은 상기 포토레지스트막 패턴을 제거하여 상기 광차단막 패턴을 노출시키는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 포토레지스트막 패턴은, 상기 포토레지스트막 패턴에 극자외선(UV)을 조사하면서 상기 극자외선의 광원의 세기와 조사 시간을 과도하게 조사하여 제거하는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭이 타겟 선폭보다 상대적으로 큰 제2 영역은, 상기 포토레지스트막 패턴의 선폭을 축소시켜 상기 축소된 선폭만큼 광차단막 패턴을 노출시키는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 포토레지스트막 패턴의 선폭은 상기 포토레지스트막 패턴 상에 극자외선(UV)을 조사하면서 상기 극자외선의 광원의 세기와 조사 시간을 조절하여 축소시키는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 포토레지스트막 패턴을 선택적으로 변환하는 단계는, 상기 측정된 선폭이 타겟 선폭보다 상대적으로 작은 제3 영역은 상기 포토레지스트막 패턴이 제거되는 것을 방지하여 상기 광차단막 패턴의 노출을 억제하는 반도체 소자의 포토마스크 형성방법.

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