KR20100098921A - 써브 노광마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법 - Google Patents

써브 노광마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 셀 어레이 영역에 구비된 투명패턴 및 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광패턴을 포함하고, 또 다른 실시예에 따른 노광마스크는 셀 어레이 영역에 구비된 통차광패턴 및 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광패턴을 포함하는 써브 노광마스크를 이용한 패터닝공정으로, 베이스 노광마스크에서 취약패턴이 유발하는 문제를 해결하여 불량을 방지할 수 있고, 취약패턴으로 인한 마스크의 재제작에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 써브 노광마스크에 취약패턴 뿐만 아니라 다양한 패턴들의 삽입이 가능하여 추가적인 마스크의 제작 없이도 패터닝 테스트를 할 수 있는 효과를 제공한다.
취약패턴, 써브 노광마스크

Description

써브 노광마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법{Sub expose mask and method for forming semiconductor device using it}
본 발명은 써브 노광마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 취약패턴의 패터닝을 용이하게 하는 써브 노광마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 형성 방법에 관한 것이다.
최근 메모리 소자를 장착한 개인 휴대 장비와 개인용 컴퓨터 등과 같은 정보 매체의 급속한 보급에 따라, 대용량의 저장 능력을 가지는 동시에 신뢰도 및 데이터를 엑세스(access)하는 동작 속도가 향상된 고집적의 반도체 소자를 제조하기 위한 공정 설비나 공정 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이러한 반도체 소자의 속도는 패턴 선폭의 임계 치수, 즉 패턴 선폭의 크기가 작을수록 증가하기 때문에 반도체 소자의 집적도를 향상시키기 위한 다양한 포토리소그래피(photo lithography) 기술이 제안되고 있다.
미세 패턴을 구현하기 위한 포토리소그래피 기술로 현재 가장 용이하게 사용되는 기술은 ArF 이머젼 노광장비를 이용한 포토리소그래피인데, 이 포토리소그래피 기술은 1회 노광 공정으로 40nm이하의 패턴을 구현하기 어렵기 때문에 반도체 소자의 집적도 향상에 따라 감소하는 디자인 룰을 반영하는데 한계가 있다.
한편, 구현 가능한 감광막 패턴의 선폭은 노광 단계에서 사용되는 빛의 파장에 의해 한계를 갖기 때문에 상술한 바와 같이 반도체 소자의 고집적화로 인해 미세한 선폭의 패턴을 구현하기 위해서는 빛의 파장도 함께 감소되어야 한다. 하지만 패턴의 선폭이 감소하는 만큼 빛의 파장은 감소될 수 없어 미세한 패턴을 형성하는데 한계가 있다.
이로 인해, 노광마스크 제작 장비인 마스크 라이팅(writing) 장비는 현재 요구되는 미세패턴의 크기로 포토 마스크 상에 라이팅하도록 진화되고 있다. 하지만 패턴이 미세화되어 마스크 상에 구현되어야 하는 패턴의 수가 많아지고 칩의 크기는 커짐에 따라, 포토 마스크에 구현되는 패턴의 평균크기 및 산포가 좋지 않은 실정이다. 이로 인해 노광마스크의 중앙과 가장자리에 패턴의 크기가 다르고 미세패턴을 갖는 레이어가 많아서 원하는 패턴의 형상 및 크기대로 구현되지 않는 취약 패턴들이 존재하게 된다.
이러한 취약 패턴들이 웨이퍼 상에 노광되어 패턴을 구현하는 경우에는 패턴 브릿지(bridge)나 패턴 끊김(short)의 형태로 구현될 수 있어 노광마스크 상의 취약 패턴들은 반도체 소자의 수율저하에 큰 영향을 미치고 있다. 또한, 노광마스크 상에 설계된 바대로 정확하게 패턴이 라이팅되지 않는 경우 노광마스크의 재제작이 불가피하여, 마스크 재제작에 소요되는 시간 및 비용이 증가하는 문제가 있다. 그리고, 노광마스크에 취약패턴이 존재한다고 하더라도 반도체 소자의 수율 저하에 대한 문제점을 여전히 해결하지 못한 상태에서 반도체 소자의 공정을 진행하고 있 는 실정이다.
도 1은 종래 기술에 따른 노광마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 구현되는 셀 어레이의 패턴크기에 따른 분포이미지이다.
도 1에 도시된 바와 같이 셀 어레이 중앙부의 밝은 영역은 셀 어레이 패턴의 CD가 큰 영역을 나타내는 것이고, 셀 어레이 외곽부의 어두운 영역은 셀 어레이 패턴의 CD가 작은 영역을 나타내는 것이다. 이는 셀 어레이 중앙부와 외곽부에 위치하는 패턴의 CD가 다름을 의미하고, 셀 어레이 외곽부에 위치한 패턴들은 취약패턴이 되기 쉽다. 따라서 동일한 노광조건으로 노광하는 경우에 셀 어레이 외곽부의 CD가 작은 영역에서는 패턴 브릿지나 패턴 끊김같은 불량이 유발되어 정확하게 패터닝되지 않는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 노광마스크 내에 존재하게 되는 취약패턴들이 웨이퍼에 구현되는 경우 불량을 유발하여 반도체 소자의 수율을 저하시키고 취약패턴으로 인해 새로운 마스크를 재제작하여야 함으로 인해 소요되는 시간과 비용이 증가되는 문제를 해결하고자 한다.
본 발명의 써브 노광마스크는 셀 어레이 영역에 구비된 투명패턴 및 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광(遮光)패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 베이스 노광마스크와 써브 노광마스크를 이용하여 동시에 노광하는 경우 셀 어레이 영역은 베이스 노광마스크로 노광되도록 하고, 셀 어레이 영역을 제외한 영역은 써브 노광마스크로 노광되도록 하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 써브 노광마스크는 셀 어레이 영역에 구비된 통차광패턴 및 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이 결과 베이스 노광마스크와 써브 노광마스크를 따로 노광하는 경우 베이스 노광마스크로는 셀 어레이 영역만이 노광되도록 하고, 써브 노광마스크로는 셀 어레이 영역을 제외한 영역만이 노광되도록 할 수 있다.
이때, 상기 써브 노광마스크는 바이너리 마스크, 하프톤 마스크, 위상반전 마스크인 것을 특징으로 한다. 이는 써브 노광마스크 패턴의 투과율이 베이스 노광마스크패턴의 투과율보다 낮은 투과율을 갖도록 하기 위함이다.
상기 차광패턴은 라인 앤 스페이스, 콘택홀 패턴 및 이들의 조합 중 어느 하나의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 써브 노광마스크의 차광패턴 즉, 취약패턴은 셀 어레이 영역에 형성된 패턴과 동일한 형태의 패턴인 것을 나타낸다.
그리고, 상기 차광패턴은 오버레이 버니어, 얼라인먼트 키 및 식각 모니터링 박스를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이는 셀 어레이 영역을 제외한 영역에서 형성되는 패턴을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명의 반도체 소자의 형성 방법은 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 감광막을 도포하는 단계와 베이스 노광마스크 및 상술한 써브 노광마스크를 이용한 노광공정 및 현상공정을 수행하여 감광막 패턴을 형성하는 단계 및 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 써브 노광마스크는 상기 베이스 노광마스크 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 한다. 이는 베이스 노광마스크와 써브 노광마스크를 동시에 노광하는 경우 베이스 노광마스크에 노광된 광원이 써브 노광마스크의 취약패턴과 보강 간섭현상을 유발하도록 하여 취약패턴이 용이하게 패터닝되도록 하기 위함이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 소자의 형성 방법은 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 감광막을 도포하는 단계와 베이스 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계와 상술한 써브 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계와 상기 감광막에 대한 현상공정을 수행하여 감광막 패턴을 형성하는 단계 및 상기 감광막 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 베이스 노광마스크를 이용한 노광공정에서 사용되는 조명계는 상기 써브 노광마스크를 이용한 노광공정에서 사용되는 조명계와 상이한 것을 특징으로 한다. 이는 셀 어레이 영역과 상이한 형태의 취약패턴을 구현하기 위해서 서로 다른 조명계를 사용하여야 하는 경우 셀 어레이 영역과 취약패턴 모두 구현가능함을 의미한다.
그리고, 상기 베이스 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계는 상기 베이스 노광마스크의 셀 어레이 영역은 노광되고, 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역은 노광되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 취약패턴이 형성된 써브 노광마스크를 이용함으로써 노광마스크 내에 존재하는 취약패턴을 유발하는 불량을 방지할 수 있고, 취약패턴으로 인한 마스크의 재 제작에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 써브 노광마스크에 취약패턴 뿐만 아니라 다양한 패턴들의 삽입이 가능하여 추가적인 마스크의 제작없이도 패터닝 테스트를 할 수 있는 효과를 제공한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 써브 노광마스크를 나타낸 평면도이고, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 써브 노광마스크를 이용한 노광공정을 나 타낸 개략도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 써브 노광마스크(M1)는 셀 어레이 패턴의 CD와 비교하여 작거나 큰 크기를 갖는 패턴들(이하, '취약패턴'이라 한다.)이 웨이퍼 상에 정확하게 노광되지 않는 것을 방지하도록 한다. 따라서 써브 노광마스크(M1)의 마스크 패턴은 취약패턴이 위치하는 영역에 대응되도록 위치할 수 있다. 예를들면, 써브 노광마스크(M1)의 'A,A1' 영역은 셀 어레이 패턴이 구현된 노광마스크(이하, '베이스 노광마스크'라 한다.)의 셀 어레이 외곽부에 위치한 취약패턴이 된다. 따라서 써브 노광마스크(M1) 'A,A1' 영역에는 베이스 노광마스크의 취약패턴에 해당하는 콘택홀과 라인 앤 스페이스 패턴이 형성될 수 있다.
써브 노광마스크(M1)의 'A,A1' 영역을 제외한 영역은 베이스 노광마스크에서 회절되어 나오는 빛의 경로 및 위상에 영향을 주지 않도록 하는 것이 바람직하다. 여기서 써브 노광마스크(M1)의 'A,A1' 영역을 제외한 영역은 베이스 노광마스크의 셀 어레이 중앙부에 해당하는 영역으로 마스크 패턴이 형성되지 않는 영역이라 할 수 있다.
그리고 써브 노광마스크(M1) 'A,A1' 영역은 투과율은 베이스 노광마스크의 투과율 보다 낮은 것이 바람직하다. 예를들어 써브 노광마스크(M1)는 컨벤셔널 타입(conventional type)의 바이너리 마스크(BIM;binary mask), 어테뉴에이션 타입(attenuation type)의 하프톤 마스크(half-tone mask), 얼터네이션 타입(alternation type)의 강 위상반전 마스크(strong phase shift mask)을 포함한 다.
도 2b에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 써브 노광마스크(M2)는 베이스 노광마스크의 셀 어레이 중앙부에 위치하는 패턴들과 상이한 형태의 패턴들이 정확하게 노광되지 않는 것을 방지한다. 예를 들어, 베이스 노광마스크의 셀 어레이 중앙부 패턴들은 동일한 형태의 패턴들이 반복배열되어 있고, 셀 어레이 외곽부의 패턴들은 중앙부와 상이한 형태의 패턴들이 배열되어 있다고 가정할 때, 특정 노광계를 사용하여 셀 어레이 중앙부 패턴들이 웨이퍼 상으로 정확하게 구현되도록 한다면, 이와 상이한 형태를 갖는 외곽부 패턴들은 정확하게 구현되지 않는다.
따라서 써브 노광마스크(M2) 'B,C,D,E' 영역에 형성된 패턴들은 셀 어레이 중앙부 패턴들이 구현되도록 사용된 특정 노광계와 상이한 노광계를 적용하여 셀 어레이 패턴과 상이한 형태를 갖는 외곽부 패턴들이 정확하게 구현되도록 한다. 따라서, 셀 어레이 중앙부 패턴들에 최적화된 조명계가 아닌 외곽부에 최적화된 조명계를 사용함으로써 외곽부 패턴들이 정확하게 구현될 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이 본 발명의 제 3 실시예에 따른 써브 노광마스크(M3)에는 얼라인먼트 키, 오버레이 버니어 및 식각 모니터링 박스 등이 포함될 수 있다. 써브 노광마스크(M3)에 형성되는 얼라인먼트 키, 오버레이 버니어 및 식각 모니터링 박스는 베이스 노광마스크의 외곽부에 형성되는 얼라인먼트 키, 오버레이 버니어 및 식각 모니터링 박스에 대응되도록 위치한다. 이는 편의상 써브 노광마스크(M3)의 'F,G,H,I' 영역으로 나타낼 수 있다. 이 외에도 새로운 패턴을 테 스트 하기 위한 테스트 패턴이 형성된 영역 'J' 이 더 포함될 수 있다.
상술한 바와 같이 여러 실시예에 따른 본 발명의 써브 노광마스크(M1,M2,M3)는 베이스 노광마스크의 투과율보다 낮은 투과율을 사용하여 베이스 노광마스크의 취약패턴이 용이하게 형성되도록 할 수 있고, 셀 어레이 패턴을 구현하기 위해 사용되는 노광계로 패터닝이 되지 않는 패턴들 또한 용이하게 형성할 수 있다.
도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 본 발명의 써브 노광마스크를 이용한 노광공정은 다음의 실시예를 통하여 이루어질 수 있다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이 베이스 노광마스크(100)와 써브 노광마스크(200)를 동시에 이용하여 노광하는 방법이다. 피식각층(20)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 감광막(30)을 도포한 후 베이스 노광마스크(100) 및 써브 노광마스크(200)를 이용한 노광 및 현상 공정을 수행하여 감광막 패턴(미도시)을 형성하고 이를 식각마스크로 피식각층을 식각하여 반도체 소자의 패턴을 형성한다.
여기서, 써브 노광마스크(200)는 베이스 노광마스크(100)의 하부에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 베이스 노광마스크(100)를 투과한 빛은 써브 노광마스크(200)에 형성된 취약패턴(220')과의 보강 간섭 현상을 유발하여 취약패턴(220')의 형성을 용이하게 하게 하기 때문이다.
그리고, 베이스 노광마스크(100)의 셀 어레이 영역(110)에 해당하는 써브 노광마스크 영역(210)은 투명패턴이어야 하고, 베이스 노광마스크(100)의 취약패턴이 위치하는 영역(120) 또한 투명패턴이어야 한다. 다시말해, 베이스 노광마스크(100) 및 써브 노광마스크(200)가 교차되어 동시에 노광되기 때문에, 베이스 노광마스 크(100)에 형성된 마스크 패턴들(110')이 노광되기 위해서는 써브 마스크(200)의 해당영역(210)에는 차광패턴이 존재하지 않아야 한다는 것이다. 또한, 써브 노광마스크(200)에 형성된 취약패턴(220')들이 노광되기 위해서는 베이스 노광마스크(100)의 해당영역(120)에는 차광패턴이 존재하지 않아야 한다는 의미이다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이 베이스 노광마스크(300)와 써브 노광마스크(400)를 별도로 노광하는 방법도 있다. 구체적으로, 피식각층(20)이 형성된 반도체 기판(10) 상에 감광막(30)을 도포한 후 베이스 노광마스크(300)를 이용한 노광공정을 수행한 이후(도 4a 참조), 써브 노광마스크(400)를 이용한 노광공정을 수행한다(도 4b 참조). 이 때, 베이스 노광마스크(300)를 이용한 노광공정은 셀 어레이 영역(310)의 패턴(310')이 정확하게 구현되도록 하는 것이고, 써브 노광마스크(400)를 이용한 노광공정은 베이스 노광마스크(300)에 해당하는 취약패턴(420')이 정확하게 구현되도록 하는 것이다. 따라서, 취약패턴(420')을 고려하여 상이한 조명계를 사용하여야 하는 경우, 예컨대 베이스 노광마스크(300)의 셀 어레이 패턴(310')을 구현하기 위하여 다이폴 조명계를 사용하고, 취약패턴(420')을 구현하기 위하여 크로스폴 조명계를 사용하여야 하는 경우 적절하게 노광조건을 변경할 수 있어 취약패턴(420')의 패터닝을 용이하게 할 수 있다. 그 다음 감광막(30)에 대한 현상공정을 수행하여 감광막 패턴(미도시)을 형성하고 이를 식각마스크로 피식각층(20)을 식각하여 최종패턴(미도시)을 형성한다. 여기서, 베이스 노광마스크(300)의 셀 어레이 영역(310)에 해당하는 써브 노광마스크 영역(410)은 통차광패턴이어야 하고, 베이스 노광마스크(400)의 취약패턴(420')이 위치하는 해당영 역(320) 또한 차광패턴이어야 한다.
즉, 베이스 노광마스크(300)를 이용한 노광공정 후 써브 노광마스크(400)를 이용한 노광공정을 수행하기 때문에 베이스 노광마스크(300)의 셀 어레이 영역(310)이 노광되면, 이 영역(310)에 해당하는 써브마스크 영역(410)은 노광되지 않아야 한다. 따라서 써브 노광마스크(400)의 해당영역(410)에는 통차광패턴을 형성하여 다시 노광되지 않도록 한다.
또한, 써브 노광마스크(400)에 형성된 마스크 패턴(420')들이 노광되면, 그 영역(420)에 해당하는 베이스 노광마스크 영역(320)은 노광되지 않아야 한다. 따라서, 베이스 노광마스크의 해당영역(320)에 차광패턴을 형성하여 다시 노광되지 않도록 한다.
상술한 실시예들을 이용한 방법으로 베이스 노광마스크의 취약패턴을 용이하게 형성하여 패턴의 불량을 방지할 수 있고, 패턴이 용이하게 형성되지 않음으로 인해 마스크 재제작에 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 노광마스크를 이용하여 웨이퍼 상에 구현되는 셀 어레이의 패턴크기에 따른 분포이미지.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 써브 노광마스크를 나타낸 평면도.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 써브 노광마스크를 이용한 노광공정을 나타낸 개략도.

Claims (10)

  1. 셀 어레이 영역에 구비된 투명패턴; 및
    상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 써브 노광마스크.
  2. 셀 어레이 영역에 구비된 통차광패턴; 및
    상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역에 구비된 차광패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 써브 노광마스크.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 써브 노광마스크는,
    바이너리 마스크, 하프톤 마스크 또는 위상반전 마스크인 것을 특징으로 하는 써브 노광마스크.
  4. 청구항 1항 또는 청구항 2 항에 있어서,
    상기 차광패턴은,
    라인 앤 스페이스, 콘택홀 패턴 및 이들의 조합 중 어느 하나의 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 써브 노광마스크.
  5. 청구항 1항 또는 청구항 2 항에 있어서,
    상기 차광패턴은,
    오버레이 버니어, 얼라인먼트 키 및 식각 모니터링 박스를 포함하는 것을 특징으로 하는 써브 노광마스크.
  6. 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 감광막을 도포하는 단계;
    베이스 노광마스크 및 청구항 1의 써브 노광마스크를 이용한 노광공정 및 현상공정을 수행하여 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 감광막 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 써브 노광마스크는 상기 베이스 노광마스크 하부에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  8. 피식각층이 형성된 반도체 기판 상에 감광막을 도포하는 단계;
    베이스 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계;
    청구항 2의 써브 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계;
    상기 감광막에 대한 현상공정을 수행하여 감광막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 감광막 패턴을 식각마스크로 상기 피식각층을 식각하는 단계를 포함하 는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 베이스 노광마스크를 이용한 노광공정에서 사용되는 조명계는 상기 써브 노광마스크를 이용한 노광공정에서 사용되는 조명계와 상이한 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 베이스 노광마스크를 이용한 노광공정을 수행하는 단계는,
    상기 베이스 노광마스크의 셀 어레이 영역은 노광되고, 상기 셀 어레이 영역을 제외한 영역은 노광되지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 형성 방법.
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