KR20110004075A - 하드마스크용 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조방법 - Google Patents

하드마스크용 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하드마스크용 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조방법에 관한 것으로, 32nm급 로직 소자를 목표로 한 반도체 광학 리소그래피에 사용되는 하드마스크의 제작 시 포토레지스트 패턴 프로파일의 저하를 방지하기 위해 웨이퍼 공정의 액침노광(Immersion Lithography)에서 사용되는 상부-도포 물질(top-coating material)을 하드마스크층 상부에 코팅하여 PEB(Post Exposure Baking) 공정 중에 발생하는 산이 크롬층으로 확산되는 것을 방지하고, 또 크롬층에서 염이 상부층으로 확산되는 것을 방지하며, 포토레지스트에 발생하는 풋팅(Footing) 현상 및 언더컷(under-cut) 현상을 방지함으로써, 안정된 마스크 패턴을 갖는 하드마스크를 형성할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

하드마스크용 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조방법{GLASS SUBSTRATE FOR HARDMASK AND METHOD FOR FABRICATIING HARDMASK USING THE SAME}
본 발명은 반도체 광학 리소그래피에 사용되는 하드마스크의 제작에서 전자빔 노광 부위의 산/촉매 반응을 활성화시키는 PEB(Post Exposure Baking) 공정 중에 포토레지스트와 크롬(Cr) 계열 하드마스크층 사이의 산 및 염의 확산으로 인해 현상공정 후에 풋팅(Footing) 및 언더컷(under-cut) 현상이 발생하는 문제를 해결하기 위한 기술에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 LSI(Large Scale Integration) 집적도 증가로 인해 웨이퍼 상의 미세회로 패턴이 증가되었고, 이로 인해 미세회로의 직접 기술 및 셀 구성부와 층간 연결부의 크기를 감소시키는 것에 대한 요구가 점점 높아져 왔다. 따라서 리소그래피 공정에 선행하는 포토마스크의 제작 단계에서, 보다 미세한 임계치수 (CD, Critical Dimension)의 제어가 필요하다.
통상적으로, 포토마스크 원판(blank)의 구조는 유리(Quartz) 기판 상부에 금 속 계열의 반사방지막(anti-reflective layer) 및 차광막과 그 상부에 도포된 포토레지스트 막으로 구성되어 있다. 이 원판에 전자빔 노광 및 현상공정을 거쳐 포토레지스트 패턴을 얻고, 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 하여 차광막을 건식 식각한 후 차광패턴을 형성한다.
그러나 같은 두께의 포토레지스트에서 보다 미세한 크기의 차광패턴을 형성하고자 하면, 가로/세로 길이 비(Aspect ratio)가 증가하고, 이로 인하여 포토레지스트 패턴 형상이 정상적으로 형성되지 못하거나, 패턴이 무너질 수도 있어 식각에 의한 패턴 전사가 적절히 수행되지 않게 된다.
특히, 종래의 포토마스크 제작에 사용되어온 포토마스크 원판에서는 차광막/반사방지막층으로 사용되는 Cr/CrO2 박막이 종류별로 480 ~ 780Å까지의 두께를 갖고 형성된다. 이때, 일반적인 포토레지스트를 사용하는 경우 차광막/반사방지막층 식각 시 발생하는 마이크로 로딩 효과로 인해 선형성(linearity), 근접성(through-pitch) 및 균일도(uniformity)와 같은 임계치수 특성들 사이에 상당한 오차가 유발되는 문제가 발생하였다. 이러한 문제들은 하이엔드 급 소자의 미세 선폭으로 갈수록 더욱 큰 오차를 유발하여 웨이퍼 공정에서 소자의 제작 시 심각한 오차를 발생시키게 된다.
따라서 임계치수의 감소 비율에 맞추어 반사방지막의 두께 및 포토레지스트막의 두께를 감소시키거나, 반사방지막을 식각 속도를 향상시킬 수 있는 물질로 전환할 필요가 있다.
아울러, 현재 32nm급 논리 소자(Logic Devices)를 기준으로 상술한 문제를 해결할 수 있는 포토마스크의 개발을 위해 여러 가지 방법들이 개발되고 있다. 그 중 EUV(Extreme UV) 마스크는 기존의 인프라와의 호환 문제 및 상당한 연구개발(R&D) 비용으로 인해 로드맵 상의 적용 시점이 연기 되고 있는 실정이다.
DPT(Double Patterning Technology)는 엄격한 오버레이(Overlay) 특성이 요구되고 있으며, 복잡한 공정으로 마스크 제작 단가를 상승시키는 문제 및 수율 저하 문제를 유발시켜 아직 적용 시점이 결정되지 않은 상황이다.
한편, 웨이퍼 공정에서는 여러 가지 용도를 위해 포토레지스트와 기판 사이에 바닥물질을 도포하는 방식이 널리 사용된다. 대표적인 예로, BARC(Bottom Anti-Reflective Coating)가 있다. 통상적인 웨이퍼 공정에서는 실리콘 기판 상부에 포토레지스트가 도포된 시료를 이용하여 노광 공정을 하는데, 이 경우 노광된 빛의 전자파적인 특성에 의해 입사된 빛과 반사되어 나오는 빛이 정상파(standing wave)를 발생시켜 포토레지스트 층에 노광된 빛의 세기가 크고 작은 층을 형성하게 된다. 이 시료를 현상하게 되면 현상 속도가 달라져서 물결 모양의 단면을 갖는 층이 형성되게 되는데 이러한 현상을 정상파 효과라고 한다. BARC는 이 정상파 효과를 방지하기 위해 포토레지스트와 실리콘 기판 간에 형성하는 물질을 말한다. 무기물 BARC에는 SiON, SiN등이 있고 스퍼터링에 의해 형성되며 하드마스크로 사용되어 건식 식각에서의 장점이 있는 반면, 제거하는데 별도의 공정이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 유기물인 경우는 DUV-44등이 있는데 스핀 코팅에 의해 도포 및 제거가 용이하여 공정상의 간편함이 있다.
한편, BARC는 정상파 효과를 방지하는 목적 외에 다른 용도로도 쓰이는데 그 중 대표적인 것이 포토레지스트 오염(PR poisoning)에 의한 포토레지스트의 성능 저하를 방지하는 것이다. 여기서, 포토레지스트 오염(PR poisoning)은 포토레지스트 하부의 실리콘 기판 및 그 밖의 박막에서 빠져 나오는 오염물질들에 의한 라인/스페이스(Line/Space) 패턴의 풋팅 현상, 콘택 홀(Contact hole)의 사라짐 및 스커밍(scumming) 같은 일련의 포토레지스트와 관계된 문제점들을 말한다. 실리콘 기판과 포토레지스트 사이에 BARC층을 도포하게 되면 정상파 효과의 방지 외에도 포토리제스트 오염에 의한 패턴 불량 등을 개선할 수 있게 된다.
이러한 배경을 바탕으로 Nissan Chemical Industries의 Ishida 등은 새로운 유기물 BARC층을 디자인하고 평가하였다. 이 BARC층의 효과를 평가하기 위해 실리콘 웨이퍼 상부에 오염 물질을 갖는 하층막을 도포하고 그 상부에 BARC층을 형성하여 평가하였는데 BARC층을 사용한 경우에 라인/스페이스 패턴의 풋팅 현상이 어느 정도 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Sakaida 등은 액침노광(Immersion Lithography)을 위한 다층박막 BARC를 개발하였는데 여기서는 탄소 하드마스크 상부에 실리콘이 함유된 ARC층을 형성하여 건식 식각 시에 하드마스크의 이점도 살리면서 Si-ARC로 인해 풋팅 방지 효과까지 볼 수 있게끔 하였다. 그 밖에 Hiroi 등도 액침노광(Immersion Lithography)을 위한 새로운 BARC를 개발하였는데 여기서는 SiON 하드마스크 상부에 새로운 종류의 Universal BARC를 개발하여 건식시각 시 하드마스크의 장점과 Universal BARC에 의한 하부층을 향한 포토레지스트로부터 산의 확산 및 상부층을 향한 Cr 하드마스크층으로부터 염의 확산을 막아 포토레지스트 프로파일 상의 불량을 없앤 장점을 함께 구현될 수 있게 하였다.
상기와 같은 종래의 BARC 기술을 바탕으로 Hoya사의 Hashimoto 등과 DNP사의 Takamizawa 등과 Nissan Chemical Industries의 Enomoto 등은 종래의 BARC 층을 바닥 절연막으로 포토마스크에 적용하는 방식을 발표하였다. 종래의 포토마스크 제작 방식을 따라 6인치 유리(Quartz) 기판 상부에 6% 투과율을 갖는 하프톤 물질을 도포하고 그 상부에 Cr 차광막을 형성한 후 BARC층을 도포한 다음 포토레지스트를 형성하는 방식이다. 이와 같은 방식을 사용하면 종래의 위상변이 마스크 및 바이너리 마스크에서도 포토레지스트의 프로파일 관점에서는 상당한 정도의 개선을 볼 수 있다. 또한 이와 같은 방식은 건식 식각 공정에서 바이어스의 감소를 얻을 수 있어 분해능 향상 및 마이크로 로딩의 개선에 큰 도움이 된다.
상술한 바와 같이, BARC층을 적용하면 종래의 포토마스크 원판(blank)을 사용하는 것에 비해 임계치수의 선형성, 근접성, 균일도 측면에서 상당한 개선효과를 볼 수 있다. 즉, 상용의 BARC층을 포토레지스트와 하드마스크 간에 삽입하게 되면 포지티브 포토레지스트에서의 풋팅 현상을 방지하고, 네거티브 포토레지스트에서의 언더컷 현상을 어느 정도 개선할 수 있다. 그러나, 건식 식각 시의 저항성(durability)이 좋지 않으므로 식각이 제대로 수행되지 않는다는 단점이 있다. 결국 현상 공정까지의 포토레지스트 프로파일은 상당한 개선효과를 갖지만, 마스크 패턴 형성을 위해서는 식각 저항성이 좋은 새로운 BARC 물질을 개발해야 한다는 어려운 점이 있다.
한편, 상기와 같은 난점을 극복하고 식각 저항성이 좋은 새로운 BARC 물질이 개발되었다. 이 경우 포지티브 포토레지스트의 경우에는 대략 30nm 정도의 풋팅을 10nm 수준으로 감소시켰고 네거티브 포토레지스트의 경우에는 3000Å의 두께의 포토레지스트 상태에서 언더컷을 개선하여 기존의 100nm 수준의 분해능을 80nm 수준까지 향상시킬 수 있었다. 80nm 수준의 분해능은 좋은 식각 저항성으로 인해 식각 후에도 여전히 패턴 형태를 유지할 수 있었다.
그러나, 상기의 기술은 비록 식각 저항성이 좋다고는 하나 별도의 식각공정이 필요하므로 기존의 포토마스크 제작공정이 복잡해질 우려가 있고, 인-시투(in-situ) 방식으로 하부 절연막을 식각하면서 크롬(Cr) 층을 함께 식각하는 공정을 진행하더라도 결함(defect) 등의 문제를 발생 시킬 수 있어서 양산에 적용하기에는 부적합하다.
상술한 모든 내용을 종합해 볼 때, 32nm급 이상의 하이엔드 소자의 제작을 위한 하드마스크를 제조하고자 하는 경우에는 여전히 포토레지스트의 패턴에서부터 오차가 유발되는 문제가 있다.
또한, 전자빔에 의해 노광된 부위의 산/촉매 반응을 활성화시키고자 하는 PEB 공정에서의 풋팅이나 언더컷을 유발하는 산 및 염의 확산을 효과적으로 막을 수 있는 방법이 아직껏 발표되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 액침노광(Immersion Lithography) 공정에서 사용되는 상부-도포 물질(top-coating material)을, 하드마스크 제작을 위한 원판의 포토레지스트와 하드마스크층 사이에 삽입함으로써, 종래의 하드마스크 제작에서 문제가 되는 풋팅 및 언더컷 현상을 개선할 수 있고, BARC층을 바닥 절연막으로 사용하여 하드마스크를 제작하는 방법에서 문제가 되는 식각 저항성 저하에 의해 패터닝이 정상적으로 수행되지 않고, 제작공정이 복잡해지며 비용이 증가되는 문제를 해결할 수 있도록 하는 하드마스크 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 하드마스크용 원판은 투명 기판 상부에 형성되는 식각 저지막과, 상기 식각 저지막 상부에 형성되는 차광막과, 상기 차광막 상부에 형성되는 반사방지막과, 상기 반사방지막 상부에 형성되는 하드마스크층과, 상기 하드마스크층 상부에 형성되는 상부-도포 물질(top-coating material) 및 상기 상부-도포 물질 상부에 형성되는 포토레지스트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투명 기판은 쿼츠(Quartz) 재질인 것을 특징으로 하고, 상기 하드마스크용 원판은 상기 투명 기판 및 상기 식각 저지막 사이에 형성되며, 4 ~ 8% 투과율을 갖는 하프톤 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 차광막 은 MoSi막이고, 상기 반사방지막은 MoSiN막인 것을 특징으로 하고, 상기 식각 저지막 및 상기 하드마스크층은 크롬(Cr)을 포함하는 박막인 것을 특징으로 하고, 상기 상부-도포 물질(top-coating material)은 액침노광(Immersion Lithography)에 사용되는 상부-도포 물질인 것을 특징으로 하고, 상기 상부-도포 물질(top-coating material)은 1000Å이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 하드마스크 또는 포토마스크는 상술한 하드마스크용 원판으로 형성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 하드마스크 제조 방법은 투명 기판 상부에 식각 저지막을 형성하는 단계와, 상기 식각 저지막 상부에 차광막을 형성하는 단계와, 상기 차광막 상부에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사방지막 상부에 하드마스크층을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크층 상부에 상부-도포 물질(top-coating material)을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트에 노광 및 현상공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 현상공정에서 상기 상부-도포 물질도 식각되도록 하여, 상부-도포 물질 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 마스크로 상기 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 식각 저지막 형성공정 이전에 상기 투명 기판 상부에 4 ~ 8% 투과율을 갖는 하프톤 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 포토레지스트를 노광하는 단계는 전자빔 리소그래피 공정을 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 하드마스크 패턴을 형성하는 단계는 건식 식각 공정을 이용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하드마스크 제조 방법은 상기 하드마스크 패턴을 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 제거하는 단계와, 상기 하드마스크 패턴 상부에 잔류하는 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 제 1 세정 단계와, 상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 반사방지막을 식각하여 반사방지막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크 패턴 및 상기 반사방지막 패턴을 마스크로 상기 식각 저지막을 식각하여 식각 저지막 패턴을 형성하는 단계 및 상기 반사방지막 패턴 상부에 잔류하는 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 제 2 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 식각 저지막 패턴을 형성하는 단계에서 상기 하드마스크 패턴이 인-시츄 (in-situ)로 제거되도록 하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 하드마스크 제조 방법은 투명 기판 상부에 하프톤 물질층을 형성하는 단계와, 상기 하프톤 물질층에 식각 저지막을 형성하는 단계와, 상기 식각 저지막 상부에 차광막을 형성하는 단계와, 상기 차광막 상부에 반사방지막을 형성하는 단계와, 상기 반사방지막 상부에 하드마스크층을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크층 상부에 상부-도포 물질(top-coating material)을 형성하는 단계와, 상기 상부-도포 물질 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계 와, 상기 포토레지스트에 노광 및 현상공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 현상공정에서 상기 상부-도포 물질도 식각되도록 하여, 상부-도포 물질 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 마스크로 상기 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 제거하는 단계와, 상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 반사방지막 및 상기 차광막을 식각하여 반사방지/차광막 패턴을 형성하는 단계와, 상기 하드마스크 패턴과 상기 반사방지/차광막 패턴을 마스크로 상기 식각 저지막을 식각하여 식각 저지막 패턴을 형성하되, 상기 하드마스크 패턴이 동시에 제거되도록 하는 단계와, 상기 반사방지/차광막 패턴을 포함하는 기판 전면에 IP 계열의 포토레지스트를 형성하는 단계 및 리소그래피 공정을 수행하여 IP 계열의 포토레지스트 패턴을 형성한 후, IP 계열의 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지/차광막 패턴 및 식각 저지막 패턴을 마스크로 상기 하프톤층을 식각하여 하프톤 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은 상부-도포 물질을 형성하는 방법을 32nm급 논리 소자를 목표로 하는 하드마스크 제조에 적용함으로써, 포토레지스트와 하드마스크층의 두께를 감소시킬 수 있고, 이로 인하여 하드마스크층의 식각 시간을 감소시킬 수 있으므로, 포토레지스트의 프로파일을 향상시킬 수 있다. 따라서, 하드마스크층에 의한 마이크로 로딩을 감소시켜 패턴 불량 문제를 해결할 수 있다. 또한, 포토레지 스트의 두께도 감소시킬 수 있으므로, 분해능 향상과 더불어서 왜곡된 임계치수를 개선하는 효과를 제공한다.
아울러, 상술한 본 발명의 하드마스크 제조 방법은 바이너리 마스크 또는 위상변이마스크(Phase-shifting mask)에도 적용하여, 포토레지스트의 프로파일을 향상시키고, 건식 식각 공정 시에 발생하는 임계치수의 왜곡 현상을 감소시킬 수 있다. 따라서, 실제 논리 소자의 액티브 및 게이트층 패턴 형성을 용이하게 하고, 안정된 패턴이 형성되도록 함으로써, 반도체 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명에서는, 마스크 패턴 형성을 위해서 먼저 하드마스크 기술을 사용한다. 하드마스크 기술은 포토레지스트 하부에 기존의 하드마스크층 보다 두께가 얇거나 식각속도가 빠른 마스킹층을 형성하여, 현상 후의 식각에서 포토레지스트의 손실을 최소화하고 포토레지스트 제거 후의 식각 공정에서도 임계치수의 왜곡을 최소한도로 유지하면서 패턴을 형성할 수 있도록 하는 기술이다. 따라서, 패턴 식각에 의한 바이어스를 감소시키고, 그 결과 마이크로 로딩의 감소로 인해 선형성이나 근접성 등에서 상당한 개선효과를 얻을 수 있도록 한다. 동시에 하드마스크층의 두께를 감소시킬 수 있고, 포토레지스트의 두께도 감소시킬 수 있으므로 분해능 향상 효과도 얻을 수 있도록 한다.
아울러, 본 발명에서 사용하는 상부-도포 물질은 종래의 무기질 박막을 스퍼 터링에 의해 형성하는 것과 달리 스핀 코팅을 이용하여 형성이 가능하고, 제거하는 공정에서도 별도의 공정이 필요한 것이 아니라 포토레지스트 현상과정에서 현상액에 함께 처리가 될 수 있도록 함으로써, 하드마스크용 원판 제조 시 완료 시간이나 비용 면에서도 경쟁력을 가질 수 있도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상부-도포 물질을 바닥 절연 막으로 이용한 하드마스크용 원판 및 이를 이용한 하드마스크 제조 방법에 관하여 상세히 설명하는 것으로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크용 원판을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 쿼츠(Quartz)와 같은 투명 기판(100) 상부에 6% 투과율을 갖는 하프톤 물질(120)이 형성되어 있고, 그 상부에 식각 저지막(130)이 형성되어 있고, 그 상부에 차광막 및 반사방지막(140)이 형성되어 있고, 그 상부에 하드마스크층(150)이 형성되어 있고, 그 상부에 상부-도포 물질(160)이 형성되어 있고, 그 상부에 포토레지스트(170) 형성된다. 이때, 차광막은 MoSi막으로 형성되며, 반사방지막은 MoSiN막으로 형성되는데, 두 층의 구성물질이 거의 유사하여 하나의 층으로 결합된 형태로 나타나므로, 차광막 및 반사방지막(MoSi/MoSiN막, 140)으로 표시하였다.
여기서, 하드마스크층(150)은 크롬(Cr) 계열의 박막으로 형성되고, 그 하부의 식각 저지막(130)은 하드마스크층(150)과 동일한 계열의 박막으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 하프톤 물질(120)은 필수적인 사항은 아니며, 후속 공정에서 포토마스크로서의 기능 향상을 위해 보조적으로 첨가되는 층으로 작용한다.
아울러, 상기 상부-도포 물질(160)물질은 액침노광(Immersion Lithography) 공정에서 사용되는 것과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
액침노광(Immersion Lithography)에서는 분해능 향상의 일환으로 노광기의 NA(Numerical Aperture)를 배가시키기 위해 포토레지스트와 대물렌즈(objective lens) 사이에 굴절율이 '1' 보다 큰 물(혹은 고굴절율의 유체)을 사용하게 된다. 이 경우 포토레지스트와 대물렌즈(objective lens)는 물과 바로 접촉하게 되고, 이때 포토레지스트에서 PAG(Photo-Acid Generator)가 빠져나가게 되는데 이 현상을 리칭 아웃(leaching-out)이라고 한다. 리칭 아웃이 발생하면 포토레지스트에서 빠져나간 PAG가 대물렌즈(objective lens)를 오염시키고 포토레지스트의 특성도 나빠져서 결과적으로 노광 결과가 나빠지게 된다. 그러므로 액침노광(Immersion Lithography)에서는 상기의 리칭 아웃 현상을 방지하기 위해 포토레지스트 상부에 보호막을 한 층 더 형성하게 되는데 이것을 통상 상부-도포 물질(top-coating material)이라고 부른다.
따라서, 본 발명에서는 포토레지스트와 하드마스크층 사이에 액침노광(Immersion Lithography)에 사용되는 상부-도포 물질을 형성하여 하드마스크층으로 산의 확산 및 염의 포토레지스트로의 확산을 방지하여 풋팅 현상 및 언더컷을 방지할 수 있도록 한다. 이때, 상부-도포 물질(120)의 두께는 1000Å 이하로 형성하는 것이 바람직하며, JSR사의 TCX 계열의 제품을 사용하거나, 더 바람직하게는 리칭 아웃(leaching-out)을 방지할 수 있는 상부-도포 물질이면 어느 것이나 가능하다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이, 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 사용한 하드마스크용 원판을 이용하여, 리소그래피 공정을 위한 하드마스크를 제조할 수 있으며, 바이너리 또는 하프톤 마스크 제조에도 응용할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도이다.
도 2a를 참조하면, 먼저, 가로 및 세로 길이가 각 6인치이며 두께가 250mil(0.25 inch)인 유리(Quartz) 기판(200)을 마련한다.
다음에는, 투명 기판(200) 상부에 6% 투과율을 갖는 하프톤층(220)을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성한다.
그 다음에는, 하프톤층(220) 상부에 식각 저지막(230)을 스퍼터링 방법을 이 용하여 형성한다.
그 다음에는, 차광막 및 반사방지막(240)으로 사용될 MoSi/MoSiN막을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성한다.
그 다음에는, 하드마스크층(250)으로 크롬(Cr) 계열의 박막을 스퍼터링 방법을 이용하여 형성한다.
그 다음에는, 크롬(Cr) 계열의 박막으로 이루어지는 하드마스크층(250) 상부에 상부-도포 물질을 스핀코팅 방법을 이용하여 형성한다.
그 다음에는, 상부-도포 물질 상부에 포토레지스트를 형성하고 소프트 베이킹(soft baking) 공정을 수행한다.
여기까지 제조된 투명 기판(200)을 하드마스크용 원판이라 하며, 상기 원판의 하드마스크층(250)을 패터닝하여 리소그래피 공정에 사용되는 하드마스크를 제조한다.
그 과정의 첫번째 단계로 전자빔을 이용하여 포토레지스트에 정의되는 데이터 영역 부위를 노광하는 공정을 수행한다.
다음에는, 노광된 부위의 산-촉매 반응을 활성화시키기 위한 PEB(Post Exposure Baking) 공정을 수행한다. 종래의 경우 이 과정에서 하드마스크층(250)이 오염되거나, 하드마스크층(250)의 염이 포토레지스트로 확산되는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 상부-도포 물질에 의해서 이와 같은 문제가 원천적으로 방지된다.
그 다음으로, 포토레지스트 패턴(270)을 형성하기 위한 현상(Develop) 공정을 수행한다. 이 과정에서, 상부-도포 물질도 동일하게 패터닝되어, 포토레지스트 패턴(270) 및 상부-도포 물질 패턴(260)이 형성된다. 이때, 현상공정 시 상부-도포 물질이 노광된 부위의 포토레지스트와 함께 제거되므로 하부-현상(under-develop) 내지는 스컴에 의한 얇은 잔류막이 생기지 않도록 충분한 현상시간을 확보하도록 하는 것이 바람직하다. 현상액으로는 표준적인 현상공정의 TMAH 2.38%를 사용하는 것이 바람직하다.
여기까지 제조된 하드마스크를 본 발명에 대한 제 1 실시예로 정의하고, 그 평면도를 살펴보면 도 2b와 같이 나타난다. 본 발명에 따른 일 실시예로서 라인타입의 포토레지스트 패턴(270)이 형성되고, 그 주변에는 상부-도포 물질 패턴(260) 하부에 형성되는 하드마스크층(250) 및 식각 저지막(230)이 보이고 있다. 이때, 하드마스크층(250) 및 식각 저지막(230)은 유사한 물질로 이루어지므로 동일한 해칭으로 표시되었다. 아울러, 정상적인 평면도 상에서는 두 층이 겹쳐서 식각 저지막(230)이 보이지 않겠으나, 여기서는 유사 물질임을 강조하기 위하여 식각 저지막(230)이 외곽에 표시되도록 나타내었다. 따라서, 상기 도면에 의해서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
그 다음으로, 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 공정과, 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴을 제거하는(Strip) 공정과, 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴 제거 후 하드마스크 패턴 상의 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 세정 공정과, 하드마스크 패턴을 마스크로 반사방지막 및 차광막을 식각하여 반사방지/차광막 패턴을 형성하는 공정과, 하드마스크 패턴과 반사방지/차광막 패턴을 마스크로 식각 저지막을 식각하여 식각 저지막 패턴을 형성하되, 하드마스크 패턴이 동시에 제거되도록 하는 공정을 순차적으로 수행함으로써, 본 발명에 따른 하드마스크 제조 공정을 완료할 수 있다.
여기서, 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 공정은 하기 도 3a 및 도 3b에 나타내었고, 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴을 제거하는(Strip) 공정과, 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴 제거 후 하드마스크 패턴 상의 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 세정 공정과, 하드마스크 패턴을 마스크로 반사방지 및 차광막인 MoSiN/MoSi막을 식각하는 공정은 하기 도 4a 및 도 4b에 나타내었고, 하드마스크 패턴을 마스크로 반사방지 및 차광막인 MoSiN/MoSi막을 식각하는 공정 및 이어서 하부 식각 저지막을 식각하며 상부의 하드마스크 패턴을 동시에 식각하여 제거하는 공정은 하기 도 5a 및 도 5b에 각각 나타내었으며, 각 단계별 평면도를 비교하기 위하여 앞에서부터 순차적으로 실시예2, 실시예3 및 실시예4로 표시하였다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도이다.
도 3a를 참조하면, 유리기판(300) 상부에 하프톤층(320), 식각 저지막(330) 및 MoSi/MoSiN막(340)이 순차적으로 형성되고, 그 상부에 하드마스크 패턴(350)이 형성된다. 이때, 하드마스크 패턴(350)은 그 상부의 포토레지스트 패턴(370) 및 상 부-도포 물질 패턴(360)에 의해서 형성된 것이며, 포토레지스트 패턴(370) 및 상부-도포 물질 패턴(360)의 형성과정은 상기 도 2a의 과정을 따른다. 그리고 하드마스크 패턴(350) 형성 공정은 건식식각 공정에 의해 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
여기까지 형성된 하드마스크를 평면도로 나타내면 도 3b와 같으며, MoSi/MoSiN막(340) 상부에 라인 타입의 포토레지스트 패턴(370)이 형성된 형태로 나타난다.
상기와 같이, 상부-도포 물질 패턴(360)에 의해서 포토레지스트 패턴(370)의 프로파일이 보장되므로, 하드마스크 패턴(350) 형성 공정이 안정적으로 진행될 수 있으며, 공정의 안정화도를 반영하여 포토레지스트 패턴(370)의 두께를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 유리기판(400) 상부에 하프톤층(420) 및 식각 저지막(430)이 순차적으로 형성되고, 그 상부에 MoSiN/MoSi막 패턴(440)이 형성된다. 이때, MoSiN/MoSi막 패턴(440)은 반사방지/차광막 패턴의 명칭에 따라서 MoSiN/MoSi막으로 표시하였을 뿐, MoSi/MoSiN막으로 표시되어도 본 발명의 기술에는 전혀 문제가 되지 않는다. 또한, MoSiN/MoSi막 패턴(440)은 그 상부에 하드마스크 패턴(450)에 의해 형성되는데, 하드마스크 패턴(450)은 상기 도 3a에서 설명되 는 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴에 의해서 형성된 것이다.
다음에는, 포토레지스트 패턴 및 상부-도포 물질 패턴 제거 후 하드마스크 패턴(450) 상의 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 세정 공정과, 하드마스크 패턴(450)을 마스크로 차광막 역할을 하는 MoSi막 및 반사방지막 역할을 하는 MoSiN막을 식각하여 MoSiN/MoSi막 패턴(440)을 형성하는 공정이 수행되며, 이 과정에 따라 완성된 형태가 도 4a의 제 3 실시예이다.
여기까지 형성된 하드마스크를 평면도로 나타내면 도 4b와 같으며, 식각 저지막(430) 상부에 라인 타입의 하드마스크 패턴(370)이 형성된 형태로 나타난다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도이다.
도 5a를 참조하면, 상기 도 4a의 하드마스크 형태에서 하드마스크 패턴과 MoSiN/MoSi막 패턴(540)을 마스킹층으로 하여 하부의 식각 저지막을 식각한 것으로, MoSiN/MoSi막 패턴(540)의 형태 그대로 식각 저지막 패턴(530)이 형성된 실시예를 나타낸 것이다. 바람직하게 식각은 건식 식각으로 진행하고 식각 저지막을 식각하면서 상부의 하드마스크 패턴이 동시에 식각되어 제거되는 방식으로 공정을 진행한다.
여기까지 형성된 하드마스크를 평면도로 나타내면 도 5b와 같으며, 하프톤층(520) 상부에 라인 타입의 MoSi/MoSiN막 패턴(540)이 형성된 형태로 나타난다.
여기서, 하부의 6% 투과율을 갖는 하프톤층(520)이 없는 경우는 바이너리 마 스크로서 기능을 하게 되고, 하프톤층(520)이 있는 경우는 식각 저지막의 식각까지 공정이 진행되어 패턴이 형성된 상부에 다시 제 2 포토레지스트를 도포하고 광학 리소그래피 방식으로 제 2 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다. 이때, 바람직하게 제 2 포토레지스트는 IP계열의 레지스트를 사용한다.
아울러, 상술한 공정과 동일한 방식으로 식각 후 포토레지스트를 제거하여 위상 변이를 위한 하프톤층에도 패턴을 형성할 수 있으며, 이때의 식각 공정은 건식 식각으로 진행하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 액침노광(Immersion Lithography) 공정에서 사용되는 상부-도포 물질(top-coating material)을, 하드마스크 제작을 위한 원판의 포토레지스트와 하드마스크층 사이에 삽입함으로써, 종래의 하드마스크 제작에서 문제가 되는 풋팅 및 언더컷 현상을 개선할 수 있고, 정상적인 마스크 패턴을 형성할 수 있도록 한다. 특히, 32nm급 이상의 하이엔드 소자의 제작을 위한 하드마스크를 제조하고자 하는 경우에는 포토레지스트의 패턴에서부터 발생할 수 있는 오차를 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 종래에 30nm 정도로 발생하는 풋팅을 10nm 이하로 감소시킬 수 있고, 3000Å이상의 두께로 형성되는 포토레지스트의 두께도 1000Å이하로 감소시킬 수 있다. 따라서, 언더컷 발생을 방지할 수 있으며, 패턴 형성을 위한 분해능 또한 80nm 이하의 수준까지 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크용 원판을 나타낸 사시도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 하드마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 상부-도포 물질을 바닥 절연막으로 갖는 포토마스크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도 및 평면도.

Claims (17)

  1. 투명 기판 상부에 형성되는 식각 저지막;
    상기 식각 저지막 상부에 형성되는 차광막;
    상기 차광막 상부에 형성되는 반사방지막;
    상기 반사방지막 상부에 형성되는 하드마스크층;
    상기 하드마스크층 상부에 형성되는 상부-도포 물질(top-coating material); 및
    상기 상부-도포 물질 상부에 형성되는 포토레지스트를 포함하는 하드마스크용 원판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 기판은 쿼츠(Quartz) 재질인 것을 특징으로 하는 하드마스크용 원판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하드마스크용 원판은 상기 투명 기판 및 상기 식각 저지막 사이에 형성되며, 4 ~ 8% 투과율을 갖는 하프톤 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하 드마스크용 원판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 차광막은 MoSi막이고, 상기 반사방지막은 MoSiN막인 것을 특징으로 하는 하드마스크용 원판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 식각 저지막 및 상기 하드마스크층은 크롬(Cr)을 포함하는 박막인 것을 특징으로 하는 하드마스크용 원판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부-도포 물질(top-coating material)은 액침노광(Immersion Lithography)에 사용되는 상부-도포 물질인 것을 특징으로 하는 하드마스크용 원판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부-도포 물질(top-coating material)은 1000Å이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 하드마스크용 원판.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 하드마스크용 원판으로 제조된 것을 특징으로 하는 하드마스크.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 하드마스크용 원판으로 제조된 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  10. 투명 기판 상부에 식각 저지막을 형성하는 단계;
    상기 식각 저지막 상부에 차광막을 형성하는 단계;
    상기 차광막 상부에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사방지막 상부에 하드마스크층을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크층 상부에 상부-도포 물질(top-coating material)을 형성하는 단계;
    상기 상부-도포 물질 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트에 노광 및 현상공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형 성하고, 상기 현상공정에서 상기 상부-도포 물질도 식각되도록 하여, 상부-도포 물질 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 마스크로 상기 하드마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 식각 저지막 형성공정 이전에 상기 투명 기판 상부에 4 ~ 8% 투과율을 갖는 하프톤 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 포토레지스트를 노광하는 단계는 전자빔 리소그래피 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 하드마스크 패턴을 형성하는 단계는 건식 식각 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 하드마스크 패턴을 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 제거하는 단계; 및
    상기 하드마스크 패턴 상부에 잔류하는 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 하드마스크 패턴을 형성한 후 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 제거하는 단계;
    상기 하드마스크 패턴 상부에 잔류하는 잔존 유기물(Organic residue)을 제거하는 제 1 세정 단계;
    상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 반사방지막 및 상기 차광막을 식각하여 반사방지/차광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크 패턴 및 상기 반사방지/차광막 패턴을 마스크로 상기 식각 저지막을 식각하여 식각 저지막 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 반사방지막 패턴 상부에 잔류하는 잔존 유기물(Organic residue)을 제 거하는 제 2 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 식각 저지막 패턴을 형성하는 단계에서 상기 하드마스크 패턴이 인-시츄 (in-situ)로 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
  17. 투명 기판 상부에 하프톤 물질층을 형성하는 단계;
    상기 하프톤 물질층에 식각 저지막을 형성하는 단계;
    상기 식각 저지막 상부에 차광막을 형성하는 단계;
    상기 차광막 상부에 반사방지막을 형성하는 단계;
    상기 반사방지막 상부에 하드마스크층을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크층 상부에 상부-도포 물질(top-coating material)을 형성하는 단계;
    상기 상부-도포 물질 상부에 포토레지스트를 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트에 노광 및 현상공정을 수행하여 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 현상공정에서 상기 상부-도포 물질도 식각되도록 하여, 상부-도포 물질 패턴을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 마스크로 상기 하드 마스크층을 식각하여 하드마스크 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴 및 상기 상부-도포 물질 패턴을 제거하는 단계;
    상기 하드마스크 패턴을 마스크로 상기 반사방지막 및 상기 차광막을 식각하여 반사방지/차광막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 하드마스크 패턴과 상기 반사방지/차광막 패턴을 마스크로 상기 식각 저지막을 식각하여 식각 저지막 패턴을 형성하되, 상기 하드마스크 패턴이 동시에 제거되도록 하는 단계;
    상기 반사방지/차광막 패턴을 포함하는 기판 전면에 IP 계열의 포토레지스트를 형성하는 단계; 및
    리소그래피 공정을 수행하여 IP 계열의 포토레지스트 패턴을 형성한 후, IP 계열의 포토레지스트 패턴 및 상기 반사방지/차광막 패턴 및 식각 저지막 패턴을 마스크로 상기 하프톤층을 식각하여 하프톤 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하드마스크 제조 방법.
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KR101590312B1 (ko) 2014-11-28 2016-01-29 한양여자대학교 산학협력단 열전소자를 이용한 냉온 보온용기용 회전식 스위치 장치
US10586714B2 (en) 2014-07-04 2020-03-10 Samsung Display Co., Ltd. Thin film transistor substrate, liquid crystal display panel having the same and method of manufacturing the same
CN112698545A (zh) * 2019-10-23 2021-04-23 思而施技术株式会社 用于极紫外光刻的半色调衰减式相移空白掩模和光掩模

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