KR20120077081A - 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법 - Google Patents

네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법 Download PDF

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KR20120077081A
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사공민철
박철호
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엘지디스플레이 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 네가티브 포토레지스트의 시뮬레이션 방법은 패턴을 형성하기 위한 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법에 있어서, 상기 포토레지스트의 노광 반응 속도를 산출하는 단계, 상기 포토레지스트의 현상율을 산출하는 단계 및 상기 산출된 노광 반응 속도와 현상율을 파라미터로 하여 기판 상에 형성될 패턴 형상을 산출할 수 있다.

Description

네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법{METHOD FOR NEGATIVE PHOTO RESIST SIMULATION AND MEHTOD FOR MANUFACTURING MASK}
본 발명은 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 네가티브 포토레지스트를 이용한 패턴 설계 시 마스크 제작 후의 공정 진행에 따른 결과를 사전에 시뮬레이션할 수 있는 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법에 관한 것이다.
근래에 컴퓨터와 같은 정보 매체의 급속한 발전에 따라 반도체 소자 제조 기술도 비약적으로 발전하고 있다. 반도체 소자는 집적도, 미세화, 동작속도 등을 향상시키는 방향으로 기술이 발전하고 있다. 이에 따라 집적도 향상을 위한 리소그래피 공정과 같은 미세 가공 기술에 대한 요구 특성 또한 엄격해지고 있다.
리소그래피 기술은 마스크(mask) 상에 형성된 패턴을 기판으로 전사하는 사진 기술로서 반도체 소자의 미세화 및 고집적화를 주도하는 핵심 기술로서 현재는 포토 리소그래피(photo lithography) 기술이 주류를 이루고 있다. 일반적으로, 리소그래피 공정은 포토레지스트(photoresist)를 코팅하는 단계, 소프트베이크(soft bake)하는 단계, 정렬 및 노광하는 단계, 노광후 베이크(PEB : Post Exposure Bake)하는 단계 및 현상하는 단계를 포함하는 일련의 공정을 거쳐 수행된다.
포토레지스트는 하부층을 식각할 때 내식각성을 가지고 빛에 반응하는 감광성을 가진 재료로 포지티브 포토레지스트(positive photoresist)와 네가티브 포토레지스트(negative photoresist)가 존재한다. 포지티브 포토레지스트는 빛에 노출된 영역에서 분해, 분자쇄 절단 등의 반응이 일어나 용해성이 크게 증가하여 현상시 제거되는 것으로서 내식각성이 강하고 해상력이 뛰어나 고집적도 반도체 공정에 많이 사용되고 있다. 이에 비해 네가티브 포토레지스트는 빛에 노출된 영역에서 가교 등의 반응이 일어나 분자량이 크게 증가하여 현상시 제거되지 않고 남는 특성을 보이는 포토레지스트이다. 상기 포토레지스트는 빛의 산란, 회절, 반사 등의 영향을 많이 받기 때문에 노광 조건, 노광장치의 구성 및 반도체 소자의 디자인에 민감하게 반응하여 현상 후 원하지 않는 패턴이 얻어지지 않는 경우가 많이 발생한다.
최근의 반도체 소자의 미세화에 수반하여 리소그래피 공정의 해상도가 향상되고 있으며 그에 따른 수율 저하가 큰 이슈로 대두되고 있다. 반도체 소자의 수율을 높이기 위해서는 공정 마진을 확대할 수 있는 최적의 노광 조건을 구할 필요가 있으며 광의 파장 부근까지 미세화되고 있는 반도체 소자의 패턴 폭에 기인한 마스크 패턴과 감광막 패턴과의 불일치 문제를 해결해야 한다. 따라서, 리소그래피 공정을 통해 원하는 형상 및 치수의 포토레지스트 패턴을 형성하기 위해서는 다양한 노광 조건에 따라 포토레지스트가 어떤 형상 및 치수로 형성되는 지를 정확하게 알 수 있어야 한다. 이를 위해 가장 정확한 방법은 다양한 노광 조건에 대해 포토레지스트가 어떤 패턴으로 형성되는지를 실제로 실험해 보는 것이나 이는 많은 시간과 비용이 소모될 뿐만 아니라 실험이 불가능하지만 장래에 예측되는 리소그래피 공정은 평가할 수 없다는 단점이 있다.
이와 같은 이유에서, 노광 조건 및 현상 조건에 따른 포토레지스트 패턴을 구하는 방법으로 실제 실험 외에 광강도 시뮬레이터, 광강도 측정 장치 또는 현상 시뮬레이터 등이 사용되고 있다.
본 발명은 네가티브 포토레지스트를 이용한 패턴 설계 시 마스크 제작 후의 공정 진행에 따른 결과를 사전에 시뮬레이션할 수 있는 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 네가티브 포토레지스트의 시뮬레이션 방법은 패턴을 형성하기 위한 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법에 있어서, 상기 포토레지스트의 노광 반응 속도를 산출하는 단계, 상기 포토레지스트의 현상율을 산출하는 단계 및 상기 산출된 노광 반응 속도와 현상율을 파라미터로 하여 기판 상에 형성될 패턴 형상을 산출할 수 있다.
상기 현상율을 산출하는 단계는 하기의 식을 이용할 수 있다.
Figure pat00001
(단, R은 현상율, Rmax는 빛을 받은 부분의 현상율, Rmin은 빛을 받지 않은 부분의 현상율, M은 상대적인 포토레지스트의 농도(초기값:1), n은 반응 차수, Mth는 포토레지스트의 분해되는 농도의 경계 값)
상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계는 하기의 식을 이용할 수 있다.
Figure pat00002
(단, A는 포토레지스트의 흡수 강도, B는 포토레지스트를 제외한 물질의 흡수 강도, C는 포토레지스의 반응 속도, d는 코팅된 포토레지스트의 두께, T(∞)는 완전히 노광되어 광개시제가 모두 분해되고 베이스 레진만 남은 포토레지스트의 투과율, T(0)은 노광 전 포토레지스트의 투과율, I(x, y)는 노광 램프 강도, x는 스펙트럼 피크 값, y는 파장)
상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계 이전에 UV-Vis 스펙트럼을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 마스크의 제조방법은 패턴을 설계하는 단계, 데이터 베이스를 이용하여 상기 패턴의 형상을 시뮬레이션하는 단계, 상기 시뮬레이션 결과에 따라 마스크 디자인을 설계하는 단계, 상기 마스크 디자인에 따라 마스크를 제작하는 단계, 상기 마스크를 이용하여 패턴을 형성하는 단계, 상기 형성된 패턴과 상기 설계된 패턴을 비교하는 단계 및 상기 형성된 패턴이 상기 설계된 패턴과 다를 경우 마스크를 재 설계하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 패턴의 형상을 시뮬레이션하는 단계는, 상기 패턴을 제조하기 위한 포토레지스트의 노광 반응 속도를 산출하는 단계, 상기 포토레지스트의 현상율을 산출하는 단계 및 상기 산출된 노광 반응 속도와 현상율을 파라미터로 하여 기판 상에 형성될 패턴 형상을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 현상율을 산출하는 단계는 하기의 식을 이용할 수 있다.
Figure pat00003
(단, R은 현상율, Rmax는 빛을 받은 부분의 현상율, Rmin은 빛을 받지 않은 부분의 현상율, M은 상대적인 포토레지스트의 농도(초기값:1), n은 반응 차수, Mth는 포토레지스트의 분해되는 농도의 경계 값)
상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계는 하기의 식을 이용할 수 있다.
Figure pat00004
(단, A는 포토레지스트의 흡수 강도, B는 포토레지스트를 제외한 물질의 흡수 강도, C는 포토레지스의 반응 속도, d는 코팅된 포토레지스트의 두께, T(∞)는 완전히 노광되어 광개시제가 모두 분해되고 베이스 레진만 남은 포토레지스트의 투과율, T(0)은 노광 전 포토레지스트의 투과율, I(x, y)는 노광 램프 강도, x는 스펙트럼 피크 값, y는 파장)
상기 패턴을 설계하는 단계는 패턴의 두께와 CD(critical dimension)을 설계하는 단계일 수 있다.
상기 형성된 패턴과 상기 설계된 패턴을 비교하는 단계는, 상기 설계된 패턴의 두께 및 CD와, 상기 형성된 패턴의 두께 및 CD를 비교할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법은 패턴 설계 시 마스크 제작 후의 공정 진행에 따른 결과를 사전에 시뮬레이션함으로써, 다양한 스펙별로 공정, 장비, 재료 조건을 반영하여 마스크 디자인을 결정할 수 있다. 이에 따라, 마스크의 재 설계 비용을 절감하고, 마스크 개발 기간을 단축시킬 수 있어, 30% 이상의 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 네가티브 포토레지스트 시뮬레이션 방법을 이용한 패턴의 제조방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 램프의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 3은 램프의 파장대별 강도를 측정한 도면.
도 4는 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예들을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 네가티브 포토레지스트 시뮬레이션 방법을 이용한 마스크의 제조방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 램프의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 3은 램프의 파장대별 강도를 측정한 도면이고, 도 4는 패턴의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 먼저 형성하려는 패턴을 설계한다.(S1) 본 발명에서는 액정표시장치에 사용되는 컬럼 스페이서를 예로 설명하기로 한다. 패턴을 설계하는 단계에서는 컬럼 스페이서의 두께 및 CD(critical dimension)를 설계한다.
다음, 상기 설계된 두께 및 CD를 갖는 컬럼 스페이서를 제조하기 위해, 기존에 수행된 공정들의 공정 조건들이 기록된 데이터 베이스를 이용한다.(S2) 데이터 베이스에는 재료 팩터, 장비 팩터(factor), 설계 팩터, 공정 팩터(factor) 등이 기록되어 저장된다.
상기 재료 팩터는 포토레지스트의 투과율 감도 특성, 노광/현상 특성 등의 포토리소그래피법에 사용되는 재료의 특성 데이터로 예를 들어 노광 에너지에 따른 재료의 포토레지스트의 감도나 CD의 변화량 등일 수 있다. 그리고, 상기 장비 팩터는 포토리소그래피 공정 진행 시 장비의 특성 데이터로 예를 들어 노광 강도나 램프의 스펙트럼 등일 수 있다. 상기 설계 팩터는 마스크 디자인에 따른 공정 특성 데이터로 예를 들어 마스크의 CD값, 마스크의 투과율 등일 수 있다. 상기 공정 팩터는 공정 조건에 따른 공정 특성 데이터로 예를 들어 노광 에너지, 노광 갭(gap), 프리베이크(prebake) 시간 등일 수 있다.
상기 데이터 베이스를 이용하는 단계에서는 상기 설계된 두께와 CD를 갖는 컬럼 스페이서를 제조하기 위해, 데이터 베이스에서 각 공정 조건들을 취합하여 공정 조건을 정한다.
다음, 데이터 베이스에서 정해진 공정 조건을 이용하여 시뮬레이션을 수행한다.(S3) 이 단계에서는 시뮬레이션을 진행할 때 상기 데이터 베이스에서 정해진 공정, 장비, 재료 및 설계 특성 치를 입력한 후 시뮬레이션을 수행하게 된다.
본 발명에서는 포토리소그래피 공정 시, 네가티브 포토레지스트를 사용하여 패턴을 형성한다. 이에 따라 포지티브 포토레지스트를 사용할 때와는 달리, 네가티브 포토레지스트만의 노광 반응 속도와 현상율에 대한 파라미터를 재 산출한다.
상기 네가티브 포토레지스트의 노광 반응 속도는 하기의 식을 이용하여 산출한다.
Figure pat00005
여기서, A는 포토레지스트의 흡수 강도, B는 포토레지스트를 제외한 물질의 흡수 강도, C는 포토레지스의 반응 속도, d는 코팅된 포토레지스트의 두께, T(∞)는 완전히 노광되어 광개시제가 모두 분해되고 베이스 레진만 남은 포토레지스트의 투과율, T(0)은 노광 전 포토레지스트의 투과율, I(x, y)는 노광 램프 강도, x는 스펙트럼 피크 값, y는 파장을 나타낸다.
상기 식을 적용하기 전에 UV-Vis 스펙트럼을 먼저 측정하여 상기 각 파라미터에 해당하는 값을 계산한다. 도 2에 도시된 바와 같이, UV-Vis 스펙트럼은 UV 램프의 파장대별로 노광량 변화에 따른 네가티브 포토레지스트의 투과율을 측정하여 상기 식의 T(∞)와 T(0)값을 구한다. 이 값들을 상기 식에 대입하여 상기 A와 B 값을 산출할 수 있다.
이때, UV-Vis 스펙트럼을 측정하는 방법으로는 먼저 일정 두께의 포토레지스트를 기판 상에 도포하고, 포토레지스트에 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640 및 1000mJ로 적산 노광을 실시한다. 이때 각 노광 단계에서느 UV-Vis 스펙트럼을 측정한다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 램프의 파장대별 강도(intensity)를 측정하여 상기 식의 I(x, y) 값을 구하고, 이 값을 상기 식에 대입하여 상기 C 값을 산출한다.
상기 식에서 A, B, C는 dill's 모델의 A, B, C를 의미하지만, 본 발명에서는 C를 산출하는 식이 종래 dill's 모델과 차별화된다. 즉, 종래 dill's 모델은 하나의 램프 파장으로 고정된 식이지만, 본 발명의 상기 식은 램프의 파장대가 달라지는 것을 반영할 수 있는 식이다. 따라서, 네가티브 포토레지스트의 시뮬레이션이 이 식을 적용할 수 있다.
한편, 상기 네가티브 포토레지스트의 현상율은 하기의 식을 이용하여 산출한다.
Figure pat00006
여기서, R은 현상율, Rmax는 빛을 받은 부분의 현상율, Rmin은 빛을 받지 않은 부분의 현상율, M은 상대적인 포토레지스트의 농도(초기값:1), n은 반응 차수, Mth는 포토레지스트의 분해되는 농도의 경계 값을 나타낸다.
본 발명에서는 상기 식에서 나타나는 바와 같이, Rmax 값을 마이너스 값으로 대입하여 현상율(R)을 구한다. 이는 네가티브 포토레지스트는 포지티브 포토레지스트와는 달리, 빛을 받은 부분이 남아 있기 때문에 그 값을 마이너스 값으로 대입한다.
상기와 같이, 노광 반응 속도와 현상율에 대한 파라미터를 재 산출한 값을 데이터 베이스의 각 공정, 장비, 재료 및 설계 특성 치와 함께 시뮬레이션하여 도 4에 나타나는 바와 같이, 설계된 패턴의 시뮬레이션 형상을 결과로 도출해낸다.
다음, 상기 시뮬레이션 결과에 따라 설계된 패턴을 제조하기 위한 마스크를 설계한다.(S4) 이때, 마스크로는 일반 마스크와 하프톤마스크(half tone mask)에 적용할 수 있다. 예를 들어, 패턴의 CD가 30㎛일 때, 마스크의 CD는 10㎛로 설계할 수 있다.
이어, 상기 마스크 설계에 따라 마스크를 제작한다.(S5) 마스크 제작은 상기 S4 단계에서 설계된 마스크를 실제로 제작하는 단계이다. 다음, 상기 제작된 마스크를 이용하여 콘택 스페이서를 형성하는 공정을 수행한다.(S6) 즉, 기판 상에 콘택 스페이서 재료를 도포하고, 네가티브 포토레지스트를 도포하여 노광 및 현상하여 콘택 스페이서 패턴을 형성한다.
이어, 상기 S1단계에서 패턴 설계에 따른 콘택 스페이서의 두께 및 CD와 상기 제조된 콘택 스페이서 패턴의 두께 및 CD를 측정하여 비교한다.(S7)
이때, 패턴 설계에 따른 콘택 스페이서의 두께 및 CD와 실제 콘택 스페이서 패턴의 두께 및 CD가 실질적으로 동일한 범주에 속하면, 최종 패턴의 제조방법을 종료하고, 상기 제작된 마스크를 추후 콘택 스페이서의 제작을 위한 공정에 계속 사용한다. 반면, 상기 제조된 콘택 스페이서 패턴의 두께 및 CD가 패턴 설계에 따른 콘택 스페이서의 두께 및 CD와 다르면, 마스크를 재 설계한다.(S8)
상기 마스크의 재 설계단계에서는 S1단계에서 설계된 콘택 스페이서 패턴의 두께와 CD를 갖도록 마스크를 다시 설계하고, S5단계인 마스크 제작단계부터 다시 공정을 수행한다. 최종적으로 패턴 설계에 따른 콘택 스페이서의 두께 및 CD와 실제 콘택 스페이서 패턴의 두께 및 CD가 실질적으로 동일한 범주에 속할 때까지 이 공정을 계속 반복하여 수행한다.
상기와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 네가티브형 포토레지스트 시뮬레이션 방법 및 이를 이용한 마스크의 제조방법은 패턴 설계 시 마스크 제작 후의 공정 진행에 따른 결과를 사전에 시뮬레이션함으로써, 다양한 스펙별로 공정, 장비, 재료 조건을 반영하여 마스크 디자인을 결정할 수 있다. 이에 따라, 마스크의 재 설계 비용을 절감하고, 마스크 개발 기간을 단축시킬 수 있어, 30% 이상의 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 패턴을 형성하기 위한 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법에 있어서,
    상기 포토레지스트의 노광 반응 속도를 산출하는 단계;
    상기 포토레지스트의 현상율을 산출하는 단계;
    상기 산출된 노광 반응 속도와 현상율을 파라미터로 하여 기판 상에 형성될 패턴 형상을 산출하는 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 현상율을 산출하는 단계는 하기의 식을 이용하는 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법.
    Figure pat00007

    (단, R은 현상율, Rmax는 빛을 받은 부분의 현상율, Rmin은 빛을 받지 않은 부분의 현상율, M은 상대적인 포토레지스트의 농도(초기값:1), n은 반응 차수, Mth는 포토레지스트의 분해되는 농도의 경계 값)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계는 하기의 식을 이용하는 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법.
    Figure pat00008

    (단, A는 포토레지스트의 흡수 강도, B는 포토레지스트를 제외한 물질의 흡수 강도, C는 포토레지스의 반응 속도, d는 코팅된 포토레지스트의 두께, T(∞)는 완전히 노광되어 광개시제가 모두 분해되고 베이스 레진만 남은 포토레지스트의 투과율, T(0)은 노광 전 포토레지스트의 투과율, I(x, y)는 노광 램프 강도, x는 스펙트럼 피크 값, y는 파장)
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계 이전에 UV-Vis 스펙트럼을 측정하는 단계를 더 포함하는 네가티브형 포토레지스트의 시뮬레이션 방법.
  5. 패턴을 설계하는 단계;
    데이터 베이스를 이용하여 상기 패턴의 형상을 시뮬레이션하는 단계;
    상기 시뮬레이션 결과에 따라 마스크 디자인을 설계하는 단계;
    상기 마스크 디자인에 따라 마스크를 제작하는 단계;
    상기 마스크를 이용하여 패턴을 형성하는 단계;
    상기 형성된 패턴과 상기 설계된 패턴을 비교하는 단계; 및
    상기 형성된 패턴이 상기 설계된 패턴과 다를 경우 마스크를 재 설계하는 단계를 포함하는 마스크의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 패턴의 형상을 시뮬레이션하는 단계는,
    상기 패턴을 제조하기 위한 포토레지스트의 노광 반응 속도를 산출하는 단계;
    상기 포토레지스트의 현상율을 산출하는 단계;
    상기 산출된 노광 반응 속도와 현상율을 파라미터로 하여 기판 상에 형성될 패턴 형상을 산출하는 단계를 포함하는 마스크의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 현상율을 산출하는 단계는 하기의 식을 이용하는 마스크의 제조방법.
    Figure pat00009

    (단, R은 현상율, Rmax는 빛을 받은 부분의 현상율, Rmin은 빛을 받지 않은 부분의 현상율, M은 상대적인 포토레지스트의 농도(초기값:1), n은 반응 차수, Mth는 포토레지스트의 분해되는 농도의 경계 값)
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 노광 반응 속도를 산출하는 단계는 하기의 식을 이용하는 마스크의 제조방법.
    Figure pat00010

    (단, A는 포토레지스트의 흡수 강도, B는 포토레지스트를 제외한 물질의 흡수 강도, C는 포토레지스의 반응 속도, d는 코팅된 포토레지스트의 두께, T(∞)는 완전히 노광되어 광개시제가 모두 분해되고 베이스 레진만 남은 포토레지스트의 투과율, T(0)은 노광 전 포토레지스트의 투과율, I(x, y)는 노광 램프 강도, x는 스펙트럼 피크 값, y는 파장)
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 패턴을 설계하는 단계는 패턴의 두께와 CD(critical dimension)을 설계하는 단계인 마스크의 제조방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 형성된 패턴과 상기 설계된 패턴을 비교하는 단계는,
    상기 설계된 패턴의 두께 및 CD와, 상기 형성된 패턴의 두께 및 CD를 비교하는 마스크의 제조방법.
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