KR20140099103A - 포토마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법 - Google Patents

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KR20140099103A
KR20140099103A KR20130011936A KR20130011936A KR20140099103A KR 20140099103 A KR20140099103 A KR 20140099103A KR 20130011936 A KR20130011936 A KR 20130011936A KR 20130011936 A KR20130011936 A KR 20130011936A KR 20140099103 A KR20140099103 A KR 20140099103A
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이동근
김성수
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 포토마스크는 기판, 기판 상에 배치된 패턴들, 및 패턴들 바로 위에 배치되고 적어도 하나의 그래핀막(graphene layer)을 포함하는 오염 방지막(anti-contamination layer)을 포함한다.

Description

포토마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법{PHOTOMASK AND METHOD OF FABRICATING SEMICONDUCTOR DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 포토마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 오염을 최소화하거나 방지할 수 있는 포토마스크 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다.
소형화, 다기능화 및/또는 낮은 제조 단가 등의 특성들로 인하여 반도체 소자들은 전자 산업에서 중요한 요소로 각광 받고 있다. 반도체 소자들은 증착 공정, 포토리소그라피 공정, 이온 주입 공정, 및 식각 공정과 같은 다양한 반도체 공정들에 의해 형성될 수 있다.
상기 포토리소그라피 공정은 반도체 소자 내 반도체 패턴들을 정의하는 공정일 수 있다. 상기 포토리소그라피 공정은 포토마스크를 이용한다. 상기 포토마스크는 상기 반도체 패턴들을 정의하기 위한 패턴들을 포함하며, 상기 포토리소그라피 공정 시에 상기 포토마스크의 패턴들은 광을 이용하여 반도체 기판에 전사될 수 있다. 이로써, 상기 반도체 패턴들을 정의하는 감광 패턴들이 형성될 수 있다.
한편, 미세 먼지 및/또는 파티클(particle)등과 같은 외부 오염원들이 상기 포토 마스크 상에 발생되는 경우에, 외부 오염원들의 형태들이 상기 반도체 기판에 전사되어, 반도체 소자의 불량이 초래된다. 따라서, 상기 포토마스크가 상기 외부 오염원들로부터 보호되는 것이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 외부 오염을 최소화하거나 방지할 수 있는 포토마스크를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 포토마스크를 이용하여 반도체 소자를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 포토마스크는 기판; 상기 기판 상에 배치된 패턴들; 및 상기 패턴들 바로 위에 배치되고, 적어도 하나의 그래핀막(graphene layer)을 포함하는 오염 방지막(anti-contamination layer)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 상부면들과 접촉할 수 있으며, 상기 패턴들 사이의 기판으로부터 이격될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막의 상기 그래핀막이 상기 패턴들의 상부면들과 접촉될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 표면들 및 상기 패턴들 사이의 기판의 표면과 접촉될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 표면들 및 상기 패턴들 사이의 기판의 표면과 접촉된 시드층(seed layer)를 더 포함할 수 있다. 상기 그래핀막은 상기 시드층 상에 배치되고 상기 시드층과 접촉될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 시드층은 전이 금속을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막은 차례로 적층된 복수의 그래핀막들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 그래핀막은 불순물들로 도핑될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 불순물들은 붕소(boron), 질소(nitrogen), 불소(fluorine), 백금(platinum), 금, 은, 및 칼륨(kalium) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 광원으로부터 생성된 광을 투과하는 물질을 포함할 수 있으며, 상기 패턴들은 상기 광을 차단하는 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 광원으로부터 생성된 광을 반사하는 물질 또는 구조체를 포함할 수 있으며, 상기 패턴들은 상기 광을 흡수하는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 소자의 제조 방법은 반도체 기판 상에 감광막을 형성하는 것; 기판, 상기 기판 상의 패턴들, 및 상기 패턴들 바로 위에 배치된 오염 방지막을 포함하는 포토마스크를 이용하여, 상기 감광막에 노광 공정을 수행하는 것; 및 상기 노광된 감광막에 현상 공정을 수행하여 감광 패턴들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 오염 방지막은 적어도 하나의 그래핀막을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막은 적어도 상기 패턴들의 상부면들과 접촉될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 노광 공정을 수행한 후에 상기 오염 방지막 상에 외부 오염이 발생한 경우에, 상기 오염 방지막의 상기 그래피막을 산소 플라즈마를 이용하여 제거하는 것을 더 포함
일 실시예에서, 상기 노광 공정을 수행한 후에, 상기 방법은 상기 감광 패턴들을 이용하여 반도체 공정을 수행하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 그래핀막을 포함하는 상기 오염 방지막은 상기 패턴들 바로 위에 배치된다. 상기 그래핀막은 화학적으로 및/또는 구조적으로 매우 안정이어서, 외부 오염 물질들이 상기 오염 방지막(120)에 거의 붙지 않는다. 따라서, 상기 포토마스크의 세정 주기가 길어지고 상기 포토마스크의 수명이 증가될 수 있다. 또한, 상기 오염 방지막이 상기 포토마스크의 상기 패턴들 바로 위에 배치됨으로써, 상기 외부 오염 물질들이 상기 패턴들에 직접 부착되는 것이 방지될 수 있다. 이로 인하여, 상기 포토마스크의 수명이 더욱 증가될 수 있다. 나아가, 상기 오염 방지막의 상기 그래핀막은 우수한 광 투과율을 가짐으로써, 상기 오염 방지막은 상기 포토마스크를 이용하는 상기 포토리소그라피 공정의 거의 영향을 주지 않는다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 패턴 및 오염 방지막을 확대한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 오염 방지막의 투과도 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크를 나타내는 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 패턴 및 오염 방지막을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크를 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크를 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노광 공정을 설명하기 위한 노광 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노광 공정을 설명하기 위한 노광 시스템을 나타내는 개략도이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 '및/또는' 이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 다른 요소에'연결된다' 또는 '커플된다'는 표현은 다른 요소에 직접 연결 또는 커플되거나, 개재되는 요소가 존재할 수 있다.
본 명세서에서, 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서, '포함한다'는 표현이 사용된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자에, 하나 이상의 다른 구성 요소, 다른 단계, 다른 동작, 및/또는 다른 소자가 존재 또는 추가되는 것이 배제되지 않는다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들(또는 층들)이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에의 제1 막(또는 제1 층)으로 언급된 것이 다른 실시예에서는 제2 막(또는 제2 층)로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 구성들의 크기 및 두께 등은 명확성을 위하여 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드 지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크를 나타내는 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 패턴 및 오염 방지막을 확대한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일 실시예에 따른 포토마스크(50, photomask)는 기판(100), 상기 기판(100) 상의 패턴들(110), 및 상기 패턴들(110) 바로 위(directly on)에 배치된 오염 방지막(120, anti-contamination layer)을 포함한다.
상기 오염 방지막(120)은 적어도 하나의 그래핀막(125, graphene layer)을 포함한다. 상기 오염 방지막(120)은 적어도 상기 패턴들(110)의 상부면들과 접촉한다.
상기 그래핀막(125)은 나노 크기의 구조를 가지며 2차원적으로 공유 결합된 탄소 원자들을 포함한다. 이로 인하여, 상기 그래핀막(125)은 화학적으로 및/또는 구조적으로 매우 안정적이다. 이에 따라, 상기 그래핀막(125)은 미세 먼지 및/또는 파티클과 같은 외부 오염 물질들과 실질적으로 반응하지 않아, 상기 외부 오염 물질들이 상기 그래핀막(125)에 거의 붙지 않는다. 또한, 상기 그래핀막(125)은 포토리소그라피 공정(photolithography process)에 사용되는 광에 대하여 우수한 광 투과율을 갖는다. 결과적으로, 상기 외부 오염 물질들은 상기 그래핀막(125)을 포함하는 상기 오염 방지막(120) 상에 거의 붙지 않아서, 상기 포토마스크(50)의 세정 주기가 길어지고 상기 포토마스크(50)의 수명이 증가될 수 있다. 또한, 상기 오염 방지막(120)은 상기 패턴들(110) 바로 위에 배치됨으로써, 상기 패턴들(110) 상의 상기 외부 오염 물질들이 발생되는 것이 방지될 수 있다. 이에 더하여, 상기 그래핀막(125)이 우수한 광 투과율을 가짐으로써, 상기 포토마스크(50)를 이용하는 상기 포토리소그라피 공정 시에 상기 오염 방지막(120)에 의해 야기되는 광 손실을 최소화시킬 수 있다. 즉, 상기 오염 방지막(120)은 상기 포토리소그라피 공정에 거의 영향을 주지 않을 수 있다. 상기 그래핀막(125)을 포함하는 상기 오염 방지막(120)은 레플런트막(repellent layer)로서 기능할 수 있다. 상기 오염 방지막(120)의 광 투과율에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
본 실시예에 따르면, 상기 오염 방지막(120)은 상기 패턴들(110)의 상부면들과 접촉할 수 있으며, 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)으로부터 이격될 수 있다. 좀더 구체적으로, 상기 오염 방지막(120)은 상기 각 패턴(110)의 상부면과 접촉된 제1 부분과 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100) 상부(over)에 배치된 제2 부분을 포함할 수 있다. 이때, 상기 오염 방지막(120)의 상기 제2 부분은 상기 기판(100) 및 패턴(110)으로부터 이격될 수 있다. 상기 오염 방지막(120)은 실질적으로 평탄할 수 있다. 이와는 달리, 상기 오염 방지막(120)의 상기 제2 부분이 상기 오염 방지막(120)의 상기 제1 부분 보다 낮을 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)이 상기 패턴들(110)의 상부면들과 접촉될 수 있다.
일 실시예에서, 도 1b에 개시된 바와 같이, 상기 오염 방지막(120)은 차례로 적층된 복수의 상기 그래핀막들(125)을 포함할 수 있다. 상기 그래핀막들(125) 중에서 최하위 그래핀막이 상기 패턴들(110)의 상부면과 접촉될 수 있으며, 상기 패턴들(110) 사이의 기판(100)과 이격될 수 있다. 예컨대, 각 그래핀막(125)의 두께는 약 0.34㎚ 일 수 있으며, 각 그래핀막(125)의 밀도는 약 2.15g/㎤일 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다.
상술된 바와 같이, 상기 그래핀막들(125)은 화학적으로 및/또는 구조적으로 매우 안정되기 때문에, 상기 외부 오염 물질이 오염 방지막(120)에 거의 붙지 않는다. 만약, 상기 외부 오염 물질이 상기 오염 방지막(120) 상에 발생된 경우에, 상기 복수의 그래핀막들(125) 중에서 최상위 그래핀막을 산소 플라즈마(oxygen plasma)를 이용하여 빠른 시간 내에 제거될 수 있다. 이로 인하여, 상기 오염 방지막(120) 상의 상기 외부 오염 물질을 상기 포토마스크(50)의 손상이나 왜곡 없이 쉽게 제거할 수 있다. 또한, 상기 오염 방지막(120)이 상기 최상위 그래핀막 아래의 그래핀막들(125)을 포함하고 있어, 상기 포토마스크(50)은 추가적인 세정 없이 바로 사용될 수 있다. 따라서, 반도체 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 오염 방지막(120)은 단일층의 그래핀막(125)을 포함할 수도 있다.
상기 그래핀막(125)은 불순물들에 의해 도핑될 수 있다. 예컨대, 상기 불순물들은 붕소(boron), 질소(nitrogen), 불소(fluorine), 백금(platinum), 금, 은, 및 칼륨(kalium) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 상기 불순물들은 다른 원소들 중에서 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
상기 그래핀막(125)은 상기 불순물들에 의해 도핑됨으로써, 상기 그래핀막(125)의 여러 가지 특성들이 조절될 수 있다. 예컨대, 상기 그래핀막(125)은 붕소(B) 및/또는 질소(N)로 도핑되는 경우에, 상기 그래핀막(125)의 전기적 특성이 변화될 수 있다. 상기 그래핀막(125)이 불소(F)로 도핑되는 경우에, 상기 그래핀막(125)의 화학적 안정성이 더욱 향상될 수 있다. 예컨대, 불소 원자들은 상기 그래핀막(125)의 공유 결합의 엔드-포인트들(end-points) 및/또는 결함 사이트들(defect sites)에 결합될 수 있다. 이로써, 상기 그래핀막(125)의 상기 화학적 안정성이 더욱 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 포토마스크(50)는 투과형 포토마스크(transmission type photomask)일 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(100)은 광을 투과시키는 물질로 형성되고, 상기 패턴들(110)은 광을 차단하는 물질을 포함한다. 예컨대, 상기 기판(100)은 석영(quartz)로 형성될 수 있으며, 상기 패턴들(110)은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 상기 기판(100)은 광을 투과시키는 다른 물질로 형성될 수 있으며, 상기 패턴들(110)은 광을 차단하는 다른 물질로 형성될 수도 있다. 상기 포토리소그라피 공정의 광은 상기 패턴들(110)에 의해 차단(block)되고, 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)을 투과한다. 이로써, 상기 포토마스크(50)의 패턴들(110)이 반도체 기판에 형성된 감광막에 전사될 수 있다. 상기 포토마스크(50)가 상기 투과형 포토마스크인 경우에, 상기 포토리소그라피 공정의 광은 지-라인 레이저((g-line laser, 436㎚), 아이-라인 레이저(i-line laser, 365㎚), 불화 크립톤 레이저(KrF laser, 248㎚), 불화 아르곤 레이저(ArF laser, 193㎚), 불소 레이저(F2 laser, 157㎚), 또는 심자외선(deep ultraviolet, DUV)일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 포토마스크(50)는 반사형 포토마스크(reflection type photomask)일 수 있다. 이 경우에, 상기 기판(100)은 광을 반사시키는 물질 또는 구조를 포함하고, 상기 패턴들(110)은 광을 흡수하는 물질을 포함한다. 예컨대, 상기 기판(100)은 교대로 적층된 실리콘(Si)막들 및 몰리브덴(molybdenum, Mo)막들을 포함하는 다층 구조(multi-layered structure)를 가질 수 있다. 상기 패턴들(110)은 탄탈륨 질화물을 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 상기 기판(100)은 광을 흡수하는 다른 물질 또는 다른 구조를 가질 수 있으며, 상기 패턴들(110)은 광을 흡수하는 다른 물질을 포함할 수 있다. 상기 포토마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크인 경우에, 상기 포토리소그라피 공정의 광은 극자외선(extreme ultraviolet, EUV)일 수 있다.
상기 포토마스크(50)가 상기 투과형 포토마스크인 경우에, 상기 오염 방지막(120)은 원-패스 투과율(one-pass transmittance)을 가질 수 있다. 상기 오염 방지막(120)의 상기 원-패스 투과율은 입사광의 강도에 대한 상기 오염 방지막(120)을 한번 투과한 광의 강도의 비율로 정의된다. 상기 오염 방지막(120)의 원-패스 투과율은 백분율로 표시된다. 예컨대, 상기 오염 방지막(120)의 원-패스 투과율은 약 80퍼센트(%) 이상일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 오염 방지막(120)의 원-패스 투과율은 약 90퍼센트 이상일 수 있다.
상기 포토마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크인 경우에, 상기 오염 방지막(120)은 투-패스 투과율(two-pass transmittance)을 가질 수 있다. 상기 오염 방지막(120)의 상기 투-패스 투과율은 입사광의 강도에 대한 상기 오염 방지막(120)을 두번 투과한 광의 강도의 비율로 정의할 수 있다. 상기 오염 방지막(120)의 상기 투-패스 투과율은 백분율로 표시된다. 구체적으로, 상기 포토마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크인 경우에, 상기 입사광은 상기 오염 방지막(120)을 투과한 후에 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)에 반사되어 상기 오염 방지막(120)을 다시 투과한다. 상기 다시 투과된 광이 감광막에 조사된다. 따라서, 상기 포토마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크인 경우에, 상기 오염 방지막(120)의 투-패스 투과율이 중요하다. 예컨대, 상기 포토 마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크인 경우에, 상기 포토마스크(50)의 상기 투-패스 투과율은 약 80퍼센트 이상일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 포토마스크(50)의 상기 투-패스 투과율은 약 90퍼센트 이상일 수 있다.
상기 오염 방지막(120)의 투과율을 확인하기 위한 모의실험을 수행하였다. 이를 도 2를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 오염 방지막의 투과도 특성을 나타내는 그래프이다. 본 모의 실험에서, 광은 13.5㎚의 파장을 갖는 극자외선(EUV)을 사용하였으며, 상기 포토마스크(50)는 상기 반사형 포토마스크였다. 도 2에서, x축은 상기 오염 방지막(120)에 포함된 상기 그래핀막(125)의 적층 수를 나타내고, 왼쪽 y축은 투-패스 투과율을 나타내고, 오른쪽 y-축은 상기 오염 방지막(120)의 두께를 나타낸다.
도 1a, 1b, 및 도 2를 참조하면, 상기 오염 방지막(120)이 단일층의 그래핀막(125)으로 구성된 경우에, 상기 오염 방지막(120)의 상기 투-패스 투과율은 약 99.5% 이었다. 상기 적층된 그래핀막들(125)의 수가 50일 때, 상기 오염 방지막(120)의 상기 투-패스 투과율은 약 80.5%이다. 상기 적층된 그래핀막들(125)의 수가 20일 때, 상기 오염 방지막(120)의 상기 투-패스 투과율은 약 91.5%이다. 따라서, 상기 포토마스크(50)가 상기 반사형 포토마스크이고 상기 광이 극자외선(EUV)인 경우에, 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)의 수는 1 내지 약 50의 범위를 가질 수 있다. 특히, 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막들(125)의 수는 1 내지 약 20의 범위를 가질 수 있다.
한편, 상기 오염 방지막(120)의 상기 원-패스 투과율은 도 2의 그래프로부터 예측될 수 있다. 예컨대, 상기 단일층의 그래핀막(125)의 상기 원-패스 투과율은 약 99.5% 보다 클 수 있다. 상기 그래핀막(125)의 수가 40일 때, 상기 오염 방지막(120)의 상기 원-패스 투과율이 약 91.5%가 될 수 있으며, 상기 그래핀막(125)의 수가 100일 때, 상기 오염 방지막(120)의 상기 원-패스 투과율이 약 80.5%일 수 있다. 따라서, 상기 포토마스크(50)가 상기 투과형 포토마스크이고 광이 극자외선(EUV)인 경우에, 상기 오염 방지막(120) 내 상기 그래핀막(125)의 수는 1 내지 약 100의 범위를 가질 수 있으며, 특히, 1 내지 약 40의 범위를 가질 수 있다.
상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)의 투과율을 확인하기 위한 추가적인 실험을 수행하였다. 실험 결과, 단일층의 그래핀막(125)의 상기 백색광에 대한 투과율은 약 97.7% 이었다.
상술된 바와 같이, 상기 포토마스크(50)는 적어도 하나의 그래핀막(125)을 포함하는 상기 오염 방지막(120)을 포함한다. 이로 인하여, 상기 외부 오염 물질들이 상기 오염 방지막(120)에 거의 붙지 않아서, 상기 포토마스크(50)의 세정 주기가 길어지고 상기 포토마스크(50)의 수명이 증가될 수 있다. 또한, 상기 오염 방지막(120)이 패턴들(110) 바로 위에 배치됨으로써, 상기 외부 오염 물질들이 상기 패턴들(110)에 직접 부착되는 것이 방지될 수 있다. 이로 인하여, 상기 포토마스크(50)의 수명이 더욱 증가될 수 있다. 나아가서, 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)은 우수한 광 투과율을 가짐으로써, 상기 오염 방지막(120)은 상기 포토마스크(50)를 이용하는 상기 포토리소그라피 공정의 거의 영향을 주지 않는다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크를 나타내는 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 패턴 및 오염 방지막을 확대한 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 포토마스크(50a)는 상기 패턴들(110)을 갖는 기판(100) 상에 콘포말하게 배치된 오염 방지막(120a)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 오염 방지막(120a)은 상기 패턴들(110)의 표면들(즉, 상부면들 및 측벽들) 및 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)의 표면을 따라 콘포말하게 연장될 수 있다. 상기 오염 방지막(120a)은 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 상기 오염 방지막(120a)은 상기 패턴들(110)의 표면들 및 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)의 표면과 접촉될 수 있다.
도 3b에 개시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 오염 방지막(120a)은 차례로 적층된 시드층(122, seed layer) 및 적어도 하나의 그래핀막(125)을 포함할 수 있다. 상기 시드층(122)은 상기 패턴들(110)의 표면들 및 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)과 접촉될 수 있으며, 상기 그래핀막(125)은 상기 시드층(122)의 상부면과 접촉될 수 있다. 상기 오염 방지막(120a)은 단일층의 그래핀막(125)을 포함하거나, 차례로 적층된 복수의 그래핀막들(125)을 포함할 수 있다.
상기 시드층(122)은 전이금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 시드층(122)은 구리(Cu) 또는 니켈(Ni) 등에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 상기 시드층(122)은 탄소를 미량 함유하는 어떠한 기판(ex, SiC)이거나, 다른 전이금속들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 시드층(122)은 상기 오염 방지막(120a)의 원-패스 투과율 또는 투-패스 투과율에 거의 영향을 주지 않는 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 시드층(122)은 수 옹스트롬(angstrom) 내지 수십 옹스트롬의 두께를 가질 수 있다.
상기 포토마스크(50a)는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 것과 같이 반사형 포토마스크 또는 투과형 포토마스크일 수 있다. 상기 시드층(122) 및 상기 적어도 하나의 그래핀막(125)을 포함하는 상기 오염 방지막(120a)은 80% 이상의 원-패스 투과율 또는 80% 이상의 투-패스 투과율을 가질 수 있다. 특히, 상기 오염 방지막(120a)은 90% 이상의 원-패스 투과율 또는 90% 이상의 투-패스 투과율을 가질 수 있다.
다음으로 상술된 포토마스크들(50, 50a)의 제조 방법들을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토마스크를 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1a, 도 1b, 및 도 4를 참조하면, 오염 방지막(120)을 형성한다(S150). 상기 오염 방지막(120)은 단일층의 그래핀막(125) 또는 복수의 적층된 그래핀막들(125)을 포함하도록 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 그래핀막(125)을 포함하는 상기 오염 방지막(120) 은 전이 금속을 포함하는 시드 기판(seed substrate) 상에 열화학 기상 증착 공정(thermal chemical vapor deposition (TCVD) process) 및/또는 플라즈마로 강화된 화학 기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD) process) 등으로 형성될 수 있다. 상기 시드 기판 상에 형성된 상기 오염 방지막(120)은 상기 시드 기판으로부터 분리시킬 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 상기 오염 방지막(120)은 다양한 다른 방법들 중에 하나로 형성될 수도 있다.
상기 기판(100) 및 상기 패턴들(110)을 포함하는 포토마스크를 준비한다. 상기 오염 방지막(120)을 상기 기판(100)의 상기 패턴들(110) 상에 부착시킬 수 있다(S155). 예컨대, 상기 패턴들(110)을 갖는 기판(100)을 욕조 내 용액(예컨대, 탈 이온수) 내에 담글 수 있다. 상기 오염 방지막(120)을 상기 용액 상에 띄울 수 있다. 상기 기판(100)이 들어 올려져 상기 오염 방지막(120)을 상기 패턴들(110)의 상부면들 상에 부착시킬 수 있다. 이 후에, 열 등을 이용하여 상기 기판(100)을 건조시킬 수 있다. 이로써, 도 1a 및 도 1b에 개시된 포토마스크(50)를 구현할 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 오염 방지막(120)은 상기 기판(100)의 상기 패턴들(110) 상에 일반적인 열 릴리즈 테이프 전송 방법(thermal release tape transfer method)과 같은 다른 방법에 의해 부착될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 포토마스크를 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a, 도 3b, 및 도 5를 참조하면, 상기 패턴들(110)이 형성된 상기 기판(100)을 준비한다(S160). 오염 방지막(120a)을 상기 기판(100) 상에 형성할 수 있다(S170). 상기 단계(S170)은 시드층(122)을 형성하는 단계(S165) 및 그래핀막(125)을 형성하는 단계(S168)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴들(110)을 갖는 기판(100) 상에 상기 시드층(122)을 형성할 수 있다(S165). 상기 시드층(122)은 상기 패턴들(110)의 표면들 및 상기 패턴들(110) 사이의 기판(100)의 표면 상에 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 시드층(122)은 상기 패턴들(110)의 표면들 및 상기 패턴들(110) 사이의 상기 기판(100)의 표면과 접촉될 수 있다.
상기 시드층(122)은 물리 기상 증착 공정(physical vapor deposition (PVD) process), 화학 기상 증착 공정(chemical vapor deposition (CVD) process), 및/또는 원자층 증착 공정(atomic layer deposition (ALD) process)으로 형성될 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 시드층(122)은 전이금속을 포함할 수 있다.
상기 시드층(122) 상에 상기 그래핀막(125)을 형성할 수 있다(S168). 상기 그래핀막(125)은 상기 시드층(122)을 시드로 사용하는 열화학 기상 증착 공정(TCVD process) 또는 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 공정(PE-CVD process)으로 형성할 수 있다. 특히, 상기 그래핀막(125)은 공정 온도가 낮은 상기 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 공정으로 형성될 수 있다. 상기 오염 방지막(120a)은 단일층 그래핀막(125) 또는 복수의 적층된 그래핀막들(125)을 포함할 수 있다. 이로써, 도 3a 및 도 3b에 개시된 포토마스크(50a)를 구현할 수 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않는다. 상기 포토마스크(50a)는 다른 방법에 의해서 형성될 수도 있다.
다음으로, 상술된 포토마스크(50 또는 50a)을 이용하는 반도체 소자의 제조 방법을 도면들을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노광 공정을 설명하기 위한 노광 시스템을 나타내는 개략도이다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노광 공정을 설명하기 위한 노광 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 6 및 도 7a를 참조하면, 반도체 소자의 형성을 위한 반도체 기판(300) 상에 감광막(320)을 형성한다(S200). 예컨대, 상기 반도체 기판(300)은 실리콘 기판일 수 있다. 상기 감광막(320)을 이용하는 반도체 공정은 다양한 반도체 공정들 중에 하나일 수 있다. 예컨대, 상기 반도체 공정은 식각 공정 또는 이온 주입 공정일 수 있다. 상기 반도체 공정이 상기 식각 공정인 경우에, 상기 반도체 기판(300) 상에 식각 대상막(310)이 형성될 수 있으며, 상기 감광막(320)은 상기 식각 대상막(310) 상에 형성될 수 있다. 상기 식각 대상막(310)이 상기 도전막인 경우에, 절연막(305)이 상기 식각 대상막(310)과 상기 반도체 기판(300) 사이에 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 식각 대상막(310)이 절연막일 수도 있다. 이 경우에, 상기 식각 대상막(310) 아래에 도전 패턴(미도시함)이 배치될 수도 있다.
상기 반도체 공정이 이온 주입 공정인 경우에, 상기 식각 대상막(310)은 생략될 수 있으며, 상기 감광막(320)은 이온 주입 대상 영역 상에 형성될 수 있다. 상기 이온 주입 대상 영역은 상기 반도체 기판(300)의 일부분 또는 상기 반도체 기판(300) 상의 반도체층(ex, 폴리-실리콘막 등)일 수 있다.
상기 감광막(320)은 상기 반도체 기판(300) 상에 스핀 코팅 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 감광막(320)이 상기 반도체 기판(300) 상에 코팅된 후에 소프트 베이크(soft bake) 공정이 수행될 수 있다.
도 6 및 도 7b를 참조하면, 상기 감광막(320)에 노광 공정(exposure process)을 수행한다(S210). 상기 노광 공정은 상술된 포토마스크(50 또는 50a)를 이용하여 수행한다. 상기 포토마스크(50 또는 50a)가 상기 투과형 포토마스크인 경우에, 상기 노광 공정은 투과형 노광 시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 도 8은 상기 투과형 노광 시스템을 개략적으로 보여 준다. 상기 투과형 포토마스크의 상기 포토마스크(50 또는 50a)를 이용하는 상기 노광 공정을 도 8을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 7a 및 도 8을 참조하면, 상기 투과형 노광 시스템은 하우징(400)을 포함할 수 있다. 스테이지(410, stage), 렌즈 시스템(420), 및 광원(430)이 상기 하우징(400) 내에 배치될 수 있다. 상기 포토마스크(50)가 상기 렌즈 시스템(420) 위에 장착될 수 있다. 도 8에서, 도 1a 및 도 1b의 상기 포토마스크(50)가 예로서 도시되어 있다. 도 8의 상기 포토마스크(50)는 도 3a 및 도 3b의 포토마스크(50a)로 대체될 수 있다.
상기 감광막(320)을 갖는 상기 반도체 기판(300)은 상기 스테이지(410) 상에 로딩될 수 있다. 상기 광원(430)으로부터 생성된 광은 상기 포토마스크(50) 및 상기 렌즈 시스템(420)을 차례로 투과하여 상기 스테이지(410)에 로딩된 상기 반도체 기판(300)의 상기 감광막(320)에 조사될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 투과형 노광 시스템은 상기 하우징(400) 일측에 장착된 포토마스크-세정 유닛(450)을 더 포함할 수 있다. 상기 포토마스크-세정 유닛(450, photomask-cleaning unit)은 산소 플라즈마를 생성할 수 있다. 만약, 상기 포토마스크(50)의 상기 오염 방지막(120) 상에 상기 외부 오염 물질이 발생된 경우에, 상기 포토마스크(50)는 상기 포토마스크-세정 유닛(450) 내에 로딩되고, 상기 산소 플라즈마를 생성하여 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)을 제거할 수 있다. 이로써, 상기 외부 오염 물질들을 제거할 수 있다. 이와는 달리, 상기 투과형 노광 시스템은 상기 포토마스크-세정 유닛(450)을 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우에, 상기 오염 방지막(120)의 상기 그래핀막(125)은 별도의 세정 장치에 의해 제거될 수도 있다.
한편, 상기 포토마스크(50 또는 50a)는 상기 반사형 포토마스크일 수 있다. 이 경우에, 상기 노광 공정은 반사형 노광 시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 도 9는 상기 반사형 노광 시스템을 개략적으로 도시한다. 상기 반사형 포토마스크인 상기 포토마스크(50 또는 50a)를 이용하는 상기 노광 공정을 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 7a 및 도 9를 참조하면, 상기 반사형 노광 시스템은 하우징(500) 내에 배치된 스테이지(510), 광원(530), 및 반사체들(520a, 520b)를 포함할 수 있다. 상기 포토마스크(50)가 상기 하우징(500) 내에 장착될 수 있으며, 상기 감광막(320)을 갖는 상기 반도체 기판(300)이 상기 스테이지(510) 상에 로딩될 수 있다.
상기 광원(530)으로부터 생성된 광은 상기 포토마스크(50) 및 상기 반사체들(520a, 520b)에 의해 반사되어 상기 반도체 기판(300)의 상기 감광막(320)에 조사될 수 있다.
상기 반사형 노광 시스템은 상기 하우징(500) 일측에 장착된 포토마스크-세정 유닛(550)을 더 포함할 수 있다. 상기 포토마스크-세정 유닛(550)은 상기 산소 플라즈마를 생성할 수 있다.
계속해서 도 7b를 참조하면, 상기 포토마스크(50 또는 50a)의 패턴들(110)로 인하여, 상기 노광된 감광막(320a)은 노광부들(322) 및 비노광부들(325)을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7c를 참조하면, 상기 노광된 감광막(320a)에 현상 공정을 수행하여 감광 패턴들(325a)를 형성한다(S220). 상기 현상 공정에 의하여 상기 노광부들(322)이 제거되고, 비노광부들(325)은 잔존될 수 있다. 상기 잔존된 비노광부들(325)이 상기 감광 패턴들(325a)에 해당할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 잔존된 비노광부들(325)에 하드 베이크(hard bake) 공정이 수행되어 상기 감광 패턴들(325a)이 형성될 수 있다. 상기 현상 공정은 현상 용액을 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 감광막(320)이 네가티브 감광막(negative photoresist layer)인 경우에, 상기 현상 공정에 의하여 상기 비노광부들(325)이 제거되고, 상기 노광부들(322)이 잔존될 수 있다.
도 7d를 참조하면, 상기 감광 패턴들(325a)을 이용하여 상기 반도체 공정을 수행한다(S230). 상술된 바와 같이, 상기 반도체 공정은 다양한 공정들 중에서 하나일 수 있다. 예컨대, 상기 반도체 공정은 상기 식각 공정 또는 이온 주입 공정일 수 있다. 상기 반도체 공정이 식각 공정인 경우에, 상기 감광 패턴들(325a)를 식각 마스크로 사용하여 상기 식각 대상막(310)을 식각하여 반도체 패턴들(310a)을 형성할 수 있다. 상기 식각 대상막(310)이 도전막인 경우에, 상기 반도체 패턴들(310a)은 배선들, 게이트 라인들, 및/또는 패드 패턴들 등을 포함할 수 있다. 상기 식각 대상막(310)이 절연막인 경우에, 상기 식각 공정을 수행한 후에, 상기 식각 대상막(310) 내에 홀들, 그루브들(groove), 및/또는 절연 패턴들이 형성될 수 있다.
상기 반도체 공정이 상기 이온 주입 공정인 경우에, 상기 감광 패턴들(325a)을 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 이온 주입 공정을 수행할 수 있다.
상기 반도체 공정이 수행된 후에, 상기 감광 패턴들(325a)을 제거할 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 포토마스크(50 또는 50a)를 이용하여 형성된 반도체 소자는 디램(dynamic random access memory, DRAM) 소자, 에스램(static random access memory SRAM) 소자, 2차원 플래쉬(flash) 기억 소자, 3차원 플래쉬 기억 소자. 자기 기억 소자(magnetic memory device), 상변화 기억 소자(phase change memory device), 에프램(ferroelectric RAM) 소자, 롬(read only memory, ROM) 소자, 로직(logic) 소자, 컨트롤러(controller), 또는 시스템 온 칩(system on chip, SOC) 등으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 포토마스크를 이용하여 형성된 반도체 소자들은 다양한 형태들의 반도체 패키지(semiconductor package)로 구현될 수 있다. 예를 들면, 상기 반도체 소자들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등의 방식으로 패키징될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 포토마스크를 이용하여 형성된 반도체 소자들 컴퓨터 시스템, 메모리 카드, 모바일 폰, 스마트 패드, 및/또는 스마트 폰 등과 같은 전자 시스템들에 적용될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부되는 청구범위들 및 그 등가물로부터 허용 가능한 해석의 가장 넓은 범위로 결정되어야 한다.
50, 50a: 포토마스크 100: 포토마스크의 기판
110: 포토마스크의 패턴 120, 120a: 오염 방지막
125: 그래핀막 122: 시드층
300: 반도체 기판 320: 감광막
322: 노광부 325: 비노광부
325a: 감광 패턴 400, 500: 하우징(housing)
410, 510: 스테이지 430, 530: 광원
420: 렌즈부 520a, 520b: 반사체들

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 패턴들; 및
    상기 패턴들 바로 위에 배치되고, 적어도 하나의 그래핀막(graphene layer)을 포함하는 오염 방지막(anti-contamination layer)을 포함하는 포토마스크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 상부면들과 접촉하고, 상기 패턴들 사이의 기판으로부터 이격된 포토마스크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 오염 방지막의 상기 그래핀막이 상기 패턴들의 상부면들과 접촉되는 포토마스크.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 표면들 및 상기 패턴들 사이의 기판의 표면과 접촉된 포토마스크.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 오염 방지막은 상기 패턴들의 표면들 및 상기 패턴들 사이의 기판의 표면과 접촉된 시드층(seed layer)를 더 포함하되,
    상기 그래핀막은 상기 시드층 상에 배치되고 상기 시드층과 접촉된 포토마스크.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 오염 방지막은 차례로 적층된 복수의 그래핀막들을 포함하는 포토마스크.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀막은 불순물로 도핑된 포토마스크.
  8. 반도체 기판 상에 감광막을 형성하는 것;
    기판, 상기 기판 상의 패턴들, 및 상기 패턴들 바로 위에 배치된 오염 방지막을 포함하는 포토마스크를 이용하여, 상기 감광막에 노광 공정을 수행하는 것; 및
    상기 노광된 감광막에 현상 공정을 수행하여 감광 패턴들을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 오염 방지막은 적어도 하나의 그래핀막을 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 오염 방지막은 적어도 상기 패턴들의 상부면들과 접촉된 반도체 소자의 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 노광 공정을 수행한 후에,
    상기 오염 방지막 상에 외부 오염이 발생한 경우에, 상기 오염 방지막의 상기 그래피막을 산소 플라즈마를 이용하여 제거하는 것을 더 포함하는 반도체 소자의 제조 방법.
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