KR100474012B1 - 위상반전 마스크 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상반전 마스크의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은, 먼저, 판 면 상에 위상반전용 물질막과 이 위상반전 물질막 상에 소정의 마스크용 패턴이 형성된 포토 레지스트를 포함하는 마스크 본체를 마련한다. 그리고, 마스크용 포토 레지스트를 마스크로 이용하여, 염소원자(Cl)가 포함된 식각 반응가스를 이용한 건식식각법으로 위상반전 물질막을 식각하여 마스크용 패턴을 형성한다. 이렇게 염소원자(Cl)가 포함된 식각 반응가스를 이용하여 위상반전 물질막을 식각하면 마스크 본체를 식각하면서 표면이 매끈하게 형성되어 패턴 불량이 없고 품질이 우수한 위상반전 마스크를 제조할 수 있다.

Description

위상반전 마스크 제조방법{Method for manufacturing phase-shift mask}

본 발명은 위상반전 마스크의 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 위상반전 마스크 패턴닝에 사용되는 건식식각(Dry Etching) 방법에 관한 것이다.

반도체 장치를 제조하는 공정 중에서 반도체 장치의 고집적화에 가장 중요한 공정은 사진(photo lithography) 및 건식식각(dry etching) 공정이다. 즉, 소정의 반도체용 막을 형성하고, 그 위에 포토 레지스트를 형성한 후 형성하고자 하는 패턴이 새겨진 광학용 마스크를 이용하여 빛을 노광시키면, 광학용 마스크를 통과한 빛이 포토 레지스트에 전사되어 패턴이 형성된다. 이렇게 형성된 포토 레지스트 패턴을 마스크로 이용하여 건식식각을 하면, 하부의 반도체용 막에 패턴이 형성된다. 그런데, 광학용 마스크 패턴은 반도체 장치의 집적도가 높아지면서 선폭이 좁아져, 미세 패턴이 형성된 마스크를 통과하는 빛의 회절 및 간섭 현상에 의해서 소정 폭 이하의 패턴을 형성할 수 없는 패터닝(patterning) 한계에 도달되었다. 그리하여 이러한 패턴의 한계를 극복하기 위해서 사진 공정은 많은 발전이 있어 왔고, 그 중에서 가장 적합한 기술이 미세 패턴이 형성되는 부분에 위상반전 물질을 형성함으로써, 패턴의 해상도를 높이고 패터닝 되는 선폭을 미세화 시킬 수 있는 위상반전 마스크이다. 이러한 위상반전 마스크는 마스크 본체 표면에 소정의 패턴이 차광용 절연막과, 미세 패턴이 형성된 부분에서는 위상반전 물질로 형성된 위상반전 패턴이 형성된다.

그런데, 이와 같은 위상반전 마스크를 제작할 때, 마스크 본체 상에 형성되는 패턴 중에 위상반전 물질로 형성된 위상반전 패턴은, 그 구성물질이 식각이 용이하지 않은 실리콘 계열의 물질로서 패터닝시 사용되는 건식식각(Dry etching) 공정이 용이하지 않아 미세한 패턴에서 패턴 불량이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 위상반전 물질을 용이하게 식각하여 보다 미세한 패턴을 패턴 불량 없이 진행할 수 있는 위상반전용 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법은, 먼저, 판 면 상에 MoSiON, ZrSiO, ZrSiON, TiSiON, TaSiON, 석영(Quartz) 또는 실리사이드(silcide) 화합물로 이루어진 위상반전용 물질막과 이 위상반전 물질막 상에 소정의 마스크용 패턴이 형성된 포토 레지스트를 포함하는 마스크 본체를 마련한다. 패터닝된 포토 레지스트를 마스크로 이용하여, 염소(Cl)가 포함된 가스를 포함한 식각 반응가스를 이용한 건식식각법으로 위상반전 물질막을 식각하여 마스크용 패턴을 형성한다.

여기서, 상기 위상반전용 물질막 상에는 크롬(Cr)막을 더 포함할 수도 있다.

위상반전용 물질을 식각하는 공정에서, 식각 반응가스는 연소(Cl)원자가 포함된 화합물인 Cl₂, BCl₃ 및 CCl₄ 중 적어도 어느 하나를 포함하고 있고, 이에 더해서, 식각 반응가스는 N2, Ar 및 He 등의 불활성 가스들 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 그리하여, 식각 반응가스 중에 직접 반응에 참여하는 반응가스를 운반하고 반응챔버 내의 분위기를 조성할 수 있어 바람직하다.

그리고, 식각 반응가스는 수소(H)를 포함하는 가스를 더 포함하여 식각시 발생하는 아크 현상(Arcing) 등을 방지할 수 있다.

한편, 식각 반응가스는 불소(F)를 포함하는 가스를 더 포함하여 식각 대상물인 위상반전 물질의 식각속도를 상승시킬 수 있다. 여기서, 불소(F)를 포함하는 가스로는 CF₄, SF₆, CHF₃, C2F₆, C₃F₆, C₄F₈ 및 NF₃ 중 어느 하나이고, 이들을 상호 조합하여 혼합된 가스를 적용할 수도 있다.

한편, 마스크 본체를 마련하는 단계는, 원래부터 위상반전용 물질막과 패턴닝된 포토 레지스트가 형성된 마스크 본체를 구입하여 마련할 수도 있고, 원판 마스크 본체에 위상반전용 물질막을 형성하고 이 위상반전용 물질막 상에 패턴이 형성된 포토 레지스트를 형성하는 공정을 직접 진행하여 마련할 수도 있다.

위상반전 물질을 식각할 때, 마스크를 통과한 빛이 완전하게 위상반전을 일으킬 수 있도록 위상반전 물질의 두께와 대응하여 마스크 본체를 소정 깊이로 식각하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

이렇게 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법은, 위상반전 물질을 식각할 때, 염소(Cl)가 포함된 식각 반응가스를 사용하기 때문에, 마스크 본체를 형성하고 있는 석영이 식각된 후에도 표면에 드러난 마스크 본체 표면이 평탄하고 깨끗하여 포토 공정에서 발생하는 패턴불량을 방지할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명에 의해서 제조된 위상반전 마스크이고, 도 2는 도 1의 패턴이 형성된 부분의 단면도이다.

이를 참조하면, 본 발명의 제조방법에 의해서 제조된 위상반전 마스크는, 기지 재료로서 석영(Quartz)으로 형성된 마스크 본체(100)와, 이 마스크 본체(100)의 상부에 형성되어 소정의 패턴이 형성된 위상반전 물질막(110) 및 위상반전 물질막(110) 상에 위상반전을 보강하기 위해 형성된 금속막(120)을 포함한다. 이러한 위상반전 마스크는, 포토 공정을 진행하기 위해서 소정의 파장을 가진 빛을 마스크에 투과시키면 마스크 본체(100) 표면에 패턴이 형성되어 개방된 부분과 차단된 부분의 패턴 사이에서 위상반전이 일어나 미세 패턴을 정밀하게 형성할 수 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 위상반전 마스크의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다. 여기서, 본 발명의 위상반전 마스크의 제조방법은, 마스크 본체에 원래부터 위상반전 물질막과 소정의 패턴이 형성된 포토 레지스트가 형성된 상태의 마스크 본체를 구입하여 사용하는 것이 일반적이나, 본 발명을 효과적으로 설명하기 위해서 마스크 본체에 위상반전 물질막과 포토 레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함해서 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 먼저, 사각 판 상의 마스크 본체(100)를 마련한다. 그런 다음, 마스크 본체(100)의 표면에 위상반전 물질막(110)을 형성한다. 이때, 위상반전 물질막(110) 상에 투과되는 빛을 차단하는 소정의 금속막(120)을 더 포함하여 형성한다. 위상반전 물질막(110)으로는 MoSiON을 포함해서 ZrSiO, ZrSiON, TiSiON, TaSiON 등으로 형성되어 있다. 또한, 이들 화합물 대신에 석영(Quartz)이나 기타 실리사이드(silicide)막을 적용할 수도 있다. 그런 다음, 이 위상반전 물질막(110) 상에 금속막(120)으로서 빛을 차단하는 크롬(Cr) 막을 형성한다.

도 4를 참조하면, 이렇게 형성된 위상반전 물질막(110) 상에 포토 레지스트(300)를 도포하고 소정의 정렬노광(align/exposure)법을 이용하여 원하는 패턴을 포토 레지스트(300)에 형성한다. 이 때 정렬노광법은 i-line 이나 X-ray 및 레이저와 같이 고.중파수의 광을 사용하는 노광장치(exposer)를 사용할 수도 있고, 포토 레지스트(300)에 직접 패턴을 전사하여 형성하는 전자빔(E-Beam)을 이용한 노광장치를 사용할 수도 있다. 그러면, 포토 레지스트(300)에 소정의 패턴이 형성되어 부분적으로 하부에 형성된 위상반전 물질막(110)이 노출된다.

도 5를 참조하면, 패턴이 형성된 포토 레지스트(300)를 마스크로 이용하여, 건식식각법(dry etching)으로 포토 레지스트(300)의 패턴 사이로 노출된 금속막(120)과 위상반전 물질막(110)을 동시에 식각하여 제거함으로써, 금속막(120) 및 위상반전 물질막(110)에 패턴을 전사한다. 이때, 건식식각법은 플라즈마를 이용한 건식식각법으로서, 식각 반응가스로는 염소(Cl)를 포함하는 화합물 가스를 사용한다. 이러한 염소원자(Cl)가 포함된 화합물 가스는 반응챔버(또는 반응기) 내에서 염소(Cl)가 플라즈마(plasma)로 변화하여 금속원소와 화합물을 이루고 있는 위상반전 물질막(110)을 용이하게 식각할 뿐 아니라, 석영을 기지 재료로 형성된 마스크 본체(100)와 식각 선택비가 우수하여 식각 공정 도중에 식각으로 인한 침해를 받지 않아 식각되면서 노출되는 마스크 본체(100)의 표면을 매끈하게 형성할 수 있다. 이 때 시용되는 식각 반응가스는 CF₄, SF₆, CHF₃, C₂ F₆, C₃F₆, C₄F₈, NF₃ 등이 있으며, 이들 가스들을 식각 반응가스로서 단독으로 사용할 수도 있지만, 대상물질에 따라서 식각속도와 폴리머(polymer)의 발생 등을 고려하여 이들 중 적어도 둘 이상을 적정한 부피비(volume ratio)로 혼합하여 형성된 혼합가스를 사용할 수도 있다. 이러한 식각 반응가스는 염소(Cl)원자를 포함한 화합물 가스 이외에 이들 식각 반응가스를 운반하고, 플라즈마를 형성할 때 충돌 이온으로서 작용하도록 소정량의 불활성 가스를 포함한다. 불활성 가스로는 질소(N₂), 아르곤(Ar) 및 헬륨(He) 중 적어도 어느 하나를 선택하여 적용할 수 있으며, 이들 가스들을 혼합하여 적용할 수도 있다.

도 5까지의 공정이 끝나면, 소정의 세정공정을 거쳐서 건식식각용 마스크로 사용된 포토 레지스트(300)를 제거한다. 그러면, 마스크 본체(100) 상에 형성된 금속막(120) 및 위상반전 물질막(110)에 소정의 패턴이 형성된 위상반전 마스크가 완성된다.

도 6은 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법에서 사용되는 위상반전 물질막의 건식 식각공정시에 반응챔버(10) 내에서 사용되는 식각 반응가스들을 도식적으로 표시한 개략도이다.

이를 참조하면, 플라즈마를 발생할 수 있도록 고주파수 전력 발생기인 라디오파 발생기(20, radio-frequency)를 가진 반응챔버(또는 반응기,10) 내에 소정의 패턴이 형성된 마스크용 포토 레지스트(도 4의 300)를 가진 마스크 본체(100)가 위치해 있고, 마스크 본체(100) 상으로 소정의 식각 반응가스를 분사하여 공급하여 준다. 이때, 사용되는 식각 반응가스는 염소원자(Cl)를 포함한 화합물로 이루어진 가스들을 기본적으로 사용하고, 이 식각 반응가스를 일정한 농도로 균일하게 운반할 수 있도록 분위기 가스로서 불활성 가스가 첨가된다.

여기서, 염소원자(Cl)를 포함하는 화합물 가스는 Cl₂, BCl₃ 및 CCl₄ 등을 적용할 수 있다. 이들 염소원자(Cl)를 포함한 화합물 가스는 단독으로 사용될 수도 있으나, 이들 화합물 가스들 중 두 종 이상을 적절하게 혼합하여 식각 반응가스로 사용하는 경우도 있다. 그러면, 식각 속도를 적절하게 조절하거나, 식각 반응 중에 발생하는 폴리머 등을 적절히 제거하여 깨끗한 식각 공정을 할 수 있다.

그리고, 분위기 가스로서는, 불활성 가스로서 식각 반응가스와 반응성이 거의 없는 N₂나 Ar 및 He 등의 가스를 사용한다. 이러한 불활성의 분위기 가스는 식각 공정시에 반응챔버 내로 식각 반응가스를 운반하는 운반가스(carrier gas)역할을 할 뿐만 아니라, 반응챔버(10) 내에 라디오파 발생기(20)를 이용하여 고주파의 전력을 걸어주어 플라즈마를 발생시킬 때 충돌 원자로서 작용하여 플라즈마 발생을 원활하게 할 수 있도록 발생 전자의 교환을 중개하는 매개체 역할을 한다. 그리하여, 식각 공정용 레시피(recipe)를 만들 때, 이러한 분위기 가스의 유량은 매우 중요한 인자(factor)로서 작용한다. 분위기 가스는 전술한 바와 같은 불활성 가스들 중 어느 하나를 단독으로 사용할 수도 있지만 두 종 이상의 가스를 적정한 비율로 혼합하여 사용할 수도 있다.

또한, 식각 반응가스와 분위기 가스 이외에도, 식각 반응 보조 가스를 더 포함할 수도 있다. 즉, 불소(F)를 포함한 화합물 가스를 더 첨가하여 염소원자(Cl)를 포함한 화합물 가스로서 얻을 수 없는 다른 효과를 거둘 수 있다. 즉, 위상반전 물질막(도 2의 110)은 금속과 질소원자(N) 또는 산소원자(O)가 결합하여 비금속의 질화막이나 산화막의 특성을 가지고 있어 금속막 식각에서 탁월한 효과를 발휘하는 염소원자(Cl)를 포함한 화합물 가스로만은 식각속도(etch rate)에 한계가 있다. 그리하여, 이러한 절연막 류의 건식식각을 진행할 때는, 불소(F)계열의 플라즈마가 효과적이며 이를 보충하기 위해서 불소(F)를 포함한 화합물 가스를 첨가하여 식각 공정을 진행한다. 이때, 불소를 포함하는 화합물 가스는 CF₄, SF₆, CHF₃, C₂F₆, C₃F₆, C₄F₈ 및 NF₃ 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 어느 하나를 단독으로 사용할 수도 있고, 적어도 2개 이상을 적절한 비율로 혼합하여 사용할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법의 다른 실시예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 위상반전 물질막(110)의 식각을 진행하면서, 위상반전 물질(110)막 뿐만 아니라, 마스크 본체(100)를 이루고 있는 기지 재료까지 식각하여 마스크 본체(100)의 판 면을 소정 깊이 함몰된 함몰 패턴부(100a)를 형성할 수도 있다. 이러한 함몰 패턴부(100a)는 위상반전 물질막(110)에 형성된 패턴만으로는 위상반전이 불완전할 경우에 마스크 본체(100)의 판 면을 소정 깊이 식각해 내어 빛이 투과하는 두께를 조절함으로써, 위상반전을 위한 마스크 제작 마진을 더 높일 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 위상반전 마스크 제조방법은, 위상반전 물질막(110)에 패턴을 형성하기 위해서 건식식각을 할 때, 염소원자(Cl)를 포함한 식각 반응가스를 사용함으로써, 위상반전 물질막(110)이 식각되어 패턴이 형성되면서 표면이 드러나는 마스크 본체(100) 판 면의 기지 재료의 표면이 평탄하고 매끄럽게 형성되어 위상반전에 의한 미세 패턴이 빛의 난반사 없이 양호하게 이루어진다. 따라서, 위상반전 마스크 제작시에 발생하는 패턴닝(patterning) 불량을 현저히 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법은, 위상반전 물질막을 패턴닝 시에 염소(Cl)를 포함하는 식각 반응가스를 이용하여 건식 식각함으로써, 마스크 본체와의 식각 선택비가 높고 마스크 본체를 손상시키지 않아 마스크 본체에 표면 손상에 의한 패턴 불량이 없는 위상반전 마스크를 제공할 수 있다.

그리고, 위상반전 마스크 제작시 패턴 불량이 감소하여 제조단가를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의해서 제조된 위상반전 마스크의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의해서 제조된 위상반전 마스크의 단면도이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 위상반전 마스크의 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도들이다.

도 6은 본 발명의 위상반전 마스크의 제조공정에서 건식식각 공정에 사용되는 공정 가스들을 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 7은 본 발명의 위상반전 마스크 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

Claims (9)

1. a) 판 면 상에 MoSiON, ZrSiO, ZrSiON, TiSiON, TaSiON, 석영(Quartz) 또는 실리사이드(silcide) 화합물로 이루어진 위상반전용 물질막과 상기 위상반전 물질막 상에 소정의 마스크용 패턴이 형성된 포토 레지스트를 포함하는 마스크 본체를 마련하는 단계; 및

   b) 상기 마스크용 패턴이 형성된 포토 레지스트를 마스크로 이용하여, 염소(Cl)가 포함된 식각용 반응가스를 이용한 건식식각법으로 상기 위상반전 물질막을 식각하여 마스크용 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 위상반전용 마스크의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 위상반전용 물질막 상에는 크롬(Cr)막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 식각 반응가스는 Cl₂, BCl₃ 및 CCl₄ 중 적어도 어느 하나를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 식각 반응가스는 N₂, Ar 및 He 등의 불활성 가스들 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 식각 반응가스는 수소(H)를 포함하는 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 식각 반응가스는 불소(F)를 포함하는 가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 불소를 포함하는 가스는 CF₄, SF₆, CHF₃, C₂ F₆, C₃F₆, C₄F₈ 및 NF₃ 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 b) 단계에서, 위상반전 물질막을 식각할 때, 마스크 본체를 소정 깊이로 식각하여 함몰 패턴부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상반전 마스크 제조방법.