KR102469807B1 - 반사형 포토마스크의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

반사형 포토마스크의 제조방법은, 기판 위에 다중 반사층, 흡수층, 및 반사방지층을 형성하는 단계와, 이온빔의 직접 조사를 통해 반사방지층의 일부를 식각하여 흡수층의 일부 표면을 노출시키는 반사방지층패턴을 형성하는 단계와, 그리고 반사방지층패턴을 식각마스크로 흡수층의 노출 부분을 제거하여 다중 반사층의 일부 표면을 노출시키는 흡수층패턴을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

반사형 포토마스크의 제조방법{Method of fabricating a reflective-type photomask}
본 개시의 여러 실시예들은 포토마스크의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 반사형 포토마스크의 제조방법에 관한 것이다.
나노기술의 발전으로 반도체소자의 집적도가 크게 증가하고 있다. 반도체소자의 집적도가 증가하면서 가장 큰 변화는 반도체소자 내의 트랜지스터 또는 기타 여러 단위소자들 및 배선들이 매우 미세해지고 있다는 것이다. 차세대 반도체기술은 설계기술보다 이와 같은 미세패턴들을 얼마나 잘 형성할 수 있는가인 공정기술에서 차이가 난다고 할 수 있다. 미세패턴을 형성할 수 있는 기술력은 특히 패턴을 형성하는데 있어서 가장 기초적이고 첫 단계인 포토리소그라피 공정기술에서부터 차이가 난다. 웨이퍼상에 포토레지스트막을 형성하고 광을 이용하여 형성할 패턴의 정보를 전사한 다음 현상액으로 포토레지스트막을 패터닝하는 공정이 그것인데, 특히 중요한 것은 이용하는 광의 차이라고 할 수 있다.
미세패턴을 형성할 수 있는 해상력은 우선 이용하는 광의 파장에 의존된다. 현재의 포토리소그래피 공정기술에 있어서 이용되는 광은, 파장이 대략 365nm인 i-line, 대략 248nm인 KrF 레이저, 및 대략 193nm인 ArF 레이저 등이 있다. 포토리소그래피 기술의 발전으로 기존에는 이용하는 광의 파장이 해상력의 한계라고 알려져 왔으나, 이제는 파장의 1/2에 해당하는 패턴까지 형성할 수 있을 정도로 해상력이 크게 발전되었다. 그러나 현재까지 사용하고 있는 i-line, KrF 레이저 및 ArF 레이저로는 더 이상 패턴을 형성할 수 없을 정도로 반도체소자의 집적기술이 발전하고 있다. 따라서 새로운 광을 반도체소자 제조공정에 적용하여야 할 필요성이 절실한 가운데, 소프트 X-광선이라고도 불리우는 극자외선(Extremely Ultra-Violet; 이하 EUV) 광을 반도체소자 제조공정에 적용하고자 하는 연구와 노력들이 지속적으로 이루어지고 있는 실정이다.
EUV 광은 파장이 13.5nm 정도에 불과하기 때문에 종래 사용하던 i-line, KrF 레이저 및 ArF 레이저의 파장인 365nm, 248nm,193nm에 비해 매우 작은 값을 갖는다. 광의 파장이 곧 패터닝 해상력과 직결된다고 할 수 있으므로 EUV 광을 사용할 경우 기존의 i-line, KrF 레이저 및 ArF 레이저를 사용하는 공정의 해상력을 크게 뛰어넘는 해상력을 실현할 수 있다. 그런데 EUV 광은 파장이 짧은 만큼 매우 예민하고 높은 에너지를 갖고 있기 때문에 기존의 투과형 포토마스크 형태로는 이용할 수 없다는 한계가 있다. 기존의 투과형 포토마스크의 투광기판이 감당해야 할 에너지가 너무 높을 뿐만 아니라 광의 에너지 효율이 낮아 패턴의 해상도가 떨어진다는 문제가 있기 때문이다. 따라서 개발된 것이 반사형 포토마스크이다. 반사형 포토마스크는 광을 투과시키지 않고 반사시키므로 포토마스크가 감당해야 하는 에너지가 그만큼 낮아져서 실 공정에 사용될 수 있기 때문이다.
본 출원이 해결하고자 하는 과제는, 포토리소그라피 공정을 적용하지 않고 다중 반사층 위의 흡수층을 패터닝함으로써 포토리소그라피 공정이 갖고 있는 여러 한계들을 극복할 수 있도록 하는 반사형 포토마스크의 제조방법을 제공하는 것이다.
일 예에 따른 반사형 포토마스크의 제조방법은, 기판 위에 다중 반사층, 흡수층, 및 반사방지층을 형성하는 단계와, 이온빔의 직접 조사를 통해 반사방지층의 일부를 식각하여 흡수층의 일부 표면을 노출시키는 반사방지층패턴을 형성하는 단계와, 그리고 반사방지층패턴을 식각마스크로 흡수층의 노출 부분을 제거하여 다중 반사층의 일부 표면을 노출시키는 흡수층패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
여러 실시예들에 따르면, 반사형 포토마스크를 제조하는데 있어서 포토리소그라피 공정을 적용하지 않고 다중 반사층 위의 흡수층을 패터닝함으로써 포토리소그라피 공정이 갖고 있는 여러 한계들을 극복할 수 있다는 이점이 제공된다. 또한 이온빔을 직접 조사하여 반사방지층을 패터닝함으로써 미세 패턴 형성을 구현할 수 있다는 이점도 제공된다.
도 1은 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조를 위해 사용되는 반사형 포토마스크 블랭크를 나타내 보인 단면도이다.
도 2는 도 1의 반사형 포토마스크 블랭크의 반사방지층을 패터닝하는 단계를 설명하기 위해 나타내 보인 도면이다.
도 3은 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조 과정에서 반사방지층패턴이 형성된 구조를 나타내 보인 단면도이다.
도 4는 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조 과정에서 흡수층 패턴이 형성된 구조를 나타내 보인 단면도이다.
일반적으로 반사형 포토마스크 블랭크는, 기판 위에 다중 반사층, 흡수층, 반사방지층, 및 레지스트층이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다. 이와 같은 반사형 포토마스크 블랭크를 이용하여 반사형 포토마스크를 제조하기 위해서는, 먼저 포토리소그라피 공정 또는 전자빔 리소그라피 공정을 통한 노광 및 현상을 통해 레지스트층에 대한 패터닝을 수행하여 레지스트층패턴을 형성한다. 그리고 형성된 레지스트층패턴을 식각마스크로 하부층들, 즉 반사방지층과 흡수층의 노출 부분에 대한 식각을 수행한다. 그러나 레지스트층을 이용한 포토리소그라피 공정은, 패턴 왜곡을 유발하는 근접 효과(proximity effict)를 야기하는 것으로 알려져 있으며, 레지스트층을 이용한 전자빔 리소그라피 공정은 전자들의 반사에 의한 포그 효과(fogging effect)를 야기하는 것으로 알려져 있다. 더욱이 하부층에 대한 식각공정시 레지스트층패턴이 식각마스크로 이용됨에 따라, 레지스트층패턴의 물성 특성으로 인해 식각장비에서의 바이어스 파워(bias power)의 크기를 크게 할 수 없다는 한계가 있다. 이와 같이 바이어스 파워의 크기가 낮을 경우 패턴 밀도에 따라 식각율이 차이나는 로딩(loading) 현상이 발생된다. 본 출원의 실시예에 따르면, 이와 같은 포토리소그라피 공정 또는 전자빔 리소그라피 공정을 이용하지 않고, 이온빔을 이용하여 반사방지층에 대한 직접 식각 방법을 사용함으로써, 다중 반사층 위의 층들에 대한 패터닝 과정에서 포토리소그라피 공정 또는 전자빔 리소그라피 공정이 갖는 여러 문제들이 발생되지 않도록 할 수 있다.
본 출원의 예의 기재에서 "제1" 및 "제2"와 같은 기재는 부재를 구분하기 위한 것이며, 부재 자체를 한정하거나 특정한 순서를 의미하는 것으로 사용된 것은 아니다. 또한, 어느 부재의 "상"에 위치하거나 "상부", "하부", 또는 "측면"에 위치한다는 기재는 상대적인 위치 관계를 의미하는 것이지 그 부재에 직접 접촉하거나 또는 사이 계면에 다른 부재가 더 도입되는 특정한 경우를 한정하는 것은 아니다. 또한, 어느 한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"의 기재는, 다른 구성 요소에 전기적 또는 기계적으로 직접 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수 있으며, 또는, 중간에 다른 별도의 구성 요소들이 개재되어 연결 관계 또는 접속 관계를 구성할 수도 있다.
도 1은 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조를 위해 사용되는 반사형 포토마스크 블랭크를 나타내 보인 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반사형 포토마스크 블랭크(100)는, 기판(110) 위에 다중 반사층(120), 흡수층(130), 및 반사방지층(140)을 적층하여 형성할 수 있다. 기판(110)은, 낮은 열팽창물질(LTEM; Low Thermal Expansion Material) 기판일 수 있다. 반사형 포토마스크의 경우, 기판(110)으로 흡수되는 극자외선(EUV) 광의 에너지가 열에너지로 변환됨에 따라 온도 상승을 억제하기 위해 낮은 열팽창계수(TEC; Thermal Expansion Coefficient)를 갖는 물질로 구성되는 것이 요구된다. 일 예에서 기판(110)은 대략 0-50℃의 온도 범위에서 대략 ㅁ0.05ppm/℃의 패턴배치오차를 갖는 열팽창계수를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 기판(110)은 높은 평탄도를 가질 것도 요구되는데, 일 예에서 대략 50nm 이하의 전면 평탄도와, 대략 500nm 이하의 후면 평탄도를 가질 수 있다. 이 외에 전사패턴영역과 프레임영역 사이의 경계영역(border region)에서 극자외선 광의 반사를 방지하기 위해, 기판(110)의 극자외선 광 반사율은 실질적으로 0이 되도록 할 수 있다.
다중 반사층(120)은, 서로 다른 회절계수를 갖는 제1 반사층(121) 및 제2 반사층(122)으로 구성되는 반사층 페어(120A)가 기판(110) 위에서 반복적으로 적층되는 구조로 구성된다. 일 예에서 제1 반사층(121) 및 제2 반사층(122) 중 어느 한 층은 몰리브데윰(Mo)층이고, 다른 한 층은 실리콘(Si)층일 수 있다. 몰리브데늄(Mo)층과 실리콘(Si)층은, 흡수의 최소화와 산란의 극대화를 일으킬 수 있을 정도의 두께를 갖는다. 일 예에서 몰리브데늄(Mo)층의 두께는 대략 4nm이고, 실리콘(Si)층의 두께는 대략 3nm이다. 다중 반사층(120)의 전체 두께는 대략 280-350nm일 수 있다. 반사층 페어(120A)의 개수는 대략 40개 내지 50개일 수 있다. 반사층 페어(120A)의 개수가 40개보다 적을 경우 반사율이 낮아진다. 반사층 페어(120A)의 개수가 50개 이상일 경우 반사율은 증가하지만 그 증가율이 크지 않을 뿐더러, 증착 시간이 연장되고 그에 따라 다중 반사층(120) 내의 결함 밀도가 증가될 수 있다.
흡수층(130)은, 반사형 포토마스크를 이용한 노광시 극자외선 광을 흡수할 수 있는 금속 물질로 구성될 수 있다. 비록 도면에 나타내지는 않았지만, 흡수층(130) 하부에는 버퍼층이 배치될 수도 있다. 버퍼층은, 흡수층(130)의 패터닝 과정에서 다중 반사층(120)을 보호하기 위한 층이다. 흡수층(130)과 다중 반사층(120) 사이에는 캡핑층이 더 배치될 수 있다. 캡핑층은, 다중 반사층(120)을 보호하기 위한 층으로서, 다중 반사층(120)에서의 극자외선 광 반사의 저하를 억제하기 위해, 비교적 낮은 극자외선 광 흡수특성을 갖는 물질로 얇은 두께로 형성될 수 있다. 일 예에서 캡핑층은 대략 1-2.5nm 두께의 실리콘(Si)층 또는 루테늄(Ru)층으로 구성될 수 있다. 일 예에서 흡수층(130)은, 극자외선 광 흡수율이 높은 물질, 예컨대 알루미나구리(AlCu)층, 티타늄(Ti)층, 티타늄나이트라이드(TiN)층, 탄탈륨(Ta)층, 탄탈륨나이트라이드(TaN)층, 탄탈륨보론나이트라이드(TaBN), 또는 크롬(Cr)층을 포함할 수 있다. 흡수층(130)은, 흡수층(120)이 있는 영역에서의 반사율이 대략 1% 이하가 되도록 하는 물질 및 두께로 구성될 수 있다.
반사방지층(140)은, 원자외선(DUV) 파장을 사용한 결함검사 파장에 대하여 흡수층(130) 상부에서의 빛의 감소를 위한 것으로서, 탄탈륨보론옥사이드나이트라이드(TaBON)층 또는 탄탈륨옥사이드나이트라이드(TaON)층으로 구성될 수 있다. 일 예에서 반사방지층(140)은 대략 5-13nm의 두께를 가질 수 있다. 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 흡수층패턴 형성을 위한 흡수층(130) 패터닝 과정에서 포토리소그라피 공정 또는 전자빔 리소그라피 공정을 사용하지 않음에 따라, 반사형 포토마스크 블랭크(100)는 레지스트층을 갖지 않는다.
도 2는 도 1의 반사형 포토마스크 블랭크의 반사방지층을 패터닝하는 단계를 설명하기 위해 나타내 보인 도면이다. 그리고 도 3은 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조 과정에서 반사방지층패턴이 형성된 구조를 나타내 보인 단면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 이온빔(212)의 직접 조사를 통해 반사방지층(140)의 일부를 식각하여 흡수층(130)의 일부 표면을 노출시키는 반사방지층패턴(142)을 형성한다. 이를 위해, 도 1의 반사형 포토마스크 블랭크(도 1의 100)을 진공 챔버 내에 로딩시킨다. 그리고 진공 챔버 내에 이온빔 소스(210)로부터 이온빔(212)을 생성한 후에 이온빔(212)이 반사방지층(140) 상부면에 조사되도록 한다. 일 예에서 이온빔 소스(210)는 갈륨(Ga) 소스일 수 있다. 이를 위해 진공 챔버 내에는 이온빔(212)의 적절한 진행 경로 형성을 위한 장치와 이온빔(212) 가속장치가 배치될 수 있다. 이온빔(212)은 반사방지층(140) 상부 표면으로부터 수직하게 조사되도록 할 수 있다. 이온빔(212)을 조사하면서, 적절한 반응가스를 반사방지층(140) 상부면에 공급할 수 있다. 일 예에서 반사방지층(140)이 탄탈륨보론옥사이드나이트라이드(TaBON)층 또는 탄탈륨옥사이드나이트라이드(TaON)층으로 구성된 경우, 반응가스로 브로민(Br) 가스, 아이오딘(I2) 가스, 및 카본다이클로라이드(CCl2) 가스의 혼합가스를 사용할 수 있다. 다른 예에서 반응가스로 크세논(Xe) 가스, 증기(H2O) 가스, 및 나이트로전다이옥사이드(NO2) 가스의 혼합가스를 사용할 수도 있다.
이와 같은 혼합가스와 함께 이온빔(212)을 반사방지층(140)에 직접 조사함으로써, 반사방지층(140)은 이온빔(212)의 이온 충격 에너지(ion bombardment energy)와 반응가스에 의해 물리적 및 화학적으로 식각된다. 반사방지층(140)에 대한 패터닝은, 반사방지층(140)에 대해 제거되어야 할 부분에 대해 선택적으로 이온빔(212) 조사를 수행함으로써 수행될 수 있다. 반응가스 공급과 함께 이온빔(212)의 직접 조사에 의해 형성되느 반사방지층패턴(142)은 개구부(144)를 갖는다. 개구부(144)는 흡수층(130)의 일부 표면을 노출시킨다.
도 4는 일 예에 따른 반사형 포토마스크 제조 과정에서 흡수층 패턴이 형성된 구조를 나타내 보인 단면도이다. 도 4를 참조하면, 반사방지층패턴(142)을 식각마스크로 흡수층(130)의 노출부분에 대한 식각을 수행한다. 일 예에서 흡수층(130)에 대한 식각은, 플로린(F) 가스를 이용한 플라즈마 식각 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 흡수층(130)의 노출 부분이 제거됨에 따라, 흡수층패턴(132)이 형성된다. 반사방지층패턴(142) 및 흡수층패턴(132)은 다중 반사층(120)의 일부 표면을 노출시키는 개구부(134)를 갖는다. 흡수층패턴(132)을 형성한 후에는 반사방지층패턴(142)을 제거한다.
상술한 바와 같이 본 출원의 실시 형태들을 도면들을 예시하며 설명하지만, 이는 본 출원에서 제시하고자 하는 바를 설명하기 위한 것이며, 세밀하게 제시된 형상으로 본 출원에서 제시하고자 하는 바를 한정하고자 한 것은 아니다.
100...반사형 포토마스크 블랭크 110...기판
120...다중 반사층 121...제1 반사층
122...제2 반사층 120A...반사층 페어
130...흡수층 140...반사방지층

Claims (7)

  1. 기판 위에 다중 반사층, 흡수층, 및 반사방지층을 형성하는 단계;
    이온빔의 직접 조사 및 상기 반사방지층의 화학적 식각을 유도하는 반응가스 공급을 통해 상기 반사방지층의 일부를 식각하여 상기 흡수층의 일부 표면을 노출시키는 반사방지층패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 반사방지층패턴을 식각마스크로 상기 흡수층의 노출 부분을 제거하여 상기 다중 반사층의 일부 표면을 노출시키는 흡수층패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 반응가스는, 브로민(Br) 가스, 아이오딘(I2) 가스, 및 카본다이클로라이드(CCl2) 가스의 혼합가스를 포함하는 반사형 포토마스크의 제조방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 반사방지층은, 탄탈륨보론옥사이드나이트라이드(TaBON)층 또는 탄탈륨옥사이드나이트라이드(TaON)층으로 구성되는 반사형 포토마스크의 제조방법.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 반사방지층은, 5-13nm의 두께로 형성하는 반사형 포토마스크의 제조방법.
  4. 삭제
  5. ◈청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제1항에 있어서,
    상기 반응가스의 공급은, 상기 이온빔의 직접 조사를 통해 상기 반사방지층의 일부를 식각하는 과정에서 수행되는 반사형 포토마스크의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 기판 위에 다중 반사층, 흡수층, 및 반사방지층을 형성하는 단계;
    이온빔의 직접 조사 및 상기 반사방지층의 화학적 식각을 유도하는 반응가스 공급을 통해 상기 반사방지층의 일부를 식각하여 상기 흡수층의 일부 표면을 노출시키는 반사방지층패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 반사방지층패턴을 식각마스크로 상기 흡수층의 노출 부분을 제거하여 상기 다중 반사층의 일부 표면을 노출시키는 흡수층패턴을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 반응가스는, 크세논(Xe) 가스, 증기(H2O) 가스, 및 나이트로전다이옥사이드(NO2) 가스의 혼합가스를 포함하는 반사형 포토마스크의 제조방법.
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