KR20080090796A - 포토마스크 및 그 형성방법 - Google Patents

포토마스크 및 그 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 반도체 소자의 포토마스크는, 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 투명 기판; 투명 기판의 제1 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴; 및 투명 기판의 제2 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴을 포함한다.
이미지 콘트라스트 전환 경계점, 바이너리 마스크, 위상반전마스크

Description

포토마스크 및 그 형성방법{Photomask and the method for fabricating the same}
도 1은 감쇄형 위상반전마스크에서 편광 적용시 해상도를 나타내보인 도면이다.
도 2a는 전기적 횡파(TE wave)가 편광되는 것을 나타내보인 도면이다.
도 2b는 자기적 횡파(TM wave)가 편광되는 것을 나타내보인 도면이다.
도 3은 패턴의 크기에 따른 이미지 콘트라스트(image contrast) 변화를 나타내보인 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 포토마스크 형성방법을 설명하기 위해 나타내보인 도면들이다.
본 발명은 포토마스크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 편광 현상을 이용하여 미세 패턴을 형성할 수 있는 반도체 소자의 포토마스크 및 그 형성방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 집적도가 높아지면서 디자인 룰(design rule)이 감소함에 따라 공정 마진도 작아지고 있다. 반도체 소자의 공정 마진이 작아지면서 소자의 밀도를 높이기 위해 패턴의 크기 또한 축소되고 있다. 이에 따라 미세한 패턴을 갖는 포토마스크를 이용한 포토리소그래피(Photolithography) 공정이 이용되고 있다. 포토마스크는 일반적으로 투명 기판 위에 광차단막을 형성한 다음, 이를 워하는 패턴으로 식각하여 투과광이 기판만을 통과하여 웨이퍼 위에 조사될 수 있도록 한 바이너리 마스크(Binary mask)가 사용되어 왔다. 그러나 바이너리 마스크보다 미세한 패턴을 형성하기 위해 수%의 투과율을 갖는 위상반전물질이 더 포함된 감쇄형 위상반전마스크(Attenuated phase shift mask)가 제안되어 있다.
한편, 포토리소그래피공정에서 현재 KrF 광원을 대체하여 ArF 광원을 이용하기 위한 연구가 진행되고 있지만, 종래의 노광 방법 및 감쇄형 위상반전마스크로는 ArF 광원의 파장 크기 또는 그 이하의 크기를 가지는 미세 패턴을 형성하기 어려운 점이 있다. 이는 ArF 광원의 파장 크기 또는 그 이하의 패턴에서는 한계가 있는 개구수(NA; Numerical aperture)에서 충분한 광의 강도(intensity)를 확보하기가 어렵기 때문이다. 또한, 마스크 피쳐(feature)에 의해 발생되는 자기적 횡파(TM; Transverse magnetic wave 또는 P파) 모드와 같은 마스크 편광 현상에 의해 광의 강도가 감소할 수 있기 때문이다. 이에 따라 이러한 마스크 편광 현상을 개선하기 위해 소정의 투과율을 갖는 감쇄형 위상반전마스크(Attenuated phase shift mask)를 이용해서 자기적 횡파(TM)를 감소시켜 ArF 파장 크기 또는 그 이하의 패턴 크기를 형성하기 위한 한 방법으로 S파 편광을 이용해서 프로세스 윈도우(process window) 및 패턴 충실도(pattern fidelity)를 향상시킬 수 있다.
도 1은 감쇄형 위상반전마스크에서 편광 적용시 해상도를 나타내보인 도면이다.
감쇄형 위상반전마스크에서 패턴의 크기별 해상도(resolution)를 나타내보인 도 1에 도시된 바와 같이, 패턴의 크기가 작아질수록 편광을 적용하지 않은 경우보다 P파 편광 및 S파 편광을 적용할 경우 패턴의 해상도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 이와 같은 경우에도 미세 패턴, 예를 들어 55nm 이하의 미세 패턴을 구현하는 데에는 어려움이 있을 수 있다. 그 이유는 감쇄형 위상반전마스크의 경우, 편광 정도가 마스크 피쳐 크기에 따라 그 특성이 달라지고 오히려 어느 특정 마스크 크기 이하, 예컨대 55nm 이하의 마스크에서는 바이너리 마스크(binary mask)보다 특성이 안 좋아지는 경우가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 마스크 피쳐 크기를 고려한 또 다른 형태의 마스크가 필요하게 된다. 이에 따라 마스크 구조에 의해 편광 정도가 구별될 수 있는 마스크가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 마스크 구조에 의해 편광 정도가 구별되어 미세 패턴을 형성할 수 있는 포토마스크 및 그 형성방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 포토마스크는, 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 투명 기판; 상기 투명 기판의 제1 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴; 및 상기 투명 기판의 제2 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 이미지 콘트라스트 전환 경계점은 55~60nm의 크기이다.
상기 제1 패턴은 소정의 투과율을 갖는 위상반전막으로 이루어지며, 상기 위상반전막은 실리콘(Si), 질화실리콘(Si3N4) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하여 이루어진다.
상기 제2 패턴은 위상반전막 및 광차단막이 적층된 구조로 이루어진다.
상기 위상반전막은 상기 제1 패턴과 유사한 물질로 이루어지며, 상기 광차단막은 크롬(Cr)막을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 포토마스크 형성방법은, 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 투명 기판 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하는 단계; 상기 광차단막 위에 상기 제1 영역 및 제2 영역의 광차단막을 선택적으로 노출시키는 제1 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 포토레지스트막 패턴을 마스크로 광차단막 및 위상반전막을 식각하여 1차 마스크막 패턴 및 2차 마스크막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 영역을 차단하는 제2 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계; 상기 제2 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 제1 영역의 광차단막을 식각하여 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 제2 포토레지스트막 패턴을 제거하여 상기 제2 영역 상 에 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴을 형성하여 제1 패턴 및 제2 패턴으로 이루어진 포토마스크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 이미지 콘트라스트 전환 경계점은 55~60nm의 크기이다.
상기 1차 마스크막 패턴은 2차 마스크막 패턴보다 상대적으로 큰 크기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
도 2a는 전기적 횡파(TE wave)가 편광 되는 것을 나타내보인 도면이다. 도 2b는 자기적 횡파(TM wave)가 편광 되는 것을 나타내보인 도면이다. 그리고 도 3은 패턴의 크기에 따른 이미지 콘트라스트(image contrast) 변화를 나타내보인 도면이다.
광원으로부터 투영되는 입사광은 TEM(Transverse Electric and Magnetic wave)파로서, 전기적 횡파(TE; Transverse electric wave)와 자기적 횡파(TM; Transverse magnetic wave)로 분리할 수 있다. 이러한 입사광을 이용한 노광 공정 의 해상도(resolution)를 향상시키기 위한 방법으로 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이, TEM파인 입사광에서 전기적 횡파(TM)에 대한 자기적 횡파(TE)의 선택비를 높이거나 또는 반대로 전기적 횡파의 선택비를 높여 입사광을 편광시켜 노광 공정을 진행하는 방법이 있다.
그러나 이러한 편광을 이용한 노광 방법 및 감쇄형 위상반전마스크를 단일 마스크로 이용할 경우, ArF 광원의 파장 크기 또는 그 이하의 크기를 가지는 미세 패턴을 형성하기 어려운 점이 있다. 이는 감쇄형 위상반전마스크의 경우, 편광 정도가 마스크에 형성된 패턴 피치(pich) 크기에 따라 그 특성이 달라지고 오히려 어느 특정 마스크 크기 이하에서는 바이너리 마스크(binary mask)보다 해상도가 저하되는 경우가 있기 때문이다.
이러한 패턴의 피치(pitch) 크기에 따라 TE파 및 TM파를 이용하여 편광 시켰을 때 이미지 콘트라스트(image contrast)를 측정한 데이터를 도 3에 제시한다. 도 3을 참조하면, 위상반전마스크 및 바이너리마스크 모두 편광을 적용한 경우(A, C)가 편광을 적용하지 않은 경우(B, D)보다 이미지 콘트라스트가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 도면을 참조하면, 55nm 이상의 크기를 갖는 패턴에서는 위상반전마스크(C, D)를 이용할 경우 바이너리마스크(A, B)의 경우보다 이미지 콘트라스트가 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러나 55nm 이하의 패턴의 경우를 살펴보면, 55nm를 전환점으로 55nm 이하에서는 바이너리 마스크(A, B)가 위상반전마스크(C, D)의 이미지 콘트라스트를 역전하여 더 높은 해상도를 구현한다는 것을 확인할 수 있다. 이는 마스크 피쳐(mask feature) 크기에 따라 바이너리 마스크에서는 TE파 편광의 영향이 작용하고, 위상반전마스크에서는 TM파 편광의 영향이 작용하기 때문이다. 이에 따라 위상반전마스크를 단일마스크로 이용하여 포토마스크를 형성할 경우 55nm 이하의 패턴이 형성되지 않았던 문제를 55nm 이하의 패턴 형성시, 바이너리 마스크를 함께 이용하여 이미지 강도를 향상시킬 수 있다고 해석할 수 있다. 따라서 도 3에 도시한 바와 같이, 이미지 콘트라스트의 전환 경계 지점 이하의 피치, 예컨대 55nm를 가지는 패턴에 대해서는 바이너리 마스크를 이용하고, 이미지 콘트라스트의 전환 경계 지점 이상의 피치를 갖는 패턴에 대해서는 위상반전마스크를 이용하는 선택적인 적용방법을 통해 포토마스크 상에 미세 패턴을 형성할 수 있다.
이하 실시예를 이용하여 위상반전마스크 및 바이너리마스크가 함께 적용된 포토마스크를 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 포토마스크 형성방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 도면들이다.
도 4를 참조하면, 투명 기판(400) 위에 위상반전막(402)을 증착한다. 투명 기판(400)은 석영(Quartz)을 포함하는 투명한 재질로 이루어진다. 이 투명 기판(400)은 제1 영역(X) 및 제2 영역(Y)이 정의되어 있다. 이때, 제1 영역(X)은 이미지 콘트라스트 전환 경계점, 예를 들어 55-60nm, 바람직하게는 55nm 이상의 크기를 갖는 패턴이 형성될 영역이고, 제2 영역(Y)은 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 패턴이 형성될 영역이다.
투명 기판(400) 위에 증착된 위상반전막(402)은 이후 진행될 노광 공정에서 광의 위상을 반전시킬 수 있는 물질로서 소정의 투과율, 예를 들어 6%의 투과율을 갖는 물질로 형성한다. 이러한 위상반전막(402)은 실리콘(Si), 질화실리콘(Si3N4) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하여 형성할 수 있다. 또한, 위상반전막(402)은 몰리브덴계 화합물, 예를 들어 몰리브덴 실리콘 나이트라이드(MoSiON)를 포함하여 형성할 수도 있다. 그리고 위상반전막(402) 위에 광차단막(404)을 증착한다. 위상반전막(402) 위에 증착된 광차단막(404)은 빛을 차단하기 위한 차단막으로서 차단막(Cr)을 포함하여 형성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 광차단막(404) 위에 제1 포토레지스트막 패턴(410)을 형성한다. 구체적으로, 광차단막(404) 위에 포토레지스트 물질을 스핀 코팅 등의 방법을 이용하여 도포한다. 다음에 노광 공정 및 현상 공정을 진행하여 광차단막(404)의 표면을 선택적으로 노출시키는 제1 포토레지스트막 패턴(410)을 형성한다. 이 제1 포토레지스트막 패턴(410)은 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 패턴이 형성될 제1 영역(X) 위에 형성된 1차 포토레지스트막 패턴(406) 및 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 패턴이 형성될 제2 영역(Y) 위에 형성된 2차 포토레지스트막 패턴(408)을 포함하여 이루어진다. 이때, 1차 포토레지스트막 패턴(406)은 2차 포토레지스트막 패턴(408)보다 상대적으로 큰 크기로 형성한다.
도 6을 참조하면, 1차 및 2차 포토레지스트막 패턴(406, 408)을 마스크로 한 식각공정을 진행하여 투명 기판(400)을 일부 노출시키는 1차 마스크막 패턴(416) 및 2차 마스크막 패턴(422)을 형성한다.
구체적으로, 1차 및 2차 포토레지스트막 패턴(406, 408)을 식각마스크로 노출된 광차단막(404) 및 위상반전막(402)을 순차적으로 식각한다. 그러면 제1 영역(X)에는 이후 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 패턴과 대응될 제1 광차단막 패턴(412) 및 제1 위상반전막 패턴(414)으로 이루어진 1차 마스크막 패턴(416)이 형성된다. 그리고 제2 영역(Y)에는 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 패턴과 대응될 제2 광차단막 패턴(418) 및 제2 위상반전막 패턴(420)으로 이루어진 2차 마스크막 패턴(422)이 형성된다. 이때, 1차 마스크막 패턴(416)은 2차 마스크막 패턴(422)보다 상대적으로 크기가 큰 패턴이 형성된다. 그리고 1차 및 2차 포토레지스트막 패턴(406, 408)은 스트립(strip) 공정을 진행하여 제거한다.
도 7을 참조하면, 투명 기판(400) 상에 포토레지스트물질을 도포 및 패터닝하여 제2 영역(Y)은 차단하고, 제1 영역(X)의 1차 마스크막 패턴(416)은 노출시키는 제2 포토레지스트막 패턴(424)을 형성한다. 다음에 제2 포토레지스트막 패턴(424)을 마스크로 노출된 제1 영역(X)에서 1차 마스크막 패턴(416)의 제1 광차단막 패턴(412)을 식각하여 제거한다. 그러면 제1 영역(X)에는 투명 기판(400) 위에 위상반전막으로 이루어진 제1 패턴(426)이 형성된다.
다음에 제2 포토레지스트막 패턴(424)을 스트립 공정을 진행하여 제거하면, 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 영역(Y)에는 투명 기판(400) 위에 광차단막 및 위상반전막이 적층된 구조로 이루어진 제2 패턴(428)이 형성되면서, 제1 패턴(426) 및 제2 패턴(428)을 포함하는 포토마스크(430)가 형성된다.
이 포토마스크(430)는 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴(426)에 의해 위상반전영역(a) 및 제1 투광 영역(b)이 정의되고, 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴(428)에 의해 차광 영역(c) 및 제2 투광 영역(d)이 정의된다. 이에 따라 이미지 콘트라스트 전환 경계점, 예컨대 55nm를 경계로 하여 패턴 피치 크기에 따라 각각 이미지 강도(image intensity)를 향상시켜 미세 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 위상반전마스크 또는 바이너리 마스크의 단일 포토마스크를 이용하는 것이 아니라 이미지 콘트라스트 전환 경계점에 따라 노광 특성이 혼합된 포토마스크를 이용함으로써 새로운 장비 투자 없이 현재 이용하고 있는 광원을 이용하여 55-60nm, 바람직하게는 55nm 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 포토마스크 및 그 형성방법에 의하면, 포토마스크 내에 바이너리 마스크와 감쇄형 위상반전마스크를 혼합하여 적용함으로써 55nm 이하의 미세 패턴을 형성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 투명 기판;
    상기 투명 기판의 제1 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴; 및
    상기 투명 기판의 제2 영역에 형성된 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴을 포함하는 포토마스크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 콘트라스트 전환 경계점은 55~60nm의 크기인 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 소정의 투과율을 갖는 위상반전막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위상반전막은 실리콘(Si), 질화실리콘(Si3N4) 및 탄탈륨(Ta)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 패턴은 위상반전막 및 광차단막이 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위상반전막은 상기 제1 패턴과 유사한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광차단막은 크롬(Cr)막을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크.
  8. 제1 영역 및 제2 영역이 정의된 투명 기판 위에 위상반전막 및 광차단막을 증착하는 단계;
    상기 광차단막 위에 상기 제1 영역 및 제2 영역의 광차단막을 선택적으로 노출시키는 제1 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제1 포토레지스트막 패턴을 마스크로 광차단막 및 위상반전막을 식각하여 1차 마스크막 패턴 및 2차 마스크막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 영역을 차단하는 제2 포토레지스트막 패턴을 형성하는 단계;
    상기 제2 포토레지스트막 패턴을 마스크로 상기 제1 영역의 광차단막을 식각 하여 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이상의 크기를 갖는 제1 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 포토레지스트막 패턴을 제거하여 상기 제2 영역 상에 이미지 콘트라스트 전환 경계점 이하의 크기를 갖는 제2 패턴을 형성하여 제1 패턴 및 제2 패턴으로 이루어진 포토마스크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 형성방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 콘트라스트 전환 경계점은 55~60nm의 크기인 것을 특징으로 하는 포토마스크 형성방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 1차 마스크막 패턴은 2차 마스크막 패턴보다 상대적으로 큰 크기를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 포토마스크 형성방법.
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