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KR100249209B1 - 엑스-레이(X-ray) 마스크의 흡수체 및 그 제조방법 - Google Patents

엑스-레이(X-ray) 마스크의 흡수체 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100249209B1 KR1019970015438A KR19970015438A KR100249209B1 KR 100249209 B1 KR100249209 B1 KR 100249209B1 KR 1019970015438 A KR1019970015438 A KR 1019970015438A KR 19970015438 A KR19970015438 A KR 19970015438A KR 100249209 B1 KR100249209 B1 KR 100249209B1
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Abstract

엑스-레이(X-ray) 마스크의 흡수체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 멤브레인위에 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 증착하는 스텝과, 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층위에 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 증착하는 스텝과, 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 열처리하는 스텝으로 이루어짐으로써, 저응력, 안정성, 우수한 표면 조도, 높은 밀도를 갖는 흡수체를 제작할 수 있다.

Description

엑스-레이(X-ray) 마스크의 흡수체 및 그 제조방법
본 발명은 엑스-레이(X-ray) 마스크에 관한 것으로, 특히 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 이용되고 있는 반도체 산업의 주도 기술인 옵티컬 리소그래피(optical lithography) 노광 기술은 기술적, 경제적 한계에 도달하고 있다.
그러므로, 이에 대한 대용 기술로서, 엑스-레이 리소그래피(X-ray litho- graphy) 기술이 최근 큰 관심의 대상이 되고 있다.
이 엑스-레이 리소그래피 공정에 필요한 여러 가지 인자들 중에서 엑스-레이 마스크의 개발이 가장 중요한 인자이다.
도 1은 일반적인 엑스-레이 마스크를 보여주는 구조단면도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 실리콘나이트라이드(SiN) 또는 실리콘카바이드(SiC)로 형성된 멤브레인(membrane)(1)과, 멤브레인(1)상의 일정영역에 형성되는 엑스-레이 흡수율이 높은 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta)과 같은 중금속으로 이루어진 흡수체(2) 패턴과, 흡수체(2) 패턴이 형성된 멤브레인(1)영역이 노출되도록 멤브레인(1) 하측에 형성되는 실리콘 기판(3)으로 이루어진다.
이때, 흡수체(2)는 엑스-레이 노광시, 엑스-레이 방사광을 흡수하기 때문에 엑스-레이에 안정하여야 하며 밀도가 커야(약 15g/cm3이상) 한다.
특히, 엑스-레이 흡수에 의한 열에너지로 인한 흡수체(2) 패턴의 위치 변화(pattern displacement)가 적어야 한다.
상기와 같은 흡수체 패턴의 위치가 변하는 이유는 엑스-레이 흡수에 의해 흡수체에 변형(distortion)이 발생하기 때문이다.
즉, 엑스-레이 흡수로 인해 흡수체의 잔류 응력(stress)이 변하기 때문이다.
그러므로, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 흡수체 형성시 발생되는 잔류 응력을 적게해야 한다.
흡수체의 잔류 응력을 적게 하는 방법은 여러 방법들이 있는데, 첫 번째 방법으로는 두께가 10nm정도의 알파텅스텐 씨드층(α-W seed layer)을 에바포레이팅(evaporating)방법으로 형성한 후, 기판 온도 200℃ 정도에서 텅스텐을 스퍼터링하여 스트레스가 적은 텅스텐 흡수체를 형성하는 방법이 있고, 두 번째 방법으로는 스퍼터링 방법으로 텅스텐을 증착한 후, 급속 열처리(rapid thermal annealing)하여 잔류 응력을 완화시키는 방법이 있다. 그리고, 세 번째 방법으로는 텅스텐을 증착한 후, 네온(Ne), 아르곤(Ar) 또는 크립톤(Kr)과 같은 불활성 가스(inert gas)로 흡수체 표면을 이온 임플란테이션(ion implantation)하여 잔류 응력을 완화시키는 방법이 있고 네 번째 방법으로는 비정질상(amorphous phase)의 텅스텐나이트라이드(WN), 텅스텐타이타늄(WTi)을 증착한 후, 300∼400℃의 온도로 열처리하여 잔류 응력이 적은 흡수체를 형성하는 방법 등이 있다.
종래 기술에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 흡수체의 잔류 응력 조절을 위하여 열처리 또는 이온 임플란테이션과 같은 공정이 필요하므로 공정이 복잡하고 미세 선폭의 패턴을 필요로 하는 엑스-레이 마스크에 오염의 원인이 된다.
둘째, 흡수체의 미세 구조가 결정상으로 되어있으므로 결정입자의 크기에 따라 표면조도(surface roughness)값이 약 6∼10nm 정도로 크게 된다. 그러므로, 흡수체에 형성되는 패턴이 미세할 경우 패터닝과 흡수체의 식각에 좋지 않은 영향을 미친다.
셋째, 비정질 구조를 갖는 흡수체는 입계면(grain boundary)이 없어 산소 확산에 의한 응력 변화가 없고 표면 조도 특성이 우수하여 결정질 구조를 갖는 흡수체의 단점을 보완할 수 있으나 열처리에 의한 응력 변화의 폭이 적어 잔류 응력 조절이 어렵다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흡수체의 잔류 응력을 조절하고 공정을 단순화시킬 수 있는 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 흡수체의 표면조도를 개선할 수 있는 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 엑스-레이 마스크를 보여주는 구조단면도
도 2는 본 발명에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체를 보여주는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 텅스텐나이트라이드 흡수체의 X-선 회절 분석도
도 4는 본 발명에 따른 텅스텐나이트라이드 흡수체의 열처리에 따른 응력 변화를 보여주는 그래프
도 5는 본 발명에 따른 이중층 흡수체의 열처리에 따른 응력 변화를 보여주는 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 멤브레인 12 : 흡수체
12a : 결정질상 텅스텐나이트라이드
12b : 비정질상 텅스텐나이트라이드
본 발명에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법은 흡수체를 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층으로 이루어진 이중층(bilayer) 구조로 형성하는데 있다.
본 발명의 다른 특징은 열처리 온도를 조절하여 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층의 응력을 조절하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층의 두께비에 따라 열처리 온도를 조절하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 1∼5mTorr의 압력 조건으로 증착하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 N2/(Ar+N2) 가스비를 3∼15% 조건으로 증착하는데 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 열처리 온도를 200℃ 이상으로 하는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체를 보여주는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 흡수체(12)는 멤브레인(11)위에 형성되는 결정질상(crystalline phase) 텅스텐나이트라이드(WNX)층(12a)과, 결정질상 텅스텐나이트라이드층(12a)위에 형성되는 비정질상(amorphous phase) 텅스텐나이트라이드(12b)로 이루어진 이중층(bilayer) 구조를 갖는다.
이와 같이 흡수체(12)를 이중층으로 형성하는 이유는 다음과 같다.
첫째, 흡수체의 전체 응력(stress) 조절이 용이하다.
결정질상 텅스텐나이트라이드(12a)는 열처리에 의한 응력 변화의 폭이 크기 때문에 열처리 온도의 조절로서 흡수체(12)의 전체 응력 조절을 용이하게 할 수 있다.
둘째, 흡수체(12)내로의 산소 확산을 방지하고 흡수체(12)의 표면 조도(surface roughness)를 좋게한다.
흡수체(12)의 표면에 형성되는 비정질상 텅스텐나이트라이드(12b)는 결정 입계면을 따라 대기중의 산소가 흡수체(12)내로 확산되는 것을 방지하여 흡수체(12)의 시간에 따른 잔류 응력 변화를 없도록 하며, 동시에 흡수체(12)의 표면 조도를 약 1nm 이하로 좋게한다.
상기와 같이 구성되는 흡수체의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 흡수체 재료로서 텅스텐 타겟(W target)을 사용하고, 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합 가스를 사용하는 반응성 스퍼터링방법으로 이중층 구조를 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX) 흡수체를 제작하였다.
먼저, 증착 압력 3.5mTorr에서 N2/(Ar+N2) 가스비가 약 10% 인 스퍼터링 가스를 사용하여 멤브레인위에 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드를 증착시키고 계속해서 증착 압력 3.5mTorr에서 N2/(Ar+N2) 가스비가 약 5% 인 스퍼터링 가스를 사용하여 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드위에 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드를 증착함으로써 흡수체를 제작한다.
즉, 흡수체는 흡수체의 표면으로부터 비정질 텅스텐나이트라이드/ 결정질 텅스텐나이트라이드의 이중층 구조로 이루어진다.
여기서, 상기와 같은 증착 압력 조건으로 텅스텐나이트라이드를 증착하는 이유는 다음과 같다.
증착 압력이 1∼5mTorr로 낮은 압력 범위에서, 스퍼터링 가스중 질소 가스 함유량이 10% 이하인 경우에는 텅스텐나이트라이드가 비정질상을 가지며, 질소 가스 함유량이 10% 이상인 경우에는 텅스텐나이트라이드가 결정질상을 가지기 때문이다.
도 3은 본 발명에 따른 텅스텐나이트라이드 흡수체의 X-선 회절 분석도로서, 도 3에 도시된 바와 같이, X선을 일정한 각도로 텅스텐나이트라이드의 원자 구조에 입사시키면, 질소 가스 함유량이 10% 이상인 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드는 결정질상(β-W2N)이므로 X선의 세기가 매우 첨예(peak)하게 나타나고, 질소 가스 함유량이 10% 이하인 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드는 비정질상이므로 X선의 세기가 완만하게 나타난다.
그리고, 이렇게 제작된 흡수체를 약 200℃ 이상으로 열처리하여 ±10MPa 이내로 낮은 응력(low stress)을 갖도록 조절한다.
이와 같이, 본 발명은 열처리 온도를 조절하여 흡수체의 응력을 조절할 수 있는데, 그 원인을 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 텅스텐나이트라이드 흡수체의 열처리에 따른 응력 변화를 보여주는 그래프로서, 스퍼터링 가스의 질소 함유량이 5% 인 혼합가스를 사용하여 증착한 비정질 텅스텐나이트라이드 박막의 경우는 밀도가 17g/㎤ 정도로 높지만, 초기 응력이 -400MPa 정도로 매우 큰 압축 응력을 가지며, 열처리에 의해서도 저응력 상태로 조절하기가 힘들다.
또한, 스퍼터링 가스의 질소 함유량이 10% 인 혼합가스를 사용하여 증착한 결정질 텅스텐나이트라이드 박막의 경우는 밀도가 15g/㎤ 정도로 비정질 텅스텐나이트라이드 박막에 비해 낮지만, 초기 응력이 -250MPa 정도로 낮고, 열처리에 의한 응력 변화의 폭이 커서 열처리에 의해 저응력 상태로 조절하기가 용이하다.
그러나, 이 경우에는 결정 입계면의 존재로 인한 산소의 확산으로 박막의 잔류 응력이 변하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이중층 구조를 갖는 흡수체는 열처리에 의해 응력 조절이 용이한 결정질 텅스텐나이트라이드 박막의 장점과 흡수체내로의 산소 확산을 방지하고 표면이 매끄러우며 엑스-레이를 잘 흡수하기 위하여 흡수체로서 요구되는 중요 인자중 하나인 높은 밀도(15g/㎤ 이상)를 갖는 비정질 텅스텐나이트라이드 박막의 장점을 이용한 것이다.
또한, 흡수체의 결정질 텅스텐나이트라이드와 비결정질 텅스텐나이트라이드의 두께 비를 여러 가지로 하여 흡수체의 초기 응력과 저응력을 갖는 열처리 온도를 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 이중층 흡수체의 열처리에 따른 응력 변화를 보여주는 그래프로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 비정질과 결정질과의 두께 비를 1:2, 1:1, 2:1로 한 이중층 흡수체를 적절한 온도로 열처리하여 저응력을 갖도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 엑스-레이 마스크의 흡수체 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 열처리에 의한 응력 조절이 용이하므로 저응력의 흡수체를 갖는 엑스-레이 마스크를 제작할 수 있다.
둘째, 흡수체내로의 산소 확산을 방지하여 흡수체의 응력 변화를 작게함으로써, 안정성이 높은 흡수체를 갖는 엑스-레이 마스크를 제작할 수 있다.
셋째, 흡수체의 표면 조도가 우수하므로, 에칭에 의한 흡수체의 패턴 형성시 미세한 패턴 형성에 유리하다.
넷째, 엑스-레이를 잘 흡수할 수 있는 높은 밀도를 갖는 흡수체를 제작할 수 있다.

Claims (7)

  1. 기판과 멤브레인을 갖는 X선 마스크에 있어서, 상기 멤브레인 표면위의 일정영역에 형성되는 결정질 텅스텐나이트라이드(WNX)층, 상기 결정질 텅스텐나이트라이드(WNX)위에 형성되는 비정질 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체.
  2. 기판과 멤브레인을 갖는 X선 마스크에 있어서, 상기 멤브레인위에 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 증착하는 스텝, 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층위에 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 증착하는 스텝, 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층을 열처리하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층은 1∼5mTorr의 압력 조건으로 증착함을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층은 N2/(Ar+N2) 가스비를 3∼15% 조건으로 증착함을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 열처리 온도를 조절하여 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층의 응력을 조절함을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 열처리 온도는 200℃ 이상임을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 결정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층과 비정질상을 갖는 텅스텐나이트라이드(WNX)층은 각각의 두께비에 따라 열처리 온도를 조절함을 특징으로 하는 엑스-레이 마스크의 흡수체 제조방법.
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