KR0135039B1 - T-게이트의 형성을 위한 포토마스크 - Google Patents

Abstract

T자형 게이트를 갖는 전계효과트랜지스터(field effect transistor)의 게이트 전극을 형성하기 위한 본 발명의 포토마스크는 투명한 석영층과, 이 투명한 석영층의 한 표면 위에 형성되어서 T-게이트의 다리 부위의 패턴닝을 위한 주 패턴과, 주 패턴 주위에 배치되어서 T-게이트의 머리 부위의 선폭 변화를 조절하기 위한 한개 이상의 보조 패턴을 포함하는, 주 패턴과 보조 패턴은 불투명막으로 형성되는, 하부의 마스크층(1)과; 하부의 마스크층(1)의 다른 한 표면 위에 형성되고, 투명한 막으로 규칙적으로 형성되는 복수의 위상 격자(phase grating) 패턴들을 갖는 상부의 마스크층(2)으로 구성된다.

Description

T-게이트의 형성을 위한 포노마스크

제1도의 (a) 내지 (f)는 종래의 전형적인 T자형 게이트 형성방법을 공정순서대로 나타낸 단면도.

제2도의 (a) 내지 (i)는 종래의 다른 T자형 게이트 형성 방법을 공정순서대로 나타낸 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 T자 형상 게이트 형성용 포토마스크 구조를 나타낸 도면으로,

(a)는 일체형 마스크 구조, (b)는 분리형 마스크 구조.

제4 도는 본 발명에 따른 포토마스크의 원리를 설명하기 위한 도면으로서,

(a)는 본 발명의 마스크 구조, (b)는 웨이퍼면에서의 광 강도 분포, (c)는 T자형 레지스트 프로파일.

제5도는 본 발명의 포토마스크를 사용한 티게이트 형성용 레지스트 프로파일의 전자현미경 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주마스크 2: 보조 마스크

본 발명은 반도체장치의 전극형성에 관한 것으로, 더 구체적으로는 T자형 게이트를 갖는 전계효과트랜지스터(field effect transistor)의 게이트 전극을 형성하기 위한 포토마스크에 관한 것이다.

최근 위성방송 수신기, 고속논리회로, 전력모들, MMIC 등에 주로 응용되고 있는 HEMT(high electron mobility transistor) 등의 고속소자에서는 높은 변조동작을 위해서 짧은 게이트 폭(gate length)이 요구됨과 동시에 높은 전류통과를 위해서 넓은 면적의 패턴이 요구되고 있다.

이와 같은 요구를 만족시키기 위해서는, 일반적으로 그 단면의 모양이 영어 알파빗의 T-게이트가 사용되고 있다. 이런 T-게이트를 포토리소그래피(photolithography)에 의해 형성하는 경우, 포토리소그래피의 해상력이 게이트 전극 패턴의 미세한 선폭(0.25μm 이하)을 형성하기에는 부족하기 때문에, 현재 까지는 주로 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 이용하여 T-게이트의 패턴을 형성하고 있다.

이 방법은 통상 전자빔에 대한 감도가 서로 다른 두가지의 전자빔 레지스트들을 2층으로 도포(coating)하여 게이트 전극의 형성을 위한 레지스트 패턴을 형성한다.

즉, 하층에는 전자빔에 대한 감도가 낮은 PMMA(polymethyle methacrylate)레지스트를 도포하고, 상층에는 감도가 높은 MMA(methyle methacrylate)레지스트를 도포한다.

이런 기술에 대해 다음에 도면을 참조하면서 구체적으로 설명하겠다.

제1도의 (a) 내지 (f)는 전자빔 리소그래피에 의해 T-게이트를 형성하는 종래의 전극형성방법을 공정순서대로 나타낸 것이다.

제1도의 (a)를 참조하여, 반도체 기판(11) 위에 PMMA 레지스트(이하, '하층 레지스트'라 함,)(12)를 도포한 후 기판(11)과 하층 레지스트(12) 간의 밀착성을 향상시키기 위해 연화건조(軟化乾燥)를 위한 베이킹(baking)(이하, '연화 건조 베이킹'이라함)을 수행한다.

이어, 제1도의 (b)를 참조하여, 하층 레지스트(12) 위에 MMA 레지스트(이하, '상층 레지스트'라 함.)(13)을 도포하고 연화 건조 베이킹을 수행한다.

다음, 제1도의 (c)를 참조하여, 상층 및 하층 레지스트(13,12)로 소정의 전류밀도를 갖는 전자빔(14)을 조사(scanning)한다.

다음, 기판을 현상에 속에 넣어 상층 및 하층 레지스트들(13,12)을 현상한다.

이때, 상층 레지스트 및 하층 레지스트들은 모두 포지티브 형 전자빔 레지스트(positive type electron beam resist)이므로 전자빔이 조사된 부분의 레지스트가 용해된다.

그 결과, 제1도의 (d)에 도시된 바와 같이, T자형의 골(15)이 형성된 상층 및 하층 레지스트 패턴(13a,12a)을 얻게 된다.

이와 같이, T자 골(15)이 형성되는 이유는 상층 레지스트(13)와 하층 레지스트(12)에 동일한 전류밀도의 전자빔이 조사되어도 상층 레지스트(13)와 하층 레지스트(12)는 서로 다른 전자빔 감도를 갖기 때문에 레지스트 현상 후 각 레지스트들에 형성된 골의 폭은 달라지게 된다.

따라서, 상층 및 하층 레지스트들에는 T자 형의 골이 형성된다.

다음, 제1도의 (e)를 참조하여, 기판 세척 및 잔유물 처리(O₂plasmadescum)를 수행한 후, T자형의 골이 형성된 레지스트 패턴(13a,12a)위에 금속을 중착하여 금속층(16)을 형성한다.

마지막으로, 레지스트 패턴(13a,12a)과 그 위의 금속층(16)을 제거하여 제 1 도의 (f)에 도시된 바와 같이 T자형의 게이트 전극(17)을 형성한다.

이와 같은 전자빔 리소그래피 방법에 있어서는, 레지스트 패턴의 형성에 필요한 전자빔의 조사 시간이 길어, 제품의 생산성이 낮다.

또, 장비의 사용시간이 장시간 경과하게 되면 사용기간의 경과에 따라서 전자빔의 전류밀도가 변화되는데, 전자빔의 전류밀도는 골폭의 크기에 직접적인 영향을 미치므로, 그것을 방지하는 데는 많은 어려움이 따른다.

또한, 이 방법에서는 2층으로 레지스트를 도포하기 때문에 금속증착시 온도가 상승함에 따라 상층 레지스트와 하층 레지스트 사이로 금속이 확산되는 공정상의 문제점을 일으키기도 한다.

위와 같은 레지스트 패턴 형성 자체의 어려움과는 별도로, T-게이트 형성공정 이외의 공정들에서는 생산성을 높이기 위하여 통상적으로 광학 스텝퍼를 사용하는 데, 전자빔 리소그래피 장비의 정렬방식과 광학 스텝퍼의 그것이 다르므로, 두 장비들 간의 정렬방식의 차이로 인하여 반도체 장치의 제조공정들에서 마스크 중첩 정밀도(registeration)의 오차가 발생된다.

이상에서 기술된 전자빔 리소그래피 기술을 이용한 방법과는 달리, 최근에는 포토리소그래피를 이용하여 T-게이트 전극을 형성하는 방법도 개시되고 있다.

포토리소그래피 기술에 의해 T-게이트 전극을 형성하기 위해서는 미세선폭(0.25μm 이하)을 형성할 수 있는 포토리소그래피 장비의 개발과 그에 따른 마스크 해상도(resolution)의 향상을 위한 공정기술의 개발이 전제 조건으로서 충족되어야 한다.

최근, 포토리소그래피에 의한 T-게이트 전극의 형성에 있어서 관건이 되고 있던 미세한 선폭을 형성할 수 있는 포토리소그래피 장비 및 공정 기술이 개발되고 있는 데, KrF 엑시머 레이저 스텝퍼 등과 같이 짧은 파장의 광원을 사용하는 스텝퍼의 개발 및 위상변환 마스크(phase shift mask)라는 해상도의 향상을 위한 변형 마스크 기술 등이 그에 해당한다.

지금까지 알려져 있는 포토리소그래피에 의한 T-게이트 형성 방법에서는, 위상변환 마스크를 이용하여 고립공간(isolated space)패턴을 형성하고 레지스트를 경화한 후, 경화된 레지스트패턴 위에 다시한번 더 레지스트를 도포한 후 노광(exposure) 및 현상공정을 수행하여, T자형의 골을 형성한다.

이 방법에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제2도의 (a) 내지 (h)는 네가티브 형 포토레지스트(negative type photoresis t)를 이용하여 T-게이트를 형성하는 방법을 공정순서대로 나타낸 단면도들이다.

먼저, 제2도의 (a)를 참조하여, 반도체 기판(21) 위에 같은 네가티브 포토레지스트(이하, '하층레지스트'라 함.)(22)를 도포한 후 연화건조를 위한 프리 베이킹(pre-baking)(이하, '연화 건조 베이킹'이라 함.)을 수행한다.

이어, 게이트 다리의 폭을 정의하기 위한 첫번째 마스크(23)를 사용하여 하층 레지스트(22)를 노광시키고 현상하여 제 2 도의 (b)에 도시된 바와 같이 게이트 다리의 형성을 위한 골(22a)을 갖는 패턴(이하, '제1레지스트 패턴'이라 함.)(22b)을 형성한다.

그 다음, 제1레지스트 패턴(22b)의 경화(硬化)를 위한 포스트 베이킹(post-baking)(이하, '경화 베이킹'이라 함.)을 수행한다.(제 2 도의 (c) 참조).

다음, 제2도의 (d)를 참조하여, 제1레지스트 패턴(22b) 위에 네가티브 형 레지스트(이하, '상층 레지스트'라 함)(24)를 다시 도포한 후, 연화 건조 베이킹을 수행한다.

상층 레지스트(24)의 도포시 제 1 레지스트 패턴(22b)의 골(22a)이 채워진다.

다음, 제2도의 (e)를 참조하여, 게이트 머리의 폭을 정의하기 위한 두번째 마스크(25)를 사용하여 상층 레지스트(24)를 노광시킨다.

이때 사용되는 마스크(25)는 위상변환마스크이다.

이 마스크에 의해 T자형 게이트의 머리폭에 해당하는 영역에는 광이 조사되지 않도록 함으로써 이후에 이어지는 상층 레지스트(24)의 현상공정에서 고립영역의 패턴이 형성될 수 있게 된다.

이어, 제2도의 (F)를 참조하여, 상층 레지스트(24)를 현상처리하여 골(24a)을 갖는 패턴(이하, '제 2 레지스트 패턴'이라 함.)(24b)을 형성한 후 경화 베이킹을 수행하고 기판 잔유물 제거 처리를 수행한다.

상층 레지스트(24)의 현상시 제1레지스트 패턴(22b)의 골(22a)에 채워진 레지스트(고립영역 내에 위치하기 때문에 광이 조사되지 않음.)도 함께 식각된다.

이로써, 게이트 전극의 형성을 위한 T자형 골이 형성된다.

그 후, 제2도의 (g)에 도시된 바와 같이, 제 2 레지스트 패턴(24b)위에 금속을 중착하여 금속층(25)을 형성한다.

마지막으로, 제1 및 제2 레지스트 패턴(22a,24b)과 제2 레지스트 패턴(24b) 위에 형성된 금속층(25)을 제거함으로써, 제2 도의 (i)에 도시된 바와 같은 T-게이트(26)를 형성한다.

그러나, 이상에서 상세히 설명된 포토리소그래피에 의한 게이트 전극 형성 방법에서는, 고립공간 패턴의 형성시 네가티브 레지스트를 사용하기 때문에 현상시의 스웰링(swelling)으로 인해 해상도가 포지티브레지스트에 비해 떨어지는 단점이 있다.

또, 네가티브 레지스트 자체가 플리머의 교차 결합(cross-linking) 메카니즘을 기본으로 하고 있기 때문에 현상후 잔유물이 많이 생기게 되며, 따라서 산소 플라즈마 디스큠(O2 plazma descum) 동과 같은 잔유물 제거 공정이 뒤따라야만 하는 데, 이러한 공정으로 인하여 게이트 선폭의 확대현상을 가져오는 단점이 있다.

또한, 레지스트 경화공정에 수반하여 층간 잔유물이 발생하므로 이로 인해 소자특성의 저하 및 재현성의 부족 현상이 나타나고 있다.

본 발명은 포토리소그래피를 사용하여 T-게이트 형성을 위한 레지스트 패턴 형성시 단일층의 레지스트 위에 단일 노광공정으로 레지스트 패턴을 형성할 수 있는 포토 마스크의 구조를 제시하는 데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 포토마스크는 투명한 석영층과, 이 투명한 석영층의 한 표면 위에 형성되어서 T-게이트의 다리 부위의 패턴닝을 위한 주 패턴과, 상기 주 패턴 주위에 배치되어서 상기 T-게이트의 머리 부위의 선폭 변화를 조절하기 위한 한 개 이상의 보조 패턴을 포함하는, 상기 주 패턴과 상기 보조 패턴을 불투명막으로 형성되는, 하부의 마스크층과; 상기 하부의 마스크층의 다른 한 표면 위에 형성되고, 투명한 막으로 규칙적으로 형성되는 복수의 위상 격자 (phase grating) 패턴들을 갖는 상부의 마스크층으로 구성된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서는, 상기 상부의 마스크층과 상기 하부의 마스크층이 일체로 형성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 있어서는, 상기 상부의 마스크층과 상기 하부의 마스크층이 상호 분리되어 형성된다.

이제 부터 도면들을 참조하면서 본 발명에 대해 상세히 설명하겠다.

제3도의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 T-게이트 형성용 포토마스크의 구조를 각각 나타낸 것으로,(a)는 주 마스크와 보조 마스크가 일체로 형성된 구조의 일체형 마스크를 나타낸 것이고, (b)는 주 마스크와 보조마스크가 분리된 구조의 분리형 마스크를 나타낸 것이다.

제3도의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 마스크는 하부의 주 마스크(1)와 상부의 보조 마스크(2)로 이루어 지는 2층 구조의 마스크이다.

하부의 마스크층(1)은 T-게이트의 패턴 형성 그 자체를 위한 주 마스크로서, 크롬(Cr) 등으로 이루어 지는 불투명막으로 패턴을 형성하되, T-게이트의 다리 부위의 패턴닝을 위한 주패턴과 머리 부위의 선폭 변화를 조절하기 위한 한 개 이상의 보조 패턴이 주 패턴 주위에 배치되어 있다.

또한, 상부의 마스크층(2)은 투명한 막으로 구성된 규칙적인 위상격자 패턴으로 구성되어 있으며, 이러한 마스크층(2)은 제3도의 (a)에 도시된 바와 같이 주 마스크(1)와 일체형으로 구성될 수도 있는 반면, 제3도의 (b)에 도시된 바와 같이 주 마스크(1)와 분리되어 구성될 수도 있다.

본 발명에 따른 포토마스크가 T자형태의 레지스트패턴을 형성할 수 있는 원리에 대해 제4도를 참조하면서 설명하겠다.

제4도의 (a)에 보인 마스크 구조는 웨이퍼 위에 제4도의 (b)와 같은 광 강도 분포를 형성한다.

따라서, 포지티브 레지스트를 사용하여 노광공정을 수행할 경우에, 레지스트의 위치 좌표에 따라 흡수되는 광량이 다르게 된다.

이를 이용하면 제4도의 (다)와 같은 T자형태의 골을 갖는 레지스트 프로파일을 형성할 수 있게 된다.

이와같은 T자형의 레지스트 골에 금속을 중착하고 레지스트를 제거하면 원하는 T자형태의 게이트 금속 패턴을 얻을 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 포토마스크의 구성요소들 각각의 특징 및 역할을 설명하면, 즉 마스크(1)에 형성된 패턴들 중 게이트 선폭의 위치에 놓인 주 패턴은 T-게이트의 다리 부분을 형성하는 역할을 하고, 상기 주 패턴 주위에 배치된 보조 패턴들은 T-게이트의 머리 부분의 선폭을 형성함은 물론 상기 주 패턴의 상(image) 부위의 광강도를 증가시키는 역할을 한다.

이러한 주 마스크(1) 만으로도 제 4 도의 (b)와 유사한 형태의 광상도 분포를 웨이퍼 위에 전사시킬 수 있으나, 이는 광학 스텝퍼의 해상력 부족으로 인하여 원하는 게이트 선폭(0.25μm이하)을 해상할 수 없게 된다.

따라서, 상기 주 마스크(1)에 형성된 패턴들의 해상력을 높일 필요가 있는데, 이를 위해서, 본 발명에서는 주 마스크(1)의 상부에 투명한 위상 격자(phase grating) 패턴들이 형성되어 있는 위상격자층으로 이루어지는 보조 마스크(2)를 사용한다.

보조 마스크(2)의 이런 위상격자층은 빛의 회절 및 간섭현상을 이용하여 수직으로 입사하는 조명을 비스듬하게 입사하는 사입사 조명으로 변환시키는 기능을 갖고 있으며, 광학 스텝퍼의 초점 면에서 충분히 멀기 때문에 상부 위상격자층의 상이 웨이퍼 위에 전사되지 않아서 이런 위상격자층은 미해상 회절층으로 불리운다. 이와 같은 미해상회절층으로 인해 사입사 조명을 받게 되는 주마스크(1)에서 주 패턴 부위의 보강간섭을 일으키게 조절하면 보다 나은 해상력을 발휘하게 한다.

제5도는 본 발명에 관한 실험결과를 나타낸 것이다.

제5도에 보인 바와 같이 본 발명의 포토마스크를 사용하여 365nm의 파장을 갖는 i-선 스텝퍼로 단일 노광공정을 통하여 얻은 0.20μm급의 T-게이트용 레지스트 패턴을 얻었다.

본 발명의 포토마스크는, 미세한 게이트 선폭(0.25μm이하)을 T-게이트 형성용 레지스트 프로파일을 광리소그라피 상에서 구현하므로서 기존의 전자빔 노광을 이용한 T-게이트 공정에 비하여는 생산성 및 재현성이 월등히 우수하며 제작비용이 적다는 장점을 갖고 있다.

또한, 본 발명의 포토마스크를 사용할 경우, 광리소그라피를 이용한 기존공정에 비해서는 다음과 같은 장점을 갖는다.

먼저, 본 발명의 포토마스크는 단층 레지스트를 사용하여 단일 노광 공정을 통하여 T-게이트 형성용 레지스트 프로파일을 형성하기 때문에 공정이 단순하여 시간 및 비용의 절감을 가져올 수 있다.

또한 이러한 공정을 포지티브 레지스트를 사용하여 구현하기 때문에 이층구조의 네가티브 레지스트를 사용하는 기존의 공정보다는 잔유물이 적게 남아, 이의 제거를 위한 디스큠(descum)공정의 부담을 줄일 수 있다.

그리고 기존의 공정의 이중노광 방식에서 발생하는 T-게이트 다리부위와 머리부위 간의 정렬오차 문제를 완전히 해결할 수 있어 공정의 재현성을 확보할 수 있다.

Claims (4)

1. 포토리소그래피에 의해 전계효과트랜지스터의 T-게이트를 형성하기 의한 포토마스크의 구조에 있어서; 투명한 석영층과, 상기 투명한 석영층의 한 표면 위에 형성되어서 상기 T-게이트의 다리 부위의 패턴닝을 위한 주 패턴과, 상기 주 패턴 주위에 배치되어서 상기 T-게이트의 머리 부위의 선폭 변화를 조절하기 위한 한개 이상의 보조 패턴을 포함하는, 상기 주 패턴과 상기 보조 패턴은 불투명막으로 형성되는, 하부의 마스크층(1)과; 상기 하부의 마스크층(1)의 다른 한 표면 위에 형성되고, 투명한 막으로 규칙적으로 형성되는 복수의 위상 격자 패턴들을 갖는 상부의 마스크층(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 T-게이트의 형성을 위한 포토마스크.
2. 제1항에 있어서, 상기 상부의 마스크층(2)은 투명한 석영층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 T-게이트의 형성을 위한 포토마스크.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부의 마스크층(1)과 상기 하부의 마스크층(2)이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 T-게이트의 형성을 위한 포토마스크.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상부의 마스크층(1)과 상기 하부의 마스크층(2)이 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 T-게이트의 형성을 위한 포토마스크.