KR100681842B1 - T-type gate electrode and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 내지 도 1e는 종래기술의 공정에 따른 반도체 기판 단면도,1A to 1E are cross-sectional views of a semiconductor substrate according to a prior art process;
도 2는 본 발명에 따른 공정 순서도, 및2 is a process flow chart according to the invention, and
도 3a 내지 도 3h는 본 발명의 공정에 따른 반도체 기판 단면도.3A-3H are cross-sectional views of a semiconductor substrate in accordance with the process of the present invention.
최근 화상 신호 등과 같은 대용량 정보의 처리 및 전송에 대한 요구가 폭발적으로 증가하고 있으며, 정보가 급격히 진행됨에 따라 초고속 정보처리의 필요성이 점차 증대되고 있다. 또한 무선 통신의 급속한 발달로 인하여 넓은 주파수 대역에서 고속으로 동작하는 통신 시스템들이 많이 요구되고 있다.Recently, the demand for the processing and transmission of a large amount of information such as an image signal has exploded, and as the information progresses rapidly, the necessity of ultra-high speed information processing has gradually increased. In addition, due to the rapid development of wireless communication, communication systems that operate at high speed in a wide frequency band are required.
이에 따라 초고속 정보시스템의 구축을 위해 필수적인 차세대 전자소자의 개발을 위하여 미국, 일본, 독일 등 선진 국가들에서는 기존 소자의 크기를 감소시킴으로써 동작 속도를 증가시키고자 하는 나노 펫(nano-FET)에 대한 연구, 나노-구조 에서 발생하는 양자효과를 사용하여 초고속화를 얻고자 하는 양자 기능 소자에 대한 연구, 전송특성이 우수한 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료를 사용하여 초고속화를 얻고자 하는 Ⅲ-Ⅴ 초고속 소자의 구현에 대한 연구들을 현재 복합적으로 활발히 진행하고 있다.Accordingly, in order to develop next-generation electronic devices that are essential for the construction of ultra-high-speed information systems, advanced countries such as the US, Japan, and Germany are trying to increase the operation speed by reducing the size of existing devices. Research, research on quantum functional devices to achieve super high speed by using quantum effect generated in nano-structure, and super fast speed of Ⅲ-V ultra high speed devices using Ⅲ-V semiconductor material with excellent transmission characteristics There is a lot of research into the implementation.
초고속화가 현재 가장 빠르게 진행되고 있는 분야는 광통신 시스템이다. 시스템의 실용성, 신뢰성, 가격의 측면에서 유리하도록 하기 위하여 구현할 수 있는 최대의 속도에서 동작하는 시분할 시스템을 구현하고자 하는 것이 현재의 추세이며, 그 이상의 고속화 시스템에서는 파장 분할 시스템이 사용될 것으로 예측되고 있다. 현재 이미 10Gb/s 급의 광통신 시스템이 상용화되어 사용되고 있으며, 점차 40Gb/s, 80Gb/s 그리고 그 이상의 전송 속도를 갖는 시스템으로 확장되어 가고 있다. 초고속 시분할 광통신 시스템의 구현을 위하여서는 MUX/DEMUX, Decision 회로 등의 고속 디지털 회로, Optical Modulator Driver, Pre-Amplifier 등의 고주파 아날로그 회로의 개발이 필요하며, 이러한 추세에 따라 전기적 특성이 우수한 초고속 전자 소자의 개발이 필수적으로 요구된다. The fastest speeding field is the optical communication system. The current trend is to implement a time division system that operates at the maximum speed that can be implemented in order to benefit from the practicality, reliability, and price of the system, and it is predicted that a wavelength division system will be used in a higher speed system. Currently, 10Gb / s-class optical communication systems are commercially available and are gradually being expanded to systems with transmission speeds of 40Gb / s, 80Gb / s and higher. In order to realize the ultra-fast time division optical communication system, it is necessary to develop high-speed digital circuits such as MUX / DEMUX and decision circuits, high-frequency analog circuits such as an optical modulator driver and a pre-amplifier. Development is mandatory.
그 중, X-대역 이상의 주파수에서 동작하고 저 잡음 수신기와, 전력 증폭기 그리고 밀리미터파 대역의 모노리식(monolithic) 마이크로웨이브(microwave) 직접회로(MMIC) 등 거의 모든 X-대역 이상의 주파수에서의 집적회로(IC)에 주로 응용되고 있는 고 전자 이동도 트랜지스터(HEMT; High electron mobility transistors)와 같은 고속 소자는 현재 초고속 전자 소자 중 저온에서 동작하는 고성능의 초대규모집적회로를 구성하는 데 있어 가장 유리한 이점이 있다. 이러한 HEMT는 높은 변조 동작을 위해 게이트 길이(Gate length)가 짧아야 하고, 또한 게이트 저항을 줄여 잡음 특성을 개선하기 위해 단면적이 넓은 것이 바람직하다. 따라서, 상기의 요구를 만족시키기 위해, T자 형상의 단면을 하고 있는 게이트 전극이 사용되고 있다. Among them, integrated circuits operating at frequencies above the X-band, including low-noise receivers, power amplifiers, and monolithic microwave integrated circuits (MMICs) in the millimeter wave band. High-speed devices such as high electron mobility transistors (HEMT), which are mainly applied in (IC), are the most advantageous advantages of constructing high performance ultra-large scale integrated circuits operating at low temperature among the current high speed electronic devices. have. The HEMT should have a short gate length for high modulation operation and a wide cross-sectional area to improve the noise characteristics by reducing the gate resistance. Therefore, in order to satisfy the above requirement, a gate electrode having a T-shaped cross section is used.
상기 미세 T형 게이트 전극을 제조하는 경우, 적층 레지스트(resist)를 이용하여 해당 적층 레지스트의 하층에 상기 게이트 길이의 치수를 결정하는 개구를 상기 적층 레지스트의 상층에 상기 오버 게이트부의 크기를 결정하는 개구를 각각 형성하는 것이 종래부터 행해지고 있다. 이 경우, 크기가 다른 개구가 서로 별도의 층에 형성된 적층 레지스트를 얻기 위해서는 감도가 다른 복수의 레지스트 재료가 필요하다. 또한 상기 T형 게이트 전극의 제조에 리프트 오프(Lift-off)법을 이용하는 경우에는 리프트 오프 용이성을 확보하는 중간층용 레지스트를 상기 적층 레지스트에 설치할 필요가 있다. 종래부터 전자선 레지스트에는 감도가 다른 것이 다수 있기 때문에, 또한, 상기 T형 게이트 전극에 있어서 하단부의 게이트 길이를 0.1㎛이하로 하는 필요성으로부터 상기 전자선 레지스트와 고가인 전자빔 리소그라피를 이용하여 T형 게이트 전극을 제조하는 것이 일반적으로 행해져 왔다. 그러나, 이 경우, 공정비용이 매우 고가이며, 소량의 작업 처리량으로 대량의 T형 전극을 제조할 수 없으며, 공정 수율의 저하 및 수십 나노의 게이트 길이를 가지는 T형 전극을 형성할 수 없는 문제점이 있다.In the case of manufacturing the fine T-type gate electrode, an opening for determining the size of the gate length in the lower layer of the laminated resist using a laminated resist and an opening for determining the size of the over gate portion in the upper layer of the laminated resist. Forming each of them is conventionally performed. In this case, in order to obtain a laminated resist in which openings of different sizes are formed in separate layers from each other, a plurality of resist materials having different sensitivity are required. In addition, when the lift-off method is used for the production of the T-type gate electrode, it is necessary to provide a resist for an intermediate layer in the laminated resist that ensures easy lift-off. Since many electron beam resists have different sensitivity, since the necessity of the gate length of the lower end part in the said T-type gate electrode being 0.1 micrometer or less, the T-type gate electrode is made using the electron beam resist and expensive electron beam lithography. Manufacturing has been generally done. However, in this case, the process cost is very expensive, a large amount of T-type electrode cannot be manufactured with a small amount of throughput, and there is a problem that a T-type electrode having a lower process yield and a gate length of several tens of nanometers cannot be formed. have.
도 1a 내지 도 1e를 참조하여 종래의 HEMT소자의 T형 게이트 형성공정을 상세히 기술하면 다음과 같으며, 도 1a 내지 도 1e는 T형 게이트 전극이 형성되는 영역만을 도시한 것이다. Referring to FIGS. 1A to 1E, a T-type gate forming process of a conventional HEMT device will be described in detail as follows. FIGS. 1A to 1E illustrate only a region where a T-type gate electrode is formed.
반도체 기판(10)상에 식각 정지층(20), 캡층(30)으로 이루어진 에피택셜층과 Si3N4층(40)으로 형성된 패시베이션층의 상부에, 제1전자빔 레지스트층(50)과 PMGI층(60) 그리고 제2전자빔 레지스트층(70)을 형성한다. 도 1a는 T-게이트 전극의 패턴을 형성한 것을 나타낸 것으로 전자빔(E-beam) 리소그라피 공정을 이용하여 제2 전자빔 레지스트 패턴을 형성한 후, PMGI층을 습식식각을 적용하여 도 1a에 나타난 바와 같이 식각한다. 그리고, PMGI층의 식각을 통하여 노출된 제1전자빔 레지스트층을 전자빔 리소그라피 공정을 이용하여 패턴을 형성한다.The first electron
도 1b는 형성된 제1전자빔 레지스트 패턴을 이용하여 Si3N4층을 식각하는 단계를 나타낸 도면이다. 상기 Si3N4층을 식각공정을 통하여 노출된 부분으로 캡층(30)의 일부를 식각하면 도 1c와 같이 캡층의 일부영역이 식각되어, 상기 캡층의 빈 공간(100)내에 T형 게이트 전극의 하단부를 형성할 수 있다.FIG. 1B illustrates a step of etching the Si 3 N 4 layer by using the formed first electron beam resist pattern. When the portion of the
이후, 도 1d와 같이 캡층의 빈 공간이 형성된 영역에 금속물질을 증착(110)하고, 제1 및 제2 전자빔 레지스트 패턴과 PMGI층을 모두 제거하면 도 1e와 같은 T형 게이트 전극(115)을 구현할 수 있다. 그러나, 상기 금속물질인 게이트 하단부를 패턴이 형성된 빈 영역 내에 증착하는 과정에 있어서, 패시베이션층인 Si3N4층의 오픈된 영역을 통하여 캡층의 빈 공간내에 패턴을 형성하여야 하나, Si3N4층의 오픈된 영역의 갭이 수십 나노대이고 또한, 종횡비(aspect ratio)가 클 경우, 먼저 금속물질로 메워져 결국 게이트 전극이 끊어지는 문제점이 발생하여 단선이 되는 주요 원 인으로 작용하여 소자의 신뢰성을 저하시키는 등의 여러가지 공정상 문제점이 있다.Subsequently, as illustrated in FIG. 1D, when the metal material is deposited 110 on the area where the empty space of the cap layer is formed, and the first and second electron beam resist patterns and the PMGI layer are removed, the T-
또한, Si3N4층의 오픈된 영역의 갭이 먼저 금속물질로 메워지기 전에 캡층의 오픈된 영역(100)에 금속층이 증착되어 T형 게이트의 저면부(120)를 형성한다 하여도, 도 1f에 나타난 바와 같이, 식각 정지층(20)의 상부에 형성된 T형 게이트의 하부(120)가 바닥면에 가까이 갈수록 증착된 금속이 많은 형상(125)으로 구현된다. 따라서, 원하고자 하는 미세 선폭의 구현이 어려운 공정상의 문제점이 존재하며 이와 더불어, 상기와 같이 금속층이 많은 형상(125)은 T형 게이트 전극의 하부 폭(LGo)이 되어 HEMT 소자의 T형 게이트에 적용될 경우, HEMT 소자의 변조동작이 낮아지게 되어 소자의 특성 열화를 유발하게 되는 문제점이 있다. Further, even when the gap of the open region of the Si 3 N 4 layer is first filled with the metal material, the metal layer is deposited on the
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 반도체 기판상에 형성하는 종래의 에피택셜층에 더미 게이트 층을 추가적으로 형성하고, T형 게이트 전극의 형성공정 시, 게이트 마스크의 하부에 존재하는 더미 게이트층을 리세스 식각하여 T형 게이트 전극의 하부를 형성함으로써, 수십 나노 크기의 게이트 하부 폭을 갖는 T형 게이트 전극 및 형성방법을 제공함에 목적이 있다.Accordingly, the present invention additionally forms a dummy gate layer in a conventional epitaxial layer formed on a semiconductor substrate to solve the above problems, and in the formation process of the T-type gate electrode, the dummy gate existing under the gate mask. An object of the present invention is to provide a T-type gate electrode having a gate bottom width of several tens of nanometers and a forming method by recessing the layer to form a lower portion of the T-type gate electrode.
또한, 본 발명은 T형 게이트 전극의 미세 선폭의 조절을 용이하게 하는 T형 게이트 전극 형성방법을 제공함에 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a method for forming a T-type gate electrode to facilitate the adjustment of the fine line width of the T-type gate electrode.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 T형 게이트 전극 형성방법은 버퍼층, 채널층, 베리어층, 제2식각정지층, 더미 게이트층, 제1식각정지층, 캡층 및 패시베이션층(passivation layer)이 형성된 반도체 기판의 상부에 전자빔 레지스트(E-beam resist) 패턴을 형성하는 단계(S1), 상기 전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성되어 있는 패시베이션층을 식각하는 단계(S2), 상기 패시베이션층의 식각된 영역의 하부에 형성되어 있는 캡층 및 제1식각 정지층을 식각하는 단계(S3), 식각된 상기 캡층 및 제1식각정지층의 내부에 게이트 마스크를 형성하는 단계(S4), 상기 게이트 마스크의 하부와 제2식각정지층의 상부에 형성되어 있는 상기 더미 게이트 층을 리세스(recess) 식각하는 단계(S5) 및 상기 게이트 마스크의 상부에 게이트 전극의 형성을 위한 금속층을 증착하는 단계(S6)를 포함하며, 본 발명에 따른 T형 게이트 전극 형성방법으로 제작된 T형 게이트 전극은 반도체 기판의 상부에 형성된 T형 게이트 전극 중 가장 작은 폭을 가지는 하부 영역, 상기 하부 영역의 상부에 형성되어 상기 하부 영역을 형성하기 위한 게이트 마스크, 상기 게이트 마스크 및 게이트 전극 헤드의 확산을 방지하는 단일층 또는 다층의 확산 방지 금속층 및 상기 확산 방지 금속층의 상부에 형성되며, T형 게이트 전극 중 단면적이 가장 넓은 게이트 헤드로 이루어진다.T-type gate electrode forming method according to the present invention for achieving the above object is a buffer layer, a channel layer, a barrier layer, a second etching stop layer, a dummy gate layer, a first etching stop layer, a cap layer and a passivation layer (passivation layer) Forming an E-beam resist pattern on the formed semiconductor substrate (S1), etching a passivation layer formed on the lower portion of the electron beam resist pattern (S2), and etching the region of the passivation layer Etching the cap layer and the first etch stop layer formed at a lower portion (S3), forming a gate mask inside the etched cap layer and the first etch stop layer (S4), and at the bottom of the gate mask. Recessing the dummy gate layer formed on the second etch stop layer (S5) and depositing a metal layer for forming a gate electrode on the gate mask The T-type gate electrode including the system S6 and manufactured by the T-type gate electrode forming method according to the present invention includes a lower region having the smallest width among the T-type gate electrodes formed on the semiconductor substrate, and an upper portion of the lower region. A gate mask for forming the lower region, a single layer or a multi-layer diffusion barrier metal layer for preventing diffusion of the gate mask and the gate electrode head, and a cross-sectional area of the T-type gate electrode; This is made up of the widest gate heads.
바람직하게는, 상기 패시베이션층은 Si3N4이며, 상기 단계(S6) 이후, 열처리 하여 상기 리세스 식각된 더미 게이트층을 금속화하는 단계를 더 포함한다. Preferably, the passivation layer is Si 3 N 4 , and after the step (S6), further comprises the step of heat treatment to metallize the recess-etched dummy gate layer.
바람직하게는, 상기 단계(S1)는, 상기 캡층의 상부에 순차적으로 제1전자빔 레지스트, PMGI층, 제2전자빔 레지스트를 형성하는 단계, 상기 제2전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계, 상기 PMGI층을 사이드 식각하는 단계 및 상기 제1전자빔 레지스트 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.Preferably, the step (S1), the step of sequentially forming a first electron beam resist, a PMGI layer, a second electron beam resist on the cap layer, forming the second electron beam resist pattern, the PMGI layer Side etching and forming the first electron beam resist pattern.
바람직하게는, 상기 제1전자빔 레지스트 및 제2전자빔 레지스트는 양성 전자빔 레지스트로 ZEP이며, 상기 PMGI층은 수산화 테트라메틸암모늄 수용액의 식각용액을 이용한 습식 식각한다.Preferably, the first electron beam resist and the second electron beam resist are ZEPs as positive electron beam resists, and the PMGI layer is wet etched using an etching solution of tetramethylammonium hydroxide aqueous solution.
바람직하게는, 상기 패시베이션층을 식각하는 단계는 SF6과 Ar의 혼합가스를 사용하여 건식 식각하며, 상기 캡층 및 제1식각 정지층의 일부를 식각하는 단계는 시트르산(C6H8O7)과 과산화수소(H2O2)를 7:1로 혼합한 용액 및 염산계열(HCl:H3PO4:H2O= 1:1:1)의 용액을 사용한 습식 식각한다.Preferably, the etching of the passivation layer is dry etching using a mixed gas of SF 6 and Ar, and etching the part of the cap layer and the first etching stop layer is citric acid (C 6 H 8 O 7 ) Wet etching using a solution of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) 7: 1 and a solution of hydrochloric acid series (HCl: H 3 PO 4 : H 2 O = 1: 1: 1).
바람직하게는, 상기 단계(S5)은 인산(H3PO4)과 과산화수소(H2O2) 및 물(H2O)을 1:1:400의 비율로 혼합한 용액을 사용한다.Preferably, the step (S5) uses a solution in which phosphoric acid (H 3 PO 4 ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and water (H 2 O) in a ratio of 1: 1: 400.
바람직하게는, 상기 단계(S6)은 상기 게이트 마스크의 상부에 확산 방지층을 단일층 또는 다층으로 증착하는 단계 및 상기 확산 방지층의 상부에 게이트 헤드층을 증착하는 단계를 포함한다.Preferably, the step S6 includes depositing a diffusion barrier layer in a single layer or multiple layers on top of the gate mask and depositing a gate head layer on the diffusion barrier layer.
바람직하게는, 상기 반도체 기판은 HEMT 소자를 형성하기 위한 것으로, GaAs 계, InP계 기판 중 어느 하나이며, 상기 하부 영역은 비 도핑된 In0 .52AlAs, 상기 게이트 마스크는 Ni/Pt, 상기 확산 방지 금속층은 Ti/Pt, 상기 게이트 헤드는 Au이다. Preferably, as for the semiconductor substrate to form a HEMT device, and one of a GaAs-based, InP-based substrate, and the lower region is non-doped In 0 .52 AlAs, said gate mask Ni / Pt, the diffusion The protective metal layer is Ti / Pt and the gate head is Au.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하, 본 발명에 의한 감광막 패턴 형성방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a method of forming a photosensitive film pattern according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 공정 순서도이다.2 is a process flow chart of the present invention.
본 발명은 더미 게이트층을 포함한 에피택셜층(epitaxial layer) 및 패시베이션층이 형성된 반도체 기판상에 전자빔 레지스트 패턴을 형성하고(S101), 전자빔 레지스트 패턴의 하부층인 패시베이션층을 식각(S102)한 후, 순차적으로 캡층과 제 1 식각 정지 층을 식각(S103)한다. 이후, 식각된 캡층과 제1 식각 정지 층의 내부에 게이트 마스크를 형성하여(S104) 더미 게이트층을 리세스 식각(S105)한다. 최종적으로 형성하고자 하는 게이트 전극을 상기 증착(S106)하고 열처리(S107)하여 T형 게이트 전극을 형성한다.According to the present invention, after forming an electron beam resist pattern on a semiconductor substrate having an epitaxial layer including a dummy gate layer and a passivation layer (S101), and etching the passivation layer which is a lower layer of the electron beam resist pattern (S102), The cap layer and the first etch stop layer are sequentially etched (S103). Thereafter, a gate mask is formed in the etched cap layer and the first etch stop layer (S104) to recess-etch the dummy gate layer (S105). Finally, the gate electrode to be formed is deposited (S106) and heat treated (S107) to form a T-type gate electrode.
본 발명의 실시예에 따른 T형 게이트 전극의 형성방법은, 더미 게이트층을 포함한 에피택셜층 및 패시베이션층이 형성된 반도체 기판상에 T형 게이트 패턴 형성 공정과 캡층의 일부를 식각하는 공정과, 식각된 캡층의 내부에 게이트 마스크를 형성하는 공정과, 상기 게이트 마스크를 사용하여 더미 게이트 층을 리세스 식각하여 T형 게이트의 하단부분의 길이를 결정하는 공정과, 게이트 전극의 형성을 위한 금속층을 형성하는 공정을 포함하고 더욱 필요에 따라서 적절하게 선택한 공정을 포함한다.A method of forming a T-type gate electrode according to an exemplary embodiment of the present invention may include forming a T-type gate pattern and etching a portion of a cap layer on a semiconductor substrate having an epitaxial layer and a passivation layer including a dummy gate layer, and etching. Forming a gate mask in the cap layer, recessing the dummy gate layer using the gate mask to determine the length of the lower portion of the T-type gate, and forming a metal layer for forming the gate electrode It includes the process to make it, and further includes the process selected suitably as needed.
-더미 게이트층을 포함한 에피택셜층 및 패시베이션층이 형성된 반도체 기판-A semiconductor substrate having an epitaxial layer and a passivation layer including a dummy gate layer
본 발명에 따른 T형 게이트 전극 형성방법은 우선, 더미 게이트층을 포함한 에피택셜층(epitaxial layer) 및 패시베이션층이 형성된 반도체 기판을 이용한다. The T-type gate electrode forming method according to the present invention first uses a semiconductor substrate having an epitaxial layer including a dummy gate layer and a passivation layer.
도 3a를 참조하여 설명하면, 반도체 기판은 HEMT를 제조하기 위하여 GaAS 또는 InP계 물질을 사용하며, 반도체 물질의 단일 웨이퍼를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 InP HEMT소자를 제조하기 위한 바람직한 실시형태에 있어서, InP 계열의 기판을 적용하였다. Referring to FIG. 3A, a semiconductor substrate may use a GaAS or InP-based material to manufacture a HEMT, and may include a single wafer of semiconductor material. However, in the present invention, in the preferred embodiment for manufacturing InP HEMT device, an InP series substrate is applied.
상기 반도체 기판의 상부에 형성되는 에피택셜층(245)은 버퍼층/채널층/베리어층/제2식각정지층/더미 게이트층/제1식각정지층/캡층으로 형성된다. The
우선 반도체 기판의 상부에 형성되는 버퍼층(180)과 베리어층(barrier, 200)은 In0 .52AlAs로 형성하고, 채널(channel,190)층은 InGaAs로 형성한다. 상기 베리어층(200)의 상부에 순차적으로 제2식각정지층(210)을 형성한다. 상기 제2식각정지층은 향후, 게이트 전극의 열처리 공정 시 금속을 베리어층까지 확산시키기 위하여 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 상기 제2식각정지층은 InP로 형성할 수 있다.
상기의 제2식각정지층의 증착 후, 상부에 더미 게이트층(Dummy Gate Layer,220)을 형성한다. 본 발명은 종래의 에피택셜층에 더미 게이트층을 삽입하여 T형 게이트 전극을 형성하므로, 종래의 전자빔 리소그라피 장비의 한계를 극복하여 T형 게이트 전극의 하부영역을 수십 나노 크기의 폭으로 구현할 수 있으며, T형 게이트 전극의 하부 영역의 폭을 용이하게 조절할 수 있는 이점이 있다. 상기 더미 게이트 층은 T형 게이트 전극의 형성물질로 비도핑된 층으로 형성하며, 예컨대 In0 .52AlAs를 적용하여 형성한다. 상기 더미 게이트 층은 이후 공정인 게이트 마스크 아래의 원활한 식각과 게이트 마스크와 채널간의 기생 용량 성분을 줄이기 위하여 두껍게 형성하는 것이 좋으며, 오믹(Ohimc)특성과 열처리 깊이를 감안하여 더미 게이트 층의 두께는 약 200Å의 정도로 형성하는 것이 가장 바람직하다. After the deposition of the second etch stop layer, a
형성된 상기 더미 게이트 층의 상부에 제1식각정지층(230)을 증착한다. 제1 식각정지층은 오믹특성을 위하여 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 제2식각 정지층과 동일한 물질인 InP로 형성할 수 있다.The first
다음으로, 상기 제1식각 정지층의 상부에 캡층(Cap Layer,240)을 형성하는데, 캡층은 이후 수행되는 더미 게이트 층의 식각 공정을 위하여 게이트 마스크층의 두께보다 두꺼운 것이 좋으나, 너무 두꺼울 경우 더미 게이트 층의 식각 후 최종 게이트 헤드의 증착 시 패시베이션층과 게이트 마스크 사이로 금속물질(metal) 증착되어 원하지 않는 게이트 풋(foot)이 추가적으로 발생하는 문제점이 있으므로 적정한 두께로 형성한다. 이러한 캡층의 도핑은 오믹 특성의 향상과 열처리로 인한 실리콘 도펀트의 인터레이어(interlayer) 믹싱(Mixing)을 방지하기 위하여 도핑 농도를 2단으로 분리하여 형성할 수 있으며 이때 도핑 농도를 증가시켜 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서, 캡층은 In0 .53GaAs로 형성한다. Next, a
이후, 소자 간의 격리(isolation)을 위해 트랜지스터로 동작할 액티브 영역의 에피택셜층만을 남기고 나머지 부분을 식각하는 공정으로 상기 액티브 영역이 메사(mesa) 형태로 형성되는 메사 공정하며, 메사 형태로 형성된 액티브 영역의 소스와 드레인 전극을 금속물질을 증착하여 오믹 콘택을 형성하고, 오믹 콘택이 형성된 액티브 기판상에 패시베이션층(passivation layer)을 형성한다. 상기 패시베이션층은 HEMT소자의 제작과정에서 발생하는 특성저하를 방지하는 기능을 수행한다. 본 발명에서 상기 패시베이션층은 Si3N4(250)을 이용하여 형성한다. Thereafter, only the epitaxial layer of the active region to be operated as a transistor is etched and the remaining portions are etched in order to isolate the devices, and the active region is formed in a mesa shape. The source and drain electrodes of the region are deposited to form ohmic contacts, and a passivation layer is formed on the active substrate on which the ohmic contacts are formed. The passivation layer functions to prevent deterioration of characteristics that occur during the manufacturing of the HEMT device. In the present invention, the passivation layer is formed using Si 3 N 4 (250).
상기의 HEMT 소자의 형성공정 중 반도체 기판상에 형성하는 에피택셜층에 더 미 게이트 층을 삽입하여 형성하는 것을 제외하고, 메사 공정 및 오믹 콘택 및 패시베이션 층의 형성공정은 종래의 공정과 동일한 과정으로 수행된다. 이후, 수행되는 공정은 본 발명의 T형 게이트 전극의 형성공정으로, 도 3b 내지 도 3h는 T형 게이트 전극의 형성영역(G)만을 도시하였다.The process of forming the mesa process and the ohmic contact and passivation layer is the same as the conventional process, except that a dummy gate layer is inserted into the epitaxial layer formed on the semiconductor substrate during the HEMT device formation process. Is performed. Subsequently, the process is performed to form the T-type gate electrode of the present invention, and FIGS. 3B to 3H show only the formation region G of the T-type gate electrode.
-전자빔 레지스트 패턴 형성-Electron Beam Resist Pattern Formation
T형 게이트 패턴을 형성하기 위하여 상기 패시베이션층의 상부에 전자빔에 감응하는 전자빔 레지스트를 갖는 다층의 레지스트 형성공정을 수행한다.In order to form a T-type gate pattern, a multilayer resist forming process having an electron beam resist sensitive to an electron beam is performed on the passivation layer.
본 발명의 도 3b는 상기 패시베이션층의 상부에, 전자빔 레지스트 및 PMGI층이 도포된 것을 도시한 것이며, 본 발명의 도 3c는 전자빔 레지스트 및 PMGI층의 패턴이 형성된 것을 도시한 것이다. 상기 T형 게이트 전극 형성을 위한 도포공정이 완료된 반도체 기판의 상부 즉, Si3N4층(250)의 상부에 제1전자빔 레지스트(260), PMGI층(270), 제2전자빔레지스트(280)를 순차적으로 도포한 후, 패터닝한다. 이때, 상기 제2전자빔 레지스트의 패터닝된 폭(D2)이 제1전자빔 레지스트의 패터닝된 폭(D1) 보다 넓게 형성하여 상부가 하부보다 넓은 형태의 개구부가 형성되도록 한다. FIG. 3B of the present invention shows that the electron beam resist and the PMGI layer are applied on the passivation layer, and FIG. 3C of the present invention shows that the pattern of the electron beam resist and the PMGI layer is formed. The first electron beam resist 260, the
이를 상세히 설명하면, 상기 반도체 기판의 최상부에 형성된 제2전자빔 레지스트 패턴을 T형 게이트 전극의 상부 폭으로 정의한다. 상기 제2전자빔 레지스트는 양성 전자빔 레지스트로 최소의 선폭으로 구현이 가능한 ZEP등이 적용될 수 있으며, 전자빔 리소그라피 장비를 사용하여 형성한다. In detail, the second electron beam resist pattern formed on the top of the semiconductor substrate is defined as the upper width of the T-type gate electrode. The second electron beam resist may be a ZEP that can be implemented with a minimum line width as a positive electron beam resist, and is formed using an electron beam lithography apparatus.
이후, 패턴이 형성된 제2전자빔 레지스트를 마스크로 사용하여 PMGI막을 식각한다. 제1전자빔 레지스트와 제2전자빔 레지스트의 중간층으로 존재하는 PMGI막은 수산화 테트라메틸암모늄 수용액등을 사용한 습식 식각방법으로 시간을 조절하여 식각정도를 제어하여 사이드 식각 처리를 수행하였다. 이 사이드 식각된 PMGI 층의 폭(D3)은 제2전자빔 레지스트의 패턴 폭 보다도 큰 형상으로,이는 T형 게이트 전극의 저항을 줄여 잡음 특성을 개선하기 위하여 상부의 단면적을 넓게 형성하기 위한 T형 게이트의 헤드(head)영역을 정의하기 위한 것이다.Thereafter, the PMGI film is etched using the patterned second electron beam resist as a mask. The PMGI film, which is an intermediate layer between the first electron beam resist and the second electron beam resist, was subjected to side etching by controlling the etching degree by controlling the time by a wet etching method using tetramethylammonium hydroxide aqueous solution or the like. The width D 3 of the side-etched PMGI layer is larger than the pattern width of the second electron beam resist, which is T-shaped to form a wide cross-sectional area of the upper part in order to reduce noise of the T-type gate electrode and improve noise characteristics. This is to define the head area of the gate.
순차적으로, 식각된 PGMI막의 저면에 형성된 제1전자빔 레지스트 패턴을 형성한다. 상기 제1 전자빔 레지스트는 T형 게이트의 하단부분의 길이를 정의하는 것으로, 0.1㎛이하의 선폭으로 구현한다. 제1전자빔 레지스트 패턴은 양성 전자빔 레지스트로 최소 선폭의 구현이 가능한 ZEP등의 레지스트가 적용되며 전자빔 리소그라피 장비를 사용하여 형성한다. Subsequently, a first electron beam resist pattern formed on the bottom surface of the etched PGMI film is formed. The first electron beam resist defines the length of the lower portion of the T-type gate and is implemented with a line width of 0.1 μm or less. The first electron beam resist pattern is a positive electron beam resist, and a resist such as ZEP capable of realizing a minimum line width is applied, and is formed using an electron beam lithography apparatus.
제1전자빔 레지스트의 패턴이 모두 정의되고 나면 제1전자빔 레지스트 패턴의 하부에 형성된 Si3N4(250)를 식각한다. 상기 Si3N4의 식각은 SF6/Ar의 혼합가스를 사용한 건식식각공정으로 수행될 수 있다. 이때, 상기 Si3N4의 식각과정 중 SF6/Ar의 혼합가스가 Si3N4의 상부에 존재하는 제 1전자빔 레지스트와 반응하여 Si3N4의 식각측면에 잔여물(300)이 남게되어 제1전자빔 레지스트로 정의된 폭보다 작은 폭으로 식각된다.After all of the patterns of the first electron beam resist are defined, the Si 3 N 4 250 formed under the first electron beam resist pattern is etched. The etching of Si 3 N 4 may be performed by a dry etching process using a mixed gas of SF 6 / Ar. At this time, the first electron beam resist and react to the
-캡층과 제1식각정지층의 식각-Etch of Cap Layer and First Etch Stop Layer
T형 게이트 전극의 형성을 위한 전자빔 레지스트 패턴 형성공정이 수행된 후전자빔 레지스트 패턴의 하부에 존재하는 캡층과 제1식각정지층의 일부를 식각하는 공정을 수행한다.After the electron beam resist pattern forming process for forming the T-type gate electrode is performed, a process of etching a portion of the cap layer and the first etch stop layer under the electron beam resist pattern is performed.
도 3d는 본 발명의 캡층과 제1식각정지층이 식각된 반도체 기판의 단면도이다. 상기의 캡층(240)과 제1식각정지층(230)의 일부를 식각하는 공정은 종래의 HEMT 소자를 제작하기 위한 공정에 있어서, 베리어층의 상부에 게이트를 형성하기 위한 공정을 동일하게 수행한다. 상기 캡층은 시트르산(citric acid, C6H8O7)과 과산화수소(H2O2)를 7:1로 혼합한 용액을 사용한 습식식각 공정을 적용하며, 제1식각정지층은 염산계열(HCl:H3PO4:H2O=1:1:1)의 식각용액을 사용한 습식식각 공정을 적용할 수 있다. 3D is a cross-sectional view of a semiconductor substrate in which a cap layer and a first etch stop layer of the present invention are etched. In the process of etching a portion of the
-게이트 마스크의 형성-Formation of gate mask
상기 공정이 완료된 기판의 제1식각정지층까지 식각된 구조물의 내부 즉, 캡층 및 제1식각정지층의 식각된 영역에 게이트 마스크를 형성하는 공정을 수행한다. 상기 게이트 마스크층은 이후 수행되는 더미 게이트 층의 식각공정 시 마스크로 사용하며, 사용된 이후, 최종적으로 수행되는 열처리 공정을 통하여 기저 게이트 마스크가 게이트 층을 안정적으로 금속배선(metalization)화 할 수 있는 구조이다. 이러한 게이트 마스크는 니켈(Ni)과 백금(Pt)으로 형성하며, 전자선 증착기로 증착 할 수 있다. 도 3e는 캡층 및 제2식각정지층까지 식각된 구조물의 내부에 게이트 마스크(320)가 형성된 반도체 기판의 단면을 나타낸 도면이다. A process of forming a gate mask in the etched regions of the cap layer and the first etch stop layer is performed in the structure etched to the first etch stop layer of the substrate on which the process is completed. The gate mask layer is used as a mask in the subsequent etching process of the dummy gate layer, and after being used, the base gate mask can stably metallize the gate layer through a heat treatment process performed finally. Structure. The gate mask is formed of nickel (Ni) and platinum (Pt), and may be deposited by an electron beam evaporator. 3E is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a
-더미 게이트 층 식각-Dummy Gate Layer Etch
상기 게이트 마스크층의 형성 후, 상기 게이트 마스크층을 마스크로 적용하여 게이트 마스크의 하부에 존재하는 더미 게이트층의 일부를 식각하는 리세스(recess)공정을 수행하여 T형 게이트 전극의 하부 영역을 형성한다. 본 발명의 도 8은 게이트 마스크(320)를 사용하여 리세스 공정을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 상기 더미 게이트 층의 식각을 위한 리세스 공정은 제2식각 정지층을 식각 정지층으로 적용하여 더미 게이트 층만을 습식 식각 한다. 상기 습식 식각에 사용된 용액은 인산(H3PO4)과 과산화수소(H2O2) 및 물(H2O)을 1:1:400으로 혼합한 용액을 사용하여 식각한다. 이때 상기 게이트 마스크층을 구성하고 있는 Ni/Pt에 의한 전기적 화학적 식각(Electro chemical etch)효과에 기인하여 게이트 마스크의 하부에서 측면쪽으로의 식각율이 다른 영역에 비하여 크기 때문에 게이트 층의 식각된 형상(330)이 도 3f과 같이 형성된다. After forming the gate mask layer, a recess process of etching a portion of the dummy gate layer under the gate mask is performed by applying the gate mask layer as a mask to form a lower region of the T-type gate electrode. do. 8 illustrates a result of performing a recess process using the
-최종 게이트 전극 물질의 증착-Deposition of final gate electrode material
상기 게이트 층의 식각공정 완료 후, 최종적으로 형성될 T형 게이트 전극을 순차적으로 증착하는 공정을 수행한다. 도 3g에 나타난 바와 같이 상기 게이트 전 극의 증착은 티타늄(Ti)과 백금(Pt)과 금(Au)을 순차적으로 증착하여 형성한다. 따라서 형성된 T형 게이트 전극은 하부를 기준으로 Ni/Pt(320)/Ti(340)/Pt(350)/ Au(360)의 다층구조로 형성된다. 상기 Ti는 Pt 바닥의 확산 방지를 위한 기능을 수행하며, Ti의 상부에 증착되는 Pt는 T형 게이트 전극의 헤드기능을 하는 Au의 확산을 방지하기 위한 것으로 상기 Ti(340) 및 Pt(350)은 T형 게이트의 확산방지층(380)이다. 또한, 상기 게이트 전극의 헤드 물질인 Au는 저항이 작아 T형 게이트 전극의 잡음 특성을 개선할 수 있어 향후, HEMT 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.After the etching of the gate layer is completed, a process of sequentially depositing a T-type gate electrode to be finally formed is performed. As shown in FIG. 3G, the gate electrode is deposited by sequentially depositing titanium (Ti), platinum (Pt), and gold (Au). Therefore, the formed T-type gate electrode is formed in a multilayer structure of Ni /
-리프트 오프 및 게이트 열처리-Lift off and gate heat treatment
상기 최종 게이트 전극물질이 증착된 구조물 중 제1 전자빔 레지스트, PMGI층, 제2전자빔 레지스트를 리프트 오프(lift-off)법으로 제거한 후, 게이트 마스크 밑의 존재하는 더미 게이트층(330)을 열치리를 통하여 금속화시켜 T형 게이트 전극의 하부로 사용한다. 상기 열처리 공정은 급속열처리(RTA) 장치를 사용하며, 챔버내에 질소가스를 5torr의 유량으로 주입하여 공정을 수행한다. After removing the first electron beam resist, the PMGI layer, and the second electron beam resist among the structures on which the final gate electrode material is deposited by a lift-off method, the
따라서, 본 발명은 게이트 마스크층(320)의 저면에 더미 게이트층을 적용하여 게이트 전극의 하부(330)를 형성함으로써 도 3h에 나타난 바와 같이 종래의 T형 게이트 전극의 하부의 폭(LGO)보다 더욱 더 좁은 게이트 전극의 하부 폭(LG)을 형성할 수 있으며, 이로 인하여, 전자빔 리소그라피 장비의 한계를 극복하여 기존의 구 현가능한 최소 선폭보다 더 좁은 선폭을 구현할 수 있으며, 이로 인하여, HEMT 소자의 차단 주파수 특성의 향상 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.Accordingly, the present invention forms a
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, T형 게이트 전극의 하단 영역의 폭을 수십 나노 스케일로 구현이 가능하며, 기존의 장비의 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, the width of the lower region of the T-type gate electrode may be realized at several tens of nanoscales, and the effect of overcoming the limitations of existing equipment may be achieved.
또한, 본 발명에 따르면, 패시베이션층의 오픈된 영역의 갭이 수십 나노대에서 먼저 금속물질로 메워져 게이트 전극이 단선 되는 문제를 방지할 수 있어, 공정상의 수율을 향상시키며, 이로 인하여 HEMT 소자의 특성 열화를 방지하여 신뢰성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, the gap of the open region of the passivation layer is first filled with a metal material in several tens of nanometers to prevent the problem of disconnection of the gate electrode, thereby improving the process yield, thereby improving the characteristics of the HEMT device There is an effect that can increase the reliability by preventing degradation.
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KR1020050118039A KR100681842B1 (en) | 2005-12-06 | 2005-12-06 | T-type gate electrode and method for fabricating the same |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101423421B1 (en) | 2013-01-10 | 2014-07-24 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Dual damascene metal gate |
US10668503B2 (en) | 2012-03-09 | 2020-06-02 | Aaa Screens Pty Ltd | Transfer conveyor assembly for a screening apparatus |
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- 2005-12-06 KR KR1020050118039A patent/KR100681842B1/en not_active IP Right Cessation
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