KR20010037459A - 반도체소자 제조방법 - Google Patents

반도체소자 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체소자 제조방법을 개시한다. 이에 의하면, 각각의 채널에 평행한 제 1, 2 게이트전극의 길이가 X, Y축 방향으로 배열한 기존의 제 1 포토마스크를 이용하여 제 1, 2 게이트전극을 기판 상에 형성하고, 기판 상의 제 1, 2 게이트전극의 길이를 각각 측정하고 비교하여 이들의 차이에 기초로 하는 마스크 바이어스를 계산하고 이를 이용하여 길이를 보정한 제 1, 2 게이트전극의 패턴을 새로운 제 2 포토마스크에 형성한다.
따라서, 본 발명은 제 2 포토마스크를 이용하여 채널에 평행한 게이트전극의 길이의 배열 방향에 영향을 받지 않고 CD 차이가 없는 동일한 제 1, 2 게이트전극의 길이를 하나의 동일 기판에 형성할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 고속 CPU나 로직회로의 속도를 향상시키고 수율을 높일 수 있다.

Description

반도체소자 제조방법{method for manufacturing semiconductor devices}
본 발명은 반도체소자 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 칩에서 트랜지스터들의 게이트전극의 배열 방향에 영향을 받지 않고 각각의 게이트 CD 편차를 줄이도록 한 반도체소자 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 집적회로의 고집적화를 위해 트랜지스터와 같은 반도체소자의 사이즈가 축소되면서 게이트전극의 CD(Critical dimension)가 축소되어 왔다. 이에 따라 게이트전극의 채널 길이가 하나의 칩에서 다르게 될 가능성이 높아지므로 하나의 칩에서 게이트전극의 채널 길이를 동일하게 가져가는 작업이 점차 중요해진다. 통상, 하나의 동일 칩을 위한 기판(10)에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 채널에 평행한 X축 방향의 게이트 길이(L1)를 갖는 제 1 게이트전극(11)과, 채널에 평행한 Y축 방향의 게이트 길이(L3)를 갖는 제 2 게이트전극(13)이 함께 형성된다. 설명의 편의상 이해를 돕기 위하여 도면에서 하나의 칩 상에 제 1, 2 게이트전극(11),(13)이 하나씩 형성된 것으로 도시되어 있으나 실제로는 하나의 칩 상에 제 1, 2 게이트전극(11),(13)이 수십개씩 형성됨은 당연한 사실이다.
그런데, 종래에는 기판(10) 상의 게이트 길이(L1),(L3)가 동일하도록 제 1, 2 게이트전극(11),(13)을 위한 패턴이 동일 사이즈로 포토마스크(도시 안됨)에 형성되므로 게이트 길이(L1),(L3)가 0.2μm 이하로 축소되면, 실제로 기판(10)에 형성된 제 1, 2 게이트전극의 게이트 CD가 차이를 나타낸다. 이는 게이트전극을 형성하기 위해 사용된 마스크/포토 스캐닝 방향/식각공정 때의 방향성으로부터 유발된 제 1, 2 게이트전극 간의 스큐(skew) 때문이다.
이러한 차이를 보정하지 않으면, 하나의 칩에서 게이트 길이(L1),(L3)을 갖는 제 1, 2 게이트전극의 게이트 CD가 도 2의 정규분포곡선에 도시된 바와 같이, 각각 L11과 L13의 값으로 2분화된다. 즉, 게이트 길이(L1)에 대한 게이트 CD가 원하는 목표값이라면 게이트 길이(L3)에 대한 게이트 CD가 목표값보다 크고, 게이트 길이(L3)에 대한 게이트 CD가 원하는 목표값이라면 게이트 길이(L1)에 대한 게이트 CD가 목표값보다 작아서 게이트 CD가 목표값보다 크거나 작아진 트랜지스터의 동작 특성이 불량해진다. 그러므로, 고속 CPU나 로직소자와 같은 서브쿼터마이크론(sub-quarter micron) 소자에서는 게이트 CD의 편차를 가능한 한 줄여주는 것이 제품의 성능을 향상시키고 또한 수율을 높이는 중요한 역할을 한다.
가령, 게이트 CD가 목표값보다 커지면, 게이트전극의 유효 채널길이(Leff)가 커지고, 문턱전압(Vth)이 증가하고, 드레인 포화전류(Idsat)가 감소하며 드라인브인(drive-in) 전류가 감소한다. 이는 트랜지스터의 특성을 저하시켜 고속 CPU나 로직 소자의 속도를 감소시키는 원인이 된다. 반면에, CD가 목표값보다 작아지면, 문턱전압(Vth)이 감소하고, 드레인 포화전류가 증가하고, 누설전류인 오프(off) 전류가 증가하고 항복전압(breakdown voltage)의 감소한다. 이는 트랜지스터의 동작불능과 같은 불량(fail)을 가져오고 나아가 고속 CPU나 로직소자의 수율 저하를 가져온다.
현재, 하나의 동일 칩에서 게이트전극들 간의 길이 CD 편차를 줄이는 방법으로는 게이트전극의 물질을 변화시키는 방법, 게이트전극을 하드 마스킹하는 방법, 감광막의 종류 또는 두께를 변경시키는 방법, 게이트전극의 식각조건을 변화시키는 방법 그리고 게이트전극의 패턴 밀도에 따라 사이드 오피씨(side optical proximity correlation)을 추가하는 포토마스크 방법이 널리 알려져 있다. 게이트전극의 물질을 변화시키는 방법은 게이트전극을 위한 물질, 예를 들어 다결정실리콘층의 적층조건을 변화하여 다결정실리콘층의 입자 사이즈를 변화시키고 모포로지(morphology)를 평탄(smooth)하게 하거나 게이트전극을 위한 다결정실리콘층의 두께를 감소시킨다. 게이트전극을 하드 마스킹하는 방법은 게이트전극을 위한 다결정실리콘층 상에 하드 마스크로서 얇은 산화막 또는 질화막을 적층하고 감광막의 패턴으로 하드 마스크를 선택적으로 식각하고, 남은 하드 마스크의 패턴으로 다결정실리콘층을 식각하여 게이트전극을 형성한다. 감광막의 종류를 변경시키는 방법은 네거티브 또는 포지티브 감광막을 사용하거나 감광막의 감도를 증감하거나 감광막의 두께를 감소시킨다. 게이트전극의 식각조건을 변화시키는 방법은 예를 들어 다결정실리콘층을 선택 식각 때에 식각조건을 다르게 한다. 한편, 게이트전극의 CD 편차는 패턴 밀도에 따라 크게 변하는 성질이 있으므로 종래의 방법 중에는 패턴 밀도에 따라 선택적인 바이어싱(selective biasing)을 하는 방법이 있기도 하나 이는 패턴이 배열된 방향에 따라서는 게이트전극의 CD 편차를 보정하기 어려운 단점을 갖는다.
따라서, 본 발명의 목적은 게이트전극의 배열방향에 영향을 받지 않고 게이트전극의 길이 CD 편차를 줄이도록 한 반도체소자 제조방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법은
각각의 채널에 평행한 길이의 부분이 서로 다른 방향으로 배열된 제 1, 2 게이트전극을 기판 상에 형성하는 단계;
상기 제 1, 2 게이트전극의 길이를 측정하는 단계;
상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이를 기초로 하는 상기 제 1, 2 게이트전극의 보정된 패턴을 제 2 포토마스크에 형성하는 단계; 그리고
상기 제 2 포토마스크를 이용하여 상기 기판에 보정된 제 1, 2 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제 2 포토마스크에 형성하는 단계는
상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이를 비교하는 단계; 그리고
상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이의 차이에 기초로 하는 마스크 바이어스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1, 2 게이트전극의 길이 중 어느 하나가 원하는 목표값보다 크면, 이에 해당하는 게이트전극의 길이를 줄여서 상기 제 2 포토마스크에 형성한다. 상기 제 1, 2 게이트전극의 길이 중 어느 하나가 원하는 목표값보다 작으면, 이에 해당하는 게이트전극의 길이를 늘여서 상기 제 2 포토마스크에 형성한다. 상기 게이트전극의 길이를 푸쉬 바이어스방법 또는 상전이방법을 이용하여 가변시킬 수 있다. 상기 제 1, 2 게이트전극을 다결정실리콘층으로 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 각각의 채널에 해당하는 게이트 길이의 상이한 배열 방향에 영향을 받지 않고 동일 게이트 CD를 갖는 게이트전극들을 하나의 동일 기판에 형성할 수 있다.
도 1은 일반적인 반도체소자에 적용된 게이트전극들이 상이한 방향으로 배열된 것을 나타낸 예시도.
도 2는 종래 기술에 의한 상이한 배열 방향의 게이트전극들의 CD 분포곡선도.
도 3은 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법에 적용된, 상이한 배열 방향의 게이트전극의 CD 편차를 줄이기 위한 플로우차트.
도 4는 본 발명에 의한 상이한 배열 방향의 게이트전극들의 CD 분포곡선도.
이하, 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 종래의 부분과 동일 구성 및 동일 작용의 부분에는 동일 부호를 부여한다.
도 2는 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법에 적용된 게이트전극의 채널 길이의 CD 편차를 줄이기 위한 플로우차트이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 먼저, 기판(10)의 필드영역(도시 안됨)에 LOCOS(local oxidation of silicon) 또는 STI(shallow trench isolation)과 같은 아이솔레이션공정에 의해 아이솔레이션층을 형성하여 기판(10)의 액티브영역을 정의하고, 아이솔레이션층을 마스크로 이용하여 기판(10)의 액티브영역에 게이트절연막(도시 안됨)을 예를 들어 열산화공정에 의해 성장시킨다. 그런 다음, 게이트절연막 상에 게이트전극을 위한 도전층, 예를 들어 다결정실리콘층을 적층한 후 보정이 안된 제 1 포토마스크를 이용하여 사진식각공정에 의해 불필요한 부분의 다결정실리콘층을 제거함으로써 채널에 평행한 X축 방향의 게이트 길이(L1)를 갖는 제 1 게이트전극(11)과, 채널에 평행한 Y축 방향의 게이트 길이(L3)를 갖는 제 2 게이트전극(13)을 형성한다. 설명의 편의상 이해를 돕기 위하여 도면에 제 1 게이트전극과 제 2 게이트전극이 하나씩 도시되어 있으나 실제로는 제 1 게이트전극과 제 2 게이트전극이 다수개 형성됨은 자명한 사실이다.
제 1, 2 게이트전극(11),(13)이 형성되고 나면, 제 1, 2 게이트전극(11),(13)의 게이트 길이(L1),(L3)를 예를 들어 전자주사현미경(scanning electron microscope)으로 측정한다. 여기서, 측정은 제 1, 2 게이트전극(11),(13)의 형성 후에 인시튜(in situ)로 이루어지거나, 필요하다면, 측정을 위해 기판이 개별 측정 스테이션으로 반송될 수 있다.
기판 상의 모든 제 1, 2 게이트전극에 대해 요구되는 값으로부터 게이트전극의 게이트 CD의 상대 편차를 반영하는 것으로서 기판 상의 하나의 게이트전극의 길이를 측정할 수 있다. 또한, 기판 상의 요구되는 수량의 게이트전극을 측정하는 것도 무방하다. 제조 뱃치(batch)에서 처리되는 모든 기판에 대해 요구되는 값으로부터 게이트전극 의 게이트 CD의 상대 편차를 반영하는 것으로서 뱃치 내의 단일 기판을 측정할 수 있다. 또한, 제조 뱃치 내의 요구되는 수량 또는 선택된 칩에서 다수의 게이트 전극을 측정하여도 무방하다.
게이트전극(11),(13)이 측정되고 나면, 측정된 게이트전극(11),(13)의 길이(L1),(L3)를 비교한다. 여기서, 이들의 차이가 발생하는 것이 통상적인데, 이는 게이트전극을 형성하기 위해 사용된 마스크/포토 스캐닝 방향/식각공정 때의 방향성으로부터 유발된 제 1, 2 게이트전극 간의 스큐(skew) 때문이다.
게이트전극(11),(13)의 길이가 비교되고 나면, 측정된 게이트전극(11),(13)의 길이의 차이에 기초로 하는 마스크 바이어스를 계산한다. 마스크 바이어스의 결정은 요구되는 게이트 길이로부터 실제의 게이트 길이의 편차를 고려할 수 있다.
마스크 바이어스가 계산되고 나면, 계산된 마스크 바이어스를 이용하여 보정된 포토마스크(도시 안됨)를 제조한다. 이를 좀 더 상세히 언급하면, 측정된 게이트 길이(L1)의 CD가 목표값과 동일하고 측정된 길이(L3)의 CD가 목표값보다 큰 경우, 게이트전극(13)의 길이(L3)의 CD와 게이트전극(11)의 길이(L1)의 CD를 동일하게 하기 위해 게이트전극(13)의 길이(L3)에 해당하는, 새로운 제 2 포토마스크 상의 게이트전극의 길이 CD를 줄여주고 게이트전극(11)의 길이(L1)에 해당하는, 새로운 제 2 포토마스크 상의 게이트전극의 길이 CD를 그대로 둔다. 즉, 게이트전극(11)의 길이(L1)에 해당하는 게이트전극의 길이를 포토마스크 상에 그대로 형성하기 위해 오버랩 없이 10번의 전자빔 주사가 필요하다고 가정하면, 게이트전극(13)의 길이(L3)에 해당하는 게이트전극의 길이를 포토마스크 상에 줄여서 형성하기 위해서는 특정 이웃한 전자빔 스폿들간에 정해진 치수의 오버랩을 주면서 10번의 전자빔 주사를 실시한다. 이와 마찬가지로, 측정된 길이(L3)의 CD가 목표값과 동일하고 측정된 길이(L1)의 CD가 목표값보다 큰 경우에도 동일한 방법을 실시한다. 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위해 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와는 반대로, 측정된 길이(L1)의 CD가 목표값과 동일하고 측정된 길이(L3)의 CD가 목표값보다 작은 경우, 길이(L3)의 CD와 길이(L1)의 CD를 동일하게 하기 위해 게이트전극(11)의 길이(L3)에 해당하는, 새로운 제 2 포토마스크 상의 게이트전극의 길이 CD를 늘여준다.
즉, 게이트전극(11)의 길이(L1)에 해당하는 게이트전극의 길이를 포토마스크 상에 그대로 형성하기 위해 오버랩 없이 10번의 전자빔 주사가 필요하다고 가정하면, 게이트전극(13)의 길이(L3)에 해당하는 게이트전극의 길이를 포토마스크 상에 늘여서 형성하기 위해서는 특정 이웃한 전자빔 스폿들간에 정해진 치수의 오버랩을 주면서 10번 이상의 전자빔 스폿을 실시한다. 이와 마찬가지로, 측정된 길이(L3)의 CD가 목표값과 동일하고 측정된 길이(L1)의 CD가 목표값보다 큰 경우에도 동일한 방법을 실시한다. 설명의 편의상 설명의 중복을 피하기 위해 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 길이(L1),(L3)의 CD 차이가 마스크 최소 전자빔 사이즈인 1 스폿보다 작으면, 푸시 바이어스(push bias)를 진행하거나 상전이(phase shift) 방법을 실시한다. CD 차이가 마스크 최소 전자빔 사이즈인 1 스폿보다 크면, 전자빔 생성 때에 1 스폿 또는 그 이상을 보정한다.
새로운 제 2 포토마스크가 제조되고 나면, 상기 게이트산화막 상의 기 형성된 제 1, 2 게이트전극을 모두 제거하고 보정된 제 1, 2 게이트전극을 위한 다결정실리콘층을 상기 게이트절연막 상에 적층하고 상기 제 2 포토마스크를 이용한 사진식각공정에 의해 기판(10) 상에 제 1, 2 게이트전극(11),(13)을 형성한다. 이때, 하나의 칩에서 게이트 길이(L1),(L3)를 갖는 제 1, 2 게이트전극의 게이트 CD가 도 4에 도시된 바와 같이, 원하는 하나의 값인 L11(=L13)로 일치한다.
따라서, 본 발명은 게이트전극의 배열 방향에 관계없이 CD 차이가 없는 제 1, 2 게이트전극의 길이를 기판에 형성하여 고속 CPU나 로직회로의 속도를 향상시키고 수율을 향상시킨다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 반도체소자 제조방법은 각각의 채널에 평행한 제 1, 2 게이트전극의 길이가 X, Y축 방향으로 배열한 기존의 제 1 포토마스크를 이용하여 제 1, 2 게이트전극을 기판 상에 형성하고, 기판 상의 제 1, 2 게이트전극의 길이를 각각 측정하고 비교하여 이들의 차이에 기초로 하는 마스크 바이어스를 계산하고 이를 이용하여 길이를 보정한 제 1, 2 게이트전극의 패턴을 새로운 제 2 포토마스크에 형성한다.
따라서, 본 발명은 제 2 포토마스크를 이용하여 채널에 평행한 게이트전극의 길이의 배열 방향에 영향을 받지 않고 CD 차이가 없는 동일한 제 1, 2 게이트전극의 길이를 하나의 동일 기판에 형성할 수 있다. 그 결과, 본 발명은 고속 CPU나 로직회로의 속도를 향상시키고 수율을 높일 수 있다.
한편, 본 발명은 도면에 도시된 바람직한 예를 기준으로 기술하고 있으나 이에 한정되지 않으며 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 다양한 변형과 개량이 가능함은 당연하다.

Claims (7)

  1. 각각의 채널에 평행한 길이의 부분이 서로 다른 방향으로 배열된 제 1, 2 게이트전극을 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제 1, 2 게이트전극의 길이를 측정하는 단계;
    상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이를 기초로 하는 상기 제 1, 2 게이트전극의 보정된 패턴을 제 2 포토마스크에 형성하는 단계; 그리고
    상기 제 2 포토마스크를 이용하여 상기 기판에 보정된 제 1, 2 게이트전극을 형성하는 단계를 포함하는 반도체소자 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 포토마스크에 형성하는 단계는
    상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이를 비교하는 단계; 그리고
    상기 측정된 제 1, 2 게이트전극의 길이의 차이에 기초로 하는 마스크 바이어스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 2 게이트전극의 길이 중 어느 하나가 원하는 목표값보다 크면, 이에 해당하는 게이트전극의 길이를 줄여서 상기 제 2 포토마스크에 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 포토마스크를 이용하여 형성된 제 1, 2 게이트전극의 길이 중 어느 하나가 원하는 목표값보다 작으면, 이에 해당하는 게이트전극의 길이를 늘려서 상기 제 2 포토마스크에 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 게이트전극의 길이를 푸쉬 바이어스방법을 이용하여 가변시키는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 게이트전극의 길이를 상전이방법을 이용하여 가변시키는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 2 게이트전극을 다결정실리콘층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체소자 제조방법.
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