半導体素子の製造方法
本発明は、リソグラフィ工程を経たフォトレジストの特性を変化させてダミー構造物を形成し、これをゲート電極形成工程に適用した半導体素子の製造方法に関することで、半導体基板上の最上部にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上部に無機物フォトレジストを塗布してリソグラフィを通じてフォトレジストパターンを形成するステップと、前記形成されたパターンに特定ガスを使用して熱処理を行うステップと、前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜を蒸着した後に前記パターンが露出されるように前記蒸着された膜をエッチングするステップと、前記工程を経た構造物に絶縁膜を蒸着し、前記パターンが露出されるように前記絶縁膜をエッチングするステップと、前記露出されたパターンを除去するステップと、前記パターンが除去された位置にゲート酸化膜を形成するステップと、前記形成されたゲート酸化膜の上部にゲート電極を形成するステップと、を含む。本発明によれば、ナノ素子を製作するための構造を形成する時、リソグラフィを通じて形成された膜の特性が後続熱処理を通じて改善されるので、多様な素子を製作するための構造を容易に形成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、リソグラフィ工程を経たフォトレジストの特性を変化させてダミー構造物を形成し、これをゲート電極形成工程に適用する半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、従来のダミー構造物を利用した半導体素子の製造方法が開示されている。
【0003】
図1A及び図1Bは、前記先行技術の半導体素子の製造方法のうちダミー構造物の除去前と除去後の工程を示した図である。
【0004】
図1Aを参照すれば、素子分離膜2が形成されたシリコン基板1を用意するステップと、ダミーゲートオキサイド3Aをシリコン基板1上に形成するステップと、ダミーゲート電極3Bを前記ダミーゲートオキサイド3A上に形成するステップと、前記ダミーゲートの側壁にスペーサ4を形成するステップと、前記シリコン基板1の表面に不純物を注入してソース/ドレイン領域5を形成するステップと、選択的タングステン層6を形成するステップと、絶縁膜層7を形成するステップと、を通じて形成された構造物が示されている。この時、前記ダミーゲートオキサイド3Aとダミーゲート電極3Bはダミー構造物3の役目を実行するようになる。
【0005】
図1Bを参照すれば、図1Aの構造物から前記ダミー構造物3が除去された後残ったホール8が示されており、前記ホール8に金属ゲート電極を形成するステップを行うようになる。
【0006】
上述のようにダミー構造物を形成する方法は、その形成のために二つの物質を蒸着するなど工程ステップが複雑なだけではなく、前記形成されたダミー構造物がきれいに除去されない問題点があった。
【0007】
【特許文献1】米国特許第6033963号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、本発明は前述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、フォトレジストを利用したリソグラフィを通じて形成されたパターンに特定ガスを使用した熱処理を実行して改善された特性を有するパターンを形成し、前記パターンを利用してダミー構造物を形成する方法を提示することにより、一層容易に形成することができ、多様な素子製作に応用することができるダミー構造物を利用した半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するための本発明の半導体素子の製造方法は、半導体基板上の最上部にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上部に無機物フォトレジストを塗布してリソグラフィを通じてフォトレジストパターンを形成するステップと、前記形成されたフォトレジストパターンに特定ガスを使用した熱処理を実行するステップと、前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜を蒸着した後に前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングするステップと、前記エッチングステップを経た構造物に絶縁膜を蒸着し、前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された絶縁膜をエッチングするステップと、前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップと、前記フォトレジストパターンが除去された位置にゲート酸化膜を形成するステップと、前記形成されたゲート酸化膜の上部にゲート電極を形成するステップと、を含むことを特徴とする。
【0010】
好ましくは、前記形成されたフォトレジストパターンの線幅を減らすために前記フォトレジストパターンをトリミングするステップをさらに含むことができ、前記トリミングステップは、CF4またはCHF3ガスを利用した乾式エッチングまたはフッ酸(HF)を利用した湿式エッチングを使用することを特徴とする。
【0011】
好ましくは、前記特定ガスでは、O2を使用することを特徴とする。
【0012】
好ましくは、前記熱処理は、RTA(Rapid Thermal Annealing)法またはファーニス(furnace)を使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明は、既存のダミー構造物の形成工程を単純化することができ、これを利用して既存のパターニング工程より微細なサイズのパターン形成が容易になる。したがって、前記無機物フォトレジストを利用したダミー構造物の形成方法を使用することにより、ナノ素子を含んだ多様な素子の製作及び工程の単純化による製作費用の減少が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の好ましい実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0015】
図2A〜図2Nは、本発明の半導体素子の製造方法による各工程ステップを示す断面図である。
【0016】
図2Aを参照すれば、本発明が適用される半導体基板であるSOI(Silicon On Insulator)基板10の構成が示されている。
【0017】
前記SOI基板10は、第1の単結晶シリコン層12上に埋沒された絶縁膜14、そしてその上部に第2の単結晶シリコン層16が存在する基板として、前記SOI基板は、基板表面と基板下部層との間に薄い絶縁膜層が埋沒されているので寄生容量(parasitic capacitance)が減少して素子の性能を向上させる特徴がある。勿論、前記半導体基板としては前記SOI基板10の以外に通常のシリコン基板やGaAsのような化合物基板を使用することもできる。
【0018】
図2Bを参照すれば、前記SOI基板10の最上部にバッファー層20が形成されている。
【0019】
前記バッファー層20は、後続工程に該当するフォトレジストのトリミング工程やイオン注入工程から基板の状態を保護するために使用され、工程によって除去することができる。
【0020】
図2Cを参照すれば、前記バッファー層20の上部に無機物フォトレジスト30を塗布した状態が示されている。
【0021】
前記無機物フォトレジスト30では陰性または陽性のフォトレジストを使用することができる。前記陰性のフォトレジストは光に露出されると、現像時に、露出された部分は解けないで露出されなかった部分は解けて消え、前記陽性のフォトレジストはこれと反対に光に露出された部分が解けて消えるようになる。
【0022】
一方、有機物フォトレジストの場合高温工程で損失される恐れがあるので、前記フォトレジスト物質では、水素シルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)のような無機物フォトレジストを使用する。
【0023】
図2Dを参照すれば、前記形成されたフォトレジスト30にリソグラフィを通じてフォトレジストパターン32を形成する。
【0024】
前記リソグラフィは、光、電子ビームまたはイオンビームなどのようにパターン形成が可能な装置を使用する。一方、現在リソグラフィ工程で形成できるパターンの最小線幅は約60nm程度であると知られている。
【0025】
図2Eを参照すれば、前記形成されたフォトレジストパターン32の線幅を減らすためのトリミング(trimming)工程を経たフォトレジストパターン34が示されている。
【0026】
前記トリミング工程は、現在技術として可能なリソグラフィ工程より一層微細な線幅を具現するために行うことで、本発明の必須構成要素ではなく、ステップによって省略することができる。
【0027】
前記フォトレジストのトリミング工程は、一般的に希薄されたフッ酸(HF)を利用した湿式エッチングを使用することができ、前記湿式エッチングを使用する場合、バッファー層20の物質によってバッファー層20の損失なしにエッチングすることができる。図2Eには、トリミング工程によって前記バッファー層20の一部がエッチングされている。
【0028】
一方、前記フォトレジストパターン32のサイズをナノサイズで減らす過程で、前記フォトレジストパターン32の倒れることを防止するためにCF4またはCHF3ガスを使用した乾式エッチング工程を行うことができ、前記乾式エッチングを実行する場合、湿式エッチングより正確に線幅を調節することができる。
【0029】
本発明によれば、フォトレジストパターンに対してトリミング工程を適用するので、線幅の調節が容易で既存のダミー構造物に比べて一層微細な線幅を具現することができる。このような結果は、図7を参照してより詳細に説明する。
【0030】
図2Fを参照すれば、前記トリミングされたフォトレジストパターン34に対して特定ガスを使用した熱処理を実行することで物性が変化されたフォトレジストパターン36が示されている。
【0031】
前記熱処理ではRTA(Rapid Thermal Annealing)またはファーニス(Furnace)を使用することができ、前記特定ガスではO2またはN2を使用することができる。前記RTA法の場合、O2ではない他のガスを使えばフォトレジストパターンの断面プロファイルは大きく変形されないが、フォトレジストパターンの線幅が大きくなる変形が起き、前記ファーニスの場合、O2ではない他のガスを使えばフォトレジストパターンの断面プロファイルが大きく変化される。
【0032】
前記熱処理工程を経たフォトレジストパターン36は、前記熱処理工程前に比べてその特性が硬化される効果があるので、高温で進行される後続工程において前記フォトレジストパターン36が変形されるか倒れることを防止することができる。
【0033】
図2Gを参照すれば、前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜40を蒸着する。
【0034】
前記絶縁膜40は、後続工程によって側壁スペーサの役目を行うようになり、前記絶縁膜40の代りに側面電極を形成するために伝導層を蒸着することができる。伝導層の蒸着により形成された構造物は、図3に示されている。
【0035】
図2Hを参照すれば、前記熱処理されたフォトレジストパターン36が露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングする。
【0036】
前記エッチング工程によって前記バッファー層20も露出させる。
【0037】
図2Iを参照すれば、図2Hの前記第2の単結晶シリコン層16にソースとドレイン領域を形成するために不純物イオンを前記バッファー層20を通じて注入する。
【0038】
p型ドーピングのためにB、Ga、Inのようなアクセプタイオンを注入するか、n型のドーピングのためにSb、As、P、Biのような不純物を注入する。前記不純物イオン注入によりソースとドレイン領域18が形成された。
【0039】
図2Jを参照すれば、図2Iの前記形成された構造物に絶縁膜50を蒸着する。
【0040】
前記絶縁膜50では、SIN(Slicon Nitride)、SOG(Spin On Glass)、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)などを使用することができる。前記無機物フォトレジスト30でHSQを使用した場合、前記絶縁膜でHSQを使えば、後続工程であるフォトレジストパターン36の除去工程時に一緒にエッチングされる恐れがあるので、これを考慮して蒸着する。
【0041】
図2Kを参照すれば、図2Jで形成された前記絶縁膜50に対して前記熱処理されたフォトレジストパターン36が露出されるように前記絶縁膜50をエッチングする。
【0042】
エッチング工程では、CMP(Chemical Mechanical Polishing)のような工程を使用することができ、前記エッチング工程を通じて側壁スペーサ44が形成される。
【0043】
前記側壁スペーサ44は、後述する後続工程で前記熱処理されたフォトレジストパターン36が除去されて残った位置に形成されるゲート電極層の側壁に対して絶縁膜の役目を実行し、コンタクトホールを形成するためのエッチング工程時に前記ゲート電極層のエッチング防止膜の役目を実行する。
【0044】
図2Lを参照すれば、図2Kで前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターン36をエッチングを通じて除去する。
【0045】
前記エッチング工程では湿式エッチングまたは乾式エッチングを利用することができ、前記熱処理されたフォトレジストパターン36の下部にあった前記バッファー層20も一緒に除去する。
【0046】
図2Mを参照すれば、前記フォトレジストパターン36が除去された位置にゲート酸化膜60を形成する。
【0047】
前記ゲート酸化膜60は後続工程で形成されるゲート電極を前記半導体基板層10、側壁スペーサ44と分離させるほどに形成し、前記ゲート酸化膜は前記熱処理されたフォトレジストパターン36が除去された位置だけではなく前記絶縁膜50の上部にも形成される。前記ゲート酸化膜60は蒸着または成長を通じて形成することができる。
【0048】
図2Nを参照すれば、本発明による半導体素子の製造方法を使用して製作された最終素子の断面図で、前記フォトレジストパターン36が除去されてゲート酸化膜60が形成された位置にゲート金属膜70を形成する。
【0049】
図2Nに示すように、前記金属膜の形成とともにソース及びドレイン領域に金属配線を形成するため、前記ソース及びドレイン領域と接続するようにコンタクトホールを形成し、前記形成されたコンタクトホールに対しても金属配線72、74を接続する。
【0050】
前記工程を整理すれば、本発明の半導体素子の製造方法は、ダミー構造物の形成のための通常の方法とは相違に、フォトレジストパターンだけでダミー構造物を形成している。前記フォトレジストパターンは通常のダミー構造物に比べてトリミング工程を通じて線幅の調節が容易なので、微細な線幅を要するナノ素子製作工程に利用する場合、トリミング工程を必ず行うようにする。一方、前記フォトレジストパターンは高温工程でパターンが変形される恐れがあるので、特定ガスを利用した熱処理を実行してその特性を変形させて利用する。
【0051】
図3〜図5は、本発明の半導体素子の製造方法を応用して製作された素子の断面図である。
【0052】
図3を参照すれば、前記ゲート電極70の両側面に側面ゲート46が形成された状態が示されている。
【0053】
全体的に、図2A〜図2Nの工程を使用するが、図2Gのステップで、前記側壁スペーサを形成するための絶縁層40の代わりに伝道層を蒸着して側面ゲート46を形成した。
【0054】
図4を参照すれば、図2A〜図2Bの工程で使用されたSOI基板とは異なる通常的なシリコン基板10を使用した工程を示している。また、図2A〜図2Nの工程とは相違に、先にシリコン基板10にゲート酸化膜60を形成した後、ソース/ドレイン領域18を形成し、前記ゲート酸化膜60の上部にフォトレジストパターンを形成してダミー構造物として利用した。ダミー構造物を形成した後絶縁膜50を蒸着し、ダミー構造物を除去した後にゲート電極70及び金属配線72、74を形成したことは同一である。
【0055】
図5を参照すれば、単電子素子(single electron device)の製作工程に本発明の半導体素子の製造方法を応用したことで、前記フォトレジストパターン36の両側面に前記側面ゲート46が形成され、前記側面ゲート46によるフィールドによって前記フォトレジストパターン36の下の基板に量子点が形成され、最上部ゲート電極70は単電子素子の動作を調節する。
【0056】
図6を参照すれば、本発明の半導体素子の製造方法を応用して製作された基本構造を示すSEM(Scanning Electron Microscope)写真で、光または電子ビームに反応する高分解能無機物電子ビームフォトレジストである水素シルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)を使用して20nm以下の線幅を有するフォトレジストパターン36を形成し、O2ガスを使用したRTAを実行して膜の特性を改善した後、650℃の高温で多結晶シリコンを蒸着させてから乾式エッチングを通じてパターンの両側面に11nm級の線幅を有する側面ゲート46を形成した断面を示す。
【0057】
これは本発明の特徴であるフォトレジストを利用したダミー構造物を通じて半導体素子を製造する場合、20nm以下のゲート電極及び11nm級の側面ゲートを製造できることを示す実験結果である。
【0058】
図7を参照すれば、本発明の半導体素子の製造方法で使用されたフォトレジストパターンのトリミング工程の結果を示すSEM写真で、CF4ガスを使用した乾式エッチングを通じて初期21nm(a)の線幅を有するパターンを5nm(e)の線幅で再現性あるように減少させた結果を示す。この時、トリミングの割合は4nm/minに最適化し、各々の線幅は(a)21nm、(b)17nm、(c)13nm、(d)9nm、(e)5nmである。
【0059】
前記実験結果は、フォトレジストパターンにトリミング工程を適用して5nm程度の微細線幅を有するダミー構造物を形成できることを示し、これによって、本発明による半導体素子の製造方法がナノ素子の製作に有用な技術であることが分かる。これは通常のダミー構造物よりフォトレジストパターンをトリミングすることが容易なので可能であり、これは本発明の特徴的な効果である。
【0060】
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。上述において、ある層が他の層の上に存在すると記述する時、これは他の層の直上に存在することもでき、その間に第3の層が介在することもでき、後工程によって除去することもできる。また、各層を構成する物質及び構造は説明の便宜のために選択したことで、他の物質及び他の構造を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1A】従来技術による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図1B】従来技術による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2A】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2B】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2C】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2D】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2E】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2F】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2G】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2H】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2I】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2J】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2K】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2L】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2M】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2N】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図3】本発明を応用して製作された素子の断面図で、ゲート電極の両側面に側面ゲートを形成した構造を示す断面図である。
【図4】本発明を応用して製作された素子の断面図で、半導体基板として通常のシリコン基板を使用した状態を示す断面図である。
【図5】本発明を応用して製作された単電子素子の断面図である。
【図6】本発明を応用して製作された素子の基本構造を示すSEM写真である。
【図7】本発明を使用したフォトレジストトリミング工程の結果を示すSEM写真である。
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、リソグラフィ工程を経たフォトレジストの特性を変化させてダミー構造物を形成し、これをゲート電極形成工程に適用する半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、従来のダミー構造物を利用した半導体素子の製造方法が開示されている。
【0003】
図1A及び図1Bは、前記先行技術の半導体素子の製造方法のうちダミー構造物の除去前と除去後の工程を示した図である。
【0004】
図1Aを参照すれば、素子分離膜2が形成されたシリコン基板1を用意するステップと、ダミーゲートオキサイド3Aをシリコン基板1上に形成するステップと、ダミーゲート電極3Bを前記ダミーゲートオキサイド3A上に形成するステップと、前記ダミーゲートの側壁にスペーサ4を形成するステップと、前記シリコン基板1の表面に不純物を注入してソース/ドレイン領域5を形成するステップと、選択的タングステン層6を形成するステップと、絶縁膜層7を形成するステップと、を通じて形成された構造物が示されている。この時、前記ダミーゲートオキサイド3Aとダミーゲート電極3Bはダミー構造物3の役目を実行するようになる。
【0005】
図1Bを参照すれば、図1Aの構造物から前記ダミー構造物3が除去された後残ったホール8が示されており、前記ホール8に金属ゲート電極を形成するステップを行うようになる。
【0006】
上述のようにダミー構造物を形成する方法は、その形成のために二つの物質を蒸着するなど工程ステップが複雑なだけではなく、前記形成されたダミー構造物がきれいに除去されない問題点があった。
【0007】
【特許文献1】米国特許第6033963号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、本発明は前述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、フォトレジストを利用したリソグラフィを通じて形成されたパターンに特定ガスを使用した熱処理を実行して改善された特性を有するパターンを形成し、前記パターンを利用してダミー構造物を形成する方法を提示することにより、一層容易に形成することができ、多様な素子製作に応用することができるダミー構造物を利用した半導体素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の目的を達成するための本発明の半導体素子の製造方法は、半導体基板上の最上部にバッファー層を形成するステップと、前記バッファー層の上部に無機物フォトレジストを塗布してリソグラフィを通じてフォトレジストパターンを形成するステップと、前記形成されたフォトレジストパターンに特定ガスを使用した熱処理を実行するステップと、前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜を蒸着した後に前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングするステップと、前記エッチングステップを経た構造物に絶縁膜を蒸着し、前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された絶縁膜をエッチングするステップと、前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップと、前記フォトレジストパターンが除去された位置にゲート酸化膜を形成するステップと、前記形成されたゲート酸化膜の上部にゲート電極を形成するステップと、を含むことを特徴とする。
【0010】
好ましくは、前記形成されたフォトレジストパターンの線幅を減らすために前記フォトレジストパターンをトリミングするステップをさらに含むことができ、前記トリミングステップは、CF4またはCHF3ガスを利用した乾式エッチングまたはフッ酸(HF)を利用した湿式エッチングを使用することを特徴とする。
【0011】
好ましくは、前記特定ガスでは、O2を使用することを特徴とする。
【0012】
好ましくは、前記熱処理は、RTA(Rapid Thermal Annealing)法またはファーニス(furnace)を使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明は、既存のダミー構造物の形成工程を単純化することができ、これを利用して既存のパターニング工程より微細なサイズのパターン形成が容易になる。したがって、前記無機物フォトレジストを利用したダミー構造物の形成方法を使用することにより、ナノ素子を含んだ多様な素子の製作及び工程の単純化による製作費用の減少が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明の好ましい実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0015】
図2A〜図2Nは、本発明の半導体素子の製造方法による各工程ステップを示す断面図である。
【0016】
図2Aを参照すれば、本発明が適用される半導体基板であるSOI(Silicon On Insulator)基板10の構成が示されている。
【0017】
前記SOI基板10は、第1の単結晶シリコン層12上に埋沒された絶縁膜14、そしてその上部に第2の単結晶シリコン層16が存在する基板として、前記SOI基板は、基板表面と基板下部層との間に薄い絶縁膜層が埋沒されているので寄生容量(parasitic capacitance)が減少して素子の性能を向上させる特徴がある。勿論、前記半導体基板としては前記SOI基板10の以外に通常のシリコン基板やGaAsのような化合物基板を使用することもできる。
【0018】
図2Bを参照すれば、前記SOI基板10の最上部にバッファー層20が形成されている。
【0019】
前記バッファー層20は、後続工程に該当するフォトレジストのトリミング工程やイオン注入工程から基板の状態を保護するために使用され、工程によって除去することができる。
【0020】
図2Cを参照すれば、前記バッファー層20の上部に無機物フォトレジスト30を塗布した状態が示されている。
【0021】
前記無機物フォトレジスト30では陰性または陽性のフォトレジストを使用することができる。前記陰性のフォトレジストは光に露出されると、現像時に、露出された部分は解けないで露出されなかった部分は解けて消え、前記陽性のフォトレジストはこれと反対に光に露出された部分が解けて消えるようになる。
【0022】
一方、有機物フォトレジストの場合高温工程で損失される恐れがあるので、前記フォトレジスト物質では、水素シルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)のような無機物フォトレジストを使用する。
【0023】
図2Dを参照すれば、前記形成されたフォトレジスト30にリソグラフィを通じてフォトレジストパターン32を形成する。
【0024】
前記リソグラフィは、光、電子ビームまたはイオンビームなどのようにパターン形成が可能な装置を使用する。一方、現在リソグラフィ工程で形成できるパターンの最小線幅は約60nm程度であると知られている。
【0025】
図2Eを参照すれば、前記形成されたフォトレジストパターン32の線幅を減らすためのトリミング(trimming)工程を経たフォトレジストパターン34が示されている。
【0026】
前記トリミング工程は、現在技術として可能なリソグラフィ工程より一層微細な線幅を具現するために行うことで、本発明の必須構成要素ではなく、ステップによって省略することができる。
【0027】
前記フォトレジストのトリミング工程は、一般的に希薄されたフッ酸(HF)を利用した湿式エッチングを使用することができ、前記湿式エッチングを使用する場合、バッファー層20の物質によってバッファー層20の損失なしにエッチングすることができる。図2Eには、トリミング工程によって前記バッファー層20の一部がエッチングされている。
【0028】
一方、前記フォトレジストパターン32のサイズをナノサイズで減らす過程で、前記フォトレジストパターン32の倒れることを防止するためにCF4またはCHF3ガスを使用した乾式エッチング工程を行うことができ、前記乾式エッチングを実行する場合、湿式エッチングより正確に線幅を調節することができる。
【0029】
本発明によれば、フォトレジストパターンに対してトリミング工程を適用するので、線幅の調節が容易で既存のダミー構造物に比べて一層微細な線幅を具現することができる。このような結果は、図7を参照してより詳細に説明する。
【0030】
図2Fを参照すれば、前記トリミングされたフォトレジストパターン34に対して特定ガスを使用した熱処理を実行することで物性が変化されたフォトレジストパターン36が示されている。
【0031】
前記熱処理ではRTA(Rapid Thermal Annealing)またはファーニス(Furnace)を使用することができ、前記特定ガスではO2またはN2を使用することができる。前記RTA法の場合、O2ではない他のガスを使えばフォトレジストパターンの断面プロファイルは大きく変形されないが、フォトレジストパターンの線幅が大きくなる変形が起き、前記ファーニスの場合、O2ではない他のガスを使えばフォトレジストパターンの断面プロファイルが大きく変化される。
【0032】
前記熱処理工程を経たフォトレジストパターン36は、前記熱処理工程前に比べてその特性が硬化される効果があるので、高温で進行される後続工程において前記フォトレジストパターン36が変形されるか倒れることを防止することができる。
【0033】
図2Gを参照すれば、前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜40を蒸着する。
【0034】
前記絶縁膜40は、後続工程によって側壁スペーサの役目を行うようになり、前記絶縁膜40の代りに側面電極を形成するために伝導層を蒸着することができる。伝導層の蒸着により形成された構造物は、図3に示されている。
【0035】
図2Hを参照すれば、前記熱処理されたフォトレジストパターン36が露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングする。
【0036】
前記エッチング工程によって前記バッファー層20も露出させる。
【0037】
図2Iを参照すれば、図2Hの前記第2の単結晶シリコン層16にソースとドレイン領域を形成するために不純物イオンを前記バッファー層20を通じて注入する。
【0038】
p型ドーピングのためにB、Ga、Inのようなアクセプタイオンを注入するか、n型のドーピングのためにSb、As、P、Biのような不純物を注入する。前記不純物イオン注入によりソースとドレイン領域18が形成された。
【0039】
図2Jを参照すれば、図2Iの前記形成された構造物に絶縁膜50を蒸着する。
【0040】
前記絶縁膜50では、SIN(Slicon Nitride)、SOG(Spin On Glass)、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)などを使用することができる。前記無機物フォトレジスト30でHSQを使用した場合、前記絶縁膜でHSQを使えば、後続工程であるフォトレジストパターン36の除去工程時に一緒にエッチングされる恐れがあるので、これを考慮して蒸着する。
【0041】
図2Kを参照すれば、図2Jで形成された前記絶縁膜50に対して前記熱処理されたフォトレジストパターン36が露出されるように前記絶縁膜50をエッチングする。
【0042】
エッチング工程では、CMP(Chemical Mechanical Polishing)のような工程を使用することができ、前記エッチング工程を通じて側壁スペーサ44が形成される。
【0043】
前記側壁スペーサ44は、後述する後続工程で前記熱処理されたフォトレジストパターン36が除去されて残った位置に形成されるゲート電極層の側壁に対して絶縁膜の役目を実行し、コンタクトホールを形成するためのエッチング工程時に前記ゲート電極層のエッチング防止膜の役目を実行する。
【0044】
図2Lを参照すれば、図2Kで前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターン36をエッチングを通じて除去する。
【0045】
前記エッチング工程では湿式エッチングまたは乾式エッチングを利用することができ、前記熱処理されたフォトレジストパターン36の下部にあった前記バッファー層20も一緒に除去する。
【0046】
図2Mを参照すれば、前記フォトレジストパターン36が除去された位置にゲート酸化膜60を形成する。
【0047】
前記ゲート酸化膜60は後続工程で形成されるゲート電極を前記半導体基板層10、側壁スペーサ44と分離させるほどに形成し、前記ゲート酸化膜は前記熱処理されたフォトレジストパターン36が除去された位置だけではなく前記絶縁膜50の上部にも形成される。前記ゲート酸化膜60は蒸着または成長を通じて形成することができる。
【0048】
図2Nを参照すれば、本発明による半導体素子の製造方法を使用して製作された最終素子の断面図で、前記フォトレジストパターン36が除去されてゲート酸化膜60が形成された位置にゲート金属膜70を形成する。
【0049】
図2Nに示すように、前記金属膜の形成とともにソース及びドレイン領域に金属配線を形成するため、前記ソース及びドレイン領域と接続するようにコンタクトホールを形成し、前記形成されたコンタクトホールに対しても金属配線72、74を接続する。
【0050】
前記工程を整理すれば、本発明の半導体素子の製造方法は、ダミー構造物の形成のための通常の方法とは相違に、フォトレジストパターンだけでダミー構造物を形成している。前記フォトレジストパターンは通常のダミー構造物に比べてトリミング工程を通じて線幅の調節が容易なので、微細な線幅を要するナノ素子製作工程に利用する場合、トリミング工程を必ず行うようにする。一方、前記フォトレジストパターンは高温工程でパターンが変形される恐れがあるので、特定ガスを利用した熱処理を実行してその特性を変形させて利用する。
【0051】
図3〜図5は、本発明の半導体素子の製造方法を応用して製作された素子の断面図である。
【0052】
図3を参照すれば、前記ゲート電極70の両側面に側面ゲート46が形成された状態が示されている。
【0053】
全体的に、図2A〜図2Nの工程を使用するが、図2Gのステップで、前記側壁スペーサを形成するための絶縁層40の代わりに伝道層を蒸着して側面ゲート46を形成した。
【0054】
図4を参照すれば、図2A〜図2Bの工程で使用されたSOI基板とは異なる通常的なシリコン基板10を使用した工程を示している。また、図2A〜図2Nの工程とは相違に、先にシリコン基板10にゲート酸化膜60を形成した後、ソース/ドレイン領域18を形成し、前記ゲート酸化膜60の上部にフォトレジストパターンを形成してダミー構造物として利用した。ダミー構造物を形成した後絶縁膜50を蒸着し、ダミー構造物を除去した後にゲート電極70及び金属配線72、74を形成したことは同一である。
【0055】
図5を参照すれば、単電子素子(single electron device)の製作工程に本発明の半導体素子の製造方法を応用したことで、前記フォトレジストパターン36の両側面に前記側面ゲート46が形成され、前記側面ゲート46によるフィールドによって前記フォトレジストパターン36の下の基板に量子点が形成され、最上部ゲート電極70は単電子素子の動作を調節する。
【0056】
図6を参照すれば、本発明の半導体素子の製造方法を応用して製作された基本構造を示すSEM(Scanning Electron Microscope)写真で、光または電子ビームに反応する高分解能無機物電子ビームフォトレジストである水素シルセスキオキサン(HSQ:Hydrogen Silsesquioxane)を使用して20nm以下の線幅を有するフォトレジストパターン36を形成し、O2ガスを使用したRTAを実行して膜の特性を改善した後、650℃の高温で多結晶シリコンを蒸着させてから乾式エッチングを通じてパターンの両側面に11nm級の線幅を有する側面ゲート46を形成した断面を示す。
【0057】
これは本発明の特徴であるフォトレジストを利用したダミー構造物を通じて半導体素子を製造する場合、20nm以下のゲート電極及び11nm級の側面ゲートを製造できることを示す実験結果である。
【0058】
図7を参照すれば、本発明の半導体素子の製造方法で使用されたフォトレジストパターンのトリミング工程の結果を示すSEM写真で、CF4ガスを使用した乾式エッチングを通じて初期21nm(a)の線幅を有するパターンを5nm(e)の線幅で再現性あるように減少させた結果を示す。この時、トリミングの割合は4nm/minに最適化し、各々の線幅は(a)21nm、(b)17nm、(c)13nm、(d)9nm、(e)5nmである。
【0059】
前記実験結果は、フォトレジストパターンにトリミング工程を適用して5nm程度の微細線幅を有するダミー構造物を形成できることを示し、これによって、本発明による半導体素子の製造方法がナノ素子の製作に有用な技術であることが分かる。これは通常のダミー構造物よりフォトレジストパターンをトリミングすることが容易なので可能であり、これは本発明の特徴的な効果である。
【0060】
以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。上述において、ある層が他の層の上に存在すると記述する時、これは他の層の直上に存在することもでき、その間に第3の層が介在することもでき、後工程によって除去することもできる。また、各層を構成する物質及び構造は説明の便宜のために選択したことで、他の物質及び他の構造を使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1A】従来技術による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図1B】従来技術による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2A】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2B】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2C】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2D】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2E】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2F】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2G】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2H】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2I】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2J】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2K】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2L】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2M】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図2N】本発明の実施例による半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。
【図3】本発明を応用して製作された素子の断面図で、ゲート電極の両側面に側面ゲートを形成した構造を示す断面図である。
【図4】本発明を応用して製作された素子の断面図で、半導体基板として通常のシリコン基板を使用した状態を示す断面図である。
【図5】本発明を応用して製作された単電子素子の断面図である。
【図6】本発明を応用して製作された素子の基本構造を示すSEM写真である。
【図7】本発明を使用したフォトレジストトリミング工程の結果を示すSEM写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板上の最上部にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上部に無機物フォトレジストを塗布してリソグラフィを通じてフォトレジストパターンを形成するステップと、
前記形成されたフォトレジストパターンに特定ガスを利用して熱処理を実行するステップと、
前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜を蒸着した後に前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングするステップと、
前記エッチングステップを経た構造物に絶縁膜を蒸着し、前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された絶縁膜をエッチングするステップと、
前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップと、
前記フォトレジストパターンが除去された位置にゲート酸化膜を形成するステップと、
前記形成されたゲート酸化膜の上部にゲート電極を形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項2】
前記半導体基板は、SOI(Silicon On Insulator)基板または化合物基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項3】
前記リソグラフィを通じてパターンを形成するステップは、光、電子ビームまたはイオンビームなどを使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項4】
前記形成されたフォトレジストパターンの線幅を減らすために前記フォトレジストパターンをトリミングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項5】
前記トリミングするステップは、CF4またはCHF3ガスを使用する乾式エッチングまたはフッ酸(HF)を使用する湿式エッチングを利用することを特徴とする請求項4に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項6】
前記特定ガスとしてO2を使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項7】
前記熱処理は、RTA(Rapid Thermal Annealing)またはファーニス(furnace)を使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項8】
前記熱処理を実行するステップによって前記フォトレジストパターンが硬化されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項9】
前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップは、前記エッチングを通じて前記熱処理されたフォトレジストパターンの下部にあるバッファー層を一緒に除去するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項1】
半導体基板上の最上部にバッファー層を形成するステップと、
前記バッファー層の上部に無機物フォトレジストを塗布してリソグラフィを通じてフォトレジストパターンを形成するステップと、
前記形成されたフォトレジストパターンに特定ガスを利用して熱処理を実行するステップと、
前記熱処理された構造物の上部に均一な厚さの絶縁膜を蒸着した後に前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された膜を前記蒸着した厚さほどエッチングするステップと、
前記エッチングステップを経た構造物に絶縁膜を蒸着し、前記熱処理されたフォトレジストパターンが露出されるように前記蒸着された絶縁膜をエッチングするステップと、
前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップと、
前記フォトレジストパターンが除去された位置にゲート酸化膜を形成するステップと、
前記形成されたゲート酸化膜の上部にゲート電極を形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項2】
前記半導体基板は、SOI(Silicon On Insulator)基板または化合物基板であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項3】
前記リソグラフィを通じてパターンを形成するステップは、光、電子ビームまたはイオンビームなどを使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項4】
前記形成されたフォトレジストパターンの線幅を減らすために前記フォトレジストパターンをトリミングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項5】
前記トリミングするステップは、CF4またはCHF3ガスを使用する乾式エッチングまたはフッ酸(HF)を使用する湿式エッチングを利用することを特徴とする請求項4に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項6】
前記特定ガスとしてO2を使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項7】
前記熱処理は、RTA(Rapid Thermal Annealing)またはファーニス(furnace)を使用することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項8】
前記熱処理を実行するステップによって前記フォトレジストパターンが硬化されることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項9】
前記露出されている熱処理されたフォトレジストパターンをエッチングを通じて除去するステップは、前記エッチングを通じて前記熱処理されたフォトレジストパターンの下部にあるバッファー層を一緒に除去するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図2I】
【図2J】
【図2K】
【図2L】
【図2M】
【図2N】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図2I】
【図2J】
【図2K】
【図2L】
【図2M】
【図2N】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【公表番号】特表2009−518822(P2009−518822A)
【公表日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−543205(P2008−543205)
【出願日】平成18年12月4日(2006.12.4)
【国際出願番号】PCT/KR2006/005173
【国際公開番号】WO2007/066937
【国際公開日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【出願人】(596180076)韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Electronics and Telecommunications Research Institute
【住所又は居所原語表記】161 Kajong−dong, Yusong−gu, Taejon korea
【Fターム(参考)】
【公表日】平成21年5月7日(2009.5.7)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年12月4日(2006.12.4)
【国際出願番号】PCT/KR2006/005173
【国際公開番号】WO2007/066937
【国際公開日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【出願人】(596180076)韓國電子通信研究院 (733)
【氏名又は名称原語表記】Electronics and Telecommunications Research Institute
【住所又は居所原語表記】161 Kajong−dong, Yusong−gu, Taejon korea
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]