JPH0621103A

JPH0621103A - Ｔ型ゲート構造の形成方法

Info

Publication number: JPH0621103A
Application number: JP5107780A
Authority: JP
Inventors: U Riu Hugh; ヒュー・ユー・リウ; E Glairson Robert Jr; ロバート・イー・グレアソン・ジュニア
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1992-04-09
Filing date: 1993-04-09
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】光リソグラフィ技法を用いてサブミクロン単位
の長さを有するＴ型ゲート構造の形成方法を提供するこ
と。【構成】幅広い頭部46と狭い脚部44を有するＴ型ゲート
構造50を提供する。遠紫外線が第１マスク14を介してネ
ガ形ホトレジスト下部層10に照射される。下部層10は18
0゜だけ位相をづらす物質が配置されている。この物質
の境界部において、位相シフトされた光線とシフトされ
ていない光線とが干渉し、露光されない部分が生じる。
よって狭い脚部が形成される。ホトレジスト上部層30が
形成され、現像される。よって広い頭部が形成される。
そして導電層46、48が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、高性能の電界
効果トランジスタの製造に関し、更に詳しくは当該トラ
ンジスタ用のＴ型ゲート構造の形成方法に関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】高性能の電界効果トランジス
タ(FET)の設計と製造とにおいては、ゲート長とゲート
抵抗とに関連した相反する要求が存在する。一方におい
て、ゲート長を減少させることは、走行（遷移）時間の
減少につながり、従って、FETの動作速度を高めること
につながる。他方において、ゲート抵抗は、ゲートの大
きさが減少させられるに従って増大し、それによって、
予想される速度の増加が相殺されてしまう。これらの相
反する要求に対処する１つの方法は、断面においてＴ型
の、即ち、きのこ形状の断面をしたゲート構造を提供す
ることである。当該ゲート構造において、狭い脚部はFE
Tのゲートを形成し、そして広い頭部は低抵抗の接続を
与える広い接触表面を提供する。

【０００３】典型的には、Ｔ型ゲートは、電子ビーム・
リソグラフィ技法を使用することによって形成される。
例えば、上部および下部抵抗層は、ガリウム砒素のよう
な化合物半導体の上に形成されてよい。上部抵抗層は、
電子ビームに露光されることによって、比較的に広い開
口を形成する。一方、２回目の電子ビームによる露光に
よって、下部抵抗層に狭い開口が形成される。次いで、
金のようなゲート材料が、これらの開口内および上部抵
抗層の上に堆着される。リフト・オフ（剥離）プロセス
によって、これらの抵抗層と当該層上のゲート材料とが
取り除かれる、後に所望のゲート・パターンが残され
る。

【０００４】米国特許第4,700,462号には、電子ビーム
・リソグラフィ技法を使用することによってＴ型ゲート
を製造するためのプロセスが開示されている。電子ビー
ムによる露光は、ミクロン以下の寸法が所望である場合
には、一般的に使用される技法である。なぜならば、光
リソグラフィ技法の場合には、寸法上の制限が課せられ
るからである。米国特許第4,959,326号には、マスク上
の地形（形状）の大きさに対する制限ゆえに、遠紫外線
光印刷(deep ultraviolet printing)技法は、当該マス
クの使用による制限を受ける旨が、開示されている。前
記米国特許第4,959,326号には、Ｔ型ゲート構造を作る
ために、光リソグラフィ技法と電子ビーム・リソグラフ
ィ技法との選択についても開示している。しかしなが
ら、当該方法は、製造プロセスをいっそうの複雑化す
る。Ｔ型ゲート構造は又米国特許第5,006,478号や、米
国特許第4,997,778号や、米国特許第4,975,382号におい
ても、開示されている。

【０００５】電子ビーム・リソグラフィ技法は、多くの
利点を有するが、又一方では次のような欠点をも有す
る。光リソグラフィ技法と比較すると、電子ビーム・リ
ソグラフィ技法は、電子ビームを継続的に再方向付けし
なければならないので、より低速である。「光リソグラ
フィ技法」は、波長が紫外線の波長か又はそれよりも長
い波長の電磁波による照射を利用するリソグラフィ・プ
ロセス(lithographic process)である旨、定義されるの
で、電子ビーム・リソグラフィ技法や、イオン・ビーム
・リソグラフィ技法や、光電子リソグラフィ技法や、Ｘ
線リソグラフィ技法などから区別される。その上、電子
ビーム・リソグラフィ技法は、よりコスト高となる。も
う１つの欠点としては、電子ビーム処理において一般的
に使用されるポジ形レジスト（例えば、ポリメチル・メ
タクリレート：即ちPMMA）は、有機溶媒の使用を必要と
するが、当該有機溶媒は、環境規制に従うことを一層困
難にすると言う点、が挙げられる。

【０００６】

【発明の目的】本発明の目的は、上述した電子ビーム・
リソグラフィ技法における欠点を除去し、ミクロン以下
（サブミクロン）の単位の長さを有するゲートを製造す
ることができる、Ｔ型ゲート構造を形成するための方法
を提供することである。

【０００７】

【発明の概要】上記目的は、Ｔ型ゲート構造を形成させ
るための方法であって、光リソグラフィ技法と、当該Ｔ
型ゲートの脚部を小型化するためのマスクとを使用する
ことによって、当該マスク上のパターン形成用の不透明
材料の寸法上の限界に近づくことなく、達成される。そ
れどころか、当該脚部の長さは、透明な位相シフト材料
だけを使用することによって定められる。位相シフト材
料を通過する光線は、当該材料を通過しないで他の径路
を通る光線に対して、位相が180度だけずれる。これら
２組の光線の間の破壊的な干渉によって打消し合いが生
じ、それによって、位相シフト材料の縁に対応した位置
に暗部領域を有する鋭いコントラストの輪郭が形成され
る。

【０００８】当該方法は、ネガ形レジストの下部層を有
する、ガリウム砒素部材のような基板を提供する工程を
含む。遠紫外線光による照射は、位相シフト材料を有す
る第１透明マスクを介して方向付けられる。当該マスク
は、石英系マスクであることができる。当該石英系マス
クは、基板上に形成する電気的接続を画定するために、
パターン化したクロムのような不透明材料を選択的に含
むことができる。位相シフト材料を通過する光線と、石
英を単に通過するだけの光線との相互干渉によって、当
該位相シフト材料の縁に対応する位置に露光されていな
いライン・パターンが創出される。次いで、下部ネガ形
レジストの層が現像されることによって、未露光のライ
ン・パターンが取り除かれると共に、石英系マスク上の
不透明材料のために未露光のままで取り残された全ての
レジスト材料も取り除かれる。

【０００９】次いで、ネガ形レジストの上部層が、上記
の下部層の上と、当該下部層からの材料除去によって形
成された開口内とに、堆着させられる。次いで、第２マ
スクを使用することによって、第２回目の露光が行わ
れ、それによって、遠紫外線光による照射が、パターン
を形成するクロムのような不透明材料を有する当該第２
マスクを介して方向付けられる。当該クロムは、Ｔ型ゲ
ートの頭部を定めるようなパターンを形成すると共に、
上記の第１マスク上の透明材料において説明したよう
に、基板に沿った電気的接続位置を定めるように当該パ
ターンを形成する。上記頭部に対応する部分を除けば、
位相シフト材料の縁によって形成された開口に対応する
領域にはクロムは全く配置されない。従って、上部層の
レジスト材料は、当該上部層の現像の結果、下部層のそ
の付随的な開口内には残っている。

【００１０】次いで、ゲート材料が、下部ネガ形レジス
ト層の上と、当該ネガ形レジスト層に形成された開口内
とに堆着させられる。リフト・オフ（剥離）技術が使用
されることによって、不必要なゲート材料が除去され、
それによってＴ型ゲート構造が残されると共に、基板の
表面に沿った導電性接続が選択的に残される。

【００１１】望ましくは、下部層と上部層の双方に対し
て、単一種のネガ形フォトレジスト材料が使用される。
適切なレジスト材料は、シップレイ社(Shipley Company
Inc.)の、米国連邦登録商標「SAL−601」を有する製品で
ある。下部層は、照射露光されることにより、第１像を
形成し、その後、当該像は、現像されることにより、下
部層に第１開口を形成する。次いで、上部層が、下部層
の上と、第１開口内とに堆着される。下部層は充分に架
橋され終えているので、上部層を、下部層と同種の材料
のものとすることができ、その際、当該上部層の露光お
よび現像工程が、下部層の第１像に悪影響を及ぼす恐れ
はない。第２像は、上部層に形成され、そして第２像の
現像によって、第２開口が形成されると共に、第１開口
の少なくとも或ものから材料が除去される。従って、従
来技術とは異なって、単一種のフォト・レジスト材料を
使用して２層構造を製造することができ、その際、当該
２層構造を、Ｔ型ゲートの構成およびその他の何らかの
所望の構成のいずれの構成においても製造することがで
きる。即ち、本発明の当該態様は、Ｔ型ゲート構造を越
えた構造にまで及ぶ。

【００１２】

【実施例】図１を参照すると、下部フォト・レジスト層
10が、化合物半導体基板12上に示されている。当該基板
12は、ガリウム砒素基板であるが、本発明にとっては、
材質は重要ではない。下部フォト・レジスト層10は、ネ
ガ形で高解像度レジストである。当該ネガ形レジストの
適切な候補は、SAL−601である、但しSAL−601は、Sipl
ey Company Inc.の米国連邦登録商標である。下部フォ
ト・レジスト層10は、通常の技術を使用することによっ
て回転塗布される。下部フォト・レジスト層10の厚さ
は、例えば1500オングストロームである。

【００１３】マスク14が使用されることによって、光強
度の強弱が、下部フォト・レジスト層10の上部表面を横
切って作り出される。当該マスクの表面上には、透明な
位相シフト材料16が存在する。当該位相シフト材料はλ
／(2(n−1))に等しい厚みを有する。但しここで：λ
は、位相シフトされるべき光の波長であり、ｎは材料16
の屈折率である。krFエキシマ・レーザからの波を位相
シフトさせることができる材料の１つに、ポリメチル・
メタクリレート（即ち、PMMA）がある。約2530オングス
トロームの厚みを有するPMMAの層が、マスク14の上に被
覆され、その後、電子ビーム・リソグラフィ技法が使用
されることによって、材料16にパターンが形成される。
1990年度のIEEEトランザクション、CH2865-4 90 0000−
0821(821〜824ページ)において、ワタナベ氏ほかによっ
て記述されている通り、位相シフトマスクを製造するた
めの代替的な手法は、位相シフト材料としてSiNを使用
することである。

【００１４】KrFエキシマ・レーザからの248ナノメート
ルの波長を有する光線は、図１において、矢印として示
される。当該光線は、不透明な石英系基板を通過する。
同様に、当該光線は、位相シフト材料16を通過する。し
かしながら、当該位相シフト材料から出た波は、他の波
に対して180度だけ位相がずれている。位相シフトされ
ているといないとにかかわらず、マスク14を通過する波
は、下部フォト・レジスト層10の表面を露光する。

【００１５】しかしながら、位相シフト材料16の各々の
縁18、20に対して、不露光ライン・パターンが形成され
る。材料16を通過したために180度だけ位相がシフトさ
れた光線は、マスク14の石英系基板を通過する光線と干
渉し合う。その結果、打消し合いが生じて、各々の縁1
8、20に対応する位置に暗部領域が提供される。通常の
透過マスクを使用することによって得られるものよりも
更に高い解像度とコントラストとが得られる。

【００１６】選択的に、マスク14は、パターン化された
不透明材料22を含むことができる。望ましくは、当該不
透明材料22は、クロムである。クロムはパターンを形成
することによって、導電性径路が製造されるべき基板12
上の領域へKrF光が送られるのを阻止する。

【００１７】本発明は、KrFレーザ露光の使用により説
明されてきたが、その他の光源も利用され得る。望まし
くは、光線は、遠紫外線の光の領域内にあるものがよ
い。当該光線の波長は、解像度に関して主要な役割を果
たす。露光時における露光量はそれほど重要ではない。

【００１８】次に、図２を参照すると、ネガ形下部フォ
ト・レジスト層10用にSAL−601が使用された場合には、
水性アルカリ現像液が使用され得る。基板12と下部層10
とは１分間、約115度の温度で焼成される。光エネルギ
に対する露出と当該次階段の熱処理とによって、下部フ
ォト・レジスト層のうち、露光が阻止されなかった部分
と、光線が干渉によって打消し合わなかった部分とにお
ける当該下部フォト・レジスト層が架橋される。（橋欠
け、クロスリンク）水性アルカリ現像液は、環境規制に
従うことを、電子ビーム・プロセスにおいて通常的に使
用されている有機溶媒の使用と比較した場合には、より
容易なものにする。その上、ネガ形下部フォト・レジス
ト層10は、SEM検査時や、導電性ゲート構造を形成する
ためのゲート材料の堆着時において、より損傷を受けに
くい。

【００１９】下部フォト・レジスト層10の現像によっ
て、狭いギャップ24、26と導電性径路の堆着形成用の長
い領域28とが、形成される。上述した通り、これらの狭
いギャップ24、26は、図１における位相シフト材料16の
縁18、20と整列する。下部フォト・レジスト層10を、24
8ナノメートルのKrF照射に対して露光させた場合、当該
ギャップ24、26を1000オングストロームの長さに保つこ
とができることが見出されている。従って、露出照射に
用いられる光線の波長の1/2未満の長さを有するＴ型ゲ
ートを製造するために、光リソグラフィ技法を使用する
ことができる。上述した通り、露出照射に用いられる光
線の波長は、解像度を決定する上で重要な役割を果た
す。それと言うのも、位相シフト材料16の欠陥からの散
乱が生ずるからである。長い領域28の寸法は、一般に、
図１のマスク14の不透明材料22の寸法に対応する。

【００２０】図３に示されるネガ形フォト・レジスト上
部層30は、フォト・レジスト層10と基板12との上に塗布
される。下部層10を形成するために選択される材料は、
上記の工程で充分に架橋される材料でなければならな
い。そうすることによって、下部層10を、上部層30の成
形時に利用される注型溶液(casting solution)に対して
不溶にし、それによって、下部層10中のパターンが、上
部層30が塗布される時に、かき乱されることが防止され
る。上部層30は、ギャップ24、26を埋める。上部層30の
厚みは、5000オングストロームである。ここで再び付言
すると、SAL−601は、レジスト層を形成する上で適した
材料である。従って、２つのフォト・レジスト層の双方
を形成するために、単一種の材料を使用することができ
る。第２マスク32は、石英系基板であり、不透明材料3
4、36を含む。当該不透明材料は、クロムであってもよ
い。遠紫外線光、例えば、KrF放射光線によって、フォ
ト・レジスト上部層30は、不透明材料34、36によって当
該放射光線が阻止されなかった部位において、露光され
る。不透明材料36は、図１の第１マスク上に存在したク
ロムに対応する。そのフォト・レジストは、露光用の放
射光線を強く吸収するので、どうしても円錐台形状が生
じてしまい、そのために第２マスク上の不透明材料36は
第１マスク上の不透明材料よりも狭くすべきである。

【００２１】不透明材料34は、製造されるべきＴ型ゲー
ト構造の頭部の寸法を決定する。ギャップ24は、当該Ｔ
型ゲート構造の脚部の長さと高さとを決定する。位相シ
フト材料の縁が位置する所には全てライン・パターンが
創出されると言う原因のみに起因して、狭いギャップ26
が形成される。しかしながら、ここで、当該ゲート構造
を形成する上で使用されない狭いギャップ26は、導電性
ゲート材料を堆着させるための次工程において残される
材料によって単に埋められる。それ故、不必要な当該狭
いギャップは、複雑なパターン形成工程を必要とするこ
となしに、除去される。

【００２２】次に図４を参照すると、第２マスキング工
程に続いて、架橋（露光）されなかったフォト・レジス
ト材料の除去が行われる。２つの円錐台形状のギャップ
38、40が、フォト・レジスト上部層30内に形成される。
ギャップ38、40の下向きに拡大する形状は、Ｔ型ゲート
構造の頭部の製造に際しては一般的である。ここで注目
すべき点は、上記脚部用の狭いギャップ24の形成時に付
随的に形成されてしまった狭いギャップ26は、上部層30
からフォト・レジスト材料が除去される間、露出しない
点である。従って、付随的に形成された当該狭いギャッ
プは、次工程において何らの役割も果たさない。

【００２３】次いで、図５に示される通り、ゲート材料
の層42が堆着させられる。当該ゲート層42は、Ｔ型ゲー
ト構造の製造においては通常的なものである工程を使用
することによって、製造され得る。例えば、5000オング
ストロームの厚みを有するフィルムが、金を蒸発させる
ことによって堆着される。当該蒸発によって、基板12上
に、当該材料による導電性径路48、Ｔ型ゲート構造の脚
部44、頭部46とが創出される。

【００２４】最終工程において、リフト・オフ（剥離）
技術が使用されることによって、ゲート層42における不
要部分が取除かれる。ネガ形フォト・レジスト上部層30
と、ネガ形下部フォト・レジスト層10とが剥取られて、
フォト・レジスト上部層30上にあるゲート層部分が除去
される。従って、図６に示される構造が残る。Ｔ型ゲー
ト構造50は、頭部44と脚部46とから構成される。更に、
導電性径路48は、追加的な製造工程を必要とすることな
しに形成される。

【００２５】上記した通り、フォト・レジスト層10、30
の双方を形成する際に、単一種のフォト・レジスト材料
を使用することができる。Ｔ型ゲートの形成に加えて、
本発明の態様は、その他の２層構造を製造する上で、利
用され得る。第１ネガ形フォト・レジスト層は、放射光
線に対して露光されて、像を形成し、その後、当該像が
現像されることによって、第１開口が創出される。露光
後の焼成によって、充分な架橋がなされ、それによっ
て、同種のネガ形フォト・レジスト材料による第２層の
形成が可能にされる。像は、第２ネガ形フォト・レジス
ト層に創出される。像を層に形成するためのフォト・リ
ソグラフィ技術は、本発明に関して本質的なものではな
いが、望ましくは光リソグラフィ技術である。第２ネガ
形フォト・レジスト層における像は、現像されて第２開
口を提供すると共に、第１開口の少なくともある部分か
ら材料を除去する。次いで、金などの導電性材料が、第
１および第２開口内に堆着させられて、所望の２層構造
を形成する。

【００２６】

【発明の効果】本発明の利点は、光リソグラフィ技法の
方が、Ｔ型ゲート構造の製造において一般的に使用され
ている電子ビーム・リソグラフィ技法よりもコスト安で
あると言う点に存する。その上、光リソグラフィ技法
は、電子ビーム・リソグラフィ技法の連続的な露光工程
を必要としないので、より高い製造効率を達成すること
ができる。

【００２７】本発明のもう一つ別の利点は、アルカリ性
水溶液でもって現像することができるネガ形レジストを
選択することができる点に存する。即ち、このことは、
電子ビーム・リソグラフィ技法において一般的に使用さ
れる有機溶媒と比較した場合、環境規制に対して容易に
対処することができると言うことを意味する。更に、好
ましいネガ形レジストは、SEM検査の間、またはゲート
材料の堆着工程の間、損傷をより受けにくい。

【００２８】本発明は、コスト高を招くことなく、位相
シフト材料の縁に沿って形成される全ての付随的な像の
取り除き問題を解決する。ネガ形レジストの上部層は、
下部ネガ形レジスト層の開口を埋め、その後、下部ネガ
形レジスト層における必要でない像の位置は上部層の露
光工程の間、保護されずに残される。選択的に、位相シ
フト材料は、寸法付けられることにより、当該材料の選
択された縁に沿った暗部領域を取り除くことができる。
例えば、1/4波長位相シフト材料の小区域を、像が必要
でない所の選択された縁に設けることができる。しかし
ながら、このことは、製造プロセスを困難化する上、露
光工程時における焦点の制御を更に厳しいものにする。
本発明は、これらの複雑化を回避する。

【００２９】もう１つ別の利点は、本発明がさらに高い
トランジスタの性能につながる点に存する。商業的に入
手可能な装置は、マスク上に1/5の寸法で地形（形状）
を印刷することができる。これは、電子ビーム・プロセ
スを使用することによって得られるものと比較した場
合、ラインの縁の粗さを減少させる。当該粗さの減少に
よって、トランジスの性能に悪影響を及ぼすゲート長の
変動が減少される。本発明は、最小限の長さを必要とす
る地形に対してのみ位相シフト技術を使用し、そしてよ
り大きなパターンに対しては不透明材料を使用するの
で、マスク上にサブ・リゾルーション・グレーチング(s
ub-resolution gratings)をパターン形成させると言う
複雑さが回避される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において、基板上のホトレジスト層を露
光する第１マスク工程を示した図である。

【図２】図１の工程の後、ホトレジスト層を現像した後
の基板を示した図である。

【図３】図２の基板上のホトレジスト層を露光する第２
マスク工程を示した図である。

【図４】図３の工程の後、ホトレジスト層を現像した後
の基板を示した図である。

【図５】図４の基板上に導電層を形成した図である。

【図６】図５の工程の後、リフトオフ処理をして、Ｔ型
ゲート構造体と導電通路を残した構造体の図である。

【符号の説明】

１２：基板、１０，３０：フォトレジスト層、１６：位
相シフト材料３６：不透明材料、５０：Ｔ型ゲート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】狭い脚部と広い頭部とを有するＴ型ゲート
構造の形成方法であって、第１レジスト層を有する基板を与えること、第１領域に第１光線を照射し、第２領域には前記第１光
線と180°位相が異なる第２光線を照射して、前記第
１、第２光線の干渉により前記第１、第２領域の境界部
に前記脚部を定める露出されたパターンを前記第１レジ
スト層中に形成すること、前記基板上に第２レジスト層を与えること、前記第２レジスト層を照射して前記頭部を定めること、前記第２レジスト層中ら画定された前記頭部および前記
第１レジスト層中に画定された前記脚部からレジスト層
を除去すること、前記頭部および脚部にゲート物質を形成することを有す
るＴ型ゲート構造の形成方法。
【請求項２】前記第１レジスト層中に露出されたパター
ンを形成する工程は、180°位相シフト用物質を備えた
マスクを介して光線を照射する請求項１に記載のＴ型ゲ
ート構造の形成方法。
【請求項３】前記第１レジスト層中に露出されたパター
ンを形成する工程は、不透明物質を備えたマスクを使用
し、前記第１レジスト層の選択した領域への光照射を阻
止し、前記基板上での導電接線部を画定する請求項１に
記載のＴ型ゲート構造の形成方法。
【請求項４】前記第２レジスト層を露光する工程は、不
透明物質を備えたマスクを使用して、前記頭部への照射
を阻止することを含む請求項１に記載のＴ型ゲート構造
の形成方法。
【請求項５】前記第２レジスト層は前記第１レジスト層
と同一物質のネガ形レジスト層である請求項１に記載の
Ｔ型ゲート構造の形成方法。
【請求項６】前記露出されたパターンを形成する工程お
よび前記第２レジスト層を露光する工程は光リソグラフ
ィ技法により行なわれる請求項１に記載のＴ型ゲート構
造の形成方法。