TW200818515A - Field-effect transistor and method of manufacturing the same - Google Patents

Description

200818515 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明主要關於適於在1GHz以上之高頻帶使用之場 效型電晶體及其製造方法者。 【先前技術】 利用1GHz以上之高頻帶之無線通信在最近行動電話 。普及的帶領下，正藉由WiMAX等朝高頻帶進行各種系統的 1 開發與準備。此外，預料60GHz帶高速大容量通信系統、 及70至80GHz帶車載雷達系統等毫米波無線系統之市場今 後亦將擴大。在傳收送此等高頻帶之無線信號之部分中， 主要係使用以化合物半導體、尤其以GaAs為基板之被稱為 MESFET (Meta卜Semi conductor Field Effect

Transistor ;金屬半導體場效電晶體）、ΗρΕτ (Heter0juncti0n Field Effect Transist〇r ;異質接面場 C 效電晶體）或 HEMT(Hkh Electron Mobility Transist〇r; 尚電子移動率電晶體）之場效型電晶體。一般而言，通信系 統的普及必須要降低終端系統之成本。 在矽製程中，矽及作為表面絕緣膜使用之經由熱氧化 所形成之氧化矽膜原本即極為安定且具有優異防濕性之 外，在半導體上疊層有包夾有層間絕緣膜之多層配線，故 在财濕性方面亦為有效。 然而，使用於終端之傳收送模組之化合物半導體場效 型電晶體，該化合物半導體本身之耐濕性原本即非常的 2031-8733-PF;Ahddub 6 200818515 若膜厚較薄則 而使水分容易 直是使用封入 低，再加上疊層絕緣膜之耐濕性亦不太高， 會有因為在l〇〇nm以下之段差之覆蓋不良等 侵入，導致特性劣化之問題。因…往— 於氣密封裝件。 然而，氣密封裝件較電晶體晶片更耗費成本 了娜簡易封裝件以降低成本，勢必要以電晶體晶” 體提间耐濕性。因A，乃提出將耐濕絕緣膜之膜厚加厚以 提咼耐濕性之方案。 子

’、、、、而’為在高頻帶動作若將耐濕絕緣膜之膜厚加厚， :有空間容量增大，特性降低之問題。尤其是，在毫：波 π、二系使用之HEMT構造中，若絕緣膜存在於閘極與半導體 表面之間’則會有閘極電容大幅增加，且增益下降顯著之 因此，為了防範空間電容的增大，乃提出一種半導體 裝置之製造方法（請參照例如專利讀υ，係將作為閑極 亲J離（1 i f t 〇 f f)之空間之氧化矽膜被覆於η型活性層上， 於4氧化矽膜上被覆較氧化膜薄之氮化矽膜，於藉由光 Ρ圖案化於閘極形成部之後，藉由乾蝕刻將該氮化膜去 除之後，藉由濕银刻以幾乎不|虫刻氮化膜之方式而僅將 氧化膜蝕刻到基板，再者，執行側蝕刻而於氮化膜下部設 置空隙，接著，進行凹溝（recess)形成，將閘極金屬蒸鍍， 且進行藉由阻劑的剝離而形成閘極，塞住氮化膜與閘極 間’且以使凹溝内成為空洞之方式被覆保護膜。 【專利文獻1】日本特開平5-63003號公報 2〇31-8733-PF;Ahddub 7 200818515 容 内 明 發 η (發明所欲解決的課題） 然而’由於在形成凹溝後形成閘極而將氮化矽膜與間 極間塞住使凹溝内成為空洞，因此為了形成凹溝，會有要 耗費被覆氧化矽膜與氮化矽膜，且設置開口於氮化矽膜传 設置閘極電極，又從該開口將氧化矽膜去除到η型活性層 且藉由側蝕刻將空隙設於氮化矽膜之下部等許多的步驟 數，導致成本上升之問題。 本發明之目的在提供一種藉由耐濕絕緣膜之厚膜疊層 施以閘極周圍之防濕處理，且抑制閘極電容增大之廉價的 場效型電晶體及其製造方法。 (用以解決課題的手段） +本發明之場效型電晶體係將Τ型或Γ型閘極電極、及 隔著摻雜為η型之半導體區域而配設沒極電極及源極電極 於半導體層上者，具有用以覆蓋上述閉極電極之周圍及上 述半導體層之表面之膜厚為5Gnnl以下之絕緣媒、及藉 媒CVD法沉積而覆蓋上述絕緣膜之氮化矽膜，且藉由上述 氮化矽膜而於上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之 部分與上述半導體層之間形成有空洞。 (發明效果） 本卷明之％效型電晶體之效果係藉由觸媒CM法將具 有防濕效果之氮化石夕膜沉積為厚膜’即可於閘極電極之展 開之相當於傘之覆蓋體之部分與半導體層之間形， 2〇31-8733-PF；Ahddub 8 200818515 空洞之步驟 因此可節省用以形成 且降低製程之成本。 【實施方式] (實施形態1) 第 面圖。 圖係為本發明之實施形態！之場效型電晶體之剖

y…圖斤示本發明之貫施形態1之場效型電晶體 1係具有：緩衝層3’由成長於作為半絕緣性基板之半絕緣 性GaAs基板上之未摻雜—之蟲晶層所構成；通道層 由成長於該緩衝層3上之未摻雜⑽之^層所構成；閉 極接觸層5,由成長於該通道層4上之未摻雜ΑΗ^之蟲 晶層所構成；閑極埋…，由成長於該閑極接觸層5上 之未推雜^之蟲晶層所構成；及2個覆蓋（cap)層7a、 7b，於閉極埋入層6上成長後進行圖案化，且僅離開預定 、隹由n 3L GaAs之磊晶層所構成。另外，將緩衝層3、 通道層4、間極接觸層5、閘極埋入層6及覆蓋層7a、7b 匯集加以表現時則稱為半導體層2。 然而，此未摻雜AlGaAs (dopant)之本質半導體。此外， 為η型摻雜劑之本質半導體。 之磊晶層係為η型摻雜劑 此未摻雜GaAs之磊晶層係 晶體1係具有··源極 沒極電極9，形成於 ’一部分埋入於閘極 8與汲極電極9之間 此外，本實施形態1之場效型電 電極8，形成於一方之覆蓋層7a上； 另方之覆蓋層7b上，間極電極 埋入層6 ’用以控制流通於源極電極 2〇3l-8733-PF;Ahddub 9 200818515 之通道層4之電流；絕緣膜11，將半導體層2之露出之表 面予以覆蓋；及防濕絕緣膜12，用以覆蓋絕緣膜1}。 在此閘極埋入層6中，係設有閘極接觸層5露出於底 面之貫通孔21。 再者，設有凹溝（recess)23,其係將該貫通孔21包括 在内，且剖面較貫通孔21之剖面大，而於底部出現有閘極 埋入層6。 此閘極電極1〇之相當於傘之中棒之部分將貫通孔 貫通，且相當於傘之中棒之部分之一方之端部與間極接觸 層5接觸，而相當於伞之覆蓋體之部分則為所展開之傘形 狀之τ型閘極結構。再者，閘極電極i Q係為之2 層結構。另外，在耄米波帶hemt結構之場效型電晶體中， 雖須將閉極長度設為0.5“以下，惟若設為較短之Z長 度，則由於閘極電阻會增大且增益會降低，因此為了要作 成將未與半導體層2接觸之相當於傘之覆蓋體之部分展開 之形態以謀求閘極電阻之降低，須將閘極電極1G之結構作 士 τ型閘極結構。此外，由於閘極電極10之相當於傘之覆 盖體之.Ρ分會造成較大影響者係為閘極一沒極間電容，因此 田於丰之覆蓋體之部分是否會突出於源極側均與本發明 無關。亦即’相當於伞之覆蓋體之部分突出於源極侧時即 成為Τ型閘極結構，而未突出時則成為Γ型閘極結構。 因此^ ’甚《以姐舍 、緣膜之膜厚為變數將閘極-没極間電容 扣進行模擬’則如第2圖所示，由於絕緣膜之膜厚愈厚 ’極汲極間電容Cgd變愈大，因此將製程中一般所使用 2〇31-8733-PF；Ahddub 10 200818515 之50nm以下之絕緣膜11形成於 砜％供形成空洞之閘極埋入声 6、覆蓋層7a、7b、閘極電極1〇 曰 A u乏表面。如此，藉由 緣膜11覆蓋半導體層2之表面，半 / f导體層2之表面不會曝 露於氣相中，而防止元件特性因 ’、 茚缺專之不安定性 而變"(匕。 防濕絕緣膜12係將相當於源 T U电極8之侧面、覆蓋層 7a、7b之表面、閘極埋入層6 曰 <衣曲、閘極電極i 〇之屐 f 開之相當於傘之覆蓋體之表面與側面之部分作…加以 覆蓋。 以此防濕絕緣膜12而言，伤w益A “ D係以藉由觸媒CVD法所形成 之氮化矽膜（以下稱「SiNx膜」，亦包含 刀匕s如ShN4之非化學 計量(St〇ichi_try)之情形)為佳。另外，以一般經常使 用之防濕絕緣们2而言’其他尚有氧切膜⑽膜）或氣 化石夕膜（SiON膜）等，由於介電常數較咖膜小，因此有 助於降低電容，然而耐濕性、耐藥品性則不佳。 此外，在本實施形態1之場效型電晶體1，係於閘極 電極1G之展開之相當於傘之覆蓋體之部分與半導體層^ 間形成有空洞14。 因此，兹說明形成此⑼14之製造方法。為了形成此 空洞14,係使用觸媒CVD法以形成SiNx膜。 觸媒CVD &係發揮設置於晶圓上部之高溫鶴 Ο — )線於石夕烧（Silane)⑽ 4)與氨（_〇nia)(NH3) 反應時之觸媒之功能，可不將晶圓加熱，且不使用電” 而形成SiNx膜。由於不產生電聚，因此不會有半導二2 2031-8733-PF;Ahddub 11 200818515 之表面之損壞，而成為極高折射率（折射率n為約2.05)之 S i Νχ膜’耐濕性、耐藥品（稀釋氫氟酸）性亦極高。另外， 關於藉由此觸媒CVD法所形成之SiΝχ膜之特性，係詳細說 明於 A· Masuda 及其他四名所著「Highly moisture-resistive silicon nitride films prepared by catalytic chemical vapor deposition and application to gallium arsenide field-effect transistors」、

Vacuum、74 卷、2004 年、第 525-529 頁。 f ί 在觸媒CVD法中，可將晶圓基板溫度設為3〇〇〇c以下 之低溫（在一般之電漿CVD法中晶圓基板溫度為4〇〇至6〇〇 C )此點雖亦發揮形成高折射率膜之效果，然而由於晶圓 基板溫度低，因此不太會產生SiNx在表面之擴散，而SiNx 繞入於由閘極電極10之展開之相當於傘之覆蓋體之部分 所覆蓋之閘極埋入層6之表面及閘極電極1〇之相當於傘之 中棒之部分之側面較少。通常’ SiNx之繞人較少，雖然在 對於由閘極電们〇之相當於傘之覆蓋體之部分所覆蓋之 閘極埋入層6之表面未充分覆蓋之點上可能成為缺點，然 而在此發明中’反而為一種反向的構想，該構想係在閘極 電極10之相當於傘之覆蓋體之部分與覆蓋層7a、^之間 連接有SiNx膜，且可於該遠桩 連接之Si Νχ膜之閘極埋入層6 側形成與外部分開的空洞14。 如此，藉由觸媒CVD法聂風后a。· i層厚的Si Νχ膜於包含閘極雷 極10之半導體層2表面，即可維 Ρ ΊΓ維持良好耐濕性，同時 形成閘極電極10之展開 植田 展開之相當於傘之覆蓋體之部分與半 2031-8733-PF;Ahddub 12 200818515 導體層2之間形成空洞彳4，g卩i w 成/Π 14即可將閘極-汲極間電容，相 較於閘極電極10之展開之相當於伞之覆蓋體之部分 導體層2之間藉由絕緣膜所埋設時更為降低。以此奇義 言，藉由觸媒CVD法沉積SiNx，係為在閘極電極i 開之相當於傘之覆蓋體之部分與半導體層2之間形成*

14之最佳之製造方法。 工/J r 使用觸媒CVD法沉積SiNx膜時，以平坦位置之膜 :施以上之方式沉積⑽膜。此係由於藉由觸媒二 法將S i Nx膜沉積於呈右叩Λ夕# 4致n士 價趴/、有凹凸之結構時，凹凸之側壁之臈严 會成為平坦位置之一半以下之故，而為了要提升耐渴性了 必須在所有的位置作成50至⑽⑽以上之膜厚，因此須將 平坦位置之膜厚作成測測以上。另外，此恤膜可以是 1層，或形成為多層疊層亦可。 “雖然因為愈增加閉極電極10之展開之相當於傘之覆 盍體之部分與半導體層2之距離’愈可降低閉極電容，故 可謂為有效，然而為了使用觸媒CVD法沉積恤膜且形成 空洞14,須將閘極電極10之展開之相當於傘之覆蓋體之 部分與半導體層2之距離作成SiNx膜之膜厚以下。 雖然閉極-汲極間電容會受到半導體層2内之*乏層 之舉動而有較大影響，然而更受到外部結構，尤其:靜 電f 1〇之展開之相當於傘之覆蓋體之部分與覆蓋層7b之 重豐程度之影響。此係可視為閘極電極10之展開之相冷於 傘之覆蓋體之部分舆覆蓋層7b之間之疑似並聯平板電；。 因此’使閘極電極10之展開之相當於傘之覆蓋體之部 2031-8733-PF；Ahddub 13 200818515 » 1 分之汲極電極9側之端與覆蓋層7b之閘極電極1〇側之於 之間之間隙(以下簡稱為「Lgd」)為可變而進行模擬以求： 閘極-汲極間電容Cgd。另外，將閘極電極丨〇之展開之相 當於傘之覆蓋體之部分突出於汲極電極側9之長度設= 0 · 7 5 // m而進行模擬。 、、 茲於第3圖顯示所模擬之結果，惟閘極-汲極間電容 Cgd係顯示與Lgd為反比例之關係。再者，Lgd若從〇 . 2 “ m變化為〇· 75// m，則閘極-汲極間電容Cgd會降低〇· 〇知卜 # 相對於此，即使Lgd從〇.75#m變化至185//m，閘極一汲 極間電容Cgd亦僅降低0.005pF。因此，只要將七扣設為 閘極電極10之展開之相當於傘之覆蓋體之部分突出於汲 極電極9側之長度以上，則疑似並聯平板電容將會變得極 小。 另外，在此實施形態1中，雖藉由以GaAs為基本之化 合物半導體AlGaAs與GaAs之磊晶層作為半導體層進行了 ( 說明，惟其他亦可使用以氮化鎵（GaN)、砷化鋁（AiAs)、磷 化鎵（GaP)、氨化鎵（GaSb)、氮化鋁（A1N)、氮化銦（U)、 鱗化銦（InP)等為基本之磊晶層作為半導體層。 此外，雖以TaN/Au之2層結構說明了閘極電極！ 〇之 T型閘極結構，惟即使是其他T型閘極結構，例如為Ti/A1 結構、Ti/Pt/Au結構、f Si/Au結構亦無問題。 此外，T型閘極結構雖成為埋設有與半導體之接合部 分之形狀，惟亦可不埋設。 此外’於閘極旁邊之半導體表面雖具有凹溝23，惟不 2031-8733-PF;Ahddub 14 200818515 具有該凹溝23亦無妨。 (實施形態2) 第4圖係顯示將閘極-沒極間電容進行模擬時所使用 之計算裝置模型。 在貫施形態2中，係使實施形態1之場效型電晶體1 之閘極電極1 〇之展開之相當於傘之覆蓋體之部分突出於 没極電極9側之長度（以下稱「汲極側閘極突出GH」）為可 變而進行閘極-汲極間電容Cgd之模擬。 ； 在此模擬中，係使用第4圖所示之計算裝置模型，而 就有關將介電常數7· 55之SiNx充填於閘極上及源極電極 8與汲極電極9間，且在閘極電極1〇之展開之相當於傘之 覆蓋體之部分與半導體層2之間形成空洞14之結構（實施 形態2之結構）、亦包含閘極電極1〇之展開之相當於傘之 覆蓋體之部分與半導體層2之間而於閘極上及源極電極8 與沒極電極9間充㈣電常數21之低介電常數膜之結構 、(比較例1之結構）、亦包含閘極電極ίο之展開之相當於傘 之覆蓋體之部分與半導體層2之間而於閉極上及源極電極 8與&極電極9間充填介電常數3· 9之氧切之結構（比較 例2之結構），進行閘極—汲極間電容之模擬。 另外，在此杈擬中，將閘極電壓設為-2 V，且將汲極電 壓設為0V。 此外’於此閘極電容雖具有閘極_沒極間電容咖與閘 極一源極間電容’惟閘極-源極間電容大致依存於半導體内 空乏層電容，尤其依存於閘極接合面積，幾乎不受到外部 2031-8733-PF;Ahddub 15 200818515 結構之影響，因此不列入檢討。 兹於第5圖顯示所模擬之結果，惟於任一結構中均顯 示及極側閘極突出GH愈大則閘極—汲極間電容cgd愈增加 之傾向，然而在實施形態2之結構之計算裝置模型中，增 加率小於比較例1或比較例2之結構之計算裝置模型。再 者，在實施形態2之結構之計算裝置模型中，若及極側閘 極突出GH為0.8//m’則與比較例】之結構之計算裝置模 型之閘極-汲極間電容Cgd相等，再者，若没極側閑極突出 GH變大’則實施形態2之結構之計算裝置模型之閑極—汲 極間電容Cgd會變得較小。 此外，在實施形態2之結構之計算裝置模型中，若及 極側間極突出GH為0.5…上，則會變得比比較例2之 、、Ό構之计异I置杈型之閘極_汲極間電容CM小。 如此，只要將閉極電極10之展開之相當於傘之 之部分突出於汲極電極9侧之長度GH設為〇.9… i \ 則可降低閑極電阻，同時可將間極_汲極間電容如由 低介電常數膜充填之結構更為降低。 9 另外’作為低介電常數膜雖就介電常數2. 了模擬，惟在目前經赍祜田 h亍 仕曰則左吊使用之低介電常數膜中 2. ι係屬最小的等級。妒 罨吊數 寻、及然而，由於介電常數低， 很可能出現疏漏’因此就耐濕性而言難謂為有效。、-構 (實施形態3) "圖係本發明之實施形態3之場效型電晶體 圖。 口 ί由 2〇31-8733-PF；Ahddub 16 200818515 A由於本發明之實施形態3之場效型電晶體以與實施形 態1之場效型電晶體1之尤η ^ H 之不冋之處在於閘極電極10Β，而 其餘均相同，因此對於相同 〈口丨刀賦予相同符號，省 說明。 ’ ％ 之閘極電極1〇Β係 突出於汲極電極9 為所 側之 傘之 閘極 電極 如第6圖所示，本實施形態3 展開之相當於傘之覆蓋體之部分僅

Γ型閘極結構。再者’在閑極電極1〇之展開之相當於 覆蓋體之部分與半導體層2之間，係將咖充填於牧 電極10Β之相當於傘之中棒之部分之侧面延伸於没極 9側之部分，其餘部分則留下作為空洞14。 再者，將實施形態、3之g效型電晶冑1β之耐壓及間極 -没極間電容Cgd進行模擬。在此模擬中，係使從閘極電極 10B之相當於傘之中棒之部分之侧面延伸於汲極電極9側 之SiNx之寬度（以下稱「閘極徑橫絕緣膜寬度⑵」）為可 變而求出耐壓及閘極-汲極間電容Cgd。另外，耐壓係以茂 漏電抓達到〇. imA/mm之閘極_汲極間電壓來表示。此 外’在此模擬中，閘極電極1〇B之展開之相當於傘之覆蓋 體之部分突出於没極電極9側之長度GH係設為。亦 即’將閘極徑橫絕緣膜寬度GS設為從〇㈣至2㈣之間為 可變。 茲於第7圖顯示所模擬之結果，惟閘極_汲極間電容 cgd雖大致與閘極徑橫絕緣膜寬度GS成比例增大，惟耐壓 Vgdo係於閘極徑橫絕緣膜寬度以為1//1〇以上飽和。因此， 若將閘極徑橫絕緣膜寬度GS設為1//m左右，則耐壓“牝 2031-8733-PF;Ahddub 17 200818515 然而閘極-汲極間電容 Vgd0,同時抑制閘極

Cgd 一汲 雖會與無空洞14時大致相同， 僅增加至一半，因此可提升耐壓 極間電容Cgd之增加。 【圖式簡單說明】

第 圖係本發明之實施形態 1之場效型電晶體之剖面 帛2圖係使空洞周圍之絕緣膜之膜厚為可變而進行模 擬所求出之閘極—汲極間電容之曲線圖。 第3圖係顯示使閘極電極之展開之伞之覆蓋體與覆蓋 層之距離為可變而進行模擬所求出之閘極-沒極間電容之 曲線圖。 第4圖係顯示進行閘極—汲極間電容之模擬時所使用 之計算裝置模型。 、第5圖係顯示使用計算裝置模型而使汲極側閘極突出 C.為可變而進行模擬所求出之閘極-汲極間電容之曲線圖。 第6圖係本發明之實施形態3之場效型電晶體之剖面 圖。 第7圖係顯示使從Γ型閘極電極之相當於傘之中棒之 ^为之側面延伸於汲極電極側之絕緣膜之寬度為可變而進 仃模擬所求出之耐壓與閘極-汲極間電容之曲線圖。 【主要元件符號說明】 1、1B〜場效型電晶體；2〜半導體層； 2〇3l~8733-PF；Ahddub 18 200818515 3〜緩衝層； 4〜通道層； 5〜閘極接觸層； 6〜閘極埋入層； 7a、7b〜覆蓋層； 8〜源極電極； 9〜沒極電極； 10、10B〜閘極電極 11〜絕緣膜； 12〜防濕絕緣膜； 14〜空洞； 23〜凹溝。 今1〜貫通孔； 2031-8733-PF;Ahddub 19

Claims (1)

1. 200818515 十、申請專利範圍： 1.一種場效型電晶體，將T型或F型閘極電極、及隔 著摻雜為η型之半導體區域而配設汲極電極及源極電極於 半導體層上者， 其特徵在於具有： 用以覆蓋上述閘極電極之周圍及上述半導體層之表面 之膜厚為50nm以下之絕緣膜；及 藉由觸媒CVD法沉積而覆蓋上述絕緣膜之氮化矽膜； 藉由上述氮化矽膜而於上述閘極電極之展開之相當於 傘之覆蓋體之部分與上述半導體層之間形成有空洞。 2·如申請專利範圍第1項所述的場效型電晶體，其中 在藉由上述觸媒CVD法沉積之氮化矽膜之平坦位置之膜厚 係為200nm以上； 上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之部分與上 述半導體層之間之最短距離係為上述氮化石夕膜之膜厚以 下。 3 ·如申請專利範圍第1項所述的場效型電晶體，其中 上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之部分突出於上 述汲極電極側之長度係為〇. 9 // m以上。 4·如申請專利範圍第2項所述的場效型電晶體，其中 上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之部分突出於上 述汲極電極侧之長度係為〇. 9 // m以上。 5·如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的場效型 電晶體，其中上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之 2031~8733-PF;Ahddub 20 200818515 部分突出於上述汲極電極側之長度係為1 // m以上； 在上述閘極電極之展開之相當於傘之覆蓋體之部分與 上述半導體層之間，係從上述閘極電極之相當於傘之中棒 之部分之側面朝汲極電極方向藉由上述氮化矽膜充填未達 1从m之區域，剩餘之區域則成為空洞。 6· —種場效型電晶體之製造方法，該場效型電晶體係 將T型或Γ型閘極電極配設於半導體層上者， 其特徵在於包含： 、於上述閘極電極之周圍及上述半導體層之表面形成膜 厚為5 0 // m以下之絕緣膜之步驟；及 藉由使用觸媒CVD法沉積氮化;^膜而於上述閘極電極 展開之相田於傘之覆蓋體之部分與上述半導體層之間形 成空洞之步驟。 \ 2031-8733-PF;Ahddub 21