專利名稱：場效應晶體管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種場效應晶體管及其制造方法，更具體地，涉及一種具有T或Γ形狀的頭部比根部寬的精細柵電極的場效應晶體管及其制造方法。
背景技術：
隨著半導體器件集成密度的增加，晶體管的柵極長度減小，并且由于柵極長度的減小使截面面積減小，從而出現了柵極電阻增加的問題。具體地，由于其優(yōu)良的低噪音特性和高運行速度而頻繁地用于通信裝置和高速計算機中的GaAs高電子遷移率晶體管的特性可以在很大程度上由柵電極的電阻值控制。因而，提出了減小柵極電阻值的各種方法，例如穩(wěn)定低電阻歐姆工藝、超精細地電阻T或Γ形狀柵極成型等。
圖1A至1F是圖示具有T形柵電極的傳統(tǒng)場效應晶體管的制造方法的截面圖。
參照圖1A，提供源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)的有源層11和蓋層12按順序形成于半導體基底10上。
參照圖1B，歐姆金屬層13形成于源區(qū)和漏區(qū)的蓋層12之上。
參照圖1C，多層結構，即具有三層結構的光刻膠層14、15和16形成于整個表面上，并且隨后構圖光刻膠層16、15和14以形成形狀像T形的柵電極孔結構。這里，為了使柵電極的根部最小化，提供用于柵電極根部的開口的光刻膠層14通常形成得薄。
參照圖1D，蓋層12被暴露的部分通過使用構圖的光刻膠層14、15和16作為掩膜的蝕刻工藝被去除。這里，為了避免柵電極的根部形成得與蓋層12接觸，蓋層12蝕刻得比由光刻膠層14界定的被暴露的部分寬，從而在光刻膠層14下面形成凹進結構17。
參照圖1E，當金屬沉積在具有凹進結構17的整個基底表面上之后，通過搬走工藝去除光刻膠層16、15和14，從而形成T形柵電極18。
參照圖1F，例如氮化硅層、氧化硅層等的絕緣層沉積在具有柵電極18的基底的整個表面上，從而形成保護層19。
如上所述，傳統(tǒng)上使用具有多層結構的光刻膠層來形成T或Γ形的柵電極。另外，用于形成柵電極根部的下部光刻膠層形成得薄，從而柵電極形成得具有小的高度。然而，根據這種方法，隨著柵電極的頭部和半導體基底之間的距離減小，寄生電容增加。并且，隨著為了減小柵電極的電阻而增加柵電極的頭部的寬度，寄生電容增加得更多。
另外，根據上述傳統(tǒng)方法，由于在形成保護層時保護層填充在凹進結構內，所以在柵電極的頭部和半導體基底之間的寄生電容增加得更多。為了避免這種情形，保護層應當沉積得薄。但是，當保護層沉積得薄時，可能不能提供足夠的保護，結果導致器件的特性和可靠性的惡化。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及一種具有空腔的場效應晶體管及其制造方法，所述空腔使用具有不同蝕刻率的多層結構的絕緣層而形成于柵電極的頭部和半導體基底之間。
本發(fā)明的一個方面提供了一種場效應晶體管，所述場效應晶體管包括有源層，提供源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)；柵電極，形成于溝道區(qū)的有源層上并且具有頭部形成得比根部寬；蓋層，以離柵電極兩邊一定距離形成于有源層上；和絕緣層，在柵電極的頭部和蓋層之間形成并且具有在其中形成的對應于柵電極的頭部的空腔。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制造場效應晶體管的方法，所述方法包括下列步驟在其上形成有源層的半導體基底之上形成蓋層；在蓋層上形成具有多層結構的絕緣層；在絕緣層上形成用于形成頭部比根部寬的柵電極的光刻膠層圖案；使用光刻膠圖案作為掩膜蝕刻具有多層結構的絕緣層的一部分；在具有多層結構的絕緣層內形成對應于柵電極頭部的空腔；使用光刻膠圖案作為掩膜蝕刻蓋層；在基底的整個表面上沉積導電材料并且隨后去除光刻膠圖案從而在有源層上形成柵電極。


通過參照附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點將對于本領域的普通技術人員來說變得更為顯見，其中圖1A至1F是圖示傳統(tǒng)場效應晶體管的制造方法的截面圖；并且圖2A至2J是圖示根據本發(fā)明典型實施例的場效應晶體管的制造方法的截面圖。
具體實施例方式
此后，將詳細描述本發(fā)明的典型實施例。但是，本發(fā)明不僅限于下面公開的實施例，而是可以以各種修改的形式實施。因此，提供了下面的實施例，以對于本領域的普通技術人員完整地公開本發(fā)明并且充分傳達本發(fā)明的范圍。在下面的描述中，當描述第一層在第二層上時，第一層可以直接在第二層上，或在第一和第二層之間可以有第三層。在所有附圖中，為清楚起見可以夸大層的厚度或尺寸，并且相似的元件由相似的參考標號指定。
圖2A至2J是圖示根據本發(fā)明的典型實施例的制造場效應晶體管的方法的截面圖。
參照圖2A，提供源、漏和溝道區(qū)的有源層21和蓋層22形成于由半絕緣GaAs等制成的化合物半導體基底20之上。
參照圖2B，歐姆金屬層23形成于源和漏區(qū)的蓋層22上。暴露源和漏區(qū)的光刻膠圖案(在圖中未顯示)形成于蓋層22上，金屬沉積在蓋層22上，并且進行快速熱退火(RTA)工藝以形成歐姆金屬層23。例如，在高電子遷移率晶體管(HEMT)、金屬半導體場效應晶體管(MESFET)等使用化合物半導體的情形，沉積了AuGe、Ni、Au等以形成歐姆金屬層23。
參照圖2C，具有多層結構例如三層結構的絕緣層24、25和26形成于包括歐姆金屬層23的基底的整個表面上。這里，在具有多層結構的絕緣層內，將要在其中形成空腔的中間層具有比其它層高的蝕刻率。因此，第一和第三絕緣層24和26應當具有比第二絕緣層25低的蝕刻率。第一至第三絕緣層24、25和26優(yōu)選由可以保護半導體基底20表面的材料形成，例如氮化硅層、氧化硅層或具有低介電常數的二氧化硅薄層。另外，第一至第三絕緣層24、25和26的厚度通過考慮將要在絕緣層24、25和26上形成的光刻膠層(未顯示)中最下面部分和上部沉積的光刻膠層的蝕刻率、將要形成的T或Γ形柵電極的頭部和半導體基底之間的距離等而確定。
參照圖2D，具有多層結構例如四層結構的光刻膠層27、28、29和30，形成于第三絕緣層26上，并且隨后通過光刻工藝、電子束光刻工藝等構圖光刻膠層27、28、29和30，以形成界定T或Γ形柵電極的開口。
例如，當通過電子束光刻工藝形成具有兩個臺階的T形柵電極時，通過第一光刻膠層27界定用于下部柵電極根部的第一開口w1，通過第二光刻膠層28界定用于下部柵電極頭部的第二開口w2，并且通過第三光刻膠層29界定用于上部柵電極頭部的第三開口w3。開口w1、w2和w3的尺寸如下w1＜w2＜w3。第一至第四光刻膠層27、28、29和30可以使用各種組合形成，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/聚甲基戊二酰亞胺(polymethylglutarimidePMGI)/共聚物/聚甲基丙烯酸甲酯、ZEP/PMGI/copolymer/ZEP等。這里，第一和第二光刻膠層27和28的成份應當考慮蝕刻選擇性而決定，以便不損壞第一和第二光刻膠層27和28同時過度蝕刻第三絕緣層26。另外，第一和第二光刻膠層27和28的成份應當考慮蝕刻選擇率而決定，以便當蝕刻第一絕緣層24時，下部柵電極的頭部被界定為具有通過第二光刻膠層28界定的第二開口w2的尺寸，并且所述層被蝕刻到第二開口w2的尺寸并且向下蝕刻到第三絕緣層26。
參照圖2E，通過使用第一至第四光刻膠層27、28、29和30作為掩膜的蝕刻工藝去除第三絕緣層26的被暴露的區(qū)。這里，第三絕緣層26被蝕刻到由第一光刻膠層27界定的第一開口w1的尺寸。優(yōu)選第三絕緣層26通過各向異性蝕刻工藝被過度蝕刻以暴露第二絕緣層25，使得第二絕緣層25被部分去除。當第二和第三絕緣層25和26由氮化硅、氧化硅層等形成時，可以由例如使用CF4氣體等的反應離子蝕刻(RIE)，磁增強反應離子蝕刻(MERIE)、感應耦合等離子體(ICP)等方法蝕刻。
參照圖2F，通過各向同性工藝蝕刻第二絕緣層25從而在第三絕緣層26下面形成空腔32。例如，當使用第一光刻膠層27作為掩膜通過各向同性蝕刻工藝蝕刻第二絕緣層25被暴露的區(qū)時，由于第二絕緣層25與第一和第三絕緣層24和26之間蝕刻率的差別，第二絕緣層25被蝕刻得更多，從而在第一和第三絕緣層24和26之間形成空腔32。這里，為了使上部柵電極的頭部和半導體基底之間的寄生電容最小化，優(yōu)選空腔32形成得比上部柵電極的頭部的第三開口w3大。
參照圖2G，通過空腔32暴露的第一絕緣層24通過各向異性蝕刻工藝蝕刻到由第一光刻膠層27界定的第一開口w1的尺寸。這里，由于按順序蝕刻第一光刻膠層27和第三絕緣層26的被暴露的部分，由第三絕緣層26界定的開口33獲得與由第二光刻膠層28界定的第二開口w2相同的尺寸。
參照圖2H，各向同性和各向異性蝕刻蓋層22以在第一絕緣層24下面形成空腔35。這里，為了使下部柵電極和半導體基底之間的寄生電容最小化，優(yōu)選通過各向同性蝕刻工藝在第一絕緣層24下面形成空腔35，其中在蓋層22和有源層21之間有大的蝕刻率的差別，并且優(yōu)選空腔35形成得比下部柵電極頭部的第二開口w2大。另外，在使用化合物半導體HEMT、MESFET等的情形，用于形成空腔35的蝕刻工藝可以對器件的特性具有重要的影響。因而，優(yōu)選控制蝕刻工藝，從而保持空腔35的合適的尺寸和有源層21的合適的厚度，同時測量例如通過有源層21的電流量。
例如，蓋層22可以通過具有單步驟或多步驟的濕法蝕刻、干法蝕刻或濕和干法蝕刻的結合而被蝕刻。為了避免在蝕刻第一絕緣層24時對于蓋層22表面上的等離子體損傷，優(yōu)選蝕刻工藝按照濕法蝕刻/干法蝕刻/濕法蝕刻的順序進行。干法蝕刻可以應用使用例如BCl3、SF6等氣體的電子回旋共振(ECR)、ICP等，而濕法蝕刻可以使用各種蝕刻溶液，例如其中以合適比例混和H3PO4、H2O2、H2O等的磷酸鹽溶液。
參照圖2I，當金屬沉積在基底的整個表面上從而空腔32和35被部分填充之后，通過剝離工藝去除第一至第三光刻膠層30、29、28和27，從而完全形成在有源層21上具有2個臺階的T形柵電極36。對于使用化合物半導體的HEMT、MESFET等，沉積Ti、Pt、Au等從而可以形成柵電極36。
參照圖2J，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法在具有柵電極36的基底的整個表面上沉積氮化硅層或氧化硅層，從而形成保護層37。
如在圖2J中所示，通過上述工藝，本發(fā)明的場效應晶體管包括有源層21、柵電極36、蓋層22和絕緣層24、25和26。有源層21提供源、漏和溝道區(qū)。柵電極36形成于溝道區(qū)的有源層21上并且具有形成得比根部寬的頭部。蓋層22形成于有源層21上，從而從柵電極36的兩邊分開。為了在柵電極36的頭部和蓋層22之間提供至少一個空腔32，絕緣層24、25和26形成為多層結構。空腔35通過絕緣層24形成于柵電極36和蓋層22之間。
如上所述，根據本發(fā)明，在具有其頭部比其根部寬的T形或Γ形柵電極的場效應晶體管的制造工藝中，空腔使用具有不同蝕刻率的多層結構的絕緣層而形成于柵電極的頭部和半導體基底之間。由于在柵電極的頭部和半導體基底之間的寄生電容通過空腔而減小，柵電極的頭部可以制得大，從而可以減小柵極電阻。另外，由于可以通過調整絕緣層的厚度來調整柵電極的高度，所以可以減小寄生電容從而改善器件的性能，并且工藝的一致性和可重復性也得到了改善。另外，由于空腔形成得被絕緣層密封，所以可以沉積厚的保護層。因此，由于低柵極電阻和低寄生電容，可以一致和可重復地制造具有優(yōu)良的高頻率和低噪聲特性的高性能場效應晶體管。
雖然參照其某些典型實施對本發(fā)明例進行了顯示和描述，但是本領域的技術人員應當理解在不偏離由權利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行形式和細節(jié)上的各種變化。
權利要求
1.一種場效應晶體管，包括有源層，提供源區(qū)、漏區(qū)、和溝道區(qū)；柵電極，形成于所述溝道區(qū)的有源層上并且具有形成得比根部寬的頭部；蓋層，形成于與所述柵電極的兩邊相距一定距離的有源層上；和絕緣層，形成于所述柵電極的頭部和蓋層之間并且具有對應于所述柵電極頭部的在其中形成的空腔。
2.根據權利要求1的所述場效應晶體管，其中所述空腔在所述柵電極的兩側和蓋層之間通過所述絕緣層而形成。
3.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所述空腔形成得比所述柵電極的頭部寬。
4.根據權利要求1的場效應晶體管，還包括在所述蓋層上形成的歐姆金屬層。
5.一種制造場效應晶體管的方法，包括下列步驟在其上形成有源層的半導體基底上形成蓋層；在所述蓋層上形成具有多層結構的絕緣層；在所述絕緣層上形成用于形成頭部比根部寬的柵電極的光刻膠層圖案；使用所述光刻膠圖案作為掩膜蝕刻具有多層結構的絕緣層的一部分；在所述絕緣層內形成空腔，所述絕緣層具有對應于所述柵電極頭部的多層結構；使用所述光刻膠圖案作為掩膜蝕刻所述蓋層；并且在所述基底的整個表面上沉積導電材料并且隨后去除所述光刻膠圖案，從而在所述有源層上形成柵電極。
6.根據權利要求5的方法，其中將要形成所述空腔的中間層具有比在具有多層結構的絕緣層之中的其它層高的蝕刻率。
7.根據權利要求6的方法，其中所述空腔通過各向同性蝕刻工藝形成。
8.根據權利要求5的方法，其中所述空腔形成得比所述柵電極的頭部寬。
9.根據權利要求5的方法，其中所述蓋層蝕刻得比絕緣層寬。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有T或Γ形狀精細柵電極的場效應晶體管，其頭部比根部寬，以及一種所述場效應晶體管的制造方法。使用具有不同蝕刻率的多層結構的絕緣層在所述柵電極的頭部和半導體基底之間形成空腔。由于通過所述空腔減小了所述柵電極和半導體基底之間的寄生電容，所以所述柵電極的頭部可以制得大，從而可以減小柵電阻。另外，由于可以通過調整所述絕緣層的厚度而調整所述柵電極的高度，所以可以改善器件的性能以及工藝的一致性和可重復性。
文檔編號H01L29/423GK1960002SQ20061010759
公開日2007年5月9日 申請日期2006年7月26日 優(yōu)先權日2005年11月3日
發(fā)明者安浩均, 林鐘元, 文載京, 池弘九, 張宇鎮(zhèn), 金海天 申請人:韓國電子通信研究院