專利名稱：場效應晶體管及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及適用于1GHz以上的高頻帶使用的場效應晶體管及 其制造方法。
背景技術：
利用1GHz以上的高頻帶的無線通信以近來便攜式電話的普及為 首，正利用WiMAX等進行面向高頻帶的各種系統(tǒng)的開發(fā)和整備。此夕卜， 可以預想今后60GHz頻帶的高速大容量通信系統(tǒng)或70 80GHz頻帶的 車載雷達系統(tǒng)等亳米波無線通信的市場也會更加擴大。在收發(fā)這些高 頻帶無線信號的部分，主要使用化合物半導體、特別是以GaAs為襯底 的稱之為MESFET、 HFET或HEMT的場效應晶體管。 一般，通信系統(tǒng)的 普及必須降低終端系統(tǒng)的成本。在硅處理工藝中，原來硅和作為表面絕緣膜使用的利用熱氧化形 成的氧化硅膜非常穩(wěn)定且防濕性好，此外，在半導體上層疊有夾著層 間絕緣膜的多層布線，對于耐濕性也很有效。但是，終端的收發(fā)模塊使用的化合物半導體場效應晶體管，因本 來其化合物半導體本身的耐濕性就非常差，加之，層疊絕緣膜的耐濕性也并不好，如果膜厚很薄，則在100nm以下的臺階差下由于覆著膜 的不良等原因水分容易進入，從而導致特性惡化的問題。因此，以往 將其封裝在氣密密封封裝體中之后再使用。但是，由于氣密密封封裝體其所花的成本比晶體管芯片還高，所 以，為了采用簡易的封裝體以降低成本，迫切需要提高晶體管芯片單 體的耐濕性。因此，為了提高耐濕性，提出了增加耐濕絕緣膜的膜厚 的方案。但是，因在高頻帶工作，所以當耐濕絕緣膜的膜厚變厚時，空間 容量增大，存在特性下降的問題。特別是，對于經(jīng)常在毫米頻帶使用 的HEMT結構，若在柵極和半導體表面之間存在絕緣膜，則柵極電容大 大增加，存在增益明顯下降的問題。因此，為了防止空間電容的增大，提出了一種半導體裝置的制造
方法，即，在n型活性層上覆著氧化硅膜，該氧化硅膜作為柵極隔離 (gate lift-off )的隔離子(spacer)，并在其上覆著比氧化膜更 薄的氮化硅膜，在利用光致抗蝕劑對柵極形成部進行構圖之后，利用 干蝕刻除去該氮化膜，然后，利用濕蝕刻只將氧化膜除去直至襯底， 而幾乎不對氮化膜進行蝕刻，進而，進行側面蝕刻，在氮化膜下部設 置空隙，其次，形成凹槽(recess)，蒸鍍柵極金屬，使用抗蝕劑進 行隔離，形成柵極，填充氮化膜和柵極之間，并在凹槽內形成空洞(例 如，參照專利文獻l)。[專利文獻l]特開平5-63003號公報但是，在形成凹槽之后形成柵極，將氮化硅膜和柵極之間填塞而 在凹槽內形成空洞，因此為了形成凹槽，覆著氧化硅膜和氮化硅膜， 并在氮化硅膜上設置開口，以便用來設置柵電極，從該開口將氧化硅 膜除去直至n型活性層，且利用側面蝕刻在氮化硅膜的下部設置空隙， 這需要很多道工序，因此，存在成本上升的問題。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種價格低廉的場效應晶體管及其制造方 法，通過耐濕絕緣膜的厚膜層疊對柵極周圍進行防濕處理，而且可以 抑制柵極電容的增大。本發(fā)明的場效應晶體管是在半導體層上配設有T型或r型柵電 極、通過n型參雜的半導體區(qū)設置的漏電極和源電極的場效應晶體管， 具有將上述柵電極的周圍和上述半導體層的表面覆蓋的膜厚為50nm以 下的絕緣膜和以催化劑CVD法堆積而將上述絕緣膜覆蓋的氮化硅膜， 利用上述氮化硅膜，在上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分和上述 半導體層之間形成空洞。本發(fā)明的場效應晶體管具有如下效果通過利用催化劑CVD法將 具有防濕效果的氮化硅膜堆積成厚膜，可以在柵電極的相當于張開的 傘罩的部分和半導體層之間形成空洞，因此，能夠省卻用于形成空洞 的工序，降低制造成本。


圖1是本發(fā)明實施形態(tài)1的場效應晶體管的截面圖。
圖2是表示使空洞周圍的絕緣膜的膜厚可變、仿真求出的柵-漏間電容的曲線圖。圖3是表示使柵電極的張開的傘罩和覆蓋層之間的距離可變、仿真求出的柵-漏間電容的曲線圖。圖4是表示仿真柵-漏間電容時使用的計算器件模型的圖。圖5是表示使用計算器件模型使柵極向漏極側延伸部分可變、仿真求出的柵-漏間電容的曲線圖。圖6是本發(fā)明實施形態(tài)3的場效應晶體管的截面圖。圖7是表示使從r型柵電極的相當于傘柄(shank)部分的側面向漏電極側延伸的絕緣膜的寬度可變、仿真求出的耐壓和柵-漏間電容的曲線圖。
具體實施方式
實施形態(tài)1.圖l是本發(fā)明實施形態(tài)1的場效應晶體管的截面圖。如圖1所示，本發(fā)明實施形態(tài)1的場效應晶體管1，具有由在作為 半絕緣性襯底的半絕緣性GaAs襯底上生長的未參雜GaAs的外延層形 成的緩沖層3、由在該緩沖層3上生長的未參雜GaAs的外延層形成的 溝道層4、由在該溝道層4上生長的未參雜AlGaAs的外延層形成的柵 極接觸層5、由在該柵極接觸層5上生長的未參雜GaAs的外延層形成 的柵極埋入層6、以及由在柵極埋入層6上生長之后進行構圖并使其離 開規(guī)定的距離的n+型GaAs的外延層形成的2個覆蓋層(capping layer) 7a、 7b。再有，將緩沖層3、溝道層4、柵極接觸層5、柵極 埋入層6以及覆蓋層7a、 7b統(tǒng)稱作半導體層2。該未參雜AlGaAs的外延層是n型參雜的本征半導體。此外，該未 參雜GaAs的外延層是n型參雜的本征半導體。此外，本實施形態(tài)1的場效應晶體管1具有在一個覆蓋層7a上形 成的源電極8、在另一個覆蓋層7b上形成的漏電極9、 一部分埋入柵 極埋入層6且控制流向源電極8和漏電極9之間的溝道層4的電流的 柵電極10、將半導體層2露出的表面覆著的絕緣膜11和覆蓋絕緣膜 11的防濕絕緣膜12。在該柵極埋入層6中設置使柵極接觸層5從底面露出的貫通孔21。而且，還設置凹槽23，將該貫通孔21包在里面，且截面比貫通孔 21的截面大，使柵極埋入層6從底部露出來。該柵電極IO是傘狀的T型柵極結構，相當于傘柄的部分將貫通孔 21貫通，相當于傘柄的部分的一個端部與柵極接觸層5接觸，相當于 傘罩的部分張開。再有，柵電極10是TaN/Au的2層結構。另外，在 毫米頻帶HEMT結構的場效應晶體管中，必須使柵極長度在0. 5nm以 下，若柵極長度小，則柵極電阻增大且增益下降，所以為了達到使不 與半導體層2接觸的相當于傘罩的部分張開來降低柵極電阻的目的， 有必要將柵電極10的結構做成T型柵極結構。此外，柵電極10的相 當于傘罩的部分影響最大的是柵-漏間電容，所以，相當于傘罩的部 分向源極側延伸或不延伸都與本發(fā)明無關。也就是，當相當于傘罩的 部分向源極側延伸時，是T型柵極結構，不延伸時是r型柵極結構。因此，如圖2所示，若將絕緣膜的膜厚作為變量對柵-漏間電容 Cgd進行仿真，則絕緣膜的膜厚越厚柵-漏間電容Cgd越大，故在形成 空洞的柵極埋入層6、覆蓋層7a、 7b和柵電極10的表面形成工藝中通 常使用的50nm以下的絕緣膜11。通過像這樣用絕緣膜ll覆蓋半導體 層2的表面，可以不使半導體層2的表面暴露在氣相(vapor phase) 中，從而防止因表面缺陷等不穩(wěn)定性而導致器件特性的變化。防濕絕緣膜12作為一個整體覆著源電極8的側面、覆蓋層7a、 7b 的表面、柵極埋入層6的表面和柵電極10的相當于張開的傘罩的表面 和側面的部分。作為該防濕絕緣膜12，適合使用利用催化劑CVD法形成的氮化硅 膜(以下稱作SiNx膜，也包括像Sh仏那樣的不是化學計量法 (stoichiometric)的情況)。再有，作為通常經(jīng)常被使用的防濕絕 緣膜12，其余還有氧化硅膜(Si0膜)或氮氧化硅膜(Si0N膜)等， 因介電常數(shù)比SiNx小，故電容減小，但耐濕性和耐藥品性差。此外，在該實施形態(tài)1的場效應晶體管1中，在柵電極10的相當 于張開的傘罩的部分和半導體層2之間形成有空洞14。因此，就形成該空洞14的制造方法進行說明。為了形成該空洞 14，使用催化劑CVD法形成SiNx膜。在催化劑CVD法中，設置在晶片上部的高溫鵠絲在硅烷(SiHO
和氨(NHO反應時起催化劑的作用，而且不加熱晶片、不使用等離子 體等就可以形成SiNx膜。由于不發(fā)生等離子體，故不會損壞半導體層 2的表面，成為折射率非常高(折射率n約為2. 05 )的SiNx膜，且耐 濕性和耐藥品(稀釋的氟酸)性也非常高。再有，關于利用該催化劑 CVD法形成的SiNx膜的特性，在A.Masuda和其余4位作者的"由化 學氣相沉積接觸反應形成的高耐濕性氮化硅膜和對砷化鎵場效應晶體 管的應用Highly moisture-resistive silicon nitride films prepared by catalytic chemical vapor deposition and application to gallium arsenide field-effect transistors"， Vac畫、74巻、2004年，P. 525-529中有詳細記栽。在催化劑CVD法中，晶片襯底溫度可以是300x:以下的低溫(在通 常的等離子體CVD法中，晶片襯底溫度是400 6001C )，這對于高折 射率膜的形成很有效，但是，因晶片襯底溫度低，故SiNx在表面不怎 么擴散，SiNx在被柵電極10的相當于張開的傘罩的部分覆蓋的柵極埋 入層6的表面和柵電極10的相當于傘柄的部分的側面蔓延的情況很 少。通常，從被柵電極10的相當于傘罩的部分覆蓋的對柵極埋入層6 表面的不充分覆著這一點來看，SiNx蔓延少可以說是一種缺點，但是， 本發(fā)明中卻利用 一種逆向思維，SiNx膜在柵電極10的相當于傘罩的部 分和覆蓋層7a、 7b之間連在一起，而且可以在該連接的SiNx膜的柵 極埋入層6—側形成與外部隔離的空洞14。這樣，通過利用催化劑CVD法在包含柵電極10的半導體層2的表 面厚厚地層疊SiNx膜，可以保持良好的耐濕性，同時，通過在柵電極 10的相當于張開的傘罩的部分和半導體層2之間形成空洞14，可以使 柵- 漏間電容與在柵電極10的相當于張開的傘罩的部分和半導體層2 之間埋入絕緣膜的情況相比降低。這意味著利用催化劑CVD法堆積空洞14的最佳制造方法。當利用催化劑CVD法堆積SiNx膜時，使平坦處的膜厚在200nm以 上。這是因為，當利用催化劑CVD法對具有凹凸的結構堆積SiNx膜時， 可知凹凸側壁的膜厚成為平坦處的一半以下，為了提高耐濕性，就必 須使所有的地方的膜厚在50~100nm以上，所以就有必要使平坦處的 膜厚在200nm以上。再有，該SiNx膜可以是l層，也可以層疊多層。
雖然可以說柵電極10的相當于張開的傘罩的部分和半導體層2之 間的距離越長越可以降低柵極電容，但為了使用催化劑CVD法堆積 SiNx膜并形成空洞14，就有必要使柵電極10的相當于張開的傘罩的 部分和半導體層2之間的距離為SiNx膜的膜厚以下。雖然半導體層2內的耗盡層的行為對柵-漏間電容有很大的影 響，但外部結構、特別是柵電極10的相當于張開的傘罩的部分和覆蓋 層7b的重合程度也有影響。可以將其看成是柵電極10的相當于張開 的傘罩的部分和覆蓋層7b之間的準(pseudo)平行平板電容。因此，通過使柵電極10的相當于張開的傘罩的部分的漏電極9一 側的端部和覆蓋層7b的柵電極10 —側的端部之間的間隙(以下簡稱 "Lgd")可變，仿真求出柵-漏間電容Cgd。再有，將柵電極10的 相當于張開的傘罩的部分向漏電極9一側延伸的長度設定為0. 75ium進 行仿真。圖3中示出仿真的結果，柵-漏間電容Cgd與Lgd成反比關系。 而且，當Lgd從0. 2pm向0. 75拜變化時，柵-漏間電容Cgd降低 0. 03pF，而當Lgd從O. 75jLim變化到1.85)um時，柵-漏間電容Cgd也 只降低O. 005pF。因此，當使Lgd大于等于柵電極10的相當于張開的 傘罩的部分向漏電極9 一側延伸的長度時，可以使準平行平板電容足 夠小。再有，在該實施形態(tài)l中，作為半導體層，使用以GaAs為基本成 分的化合物半導體AlGaAs和GaAs的外延層進行了說明，但是，也可 以使用其它以氮化鎵(GaN)、砷化鋁(AlAs)、磷化鎵(GaP )、銻 化鎵(GaSb )、氮化鋁(A1N )、氮化銦(InN )、磷化銦(InP )等為 基本成分的外延層作為半導體層。此外，使用TaN/Au的2層結構說明了柵電極10的T型柵極結構， 但是，其它的T型柵極結構、例如Ti/Al結構、Ti/Pt/Au結構、WSi/Au 結構也沒有問題。此外，T型柵極結構是與半導體的接合部分被埋入的形狀，但也可 以不埋入。此外，在柵極旁邊的半導體表面有凹槽23，但也可以沒有凹槽。 實施形態(tài)2.圖4表示仿真柵-漏間電容時使用的計算器件模型。
在實施形態(tài)2中，使實施形態(tài)1的場效應晶體管1的柵電極10的 相當于張開的傘罩的部分向漏電極9 一側延伸的長度(以下稱作"柵 極向漏極側的延伸GH")可變，對柵-漏間電容Cgd進行仿真。在該仿真中，使用圖4所示的計算器件模型，對于在柵極上和源 電極8與漏電極9之間充填相對介電常數(shù)為7. 55的SiNx且在柵電極 10的相當于張開的傘罩的部分和半導體層2之間形成空洞14的結構 (實施形態(tài)2的結構)、在包含柵電極10的相當于張開的傘罩的部分 和半導體層2之間在內的柵極上和源電極8與漏電極9之間充填相對 介電常數(shù)為2. 1的低介電常數(shù)膜的結構(比較例1的結構)、以及在 包含柵電極10的相當于張開的傘罩的部分和半導體層2之間在內的柵 極上和源電極8與漏電極9之間充填相對介電常數(shù)為3. 9的氧化硅的 結構(比較例2的結構)，進行了柵-漏間電容Cgd的仿真。再有，在該仿真中，設柵極電壓為-2V，漏極電壓為0V。此外，雖然柵極電容有柵-漏間電容Cgd和柵-源間電容，但柵 -源間電容大致依賴于半導體內耗盡層電容，特別是柵極接合面積， 幾乎不受外部結構的影響，所以不屬于探討的范圍。圖5表示仿真的結果，不管那種結構，柵極向漏極側的延伸GH越 大，柵-漏間電容Cgd越增加，但是，實施形態(tài)2的結構的計算器件 模型與比較例1或比較例2的結構的計算器件模型相比，增加率小。 而且，在實施形態(tài)2的結構的計算器件模型中，當柵極向漏極側的延 伸GH為0. 8,時，其柵-漏間電容Cgd與比較例1結構的計算器件模 型相等，進而，當柵極向漏極側的延伸GH變大時，實施形態(tài)2結構的 計算器件模型的柵-漏間電容Cgd更小。此外，在實施形態(tài)2的結構的計算器件模型中，當柵極向漏極側 的延伸GH為0. 5，以上時，其柵-漏間電容Cgd比由比較例2結構的 計算器件模型的柵-漏間電容C gd小。這樣，若使柵電極10的相當于張開的傘罩的部分向漏電極9一側 延伸的長度GH為0. 9拜以上時，能夠降低柵極電阻，同時可以使柵-漏間電容Cgd低于以低介電常數(shù)膜充填的結構。再有，作為低介電常數(shù)膜，對相對介電常數(shù)為2.1的膜進行了仿 真，但在現(xiàn)在經(jīng)常使用的低介電常數(shù)膜中，相對介電常數(shù)2.1是屬于 最小的一種。但是，若相對介電常數(shù)低則成為疏松(coarse)的膜的
可能性高，所以耐濕性差。實施形態(tài)3.圖6是本發(fā)明實施形態(tài)3的場效應晶體管的截面圖。 本發(fā)明實施形態(tài)3的場效應晶體管1B，其柵電極10B與實施形態(tài) 1的場效應晶體管1不同，其余都相同，所以對同樣的部分添加同樣的 符號并省略其說明。如圖6所示，本實施形態(tài)3的柵電極IOB是相當于張開的傘罩的 部分只向漏電極9一側延伸的r型柵極結構。而且，在柵電極10的相 當于張開的傘罩的部分和半導體層2之間，在從柵電極10B的相當于 傘柄的部分的側面向漏電極9 一側延伸的部分填充SiNx，其余是空洞 14。而且，對實施形態(tài)3的場效應晶體管IB的耐壓和柵-漏間電容Cgd 進行了仿真。在該仿真中，使從柵電極10B的相當于傘柄的部分的側 面向漏電極9一側延伸的SiNx的寬度(以下，稱作"柵極莖側絕緣膜 寬度GS，，)可變，再求出耐壓和柵-漏間電容Cgd。再有，耐壓用漏 電流達到0. lmA/mm的柵-漏間電壓來表示。此外，在該仿真中，設柵 電極10B的相當于張開的傘罩的部分向漏電極9 一側延伸的長度GH為 2pin。即，使柵極莖側絕緣膜寬度GS在Oiiun到2，之間可變。圖7表示仿真結果，柵-漏間電容Cgd相對柵極莖側絕緣膜寬度 GS大致成比例增大，但在柵極莖側絕緣膜寬度GS大于等于liiun時，耐 壓Vgdo飽和。因此，若設柵極莖側絕緣膜寬度GS為l一左右時，則 耐壓Vgdo和沒有空洞14時大致相同，但柵-漏間電容Cgd只增加一 半左右，所以，能夠提高耐壓Vgdo同時抑制柵-漏間電容Cgd的增加。
權利要求
1.一種場效應晶體管，在半導體層上配設有T型或Γ型柵電極、通過n型參雜的半導體區(qū)設置的漏電極和源電極，其特征在于具有將上述柵電極的周圍和上述半導體層的表面覆蓋的膜厚小于等于50nm的絕緣膜，和以催化劑CVD法堆積而將上述絕緣膜覆蓋的氮化硅膜，利用上述氮化硅膜，在上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分和上述半導體層之間形成空洞。
2. 權利要求l記載的場效應晶體管，其特征在于利用上述催化 劑CVD法堆積的氮化硅膜的平坦處的膜厚為200rnn以上，上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分和上述半導體層之間的最 短距離小于等于上述氮化硅膜的膜厚。
3. 權利要求l記栽的場效應晶體管，其特征在于 上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分向上述漏電極側延伸的長度大于等于0. 9pm。
4. 權利要求2記載的場效應晶體管，其特征在于 上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分向上述漏電極側延伸的長度大于等于0.9，。
5. 權利要求1至4的任何一項記載的場效應晶體管，其特征在于 上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分向上述漏電極側延伸的長度大于等于lpm，在上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分和上述半導體層之間， 從上述柵電極的相當于傘柄的部分的側面向漏電極方向的不到1拜的 區(qū)域由上述氮化硅膜填充，其余的區(qū)域形成空洞。
6. —種場效應晶體管的制造方法，是在半導體層上配設有t型或r型柵電極的場效應晶體管的制造方法，其特征在于包括在上述柵電極的周圍和上述半導體層的表面形成膜厚小于等 于50nm的絕緣膜的工序，和通過以催化劑CVD法堆積氮化硅膜，在上述柵電極的相當于張開 的傘罩的部分和上述半導體層之間形成空洞的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種價格低廉的場效應晶體管及其制造方法，通過耐濕絕緣膜的厚膜層疊對柵電極周圍進行防濕處理，而且可以抑制柵極電容的增大。上述場效應晶體管是在半導體層上配設有T型或Γ型柵電極、通過n型參雜的半導體區(qū)設置的漏電極和源電極的場效應晶體管，具有將上述柵電極的周圍和上述半導體層的表面覆蓋的膜厚小于等于50nm的絕緣膜和以催化劑CVD法堆積而將上述絕緣膜覆蓋的氮化硅膜，利用上述氮化硅膜，在上述柵電極的相當于張開的傘罩的部分和上述半導體層之間形成空洞。
文檔編號H01L29/772GK101162731SQ20071010233
公開日2008年4月16日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權日2006年10月12日
發(fā)明者天清宗山, 戶塚正裕 申請人:三菱電機株式會社