JPH01500946A - 電界効果トランジスタ用tゲート電極およびそれを形成する電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ用tゲート電極およびそれを形成する電界効果トランジスタ

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JPH01500946A JP63500263A JP50026388A JPH01500946A JP H01500946 A JPH01500946 A JP H01500946A JP 63500263 A JP63500263 A JP 63500263A JP 50026388 A JP50026388 A JP 50026388A JP H01500946 A JPH01500946 A JP H01500946A
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エルプス,ローレイ・エー
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電界効果トランジスタ用Tゲート電極およびそれを形成する電界効果トランジス タ 虱皿立i影 本発明は、半導体トランジスタに関し、さらに特定すれば、本発明は電界効果ト ランジスタのゲート電極に関する。
最近では、あらゆる電子装置に半導体トランジスタが使用されている。これらは 小形に形成され、集積回路およびその他の電子パッケージを小形に形成するよう に構成されている。
携帯用計算機やパーソナルコンピュータ等の一般商品や、科学的な産業および軍 事用電子装置の分野においては、これらのトランジスタをきわめて小形化するこ とが要望されている。
小規模のトランジスタでは、その原理等は充分に研究されているが、コマーシャ ルベースでこれらを再現性よくかつ信頼性を高く生産する技術はまだ開発の余地 が残されている。
このトランジスタが一層小形化するにつれて、大規模回路を製造する技術が開発 されているが、このような回路の大規模化には限界がある。たとえば、きわめて 大規模な回路では、その回路の精度がマイクロメータ以下のオーダーになるので 、可視光を用いたフォトレジスト技術ではその光学的限界により製造できない。
よって、従来の技術では、このトランジスタのより一層の小形化は達成できない 。この一層の小形化を達成するには、このトランジスタの構造的な製造方法を得 ることでもある。
このトランジスタの形式として、電界効果トランジスタがあり、これらは各種の 種類がある。金属半導体電界効果トランジスタすなわちMESFETは、電圧制 御可変抵抗として使用される。このMESFETは、ソースおよびドレン電極の 間に制御される電流が流れ、この電流はゲート電極に印加される電圧によって制 御され、このゲート電極は上記のソースおよびドレン電極の間の基板上に配置さ れている。
この電界効果トランジスタは、各種の半導体材料から製造できる。ガリウムひ素 は高周波数特性に優れた半導体である。
ガリウムひ素MESFETsは、信号を低ノイズで増幅でき、また高効率で電力 を発生でき、さらに高速で作動する論理素子が構成できる等の特徴があり、注目 されている。研究の結果、このガリウムひ素MESFETsを小形化すれば、集 積回路その他に応用できることが判明している。
このM E S F E T sの特性は、ゲート電極の電気抵抗およびキャパ シタンスによって決定される。このMESFETsを回路に組込んだ場合、上記 の抵抗およびキャパシタンスが大きいと高周波数特性が低下するので、好ましく ない。このゲートの接触面の長さ、すなわち電流と平行な方向の電極のゲートの 長さが小さくなれば、このゲート電極の抵抗が増加し、キャパシタンスが減少す る。よって、このゲートの長さが小さくなると、抵抗が増加し、このMESFE Tsの作動周波数を制限する主な要因となる。このMESFETsの寸法が小さ くなると、このゲートの寸法も小さくなり、特性が低下するので、これがこの小 形化を妨げていた。
このゲート電極の幾何学的な配置やそれに関連した技術は各種提案されているが 、従来ではこのゲート電極の長さを小さくできる限度は250オングストロ一ム 程度であった。この程度の長さのゲートであれば確実に製造でき、充分な特性が 得られる。もちろん、このゲートおよびゲート電極をより小さく形成できれば、 この電界効果トランジスタを小形化でき、より高い周波数特性が得られるととも に高密度の集積回路が得られる。このような小形化を達成するには、ゲート電極 の抵抗を大きくすることなしにこのゲートの長さを小さくする必要があるが、こ のように製造する方法がなく、このような高い特性の装置を製造する方法が各種 提案されている。
したがって、このような電界効果トランジスタおよびその他の装置において、よ り小さなゲートを商業規模で生産するための電極の幾何学的な配置や製造技術が 要望されている。
本発明は、このような要求に対応し、またさらなる長所を得るためのものである 。
発明の概要 本発明は、半導体装置、特に電界効果トランジスタのゲート電極を製造するため の複数の工程からなる発明である。本発明の方法によれば、約1000オングス トローム以下のきわめて小さい長さのゲートを形成することができ、しかもこの ゲート電極の抵抗およびキャパシタンスを満足できる値にできるものである。本 発明の各工程は、従来の技術を適用でき、よって電界効果トランジスタまたはそ の他の回路素子の既存の技術を使用することができる。
本発明は、半導体装置のTゲート電極を形成する工程を備え、このTゲートは半 導体の基板に接触した脚部と、この脚部上にこれと一体の拡大された頭部とを有 しており、この半導体基板を提供する以下の工程、すなわち;上記基板上に絶縁 層を被覆する工程と一部の絶縁層の上に電子ビームレジスト層を被覆する工程と ;このレジスト層の上に電子ビームによって線路パターンを露出する工程を備え 、この線形パターンは中央の露出度の高い部分と周辺の露出度の低い部分とを、 有しており;またこの電子ビームの高い露出度の部分を除去してこの露出度の高 い部分に対応してこのレジスト層の線路プロフィールの現像をおこなう工程と; ドライエツチングによってこの線プロフィールを絶縁層に転写する工程と;上記 レジスト層の線路プロフィールの下に相当する絶縁層の部分を除去し、この転写 された線路プロフィールをTゲートの脚部に形成する工程と;このレジスト層の 上に金属層を被覆し、この金属を上記脚部プロフィールと頭部プロフィール内に 被着させる工程と;上記のレジスト層を除去し、これによって上記脚部プロフィ ールおよび頭部プロフィール内以外の部分の金属層を除去する工程とを具備した ものである。
このTゲート電極ゲートは、脚部すなわち下方に延長したT形の中央部と半導体 の表面との間の接触長さが短くなる。
このように接触長さが短くなることによって電界効果トランジスタのゲートが形 成でき、またこの短い長さのゲートの再現性が向上する。上記T字状の頭部すな わち交差部は、その体積が大きいので、このように接触長さか短くてもこのTゲ ート電極の抵抗は小さくなる。
この半導体基板上にTゲート電極を形成する場合において、最初にこの基板上に 絶縁層を被覆し、この絶縁被覆の上に電子ビームポジティブ形のレジスト材料が 被覆される。そして、このレジスト層に収束された電子ビームによって線路プロ フィールが単一バスで露出され、中央部分の露出度は高く、これに隣接した周辺 部分の露出度は低くなる。このような露出度の分布は、レジスト材料中でビーム が拡散することによって生じる。
この露出度の高い部分の線路プロフィールは、たとえば湿式化学的現像等の標準 的な電子ビームレジスト現像法によって現像することができる。これによって、 この絶縁層に下方に延長した鮮明で狭い線路プロフィールが形成できる。この線 路プロフィールは反応形イオンエツチング等の乾式エツチングによって絶縁層に 転写されるので、化学的な方法のように粗さ、アンダーカット、拡散が生じるこ とがなく、このプロフィールを鮮明に転写することができる。
また、このTゲートの頭部のより広いプロフィールは、このレジスト材料の電子 ビームのより小さい露出度の部分を現像することによって形成され、この場合に この現像には上記絶縁層およびその脚部プロフィールをエツチングしないような 湿式化学的現像法によって現像される。上記の電子ビームの拡散により、この絶 縁材料にはわずかのアンダーカットが生じる。このようにして形成された層の上 に金属の層が被覆され、この頭部の幅は脚部の幅より広く形成され、脚部の幅が 狭くかつ頭部の幅が広いプロフィールが得られる。このレジスト層が除去される とともに、金属層がこの上にゆっくり被着され、このような形状が形成される。
このゲートの脚部を形成する被若作用の代わりに、このTゲート電極の頭部を形 成する際にはゆっくりした被着がなされる。また、この絶縁層は取除いてもよい 。
この電界効果トランジスタまたはその他の装置の他のエレメントは、このゲート を形成する工程の前または後に形成する。すなわち、このTゲート電極を形成す る前に、他のエレメントを形成する。この基板が複数の半導体層からなる複合基 板である場合には、このゲート電極を形成する前にこの複合基板を形成する。ま た、このゲート電極を形成した後にも各種の工程をおこなってもよい。このゲー ト電極を形成した後に、この半導体の上にソースおよびドレン電極を形成しても よい。また、これらのゲートの形成工程は、もしコストおよび工程の都合がある ならば、この電界効果トランジスタの他のエレメントを形成する工程の間におこ なってもよい。また、他の工程が上記のようなTゲート電極の形成工程の妨げに ならなければ、上記のような工程を実施できる。
本発明の方法は、ガリウムひ素電界効果トランジスタのTゲート電極を形成する 場合に特に適する。好ましい実施例では、この基板はガリウムひ素から形成され 、また絶縁材料は二酸化けい素、窒化けい素または酸窒化けい素から形成され、 またゲート電極はチタニウム、白金、および金の複数層から形成される。そして 、線路プロフィールは、CHF3反応性イオンエツチングによって上記の二酸化 けい素の層に転写される。
上述したように、本発明の方法は従来の半導体装置の製造技術に対して大きな特 徴を有する。本発明によれば、ガリウムひ素またはその他の半導体装置において 、サブミクロンのゲートを形成でき、このゲート電極に充分な量の金属材料を使 用することができ、このゲート電極の抵抗を充分に小さくすることができる。本 発明の製造方法は他の製造技術に対して優れた長所を有し、またこのようなTゲ ート電極はこの半導体装置を小形化する上で有効である。本発明のその他の特徴 および長所は以下の図面を参照して説明する実施例によって明白となり、以下の 説明は本発明の詳細な説明するための例である。
図面の簡単な説明 第1図は、本発明のゲート電極を備えたMESFETの断面側面図; 第2図AないしIは、本発明の詳細な説明するための各段階の概略的な構造説明 図である。
好ましい実施例の詳細な説明 第1図には、本発明の実施例の方法でその一部が形成される強化モードガリウム ひ素MESFETIOを示す。このMESFETIOは、ガリウムひ素の単結晶 からなるベース14を有する基板12と、このベース14上に被着されたガリウ ムひ素からなるドープ層16を備えている。このドープ層16は、nドーピング またはpドーピングがなされている。
また、この基板12の上面18には、3個の電極が接触されている。ソース電極 20とドレン電極22が互いに所定の距離だけ離間して配置されている。また、 図示するような本発明のTゲート電極24が上記ソース電極20とドレン電極2 2の間に配置されている。このTゲート電極24はその表面すなわちゲート26 に沿って上記の基板12と接触しており、その接触長さは1gで示す。このT字 状の電極の下方に延長された部分は、横方向の寸法1gを有し、この部分がこの Tゲート電極24の脚部28である。また、このT字状の電極の交差部は、きの この頭部の形状をなし、この部分が頭部30である。
第2図には、本発明の方法の実施例を示す。まず、nドーピングされたガリウム ひ素の基板12上に、化学蒸着法またはマグネトロンスパッタリング法によって 二酸化けい素の絶縁層32を約1500オングストロームの厚さで被着する。
この絶縁層32の被覆が完了したら、その上に電子ビームポジティブレジスト層 34を約5000オングストロームの厚さで被着する。このように複数の層が被 覆されたもの(第2図A)の上にこの1個ゲート電極24が形成される。
この完成された場合のNESFETIOの幅を横断する方向にかう、約20キロ ボルトの電子ビーム36を照射し、上記のレジスト層34を露出する(第2図B )。この電子ビームはこのレジスト層内で拡散し、自然または意図的にわずかに ボケが与えられる。この結果、このレジスト層34には露出度の大きい部分38 と、この両側に隣接した露出度の小さい部分40が形成される。
この露出度の大きい部分38は、このレジスト層34内で標準的な方法で現像さ れ、このレジスト材料は除去されて脚部用凹部42(第2図C)が形成される。
この凹部の底部46は同時に加工され、ゲート26に対応した正確な形状、寸法 に加工される。
すなわち、具体的に説明すれば、この電子ビームレジスト材料はポリメチル・メ タアクリレート(PMMA)が使用される。この露出度の高い部分38は、1平 方センチメートル当り約100マイクロキユーリーの照射を受ける。そして、こ の露出度の高い部分38は、1部のメチルイソブチルケトン(MIBK)を1部 のイソプロピルアルコール(IPA)と混合した液体ソルベント混合現像剤によ って、たとえば1分のこの露出度の高い部分38を除去するに充分な時間をかけ て除去される。また、露出度の低い部分40は、このような現像剤では充分には 除去されない。
このような線路プロフィール44は、CHF3ガス等の反応性イオンエツチング によって、絶縁層32に転写される(第2図り参照)。このガス雰囲気中におい て、この基板12に電圧が印加され、この脚部用凹部42に対応した線路プロフ ィール44の部分の二酸化けい素が除去される。この材料のエツチング技術は乾 式法であり、この二酸化けい素の層は両側が直線的にエツチングされ、この線路 プロフィール44は基板12の表面まで垂直に形成される。これに対して、湿式 化学的エツチングでは、レジスト34にアンダーカットが生じ、ゲート26の形 状は不均一かつ不規則となる。したがって、本発明の方法によれば、Tゲート2 4の脚部28の形状、寸法が正確となる。
また、このTゲート電極24の残りの部分に対応する露出度の低い部分40がレ ジスト層34から現像、除去される(第2図E)。この露出度の低い部分40は 、希釈されていないMIBK等の液体ソルベント現像剤によって除去され、この 場合、時間を調整してこの電子ビームレジスト剤が所定の幅までエツチングされ るように調整する。上述したように、このレジスト層34には上記電子ビーム3 6の拡散によってアンダーカットが生じており、このようなアンダーカットの部 分がこのレジスト層34から除去される。
そして、この上に真空蒸着等により、金属層48が被覆される(第2図F)。好 ましくは、3つ副金属層が被着されてこのTゲート電極24を形成し、まず第1 にチタニウムからなる接着副層50が被着され、この電極24と基板との接着を なす。そして、この接着副層50の上に拡散防止副層52が被着され、最後にこ の拡散防止副層52の上に金等からなる接触副層54が被着される。好ましくは 、上記の副層50は約500オングストロームの厚さであり、また副層52は約 1000オングストロームの厚さであり、さらに副層54は約3000オングス トロームの厚さである。この拡散防止副層52は金が接着副層50に拡散するの を防止し、接着副層50と基板12との間の5chottkyバリアが汚染され 葛のを防止する。もちろん、この他の金属層も使用することができるが、ここで 説明したものが最も良い。反応性イオンエツチングによって予め除去しである絶 縁層32の部分にこれらの金属が充填され、Tゲート電極24の脚部28が形成 される。また、上記の頭部30の形状は、開口を通して金属が蒸着されることに よって形成される。
このレジスト層34上にこれらの金属を蒸着する際に、上記の2回の現像工程お よびイオンエツチング工程で予め除去されていた開口を通してこの金属が基板1 2の表面に達し、凹部の底部46が充填され、また脚部28の部分が充填される 。この金属の被着される厚さに対応して、この金属層50に形成される開口48 の寸法は小さくなってゆく。この頭部30の部分に金属が被着されてゆく際に、 この頭部の寸法は常に上記の開口48の寸法と略等しいので、この頭部の寸法は だんだんに狭くなってゆく。この結果、この頭部30はその側部52が内側に傾 斜した形状となり、この頭部30の形状としては好ましい形状となる。この金属 材料がこの頭部30の部分に所定の厚さ被着したら、この金属の被着を終了する 。たとえば、このTゲート電極の1gが約1000〜2500オングストローム の寸法になった場合には、この頭部30の横断方向の寸法は最大で4 ’000 〜6000オングストロームとなり、またこのTゲート電極の全体の高さは約4 500オングストロームとなる。
そして、このレジスト層34が標準的な方法で除去される(第2図G)。この電 子ビームレジスト材料は好ましくはPMMAであり、このレジスト層34はアセ トン等の溶剤で除去することができる。この除去工程の際には、このレジスト層 34上の金属層50が浮上り、これと−緒に除去される。
また、完成した電界効果トランジスタに絶縁層があっては困る場合には、この絶 縁層32も除去する。MESFETIOの場合には、この二酸化けい素の絶縁層 32は水酸化ふっ素溶液でエツチングして除去する。
この簡単なMESFETIOの実施例の場合には、このTゲート電極24はソー スおよびドレン電極20.22を形成する前に最終的な形状に形成される(第2 図H)。これらの電極20.22は、通常のマスキングおよび真空蒸着によって この基板12上に形成され、このMESFETIOが完成される(第2図1)。
本発明の方法、Tゲージ電極、および半導体装置は、特に電界効果トランジスタ の場合に適し、この装置の寸法をサブミクロンのオーダーで小形化することがで きる。この結果、限られたスペース内により多くの半導体装置を実装できる。
また、作動の速度も早くなる。また、このゲート長さが短くなるので、ガリウム ひ素またはその他の電界効果トランジスタにおいてその高周波数特性が向上する 。
なお、本発明は上記の実施例について説明したが、当業者であれば本発明の要旨 を逸脱しない範囲で各種の変更が可能である。よって本発明は以下の請求の範囲 によって規定される。
国際調査報告 国際調査報告

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.半導体装置のTゲート金属構造体を形成する方法であって、このTゲートは 半導体の基板に接触する脚部と、この脚部と一体的に形成された拡大した頭部を 有するものにおいて: 半導体基板を形成する工程と; この基板の上に絶縁層を被覆する工程と;上記の絶縁層の上に電子ビームポジテ ィブレジスト層を被覆する工程と; このレジスト層に収束された電子ビームによって線路パターンを露出する工程を 備え、この線路パターンは中央部の露出度の高い部分と周辺部の露出度の低い部 分とを有し;上記レジスト層の線路プロフィールの露出度の高い部分を現像し、 このレジスト層の電子ビームの露出度の高い部分を除去する工程と; この線路プロフィールを乾式エッチング法によって上記の絶縁層に転写し、この レジスト層の線路プロフィールに対応した絶縁層の部分を除去し、この転写され た線路プロフィールの部分によってTゲートの脚部のプロフィールを形成する工 程と; 上記レジスト層の頭部のプロフィールを現像し、上記周辺部の露出度の低い部分 を除去する工程と;このレジスト層の上に金属層を被覆し、上記脚部プロフィー ルおよび頭部プロフィール内にこの金属を被着させる工程と; 上記レジスト層を除去し、これによって上記脚部プロフィールおよび頭部プロフ ィール内以外の部分の金属層を一緒に除去する工程とを具備したことを特徴とす る方法。
  2. 2.前記レジスト層を除去した後に、前記絶縁層を除去する工程を備えたことを 特徴とする前記請求の範囲第1項記載の方法。
  3. 3.電界効果トランジスタのTゲートを形成するとともに、この電界効果トラン ジスタの基板にその他のエレメントを形成することを特徴とする前記請求の範囲 第1項記載の方法。
  4. 4.前記頭部プロフィールを現像する工程および前記線路プロフィールを現像す る工程は、湿式化学的方法によってなされることを特徴とする前記請求の範囲第 1項記載の方法。
  5. 5.前記転写工程は、反応性イオンエッチングによってなされることを特徴とす る前記請求の範囲第1項記載の方法。
  6. 6.前記絶縁層の材料は、二酸化けい素、窒化けい素、および酸窒化けい素のグ ルーブから選択されるものであることを特徴とする前記請求の範囲第1項記載の 方法。
  7. 7.前記基板はガリウムひ素で形成されていることを特徴とする前記請求の範囲 第1項記載の方法。
  8. 8.前記金属層を被着する工程は、少なくとも2つの副層を被着する工程を備え 、これら副層によって前記金属層が形成されることを特徴とする前記請求の範囲 第1項記載の方法。
  9. 9.前記副層を被着する工程は、 前記基板に接触する接着副層を被着する工程と;この接着副層の上に拡散防止副 層を被著する工程と;この拡散防止副層の上に接触副層を被着する工程とを備え たことを特徴とする前記請求の範囲第8項記載の方法。
  10. 10.前記接着剤層はチタニウムであり、前記拡散防止副層は白金であり、また 前記接触副層は金であることを特徴とする前記請求の範囲第9項記載の方法。
  11. 11.前記請求の範囲第1項の方法で形成されたことを特徴とするゲート構造。
  12. 12.前記請求の範囲第3項の方法で製造されたことを特徴とする電界効果トラ ンジスタ。
JP63500263A 1986-10-08 1987-07-20 電界効果トランジスタ用tゲート電極およびそれを形成する電界効果トランジスタ Pending JPH01500946A (ja)

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US06/916,592 US4700462A (en) 1986-10-08 1986-10-08 Process for making a T-gated transistor
US916,592 1986-10-08

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