TWI277145B - Method of forming a self-aligned, selectively etched, double recess high electron mobility transistor - Google Patents

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TWI277145B TW092129031A TW92129031A TWI277145B TW I277145 B TWI277145 B TW I277145B TW 092129031 A TW092129031 A TW 092129031A TW 92129031 A TW92129031 A TW 92129031A TW I277145 B TWI277145 B TW I277145B
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Description

1277145 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明與高電子移動率電晶體（HEMT )有關且更尤 其是與自動對準，雙凹部閘極之HEMT有關。 【先前技術】 如本技術之所知，有數種型式之主動式裝置使用微波 及釐米頻率，提供射頻訊號之放大。通常，使用這些頻率 之更普通半導體裝置之一爲高電子移動率電晶體（HEMT )。HEMT —向由如砷化鎵（GaAs )或磷化銦（InP )之 III — V族材料所形成。在HEMT中，有一種材料之摻雜 施體/未摻雜邊襯層及一不同材料之未摻雜通道層。一異 質接面是形成在摻雜施體/未摻雜邊襯層與未摻雜通道層 之間。由於在異質接面之傳導帶不連續性，而從摻雜施體 /未摻雜邊襯層將電子注入未摻雜之通道層。因此，將來 自大帶間隙施體層之電子移轉至被受限，只能在平行於異 質接囬平面中移動之窄帶間隙通道層。結果，在施體層中 之施體原子與通道層中之電子之間有空間隔離，造成低雜 質散佈及良好電子移動率。 已被發現提供如崩潰電壓，輸出電流，及截止電壓之 良好裝置特性之一裝置爲一雙凹部HEMT。這種裝置是以 當中形成閘極之兩對準凹部所製成。凹部一向是以裝置之 濕式蝕刻法所形成。週期性地中斷蝕刻製程並測試裝置之 某種特性，例如，電流。如特性符合預期準則，則終止那 -4- 1277145 (2) 凹部之蝕刻。否則，繼續蝕刻。這製程繼續，直到兩凹部 符合所建立之準則。這製程要花時及花錢加以重複停止蝕 刻並測試裝置。而且，蝕刻從晶圓一邊至另一邊是不均勻 的，造成從晶圓一邊至另一邊之裝置特性不一致且晶圓上 可接受裝置之良率爲低。 目前，有其它主要問題，妨礙雙凹部高電子移動率電 晶體（HEMT )之製造。爲增進效能，當技術移向更小尺 寸時，由於某種電子束蝕刻工具之對準能力，如可能的話 ，在0.6微米第一凹部圖案內安置0.15微米閘極凹部圖 案之能力變成極爲困難。如工具之對準準確度爲0.15微 米，則在彼此頂部上之兩層膜（第一凹部圖案及閘極圖案 )之覆蓋準確度爲根號（〇·152 + 0·152 ) =0·21微米。另一 電子束蝕刻術系統具較佳之覆蓋準確度爲根據Μ.Ρ + Ο.；!2 )=014微米。0.6微米第一凹部之這些失準0.15微米閘 極凹部圖案，常造成在第一凹部所界定之0.015—0.085 微米之高度摻雜頂蓋層內安置閘極緣。由於短路，這造成 非常低之裝置及電路良率。一種解決之道會使用極昂貴之 光學步進器，該步進器可能使閘極圖案之最大失準爲〇.4 微米。第二，因這些爲整個製程最昂貴與耗時步驟，故兩 各別電子束之寫入（第一凹部及閘極）成本造成昂貴產品 。最後，當下之閘極蝕刻技術爲非選擇性。這裝置對閘極 蝕刻並重複加以蝕刻’直到符合預期電流，造成從晶圓一 邊至另一邊之不均。 1997年十二用由IEEE電子裝置中，44冊，12號， 1277145 (3) 2136 — 2142頁所公開之格蘭巴契（Grundbacher)等人文 章中說明一單束之寫入程序。這程序提供具單電束寫入之 兩凹部。然而，這程序使用四層多甲基丙烯酸（DMM A ) 抗蝕程序，該程序以電子束在彼此（即第一凹部及閘極） 頂部上寫入兩種圖案。這程序難以從一 4吋晶圓一邊至另 一邊加以複製且爲了使寬第一凹部體積形成圖案，將需相 當長一段寫入時間。首先，這程序需要一高密度，低偏壓 蝕刻劑（ECR，TCP，ICP )，以在蝕刻製程中所使用之加 速離子使蕭特基（Schottky )層之損害降至最小。第二， 這程序之缺點爲必須關切的是在其抗蝕結構，防止離子衝 擊中所使用之PMMA薄層之腐蝕。最後，PMMA已在高 溫電漿中硬化後，其剝落（且因此，抗蝕劑上之閘極金屬 )相當困難。 美國專利案號4616400，5364816和5556797中說明 其它製程，三專利全部說明一單或多層抗蝕劑形成一第一 濕式圖案或使用乾式化學蝕刻劑之製程。然後經由非方向 性電漿蝕刻劑或抗蝕劑之重新顯影”拉回”抗蝕層，增加其 原先尺寸。於是需要第二蝕刻劑。 [發明內容】 根據本發明，提供一種方法供形成一雙凹部高電子移 動率電晶體。這方法包含提供一具有III - V族基底之半 導體結構；在遍佈於基底之上提供一第一相當寬之帶間隙 層；提供一沈積在相當寬帶間隙層上之相當小帶間隙通道 -6 - 1277145 (4) 層；在遍佈於通道層上提供一第二相當寬帶間隙蕭特基層 :在遍於蕭特基層上提供一蝕刻中止層；提供一沈積在蝕 刻中止層上之第三相當寬帶間隙層；以及一沈積在遍於第 三相當大寬帶間隙層上之摻雜歐姆接觸層。一罩幕設有一 閘極接觸孔，使接觸層之一閘極區曝光。使一第一濕式化 學蝕刻劑與由閘極接觸孔所曝光之接觸層部接觸。第一濕 式化學蝕刻劑選擇性地移除接觸層之曝光部位及第三相當 寬帶間隙層之下層部位。蝕刻中止層禁止第一濕式化學蝕 刻劑移除這種蝕刻中止層部位。接著，使第二濕式化學蝕 刻劑與由第一濕式化學鈾刻劑所蝕刻之結構接觸。第二濕 式化學蝕刻劑選擇性地移除接觸層之曝光部位而留下實質 上未被鈾刻之第三相當寬帶間隙層之曝光部位，及蝕刻中 止層。第三濕式化學劑選擇性地移除蝕刻中止層而留下未 被蝕刻之施體層及歐姆接觸層。將金屬沈積遍佈在罩幕之 上並經由其間之閘極孔沈積在蕭特基層上，並與蕭特基層 作蕭特基接觸。 在一實施例中，蝕刻中止層包含A1 As。 在一實施例中，通道層包含-xAs ( 0<X<25% ) 或 InxGaAs ( 30>x<70%) 0 在一實施例中，第三相當寬帶間隙層包含 AlGaAs、 InAlGaAs、或 AlAs 〇 在一實施例中，蕭特基接觸層包含InAlAs、AlGaAs 或 InAlGaAs。 在一實施例中，歐姆接觸層包含摻雜之In G a As或 -7- 1277145 (5)
GaAs 〇 在一實施例中，第一濕式化學鈾刻實質上爲2·5ρΗ檸 檬酸：Η202 。 在一實施例中，第一濕式化學蝕刻劑實質上爲4.2ρΗ 琥珀酸：Η2〇2。 在一實施例中，第二濕式化學蝕刻劑實質上爲5·3ΡΗ 琥珀酸：Η2〇2。 在一實施例中，第二濕式化學蝕刻劑實質上爲6·4ΡΗ 檸檬酸：Η2〇2。 藉選擇性地蝕刻閘極和第一凹部圖案，使非均勻性大 大縮小。只使用形成罩幕之電子束圖案加以形成第一凹部 及閘極凹部蝕刻，因此，顯著降低產品成本及製造時間。 最後，因使用罩幕中所提供之一單抗蝕劑圖案，實施兩種 倉虫刻，閘極凹部在第一凹部中心內即對準（即自動對準） 得很完美。 隨圖中說明本發明一或更多實施例之細節如下。從說 曰月和圖式，及從申請項目，本發明之其他特性，目的，與 {憂_將顯而易見。 【寶施方式】 現在參考第1 Α圖，半導體結構1 〇具有一底部，基 底U此處爲III— V族之砷化鎵。此處爲AlGaAs之第一 相每寬帶間隙層1 4是在基底1 2上。此處，一超薄砍摻雜 (脈衝）層丨6是形成在層膜M上。一 1 〇 一 2 5埃（A ) -8- 1277145 (6) 厚之AlGaAs還襯層18是在層膜16上。一 75— 40G埃厚 之InGaAs ( 0<x<25% )相當小帶間隙通道層20是在層膜 18上。一 1〇_25埃厚之AlGaAs邊襯層22是在層膜20 上。此處，一超薄矽摻雜（脈衝）層2 4是形成在層膜2 2 上。一 100— 300埃厚之AlGaAs相當寬帶間隙蕭特基層 25是在層膜24上。一* 1〇 — 30埃厚之AlAs蝕刻中止層26 是在層膜25上。一 1〇〇 — 500埃厚之AlGaAs相當寬帶間 隙層28是在蝕刻中止層26上。一 100— 500埃厚，n +摻 雜，（此處爲每cm3l〇17至8χ1019)之GaAs歐姆接觸層 30是在層28上。一異質接面是形成在寬帶間隙蕭特基層 2 5與小帶間隙未摻雜通道層2 0之間。由於在異質接面處 之導電帶不連續性，使電子從蕭特基/未摻雜邊襯層2 5 /2 2 注入未摻雜通道層20。 接著，參考第1B圖，層膜33表面（第1A圖）有塗 上一犧牲罩幕層34，此處爲一三層膜PMMA抗蝕劑或多 重光阻層。光阻層3 4有一具有閘極接觸孔3 8之下層部 36，使歐姆接觸層30之閘極區40曝光。層膜34之上層 部42與下層部36垂直隔開並具一閘極電極金屬代孔44 。閘極電極金屬化孔44之側緣46，48終止於懸垂部50 ，5 2，該懸垂部使閘極接觸孔3 8及毗鄰閘極接觸孔3 8之 光阻層34下層部36之表面部54，56曝光，使其爲一金 屬射出外形。此處之閘極接觸孔3 8小於閘極電極金屬化 孔44，故可將一大，低阻抗之金屬層加入要形成之小， 較高阻抗之金屬閘極柄。 -9 - 1277145 (7) 層膜34之形狀由以下兩種方式之一形成：（1 )當使 用三層膜之PMMA抗蝕刻（即一三階電子束抗触劑）時 ，將這加以曝光和顯影，產生第1 B圖中所示之形狀；或 (2 )當使用多重光阻劑時，另一薄單層之電子束抗鈾劑 ，接著在頂層塗覆一光阻劑並使其曝光，顯影。使用電子 束蝕刻術或光蝕刻工具使層膜曝光。使曝光之抗蝕劑顯影 ，形成一〜0.15微米之閘極接觸孔38。見，例如，200 1年 5 月在 GaAs 技術人文摘（MAN TECH Technical Digest) 1 0 5 — 1 0 7 頁中，由亞拉維（K. AUvi)，蕭（D. Shaw) ，布雷兹卡（A· Platzker)，瑞奇（Β· Rizzi)，奧加特 (S. O gut )，及布安特（R. Puente)所發表之”一種非常 高效能，高良率，及高總處理量釐米波功率pHEMT製程 技術n。 如第1B圖中所示，完成層膜3 4後，在第1 B圖中所 示之結構表面塗上一選擇性濕式化學閘極蝕刻劑。此處， 濕式化學蝕刻劑爲2·5ρΗ之檸檬酸：H202 ( 9 8 : 2 )或可 另爲4·2ρΗ之琥珀酸·· H2〇2 ( 15 : 1 )。蝕刻劑等向性地 移除層膜32和28之曝光部位並繼續往下至A] As蝕刻中 止層26。第1 C圖中表示所形成之結構。 接著，在第I C圖中所示之結構物表面塗上一第二選 擇性濕式化學閘極蝕刻劑。此處，第二濕式閘極蝕刻劑爲 5·3ρΗ 之琥珀酸（SA) :1"1202(6:1)或6.4?11檸檬酸： Η2〇2。這第二蝕刻劑只移除GaAs層30之曝光部位而不 蝕刻A1 GaAs層28或AIAs層26。如第1D圖中所示加以 -10- 1277145 (8) 蝕刻到適當之尺寸d (〜0·4— 1.0微米）。最後，使用 釋（5% )之NH4OH或HC1加以移除AlAs蝕刻中止層 之曝光部位，如第1 E圖中所示，這種濕式鈾刻留下實 上未蝕刻層2 8和3 0。 接著，沈積一金屬層毯，此處爲薄Ti/Pt且然後爲 金，在此均勻地氣化遍佈在犧牲層34表面，形成金屬 。注意到由於下和上層部36與42之垂直隔開，如第 圖中所示，從犧牲層34上層部42上之金屬部60分開 牲層34下層表面部36上之金屬部60。 在金屬沈積後，即射出設有犧牲層3 4之習知光阻 PMMA或細條片以及在上面上金屬部60，如第1F圖中 示，留下一雙可選擇性所蝕刻，只使用一抗蝕劑圖案之 動對準之雙凹部。因此，第1 F圖中所示之餘留金屬60 供一閘極電極，與蕭特基接觸層26作蕭特基接觸。在 擇性凹部製程前或後，源極與洩極電極62，64與層膜 形成歐姆接觸，完成裝置PHEMT。 要注意的是，除只使用琥珀酸外，相同製程可適用 另一層結構。例如，形成變形之高電子移動率電晶體 MHEMT)層結構或InP HEMT。因此，此處之結構，對 形HEMT而言爲具有一底層，即GaAs III— V族基底， 對InP HEMT而言爲具有InP之半導體結構。然後生長 是InAlAs或InAlGaAs之一寬帶間隙層。此處—15〇埃 I n x G a A s ( 3 0 < X < 7 0 °/〇 )之一小帶間隙通道層是沈積遍佈 寬帶間隙層上並加以隔開。一 1 〇 — 3 0埃I n a 1 A s 稀 26 質 厚 60 1 E 犧 劑 所 白 提 丨ee 32 於 ( 變 或 的 厚 在 或 -11 - 1277145 (9)
In A IGa As邊襯層是沈積遍佈在通道層上，並加以隔開。 一矽脈衝摻雜層是沈積遍佈在這種邊襯層上。一 1 0 0 -30 0埃厚之InAlAs或InAlGaAs之寬帶間隙蕭特基接觸層 是沈積遍佈在矽脈衝層上並加以隔開。然後，一 1 0 - 3 0 埃厚之A1 As III— V族蝕刻中止層是沈積在蕭特基接觸層 上。一 100— 300埃之InAlAs或InAlGaAs寬帶間隙層是 沈積在鈾刻中止層上。一 50— 500埃厚之n +摻雜InxGaAs 歐姆接觸層是沈積在層膜上。 再次地，在歐姆接觸層表面塗上一如第1B圖中層膜 34之犧牲罩幕層。 形成犧牲罩幕層後，將一選擇性濕式化學閘極蝕刻劑 塗在結構表面上。此處之濕式化學蝕刻劑爲4.2pH之琥珀 酸：H202 ( 1 5 : 1 )。蝕刻劑等向性地移除InxGaAs歐姆 接觸層及InAlAs或InAlGAs層之曝光部位並繼續往下至 ，但止於，AlAs蝕刻中止層。 接著，將一第二選擇性濕式化學閘極蝕刻劑塗在結構 表面上。此處之第二濕式化學蝕刻劑爲5.3 pH之琥珀酸（ SA ) : H202 ( 6 ·· 1 )。這第二鈾刻劑只移除InxGaAs歐 姆接觸層之曝光部位而未蝕刻到InAlAs或InAlGaAs施體 層或鈾刻中止層。如第2D圖中所示，蝕刻到適當之尺寸 d (〜0.4 — 1·0微米）。最後，以持續之ΝΗ4ΟΗ或HC1加 以移除中止層。 接著，沈積一金屬層毯。此處如第1 Ε圖中所示，將 金屬層毯均勻地氣化遍佈在犧牲層表面上。在金屬沈積後 •12- 1277145 (10) ’即射出設有犧牲層之習知光阻劑PMMA或細條片以及 在上面之金屬部，留下一雙可選擇性所蝕刻，只使用一抗 蝕劑圖案之自動對準之雙凹部。因此，餘留金屬提供〜閘 極電極與InAlAs或InAlGaAs蕭特基層作蕭特基接觸。 已說明本發明之許多實施例。然後，要了解到只要不 偏離本發明之精神與範圍，可作各種之修飾。因上，其它 實施例是在以下申請專利範圍內。 【圖式簡單說明】 第1A— 1F圖爲一自動對準，雙凹部閘極GaAs假晶 HEMT在其製造中各種階段之切面圖；以及 各種圖式中之相同參註符號表示相同元件。 元件對照表 1 0 :半導體結構 1 2 :基底 1 4 :寬帶間隙層 1 6 :砂摻雜層 1 8 :邊襯層 20 :小帶間隙通道層 22 :邊襯層 2 4 :矽摻雜層 25 :寬帶間隙蕭特基層 2 6 :蝕刻中止層 -13- 1277145 (11) 28 : 30 : 33 : 34 : 36 : 38 : 40 : 42 : 44 : 46， 50， 54， 30 ： 28 ： 26 ： 60 ： 34 ： 6 2 : 寬帶間隙層 歐姆接觸層 層膜 光阻層 下層部 閘極接觸孔 鬧極區 上層部 閘極電極金屬化孔 4 8 :側緣 5 2 :懸垂部 5 6 :表面部 砷化鎵層 砷化鎵鋁層 砷化鋁層 金屬層 犧牲層 源極電極 64 :洩極電極

Claims (1)

1277145 (1) 拾、申請專利範圍 一種用以形成一雙凹部高電子移動率電晶體之方 法，包含： 提供一具有III 一 V族基底之半導體結構；一寬帶間 隙層；一小帶間隙通道層；一寬帶間隙蕭特基層；一蝕刻 中止層；一寬帶間隙層；以及一接觸層； 提供一罩幕，這種罩幕具一閘極接觸孔，使接觸層之 一閘極區曝光； 使一第一濕式化學蝕刻劑與由閘極接觸孔所曝光之接 觸層部接觸，這種蝕刻劑選擇性地移除接觸層之曝光部位 及頂寬帶間隙層之下層部位，這種蝕刻中止層禁止這種蝕 刻劑移除這種蝕刻中止層部位； 使一第二濕式化學蝕刻劑與由第一濕式蝕刻劑所蝕刻 之結構接觸，這種第二蝕刻劑選擇性地移除接觸層之曝光 部位而留下實質上未被蝕刻之寬帶間隙之曝光部位及蝕刻 中止層；以及 移除蝕刻中止層； 將一金屬層沈積遍佈在罩幕之上並經由其間之閘極孔 沈積在蕭特基層上，並與蕭特基層作蕭特基接觸。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中之蝕刻中止 層包含一 A1A s。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中之通道層包 含 111G a A s 0 4 .如申請專利範圍第3項之方法，其中之第三相當 •15- 1277145 (2) 寬帶間隙層包含AlGaAs，InAlAs或InAlGaAs。 5. 如申請專利範圍第2項之方法，其中之 觸層包含 InAlAs，InAlGaAs 或 AlGaAs。 6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中之 層爲 InGaAs 或 GaAs。 7. 如申請專利範圍第5項之方法，其中之 化學蝕刻劑實質上爲2·5ΡΗ酸：H202或4.2PH H2O2。 8. 如申請專利範圍第5項之方法，其中之 化學鈾刻劑實質上爲5·3ρΗ琥珀酸：H202或6. 酸：Η 2 〇 2 0 9. 一種用以形成一雙凹部高電子移動率電 法，包含： 提供一具有III 一 V族基底之半導體結構； 當寬帶間隙層；一相當小帶間隙通帶層，一第二 間隙層，一遍佈於基底上之蝕刻中止層；一蝕刻 之ΠΙ - V族蕭特基層；一在蝕刻中止層上之第 帶間隙層；以及一在第三相當寬帶間隙層上之歐 在遍佈於歐姆接觸層上提供一罩幕，這種罩 有一閘極接觸孔之下層部，使通道層之閘極區曝 層與下部層垂直隔開並具一閘極電極金屬化孔； 金屬化孔；側緣終止於懸垂部，該懸垂部使閘極 光；罩幕下層部之表面部位是沈積在接鄰閘極接 蕭特基接 歐姆接觸 第一濕式 琥珀酸： 第二濕式 4ρΗ檸檬 晶體之方 一第一相 相當寬帶 中止層上 三相當寬 姆接觸層 幕有一具 光；上部 閘極電極 接觸孔曝 觸孔處； -16- 1277145 (3) 使一第一濕式化學蝕刻劑與由閘極接觸孔所曝光之歐 姆接觸層部接觸，這種蝕刻劑選擇性地移除歐姆接觸層之 曝光部位及第三相當寬帶間隙層之下層部位，這種蝕刻中 止層禁止這種蝕刻劑移除這種蝕刻中止層部位； 使一第二濕式化學蝕刻劑與由第一濕式蝕刻劑所蝕刻 之結構接觸，這種第二蝕刻劑選擇性地移除歐姆接觸層之 曝光部位而留下實質上未被蝕刻之第三寬帶間隙層之曝光 部位及蝕刻中止層； 移除蝕刻中止層； 將一金屬層沈積遍佈在罩幕之上，這種金屬是沈積在 其上層部上，經由閘極電極金屬化孔，經由閘極接觸孔， 並經由閘極孔沈積在蕭特基接觸層上並與蕭特基層作蕭特 基接觸；以及 提起罩幕部，移除沈積在罩幕上層表面上之金屬部， 而留下所沈積之金屬部加以提供電晶體之閘極電極。 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中之蝕刻中止 層包含A 1 A s。 1 1 ·如申請專利範圍第1 0項之方法，其中之通道層 包含 I n G a A s。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項之方法，其中之寬帶間 隙層包含 AlGaAs，InAlGaAs，InAlAs。 1 3 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法，其中之通道層 蕭特基接觸層包含InAlGaAs，InAlAs或AlGaAs。 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項之方法，其中之歐姆接 -17- 1277145 (4) 觸層包含InGaAs或GaAs。 15.如申請專利範圍第1 4項之方法’其中；^ 式化學蝕刻劑實質上爲2.5pH檸檬酸：Ηβ2° 1 6.如申請專利範圍第1 4項之方法，其中之第一 ^ 式化學蝕刻劑實質上爲5.3pH琥珀酸：H2〇2 ° 1 7 ·如申請專利範圍第1 3項之方法，其中之第一濕 式化學鈾刻劑實質上爲4.2pH琥珀酸：H202。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項之方法，其中之第二濕式 化學鈾刻劑實質上爲6·4ΡΗ檸檬酸·· H202。 -18-
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