283_088-174CP-TW
發佈日期 :
2009-04-28
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 089123793 | |
| ※申請日期： 20001110 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(6) H01L 21/28 |
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| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
金氧半場效電晶體的製作方法 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 行政院國家科學委員會 / NATIONAL SCIENCE COUNCIL 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 台北巿和平東路二段一○六號十八樓 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人： 共 3 人
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| 1 . 姓名：(中文/英文) 洪茂峰 / HUNG, MAU-FENG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 王永和 / WANG, YUNG-HE 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 3 . 姓名：(中文/英文) 葉振松 / YE, JEN-SUNG 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要： | |
| 一種金氧半場效電晶體的製作方法，適於III-V族金氧半場效電晶體的製作，係提供一具有緩衝層與通道層之基底，應用低溫液相沈積法沈積二氧化矽於通道層上，藉由控制成長溶液的參數，以於通道層上形成厚度較薄約為40的二氧化矽絕緣層以作為閘極氧化層，之後再形成源極、汲極電極與閘極。低溫液相沈積法在室溫至60℃下操作，利用低溫技術的特性不會對其他製程或晶片產生不良的熱效應，如熱應力、摻質重新分佈、摻質擴散或材質互相影響等。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| 本發明是有關於一金氧半場效電晶體的製作方法，且特別是有關於一種砷化鎵金氧半場效電晶體(GaAsMOSFET)中閘極氧化層的製作方法。 一般的III-V族金氧半場效電晶體，如砷化鎵晶片具有高的載子移動率(carrier mobility)以及高的能隙(energygap)，所以被大量地應用於高頻微波通訊元件上。然而，元件處在高溫的時候，V族元素的揮發度十分嚴重，因此低溫的製程對III-V族元素半導體元件而言，十分重要。在薄膜電晶體（Thin Film Transistors，簡稱TFT）或是太陽能電池(solar cells)等的應用上，薄的氧化層可以改善元件的特性及元件驅動能力，所以直到現在，仍然有很多研究努力的發展如何在砷化鎵晶片上成長高品質、穩定且薄的二氧化矽絕緣層技術。 習知金氧半場效電晶體中二氧化矽絕緣層的形成方式通常為化學氣相沈積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）或是熱氧化法(thermal oxidation growthmethod)，以化學氣相沈積法或是熱氧化法形成二氧化矽絕緣層時，通常需要真空設備，且製程所需的操作溫度也高達數百℃，常會對其他製程或晶片產生不良的熱效應，如熱應力、摻質重新分佈、摻質擴散或材質互相影響等。 此外，以化學氣相沈積法或是熱氧化法形成二氧化矽絕緣層時，在處理大面積的晶片時有其困難度存在，且製程所需的設備複雜且昂貴。 因此，本發明的目的在提出一種金氧半場效電晶體的製作方法，以有效降低絕緣層製作時所需的溫度，因此不會對其他製程或晶片產生不良的熱效應，如熱應力、摻質重新分佈、摻質擴散或材質互相影響等。 本發明的另一目的在提出一種金氧半場效電晶體的製作方法，利用液相沈積法在室溫至60℃的溫度下，成長厚度很薄約為40的二氧化矽絕緣層，以增進元件的特性及元件驅動能力。 為達本發明之上述目的，提出一種金氧半場效電晶體的製作方法，係提供一具有緩衝層與通道層之基底，應用低溫液相沈積法（Liquid Phase Deposition，簡稱LPD）沈積二氧化矽絕緣層於通道層上，藉由控制成長溶液的參數，以於通道層上形成厚度約為40的二氧化矽絕緣層以作為閘極氧化層，接著形成源極、汲極電極並進行一退火的製程使得源極、汲極電極與基底間具有良好的歐姆接觸，最後在於閘極氧化層上形成閘極。其中，閘極氧化層與源極、汲極電極形成的順序可以調換，以提升製程整合的彈性。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 圖式簡單說明 第1圖繪示為依照本發明一較佳實施例中二氧化矽成長系統之示意圖； 第2圖繪示為依照本發明一較佳實施例以二氧化矽成長系統進行二氫化矽成長之流程圖； 第3圖至第5圖繪示為依照本發明一較佳實施例金氧半場效電晶體的製作流程剖面圖； 第6A圖繪示為液相沈積法所形成厚度為35之二氧化矽層在金氧半(MOS)電容結構中所測量的電容-電壓(C-V)關係圖； 第6B圖繪示為液相沈積法所形成二氧化矽層厚度為70的條件下，其電流-電壓(I-V)的線圖； 第7A圖繪示為以液相沈積法形成厚度165的氧化層作為閘極氧化層，元件電流-電壓的特性曲線。而第7B圖則繪示為元件的醇移電導； 第8A圖繪示為以液相沈積法形成厚度40的氧化層作為閘極氧化層，元件電流-電壓的特性曲線。而第8B圖則繪示為元件的轉移電導； 第9圖繪示為轉移電導值對閘極氧化層厚度的關係曲線圖；以及 第10圖繪示為氧化層厚度與元件微波特性的關係圖。 主要元件符號說明 100．．．二氧化矽成長系統 102．．．加熱器 104．．．磁攪拌器 106．．．容器 108．．．容器 109．．．二氧化矽成長溶液 110．．．晶片座 112．．．砷化鎵晶片 114．．．溫度感測器 200．．．基底 202．．．緩衝層 204．．．通道層 206．．．閘極氧化層 208．．．源極、汲極電極 210．．．閘極 300．．．熱處理後電容-電壓曲線 301．．．理想電容-電壓曲線 302．．．熱處理前電容-電壓曲線 303．．．熱處理前電流-電壓曲線 304．．．熱處理後電流-電壓曲線 較佳實施例 近年來研究顯示，二氧化矽中摻雜少許氟可以改善二氧化矽的特性，因為矽-氟鍵能為5.8電子伏特，大於純二氧化矽中矽-氧鍵能4.5電子伏特，因此可以增抗輻射性能力(radiation hardness)。此外，摻雜少許氟可以提高臨界崩潰電壓及崩潰電場。由本發明之液相沈積法所成長的二氧化矽為含小於5%氟含量的氧化物，正好同時具有此優點而不需額外的摻雜製程，更經濟且簡化的製程以獲得更好的特性。氟的存在不但會使介電常數降低至約3.5，此值略小於熱氧化二氧化矽的3.9，且反射係數也較低。 首先請參照第1圖，其繪示為依照本發明一較佳實施例中二氧化矽成長系統之示意圖。本發明主要藉由二氧化矽成長系統以液相沈積法於室溫至60℃的溫度下，於砷化鎵晶片上形成二氧化矽絕緣層。二氧化矽成長系統100主要由一維持恆溫的加熱器(heater)102、一磁攪拌器(magnetic stirrer)104、一較大尺寸用以盛裝水的容器106、一較小尺寸用以盛裝二氧化矽成長溶液109的容器108以及一晶片座(wafer holder)110所組成。其中，晶片座110配置於容器108上，用以將數個砷化鎵晶片112固定並浸漬於二氧化矽成長溶液109中，以進行二氧化矽絕緣層的成長。加熱器102更包括一溫度感測器114，透過溫度感測器114感測容器106中的水溫。加熱器102以隔水加熱的方式維持容器108中二氧化矽成長溶液109的溫度，例如維持在60℃左右。 而二氧化矽成長溶液109的配製如下：將六氟矽酸溶液(H 2 SiF 6 )3.09M加入過量的矽土(SiO 2 。xH 2 O)攪拌15小時，使矽土溶解在六氟矽酸溶液中達飽和狀態，再以0.1μm濾紙過濾，以得到六氟矽酸與矽土的澄清溶液。再將此澄清溶液以去離子水稀釋至0.4M，並置入60℃的恆溫槽，持續攪拌50分鐘後予以靜置10分鐘。 接著請參照第2圖，其繪示為依照本發明一較佳實施例以二氧化矽成長系統進行二氧化矽絕緣層成長之流程圖。將砷化鎵晶片112依序浸於丙酮、甲醇以及去離子水中，分別以超音波震盪器清洗30分鐘、15分鐘以及10分鐘，再以去離子水沖洗5分鐘，並以氮氣將砷化鎵晶片112吹乾，即完成砷化鎵晶片112的清洗動作。接著將配製好的二氧化矽成長溶液109置於二氧化矽成長系統100中的容器108內，靜置10分鐘。接著將砷化鎵晶片112以晶片座110固定，浸漬於二氧化矽成長溶液109中，以進行二氧化矽的液相沈積(LPD-SiO 2 )。最後，以去離子水沖洗，並以氮氣將砷化鎵晶片112吹乾，即完成砷化鎵晶片112上二氧化矽絕緣層的製作。 接著請參照第3圖至第5圖，其繪示為依照本發明一較佳實施例金氧半場效電晶體的製作流程剖面圖。首先請參照第3圖，提供一具有緩衝層202以及通道層204之基底200。其中，基底200之材質例如為砷化鎵，緩衝層202例如為無摻雜的砷化鎵層，厚度例如為5000。通道層204例如為n型摻雜的砷化鎵層，其厚度例如為4000，而通道層204之n型摻雜濃度例如約為5×10 16 cm -3 。接著請參照第4圖，將上述具有緩衝層202、通道層204之基底200，將基底200進行清洗，例如將基底200依序浸於丙酮、甲醇以及去離子水中，分別以超音波震盪器清洗30分鐘、15分鐘以及10分鐘，再以去離子水沖洗5分鐘，並以氮氣將基底200吹乾，即完成基底200的清洗動作。接著將基底200浸入0.4M之二氧化矽成長溶液內，以進行二氧化矽的液相沈積(LPD SiO 2 )。最後，以去離子水沖洗，並以氮氣將基底200吹乾，即完成基底200上閘極氧化層206層的製作。其中。閘極氧化層206的厚度例如約為40，可藉由液相沈積的時間來控制所形成閘極氧化層206的厚度。 接著請參照第5圖，將定義出元件之主動區域，而定義主動區域的万法例如於閘極氧化層206上部分區域旋塗厚度約1μm的光阻，接著進行烘烤20分鐘，再利用微影技術定義出主動區域。其中，顯影液(developer)例如為稀釋20倍的氫氧化鈉水溶液，顯影時間15秒。而蝕刻液體積比例如為氨水：雙氧水：水=5:1:10，蝕刻時間30秒，以形成互相隔離之島狀平台，即所謂的主動區域。之後，再以微影技術定義源極電極、汲極電極208的位置，並利用20倍去離子水稀釋氫氟酸蝕刻15秒，以移除源極、汲極電極上方之閘極氧化層206，緊接著形成源極、汲極電極208。而源極、汲極電極208的形成方式例如以蒸鍍方式形成之金／鍺／鎳合金，厚度例如約為1800。而形成源極、汲極電極208之後，置入含氮氣、壓力為1大氣壓或是抽真空至1×10 -5 torr至2×10 -5 torr爐管內進行合金化法，其退火(annealing)的條件例如為400℃持續30分鐘，使源極、汲極電極208中的鍺熱擴散進入基底200中形成N+區域（約10 19 cm -3 ），即可達到良好的歐姆接觸特性。最後定義出閘極210之位置，而閘極210例如以蒸鍍方式形成1000的金／鍺／鎳合金或是1000的鋁金屬。 將液相沈積法所形成之二氧化矽應用於砷化鎵N通道空乏型金氧半場效電晶體的閘極氧化層206上，其後序製程中的最高溫度為源極、汲極電極208以合金化法形成歐姆接觸的製程，其退火的條件為400℃持續30分鐘，以使源極、汲極電極208中的鍺熱擴散進入基底200中形成N+區域，利用線性傳輸模型(TLM)可求得比電阻(specificcontact resistance)可低達1×10 -6 Ω-cm -2 。且退火有助於閘極氧化層206的緻密化，因此可在一次的熱處理中得到雙重的效果。除此之外，形成源極、汲極電極208與形成閘極氧化層206的製程順序亦可以顛倒，大幅提升製程整合的彈性。 接著請參照第6A圖，其繪示為液相沈積法所形成厚度為35之二氧化矽層在金氧半(MOS)電容結構中所測量的電容-電壓(C-V)關係圖。在氧化層厚度僅為35，且N型晶片摻雜濃度為1.25×10 18 cm -3 的條件下，比較熱處理前、後的差異。圖中顯示熱處理後的電容-電壓曲線300往右平移且與理想電容-電壓曲線301一致，而熱處理前的電容-電壓曲線302則與理想電容-電壓曲線301有一段差距。由於電容值的些微提高可知熱處理使氧化層內水氣減少且可以使得氧化層變得更薄、更緻密一些，由橢圓測厚量測也可以得到相同的結果。此外，因為穿遂電流(tunneling current)效應而使得電容量測值降低，因而所換算求得之介電常數降低至約1.7，然而當氧化層厚度為70時，所量測到的介電常數高達約3.5，和典型以液相沈積方式形成之二氧化矽層相符。 接著請參照第6B圖，其繪示為液相沈積法所形成二氧化矽層厚度為70的條件下，其電流-電壓(I-V)的線圖。在氧化層厚度為70，閘極面積為1.16×10 -4 cm 2 ，且N型晶片摻雜濃度為1.25×10 18 cm -3 的條件下，比較熱處理前、後的差異。熱處理前電流-電壓曲線303與熱處理後電流-電壓曲線304中的崩潰電場幾乎相同，約為17MV/cm，因此熱處理400℃持續30分鐘可應用於元件的歐姆接觸製程，且不至於劣化所形成之閘極氧化層。 接著請參照第7A圖，其繪示為以液相沈積法形成厚度165的氧化層作為閘極氧化層，元件電流-電壓的特性曲線。其中實線為實驗曲線，虛線為模擬曲線。在閘極寬及長分別為40μm及8μμm、閘極氧化層厚度165的條件下，由於通道層的厚度約為4000，因為通道層並未反轉(inversion)而呈現深空乏區(deep depletion)，所以啟始電壓(threshold voltage)高達-3.7伏特，故可控制通道層的厚度來調整啟始電壓的大小。而第7B圖則繪示為元件的轉移電導，其最大可達200m  /mm。 接著請參照第8A圖，其繪示為以液相沈積法形成厚度40的氧化層作為閘極氧化層，元件電流-電壓的特性曲線。其中實線為實驗曲線，虛線為模擬曲線。在閘極寬及長分別為40μm及8μm、閘極氧化層厚度40的條件下，所得到的電流-電壓曲線。而第8B圖則繪示為元件的轉移電導，其最大可達280m  /mm。 接著請參照第9圖，其繪示為轉移電導值對閘極氧化層厚度的關係曲線圖。由第9圖中可知，轉移電導隨著閘極氧化層的厚度減少而增加，因此元件具有較薄的閘極氧化層將有助於提高元件的特性。 最後請參照第10圖，其繪示為氧化層厚度與元件微波特性的關係圖。在通道長度為12μm，汲極偏壓(V DS )、閘極電壓(V G )分別為4伏特及0.1伏特的條件下，由綱路分析儀在此大訊號條件下量測單位增益頻率(f t )可達1.2GHz，最大共振頻率(f MAX )亦可達3.4GHz，皆遠大於以傳統矽底材金氧半場效電晶體元件，因此更適合於通訊元件的應用。 綜上所述，本發明至少具有下列優點： 1.本發明進行合金化法時的退火製程，不但可以使得鍺熱擴散進入基底中形成N+區域，還對閘極氧化層有緻密化的作用，使得閘極氧化層可以製作的更薄。 2.本發明中形成源極、汲極電極與形成閘極氧化層的製程順序可以顛倒，製程整合的彈性大為提高。 3.本發明具有較薄的閘極氧化層厚度，因此具有較高的轉移電導，以提高元件的特性。 4.本發明之金氧半場效電晶體元件之單位增益頻率(f t )可達1.2GHz，最大共振頻率(f MAX )亦可達3.4GHz，皆遠大於以傳統矽底材金氧半場效電晶體元件，因此更適合於通訊元件的應用。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種金氧半場效電晶體的製作方法，適於砷化鎵金氧半場效電晶體的製作，該金氧半場效電晶體的製作方法，至少包括：提供一基底，該基底上具有一緩衝層與一通道層；以液相沈積法形成一閘極氧化層於該通道層上；於該基底上定義一主動區域；形成一源極電極與一汲極電極於該基底上；以及形成一閘極於該閘極氧化層上。 2.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該緩衝層之材質包括無摻雜之砷化鎵。 3.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該通道層之材質包括n型摻雜之砷化鎵。 4.如申請專利範圍第3項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該通道層之n型摻雜濃度約為5×1016cm-3。 5.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該主動區的定義係以微影蝕刻技術將部分的該緩衝層與該通道層移除，以形成島狀平台之主動區。 6.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該源極電極與該汲極電極的形成方法包括：以一光罩定義該源極電極與該汲極電極之位置，並將該源極電極與該汲極電極位置上之閘極氧化層移除；以及蒸鍍一金／鍺／鎳合金，以作為該源極電極與該汲極電極。 7.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，在形成該源極電極與該汲極電極之後，更包括一退火的步驟，以使該源極電極、該汲極電極與該基底之間具有良好的歐姆接觸。 8.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該閘極之材質包括金／鍺／鎳合金或鋁金屬。 9.如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該閘極之厚度約為1000。 10.一種金氧半場效電晶體的製作方法，適於砷化鎵金氧半場效電晶體的製作，該金氧半場效電晶體的製作方法，至少包括：提供一基底，該基底上具有一緩衝層與一通道層；於該基底上定義一主動區域；形成一源極電極與一汲極電極於該基底上；以液相沈積法形成一閘極氧化層於該通道層上；以及形成一閘極於該閘極氧化層上。 11.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該緩衝層之材質包括無摻雜之砷化鎵。 12.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該通道層之材質包括n型摻雜之砷化鎵。 13.如申請專利範圍第12項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該通道層之n型摻雜濃度約為5×1016cm-3。 14.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該主動區的定義係以微影蝕刻技術將部分的該緩衝層與該通道層移除，以形成島狀平台之主動區。 15.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該源極電極與該汲極電極的形成方法包括以一光罩定義該源極電極與該汲極電極之位置，再蒸鍍一金／鍺／鎳合金，以作為該源極電極與該汲極電極。 16.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，在形成該源極電極與該汲極電極之後，更包括一退火的步驟，以使該源極電極、該汲極電極與該基底之間具有良好的歐姆接觸。 17.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該閘極之材質包括金／鍺／鎳合金或鋁金屬。 18.如申請專利範圍第10項所述之金氧半場效電晶體的製作方法，其中該閘極之厚度約為1000。 |
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| 十一、圖式： | |
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