特許 6228614 ゲートコンタクトの形成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6228614

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】ゲートコンタクトの形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20171030BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20171030BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20171030BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20171030BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20171030BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20171030BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 F

   H01L29/80 H

   H01L21/28 301B

   H01L29/44 S

   H01L29/58 Z

【請求項の数】10

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-560399(P2015-560399)

(86)(22)【出願日】2014年3月4日

(65)【公表番号】特表2016-511942(P2016-511942A)

(43)【公表日】2016年4月21日

(86)【国際出願番号】US2014020155

(87)【国際公開番号】WO2014149662

(87)【国際公開日】20140925

【審査請求日】2015年8月31日

(31)【優先権主張番号】13/837,856

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】503178185

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＮＯＲＴＨＲＯＰ ＧＲＵＭＭＡＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ナンバ、キャロル オー．

(72)【発明者】

【氏名】リウ、ポ−シン

(72)【発明者】

【氏名】パウスト、スミコ

(72)【発明者】

【氏名】スモーチコバ、イオウリア

(72)【発明者】

【氏名】ヴォイトヴィチ、マイケル

(72)【発明者】

【氏名】グルンバッヒャー、ロナルド

【審査官】 早川 朋一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−０４５５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１２４４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１８７１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２５３４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１５９９３０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７−２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２７／０９５−２７／０９８

Ｈ０１Ｌ ２９／７７５−２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８０−２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／２８−２１／２８８

Ｈ０１Ｌ ２１／４４−２１／４４５

Ｈ０１Ｌ ２９／４０−２９／５１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

化合物半導体装置用のゲートコンタクトの形成方法であって、
第１のフォトレジスト物質層を基板上に堆積すること、
第２のフォトレジスト物質層を前記第１のフォトレジスト物質層上に堆積することであって、前記第２のフォトレジスト物質層は、フォトレジスト現像プロセスに対する感受性が前記第１のフォトレジスト物質層よりも高いこと、
フォトレジスト現像プロセスを実行することにより、第１のビアを前記第１のフォトレジスト物質層に形成し、かつ、前記第１のビア上に重なる第２の大ビアを前記第２のフォトレジスト物質層に形成すること、
第１の導電物質堆積プロセスを実行してゲートコンタクトを形成することであって、前記ゲートコンタクトは、前記基板に接触して前記第１のビアに形成されるゲートコンタクト部と、前記第２の大ビアにおいて前記ゲートコンタクト部上に接触して配置されるウィングコンタクト部とを有すること、
前記第１の導電物質堆積プロセスの結果として生じる導電物質層を前記第２のフォトレジスト物質層から剥離すること、
エッチングプロセスを実行することにより、前記第２のフォトレジスト物質層の付加的な部分を前記第２の大ビアから除去して前記第２の大ビアを横に広げること、および、
第２の導電物質堆積プロセスを実行して外側ウィングコンタクト部を形成することにより、前記ゲートコンタクト部の長さを維持したまま前記ウィングコンタクト部の断面積を増大させること
を含む方法。

【請求項2】

前記フォトレジスト現像プロセスは電子ビームリソグラフィを利用する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ゲートコンタクトは、金、アルミニウム、銅、白金、チタン、およびタングステンのうちの１つを含むか、あるいは金、アルミニウム、銅、白金、チタン、およびタングステンのうちの１つ以上の層から形成されている、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記基板はトランジスタのバリア層である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記トランジスタは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記ゲートコンタクトは全体として松の木の形をしている、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

第２の導電物質堆積プロセスの実行は、導電物質蒸発器を使用して非共形の導電物質堆積プロセスを実行することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記第２の導電物質堆積プロセスの結果として生じる導電物質層を剥離すること、および、湿式の化学ストリップを使用して前記第１のフォトレジスト物質層および前記第２のフォトレジスト物質層を剥離することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記ゲートコンタクト部の長さは４０ｎｍ未満である、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記導電物質層の剥離を繰り返すこと、酸素Ｏ_２プラズマプロセスを実行すること、および、第２の導電物質堆積プロセスを実行することにより１つ以上の付加的な外側ウィングコンタクト部を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体、特にゲートコンタクトの形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

背景
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などのＩＩＩ−Ｖ族半導体トランジスタは、高周波動作のためにゲートコンタクト長さ（Ｌｇ）が短いこと（４０ｎｍ未満）およびゲートコンタクト抵抗（Ｒｇ）が小さいことを要する。しかしながら、通常、ゲートコンタクトのサイズが小さくなると、ゲートコンタクト長さの物理的寸法が短いせいでゲート抵抗（Ｒｇ）は大きくなる。従来、この業界ではＩＩＩ〜Ｖ族半導体トランジスタにＴ形のゲートコンタクト（Ｔゲートコンタクト）製造アプローチが採用されてきた。Ｔ形ゲートコンタクトは、小さなゲートコンタクト部と、ウィングと称される大きなトップコンタクト部とを採用している。大きなトップコンタクト部（ウィング）の目的は、短いゲート長さ（低Ｌｇ）を維持しながらゲートの断面積を増大させる（Ｒｇを小さくする）ことである。しかしながら、小さなゲートコンタクトサイズ（４０ｎｍ以下）にまでＴゲートを縮小すると、それに比例してウィングコンタクト部のサイズも縮小して寸法が小さくなる。

【0003】

小さなゲートコンタクト部と大きなウィングコンタクト部とを備えたゲートコンタクトを形成するいくつかの手法が利用されてきた。小さなゲートコンタクト部と大きなウィングコンタクト部を備えたゲートコンタクトを形成するために用いられる手法の１つは、２つの別個の露光／現像ステップおよび２つの別個の金属化ステップを使用することを含む。ゲートコンタクトは、第１のレジスト露光、現像、および金属化処理ステップにおいて形成され、ウィングコンタクト部は、第２のレジスト露光、現像、および金属化処理ステップにおいて形成される。このプロセスにより、ウィングのサイズは多くの選択的なウィングサイズに設定することができる。しかしながら、ウィングコンタクト部とゲートコンタクト部の位置がずれるという欠点がある。また、成果を上げるために処理ステップ数を増大させると、４０ｎｍ以下のゲートサイズに対処する場合に総ゲート歩留まりが低下する。また、処理ステップ数の増加は処理時間の長さとコストの増大にもなる。

【0004】

もう１つの手法では、まずウィングコンタクト部のレジストを露光および現像してからゲートコンタクト部のレジストを露光および現像させる２段階のレジスト露光プロセスが使用される。しかしながら、ウィングコンタクト部とゲートコンタクト部の位置がずれ、ゲート露光量に対するウィング露光量の寄与によりゲートサイズの制御／均一性が悪化する可能性がある。

【0005】

３つ目の手法では、複数のレジスト層と１セットの現像剤が使用される。それぞれの現像剤によって各レジスト層を個別に現像する。このため、より長い時間にわたりウィングサイズを現像することができ、結果として大きなウィングになる。しかしながら、次の現像剤によって次の層を正確に現像することができるように、各レジスト層は完全に現像される必要がある。完全に現像されなかったレジストは、次の現像剤が次の層のレジストを開放（open）するのを阻害する。また、異なるレジストが混ざることによってどんな現像剤でも完全に現像しきることが困難な層が形成される可能性がある。

【0006】

概要
本発明の一側面によると、化合物半導体装置用のゲートコンタクトの形成方法が提供される。この方法は、第１のフォトレジスト物質層を基板上に堆積すること、および、第２のフォトレジスト物質層を第１のフォトレジスト物質層上に堆積することを含む。第２のフォトレジスト物質層は、フォトレジスト現像プロセスに対する感受性が第１のフォトレジスト物質層よりも高い。この方法は、フォトレジスト現像プロセスを実行することにより、第１のビアを第１のフォトレジスト物質層に形成し、かつ、第１のビア上に重なる第２の大ビアを第２のフォトレジスト物質層に形成すること、第１の導電物質堆積プロセスを実行してゲートコンタクトを形成することであって、ゲートコンタクトは、基板に接触して第１のビアに形成されるゲートコンタクト部と、第２の大ビアにおいてゲートコンタクト部上に接触して配置されるウィングコンタクト部とを有すること、および、第１の導電物質堆積プロセスの結果として生じる導電物質層を第２のフォトレジスト物質層から剥離することをさらに含む。この方法は、エッチングプロセスを実行することにより、第２のフォトレジスト物質層の付加的な部分を第２の大ビアから除去して第２の大ビアを横に広げることと、および、第２の導電物質堆積プロセスを実行して外側ウィングコンタクト部を形成することにより、ゲートコンタクト部の長さを維持したままウィングコンタクト部の断面積を増大させることをさらに含む。

【0007】

本発明の別の側面によると、化合物半導体装置の形成方法が提供される。この方法は、第１のフォトレジスト物質層を基板上に堆積すること、および、第２のフォトレジスト物質層を第１のフォトレジスト物質層上に堆積することを含む。第２のフォトレジスト物質層は、フォトレジスト現像プロセスに対する感受性が第１のフォトレジスト物質層よりも高い。この方法は、電子ビームリソグラフィプロセスを実行することにより、第１のビアを第１のフォトレジスト物質層に形成し、かつ、第１のビア上に重なる第２の大ビアを第２のフォトレジスト物質層に形成すること、第１の導電物質を堆積させてゲートコンタクトを形成することであって、ゲートコンタクトは、基板に接触して第１のビアに形成されるゲートコンタクト部と、第２の大ビアにおいてゲートコンタクト部上に接触して配置されるウィングコンタクト部とを有すること、第１の導電物質を堆積させた結果として生じる導電物質層を第２のフォトレジスト物質層から剥離することをさらに含む。この方法は、酸素Ｏ_２プラズマプロセスを実行することにより、第２のフォトレジスト物質層の付加的な部分を第２の大ビアから除去して第２の大ビアを横に広げること、および、第２の導電物質を蒸発および堆積させて外側ウィングコンタクト部を形成することにより、ゲートコンタクト部の長さを維持したままウィングコンタクト部の断面積を増大させることをさらに含み、ゲートコンタクト部の長さは、所期の動作周波数を与えるように選択され、ウィングコンタクト部の断面積は、所期の動作周波数に悪影響を及ぼすことなく所期のゲートコンタクト抵抗を与えるように選択される。

【0008】

本発明のさらに別の側面によると、基板およびゲートコンタクトを備える化合物半導体装置が提供され、ゲートコンタクトは、基板に接触するゲートコンタクト部と、ゲートコンタクト部上に接触して配置されるウィングコンタクト部とを有する。ウィングコンタクト部は内側ウィングコンタクト部および外側ウィング部を有し、外側ウィングコンタクト部は、ゲートコンタクト部の長さを維持したままウィングコンタクト部の断面積を増大する。ゲートコンタクト部の長さは、所期の動作周波数を与えるように選択され、ウィングコンタクト部の断面積は、所期の動作周波数に悪影響を及ぼすことなく所期のゲートコンタクト抵抗を与えるように選択される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一側面に係る化合物半導体構造の概略断面図。

【図2】４０ｎｍ以下のゲートサイズの場合の標準的なウィングベースライン対大きなウィングベースラインのゲート抵抗の表。

【図3】本発明の一側面に係る、形成用の基板上に重なる第１のフォトレジスト物質層および第２のフォトレジスト物質層を示す概略断面図。

【図4】本発明の一側面に係る、フォトレジスト現像プロセスを受けている図３の構造を示す概略断面図。

【図5】本発明の一側面に係る、フォトレジスト現像プロセスを受けた後の図４の構造を示す概略断面図。

【図6】本発明の一側面に係る、第１の導電物質堆積プロセスを受けている図５の構造を示す概略断面図。

【図7】本発明の一側面に係る、第１の導電物質堆積プロセスを受けた後の図６の構造を示す概略断面図。

【図8】本発明の一側面に係る、等方性の酸素Ｏ_２プラズマプロセスを受けている図７の構造を示す概略断面図。

【図9】本発明の一側面に係る、等方性の酸素Ｏ_２プラズマプロセスを受けた後の図８の構造を示す概略断面図。

【図10】本発明の一側面に係る、第２の導電物質堆積プロセスを受けている図９の構造を示す概略断面図。

【図11】本発明の一側面に係る、第２の導電物質堆積プロセスを受けた後の図１０の構造を示す概略断面図。

【図12】本発明の一側面に係る、第２のフォトレジスト物質層から導電物質層を剥離した後の図１１の構造を示す概略断面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などの化合物半導体装置用のゲートコンタクトを形成する方法を提供する。化合物半導体装置は、半導体装置の各層に２つの異なる原子を含む。たとえば、半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、またはその他の化合物半導体などのＩＩＩ−Ｖ族半導体物質から形成される半導体層を有することができる。ゲートコンタクトは、ゲートコンタクト部とトップコンタクト部すなわちウィングコンタクト部とから形成されている。この方法は、所期の動作周波数に基づいてゲートコンタクト部のサイズを保持しながらウィングコンタクト部のサイズの調整を可能にする。これは、１つ以上の付加的な導電物質プロセスをウィングコンタクト部に施すことで、ゲートコンタクト部の長さを維持して装置の動作周波数を維持したまま、ウィングコンタクト部の断面積を増大してゲート抵抗を低下させることによって達成される。

【0011】

図１は、本発明に係る化合物半導体構造１０の一部を示す概略断面図である。化合物半導体構造１０は、基板１２上に重なるゲートコンタクト１４を備える。基板１２は、トランジスタのチャネル領域（図示せず）に重なる誘電体層とすることができる。トランジスタは、たとえば種々の化合物半導体物質層から形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。基板１２は、トランジスタのバリア層、さらに言えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のバリア層とすることもできる。ゲートコンタクト１４は、抵抗を最小限に抑えるために全体として松の木の形、すなわち「Ｔ」形状を有し、高い装置動作性能を提供する。ゲートコンタクト１４は、金、アルミニウム、銅、白金、チタン、タングステン、またはその他の導電物質層などの１つ以上の導電物質から形成することができる。

【0012】

ゲートコンタクト１４は、基板１２に接触するゲートコンタクト部１６と、ゲートコンタクト部１６上に接触して重なるトップコンタクト部すなわちウィングコンタクト部１８とから形成されている。ゲートコンタクト部１６は、所期の動作周波数に基づいて選択される長さを有し、ウィングコンタクト部１８は、ゲートコンタクト１４の抵抗を最小化する断面積を有するように選択され、これも高い動作周波数に寄与する。ウィングコンタクト部１８は、内側ウィングコンタクト部２０および外側ウィングコンタクト部２２を有する。内側ウィングコンタクト部２０と外側コンタクト部２２は、後述するように、ゲートコンタクト部１６の長さを増大させることなくウィングコンタクト部１４の断面積を増大させるべく異なる導電物質堆積プロセスから形成される。

【0013】

小さなゲートサイズ（４０ｎｍ以下）にまでゲートコンタクトを縮小すると、それに比例してウィングサイズも縮小して寸法が小さくなると認識すべきである。ゲートサイズがこの範囲にある場合、ウィングサイズは元のウィングサイズの３０％にまで減少することができる。開示の方法を用いてウィングサイズを増大させることにより、図２の表３０に示すようにゲート抵抗を低減することができる。

【0014】

次に、図３〜図１３を参照して本発明の一側面に係る化合物半導体構造（たとえば、ＨＥＭＴ）の一部の製造に関係するプロセスブロックを説明する。第１のフォトレジスト物質層５４は基板５２（たとえば、化合物半導体基板、誘電体層）上に堆積され、第２のフォトレジスト物質層５６は第１のフォトレジスト物質層５４上に堆積される。第１のフォトレジスト物質層５４および第２のフォトレジスト物質層５６は、任意の適切な手段を用いて堆積することができる。たとえば、第１のフォトレジスト物質層５４は、スピンコーティング堆積法またはスピンキャスティング堆積法を用いて基板５２上に堆積することができる。第１のフォトレジスト物質層５４が乾燥すれば、スピンコーティング堆積法またはスピンキャスティング堆積法を用いて第１のフォトレジスト物質層５４上に第２のフォトレジスト物質層５６を堆積することができる。第２のフォトレジスト物質層５６はフォトレジスト現像プロセスに対する感受性が第１のフォトレジスト物質層５４よりも高いように選択されているため、フォトレジスト現像プロセスの完了後に第２のフォトレジスト物質層５６は第１のフォトレジスト物質層５４よりも大きなビアを提供する。

【0015】

図４は、フォトレジスト現像プロセス１００を受けている図３の構造を示し、露光源（光学的な光、Ｘ線、または電子ビームなど）が間のマスクを介して第１のフォトレジスト物質層５４および第２のフォトレジスト物質層５６の選択領域を特定パターンで照射し、特定の現像液への溶解性が（コーティングに応じて）高いか低くなる。次に、図５に示すように、露出した第１のフォトレジスト物質層５４および第２のフォトレジスト物質層５６に現像液が塗布され、第１のフォトレジスト物質層５４に第１のビア５８が開き、第２のフォトレジスト物質層５６に第１のビア５８上に重なる第２の大ビア６０が開く。本発明の一側面によると、フォトレジスト現像プロセスは電子ビームリソグラフィを利用する。しかしながら、任意の適切なフォトリソグラフィ技術を用いることにより、パターン化された第１のフォトレジスト物質層５４および第２のフォトレジスト物質層５６を形成することができる。

【0016】

図６は、第１の導電物質堆積プロセス１１０を受けている図５の構造を示す。金属蒸着法、スパッタ蒸着法、めっき法、低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）法、プラズマ誘起化学気相蒸着（ＰＥＣＶＤ）法、原子層堆積（ＡＬＤ）法、スパッタリング法、またはスピンオン法などの任意の適切な導電物質を堆積する方法を使用することができる。導電物質は、金、アルミニウム、銅、白金、チタン、タングステン、またはその他の導電物質などの１つ以上の導電物質および／または導電物質層とすることができる。

【0017】

図７は、ゲートコンタクト６１が形成された導電物質堆積プロセス１１０後の図６の構造を示す。ゲートコンタクト６１は全体として松の木の形、すなわち「Ｔ」形状を有し、ゲートコンタクト部６２が基板５２と接触し、トップコンタクト部すなわちウィングコンタクト部６４がゲートコンタクト部６２上に重なる。また、導電物質層６６は、導電物質層プロセス１１０の結果として第２のフォトレジスト物質層５６上に重なって形成される。導電物質層６６は、第２の大ビア６０上に重なる部分を含んでおり、これによりウィングコンタクト部６４の断面積がさらに形成されるのを防止する。

【0018】

次に、導電物質層６６が第２のフォトレジスト物質層５６から剥離され、図８に示すように、その結果得られる構造に等方性の酸素Ｏ_２プラズマプロセス１２０が施される。等方性の酸素Ｏ_２プラズマプロセス１２０は、第２のフォトレジスト物質層５６の付加的な部分を除去し、第２の大ビア６０を横に広げる。この横に広げる量は、プラズマプロセスの時間長および／またはプラズマ速度に依存する。第２の大ビア６０を横に広げるためには他のエッチング法を使用することもできると理解すべきである。

【0019】

導電物質層６６を剥離した結果、第２のフォトレジスト物質層５６の上面は、第２の大ビア６０のフォトレジスト物質よりも等方性プラズマプロセス１２０に対して耐性が高くなることが分かった。したがって、第２の大ビア６０のフォトレジスト物質は、第２のフォトレジスト物質層５６の上面よりも速い速度でエッチングされる。図９は、第２のビア６８が横に広げられた図８の結果として得られる構造を示す。

【0020】

図１０は、第２の導電物質堆積プロセス１３０を受けている図９の構造を示す。第２の導電物質堆積プロセス１３０は、非共形（non-conformal）の導電物質堆積とすることができ、ウィングコンタクト部６４の上だけに導電物質を堆積する導電物質蒸発器を使用する。その結果得られる構造を図１１に示しており、ウィングコンタクト部６４上に外側ウィングコンタクト部７２が形成されるが、これはこの時点で内側ウィングコンタクト部である。ここでも、導電物質層プロセス１３０の結果として、第２のフォトレジスト物質層５６上に導電物質層７４が重なって形成される。次に、導電物質層７４が第２のフォトレジスト物質層５６から剥離され、その結果得られる構造を図１２に示す。

【0021】

このプロセスを繰り返すことで、付加的な外側ウィングコンタクト部を形成し、現実的な制約の範囲内でウィングコンタクト部の断面積６４を増大させることができる。図１２に示す第１のフォトレジスト物質層５４および第２のフォトレジスト物質層５６は、湿式の化学ストリップを使用して剥離することができ、その結果として図１に示す構造を提供する。

【0022】

上述した内容は、本発明の例示の実施例を含む。当然のことながら、本発明を説明する目的で考えられる限りすべての構成要素または方法の組み合わせを記載することはできない。だが、当業者であれば、その他多くの本発明の組み合わせおよび変更が可能であると認識するであろう。したがって、本発明は、そのようなすべての変更、修正、変形を包含することを意図とする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】