(57)【要約】【課題】半導体基板上の金属電極と半導体基板の界面に、現像残渣のない半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体基板上に、金属電極が設けられた半導体装置であって、金属電極は、半導体基板の上面視において、細線部と、細線部の電極の長手方向の両端に太線部と、細線部から太線部へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部とからなり、細線部の側面と線幅漸増部の側面の境界領域に、曲率を有す円弧が付けられた形状であることを特徴とする半導体装置。【選択図】図２
2011216626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、金属電極が設けられた半導体装置であって、
前記金属電極の前記半導体基板に接している面は、上面視での細線部と、前記細線部の電極の長手方向の両端に太線部と、前記細線部から前記太線部へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部とからなり、
前記金属電極の前記半導体基板に接している面の外周の、前記細線部と前記線幅漸増部の境界領域に、所定の曲率を有す円弧が付けられた形状であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記所定の曲率の半径Rが、０．１ｕｍ〜１０．０ｕｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記所定の曲率の半径Rが、０．５ｕｍ〜１０．０ｕｍであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属電極の、前記半導体基板と接する境界面における、前記太線部の線幅が前記細線部の線幅の４倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属電極の、前記半導体基板と接する境界面における、前記太線部の線幅が前記細線部の線幅の１０倍以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体装置は電界効果トランジスタであり、前記金属電極はゲート電極であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属電極の前記半導体基板に接している面における前記金属電極の長手方向に垂直な方向の幅である前記金属電極の脚部と、
前記金属電極の前記半導体基板に接していない面における前記金属電極の長手方向に垂直な方向の幅が前記金属電極の脚部より大きい前記金属電極の頭部と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属頭部は、上面視での細線部と、前記細線部の電極の長手方向の両端に太線部と、前記細線部から前記太線部へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部とからなり、前記細線部と前記線幅漸増部の境界領域に、所定の曲率を有す円弧が付けられた形状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
レジストを塗布する塗布工程と、
パターンを有するフォトマスクを通して活性光線を照射する露光工程と、
レジストを現像除去する現像工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記レジストを塗布する塗布工程は、半導体表面に形成した最小幅０．０１〜１．０ｕｍの溝にレジストを塗布する塗布工程であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記レジストを塗布する塗布工程は、半導体表面に形成した最小幅０．０１〜０．５ｕｍの溝にレジストを塗布する塗布工程であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記レジストを塗布する塗布工程は、半導体表面に形成した最小幅０．０１〜０．３ｕｍの溝にレジストを塗布する塗布工程であることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属電極と半導体基板の界面に、レジストの現像残渣が存在しない、半導体装置及びその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下、金属電極が設けられた半導体装置として、ゲート電極が設けられた電界効果トランジスタ、より詳しくは、化合物半導体基板を用いた、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以下ＨＥＭＴ）を例にあげて説明する。
【０００３】
一般に、化合物半導体を用いた電子デバイスは、シリコン電子デバイスと比較すると、高速化や低消費電力化に適しており、従来から様々なデバイスの開発が行われてきている。特に、化合物半導体を用いた、電界効果トランジスタの一種であるＨＥＭＴは、基板上に形成された電子走行層とこれに隣接する電子供給層を備えており、ドーピングされていない高品質な電子走行層のヘテロ界面へ、電子供給層から与えられた電子が２次元電子ガス層として局在することにより、不純物散乱の少ない高速な動作を達成している。そのため、雑音特性や高周波特性に優れており、車載レーダー、ビル間通信、大容量高速無線ＬＡＮなどといった、ミリ波帯での実用のため、開発が進められている。
【０００４】
ＨＥＭＴの高速性能の指標として、電流利得遮断周波数Ｆｔと電力利得最大発振周波数Ｆｍａｘが一般的に利用される。例えば６０ＧＨｚミリ波帯用の用途で、ＨＥＭＴを利用するためには、１８０ＧＨｚほどの電流利得遮断周波数Ｆｔが望まれる。一方、電界効果トランジスタの高周波特性は、半導体基板に設けられた活性領域上に接するゲート電極の寸法に大きく依存することが知られている。ここでいう活性領域とは、化合物半導体基板を素子分離したメサの上面であり、電界効果トランジスタの特性に大きく影響する箇所を示す。活性領域上に接するゲート電極の寸法を小さくすると、ゲート電極と半導体との間の寄生容量が小さくなるため、より高い電流利得遮断周波数Ｆｔが得られることになる。これらのことから、活性領域上に接するゲート長を小さくすることにより、電流利得遮断周波数Ｆｔの向上を図り、ミリ波帯用のＨＥＭＴの開発が行われている。
【０００５】
その一方で、単純に活性領域上に接するゲート電極の寸法を小さくした場合、ゲート電極の断面積も小さくなってしまいゲート電極のゲート抵抗が増大してしまう。そのため、高周波特性である電力利得最大発振周波数Ｆｍａｘの低下や、ノイズが発生してしまうという問題がある。これらの問題に対して、特許文献１〜３に記載されている、活性領域上におけるゲート電極が、活性領域上に接したゲート電極脚部と、断面構造においてゲート電極脚部より寸法の大きいゲート電極頭部を有する、いわゆる、その構造からいわれる、Ｔ型、Ｙ型、マッシュルームゲート電極を用いることで、解決している。ゲート電極が、このゲート構造であると、活性領域上に接するゲート電極の寸法を小さく保ったまま、ゲート電極の断面積を確保し、より高い電流利得遮断周波数Ｆｔと電力利得最大発振周波数Ｆｍａｘを得ることができる。
【０００６】
ゲート電極を作製するには、いくつかの手法が挙げられる。以下、レジストを用いた、Ｔ型の構造を有するゲート電極の形成方法の一例を図１に示し説明する。まず、半導体基板１上に絶縁層２を形成する（図１ａ）。次にレジストパターンを形成後、絶縁層２をエッチングし、その後レジストパターンを除去することで、ゲート脚部を規定する溝を形成する（図１ｂ）。その後、ゲート頭部を規定するためのレジストパターン３を形成する（図１ｃ）。これらのパターン付き基板に、蒸着法で金属を付着し、続いてリフトオフ法で、ゲート電極４以外の金属とレジスト３を除去し、Ｔ型の構造を有するゲート電極４を形成する（図１ｄ）。
【０００７】
しかしながら、近年の、ＨＥＭＴをミリ波帯で利用するために、有効ゲート長が０．５ｕｍ以下、さらに好ましくは０．３ｕｍ以下と微細化がかなり進行しており、これにともない、図１ａから図１ｄに示すような、レジストを用いた、Ｔ型の構造を有するゲート電極の作製方法では、微細な溝の内部へ現像液が浸透すること、及び溝の外部へレジストの溶解した現像液が完全に流出しないことから、レジストが、微細な溝の内部で、現像残渣として存在してしまう問題があった。また、Ｔ型、Ｙ型、マッシュルーム型の構造でないゲート電極についても微細化が進んでおり、レジストを用いてゲート電極を形成する際は、レジストが現像残渣として除去しきれない問題があった。レジストの現像残渣が発生すると、ゲート電極と半導体基板の界面に異物が存在することになり、金属と半導体間のショットキー結合が理想的に形成しないため、トランジスタの性能に大きく影響してしまい、十分なものでなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０７−３３５６６７号公報
【特許文献２】特許第２６３０３０４号公報
【特許文献３】特許第３１８０９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、半導体装置において、半導体層と金属電極の間にレジストの現像残渣が存在しない、半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究し実験を重ねた結果、半導体基板上に、金属電極が設けられた半導体装置であって、金属電極は、正面視での細線部と、細線部の電極の長手方向の両端に太線部と、細線部から太線部へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部とからなり、細線部が線幅漸増部へ移行する領域に、所定の曲率を有す円弧が付けられた形状にすることで、前記課題が解決しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体装置は、半導体と金属電極の間にレジストの現像残渣が存在しないため、安定した性能を有した半導体装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のＴ型の構造を有するゲート電極を作製する一例の方法の段階を経ているとみなす、ゲート電極の断面構造図である。
【図２】本発明にかかる、半導体装置を示す上面からの断面構造図である。
【図３】本発明の実施例２にかかる、ゲート電極が脚部、頭部を持たない、電界効果トランジスタを示す断面構造図である。
【図４】一定の幅の金属電極を有する半導体装置を示す上面構造図である。
【図５】本発明の実施例３にかかる、半導体装置を示す上面構造図である。
【図６】本発明の実施例３にかかる、半導体装置を示す断面構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図２は、本発明にかかる、半導体装置を示す上面からの断面構造図である。図２は、半導体基板１と、半導体基板１上に設けられた金属電極が半導体基板１に接している面の構造を示している。図２に示すように、本発明の半導体装置は、半導体基板１上に、金属電極が設けられた半導体装置であって、金属電極の半導体基板１に接している面は、上面視での細線部５と、細線部５の電極の長手方向の両端に太線部６と、細線部５から太線部６へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部７とからなり、細線部５と線幅漸増部７の金属電極の外周の境界領域に、所定の曲率Ｒを有する円弧が付けられた形状になっている。本発明のいくつかの実施形態においては、金属電極は細線部５の電極の長手方向の断面の構造が図１（ｄ）のように、幅の異なる脚部と頭部を有し、ほかのいくつかの実施形態においては、図３のように金属電極の脚部と頭部の幅は等しい。本発明のいくつかの実施形態においては、半導体基板１の上に、図１（ｄ）に示すような絶縁体層２を設けており、いくつかの実施形態においては、絶縁体層２を設けていない。この詳細は後の実施例において述べる。
【００１５】
半導体装置の製造において、金属電極の形成には、レジストが多用される。レジストとしては、ポジ型のレジストはネガ型のレジストに比べて高解像度であり微細加工に適していることから、一般的にポジ型のレジスト材料が用いられる。これらレジストを用いてパターンを形成するため、露光、および現像操作を行う。露光の際の活性光線としては、ｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザー、電子線などが用いられる。現像では、レジストを、有機溶剤やアルカリ溶液などと接触させる。アルカリ水溶液としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドなどの有機アミン水溶液等を用いる。現像方法としては、ディップ現像方法、ステップ・パドル現像方法、振動現像方法、逆さ現像方法などがあげられるが、現像均一性に優れ、したがって生産性が向上することから、ステップ・パドル現像方法が望ましい。
【００１６】
本発明の金属電極は、細線部と太線部を有する。現像残渣を発生させないためには、レジストパターンの現像時、現像液の流路の確保が重要となる。流路が設けられていると、微細な溝の内部へ現像液が浸透しやすく、かつ、現像液中に溶解しているレジストとともに現像液が外部へと流出しやすいため、現像残渣の発生を抑えることが可能になる。図４に示すように、金属電極８が一定の幅を有する場合、レジストを現像する際の流路の確保が不十分なため、現像残渣が発生しやすい。この現像残渣は、金属電極８の線幅が１．０ｕｍ以下のときに発生し、０．５ｕｍ以下のときに頻繁に発生し、０．３ｕｍ以下のときはさらに頻繁に発生する。その結果、例えば、この金属電極８をゲート電極としてＨＥＭＴを作製すると、トランジスタ特性でピンチオフが観察されないといった現象が観察される。一方、本発明の、細線部および太線部を有する金属電極の形状をとることにより、微細な溝に対して、現像液の流路を確保することができ、現像残渣を効果的に減少させることができる。この現像残渣は、金属電極の半導体に接した細線部の線幅に対して、太線部の線幅が、４倍以上であれば解消され、１０倍以上だとさらに解消される。
【００１７】
また、金属電極の細線部の側面と線幅漸増部の側面の境界領域の形状が曲率を有する円弧であることが望ましい。現像液の流路について、配管を例にとって以下のように説明することができる。流体が配管内部を流れるとき、流体エネルギーの損失として、流体摩擦によるエネルギー損失と、流体の衝突や渦の発生によるエネルギー損失があげられる。これらの、管路で起こる摩擦損失は、配管が円柱である場合、ダルシー・ワイズバッハの式より次の式で表せる。
ｈｆ＝λ×Ｌ／Ｄ×Ｖ2／２ｇ
ここで、ｈｆは摩擦損失ヘッド（ｍ）、λは配管摩擦係数、Ｌは管の長さ（ｍ）、Ｄは管の内径（ｍ）、Ｖは流体の平均流速（ｍ／ｓ）、ｇは重力加速度である。配管摩擦係数λはレイノルズ数と配管の粗さによって規定される定数である。
【００１８】
また、屈曲部などでは、摩擦損失が発生し、次の式で表せる。
ｈｆ＝ζ×Ｖ2／２ｇ
ここで、ζは損失係数である。
【００１９】
これより、様々な形状の配管内の流体エネルギーの摩擦損失ヘッドｈｆは、レイノルズ数、配管の粗さが同等であれば、配管の形状によって決定される。一般的に、流入口において、角端ではなく、面取り、丸味つきといった形状をとることで損失係数ζが小さくなり、特に、丸味つきの形状であると損失係数ζが最も小さく、したがって摩擦損失ヘッドｈｆが小さくなる。現像液を、配管内部を流れる流体とみなすと、摩擦損失ヘッドｈｆが小さい形状の配管において配管内部と現像液との摩擦が減少し、したがって配管内部の現像残渣は減少するとみなすことができる。
【００２０】
本発明においては、現像液が微細な溝へ浸透し、現像液中に溶解しているレジストとともに現像液が流出する際の、現像液の流体のエネルギー損失を小さくするために、金属電極の細線部の側面と線幅漸増部の側面の境界領域の形状を、所定の曲率を有する円弧にし、現像残渣を効果的に減少させる。現像残渣解消効果においては、当該曲率半径Ｒは、大きい方が好ましい。現像残渣を解消させるためには、Ｒは０．１ｕｍ以上が望ましく、さらに０．５ｕｍ以上がさらに望ましい。一方、ある値Ｒで現像残渣解消が必要な程度に達し、この曲率半径Ｒがこの値以上に大きくなると、電極面積の必要以上の増大を招く。したがって、コストを削減するためには、Ｒは１０ｕｍ以下が好ましい。
【００２１】
以下、本発明を、半導体装置として電界効果トランジスタＨＥＭＴ、および４端子抵抗測定器の実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２２】
実施例１として、電界効果トランジスタＨＥＭＴを説明する。
【００２３】
図２に、実施例１にかかる、半導体装置を示す上面からの断面構造図を示す。実施例１の構造は、半導体基板１上に、絶縁体層２（図２には示されていない）およびゲート電極が設けられた半導体装置であって、ゲート電極は、上面視での細線部５と、細線部５の電極の長手方向の両端に太線部６と、細線部５から太線部６へ向けて線幅が漸増する線幅漸増部７とからなる。ゲート電極の細線部５および太線部６における、細線部５の電極の長手方向と垂直方向をなす面による断面は、図１ｄに示すＴ型の構造をなしている。細線部５の側面と線幅漸増部７の側面の境界領域に、細線部５の脚部および頭部のどちらも、所定の曲率Ｒを有する円弧が付けられた形状になっている。
【００２４】
ゲート電極について、ゲート電極の細線部における脚部の幅、ゲート電極の細線部における頭部の幅、ゲート電極の太線部における脚部の幅を表１に示す値で、ＨＥＭＴを作製した。この際、ゲート電極の細線部の脚部および頭部側面と線幅漸増部の側面の境界領域の、曲率半径Ｒは０．１ｕｍとし、非活性領域上でゲート電極の幅が変化する形状とした。
【００２５】
トランジスタ素子の各々を分離するため、キャップ層、電子供給層、チャネル層をエピタキシャル成長させた基板を、ウエットエッチングによりメサを作製し、素子分離した。素子分離された領域の最表面にオーミックコンタクトをとるために、Ａｕ／Ｇｅ／Ａｕの３層金属を蒸着法により形成し、その上から、絶縁体層をプラズマＣＶＤにより形成した。絶縁体層上に電子線レジストを塗布し、熱処理を行った。その後、電子線露光機を用いて露光し、熱処理後、現像することで、ゲート脚部の寸法を規定するレジストパターンを得た。得られたレジストパターン上から、反応性イオンエッチングで絶縁体層をドライエッチングし、その後、電子線レジストを除去することで、ゲート脚部を規定する溝を形成した。続いて、微細な溝上に、フォトレジストを塗布し、プリベークをした。その後、ゲート頭部を規定する寸法になるようなレチクルパターンを用いて、縮小投影露光機により露光した。露光部を現像除去することで、ゲート頭部を規定するパターンを形成した。ここで、現像方法として、２．３８％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシドを現像液として用いて、ステップ・パドル現像法を行った。現像条件として、現像時間は４５秒間を２回、回転数５０ｒｐｍで行い、現像液の振り切りを５００ｒｐｍで行った。その後、超純水を用いた洗浄を３０秒間行い、最後に４０００ｒｐｍで基板を回転し乾燥した。得られたパターン上から、デスカム、およびリセスエッチングを行い、蒸着法によりショットキー接合を形成するために、Ｐｔ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの４層金属を付着後、リフトオフ法で、ゲート電極以外の金属とレジストを除去し、アニール処理をすることで、Ｔ型のゲート電極を有したＨＥＭＴを形成した。
【００２６】
作製したＨＥＭＴのゲート電極と半導体界面に、レジストの現像残渣が存在するか走査型電子顕微鏡を用いて観察し、レジストの現像残渣が観察されないものを「○」、観察されるものを「×」印で、表１に示す。
【００２７】
作製したＨＥＭＴについて、ゲート電圧を変化させたとき、ピンチオフが観察されるものを「○」、観察されないものを「×」印で、表１に示す。
【実施例２】
【００２８】
実施例２として、電界効果トランジスタＨＥＭＴを説明する。
【００２９】
図３は、実施例２にかかる、ゲート電極が脚部、頭部を持たない、電界効果トランジスタを示す断面構造図である。実施例２の構造は、図２におけるゲート電極の細線部５における脚部の幅と頭部の幅が等しい値であることと、半導体基板上に絶縁体層２がないことを除いて、実施例１の構造と同じである。
【００３０】
素子分離され、オーミック金属を蒸着した、化合物半導体基板上に、フォトレジストを塗布、プリベークをし、その後、ゲート電極を規定する開口寸法になるようなレチクルパターンを用いて、縮小投影露光機により露光し、現像する以外は、実施例１と同様の操作で、図３に示されるようなゲート電極を形成した。この方法で作製したＨＥＭＴの残像残渣、およびピンチオフ性の評価を行った。その結果を表１に示す。
【００３１】
比較のために、ゲート電極の細線部での脚部の幅、ゲート電極の細線部での頭部の幅、ゲート電極の太線部における脚部の幅を、表１に示す値で電界効果トランジスタを作製した。ゲート電極は、上面視で実質的に太線部を有さない形状であることが異なることを除いて、実施例１の構造と同様、断面構造が脚部および頭部を有するＴ型である。残像残渣、およびピンチオフ性の評価を行った。その結果を比較例１として表１に示す。
【００３２】
【表１】
2011216626.tif 000003
【００３３】
比較例１と比較すると、本発明に係る電解効果トランジスタは、残像残渣が観測されず、ピンチオフは観測され、したがってトランジスタ特性において優れていることが分かる。
【実施例３】
【００３４】
実施例３として、四端子抵抗測定器を説明する。
【００３５】
図５および図６に、実施例３にかかる半導体装置を示す構造図を示す。図５は、半導体基板１と、半導体基板１上に設けられた金属電極が半導体基板１に接している面の構造を示している。実施例３の構造は、半導体基板１上に第１の絶縁体層１４、および実施例２におけるゲート電極と同様の構造を成すＮｉＣｒ抵抗体９、ＮｉＣｒ抵抗体９上に図５および図６に示す構造を成す第２の絶縁体層１５およびＡｕ配線１０から１３からなる。
【００３６】
まず半導体基板１上に、第１の絶縁体層１４を設けた。次にフォトレジストを塗布、プリベークし、その後細線部の幅が１．０ｕｍ、太線部の幅が４．０ｕｍ、細線部５の側面と線幅漸増部７の側面の境界領域に、所定の曲率Ｒ細線部の側面と線幅漸増部の側面の境界領域の、曲率半径Ｒは１．０ｕｍとなるよう露光、現像をした。その後、抵抗体として、ＮｉＣｒを蒸着し、リフトオフを行うことにより抵抗器として用いる金属電極９を形成した。その上に、第２の絶縁体層１５をプラズマＣＶＤ法により形成した。その後、フォトレジストを用いてコンタクトホールを形成後、Ａｕ配線１０から１３を蒸着により形成することで、図５および図６に示すような四端子抵抗測定器を作製した。作製した抵抗体のＮｉＣｒ抵抗体９と第１の絶縁膜１４との界面に、レジストの現像残渣が存在しないことを走査型電子顕微鏡により確認した。
【００３７】
本抵抗測定器は、いわゆるケルビン法四端子抵抗測定器である。Ａｕ配線１０とＡｕ配線１１を用いて所定の電流Ｉを流し、Ａｕ配線１２とＡｕ配線１３を用いて電位差Ｖを計測することにより、式Ｒ＝Ｖ／Ｉより抵抗値を求めるものである。
【００３８】
Ａｕ配線１２とＮｉＣｒ抵抗体９とのコンタクト点と、Ａｕ配線１３とＮｉＣｒ抵抗体９とのコンタクト点との距離は、例えば１ｍｍである。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の半導体装置は、半導体基板と金属電極の界面に現像残渣がなく、かつ断線のない金属電極であって、実用上性能の安定した半導体装置として、広く活用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  化合物半導体基板
２  絶縁体層
３  レジスト層
４  ゲート電極
５  金属電極の細部
６  金属電極の太部
７  金属電極の漸増領域
８  金属電極
９  ＮｉＣｒ抵抗体
１０  Ａｕ配線
１１  Ａｕ配線
１２  Ａｕ配線
１３  Ａｕ配線
１４  第１の絶縁体層
１５  第２の絶縁体層
【図１】
2011216626.tif 000004
【図２】
2011216626.tif 000005
【図３】
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【図４】
2011216626.tif 000007
【図５】
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【図６】
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