专利名称：具有t形栅极电极的半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，尤其涉及一种具有采用化合物半导体的场效应晶体管(FET)的半导体器件及其制造方法，该晶体管例如是金属半导体场效应晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT)。
背景技术：
近来，像MESFET和HEMT的作为化合物半导体微波器件的器件被广泛用于制造超高频集成电路(IC)。该器件在射频波段具有优良噪声特性，且主要用于制造低噪声放大器。用作IC的基本器件的这些FET使用多层金属化(MLM)结构。为这样的MLM结构形成细长的互连。特别地，用于具有优良射频特性的放大器的FET形成一T形栅极电极，以执行高速操作并具有高增益和低噪声特性，从而减小栅极电极的长度。
现有的具有T形栅极电极的FET使用氮化硅层来保护化合物半导体衬底的表面。在这种情况下，氮化硅层被插入到T形栅极电极和源极电极之间。在这种结构中，T形栅极电极的头部与源极电极之间存在寄生电容。因此，产生信号延迟和电串扰，导致器件的运行速度限制并减小了截止频率(cut-off frequency)fT。因此，为了解决这一问题，需要使用具有低介电常数的材料作为绝缘层。
发明内容
本发明提供一种具有改进结构的半导体器件，其中栅极电极和源极电极之间的寄生电容被减弱，从而防止了具有T形栅极电极的场效应晶体管(FET)中器件特性的恶化。
本发明还提供一种制造半导体器件的方法，通过该方法，具有T形栅极电极的场效应晶体管(FET)中栅极电极和源极电极间的寄生电容降低。
依据本发明的一个方面，提供一种半导体器件，该半导体器件包括一半导体衬底、形成于半导体衬底上与半导体衬底形成欧姆接触的源极电极和漏极电极、在半导体衬底上在源极电极和漏极电极之间形成的T形栅极电极、以及包括二氧化硅气凝胶层(silica aerogel layer)的绝缘层，该二氧化硅气凝胶层被置于栅极电极与源极电极和漏极电极之间。该绝缘层由氮化硅层和二氧化硅气凝胶层的复合层形成。
二氧化硅气凝胶层的厚度可以大于氮化硅层的厚度。氮化硅层的厚度可以是100～1000埃，二氧化硅气凝胶层的厚度可以是1000～3000埃。
依据本发明的另一方面，提供一种制造半导体器件的方法。绝缘层图案形成于半导体衬底上，该绝缘层图案由第一绝缘层和二氧化硅气凝胶层的复合层形成并定义第一开口，通过该第一开口暴露出半导体衬底的第一部分。源极电极和漏极电极形成于通过第一开口暴露的半导体衬底上。形成用于覆盖源极电极和漏极电极、以及绝缘层图案的第二绝缘层。构图第二绝缘层和该绝缘层图案以在源极电极和漏极电极之间形成第二开口，通过该开口暴露半导体衬底的第二部分。T形栅极电极形成于通过第二开口暴露的半导体衬底上。
第一绝缘层可以是氮化硅层，第二绝缘层可以由二氧化硅气凝胶形成。
该方法可以进一步包括蚀刻通过第二开口暴露的半导体衬底，以在半导体衬底上形成凹陷区。在这种情况下，栅极电极形成于凹陷区中。
依据本发明的另一方面，提供一种制造半导体器件的方法。源极电极和漏极电极形成于半导体衬底上。形成用于覆盖源极电极和漏极电极、以及半导体衬底的顶面的第一绝缘层。二氧化硅气凝胶层形成于第一绝缘层上。构图二氧化硅气凝胶层和第一绝缘层，以暴露半导体衬底的第一部分。T形栅极电极形成于第一暴露部分上。第一绝缘层可以是氮化硅层。
依据本发明，在具有T形栅极电极的场效应晶体管(FET)中，减弱了栅极电极和源极电极之间的寄生电容，使得器件特性的恶化得以防止，信号传输更快地进行，且在RF特性上具有提高的截止频率数的器件得以制造。
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述方面和优点将更清楚，其中图1A到1H是说明依据本发明的第一实施例制造半导体器件的方法的剖面图；以及图2A到2F是说明依据本发明的第二实施例制造半导体器件的方法的剖面图。
具体实施例方式
图1A到1H是说明依据本发明的第一实施例制造半导体器件的方法的剖面图。
参照图1A，准备半导体衬底100。半导体衬底100例如可以由GaAs、InP、GaN、InGaP、InAlAs或A1GaAs形成。
参照图1B，由氮化硅层形成的第一绝缘层112和二氧化硅气凝胶层114依次形成在半导体衬底100上，从而形成由其复合层形成的绝缘层110。在绝缘层110中，二氧化硅气凝胶层114形成的厚度大于氮化硅层112的厚度。氮化硅层112在半导体衬底100的表面上形成稳定的钝化层。
参照图1C，利用湿或干蚀刻工艺依次构图二氧化硅气凝胶层114和第一绝缘层112，从而形成包括第一绝缘层图案112a和二氧化硅气凝胶层图案114a的绝缘层图案110a，以定义第一开口116，通过第一开口116暴露半导体衬底100的第一部分100a。
参照图1D，欧姆金属(ohmic metal)沉积到通过第一开口116暴露的半导体衬底100上，从而形成源极电极122和漏极电极124。源极电极122和漏极电极124可以根据半导体衬底100的材料和结构由各种材料形成。例如，源极电极122和漏极电极124可以由AuGe/Ni/Au形成。
参照图1E，如果需要，在源极电极122和漏极电极124上进行快速热退火工艺，于是形成用于覆盖源极电极122、漏极电极124和绝缘层图案110a的第二绝缘层130。优选地，第二绝缘层130由二氧化硅气凝胶形成。
参照图1F，使用湿或干蚀刻工艺构图第二绝缘层130和绝缘层图案110a，从而在源极电极122和漏极电极124之间形成第二开口136，通过第二开口136暴露出半导体衬底100的第二部分100b。
参照图1G，用于通过第二开口136暴露半导体衬底100的第二部分100b的感光层图案(未示出)形成于形成有第二开口136的第二绝缘层130上。该感光层图案形成来确定一个开口(未示出)，该开口在第二开口136的上部与第二开口136相连，并具有比第二开口136的宽度大的宽度，并且该开口具有负斜率侧壁(negatively sloped sidewall)。此后，蚀刻通过第二开口136暴露的半导体衬底100，从而在半导体衬底100中形成凹陷区140。需要时，凹陷区140的形成可以省略。
参照图1H，栅极电极构成材料，例如Ti/Pt/Au被沉积到形成有凹陷区140的半导体衬底100的第二部分100b上，并使用剥离(1ift-off)工艺除去感光层图案，从而形成T形栅极电极150。依据半导体衬底100的材料和结构，栅极电极150可以由各种材料形成。
如上所述，二氧化硅气凝胶层图案114a被置于栅极电极150、源极电极122和漏极电极124之间。另外，优选地，形成于栅极电极150、源极电极122和漏极电极124之间的第二绝缘层130由二氧化硅气凝胶形成。在这种结构中，二氧化硅气凝胶层图案114a的厚度和第二绝缘层130的厚度之和大于第一绝缘层图案112a的厚度。特别地，优选地，由氮化硅层形成的第一绝缘层图案112a具有约100～1000埃的厚度，由二氧化硅气凝胶形成的第二绝缘层130和二氧化硅气凝胶层图案114a的总厚度大约是1000～3000埃。
在依据本发明的第一实施例的该半导体器件的制造方法中，二氧化硅气凝胶层被置于栅极电极的头部和源极电极之间。二氧化硅气凝胶层具有等于或小于2.5的介电常数，其小于介电常数为6～9的氮化硅层的介电常数。因此，栅极电极的头部和源极电极之间的寄生电容显著降低。
图2A到2F是说明依据本发明的第二实施例制造半导体器件的方法的剖面图。
参照图2A，欧姆金属被沉积到半导体衬底200上，从而形成源极电极222和漏极电极224。半导体衬底200例如可以由GaAs、InP、GaN、InGaP、InAlAs或AlGaAs形成。依据半导体衬底200的材料和结构，源极电极222和漏极电极224可以由各种材料形成。例如，源极电极222和漏极电极224可以由AuGe/Ni/Au形成。
参照图2B，如果需要，对源极电极222和漏极电极224进行快速热退火工艺，然后形成用于覆盖源极电极222、漏极电极224和半导体衬底200的顶面的第一绝缘层232。优选地，第一绝缘层232由氮化硅层形成。第一绝缘层232形成大约100～1000埃厚。
参照图2C，二氧化硅气凝胶层234形成于第一绝缘层232上。二氧化硅气凝胶层234形成的厚度大约是1000～3000埃。
参照图2D，使用湿或干蚀刻工艺构图二氧化硅气凝胶层234和第一绝缘层232，从而在源极电极222和漏极224之间形成开口236，通过此开口暴露半导体衬底200的第一部分200a。
参照图2E，用于通过开口236暴露半导体衬底200的第一部分200a的感光层图案(未示出)形成于形成有开口236的二氧化硅气凝胶层234上。该感光层图案形成来确定一开口(未示出)，该开口在开口236的上部与开口236相连，并具有比开口236的宽度大的宽度，并且该开口具有负斜率侧壁。此后，蚀刻通过开口236暴露的半导体衬底200，从而在半导体衬底200中形成凹陷区240。需要时，凹陷区240的形成可以省略。
参照图2F，栅极电极形成材料，例如Ti/Pt/Au被沉积到形成有凹陷区240的半导体衬底200的第一部分200a上，使用剥离工艺除去感光层图案，从而形成T形栅极电极250。依据半导体衬底200的材料和结构，栅极电极250可以由各种材料形成。
在依据本发明的第二实施例制造的器件的结构中，二氧化硅气凝胶层被置于栅极电极与源极电极和漏极电极之间。因而，由于二氧化硅气凝胶层具有非常低的介电常数，所以栅极电极的头部和源极电极之间的寄生电容显著降低。
在依据本发明的半导体器件中，具有低介电常数的二氧化硅气凝胶层被用作绝缘层置于栅极电极与源极电极和漏极电极之间。换句话说，在制造使用化合物半导体的例如MESFET或HEMT的FET的过程中，在半导体衬底表面形成稳定钝化层的绝缘层，例如氮化硅层，被沉积至小厚度，然后具有低介电常数的二氧化硅气凝胶层沉积到半导体衬底上，从而形成具有两层结构的钝化层。在这种结构中，具有低介电常数的材料被置于栅极电极的头部和源极电极之间，使得栅极电极的头部和源极电极之间的寄生电容显著降低。
因此，依据本发明，在具有T形栅极电极的场效应晶体管中，栅极电极和源极电极之间的寄生电容减小，使得器件特性的下降得以防止，信号传输更快速地进行，且在RF特性上具有大截止频率数的器件得以制造。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了具体地展示和描述，但是本领域技术人员了解，可以对本发明做各种形式和细节上的变化，而不超出通过所附权利要求所确定的本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种半导体器件，包括半导体衬底；源极电极和漏极电极，其形成于半导体衬底上，与半导体衬底形成欧姆接触；T形栅极电极，其形成于半导体衬底上源极电极和漏极电极之间；以及包括二氧化硅气凝胶层的绝缘层，该二氧化硅气凝胶层被置于栅极电极与源极电极和漏极电极之间。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述绝缘层是由氮化硅层和二氧化硅气凝胶层的复合层形成。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其中所述二氧化硅气凝胶层的厚度大于氮化硅层的厚度。
4.如权利要求2所述的半导体器件，其中氮化硅层具有100～1000埃的厚度。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其中二氧化硅气凝胶层具有1000～3000埃的厚度。
6.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在半导体衬底上形成绝缘层图案，该绝缘层图案由第一绝缘层和二氧化硅气凝胶层的复合层构成，并限定了第一开口，通过该第一开口暴露出半导体衬底的第一部分；在通过第一开口暴露的半导体衬底上形成源极电极和漏极电极；形成用于覆盖源极电极和漏极电极以及绝缘层图案的第二绝缘层；构图该第二绝缘层和该绝缘层图案以在源极电极和漏极电极之间形成第二开口，通过该第二开口暴露出半导体衬底的第二部分；以及在通过第二开口暴露的半导体衬底上形成T形栅极电极。
7.如权利要求6所述的方法，其中第二绝缘层由二氧化硅气凝胶形成。
8.如权利要求6所述的方法，其中形成绝缘层图案包括在半导体衬底上形成第一绝缘层；以及在第一绝缘层上形成二氧化硅气凝胶层。
9.如权利要求6所述的方法，还包括蚀刻通过第二开口暴露的半导体衬底，以在该半导体衬底上形成凹陷区，其中栅极电极形成于该凹陷区中。
10.如权利要求6所述的方法，其中第一绝缘层是氮化硅层。
11.一种制造半导体器件的方法，该方法包括在半导体衬底上形成源极电极和漏极电极；形成用于覆盖源极电极和漏极电极以及半导体衬底顶面的第一绝缘层；在第一绝缘层上形成二氧化硅气凝胶层；构图二氧化硅气凝胶层和第一绝缘层以暴露半导体衬底的第一部分；以及在第一暴露部分上形成T形栅极电极。
12.如权利要求11所述的方法，其中第一绝缘层是氮化硅层。
全文摘要
本发明提供一种具有T形栅极电极的半导体器件及其制造方法。该半导体器件中，具有非常低介电常数的二氧化硅气凝胶层用作绝缘层，使得具有T形栅极电极的场效应晶体管中栅极电极和源极电极之间的寄生电容降低。该半导体器件包括半导体衬底；形成于半导体衬底上并与半导体衬底欧姆接触的源极电极和漏极电极；在半导体衬底上形成于源极电极和漏极电极之间的T形栅极电极；以及包括二氧化硅气凝胶层的绝缘层，该二氧化硅气凝胶层被置于栅极电极和源极电极及漏极电极之间。
文档编号H01L29/423GK1507072SQ20031012519
公开日2004年6月23日 申请日期2003年11月26日 优先权日2002年11月26日
发明者安浩均, 文载京, 金海千 申请人:韩国电子通信研究院