场效应晶体管的制作方法
场效应晶体管的制作方法
【专利摘要】提供一种导通电阻低、且抑制了短沟道效应的横型场效应晶体管。实施方式的场效应晶体管具备第1导电型的第1半导体层（2）、由第2导电型的半导体构成的源极层（3）、由第2导电型的半导体构成的漏极层（4）、以及栅极电极（6）。源极层设置在第1半导体层上。漏极层设置在第1半导体层上，且与源极层相互分离。栅极电极隔着栅极绝缘膜（5）而设置在源极层的与漏极层相对的侧壁上、漏极层的与源极层相对的侧壁上、以及第1半导体层上。栅极电极的与第1半导体层相反侧的上表面比源极层的与第1半导体层相反侧的上表面以及漏极层的与第1半导体层相反侧的上表面更靠近第1半导体层侧。
【专利说明】场效应晶体管
[0001]本申请享受以日本专利申请2012 - 206323号(申请日:2012年9月19日)为基础申请的优先权。本申请通过参考该基础申请而包含基础申请的全部内容。
【技术领域】
[0002]本发明的实施方式涉及一种场效应晶体管。
【背景技术】
[0003]在用于调谐器、无线机等的场效应晶体管中，要求导通电阻低、栅极一源极间电容小、以及栅极一漏极间电容小。为了降低导通电阻，有使漏极层与源极层的间隔变窄来缩短沟道长度的方法。然而，当沟道层过短时引起短沟道效应，导致不管栅极电压如何而在漏极一源极间流过电流。期望导通电阻低、抑制了短沟道效应的场效应晶体管。
【发明内容】
[0004]提供一种导通电阻低、抑制了短沟道效应的场效应晶体管。
[0005]本发明的实施方式的场效应晶体管具备--第I导电型的第I半导体层、由第2导电型的半导体构成的源极层、由第2导电型的半导体构成的漏极层、以及栅极电极。源极层设置在第I半导体层上。漏极层设置在第I半导体层上，且与源极层相互分开。栅极电极隔着栅极绝缘膜而设置在源极层的与漏极层相对的侧壁上、漏极层的与源极层相对的侧壁上、以及第I半导体层上。栅极电极的与第I半导体层相反侧的上表面比源极层的与第I半导体层相反侧的上表面以及漏极层的与第I半导体层的相反侧的上表面更靠近第I半导体层侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是第I实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。
[0007]图2是表示第I实施方式的场效应晶体管的寄生电容的图。
[0008]图3是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0009]图4是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0010]图5是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0011]图6是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0012]图7是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0013]图8是第2实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。【具体实施方式】
[0014]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。实施方式中的说明所使用的图是为了便于说明而示意的图，图中各要素的形状、尺寸、大小关系等在实际的实施中不一定如图所示，能够在可获得本发明的效果的范围内适当进行变更。以第I导电型为P类型、第2导电型为η类型进行说明，但是也能够分别设为与其相反的导电型。作为半导体，以硅为一个例子进行说明，但是还能够应用于碳化硅(SiC)、氮化物半导体(AlGaN)等的化合物半导体。作为绝缘膜，以氧化硅为一个例子进行说明，但是还能够使用氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等的其它绝缘体。在以η+、η、η_表述η类型的导电型的情况下，η类型杂质浓度按照该顺序变低。在P类型中也同样地，P类型杂质浓度按照ρ+、ρ、ρ_的顺序变低。
[0015](第I实施方式)
[0016]使用图1以及图2来说明本发明的第I实施方式的场效应晶体管。图1是本实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。图2是表示本实施方式的场效应晶体管的寄生电容的图。
[0017]如图1所示，本实施方式的场效应晶体管具备P+型基板1、P型基底层2 (第I导电型的第I半导体层)、η+型源极层3 (由第2导电型的半导体构成的源极层)、η+型漏极层4 (由第2导电型的半导体构成的漏极层)、栅极绝缘膜5、栅极电极6、栅极金属7、绝缘膜8以及层间绝缘膜9。ρ+型基板1、ρ型基底层2、η+型源极层3、η+型漏极层4是半导体，例如是硅。η型杂质例如是磷(P)，P型杂质例如是硼(B)。
[0018]ρ+型基板I的P型杂质浓度例如大于等于I X 1027cm3。p型基底层2设置在p+型基板I之上。P型基底层2的P型杂质得浓度例如是I X IO15?I X IO1Vcm30 n+型源极层3设置在P型基底层2的与P+型基板相反侧的上表面上。在P型基底层2的下表面如上述那样有P+型基板。n+型漏极层4设置在P型基底层的上表面上，与n+型源极层3相互分离。n+型源极层3以及n+型漏极层4的η型杂质浓度例如是I X IO20?I X IO2Vcm30
[0019]栅极绝缘膜设置在η+型源极层3的与η+型漏极层4相对的侧壁上、P型基底层2的上表面上、以及η+型漏极层4的与η+型源极层3相对的侧壁上。栅极绝缘膜例如是氧化硅(Si02)。代替氧化硅，还能够设为氮化硅(SiN)或者氮氧化硅(SiNO)。
[0020]栅极电极6隔着栅极绝缘膜5设置在η.型源极层3的侧壁上、ρ型基底层2的上表面、以及η+型漏极层4的侧壁上。S卩，在η+型源极层3与η+型漏极层4之间的ρ型基底层2的上表面隔着栅极绝缘膜而设置栅极电极6。栅极电极6例如优选是高融点金属，例如使用钥(Mo)、硅化钥、钛(Ti)或者钨(W)等。然而，不限于此，例如栅极电极6还能够设为导电性的硅。栅极电极6被薄薄地形成，使得栅极电极6的与ρ型基底层2相反侧的上表面比η+型源极层3的与ρ型基底层2相反侧的上表面以及η+型漏极层4的与ρ型基底层2相反侧的上表面更靠近P型基底层2侦U。
[0021]栅极金属7设置成与栅极电极6的上表面电连接。栅极金属7沿着栅极电极6在栅极电极6的上表面上延伸。栅极金属7由金属构成,例如是一般作为电布线层而使用的铝或者铜。通过沿着栅极电极6的上表面上设置栅极金属7，从而降低了栅极电极6的栅极电阻。通过在栅极电极6上设置栅极金属7，即使栅极电极6由导电性的硅构成，也会降低栅极电阻。[0022]绝缘膜8设置在栅极电极6的上表面上的、栅极金属7与n+型源极层3之间以及栅极电极6的上表面上的栅极金属7与n+型漏极层4之间。绝缘膜8例如是与栅极绝缘膜5相同的氧化硅。然而，栅极绝缘膜8不限于此，还能够是具有比栅极绝缘膜5的介电常数低的介电常数的绝缘膜。例如，也可以由添加了氟的氧化硅(SiOF)、添加了碳的氧化硅(SiOC)、氮化硼(BN)、聚酰亚胺以及有机聚合物中的任一个来构成绝缘膜8。
[0023]层间绝缘膜9设置在n+型源极层3上以及n+型漏极层4上。层间绝缘膜9例如是氧化硅，但是还能够设为氮化硅或者氮氧化硅。在层间绝缘膜9上设置开口部。栅极金属7经由该开口部与栅极电极6电连接。
[0024]栅极电极6被引出到未图示的栅极焊盘。n+型源极层3与未图示的源极电极电连接。另外，n+型漏极层4与未图示的漏极电极电连接。
[0025]接着，说明本实施方式的场效应晶体管的动作以及特征。当相对于源极电极对栅极电极6施加超过阈值的正的电压时，在ρ型基底层2的与栅极绝缘膜5相接的面形成沟道层。这里，当对漏极电极施加相对于源极电极为正的电压时，电子从n+型源极层3经由ρ型基底层2中的沟道层流到n+型漏极层4。其结果，电流从漏极电极向源极电极流过，场效应晶体管成为接通状态。
[0026]当施加到栅极电极的电压变得比阈值低时，ρ型基底层2中的沟道层消失，场效应晶体管成为截止状态。在截止状态中，由于漏极一源极电压的上升，耗尽层从n+型漏极层4和P型基底层2的ρ — η结向ρ型基底层2侧扩散。
[0027]在本实施方式的场效应晶体管中，η+型漏极层4以及栅极电极6设置在ρ型基底层2的上表面上，因此η+型漏极层4的与ρ型基底层2接触的下表面几乎没有比栅极电极6下部的栅极绝缘膜5更靠近ρ型基底层2侧设置。因此，η+型漏极层4与ρ型基底层2的P - η结面没有曲率大的角部。因而，在η+型漏极层4与ρ型基底层2的ρ — η结中，抑制了局部的电场集中。其结果，η+型漏极层4与ρ型基底层2之间的耐压得到提高。另外，从η+型漏极层4向ρ型基底层2中扩散的耗尽层不易朝向η+型源极层3延伸。因此，即使使η+型源极层3与η+型漏极层4的间隔变窄来缩短沟道长度，也不易产生短沟道效应。即，在本实施方式的场效应晶体管中，抑制短沟道效应且降低导通电阻。
[0028]而且，如图2所示，在本实施方式的电力用半导体装置中，通过设置在栅极电极6与η+型源极层3之间的栅极绝缘膜5，存在栅极一源极间的寄生电容Ces。另外，由于设置在栅极电极6与n+型漏极层4之间的栅极绝缘膜5，存在栅极一漏极间的寄生电容CeD。在本实施方式的场效应晶体管中，栅极电极6的上表面比n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧。因此，与将栅极电极6形成为栅极电极6的上表面形成与n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面大致相同的面的电力用半导体装置相比，在本实施方式的电力用半导体装置中，栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容Cra小。
[0029]另外，在本实施方式中，在栅极电极6上设置栅极金属7，因此栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容分别被加到栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容CeD。
[0030]然而，在栅极金属7与n+型源极层3之间，与栅极绝缘膜5串联地存在绝缘膜8，因此栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容远小于栅极电极6与n+型源极层3之间的寄生电容。同样地，在栅极金属7与n+型漏极层4之间，与栅极绝缘膜5串联地存在绝缘膜8，因此栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容远小于栅极电极6与n+型漏极层4之间的寄生电容。因而，几乎能够忽略栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容。该效果通过将绝缘膜8的水平方向的厚度设置得比绝缘膜5大、或者虽然水平方向的厚度小但却使绝缘膜8的介电常数比栅极绝缘膜5的介电常数低来获得。
[0031]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，栅极金属7设置在栅极电极6上，但是不限于此。如果以电阻低的金属材料形成栅极电极6，则即使不设置栅极金属7也能够将栅极电阻维持得低。在这种情况下，不存在栅极金属，因此完全不需要考虑上述的栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容。
[0032]因而，在本实施方式的电力用半导体装置中，由于栅极电极6的上表面比n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧，从而能够减小栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容CeD。其结果，电力用半导体装置的电力增益得到提高，例如相对于IGHz的输入信号的电力增益提高5%。
[0033]接着，使用图3?图7来说明本实施方式的场效应晶体管的制造方法。如图3所示，准备在P+形半导体基板I之上设置有P型基底层2的结构。在P型基底层2的上表面形成具有规定图案的掩模10。掩模10例如是氧化硅。
[0034]接着，通过CVD法(Chemical Vapor Deposition:化学气相沉积)，在从掩模10露出的P型基底层2的上表面选择性地外延生长η型的硅。之后，通过除去掩模，η+型源极层3以及η+型漏极层4相互分离而形成在ρ型基底层2的上表面上。
[0035]接着，如图4所示，例如通过CVD法或者热氧化形成氧化硅5，以使其覆盖η+型源极层3、ρ型基底层2以及η+型漏极层4。其结果，栅极绝缘膜5形成在η+型源极层3的与η+型漏极层4相对的侧壁上、ρ型基底层2的上表面上、以及η+型漏极层4的与η+型源极层3相对的侧壁上。
[0036]接着，如图5所示，例如隔着栅极绝缘膜5在η+型源极层3上、ρ型基底层2上以及η+型漏极层4上堆积作为高融点金属的钥。
[0037]接着，如图6所示,例如通过CMP法(Chemical Mechanical Polishing:化学机械抛光)将钥进行平坦化，直到栅极绝缘膜5露出为止。其结果，栅极电极6隔着栅极绝缘膜5而设置在n+型源极层3的侧壁上、ρ型基底层2的上表面以及n+型漏极层4的侧壁上。栅极电极6的上表面位于与η.型源极层3的上表面以及η.型漏极层4的上表面几乎相同的面上。
[0038]接着,如图7所示,例如通过RIE法(Reactive 1n Etching:反应离子刻蚀)等对栅极电极6进行蚀刻，将栅极电极6的上表面设为比η.型源极层3的上表面以及η.型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧。接着，在栅极电极6的上表面上的两端隔着栅极绝缘膜5而在η+型源极层3的侧壁上以及η+型漏极层4的侧壁上形成绝缘膜8。例如，在η+型源极层3与η+型漏极层4之间的栅极电极6上形成氧化硅之后，通过RIE法等在绝缘膜8上形成露出栅极电极6的上表面的开口部，从而能够如上述那样形成绝缘膜8。
[0039]接着，在η+型源极层3上以及η+型漏极层4上形成层间绝缘膜9。在层间绝缘膜9中形成通到栅极电极6的上表面的开口部。在层间绝缘膜9上具有规定图案地形成栅极金属7，栅极金属7经由层间绝缘膜9的上述开口部与栅极电极6电连接。通过以上，获得图1所示的本实施方式的电力用半导体装置。
[0040](第2实施方式)
[0041]使用图8来说明第2实施方式的场效应晶体管。图8是第2实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。此外，对于与在第I实施方式中说明的结构相同的结构部分使用相同的参照编号或者记号并省略其说明。主要说明与第I实施方式的不同点。
[0042]在本实施方式的场效应晶体管中，n+型源极层3不是设置在ρ型基底层2的上表面上，而是设置在P型基底层2的上表面。即，n+型源极层3形成为从P型基底层2的上表面进入到P型基底层2中。例如在ρ型基底层2上以规定的形状形成n+型漏极层4、栅极绝缘膜5以及栅极电极6之后，将栅极电极6用作掩模使η型杂质离子注入到ρ型基底层2中，由此能够形成η+型源极层3。
[0043]栅极电极6形成为栅极电极6的上表面与η+型漏极层4的上表面几乎位于相同的面内。然而，不限于此，栅极电极6的上表面既可以位于比η+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧、或者也可以向相反侧突出。另外，能够根据需要来设置在第I实施方式的场效应晶体管中设置的栅极金属7以及层间绝缘膜9。
[0044]在本实施方式的场效应晶体管中，不存在被η.型源极层3的侧壁和栅极电极6夹着的栅极绝缘膜5，因此不存在以该结构为起因的栅极一源极间的寄生电容Ces。因此，在本实施方式的场效应晶体管中，与第I实施方式的场效应晶体管相比，能够极度减少栅极一源极间容量Ces。
[0045]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，与第I实施方式的场效应晶体管同样地，在P型基底层2的上表面设置n+型漏极层4。因此，n+型漏极层4的与ρ型基底层2相接的下表面与栅极电极6下部的栅极绝缘膜5相比，几乎没有设置在更靠近ρ型基底层2侧。其结果，在η+型漏极层4与ρ型基底层2的ρ — η结中抑制了电场集中，η+型漏极层4与P型基底层2之间的耐压得到提高。
[0046]另外，从η+型漏极层4向ρ型基底层2中扩散的耗尽层不易朝向η+型源极层3延伸。因此，即使使η+型源极层3与η+型漏极层4的间隔变窄来缩短沟道长度，也不易产生短沟道效应。即，在本实施方式的场效应晶体管中，也抑制短沟道效应且降低了导通电阻。
[0047]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，在η+型漏极层4的侧壁隔着栅极绝缘膜5邻接地设置栅极电极6。这样的栅极电极6的结构如下地形成。首先，在P型基底层2的表面上以具有阶梯的方式形成η+型漏极层4。接着，在ρ型基底层上以及η+型漏极层上按顺序形成绝缘膜5以及栅极电极6。
[0048]这里，与栅极电极6的ρ型基底层2上的平坦部以及η+型漏极层4上的平坦部的垂直方向的厚度相比，与η+型漏极层4的侧壁部邻接的部分的垂直方向的厚度要厚η+型漏极层4的厚度。因此，即使不使用掩模，这之后例如通过RIE法等的各向异性蚀刻来蚀刻栅极电极6整体，如图8所示，能够只与η+型漏极层4的侧壁部邻接地形成栅极电极6。栅极电极6的水平方向的宽度能够通过栅极电极6的成膜的厚度来控制。
[0049]这样，本实施方式的场效应晶体管能够省略形成掩模的光刻工序，因此能够降低生产成本。
[0050]说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子提示的，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它各种方式来实施，能够在不超出发明的要旨的范围内进行各种的省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、要旨中，并且包含在与权利要求书记载的发明及其均等的范围内。
【权利要求】
1.一种场效应晶体管，其特征在于，具备: 第I导电型的第I半导体层； 源极层，设置在所述第I半导体层上，由第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成； 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述源极层的与所述漏极层相对的侧壁上、所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上、以及所述第I半导体层上； 栅极金属，由设置在所述栅极电极上的金属构成； 绝缘膜，设置于所述栅极电极上的、所述源极层与所述栅极金属之间以及所述漏极层与所述栅极金属之间；以及 第2导电型的第2半导体层，在所述第I半导体层的与所述栅极电极相反侧的下表面上，具有比第I半导体层高的第2导电型杂质浓度， 所述栅极电极的与所述第I半导体层相反侧的上表面比所述源极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面以及所述漏极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面更靠近所述第I半导体层侧， 所述绝缘膜的介电常数比所述栅极绝缘膜的介电常数低， 所述绝缘膜由添加了氟的氧化硅、添加了碳的氧化硅、氮化硼以及有机聚合物中的某一个构成， 所述栅极电极由钥、硅化钥以及钨中的某一个构成。
2.一种场效应晶体管，其特征在于，具备: 第I导电型的第I半导体层； 源极层，设置在所述第I半导体层上，由第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成；以及 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述源极层的与所述漏极层相对的侧壁上、所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上以及所述第I半导体层上， 所述栅极电极的与所述第I半导体层相反侧的上表面比所述源极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面以及所述漏极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面更靠近所述第I半导体层侧。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于，还具备: 栅极金属，由设置在所述栅极电极上的金属构成；以及 绝缘膜，设置在所述栅极电极上的、所述源极层与所述栅极金属之间以及所述漏极层与所述栅极金属之间。
4.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述绝缘膜的介电常数比所述栅极绝缘膜的介电常数低。
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述绝缘膜由添加了氟的氧化硅、添加了碳的氧化硅、氮化硼、以及有机聚合物中的某一个构成。
6.—种场效应晶体管,其特征在于,具备:第I导电型的第I半导体层； 源极层，由被设置成从所述第I半导体层的上表面进入P型基底层中的第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层的上表面上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成；以及 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上、以及所述源极层与所述漏极层之间的所述第I半导体层的所述上表面上。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述源极层是使第2导电型杂质从所述第I半导体层的所述上表面进行扩散的第2导电型杂质扩散层， 所述漏极层是通过外延生长形成的外延层。
8.根据权利要求2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 还具备第I导电型的第2半导体层，该第2半导体层在所述第I半导体层的与所述栅极电极相反侧的下表面上，具有比第I半导体层高的第I导电型杂质浓度。
9.根据权利要求2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述栅极电极由钥、硅化钥以及钨中的某一个构成。
10.根据权利要求 2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述栅极电极由导电硅构成。
【文档编号】H01L29/10GK103681857SQ201310323697
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2012年9月19日
【发明者】久保昌彦 申请人:株式会社东芝
【专利摘要】提供一种导通电阻低、且抑制了短沟道效应的横型场效应晶体管。实施方式的场效应晶体管具备第1导电型的第1半导体层（2）、由第2导电型的半导体构成的源极层（3）、由第2导电型的半导体构成的漏极层（4）、以及栅极电极（6）。源极层设置在第1半导体层上。漏极层设置在第1半导体层上，且与源极层相互分离。栅极电极隔着栅极绝缘膜（5）而设置在源极层的与漏极层相对的侧壁上、漏极层的与源极层相对的侧壁上、以及第1半导体层上。栅极电极的与第1半导体层相反侧的上表面比源极层的与第1半导体层相反侧的上表面以及漏极层的与第1半导体层相反侧的上表面更靠近第1半导体层侧。
【专利说明】场效应晶体管
[0001]本申请享受以日本专利申请2012 - 206323号(申请日:2012年9月19日)为基础申请的优先权。本申请通过参考该基础申请而包含基础申请的全部内容。
【技术领域】
[0002]本发明的实施方式涉及一种场效应晶体管。
【背景技术】
[0003]在用于调谐器、无线机等的场效应晶体管中，要求导通电阻低、栅极一源极间电容小、以及栅极一漏极间电容小。为了降低导通电阻，有使漏极层与源极层的间隔变窄来缩短沟道长度的方法。然而，当沟道层过短时引起短沟道效应，导致不管栅极电压如何而在漏极一源极间流过电流。期望导通电阻低、抑制了短沟道效应的场效应晶体管。
【发明内容】
[0004]提供一种导通电阻低、抑制了短沟道效应的场效应晶体管。
[0005]本发明的实施方式的场效应晶体管具备--第I导电型的第I半导体层、由第2导电型的半导体构成的源极层、由第2导电型的半导体构成的漏极层、以及栅极电极。源极层设置在第I半导体层上。漏极层设置在第I半导体层上，且与源极层相互分开。栅极电极隔着栅极绝缘膜而设置在源极层的与漏极层相对的侧壁上、漏极层的与源极层相对的侧壁上、以及第I半导体层上。栅极电极的与第I半导体层相反侧的上表面比源极层的与第I半导体层相反侧的上表面以及漏极层的与第I半导体层的相反侧的上表面更靠近第I半导体层侧。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是第I实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。
[0007]图2是表示第I实施方式的场效应晶体管的寄生电容的图。
[0008]图3是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0009]图4是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0010]图5是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0011]图6是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0012]图7是表示第I实施方式的场效应晶体管的制造工序的一部分的主要部分示意截面图。
[0013]图8是第2实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。【具体实施方式】
[0014]下面，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。实施方式中的说明所使用的图是为了便于说明而示意的图，图中各要素的形状、尺寸、大小关系等在实际的实施中不一定如图所示，能够在可获得本发明的效果的范围内适当进行变更。以第I导电型为P类型、第2导电型为η类型进行说明，但是也能够分别设为与其相反的导电型。作为半导体，以硅为一个例子进行说明，但是还能够应用于碳化硅(SiC)、氮化物半导体(AlGaN)等的化合物半导体。作为绝缘膜，以氧化硅为一个例子进行说明，但是还能够使用氮化硅、氮氧化硅、氧化铝等的其它绝缘体。在以η+、η、η_表述η类型的导电型的情况下，η类型杂质浓度按照该顺序变低。在P类型中也同样地，P类型杂质浓度按照ρ+、ρ、ρ_的顺序变低。
[0015](第I实施方式)
[0016]使用图1以及图2来说明本发明的第I实施方式的场效应晶体管。图1是本实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。图2是表示本实施方式的场效应晶体管的寄生电容的图。
[0017]如图1所示，本实施方式的场效应晶体管具备P+型基板1、P型基底层2 (第I导电型的第I半导体层)、η+型源极层3 (由第2导电型的半导体构成的源极层)、η+型漏极层4 (由第2导电型的半导体构成的漏极层)、栅极绝缘膜5、栅极电极6、栅极金属7、绝缘膜8以及层间绝缘膜9。ρ+型基板1、ρ型基底层2、η+型源极层3、η+型漏极层4是半导体，例如是硅。η型杂质例如是磷(P)，P型杂质例如是硼(B)。
[0018]ρ+型基板I的P型杂质浓度例如大于等于I X 1027cm3。p型基底层2设置在p+型基板I之上。P型基底层2的P型杂质得浓度例如是I X IO15?I X IO1Vcm30 n+型源极层3设置在P型基底层2的与P+型基板相反侧的上表面上。在P型基底层2的下表面如上述那样有P+型基板。n+型漏极层4设置在P型基底层的上表面上，与n+型源极层3相互分离。n+型源极层3以及n+型漏极层4的η型杂质浓度例如是I X IO20?I X IO2Vcm30
[0019]栅极绝缘膜设置在η+型源极层3的与η+型漏极层4相对的侧壁上、P型基底层2的上表面上、以及η+型漏极层4的与η+型源极层3相对的侧壁上。栅极绝缘膜例如是氧化硅(Si02)。代替氧化硅，还能够设为氮化硅(SiN)或者氮氧化硅(SiNO)。
[0020]栅极电极6隔着栅极绝缘膜5设置在η.型源极层3的侧壁上、ρ型基底层2的上表面、以及η+型漏极层4的侧壁上。S卩，在η+型源极层3与η+型漏极层4之间的ρ型基底层2的上表面隔着栅极绝缘膜而设置栅极电极6。栅极电极6例如优选是高融点金属，例如使用钥(Mo)、硅化钥、钛(Ti)或者钨(W)等。然而，不限于此，例如栅极电极6还能够设为导电性的硅。栅极电极6被薄薄地形成，使得栅极电极6的与ρ型基底层2相反侧的上表面比η+型源极层3的与ρ型基底层2相反侧的上表面以及η+型漏极层4的与ρ型基底层2相反侧的上表面更靠近P型基底层2侦U。
[0021]栅极金属7设置成与栅极电极6的上表面电连接。栅极金属7沿着栅极电极6在栅极电极6的上表面上延伸。栅极金属7由金属构成,例如是一般作为电布线层而使用的铝或者铜。通过沿着栅极电极6的上表面上设置栅极金属7，从而降低了栅极电极6的栅极电阻。通过在栅极电极6上设置栅极金属7，即使栅极电极6由导电性的硅构成，也会降低栅极电阻。[0022]绝缘膜8设置在栅极电极6的上表面上的、栅极金属7与n+型源极层3之间以及栅极电极6的上表面上的栅极金属7与n+型漏极层4之间。绝缘膜8例如是与栅极绝缘膜5相同的氧化硅。然而，栅极绝缘膜8不限于此，还能够是具有比栅极绝缘膜5的介电常数低的介电常数的绝缘膜。例如，也可以由添加了氟的氧化硅(SiOF)、添加了碳的氧化硅(SiOC)、氮化硼(BN)、聚酰亚胺以及有机聚合物中的任一个来构成绝缘膜8。
[0023]层间绝缘膜9设置在n+型源极层3上以及n+型漏极层4上。层间绝缘膜9例如是氧化硅，但是还能够设为氮化硅或者氮氧化硅。在层间绝缘膜9上设置开口部。栅极金属7经由该开口部与栅极电极6电连接。
[0024]栅极电极6被引出到未图示的栅极焊盘。n+型源极层3与未图示的源极电极电连接。另外，n+型漏极层4与未图示的漏极电极电连接。
[0025]接着，说明本实施方式的场效应晶体管的动作以及特征。当相对于源极电极对栅极电极6施加超过阈值的正的电压时，在ρ型基底层2的与栅极绝缘膜5相接的面形成沟道层。这里，当对漏极电极施加相对于源极电极为正的电压时，电子从n+型源极层3经由ρ型基底层2中的沟道层流到n+型漏极层4。其结果，电流从漏极电极向源极电极流过，场效应晶体管成为接通状态。
[0026]当施加到栅极电极的电压变得比阈值低时，ρ型基底层2中的沟道层消失，场效应晶体管成为截止状态。在截止状态中，由于漏极一源极电压的上升，耗尽层从n+型漏极层4和P型基底层2的ρ — η结向ρ型基底层2侧扩散。
[0027]在本实施方式的场效应晶体管中，η+型漏极层4以及栅极电极6设置在ρ型基底层2的上表面上，因此η+型漏极层4的与ρ型基底层2接触的下表面几乎没有比栅极电极6下部的栅极绝缘膜5更靠近ρ型基底层2侧设置。因此，η+型漏极层4与ρ型基底层2的P - η结面没有曲率大的角部。因而，在η+型漏极层4与ρ型基底层2的ρ — η结中，抑制了局部的电场集中。其结果，η+型漏极层4与ρ型基底层2之间的耐压得到提高。另外，从η+型漏极层4向ρ型基底层2中扩散的耗尽层不易朝向η+型源极层3延伸。因此，即使使η+型源极层3与η+型漏极层4的间隔变窄来缩短沟道长度，也不易产生短沟道效应。即，在本实施方式的场效应晶体管中，抑制短沟道效应且降低导通电阻。
[0028]而且，如图2所示，在本实施方式的电力用半导体装置中，通过设置在栅极电极6与η+型源极层3之间的栅极绝缘膜5，存在栅极一源极间的寄生电容Ces。另外，由于设置在栅极电极6与n+型漏极层4之间的栅极绝缘膜5，存在栅极一漏极间的寄生电容CeD。在本实施方式的场效应晶体管中，栅极电极6的上表面比n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧。因此，与将栅极电极6形成为栅极电极6的上表面形成与n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面大致相同的面的电力用半导体装置相比，在本实施方式的电力用半导体装置中，栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容Cra小。
[0029]另外，在本实施方式中，在栅极电极6上设置栅极金属7，因此栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容分别被加到栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容CeD。
[0030]然而，在栅极金属7与n+型源极层3之间，与栅极绝缘膜5串联地存在绝缘膜8，因此栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容远小于栅极电极6与n+型源极层3之间的寄生电容。同样地，在栅极金属7与n+型漏极层4之间，与栅极绝缘膜5串联地存在绝缘膜8，因此栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容远小于栅极电极6与n+型漏极层4之间的寄生电容。因而，几乎能够忽略栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容。该效果通过将绝缘膜8的水平方向的厚度设置得比绝缘膜5大、或者虽然水平方向的厚度小但却使绝缘膜8的介电常数比栅极绝缘膜5的介电常数低来获得。
[0031]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，栅极金属7设置在栅极电极6上，但是不限于此。如果以电阻低的金属材料形成栅极电极6，则即使不设置栅极金属7也能够将栅极电阻维持得低。在这种情况下，不存在栅极金属，因此完全不需要考虑上述的栅极金属7与n+型源极层3之间的寄生电容以及栅极金属7与n+型漏极层4之间的寄生电容。
[0032]因而，在本实施方式的电力用半导体装置中，由于栅极电极6的上表面比n+型源极层3的上表面以及n+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧，从而能够减小栅极一源极间的寄生电容Ces以及栅极一漏极间的寄生电容CeD。其结果，电力用半导体装置的电力增益得到提高，例如相对于IGHz的输入信号的电力增益提高5%。
[0033]接着，使用图3?图7来说明本实施方式的场效应晶体管的制造方法。如图3所示，准备在P+形半导体基板I之上设置有P型基底层2的结构。在P型基底层2的上表面形成具有规定图案的掩模10。掩模10例如是氧化硅。
[0034]接着，通过CVD法(Chemical Vapor Deposition:化学气相沉积)，在从掩模10露出的P型基底层2的上表面选择性地外延生长η型的硅。之后，通过除去掩模，η+型源极层3以及η+型漏极层4相互分离而形成在ρ型基底层2的上表面上。
[0035]接着，如图4所示，例如通过CVD法或者热氧化形成氧化硅5，以使其覆盖η+型源极层3、ρ型基底层2以及η+型漏极层4。其结果，栅极绝缘膜5形成在η+型源极层3的与η+型漏极层4相对的侧壁上、ρ型基底层2的上表面上、以及η+型漏极层4的与η+型源极层3相对的侧壁上。
[0036]接着，如图5所示，例如隔着栅极绝缘膜5在η+型源极层3上、ρ型基底层2上以及η+型漏极层4上堆积作为高融点金属的钥。
[0037]接着，如图6所示,例如通过CMP法(Chemical Mechanical Polishing:化学机械抛光)将钥进行平坦化，直到栅极绝缘膜5露出为止。其结果，栅极电极6隔着栅极绝缘膜5而设置在n+型源极层3的侧壁上、ρ型基底层2的上表面以及n+型漏极层4的侧壁上。栅极电极6的上表面位于与η.型源极层3的上表面以及η.型漏极层4的上表面几乎相同的面上。
[0038]接着,如图7所示,例如通过RIE法(Reactive 1n Etching:反应离子刻蚀)等对栅极电极6进行蚀刻，将栅极电极6的上表面设为比η.型源极层3的上表面以及η.型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧。接着，在栅极电极6的上表面上的两端隔着栅极绝缘膜5而在η+型源极层3的侧壁上以及η+型漏极层4的侧壁上形成绝缘膜8。例如，在η+型源极层3与η+型漏极层4之间的栅极电极6上形成氧化硅之后，通过RIE法等在绝缘膜8上形成露出栅极电极6的上表面的开口部，从而能够如上述那样形成绝缘膜8。
[0039]接着，在η+型源极层3上以及η+型漏极层4上形成层间绝缘膜9。在层间绝缘膜9中形成通到栅极电极6的上表面的开口部。在层间绝缘膜9上具有规定图案地形成栅极金属7，栅极金属7经由层间绝缘膜9的上述开口部与栅极电极6电连接。通过以上，获得图1所示的本实施方式的电力用半导体装置。
[0040](第2实施方式)
[0041]使用图8来说明第2实施方式的场效应晶体管。图8是第2实施方式的场效应晶体管的主要部分示意截面图。此外，对于与在第I实施方式中说明的结构相同的结构部分使用相同的参照编号或者记号并省略其说明。主要说明与第I实施方式的不同点。
[0042]在本实施方式的场效应晶体管中，n+型源极层3不是设置在ρ型基底层2的上表面上，而是设置在P型基底层2的上表面。即，n+型源极层3形成为从P型基底层2的上表面进入到P型基底层2中。例如在ρ型基底层2上以规定的形状形成n+型漏极层4、栅极绝缘膜5以及栅极电极6之后，将栅极电极6用作掩模使η型杂质离子注入到ρ型基底层2中，由此能够形成η+型源极层3。
[0043]栅极电极6形成为栅极电极6的上表面与η+型漏极层4的上表面几乎位于相同的面内。然而，不限于此，栅极电极6的上表面既可以位于比η+型漏极层4的上表面更靠近ρ型基底层2侧、或者也可以向相反侧突出。另外，能够根据需要来设置在第I实施方式的场效应晶体管中设置的栅极金属7以及层间绝缘膜9。
[0044]在本实施方式的场效应晶体管中，不存在被η.型源极层3的侧壁和栅极电极6夹着的栅极绝缘膜5，因此不存在以该结构为起因的栅极一源极间的寄生电容Ces。因此，在本实施方式的场效应晶体管中，与第I实施方式的场效应晶体管相比，能够极度减少栅极一源极间容量Ces。
[0045]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，与第I实施方式的场效应晶体管同样地，在P型基底层2的上表面设置n+型漏极层4。因此，n+型漏极层4的与ρ型基底层2相接的下表面与栅极电极6下部的栅极绝缘膜5相比，几乎没有设置在更靠近ρ型基底层2侧。其结果，在η+型漏极层4与ρ型基底层2的ρ — η结中抑制了电场集中，η+型漏极层4与P型基底层2之间的耐压得到提高。
[0046]另外，从η+型漏极层4向ρ型基底层2中扩散的耗尽层不易朝向η+型源极层3延伸。因此，即使使η+型源极层3与η+型漏极层4的间隔变窄来缩短沟道长度，也不易产生短沟道效应。即，在本实施方式的场效应晶体管中，也抑制短沟道效应且降低了导通电阻。
[0047]另外，在本实施方式的场效应晶体管中，在η+型漏极层4的侧壁隔着栅极绝缘膜5邻接地设置栅极电极6。这样的栅极电极6的结构如下地形成。首先，在P型基底层2的表面上以具有阶梯的方式形成η+型漏极层4。接着，在ρ型基底层上以及η+型漏极层上按顺序形成绝缘膜5以及栅极电极6。
[0048]这里，与栅极电极6的ρ型基底层2上的平坦部以及η+型漏极层4上的平坦部的垂直方向的厚度相比，与η+型漏极层4的侧壁部邻接的部分的垂直方向的厚度要厚η+型漏极层4的厚度。因此，即使不使用掩模，这之后例如通过RIE法等的各向异性蚀刻来蚀刻栅极电极6整体，如图8所示，能够只与η+型漏极层4的侧壁部邻接地形成栅极电极6。栅极电极6的水平方向的宽度能够通过栅极电极6的成膜的厚度来控制。
[0049]这样，本实施方式的场效应晶体管能够省略形成掩模的光刻工序，因此能够降低生产成本。
[0050]说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子提示的，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它各种方式来实施，能够在不超出发明的要旨的范围内进行各种的省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、要旨中，并且包含在与权利要求书记载的发明及其均等的范围内。
【权利要求】
1.一种场效应晶体管，其特征在于，具备: 第I导电型的第I半导体层； 源极层，设置在所述第I半导体层上，由第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成； 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述源极层的与所述漏极层相对的侧壁上、所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上、以及所述第I半导体层上； 栅极金属，由设置在所述栅极电极上的金属构成； 绝缘膜，设置于所述栅极电极上的、所述源极层与所述栅极金属之间以及所述漏极层与所述栅极金属之间；以及 第2导电型的第2半导体层，在所述第I半导体层的与所述栅极电极相反侧的下表面上，具有比第I半导体层高的第2导电型杂质浓度， 所述栅极电极的与所述第I半导体层相反侧的上表面比所述源极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面以及所述漏极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面更靠近所述第I半导体层侧， 所述绝缘膜的介电常数比所述栅极绝缘膜的介电常数低， 所述绝缘膜由添加了氟的氧化硅、添加了碳的氧化硅、氮化硼以及有机聚合物中的某一个构成， 所述栅极电极由钥、硅化钥以及钨中的某一个构成。
2.一种场效应晶体管，其特征在于，具备: 第I导电型的第I半导体层； 源极层，设置在所述第I半导体层上，由第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成；以及 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述源极层的与所述漏极层相对的侧壁上、所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上以及所述第I半导体层上， 所述栅极电极的与所述第I半导体层相反侧的上表面比所述源极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面以及所述漏极层的与所述第I半导体层相反侧的上表面更靠近所述第I半导体层侧。
3.根据权利要求2所述的场效应晶体管，其特征在于，还具备: 栅极金属，由设置在所述栅极电极上的金属构成；以及 绝缘膜，设置在所述栅极电极上的、所述源极层与所述栅极金属之间以及所述漏极层与所述栅极金属之间。
4.根据权利要求3所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述绝缘膜的介电常数比所述栅极绝缘膜的介电常数低。
5.根据权利要求4所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述绝缘膜由添加了氟的氧化硅、添加了碳的氧化硅、氮化硼、以及有机聚合物中的某一个构成。
6.—种场效应晶体管,其特征在于,具备:第I导电型的第I半导体层； 源极层，由被设置成从所述第I半导体层的上表面进入P型基底层中的第2导电型的半导体构成； 漏极层，设置在所述第I半导体层的上表面上，与所述源极层相互分离，由第2导电型的半导体构成；以及 栅极电极，隔着栅极绝缘膜而设置在所述漏极层的与所述源极层相对的侧壁上、以及所述源极层与所述漏极层之间的所述第I半导体层的所述上表面上。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述源极层是使第2导电型杂质从所述第I半导体层的所述上表面进行扩散的第2导电型杂质扩散层， 所述漏极层是通过外延生长形成的外延层。
8.根据权利要求2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 还具备第I导电型的第2半导体层，该第2半导体层在所述第I半导体层的与所述栅极电极相反侧的下表面上，具有比第I半导体层高的第I导电型杂质浓度。
9.根据权利要求2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述栅极电极由钥、硅化钥以及钨中的某一个构成。
10.根据权利要求 2~7中的任一项所述的场效应晶体管，其特征在于， 所述栅极电极由导电硅构成。
【文档编号】H01L29/10GK103681857SQ201310323697
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2012年9月19日
【发明者】久保昌彦 申请人:株式会社东芝
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