JP3577080B2 - サスペンディッドゲート電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は第一にガスセンサとしてのSGFET（サスペンディッドゲート電界効果トランジスタ）の改良に関するが、微細な毛細管およびマイクロメカニックなダイアフラムの製造のような他の応用可能性も有する。マスクを用いた気相析出時のパターニングのために重要な従来の技術はオーストリア特許第241536号、東独特許第027798号および米国特許第4469719号明細書に記載されている。
SGFET（米国特許第4411741号明細書）の感応層は電気化学的もしくはスパッタリングまたは気相析出のような物理的方法により析出される（西独特許第3834189号明 細書）。感応層がトランジスタのゲートとチャネルとの間に位置せねばならないので、物理的な方法による感応層の被着の後にゲートの製造またはスペーサのエッチングのような他の工程が続く。これらの工程は感応層を変化させ、またはごく少数の材料しかこれらの後続の工程に適合性を有していない。このことは感応層の選択を著しく制約する。
本発明の課題は、化学的感応層が爾後の工程により変化させられない集積可能なSGFETを製造することである。
この課題は請求項１の方法により解決される。
ゲートも形成するマスクを通じてのここに提案する析出方法により、スパッタリングまたは気相析出のような方向性を持つ析出により被着できるすべての材料が感応層として使用できる。これらの層は、感応層が最後に被着されるので、エッチング工程に適合性を有する必要はない。
図１は、化学的感応層を析出する新しい方法を許すSGFETの概要を示す。ソース１とドレイン３の間のチャネル２の上に、シリコン二酸化物から成る薄い層とその上のシリコン窒化物から成る薄い層（図示せず）とが配置されている。その上にシリコン二酸化物４が、次いでシリコン窒化物５が、最後に金属６が析出される。金属はゲートを形成し、窒化物層は下側金属表面のパッシベーションを行う。これは可能なかぎり感応層の反応のみをセンサにより測定するために有意義である。
なぜならば、原理的にはセンサが空洞の上側と下側の材料の仕事関数差の変化を指示するからである。次いでホトレジスト工程が実行され、窒化物／金属層のパターニングがエッチングにより実行される。この工程の後に厚い酸化物層が湿式化学的にマスク内の孔を通じてエッチングされ、またこうしてトランジスタのチャネル領域 上のシリコン二酸化物が除去される。窒化物層および金属（たとえば白金）はこの際にエッチングされない。窒化物／シリコン二酸化物層システムの選択により空洞の形成が保証される。なぜなら、このために選択的なエッチング方法および析出方法が利用できるからである。構造の上に最後の工程で化学的感応層（７）が析出される。その際にウェブ幅と空洞高さは等しい大きさでなければならず、またウェブ高さは、ウェブの直下の面がカバーされるよう、最大で孔幅の寸法を有するようにする。または、別な表現をすれば、トランジスタ領域の上のマスク部分の本影８は基板まで達してはならない。SGFETを製造するためのこの新しい方法は下記の利点を有する。
1.被覆がその後の処理工程に曝されず、従ってまたもはや変更されず、またはその後の処理工程により破壊されるおそれがある材料が利用できる。
2.後続するプロセスに対する製造設備を著しく汚染するおそれのある半導体技術では通常使用されない材料が利用できる。
3.最後の被覆に至るまでのすべての製造工程が種々の材料に対して同一にできるので、特定の感応性材料に対して少量生産も可能である。
ガスセンサに対しては、測定すべきガスの容積への２つの有利な接続手段がある。第一は、センサを迅速に実際の濃度に曝すための大きい断面を有するできるだけ短いガス供給口である。第二は、感応層の特定の化学吸着される表面被覆を得るため、伝播時間効果を利用しまたは弁およびポンプを接続可能にするための小さい断面を有する長いガス供給口である。両形式のガス供給口がここに示されるセンサと共に使用可能である。大きい断面を有する短いガス供給口は開いたままのマスクにより実現される。測定すべきガスの容積はマスクのすぐ上側で始まる。この技術では格子マスクもたとえばインターディジタル構造を有する導電性および容量性センサのような他の測定方法に基づくガスセンサの上に作られる。このマスクは粒子に対する保護作用を果し、その際に通過する粒子の最大の大きさは孔の大きさにより規定され る。
小さい断面を有する長いガス供給口は下記のようにして得られる。まず空洞の上のマスクが閉じられる。これは、感応層の被覆が比較的等方性に行われ、またこうして１つの層がチャネル上のアイソレータ上に析出されるだけでなく、マスク内の孔が析出に伴いゆっくりと塞が ることで実現する。これを図２に示す。活性領域内でエッチング除去されたシリコン二酸化物層（１）と窒化物／金属層（２）は上記のようにして形成される。次いで、マスク内の孔が閉じる迄、化学的感応層が析出される。このためには孔幅に比較して大きいウェブ高さが望ましい。ウェブ幅と空洞高さもウェブ高さと孔幅もそれぞれ等しい大きさなら、１つの工程でマスクの下にシャドウなしに析出することも孔を閉じることもできる。
マスクは、材料が感応層の上に析出することなくマスクの孔を閉じるよう、平坦な角度で材料を被着する追加的な工程で閉じてもよい。これを図３に示す。構造は図１で説明したように実現され、シリコン二酸化物１、窒化物２、金属３から成っている。化学的感応層４の上にいま１つの材料５が孔を閉じるべく非常に平坦な角度で析出される。この方法に対する理想的なソースはリング状である。ソースがほぼ点状である場合には、マスク平面内でセンサ構造を回転することが有利である。どの方法によりマスクを閉じたかに無関係に、続いて接着剤または硬化性の液体が機械的または化学的保護として被着される。測定すべきガス容積への接続は下記のようにして行う。金属／窒化物−マスクが横方向に、ガスチャネル（２はガスチャネル）がガス容積からトランジスタ領域１の上に通じるようにパターニングされる（図５参 照）。このようなガスチャネルの垂直構造を図４に示す。基板１の上に、SGFETの製造の際に既に説明したように、先ずシリコン二酸化物層２が被着され、次いで窒化物／金属層３が被着されてこれがパターニングされる。金属層は不可欠ではないが、邪魔にもならず、またホトリトグラフィ工程の全数をできるだけ少数に保つため同時に被着できる。酸化物層の湿式化学的エッチングでの除去後に、材料４が下側の窒化物層から上側の窒化物層へ達し、またこうしてマスク内の孔が閉じるよう、材料が析出される。ガスチャネル５は残留している。材料４のできるだけ垂直な付着がここで望ましいが、上側の窒化物層３が十分に強くアンダーエッチングされているならば、これは不可欠ではない。
トランジスタの上側の空洞を閉じるための方法もガスチャネルの製造のために適しているが、これは一方では、そこで材料が下側の窒化物マスクを上側の窒化物マスクと接続してはならないので若干複雑であり、しかし他方では、同じプロセス工程が利用できる。
この方法で圧力センサも構成できる。もし空洞をガスチャネルの接続なしに閉じると、特定の量のガスがこの空洞内に閉じ込められる。マスクが所望の機械的な安定性を有するなら、マスクは空洞と周囲との間の圧力差により曲げられる。
一定のゲート電圧の際のソース−ドレイン間電流に基づき、トランジスタのチャネルからのマスクの間隔、従ってまた圧力差が推定できる。この圧力センサはガスチャネルを有するものとして製造されてもよく、またこのガスチャネルは所定の圧力で封じられる。こうしてセンサの動作範囲が設定できる。
ガスチャネルが開き、または窒化物マスクのトランジスタ領域の縁部に閉じられないような大きい孔が存在す れば（図６、1:トランジスタ範囲、2:残留するウェブ、 3:孔）、空洞内の圧力は周囲の圧力と等しい。マスクに当たる音波はマスクを偏れさせ、またこの偏れがトランジスタにより測定される。こうしてマイクロホンが得られる。
マイクロホンのような構造が周囲の空気から遮蔽されると、この構造は加速度センサとして利用できる。マスクはその慣性質量に基づきケースの加速度時にマスク平面に対して垂直に偏らされ、またこの偏れが圧力センサおよびマイクロホンの場合のように測定できる。
本発明方法により製造されたダイアフラムは受動的に だけでなく、能動的にも偏らされ得る。そのためにたとえば下記の可能性がある。
1.静電的：ダイアフラムもベース面も導電性であり、かつ互いに短絡されていないならば、両者の間に電圧を与えることにより両面により形成されるコンデンサが充電される。両面上の異種の電荷は互いに吸引し、ダイアフラムをベース面に向けて偏らす。両面の同種の充電によりダイアフラムはベース面から反発される。
2.磁気的：たとえば永久磁石を取付けることによりアクチュエータ全体が１つの磁場のなかに位置しているならば、ダイアフラム上の通電する導体にダイアフラムを偏らせる力が作用する。電流の方向および強度が磁場と共に偏れの方向および振幅を決定する。
3.熱的な歪み：ダイアフラムとベース面の熱膨張係数が異なるならば、アクチュエータ全体の加熱と冷却がダイアフラムを偏らせる。ダイアフラムは、たとえば被覆された抵抗線によるダイアフラムの加熱によりベース面とダイアフラムとの間に温度差が生ずることによっても偏らされる。最も成功率の大きい熱的歪みはバイメタルマスクにより生ずる。すなわちダイアフラム自体が相異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの層から成る場合に生ずる。温度の変化によりマスクの曲げを調整することができる。
相異なる熱膨張係数を有する両層が相異なるフェルミエネルギーを有する金属であり、接触電位差が生ずるならば、２つのダイアフラムと１つの電流源を組み合わせ 熱ポンプ（ペルチェ要素）として使える。即ち熱エネルギーが一方のダイアフラムから他方のダイアフラムへ高い効率で輸送される。即ち一方のダイアフラムが加熱され、他方のダイアフラムが冷却される。電流方向が、どちらのダイアフラムが加熱または冷却されるかを決定する。非常に多くのダイアフラムを駆動したい場合には、可変の電気回路が効率の一層の最適化のために望ましい。電流回路内で常に２つのダイアフラム状態が切換えられるべきであり、その際に各状態は、下記のことが当てはまる多数のダイアフラムにより表すことができる。
1.一方の状態は加熱されるべきであり、また他方の状態は冷却されるべきである。
2.両ダイアフラム状態の温度はできるだけ等しくなければならない。
ダイアフラムの偏れにより空洞の容積が変化する。多数のこのような空洞を微細毛細管で一列につなぐと、個別ダイアフラムの整合した偏れにより空洞と毛細管を通る液体の流れが起る。しかし平坦なベース面では、ガスのポンピングは困難になる。なぜならば、ダイアフラムが完全に下方に曲げられた状態でも空洞が大きい死空間容積を有し、かつ逆流が可能だからである。この問題は下記のようにして解決される。マスクが横方向にパター ニングされ、その際に開口の大きさおよび数がダイアフ ラム面上で変更される。マスクを閉じるための層析出と組み合わせて、これによりベース面の上に、下側の最大偏れ時にダイアフラムへの相手方を成す形状が生ずる。図７はこのようなポンプまたは弁部分の断面を示す。こ こに１はベース面、２は部分的にエッチング除去されたシリコン二酸化物層、３はさまざまな大きさの開口を有するマスク、４はマスクを閉じるために析出された材料であり、この材料はマスクの下側に曲げられたダイアフラムの形状を有する。図８は、閉じる前の微細毛細管により接続された２つのポンプまたは弁部分の横方向構造を示す。ここで１は微細毛細管、２はマスク内の開口である。多数のこのようなポンプ／弁部分が一列に配置され、こうしてポンプまたは“能動的ガス導管”を形成する。図９の上側はこのような能動的ガス導管の横方向構造を示し（1:ポンプ／弁部分、2:微細毛細管）、下側はこの導管の断面を示す（3:曲げられたダイアフラム、4:休止位置のダイアフラム）。ダイアフラムの整合した偏れ（上向きの矢印および下向きの矢印）により閉じられたガス容積が特定の方向にずらされる（水平矢印）。

Claims (1)

1. 以下の工程（ａ）から（ｅ）を含むことを 特徴とするサスペンディドゲート電界効果トランジスタの製造方法。
   （ａ）ソース領域（１）、ドレイン領域（３）およびソース領域（１）とドレイン領域（３）との間に配置されたチャネル（２）を備え、該チャネル（２）上の基板表 面の上に第１のシリコン窒化物層を設けた基板を用意する工程、
   （ｂ）前記第１のシリコン窒化物層の上に、二酸化シリ コン層（４）、第２のシリコン窒化物層（５）およびゲ ートとしての金属層（６）を順次設ける工程、
   （ｃ）ホトレジストを用い、エッチングプロセスにより 金属層（６）および第２のシリコン窒化物層に開口を設 け、もって該金属層（６）と第２のシリコン窒化物層 （５）をパターニングし、マスクを形成する工程、
   （ｄ）第１および第２のシリコン窒化物層と金属層 （６）の金属とを攻撃しないエッチングプロセスによ り、前記マスクの下の二酸化シリコン層（４）の二酸化 シリコンを選択的にエッチングすることにより、マスクの下に空洞を形成する工程および
   （ｅ）化学的感応層（７）をマスクの表面に対し異なる 方向から、マスクの表面上並びにマスクの開口を経て基 板の表面上に析出させる工程。

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