半导体器件及其制造方法.pdf

半导体器件及其制造方法
    相关申请交叉引用

    本申请基于申请日为2008年8月29日的日本专利申请No.2008‑221412并要求该申请的优先权，在此通过参考将该申请的全部内容合并于本申请中。

    【技术领域】

    本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。

    背景技术

    希望诸如用于功率放大的场效应晶体管的半导体器件能被小型化，使得件能以更低地成本制造这种半导体器。

    然而，由于半导体器件的小型化，使得布线之间的距离会变得更窄，更具体而言使得彼此相交(intersect)的布线(所述布线之间插入有绝缘膜)之间的距离变得更窄。这种布线之间的距离变窄使布线之间产生较大的寄生电容，并使得难以在半导体器件中进行高频操作。

    空气桥布线(air‑bridge wiring)已被有效地采用以减少通过插入在布线之间的绝缘膜而彼此相交的布线之间的寄生电容。特别是，空气桥布线能够有效地实现用于功率放大的场效应晶体管的高速运行，其中多个场效应晶体管(FET)(称作“多栅极晶体管”)设置在同一半导体衬底上方。

    将多个FET排列成一行，各端子(源极、漏极和栅极)通过梳状(comb‑shaped)电极连接到其它相应端子，以形成多栅极晶体管。在这种多栅极晶体管中，在源电极与多个源极连接、以及栅电极与多个栅极连接的位置处不可避免地会形成交叉点(intersections)。

    为防止栅电极和源电极接触，将桥布线(bridge wiring)结构设置在交叉点处。桥布线结构是这样一种结构：一个电极通过立体交叉(overheadcrossing)横跨过另一电极，其中两电极之间插入有绝缘膜(例如，参见日本特开专利申请2003‑197740)。

    由于将高介电常数的绝缘膜设置在交叉布线(crossing wirings)之间，因此桥式布线结构中的寄生电容变得更大。因此，使用以一间隔将交叉布线分隔开的空气桥布线以实现多栅极晶体管的高速运行。

    广泛使用具有高导电率的金(Au)作为形成空气桥布线的金属层。然而，金是软金属，单有金很难维持空气桥结构。因此，将包括钛(Ti)和铂(Pt)的层叠结构(laminated structure)用作支撑体(support body)，以形成Ti/Pt/Au层叠结构，并形成空气桥布线。这里，使用Ti以实现衬底和空气桥层之间更好的粘合，并且Au层由Pt层支撑(例如，参见日本特开专利申请2007‑150282)。

    近年来，高电子迁移率晶体管(HEMT)作为高频、高输出晶体管正受到更多关注，在HEMT中，沟道层是由氮化镓(GaN)形成的(下文将由氮化镓(GaN)形成其沟道层的HEMT称作“GaN‑HEMT”)。

    由于与Si和GaAs的带隙(band gap)相比，GaN的带隙更宽，因此GaN‑HEMT适于在高温下运行。而且，由于GaN‑HEMT的击穿电压高，因此GaN‑HEMT适于在高压下运行。因此，即便将GaN‑HEMT小型化并使其在大电流下运行，GaN‑HEMT也很少出现由运行温度升高或者电场增强而引起的故障。

    为此原因，包括GaN‑HEMT的多栅极晶体管被用作高频/高输出功率放大器。

    【发明内容】

    因此，本发明一方案的目标在于提供一种半导体器件，包括：沿第一方向延伸的第一布线，以及沿与所述第一方向交叉的第二方向延伸的第二布线，所述第二布线设置为在所述第一布线和所述第二布线之间插入有一间隔，并且所述第二布线包括钽层、在所述钽层上方形成的氮化钽层以及在所述氮化钽层上方形成的金属层。

    通过在权利要求书中具体指出的元件及其组合可以实现并达到本发明的目标和优势。

    应当理解的是，上文的概括性描述和下文的详细描述都是示例性和解释性的，并非对所要求保护的发明进行限制。

    【附图说明】

    图1示出Ti/Pt/Au空气桥布线的左侧端的放大视图；

    图2示出由图1中的虚线围住的区域A的放大视图；

    图3是表示TaN中的氮浓度和反应时间之间的关系的曲线图；

    图4示出Ti/TaN/Au空气桥布线的横截面图；

    图5A‑图5H示出Ti/TaN/Au空气桥布线的制造过程的横截面图；

    图6示出根据第一实施例的多栅极晶体管的结构透视图；

    图7示出沿图6中的A‑A线截取的多栅极晶体管的横截面图；

    图8示出沿图6中的B‑B线截取的多栅极晶体管的横截面图；

    图9A‑图9I示出根据第一实施例的空气桥布线结构的制造过程的横截面图；

    图10是表示根据第一实施例对Ta/TaN层叠膜进行加速热降解测试的结果的曲线图；

    图11示出根据第二实施例形成多栅极晶体管的空气桥布线的横截面图；

    图12是表示根据第二实施例对Ta/Ti/TaN层叠膜进行加速热降解测试的结果的曲线图；

    图13示出根据第三实施例的多栅极晶体管的结构透视图；

    图14示出沿图13中的B‑B线截取的多栅极晶体管的横截面图；

    图15A‑图15D示出表示根据第三实施例的多栅极晶体管的制造过程的横截面图；

    图16示出根据第四实施例的高频放大器的电路图；以及

    图17示出根据第五实施例的发射机的方框图。

    【具体实施方式】

    使用能够降低寄生电容的空气桥布线，以形成具有适用于高频运行的FET的多栅极晶体管。这里，当使用以大电流运行的FET(如GaN‑HEMT)形成多栅极晶体管时，会使大电流流过空气桥布线。鉴于以上所公开的事实，发明人研究了当使包括多个GaN‑HEMT的多栅极晶体管(下文称为“GaN‑HEMT多栅极晶体管”)的输出更高时，可能发生的情况。

    研究揭示了流过空气桥布线的大电流会导致形成空气桥布线的Au发生电迁移，并且Au可能进入Pt支撑层的晶界(grain boundary)。在上述情况下，会发生Pt支撑层损坏，并且由于空气桥布线失去了其支撑体，因此会导致布线断开。

    下文将结合随附附图公开本发明的实施例。应当注意的是，本发明的保护范围并不局限于下文所公开的实施例。

    如果空气桥布线是由Ti/Pt/Au层叠结构形成，那么空气桥布线的主体是厚的Au层。由于Au是软金属，因此仅仅Au层可能不能完全维持空气桥结构。因此，在Au层下方形成Pt层以支撑Au层。

    同时，众所周知的是，Au容易引起电迁移。出于上述原因，由电子流发射的Au原子会从Au层迁移到Pt膜中，并且当多栅极晶体管在大电流下(例如等于或大于1×10⁵A/cm²)运行时，所述迁移会导致Pt膜损坏。

    图1是说明电迁移的视图。图2是图1中的虚线围住的区域“A”放大后的视图。

    图1示出空气桥布线12的左侧端。这里，空气桥布线12形成于共用电极14上方，该共用电极14连接到多栅极晶体管的多个栅极，在空气桥布线12和共用电极14之间插入有间隔38。此外，通过层叠Ti层40、Pt层42、第一Au层44、第二Au层46以及第三Au层48来形成空气桥布线12。

    如图1所示，通过空气桥布线12的电子流60在空气桥布线12的内壁62周围一直向前移动，之后，电子流60改变方向(注意，图1示出了沿空气桥布线12的底部流动的电子流)。因此，如图2所示，与电子流60碰撞并被分散的第一至第三Au层44、46和48的Au原子64向Pt层42迁移(换言之，传导电迁移)。

    另一方面，在Pt层42中存在沿生长方向扩展的大量晶界66。向Pt层42迁移的Au原子64进入晶界66，并试图破坏Pt的微晶(microcrystals)之间的结合。

    结果，Pt层42会遭到损坏，并且Pt层42可能无法支撑空气桥布线12。因此，可以认为失去其支撑体的空气桥布线12会变成断开。

    注意，尽管如图1和图2中所示的空气桥布线12弯曲成直角，但认为即便在空气桥布线12弯曲成更小角度的情况下，也会发生类似现象，而导致空气桥布线12断开。

    由于暴露于电子流的金属原子与电子反复碰撞，金属原子强烈振动，结果，金属原子从结合(bind)所述金属原子的晶格点迁移。尽管各金属原子的迁移方向在这一时间点不是恒定的，但许多金属原子作为整体来说会朝着电子流的下游侧迁移。金属原子的这种迁移现象被称为“电迁移”。

    诱发电迁移的金属原子的振荡类似于在高温下被加热的金属原子的振荡。因此，认为高温下稳定的金属(换言之具有高熔点的金属)可能具有高的电迁移耐力(electromigration resistance)。

    发明人研究了能够用作空气桥布线12的高熔点金属Ta_1‑xN_x(0≤x＜1)的电迁移耐力。

    基于加速热降解测试对电迁移耐力进行了研究，其中对被测试的金属膜进行加热，并测量被加热金属的降解速率。通过将被测试的金属膜暴露于高温下，该测试可以产生一种与金属原子暴露于电子流并且强烈振荡的状态类似的状态。

    进行以下实验。通过形成在Ti层上方层叠Al层的Ti/Al层叠膜，并且在Ti/Al层叠膜上按次序层叠Ti层、Ta_1‑xN_x层(0≤x＜1)和Au层，来产生样本(Ti/Ta_1‑xN_x/Au层叠膜，0≤x＜1)。而且，通过在Ti/Al层叠膜上方按次序层叠Ti层、Pt层和Au层来产生比较样本(Ti/Pt/Au层叠膜)。

    这里，通过将Ta用作靶材(target)的反应溅射方法(reactive sputteringmethod)形成Ta_1‑xN_x层。溅射气体和反应气体可以分别是例如Ar和N₂。通过将Au和Pt用作靶材的溅射方法分别形成Au层和Pt层。这里使用的溅射气体可以是例如Ar。

    这里，Ti层、Ta_1‑xN_x层和Au层的厚度可以分别是例如几十纳米(nm)、200nm以及50nm‑300nm。另一方面，比较样本的Pt层的厚度是例如200nm，这与Ta_1‑xN_x层的厚度相似或相同。注意，在所有样本中，Al层和Ti层的厚度都相似或相同。

    将按照上述公开方式形成的样本加热到450℃，并且测量Au层的表面上出现变化的时间。这里，Au层的厚度被配置为使该Au层的表面上可以轻易地出现变化。

    样本的表面均匀，并且在样本被加热之前没有任何特征。但是，当样本被连续加热时，最终在样本的表面上会出现斑点。测量并比较直到出现斑点的加热时间(下文称作“反应时间”)。

    斑点被认为是少量的(bean)AlAu合金，所述AlAu合金是由破坏Ta_1‑xN_x层(或者Pt层)并与Ta_1‑xN_x层(或者Pt层)之下提供的Al薄膜起反应的Au原子所生成的。也就是说，基于加速热降解测试而测得的反应时间表示强烈振荡的Au原子破坏Ta_1‑xN_x层(或者Pt层)所用的时间。因此，认为金属膜的反应时间越长，金属膜的电迁移耐力也就越高。

    图3是表示在Ta_1‑xN_x层的组分变化时反应时间的测量结果的曲线图。曲线图的横轴表示Ta_1‑xN_x层中的氮浓度。曲线图的纵轴表示反应时间。曲线“TaN”表示在Ti/Al层叠膜和Au层之间形成有Ti/Ta_1‑xN_x层叠膜的样本的反应时间。另一方面，虚线“Pt”表示在Ti/Al层叠膜和Au层之间形成有Ti/Pt层叠膜的样本的反应时间(约2分钟)。这里，由于Ti/Ta_1‑xN_x层叠膜和Ti/Pt层叠膜都包括Ti层，因此Ti层不会造成各样本反应时间之间的差异。

    如图3的曲线图所示，当氮浓度基本为0％时的样本的反应时间(换言之，其中形成有Ta层的样本的反应时间)(约3分钟)比其中形成有Pt层的样本的反应时间(约2分钟)要长。然而，随着氮浓度的增加，Ta_1‑xN_x层的反应时间变得更短，并且Ta_1‑xN_x层的反应时间变得比比较样本的反应时间更短。接着，当氮浓度接近40％时，反应时间为最短。

    Ta_1‑xN_x层的反应时间随氮浓度的增加而快速增加。当氮浓度约为48％时，反应时间基本等于比较样本的反应时间。

    接着，当氮浓度约为50％时，Ta_1‑xN_x层的反应时间基本是对比样本的反应时间的两倍。之后的反应时间持续增加。这里，通过溅射方法可能难以产生氮浓度高于约52％的样本。

    上述公开结果揭示由Ti/TaN/Au层叠膜形成空气桥布线能够形成更高电迁移耐力的空气桥布线，其中该Ti/TaN/Au层叠膜由氮浓度不少于约48％的TaN支撑。

    由于此原因，发明人用实验方法制造出具有由Ti/TaN/Au层叠膜形成的空气桥布线的多栅极晶体管。下文将公开空气桥布线的制造过程。

    图4示出了在该实验中使用的多栅极晶体管的空气桥布线结构的横截面图。在多栅极晶体管中，源电极通过立体交叉横跨过栅电极。

    在AlGaN无源区36上方形成共用电极14”，该共用电极14”形成栅电极，通过将离子注入到n型AlGaN载流子供应层28中而使该AlGaN无源区36具有高阻抗。此外，空气桥布线12(源电极)横跨过覆盖有保护膜32的共用电极14”(栅电极)，在共用电极14”和空气桥布线12之间插入有间隔38。

    这里，空气桥布线12包括Ti层40、TaN层42、第一Au层44、第二Au层46和第三Au层48。

    接下来，将公开以实验方法制造的多栅极晶体管中的空气桥布线结构的制造过程。

    首先，在SiC衬底24上方依次层叠非故意掺杂GaN(UID‑GaN)的沟道层26、n型AlGaN载流子供应层28、UID‑GaN盖层(未显示)，并且制备其上形成有欧姆电极34的衬底50(参见图5A)。

    这里，在将要用作源极和漏极的半导体区上方形成欧姆电极34。而且，移除除了用于沟道的半导体区之外的UID‑GaN盖层(因此在图5A中未示出)。此外，通过离子注入使得在用于形成共用电极14”的区域上方暴露的n型AlGaN载流子供应层28具有高阻抗，并且所述n型AlGaN载流子供应层28变成AlGaN无源区36。

    接着，在衬底50上方形成用于剥离(lift‑off)的光致抗蚀剂膜52。之后，沉积用于栅电极的Ni/Au层叠膜54(参见图5B)。然后，移除用于剥离的光致抗蚀剂膜52，并形成栅电极22。Ni/Au层叠膜54在UID‑GaN盖层上形成肖特基势垒。

    然后，在衬底50上方沉积厚度约为500nm且将要用作保护膜的SiN膜56(参见图5C)。

    然后，在用于形成保护膜32的区域上方形成光致抗蚀剂膜52’(参见图5D)。将光致抗蚀剂膜52’用作蚀刻掩模，通过干蚀刻移除SiN膜56，并且形成保护膜32(参见图5E)。

    然后，在保护膜32上方栅电极与源电极的交叉点所处的位置处形成用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜(掩模)58(参见图5F)。

    然后，在衬底50上，通过例如溅射方法，依次沉积厚度为例如约10nm的Ti层40、厚度为例如约200nm的TaN层42、以及厚度为例如约50nm的第一Au层44(参见图5G)。例如，可以通过将Ti和Au用作靶材的溅射方法沉积Ti层40和第一Au层44。溅射气体可以是例如Ar。此外，例如，可以通过将Ta用作靶材的反应溅射方法沉积TaN。这里反应气体可以是例如N₂。

    然后，将第一Au层44作为籽晶膜(seed film)，并且将光致抗蚀剂膜(未显示)作为电镀掩模，通过电解电镀形成厚厚的第二Au层46和第三Au层48，其中所述光致抗蚀剂膜具有用于形成源电极和漏电极的开口。第二Au层46和第三Au层48的结合厚度可以是例如1μm至2μm。

    之后，移除电镀掩模，并且通过碾磨(milling)移除暴露于各电极之间的溅射膜。

    例如，用微波灰化炉(microwave asher)移除用于形成空气桥的光致抗蚀剂掩模58，并且形成多栅极晶体管2，其中反应气体可以是例如氧气(参见图5H)。

    用实验方法制作上述公开的多栅极晶体管的结果是：由于在Ti/TaN/Au溅射膜68沉积过程中用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58的熔化，因此可能不会形成将Ti/TaN/Au溅射膜68和栅电极22分隔开的间隔38。

    因此，发明人测量了在沉积TaN层的过程中衬底温度的升高值。测量结果揭示了：衬底温度可能会超过约150℃，其为光致抗蚀剂的熔化温度。

    这种温度的升高是由从Ta靶材溅射出的Ta与氮气气体反应所产生的热而导致的。

    期望使用Ti/TaN/Au层叠膜以形成具有高电迁移耐力的空气桥布线。然而，由于在TaN沉积过程中衬底温度的升高，因此可能难以形成空气桥布线。

    [第一实施例]

    降低要形成的TaN层的厚度可以抑制与TaN层的沉积相关的衬底温度的升高。这是由于衬底50暴露于TaN的反应热的时间缩短了。但是，希望用具有一定膜厚度(例如，100nm‑200nm)的金属层来稳定地支撑Au层(第一Au层44、第二Au层46和第三Au层48)。因此，降低TaN层会导致空气桥布线的强度变差。

    发明人所进行的各种研究的结果揭示了：与形成基本相同膜厚度的TaN膜相比，在Ta层上层叠TaN层的Ta/TaN层叠膜的形成降低了衬底温度的升高。

    在上述情形中，由于衬底暴露于TaN的反应热的时间缩短了，因此可以降低衬底温度的升高。而且，发明人还揭示了：Ta/TaN层叠膜的电迁移耐力比TaN膜的电迁移耐力更高，这在下文将会公开。因此，发明人通过使用由Ti/Ta/TaN/Au层叠膜形成的空气桥布线制造出多栅极晶体管。

    (1)结构

    图6示出根据第一实施例的多栅极晶体管的透视图。图7示出沿图6中的A‑A线由箭头所示方向观察的横截面图。

    图8示出沿图6中的B‑B线由箭头所示的方向观察的横截面图。

    根据第一实施例的多栅极晶体管2具有四(4)个GaN‑HEMT 4排列成一行的结构。彼此相邻的两个GaN‑HEMT 4共用一个半导体区作为源极6或漏极8(参见图7)。在每一半导体区上方形成一电极10和另一电极10’。

    而且，在源极6上方形成的两个电极10通过两个空气桥布线12被连接到一个共用电极14，并且形成梳状源电极16(如图6中所示)。

    而且，在漏极8上方形成的三个电极10’被连接到如图6中示出的一个共用电极14’，并且形成梳状漏电极18。而且，分别形成于沟道上方并作为栅极20的四个电极10”被连接到一个共用电极14”，并形成如图6中所示的梳状栅电极22。

    如上述公开，如果三种类型的梳状电极形成在一个位置处，则不可避免地有两个电极(例如栅电极22和源电极16)会彼此交叉(参见图6)。

    基于上述原因，为避免两个电极之间接触，在一个电极通过立体交叉横跨过另一电极的交叉点位置处形成空气桥布线结构，其中在电极之间插入有一间隔。

    共用电极14、14’、14”可以用作与外围电路连接的连接焊垫(couplingpad)。因此，源电极16、漏电极18和栅电极22用作所谓的“电极”。另一方面，由于提供源电极16、漏电极18和栅电极22以确保用于从各GaN‑HEMT端子(源极、漏极和栅极)输入电信号和向其输出电信号的路径，因此源电极16、漏电极18和栅电极22还用作“布线”。也就是说，尽管源电极16、漏电极18和栅电极22被称作“电极”，但源电极16、漏电极18和栅电极22还可以用作布线。

    现在，将公开多栅极晶体管2的结构。

    如图7所示，根据第一实施例的多栅极晶体管2具有非故意掺杂GaN(UID‑GaN)沟道层26层叠在SiC衬底24上方的结构。而且，根据第一实施例，在UID‑GaN沟道层26上方按次序层叠n型AlGaN载流子供应层28和UID‑GaN盖层30。

    此外，在n型AlGaN载流子供应层28上方形成Al层叠在Ti上方的Ti/Al欧姆电极34。而且，在欧姆电极34上方形成电极10或电极10’，其中电极10用于形成源电极16，电极10’用于形成漏电极18。而且，在UID‑GaN盖层30上方形成用于形成栅电极22的电极10”，其中所述UID‑GaN盖层30层叠在用作沟道的UID‑GaN沟道层26上方。

    而且，用由例如氮化硅(SiN)形成的保护膜32覆盖图6中的栅电极22(电极10”)。保护膜32保护栅电极22不受灰尘污染，并且降低或防止输出信号(漏极电流波形)的衰减。

    图8示出了沿图6中的B‑B线由箭头所示的方向观察的横截面图。也就是说，图8示出了其中源电极16通过立体交叉横跨过栅电极22的空气桥布线结构的横截面图。

    在AlGaN无源区上方形成用于形成栅电极22的共用电极14”，其中离子注入使得n型AlGaN载流子供应层28具有高阻抗。此外，空气桥布线12(即，源电极16)横跨过覆盖有保护膜32的共用电极14”(即，栅电极22)，其中在空气桥布线12和共用电极14”之间插入有一间隔。

    这里，通过层叠Ti层40、Ta层70、TaN层72、第一Au层44、第二Au层46和第三Au层48形成空气桥布线12。TaN中的氮浓度是例如约50％。Ta层和TaN层的厚度是例如约100nm。注意，用于形成源电极16和漏电极18的共用电极14和14’也形成在AlGaN无源区上方。

    (2)制造过程

    图9A到图9I是示出根据第一实施例的空气桥布线12的形成过程的横截面图。

    在SiC衬底24上依次层叠UID‑GaN沟道层26、n型AlGaN载流子供应层28和UID‑GaN盖层(未显示)，并且制备其上形成有欧姆电极34的衬底50(参见图9A)。这里，在将要用作源极和漏极的半导体区上方形成欧姆电极34。而且，移除除了要用作沟道的半导体区之外的UID‑GaN盖层。此外，通过离子注入，将用于形成共用电极14”的区域上方暴露出的n型AlGaN载流子供应层28变成具有高阻抗的AlGaN无源区36。

    在衬底50上方形成用于剥离的光致抗蚀剂膜52。然后，沉积将要用作栅电极22的Ni/Au层叠膜54(参见图9B)。移除用于剥离的光致抗蚀剂膜52，并且形成栅电极22。Ni/Au层叠膜54在UID‑GaN盖层(未显示)上形成肖特基势垒。

    在衬底50上方沉积将要用作保护膜32并且厚度为例如约500nm的SiN膜56(参见图9C)。希望保护膜32的厚度是例如5nm‑500nm。

    之后，在将要形成保护膜32的区域上方形成光致抗蚀剂膜52’(参见图9D)。使用光致抗蚀剂膜52’作为蚀刻掩模使得能够通过以干蚀刻移除SiN膜56来形成保护膜32(参见图9E)。

    在保护膜32上方栅电极和源电极的交叉点所处的位置处形成用于空气桥形成的光致抗蚀剂膜(掩模)58(参见图9F)。

    在衬底50上依次沉积Ti层40、Ta层70、TaN层72(例如，氮浓度约为50％)和第一Au层44(参见图9G)。这里，Ti层40、Ta层70、TaN层72和第一Au层44的厚度分别是例如约10nm、约100nm、约100nm以及约50nm。注意，提供Ti层40以提高Ta/TaN层叠膜的粘合，并且可以用其它的金属层(例如Cr层)来替代Ti层40。

    例如，用将Ti、Ta和Au分别用作靶材的溅射方法沉积Ti层40、Ta层70和第一Au层44。溅射气体是例如Ar。另一方面，例如用将Ta用作靶材的反应溅射方法沉积TaN层72。反应气体是例如N₂。此时，由于所沉积的TaN层足够薄，并且厚度是例如约100nm，因此衬底50的温度可能不会增加到超过约150℃。因此，用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58可能不会熔化。

    注意，可以通过UV固化提供用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58，使得在形成Ti层40之前光致抗蚀剂膜58的横截面更圆。

    由于用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58的横截面的形状更接近矩形，因此Ti/Ta/TaN/Au溅射膜76的覆盖率(coverage)更小。注意，所述“覆盖率”的意思是指沉积在抗蚀剂上表面上的金属膜的厚度与沉积在抗蚀剂侧面上的金属膜的厚度的比率。因此，使用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58的横截面的形状更圆能够更容易地形成空气桥。

    使用第一Au层44作为籽晶膜，并且使用光致抗蚀剂膜(未显示)作为电镀掩模，通过电解电镀形成第二Au层46和第三Au层48，其中光致抗蚀剂膜具有开口用于源电极和漏电极的区域。

    第二Au层46和第三Au层48的总厚度是例如1μm‑2μm。

    之后，移除电镀掩模，并且通过碾磨移除暴露于各电极之间的溅射膜(图9H)。

    用微波灰化炉移除用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58以形成间隔38，其中反应气体是例如氧气(参见图9I)。

    这里，由于Ta/TaN层叠层足够厚，并且其厚度约为例如200nm，因此即便移除用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58，空气桥布线也不会塌陷。

    多栅极晶体管2的制造方法包括以上公开的过程。

    下文，根据第一实施例的多栅极晶体管2的制造方法包括以下过程。

    根据所述制造方法，在衬底50上方的半导体元件(GaN‑HEMT4)形成的位置处形成用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58，并且用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58连接至所述半导体元件且线性延伸，使得横跨过另一布线的第一布线(栅电极22)的上表面在将要相交的位置处被覆盖。

    此外，根据所述制造方法，依次层叠钛层40、钽层70、氮化钽层72和第一金层44，并形成第二布线(源电极16)作为另一布线，其中所述第二布线被电连接至所述半导体元件并从光致抗蚀剂膜58的一端延伸到其另一端，使得所述第二布线横跨过光致抗蚀剂膜58。

    而且，根据所述制造方法，在形成第二布线之后，移除光致抗蚀剂膜58。

    这里，在光致抗蚀剂膜58熔化之前，完成氮化钽层72的形成。

    (3)电迁移耐力

    接着，公开对根据第一实施例空气桥布线的电迁移耐力进行评估的结果。通过类似于上述公开的加速热降解测试的方法来评估电迁移耐力。

    通过在Ti/Al层叠膜上依次层叠厚度约为10nm的Ti层、厚度约为100nm的Ta层、厚度约为100nm且氮浓度约为50％的TaN层以及厚度约为50nm‑300nm的Au层来制造用于评估的评估样本。形成具有Ti层、Ta层、TaN层和Au层的膜的方法与形成上述公开的膜的方法相似或相同。另一方面，加热温度约是450℃。

    图10是表示第一实施例的加速热降解测试结果的曲线图。为了比较，图10的曲线图显示了Ti/TaN/Au和Ti/Pt/Au的结果(参见图3)和第一实施例的结果。粗体虚线“Ta/TaN”表示以上Ti/Ta/TaN层叠膜形成在Ti/Al层叠膜和Au层之间的评估样本的反应时间(约6分钟)(Ta层的厚度和TaN层的厚度分别约是100nm)。

    另一方面，曲线“TaN”表示Ti/Ta_xN_1‑x层叠膜(0≤x＜1)形成在Ti/Al层叠膜和Au层之间的样本的反应时间(注意Ta_xN_1‑x层的厚度约是200nm)。

    此外，虚线“TaN(t＝200nm)”表示由Ti/TaN层叠膜形成的样本的反应时间(约4分钟)，其中在所述Ti/TaN层叠膜中，TaN层层叠在Ti层上方，该TaN层的厚度约为200nm且氮浓度约为50％，该Ti层的厚度约为10nm并且介于Ti/Al层叠膜和Au层之间。

    另一方面，虚线“Pt”表示Ti/Pt层(Pt层的厚度约为200nm)形成叠膜在Al层和Au层之间的样本的反应时间(约为2分钟)。

    这里，由于Ti/Ta/TaN层叠膜、Ti/TaN层叠膜和Ti/Pt层叠膜中每一个都包括Ti层，因此Ti层不会导致反应时间的差异。因此，影响各个层叠膜的电迁移耐力差异的金属层是Ta/TaN层叠层、TaN层和Ti/Pt层。

    由图10的曲线图显然可见，形成有Ti/Ta/TaN层叠膜的样本的反应时间约是形成有Ti/Pt层叠膜的样本的反应时间的3倍，并且形成有Ti/Ta/TaN层叠膜的样本的反应时间约是形成有Ti/TaN(厚度约为200nm)的试验样本的反应时间的1.5倍。

    这些事实表明Ta/TaN层叠膜的电迁移耐力超过了厚度约为200nm的TaN层的电迁移耐力，并且Ta/TaN层叠膜的电迁移耐力比传统的Pt层的电迁移耐力高很多。

    注意，图10的曲线图还表示如虚线“TaN(t＝100nm)”所示的对Ti层上层叠有厚度约为100nm的TaN层的Ti/TaN层叠膜进行加速热降解测试的结果。如图10的曲线图所示，其中形成有厚度约为100nm的TaN的样本的反应时间约是1分钟，并且该值仅是形成有厚度约为200nm的Pt层的样本的反应时间的一半。

    如上所述，Ta/TaN层叠膜的电迁移耐力超过了膜厚度相似或相同的TaN层的电迁移耐力。可以认为，其原因是在Ta层上方生长TaN层造成TaN层的层结构(组分)发生改变，并且增加了TaN层的密度。例如，可以认为在Ta层上方生长TaN层造成大TaN颗粒和小TaN颗粒的混合生长，使得小TaN颗粒填充大TaN颗粒之间的间隙，结果增大了TaN层的密度。

    (4)运行

    下文，将公开根据第一实施例的多栅极晶体管2的运行。

    为了使多栅极晶体管2运行，按照以下方式连接每一电极。多栅极晶体管2的源电极16被电连接到地。漏电极18经由负载电阻器被电连接到电源。在上述条件下信号被输入到栅电极22。

    输入到栅电极22的信号电压被提供到各GaN‑HEMT 4的栅极20，并且输入信号使得各GaN‑HEMT 4的漏极电流根据互导(mutual conductance)而变化。在漏极电流通过共用电极14’(用于形成漏电极18)合并(merge)之后，漏极电流被提供至负载电阻器(根据第一实施例的GaN‑HEMT 4是例如n沟道场效应晶体管)。本实施例的GaN‑HEMT 4是n沟道场效应晶体管。

    因此，电流从负载电阻器被提供到漏极。换言之，该电流不是“漏极电流”，而是每个漏极流出的电子流被合并并被提供到负载电阻器。

    这里，由于漏极电流被共用电极14’合并，因此流过负载电阻器的电流量相对于形成多栅极晶体管2的GaN‑HEMT 4的数量成比例地增大。

    在该时间点，各个GaN‑HEMT 4的源极电流在流过空气桥布线12并被共用电极14合并之后，释放至地。结果，流过空气桥布线12的电流根据施加到栅极的信号电压而变化。流过空气桥布线12的电流的平均值超过例如约1×10⁵A/cm₂。

    然而，根据第一实施例，空气桥布线12由多栅极晶体管2中具有高电迁移耐力的Ta/TaN层叠膜74支撑的。由于此原因，能够有效地降低空气桥布线12断开的可能性。

    同时，使大电流流过各个GaN‑HEMT 4的各源极6。此时，在形成源电极16的电极10’的Au层处可能出现电迁移，并且可能引起与设置在源极6上方的Ti/Al欧姆电极34发生反应。然而，从以上所述的制造过程显然可见，设置具有高电迁移耐力的Ta/TaN层叠膜74，用于隔开形成电极10’的Au层(第一Au层44、第二Au层46和第三Au层48)和Ti/Al欧姆电极34。因此，能够有效降低两层之间发生反应的可能性。

    而且，Ta/TaN层叠膜42的阻抗值仅仅是具有相似或相同厚度的TaN层的阻抗值的约60％。

    同时，输入到栅电极22的信号电压通过栅电极22(第一布线)传送。栅电极22与空气桥布线12交叉。然而，由于间隔38将栅电极22和空气桥布线12两者分隔开，因此由于寄生电容引起的两者之间的交叉串扰(crosstalk)是很小的。下文公开的实施例也具有这一事实。

    由于寄生电容小，所以根据第一实施例的多栅极晶体管2能够在例如几GHz下运行。

    [第二实施例]

    第二实施例涉及一种半导体器件及其制造方法，其中根据第一实施例的半导体器件中形成空气桥布线12的Ta/TaN层被氮浓度为例如约50％的Ta/Ti/TaN层叠膜替代。

    (1)结构

    除了源电极16和漏电极18的结构之外，根据第二实施例的半导体(具有空气桥布线12)的结构与在第一实施例中公开的半导体器件相似或相同。

    如第一实施例中公开的，源电极16和漏电极18是同时形成的。因此，源电极16和漏电极18包括相似或相同的层叠结构。因此，下文通过具体参照空气桥布线12(形成源电极16的部分)来公开根据第二实施例的半导体器件(多栅极晶体管)的结构。

    图11示出了根据第二实施例的形成多栅极晶体管的空气桥布线12的横截面图。

    用根据第二实施例(参见图11)的空气桥布线12中的Ta/Ti/TaN层叠膜80来取代第一实施例的形成空气桥布线12的Ta/TaN层74。这里，通过依次层叠Ta层70、Ti层78和TaN层72来形成Ta/Ti/TaN层叠膜80。

    而且，Ta层70、Ti层78和TaN层72的厚度分别是例如约100nm、约10nm和约100nm。其它金属层的厚度可以与根据第一实施例的多栅极晶体管2的相应金属层的厚度相似或相同。注意TaN层中的氮浓度是例如约50％。

    也就是说，在根据第二实施例的多栅极晶体管中，在根据第一实施例的多栅极晶体管2中形成空气桥布线12的Ta(钽)层70和TaN(氮化钽)层72之间提供另一Ti(钛)层78。

    (2)制造过程

    根据第二实施例的多栅极晶体管的制造过程类似于根据第一实施例的多栅极晶体管2的制造过程。下文将公开与第一实施例的制造过程不同的制造过程。

    除了形成Ti/Ta/Ti/TaN/Au溅射膜82来取代Ti/Ta/TaN/Au溅射膜74之外，第二实施例的制造过程与第一实施例的制造过程相同或相似。例如，用将Ti用作靶材的溅射方法形成设置于Ta层70和TaN层72之间的Ti层78。溅射气体可以是例如Ar。

    也就是说，在根据第二实施例的半导体的制造方法中，基于第一实施例中公开的制造方法，在已经将另一Ti(钛)层层叠在Ta(钽)层上方之后，层叠TaN(氮化钽)。

    (3)电迁移耐力

    接着，将公开根据加速热降解测试对Ta/Ti/TaN层叠膜80的电迁移耐力进行评估的结果。用于评估的样本是在Ti/Al层叠膜上方层叠Ti/Ta/Ti/TaN/Au层叠膜的样本。这里，Au层的厚度是例如50nm‑300nm。

    图12是表示对根据第二实施例的Ta/Ti/TaN层叠膜80进行加速热降解测试的结果的曲线图。为了比较，图12的曲线图还表示在图3和图10中公开的加速热降解测试的结果。

    粗体虚线“Ta/Ti/TaN”表示形成有根据第二实施例的Ta/Ti/TaN层叠膜80的样本的反应时间(约8分钟)。从图12的曲线图明显看出，形成有Ta/Ti/TaN层叠膜80的样本的反应时间约是形成Pt层的样本的反应时间的4倍，并且约是形成有根据第一实施例的Ta/TaN层叠膜74的样本的反应时间的1.3倍。

    这些事实揭示了Ta/Ti/TaN层叠膜80的电迁移耐力超过了根据第一实施例的Ta/TaN层叠膜74的电迁移耐力，并且与传统的Pt层的电迁移耐力相比，Ta/Ti/TaN层叠膜80的电迁移耐力足够高。

    Ta/Ti/TaN层叠膜80的电迁移耐力比根据第一实施例的Ta/TaN层叠膜74的电迁移耐力高的原因被认为是：通过在Ta层和TaN层之间设置Ti层增加了TaN层的密度。

    注意，除了空气桥布线12的电迁移耐力变得更高之外，根据第二实施例的多栅极晶体管的运行类似于根据第一实施例的多栅极晶体管的运行。

    [第三实施例]

    第三实施例涉及一种半导体器件及其制造方法，在所述导体器件中，移除在根据第一实施例的半导体器件中位于空气桥布线下方的覆盖源电极的保护膜。

    (1)结构

    图13示出根据第三实施例的多栅极晶体管84的透视图。图14示出沿图13中的线B‑B由箭头所示的方向观察的横截面图。

    如图13所示，根据第三实施例的多栅极晶体管84与根据第一实施例的多栅极晶体管2的不同之处在于：栅电极22中包括的共用电极14”不被保护膜32覆盖，也就是说，共用电极14”是暴露的。注意，栅电极22的共用电极14”设置于空气桥布线12的下方。

    除了共用电极14”之外，其结构与根据第一实施例的多栅极晶体管2的结构相似或相同。因此，除了对共用电极14”进行描述之外，将简化或省略对结构的描述。

    如图6所示，在根据第一实施例的多栅极晶体管2中，即使在空气桥布线12下方，也用保护膜32覆盖共用电极14”。因此，存在在空气桥布线12和共用电极14”之间设置有诸如SiN或类似的介质膜的一部分。由于介质膜，使得源电极16(包括空气桥布线12)与栅电极22(包括共用电极14”)之间的寄生电容变得更大了。

    如图13所示，在根据第三实施例的多栅极晶体管84中，移除设置在空气桥布线12下方并覆盖共用电极14”的保护膜32，并且能够实现降低寄生电容。也就是说，如图14所示，将第一布线(包括空气桥布线12的源电极16)与第二布线(包括共用电极14”的栅电极22)交叉的那一部分的保护膜(SiN膜)移除。

    由于上述原因，在根据第三实施例的多栅极晶体管84中，栅电极22和源电极16之间的信号干扰会变得更小。因此，根据第三实施例的多栅极晶体管84能够比根据第一实施例的多栅极晶体管2运行得更快。

    保护膜32用来保护栅电极22不受灰尘的污染，并降低或防止输出信号(漏极电流波形)的衰减。

    然而，可以用保护膜32覆盖栅极20中包括的Ni/Au电极10”来便降低或防止输出信号的衰减。因此，即便如第三实施例中公开的移除覆盖共用电极14”的保护膜32也不会使输出信号衰减。

    注意，在根据第一实施例的多栅极晶体管2中，用保护膜32覆盖Ni/Au共用电极14”，这是用来保护形成共用电极14”的Ni层不被氧化。

    此外，注意，如第二实施例中公开的，可以用Ta/Ti/TaN层叠膜取代形成空气桥布线12的Ta/TaN层。

    (2)制造过程

    图15A‑图15D示出表示根据第三实施例的从形成保护膜32到形成空气桥布线12的制造过程的横截面图。

    这里，图15A‑图15D是沿图13中的线B‑B由箭头所示的方向观察的视图，用于说明制造工艺的过程。

    如下文公开的，除了形成保护膜和用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜(掩模)之外，根据第三实施例的制造过程类似于根据第一实施例的制造过程。

    制备衬底50，在所述衬底中形成有包括在多栅极晶体管84中的多个GaN‑HEMT 4，所述多栅极晶体管84包括欧姆电极。

    接着，形成栅电极22，例如Ni/Au栅电极22。

    这些过程与第一实施例中的相应过程相似或相同，将简化或省略对这些过程的详细描述。

    首先，在已经形成有栅电极22的SiC衬底24的上方沉积厚度为例如约500nm且制备以用作保护膜32的SiN膜。这里，SiN膜的厚度优选为例如约5nm‑500nm。

    此后，在将要形成保护膜的区域上方形成光致抗蚀剂膜。这里，第三实施例与第一实施例的不同之处在于不用光致抗蚀剂膜覆盖共用电极14”。

    通过将光致抗蚀剂膜用作蚀刻掩模的干蚀刻移除SiN膜，并形成保护膜32(参见图13)。

    因此，移除位于将要形成源电极16(第二布线)与栅电极22(第一布线)交叉的交叉点的区域处的保护膜(SiN膜)。换言之，移除在空气桥布线12的形成将要进行的区域下方的保护膜(SiN膜)(参见图15A)。

    接着，在衬底24上方形成用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58，所述光致抗蚀剂膜58直线延伸以覆盖共用电极14”的上表面和侧面。

    然后，如图15C所示，在已形成有用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58的衬底24上方形成Ti/Ta/TaN/Au溅射膜76(这里，TaN中的氮浓度为例如约50％)。

    然后，例如通过电镀方法在Ti/Ta/TaN/Au溅射膜76上方形成第二Au层46和第三Au层48。

    然后，如图15D所示，移除用于形成空气桥的光致抗蚀剂膜58，并且形成多栅极晶体管84。

    (3)运行

    根据第三实施例的多栅极晶体管84的运行实质上与根据第一实施例的多栅极晶体管2的运行相似或相同。然而，注意，与根据第一实施例的多栅极晶体管2相比，根据第三实施例的多栅极晶体管84在更高的频率下运行，这是因为源电极16和栅电极22之间的寄生电容比多栅极晶体管2的寄生电容要小。

    [第四实施例]

    第四实施例涉及具有根据第一至第三实施例的多栅极晶体管的高频放大器。

    图16示出根据第四实施例的高频放大器的电路图。

    根据第四实施例的高频放大器86包括第一至第三实施例中公开的任一多栅极晶体管，用作多栅极晶体管2’。

    此外，根据第四实施例的高频放大器86包括第一端子(输入端子88)和第二端子(输出端子90)，电信号输入至该第一端子，从该第二端子输出经放大的电信号。

    而且，根据第四实施例的高频放大器86设置有第一路径92，电信号通过所述第一路径92从第一端子(输入端子88)传送到第一布线(栅电极22)。此外，根据第四实施例的高频放大器86设置有第二路径94，电信号通过所述第二路径94从电连接到漏极8的第三布线(漏电极16)传送到第二端子(输出端子90)。

    这里，第一路径92设置有第一电容器97，并且第二路径94设置有第二电容器99。结果，只有高频信号通过第一路径92和第二路径94传送。

    此外，根据第四实施例的高频放大器86包括连接到电源电压的第三端子(电源端子96)。此外，电源端子96通过第一电阻器98连接到第二布线(漏电极18)。

    而且，电源端子96通过第二电阻器100连接到第一电容器97和第一布线(栅电极22)之间提供的连接点。此外，所述连接点通过第三电阻器102连接到地平面。这里，第二电阻器100和第三电阻器102为多栅极晶体管2’设置偏置(bias point)。

    另一方面，源电极16通过第四电阻器104和第三电容器106并联连接的电路连接到地平面。

    这里，多栅极晶体管2’包含在一给定的(given)封装件中，并且与第一到第四电阻器以及第一到第三电容器一起设置在印刷板上方。

    如上述公开的高频放大器86按以下方式运行。当电信号输入到第一端子88时，电信号通过第一路径92传送，并到达多栅极晶体管2’的栅电极。多栅极晶体管2’按各实施例中公开的方式运行，并放大输入的电信号。经放大的电信号通过第二路径94传送，并且该经放大的电信号从第二端子90输出。

    由于根据第四实施例的高频放大器86设置有根据第一到第三实施例的多栅极晶体管2’，因此即使高频放大器86在大电流下运行时，也可以有效地降低或防止空气桥布线的断开。

    注意，参照图16公开的电路只是利用根据第一到第三实施例的多栅极晶体管的高频放大器的一个例子。

    [第五实施例]

    第五实施例涉及具有根据第四实施例的高频放大器的发射机。

    图17示出根据第五实施例的发射机108的方框图。

    如图17所示，根据第五实施例的无线电发射机108设置有输入端子116、输出端子114以及根据第四实施例的高频放大器86，其中电信号输入至输入端子116，天线112连接到输出端子114。而且，根据第五实施例的无线电发射机108设置有根据输入信号生成并输出经调制的高频信号的高频信号生成单元110(例如，压控振荡器[VCO])。

    而且，根据第五实施例的无线电发射机108中，输入端子116连接到高频信号生成单元110的输入端子。此外，高频信号生成单元110的输出端子连接到高频放大器86的第一端子(输入端子88)，并且输出端子114连接到高频放大器86的第二端子(输出端子90)。

    发射机108按如下方式运行。由输入端子116输入的电信号被提供给高频信号生成单元110。高频信号生成单元110生成根据输入的电信号调制的高频信号，并将经调制的高频信号提供给高频放大器86。高频放大器86将所提供的高频信号放大，并将放大后的高频信号提供给连接到输出端子114的天线112。

    这里，由于发射机108设置有根据第四实施例的高频放大器86，因此可以为天线提供高功率信号。根据第五实施例的发射机可以例如用于移动电话系统的基站。

    [变型]

    在上述公开的各实施例中，TaN层中的氮浓度为例如约50％。然而，氮浓度并不限于所公开的数值。TaN层中的氮浓度可以优选为大于48％且小于52％，或者更优选地，可以为大于等于49％至小于等于51％。

    从图12的曲线图显然可见，在氮浓度大于48％时，Ta/Ta_xN_1‑x层叠膜(或者Ta/Ti/Ta_xN_1‑x层叠膜)的电迁移耐力比传统的Pt层的电迁移耐力要高。因此，氮浓度可以优选大于48％。另一方面，氮浓度越高，形成TaN膜就越困难。例如，可能难以形成氮浓度等于或大于52％的TaN膜。因此，TaN中的氮浓度优选小于或等于52％。

    在上述公开的各实施例中，用氮化硅来形成保护膜。然而，注意，将要用作保护膜的绝缘膜可以不限于氮化硅(SiN)膜。例如，可以用二氧化硅(SiO₂)来形成保护膜。

    在上述公开的各实施例中，在源电极上方设置空气桥布线。然而，如果漏电极与栅电极交叉，则可以优选在漏电极上方设置空气桥布线。也就是说，第二布线可以连接到场效应晶体管的漏极，而不是源极。而且，可以在除了源电极和漏电极之外的布线上形成根据该变型的空气桥布线。

    在上述公开的各实施例中，用GaN‑HEMT来形成多栅极晶体管。然而，可以用诸如InP‑HEMT之类的其它场效应晶体管来形成多栅极晶体管，其中该InP‑HEMT设置有作为衬底的半绝缘InP、InGaAs沟道层、或其中掺杂有Si的InAlAs阻挡层。

    而且，根据上述公开的各实施例的空气桥布线可以被应用于除了多栅极晶体管之外的其它半导体器件，例如具有多个栅极的场效应晶体管。

    此外，根据各实施例的形成半导体器件的半导体元件是场效应晶体管。然而，半导体元件可以是除了场效应晶体管以外的半导体元件，例如双极型晶体管。如果例如用双极型晶体管作为上述公开的半导体元件，则第一布线连接到基极，第二布线连接到发射极或集电极。

    而且，尽管在上述公开的各实施例中，栅电极是由Ni/Au层叠膜形成的，但是也可以由其它层叠膜来形成栅电极。此外，尽管在上述公开的各实施例中，通过干蚀刻蚀刻绝缘膜来形成保护膜，但是也可以通过其它蚀刻方法来蚀刻绝缘膜，例如湿蚀刻、离子碾磨或者其它类似方法。

    本文记载的所有例子和条件性语言都意在用作教导目的，以便帮助读者理解本发明，以及发明人对于现有技术作出贡献的思想，并且应将本文记载的所有例子和条件性语言解读为不受限于具体记载的例子和条件，而且说明书中这些例子的组织也不涉及展示本发明的优势和劣势。尽管已经详细描述了本发明的实施例，但应理解在不偏离本发明的精神和范围的前提下可以对其进行各种变化，替代和改动。