TWI812805B - 高電子遷移率電晶體及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明披露一種高遷移率電晶體，包含一基底；一緩衝層，設於該基底上；一氮化鋁鎵層，設於該緩衝層上；一鈍化層，設於該氮化鋁鎵層上；一源極區域和一汲極區域，位於該氮化鋁鎵層上；一源極層和一汲極層，分別位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域內；一閘極，位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域之間；以及一場板，位於該閘極和該鈍化層上，其中該場板包含一延伸部，橫向延伸至該閘極和該汲極區域之間的一區域上，又其中該延伸部具有一波浪狀底面。
Description
本發明係有關於半導體技術領域，特別是有關於一種氮化鎵(GaN)高電子遷移率電晶體(high-electron mobility transistor，HEMT)及其製作方法。
高電子遷移率電晶體常被應用於高頻之高功率放大器元件，其具有高崩潰電壓、高飽和電子移動速度及高溫操作的特性。
典型的HEMT中，在半導體異質接面處產生二維電子氣(2DEG)。2DEG代表了非常薄的導電層，該導電層具有高度可移動且高度集中的電荷載子，該電荷載子可在該導電層的兩個維度上自由移動，但被垂直於該導電層的第三維度上的移動所限制。
GaN HEMT由於其高崩潰場、高電子遷移率和高電子速度，因此特別適應用在高速和高電壓電路。但是，在高汲極偏置下，GaN HEMT會受到動態導通電阻退化(dynamic on-resistance degradation)的影響，從而降低電晶體切換效率。
目前該技術領域仍需要一種具有更高的崩潰電壓特性的GaN HEMT，同時具有較佳的動態導通電阻(dynamic Ron)特性。
本發明的主要目的在提供具有高崩潰電壓(breakdown voltage)和改善的動態導通電阻(dynamic Ron)的高電子遷移率電晶體，能克服現有技術中的缺點和不足。
本發明一方面提供了一種高電子遷移率電晶體，包含一基底；一緩衝層，設於該基底上；一氮化鋁鎵層，設於該緩衝層上；一鈍化層，設於該氮化鋁鎵層上；一源極區域和一汲極區域，位於該氮化鋁鎵層上；一源極層和一汲極層，分別位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域內；一閘極，位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域之間；以及一場板，位於該閘極和該鈍化層上，其中該場板包含一延伸部，橫向延伸至該閘極和該汲極區域之間的一區域上，又其中該延伸部具有一波浪狀底面。
依據本發明實施例，其中該波浪狀底面包含複數個半球狀特徵。
依據本發明實施例，其中該複數個半球狀特徵直接接觸位於該閘極和該汲極區域之間的該鈍化層。
依據本發明實施例，其中該緩衝層包含氮化鎵層。
依據本發明實施例，其中該鈍化層包含氮化矽或氧化鋁。
依據本發明實施例，其中該波浪狀底面包含複數個面朝向該氮化鋁鎵層的曲面。
依據本發明實施例，其中該複數個曲面係直接接觸該鈍化層。
依據本發明實施例，其中該場板係直接接觸該閘極。
本發明另一方面提供了一種形成高遷移率電晶體的方法，包含：提供一基底；於該基底上形成一緩衝層；於該緩衝層上形成一氮化鋁鎵層；於該氮化鋁鎵層上形成一鈍化層；於該氮化鋁鎵層上形成一源極區域和一汲極區域；分別於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域內形成一源極層和一汲極層；於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域之間形成一閘極；以及於該閘極和該鈍化層上形成一場板，其中該場板包含一延伸部，橫向延伸至該閘極和該汲極區域之間的一區域上，又其中該延伸部具有一波浪狀底面。
依據本發明實施例，其中該波浪狀底面包含複數個半球狀特徵。
依據本發明實施例，其中該複數個半球狀特徵直接接觸位於該閘極和該汲極區域之間的該鈍化層。
依據本發明實施例，其中該緩衝層包含氮化鎵層。
依據本發明實施例，其中該鈍化層包含氮化矽或氧化鋁。
依據本發明實施例，其中該波浪狀底面包含複數個面朝向該氮化鋁鎵層的曲面。
依據本發明實施例，其中該複數個曲面係直接接觸該鈍化層。
依據本發明實施例，其中該場板係直接接觸該閘極。
1:高電子遷移率電晶體
100:基底
102:緩衝層
104:氮化鋁鎵層
106:鈍化層
106a:頂面
106r:凹陷結構
112:閘極
112a、112b:側壁
112c:底面
112d:頂面
121:源極層
122:汲極層
130:場板
131:延伸部
131a:波浪狀底面
131ac:曲面
1311:半球狀特徵
210:圖案化光阻層
210a:開孔
2DEG:二維電子雲
S:源極區域
D:汲極區域
L:距離
第1圖為依據本發明實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的剖面示意圖。
第2圖至第5圖為依據本發明實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的製作方法的示意圖。
在下文中，將參照附圖說明細節，該些附圖中之內容亦構成說明書細節描述的一部份，並且以可實行該實施例之特例描述方式來繪示。下文實施例已描述足夠的細節俾使該領域之一般技藝人士得以具以實施。
當然，亦可採行其他的實施例，或是在不悖離文中所述實施例的前提下作出任何結構性、邏輯性、及電性上的改變。因此，下文之細節描述不應被視為是限制，反之，其中所包含的實施例將由隨附的申請專利範圍來加以界定。
請參閱第1圖，其為依據本發明實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的剖面示意圖。如第1圖所示，高電子遷移率電晶體1包含一基底100、一緩衝層102，設於所述基底100上、一氮化鋁鎵層104，設於所述緩衝層102上，以及一鈍化層106，設於所述氮化鋁鎵層104上。例如，所述鈍化層106可以包含氮化矽或氧化鋁等，但不限於此。例如，所述鈍化層106的厚度約為2000埃左右，但不限於此。例如，所述緩衝層102可以包含氮化鎵層。例如，所述緩衝層102可以是單層或多層結構。例如，所述基底100可以是一導電基底。例如，所述基底100可以是一矽基底，但不限於此。在氮化鋁鎵層104與緩衝層102界面處，會形成二維電子雲2DEG。
根據本發明實施例，在氮化鋁鎵層104上，定義有一源極區域S和一汲極區域D。於氮化鋁鎵層104上的所述源極區域S和汲極區域D內，分別設置一源極層121和一汲極層122。例如，所述源極層121和汲極層122可以包含金屬，例如，鈦、鋁、銅或其合金，但不限於此。位於氮化鋁鎵層104上的所述源極區域S和汲極區域D之間，可以設置一閘極112。例如，所述閘極112可以包含金屬，例如，氮化鈦，但不限於此。
根據本發明實施例，所述閘極112可以包含相對的兩個側壁112a和側壁112b，其中，所述側壁112a較靠近所述汲極區域D，而所述側壁112b較靠近所述源極區域S。所述側壁112a至所述汲極區域D的距離通常大於所述側壁112b至所述源極區域S的距離。例如，所述側壁112a至所述汲極區域D的距離約為17微米，所述側壁112b至所述源極區域S的距離約為3微米，但不限於此。
根據本發明實施例，所述閘極112可以包含一底面112c和一頂面112d，其中，所述底面112c與所述氮化鋁鎵層104直接接觸，所述頂面112d可以與所述鈍化層106的頂面106a齊平。
根據本發明實施例，在所述閘極112和所述鈍化層106上另設置有一
場板(field plate)130，其中場板130可以包含氮化鈦、鋁銅合金或其組合。所述場板130直接接觸所述閘極112的頂面112d。根據本發明實施例，所述高電子遷移率電晶體1僅具有單一(single)且為連續單塊的(continuous and monolithic)場板130。根據本發明實施例，所述場板130包含一延伸部131，橫向延伸至所述閘極112和所述汲極區域D之間的一區域上，又其中所述延伸部131具有一波浪狀底面131a。所述延伸部131從所述側壁112a朝向所述汲極區域D延伸出去的距離L約小於所述側壁112a至所述汲極區域D的距離的三分之一，但不限於此。
根據本發明實施例，所述波浪狀底面131a包含複數個半球狀特徵1311，且所述複數個半球狀特徵1311直接接觸位於所述閘極112和所述汲極區域D之間的所述鈍化層106。在第1圖中，複數個半球狀特徵1311係陷入到所述鈍化層106的頂面106a內。根據本發明實施例，所述波浪狀底面131a包含複數個面朝向下方所述氮化鋁鎵層104的曲面131ac。所述複數個曲面131ac係直接接觸所述鈍化層106。
本發明節上的特徵在於高電子遷移率電晶體1具有單一場板130，直接接觸所述閘極112。所述場板130的延伸部131具有波浪狀底面131a。所述波浪狀底面131a包含複數個半球狀特徵1311，且所述複數個半球狀特徵1311直接接觸位於所述閘極112和所述汲極區域D之間的所述鈍化層106。這樣的結構特徵可以減輕通道電場，藉此提升高電子遷移率電晶體1在操作時的崩潰電壓，此外，上述結構特徵還能改善動態導通電阻(dynamic Ron)特性。
請參閱第2圖至第5圖，其為依據本發明實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的製作方法的示意圖，圖中仍以相同的標示符號來表示相同的元件、層、區域或材料。
如第2圖所示，首先提供基底100，例如，矽基底。接著，依序在基底100的表面上以磊晶方法形成緩衝層102、氮化鋁鎵層104和鈍化層106。例如，
所述鈍化層106可以包含氮化矽或氧化鋁等，但不限於此。例如，所述鈍化層106的厚度約為2000埃左右，但不限於此。例如，所述緩衝層102可以包含氮化鎵層。例如，所述緩衝層102可以是單層或多層結構。例如，所述基底100可以是一導電基底。例如，所述基底100可以是一矽基底，但不限於此。
接著，於所述氮化鋁鎵層104上形成源極區域S和汲極區域D，再分別於所述源極區域S和汲極區域D內形成源極層121和汲極層122。例如，所述源極層121和汲極層122可以包含金屬，例如，鈦、鋁、銅或其合金，但不限於此。
然後於所述氮化鋁鎵層104上的源極區域S和汲極區域D之間形成閘極112。例如，所述閘極112可以包含金屬，例如，氮化鈦，但不限於此。
根據本發明實施例，所述閘極112可以包含相對的兩個側壁112a和側壁112b，其中，所述側壁112a較靠近所述汲極區域D，而所述側壁112b較靠近所述源極區域S。所述側壁112a至所述汲極區域D的距離通常大於所述側壁112b至所述源極區域S的距離。例如，所述側壁112a至所述汲極區域D的距離約為17微米，所述側壁112b至所述源極區域S的距離約為3微米，但不限於此。
根據本發明實施例，所述閘極112可以包含一底面112c和一頂面112d，其中，所述底面112c與所述氮化鋁鎵層104直接接觸，所述頂面112d可以與所述鈍化層106的頂面106a齊平。
如第3圖所示，接著於鈍化層106上形成一圖案化光阻層210，覆蓋住鈍化層106的頂面106a、所述源極區域S、所述汲極區域D和所述閘極112的頂面112d。根據本發明實施例，圖案化光阻層210包含複數個開孔210a，顯露出所述側壁112a至所述汲極區域D的部分鈍化層106的頂面106a。
如第4圖所示，接著進行蝕刻製程，例如，濕蝕刻及/或乾蝕刻製程，其中所述乾蝕刻製程可以利用含氟或含氯氣體，經由圖案化光阻層210的複數個開孔210a蝕刻顯露出來的鈍化層106的頂面106a，於鈍化層106的頂面106a形成複
數個凹陷結構106r。
最後，如第5圖所示，於所述閘極112和所述鈍化層106上形成場板130，其中所述場板130包含延伸部131，橫向延伸至所述閘極112和所述汲極區域D之間的區域上，又其中所述延伸部131具有波浪狀底面131a，形成在鈍化層106的頂面106a的複數個凹陷結構106r上。
根據本發明實施例，所述場板130可以包含氮化鈦、鋁銅合金或其組合。所述場板130直接接觸所述閘極112的頂面112d。根據本發明實施例，所述場板130是單一且為連續單塊的場板130。根據本發明實施例，所述延伸部131從所述側壁112a朝向所述汲極區域D延伸出去的距離L約小於所述側壁112a至所述汲極區域D的距離的三分之一，但不限於此。
根據本發明實施例，所述波浪狀底面131a包含複數個半球狀特徵1311，且所述複數個半球狀特徵1311直接接觸位於所述閘極112和所述汲極區域D之間的所述鈍化層106。複數個半球狀特徵1311係陷入到所述鈍化層106的頂面106a內。根據本發明實施例，所述波浪狀底面131a包含複數個面朝向下方所述氮化鋁鎵層104的曲面131ac。所述複數個曲面131ac係直接接觸所述鈍化層106。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
1:高電子遷移率電晶體
100:基底
102:緩衝層
104:氮化鋁鎵層
106:鈍化層
106a:頂面
112:閘極
112a、112b:側壁
112c:底面
112d:頂面
121:源極層
122:汲極層
130:場板
131:延伸部
131a:波浪狀底面
131ac:曲面
1311:半球狀特徵
2DEG:二維電子雲
S:源極區域
D:汲極區域
L:距離
Claims (14)
- 一種高遷移率電晶體，包含：一基底；一緩衝層，設於該基底上；一氮化鋁鎵層，設於該緩衝層上；一鈍化層，設於該氮化鋁鎵層上；一源極區域和一汲極區域，位於該氮化鋁鎵層上；一源極層和一汲極層，分別位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域內；一閘極，位於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域之間；以及一場板，位於該閘極和該鈍化層上，其中該場板包含一延伸部，橫向延伸至該閘極和該汲極區域之間的一區域上，又其中該延伸部具有一波浪狀底面，其中該波浪狀底面包含複數個半球狀特徵。
- 如請求項1所述的高遷移率電晶體，其中該複數個半球狀特徵直接接觸位於該閘極和該汲極區域之間的該鈍化層。
- 如請求項1所述的高遷移率電晶體，其中該緩衝層包含氮化鎵層。
- 如請求項1所述的高遷移率電晶體，其中該鈍化層包含氮化矽或氧化鋁。
- 如請求項1所述的高遷移率電晶體，其中該波浪狀底面包含複數個面 朝向該氮化鋁鎵層的曲面。
- 如請求項5所述的高遷移率電晶體，其中該複數個曲面係直接接觸該鈍化層。
- 如請求項1所述的高遷移率電晶體，其中該場板係直接接觸該閘極。
- 一種形成高遷移率電晶體的方法，包含：提供一基底；於該基底上形成一緩衝層；於該緩衝層上形成一氮化鋁鎵層；於該氮化鋁鎵層上形成一鈍化層；於該氮化鋁鎵層上形成一源極區域和一汲極區域；分別於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域內形成一源極層和一汲極層；於該氮化鋁鎵層上的該源極區域和該汲極區域之間形成一閘極；以及於該閘極和該鈍化層上形成一場板，其中該場板包含一延伸部，橫向延伸至該閘極和該汲極區域之間的一區域上，又其中該延伸部具有一波浪狀底面，其中該波浪狀底面包含複數個半球狀特徵。
- 如請求項8所述的方法，其中該複數個半球狀特徵直接接觸位於該閘極和該汲極區域之間的該鈍化層。
- 如請求項8所述的方法，其中該緩衝層包含氮化鎵層。
- 如請求項8所述的方法，其中該鈍化層包含氮化矽或氧化鋁。
- 如請求項8所述的方法，其中該波浪狀底面包含複數個面朝向該氮化鋁鎵層的曲面。
- 如請求項12所述的方法，其中該複數個曲面係直接接觸該鈍化層。
- 如請求項8所述的方法，其中該場板係直接接觸該閘極。
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