CN106373996A - 半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种半导体装置包含基板、主动层、晶体管与电容。主动层置于基板上。主动层区隔出第一部分与第二部分。晶体管包含主动层的第一部分、源极、漏极与栅极。源极与漏极分别电性连接第一部分。栅极置于第一部分上并置于源极与漏极之间。电容包含主动层的第二部分、第一电极、第一绝缘层与第二电极。第一电极电性连接第二部分与晶体管的源极。第一绝缘层置于第二部分上。第二电极置于第一绝缘层上并电性连接晶体管的栅极。本发明实施例的技术方案通过电容以增加晶体管的栅极-源极电容，从而降低半导体装置的米勒比例，使半导体装置的操作状态更佳，较容易实现高频工作，且可最小化击穿电流值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体装置。
背景技术
高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)为场效晶体管(field effect transistor,FET)的一类，因其具有高电子迁移率与低电阻，因此被广泛应用。高电子迁移率晶体管的重要元件为异质结构层，其由二种具不同能隙的材料所组成，以取代传统场效晶体管的PN界面。一般利用的材料组合为氮化镓铝(AlGaN)与氮化镓(GaN)。因由氮化镓铝与氮化镓组成的异质结构层于氮化镓侧的形成量子井的导电带，因此氮化镓铝与氮化镓之间的界面即产生二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)。
发明内容
本发明的一态样提供一种半导体装置，包含基板、主动层、晶体管与电容。主动层置于基板上。主动层区隔出第一部分与第二部分。晶体管包含主动层的第一部分、源极、漏极与栅极。源极与漏极分别电性连接第一部分。栅极置于第一部分上并置于源极与漏极之间。电容包含主动层的第二部分、第一电极、第一绝缘层与第二电极。第一电极电性连接第二部分与晶体管的源极。第一绝缘层置于第二部分上。第二电极置于第一绝缘层上并电性连接晶体管的栅极。
在一或多个实施方式中，第一电极、源极与漏极的材质为实质相同的材料。
在一或多个实施方式中，第二电极与栅极的材质为实质相同的材料。
在一或多个实施方式中，第一绝缘层的材质为氧化铝。
在一或多个实施方式中，晶体管还包含第二绝缘层，置于栅极与主动层的第一部分之间。
在一或多个实施方式中，第一绝缘层与第二绝缘层的材质为实质相同的材料。
在一或多个实施方式中，半导体装置还包含隔离部，置于主动层中并置于第一部分与第二部分之间。
在一或多个实施方式中，主动层更区隔出第三部分。半导体装置还包含电阻，置于基板上并电性连接电容。电阻包含主动层的第三部分、第三电极与第四电极。第三电极电性连接第三部分。第四电极电性连接第三部分。
在一或多个实施方式中，第三电极电性连接电容的第二电极。
在一或多个实施方式中，第一电极、第三电极与第四电极的材质为实质相同的材料。
上述的实施方式通过电容以增加晶体管的栅极-源极电容(Cgs)，半导体装置的米勒比例(Miller Ratio)(其与栅极-源极电容成反比)便可相对降低。米勒比例越低，则半导体装置的操作状态便越佳，较容易实现高频工作，且可最小化击穿电流值(shoot-through currents)。
附图说明
图1为本发明一实施方式的半导体装置的剖面图。
图2为本发明另一实施方式的半导体装置的剖面图。
其中，附图标记说明如下：
105：缓冲层
110：基板
120：主动层
120C：第二部分
120R：第三部分
120T：第一部分
122：通道层
124：阻障层
126：二维电子气
130：源极
140：漏极
150：栅极
160：第一电极
170：第一绝缘层
175：第二绝缘层
180：第二电极
190：隔离部
210：第三电极
220：第四电极
C：电容
R：电阻
T：晶体管
具体实施方式
以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些公知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出的。
图1为本发明一实施方式的半导体装置的剖面图。半导体装置包含基板110、主动层120、晶体管T与电容C。主动层120置于基板110上。主动层120区隔出第一部分120T与第二部分120C。晶体管T置于基板110上，包含主动层120的第一部分120T、源极130、漏极140与栅极150。源极130与漏极140分别电性连接第一部分120T。举例而言，源极130与漏极140分别置于主动层120上。栅极150置于第一部分120T上并置于源极130与漏极140之间。电容C置于基板110上，包含主动层120的第二部分120C、第一电极160、第一绝缘层170与第二电极180。第一电极160电性连接第二部分120C与晶体管T的源极130。在一些实施方式中，第一电极160可利用外部线路或层间贯穿结构而与源极130电性连接，本发明不以此为限。第一绝缘层170置于主动层120的第二部分120C上。第二电极180置于第一绝缘层170上并电性连接晶体管T的栅极150。在一些实施方式中，第二电极180可利用外部线路或层间贯穿结构而与栅极150电性连接，本发明不以此为限。半导体装置还包含隔离部190，置于主动层120中并置于第一部分120T与第二部分120C之间。
本实施方式通过电容C以增加晶体管T的栅极-源极电容(Cgs)。具体而言，在本实施方式中，因电容C的第一电极160与晶体管T的源极130电性连接，且电容C的第二电极180与晶体管T的栅极150电性连接，因此晶体管T等同于在栅极150与源极130之间增加一电容值，使得半导体装置的栅极-源极电容增加，半导体装置的米勒比例(Miller Ratio)(其与栅极-源极电容成反比)便可相对降低。米勒比例越低，则半导体装置的操作状态便越佳，较容易实现高频工作，且可最小化击穿电流值(shoot-through currents)。
在本实施方式中，主动层120包含复数不同的氮基(nitride-based)半导体层，以于异质接合(heterojunction)处产生二维电子气(2DEG)126，做为导电通道。举例而言，可使用相互迭合的通道层122与阻障层124，其中通道层122置于基板110上方，阻障层124位于通道层122上。此种结构下，二维电子气126可存在于通道层122与阻障层124之间的界面。在一些实施方式中，通道层122可为氮化镓(GaN)层，而阻障层124可为氮化镓铝(AlGaN)层。
在本实施方式中，第一电极160与二维电子气126电性接触，亦即，第一电极160与二维电子气126具有同电位。通过阻障层124与第一绝缘层170的隔离，第二电极180与二维电子气126之间具有一电容值，而此电容值的大小可依第二电极180覆盖主动层120的面积与第一绝缘层170的厚度而定。
而对于晶体管T而言，在半导体装置处于开启状态下，源极130与漏极140之间的导通电流可沿着通道层122与阻障层124之间的界面而流动。另一方面，基板110的材质例如为硅(silicon)基板或蓝宝石(sapphire)基板，本发明不以此为限。在本实施方式中，半导体装置可还包含缓冲层105，设置于主动层120与基板110之间。另外，隔离部190可用以避免漏电流的产生，并提高崩溃电压。
本实施方式的半导体装置的另一好处为在晶体管T的现有工艺步骤下，不需加入额外步骤，即可一并进行电容C的工艺。具体而言，在本实施方式中，第一电极160、源极130与漏极140的材质可为实质相同的材料。举例而言，可先形成一导电层，接着再进行导电层的图案化，以分别形成第一电极160、源极130与漏极140。在一些实施方式中，第一电极160、源极130与漏极140可分别与主动层120进行欧姆接触，然而本发明不以此为限。
另外，在本实施方式中，第二电极180与栅极150的材质可为实质相同的材料。举例而言，可先形成另一导电层，接着再进行导电层的图案化，以分别形成第二电极180与栅极150。在一些实施方式中，导电层可为金属层，然而本发明不以此为限。
在本实施方式中，半导体装置还包含第二绝缘层175，置于栅极150与主动层120的第一部分120T之间。在一些实施方式中，第二绝缘层175的厚度可为约10纳米，然而本发明不以此为限。
在本实施方式中，第一绝缘层170与第二绝缘层175的材质为实质相同的材料。举例而言，第一绝缘层170与第二绝缘层175可先形成一介电层，接着再进行介电层的图案化，以分别形成第一绝缘层170与第二绝缘层175。在一些实施方式中，介电层的材质可为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氧化镓(Ga2O3)、氧化铝(Al2O3)、氧化钆(Gd2O3)、氧化铪(Hf2O3)、氮化铝(AlN)或其任意组合。
综合上述，因在本实施方式中，第一电极160、源极130与漏极140可由同一工艺步骤所制成(第一电极160、源极130与漏极140的材质为实质相同的材料)，第二电极180与栅极150可由同一工艺步骤所制成(第二电极180与栅极150的材质为实质相同的材料)，且第一绝缘层170与第二绝缘层175可由同一工艺步骤所制成(第一绝缘层170与第二绝缘层175的材质为实质相同的材料)，因此并不需加入其他额外步骤即可一并制成晶体管T与电容C，具有节省成本与制作时间的好处。
不过，在其他的实施方式中，晶体管T可具有与图1相异的结构。基本上，只要电容C的第一电极160电性连接晶体管T的源极130，且第二电极180电性连接晶体管T的栅极150，以于晶体管T的源极130与栅极150之间产生一电容值(Cgs)，皆在本发明的范畴中。
接着请参照图2，其为本发明另一实施方式的半导体装置的剖面图。本实施方式与图1的实施方式的不同处在于电阻R的存在。在本实施方式中，主动层120更区隔出第三部分120R。隔离部190更置于第三部分120R与第二部分120C之间。在其他的实施方式中，若主动层120的第一部分120T毗邻第三部分120R，则隔离部190亦置于第一部分120T与第三部分120R之间。半导体装置还包含电阻R，置于基板110上并电性连接电容C。电阻R包含第三部分120R、第三电极210与第四电极220。第三电极210与第四电极220皆电性连接主动层120的第三部分120R。因此在本实施方式中，晶体管T、电容C与电阻R可形成一电路结构。
在本实施方式中，第一电极160、源极130与漏极140、第三电极210与第四电极220的材质为实质相同的材料。第一电极160、源极130与漏极140、第三电极210与第四电极220可由同一导电层制成，接着再进行导电层的图案化，以分别形成第一电极160、源极130与漏极140、第三电极210与第四电极220。在一些实施方式中，第一电极160、源极130与漏极140、第三电极210与第四电极220可分别与主动层120进行欧姆接触，然而本发明不以此为限。
在本实施方式中，第三电极210电性连接电容C的第二电极180。举例而言，第二电极180直接接触第三电极210，因此电容C与电阻R形成串联电路。第三电极210与第四电极220皆置于阻障层124上。如此一来，第三电极210、第四电极220与第三部分120R的二维电子气126相隔离，而在外加一定的电压时，第三部分120R的二维电子气126与第三电极210、第四电极220之间才能够导通，因此此结构即可形成电阻R。而电阻R的电阻值则反应于二维电子气126与第三电极210、第四电极220之间的导通容易程度。
综合上述，因在本实施方式中，第一电极160、源极130、漏极140、第三电极210与第四电极220可由同一工艺步骤所制成(第一电极160、源极130与漏极140、第三电极210与第四电极220的材质为实质相同的材料)，因此并不需加入其他额外步骤即可一并制成晶体管T、电容C与电阻R，具有节省成本与制作时间的好处。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本申请权利要求范围所界定者为准。
Claims (10)
1.一种半导体装置，包含：
一基板；
一主动层，置于该基板上，该主动层区隔出一第一部分与一第二部分；
一晶体管，置于该基板上，该晶体管包含：
该主动层的该第一部分；
一源极与一漏极，分别电性连接该第一部分；以及
一栅极，置于该第一部分上并置于该源极与该漏极之间；以及
一电容，置于该基板上，该电容包含：
该主动层的该第二部分；
一第一电极，电性连接该第二部分与该晶体管的该源极；
一第一绝缘层，置于该第二部分上；以及
一第二电极，置于该第一绝缘层上并电性连接该晶体管的该栅极。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该第一电极、该源极与该漏极的材质为实质相同的材料。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该第二电极与该栅极的材质为实质相同的材料。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该第一绝缘层的材质为氧化铝。
5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该晶体管还包含：
一第二绝缘层，置于该栅极与该主动层的该第一部分之间。
6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，该第一绝缘层与该第二绝缘层的材质为实质相同的材料。
7.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还包含：
一隔离部，置于该主动层中并置于该第一部分与该第二部分之间。
8.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，该主动层更区隔出一第三部分，且该半导体装置还包含：
一电阻，置于该基板上并电性连接该电容，该电阻包含：
该主动层的该第三部分；
一第三电极，电性连接该第三部分；以及
一第四电极，电性连接该第三部分。
9.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，该第三电极电性连接该电容的该第二电极。
10.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，该第一电极、该第三电极与该第四电极的材质为实质相同的材料。
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- 2015-07-21 CN CN201510430964.4A patent/CN106373996B/zh active Active
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