CN209199932U - 具有高崩溃电压的化合物半导体装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于，衬底层；缓冲层，形成于所述衬底层上；主动层，形成于缓冲层上，所述主动层包括，源极欧姆接触区，形成于主动层的一侧边上；漏极欧姆接触区，形成于相对源极欧姆接触区的另一侧边，其中，漏极欧姆接触区是形成在主动层上的纵向突起部；栅极区，形成于所述源极欧姆接触区及所述漏极欧姆接触区之间的主动层上。因此，在栅极靠漏极端的电场便能有效降低，装置的崩溃电压便能提升。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种半导体技术领域，特别是有关于一种具有高崩溃电压的化合物半导体放大器装置。
背景技术
高功率三五族装置对于未来车用，电源供应器甚至军事上的应用，随着材料上的优势已越来越显其重要性。但是对于这类装置，一个重要的课题是如何有效降低崩溃电压(VBD)，使得装置能够符合更高压的需求。传统做法不外乎是设计场板(field plate)，或是将栅极(Gate)与漏极(Drain) 的距离(Lgd)拉得更远，但是前者需要更多道的制程，后者则是会牺牲电性以及装置尺寸的大小。
简介旧制程如下，传统三五族的装置，在栅极(Gate)上方会制作场板 500(fieldplate)的结构，材料大部分是用金来制作。如图6所示，在漏极201(Drain)端操作高电压(VDD)的时候，来自漏极201端的电力线 (electrical line)2101会增强，通常栅极靠漏极端的电场(electrical field)会提高，增加电流崩溃的可能，场板500的用途，在于可吸收来自漏极部分的电力线2101，可有效降低栅极靠漏极端的电场，提高装置的崩溃电压(VBD)。但是现今越来越多更高压需求的应用出现，像是车用，传统场板 500的效果已不符合需求。
实用新型内容
为了改善现有技术的缺失，本实用新型的目的是提供一种具有高崩溃电压的化合物半导体装置，可以提高化合物半导体装置的崩溃电压。
为达上述目的，本实用新型的一种具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于，衬底层；缓冲层，形成于衬底层上；主动层，形成于缓冲层上，主动层包括，源极欧姆接触区，形成于主动层的侧边上；漏极欧姆接触区，形成于相对源极欧姆接触区的另一侧边，其中，漏极欧姆接触区是形成在一个突起的主动层上；栅极区，形成于源极欧姆接触区及漏极欧姆接触区之间的主动层上。
基于上述，本实用新型的主要的结构设计在于把漏极(Drain)区给往上(即纵向的Y方向)拉高，使得漏极到通道的地方有个纵向(Y方向)的延伸区，这个延伸区的目的是为了削弱电力线的部分，可以看到由于电力线要多走一段路，所以强度会增弱，因此，在栅极靠漏极端的电场便能有效降低，装置的崩溃电压便能提升。
此外，由于在高压的操作环境下，漏极端的阻值并不是很重要，因此，本实用新型的新结构并不会对装置的整体阻抗有明显的影响。
附图说明
图1是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的外延层示意图。
图2A-2H是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的突起主动层形成过程的剖面示意图。
图3A-3E是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的栅极、源极及漏极形成过程的剖面示意图。
图4A-4E是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的第一实施例的剖面示意图。
图5A-5C是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的第二实施例的剖面示意图。
图6是先前技术的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术特征及优点，能更为相关技术领域人员所了解，并得以实施本实用新型，在此配合所附的图式、具体阐明本实用新型的技术特征与实施方式，并列举较佳实施例进步说明。以下文中所对照的图式，为表达与本实用新型特征有关的示意，并未亦不需要依据实际情形完整绘制。而关于本案实施方式的说明中涉及本领域技术人员所熟知的技术内容，亦不再加以陈述。
在本实用新型中，所述的X轴与Y轴系采用右旋的卡式坐标系 (Cartesiancoordinate system)。X轴与Y轴与原点的详细方向在本实用新型中，是依照各个图式内容所标示，其中X轴轴向为第一方向与Y轴轴向为第二方向。
首先，请参照图1，是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的外延层示意图。如图1所示，本实用新型的外延层10包括最底层的衬底层110，特别是一种硅衬底(Si substrate)，接着，缓冲层120形成于衬底层110之上，其中，缓冲层120可以是由一层一层氮化铝层(AlN)所形成，而在本实用新型的较佳实施例中，缓冲层120可以是由一层氮化铝层 (AlN)120a与一层氮化铝镓层(AlGaN)120b所形成，其中，氮化铝镓层 (AlGaN)120b是一种缓变式超晶格的缓冲层，形成在氮化铝层(AlN)120a之上，使得缓变式超晶格缓冲层缓冲层120与衬底层110可以平衡内应力，并消除GaN/AlN晶格不匹配性所造成之线缺陷。再接着，主动层130形成于缓变式超晶格缓冲层120之上，其中，主动层130是依序成长c-GaN层(即 carbon-doped-GaN层)130a及没有植入的i-GaN层(即undoped的intrinsic-GaN层)130b。然后，在主动层130上方依次成长AlGaN阻障层140 和GaN覆盖层141，以形成氮化镓外延结构。
接着，请参照图2A-2H，是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的突起主动层形成过程的剖面示意图。如图2A所示，先将氮化镓外延结构移除，使得主动层130暴露，然后，由隔离区101定义出每一个装置的主动区103。很明显的，在主动区130会形成一个通道层131(由虚线至主动区130的顶端)，用来作为电荷的诱发层。
如图2B所示，在主动层130上，形成一层由硬罩(hard mask，HM)所形成的阻障层140，用以覆盖主动区130。
再如图2C-2D所示，在阻障层140，形成一层光阻层150，并经过微影制程的曝光及显影后，在光阻层150形成开口。接着，透过干式或湿式蚀刻的方式，将暴露的HM区域蚀刻开，使得主动层130暴露出来，可以通过此一开口定义出漏极区。
之后，如图2E所示，将光阻层150移除，使得硬罩(HM)所形成的阻障层140及定义的漏极区暴露。
再接着，如图2F所示，重新进行外延成长的动作。在本实施例中，外延的成长，只会在硬罩开口的地方(即义出漏极区)接续主动区130的外延材质(GaN)，在沿着Y轴的纵向方向上延伸成长出氮化镓(GaN)，形成一个具会有一定程度的外延且顺着晶格的方向的突出部1310。
接着，如图2G所示，进行平坦化的研磨制程，将外延突出的氮化镓(GaN) 外延层磨平，并停在硬罩上。
最后，如图2H所示，使用湿式蚀刻的制程，将硬罩移除，即可完成本实用新型的新结构，就是在主动层130相应漏极区上的纵向方向上，延伸成长出氮化镓(GaN)的突出部1310，其中，突出部1310在纵向方向上突出的高度为20nm～300nm。
请再参照图3A-3E，是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的栅极、源极及漏极形成过程的剖面示意图。如图3A所示，先在主动层130及突出部1310上形成一层光阻层150，并经过微影制程的曝光及显影后，在光阻层150相应源极区及漏极区的位置出形成一开口，其中，在源极区暴露出主动层130，而在漏极区暴露出突出部1310。接着，如图3B所示，通过金属沉积制程，将金属材料充填入开口中，形成欧姆接触(ohmiccontact) 区的结构。之后，在将光阻层150移除后，由剖面图很明显的看到，源极欧姆接触区220是形成在主动层130，而漏极欧姆接触区210是形成在突出部 1310之上，因此，漏极欧姆接触区210在纵向方向上是高于源极欧姆接触区 220。再接着，如图3C所示，在主动层130上形成一层光阻层150，用以将主动层130覆盖。之后，经过微影制程的曝光及显影后，在光阻层150形成一开口，以定义出栅极区。接着，如图3D所示，通过金属沉积制程，在开口区充填入栅极电极230。由于栅极电极230是用来提高临界电压(Vt)，可以选择的金属包括:钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)、钼(Mo)、锗(Ge)、铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)、上列金属的合金、以及上述各项之硅化物、碳化物、氮化物、磷化物、及碳氮化物(carbonitride)。最后，如图3E所示，将光阻层150移除后，即可得到本实用新型的具有高崩溃电压的化合物半导体装置。
图4A-4E是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的第一实施例的剖面示意图。如图4A所示，在主动层130上形成一层绝缘层300，用以将主动层130上的漏极欧姆接触区210、源极欧姆接触区220及栅极电极230覆盖。其中，此绝缘层300可以是一种氮化硅(Si3N4)，而其厚度约 50～300nm。接着，如图4B所示，经过微影制程的上光阻层、曝光及显影后，使用湿蚀刻方式将漏极欧姆接触区210及源极欧姆接触区220上的绝缘层 300移除，使得漏极欧姆接触区210及源极欧姆接触区220暴露出来。再接着，如图4C所示，再经过微影制程的上光阻层、曝光及显影后，将第一区的源极欧姆接触区220及栅极电极230暴露出来，同时，也将与第一区隔离的第二区中的漏极欧姆接触区210暴露出来。之后，如图4D所示，通过金属沉积制程，将第一区的源极欧姆接触区220及栅极电极230及第二区中的漏极欧姆接触区210充填金属，以形成场板500(Field Plate)。最后，如图4E 所示，将光阻层150移除后，即可得到本实用新型第一实施例的具有高崩溃电压的化合物半导体装置。
图5A-5C是本实用新型所述具有高崩溃电压的化合物半导体装置的第二实施例的剖面示意图。在本实施例中，是进一步在完成图4B之后，进一步在纵向方向上形成另一介电层400，用以将绝缘层300、漏极欧姆接触区210 及源极欧姆接触区220开口覆盖，如图5A所示。接着，如图5B所示，经过微影制程的上光阻层、曝光及显影后，使用湿蚀刻方式将漏极欧姆接触区210 及源极欧姆接触区220上的介电层400移除，使得漏极欧姆接触区210及源极欧姆接触区220暴露出来。最后，如图5C所示，通过金属沉积制程，将第一区的源极欧姆接触区220及栅极电极230及第二区中的漏极欧姆接触区 210充填金属，以形成场板500(FieldPlate)。最后，将光阻层150移除后，即可得到本实用新型第二实施例的具有高崩溃电压的化合物半导体装置。
由图4E及图5C所示，本实用新型的主要的结构设计在于将漏极欧姆接触区210往上(即纵向的Y方向)拉高，使得漏极欧姆接触区210到信道层131 的路径增加了纵向(Y方向)的延伸区，这个延伸区可以让电力线要多走一段路，所以强度会增弱，很明显的，本实用新型将漏极欧姆接触区210往上(即纵向的Y方向)拉高的目的，是为了削弱电力线，使得在栅极靠漏极端的电场便能有效降低，换句话说，可以将化合物半导体装置的崩溃电压提升。在本实用新型的实施例中，可以让化合物半导体装置的崩溃电压提升提高 20％～50％，也就是说，若使用100伏特的偏压时，本实用新型的化合物半导体装置的崩溃电压可以提高至120～150伏特。此外，由于在高压的操作环境下，漏极端的阻值并不是很重要，因此，本实用新型的新结构并不会对化合物半导体装置的整体阻抗有明显的影响。
以上所述仅为本实用新型之较佳实施例，并非用以限定本实用新型之权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域之专门人士应可明了及实施，因此其他未脱离本实用新型所揭示之精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (9)
1.一种具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于，
衬底层；
缓冲层，形成于所述衬底层上；
主动层，形成于所述缓冲层上，所述主动层包括，
源极欧姆接触区，形成于所述主动层的侧边上；
漏极欧姆接触区，形成于相对所述源极欧姆接触区的另一侧边，其中，所述漏极欧姆接触区是形成在主动层上的纵向突起部；
栅极区，形成于所述源极欧姆接触区及所述漏极欧姆接触区之间的所述主动层上。
2.如权利要求1所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于所述纵向突起部的高度为20～300nm。
3.如权利要求1所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于所述衬底层的材料为硅。
4.如权利要求1所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于所述缓冲层包括氮化铝镓层。
5.如权利要求1所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于所述主动层包括至少一个氮化镓层。
6.如权利要求5所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于所述纵向突起部的材质为氮化镓。
7.如权利要求1所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于一层绝缘层覆盖于所述主动层上，并暴露出所述源极欧姆接触区及所述漏极欧姆接触区。
8.如权利要求7所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于，进一步具有一层层间介质材料于所述绝缘层上，并暴露出所述源极欧姆接触区及所述漏极欧姆接触区。
9.如权利要求7所述之具有高崩溃电压的化合物半导体装置，其特征在于，进一步于所述源极欧姆接触区及所述漏极欧姆接触区上具有一层金属层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20191118 Address after: Room 01, 13 / F, central city, 11 Haisheng Road, Tsuen Wan, New Territories, Hong Kong, China Patentee after: Gemini semiconductor manufacturing (Hong Kong) Co.,Ltd. Address before: Second floor, No.38 Keyi street, Zhunan Town, miaoso County, Taiwan, China Patentee before: JET TECHNOLOGY AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210917 Address after: Room 2208, New Technology Plaza, 34 Dayou street, San Po Kong, Kowloon, China Patentee after: Huipu Co.,Ltd. Address before: Room 01, 13 / F, central city, 11 Haisheng Road, Tsuen Wan, New Territories, Hong Kong, China Patentee before: Gemini semiconductor manufacturing (Hong Kong) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240829 Address after: 3rd Floor, Building 2, No. 200 Zhangheng Road, China (Shanghai) Pilot Free Trade Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Quanjia Technology (Shanghai) Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 2208, New Technology Plaza, 34 Dayou street, San Po Kong, Kowloon, China Patentee before: Huipu Co.,Ltd. Country or region before: Hong-Kong |