CN209199943U

CN209199943U - 氮化镓基高电子迁移率晶体管

Info

Publication number: CN209199943U
Application number: CN201822065168.7U
Authority: CN
Inventors: 大藤彻; 谢明达
Original assignee: Jet Technology And Technology Co Ltd
Current assignee: Huipu Co.,Ltd.
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2028-12-10

Abstract

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，包括衬底；缓冲层设置于衬底上、主动层设置于缓冲层上，且具有源极、漏极及栅极，其中源极及漏极在主动层的第一表面下方，栅极在主动层的第一表面上，并且在源极与漏极之间；第一介电层覆盖主动层的部份第一表面；源极欧姆接触层设置于源极上；漏极欧姆接触层设置于漏极上；第二介电层覆盖主动层的部份第一表面、并暴露出源极欧姆接触层及漏极欧姆接触层；源场板设置于栅极上方且与栅极之间具有空气间隙；以及金属层，设置于源极欧姆接触层与漏极欧姆接触层上，并覆盖邻近于源极欧姆接触层与漏极欧姆接触层上的部份第二介电层及部份第一介电层，利用栅极与源场板之间的空气间隙，降低栅极和源极的电容。

Description

氮化镓基高电子迁移率晶体管

技术领域

本实用新型关于一种半导体器件技术领域，特别是关于一种具有空气间隙的氮化镓基高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)。

背景技术

在半导体技术中，III族-V族(或称III-V族)半导体化合物由于它们的特性而被使用于形成各种集成电路器件，例如高功率场效应晶体管、高频晶体管或是高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor,HEMT)(以下简称HEMT)。HEMT是代替通常用于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的掺杂区将结合具有不同带隙的两种材料之间的结(即异质结)作为沟道的场效应晶体管。与MOSFET相比、HEMT具有许多吸引人的性能，包括高电子迁移率以及在高频下传输信号的能力。

虽然氮化镓基高电子迁移率晶体管在高功率及高频的应用上是非常具有潜力的器件，像是5G通讯或是太赫兹影像感测器。然而，为了克服氮化镓器件天生不稳定的特性，就使用了源场板这种结构来解决，但是源场板会产生其他的问题如闸极与源极之间的高电容会损耗高频下的操作性能。

实用新型内容

根据现有技术中所揭露的问题，本实用新型主要目的是利用栅极与源场板(source-field plate)之间形成空气间隙，来降低栅极和源极的电容。

本实用新型的另一目的是在氮化镓器件中提供场效电板，用以降低氮化镓器件的最大水平电场，并配合在栅极与源场板之间的空气间隙具有最小介电系数，从而降低闸极和源极的电容。

本实用新型的再一目的是提升氮化镓器件的最大截止频率以及最大震荡频率，且不需要任何特殊的制程，从而可以在相同频率下达到高功率增益(gain)，或者是在同样的功率增益下达到更高的操作频率。

因此，根据上述目的，本实用新型提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，由下而上包括衬底；缓冲层设置于衬底上、主动层设置于缓冲层上，且具有源极、漏极及栅极，其中源极及漏极在主动层的第一表面下方，栅极在主动层的第一表面上，并且在源极与漏极之间；第一介电层，覆盖主动层的部份第一表面；源极欧姆接触层设置于源极上；漏极欧姆接触层设置于漏极上；第二介电层，覆盖主动层的部份第一表面、并暴露出源极欧姆接触层及漏极欧姆接触层；源场板，设置于栅极上且与栅极之间具有空气间隙；以及金属层，分别设置于源极欧姆接触层与漏极欧姆接触层上，并覆盖邻近于源极欧姆接触层与漏极欧姆接触层上的部份第二介电层及第一介电层。

附图说明

图1-图6是根据本实用新型所揭露的技术，表示氮化镓基高电子迁移率晶体管制程步骤流程示意图。

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一步说明。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。

请参考图1至图6。图1至图6表示形成氮化镓基高电子迁移率晶体管的步骤流程图。首先在图1中，提供衬底10，并且于衬底10上依序形成缓冲层12及主动层14，其中，衬底10可以是具有硅基的衬底，缓冲层12可以是氮化铝(AlN)或是氮化镓铝(AlGaN)，主动层14为氮化镓(GaN)半导体层。

接着，请参考图2。在主动层14的第一表面上形成第一介电层20，并且利用半导体制程中的微影蚀刻技术，蚀刻以移除部份的第一介电层20，以暴露出主动层14的部份第一表面。接着，以第一介电层20作为屏蔽(mask)，于主动层14的第一表面下进行离子掺杂制程以分别形成源极(source)30及漏极(drain)32。

紧接着，将第一金属层形成在第一介电层20上，并形成在暴露出源极30及漏极32的第一表面上。再利用半导体制程中的蚀刻制程，蚀刻以移除部份的第一金属层，使得在源极30上形成源极欧姆接触层302、于漏极32上形成漏极欧姆接触层322，以及在源极30与漏极32之间，且在主动层14的第一表面上形成栅极40。于本实用新型的较优选的实施例中，形成源极欧姆接触层302、漏极欧姆接触层322及栅极20的第一金属层可以是钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、镍(Ni)、钼(Mo)、锗(Ge)、铂(Pt)、金(Au)、钌(Ru)、钯(Pd)、铱(Ir)、或是上述金属的合金。

请继续参考图3。在图3，是在图2所揭示的结构上形成第二介电层24，以覆盖第一介电层20、源极欧姆接触层302、栅极40以及漏极欧姆接触层322。接着，再利用半导体制程的微影蚀刻技术，以源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322为蚀刻终止层(etchingstop layer)，分别蚀刻以移除在源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322上的部份第二介电层22，并将源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322暴露出来，而在图3的结构中，于源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322上，则是形成了由第一介电层20及第二介电层22所构成的凹槽202、204。并且，再利用沉积的方式，在覆盖于栅极40的第二介电层22上形成第二金属层，并且利用蚀刻制程移除部份的第二金属层，使得在栅极40的第二介电层22上所留下的第二金属层可作为源场板50。

接着请参考图4。在图4是在图3所揭示的结构上形成光阻层60，其形成的厚度要高于栅极40的高度。接下来，利用干蚀刻(dry etching)，移除部份的光阻层60以暴露出在栅极40上的第二介电层22以及源场板50。

请参考图5。利用湿式蚀刻(wet etching)将栅极40与源场板50之间的第二介电层22移除，也就是说将围绕在栅极20的第二介电层32都被移除，即如图5中栅极40与源场板50之间的虚线的区域222。

请继续参考图6。于图5所揭示的结构上以半导体制程技术，先利用湿式蚀刻或是干式蚀刻的方法将覆盖于图5所揭露的结构上的光阻层60移除。接着再形成第三金属层70，使得第三金属层70分别覆盖住源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322。于此步骤中，可以先形成屏蔽层(未在图中表示)在图5所揭示的结构上，再进行一道光学微影制程以定义出第三金属层70要形成的区域，并且移除部份的屏蔽层以暴露出源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322上方的区域，即是如图3中，于源极欧姆接触层302及漏极欧姆接触层322上方由第一介电层22及第二介电层22构成的凹槽202、204(如图3所示)。再将第三金属层70沉积的方式沉积在凹槽202、204内，覆盖住整个凹槽202、204。

最后，再将第三介电层24形成以覆盖在第二介电层22、第三金属层70以及栅极40和源场板50，使得栅极40与源场板50之间被第三介电层34密封，而在栅极40与源场板50之间形成了空气间隙(air gap)222，从而完成了氮化镓基高电子迁移率晶体管1的制作。在本实用新型的较优选的实施例中，栅极40与源场板50之间的宽度a为第二介电层22的原来厚度，其宽度为10nm～200nm，在图中符号b所表示的是湿式蚀刻制程中将第二介电层22移除时所移除的深度为10nm～500nm；第三介电层24是采用电浆辅助化学气相沉积(PECVD)制程来达成，利用电浆辅助化学气相沉积制程形成第三介电层24可以得到较好的均复性。另外，在本实用新型的较优选的实施例中，第一介电层20、第二介电层22及第三介电层24可以是氮化硅(SiNx)或是二氧化硅(SiO₂)。

根据以上所述，由于栅极40与源场板50之间的寄生电容可以正比于两者之间的材料，又因为在本实用新型中，栅极40与源场板50之间是空气间隙222，而空气的介电常数为1，然而本领域技术人员都知道，介电常数愈大，电容也就愈大，器件效能的耗损也就愈大，因此，具有空气间隙222的氮化镓基高电子迁移率晶体管1，相较于传统技术，采用介电常数为7的氮化硅来说，可以降低相当于7倍的电容值，从而器件效能的耗损也就减少，器件的稳定性也可以提高。

Claims

1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括:

衬底；

缓冲层，所述缓冲层设置于所述衬底上；

主动层，所述主动层设置于所述缓冲层上，且所述主动层具有源极、漏极及栅极，其中所述源极及所述漏极在所述主动层的第一表面下方，所述栅极在所述主动层的第一表面上，并且在所述源极与所述漏极之间：

第一介电层，覆盖所述主动层的部份所述第一表面：

源极欧姆接触层，设置于所述源极上；

漏极欧姆接触层，设置于所述漏极上；

第二介电层，覆盖所述主动层的部份所述第一表面并暴露出所述源极欧姆接触层及所述漏极欧姆接触层；

源场板，设置于所述栅极上且与所述栅极之间具有空气间隙：

金属层，分别设置于所述源极欧姆接触层与所述漏极欧姆接触层上，并覆盖邻近于所述源极欧姆接触层与所述漏极欧姆接触层上的部份所述第二介电层及部份所述第一介电层：以及

第三介电层，所述第三介电层覆盖所述第二介电层、所述源场板及所述金属层。

2.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述衬底为硅基衬底。

3.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述缓冲层为氮化铝(AlN)层或是氮化镓铝(AlGaN)层。

4.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述主动层至少具有一层氮化镓基(GaN-base)半导体层。

5.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述第一介电层、所述第二介电层及所述第三介电层可以是氮化硅或是二氧化硅。

6.如权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述在所述栅极与所述源场板之间的空气间隙的宽度为10nm～200nm。