TW201717324A - 具有漂移區的高壓無接面場效元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種具有漂移區的高壓無接面場效元件及其製造方法，在半導體通道層上和介電層之間形成有漂移區，能夠使形成的高壓無接面場效元件具有較高的高遷移率以及擊穿電壓，從而具有較好的性能及可靠性。
Description
本發明有關於一種半導體元件及其製造方法，尤指一種具有漂移區的高壓無接面場效元件及其製造方法。
第三代半導體材料的典型代表為寬禁帶半導體，氮化鎵(GaN)具有許多矽(Si)材料所不具備的優異性能，氮化鎵是高頻、高壓、高溫和大功率應用的優良半導體材料，在民用和軍事領域具有廣闊的應用前景。隨著氮化鎵技術的進步，特別是大直徑的氮化鎵磊晶技術的逐步成熟並且商用化，使得氮化鎵功率元件有望成為高性能低功率損耗的解決方案，從而氮化鎵功率元件受到國際著名半導體廠商和研究單位的關注。
無接面場效電晶體(Junctionless Transistor)不同於傳統的金氧半場效電晶體(MOSFET)，係由源極、通道、汲極，閘極氧化層及閘極組成，從源極至通道和汲極，其雜質摻雜的類型相同，沒有PN接面，屬於多數載子的導電元件。透過閘極偏壓，使得半導體元件通道內的多數載子累積或耗盡，從而可控制通道電流。當閘極偏壓大到將通道靠近汲極某一截面處的載子耗盡時，通道電阻變成無限大，使得半導體元件處於關閉狀態。由於避開不完整的閘極氧化層與半導體通道介面，載子受到介面散射影響有限，提高了載子遷移率。此外，無接面場效電晶體屬於多數載子的導電元件，因此反應速度快，且沿通道方向靠近汲極的電場強度比一般的反向通道金氧半場效電晶體來得低，因此使得性能及可靠性得以大大地提高。
有鑑於此，目前有需要一種改良的高壓無接面場效元件，至少可改善上述缺失。
本發明的目的在於提供一種具有漂移區的高壓無接面場效元件及其製造方法，能夠具有高遷移率。
本發明的一實施例提供一種具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，包括下列步驟：提供一基板，在該基板的表面形成一具有鰭狀結構的緩衝層；在該緩衝層及該鰭狀結構之表面依序地沉積一半導體通道層；在該鰭狀結構之兩側的半導體通道層之上形成一漂移區；在該漂移區以及暴露的半導體通道層之上形成一介電層；在該鰭狀結構之兩側的介電層的表面形成一金屬閘極，該金屬閘極的高度低於該鰭狀結構的高度；在暴露於該鰭狀結構之兩側的介電層表面及金屬閘極的兩側形成側牆；依序地蝕刻暴露於該鰭狀結構的上方的介電層以及暴露於該緩衝層之表面的漂移區與介電層，以便暴露出作為源汲區域的半導體通道層；對於暴露的作為該源汲區域的半導體通道層進行摻雜，以形成一汲極及一源極；以及在該源極和該汲極之上形成源汲極。
本發明的另一實施例提供一種具有漂移區的高壓無接面場效元件，包括：一基板，該基板之上設有一緩衝層，該緩衝層具有一鰭狀結構；一半導體通道層，該半導體通道層形成在該緩衝層之表面，部分的半導體通道層暴露於該鰭狀結構之頂部；一漂移區，該漂移區形成於該鰭狀結構的兩側的半導體通道層之上；一介電層，該介電層形成於該漂移區及該鰭狀結構的表面的半導體通道層之上；一金屬閘極，該金屬閘極形成在位於該鰭狀結構的兩側的介電層之上、一側牆，該側牆形成在暴露於該鰭狀結構之兩側的介電層的表面及該金屬閘極的兩側；一源極，該源極形成於該半導體通道層內且位於該金屬閘極之兩側；一汲極，該汲極形成於該鰭狀結構的頂部的半導體通道層內：以及一源汲極，該源汲極形成於該源極與該汲極之上。
與現有技術相比，本發明的有益效果主要在於：半導體通道層和介電層之間形成有漂移區，使得高壓無接面場效元件具有較高的擊穿電壓以及遷移率，從而具有較好的性能及可靠性。
100‧‧‧基板
200‧‧‧緩衝層
210‧‧‧鰭狀結構
300‧‧‧半導體通道層
310‧‧‧源極
320‧‧‧汲極
400‧‧‧薄膜層
410‧‧‧漂移區
500‧‧‧介電層
600‧‧‧金屬閘極
700‧‧‧側牆
800‧‧‧源汲極
第1圖為本發明一實施例所提供的高壓無接面場效元件的製造方法的流程圖。
第2圖至第10圖為本發明一實施例所提供的高壓無接面場效元件的剖面圖。
下面將結合示意圖對本發明的高壓無接面場效元件及其製造方法進行更詳細的描述，其中表示了本發明的優選實施例，應該理解本發明領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，下列描述應當被理解為對於本發明領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特徵。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結構，因為它們會使本發明由於不必要的細節而混亂。應當認為在任何實際實施例的開發中，必須做出大量實施細節以實現開發者的特定目標，例如按照有關系統或有關商業的限制，由一個實施例改變為另一個實施例。另外，應當認為這種開發工作可能是複雜和耗費時間的，但是對於本發明領域技術人員來說僅僅是常規工作。
在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
請參考第1圖，本發明提出一種具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，包括步驟：S100：提供一基板，在基板的表面形成一具有鰭狀結構的緩衝層；S200：在緩衝層及鰭狀結構之表面上依序地沉積一半導體通道層；S300：在鰭狀結構的兩側的半導體通道層上形成一漂移區；S400：在漂移區及暴露的半導體通道層之上形成一介電層；S500：在鰭狀結構之兩側的介電層的表面之處形成一金屬閘
極，金屬閘極的高度低於該鰭狀結構的高度；S600：在暴露於該鰭狀結構之兩側的介電層之表面以及金屬閘極的兩側形成側牆；S700：依序地蝕刻暴露於鰭狀結構的上方的介電層以及暴露於緩衝層的表面的漂移區與介電層，以便暴露出作為源汲區域的半導體通道層；S800：在暴露的作為源汲區域的半導體通道層內進行摻雜，以形成汲極和源極；S900：在源極和汲極之上形成源汲極。
具體來說，請參考第2圖，在步驟S100中，該基板100可為矽基板、藍寶石基板或者碳化矽基板等，還可為設有Σ型凹槽等圖形的基板。
在該基板100之表面形成一緩衝層200；該緩衝層200的材質為氮化鋁，其厚度範圍是100nm~5000nm，例如3000nm。該緩衝層200可以採用金屬有機化合物化學氣相沉澱法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)、原子層沉積法(Atomic layer deposition)或者分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)來製造。
接著，在該緩衝層200之上形成一鰭形結構210，其形成步驟包括：在該基板100之上形成該緩衝層200；在該緩衝層200之表面形成一圖案化的光阻；以該圖案化的光阻作為幕罩，乾刻蝕該緩衝層200以形成一鰭狀結構210。
接著，請參考第3圖，在該緩衝層200及鰭狀結構210之表面沉積一半導體通道層300，其中，該半導體通道層300的材質為N-型GaN，在本實施例中，其厚度範圍是1nm~100nm，例如50nm。該半導體通道層300採用磊晶生長法形成。
請繼續參考第3圖，在該半導體通道層300上形成一薄膜層400，採用化學機械研磨(CMP)及回刻蝕(Etch back)等方式處理該薄膜
層400，保留位於該鰭狀結構210之兩側的半導體通道層300的表面的薄膜層400以形成一漂移區410。如第4圖所示，該薄膜層400採用原子沉積法(Atomic Layer Deposition)、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)或物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)來製造，該薄膜層400的材質可為氮化矽或氧化矽，其厚度可根據具體需要來決定，在此不作限定。
接著，請參考第5圖，在該漂移區410及暴露出的半導體通道層300之表面形成一介電層500，該介電層500的材質為二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯或氧化鉿，其厚度範圍是1nm~5nm，例如3nm。該介電層500可以採用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)、原子沉積法(Atomic Layer Deposition)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)等方法製成。
接著，請參考第6圖，在該鰭狀結構210之兩側的介電層500的表面之處形成一金屬閘極600，該金屬閘極600之高度低於該鰭狀結構210的高度；其中，該金屬閘極600的材質為金化鎳或金化鉻等，其可以採用物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)、原子沉積法(Atomic Layer Deposition)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)等方法形成。
請參考第7圖，在位於該鰭狀結構210之兩側的暴露出的介電層500的表面及金屬閘極600的兩側形成側牆700；該側牆700的材質為氮化矽。
接著，請參考第8圖，選擇性刻蝕暴露於鰭狀結構210的上方的介電層500以及暴露於緩衝層200的表面的漂移區410與介電層500，以便暴露出作為源汲區域的半導體通道層300。其中，採用選擇性刻蝕方式進行蝕刻，去除部分的介電層500後，以便暴露出鰭狀結構210的頂部的半導體通道層300，後續作為汲極，以及暴露出位於金屬閘極600之兩側的緩衝層200上方的半導體通道層300，後續作為源極。
接著，請參考第9圖，採用離子注入或離子擴散方式對該半導體通道層300進行N +離子注入，以形成源極310和汲極320。
接著，請參考第10圖，在該源極310和汲極320之上形成源汲極800。
本發明的另一實施例更提出一種具有漂移區的高壓無接面場效元件，採用上述的製造方法來形成，該元件包括基板100、設有鰭狀結構210的緩衝層200、半導體通道層300、漂移區410、介電層500、金屬閘極600、側牆700、源極310、汲極320及源汲極800，其中，設有鰭狀結構210的緩衝層200形成於該基板100之上，該半導體通道層300形成在該緩衝層200之表面，該漂移區410形成在該鰭狀結構210兩側的半導體通道層300之上，該介電層500形成在漂移區410及鰭狀結構210的表面的半導體通道層300之上，部分的半導體通道層300暴露於鰭狀結構210的頂部。該金屬閘極600形成在位於鰭狀結構210之兩側的介電層500之上，該側牆700形成在位於鰭狀結構210之兩側的暴露的介電層500之表面以及金屬閘極600的兩側。該源極310形成在半導體通道層300內並位於金屬閘極600的兩側，該汲極320形成於鰭狀結構210的頂部的半導體通道層300內，該源汲極800形成在該源極310和汲極320之上。
綜上，本發明所提供的具有漂移區的高壓無接面場效元件及其製造方法，由於半導體通道層和介電層之間形成有漂移區，使得高壓無接面場效元件具有較高的擊穿電壓以及遷移率，從而具有較好的性能及可靠性。
上述僅為本發明的優選實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。
流程圖無符號標示
Claims (17)
- 一種具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，包括下列步驟：提供一基板，在該基板的表面形成一具有鰭狀結構的緩衝層；在該緩衝層及該鰭狀結構之表面依序地沉積一半導體通道層；在該鰭狀結構之兩側的半導體通道層之上形成一漂移區；在該漂移區以及暴露的半導體通道層之上形成一介電層；在該鰭狀結構之兩側的介電層的表面形成一金屬閘極，該金屬閘極的高度低於該鰭狀結構的高度；在暴露於該鰭狀結構之兩側的介電層表面及金屬閘極的兩側形成側牆；依序地蝕刻暴露於該鰭狀結構的上方的介電層以及暴露於該緩衝層之表面的漂移區與介電層，以便暴露出作為源汲區域的半導體通道層；對於暴露的作為該源汲區域的半導體通道層進行摻雜，以形成一汲極及一源極；以及在該源極和該汲極之上形成源汲極。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中形成該鰭狀結構的緩衝層的步驟更包括：在該基板之上形成該緩衝層；在該緩衝層之表面形成一圖案化的光阻；以該圖案化的光阻作為幕罩，乾刻蝕該緩衝層以形成該鰭狀結構。
- 如請求項2所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該緩衝層的材質為氮化鋁。
- 如請求項2所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該緩衝層採用金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)、原子沉積法(Atomic Layer Deposition)、或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)來形成。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該半導體通道層的材質為N型氮化鎵。
- 如請求項5所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該半導體通道層採用磊晶法形成。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該漂移區的材質為氧化矽或氮化矽。
- 如請求項7所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中形成該漂移區的步驟更包括：在該半導體通道層之表面形成一薄膜層；採用化學機械研磨及回刻蝕方式處理該薄膜層，保留位於該鰭狀結構之兩側的半導體通道層的表面的薄膜層，以形成該漂移區。
- 如請求項8所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該薄膜層採用原子沉積法(Atomic Layer Deposition)、化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)或物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)來形成。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該介電層的材質為二氧化矽、氧化鋁、氧化鋯或氧化鉿。
- 如請求項10所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該介電層採用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)、原子沉積法(Atomic Layer Deposition)、物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)來形成。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該金屬閘極的材質為金化鎳或金化鉻。
- 如請求項12所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該金屬層採用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)、物理氣相沉積法(Physical Vapor Deposition)、金屬有機化學氣相沉積磊晶法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Epitaxy)、原子沉積法(Atomic Layer Deposition)或分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy)來形成。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中該側牆的材質為氮化矽。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中採用選擇性刻蝕依序地刻蝕暴露於該鰭狀結構的上方的介電層以及暴露於該緩衝層之表面的漂移區與介電層，以便暴露出作為該源汲區域的半導體通道層。
- 如請求項1所述的具有漂移區的高壓無接面場效元件的製造方法，其中採用離子注入或離子擴散方式對於該半導體通道層進行N +離子注入，以便形成該源極和該汲極。
- 一種具有漂移區的高壓無接面場效元件，包括：一基板，該基板之上設有一緩衝層，該緩衝層具有一鰭狀結構；一半導體通道層，該半導體通道層形成在該緩衝層之表面，部分的半導體通道層暴露於該鰭狀結構之頂部；一漂移區，該漂移區形成於該鰭狀結構的兩側的半導體通道層之上；一介電層，該介電層形成於該漂移區及該鰭狀結構的表面的半導體通道層之上；一金屬閘極，該金屬閘極形成在位於該鰭狀結構的兩側的介電層之上、一側牆，該側牆形成在暴露於該鰭狀結構之兩側的介電層的表面及該金 屬閘極的兩側；一源極，該源極形成於該半導體通道層內且位於該金屬閘極之兩側；一汲極，該汲極形成於該鰭狀結構的頂部的半導體通道層內：以及一源汲極，該源汲極形成於該源極與該汲極之上。
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