TW202418591A - 高電子移動率電晶體及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一種高電子移動率電晶體及其製作方法，首先於一成長基板上依序形成一晶格匹配層、一通道層與一氮化鋁鎵層，其中氮化鋁鎵層包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，第二區域位於第一區域與第三區域之間。接著，形成一絕緣區塊於氮化鋁鎵層之第二區域上，再形成兩個氮化鎵區塊分別於氮化鋁鎵層之第一區域與第三區域上。形成兩個氮化銦鋁鎵區塊分別於兩個氮化鎵區塊上，並移除絕緣區塊。最後，形成一閘極以介面接觸氮化鋁鎵層之第二區域，並形成一源極與一汲極分別於兩個氮化銦鋁鎵區塊上，藉此提升電子移動率、電流密度與跨導。
Description
本發明係關於一種電晶體，且特別關於一種高電子移動率電晶體及其製作方法。
近年來電動車及5G通訊等產業快速發展，對於電子元件的規格及需求量增加，高功率、低消耗且可用於高頻的電子元件具有市場優勢，其中，氮化鎵(GaN)具有高崩潰電壓、高電子飽和漂移速率、低電阻率、耐化學腐蝕及良好熱穩定性等特性，係理想的半導體材料。然而，以氮化鎵為主要材料的高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)受到扭結效應(Kink Effect)的影響，在操作過程中，大量的電子由通道層進入緩衝層，而導致輸出電流及訊號放大倍率下降，限制氮化鎵高電子移動率電晶體的效能及可靠度。
為了提升高電子移動率電晶體的效能，使用具有高載子密度之氮化銦鋁與氮化銦鋁鎵。第1圖為先前技術之高電子移動率電晶體之結構剖視圖。請參閱第1圖，高電子移動率電晶體1包含一基板10、一氮化鋁成核層11、一氮化鋁鎵過渡層12、一氮化鎵通道層13、一氮化鋁間隔層14與一氮化銦鋁鎵阻障層15。氮化鋁成核層11、氮化鋁鎵過渡層12、氮化鎵通道層13、氮化鋁間隔層14與氮化銦鋁鎵阻障層15依序堆疊於基板10上。然而，氮化銦鋁鎵阻障層15受限於電子散射(electron scattering)，銦(In)與氮化鋁鎵（AlGaN）材料成長溫度不同所造成的相差導致電子移動率(electron mobility)較低與閘極漏電(gate leakage)較大。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種高電子移動率電晶體及其製作方法，以解決習知所產生的問題。
本發明提供一種高電子移動率電晶體及其製作方法，其提升電子移動率、電流密度與跨導。
在本發明之一實施例中，一種高電子移動率電晶體包含一成長基板、一晶格匹配層、一通道層、一氮化鋁鎵層、兩個氮化鎵區塊、兩個氮化銦鋁鎵區塊、一閘極、一源極與一汲極。晶格匹配層設於成長基板上，通道層設於晶格匹配層上，氮化鋁鎵層設於通道層上。氮化鋁鎵層包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，第二區域位於第一區域與第三區域之間。兩個氮化鎵區塊分別位於氮化鋁鎵層之第一區域與第三區域上，兩個氮化銦鋁鎵區塊分別位於兩個氮化鎵區塊上。閘極直接介面接觸於氮化鋁鎵層之第二區域上，源極與汲極分別設於兩個氮化銦鋁鎵區塊上。
在本發明之一實施例中，一種高電子移動率電晶體之製作方法包含下列步驟：於一成長基板上依序形成一晶格匹配層、一通道層與一氮化鋁鎵層，其中氮化鋁鎵層包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，第二區域位於第一區域與第三區域之間；形成一絕緣區塊於氮化鋁鎵層之第二區域上；形成兩個氮化鎵區塊分別於氮化鋁鎵層之第一區域與第三區域上；形成兩個氮化銦鋁鎵區塊分別於兩個氮化鎵區塊上；移除絕緣區塊；以及形成一閘極以介面接觸氮化鋁鎵層之第二區域，並形成一源極與一汲極分別於兩個氮化銦鋁鎵區塊上。
在本發明之一實施例中，形成絕緣區塊於氮化鋁鎵層之第二區域上之步驟包含下列步驟：依序形成一絕緣層與一光阻層於氮化鋁鎵層上；移除氮化鋁鎵層之第一區域與第三區域之正上方的光阻層，並保留氮化鋁鎵層之第二區域之正上方的光阻層；移除氮化鋁鎵層之第一區域與第三區域之正上方的絕緣層，並保留氮化鋁鎵層之第二區域之正上方的絕緣層；以及移除氮化鋁鎵層之第二區域之正上方的光阻層，以形成絕緣區塊於氮化鋁鎵層之第二區域上。
在本發明之一實施例中，所有氮化鎵區塊與所有氮化銦鋁鎵區塊以有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition)、原子層沉積法(ALD)或電漿化學氣相沉積法(PECVD)形成。
在本發明之一實施例中，成長基板之材質為矽、氮化鎵、碳化矽或藍寶石。
在本發明之一實施例中，晶格匹配層之材質為氮化鎵。
在本發明之一實施例中，通道層之材質為氮化鎵。
基於上述，高電子移動率電晶體及其製作方法形成氮化鎵區塊於氮化鋁鎵層與氮化銦鋁鎵區塊之間，以提升電子移動率、電流密度與跨導。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語， 故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。
除非特別說明，一些條件句或字詞，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也許(might)」，或「可(may)」，通常是試圖表達本案實施例具有，但是也可以解釋成可能不需要的特徵、元件，或步驟。在其他實施例中，這些特徵、元件，或步驟可能是不需要的。
以下將介紹一種高電子移動率電晶體及其製作方法，其形成氮化鎵區塊於氮化鋁鎵層與氮化銦鋁鎵區塊之間，以提升電子移動率、電流密度與跨導。
第2圖為高電子移動率電晶體之結構剖視圖，第3圖為第1圖與第2圖對應之汲極電流與汲源電壓之曲線圖，第4圖為第1圖與第2圖對應之跨導、汲極電流與閘源電壓之曲線圖。請參閱第2圖、第3圖與第4圖。在第2圖中，高電子移動率電晶體1包含一基板10、一氮化鋁成核層11、一氮化鋁鎵過渡層12、一氮化鎵通道層13、一氮化鋁間隔層14、一氮化鎵插入層16與一氮化銦鋁鎵阻障層15。第1圖與第2圖的差異在於，第2圖之氮化鎵插入層16位於氮化鋁間隔層14與氮化銦鋁鎵阻障層15之間。在第3圖與第4圖中，虛線表示對應第1圖之曲線，實線表示對應第2圖之曲線。在第3圖中，閘源電壓為2~-10伏特，其中閘源電壓之變化為-1伏特。在第4圖中，汲源電壓為5伏特。從第3圖與第4圖可知，在相同的閘源電壓與汲源電壓下，第2圖對應之汲極電流與跨導會分別大於第1圖對應之汲極電流與跨導。這是因為氮化鎵插入層16幫助氮化銦鋁鎵阻障層15有更好的原子排列，以提供更好的電子傳輸能力。因此，具有氮化鎵插入層16之高電子移動率電晶體1相對於不具有氮化鎵插入層16之高電子移動率電晶體1擁有更高的電流密度與更高的跨導。
第5圖為本發明之一實施例之高電子移動率電晶體之結構剖視圖。請參閱第5圖，高電子移動率電晶體2具備氮化鎵插入層之優點。高電子移動率電晶體2包含一成長基板20、一晶格匹配層21、一通道層22、一氮化鋁鎵層23、兩個氮化鎵區塊24、兩個氮化銦鋁鎵區塊25、一閘極26、一源極27與一汲極28。成長基板之材質可為，但不限於矽、氮化鎵、碳化矽或藍寶石。晶格匹配層21之材質可為氮化鎵，但本發明不限於此。通道層之材質可根據需求而改變，例如為氮化鎵。晶格匹配層21設於成長基板20上，通道層22設於晶格匹配層21上，氮化鋁鎵層23設於通道層22上，其中氮化鋁鎵層23包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，第二區域位於第一區域與第三區域之間。氮化鋁鎵層23作為主動層，因為氮化鋁鎵層23具有高能階，所以高電子移動率電晶體2具有低閘極漏流。兩個氮化鎵區塊24分別位於氮化鋁鎵層23之第一區域與第三區域上，兩個氮化銦鋁鎵區塊25分別位於兩個氮化鎵區塊24上。氮化鎵區塊24相當於氮化鎵插入層，使高電子移動率電晶體2具有高電流密度、高跨導與高電子移動率，進而提升功率輸出，並實現低成本毫米波應用。閘極26直接介面接觸於氮化鋁鎵層23之第二區域上。換句話說，氮化鋁鎵層23之第二區域與閘極26之間呈無結構設置。源極27與汲極28分別設於兩個氮化銦鋁鎵區塊25上。
第6(a)圖至第6(h)圖為本發明之一實施例之製作高電子移動率電晶體之各步驟結構剖視圖。以下介紹高電子移動率電晶體之製作方法，請參閱第6(a)圖至第6(h)圖。如第6(a)圖所示，於一成長基板20上依序形成一晶格匹配層21、一通道層22與一氮化鋁鎵層23，其中氮化鋁鎵層23包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，第二區域位於第一區域與第三區域之間。如第6(b)圖所示，依序形成一絕緣層29與一光阻層30於氮化鋁鎵層23上。如第6(c)圖所示，移除氮化鋁鎵層23之第一區域與第三區域之正上方的光阻層30，並保留氮化鋁鎵層23之第二區域之正上方的光阻層30。如第6(d)圖所示，移除氮化鋁鎵層23之第一區域與第三區域之正上方的絕緣層29，並保留氮化鋁鎵層23之第二區域之正上方的絕緣層29。如第6(e)圖所示，移除氮化鋁鎵層23之第二區域之正上方的光阻層30，以形成一絕緣區塊31於氮化鋁鎵層23之第二區域上。如第6(f)圖所示，形成兩個氮化鎵區塊24分別於氮化鋁鎵層23之第一區域與第三區域上，並形成兩個氮化銦鋁鎵區塊25分別於兩個氮化鎵區塊24上。所有氮化鎵區塊24與所有氮化銦鋁鎵區塊25可以，但不限於有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition) 、原子層沉積法(ALD)或電漿化學氣相沉積法(PECVD)形成。如第6(g)圖所示，移除絕緣區塊31。如第6(h)圖所示，形成閘極26以介面接觸氮化鋁鎵層23之第二區域，並形成源極27與汲極28分別於兩個氮化銦鋁鎵區塊25上。假若可獲得實質上相同的結果，則這些步驟並不一定要遵照第6(a)圖至第6(h)圖所示的執行次序來執行。在本發明之某些實施例中，亦可省略第6(b)圖、第6(c)圖與第6(d)圖之步驟。在第6(a)圖之步驟後，直接進行第6(e)圖之步驟，以形成絕緣區塊31於氮化鋁鎵層23之第二區域上。
根據上述實施例，高電子移動率電晶體及其製作方法形成氮化鎵區塊於氮化鋁鎵層與氮化銦鋁鎵區塊之間，以提升電子移動率、電流密度與跨導。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
1:高電子移動率電晶體
10:基板
11:氮化鋁成核層
12:氮化鋁鎵過渡層
13:氮化鎵通道層
14:氮化鋁間隔層
15:氮化銦鋁鎵阻障層
16:氮化鎵插入層
2:高電子移動率電晶體
20:成長基板
21:晶格匹配層
22:通道層
23:氮化鋁鎵層
24:氮化鎵區塊
25:氮化銦鋁鎵區塊
26:閘極
27:源極
28:汲極
29:絕緣層
30:光阻層
31:絕緣區塊
第1圖為先前技術之高電子移動率電晶體之結構剖視圖。
第2圖為高電子移動率電晶體之結構剖視圖。
第3圖為第1圖與第2圖對應之汲極電流與汲源電壓之曲線圖。
第4圖為第1圖與第2圖對應之跨導、汲極電流與閘源電壓之曲線圖。
第5圖為本發明之一實施例之高電子移動率電晶體之結構剖視圖。
第6(a)圖至第6(h)圖為本發明之一實施例之製作高電子移動率電晶體之各步驟結構剖視圖。
2:高電子移動率電晶體
20:成長基板
21:晶格匹配層
22:通道層
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24:氮化鎵區塊
25:氮化銦鋁鎵區塊
26:閘極
27:源極
28:汲極
Claims (10)
- 一種高電子移動率電晶體，包含： 一成長基板； 一晶格匹配層，設於該成長基板上； 一通道層，設於該晶格匹配層上； 一氮化鋁鎵層，設於該通道層上，其中該氮化鋁鎵層包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，該第二區域位於該第一區域與該第三區域之間； 兩個氮化鎵區塊，分別位於該氮化鋁鎵層之該第一區域與該第三區域上； 兩個氮化銦鋁鎵區塊，分別位於該兩個氮化鎵區塊上； 一閘極，直接介面接觸於該氮化鋁鎵層之該第二區域上；以及 一源極與一汲極，分別設於該兩個氮化銦鋁鎵區塊上。
- 如請求項1所述之高電子移動率電晶體，其中該成長基板之材質為矽、氮化鎵、碳化矽或藍寶石。
- 如請求項1所述之高電子移動率電晶體，其中該晶格匹配層之材質為氮化鎵。
- 如請求項1所述之高電子移動率電晶體，其中該通道層之材質為氮化鎵。
- 一種高電子移動率電晶體之製作方法，包含下列步驟： 於一成長基板上依序形成一晶格匹配層、一通道層與一氮化鋁鎵層，其中該氮化鋁鎵層包含一第一區域、一第二區域與一第三區域，該第二區域位於該第一區域與該第三區域之間； 形成一絕緣區塊於該氮化鋁鎵層之該第二區域上； 形成兩個氮化鎵區塊分別於該氮化鋁鎵層之該第一區域與該第三區域上； 形成兩個氮化銦鋁鎵區塊分別於該兩個氮化鎵區塊上； 移除該絕緣區塊；以及 形成一閘極以介面接觸該氮化鋁鎵層之該第二區域，並形成一源極與一汲極分別於該兩個氮化銦鋁鎵區塊上。
- 如請求項5所述之高電子移動率電晶體之製作方法，其中形成該絕緣區塊於該氮化鋁鎵層之該第二區域上之步驟包含下列步驟： 依序形成一絕緣層與一光阻層於該氮化鋁鎵層上； 移除該氮化鋁鎵層之該第一區域與該第三區域之正上方的該光阻層，並保留該氮化鋁鎵層之該第二區域之正上方的該光阻層； 移除該氮化鋁鎵層之該第一區域與該第三區域之正上方的該絕緣層，並保留該氮化鋁鎵層之該第二區域之正上方的該絕緣層；以及 移除該氮化鋁鎵層之該第二區域之正上方的該光阻層，以形成該絕緣區塊於該氮化鋁鎵層之該第二區域上。
- 如請求項5所述之高電子移動率電晶體之製作方法，其中該兩個氮化鎵區塊與該兩個氮化銦鋁鎵區塊以有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD, Metal-organic Chemical Vapor Deposition) 、原子層沉積法(ALD)或電漿化學氣相沉積法(PECVD)形成。
- 如請求項5所述之高電子移動率電晶體之製作方法，其中該成長基板之材質為矽、氮化鎵、碳化矽或藍寶石。
- 如請求項5所述之高電子移動率電晶體之製作方法，其中該晶格匹配層之材質為氮化鎵。
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