TWI418031B - 化合物半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明實施例係關於具有通道層及電子供體層(electron donor layer)(係由例如氮化物半導體之化合物半導體組成)之化合物半導體裝置，及其製造方法。
氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體(field effect transistor；FET)，一種使用氮化鋁鎵/氮化鎵的異質接面(hetero-junction)代表氮化物化合物半導體並使用氮化鎵層做為通道層之化合物半導體裝置，在這幾年已經蓬勃發展，其通常發現在日本早期公開專利公開案第2007-329483號、第2008-270521號及第2008-270794號以及國際公開冊第WO 2007/108055號。氮化鎵之特徵在於其寬廣的能帶間隙、高崩潰場強度及大的飽和電子速度的特性，且對於能高電壓與高輸出操作之組成半導體的材料寄以厚望。基於此理由，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體目前正蓬勃發展，追求下一世代的高效率切換裝置。
需要欲採用作為電源的切換裝置以操作於所謂的常斷模式(normally-off mode)，在常斷模式下，當無施加電壓時，不會有電流流動。
一般而言，由於壓電效應，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體在通道內有增加電子數量的傾向。因此，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體必須減少在通道內電子的數量，以確保常斷操作。
電子供體層的薄化以及閘極凹部結構的採用已經被討論作為確保氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體的常斷操作的技術。閘極凹部結構之特徵在於藉由在電子供體層中形成開口於將稍後要形成閘極電極的位置處而形成閘極電極填充該開口，並使該電極頂部突出於開口上方所獲得的結構。
然而，具有電子供體層的薄化，其本質上難以確保大電流操作以及低接通電阻，而兩者皆為氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體的優點。因此，並不適合採用此對策。
當採用閘極凹部結構時，如第1圖所示，開口係藉由乾蝕刻形成於通道層上之電子供體層中將稍後要形成閘極電極的位置處。由於通道層係由氮化鎵層所組成以及電子供體層係由氮化鋁鎵層所組成，以致於在乾蝕刻製程中難以準確地控制開口的深度。此外，在圖式中藉由圓圈C指示的開口的底部係藉由蝕刻損害，顯示大量退化的表面形態(產生表面不規則(surface irregularity))足以遮蔽所謂的原子層階梯(atomic layer step)(駐留於晶體表面之原子層高度的差異)。若閘極電極形成於開口而同時設置於閘極絕緣膜(其覆蓋該開口的內壁表面)之間，以及同時在底部留下不平坦的表面不規則，電場可大量地集中至突出部分，而因此閘極電極的崩潰電壓可能顯著地退化。
如上所述，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之閘極凹部結構可順利地確保常斷操作，反之，在電子供體層中形成控制凹部的深度的難度以及由於在形成凹部的製程中產生蝕刻損害之電壓阻抗的可能退化係為預料之中。
本發明實施例係於考慮上述內容之後所構想，以及提供高度可信賴之化合物半導體裝置及其製造方法，係即使採用閘極凹部結構以確保常斷操作時，能夠穩定僅具有小變動的臨界電壓以及獲得崩潰電壓之足夠的位準。
根據本發明實施例的一態樣，提供化合物半導體裝置，其包含：通道層，含有III-V族氮化物半導體；氮化鋁層，形成於該通道層上並具有允許該通道層暴露於其中之第一開口；電子供體層，形成於該氮化鋁層上、具有允許該通道層經由該第一開口暴露於其中之第二開口並含有III-V族氮化物半導體；以及，閘極電極，形成於通道層上方以填充該第一開口及該第二開口。
根據本發明實施例的另一態樣，提供化合物半導體裝置之製造方法，其包含：形成含有III-V族氮化物半導體之通道層；在該通道層上形成氮化鋁層；在該氮化鋁層上形成含有III-V族氮化物半導體的電子供體層；在該電子供體層中形成第一開口俾使該氮化鋁層暴露於其中；經由該第一開口在氮化鋁層中形成第二開口俾使通道層暴露於其中；以及，在該通道層上形成閘極電極以填充該第一開口及該第二開口。
根據上述態樣，可獲得高度可信賴之化合物半導體裝置，係即使採用閘極凹部結構以確保常斷操作時，能夠穩定具有小變動的臨界電壓以及獲得崩潰電壓之足夠位準。
特定實施例將參照所附圖式而詳細描述如下。於以下實施例，化合物半導體裝置係藉由氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體舉例說明，以及其組態將結合製造方法解釋。要注意的是，本發明實施例之化合物半導體裝置可不只應用於氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體，亦可應用於其它III-V族氮化物半導體裝置(例如那些由氮化鋁銦、氮化鋁鎵銦等組成者)。
第2A圖至第4B圖係根據第一實施例，繼續說明化合物半導體裝置之製造方法之製程的示意剖面圖。
首先，如第2A圖所示，成核層(nucleation layer)2、通道層3、中間層5、電子供體層4、以及蓋體結構7係通常連續地形成於碳化矽基板1上。
於此實施例中，成核層2係由故意未摻雜氮化鋁(intentionally undoped AlN；i-AlN)層所組成，通道層3係由故意未摻雜氮化鎵(intentionally undoped GaN；i-GaN)層所組成，中間層5係由氮化鋁層(於此例中為i-AlN層)所組成，以及電子供體層4係由故意未摻雜氮化鎵鋁(intentionally undoped AlGaN；i-AlGaN)層所組成。電子供體層4可交替地由n氮化鎵鋁(n-AlGaN)層所組成。
蓋體結構7係由第一氮化鎵鋁層、第二氮化鎵鋁層以及第三氮化鎵鋁層以此次序堆疊所組成。第二氮化鎵鋁層具有鋁含量，該鋁含量較大於第一氮化鎵鋁層以及第三氮化鎵鋁層之鋁含量。
於此實施例中，第一氮化鎵鋁層以及第三氮化鎵鋁層未包含鋁，而第二氮化鎵鋁層未包含鎵。更特定而言，蓋體結構7係由第一層7a、第二層7b以及第三層7c以此次序堆疊所組成，其中，第一層7a係由n型雜質摻雜氮化鎵(n-type impurity doped GaN；n-GaN)層所組成，第二層7b係由i-AlN層所組成，以及第三層7c係由n-GaN層所組成。
在氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體中，二維電子氣(two-dimensional electron gas；2DEG)係形成於通道層3、介面本身與電子供體層4(或直覺上中間層5)之間的介面之鄰近區域(vicinity)。在第2A圖以及續後的圖式中，二維電子氣將藉由虛線表示。
藉由提供蓋體結構7，晶體畸變(crystal distortion)在通道層3以及電子供體層4之間增加，以及藉此壓電效應係誘發足以增加二維電子氣。以此方式，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之接通電流可能縮減，以及藉此可確保於大電流下之操作。
在第2A圖中，對於更多細節，如下所述的個別的化合物半導體層係通常藉由使用晶體成長設備的金屬有機物氣相磊晶(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE)成長，通常在例如碳化矽基板1的基板上。
於此例中，i-AlN、i-GaN、i-AlN、i-AlGaN以及n-GaN/i-AlN/n-GaN的個別層係連續地堆疊於碳化矽基板1上，以據此以堆疊方式形成成核層2、通道層3、中間層5、電子供體層4以及蓋體結構7。此處形成的成核層2係大約0.1μm厚，通道層3係大約3μm厚，中間層5係大約2nm厚，以及電子供體層4係大約20nm厚，該電子供體層具有Alx
Ga1-x
N(0<x<1)的成分，通常表示為Al0.25
Ga0.75
N。在蓋體結構7中，此處形成的第一層7a係大約2nm厚，第二層7b係大約2nm厚，以及第三層7c係大約2nm厚。
對於上述i-AlN、i-GaN、i-AlGaN以及n-GaN層的成長條件，三甲基鋁氣體、三甲基鎵氣體以及氨氣的混和氣體係使用作為來源氣體，其中，三甲基鋁氣體作為鋁來源與三甲基鎵氣體作為鎵來源之使用或不使用以及流動率，係取決於欲成長之化合物半導體層之成分做適當調整。一般來源氣體之氨氣的流動率係自100ccm至10LM或附近的範圍中調整。成長壓力係自50托(Torr)至300托或附近的範圍中調整，以及成長溫度係自1000℃至1200℃或附近的範圍中調整。當n-GaN層成長時，含有矽通常作為n型雜質的四氫化矽(SiH4)係通常在預定流動率增加至來源氣體，以藉此摻雜矽至GaN。
接著，如第2B圖所示，裝置隔離結構6係藉由淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation；STI)製程形成。
對於更多細節，首先，具有相對應稍後形成之裝置隔離結構之區域內的開口之光阻遮罩(resist mask)係藉由光刻製程形成於蓋體結構7上，以及藉由使用含氯氣體經由開口的乾蝕刻形成隔離溝槽6a以便經由蓋體結構7、電子供體層4及中間層5延伸至自頂部部分移除通道層3的深度。
使用於乾蝕刻的光阻遮罩係通常隨後藉由灰化(ashing)移除。
接著，一種絕緣材料(此處為氧化矽)通常係藉由CVD沈積於第三層7c上，以便於填充隔離溝槽6a。駐留於第三層7c上之沈積氧化矽的部分，通常係藉由化學機械研磨(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)移除，利用介於組成蓋體結構7之第三層7c的n-GaN及氧化矽之間研磨率的差異。以此方式，可形成填滿隔離溝槽6a之裝置隔離結構6。藉由裝置隔離結構6的形成，主動區域係定義於蓋體結構7上。
要注意的是，取代形成隔離溝槽6a與以絕緣材料填滿隔離溝槽，亦可採用植入雜質離子至裝置隔離區域的技術，以便於轉換蓋體結構7、電子供體層4及通道層3的部分成絕緣部分。
接著，如第2c圖所示，係形成源極電極8與汲極電極9。
首先，凹部8a、9a係形成於該源極電極與該汲極電極將稍後形成的部分處。
更詳細說明之，將具有相對應稍後要形成之該源極電極與該汲極電極之區域內的開口之光阻遮罩藉由光刻製程形成於蓋體結構7上，以及藉由使用含氯氣體經由開口的乾蝕刻形成凹部8a、9a以便於經由蓋體結構7、電子供體層4及中間層5延伸至自頂部部分移除通道層3的深度(但至較淺於2DEG的深度)。
通常使用氯氣作為蝕刻氣體之乾蝕刻的條件包含30每分鐘標準毫升(sccm)的流動率、2帕(Pa)的壓力以及20瓦(W)的射頻(RF)輸入功率。在此製程的蝕刻深度並非特別限定，以及若允許形成在通道層3中到達預定深度之凹部8a、9a時，該蝕刻深度可能會足夠好。
使用於乾蝕刻的光阻遮罩係通常藉由灰化移除。
接著，此處通常使用鈦/鋁之電極材料係藉由真空蒸發製程以及舉離製程(lift-off process)形成，以便於當留下突出凹部8a、9a的電極材料之頂部部分時填充凹部8a、9a。碳化矽基板1係通常隨後在550℃附近退火。以此方式，源極電極8與汲極電極9係形成為一對歐姆電極。
接著，如第3A圖所示，藉由使用中間層5作為蝕刻阻止層(etching stopper)的乾蝕刻，於稍後要形成閘極電極的部分形成第一開口11a。
更詳細說明之，首先將具有相對應稍後要形成之該閘極電極之區域內的開口之光阻遮罩藉由光刻製程形成於蓋體結構7上，以及藉由使用含氯氣體經由開口的乾蝕刻與藉由使用中間層5作為蝕刻阻止層，移除稍後要形成閘極電極的部分。藉由這些製程，形成經由蓋體結構7及電子供體層4延伸而使部分中間層5的表面暴露於其中之開口11a。乾蝕刻係較佳以相對低的蝕刻率完成。
使用於乾蝕刻的光阻遮罩係通常隨後藉由灰化移除。
藉由使用中間層5作為蝕刻阻止層，開口11a可精確地形成深度為26nm或附近，其相對於蓋體結構7及電子供體層4的總厚度，以及藉此在氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體中之臨界電壓及電流可以可信賴方式被控制。
接著，如第3B圖所示，開口11b係藉由濕蝕刻形成於部分位置對準開口11a之中間層5中。
更詳細說明之，藉由使用熱磷酸溶液的濕蝕刻移除暴露至開口11a底部的中間層5之部分。以此方式，開口11b係形成於中間層5以便於允許通道層3表面的的部分經由開口11a暴露於其中。形成開口11a及開口11b並使彼此連通，以整合地形成開口11。
使用熱磷酸溶液的濕蝕刻中，組成中間層5的氮化鋁可確保對於由氮化鎵組成的通道層3之大量蝕刻選擇性。因此，只有暴露於開口11a底部的中間層5之部分可藉由蝕刻移除，而不需蝕刻通道層3，以及藉此於中間層5中形成開口11b。暴露於開口11b的通道層3表面顯示極佳的表面形態而無蝕刻損害，以及可觀察到在原子層階梯的極佳平滑度(smoothness)。
中間層5不僅使用作為在上述形成開口11製程中的蝕刻阻止層，亦顯示於通道的鄰近區域抑制合金散射的操作。
對此案例，中間層5並非設置在通道層3及電子供體層4之間(作為傳統常斷氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體)，組成電子供體層4之氮化鋁鎵不可避免地駐留於通道的鄰近區域。氮化鋁鎵的結構係基於三元系統，以及因此在結晶性(crystallinity)不被考慮為極佳的。對此理由，組態遭受問題係因為合金散射將發生於通道的鄰近區域，係足以退化在氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體內之載子移動率。
相較之下，設置在通道層3及電子供體層4之間的中間層5確保在通道的鄰近區域組成中間層5的氮化鋁的存在。氮化鋁的結構係基於二元系統，以及因此相較於三元系統具有較佳的結晶性。結果，在通道內鄰近區域的合金散射可被抑制，以及因此載子移動率可大幅度的改善。
因此，從上述討論可總結，在通道層3及電子供體層4之間形成中間層5(使用氮化鋁(i-AlN)作為材料)，以及在開口11形成的製程中，使用中間層5作為蝕刻阻止層，給予最好的方式以獲得稍後暴露通道層3之極佳的表面平滑度以及經由抑制合金散射而獲得高載子移動率。
對於抑制合金散射以據此改善載子移動率的目的，可較佳形成中間層5以具有1nm至2nm或附近的厚度。另一方面，對於使用中間層5作為蝕刻阻止層的目的，厚度可較佳地調整至2nm或附近。考慮雙重目的，中間層5的厚度可較佳地調整在大約1nm至2nm的範圍中(如上所述，在此實施例為大約2nm)。
接著，如第3C圖所示，形成閘極絕緣膜12。
更詳細說明之，例如，五氧化二鉭(Ta2
O5
)係在蓋體結構7上藉由化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition；CVD)或原子層沈積(Atomic Layer Deposition；ALD)沈積至大約5nm至100nm的厚度(此處通常為20nm或附近)以便於覆蓋開口11的內壁表面。亦可交替地採用Al2
O3
、HfO2
等代替作為組成除了Ta2
O5
的閘極絕緣膜的材料。
於此實施例中，一面交替供應金屬元件來源氣體以及氧氣元件來源氣體作為源極材料，一面沈積絕緣材料。對此沈積Ta2
O5
的範例，Ta(NtBu)(NEt2
)3
(TBTDET)係用來作為金屬元件來源，而H2
O或O2
係用來作為氧氣元件來源。以此方式，閘極絕緣膜12可形成於開口11內壁表面上，以便於具有均勻的厚度(例如，以便於調整介於底部表面的最厚部分及側面的最薄部分之間的厚度差異達5%或較小)。
由於直接覆蓋開口11的底部表面之閘極絕緣膜12具有如上所述之極佳的表面平滑度，以致於閘極絕緣膜12本身可具有極佳的表面平滑度。組成開口11之底部的通道層3的表面係確定以顯示即使以閘極絕緣膜12覆蓋狀態中的原子層階梯，足以證實在被覆蓋前已獲得的平滑度。
由上述可知，閘極絕緣膜12確保當形成有均勻厚度時崩潰電壓的極佳位準以及確保當在開口11底部(其定義閘極長度)形成有平滑度的高位準時自由變異電晶體的特性。
接著，如第4A、4B圖所示，形成閘極電極13。
更詳細說明之，首先如第4A圖所示，將下光阻層14(例如，自美國MicroChem公司之PMGI的商品名稱)與上光阻層15(例如，自Sumitomo Chemical公司之PFI32-A8的商品名稱)藉由旋轉塗佈各自形成。具有大約0.8μm直徑的開口15a係隨後藉由紫外線暴光形成在上光阻層15中。
接著，一面使用上光阻層15作為遮罩，一面藉由使用鹼性顯影劑溶液的濕蝕刻蝕刻下光阻層14。藉由蝕刻，大於開口15a之開口14a係形成於下光阻層14中，以便於給予如圖式中所示的閣樓狀之結構。
接著，一面使用上光阻層15及下光阻層14作為遮罩，一面將閘極形成金屬層(鎳：大約10nm厚/金：大約300nm厚)藉由真空蒸發形成於開口15a、14a的整體表面上。要注意的是，為了簡化說明，沈積於上光阻層15上的閘極形成金屬層的部分並沒有於此處說明。
之後，如第4B圖所示，使用暖有機溶劑(warm organic solvent)，連同於上光阻層15上沈積之閘極形成金屬層的部分一起移除下光阻層14及上光阻層15於。以此方式，形成由鎳/金組成的閘極電極13以充填開口11，同時設置絕緣膜12於其該閘極電極13與該開口11內壁之間。
氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體係進一步藉由包含形成絕緣中間層及互連的製程而完成。
基於比較那些具有閘極凹部結構的傳統氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體來檢驗，此實施例之氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體的各種效應將解釋如下。相較於此實施例具有閘極凹部結構的氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體係組態以具有填充開口(其形成於氮化鋁鎵電子供體層中)形成的閘極電極，具有電極材料而無須初步形成中間層。因此組態的傳統氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體現係標示為樣本1，以及此實施例之氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體係標示為樣本2。
調查藉由蝕刻稍後要形成電極的位置處形成之開口深度與臨界電壓之間關係的結果係如第5A、5B圖所示。第5A圖係為特性圖式，以及第5B圖係為表示第5A圖計算結果的表格。
由於缺少中間層，發現樣本1以顯示於其中形成開口深度的大變化。於此例中，發現在深度的變化(介於形成最深開口以及形成最淺開口之間的深度差異)為3nm。因此，臨界電壓亦發現變化。發現在臨界電壓中的變化(介於具有形成最深開口以及形成最淺開口之氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之間臨界電壓的差異)為1V。
相較之下，憑藉作為蝕刻阻止層功能的中間層5，樣本2的開口(此處由開口11a表示)係形成以具有幾乎固定深度而無變化。此例中發現深度的變化為0.2nm。因此，亦發現臨界電壓以顯示幾乎沒有變化，而僅具有0.06V之臨界電壓的變化。
調查氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之施加電壓及輸出電流之間關係的結果係如第6圖所示。
發現樣本1以顯示在70V的施加電壓附近輸出電流的劇烈增加，證實70V或附近的崩潰電壓。
相較之下，發現樣本2以顯示高達300V或附近的施加電壓之幾乎固定電流值，以及在大約320V或更高的施加電壓之電流值輕微的增加。由此結果，發現崩潰電壓為300V或更高(至少為300V)。
以此方式，此實施例之氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體係確定以更穩定地顯示相較於傳統氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之固定臨界值以及確保更高的崩潰電壓。其亦確定此實施例之氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體具有崩潰電壓，該崩潰電壓係非常高於傳統氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之崩潰電壓，以及確保穩定操作。
如上所解釋，根據此實施例，當採用閘極凹部結構以致使常斷操作時，可獲得高度可信賴化合物半導體裝置，係能夠穩定具有小變動的臨界電壓以及獲得崩潰電壓之足夠位準。
類似於第一實施例，此實施例將揭露具有不同於第一實施例之閘極電極之幾何形狀的化合物半導體裝置。
第7A至9B圖係為根據第二實施例，連續說明化合物半導體裝置之製造方法之製程的示意剖視圖。要注意的是，類似於第一實施例之構成要素的所有構成要素將會給予相同的元件符號，並將不會重複詳述。
於此實施例中，實行參照第2A、2B圖於第一實施例中所述之類似製程以獲得類似於第2B圖之如第7A圖所示的狀態。
接著，如第7B圖所示，類似於參照第3A圖於第一實施例中所述，藉由使用中間層5作為蝕刻阻止層的乾蝕刻，於將稍後要形成該閘極電極的位置形成第一開口11a。
藉由使用中間層5作為蝕刻阻止層，開口11a可精準地形成深度為26nm或附近，其相對於蓋體結構7及電子供體層4的總厚度，以及藉此在氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體中之臨界電壓及電流可以可信賴方式被控制。
接著，如第7C圖所示，類似於參照第3B圖於第一實施例中所述，藉由濕蝕刻在中間層5之對準開口11a之部分形成開口11b。該開口11a及開口11b係作成彼此連通，以整體地作成為開口11。
使用熱磷酸溶液的濕蝕刻中，組成中間層5的氮化鋁可確保對於由氮化鎵組成的通道層3之大量蝕刻選擇性。因此，只有暴露於開口11a底部的中間層5之部分可藉由蝕刻移除，而不需蝕刻通道層3，以及藉此於中間層5中形成開口11b。暴露於開口11的通道層3表面顯示極佳的表面形態而無蝕刻損害，以及可觀察到在原子層階梯的極佳平滑度。
在通道層3及電子供體層4之間形成中間層5(使用氮化鋁(i-AlN)作為材料)，以及在開口11形成的製程中，使用中間層5作為蝕刻阻止層，給予最好的方式以獲得稍後暴露通道層3之極佳的表面平滑度以及經由抑制合金散射而獲得高載子移動率。
接著，如第8A圖所示，類似於參照第3C圖所述之形成閘極絕緣膜12。
閘極絕緣膜12可形成於開口11內壁表面上，以便於具有均勻的厚度(例如，以便於調整介於底部表面的最厚部分及側面的最薄部分的厚度差異達5%或較小)。
由於直接覆蓋開口11的底部表面之閘極絕緣膜12具有如上所述之極佳的表面平滑度，以致於閘極絕緣膜12本身亦可具有極佳的表面平滑度。組成開口11之底部的通道層3表面，係確定以顯示即使以閘極絕緣膜12覆蓋狀態中的原子層階梯，足以證實在被覆蓋前已獲得的平滑度。
由上述可知，閘極絕緣膜12確保當形成有均勻厚度時崩潰電壓的極佳位準以及確保當在開口11底部(其定義閘極長度)形成有平滑度的高位準時自由變異電晶體的特性。
接著，如第8B、8C圖所示，形成閘極電極21。
更詳細說明之，首先如第8B圖所示，正電子束固化光阻(自ZEON公司之ZEP520-A17的商品名稱)係藉由旋轉塗佈來塗佈，以形成精細閘極形成光阻層(fine-gate-forming resist layer)22達300nm或附近的厚度，以及在180℃退火5分鐘。
接著，鹼溶性樹脂(自美國MicroChem公司之PMGI的商品名稱)係藉由旋轉塗佈來塗佈達500nm或附近的厚度，以據此形成下光阻層23，以及在180℃退火3分鐘。
接著，在下光阻層23上，正電子束固化光阻(自ZEON公司之ZEP520-A17的商品名稱)係藉由旋轉塗佈來塗佈，以形成上光阻層22達200nm厚或附近的厚度，以及然後在180℃退火2分鐘。
接著，藉由電子束光刻，將上光阻層24、下光阻層23及精細閘極形成光阻層22圖案化。藉由此製程，將窄開口22a形成在精細閘極形成光阻層22中，供稍後要形成具有錘柄狀剖面(hammer-handle-like cross section)之閘極電極的部分形成於其中，以及並將寬開口23a、23b各自形成在下光阻層23與上光阻層24中，供稍後要形成具有錘頭狀剖面(hammerhead-like cross section)之閘極電極的部分形成於其中。
接著，閘極形成金屬層(鎳：大約10nm厚/金：大約300nm厚)係藉由真空蒸發沈積於包含使用上光阻層24、下光阻層23與精細閘極形成光阻層22作為遮罩之開口24a、23a、22a內部部分的整體表面上。要注意的是，為了簡化說明，沈積於上光阻層24上的閘極形成金屬層的部分並沒有於此處說明。
之後，如第8C圖所示，使用暖有機溶劑，連同於上光阻層24上沈積之閘極形成金屬層的部分一起移除上光阻層24、下光阻層23與精細閘極形成光阻層22。以此方式，形成由鎳/金組成之具有蘑菇狀幾何形狀的閘極電極13，充填開口11，同時設置絕緣膜12於其間，而突出於開口11的邊緣上，整體呈現為錘頭狀剖面。
藉由形成閘極電極21以便於具有蘑菇狀幾何形狀，可獲得具有較大直徑頭部(蓋)及較小直徑底部(柄)之特徵的氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體，其在電子特性中為傑出的。
接著，如第9A圖所示，凹部25a、26a係形成於將稍後要形成源極電極與汲極電極的部分處。
更詳細說明之，將具有相對應稍後要形成之源極電極與汲極電極之區域內的開口之光阻遮罩藉由光刻製程形成於蓋體結構7上，以及藉由使用含氯氣體經由開口的乾蝕刻形成凹部25a、26a，經由蓋體結構7、電子供體層4以及中間層5延伸至自頂部部分移除通道層3的深度(但至較淺於2DEG的深度)。在此實施例中，凹部25a、26a的一側(閘極電極21側)係對於閘極電極21以自我對準的方式蝕刻，而不需使用光阻遮罩。
通常使用氯氣作為蝕刻氣體之乾蝕刻的條件包含30每分鐘標準毫升(sccm)的流動率、2帕(Pa)的壓力以及20瓦(W)的射頻(RF)輸入功率。在此製程的蝕刻深度並非特別限定，以及若允許形成在通道層3中到達預定深度之凹部25a、26a時，可確保足夠之蝕刻深度。
使用於乾蝕刻的光阻遮罩係通常藉由灰化移除。
接著，如第9B圖所示，形成源極電極25與汲極電極26。
對於更多細節，此處通常使用鈦/鋁之電極材料係藉由真空蒸發製程以及舉離製程形成，以便於當留下突出凹部25a、26a的電極材料之頂部部分時填充凹部25a、26a。碳化矽基板1係通常隨後在550℃或附近退火。以此方式，源極電極25與汲極電極26係形成為一對歐姆電極。
在此實施例中，凹部25a、26a的部分(其中源極電極25與汲極電極26將稍後形成)係以自我對準的方式形成。在此製程中，介於源極電極25與汲極電極26之間的距離係由閘極電極21的頭部(蘑菇狀蓋)之寬度決定。由於距離係相對地短，以致於此處可獲得的氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體能夠高速操作。另一方面，在崩潰電壓的退化可能由於以自我對準的方式形成源極電極25與汲極電極26而遭遇。然而，在此實施例中，由i-GaN層組成的中間層5係設置於通道層3及電子供體層4之間，以及閘極絕緣膜12係以均勻及平滑的方式形成。憑藉該組態，崩潰電壓可大幅度的改善。結果，相對於大幅度的改善，起因於自我對準形成之源極電極25與汲極電極26之崩潰電壓的退化可能幾乎是微不足道的，以及可能因此不再是問題。
之後，氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體係進一步藉由包含形成絕緣中間層及互連的製程而完成。
如上所說明，根據此實施例，當採用閘極凹部結構以確保常斷操作時，可獲得能夠穩定具有小變動的臨界電壓、獲得崩潰電壓之足夠位準以及確保高速操作之高度可信賴氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體。
所有此處陳述的範例及條件語言係傾向於教學的目的以幫助讀者了解由發明人所貢獻之本發明與概念以促進此技術，且係理解為並非限定於特定陳述的範例及條件，而說明書中範例之組織亦非關於顯示本發明的優越性及劣等性。雖然本發明之實施例已詳細描述，但應了解在不悖離本發明之精神及範疇，可在此進行各種改變、替換及交替。
1．．．碳化矽基板
2．．．成核層
3．．．通道層
4．．．電子供體層
5．．．中間層
6．．．裝置隔離結構
6a．．．隔離溝槽
7．．．蓋體結構
7a．．．第一層
7b．．．第二層
7c．．．第三層
8．．．源極電極
8a．．．凹部
9．．．汲極電極
9a．．．凹部
11．．．開口
11a．．．開口
11b．．．開口
12．．．閘極絕緣膜
13．．．閘極電極
14．．．下光阻層
14a．．．開口
15．．．上光阻層
15a．．．開口
21．．．閘極電極
22．．．精細閘極形成光阻層
22a．．．開口
23．．．下光阻層
23a．．．開口
24．．．上光阻層
24a．．．開口
25．．．源極電極
25a．．．凹部
26．．．汲極電極
26a．．．凹部
2DEG．．．二維電子氣
C．．．圓圈
D．．．汲極
G．．．閘極
S．．．源極
第1圖係為解釋在閘極凹部結構中問題的示意剖視圖；
第2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A及4B圖係為根據第一實施例，連續說明化合物半導體裝置之製造方法之製程的示意剖視圖；
第5A和5B圖係為說明調查藉由蝕刻閘極電極將稍後形成的位置處形成之開口深度與臨界電壓之間關係的結果之圖式；
第6圖係為說明調查氮化鋁鎵/氮化鎵場效電晶體之施加電壓及輸出電流之間關係的結果之特性圖式；以及
第7A、7B、7C、8A、8B、8C、9A及9B圖係為根據第二實施例，連續說明化合物半導體裝置之製造方法之製程的示意剖視圖。
1．．．碳化矽基板
2．．．成核層
3．．．通道層
4．．．電子供體層
5．．．中間層
6．．．裝置隔離結構
6a．．．隔離溝槽
7．．．蓋體結構
7a．．．第一層
7b．．．第二層
7c．．．第三層
8．．．源極電極
8a．．．凹部
9．．．汲極電極
9a．．．凹部
11．．．開口
11a．．．開口
11b．．．開口
12．．．閘極絕緣膜
13．．．閘極電極
14．．．下光阻層
14a．．．開口
15．．．上光阻層
15a．．．開口
2DEG．．．二維電子氣
S．．．源極
G．．．閘極
D．．．汲極
Claims (13)
- 一種化合物半導體裝置，包括：通道層，含有III-V族氮化物半導體；氮化鋁層，形成於該通道層上，並具有使該通道層暴露於其中的第一開口；電子供體層，形成於該氮化鋁層上、具有使該通道層經由該第一開口暴露於其中的第二開口，並含有III-V族氮化物半導體；以及閘極電極，形成於該通道層上方以便於填充該第一開口及該第二開口。
- 如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體裝置，其中，該閘極電極填充該第二開口，同時設置閘極絕緣膜於其間，而該閘極絕緣膜至少覆蓋該第一開口及該第二開口之內壁表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體裝置，進一步包括第一氮化鋁鎵層、第二氮化鋁鎵層及第三氮化鋁鎵層，該等氮化鋁鎵層係堆疊於該通道層上，其中，該第二氮化鋁鎵層具有鋁含量，該鋁含量較大於該第一氮化鋁鎵層及該第三氮化鋁鎵層之鋁含量。
- 如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體裝置，其中，形成該氮化鋁層以具有大於或等於1nm及小於或等於2nm的厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之化合物半導體裝置，其中，該閘極電極突出於該通道層上方之部分的寬度係較寬於填充於該第一開口及該第二開口之部分的寬度，以形成錘頭狀之剖面。
- 一種化合物半導體裝置之製造方法，包括：形成含有III-V族氮化物半導體之通道層；於該通道層上形成氮化鋁層；於該氮化鋁層上形成含有III-V族氮化物半導體之電子供體層；於該電子供體層中形成第一開口，俾使該氮化鋁層暴露於其中；經由該第一開口於該氮化鋁層中形成第二開口，俾使該通道層暴露於其中；以及於該通道層上形成填充該第一開口及該第二開口之閘極電極。
- 如申請專利範圍第6項所述之化合物半導體裝置之製造方法，其中，該第一開口係藉由乾蝕刻形成於該電子供體層中，以及該第二開口係藉由濕蝕刻形成於該氮化鋁層中。
- 如申請專利範圍第7項所述之化合物半導體裝置之製造方法，其中，該第二開口係藉由使用磷酸溶液的濕蝕刻而形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之化合物半導體裝置之製造方法，進一步包括：形成閘極絕緣膜以便於至少覆蓋該第一開口及該第二開口之內壁表面；其中，形成填充該第一開口及該第二開口之該閘極電極，同時設置該閘極絕緣膜於該閘極電極與該第一開口及第二開口之內壁之間。
- 如申請專利範圍第9項所述之化合物半導體裝置之製造方法，其中，該閘極絕緣膜係藉由PE-CVD製程或ALD製程而形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之化合物半導體裝置之製造方法，進一步包括：堆疊第一氮化鋁鎵層、第二氮化鋁鎵層及第三氮化鋁鎵層於該通道層上；其中，該第二氮化鋁鎵層具有鋁含量，該鋁含量大於該第一氮化鋁鎵層及該第三氮化鋁鎵層的鋁含量。
- 如申請專利範圍第6項所述之化合物半導體裝置之製造方法，其中，形成該氮化鋁層以具有大於或等於1nm及小於或等於2nm的厚度。
- 如申請專利範圍第6項所述之化合物半導體裝置之製造方法，其中，該閘極電極突出於該通道層上方之部分的寬度係較寬於填充於該第一開口及該第二開口之部分的寬度，以便於給予錘頭狀之剖面。
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