TWI701840B - 增強型高電子遷移率電晶體元件 - Google Patents
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Abstract
一種增強型高電子遷移率電晶體元件，包括配置於基板上的通道層、阻障層、介電層、閘極、源極與汲極以及金屬層。阻障層配置於通道層上，介電層配置於阻障層上，閘極配置於介電層上。源極與汲極位於閘極兩側，且配置於通道層及阻障層中。金屬層配置於通道層及阻障層中，金屬層的上表面從阻障層的上表面凸出，且金屬層位於閘極下方，閘極的寬度大於金屬層的寬度。
Description
本發明是有關於一種高電子遷移率電晶體（HEMT），且特別是有關於一種增強型（E-mode）高電子遷移率電晶體元件。
近年來，以III-V族化合物半導體為基礎的HEMT元件因為其低阻值、高崩潰電壓以及快速開關切換頻率等特性，在高功率電子元件領域被廣泛地應用。一般來說，HEMT元件可分為空乏型或常開型電晶體元件（D-mode），以及增強型或常關型電晶體元件（E-mode）。增強型（E-mode）電晶體元件因為其提供的附加安全性以及其更易於由簡單、低成本的驅動電路來控制，因而在業界獲得相當大的關注。
然而，增強型（E-mode）電晶體元件的習知製程複雜度及製作成本較高，因此，如何降低增強型高電子遷移率電晶體元件的製程複雜度及製程成本，為目前所需研究的重要課題。
本發明提供一種增強型高電子遷移率電晶體元件，透過金屬與半導體接觸介面的蕭特基阻障（Schottky barrier），將原本的空乏型（D-mode）高電子遷移率電晶體元件轉換為增強型（E-mode）高電子遷移率電晶體元件，以降低習知製程的複雜度及製作成本。
本發明的增強型高電子遷移率電晶體元件包括配置於基板上的通道層、阻障層、介電層、閘極、源極與汲極以及金屬層。阻障層配置於通道層上，介電層配置於阻障層上，閘極配置於介電層上。源極與汲極位於閘極兩側，且配置於通道層及阻障層中。金屬層配置於通道層及阻障層中，金屬層的上表面從阻障層的上表面凸出，且金屬層位於閘極下方，閘極的寬度大於金屬層的寬度。
在本發明的一實施例中，金屬層較接近源極的側表面至閘極較接近源極的側表面的距離為0.25 μm至0.50 μm，金屬層較接近汲極的側表面至閘極較接近汲極的側表面的距離為0.25 μm至0.50 μm。
在本發明的一實施例中，金屬層由高功函數金屬構成，且高功函數金屬至少分布於金屬層與通道層及阻障層接觸的介面。
在本發明的一實施例中，高功函數金屬的功函數超過4.0電子伏特。
在本發明的一實施例中，高功函數金屬包括鈦、鋁、鉻、鎢、鉬、金或鉑。
在本發明的一實施例中，金屬層的寬度為3 μm至5 μm。
在本發明的一實施例中，金屬層為柵欄狀，且金屬層的數目為至少兩個。
在本發明的一實施例中，金屬層的上表面寬度與下表面寬度相同。
在本發明的一實施例中，金屬層的上表面寬度與下表面寬度不同。
在本發明的一實施例中，金屬層為梯形或倒梯形。
基於上述，本發明提供一種增強型高電子遷移率電晶體元件，其中包含由高功函數金屬構成的金屬層。透過金屬與半導體接觸介面的蕭特基阻障（Schottky barrier），將原本的空乏型（D-mode）高電子遷移率電晶體元件轉換為增強型（E-mode）高電子遷移率電晶體元件，以降低習知製程的複雜度及製作成本。此外，更可透過金屬層所具有的金屬功函數的高低，藉由閘極電壓的調整進而調控元件性能。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文列舉實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。
圖1為依照本發明的第一實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的增強型高電子遷移率電晶體元件包括配置於基板10上的通道層20、阻障層30、金屬層40、源極50與汲極60、介電層70以及閘極80。基板10的材料例如是藍寶石、矽（Si）或碳化矽（SiC），通道層20的材料例如是氮化鎵，阻障層30的材料例如是氮化鋁鎵，但本發明並不以此為限。更詳細而言，阻障層30配置於通道層20上，金屬層40配置於通道層20及阻障層30中，介電層70配置於阻障層30上。由於金屬層40的上表面從阻障層30的上表面凸出，因此，介電層70覆蓋金屬層40的部分區域共形地向上凸出。閘極80配置於介電層70上且位於金屬層40的上方，源極50與汲極60位於閘極80兩側，且配置於通道層20及阻障層30中。
請參照圖1，金屬層40由高功函數金屬構成，且高功函數金屬至少分布於金屬層40與通道層20及阻障層30接觸的介面。亦即，金屬層40可整體均由高功函數金屬構成，也可以是高功函數金屬僅分布於金屬層40與通道層20及阻障層30接觸的介面，而金屬層40未與通道層20及阻障層30接觸的內部組成則可選用其他金屬或合金材料。高功函數金屬的功函數例如是超過4.0電子伏特，可包括鈦、鋁、鉻、鎢、鉬、金或鉑，但本發明並不以此為限。
請參照圖1，由於金屬層40（高功函數金屬）與通道層20及阻障層30（半導體材料）的接觸介面可形成蕭特基阻障（Schottky barrier），因此，可將原本的空乏型（D-mode）高電子遷移率電晶體元件轉換為增強型（E-mode）高電子遷移率電晶體元件。此外，更可依據金屬層40金屬功函數的高低，透過調整金屬層40上方的閘極80電壓，進而調控元件性能。更詳細而言，當閘極80未施加額外電壓時，通道層20及阻障層30的二維電子氣（2DEG）通道因金屬層40（高功函數金屬）與通道層20及阻障層30（半導體材料）接觸介面的蕭特基阻障，導致阻擋電流導通。當金屬層40上方的閘極80施加額外電壓時，則可克服金屬層40（高功函數金屬）與通道層20及阻障層30（半導體材料）接觸介面的蕭特基阻障，以使電流導通。
請參照圖1，金屬層40位於閘極80下方，且閘極80的寬度大於金屬層40的寬度，金屬層40的寬度例如是3 μm至5 μm。在本實施例中，金屬層40的上表面寬度例如是與下表面寬度相同，但本發明並不以此為限，金屬層40的上表面寬度亦可與下表面寬度不相同，此變化實施例將會於下文中參照圖3進行詳細說明。金屬層40較接近源極50的側表面至閘極80較接近源極50的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm，金屬層40較接近汲極60的側表面至閘極80較接近汲極60的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm。如此一來，可使閘極80更有效率地傳遞電場至下方的金屬層40，也可防止製程對準問題造成元件性能不穩定。
圖1的增強型高電子遷移率電晶體元件之製造方法可包括以下步驟。首先，透過磊晶成長在基板10上形成通道層20及阻障層30（半導體層），再形成源極50與汲極60。之後，在通道層20及阻障層30中形成開口，以形成金屬層40（由高功函數金屬構成）。然後，在通道層20、阻障層30及金屬層40上形成介電層70，再於介電層70上形成閘極80，即製成圖1的增強型高電子遷移率電晶體元件。
圖2為依照本發明的第二實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。圖2所示的第二實施例相似於圖1所示的第一實施例，故相同元件以相同標號表示且在此不予贅述。
請參照圖2，本實施例與上述第一實施例不同之處在於，本實施例的金屬層40a為柵欄狀，且金屬層40a的數目為至少兩個。雖然圖2中繪示了三個金屬層40a，但本發明並不以此為限，亦可依實際需求調整柵欄狀之金屬層40a的配置數目。在本實施例中，金屬層40a較接近源極50的側表面至閘極80較接近源極50的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm，金屬層40a較接近汲極60的側表面至閘極80較接近汲極60的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm。金屬層40a的個別寬度可以是3 μm至5 μm。
圖3為依照本發明的第三實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。圖3所示的第三實施例相似於圖1所示的第一實施例，故相同元件以相同標號表示且在此不予贅述。
請參照圖3，本實施例與上述第一實施例不同之處在於，本實施例之金屬層40b的上表面寬度與下表面寬度不同。如此一來，金屬層40b可以是梯形（如圖3所示）或倒梯形，但本發明並不以此為限，金屬層40b亦可以是上表面寬度與下表面寬度不同的其他形狀。在本實施例中，金屬層40b較接近源極50的側表面至閘極80較接近源極50的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm，金屬層40b較接近汲極60的側表面至閘極80較接近汲極60的側表面的距離可以是0.25 μm至0.50 μm。
綜上所述，本發明提供一種增強型高電子遷移率電晶體元件，其中包含由高功函數金屬構成的金屬層。透過金屬與半導體接觸介面的蕭特基阻障（Schottky barrier），將原本的空乏型（D-mode）高電子遷移率電晶體元件轉換為增強型（E-mode）高電子遷移率電晶體元件，以降低習知製程的複雜度及製作成本。此外，更可透過金屬層金屬功函數的高低，藉由閘極電壓的調整進而調控元件性能。同時，閘極的寬度大於金屬層的寬度，如此一來，能夠使閘極更有效率地傳遞電場至下方的金屬層，也可防止製程對準問題造成元件性能不穩定。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:基板
20:通道層
30:阻障層
40、40a、40b:金屬層
50:源極
60:汲極
70:介電層
80:閘極
圖1為依照本發明的第一實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。
圖2為依照本發明的第二實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。
圖3為依照本發明的第三實施例的一種增強型高電子遷移率電晶體元件的剖面示意圖。
10:基板
20:通道層
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40:金屬層
50:源極
60:汲極
70:介電層
80:閘極
Claims (9)
- 一種增強型高電子遷移率電晶體元件，包括：通道層，配置於基板上；阻障層，配置於所述通道層上；介電層，配置於所述阻障層上；閘極，配置於所述介電層上；源極與汲極，位於所述閘極兩側，且配置於所述通道層及所述阻障層中；以及金屬層，配置於所述通道層及所述阻障層中且由高功函數金屬構成，所述金屬層的上表面從所述阻障層的上表面凸出，且所述金屬層位於所述閘極下方，所述閘極的寬度大於所述金屬層的寬度，其中所述高功函數金屬至少分布於所述金屬層與所述通道層及所述阻障層接觸的介面。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層較接近所述源極的側表面至所述閘極較接近所述源極的側表面的距離為0.25μm至0.50μm，所述金屬層較接近所述汲極的側表面至所述閘極較接近所述汲極的側表面的距離為0.25μm至0.50μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述高功函數金屬的功函數超過4.0電子伏特。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述高功函數金屬包括鈦、鋁、鉻、鎢、鉬、金或鉑。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層的寬度為3μm至5μm。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層為柵欄狀，且所述金屬層的數目為至少兩個。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層的上表面寬度與下表面寬度相同。
- 如申請專利範圍第1項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層的上表面寬度與下表面寬度不同。
- 如申請專利範圍第8項所述的增強型高電子遷移率電晶體元件，其中所述金屬層為梯形或倒梯形。
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| CN112397584A (zh) | 2021-02-23 |
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