TWI727872B

TWI727872B - 半導體裝置

Info

Publication number: TWI727872B
Application number: TW109125738A
Authority: TW
Inventors: 林鑫成; 陳志諺; 黃嘉慶
Original assignee: 世界先進積體電路股份有限公司
Priority date: 2020-07-30
Filing date: 2020-07-30
Publication date: 2021-05-11
Also published as: TW202205586A

Abstract

本發明實施例提供一種半導體裝置，包含基板、位於基板上的晶種層、位於晶種層上的磊晶層、位於磊晶層上的電極結構以及電場變調結構。其中電極結構包含閘極結構與位於該閘極結構兩側的源極結構與汲極結構。其中電場變調結構包含電連接結構與電性連接電連接結構的導電層。導電層位於閘極結構與汲極結構之間，且電連接結構電性連接源極結構與汲極結構。

Description

半導體裝置

本揭露係有關於一種半導體裝置，且特別係有關於具有電場變調結構的半導體裝置。

氮化鎵系(GaN-based)半導體材料具有許多優秀的材料特性，例如高抗熱性、寬能隙(band-gap)、高電子飽和速率。因此，氮化鎵系半導體材料適合應用於高速與高溫的操作環境。近年來，氮化鎵系半導體材料已廣泛地應用於發光二極體(light emitting diode，LED)元件、高頻率元件，例如具有異質界面結構的高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，HEMT)。

雖然現有技術所製造的高電子遷移率電晶體封裝結構可大致滿足它們原先預定的用途，但其仍未在各個方面皆徹底地符合需求。例如，目前的裝置中閘極結構仍容易受到高電場的影響，而不利於裝置的可靠性。因此，發展出可進一步改善高電子遷移率電晶體元件的效能及可靠度的結構及製造方法仍為目前業界致力研究的課題之一。

本發明實施例提供一種半導體裝置，包含基板、位於基板上的晶種層、位於晶種層上的磊晶層、位於磊晶層上的電極結構以及位於磊晶層上的電場變調結構。其中電極結構包含閘極結構與位於該閘極結構兩側的源極結構與汲極結構。其中電場變調結構包含電連接結構與電性連接電連接結構的導電層。導電層位於閘極結構與汲極結構之間，且電連接結構電性連接源極結構與汲極結構。其中源極結構的長度方向為第一方向，且源極結構到汲極結構的方向為第二方向，其中第一方向垂直第二方向。

為讓本揭露之特徵明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下，其他注意事項，請參照技術領域。

以下提供了各種不同的實施例或範例，用於實施所提供的半導體結構之不同元件。敘述中若提及第一部件形成於第二部件之上，可能包含形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可能包含額外的部件形成於第一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。另外，本發明實施例可能在許多範例中使用重複的元件符號。這些重複僅是為了簡化和清楚的目的，而非代表所討論各種實施例及/或配置之間有特定的關係。

再者，空間上的相關用語，例如「上方的」、「下方的」、「在……上方」、「在……下方」及類似的用詞，除了包含圖式繪示的方位外，也包含使用或操作中的裝置的不同方位。當裝置被轉向至其他方位時(旋轉90度或其他方位)，則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。

在此，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。

除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露所屬技術領域的技術人員通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語例如在通常使用的字典中定義用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。

本發明實施例所提供具有電場變調結構之半導體裝置，可改變電場分布，降低閘極結構受到高電場的風險。此外，在裝置關斷時，可藉由電場變調結構形成導通途徑，以將裝置中的載子(例如電荷)導引出裝置，以提升半導體裝置之效能。此外，本發明實施例所提供之半導體裝置特別適用於高電子遷移率電晶體(HEMT)。

請先參照第1圖。第1圖是根據本發明的一些實施例，繪示出例示性半導體裝置100的部分透視立體圖。如第1圖所示，半導體裝置100包含於基板102、基板102上的晶種層104、晶種層104上的磊晶層110、磊晶層110上的介電層120、以及在介電層120中的電極結構160與電場變調結構170。應注意的是，為凸顯電極結構160與電場變調結構170之特徵，在此與後續立體圖將位於其間及其下的膜層以「虛線」表示。此外，應注意的是，雖然該些特徵以虛線表示，仍屬於本發明實施例之一部分。

首先，請參照第1圖，提供基板102。在一些實施例中，基板102可以為絕緣上覆矽基板(Silicon on Insulator，SOI)。在一些實施例中，基板102也可包含陶瓷基材以及分別設於陶瓷基材的上下表面的一對阻隔層(未繪示)。

在一些實施例中，陶瓷基材包含陶瓷材料。陶瓷材料包含金屬無機材料。在一些實施例中，陶瓷基材可以包含碳化矽、氮化鋁(AlN)、藍寶石基材或其他適合的材料。上述藍寶石基材可以是氧化鋁。

在一些實施例中，位於陶瓷基材上下表面的阻隔層可包含單一或多層的絕緣材料層以及/或其他合適的材料層，例如半導體層。絕緣材料層可以是氧化物、氮化物、氮氧化物、或其他合適的絕緣材料。半導體層可以為多晶矽。阻隔層可防止陶瓷基材的擴散，並且也可阻隔陶瓷基材與其他膜層或製程機台相互作用。在一些實施例中，阻隔層也可密封(encapsulate)陶瓷基材。此時，阻隔層不僅覆蓋的上下表面，更覆蓋的兩側表面。

接著，繼續參照第1圖，在基板102上形成晶種層104。在一些實施例中，晶種層104可由矽(Si)、氮化鋁(AlN)或其他合適之材料所形成。在一些實施例中，晶種層104的形成方法可包含選擇性磊晶成長(selective epitaxy growth, SEG)製程、化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)製程、分子束磊晶製程(molecular-beam epitaxy, MBE)、沉積經摻雜的非晶半導體(如Si)之後固相磊晶再結晶(solid-phase epitaxial recrystallization，SPER)步驟、藉由直接轉貼晶種的方式、或其他合適的製程。化學氣相沉積製程例如是氣相磊晶(vapor-phase epitaxy，VPE)製程、低壓化學氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition，LPCVD)製程、超高真空化學氣相沉積(ultra-high vacuum chemical vapor deposition，UHV-CVD)製程、或其他合適的製程。

接著，繼續參照第1圖，在晶種層104上形成磊晶層110。在一些實施例中，磊晶層110包含在晶種層104上的緩衝層112、在緩衝層112上的通道層114、在通道層114上的阻障層116。

在一些實施例中，在晶種層104上磊晶成長以形成緩衝層112。緩衝層112可幫助減緩後續形成於緩衝層112上的一通道層114的應變(strain)，且防止缺陷形成於通道層114中。在一些實施例中，緩衝層112的材料是AlN、GaN、Al _xGa _1-xN(1＜x＜1)、前述之組合或類似材料。在一些實施例中，緩衝層112可由氫化物氣相磊晶法(HVPE)、分子束磊晶法(MBE)、有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、前述方法之組合或類似方法而形成。儘管在如第1圖所示的實施例中，緩衝層112為單層結構，但在其他一些實施例中，緩衝層112也可以是多層結構。

接著，在緩衝層112上磊晶形成通道層114。在一些實施例中，通道層114包括未摻雜的III-V族半導體材料。舉例而言，通道層114可以是由未摻雜的氮化鎵(GaN)所形成，但本發明並非以此為限。在一些其他的實施例中，通道層114包括AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他適當的III-V族材料或上述之組合。在一些實施例中，可使用分子束磊晶法(MBE)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、其他適當之方法或上述方法之組合形成通道層114。

之後，在通道層114上磊晶形成阻障層116。在一些實施例中，阻障層116包含未摻雜的III-V族半導體材料。舉例而言，阻障層116是由未摻雜的氮化鎵鋁(Al _xGa _1-xN，其中0＜x＜1)所形成，但本發明並不以此為限。在一些其他的實施例中，阻障層116亦可包含GaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他適當的III-V族材料或上述之組合。舉例而言，可使用分子束磊晶法(MBE)、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、其他適當之方法或上述方法之組合形成阻障層116於通道層114之上。

在一些實施例中，通道層114與阻障層116包括相異的材料，以於通道層114與阻障層116之間形成一異質界面。藉由異質材料的能隙差(band gap)，可使二維電子氣(two-dimensional electron gas，2DEG) (未顯示)形成於此異質界面上。根據一些實施例所形成的半導體結構，例如高電子遷移率電晶體(HEMT)，可利用二維電子氣作為導電載子。在一些實施例中，通道層114可為氮化鎵(GaN)層，而形成於通道層114上之阻障層116可為氮化鎵鋁(AlGaN)層，其中氮化鎵層與氮化鎵鋁層可具有摻雜物(例如n型摻雜物或p型摻雜物)或不具有摻雜物。

另外，在一些實施例中，磊晶層110為三五族之複合層，但本揭露並不以此為限。再者，除了前述的緩衝層112、通道層114以及阻障層116之外，磊晶層110亦可包含其他層膜。例如，在一些其他實施例中，在緩衝層112和通道層114之間可形成碳摻雜層(carbon-doped layer)，以提升半導體結構的崩潰電壓。

接著，繼續參照第1圖，在磊晶層110上形成介電層120以及在介電層中形成電極結構160與電場變調結構170。在一些實施例中，電極結構160與下方磊晶層110可為高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，HEMT)。

在一些實施例中，介電層120包含第一介電層122、第二介電層124與第三介電層126，其可分別包含一或多種單層或多層介電材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane，TEOS)、磷矽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、低介電常數介電材料、及/或其他適合的介電材料。低介電常數介電材料可包含但不限於氟化石英玻璃(fluorinated silica glass，FSG)、氫倍半矽氧烷(hydrogen silsesquioxane，HSQ)、摻雜碳的氧化矽、非晶質氟化碳(fluorinated carbon)、聚對二甲苯(parylene)、苯並環丁烯(bis-benzocyclobutenes，BCB)、或聚醯亞胺(polyimide)。

在一些實施例中，可使用旋轉塗佈製程(spin coating)、化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition， PVD)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、高密度電漿化學氣相沉積(high density plasma CVD， HDPCVD)、其他合適的方法或前述之組合，將上述介電材料沉積於磊晶層110(例如阻障層116)上以形成第一介電層122、第二介電層124與第三介電層126。

在一些實施例中，電晶體160包含源極結構130、汲極結構140與閘極結構150。源極結構130與汲極結構140分別形成於閘極結構150的相對兩側。

在一些實施例中，閘極結構150包含彼此電性連接之閘極電極152及閘極金屬層154，其中閘極電極152形成於阻障層116上，而閘極金屬層154直接形成於閘極電極152上並與其電性連接。

在一些實施例中，閘極金屬層154作為閘極場板，可降低閘極在汲極側上的電場強度。舉例來說，閘極金屬層154完全覆蓋閘極電極152，以降低閘極電極152遭受到高電場的風險。此外，在一些實施例中，閘極金屬層154向汲極結構140延伸並超出閘極電極152，以進一步改善電場分布。

在一些實施例中，閘極電極152的材料可為導電材料，例如金屬、金屬氮化物或半導體材料。在一些實施例中，金屬可為金(Au)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、類似材料、前述之組合或前述之多層。半導體材料可為多晶矽或多晶鍺。上述的導電材料可藉由例如化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)、濺鍍(sputtering)、電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或其它合適的沉積方式形成於阻障層116上，再經由圖案化製程來形成閘極電極152。

在其他實施例中，閘極電極152與阻障層116之間可包含可選的(optional)摻雜化合物半導體層156。

具體來說，在形成閘極電極152之前，可先形成摻雜化合物半導體層156於阻障層116上，才接續將閘極電極152形成在摻雜化合物半導體層156上。藉由形成摻雜化合物半導體層156於閘極電極152與阻障層116之間，可抑制閘極電極152下方的二維電子氣(2DEG)之產生，以達成半導體結構之常關狀態。在一些實施例中，摻雜化合物半導體層156的材料可以是以p型摻雜或n型摻雜的氮化鎵(GaN)。形成摻雜化合物半導體層156的步驟可包含藉由磊晶成長製程在阻障層116上沉積摻雜化合物半導體層(未繪示)並對其執行圖案化製程，以形成摻雜化合物半導體層156對應於預定形成閘極電極152的位置。

在一些實施例中，源極結構130包含彼此電性連接的源極電極132、源極接觸件134、與源極金屬層136，而汲極結構140包含彼此電性連接的汲極電極142、汲極接觸件144、與汲極金屬層146。在一些實施例中，位於閘極電極152兩側的源極電極132與汲極電極142穿過阻障層116而與通道層114接觸。

在一些實施例中，形成於閘極電極152之兩側的源極電極132與汲極電極142可包含相同於閘極電極152的材料且可於同一沉積製程中形成，故此處不再贅述。

在一些實施例中，閘極金屬層154、源極接觸件134、源極金屬層136、汲極接觸件144、及汲極金屬層146可藉由沉積製程與圖案化製程所形成，其材料包含導電材料，例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(titanium nitride，TiN)、氮化鉭(tantalum nitride，TaN)、矽化鎳(nickel silicide，NiSi)、矽化鈷(cobalt silicide，CoSi)、碳化鉭(tantulum carbide，TaC)、矽氮化鉭(tantulum silicide nitride，TaSiN)、碳氮化鉭(tantalum carbide nitride，TaCN)、鋁化鈦(titanium aluminide，TiAl)，鋁氮化鈦(titanium aluminide nitride，TiAlN)、金屬氧化物、金屬合金、其他適合的導電材料或前述之組合。

在一些實施例中，可先參照第2圖，閘極電極152形成於阻障層116上的第一介電層122中，而閘極金屬層154形成於第一介電層122上且埋置於第一介電層122上的第二介電層124 中。並且，位於閘極電極152之兩側的源極接觸件134與汲極接觸件144皆穿過於磊晶層110上的第二介電層124與第三介電層126上並分別與源極電極132與汲極電極142接觸，而源極金屬層136與汲極金屬層146形成於第三介電層126上，並分別電性連接至源極接觸件134與汲極接觸件144。

請回到第1圖，在本發明的一些實施例中，定義源極結構130的延伸方向為第一方向(X方向)，由源極結構130朝向汲極結構140的方向為第二方向(Y方向)，而由源極電極132朝向源極金屬層136的方向為第三方向(Z方向)。在此，X方向、Y方向、Z方向彼此互相垂直。

在一些實施例中，電場變調結構170包含電連接結構172、導電層174、第一接觸件176、與一對第二接觸件177a與177b。

在一些實施例中，電連接結構172電性連接導電層174。在一些實施例中，導電層174位於源極結構150與汲極結構140之間，且電連接結構172電性連接源極結構130與汲極結構140。

在第1圖的實施例中，電連接結構172藉由第一接觸件176電性連接導電層174。此外，電連接結構172的一端藉由第二接觸件177a電性連接源極結構130，而電連接結構172的另一端藉由第二接觸件177b電性連接汲極結構140。也就是說，電連接結構172的一端具有與源極結構130相同的電位，而電連接結構172的一端具有與汲極結構140相同的電位。

由於電連接結構172具有阻值，使得電連接結構172的中央區域可具有不同於兩端的電位。也可以說，只要第一接觸件176與導電層174連接於電連接結構172的位置不同於源極結構130與汲極結構140連接於電連接結構172的位置，即可使第一接觸件176與導電層174的電位不同於源極結構130與汲極結構140的電位。

在一些實施例中，位於源極結構130與汲極結構140之間的第一接觸件176與導電層174的電位也會介於源極結構130的電位與汲極結構140的電位之間。

藉由設置電位不同於源極結構130與汲極結構140的第一接觸件176與導電層174，可優化電場分布。

此外，在第1圖的實施例中，第一接觸件176與導電層174設置於閘極結構150與汲極結構140之間。藉此可使閘極結構150免於遭受高電場而提升半導體效能。

在一些實施例中，第一接觸件176、以及第二接觸件177a/177b的材料可類似於源極接觸件134與汲極接觸件144的材料，且可於同一道沉積製程中形成，在此不再贅述。

在一些實施例中，電連接結構172與導電層174的材料包含半導體材料或金屬材料。

上述金屬材料包含金屬及金屬矽化物等等。金屬可為金(Au)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、鋁銅(AlCu)、類似材料、前述之組合或前述之多層。金屬矽化物可為矽化鎳(SiNi)、矽化鈦(SiTi₂)、矽化鈷(SiCo)、類似材料、前述之組合或前述之多層。上述半導體材料可為摻雜或非摻雜的非晶矽(amorphous silicon)、多晶矽(polycrystalline silicon)、多晶鍺或氮化鎵(GaN)、類似材料、前述之組合或前述之多層。

在一些實施例中，電連接結構172為半導體材料而導電層174的材料為金屬材料，可進一步達到節省能源的效果。詳細而言，電連接結構172為未摻雜之多晶矽(polycrystalline silicon)而導電層174為銅(Cu)時，可在不大幅漏電的情況下有效產生不同於源極結構與汲極結構的電位。

在一些實施例中，電連接結構172之阻值為10⁶Ω-10⁸Ω。在此範圍內，可使半導體裝置在節省能源的情況下達到較優化的電場分布。

在一些實施例中，電連接結構172、導電層174、第一接觸件176、以及第二接觸件177a/177b可藉由沉積製程與圖案化製程所形成，細節類似於前文所述，在此不再贅述。

接著，請參照第2圖。第2圖是根據本發明的一些實施例，繪示出對應於第1圖所示之半導體裝置100的A-A’線段剖面圖。應注意的是，閘極結構150位於A-A’線段之-X方向側，然為凸顯閘極結構150與其他元件的相關位置，因此在此以虛線表示閘極結構150。

在第2圖的實施例中，電連接結構172直接接觸該阻障層116並埋設於第一介電層122中，且電連接結構172的兩端接近但不接觸源極電極132與汲極電極142。也就是說，電連接結構172藉由第一介電層122間隔源極電極132與汲極電極142。此外，電連接結構172的頂表面、源極電極132的頂表面、與汲極電極142的頂表面大致上與第一介電層122齊平。

此外，在第2圖的實施例中，第一接觸件176與第二接觸件177a/177b大致上與源極接觸件134與汲極接觸件144高度相同，使得源極金屬層136、汲極金屬層146以及導電層174皆位於同一水平(level)。

此外，在第2圖的實施例中，在第二方向(Y方向)上，電連接結構172的長度L可大於源極金屬層136到汲極金屬層146的距離，但長度L小於源極電極132到汲極電極142之間的距離。

此外，在第2圖的實施例中，源極電極132與汲極電極142藉由接觸件(例如源極接觸件134與汲極接觸件144)、其上方金屬層(例如源極金屬層136與汲極金屬層146)、與接觸件(例如第二接觸件177a與177b)電性連接電連接結構172，以確保形成歐姆接觸。

在第2圖的實施例中，在第二方向(Y方向)上，以源極結構130、閘極結構150、導電層174與汲極結構140的順序排列。

此外，在第二方向(Y方向)上，導電層174可重疊或不重疊於閘極結構150，只要不影響元件運作即可。

此外，閘極電極152與摻雜化合物半導體層156與電連接結構172設置於同一水平(level)上，而閘極金屬層154與電連接結構172設置於不同水平上。也就是說，在第三方向(Z方向)上，閘極金屬層154與電連接結構172設置於不同位置上。

此外，閘極金屬層154設置於第一接觸件176與第二接觸件177a之間，且藉由第二介電層124與第一接觸件176與第二接觸件177a間隔，以避免短路。

接著，請參照第3圖。第3圖是根據本發明的一些實施例，繪示出由第1圖的所示之半導體裝置中部分元件的上視圖。詳細而言，第3圖僅將源極電極132、閘極電極152、汲極電極142、電連接結構172與導電層174投影至XY平面上，以便於描述相關位置。在此，與導電層174重疊並位於其下的電連接結構172以虛線表示。

在第3圖的實施例中，閘極電極152的兩端往第二方向(Y方向)延伸到汲極電極142所定義的範圍(如圖中虛線所示)為存取區(access region)180，其一般用於提升元件崩潰電壓，且其在第二方向的長度越長，耐壓越高。

在第3圖的實施例中，導電層174跨過存取區180上方，而電連接結構172位於存取區180外。藉此，電連接結構172可在不影響裝置操作的情況下，藉由導電層174優化電場分布，以降低閘極結構150在汲極結構140側(+Y方向)的電場強度。

接著，請參照第4圖。第4圖是根據本發明的一些實施例，繪示出對應於第1圖所示之半導體裝置的上視圖。應注意的是，為以簡化圖式並凸顯其他元件的相對關係，在此並未繪示位於該些特徵之間的介電層120。在此與後續的上視圖中，與源極金屬層136重疊並位於其下的閘極金屬層154，以及與源極金屬層136、閘極金屬層154或導電層174重疊並位於其下的電連接結構172以虛線表示。

在第4圖的實施例中，源極金屬層136、閘極金屬層154、導電層174、與汲極金屬層146皆沿著第一方向(X方向)延伸，而電連接結構172沿著第二方向(Y方向)延伸。

此外，在第二方向(Y方向)上，源極金屬層136、導電層174與汲極金屬層146皆重疊設置於電連接結構172上。此外，在第一方向(X方向)上，電連接結構172與源極金屬層136重疊設置。

接著，請搭配第4-6圖，以便於描述電連接結構172的形狀與電性連接電連接結構172的導電層174的電位關係。第5圖是根據本發明的其他實施例，繪示出半導體裝置的上視圖。第6圖是根據本發明的其他實施例，繪示出半導體裝置的上視圖。

在第4圖的實施例中，在第一方向(X方向)上，電連接結構172的長度固定，且在第二方向(Y方向)上，電連接結構172在源極結構130與汲極結構140之間呈現線性，因此電性連接電連接結構172的導電層174的電位與其第二方向(Y方向)上的位置有線性關係。

舉例來說，在電連接結構172的兩端電性連接源極結構130與汲極結構140時，汲極結構140的電位為600V，源極結構130的電位為0V(接地)，電連接結構172的正中央的電位為300V，因此電性連接電連接結構172的正中央的第一接觸件176與導電層174的電位也為300V。

也就是說，在第4圖的實施例中，第一接觸件176與導電層174的電位可以藉由第一接觸件176連接於電連接結構172的位置(節點)來決定。

在其他實施例中，例如第5圖及第6圖的實施例，電連接結構172相對於源極結構130與汲極結構140之間的中線不對稱時，電性連接電連接結構172的導電層174的電位與其第二方向(Y方向)上的位置可能呈現非線性關係。

具體而言，在第5圖的實施例中，電連接結構172在第一方向(X方向)的長度沿著第二方向(+Y方向)逐漸變小，而呈現梯形形狀。在第6圖的實施例中，電連接結構172在第一方向(X方向)的位置隨著第二方向不同而不同，因而呈現彎曲狀。而此時，電性連接電連接結構172的導電層174的電位則為非線性關係。

本發明實施例藉由並聯電連接結構172於汲極結構140與源極結構130的兩端，並將電連接電連接結構172的導電層設置於汲極結構140與源極結構130之間，可使電場變調，將存取區180表面的電場拉高，使得靠近閘極結構150與源極結構130的表面電場降低。

此外，本發明實施例藉由電場變調結構170，形成額外的導通路徑，在裝置關斷時可防止載子(例如電荷)被捕捉住(例如於介質中)，進一步避免產生熱載子(thermionic electron)，因而提升半導體效能。

第7圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置200的部分透視立體圖。第7圖中的半導體裝置200與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：源極結構130完全覆蓋閘極結構150。詳細而言，源極金屬層136可作為源極場板，沿著+Y方向延伸並超出閘極結構150。藉以進一步降低閘極結構150在汲極結構140(+Y方向)側上的電場強度。

請搭配參照第8-9圖。第8圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置300的部分透視立體圖。第9圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第8圖所示之半導體裝置的B-B’線段剖面圖。

應注意的是，在此以及後續圖式皆省略閘極結構150，以簡化圖式並凸顯其他元件的相對關係。

第8圖中的半導體裝置300與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：電連接結構172埋設於第二介電層124中。也就是說，電連接結構172藉由第一介電層122間隔磊晶層110，而與源極電極132與汲極電極142設在不同水平。藉由較耐高壓的區域(例如遠離磊晶層110的地方)設置電連接結構172，可降低轟擊電離(impact ionization)，進而提升元件的崩潰電壓和可靠度。

在第8圖的實施例中，電連接結構172的材料可為半導體材料而導電層174的材料可為金屬材料。在一些實施例中，電連接結構172為多晶矽(polycrystalline silicon)，而導電層174為銅(Cu)。在此實施例中，藉由第一介電層122避免電連接結構172與磊晶層110直接接觸，可防止電連接結構172影響下方磊晶層110的運作。

接著，請繼續參照第9圖。在第9圖的實施例中，電連接結構172的底表面齊平於源極電極132、汲極電極142與第一介電層122的上表面。此外，在第三方向(Z方向)上，電連接結構172位於源極電極132與源極金屬層136之間。因此，在第三方向(Z方向)上，第一接觸件176與第二接觸件177a/177b的高度皆小於源極接觸件134與汲極接觸件144的高度。

請搭配參照第10-11圖。第10圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第11圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第10圖所示之半導體裝置的C-C’線段剖面圖。

第10圖中的半導體裝置400與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：第一與第二接觸件176/177a/177b更延伸穿過第一介電層122與阻障層116並與通道層114接觸以及位於阻障層116與通道層114界面的二維電子氣(2DEG)作為電連接結構172。詳細而言，第一與第二接觸件176/177a/177b接觸二維電子氣(2DEG)，使得位置不同於汲極結構140與源極結構130的二維電子氣，可產生不同於汲極結構140與源極結構130的電位，進而達到增加場板效應以改善半導體裝置的效能。

接著，請繼續參照第11圖。在通電時，二維電子氣(2DEG)在源極電極132與汲極電極142之間流動，而介於第二接觸件177a與177b之間的二維電子氣(2DEG)作為電連接結構172，得以在減少複雜度的情況下提供不同於源極電極132與汲極電極142的電位。

第12圖是根據本發明的一些其他實施例，繪示出例示性半導體裝置500的部分透視立體圖。應注意的是，在此以及後續皆省略電極結構160與電場變調結構170之間以及下方的各個膜層(例如介電層120、磊晶層110等等)，以簡化圖式並凸顯其他元件的相對關係。

第12圖中的半導體裝置500與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：電連接結構172並未設置於源極電極132與汲極電極142之間。詳細而言，在第一方向(X方向)上，電連接結構172不與源極接觸件134及源極電極132重疊。也就是說，在第一方向(X方向)上，電連接結構172藉由介電層(未繪示)間隔源極電極132與源極接觸件134。另一方面，在第一方向(X方向)上，電連接結構172與部分的源極金屬層136重疊。

此外，由於電連接結構172並未設置於源極電極132與汲極電極142之間，可使電連接結構172在第二方向(Y方向)的長度L大於源極電極132與汲極電極142之間的距離。也就是說，電連接結構172超出汲極結構140的+Y方向側，也超出源極結構130的-Y方向側。因此，可依實際需求調整電連接結構之長度，以利於元件製作。

第13圖是根據本發明的一些其他實施例，繪示出例示性半導體裝置600的部分透視立體圖。第13圖中的半導體裝置600與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：另一源極金屬層138及另一汲極金屬層148更形成於源極金屬層136及汲極金屬層146上，並藉由源極接觸件134與汲極接觸件144電性連接源極電極132與汲極電極142，且藉由第二接觸件177a/177b電性連接電連接結構172。

在此實施例中，另一源極金屬層138向+Y方向延伸並超出源極金屬層136。也就是說，在上視圖(未繪示)中，另一源極金屬層138可完全覆蓋源極金屬層136。藉此，可增加場板效應，以降低高電場對源極結構的影響。

在此實施例中，第二接觸件177a與177b皆向第三方向(+Z方向)延伸超過源極金屬層136及汲極金屬層146，進而接觸另一源極金屬層138及另一汲極金屬層148。此外，第二接觸件177a/177b與源極金屬層136及汲極金屬層146不直接接觸(例如間隔介電層)。

此外，第一接觸件176沿著第三方向(+Z方向)延伸並且接觸導電層174。也就是說，第一接觸件176的兩端連接導電層174與電連接結構172。

在此實施例中，導電層174、另一源極金屬層138、另一汲極金屬層148位於同一層上。藉此，可在不影響裝置操作的情況下，改變裝置的電場分布。

第14圖是根據本發明的一些其他實施例，繪示出例示性半導體裝置700的部分透視立體圖。第14圖中的半導體裝置700與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：另一源極金屬層138及另一汲極金屬層148更形成於源極金屬層136及汲極金屬層146上，且導電層174包括三個導電層1741/1742/1743，並電連接電連接結構172。

詳細而言，在與源極金屬層136及汲極金屬層146同一層上，設置導電層1741與導電層1742，而在與另一源極金屬層138及另一汲極金屬層148同一層上，設置導電層1743。藉此，可在接近閘極結構(未繪示)處大幅降低電場，而在遠離閘極結構(未繪示)處優化電場分布，以增加半導體效能。

在此實施例中，第一接觸件176包括複數個第一接觸件1761/1762/1763，其分別電連接複數個導電層1741/1742/1743。也可以說，一個接觸件對應於一個導電層。在此，各個第一接觸件1761/1762/1763的材料與形成方法類似於先前所述，各個導電層1741/1742/1743的材料與形成方法類似於先前所述，在此不再贅述。

在此實施例中，藉由另一源極金屬層138向第二方向(+Y方向)延伸，可更降低源極結構的電場。

請搭配參照第15-17圖。第15圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第16圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第15圖所示之半導體裝置的上視圖。第17圖是根據本發明的其他實施例，繪示出由第15圖的所示之半導體裝置中部分元件向+Z軸投影至XY平面的投影圖。

第15圖中的半導體裝置800與第1圖中的半導體裝置100的差異在於：電連接結構172包括兩個電連接結構1721/1722，第一接觸件176包括兩個第一接觸件1761/1762，第二接觸件177a/177b包括兩對第二接觸件177a1/177a2/177b1/177b2。詳細而言，電連接結構1722(或另一電連接結構1722)位於電連接結構1721的-X方向上。

在第15圖的實施例中，電連接結構1721與1722的其中一端(靠近-Y方向側)藉由第二接觸件177a1與177a2、源極金屬層136以及源極接觸件134電性連接至源極電極132。而電連接結構1721與1722的另一端(靠近+Y方向側)藉由第二接觸件177b1與177b2、汲極金屬層146以及汲極接觸件144電性連接至汲極電極142。

此外，電連接結構1721與1722的中央區域藉由第一接觸件1761與1762分別連接導電層174的兩端。在第二方向(Y方向)上，第一接觸件1761與1762完全重疊，藉以提供導電層174相同的電位。

藉由並聯複數個電連接結構，並於其上電連接導電層，可在導通時提供多個電位值，還可在關斷時提供載子(如電荷)多條導通路徑，不但可優化電場分布，還可防止載子在膜層間累積，進而增加半導體效能。

接著，請參照第16圖。在第16圖的實施例中，電連接結構1721與1722皆沿著第二方向(Y方向)延伸，而源極金屬層136及汲極金屬層146皆沿著第一方向(X方向)延伸，因此可形成方形形狀。此外，導電層174也沿著第一方向(X方向)延伸，而與第二方向(Y方向)延伸的電連接結構1721與1722呈現兩處交點。

在此實施例中，源極金屬層136、導電層174、汲極金屬層146與電連接結構1721/1722將構成數字「8」的形狀。

接著，請參照第17圖。第17圖僅將半導體裝置800中的源極接觸件134、汲極接觸件144、電連接結構1721/1722、兩個第一接觸件1761/1762與兩對第二接觸件177a1/177a2/177b1/177b2投影到源極金屬層136、導電層174、與汲極金屬層146的平面上，以便於凸顯特徵的相關位置。此外，為凸顯第一與第二接觸件的相關位置，在此投影圖中，電連接結構1721/1722以虛線表示並繪示於第一與第二接觸件的下層。

在此實施例中，靠近源極結構130的第二接觸件177a1/177a2、靠近汲極結構140的第二接觸件177b1/177b2與第一接觸件1761/1762彼此橫向間隔。詳細來說，在同樣靠近源極結構130的兩個第二接觸件177a1與177a2彼此並不直接接觸，而是藉由源極金屬層136電性連接。而電性連接於電連接結構1721的第一接觸件1761與第二接觸件177a1與177b1彼此也不直接接觸。

請搭配參照第18-19圖。第18圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置900的部分透視立體圖。第19圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第18圖所示之半導體裝置900的上視圖。

第18圖中的半導體裝置900與第15圖中的半導體裝置800的差異在於：導電層174包括兩個導電層1741/1742並且第一接觸件包括四個第一接觸件1761/1762/1763/1764。在此實施例中，一個導電層對應於兩個第一接觸件，例如導電層1742藉由第一接觸件1764與1763分別電性連接到電連接結構1721與1722。

此外，在第18圖的實施例中，在第二方向(Y方向)上，第一接觸件1761與1763並不重疊且第一接觸件1762與1764也不重疊，因此導電層1741與1742不重疊。也就是說，導電層1741與1742可具有不同的電位。

藉由多個導電層，可將源極結構與汲極結構的電位分割成多個介於源極結構與汲極結構的電位，以有效改善半導體裝置中的電場分布，以降低在-Y方向側上元件(例如源極結構130與閘極結構(未繪示))的電場。

接著，請參照第19圖。第19圖的實施例類似於第16圖的實施例，其差異在於兩個導電層1741/1742沿著第一方向(X方向)延伸，並與第二方向(Y方向)延伸的電連接結構1721/1722呈現四處交點。

請搭配參照第20-21圖。第20圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置1000的部分透視立體圖。第21圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第20圖所示之半導體裝置1000的上視圖。

第20圖中的半導體裝置1000與第15圖中的半導體裝置800的差異在於：導電層174並非沿著第一方向延伸，而是與第一方向呈一夾角。詳細而言，在第二方向(Y方向)上，第一接觸件1761與1762並不設置於相同的位置上。也可以說，在第二方向(Y方向)上，兩者齊平，或具有一間距。因此，連接於第一接觸件1761與1762的導電層174的兩端之電位並不相同。

接著，請參照第21圖。第21圖的實施例類似於第16圖的實施例，其差異在於導電層174並非沿著第一方向(X方向)延伸，而是沿著與第一方向具有一夾角的方向延伸。因此，在第21圖的實施例中，導電層174將由源極金屬層136、汲極金屬層146與電連接結構1721/1722圍繞的方形形狀切割成兩個梯形。藉此，使得電場變調結構170之布局更具有彈性。

綜上所述，本發明實施例提供之電場變調結構，可產生不同於源極結構與汲極結構的電位，可改變電場分布，並降低表面電場。此外，在裝置關斷時，也能藉由導通路徑將載子引導到裝置外，以減少裝置的電性變化。也就是說，本發明實施例可藉由上述之特徵提升半導體裝置之操作穩定性與可靠度。

以上概述數個實施例，以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，他們能以本發明實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的製程和結構並無悖離本發明的精神與範圍，且他們能在不違背本發明之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。

100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000:半導體裝置

102:基板

104:晶種層

110:磊晶層

112:緩衝層

114:通道層

116:阻障層

120:介電層

122:第一介電層

124:第二介電層

126:第三介電層

130:源極結構

132:源極電極

134:源極接觸件

136:源極金屬層

138:源極金屬層

140:汲極結構

142:汲極電極

144:汲極接觸件

146:汲極金屬層

148:汲極金屬層

150:閘極結構

152:閘極電極

154:閘極金屬層

156:摻雜化合物半導體層

160:電極結構

170:電場變調結構

172:電連接結構

1721,1722:電連接結構

174:導電層

1741,1742,1743:導電層

176:第一接觸件

1761,1762,1763,1764:第一接觸件

177a:第二接觸件

177a1,177a2:第二接觸件

177b:第二接觸件

177b1,177b2:第二接觸件

180:存取區

L:長度

A-A’,B-B’,C-C’:線段

以下將配合所附圖式詳述本發明實施例。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上，可能任意地放大或縮小元件的尺寸，以清楚地表現出本發明實施例的特徵。第1圖是根據本發明的一些實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第2圖是根據本發明的一些實施例，繪示出對應於第1圖所示之半導體裝置的A-A’線段剖面圖。第3圖是根據本發明的一些實施例，繪示出由第1圖的所示之半導體裝置中部分元件的上視圖。第4圖是根據本發明的一些實施例，繪示出對應於第1圖所示之半導體裝置的上視圖。第5圖是根據本發明的其他實施例，繪示出半導體裝置的上視圖。第6圖是根據本發明的其他實施例，繪示出半導體裝置的上視圖。第7圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第8圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第9圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第8圖所示之半導體裝置的B-B’線段剖面圖。第10圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第11圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第10圖所示之半導體裝置的C-C’線段剖面圖。第12-14圖是根據本發明的一些其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第15圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第16圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第15圖所示之半導體裝置的上視圖。第17圖是根據本發明的其他實施例，繪示出由第15圖的所示之半導體裝置中部分元件向+Z軸投影至XY平面的投影圖。第18圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第19圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第18圖所示之半導體裝置的上視圖。第20圖是根據本發明的其他實施例，繪示出例示性半導體裝置的部分透視立體圖。第21圖是根據本發明的其他實施例，繪示出對應於第20圖所示之半導體裝置的上視圖。

100:半導體裝置