TWI779612B - 良好晶格匹配的增強型iii-v族半導體元件與其製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種增強型III-V族半導體元件，其包括：基板；形成於所述基板之上的緩衝層；形成於所述緩衝層之GaN的通道層；形成於所述通道層之上之AlGaN的阻障層；形成於所述阻障層之上的AlGaN的蝕刻停止層，其化學組成式為Al
xGa
(1-x)N，其中0.4＜=x＜=0.7，且所述AlGaN的蝕刻停止層對應於源極與汲極區域之厚度小於所述AlGaN的蝕刻停止層對應於閘極區域之厚度；形成於所述AlGaN的蝕刻停止層之閘極區域的pGaN層；以及分別形成於所述AlGaN的蝕刻停止層之源極區域與汲極區域上的源極與汲極。本發明實施例提供了增強型III-V族半導體元件具有良好晶格匹配、高元件崩潰電壓且動態電阻電晶體特性佳等優點。
Description
本發明是有關於一種增強型III-V族半導體元件，且特別是有關於一種良好晶格匹配、高元件崩潰電壓且動態電阻電晶體特性佳的增強型III-V族半導體元件與其製造方法。
目前具有矽基板之氮化鋁鎵/氮化鎵高速電子遷移率場效電晶體(AlGaN/GaN HEMT)，因氮化鎵有先天的材料優勢及特性擁有卓越的載子傳輸特性，因此常被應用於微波射頻領域以及電源功率轉換領域。傳統的氮化鋁鎵/氮化鎵電晶體主要利用其材料特性，使得在異質接面處產生極化電荷，這些極化電荷吸引電子對在接面處形成高密度的二維電子氣，讓部分傳導帶低於費米能階，形成常開型元件即當閘極零偏壓下時有電流導通，因此在電路設計上必須額外再閘極金屬上施加負偏壓才能是元件操作在關閉狀態下。
P型氮化鎵(pGaN)電晶體，藉由磊晶時將鎂(Mg)摻雜在氮化鎵層中並且透過高溫活化的方式形成pGaN層，與氮化鋁鎵形成P-N空乏區，再透過蝕刻非閘極區域的pGaN層形成P型閘極來避免空乏過多的二維電子氣，進而達到增強型元件的效果。蝕刻pGaN層的蝕刻準確度非常重要，利用感應耦合電漿蝕刻機通入BCl
3/Cl
2的混和氣體蝕刻pGaN層，若蝕刻過吃至氮化鋁鎵層會導致異質接面處的極化效應變低，影響二維電子氣的濃度降低。反之閘極區域外若有殘留pGaN，電洞會注入通道層導致二維電子氣的濃度降低，對於元件的特性表現也不好。簡單地說，計算機台蝕刻速率並進行pGaN層蝕刻的做法會因為機台的不穩定性，導致pGaN層會有蝕刻不足或蝕刻過多的問題。
請參照圖1，圖1是傳統III-V族半導體元件的垂直剖面示意圖。目前為了改善蝕刻準確度的問題，已提出pGaN層103與AlGaN層(阻障層105)之間多磊晶一層氮化鋁(AlN)當作蝕刻停止層104，並通入BCl
3/Cl
2/SF
6混和氣體蝕刻pGaN層103至AlN層(蝕刻停止層104)時，由於高濃度的鋁離子會與SF
6的氟離子鍵結形成硬度較高且不易揮發的氟化鋁(AlF
3)，阻擋BCl
3/Cl
2氣體繼續蝕刻達到蝕刻停止的目的。然而加入AlN的蝕刻停止層104，由於氮化鋁與氮化鎵晶格差異大會導致晶格不匹配，影響閘極102的可靠度及增強型III-V族半導體元件之特性。
根據本發明之目的，提供一種增強型III-V族半導體元件，其包括：基板；形成於所述基板之上的緩衝層；形成於所述緩衝層之GaN的通道層；形成於所述通道層之上之AlGaN的阻障層；形成於所述阻障層之上的AlGaN的蝕刻停止層，其化學組成式為Al
xGa
(1-x)N，其中0.4＜=x＜=0.7，且所述AlGaN的蝕刻停止層對應於源極與汲極區域之厚度小於所述AlGaN的蝕刻停止層對應於閘極區域之厚度；形成於所述AlGaN的蝕刻停止層之閘極區域的pGaN層；以及分別形成於所述AlGaN的蝕刻停止層之源極區域與汲極區域上的源極與汲極。
根據本發明之目的，提供一種增強型III-V族半導體元件的製造方法，其包括：提供未形成源極、汲極與閘極且具有二維電子氣的增強型III-V族半導體結構，其中所述增強型III-V族半導體結構的通道層與阻障層分別為GaN的通道層與AlGaN的阻障層；在所述增強型III-V族半導體結構的阻障層上形成AlGaN的蝕刻停止層，其化學組成式為Al
xGa
(1-x)N，其中0.4＜=x＜=0.7；在所述AlGaN的蝕刻停止層形成pGaN層，以及在所述pGaN層形成遮罩層，以定義出閘極區域、源極區域與汲極區域；進行氣體電漿蝕刻，以蝕刻所述源極區域與汲極區域上的pGaN層的全部與蝕刻所述源極區域與汲極區域上的AlGaN的蝕刻停止層之部分，並移除所述遮罩層與使用二氧化矽蝕刻液去除殘餘的氟化鋁來進行表面處理；以及在所述閘極區域、源極區域與汲極區域上形成閘極、源極與汲極。
可選地，所述AlGaN的蝕刻停止層於閘極區域的厚度為2至10nm，且所述AlGaN的蝕刻停止層之蝕刻損耗原厚度為10%至90%。
可選地，所述AlGaN的阻障層的化學組成式為Al
zGa
1-zN，0.1＜=z ＜=0.3，且其厚度為5至30nm。
可選地，所述pGaN層摻雜有Mg，其濃度為10
-18至10
-20，以及所述pGaN層的厚度60至150nm。
可選地，所述增強型III-V族半導體元件，更包括：形成於所述基板與所述緩衝層之間的成核層；以及形成所述阻障層與所述AlGaN的蝕刻停止層之間的覆蓋層。
可選地，使用感應耦合電漿(ICP)蝕刻機，設定氣體流量BCl
3/Cl
2/SF
6為1-50sccm/1-50sccm/1-50sccm、射頻偏壓功率為10-100瓦、ICP功率為 100-500W及腔體內壓為7.5-75mTorr來進行蝕刻，其中測得蝕刻速率為小於0.65nm/s，且蝕刻時間為至少120秒。
總而言之，相對於先前技術，本發明實施例提供的增強型III-V族半導體元件具有良好晶格匹配、高元件崩潰電壓且動態電阻電晶體特性佳等優點。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
為了解決先前技術之晶格匹配較差的技術問題，本發明實施例使用AlGaN層來做為蝕刻停止層，其中化學組成式為Al
xGa
(1-x)N，且x為0.4至0.7(包括0.4與0.7兩個端點值)，其主要是要降低鋁的莫爾濃度以使晶格匹配更為良好。之後，通入BCl
3/Cl
2/SF
6混和氣體蝕刻P型氮化鎵至氮化鋁鎵的蝕刻停止層時，由於高濃度的鋁離子會與SF
6的氟離子鍵結形成硬度較高且不易揮發的氟化鋁(AlF
3)，阻擋BCl
3/Cl
2氣體繼續蝕刻，之後二氧化矽蝕刻液去除殘餘的氟化鋁，確保元件特性不會被氟化鋁所影響。上述做法除了可改善電晶體之晶格匹配與增強閘極可靠度之外，由於氮化鋁鎵的蝕刻停止層磊晶至P型GaN層與氮化鋁鎵的阻障層之間，上述做法能具有高蝕刻選擇比，故可以提高元件崩潰電壓與動態電阻之電晶體特性。
首先，請參照圖3E，本發明實施例的良好晶格匹配的增強型III-V族半導體元件的製造方法的最後成品如圖3E。增強型III-V族半導體元件包括源極100、汲極101、閘極102、P型氮化鎵層103、氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A、氮化鋁鎵的阻障層105、氮化鎵的通道層106、緩衝層107與基板108。氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A的氮化鋁鎵的化學組成式為Al
xGa
(1-x)N，其中0.4＜=x＜=0.7，其閘極區域上的厚度為2至10nm(包括2nm與10nm兩個端點值)，且蝕刻損耗原厚度為10%至90%(包括10%與90%兩個端點值)。
緩衝層107形成於基板108之上，且可選地，於垂直方向上，緩衝層107與基板108之間可以更具有成核層(圖未繪示)。氮化鎵的通道層106形成於緩衝層107之上，氮化鋁鎵的阻障層105形成於氮化鎵的通道層106之上。氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A形成於氮化鋁鎵的阻障層105之上，且於水平方向上的左邊部分、中間部分與右邊部分分別對應源極區域、閘極區域與汲極區域，其中氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A左邊部分與右邊部分的厚度小於氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A中間部分的厚度，其厚度比例關聯於蝕刻損耗原厚度，氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A中間部分的厚度相比於氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A左邊部分與右邊部分的厚度約為1:0.9至1:0.1(包括1:0.9與1:0.1的兩個端點值)。另外，可選地，於垂直方向上，氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A與氮化鋁鎵的阻障層105可以具有覆蓋層(cap layer，圖未繪示)。源極100與汲極101分別位於氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A左邊部分與右邊部分之上，P型氮化鎵層103位於氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A中間部分之上，以及閘極102位於P型氮化鎵層103之上。
基板108可以是例如為矽、絕緣層上覆矽(SOI)、碳化矽(SiC)、藍寶石基板或其他能夠讓增強型III-V族半導體磊晶的基板，且本發明不以此為限制。若選擇設計有成核層的話，成核層例如為低溫的GaN層、低溫的AlN層、高溫的GaN層或高溫的AlN層，且本發明不以此為限制。緩衝層107可以例如為AlN層、AlGaN層、InGaN層、超晶體(super lattice) AlN/GaN層、超晶體AlGaN/GaN層、超晶體AlN/AlGaN、碳摻雜GaN層、鐵摻雜GaN層或無摻雜GaN層，且本發明不以此為限制。在緩衝層107選用AlGaN層時，AlGaN的化學組成式為的化學組成式為Al
yGa
1-yN，0.05＜=y。阻障層105之AlGaN的化學組成式為Al
zGa
1-zN，0.1＜=z ＜=0.3，且厚度為5至30nm(包括5nm與30nm兩個端點值)。若選擇設計有覆蓋層的話，覆蓋層例如為GaN層、GaN層、AlN層、AlGaN層或InGaN層。
源極100與汲極101的每一者為形成歐姆接觸電極的金屬堆疊層，其例如包括由下往上排序的第一結構層與第二結構層，第一結構層可以是Ti/Al雙層結構，而第二結構層可以是Ni/Au雙層結構、Ti/Ta雙層結構、Ti層、TiN層、Cu層或W層，且本發明不以此為限制。閘極102為控制通道的蕭特基電極，其為Ti、Al、N與Au的至少其中一者所形成的金屬堆疊層，例如Ni/Au的雙層結構，且本發明不此為限制。P型氮化鎵層103摻雜有Mg，其濃度為10
-18至10
-20(包括10
-18與10
-20兩個端點值)，以及P型氮化鎵層103的厚度60至150nm(包括60nm與150nm兩個端點值)。
接著，請參照圖2與圖3A至圖3E，圖2是本發明實施例的良好晶格匹配的增強型III-V族半導體元件的製造方法之流程圖，以及圖3A至圖3E是本發明實施例的良好晶格匹配的增強型III-V族半導體元件的製造方法之各步驟成品的剖面示意圖。首先，在步驟S21，提供一個未形成源極、汲極與閘極且具有二維電子氣的增強型III-V族半導體結構，如圖3A所示，此增強型III-V族半導體結構包括由上而下依序堆疊的基板108、緩衝層107、氮化鎵的通道層106與氮化鋁鎵的阻障層105。接著，在步驟S22中，於增強型III-V族半導體結構之氮化鋁鎵的阻障層105上形成氮化鋁鎵的蝕刻停止層104B，如圖3B所示，其中氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A的氮化鋁鎵的化學組成式為Al
xGa
(1-x)N， 0.4＜=x＜=0.7，且其厚度為厚度2至10nm(包括2nm與10nm兩個端點值)。 然後，在步驟S23中，在氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A上依序形成P型GaN層103A與遮罩層109(例如，但不限定為由光阻材料構成)，以定義出閘極、源極及汲極區域，如圖3C所示，其中P型氮化鎵層103A摻雜有Mg，其濃度為10
-18至10
-20(包括10
-18與10
-20兩個端點值)，以及P型氮化鎵層103A的厚度60至150nm(包括60nm與150nm兩個端點值)。
之後，在步驟S24中，進行氣體電漿蝕刻，並移除遮罩層109與使用二氧化矽蝕刻液去除殘餘的氟化鋁進行表面處理，其中P型GaN層103A對應於源極區域與汲極區域的左邊與右邊部分完全被蝕刻，只留下對應閘極區域的P型GaN層103，以及氮化鋁鎵的蝕刻停止層104A對應於源極區域與汲極區域的左邊與右邊部分約有10%至90%被蝕刻(蝕刻損耗原厚度10%至90%)，以形成經蝕刻後的氮化鋁鎵的蝕刻停止層104，如圖3D。進一步地，在步驟S24中，是使用感應耦合電漿(ICP)蝕刻機，設定氣體流量BCl
3/Cl
2/SF
6為1-50sccm/1-50sccm/1-50sccm、射頻偏壓功率為10-100瓦、ICP功率為 100-500W及腔體內壓為7.5-75mTorr來進行蝕刻，其中測得蝕刻速率為小於0.65nm/s，並在蝕刻期間為120秒時達到蝕刻停止，並蝕刻至240 秒(即實蝕刻時間至少為120秒)，以證實氮化鋁鎵蝕刻停止層能解決蝕刻過多的問題，且計算獲得的蝕刻選擇比高達37.5:1。接著，在步驟S25中，在源極區域、汲極區域與閘極區域分別形成形成源極100、汲極101與閘極102，如圖3E所示。
綜合以上所述，本發明實施例提供了一種良好晶格匹配、高元件崩潰電壓且動態電阻電晶體特性佳的增強型III-V族半導體元件與其製造方法。進一步地，透過X光繞射量測(XRD)後，本發明實施例的增強型III-V族半導體元件之螺旋差排及刃差排較傳統III-V族半導體元件之螺旋差排及刃差排來得低(表示有良好經格匹配)；透過電性量測，本發明實施例的增強型III-V族半導體元件之臨界電壓、漏電流、源極汲極開啟電阻(R
DS_ON)與動態電阻比值較傳統III-V族半導體元件之臨界電壓、漏電流、源極汲極開啟電阻與與動態電阻比值來得低，本發明實施例的增強型III-V族半導體元件之飽和電流、崩潰電壓較傳統III-V族半導體元件之飽和電流、崩潰電壓來得高。
綜觀上述，可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，再者，本發明申請前未曾公開，且其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
100:源極
101:汲極
102:閘極
103、103A:pGaN層
104、104A、104B:蝕刻停止層
105:阻障層
106:通道層
107:緩衝層
108:基板
109:遮罩層
S21～S25:步驟
本發明之多個附圖僅是用於使本發明所屬技術領域的通常知識者易於了解本發明，其尺寸與配置關係僅為示意，且非用於限制本發明，其中各附圖簡要說明如下：
圖1是傳統III-V族半導體元件的垂直剖面示意圖；
圖2是本發明實施例的良好晶格匹配的增強型III-V族半導體元件的製造方法之流程圖；以及
圖3A至圖3E是本發明實施例的良好晶格匹配的增強型III-V族半導體元件的製造方法之各步驟成品的剖面示意圖。
100:源極
101:汲極
102:閘極
103:pGaN層
104A:蝕刻停止層
105:阻障層
106:通道層
107:緩衝層
108:基板
Claims (10)
- 一種增強型III-V族半導體元件，包括：一基板(108)；形成於所述基板(108)之上的一緩衝層(107)；形成於所述緩衝層(107)之一GaN的通道層(106)；形成於所述通道層(106)之上之一AlGaN的阻障層(105)；形成於所述阻障層(105)之上的一AlGaN的蝕刻停止層(104A)，其化學組成式為AlxGa(1-x)N，其中0.4<=x<=0.7，且所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)對應於源極與汲極區域之厚度小於所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)對應於閘極區域之厚度；形成於所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)之閘極區域的一pGaN層(103)；以及分別形成於所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)之源極區域與汲極區域上的一源極(100)與一汲極(101)；其中所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)之蝕刻損耗原厚度為10%至90%。
- 如請求項1所述之增強型III-V族半導體元件，其中所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)於閘極區域的厚度為2至10nm。
- 如請求項2所述之增強型III-V族半導體元件，其中所述AlGaN的阻障層(105)的化學組成式為AlzGa1-zN，0.1<=z<=0.3，且其厚度為5至30nm。
- 如請求項3所述之增強型III-V族半導體元件，其中所述pGaN層(103)摻雜有Mg，其濃度為10-18至10-20，以及所述pGaN層(103)的厚度60至150nm。
- 如請求項1-4其中一項所述之增強型III-V族半導體元件，更包括：形成於所述基板(108)與所述緩衝層(107)之間的成核層；以及形成所述阻障層(105)與所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)之間的覆蓋層。
- 一種增強型III-V族半導體元件的製造方法，包括：提供未形成源極、汲極與閘極且具有二維電子氣的增強型III-V族半導體結構，其中所述增強型III-V族半導體結構的一通道層(106)與一阻障層(105)分別為所述GaN的通道層(106)與所述AlGaN的阻障層(105)；在所述增強型III-V族半導體結構的阻障層(105)上形成一AlGaN的蝕刻停止層(104)，其化學組成式為AlxGa(1-x)N，其中0.4<=x<=0.7；在所述AlGaN的蝕刻停止層(104)形成一pGaN層(103)，以及在所述pGaN層(103)形成一遮罩層(109)，以定義出閘極區域、源極區域與汲極區域；進行氣體電漿蝕刻，以蝕刻所述源極區域與汲極區域上的pGaN層(103)的全部與蝕刻所述源極區域與汲極區域上的AlGaN的蝕刻停止層(104)之部分，並移除所述遮罩層(109)與使用二氧化矽蝕刻液去除殘餘的氟化鋁來進行表面處理；以及在所述閘極區域、源極區域與汲極區域上形成一閘極(102)、一源極(100)與一汲極(101)。
- 如請求項6所述之增強型III-V族半導體元件的製造方法，其中所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)於閘極區域的厚度為2至10nm，且所述AlGaN的蝕刻停止層(104A)之蝕刻損耗原厚度為10%至90%。
- 如請求項7所述之增強型III-V族半導體元件的製造方法，其中所述AlGaN的阻障層(105)的化學組成式為AlzGa1-zN，0.1<=z<=0.3，且其厚度為5至30nm。
- 如請求項8所述之增強型III-V族半導體元件的製造方法，其中所述pGaN層(103)摻雜有Mg，其濃度為10-18至10-20，以及所述pGaN層(103)的厚度60至150nm。
- 如請求項6-9其中一項所述之增強型III-V族半導體元件的製造方法，其中使用感應耦合電漿(ICP)蝕刻機，設定氣體流量BCl3/Cl2/SF6為1-50sccm/1-50sccm/1-50sccm、射頻偏壓功率為10-100瓦、ICP功率為100-500W及腔體內壓為7.5-75mTorr來進行蝕刻，其中測得蝕刻速率為小於0.65nm/s，且蝕刻時間為至少120秒。
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