TWI791364B - 常關型氮化鎵元件的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括於一基板上形成通道層，於所述通道層上形成障壁層，於所述障壁層上形成氮化鎵層。所述氮化鎵層具有一預設區域，其中所述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵或未摻雜氮化鎵。然後，根據氮化鎵層的材料種類，利用選擇性離子植入，使所述預設區域內的氮化鎵層為P型氮化鎵層，且所述預設區域以外的氮化鎵層為N型氮化鎵層、隔離區或未摻雜氮化鎵層。
Description
本發明是有關於一種常關型(或稱E-mode)氮化鎵元件技術，且特別是有關於一種常關型氮化鎵元件的製造方法。
近年來，以III-V族化合物半導體為基礎的高電子移動率晶體電晶體(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元件可分為常開型電晶體元件以及常關型電晶體元件。
常開型電晶體元件要關斷元件必須加負偏壓，因此會增加閘極驅動設計的複雜性，而且容易發生誤導通，而衝擊電路穩定性和安全性。因此，常關型HEMT元件目前受到業界相當大的關注。
近來，P-GaN常關型HEMT元件已成為各方研究的重點。這種氮化鎵元件的製造流程一般是在AlGaN障壁層上利用
MOCVD磊晶成長P-GaN層，再利用蝕刻的方式移除閘極區域以外的P-GaN層。
然而，因為P-GaN層是一種不易蝕刻的材料，所以在利用蝕刻的方式移除P-GaN層的過程，很難控制蝕刻參數，且容易使AlGaN障壁層受到損害，導致2DEG受到影響。
本發明提供一種常關型氮化鎵元件的製造方法，不需要蝕刻移除部分P-GaN層的步驟，即可在預設區域內形成P-GaN層，並藉此防止障壁層表面受到損害。
本發明的一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括於一基板上形成通道層，於所述通道層上形成障壁層，於所述障壁層上形成氮化鎵層，其中所述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵(P-GaN)或未摻雜氮化鎵(undoped GaN，又稱u-GaN)。所述氮化鎵層具有一預設區域。然後，根據氮化鎵層的材料種類，利用選擇性離子植入，使所述預設區域內的氮化鎵層為P型氮化鎵，且所述預設區域以外的氮化鎵層為N型氮化鎵層、隔離區或未摻雜氮化鎵層。
在本發明的一實施例中，上述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵，則對預設區域以外的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，以使所述預設區域以外的氮化鎵層變成所述N型氮化鎵
層。
在本發明的一實施例中，上述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵，則對預設區域以外的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N2)或氬(Ar)，以使所述預設區域以外的氮化鎵層變成所述隔離區。
在本發明的一實施例中，上述氮化鎵層的材料為未摻雜氮化鎵，則對預設區域的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)，以使所述預設區域內的氮化鎵層變成P型氮化鎵層。
本發明的另一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括於一基板上形成通道層，於所述通道層上形成障壁層，於所述障壁層上形成P型氮化鎵層，所述P型氮化鎵層具有一預設區域。然後，對所述預設區域以外的P型氮化鎵層進行選擇性離子植入，使其轉變成N型氮化鎵層或隔離區。
在本發明的另一實施例中，上述選擇性離子植入所使用的摻質包括硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，以使所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層變成N型氮化鎵層。
在本發明的另一實施例中，上述選擇性離子植入所使用的摻質包括氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N2)或氬(Ar)，以使所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層變成隔離區。
本發明的再一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括於一基板上形成通道層，於所述通道層上形成障壁層，於所述障壁
層上形成未摻雜氮化鎵層，所述未摻雜氮化鎵層具有一預設區域。然後，對預設區域內的未摻雜氮化鎵層進行選擇性離子植入，使所述預設區域內的所述未摻雜氮化鎵層變成P型氮化鎵層。
在本發明的再一實施例中，上述選擇性離子植入所使用的摻質包括鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)。
在本發明的再一實施例中，上述未摻雜氮化鎵層還包括一常開型氮化鎵元件區，且所述製造方法還包括；形成多個源極/汲極電極，穿過上述未摻雜氮化鎵層與上述障壁層並與上述通道層接觸，其中一個源極/汲極電極同時作為常關型氮化鎵元件與常開型氮化鎵元件的源極/汲極。然後，在上述P型氮化鎵層上形成第一閘極電極，並在所述常開型氮化鎵元件區形成第二閘極電極，所述第二閘極電極穿過上述未摻雜氮化鎵層並與上述障壁層接觸。
基於上述，根據本發明的製造方法，不需要對P型氮化鎵層進行蝕刻，而是改用選擇性離子植入，按照磊晶成長的氮化鎵層的材料的導電型態，選擇適合的摻質，使預設區域內的氮化鎵層維持在P型或者轉變為P型，而在預設區域以外的氮化鎵層維持在未摻雜的狀態或者轉變為N型，甚至是變成幾乎不導電的隔離區。因此，本發明的製造方法不含蝕刻移除P-GaN層的步驟，進而能避免障壁層表面受到損害。
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。
200:基板
202:通道層
204:障壁層
206、308:P型氮化鎵層
208、208a、302、302a:罩幕層
210、304:光阻層
212、306:離子植入
214a:N型氮化鎵層
214b:隔離區
216:源極電極
218:汲極電極
220:閘極電極
300:未摻雜氮化鎵層
2DEG:二維電子氣
G1:第一閘極電極
G2:第二閘極電極
R1:預設區域
R2:常開型氮化鎵元件區
S100、S102、S104、S106、S108、S110:步驟
S/D:源極/汲極電極
圖1是依照本發明的第一實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程步驟圖。
圖2A至圖2E是依照本發明的第二實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程剖面示意圖。
圖3A至圖3E是依照本發明的第三實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程剖面示意圖。
圖4是第三實施例的一種常關型氮化鎵元件結合常開型氮化鎵元件的剖面示意圖。
以下實施例中所附的圖式是為了能更完整地描述本發明的實施例，然而本發明仍可使用許多不同的形式來實施，不限於所記載的實施例。此外，為了清楚起見，各個區域或膜層的相對厚度、距離及位置可能縮小或放大。另外，在圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同的部位或特徵的存在。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程步驟圖。
請參照圖1，在步驟S100中，於基板上形成通道層(channel layer)，其中基板例如矽基板或其他可用於磊晶的基
板。通道層例如未摻雜的氮化鎵(GaN)層。此外，基板與通道層之間還可視需求增設一層緩衝層，其中緩衝層可減緩後續形成於緩衝層上方的通道層的應變，並具有防止缺陷形成於通道層的效果，緩衝層的材料可列舉但不限於氮化鋁、氮化鎵、氮化鎵鋁或前述之組合。以上膜層可利用磊晶製程形成磊晶結構，其中磊晶製程例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶法(HVPE)、分子束磊晶法(MBE)或前述方法之組合。
在步驟S102中，於通道層上形成障壁層(barrier layer)，其中障壁層的材料是未摻雜的III-V族半導體材料，可列舉但不限於氮化鎵鋁(AlGaN)或者其他適當的III-V族材料。通道層與障壁層為異質材料，以於通道層與障壁層之間形成一異質界面，藉由異質材料的能隙差，可使二維電子氣(2DEG)形成於此異質界面上。障壁層可利用磊晶製程形成，如MOCVD、HVPE、MBE或前述方法之組合。
在步驟S104中，於障壁層上形成氮化鎵層。所述氮化鎵層的材料可為P型氮化鎵(P-GaN)或未摻雜氮化鎵(u-GaN)。所述氮化鎵層可利用磊晶製程形成，如MOCVD、HVPE、MBE或前述方法之組合。
在步驟S106中，確定氮化鎵層的材料是P-GaN或是u-GaN。如果氮化鎵層的材料是P-GaN，則進行步驟S108；如果氮化鎵層的材料是u-GaN，則進行步驟S110。
在步驟S108中，對預設區域以外的氮化鎵層進行選擇性
離子植入。在一實施例中，對預設區域以外的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質為施體(Donor)，可列舉但不限於：包括硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，以使所述預設區域以外的(P型)氮化鎵層變成N型氮化鎵(N-GaN)層。在另一實施例中，對預設區域以外的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N2)或氬(Ar)，以使所述預設區域以外的(P型)氮化鎵層變成隔離區(Isolated region)。
在步驟S110中，對預設區域的氮化鎵層進行選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)，以使所述預設區域內的(未摻雜)氮化鎵層變成P型氮化鎵層。
在預設區域內完成P型氮化鎵層的形成後，可以分別形成連至通道層的源極與汲極電極和位於P型氮化鎵層上的閘極電極。詳細內容可參照以下說明。
圖2A至圖2E是依照本發明的第二實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的用語來表示相同的部分與構件，且相同的部分與構件的相關內容也可參照第一實施例的內容，不再贅述。
請先參照圖2A，於一基板200上形成通道層202，於所述通道層202上形成障壁層204，然後於所述障壁層204上形成P型氮化鎵層206，其中形成通道層202、障壁層204與P型氮化鎵
層206的方法例如有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)或其他適合的磊晶製程。所述P型氮化鎵層206具有一預設區域R1。然後，為了施行選擇性離子植入，可先在P型氮化鎵層206上沉積形成一層罩幕層208，其材料例如介電材料。然後再利用曝光顯影製程，在罩幕層208上形成圖案化的光阻層210，這層光阻層210對準預設區域R1。
然後，請參照圖2B，先利用光阻層(圖2A的210)作為蝕刻罩幕，蝕刻去除露出的罩幕層，則剩下的罩幕層208a會遮蔽P型氮化鎵層206的預設區域R1。接著，移除光阻層，再進行離子植入製程212，即可在預設區域R1以外的P型氮化鎵層206植入摻質，使預設區域R1以外的P型氮化鎵層206的導電狀態發生變化。離子植入製程212一般包含注入離子以及退火步驟，且可通過控制離子的劑量、能量、掃描率等對於離子植入的濃度與深度進行調整。
接著，請參照圖2C，進行退火步驟(如RTP退火)後，可去除植入區(預設區域R1以外的區域)的缺陷並使摻質分佈均勻，並於退火步驟後移除罩幕層(圖2B的208a)。上一步驟所用的摻質如為施體(Donor)，可列舉但不限於：硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，則預設區域R1以外的P型氮化鎵層會變成N型氮化鎵層214a。另一方面，上一步驟所用的摻質如為氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N)或氬(Ar)，則預設區域R1以外的P型氮化鎵層會變成隔離區214b，亦即在此區域內的導電率極低，接近於絕
緣狀態。此時，二維電子氣2DEG會形成在P型氮化鎵層206以外的通道層202表面附近，且預設區域R1以外的障壁層204不受損害。也就是說，障壁層204與N型氮化鎵層214a(或隔離區214b)之間的界面仍維持磊晶結構之間晶格有小差異的接面。
之後，請參照圖2D，可形成源極電極216與汲極電極218，穿過N型氮化鎵層214a(或隔離區214b)與障壁層204，且與通道層202接觸。形成源極電極216與汲極電極218的步驟例如先蝕穿N型氮化鎵層214a(或隔離區214b)與障壁層204，再沉積源極/汲極歐姆金屬，並進行RTP退火，以形成歐姆接觸。
接著，請參照圖2E，在P型氮化鎵層206上形成一閘極電極220。
圖3A至圖3E是依照本發明的第三實施例的一種常關型氮化鎵元件的製造流程剖面示意圖，其中使用與第二實施例相同的元件符號來表示相同或近似的部分與構件，且相同或近似的部分與構件的相關內容也可參照第二實施例的內容，不再贅述。
請參照圖3A，於基板200上依序形成通道層202和障壁層204後，二維電子氣2DEG會形成在通道層202表面接近障壁層204。然後，於所述障壁層204上形成未摻雜氮化鎵層300，其中形成通道層202、障壁層204與未摻雜氮化鎵層300的方法例如有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)或其他適合的磊晶製程。所述未摻雜氮化鎵層300具有一預設區域R1。然後，為了施行選擇性離子植入，可先在未摻雜氮化鎵層300上沉積形成一層罩幕層
302，其材料例如介電材料。然後再利用曝光顯影製程，在罩幕層302上形成圖案化的光阻層304，這層光阻層304對準預設區域R1以外的區域。
然後，請參照圖3B，先利用光阻層(圖3A的304)作為蝕刻罩幕，蝕刻去除露出的罩幕層，則剩下的罩幕層302a會遮蔽預設區域R1以外的未摻雜氮化鎵層300。接著，移除光阻層，再進行離子植入製程306，其中使用的摻質可列舉但不限於鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)，因此預設區域R1內的未摻雜氮化鎵層300會轉變為P型。
隨後，請參照圖3C，進行退火步驟(如RTP退火)後，可去除植入區(預設區域R1)的缺陷並使摻質分佈均勻，而在預設區域R1內形成P型氮化鎵層308，並於退火步驟後移除罩幕層(圖3B的302a)。此時，二維電子氣2DEG會形成在P型氮化鎵層308以外的通道層202表面附近，且預設區域R1以外的障壁層204不受損害。也就是說，障壁層204與未摻雜氮化鎵層300之間的界面仍維持磊晶結構之間晶格有小差異的接面。
然後，請參照圖3D，可採用第二實施例所述的方式形成源極電極216與汲極電極218，穿過未摻雜氮化鎵層300與障壁層204，且與通道層202接觸。
接著，請參照圖3E，在P型氮化鎵層308上形成一閘極電極220。
圖4是第三實施例的一種常關型氮化鎵元件結合常開型
(或稱D-mode)氮化鎵元件的剖面示意圖，其中沿用圖3E的元件符號來表示相同的部分與構件。
請參照圖4，第三實施例的製造方法也可應用於疊接電路(Cascode circuit)的製作，例如未摻雜氮化鎵層300還包括一常開型氮化鎵元件區R2，與預設區域R1相隔一段距離。並且，在形成源極電極216與汲極電極218的同時，也在常開型氮化鎵元件區R2中形成源極/汲極電極；也就是說，汲極電極218作為常開型氮化鎵元件的汲極，而其中一個源極/汲極電極S/D同時作為常關型氮化鎵元件的汲極與常開型氮化鎵元件的源極。而在P型氮化鎵層上形成第一閘極電極G1(即閘極電極220)時，也在常開型氮化鎵元件區R2形成第二閘極電極G2，所述第二閘極電極G2穿過未摻雜氮化鎵層300並與障壁層204接觸，因此二維電子氣2DEG會形成在障壁層204與通道層202之間的界面附近。在一實施例中，第一閘極電極G1與第二閘極電極G2的步驟例如，先蝕穿常開型氮化鎵元件區R2中的未摻雜氮化鎵層300，並露出穿常開型氮化鎵元件區R2中的障壁層204，再在P型氮化鎵層308上以及露出的障壁層204上同時沉積形成第一閘極電極G1與第二閘極電極G2。然而，本發明並不限於此，第一閘極電極G1與第二閘極電極G2也可分開沉積形成。常關型氮化鎵元件的源極電極216可經由內連線與常開型氮化鎵元件的閘極(即第二閘極電極)G2連通，形成疊接電路，並因此可大幅降低寄生電感(parasitic inductance)。
綜上所述，本發明通過選擇性離子植入的方式，不需要對P型氮化鎵層進行蝕刻，即可在預設區域內形成P型氮化鎵層，而在預設區域以外維持未摻雜氮化鎵或者將原為P型的氮化鎵層轉變為N型，或是變成幾乎不導電的隔離區。根據本發明的製造方法，能避免障壁層表面因為蝕刻P型氮化鎵層受到損害，進而避免2DEG的濃度受到影響。
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。
S100、S102、S104、S106、S108、S110:步驟
Claims (10)
- 一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括：於一基板上形成通道層；於所述通道層上形成障壁層；於所述障壁層上形成氮化鎵層，所述氮化鎵層具有一預設區域，其中所述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵或未摻雜氮化鎵；以及利用選擇性離子植入，使所述預設區域內的所述氮化鎵層為P型氮化鎵層，且所述預設區域以外的所述氮化鎵層成為N型氮化鎵層、隔離區或未摻雜氮化鎵層。
- 如請求項1所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵，則對所述預設區域以外的所述氮化鎵層進行所述選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入使用的摻質包括硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，以使所述預設區域以外的所述氮化鎵層變成所述N型氮化鎵層。
- 如請求項1所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述氮化鎵層的材料為P型氮化鎵，則對所述預設區域以外的所述氮化鎵層進行所述選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入所使用的摻質包括氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N)或氬(Ar)，以使所述預設區域以外的所述氮化鎵層變成所述隔離區。
- 如請求項1所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述氮化鎵層的材料為未摻雜氮化鎵，則對所述預設區域的所 述氮化鎵層進行所述選擇性離子植入，並且所述選擇性離子植入所使用的摻質包括鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)，以使所述預設區域內的所述氮化鎵層變成所述P型氮化鎵層。
- 一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括：於一基板上形成通道層；於所述通道層上形成障壁層；於所述障壁層上形成P型氮化鎵層，所述P型氮化鎵層具有一預設區域；以及對所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層進行選擇性離子植入，使所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層變成N型氮化鎵層或隔離區。
- 如請求項5所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述選擇性離子植入所使用的摻質包括硫(S)、矽(Si)、硒(Ce)、碲(Te)或氧(O)，以使所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層變成所述N型氮化鎵層。
- 如請求項5所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述選擇性離子植入所使用的摻質包括氫(H)、氦(He)、鐵(Fe)、氮(N)或氬(Ar)，以使所述預設區域以外的所述P型氮化鎵層變成所述隔離區。
- 一種常關型氮化鎵元件的製造方法，包括：於一基板上形成通道層；於所述通道層上形成障壁層； 於所述障壁層上形成未摻雜氮化鎵層，所述未摻雜氮化鎵層具有一預設區域；以及對所述預設區域內的所述未摻雜氮化鎵層進行選擇性離子植入，使所述預設區域內的所述未摻雜氮化鎵層變成P型氮化鎵層。
- 如請求項8所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述選擇性離子植入所使用的摻質包括鎂(Mg)、碳(C)、鈹(Be)或鈣(Ca)。
- 如請求項8所述的常關型氮化鎵元件的製造方法，其中所述未摻雜氮化鎵層更包括一常開型氮化鎵元件區，且所述製造方法更包括：形成多數個源極/汲極電極，穿過所述未摻雜氮化鎵層與所述障壁層並與所述通道層接觸，其中所述多數個源極/汲極電極之一同時作為常關型氮化鎵元件與常開型氮化鎵元件的源極/汲極；在所述P型氮化鎵層上形成第一閘極電極；以及在所述常開型氮化鎵元件區形成第二閘極電極，穿過所述未摻雜氮化鎵層並與所述障壁層接觸。
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