高电子移动率晶体管
阅读：1008发布：2020-06-02
专利汇可以提供高电子移动率晶体管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种高 电子 移动率晶体管，包括： 缓冲层 位于 基板 上；临界 电压 调整层位于缓冲层上；通道区位于缓冲层中，邻近缓冲层与临界电压调整层的介面；能带调整层，位于临界电压调整层上；第一增强层， 顺应性 地 覆盖 于临界电压调整层及能带调整层上；栅极 电极 ，位于第一增强层上；及源极/漏极电极，分别位于栅极电极的两相对侧，穿过临界电压调整层及第一增强层，设于缓冲层上；其中临界电压调整层与第一增强层为三五族 半导体 。，下面是高电子移动率晶体管专利的具体信息内容。
1.一种高电子移动率晶体管，其特征在于，包括：
一缓冲层，位于一基板上；
一临界电压调整层，位于该缓冲层上；
一通道区，位于该缓冲层中，邻近该缓冲层与该临界电压调整层的一介面；
一能带调整层，位于该临界电压调整层上；
一第一增强层，顺应性地覆盖于该临界电压调整层及该能带调整层上；
一栅极电极，位于该第一增强层上；及
一源极/漏极电极，分别位于该栅极电极的两相对侧，穿过该临界电压调整层及该第一增强层，设于该缓冲层上；
其中该临界电压调整层与该第一增强层为三五族半导体。
2.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层与该第一增强层各自包括AlxGa1-xN，其中0
4.如权利要求2所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M，该第一增强层的Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。
5.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的厚度小于该第一增强层的厚度。
6.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的厚度介于1nm至5nm，该第一增强层的厚度介于15nm至25nm。
7.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，更包括：
一第二增强层，顺应性地覆盖于该第一增强层上。
8.如权利要求7所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该第二增强层为三五族半导体。
9.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该能带调整层为P型掺杂三五族半导体。
10.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该能带调整层包括P型掺杂的GaN、AlGaN、AlN、GaAs、AlGaAs、InP、InAlAs、或InGaAs。
11.如权利要求1所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该能带调整层的P型掺杂浓度介于1e17/cm3至1e20/cm3之间。
12.一种高电子移动率晶体管，其特征在于，包括：
一缓冲层，位于一基板上；
一临界电压调整层，位于该缓冲层上；
一通道区，位于该缓冲层中，邻近该缓冲层与该临界电压调整层的一介面；
一第一增强层，位于该临界电压调整层上；
一栅极电极，位于该第一增强层上；
一源极/漏极电极，分别位于该栅极电极的两相对侧，穿过该临界电压调整层及该第一增强层，设于该缓冲层上；及
一掺杂区，位于该栅极电极下方的该临界电压调整层及该第一增强层中；
其中该掺杂区包括氟，且该临界电压调整层与该增强层为三五族半导体。
13.如权利要求12所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该掺杂区的掺杂浓度介于
1e18/cm3至1e20/cm3之间。
14.如权利要求12所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层与该第一增强层各自包括AlxGa1-xN，其中0
16.如权利要求14所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M，该第一增强层的Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。
17.如权利要求12所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的厚度小于该第一增强层的厚度。
18.如权利要求12所述的高电子移动率晶体管，其特征在于，该临界电压调整层的厚度介于1nm至5nm，该第一增强层的厚度介于15nm至25nm。
高电子移动率晶体管
技术领域
背景技术
[0003] 因米勒效应(Miller Effect)，寄生电容及寄生电感所造成的突波会使栅极的电压升高，容易使元件不正常导通，造成元件烧毁。因此，高电子移动率晶体管需要提升临界电压(threshold voltage，Vt)以降低电路的损伤。
[0004] 为形成增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管，可使用凹蚀栅极(gate recess)的方式，但由于凹蚀栅极易产生工艺均匀性控制不易的问题，进一步影响电性参数的均匀性。
[0005] 虽然现有的高电子移动率晶体管大致符合需求，但并非各方面皆令人满意，特别是提升高电子移动率晶体管的临界电压与降低其导通电阻仍需进一步改善。
发明内容
[0006] 根据一实施例，本发明提供一种高电子移动率晶体管包括：缓冲层位于基板上；临界电压调整层位于缓冲层上；通道区位于缓冲层中，邻近缓冲层与临界电压调整层的介面；能带调整层，位于临界电压调整层上；第一增强层，顺应性地覆盖于临界电压调整层及能带调整层上；栅极电极，位于第一增强层上；及源极/漏极电极，分别位于栅极电极的相对侧，穿过临界电压调整层及第一增强层，设于缓冲层上；其中临界电压调整层与第一增强层为三五族半导体。
[0007] 根据其他的实施例，本发明提供一种高电子移动率晶体管包括：缓冲层，位于一基板上；临界电压调整层，位于缓冲层上；通道区，位于缓冲层中，邻近缓冲层与临界电压调整层的介面；第一增强层，位于临界电压调整层上；栅极电极，位于第一增强层上；源极/漏极电极，分别位于栅极电极的两相对侧，穿过临界电压调整层及第一增强层，设于缓冲层上；及掺杂区，位于栅极电极下方的临界电压调整层及第一增强层中；其中掺杂区包括氟(F)，且临界电压调整层与增强层为三五族半导体。
[0008] 本发明的技术效果在于，本发明的高电子移动率晶体管结构，于缓冲层上方形成临界电压调整层及增强层，通过调变其个别厚度及III-V族元素摩尔浓度，可调整压电效应强弱，精准控制并提高高电子移动率晶体管的临界电压，同时维持良好均匀度，增强二维电子气，并且降低导通电阻。
附图说明
[0010] 以下将配合所附图式详述本发明实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明实施例的特征。
[0011] 图1为根据一些实施例所绘示的高电子移动率晶体管的剖面示意图。
[0012] 图2为根据另一些实施例所绘示的高电子移动率晶体管的剖面示意图。
[0013] 图3为根据又一些实施例所绘示的高电子移动率晶体管的剖面示意图。
[0014] 附图标号：
[0015] 100、200、300、400～高电子移动率晶体管；
[0016] 102～基板；
[0017] 104～缓冲层；
[0018] 106～临界电压调整层；
[0019] 108～通道区；
[0020] 110～能带调整层；
[0021] 112～第一增强层；
[0022] 114～栅极电极；
[0023] 116～源极/漏极电极；
[0024] 212～第二增强层；
[0025] 310～掺杂层。
具体实施方式
[0026] 以下公开许多不同的实施方法或是例子来实行本发明实施例的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本发明实施例。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本发明实施例的范围。例如，在说明书中提到第一特征形成于第二特征之上，其包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例，另外也包括于第一特征与第二特征之间另外有其他特征的实施例，亦即，第一特征与第二特征并非直接接触。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。
[0027] 此外，其中可能用到与空间相关用词，例如“在…下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些空间相关用词为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。
[0028] 在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。应注意的是，说明书中所提供的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。
[0029] 本发明实施例提供一种高电子移动率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)，通过调整两层以上的III-V族半导体的个别厚度及III-V族元素摩尔浓度，改变压电效应(Piezoelectricity)，可有效控制提高临界电压(threshold voltage)，同时维持良好均匀度，并提高通道区中的二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)浓度，降低导通电阻。
[0030] 图1绘示出本发明一些实施例的高电子移动率晶体管100的剖面图。如图1所绘示，提供一基板102。基板102可包括Si、SiC、或Al2O3(蓝宝石(sapphire))，可为单层基板、多层基板、梯度基板、其他适当的基板或上述的组合。在一些实施例中，基板102亦可包括绝缘层覆半导体(semiconductor on insulator，SOI)基板，上述绝缘层覆半导体基板可包括底板、设置于底板上的埋藏氧化层、或设置于埋藏氧化层上的半导体层。
[0031] 接着，在基板102上形成缓冲层104。在一些实施例中，缓冲层104包括III-V族半导体，例如GaN。在一些实施例中，缓冲层104厚度介于0.5um至10um之间。在一些实施例中，可使用分子束磊晶法(molecular-beam epitaxy，MBE)、有机金属气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、氢化物气相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、其他适当的方法、或上述的组合在基板102上形成缓冲层104。
[0032] 接着，在缓冲层104上形成临界电压调整层(threshold voltage adjustment layer)106，在一些实施例中，临界电压调整层106包括III-V族半导体，例如AlxGa1-xN，其中00.05M至0.4M。在一些实施例中，可使用分子束磊晶法(molecular-beam epitaxy，MBE)、有机金属气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、氢化物气相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、其他适当的方法、或上述的组合在缓冲层104上形成临界电压调整层106。
[0033] 由于缓冲层104与临界电压调整层106的材料能带间隙(band gap)不同之故，缓冲层104与临界电压调整层106的介面处形成异质接面(heterojunction)。异质接面处的能带弯曲，导带(conduction band)弯曲深处形成量子阱(quantum well)，将压电效应(Piezoelectricity)所产生的电子约束于量子阱中，因此在缓冲层104与临界电压调整层106的介面处形成二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)，进而形成导通电流。如图1所示，在缓冲层104与临界电压调整层106的介面处形成通道区108，通道区108即为二维电子气形成导通电流之处。在一些实施例中，通道区108厚度介于0.1um至5um之间。
[0034] 压电效应(Piezoelectricity)程度可通过调整临界电压调整层106的厚度及其中III-V族元素的摩尔浓度而改变，以AlGaN为例，当临界电压调整层106的厚度越薄及Al摩尔浓度越小时，压电效应越轻微，在通道区108中所产生的二维电子气越少。
[0035] 为避免米勒效应(Miller effect)所造成电路中的突波将元件烧毁，需要将高电子移动率晶体管的临界电压提高。以AlGaN为例，通过降低临界电压调整层106的厚度及Al元素摩尔浓度，可降低导通电流，提升临界电压。
[0036] 接着，在临界电压调整层106上形成能带调整层(band adjustment layer)110。能带调整层110为P型掺杂三五族半导体，包括P型掺杂的GaN、AlGaN、AlN、GaAs、AlGaAs、InP、InAlAs、或InGaAs，其P型掺杂浓度介于1e17/cm3至1e20/cm3之间。能带调整层110厚度介于50nm至200nm之间。可使用分子束磊晶法(molecular-beam epitaxy，MBE)、有机金属气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、氢化物气相磊晶法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)，沉积P型掺杂三五族半导体，再将之图案化形成能带调整层110。在一些实施例中，能带调整层
110位于后续所形成的栅极电极的下方。
110位于后续所形成的栅极电极的下方。
[0037] 由于能带调整层110为P型掺杂三五族半导体，P型掺杂造成能带提高，使缓冲层104与临界电压调整层106的介面处的导带高于费米能阶(fermi level)，导致通道区108中无二维电子气产生，因而无导通电流。
[0038] 由于能带调整层110拉高能带，未外加栅极电压时，高电子移动率晶体管100为截止状态，因此高电子移动率晶体管100为增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管。
[0039] 与空乏型(depletion mode，D-mode)高电子移动率晶体管相较之下，增强型(E-mode)高电子移动率晶体管较为安全，待机功耗(standby power dissipation)较低，由于不须供给负偏压，亦可降低电路复杂性以及制作成本。在这个实施例中，由于不需要凹蚀栅极便可形成增强型(E-mode)高电子移动率晶体管，可避免因凹蚀栅极导致均匀度不佳的问题。搭配临界电压调整层106，可提升增强型(E-mode)高电子移动率晶体管的临界电压并同时维持优良的均匀度。在一些实施例中，高电子移动率晶体管的临界电压可大于2V。
[0040] 接着，形成第一增强层(enhancement layer)112，在一些实施例中，第一增强层112包括III-V族半导体，例如AlxGa1-xN，其中0
[0041] 压电效应(Piezoelectricity)程度可通过调整第一增强层112的厚度及其中的III-V族元素的摩尔浓度而改变。以AlGaN为例，当第一增强层112的厚度越厚及Al摩尔浓度越大时，压电效应越显著，在通道区108中所产生的二维电子气越多。通过提高第一增强层112的厚度及Al摩尔浓度，可降低导通电阻。
[0042] 在图1所示的实施例中，由于临界电压调整层106主要为提高临界电压，第一增强层112主要为降低导通电阻，因此，以AlGaN为例，临界电压调整层106的Al摩尔浓度小于第一增强层112的Al摩尔浓度，临界电压调整层106的厚度小于第一增强层112的厚度。
[0043] 接着，在第一增强层112上形成栅极电极114，在一些实施例中，栅极电极114可包括金属材料、多晶硅、金属硅化物、其他适当的导电材料、或上述的组合。在一些实施例中，先以电镀法、溅射法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、物理气相沉积工艺(physical vapor deposition，PVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、原子层沉积工艺(atomic layer deposition，ALD)、其他适当的方法、或上述的组合于第一增强层112上形成电极材料，再以光刻与刻蚀工艺将之图案化以形成栅极电极114。
[0044] 接着，在栅极电极114的两相对侧分别形成源极/漏极电极116，其穿过临界电压调整层106及第一增强层112，设置于缓冲层108上。如此一来，可降低源极/漏极电极欧姆接触(Ohmic contact)的阻值。在一些实施例中，源极/漏极电极116各自可包括Ti、Al、W、Au、Pd、其他适当的金属材料、其合金或上述的组合。在一些实施例中，先以刻蚀工艺凹蚀孔洞，并以电镀法、溅射法、电阻加热蒸镀法、电子束蒸镀法、物理气相沉积工艺(physical vapor deposition，PVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、原子层沉积工艺(atomic layer deposition，ALD)、其他适当的方法、或上述的组合于孔洞处形成电极材料，再以光刻与刻蚀工艺将的图案化以形成源极/漏极电极116。
[0045] 值得注意的是，在前述说明中，先形成栅极电极114，再形成源极/漏极电极116，然而此实施例中形成顺序并不限定，亦可先形成源极/漏极电极116，再形成栅极电极114。
[0046] 如图1所示的实施例中，除了临界电压调整层106及第一增强层112外，同时在栅极电极114下方设置能带调整层110，使其成为增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管。搭配临界电压调整层106及第一增强层112调整整体压电效应的强弱，精准控制并提高临界电压，同时维持良好均匀度，并在增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管100导通时，增强二维电子气，降低导通电阻。
[0047] 如图1所示，在一些实施例中，以AlGaN为例，亦可通过调整临界电压调整层106及第一增强层112各自的厚度及Al摩尔浓度，使高电子移动率晶体管100在未形成能带调整层110时为空乏型(depletion mode，D-mode)高电子移动率晶体管，并在形成能带调整层110时为增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管。在一些实施例中，以AlGaN为例，临界电压调整层106厚度介于1nm至5nm，Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M，第一增强层
112的厚度介于15nm至25nm，Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。如此一来，可利用同样的调整临界电压调整层106及第一增强层112，形成空乏型与增强型高电子移动率晶体管同时存在的复合型高电子移动率晶体管，节省生产成本与时间。
112的厚度介于15nm至25nm，Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。如此一来，可利用同样的调整临界电压调整层106及第一增强层112，形成空乏型与增强型高电子移动率晶体管同时存在的复合型高电子移动率晶体管，节省生产成本与时间。
[0048] 图2绘示出本发明另一些实施例高电子移动率晶体管200的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，在形成第一增强层112之后，续于其上形成第二增强层212。在一些实施例中，第二增强层212包括III-V族半导体，例如AlxGa1-xN，其中0
[0049] 值得注意的是，虽然图2仅绘示出第二增强层212，但本发明并不以此为限，视产品需求，可于第一增强层112上形成多层增强层，其个别包括III-V族半导体，例如AlxGa1-xN，其中0
[0050] 如图2所示的实施例中，以AlGaN为例，多层增强层中每一增强层可具有相同或不同的厚度及Al摩尔浓度。因此，多层增强层可增加工艺的自由度，通过调配多层增强层的不同厚度及Al摩尔浓度的组合，改变整体压电效应及能带结构。更可有效提升并精准控制临界电压，并在增强型高电子移动率晶体管200导通时，增强二维电子气，降低导通电阻。
[0051] 图3绘示出本发明又一些实施例高电子移动率晶体管300的剖面图。其中与前述实施例相同或相似的工艺或元件将沿用相同的元件符号，其详细内容将不再赘述。与前述实施例的差别在于，栅极电极114下方并未设置能带调整层110，而是在临界电压调整层106及第一增强层112中设置掺杂层310。在一些实施例中，掺杂层310可通过离子布植步骤形成。例如，可在形成栅极电极114之前，使用图案化罩幕(图未示)于栅极电极114预定区下方的临界电压调整层106及第一增强层112中布植F2、CF4、或其他氟基离子以形成掺杂层310，掺杂层310的掺杂浓度介于1e18/cm3至1e20/cm3之间。
[0052] 如图3所示，在临界电压调整层106及第一增强层112中设置掺杂层310，可提高缓冲层104与临界电压调整层106的异质接面(heterojunction)的能带结构，因而减少在通道区108的二维电子气。在一些实施例中，未外加栅极电压时，高电子移动率晶体管300为截止状态，因此高电子移动率晶体管300为增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管。
[0053] 在图3所示的实施例中，由于临界电压调整层106主要为提高临界电压，第一增强层112主要为降低导通电阻，因此，以AlGaN为例，临界电压调整层106的Al摩尔浓度小于第一增强层112的Al摩尔浓度，临界电压调整层106的厚度小于第一增强层112的厚度。在一些实施例中，临界电压调整层106厚度介于1nm至5nm，Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。在一些实施例中，第一增强层112的厚度介于15nm至25nm，Al摩尔浓度介于0.05M至0.4M。
[0054] 如图3所示的实施例中，除了临界电压调整层106及第一增强层112外，同时在栅极电极114下方的临界电压调整层106及第一增强层112中设置掺杂层310，使其成为增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管。搭配临界电压调整层106及第一增强层112调整压电效应强弱，精准控制并提高临界电压，并在增强型(enhancement mode，E-mode)高电子移动率晶体管300导通时，增强二维电子气，降低导通电阻。
[0055] 综上所述，本发明实施例提供一种高电子移动率晶体管(high electron mobility transistor，HEMT)结构，于缓冲层上方形成临界电压调整层及增强层，通过调变其个别厚度及III-V族元素摩尔浓度，可调整压电效应强弱，精准控制并提高高电子移动率晶体管的临界电压，同时维持良好均匀度，增强二维电子气，并且降低导通电阻。
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