TWI409951B

TWI409951B - 增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體

Info

Publication number: TWI409951B
Application number: TW099135732A
Authority: TW
Inventors: Ko Tao Lee; Chih Fang Huang; Jeng Gong
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2013-09-21
Also published as: TW201218377A

Description

增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體

本發明是有關於一種金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor；簡稱MOSFET)，特別是指一種增強型(enhancement mode)氮化鎵系(GaN-based)金氧半場效電晶體。

基於GaN系MOSFET具有寬能隙(wide bandgap)、高崩潰電壓、高飽和速度(saturation velocity)以及良好的熱傳導性(thermal conductivity)等特性；因此，高功率(high-power)且快速的GaN系MOSFET已漸漸地受到關注。也因為前述幾種特性，MOSFET中的汲極電壓引發通道位能障降低效應(drain-induced barrier lowering)與帶對帶穿遂(band-to-band tunneling)等問題是可以被降低的。

參閱圖1，發明人於IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL. 31 NO. 6,JUNE 2010,PP 558~560中，揭示出一種p-GaN系MOS電容器1及其製作方法。該p-GaN系MOS電容器1，包含：一摻雜有Mg摻質之p-GaN基板11、一局部地形成於該p-GaN基板11上的閘極介電疊層12、一形成於該閘極介電疊層12上且是由Ni所構成的上電極13，一形成於該未形成有該閘極介電疊層12之p-GaN基板11上並由Ni/Au所構成的歐姆電極14。

該閘極介電疊層12是由雙靶材射頻濺鍍系統(dual-target r.f. sputtering system)所製成，並具有一局部地形成於該p-GaN基板11上且厚度約1.8 nm的第一MgO層121、一形成於該第一MgO層121上且厚度約6.4 nm的TiO₂ 層122，及一形成於該TiO₂ 層122上且厚度約1.8 nm的第二MgO層123。

參圖2所顯示之電流密度(J)對電壓(V)曲線圖可知，該p-GaN系MOS電容器1於+1 V與-1 V下所取得的漏電流(current leakage)密度分別約為3.9×10^-8 A/cm² 與3.7×10^-8 A/cm² 。

另，參圖3所顯示之電容值(C)對電壓(V)曲線圖可知，該p-GaN系MOS電容器1於100 MHz及-5 V的分析條下，其電容值(capacitance)約為1.58 μF/cm² 。

該p-GaN系MOS電容器1一方面是利用該閘極介電疊層12之TiO₂ 層122所賦予的高介電常數(dielectric constant，k值)，來提昇其整體的驅動電流(drive current)及電容值(capacitance，C)。然而，一般具有高k值之氧化物的能隙大小卻不足以防止來自於該上電極13的熱離子放射(thermionic emission)。因此，該p-GaN系MOS電容器1另一方面則是利用該閘極介電疊層12之MgO層123具有高能隙的特性來降低熱離子放射所造成的局部漏電流問題。

經上述說明可知，雖然該p-GaN系MOS電容器1之閘極介電疊層12的膜層設計可改善漏電流等問題；然而，近一步地降低漏電流並提昇電容值以獲得優異的元件性能，則是此技術領域者所需突破的課題。

因此，本發明之目的，即在提供一種增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體。

於是，本發明之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，包含：一六方晶系結構(hexagonal system crystal structure)之基板、一配置於該基板上且其內部含有第一導電型之摻質的第一GaN層、一對相間隔地自該第一GaN層內部延伸至其表面的源極與汲極、一閘極介電膜層結構，及一形成於該閘極介電膜層結構上的閘極。該閘極介電膜層結構覆蓋該未形成有該對源極與汲極之第一GaN層的表面，並具有一MgO層及一形成於該MgO層上之含有Ti與Mg的氧化層。

本發明之功效在於：改善漏電流的問題及提昇電晶體之電容值，以獲得優異的元件性能。

<發明詳細說明>

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例與一個具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖4，本發明之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體的一第一較佳實施例，包含：一六方晶系結構之基板2、一配置於該基板2上且其內部含有第一導電型之摻質(如，Mg離子)的第一GaN層3、一配置於該基板2與該第一GaN層3之間的第二GaN層4、一配置於該基板2與該第二GaN層4之間之未經摻雜的第三GaN層5、一對相間隔地自該第一GaN層3內部延伸至其表面的源極61與汲極62、一閘極介電膜層結構7，及一形成於該閘極介電膜層結構7上的閘極8。該第二GaN層4內部含有相反於該第一導電型之摻質的第二導電型之摻質(如，Si離子)。該閘極介電膜層結構7覆蓋該未形成有該對源極61與汲極62之第一GaN層3的表面，並具有一MgO層71及一形成於該MgO層71上之含有Ti與Mg的氧化層72。

較佳地，該閘極介電膜層結構7之含有Ti與Mg的氧化層72中的Ti原子比Mg原子，是介於0.9：1.1至1.1：0.9之間。

較佳地，該閘極介電膜層結構7之含有Ti與Mg的氧化層72的厚度是介於7 nm至10 nm之間。

較佳地，該六方晶系結構之基板2是由藍寶石(sapphire)所構成。

<具體例>

再參圖4，本發明之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體的一具體例及其製作方法，是簡單地說明於下。此處需說明的是，於以數下段落中涉及磊晶製程的設備、清洗流程相關設備、黃光製程所衍生之圖案化閘極遮罩與閘極區域、雙靶材射頻濺鍍系統相關設備、電漿輔助化學氣相沉積法、圖案化SiO₂ 層及離子佈植區等相關說明，皆未顯示於圖4中，以上合先敘明。

首先，將一藍寶石之基板2設置於一有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical-vapor-deposition；簡稱MOCVD)系統中以於其上依序磊製一厚度約2 μm之無摻雜的第三GaN層(u-GaN)5、一厚度約2 μm之摻雜有Si摻質的第二GaN層(n-GaN)4、一厚度約2 μm之摻雜有Mg摻質且濃度約為8×10¹⁶ cm^-3 的第一GaN層(p-GaN)5。將形成有該等GaN層3、4、5的基板2依序放置於丙酮與異丙醇中使用超音波震盪清洗3分鐘。之後，以去離子水過水後吹乾。

接續地，將形成有該等GaN層3、4、5的基板2浸泡於稀釋氫氟酸(diluted HF)中1分鐘後，立即對其吹乾以去除原生氧化物(native oxide)。另，使用黃光製程(photolithography process)以在該第一GaN層3上形成一圖案化閘極遮罩(patterned gate mask，圖未示)，進而在該第一GaN層3上定義出一長度為1 μm的閘極區域；之後，對該第一GaN層3施予60℃持溫30分鐘的硫化處理[(NH₄ )_x S treatment]。

於一工作壓力為10 mTorr的雙靶材射頻濺鍍系統中放置該形成有該圖案化閘極遮罩與該等GaN層3、4、5的基板2。先對該雙靶材射頻濺鍍系統的一MgO靶材提供3.7 W/cm² 的輸出功率密度，以於該第一GaN層3之閘極區域上形成一厚度約2 nm的MgO層71，並對該雙靶材射頻濺鍍系統的MgO靶材與一TiO₂ 靶材分別提供3.0 W/cm² 與2.1 W/cm² 的輸出功率密度，以於該MgO層71上形成一厚度約8 nm之含有Ti與Mg的氧化層72，進而完成一閘極介電膜層結構7。在本發明該具體例中，該含有Ti與Mg的氧化層72中的Ti原子比Mg原子是1：1，即，TiO₂ -MgO。

於完成該閘極介電膜層結構7之後，先對該閘極介電膜層結構7施予500℃持溫15分鐘的氧氣退火處理(annealing)，以降低該閘極介電膜層結構7內的氧空缺(oxygen vacancy)，並於該閘極介電膜層結構7上形成一厚度約40 nm且是由Ni所構成的閘極8。於完成該閘極8之後，移除該圖案化閘極遮罩。

以電漿輔助化學氣相沉積法(PECVD)於該閘極8與該第一GaN層3上覆蓋一厚度約20 nm的圖案化SiO₂ 層(圖未示)，以於該第一GaN層3上之位於該閘極8的兩側處定義出兩離子佈植(ion implantation)區。對該第一GaN層3之該等離子佈植區施予濃度約1×10²⁰ cm^-3 的Si離子佈植，並施予1050 ℃持溫5分鐘的快速熱退火(rapid thermal annealing，RTA)，藉以活化(activation)所佈植的Si離子，並完成一對間隔地自該第一GaN層3內部延伸至其表面的源極61與汲極62。之後，以反應式離子蝕刻法(reactive ion etching，RIE)移除該圖案化SiO₂ 層。

於該對源極61與汲極62上分別依序沉積一厚度約5 nm的Ti層、一厚度約10 nm的Al層、一厚度約5 nm的Ti層與一厚度約50 nm的Au層，藉以在該對源極61與汲極62上分別形成一對接觸電極9。之後，對該對接觸電極9施予氮氣退火處理，藉以完成歐姆接觸並製得本發明該具體例之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體。

參圖5所顯示之J-V曲線可知，本發明該具體例之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體於+1 V與-1 V之分析條件下，所取得的漏電流密度分別約為2.2×10^-8 A/cm² 與3.5×10^-8 A/cm² 。

此處需說明的是，基於TiO₂ 的能隙是小於MgO，本發明該閘極介電膜層結構7之該含有Ti與Mg的氧化層(即，TiO₂ -MgO)72的能隙理應小於該習知之閘極介電疊層12的第二MgO層123。因此，可預期地，本發明該具體例對於來自該閘極8的熱離子放射的阻擋能力，理應低於該習知之p-GaN系MOS電容器1；即，本發明該具體例之漏電流密度理應大於該習知之p-GaN系MOS電容器1。然而，本發明該具體例於+1 V與-1 V下的漏電流密度(即，2.2×10^-8 A/cm² 與3.5×10^-8 A/cm² )卻不如預期地小於該習知的漏電流密度(即，3.9×10^-8 A/cm² 與3.7×10^-8 A/cm² )。因此，本發明該具體例之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體的漏電流性能較該習知佳。

此處需進一步說明的是，本發明該具體例之閘極介電膜層結構7內只有一個界面(即，MgO/TiO₂ -MgO)，相對該習知之閘極介電疊層12少一個介面(即，MgO/TiO₂ /MgO)；本發明該具體例之閘極介電膜層結構7內的界面缺陷密度(interface trap density)較該習知少；因此，更可改善漏電流的問題。

參圖6所顯示之C-V曲線可知，本發明該具體例之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體於100 MHz及-5 V的分析條下，其電容值約為1.76 μF/cm² ，相對該習知之p-GaN系MOS電容器1的電容值高出約12%。

綜上所述，本發明之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，可進一步地改善該習知之漏電流的問題，並可提昇電晶體之電容值以獲得優異的元件性能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧基板

3‧‧‧第一GaN層

4‧‧‧第二GaN層

5‧‧‧第三GaN層

61‧‧‧源極

62‧‧‧汲極

7‧‧‧閘極介電膜層結構

71‧‧‧MgO層

72‧‧‧含有Ti與Mg的氧化層

8‧‧‧閘極

9‧‧‧接觸電極

圖1是一正視示意圖，說明習知一種p-GaN系MOS電容器；

圖2是一J-V曲線圖，說明該習知之漏電流特性；

圖3是一C-V曲線圖，說明該習知之電容特性；

圖4是一正視示意圖，說明本發明之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體的一較佳實施例；

圖5是一J-V曲線圖，說明本發明增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體的一具體例之漏電流特性；及

圖6是一C-V曲線圖，說明本發明該具體例之電容特性。

2．．．基板

3．．．第一GaN層

4．．．第二GaN層

5．．．第三GaN層

61．．．源極

62．．．汲極

7．．．閘極介電膜層結構

71．．．MgO層

72．．．含有Ti與Mg的氧化層

8．．．閘極

9．．．接觸電極

Claims

一種增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，包含：一六方晶系結構之基板；一第一GaN層，配置於該基板上且其內部含有第一導電型之摻質；一對源極與汲極，相間隔地自該第一GaN層內部延伸至其表面；一閘極介電膜層結構，覆蓋該未形成有該對源極與汲極之第一GaN層的表面，並具有一MgO層及一形成於該MgO層上之含有Ti與Mg的氧化層；及一形成於該閘極介電膜層結構上的閘極。
依據申請專利範圍第1項所述之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，其中，該閘極介電膜層結構之含有Ti與Mg的氧化層中的Ti原子比Mg原子是介於0.9：1.1至1.1：0.9之間。
依據申請專利範圍第2項所述之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，其中，該閘極介電膜層結構之含有Ti與Mg的氧化層的厚度是介於7 nm至10 nm之間。
依據申請專利範圍第1項所述之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，其中，該六方晶系結構之基板是由藍寶石所構成。
依據申請專利範圍第1項所述之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，更包含一第二GaN層，該第二GaN層是配置於該基板與該第一GaN層之間，且其內部含有相反於該第一導電型之摻質的第二導電型之摻質。
依據申請專利範圍第5項所述之增強型氮化鎵系金氧半場效電晶體，更包含一未經摻雜之第三GaN層，該未經摻雜之第三GaN層是配置於該基板與該第二GaN層之間。