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TWI772715B - 磊晶結構與半導體裝置 - Google Patents

磊晶結構與半導體裝置 Download PDF

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TWI772715B
TWI772715B TW108142106A TW108142106A TWI772715B TW I772715 B TWI772715 B TW I772715B TW 108142106 A TW108142106 A TW 108142106A TW 108142106 A TW108142106 A TW 108142106A TW I772715 B TWI772715 B TW I772715B
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atomic
nucleation layer
thickness direction
aluminum content
doping concentration
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TW108142106A
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TW202121491A (zh
Inventor
劉嘉哲
林子堯
施英汝
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環球晶圓股份有限公司
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Priority to US16/952,105 priority patent/US11456362B2/en
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Abstract

一種磊晶結構與半導體裝置，所述磊晶結構至少包括：碳化矽基板、成核層以及氮化鎵層。成核層形成於碳化矽基板上，成核層的材料為摻雜有摻質的氮化鋁鎵，所述成核層的鋁含量沿厚度方向由高變低，成核層的晶格常數在3.08 Å~3.21 Å之間，且成核層的摻雜濃度沿厚度方向由高變低。氮化鎵層則形成於所述成核層上。

Description

磊晶結構與半導體裝置
本發明是有關於一種半導體結構，且特別是有關於一種磊晶結構與半導體裝置。
由於環保意識抬頭，車用充電器已成為重要發展事項。而且因為氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)具有較高之耐壓、頻率與輸出功率等優點，所以目前最有可能取代傳統的矽功率元件。
然而，因為氮化鎵與碳化矽的晶格不匹配較大以及能階差(△Eg較大)，故容易導致元件缺陷密度增加與順向電壓Vf增加，並不利於傳導性。
本發明提供一種磊晶結構，可改善傳統異質接面的問題，以提升磊晶特性與元件電性。
本發明另提供一種半導體裝置，能提升元件電性。
本發明的磊晶結構包括碳化矽基板、成核層以及氮化鎵 層。成核層形成於碳化矽基板上，成核層的材料為摻雜有摻質的氮化鋁鎵，成核層的晶格常數在3.08Å~3.21Å之間，成核層的鋁含量沿厚度方向由高變低，且成核層的摻雜濃度沿厚度方向由高變低，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3。氮化鎵層則形成於所述成核層上。
在本發明的一實施例中，上述成核層中的摻質包括矽、鐵、鎂或碳。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為漸變式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為漸變式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為漸變式增加，且鋁含量的起始值為80原子%~100原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm。摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.11±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為漸變式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為漸變式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為漸變式增加，且鋁含量的起始值為10原子%~60原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm。所述摻雜濃度的起始 值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為步階式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為步階式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為步階式增加，且鋁含量的起始值為80原子%~100原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階。所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.11±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為步階式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為步階式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為步階式增加，且鋁含量的起始值為10原子%~60原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階。所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為步階漸變式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為步階漸變式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為步階漸變式增加，且鋁含量的起始值為80原子%~100原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-50原子%/nm，鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階。所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.11±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層的鋁含量沿厚度方向為步階漸變式降低，上述摻雜濃度沿厚度方向為步階漸變式降低，上述成核層的晶格常數沿厚度方向為步階漸變式增加，且鋁含量的起始值為10原子%~60原子%，鋁含量的結束值為0~20原子%，鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-50原子%/nm，鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階。所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3。晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，晶格常數的結束值為3.18±0.03Å。成核層的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
在本發明的一實施例中，上述成核層是由2至50層的薄膜層所構成。
本發明的半導體裝置包括上述的磊晶結構。
基於上述，本發明藉由設置於碳化矽基板與氮化鎵層之間具有特定摻雜濃度變化之氮化鋁鎵作為成核層，來提升氮化鎵與碳化矽之間的晶格匹配性，並藉此降低元件缺陷密度與順向電壓，進而提升元件電性。
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。
100:碳化矽基板
102:成核層
104:氮化鎵層
106a:步階區域
106b:漸變區域
108:阻障層
110:閘極
112:源極
114:汲極
116:閘極絕緣層
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶結構的剖面示意圖。
圖2是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖3是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖4是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖5是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖6是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖7是上述實施例的部分磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
圖8是依照本發明的另一實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖。
下文列舉一些實施例並配合所附圖式來進行詳細地說明，但所提供的實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍。此外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。
圖1是依照本發明的一實施例的一種磊晶結構的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的磊晶結構包括碳化矽基板100、成核層102以及氮化鎵層104。成核層102形成於碳化矽基板100上，成核層102的材料為摻雜有摻質的氮化鋁鎵(AlxGa1-xN，x小於1)，成核層102的晶格常數在3.08Å~3.21Å之間，成核層102的鋁含量沿厚度方向由高變低，且成核層102的摻雜濃度沿厚度方向由高變低。在一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3。氮化鎵層104則形成於成核層102上，且碳化矽基板100、成核層102以及氮化鎵層104的導電態均可為n+型，但本發明並不限於此。在本實施例中，成核層的厚度例如在1nm~1000nm之間，較 佳為1nm~200nm。此外，圖1雖然顯示的是一整層的成核層102，但應知成核層102於厚度方向上可由多個薄膜層組成，且在本文中所敘述的一個「薄膜層」的定義為氮化鋁鎵(AlxGa1-xN)中x值的一種變化，其中成核層102例如是由2至50層的薄膜層所構成。成核層102的鋁含量還可沿厚度方向為漸變式降低、步階式降低或步階漸變式降低。關於上述鋁含量變化將於下文詳述。
請繼續參照圖1，成核層102中的摻質例如矽、鐵、鎂或碳；若是以碳化矽基板100與氮化鎵層104之間的晶格匹配來看，摻質較佳是矽。而且，成核層102的摻雜濃度可沿厚度方向為漸變式降低、步階式降低或步階漸變式降低。關於上述摻雜濃度變化將於下文詳述。
本實施例設置於碳化矽基板100與氮化鎵層104之間的成核層102，因為其中特定摻雜濃度變化，可改善磊晶結構的晶格匹配性，並藉此降低元件缺陷密度與順向電壓，進而提升元件電性。
圖2至圖7是上述實施例的不同示例性磊晶結構沿厚度方向的摻雜濃度、能階及晶格常數的曲線圖。
在圖2的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為漸變式降低，晶格常數沿厚度方向為漸變式增加，文中的「漸變式降低或增加」是指沿厚度方向連續降低或增加。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；所述摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3，較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值例如3.11±0.03Å，較佳為3.11±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙(Eg)例如沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV漸變式降低，較佳為從6.13±0.5eV至3.42±0.5eV漸變式降低。此外，圖2雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向是漸變式降低，且鋁含量的起始值例如80原子%~100原子%，較佳為90原子%~100原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含量的漸變斜率例如-0.1原子%/nm~-20原子%/nm，較佳為-0.1原子%/nm~-10原子%/nm。
在圖3的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為漸變式降低，晶格常數沿厚度方向為漸變式增加。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3，較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值例如3.151±0.03Å，較佳為3.151±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV漸變式降低，較佳為從4.78±0.5eV至3.42±0.5eV漸變式降低。此外，圖3雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向是漸變式降低，且鋁含量的起始值例如10原子%~60原子%，較佳為40原子%~60原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含 量的漸變斜率例如-0.1原子%/nm~-20原子%/nm，較佳為-0.1原子%/nm~-10原子%/nm。
在圖4的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為步階式降低，晶格常數沿厚度方向為步階式增加，文中的「步階式降低或增加」是指沿厚度方向逐步降低或增加，例如圖中有多個步階式區段，每個步階式區段內的數值不變。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3，較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值例如3.11±0.03Å，較佳為3.11±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙例如沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV步階式降低，較佳為從6.13±0.5eV至3.42±0.5eV步階式降低。此外，圖4雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向是步階式降低，且鋁含量的起始值例如80原子%~100原子%，較佳為90原子%~100原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含量的步階斜率例如-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，較佳為-0.1原子%/步階~-10原子%/步階。
在圖5的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為步階式降低，晶格常數沿厚度方向為步階式增加。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3， 較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值例如3.151±0.03Å，較佳為3.151±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV步階式降低，較佳為從4.78±0.5eV至3.42±0.5eV步階式降低。此外，圖5雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向是步階式降低，且鋁含量的起始值例如10原子%~60原子%，較佳為40原子%~60原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含量的步階斜率例如-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，較佳為-0.1原子%/步階~-10原子%/步階。
在圖6的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為步階漸變式降低，晶格常數沿厚度方向為步階漸變式增加，且文中的「步階漸變式降低或增加」是指沿厚度方向由一段步階區域106a與一段漸變區域106b降低或增加的變化。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3，較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值例如3.11±0.03Å，較佳為3.11±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙例如沿厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV步階漸變式降低，較佳為從6.13±0.5eV至3.42±0.5eV步階漸變式降低。此外，圖6雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向是步階漸變式降 低，且鋁含量的起始值例如80原子%~100原子%，較佳為90原子%~100原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含量的漸變斜率例如-0.1原子%/nm~-50原子%/nm，較佳為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm；鋁含量的步階斜率例如-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，較佳為-0.1原子%/步階~-10原子%/步階。
在圖7的成核層102中，摻雜濃度沿厚度方向為步階漸變式降低，晶格常數沿厚度方向為步階漸變式增加。在以矽為摻質的一實施例中，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，較佳為5E18 cm-3~5E19 cm-3；摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3，較佳為5E18 cm-3~2E19 cm-3。成核層102的晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，較佳為3.151±0.01Å；晶格常數的結束值例如3.18±0.03Å，較佳為3.18±0.01Å。成核層102的能隙則沿厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV步階漸變式降低，較佳為從4.78±0.5eV至3.42±0.5eV步階漸變式降低。此外，圖7雖未顯示成核層102的鋁含量，但在此條件下，鋁含量沿厚度方向為步階漸變式降低，且鋁含量的起始值例如10原子%~60原子%，較佳為40原子%~60原子%；鋁含量的結束值例如0~20原子%，較佳為0~10原子%；鋁含量的漸變斜率例如-0.1原子%/nm~-50原子%/nm，較佳為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm；鋁含量的步階斜率例如-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，較佳為-0.1原子%/步階~-10原子%/步階。
圖8是依照本發明的另一實施例的一種半導體裝置的剖面示意圖，其中使用與上一實施例相同或相似的元件符號表示相同或相似的構件，且相同的構件的說明可參照上一實施例，於此不再贅述。
請參照圖8，第二實施例之半導體裝置是以半導體功率元件為例，其中可包含圖1的磊晶結構(碳化矽基板100、成核層102以及氮化鎵層104)與阻障層108、閘極110、源極112、汲極114以及閘極絕緣層116。氮化鎵層104可作為通道層而在接近阻障層108之界面處，因極化效應而產生二維電子氣(2DEG)。此外，如有其他需求還可於圖8的裝置中增設其他功能性膜層。然而，本發明並不限於此，凡是半導體裝置中包含上一實施例之磊晶結構，均為本發明的專利保護範圍。
綜上所述，本發明藉由具有特定摻雜濃度變化之氮化鋁鎵作為成核層，並將其設置於碳化矽基板與氮化鎵層之間，使氮化鎵與碳化矽之間的晶格不匹配降低，並藉此降低元件缺陷密度與順向電壓，進而提升半導體元件電性。
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。
100:碳化矽基板
102:成核層
104:氮化鎵層

Claims (8)

  1. 一種磊晶結構，包括：碳化矽基板；成核層，形成於所述基板上並與所述基板直接接觸，所述成核層的材料為摻雜有摻質的氮化鋁鎵，所述成核層的晶格常數在3.08Å~3.21Å之間，所述成核層的鋁含量沿厚度方向為漸變式降低或步階漸變式降低，所述鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-50原子%/nm，且所述成核層的摻雜濃度沿厚度方向由高變低，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~1E20 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在1E18 cm-3~5E19 cm-3；以及氮化鎵層，形成於所述成核層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中所述成核層中的所述摻質包括矽、鐵、鎂或碳。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中所述成核層的鋁含量沿所述厚度方向為漸變式降低，所述摻雜濃度沿所述厚度方向為漸變式降低，所述成核層的所述晶格常數沿所述厚度方向為漸變式增加，且所述鋁含量的起始值為80原子%~100原子%，所述鋁含量的結束值為0~20原子%，所述鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3， 所述晶格常數的起始值為3.11±0.03Å，所述晶格常數的結束值為3.18±0.03Å，以及所述成核層的能隙沿所述厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中所述成核層的鋁含量沿所述厚度方向為漸變式降低，所述摻雜濃度沿所述厚度方向為漸變式降低，所述成核層的所述晶格常數沿所述厚度方向為漸變式增加，且所述鋁含量的起始值為10原子%~60原子%，所述鋁含量的結束值為0~20原子%，所述鋁含量的漸變斜率為-0.1原子%/nm~-20原子%/nm，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3，所述晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，所述晶格常數的結束值為3.18±0.03Å，以及所述成核層的能隙沿所述厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV漸變式降低。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中所述成核層的鋁含量沿所述厚度方向為步階漸變式降低，所述摻雜濃度沿所述厚度方向為步階漸變式降低，所述成核層的所述晶格常數沿所述厚度方向為步階漸變式增加，且 所述鋁含量的起始值為80原子%~100原子%，所述鋁含量的結束值為0~20原子%，所述鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3，所述晶格常數的起始值為3.11±0.03Å，所述晶格常數的結束值為3.18±0.03Å，以及所述成核層的能隙沿所述厚度方向從6.13±1eV至3.42±1eV步階漸變式降低。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磊晶結構，其中所述成核層的鋁含量沿所述厚度方向為步階漸變式降低，所述摻雜濃度沿所述厚度方向為步階漸變式降低，所述成核層的所述晶格常數沿所述厚度方向為步階漸變式增加，且所述鋁含量的起始值為10原子%~60原子%，所述鋁含量的結束值為0~20原子%，所述鋁含量的步階斜率為-0.1原子%/步階~-50原子%/步階，所述摻雜濃度的起始值在5E18 cm-3~5E19 cm-3，所述摻雜濃度的結束值在5E18 cm-3~2E19 cm-3，所述晶格常數的起始值為3.151±0.03Å，所述晶格常數的結束值為3.18±0.03Å，以及所述成核層的能隙沿所述厚度方向從4.78±1eV至3.42±1eV步階漸變式降低。
  7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述的磊晶結構，其中所述成核層是由2至50層的薄膜層所構成。
  8. 一種半導體裝置，包括申請專利範圍第1~7項中任一項所述的磊晶結構。
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