TWI779425B - 氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構 - Google Patents
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Abstract
提供一種氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其包括摻雜氮化鎵層、閘極金屬層以及未摻雜氮化鎵層。閘極金屬層位於摻雜氮化鎵層上。摻雜氮化鎵層具有從閘極金屬層的側壁延伸出來的突出部。未摻雜氮化鎵層位於閘極金屬層與摻雜氮化鎵層之間。
Description
本發明是有關於一種氮化鎵高電子移動率電晶體，且特別是有關於一種氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構。
氮化鎵高電子移動率電晶體(high electron mobility transistor, HEMT)是利用氮化鋁鎵(AlGaN)與氮化鎵(GaN)的異質結構，於接面處會產生具有高平面電荷密度和高電子遷移率的二維電子氣(two dimensional electron gas, 2DEG)，因此適於高功率、高頻率和高溫度運作。然而，氮化鎵高電子移動率電晶體常具有閘極漏電的問題，導致電晶體的開關在不正常的操作下效能下降或是失效，進而使可靠度降低。
本發明提供一種氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其可以有效的改善閘極漏電問題，具有較佳的可靠度。
本發明的一種氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其包括摻雜氮化鎵層、閘極金屬層以及未摻雜氮化鎵層。閘極金屬層位於摻雜氮化鎵層上。摻雜氮化鎵層具有從閘極金屬層的側壁延伸出來的突出部。未摻雜氮化鎵層位於閘極金屬層與摻雜氮化鎵層之間。
在本發明的一實施例中，上述的閘極金屬層貫穿未摻雜氮化鎵層。
在本發明的一實施例中，上述的閘極金屬層的底面與未摻雜氮化鎵層的底面共平面。
在本發明的一實施例中，上述的閘極金屬層與未摻雜氮化鎵層直接接觸於摻雜氮化鎵層。
在本發明的一實施例中，上述的閘極結構更包括絕緣層。絕緣層位於閘極金屬層與未摻雜氮化鎵層之間。
在本發明的一實施例中，上述的閘極金屬層的側壁與絕緣層的側壁切齊。
在本發明的一實施例中，上述的閘極結構更包括間隙壁。間隙壁位於突出部上且至少覆蓋閘極金屬層的側壁。
在本發明的一實施例中，上述的間隙壁的底面寬度等於或小於突出部的頂面寬度。
在本發明的一實施例中，上述的未摻雜氮化鎵層包括內縮於閘極金屬層內的一部分。
在本發明的一實施例中，上述的未摻雜氮化鎵層包括延伸至突出部上的另一部分。
基於上述，藉由未摻雜氮化鎵層的保護以及藉由突出部增加漏電流所經過的路徑長度，可以使本發明的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構有效的改善閘極漏電問題，具有較佳的可靠度。
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。
本說明書以下的揭露內容提供不同的實施例或範例，以實施本發明各種不同實施例的不同特徵。而本說明書以下的揭露內容是敘述各個構件及其排列方式的特定範例，以求簡化說明。當然，這些特定的範例並非用以限定本發明。另外，本發明的說明中不同範例可能使用重複的參考符號及/或用字。這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述外觀結構的關係。再者，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將第一特徵形成於第二特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了尚可將附加的特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。
請參考圖1，本實施例的氮化鎵高電子移動率電晶體100可以包括基板102、通道層108、阻障層110以及閘極結構G1，其中通道層108可以位於基板102上，阻障層110可以位於通道層108上，而閘極結構G1可以位於阻障層110上。在此，基板102可以包括藍寶石(Sapphire)、碳化矽(SiC)、氧化鋅(ZnO)、矽(Si)、氧化鎵(Ga
2O
3)等材料；通道層108的材料可以包括氮化鎵(GaN)；而阻障層110的材料可以包括氮化鋁鎵（Al
xGa
1-xN，x=0.2~1），但本發明不限於此。
在一些實施例中，當基板102與通道層108之間具有晶格不匹配問題時，可以選擇性地於基板102與通道層108之間配置第一緩衝層104與第二緩衝層106，其中第二緩衝層106比第一緩衝層104的晶格更匹配於通道層108。在此，第一緩衝層104例如氮化鋁層，且第二緩衝層106例如氮化鋁鎵（Al
xGa
1-xN，x=0.2~1）與氮化鎵的多重疊層。然而，本發明不限於此，在未繪示的實施例中，基板102與通道層108之間也可以選擇性地只配置第一緩衝層104或第二緩衝層106。
此外，本實施例的閘極結構G1可以包括摻雜氮化鎵層112、未摻雜氮化鎵層114與閘極金屬層116，其中摻雜氮化鎵層112可以位於阻障層110上，閘極金屬層116可以位於摻雜氮化鎵層112上，而未摻雜氮化鎵層114可以位於閘極金屬層116與摻雜氮化鎵層112之間。在此，摻雜氮化鎵層112可以視實際設計設的需求為N型摻雜或P型摻雜。進一步而言，未摻雜氮化鎵層114可以用來保護作為閘極結構G1之摻雜氮化鎵層112，確保其不受閘極金屬層116或後續源極與汲極製程的影響，進而可以提升氮化鎵高電子移動率電晶體100的可靠度。
此外，摻雜氮化鎵層112還可以具有從閘極金屬層116的側壁116s延伸出來的突出部112p，藉由突出部112p的設計可以增加漏電流所經過的路徑長度，以更有效的改善閘極結構G1漏電問題，因此，本實施例的氮化鎵高電子移動率電晶體100可以更有效的改善閘極結構G1漏電問題，具有較佳的可靠度。
在一些實施例中，漏電流是經過閘極金屬層116的側壁116s、未摻雜氮化鎵層114的側壁114s再流經摻雜氮化鎵層112的突出部112p，如圖1的箭頭路徑所示，因此突出部112p的設計可以增加漏電流所經過的路徑長度，以更有效的改善閘極結構G1漏電的問題。
在一些實施例中，閘極金屬層116的材料包括鎳、鉑、氮化鉭、氮化鈦、鎢或前述金屬的合金物，但本發明不限於此，閘極金屬層116也可以是任何適宜的導電材料。
在一些實施例中，摻雜氮化鎵層112的突出部112p是一個平台結構(ledge)，且閘極金屬層116與未摻雜氮化鎵層114凸設於平台結構上，但本發明不限於此。
在一些實施例中，閘極金屬層116貫穿未摻雜氮化鎵層114，以將未摻雜氮化鎵層114分隔開，使未摻雜氮化鎵層114僅位在閘極金屬層116的側壁116s附近，但本發明不限於此。
在本實施例中，未摻雜氮化鎵層114內縮於閘極金屬層116，且未摻雜氮化鎵層114的側壁114s與閘極金屬層116的側壁116s實質上切齊，換句話說，未摻雜氮化鎵層114可以被限定於閘極金屬層116的側壁116s內，但本發明不限於此，在其他實施例中，未摻雜氮化鎵層可以不被限定於閘極金屬層116的側壁116s內。
在一些實施例中，閘極金屬層116的底面116b與未摻雜氮化鎵層114的底面114b共平面，換句話說，閘極金屬層116的底面116b與未摻雜氮化鎵層114的底面114b可以形成一延伸的平面。此外，閘極金屬層116的底面116b、未摻雜氮化鎵層114的底面114b與突出部112p的頂面共平面，換句話說，閘極金屬層116的底面116b、未摻雜氮化鎵層114的底面114b與突出部112p的頂面可以形成一延伸的平面，但本發明不限於此。
在一些實施例中，閘極金屬層116與未摻雜氮化鎵層114直接接觸於摻雜氮化鎵層112，但本發明不限於此。
在一些實施例中，未摻雜氮化鎵層114與閘極金屬層116直接接觸，也就是說，未摻雜氮化鎵層114與閘極金屬層116之間可以不包括其他膜層，但本發明不限於此，在其他實施例中，未摻雜氮化鎵層114與閘極金屬層116之間也可以選擇性地形成其他膜層。
在本實施例中，摻雜氮化鎵層112的突出部112p可以被暴露出來，但本發明不限於此，在其他實施例中，摻雜氮化鎵層112的突出部112p也可以被其他元件所覆蓋。
在本實施例中，以剖面觀之，摻雜氮化鎵層112為梯形，因此摻雜氮化鎵層112的側壁112s與阻障層110的頂面110a可以具有呈現鈍角的夾角，但本發明不限於此，在其他實施例中，以剖面觀之，摻雜氮化鎵層112可以是具有其他態樣，且摻雜氮化鎵層112的側壁112s與阻障層110的頂面110a的夾角可以具有其他不同角度。
本實施例的氮化鎵高電子移動率電晶體100，其包括基板102、通道層108、阻障層110以及閘極結構G1。通道層108位於基板102上。阻障層110位於通道層108上。閘極結構G1位於阻障層110上。閘極結構G1包括摻雜氮化鎵層112、閘極金屬層116以及未摻雜氮化鎵層114。摻雜氮化鎵層112位於阻障層110上。閘極金屬層116位於摻雜氮化鎵層112上。摻雜氮化鎵層112具有從閘極金屬層116的側壁116s延伸出來的突出部112p。未摻雜氮化鎵層114位於閘極金屬層116與摻雜氮化鎵層112之間。因此，藉由未摻雜氮化鎵層114的保護以及藉由突出部112p增加漏電流所經過的路徑長度，可以使本實施例的氮化鎵高電子移動率電晶體100有效的改善閘極結構G1漏電問題，具有較佳的可靠度。
在此必須說明的是，以下實施例沿用上述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明，關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參考圖2，氮化鎵高電子移動率電晶體200與圖1中的氮化鎵高電子移動率電晶體100相似，不同之處在於：氮化鎵高電子移動率電晶體200的閘極結構G2更包括絕緣層218，其中絕緣層218位於閘極金屬層116與未摻雜氮化鎵層114之間，以阻隔閘極結構G2側邊的漏電流，進一步降低閘極結構G2的漏電問題，但本發明不限於此。
在本實施例中，閘極金屬層116的側壁116s與絕緣層218的側壁218s可以實質上切齊，換句話說，絕緣層218可以被限定於閘極金屬層116的側壁116s內。此外，閘極金屬層116的側壁116s與絕緣層218的側壁218s也可以與未摻雜氮化鎵層114的側壁114s實質上切齊，但本發明不限於此，在其他實施例中，可以只有閘極金屬層116的側壁116s與絕緣層218的側壁218s實質上切齊，而未摻雜氮化鎵層114的側壁114s與閘極金屬層116的側壁116s以及絕緣層218的側壁218s不切齊。
在一些實施例中，絕緣層218的材料例如氮化矽(Si
3N
4)、氧化鋁(Al
2O
3)、氧化矽(SiO
2)、氮化硼(BN)或氮化鋁(AlN)，但本發明並不限於此，絕緣層218可以是任何適宜的絕緣材料。
請參考圖3，氮化鎵高電子移動率電晶體300與圖1中的氮化鎵高電子移動率電晶體100相似，不同之處在於：氮化鎵高電子移動率電晶體300的閘極結構G3更包括間隙壁320，其中間隙壁320位於突出部112p上且至少覆蓋閘極金屬層116的側壁116s，因此在製作過程中間隙壁320可以保護閘極金屬層116的側壁116s，降低雜質附著於閘極金屬層116的側壁116s的機率，進一步降低閘極結構G3的漏電問題，但本發明不限於此。
在本實施例中，間隙壁320的底面寬度等於突出部112p的頂面寬度，亦即間隙壁320可以完全覆蓋突出部112p上原本被暴露出來的空間，但本發明不限於此。此外，氮化鎵高電子移動率電晶體300的閘極結構G3可以更包括頂蓋層322，其中頂蓋層322位於閘極金屬層116上且與間隙壁320連接。
在一些實施例中，間隙壁320的例如是氧化矽(SiO
2)或氮化矽(Si
3N
4)，而頂蓋層322的材料例如是氧化矽(SiO
2)或氮化矽(Si
3N
4)，但本發明並不限於此，間隙壁320與頂蓋層322的材料可以是任何適宜的絕緣材料。
請參考圖4，氮化鎵高電子移動率電晶體400與圖3中的氮化鎵高電子移動率電晶體300相似，不同之處在於：氮化鎵高電子移動率電晶體400的閘極結構G4的閘極金屬層416的頂部更包括凹陷部416a。在此，凹陷部416a可以是伴隨閘極金屬層416的形成所形成，但本發明不限於此。
在一些實施例中，對應凹陷部416a，電子移動率電晶體400的閘極結構G4的間隙壁420與頂蓋層422可以配置於不同的位置上。如圖4所示，一部分的間隙壁420可以覆蓋閘極金屬層416的側壁416s與頂蓋層422的側壁422s，而另一部分間隙壁420可以嵌入頂蓋層422內，其中頂蓋層422可以是共形(conformally)形成於凹陷部416a上，但本發明不限於此。
另一方面，氮化鎵高電子移動率電晶體400的閘極結構G4也可以包括絕緣層218，其中絕緣層218可以被間隙壁420所覆蓋，但本發明不限於此。
請參考圖5，氮化鎵高電子移動率電晶體500與圖1中的氮化鎵高電子移動率電晶體100相似，不同之處在於：氮化鎵高電子移動率電晶體500的閘極結構G5的未摻雜氮化鎵層514包括延伸至突出部112p上的另一部分，換句話說，未摻雜氮化鎵層514可以覆蓋住圖5中突出部112p上被暴露出來的空間，但本發明不限於此。
在一些實施例中，未摻雜氮化鎵層514的側壁與突出部112p的側壁可以是連續側壁，但本發明不限於此。
請參考圖6，氮化鎵高電子移動率電晶體600與圖4中的氮化鎵高電子移動率電晶體400相似，不同之處在於：電子移動率電晶體600的閘極結構G6的間隙壁620的底面寬度小於突出部112p的頂面寬度，且未摻雜氮化鎵層514包括延伸至突出部112p上的另一部分。進一步而言，由於未摻雜氮化鎵層514與突出部112p呈現梯形輪廓，因此在部分未摻雜氮化鎵層514夾於突出部112p與間隙壁620之間時，會進一步縮減間隙壁620的形成空間。
請參考圖7，氮化鎵高電子移動率電晶體700與圖1中的氮化鎵高電子移動率電晶體100相似，不同之處在於：以剖面觀之，氮化鎵高電子移動率電晶體700的閘極結構G7的摻雜氮化鎵層712為矩形，因此摻雜氮化鎵層712的側壁712s與阻障層110的頂面110a可以具有呈現直角的夾角，但本發明不限於此。
應說明的是，本發明不限制於上述實施例中的態樣，上述實施例中的絕緣層、間隙壁、頂蓋層、凹陷部與摻雜氮化鎵層的剖面形狀等特徵都可以視實際設計上的需求進行組合或選擇性配置，只要氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構包括位於閘極金屬層與摻雜氮化鎵層之間的未摻雜氮化鎵層，且閘極結構的摻雜氮化鎵層具有從閘極金屬層的側壁延伸出來的突出部皆屬於本發明的保護範圍。
綜上所述，未摻雜氮化鎵層可以用來保護作為閘極結構之摻雜氮化鎵層，確保其不受閘極金屬層或後續源極與汲極製程的影響，且藉由突出部可以增加漏電流所經過的路徑長度，因此本發明的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構可以有效的改善閘極漏電問題，具有較佳的可靠度。
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、200、300、400、500、600、700:氮化鎵高電子移動率電晶體
102:基板
104:第一緩衝層
106:第二緩衝層
108:通道層
110:阻障層
110a:頂面
112、712:摻雜氮化鎵層
112p:突出部
114、514:未摻雜氮化鎵層
116、416:閘極金屬層
114b、116b:底面
112s、114s、116s、218s、416s、422s、712s:側壁
218:絕緣層
320、420、620:間隙壁
322、422:頂蓋層
416a:凹陷部
G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7:閘極結構
圖1至圖7為依據本發明一些實施例之氮化鎵高電子移動率電晶體的剖面示意圖。
100:氮化鎵高電子移動率電晶體
102:基板
104:第一緩衝層
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108:通道層
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114:未摻雜氮化鎵層
116:閘極金屬層
114b、116b:底面
G1:閘極結構
Claims (8)
- 一種氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，包括：摻雜氮化鎵層；閘極金屬層，位於所述摻雜氮化鎵層上，其中所述摻雜氮化鎵層具有從所述閘極金屬層的側壁延伸出來的突出部；以及未摻雜氮化鎵層，位於所述閘極金屬層與所述摻雜氮化鎵層之間，其中所述未摻雜氮化鎵層包括延伸至所述突出部上的一部分。
- 如請求項1所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極金屬層貫穿所述未摻雜氮化鎵層。
- 如請求項1所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極金屬層的底面與所述未摻雜氮化鎵層的底面共平面。
- 如請求項1所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極金屬層與所述未摻雜氮化鎵層直接接觸於所述摻雜氮化鎵層。
- 如請求項1所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極結構更包括絕緣層，所述絕緣層位於所述閘極金屬層與所述未摻雜氮化鎵層之間。
- 如請求項5所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極金屬層的所述側壁與所述絕緣層的側壁切齊。
- 如請求項1所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述閘極結構更包括間隙壁，所述間隙壁位於所述突出部上且至少覆蓋所述閘極金屬層的所述側壁。
- 如請求項7所述的氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構，其中所述間隙壁的底面寬度等於或小於所述突出部的頂面寬度。
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| TW109144714A TWI779425B (zh) | 2020-12-17 | 2020-12-17 | 氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構 |
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| TW202226600A TW202226600A (zh) | 2022-07-01 |
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| TW202025258A (zh) * | 2018-12-26 | 2020-07-01 | 杰力科技股份有限公司 | 氮化鎵高電子移動率電晶體的閘極結構的製造方法 |
| TW202025488A (zh) * | 2018-12-26 | 2020-07-01 | 杰力科技股份有限公司 | 氮化鎵高電子移動率電晶體及其閘極結構 |
| CN111682065A (zh) * | 2020-06-19 | 2020-09-18 | 英诺赛科（珠海）科技有限公司 | 具有非对称栅极结构的半导体器件 |
-
2020
- 2020-12-17 TW TW109144714A patent/TWI779425B/zh active
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