TWI788869B - 高電子遷移率電晶體及其複合基板 - Google Patents
高電子遷移率電晶體及其複合基板 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI788869B TWI788869B TW110120492A TW110120492A TWI788869B TW I788869 B TWI788869 B TW I788869B TW 110120492 A TW110120492 A TW 110120492A TW 110120492 A TW110120492 A TW 110120492A TW I788869 B TWI788869 B TW I788869B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- layer
- stress
- substrate
- silicon
- silicon germanium
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 108
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 120
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 101
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 27
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 282
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 17
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N digallium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Ga+3].[Ga+3] AJNVQOSZGJRYEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001195 gallium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 17
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 4
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000032750 Device leakage Diseases 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
高電子遷移率電晶體的複合基板，包括基底、設置於基底上的應力調控矽鍺層、以及設置於應力調控矽鍺層上的應力傳遞矽層。此外，高電子遷移率電晶體，包括前述複合基板、設置於應力傳遞矽層上的成核層、設置於成核層上的緩衝層、設置於緩衝層上的高電阻層，其具有的電阻率高於緩衝層的電阻率、設置於高電阻層上的通道層、設置於通道層上的電子提供層、設置於電子提供層上的覆蓋層、設置於覆蓋層上的閘極電極、以及分別設置於閘極電極的兩側，且位於通道層上的源極電極和汲極電極。
Description
本揭露係關於一種供磊晶成長的複合基板，特別是關於一種高電子遷移率電晶體的複合基板以及在其上形成的高電子遷移率電晶體。
氮化鎵材料因為具有寬能隙、高臨界電場、高導熱率、高飽和電子速度、高頻傳輸能力以及元件體積小等特性，使得氮化鎵在高功率及高速電晶體的應用上被視為是相當理想的材料，尤其是在高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor,HEMT)等高頻元件或是發光二極體(LED)元件的應用上相當廣泛。
矽基板在價格成本上有其競爭優勢，因此將氮化鎵等III-V族半導體化合物成長在矽基板上的電路設計方案正在蓬勃地研究與發展。由於氮化鎵與矽基板在晶格常數與熱膨脹係數等性質差異過大，因此通常會在氮化鎵和矽基板之間設置緩衝層，來幫助氮化鎵成長在矽基板上，然而，緩衝層的使用並無法完全滿足高電子遷移率電晶體對於氮化鎵等III-V族半導體化合物的薄膜品質要求。
有鑑於此，有必要提供一種高電子遷移率電晶體的複合基板，以解決習知技術中存在的缺失。
根據本揭露一實施例，提供一種高電子遷移率電晶體的複合基板，包括基底、設置於基底上的應力調控矽鍺層、以及設置於應力調控矽鍺層上的應力傳遞矽層。
根據本揭露一實施例，提供一種高電子遷移率電晶體，包括基底、設置於基底上的應力調控矽鍺層、設置於應力調控矽鍺層上的應力傳遞矽層、設置於應力傳遞矽層上的成核層、設置於成核層上的緩衝層、設置於緩衝層上的高電阻層，其具有的電阻率高於緩衝層的電阻率、設置於高電阻層上的通道層、設置於通道層上的電子提供層、設置於電子提供層上的覆蓋層、設置於覆蓋層上的閘極電極、以及分別設置於閘極電極的兩側，且位於通道層上的源極電極和汲極電極。
100:複合基板
102:核心層
104:介電層
106:元件晶圓
108:半導體層
110:基底
112:第一摻雜漸變矽鍺層
113:第一超晶格結構
114:第二摻雜漸變矽鍺層
115:第二超晶格結構
120:應力調控矽鍺層
130:應力傳遞矽層
140:應力漸變層
200:高電子遷移率電晶體
202:步驟
204:步驟
206:步驟
210:成核層
220:緩衝層
230:高電阻層
240:通道層
250:電子提供層
260:覆蓋層
270:閘極電極
280:源極電極
290:汲極電極
2DEG:二維電子氣
為讓本揭露的上述與其他目的、特徵及實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下，此外，為了清楚起見，圖式中的各特徵可能未必按照實際的比例繪製，因此某些圖式中的部分特徵的尺寸可能被刻意放大或縮小。
第1圖是根據本揭露一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。
第2圖是根據本揭露一實施例所繪示的複合基板之基底的製造過程之剖面示意圖。
第3圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。
第4圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。
第5圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。
第6圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。
第7圖是根據本揭露一實施例所繪示的高電子遷移率電晶體的剖面示意圖。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本揭露的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
以下描述的數值範圍與參數皆是約略的數值，在此處，「約」通常係指實際數值在一特定數值或範圍的正負10%、5%、1%或0.5%之內。當可理解此處所用的所有範圍、數量、數值、比例與百分比均經過「約」的修飾。因此，除非另有相反的說明，本說明書與附隨申請專利範圍所揭示的數值參數皆為約略的數值，且可視需求而更動。
第1圖是根據本揭露一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。如第1圖所示，複合基板100包含基底110，基底110可以是絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator，SOI)基底、單晶半導體基底、多晶半導體基底、鑽石基底或藍寶石基底，其中單晶半導體基底或多晶半導體基底的材料可以是矽、氮化鋁、碳化矽、氧化鎵或氮化硼。基底110之矽材料可以是無摻雜的Si<111>、Si<110>或Si<100>，或是矽材料可摻雜例如鍺(Ge)、砷(As)、氧(O)原子或前述之組合，摻雜濃度例如為1x1013至1x1020atom/cm-3。此外，複合基板100還包含應力調控矽鍺層120設置於基底110上，以及應力傳遞矽層130設置於應力調控矽鍺層120上。根據本揭露一些實施例，應力調控矽鍺層120的組成例如是Si1-x3Gex3，其中0<x3<1，且應力調控矽鍺層120中可摻雜例如Ge、As、O原子或前述之組合，摻雜濃度例
如為1x1020atom/cm-3，應力調控矽鍺層120的厚度可以是0.1微米(μm)至10μm，應力傳遞矽層130的厚度可以是0.1μm至10μm，可以使用有機金屬化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)在同一製程腔室內形成應力調控矽鍺層120和應力傳遞矽層130。其中，為了順利在基底110的表面上磊晶成長應力調控矽鍺層120，可以在基底110和應力調控矽鍺層120之間額外設置具有特定晶面的半導體層，例如矽(111)。
第2圖是根據本揭露一實施例所繪示的複合基板之基底110的製造過程之剖面示意圖。如第2(a)圖所示，首先提供核心層102，例如支撐晶圓(handle wafer)，核心層102可以是矽、碳化矽(SiC)、藍寶石或其他硬度較大的基板，核心層102的厚度例如是300μm至1500μm。接著，經由步驟202，如第2(b)圖所示，在核心層102的表面形成介電層104，以作為後續晶圓鍵合的鍵合層(bonding layer)，及/或用以增強基底整體的抗彎曲性或楊氏係數。其中，介電層104可以是氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(SiN)或其他絕緣氧化物，介電層104的厚度可以是0.05μm至5μm，可以利用熱氧化或沉積的方式形成介電層104，並且介電層104可以包裹整個核心層102的正面、背面及側面。之後，經由步驟204，如第2(c)圖所示，提供元件晶圓106，將元件晶圓106鍵合(bonding)至介電層104上，並進行熱處理製程(annealing)。然後，經由步驟206，如第2(d)圖所示，將元件晶圓106減薄，繼以研磨減薄後的表面，得到半導體層108，並完成基底110的製造，其中，可以利用研磨(grinding)及化學機械研磨(chemical-mechanical planarization,CMP)方式進行步驟206，或是利用植入氫氣並膨脹產生微孔隙的分離方式(smart cut)以進行步驟206。同時參考第1圖和第2(d)圖，基底110的半導體層108設置於介電層104與應力調控矽鍺層120之間，半導體層108的厚度可以是0.1μm至10μm。根據本揭露之實施例，核心層102可以增加複合基板100之基底110的硬度，使得複合基板100抗翹曲(bending)效果得以提昇。此外，還可以利用介電層104的厚度調整來降低後
續在複合基板100上磊晶成長的氮化鎵層之應力影響，改善基底110的彎曲(bowing)程度。
第3圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。第3圖與第2圖的差異在於第3圖的複合基板100之基底110與應力調控矽鍺層120之間額外設置有應力漸變層140，並且應力漸變層140的底部區域的鍺莫爾分率高於頂部區域的鍺莫爾分率。根據一實施例，如第3圖所示，應力漸變層140可包含位於底部區域的第一摻雜漸變矽鍺層112及位於頂部區域的第二摻雜漸變矽鍺層114。根據本揭露一些實施例，第一摻雜漸變矽鍺層112的組成例如是Si1-x1Gex1、第二摻雜漸變矽鍺層114的組成例如是Si1-x2Gex2，其中0<x3<x2<x1<1，且x3為應力調控矽鍺層120的Si1-x3Gex3中的鍺莫爾分率。第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114中可摻雜例如Ge、As、O原子或前述之組合，摻雜濃度例如為1x1020atom/cm-3，第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114的厚度可以各自是0.1μm至20μm。由於第一摻雜漸變矽鍺層112的晶格常數會大於第二摻雜漸變矽鍺層114的晶格常數，因此可以在不影響應力傳遞矽層130和基底110之間的附著性的情況下，進一步提昇施加至應力傳遞矽層130和上方其他半導體層(圖未示)的張應力。
第4圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。第4圖與第3圖的差異在於第4圖的複合基板100之第一摻雜漸變矽鍺層112與第二摻雜漸變矽鍺層114之間額外設置有第一超晶格結構113，此實施例之應力漸變層140包含第一摻雜漸變矽鍺層112、第一超晶格結構113及第二摻雜漸變矽鍺層114由下至上依序設置於基底110與應力調控矽鍺層120之間。第一超晶格結構113包含複數對成對堆疊的矽鍺層，每一對矽鍺層的組成與第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114的組成相同，例如是Si1-x1Gex1和Si1-x2Gex2，其中x1是第一摻雜漸變矽鍺層112的鍺莫爾分率，x2是第二摻雜漸變矽鍺層114的鍺莫爾分率，每
一對矽鍺層的厚度小於第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114的厚度，例如可以是0.5nm至15nm，並且第一超晶格結構113可包含20對矽鍺層，第一超晶格結構113中可摻雜例如Ge、As、O原子或前述之組合，摻雜濃度例如為1x1020atom/cm-3。
第5圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。第5圖與第3圖的差異在於第5圖的複合基板100之第二摻雜漸變矽鍺層114與應力調控矽鍺層120之間額外設置有第二超晶格結構115，此實施例之應力漸變層140包含第一摻雜漸變矽鍺層112、第二摻雜漸變矽鍺層114及第二超晶格結構115由下至上依序設置於基底110與應力調控矽鍺層120之間。第二超晶格結構115包含複數對成對堆疊的矽鍺層，每一對矽鍺層的組成與第二摻雜漸變矽鍺層114和應力調控矽鍺層120的組成相同，例如是Si1-x2Gex2和Si1-x3Gex3，其中x2是第二摻雜漸變矽鍺層114的鍺莫爾分率，x3是應力調控矽鍺層120的鍺莫爾分率，每一對矽鍺層的厚度小於第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114的厚度，例如可以是0.5nm至15nm，並且第二超晶格結構115可包含20對矽鍺層，第二超晶格結構115中可摻雜例如是Ge、As、O原子或前述之組合，摻雜濃度例如為1x1020atom/cm-3。
此外，第5圖的複合基板100之應力傳遞矽層130的厚度可以是50nm至100nm。
第6圖是根據本揭露另一實施例所繪示的複合基板的剖面示意圖。第6圖與第3圖的差異在於第6圖的複合基板100之第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114之間額外設置有第一超晶格結構113，並且第二摻雜漸變矽鍺層114與應力調控矽鍺層120之間設置有第二超晶格結構115，此實施例之應力漸變層140包含第一摻雜漸變矽鍺層112、第一超晶格結構113、第二摻雜漸變矽鍺層114及第二超晶格結構115由下至上依序設置於基底110與應力調控矽鍺層120之間。在第6圖的複合基板100中，第一超晶格結構113和第二超晶格結構115的組成、摻雜元素、摻雜濃度及厚度可以參考前述第5圖和第6圖的複合基板100。
根據本揭露之實施例，在第一摻雜漸變矽鍺層112、第二摻雜漸變矽鍺層114、應力調控矽鍺層120之間插入第一超晶格結構113、第二超晶格結構115可以強化複合基板100的這些矽鍺層的磊晶品質，避免差排(dislocation)產生，並且可避免因為各矽鍺層之間的應力釋放而造成複合基板100的結構受損。
此外，可以使用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)在同一製程腔室內形成前述實施例中的第一摻雜漸變矽鍺層112、第二摻雜漸變矽鍺層114、第一超晶格結構113、第二超晶格結構115、應力調控矽鍺層120和應力傳遞矽層130，因此可以改善製程效率，並避免這些層在製造過程受到污染。
第7圖是根據本揭露一實施例所繪示的高電子遷移率電晶體的剖面示意圖。如第7圖所示，高電子遷移率電晶體(HEMT)200包含成核層210設置在複合基板100上，複合基板100可以選自前述第1、3、4、5、6圖之複合基板100，為了簡化圖式，第7圖的複合基板100僅以一方塊繪示。成核層210設置在複合基板100的應力傳遞矽層130上，成核層210的材料例如是氮化鋁(AlN)，並且可包含由下層的第一成核層和上層的第二成核層，第一成核層的厚度可以是30nm至80nm，成長溫度介於800至1000℃，第二成核層的厚度可以是30nm至200nm，成長溫度介於900至1100℃。HEMT 200還包含緩衝層220，例如是超晶格層，設置於成核層210上，緩衝層220的材料例如是氮化鋁鎵，並且可包含多層氮化鋁鎵層，例如5層氮化鋁鎵緩衝層，這些氮化鋁鎵緩衝層的鋁莫爾分率從下到上逐漸減少，每一層氮化鋁鎵緩衝層的厚度介於50nm至1000nm，成長溫度介於1000至1300℃。緩衝層220中可摻雜元素例如是碳、鐵、鎂或前述之組合，其中碳的摻雜濃度例如為1x1016至1x1021atom/cm-3，鐵或鎂的摻雜濃度例如為1x1016至1x1020atom/cm-3。HEMT 200還包含高電阻層230設置於緩衝層220上，高電阻層230的電阻率高於緩衝層220的電阻率，高電阻層230的材料例如是氮化鋁鎵，其鋁莫爾分率小於緩衝層220最頂層的鋁莫爾分率，高電阻層230的厚度可以是1600nm
至2300nm，成長溫度介於1000至1300℃，高電阻層230中可摻雜元素例如是碳、鐵、鎂或前述之組合，其摻雜濃度範圍與緩衝層220相同。
HEMT 200還包含通道層(channel layer)240，其設置於高電阻層230上，通道層240的材料例如是氮化鎵(GaN)，厚度可以是0.2nm至1000nm，成長溫度介於1000至1300℃。電子提供層(barrier layer)250設置於通道層240上，電子提供層250的材料例如是氮化鋁鎵，厚度可以是10nm至30nm，成長溫度介於1000至1300℃。覆蓋層(cap layer)260設置於電子提供層250上，覆蓋層260可以是p型氮化鎵(GaN)層或p型氮化鋁鎵(AlGaN)層，其厚度可以分別為10nm至20nm、10nm至150nm，其中p型摻雜元素可以是鎂，摻雜濃度例如為1x1016至1x1023atom/cm-3。
HEMT 200的成核層210、緩衝層220、高電阻層230、通道層240、電子提供層250和覆蓋層260都可以經由有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)而磊晶成長形成。
此外，HEMT 200還包含閘極電極270、源極電極280和汲極電極290。
閘極電極27設置於覆蓋層260上，而源極電極280和汲極電極290分別設置於閘極電極270的兩側，且位於通道層240上，其中閘極電極270和覆蓋層260可以一起圖案化而形成，源極電極280和汲極電極290可以穿過電子提供層250到達通道層240的頂面，或者到達通道層240的一深度。如第7圖所示，未被覆蓋層260覆蓋的區域會因為通道層240和電子提供層250間所產生的壓電效應而形成二維電子氣(two dimensional electron gas)2DEG。利用閘極電極270向p型覆蓋層260施加偏壓，可以調控位於p型覆蓋層260下方的通道層240中的二維電子氣濃度，進而調控HEMT的開關。
根據本揭露之實施例，複合基板100的基底110之核心層102為硬度較大的基底，可以提昇基底110抗翹曲的效果。此外，可以藉由基底110之介電層104的厚度調控來降低上方的磊晶層例如氮化鎵通道層240之應力影響，可以改善基底110的彎曲，因此複合基板100的基底110可以解決基板翹曲問題。另外，複合
基板100的應力調控矽鍺層120的晶格較應力傳遞矽層130的晶格大，因此會對上方的氮化鎵通道層240產生張應力，讓通道層240的2DEG濃度增加，提高元件通道的電流量，進而提昇HEMT的電性效能。
另外，根據本揭露之實施例，當應力漸變層140的鍺莫爾分率從頂部區域到底部區域逐漸增加時，應力漸變層140的晶格常數也會從頂部區域到底部區域逐漸增加，使得應力漸變層140的晶格從上至下逐漸變大，藉由應力漸變層140的第一摻雜漸變矽鍺層112和第二摻雜漸變矽鍺層114的組成漸變來調整晶格大小，使得上方的氮化鎵通道層240所受張應力增加，可以進一步提高通道層240中的二維電子氣濃度，進而提高元件通道的電流量。相較於氮化鎵磊晶層形成在矽基板上之HEMT，本揭露之實施例可以讓通道層240之2DEG濃度大幅增加約3倍，並且相較於氮化鎵磊晶層形成在SOI基板上之HEMT，本揭露之實施例可以讓通道層240之2DEG濃度大幅增加約26倍。
此外，根據本揭露之實施例，第一超晶格結構113和第二超晶格結構115的設置可以避免差排(dislocation)產生，而可以強化第一摻雜漸變矽鍺層112、第二摻雜漸變矽鍺層114和應力調控矽鍺層120的磊晶品質，並且避免因為各矽鍺層之間的應力釋放而造成複合基板100的結構受損。另外，本揭露之實施例可以讓HEMT的整體磊晶結構之厚度超過10μm，有效降低元件漏電，改善HEMT在高電壓操作下的效能和可靠度。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:複合基板
110:基底
112:第一摻雜漸變矽鍺層
114:第二摻雜漸變矽鍺層
120:應力調控矽鍺層
130:應力傳遞矽層
140:應力漸變層
Claims (11)
- 一種高電子遷移率電晶體的複合基板，包括：一基底；一應力調控矽鍺層，設置於該基底上；一應力傳遞矽層，設置於該應力調控矽鍺層上；以及一應力漸變層，介於該基底與該應力調控矽鍺層間，具有一底部區域及一頂部區域，其中該底部區域的鍺莫爾分率高於該頂部區域的鍺莫爾分率。
- 如請求項1所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該基底包括絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator，SOI)基底、單晶半導體基底、多晶半導體基底、鑽石基底或藍寶石基底。
- 如請求項2所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該單晶半導體基底或該多晶半導體基底包括矽、氮化鋁、碳化矽、氧化鎵或氮化硼。
- 如請求項1所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該應力漸變層包括一第一摻雜漸變矽鍺層、一超晶格結構以及一第二摻雜漸變矽鍺層由下至上依序設置於該基底與該應力調控矽鍺層之間，其中該超晶格結構包括複數對矽鍺層，且該每一對矽鍺層的組成與該第一摻雜漸變矽鍺層和該第二摻雜漸變矽鍺層的組成相同。
- 如請求項1所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該應力漸變層包括一第一摻雜漸變矽鍺層、一第二摻雜漸變矽鍺層以及一超晶格結構由下至上依序設置於該基底與該應力調控矽鍺層之間，其中該超晶格結構包括複 數對矽鍺層，且該每一對矽鍺層的組成與該第二摻雜漸變矽鍺層和該應力調控矽鍺層的組成相同。
- 如請求項4或5所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該應力調控矽鍺層、該應力漸變層或該超晶格結構包含一包括鍺、砷、氧或前述之組合的摻雜元素。
- 如請求項1所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該應力漸變層包括一第一摻雜漸變矽鍺層、一第一超晶格結構、一第二摻雜漸變矽鍺層以及一第二超晶格結構由下至上依序設置於該基底與該應力調控矽鍺層之間。
- 如請求項1所述的高電子遷移率電晶體的複合基板，其中該基底包括：一核心層；一介電層，包裹住該核心層；以及一半導體層，設置於該介電層和該應力調控矽鍺層之間。
- 一種高電子遷移率電晶體，包括：一基底；一應力調控矽鍺層，設置於該基底上；一應力傳遞矽層，設置於該應力調控矽鍺層上；一成核層，設置於該應力傳遞矽層上；一緩衝層，設置於該成核層上；一高電阻層，設置於該緩衝層上，具有的電阻率高於該緩衝層的電阻率； 一通道層，設置於該高電阻層上；一電子提供層，設置於該通道層上；一覆蓋層，設置於該電子提供層上；一閘極電極，設置於該覆蓋層上；以及一源極電極和一汲極電極，分別設置於該閘極電極的兩側，且位於該通道層上。
- 如請求項9所述的高電子遷移率電晶體，更包括一應力漸變層設置於該基底與該應力調控矽鍺層之間，其中該摻雜漸變矽鍺層的底部區域的鍺莫爾分率高於頂部區域的鍺莫爾分率。
- 如請求項9所述的高電子遷移率電晶體，更包括一第一摻雜漸變矽鍺層、一第二摻雜漸變矽鍺層以及一超晶格結構設置於該基底與該應力調控矽鍺層之間，其中該超晶格結構設置於該第一摻雜漸變矽鍺層與該第二摻雜漸變矽鍺層之間，或者設置於該第二摻雜漸變矽鍺層與該應力調控矽鍺層之間，或者前述之組合。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110120492A TWI788869B (zh) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 高電子遷移率電晶體及其複合基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW110120492A TWI788869B (zh) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 高電子遷移率電晶體及其複合基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202248479A TW202248479A (zh) | 2022-12-16 |
| TWI788869B true TWI788869B (zh) | 2023-01-01 |
Family
ID=85793485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW110120492A TWI788869B (zh) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 高電子遷移率電晶體及其複合基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI788869B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW521395B (en) * | 2000-10-19 | 2003-02-21 | Ibm | A method of preparing a relaxed SiGe layer on an insulator and a SiGe/Si heterostructure and a multiple layer substrate using the method to form |
| JP4296727B2 (ja) * | 2001-07-06 | 2009-07-15 | 株式会社Ｓｕｍｃｏ | 半導体基板と電界効果型トランジスタ並びにＳｉＧｅ層の形成方法及びこれを用いた歪みＳｉ層の形成方法と電界効果型トランジスタの製造方法 |
-
2021
- 2021-06-04 TW TW110120492A patent/TWI788869B/zh active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW521395B (en) * | 2000-10-19 | 2003-02-21 | Ibm | A method of preparing a relaxed SiGe layer on an insulator and a SiGe/Si heterostructure and a multiple layer substrate using the method to form |
| JP4296727B2 (ja) * | 2001-07-06 | 2009-07-15 | 株式会社Ｓｕｍｃｏ | 半導体基板と電界効果型トランジスタ並びにＳｉＧｅ層の形成方法及びこれを用いた歪みＳｉ層の形成方法と電界効果型トランジスタの製造方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 期刊 A Kasamatsu, K Kasai, K Hikosaka, TMatsui, T Mimura 60 nm gate-length Si/SiGe HEMT Applied Surface Science 224(1-4) ELSEVIER 15 March 2004 382-385 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202248479A (zh) | 2022-12-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9685323B2 (en) | Buffer layer structures suited for III-nitride devices with foreign substrates | |
| CN107799583B (zh) | 在异质基底上的第III族氮化物缓冲层结构的p型掺杂 | |
| JP4685961B2 (ja) | 電子デバイス用エピタキシャル基板およびその製造方法 | |
| JP4530171B2 (ja) | 半導体装置 | |
| JP6170893B2 (ja) | 半導体素子用エピタキシャル基板の作製方法 | |
| US8441000B2 (en) | Heterojunction tunneling field effect transistors, and methods for fabricating the same | |
| JP5722852B2 (ja) | 不純物濃度を選択的に減少させたｉｉｉ−ｖ族デバイス構造 | |
| US20150349064A1 (en) | Nucleation and buffer layers for group iii-nitride based semiconductor devices | |
| CN110544716A (zh) | Iii-n半导体结构及形成iii-n半导体结构的方法 | |
| JP2009260296A (ja) | 窒化物半導体エピタキシャルウエハ及び窒化物半導体素子 | |
| JP2005005657A (ja) | 電界効果トランジスタの結晶層構造 | |
| US10332975B2 (en) | Epitaxial substrate for semiconductor device and method for manufacturing same | |
| KR102104062B1 (ko) | 기판 구조체, 이를 포함한 ｃｍｏｓ 소자 및 ｃｍｏｓ 소자 제조 방법 | |
| JP2006004970A (ja) | 窒化物半導体薄膜の作製方法 | |
| TWI742828B (zh) | 可降低應力的氮化鎵磊晶片 | |
| TWI788869B (zh) | 高電子遷移率電晶體及其複合基板 | |
| CN113224154A (zh) | 高电子迁移率晶体管及其制作方法 | |
| JP2008004807A (ja) | ヘテロ接合バイポーラトランジスタ | |
| TWI909074B (zh) | 高電子遷移率電晶體及其製作方法 | |
| TWI805106B (zh) | 半導體結構 | |
| KR102080744B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR101364026B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조 방법 | |
| JP5285252B2 (ja) | 窒化物半導体装置 | |
| CN120603274A (zh) | 基于多通道二维空穴气的p型GaN场效应晶体管及制备方法 | |
| CN116230747A (zh) | 半导体结构 |