TWI846545B - Semiconductor device and forming method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本揭露係有關於一種半導體裝置及其形成方法,特別係有關於一種具有階梯狀場板結構的半導體裝置及其形成方法。The present disclosure relates to a semiconductor device and a method for forming the same, and more particularly to a semiconductor device with a stepped field plate structure and a method for forming the same.
隨著半導體技術的發展,市場已不再滿足於傳統的矽電晶體。在高功率應用與高頻應用上,三五族的化合物半導體已展現出取代矽電晶體的潛力。近年來,由氮化鎵(GaN)所製造的高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)特別受到矚目。With the development of semiconductor technology, the market is no longer satisfied with traditional silicon transistors. In high-power and high-frequency applications, III-V compound semiconductors have shown the potential to replace silicon transistors. In recent years, high electron mobility transistors (HEMT) made of gallium nitride (GaN) have attracted particular attention.
在操作現行的GaN HEMT時,汲極結構之垂直部分(俗稱手指(finger))的尖端部分(俗稱指尖(fingertip)),會因為具有較高的電場而產生較多的熱載子(hot carrier)。一旦操作時間拉長,累積的熱載子將會使HEMT裝置的性能降級(degrade),甚或是破壞HEMT裝置。因此,需要一種新穎的HEMT結構,用以防止汲極結構之尖端部分的高電場對HEMT裝置造成傷害。When operating the existing GaN HEMT, the tip part (commonly known as the fingertip) of the vertical part (commonly known as the finger) of the drain structure will generate more hot carriers due to the higher electric field. Once the operation time is prolonged, the accumulated hot carriers will degrade the performance of the HEMT device or even destroy the HEMT device. Therefore, a novel HEMT structure is needed to prevent the high electric field at the tip part of the drain structure from damaging the HEMT device.
本揭露實施例提供一種半導體裝置。上述半導體裝置包括基板、設置於基板上方的通道層、設置於通道層上方的阻障層以及設置於阻障層上方的源極結構與汲極結構。源極結構包括沿著第一方向延伸的水平源極部分,以及沿著垂直於第一方向之第二方向延伸的至少一個垂直源極部分。汲極結構包括沿著第一方向延伸的水平汲極部分以及沿著第二方向延伸的至少一個垂直汲極部分,其中至少一個垂直汲極部分的每一者包括尖端汲極部分以及連接水平汲極部分與尖端汲極部分的平端汲極部分。上述半導體裝置更包括設置於阻障層上方且介於源極結構與汲極結構之間的閘極結構,以及設置於阻障層上方的場板結構,其中場板結構接觸並圍繞汲極結構。The disclosed embodiment provides a semiconductor device. The semiconductor device includes a substrate, a channel layer disposed above the substrate, a barrier layer disposed above the channel layer, and a source structure and a drain structure disposed above the barrier layer. The source structure includes a horizontal source portion extending along a first direction, and at least one vertical source portion extending along a second direction perpendicular to the first direction. The drain structure includes a horizontal drain portion extending along the first direction and at least one vertical drain portion extending along the second direction, wherein each of the at least one vertical drain portion includes a tip drain portion and a flat end drain portion connecting the horizontal drain portion and the tip drain portion. The semiconductor device further includes a gate structure disposed above the barrier layer and between the source structure and the drain structure, and a field plate structure disposed above the barrier layer, wherein the field plate structure contacts and surrounds the drain structure.
本揭露實施例提供一種半導體裝置的形成方法。上述半導體裝置的形成方法包括提供磊晶結構,磊晶結構包括基板、基板上方的通道層以及通道層上方的阻障層;在阻障層上方形成鈍化層;圖案化鈍化層以形成曝露阻障層的源極溝槽以及汲極溝槽;在汲極溝槽中之阻障層的一部分上以及鈍化層的一部分上形成絕緣層,其中絕緣層包括汲極溝槽中的第一絕緣部分以及鈍化層上的第二絕緣部分;在源極溝槽中形成源極結構並在汲極溝槽中形成汲極結構,其中汲極結構包括沿著第一方向延伸的水平汲極部分以及沿著垂直於第一方向之第二方向延伸的垂直汲極部分,且垂直汲極部分包括尖端汲極部分以及連接水平汲極部分與尖端汲極部分的平端汲極部分,並且尖端汲極部分的至少一部分形成於第一絕緣部分上;以及在絕緣層上與鈍化層上形成場板結構,其中場板結構包括與尖端汲極部分接觸的第一場板部分,以及與平端汲極部分接觸的一第二場板部分。The disclosed embodiment provides a method for forming a semiconductor device. The method for forming the semiconductor device includes providing an epitaxial structure, the epitaxial structure including a substrate, a channel layer above the substrate, and a barrier layer above the channel layer; forming a passivation layer above the barrier layer; patterning the passivation layer to form a source trench and a drain trench exposing the barrier layer; forming an insulating layer on a portion of the barrier layer in the drain trench and on a portion of the passivation layer, wherein the insulating layer includes a first insulating portion in the drain trench and a second insulating portion on the passivation layer; forming a source structure in the source trench and a drain structure in the drain trench, The drain structure includes a horizontal drain portion extending along a first direction and a vertical drain portion extending along a second direction perpendicular to the first direction, and the vertical drain portion includes a tip drain portion and a flat-end drain portion connecting the horizontal drain portion and the tip drain portion, and at least a portion of the tip drain portion is formed on the first insulating portion; and a field plate structure is formed on the insulating layer and the passivation layer, wherein the field plate structure includes a first field plate portion in contact with the tip drain portion, and a second field plate portion in contact with the flat-end drain portion.
以下之揭露提供許多不同的實施例或範例,用以實施本揭露的不同特徵。本揭露之各部件及排列方式,其特定範例敘述於下以簡化說明。理所當然的,這些範例並非用以限制本揭露。舉例來說,若敘述中有著第一特徵形成於第二特徵之上或上方,其可能包含第一特徵與第二特徵以直接接觸形成的實施例,亦可能包含有附加特徵形成於第一特徵與第二特徵之間,而使第一特徵與第二特徵間並非直接接觸的實施例。此外,本揭露可在多種範例中重複參考數字及/或字母。該重複之目的係為簡化及清晰易懂,並且本身並不規定所討論之多種實施例及/或配置間之關係。The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different features of the present disclosure. Specific examples of the various components and arrangements of the present disclosure are described below to simplify the description. Of course, these examples are not intended to limit the present disclosure. For example, if a description includes a first feature formed on or above a second feature, it may include embodiments in which the first feature and the second feature are formed in direct contact, and it may also include embodiments in which additional features are formed between the first feature and the second feature, so that the first feature and the second feature are not in direct contact. In addition, the present disclosure may repeatedly reference numbers and/or letters in various examples. The purpose of this repetition is to simplify and clarify, and does not itself dictate the relationship between the various embodiments and/or configurations discussed.
進一步來說,本揭露可能會使用空間相對術語,例如「在…下方」、「下方」、「低於」、「在…上方」、「高於」及類似詞彙,以便於敘述圖式中一個元件或特徵與其他元件或特徵間之關係。除了圖式所描繪的方位之外,空間相對術語亦欲涵蓋使用中或操作中之裝置的不同方位。設備可能會被轉向不同的方位(旋轉90度或其他方位),而此處所使用之空間相對術語則可相應地進行解讀。Furthermore, the present disclosure may use spatially relative terminology, such as "below," "beneath," "below," "above," "above," and the like, to describe the relationship of one element or feature to other elements or features in the drawings. The spatially relative terminology is intended to encompass different orientations of the device in use or operation in addition to the orientation depicted in the drawings. The device may be oriented in different orientations (rotated 90 degrees or at other orientations), and the spatially relative terminology used herein interpreted accordingly.
再進一步來說,除非特定否認,否則單數詞包含複數詞,反之亦然。此外,本揭露並不限於所示之操作或事件的順序,因為一些操作能夠以不同的順序發生及/或與其他操作或事件同時發生。此外,並非所有出示的操作或事件皆為實施本揭露之方法所必需的。Further, unless specifically denied, singular words include plural words and vice versa. In addition, the present disclosure is not limited to the order of operations or events shown, as some operations can occur in a different order and/or simultaneously with other operations or events. In addition, not all operations or events shown are required to implement the methods of the present disclosure.
一般而言,具有氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結構的GaN高電子遷移率電晶體(HEMT),其源極結構與汲極結構在俯視圖中會分別呈指狀結構,並且源極結構之指狀結構的垂直部分(亦稱為手指部分)與汲極結構之指狀結構的垂直部分會彼此交替地設置。然而,汲極結構之垂直部分的尖端部分(tip portion)會具有較高的電場,並因此產生高濃度的熱載子。在累積之後,起因於高電場的這些熱載子可能會造成HEMT裝置性能的降級,甚或是對HEMT裝置造成傷害。Generally speaking, in a GaN high electron mobility transistor (HEMT) having an aluminum gallium nitride/gallium nitride (AlGaN/GaN) heterostructure, the source structure and the drain structure are finger-shaped structures in a top view, and the vertical portion of the finger structure of the source structure (also called the finger portion) and the vertical portion of the finger structure of the drain structure are arranged alternately with each other. However, the tip portion of the vertical portion of the drain structure has a higher electric field, thereby generating a high concentration of hot carriers. After accumulation, these hot carriers caused by the high electric field may cause degradation of the performance of the HEMT device or even damage the HEMT device.
為了解決上述問題,本揭露提供一種半導體裝置及其製造方法,以調整汲極結構之尖端部分的電場。藉此,可以降低電場的峰值,使得電場的上升曲線變得平緩以避免電場的急劇變化(陡然上升),並且使汲極結構之尖端部分的電場強度可以降低到與汲極結構之平端部分(flat portion)的電場相近的水準,以避免在HEMT裝置中製造出一個明顯的弱點(weak point)。如此一來,可進一步避免減損HEMT裝置的性能或是造成HEMT裝置受損,並增加HEMT裝置的堅固性(robustness)與可靠度。In order to solve the above problems, the present disclosure provides a semiconductor device and a manufacturing method thereof, which adjusts the electric field at the tip portion of the drain structure. In this way, the peak value of the electric field can be reduced, so that the rising curve of the electric field becomes gentle to avoid a sharp change (sudden rise) of the electric field, and the electric field strength at the tip portion of the drain structure can be reduced to a level similar to the electric field at the flat portion of the drain structure, so as to avoid creating an obvious weak point in the HEMT device. In this way, the performance of the HEMT device can be further avoided from being reduced or the HEMT device can be damaged, and the robustness and reliability of the HEMT device can be increased.
第1圖係根據本揭露一些實施例所示,範例性之半導體裝置100的部分或整體的俯視圖。半導體裝置100可為單一電晶體裝置或是複數電晶體裝置所構成的陣列,其中電晶體裝置例如GaN HEMT。在一些實施例中,半導體裝置100包括設置於磊晶結構(例如:下文所述之磊晶結構101)上方的源極結構110、汲極結構120以及閘極結構130。
FIG. 1 is a partial or entire top view of an
在一些實施例中,源極結構110包括沿著X方向延伸的水平源極部分112,以及沿著Y方向延伸的垂直源極部分(可被稱為源極結構的手指部分)。在Y方向上,垂直源極部分包括遠離水平源極部分112的尖端源極部分116(可被稱為源極結構的指尖部分),以及連接水平源極部分112與尖端源極部分116的平端源極部分114。
In some embodiments, the
在一些實施例中,汲極結構120包括沿著X方向延伸的水平汲極部分122,以及沿著垂直於X方向之Y方向延伸的垂直汲極部分(可被稱為汲極結構的手指部分)。在Y方向上,垂直汲極部分包括遠離水平汲極部分122的尖端汲極部分126(可被稱為汲極結構的指尖部分),以及連接水平汲極部分122與尖端汲極部分126的平端汲極部分124。
In some embodiments, the
在一些實施例中,水平源極部分112與水平汲極部分122沿著Y方向彼此間隔,並且垂直源極部分(包括平端源極部分114及尖端源極部分116)與垂直汲極部分(包括平端汲極部分124及尖端汲極部分126)沿著X方向彼此交錯地設置,如第1圖所示。源極結構110的尖端源極部分116沿著Y方向指向水平汲極部分122,而汲極結構120的尖端汲極部分126沿著Y方向指向水平源極部分112。
In some embodiments, the
在一些實施例中,閘極結構130設置於源極結構110與汲極結構120之間,並且圍繞源極結構110與汲極結構120的至少一部分。舉例來說,閘極結構130圍繞垂直源極部分(包括平端源極部分114及尖端源極部分116)與垂直汲極部分(包括平端汲極部分124及尖端汲極部分126),如第1圖所示。閘極結構130可為一個連續的整體,並且持續延伸以被複數的電晶體裝置所共用。在一些實施例中,閘極結構130與源極結構110之間的距離,小於閘極結構130與汲極結構120之間的距離。為使說明清晰易懂,本文將閘極結構130劃分為具有相同堆疊結構的第一閘極部分132、第二閘極部分134以及第三閘極部分136。In some embodiments, the
在第1圖所示的實施例中,第一閘極部分132在X方向上位於兩個平端源極部分114之間,並且在Y方向上位於尖端汲極部分126與水平源極部分112之間。第二閘極部分134在X方向上位於兩個平端汲極部分124之間,並且在Y方向上位於尖端源極部分116與水平汲極部分122之間。第三閘極部分136在X方向上位於一個垂直源極部分(包括平端源極部分114及尖端源極部分116)與一個垂直汲極部分(包括平端汲極部分124及尖端汲極部分126)之間,並且在Y方向上位於水平源極部分112與水平汲極部分122之間。第三閘極部分136彼此間藉由第一閘極部分132及第二閘極部分134連接,也可以說是第一閘極部分132與第二閘極部分134彼此間藉由第三閘極部分136連接。在一些實施例中,第一閘極部分132及第二閘極部分134在俯視圖(例如:第1圖)中呈弧形。In the embodiment shown in FIG. 1 , the
在一些實施例中,半導體裝置100更包括絕緣層140。絕緣層140設置於磊晶結構(例如:下文所述之磊晶結構101)上方,並且設置於汲極結構120的尖端汲極部分126下方。在一些實施例中,絕緣層140之靠近第一閘極部分132的一端具有弧形的輪廓,如第1圖所示。In some embodiments, the
在一些實施例中,半導體裝置100更包括場板結構150。場板結構150圍繞並接觸汲極結構120。舉例來說,場板結構150包括與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152,以及與平端汲極部分124和水平汲極部分122接觸的第二場板部分154。在一些實施例中,與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152設置於絕緣層140上,而第二場板部分154則並未設置於絕緣層140上,使得第一場板部分152與第二場板部分154形成階梯狀的結構,這將在下文中進行更加詳細的描述。在一些實施例中,第一場板部分152之靠近第一閘極部分132的一端具有弧形的輪廓,如第1圖所示。In some embodiments, the
根據一些實施例,第2A圖為半導體裝置100沿著第1圖之線段A-A’的的截面圖,而第2B圖為半導體裝置100沿著第1圖之線段B-B’的截面圖。第2A圖顯示沿著X方向之包括平端汲極部分124以及第二場板部分154的截面圖,而第2B圖顯示沿著X方向之包括尖端汲極部分126、絕緣層140以及第一場板部分152的截面圖。According to some embodiments, FIG. 2A is a cross-sectional view of the
參照第2A圖及第2B圖,半導體裝置100包括磊晶結構101,其中磊晶結構101包含基板102、基板102上方的緩衝層(buffer layer)103、緩衝層103上方的通道層104以及通道層104上方的阻障層(barrier layer)105。在一些實施例中,緩衝層103與通道層104可以合併在一起,並共同稱為緩衝層或是通道層。2A and 2B , the
在一些實施例中,通道層104的材料為GaN,而阻障層105的材料為AlGaN。通道層104與阻障層105堆疊在一起的GaN/AlGaN異質接面,於通道層104與阻障層105之間形成二維電子氣(2DEG),以作為半導體裝置100的通道(以虛線繪製)。在一些實施例中,半導體裝置100更包括設置於阻障層105上的鈍化層106,其中鈍化層106的材料例如氮化矽(SiN)。應注意的是,為使說明簡化,並未在第1圖的俯視圖中顯示鈍化層106。In some embodiments, the material of the
源極結構110、汲極結構120以及閘極結構130設置於磊晶結構101上方,例如阻障層105上方,並且設置於鈍化層106的溝槽中。閘極結構130設置於源極結構110與汲極結構120之間。如第2A圖所示,閘極結構130的第三閘極部分136沿著X方向設置於源極結構110的平端源極部分114與汲極結構120的平端汲極部分124之間。如第2B圖所示,第三閘極部分136沿著X方向設置於平端源極部分114與汲極結構120的尖端汲極部分126之間。The
參照第2A圖,平端汲極部分124設置於鈍化層106之溝槽中的阻障層105上,並且與平端汲極部分124接觸的第二場板部分154設置於鈍化層106上。在第2A圖所示的實施例中,第二場板部分154接觸平端汲極部分124的側壁。在一些實施例中,第二場板部分154的頂部表面與平端汲極部分124的頂部表面共平面。在其他實施例中,第二場板部分154的頂部表面可以高於或低於平端汲極部分124的頂部表面。在進一步的實施例中,第二場板部分154可以部分地覆蓋平端汲極部分124的頂部表面。2A , the flat-
參照第2B圖,於尖端汲極部分126所屬的區域,半導體裝置100包括絕緣層140。絕緣層140包括直接設置於鈍化層106之溝槽中的阻障層105上的第一絕緣部分142,以及直接設置於鈍化層106上的第二絕緣部分144。在第2B圖所示的實施例中,尖端汲極部分126的一部分設置於第一絕緣部分142上,使得尖端汲極部分126在第2B圖中呈「T」形。在這些實施例中,因為絕緣層140並未填滿尖端汲極部分126的下方,因此絕緣層140於俯視圖中呈U形。2B , the
在其他實施例中,絕緣層140僅包括第二絕緣部分144而並未包括第一絕緣部分142,使得整個尖端汲極部分126直接設置於阻障層105上並與鈍化層106接觸,類似於第2A圖所示之平端汲極部分124。在又一些實施例中,於尖端汲極部分126所屬的區域,絕緣層140的第一絕緣部分142延伸並覆蓋鈍化層106之溝槽中的整個阻障層105,使得整個尖端汲極部分126設置於絕緣層140的第一絕緣部分142上。In other embodiments, the insulating
仍舊參照第2B圖,與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152設置於第二絕緣部分144上。在第2B圖所示的實施例中,第一場板部分152接觸尖端汲極部分126的側壁。在一些實施例中,第一場板部分152的頂部表面與尖端汲極部分126的頂部表面共平面。在其他實施例中,第一場板部分152的頂部表面可以高於或低於尖端汲極部分126的頂部表面。在進一步的實施例中,第一場板部分152可以部分地覆蓋尖端汲極部分126的頂部表面。Still referring to FIG. 2B , the first
如第2A圖以及第2B圖所示,由於絕緣層140的存在,使得設置在第二絕緣部分144上的第一場板部分152高於設置在鈍化層106上的第二場板部分154,使得第一場板部分152與第二場板部分154形成階梯狀的結構。也就是說,場板結構150具有階梯狀的結構。As shown in FIG. 2A and FIG. 2B , due to the existence of the insulating
在其他實施例中,半導體裝置100可以並未包括鈍化層106。在這些實施例中,絕緣層140可直接設置於阻障層105上,第二場板部分154可直接設置於阻障層106上,並且第一場板部分152可同樣設置於第二絕緣部分144上。如此一來,設置在第二絕緣部分144上的第一場板部分152同樣高於設置在阻障層105上的第二場板部分154,使得第一場板部分152與第二場板部分154同樣形成階梯狀的結構。In other embodiments, the
根據一些實施例,第2C圖為半導體裝置100沿著第1圖之線段C-C’的的截面圖,而第2D圖為半導體裝置100沿著第1圖之線段D-D’的截面圖。第2C圖顯示沿著Y方向之包括絕緣層140、第一場板部分152、尖端汲極部分126以及平端汲極部分124的截面圖,而第2D圖顯示沿著Y方向之包括絕緣層140、第一場板部分152以及第二場板部分154的截面圖。According to some embodiments, FIG. 2C is a cross-sectional view of the
參照第2C圖,閘極結構130的第一閘極部分132沿著Y方向設置於源極結構110的水平源極部分112與汲極結構120的尖端汲極部分126之間。如上所述,尖端汲極部分126的一部分設置於絕緣層140的第一絕緣部分142上,並且與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152設置於絕緣層140的第二絕緣部分144上。同樣如上所述,在其他實施例中,絕緣層140僅包括第二絕緣部分144且尖端汲極部分126直接設置於阻障層105上,並且在又一些實施例中,第一絕緣部分142延伸使得整個尖端汲極部分126設置於第一絕緣部分142上。2C , the
在第2C圖所示的實施例中,垂直汲極部分(包括尖端汲極部分126以及平端汲極部分124)具有階梯狀的頂部表面。在其他實施例中,可以藉由沉積更多的汲極材料以使垂直汲極部分具有實質上平坦的頂部表面。由於絕緣層140包括設置於阻障層105上的第一絕緣部分142以及設置於鈍化層106上的第二絕緣部分144,因此在第2B圖及第2C圖的截面圖中,絕緣層140同樣具有階梯狀的結構。In the embodiment shown in FIG. 2C , the vertical drain portion (including the
參照第2D圖,與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152設置於第二絕緣部分144上,並且與平端汲極部分124接觸的第二場板部分154設置於鈍化層106上。如第2D圖所示,第一場板部分152與第二場板部分154形成階梯狀的結構。也就是說,場板結構150具有階梯狀的結構。如第2D圖所示,第一場板部分152的頂部表面高於第二場板部分154的頂部表面。2D, the first
如上所述,本揭露提供一種階梯狀的場板結構,具有與尖端汲極部分接觸之較高的第一場板部分,以及與平端汲極部分接觸之較低的第二場板部分。場板結構可以用於調整電場強度,例如降低電場的峰值,以及使得電場的上升曲線變得平緩以避免電場的急劇上升。如此一來,可以防止汲極結構的高電場對半導體裝置造成傷害。As described above, the present disclosure provides a stepped field plate structure having a first field plate portion that is higher and in contact with a tip drain portion, and a second field plate portion that is lower and in contact with a flat end drain portion. The field plate structure can be used to adjust the electric field intensity, such as reducing the peak value of the electric field, and making the rising curve of the electric field smooth to avoid a sharp rise in the electric field. In this way, the high electric field of the drain structure can be prevented from causing damage to the semiconductor device.
進一步地,藉由在尖端汲極部分使用絕緣層墊高場板結構,可以形成效果更好之多階的第一場板部分。藉此,可以更有效地調整遭受最高電場之尖端汲極部分處的電場。同時,本揭露在平端汲極部分使用未被絕緣層墊高之單階的第二場板部分。也就是說,本揭露在電場最高之尖端汲極部分使用效果較好之多階的第一場板部分,並且在電場相對較低之平端汲極部分使用效果不若多階場板的單階的第二場板部分。藉此,可以將尖端汲極部分的電場與平端汲極部分的電場降低至相近的水準,同時避免因為在整個汲極結構中使用效果相近的相同場板結構而使尖端汲極部分仍舊具有相對最高的電場。如此一來,除了降低整體汲極結構的電場之外,還可以避免在汲極結構中留下一個電場相對較高的弱點,進而避免損害半導體裝置的性能或結構,並增加半導體裝置的堅固性與可靠度。此外,用於墊高第二場板部分的絕緣層亦可用於降低尖端汲極部分處的漏電。Furthermore, by using an insulating layer to pad the field plate structure at the tip drain portion, a multi-stage first field plate portion with better effect can be formed. In this way, the electric field at the tip drain portion subjected to the highest electric field can be adjusted more effectively. At the same time, the present disclosure uses a single-stage second field plate portion that is not padded by an insulating layer at the flat end drain portion. In other words, the present disclosure uses a multi-stage first field plate portion with better effect at the tip drain portion with the highest electric field, and uses a single-stage second field plate portion that is not as effective as the multi-stage field plate at the flat end drain portion with a relatively lower electric field. In this way, the electric field of the tip drain portion and the electric field of the flat drain portion can be reduced to a similar level, while avoiding the tip drain portion still having a relatively high electric field due to the use of the same field plate structure with similar effects in the entire drain structure. In this way, in addition to reducing the electric field of the entire drain structure, it is also possible to avoid leaving a relatively high electric field weakness in the drain structure, thereby avoiding damage to the performance or structure of the semiconductor device and increasing the robustness and reliability of the semiconductor device. In addition, the insulating layer used to pad the second field plate portion can also be used to reduce leakage at the tip drain portion.
第3圖係根據本揭露其他實施例所示,半導體裝置100沿著第1圖之線段C-C’的的示意性截面圖。第3圖類似於第2C圖,不同之處在於,第3圖進一步包括第三絕緣部分146以及第三場板部分156。如圖所示,第三絕緣部分146與第一場板部分152共同設置於第二絕緣部分144上,並且第三場板部分156設置於第三絕緣部分146及第一場板部分152上。在某些實施例中,第三場板部分156並未與第一場板部分152重疊,而是僅設置於第三絕緣部分146上。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
藉由將第三場板部分156設置於第三絕緣部分146上,可以形成更多階的場板結構150。舉例來說,第三場板部分156、第一場板部分152、第二絕緣部分144以及第三絕緣部分146形成了更多階的階梯狀結構。同時,第三場板部分156、第一場板部分152與第二場板部分154亦形成了更多階的階梯狀結構。透過在尖端汲極部分126形成更多階的場板結構(例如:第三場板部分156與第一場板部分152),可以更有效地調整尖端汲極部分處的電場。By disposing the third
在進一步的實施例中,可以形成比第3圖所示更多階的場板結構。在其他實施例中,同樣可以在平端汲極部分124所屬的區域中形成更多階的場板結構(但階層數少於尖端汲極部分126所屬區域中的場板結構),以更有效地調整汲極結構的電場。In further embodiments, a field plate structure with more levels than that shown in FIG3 may be formed. In other embodiments, a field plate structure with more levels (but with fewer levels than the field plate structure in the region where the
第4圖係根據本揭露一些實施例所示,用於形成半導體裝置100之方法400的流程圖。下文將同時參照第1圖至第3圖以對第4圖進行說明。FIG. 4 is a flow chart of a method 400 for forming a
在操作402中,方法400提供或是接收磊晶結構,例如前文所述的磊晶結構101。磊晶結構101包括基板102、基板102上方的緩衝層103、緩衝層103上方的通道層104以及通道層104上方的阻障層105。在一些實施例中,緩衝層103與通道層104可以合併,並共同稱為緩衝層或是通道層。In
在操作404中,方法400於磊晶結構101上方形成鈍化層106,例如藉由合適的沉積製程在磊晶結構101的阻障層105上形成鈍化層106。鈍化層106的材料例如氮化矽(SiN)或是氮氧化矽(SiON)。合適的沉積製程可包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、塗佈製程、其他合適的製程或其組合。PVD製程可包括濺鍍、蒸鍍及/或脈衝雷射沉積。CVD製程可包括低壓化學氣相沉積(LPCVD)、電漿增強型化學氣相沉積(PECVD)、高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、遠程電漿化學氣相沉積(RPCVD)、原子層沉積(ALD)製程、電鍍、其他合適的製程及/或其組合。In
在操作406中,方法400將鈍化層106圖案化以形成曝露阻障層105的源極溝槽與汲極溝槽。舉例來說,鈍化層106的圖案化可藉由合適的微影製程與蝕刻製程來進行。在一些實施例中,微影製程包括光阻塗佈(例如:自旋塗佈)、軟烤、光罩對準、曝光、曝後烤、顯影光阻、沖洗、乾燥(例如:硬烤)。在其他實施例中,微影製程可藉由其他適當的方法來執行,例如無光罩(maskless)微影、電子束(e-beam)寫入以及離子束寫入。在一些實施例中,蝕刻製程可包括乾式蝕刻、濕式蝕刻、反應式離子蝕刻(RIE)、及/或其他合適的製程。In
在操作408中,方法400於汲極溝槽中的阻障層105的一部分上以及鈍化層106的一部分上形成絕緣層140。在一些實施例中,絕緣層140包括包括直接設置於汲極溝槽中之阻障層105上的第一絕緣部分142以及直接設置於鈍化層106上的第二絕緣部分144,如第2B圖及第2C圖所示。在某些實施例中,絕緣層140僅包括設置於鈍化層106上第二絕緣部分144。在其他實施例中,絕緣層140更包括設置於第二絕緣部分144上的第三絕緣部分146。In
在一些實施例中,首先可藉由合適的沉積製程在鈍化層106上以及源極溝槽和汲極溝槽中的阻障層105上沉積絕緣材料,並接著藉由合適的微影與蝕刻製程來圖案化絕緣材料,以形成絕緣層140。舉例來說,絕緣材料可包括氮化矽、氧化矽、碳氧化矽(SiOC)、氮氧化矽(SiON)、碳氮氧化矽(SiOCN)、其他合適之絕緣材料、或其組合。In some embodiments, an insulating material may first be deposited on the
在操作410中,方法400於源極溝槽中形成源極結構110,並在汲極溝槽中形成汲極結構120。如第1圖所示,源極結構110包括沿著X方向延伸的水平源極部分112以及沿著Y方向延伸的垂直源極部分(包括平端源極部分114與尖端源極部分116),而汲極結構120包括沿著X方向延伸的水平汲極部分122以及沿著Y方向延伸的垂直汲極部分(包括平端汲極部分124與尖端汲極部分126)。In
在一些實施例中,尖端汲極部分126的一部分設置於第一絕緣部分142上,並且尖端汲極部分126的剩餘部分與平端汲極部分124和水平汲極部分122共同設置於阻障層105上,如第2B圖及第2C圖所示。在絕緣層140僅包括第二絕緣部分144的實施例中,整個尖端汲極部分126設置於阻障層105上。在又一些實施例中,整個尖端汲極部分126設置於絕緣層140的第一絕緣部分142上。In some embodiments, a portion of the
在一些實施例中,操作410以微影製程在鈍化層106及絕緣層140上方形成包含開口的圖案化光阻層,其中這些開口曝露將要形成源極結構110與汲極結構120的區域(例如:源極與汲極溝槽)。接著,藉由沉積製程於圖案化光阻層上方沉積導電材料,再透過光阻剝離(lift off)製程移除圖案化光阻層與圖案化光阻層上的導電材料,以留下開口中的導電材料作為源極結構110與汲極結構120。In some embodiments,
在其他實施例中,操作410可以先藉由沉積製程於阻障層105及絕緣層140上方沉積導電材料,再透過微影與蝕刻製程圖案化沉積的導電材料以形成源極結構110與汲極結構120。用於源極結構110與汲極結構120的導電材料可包括鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鈷(Co)、釕(Ru)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、錳(Mn)、氮化鎢(WN)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、氮化鉬(MoN)、矽化鎢(WSi)、矽化鈦(TiSi
2)、其他合適之導電材料或其組合。
In other embodiments,
在操作412中,方法400於鈍化層106及絕緣層140上形成場板結構150。場板結構150包括設置於絕緣層140之第二絕緣部分144上並且與尖端汲極部分126接觸的第一場板部分152(見第2B圖及第2C圖),以及設置於鈍化層105上並與平端汲極部分124接觸的第二場板部分154(見第2A圖)。第一場板部分152與第二場板部分154構成階梯狀的結構,如第2D圖所示。In
在其他實施例中,場板結構150更包括設置於第二絕緣部分144上之第三絕緣部分146上的第三場板部分156,如第3圖所示。第三場板部分156、第一場板部分152與第二場板部分154形成了階梯狀結構。在進一步的實施例中,可以形成更多層的絕緣部分與場板結構,以形成更多階的階梯狀場板結構。In other embodiments, the
在一些實施例中,操作410與操作412是同時執行的,並且場板結構150包括與源極結構110和汲極結構120相同的材料。在其他實施例中,操作410與操作412是分別執行的。在這些實施例中,操作412包括與操作410類似的製程,並且場板結構150可以包括與源極結構110和汲極結構120相同或是不同的導電材料。在一些實施例中,可以在操作410及/或操作412之後執行退火製程。In some embodiments,
在操作414中,方法400於鈍化層106中形成閘極溝槽。操作414可藉由與操作406相同或相似的方法,在鈍化層106中形成閘極溝槽。In
在操作416中,方法400於閘極溝槽中形成閘極結構130。操作416可藉由與操作410相同或相似的方法,在閘極溝槽中形成閘極結構130。閘極結構130可包括導電材料,例如Al、Cu、Au、Ag、W、Ti、Ta、Ni、Co、Ru、Pd、Pt、Mn、WN、TiN、TaN、MoN、WSi、TiSi
2、其他合適之導電材料或其組合。
In
如第1圖所示,閘極結構130包括第一閘極部分132、第二閘極部分134以及第三閘極部分136。第一閘極部分132在Y方向上位於尖端汲極部分126與水平源極部分112之間。第二閘極部分134在Y方向上位於尖端源極部分116與水平汲極部分122之間。第三閘極部分136在X方向上位於一個垂直源極部分與一個垂直汲極部分之間。As shown in FIG. 1 , the
應注意的是,附加的操作可被提供於方法400之前、之中或是之後,且對於方法400的附加實施例,所述的一些操作可被移動、替換或是消除。舉例來說,可以沉積閘極介電層以形成金屬絕緣體半導體(MIS)結構、可以形成閘極凹槽(recess)或p型氮化鎵磊晶層以形成增強型(E-mode)裝置、以及形成各種層間介電(ILD)層與互連結構。It should be noted that additional operations may be provided before, during, or after the method 400, and some of the operations described may be moved, replaced, or eliminated for additional embodiments of the method 400. For example, a gate dielectric layer may be deposited to form a metal insulator semiconductor (MIS) structure, a gate recess or p-type gallium nitride epitaxial layer may be formed to form an enhancement mode (E-mode) device, and various inter-layer dielectric (ILD) layers and interconnect structures may be formed.
前述內文概述多項實施例或範例之特徵,如此可使於本技術領域中具有通常知識者更佳地瞭解本揭露。本技術領域中具有通常知識者應當理解,他們可輕易地以本揭露為基礎設計或修改其他製程及結構,以完成相同之目的及/或達到與本文介紹之實施例或範例相同之優點。本技術領域中具有通常知識者亦需理解,這些等效結構並未脫離本揭露之精神及範圍,且在不脫離本揭露之精神及範圍之情況下,可對本揭露進行各種改變、置換以及變更。The above text summarizes the features of various embodiments or examples, so that those with ordinary knowledge in the art can better understand the present disclosure. Those with ordinary knowledge in the art should understand that they can easily design or modify other processes and structures based on the present disclosure to achieve the same purpose and/or achieve the same advantages as the embodiments or examples introduced herein. Those with ordinary knowledge in the art should also understand that these equivalent structures do not deviate from the spirit and scope of the present disclosure, and various changes, substitutions and modifications can be made to the present disclosure without departing from the spirit and scope of the present disclosure.
100:半導體裝置 101:磊晶結構 102:基板 103:緩衝層 104:通道層 105:阻障層 106:鈍化層 110:源極結構 112:水平源極部分 114:平端源極部分 116:尖端源極部分 120:汲極結構 122:水平汲極部分 124:平端汲極部分 126:尖端汲極部分 130:閘極結構 132:第一閘極部分 134:第二閘極部分 136:第三閘極部分 140:絕緣層 142:第一絕緣部分 144:第二絕緣部分 146:第三絕緣部分 150:場板結構 152:第一場板部分 154:第二場板部分 156:第三場板部分 400:方法 402-416:操作100: semiconductor device 101: epitaxial structure 102: substrate 103: buffer layer 104: channel layer 105: barrier layer 106: passivation layer 110: source structure 112: horizontal source portion 114: flat end source portion 116: pointed source portion 120: drain structure 122: horizontal drain portion 124: flat end drain portion 126: pointed drain portion 130: gate structure 132: first gate portion 134: second gate portion 136: third gate portion 140: insulating layer 142: First insulating portion 144: Second insulating portion 146: Third insulating portion 150: Field plate structure 152: First field plate portion 154: Second field plate portion 156: Third field plate portion 400: Method 402-416: Operation
本揭露從後續實施方式及附圖可以得到更佳的理解。須強調的是,依據產業之標準作法,各種特徵並未按比例繪製,並且僅用於說明之目的。 第1圖係根據本揭露一些實施例所示,範例性之半導體裝置的部分或整體的俯視圖。 第2A圖係根據本揭露一些實施例所示,半導體裝置沿著第1圖之線段A-A’的的截面圖。 第2B圖係根據本揭露一些實施例所示,半導體裝置沿著第1圖之線段B-B’的截面圖。 第2C圖係根據本揭露一些實施例所示,半導體裝置沿著第1圖之線段C-C’的截面圖。 第2D圖係根據本揭露一些實施例所示,半導體裝置沿著第1圖之線段D-D’的截面圖。 第3圖係根據本揭露其他實施例所示,半導體裝置沿著第1圖之線段C-C’的的示意性截面圖。 第4圖係根據本揭露一些實施例所示,用於形成半導體裝置之方法的流程圖。 The present disclosure can be better understood from the following embodiments and drawings. It should be emphasized that, in accordance with standard industry practices, various features are not drawn to scale and are used for illustrative purposes only. FIG. 1 is a top view of a portion or the entirety of an exemplary semiconductor device according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 2A is a cross-sectional view of a semiconductor device along line segment A-A’ of FIG. 1 according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 2B is a cross-sectional view of a semiconductor device along line segment B-B’ of FIG. 1 according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 2C is a cross-sectional view of a semiconductor device along line segment C-C’ of FIG. 1 according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 2D is a cross-sectional view of a semiconductor device along line segment D-D’ of FIG. 1 according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device along line segment C-C' in FIG. 1 according to other embodiments of the present disclosure. FIG. 4 is a flow chart of a method for forming a semiconductor device according to some embodiments of the present disclosure.
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100:半導體裝置 100:Semiconductor devices
101:磊晶結構 101: Epitaxial structure
102:基板 102: Substrate
103:緩衝層 103: Buffer layer
104:通道層 104: Channel layer
105:阻障層 105: Barrier layer
106:鈍化層 106: Passivation layer
114:平端源極部分 114: Flat-end source part
126:尖端汲極部分 126: Tip drain part
136:第三閘極部分 136: The third gate part
142:第一絕緣部分 142: First insulation part
144:第二絕緣部分 144: Second insulation part
152:第一場板部分 152: The first board part
Claims (9)
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Citations (4)
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| TW201806153A (en) * | 2016-05-11 | 2018-02-16 | Rfhic公司 | Semiconductor transistor and processing method thereof |
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| US20220302291A1 (en) * | 2020-10-27 | 2022-09-22 | Wolfspeed, Inc. | Field effect transistor with multiple stepped field plate |
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- 2023-07-19 TW TW112126817A patent/TWI846545B/en active
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2024
- 2024-02-06 CN CN202410168281.5A patent/CN119364796A/en active Pending
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| TW202505766A (en) | 2025-02-01 |
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