TWI867877B - Semiconductor decive and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是關於半導體裝置及其形成方法,特別是關於高電子遷移率電晶體裝置及其形成方法。The present invention relates to a semiconductor device and a method for forming the same, and in particular to a high electron mobility transistor device and a method for forming the same.
氮化鎵(GaN)材料擁有各種優秀的特性,因此被廣泛應用。舉例而言,氮化鎵具有寬能隙(band-gap)、高抗熱性、高電子飽和速率。除此之外,氮化鎵材料還具有極強的極化(polarization)效應。氮化鎵材料的極化效應除了因為晶格結構所形成的自發極化(spontaneous polarization)效應之外,晶格不匹配而形成的晶格擠壓還會額外造成壓電極化(piezoelectric polarization)。由於同時具有這兩種極化效應,使得氮化鎵材料在異質接面處會產生極大的極化電荷。Gallium nitride (GaN) materials have various excellent properties and are therefore widely used. For example, GaN has a wide band-gap, high heat resistance, and high electron saturation rate. In addition, GaN materials also have a very strong polarization effect. In addition to the spontaneous polarization effect formed by the lattice structure, the lattice squeezing caused by lattice mismatch will also cause additional piezoelectric polarization. Due to the simultaneous presence of these two polarization effects, GaN materials will generate extremely large polarized charges at heterojunctions.
有鑑於氮化鎵材料的上述優良特性,目前氮化鎵系半導體已廣泛地應用於包含異質接面結構的高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor, HEMT)。In view of the above-mentioned excellent properties of gallium nitride materials, gallium nitride-based semiconductors have been widely used in high electron mobility transistors (HEMT) including heterojunction structures.
高電子遷移率電晶體在製程期間可能會受到製程(例如蝕刻製程、高溫環境)的影響,導致電性表現或均勻度變差。雖然現有的高電子遷移率電晶體已大致上合乎需求,但並非在各方面皆令人滿意。During the manufacturing process, high electron mobility transistors may be affected by the process (e.g., etching process, high temperature environment), resulting in poor electrical performance or uniformity. Although existing high electron mobility transistors have generally met the requirements, they are not satisfactory in all aspects.
本發明提供一種半導體裝置,包括:基板;緩衝層,設置於基板上;通道層,設置於緩衝層上;阻障層,設置於通道層上;第一化合物半導體層,設置於阻障層上;第二化合物半導體層,設置於第一化合物半導體層上;閘極金屬,設置於第二化合物半導體層上;第一鈍化層,設置於第一化合物半導體層、第二化合物半導體層及閘極金屬上;以及第二鈍化層,設置於第一鈍化層上。The present invention provides a semiconductor device, comprising: a substrate; a buffer layer disposed on the substrate; a channel layer disposed on the buffer layer; a barrier layer disposed on the channel layer; a first compound semiconductor layer disposed on the barrier layer; a second compound semiconductor layer disposed on the first compound semiconductor layer; a gate metal disposed on the second compound semiconductor layer; a first passivation layer disposed on the first compound semiconductor layer, the second compound semiconductor layer and the gate metal; and a second passivation layer disposed on the first passivation layer.
本發明還提供一種半導體裝置的形成方法,包括:提供基板,基板上依序形成有緩衝層、通道層、阻障層;形成第一化合物半導體層於阻障層上;形成第二化合物半導體材料層於第一化合物半導體層上;蝕刻第二化合物半導體材料層,以形成第二化合物半導體層;形成閘極金屬於第二化合物半導體層上;形成第一鈍化層於第一化合物半導體層、第二化合物半導體層及閘極金屬上;以及形成第二鈍化層於第一鈍化層上。The present invention also provides a method for forming a semiconductor device, comprising: providing a substrate, on which a buffer layer, a channel layer, and a barrier layer are sequentially formed; forming a first compound semiconductor layer on the barrier layer; forming a second compound semiconductor material layer on the first compound semiconductor layer; etching the second compound semiconductor material layer to form a second compound semiconductor layer; forming a gate metal on the second compound semiconductor layer; forming a first passivation layer on the first compound semiconductor layer, the second compound semiconductor layer, and the gate metal; and forming a second passivation layer on the first passivation layer.
以下揭露提供了很多不同的實施例或範例,用於實施所提供的半導體裝置之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下,以簡化本發明實施例。當然,這些僅僅是範例,並非用以限定本發明。舉例而言,敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上,可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例,也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間,使得它們不直接接觸的實施例。此外,本發明實施例可能在不同的範例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚,而非用以表示所討論的不同實施例及/或形態之間的關係。The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different components of the provided semiconductor device. Specific examples of each component and its configuration are described below to simplify the embodiments of the present invention. Of course, these are merely examples and are not intended to limit the present invention. For example, if the description refers to a first component formed on a second component, it may include an embodiment in which the first and second components are directly in contact, and it may also include an embodiment in which additional components are formed between the first and second components so that they are not in direct contact. In addition, the embodiments of the present invention may repeatedly reference numbers and/or letters in different examples. Such repetition is for the sake of simplicity and clarity, and is not intended to indicate the relationship between the different embodiments and/or forms discussed.
再者,空間上的相關用語,例如「上」、「下」、「在…上方」、「在…下方」及類似的用詞,除了包含圖式繪示的方位外,也包含使用或操作中的裝置的不同方位。當裝置被轉向至其他方位時(旋轉90度或其他方位),則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。Furthermore, spatially relative terms such as "upper", "lower", "above", "below" and similar terms include not only the orientation shown in the drawings, but also different orientations of the device in use or operation. When the device is turned to other orientations (rotated 90 degrees or other orientations), the spatially relative descriptions used herein can also be interpreted according to the rotated orientation.
在此,「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內,較佳是10%之內,且更佳是5%之內,或3%之內,或2%之內,或1%之內,或0.5%之內。應注意的是,說明書中所提供的數量為大約的數量,亦即在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下,仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。Here, the terms "about", "approximately", and "generally" generally mean within 20% of a given value or range, preferably within 10%, and more preferably within 5%, or within 3%, or within 2%, or within 1%, or within 0.5%. It should be noted that the quantities provided in the specification are approximate quantities, that is, in the absence of specific description of "about", "approximately", and "generally", the meaning of "about", "approximately", and "generally" can still be implied.
以下敘述本發明的一些實施例,在這些實施例中所述的多個階段之前、期間及/或之後,可提供額外的步驟。所述的一些階段在不同實施例中可被替換或刪去。本發明實施例的半導體裝置可增加額外部件。所述的一些部件在不同實施例中可被替換或刪去。儘管所討論的一些實施例以特定順序的步驟執行,這些步驟仍可以另一合乎邏輯的順序執行。Some embodiments of the present invention are described below, and additional steps may be provided before, during, and/or after the various stages described in these embodiments. Some of the stages described may be replaced or deleted in different embodiments. Additional components may be added to the semiconductor devices of the embodiments of the present invention. Some of the components described may be replaced or deleted in different embodiments. Although some of the embodiments discussed are performed in a specific order of steps, these steps may still be performed in another logical order.
第1圖至第9圖是根據本發明的一些實施例,說明半導體裝置10在各個階段的剖面示意圖。FIG. 1 to FIG. 9 are schematic cross-sectional views of a
參照第1圖,提供基板100,基板100上形成有緩衝層200、通道層300、以及阻障層400。緩衝層200可設置於基板100上。通道層300可設置於緩衝層200及基板100上,亦即緩衝層200可設置於基板100與通道層300之間。阻障層400可設置於通道層300上。1 , a
在一些實施例中,基板100可為絕緣體上覆半導體(semiconductor on insulator)基板,例如:絕緣體上覆矽或絕緣體上覆矽鍺(silicon germanium on insulator, SGOI)。在其他實施例中,基板100可為矽(Si)基板或陶瓷基板,例如氮化鋁(AlN)基板、碳化矽(SiC)基板、氧化鋁(Al
2O
3)基板(或稱為藍寶石(sapphire)基板)、玻璃基板、或其他類似的基板。在一些實施例中,基板100可包含陶瓷基材及分別設置於陶瓷基材的上下表面的一對阻隔層,其中陶瓷基材可包含陶瓷材料,而陶瓷材料包含金屬無機材料。舉例而言,陶瓷基材可包含:碳化矽、氮化鋁、藍寶石基材、或其他適合的材料。前述藍寶石基材可為氧化鋁。
In some embodiments, the
基板100的晶格或熱膨脹係數可能與上方部件(例如通道層300)不同,因此基板100與上方部件的界面處或界面處附近可能產生應變(strain),容易形成裂縫或翹曲等缺陷。因此,如第1圖所示,可形成緩衝層200於基板100上,以減緩形成於緩衝層200上方的部件(例如通道層300)之應變,防止缺陷形成於上方的部件中。The lattice or thermal expansion coefficient of the
在一些實施例中,緩衝層200的材料可以包含III-V族化合物半導體材料,例如III族氮化物等。舉例而言,緩衝層200的材料可以為或包含氮化鎵、氮化鋁、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、其他任何合適的材料、或前述之組合。在一些實施例中,緩衝層200可為多層結構(未繪示)。舉例而言,緩衝層200可包括超晶格緩衝層及/或漸變式緩衝層,其中超晶格緩衝層設置於基板100上,漸變式緩衝層設置於超晶格緩衝層上,可以有效避免基板100內的差排(dislocation)進入上方部件,進一步提升上方的其他膜及/或層的結晶品質。在一些實施例中,緩衝層200的厚度可為例如0.5微米至10微米,例如約3微米。In some embodiments, the material of the
在一些實施例中,緩衝層200可藉由磊晶成長製程形成,例如化學氣相沉積、物理氣相沉積等,更具體而言,例如金屬有機化學氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)、氫化物氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy, MBE)、原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)、液相磊晶(liquid phase epitaxy, LPE)、其他合適的方法、或前述之組合。In some embodiments, the
在一些實施例中,可視需求形成晶種層(未繪示)於基板100與緩衝層200之間。在此些實施例中,晶種層可以緩解基板100與上方成長的膜及/或層之間的晶格差異,以提升結晶品質。晶種層的材料可包含:AlN、Al
2O
3、AlGaN、SiC、Al、前述之組合、或類似材料。可藉由合適的製程形成單層或多層結構的晶種層,例如:化學氣相沉積、物理氣相沉積等,更具體而言,例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相磊晶(HVPE)、分子束磊晶(MBE)、原子層沉積(ALD)、液相磊晶(lLPE)、其他合適的方法、或前述之組合。在一些實施例中,緩衝層200的材料是取決於晶種層的材料和磊晶製程時所通入的氣體。
In some embodiments, a seed layer (not shown) may be formed between the
通道層300形成於緩衝層200上。在一些實施例中,通道層300的材料包含III-V族化合物半導體材料,例如III族氮化物等。在一些實施例中,通道層300的材料可為氮化鎵(GaN)、AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他任何合適的材料、或前述之組合。在一些實施例中,通道層300可未經摻雜。在一些實施例中,通道層300可藉由n型摻雜劑或p型摻雜劑而摻雜。通道層300可以包含單層或多層結構。在一些實施例中,通道層300的厚度範圍可為約0.01微米(μm)至約10微米。通道層300可由磊晶成長製程形成,例如:金屬有機化學氣相沉積、氫化物氣相磊晶法、分子束磊晶法、原子層沉積、液相磊晶、前述之組合、或類似方法。The
阻障層400形成於通道層300上。在一些實施例中,阻障層400的材料可包含III-V族化合物半導體,例如III族氮化物等。在一些實施例中,阻障層400的材料可為GaN、AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlInN、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他適當的材料、或前述之組合,但不限於此。在一些實施例中,阻障層400可未經摻雜。在一些實施例中,阻障層400可藉由n型摻雜劑或p型摻雜劑而摻雜。阻障層400可以包含單層或多層結構。在一些實施例中,阻障層400的厚度範圍可為例如約1奈米至約100奈米。The
在一些實施例中,阻障層400可由磊晶成長製程形成,例如:金屬有機化學氣相沉積、氫化物氣相磊晶法、分子束磊晶法、原子層沉積、液相磊晶、前述之組合、或類似方法。在本發明的一些實施例中,通道層300與阻障層400的材料不同,其界面處為異質接面(heterojunction)結構,由於通道層300與阻障層400的晶格不匹配,可能產生應力而導致壓電極化效應,且III族金屬(例如Al、Ga、或In)與氮之鍵結的離子性較強,導致自發極化。由於通道層300與阻障層400的能隙(energy gap)不同以及前述的壓電極化與自發極化效應,於通道層300與阻障層400之間的異質界面上形成了二維電子氣(two-dimensional electron gas, 2DEG),如第1圖虛線所示。在一些實施例中,所述二維電子氣通道是用來提供後續形成的高電子遷移率電晶體的導電載子,所以能夠作為電流路徑。In some embodiments, the
接著,參照第2圖,在阻障層400上可形成第一化合物半導體層500,其中第一化合物半導體層500具有表面500s。在一些實施例中,第一化合物半導體層500可以為不掺杂雜的氮化鎵(uGaN)。在一些實施例中,第一化合物半導體層500可包括不掺杂雜的AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他適當的III-V族材料、或上述之組合。第一化合物半導體層500可作為蝕刻停止層,在後續的蝕刻製程中,保護阻障層400免於受到蝕刻的影響。在一些實施例中,第一化合物半導體層500的厚度為例如3nm至30nm。例如:5nm至28nm、8nm至25nm、10nm至23nm、13nm至20nm、15至18nm。Next, referring to FIG. 2 , a first
在一些實施例中,第一化合物半導體層500可由磊晶成長製程形成,例如:金屬有機化學氣相沉積、氫化物氣相磊晶法、分子束磊晶法、原子層沉積、液相磊晶、前述之組合、或類似方法。在一些實施例中,第一化合物半導體層500可藉由高溫化學氣相沉積,於400°C至1500°C的溫度下形成,例如500°C至1400°C、600°C至1300°C、700°C至1200°C、800°C至1100°C、900°C至1000°C。In some embodiments, the first
接著,參照第3圖,在第一化合物半導體層500上形成第二化合物半導體材料層510a。在一些實施例中,第二化合物半導體材料層510a可以為氮化鎵。在一些其他實施例中,第二化合物半導體材料層510a可包括AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他適當的III-V族材料、或上述之組合。在一些實施例中,第二化合物半導體材料層510a的厚度可為例如20nm至80nm例如25nm至75nm、30nm至70nm、35nm至65nm、40nm至60nm、45nm至55nm等。在一些實施例中,可透過例如沉積製程來形成第二化合物半導體材料層510a,沉積製程例如:金屬有機化學氣相沉積、氫化物氣相磊晶法、分子束磊晶法、原子層沉積、液相磊晶、前述之組合、或類似方法。Next, referring to FIG. 3 , a second compound
接著,如第4圖所示,藉由對第二化合物半導體材料層510a進行圖案化及摻雜以形成第二化合物半導體層510。第二化合物半導體材料層510a可在圖案化之前或之後進行摻雜。在一些實施例中,第二化合物半導體層510可為p型摻雜或n型摻雜,摻雜濃度可為1e15/cm
3至1e20/cm
3,例如5e15/cm
3至5e19/cm
3、1e16/cm
3至1e19/cm
3、5e16/cm
3至5e18/cm
3、1e17/cm
3至1e18/cm
3。
Next, as shown in FIG. 4 , the second compound
舉例來說,上述圖案化製程可以包括微影製程(例如,光阻塗佈(photoresist coating)、軟烘烤、遮罩對準(mask aligning)、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影、其他適當的製程、或上述之組合)、蝕刻製程(例如,濕式蝕刻製程、乾式蝕刻製程、其他適當的製程、或上述之組合)、其他適當的製程、或上述之組合。根據一些實施例,在第二化合物半導體材料層510a上形成圖案化遮罩層(未繪示),然後蝕刻第二化合物半導體材料層510a,以移除第二化合物半導體材料層510a未被圖案化遮罩層覆蓋的部分,而形成第二化合物半導體層510。第二化合物半導體層510的位置根據預定設置閘極的位置調整。在一些實施例中,第二化合物半導體層510可以抑制其下的二維電子氣通道,因此能夠克服傳統常開(normally-on)狀態的安全疑慮,達成使得後續形成的半導體裝置10具有常關(normally-off)狀態。For example, the patterning process may include a lithography process (e.g., photoresist coating, soft baking, mask aligning, exposure, post-exposure baking, photoresist development, other appropriate processes, or a combination thereof), an etching process (e.g., a wet etching process, a dry etching process, other appropriate processes, or a combination thereof), other appropriate processes, or a combination thereof. According to some embodiments, a patterned mask layer (not shown) is formed on the second compound
在一些實施例中,圖案化遮罩層可以是光阻,例如正型光阻或負型光阻。在另一些實施例中,圖案化遮罩層可以是硬遮罩,例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、氮碳化矽、類似的材料或前述之組合。在一些實施例中,圖案化遮罩層可以藉由旋轉塗佈、物理氣相沉積、化學氣相沉積、類似的製程或前述之組合而形成。In some embodiments, the patterned mask layer can be a photoresist, such as a positive photoresist or a negative photoresist. In other embodiments, the patterned mask layer can be a hard mask, such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, silicon carbide, silicon nitride carbide, similar materials, or combinations thereof. In some embodiments, the patterned mask layer can be formed by spin coating, physical vapor deposition, chemical vapor deposition, similar processes, or combinations thereof.
在一些實施例中,第二化合物半導體材料層510a的蝕刻可以使用乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程或前述之組合。舉例來說,第二化合物半導體材料層510a的蝕刻包含反應性離子蝕刻(reactive ion etch, RIE)、感應耦合式電漿(inductively-coupled plasma, ICP)蝕刻、中子束蝕刻(neutral beam etch, NBE)、電子迴旋共振式(electron cyclotron resonance, ERC)蝕刻、類似的蝕刻製程或前述之組合。此外,雖然圖式中第二化合物半導體層510具有大致上垂直的側壁和平坦的上表面,但本發明不限於此,第二化合物半導體層510也可以是其他形狀,例如傾斜的側壁及/或不平坦的上表面。在一些實施例中,第二化合物半導體材料層510a的蝕刻停止於第一化合物半導體層500的表面500s,即第二化合物半導體材料層510a的蝕刻步驟以第一化合物半導體層500作為蝕刻停止層。In some embodiments, the etching of the second compound
接著如第5圖所示,於第二化合物半導體層510上方形成閘極金屬520。在一些實施例中,閘極金屬520的材料包含導電材料,例如鋁(Al)、銅(Cu)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(titanium nitride, TiN)、氮化鉭(tantalum nitride, TaN)、矽化鎳(nickel silicide, NiSi)、矽化鈷(cobalt silicide, CoSi)、碳化鉭(tantulum carbide, TaC)、矽氮化鉭(tantulum silicide nitride, TaSiN)、碳氮化鉭(tantalum carbide nitride, TaCN)、鋁化鈦(titanium aluminide, TiAl),鋁氮化鈦(titanium aluminide nitride, TiAlN)、金屬氧化物、金屬合金、其他適合的導電材料或前述之組合。Next, as shown in FIG. 5 , a
在一些實施例中,閘極金屬520的形成包含在第二化合物半導體層510上方沉積導電材料,然後對沉積的導電材料執行圖案化製程,以形成閘極金屬520。可藉由例如化學氣相沉積法、物理氣相沉積法(例如蒸鍍或濺鍍)、電鍍、原子層沉積法、其他適當之方法、或上述之組合沉積導電材料,上述圖案化製程可以包括微影製程、蝕刻製程、其他適當的製程、或上述之組合,具體可參照第二化合物半導體材料層510a的圖案化,在此不再贅述。In some embodiments, the formation of the
在一些實施例中,第二化合物半導體層510及閘極金屬520的形成可藉由沉積第二化合物半導體材料層及閘極金屬材料層之後,再進行適當的蝕刻而形成。In some embodiments, the second
由於閘極金屬易氧化的特性,藉由以往的製程較難使半導體裝置的閘極漏電流(Ig)及2DEG薄膜電阻(R SH)維持在目標範圍內,因此,本案藉由於較低的溫度,在閘極金屬上設置較薄的鈍化層,可防止閘極金屬在後續高溫製程環境下氧化,防止閘極電阻上升。 Due to the easy oxidation of gate metal, it is difficult to maintain the gate leakage current (Ig) and 2DEG sheet resistance (R SH ) of semiconductor devices within the target range through the previous process. Therefore, in this case, a thinner passivation layer is set on the gate metal at a lower temperature to prevent the gate metal from oxidizing in the subsequent high-temperature process environment and prevent the gate resistance from increasing.
接續參照第6圖,在半導體裝置10上設置第一鈍化層530。第一鈍化層530可形成於第一化合物半導體層500、第二化合物半導體層510、以及閘極金屬520上。換而言之,第一鈍化層530可設置於第一化合物半導體層500、第二化合物半導體層510、及閘極金屬520與後續形成之第二鈍化層之間。第一鈍化層530可包括例如:氧化矽(SiO
x)、氮化矽(Si
xN
y)、氮氧化矽(SiO
xN
y)、氧化鋁(AlO
x)、氮化鋁(AlN)、聚亞醯胺(polyimide, PI)、苯環丁烯(benzocyclobutene, BCB)、聚苯并噁唑(polybenzoxazole, PBO)、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane, TEOS)氧化物、磷矽玻璃(phosphosilicate glass, PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass, BPSG)、其他絕緣材料、或上述之組合。第一鈍化層530可為單層膜或多層膜。第一鈍化層530可具有3Å至200Å的厚度,例如:5Å至180Å、10Å至160Å、15Å至140Å、20Å至120Å、25Å至100Å、30Å至80Å、35Å至75Å、40Å至70Å、45Å至65Å、50Å至60Å等。
Continuing with FIG. 6 , a
在一些實施例中,第一鈍化層530可具有平坦表面。在一些實施例中,第一鈍化層530可具有階梯狀(step)表面。上述階梯狀表面的形狀對應於第一化合物半導體層500、第二化合物半導體層510及閘極金屬520的形狀,亦即順應性(conformally),或者稱為共形地形成於第一化合物半導體層500、第二化合物半導體層510、及閘極金屬520的表面上。須說明的是,如第6圖所示的第一鈍化層530的階梯狀表面僅為範例而非作為限制,也就是說,第一鈍化層530的形狀不以第6圖為限。在一些實施例中,第一鈍化層530的階梯狀表面的轉角處可為銳角、直角、圓角、鈍角、或任何合適的形狀。在一些實施例中,第一鈍化層530可為具有對應於第一化合物半導體層500、第二化合物半導體層510、及閘極金屬520的表面之高度差異的任何形狀,亦即第一鈍化層530可具有對應於段差的形狀。In some embodiments, the
在一些實施例中,可藉由沉積製程來形成第一鈍化層530,例如:電漿增強化學氣相沉積法(plasma-enhanced CVD, PECVD)、原子層沉積、高密度電漿化學氣相沉積(high-density plasma CVD, HDPCVD)、其他合適的製程、或前述之組合。在一些實施例中,第一鈍化層530可在40°C以上400°C以下的溫度沉積,例如50°C至390°C、60°C至380°C、70°C至370°C、80°C至360°C、90°C至350°C、100°C至340°C、110°C至330°C、120°C至320°C、130°C至310°C、140°C至300°C、150°C至290°C、160°C至280°C、170°C至270°C、180°C至260°C、190°C至250°C、200°C至240°C、210°C至230°C、220°C至225°C。藉由使第一鈍化層530在較低溫的情況下形成,可防止閘極金屬520因後續高溫製程而氧化,使半導體裝置的閘極漏電流(Ig)、2DEG薄膜電阻(R
SH)可維持在目標範圍內,從而獲得合適的半導體裝置導通電阻(R
on)。
In some embodiments, the
接著,如第7圖所示,可在第一鈍化層530上形成第二鈍化層540。第二鈍化層540可包括例如:氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鉿、氮化鋁、聚亞醯胺、苯環丁烯、聚苯并噁唑、四乙氧基矽烷氧化物、磷矽玻璃、硼磷矽酸鹽玻璃、其他絕緣材料、或上述之組合。第二鈍化層540可為單層膜或多層膜。第二鈍化層540可具有100Å至2000Å的厚度,例如:150Å至1900Å、200Å至1800Å、250Å至1700Å、300Å至1600Å、350Å至1500Å、400Å至1400Å、450Å至1300Å、500Å至1200Å、550Å至1100Å、600Å至1000Å、650Å至900Å、700Å至850Å、750Å至800Å等。Next, as shown in FIG. 7 , a
在一些實施例中,第二鈍化層540可具有平坦表面。在一些實施例中,第二鈍化層540可具有階梯狀表面。上述階梯狀表面的形狀對應於第一鈍化層530的形狀,亦即順應性,或者稱為共形地形成於第一鈍化層530的表面上。須說明的是,如第7圖所示的第二鈍化層540的階梯狀表面僅為範例而非作為限制,也就是說,第二鈍化層540的形狀不以第7圖為限。在一些實施例中,第二鈍化層540的階梯狀表面的轉角處可為銳角、直角、圓角、鈍角、或任何合適的形狀。在一些實施例中,第二鈍化層540可為具有對應於第一鈍化層530的表面之高度差異的任何形狀,亦即第二鈍化層540可具有對應於段差的形狀。In some embodiments, the
在一些實施例中,可藉由沉積製程來形成第二鈍化層540,例如:低真空化學氣相沉積(low-pressure CVD, LPCVD)、原子層沉積、分子束磊晶(MBE)、其他合適的製程、或前述之組合。在一些實施例中,第二鈍化層530可在350°C以上1200°C以下的溫度沉積,例如400°C至1000°C、450°C至950°C、500°C至900°C、550°C至850°C、600°C至800°C、650°C至750°C、680°C至720°C、690°C至700°C等。即使第二鈍化層540在較高的溫度下形成,由於第一鈍化層530的形成,閘極金屬520也不會因此氧化而影響半導體裝置10的電性。In some embodiments, the
接著參照第8圖,可以藉由圖案化製程來形成貫穿第二鈍化層540、第一鈍化層530、第一化合物半導體層500及阻障層400的開口OP。開口OP可形成於閘極金屬520的兩側。在一些實施例中,接觸開口OP可延伸進入通道層300。所述接觸開口OP用於形成源極/汲極電極。舉例來說,上述圖案化製程可以包括微影製程、蝕刻製程、其他適當的製程、或上述之組合,具體可參照第二化合物半導體材料層510a的圖案化,在此不再贅述。Next, referring to FIG. 8 , an opening OP penetrating the
參照第9圖,分別於兩個接觸開口OP中形成源極/汲極電極610。源極/汲極電極610的材料包含導電材料,例如鋁、銅、鎢、鈦、鉭、氮化鈦、氮化鉭、矽化鎳、矽化鈷、碳化鉭、矽氮化鉭、碳氮化鉭、鋁化鈦,鋁氮化鈦、金屬氧化物、金屬合金、其他適合的導電材料或前述之組合。此外,此對源極/汲極電極610的形狀不限於圖式中的垂直側壁,也可以是錐形側壁或具有其他輪廓。源極/汲極電極610的材料可與閘極金屬520的材料相同或不同。Referring to FIG. 9 , source/
在一些實施例中,可以藉由化學氣相沉積法、物理氣相沉積法(例如蒸鍍或濺鍍)、電鍍、原子層沉積法、其他適當之方法、或上述之組合,將導電材料沉積於接觸開口OP中,並對經沉積的導電材料進行圖案化製程,以形成設置於閘極金屬520兩側且與通道層300接觸的源極/汲極電極610。In some embodiments, a conductive material may be deposited in the contact opening OP by chemical vapor deposition, physical vapor deposition (e.g., evaporation or sputtering), electroplating, atomic layer deposition, other appropriate methods, or a combination thereof, and the deposited conductive material may be patterned to form a source/
接著,可以視需求,進一步形成閘極金屬520、源極/汲極電極610的接觸件。例如接續第9圖,在半導體裝置10上形成介電層,接著圖案介電層,形成對應閘極金屬520、源極/汲極電極610的接觸開口,最後藉由在接觸開口中沉積金屬材料以形成接觸件。Next,
在另一些實施例中,在第二鈍化層540的上方可以進一步形成第三鈍化層550。參照第10圖,其接續第7圖,藉由圖案化第二鈍化層540,在閘極金屬520一側或兩側露出第一鈍化層530的部分表面。在一些實施例中,在較靠近後續形成的汲極處露出第一鈍化層530的表面,在一些實施例中,在較靠近後續形成的源極處露出第一鈍化層530的表面。於閘極金屬520一側的露出與未露出的第一鈍化層530的比例可視需求任意調整。接著,在第一鈍化層530、第二鈍化層540上形成第三鈍化層550,其中第三鈍化層550與露出的第一鈍化層530的直接接觸,且第一鈍化層530可作為第三鈍化層550的成核層。In other embodiments, a
第三鈍化層550可包括例如:氧化矽(SiO
x)、氮化矽(Si
xN
y)、氮氧化矽(SiO
xN
y)、氧化鋁(AlO
x)、氮化鋁(AlN)、聚亞醯胺(polyimide, PI)、苯環丁烯(benzocyclobutene, BCB)、聚苯并噁唑(polybenzoxazole, PBO)、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane, TEOS)氧化物、磷矽玻璃(phosphosilicate glass, PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass, BPSG)、氮化鎵、其他絕緣材料、或上述之組合。第三鈍化層550可具有3Å至200Å的厚度,例如:5Å至180Å、10Å至160Å、15Å至140Å、20Å至120Å、25Å至100Å、30Å至80Å、35Å至75Å、40Å至70Å、45Å至65Å、50Å至60Å等。
The third
在一些實施例中,第三鈍化層550可具有平坦表面。在一些實施例中,第三鈍化層550可具有階梯狀(step)表面。上述階梯狀表面的形狀對應於第一鈍化層530及第二鈍化層540的形狀,且第10圖所示的第三鈍化層550的階梯狀表面僅為範例而非作為限制。藉由形成與部分第一鈍化層530直接接觸的第三鈍化層550,可增強源極、汲極之間的2DEG特性(例如密度、遷移率等),而進一步降低薄膜電阻(R
SH)。在一些實施例中,藉由使第一鈍化層530與第三鈍化層550接觸的位置相對於源極,設定於較靠近汲極處,可獲得較佳的電流改善。
In some embodiments, the
在一些實施例中,可藉由沉積製程來形成第三鈍化層550,例如:電漿增強化學氣相沉積法、低真空化學氣相沉積、原子層沉積、高密度電漿化學氣相沉積、分子束磊晶(MBE)、其他合適的製程、或前述之組合。在一些實施例中,第三鈍化層550可在40°C以上1200°C以下的溫度沉積,例如50°C至1000°C、100°C至950°C、150°C至900°C、200°C至850°C、250°C至800°C、250°C至750°C、300°C至700°C、350°C至650°C、400°C至600°C、450°C至550°C、500°C至525°C等。In some embodiments, the
接著於閘極金屬520的兩側形成源極/汲極電極610。在一些實施例中,用於形成源極的開口貫穿第三鈍化層550、第二鈍化層540、第一鈍化層530、第一化合物半導體層500及阻障層400,而用於形成汲極的開口貫穿第三鈍化層550、第一鈍化層530、第一化合物半導體層500及阻障層400,即用於形成汲極的開口貫穿第一鈍化層530與第三鈍化層550接觸的位置,且未貫穿第二鈍化層540。在一些實施例中,用於形成源極的開口未貫穿第二鈍化層540。在一些實施例中,源極/汲極電極610延伸進入通道層300。在一些實施例中,源極相較於汲極,距離閘極金屬520較近。源極/汲極電極610的製程方式及材料可參照第8-9圖所述實施例,在此不再贅述。Then, source/
以上概述數個實施例之部件,以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可更易理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應理解,他們能以本發明實施例為基礎,設計或修改其他製程和結構,以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應理解到,此類等效的製程和結構並無悖離本發明的精神與範圍,且他們能在不違背本發明之精神和範圍之下,做各式各樣的改變、取代和替換。The above summarizes the components of several embodiments so that those with ordinary knowledge in the art to which the present invention belongs can more easily understand the perspectives of the embodiments of the present invention. Those with ordinary knowledge in the art to which the present invention belongs should understand that they can design or modify other processes and structures based on the embodiments of the present invention to achieve the same purpose and/or advantages as the embodiments introduced herein. Those with ordinary knowledge in the art to which the present invention belongs should also understand that such equivalent processes and structures do not violate the spirit and scope of the present invention, and they can make various changes, substitutions and replacements without violating the spirit and scope of the present invention.
10:半導體裝置10: Semiconductor devices
100:基板100: Substrate
200:緩衝層200: Buffer layer
300:通道層300: Channel layer
400:阻障層400: Barrier
500:第一化合物半導體層500: first compound semiconductor layer
510a:第二化合物半導體材料層510a: second compound semiconductor material layer
510:第二化合物半導體層510: Second compound semiconductor layer
520:閘極金屬520: Gate Metal
530:第一鈍化層530: First passivation layer
540:第二鈍化層540: Second passivation layer
550:第三鈍化層550: The third passivation layer
OP:開口OP: Open mouth
610:源極/汲極電極610: Source/Drain Electrode
以下將配合所附圖式詳述本發明實施例。應注意的是,依據在業界的標準做法,各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上,可任意地放大或縮小元件的尺寸,以清楚地表現出本發明實施例的特徵。 第1圖至第9圖根據本發明的一些實施例,繪示出各形成階段的半導體裝置之剖面圖。 第10圖根據本發明的另一些實施例,繪示出半導體裝置之剖面圖。 The following will be described in detail with the accompanying drawings. It should be noted that, according to standard practice in the industry, various features are not drawn to scale and are only used for illustration. In fact, the size of the components can be arbitrarily enlarged or reduced to clearly show the features of the embodiments of the present invention. Figures 1 to 9 show cross-sectional views of semiconductor devices at various formation stages according to some embodiments of the present invention. Figure 10 shows a cross-sectional view of a semiconductor device according to other embodiments of the present invention.
10:半導體裝置 10: Semiconductor devices
100:基板 100: Substrate
200:緩衝層 200: Buffer layer
300:通道層 300: Channel layer
400:阻障層 400: Barrier layer
500:第一化合物半導體層 500: First compound semiconductor layer
510:第二化合物半導體層 510: Second compound semiconductor layer
520:閘極金屬 520: Gate metal
530:第一鈍化層 530: First passivation layer
540:第二鈍化層 540: Second passivation layer
610:源極/汲極電極 610: Source/drain electrode
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW202139292A (en) * | 2020-04-13 | 2021-10-16 | 世界先進積體電路股份有限公司 | Semiconductor device |
| TW202203337A (en) * | 2020-06-30 | 2022-01-16 | 台灣積體電路製造股份有限公司 | Semiconductor device structure and methods of forming the same |
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- 2023-12-01 TW TW112146806A patent/TWI867877B/en active
Patent Citations (2)
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