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TWI434354B - 基於氮化鎵之高電子移動率電晶體主動裝置之洩漏阻障 - Google Patents

基於氮化鎵之高電子移動率電晶體主動裝置之洩漏阻障 Download PDF

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TWI434354B
TWI434354B TW096108564A TW96108564A TWI434354B TW I434354 B TWI434354 B TW I434354B TW 096108564 A TW096108564 A TW 096108564A TW 96108564 A TW96108564 A TW 96108564A TW I434354 B TWI434354 B TW I434354B
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Description

基於氮化鎵之高電子移動率電晶體主動裝置之洩漏阻障
本發明係關於一種由一氮化鎵(GaN)材料系統形成之高電子移動率電晶體(HEMT)，而更特定言之，係關於具有減小的洩漏電流之基於氮化鎵之高電子移動率電晶體。
高電子移動率電晶體(HEMT)在此項技術中已為人熟知而且係習知用於各種低雜訊及功率微波應用，在該等應用中高裝置輸出功率、功率增加效率及雜訊性能具有關鍵意義。吾等習知，高電子移動率電晶體係用於商業及軍事雷達系統、通信系統及類似者中的Q、V及W頻帶微波功率放大器。亦為人習知的係，高電子移動率電晶體係有效地整合入單石微波積體電路及單石毫米波積體電路(MMIC)，該等電路包括用以進行高功率位準輻射之相位陣列。
由氮化鎵(GaN)材料系統形成之高電子移動率電晶體已為人習知。以下專利文獻中揭示此類基於氮化鎵之高電子移動率電晶體之範例：美國專利案第6,064,082、6,534,801、6,461,944號；美國專利申請公開案US 2002/0079508、US 2002/0096692、US 2002/0106842、US 2002/0167023及US 2003/0020092。日本專利案第JP2002280571號以及國際申請案第PCT/US02/23056號及PCT/US98/04218中亦揭示此類氮化鎵高電子移動率電晶體。文獻中詳盡地公開此類氮化鎵高電子移動率電晶體。請參見，例如：「在半絕緣性碳化矽基板上之高功率微波氮化鎵/AIGaN高電子移動率電晶體」，由S.T.Shepard等人所著，IEEE電子裝置學刊1999年4月第4期，第20卷，第161至163頁；「基於氮化鎵的異質接面FET(Field Effect Transistor；場效電晶體)在先進無線通信中的應用」，由Yasuo Ohno等人所著，IEEE電子裝置學報2001年3月第3期，第48卷，第517至523頁；「基於氮化鎵之功率異質接面場效電晶體：UCSB之程序開發及目前狀況」，由Stacia Keller等人所著，IEEE電子裝置學報2001年3月第3期，第48卷，第552至559頁；「技術及可靠性受限制的未來銅互連，第1部分：電阻模型化」，由Pawan Kapur等人所著，IEEE電子裝置學報2002年4月第4期，第49卷，第590至597頁；以及「具有低閘極洩漏電流之銅閘極AlGaN/氮化鎵高電子移動率電晶體」，由Jin－Ping Ao等人所著，IEEE電子裝置學刊2003年8月第8期，第24卷，第500至502頁。
吾等習知，此類基於氮化鎵之高電子移動率電晶體裝置具有相對較高的閘極洩漏電流。已嘗試不同技術來減小此類基於氮化鎵之高電子移動率電晶體之洩漏電流。例如，如此前「具有低閘極洩漏電流之銅閘極AlGaN/氮化鎵高電子移動率電晶體」中所述，顯示洩漏電流係依據用於該等閘極接點之金屬類型而減小。特定言之，已證明銅(Cu)閘極接點提供相對於具有由Ni/Au形成的閘極之可比裝置而減小的閘極洩漏電流。
美國專利申請公開案第2003/0020092 A1號(其係公開於2003年1月30日)與國際公開案第WO 03/032397 A2號(國際申請案第PCT/US02/23056號)中揭示用以減小一基於氮化鎵的高電子移動率電晶體之洩漏電流之其他技術。此等公開案揭示形成為具有一絕緣閘極之一基於氮化鎵之高電子移動率電晶體。特定言之，該高電子移動率電晶體係形成為在一基板頂部上具有一AlX Ga1－x 緩衝層。在該緩衝層之頂部上形成一高電阻率層。由AlGaN形成之一阻障層係形成於該高電阻率層之頂部上。汲極及源極接點係形成於高電阻率氮化鎵層之頂部上。由SiN形成之一絕緣層係形成於該AIGaN阻障層之頂部上。該閘極接點係形成於該絕緣層之頂部上。由於該閘極接點係與該等汲極及源極接點絕緣，因此減小該閘極洩漏電流。儘管上述技術可很好地適用於氮化鎵/AIGaN高電子移動率電晶體分層裝置，但此技術並不適用於由基於氮化鎵之材料形成的不具有一絕緣閘極之高電子移動率電晶體裝置。
圖1A至1C解說與此類裝置相關之問題。特定言之，該程序以(例如)一基於氮化鎵之材料件20開始。如圖1B所示，該基於氮化鎵之材料係蝕刻為形成一台面區域22，該台面區域22界定分別用於該等源極及汲極區之階梯斷續24及26。如圖1B所示，此等階梯斷續24及26允許不合需要的洩漏電流在該源極與閘極之間以及在汲極與閘極之間流動，從而在該源極與閘極之間以及在該等汲極與閘極區之間產生相對較差的電絕緣。
除上面提到之問題外，吾等習知，該閘極金屬28之沈積在該等階梯斷續區24及26上形成一懸垂物，如圖1C所示。在此一組態中，在該階梯斷續上的該閘極金屬之斷面區域可能不均勻，從而產生相對較薄的閘極金屬區域而導致電流壓縮。因此，需要一種由氮化鎵材料形成而具有減小的洩漏電流之高電子移動率電晶體裝置，其還消除在該裝置中因斷續上的閘極金屬沈積而產生之電流壓縮。
本發明係關於一種由一氮化鎵材料系統形成之改良型高電子移動率電晶體，其相對於習知的基於氮化鎵之高電子移動率電晶體具有減小的閘極洩漏電流並消除由於在形成於該閘極台面上的階梯斷續上之閘極金屬沈積而產生之電流壓縮問題。依據本發明，藉由減短該閘與歐姆金屬墊之間的洩漏路徑而減小該閘極洩漏電流，該洩漏路徑可經由磊晶層材料(氮化鎵緩衝層)之隔離區發生以及因懸垂於該台面側壁上的閘極金屬之間的緊密接觸而從該台面側壁發生。此新穎方法減小洩漏電流而無須增加該閘極與高電子移動率電晶體通道之間的間隔，如同MISFET(metal－insulator－semiconductor field effect transistor；金屬－絕緣體－半導體場效電晶體)之情況一樣。因此，可減小閘極洩漏電流而無須犧牲該裝置之高頻率性能，因為針對較高頻率性能應用之電荷調變獲得改良。該高電子移動率電晶體裝置係由一氮化鎵材料系統形成。一或多個基於氮化鎵之材料係分層並蝕刻為形成具有界定源極與一汲極區的階梯斷續之一閘極台面。為減小該洩漏電流，藉由一絕緣材料(例如，氮化矽(SiN))對該等階梯斷續進行回填，從而形成相對於該等源極及汲極區之一平坦表面，從而能夠平鋪該閘極金屬。藉由採用一絕緣材料對該等源極及汲極區進行回填，大大減小該閘極與源極以及該閘極與汲極之間的洩漏電流。此外，幾乎消除由於在一階梯斷續上的閘極金屬沈積而產生之電流壓縮。
本發明係關於一種由一氮化鎵材料系統形成之高電子移動率電晶體，其與習知的由氮化鎵材料系統形成之高電子移動率電晶體相比具有相對較小的洩漏電流而且還解決該閘極金屬之電流壓縮問題。揭示本發明之兩項具體實施例。圖2A至2D所解說之一具體實施例係關於本發明之一具體實施例，其中由塊狀氮化鎵材料形成該高電子移動率電晶體。圖3A至3F中解說本發明之一替代具體實施例，其中由氮化鎵/AlGaN形成該高電子移動率電晶體。
參考圖2A至2D，提供關於依據本發明之一具體實施例之程序之一簡化說明。首先參考圖2A，可使用一塊狀氮化鎵材料30作為該高電子移動率電晶體之起點。藉由傳統的微影蝕刻技術來遮蔽該塊狀氮化鎵材料並(例如)藉由緩衝氧化物濕式或基於Cl之乾式蝕刻來加以蝕刻，從而形成一台面32。該閘極台面32界定一對階梯斷續34與36，其分別對應於源極與汲極區。如上面所提到，洩漏電流一般在該閘極32與該源極34之間以及在該閘極32與該汲極36之間流動，從而在該裝置之閘極、源極及汲極區之間產生相對較差的電絕緣。依據本發明之一重要方面，將一絕緣材料38(例如，氮化矽(SiN))沈積於該等源極及汲極區34與36中，以至於其與該台面32的頂部表面相對地齊平以形成一不具有任何階梯斷續之相對較平坦的表面。藉由採用一絕緣材料在該等源極及汲極區34與36中進行填充，大大減小該閘極30與該源極34之間以及該閘極30與該汲極36區之間的洩漏電流。
依據本發明之另一重要方面，該絕緣材料38使得能夠平坦地塗敷該閘極金屬42，從而消除在該階梯斷續上的懸垂物。藉由在一平坦表面上形成該閘極金屬42，實際上減小因該閘極金屬42的部分之懸垂物而產生之電流壓縮，從而進一步改良該裝置之性能。
圖3A至3D解說依據本發明由一氮化鎵/AIGaN材料系統形成之一高電子移動率電晶體之一替代具體實施例。圖3A解說初始生長輪廓。首先，例如藉由分子束磊晶將(例如)一0.5至2 μm之氮化鎵層44生長於基板46之頂部上。該基板46可以係(例如)藍寶石Al2 O3 或碳化矽SiC。該基板46之厚度可以係(例如)350 μm。在該氮化鎵層44之頂部上可由AlGaN形成一緩衝層48。該緩衝層48可以係形成為一(例如)200至250之厚度。最後，可在該緩衝層48之頂部上形成一氮化鎵頂部層49。該氮化鎵頂部層49可以係形成為一(例如)5至50之厚度。
可藉由傳統微影蝕刻技術來遮蔽圖3A所解說之裝置，並(例如)藉由BCl3 ＋Ar乾式蝕刻對其進行蝕刻以形成一台面50。如圖3B所示，該台面50界定兩個階梯斷續52與54，該等階梯斷續進而界定該等源極與汲極區52與54。依據本發明之一重要方面，如圖3C所示，藉由一絕緣材料56(例如氮化矽(SiN))來填充該等源極及汲極區52及54。
如圖3D所示，該閘極金屬58係沈積於該台面50之頂部上以及該氮化矽56之頂部上。此外，如圖3F所示，藉由傳統技術將該等源極60及汲極62接點與該閘極金屬58相鄰而沈積。
顯而易見，可以依據上述教導對本發明作許多修改及變化。因此，應瞭解，在隨附申請專利範圍之範疇內，可採取上面未明確說明之方式來實施本發明。
隨附申請專利範圍涵蓋上述欲受專利證書保護之內容。
20．．．基於氮化鎵之材料件
22．．．台面區域
24．．．階梯斷續
26．．．階梯斷續
28．．．閘極金屬
30．．．塊狀氮化鎵材料/閘極
32．．．閘極台面/閘極
34．．．階梯斷續/源極
36．．．階梯斷續/汲極
38．．．絕緣材料
42．．．閘極金屬
44．．．氮化鎵層
46．．．基板
48．．．緩衝層
49．．．氮化鎵頂部層
50．．．台面
52．．．階梯斷續/源極區
54．．．階梯斷續/汲極區
56．．．絕緣材料/氮化矽
58．．．閘極金屬
60．．．源極
62．．．汲極
參考以上說明及附圖，將容易瞭解本發明之此等及其他優點，其中：圖1A至1C解說此項技術中習知的用以由一氮化鎵材料形成一高電子移動率電晶體之簡化程序步驟。
圖2A至2D解說依據本發明用以由氮化鎵形成一高電子移動率電晶體之簡化程序步驟。
圖3A至3C係本發明程序之各個階段中之一半導體之斷面圖，其解說依據本發明用以形成該高電子移動率電晶體之更詳細的程序步驟。
圖3D係圖3C所解說的半導體之一平面圖。
圖3E係沿圖3D之線3E－3E之一斷面圖，其解說該閘極接點之形成。
圖3F係沿圖3D之線3F－3F之一斷面圖，其解說該等源極及汲極接點之形成。
30．．．塊狀氮化鎵材料/閘極
32．．．閘極台面/閘極
34．．．階梯斷續/源極
36．．．階梯斷續/汲極
38．．．絕緣材料
42．．．閘極金屬

Claims (10)

  1. 一種用以在一基板上形成一高電子移動率電晶體(HEMT)之程序，其包含：將一或多個基於氮化鎵(GaN)之材料沈積於該基板上；藉由該基於氮化鎵之材料形成一台面，該台面在該台面之相對側上的該基板上界定側壁、汲極區及源極區；藉由一絕緣材料回填該汲極區及該源極區，該絕緣材料係置放於該汲極區及該源極區且進一步係置放以與該等側壁接觸並至(up to)該台面表面之頂部；將閘極金屬沈積於該台面及該絕緣材料之該頂部上；以及將源極接點及汲極接點沈積成與該台面之該頂部及該絕緣材料接觸。
  2. 如請求項1之程序，其中該基於氮化鎵之材料係塊狀氮化鎵。
  3. 如請求項1之程序，其中該基於氮化鎵之材料包括氮化鎵與氮化鋁鎵(AlGaN)。
  4. 如請求項3之程序，其中沈積一或多個基於氮化鎵之材料之步驟包含：將一氮化鎵層沈積於該基板之頂部上；將一AlGaN緩衝層沈積於該氮化鎵層之頂部上；以及將一頂部氮化鎵層沈積於該緩衝層之頂部上。
  5. 如請求項1之程序，其中該絕緣材料係氮化矽(SiN)。
  6. 一種高電子移動率電晶體，其包含：一基板；一或多個基於氮化鎵之材料，其係形成於該基板上，該一或多個基於氮化鎵之層係形成為一具有界定源極及汲極區的階梯斷續之台面；一絕緣材料，其係置放於該源極區及該汲極區中以與側壁接觸並至(up to)該台面之一頂部表面，由此消除該等階梯斷續，其中該等側壁係以該台面界定；一相對地平坦的閘極金屬接點，其係部分置放於該台面之該頂部表面及該絕緣材料上；以及源極及汲極接點，其係與該台面之該頂部表面接觸而置放。
  7. 如請求項6之高電子移動率電晶體，其中該基於氮化鎵之材料係塊狀氮化鎵。
  8. 如請求項6之高電子移動率電晶體，其中該基於氮化鎵之材料包括氮化鎵與AlGaN。
  9. 如請求項8之高電子移動率電晶體，其中該高電子移動率電晶體包括：一氮化鎵層，其係形成於該基板上；一緩衝層，其係由形成於該氮化鎵層上的AlGaN形成；以及一氮化鎵，其係形成於該緩衝層之頂部上。
  10. 如請求項6之高電子移動率電晶體，其中該絕緣材料係SiN。
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