半导体结构的制作方法

1.本发明有关于一种半导体结构，特别有关于一种增强型(enhancement-mode)高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)的结构。


背景技术：

2.场效晶体管在半导体制造技术下是构成集成电路的基本元件，目前场效晶体管(field effect transistor,fet)一般是以金氧半导体(metal-oxide-semiconductor，mos)的结构为基础。金氧半导体场效晶体管(mosfet)有其不可忽略的特征，但是以氮化镓(gan)为基础的场效晶体管也被提出，并且可预期逐渐取代金氧半导体的场效晶体管。
3.在氮化镓(gan)技术被提出及研发数年后的现今，已有具体的晶体管结构被提出，仍在积极研发中。例如氮化镓高电子迁移率晶体管，其可以利用algan与gan之间在其接面的能带特性产生称为“二维电子气(two-dimensional electron gas)”的现象，提供良好的通道层。二维电子气的导电性大，而且氮化镓的高能隙特性则可以提升晶体管的击穿电压。
4.然而氮化镓高电子迁移率晶体管的制造技术尚未达到成熟阶段，也就是其制造技术的研发仍继续在进行。


技术实现要素：

5.本发明在此提出增强型高电子迁移率晶体管的半导体结构，通过堆叠一或多具有氮化铝镓的氮化物半导体层而形成栅极堆叠结构，并利用调整具有氮化铝镓的氮化物半导体层铝含量的比例以及氮化物半导体层的厚度，以降低栅极至载子通道的栅极漏电流且维持原有的元件特性。
6.有鉴于此，本发明提出一种半导体结构，包括一基板、一第一氮化物半导体层、一第二氮化物半导体层、一源极电极、一漏极电极、一第三氮化物半导体层、一第四氮化物半导体层、一第五氮化物半导体层以及一栅极电极。上述第一氮化物半导体层设置于上述基板之上。上述第二氮化物半导体层设置于上述第一氮化物半导体层之上。上述源极电极设置于上述第一氮化物半导体层之上。上述漏极电极设置于上述第一氮化物半导体层之上。上述第三氮化物半导体层设置于上述第二氮化物半导体层之上，具有p型掺杂。上述第四氮化物半导体层设置于上述第三氮化物半导体层以及上述第二氮化物半导体层之间，具有p型掺杂，且与上述第二氮化物半导体层的顶面直接接触。上述第五氮化物半导体层设置于上述第三氮化物半导体层以及上述第四氮化物半导体层之间。上述栅极电极设置于上述第三氮化物半导体层之上，且与上述第三氮化物半导体层直接接触，其中上述栅极电极、上述第三氮化物半导体层、上述第五氮化物半导体层以及上述第四氮化物半导体层位于上述源极电极以及上述漏极电极之间。
7.根据本发明的一实施例，上述栅极电极与上述第三氮化物半导体层形成一肖特基接触，以降低栅极漏电流。
8.根据本发明的一实施例，上述栅极电极、上述第三氮化物半导体层、上述第五氮化
物半导体层以及上述第四氮化物半导体层形成一栅极堆叠结构，其中上述栅极堆叠结构设置于上述第二氮化物半导体层的顶面之上。
9.根据本发明的一实施例，上述第一氮化物半导体层包括gan，上述第三氮化物半导体层以及上述第四氮化物半导体层包括具有p型掺杂的gan。
10.根据本发明的一实施例，上述第二氮化物半导体层包括al
x
ga
1-x
n，且0《x《＝1，上述第五氮化物半导体层包括alyga
1-y
n，且0《y《＝1，其中y不小于x。
11.根据本发明的一实施例，上述第二氮化物半导体层的厚度不大于上述第五氮化物半导体层的厚度。
12.根据本发明的一实施例，上述第三氮化物半导体层的厚度不小于上述第四氮化物半导体层的厚度。
13.根据本发明的一实施例，上述源极电极以及上述漏极电极与上述第一氮化物半导体层形成一欧姆接触，且分别接触上述第二氮化物半导体层的相对二侧边界。
14.根据本发明的一实施例，上述半导体结构形成一增强型高电子迁移率晶体管，一载子通道形成于上述第一氮化物半导体层以及上述第二氮化物半导体层的接口且位于上述源极电极以及上述漏极电极之间，其中当上述栅极电极并未施加任何电压时，上述第三氮化物半导体层的下方的上述载子通道为截止。
15.根据本发明的一实施例，当一电子自上述栅极电极流向上述载子通道时，上述电子被上述第五氮化物半导体层所阻挡或陷于上述第四氮化物半导体层。
16.本发明在此提出增强型高电子迁移率晶体管的半导体结构及其制造方法，通过堆叠一或多具有氮化铝镓的氮化物半导体层而形成栅极堆叠结构，并利用调整具有氮化铝镓的氮化物半导体层铝含量的比例以及氮化物半导体层的厚度，以降低栅极至载子通道的栅极漏电流且维持原有的元件特性。
附图说明
17.图1显示根据本发明的一实施例所述的半导体结构的剖面图；
18.图2显示根据本发明的一实施例所述的图1的半导体结构的能带构造图；
19.图3显示根据本发明的另一实施例所述的半导体结构的剖面图；以及
20.图4显示根据本发明的另一实施例所述的图3的半导体结构的能带构造图。
21.附图标号
22.100,300:半导体结构
23.110:基板
24.120:缓冲层
25.130:第一氮化物半导体层
26.130a:载子通道
27.131:第一顶面
28.140:第二氮化物半导体层
29.141:第二顶面
30.142:第一侧边界
31.143:第二侧边界
32.150:第三氮化物半导体层
33.310:第四氮化物半导体层
34.320:第五氮化物半导体层
35.161:源极电极
36.162:漏极电极
37.163:栅极电极
38.170,370:栅极堆叠结构
39.d1:第一厚度
40.d2:第二厚度
41.d3:第三厚度
42.d4:第四厚度
43.e-:电子
44.dec1:第一带隙差
45.dec2:第二带隙差
具体实施方式
46.以下针对本发明一些实施例的元件基板、半导体结构及半导体结构的制造方法作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明一些实施例的不同样态。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本发明一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标识。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。
47.此外，实施例中可能使用相对性的用语，例如“较低”或“底部”及“较高”或“顶部”，以描述图式的一个元件对于另一元件的相对关系。能理解的是，如果将图式的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“较低”侧的元件将会成为在“较高”侧的元件。
48.在此，“约”、“大约”、“大抵”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“大抵”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“大抵”的含义。
49.能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件、组成成分、区域、层、及/或部分，这些元件、组成成分、区域、层、及/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的元件、组成成分、区域、层、及/或部分。因此，以下讨论的一第一元件、组成成分、区域、层、及/或部分可在不偏离本揭露一些实施例的教示的情况下被称为一第二元件、组成成分、区域、层、及/或部分。
50.除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇发明所属的本领域技术人员所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应
以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
51.本发明一些实施例可配合图式一并理解，本发明实施例的图式亦被视为本发明实施例说明的一部分。需了解的是，本发明实施例的图式并未以实际装置及元件的比例绘示。在图式中可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本发明实施例的特征。此外，图式中的结构及装置以示意的方式绘示，以便清楚表现出本发明实施例的特征。
52.在本发明一些实施例中，相对性的用语例如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“之下”、“之上”、“顶部”、“底部”等等应被理解为该段以及相关图式中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作。而关于接合、连接的用语例如“连接”、“互连”等，除非特别定义，否则可指两个结构直接接触，或者亦可指两个结构并非直接接触，其中有其它结构设于此两个结构之间。且此关于接合、连接的用语亦可包括两个结构都可移动，或者两个结构都固定的情况。
53.图1显示根据本发明的一实施例所述的半导体结构的剖面图。如图1所示，半导体结构100包含基板110。在一些实施例中，基板110可为整块的(bulk)半导体基板或包含由不同材料形成的复合基板，并且可以将基板110掺杂(例如，使用p型或n型掺质)或不掺杂。在一些实施例中，基板110可包含半导体基板、玻璃基板或陶瓷基板，例如硅基板、硅锗基板、碳化硅、氮化铝基板、蓝宝石(sapphire)基板、前述的组合或类似的材料，但本发明实施例并非以此为限。在一些实施例中，基板110可包含绝缘体上覆半导体(semiconductor-on-insulator，soi)基板，其经由在绝缘层上设置半导体材料所形成。
54.如图1所示，半导体结构100亦包含缓冲层120。在一些实施例，缓冲层120设置在基板110上方。缓冲层120的功用为减少基板110与之后形成的氮化物半导体层所产生的应变。缓冲层120可例如为一aln晶核层及algan过渡层的组合。缓冲层120可减小基板110以及之后形成的氮化物半导体层之间晶格错差所造成缺陷。
55.如图1所示，半导体结构100亦包含第一氮化物半导体层130以及形成于第一氮化物半导体层130上方的第二氮化物半导体层140，其中第二氮化物半导体层140具有第一厚度d1。根据本发明的一实施例，第一氮化物半导体层130以及第二氮化物半导体层140为具有不同能带隙(band gap)的材料层，且第二氮化物半导体层140的带隙高于第一氮化物半导体层130的带隙。
56.根据本发明的一些实施例，第一氮化物半导体层130以及第二氮化物半导体层140由周期表上第iii-v族的元素所形成的化合物所构成，然而，第一氮化物半导体层130以及第二氮化物半导体层140彼此在组成上是不同的。根据本发明的一些实施例，第一氮化物半导体层130包括gan层，第二氮化物半导体层140包括al
x
ga
1-x
n层，其中0《x《＝1。第一氮化物半导体层130与第二氮化物半导体层140彼此直接接触。由于第一氮化物半导体层130以及第二氮化物半导体层140具有不同能带隙(band gap)，因此在第一氮化物半导体层130以及第二氮化物半导体层140之间的界面形成一异质接面(heterojunction)。
57.第一氮化物半导体层130可使用含镓的前驱物以及含氮的前驱物，借由金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，mocvd)外延长成。含镓的前驱物可包括三甲基镓(trimethylgallium，tmg)、三乙基镓(triethylgallium，teg)、或其他合适的化学品；含氮的前驱物包括氨(ammonia，nh3)、叔丁胺(tertiarybutylamine，tbam)、苯肼(phenyl hydrazine)或其他合适的化学品。然而，本发明实施例并非以此为限。
58.如图1所示，第二氮化物半导体层140外延成长在第一氮化物半导体层130的上方。第二氮化物半导体层140可由沉积工艺所形成，例如金属有机化学气相沉积(mocvd)、氢化物气相外延法(hvpe)、分子束外延法(mbe)、其他适合的方法或前述的组合所形成。举例来说，第二氮化物半导体层140可使用含铝的前驱物、含镓的前驱物以及含氮的前驱物，借由有机金属气相沉积法(mocvd)外延长成。含铝的前驱物包含三甲基铝(trimethylaluminum，tma)、三乙基铝(triethylaluminum，tea)、或其他合适的化学品；含镓的前驱物包含三甲基镓(tmg)、三乙基镓(teg)或其他合适的化学品；含氮的前驱物包含氨(nh3)、叔丁胺(tbam)、苯肼(phenyl hydrazine)或其他合适的化学品。然而，本发明实施例并非以此为限。
59.第一氮化物半导体层130与第二氮化物半导体层140之间的能带差异(band gap discontinuity)与压电效应(piezo-electric effect)在第一氮化物半导体层130与第二氮化物半导体层140之间的界面附近产生具有高移动传导电子的载子通道130a，此载子通道130a称为二维电子气(two-dimensional electron gas，2-deg)，其形成载子通道于第一氮化物半导体层130与第二氮化物半导体层140的界面上。
60.根据本发明的一些实施例，如图1所示，半导体结构100更包括第三氮化物半导体层150。第三氮化物半导体层150设置于第二氮化物半导体层140之上且与第二氮化物半导体层140的第二顶面141直接接触，其中第三氮化物半导体层150具有p型掺杂且具有第二厚度d2。根据发明的一些实施例，p型掺杂包括镁(mg)、铍(be)、钙(ca)、锌(zn)等可形成p型氮化物材料。根据本发明的一实施例，第三氮化物半导体层150包括p型氮化镓层。
61.根据本发明的一些实施例，如图1所示，半导体结构100更包括源极电极161以及漏极电极162。源极电极161以及漏极电极162设置于第二氮化物半导体层140的相对的第一侧边界142以及第二侧边界143上。此外，源极电极161以及漏极电极162分别接触从于第二氮化物半导体层140暴露出来的第一氮化物半导体层130的第一顶面131的不同部分。换句话说，源极电极161接触第一氮化物半导体层130的一部分的第一顶面131以及第二氮化物半导体层140的第一侧边界142，而漏极电极162接触第一氮化物半导体层130的另一部分的第一顶面131以及第二氮化物半导体层140的第二侧边界143。在本发明一些实施例中，源极电极161以及漏极电极162与载子通道130a电连接。在本发明的其他实施例中，半导体结构100的源极电极161以及漏极电极162的底部可与载子通道130a的底部(即载子通道130a的虚线处)对齐。
62.根据本发明的一些实施例，源极电极161以及漏极电极162的材料可包括导电材料，例如金属、金属硅化物、其他合适的材料或前述材料的组合。金属可包括金(au)、镍(ni)、铂(pt)、钯(pd)、铱(ir)、钛(ti)、铬(cr)、钨(w)、铝(al)、铜(cu)、前述的组合、前述的合金或前述的多层。然而，本发明实施例并非以此为限。可利用物理气相沉积法(physical vapor deposition，pvd)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，cvd)、原子层沉积法(atomic layer deposition，ald)、涂布、溅射或其他适合的技术形成源极电极161以及漏极电极162。根据本发明的一些实施例，源极电极161以及漏极电极162与第一氮化物半导体层130形成欧姆接触(ohmic contact)。
63.根据本发明的一些实施例，如图1所示，半导体结构100更包括栅极电极163。栅极电极163设置于第三氮化物半导体层150之上。在一些实施例中，栅极电极163的材料可与漏极电极161以及源极电极162的材料相同或相似，在此不多加赘述。根据本发明的一实施例，
栅极电极163与第三氮化物半导体层150形成肖特基接触(schottky-contact)。根据本发明的另一实施例，栅极电极163亦可与第三氮化物半导体层150形成欧姆接触。
64.根据本发明的一实施例，半导体结构100形成一增强型高电子迁移率晶体管，第三氮化物半导体层150以及栅极电极163形成该增强型高电子迁移率晶体管的栅极堆叠结构170。此外，当增强型高电子迁移率晶体管不施加任何电压时，栅极堆叠结构170下方的载子通道130a为截止。
65.图2显示根据本发明的一实施例所述的图1的半导体结构的能带构造图。如图2所示，能带构造图200显示图1的第一氮化物半导体层130、第二氮化物半导体层140、第三氮化物半导体层150以及栅极电极163之间的能带关系。根据本发明的一实施例，第一氮化物半导体层130包括氮化镓层，第二氮化物半导体层140包括al
x
ga
1-x
n层，其中0《x《＝1，第三氮化物半导体层150包括具有p型掺杂的氮化镓层，栅极电极163包括金属层。
66.根据本发明的一实施例，当电子e-自栅极电极163流至第三氮化物半导体层150时，由于第二氮化物半导体层140以及第三氮化物半导体层150之间具有第一带隙差dec1，当栅极电极163施加电压时，由于第一带隙差dec1很小，很容易使得电子自栅极电极163越过第一带隙差dec1经第二氮化物半导体层140而流至载子通道130a，因而造成栅极漏电流。因此有必要提高电子自栅极电极163流至载子通道130a的位障，以降低栅极漏电流。
67.图3显示根据本发明的另一实施例所述的半导体结构的剖面图。将图3的半导体结构300与图1的半导体结构100相比，半导体结构300更包括第四氮化物半导体层310以及第五氮化物半导体层320。
68.第四氮化物半导体层310形成于第二氮化物半导体层140以及第三氮化物半导体层150之间，且第四氮化物半导体层310与第二氮化物半导体层140的第二顶面141直接接触，其中第四氮化物半导体层310具有p型掺杂以及第三厚度d3。根据本发明的一实施例，第三厚度d3不大于第二厚度d2。换句话说，第四氮化物半导体层310的第三厚度d3小于或等于第三氮化物半导体层150的第二厚度d2，这样可以在降低栅极漏电流的情况下，尽可能保持跟图1元件的特性类似。根据发明的一些实施例，第四氮化物半导体层310的p型掺杂包括镁(mg)、铍(be)、钙(ca)、锌(zn)等可形成p型氮化物材料。根据本发明的一实施例，第四氮化物半导体层310包括p型氮化镓层。
69.第五氮化物半导体层320形成于第四氮化物半导体层310以及第三氮化物半导体层150之间，且分别与第四氮化物半导体层310以及第三氮化物半导体层150直接接触，其中第五氮化物半导体层320具有第四厚度d4。根据本发明的一实施例，第五氮化物半导体层320的材料包括alyga
1-y
n层，其中0《y《＝1。根据本发明的一实施例，y不小于x且第四厚度d4不小于第一厚度d1。换句话说，第五氮化物半导体层320的铝含量的比例(即，y)高于或等于第二氮化物半导体层140的铝含量的比例(即，x)，且第五氮化物半导体层320的第四厚度d4大于或等于第二氮化物半导体层140的第一厚度d1，这样可以提高栅极漏电流穿越的难度，达到降低栅极漏电流的效果。
70.根据本发明的一实施例，半导体结构300形成一增强型高电子迁移率晶体管，第四氮化物半导体层310、第五氮化物半导体层320、第三氮化物半导体层150以及栅极电极163形成该增强型高电子迁移率晶体管的栅极堆叠结构370，用以控制载子通道130a是否导通，其中栅极堆叠结构370形成于第二氮化物半导体层140的第二顶面141之上且直接接触。
71.图4显示根据本发明的另一实施例所述的图3的半导体结构的能带构造图。如图4所示，能带构造图400显示图3的第一氮化物半导体层130、第二氮化物半导体层140、第四氮化物半导体层310、第五氮化物半导体层320、第三氮化物半导体层150以及栅极电极163之间的能带关系。
72.如图4所示，第二氮化物半导体层140以及第四氮化物半导体层310之间具有第一带隙差dec1，第三氮化物半导体层150以及第五氮化物半导体层320之间具有第二带隙差dec2，其中图4的第一带隙差dec1与图2的第一带隙差dec1相同。根据本发明的一实施例，第一带隙差dec1由第二氮化物半导体层140的铝含量的比例(即，x)所决定，第二带隙差dec2由第五氮化物半导体层320的铝含量的比例(即，y)所决定。换句话说，由于y不小于x，因此第二带隙差dec2不小于第一带隙差dec1。此外，也可通过提高第五氮化物半导体层320的铝含量的比例(即，y)，以增加第二带隙差dec2。
73.根据本发明的一实施例，当电子e-自栅极电极163流至第三氮化物半导体层150时，由于第二带隙差dec2不小于第一带隙差dec1，因此就算栅极电极163施加电压时，电子e-亦较难通过第五氮化物半导体层320而流至第一氮化物半导体层130的载子通道130a。根据本发明的另一实施例，就算电子e-跨越第二带隙差dec2而穿越第五氮化物半导体层320而流至第四氮化物半导体层310，由于第四氮化物半导体层310的能带低于相邻的第二氮化物半导体层140以及第五氮化物半导体层320的能带，使得电子e-会困于第四氮化物半导体层310，而有效阻止自栅极电极163泄漏至第一氮化物半导体层130的载子通道130a的电子e-，以降低栅极漏电流。
74.根据本发明的其他实施例，当需要进一步降低栅极漏电流时，可通过提高第五氮化物半导体层320的铝含量的比例(即，y)以增加第二带隙差dec2，也可通过在第三氮化物半导体层150以及第五氮化物半导体层320之间插入额外的第四氮化物半导体层310以及第五氮化物半导体层320，以利进一步降低自栅极电极流至载子通道的漏电流。本发明的图3的半导体结构300仅以一组堆叠于第二氮化物半导体层140以及第三氮化物半导体层150之间的第四氮化物半导体层310以及第五氮化物半导体层320作为说明解释之用，并未以任何形式限定于此。
75.换句话说，图3的栅极堆叠结构370可包括堆叠于第二氮化物半导体层140以及第三氮化物半导体层150之间的多个组第四氮化物半导体层310以及第五氮化物半导体层320，用以进一步降低栅极漏电流。此外，由于第一氮化物半导体层130、第二氮化物半导体层140以及第三氮化物半导体层150皆与图1的半导体层的半导体结构100相同，使得插入至少一组的第四氮化物半导体层310以及第五氮化物半导体层320的半导体结构300仍保有图1的半导体结构100的元件特性且具有可控的栅极漏电流。根据本发明另一些实施例，栅极电极163以及第三氮化物半导体层150之间可形成肖特基接触，以再进一步降低栅极漏电流。
76.本发明在此提出增强型高电子迁移率晶体管的半导体结构及其制造方法，通过堆叠一或多具有氮化铝镓的氮化物半导体层而形成栅极堆叠结构，并利用调整具有氮化铝镓的氮化物半导体层铝含量的比例以及氮化物半导体层的厚度，以降低栅极至载子通道的栅极漏电流且维持原有的元件特性。
77.虽然本发明的实施例及其优点已揭露如上，但应该了解的是，任何本领域技术人
员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何本领域技术人员可从本发明一些实施例的揭示内容中理解现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本发明一些实施例使用。因此，本发明的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。