半導體裝置及其制造方法
【專利摘要】一種半導體裝置包含：一基板、一緩沖層、及一裝置層。緩沖層沉積于基板上，且包括至少一氮化鎵磊晶層及沉積于氮化鎵磊晶層上的至少一插入層，其中一電子捕捉元素被摻雜入氮化鎵磊晶層的一區域，該區域是為鄰近該氮化鎵磊晶層及其上的插入層之間的一介面。裝置層則形成于緩沖層之上。借由上述結構，氮化鎵磊晶層的電子被捕捉，而降低電子遷移率，并使得來自緩沖層漏電流被抑制，因此半導體裝置的性能也就被提升。本發明亦揭露一種制造上述半導體裝置的方法。
【專利說明】
半導體裝置及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明是關于一種半導體裝置及其制造方法，尤其是一種較低漏電流的半導體裝置及其制造方法。
【【背景技術】】
[0002]在高功率及高頻的應用領域，高電子迀移率晶體管(High Electron MobilityTransistor，HEMT)是常見的構造。HEMT構造會產生高電子迀移率的區域，該多個高迀移率的電子可提供非常優越的高頻表現。
[0003]氮化鋁鎵/氮化鎵(AlGaN/GaN)構造是非常普遍的HEMT裝置。其原因首先在于AlGaN/GaN的異質介面能產生二維電子氣(2 Dimens1nal Electron Gas，2DEG)。二維電子氣是一種以較高迀移率自由移動的電子氣體。氮化鋁鎵是做為壁障層，而氮化鎵則是做為通道層。其次是GaN材料具有高能隙，高崩潰電壓，高電子迀移率，高熱傳導率等特征。氮化鋁鎵是做為壁障層，而氮化鎵則是做為通道層。
[0004]可以知道的是，高電子迀移率裝置通常需要具有相對較高電阻的半絕緣基板，且功率裝置需要較厚的氮化鎵磊晶層以提高崩潰電壓。基于成長較厚氮化鎵磊晶層于硅基板的需要，許多種緩沖層被安插于氮化鎵磊晶層及硅基板之間，例如轉換層、插入層、或超晶格構造。然而該多個緩沖層會在功率裝置產生嚴重的漏電流問題。于是如何抑制磊晶層的漏電流現象已成為一個重要的議題。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明是關于一種半導體裝置及其制造方法，其植入電子捕捉元素于基板及裝置層之間的緩沖層，以防止不想要的二維電子氣體在緩沖層產生，借此以抑制經由二維電子氣體產生的漏電流。
[0006]于一實施例中，本發明的半導體裝置包含:一基板、一緩沖層、及一裝置層。緩沖層是沉積于基板上，且包括至少一氮化鎵磊晶層及至少一插入層。插入層是沉積于氮化鎵磊晶層之上。氮化鎵磊晶層及其上的插入層間有一介面，且氮化鎵磊晶層在鄰近此介面的區域被植入一電子捕捉元素。裝置層則形成于緩沖層上。
[0007]在又一實施例中，本發明的半導體裝置的制造方法包含:提供一基板;形成一緩沖層于基板上，其中緩沖層包括至少一氮化鎵磊晶層及至少一沉積于氮化鎵磊晶層上的插入層，且其中氮化鎵磊晶層及其上的插入層間有一介面，且氮化鎵磊晶層在鄰近此介面的區域被植入一電子捕捉元素;及形成一裝置層于緩沖層上。
[0008]本發明的實施例將配合圖示詳述于下，借此以使本發明的目的、技術內容、特征及優點更易于了解。
【【附圖說明】】
[0009]
圖1是依本發明一第一實施例的一半導體裝置的一示意圖。
圖2是依本發明一第二實施例的一半導體裝置的一示意圖。
圖3是依本發明一第三實施例的一半導體裝置的一示意圖。
圖4是依本發明一第四實施例的一半導體裝置的一示意圖。
圖5是依本發明一實施例的一半導體裝置制造方法的流程圖。
【符號說明】
[0010]
10基板
20緩沖層
21初始層
22氣化嫁嘉晶層 221電子捕捉元素
23插入層
30裝置層
31通道層
32壁障層
33電極層 2DEG二維電子氣 S51，S52，S53 步驟
【【具體實施方式】】
[0001]以下將詳述本發明的各實施例，并配合圖式作為例示。除了該多個詳細說明的實施例外，本發明亦可廣泛地施行于其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明的范圍內，本發明的范圍是以專利申請范圍為基礎。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節;然而，本發明能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件并未描述于細節中，以避免對本發明形成不必要的限制。圖式中相同或類似的元件將以相同或類似符號來表示。需特別注意的是，圖式僅為示意之用，并非代表元件實際的尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式的簡潔。
[0011]請參照圖1。于一實施例中，本發明的半導體裝置包含:一基板10、一緩沖層20、及一裝置層30。于一實施例中，基板10包含但不限于一硅(Si)基板、一碳化硅(SiC)基板、或一藍寶石(sapphire)基板。緩沖層20沉積于基板20上。緩沖層20可改善基板10及裝置層30之間晶格結構不匹配的問題。為了要成長較厚的磊晶層于基板10上，例如成長較厚的氮化鎵磊晶層于硅基板上，緩沖層是必要的。裝置層30形成于緩沖層上，以實施此半導體裝置的功能。于一實施例中，裝置層30包括一通道層31、一壁障層32、及一電極層33。電極層33更包括一源極電極、一柵極電極、及一漏極電極。裝置層30的詳細構造及材料組成可由已知技術實現，在此不再贅述。
[0012]緩沖層20包含至少一氮化鎵磊晶層22及至少一沉積于氮化鎵磊晶層22上的插入層23。在圖1的實施例中，依序自基板10至裝置層30，緩沖層20包括一初始層21、多個氮化鎵嘉晶層22、及多個插入層23，其中多個插入層23及多個氣化嫁嘉晶層22以交錯的方式沉積。于一實施例中，初始層21為一氮化鋁(AlN)層;插入層23為一氮化鋁或氮化鋁鎵(AlGaN)層。
[0013]承上，在上述結構中，不想要的二維電子氣(2DEG)會在氮化鎵磊晶層22及其上的插入層23間的介面產生，此會在功率裝置造成嚴重的漏電流問題。于是本發明在氮化鎵磊晶層22鄰近此介面的一區域植入一種電子捕捉元素221。摻雜在氮化鎵磊晶層22的電子捕捉元素221會取代氮化鎵嘉晶層22的鎵或氮原子，而會形成深層受體(deep acceptor)以捕捉氮化鎵磊晶層22內的電子，于是不想要的二維電子氣就不會形成，而借由二維電子氣發生的漏電流也就被抑制。于一實施例中，電子捕捉元素221為鐵(Fe)、碳(C)、及鎂(Mg)的至少其中之一，較佳者為鐵。以氮化鎵磊晶層22及其上的插入層23間的介面為基準，有摻雜電子捕捉兀素的氣化嫁嘉晶層22的厚度大于5nm，$父佳者氣化嫁嘉晶層22的厚度大于10nm。于一實施例中，摻雜的電子捕捉元素的其濃度是介于116至119Cnf3之間。
[0014]接續上述，在圖1的實施例，電子捕捉元素221是摻雜在最上面一層的氮化鎵磊晶層22的一區域，此一區域鄰近此氮化鎵磊晶層22及其上的插入層23間的介面，但本發明并不限于此。在圖2的實施例，每一鄰接氮化鎵磊晶層22及其上層插入層23間介面的氮化鎵磊晶層22都有摻雜電子捕捉元素221，以增加抑制漏電流的效果。
[0015]請參考圖3。于一實施例中，插入層23，在靠近其本身及其下的氮化鎵磊晶層22的介面之處，亦摻雜電子捕捉元素221。也就是說，摻雜有電子捕捉元素221的區域跨越氮化鎵磊晶層22及其上的插入層23的介面。要注意的是，電子捕捉元素221也可以摻雜于最上面一層的插入層23，或是每一層的插入層23。請參考圖4，于一實施例中，電子捕捉元素221是摻雜于緩沖層20的每一層沉積層，例如起始層21、氮化鎵磊晶層22、及插入層23。
[0016]借由上述結構，摻雜于緩沖層20的電子捕捉元素221可以捕捉電子而降低電子迀移率，于是不想要的二維電子氣就不會在氮化鎵磊晶層22及其上的插入層23之間的介面產生，而漏電流也在緩沖層20被抑制，因此半導體裝置的性能也就被提升。
[0017]請參照圖1及圖5。于一實施例中，本發明提供一種半導體裝置的制造方法。在步驟S51，首先提供一基板10，例如一硅基板、一碳化硅基板、或一藍寶石基板。其次，在步驟S52，形成一緩沖層20于基板10上。如前所述，緩沖層20包括一初始層21，及多個以交錯的方式沉積的氮化鎵磊晶層22和插入層23。于一實施例中，氮化鋁(AlN)層被形成而做為初始層21。初始層21是以一晶體成長方法形成，例如以一有機金屬氣相嘉晶法(Metal Organic VaporPhase Epitaxy ,MOVPE)，配合一招元素源氣體(如三甲基招(trime thy la luminum，TMA)氣體)及一氮元素源氣體(如阿摩尼亞(NH3)氣體)的混合氣體，形成初始層21。有機金屬氣相嘉晶法，配合一鎵元素源氣體(如三甲基鎵(1:1'；[1]161:117]^311;[111]1，116)氣體)及一氮元素源氣體(如阿摩尼亞(NH3)氣體)的混合氣體，亦可用于形成氮化鎵磊晶層22。可以理解的是:在成長氮化鎵嘉晶層22時，使氮化鎵嘉晶層22通過電子捕捉元素221，可將電子捕捉元素221摻雜入氮化鎵嘉晶層22。于一實施例中，以二(環戊二稀)亞鐡(cyclopentadienyl iron,ferrocene，Cp2Fe)做為鐵元素來源。插入層23形成的方法與初始層21相同。最后，在步驟S53，形成一裝置層30于緩沖層20上，而完成如圖1所示的半導體裝置。裝置層30的制造可由已知技術完成，在此不再贅述。
[0018]綜上所述，本發明的半導體裝置及其制造方法，利用摻雜電子捕捉元素于基板及裝置層之間的緩沖層，以捕捉在氮化鎵磊晶層的電子，而使電子迀移率降低。換言之，不想要的二維電子氣不會在氮化鎵磊晶層及其上插入層間的介面形成，亦即沒有二維電子氣可做為漏電流的路徑。于是半導體裝置的效能就被提升。
[0019]本發明已借由實施例詳述于上。然而，習于此項技術者應當理解:本發明尚有各種替代、修改、等效的實施例。是故，本發明并不受限于本說明書所使用的實施例，而僅受限于所附的申請專利范圍。
【主權項】
1.一半導體裝置，其特征在于，其包含: 一基板； 一緩沖層，沉積于該基板上，且包括至少一氮化鎵磊晶層及沉積于該氮化鎵磊晶層上的至少一插入層，其中一電子捕捉元素被摻雜入該氮化鎵磊晶層的一區域，該區域是鄰近該氮化鎵磊晶層及其上的該插入層之間的一介面;及 一裝置層，形成于該緩沖層之上。2.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該電子捕捉元素被摻雜入該插入層的一區域，該區域是鄰近該插入層及其下的該氮化鎵磊晶層之間的一介面。3.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該緩沖層包括多個該氮化鎵磊晶層、及多個該插入層，且其中多個該插入層及多個該氮化鎵磊晶層以交錯的方式沉積，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該氮化鎵磊晶層的一區域，該區域是鄰近該氮化鎵磊晶層及其上的該插入層之間的一介面。4.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該緩沖層包括以交錯的方式沉積的多個該氮化鎵磊晶層及多個該插入層，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該插入層的一區域，該區域是鄰近該插入層及其下的該氮化鎵磊晶層之間的一介面。5.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該緩沖層包括多個沉積層，該多個沉積層更包括多個該氮化鎵磊晶層及多個該插入層，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該沉積層。6.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，摻雜有該電子捕捉元素的該氮化鎵磊晶層的厚度大于5nm。7.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該電子捕捉元素包含鐵(Fe)、碳(C)、及鎂(Mg)的至少其中之一。8.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該插入層包含氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(AlGaN)09.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該緩沖層更包括沉積于該基板上的一初始層，且該氮化鎵磊晶層沉積于該初始層上。10.如權利要求9的半導體裝置，其特征在于，該初始層包含氮化鋁(AlN)。11.如權利要求1的半導體裝置，其特征在于，該基板為一娃(Si)基板、一碳化娃(SiC)基板、或一藍寶石(sapphire)基板。12.一種半導體裝置的制造方法，其特征在于，其包含: 提供一基板； 形成一緩沖層于該基板上，其中該緩沖層包括至少一氮化鎵磊晶層及沉積于該氮化鎵磊晶層上的至少一插入層，且其中一電子捕捉元素被摻雜入該氮化鎵磊晶層的一區域，該區域是鄰近該氮化鎵磊晶層及其上的該插入層之間的一介面;及 形成一裝置層于該緩沖層上。13.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該電子捕捉元素被摻雜入該插入層的一區域，該區域是鄰近該插入層及其下的該氮化鎵磊晶層之間的一介面。14.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該緩沖層包括以交錯的方式沉積的多個該氮化鎵磊晶層及多個該插入層，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該氮化鎵磊晶層的一區域，該區域是鄰近該氮化鎵磊晶層及其上的該插入層之間的一介面。15.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該緩沖層包括以交錯的方式沉積的多個該氮化鎵磊晶層及多個該插入層，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該插入層的一區域，該區域是鄰近該插入層及其下的該氮化鎵磊晶層之間的一介面。16.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該緩沖層包括多個沉積層，該多個沉積層更包含多個該氮化鎵磊晶層及多個該插入層，且其中該電子捕捉元素被摻雜入每一該沉積層。17.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，摻雜有該電子捕捉元素的該氮化鎵嘉晶層的厚度大于5nm。18.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該電子捕捉元素包含鐵(Fe)、碳(C)、及鎂(Mg)的至少其中之一。19.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該插入層包含氮化鋁(AlN)或氮化鋁鎵(AlGaN)。20.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該緩沖層更包含沉積于該基板上的一初始層，且該氮化鎵磊晶層沉積于該初始層上。21.如權利要求20的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該初始層包含氮化鋁(A1N)。22.如權利要求12的半導體裝置的制造方法，其特征在于，該基板為一硅(Si)基板、一碳化娃(SiC)基板、或一藍寶石(sapphire)基板。
【文檔編號】H01L29/06GK105990419SQ201610149806
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月16日
【發明人】小林隆, 林伯融, 陳哲霖
【申請人】漢民科技股份有限公司