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CN112397584A - 增强型高电子迁移率晶体管元件 - Google Patents

增强型高电子迁移率晶体管元件 Download PDF

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CN112397584A CN201911334823.7A CN201911334823A CN112397584A CN 112397584 A CN112397584 A CN 112397584A CN 201911334823 A CN201911334823 A CN 201911334823A CN 112397584 A CN112397584 A CN 112397584A
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Abstract

本发明提供一种增强型高电子迁移率晶体管元件，包括配置于基板上的通道层、阻挡层、介电层、栅极、源极与漏极以及金属层。阻挡层配置于通道层上，介电层配置于阻挡层上，栅极配置于介电层上。源极与漏极位于栅极两侧，且配置于通道层及阻挡层中。金属层配置于通道层及阻挡层中，金属层的上表面从阻挡层的上表面凸出，且金属层位于栅极下方，栅极的宽度大于金属层的宽度。本发明能够降低增强型高电子迁移率晶体管元件的工艺复杂度及工艺成本。

Description

增强型高电子迁移率晶体管元件
技术领域
本发明是有关于一种高电子迁移率晶体管(HEMT)，且特别是有关于一种增强型(E-mode)高电子迁移率晶体管元件。
背景技术
近年来，以III-V族化合物半导体为基础的HEMT元件因为其低阻值、高崩溃电压以及快速开关切换频率等特性，在高功率电子元件领域被广泛地应用。一般来说，HEMT元件可分为空乏型或常开型晶体管元件(D-mode)，以及增强型或常关型晶体管元件(E-mode)。增强型(E-mode)晶体管元件因为其提供的附加安全性以及其更易于由简单、低成本的驱动电路来控制，因而在业界获得相当大的关注。
然而，增强型(E-mode)晶体管元件的已知工艺复杂度及制作成本较高，因此，如何降低增强型高电子迁移率晶体管元件的工艺复杂度及工艺成本，为目前所需研究的重要课题。
发明内容
本发明提供一种增强型高电子迁移率晶体管元件，通过金属与半导体接触接口的肖特基势垒(Schottky barrier)，将原本的空乏型(D-mode)高电子迁移率晶体管元件转换为增强型(E-mode)高电子迁移率晶体管元件，以降低已知工艺的复杂度及制作成本。
本发明的增强型高电子迁移率晶体管元件包括配置于基板上的通道层、阻挡层、介电层、栅极、源极与漏极以及金属层。阻挡层配置于通道层上，介电层配置于阻挡层上，栅极配置于介电层上。源极与漏极位于栅极两侧，且配置于通道层及阻挡层中。金属层配置于通道层及阻挡层中，金属层的上表面从阻挡层的上表面凸出，且金属层位于栅极下方，栅极的宽度大于金属层的宽度。
在本发明的一实施例中，金属层较接近源极的侧表面至栅极较接近源极的侧表面的距离为0.25μm至0.50μm，金属层较接近漏极的侧表面至栅极较接近漏极的侧表面的距离为0.25μm至0.50μm。
在本发明的一实施例中，金属层由高功函数金属构成，且高功函数金属至少分布于金属层与通道层及阻挡层接触的接口。
在本发明的一实施例中，高功函数金属的功函数超过4.0电子伏特。
在本发明的一实施例中，高功函数金属包括钛、铝、铬、钨、钼、金或铂。
在本发明的一实施例中，金属层的宽度为3μm至5μm。
在本发明的一实施例中，金属层为栅栏状，且金属层的数目为至少两个。
在本发明的一实施例中，金属层的上表面宽度与下表面宽度相同。
在本发明的一实施例中，金属层的上表面宽度与下表面宽度不同。
在本发明的一实施例中，金属层为梯形或倒梯形。
基于上述，本发明提供一种增强型高电子迁移率晶体管元件，其中包含由高功函数金属构成的金属层。通过金属与半导体接触接口的肖特基势垒(Schottky barrier)，将原本的空乏型(D-mode)高电子迁移率晶体管元件转换为增强型(E-mode)高电子迁移率晶体管元件，以降低已知工艺的复杂度及制作成本。此外，更可通过金属层所具有的金属功函数的高低，通过栅极电压的调整进而调控元件性能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1为依照本发明的第一实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。
图2为依照本发明的第二实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。
图3为依照本发明的第三实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。
符号说明
10：基板
20：通道层
30：阻挡层(barrier layer)
40、40a、40b：金属层
50：源极
60：漏极
70：介电层
80：栅极
具体实施方式
下文列举实施例并配合所附图式来进行详细地说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围。此外，图式仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。
图1为依照本发明的第一实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的增强型高电子迁移率晶体管元件包括配置于基板10上的通道层20、阻挡层30、金属层40、源极50与漏极60、介电层70以及栅极80。基板10的材料例如是蓝宝石、硅(Si)或碳化硅(SiC)，通道层20的材料例如是氮化镓，阻挡层30的材料例如是氮化铝镓，但本发明并不以此为限。更详细而言，阻挡层30配置于通道层20上，金属层40配置于通道层20及阻挡层30中，介电层70配置于阻挡层30上。由于金属层40的上表面从阻挡层30的上表面凸出，因此，介电层70覆盖金属层40的部分区域共形地向上凸出。栅极80配置于介电层70上且位于金属层40的上方，源极50与漏极60位于栅极80两侧，且配置于通道层20及阻挡层30中。
请参照图1，金属层40由高功函数金属构成，且高功函数金属至少分布于金属层40与通道层20及阻挡层30接触的接口。亦即，金属层40可整体均由高功函数金属构成，也可以是高功函数金属仅分布于金属层40与通道层20及阻挡层30接触的接口，而金属层40未与通道层20及阻挡层30接触的内部组成则可选用其他金属或合金材料。高功函数金属的功函数例如是超过4.0电子伏特，可包括钛、铝、铬、钨、钼、金或铂，但本发明并不以此为限。
请参照图1，由于金属层40(高功函数金属)与通道层20及阻挡层30(半导体材料)的接触接口可形成肖特基势垒(Schottky barrier)，因此，可将原本的空乏型(D-mode)高电子迁移率晶体管元件转换为增强型(E-mode)高电子迁移率晶体管元件。此外，更可依据金属层40金属功函数的高低，通过调整金属层40上方的栅极80电压，进而调控元件性能。更详细而言，当栅极80未施加额外电压时，通道层20及阻挡层30的二维电子气(2DEG)通道因金属层40(高功函数金属)与通道层20及阻挡层30(半导体材料)接触接口的肖特基势垒，导致阻挡电流导通。当金属层40上方的栅极80施加额外电压时，则可克服金属层40(高功函数金属)与通道层20及阻挡层30(半导体材料)接触接口的肖特基势垒，以使电流导通。
请参照图1，金属层40位于栅极80下方，且栅极80的宽度大于金属层40的宽度，金属层40的宽度例如是3μm至5μm。在本实施例中，金属层40的上表面宽度例如是与下表面宽度相同，但本发明并不以此为限，金属层40的上表面宽度亦可与下表面宽度不相同，此变化实施例将会于下文中参照图3进行详细说明。金属层40较接近源极50的侧表面至栅极80较接近源极50的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm，金属层40较接近漏极60的侧表面至栅极80较接近漏极60的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm。如此一来，可使栅极80更有效率地传递电场至下方的金属层40，也可防止工艺对准问题造成元件性能不稳定。
图1的增强型高电子迁移率晶体管元件的制造方法可包括以下步骤。首先，通过外延成长在基板10上形成通道层20及阻挡层30(半导体层)，再形成源极50与漏极60。之后，在通道层20及阻挡层30中形成开口，以形成金属层40(由高功函数金属构成)。然后，在通道层20、阻挡层30及金属层40上形成介电层70，再于介电层70上形成栅极80，即制成图1的增强型高电子迁移率晶体管元件。
图2为依照本发明的第二实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。图2所示的第二实施例相似于图1所示的第一实施例，故相同元件以相同标号表示且在此不予赘述。
请参照图2，本实施例与上述第一实施例不同之处在于，本实施例的金属层40a为栅栏状，且金属层40a的数目为至少两个。虽然图2中绘示了三个金属层40a，但本发明并不以此为限，亦可依实际需求调整栅栏状的金属层40a的配置数目。在本实施例中，金属层40a较接近源极50的侧表面至栅极80较接近源极50的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm，金属层40a较接近漏极60的侧表面至栅极80较接近漏极60的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm。金属层40a的个别宽度可以是3μm至5μm。
图3为依照本发明的第三实施例的一种增强型高电子迁移率晶体管元件的剖面示意图。图3所示的第三实施例相似于图1所示的第一实施例，故相同元件以相同标号表示且在此不予赘述。
请参照图3，本实施例与上述第一实施例不同之处在于，本实施例的金属层40b的上表面宽度与下表面宽度不同。如此一来，金属层40b可以是梯形(如图3所示)或倒梯形，但本发明并不以此为限，金属层40b亦可以是上表面宽度与下表面宽度不同的其他形状。在本实施例中，金属层40b较接近源极50的侧表面至栅极80较接近源极50的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm，金属层40b较接近漏极60的侧表面至栅极80较接近漏极60的侧表面的距离可以是0.25μm至0.50μm。
综上所述，本发明提供一种增强型高电子迁移率晶体管元件，其中包含由高功函数金属构成的金属层。通过金属与半导体接触接口的肖特基势垒(Schottky barrier)，将原本的空乏型(D-mode)高电子迁移率晶体管元件转换为增强型(E-mode)高电子迁移率晶体管元件，以降低已知工艺的复杂度及制作成本。此外，更可通过金属层金属功函数的高低，通过栅极电压的调整进而调控元件性能。同时，栅极的宽度大于金属层的宽度，如此一来，能够使栅极更有效率地传递电场至下方的金属层，也可防止工艺对准问题造成元件性能不稳定。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，包括：
通道层，配置于基板上；
阻挡层，配置于所述通道层上；
介电层，配置于所述阻挡层上；
栅极，配置于所述介电层上；
源极与漏极，位于所述栅极两侧，且配置于所述通道层及所述阻挡层中；以及
金属层，配置于所述通道层及所述阻挡层中且由高功函数金属构成，所述金属层的上表面从所述阻挡层的上表面凸出，且所述金属层位于所述栅极下方，所述栅极的宽度大于所述金属层的宽度。
2.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层较接近所述源极的侧表面至所述栅极较接近所述源极的侧表面的距离为0.25μm至0.50μm，所述金属层较接近所述漏极的侧表面至所述栅极较接近所述漏极的侧表面的距离为0.25μm至0.50μm。
3.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述高功函数金属至少分布于所述金属层与所述通道层及所述阻挡层接触的接口。
4.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述高功函数金属的功函数超过4.0电子伏特。
5.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述高功函数金属包括钛、铝、铬、钨、钼、金或铂。
6.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层的宽度为3μm至5μm。
7.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层为栅栏状，且所述金属层的数目为至少两个。
8.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层的上表面宽度与下表面宽度相同。
9.根据权利要求1所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层的上表面宽度与下表面宽度不同。
10.根据权利要求9所述的增强型高电子迁移率晶体管元件，其特征在于，所述金属层为梯形或倒梯形。
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