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TWI768391B - 高電子遷移率電晶體的佈局圖 - Google Patents

高電子遷移率電晶體的佈局圖 Download PDF

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TWI768391B
TWI768391B TW109122345A TW109122345A TWI768391B TW I768391 B TWI768391 B TW I768391B TW 109122345 A TW109122345 A TW 109122345A TW 109122345 A TW109122345 A TW 109122345A TW I768391 B TWI768391 B TW I768391B
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iii
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high electron
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李國興
薛勝元
吳建良
邱永振
康智凱
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聯華電子股份有限公司
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Abstract

一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，包含一基底，一平台設置於基底上，其中平台包含一第一III-V族化合物層和一第二III-V族化合物層，第二III-V族化合物設置於第一III-V族化合物層上，第二III-V族化合物層的組成與第一III-V族化合物層不同，一第三III-V族化合物層設置平台上，其中第三III-V族化合物層形成一第一空心矩形，一第一源極/汲極接觸墊設置於平台上並且被第一空心矩形環繞以及一第二源極/汲極接觸墊設置於平台上並且位在第一空心矩形之外。

Description

高電子遷移率電晶體的佈局圖
本發明係關於一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，特別是一種可以避免源極/汲極漏電的佈局圖。
III-V族半導體化合物由於其半導體特性而可應用於形成許多種類的積體電路裝置，例如高功率場效電晶體、高頻電晶體或高電子遷移率電晶體(high electron mobility transistor，HEMT)。在高電子遷移率電晶體中，兩種不同能帶隙(band-gap)的半導體材料係結合而於接面(junction)形成異質接面(heterojunction)而為載子提供通道。近年來，氮化鎵系列的材料由於擁有較寬能隙與飽和速率高的特點而適合應用於高功率與高頻率產品。氮化鎵系列的高電子遷移率電晶體由材料本身的壓電效應產生二維電子氣(two-dimensional electron gas,2DEG)，相較於傳統電晶體，高電子遷移率電晶體的電子速度及密度均較高，故可用以增加切換速度。
高電子遷移率電晶體一般分為常開型(normally-on)和常閉型(normally-off)，然而常閉型的高電子遷移率電晶體經常會發生源極/汲極漏電的問題，也就是說需要高電子遷移率電晶體關閉時，反而會有電流流向源極或汲極。
有鑑於此，本發明提供了高電子遷移率電晶體的佈局圖以解決漏電問題。
根據本發明之較佳實施例，一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，包含一基底，一平台設置於基底上，其中平台包含一第一III-V族化合物層和一第二III-V族化合物層，第二III-V族化合物設置於第一III-V族化合物層上，第二III-V族化合物層的組成與第一III-V族化合物層不同，一第三III-V族化合物層設置平台上，其中第三III-V族化合物層形成一第一空心矩形，一第一源極/汲極接觸墊設置於平台上並且被第一空心矩形環繞以及一第二源極/汲極接觸墊設置於平台上並且位在第一空心矩形之外。
根據本發明之較佳實施例，一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，包含：一基底，一平台設置於基底上，其中平台包含一第一III-V族化合物層和一第二III-V族化合物層，第二III-V族化合物層設置於第一III-V族化合物層上，第二III-V族化合物層的組成與第一III-V族化合物層不同，一第三III-V族化合物層設置平台上，其中未被第三III-V族化合物層覆蓋的平台的截面包含一階梯輪廓。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施方式，並配合所附圖式，作詳細說明如下。然而如下之較佳實施方式與圖式僅供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
10:基底
12:平台
14:第一III-V族化合物層
16:第二III-V族化合物層
18:第三III-V族化合物層
20:第一空心矩形
20’:第二空心矩形
20a:寬邊
20b:窄邊
22:第一源極/汲極接觸墊
22a:長邊
24:第二源極/汲極接觸墊
26:保護層
28:第一梯形
30:第一斜邊
32:第一上表面
34:第一下表面
36:第二梯形
38:第二斜邊
40:第二上表面
42:第二下表面
44:階梯輪廓
100:高電子遷移率電晶體的佈局圖
200:高電子遷移率電晶體的佈局圖
300:高電子遷移率電晶體的佈局圖
K:框線
L1:線
L2:線
L3:線
L4:線
U:方向
V:方向
W1:寬度
W2:寬度
X:方向
Y:方向
第1圖為根據本發明之第一較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖。
第2圖為第1圖中沿AA’切線所繪示的側視圖。
第3圖為第1圖中沿BB’切線所繪示的側視圖。
第4圖為第1圖中沿CC’切線所繪示的側視圖。
第5圖為第1圖中沿DD’切線所繪示的側視圖。
第6圖為第1圖中沿EE’切線所繪示的側視圖。
第7圖為根據本發明之另一較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖。
第8圖為根據本發明之第二較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖。
第9圖為第8圖中沿FF’切線所繪示的側視圖。
第10圖為第8圖中沿GG’切線所繪示的側視圖。
第11圖為第8圖中沿HH’切線所繪示的側視圖。
第12圖為第8圖中沿II’切線所繪示的側視圖。
第13圖為第8圖中沿JJ’切線所繪示的側視圖。
第1圖為根據本發明之第一較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖。第2圖為第1圖中沿AA’切線所繪示的側視圖。第3圖為第1圖中沿BB’切線所繪示的側視圖。第4圖為第1圖中沿CC’切線所繪示的側視圖。第5圖為第1圖中沿DD’切線所繪示的側視圖。第6圖為第1圖中沿EE’切線所繪示的側視圖。
如第1圖至第6圖所示，一種高電子遷移率電晶體的佈局圖100包含一基底10，基底10可以包含有一矽基底和一磊晶緩衝層。一平台12設置於基底10上，平台12包含一第一III-V族化合物層14和一第二III-V族化合物層16，第二III-V族化合物層16設置於第一III-V族化合物層14上，第二III-V族化合物層16的組成與第一III-V族化合物層14不同，一第三III-V族化合物層18設置平台12上，其中第三III-V族化合物層18形成一第一空心矩形20，一第一源極/汲極接觸墊22設置於平台12上並且被第一空心矩形20環繞以及一第二源極/汲極接觸墊24設置於平 台12上並且位在第一空心矩形20之外，一保護層26覆蓋第三III-V族化合物層18、平台12和基底10，但第一源極/汲極接觸墊22和第二源極/汲極接觸墊24會從保護層26曝露出來，此外為了圖示清楚，省略第1圖中的保護層26。如第1圖所示，第一空心矩形20包含兩個寬邊20a和兩個窄邊20b，第一空心矩形20的寬邊20a係作為一閘極，後續可以設置閘極電極(圖未示)在寬邊20a上。
根據本發明之較佳實施例，第一源極/汲極接觸墊22為一源極接觸墊，而第二源極/汲極接觸墊24為一汲極接觸墊。如第1圖所示，由於第二源極/汲極接觸墊24在第一空心矩形20之外所以其在Y方向可以延伸至超過平台12之外，其中Y方向為平行於基底10的上表面並且和兩個窄邊20b垂直之方向，X方向為垂直於基底10的上表面之方向。
在第一III-V族化合物層14和第二III-V族化合物層16之間會自然形成二維電子氣，但在有第三III-V族化合物層18覆蓋之處，二維電子氣無法形成，因此就可以採用在平台12上疊加第三III-V族化合物層18的方式形成常關型(Normally-off)的高電子遷移率電晶體，也就是本發明中所呈現的電晶體。請參閱第5圖，平台12沿著X方向的截面為一第一梯形28，第一梯形28包含一第一斜邊30、一第一上表面32和一第一下表面34，第一上表面32的寬度小於第一下表面34的寬度，第一斜邊30從第一上表面32至第二下表面34的方向朝平台12的外側傾斜，並且第三III-V族化合物18層沿著X方向的截面為一第二梯形36，第二梯形36包含一第二斜邊38、一第二上表面40和一第二下表面42，第二上表面40的寬度小於第二下表面42的寬度，第二斜邊38從第二上表面40至第二下表面42的方向朝第三III-V族化合物層18的外側傾斜，第二上表面40的寬度小於第一上表面32的寬度，第一斜邊30連接第二斜邊38。值得注意的是在第一斜邊30連接第二斜邊38的端點處幾乎沒有第三III-V族化合物層18，詳細來說，請同時參閱第4圖和第5圖，第4圖是第5圖中沿著線L2垂直向基底方向切開的側視圖，第4圖也 同時是第1圖中沿CC’切線所繪示的側視圖，由第4圖可知，在平台12上完全沒有第三III-V族化合物層18，因此在第一斜邊30連接第二斜邊38的端點處，會持續形成二維電子氣，由於本發明是常關型高電子遷移率電晶體，然而在閘極邊緣處卻有常開的二維電子氣，此處的二維電子氣在常關型高電子遷移率電晶體應該關閉的情況下，會造成源極漏電。
請同時參閱第3圖和第5圖，第3圖是第5圖中沿著線L1垂直向基底10方向切開的側視圖，第3圖也是第1圖中沿BB’切線所繪示的側視圖，由第3圖可知，在第三III-V族化合物層18覆蓋之下的平台12上沒有二維電子氣，因此此處是功能正常的常關型高電子遷移率電晶體。
如第6圖所示，在第三III-V族化合物層18的下方沒有二維電子氣，由於第三III-V族化合物層18圍繞第一源極/汲極接觸墊22，因此在第一斜邊30連接第二斜邊38的端點處即使形成二維電子氣也會被圍繞第一源極/汲極接觸墊22的第三III-V族化合物層阻擋18，不會到達第一源極/汲極接觸墊22。一般而言，當第一源極/汲極接觸墊22是源極接觸墊，第二源極/汲極接觸墊24是汲極接觸墊時，在電晶體的計設中，閘極和第一源極/汲極接觸墊22的距離較近，較容易發生漏電情況，所以會在第一源極/汲極接觸墊22週圍設置空心矩形。
第一III-V族化合物層14可以為氮化鎵(gallium nitride，GaN)或/及、氮化銦鎵(indium gallium nitride，InxGa1-x N)等材料來形成，第二III-V族化合物層16可利用氮化鋁鎵(aluminum gallium nitride，AlxGa1-xN)、氮化鋁銦(aluminum indium nitride，AlxIn1-x N)、氮化鋁銦鎵(aluminum indium gallium nitride，Al1-x-yInxGayN)或/及氮化鋁(aluminum nitride，AlN)等材料來形成，但並不以此為限。根據本發明之較佳實施例，第一III-V族化合物層14為氮化鎵，第二III-V族化合物層16為氮化鋁鎵。第三III-V族化合物層18包含P型氮化鎵或P型氮化鋁銦鎵。基底10可包含一磊晶層和一矽基底。保護層26包含氮化矽或氮化鋁。根據 本發明之一較佳實施例，第一III-V族化合物層14的厚度約300奈米，第二III-V族化合物層16厚度約10奈米，第三III-V族化合物層18的厚度約100奈米，保護層26的厚度約為200奈米。
第7圖為根據本發明之另一較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中具有相同功能的元件將使用第一較佳實施例中的元件符號，在此不再贅述。如第7圖所示，視不同需求，第二源極/汲極接觸墊24也可以被第三III-V族化合物層18所形成的一第二空心矩形20’圍繞，此時第二源極/汲極接觸墊24在Y方向上的長度就會比第1圖中的第二源極/汲極接觸墊24在Y方向上的長度小，此外第二空心矩形20’可以避免二維電子氣漏電流向汲極接觸墊24。
第8圖為根據本發明之第二較佳實施例所繪示的一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，在第8圖至第13圖中具有相同功能的元件將使用第一較佳實施例中的元件符號，其材料層種類和尺寸在此不再贅述。第9圖為第8圖中沿FF’切線所繪示的側視圖。第10圖為第8圖中沿GG’切線所繪示的側視圖。第11圖為第8圖中沿HH’切線所繪示的側視圖。第12圖為第8圖中沿II’切線所繪示的側視圖。第13圖為第8圖中沿JJ’切線所繪示的側視圖。第一較佳實施例和第二較佳實施例主要的相異之處在於：第二較佳實施例中未被第三III-V族化合物層覆蓋的平台的截面(側視圖)包含一階梯輪廓，此外第二較佳實施例的第三III-V族化合物層未形成空心矩形。
如第8圖至第13圖所示，一種高電子遷移率電晶體的佈局圖300，包含一基底10，一平台12設置於基底10上，其中平台12包含一第一III-V族化合物層14和一第二III-V族化合物層16，第二III-V族化合物層16設置於第一III-V族化合物層14上，第二III-V族化合物層16的組成與第一III-V族化合物層14不同，一第三III-V族化合物層18設置平台12上，第三III-V族化合物層18係作為一閘極，後續可以設置閘極電極(圖未示)在第三III-V族化合物層18上。
如第13圖所示，未被第三III-V族化合物層18覆蓋的平台12包含一階梯輪廓44。如第8圖所示，第一源極/汲極接觸墊22和第二源極/汲極接觸墊24設置在平台12上並且分別位在第三III-V族化合物層18的兩側。第一源極/汲極接觸墊22較佳為源極接觸墊，第一源極/汲極接觸墊22包含一長邊22a，第二源極/汲極接觸墊24較佳是汲極接觸墊，一保護層26覆蓋第三III-V族化合物層18、平台12和基底10，第一源極/汲極接觸墊22和第二源極/汲極接觸墊24會從保護層26曝露出來，此外為了圖示清楚，省略第1圖中的保護層26。其中V方向定義為平行於基底10的上表面並且和第一源極/汲極接觸墊22平行的方向，U方向定義為垂直於基底10的上表面的方向。
如第一較佳實施例中的第5圖中說明的原因，在閘極下方的第二III-V族化合物層16的邊緣由於沒有被第三III-V族化合物層18覆蓋，所以會產生二維電子氣，然而，在第二較佳實施例中將部分未被第三III-V族化合物層18覆蓋的第二III-V族化合物層16移除，詳細來說將接近平台12邊緣並且沒有被第三III-V族化合物層18覆蓋的第二III-V族化合物層16移除，移除的位置請參閱第8圖中框線K的位置，如此在缺少第二III-V族化合物層16情況下就無法生成二維電子氣。
請同時參閱第8圖、第11圖和第12圖，第11圖是第12圖中沿著線L4垂直向基底10方向切開的側視圖，第11圖同時也是第8圖中沿HH’切線所繪示的側視圖，由第11圖可知，由於沒有第三III-V族化合物層18覆蓋，因此在此處的第二III-V族化合物層16完全被移除，因此不會有二維電子氣產生。請同時參閱第8圖、第10圖和第12圖，第10圖是第12圖中沿著線L3垂直向基底10方向切開的側視圖，第10圖同時也是第8圖中沿GG’切線所繪示的側視圖，由第10圖可知，由於有第三III-V族化合物層18覆蓋著第二III-V族化合物層16，因此第二III-V族化合物層16不會被移除，而第三III-V族化合物層18可以阻止二維電子氣產生。
請同時參閱第8圖和第13圖，由於切線JJ’的位置沒有被第三III-V族化 合物層18覆蓋，因此在框線K範圍內的第二III-V族化合物層16完全被移除，在此情況下在框線K的範圍內不會產生二維電子氣。如此可避免二維電子氣漏電到第一源極/汲極接觸墊或第二源極/汲極接觸墊。
此外，如第13圖所示，階梯輪廓44係由第一III-V族化合物層14和第二III-V族化合物層16組成，在V方向上，第一III-V族化合物層14的寬度W1是第二III-V族化合物層16的寬度W2的1.010倍以上。舉例而言，當第一III-V族化合物層14的寬度W1是10微米時，第二III-V族化合物層16的寬度W2約為9.9微米，也就是說第二III-V族化合物層16的兩端各自被移除了50奈米。
如第1圖至第6圖所示，本發明第一較佳實施例中的高電子遷移率電晶體的佈局圖100的製作方法包含提供一基底10，然後依序形成一第一III-V族化合物層14、一第二III-V族化合物層16和一第三III-V族化合物層18覆蓋基底10，接著圖案化第一III-V族化合物層14、第二III-V族化合物層16和第三III-V族化合物層18，其中圖案化之後的第一III-V族化合物層14和圖案化之後的第二III-V族化合物層16構成一平台12，在形成平台後，圖案化第三III-V族化合物層18以形成一第一空心矩形20，之後形成一保護層26覆蓋平台12、基底10和第一空心矩形20，最後同時形成第一源極/汲極接觸墊2和第二源極/汲極接觸墊24於平台12上，並且穿透保護層26，其中第一源極/汲極接觸墊22位在第一空心矩形20之內。
本發明第二較佳實施例中的高電子遷移率電晶體的佈局圖300的製作方法包含提供一基底10’然後依序形成一第一III-V族化合物層14、一第二III-V族化合物層16和一第三III-V族化合物層18覆蓋基底10，接著圖案化第一III-V族化合物層14、第二III-V族化合物層16和第三III-V族化合物層18，其中圖案化之後的第一III-V族化合物層14和圖案化之後的第二III-V族化合物層16構成一平台12，在形成平台12後，圖案化第三III-V族化合物層18以形成一閘極，然後進行一移除製程以去除部分未被閘極覆蓋的第二II-V族化合物層16，之後形成一保護 層26覆蓋平台12、基底10和閘極，最後同時形成第一源極/汲極接觸墊22和第二源極/汲極接觸墊14於平台12上，並且穿透保護層26。
本發明的第一較佳實施例利用第三III-V族化合物層所形成的空心矩形圍繞第一源極/汲極接觸墊以避免二維電子氣朝向源極漏電；第二較佳實施例則是將未被第三III-V族化合物層覆蓋的第二II-V族化合物層移除，使得在靠近平台邊緣的二維電子氣無法形成，以避免二維電子氣朝向源極漏電。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:基底
12:平台
20:第一空心矩形
20a:寬邊
20b:窄邊
22:第一源極/汲極接觸墊
24:第二源極/汲極接觸墊
100:高電子遷移率電晶體的佈局圖
X:方向
Y:方向

Claims (11)

  1. 一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，該高電子遷移率電晶體的佈局圖包含：一基底；一平台設置於該基底上，其中該平台包含一第一III-V族化合物層和一第二III-V族化合物層，該第二III-V族化合物設置於該第一III-V族化合物層上，該第二III-V族化合物層的組成與該第一III-V族化合物層不同；一第三III-V族化合物層設置該平台上，其中該第三III-V族化合物層形成一第一空心矩形；一第一源極/汲極接觸墊設置於該平台上並且被該第一空心矩形環繞；以及一第二源極/汲極接觸墊設置於該平台上並且位在該第一空心矩形之外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該平台的截面為一第一梯形，該第一梯形包含一第一斜邊、一第一上表面和一第一下表面，該第一上表面的寬度小於該第一下表面的寬度，該第一斜邊從該第一上表面至該第二下表面的方向朝該平台的外側傾斜。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該第三III-V族化合物層的截面為一第二梯形，該第二梯形包含一第二斜邊、一第二上表面和一第二下表面，該第二上表面的寬度小於該第二下表面的寬度，該第二斜邊從該第二上表面至該第二下表面的方向朝該第三III-V族化合物層的外側傾斜。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中 該第一斜邊連接該第二斜邊。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該第一III-V族化合物層為氮化鎵，該第二III-V族化合物層包含氮化鋁鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵或氮化鋁。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該第三III-V族化合物層為P型氮化鎵或P型氮化鋁銦鎵。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，另包含由該第三III-V族化合物層所以形成的一第二空心矩形圍繞該第二源極/汲極接觸墊。
  8. 一種高電子遷移率電晶體的佈局圖，該高電子遷移率電晶體的佈局圖包含：一基底；一平台設置於該基底上，其中該平台包含一第一III-V族化合物層和一第二III-V族化合物層，該第二III-V族化合物層設置於該第一III-V族化合物層上，該第二III-V族化合物層的組成與該第一III-V族化合物層不同；一第三III-V族化合物層設置該平台上；其中未被該第三III-V族化合物層覆蓋的該平台的截面包含一階梯輪廓；一第一源極/汲極接觸墊設置於該平台上並且位在該平台之一側；以及一第二源極/汲極接觸墊設置於該平台上並且位在該平台之另一側，其中該第二III-V族化合物層的寬度小於該第一III-V族化合物層的寬度，一V方向平行於該 基底的上表面，該第一源極/汲極接觸墊的一長邊平行於該基底的上表面，該V方向、該第一源極/汲極接觸墊的該長邊、該第一III-V族化合物層的寬度和該第二III-V族化合物層的寬度彼此平行。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該階梯輪廓由該第一III-V族化合物層和該第二III-V族化合物層組成，在平行於該平台的上表面之方向上，該第一III-V族化合物層的寬度是該第二III-V族化合物層的寬度1.010倍以上。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該第一III-V族化合物層為氮化鎵，該第二III-V族化合物層包含氮化鋁鎵、氮化鋁銦、氮化鋁銦鎵或氮化鋁。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之高電子遷移率電晶體的佈局圖，其中該第三III-V族化合物層為P型氮化鎵或P型氮化鋁銦鎵。
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