一种半导体装置及其形成方法

技术领域

本公开涉及一种半导体装置及其形成方法，并且更具体地涉及一种包含第一介电层的半导体装置。

背景技术

包含直接能隙半导体的组件，例如包含III-V族材料或III-V族化合物(类别：III-V族化合物)的半导体组件可以在各种条件下或各种环境中(例如，在不同的电压和频率下)操作或工作。

半导体组件可以包含异质结双极性晶体管(HBT，heterojunction bipolartransistor)、异质结场效应晶体管(HFET，heterojunction field effect transistor)、高电子迁移率晶体管(HEMT，high-electron-mobility transistor)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET，modulation-doped FET)等。

发明内容

根据本公开的一些实施例，一种半导体装置包含衬底、第一氮化物半导体层、第二氮化物半导体层、第三氮化物半导体层、栅极电极及场板。第一氮化物半导体层设置于衬底上。第二氮化物半导体层设置于第一氮化物半导体层上并且其带隙大于第一氮化物半导体层的带隙。第三氮化物半导体层被掺杂掺杂质，且设置于第二氮化物半导体层上。栅极电极设置于第三氮化物半导体层上。场板覆盖栅极电极。场板与栅极电极的侧表面之间的距离非均匀。

根据本公开的一些实施例，一种制造半导体装置的方法包含：提供衬底；形成第一氮化物半导体层于衬底上；形成第二氮化物半导体层于第一氮化物半导体层上，其带隙大于第一氮化物半导体层的带隙；形成第三氮化物半导体层于第二氮化物半导体层上，其被掺杂掺杂质；以及形成栅极电极于第三氮化物半导体层上；形成场板覆盖栅极电极，其中场板与栅极电极的侧表面之间的距离非均匀。

根据本公开的一些实施例，一种半导体装置包含衬底、第一氮化物半导体层、第二氮化物半导体层、第三氮化物半导体层、栅极电极、第一介电层及场板。第一氮化物半导体层设置于衬底上。第二氮化物半导体层设置于第一氮化物半导体层上并且其带隙大于第一氮化物半导体层的带隙。第三氮化物半导体层被掺杂掺杂质，且设置于第二氮化物半导体层上。栅极电极设置于第三氮化物半导体层上。第一介电层设置于栅极电极的侧表面上。场板覆盖栅极电极，其中栅极电极的侧表面通过第一介电层与场板隔开。

本公开提供了一种半导体装置。半导体装置可包含第一介电层，其用以调整场板与栅极电极的距离，或用以调整场板与耗尽层的距离。由于场板与栅极电极(或耗尽层)之间的介电层的介电常数可影响半导体装置的电性，特别是针对具有较大介电常数的材料，若其厚度有稍微变动，即可能剧烈地影响整体半导体装置的电性。本公开的半导体装置通过第一介电层调整场板与与栅极电极(或耗尽层)的距离，可以较容易地透过第一介电层的轮廓，微调半导体装置的电性，可在不影响整体半导体装置的厚度的情况下，优化半导体装置的效能。

附图说明

当与附图一起阅读以下详细描述时，可以根据以下详细描述容易地理解本公开的各方面。应当注意的是，各种特征可能未按比例绘制。实际上，为了讨论的清楚起见，可以任意增大或减小各种特征的尺寸。

图1是根据本公开的一些实施例的半导体装置的截面图。

图2是根据本公开的一些实施例的半导体装置的截面图。

图3是根据本公开的一些实施例的半导体装置的截面图。

图4A是根据本公开的一些实施例的半导体装置的俯视图。

图4B是根据本公开的一些实施例，如图4A所示的半导体装置沿线段A-A'的截面图。

图5是根据本公开的一些实施例的半导体装置的截面图。

图6A、图6B、图6C及图6D展示了根据本公开的一些实施例的用于制造半导体装置的方法的各个阶段。

贯穿附图和具体实施方式，使用共同的附图标记来指示相同或类似的组件。根据以下结合附图进行的详细描述，本公开将更加明显。

具体实施方式

以下公开提供了用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述了组件和布置的具体实例。当然，这些仅是实例并且不旨在是限制性的。在本公开中，对在第二特征之上或上方形成或设置第一特征的引用可以包含将第一特征和第二特征被形成或设置为直接接触的实施例，并且还可以包含可以在第一特征与第二特征之间形成或设置另外的特征使得第一特征和第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各个实例中重复附图标记和/或字母。这种重复是为了简单和清晰的目的并且并非用于限定所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

下文详细讨论了本公开的实施例。然而，应当理解的是，本公开提供了许多可以在各种各样的特定环境下具体化的适用概念。所讨论的具体实施例仅是说明性的，而不限制本公开的范围。

本公开提供了一种半导体装置。半导体装置可包含第一介电层(spacer)，其用以调整场板与栅极电极的距离，或用以调整场板与耗尽层的距离。由于场板与栅极电极(或耗尽层)之间的介电层的介电常数可影响半导体装置的电性，特别是针对具有较大介电常数的材料，若其厚度有稍微变动，即可能剧烈地影响整体半导体装置的电性。本公开的半导体装置通过第一介电层调整场板与与栅极电极(或耗尽层)的距离，可以较容易地透过第一介电层的轮廓，微调半导体装置的电性，可在不影响整体半导体装置的厚度的情况下，优化半导体装置的效能。本公开的半导体装置可以应用于但不限于HEMT装置，尤其是低压HEMT装置、高压HEMT装置和射频(RF，radio frequency)HEMT装置。

图1是根据本公开的一些实施例的半导体装置1a的截面图。半导体装置1a可包含衬底12、第一氮化物半导体层14、第二氮化物半导体层16、第三氮化物半导体层18、栅极电极20、介电层30、第一介电层41、电极51(例如漏极或源极)、场板511、电极52(例如源极或漏极)及介电结构60。

衬底12可以包含但不限于硅(Si)、掺杂Si、碳化硅(SiC)、硅化锗(SiGe)、砷化镓(GaAs)或其它半导体材料。衬底12可以包含但不限于蓝宝石、绝缘体上硅(SOI，silicon oninsulator)或其它合适的材料。

第一氮化物半导体层14(或沟道层)可以设置在衬底12上。第一氮化物半导体层14可以包含III-V族层。第一氮化物半导体层14可以包含但不限于III族氮化物，例如化合物InaAlbGa1-a-bN，其中a+b≦1。所述III族氮化物进一步包含但不限于例如化合物AlaGa(1-a)N，其中a≦1。第一氮化物半导体层14可以包含氮化镓(GaN)层。GaN的能隙为约3.4eV。

第二氮化物半导体层16(或阻挡层)可以设置在第一氮化物半导体层14上。第二氮化物半导体层16可以包含III-V族层。第二氮化物半导体层16可以包含但不限于III族氮化物，例如化合物InaAlbGa1-a-bN，其中a+b≦1。所述III族氮化物可以进一步包含但不限于例如化合物AlaGa(1-a)N，其中a≦1。第二氮化物半导体层16的能隙可以大于第一氮化物半导体层14的能隙。第二氮化物半导体层16可以包含铝氮化镓(AlGaN)层。AlGaN的能隙为约4.0eV。

第二氮化物半导体层16与第一氮化物半导体层14之间可以形成异质结，并且异质结的极化在第一氮化物半导体层14中形成二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)区域。

第三氮化物半导体层18(或耗尽层，depletion layer)可设置在第二氮化物半导体层16上。第三氮化物半导体层18可以与第二氮化物半导体层16直接接触。第三氮化物半导体层18可设置于栅极电极20与第二氮化物半导体层16之间。第三氮化物半导体层18可以掺杂有杂质(dopant)。第三氮化物半导体层18可以包含p型掺杂质。第三氮化物半导体层18可以包含p型掺杂GaN层、p型掺杂AlGaN层、p型掺杂AlN层或其它合适的III-V族层。p型掺杂质可以包含镁(Mg)、铍(Be)、锌(Zn)和镉(Cd)。第三氮化物半导体层18可以被配置成控制第一氮化物半导体层14中的2DEG的浓度。第三氮化物半导体层18可以用于耗尽第三氮化物半导体层18正下方的2DEG。第三氮化物半导体层18可具有远离第二氮化物半导体层16的表面(或上表面18s1)。第三氮化物半导体层18可具有表面18s2(或侧表面18s2)，其邻接于表面。

栅极电极20可以设置在第二氮化物半导体层16上。栅极电极20可以设置在第三氮化物半导体层18上。栅极电极20可以设置在电极51与电极52之间。栅极电极20可以包含金属。栅极电极20可以包含钛(Ti)、钽(Ta)、钨(W)、铝(Al)、钴(Co)、铜(Cu)、镍(Ni)、铂(Pt)、铅(Pb)、钼(Mo)和其化合物(如但不限于氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、其它导电氮化物或导电氧化物)、金属合金(如铝铜合金(Al-Cu))或其它合适的材料。栅极电极20可具有远离第三氮化物半导体层18的表面(或上表面20s1)。栅极电极20可具有表面(或侧表面20s2)，其延伸于第三氮化物半导体层18的表面18s1与栅极电极20的表面20s2之间。

介电层30可设置在第二氮化物半导体层16上。介电层30可接触第二氮化物半导体层16。介电层30可设置在第三氮化物半导体层18上。介电层30可接触第三氮化物半导体层18的表面18s1。介电层30可接触第三氮化物半导体层18的表面18s2。介电层30可设置在栅极电极20上。介电层30可接触栅极电极20的表面20s1。介电层30可接触栅极电极20的表面20s2。介电层30可保形地(conformally)设置在第二氮化物半导体层16、第三氮化物半导体层18及栅极电极20上。介电层30可沿X轴方向设置在第三氮化物半导体层18与场板511之间。介电层30可沿Y轴方向设置在第三氮化物半导体层18与场板511之间。介电层30可沿X轴方向设置在栅极电极20与场板511之间。

介电层30可用以调整半导体装置1a的电场。介电层30可用以调整场板511与第二氮化物半导体层16之间及其邻近区域的电场。介电层30可用以调整场板511与第三氮化物半导体层18之间及其邻近区域的电场。介电层30可用以调整场板511与栅极电极20之间及其邻近区域的电场。介电层30可用以调整场板511与第二氮化物半导体层16之间的区域的介电常数。介电层30可用以调整场板511与第三氮化物半导体层18之间的区域的介电常数。介电层30可用以调整场板511与栅极电极20之间的区域的介电常数。介电层30可包含高介电(high k)常数介电材料。高介电常数介电材料的k值可大于约5。介电层30可包含低介电常数介电材料。低介电常数介电材料的k值可小于约5。介电层30可以包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其它合适的材料。介电层30可具有表面30s1(或上表面)。介电层30的表面30s1与第三氮化物半导体层18之间沿X轴方向具有厚度T1。厚度T1基本上可为均匀的(uniform)。厚度T1基本上不随介电层30的表面30s1之位置而改变。

第一介电层41可设置在介电层30上。第一介电层41可覆盖介电层30的一部份的表面。介电层30的表面30s1可未被第一介电层41覆盖。第一介电层41可接触介电层30。第一介电层41可设置在第三氮化物半导体层18上。第一介电层41可设置在第三氮化物半导体层18与电极51之间。第一介电层41可覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s1。第一介电层41可覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s2。第一介电层41可设置在栅极电极20与电极51之间。第一介电层41可覆盖栅极电极20的表面20s2。盖栅极电极20的表面20s1可未被第一介电层41覆盖。第一介电层41可通过介电层30与第二氮化物半导体层16隔开。第一介电层41可通过介电层30与第三氮化物半导体层18隔开。第一介电层41可通过介电层30与栅极电极20隔开。

第一介电层41可用以调整场板511与第三氮化物半导体层18之间的距离。第一介电层41可用以调整场板511与第三氮化物半导体层18的表面18s1之间的距离。第一介电层41可用以调整场板511与第三氮化物半导体层18的表面18s2之间的距离。第一介电层41可用以调整场板511与栅极电极20之间的距离。第一介电层41可用以调整场板511与栅极电极20的表面20s2之间的距离。第一介电层41可包含介电层。第一介电层41可包含高介电常数介电材料。第一介电层41可包含低介电常数介电材料。第一介电层41可以包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其它合适的材料。第一介电层41的介电常数可小于介电层30的介电常数。第一介电层41的介电常数与介电层30的介电常数之间的差距可大于约2，例如2、2.5、3、3.5、4、4.5、5或更多。第一介电层41可具有表面41s1(或外侧表面41s1)。表面41s1可面向电极51。表面41s1可面向远离栅极电极20的方向。第一介电层41的表面41s1与介电层30之间沿X轴方向具有厚度T2。厚度T2基本上可为不均匀的(nonuniform)。厚度T2基本上随第一介电层41的表面41s1之位置而改变。第一介电层41的表面41s1与栅极电极20之间的厚度可为不均匀的。第一介电层41沿X轴方向的厚度可大于介电层30沿X轴方向的厚度。第一介电层41沿Y轴方向的厚度可大于介电层30沿Y轴方向的厚度。第一介电层41可具有顶部P1。第一介电层41的顶部P1所在的高度(elevation)与介电层30的表面30s1所在的高度可基本上相同。

电极51可以设置在第二氮化物半导体层16上。电极51可以与第二氮化物半导体层16接触。电极51可以包含例如但不限于导电材料。导电材料可以包含金属、合金、掺杂半导电材料(例如，掺杂晶体硅)或其它合适的导电材料，如Ti、Al、Ni、Cu、Au、Pt、Pd、W、TiN或其它合适的材料。电极51可以包含多层结构。例如，电极51可以包含两层不同材料的结构。

电极52可以设置在第二氮化物半导体层16上。电极52可以与第二氮化物半导体层16接触。电极52可以包含例如但不限于导电材料。导电材料可以包含金属、合金、掺杂半导电材料(例如，掺杂晶体硅)或其它合适的导电材料，如Ti、Al、Ni、Cu、Au、Pt、Pd、W、TiN或其它合适的材料。电极52的结构可以与电极51的结构类似或相同。

场板511可由电极51朝向第三氮化物半导体层18延伸。场板511可由电极51朝向栅极电极20延伸。场板511可与电极51相连。场板511可设置在介电层30上。场板511可设置在介电层30的表面30s1上。场板511可设置在第一介电层41上。场板511可设置在第一介电层41的表面41s1上。场板511可用以调整半导体装置1a的电场。场板511可具有表面511s1(或内侧表面)。表面511s1可面向栅极电极20。表面511s1可面向第三氮化物半导体层18。场板511的表面511s1与第三氮化物半导体层18的表面18s1之间的距离可为非均匀的。场板511的表面511s1与第三氮化物半导体层18的表面18s2之间的距离可为非均匀的。场板511的表面511s1与栅极电极20的表面20s1之间的距离可为均匀的。场板511的表面511s1与栅极电极20的表面20s2之间的距离可为非均匀的。场板511可接触介电层30。场板511可接触第一介电层41。

介电结构60可以设置在第二氮化物半导体层16上。介电结构60可覆盖栅极电极20。介电结构60可覆盖电极51。介电结构60可覆盖电极52。介电结构60可包含高介电常数介电材料。介电结构60可包含低介电常数介电材料。介电结构60可以包含氧化物、氮化物、氮氧化物或其它合适的材料。介电结构60可包括多层介电层。上述介电层的材料可部分相同。上述介电层的材料可部分不同。上述相邻的介电层之间可具有不完整的界线(例如一部分的界面的界线可通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)确认，另一部分的界面由SEM观察不出界线)。上述相邻的介电层之间大抵上可不具有界线。

在本公开，半导体装置1a可包含第一介电层41，其用以调整场板511与第三氮化物半导体层18的距离。第一介电层41可用以调整场板511与栅极电极20的距离。第一介电层41相对于介电层30具有较小的介电常数，第一介电层41的厚度对于半导体装置1a的整体的影响相对较小，通过调整第一介电层41的厚度或轮廓，可以较容易地微调半导体装置的电性，可在不影响整体半导体装置的厚度的情况下，优化半导体装置的效能。在比较例的半导体装置，并未通过多种具有不同厚度的介电层来调整场板与栅极电极(或耗尽层)之间的介电常数，且场板与栅极电极(或耗尽层)之间的距离基本上为固定的，较难以微调半导体装置整体的电性。

图2是根据本公开的一些实施例的半导体装置1b的截面图。半导体装置1b的结构可与半导体装置1a的结构相似，不同之处如下所述。

半导体装置1b可包含第二介电层42。第二介电层42的材料或结构可与第一介电层41相同或相似。第二介电层42可具有顶部P2。第二介电层42的顶部P2的高度可与介电层30的表面30s1的高度不同。第二介电层42的顶部P2的高度可低于介电层30的表面30s1的高度。第二介电层42的顶部P2的高度可高于栅极电极20的表面20s1的高度。

场板511可具有阶梯结构(stepped structure)。场板511的阶梯结构可位于第二介电层42的顶部P2之正上方。

第二介电层42的顶部P2的高度为可调整的，通过调整第二介电层42的顶部P2的高度，可以优化半导体装置1b的电性。

图3是根据本公开的一些实施例的半导体装置1c的截面图。半导体装置1c的结构可与半导体装置1a的结构相似，不同之处如下所述。

半导体装置1c可包含第三介电层43及第四介电层44。第三介电层43的材料可与第一介电层41相同或相似。第四介电层44的材料可与第一介电层41相同或相似。第三介电层43的材料可与第四介电层44的材料相同。第三介电层43的材料可与第四介电层44的材料不同。

第三介电层43可设置在第三氮化物半导体层18的表面18s1上。第三介电层43可覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s1。第三介电层43可未覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s2。第三介电层43可覆盖栅极电极20的表面20s2。

第四介电层44可设置在第二氮化物半导体层16上。第四介电层44可覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s2。第四介电层44可未覆盖第三氮化物半导体层18的表面18s1。第四介电层44可未覆盖栅极电极20的表面20s2。第四介电层44可与第三介电层43隔开。场板511可与位于第三介电层43及第四介电层44之间的介电层30接触。

通过设置第三介电层43及与第三介电层43分隔的第四介电层44，可调整场板511的轮廓，优化半导体装置1c的电性。

图4A是根据本公开的一些实施例的半导体装置1d的俯视图。半导体装置1d的结构可与半导体装置1a的结构相似，不同之处如下所述。

半导体装置1d可包含第一介电层45。第一介电层45的材料可与第一介电层41相同或相似。第一介电层45可包含彼此隔开的复数个部分45e。

半导体装置1d可包含空气间隙71。空气间隙71可位于相邻的两个部分45e之间。第一介电层45沿X轴方向的长度基本上等于空气间隙71沿X轴方向的长度。

参阅图4B，其绘示图4A所示的半导体装置1d沿线段A-A'的截面图。

空气间隙71可由场板511的表面511s1及介电层30的外侧表面(未标示)所界定。场板511的表面511s1可曝露于空气间隙71。介电层30的外侧表面的一部分可曝露于空气间隙71。空气间隙71可与栅极电极20的表面20s2沿X轴方向重叠。空气间隙71可与第三氮化物半导体层18的表面18s1沿Y轴方向重叠。空气间隙71可与第三氮化物半导体层18的表面18s2沿X轴方向重叠。场板511可通过空气间隙71与一部分的介电层30隔开。空气间隙71可位于场板511与介电层30之间。空气间隙71可位于场板511与第二氮化物半导体层16之间。空气间隙71可位于场板511与第三氮化物半导体层18之间。空气间隙71可位于场板511与栅极电极20之间。

相较于第一介电层45，空气间隙71具有相对较低的介电常数，可通过调整空气间隙71及第一介电层45的布局(layout)，调整半导体装置1d的电性。

图5是根据本公开的一些实施例的半导体装置1e的截面图。半导体装置1e的结构可与半导体装置1d的结构相似，不同之处如下所述。

场板511的表面511s1可相对较粗糙。场板511的表面511s1的表面粗糙度可大于介电层30的表面30s1的表面粗糙度。

场板511可包含突出部511p。突出部511p可由场板511朝向第三氮化物半导体层18延伸。突出部511p可覆盖栅极电极20的表面20s2。突出部511p可接触介电层30。

图6A、图6B、图6C及图6D展示了根据本公开的一些实施例的用于制造半导体装置的方法的各个阶段。

参阅图6A，提供衬底12。第一氮化物半导体层14、第二氮化物半导体层16、第三氮化物半导体层18及栅极电极20可形成在衬底12上。介电层30可保形地形成在第二氮化物半导体层16、第三氮化物半导体层18及栅极电极20上。第一氮化物半导体层14、第二氮化物半导体层16、第三氮化物半导体层18、栅极电极20及介电层30可通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或其他适合的工艺形成。

参阅图6B，形成介电材料41'。介电材料41'可覆盖介电层30。介电材料41'可以包含氮化物、氧化物、氮氧化物或其它合适的材料。介电材料41'可通过化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或其他适合的工艺形成。

参阅图6C，图案化介电材料41'，以形成第一介电层41，并露出介电层30的表面30s1。可执行蚀刻工艺，以图案化介电材料41'。

参阅图6D，形成电极51、场板511、电极52及介电结构60，以形成如图1所示的半导体装置1a。

经过审慎考虑，在图6C的阶段，可执行蚀刻工艺直到第一介电层41的顶部的高度低于介电层30的表面30s1的高度，再形成电极51、场板511、电极52及介电结构60，可以得到图2所示的半导体装置1b。

经过审慎考虑，在图6C的阶段，形成第一介电层41后，可通过微影工艺及蚀刻工艺，进一步图案化第一介电层41后，可以得到图3所示的半导体装置1c。

经过审慎考虑，在图6C的阶段，形成第一介电层41后，可形成经图案化的遮蔽结构(未绘示)覆盖一部分的第一介电层41，再经由蚀刻工艺形成空气间隙71后，移除遮蔽结构，并形成电极51、场板511、电极52及介电结构60，可以得到图4B所示的半导体装置1d或图5所示的半导体装置1e。

在本文中可以为了便于描述而使用本文所用的如“之下”、“下面”、“下部”、“上方”、“上部”、“下部”、“左侧”、“右侧”等空间相对术语来描述如附图所示的一个组件或特征与另一或多个组件或特征的关系。除了在附图中描绘的朝向之外，空间相对术语还旨在涵盖装置在使用时或操作时的不同朝向。可以以其它方式朝向设备(旋转80度或处于其它朝向)，并且同样可以以相应的方式解释本文中使用的空间相对描述语。应当理解，当组件被称为“连接到”或“耦接到”另一个组件时，所述组件可以直接连接到或耦接到另一个组件，或者可以存在中间组件。

如本文所用，术语“大约”、“基本上”、“基本”和“约”用于描述和解释小的变化。当结合事件或情形使用时，所述术语可以指代事件或情形精确发生的实例以及事件或情形接近发生的实例。如本文关于给定值或给定范围所使用的，术语“约”总体上意指处于给定值或范围的±10％、±5％、±1％或±0.5％内。本文中可以将范围表示为一个端点到另一个端点或介于两个端点之间。本文所公开的所有范围都包含端点，除非另外指明。术语“基本上共面”可以指两个表面沿同一平面定位的位置差处于数微米(μm)内，如沿同一平面定位的位置差处于10μm内、5μm内、1μm内或0.5μm内。当将数值或特性称为“基本上”相同时，所述术语可以指处于所述值的平均值的±10％、±5％、±1％或±0.5％内的值。

前述内容概述了几个实施例的特征和本公开的详细方面。本公开中描述的实施例可以容易地用作设计或修改其它工艺和结构以便于实施相同或类似目的和/或实现本文介绍的实施例的相同或类似优点的基础。此类等同构造并不背离本公开的精神和范围，并且在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种改变、替代和变更。