半导体结构及其形成方法

技术领域

本发明实施例是有关于一种半导体结构，特别是有关于一种高电子迁移率晶体管。

背景技术

高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)因具有高击穿电压、高输出电压等优点，广泛应用于高功率半导体装置当中。

GaN材料因为具有宽能带间隙及高速移动电子，所以GaN HEMT在射频与功率的应用上被积极的开发。一个好的GaN HEMT装置需要有好的源极至漏极的导通电阻(drain-to-source on resistance，R

虽然现有的高电子迁移率晶体管大致上可改善R

发明内容

本发明的一些实施例提供一种半导体结构，包含：基底；源极结构和漏极结构设置于基底上；栅极结构设置于基底上且于源极结构和漏极结构之间；第一场板设置于基底上；第一氧化物层设置于基底与第一场板之间；第二场板设置于第一场板上且第二场板相较于第一场板更靠近漏极结构；平坦化的第二氧化物层设置于第一氧化物层与第二场板之间；以及第三场板设置于第二场板上且第三场板相较于第二场板更靠近漏极结构。

本发明的一些实施例提供一种半导体结构的形成方法，包含：提供基底；形成源极结构和漏极结构于基底上；形成栅极结构于基底上且于源极结构和漏极结构之间；形成第一场板于基底上且第一场板；形成第一氧化物层于基底与第一场板之间；形成第二场板于第一场板上且第二场板相较于第一场板更靠近漏极结构；形成平坦化的第二氧化物层设置于第一氧化物层与第二场板之间；以及形成第三场板于第二场板上且第三场板相较于第二场板更靠近漏极结构。

本发明的一些实施例提供的一种半导体结构，可有效分散电场的强度，而避免出现很大的电场峰值，并提高击穿电压。

附图说明

以下将配合所附图式详述本发明实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘制且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明实施例的特征。

图1至图8是根据一些实施例绘示出形成半导体结构的不同阶段的剖面示意图。

附图标记：

100～半导体结构；

102～基底；

104～缓冲层；

106～阻挡层；

108～沟道区；

110～栅极电极；

112～栅极保护层；

114～介电层；

116～第一氧化物层；

118a～第一场板；

118b～第二场板；

118c～第三场板；

118d～第四场板；

120～第二氧化物层；

122～栅极金属层；

123～栅极结构；

124～第三氧化物层；

126～第四氧化物层；

128a、128b、128c、128d～开口；

130a、130b～导电层；

132～第五氧化物层；

134a～源极金属；

134b～漏极金属；

135A～源极结构；

135B～漏极结构；

136～第六氧化物层；

138～金属层；

140～氮化物层；

H1～第一厚度；

H2～第二厚度；

H3～第三厚度；

H4～第四厚度。

具体实施方式

以下公开许多不同的实施方法或是例子来实行本发明实施例的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本发明实施例。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本发明实施例的范围。例如，在说明书中提到第一特征形成于第二特征之上，其包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例，另外也包括于第一特征与第二特征之间另外有其他特征的实施例，亦即，第一特征与第二特征并非直接接触。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其中可能用到与空间相对用语，例如「在…下方」、「下方」、「较低的」、「上方」、「较高的」及类似的用语，这些空间相对用语是为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相对用语包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相对形容词也将依转向后的方位来解释。

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。应注意的是，说明书中所提供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。

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。

虽然所述的一些实施例中的步骤以特定顺序进行，这些步骤亦可以其他合逻辑的顺序进行。在不同实施例中，可替换或省略一些所述的步骤，亦可于本发明实施例所述的步骤之前、之中、及/或之后进行一些其他操作。本发明实施例中的高电子迁移率晶体管可加入其他的特征。在不同实施例中，可替换或省略一些特征。

若未特别说明，类似名称的元件或层可采用类似的材料或方法形成。

本发明实施例提供一种半导体结构及其形成方法。通过在源极结构和漏极结构之间设置多个往漏极结构方向排列的场板，以分散电场并改善元件特性且提高击穿电压；而且由于各场板并非皆独立地与源极结构或栅极结构电连结，而是通过相同的导线来电连接至源极结构或栅极结构，因此可提高工艺窗口(process window)及设计规则。此外，再搭配上平坦化工艺，可进一步获得同时具有场板功能、平坦化的表面轮廓及工艺稳定度的半导体结构。

第1至图8是根据一些实施例绘示出形成半导体结构100的不同阶段的剖面示意图。如图1所绘示，提供一基底102。在一些实施例中，基底102可为Al

接着，在基底102上形成缓冲层104。在一些实施例中，缓冲层104包含III-V族半导体，例如GaN。缓冲层104亦可包含AlGaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、其他适当的III-V族半导体材料或上述的组合。在一些实施例中，可使用分子束外延法(molecular-beam epitaxy，MBE)、氢化物气相外延法(hydride vapor phase epitaxy，HVPE)、金属有机化学气相沉积法(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)、原子层沉积法(atomic layerdeposition，ALD)、物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、分子束沉积法(molecular beam deposition，MBD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition，PECVD)、其他适当的方法、或上述的组合在基底102上形成缓冲层104。

接着，在缓冲层104上形成阻挡层106，在一些实施例中，阻挡层106包含与缓冲层104相异的材料。阻挡层106可包含III-V族半导体，例如Al

由于缓冲层104与阻挡层106的材料相异，其能带间隙(band gap)不同，缓冲层104与阻挡层106的界面处形成异质结(heterojunction)。异质结处的能带弯曲，导带(conduction band)弯曲深处形成量子阱(quantum well)，将压电效应(Piezoelectricity)所产生的电子约束于量子阱中，因此在缓冲层104与阻挡层106的界面处形成二维电子气(two-dimensional electron gas，2DEG)，进而形成导通电流。如图1所示，在缓冲层104与阻挡层106的界面处形成沟道区108，沟道区108即为二维电子气形成导通电流之处。

接下来请参阅图2，在阻挡层106上形成栅极电极110、栅极保护层112及介电层114。详细而言，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在阻挡层106上依序形成导电层和保护层。然后，通过合适的工艺例如旋转涂布或化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法或其他合适的沉积法或前述的组合，将光刻胶材料形成于阻挡层106的顶面上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光刻胶材料而形成图案化的光刻胶层，图案化的光刻胶层将作为用于刻蚀的刻蚀遮罩。可执行双层或三层的光刻胶。然后，使用任何可接受的刻蚀工艺，例如反应离子刻蚀(reactive ion etch，RIE)、中性束刻蚀(neutral beam etch，NBE)、类似刻蚀或前述的组合，来移除未被图案化的光刻胶层覆盖的导电层和保护层而形成栅极电极110和栅极保护层112。在一些实施例中，栅极电极110可包含GaN、AlN、GaAs、GaInP、AlGaAs、InP、InAlAs、InGaAs、MgGaN、其他适当参杂的III-V族材料、或上述的组合。在一特定实施例中，栅极电极110包含GaN。在一些实施例中，栅极保护层112可包含多晶硅、金属(例如钨、钛、铝、铜、钼、镍、铂、其相似物、或以上的组合)、金属合金、金属氮化物(例如氮化钨、氮化钼、氮化钛、氮化钽、其相似物、或以上的组合)、金属硅化物(例如硅化钨、硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化铂、硅化铒、其相似物、或以上的组合)、金属氧化物(氧化钌、氧化铟锡、其相似物、或以上的组合)、其他适用的导电材料、或上述的组合。在一特定实施例中，栅极保护层112可包含金属氮化物，例如氮化钛(TiN)。

接着，可通过刻蚀或其他合适的方法，来移除图案化的光刻胶层。在一些实施例中，可进一步对栅极保护层112执行刻蚀工艺，使栅极保护层112的侧壁位于栅极电极110的侧壁之间。在另一些实施例中，栅极保护层112的侧壁与栅极电极110的侧壁对齐。通过设置栅极保护层112于栅极电极110上，可确保栅极不受工艺流程影响其功能。

然后，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在阻挡层106、栅极电极110和栅极保护层112上形成介电层114。举例而言，在阻挡层106、栅极电极110和栅极保护层112上顺应性地形成介电层114。详细而言，在阻挡层106的顶面上、栅极电极110的侧壁及顶面上和栅极保护层112的侧壁及顶面上形成介电层114。在一些实施例中，介电层114包含SiO

接下来请参阅图3，在基底102上形成第一氧化物层116。详细而言，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在介电层114上形成第一氧化物层116。第一氧化物层116可包含SiO

接着，在基底102上形成第一场板118a。详细而言，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在第一氧化物层116上导电层。在一些实施例中，导电层可包含多晶硅、金属(例如钨、钛、铝、铜、钼、镍、铂、其相似物、或以上的组合)、金属合金、金属氮化物(例如氮化钨、氮化钼、氮化钛、氮化钽、其相似物、或以上的组合)、金属硅化物(例如硅化钨、硅化钛、硅化钴、硅化镍、硅化铂、硅化铒、其相似物、或以上的组合)、金属氧化物(氧化钌、氧化铟锡、其相似物、或以上的组合)、其他适用的导电材料、或上述的组合。然后，对导电层执行图案化工艺以形成第一场板118a，其中第一场板118a与栅极电极110部分重叠。详细而言，第一场板118a的左侧壁在栅极电极110的左侧壁及右侧壁之间。

接着，在基底102上形成第二氧化物层120。详细而言，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在第一氧化物层116和第一场板118a上形成第二氧化物层120。在一些实施例中，第二氧化物层120的材料可与第一氧化层116相同。然后，对第二氧化物层120执行平坦化工艺，例如化学机械研磨(chemical mechanical polishing)工艺。第二氧化层120的顶面及第二氧化层120的底面之间的垂直距离为第二氧化层120的第二厚度H2。第二氧化物层120的第二厚度H2可为100nm～400nm。在一些实施例中，第二氧化物层120的厚度可为100nm～200nm、200nm～300nm或300nm～400nm。

接下来请参阅图4，通过合适的工艺例如旋转涂布或化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法或其他合适的沉积法或前述的组合，将光刻胶材料形成于第二氧化物层120的顶面上，接着执行光学曝光、曝光后烘烤和显影，以移除部分的光刻胶材料而形成图案化的光刻胶层，图案化的光刻胶层将作为用于刻蚀的刻蚀遮罩。可执行双层或三层的光刻胶。然后，使用任何可接受的刻蚀工艺，例如反应离子刻蚀、中性束刻蚀、类似刻蚀或前述的组合，来刻蚀穿过第二氧化物层120、第一氧化物层116及介电层114，以形成对应于栅极电极110且露出部分栅极保护层112的顶面的开口；且刻蚀穿过第二氧化物层120以形成对应于第一场板118a且露出部分第一场板118a的顶面的另一开口。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第二氧化物层120上和在开口中形成金属层。然后，将金属层图案化以形成栅极金属层122及第二场板118b，其中栅极金属层122使栅极电极110与第一场板118a电连接；且第二场板118b与栅极金属层122之间具有开口。栅极结构123包含栅极金属层122、栅极保护层112和栅极电极110。第二场板118b与第一场板118a部分重叠。详细而言，第二场板118b的左侧壁在第一场板118a的左侧壁及右侧壁之间。

接下来请参阅图5，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第二氧化物层120、栅极金属层122和第二场板118b上顺应性地形成第三氧化物层124。详细而言，在第二氧化物层120的顶面上、在栅极金属层122的侧壁及顶面上和在第二场板118b的侧壁及顶面上形成第三氧化物层124。在一些实施例中，第三氧化物层124的材料可与第一氧化层116相同。第三氧化物层124的沉积厚度为第三厚度H3。第三氧化物层124的第三厚度H3可为100nm～400nm。在一些实施例中，第三氧化物层124的厚度可为100nm～200nm、200nm～300nm或300nm～400nm。在一些实施例中，可对第三氧化物层124执行平坦化工艺，例如化学机械研磨工艺。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第三氧化物层124上形成导电层。在一些实施例中，导电层的材料可与先前所述的材料相同。然后，将导电层图案化以形成第三场板118c。第三场板118c与第二场板118b部分重叠。详细而言，第三场板118c的左侧壁在第二场板118b的左侧壁及右侧壁之间。在一些实施例中，第三场板118c可与第二场板对齐。详细而言，第三场板118c的左侧壁与第二场板118b的右侧壁对齐。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第三氧化物层124和第三场板118c上形成第四氧化物层126。在一些实施例中，第四氧化物层126的材料可与第一氧化层116相同。然后，对第四氧化物层126执行平坦化工艺，例如化学机械研磨工艺。第四氧化物层126的顶面及第四氧化物层126的最底面之间的垂直距离为第四氧化物层126的第四厚度H4。第四氧化物层126的第四厚度H4可为100nm～400nm。在一些实施例中，第四氧化物层126的第四厚度H4可为100nm～200nm、200nm～300nm或300nm～400nm。

接下来请参阅图6，执行图案化工艺，开口128a、开口128b、开口128c及开口128d。开口128a和开口128b穿过第四氧化物层126、第三氧化物层124、第二氧化物层120、第一氧化物层116、介电层114、阻挡层106及部分沟道区108。开口128c穿过第四氧化物层126及第三氧化物层124。开口128d穿过第四氧化物层126。开口128a和开口128b位于栅极结构123的相对两侧，其中开口128a用于形成后续的源极结构135A；且开口128b用于形成后续的漏极结构135B。开口128c对应至第二场板118b且露出第二场板118b的顶面；而开口128d对应至第三场板118c且露出第三场板118c的顶面。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第四氧化物层126的顶面及开口128a、128b、128c和128d的侧壁及底部上形成导电层。然后，通过图案化工艺及刻蚀工艺，将导电层图案化以在开口128a形成部分作为源极电极的导电层130a；且在开口128b形成作为漏极电极的导电层130b。导电层130a的位于开口128d以外且位于第四氧化物层126上的部分作为第四场板118d。由于第四场板118d是导电层130a的一部分，所以可以减少工艺数量而降低成本及节省时间。在一些实施例中，可在不同工艺中形成第四场板118d，而不将导电层130a的其中一部分直接作为第四场板118d。

可理解的是，虽然本发明的实施例绘示四个场板，但本发明所属技术领域中技术人员可根据实际需要，来决定场板的数量，例如两个场板、三个场板、五个场板、六个场板或更多。此外，虽然本发明的实施例的第二场板118b、第三场板118c及第四场板118d皆通过同一条导线(例如导电层130a)电连接至源极结构135A，但本发明所属技术领域中技术人员可根据实际需要，一些场板通过另一条导线电连接至栅极结构。举例而言，通过一条导线，将第二场板118b和第三场板118c电连接至栅极结构123；且通过另一条导线，将第四场板118d电连接至源极结构135A。

接下来请参阅图7，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在导电层130a、导电层130b及第四氧化物层126上形成第五氧化物层132。在一些实施例中，第五氧化物层132的材料可与第一氧化层116相同。接着，通过图案化工艺及刻蚀工艺在第五氧化物层132中形成对应至开口128a且露出部分导电层130a的导孔、及对应至开口128b且露出部分导电层130b的另一导孔。

然后，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在第五氧化物层132上及导孔中形成金属层。在一些实施例中，金属层可包含铜、铝、钼、钨、金、铬、镍、铂、钛、铱、铑、上述的合金、上述的组合或其它导电佳的金属材料。然后，对金属层执行图案化，以分别形成源极金属134a和漏极金属134b。源极结构135A包含源极金属134a、位于开口中的第五氧化物层132和导电层130a作为源极电极的部分。漏极结构135B包含漏极金属134b、位于开口中的第五氧化物层132和导电层130b作为漏极电极的部分。

如图7所示，在源极结构135A和漏极结构135B之间设置多个往漏极结构135B方向排列的场板。详细而言，第二场板118b相较于第一场板118a更靠近漏极结构135B、第三场板118c相较于第二场板118b更靠近漏极结构135B且第四场板118d相较于第三场板118c更靠近漏极结构135B。

接下来请参阅图8，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在第五氧化物层132、源极金属134a和漏极金属134b上形成第六氧化物层136。在一些实施例中，第六氧化物层136的材料可与第一氧化层116相同。然后，对第六氧化物层136执行图案化工艺，以形成露出源极金属134a的顶面的开口和漏极金属134b的顶面的另一开口。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合在第六氧化物层136上及开口中形成金属层138。然后，对金属层138执行图案化工艺，使金属层138具有一开口，使得金属层138的一部分与源极结构电连接；另一部分与漏极结构电连接。

接着，通过化学气相沉积法、原子层沉积法、物理气相沉积法、分子束沉积法、等离子体增强化学气相沉积、其他适当的方法、或上述的组合，在金属层138上及金属层138的开口中形成氮化物层140。在一些实施例中，氮化物层140可包含氮化钛(titanium nitride)、氮化硅(silicon nitride)(Si

相较于已知技术，本发明实施例所提供的半导体结构及其形成方法至少具有以下优点：

(1)通过在源极结构和漏极结构之间设置多个往漏极结构方向排列的场板，以分散电场减少R

(2)再者，由于各场板是设置于不同的氧化层上，因此可调整各场板与阻挡层之间的距离，而进一步提升击穿电压。

(3)由于对各氧化物层执行平坦化工艺，所以在一些刻蚀工艺中，可以避免其底下的金属层或导电层因为氧化物层的厚度不均或覆盖性不佳，而受到伤害。

(4)此外，设置单一场板时，在场板的边缘会出现很大的电场峰值。因此，相较于设置一个总长度等于多个往漏极结构方向排列场板的总长度的单一场板，设置多个往漏极结构方向排列的场板可有效分散电场的强度，而避免出现很大的电场峰值。

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，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作更动、替代与润饰。此外，本揭露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，任何所属技术领域中技术人员可从本揭露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揭露使用。因此，本揭露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，每一申请专利范围构成个别的实施例，且本揭露的保护范围也包括各个权利要求范围及实施例的组合。