207_090-011AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號: 090119434 | |
| ※申請日期: 20010809 ※IPC分類: Int.Cl.(7) H01L 21/28 |
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| 一、發明名稱: (中文/英文) | |
氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法(全文下載) |
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| 二、申請人: 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱:(中文/英文) 國立成功大學 / NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY 代 表 人:(中文/英文) / 住居所或營業所地址:(中文/英文) 台南巿大學路一號 / 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人: 共 6 人
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| 1 . 姓名:(中文/英文) 王永和 / WANG, YUNG-HE 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名:(中文/英文) 洪茂峰 / HUNG, MAU-FENG 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW 3 . 姓名:(中文/英文) 蘇炎坤 / SU, YAN-KUEN 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW 4 . 姓名:(中文/英文) 張守進 / JANG, SHOU-JIN 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW 5 . 姓名:(中文/英文) 吳厚潤 / WU, HOU-RUEN+ 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW 6 . 姓名:(中文/英文) 吳昭誼 國 籍:(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實,其事實發生日期為:年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權:
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權: |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權:
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料: □ 須寄存生物材料者: 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時,不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要: | |
| 本發明為一種金氧半場效電晶體之製造方法,揭露了氮化鎵的金氧半場效電晶體之製造方法,本發明以液相沉積方式沉積氧化層在氮化鎵半導體上,此氧化系統相當有效而且低廉,只需在室溫常壓下將氮化鎵晶片置入六氟矽酸和硼酸的混合溶液中即可形成一矽的氧化層,此沉積方法會將氧化層沉積在晶片上,但不會沉積在金屬上,同時利用光激化學溼式蝕刻不會蝕刻二氧化矽的特點來作平台蝕刻的罩幕,並且在製程中以快速熱退火方式來作必要的熱處理以改善氧化層品質。 | |
| 六、英文發明摘要: | |
| 七、指定代表圖: | |
| (一)本案指定代表圖為: | |
| (二)本代表圖之元件符號簡單說明:
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| 八、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式: | |
| 九、發明說明: | |
| 【發明領域】 本發明係有關一種氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,特別是利用室溫液相沉積氧化法沉積氧化層在氮化鎵半導體上。 【發明背景】 近數十年來,場效電晶體(Field EffectTransistor,FET)在半導體元件的應用上有了顯著而重要的發展,低功率消耗之特性極高積體化的技術,使其在超大型積體電路(VLSI),乃至於極大型積體電路(ULSI)的領域上都佔了最重要的一席之地。FET的設計上有許多種類,而最大的差異在於閘極與通道間結構的不同,其中,在以矽為材料的積體電路製作上,金氧半(MOS)結構之金氧半場效電晶體(MOSFET)除了具備上述FET之優點外,尚有良率高及可靠度佳的特性,使其成為近年來最為廣泛利用之一種元件,但受限於矽材料先天上的缺失,使得矽材料在應用於高頻率、高功率受到了阻礙,發展的目標因而轉移到Ⅲ-Ⅴ族的材料上,其中以砷化鎵(GaAs)研究最多,其次為氮化鎵(GaN)。其中氮化鎵(GaN)為一高能隙、高崩潰電壓之半導體材料,極適合應用於高功率元件,且其良好的熱傳率及高溫操作下的熱穩定性,應用於高功率元件也較無過熱問題的產生。 以下將分兩個部分來說明先前技藝: 1.氧化層:目前應用於電晶體氧化層製造方式有化學氣相沉積(CVD)、濺鍍(Sputter)、電子束(E-Beam)及本發明所採用之低溫(約40℃)液相沉積(LPD)矽氧化層(Siliconoxide)。已知有CVD沉積矽氧化物(請參考"AlGaN/GaNMetal Oxide SemiconductorHeterostructure FieldEffect Transistor" M. Asif Khan, X. Hu, G.Sumin,A. Lunev, J. Yang, R. Gaska, M. S. Shur, Fellow.IEEE Electron Device Letters, volumn 21,N0.2,February 2000, Page(s)63-65)及E-Beam沉積鎵氧化物(請參考"GaN metal oxide semiconductor fieldeffect transistors" F.Ren, S.J. Pearton, c.R.Abernathy, A. Baca, P. Cheng, R. J. Shul, S.N.G.Chu, M. Hong, M.J. Schurman, J.R. Lothian.Solid-State Electronics volumn 43(1999), Page(s):1817-1820、"Properties of Ga 2 O 3 (Gd 2 O 3 )/GaNmetal-insulator-semiconductor diodes" M. Hong,K.A. Anselm, J.Kwo, H.M.Ng, J.N. Baillargeon, A.R. Kortan, J.P. Mannaerts, A.Y. Cho, C.M.Lee,J.I. Chyi, T.S. Lay.Journal of vacuum sciencetechnology B volumn (18)3, May/Jun 2000, Page(s):1453-1456及"Effect of temperature onGa 2 O 3 (Gd 2 O 3 )/GaN metal-oxide-semiconductorfield-effect transistors" F.Ren, M. Hong, S.N.G.Chu, M.A. Marcus, M.J. Schurman, A. Baca, S.J.Pearton, C.R. Abernathy.Applied PhysicsLetters,Volumn 73,NO. 26,December 1998Page(s)3893-3895)之GaN MOSFET,可以得到較高品質且穩定之氧化層及較低的閘極漏電流及較高崩潰電場。以LPD所形成之矽氧化層在電性的表現在雖不如上述方法,但其安全性,低溫,簡易且經濟等特點,且可以利用熱處理的方法來改善氧化層品質。 2.製程部份:由於氮化鎵有當相強韌的化學鍵結,以致於在製程上有別於傳統在矽(Si)及砷化鎵(GaAs)的製程方法。在此運用兩個關鍵製程技術:LPD的沉積選擇性(Selective),LPD氧化層並不會沉積在金屬上及光激化學溼式蝕刻(PEC)不會蝕刻二氧化矽的特點來作平台(MESA)蝕刻的罩幕(Mask)。PEC與乾蝕刻方式比較起來在蝕刻速率及表面平滑度雖不如,但卻有簡易、經濟且安全(因乾蝕刻必需用到有毒氣體)的特點。至於金屬以一般濺鍍(Sputter)及蒸鍍(Evaporator)的方式鍍於半導體上作為元件的金屬電極,以快速熱退火(RTA)方式來作必要的熱處理。 在Si MOSFET製程上,閘極氧化層扮演一重要的角色,在GaN上很難成長一穩定氧化層,以沉積方式最為常見,如物理或化學氣相沉積,但此項設備卻所費不貲。緣此,本發明人有鑑於此,乃特潛心研究經過不斷測試研究,將利用已經應用於矽及砷化鎵之簡單且經濟的液相沉積法在製作氧化層。 其他參考相關於製造氮化鎵金氧半場效電晶體之專利如下:美國專利:US05866925,US05525535,US05612239,US05937281,US05773348,US05648128,US05547900,US05516721及中華民國發明專利證書號第121134號等。 【發明概要】 本發明之主要目的係利用已經應用於矽及砷化鎵之簡單且經濟的液相沉積法在製作氮化鎵金氧半場效電晶體,此沉積方法會將氧化層沉積在晶片上,但不會沉積在金屬上,同時利用光激化學溼式蝕刻不會蝕刻二氧化矽的特點來作平台蝕刻的罩幕,並且在製程中以快速熱退火方式來作必要的熱處理以改善氧化層品質。 為連上述目的,本發明提出一種氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,係藉以於一氮化鎵基礎材料晶片上形成該金氧半場效電晶體,包含下列步驟:形成一磊晶層於該氮化鎵基礎材料晶片上;於該磊晶層上形成一源極及一汲極;進行一室溫液相沉積氧化法,以形成一氧化層於該源極及該汲極之間;以及形成一閘極於該源極及該汲極之間,以製成該氮化鎵金氧半場效電晶體。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該磊晶層的摻雜層之厚度約為2000至3000埃之間,其濃度約為每立方公分10的16次方至10的17次方。如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中於形成磊晶層之後,更包含一清洗該氮化鎵基礎材料晶片的步驟。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該清洗該氮化鎵基礎材料晶片的步驟係以去丙酮、甲醇及去離子水依照順序清洗該晶片表面。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中於形成該源極及該汲極之後,更包含一對該源極及該汲極金屬化之製程,其包含下列步驟:旋塗一光阻於該晶片上,以罩羃定義該汲極及該源極;烘烤;以一真空濺鍍機通以氬氣鍍上三層金屬鈦(300埃)/鋁(1000埃)/金(1000埃);以及將其置於900°C之爐管中快速熱退火(Rapidthermal anneal)20分鐘,使鈦與氮化鎵表面形成一層歐姆接觸區氮化鈦。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該室溫液相沉積氧化法係為一選擇性室溫液相沉積氧化法,該選擇性室溫液相沉積氧化法係將晶片置於一成長系統中成長該氧化層,該氧化層成長的厚度係根據一元件之最佳化參數為之。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該最佳化參數係飽和六氟矽酸3.09M 12ml加上71.43ml去離子水,經過攪拌再加上9.27m10.1M的硼酸,最後溶液為六氟矽酸0.4M,硼酸0.01M,成長環境溫度為40°C。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中形成閘極之前更包含一平台蝕刻步驟,其包含下列步驟:旋塗一光阻於該氮化鎵基礎材料晶片上,以汲極及源極金屬及閘極氧化層為平台罩羃(MESA Mask)定義該平台蝕刻區;烘烤;將該平台蝕刻區以外的氧化層以一(1:10)比例的氫氟酸:水之蝕刻溶液蝕刻掉;將該晶片置入酸鹼值為13.5之氫氧化鉀(KOH)溶液中並加以紫外光強光照射之光激化學溼式蝕刻裝置中;以及重覆該室溫液相沉積氧化法,以形成閘極氧化層。 如所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該閘極係先旋塗一光阻於該晶片上,以罩羃(Mask)定義該閘極後,再烘烤,接著以真空蒸鍍機蒸著鋁2000埃。 圖式簡單說明 圖一顯示本發明之成長系統圖; 圖二顯示本發明液相沉積溶液之配製流程圖; 圖三顯示本發明之應用流程圖; 圖四(a)顯示第一次旋塗光阻於氮化鎵基礎材料晶片上; 圖四(b)顯示源/汲極形成及金屬化; 圖四(c)顯示第一次氧化層之形成; 圖四(d)顯示第二次旋塗光阻於氮化鎵基礎材料晶片上; 圖四(e)顯示平台蝕刻隔離; 圖四(f)顯示第二次氧化層之形成; 圖四(g)顯示第三次旋塗光阻於氮化鎵基礎材料晶片上; 圖四(h)顯示閘極形成; 圖五顯示本發明之電容-電壓特性曲線。 主要元件符號說明 11...晶片持具 12....晶片 13...溫度感測器 14...攪拌器 15...溫控電熱器 16...液相沉積溶液 3...源極及汲極 4...氧化層 41....平台外之氧化層 5...閘極 6...光阻 7...氮化鎵基礎材料晶片 【發明詳細說明】 為詳細揭露本發明,以下舉一實施例配合圖式作詳細說明。圖一顯示本發明之成長系統圖,其包括:一晶片持具11,係用以挾持晶片12;一溫度感測器13,係用以感測液相沉積溶液16之溫度,且產生控制訊號至溫控電熱器15;一溫控電熱器15,係接受溫度感測器13之控制訊號以產生熱能,使液相沉積溶液16維持在一定的溫度;一攪拌器14,係用以攪拌液相沉積溶液16,使得在溫度控制與沉積氧化層時有更加的均勻度。其中液相沉積溶液16之配製方法如圖二所示。 圖二顯示本發明液相沉積溶液之配製流程圖,其係將純六氟矽酸(H 2 SiF 6 )溶液3.09M加上二氧化矽(Si0 2 )粉末放置二十四小時使溶液形成過飽和狀態,待二氧化矽粉末不再溶解,再用濾紙過濾多餘的溶質,形成飽和六氟矽酸溶液。取剛泡好的六氟矽酸3.09M12m1加上71.43ml去離子水(D.I.Water),經過25分鐘的轉子攪拌再加上9.27ml 0.1M的硼酸(H 3 BO 3 ),之後再攪拌20分鐘,最後溶液為六氟矽酸0.4M,硼酸0.01M,其溫度維持在40℃,此時方能把晶片置入開始沉積,溶液中的硼酸配為0.4M為兼顧蝕刻速率與氧化層品質的最佳點。 圖三顯示本發明之應用流程圖,本發明係以空乏型金氧半場效電晶體為實施例,其製程說明如下:步驟21係磊晶層成長,以分子束磊晶或有機金屬氣相磊晶法,在(100)方向、半絕緣性(Semi-insulating)的氮化鎵基礎材料晶片上成長磊晶層,其中該磊晶層的摻雜層之厚度約為2000至3000埃之間,其濃度約為每立方公分4乘以10的17次方。 步驟22係清洗晶片,將上述步驟21中成長完成的氮化鎵基礎材料晶片以去丙酮、甲醇及去離子水依照順序清洗該晶片表面。 步驟23係源/汲極形成及金屬化,旋塗一光阻6於氮化鎵基礎材料晶片7上,如圖四(a)所示,以罩羃(Mask)定義汲極及源極3後烘烤15分鐘,以一真空濺鍍機通以氬氣鍍上三層金屬鈦(300埃)/鋁(1000埃)/金(1000埃),接著將其置於900℃之爐管中快速熱退火(Rapid thermalanneal)20分鐘,使鈦與氮化鎵表面形成一層歐姆接觸區氮化鈦以降低金屬與半導體之間的能障,如圖四(b)所示。 步驟24係室溫液相沉積氧化法,係將步驟23所完成之晶片置於圖一之成長系統內1小時,其中液相沉積溶液16之最佳參數如圖二所示,該室溫液相沉積氧化法係為一選擇性室溫液相沉積氧化法,即氧化層4沉積在氮化鎵基礎材料晶片7上,但不會沉積在金屬3上,其中該氧化層4係為二氧化矽。完成後之晶片結構如圖四(c)所示,此為第一次氧化層4之形成,該氧化層4係罩羃用。 步驟25係平台蝕刻,係旋塗光阻6於步驟24完成之晶片結構上,以汲極及源極金屬3及氧化層4為平台罩羃(MESA Mask)定義平台蝕刻區後再烘烤15分鐘,然後將該平台蝕刻區以外的氧化層41以一(1:10)比例的氫氟酸:水之蝕刻溶液蝕刻掉,如圖四(d)所示,接著將該晶片置入酸鹼值為13.5之氫氧化鉀(KOH)溶液中並加以紫外光強光照射之光激化學溼式蝕刻(PEC)裝置中(圖中未示),在此裝置中會進行下列化學反應:2GaN→2Ga 3+ +N 2 Ga 3+ +30H - →Ga(OH) 3 PEC與乾蝕刻方式比較起來在蝕刻速率及表面平滑度雖不如,但卻有簡易、經濟且安全(因乾蝕刻必需用到有毒氣體)的特點。因步驟24中所形成之第一次沉積氧化層已被破壞,所以利用氫氟酸蝕刻掉在已被破壞掉之氧化層,如圖四(e)所示。 步驟26係室溫液相沉積氧化法,即將步驟25所形成之晶片結構上,重覆步驟24再置於圖一之成長系統內1小時以沉積速率500埃∕min沉積想要的厚度,如圖四(f)所示,此為第二次氧化層4之形成,該氧化層4係正式之閘極氧化層,因為矽氧化物略為透明且不會沉積在金屬上,所以在對準上就比較容易。 步驟27係閘極形成,即將步驟26所形成之晶片結構再旋塗一光阻6於該晶片上,如圖四(g)所示,然後以罩羃(Mask)定義該閘極5後,再烘烤15分鐘,接著以真空蒸鍍機蒸著鋁2000埃,完成後本發明之晶片結構如圖四(h)所示。 在元件特性方面,當氧化層厚度約為50~55nm時,我們得到介面陷阱密度約為2.8×1011cm -2 eV -1 ,崩潰電場約在3~4MV∕cm的範圍內,且當崩潰電場為1MV∕cm時,漏電流密度約為10 -5 A∕cm 2 ,在經過900℃高溫熱處理後可得到介面陷阱密度約為1.9×10 11 cm -2 eV -l 且漏電流密度降低到10-7A∕cm 2 ,如圖五所示。 本發明之優點如下: 1.以更簡單且低廉的液相沉積法應用在製作氮化鎵MOSFET上。 2.由閘極加上正電壓,當電壓越加越大,源汲極電流越來越大,由正偏壓引起的通道層可成為加強型金氧半場效電晶體。 3.現有氮化鎵製作氧化層之方法,以E-beam鍍上Ga 2 O 3 (Gd 2 O 3 )在分子束磊晶成長(MBE)之爐管(chamber)中,本發明所使用之LPD方法與其比較有製程上較簡便且經濟之優點。 4.現有在氮化鎵成長介電層之方法,以化學氣相沉積(CVD)SiO 2 ,Si 3 N 4 。本發明所使用之LPD方法可以形成接近一般化學氣相沉積之氧化層品質且有較簡易而經濟之優點。 5.以E-beam鍍上Ga 2 O 3 (Gd 2 O 3 )上所製作之MOSFET其元件之隔離採用乾式蝕刻之方法與本發明所採用之LPD矽氧化層及PEC蝕刻方法比較,本發明之MOSFET在製程上比較簡單且操作在低溫下(約40℃)有較佳之安全性及較低的成本。 6.現有在氮化鎵成長介電層之方法,化學氣相沉積(CVD)SiO 2 ,Si 3 N 4 所發明之電晶體在崩潰電場及閘極漏電流特性上本發明與其接近且在製程上本發明之電晶體在製程上卻有較簡易之優點。 7.以氮化鎵為基材之MOSFET相較於Si及GaAs有較高之崩潰電場。 8.以氮化鎵為材料之功率元件較Si及GaAs能操作在較高溫的環境下。 綜上所述,本發明所提供之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,不僅可達預期之實用功效外並且為前所未見之新設計,已符合專利法發明之要件,爰依法具文申請之。為此,謹請貴審查委員詳予審查,並祈早日賜準專利,至感德便。 以上已將本發明作一詳細說明,惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能限定本發明實施之範圍,即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等,皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。
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| 十、申請專利範圍: | |
| 1.一種氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,係藉以於一氮化鎵基礎材料晶片上形成該金氧半場效電晶體,包含下列步驟:形成一磊晶層於該氮化鎵基礎材料晶片上;於該磊晶層上形成一源極及一汲極;進行一室溫液相沉積氧化法,以形成一氧化層於該源極及該汲極之間,該室溫液相沉積氧化法係為一選擇性室溫液相沉積氧化法,該選擇性室溫液相沉積氧化法係將晶片置於一成長系統中成長該氧化層,該氧化層成長的厚度係根據一元件之最佳化參數為之;以及形成一閘極於該源極及該汲極之間,以製成該氮化鎵金氧半場效電晶體。 2.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該磊晶層的摻雜層之厚度約為2000至3000埃之間,其濃度約為每立方公分10的16次方至10的17次方。 3.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中於形成磊晶層之後,更包含一清洗該氮化鎵基礎材料晶片的步驟。 4.如申請專利範圍第3項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該清洗該氮化鎵基礎材料晶片的步驟係以去丙酮、甲醇及去離子水依照順序清洗該晶片表面。 5.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中於形成該源極及該汲極之後,更包含一對該源極及該汲極金屬化之製程,其包含下列步驟:旋塗一光阻於該晶片上,以罩羃(Mask)定義該汲極及該源極;烘烤;以一真空濺鍍機通以氬氣鍍上三層金屬鈦(300埃)/鋁(1000埃)/金(1000埃);以及將其置於900℃之爐管中快速熱退火(Rapid thermal anneal)20分鐘,使鈦與氮化鎵表面形成一層歐姆接觸區氮化鈦。 6.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該最佳化參數係飽和六氟矽酸3.09 M 12ml加上71.43ml去離子水,經過攪拌再加上9.27ml 0.1M的硼酸,最後溶液為六氟矽酸0.4M,硼酸0.01M,成長環境溫度為40℃。 7.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中形成閘極之前更包含一平台蝕刻步驟,其包含下列步驟:旋塗一光阻於該氮化鎵基礎材料晶片上,以汲極及源極金屬及閘極氧化層為平台罩羃(MESA Mask)定義該平台蝕刻區;烘烤;將該平台蝕刻區以外的氧化層以一(1:10)比例的氫氟酸:水之蝕刻溶液蝕刻掉;將該晶片置入酸鹼值為13.5之氫氧化鉀(KOH)溶液中並加以紫外光強光照射之光激化學溼式蝕刻裝置中;以氫氟酸蝕刻掉已被破壞掉之氧化層;以及重覆該室溫液相沉積氧化法,以形成閘極氧化層。 8.如申請專利範圍第1項所述之氮化鎵金氧半場效電晶體之製造方法,其中該閘極係先旋塗一光阻於該晶片上,以罩羃(Mask)定義該閘極後,再烘烤,接著以真空蒸鍍機蒸著鋁2000埃。 |
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| 十一、圖式: | |
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