半导体装置制造方法及图纸

根据本文描述的实施方式的技术涉及包括氮化铝AlN层或氮化铝镓AlGaN层作为铁电层的半导体装置，以及制造具有铁电性质的AlN/AlGaN的薄膜的方法。在铁电晶体管中，在介于栅极电极和第二半导体层(例如GaN层)之间形成表现铁电性质的AlN/AlGaN的薄膜。

Semiconductor device

【技术实现步骤摘要】
半导体装置
本揭示内容是关于具有铁电氮化铝层的半导体装置及其制造方法。
技术介绍
铁电材料包括自发的电极化，可以经由改变施加至铁电材料的电场来反转自发的电极化。铁电材料已用于晶体管的栅极结构或电容器的装置中。常规的铁电材料包括锆钛酸铅Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、氧化铪锆(HfxZr1-xO2或HZO)、和铁电聚合物，如聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)。AlGaN/GaN异质结构被视为是理想的半导体异质结构，因为其二维电子气(two-dimensionalelectrongas,2DEG)界面区域具有高的电子面浓度(electronsheetconcentration)和低的片电阻(sheetresistance)。GaN结构还包括其他理想的性质，诸如温度和化学的稳定性。常规地，所形成的AlGaN、GaN、和AlN，具有不能反转的自发的极化和压电极化。
技术实现思路
本揭示内容的一些实施方式提供了一种半导体装置，包含：基板、GaN层、Al1-xGaxN层、栅极电极、以及一源极/漏极结构。GaN层在基板之上；Al1-xGaxN层直接在GaN层之上，且Al1-xGaxN层具有铁电性质；栅极电极在Al1-xGaxN层之上；源极/漏极结构在GaN层之上，且邻接于栅极电极。附图说明本揭示内容的各方面，可由以下的详细描述，并与所附附图一起阅读，而得到最佳的理解。在附图中，相同的标示号码表示相似的元件或动作，除非上下文另有说明。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。事实上，为了清楚地讨论，可能任意地增加或减小各个特征的尺寸。图1A绘示具有铁电AlN层的示例性结构；图1B至图1D绘示极化-电压曲线(P-Vcurve)和电流-电压特性曲线(I-Vcurve)；图1E为拉曼散射光谱；图1F、图1G、图2、图3A、图3B、图3C、图3D、图3E、图4A、和图4B绘示具有铁电AlN层的各种示例性结构；图5绘示示例性制造流程；以及图6A至图6E绘示在图5的制造流程的各阶段的示例性晶圆的截面图。【符号说明】100：结构110：基板120：第一化合物半导体层(GaN层)122：第三化合物半导体层124：二维电子气区域126：耗尽区域130：第二化合物半导层(Al1-xGaxN层)140：栅极结构142：栅极电极144：介电层150：源极/漏极结构160：层间介电层200：结构230：Al1-xGaxN层250：源极/漏极结构300：结构310：基板320：第一化合物半导体层322：成核层324、324A、324B：二维电子气区域326A、326B：耗尽区域330：第二化合物半导体层330A：第一部分330B：第二部分332：介电层340、340A、340B：电极400：结构440：电极500：制程510、520、530：操作530(1)、530(2)、530(3)、530(4)、530(5)：子操作540、550：操作600：晶圆610：基板620：GaN层622：上表面624：下表面630：AlN层642：栅极电极644：介电层646：孔650：源极/漏极结构T1、T2、T3、T4：厚度具体实施方式根据本文描述的实施方式的技术涉及半导体装置，其包括氮化铝AlN层或氮化铝镓AlGaN层作为铁电层，以及制造具有铁电性质的AlN或AlGaN薄膜的方法。在铁电晶体管中，在介于栅极电极和第二半导体层(例如GaN)之间形成具有铁电性质的AlN或AlGaN薄膜。当形成时，在GaN以Ga面极性(Ga-facepolarity)生长的示例性情形中，在AlN(或AlGaN)膜内的极化朝向至下方的GaN层。因此，在介于AlN(或AlGaN)和GaN之间的介面中，形成二维电子气区域(two-dimensionalelectrongasregion(2DEG))，这使得在AlN(或AlGaN)/GaN异质接面区域内，在开启状态时，高速的电荷载子移动。在关闭状态时，AlN(或AlGaN)的极化反转为远离GaN，这有利于二维电子气区域的耗尽并改善关闭特性，因为二维电子气区域耗尽得更快。电容器/电感器装置包括形成在GaN基底上的AlN或AlGaN薄膜。在AlN或AlGaN膜之上形成第一电极，例如铂电极。在AlN或AlGaN膜之上形成第二电极，例如铂或铟电极，并且第二电极与第一电极隔开，或者经由AlN膜或AlGaN膜而形成并且接触GaN缓冲层。AlN或AlGaN薄膜中的可逆的极化实现了负电容效应和/或电感效应，这在带宽改善、带通滤波、移相器、或阻抗匹配等应用情形中是有益的。此外，铁电的AlN或AlGaN可用于在一电体一电容器(1T-1C)记忆体单元结构或单一晶体管(1T)铁电记忆体单元结构中的铁电记忆体单元。经由改善AlN或AlGaN的结晶作用，和经由下方的GaN层的不同晶体结构(亦即，晶格不匹配)施加拉伸应力至AlN或AlGaN薄膜，这两种方式中的至少一种，而达到AlN或AlGaN薄膜的铁电性质。利用介于GaN和AlN之间的晶格不匹配来实现在AlN层内的铁电多域(ferroelectricmulti-domains)。例如，在GaN中介于Ga原子和N原子之间的原子间距离大于在AlN中介于Al原子和N原子之间的原子间距离。因此，拉伸应力倾向于将Al原子拉离一些相邻的N原子，并且更靠近其他的相邻N原子。两个相邻的Al原子也被拉向不同的方向。在本揭示内容中，在AlGaN膜中的GaN是无意的。为方便起见，将AlN或AlGaN层称为“Al1-xGaxN”层，其中0≤x<0.4，并且优选地，0≤x<0.1。为了确保拉伸应力有效地有助于Al1-xGaxN薄膜的铁电性质，将Al1-xGaxN薄膜的厚度控制为足够薄，例如，不超过25纳米(nm)。在一实施方式中，Al1-xGaxN膜的厚度范围为约1纳米至约20纳米，以确保Al1-xGaxN膜包括铁电性质。此外，经由加入逐层原子层退火制程(layer-by-layeratomiclayerannealingprocess)，Al1-xGaxN薄膜的新生长制程更改善了Al1-xGaxN的结晶度。具体地，在形成Al1-xGaxN分子的单晶层(单层)的每个反应循环中加入氩电浆制程。氩电浆制程更移除了未完全反应的氮源和/或铝源前趋物，并清除Al1-xGaxN的不均匀成核作用。本揭示内容在此提供许多不同的实施方式或实施例，以实现所描述的标的的不同特征。以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体装置，其特征在于，包含：/n一基板；/n一GaN层，在该基板之上；/n一Al

【技术特征摘要】
20180926 US 62/736,954;20181228 US 16/235,9971.一种半导体装置，其特征在于，包含：
一基板；

【专利技术属性】
技术研发人员：陈敏璋，谢宗霖，林柏廷，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71