[发明专利]半导体结构及其制造方法

说明书

本发明提供一种半导体结构，包括：一硅基板，具有一凹沟，其中该凹沟的侧壁的晶格方向为(111)，且该凹沟以一第一方向延伸；一外延层，设置于该凹沟的侧壁上；以及一栅极，设置于该外延层上，并电性连接该外延层。本发明的半导体结构及其制造方法使得具有高电子迁移率、高崩溃电压与耐热性质的高电子迁移率晶体管(HEMT)可与互补式金氧半(CMOS)电路同时整合于同一硅(100)基板上，提升系统芯片对于处理功率及射频功率讯号的能力。

技术领域

本发明是有关于一种半导体结构，特别是有关于一种于硅(100)基板上设置有高电子迁移率晶体管(HEMT)的半导体结构及其制造方法。

背景技术

氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)的半导体材料具备了优异的物理性质，例如宽能隙、高崩溃电场、以及相对较高的电子迁移率。在这两种半导体材料上所制作的元件特别适合用于功率电子的领域。目前，对于高质量的碳化硅(SiC)基板已有相当程度地开发，其成本合理且可应用于市场及相关的制程技术(例如布植制程与热制程)。碳化硅(SiC)已被用来制作Schottky barrier二极管、BJT与MOSFET等。然而，尽管经过长时间的研究，氮化镓(GaN)基板的质量仍未达到可供高效元件使用的水平。不过，氮化镓(GaN)与其它相关的三族氮化物材料可顺利成长于例如蓝宝石、氮化铝(AlN)与碳化硅(SiC)等的基板上。研究显示，氮化镓铝(AlGaN)/氮化镓(GaN)异质结构的三族氮化物半导体是制作高电子迁移率晶体管(HEMT)的极佳材料。该结构同时提供了高载子浓度与高载子迁移率这两项优越的特性。在无任何掺杂情况下，在三族氮化物材料系统的异质接面中可形成浓度约10¹³/cm²超高浓度的二维电子层。而在氮化镓(GaN)与氮化镓铝(AlGaN)异质接面所形成的量子井中，其电子迁移率可高达1,400cm²/Vs。由于上述这两项特性，使得三族氮化物材料在功率电子元件与射频电子元件的应用上具备了极佳潜力。

早期，大部分的三族氮化物元件制作在碳化硅(SiC)基板上。制作在碳化硅(SiC)上的三族氮化物元件虽具备极佳效能，特别是在功率管理应用上，然而在制造成本上，却相当昂贵。为求降低成本，于是开发了将元件制作在硅基板上的技术。硅晶体在(111)平面显示的晶格结构为六方晶格，相同于三族氮化物在c-轴的晶格构造，而两者之间所存在的晶格失配率(Mismatch)约为可接受的16％，故两种异质半导体之间的界面可以达成相当良好的匹配。虽制作在硅(111)基板上的三族氮化物元件显示了良好的功率与射频效能，且与碳化硅(SiC)基板相较，硅(111)基板确实提供了更经济与更低的成本。然而，硅(111)基板究竟非目前业界的主流，在进一步降低材料取得与管理成本的考虑下，继续寻求以硅(100)为基板的可能性仍有强烈的诱因与推动力。

主流的以硅为基础的CMOS工业是以硅(100)基板作为主要基材。若三族氮化物亦可制作在硅(100)基板上，则三族氮化物元件不仅可受益于低成本主流材料的供应，亦可打开将三族氮化物元件整合于CMOS系统芯片的可能性。

发明内容

为满足硅CMOS工业以硅(100)基板作为主要基材的现况、并寻求更低材料成本、以及能有效利用三族氮化物元件所具备处理功率及射频讯号的优异能力，本发明提供一种于硅(100)基板上设置有高电子迁移率晶体管(HEMT)的半导体结构及其制造方法。

本发明的一实施例，提供一种半导体结构，包括：一硅基板，具有一凹沟，其中该凹沟的侧壁的晶格方向为(111)，且该凹沟以一第一方向延伸；一外延层，设置于该凹沟的侧壁上；以及一栅极，设置于该外延层上，并电性连接该外延层。

本发明的一实施例，提供一种半导体结构的制造方法，包括下列步骤：提供一硅基板；蚀刻该硅基板，以于该硅基板中形成一凹沟(groove)，其中该凹沟的侧壁的晶格方向为(111)，且该凹沟以一第一方向延伸；形成一外延层于该凹沟的侧壁上；以及形成一栅极于该外延层上，并电性连接该外延层。