JP2009507396A - フッ素処理を用いたロバストトランジスタ - Google Patents

フッ素処理を用いたロバストトランジスタ Download PDF

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Abstract

複数のエピタキシャル層を有し、動作時（Ｅ）界がかかっている半導体デバイスであり、具体的には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。エピタキシャル層の中には、動作時（Ｅ）界を打ち消すための負イオン領域がある。半導体デバイスを製造するための１つの方法は、基板を設けるステップと、基板の上にエピタキシャルを成長させるステップとを備える。半導体デバイスの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消すために、負イオンがエピタキシャル層の中に導入され、負イオン領域を形成する。コンタクトは、負イオン領域形成の前か後に、エピタキシャル層の上に堆積させることができる。

Description

本発明は、トランジスタに関し、より詳細には、全体的な動作時の電界を低減する負イオン領域を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）に関する。
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体材料から製造することができる、一般的なタイプの固体トランジスタである。ＧａＡｓベースのＨＥＭＴは、民生用および軍事用レーダ、ハンドセットセルラ（handset cellular）、および衛星通信における高周波信号増幅に、一般的に用いられている。ＧａＡｓは、Ｓｉと比べて、高い電子移動度（約６０００ｃｍ2／Ｖ−ｓ）と、低いソース抵抗を持つ。それ故、ＧａＡｓベースのデバイスは、より高い周波数で動作することができる。しかしながら、ＧａＡｓは、比較的小さなバンドギャップ（室温で１．４２ｅＶ）と比較的低い降伏電圧を持ち、それ故に、ＧａＡｓベースのＨＥＭＴでは、高周波においては高い電力を得ることができない。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ等の広いバンドギャップの半導体材料の製造における進歩は、高周波、高温、および高電力応用のためのＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴの開発に対する関心を集めている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮは、大きなバンドギャップと、高いピークおよび飽和電子速度値を有する（非特許文献１参照）。ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴはまた、シート密度１０13／ｃｍ2以上の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）、および、比較的高い電子移動度（最大２０１９ｃｍ2／Ｖｓ）を持つことができる（非特許文献２参照）。これらの特性によって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴは、無線周波数、マイクロ波周波数、およびミリメートル波周波数で、非常に高い電圧および高い電力での動作が可能となる。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴをサファイア基板上に成長させ、電力密度４．６Ｗ／ｍｍ、および、全電力７．６Ｗを得た（非特許文献３参照）。さらに最近、ＳｉＣの上に成長させたＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴは、８ＧＨｚにおいて９．８Ｗ／ｍｍの電力密度（非特許文献４参照）、また、９ＧＨｚにおいて２２．９Ｗの全出力電力を示した（非特許文献５参照）。
特許文献１は、基板とバッファの上に成長させた、ＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのＨＥＭＴを開示している。他のＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴ、および、ＦＥＴ（field effect transistor）は、非特許文献６および７によって開示されている。これらのデバイスのいくつかは、６７ギガヘルツもの高い利得帯域幅積（ｆT）（非特許文献８参照）、および、１０ＧＨｚにおいて２．８４Ｗ／ｍｍもの高い電力密度を示した（非特許文献９および１０参照）。
米国特許第５，１９２，９８７号明細書 米国特許第６，５８６，７８１号明細書 米国特許第６，８４９，８８２号明細書 米国再発行特許第３４，８６１号明細書 米国特許第４，９４６，５４７号明細書 米国特許第５，２００，０２２号明細書 米国特許第５，２９０，３９３号明細書 米国特許第５，６８６，７３８号明細書 米国特許第５，３９３，９９３号明細書 米国特許第５，５２３，５８９号明細書 米国特許第５，７３９，５５４号明細書 米国特許第６，３１６，７９３号明細書 米国特許第６，５８６，７８１号明細書 米国特許第６，５４８，３３３号明細書 米国特許第６，８４９，８８２号明細書 米国特許出願公開第２００３／００２００９２号明細書 米国特許第５，１９２，９８７号明細書 米国特許第５，２９６，３９５号明細書 B. Belmont, K. Kim and M. Shur, J.Appl.Phys. 74, 1818 (1993) R. Gaska, J. W. Yang, A. Osinsky, Q. Chen, M. A. Khan, A. O. Orlov, G. L. Snider and M.S. Shur, Appl.Phys.Lett., 72, 707 (1998) Y. F. Wu et al . , IEICE Trans.Electron., E-82-C, 1895 (1999) Y. F. Wu, A. Saxler, M. Moore, R. P. Smith, S. Sheppard, P.M. Chavarkar, T. Wisleder, U.K.Mishra, and P. Parikh, "30W/mm GaN HEMTs by Field Plate Optimization", EDL, Vol. 25, pp. 117-119, Mar. 2004 M. Micovic, A Kurdoghlian, P. Janke, P. Hashimoto, D. W. S. Wong, J. S.Moon, L. McCray and C. Nguyen, IEEE Trans.Electron.Dev., 48, 591 (2001) Gaska et al., "High-Temperature Performance of AlGaN/GaN HFET 's on SiC Substrates," IEEE Electron Device Letters, Vol. 18, No 10, October 1997, Page 492 Ping et al . , "DC and Microwave Performance of High Current AlGaN Heterostructure Field Effect Transistors Grown on P-type SiC Substrates," IEEE Electron Devices Letters, Vol. 19, No. 2, February 1998, Page 54 K. Chu et al. WOCSEMMAD, Monterey, CA (February 1998) G. Sullivan et al., "High Power 10-GHz Operation of AlGaN HFET 's in Insulating SiC," IEEE Electron Device Letters, Vol. 19, No. 6, Page 198 (June 1998) Wu et al., IEEE Electron Device Letters, Volume 19, No. 2, Page 50 (February 1998)
電子のトラップと、それに起因するＤＣ特性とＲＦ特性との不一致が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴ等の、ＧａＮベースのトランジスタの動作における制限要因であった。窒化ケイ素（ＳｉＮ）パッシベーション（passivation）を用いることにより、このトラップの問題を軽減することができ、その結果、１０ＧＨｚにおいて１０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有する高い動作のデバイスが得られた。特許文献２は、ＧａＮベースのトランジスタの中のトラップ効果を低減する方法と構造を開示している。しかしながら、これらの構造の中には高い電界が存在するので、高電流の構造に対する電荷のトラップおよび低い降伏電圧は、今なお議論の対象であり得る。
簡単にかつ一般的な用語で言えば、本発明は、デバイスの動作時電界を打ち消すための負イオン領域を有する半導体デバイスと、そのデバイスを製造する方法に関する。本発明による半導体デバイスの一実施形態は、動作時電（Ｅ）界（operating electric (E) field）がかけられる、複数の活性な半導体層を備える。動作時電（Ｅ）界を打ち消すために、負イオン領域が複数の半導体層の中に含められる。
本発明による半導体デバイスの別の実施形態は、バッファ層と、バッファ層の上のバリア層とを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備える。２次元電子ガス（２ＤＥＧ）は、バッファ層とバリア層との界面にあり、負イオン領域は、バッファ層の中にある。
本発明によるＨＥＭＴの別の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物ベースのバッファ層と、バッファ層上のＩＩＩ族窒化物ベースのバリア層とを備える。２次元電子ガス（２ＤＥＧ）は、バッファ層とバリア層との間のヘテロ界面にあり、ソースコンタクトとドレインコンタクトはバリア層の上にある。ゲートは、バリア層上で、ソースコンタクトとドレインコンタクトとの間にある。動作時電（Ｅ）界を打ち消す（counter）ために、フッ素負イオン領域がＨＥＭＴの中に含められる。
本発明による、半導体デバイスを製造する１つの方法は、基板を設けるステップと、基板の上にエピタキシャル層を成長させるステップとを備える。負イオンがエピタキシャル層の中に導入されて、半導体デバイスの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消すための負イオン領域を形成する。
本発明による、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製造する１つの方法は、基板を設けるステップと、基板の上にＩＩＩ族窒化物のバッファ層とバリア層とを成長させるステップとを備える。負イオン領域がバリア層の中に形成されて、ＨＥＭＴの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消す働きをする。
以下の詳細な説明と、本発明の実施形態および特徴を示す添付の図面とから、本発明の種々の態様と利点が明らかになるであろう。
本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、動作時に電（Ｅ）界（electric (E) field）がかけられるトランジスタに関する。本発明によると、トランジスタの動作時電界を打ち消して低減するために、１つまたはそれ以上の負イオン領域をデバイス中に含めることができ、それにより、動作が改善される。
トランジスタは一般的に、活性領域を含み、活性領域と電気的に接触するように形成された金属のソース電極とドレイン電極、および、活性領域の中の電界を変調（modulate）するためにソース電極とドレイン電極との間に形成されたゲートとを含む。本発明によれば、特許文献３の中で説明されるものを含み、多くの異なるＨＥＭＴ構造が可能である。なお、特許文献３は、参照により、全て記載が本明細書に組み込まれる。ＨＥＭＴは、典型的に、バッファ層と、バッファ層の上のバリア層とを含む。２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層／チャネルが、バッファ層とバリア層とのヘテロ界面に形成される。ゲート電極は、バリア層の上で、ソース電極とドレイン電極との間に形成される。
ＨＥＭＴは、高電力デバイスとして動作しているときに、あり得る１つの原因として、バッファとバリア層との界面のところの分極電荷によって誘起される高い電荷密度により、ゲートからドレインのところの領域で高い電界がかかることがある。フィールドプレートを用いれば、高い電界領域を調整し、デバイス動作を改善することができる。しかし、フィールドプレートは、典型的には、デバイスの最上部にしか置くことができないので、この技術には限界がある。
本発明は、各所の電界を低減するために、高い電荷密度を打ち消す負イオン領域を用いる。負イオン領域は、トランジスタのエピタキシャル層の中に負イオンを注入することにより形成される。負イオン領域を形成するための負イオン源（source for negative ions）として、多くの異なる材料を用いることができるが、１つの適した材料は、フッ素である。ドーピングは、多くの異なる方法によって行うことができるが、プラズマ処理を用いる方法、および、エッチングシステムを用いて処理する方法が適当である。フッ素イオンは、ある種のエピタキシャル層、特に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル層では、内部に浸透することができる。負イオン領域は、エピタキシャル層の中で、イオン濃度が深さにより異なる領域を持つ種々のプロファイルを有する。
本発明は、電界の調整におけるより高い柔軟性を提供し、性能を向上させる。例えば、負イオン領域は、デバイス中のピーク電界を低減することができ、その結果、降伏電圧が上昇し、トラップが減少する。電界の低減は、漏れ電流の低減および信頼度の向上等の、他の利益をもたらすこともできる。
素子または層が、別の素子または層、「の上にある（on）」、「に接続されている（connected to）」、「に結合している（coupled to）」、または、「と接触している（in contact with）」と表現される場合、直接、他の素子または層の上にある、他の素子または層に接続または結合している、または、他の素子または層と接触していてもよいし、介在する素子または層があってもよいということが理解されるであろう。一方、素子が、別の素子または層、「の直接上にある（directly on）」、「に直接接続されている（directly connected to）」、「に直接結合している（directly coupled to）」、または、「と直接接触している（directly in contact with）」と表現される場合、介在する素子または層はない。同様に、第１の素子または層が、第２の素子または層に、「電気的に接触している」、または、「電気的に結合している」と表現される場合、第１の素子または層と第２の素子または層との間に、電流を流すことができる電気的経路があることを意味する。電気的経路は、キャパシタ、結合インダクタ、および／または、素子間の直接の接触がなくても電流を流すことができる他の素子を含むことができる。
図１は、本発明によるトランジスタ１０の一実施形態を示す。トランジスタ１０は、ＩＩＩ族窒化物ベースのＨＥＭＴであることが望ましい。本発明は他の半導体デバイスとともに用いることができること、および、他の材料系も用いることができることが理解されるだろう。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、周期律表のＩＩＩ族の中の元素との間で形成される半導体化合物のことである。ＩＩＩ族の中の元素とは、通常、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、およびインジウム（Ｉｎ）である。この用語は、また、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ等の、３元化合物にも用いられる。好ましい一実施形態では、バリア層を形成する材料はＡｌＧａＮであり、バッファ層を形成する材料はＧａＮである。代替的実施形態では、これらの層の材料は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、または、ＡｌＧａＩｎＰであってもよいし、他の材料であってもよい。
ＨＥＭＴ１０は、炭化ケイ素、サファイア、スピネット（spinet）、ＺｎＯ、ケイ素、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または、ＩＩＩ族窒化物材料の成長をサポートすることができる任意の他の材料、または、それらの材料の組み合わせから作ることができる基板１２を備える。適切な炭化ケイ素基板は、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素であるが、３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒポリタイプを含む、他の炭化ケイ素ポリタイプも用いることができる。炭化ケイ素は、他の基板材料と比べて、ＩＩＩ族窒化物に整合したより近い結晶格子を持つことができ、その結果、より品質のよいＩＩＩ族窒化物フィルムを作ることができる。炭化ケイ素はまた、非常に高い熱伝導率を持ち、エミッティングデバイス（emitting device）の熱放散を高めることができる。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラム（Durham）在の本件特許出願人より入手可能である。また、ＳｉＣ基板を製作する方法は、科学文献や特許文献４〜６に開示されている。さらに他の実施形態では、ＨＥＭＴ１０は、基板を用いずに形成することもできるし、基板は、エミッタ層を形成した後に取り除かれてもよい。
核生成層（nucleation layer）１４は、基板１２の上に形成されて、ＨＥＭＴ１０の中の基板１２と次の層との間の格子不整合を低減することができる。核生成層１４の厚さは、約１０００オングストローム（Å）であるべきだが、他の厚さを用いることもできる。核生成層１４は、多くの異なる材料を備えることができるが、適した材料は、ＡｌzＧａ1-zＮ（０＜＝ｚ＜＝１）である。また、層１４は、基板１２の上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、または分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等の、公知の半導体成長技術を用いて形成することができる。
核生成層１４の形成は、基板１２に用いられる材料に依存する場合がある。例えば、種々の基板の上に核生成層１４を形成する方法は、特許文献７および８で教示されている。なお、いずれの文献も、参照により、全ての記載が本明細書に組み込まれる。炭化ケイ素基板の上に核生成層を形成する方法は、特許文献９〜１１で開示されている。なお、いずれの文献も、参照により、全て記載が本明細書に組み込まれる。
ＨＥＭＴ１０は、核生成層１４の上に形成された高抵抗率のバッファ層１６をさらに備える。バッファ層１６は、ＩＩＩ族窒化物材料の、ドープしたまたはドープしない層を備えることができ、ＡｌxＧａyＩｎ(1-x-y)Ｎ（０＜＝ｘ＜＝１、０＜＝ｙ＜＝１、ｘ＋ｙ＜＝１）等の、ＩＩＩ族窒化物材料によって作られることが望ましい。ＧａＮ等の、その他の材料もまた、バッファ層１６のために用いることができる。この場合、バッファ層の厚さは、約２μｍであり、バッファ層の一部にはＦｅがドープされる。
バリア層１８はバッファ層１６の上に生成され、バッファ層１６は、バリア層１８と核生成層１４との間にサンドイッチされる。バッファ層１６と同様に、バリア層１８は、ＩＩＩ族窒化物材料のドープまたはドープなしの層と、好ましくはＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料とを備えることができる。典型的なＨＥＭＴ構造は、特許文献１２〜１６に示されている。これらの文献は、参照により、全て記載が本明細書に組み込まれる。この他の窒化物ベースのＨＥＭＴ構造は、特許文献１７および１８に示されている。これらの文献は、参照により、全て記載が本明細書に組み込まれる。バッファ層１６とバリア層１８は、核生成層１４を成長させるために用いる方法と同じ方法を用いて形成することができる。デバイス間の電気的なアイソレーションは、活性なＨＥＭＴの外側をメサエッチするかまたはイオン注入をするかによって形成することができる。
金属ソース電極２０と金属ドレイン電極２２は、バリア層１８にオーム接触を作ることにより形成される。ゲート２４は、バリア層１８の上でソース電極２０とドレイン電極２２との間に形成される。当技術分野において知られているように、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）１７は、バッファ層１６とバリア層１８とのヘテロ界面のところに誘起され、形成される。電流は、ゲート２４が適当なレベルにバイアスされた場合に、ソース電極２０とドレイン電極２２との間を、２ＤＥＧ１７を介して流れることができる。ソース電極２０およびドレイン電極２２の形成は、上述した特許文献および刊行物の中で詳しく説明されている。
ソース電極２０とドレイン電極２２は、種々の材料で作ることができ、その材料は、チタン、アルミニウム、金、またはニッケルの合金を含むが、これらには限定されない。ゲート２４も同様に、種々の材料で作ることができ、その材料は、金、ニッケル、ニッケル−クローム、白金、チタン、クローム、チタンとタングステンの合金、または、白金シリサイドを含むが、これらには限定されない。ゲート２４は、多くの異なる長さ（Ｌg）を取ることができ、適したゲート長は、０．１ミクロンから０．２ミクロンの範囲にあるが、他のゲート長も用いることができる。本発明による一実施形態では、好ましいゲート長（Ｌg）は約０．５ミクロンである。
負イオン領域２６は、バリア層１８の中に含まれるが、他の実施形態では、バッファ層１６の中に広がることもできる。負イオン領域は、導入されたまたは埋め込まれた負イオンを中に有する、デバイスのエピタキシャル層の領域であり、周囲の材料と比較して、より多くの負イオンを有する領域を形成する。図示したように、負イオン領域２６は、主にゲート２４の下にあり、電界を調整するために、希望に応じて、外に広がっている。上述したように、領域２６の中の負イオンは、全体的な電界（Ｅ）を低減することにより、ＨＥＭＴ１０の中の電界を低減する。例えば、負イオンは、バッファ層１６とバリア層１８との間のＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面のところの分極に由来する正の電荷に対して、反対に作用するように配置することができ、それにより、ＨＥＭＴの正味の電荷を減少させることができる。
上記でも述べたように、領域２６の中の負イオンは、ＩＩＩ族窒化物半導体材料の種々のレベルに浸透することができるフッ素イオンであることが望ましい。上記で示したように、フッ素イオンは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮバリア層１８の中に浸透するが、他の実施形態では、フッ素イオンは、バッファ層１６または核生成層等の下の層の中にも浸透することができる。フッ素イオンは、多くの異なる方法を用いて導入し、層１６および層１８の中に浸透させることができるが、好ましい方法は、エッチングシステムにおけるフッ素プラズマ処理である。適したエッチングシステムは、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）処理または誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）処理を用いた、フッ素ベースのドライエッチを含む。その他の実施形態では、イオン注入処理を用いることができる。種々の異なる材料を、エッチング処理に用いることができる。これらは、ＣＦ4、ＳＦ6、または、ＣＨＦ3のプラズマガス化学処理を含むが、それに限定はされない。好ましい実施形態においては、エッチングの方法は、エッチングを行っている間にＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料に損傷を与えてはならず、ＡｌＧａＮ／ＧａＮに浸透するフッ素イオンのソースを設けなければならない。
希望する深さの浸透を達成するために必要な時間は、いくつかの異なる要因に依存する。フッ素イオンがバリア層１８の中に注入されて、バリア層１８またはバッファ層１６の中に広がる速度は、一般に、エッチング処理に用いる電圧（電力）レベル、エッチング処理を行っている間のガスの流量、ガス濃度、および、表面に対してエッチを行う時間に依存する。電圧レベル、ガス濃度、およびガスの流量が高ければ、浸透が希望のレベルに達するまでの時間は短くなるであろう。フッ素イオンの浸透が希望する区画だけに起きて、希望する負イオン領域が形成されるように、マスクを含むこができる。
種々の負イオン領域の深さと幅とを有する負イオンプロファイルを得るために、エッチング処理はカスタマイズすることができる。また、領域の異なる部分は、異なるイオン濃度、または異なる深さにすることができる。限定的でない例として、公知の複数のマスキング技術を含む多くの異なる方法が、このプロファイルを形成するために用いることができる。ＡｌＧａＮ／ＧａＮと異なる材料系で作られるＨＥＭＴでは、その材料系に損傷を与えない種々のエッチング処理を、負イオンを導入するために用いることができる。
フッ素イオンは、トランジスタの電界の高い他の領域に負イオン領域を設けるために、エピタキシャル層の他の区画にさらに導入することができる。電界の高い領域の別の例は、メサアイソレーションの端の部分である。負イオン領域を設けて、ゲート金属がメサの端を横切る場所における漏れ電流と、ゲート金属パッドの下の漏れ電流とを低減するように、メサアイソレーション処理のフォロウアップ（follow-up）ステップとして、フッ素処理を用いることができる。
ＨＥＭＴ１０の動作時に、電界は、ゲートからドレインまでの領域２８と、その周囲に広がって行く。負イオン領域２６は、この電界を打ち消して低減するように配置され、その結果、降伏電圧が上昇してトラップが減少する。電界の低減は、漏れ電流の低減および信頼度の向上等の、その他の利益ももたらすことができる。
本発明は、フィールドプレート等の、電界を調整するための他の構造／特徴を有するデバイスの中で用いることができる。図２は、本発明によるＨＥＭＴ４０の別の実施形態を示す。ＨＥＭＴ４０も、基板１２、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ核生成層１４、ＡｌＧａＮ／ＧａＮバッファ層１６、ＡｌＧａＮ／ＧａＮバリア層１８、ソース電極２０、ドレイン電極２２、および、ゲート２４を有する。第１の非導電性スペーサ層４２が、ゲート２４とソース電極２０との間およびゲート２４とドレイン電極２２との間のバリア層１８の表面を覆って形成される。第１のスペーサ層４２は、誘電体層、または、複数の誘電体層の組み合わせを備えることができる。ＳｉＮ、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ｇｅ、ＭｇＯｘ、ＭｇＮｘ、ＺｎＯ、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、これらの混合または順番に重ねた層等の、種々の誘電体材料が使用可能である。スペーサ層は、多くの異なる厚さであってよいが、適した厚さの範囲は、約０．０５ミクロンから２ミクロンである。
デバイスのメタライゼーション（metallization）の前にスペーサ層４２が形成される場合には、スペーサ層はまた、Ａｌ、Ｇａ、または、Ｉｎの合金等の、ＩＩＩ族元素を有するＩＩＩ族窒化物材料等の、エピタキシャル材料を備えることができるが、適したスペーサ層材料は、ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）である。バリア層１８をエピタキシャル成長させた後に、同じエピタキシャル成長の方法を用いて、第１のスペーサ層４２を成長させることができる。適した誘電体スペーサ層はまた、バリア層のエピタキシャル成長の後に、同じエピタキシャル成長の方法を用いて成長させることができる。
次いで、第１のスペーサ層４２がエッチングされ、ゲート２４、ソース電極２０、およびドレイン電極２２は、２ＤＥＧ１７と電気的に接触するように適切に形成することができる。フッ素（負）イオンをバリア層１８の中に注入し、希望に応じて、バッファ層１６の中に広げることができるのは、このエッチング処理の間である。ゲート線は、典型的に、スペーサ層の中で確定され、ゲートのための空間は、エッチングにより空けられる。典型的には、スペーサ層４２は、フッ素ベースのＲＩＥを用いてエッチングされる。スペーサ層４２のエッチングに続いて、バリア層１８は、さらにフッ素暴露処理を行い、バリア層１８のＡｌＧａＮ／ＧａＮの中に、希望するフッ素イオンを浸透させることができる。他の実施形態では、スペーサ層４２の堆積（deposition）およびエッチングの前に、フッ素イオンをバリア層の中に注入することができる。フッ素イオンは負電荷を帯びており、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系の中の正の分極電荷を打ち消すドープ剤として働く。
第１のフィールドプレート４４は、スペーサ層４２の上に形成され、ゲート２４からドレイン電極２２の方に向かって広がる。フィールドプレートはまた、ソース電極２０の方に向かって広がる部分を有することができる。スペーサ層４２は、第１のフィールドプレート４４と下の層との間のアイソレーションを与えるように配置される。図に示すように、フィールドプレート４４は、ゲート２４に集積されているが、他の実施形態ではゲート２４から分離されていてもよく、ゲート２４またはソース電極２０と電気的に結合する。
フィールドプレート４４は、ゲート２４の端からバリア層の上に種々の距離Ｌfにわたり広がることができ、適した距離の範囲は、０．１ミクロンから１．０ミクロンであるが、異なる距離であってもよい。フィールドプレート４４は、多くの異なる導電性材料を備えてよいが、適した材料は、標準的なメタライゼーションの方法を用いた金属堆積である。このフィールドプレート配置は、デバイスの中のピーク電界を低減し、その結果、降伏電圧の上昇、漏れ電流の低減、および、信頼度の向上を得ることができる。ソースに結合したフィールドプレートのシールド効果はまた、Ｃgdを減少させることができ、それにより、入力−出力のアイソレーションを増すことができる。このフィールドプレートの配置は、上述したように、負イオン領域２６と一緒に用いることができ、デバイスの動作をさらに向上させる。
図３は、本発明によるＨＥＭＴ５０の別の実施形態を示す。ＨＥＭＴ５０も、基板１２、核生成層１４、バッファ層１６、バリア層１８、ソース電極２０、ドレイン電極２２、および、ゲート２４を有する。スペーサ層４２は、バリア層１８の上で、ゲート２４とソース電極２０との間、およびゲート２４とドレイン電極２２との間に含まれる。スペーサ層４２は、ゲート２４に対する開口を設け、負イオンを注入するために、上述したようにエッチングされる。フィールドプレート４４は、スペーサ層４２の上に形成され、ゲート２４に集積される。他の実施形態では、フィールドプレート４４は、ゲート２４から分離された形で、ゲート２４またはソース電極２０と電気的に結合されてもよい。
ＨＥＭＴ５０は、スペーサ層４２と同じ材料で作ることができる、第２の非導電性スペーサ層５２をさらに備える。第２のフィールドプレート５４は、スペーサ層４２の上にあって、第１のフィールドプレート４４およびゲート２４と重なっている。しかし、他の実施形態では、フィールドプレート４４とだけ重なっていてもよいし、またはどちらとも重なっていなくてもよい。第２のフィールドプレート５４は、典型的には、ソース電極２０と電気的に接続される。上記の実施形態は、マイクロ波周波数およびミリメートル波周波数において電力を向上させたワイドバンドギャップトランジスタを与える。複数個のフィールドプレートを有するトランジスタは、入力と出力との間の高いアイソレーションによって、高利得、高電力、およびより安定的な動作を同時に実現する。
複数のフィールドプレートの配置は、上述した方法を用いてバリア層１８の中に注入されたフッ素イオンを備えることが望ましい、負イオン領域５６と一緒に用いることもできる。図示したように、領域５６は、バッファ層１６の中に広がることができる、異なる厚さの部分を備えることができる。第１の領域５８は、主にゲート２４の下にあり、バッファ層１６の中には広がらない。部分５８は、典型的には、スペーサ層４２のエッチング時に形成される。第２の部分６０は、おもに、第１のフィールドプレート４４の下方にあり、バッファ層１６の中に広がる。第３の部分６２は、おもに、第２のフィールドプレート５４の一部の下方にあり、ドレイン２２の方に向かって広がっている。第２の部分６０と第３の部分６２は、典型的には、スペーサ層４２の堆積を行う前に形成される。この調整された負イオン領域５６は、フィールドプレート４４およびフィールドプレート５４と一緒に働き、電界を低減してデバイス動作を向上させる。
図４は、図２に示して上述したＨＥＭＴ１０と同様な、幅２４６μｍのデバイスの動作を示すグラフ７０である。デバイスは、ドレインバイアス５０Ｖ、ベース電極温度２００℃、連続出力電力８．３Ｗ／ｍｍの１００時間動作の後で、何も劣化を示さない。
図５は、２つのデバイスの動作を示すグラフ８０であり、一方は低いフッ素ドーズ量を有し、もう一方は高いドーズ量を有する。どちらのデバイスも高温高電界ストレス試験を行い、高フッ素デバイスの方が低ドーズデバイスと比較して、より低いゲート漏れ電流を示した。これらの結果は、フッ素イオンのレベルが全体的な電界を低減して、それによりデバイス動作が改善されるという事実をサポートしている。
いくつかの半導体材料では、高い温度、または高い電界のもとでは、負イオンが、半導体材料の中でマイグレーションを起こす（migrate）、または、材料から散逸（dissipate）することがある。高温下でのマイグレーション／散逸（dissipation）を減少させるため、負イオンプロファイルを有する半導体デバイスは、熱処理を行って、注入されたイオンを安定化させることができる。多くの異なる熱処理温度と熱処理時間とが可能であるが、適した熱処理温度の範囲は、２００°から１０００°である。高電界下でのマイグレーション／散逸を減少させるために、負イオンプロファイルを有する半導体デバイスには、「バーンイン（burn in）」処理として知られる、デバイスにある期間バイアスをかける処理を施すことができる。
図６は、本発明による半導体デバイスを製造するための、特に、ＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴを製造するための、本発明による方法９０の一実施形態である。方法９０は、一連のステップとして示されているが、本発明によれば、方法の中で、異なるステップが異なる順序で行われてもよいことが理解されるだろう。
ステップ９２において、基板が設けられる。基板は、多くの異なる材料によって作られたものでよいが、図１に示した基板１２のために列挙され、上記で詳しく説明した任意の材料が適した材料である。ステップ９４において、ＭＯＣＶＤ、ＨＶＰＥ、または、ＭＢＥ等による公知の半導体のいずれかを用いて、基板の上にエピタキシャル層を成長させる。ＨＥＭＴについては、エピタキシャル層は、少なくともバッファとバリア層とを含み、２つの層の間のヘテロ界面の中に２ＤＥＧを有する、ＩＩＩ族窒化物層であることが望ましい。
ステップ９６において、負イオンがエピタキシャル層の中に導入され、負イオンは浸透して負イオン領域を形成することができる。負イオンの導入には多くの異なる方法を用いることができるが、上述したように、好ましい方法は、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）か、誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）処理を用いた、フッ素ベースのドライエッチングである。上述したように、エッチング処理には種々の材料を用いることができ、エッチング処理により、エピタキシャル層は本質的に無損傷でなければならない。負イオン領域は、ＨＥＭＴの完成品の動作時電界を打ち消す位置に形成されるべきである。
負イオン領域が、ある特定の深さまたは濃度プロファイルを有する実施形態に対しては、さらに付加的な負イオン導入のステップを実行することができる。当技術分野において公知のステップを用いた公知のマスキング方法を用いることができる。ステップ９８において、ソース電極（コンタクト）とドレイン電極（コンタクト）は、バリア層とオーミック接触を作るように形成され、ゲート２４が、バリア層の上でソース電極とドレイン電極との間に形成される。それぞれは、上述した材料によって作ることができ、公知の処理を用いて形成される。他の実施形態においては、ソースコンタクトおよびドレインコンタクトは、そのどちらか、またはいずれも、負イオン領域の形成の前に形成することができる。ゲートは、負イオン領域を形成した後に、形成することができる。
本発明による方法は、付加的なデバイス処理のステップ１００を含むことができると理解されるだろう。たとえば、上述したように、負イオン領域を安定化させるための、熱処理またはバーンインのステップが含まれてもよい。上記で説明し、図２および図３に示されているフィールドプレートデバイスを形成するために、デバイスの上に１つまたはそれ以上のフィールドプレートを形成するための付加的なステップが、さらに実行されてもよい。
本発明が、いくつかの好ましい構成を参照して詳しく説明されたが、他の形態も可能である。負イオン領域は、本発明による多くの異なるデバイスの中で用いること、多くの異なる形状をもつこと、および、多くの異なる位置に置かれることが可能である。従って、本発明の趣旨と範囲は、上述した形態に限定されるべきではない。
本発明によるＨＥＭＴの一実施形態を示す図である。 本発明による、１つのフィールドプレートを有するＨＥＭＴの別の実施形態を示す図である。 本発明による、複数のフィールドプレートを有するＨＥＭＴの別の実施形態を示す図である。 本発明によるＨＥＭＴに対し、ベースプレート温度２００℃およびドレインバイアス５０Ｖで、１００時間の無線周波数ＨＴＯＬ寿命試験を行った結果のグラフを示す図である。 本発明によるＨＥＭＴに対し、Ｖds＝９６Ｖ、Ｖgs＝−８Ｖ、温度２００℃で、高電界高温ストレス試験を行った結果のグラフを示す図である。 負イオン領域を有する半導体デバイスを製造するための、本発明の一実施形態を示す図である。

Claims (31)

  1. バッファ層と、
    前記バッファ層の上のバリア層と、
    前記バッファ層と前記バリア層との界面における２次元電子ガス（２ＤＥＧ）と、
    前記バリア層の中の負イオン領域と
    を備えることを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
  2. 前記バリア層の上に、それぞれ、ゲートコンタクトとソースコンタクトとドレインコンタクトとをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  3. 前記バッファ層および前記バリア層は、ＩＩＩ族窒化物材料により作られ、
    前記負イオン領域は、フッ素イオンを備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  4. 前記負イオン領域は、ＨＥＭＴの動作時電（Ｅ）界を打ち消して低減する位置に置かれることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  5. 前記ゲートは、前記ソースコンタクトと前記ドレインコンタクトとの間にあって、
    前記負イオン領域は、少なくとも一部分が前記ゲートの下にあることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
  6. 前記負イオン領域は、前記バリア層の中に種々の深さを有することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  7. 前記負イオン領域は、種々の場所に種々の濃度の負イオンを備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  8. 前記負イオン領域は、前記バリア層の中にプラズマ処理により導入されることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  9. フィールドプレートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  10. 前記負イオン領域は、前記バッファ層の中に広がることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  11. 半導体ベースのデバイスであって、
    動作時電（Ｅ）界がかかる複数の活性半導体層と、
    前記複数の半導体層のうちの少なくとも１つの中に、前記動作時電（Ｅ）界を打ち消すための負イオン領域と
    を備えることを特徴とする半導体デバイス。
  12. 高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備えることを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス。
  13. 前記活性半導体層は、ＩＩＩ族窒化物材料を備え、
    前記負イオン領域は、フッ素イオンを備えることを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス。
  14. 前記負イオン領域は、前記活性半導体層の中に種々の深さの部分を有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス。
  15. 前記負イオン領域は、種々の場所に種々の濃度の負イオンを備えることを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス。
  16. ＩＩＩ族窒化物ベースのバッファ層と、
    前記バッファ層の上の、ＩＩＩ族窒化物ベースのバリア層と、
    前記バッファ層と前記バリア層とのヘテロ界面における２次元電子ガス（２ＤＥＧ）と、
    前記バリア層の上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと、
    前記ソースコンタクトと前記ドレイコンタクトとの間の前記バリア層の上のゲートと、
    前記ＨＥＭＴの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消すためのフッ素負イオン領域と
    を備えることを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
  17. 前記負イオン領域は、少なくとも一部が前記バリア層の中にあることを特徴とする請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  18. 前記負イオン領域は、少なくとも一部が前記バッファ層の中にあることを特徴とする請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  19. 前記負イオン領域は、少なくとも一部が前記ゲートの下にあることを特徴とする請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  20. フィールドプレートをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  21. 半導体デバイスを製造する方法であって、
    基板を設けるステップと、
    前記基板の上にエピタキシャル層を成長させるステップと、
    前記半導体デバイスの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消すために、前記エピタキシャル層の中に負イオンを導入し、負イオン領域を形成するステップと
    を備えることを特徴とする方法。
  22. 前記エピタキシャル層の上にコンタクトを堆積させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  23. 前記負イオンは、エッチングシステムにおけるプラズマ処理を用いて前記エピタキシャル層の中に導入されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  24. 前記エピタキシャル層は、ＩＩＩ族窒化物材料により作られ、
    前記負イオンは、フッ素イオンを備えることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  25. 高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製造する方法であって、
    基板を設けるステップと、
    前記基板の上にＩＩＩ族窒化物のバッファ層およびバリア層を成長させるステップと、
    前記バリア層の中に負イオン領域を形成するステップと
    を備え、
    前記負イオン領域は、前記ＨＥＭＴの中の動作時電（Ｅ）界を打ち消すように働くことを特徴とする方法。
  26. 前記バリア層の上に、ソースコンタクトおよびドレインコンタクトを堆積させるステップと、
    前記バリア層の上にゲートを堆積させるステップと
    をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  27. 前記負イオン領域を形成する前記ステップの前に、前記バリア層の上にソースコンタクトおよびドレインコンタクトを堆積させるステップと、
    前記負イオン領域を形成する前記ステップの後に、前記ゲートを堆積させるステップと
    をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  28. 前記負イオン領域は、フッ素イオンを備えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  29. 前記負イオン領域は、プラズマ処理によって形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  30. 前記エッチングは、ＣＦ4、ＳＦ6、およびＣＨＦ3のグループからのプラズマガス化学処理を用いることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
  31. 前記負イオン領域は、少なくとも一部分が前記ゲートの下にあることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
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