JP2010021581A - 高電子移動度トランジスタの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】トラッピングを少なくするためにＡｌＧａＮ層を薄くし、またゲート漏洩を減少させるために層を追加して最大駆動電流を増加させるようにする。
【解決手段】基板８８を金属有機化学気相成長反応器８０中に置く工程と、基板８８上に高比抵抗のＧａＮ層２０を形成するために、原料ガスを金属有機化学気相成長反応器８０の反応チャンバー８２中に流す工程と、ＧａＮ層２０上に、ＧａＮ層２０よりも広いバンドギャップを有するＡｌＧａＮバリア半導体層１８を形成するために、原料ガスを反応器チャンバー８２中に流す工程と、ＡｌＧａＮバリア半導体層１８上に絶縁層２４を形成するために原料ガスを反応器チャンバー８２中に流す工程と、反応チャンバー８２を冷却する工程と、堆積された層を備える基板８８を前記反応チャンバー８２から取り出す工程とを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）の製造方法に関し、より詳細には、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの高電子移動度トランジスタの製造方法に関する。
マイクロウェーブシステムは、通常増幅器および発信器としてソリッドステートトランジスタを使用し、システムサイズの大巾な縮小と信頼性の向上をもたらす。マイクロウェーブシステムの数量拡大に適応するために、その動作周波数と電力を高めることへ関心が寄せられている。より高い周波数の信号は、より多くの情報を運ぶ（帯域幅）ことができ、非常に高い利得を有するより小さなアンテナが可能になり、解像度の向上したレーダーを提供する。
電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、ケイ素（Ｓｉ）またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体材料から作られるソリッドステートトランジスタの一般的なタイプである。Ｓｉの欠点の１つは、低い電子移動度（約１４５０ｃｍ2／Ｖ・ｓ）を有することであり、ソースの抵抗が高くなる。この抵抗は、ＳｉベースのＨＥＭＴで可能になるはずの高性能利得を極めて劣化させる（例えば、非特許文献１参照）。
また、ＧａＡｓは、ＨＥＭＴに使用する通常の材料であり、民生および軍用レーダー、携帯電話（handset cellular）、衛星通信の信号増幅用の標準になった。ＧａＡｓは、Ｓｉよりもより高い電子移動度（約６０００ｃｍ2／Ｖ・ｓ）とより低いソース抵抗を有し、ＧａＡｓベースのデバイスがより高い周波数で機能することを可能にする。しかし、ＧａＡｓは比較的狭いバンドギャップ（室温で１．４２ｅＶ）と比較的低い降伏電圧（breakdown voltage）を有し、ＧａＡｓベースのＨＥＭＴが高い周波数で高い電力を提供することを妨げている。
窒化ガリウム（ＧａＮ）と窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）半導体材料の製造が向上することによって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮベースのＨＥＭＴを開発する関心が高まった。これらの半導体デバイスは、高い降伏電界強度（breakdown field）、広いバンドギャップ（室温でＧａＮは３．３６ｅＶ）、大きな伝導帯オフセット（conduction band offset）、および高い飽和電子ドリフト速度（saturated electron drift velocity）を含む、その独特な材料特性の組合せによって大量の電力を発生することができる。同じサイズのＡｌＧａＮ／ＧａＮ増幅器は、同じ周波数で動作するＧａＡｓの十倍までの電力を発生することができる。
米国特許明細書である特許文献１は、緩衝層（buffer）および基板上に成長したＡｌＧａＮ／ＧａＮベースのＨＥＭＴおよびその製造方法を開示している。他のＨＥＭＴはＧａｓｋａ等（例えば、非特許文献２参照）およびＷｕ等（例えば、非特許文献３参照）によって記述されている。これらのデバイスのいくつかは、１００ギガヘルツの高さの利得−帯域幅（ｆT）を産み出し（例えば、非特許文献４参照）、Ｘ帯域で１０Ｗ／ｍｍの高い電力密度を示した（例えば、非特許文献５参照）。
米国特許第５，１９２，９８７号明細書 米国再発行特許発明第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
CRC Press, The Electrical Engineering Handbook, Second Edition, Dorf, p. 994, (1997) 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 Wu et al. "High-Al content AlGaN/GaN HEMTs with Very High Performance", IEDM-1999 Digest pp. 925-927, Washington DC, Dec. 1999 Lu et al., "AlGaN/GaN HEMTs on SiC With Over 100 GHz ft and Low Microwave Noise", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 3, March 2001, pp 581-585 Wu et al., "Bias-dependent Performance of High-Power AlGaN/GaN HEMTs", IEDM-2001, Wahington DC, Dec. 2-6, 2001
しかしながら、これらの進歩にもかかわらず、ＡｌＧａＮ／ＧａＮベースのＦＥＴおよびＨＥＭＴは、高い効率および高い利得と一緒にマイクロウェーブの全電力量を顕著に大きくすることはできなかった。それらはＤＣゲート駆動では大きな電力利得を示したが、ミリヘルツの低さから数キロヘルツへ周波数を上げると、それらの増幅度は大きく低下した。
ＡＣとＤＣの増幅度の違いは、主としてデバイスのチャンネルの表面トラップによるものと信じられている。呼び方はいくらか変わるが、１つの種類のキャリアが捕捉された後に次の最も可能性の高い事象が再励起である場合、通常不純物または欠陥中心はトラッピング中心（trappig center）（あるいは単にトラップ）と呼ばれる。
平衡状態では、トラップはＨＥＭＴ中の二次元電子ガス層（２次元ＤＥＧ；twodimensional electron gas）へ電子を与える。また、バンドギャップの底部に位置するトラッピングレベルも、バレンスバンド（Valence band）の伝導近くに位置する他のレベルより、トラップしたキャリアを放出するのが遅い。これは、トラップした電子をバンドギャップの中間近くの中心から伝導バンドへ再励起するために必要なエネルギー増加が、伝導バンドに近いレベルから電子を再励起するのに必要なエネルギーに比べて大きいことによる。
ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０〜１）は、活性化エネルギーが０．７から１．８ｅＶの範囲（ｘに依存する）の低いドナー状態のトラップを有するトランジスタのチャンネル電荷と比肩し得る表面トラップ密度を有する。ＨＥＭＴの動作中、トラップはチャンネルの電子を捕捉する。遅いトラッピングと脱トラッピングのプロセスはトランジスタのスピードを低下させ、マイクロウェーブ周波数での電力性能を大きく低下させる。
ＡｌＧａＮ／ＧａＮベースのＨＥＭＴのトラップ密度は、ＡｌＧａＮバリア層の表面と容積に依存すると考えられている。ＡｌＧａＮ層の厚さを薄くするとトラッピング容積の総計が減少し、それによって高周波動作中のトラッピング効率が低下する。しかし、ＡｌＧａＮ層の厚さを薄くするとゲート漏洩の増大という望ましくない影響を受ける。通常の動作の間、ソースとドレインコンタクトの間にバイアスがかけられ、主として２ＤＥＧを通って電流がコンタクト間を流れる。しかし、より薄いＡｌＧａＮ層を有するＨＥＭＴでは、電流は代りにゲートへ洩れ、ソースからゲートへの望ましくない電流を発生させる。また、より薄いＡｌＧａＮ層は、ＨＥＭＴの可能な最大駆動電流の減少を招くという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、トラッピングを少なくするためにＡｌＧａＮ層を薄くし、またゲート漏洩を減少させるために層を追加して最大駆動電流を増加させるようにした改善されたＡｌＧａＮ／ＧａＮの高電子移動度トランジスタの製造方法を提供することにある。
このような目的を達成するためになされたもので、本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法は、ゲート漏洩のバリアを備えた高電子移動度トランジスタの製造方法であって、基板（８８）を金属有機化学気相成長反応器（８０）中に置く工程と、前記基板（８８）上に高比抵抗のＧａＮ層（２０）を形成するために、原料ガスを前記金属有機化学気相成長反応器（８０）の反応チャンバー（８２）中に流す工程と、前記ＧａＮ層（２０）上に、該ＧａＮ層（２０）よりも広いバンドギャップを有するＡｌＧａＮバリア半導体層（１８）を形成するために、原料ガスを前記反応器チャンバー（８２）中に流す工程と、前記ＡｌＧａＮバリア半導体層（１８）上に絶縁層（２４）を形成するために原料ガスを前記反応器チャンバー（８２）中に流す工程と、前記反応チャンバー（８２）を冷却する工程と、堆積された層を備える前記基板（８８）を前記反応チャンバー（８２）から取り出す工程とを有することを特徴とする。（図１，２，７に対応）
また、ゲート漏洩のバリアを備えた高電子移動度トランジスタの製造方法であって、基板（１３２）上に活性層を形成する工程と、前記基板（１３２）をスパッタチャンバー（１３６）中に置く工程と、前記スパッタチャンバー（１３６）の中で前記基板（１３２）上に絶縁層（２４）をスパッタする工程と、前記スパッタチャンバー（１３６）から前記基板（１３２）を取り出す工程とを有することを特徴とする。（図１，２，８に対応）
このように、本発明によるＨＥＭＴの製造方法は、ＨＥＭＴの活性層が金属有機化学気相成長反応器の中で基板上に形成されている。次いで、活性ＨＥＭＴの活性層上に絶縁層を形成するために原料ガスを反応器に供給する。次いで、ＨＥＭＴはさらなる加工のために反応器から取り出すことができる。
また、本発明によるＨＥＭＴの他の製造方法は、基板上にＨＥＭＴの活性層を形成する。次いで、基板をスパッタ室に置き、絶縁層をＨＥＭＴ活性層の頂部面にスパッタする。次いで、ＨＥＭＴはさらなる加工のためにスパッタ室から取り出すことができる。
さらに、本発明の高電子移動度トランジスタは、高比抵抗半導体層（２０）と、該高比抵抗半導体層（２０）上に設けられたバリア半導体層（１８）と、該バリア半導体層（１８）に接触するするとともに、該バリア半導体層（１８）の表面部を被覆していないソースおよびドレインコンタクト（１３,１４）と、前記バリア半導体層（１８）の被覆されていない表面上に設けられた絶縁層（２４）と、該絶縁層（２４）上に設けられ、ゲート漏洩のバリアを形成するゲートコンタクト（１６）とを備えていることを特徴とする。（図１，２に対応）
このように、本発明によるＨＥＭＴの一種は、高抵抗の半導体層を、その上にバリア半導体層を備えている。バリア半導体層は、高抵抗半導体層よりも広いバンドギャップを有し、バリアと高抵抗層の間に二次元電子ガス層が形成される。コンタクトで被覆されていないバリア半導体層の表面部でバリア層に接触するソースおよびドレインコンタクトが含まれる。絶縁層はバリア半導体層の被覆されていない表面上に含まれる。ゲート漏洩電流へのバリアを形成し、またＨＥＭＴの最大電流駆動を増加させる絶縁層の上に、ゲートコンタクトが堆積されている。
本発明の高電子移動度トランジスタの実施例１を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタの実施例２を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタの実施例３を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタの実施例４を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタの実施例５を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタの実施例６を説明するための構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタを製造するための金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器の構成図である。 本発明の高電子移動度トランジスタを製造するための金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器の構成図である。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例１を説明するための構成図で、本発明によって製造されたＡｌＧａＮ／ＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）１０を示している。
本実施例１の高電子移動度トランジスタは、高比抵抗半導体層２０と、この高比抵抗半導体層２０上に設けられ、この該高比抵抗半導体層２０よりも広いバンドギャップを有するバリア半導体層１８と、このバリア半導体層１８と高比抵抗半導体層２０間に設けられた二次元電子ガス層２２と、バリア半導体層１８にそれぞれ接触しているとともに、このバリア半導体層１８の表面部を被覆していないソース及びドレインコンタクト１３，１４と、バリア半導体層１８の被覆されていない表面上に設けられた絶縁層２４と、ゲート漏洩電流のバリアを形成して最大電流駆動を増加させるように、絶縁層２４上に設けられたゲートコンタクト１６とを備えている。
つまり、本実施例１の高電子移動度トランジスタは、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれかであることのできる基板１１を含み、好ましい基板は炭化ケイ素の４Ｈ多形体である。また、他の炭化ケイ素多形体も、３Ｃ、６Ｈ、１５Ｒ多形体を含んで使用することができる。ＡｌxＧａ1-xＮ緩衝層１２（ｘは０と１の間）は基板１１上に含まれ、炭化ケイ素基板とＨＥＭＴ１０の残部の間に適切な結晶構造遷移を提供する。多くの異なる材料が緩衝層１２用に使用することができ、緩衝層に適切な材料はＡｌxＧａ1-xＮであり、ｘ＝１である。
炭化ケイ素は、サファイアよりもＩＩＩ族窒化物により近く一致する結晶格子を有し、高品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらす。また、炭化ケイ素は、非常に高い熱伝導性も有するので、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力電力は（サファイア上に形成されたある種のデバイスの場合とは異なり）基板の熱放散に制約されない。また、半絶縁体の炭化ケイ素基板が入手可能であることによって、デバイス分離の可能性と少ない寄生容量が提供され、民生デバイスが可能になる。ＳｉＣ基板は、Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＤｕｒｈａｍのＣｒｅｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から入手可能であり、それらの製造方法は、米国特許明細書（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）と同様に非特許文献に記載されている。
ＨＥＭＴ１０は、高比抵抗層２０がバリア半導体層１８と緩衝層１２の間に挟まれるように、緩衝層１２上の高比抵抗層２０と高比抵抗基板上のバリア半導体層１８を有する。バリア半導体層１８は、一般に約０．１〜０．３マイクロメートルの厚さであり、バリア半導体層１８と高比抵抗層２０と緩衝層１２は、エピタキシャル成長またはイオン注入によって基板１１上に形成されることが好ましい。
また、ＨＥＭＴ１０は、高比抵抗層２０の表面上に存在するソースおよびドレインコンタクト１３、１４を備えている。バリア半導体層１８は、ソースおよびドレインコンタクト１３と１４の間に配設され、各々バリア半導体層１８の端部に接触している。絶縁層２４は、ソースおよびドレインコンタクト１３と１４の間のバリア半導体層１８上に設けられている。本実施例１では、絶縁層２４は、バリア半導体層１８の全体を被覆するが、他の実施例（後述する）では、バリア半導体層１８の全ては被覆されない。絶縁層２４は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、またはその多層を込みこんだ組合せを含む多くの異なる材料から作ることができるが、制限はされない。
ソースおよびドレインコンタクト１３と１４は、マイクロウェーブデバイスでは、通常１．５〜１０マイクロメートルの距離の範囲で分離されている。整流ショットキコンタクト（ゲート）１６は、ソースおよびドレインコンタクト１３と１４の間の絶縁層２４の表面上に配置され、一般に０．１〜２マイクロメートルの範囲の長さを有する。ＨＥＭＴの全幅は必要な総電力による。それは３０ミリメートルよりも広くできるが、典型的な幅は１００ミクロン〜６ミリメートルである。
ＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８は、ＧａＮ層２０よりも広いバンドギャップを有し、このエネルギーバンドギャプの不連続性は広いバンドギャプから低いバンドギャプ材料への自由電荷移動をもたらす。電荷は２つの間の界面に蓄積し、２次元電子ガス（２ＤＥＧ；two dimensional electron gas）層２２を作って、ソースおよびドレインコンタクト１３、１４の間に電流が流れるようになる。２ＤＥＧ層は、非常に高い電子移動度を有し、ＨＥＭＴに高周波での非常に高い相互コンダクタンスを与える。ゲート１６に静電気的に印加された電圧は、ゲート下部の２ＤＥＧ層中の電子数を直接制御し、したがって、全電子流を制御する。
ソースおよびドレインコンタクト１３と１４は、チタン合金、アルミニウム、ニッケル、金から形成されることが好ましく、ゲート１６は、チタン、白金、クロム、ニッケル、チタンとタングステンの合金、ケイ化白金から形成されることが好ましい。上述した実施例１では、コンタクトは、ニッケル合金、ケイ素、チタンを含み、それぞれこれらの材料の層を堆積し、次いで、アニールすることによって形成される。この合金系は、アルミニウムを省いているので、アニール温度がアルミニウムの融点（６６０℃）を超えるときに、デバイス表面上の望ましくないアルミニウムの汚染物の発生を防止する。
動作の間、ドレインコンタクト１４は、特定の電位（ｎチャンネルデバイスでは正のドレン電位）でバイアスされ、ソースは接地される。これによって電流がドレンからソースコンタクト１３、１４へチャンネルと２ＤＥＧ層を通って流れる。電流の流れは、ゲート１６に加えられたバイアスと周波数電位によって制御され、チャンネル電流を調整し利得を得る。
上述したように、ＡｌＧａＮバリア半導体層１８のトラップ密度は、バリア半導体層の容積に依存し、バリア半導体層１８の厚さを薄くすることによってトラッピング密度も減少してトラッピング効率を低くすることができる。しかし、ＡｌＧａＮバリア半導体層１８の厚さを減少することによって、ゲートの漏洩が増加し、デバイスの最大電流駆動が低下する。
ゲート１６とバリア半導体層１８の間に絶縁層２４を有することによって、ＨＥＭＴ１０のゲート漏洩は減少する。ゲート漏洩は、ＨＥＭＴ１０の劣化の一要因であるので、これはデバイスの長期間の信頼性向上に直接大きな影響を与える。ＨＥＭＴ１０の始動電圧は、絶縁層２４に使用された材料に依存するもので、始動電圧は３〜４ボルト程度の高さにすることができる。次いで、ＨＥＭＴ１０は、蓄積モードにおいてより高い電流レベルとより高い入力駆動レベルで作動することができる。また、絶縁層２４は、ＨＥＭＴ１０の本来の不動態物として働くことができ、その信頼性を向上する。
図２は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例２を説明するための構成図で、図１に示してＨＥＭＴ１０に類似したＡｌＧａＮベースのＨＥＭＴ３０を示している。
本実施例２のＨＥＭＴ３０は、基板１１と緩衝層１２とＧａＮ層２０と２ＤＥＧ層２２とＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８と絶縁層２４とを含む類似の層を有している。ＨＥＭＴ３０は、また、ＨＥＭＴ１０のそれに類似したソース、ゲート、ドレインコンタクト１３、１６、１４を有する。ＨＥＭＴ３０は、ソース、ゲート、ドレインコンタクト１３、１６、１４の間に、絶縁層２４の表面上に配設された追加の誘電体層３２を備えている。誘電体層３２は、望ましくない不動態化、不純物、および取り扱い中に発生しがちな損傷からＨＥＭＴを保護する。絶縁層２４は、多くの異なる材料またはその組合せから作ることができ、適切な材料はＳｉxＮyである。
絶縁層２４は、ゲート漏洩を減少する働きをし、ゲート１６とバリア半導体層１８の間に挟まれた絶縁層２４の区画による電流駆動を増加させる。ゲート１６を超えて伸延する絶縁層２４の区画は、コンタクト間のバリア半導体層の表面の保護の役に立つが、ゲート漏洩の減少または電流駆動の増加には役立たない。
図３は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例３を説明するための構成図で、図１及び図２に示したＨＥＭＴ１０及びＨＥＭＴ３０と類似した本発明によるＨＥＭＴ４０の実施例３を示している。
本実施例３のＨＥＭＴ４０は、基板１１と緩衝層１２とＧａＮ層２０と２ＤＥＧ２２とＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８とを含む類似の層を有している。また、ＨＥＭＴ３０は、ＨＥＭＴ１０およびＨＥＭＴ４０のそれに類似したソース、ゲート、ドレインコンタクト１３、１４、１６を有する。しかし、ＨＥＭＴ４０の絶縁層４２は、絶縁層４２がゲートコンタクト１６とバリア半導体層１８の間にだけ挟まれるように、ゲートコンタクト１６の下部にのみ含まれる。コンタクト１３、１４、１６の間のバリア半導体層１８の表面は、絶縁層４２で被覆されていない。それは被覆されずに残るか、あるいは誘電体層４４を含むことができ、トラッピング効率の減少を助け、ＨＥＭＴ層への望ましくない不動態化や損傷を減少するのに役立つ。それはまた、ＨＥＭＴ層へ不純物が導入されるのを低減することに役立つ。
誘電体層４４は、窒化ケイ素（ＳｉxＮy）であることが好ましく、ケイ素は、トラッピングを減少させるドナー電子源である。最も効果的であるためには、誘電体層３２と誘電体層４４は、以下の条件を満足しなければならない。第１に、それは豊富なドナー電子源を提供するドープ剤を持たなければならない。窒化ケイ素では、層はＳｉのパーセントが高くなければならない。出願人はいかなる動作理論にも拘束されること望まないが、現在は、層からの電子が表面トラップを充填し、それらが中性になって動作中にバリア半導体層の電子を捕捉しないと考えられている。
第２に、ドープ剤のエネルギーレベルはトラップ中のエネルギーレベルよりも高くなければならず、最適な結果を得るには、エネルギーがバリア半導体層の伝導帯端（conduction band edge）のエネルギーレベルよりも高くなければならない。これによってゲート金属からの電子がドナー状態になる可能性を低減し、そのエネルギーレベルでのトラッピングおよび脱トラッピング（de-trapping）を防止すると考えられている。ドープ剤のエネルギーレベルがバリア半導体層の伝導帯のエネルギーレベルよりも僅かに低ければ層は機能するが、そのエネルギーが高いほど良い。
第３に、デバイスの表面に損傷が少ないか、または皆無であるべきであり、誘電体層の形成が表面の損傷を増加させてはならない。表面の損傷はより多くの表面トラップを形成することができると考えられている。
第４に、被覆と伝導チャンネルの間の結合は応力の下で安定しているべきである。結合が不安定であると、電界、電圧、または温度の増加によって生じた応力を受けて、実際の動作中に層が機能しなくなる。
金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いてインシトゥーに堆積された絶縁層を有するＨＥＭＴでは、低い降伏電圧を経験しがちである。出願人はいかなる１つの理論にも拘束されることを望まないが、この低い降伏電圧は、ＳｉＮ層の成長中にＡｌＧａＮバリア半導体層のドーピング／劣化に起因するものと考えられている。ＳｉＮ層の成長温度などの成長条件もまたＨＥＭＴのシート電荷（sheet charge）の移動度に影響を与えた。絶縁層の成長温度を下げることによってＨＥＭＴの劣化は少なくなったが、ＳｉＮの成長速度も低下する結果となった。
ＡｌＧａＮバリア半導体層のドーピングまたは劣化なしに通常の成長速度で絶縁層の成長を行うために、単一絶縁層の代りに二重絶縁層の構成を用いることができる。
図４は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例４を説明するための構成図で、図１乃至図３に示したＨＥＭＴ１０、３０、４０に類似したＨＥＭＴ５０を示している。
本実施例４のＨＥＭＴ５０は、類似の基板１１と緩衝層１２とＧａＮ層２０と２ＤＥＧ層２２とＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８とを有している。また、ＨＥＭＴ３０は、類似のソース、ゲート、ドレインコンタクト１３、１４、１６を有する。しかし、ＨＥＭＴ５０は、単一絶縁層の代りに用いられる二重絶縁層の構成を有する。二重層は、ソースとドレン１３、１４の間にバリア半導体層１８上のＡｌＮスペーサー層５２を備えている。ＳｉＮ絶縁層５４は、このＳｉＮ絶縁層５４の上に構成されたゲートコンタクト１６を備えてＡｌＮスペーサー層５２上に設けられている。
ＡｌＮスペーサー層５２は、ＳｉＮ絶縁層５４と活性ＡｌＧａＮバリア半導体層１８の間でスペーサーまたはバリアとして働く。このスペーサー層５２は、通常の成長条件でのＳｉＮ絶縁層５４の成長中にバリア半導体層１８のドーピング／劣化を防止する。
他の材料は、ＳｉＮ絶縁層５４の通常の成長速度での堆積の間に、材料がＡｌＧａＮバリア半導体層１８のドーピングまたは劣化を防止する限り、スペーサー層５２用に使用することができる。また、ドーピングと劣化が防止できるならば、ＳｉＮ絶縁層５４を直接ＡｌＧａＮバリア半導体層１８上にスペーサー層５２なしで堆積する方法も使用することができる。本発明のこれらの特徴の重要な態様はＨＥＭＴの低い降伏電圧が防止されることである。
図５は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例５を説明するための構成図で、図４に示したＨＥＭＴ５０に類似した本発明によるＨＥＭＴ６０を示している。
類似の基板１１と緩衝層１２とＧａＮ層２０と２ＤＥＧ層２２とＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８とＡｌＮスペーサー層５２とＳｉＮ絶縁層５４とを有している。ＨＥＭＴ６０は、また、類似のソース、ゲート、ドレインコンタクト１３、１４、１６を有する。また、ＨＥＭＴ６０は、コンタクト１３、１４、１６間のＳｉＮ絶縁層５４の露出した表面上に、図２に示したＨＥＭＴ３０の誘電体層３２に類似した誘電体層６２を備えている。ＨＥＭＴ３０の誘電体層３２のように、誘電体層５４は、望ましくない不動態化、不純物および取り扱い中に生じる損傷からＨＥＭＴ６０を保護するのに役立つ。誘電体層５４は、多くの異なる材料または材料の組合せから作ることができ、適切な材料はＳｉxＮyである。
図６は、本発明の高電子移動度トランジスタの実施例６を説明するための構成図で、図３に示したＨＥＭＴ４０に類似した本発明による他のＨＥＭＴ７０を示し、絶縁層をゲートコンタクトの下部にのみ有する。
本実施例６のＨＥＭＴ７０は、類似の基板１１と緩衝層１２とＧａＮ層２０と２ＤＥＧ層２２とＡｌxＧａ1-xＮバリア半導体層１８とソース、ゲート、ドレン１３、１４、１６とを有している。ＨＥＭＴ７０のＳｉＮ絶縁層７２とＡｌＮスペーサー層７４は、ゲート１６の下部にのみ設けられ、両方ともゲート１６とバリア半導体層１８の間に挟まれている。他の実施例（図示されていない）では、スペーサー層７４は、ゲートを超えて伸延し、コンタクト１３、１４、１６間のバリア層の表面を被覆することができる。
また、ＨＥＭＴ７０は、図６に示すように、コンタクト１３、１４、１６間のバリア半導体層１８の表面を被覆する誘電体層７６を備えている。図３に示したＨＥＭＴ４０における誘電体層４４と同じように、誘電体層７６はトラッピング効率の減少を助け、かつＨＥＭＴ７０の層への望ましくない不動態化と損傷の減少に役立つ。また、ＨＥＭＴ層へ不純物が導入されるのを減少するのに役立つ。誘電体層７６は、窒化ケイ素（ＳｉxＮy）であることが好ましく、ケイ素はあらゆるトラップを充填するドナー電子源である。最も効果的であるためには、誘電体層７６は、図３に示した誘電体層４４について上述した４つの条件を満たさなければならない。
上述したＨＥＭＴ７０の活性層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮから作られるが、それらは他のＩＩＩ族窒化物材料から作ることもできる。ＩＩＩ族窒化物は、窒素と周期律表のＩＩＩ族の元素、通常アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）との間で形成される半導体化合物を意味している。また、用語は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮなどの三元および三次化合物も意味している。
次に、本発明の高電子移動度トランジスタの製造方法について説明する。
本発明は、単一または二重絶縁層を有する上述したＨＥＭＴを製造方法も開示している。絶縁層は、ＭＯＣＶＤ、プラズマ化学気相成長法（ＣＶＤ）、熱フィラメントＣＶＤまたはスパッタを用いて、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ半導体材料の上に堆積することができる。
図７は、本発明の高電子移動度トランジスタを製造するための金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器の構成図で、基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮ活性層を成長させ、絶縁層を堆積する新規な方法に使用されるＭＯＣＶＤ反応器８０を示している。
反応器８０は、回転軸８６で支持された成長台座８４を有する反応チャンバー８２を備えている。大部分の用途において、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）サファイアなどの基板８８は、成長台座８４の上に配設されるが、他の基板も使用することができる。
成長の間、台座８４は、基板８８を予め定めた温度に維持するためにヒーター要素９０によって加熱される。温度は一般に摂氏４００〜１２００度（℃）であるが、必要とする成長の種類によってさらに高くすることも低くすることもできる。ヒーター要素９０は、種々の加熱装置であることができるが、通常無線周波数（ＲＦ）または抵抗コイルである。
キャリアガス９２がガスライン９４に供給され、キャリアガス９２は、水素または窒素である。また、キャリアガス９２は、流量制御器９５ａ、９５ｂ、９５ｃを通してそれぞれバブラー（bubbler）９６ａ、９６ｂ、９６ｃにも供給される。バブラー９６ａは成長化合物、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、またはトリメチルインジウム（ＴＭＩ）など、一般にメチルまたはエチル基を有するアルキル化化合物を有する。バブラー９６ｂと９６ｃも類似の金属有機化合物を含むことができ、ＩＩＩ族化合物の合金を成長することができる。バブラー９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、一般に定温槽９８ａ、９８ｂ、９８ｃで予め定めた温度に維持され、金属有機化合物がキャリアガス９２によって反応チャンバー８２に運ばれる前に一定の蒸気圧を確保する。
バブラー９６ａ、９６ｂ、９６ｃを通過するキャリアガス９２は、必要なバルブ１００ａ、１００ｂ、１００ｃの組合せを開くことによって、ガスライン９４内を流れるキャリアガス９２と混合される。次いで、混合されたガスは、反応チャンバー８２の上端部に形成されたガス導入口１０２を通って反応チャンバー８２の中へ導入される。
アンモニアなどの窒素含有ガス１０４は、流量制御器１０６を通してガスライン９４に供給される。窒素含有ガスの流れはバルブ１０８によって制御される。キャリアガス９２が窒素含有ガス１０４と混合され、またガスライン９４内のＴＭＧ蒸気が反応チャンバー８２の中に導入されるならば、ＴＭＧとアンモニアを含有するガス中の分子の熱分解によって、基板８８上に窒化ガリウムを成長する元素が存在することになる。
基板８８上に窒化ガリウムの合金をドーピングするには、ＴＭＧ用に使用されていないバブラー９６ａ、９６ｂ、９６ｃの１つがドープ剤材料用に使用され、通常ドープ剤は、マグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）であるが、ベリリウム、カルシウム、亜鉛、または炭素などの他の材料であることもできる。バブラー９６ｂまたは９６ｃは、ホウ素、アルミニウム、インジウム、リン、ヒ素、または他の材料などの合金材料に使用される。ドープ剤と合金を選択し、適切なバルブ１００ａ、１００ｂ、１００ｃを開いてドープ剤をガリウムおよび窒素含有ガス１０４と一緒にガスライン９４に流すと、窒化ガリウムのドーピング層が基板８８の上に成長する。
反応チャンバー８２内のガスは、油圧で運転可能なポンプ１１２に接続されたガスパージライン１１０を通して追い出すことができる。さらに、パージバルブ１１４はガスの圧力を高め、または反応チャンバー８２から逃がすことが可能である。
成長プロセスは、一般にバルブ１００ａと１００ｂを閉じてガリウムとドープ剤源を遮断し、窒素含有ガスとキャリアガスの流れを保つことによって停止される。他の方法として、反応チャンバー８２は、流量制御器１１８とバルブ１２０によって制御できるガス１１６でパージすることができる。パージは、バルブ１１４を開き、ポンプ１１２で反応チャンバー８２の過剰の成長ガスを排出することによって促進される。典型的には、パージガス１１６は水素であるが、他のガスであることができる。ヒーター要素９０への電力を切断することによって基板８８は冷却される。
本発明による一実施例では、絶縁層／複数の層の付着はＡｌＧａＮ／ＧａＮ半導体材料の成長の後、かつ反応チャンバー８２の冷却の前または間に行われる（インシトゥーと呼ばれる）。反応チャンバー８２中の半導体材料の成長に続いて、望ましくない成長ガスは適切なバルブ１００ａ、１００ｂ、１００ｃの組合せを閉じることによって遮断される。上述したように、望ましくないガスを除去するために反応器を短時間パージすることができる。次いで、ガスは反応器に流入して絶縁層を堆積するが、好ましい方法では、絶縁層用に使用されるガスは典型的なＭＯＣＶＤ源から提供される。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ半導体材料上へＳｉ3Ｎ4絶縁層を堆積するときに、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）とアンモニア（ＮＨ6）が反応チャンバー８２の中にガスライン９４を通して導入される。ここで熱分解によって、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料上にＳｉ3Ｎ4を堆積する分子が存在することになる。二重絶縁層を堆積するときに、適切なガスをチャンバー中に導入し、Ｓｉ3Ｎ4を堆積する前にＡｌＮ層を形成する。
誘電体層を有するＨＥＭＴのこれらの実施例において、誘電体層はインシトゥーで堆積することもできる。誘電体層に使用することのできる化合物の例には、Ｓｉ、Ｇｅ、ＭｇＯx、ＭｇＮx、ＺｎＯ、ＳｉＮx、ＳｉＯx、ＳｃＯx、ＧｄＯxおよびその合金がある。同様にＳｉＮx／Ｓｉ、ＭｇＮx／ＳｉＮx、またはＭｇＮx／ＭｇＯxなどの適切な材料の多重層および繰り返しスタック層もバリア層として使用することができる。異なるバリア半導体層を次の原料ガスから形成することができる。シランまたはジシランからＳｉ、ゲルマンからＧｅ、シクロペンタジエニルマグネシウムまたはメチル−シクロペンタジエニルマグネシウムとアンモニアからＭｇＮx、シクロペンタジエニルマグネシウムまたはメチル−シクロペンタジエニルマグネシウムと亜酸化窒素からＭｇＯ、ジメチル亜鉛またはジエチル亜鉛と亜酸化窒素または水からＺｎＯ、シランまたはジシランとアンモニアまたは亜酸化窒素からＳｉＮx、シランまたはジシランと亜酸化窒素から形成されるＳｉＯxである。
絶縁層および誘電体層が堆積された後、半導体材料を反応チャンバー８２の中で冷却することができる。半導体材料は次いで冷却した反応チャンバー８２から取り出すことができる。構造にメタライゼーションなどの追加の加工準備ができると、層の部分はフッ化水素酸（ＨＦ）の湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング、またはプラズマエッチングを含む、異なる多くの方法で除去することができるが、制限するものではない。
本発明による高電子移動度トランジスタの製造方法は、絶縁層を堆積する他の方法としてスパッタによるものがある。
図８は、本発明の高電子移動度トランジスタを製造するための金属有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）反応器の構成図で、基板上に材料を堆積するのに使用することのできる、簡略化したスパッタチャンバー１３０を示している。
運転中、半導体デバイス１３２は、陽極１３４上に置かれる。次いで、チャンバー１３６を排気し、アルゴンなどの不活性ガス１３８をガスライン１４０に送り、背景圧力を維持するためにバルブ１４２によって遮断する。基板／デバイス上に堆積すべき材料から作られた陰極１４４は、チャンバー１３６内に置かれる。電極間に高電圧１４６を印加することで不活性ガスはイオン化され、正のイオン１４８が陰極１４４に向かう。陰極１４４に衝突すると、それらは陰極の原子１５０に衝突し、それらが放出されるのに十分なエネルギーを与える。スパッタされた陰極の原子１５０は空間を移動し、結局スパッタされた原子１５０からの被覆１３３で陽極１３４と半導体デバイス１３２を覆う。
他のスパッタユニットは、より複雑かつ精細であることができるが、それらは大部分同じ物理的な機構で作動する。より複雑なスパッタシステムを使用すれば、金属と誘電体を続けてスパッタし堆積することが可能である。
スパッタ法は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＨＥＭＴ上に絶縁層を堆積するのに使用することができる。ＨＥＭＴは、最初にＭＯＣＶＤなどのプロセスによって半導体ウェーハ上に形成される。次いで、ウェーハは洗浄され（ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ（１：４）で約１０〜６０秒間）、半導体デバイス１３２は、次いで、陰極１４４にケイ素源を有するスパッタチャンバー１３６内に装填される。ＳｉxＮy絶縁層がスパッタによってウェーハ上に堆積する。スパッタプロセスは、スパッタチャンバー１３６を約３×１０-7トルの低圧にポンプ減圧する特別のステップを含む。流量２０〜１００ｓｃｃｍ、圧力５〜１０ミリトルの原料ガスを用い、次いで、２００〜３００ＷのＲＦで約２分間プラズマを始動する。これによって、陰極１４４のケイ素に衝撃を与え、その表面を清浄化する。次いで、スパッタ条件を、アルゴンガス流量が１０〜１２ｓｃｃｍ、窒素ガス流量が８〜１０ｓｃｃｍ、チャンバー圧力が２．５〜５ミリトル、ＲＦ電力が２００〜３００Ｗであるように変更する。この条件を２分間維持してＳｉ陰極１４４をスパッタする。スパッタされたケイ素は窒素と反応し、得られる窒化ケイ素が半導体デバイス１３２上に堆積する。
スパッタの後、次のステップ１３０は、窒素ガスを停止して２０〜１００ｓｃｃｍのアルゴンガスを２分間流し、Ｓｉ表面を清浄化することである。全てのガスと電力を次いで停止し、チャンバーを５分間冷却させて排気する。次いで、半導体デバイス１３２をスパッタチャンバーから取り出す。次いで、半導体デバイスの層をエッチングすることができる。次いで、フッ化水素酸の湿式化学エッチング（ＨＦ）、反応性イオンエッチング、またはプラズマエッチングを含む種々の方法を用いて、ソース、ゲート、およびドレインコンタクト用に窓を設けることができるが制限するものではない。
他の方法として、スパッタチャンバー１３０内で絶縁層を堆積する前に、コンタクトとゲートを堆積することができよう。次いで、リードを接続するためにコンタクトとゲート上の誘電体層をエッチングすることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、他の変形も可能である。絶縁層は異なる材料系からなるＨＥＭＴ上、および他の半導体デバイス上に使用することができる。また絶縁層は、ＰＥＣＶＤ、電子ビーム成長、誘導結合プラズマ、ＩＣＰ成長を含み、上述した以外の多くの異なる方法を使用して付着することができる。したがって、本発明の技術的範囲は、本明細書に説明した好ましい実施例に制限されるべきものではない。
１０，３０，４０，５０，６０，７０ 高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）
１１ 基板
１３ ソースコンタクト
１４ ドレインコンタクト
１６ ゲートコンタクト
１８ バリア半導体層
２０ 高比抵抗半導体層
２２ 二次元電子ガス層
２４，４２ 絶縁層
３２，４４，６２，７６ 誘電体層
５２，７４ ＡｌＮスペーサー層
５４，７２ ＳｉＮ絶縁層
８０ 反応器
８２ 反応チャンバー
８６ 回転軸
８８ 基板
９０ ヒーター要素
９２ キャリアガス
９４ ガスライン
９５ａ，９５ｂ，９５ｃ 流量制御器
９６ａ，９６ｂ，９６ｃ バブラー
９８ａ，９８ｂ，９８ｃ 定温槽
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ バルブ
１０２ ガス導入口
１０４ 窒素含有ガス
１０６ 流量制御器
１０８ バルブ
１１０ ガスパージライン
１１２ ポンプ
１１４ パージバルブ
１１６ ガス
１１８ 流量制御器
１２０ バルブ
１３０ スパッタチャンバー
１３２ 半導体デバイス
１３３ 被覆
１３４ 陽極
１３６ チャンバー
１３８ 不活性ガス
１４０ ガスライン
１４２ バルブ
１４４ 陰極
１４６ 高電圧
１４８ 正のイオン
１５０ 原子

Claims (2)

  1. ゲート漏洩のバリアを備えた高電子移動度トランジスタの製造方法であって、
    基板を金属有機化学気相成長反応器中に置く工程と、
    前記基板上に高比抵抗のＧａＮ層を形成するために、原料ガスを前記金属有機化学気相成長反応器の反応チャンバー中に流す工程と、
    前記ＧａＮ層上に、該ＧａＮ層よりも広いバンドギャップを有するＡｌＧａＮバリア半導体層を形成するために、原料ガスを前記反応器チャンバー中に流す工程と、
    前記ＡｌＧａＮバリア半導体層上に絶縁層を形成するために原料ガスを前記反応器チャンバー中に流す工程と、
    前記反応チャンバーを冷却する工程と、
    堆積された層を備える前記基板を前記反応チャンバーから取り出す工程と
    を有することを特徴とする高電子移動度トランジスタの製造方法。
  2. ゲート漏洩のバリアを備えた高電子移動度トランジスタの製造方法であって、
    基板上に活性層を形成する工程と、
    前記基板をスパッタチャンバー中に置く工程と、
    前記スパッタチャンバーの中で前記基板上に絶縁層をスパッタする工程と、
    前記スパッタチャンバーから前記基板を取り出す工程と
    を有することを特徴とする高電子移動度トランジスタの製造方法。
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