JP2010141144A - 高電力マイクロ電子デバイスのための金属化構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高電力で高性能なデバイスによって生成される熱応力に耐えることができる金属相互接続システムを提供する。
【解決手段】半導体デバイス構造であって、炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分と、該半導体部分に対する相互接続構造であって、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む、相互接続構造とを備え、該拡散バリア層は、該高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、該それぞれの熱膨張係数の差異は、該高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい、半導体デバイス構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、比較的高い電力で動作する３つ以上の端子を備えた半導体デバイスのための相互接続金属構造に関する。実施例には、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成された金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、ＩＩＩ族窒化物材料系で形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、およびゲート周辺（またはより広い範囲）において１ミリメートルあたり１ワット（１Ｗ／ｍｍ）の公称電力損で動作するデバイス、または公称動作条件下で１５０℃を超える熱エクスカーション（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）を受けるデバイスのような他のデバイスが挙げられる。

半導体技術分野において一般に十分認識されているように、半導体デバイスの動作特性および性能（または限界）は、半導体材料の特性に依存する。シリコンおよび砒化ガリウム（ＧａＡｓ）は、広範囲の半導体電子デバイスに用いられているが、それらの動作性能の一部は、それらのバンドギャップ（例えば、３００Ｋにおいて、Ｓｉが１．１２電子ボルト（ｅＶ）、ＧａＡｓが１．４２ｅＶ）、およびそれらの物理的性質（例えば、融点）によって制限される。したがって、より高い電力デバイスに対して、炭化ケイ素、ＩＩＩ族窒化物、およびダイヤモンドのような広いバンドギャップの材料が好ましくなってきている。

電子的観点から、炭化ケイ素は、マイクロ電子デバイスにおける使用を望ましくする、多くの理論的および実用的な利点を有する。炭化ケイ素は、広いバンドギャップ（３００Ｋにおいて、α−ＳｉＣが３．０ｅＶ）、高い臨界絶縁破壊電界（センチメートルあたり約２メガボルト）、および高い熱伝導率（センチメートル−ケルビンあたり約５ワット）を有する。炭化ケイ素はまた、物理的に非常に硬質である。炭化ケイ素は、電子ドリフト速度が高く、熱安定性に優れ、かつ放射能耐性すなわち「硬度」に優れる。これらの利点は、特許文献および非特許文献において十分に認識および説明されている。

ＩＩＩ族窒化物材料系は、広いバンドギャップ（例えば、３００Ｋにおいて、窒化ガリウムが３．３６ｅＶ、ＡｌＮが６．２ｅＶ）を含む、類似した利点を提供する。加えて、ＩＩＩ族窒化物は、特定の原子分率（ｆｒａｃｔｉｏｎ）に基づいて、バンドギャップが３．４〜６．２ｅＶであるいくつかの二元、三元、および第三級化合物を形成する。その結果、該化合物は、ＩＩＩ族窒化物材料間にヘテロ接合および関連する構造を形成する能力を提供する。ＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ構造は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に特に有用である。

このようなデバイスは、最も一般的に組み合わせて回路に使用されるので、該デバイスは、一般的に、いくつかの形態の導電性経路（「相互接続」）を使用して他のデバイスに接続される。半導体デバイスの内、それらの間、それらの間中における（しばしば金属で形成される）これらの相互接続は、このようなデバイスに所望される、または必要とされる動作パラメータ、最も一般的には、電流、電力、および熱（温度）に耐えることができなければならない。

多数ある中の一実施例として、金属半導体電界効果トランジスタおよび高電子移動度トランジスタのような広バンドギャップのデバイスは、長パルスレーダシステムを含む、従来のレーダ周波数（例えば、Ｋｕ帯レーダ用の１６．７ギガヘルツ）において増大された電力出力を発生することができるＭＭＩＣ（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）の構成要素として有用である。しかし、このようなシステムでは、電力密度が増加すると、金属相互接続システムが機能しなくなり始めることが観察された。また、この問題は、半導体エレクトロニクスが長寿命であるという他の利点と比較すると、比較的早期に生じる。例えば、ミリメートルあたり約８〜１０ワット（ゲート周辺）で動作するこのようなＭＥＳＦＥＴおよびＨＥＭＴは、１０百万サイクルという早い時期に機能しなくなることが観察された。デバイスは、１サイクルあたり約１ミリ秒でサイクル動作するので、該デバイスは、数時間で機能しなくなることになる。

他の用途では、当該デバイスは、このような電力レベルで動作させる必要はない。それでも、比較的短い期間で高電力デバイスに不具合が生じることは、同様な問題が、最終的には低電力デバイスに、また、同様に容認できないほどの短い期間で生じることを示している。

複数の金属を使用して相互接続を形成することによって、この問題の一局面が生じる。従来のシステムでは、例えば、半導体に隣接したモリブデンのような、拡散バリア金属を使用する。次いで、金、銀、またはアルミニウムのような、導電性の高い材料の層を拡散バリア金属の上に積層化する。しかし、これらの金属は、隣接する材料層の間およびその中を移動する可能性がある。これによって、今度は、所望されない冶金的反応、空隙、不均等な界面、および腐食等の問題が生じる。文字通り、拡散バリア金属は、高導電率金属が、所望されない様態で半導体と反応しないようにする。

加えて、モリブデン層、またはチタンのような代替金属が、接着層として含まれる場合があり、デバイス内の、またはデバイスに対するオーミック接点または相互接続の維持に役立つ。

高電力デバイスは、比較的高い温度および高い熱サイクル（例えば、１５０℃を超える範囲）を発生するので、これらの金属（および他の材料）に関する熱効果を考慮しなければならない。その結果、およびより広いバンドギャップ材料は、（類似したサイズおよび構造の他のデバイスに対する）より低いバンドギャップ材料よりも高い電力で動作することができることから、相互接続金属に対する熱応力は、該金属がシリコンベースまたは砒化ガリウムベースのデバイス内にあるときよりも、広バンドギャップ材料内にあるときのほうが大きくなる。

当然、膨張も当該の熱効果である。材料が膨張する程度は、適用温度および熱膨張係数に依存する。従来技術において十分理解されているように、線熱膨張係数は、２７３Ｋでの長さに対する、１Ｋあたりの長さの変化の比率である。三次元における膨張を考慮すると、体膨張係数は、一般的に、線膨張係数の約３倍である。さらに、係数の値は、温度に依存する。

概して、半導体材料は、比較的低い熱膨張係数を有する。金属は、半導体よりも高い熱膨張係数を有する。金属の中で、高導電性金属は、低導電性の材料よりも極めて高い熱膨張係数を有する傾向がある。拡散バリアの性質は、低熱膨張係数に関係づけられる傾向がある。

オーミック特性、接着、拡散バリア、および導電性をもたらすように、半導体上の金属相互接続システムは、しばしば目的ごとの層を含む。例えば、オーミック接点のための１つの層と、接着のための異なる材料の第２の層と、拡散バリアとしての役割を果たすさらに別の材料の第３の層と、高導電性を提供する別の材料の第４の層とを含む。その結果、相互接続は、概して、比較的広範囲の熱膨張係数を有する３つまたは４つの異なる材料から構成される。したがって、高電力の広バンドギャップのデバイスが所与の温度範囲にわたってサイクル動作すると、熱膨張応力によって互いの層が離層する（ｄｅｌａｍｉｎａｔｅ）傾向がある。特に、熱効果は、層を横切る主（Ｚ方向）応力とともに、層の間にせん断応力（横向き）を生じさせる。その結果、応力および他の潜在的な因子が、抵抗の増加、薄膜（ｆｉｌｍ）離層、パッシベーションクラッキング、および破局的なデバイスの不具合をもたらす可能性がある。

改善されたデバイスは、従来の材料で作製された同等のサイズおよび構造のデバイスにおいてこれまで見られなかった電力レベルに達していることから、離層問題の発生は観察されていない。したがって、ある程度、これらの新しい問題は、広バンドギャップ材料の高電力デバイスの設計および製造に起因するものである。

当然、実際の使用において、金属相互接続のような関連する材料が、比較的初期の段階で機能しなくなる傾向があれば、デバイスの理論的な電力能力は意味を成さなくなる。

したがって、これらのより高性能なデバイスによって生成される熱応力に耐えることができる金属相互接続システムが必要である。

（概要）
一局面では、本発明は、炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分を含む、半導体デバイス構造である。相互接続構造は、半導体部分に対して作製され、該相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有する。それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。

別の局面では、本発明は、広バンドギャップの絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）である。本局面では、本発明は、炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される第１の半導体部分を含み、第１の導電型（ｐまたはｎ）を有する。それぞれのソース部分およびドレイン部分は、第１の半導体部分内にあり、第１の半導体部分とは逆の導電型を有する。ゲート絶縁体は、ソース部分とドレイン部分との間の第１の半導体部分の上にあり、ゲート接点は、ゲート絶縁体の上にある。相互接続構造は、ソース、ゲート接点、およびドレインのうちの少なくとも１つの上にある。相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。

さらに別の局面では、本発明は、窒化ガリウムの層と、窒化ガリウム層の上にある窒化アルミニウムガリウムの層とを含み、窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層との間にヘテロ接合を形成する、高電子移動度トランジスタである。それぞれのソース接点およびドレイン接点は、窒化ガリウム層の上にあり、ゲート接点は、窒化アルミニウムガリウム層の上にある。該トランジスタは、ソース接点、ドレイン接点、およびゲート接点のうちの少なくとも１つに対する金属相互接続構造を含む。相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。

したがって、本発明は、以下の項目を提供する。
（項目１）
半導体デバイス構造であって、
炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分と、
該半導体部分に対する相互接続構造であって、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む、相互接続構造と
を備え、
該拡散バリア層は、該高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、
該それぞれの熱膨張係数の差異は、該高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい、半導体デバイス構造。
（項目２）
それぞれ２つ以上の高導電性層と互い違いに２つ以上の拡散バリア層を備える、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目３）
上記拡散バリア層のうちの１つに隣接し、該拡散バリア層と、上記広バンドギャップの半導体部分、オーミック接点、ショットキー接点、および誘電層からなる群から選択される上記デバイスの一部との間にある接着層をさらに備える、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目４）
上記高導電性層は、金およびアルミニウムからなる群から選択され、
上記拡散バリア層は、プラチナ、クロム、ニッケルおよびそれらの合金からなる群から選択される、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目５）
上記接着層は、チタン、クロム、タングステンおよびモリブデンからなる群から選択される、項目３に記載の半導体デバイス構造。
（項目６）
上記高導電性層の熱膨張係数は、上記拡散バリア層の熱膨張係数よりも約１．５〜２倍大きく、
上記相互接続構造は、約０．１〜１０ミクロンの厚さを有する、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目７）
上記半導体部分に対するオーミック接点を含み、
該オーミック接点の上に上記金属配線構造を有する、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目８）
上記拡散バリアは、組成が互いに同じであり、上記高導電性層は、組成が互いに同じである、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目９）
上記拡散バリア層は、組成が互いに異なり、上記高導電性層は、組成が互いに異なる、項目１に記載の半導体デバイス構造。
（項目１０）
上記広バンドギャップの半導体部分は、第１の導電型を有し、
絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）は、
該第１の半導体部分とは逆の導電型を有する該広バンドギャップの半導体部分内にあるそれぞれのソース部分およびドレイン部分と、
該ソース部分とドレイン部分との間の該広バンドギャップの半導体部分の上にあるゲート絶縁体と、
該ゲート絶縁体の上にあるゲート接点と
をさらに備え、
上記相互接続構造は、該ソース、該ゲート接点、および該ドレインのうちの少なくとも１つの上にある、項目１に記載のＩＧＦＥＴ。
（項目１１）
上記半導体部分は、炭化ケイ素を含み、
上記拡散バリア層は、プラチナを含み、
上記高導電性層は、金を含む、項目１０に記載のＩＧＦＥＴ。
（項目１２）
上記拡散バリア層の内の少なくとも１つと、上記ソース、上記ゲート接点、および上記ドレインのうちの少なくとも１つとの間にあるチタン接着層と、
オーミック接点のうちの１つの上に上記相互接続を有する該ソースおよび該ドレインの上にある、それぞれのオーミック接点と
をさらに備える、項目１０に記載のＩＧＦＥＴ。
（項目１３）
上記拡散バリア層のうちの少なくとも１つと、上記ソース、上記ゲート接点、および上記ドレインのうちの少なくとも１つとの間に、チタン、タングステン、およびモリブデンからなる群から選択される接着層をさらに備える、項目１０に記載のＩＧＦＥＴ。
（項目１４）
上記広バンドギャップの半導体部分は、窒化ガリウムの層であり、該窒化ガリウムの層の上にある窒化アルミニウムガリウムの層を有し、該窒化ガリウム層と該窒化アルミニウムガリウム層との間にヘテロ接合を形成し、
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、
該窒化ガリウム層に対するそれぞれのソース接点およびドレイン接点と、
該窒化アルミニウムガリウム層に対するゲート接点と
をさらに備え、
上記相互接続構造は、該ソース接点、該ドレイン接点、および該ゲート接点に対して作製される、項目１に記載の高電子移動度トランジスタ。
（項目１５）
炭化ケイ素およびサファイヤからなる群から選択される基板と、
該基板上にあるＩＩＩ族窒化物バッファ層と
をさらに備え、
該基板および該バッファ層は、上記窒化ガリウム層を支持する、項目１４に記載の高電子移動度トランジスタ。
（項目１６）
上記バッファ層は、窒化アルミニウムガリウムを含み、上記窒化ガリウム層は、少なくとも５０００オームセンチメートルの抵抗率を有する、項目１５に記載の高電子移動度トランジスタ。
（項目１７）
チタン、タングステンおよびモリブデンからなる群から選択され、上記拡散バリア層のうちの少なくとも１つに隣接する接着層をさらに備える、項目１４に記載の高電子移動度トランジスタ。
（項目１８）
上記接着層は、拡散バリア層と、上記ソース接点、ゲート接点およびドレイン接点との間にある、項目１７に記載の高電子移動度トランジスタ。

（摘要）
炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分を含む、半導体デバイス構造を開示する。相互接続構造は、半導体部分に対して作製され、該相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有する。それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。

図１は、本発明による金属相互接続システムの概略断面図である。 図２は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおける、本発明による金属相互接続システムの概略断面図である。 図３〜図４は、本発明による相互接続システムを組み込んだ、高電子移動度トランジスタのそれぞれの概略断面図および概略斜視図である。 図３〜図４は、本発明による相互接続システムを組み込んだ、高電子移動度トランジスタのそれぞれの概略断面図および概略斜視図である。 図５は、金属半導体電界効果トランジスタにおける、本発明による金属相互接続システムの概略断面図である。

本発明の上述および他の目的および利点、ならびに同じことが達成される様態は、添付の図面とともに以下の詳細な説明によってより明らかになろう。

（詳細な説明）
図１は、全体的に参照番号１０で示される、本発明による半導体デバイス構造の概略断面図である。特に、括弧で囲んだ部分１１は、排他的ではないが、本発明の基本的な構造を示す。最も一般的な状況では、デバイス構造は、炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分１２を含む。図１の概略図において、基本的な相互接続構造１１は、半導体部分１２に対して作製される。他の状況では、相互接続構造１１は、オーミック接点、ショットキー接点、または誘電体材料に対して作製することができる。図１はまた、相互接続構造１１を、層１７で概略的に示された他の構造要素（例えば、誘電体、ポリマー、金属）で覆うか、またはその下に配置することができることを示す図である。

相互接続構造１１は、それぞれ２つの高導電性層１４（図１には３つが示される）と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層１３（図１には４つが示される）を含む。拡散バリア層１３は、高導電性層１４とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有する。それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層１４の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。

図１はまた、多くの実施形態において接着層１５が、拡散バリア層１３のうちの１つ以上に隣接して使用されることを示す図である。接着層は、隣接層を結合して、該隣接層に付着した状態を保持する能力を提供する、より高い反応特性（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）に対して選択される。

拡散バリア層１３は、熱膨張係数は低いが、より適切な拡散バリア性能を有する材料（合金を含む）から選択される。半導体分野の当業者には既知であるように、いくつかの高導電性金属はまた、特定の半導体材料と反応するか、またはこれらの中に容易に移動し、したがって半導体層と反応するか、またはこれらの中に移動して、デバイスの動作特性を所望されないように改質する可能性がある。例示的な実施形態では、拡散バリア層１３は、プラチナ、タングステン、およびチタンタングステン（ＴｉＷ）のような金属および合金から選択される。

拡散バリア層１３を適所に有する高導電性層１４は、例示的には金およびアルミニウムとの伝導特性（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）に対して選択することができる。上述のように、接着層１５は、それらの適切な反応特性に対して選択され、例示的にはチタンおよびクロムが選択される。いずれの場合においても、それぞれの目的を果たす層は、同一なもの、または互いに異なるものとすることができる。例えば、全ての拡散バリア層を同じ材料で形成することができる。代替的に、残留歪みおよび熱機械的歪みが十分低くなるような薄膜の外面形態であれば、所望の用途における構造の完全性を維持するように、拡散バリア層のうちの１つ以上に異なる材料を使用することができる。同じ可能性は、高導電性層および接着層にも当てはまる。

表１は、いくつかの代表的な金属と１０６Ｋ−１の単位で表されるそれらの熱膨張係数（ＣＴＥ）とを記載したものである。

これらの異なる層が、意図した機能を果たす能力を有し、他の層、すなわち下層の半導体デバイスに悪影響を及ぼさなければ、他の材料をそれらの異なる層に対して選択することができる。熱膨張係数に基づいて選択する場合、高導電性層は、拡散バリア層１３の熱膨張係数よりも約１．５〜２倍大きい熱膨張係数を有さなければならない。換言すると、高導電性層の熱膨張係数は、拡散バリア層の熱膨張係数の約１．５〜２倍でなければならない。

交互配置の拡散バリア層１３および高導電性層１４は、接着層１５の有無にかかわらず、一般的に、約０．１〜１０ミクロン（μｍ）の厚さを有する。厚さに関しては、本発明は、複数の薄層を使用して、従来の２層または３層（接着層／拡散バリア層／導電性層）構造と同じ（ほとんどの場合において、より良好な）性能を達成する機会を提供する。複数の薄層を使用すると、抑制材料の層と高膨張性材料の層との間の界面の総面積が増加することで、層に平行な熱機械的歪みが効率的に低減されることから、層間の応力が低減される。さらに、高膨張性の層の厚さが薄くなることで、低膨張性の層にさらに近接することから、高膨張性の層の中間における応力抑制領域の影響がより大きくなることによって、層に垂直な方向の体積膨張が低減される。

したがって、本発明は、種々の割合で使用することができ、特定の絶対的なサイズに制限されない。拡散バリアは、その厚さが平均粒子サイズの約５倍であるときに最良に機能することが観察された。薄膜を被着する様態は、粒子構造の形成を補助することができ、したがって、粒子構造は、異なる拡散バリア層の性質を形成することができる。

接着層１５は、一般的に、拡散バリアと同じ厚さを有する。すなわち、それを超える厚さを必要とすることなく、それぞれの所望の層を接合するために十分な量である。高導電性層１４の厚さは、予想される電流に基づくことができる。

例示的な一実施態様では、半導体部分１２が炭化ケイ素であるとき、拡散バリア層１３はプラチナであり、高導電性層１４は金であり、接着層１５はチタンである。

例示的な一実施形態では、これに限定されないが、図１に記載の構造は、厚さが約２００ナノメートルのチタン（Ｔｉ）接着層１５を含む。拡散バリア層１３は、厚さが約５０ナノメートルであり、プラチナ（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、および導電性合金、またはこれらの材料の窒化物で形成される。（導電性でない場合、窒化物は、所望されないコンデンサ構造を形成する）。高導電性層は、一般的に、約１．５ミクロンの金（Ａｕ）で形成される。

デバイスという用語は、本願明細書において広く用いられており、接合型ダイオード、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）が挙げられる、任意の適切なデバイスであり得ると理解されよう。

このようなデバイスの基本的な構造および動作は、従来技術において一般に十分理解されている。例示的な参考文献には、Ｓｚｅ、「ＰＨＹＳＩＣＳ ＯＦ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥＳ」、Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（１９８１）、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．、Ｓｚｅ、「ＭＯＤＥＲＮ ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥ ＰＨＹＳＩＣＳ（１９９８）」、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．、およびＺＥＴＴＥＲＩＮＧ、「ＰＲＯＣＥＳＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＦＯＲ ＳＩＬＩＣＯＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥＳ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｉｃｅ（２００２）が挙げられる。

図２は、全体的に参照番号２０で示される、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）における本発明を示す図である。トランジスタ２０は、炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される第１の半導体部分２１を含む。半導体部分２１は、第１の導電型（ｐまたはｎ）を有する。

それぞれのソース部分２２およびドレイン部分２３は、第１の半導体部分２１内にあり、第１の半導体部分２１とは逆の導電型を有する。ゲート絶縁体２４は、ソース２２とドレイン部分２３との間の第１の半導体部分２１の上にあり、チャネル２５を画定する。ゲート絶縁体として酸化物、一般的には二酸化ケイ素を使用した場合、トランジスタは、概して金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）と称される。

一般的に金属またはポリシリコンのような導電材料で形成されたゲート接点２６は、ゲート絶縁体の上にあり、十分理解された様態で、ゲートに電圧を印加し、また、ソース２２とドレイン２３との間の電流を調整する。多くの場合、トランジスタ２０は、フィールド酸化物層２７の一部によって近傍のデバイスから分離される。

図１に関して述べたように、相互接続構造３０は、ソース２２、ゲート接点２６、またはドレイン２３のうちの少なくとも１つに対して作製される。図２は、これらの部材のそれぞれの上にある相互接続構造３０を示す図である。図１の説明のように、相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、熱膨張係数間の差異は、拡散バリア層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。多くの場合、１つ以上の接着層（図１内の１５）も存在する。

図２にも示されるように、トランジスタ２０は、一般的に、ソース２２に対するオーミック接点３２と、ドレイン２３に対するオーミック接点３３とを含み、相互接続構造は、オーミック接点３２または３３の上にある。

半導体部分２１が炭化ケイ素を含む場合、拡散バリア層は、一般的にタングステン、ＴｉＷ、またはニッケルを含み、高導電性層は、金またはアルミニウムを含む。

図３および図４は、本発明による相互接続構造を組み込んだ、全体的に参照番号３５で示される、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す図である。図３に示された構造は、同一人に譲渡された米国特許第７，２３０，２８４号に記載された構造に類似したものであり、参照することによりその全体が本願明細書に援用される。高電子移動度トランジスタは、ヘテロ構造の使用に基づいたものであるので、このようなトランジスタは、ヘテロ構造型電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）とも称される。

本実施形態では、トランジスタ３５は、多くの場合、基板３７によって支持された窒化ガリウム層３６を含み、一般的に炭化ケイ素またはサファイヤで形成される。いずれの場合も、バッファ層４０は、一般的に窒化アルミニウムガリウムであり、該層を使用して、これらの材料の間、および材料の中の単位格子寸法の差異を考慮して、基板３７と窒化ガリウム層３６との間の適切な遷移を提供する。

窒化アルミニウムガリウム層４１は、窒化ガリウム層３６の上にあり、窒化ガリウムよりも広いバンドギャップを有する。背景技術にて説明したように、室温では、窒化ガリウムのバンドギャップは約３．４ｅＶであり、窒化アルミニウムのそれは６．２ｅＶである。したがって、層４１のバンドギャップは、組成式Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮにおいて、アルミニウムおよびガリウムの原子分率（ｘ）に依存する。

当該分野において一般に十分理解されているように、広バンドギャップのＡｌＧａＮ層４１は、ゲート電極４２を窒化ガリウム層３６から分離する。閾値電圧を超えると、薄層４３で概略的に示された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が、広バンドギャップのＡｌＧａＮ層と、狭バンドギャップのＧａＮ層（またはチャネル）３６との間のヘテロ界面に形成される。二次元電子ガスは、ドレイン−ソース電流を担送する。高移動度の電子ガスは、デバイスが、より多くの従来のトランジスタよりも高い周波数で動作する容量を提供する。

図３および図４はまた、ソース接点４４およびドレイン接点４５、ならびに一般的に二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または二酸化ケイ素と窒化ケイ素との好ましい組み合わせで形成されたパッシベーション層または絶縁層４６を示す図である。例示的だが、これに限定されないパッシベーション層は、同一人に譲渡された米国特許第５，７６６，８３７号または米国特許第６，２４６，０７６号に開示されており、参照することによりその全体が本願明細書に援用される。

金属相互接続構造４７は、ソース接点４４、ドレイン接点４５、またはゲート接点４２のうちの少なくとも１つ、２つ、または全てに対して作製される。上述の実施形態のように、相互接続構造は、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つ（潜在的には２つ以上）の拡散バリア層を含む。拡散バリア層は、高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、それぞれの熱膨張係数の差異は、高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい。上述の実施形態のように、相互接続構造４７は、拡散バリア層のうちの少なくとも１つと隣接した接着剤層を含むことができる。

図３および図４に参照番号３５で示されるようなトランジスタでは、窒化ガリウム層３６は、一般的に少なくとも約５０００オームセンチメートルの、潜在的にはそれ以上の抵抗率を有することを意味する、半絶縁性のものとすることができる。

本発明に従って形成されたデバイスは、不具合を生じることなく数百時間にわたって、（１ミリメートルあたり４ワットの公称設計に基づいて）１ミリメートルあたり１０ワットで動作した。

図５は、本発明の局面を示す、全体的に５０で示された金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）の断面図である。図示されたＭＥＳＦＥＴは、概して、同一人に譲渡された米国特許第６，６８６，６１６号に開示されたものに相当し、参照することによりその全体が本願明細書に援用される。それでも、図示されたＭＥＳＦＥＴは、ＭＥＳＦＥＴの構造および本発明を例示したものであり、制限するものではないと理解されよう。

ｎ型５０は、（排他的ではないが）一般的に半絶縁性である炭化ケイ素基板５１を含む。図示されたダイオードでは、広バンドギャップのｐ型エピタキシャル層５２が基板５１の上にあり、広バンドギャップのｎ型エピタキシャル層５３がｐ型層５２の上にある。ｎ型エピタキシャル層５３は、任意選択で、さらに高濃度ドープしたウェル５４および５５を含む。全体的に参照番号５６で示されたゲート接点構造は、ｎ型エピタキシャル層５３の上にある。ゲート接点５６（ＭＥＳＦＥＴ内ではショットキー接点である）は、複数の金属層で形成することができる。図示の実施形態では、これらの層は、例えばクロムのような金属で形成された、望ましくはショットキー特性を有する第１のゲート層５７、プラチナのような適切な金属のバリア層６０、および金のような金属で形成された高導電性層６１を含むことができる。ソースおよびドレインは、概してニッケルまたは珪化ニッケルで形成されるオーミック接点６２および６３をそれぞれ含んでいる。オーミック接点６２および６３はまた、概してチタン、プラチナ、および金の層を含む、概して金属被覆層６４および６５をそれぞれ含んでいる。

パッシベーション層５８は、一般的に含まれており、同一人に譲渡された米国特許第５，９７２，８０１号に開示された方法によって形成することができ、参照することによりその全体が本願明細書に援用される。

次いで本発明による金属化構造を使用して、ソース、ゲート、またはドレインのうちのいずれか１つ以上を接触させることができる。図５は、ソース、ゲート、およびドレインのそれぞれの上にその部分がある、参照番号６６で示された金属化構造を示す図である。

本発明は、高電力トランジスタに関して開示されているが、高電力密度を放散させる、または周期的な熱応力の下で動作するあらゆる電子デバイスに、または高電力密度と熱応力との組み合わせに利点を提供することができる。したがって、本発明は、マイクロ波および電力トランジスタに加えて、光電子デバイス、受動電子および電気機械デバイス、および光通信デバイスと組み合わせることができる。本発明は、長パルスレーダシステムに加えて、スイッチング電源、電子戦用システム、マイクロ波通信システム、従来の、および代替的なエネルギ電力発電、および電気自動車用推進システムにおいて特定の利点を提供する。

図面および明細書において本発明の好適な一実施形態を説明し、特定の用語を用いたが、それらは、単に一般的かつ記述的な意味で使用したものであり、制限することを目的としたものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲において定義される。

Claims (18)

1. 半導体デバイス構造であって、
   炭化ケイ素およびＩＩＩ族窒化物からなる群から選択される広バンドギャップの半導体部分と、
   該半導体部分に対する相互接続構造であって、それぞれ２つの高導電性層と互い違いに、少なくとも２つの拡散バリア層を含む、相互接続構造と
   を備え、
   該拡散バリア層は、該高導電性層とは異なる熱膨張係数を有し、該高導電性層よりも低い熱膨張係数を有し、
   該それぞれの熱膨張係数の差異は、該高導電性層の膨張を抑えるために十分な大きさであるが、層間の接着強度を超える歪みを隣接層間に生じさせる差異よりも小さい、半導体デバイス構造。
2. それぞれ２つ以上の高導電性層と互い違いに２つ以上の拡散バリア層を備える、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
3. 前記拡散バリア層のうちの１つに隣接し、該拡散バリア層と、前記広バンドギャップの半導体部分、オーミック接点、ショットキー接点、および誘電層からなる群から選択される前記デバイスの一部との間にある接着層をさらに備える、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
4. 前記高導電性層は、金およびアルミニウムからなる群から選択され、
   前記拡散バリア層は、プラチナ、クロム、ニッケルおよびそれらの合金からなる群から選択される、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
5. 前記接着層は、チタン、クロム、タングステンおよびモリブデンからなる群から選択される、請求項３に記載の半導体デバイス構造。
6. 前記高導電性層の熱膨張係数は、前記拡散バリア層の熱膨張係数よりも約１．５〜２倍大きく、
   前記相互接続構造は、約０．１〜１０ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
7. 前記半導体部分に対するオーミック接点を含み、
   該オーミック接点の上に前記金属配線構造を有する、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
8. 前記拡散バリアは、組成が互いに同じであり、前記高導電性層は、組成が互いに同じである、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
9. 前記拡散バリア層は、組成が互いに異なり、前記高導電性層は、組成が互いに異なる、請求項１に記載の半導体デバイス構造。
10. 前記広バンドギャップの半導体部分は、第１の導電型を有し、
    絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）は、
    該第１の半導体部分とは逆の導電型を有する該広バンドギャップの半導体部分内にあるそれぞれのソース部分およびドレイン部分と、
    該ソース部分とドレイン部分との間の該広バンドギャップの半導体部分の上にあるゲート絶縁体と、
    該ゲート絶縁体の上にあるゲート接点と
    をさらに備え、
    前記相互接続構造は、該ソース、該ゲート接点、および該ドレインのうちの少なくとも１つの上にある、請求項１に記載のＩＧＦＥＴ。
11. 前記半導体部分は、炭化ケイ素を含み、
    前記拡散バリア層は、プラチナを含み、
    前記高導電性層は、金を含む、請求項１０に記載のＩＧＦＥＴ。
12. 前記拡散バリア層の内の少なくとも１つと、前記ソース、前記ゲート接点、および前記ドレインのうちの少なくとも１つとの間にあるチタン接着層と、
    オーミック接点のうちの１つの上に前記相互接続を有する該ソースおよび該ドレインの上にある、それぞれのオーミック接点と
    をさらに備える、請求項１０に記載のＩＧＦＥＴ。
13. 前記拡散バリア層のうちの少なくとも１つと、前記ソース、前記ゲート接点、および前記ドレインのうちの少なくとも１つとの間に、チタン、タングステン、およびモリブデンからなる群から選択される接着層をさらに備える、請求項１０に記載のＩＧＦＥＴ。
14. 前記広バンドギャップの半導体部分は、窒化ガリウムの層であり、該窒化ガリウムの層の上にある窒化アルミニウムガリウムの層を有し、該窒化ガリウム層と該窒化アルミニウムガリウム層との間にヘテロ接合を形成し、
    高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、
    該窒化ガリウム層に対するそれぞれのソース接点およびドレイン接点と、
    該窒化アルミニウムガリウム層に対するゲート接点と
    をさらに備え、
    前記相互接続構造は、該ソース接点、該ドレイン接点、および該ゲート接点に対して作製される、請求項１に記載の高電子移動度トランジスタ。
15. 炭化ケイ素およびサファイヤからなる群から選択される基板と、
    該基板上にあるＩＩＩ族窒化物バッファ層と
    をさらに備え、
    該基板および該バッファ層は、前記窒化ガリウム層を支持する、請求項１４に記載の高電子移動度トランジスタ。
16. 前記バッファ層は、窒化アルミニウムガリウムを含み、前記窒化ガリウム層は、少なくとも５０００オームセンチメートルの抵抗率を有する、請求項１５に記載の高電子移動度トランジスタ。
17. チタン、タングステンおよびモリブデンからなる群から選択され、前記拡散バリア層のうちの少なくとも１つに隣接する接着層をさらに備える、請求項１４に記載の高電子移動度トランジスタ。
18. 前記接着層は、拡散バリア層と、前記ソース接点、ゲート接点およびドレイン接点との間にある、請求項１７に記載の高電子移動度トランジスタ。

Images