JP2013118377A - パワートランジスタ装置のための多層構造を作製する方法、ヘテロ接合電界効果トランジスタ装置のための多層構造を作製する方法、および窒化物系ヘテロ接合電界効果トランジスタ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】III族窒化物系化合物半導体装置およびその作製方法を提供する。
【解決手段】パワートランジスタ装置のための多層構造を作製する方法は、反応室内で、窒素プラズマストライクを行ない、その結果窒化物系活性半導体層のすぐ上に窒化物層を形成するステップを含む。次に、窒化物層の上面を第2の源に露出する。その後の窒素−酸素プラズマストライクの結果、窒化物層のすぐ上に酸窒化物層が形成される。窒化物層はパシベーション層を備え、酸窒化物層はパワートランジスタ装置のゲート誘電体を備える。
【選択図】図1C
【解決手段】パワートランジスタ装置のための多層構造を作製する方法は、反応室内で、窒素プラズマストライクを行ない、その結果窒化物系活性半導体層のすぐ上に窒化物層を形成するステップを含む。次に、窒化物層の上面を第2の源に露出する。その後の窒素−酸素プラズマストライクの結果、窒化物層のすぐ上に酸窒化物層が形成される。窒化物層はパシベーション層を備え、酸窒化物層はパワートランジスタ装置のゲート誘電体を備える。
【選択図】図1C
Description
本発明は一般的に、III族窒化物系化合物半導体装置およびその作製方法に関し、より特定的には、GaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)およびGaNヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)を含む窒化ガリウム(GaN)スイッチング装置ならびにそのようなパワートランジスタ装置を作製する方法に関する。
背景
窒化ガリウム(GaN)および他のバンドギャップの広いIII族窒化物系直接遷移型半導体材料は、珪素系装置に対するそれらの優れた物理的好ましさにより、ある電子機器で有利に利用される。たとえば、GaNおよびAlGaN/GaNトランジスタは、GaN系材料および装置の構造が与える高い電子移動度、高い絶縁破壊電圧、および高飽和電子速度特性により、高速スイッチングおよび高パワー適用例で通常用いられる。
窒化ガリウム(GaN)および他のバンドギャップの広いIII族窒化物系直接遷移型半導体材料は、珪素系装置に対するそれらの優れた物理的好ましさにより、ある電子機器で有利に利用される。たとえば、GaNおよびAlGaN/GaNトランジスタは、GaN系材料および装置の構造が与える高い電子移動度、高い絶縁破壊電圧、および高飽和電子速度特性により、高速スイッチングおよび高パワー適用例で通常用いられる。
GaNおよびAlGaN/GaN集積回路(IC)装置は、サファイア、炭化珪素、単結晶GaN、Siなどの基板材料上に半絶縁(高抵抗)GaNバッファ層をエピタキシャル成長させることによって典型的に準備される。高電圧動作のためには、IC装置は、GaNバッファ層を通る漏れ電流を最小にしつつ、高い絶縁破壊電圧VBRを有する必要がある。漏れ電流の1つの源は、GaNバッファ層中の酸素などの残留ドナーによる意図しないドーピング(UID)である。たとえば、酸素は、フロントエンドおよびバックエンド作製処理ステップの間の表面汚染の結果、GaNバッファ層中に意図せず導入されることがある。また、GaNの圧電性とパシベーションの間に通常行なわれる複数の誘電体堆積との結果、(正または負のいずれかの)電荷蓄積が界面で起こることがある。この電荷蓄積は、IC装置の電圧−電流特性および周波数応答に悪影響を及ぼす可能性がある。
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態を以下の図と関連して説明し、特に明記されなければさまざまな図を通して同じ参照番号は同じ部分を指す。
図面のいくつかの図を通して、対応の参照番号は対応の構成要素を示す。当業者は、図中の要素が簡潔さおよび明瞭さのために図示されており、かつ縮尺通りに必ずしも描かれていないことを認めるであろう。たとえば、図中の要素のうちいくつかの寸法は、本発明のさまざまな実施形態の理解を向上させるのを助けるために他の要素に対して誇張されているかもしれない。また、商業的に見込みのある実施形態で有用なまたは必要な、一般的であるが十分に理解される要素は、本発明のこれらのさまざまな実施形態のより妨げられない見方を容易にするために、示されていないことがしばしばある。
詳細な説明
以下の説明では、本発明の完全な理解を与えるため、数多くの具体的な詳細を述べる。しかしながら、本発明を実践するのに具体的な詳細を用いる必要がないことが当業者には明らかであろう。他の事例では、本発明を曖昧にすることを回避するため、周知の材料または方法を詳細に説明していない。
以下の説明では、本発明の完全な理解を与えるため、数多くの具体的な詳細を述べる。しかしながら、本発明を実践するのに具体的な詳細を用いる必要がないことが当業者には明らかであろう。他の事例では、本発明を曖昧にすることを回避するため、周知の材料または方法を詳細に説明していない。
この明細書を通じて、「一実施形態」、「ある実施形態」、「一例」、または「ある例」に対する参照は、実施形態または例と関連して説明される特定的な特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」、「ある実施形態では」、「一例」、または「ある例」という、この明細書を通じてさまざまな場所に現われる文言は、必ずしも同じ実施形態または例をすべて指しているわけではない。さらに、特定的な特徴、構造、または特性は、1つ以上の実施形態または例において任意の好適な組合せおよび/または副次的組合せで組合されてもよい。特定的な特徴、構造、または特性は、集積回路、電子回路、組合せ論理回路、または記載の機能性を提供する他の好適な構成要素に含まれてもよい。さらに、ここで与えられる図は当業者への説明目的のためのものであり、図面は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではないことが認められる。
本明細書中で用いられるような「ウェハ」は、集積回路の作製で用いられる、珪素、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウムなどの結晶などの半導体材料の薄いスライスである。
本発明の実施形態に従うと、GaN系トランジスタ装置と、HFETのためのパシベーション化ゲート誘電体(たとえば酸化物)多層を形成するインサイチュー処理ステップを含む、これを作製する方法とが開示される。窒化アルミニウム(AlN)および酸窒化アルミニウム(AlON)に基づく新たな材料組合わせは、パシベーションの際の電荷蓄積を軽減する作製プロセスのフローで有利に利用される。同時に、高パワーGaN系HEMTで用いるための高品質ゲート酸窒化物層が生成される。一実施形態では、原子層堆積(ALD)反応室技術を利用して、活性トランジスタ装置層の上に窒化化合物(たとえばAlN)の高品質の薄い層を形成し、その後すぐに、酸窒化物(たとえばAlON)材料層を備えるゲート酸化物を堆積する。
図1A−図1Cは、例示的な作製プロセスにおけるさまざまな段階での半導体装置構造(たとえば、GaN HFET装置)の側面断面図を図示する。たとえば、図1Aは、たとえば、サファイア、Si、GaN、またはSiCなどの多数の異なる材料のうち任意の1つから形成される基板115を含むバルクエピタキシャルウェハ102を示す。エピタキシャルGaNバッファ層120は、基板115上の第1の活性層として形成されて示される。格子不整合および/または熱膨張係数の相違に伴って起こり得る問題を回避するため、基板115とバッファ層120との間にオプションの薄い核生成層(たとえば図2の層215を参照)を形成してもよい。
図1Aはさらに、GaNバッファ層120の上に形成される窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層120を示す。AlGaN層120は、GaN HFET装置の第2の活性層を備える。2つの材料層同士の間のバンドギャップの差により、AlGaN層120とGaNバッファ層120との間の界面に二次元電子ガスチャネル(2−DEG)130が形成される。
示されるように、図1Aは、それぞれGaN HFET装置のソースおよびドレイン電極を備えるオーミック金属コンタクト180および170の形成の直後の作製プロセス中の時点での装置構造も図示する。図1Aは、AlGaN層120のすぐ上に形成されたオーミック金属コンタクト180および170を示す。他の実施形態では、オーミック金属コンタクト180および170は、AlGaN層125を通って鉛直方向下向きに延在する凹部の中に形成されてGaNバッファ層120に接してもよい。
図1Bは、パシベーション化ゲート誘電体構造を備える多層構造140の形成後の図1Aの例示的なGaN HFET装置の構造を図示する。一実施形態では、多層構造140は、AlGaN層142のすぐ上に配設されるAlN層142と、AlN層140のすぐ上に配設されるAlON層145とを備える。他の実施形態では、パシベーション層142は、SiNまたは他の同様の窒化物系の材料を備えてもよい。ゲート誘電体層145は、酸窒化珪素(SiON)または同様の性質を有する別の酸窒化物材料も備えてもよい。
図1Bは、AlON層145のすぐ上に配設されるオプションの薄い(たとえば2−4nmの)第2のパシベーション層148も示す。示される例では、第2のパシベーション層148は窒化珪素(SiN)を備える。第2のパシベーション層148はある実施形態では必要ないかもしれないことが認められる。示されるように、多層構造140は、下にあるAlGaN(活性)層125の表面酸化/汚染を防止する第1のまたは初期パシベーション層、および完成したGaN HFET装置のためのゲート誘電体(絶縁体)としての両者としても機能する。さらに、AlNパシベーション層140は、電荷の効率的な変調を助け、漏れ電流を低減し、完成したGaN HFET装置のオフ状態の耐圧を増大させる。
一実施形態では、多層構造140は、ALD反応室中でインサイチューで形成され、AlN層140は約2−10nmの範囲の厚みに形成され、AlON層145は約10−25nm厚の範囲の厚みに形成される。ある実施形態では、AlON層145は、窒化物から酸窒化物層(膜)へと滑らかに徐々に遷移するような勾配をつけられてもよい。すなわち、AlON層145中の窒素組成は、AlN層140との界面での(たとえば100%のまたは100%近くの)最も高い原子百分率からAlON層145の上面でのまたはその近くでの(たとえば数原子パーセントなどの)最も低い百分率まで変化してもよい。
図1Cは、ゲート部材160、ゲートフィールドプレート165、および示される例ではSiNを備えるプラズマ強化化学気相成長(PECVD)の第2のパシベーション層170の形成後の図1Bの装置の構造を図示する。半導体の技術分野の当業者は、図1Cが完全に作製されたGaN HFET装置を図示することを理解するであろう。ウェハの表面上に(たとえばパターニングされた線またはトレースなどの)金属を形成すること、(裏面ラッピングまたはウェハ薄板化とも称される)ウェハのバックグラインド、ダイ分離、およびパッケージ化を含む他の標準的な製造後またはバックエンド処理ステップを行なってもよいことがさらに認められる。
図2は、上述のような第1のパシベーションとゲート誘電体との組合せを備える多層構造240を含む別の完全に作製されたGaN HFET装置200の側面断面図である。示される例では、GaN HFET装置200は、基板210の上に配設される核生成(遷移)層215を含む。基板210は、サファイア、珪素、窒化ガリウム、または炭化珪素(SiC)などの材料を、限定されることなく、備えてもよい。一実施形態では、核生成層215は、アルミニウムに富んだAlGaN層(AlxGa(x-1)N;0>x>1)を備える。基板210、核生成層215、およびGaNバッファ層220は一括してバルクエピタキシャルウェハ202を備える。
引き続いてGaN HFET200の例示的な装置構造について、核生成層215の上にGaNバッファ層220が配設され、AlGaN(またはより一般的にはAlxGa(x-1)N;0>x>1)層225がGaNバッファ層220の上に配設される。GaN HFET装置200は、多層(たとえばパシベーション化ゲート誘電体)構造235、第2のパシベーション層240、第3のパシベーション層245、およびポリイミド封入層290をさらに含む。ソースおよびドレインオーミック金属コンタクト280および270はそれぞれ、AlGaN層225のすぐ上に(または代替的にその凹部の中に)形成される。ゲート部材260は、多層構造240の上に配設される。GaN HFET装置200は、ゲートフィールドプレート265およびソースフィールドプレート285を含むようにも示される。
図3は、第1のパシベーション化ゲート誘電体多層構造の形成のステップの例示的なシーケンスである。HFETのソースおよびドレイン領域へのオーミック金属コンタクトの形成に引き続いて、多層構造形成プロセスは、ALD反応室へのウェハのすぐの搬入で始まる(ブロック301)。望まれないGa2O3層の形成という結果を生じ得るウェハ上面(すなわち活性層)の酸化を防止するため、周囲雰囲気への長時間の露出を最小限にしなければならない。一実施形態では、ウェハがチャンバ内に搬入された後は、温度を約300Cで安定化して約3分間真空下に留める。
ALD反応室に一旦搬入されると、ウェハ(たとえば図1のAlGaN層125)の上面は、典型的には低パワーで行なわれる窒素(N2)プラズマストライクに露出される(ブロック302)。このプラズマ露出は、その後のALD堆積ステップのためにウェハ材料の表面を準備するための洗浄ステップとして働く。
次に、ステップのシーケンスの反復サイクルで第1の(たとえばAlN)パシベーション層が形成される(ブロック303)。各サイクルの典型的な持続時間は、約20msから約20秒のどこかをとってもよく、この結果、0.1Å−3.0Å厚の層(膜)が形成される。一実施形態では、シーケンスは、アルミニウム源、たとえばトリメチルアルミニウム(TMA)にウェハを約30ミリ秒露出することで始まる。これによりアルミニウムがウェハの上面(たとえばAlGaN)と反応できるようになる。アルミニウム源への露出の後、約2秒間アルゴンガスを一気に流すことによってチャンバおよびラインからアルミニウムをパージする。
チャンバとラインからアルミニウムがパージされた後、約15秒間窒素プラズマストライクを行なう。このステップは、ウェハの表面上に以前堆積されたアルミニウムと反応する窒素の源を提供する。換言すると、表面反応が起こって、その結果、AlNパシベーション層が形成される。以前論じたように、代替的な実施形態では、アルミニウムよりもむしろ珪素を源として用いて、SiNパシベーション層も形成してもよい。N2プラズマストライクの後、チャンバおよびラインを(たとえば約3秒間アルゴンガスで)再びパージして、その後サイクルを繰返して所望の材料層厚みを達成してもよい。上述の例示的なGaN HFET装置については、AlNパシベーション層の厚みは2−10nm厚のおよその範囲にある。
次に反復サイクルの第2のシーケンスを行なって、第1のAlNパシベーション層の上にゲート誘電体(たとえば酸化物)層を形成する(ブロック304)。ウェハは、先行するステップのいずれの後でもALD反応室から取出されないことに留意されたい。すなわち、パシベーション化ゲート誘電体多層構造の形成は、インサイチューで、すなわち、多層構造の形成のために必要な処理ステップ全体についてウェハがALD反応室中にある状態で、達成される。
一実施形態では、第2のシーケンスは、特定のドーズ(dose)でアルミニウム源(TMA)に露出することで始まり、その結果、AlN表面上でアルミニウムの反応が起こる。次に、ALD反応室およびラインは、約2秒間アルゴンガスを一気に流すことによってパージされる。次に、窒素−酸素プラズマストライクを約15秒間行なって、窒素および酸素の2つの源を与えて、ウェハの表面上に先に堆積されているアルミニウムと反応させる。このステップの結果、下にあるAlNパシベーション層の上にAlONの滑らかな原子層が形成される。いずれの過剰な窒素および酸素も洗い流すようにアルゴンガスを約3秒間用いて、チャンバおよびラインの2回目のパージを再び行なう。上記ステップのシーケンスを必要に応じて繰返して所望の層(膜)厚みを生成してもよい。一実施形態では、AlONゲート誘電体層は約10−25nmの厚みに形成される。
AlON層の形成に続いて、ウェハがALD反応室中に留まったままでAlON層の上にオプションのSiN層(たとえば2−4nm厚)を形成してもよい。次にALD反応室からウェハを取出して(ブロック305)、次に、GaN HFET装置を完全に作製するのに必要な残余の処理ステップを行なう。ALD反応室中での合計処理時間は、多層構造を形成するパシベーションおよびゲート誘電体層の所望の合計厚みの関数であることが認められる。
要約書に記載されるものを含む、図示される本発明の例の上記説明は、網羅的であること、または開示される正確な形態への限定を意図されるものではない。発明の特定の実施形態および例が本明細書中で例示の目的のために記載されたが、本発明のより広い意図および範囲から逸脱することなく、さまざまな均等の変形例が可能である。実際に、具体的な例示的厚み、材料の種類、処理ステップなどは説明の目的のために与えられるものであり、かつ本発明の教示に従う他の実施形態および例では他の値も用いてもよいことが認められる。上記の詳細な説明に照らして、発明の例にこれらの変形をなすことができる。以下の請求項で用いられる用語は、明細書および請求項に開示される特定の実施形態に発明を限定するものと解釈されてはならない。むしろ、その範囲全体は、確立された請求項解釈の原則に従って解釈されるべき以下の請求項によって定められるべきものである。したがって、本明細書および図は、制限的というよりはむしろ例示的なものとしてみなされるべきである。
102,202 バルクエピタキシャルウェハ、115,210 基板、120,220 GaNバッファ層、125,225 AlGaN層、130 二次元電子ガスチャネル(2−DEG)、170,180,270,280 オーミック金属コンタクト、140,235 多層構造、145 AlON層、148,240 第2のパシベーション層、200 GaN HFET装置、215 核生成層、245 第3のパシベーション層、301,302,303,304,305 ブロック
Claims (29)
- パワートランジスタ装置のための多層構造を作製する方法であって、
(a)窒化物系活性半導体層を有するウェハを反応室に搬入するステップと、
(b)前記反応室内で、前記窒化物系活性半導体層の上面を第1の源に露出するステップと、
(c)前記反応室内で、窒素(N)プラズマストライクを行ない、その結果、前記窒化物系活性半導体層のすぐ上に窒化物層を形成するステップと、
(d)前記反応室内で、前記窒化物層の上面を第2の源に露出するステップと、
(e)前記反応室内で、窒素−酸素プラズマストライクを行ない、その結果、前記窒化物層のすぐ上に酸窒化物層を形成するステップとを備え、
前記窒化物層はパシベーション層を備え、前記酸窒化物層は前記パワートランジスタ装置のゲート誘電体を備える、方法。 - 前記第1の源はアルミニウム(Al)を備え、前記窒化物層はAlN層を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の源は珪素(Si)を備え、前記窒化物層はSiN層を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の源はトリメチルアルミニウム(TMA)源を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の源はアルミニウム(Al)を備え、前記酸窒化物層はAlON層を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の源はトリメチルアルミニウム(TMA)源を備える、請求項1に記載の方法。
- 前記窒化物層が第1の厚みに形成されるまでステップ(b)および(c)を繰返すステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の厚みは約2−10nm厚の範囲にある、請求項7に記載の方法。
- 前記酸窒化物層が第2の厚みに形成されるまでステップ(d)および(e)を繰返すステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の厚みは約10−25nm厚の範囲にある、請求項9に記載の方法。
- 前記反応室から前記ウェハを取出すステップをさらに備える、請求項1に記載の方法。
- 前記反応室内で、前記酸窒化物層の上に窒化珪素層を形成するステップと、
前記反応室から前記ウェハを取出すステップとをさらに備える、請求項1に記載の方法。 - 前記酸窒化物層は、前記窒化物層でのまたはその近くでの最も高い原子百分率から前記酸窒化物層の上面でのまたはその近くでの最も低い原子百分率まで変化する勾配のある窒素組成で形成される、請求項1に記載の方法。
- 前記窒化物系半導体層はAlGaNを備える、請求項1に記載の方法。
- ヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)装置のための多層構造を作製する方法であって、
(a)反応室内で、窒化物系半導体層の上面を第1のアルミニウム源に露出するステップと、
(b)前記反応室内で、前記ウェハを窒素(N)プラズマに露出して、その結果、前記窒化物系半導体層の上に窒化アルミニウム(AlN)層を形成するステップと、
(c)前記反応室内で、前記AlN層の上面を第2のアルミニウム源に露出するステップと、
(d)前記反応室内で、前記ウェハを窒素−酸素プラズマに露出して、その結果、前記AlN層の上に酸窒化アルミニウム(AlON)層を形成するステップとを備え、
前記窒化物層はパシベーション層を備え、前記酸窒化物層はパワートランジスタ装置のゲート誘電体を備える、方法。 - 前記第1のアルミニウム源および前記第2のアルミニウム源は両者ともトリメチルアルミニウム(TMA)源を備える、請求項15に記載の方法。
- 前記AlN層が第1の厚みに形成されるまでステップ(a)および(b)を繰返すステップをさらに備える、請求項15に記載の方法。
- 前記第1の厚みは約2−10nm厚の範囲にある、請求項17に記載の方法。
- 前記AlON層が第2の厚みに形成されるまでステップ(c)および(d)を繰返すステップをさらに備える、請求項15に記載の方法。
- 前記第2の厚みは約10−25nm厚の範囲にある、請求項19に記載の方法。
- 前記反応室内で、前記AlON層の上に窒化珪素層を形成するステップをさらに備える、請求項15に記載の方法。
- 前記AlON層は、前記窒化物層でのまたはその近くでの最も高い原子百分率から前記酸窒化物層の上面でのまたはその近くでの最も低い原子百分率まで変化する勾配のある窒素組成で形成される、請求項15に記載の方法。
- 前記窒化物系半導体層はAlGaNを備える、請求項15に記載の方法。
- 窒化物系ヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)装置であって、
第1の活性半導体層と、
前記第1の活性半導体層の上に配設される第2の活性半導体層とを備え、その間に二次元電子ガスが形成され、さらに
前記第2の活性半導体層のすぐ上に配設される第1の窒化物系パシベーション層および前記第1の窒化物系パシベーション層のすぐ上に配設される酸窒化物層を含む多層構造を備え、前記第1の窒化物系パシベーション層は第1の厚みを有し、前記酸窒化物層は第2の厚みを有し、前記酸窒化物層は前記窒化物系HFET装置のゲート誘電体を備え、さらに
前記第2の活性半導体層のすぐ上に、またはそれを通って延在する凹部の中に、離間されたソースおよびドレインオーミックコンタクトを備える、窒化物系HFET装置。 - 前記第1の窒化物系パシベーション層はAlNを備える、請求項24に記載の窒化物系HFET装置。
- 前記第1の窒化物系パシベーション層はSiNを備える、請求項24に記載の窒化物系HFET装置。
- 前記第1の厚みは約2−10nm厚の範囲にある、請求項24に記載の窒化物系HFET装置。
- 前記酸窒化物層はAlONを備える、請求項24に記載の窒化物系HFET装置。
- 前記第2の厚みは約10−25nm厚の範囲にある、請求項24に記載の窒化物系HFET装置。
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