JP2013140956A - In−Situ成長させたゲート誘電体およびフィールドプレート誘電体 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質のゲート誘電体およびフィールドプレート誘電体を有するヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET)を提供するための方法および装置を提供する。
【解決手段】半導体表面上にゲート誘電体108およびフィールドプレート誘電体110をin-situ堆積させる。ゲート電極118の位置は、フィールドプレート誘電体110に第1のパターンをエッチングしてゲート誘電体108をエッチングストップとして用いることによって、規定されてもよい。代替的に、ゲート誘電体108とフィールドプレート誘電体110との間にさらなるエッチングストップ層をin-situ堆積させてもよい。第1のパターンをエッチングした後、ゲート電極118を規定するように導電性材料を堆積させてパターニングしてもよい。半導体表面と電気的に接触するソース電極112およびドレイン電極114が、ゲート電極118の両側に形成される。
【選択図】図1
【解決手段】半導体表面上にゲート誘電体108およびフィールドプレート誘電体110をin-situ堆積させる。ゲート電極118の位置は、フィールドプレート誘電体110に第1のパターンをエッチングしてゲート誘電体108をエッチングストップとして用いることによって、規定されてもよい。代替的に、ゲート誘電体108とフィールドプレート誘電体110との間にさらなるエッチングストップ層をin-situ堆積させてもよい。第1のパターンをエッチングした後、ゲート電極118を規定するように導電性材料を堆積させてパターニングしてもよい。半導体表面と電気的に接触するソース電極112およびドレイン電極114が、ゲート電極118の両側に形成される。
【選択図】図1
Description
背景
1.分野
本開示は一般に、高圧電界効果トランジスタ(field effect transistor)(FET)に関し、より具体的には、高圧FETを製造するための改良された作製プロセスに関する。
1.分野
本開示は一般に、高圧電界効果トランジスタ(field effect transistor)(FET)に関し、より具体的には、高圧FETを製造するための改良された作製プロセスに関する。
2.背景
携帯電話、携帯情報端末(personal digital assistant)(PDA)、ラップトップなどの多くの電気機器は、電力を利用して動作する。電力は一般にコンセントを介して高圧交流電流(AC)として届けられるので、エネルギ伝達素子を介して高圧AC入力を十分に調整された直流電流(DC)出力に変換するために、一般に電力変換装置と呼ばれる装置を利用することができる。今日の多くの電子機器では、効率、サイズを改善して部品数を減らすために、スイッチモード電力変換装置が一般に用いられる。スイッチモード電力変換装置は、閉位置(オン状態)と開位置(オフ状態)とを切換えて電力変換装置の入力から出力にエネルギを伝達する電源スイッチを用いてもよい。一般に、電源スイッチは、AC入力電圧よりも実質的に大きな電圧に耐える必要がある高圧装置である。
携帯電話、携帯情報端末(personal digital assistant)(PDA)、ラップトップなどの多くの電気機器は、電力を利用して動作する。電力は一般にコンセントを介して高圧交流電流(AC)として届けられるので、エネルギ伝達素子を介して高圧AC入力を十分に調整された直流電流(DC)出力に変換するために、一般に電力変換装置と呼ばれる装置を利用することができる。今日の多くの電子機器では、効率、サイズを改善して部品数を減らすために、スイッチモード電力変換装置が一般に用いられる。スイッチモード電力変換装置は、閉位置(オン状態)と開位置(オフ状態)とを切換えて電力変換装置の入力から出力にエネルギを伝達する電源スイッチを用いてもよい。一般に、電源スイッチは、AC入力電圧よりも実質的に大きな電圧に耐える必要がある高圧装置である。
高圧FETの一種として、高電子移動度トランジスタ(high-electron mobility transistor)(HEMT)とも呼ばれるヘテロ構造FET(heterostructure FET)(HFET)がある。HFETは、電力変換装置などの高圧パワーエレクトロニクスのためのスイッチング装置においてスイッチとして用いられてもよい。特定の用途では、ワイドバンドギャップ半導体に基づくHFETが有用であろう。なぜなら、バンドギャップが大きくなることにより高温での性能が向上し得るためである。高圧HFETで用いられるワイドバンドギャップ半導体の例としては、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)およびダイヤモンドなどの材料が挙げられるが、他の材料も用いられてもよい。
本発明のいくつかの実施形態のさまざまな局面、特徴および利点が、以下の図面と関連して提示される以下のより特定的な説明からより明らかになるであろう。
本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態を以下の図を参照して説明し、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。
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。
以下の説明では、説明目的で例示的なFETを用いる。例示的なFETは、ゲート誘電体を有しているにも関わらず、HFETと呼ばれる。この点において、例示的なFETは、金属絶縁体半導体FET(metal insulator semiconductor FET)(MISFET)とも呼ぶことができる。しかしながら、説明を簡単にするために、HFETという用語を用いる。この用語の使用は特許請求の範囲を限定するものではない、ということが理解されるべきである。
図1は、窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)/GaN HFETを示す。HFETは、シリコン基板、炭化ケイ素基板、単結晶GaN基板またはサファイア基板(図示せず)などのハンドル基板上に(たとえば、成長させた、または堆積させた)上部層であり得るGaN膜102を含む。さらに示されるように、GaN膜102上にAlGaN膜106を堆積させる。AlGaN膜102はバリア層を構成する。他の事例では、たとえば10〜20AのGaNからなる薄膜をAlGaN膜106の上に表面キャップ層(図示せず)として堆積させてもよい。一例では、GaNの格子に対する圧電効果のために、AlGaNおよびGaNのヘテロ境界面に、二次元電子ガス(2 dimensional electron gas)(2DEG)のシートが形成される。GaN膜102の上面付近に位置する電子プラズマ(電子ガス)中の高移動性の電子の濃度が高いことにより、ソース電極112とドレイン電極114との間で低抵抗の経路が可能になり、高周波数での動作が可能になる。別の例では、ソース電極もドレイン電極も高温でAlGaN膜を介して合金になってヘテロ境界面における2DEGと物理的に接触してもよい。
示されるように、ゲート誘電体層108上のゲート電極118は、ソース電極112とドレイン電極114との間の電流伝導経路を制御する。ゲート誘電体層108は、AlGaN膜106の表面のためのパシベーション層としての役割も果たし得る。具体的には、ゲート誘電体層108は、「アン・ゲート(un-gated)」領域(すなわち、ゲートの端縁とソースとの間の領域およびゲートの他の端縁とドレインとの間の領域)のためのパシベーション層として機能する。フィールドプレート誘電体110の上に形成されたゲートフィールドプレート(gate field plate)(GFP)116は、ゲート電極118の(ドレインに最も近い)端縁における電界強度を軽減することができ、AlGaN膜106とゲート誘電体層108との間の境界面における電荷トラップの状態を制御することによって漏れ電流を減少させることもできる。
漏れ電流に加えて、HFET設計に関して考えられる他の懸案事項の例は、電流崩壊およびゲート誘電体絶縁破壊である。電流崩壊とは、動作中または応力がかかった状態でのドレイン電流の意図せぬ減少であり、AlGaN膜の表面またはAlGaN層およびGaN層内の他の場所での電荷トラップによって生じる恐れがある。AlGaN膜の表面のパシベーションを向上させることに加えて、電流崩壊を減少させるためにも、フィールドプレートが用いられてもよい。
ゲート誘電体絶縁破壊とは、AlGaN/GaN膜に対するゲート電極の電気的短絡であり、欠陥のあるゲート誘電体または過剰に応力がかかったゲート誘電体によって生じる。ゲート誘電体の質が高くなると、HFETの絶縁破壊性能および長期信頼性が向上し得る。
図2は、HFETを作製するための例示的なプロセスを説明するフローチャート200を示す。例示的なプロセスはまた、図3〜図7に関連して記載されており、図3〜図7は、例示的なプロセスを利用する作製プロセス中のさまざまな段階における例示的なHFETを示す。以下の動作およびステップは、HFETの作製に必要なすべての動作およびステップの完全な列挙ではない、ということが認識されるべきである。たとえば、堆積ステップの前にウェハ表面を準備するために従来の洗浄動作が必要であり得る。AlGaN/GaN HFETの作製に関連して例示的なプロセスを記載する。しかしながら、このHFETは説明目的で用いられている。本発明から逸脱することなく、他の材料とともに他の種類のFETのために他の例示的なプロセスが用いられてもよい、ということが理解されるべきである。
ブロック202において、図3に示されるように、ウェハ300を得る。ウェハは、シリコン(Si)、サファイア(Al2O3)または炭化ケイ素(SiC)などの好適な材料でできていてもよい。しかしながら、他の材料も用いられてもよい。また、ウェハ300は、ウェハ300の表面上に活性の半導体膜を成長または堆積させてもよい。たとえば、この例示的なプロセスでは、ウェハ300はGaN膜304の上にAlGaN膜302を有している。AlGaN膜302およびGaN膜304の2つの膜が活性層を構成し、これは、装置の動作中にこれら2つの膜内でまたはこれら2つの膜付近で導通が起こり得ることを意味している。さらなる膜またはより少ない数の膜を有する他のウェハも用いられてもよい。他の半導体材料も用いられてもよい。たとえば、AlN、InAlN、InGaN、GaAs、InPまたはSiCなどの材料も用いられてもよい。
バリア膜として用いられるAlGaN膜302の厚みは、10〜40nmであってもよい。チャネル膜を構成するGaN膜304の厚みは、約0.3〜5μmであってもよい。しかしながら、他の厚みも用いられてもよい。
図3は、ブロック202(図2)において得られたウェハ300の例を示す。ウェハ300は、GaN膜304上にAlGaN膜302を含む。一部の事例では、GaN膜304は、Si、Al2O3、SiC、GaNなどの別の材料でできたハンドルウェハ(図示せず)上にある。AlGaN膜302およびGaN膜304をハンドルウェハ上に成長させてもよく、または完成したウェハ300を供給業者から購入してもよい。また、GaN膜304は、より厚いGaNウェハの上部の厚みであり得る。
ブロック204において、図4に示されるように、原子層堆積(atomic layer deposition)(ALD)ツールを用いて少なくとも2つの膜をin-situ堆積させる。「in-situ」という用語は、ツールの外側の環境にウェハを露出させることなく単一のツール内で行なわれるプロセスとして定義することができる。たとえば、ALDツール内でウェハ上に2つの膜をin-situ堆積させるということは、2つの膜の堆積の合間にツールの外側の環境にウェハを露出させることなくALDツール内でウェハ上に2つの膜を堆積させることを意味する。
図4を参照して、ALDツール内で堆積させた第1の膜402は、HFETのためのゲート誘電体を構成する誘電体材料であってもよい。この膜は、Al2O3、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ハフニウム(HfO2)または他の好適なゲート誘電体材料などの材料でできていてもよい。厚みはたとえば5nm〜20nmであってもよい。
一例では、第1の膜402は、AlGaN膜302との高品質の境界面を構成するパシベーション層としても機能し得る。パシベーション層の質はAlGaN膜302との境界面の質に影響を及ぼす可能性があり、境界面におけるキャリアトラップおよび捕獲された電荷に起因する電流崩壊の開始に影響を及ぼす可能性がある。
ALDツール内で堆積させた第2の膜404は、第1の膜402上に直接堆積されて、ゲート誘電体およびAlGaN膜302からフィールドプレートを切離すためのフィールドプレート誘電体膜の働きをする誘電体材料であってもよい。一部の事例では、第2の膜の材料は、特定の電気的特性を有するように選択されてもよい。たとえば、第2の膜404の材料は、誘電率、屈折率、欠陥密度、安定性および機械的応力などの特性に左右され得る。他の事例では、第2の膜の材料は、集積または作製上の理由で選択されてもよい。たとえば、第2の膜404の材料は、第1の膜402の完全性を維持しながら第2の膜404を適切にエッチングできるように第1の膜402の材料および厚みに左右され得る。一例では、第2の膜404は、第2の膜404をエッチングする際に第1の膜402をエッチングストップとして用いることができるように第1の膜402とは十分に異なったエッチング特性を有するように選択されてもよい。具体的には、第1の膜402と第2の膜404とのエッチング選択性比率が少なくとも5であることができるように第2の膜404が選択されてもよい。エッチング選択性とは、第2の材料のエッチング速度に対する第1の材料のエッチング速度の比率である。たとえば、第2の材料に対する第1の材料のエッチング選択性が10であるということは、エッチングされる第1の材料の量(たとえば、厚み)がエッチングされる第2の材料の量(たとえば、厚み)の約10倍であることを意味する。重要なことであるが、第1の膜402は、エッチングストップ層として用いている間は、完全に除去されて下にある活性の半導体層を露出させるようなことがあってはならない。それどころか、高品質のゲート誘電体(すなわち、第1の膜404)を維持するために、第2の膜をエッチングする際に起こり得る第1の膜402へのさらなるエッチングの量を最小限にしてもよい。一例では、第2の膜404の厚みは、80nm〜200nmであってもよく、たとえば窒化ケイ素(SiN)、Al2O3、二酸化ケイ素(SiO2)または他の好適な材料でできていてもよい。
ALD技術を用いて、一度に一層、基板表面上に膜厚を堆積させてもよく、各層は総膜厚の一部である。一例では、自己制御式のALDプロセスに起因して、各堆積サイクルは1つの原子層ほどの厚みであってもよい。この例では、各サイクルで完全な被覆は決して得られないので、各堆積サイクルは一般に1つの原子層未満である。同一の一連のステップを何回も繰り返すことによって、所望の完全な膜厚の堆積が行なわれる。たとえば、1つのサイクルは、(1)化学吸着または化学物質投与ステップ、(2)化学物質投与パージ、(3)プラズマステップ、および(4)プラズマ後パージというシーケンスを含んでいてもよい。化学物質投与ステップは、基板表面上に化学物質の薄層を堆積させる。化学物質は、たとえば所望の膜材料の層を作成するために必要な前駆体であってもよい。次いで、パージステップを行なって、チャンバ内のいかなる残留化学物質も除去する。次に、基板表面上に所望の材料の薄層を作成するために、プラズマステップによってガスプラズマと化学物質前駆体とを基板表面上で反応させてもよく、または、プラズマステップは基板表面上で互いに反応する複数のガスプラズマを含んでいてもよい。最後に、別のパージステップを行なって、チャンバから残留プラズマガスを除去する。このステップサイクルは、所望の膜厚を得るために必要なだけ繰り返すことができる。この種のプロセスを行なうためのALDツールの一例は、Oxford ALD FlexAl Systemである。4つのステップに関連して例示的なALDサイクルを上で説明したが、さらなるステップ、より少ない数のステップまたは異なるステップを有する他のALDサイクルが考えられ得る。
図8に関連して以下でより詳細に説明するように、第1の膜と第2の膜との間に(すなわち、第1の膜402の後であるが第2の膜404の前に)第3の膜も堆積させてもよい。第3の膜は、第1および第2の膜が同一の材料であり得るかまたは類似のエッチング特性を有し得るようにエッチングストップ膜として用いられてもよい。
この例では、第1および第2の膜は、ALDツール内でウェハ上にin-situ、すなわち、2つの膜の堆積の合間にツールの外側の環境にウェハを露出させることなく、堆積される。ツールから取外すことなくこれらの膜を順に堆積させるので、膜またはAlGaN表面の質を劣化させる恐れがある汚染からウェハが保護される。さらに、膜の堆積の合間にウェハを取外さないので、ツールの処理能力を上げることができる。特に、堆積の合間にウェハを取外さないことによって、ウェハ処理時間(たとえば、ロードロックを適切な真空レベルまで下げる、ツールからツールにウェハを移動させる、など)を減らすことができる。したがって、より速い速度でALDツールの堆積性能を利用できる。
ALDツールを用いることの考えられる他のメリットとしては、低温での処理、プラズマをウェハの表面から遠ざけること(すなわち、「遠隔プラズマ」)が挙げられ、これらは、ウェハ表面の完全性の維持、超高品質膜の作成および高アスペクト比の孔への堆積に役立ち得る。
ALDプロセス手法の一例では、約1.4A/サイクルの成長速度で300℃でALDチャンバ内でAl2O3膜を堆積させてもよい。各堆積サイクルは、15mTで約20ミリ秒の化学物質投与から始まる。一つの事例では、トリメチルアルミニウム(TMA)が用いられる。次に、50ccの窒素(N2)および100ccのアルゴン(Ar)で1.5秒間にわたってチャンバをパージして、チャンバから化学物質蒸気残留物を除去する。次に、400Wのプラズマ出力で、2秒間の50cc酸素(O2)プラズマ投与ステップを行なう。次に、50ccのN2および100ccのArで1秒間にわたってチャンバを再びパージして、チャンバからガスプラズマ残留物を除去する。次いで、所望の膜厚を得るために必要なだけこのサイクルを繰り返してもよい。たとえば、合計100回のサイクルにより、およそ150Aの膜が生成されるであろう。
ALDプロセス手法の別の例では、約1.2A/サイクルの成長速度で300℃でALDチャンバ内でHfO2膜を堆積させてもよい。各堆積サイクルは、80mTで約1.1秒の化学物質投与から始まる。一つの事例では、テトラキス‐(エチルメチルアミノ)‐ハフニウム(TEMAH)が、バブラを通る200ccのAr流とともに用いられる。次に、100ccのN2および250ccのArで13秒間にわたってチャンバをパージして、チャンバから化学物質蒸気残留物を除去する。次に、15mTで250Wのプラズマ出力で、4秒間の50ccO2投与プラズマ処理ステップを行なう。次いで、80mTで100ccのN2および250ccのArで2秒間にわたってチャンバを再びパージして、チャンバからガスプラズマ残留物を除去する。次いで、所望の膜厚を得るために必要なだけこのサイクルを繰り返してもよい。たとえば、合計17回のサイクルにより、およそ20Aの膜が生成されるであろう。
ALDプロセス手法のさらに別の例では、約0.7A/サイクルの成長速度で300℃でALDチャンバ内でAlN膜を堆積させてもよい。各堆積サイクルは、15mTで約30ミリ秒の化学物質投与から始まる。一つの事例では、TMAが用いられる。次に、100ccのN2および100ccのArで2秒間にわたってチャンバをパージして、チャンバから化学物質蒸気残留物を除去する。次に、10mTで400Wのプラズマ出力で、15秒間の30ccN2プラズマ処理ステップを行なう。次いで、15mTで100ccのN2および100ccのArで3秒間にわたってチャンバを再びパージして、チャンバからガスプラズマ残留物を除去する。次いで、所望の膜厚を得るために必要なだけこのサイクルを繰り返してもよい。たとえば、合計29回のサイクルにより、およそ20Aの膜が生成されるであろう。
これらの手順は例であり、本発明の精神を損なわない他の変形例が開発されてもよい。たとえば、化学物質投与にトリ[ジメチルアミノ]シラン(3DMAS)またはビス[第三ブチルアミノ]シラン(BTBAS)ガスを用い、プラズマガスとしてN2、H2またはNH3を用いる、上記と類似のステップを用いたSiN手法が開発されてもよい。
図4は、第1の膜402および第2の膜404の堆積後のウェハ300を示す。この実施形態では、第1の膜402は150AのAl2O3であり、第2の膜404は1500AのSiNである。
ブロック206において、図5に示されるように、ソース電極502およびドレイン電極504を形成する。これらの電極は、AlGaN膜302およびGaN膜304と電気的に接触する。ブロック206は、たとえば絶縁層の堆積、絶縁膜および/または他の膜に孔をエッチングするためのリソグラフィステップ、金属の堆積、ならびに金属をパターニングするための別のリソグラフィステップを含んでいてもよい。ソース電極およびドレイン電極のための金属積層体は、たとえばTiAlMoAu、TiAlNiAuまたはTiAlPtAuを含んでいてもよい。金属に加えて、他の導電性材料も用いられてもよい。
図5は、AlGaN膜302と物理的に接触しているソース電極502およびドレイン電極504を示す。他の例では、ソース電極502およびドレイン電極504は、GaN膜304とも物理的に接触していてもよい。
ブロック208において、たとえば高速熱アニール(rapid thermal anneal)(RTA)ステップを行なって、ソース電極およびドレイン電極とAlGaN膜またはGaN膜との間のオーミック接触を確実に行なう。一例では、RTAプロセスの温度範囲は、特定の金属積層体、表面前処理、およびGaN膜に達する凹型孔に電極が形成されるか否かによって、500℃〜850℃であってもよい。温度変化割合は約10〜15℃/分であってもよく、ピーク温度での浸漬時間は約30秒〜1分であってもよい。
ブロック210において、図6に示されるように、ゲート電極の位置を規定するように第2の膜404にパターンをエッチングする。このブロックのためにリソグラフィプロセスが用いられてもよい。たとえば、マスクを用いて第2の膜404上にフォトレジストパターンを作成し、次いで第1の膜402の材料のエッチング速度と比較してより速い速度で第2の膜404の材料を優先的にエッチングする選択性エッチングを用いて第2の膜404をエッチングすることで、パターンを規定してもよい。このパターンは、ゲート誘電体膜(すなわち、第1の膜402)の完全性を維持しながらAlGaN膜と接触することなくゲート電極の位置を規定する小穴602を規定する。図8に関連して以下に記載するように、類似のエッチング特性を有する材料を第1の膜402および第2の膜404に用いることができるように、第1の膜402をエッチングしながら、第1の膜402と第2の膜404との間のさらなる膜をエッチングストップ膜として用いてもよい。
図6は、第2の膜404にパターンが規定された後のウェハ300を示す。パターンは、ゲート電極の位置を規定する小穴602を含む。なお、第2の膜404と第1の膜402とのエッチング特性の違いのために、小穴602は第1の膜402のところで止まっている。言い換えれば、小穴602を形成するために用いられるエッチングは、第2の膜404よりも第1の膜402に対して選択的である。図6に示されるように、小穴602は、第1の膜402の堆積当初の上面にまで延びている。他の例では、小穴602は、第1の膜402の厚み未満のある距離の分だけ第1の膜402の内部へと続いていてもよい。
小穴602の傾斜した側壁は、ゲート電極の端縁におけるピーク電界をドレイン側に向かって減少させることができる。ゲート電極の特定の面に沿って電界密度を最小限にすることで、ゲート誘電体およびパシベーション層(すなわち、第1の膜402)へのホットキャリアの注入を防ぐことによって絶縁破壊電圧を上昇させることができ、電流崩壊を減少させることができる。しかしながら、図9に関連して以下に記載するように、小穴602を形成するために用いられるリソグラフィプロセスのステップを変更する(たとえば、フォトレジストおよび露光プロセスまたはエッチングプロセスを変更する)ことによって、他の形状のゲート電極も用いられてもよい。
ブロック212において、図7に示されるように、ブロック206において規定されたパターンにゲート電極702を形成する。任意に、ゲート材料に用いられるものと同一の導電性材料を用いて、第2の膜404上にゲートフィールドプレート704も形成されてもよい。ゲート電極702、および任意にゲートフィールドプレート704は、導体堆積ステップおよびリソグラフィパターニングステップを用いて形成されてもよい。一例では、ゲート電極702およびゲートフィールドプレート704は一緒に形成される。
図7は、図2のフローチャート200に関連して上述した例示的なプロセスで製造された例示的なHFET700を示す。特に、図7は、導電性膜、たとえばAl、Ni、Ti、TiW、TiNまたはドープされたポリシリコンをウェハ300上に堆積およびパターニングした後のウェハ300を示す。ここで、導電性膜は、ゲート電極702、およびゲート電極702に隣接して接続されるゲートフィールドプレート704(任意)を規定する。ゲートフィールドプレート704は、AlGaN/第1の膜の境界面における電荷トラップの影響を最小限にする、または抑制することによって電流崩壊を減少させることに役立ち得る。図7はゲートフィールドプレート704の1つの特定の構成を示しているが、ゲートフィールドプレートの他の構成も用いられてもよいということが理解されるべきである。
特定の順序でフローチャート200(図2)の例示的なプロセスを説明したが、フローチャート200の特定のブロックは異なる順序で行なうことができるということが理解されるべきである。たとえば、ブロック206におけるソース電極およびドレイン電極の形成の前にブロック210および212を行なってもよい。
図8は、代替的な例示的なプロセスで作製される代替的な例示的なHFET800を示す。HFET800は、活性層を構成するGaN膜802およびAlGaN膜804を含む。ゲート電極816の両側にソース電極812およびドレイン電極814が形成される。ゲートフィールドプレート818が、ゲート電極816に隣接して電気的に接続される。第1の膜806および第2の膜810をin-situ堆積させる同一の処理ステップ中に第3の膜808をin-situ堆積させるようにブロック204を変更する以外は、代替的な例示的なプロセスは、図2のフローチャート200に関連して上述したプロセスと類似している。第3の膜808は、ブロック204(図2)において上述したように、第2の膜604をエッチングする際にエッチングストップ層として用いられてもよい。したがって、第3の膜808の材料および厚みは、第2の膜810をエッチングするために用いられるエッチングが第3の膜808の材料よりも第2の膜810の材料に対して十分に選択的であるように選択されるべきである。一つの事例では、第3の膜の厚みは、約1.5nm〜3nmであってもよく、AlN、SiN、Al2O3、SiO2、HfO2または他の好適な材料でできていてもよい。
図8に示されるように、ゲート電極816は第3の膜808の堆積当初の上面で終了しているか、または上面にまで延びている。しかしながら、実際には、ゲート電極816は、第3の膜808の厚み未満のある距離の分だけ第3の膜808の内部へと続いていてもよい。代替的に、第2の膜810をエッチングした後であるがゲート電極816を形成する導電性材料を堆積させる前に、第3の膜808の露出部を選択的にウェットエッチングまたはドライエッチングすることによって、ゲート電極816の底部から第3の膜808を全て除去することができる。この場合、ゲート電極816が第1の膜806と接触するであろう。
エッチングストップ層として第3の膜808を追加することによって、類似のエッチング特性を有する材料または同一の材料で第1および第2の膜を作ることができる。たとえば、この例示的なプロセスでは、第2の膜810をエッチングする際に第3の膜が第1の膜806を保護できるので、第1および第2の膜に同一の材料を用いてもよい。一つの事例では、第1の膜806は150AのAl2O3であってもよく、第3の膜は20AのHfO2であってもよく、第2の膜810は1500AのAl2O3であってもよい。別の事例では、第1の膜806は150AのAl2O3であってもよく、第3の膜は20AのAlNであってもよく、第2の膜810は1500AのSiNであってもよい。他のプロセスは、異なる材料および厚みを用いてもよい。
図9は、別の例示的なプロセスで製造された別の例示的なHFET900を示す。HFET900は、活性層を構成するGaN膜902およびAlGaN膜904を含む。ゲート電極914の両側にソース電極910およびドレイン電極912が形成される。ゲートフィールドプレート916が、ゲート電極914に隣接して電気的に接続される。第1の膜906がゲート誘電体膜を構成する。第2の膜908がゲートフィールドプレート膜を構成する。より垂直な側壁を有するゲート電極914を作成するために第2の膜908の面に対して実質的に垂直な側壁を有する小穴を作成するようにブロック206を変更する以外は、HFET900を製造するためのプロセスは、図2のフローチャート200に関連して上述したプロセスと類似している。たとえば、エッチングプロセスまたはフォトプロセスは、側壁の勾配を調整するように変更されてもよい。
図10は、さらに別の例示的なプロセスで製造されたさらに別の例示的なHFET1000を示す。HFET1000は、活性層を構成するGaN膜1002およびAlGaN膜1004を含む。ゲート電極1014の両側にソース電極1010およびドレイン電極1012が形成される。第1の膜1006がゲート誘電体膜を構成する。第2の膜1008がゲートフィールドプレート膜を構成する。任意のゲートフィールドプレートを省略するようにブロック208を変更する以外は、HFET1000を製造するためのプロセスは、図2のフローチャート200に関連して上述したプロセスと類似している。
特定のHFETおよびプロセスに関連して、第3の膜、フィールドプレート、およびゲート電極の傾斜した側壁などの任意の特徴について説明したが、これらの特徴は組合わせることができ、任意の組合せで適合させることができるということが理解されるべきである。
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、本発明のより広い精神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、厚み、材料、処理動作などの具体例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、例およびプロセスでは他の厚み、材料、処理動作など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。
106,302,804,904,1004 AlGaN膜、108 ゲート誘電体層、110 フィールドプレート誘電体、118,702,816,914,1014 ゲート電極、300 ウェハ、402,806,906,1006 第1の膜、404,810,908,1008 第2の膜。
Claims (26)
- 電界効果トランジスタ(field effect transistor)(FET)を作製するための方法であって、
in-situ原子層堆積(atomic layer deposition)(ALD)プロセスにおいて、上面に第1の半導体膜を有するウェハ上に第1の誘電体膜および第2の誘電体膜を堆積させるステップを備え、前記第1の誘電体膜は前記第1の半導体膜上に堆積され、前記第2の誘電体膜は前記第1の誘電体膜上に堆積され、前記方法はさらに、
ゲート電極の位置を規定するように前記第2の誘電体膜に第1のパターンをエッチングするステップと、
前記第1のパターン上に導体を堆積させるステップと、
前記第1のパターンの一部と重なる第2のパターンを規定するように前記導体の一部をエッチングするステップとを備え、前記第2のパターンはゲート電極を規定する、方法。 - ソース電極およびドレイン電極を形成するステップをさらに備え、前記ソース電極および前記ドレイン電極は、前記第1の半導体膜に電気的に接続され、前記ソースおよびドレイン電極は、前記ゲート電極の両側にある、請求項1に記載の方法。
- 前記ウェハは、前記第1の半導体膜の下に第2の半導体膜を有する、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の半導体膜はAlGaNであり、前記第2の半導体膜はGaNである、請求項3に記載の方法。
- 前記第1のパターンをエッチングするステップは、前記第1のパターンの一部の底部において前記第1の誘電体膜を露出させる、請求項4に記載の方法。
- 前記第1および第2の誘電体膜は、互いに異なるエッチング特性を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記第1および第2の誘電体膜の間に第3の膜がin-situ堆積され、前記第3の膜は、前記第2の誘電体膜とは異なるエッチング特性を有する、請求項4に記載の方法。
- 前記第3の膜は、前記第2の誘電体膜に前記第1のパターンをエッチングするためのエッチングストップである、請求項7に記載の方法。
- 前記第1のパターンをエッチングするステップは、前記第1のパターンの底部部分に沿って前記第3の膜を露出させる、請求項7に記載の方法。
- 前記第1の誘電体膜の上面は、前記第1のパターン上に前記導体を堆積させるステップの前は、前記第1のパターンの前記底部部分に露出している、請求項9に記載の方法。
- 前記第1の誘電体膜はAl2O3でできており、前記第3の膜はHfO2でできており、前記第2の膜はAl2O3でできている、請求項7に記載の方法。
- 前記第1の誘電体膜はAl2O3でできており、前記第3の膜はAlNでできており、前記第2の膜はSiNでできている、請求項7に記載の方法。
- 前記ウェハは、サファイア、シリコンまたは炭化ケイ素からなるハンドルウェハを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記第2のパターンは、前記第2の膜の上にゲートフィールドプレートを含む、請求項4に記載の方法。
- 電界効果トランジスタ(FET)であって、
基板の上面に第1の半導体膜と、
前記第1の半導体膜の上に第1の誘電体膜および第2の誘電体膜の複合膜とを備え、前記複合膜は、前記第1の誘電体膜の層の上に前記第2の誘電体膜の層を有し、前記複合膜は、in-situ堆積させた原子層堆積(ALD)膜であり、前記FETはさらに、
前記複合膜内に規定されたゲート電極を備え、前記ゲート電極は、前記第1の誘電体膜によって前記第1の半導体膜から絶縁され、前記FETはさらに、
前記ゲート電極のある側で前記第1の半導体膜に電気的に接続されたソース電極と、
前記ゲート電極の、前記ソース電極とは反対の側で前記第1の半導体膜に電気的に接続されたドレイン電極とを備える、FET。 - 前記第1の半導体膜と前記基板との間に第2の半導体膜をさらに備える、請求項15に記載のFET。
- 前記第1の半導体膜はAlGaNであり、前記第2の半導体膜はGaNである、請求項16に記載のFET。
- 前記第1の誘電体膜および前記第2の誘電体膜は、互いに異なるエッチング特性を有する、請求項17に記載のFET。
- 前記第1の誘電体膜はAl2O3でできており、前記第2の誘電体は窒化ケイ素でできている、請求項18に記載のFET。
- 前記ゲート電極は、前記第1の誘電体膜の上面と接触する、請求項17に記載のFET。
- 前記ゲート電極は、第3の膜の上面と接触する、請求項17に記載のFET。
- 前記複合膜は、前記第1の誘電体膜の前記層と前記第2の誘電体膜の前記層との間に第3の膜を含み、前記第3の膜および前記第2の誘電体膜は、互いに異なるエッチング特性を有する、請求項16に記載のFET。
- 前記第1の誘電体膜および前記第2の誘電体膜は、同一の材料でできている、請求項22に記載のFET。
- 前記第1の誘電体膜および前記第2の誘電体膜はAl2O3でできており、前記第3の膜はHfO2でできている、請求項22に記載のFET。
- 前記第1の誘電体膜はAl2O3でできており、前記第3の膜はAlNでできており、前記第2の誘電体膜はSiNでできている、請求項17に記載のFET。
- 前記FETはヘテロ構造FETである、請求項16に記載のFET。
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