JP5156235B2 - 窒化物ベースのトランジスタの製作方法 - Google Patents
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Description
本発明は半導体デバイスに関し、より詳細には、窒化物ベースの活性層を組み込んだトランジスタに関する。
シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの材料は、より低電力および（Ｓｉの場合には）より低周波用途向けの半導体デバイスに幅広く応用されてきている。しかし、よく知られているように、これらの半導体材料は、比較的小さなバンドギャップ（例えば、室温で、Ｓｉの場合には１．１２ｅＶ、ＧａＡｓの場合には１．４２ｅＶ）および／または比較的小さな破壊電圧のため、より高電力および／またはより高周波用途向けには適していない。
ＳｉおよびＧａＡｓが示す難点に照らして、高電力、高温および／または高周波の用途ならびにデバイスにおける関心は、炭化ケイ素（α−ＳｉＣの場合には、室温で２．９９６ｅＶ）やＩＩＩ族窒化物（例えば、ＧａＮの場合には、室温で３．３６ｅＶ）などの広バンドギャップの半導体材料に移ってきた。これらの材料は一般に、ガリウムヒ素およびシリコンと比べて、より高い電界破壊強度およびより高い電子飽和速度を有する。
高電力および／または高周波用途向けの、特に関心が寄せられているデバイスは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、これは変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）としても知られる。これらのデバイスでは、異なるバンドギャップエネルギーを有し、かつバンドギャップが小さい方の材料がより高い電子親和力を有する２種類の半導体材料のヘテロ接合部で、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されるので、いくつかの状況のもとで、動作上の利点をもたらすことができる。２ＤＥＧは、非ドープの（「意図的でなくドープされた」）、バンドギャップが小さい方の材料中の蓄積層であり、例えば１０１３キャリア／ｃｍ２を上回る、非常に高いシート電子濃度を有することができる。さらに、バンドギャップが広い方の半導体中からの電子が２ＤＥＧに移動し、そこではイオン化不純物散乱が低減されているため、高い電子移動度を持つことが可能になる。
高キャリア濃度と高キャリア移動度がこのように組み合わさることにより、非常に大きな相互コンダクタンスをＨＥＭＴに与えることができ、また高周波用途向けの金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に勝る、大きな性能上の利点をもたらすことができる。
窒化ガリウム／窒化アルミニウムガリウム（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）材料系で製作される高電子移動度トランジスタは、前述の高破壊電界、それらの材料の広いバンドギャップ、大きな伝導帯オフセット、および／または高飽和電子ドリフト速度を含めた材料特性を併せもつため、大きな高周波電力を発生する可能性を有する。２ＤＥＧ中の電子の大部分は、ＡｌＧａＮ中の分極によるものとされている。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系によるＨＥＭＴは、これまでに示されている。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造および製造方法は、文献に記載されている（特許文献１、特許文献２参照）。半絶縁性炭化ケイ素基板、基板上に窒化アルミニウムバッファ層、バッファ層上に絶縁性窒化ガリウム層、窒化ガリウム層上に窒化アルミニウムガリウムバリア層、窒化アルミニウムガリウムの活性構造上にパッシベーション層を有するＨＥＭＴデバイスが、文献に記載されている（特許文献３参照）。
窒化物ベースのトランジスタの製作における１つの段階は、そうしたトランジスタ用のオーム性接触の形成である。オーム性接触の形成には一般に、高アニール温度（例えば９００℃）が必要とされてきた。そうした高アニール温度は、材料および／またはデバイスに損傷を与えることがある。
例えば、オーム性接触を形成する際に高アニール温度を利用する従来型のデバイスでは、ＡｌＧａＮ層および／またはＧａＮ層のゲート領域（２つの接点間の活性デバイス領域と定義される）のシート抵抗は一般に、成長させたままのＡｌＧａＮ層および／またはＧａＮ層のシート抵抗に比べて増大する。シート抵抗のそうした増大は、デバイスに悪影響を及ぼすと考えられている。
本発明の諸実施形態は、窒化物ベースの半導体チャネル層上に窒化物ベースの半導体バリア層を形成し、窒化物ベースの半導体バリア層のゲート領域上に保護層を形成することによる、トランジスタの製作を提供する。バリア層上に、パターニングされたオーム性接触金属領域を形成し、それをアニールして、第１および第２のオーム性接触を形成する。アニールは、ゲート領域上に保護層を載せたままで実施される。ゲート接点も、バリア層のゲート領域（例えば、第１と第２のオーム性接触間の活性デバイス領域）上に形成される。
本発明の別の諸実施形態では、パターニングされたオーム性接触金属をアニールした後に、保護層が除去される。保護層は窒化アルミニウム層でよい。保護層は、低損傷エッチング技術を利用して除去することができる。例えば、低損傷エッチング技術には、ＫＯＨなどの強塩基を用いた湿式除去が含まれ得る。保護層を除去した後に、バリア層の露出部分上に、パッシベーション層を形成することができる。これらの実施形態では、バリア層のゲート領域の一部分を露出させるために、低損傷エッチング技術を利用してパッシベーション層に陥凹部をエッチングし、パッシベーション層の陥凹部中にゲート接点を形成することによって、ゲート接点を形成することができる。
本発明の別の諸実施形態では、バリア層および保護層の露出部分上に、パッシベーション層が形成される。これらの諸実施形態では、パッシベーション層および保護層を貫通して延びてバリア層に接触するゲート接点を形成することによって、ゲート接点を設けることができる。
本発明の別の諸実施形態では、保護層を形成することは、バリア層上にパターニングされた保護層を形成することを含む。パターニングされた保護層は、ゲート領域に対応するバリア層の第１の部分を覆い、それに隣接すると共に第１および第２のオーム性接触に対応する、バリア層の第２の部分を露出させる。パターニングされたオーム性接触金属領域は、バリア層の第２の部分上に、パターニングされたオーム性接触金属領域を形成することによって設けられる。パターニングされたオーム性接触金属領域は、パターニングされた保護層に隣接すると共にそれから離隔される。
本発明の別の諸実施形態では、パターニングされた保護層を形成することは、バリア層上に保護層材料をブランケット堆積させること、ブランケット堆積された保護層材料上に、第１および第２のオーム性接触の位置に対応するウインドウを有する、一般にはフォトレジストであるマスクを形成すること、ブランケット堆積された保護層を、低損傷エッチング技術を利用して、ウインドウを通してエッチングすること、およびマスクを除去することを含む。第１および第２のオーム性接触の位置に対応するウインドウは、第１および第２のオーム性接触の面積よりも大きくてよい。低損傷エッチング技術は、ＣＦ４／Ｏ２、ＮＦ３／Ｏ２および／または他のフッ素化種を使用する、ＲＩＥ、ＥＣＲ、ダウンストリームプラズマ、ならびに／あるいはＩＣＰのうちの１つまたは複数でよい。
ゲート接点を形成することは、パターニングされた保護層に陥凹部をエッチングして、バリア層の第１の部分の一部分を露出させること、およびゲート接点をその陥凹部中に堆積させることを含むことができる。陥凹部を形成することは、パターニングされた保護層上に、陥凹部の位置に対応するウインドウを有するマスクを形成すること、パターニングされた保護層を、低損傷エッチング技術を利用して、ウインドウを通してエッチングすること、およびマスクを除去することを含むことができる。パターニングされた保護層をエッチングするのに利用される低損傷エッチング技術は、ＣＦ４／Ｏ２、ＮＦ３／Ｏ２および／または他のフッ素化種を使用する、ＲＩＥ、ＥＣＲ、ダウンストリームプラズマ、ならびに／あるいはＩＣＰを含むことができる。
本発明の特別な諸実施形態では、保護層はＳｉＮ、ＡｌＮ、および／またはＳｉＯ２を含む。ＳｉＮ、ＡｌＮ、および／またはＳｉＯ２は、非化学量論的でよく、圧縮歪みまたは引っ張り歪みを有することができる。保護層は、物理気相成長（ＰＶＤ）および／または化学気相成長（ＣＶＤ）を使用して堆積させることができる。
本発明の別の諸実施形態では、パターニングされた保護層と第１および第２のオーム性接触との間の隙間を実質的に埋めるように、パターニングされた保護層上にパッシベーション層が形成される。パターニングされた保護層およびパッシベーション層の材料は、同じでも異なっていてもよい。例えば、パターニングされた保護層は、窒化アルミニウムでよく、パッシベーション層は窒化ケイ素でよい。あるいは、パターニングされた保護層およびパッシベーション層が窒化ケイ素でもよい。
本発明の別の諸実施形態では、バリア層の第１の部分を露出させるために、パターニングされた保護層が除去される。パターニングされた保護層を除去し、それに続いて、バリア層の露出部分上にパッシベーション層を形成することができる。そうした諸実施形態では、パターニングされた保護層は、窒化アルミニウムでよく、パッシベーション層は窒化ケイ素でよい。
本発明の別の諸実施形態では、ゲート接点の形成の前に、パッシベーション層の形成が実施される。ゲート接点は、パッシベーション層に陥凹部を形成して、バリア層の第１の部分の一部分を露出させ、陥凹部中にゲート接点を形成することによって、設けられる。陥凹部を形成することは、パッシベーション層上にマスクを形成することを含むことができる。マスクは、陥凹部の位置に対応するウインドウを有する。パッシベーション層は、低損傷エッチング技術を利用して、ウインドウを通してエッチングされ、次いでマスクが除去される。
本発明の特定の諸実施形態では、窒化物ベースのチャネル層および窒化物ベースの半導体バリア層は、ＩＩＩ族窒化物層である。例えば、チャネル層のバンドギャップがバリア層のバンドギャップよりも小さい場合、チャネル層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０≦ｘ＜１）の組成を有することができる。チャネル層は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）および／または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）でもよく、バリア層は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＩｎＧａＮでよい。バリア層および／またはチャネル層は、複数の層でもよい。窒化物ベースのチャネル層を形成するために、バッファ層を基板上に形成し、チャネル層をそのバッファ層上に形成してもよい。チャネル層およびバリア層は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）となるように構成することができる。窒化物ベースのチャネル層は、ＳｉＣ基板上に形成することができる。
本発明の別の諸実施形態では、ゲート接点の形成の前に、パッシベーション層の形成が実施される。ゲート接点の形成は、パッシベーション層およびパターニングされた保護層に陥凹部を形成して、バリア層の第１の部分の一部分を露出させること、および陥凹部中にゲート接点を形成することを含む。
本発明の特定の諸実施形態では、保護層はオーム性接触材料の厚さと少なくともほぼ同じ厚さに形成される。保護層は、少なくとも単層約２枚分の厚さを有してもよい。具体的には、保護層は約１ｎｍから約５００ｎｍの厚さを有することができる。
本発明の別の諸実施形態では、高電子移動度トランジスタは、基板上に窒化物ベースのチャネル層を、および窒化物ベースのチャネル層上に窒化物ベースの半導体バリア層を有する。チャネル層とバリア層の間の境界面での電子のチャネルは、窒化物ベースのＨＥＭＴチャネルの成長させたままのシート抵抗と実質的に同じシート抵抗を有する。バリア層上にオーム性接触およびゲート接点が形成される。
高電子移動度トランジスタはさらに、オーム性接触に隣接すると共にそれから離隔され、またゲート接点が中を貫通して延びる、バリア層上に配設された保護層を含むことができる。保護層上にパッシベーション層を形成することもでき、これはオーム性接触と保護層の間の隙間を実質的に埋める。パッシベーション層は、保護層上にあってもよく、ゲート接点は保護層およびパッシベーション層を貫通して延びることができる。ゲート接点を、保護層上に直接形成してもよい。バリア層上のパッシベーション層は、オーム性接触とゲート接点の間の隙間を実質的に埋めることができる。
本発明の特定の諸実施形態では、窒化物ベースのチャネル層および窒化物ベースの半導体バリア層はそれぞれＩＩＩ族窒化物層を含む。チャネル層は、バリア層よりも低いバンドギャップを有することができる。チャネル層は約２０Åを超える厚さを有する非ドープ層を含むことができる。チャネル層は、超格子および／またはＩＩＩ族窒化物層の組合せを含んでもよい。チャネル層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、および／または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を含むことができる。バリア層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＩｎＧａＮを含むことができる。例えば、バリア層はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０＜ｘ＜１）を含むことができる。バリア層は、複数の層を含んでもよい。バッファ層を基板上に形成することもでき、その場合には、バッファ層上に窒化物ベースのチャネル層が配設される。
本発明の別の諸実施形態では、保護層は、オーム性接触の厚さと少なくともほぼ同じ厚さを有する。オーム性接触は、約１Ω−ｍｍ未満の接点抵抗を有してもよい。
本発明の別の諸実施形態では、高電子移動度トランジスタは、基板上に窒化物ベースのチャネル層を、窒化物ベースのチャネル層上に窒化物ベースの半導体バリア層を、バリア層上に保護層を、バリア層上に、保護層に隣接すると共にオーム性接触と保護層の間に隙間を設けるようにそれから離隔されたオーム性接触を、およびバリア層上に保護層を貫通して延びるゲート接点を含む。保護層上にパッシベーション層を形成することもでき、これはオーム性接触と保護層の間の隙間を実質的に埋める。
本発明の別の諸実施形態では、トランジスタの製作は、窒化物ベースの半導体チャネル層上に窒化物ベースの半導体バリア層を形成すること、および窒化物ベースの半導体バリア層のゲート領域上に保護層を形成することを含む。バリア層上に、パターニングされたオーム性接触金属領域が形成される。パターニングされたオーム性接触金属は、第１および第２のオーム性接触、例えばソース接点およびドレイン接点を形成するために、アニールされる。バリア層のゲート領域の一部分を露出させるために、低損傷エッチング技術を利用して、バリア層のゲート領域内の保護層に陥凹部がエッチングされる。ゲート接点は、パッシベーション層の陥凹部中に形成される。
本発明の特定の諸実施形態では、保護層はパッシベーション層を含む。保護層は、例えば、窒化アルミニウム層、窒化ケイ素層、ならびに／あるいは１層または複数層の二酸化ケイ素層でよい。低損傷エッチング技術は、強塩基を使用する湿式エッチングでよい。本発明のいくつかの実施形態では、第１および第２のオーム性接触を形成するために、パターニングされたオーム性接触金属のアニールは、保護層を形成する前に実施される。本発明の他の諸実施形態では、第１および第２のオーム性接触を形成するために、パターニングされたオーム性接触金属のアニールは、保護層を形成した後に実施される。
次に本発明を、本発明の諸実施形態が示された添付の図面を参照して、以下により完全に説明する。ただし本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態だけに限定されるものと解釈すべきではない。そうではなく、これらの実施形態は、本開示が網羅的で完全なものとなるように、また本発明の範囲を当分野の技術者に十分に伝えるために、提供するものである。同じ数字は、全体を通じて同じ要素を表す。さらに、図面に示す様々な層および領域は、概略的に示されている。したがって、本発明は、添付の図面に示された相対寸法、間隔および配列に限定されるものではない。やはり当分野の技術者には理解されるように、本明細書において、基板または他の層「上」に形成された層という言及は、基板または他の層上に直接形成された層を指すことも、基板または他の層上に形成された１層または複数層の介在する層上に形成された層を指すこともある。別の構成に「隣接」して配設される構造または構成という言及は、隣接する構成と重畳する、またはその下にある部分を有することがあることも、当分野の技術者には理解されるであろう。
本発明の諸実施形態では、トランジスタなどの半導体デバイス中で、ゲート漏れ電流を低減させ、かつ／または高品質のショットキー接点を形成するために、保護層および／または低損傷陥凹部の製作技術を利用する。保護層を使用することにより、デバイスのオーム性接触のアニール中に、トランジスタのゲート領域内で半導体が受ける損傷を低減することができる。したがって、オーム性接触の形成に起因するゲート領域の品質低下が低減された、高品質のゲート接点およびオーム性接触を形成することができる。
本発明の諸実施形態は、ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスなど、窒化物ベースのＨＥＭＴで使用するのに特に十分に適切となり得る。本明細書では、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、窒素と、周期表のＩＩＩ族の元素、一般にアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）との間で形成された半導体化合物を指す。この用語は、ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮなど三元化合物および四元化合物も指す。当分野の技術者には十分に理解されるように、ＩＩＩ族元素は窒素と結合して、二元化合物（例えばＧａＮ）、三元化合物（例えばＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、および四元化合物（例えばＡｌＩｎＧａＮ）を形成することができる。これらの化合物はすべて、１モルの窒素が合計１モルのＩＩＩ族元素と組み合わされた実験式を有する。したがって、それらを記述するために、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０≦ｘ≦１）などの式がしばしば使用される。
本発明の諸実施形態を利用することのできるＧａＮベースのＨＥＭＴのための適切な構造は、文献に記載されている（例えば、本願の譲受人に譲渡された特許文献３および２００１年７月１２日出願、２００２年６月６日公開の、「ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME」という名称の特許文献４、２００１年５月１１日出願の、「GROUP III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER LAYER」という名称の特許文献５、２００２年１１月１４日公開の、Smorchkova等の、「GROUP-III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER LAYER」という名称の特許文献６、ならびに２００３年７月１１日出願の、「NITRIDE-BASED TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATION THEREOF USING NON-ETCHED CONTACT RECESSES」という名称の特許文献７参照）。
本発明の諸実施形態の製作を、図１Ａ〜１Ｅに概略的に示す。図１Ａから分かるように、その上に窒化物ベースのデバイスを形成することのできる基板１０が提供される。本発明の特定の諸実施形態では、基板１０は、半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）の基板でよく、炭化ケイ素は、例えば４Ｈポリタイプの炭化ケイ素でよい。炭化ケイ素ポリタイプの他の候補には、３Ｃ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプが含まれる。「半絶縁性」という用語は、絶対的な意味ではなく、説明的なものとして使用される。本発明の特定の諸実施形態では、炭化ケイ素のバルク結晶は、室温で約１ｘ１０５Ω−ｃｍ以上の抵抗率を有する。
基板１０上に、バッファ層、核形成層、および／または遷移層（図示せず）を任意選択で形成することができる。例えば、炭化ケイ素基板とデバイスの残りの部分の間で適当な結晶構造の遷移をもたらすために、ＡｌＮバッファ層を形成することができる。さらに、文献に記載されているように、１層または複数層の歪み平衡遷移層（ｓｔｒａｉｎ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を形成することもできる（例えば、本願の譲受人に譲渡された、２００２年７月１９日出願、２００３年６月５日公開の、「STRAIN BALANCED NITRIDE HETROJUNCTION TRANSISTORS AND METHODS OF FABRICATING STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION TRANSISTORS」という名称の特許文献８、および２００１年１２月３日出願の、「STRAIN BALANCED NITRIDE HETEROJUNCTION TRANSISTOR」という名称の特許文献９参照）。
炭化ケイ素の方が、ＩＩＩ族窒化物デバイス用の非常に一般的な基板材料であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）よりも、ＩＩＩ族窒化物にずっと近い結晶格子整合を有する。格子整合がより近いことから、サファイア上で一般に得られるものよりも高品質のＩＩＩ族窒化物被膜を得ることができる。炭化ケイ素は、非常に高い熱伝導性も有し、その結果、炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力電力は一般に、サファイア上に形成された同じデバイスの場合ほどは、基板の放熱による制限を受けない。また、半絶縁性炭化ケイ素基板が利用できるので、デバイスの分離および寄生容量の低減をもたらすことができる。適当なＳｉＣ基板は例えば、本発明の譲受人であるノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ社により製造されており、製造方法は文献に記載されている（例えば、特許文献１０、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３参照。）。同様に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長技術も、これまでに文献に記載されている（例えば、特許文献１４、特許文献１５、特許文献１６、特許文献１７参照）。
基板材料として炭化ケイ素を使用することができるが、本発明の諸実施形態では、サファイア、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰなど、どんな適切な基板も利用することができる。いくつかの実施形態では、適当なバッファ層を形成することもできる。
図１Ａに戻ると、基板１０上にチャネル層２０が形成される。チャネル層２０は、上述のようにバッファ層、遷移層、および／または核形成層を使用して、基板１０上に堆積させることができる。チャネル層２０は、圧縮歪みを受けていてよい。さらに、チャネル層および／またはバッファ核形成層（ｂｕｆｆｅｒ ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）および／または遷移層は、ＭＯＣＶＤによって、またはＭＢＥやＨＶＰＥなど、当分野の技術者には公知の他の技術によって、堆積させることができる。
本発明のいくつかの実施形態では、チャネル層とバリア層の間の境界面で、チャネル層２０の伝導帯端のエネルギーの方がバリア層２２の伝導帯端のエネルギーよりも小さいという条件のもとで、チャネル層２０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０≦ｘ＜１）などのＩＩＩ族窒化物である。本発明のいくつかの実施形態ではｘ＝０であり、チャネル層２０がＧａＮであることを意味する。チャネル層２０は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなど、他のＩＩＩ族窒化物でもよい。チャネル層２０は、ドープされていなくて（「意図的でなくドープされていて」）よく、約２０Åを超える厚さにまで成長させることができる。チャネル層２０は、超格子またはＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの組合せなどの多層構造でもよい。
チャネル層２０上にバリア層２２が設けられる。チャネル層２０は、バリア層２２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有することができ、またチャネル層２０は、バリア層２２よりも大きな電子親和力を有することもできる。バリア層２２は、チャネル層２０上に堆積させることができる。本発明のいくつかの実施形態では、バリア層２２は、約０．１ｎｍから約１０ｎｍの間の厚さの、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮである。本発明のいくつかの実施形態による層の例は、文献に記載されている（その開示を、本明細書に完全に記載されているのと同様に、Smorchkova等の、「GROUP-III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER LAYER」という名称の、特許文献６参照。）。本発明の特定の諸実施形態では、バリア層２２は、オーム接触金属の下に埋め込まれたときに、分極効果によって、チャネル層２０とバリア層２２の間の境界面で、十分なキャリア濃度を誘起させるのに十分なほど厚く、十分なほど高いＡｌの組成およびドーピングを有する。またバリア層２２は、バリア層２２と第２のキャップ層２４（図１Ｂ）の間の境界面に堆積されたイオン化不純物による、チャネル内での電子の散乱を低減し、または最小限に抑えるのに十分なほど厚くあるべきである。
バリア層２２は、ＩＩＩ族窒化物でよく、チャネル層２０のバンドギャップよりも大きなバンドギャップ、およびチャネル層２０よりも小さな電子親和力を有する。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、バリア層２２は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＮまたはそれらの層の組合せである。バリア層２２は、例えば、約０．１ｎｍから約１０ｎｍの厚さでよいが、亀裂または重大な欠陥の形成をその中で引き起こすほど厚くはない。本発明のいくつかの実施形態では、バリア層２２はドープされず、あるいはｎ型ドーパントで約１０１９ｃｍ−３未満の濃度までドープされる。本発明のいくつかの実施形態では、バリア層２２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０＜ｘ＜１）である。特定の諸実施形態では、アルミニウム濃度は約２５％である。しかし、本発明の他の諸実施形態では、バリア層２２は、アルミニウム濃度が約５％から約１００％の間のＡｌＧａＮを含む。本発明の特定の諸実施形態では、アルミニウム濃度は約１０％を超える。
図１Ｂは、バリア層２２上での保護層２４の形成を示す。保護層２４は、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ならびに／あるいは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）および／または酸窒化物など、他の適切な保護材料でよい。下にあるバリア層２２に損傷を与えずに材料を除去することができる限り、保護層２４に他の材料を利用してもよい。例えば、保護層２４は、酸化マグネシウム、酸化スカンジウム、酸化アルミニウム、および／または酸窒化アルミニウムを含むこともできる。さらに、保護層２４は、組成が一様および／または非一様な、単一の層あるいは複数の層とすることができる。
本発明の特定の諸実施形態では、保護層２４はＳｉＮである。ＳｉＮはＰＶＤおよび／またはＣＶＤで形成することができ、圧縮歪みまたは引っ張り歪みにおいて非化学量論的でよい。例えば、保護層は、約−１００ＭＰａから約１００ＭＰａの間の応力を有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ＳｉＮ保護層は、６３３ｎｍの波長で約１．６から約２．２の屈折率を有する。特定の諸実施形態では、ＳｉＮ保護層の屈折率は、１．９８±０．０５である。
いくつかの実施形態では、保護層２４はＡｌＮでよい。ＡｌＮは、ＰＶＤおよび／またはＣＶＤで形成することができ、圧縮歪みまたは引っ張り歪みにおいて非化学量論的でよい。例えば、保護層は、約−１００ＭＰａから約１００ＭＰａの間の応力を有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ＡｌＮ保護層は、６３３ｎｍの波長で約１．８から約２．１の屈折率を有する。特定の諸実施形態では、ＡｌＮ保護層の屈折率は、１．８５±０．０５である。
保護層２４はＳｉＯ２でもよい。ＳｉＯ２はＰＶＤおよび／またはＣＶＤで形成することができ、圧縮歪みまたは引っ張り歪みにおいて非化学量論的でよい。例えば、保護層は、約−１００ＭＰａから約１００ＭＰａの間の応力を有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ＳｉＯ２保護層は、６３３ｎｍの波長で約１．３６から約１．５６の屈折率を有する。特定の諸実施形態では、ＳｉＯ２保護層の屈折率は、１．４６±０．０３である。
保護層２４は、バリア層２２上にブランケット形成され、堆積によって形成することができる。例えば、窒化ケイ素層は、高品質なスパッタリングおよび／またはＰＥＣＶＤで形成することができる。一般に、保護層２４は、約３０ｎｍの厚さを有することができるが、他の厚さの層を利用することもできる。例えば、保護層は、後続のオーム性接触のアニール中に、下にある層を保護するために、十分に厚くなければならない。単層２枚または３枚分ほどの薄い層で、そうした目的に十分となり得る。しかし、一般には、保護層２４は約１０ｎｍから約５００ｎｍの厚さを有することができる。また、ＩＩＩ族窒化物層のＭＯＣＶＤ成長を用いて、高品質なＳｉＮ保護層をｉｎ−ｓｉｔｕで成長させることもできる。
図１Ｃに示すように、オーム性接触３０を形成するために、保護層２４にウインドウを開口する。これらのウインドウを、パターニングされたマスクおよびバリア層２２に対する低損傷エッチングを利用して形成して、下にあるバリア層２２を露出させることができる。低損傷エッチング技術の例には、プラズマに直流成分のない、誘導結合プラズマエッチングまたは電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチングまたはダウンストリームプラズマエッチングなど、反応性イオンエッチング以外のエッチング技術が含まれる。ＳｉＯ２の場合には、低損傷エッチングは、緩衝フッ化水素酸を用いた湿式エッチングとすることができる。ＩＴＯ、ＳＣＯ、ＭｇＯなどのエッチングストップ層まで、ＳｉＮおよび／またはＳｉＯ２を選択的にエッチングし、それに続いて、エッチングストップ層の低損傷除去を実施することもできる。ＳｉＮの場合には、エッチングストップ層としてＳｉＯ２を使用することができる。そうした諸実施形態では、保護層２４は、ＳｉＮ層、ＡｌＮ層および／またはＳｉＯ２層ならびにエッチングストップ層を含むことができる。したがって、本発明のいくつかの実施形態では、保護層２４は複数の層を含むことができる。
図１Ｃにさらに示すように、後続のフォトリソグラフィ段階および蒸着でオーム金属をパターニングして、オーム性接触３０を形成する。オーム性接触３０は、保護層２４内のウインドウよりも小さくなり、その結果、オーム性接触３０の縁部が保護層２４から離隔されるようにパターニングされる。例えば、オーム性接触３０の縁部は、保護層２４から約０．１μｍから約０．２μｍの距離だけ離隔することができる。オーム性接触３０は、オーム性接触金属の形成およびパターニング時にずれ公差を許容できるほど十分に大きな距離だけ、保護層２４から離隔されるべきである。オーム性接触金属が保護層２４に接触すると、後続の加熱段階中に、金属が保護層２４内に拡散することがあり、その結果ゲート接点と１つまたは複数のオーム性接触３０との間で短絡を生じる恐れがある。ただし、オーム性接触３０と保護層２４の間の隙間は、保護層２４の保護目的を無効にし、それによってデバイスの性能を実質的に低下させるほど大きくあるべきではないが、オーム性材料の、保護層に対する無作為な接触を危うくするほど小さくあるべきでもない。したがって、例えば、本発明のいくつかの実施形態では、隙間は約０．１μｍから約０．５μｍでよい。
オーム性接触材料をアニールして、オーム性接触３０を形成する。アニールは、高温アニールでよい。例えば、アニールは、約９００℃を超える温度でのアニールでよい。オーム性接触のアニールを使用することによって、オーム性接触の抵抗を、高抵抗から約１Ω−ｍｍ未満まで低減させることができる。したがって、本明細書では、「オーム性接触」という用語は、約１Ω−ｍｍ未満の接点抵抗を有する、非整流性接点を指す。高温工程段階中に保護層があるため、そうした段階によって引き起こされる恐れのある、バリア層２２への損傷を抑制することができる。したがって、例えば、オーム性接触を高温アニールした後のゲート領域２１のシート抵抗は、成長させたまま（すなわち、接点をアニールする前）のゲート領域２１のシート抵抗と実質的に同じになることができる。
図１Ｄは、ゲートウインドウの形成を示す。図１Ｄから分かるように、オーム性接触および保護層２４上にマスク２６を形成し、パターニングして、保護層２４の一部分を露出するウインドウを形成する。次いで、バリア層２２の一部分を露出するために、保護層２４を貫通して陥凹部を形成する。陥凹部は、上述のように、マスク２６および低損傷エッチング法を使用して形成する。オーム性接触３０によってソース接点およびドレイン接点が形成される特定の諸実施形態では、陥凹部が、後にはゲート接点３２が、ドレイン接点よりもソース接点の方に近くなるように、陥凹部を、ソース接点とドレイン接点の間で位置決めすることができる。
図１Ｅから分かるように、ゲート接点３２は、陥凹部中に形成され、バリア層２２の露出部分に接触する。ゲート接点は、図１Ｅに示すような「Ｔ」ゲートでよく、従来の製作技術を使用して製作することができる。適切なゲート材料は、バリア層の組成によって変わることがあるが、いくつかの実施形態では、Ｎｉ、Ｐｔ、ＮｉＳｉｘ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｗおよび／またはＷＳｉＮなど、窒化物ベースの半導体材料に対してショットキー接点を形成することのできる従来型の材料を使用することができる。望ましくないことかもしれないが、保護層２４とゲート接点３２の間の小さな隙間が、例えば、低損傷エッチングの異方性の結果として生じることがあり、それによって保護層２４とゲート接点３２の間にバリア層２２の露出した表面がもたらされる。
図１Ｆは、パッシベーション層３４の形成を示す。パッシベーション層は、図１Ｅの構造上にブランケット堆積させることができる。特定の諸実施形態では、パッシベーション層３４は、保護層２４とオーム接触３０の間の隙間を、また保護層２４とゲート接点３２の間の隙間があればそれも、実質的に埋めるように堆積させる。本発明のいくつかの実施形態では、パッシベーション層３４は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、二酸化ケイ素、および／または酸窒化物でよい。さらに、パッシベーション層３４は、組成が一様および／または非一様な、単一の層あるいは複数の層とすることができる。
以上、本発明の諸実施形態を、開口したゲート接点ウインドウを形成するための、また保護層２４に対する隙間をもつゲート接点を形成するための、２つのマスクによる方法に即して説明してきたが、図２Ａおよび図２Ｂは、オーム性接触ウインドウおよびオーム性接触を単一のマスクで形成するための操作を示す。図２Ａから分かるように、保護層２４上に、負の斜角をもつ、フォトレジストなどのマスク２００を形成することができる。マスク２００の負の斜角は、その後形成されるオーム性接触３０とパターニングされた保護層２４との間の隙間の距離に対応する。保護層２４を、上述の低損傷エッチング法を使用して等方的にエッチングして、接点ウインドウを形成する。したがって、接点ウインドウは、マスク２００の底辺寸法によって画定される。エッチングが等方性であり、低損傷エッチングにより実質的にオーバーエッチングされて、横方向のアンダカットを所望の間隔にすることができる場合には、負の斜角をもたないマスク層を使用することもできる。
図２Ｂから分かるように、オーム接触金属３００を、得られた構造上に蒸着させる。マスク２００のオーバーハング部が、露出したバリア層２２上に金属が堆積される場所を画定する。したがって、接触金属３００は、パターニングされた保護層２４から離隔される。マスク２００およびマスク２００上の金属３００を除去すると、図１Ｃの構造がもたらされる。
図２Ａに示す斜角付きのマスクを提供する技術は、当分野の技術者には公知である。さらに、マスク２００は斜角を有するように示してあるが、本発明の他の諸実施形態では、マスクは、段を有することもでき、保護層２４のエッチングおよび接点材料の堆積用の、２つの異なる見かけのウインドウサイズを有するマスクを形成するような他の構成を有することもできる。したがって、例えば、１回の露光で、保護層２４に隣接するフォトレジストの層によって形成されるウインドウの方が、保護層２４から離隔されたフォトレジストの層によって形成されるウインドウよりも大きくなるような、オーバーハングまたは段を有するマスクを形成することのできる、異なる露光感度を有する多層フォトレジストを利用することができる。
図３は、本発明の別の諸実施形態による、トランジスタの製作を示す。図３から分かるように、オーム金属堆積前の保護層２４の形成は省略することができ、バリア層２２上にオーム金属を堆積させ、パターニングして、バリア層２２上にオーム性接触材料領域３０を形成することができる。次いで、バリア層２２のゲート領域およびオーム性接触材料上に、保護層４０を形成する。本発明の特定の諸実施形態では、保護層４０は、窒化アルミニウムをスパッタリングによってブランケット堆積させたものでよい。保護層４０は、保護層２４に関して上記で述べたものなどの材料でもよい。
オーム性接触材料領域３０のアニールは、保護層４０を適切な位置に配置したままで実施する。次いで保護層４０を、例えば、上述のような低損傷エッチング技術を使用して除去することができる。次いで、パッシベーション層３４の形成前または形成後に、ゲート接点３２を形成することができる。例えば、窒化ケイ素層を、スパッタリングによって堆積させることができる。次いで、例えば上述の低損傷エッチング法を使用して、パッシベーション層にゲート陥凹部をエッチングし、陥凹部中にゲートを形成することができる。そのような方法によって、「Ｔ」ゲートの縁部に達する十分な厚さを維持する窒化ケイ素パッシベーション層を形成することができる。したがって、図４に示すような構造を有するトランジスタを形成することができる。
あるいは、図４に示す構造は、図１Ａ〜１Ｆに示す製作段階を利用して形成することもでき、ただし保護層２４は、ゲート接点３２の形成前または後に除去することができる。そうした場合には、保護層２４は、上述のような低損傷エッチング技術を使用して除去すべきである。
図５は、保護層２４が少なくともオーム性接触３０とほぼ同程度の厚さに形成される、本発明の別の諸実施形態を示す。図５から分かるように、そうした諸実施形態では、ゲート接点３４の袖部（ｗｉｎｇ）は、直接保護層２４上に形成することができる。例えば、保護層２４は、約５００から約５０００Åの厚さに形成することができる。保護層２４を通して低損傷エッチングが実施され、「Ｔ」ゲート３２が、直接保護層２４上に載り、またそれを貫通して形成される。例えば、デバイスの環境からの保護を向上させるために、その後にオーバーレイヤ（ｏｖｅｒｌａｙｅｒ）パッシベーション３４を形成することもできる。
以上、本発明の諸実施形態を、本明細書において特定のＨＥＭＴ構造に関して説明してきたが、本発明は、そうした構造に限定されるものと解釈すべきではない。例えば、追加の層をＨＥＭＴデバイス内に含めても、本発明の教示の恩恵を受けることができる。そうした追加の層は、文献に記載のＧａＮキャップ層を含むことができる（例えば、非特許文献１または２００１年７月１２日出願、２００２年６月６日公開の、「ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS HAVING A GATE CONTACT ON A GALLIUM NITRIDE BASED CAP SEGMENT AND METHODS OF FABRICATING SAME」という名称の特許文献４参照）。いくつかの実施形態では、ＭＩＳＨＥＭＴを製作するために、かつ／または表面を不活性化するために、ＳｉＮｘや比較的高品質のＡｌＮなどの絶縁層を堆積させることができる。追加の層は、組成が傾斜した１層または複数層の遷移層を含むこともできる。
さらに、文献に記載されているように、バリア層２２が複数の層を備えることもできる（その開示を、本明細書に完全に記載されているのと同様に、参照により本明細書に組み込む、Smorchkova等の、「GROUP-III NITRIDE BASED HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR (HEMT) WITH BARRIER/SPACER LAYER」という名称の特許文献６参照。）。したがって、本発明の諸実施形態では、バリア層は単一の層に限定されるものと解釈すべきではなく、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮおよび／またはＡｌＮ層の組合せを有するバリア層を含むことができる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ構造を、合金散乱を低減または回避するために利用することができる。したがって、本発明の諸実施形態は、窒化物ベースのバリア層を含むことができ、そうした窒化物ベースのバリア層は、ＡｌＧａＮベースのバリア層、ＡｌＮベースのバリア層、およびそれらの組合せを含むことができる。
以上、図面および明細書で、本発明の一般的な諸実施形態が開示されてきた。特定の用語が用いられてきたが、それらは限定するためではなく、一般的および説明的な意味において使用されたにすぎない。
Claims (23)
- 窒化物ベースの半導体チャネル層上に、窒化物ベースの半導体バリア層を形成するステップと、
前記窒化物ベースの半導体バリア層のゲート領域上に、保護層を形成するステップと、
前記バリア層上に、パターニングされた複数のオーム接点金属領域を形成するステップと、
第１および第２のオーム接点を形成するために、前記パターニングされたオーム接点金属を、前記ゲート領域上に前記保護層を載せたままアニールするステップと、
前記保護層全体を除去するステップと、
前記バリア層の前記ゲート領域上に、ゲート接点を形成するステップと
を有することを特徴とするトランジスタを製作する方法。 - 前記保護層は、窒化アルミニウム層、窒化ケイ素（ＳｉＮ）層、および／または二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記保護層を除去するステップは、低損傷エッチング技術を利用して前記保護層を除去するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記低損傷エッチング技術は、強塩基を使用する湿式エッチングを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 前記保護層を除去し、それに続いて、前記バリア層の複数の露出部分上にパッシベーション層を形成するステップを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記ゲート接点を形成するステップは、
前記バリア層の前記ゲート領域の一部分を露出させるために、低損傷エッチング技術を利用して、前記パッシベーション層に陥凹部をエッチングするステップと、
前記パッシベーション層の前記陥凹部中に、前記ゲート接点を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。 - 前記ゲート接点を形成するステップは、前記パッシベーション層を貫通して前記バリア層に接触するゲート接点を形成するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記保護層を形成するステップは、前記バリア層上に、パターニングされた保護層を形成するステップを含み、前記パターニングされた保護層は、前記ゲート領域に対応する前記バリア層の第１の部分を覆い、それに隣接すると共に前記第１および第２のオーム接点に対応する、前記バリア層の第２の部分を露出させ、パターニングされた複数のオーム接点金属領域を形成するステップは、前記バリア層の前記第２の部分上に、パターニングされた複数のオーム接点金属領域を形成するステップを含み、前記パターニングされた複数のオーム接点金属領域は、前記パターニングされた保護層に隣接すると共にそれから離隔されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記パターニングされた保護層を形成するステップは、
前記バリア層上に、保護層材料をブランケット堆積させるステップと、
前記ブランケット堆積させた保護層材料上に、前記第１および第２のオーム接点の位置に対応するウインドウを有するマスクを形成するステップと、
低損傷エッチング技術を利用して、前記ウインドウを通して、前記ブランケット堆積させた保護層をエッチングするステップと、
前記マスクを除去するステップと
を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。 - 前記第１および第２のオーム接点の位置に対応する前記ウインドウは、前記第１および第２のオーム接点の面積よりも大きいことを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記バリア層の前記第２の部分上に、前記パターニングされた保護層に隣接すると共にそれから離隔される、パターニングされた複数のオーム接点金属領域を形成するステップは、前記マスクを除去する前に実施されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
- 前記パッシベーション層は、窒化ケイ素を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記窒化物ベースのチャネル層を設けるために、ＩＩＩ族窒化物層を形成するステップをさらに含み、窒化物ベースの半導体バリア層を形成するステップは、ＩＩＩ族窒化物層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記チャネル層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ただし０≦ｘ＜１）の組成を有し、前記チャネル層の前記バンドギャップは、前記バリア層の前記バンドギャップよりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
- 前記チャネル層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、および／または窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）を含み、前記バリア層は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、および／またはＡｌＩｎＧａＮを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
- 前記バリア層は、複数の層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 基板上にバッファ層を形成するステップと、
前記窒化物ベースのチャネル層を設けるために、前記バッファ層上にＩＩＩ族窒化物チャネル層を形成するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記チャネル層および前記バリア層は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）をなすように構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記窒化物ベースのチャネル層は、ＳｉＣ基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記保護層は、前記オーム接点材料の厚さと少なくとも同じ厚さに形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記保護層は、５.０ｎｍから５００ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記パッシベーション層を形成するステップは、ｉｎ−ｓｉｔｕで実施されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記パッシベーション層を形成するステップは、ＭＯＣＶＤ成長を使用して前記パッシベーション層を成長させることを含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
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