JP6321082B2 - ＧａＮ系ＨＥＭＴアクティブデバイスのためのリークバリヤ - Google Patents
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Description
発明の背景
１．技術分野
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料系から形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関し、特に、リーク電流が低減されたＧａＮ系ＨＥＭＴトランジスタに関する。
１．技術分野
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）材料系から形成された高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関し、特に、リーク電流が低減されたＧａＮ系ＨＥＭＴトランジスタに関する。
２．従来技術の説明
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は当業界で周知であり、高デバイス出力パワー、パワー追加効率及びノイズ性能が決定的である種々の低ノイズ及びパワーマイクロ波用途に使用されることが知られている。ＨＥＭＴは、商業的及び軍事的なレーダーシステム、通信システムなどにおけるＱ、Ｖ及びＷバンドマイクロ波パワー増幅器に使用されることが知られている。ＨＥＭＴはまた、モノリシックマイクロ波集積回路及びモノリシックミリメートル波集積回路（ＭＭＩＣ）、例えば、高パワーレベルで放射するためのフェーズドアレイなどに効果的に集積されることが知られている。
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は当業界で周知であり、高デバイス出力パワー、パワー追加効率及びノイズ性能が決定的である種々の低ノイズ及びパワーマイクロ波用途に使用されることが知られている。ＨＥＭＴは、商業的及び軍事的なレーダーシステム、通信システムなどにおけるＱ、Ｖ及びＷバンドマイクロ波パワー増幅器に使用されることが知られている。ＨＥＭＴはまた、モノリシックマイクロ波集積回路及びモノリシックミリメートル波集積回路（ＭＭＩＣ）、例えば、高パワーレベルで放射するためのフェーズドアレイなどに効果的に集積されることが知られている。
窒化ガリウム（ＧａＮ）材料系から形成されるＨＥＭＴは知られている。そのようなＧａＮに基づくＨＥＭＴの例は、米国特許第6,064,082号、第6,534,801号及び第6,461,944
号、並びに米国特許出願公開公報第2002/0079508号、第2002/0096692号、第2002/0106842号、第2002/0167023号及び第2003/0020092号に開示されている。そのようなＧａＮのＨＥＭＴはまた、日本特許第2002280571号、並びに国際出願PCT/US02/23056及びPCT/US98/04218にも開示されている。そのようなＧａＮのＨＥＭＴは同様に文献にも公開されている。例えば、以下の文献を参照：
"HIGH-POWER MICROWAVE GaN/AIGaN HEMT's ON SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES", by S.T. Shepard et. al, IEEE Electron Device Letters, Vol. 20, No. 4, April 1999, pages 161-163;
"Application of GaN-Based Heterojunction FETs for Advanced Wireless Communication", by Yasuo Ohno et. al. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 3, March 2001, pages 517-523;
"Galium Nitride Based High Power Heterojunction Field Effect Transistors: Process Development and Present Status at UCSB", by Stacia Keller et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 3, March 2001, pages 552-559;
"Technology and Reliability Constrained Future Copper Interconnects - Part I: Resistance Modeling", by Pawan Kapur et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 49, No. 4, April 2002, pages 590-597;及び
"Copper Gate AIGaN/GaN HEMT with Low Gate Leakage Current", by Jin-Ping Ao et.
al., IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, No. 8, August 2003, pages 500-502。
号、並びに米国特許出願公開公報第2002/0079508号、第2002/0096692号、第2002/0106842号、第2002/0167023号及び第2003/0020092号に開示されている。そのようなＧａＮのＨＥＭＴはまた、日本特許第2002280571号、並びに国際出願PCT/US02/23056及びPCT/US98/04218にも開示されている。そのようなＧａＮのＨＥＭＴは同様に文献にも公開されている。例えば、以下の文献を参照：
"HIGH-POWER MICROWAVE GaN/AIGaN HEMT's ON SEMI-INSULATING SILICON CARBIDE SUBSTRATES", by S.T. Shepard et. al, IEEE Electron Device Letters, Vol. 20, No. 4, April 1999, pages 161-163;
"Application of GaN-Based Heterojunction FETs for Advanced Wireless Communication", by Yasuo Ohno et. al. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 3, March 2001, pages 517-523;
"Galium Nitride Based High Power Heterojunction Field Effect Transistors: Process Development and Present Status at UCSB", by Stacia Keller et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 3, March 2001, pages 552-559;
"Technology and Reliability Constrained Future Copper Interconnects - Part I: Resistance Modeling", by Pawan Kapur et. al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 49, No. 4, April 2002, pages 590-597;及び
"Copper Gate AIGaN/GaN HEMT with Low Gate Leakage Current", by Jin-Ping Ao et.
al., IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, No. 8, August 2003, pages 500-502。
そのようなＧａＮに基づくＨＥＭＴデバイスは比較的高いゲートリーク電流を有することが知られている。そのようなＧａＮに基づくＨＥＭＴのリーク電流を低減する試みが異なる技術によってなされてきている。例えば、上記"Copper Gate AIGaN/GaN HEMT With Low Gate Leakage Current"で議論されているように、リーク電流はゲートコンタクト用に使用される金属の種類に基づいて低減されることが示された。特に、銅（Ｃｕ）ゲートコンタクトはＮｉ／Ａｕから形成されるゲートを有する同等のデバイスに関して低減されたゲートリーク電流を与えることが実証された。
ＧａＮに基づくＨＥＭＴのリーク電流を低減する他の技術は、２００３年１月３０日に
公開された米国特許出願公開第2003／0020092A1号及び国際公開WO03／032397A2（国際出
願番号PCT／US02／23056）に開示されている。これら公報は絶縁されたゲートで形成されたＧａＮに基づくＨＥＭＴを開示している。特に、ＨＥＭＴは基板の頂部にＡｌｘＧａ１−ｘバッファ層を有して形成される。高抵抗率層がバッファ層の頂部に形成されている。ＡｌＧａＮから形成されるバリア層は高抵抗率の層の頂部に形成される。ドレイン及びソースコンタクトは高抵抗率ＧａＮ層の頂部に形成される。ＳｉＮから形成される絶縁層がＡｌＧａＮバリア層の頂部に形成される。ゲートコンタクトが絶縁層の頂部に形成される。ゲートコンタクトがドレイン及びソースコンタクトから絶縁されるので、ゲートリーク電流が低減される。上記の技術はＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴ積層デバイスを用いてかなり上手く実施できる一方で、この技術は、絶縁されたゲート無しの、ＧａＮに基づく材料から形成されたＨＥＭＴデバイスに適用できない。
公開された米国特許出願公開第2003／0020092A1号及び国際公開WO03／032397A2（国際出
願番号PCT／US02／23056）に開示されている。これら公報は絶縁されたゲートで形成されたＧａＮに基づくＨＥＭＴを開示している。特に、ＨＥＭＴは基板の頂部にＡｌｘＧａ１−ｘバッファ層を有して形成される。高抵抗率層がバッファ層の頂部に形成されている。ＡｌＧａＮから形成されるバリア層は高抵抗率の層の頂部に形成される。ドレイン及びソースコンタクトは高抵抗率ＧａＮ層の頂部に形成される。ＳｉＮから形成される絶縁層がＡｌＧａＮバリア層の頂部に形成される。ゲートコンタクトが絶縁層の頂部に形成される。ゲートコンタクトがドレイン及びソースコンタクトから絶縁されるので、ゲートリーク電流が低減される。上記の技術はＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴ積層デバイスを用いてかなり上手く実施できる一方で、この技術は、絶縁されたゲート無しの、ＧａＮに基づく材料から形成されたＨＥＭＴデバイスに適用できない。
図１Ａ〜１Ｃはそのようなデバイスに関連する問題を示す。特に、プロセスは、例えば、ＧａＮに基づく材料２０の一片で始まる。図１Ｂに示されるように、ＧａＮに基づく材料はエッチングされてメサ領域２２を形成し、このメサは、ソース及びドレイン領域に対応するステップ状不連続部（step discontinuities）２４及び２６をそれぞれ規定する。図１Ｂに示されるように、これらのステップ状不連続部２４及び２６は、望ましくないリーク電流（leakage current）がソース及びゲート間並びにドレイン及びゲート間に流れることを可能にし、その結果、ソース及びゲート領域間並びにドレイン及びゲート領域間に相対的に電気絶縁不良をもたらす。
上述した問題に加え、ゲート金属２８の堆積は、図１Ｃに示すように、ステップ状不連続領域２４及び２６の上のオーバーハング（overhang）を形成する。そのような構造において、ステップ状不連続部上のゲート金属の断面積は均一にはなりえず、その結果、ゲート金属の相対的に薄い領域は電流狭窄（current constriction）をもたらす。よって、
リーク電流が低減された、ＧａＮ材料から形成された、また、デバイス内の不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄が排除される、ＨＥＭＴデバイスが求められている。
リーク電流が低減された、ＧａＮ材料から形成された、また、デバイス内の不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄が排除される、ＨＥＭＴデバイスが求められている。
発明の概要
本発明は、公知のＧａＮに基づくＨＥＭＴに比較してゲートリーク電流が低減された、ＧａＮ材料系から形成された、ゲートメサの上に形成されたステップ状不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄の問題を排除する、改良ＨＥＭＴに関する。本発明によれば、ゲートリーク電流はゲートとオーミック金属パッドとの間のリーク流路を緩和することによって低減される。これはエピ層材料（ＧａＮバッファ）の分離領域を通じて、並びにメサ側壁の上のゲート金属オーバーハングの間のメサ側壁の相当の接触から、起こりうる。この新規なアプローチは、ＭＩＳＦＥＴの場合のように、ゲートとＨＥＭＴチャネルとの間の間隔を増大させる必要無しにリーク電流を緩和する。それゆえ、ゲートリーク電流は、より高い周波数性能の用途のための電荷変調（charge modulation）における改良に起因してデバイス高周波数性能を犠牲にすることなく緩和できる。ＨＥＭＴデバイスはＧａＮ材料系から形成される。１以上のＧａＮに基づく材料が積層され、エッチングされてゲートメサが形成され、ステップ状不連続部がソース及びドレイン領域を規定する。リーク電流を低減するために、ステップ状不連続部は窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁材料で埋め戻され（back-filled）、ソース及びドレイン領域に関して平坦な表面が
形成され、ゲート金属を平坦に形成することを可能にする。ソース及びドレイン領域を絶縁材料で埋め戻すことによってゲート及びソース間並びにゲート及びドレイン間のリーク電流が飛躍的に低減される。さらに、ステップ状不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄が事実上排除される。
本発明は、公知のＧａＮに基づくＨＥＭＴに比較してゲートリーク電流が低減された、ＧａＮ材料系から形成された、ゲートメサの上に形成されたステップ状不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄の問題を排除する、改良ＨＥＭＴに関する。本発明によれば、ゲートリーク電流はゲートとオーミック金属パッドとの間のリーク流路を緩和することによって低減される。これはエピ層材料（ＧａＮバッファ）の分離領域を通じて、並びにメサ側壁の上のゲート金属オーバーハングの間のメサ側壁の相当の接触から、起こりうる。この新規なアプローチは、ＭＩＳＦＥＴの場合のように、ゲートとＨＥＭＴチャネルとの間の間隔を増大させる必要無しにリーク電流を緩和する。それゆえ、ゲートリーク電流は、より高い周波数性能の用途のための電荷変調（charge modulation）における改良に起因してデバイス高周波数性能を犠牲にすることなく緩和できる。ＨＥＭＴデバイスはＧａＮ材料系から形成される。１以上のＧａＮに基づく材料が積層され、エッチングされてゲートメサが形成され、ステップ状不連続部がソース及びドレイン領域を規定する。リーク電流を低減するために、ステップ状不連続部は窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁材料で埋め戻され（back-filled）、ソース及びドレイン領域に関して平坦な表面が
形成され、ゲート金属を平坦に形成することを可能にする。ソース及びドレイン領域を絶縁材料で埋め戻すことによってゲート及びソース間並びにゲート及びドレイン間のリーク電流が飛躍的に低減される。さらに、ステップ状不連続部の上にゲート金属を堆積することによる電流狭窄が事実上排除される。
本発明のこれら及び他の利点は以下の明細書の記載及び添付図面を参照することにより
容易に理解できる。
容易に理解できる。
詳細な説明
本発明は、ＧａＮ材料系から形成される公知のＨＥＭＴよりも比較的リーク電流が少ないＧａＮ材料系から形成されるＨＥＭＴに関し、ゲート金属の電流狭窄の問題も解決する。本発明の二つの態様を開示する。一つの態様は、図２Ａ〜２Ｄに示されるように、ＨＥＭＴがバルクＧａＮ材料から形成される本発明の態様に関する。本発明の別の態様は図３Ａ〜３Ｆに示されており、ＨＥＭＴはＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成される。
本発明は、ＧａＮ材料系から形成される公知のＨＥＭＴよりも比較的リーク電流が少ないＧａＮ材料系から形成されるＨＥＭＴに関し、ゲート金属の電流狭窄の問題も解決する。本発明の二つの態様を開示する。一つの態様は、図２Ａ〜２Ｄに示されるように、ＨＥＭＴがバルクＧａＮ材料から形成される本発明の態様に関する。本発明の別の態様は図３Ａ〜３Ｆに示されており、ＨＥＭＴはＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成される。
図２Ａ〜２Ｄに関して、本発明の一態様に従うプロセスを簡略に説明する。図２Ａを最初に参照すると、バルクＧａＮ材料３０はＨＥＭＴのための出発点として使用されることができる。バルクＧａＮ材料は、慣用のフォトリソグラフィー技術でマスクされ、例えば、緩衝された酸化物ウエット、Ｃｌベースのドライエッチングなどによってエッチングされて、メサ３２を形成する。ゲートメサ３２は、それぞれソース及びドレイン領域に対応する一組のステップ状不連続部３４及び３６を規定する。上述したように、リーク電流はゲート３２及びソース３４間並びにゲート３２及びドレイン３６間を一般には流れ、その結果、そのデバイスのゲート、ソース及びドレイン領域間の電気的な分離を相対的に不良にする。本発明の重要な面によれば、絶縁材料３８、例えば、窒化ケイ素（ＳｉＮ）が、メサ３２の頂部表面で相対的にフラッシュ（Flush）されてステップ状の不連続部を有し
ない相対的に平坦な表面を形成するように、ソース及びドレイン領域３４及び３６内に堆積される。絶縁材料でソース及びドレイン領域３４及び３６内を充填することによって、ゲート３０及びソース３４領域間並びにゲート３０及びドレイン３６領域間のリーク電流が飛躍的に低減される。
ない相対的に平坦な表面を形成するように、ソース及びドレイン領域３４及び３６内に堆積される。絶縁材料でソース及びドレイン領域３４及び３６内を充填することによって、ゲート３０及びソース３４領域間並びにゲート３０及びドレイン３６領域間のリーク電流が飛躍的に低減される。
本発明の別の重要な面によれば、絶縁材料３８はゲート金属４２を平坦に施されるようにでき、よってステップ状不連続部の上のオーバーハングを排除できる。平坦な表面にゲート金属４２を形成することによってゲート金属４２の一部のオーバーハングによる電流狭窄が事実上低減され、よってデバイスの性能がさらに改善する。
図３Ａ〜３Ｄは本発明に従ったＧａＮ／ＡｌＧａＮ材料系から形成されるＨＥＭＴの別の態様を示す。図３Ａは最初の成長プロファイルを示す。最初に、ＧａＮ層４４、例えば、０．５〜２μｍが、例えば、分子ビームエピタキシーによって基板４６の頂部に成長される。基板４６は、例えば、サファイアＡｌ２Ｏ３、炭化ケイ素ＳｉＣなどであることができる。基板４６の厚みは、例えば、３５０μｍであることができる。バッファ層４８は、例えば、２００〜２５０Åの厚さに形成することができる。最後に、ＧａＮの頂部層４９がバッファ層４８の頂部に形成される。ＧａＮの頂部層４９は、例えば、５〜５０Åの厚さに形成することができる。
図３Ａに示されるデバイスは慣用のフォトリソグラフ技術によってマスクされ、例えば、ＢＣｌ３＋Ａｒドライエッチングによってエッチングされてメサ５０を形成する。図３Ｂに示されるように、メサ５０は２つのステップ状不連続部５２及び５４を規定し、これらは、順に、ソース及びドレイン領域５２及び５４を規定する。図３Ｃに示されるような本発明の重要な面によれば、ソース及びドレイン領域５２及び５４は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁材料５６で充填される。
図３Ｅに示されるように、ゲート金属５８はメサ５０の頂部及び窒化ケイ素５６の頂部に堆積される。加えて、図３Ｆに示されるように、ソース６０及びドレイン６２のコンタクトは慣用の技術によってゲート金属５８に隣接して堆積される。
自明であるように、本発明の多くの変更及び変形が上述した教示に照らして可能である
。よって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は特に上述したもの以外にも実施できることが理解されるべきである。
。よって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は特に上述したもの以外にも実施できることが理解されるべきである。
本特許によって確保されるべきものは、添付の特許請求の範囲によってカバーされる。
Claims (10)
- 基板；
前記基板の一部の上に１以上のＧａＮに基づく材料で形成されたメサであって、前記メサの平坦な頂部及び前記メサの向かい合った側部に隣接する前記基板の露出した部分を形成するメサ、ここで、前記メサは、ステップ状不連続部である側壁を規定し、前記メサの向かい合った側部にステップを形成する；
前記基板の前記ステップ状不連続部である側壁の前記露出した部分の上に配置される絶縁材料の単一の層、ここで、前記絶縁材料は、前記側壁に対して前記メサの頂部とともに平らな面を形成する；
前記メサの前記平坦な頂部の一部の上に配置された平坦な底部表面を有し、向かい合った側壁を超えて前記絶縁材料の頂部の上に延びるゲート金属コンタクト；及び
平坦な底部表面をそれぞれ有する単一材料のソースコンタクト及びドレインコンタクト、ここで前記平坦な底部表面は、前記メサの頂部とともに平らな面を形成する絶縁材料の一部と接触及び重複し、前記メサの前記平坦な頂部と接触し前記メサの前記平坦な頂部の上に存在する；
を含む高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。 - 前記ＧａＮに基づく材料がＧａＮ及びＡｌＧａＮを含み、
前記基板上に形成されたＧａＮ層；
前記ＧａＮ層上に形成されたＡｌＧａＮから形成されたバッファ層；及び
前記バッファ層の頂部に形成されたＧａＮ層
を含む請求項１に記載のＨＥＭＴ。 - 前記ゲート金属コンタクトの平坦な底部表面及び前記ソースコンタクト及びドレインコンタクトの平坦な底部表面が全て前記メサの頂部とともに平らな面を形成する、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
- 前記メサの側壁の全てが円柱状の基板の上に形成された単一の絶縁材料によって囲まれている、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
- 前記ソースコンタクト及びドレインコンタクトの各々の少なくとも一部が前記メサの頂部とともに平らな面を形成する絶縁材料の外側端部まで延び、当該外側端部で終了する、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
- 単一の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成する方法であって、
基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づく材料の少なくとも１つの層を堆積し；
前記基板上にＧａＮに基づく材料で単一のメサを形成し、ここで、前記メサは、頂部表面及び向かい合ったステップ状不連続部である側壁を規定し、前記頂部表面はゲート領域を形成し、前記側壁に隣接する基板は、さらに、前記向かい合ったステップ状不連続部である側壁に隣接するドレイン及びソース領域を形成する；
前記ステップ状不連続部である側壁に接触し前記メサの頂部とともに平らな面を形成する絶縁材料を前記ドレイン及びソース領域の頂部に堆積し；
前記メサの頂部表面にゲート金属を堆積し、ゲートコンタクトを規定し、ここで、前記ゲート金属は前記ドレイン及びソース領域の頂部の絶縁材料と重複し、前記ゲートコンタクトは、向かい合った側壁を超えて前記絶縁材料の一部と重複する；
前記ゲート金属が堆積された同じ頂部表面に少なくとも部分的に直接接触して前記ドレイン及びソース領域の頂部に堆積される前記絶縁材料の頂部表面と接触するソースコンタクト及びドレインコンタクトを形成する、ここで、前記ソースコンタクト及びドレインコンタクトは前記メサの頂部とともに平らな面を形成する絶縁材料の外側端部まで延び、前記ゲートコンタクト、ソースコンタクト及びドレインコンタクトは各々前記メサの頂部とともに平らな面を形成する平坦な底部表面を有する；
ことを含む方法。 - 前記メサの側壁の全てが円柱状の基板の上に形成された単一の絶縁材料によって囲まれている、請求項６に記載の方法。
- 前記ＧａＮに基づく材料がＧａＮ及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）を含む、請求項６に記載の方法。
- 前記１以上のＧａＮに基づく材料を堆積する工程が、
前記基板の頂部にＧａＮ層を堆積し；
前記ＧａＮ層の頂部にＡｌＧａＮのバッファ層を堆積し；
前記バッファ層の頂部に頂部ＧａＮ層を堆積する
ことを含む、請求項８に記載の方法。 - 前記絶縁材料が窒化ケイ素（ＳｉＮ）である、請求項６に記載の方法。
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