(57)【要約】      （修正有）【課題】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改良ＨＥＭＴを提供する。【解決手段】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４４，４８，４９が積層され、エッチングされてゲートメサ５０が形成され、ステップ状不連続部５２，５４がソース及びドレイン領域を規定する。ステップ状不連続部５２，５４は窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁材料５６で埋め戻され、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５８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５８及びドレイン６２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５２，５４の上にゲート金属５８を堆積することによる電流狭窄が事実上排除される。【選択図】図３
2014090190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成する方法であって、
基板を提供し；
基板上に１以上の窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づく材料を堆積し；
ＧａＮに基づく材料でメサを形成し、ステップ状不連続部がドレイン及びソース領域を
規定し；
メサ表面の頂部で相対的にフラッシュされる絶縁材料でドレイン及びソース領域を埋め
戻し；
メサの頂部および絶縁材料にゲート金属を堆積し；
メサおよび絶縁材料と接触するようにソース及びドレインコンタクトを堆積する
ことを含む方法。
【請求項２】
ＧａＮに基づく材料がバルクＧａＮである、請求項１の方法。
【請求項３】
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１の方法。
【請求項４】
請求項３の方法であって、１以上のＧａＮに基づく材料を堆積する工程が、
基板の頂部にＧａＮ層を堆積し；
ＧａＮ層の頂部にＡｌＧａＮのバッファ層を堆積し；
バッファ層の頂部に頂部ＧａＮ層を堆積する
ことを含む方法。
【請求項５】
絶縁材料が窒化ケイ素（ＳｉＮ）である、請求項１の方法。
【請求項６】
基板；
基板上に形成された１以上のＧａＮに基づく材料であって、１以上のＧａＮに基づく層
はメサに形成され、ステップ状不連続部がドレイン及びソース領域を規定する、１以上の
ＧａＮに基づく材料；
ドレイン及びソース領域に配置され、メサの頂部表面で相対的にフラッシュされる絶縁
材料；
前記頂部表面および絶縁材料上に部分的に配置された相対的に平坦なゲート金属コンタ
クト；及び
前記メサの頂部表面と接触するように配置されたソース及びドレインコンタクト
を含むＨＥＭＴ。
【請求項７】
ＧａＮに基づく材料がバルクＧａＮである、請求項６のＨＥＭＴ。
【請求項８】
ＧａＮに基づく材料がＧａＮ及びＡｌＧａＮを含む、請求項６のＨＥＭＴ。
【請求項９】
請求項８のＨＥＭＴであって、
基板上に形成されたＧａＮ層；
ＧａＮ層上に形成されたＡｌＧａＮから形成されたバッファ層；及び
バッファ層の頂部に形成されたＧａＮ層
を含むＨＥＭＴ。
【請求項１０】
絶縁材料がＳｉＮである、請求項６のＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【０００３】
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Ｇ
ａＮ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ＨＥ
ＭＴはまた、日本特許第2002280571号、並びに国際出願PCT/US02/23056及びPCT/US98/042
18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 SUBS
TRATES", by S.T. Shepard et. al, IEEE Electron Device Letters, Vol. 20, No. 4, A
pril 1999, pages 161-163; 
"Application of GaN-Based Heterojunction FETs for Advanced Wireless Communicat
ion", 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: Proc
ess Development and Present Status at UCSB", by Stacia Keller et. al., IEEE Tran
sactions 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 Devi
ces, 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。
【０００４】
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 L
ow 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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、ＨＥ
ＭＴ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３
Ａ〜３Ｆに示されており、ＨＥＭＴはＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成される。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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４
９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。
【００１４】
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３
Ｂ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（Ｓｉ
Ｎ）などの絶縁材料５６で充填される。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、当業界で知られる、ＧａＮ材料からＨＥＭＴを形成するための簡略化された加工工程を示す。
【図２】図２Ａ〜２Ｄは、本発明に従った、ＧａＮ材料からＨＥＭＴを形成するための簡略化された加工工程を示す。
【図３】図３Ａ〜３Ｃは、本発明に従ったＨＥＭＴの形成方法のより詳細な加工工程を示す、本発明の方法の種々の段階における半導体の断面図である。図３Ｄは、図３Ｃに示される半導体の平面図である。図３Ｅは、ゲートコンタクトの形成を示す図３Ｄの線３Ｅ−３Ｅに沿った断面図である。図３Ｆは、ソース及びドレインコンタクトの形成を示す図３Ｄの線３Ｆ−３Ｆに沿った断面図である。
【図１】
2014090190.tif 000003
【図２】
2014090190.tif 000004
【図３】
2014090190.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年12月19日(2013.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成する方法であって、
基板を提供し；
前記基板上に１以上の窒化ガリウム（ＧａＮ）に基づく材料を堆積し；
前記ＧａＮに基づく材料で単一のメサを形成し、ここで、前記単一のメサは、前記単一のメサの向かい合った側であって前記基板上に側壁並びにドレイン及びソース領域を規定する；
絶縁材料で前記ドレイン及びソース領域を埋め戻し、ここで、前記絶縁材料は、前記ドレイン及びソース領域内の基板上に配置され、さらに前記単一のメサの頂部表面まで側壁に接触して配置される；
前記メサの前記頂部表面および前記絶縁材料にゲート金属コンタクトを堆積し；
前記メサの前記頂部表面および前記絶縁材料と接触するようにソース及びドレインコンタクトを堆積する
ことを含む方法。
【請求項２】
前記ＧａＮに基づく材料がバルクＧａＮである、請求項１の方法。
【請求項３】
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１の方法。
【請求項４】
請求項３の方法であって、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
ことを含む方法。
【請求項５】
前記絶縁材料が窒化ケイ素（ＳｉＮ）である、請求項１の方法。
【請求項６】
基板；
前記基板上に形成された１以上のＧａＮに基づく材料であって、１以上のＧａＮに基づく層はメサに形成され、前記メサは側壁及び頂部表面並びに前記側壁に隣接する基板上にドレイン及びソース領域を規定する、１以上のＧａＮに基づく材料；
前記ドレイン及びソース領域内の前記基板上に配置され、前記メサの頂部表面まで側壁に接触して配置される絶縁材料；
前記頂部表面および前記絶縁材料上に部分的に配置されたゲート金属コンタクト；及び
前記メサの頂部表面と接触するように少なくとも部分的に配置されたソース及びドレインコンタクト
を含むＨＥＭＴ。
【請求項７】
前記ＧａＮに基づく材料がバルクＧａＮである、請求項６のＨＥＭＴ。
【請求項８】
前記ＧａＮに基づく材料がＧａＮ及びＡｌＧａＮを含む、請求項６のＨＥＭＴ。
【請求項９】
請求項８のＨＥＭＴであって、
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ＨＥＭＴ。
【請求項１０】
前記絶縁材料がＳｉＮである、請求項６のＨＥＭＴ。