(57)【要約】ＩＩＩ族窒化物構造物は、シリコン基板と、前記シリコン基板上の核形成層と、前記核形成層上の炭素ドープバッファ層とを含み得る。炭素ドープバッファ層は、ＩＩＩ族窒化物材料と、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度とを含み得る。ＩＩＩ族窒化物構造物は、炭素ドープバッファ層上のＩＩＩ族窒化物チャネル層と、ＩＩＩ族窒化物チャネル層上のＩＩＩ族窒化物バリア層とを含み得る。１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度への炭素ドーピングは、ＩＩＩ族窒化物構造物の圧縮応力を増加させ得る。
2019505459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と；
前記シリコン基板上の核形成層と；
前記核形成層上の炭素ドープバッファ層であって、前記炭素ドープバッファ層が、
ＩＩＩ族窒化物材料と、
１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度と
を含む炭素ドープバッファ層と；
前記炭素ドープバッファ層上のＩＩＩ族窒化物チャネル層と；
前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層上のＩＩＩ族窒化物バリア層と
を含む、ＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項２】
前記炭素ドープバッファ層の平均転位密度が１×１０１２ｃｍ−２未満である、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項３】
前記核形成層、前記炭素ドープバッファ層、前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層および前記ＩＩＩ族窒化物バリア層がそれぞれ、エピタキシャルである、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項４】
前記炭素ドープバッファ層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項５】
前記核形成層と前記炭素ドープバッファ層との間の応力管理層をさらに含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項６】
前記応力管理層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項７】
前記応力管理層が複数層構造物を含む、請求項６に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項８】
前記複数層構造物がＡｌｘＧａ１−ｘＮおよびＧａＮ（０≦ｘ≦１）の交互層を含む、請求項７に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項９】
前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層がＧａＮを含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項１０】
前記バリア層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項１１】
前記核形成層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項１０に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項１２】
前記炭素ドープバッファ層と前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層との間のＩＩＩ族窒化物バックバリア層と；
前記バリア層上のキャッピング層と
をさらに含む、請求項５に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項１３】
前記バックバリア層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項１２に記載のＩＩＩ族窒化物構造物。
【請求項１４】
ＩＩＩ族窒化物構造物を製造する方法であって、
シリコン基板上に核形成層を堆積させること；
前記核形成層上に、
ＩＩＩ族窒化物材料と、
１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度と
を含む炭素ドープバッファ層を堆積させること；
前記炭素ドープバッファ層上にＩＩＩ族窒化物チャネル層を堆積させること；および
前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層上にＩＩＩ族窒化物バリア層を堆積させること
を含む、方法。
【請求項１５】
前記炭素ドープバッファ層の平均転位密度が１×１０１２ｃｍ−２未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記核形成層、前記炭素ドープバッファ層、前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層および前記ＩＩＩ族窒化物バリア層がそれぞれ、エピタキシャルである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記炭素ドープバッファ層を堆積させるために外部炭素源を使用することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記外部炭素源が炭化水素を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記外部炭素源がハロゲン化炭素を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記炭素ドープバッファ層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記核形成層と前記炭素ドープバッファ層との間に応力管理層を堆積させることをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記応力管理層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記応力管理層が複数層構造物を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数層構造物がＡｌｘＧａ１−ｘＮおよびＧａＮ（０≦ｘ≦１）の交互層を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層がＧａＮを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記バリア層がＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
前記核形成層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記炭素ドープバッファ層と前記ＩＩＩ族窒化物チャネル層との間にＩＩＩ族窒化物バックバリア層を堆積させること；および
前記バリア層上にキャッピング層を堆積させること
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記バックバリア層が、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含む、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明者ら：オレグ  ラボウティン、チェン−カイ  カオ、チエン−フォン  ロー、ヒューグース  マーチャンド、ロドニー  ペルゼル
関連出願への相互参照
本出願は、２０１５年１２月１０日に出願された米国仮出願第62/265,927号および２０１６年１２月５日に出願された米国出願第15/369,643号に対する優先権を主張し、これらの出願の各々の全内容は本明細書によって参照として援用される。
【０００２】
発明の分野
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、エピタキシャル構造物と、増加した圧縮応力によってシリコン基板上で成長させたＩＩＩ族窒化物構造物を成長させるための方法とに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
以下の説明では、説明のために、多数の詳細が示されている。しかしながら、当業者であれば、本明細書に記載される実施形態は、これらの特定の詳細を使用せずに実施され得ることを理解する。他の場合では、不要な詳細によって説明が不明瞭にならないように、周知の構造物およびデバイスは、ブロック図形式で示されている。
【０００４】
ＩＩＩ族窒化物材料は、窒素と、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族元素とを含む半導体材料である。ＩＩＩ族窒化物材料を形成するために使用される一般的なＩＩＩ族元素としては、アルミニウム、ガリウムおよびインジウムが挙げられる。ＩＩＩ族窒化物材料は、大きい直接的なバンドギャップを有するので、高電圧デバイス、高周波デバイスおよび光学デバイスに有用である。さらに、単一ＩＩＩ族窒化物膜では、組成を変化させて複数のＩＩＩ族元素を組み合わせ得るので、ＩＩＩ族窒化物膜の特性は、高度に調整可能である。
【０００５】
ＩＩＩ族窒化物材料は、有機金属化学気相蒸着（metal-organic  chemical  vapor  deposition：ＭＯＣＶＤ）を使用して成長され得る。ＭＯＣＶＤでは、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族前駆体がＶ族前駆体と反応して、ＩＩＩ族窒化物膜を基板上に堆積させる。いくつかのＩＩＩ族前駆体としては、ガリウム源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アルミニウム源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、およびインジウム源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）が挙げられる。アンモニアは、窒素源として使用され得るＶ族前駆体である。
【０００６】
シリコン（Ｓｉ）基板上へのＩＩＩ族窒化物膜の堆積は、高出力高周波電子デバイスを製造するためのコスト効率の高い方法である。Ｓｉ上へのＩＩＩ族窒化物の堆積における１つの主な障害は、ＩＩＩ族窒化物膜とＳｉとの間の大きい熱的不整合により、成長後冷却プロセス中にＩＩＩ族窒化物膜において引張応力が発生することである。この引張応力は、ＩＩＩ族窒化物膜において亀裂および欠陥を作り出すので望ましくない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概要
増加した圧縮応力によってシリコン基板上でエピタキシャルＩＩＩ族窒化物構造物を成長させるためのシステムおよび方法が本明細書に記載される。ＩＩＩ族窒化物構造物は、シリコン基板と、シリコン基板上の核形成層と、核形成層上の炭素ドープバッファ層とを含み得る。炭素ドープバッファ層は、ＩＩＩ族窒化物材料と、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度とを含み得る。ＩＩＩ族窒化物構造物は、炭素ドープバッファ層上のＩＩＩ族窒化物チャネル層と、ＩＩＩ族窒化物チャネル層上のＩＩＩ族窒化物バリア層とを含み得る。
【０００８】
炭素ドープバッファ層の平均転位密度は、１×１０１２ｃｍ−２未満であり得る。核形成層、炭素ドープバッファ層、ＩＩＩ族窒化物チャネル層およびＩＩＩ族窒化物バリア層はそれぞれ、エピタキシャルであり得る。炭素ドープバッファ層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み得る。
【０００９】
ＩＩＩ族窒化物構造物は、核形成層と炭素ドープバッファ層との間の応力管理層を含み得る。応力管理層は、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含み得る。応力管理層は、複数層構造物を含み得る。複数層構造物は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮおよびＧａＮ（０≦ｘ≦１）の交互層を含み得る。
【００１０】
ＩＩＩ族窒化物チャネル層は、ＧａＮを含み得る。バリア層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み得る。核形成層は、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含み得る。
【００１１】
ＩＩＩ族窒化物構造物は、炭素ドープバッファ層とＩＩＩ族窒化物チャネル層との間のＩＩＩ族窒化物バックバリア層と、前記バリア層上のキャッピング層とを含み得る。バックバリア層は、１×１０２０ｃｍ−３を超える炭素濃度を含み得る。
【００１２】
炭素ドーピングは、ＩＩＩ族窒化物構造物における圧縮応力を増加させ得る。炭素ドープバッファ層を堆積させるために、外部炭素源が使用され得る。外部炭素源は、炭化水素（carbon  hydride）および／またはハロゲン化炭素を含み得る。外部炭素ドーピングは、内部炭素源を使用した内部炭素ドーピングと組み合わされ得る。内部炭素源は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族元素を含み得る１つまたはそれを超える有機金属前駆体を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本開示の上記のおよび他の特徴は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考察することによってより明らかになる。
【００１４】
【図１】図１は、例示的な実施にしたがって、ＩＩＩ族窒化物構造物を描写する；
【００１５】
【図２】図２は、例示的な実施にしたがって、応力管理層を含むＩＩＩ族窒化物構造物を描写する；
【００１６】
【図３】図３は、例示的な実施にしたがって、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層とＩＩＩ族窒化物キャッピング層とを含むＩＩＩ族窒化物構造物を描写する；
【００１７】
【図４】図４は、例示的な実施にしたがって、Ｓｉ基板上で成長させたＩＩＩ族窒化物構造物の２つの結晶反射に沿ったＸ線ロッキングカーブを示すグラフを描写する；
【００１８】
【図５】図５は、例示的な実施にしたがって、シリコン基板上へのＩＩＩ族窒化物構造物の堆積中に行ったインサイチューウェハー曲率測定を示すグラフを描写する；そして
【００１９】
【図６】図６は、例示的な実施にしたがって、図１、２および３に描写されているＩＩＩ族窒化物構造物のいずれかを堆積させるための方法のフローチャートを描写する。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
詳細な説明
ＩＩＩ族窒化物構造物の冷却プロセス中に発生する引張応力を低減または排除するための１つの方法は、前記構造物の堆積中に十分な量の圧縮応力を蓄積することである。
【００２１】
窒化物ベースの構造物における圧縮応力は、異なる窒化物化合物間の格子不整合を使用して導入され得る。例えば、ＧａＮ層よりも小さい格子定数を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）層上で、大きい格子定数を有するＧａＮエピタキシャル層を直接成長させると、圧縮応力が発生する。厚膜の応力緩和にもかかわらず、圧縮応力は依然として、熱的不整合応力を相殺するために集められ得る。圧縮応力はまた、複数層ＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＧａＮ（０≦ｘ≦１）構造物によって発生し得る。堆積層の質は、そこから形成されるデバイスの性能を（かなりの程度まで）決定するので、本明細書における圧縮応力または引張応力への言及は、基板の応力状態ではなく堆積層の応力状態を指すと理解される。
【００２２】
ＩＩＩ族窒化物構造物は、内部および／または外部ドーピング法によって炭素（Ｃ）をドープされ得る。内部ドーピングは、前駆体由来の炭素が堆積層に残る条件下で、有機金属前駆体（内部供給源）を有するＩＩＩ族元素を堆積させることによって実施される。炭素の内部ドーピングは、半絶縁特性を堆積ＩＩＩ族窒化物材料に与えるために頻繁に使用される。炭素ドープＧａＮにおけるＣ原子は、自由電子をトラップする深いアクセプタ準位を形成する。ＧａＮを炭素ドープしてそれを半絶縁性にした場合、典型的なＣ原子濃度は、１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の範囲内である。
【００２３】
外部ドーピングは、有機金属およびガス前駆体と一緒にさらなる炭素含有前駆体（外部炭素源）を堆積チャンバに導入することによって実施される。外部ドーピングは、内部ドーピングによって達成可能なよりも高い炭素濃度を有する炭素ドープＧａＮをもたらし得る。典型的なＭＯＣＶＤ成長条件下では、Ｃ原子は、ＩＩＩ族窒化物結晶格子中の窒素（Ｎ）原子の一部を置換する。典型的なＭＯＣＶＤ成長条件の例としては、１０００℃のウェハー温度、約１００トルの反応器圧力および典型的なＶ−ＩＩＩ比が挙げられる。Ｃの共有結合半径は約７７ｐｍであり、これはＮのもの（７０ｐｍ）よりも大きい。Ｎに代えてＣで置換した場合、ＩＩＩ族窒化物材料の結晶格子は、膨張して圧縮応力を蓄積する。
【００２４】
十分な量の圧縮応力を蓄積するために、ＩＩＩ族窒化物格子中のＣ原子濃度は、≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３でなければならない。このような高いＣ濃度を達成するために、Ｃは、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）および窒素（Ｎ）前駆体と一緒に外部供給源を使用して、ＭＯＣＶＤ反応器に供給され得る。外部ドーピングはまた、ＩＩＩ族元素前駆体を使用した内部ドーピングと組み合わせて使用され得る。メタン、プロパンまたはブタンなどの炭化水素ガスおよび四塩化炭素（ＣＣｌ４）、四臭化炭素（ＣＢｒ４）またはブロモトリクロロメタン（ＣＢｒＣｌ３）などのハロゲン化炭素源は、外部Ｃ源として使用され得る。ＩＩＩ族元素の有機金属前駆体、例えばトリメチルガリウムおよびトリメチルアルミニウムは、内部Ｃ源として使用され得る。格子不整合の効果と組み合わせて増加した圧縮応力を蓄積するために、Ｃドーピングは、単一ＧａＮバッファ層、応力管理層、複数層構造物および他の層の１つまたはそれよりも多くにおいて使用され得る。本明細書に記載されるＩＩＩ族窒化物構造物の製造は、ＩＩＩ族窒化物構造物を堆積させながら、３つまたはそれを超える異なる前駆体をＭＯＣＶＤ反応器に同時に供給することを含み得る。異なる前駆体は、それぞれ１つまたはそれを超えるＩＩＩ族前駆体、Ｖ族前駆体および外部Ｃ前駆体を含み得る。
【００２５】
図１は、ＩＩＩ族窒化物構造物１００を描写する。ＩＩＩ族窒化物構造物１００は、（１１１）Ｓｉ基板１０２と、（１１１）Ｓｉ基板１０２上の核形成層１０４と、核形成層１０４上の炭素ドープバッファ層１０８と、炭素ドープバッファ層１０８上のＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２と、ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２上のＩＩＩ族窒化物バリア層１１６とを含む。圧電および自発分極場の結果として、バリア−チャネル界面の近くのＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２内で、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）１１４が形成される。層１０４、１０８、１１２および１１６はそれぞれ、エピタキシャルである。したがって、核形成層１０４は、Ｓｉ基板１０２に対してエピタキシャルであり、炭素ドープバッファ層１０８は、核形成層１０４に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２は、炭素ドープバッファ層１０８に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物バリア層１１６は、ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２に対してエピタキシャルである。
【００２６】
核形成層１０４は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、または（１１１）Ｓｉ基板上のＩＩＩ族窒化物層の核形成を支援し得る他の材料を含み得る。炭素ドープバッファ層１０８は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、または構造物中の結晶欠陥の密度を減少させて基板からの電気的絶縁を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。炭素ドープバッファ層１０８はまた、複数層構造物であり得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み得るか、またはバリア−チャネル界面と平行に（２ＤＥＧ  １１４を介した）横方向の電荷移動のための空間を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。ＩＩＩ族窒化物バリア層１１６は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、またはＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２と比較してより広いバンドギャップおよびより小さい格子定数を有する別のＩＩＩ族窒化物材料であって、ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２と直接接触すると自発分極電荷を生成する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。この例では、圧縮応力は、炭素ドープバッファ層１０８およびＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２に蓄積され得る。これらの層と核形成層１０４との間の格子不整合は、圧縮応力を蓄積するために使用される。炭素ドープバッファ層１０８および場合により核形成層１０４への高濃度Ｃのドーピングは、この構造物における圧縮応力の量をさらに増加させ得る。炭素ドープバッファ層１０８および場合により核形成層１０４における炭素濃度は、≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３であり得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２は見掛け上はドープされていないままか、または非意図的にドープされた（ＵＩＤ）ままである。Ｃドーピングの効果は、格子不整合の効果と組み合わされ得るか、または別個に使用され得る。
【００２７】
上記説明は、（１１１）Ｓｉを含有する基板上のＩＩＩ族窒化物層を開示するが、他の材料の組み合わせも可能である。基板は、（１１１）Ｓｉ以外の１つまたはそれを超える材料を含み得る。例えば、基板は、（１００）Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰおよび他の材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。基板は、核形成層とＩＩＩ族窒化物層との間のヘテロ構造物を含み得る。ヘテロ構造物は、異なる材料の複数層を含み得る。
【００２８】
ヘテロ構造物の例としては、Ｓｉ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）およびＳｉ・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板が挙げられる。核形成層は、ＳＯＩまたはＳＯＳ基板上で成長され得る。核形成層は、酸化物層とＳｉ層との間にあり得るか、またはＳｉ層上、ＳＯＩもしくはＳＯＳ基板中にあり得る。ＳＯＩまたはＳＯＳ基板のＳｉ層はそれ自体が、核形成層であり得る。核形成層は、サファイアまたはハンドルウェハー上で直接成長され得る。核形成層は、同じ材料の層で均一に成長され得るが、エピタキシャル層転写プロセスなどのヘテロ構造物成長プロセスと同様のプロセスに関与し得る。このようなエピタキシャル層転写プロセスでは、エピタキシャル層は、核形成層を含み得る。
【００２９】
図２は、応力管理層を含むＩＩＩ族窒化物構造物２００を描写する。層構造物２００は、（１１１）Ｓｉ基板２０２と、（１１１）Ｓｉ基板２０２上の核形成層２０４と、核形成層２０４上の応力管理層２０６と、応力管理層２０６上の炭素ドープバッファ層２０８と、炭素ドープバッファ層２０８上のＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２と、ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２上のＩＩＩ族窒化物バリア層２１６とを含む。圧電および自発分極場の結果として、バリア−チャネル界面の近くのＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２内で、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）２１４が形成される。層２０４、２０６、２０８、２１２および２１６はそれぞれ、エピタキシャルである。したがって、核形成層２０４は、Ｓｉ基板２０２に対してエピタキシャルであり、応力管理層２０６は、核形成層２０４に対してエピタキシャルであり、炭素ドープバッファ層２０８は、応力管理層２０６に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２は、炭素ドープバッファ層２０８に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物バリア層２１６は、ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２に対してエピタキシャルである。
【００３０】
応力管理層２０６は、結晶欠陥の密度を減少させて層構造物２００への圧縮応力を作り、ＩＩＩ族窒化物構造物とＳｉ基板との間の熱的不整合により発生する引張応力に反作用する。応力管理層２０６は、ＡｌＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）、ＧａＮおよび他のＩＩＩ族窒化物材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。それは、単層、複数層、超格子または他の層の組み合わせを含み得る。例えば、応力管理層２０６は、炭素ドープ複数層構造物を含み得る。いくつかの例では、応力管理層２０６は、遷移層と、炭素ドープ複数層構造物とを含み得、遷移層は、核形成層２０４と炭素ドープ複数層構造物との間にある。炭素ドープ複数層構造物は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）およびＧａＮの交互層を含み得、これらの少なくとも１つは炭素ドープされている。遷移層は、ＡｌＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）、ＧａＮおよび他のＩＩＩ族窒化物材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。
【００３１】
圧縮応力は、応力管理層２０６、炭素ドープバッファ層２０８およびＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２に蓄積され得る。これらの層と核形成層との間の格子不整合は、圧縮応力を蓄積するために使用され得る。核形成層２０４、応力管理層２０６および炭素ドープバッファ層２０８の１つまたはそれよりも多くへの高濃度Ｃのドーピングは、ＩＩＩ族窒化物構造物２００における圧縮応力の量を増加させるために使用される。層２０４、２０６および２０８の１つまたはそれよりも多く（これらの層の１つまたはそれを超える下層を含む）における炭素濃度は、≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３であり得る。層２０４、２０６および２０８ならびにそれらの下層のいずれかは、層２０４、２０６および２０８または層２０４、２０６および２０８の下層とは異なる炭素濃度を有し得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２は見掛け上はドープされていないままか、または非意図的にドープされた（ＵＩＤ）ままである。Ｃドーピングの効果は、格子不整合の効果と組み合わされ得るか、または別個に使用され得る。
【００３２】
核形成層２０４は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、または（１１１）Ｓｉ基板上のＩＩＩ族窒化物層の核形成を支援し得る他の材料を含み得る。炭素ドープバッファ層２０８は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、または構造物中の結晶欠陥の密度を減少させて基板からの電気的絶縁を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。炭素ドープバッファ層２０８はまた、複数層構造物であり得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み得るか、またはバリア−チャネル界面と平行に（２ＤＥＧ  ２１４を介した）横方向の電荷移動のための空間を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。ＩＩＩ族窒化物バリア層２１６は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、またはＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２と比較してより広いバンドギャップおよびより小さい格子定数を有する別のＩＩＩ族窒化物材料であって、ＩＩＩ族窒化物チャネル層２１２と直接接触すると自発分極電荷を生成する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。
【００３３】
上記説明は、（１１１）Ｓｉを含有する基板上のＩＩＩ族窒化物層を開示するが、他の材料の組み合わせも可能である。基板は、（１１１）Ｓｉ以外の１つまたはそれを超える材料を含み得る。例えば、基板は、（１００）Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰおよび他の材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。基板は、核形成層とＩＩＩ族窒化物層との間のヘテロ構造物を含み得る。ヘテロ構造物は、異なる材料の複数層を含み得る。
【００３４】
ヘテロ構造物の例としては、Ｓｉ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）およびＳｉ・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板が挙げられる。核形成層は、ＳＯＩまたはＳＯＳ基板上で成長され得る。核生成層は、酸化物層とＳｉ層との間にあり得るか、またはＳｉ層上、ＳＯＩもしくはＳＯＳ基板中にあり得る。ＳＯＩまたはＳＯＳ基板のＳｉ層はそれ自体が、核形成層であり得る。核生成層は、サファイアまたはハンドルウェハー上で直接成長され得る。核形成層は、同じ材料の層で均一に成長され得るが、エピタキシャル層転写プロセスなどのヘテロ構造物成長プロセスと同様のプロセスに関与し得る。このようなエピタキシャル層転写プロセスでは、エピタキシャル層は、核形成層を含み得る。
【００３５】
図３は、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層と、ＩＩＩ族窒化物キャッピング層とを含むＩＩＩ族窒化物構造物３００を描写する。層構造物３００は、（１１１）Ｓｉ基板３０２と、（１１１）Ｓｉ基板３０２上の核形成層３０４と、核形成層３０４上の応力管理層３０６と、応力管理層３０６上の炭素ドープバッファ層３０８と、炭素ドープバッファ層３０８上のＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０と、ＩＩＩ族窒化物バリア層３１０上のＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２と、ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２上のＩＩＩ族窒化物バリア層３１６と、ＩＩＩ族窒化物バリア層３１６上のキャッピング層３１８とを含む。圧電および自発分極場の結果として、バリア−チャネル界面の近くのＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２内で、２ＤＥＧ  ３１４が形成される。層３０４、３０６、３０８、３１０、３１２、３１６および３１８はそれぞれ、エピタキシャルである。したがって、核形成層３０４は、（１１１）Ｓｉ基板３０２に対してエピタキシャルであり、応力管理層３０６は、核形成層３０４に対してエピタキシャルであり、炭素ドープバッファ層３０８は、応力管理層３０６に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０は、炭素ドープバッファ層３０８に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２は、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０に対してエピタキシャルであり、ＩＩＩ族窒化物バリア層３１６は、ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２に対してエピタキシャルであり、キャッピング層３１８は、ＩＩＩ族窒化物バリア層３１６に対してエピタキシャルである。
【００３６】
ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０は、ＩＩＩ族窒化物バリア層３１６および２ＤＥＧ  ３１４とは反対のＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２の側に電位障壁を作り出す。この電位障壁は、２ＤＥＧから炭素ドープバッファ層３０８への自由電子の漏出を防止する。ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）、ＡｌＮ、またはチャネル層の材料と比較して広いバンドギャップを有する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。いくつかの例では、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０は、チャネル層の材料と比較して狭いバンドギャップを有するＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）材料を含み得る。この場合、電位障壁は、圧電および自発分極場により作り出される。
【００３７】
キャッピング層３１８は、ＩＩＩ族窒化物層構造物３００の上面を安定化し、ＩＩＩ族窒化物層構造物３００を使用して製造されたＨＥＭＴのショットキー接触のために電位障壁を増加させる。キャッピング層３１８は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３または他のＩＩＩ族窒化物および不活性化材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。
【００３８】
この例では、圧縮応力は、応力管理層３０６、炭素ドープバッファ層３０８、ＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０およびＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２に蓄積され得る。これらの層と核形成層３０４との間の格子不整合は、通常、圧縮応力を蓄積するために使用される。応力管理層３０６、炭素ドープバッファ層３０８およびＩＩＩ族窒化物バックバリア層３１０への高濃度Ｃのドーピングは、この構造物における圧縮応力の量を増加させ得る。層３０６、３０８および３１０の１つまたはそれよりも多くにおける炭素濃度は、≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３であり得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２は見掛け上はドープされていないままか、または非意図的にドープされた（ＵＩＤ）ままである。Ｃドーピングの効果は、格子不整合の効果と組み合わされ得るか、または別個に使用され得る。
【００３９】
核形成層３０４は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、または（１１１）Ｓｉ基板上のＩＩＩ族窒化物層の核形成を支援し得る他の材料を含み得る。応力管理層３０６は、結晶欠陥の密度を減少させて層構造物３００への圧縮応力を作り、ＩＩＩ族窒化物構造物とＳｉ基板との間の熱的不整合により発生する引張応力に反作用する。応力管理層３０６は、ＡｌＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）、ＧａＮおよび他のＩＩＩ族窒化物材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。それは、単層、複数層、超格子または他の層の組み合わせを含み得る。例えば、応力管理層３０６は、炭素ドープ複数層構造物を含み得る。いくつかの例では、応力管理層３０６は、遷移層と、炭素ドープ複数層構造物とを含み得、遷移層は、核形成層３０４と炭素ドープ複数層構造物との間にある。炭素ドープ複数層構造物は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）およびＧａＮの交互層を含み得、これらの少なくとも１つは炭素ドープされている。遷移層は、ＡｌＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）、ＧａＮおよび他のＩＩＩ族窒化物材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。
【００４０】
炭素ドープバッファ層３０８は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、または構造物中の結晶欠陥の密度を減少させて基板からの電気的絶縁を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。炭素ドープバッファ層３０８はまた、複数層構造物であり得る。ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＧａＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含み得るか、またはバリア−チャネル界面と平行に（２ＤＥＧ  ３１４を介した）横方向の電荷移動のための空間を提供する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。ＩＩＩ族窒化物バリア層３１６は、１つまたはそれを超えるＩＩＩ族窒化物材料、例えばＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含み得るか、またはＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２と比較してより広いバンドギャップおよびより小さい格子定数を有する別のＩＩＩ族窒化物材料であって、ＩＩＩ族窒化物チャネル層３１２と直接接触すると自発分極電荷を生成する別のＩＩＩ族窒化物材料を含み得る。
【００４１】
上記説明は、（１１１）Ｓｉを含有する基板上のＩＩＩ族窒化物層を開示するが、他の材料の組み合わせも可能である。基板は、（１１１）Ｓｉ以外の１つまたはそれを超える材料を含み得る。例えば、基板は、（１００）Ｓｉ、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＰおよび他の材料の１つまたはそれよりも多くを含み得る。基板は、核形成層とＩＩＩ族窒化物層との間のヘテロ構造物を含み得る。ヘテロ構造物は、異なる材料の複数層を含み得る。ヘテロ構造物の例としては、希土類酸化物・オン・Ｓｉ（ＲＥＯ）、Ｓｉ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）およびＳｉ・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板が挙げられる。核形成層は、ＲＥＯ、ＳＯＩまたはＳＯＳ基板上で成長され得る。核形成層は、同じ材料の層で均一に成長され得るが、エピタキシャル層転写プロセスなどのヘテロ構造物成長プロセスと同様のプロセスに関与し得る。このようなエピタキシャル層転写プロセスでは、エピタキシャル層は、核形成層を含み得る。
【００４２】
各層をドープすることによって発生する圧縮応力は累積的であるので、スタック全体のより高い炭素含有量によって、より多くの圧縮応力が操作され得る。この理由により、それぞれＩＩＩ族窒化物層構造物１００、２００および３００（各Ｓｉ基板を含まない）について、ＩＩＩ族窒化物チャネル層１１２、２１２および３１２よりも下の構造物スタックのすべての層を炭素ドープすることが望ましい。各層１０８、２０６、２０８、３０６、３０８および３１０における炭素濃度は、≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３であり得る。ドーパントおよび他の種の濃度は、原子−ｃｍ−３の単位で表されることもあるが、多くの場合、その量に言及する一方で粒子の名称は省略されており、このような濃度は、ｃｍ−３の単位で単に表される。同様に、欠陥の密度は、欠陥−ｃｍ−２の単位で表されることもあるが、多くの場合、その量に言及する一方で特徴の名称は省略されており、このような濃度は、ｃｍ−２の単位で単に表される。このような欠陥密度は、基板の底面に平行な面における欠陥の面密度を表す。
【００４３】
ＩＩＩ族窒化物層構造物１００、２００および３００は、ドープされていない場合であっても圧縮応力を有し得るが、炭素濃度≧２×１０１９ｃｍ−３、≧１×１０２０ｃｍ−３、≧２×１０２０ｃｍ−３、≧５×１０２０ｃｍ−３または≧８×１０２０ｃｍ−３への層１０８、２０６、２０８、３０６、３０８および３１０の炭素ドーピングは、ドーピングなしで達成され得るよりも大きく圧縮応力を増加させて、合成後構造物冷却後のより肥厚なバッファ層および減少した引張応力を可能にし得る。
【００４４】
いくつかの例では、炭素濃度は、ＩＩＩ族窒化物層構造物１００、２００および３００の１つまたはそれよりも多くを通して変動する。いくつかの例では、ＩＩＩ族窒化物層構造物１００、２００および３００の１つまたはそれを超える各層は、最高実用炭素濃度に炭素ドープされ、炭素濃度は、それぞれ２ＤＥＧ  １１４、２１４および３１４直下の最小レベルに急激に減少する。ＩＩＩ族窒化物構造物１００、２００および３００の各層について炭素濃度を最高実用レベルに維持することにより、最大圧縮応力がもたらされる。炭素ドーパントは、２ＤＥＧ  １１４、２１４および３１４の自由電子をトラップおよび局在化する深い準位トラップとして作用し得るので、２ＤＥＧ  １１４、２１４および３１４における炭素濃度の減少は有益である。
【００４５】
効率的な圧縮応力蓄積のために、引張応力の供給源および圧縮応力緩和の経路を抑制しなければならない。ＩＩＩ族窒化物膜における様々な点欠陥および拡張欠陥は、引張応力の発生および圧縮応力の緩和を支援し得る。ＩＩＩ族窒化物膜における最も一般的な欠陥の１つは、貫通転位である。ＩＩＩ族窒化物膜において圧縮応力を持続させるために、膜中の貫通転位の密度が十分に低くなければならない。貫通転位の密度は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）分析を使用して推定および制御され得る。
【００４６】
貫通転位の密度は、ＩＩＩ族窒化物結晶格子の対称および非対称反射に沿ったＸＲＤロッキングカーブを用いて推定され得る。特に、関連ＸＲＤロッキングカーブピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、基本的な基準として役立つ。ピークのＦＷＨＭは、その最大値の半分におけるピークの幅を指す。１つまたはそれを超えるロッキングカーブピークは、ＩＩＩ族窒化物層構造物における各材料のＸＲＤ分析によって検出され得る。下記分析の関連ピークは、分析中の材料および／または層に対応するピークである。多くの場合、そのピークは、バッファ層材料に対応するＧａＮまたはＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）ピークである。材料における貫通転位は、ＸＲＤロッキングカーブピークの拡大およびその結果としてそれらのＦＷＨＭの増加を引き起こす。異なるタイプの転位（スクリュー、エッジまたは混合タイプ）は、異なるＸ線反射で測定されたピークに影響を及ぼす。異なる反射に沿った少なくとも２つのロッキングカーブの組み合わせは、転位密度の推定に使用され得る。
【００４７】
図４は、（１１１）Ｓｉ基板上で成長させたＩＩＩ族窒化物層構造物の２つの反射に沿ったＸ線ロッキングカーブを示すグラフ４００および４５０を描写する。測定された構造物の厚さは、約４μｍである。グラフ４００は、（００２）反射に沿ったロッキングカーブ４０２と、（１０２）反射に沿ったロッキングカーブ４５２とを含む。ロッキングカーブ４０２はＦＷＨＭ  ４０４を有し、ロッキングカーブ４５２はＦＷＨＭ  ４５４を有する。
【００４８】
ＩＩＩ族窒化物材料のドーピングは、ＩＩＩ族窒化物材料の転位密度の増加（これは、ＸＲＤロッキングカーブのＦＷＨＭを測定することによって決定され得る）をもたらし得る。全体的なＩＩＩ族窒化物構造物および圧縮応力の蓄積の許容可能な質（したがって、ＩＩＩ族窒化物構造物を使用して製造されるデバイスの許容可能な性能）を維持するために、炭素ドーピング濃度が１０２０ｃｍ−３およびそれを超えて増加すると共に、平均転位密度は、十分に低いレベル（例えば、１０１０〜１０１１ｃｍ−２、≦１０１０ｃｍ−２、≦１０９ｃｍ−２、≦１０８ｃｍ−２またはそれ未満）に維持されるべきである。ＩＩＩ族窒化物材料の平均転位密度が十分に低いレベル、例えば１×１０１２ｃｍ−２未満および／または１０１０〜１０１１ｃｍ−２に維持されているかは、下記のように、ＸＲＤロッキングカーブのＦＷＨＭを測定し、炭素ドーピング濃度の予想値と比較することによって決定され得る。ＸＲＤは、数ミクロンの侵入深さを有するので、ＸＲＤは、その浸透深さ内のすべての材料からシグナルを生成する。したがって、この技術は、平均転位密度の指標をもたらす。
【００４９】
１０１９ｃｍ−３またはそれ未満の炭素ドーピング濃度を有するＩＩＩ族窒化物層構造物の場合、ＦＷＨＭ  ４０４は約６００ａｒｃｓｅｃであり得、ＦＷＨＭ  ４５４は約８００ａｒｃｓｅｃであり得る。約１０２０ｃｍ−３の炭素ドーピング濃度を有するＩＩＩ族窒化物層構造物の場合、ＦＷＨＭ  ４０４は約７００ａｒｃｓｅｃであり得、ＦＷＨＭ  ４５４は約９５０ａｒｃｓｅｃであり得る。約１０２１ｃｍ−３の炭素ドーピング濃度を有するＩＩＩ族窒化物層構造物の場合、ＦＷＨＭ  ４０４は約８５０ａｒｃｓｅｃであり得、ＦＷＨＭ  ４５４は約１２００ａｒｃｓｅｃであり得る。
【００５０】
図５は、シリコン基板上へのＩＩＩ族窒化物構造物の堆積中に行ったインサイチューウェハー曲率測定を示すグラフ５００を描写する。グラフ５００は、２×１０１９ｃｍ−３のドーピング濃度にＣドープしたバッファ層を有する第１のＩＩＩ族窒化物層構造物（サンプルＡ）上で測定した曲線５０２を含む。グラフ５００は、１．５×１０２０ｃｍ−３の濃度にＣドープしたバッファ層を有する第２のＩＩＩ族窒化物層構造物（サンプルＢ）上で測定した曲線５０４を含む。グラフ５００は、ゼロ曲率レベル５０６を含む。ゼロ曲率レベル５０６を超える曲率値は、ウェハーが凸状湾曲および圧縮応力を有することを示し、ゼロ曲率レベル５０６未満の曲率値は、ウェハーが凹状湾曲および引張応力を有することを示す。グラフ５００はまた、時間５０８、５１０、５１２、５１４および５１６を含む。時間５０８〜５１０において、基板を加熱した。時間５１０〜５１２において、ＡｌＮ／ＧａＮ複数層構造物を有する核形成層および応力管理層を基板上で成長させた。時間５１２〜５１４において、バッファ層を応力管理層上で成長させた。時間５１４〜５１６において、層構造物を冷却した。
【００５１】
曲線５０２と５０４との間の差異は、シリコン基板上で成長させたＩＩＩ族窒化物層構造物の応力状態に対するＣドーピングの効果を示す。時間５１４および５１６において、ウェハー曲率は、サンプルＢ（曲線５０４）では、サンプルＡ（曲線５０２）のものと比較して約１０ｋｍ−１より高いが、これは、より高いＣ濃度を有する層に蓄積された圧縮応力がより大きいことを示している。一般に、バッファ層の成長終了時（時間５１４）にウェハーが顕著な凸状湾曲を有し、その結果、冷却プロセス終了時（時間５１６）にウェハーがわずかな凸状湾曲を有するかまたは湾曲を有しないように、ＩＩＩ族窒化物構造物を操作することが望ましい。
【００５２】
この結果は、ウェハー湾曲のエクスサイチュー成長後測定によって検証される。サンプルＡ（曲線５０２）は、０μｍの成長後ウェハー湾曲を有するが、サンプルＢ（曲線５０４）は、１２μｍの成長後凸状ウェハー湾曲を有する。サンプルＢのより大きい凸状ウェハー湾曲は、サンプルＢにおける成長中に蓄積された圧縮応力がより大きいことを示す。
【００５３】
図６は、ＩＩＩ族窒化物構造物１００、２００および３００のいずれかを堆積させるための方法６００のフローチャートを描写する。６０２では、堆積システム、例えば真空チャンバまたは他の環境制御チャンバにおいて、基板（例えば、１０２、２０２、３０２）を加熱する。基板は、Ｓｉ（１１１）基板または別の基板であり得る。６０４では、核形成層（例えば、１０４、２０４、３０４）を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応して核形成層を形成する。任意選択の工程６０６では、応力管理層（例えば、２０６、３０６）を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応して応力管理層を形成する。応力管理層を層構造物に含めない場合、方法６００は、工程６０８に直接進む。６０８では、バッファ層（例えば、１０８、２０８、３０８）を堆積させる。バッファ層は、炭素ドープバッファ層であり得る。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応してバッファ層を形成する。任意選択の工程６１０では、バックバリア層（例えば、３１０）を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応してバックバリア層を形成する。バックバリア層を層構造物に含めない場合、方法６００は、工程６１２に直接進む。６１２では、チャネル層（例えば、１１２、２１２、３１２）を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応してチャネル層を形成する。６１４では、バリア層（例えば、１１６、２１６、３１６）を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応してバリア層を形成する。任意選択の工程６１６では、キャッピング層を堆積させる。ＭＯＣＶＤプロセスでは、１つまたはそれを超える前駆体が堆積システムに導入され、分解し、互いに反応し、および／または基板と反応してキャッピング層を形成する。キャッピング層を層構造物に含めない場合、方法６００は、工程６１８に直接進む。工程６１８では、層構造物および基板を冷却する。
【００５４】
工程６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、６１４および６１６において使用される前駆体は、各工程について異なる前駆体であり得るか、またはそれらは、各工程の一部もしくは全部について同じ前駆体であり得、同じもしくは異なる割合および／もしくは量で使用される。加えて、上記工程のいずれかの間では、不活性担体および／またはパージガス（例えば、Ｈ２、Ｎ２）が堆積システムに導入され得る。
【００５５】
それぞれ核形成層、応力管理層、バッファ層およびバックバリア層を炭素ドープするために、工程６０４、６０６、６０８および６１０のいずれかでは、内部および／または外部ドーピングが使用され得る。内部的にドープするために、プロセスパラメータは、堆積層が有機金属堆積前駆体（例えば、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム）由来の炭素を含有するように調整される。外部的にドープするために、各工程の間では、各層を堆積させるために前駆体（複数可）と一緒に、１つまたはそれを超える外部供給源、例えば炭化水素（例えば、メタン、プロパン、ブタン）およびハロゲン化炭素（例えば、四塩化炭素、四臭化炭素、ブロモトリクロロメタン）が堆積システムに導入され得る。
【００５６】
方法６００の一環として、示されているもの以外の工程が実施され得る。例えば、図６に記載されている層のいずれかの間に、介在層を堆積させ得る。方法６００における工程は、図６に描写されている順序とは異なる順序で実施され得る。また、方法６００の工程のすべてを実施する必要はない。例えば、層構造物１００は、工程６０２、６０４、６０８、６１２、６１４および６１８を使用して製造され得る。別の例として、層構造物２００は、工程６０２、６０４、６０６、６０８、６１２、６１４および６１８を使用して製造され得る。さらに、層構造物３００は、工程６０２、６０４、６０６、６０８、６１０、６１２、６１４、６１６および６１８を使用して堆積され得る。
【００５７】
本明細書に記載される成長および／または堆積は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、有機金属化学気相蒸着（ＭＯＣＶＤ）、有機金属気相エピタキシー（ＯＭＶＰＥ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、ハライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）、パルスレーザ堆積（ＰＬＤ）および／または物理気相蒸着（physical  vapor  deposition：ＰＶＤ）の１つまたはそれよりも多くを使用して実施され得る。
【００５８】
本明細書に記載される場合、層は、面を覆う材料の実質的に均一な厚さを意味する。層は、連続的または不連続的のいずれかであり得る（すなわち、材料の領域間にギャップを有する）。例えば、層は、面を完全に覆うものであり得るか、または層を共同で規定する別個の領域（すなわち、選択領域エピタキシーを使用して形成された領域）に分割され得る。層構造物は一連の層を意味し、独立した構造物であり得るか、またはより大きい構造物の一部であり得る。ＩＩＩ族窒化物構造物は、ＩＩＩ族窒化物材料を含有する構造物を意味し、ＩＩＩ族窒化物以外の材料（これらのいくつかの例は、Ｓｉ、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）およびＩＩＩ−Ｖである）を含有し得る。
【００５９】
〜上に配置される（disposed  on）は、下にある材料または層「の上に存在する」ことを意味する。この層は、適切な面を確保するために必要な中間層、例えば遷移層を含み得る。例えば、材料が「基板上に配置される」と記載されている場合、これは、（１）材料が基板と直接接触していること、または（２）材料が、基板上に存在する１つもしくはそれを超える遷移層と接触していることのいずれかを意味し得る。
【００６０】
単結晶は、実質的に１種類のみの単位格子を含む結晶構造を意味する。しかしながら、単結晶層は、いくつかの結晶欠陥、例えば堆積欠陥、転位、または他の一般的に起こる結晶欠陥を示し得る。
【００６１】
単一ドメインは、実質的に１つのみの構造の単位格子と、実質的に１つのみの配向のその単位格子とを含む結晶構造を意味する。換言すれば、単一ドメイン結晶は、双晶ドメインも逆相ドメインも示さない。
【００６２】
単相は、単結晶および単一ドメインの両方である結晶構造を意味する。
【００６３】
結晶質は、実質的に単結晶および実質的に単一ドメインである結晶構造を意味する。結晶性は、結晶構造が単結晶および単一ドメインである程度を意味する。高結晶質構造は、ほぼ完全にまたは完全に単結晶および単一ドメインである。
【００６４】
エピタキシー、エピタキシャル成長およびエピタキシャル堆積は、結晶基板上における結晶層の成長または堆積を指す。結晶層は、エピタキシャル層と称される。結晶基板はテンプレートとして作用し、結晶層の配向および格子間隔を決定する。いくつかの例では、結晶層は、格子整合的または格子一致的であり得る。格子整合結晶層は、結晶基板の上面と同じまたは非常に近い格子間隔を有し得る。格子一致結晶層は、結晶基板の格子間隔の整数倍のまたは整数倍に非常に近い格子間隔を有し得る。あるいは、結晶基板の格子間隔は、格子一致結晶層の格子間隔の整数倍または整数倍に非常に近いものであり得る。エピタキシーの質は、結晶層の結晶化度に部分的に基づく。実際、高品質のエピタキシャル層は、欠陥が最小限の単結晶であって、粒界がほとんどまたは全くない単結晶である。
【００６５】
基板は、その上に堆積層が形成される材料を意味する。例示的な基板としては、限定されないが、ウェハーが均一な厚さの単結晶シリコンを含むバルクシリコンウェハー；バルクシリコンハンドルウェハー上に配置された二酸化ケイ素の層上に配置されたシリコンの層を含む複合ウェハー（例えば、シリコン・オン・インシュレータウェハー）；またはその上にもしくはその中にデバイスが形成される基層として機能する任意の他の材料が挙げられる。用途に応じて基板層およびバルク基板として使用するために適切なこのような他の材料の例としては、限定されないが、窒化ガリウム、炭化ケイ素、酸化ガリウム、ゲルマニウム、アルミナ、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、シリカ、二酸化ケイ素、ホウケイ酸ガラス、パイレックス（登録商標）およびサファイアが挙げられる。
【００６６】
ＲＥＯ基板は、単結晶希土類酸化物層と基板とを含む組成物を意味する。希土類酸化物の例は、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）および酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）である。基板は、Ｓｉ（１００）、Ｓｉ（１１１）または他の適切な材料からなる。希土類酸化物層は、基板上にエピタキシャル堆積される。
【００６７】
半導体・オン・インシュレータは、単結晶半導体層と、単相誘電体層と、基板とを含む組成物であって、誘電体層が半導体層と基板との間に介在する組成物を意味する。この構造物は、典型的には単結晶シリコン基板と、非単相誘電体層（例えば、非晶質二酸化ケイ素など）と、単結晶シリコン半導体層とを含む先行技術のシリコン・オン・インシュレータ（「ＳＯＩ」）組成物を連想させる。先行技術のＳＯＩウェハーと本発明の半導体・オン・インシュレータ組成物との間のいくつかの重要な差異は、以下のとおりである：
【００６８】
半導体・オン・インシュレータ組成物は、単相形態を有する誘電体層を含むのに対して、ＳＯＩウェハーは含まない。実際、典型的なＳＯＩウェハーの絶縁層は、単結晶でさえない。
【００６９】
半導体・オン・インシュレータ組成物は、シリコン、ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウム「活性」層を含むのに対して、先行技術のＳＯＩウェハーは、シリコン活性層を使用する。換言すれば、例示的な半導体・オン・インシュレータ組成物としては、限定されないが、シリコン・オン・インシュレータ、ゲルマニウム・オン・インシュレータおよびシリコンゲルマニウム・オン・インシュレータが挙げられる。
【００７０】
第２の層「の上にある（on）」または「上に（over）」と本明細書に記載および／または描写される第１の層は、第２の層に直接隣接し得るか、または１つもしくはそれを超える介在層が、第１の層と第２の層との間にあり得る。第１の層と第２の層と「の間にある」と記載および／または描写される介在層は、第１の層および／または第２の層に直接隣接し得るか、または１つもしくはそれを超えるさらなる介在層が、介在層と第１の層および第２の層との間にあり得る。第２の層または基板「の真上にある」または「の真上に」と本明細書に記載および／または描写される第１の層は、第２の層または基板に直接隣接し、第１の層と第２の層または基板との混合により介在合金層が場合により形成し得る以外は、介在層は存在しない。加えて、第２の層または基板「の上にある」、「上に」、「の真上にある」または「の真上に」と本明細書に記載および／または描写される第１の層は、第２の層もしくは基板の全体または第２の層もしくは基板の一部を覆い得る。
【００７１】
基板は、層成長中に基板ホルダー上に置かれるので、上面または上部面は、基板ホルダーから最も遠い基板または層の面であり、底面または下部面は、基板ホルダーに最も近い基板または層の面である。本明細書に描写および記載される構造物はいずれも、描写されているものの上および／または下にさらなる層を有するより大きい構造物の一部であり得る。明確にするために、本明細書の図は、これらのさらなる層を省略し得るが、これらのさらなる層は、開示される構造物の一部であり得る。加えて、繰り返しが図に描写されていない場合であっても、描写されている構造物は単位で繰り返され得る。
【００７２】
本開示の範囲から逸脱せずに、本明細書に記載される概念を実施するために様々な技術を使用し得ることは、上記説明から明らかである。記載されている実施形態は、すべての点で例示的かつ非限定的であるとみなされるべきである。本明細書に記載される技術および構造物は、本明細書に記載される特定の例に限定されず、本開示の範囲から逸脱せずに他の例で実施され得ることも理解すべきである。同様に、図面では、操作は特定の順序で描写されているが、これは、所望の結果を達成するためには、示されている特定の順序でもしくは順番でこのような操作が実施され、または例示されているすべての操作が実施されることを必要とすると理解されるべきではない。加えて、記載されている様々な例は唯一の例ではなく、ある例の特徴を、開示されている他の例に含め得る。したがって、上記で提供されている技術的教示は当業者に情報を与えるので、特許請求の範囲は、本明細書に開示される例に限定されず、このような教示から理解すべきであると理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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