(57)【要約】【解決手段】  方法は、緩和された層（１０６、５０６）を半導体装置（１００、５００）内に形成すること（６０４）を含む。本方法はまた、緩和された層上に引張り層（１０８、５１０）を形成すること（６０６）を含み、引張り層は、引張り応力を有する。本方法はさらに、緩和された層上に圧縮層（１１０、５０８）を形成することを含み、圧縮層は、圧縮応力を有する。圧縮層は、緩和された層、引張り層および圧縮層の自発的な分極とおおよそ等しいかそれよりも大きい圧電性の分極を有する。圧縮層の圧電性の分極は、圧縮層の自発的な分極と反対方向であり得る。緩和された層は、窒化ガリウムを含み、引張り層は、窒化アルミニウムガリウムを含み、圧縮層は、窒化アルミニウムインジウムガリウムを含み得る。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置内に緩和された層を形成すること、
前記緩和された層上に、引張り応力を有する引張り層を形成すること、および
前記緩和された層上に、圧縮応力を有する圧縮層を形成することを含み、
前記圧縮層が、前記緩和された層、引張り層および圧縮層の自発的な分極とおおよそ等しいかそれよりも大きい圧電性の分極を有する、方法。
【請求項２】
前記緩和された層が窒化ガリウムを含み、
前記引張り層が窒化アルミニウムガリウムを含み、
前記圧縮層が窒化アルミニウムインジウムガリウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
窒化アルミニウムインジウムガリウムが、０．２０と０．２５の間のインジウムのモル比率を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記圧縮層の前記圧電性の分極が、前記圧縮層の自発的な分極と反対方向である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記圧縮層を形成することが、前記引張り層上に前記圧縮層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記引張り層を形成することが、前記圧縮層の隣に前記引張り層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも前記引張り層内にソースおよびドレイン領域を形成すること、および
前記圧縮層上にゲートを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
基板上にバッファ層を形成することをさらに含み、
前記緩和された層を形成することが、前記バッファ層上に前記緩和された層を形成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
半導体装置が高電子移動度トランジスタを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
半導体基板上の緩和された層と、
前記緩和された層上の、引張り応力を有する引張り層と、
前記緩和された層上の、圧縮応力を有する圧縮層とを含み、
前記圧縮層が、前記緩和された層、引張り層および圧縮層の自発的な分極とおおよそ等しいかそれよりも大きい圧電性の分極を有する、装置。
【請求項１１】
前記緩和された層が窒化ガリウムを含み、
前記引張り層が窒化アルミニウムガリウムを含み、
前記圧縮層が窒化アルミニウムインジウムガリウムを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記圧縮層の前記圧電性の分極が、前記圧縮層の自発的な分極と反対方向である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記圧縮層が前記引張り層の上にある、請求項１０に記載の装置。
【請求項１４】
前記引張り層が前記圧縮層の隣である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも前記引張り層内のソースおよびドレイン領域と、
前記圧縮層上のゲートをさらに含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１６】
基板上のバッファ層をさらに含み、
前記緩和された層が前記バッファ層上にある、請求項１０に記載の装置。
【請求項１７】
窒化ガリウムベースの半導体装置内に複数の層を形成することを含み、
前記複数の層の少なくとも１つが、前記複数の層の自発的な分極とほぼ等しいかあるいはそれより大きい圧電性の分極を有する、方法。
【請求項１８】
圧電性の分極が、前記自発的な分極と反対方向である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記複数の層を形成することが、引張り層を形成すること、および圧縮層を形成することを含み、前記圧縮層が圧電性の分極を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記圧縮層が窒化アルミニウムインジウムガリウムを含み、
前記圧縮層を形成することが、所望の圧電性の分極を達成するよう圧縮層のインジウムの含有量を選択することを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して半導体装置に関する。より具体的には、本開示は、ノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々のＩＩＩ−Ｖ族化合物が、高出力の電子アプリケーションの使用のために研究されている。これらの化合物は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＩｎＧａＮ）のようなＩＩＩ−Ｖ族窒化物を含む。これらの化合物は、高出力、高電圧のアプリケーションに用いるため高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成するのに使用され得る。
【０００３】
多くの従来のＧａＮベースのトランジスタ装置は、ノーマリーオン状態またはデプリーションモードで動作する。これは、典型的に、トランジスタ装置をターンオフするために負のバイアス電圧の使用を必要とする。負のバイアス電圧の使用は、ときとして望ましくない。ノーマリーオフのＧａＮベースのトランジスタ装置が提案されているが、これらの装置はまた、種々の短所を被っている。
【０００４】
本開示およびその特徴のより完全な理解のため、添付する図面と関連して以下の記載が参照される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】図１は、本開示によるノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置の第１の例示である。
【０００６】
【図２】図２は、本開示による図１の半導体装置の分極の例示である。
【０００７】
【図３】図３は、本開示による図１の半導体装置に関するバンド図の例示である。
【０００８】
【図４Ａ】図４Ａは、本開示による図１の半導体装置の電気的特性と組成の関係の例示である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本開示による図１の半導体装置の電気的特性と組成の関係の例示である。
【０００９】
【図５】図５は、本開示によるノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置の第２の例示である。
【００１０】
【図６】図６は、本開示によるノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置を形成する方法の例示である。
【詳細な説明】
【００１１】
以下に説明する図１ないし図６、および本特許開示の本発明の原理を述べるために用いられる種々の実施例は、例示するだけの目的であり、いかなる方式においても本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。当業者は、本発明の原理が他の適切に配置された装置やシステムの形式で実施可能であることを理解するであろう。
【００１２】
図１は、本開示による第１の例のノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置１００の例示である。図１に示されるように、半導体装置１００は、基板１０２上に形成される。基板１０２は、半導体装置１００の他の構造を支持しまたは搭載する適切な半導体基板を表すものである。基板１０２は、例えば、シリコン、サファイアまたはシリコンカーバイド基板に相当し得る。
【００１３】
バッファ層１０４が、基板１０２上に形成される。バッファ層１０４は、典型的に、半導体装置１００の他の構造を基板１０２から隔離（例えば、基板１０２の欠陥から隔離）するのを容易にするために使用される薄い層を表す。バッファ層１０４は、適切な材料からおよび適切な手法で形成され得る。例えば、バッファ層１０４は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）または窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のエピタキシャル層のような、エピタキシャル層を表し得る。
【００１４】
緩和された層（リラックスされた層）１０６が、バッファ層１０４上に形成される。緩和された層１０６は、概して引張りまたは圧縮応力のない、あるいは引張りまたは圧縮応力が非常に少量である材料から形成される活性層を表す。緩和された層１０６は、適切な材料からおよび適切な手法で形成され得る。例えば、緩和された層１０６は、ＧａＮエピタキシャル層を表し得る。
【００１５】
引張り層１０８が、緩和された層１０６上に形成される。引張り層１０８は、引張り応力下の材料から形成されるバリア層を表す。引張り層１０８は、適切な材料からおよび適切な手法で形成され得る。例えば、引張り層１０８は、ＡｌＧａＮエピタキシャル層を表し得る。バッファ層１０４のアルミニウム濃度は（もし、あれば）、引張り層１０８のアルミニウム濃度よりも非常に小さいものであり得ることに留意されたい。
【００１６】
圧縮層１１０が、引張り層１０８上に形成される。圧縮層１１０は、圧縮応力下の材料から形成されるバリア層を表す。圧縮層１１０は、適切な材料からおよび適切な手法で形成され得る。例えば、圧縮層１１０は、ＡｌＩｎＧａＮのエピタキシャル層をデポジットし、かつ引張り層１０８上にＡｌＩｎＧａＮの一部が残るようにＡｌＩｎＧａＮをエッチングすることにより、形成され得る。圧縮層１１０はまた、マスクによって画定された特定のエリア内にＡｌＩｎＧａＮをデポジットすることにより形成されてもよい。バッファ層１０４内のアルミニウム濃度は（もし、あれば）、圧縮層１１０のアルミニウム濃度よりも非常に小さいものであり得ることに留意されたい。
【００１７】
ソース領域１１２、およびドレイン領域１１４が、引張り層１０８内に形成され、場合によって緩和された層１０６内にも形成され得る。ソース領域１１２およびドレイン領域１１４は、適切な方法で、例えば、構造体をマスクしかつドーピング工程（注入や拡散工程など）を実施することにより形成され得る。また、ソースおよびドレイン領域１１２−１１４の各々を形成するために適切なドーパントが使用され得る。
【００１８】
ゲート１１６が、圧縮層１１０上に形成される。ゲート１１６は、適切な導電性材料からおよび適切な手法で形成され得る。例えば、ゲート１１６は、構造体上に導電性材料をデポジットしかつゲート１１６を形成するように導電性材料をエッチングすることにより、形成され得る。ゲート１１６はまた、マスクにより画定された特定エリア内に導電性材料をデポジットすることにより形成されてもよい。
【００１９】
上記したように、多くの従来のＧａＮベースのトランジスタ装置は、ノーマリーオン状態またはデプリーションモードで動作する。これは、ＧａＮワートザイト（wurtzite）結晶構造の原子構造の非対称性と、アルミニウム、インジウムまたはガリウムと窒素間の部分的なイオン結合とから生じる、自発的な分極によって引き起こされる。この自発的な分極は、ガリウム面構造のための結晶成長軸に沿った電荷分離を引き起こす。また、ワイドバンドギャップのバリア層１０８（例えば、１０〜３０％のアルミニウムのモル比率を有するＡｌＧａＮ）が使用されるとき、格子の不整合と熱係数の不一致により引張り歪みが生成される。この歪みは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮシステムの電荷分離をさらに増強する圧電性の分極を引き起こす。狭いバンドギャップ（ＧａＮ）と広いバンドギャップ（ＡｌＧａＮ）層間のバンドギャップの不連続および電荷分離は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの界面での２次元電子ガスの形成となる。２次元電子ガスの存在は、ノーマリーオンまたはデプリーションモードのトランジスタにつながる。
【００２０】
本開示によれば、歪み工学が半導体装置１００に使用され、自発的な分極を補償する。歪み工学はまた、緩和された層／引張り層の界面で発生された電荷を反転するためにも使用される。この例示が図２に示され、これは、図１の半導体装置１００の分極の例を示している。図２に示されるように、層１０６および１１０の自発的な分極ＰＳＰは、同じ方向であるが、層１１０の圧電性の分極ＰＰＥは、反対方向である。これは、ゲート１１６の下に空乏の電子領域を発生させることができる。同時に、ソースおよびドレイン領域１１２−１１４は、層１０６−１０８との界面に蓄積された電子を有することができる。正の電圧がゲート１１６に印加されたとき、空乏の電子領域での正の電荷は空乏化され、緩和された層／引張り層の界面での電子の蓄積は、オン状態になる。その結果、高い電流および非常に低い特定のオン抵抗(ＲＤＳＯＮ）がノーマリーオフのＧａＮベースのトランジスタ装置において実現され得る。
【００２１】
半導体装置１００において、圧縮層１１０は、自発的な分極を補償するために使用される。圧縮層１１０がＡｌＩｎＧａＮから形成されるとき、アルミニウムの組成は、約２０％であり、インジウムの組成は、約２０％であり得る。この組成により、引張り層１０８の頂部で圧縮歪みが発生し、幾分圧縮性である全体の歪みになり得る。特定の実施例では、ＡｌＩｎＧａＮ圧縮層１１０は、０．０４Ｃ／ｍ２程度の分極を発生させることができ、これは、装置１００の全体の自発的な分極に対し、幾分大きくかつ反対であり得る。
【００２２】
図３は、図１の半導体装置１００に関するバンド図３００の例を示している。装置１００のしきい値電圧ＶＴは、自発的な分極を補償するための圧縮層１１０の歪みを用いて調整され得る。自発的な分極と等しいかそれよりも大きい圧電性の分極により、ゼロのゲート電圧バイアスで、緩和された層／引張り層の界面または緩和された層／バッファ層の界面で形成される２次元電子ガスはほとんどないかまたは全く存在しない可能性がある。
【００２３】
図４Ａおよび４Ｂは、図１の半導体装置１００の電気的特性と組成の関係の例示である。特に、図４Ａは、装置１００の自発的な分極ＰＳＰが圧縮層１１０（アルミニウム２０％を有するＡｌＩｎＧａＮ圧縮層と仮定して）のインジウム組成に基づきどのように変化するのかを表すグラフ４００を示している。図示されるように、自発的な分極ＰＳＰは変化するが、非常に微小であり、モル比率がゼロから０．２５まで変化するインジウム組成に対し、約０．０００８Ｃ／ｍ２だけ増加する。
【００２４】
図４Ｂは、装置１００の圧電性の分極ＰＰＥが圧縮層１１０（アルミニウム２０％を有するＡｌＩｎＧａＮ圧縮層と仮定して）のインジウム組成に基づきどのように変化するのかを表すグラフ４５０を示している。図示されるように、圧電性の分極ＰＰＥは、より大きな範囲で変化し、モル比率がゼロから０．２５まで変化するインジウム組成に対し、０．０５Ｃ／ｍ２よりも大きく増加する。
【００２５】
これらのグラフ４００および４５０は、ＡｌＩｎＧａＮ圧縮層１１０のインジウム組成は、適切な圧電性の分極ＰＰＥに到達するように調整され得ることを示している。この圧電性の分極ＰＰＥは、自発的な分極ＰＳＰよりも幾分大きくなるように選択され得る。
【００２６】
図５は、本開示によるノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置５００の第２の例を例示する。図５に示されるように、半導体装置５００は、基板５０２、バッファ層５０４、および緩和された層５０６を含む。これらの構成要素５０２−５０６は、図１の対応する構成要素１０２−１０６と同一か類似であることができる。
【００２７】
圧縮層５０８が、緩和された層５０６上に形成される。圧縮層５０８は、適切な材料からおよび適切な方法で形成され得る。例えば、圧縮層５０８は、ＡｌＩｎＧａＮのエピタキシャル層をデポジットし、かつ緩和された層５０６上にＡｌＩｎＧａＮの一部を残すようにＡｌＩｎＧａＮをエッチングすることにより形成され得る。圧縮層５０８はまた、マスクにより画定された特定のエリア内にＡｌＩｎＧａＮをデポジットすることにより形成することもできる。この場合も、圧縮層５０８は、半導体装置５００で発生される全体の自発的な分極を補償するのに十分な圧縮歪みを有する。
【００２８】
引張り層５１０が、緩和された層５０６上で、かつ圧縮層５０８の周囲または近傍に形成される。引張り層５１０は、適切な材料からおよび適切な方法で形成され得る。例えば、引張り層５１０は、ＡｌＧａＮから形成され得る。特定の例として、引張り層５１０は、２０％のアルミニウムの含有量をもつＡｌＧａＮの選択的なエピタキシャル成長によって形成され得る。ソースおよびドレイン領域５１２−５１４が、引張り層５１０内に形成され、場合によっては緩和された層５０６内に形成され、ゲート５１６が、圧縮層５０８上に形成される。
【００２９】
図１の半導体装置１００では、２次元電子ガスは、ソース領域１１２と層１０６−１０８間の界面で、およびドレイン領域１１４と層１０６−１０８間の界面でまだ形成し得る。図５の半導体装置５００では、２次元電子ガスは、ソース領域５１２と層５０６および５１０間の界面で、およびドレイン領域５１４と層５０６および５１０間の界面で形成し得る。この２次元電子ガスは、高電流および低い特定のオン抵抗を提供することを助ける。しかしながら、２次元電子ガスは、半導体装置１００および５００がノーマリーオンされない領域のゲート１１６、５１６から離れて位置される。２次元電子ガスは、圧縮層１１０、５０８がソースおよびドレイン領域が配置される所からエッチング除去されるかあるいは形成されないので、半導体装置１００、５００内に形成し得る。
【００３０】
図１ないし図５は、ノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置の２つの例および関連する詳細を示しているが、図１ないし図５に種々の変更が成し得る。例えば、具体的な材料および製造工程が上記に記載されたが、半導体装置１００、５００の種々の層や他の構造を形成するために任意の他の材料および製造工程を用いることができる。また、具体的な電気的または他の特性が上記に記載されたが、これらの詳細は、単なる例示にすぎない。
【００３１】
図６は、本開示による、ノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置を形成する方法６００の例示である。図６に示されるように、ステップ６０２で、バッファ層が基板上に形成される。これは、例えば、バッファ層１０４、５０４を基板１０２、５０２上に形成することを含み得る。ステップ６０４で、緩和された層がバッファ層上に形成される。これは、例えば、緩和された層１０６、５０６をバッファ層１０４、５０４上に形成することを含み得る。両方の層は、エピタキシャル層を意味し得る。
【００３２】
ステップ６０６で、引張り層および圧縮層が、緩和された層上に形成される。これは、例えば、引張り層１０８を緩和された層１０６上に形成すること、および圧縮層１１０を引張り層１０８上に形成することを含み得る。これはまた、圧縮層５０８を緩和された層５０６上に形成すること、および引張り層５１０を緩和された層５０６上にかつ圧縮層５０８の隣に形成することを含み得る。圧縮層は、構造内の自発的な分極ＰＳＰと等しいかそれよりも大きい圧電性の分極ＰＰＥを有する。
【００３３】
ステップ６０８で、ソース、ドレインおよびゲートの構造が形成される。これは、例えば、引張り層１０８、５１０内にソースおよびドレイン領域１１２−１１４、５１２−５１４を形成すること、および任意で、緩和された層１０６、５０６内にソースおよびドレイン領域１１２−１１４、５１２−５１４を形成することを含み得る。半導体装置の形成は、ステップ６１０で完了される。これは、例えば、ソース、ドレインおよびゲートの構造への電気的な接続を形成することを含み得る。これはまた、半導体装置１００、５００を保護パッケージ内にカプセル封止すること、またはＨＥＭＴトランジスタ装置の形成を完了するために他の構造を形成することを含み得る。
【００３４】
図６は、ノーマリーオフの窒化ガリウムベースの半導体装置を形成する方法の１つの例を示すが、図６に種々の変更が成し得る。例えば、一連の工程が示されたが、図６の種々の工程は、重複したり、同時進行したり、異なる順序で生じることができる。また、歪みを介する圧電性の分極管理は、種々の方法で得ることができ、方法６００は、この１つの例を示すものである。
【００３５】
この明細書内に使用されてきたいくつかの用語および句の定義を述べることは有利なことであり得る。用語「含む（includeおよびcomprise）」およびそれらの派生語は、限定することなく含むことを意味する。用語「また（or）」は、および／またはの意味を含む。
【００３６】
本開示は、ある実施例および関連する方法を記載してきたが、これらの実施例や方法の変更および置換が当業者には明らかであろう。従って、上記例示の実施例の記載は、本開示を限定または制限しない。他の変化、置換、変形も、特許請求の範囲により規定されるように、本開示の精神および範囲から逸脱することなく可能である。
【図１】
2013518445.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
2013518445.tif 000008
【図６】
2013518445.tif 000009
【国際調査報告】
2013518445.tif 000010
2013518445.tif 000011