(57)【要約】  炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板とＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを含む第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を提供する。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度と少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、
約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度と少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有する、前記ＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と、
を含むことを特徴とする半導体デバイス構造。
【請求項２】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、
約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を得るのに十分な厚さを有する、前記ＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と、
を含み、
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量の遷移金属ドーパントをさらに含むこと、
を特徴とする半導体デバイス構造。
【請求項３】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、
少なくとも約５ミクロンの厚さと約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度とを有する、前記ＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と、
を含むことを特徴とする半導体デバイス構造。
【請求項４】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約３×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項５】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約２×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイス構造。
【請求項６】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項７】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約５０Ｖの電圧を有することを特徴とする請求項２または３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項８】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１００Ｖの電圧を有することを特徴とする請求項１または７に記載の半導体デバイス構造。
【請求項９】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１５０Ｖの電圧を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１０】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約５ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１１】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約６ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項３または１０に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１２】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約８ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１３】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１４】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約２０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１５】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項１または３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１６】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約２×１０16ｃｍ-3の量の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項２または１５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１７】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、最大で約２×１０18ｃｍ-3の量の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１８】
前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、ＣｕおよびＮｉとそれらの混合物から構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項２または１５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１９】
前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１８に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２０】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２１】
前記デバイスは、少なくとも約３インチの直径を有するデバイスウェハーを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２２】
前記デバイスは少なくとも約１００ミリメートルの直径を有するデバイスウェハーを含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２３】
前記ＳｉＣ基板と前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に配置された少なくとも１つの核形成層をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２４】
前記核形成層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層とから構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項２３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２５】
前記第ＩＩＩ族窒化物層は、第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を含み、前記デバイス構造は、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層上に前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とは十分に異なる組成を有する第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をさらに含んでヘテロ構造を形成し、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層との間の界面に二次元電子ガスを発生させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２６】
前記二次元電子ガス中における電子移動度を高めるために、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層の上方に第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２７】
前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（ここに、０＜ｘ≦１）を含み、前記第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とは異なるアルミニウムとガリウムの原子分率を有する窒化アルミニウムガリウムを含むことを特徴とする請求項２６に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２８】
前記ＳｉＣ基板と前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に配置され、前記第ＩＩＩ族窒化物層の亀裂を最小限に抑えるように選択された関連ひずみを有する少なくとも１つのひずみ管理層をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２９】
前記ＳｉＣ基板は、炭化ケイ素の３Ｃ、４Ｈ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプから選択された１つのポリタイプを有する単結晶ＳｉＣ結晶基板を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項３０】
前記炭化ケイ素基板は、パターン化されていないことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項３１】
前記ヘテロ構造に対して導電性関係にあるそれぞれ複数のソース、ドレインおよびゲート接点をさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項３２】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約６ミクロンの厚さと少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の半導体デバイス構造。
【請求項３３】
約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度と少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をＳｉＣ基板上に形成するステップを含むことを特徴とする第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を製造する方法。
【請求項３４】
少なくとも約５ミクロンの厚さと約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度とを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をＳｉＣ基板上に形成するステップを含むことを特徴とする第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を製造する方法。
【請求項３５】
前記形成するステップは、約３×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記形成するステップは、約２×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記形成ステップは、約１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記形成するステップは、少なくとも約５０Ｖの電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
前記形成するステップは、少なくとも約１００Ｖの電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３３または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記形成するステップは、少なくとも約１５０Ｖの電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記形成するステップは、少なくとも約５ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
前記形成するステップは、少なくとも約６ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３４または４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記形成するステップは、少なくとも約８ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記形成するステップは、少なくとも約１０ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
前記形成するステップは、少なくとも約２０ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記形成するステップは、気体の第ＩＩＩ族窒化物前駆体と遷移金属ドーパントとを、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量だけ、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層のエピタキシャル成長に好適な条件の下で、反応器チャンバー内に導入するステップを含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項４７】
前記導入するステップは、少なくとも約２×１０16ｃｍ-3の量の前記遷移金属ドーパントを導入するステップを含むことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記導入するステップは、最大で約２×１０18ｃｍ-3の量の前記遷移金属ドーパントを導入することを含むことを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記気体の第ＩＩＩ族窒化物前駆体導入ステップは、気体窒化ガリウム（ＧａＮ）を導入するステップを含むことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
前記ＧａＮ前駆体は、ガリウムトリアルキルとアンモニアとを含むことを特徴とする請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記遷移金属ドーパント導入ステップは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、ＣｕおよびＮｉとそれらの混合物から構成されるグループから選択された少なくとも１つの遷移金属を導入するステップを含むことを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項５２】
前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記ＳｉＣ基板と前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に少なくとも１つの核形成層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項５４】
前記第ＩＩＩ族窒化物層は、第１の第ＩＩＩ族窒化物層であり、前記方法は、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層上の前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層とは十分に異なる組成を有する第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを含むヘテロ構造を形成するステップをさらに含み、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層との間の界面に二次元電子ガスを発生させることを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項５５】
前記二次元電子ガス中における電子移動度を高めるために、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層の上方に少なくとも第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含み、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、ＡｌxＧａ1-xＮ（ここに、０＜ｘ≦１）を含み、前記第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とは異なるアルミニウムとガリウムの原子分率を有する窒化アルミニウムガリウムを含むことを特徴とする請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ＳｉＣ基板と前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に、前記第ＩＩＩ族窒化物層の亀裂を最小限に抑えるように選択された関連ひずみを有する少なくとも１つのひずみ管理層を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【請求項５８】
前記ヘテロ構造に対して導電性関係にあるそれぞれ複数のソース、ドレインおよびゲート接点を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５９】
前記形成するステップは、非パターン化炭化ケイ素基板上に第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項３３または３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関するものであり、さらに詳細には、第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイスに関するものである。本発明は、政府契約第Ｎ０００１４−０２−Ｃ−０３０６号により資金援助を受けている。本発明の一定の権利は、政府が有している。
【背景技術】
【０００２】
ケイ素（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）のような材料は半導体デバイスに幅広く用いられてきた。しかしながら、これらの材料は、その比較的狭いバンドギャップ（例えば、室温においてＳｉの場合は１．１２ｅＶ、ＧａＡｓの場合は１．４２ｅＶ）および／または比較的低い絶縁破壊電圧のために、高出力・高周波アプリケーションには好適ではないことがある。
【０００３】
高出力・高周波アプリケーションおよびデバイスへの関心の高まりという観点から、窒化ガリウム（ＧａＮ、室温におけるバンドギャップは３．４ｅＶ）を含む第ＩＩＩ族窒化物のような広バンドギャップ半導体材料が注目されるようになった。ＧａＮは、また、約３ＭＶ／ｃｍという高い破壊電界を示し、したがって、かかる材料が高い出力レベルに耐えることを可能にする。それに加えて、ＧａＮは優れた電子伝達特性を示し、それによって高周波における動作を可能にする。
【０００４】
高出力および／または高周波アプリケーションにとって特に興味深いデバイスが高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）として知られている場合もある。二次元電子ガス（２ＤＥＧ）と呼ばれる電荷担体の薄い層が、異なるバンドギャップエネルギーと電子親和力とを有する２種類の半導体材料をヘテロ接合することができるので、これらのデバイスは、多数の状況の下で動作上の利点を提供することもできる。２ＤＥＧは、例えば、１０13電子担体／ｃｍ2を超える非常に高いシート電子濃度を含むことができる。
【０００５】
ＧａＮ基板上における第ＩＩＩ族窒化物ベースＨＥＭＴのホモエピタキシャル成長のためには、一般的には、半絶縁性基板の使用に重点が置かれてきた。しかしながら、好適なＧａＮ基板の不足のために、この材料系におけるデバイス品質ヘテロ構造の成長が困難になる可能性がある。
【０００６】
最近の取り組みは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような基板上におけるヘテロエピタキシャル成長を用いた第ＩＩＩ族窒化物タイプＨＥＭＴの製造に重点を置いている。しかしながら、炭化ケイ素基板上への（ＧａＮ層のような）第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の製造にも問題がないわけではない。比較的薄いＧａＮエピタキシャル層は、ＨＥＭＴを含む様々なアプリケーションにおいて有用な電気特性を示すことができる。しかしながら、薄いＧａＮ層は許容できないほど高い転位密度を有する可能性があり、それによって、デバイス構造が係る多くのアプリケーションにとって不適切なものとなる。
【０００７】
ＧａＮエピタキシャル層の厚さを大きくすることによって、転位密度を下げることができるが、材料のその他の特性を劣化させることになる。例えば、ＧａＮエピタキシャル層の厚さの増大は、材料の電気特性に悪影響を与える可能性があり、特に、材料の分離電圧と絶縁破壊電圧を下げる可能性がある。それに加えて、ＧａＮとＳｉＣは異なる無ひずみ格子定数（それぞれ３．１９Åと３．０７Å）を有する。格子定数の不適合から生じるひずみは、ウェハーが亀裂および／または湾曲する前に、ＧａＮのエピタキシャル厚さとウェハーの直径を制限する可能性があり、それによって、ＧａＮ材料は後処理プロセスには不適切なものとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を含む、第ＩＩＩ族窒化物トランジスタの生産に役立つことができる第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を提供する。本発明の半導体デバイス構造は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板とＳｉＣ基板の上方の第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを含む。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度および／または少なくとも約５０Ｖの分離電圧を含めて、様々な有用性があるが、相反する物理および電気特性を示す可能性がある。
【０００９】
本発明の例示的実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、様々な後処理プロセスにとって許容可能なレベルまで層の転位密度を下げるのに十分な厚さを有することができる。これらの様々な実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約５ミクロンの厚さを有することができる。本発明のその他の実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約６ミクロン、少なくとも約８ミクロン、少なくとも約１０ミクロン、および少なくとも２０ミクロンの厚さを有することができる。
【００１０】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、深準位遷移金属ドーパントのような深準位ドーパントを、分離電圧のような、同じ材料製であるが、厚さがもっと薄い層の電気特性に近似した電気特性を層に与えるのに十分な量だけ含むこともできる。遷移金属ドーパントの例としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｇ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびそれらの混合物が含まれるが、それに限定されるものではない。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、浅準位ｐ型ドーパントのような共ドーパントをさらに含むこともできる。
【００１１】
本発明は、ＳｉＣ基板と、第１の第ＩＩＩ族窒化物層上の少なくとも第２の第ＩＩＩ族窒化物層と組み合わせられた第１の第ＩＩＩ族窒化物層とを含む。本発明のこの形態においては、第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、第１の第ＩＩＩ族窒化物層とは十分に異なる組成を有し、第１の第ＩＩＩ族窒化物層と第２の第ＩＩＩ族窒化物層との間の界面に二次元電子ガスを発生させる。二次元電子ガス中における電子移動度をさらに高めるために、半導体デバイス構造は、第２の第ＩＩＩ族窒化物層の上方に１つ以上の付加の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をさらに含むことができる。
【００１２】
本発明の半導体デバイス構造は、ＳｉＣ基板と第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に配置された核形成層をさらに含むことができる。核形成層は、ＳｉＣ基板と構造の残りの部分との間に適切な成長遷移を提供することができ、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む様々な好適な半導体材料から形成することができるが、それに限定されるものではない。
【００１３】
本発明の半導体デバイス構造は、ひずみ管理層をさらに含むことができ、このひずみ管理層もＳｉＣ基板と第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層との間に配置することができる。ひずみ管理層の存在によって、エピタキシャル層の実質的な亀裂および／またはウェハーの湾曲を起こさずに比較的厚い第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層および／または比較的直径の大きなウェハー（直径は最大１００ｍｍ）を容易に製造することが可能になる。例えば、Ｖ／ＩＩＩ前駆体比を高めること、および／または第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の製造時の圧力を下げることによって、層のひずみを制御するために、デバイス製造条件を制御することもできる。
【００１４】
本発明は、約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度および／または少なくとも約５０Ｖの分離電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をＳｉＣ基板上に形成するステップを含む半導体デバイス構造の製造方法も提供する。本発明のこの形態は、所望の転位密度を提供するのに十分な厚さ、例えば、少なくとも約５ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成するステップを含むことができる。本発明のその他の実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約６ミクロンの厚さ、少なくとも約８ミクロンの厚さ、少なくとも約１０ミクロンの厚さ、および少なくとも約２０ミクロンの厚さを有することができる。本発明の方法は、気体の第ＩＩＩ族窒化物前駆体と遷移金属ドーパント前駆体とを、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量だけ、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層のエピタキシャル成長に好適な条件の下で、反応器チャンバー内に導入するステップをさらに含む。
【００１５】
本発明の方法は、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層上の前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層とは十分に異なる組成を有する第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とを含むヘテロ構造を形成するステップをさらに含むことができ、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物層と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層との間の界面に二次元電子ガスを発生させる。本発明の様々な実施態様は、前記ヘテロ構造に対して導電性関係にあるそれぞれ複数のソース、ドレインおよびゲート接点を形成するステップをさらに含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここまでは発明を一般的用語によって説明してきたが、以下、添付図面を参照して説明を行う。添付図面は必ずしも縮尺どおりではない。
【００１７】
以下、添付図面を参照しつつ本発明をより詳細に説明するが、発明の全ての実施態様を示してあるわけではない。もちろん、本発明は多くの異なる形態によって実施することもでき、ここに示す実施態様には限定されないものとする。どちらかというと、本開示により適用可能な法的要件を満たすために、これらの実施態様は提供される。本明細書全体を通じて、同一要素には同一符号を付して示している。
【００１８】
ここで用いた用語は、特定の実施態様を説明する目的のためだけのものであり、発明を限定することを意図したものではない。ここで用いた「および／または」は１つ以上の関連記載項目のありとあらゆる組み合わせを含む。ここで用いた「１つの」、「その」のような単数形は、文脈が明らかに他の意味を示していない限りは、複数形をも含むことを意図している。用語「含む」および／または「含んでいる」は、本明細書で用いた場合は、規定された特徴、整数値、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を指定するが、１つ以上のその他の特徴、整数値、ステップ、動作、要素、コンポーネントおよび／またはそのグループの存在または追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。
【００１９】
層、領域または基板のような要素が別の要素の「上方」、「上」にある、または「上に」のびると記載してある場合は、その要素はその別の要素のすぐ上方、すぐ上に位置する、またはその別の要素のすぐ上までのびることができ、あるいはまた中間要素が存在することもある、ということが理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素の「すぐ上方」、「すぐ上」にある、または「ちょうど上まで」のびると記載してある場合は、中間要素は存在しない。
【００２０】
第１、第２などの用語は、ここでは、様々な要素、コンポーネント、領域、層および／またはセクションを記述するために用いることもできるが、これらの要素、コンポーネント、領域、層および／またはセクションはこれらの用語によって限定されることはないものとする、ということが理解されよう。これらの用語は、ある要素、コンポーネント、領域、層またはセクションを別の要素、コンポーネント、領域、層またはセクションと区別するために用いられるにすぎない。したがって、下記の第１の要素、コンポーネント、領域、層またはセクションに対して、第２の要素、コンポーネント、領域、層またはセクションという用語を用いたとしても、本発明の教示から逸脱することはない。
【００２１】
さらに、「上方」または「上部」または「先端部」および「下方」または「下部」または「底部」のような相対語は、ここでは、図面に示されたようなある要素と別の要素との関係を記述するために用いることもできる。相対語が、図に描かれた方向性に加えてデバイスの異なる方向性を網羅することを意図したものである、ということが理解されよう。例えば、図中のデバイスをひっくり返した場合は、その他の要素の「上部」側および／またはその他の要素の「上方」にあると記述されている要素が、その他の要素の「下部」側および／またはその他の要素の「下方」に位置することになる。したがって、例示語「上方」は、図の特定の方向性に応じて、「上方」と「下方」という両方向性を網羅することもできる。同様に、いずれかの図中のデバイスをひっくり返した場合は、その他の要素の「下方」または「真下」にあると記述されている要素が、その他の要素のその他の要素の「上方」に位置することになる。したがって、例示語「下方」または「真下」は、図の特定の方向性に応じて、「上方」と「下方」という両方向性を網羅することもできる。さらに、用語「外部」は、基板から最も離れた表面および／または層を指すために用いることもできる。
【００２２】
本発明の実施態様については、ここでは、本発明の理想的な実施態様の概略図である横断面図を参照しつつ説明を行う。であるから、例えば、製造技術および／または公差の結果としての図面の形状との違いが予想される。したがって、本発明の実施態様は、ここに図示された領域の特定の形状に限定されるものではないと解釈するものとし、例えば、製造の結果としての形状の逸脱を含むことができる。例えば、長方形として図示されたエッチング加工領域は一般的には先細り、円形または湾曲形状を有することになる。したがって、図示された領域は実際には概略図であり、その形状は、デバイスのある領域の正確な形状を図示することを意図したものではないし、本発明の範囲を限定することを意図したものでもない。
【００２３】
特段の定義がない限りは、ここで用いる（専門および科学用語を含めた）全ての用語は、本発明に関係する当業者が共通理解を有するのと同じ意味を有する。一般に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術および本開示の文脈におけるその意味と矛盾しない意味を有すると解釈するのものとし、ここに明示的に定義されていない限りは、理想的または過度に形式的な意味で解釈することはない、ということがさらに理解されよう。
【００２４】
図１は、炭化ケイ素基板（ＳｉＣ基板）１２の上方に第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４を含む本発明の第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス基板１０の１つの実施態様を示したものである。以下でさらに詳細に検討するように、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は半絶縁性層とすることができる。ＳｉＣ基板１２および第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、（「前駆体」構造とも呼ぶことができる）デバイス基板１０を提供することができ、このデバイス基板１０上に、図１では一般的に１６によって示されている、ＨＥＭＴのような、第ＩＩＩ族窒化物ベースの半導体デバイス構造を製造することができる。
【００２５】
ここで用いる用語「第ＩＩＩ族窒化物」とは、窒素と周期律表の第ＩＩＩ族元素、通常は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および／またはインジウム（Ｉｎ）との間で形成される半導体化合物を指す。この用語は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮのような三元および四元化合物をも指す。技術的にはよく理解されているように、第ＩＩＩ族元素は窒素と結合し、二元（例えば、ＧａＮ）、三元（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）および四元（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）化合物を形成することができる。これらの化合物の全ては、１モルの窒素が合計１モルの第ＩＩＩ族元素と結合している実験式を有する。したがって、これらの化合物を記述するために、ＡｌxＧａ1-xＮ（ここに、０≦ｘ≦１）のような式が使用されることが多い。本発明のいくつかの実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、上記式におけるｘがほぼ０である窒化ガリウム（ＧａＮ）層である。
【００２６】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、デバイス構造１０をＨＥＭＴを含めた様々なデバイスの生産に役立つものにすることができる物理および電気特性を示すことができる。多くの先行の半導体構造とは対照的に、本発明のデバイス１０は、低下した転位密度と比較的高い分離電圧との併存という明らかに相反する特性を有することができる第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４を含むことができる。本発明の特定の実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度および／または少なくとも約５０Ｖの分離電圧を有することができる。
【００２７】
基板層の特性を評価するために、技術としては公知の標準的技術を使用して、転位密度を測定することができる。非限定的実施例として、本発明においては、ウェハーのマルチ２μｍ×２μｍスキャンを解析することによって、転位密度を評価することができる。
【００２８】
分離電圧とは、エピタキシャル層１４上の非ゲート・トランジスタ構造に対して１ｍＡ／ｍｍの電流を提供する電圧を指す。したがって、例えば、ソースとのドレイン間の間隔が５μｍのＨＥＭＴ構造をエピタキシャル層１４上に形成し、ゲートをデバイス構造から除去することによって、デバイス構造の分離電圧を計測することもできる。例えば、イオン注入によって、ゲートの下のソースとドレインのそれぞれから１μｍの領域が損傷し、デバイスのチャネル領域が破壊される。電流がソースからドレインに適用され、電流が計測される。１ｍＡ／ｍｍの電流が計測された時点における電圧が、ここではデバイス構造の分離電圧と呼ばれる。任意の材料について、ギャップを大きくすると、分離電圧が上昇することになる。
【００２９】
本発明の様々な実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、層中に存在する転位欠陥の濃度を下げるのに十分な厚さを有することができる。非限定的実施例として、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を提供するのに十分な厚さを有することができる。その他の非限定的実施例においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約３×１０8ｃｍ-2以下、約２×１０8ｃｍ-2以下、および約１０8ｃｍ-2以下の転位密度を提供するのに十分な厚さを有することができる。発明の例示的デバイスは、少なくとも約５ミクロンの厚さ、少なくとも約６ミクロンの厚さ、少なくとも約８ミクロンの厚さ、少なくとも約１０ミクロンの厚さ、および少なくとも約２０ミクロンの厚さ、さらにはそれ以上の厚ささえ有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４を含むことができる。図４は、ＧａＮ層の厚さを大きくすることによって転位密度を下げることができることをグラフ表示したものである。図６は、発明の１つの実施態様に係る例示的半導体デバイス構造の、特に厚さ７μｍの鉄ドープＧａＮバッファーの２μｍ×２μｍＡＦＭ画像である。約２×１０8ｃｍ-2の平均転位密度を測定するために、マルチＡＦＭスキャンは平均化される。
【００３０】
エピタキシャル層が比較的に厚いにもかかわらず、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、様々なアプリケーションにおいて用いるのに好適な電気特性を有することもできる。例えば、本発明の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、ＨＥＭＴの製造におけるその使用を可能にするのに十分な分離電圧を有することができる。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、例えば、少なくとも約５０Ｖ、少なくとも約１００Ｖ、少なくとも約１５０Ｖ、およびそれ以上の分離電圧さえ有することができる。
【００３１】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、深準位遷移金属ドーパントのような深準位ドーパントを、同じ材料製であるが、深準位ドーパントを含まない第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に匹敵するレベルまで第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の分離電圧を高めるのに十分な量だけ含むことができる。本発明のいくつかの実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、少なくとも約５０Ｖの分離電圧を、いくつかのアプリケーションでは、少なくとも約１００Ｖの分離電圧、少なくとも約１５０Ｖの分離電圧、およびそれ以上の分離電圧さえ層に与えるのに十分な量だけ、深準位ドーパントを含むことができる。遷移金属ドーパントの例示的濃度は約２×１０16ｃｍ-3〜約２×１０18ｃｍ-3の範囲とすることができるが、本発明では、この範囲以外のドーパント濃度も許容される。図５は、様々な濃度の鉄ドーパントの添加によって、比較的厚いＧａＮ層が改善された分離電圧を示すことができる、ということをグラフ表示したものである。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、ｎ型ドーパントでも、ｐ型ドーパントでもよい浅準位ドーパントのような共ドーパントをさらに含むことができる。非限定的実施例として、浅準位ドーパントは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｏ、ＭｇまたはＺｎおよび／またはその他のｐ型またはｎ型ドーパントとすることができる。浅準位ドーパントの濃度は、約１×１０17ｃｍ-3未満とすることができる。名称が“ＣＯＤＯＰＩＮＧ  ＦＯＲ  ＦＥＲＭＩ  ＬＥＶＥＬ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＩＮ  ＳＥＭＩ−ＩＮＳＵＬＡＴＩＮＧ  ＧＲＯＵＰ  ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥＳ，”の２００４年１月７日に出願の同時継続同一出願人による米国特許出願第１０／７５２，９７０号に記載に方法によって、浅準位ドーパントを混和することができ、上記米国特許出願の開示内容は全てこの参照によって開示に含まれる。
【００３２】
遷移金属ドーパントのような深準位ドーパントの組み込みによって、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４を絶縁性または半絶縁性にすることができる。例示的遷移金属ドーパントの例としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、マンガン（Ｍｇ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、およびそれらの混合物が含まれるが、それに限定されるものではない。
【００３３】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の至るところにおいて、遷移金属ドーパントの濃度は違っていてもよい。例えば、遷移金属ドーパントを層１４内に導入し、基板１２の上方の層１４の下部領域からデバイス構造１６の下方の層１４の上部領域（例えば、以下でさらに詳細に説明する、図２の２ＤＥＧ層２６に隣接する上部領域）にわたって変動するドーパント濃度勾配を生成することができる。本発明の例示的実施態様においては、遷移金属ドーパント濃度は、基板１２の上方の層１４の下部領域における最大濃度からデバイス構造１６の下方の層１４の上部領域における最小濃度に低下することができる。
【００３４】
層１４の異なる領域内における遷移金属ドーパントの濃度は、所望の電気および／または構造特性を層１４に与えるように選択することができる。例えば、本発明の非限定的実施態様においては、基板１２の上方の層１４の下部領域における遷移金属ドーパントの濃度は、構造欠陥を最小限に抑えるように選択することができる（例えば、ドーパント濃度は、約２×１０18以上とすることができるが、層内に構造欠陥が形成されるような高い濃度であってはならない）。同様に、層１４の上部領域における遷移金属ドーパントの濃度は、トラップ効果を最小限に抑えるように選択することができる（例えば、ドーパント濃度は、約１×１０16以下とすることができる）。それに加えて、遷移金属ドーピングは、層１４の上部表面から少し離れたところで終えることができ、例えば、層１４とデバイス構造１６との界面の前方の少し離れたところで終えることができ、この距離は、トラップ効果を最小限に抑える、および／または防止するように選択することができる（例えば、２ＤＥＧ層２６から約１μｍ）。層１４の非ドーピング領域内への遷移金属ドーパントの若干のテーリングが起こることができるように、ドーピングプロファイルは、緩やかなものとすることができる。非限定的実施例として、遷移金属ドーパントの濃度は、ほぼ０．４μｍごとに約１０倍低下することができる。
【００３５】
再び図１に戻ると、炭化ケイ素基板１２は単結晶ＳｉＣ基板とすることができる。ＳｉＣ基板１２は、３Ｃ、４Ｈ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプの炭化ケイ素から選択されたポリタイプを有することもできる。炭化ケイ素は非常に高い熱伝導率を有し、その結果、炭化ケイ素上の第ＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力は、サファイアのような異なる基板上に形成された同じデバイスの場合とは違って、基板の熱散逸によって限定されることがないのが通例である。
【００３６】
本発明において用いるのに好適である炭化ケイ素基板は市販されており、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社製の炭化ケイ素基板がある。好適な炭化ケイ素基板を製造する方法は公知の技術であり、例えば、米国特許第３４，８６１号、第４，９４６，５４７号、第５，２００，０２２号、および第６，２１８，６８０号に説明されており、上記米国特許の内容は全てこの参照によって開示に含まれる。
【００３７】
炭化ケイ素基板の直径は、特定のアプリケーションの要件に応じて違ったものとすることができ、３インチ以上とすることができる。本発明は、直径が少なくとも１００ミリメートルの炭化ケイ素基板を含むこともできる。
【００３８】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、以下に示したような若干の差異はあるが、当業者には公知の技術によって、基板１２上に形成することができる。窒化ガリウムを含む第ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための様々な蒸着技術の一般的な形態は一般的には多年にわたって十分に確立されてきたものである。さらに、特に窒化ガリウムのような難しい材料系における結晶の成長に精通した当業者であれば、ある特定の技術の詳細を、関連する状況に応じて、通常は意図的に、変えることができるし、変えることになる、ということが分かるであろう。それに加えて、この説明を読むことによって、当業者は本発明に対する変更を理解するであろう。したがって、当業者は不必要な実験なしで本開示に基づき発明を実行することができるという認識の下で、ここに示した説明は一般的および概略的な意味において最も適切なものである。第ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための例示的技術は、例えば、米国特許第５，２１０，０５１号、第５，３９３，９９３号、第５，５２３，５８９号、および第５，２９２，５０１号に説明されており、上記米国特許の内容は全てこの参照によって開示に含まれる。一般的には、基板１２は、エピタキシャル層の蒸着の前にはパターン化されない。
【００３９】
非限定的実施例として、エピタキシャル層１４は、金属有機気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いて、基板１２上に形成することができる。しかしながら、電子線エピタキシー（ＭＢＥ）、気相エピタキシー（ＶＰＥ）などを含めて、その他の製造技術も本発明に役立てることができるが、それに限定されるものではない。エピタキシャル層１４用の好適なソース（前駆体）素材としては、第ＩＩＩ族元素については、例えば、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムなど、およびそれらの混合物のような、技術的には公知の第ＩＩＩ族金属トリアルキル化合物を挙げることができる。アンモニアのような第Ｖ族水素化物は、窒素コンポーネント用の好適なソース素材である。
【００４０】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層のエピタキシャル成長にとって好適な条件の下で、遷移金属ドーパントソース（前駆体）材料を、典型的には蒸気の形態で、反応室内に導入することによって、遷移金属ドーパントを第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に混和することができる。遷移金属ドーパントの導入は、第ＩＩＩ族窒化物ソース素材の導入前、導入後、又は導入と同時に行うことができる。上記のように、浅準位ドーパントのような共ドーパントを第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に混和することもできる。同一出願人による米国特許出願第１０／７５２，９７０を再び参照する。
【００４１】
本発明のいくつかの実施態様においては、遷移金属ドーパントは鉄である。鉄ドーパントソース素材の例としては、フェロセンおよび／またはペンタカルボニル鉄ベースのドーパント前駆体およびそれらの混合物が含まれるが、それに限定されるものではない。本発明において有用なペンタカルボニル鉄ベースのドーパント前駆体としては、ブタジエントリカルボニル鉄、シクロオクタテトラエントリカルボニル鉄、１，３−ペンタジエントリカルボニル鉄、ペンタカルボニル鉄、シクロヘクサジエントリカルボニル鉄、シクロヘプタジエントリカルボニル鉄、シクロヘプタトリエントリカルボニル鉄、シクロペンタジエニルジカルボニル鉄二量体、メチルシクロペンタジエニルジカルボニル鉄二量体、およびそれらの混合物が含まれる。本発明において有用なフェロセンベースのドーパント前駆体としては、例えば、フェロセンビス（シクロペンタジエニル）鉄またはＣｐ2Ｆｅ、ジメチルフェロセン、ビニルフェロセン、ブチルフェロセン、およびそれらの混合物が含まれる。その他の遷移金属ドーパント前駆体の例としては、塩化クロミル、ジメチルマグネシウムおよびジエチルマグネシウムのようなアルキルマグネシウム化合物、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ2Ｍｇ）、ビスメチルシクロペンタジエニルマグネシウム（（ＣＨ3）2Ｃｐ2Ｍｇ）、マグネシウム化合物の付加化合物、およびそれらの混合物が含まれるが、それに限定されるものではない。
【００４２】
ドーパント前駆体を導入するためには、従来の方法が用いられる。例えば、室温においては固体であるフェロセンの場合は、水素ガス流のようなガス流がフェロセンを通り越し、昇華を誘起することができる。ペンタカルボニル鉄のような前駆体の場合は、水素ガス流のようなガス流が、所望の鉄濃度をもたらすように調節されている電子質量流コントローラまたはニードル弁のようなガス流コントロール手段内にまず導入され、その後に、例えば、ペンタカルボニル鉄のような前駆体を含む流出源を通り越すことができる。
【００４３】
当業者には正しく理解されるであろうが、ＳｉＣ基板１２と第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４との間のひずみなし格子定数の違いの結果として、層１４にひずみが生じる可能性がある。応力／ひずみは、層と基板との熱膨張係数の違い、島状成長・合体などの結果としても生じる可能性がある。もしひずみのレベルが一定のしきい値を超えると、特に、層の厚さが増大するにつれて、層１４は亀裂および／または湾曲する可能性があり、それによって、層が多くのアプリケーションにとって許容不可能なものとなる可能性がある。したがって、本発明においては、層のひずみを制御するために、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の製造を制御することができる。例えば、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４のひずみを制御するために、Ｖ／ＩＩＩ組成および／または第ＩＩＩ族窒化
物エピタキシャル層１４の製造時の圧力を制御することもできる。Ｖ／ＩＩＩ比を高める
ことによって、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の圧縮強度を高め、および／または引張強度を下げることもできる。さらに、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の製造時の圧力を下げることによって、層１４の圧縮強度を高め、および／または引張強度を下げることもできる。したがって、製造時のエピタキシャル層１４のひずみの変化を回避するために、厚さ、成長条件およびソース素材を制御することもできる。
【００４４】
それに加えて、デバイスは、同一出願人による米国特許第６，８４１，００１号および米国公開特許出願第２００３／０１０２４８２号に説明された方法を含む、ひずみ管理技術としては公知の方法を用いて製造することができ、上記の特許および公開出願の開示内容は全てこの参照により開示に含まれる。したがって、発明のいくつかの実施態様においては、半導体デバイス構造は、上記の特許および公開出願に説明されているような、１つ以上のひずみ管理および／または可変不整合層をさらに含むことができる。
【００４５】
図２は、第ＩＩＩ族窒化物デバイス構造１６が図１の半導体デバイス構造１０の一部としてヘテロ構造２０を含む本発明の別の実施態様を示したものである。図２のヘテロ構造２０は、第ＩＩＩ族窒化物層１４上に組成の異なる第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２を含むことができる。任意に、組成が層１４および／または層２２と異なっていても構わない第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２４が第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２上に存在することもできる。
【００４６】
ヘテロ構造２０を形成することができるエピタキシャル層１４および２２は、第１および第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の間の界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させるために、相互に大きく異なる組成を有する。このガスは２６に概略が図示してあるが、図２が縮尺どおりには描かれてはおらず、２ＤＥＧガスがエピタキシャル層１４および２２と同じ意味で物理層を形成するものではない、ということが理解されよう。二次元電子ガス中での電子移動度を高めるために、第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２４は任意で第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２上に存在することができる。
【００４７】
第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は、窒化ガリウムとすることができ、第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２は、窒化アルミニウムガリウムを、すなわち、ＡｌxＧａ1-xＮ（ここに、０≦ｘ≦１）を含むことができる。窒化ガリウムおよび窒化アルミニウムガリウムに精通した当業者であれば、もしｘ＝１および／またはｘ≒１であれば、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２は窒化アルミニウムを、すなわち、ＡｌＮを実質的に含む、ということが分かるであろう。これらの例示的実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２４も同様に窒化アルミニウムガリウムを含むことができるが、第ＩＩＩ族窒化物層２２とは異なるアルミニウムの原子分率（すなわち、“ｘ”）（および、したがって、異なるガリウムの原子分率：“１−ｘ”）を有する。非限定的実施例として、これらの例示的実施態様においては、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２４の組成はＡｌxＧａ1-xＮ（ここに、０≦ｘ≦０．５）とすることができるが、ただし、ｘを０〜１の間として組成を変えることができる。かかる構造においては、ヘテロ構造層（例えば、ＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層２２）の間の組成の違いは、２ＤＥＧを発生させるには十分な違いである。
【００４８】
図２に示したような半導体デバイス構造は、ＳｉＣ基板１２上に核形成層３０をさらに含むことができる。核形成層３０はＳｉＣ基板１２と残りの構造との間に適切な成長遷移を提供することができる。核形成層３０は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む様々な好適な半導体材料から形成することができるが、それに限定されるものではない。
【００４９】
本発明の半導体デバイスは、第１の面内ひずみなし格子定数を有する基板１２とＳｉＣ基板の第１の面内ひずみなし格子定数とは異なる第２の面内ひずみなし格子定数を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４との間に配置された可変不整合層３２をさらに含むことができる。本発明の本実施態様においては、可変不整合層は、ＳｉＣ基板１２上の第ＩＩＩ族窒化物層１４の成長の結果としての応力のレベル以下まで第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の応力を減らすように構成されている。例えば、いくつかの実施態様においては、可変不整合層３２は、ＳｉＣ基板１２の第１の面内ひずみなし格子定数とは整合しないが、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４の第２の面内ひずみなし格子定数とは略整合する第３の面内ひずみなし格子定数を有することができる。再び同一出願人による米国特許第６，８４１，００１号および米国公開特許出願第２００３／０１０２４８２号を参照する。
【００５０】
本発明は、図示されたようなヘテロ構造を有する図２のデバイスに限定されるものではなく、この説明を読むことによって、当業者は本発明に対する変更を理解するであろう。したがって、ＳｉＣ基板と第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４とを含む前駆体デバイス構造１０は、様々なその他の半導体デバイス構造において役立つことができる。別の非限定的実施例として、このデバイス構造１０は、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４上へのＩｎＧａＮチャネル層を含めたデバイスの製造と、さらにはチャネル層上へのＧａＮキャップを含めたデバイスの製造およびＧａＮキャップ上へのＡｌＧａＮ／ＡｌＮバリアー層を含めたデバイスの製造とに役立つことができる。
【００５１】
図３は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）型構造を含む４０によって幅広く表わされた半導体構造の概略図である。この半導体構造は、（技術的には公知のように半絶縁性とすることができる）ＳｉＣ基板１２と、ＳｉＣ基板１２上のＧａＮ層のような第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４とを含み、任意で、両者間に配置された核形成層３０および／またはひずみ管理層３２を有することもできる。第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層１４は第ＩＩＩ族ヘテロ構造２０の一部とすることができ、この第ＩＩＩ族ヘテロ構造２０は少なくとも２つの付加の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層２２および２４をさらに含むことができる。一般的には、層１４および２２の組成は、その界面において二次元電子ガス２６を発生させるのに十分なだけ異なっている。それぞれ複数のソース４２、ドレイン４６およびゲート４４接点がヘテロ構造に対して導電性関係にある。図３は１セットのソース４２、ドレイン４６およびゲート４４接点を示したものであるが、半導体製造に精通した専門家であれば、ウェハーが、ウェハー上の非常に多数のＨＥＭＴ前駆体を規定する同様の多数の、たぶん数百のかかる接点を含むことができる、ということを理解するであろう。
【００５２】
かかるデバイスを相互に絶縁および分離するステップはこの技術においては一般的によく理解されているものであり、ここではその詳細について繰り返すことはしない。さらに参照するトランジスタ構造としては、“ＡＬＵＭＩＮＵＭ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ／ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＨＩＧＨ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＭＯＢＩＬＩＴＹ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＧＡＴＥ  ＣＯＮＴＡＣＴ  ＯＮ  Ａ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＣＡＰ  ＳＥＧＭＥＮＴ  ＡＮＤ  ＭＥＨＴＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥ，”についての同一出願人米国特許第６，３１６，７９３号および第６，５４８，３３３号、名称が“ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＨＩＧＨ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＭＯＢＩＬＩＴＹ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ（ＨＥＭＴ）  ＷＩＴＨ  ＢＡＲＲＩＥＲ／ＳＰＡＣＥＲ  ＬＡＹＥＲ”のＳｍｏｒｃｈｋｏｖａ他の米国特許第６，８４９，８８２号、“ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ  ＴＨＥＲＥＯＦ  ＵＳＩＮＧ  ＮＯＮ−ＥＴＣＨＥＤ  ＣＯＮＴＡＣＴ  ＲＥＣＥＳＳＥＳ”についての２００３年７月１１日に出願の米国特許出願第１０／６１７，８４３号、“ＮＩＴＲＩＤＥ  ＨＥＴＥＲＯＪＵＮＣＴＩＯＮ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＣＨＡＲＧＥ−ＴＲＡＮＳＦＥＲ  ＩＮＤＵＣＥＤ  ＥＮＥＲＧＹ  ＢＡＲＲＩＥＲＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ” についての２００４年２月５日に出願の米国特許出願第１０／７７２，８８２号、 “ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＣＡＰ  ＬＡＹＥＲ  ＡＮＤ  Ａ  ＲＥＣＥＳＳＥＤ  ＧＡＴＥ” についての２００４年７月２３日に出願の米国特許出願第１０／８９７，７２６号、名称が“ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＨＡＶＩＮＧ  ＲＥＧＲＯＷＮ  ＯＨＭＩＣ  ＣＯＮＴＡＣＴ  ＲＥＧＩＯＮＳ”の２００４年５月２０日に出願の米国特許出願第１０／８４９，６１７号、名称が“ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＤＥＶＩＣＥＳ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＨＹＢＲＩＤ  ＣＨＡＮＮＥＬ  ＬＡＹＥＲ，  ＣＵＲＲＥＮＴ  ＡＰＥＲＴＵＲＥ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥ” の２００４年５月２０日に出願の米国特許出願第１０／８４９，５８９号、“ＩＮＳＵＬＡＴＩＮＧ  ＧＡＴＥ  ＡＬＧＡＮ／ＧＡＮ  ＨＥＭＴ”についての２００２年７月２３日に出願、２００３年１月３０日に公開の米国特許公報第２００３／００２００９２号、および名称が“ＣＡＰ  ＬＡＹＥＲＳ  ＡＮＤ／ＯＲ  ＰＡＳＳＩＶＡＴＩＯＮ  ＬＡＹＥＲＳ  ＦＯＲ  ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ，ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥ”の２００４年１１月２３日に出願の米国特許出願第１０／９９６，２４９号に説明されたものであり、上記の開示の全てはこの参照によって開示に含まれる。本発明の実施態様は、例えば、Ｙｕ他の“Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ＩＩＩ−Ｖｎｉｔｒｉｄｅｓ  ｖｉａ  ｔｈｅ  ｐｉｅｓｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ，”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．７３，  Ｎｏ．１３, １９９８、または名称が“ＡＬＵＭＩＮＩＵＭ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＤＥ／ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＨＩＧＨ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＭＯＢＩＬＩＴＹ  ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ  ＨＡＶＩＮＧ  Ａ  ＧＡＴＥ  ＣＯＮＴＡＣＴ  ＯＮ  Ａ  ＧＡＬＬＩＵＭ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＢＡＳＥＤ  ＣＡＰ  ＳＥＧＭＥＮＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ  ＳＡＭＥ”の２００１年７月１２日に出願の米国特許第６，５４８，３３３号に説明されているようなＨＥＭＴ構造とともに用いることもでき、上記の開示の全てはこの参照によって開示に含まれる。
【００５３】
図面や明細書には発明の好ましい実施態様を説明してきており、たしかに特定の用語を採用してはいるが、それらの用語は一般的・記述的な意味でのみ使用しているのであって、請求項で定義されている発明の範囲をなんら限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の１つの実施態様に係る半導体デバイス構造の横断面図である。
【図２】本発明の追加の実施態様に係る別の半導体デバイス構造の横断面図である。
【図３】本発明の追加の実施態様に係るさらに別の半導体デバイス構造の横断面図である。
【図４】層の厚さを変えた場合のＧａＮ層の転位密度を示したグラフである。
【図５】層の厚さと遷移金属ドーパントの濃度を変えた場合のＧａＮ層の分離電圧を示したグラフである。
【図６】本発明の１つの実施態様に係る例示的半導体デバイス構造のＡＦＭ画像である。
【図１】
2008545270.tif 000003
【図２】
2008545270.tif 000004
【図３】
2008545270.tif 000005
【図４】
2008545270.tif 000006
【図５】
2008545270.tif 000007
【図６】
2008545270.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月22日(2008.2.22)
【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】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、
約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度と少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有する、前記ＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と、
を含む半導体デバイス構造。
【請求項２】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を与えるのに十分な厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項３】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量の遷移金属ドーパントをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項４】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約３×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項５】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約２×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項４に記載の半導体デバイス構造。
【請求項６】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、約１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体デバイス構造。
【請求項７】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１００Ｖの電圧を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項８】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１５０Ｖの電圧を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体デバイス構造。
【請求項９】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約５ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１０】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約６ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項９に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１１】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約８ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項１０に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１２】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約１０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１３】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は少なくとも約２０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項１２に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１４】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、少なくとも約２×１０16ｃｍ-3の量の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１５】
前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層は、最大で約２×１０18ｃｍ-3の量の遷移金属ドーパントを含むことを特徴とする請求項１４に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１６】
前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、ＣｕおよびＮｉとそれらの混合物から構成されるグループから選択されることを特徴とする請求項３に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１７】
前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１８】
前記デバイスは、少なくとも約３インチの直径を有するデバイスウェハーを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項１９】
前記デバイスは、少なくとも約１００ミリメートルの直径を有するデバイスウェハーを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２０】
前記第ＩＩＩ族窒化物層は、第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を含み、前記デバイス構造は、前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層上に前記第１の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層とは十分に異なる組成を有する第２の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をさらに含んでヘテロ構造を形成し、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層と前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層との間の界面に二次元電子ガスを発生させることを特徴とすることと、前記二次元電子ガス中における電子移動度を高めるために、前記第２の第ＩＩＩ族窒化物層の上方に第３の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を任意でさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２１】
前記炭化ケイ素基板は、パターン化されていないことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２２】
前記ヘテロ構造に対して導電性関係にあるそれぞれ複数のソース、ドレインおよびゲート接点をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の半導体デバイス構造。
【請求項２３】
約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度と少なくとも約５０Ｖの分離電圧とを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をＳｉＣ基板上に形成するステップを含むことを特徴とする第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を製造する方法。
【請求項２４】
前記形成するステップは、約３×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記形成するステップは、約２×１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記形成するステップは、約１０8ｃｍ-2未満の転位密度を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記形成するステップは、少なくとも約１００Ｖの電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記形成するステップは、少なくとも約１５０Ｖの電圧を有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記形成するステップは、少なくとも約５ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記形成するステップは、少なくとも約６ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記形成するステップは、少なくとも約８ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記形成するステップは、少なくとも約１０ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記形成するステップは、少なくとも約２０ミクロンの厚さを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を形成することを含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記形成するステップは、気体第ＩＩＩ族窒化物前駆体と遷移金属ドーパントとを、遷移金属ドーパントを含まない同じ厚さの第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層に比べて前記第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層の前記分離電圧を高くするのに十分な量だけ、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層のエピタキシャル成長に好適な条件の下で、反応器チャンバー内に導入するステップを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
前記導入するステップは、少なくとも約２×１０18ｃｍ-3の量の前記遷移金属ドーパントを導入するステップを含み、前記遷移金属ドーパントは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、ＣｕおよびＮｉとそれらの混合物から構成されるグループから選択された少なくとも１つの遷移金属を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記導入するステップは、最大で約２×１０18ｃｍ-3の量の前記遷移金属ドーパントを導入するステップを含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記形成するステップは、第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層を非パターン化炭化ケイ素基板上に形成するステップを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項３８】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板と、
少なくとも約５ミクロンの厚さと約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度とを有する前記ＳｉＣ基板の上方の第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層と、
を含むことを特徴とする半導体デバイス構造。
【請求項３９】
少なくとも約５ミクロンの厚さと約４×１０8ｃｍ-2未満の転位密度とを有する第ＩＩＩ族窒化物エピタキシャル層をＳｉＣ基板上に形成するステップを含むことを特徴とする第ＩＩＩ族窒化物半導体デバイス構造を製造する方法。
【国際調査報告】
2008545270.tif 000009
2008545270.tif 000010
2008545270.tif 000011