(57)【要約】  基板；基板表面に堆積されアルミニウム／反応性窒化物（Ａｌ／Ｎ）流束の比１未満を有する第１の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層；及び第１のＡｌＮ層表面に堆積され１より大きいＡｌ／反応性Ｎ流束の比を有する第２のＡｌＮ層を含む半導体構造。基板はシリコンの化合物であり、ここで、第１のＡｌＮ層は、シリコンを実質的に含まない。
2008546175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
前記基板表面に堆積されＡｌ／反応性Ｎ流束の比１未満を有する第１のＡｌＮ層と；
前記第１のＡｌＮ層表面に堆積され１より大きいＡｌ／反応性Ｎ流束の比を有する第２のＡｌＮ層と；を含む半導体構造。
【請求項２】
前記基板はシリコンの化合物である、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記第１のＡｌＮ層はシリコンを実質的に含まない、請求項１に記載の構造。
【請求項４】
半導体構造を形成する方法であって：
アルミニウム流束より大きい反応性窒素流束を用いて、ＡｌＮの層を、シリコンの化合物を含む基板表面に成長させることと；
前記アルミニウム及び反応性窒素流束を変え、その結果、前記アルミニウム流束は前記反応性窒素流束より大きいことと；を含む方法。
【請求項５】
前記アルミニウム流束より大きい前記反応性窒素流束を用いる前記基板の前記ＡｌＮの層の前記成長は、このような層を厚さ３０〜３００オングストロームに成長させることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記反応性窒素流束より大きい前記アルミニウム流束を用いる前記ＡｌＮの層の前記成長は、このような層を厚さ５０〜１０００オングストロームに成長させることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
それに続いて傾斜ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を成長させることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
それに続いてＧａＮ層を成長させることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
それに続いてＡｌｘＧａ１−ｘＮ層を成長させることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
シリコン基板と；
前記シリコン基板表面のＡｌＮと；を含む半導体構造において、
前記シリコン基板と接触した状態になっているＡｌＮ層の部分はシリコンを実質的に含まない、半導体構造。
【請求項１１】
前記ＡｌＮ層表面の傾斜ＡｌＧａＮ層を含む、請求項１０に記載の構造。
【請求項１２】
ＡｌＧａＮ層表面のＧａＮ層を含む、請求項１１に記載の構造。
【請求項１３】
前記ＧａＮ層表面のＡｌＧａＮ層を含む、請求項１２に記載の構造。
【請求項１４】
前記第１のＡｌＮ層における前記シリコンは、ピーク濃度３×１０１８cm−３未満を有する、請求項３に記載の構造。
【請求項１５】
シリコン基板と；
前記シリコン基板と接触した状態になっている部分を有するＡｌＮ層と；を含む半導体構造において、
前記ＡｌＮ層の前記部分は、ピークシリコン濃度３×１０１８cm−３未満を有する、半導体構造。
【請求項１６】
シリコン基板と；
前記シリコン基板と接触した状態になっている部分を有するＡｌＮ層と；を含む半導体構造において、
前記ＡｌＮ層の前記部分は、ピークシリコン濃度１×１０２０cm−３未満を有する、半導体構造。
【請求項１７】
前記シリコン基板と接触した状態になっている前記部分は、１×１０２０cm−３よりも少なくとも１桁少ないピークシリコン濃度を有する、請求項１６に記載の半導体構造。
【請求項１８】
前記シリコン基板と接触した状態になっている前記部分は、１×１０２０cm−３よりも少なくとも２桁少ないピークシリコン濃度を有する、請求項１６に記載の半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構造に関する。
【背景技術及び発明の開示】
【０００２】
当分野において周知のように、ＧａＮ  ＨＥＭＴ装置は、最適性能のために絶縁バッファ層を必要とする。バッファ層の深くを流れる調節されない電流は、出力パワー及び効率を劣化させよう。図１は、絶縁ＳｉＣ基板表面に成長させた典型的なＧａＮ  ＨＥＭＴ構造を示す。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）核形成層をまず基板表面に成長させ、というのは、窒化ガリウムは、ＳｉＣ表面に直接に成長させると、ＧａＮ／ＳｉＣ界面でかなりの伝導率スパイクを示すであろうからである。ＡｌＮは、高い抵抗率を促進する非常に大きなバンドギャップ（６．３eV）を有する。
【０００３】
しかしながら、ＡｌＮ層を用いてさえも、本願発明者らは、ＨＥＭＴ材料において伝導率スパイクを観察した。図２は、厚さ１３５０オングストロームを有するＡｌＮ核形成層を有した試料のドーピング−厚さプロットを示す。プロットは、深さ１０４オングストロームまたはｌμmで材料の深くで伝導率スパイクを示す。逆方向バイアスリーク電流も、この試料に関して、水銀プローブ系（mercury probe system）を使用して測定した。図３に示すように、リーク電流は−８０ボルトでかなりのものだった（２０アンペア／cm２）。図１に示す試料におけるＡｌＮを、Ａｌ／Ｎ比約１．５７を用いて成長させ、ここで、比Ａｌ／Ｎは、Ａｌ対反応性窒素の比であり、アルミニウム流束と比較してはるかに大きい窒素流束を使用しているが、少量の窒素流束のみが反応性であることが指摘される。このＡｌ対反応性窒素の比は、成長表面において反応性窒素に対して約５７％過剰のアルミニウムが存在したことを示す。１より大きいＡｌ対反応性窒素の比（アルミニウムに富んでいる）は、改良された膜をもたらすことが実験的に見い出された。
【０００４】
図４は、図１の試料のＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）プロファイルを示す。Ｎ型伝導スパイクは、ＡｌＮ層を通って移動し、ＡｌＮ／ＧａＮ界面で蓄積しつつある、ＳｉＣ基板からのシリコンによって生じる。ＧａＮはシリコンによって容易にドープされ、これは、伝導率をもたらす。図１に示す試料は、Ａｌ／Ｎ＝１．５７を用いて成長させた１３５０オングストロームＡｌＮ層を含む。プロファイルは、厚いＡｌＮ層を通って移動し、ＧａＮ／ＡｌＮ界面で蓄積しつつある、ＳｉＣ基板からのシリコンを示す。
【０００５】
本願発明者らは、厚いＡｌＮ層を通るこのような素早いシリコン拡散のための機構は、ＳｉＣ基板と反応する表面の過剰のアルミニウムが理由となっていると考えている。本願発明者らの成長温度約７５０℃で、アルミニウムは液体である。
Ａｌ（液体）＋ＳｉＣ→Ａｌ４Ｃ３＋Ａｌ（液体＋Ｓｉ）      （１）
シリコンは現在液体状態にあるので、これは、過剰のアルミニウムを用いて成長させたＡｌＮ膜を通って素早く移動することができる。
【０００６】
本願発明者らは、ドーピングの源（シリコン）及び素早いドーパント移動のための機構を発見したので、２段階ＡｌＮ核形成層を有する構造が提供される。古いプロセスにおいては、ＡｌＮにおけるシリコン濃度は、１×１０２０cm−３より大きくてピークに達した。本発明に従うプロセスにおいては、シリコン濃度は、３×１０１８cm−３未満でピークに達した。従って、本発明によれば、ＡｌＮはシリコンを実質的に含まない。
【０００７】
本発明によれば、全ＡｌＮ層を、１より大きいＡｌ対反応性窒素の比（アルミニウムに富んでいる）を用いて分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）によって従来のように成長させて、良好なＡｌＮ材料品質を得ることができることが証明された。
【０００８】
１具体例においては、最初のＡｌＮ層を、Ａｌ対反応性窒素の比１未満（窒素に富んでいる）を用いて成長させ、その結果、ＳｉＣ表面と反応する自由なアルミニウムは存在しない。一旦ＳｉＣ表面がＡｌＮによって完全に被覆されたら、層の残りのために、Ａｌ対反応性窒素の比を１より大きく（アルミニウムに富んでいる）増大させて、材料品質を改良する。最初の層は薄くすることができ（３０〜２００オングストローム）、というのは、その機能は、ＳｉＣ表面を被覆することだからである。この層を薄くすることによって、ＡｌＮを窒素に富んでいるように成長させることに関連した粗さは最小になる。Ａｌに富んでいるように成長させた第２のＡｌＮ層は、材料品質を改良する。
【０００９】
本発明によれば、基板、基板表面に堆積されＡｌ対反応性窒素の比１未満を有する第１のＡｌＮ層、及び第１のＡｌＮ層表面に堆積され１より大きいＡｌ対反応性窒素の比を有する第２のＡｌＮ層を有する半導体構造が提供される。
【００１０】
１具体例においては、基板はシリコンの化合物であり、ここで、第１のＡｌＮ層はシリコンを実質的に含まない。
本発明によれば、半導体構造を形成する方法であって：アルミニウム流束より大きい反応性窒素流束を用いて、ＡｌＮの層を、シリコンの化合物を含む基板表面に成長させることと；アルミニウム及び反応性窒素流束を変え、その結果、アルミニウム流束は反応性窒素流束より大きいことと；を含む方法が提供される。
【００１１】
本発明の１つ以上の具体例の詳細を、添付図面及び下記の説明において説明する。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面から、及び請求の範囲から明瞭になろう。
【００１２】
様々な図面における同様の参照記号は、同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ここから図５を参照すると、ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造１０が、基板１２からのシリコン移動が理由となっているバッファ伝導率を防ぐために示される。基板１２はシリコンの化合物である。本明細書において、化合物は炭化ケイ素、ＳｉＣである。ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造１０を、シリコン移動のかなりの低減を有して成長させた２段階ＡｌＮ層１４を用いて形成する。第１のＡｌＮ層１４ａは、１１５オングストローム厚さであり、基板１２の表面のＡｌ対反応性窒素の比０．９７を有した。第２の層１４ｂは、３０５オングストローム厚さであり、第１の層１４ａ表面のＡｌ対反応性窒素の比１．２１を有し、総ＡｌＮ層１４厚さ４２０オングストロームを与えた。構造１０の場合のＳＩＭＳプロファイルを図６に示す。図４との比較は、ＧａＮ／ＡｌＮ界面での最大シリコン（Ｓｉ）ピークは、係数で１００低減したことを示す。従って、ＡｌＮ層１４は、シリコンを実質的に含まない。こうした改良は、たとえ、図５における総ＡｌＮ厚さが、上記に検討した図１におけるものの３分の１でも得られた。
【００１４】
構造１０を完成させる際に、ＧａＮ層１６を第２の層１４ｂＡｌＮ表面に成長させる。所望により、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１５をＧａＮ層１６の下に成長させてよい。
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１８をＧａＮ層１６表面に成長させる。ＧａＮのキャップ層２０をＡｌＸＧａ１−ｘＮ層表面に成長させてよい。ＭＢＥ装置から除去した後に、任意の従来の仕方で、ソース（Ｓ）及びドレイン（Ｄ）（電極）を、キャップが存在する場合に層２０と及びキャップが存在しない場合に層１８とオーミックコンタクトした状態で形成し、ゲート電極（Ｇ）を、キャップが存在する場合に層２０と及びキャップが存在しない場合に層１８とショットキー接触した状態で形成する。
【００１５】
ドーピング−深さプロファイル、図７Ａ、及び、図７Ｂに示す電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）すなわち、Ｉ−Ｖ、リーク結果において、対応する改良が観察された。図２及び７Ａを比較した際に、除去されないとしても、ドーピングスパイクはかなり低減した。図３及び図７Ｂを比較した際に、−８０ボルトでのリーク電流（図３）は、ほぼ４桁、２０アンペア／cm２から２．８×１０−３アンペア／cm２（図７Ｂ）に低下したことが指摘され、ここで、図７Ａは、２段階ＡｌＮバッファ層１４を使用するＧａＮ  ＨＥＭＴ１０の場合のドーピング−深さプロットであり、図７Ｂは、−８０ボルトでリーク電流は２．８mA/cm２であることを示す、図５の構造の水銀プローブＩ−Ｖリーク測定である。
【００１６】
窒素分子、Ｎ２、は、アルミニウムと反応してＡｌＮを形成するには安定すぎることが指摘される。本願発明者らが使用するプロセスは、窒素ガスを、窒素分子の幾らかを励起して反応性窒素（窒素原子及び励起した窒素分子、Ｎ２の組合せ）を形成する高周波（ＲＦ）プラズマを通して流すことである。アルミニウムと反応する反応性窒素の量は、総窒素流れの約１％のみである。これが理由となって、本願発明者らは装置を校正しなければならない。その結果として、アルミニウム流束よりもはるかに大きい、基板に命中する窒素流束が存在する。考察の対象となっている流束比はＡｌ対反応性窒素の比であり、Ａｌ対窒素の比ではない。窒素に富んでいる成長条件は、基板表面に当る反応性窒素原子（アルミニウムと反応できる）の割合は、基板表面に命中するアルミニウム原子の割合より大きいことを意味する。逆の条件は、アルミニウムに富んている。
【００１７】
より詳細には、本願発明者らは、通常、基板表面に当るアルミニウム原子の割合（またアルミニウム流束と呼ぶ）を調節することによって、窒素に富んでいるからアルミニウムに富んでいるに変える。アルミニウムは蒸発し、アルミニウム流束を決定する蒸気圧は、アルミニウムの炉内温度と共に指数関数的に増大する。本願発明者らは、以下の手段によって、いつアルミニウム流束＝反応性窒素流束になるか決定する：まず、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを成長させる。（ＡｌＮの場合、ＡｌＧａＮの場合に使用したのと同じ窒素プラズマ条件を使用しよう。同じ窒素プラズマ条件を使用しない場合、本願発明者らは、異なる条件が窒素流束に及ぼす影響を推定する。）Ｘ線測定からアルミニウム濃度を測定する。例えば、これはＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎだったと仮定する。ＡｌＮの場合にＡｌ流束＝Ｎ反応性流束を用いて成長させるために、その場合、本願発明者らは４倍のアルミニウム流束を必要とし、従って炉内温度を４倍の蒸気圧を実現するために上昇させなければならないことを意味する。本願発明者らがより高いアルミニウム炉内温度（従ってより高い蒸気圧）を使用する場合、成長条件はアルミニウムに富んでいる。
【００１８】
本発明に従うプロセスにおいては、シリコン濃度は３×１０１８cm−３未満でピークに達した。従って、本発明によれば、ＡｌＮはシリコンを実質的に含まない。
図５の構造を形成するプロセスは、図８を参照すると、次の通り：
基板表面でいつＡｌ流束が反応性Ｎ流束と等しくなるか決定することによって、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）装置を校正する、工程８００。シリコンの化合物を有する基板を、校正したＭＢＥ装置中に入れる、工程８０２。基板１２表面の上に、アルミニウム原子の流束及び反応性窒素原子の流束を指向する、工程８０４。アルミニウム及び反応性窒素流束を調節し、その結果、反応性窒素流束はアルミニウム流束より大きい、工程８０４。ＡｌＮの層１４ａを厚さ３０〜３００オングストロームまで成長させる、工程８０６。アルミニウム及び反応性窒素流束を変え、その結果、アルミニウム流束は反応性窒素流束より大きい、工程８０８。ＡｌＮの層１４ｂを、厚さ５０〜１０００オングストロームまで成長させる、工程８１０。アルミニウム濃度をｘ＝ｌからｘ＝０にランプダウンさせ、厚さ０オングストローム（すなわち、傾斜無し）〜２０００オングストロームを有する、傾斜（graded）ＡｌＸＧａ１−ｘＮ層１５を成長させる、工程８１２。厚さ０．３〜３．０ミクロンを有するＧａＮ層１６を成長させる、工程８１４。０．０５＜ｘ＜０．４０及び厚さ１００〜５００オングストロームを有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１８を成長させる、工程８１６。厚さ０オングストローム（キャップ無し）〜３００オングストロームを有するＧａＮキャップ層２０を成長させる、工程８１８。
【００１９】
本発明の多数の具体例を説明してきた。しかし、様々な修正を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行うことができることは理解されよう。従って、他の具体例は、請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】従来技術に従うＧａＮ  ＨＥＭＴ構造である。
【図２】図１の従来技術ＧａＮ  ＨＥＭＴの場合のドーピング−深さプロットである。
【図３】図１の従来技術のＧａＮ  ＨＥＭＴの水銀プローブＩ−Ｖリーク測定である。
【図４】図１の従来技術のＧａＮ  ＨＥＭＴのＳＩＭＳ深さプロファイルである。
【図５】本発明に従うＧａＮ構造である。
【図６】図５のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造のＳＩＭＳ深さプロファイルである。
【図７Ａ】図５のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の場合のドーピング−深さプロットである。
【図７Ｂ】図５のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造の水銀プローブＩ−Ｖリーク測定である。
【図８】図５のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造を形成するために使用される方法のプロセスフローチャートである。
【図１】
2008546175.tif 000003
【図２】
2008546175.tif 000004
【図３】
2008546175.tif 000005
【図４】
2008546175.tif 000006
【図５】
2008546175.tif 000007
【図６】
2008546175.tif 000008
【図７Ａ】
2008546175.tif 000009
【図７Ｂ】
2008546175.tif 000010
【図８】
2008546175.tif 000011