(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
チャネル層及びキャップ層を含む半導体構造体であって、前記キャップ層は、前記チャネル層と前記キャップ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを形成するように前記チャネル層の上に配置され、前記キャップ層はＩＩＩ−Ｎ材料を含む、半導体構造体と、
前記２ＤＥＧチャネルに電気的に接続されて前記キャップ層の上に配置されたソース及びドレインを含む一組の電極と、
前記キャップ層の上の前記ソースと前記ドレインとの間に配置されたゲートであって、前記２ＤＥＧチャネルの導電率は前記ゲートに電圧を印加することに応じて変更され、前記ゲートは、前記キャップ層の上に配置された下部金属層と、前記下部金属層の上に配置された強誘電体酸化物（ＦＥＯ）層と、前記ＦＥＯ層の上に配置された上部金属層とを含む層状構造体を有し、前記ＦＥＯ層の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αは残留分極及び抗電界から求められる前記ＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐは前記キャップ層の厚さであり、εｃａｐは前記キャップ層の誘電率である、ゲートと、
を備える、ＨＥＭＴ。
【請求項２】
前記ＦＥＯ層は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ハフニウムジルコニウム酸化物（ＨｆＺｒＯｘ）及びドープ酸化ハフニウムのうちの１つ又は組合せを含む、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３】
前記キャップ層の前記ＩＩＩ−Ｎ材料は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）のうちの１つ又は組合せを含む、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４】
前記キャップ層の厚さは２ｎｍ〜２５０ｎｍである、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項５】
前記半導体構造体は、前記ＨＥＭＴに機械的支持を提供する基板層を含む、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項６】
前記半導体構造体は、前記基板層の上に配置されたバッファ層を含み、前記チャネル層は、前記バッファ層の上に配置されている、請求項５に記載のＨＥＭＴ。
【請求項７】
前記半導体構造体は、前記基板層の上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層の上に配置されたバックバリア層とを含み、前記チャネル層は、前記バックバリア層の上に配置されている、請求項５に記載のＨＥＭＴ。
【請求項８】
前記バックバリア層は、前記チャネル層の導電性タイプと反対の導電性タイプを有する不純物でドープされている、請求項７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項９】
前記半導体構造体は、窒化アルミニウムインジウムガリウムＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮを含み、０≦ｘ、ｙ≦１である、請求項８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１０】
前記ソース、前記ドレイン及び前記ゲートの幾何学的配置は、無線周波数（ＲＦ）信号を増幅させるように選択されている、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１１】
前記ソースと前記ゲートとの間の距離より、前記ゲートと前記ドレインとの間の距離が大きい、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１２】
前記キャップ層のバンドギャップは、前記チャネル層のバンドギャップより大きい、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１３】
前記ＦＥＯ層は、前記ゲートに電気パルスが印加されると負のキャパシタとして動作する、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１４】
前記半導体構造体の前記キャップ層の厚さは、前記負のキャパシタがない場合に前記ＨＥＭＴのカットオフ周波数に対して許容される最大厚さより大きい、請求項１３に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１５】
前記キャップ層の厚さは、チャネル長及びキャップ層厚さが異なる複数のＨＥＭＴを製造し、それらのカットオフ周波数を測定することによって計算される構造体依存定数を、前記ＨＥＭＴのカットオフ周波数で割ることによって得られる長さから前記ＨＥＭＴの前記ソースから前記ドレインまでの長さを引いた値より大きく、前記構造体依存定数は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料を含む前記キャップ層の場合、３．９ＧＨｚ−μｍである、請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１６】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製造する方法であって、
基板と、チャネル層及びキャップ層を含む半導体構造体とを準備することであって、前記キャップ層は、前記チャネル層と前記キャップ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを形成するように前記チャネル層の上に配置され、前記キャップ層はＩＩＩ−Ｎ材料を含む、準備することと、
前記ＨＥＭＴの活性領域を画定するように前記半導体構造体をエッチングすることと、
前記２ＤＥＧチャネルに電気的に接続されて前記キャップ層の上に配置されたソース及びドレインを含む一組の電極を、金属蒸着及びアニーリングによって形成することと、
前記キャップ層の上の前記ソースと前記ドレインとの間に下部金属層を堆積させ、前記下部金属層の上に強誘電体酸化物（ＦＥＯ）層を堆積させ、前記ＦＥＯ層の上に上部金属層を堆積させることにより、ゲートを形成することであって、前記ＦＥＯ層の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αは残留分極及び抗電界から求められる前記ＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐは前記キャップ層の厚さであり、εｃａｐは前記キャップ層の誘電率である、形成することと、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記電極は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、ジュール蒸着、化学気相成長及びスパッタリングプロセスのうちの１つ又は複数の組合せを使用して形成される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記半導体構造体は、化学気相成長（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、プラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）及びマイクロ波プラズマ堆積のうちの１つ又は組合せを使用して作製される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記チャネル層の真下にバックバリア層を形成することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＦＥＯ層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、プラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）及びマイクロ波プラズマ堆積のうちの１つ又は組合せを使用して堆積させる、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、半導体デバイスに関し、より詳細には、高出力及び高周波用途に好適な高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
無線通信市場の近年の急増により、マイクロ波トランジスタは、人類の活動の多くの態様において重大な役割を果たしている。
【０００３】
マイクロ波トランジスタの性能に対する要件は、ますます厳しくなっている。パーソナルモバイル通信応用において、次世代の携帯電話は、より広い帯域幅と効率の向上とを必要とする。衛星通信及びＴＶ放送の開発では、端末ユーザのアンテナサイズを縮小するために、より高周波数（ＣバンドからＫｕバンド、さらにはＫａバンドまで）及びより高出力で動作する増幅器が必要である。広帯域無線インターネット接続に対して、速度又はデータ伝送速度が増大し続けているため、同様に同じ要件が適用される。
【０００４】
これらのニーズのために、Ｓｉ／ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ及びＧａＮに基づく高性能マイクロ波トランジスタ及び増幅器の開発にかなりの投資がなされてきた。ジョンソン性能指数（ＪＭ）は、材料特性のみに基づいて電力−周波数限界を与え、高周波及び高出力応用に対して異なる材料を比較するために使用することができる。高出力及び高周波に対する要件は、大きい絶縁破壊電圧及び高い電子速度の両方を備えた半導体材料に基づくトランジスタを必要とする。この観点から、より高いＪＭを有する、ＧａＮ及びＳｉＣのような広バンドギャップ材料が好ましい。最終的な絶縁破壊電界がバンド間衝突イオン化に対して必要な電界であるため、バンドギャップが広いことにより絶縁破壊電圧が高くなる。さらに、ともに高い電子飽和速度を有し、それにより高周波動作が可能になる。
【０００５】
ＧａＮは、ヘテロ接合を形成することができることにより、ＳｉＣと比較して、同様の絶縁破壊電界及び飽和電子速度を有するにも関わらず優れたものとなる。ＧａＮを使用して、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製造することができるが、一方で、ＳｉＣは、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を製造するためにしか使用することができない。ＨＥＭＴの利点には、その高いキャリア濃度と、イオン化不純物散乱が低減することによるより高い電子移動度とが挙げられる。高キャリア濃度及び高電子移動度の組合せにより、高電流密度及び低チャネル抵抗がもたらされ、それらは、高周波動作及び高出力スイッチング応用に対して特に重要である。
【０００６】
増幅器の観点から、ＧａＮ系ＨＥＭＴは、既存の製造技術と比較して多くの利点を有する。高出力電力密度により、同じ出力電力ではるかに小さいサイズのデバイスを製造することができる。サイズが小さくなることでインピーダンスが高くなることにより、増幅器において、より容易な、かつより低損失の整合が可能になる。その絶縁破壊電界が高いことによる高電圧の動作により、電圧変換の必要が低減するだけでなく、増幅器に対する重大なパラメータである高効率を得る可能性も提供される。バンドギャップが広いことによって、ＧａＮ系ＨＥＭＴはまた、高温で動作することもできる。同時に、ＨＥＭＴは、ＭＥＳＦＥＴの雑音性能より優れた雑音性能を提供する。優れた半導体特性によって可能となる増幅器応用におけるこれらの魅力的な特徴により、ＧａＮ系ＨＥＭＴは、種々の電力応用に対して非常に見込みがある候補となる。
【０００７】
ＨＥＭＴの線形性及びノーマリーオン又はオフ挙動を改善するために、多くの研究が行われてきた。例えば、特許文献１を参照されたい。しかしながら、ＨＥＭＴの出力電力を更に増大させることも必要とされている。
【０００８】
高出力及び高周波用途に対して、バンドギャップが大きい、絶縁破壊電界が大きい、及び電子移動度が高い等の基本的な物理特性の組合せを理由に、窒化物半導体デバイスが使用されている。Ｋａバンド以上で利得及び効率要件を達成する１つの方法は、ゲート長を低減させることによりチャネル領域におけるキャリアの走行時間を短縮することである。高出力、高周波、及び高出力用途に好適な低いオン抵抗を達成するために、半導体デバイスによって形成されるチャネルにおいてキャリア密度を増大させることが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８０２８３８７０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
いくつかの実施形態は、ＨＥＭＴから取り出すことができる最大電力が、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）キャリア密度によって決まり、２ＤＥＧ密度が高いほど出力電力が高くなる、という認識に基づく。一方、２ＤＥＧ密度は、キャップ層、すなわち、ＨＥＭＴにおいてヘテロ接合を形成する半導体材料の層のうちの１つの厚さによって決まる。具体的には、キャップ層の厚さが厚いほど高い電力がもたらされ、その逆も同様である。しかしながら、キャップ層が厚くなるとゲート容量が低減し、したがってカットオフ周波数が低減する。したがって、ゲート容量を低減させることなくキャップ層厚さを増大させる方法を開発することが必要とされている。
【００１１】
いくつかの実施形態は、ＨＥＭＴのゲートが、負のキャパシタを含み、及び／又はゲートに電気パルスが印加されたときに負のキャパシタとして作用する場合、負性容量が、キャップ層の厚さの増大によってもたらされる、ゲートと２ＤＥＧチャネルとの間の静電容量の低減を補償することができる、という理解に基づく。このように、ゲートの負のキャパシタにより、負のキャパシタを考慮せずに目標カットオフ周波数に対して許容される最大厚さを超えて、キャップ層の厚さを増大させることができる。
【００１２】
いくつかの実施形態は、負のキャパシタが単独だと不安定であるが、正のキャパシタと直列に接続されると安定させることができる、という認識に基づく。さらに、いくつかの実験の後、いくつかの実施形態は、ゲートの金属により正のキャパシタを形成するためと、２ＤＥＧチャネルを形成するように別の半導体材料でヘテロ接合を形成するためとの両方に対して、ＩＩＩ−Ｎ材料を使用することができる、という理解に基づく。ＩＩＩ−Ｎ材料の例としては、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）のうちの１つ又は組合せが挙げられる。
【００１３】
例えば、負のキャパシタは、強誘電体酸化物（ＦＥＯ）材料を用いて具現化することができる。ＦＥＯ材料の例としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、ハフニウムジルコニウム酸化物（ＨｆＺｒＯｘ）及びドープ酸化ハフニウムのうちの１つ又は組合せが挙げられる。ＦＥＯ材料の層が金属の２つの層の間に挟挿され、ＩＩＩ−Ｎ材料を含むキャップ層と結合されると、こうした層状構造体は、ＦＥＯ層の厚さがｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満である場合、直列の正のキャパシタ及び負のキャパシタを形成する。上記式中、αは残留分極及び抗電界から求められるＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である。パラメータαは、所与のＦＥＯ層に対する定数であり、印加される電圧に応じて分極測定を実施することによって見つけることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
したがって、１つの実施形態は、チャネル層及びキャップ層を含む半導体構造体であって、キャップ層は、チャネル層とキャップ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを形成するようにチャネル層の上に配置され、キャップ層はＩＩＩ−Ｎ材料を含む、半導体構造体と、２ＤＥＧチャネルに電気的に接続されてキャップ層の上に配置されたソース及びドレインを含む一組の電極と、キャップ層の上のソースとドレインとの間に配置されたゲートであって、２ＤＥＧチャネルの導電率はゲートに電圧を印加することに応じて変更することができる、ゲートとを備える高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を開示する。
【００１５】
ゲートは、キャップ層の上に配置された下部金属層と、この下部金属層の上に配置されたＦＥＯ層と、このＦＥＯ層の上に配置された上部金属層とを含む層状構造体を有する。ＦＥＯ層の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αはＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である。
【００１６】
このように、キャップ層は、２ＤＥＧチャネルを形成すること、及び、負のキャパシタを安定させることという二重の役割を果たし、それにより、いくつかの実施形態は、負のキャパシタを考慮せずにＨＥＭＴのカットオフ周波数に対して許容される最大厚さより大きい、半導体構造体のキャップ層の厚さを有することができる。
【００１７】
例えば、いくつかの実施態様では、キャップ層の厚さは、構造体依存定数をＨＥＭＴのカットオフ周波数で割ることによって得られる長さからＨＥＭＴのソースからドレインまでの長さを減じた値より大きい。構造体依存定数の値は、ＨＥＭＴの異なる半導体材料に対して異なる。構造体依存定数は、チャネル長及びキャップ層厚さが異なる複数のＨＥＭＴを製造し、それらのカットオフ周波数を測定することによって、計算することができる。製造及び測定が行われると、得られたデータを単に当てはめることによって、定数を計算することができる。例えば、構造体依存定数は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料を含むキャップ層の場合、３．９ＧＨｚ−μｍである。
【００１８】
いくつかの実施形態において、ＨＥＭＴは、無線周波数（ＲＦ）用途に適合される。そのため、いくつかの実施形態では、ソース、ドレイン及びゲートの相互の幾何学的配置は、ＲＦ信号を増幅させるように選択される。例えば、１つの実施態様では、ＨＥＭＴのソースとゲートとの間の距離より、ゲートとドレインとの間の距離の方が大きい。
【００１９】
ＲＦ用途の場合、トランジスタの急峻なスイッチングを可能にするサブスレッショルドスイング（ＳＳ）はそれほど重要ではなく、その理由は、急峻なスイッチングはマイクロプロセッサに放散される電力を低減させるために使用され、それは、通常、ＲＦ用途では問題ではないためである。しかしながら、ＲＦ用途では、相互コンダクタンスが重要な要素であり、その理由は、ＲＦ  ＨＥＭＴの利得及び周波数応答が、このパラメータの値によって決まるためである。その相互コンダクタンスの値が高いことにより、利得の値が高くなる。
【００２０】
いくつかの実施形態は、同じキャップ層厚の場合に、様々な実施形態の原理を採用するＨＥＭＴがより高い相互コンダクタンスを提供することができる、という認識に基づく。そのため、いくつかの実施形態は、ＨＥＭＴの相互コンダクタンスが負のキャパシタのないＨＥＭＴの相互コンダクタンスより大きくなるように、キャップ層の厚さを選択する。
【００２１】
したがって、１つの実施形態は、チャネル層及びキャップ層を含む半導体構造体であって、キャップ層は、チャネル層とキャップ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを形成するようにチャネル層の上に配置され、キャップ層はＩＩＩ−Ｎ材料を含む、半導体構造体と、２ＤＥＧチャネルに電気的に接続されてキャップ層の上に配置されたソース及びドレインを含む一組の電極と、キャップ層の上のソースとドレインとの間に配置されたゲートであって、２ＤＥＧチャネルの導電率はゲートに電圧を印加することに応じて変更され、ゲートは、キャップ層の上に配置された下部金属層と、この下部金属層の上に配置された強誘電体酸化物（ＦＥＯ）層と、このＦＥＯ層の上に配置された上部金属層とを含む層状構造体を有し、ＦＥＯ層の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αはＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である、ゲートとを備える高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を開示する。
【００２２】
別の実施形態は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を製造する方法であって、基板と、チャネル層及びキャップ層を含む半導体構造体とを準備することであって、キャップ層は、チャネル層とキャップ層との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを形成するようにチャネル層の上に配置され、キャップ層はＩＩＩ−Ｎ材料を含む、準備することと、ＨＥＭＴの活性領域を画定するように半導体構造体をエッチングすることと、２ＤＥＧチャネルに電気的に接続されてキャップ層の上に配置されたソース及びドレインを含む一組の電極を、金属蒸着及びアニーリングによって形成することと、キャップ層の上のソースとドレインとの間に下部金属層を堆積させ、この下部金属層の上に強誘電体酸化物（ＦＥＯ）層を堆積させ、このＦＥＯ層の上に上部金属層を堆積させることにより、ゲートを形成することとを含む、方法を開示する。ここで、ＦＥＯ層の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αはＦＥＯ層の材料のパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である、
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】いくつかの実施形態による複合層構造体の二次元断面概略図である。
【図１Ｂ】例示的な強誘電体酸化物、すなわちハフニウムジルコニウム酸化物（ＨｆＺｒＯｘ）に対する分極対電界曲線を示すプロットである。
【図２Ａ】いくつかの実施形態による、キャップ層によって形成された正のキャパシタの電荷電圧特性のプロットである。
【図２Ｂ】いくつかの実施形態による、ＦＥＯ層によって形成された負のキャパシタの電荷電圧特性のプロットである。
【図３Ａ】いくつかの実施形態による、キャップ層によって形成された正のキャパシタのエネルギー対電荷特性のプロットである。
【図３Ｂ】いくつかの実施形態によって採用される負のキャパシタのエネルギー対電荷特性のプロットである。
【図４】いくつかの実施形態による、ＦＥＯ層で使用される電荷に応じた強誘電体酸化物材料のエネルギー地形曲線のプロットである。
【図５】いくつかの実施形態による、ゲート誘電体として強誘電体酸化物を含む窒化物半導体系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の二次元断面概略図である。
【図６】負のキャパシタのない窒化物半導体系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の二次元断面図を示である。
【図７】いくつかの実施形態のＨＥＭＴ及び負のキャパシタゲートＨＥＭＴ（ＮＣ−ＨＥＭＴ）の模擬ドレイン電流対ゲート電圧（ＩＤＳ対ＶＧＳ）特性を示すプロットである。
【図８】いくつかの実施形態によって形成される正のキャパシタ及び負のキャパシタの直列の組合せを含む回路を示す図である。
【図９】いくつかの実施形態のＨＥＭＴ及びＮＣ−ＨＥＭＴの相互コンダクタンス対ゲート電圧特性のプロットである。
【図１０】１つの実施形態によるＮＣ−ＨＥＭＴの一変形の二次元断面図である。
【図１１】１つの実施形態によるＮＣ−ＨＥＭＴのソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の相対的な配置を示す図である。
【図１２】いくつかの実施形態のＮＣ−ＨＥＭＴにおける厚さに応じた２ＤＥＧ濃度のプロットである。
【図１３】いくつかの実施形態によるＨＥＭＴを製造する方法のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、いくつかの実施形態による複合層構造体１００の二次元断面概略図を示す。層状構造体１００は、窒化物半導体系キャップ層１０１と、キャップ層の上の下部金属層１０２と、金属層１０２の上の強誘電体酸化物（ＦＥＯ）層１０３と、ＦＥＯ層の上の上部金属層１０４とを含む。ＦＥＯ層１０３の厚さは、以下の式、すなわち、ｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）によって与えられる臨界厚さ未満であり、式中、αは、異なるＦＥＯに対して異なる値を有することができるＦＥＯの材料ベースパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である。パラメータαは、所与のＦＥＯ層に対する定数であり、印加される電圧に応じて分極測定を実施することによって見つけることができる。
【００２５】
図１Ｂは、パラメータαを求めるためにいくつかの実施形態によって使用される、例示的な強誘電体酸化物、すなわちハフニウムジルコニウム酸化物（ＨｆＺｒＯｘ）に対する分極対電界曲線を示す。この図において１２０として符号が付されている電界は抗電界（ＥＣ）として既知であり、１３０として符号が付されているゼロ電界での分極は残留分極ＰＲとして既知である。ＰＲ及びＥＣがＰ−Ｅ測定から既知となると、パラメータαは、以下の式を使用することによって計算することができる。
【数１】
0006789422.tif 000002
【００２６】
再び図１Ａを参照すると、複合層構造体１００において、２つの金属の間に挟挿されたＦＥＯ層は、負のキャパシタを形成し、その厚さを上記臨界厚さ未満で維持することにより、窒化物半導体系キャップ層１０１と組み合わせて安定した負性容量動作を保証する。さらに、窒化物半導体系キャップ層１０１を、別の半導体材料と接合して、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルをもたらすヘテロ接合を形成することができる。このように、キャップ層１０１は、２ＤＥＧチャネルを形成すること、及び、負のキャパシタを安定させることという二重の役割を果たし、それにより、いくつかの実施形態は、負のキャパシタを考慮せずにＨＥＭＴのカットオフ周波数に対して許容される最大厚さより大きい、半導体構造体のキャップ層の厚さを有することができる。
【００２７】
ＦＥＯ材料は、電界を印加することにより自発分極を「平衡」状態の間に再配向することができる、焦電材料の下位群である。こうした材料は、追加の電圧を印加しなくても、正電荷又は負電荷を保持することができる。強誘電体はまた、外部電界が印加されると、極性を正から負に切り替えることもできる。これらの材料は、自発（ゼロ場）分極の発生、誘電率の変化、及び結晶構造変化によって特徴付けられる強誘電体相転移を受ける。強誘電体材料の例としては、限定ではなく例として、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＨｆＺｒＯｘ、ドープ酸化ハフニウム、ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＺｒ０．２Ｔｉ０．８Ｏ３及びＳｒ０．８Ｂｉ２．２Ｔａ２Ｏ９が挙げられる。
【００２８】
負性容量は、強誘電体材料をキャパシタと直列に結合することによって安定させることができる、強誘電体材料の（通常）不安定な電荷−電圧関係を指す。層状構造体１００は、直列に接続された２つのキャパシタと考えることができ、そこでは、上部金属、ＦＥＯ及び下部金属によって形成されるキャパシタは負性容量ゾーンで動作する。いくつかの実施形態によれば、キャップ層は、２ｎｍ〜２５０ｎｍの厚さの窒化物半導体を含む。いくつかの実施形態において、例えば、ＢｗＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ等の窒化物半導体材料を使用することができ、そこでは、ｗ、ｘ、ｙ及びｚは、各々、０〜１（両端を含む）の任意の好適な値を有し、ｗ＋ｘ＋ｙ＋ｚ＝１である。窒化物半導体材料の例としては、限定ではなく例として、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮが挙げられる。
【００２９】
図２Ａは、いくつかの実施形態による、キャップ層１０１によって形成された正のキャパシタの電荷電圧特性のプロットを示す。このプロットは、正のキャパシタに関連する電荷が、正のキャパシタの両端の電圧の上昇によって増大することを論証している。
【００３０】
図２Ｂは、いくつかの実施形態による、ＦＥＯ層１０３によって形成された負のキャパシタの電荷電圧特性のプロットを示す。このプロットは、負のキャパシタに関連する電荷が、負のキャパシタの両端の電圧の上昇によって低下することを論証している。
【００３１】
図３Ａは、いくつかの実施形態による、キャップ層１０１によって形成された正のキャパシタのエネルギー対電荷特性のプロットを示す。このプロットは、「Ｖ」字型のエネルギー対電荷曲線（Ｕ対Ｑ）を有する。Ｕ対Ｑ曲線の曲率によって静電容量の値が与えられる。
【００３２】
図３Ｂは、いくつかの実施形態によって採用される負のキャパシタのエネルギー対電荷特性のプロットを示す。このプロットは、反転した／上下逆の「Ｖ」字型のエネルギー対電荷曲線（Ｕ対Ｑ）を有する。Ｕ対Ｑ曲線の曲率により、静電容量の値が与えられる。しかしながら、こうした負のキャパシタは、追加の補助及び構成なしには不安定である。
【００３３】
図４は、いくつかの実施形態による、ＦＥＯ層１０３で使用される電荷に応じた強誘電体酸化物材料のエネルギー地形曲線４００のプロットを示す。ＦＥＯ材料のエネルギー地形曲線は、「Ｗ」字形状４００を有する。ゼロ電荷値を中心とするこの曲線４００は、本明細書では「負性容量ゾーン」と呼ぶ、負性容量を生じさせる負の曲率を有する。通常、ＦＥＯ材料は、相対的に高いエネルギーを有するためこのゾーンに留まることができず、２つの極小値４２０及び４３０のうちのいずれかで終わる。しかしながら、同じ電荷を有するようにキャパシタを直列に追加することにより、負性容量ゾーンにおいて強誘電体酸化物を安定させることができる。この理由は、標準のキャパシタを追加することにより、システムの全体的なエネルギーが低下するためである。
【００３４】
図５は、いくつかの実施形態による、ゲート誘電体として強誘電体酸化物を含む窒化物半導体系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）５００の二次元断面概略図を示す。本明細書では、ＨＥＭＴ５００は、負性容量ゲートＨＥＭＴ（ＮＣ−ＨＥＭＴ）とも呼ぶ。
【００３５】
ＮＣ−ＨＥＭＴは、キャップ層５０１の上に配置された金属−ＦＥＯ−金属（Ｍ−ＦＥＯ−Ｍ）キャパシタを形成する、下部金属層５０２と上部金属層５０４との間に挟挿された強誘電体酸化物層５０３によって形成された複合層状構造体を有するゲート５５５を含む。キャップ層は、ＩＩＩ−Ｎ材料を含む。層５０１の真下に、チャネル層５０５がある。チャネル層とキャップ層との間の界面に、５０７と符号が付されている２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されている。２ＤＥＧチャネル５０７に電気的に接続される、ソース５１０及びドレイン５２０を含む一組の電極がキャップ層の上に配置されている。いくつかの実施態様では、チャネル層５０５は、デバイスを作製する処理の全てを実施することができるように、デバイスに対して機械的支持がなされるように、バッファ層５８８を用いることにより、基板５９９の上に成長される。
【００３６】
ＦＥＯ層５０３の厚さはｔｃａｐ／（２αεｃａｐ）未満であり、αはＦＥＯ層５０３の材料のパラメータであり、ｔｃａｐはキャップ層の厚さであり、εｃａｐはキャップ層の誘電率である。キャップ層は、２ＤＥＧチャネルを形成すること、及び、負のキャパシタを安定させることという二重の役割を果たし、それにより、いくつかの実施形態は、負のキャパシタを考慮せずにＨＥＭＴのカットオフ周波数に対して許容される最大厚さより大きい、半導体構造体のキャップ層の厚さ５０９を有することができる。
【００３７】
例えば、いくつかの実施態様では、キャップ層の厚さは、構造体依存定数をＨＥＭＴのカットオフ周波数で割ることによって得られる長さからＨＥＭＴのソースからドレインまでの長さを減じた値より大きい。構造体依存定数の値は、ＨＥＭＴの異なる半導体材料に対して異なる。構造体依存定数は、チャネル長及びキャップ層厚さが異なる複数のＨＥＭＴを製造し、それらのカットオフ周波数を測定することによって、計算することができる。製造及び測定が行われると、得られたデータを単に当てはめることによって、定数を計算することができる。例えば、構造体依存定数は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）材料を含むキャップ層の場合、３．９ＧＨｚ−μｍである。
【００３８】
図６は、負のキャパシタのない窒化物半導体系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の二次元断面図を示し、そこでは、キャップ層６０１とチャネル層６０２との界面に、６０７と符号が付されている２ＤＥＧが形成されている。キャップ層６０１の上部にソース電極６１０及びドレイン電極６２０が形成され、ソース金属及びドレイン金属は、２ＤＥＧ６０７とオーミック接触を形成する。２ＤＥＧチャネルのコンダクタンスを変更するためのゲート電極６３０も設けられ、ゲート金属は、キャップ層とショットキー接触を形成する。
【００３９】
図７は、ＨＥＭＴ６００及びＮＣ−ＨＥＭＴ５００の模擬ドレイン電流対ゲート電圧（ＩＤＳ対ＶＧＳ）特性を示す。この模擬実験では、ハフニウムジルコニウム酸化物（ＨｆＺｒＯｘ）強誘電体酸化物が使用された。異なるＦＥＯ厚さ（ｔＦＥ）に対するＩＤＳ−ＶＧＳ特性も提示されている。模擬実験結果から、所与のゲート電圧（ＶＧＳ）に対して、７０２と符号が付されているＮＣ−ＨＥＭＴは、７０１と符号が付されている従来のＨＥＭＴと比較して、より高いドレイン電流を提供することが極めて明らかである。この結果は、ＨＥＭＴのドレイン電流がゲート容量、すなわちより高いゲート容量に対応して、より高いドレイン電流をもたらし、その逆も同様であるという事実から理解することができる。ＮＣ−ＨＥＭＴのＦＥＯベースの負性容量により、ゲート容量全体が増幅され、したがって、より高いドレイン電流が提供される。ここで留意すべき別のことは、所与のゲート電極に対して、厚いＦＥＯほど高いドレイン電流をもたらす、ということである。
【００４０】
図８は、正のキャパシタ８０２及び負のキャパシタ８０１の直列の組合せを含む回路を示す。この組合せの総静電容量は、８０４の式によって計算することができ、８０６と符号が付されている条件が満足される場合、８０５と符号が付されている分母は１未満である。したがって、総静電容量ＣｔｏｔａｌはＣｃａｐより大きく、これは、負のキャパシタに正のキャパシタを直列に追加することにより、より高い総静電容量がもたらされるという事実の証拠となる。
【００４１】
図９は、複数の強誘電体酸化物厚さに対するＨＥＭＴ６００の相互コンダクタンス対ゲート電圧（ｇｍ対Ｖｇｓ）特性９０１とＮＣ−ＨＥＭＴ５００の相互コンダクタンス対ゲート電圧特性９０２とのプロットを示す。図９のプロットは、所与のゲート電圧に対して、ＮＣ−ＨＥＭＴ５００のｇｍの方がＨＥＭＴ６００のｇｍより高いことを論証している。ここでは、両ＨＥＭＴは、同じ対応するデバイス寸法を有する。トランジスタの相互コンダクタンスはゲート容量に比例し、これは、ＮＣ−ＨＥＭＴがＨＥＭＴと比較して高いｇｍを提供する理由の説明となる。別のことは、所与のゲート電圧に対して、厚いＦＥＯほど高いｇｍをもたらすということである。
【００４２】
図１０は、本発明の１つの実施形態によるＮＣ−ＨＥＭＴの一変形の二次元断面図を示し、この構造体は、チャネル層とバッファ層との間にバックバリア層５０６を含む。バックバリア層の目的は、チャネルとキャップ層との界面に形成された２ＤＥＧに対して量子閉じ込めを提供することである。１つの実施形態によれば、バックバリアはｐ型ドーパントでドープされる。
【００４３】
図１１は、１つの実施形態による、ＮＣ−ＨＥＭＴのソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の相対的な配置を示す。この実施形態では、ソース電極とゲート電極との間の距離ＬＳＧより、ゲート電極とドレイン電極との間の距離ＬＧＤの方が大きい。ＬＳＧが大きいことによりソース抵抗が増大し、それにより、デバイスの線形性が低減するため、ＬＳＧは可能な限り小さくなければならない。しかしながら、カットオフ周波数を低減させる寄生容量を増大させるため、ＬＳＧはそれほど小さくすることができない。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＬＳＧは５００ｎｍ未満である。ＬＧＤは、デバイスの絶縁破壊電圧によって決まる。絶縁破壊電圧を高くするためには、ＬＧＤが大きい必要がある。ＬＧＤはまた、チャネルを形成するために使用される半導体の材料特性によって決まり、広バンドギャップ材料は、比較的小さいＬＧＤでより高い絶縁破壊電圧を与える。例えば、デバイスの絶縁破壊電圧がＶＢＲである場合、ＧａＮ系デバイスの
【数１】
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である。いかなるＲＦトランジスタの絶縁破壊電圧も、最大ＲＦ出力電力
【数２】
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と直接関係がある。したがって、絶縁破壊電圧が高いことにより、より高い出力電力が得られる。
【００４５】
図１１のＮＣ−ＨＥＭＴは、無線周波数（ＲＦ）用途に適合される。ＲＦ用途の場合、トランジスタの急峻なスイッチングを可能にするサブスレッショルドスイング（ＳＳ）はそれほど重要ではなく、その理由は、急峻なスイッチングはマイクロプロセッサに放散される電力を低減させるために使用され、それは、通常、ＲＦ用途では問題ではないためである。しかしながら、ＲＦ用途では、相互コンダクタンスが重要な要素であり、その理由は、ＲＦ  ＨＥＭＴの利得及び周波数応答が、このパラメータの値によって決まるためである。その相互コンダクタンスの値が高いことにより、利得の値が高くなる。
【００４６】
図１２は、キャップ層の厚さに応じた２ＤＥＧ濃度のプロットを示し、そこでは、キャップ層は、いくつかの実施形態のＮＣ−ＨＥＭＴにおいてＡｌＧａＮによって形成されている。図１２のプロットから、厚いキャップ層ほど高い２ＤＥＧ濃度を与えることが明らかである。２ＤＥＧ濃度は、出力においてより高い電力を達成するために重要なパラメータである。したがって、より高い出力電力が達成されるようにより厚いキャップ層を有することが望ましい。より厚いキャップ層により、ゲート容量が低減するためカットオフ周波数が低減する。しかしながら、ＮＣ−ＨＥＭＴにより、ゲートスタックに負性容量を導入することにより、ゲート容量を低減させることなくキャップ層厚さを増大させることができる。先述したように、負性容量により全体的な静電容量が増大し、したがって、キャップ層厚さがより厚いことに起因して喪失された静電容量が補償される。
【００４７】
図１３は、いくつかの実施形態によるＨＥＭＴを製造する方法のブロック図を示す。本方法は、基板を準備すること（１３１０）と、少なくとも、半導体構造体にキャリアチャネルを形成するＩＩＩ−Ｎチャネル層を備える半導体構造体を作製すること（１３２０）とを含む。キャップ層の材料は、ＩＩＩ−Ｎチャネル層における材料のバンドギャップより高いバンドギャップを有する。いくつかの実施形態によれば、限定されないが、化学気相成長（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）及びプラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）並びにマイクロ波プラズマ堆積システムを含む、様々な方法を、キャップ層又はチャネル層の成長及び形成に適合させることができる。
【００４８】
本方法は、ウェットエッチング又はドライエッチングによりトランジスタの活性領域を画定すること（１３３０）を含む。さらに、本方法はまた、電子ビーム蒸着、ジュール蒸着（joule evaporation）、化学気相成長及びスパッタリングプロセスのうちの１つ又は組合せを使用して、キャリアチャネルに電気的に接続するためのソース電極及びドレイン電極の形成（１３４０）も含む。そして、真空又はＮ２環境において、サンプルを、８００℃より高い温度でアニールしてオーミック接触を形成する。
【００４９】
さらに、本方法はまた、ゲート電極のための金属層の形成１３５０も含む。この金属層の形成は、リソグラフィ→金属蒸着→リフトオフ、及び／又は金属蒸着→リソグラフィ→エッチング手法を使用して行うことができる。ここで、リソグラフィは、限定されないが、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィを含む方法を使用して実施することができる。金属蒸着は、電子ビーム蒸着、ジュール蒸着、化学気相成長及びスパッタリングプロセスのうちの１つ又は組合せを使用して行うことができる。
【００５０】
金属層の形成の後、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属気相成長エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）、プラズマ促進化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）及びマイクロ波プラズマ堆積のうちの１つ又は組合せを使用して、強誘電体酸化物を堆積させる（１３６０）。上部金属層の形成１３７０は、下部金属層の形成１３５０と同様に実施することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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