特許 5979819 アルミニウムドープゲートを備えるプログラマブルＩＩＩ−窒化物トランジスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5979819

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】アルミニウムドープゲートを備えるプログラマブルＩＩＩ−窒化物トランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20160818BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20160818BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20160818BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20160818BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20160818BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 H

   H01L29/78 301B

   H01L29/78 617T

   H01L29/78 618B

   H01L29/78 618E

【請求項の数】11

【外国語出願】

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-56226(P2011-56226)

(22)【出願日】2011年3月15日

(65)【公開番号】特開2011-199286(P2011-199286A)

(43)【公開日】2011年10月6日

【審査請求日】2011年3月16日

【審判番号】不服2014-13066(P2014-13066/J1)

【審判請求日】2014年7月4日

(31)【優先権主張番号】61/340,802

(32)【優先日】2010年3月22日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/021,437

(32)【優先日】2011年2月4日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】597161115

【氏名又は名称】インターナショナル レクティフィアー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(72)【発明者】

【氏名】マイケル エイ ブリエール

【合議体】

【審判長】 鈴木 匡明

【審判官】 河口 雅英

【審判官】 小田 浩

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１４６１８５号明細書（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２７０８４７号公報（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１３０６７２号公報（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L 29/80

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のIII−窒化物材料と第２のIII−窒化物材料との界面に形成される２次元電子ガスを含む導電チャネルと、ゲート接点と、前記ゲート接点の下に配置された接点絶縁層とを備えたIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法であって、
基板の上に前記第１のIII−窒化物材料を配置する工程と、
前記第１のIII−窒化物材料の上に前記第２のIII−窒化物材料を配置する工程と、
前記第２のIII−窒化物材料の上に、第１のオーム接点及び第２のオーム接点を形成する工程と、
前記導電チャネルの上方の前記第２のIII−窒化物材料の上に前記接点絶縁層を形成する工程と、
前記接点絶縁層の上に前記ゲート接点を形成する工程とを備え、
前記第１のオーム接点及び第２のオーム接点を形成する工程において、前記第１のオーム接点及び第２のオーム接点は、前記第１のIII−窒化物材料に直接接触することなく、前記導電チャネルを経て電流を流すように構成され、
前記接点絶縁層を形成する工程において、前記第１のオーム接点と前記第２のオーム接点との間に窒化シリコン絶縁層を形成し、該窒化シリコン絶縁層に負電荷を与え、前記界面に形成される前記２次元電子ガスを変更するために、前記窒化シリコン絶縁層にアルミニウムを注入する、
III−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項2】

前記窒化シリコン絶縁層は前記III−窒化物ヘテロ接合デバイスの閾値電圧をプログラムするものである、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項3】

前記窒化シリコン絶縁層は前記導電チャネルを中断するように前記２次元電子ガスの形成を変更させるものである、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項4】

前記接点絶縁層を形成する工程において、前記第２のIII−窒化物材料内に凹部を形成し、該凹部上に前記接点絶縁層を形成する、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項5】

前記第１のIII−窒化物材料を配置する工程、又は前記第２のIII−窒化物材料を配置する工程の少なくとも一方において、前記窒化シリコン絶縁層の下方となる前記第１のIII−窒化物材料内、又は前記第２のIII−窒化物材料内の少なくとも一方に、ｐ型不純物がドープされた領域を形成することを含む、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項6】

前記第１のIII−窒化物材料を配置する工程、又は前記第２のIII−窒化物材料を配置する工程の少なくとも一方において、前記窒化シリコン絶縁層の下方となる前記第１のIII−窒化物材料内、又は前記第２のIII−窒化物材料内の少なくとも一方に、不純物拡散領域を形成することを含む、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項7】

前記第１のIII−窒化物材料を配置する工程、又は前記第２のIII−窒化物材料を配置する工程の少なくとも一方において、前記窒化シリコン絶縁層の下方となる前記第１のIII−窒化物材料内、又は前記第２のIII−窒化物材料内の少なくとも一方に、酸化領域を形成することを含む、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項8】

前記第１のIII−窒化物材料を配置する工程、又は前記第２のIII−窒化物材料を配置する工程の少なくとも一方において、前記窒化シリコン絶縁層の下方となる前記第１のIII−窒化物材料内、又は前記第２のIII−窒化物材料内の少なくとも一方に、窒化領域を形成することを含む、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項9】

前記接点絶縁層は前記ゲート接点の下に形成されたゲート絶縁層である、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項10】

前記第１のIII−窒化物材料はＧａＮからなり、前記第２のIII−窒化物材料はＡｌＧａＮからなる、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【請求項11】

前記III−窒化物ヘテロ接合デバイスはＮチャネルＧａＮ ＦＥＴである、請求項１記載のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の背景
本願は、２０１０年３月２２日に “Programmable III-Nitride Transistor with Aluminum-Doped Gate”なるタイトルで出願された米国特許仮出願第６１／３４０，８０２号の優先権を主張するものである。この仮出願の開示内容は参照することにより本願に組みかまれるものとする。

【0002】

定義
本願において、「III−Ｖ族半導体」又は同種のものは少なくとも一つのIII族元素と少なくとも一つのＶ族元素を含む化合物半導体を言い、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、砒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムなどを含むが、これらに限定されない。同様に、「III−窒化物半導体」又は同種のものは窒素と少なくとも一つのIII族元素を含む化合物半導体を言い、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどを含むが、これらに限定されない。

【0003】

本発明は一般には半導体、より詳しくはIII−窒化物半導体に基づくトランジスタ及びデバイスに関する。

【背景技術】

【0004】

III−窒化物へテロ構造に基づくデバイスは、典型的には、ピエゾ分極場を用いて、低い抵抗損失で高い電流密度を可能にする２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生成するように動作する。２ＤＥＧはIII−窒化物材料の界面で形成され、２ＤＥＧのために、通常のIII−窒化物ヘテロ接合デバイスはゲート電位の印加なしで導通し得る。従って、III−窒化物へテロ接合構造を用いて形成されたデバイスはノーマリオン又はデプレッションモードデバイスになる傾向がある。

【0005】

III−窒化物ヘテロ接合デバイスは、比較的高い降伏電圧、高い電流密度及び低い「オン抵抗」のために電力用に望ましい。しかし、通常のIII−窒化物へテロ接合デバイスのノマリオン特性は電力用に使用する際に問題を生じ得る。例えば、電力用途においては、制御回路が十分に給電され動作可能になる前に、III−窒化物へテロ接合デバイスが導通するのを避けるのが望ましい。従って、例えばスタートアップ及び他のモード中に導通する問題を避けるために、ノーマリオフ又はエンハンスメントモードのIII−窒化物ヘテロ接合デバイスを提供することが望ましい。

【発明の概要】

【0006】

本願は、添付の図面の少なくとも一つの図に示され且つ又関連して説明され、特許請求の範囲により完全に記述されている、アルミニウムドープゲートを有するプログラマブルIII−窒化物トランジスタを提供する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1a】図１ｂの代表的なIII−窒化物ヘテロ接合デバイスを形成するのに使用する初期構造に対応する断面図を示す。

【図1b】本発明の一つの実施形態による代表的なIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの断面図を示す。

【図2】本発明の一つの実施形態による代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分の断面図を示す。

【図3】本発明の一つの実施形態による代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分の断面図を示す。

【図4】本発明の一つの実施形態による代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分の断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明は、２ＤＥＧ（２次元電子ガス）の形成を変更する変更手段を含む、III−窒化物デバイス、特にエンハンスメントモードIII−窒化物デバイスを提供する。本発明においては、例えばドーピング又は他の方法によるアルミニウム導入に基づく変更手段が著しく有益である。以下の記載は本発明の実施に関する具体的情報を含む。当業者は、本願に具体的に説明される実施形態とは異なる態様に実施することができることを認識されよう。更に、本発明の具体的な細部の一部については本発明を不明瞭にしないために説明を省略した。

【0009】

本願の図面及びそれらの付随の詳細な説明は本発明の単なる代表的な実施形態を対象にしている。簡潔さを維持するために、本発明の他の実施形態は具体的に説明されておらず、また図面に具体的に示されていない。

【0010】

図１ａは、図１ｂの代表的なIII−窒化物ヘテロ接合デバイスを形成するために使用される、構造１００として示される初期構造に対応する断面図を示す。構造１００は基板１０２、III−窒化物材料１０４及びIII−窒化物材料１０６を含む。いくつかの実施形態においては、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成するために、III−窒化物材料１０４は、例えばアンドープＧａＮとし、III−窒化物１０６は、例えばアンドープＡｌＧａＮとすることができる。他の実施形態においては、III−窒化物材料はドープすることができ、例えばＮチャネルＧａＮ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を形成するためにIII−窒化物１０４はＰ型ＧａＮとすることができる。

【0011】

基板１０２は絶縁基板とすることができるが、高抵抗基板とすることもでき、炭化シリコン、シリコン、サファイヤなどの材料及び他の適切な基板材料からなるものとすることができる。図１ａでは、III−窒化物材料１０４は基板１０２の上に配置され、III−窒化物材料１０６はIII−窒化物材料１０４の上に配置され、III−窒化物ヘテロ接合を形成する。III−窒化物材料１０４はIII−窒化物材料１０６と異なる面内格子定数を有するため、III−窒化物材料１０４とIII−窒化物材料１０６の界面に２ＤＥＧからなる導電チャネルを形成することができる。

【0012】

更に図１ａに示すように、接点１０８及び１１０がIII−窒化物材料１０６の上に形成され、これらの接点は例えばオーム接点とすることができる。従って、構造１００は、電流が接点１０８及び１１０の間で２ＤＥＧからなる導電チャネルを経て流れ得るように構成できる。更に、接点１０８及び１１０は得られるIII−窒化物ヘテロ接合デバイスのソース及びドレイン端子のための接続を備えることができる。

【0013】

図１ｂは、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０として示される、本発明の一実施の形態による代表的なIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの断面図を示す。本発明によるデバイスは、２ＤＥＧの形成を変更する変更手段を含み、それによってIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの閾値電圧をプログラムすることができる。特定の実施形態においては、変更手段は２ＤＥＧの密度を変更することができ、それによってこのデバイスはノーマリオフ型にすることができ、即ち２ＤＥＧを中断することができる。

【0014】

図１ｂは、III−窒化物デバイス１５０内における２ＤＥＧの形成を変更する変更手段１６０を示す。III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０において、変更手段１６０は、ゲート接点１４０の下に配置された、アルミニウムを含む負に帯電されたゲート接点絶縁層１１２を備える。接点絶縁層１１２は、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０内における２ＤＥＧの形成を変更または中断するために負の電荷を発生するアルミニウムを含む。従って、ゲート接点絶縁層１１２内の負電荷は２ＤＥＧ内の電子と相互作用して２ＤＥＧの形成を変更することができる。

【0015】

図１ｂに示す実施形態においては、接点絶縁層１１２を負に帯電してその下の２ＤＥＧを中断し、それによってIII−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０内の導電チャネルを中断するために、接点絶縁層１１２は、ゲート接点絶縁層の形成の一部分として、ドーピング、注入又はアルミニウムの同時成長などの他の手段により導入されたアルミニウムを含む。不活性状態では、２ＤＥＧからなる導電チャネルがゲート接点１４０の下部で中断されるため、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０は接点１０８および１１０間で電流を流さない。接点１４０は、例えば導電性ゲート接点とすることができ、接点絶縁層１１２はゲート絶縁層とすることができる。従って、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０は、接点１４０に電圧を供給することによって、中断された２ＤＥＧを回復させ、接点１０８及び１１０間に導電チャネルを与えることにより接点１０８及び１１０間で電流を流すことができる。それゆえ、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０はエンハンストモード又はノーマリオフデバイスとして動作し得る。

【0016】

いくつかの実施形態においては、接点絶縁層１１２は、絶縁層を形成し、接点絶縁層１１２内に負電荷を与えるために絶縁層にアルミニウムをドーピング又は注入することによって形成することができる。例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）絶縁層にアルミニウムを拡散又は注入して接点絶縁層内に負電荷を与えることができる。特定の実施形態においては、接点絶縁層１１２はＡｌ_ｘＳｉ_ｙＮ_ｚ（ここではＡｌＳｉＮともいう）の組成を備えるものとし得る。他の実施形態においては、接点絶縁層１１２はその絶縁層内に負電荷を与えるためにアルミニウムと同時に成長される化合物とすることができる。例えば、ＡｌＳｉＮ化合物をIII−窒化物材料１０６の上に形成することができる。

【0017】

更にIII−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０においては、接点絶縁層１１２はIII−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０の閾値電圧をプログラムするためにアルミニウムを含めることができる。例えば、接点絶縁層１１２内の負電荷は接点絶縁層１１２の組成を変更することにより調整できる。例えば、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０において、接点絶縁層１１２内の負電荷の増加はその反発力を増大して２ＤＥＧを変更することができる。それゆえ、接点絶縁層１１２内の負電荷の増加は閾値電圧を増大するため、中断された２ＤＥＧを回復させて接点１０８及び１１０間に導電チャネルを与えるためには増大した電位を接点１４０に供給しなければならなくなる。従って、接点絶縁層１１２の組成の選択によりIII−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０の閾値電圧をプログラム又は設定することができる。

【0018】

図１ａの構造１００はIII−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０の形成を限定するものではないことを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態においては、接点１０８及び１１０は変更手段１６０に続いて形成することができる。また、III−窒化物ヘテロ接合デバイス１５０はエンハンストモード又はノーマリオフデバイスとするが、他の実施形態においてはデプレッションモードデバイスの閾値電圧をプログラム又は設定するように接点絶縁層１１２によって２ＤＥＧの形成を変更することができる。

【0019】

更に、上述した変更手段１６０は、接点の下及び一方のIII−窒化物材料の上に位置する接点絶縁層を含むが、他の実施形態においては、追加の要素が協力して２ＤＥＧの形成を変更するようにすることができる。他の実施形態は、例えば、凹部、イオン注入領域、拡散領域、酸化領域及び／又は窒化領域を備えることができる。更に、追加の要素はIII−窒化物ヘテロ接合デバイス内に組み込むことができる。追加の要素は追加の材料又は構造内に形成することができる。

【0020】

図２を参照すると、図２は変更手段２６０として示す代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分の断面図を示す。変更手段２６０は図１ｂの変更手段１６０に相当するものとし得る。図２において、III−窒化物材料２０４、III−窒化物材料２０６、接点絶縁層２１２及び接点２４０は図１ｂの窒化物材料１０４、III−窒化物材料１０６、接点絶縁層１１２及び接点１４０に相当する。

【0021】

図２に示されるように、変更手段２６０は凹部２３０の上に形成された接点絶縁層２３０を含む。凹部２３０は接点２４０の下のIII−窒化物材料２０６内に形成される。更に、凹部２３０は接点２４０及び接点絶縁層２１２を２ＤＥＧ及びIII−窒化物材料２０６とIII−窒化物材料２０４の界面に近接配置することを可能にする。変更手段２６０において、凹部２３０及び接点絶縁層２１２は協力して２ＤＥＧの形成を変更する。従って、変更手段２６０において、接点絶縁層２１２は、閾値電圧をプログラムし２ＤＥＧの形成を中断するために、接点絶縁層１１２よりも少ない電荷を必要とすることになる。

【0022】

凹部２３０は、例えばIII−窒化物材料２０６上にフォトレジストを設け、このフォトレジストに傾斜した側壁を有する開口を形成し、エッチング工程により傾斜した幾何形状をIII−窒化物材料２０６に転写することによって形成することができる。凹部２３０は傾斜した側壁を有するが、凹部２３０は他の幾何形状とすることもできる。

【0023】

図３を参照すると、変更手段３６０として示す代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分が示されている。変更手段３６０は図１ｂの変更手段１６０に相当するものとし得る。図３において、III−窒化物材料３０４、III−窒化物材料３０６、接点絶縁層３１２及び接点３４０は図１ｂの窒化物材料１０４、III−窒化物材料１０６、接点絶縁層１１２及び接点１４０に相当する。

【0024】

図３に示されるように、変更手段３６０は領域３７０の上に形成された接点絶縁層３１２を含む。領域３７０は、接点３４０の下のIII−窒化物材料３０６に形成され、ゲート接点３４０の下方の２ＤＥＧの形成を変更することができる。変更手段３６０において、領域３７０及び接点絶縁層３１２は協力して２ＤＥＧの形成を変更する。

【0025】

いくつかの実施形態においては、領域３７０は結合構造及びその下の２ＤＥＧを分断する格子損傷を含む注入領域を含むものとし得る。他の実施形態においては、領域３７０は酸化領域、窒化領域又は不純物拡散領域とすることができる。また、上述したように、変更手段３６０は追加の要素、例えば凹部２３０に類似の凹部及び／又は領域３７０に類似の複数の領域を含むことができる。図３では領域３７０はIII−窒化物材料３０６内に形成されるが、他の実施形態においては、領域３７０はIII−窒化物材料３０４内又は他の材料内に形成することができる。更に、いくつかの実施形態においては、領域３７０はIII−窒化物材料３０６及び３０４などの材料とオーバラップさせることができる。従って、変更手段３６０において、接点絶縁層３１２は、閾値電圧をプログラムし２ＤＥＧの形成を中断するために、接点絶縁層１１２よりも少ない電荷を必要とすることになる。

【0026】

図４を参照すると、変更手段４６０として示される代表的な変更手段を含むIII−窒化物ヘテロ接合デバイスの一部分が示されている。図４において、III−窒化物材料４０４、III−窒化物材料４０６、接点絶縁層４１２及び接点４４０は図１ｂの窒化物材料１０４、III−窒化物材料１０６、接点絶縁層１１２及び接点１４０に相当する。

【0027】

図４に示されるように、変更手段４６０は領域４８０の上方に形成された接点絶縁層４１２を含む。領域４８０は、接点４４０の下方のIII−窒化物材料４０４内に形成され、ゲート接点４４０の下方の２ＤＥＧの形成を変更することができる。他の実施形態においては、領域４８０はIII−窒化物材料４０６内に形成することができ、またIII−窒化物材料４０４及び４０６とオーバラップさせることができる。従って、変更手段４６０において、接点絶縁層４１２は、閾値電圧をプログラムし２ＤＥＧの形成を中断するために、接点絶縁層１１２よりも少ない電荷を必要とすることになる。

【0028】

領域４８０は、例えばｐ型不純物がドープされた領域とすることができる。領域４８０は、標準の注入及びアニーリング工程を用いてIII−窒化物材料４０６を通して形成することができる。いくつかの実施形態においては、領域４８０はIII−窒化物材料４０４に形成し、次にＧａＮの層で覆い、次にＡｌＧａＮで覆うことができる。領域４８０を形成するために使用するｐ型不純物としては、例えばＦｌ，Ｍ，Ｆｅ，Ｃｒ又はＺｎを含むが、他の不純物を使用することもできる。

【0029】

図１ｂ及び図２〜図４の実施形態においては、III−窒化物ヘテロ接合デバイスの導電チャネルにおける２ＤＥＧの形成を変更するために変更手段が設けられる。この変更手段によってデバイスの閾値電圧をプログラムすることができ、２ＤＥＧを中断するように導電チャネルにおける２ＤＥＧの形成を変更して、ノーマリオンデバイスではなくノーマリオフデバイスを得ることができる。従って、本発明はエンハンスメントモードのIII−窒化物ヘテロ接合デバイスを提供することができ、該装置は例えばスタートアップ時に制御回路がパワーアップする間電流が流れるのを避ける代償なしに電力用途に使用することができる。更に、本発明は得られるエンハンスメントモードデバイスの閾値電圧のプログラミング又は調整を（またデプレッションモードデバイスの閾値電圧のプログラミングも）与える。

【0030】

本発明の以上の記載から、本発明のコンセプトは本発明の範囲から逸脱することなく種々の技術を用いて実施できること明らかである。更に、本発明はいくつかの特定の実施形態について説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく形式及び細部に種々の変更を加えることができることは当業者に認識されよう。従って、開示の実施形態はすべての点で例示であり、非限定的であるとみなされたい。本発明は開示の特定の実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく多くの再構成、変更及び置換が可能であることを理解されたい。

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3】

【図4】