特許 6014023 酸化ニッケルを含むゲートを有する半導体デバイス及びその作製方法

(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】6014023

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】酸化ニッケルを含むゲートを有する半導体デバイス及びその作製方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20161011BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20161011BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20161011BHJP

   H01L 29/47 20060101ALI20161011BHJP

   H01L 29/872 20060101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 M

   H01L29/80 H

   H01L29/48 M

【請求項の数】14

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-510130(P2013-510130)

(86)(22)【出願日】2011年5月3日

(65)【公表番号】特表2013-529384(P2013-529384A)

(43)【公表日】2013年7月18日

(86)【国際出願番号】US2011034894

(87)【国際公開番号】WO2011143002

(87)【国際公開日】20111117

【審査請求日】2013年1月10日

【審判番号】不服2015-12541(P2015-12541/J1)

【審判請求日】2015年7月2日

(31)【優先権主張番号】12/778,334

(32)【優先日】2010年5月12日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】592054856

【氏名又は名称】クリー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＣＲＥＥ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】ミエチュコウスキー ヴァン

(72)【発明者】

【氏名】ハグライトナー ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】ハバーアーン ケヴィン

【合議体】

【審判長】 飯田 清司

【審判官】 深沢 正志

【審判官】 柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−７６８４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L 21/337-21/338

H01L 27/095-27/098

H01L 29/775-29/778

H01L 29/80-29/812

H01L 21/28-21/288

H01L 21/44-21/445

H01L 29/40-29/51

H01L 29/872

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ショットキー障壁半導体デバイスであって、
バンドギャップの大きい半導体層と、
前記バンドギャップの大きい半導体層上のゲートと、
を備え、
前記ゲートは、前記バンドギャップの大きい半導体層上の金属層を備え、
前記金属層は、酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含み、
前記バンドギャップの大きい半導体層が前記ＮｉＯ層と接触しないように、前記バンドキャップの大きい半導体層と前記ＮｉＯ層との間にニッケル層を備える、
デバイス。

【請求項2】

前記ゲートは、
前記ＮｉＯ金属層上の拡散障壁層と、
前記拡散障壁層上の電流波及層と、
を更に備える、請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記バンドギャップの大きい半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を備え、前記拡散障壁層は、白金（Ｐｔ）を備え、前記電流波及層は、金（Ａｕ）を備え、Ｐｔ拡散障壁層は、約１００から約２００Åの厚さを有し、前記Ａｕ電流波及層は、約３０００Åから約１．０μｍの厚さを有する、請求項２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記ＮｉＯ層は、前記ニッケル層上に直接存在し、
前記Ｐｔ拡散層は、前記ＮｉＯ層上に直接存在し、前記Ａｕ電流波及層は、前記Ｐｔ拡散層上に直接存在する、請求項３に記載のデバイス。

【請求項5】

前記ＮｉＯ層は、約５０から約３００Åの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項6】

前記ＮｉＯ層は、約５０から約３００Åの厚さを有し、前記ニッケルの層は、約３００Åの厚さを有する、請求項１に記載のデバイス。

【請求項7】

前記拡散障壁層は、多層拡散障壁層を備え、前記多層拡散障壁層は、白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを含む少なくとも２つの層を備える、請求項２に記載のデバイス。

【請求項8】

前記バンドギャップの大きい半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び／又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を備え、前記電流波及層は、金及び／又は銅を備え、前記拡散障壁層は、多層拡散障壁層を備え、前記多層拡散障壁層は、白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを含む少なくとも２つの層を備える、請求項２に記載のデバイス。

【請求項9】

ソース領域及びドレイン領域を更に備え、前記ソース領域及びドレイン領域のそれぞれは、前記金属層の反対側の端部に隣接し、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を提供するように構成される、請求項２に記載のデバイス。

【請求項10】

ショットキー障壁半導体デバイスを形成する方法であって、
バンドギャップの大きい半導体層を準備する段階と、
前記バンドギャップの大きい半導体層上にゲートを形成する段階と、
を含み、前記ゲートを形成する段階が、前記バンドギャップの大きい層上に酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を形成する段階と、
前記バンドギャップの大きい半導体層が前記ＮｉＯ層と接触しないように、前記バンドキャップの大きい半導体層と前記ＮｉＯ層との間にニッケル層を形成する段階を含む方法。

【請求項11】

前記ＮｉＯ層を形成する段階は、
前記バンドギャップの大きい層にニッケルを蒸着する段階と、
蒸着時に、同時的に前記ニッケルを約１０ｓｃｃｍ未満の酸素に曝して前記ＮｉＯ層を提供する段階と、
を含み、前記蒸着する段階は、熱蒸着又は電子ビーム蒸着を備える、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記ＮｉＯ層を形成する段階は、スパッタリングプロセスを用いてニッケルを堆積させる段階と、前記スパッタリングプロセス時に酸素を導入して前記ＮｉＯ層を提供する段階とを含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記ＮｉＯ層を形成する段階は、ニッケル層の形成中にその位置に酸素を導入して前記ＮｉＯ層を提供する段階を含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

プラズマソースを用いて前記約１０ｓｃｃｍ未満の酸素を発生させ、前記プラズマソースは、グリッドレスエンドホール・プラズマソースを備える、請求項１１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し、詳細には、ショットキーデバイス及び関連する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ショットキー障壁デバイスは、民生用、工業用、及び他の用途に広く用いられる。ショットキー障壁は、金属−半導体接合部に形成される電位障壁であり、整流特性を有する。多くのショットキー障壁デバイスは、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、及び／又はヒ化ガリウム等のバンドギャップの大きい半導体を用い、高電力、高温、及び／又はマイクロ波の用途に使用することができる。半導体ショットキー障壁デバイスとしては、ショットキーダイオード、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、及び金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）が挙げられる。ＨＥＭＴは、チャンネルとして、一般的に集積回路電界効果トランジスタの場合と同様に、ドープ領域の代わりに、異なるバンドギャップを有する２つの材料の間の接合部（すなわち、ヘテロ接合部）を組み込んだ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。ショットキー障壁ゲートは、ソース領域とドレイン領域との間の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を制御するために使用される。ＭＥＳＦＥＴにおいて、ショットキー障壁ゲートは、ソース領域とドレイン領域との間に形成されるチャンネルの導通を制御するために使用される。

【0003】

ニッケルは、窒化ガリウム（ＧａＮ）ＨＥＭＴのためのショットキーゲートに使用されることが多く、例えば、蒸着ニッケル−白金−金（ＮｉＰｔＡｕ）がある。これらのＮｉゲートは、通常、デバイスが逆方向にバイアスされた場合に劣化してリークし易くなる。従って、リークは、動作時に応力が加えられた場合に数桁増大する傾向があるので、デバイスに対して信頼性の問題を生じる。このリーク問題に対処する試みは、Ｋｉｋｋａｗａ他の「Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴｓ」に説明されており、ＮｉＰｔＡｕ構造はゲートの両側にＮｉＯスペーサを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開番号１２／７２５，８１２

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Ｋｉｋｋａｗａ他「Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｈｉｇｈ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴｓ」

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書で開示する特定の実施形態は、バンドギャップの大きい半導体層と、バンドギャップの大きい半導体層上のゲートとを含むショットキー障壁半導体デバイスを提供する。ゲートは、バンドギャップの大きい半導体層上の、酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含む金属層を含む。

【0007】

別の実施形態において、ゲートは、ＮｉＯ金属層上の拡散障壁層と、拡散障壁層上の電流波及層とを更に含むことができる。

【0008】

更に別の実施形態において、バンドギャップの大きい半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができ、拡散障壁層は白金（Ｐｔ）を含むことができ、電流波及層は金（Ａｕ）を含むことができる。

【0009】

特定の実施形態において、Ｐｔ拡散障壁層は約１００から約２００Åの厚さを有することができ、Ａｕ電流波及層は約３０００Åから約１．０μｍの厚さを有することができる。

【0010】

別の実施形態において、ＮｉＯ層はＧａＮ上に直接存在することができる。Ｐｔ拡散層はＮｉＯ層上に直接存在することができ、Ａｕ電流波及層はＰｔ拡散層上に直接存在することができる。

【0011】

更に別の実施形態において、ＮｉＯ層は約５０から約３００Åの厚さを有することができる。

【0012】

特定の実施形態において、デバイスは、バンドギャップの大きい半導体層とＮｉＯ層との間にニッケルの層、又はＮｉＯ層の上にニッケルの層を更に含むことができる。ＮｉＯ層は約５０から約３００Åの厚さを有することができ、ニッケルの層は約３００Åの厚さを有することができる。

【0013】

別の実施形態において、拡散障壁層は多層拡散障壁層とすることができ、多層拡散障壁層は、白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを含む少なくとも２つの層を含むことができる。

【0014】

更に別の実施形態において、バンドギャップの大きい半導体層は窒化ガリウム（ＧａＮ）及び／又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を含むことができ、電流波及層は金及び／又は銅を含むことができ、拡散障壁層は白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを含む少なくとも２つの層を含む多層拡散障壁層を含むことができる。

【0015】

特定の実施形態において、デバイスは、それぞれが金属層の反対側端部に隣接し、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を提供するように構成された、ソース領域及びドレイン領域を更に含むことができる。

【0016】

別の実施形態において、窒化ガリウムを備える第１の層と、第１の層の上の酸化ニッケルを備える第２の層と、第１の層から離れた第２の層上のタンタルを備える第３の層と、第２の層から離れた第３の層上の白金を備える第４の層とを含むショットキー半導体デバイスを提供する。

【0017】

更に別の実施形態において、第２の層は第１の層の直接上に存在することができ、第３の層は第２の層の直接上に存在することができ、第４の層は第３の層の直接上に存在することができる。

【0018】

特定の実施形態において、デバイスは、それぞれが第２の層の反対側端部に隣接し、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を提供するように構成された、ソース領域及びドレイン領域を更に含むことができる。

【0019】

別の実施形態において、デバイスは、第１の層と第２の層との間のニッケルの第５の層を含むことができる。

【0020】

更に別の実施形態において、デバイスは、第２の層と第３の層との間のニッケルの第５の層を含むことができる。

【0021】

特定の実施形態は、バンドギャップの大きい半導体層を提供する段階と、大きなバンドギャップの大きい半導体層上にゲートを形成する段階とを含む、ショットキー障壁半導体デバイスを形成する方法を提供し、ゲートを形成する段階はバンドギャップの大きい層上に酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を形成する段階を備える。

【0022】

別の実施形態において、ＮｉＯ層を形成する段階は、バンドギャップの大きい層の一部の上にニッケルを蒸着する段階と、蒸着時に、同時に該ニッケルを約１０ｓｃｃｍ未満の酸素に曝してＮｉＯ層を提供する段階とを含むことができる。蒸着する段階は、熱蒸着又は電子ビーム蒸着を含むことができる。

【0023】

更に別の実施形態において、ＮｉＯを形成する段階は、スパッタリングプロセスを用いてニッケルを堆積する段階と、スパッタリングプロセスの間に酸素を導入してＮｉＯを提供する段階とを含むことができる。

【0024】

特定の実施形態において、ＮｉＯ層を形成する段階は、ニッケル層の形成時にその場で酸素を導入してＮｉＯ層を提供する段階を含むことができる。

【0025】

別の実施形態において、プラズマソースを用いて約１０ｓｃｃｍ未満の酸素を発生させることができる。プラズマソースは、グリッドレスエンドホール・プラズマソースとすることができる。

【0026】

更に別の実施形態において、バンドギャップの大きい半導体層を提供する段階は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層を提供する段階を含むことができる。ゲートを形成する段階は、ＮｉＯ金属層上に白金（Ｐｔ）拡散障壁層を形成する段階と、拡散障壁層上に金（Ａｕ）電流波及層を提供する段階とを更に含むことができる。ＮｉＯ層は、ＧａＮ層上に直接形成することができる。

【0027】

特定の実施形態において、Ｎｉの層は、バンドギャップの大きい半導体層とＮｉＯ層との間に、又はＮｉＯ層上に形成することができる。

【0028】

別の実施形態において、本方法は、それぞれがＮｉＯ層の反対側の端部に隣接する、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を提供するように構成された、ソース領域及びドレイン領域を形成する段階を更に含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本明細書に記載の種々の実施形態による酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含むゲートを有するデバイスの断面図である。

【図2】本明細書に記載の種々の実施形態による酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含むゲートを有するデバイスの断面図である。

【図3】本明細書に記載の種々の実施形態による酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含むゲートを有するデバイスの断面図である。

【図4】本明細書に記載の種々の実施形態による酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含むゲートを有するデバイスの断面図である。

【図5】本明細書に記載の特定の実施形態による高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）で用いるバンドギャップの大きい層の断面図である。

【図6A】本明細書に記載の特定の実施形態によるＮｉＯ層の作製における処理ステップを示す断面図である。

【図6B】本明細書に記載の特定の実施形態によるＮｉＯ層の作製における処理ステップを示す断面図である。

【図6C】本明細書に記載の特定の実施形態によるＮｉＯ層の作製における処理ステップを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下、種々の実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明についてより完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書で説明する実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示を詳細かつ完全なものとして当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供するものである。添付図面において、説明を明確にするために、層及び領域のサイズ及び相対サイズは誇張している場合がある。全体を通じ、同様の要素は同じ番号によって示されている。

【0031】

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定するためのものではない。本明細書で使用する単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その文脈で別様に明確に示していない限り、複数形を含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語（及びそれらの変形）は、本明細書で使用する場合、前述の特徴、ステップ、作動、要素、及び／又は構成要素の存在を示すが、１つ又はそれ以上の他の特徴、ステップ、作動、要素、構成要素、及び／又はこれらの群の存在又は追加を除外するものではないこと理解されたい。例えば、層が，所定の材料を「備える（Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と記載される場合、その層は、二元、三元、四元等の化合物、合金、ドープ層等を形成するための付加的な材料を含むことができる。従って、例えば、窒化ガリウムを備える層は、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム、及び／又は窒化アルミニウムインジウムガリウムの層を備える。対照的に、「〜から成る（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」という用語（及びその変形表現）は、本明細書で使用する場合、前述の特徴、ステップ、作動、要素、及び／又は構成要素を規定し、付加的な特徴、ステップ、作動、要素、及び／又は構成要素を除外する。最後に、以上に定義した用語の全ては、層が、例えばマグネシウム等のＰ型ドーパント及び／又はシリコン等のＮ型ドーパントを用いてＰ型及び／又はＮ型にドープされることを除外しない。

【0032】

層、領域、又は基板等の要素が、別の要素「上に」存在する（又はその変形表現）と示される場合、この要素は他の要素の上に直接存在する場合、又は介在要素が存在する場合もあると理解されたい。更に、本明細書では、「下方にある（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「上方にある（ｏｖｅｒｌｉｅｓ）」、「上面（ｔｏｐｓｉｄｅ）」及び「裏面（ｂａｃｋｓｉｄｅ）」等の相対語を使用して、図示のような基板又は基層と対比した１つの層又は領域の別の層又は領域との関係を説明することがある。これらの用語は、図に示す方向に加え、デバイスの異なる方向を含むことが意図されることを理解されたい。最後に、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」という用語は、介在要素がないことを意味する。本明細書で使用する「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上の任意の組み合わせを含み、「／」と略すことができる。

【0033】

本明細書では、様々な要素、構成要素、領域、層、及び／又は区域を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語を使用するが、これらの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区域はこれらの用語によって限定されないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層、及び／又は区域を別の要素、構成要素、領域、層、及び／又は区域と区別するために使用するものにすぎない。従って、以下に説明する第１の要素、構成要素、領域、層、又は区域は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、又は区域と表現することができる。

【0034】

本明細書では、本発明の理想的な実施形態の概略図である断面図及び／又は他の説明図を参照して本発明の実施形態を説明する。従って、製造手法及び／又は製造公差の結果として、形状が説明図とは異なることが予想される。従って、本発明の実施形態は、本明細書に示す領域の特定の形状に限定されると解釈すべきではなく、例えば製造に起因する形状の逸脱を含むと解釈すべきである。例えば、長方形として図示され又は記述される領域は、通常の製作公差に起因して一般に丸みのある又は曲がった特徴部を有する。従って、図示の領域は本質的に概略的なものであり、これらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すことを意図したものではなく、特に規定しない限り、本発明の範囲を限定することを意図したものでもない。

【0035】

特に規定しない限り、本明細書で使用する（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野の当業者が一般的に理解する意味と同じ意味を有する。本明細書で使用する用語は、本明細書及び関連技術との関連におけるこれらの意味に適合する意味をもつと解釈すべきであり、本明細書で明確に定義しない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されるものではないことを理解されたい。

【0036】

本発明の実施形態は、III族窒化物ベースのデバイス等の窒化物ベースＨＭＥＴでの使用に特に適合することができる。本明細書で使用する「III族窒化物」の用語は、窒素と、通例はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及び／又はインジウム（Ｉｎ）である周期表のIII族内の元素との間に生成された半導体化合物をいう。また、この用語は、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ等の三元及び四元化合物に関する。当業者であれば理解されるように、III族元素は窒素と結合して二元（例えば、ＧａＮ）、三元（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、及び四元（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）化合物を生成することができる。これらの化合物は、１モルの窒素がIII族元素の合計１モルと結合する実験式を全て有している。従って、式中０≦ｘ≦１であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ等の化学式は、それら化合物を表すために用いられる場合が多い。

【0037】

本発明の実施形態は、ＧａＮ ＨＥＭＴデバイスに関連して説明されるが、本発明は、本出願の範囲を逸脱することなく他の種類のデバイス及び／又は材料に関連して使用できることを理解されたい。例えば、本発明の実施形態は、他のショットキーデバイスにも使用できる。

【0038】

ニッケルは、例えばＮｉＰｔＡｕゲートであるＧａＮ ＨＥＭＴ上のショットキーゲートのために最も一般的に使用される金属である。これらのＮｉゲートは、デバイスが逆方向にバイアスされると劣化してリークし易くなる。こうしたリークは、デバイスの作動時に応力が加わると数桁増大する傾向がある。本発明の実施形態は、ＧａＮ ＨＥＭＴ業界で一般に使用されるＮｉＰｔＡｕゲートの逆方向バイアスリークが、ゲートに隣接するエッジ上のニッケルシリサイドの生成に起因する可能性があることの認識から生じている。ニッケルシリサイドの仕事関数は、ニッケルの仕事関数よりも低く、その結果、逆方向バイアスでリークし易いゲートをもたらす場合がある。この問題は、例えば約３００℃より高い温度で増倍する場合があり、信頼性の問題を引き起こすことがある。従って、図１から図６Ｃに関して本明細書で更に説明するように、本発明の特定の実施形態は、半導体層上にＮｉＯ層又はＮｉ／ＮｉＯ層を提供し、ニッケルシリサイドの生成を抑制する。

【0039】

本明細書には半導体ショットキー障壁デバイスの種々の実施形態が記載される。本明細書で使用する「半導体ショットキー障壁デバイス」という用語は、シリコン、シリコンカーバイド、窒化ガリウム、及び／又は他の半導体材料を含むことができる１つ又はそれ以上の層を含むショットキーダイオード、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ、及び／又は他の半導体ショットキー障壁デバイスを含むことができる。半導体ショットキー障壁デバイスは、サファイア、シリコン、シリコンカーバイド、窒化アルミニウム、及び／又は他のマイクロ電子基板等の基板を含むこと又は含まないことができる。

【0040】

ここで図１を参照すると、ゲート構造体内に酸化ニッケル（ＮｉＯ）層を含むバンドギャップの大きいショットキー障壁デバイスを示す簡略化した断面が説明される。バンドギャップの大きい障壁デバイスは、例えば、本明細書に記載される種々の実施形態による、ショットキーダイオード、ＨＥＭＴ、及びＭＥＳＦＥＴとすることができる。

【0041】

ここで図１を参照すると、半導体ショットキーデバイスは、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）及び／又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等の少なくとも約１．７ｅＶのバンドギャップを有する材料を含むことができるバンドギャップの大きい半導体層１１０を含む。バンドギャップの大きい半導体層１１０は、フリースタンディングとすることができ、基板の一部分を含むこと、又はそれ自体基板上にあることができる。以下で更に説明するように、種々のバッファ層及び／又は他の層を提供することもできる。

【0042】

図１に更に示すように、ゲート構造体１７５は、誘電体層１２４上に設けることができる。誘電体層１２４は、窒化シリコン（Ｓｉ_xＮ_y）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、ＡｌＳｉＮ、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、及び／又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等の他の適切な誘電体材料を含有することができる。「Ｓｉ_xＮ_y」「ＳｉＮ」、及び「窒化シリコン」という用語は、化学量論的及び非化学量論的窒化シリコンの双方を示すように本明細書で置き換え可能に用いられるのを理解されたい。また、他の材料を誘電体層１２４に利用することができる。例えば、誘電体層１２４は、酸化マグネシウム、酸化スカンジウム、酸化アルミニウム、及び／又は酸窒化アルミニウムを含むこともできる。更に、誘電体層１２４は、単一層とすること、又は均一又は不均一組成の複数の層を含むことができる。誘電体層１２４の材料は、比較的高い温度に耐える必要があり、下側の層に著しく損傷を与えることなく除去できる必要がある。

【0043】

一般に、誘電体層１２４は、比較的高い破壊電界強度を有し、下側のIII族窒化物層との境界面に比較的低い界面トラップ密度を提供する誘電体層とすることができる。誘電体層１２４は、下側層の材料に対して高いエッチング選択性を有することができ、下側層の材料に対して敏感でなくてもよい。更に、誘電体層１２４は、その中の不純物が比較的低レベルとすることができる。例えば、誘電体層１２４は、水素と他の不純物（酸素、炭素、フッ素、及び塩素を含む）が比較的低レベルとすることができる。更に、誘電体層１２４は、後続の処理ステップに使用する高い温度に耐えるために比較的高い温度（例えば、＞１０００℃）で安定することができる。

【0044】

再び図１を参照すると、ゲート構造体１７５は、ＮｉＯ金属層１２５、拡散障壁層１３５、及び電流波及層１４５を含む。特定の実施形態において、バンドギャップの大きい半導体層１０５は図示のように窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができ、拡散障壁層１３５は白金（Ｐｔ）を含むことができ、電流波及層１４５は金（Ａｕ）を含むことができる。ＮｉＯ層１２５は、約５０から約３００Åの厚さを有することができる。特定の実施形態において、ＮｉＯ層１２５は、約１．０から約５０パーセントの酸素を含むことができる。別の実施形態において、ＮｉＯ層内の酸素パーセントは５０％を超えることができる。前述のように、バンドギャップの大きい層１０５と拡散障壁層１３５との間にＮｉＯ層１２５が存在すると、従来のデバイスに存在する場合があるニッケルシリサイドの生成を抑制できるので、デバイスの全体的な信頼性が高くなる。

【0045】

前述のように、バンドギャップの大きい層１０５と拡散障壁層１３５との間にＮｉＯ層１２５が存在すると、従来のデバイスに存在する場合があるニッケルシリサイドの生成を抑制できるので、デバイスの全体的な信頼性が高くなる。

【0046】

Ｐｔ拡散障壁層１３５は、約１００から約２００Åの厚さを有することができ、Ａｕ電流波及層１４５は、約３０００Åの厚さを有することができる。特定の実施形態において、ＮｉＯ層１２５は、例えばＧａＮ層であるバンドギャップの大きい層の直接上に設けることができる。同様に、これらの実施形態において、Ｐｔ拡散層１３５はＮｉＯ層の直接上に存在することができ、Ａｕ電流波及層は、Ｐｔ拡散層の直接上に存在することができる。

【0047】

ここで図２を参照すると、本明細書で説明する特定の実施形態によるデバイスの断面が示される。本明細書を通じて同じ要素は同じ要素を参照するので、同じ要素に関する詳細事項は、簡略化のために反復しない。特定の実施形態において、ニッケルの層２２６をバンドギャップの大きい半導体層２０５とＮｉＯ層２２５との間に設けることができる。図３で更に示すように、ニッケル層３２６をＮｉＯ層３２５と拡散障壁層３２５との間でＮｉＯ層３２５上に設けることもできる。これらの実施形態において、ニッケルの層２２６、３２６は約３００Åの厚さを有することができる。前述のように、バンドギャップの大きい層と拡散障壁層との間のＮｉＯ／Ｎｉ層又はＮｉ／ＮｉＯ層の存在は、従来のデバイスに存在する場合があるニッケルシリサイドの生成を抑制することができる。

【0048】

ここで図１、図２及び図３を参照すると、特定の実施形態において、拡散障壁層は多層拡散障壁層であることができる。これらの実施形態において、多層拡散障壁層は、白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを含む少なくとも２つの層を含むことができる。多層拡散障壁層は、同一出願人による、２０１０年３月１７日に出願された米国特許出願シリアル番号１２／７２５，８１２に詳細に説明され、当該出願の開示は、その全体が記載されているものとして、参照により本明細書に組み込まれている。

【0049】

前述のように、バンドギャップの大きい半導体層は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び／又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）とすることができる。基板（３００、図３）は、本出願の範囲を逸脱することなく含むこと又は含まないことができる。図示しないが、バンドギャップの大きい半導体層１１０のためのオーミックコンタクトを備えることもできる。

【0050】

ここで図４を参照すると、特定の実施形態において、ソース領域４５０及びドレイン領域４５１は、ＧａＮ層４０５上の誘電体層４２４の上に設けられる。図示のように、ソース領域４５０及びドレイン領域４５１は、金属層４２５の反対側の端部に隣接して形成することができる。図４に示すデバイスは、例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）を提供するように構成することができる。特に、ＨＥＭＴは、図５に関連して詳細に説明する。

【0051】

ここで図５を参照すると、特定の実施形態によるＨＥＭＴデバイスにおける、バンドギャップの大きい層５０５を構成することができる一連の層の断面が説明される。図５に示すように、基板５００が設けられる。本発明の特定の実施形態において、基板５００は、例えば、４Ｈポリタイプのシリコンカーバイドとすることができる半絶縁性シリコンカーバイドとすることができる。他の候補のシリコンカーバイドポリタイプとしては、３Ｃ、６Ｈ、及び１５Ｒポリタイプを挙げることができる。「半絶縁性（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）」という用語は、絶対的な意味ではなく、相対的な意味で使用される。本発明の特定の実施形態において、シリコンカーバイドバルク結晶は、室温で約１×１０⁵Ω−ｃｍ以上の抵抗率を有する。

【0052】

随意的なバッファ層、核生成層、及び／又は遷移層（図示せず）は、基板５００上に設けることができる。例えば、ＡｌＮバッファ層は、シリコンカーバイド基板とデバイスの残余部分との間の適切な結晶構造転移をもたらすために設けることができる。

【0053】

シリコンカーバイドは、III族窒化物デバイスのための一般的な基板材料であるサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）よりもIII族窒化物にかなり近い結晶格子整合を有している。より近い格子整合は、サファイア上で一般的に得られるものよりも高品質のIII族窒化物膜をもたらすことができる。また、シリコンカーバイドは、非常に高い熱伝導率を有しているので、一般に、シリコンカーバイド上のIII族窒化物の合計出力電力は、サファイア上に形成される同じデバイスの場合のように、基板の熱散逸によって制限されるものではない。また、半絶縁性シリコンカーバイドの可用性は、デバイス分離及び低寄生容量をもたらすことができる。適切なＳｉＣ基板は、例えば、ノースカロライナ州ダラム所在の本出願人Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造されている。

【0054】

シリコンカーバイドは基板材料として使用できるが、本発明の実施形態は、サファイア、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化ガリウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰ等の任意の適切な基板を利用できる。特定の実施形態において、適切なバッファ層を形成することもできる。

【0055】

再び図５を参照すると、チャンネル層５２０が基板５００上に形成される。チャンネル層５２０は、前述のバッファ層、遷移層、及び／又は核生成層を用いて基板５００上に形成することができる。チャンネル層５２０は、圧縮歪みを受ける場合がある。更に、チャンネル層、及び／又はバッファ層、核生成層、及び／又は遷移層は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）によって、又は分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、ハイブリッド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）、又は他の適切な手法等の当業者には公知の他の手法によってエピタキシャル成長させることができる。

【0056】

本発明の特定の実施形態において、チャンネル層５２０は、チャンネル層５２０の伝導バンド端のエネルギーがチャンネル層と障壁層との間の境界面での障壁層５２２の伝導バンド端のエネルギーよりも小さいという条件で、０≦ｘ＜１であるＡｌ_xＧａ_1-xＮ等のIII族窒化物である。本発明の特定の実施形態において、ｘ＝０はチャンネル層５２０がＧａＮであることを示している。チャンネル層５２０は、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等の他のIII族窒化物を含有することもできる。特定の実施形態において、チャンネル層５２０は非ドープ（すなわち「非意図的なドープ」）とすることができ、約２０Åを超える厚さに成長させることができる。また、チャンネル層５２０は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の超格子又は組み合わせ等の多層構造とすることができる。

【0057】

障壁層５２２は、チャンネル層５２０上に形成される。障壁層５２２は、チャンネル層５２０のバンドギャップよりも広いバンドギャップを有することができ、障壁層５２２は、チャンネル層５２０よりも小さい電子親和力を有することもできる。障壁層５２２は、チャンネル層５２０上に直接エピタキシャル成長させることができる。本発明の所定の実施形態において、障壁層５２２は、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、及び／又はＡｌＩｎＧａＮを含み、約０．１ｎｍから約１０ｎｍの厚さを有する。特定の実施形態において、障壁層は、０≦ｘ＜０．３２であるＡｌ_xＧａ_1-xＮを含むことができる。特定の実施形態において、ｘ＝０．２２である。

【0058】

本発明の実施形態は、特定のＨＥＴＭ構造体に関して本明細書に説明されるが、本発明はこの構造体に限定されると解釈すべきではない。例えば、追加の層を、本発明の教示から恩恵を受けながら、ＨＥＭＴデバイスに含むことができる。追加の層としては、障壁層上のＧａＮキャップ層を挙げることができる。更に、障壁層５２２は、複数の層を備えることができる。従って、本発明の実施形態は、障壁層を単層に限定すると解釈すべきではなく、例えば、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、及び／又はＡｌＮ層の組み合わせを有する障壁層を含むことができる。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ構造体は、合金散乱を低減又は防止するために利用できる。従って、本発明の実施形態は窒化物ベース障壁層を含むことができ、この窒化物ベース障壁層は、ＡｌＧａＮベース障壁層、ＡｌＮベース障壁層、及びこれらの組み合わせを含むことができる。

【0059】

本発明の特定の実施形態において、障壁層５２２は、十分に厚く、十分高いＡｌ組成物及び、障壁層５２２がオーミックコンタクト金属の下に埋め込まれる場合、分極効果によってチャンネル層５２０と障壁層５２２との間の境界面において有意なキャリア濃度を引き起こすドーピングを有する。また、障壁層５２２は、障壁層５２２と誘電体層（１２４、２２４、３２４、４２４）との間の境界面において沈積したイオン化不純物に起因するチャンネル内での電子散乱を低減又は最小にするために十分厚くする必要がある。

【0060】

前述のように、障壁層５２２は、チャンネル層５２０のバンドギャップよりも広いバンドギャップとチャンネル層５２２よりも小さい電子親和力とを有することができる。従って、本発明の所定の実施形態において、障壁層５２２は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、及び／又はＡｌＮ、又はそれらの層の組み合わせを含むことができる。障壁層５２２は、その中に亀裂又は実質的な欠陥を生じさせるほど厚くてはいけない。本発明の所定の実施形態において、障壁層５２２は非ドープであるか、又はｎ型ドーパントで約１０¹⁹ｃｍ^-3未満の濃度にドープされる。本発明の特定の実施形態において、障壁層５２２は、０＜ｘ＜＝１であるＡｌ_xＧａ_1-xＮを含む。特定の実施形態において、アルミニウム濃度は、約２５％とすることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態において、障壁層５２２は、約５％から約１００％のアルミニウム濃度を有するＡｌＧａＮを備える。本発明の特定の実施形態において、アルミニウム濃度は約１０％よりも大きい。

【0061】

図６Ａから図６Ｃを参照すると、特定の実施形態によるＮｉＯ層を含むゲートの作製における処理ステップを示す断面が説明される。ＧａＮ層６０５、ＳｉＮ層６２４、ソース６５０、ドレイン６５１、及び図６Ａから図６Ｃに示されていないデバイス部分の作製は、当業者に公知の方法によって行うことができる。本明細書で説明する詳細事項は、本発明の特定の実施形態によるＮｉＯ層及びＮｉ／ＮｉＯ層の形成を対象とすることになる。

【0062】

最初に図６Ａを参照すると、誘電体層６２９、ソース６５０、及びドレイン６５１上にマスク６９０を形成する。図６Ａで更に示すように、マスク６９０に従って、例えばＧａＮ層であるバンドギャップの大きい層６０５の露出部分にニッケル層を形成する。特定の実施形態において、ニッケル層は、マスク６９０によって露出されるＧａＮ層６０５上に蒸着できる。本出願の特定の実施形態において、蒸着プロセス時、ニッケルは、約１０．０ｓｃｃｍ未満の酸素に曝すことができ、ＮｉＯ層６２５が形成される。蒸着は、本出願の範囲を逸脱することなく、例えば、熱蒸着又は電子ビーム蒸着を用いて行うことができる。

【0063】

特定の実施形態において、ニッケル層は、スパッタリングプロセスを用いて堆積させることができる。スパッタリングプロセス時に酸素を導入してＮｉＯ層６２５をもたらすことができる。別の実施形態において、酸素はニッケル層の形成時にその場所で導入してＮｉＯ層６２５をもたらすことができる。約１０ｓｃｃｍ未満の酸素は、例えば、グリッドレスエンドホール・プラズマソースであるプラズマソースを用いて発生させることができる。

【0064】

図２及び図３で示すように、特定の実施形態において、ニッケル層６２５の形成は、ＮｉＯ層の形成に先行すること（２２６）、又は後続すること（３２６）ができる。このようにして、Ｎｉ／ＮｉＯ層又はＮｉＯ／Ｎｉ層を設けることができる。Ｎｉ／ＮｉＯ層は、前述のＮｉＯ層と同じ利点をもたらす。

【0065】

図６Ｂを参照すると、マスク６９０に従ってＮｉＯ金属層上に例えばＰｔの拡散障壁層６３５を形成する。次に、マスク６９０に従って拡散障壁層６３５上に例えば金である電流波及層６４５を形成する。特定の実施形態において、ＮｉＯ層６２５上に拡散障壁層６３５を直接形成し、拡散障壁層６３５上に電流波及層６４５を直接形成する。拡散障壁層６３５及び電流波及層６４５に使用できる他の材料としては、白金、モリブデン、タングステン、クロム、及び／又はタンタルを挙げることができる。

【0066】

図６Ｃを参照すると、誘電体層６２４とソース６５０及びドレイン６５１の領域からマスク６９０を除去する。例えば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）又は金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）であるデバイスは、当業者に公知の方法を用いて完成することができる。

【0067】

図１から図６Ｃに関して説明したように、本発明の特定の実施形態は、バンドギャップの大きい層上にＮｉＯ層又はＮｉ／ＮｉＯ層を設けてニッケルシリサイドの生成を抑制するものであり、これにより信頼性の高いデバイスを提供できる。

【0068】

多くの異なる実施形態を以上の説明及び添付図面に関連して本明細書に開示した。これらの実施形態のあらゆる組合せ及び部分組合せを逐語的に説明することは、過剰な繰返しで曖昧化になることは理解されるであろう。従って、添付図面を含む本明細書は、本明細書に説明する実施形態及びそれらを製造して使用する方法及び処理の全ての組合せ及び部分組合せの完全な説明を構成すると解釈すべきであり、あらゆるこうした組合せ及び部分組合せに対する特許請求の範囲をサポートすべきである。

【0069】

添付図面及び本明細書において本発明の典型的な好ましい実施形態を開示し、かつ特定の用語を使用したが、それらは、網羅的及び説明的な意味のみで使用されて制限の目的では用いられず、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲に示されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】