特許 6132909 低オーミックコンタクト抵抗を有する窒化ガリウムデバイス

(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】6132909

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】低オーミックコンタクト抵抗を有する窒化ガリウムデバイス

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20170515BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20170515BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20170515BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/80 H

【請求項の数】12

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-521619(P2015-521619)

(86)(22)【出願日】2013年6月5日

(65)【公表番号】特表2015-523733(P2015-523733A)

(43)【公表日】2015年8月13日

(86)【国際出願番号】US2013044254

(87)【国際公開番号】WO2014011332

(87)【国際公開日】20140116

【審査請求日】2015年3月16日

(31)【優先権主張番号】13/548,305

(32)【優先日】2012年7月13日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】タバタバイエ，カマル

(72)【発明者】

【氏名】ホーク，ウィリアム・イー

(72)【発明者】

【氏名】チャンベス，エドワード・エム

(72)【発明者】

【氏名】マッカーシー，ケヴィン

【審査官】 杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２１０８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２２７４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２６６５１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３２９３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４７３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−０１８６７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２９／０８

Ｈ０１Ｌ ２９／６６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上に配置されたメサ構造であって、
下側半導体層と、
上側半導体層であり、当該上側半導体層は、当該上側半導体層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成するように前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有し且つ前記下側半導体層と直接接触し、前記二次元電子ガス領域は、当該メサの側壁で終わっている外縁部を有している、上側半導体層と
を有するメサ構造と、
前記メサ構造の側壁部分に沿って、且つ前記メサの側壁で終わっている前記二次元電子ガス領域の領域の上に配置された、前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有する電子ドナー層であり、当該電子ドナー層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成する電子ドナー層と、
電子ドナー層の上に配置されたオーミックコンタクト材料と、
を有する半導体構造体。

【請求項2】

前記オーミックコンタクト材料は、前記メサ構造の頂部で終わっている、請求項１に記載の半導体構造体。

【請求項3】

前記下側半導体層はＧａＮである請求項１に記載の半導体構造体。

【請求項4】

前記上側半導体層はＡｌＮを含む請求項３に記載の半導体構造体。

【請求項5】

前記電子ドナー層はｎ型ドーピングされたＡｌＧａＮである請求項４に記載の半導体構造体。

【請求項6】

前記オーミックコンタクト材料はｎ型ドーピングされたＧａＮである請求項５に記載の半導体構造体。

【請求項7】

前記上側半導体層とショットキー・コンタクトするゲート電極を含む請求項６に記載の半導体構造体。

【請求項8】

前記オーミックコンタクト材料とオーミック接触するオーミックコンタクトを含む請求項７に記載の半導体構造体。

【請求項9】

基板と、
前記基板の上に配置されたメサ構造であって、
下側半導体層と、
上側半導体層であり、当該上側半導体層は、当該上側半導体層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成するように前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有し且つ前記下側半導体層と直接接触し、前記二次元電子ガス領域は、当該メサの側壁で終わっている外縁部を有している、上側半導体層と
を有するメサ構造と、
前記メサ構造の側壁部分に沿って、前記メサの側壁で終わっている前記二次元電子ガス領域の領域の上と、前記下側半導体層の上とに、前記下側半導体層と直接接触して配置された、前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有する付加的な半導体層であり、当該付加的な半導体層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成する付加的な半導体層と、
前記付加的な半導体層の上に配置されたオーミックコンタクト材料と、
を有する半導体構造体。

【請求項10】

基板と、
前記基板の上に配置されたメサ構造であって、
下側半導体層と、
前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有し且つ前記下側半導体層と直接接触している上側半導体層と
を有するメサ構造と、
前記メサ構造の側壁部分に沿って、且つ前記メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域の上に配置された、前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有する電子ドナー層であり、当該電子ドナー層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成する電子ドナー層と、
前記電子ドナー層の上に配置されたオーミックコンタクト材料と、
を有する半導体構造体。

【請求項11】

基板と、
前記基板の上に配置されたメサ構造であって、
下側半導体層と、
前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有し且つ前記下側半導体層と直接接触している上側半導体層であり、当該上側半導体層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成する上側半導体層と
を有するメサ構造と、
前記下側半導体層と直接接触して、前記下側半導体層上の前記メサ構造の側壁部分に沿って配置された、前記下側半導体層よりも高いバンド・ギャップを有する付加的な半導体層であり、当該付加的な半導体層と前記下側半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成する付加的な半導体層と、
前記付加的な半導体層の上に配置されたオーミックコンタクト材料と、
を有する半導体構造体。

【請求項12】

付加的な半導体層は電子ドナー層である請求項１１に記載の半導体構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

[0001] この開示は、全般的に窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体デバイスに関し、特に低オーミックコンタクト抵抗を有している窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

[0002] 周知のように、第２世代のＧａＮ ＨＥＭＴデバイス（３０―３００ ＧＨｚ）は、現行デバイスよりも、チャネルのより高いシート電荷と、薄くて高いＡｌモル比率のＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮまたはＩｎＧａＡｌＮショットキー・コンタクト厚みと、低い寄生オーミックコンタクト抵抗（＜０．２オームｍｍ）とを有しなければならない。

【0003】

[0003] 第１世代のデバイスに関しオーミックコンタクトを形成するために用いる一つの方法は、８５０―９００ＣでＴｉ／Ａｌ／バリア／Ａｕを急速熱アニーリングにより形成することを含み、これは一般に、高いオーミックコンタクト抵抗（＞０．２オームｍｍ）を有するデバイスをもたらすとともに、≦２μｍのソース／ドレインコンタクト間隔に関し、歩留りを低下させる。

【0004】

[0004] より低いオームミックコンタクト抵抗を有するデバイスを生産するために提案された一つの方法を図１Ａ―１Ｃに示す。ここで、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリコンＳｉの基板が、当該基板の上にエピタキシャル形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）層を有する。ＧａＮ（例えば、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮまたはＩｎＧａＡｌＮの層）より高いバンド・ギャップを有している半導体層（すなわち、ショットキー・コンタクト層）がＧａＮ層上に形成され、ＧａＮ層とより高いバンド・ギャップのショットキー・コンタクト層との間の界面に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層が作り出されることをもたらす。次いで、マスクがショットキー・コンタクト層の上に形成され、何らかの適切なドライエッチングを用いて、示されるようにショットキーおよびＧａＮの露出部がソースおよびドレインコンタクト領域においてエッチングされる。結果として生じる構造は、図１Ｂで示すメサ形の構造である。ｎ＋ドープＧａＮのオーミックコンタクト層が、図１Ｃに示すように、エッチングされた構造を覆って堆積される。二次元電子ガス（２ＤＥＧ）層の端（すなわち、エッジ）がここで、ｎ＋ドープＧａＮのオーミックコンタクト層と直接接触していることに注意されたい。この方法は、２つの問題が欠点である：第１に、エッチングおよびエッジ上の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）の露顕は、露出したエッチングされた表面の近くで電子のキャリア濃度および移動度を損ね得る。第２に、ソースでの電子注入およびドレインでの電子の収集が、二次元電子ガスとｎ＋ドープＧａＮのオーミックコンタクト層の間の薄い（〜50オングストローム）コンタクトを通じてだけである。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

[0005] 本発明の好ましい実施態様では、半導体構造体は、基板と、基板に配置されたメサ構造であって、該メサ構造が、下の半導体層と、上の半導体層と、メサの側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域との間に二次元電子ガス領域を形成するために、下の半導体層と直接接触し、下の半導体層とは異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、を有することを特徴とする、メサ構造と、メサ構造の側壁部分に、および、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料とを有することを特徴とする。

【0006】

[0006] 本発明の好ましい実施態様では、半導体構造体は、基板と、基板に配置されたメサ構造であって、該メサ構造が、下の半導体層と、上の半導体層と、メサの側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域との間に二次元電子ガス領域を形成するために、下の半導体層と直接接触し、下の半導体層とは異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、を有することを特徴とする、メサ構造と、付加的な層と下の半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成するように、下の半導体層と直接接触し、そこで、メサの側壁で終了している二次元電子ガス領域の領域に配置された下の半導体よりも高いバンド・ギャップを有する付加的な半導体層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料とを有することを特徴とする。

【0007】

[0007] 基板と、基板に配置されたメサ構造であって、該メサ構造が、下の半導体層と、下の半導体層と直接接触し、下の半導体層とは異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、を有することを特徴とするメサ構造と、メサ構造の側壁部分に、および、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、を有することを特徴とする半導体構造体。

【0008】

[0008] 実施形態において、半導体構造は、基板と、基板に配置したメサ構造を有する。メサ構造は、下の半導体層と、上の半導体層と下の半導体層の間に二次元電子ガス領域を形成するために、下の半導体層と直接接触し、下の半導体層より高いバンド・ギャップを有することを特徴とし、二次元電子ガス領域がメサの側壁で終わっている外縁部を備えることを特徴とする上の半導体層と、を備える半導体構造は更に、メサ構造の側壁部分に、及び、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、を有する。

【0009】

[0009] かかる配置について、電子ドナー層は配置されて、二次元電子ガス領域およびオーム性のコンタクト材料の外縁部と直接接触し、実質的に、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）として考慮され得る。ソース・オーム性のコンタクト材料からの電子注入に関する領域の幅、及び、二次元電子ガス領域への注入された電子の収集、次いで、二次元電子ガス領域を通過する幅は、これらの電子ドナー層と二次元電子ガス層との間に低いコンタクト抵抗の結果を著しく増加させる。実質的に、この横のＨＥＭＴの形成は、下の半導体層と低いオーム性のコンタクト抵抗に電子ドナー層結果としてなる間にコンタクトに沿ってすべて電子の濃度を増加させる。

【0010】

[0010] 実施形態において、オーム性のコンタクト材料は、メサ構造の上部部分で終わる。
実施形態において、下の半導体層は、ＧａＮである。

【0011】

実施形態において、上の半導体層は、ＡｌＮを包含する。
実施形態において、電子ドナー層は、ｎ型ドーピングされたＡｌＧａＮである。
実施形態において、オーム性のコンタクト材料は、ｎ型ドーピングしたＧａＮである。

【0012】

実施形態において、上の半導体層を有するショットキー・コンタクトのゲート電極。
[0011] 実施形態において、オーム性のコンタクトは、オーム性のコンタクト材料と接触している。開示の一つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および下記の説明に記載される。開示の他の特徴、目的および利点は、説明および図面から、並びに、特許請求の範囲から明らかである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1A】[0012] 図１Ａ乃至１Ｃは、従来技術に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【図1B】図１Ｂは、従来技術に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【図1C】図１Ｃは、従来技術に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【図2A】[0013] 図２Ａ乃至２Ｃは、本開示に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【図2B】図２Ｂは、本開示に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【図2C】図２Ｃは、本開示に従ってその製作のさまざまなステージで半導体構造の製作を示している図表のスケッチである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

[0014] さまざまな図面の同じ参照シンボルは、同じエレメントを示す。
[0015] 次に図２Ａを参照すると、半導体構造１０は、以下を有していることを示す：
基板１２であって、ここでは例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはシリコン（Ｓｉ）の半導体基板である。基板１２上に、何らかの従来方式によって、窒化ガリウム（ＧａＮ）の下層１４が形成される。示すように、アルミニウムガリウムナイトライド（ＡｌＧａＮ）またはインジウムアルミニウムナイトライド（ＩｎＡｌＮ）またはインジウム・ガリウム・アルミニウムナイトライド（ＩｎＧａＡｌＮ）の上層１６が、窒化ガリウム（ＧａＮ）の下層の上に形成される。上層が下層より高いバンド・ギャップを有するので、2次元電子ガス（２ＤＥＧ）領域１８が上下の層１４、１６の間に形成される。

【0015】

[0016] 次に、図２Ａに示される構造１０は、図２Ｂに示されるメサ構造２０を形成するためにマスキングされ、ドライエッチングされる。ここで、図２Ａに示される構造１０は、３００オングストロームから１０００オングストローム（好ましくは６００オングストローム）までの深さにエッチングされる。

【0016】

[0017] 次に、図２Ｃに示すように、例えば、５〜３０％（好ましくは１５〜２０％）のＡｌ濃度を有するＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２が、３０〜２００オングストローム（好ましくは５０〜１００オングストローム）の厚みで、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を用いて成長される。ここで、ＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２は、１０^１８〜５ｘ１０^１９電子／cm³のドーピング濃度を有する。下のＧａＮ層１４よりも高いバンドギャップを有するＡｌＧａＮのこの付加的な電子ドナーＮ＋層２２は、メサ構造２０の側壁上に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）領域２４ ＧａＮをつくる。下の半導体層１４、メサ２０の側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域１６の間に、ＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２が二次元電子ガス領域２４を形成し、そして、メサ構造２０の側壁部分の上、および、メサ２０の側壁で終わっている二次元電子ガス領域２２の領域の上に、付加的な電子ドナー層２２が配置されている点に、先ず注意されたい。実質的に、それが下のＧａＮ層１４に接触する側壁の全体に沿ってドーピング（ＧａＡｓ ｐＨＥＭＴｓと同様の）および自然分極化の組合せから形成されるとして、ＨＥＭＴ構造は、みなされることができる。これの後に、２００〜１０００オングストローム（好ましくは６００オングストローム）の厚みに、付加的なＧａＮ Ｎ＋オーミックコンタクト層３０の成長が続く。

【0017】

[0018] なお：
1. ＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２は、ＧａＮ層１４より大きいバンド・ギャップを有し、
2. 実質的に、ＨＥＭＴは、ＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２のより高いバンド・ギャップ材料とＧａＮ層との間の界面に形成され、したがって電子は界面でＧａＮ層１４内にあり、
３. ＡｌＧａＮの付加的な電子ドナーＮ＋層２２は、ＧａＮ層１４より高いバンド・ギャップを有するとともに、Ｎ＋ドーピングを有する。

【0018】

[0019] ソースおよびドレインコンタクト領域３０、３１、ここではＮ＋ ＧａＮは、図２Ｃに示すようにエッチングされた領域内に形成され、上層１６の上側表面で終わる。次いで、何らかの従来からの処理を使用して、オーミックソースおよびドレインコンタクト３２、３４がソースおよびドレインコンタクト領域３０で形成され、ゲート・コンタクト３６が上の半導体層１６の表面でショットキー・コンタクトの範囲内で形成される。

【0019】

[0020] ソース・コンタクト領域３０からの電子注入およびドレインコンタクト領域３１でのそれらの収集のための領域の幅は、もはや著しく増加し、ＡｌＧａＮのＮ＋層２２の再成長した付加的な層と、それにより形成される二次元電子ガス領域２４との間に、より低いコンタクト抵抗をもたらす。かくして、図２Ｃに示される構造では、メサのわき道（サイドウェイ）上の二次元電子ガス領域２４を通じて、すなわち、貫通エッチングおよび再成長した付加的なＡｌＧａＮのＮ＋層２２の結果として、ソース及びドレインコンタクト領域３０、３１間に直接的なコンタクトが存在する。故に、ＧａＮ Ｎ＋領域３０、３１を成長させる前に先ずＮ＋ＡｌＧａＮ層を成長させることにより、エッチングされたソース／ドレインＧａＮ領域３０、３１の側壁の上にＧａＮ ＨＥＭＴが有効に形成される。このわき道ＧａＮ ＨＥＭＴの形成は、すべてＧａＮ層１４とＡｌＧａＮ層１６との間のコンタクト全体に沿った電子の濃度を増加させ、より低いコンタクト抵抗に結果としてなる。

【0020】

[0021] 本開示による半導体構造が、
基板と、基板に配置されているメサ構造と、からなり、
メサ構造が、
より下の半導体層と、上の半導体層と、メサの側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域との間に二次元電子ガス領域を形成するために、より下の半導体層から、および、それと直接接触して異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、
を有し、
メサ構造の側壁部分に、そして、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、
を有する。

【0021】

[0022] 半導体構造はまた、以下の特徴の一つ以上を包含する：オーム性のコンタクト材料が、メサ構造の上部部分で終わり、より下の半導体層がＧａＮであり、上の半導体層がＡｌＮを包含し、電子ドナー層が、ｎ型ドーピングしたＡｌＧａＮであり、オーム性のコンタクト材料が、ｎ型ドーピングしたＧａＮであり、上の半導体層とショットキー接触するゲート電極と、オーム性のコンタクト材料と接触するオーム性コンタクトと、を有する。

【0022】

[0023] 本開示による半導体構造は、基板と、基板に配置されたメサ構造と、を含み、メサ構造が、下の半導体層と、上の半導体層と、メサの側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域との間に二次元電子ガス領域を形成するために、下の半導体層から、および、それと直接接触して異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、メサ構造の側壁部分に、そして、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、を有する。

【0023】

[0024] 本開示による半導体構造は、
基板と、基板に配置されたメサ構造とを有し、メサ構造は、下の半導体層、上の半導体層と、メサの側壁で終わっている外縁部を有している二次元電子ガス領域との間に二次元電子ガス領域を形成するために、下の半導体層と直接接触し、それより高いバンド・ギャップを有する上の半導体層と、付加的な層と下の半導体層との間に二次元電子ガス領域を形成するように、低い半導体層とそこにおいて、且つ、直接接触し、メサの側壁で終了する二次元電子ガス領域の領域で、メサ構造の側壁部分に配置された下の半導体層より高いバンド・ギャップを有する付加された半導体層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、
を有する。

【0024】

[0025] 本開示による半導体構造は、
基板と、基板に配置されたメサ構造と、を有し、メサ構造は：下の半導体層と、下の半導体層と直接接触し、下の半導体層とは異なるバンド・ギャップを有する上の半導体層と、メサ構造の側壁部分に、そして、メサの側壁で終わっている二次元電子ガス領域の領域に配置された電子ドナー層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と
を有する。

【0025】

[0026] 本開示による半導体構造は、
基板と、基板に配置されたメサ構造と、を有し、
メサ構造が、下の半導体層と、下の半導体と直接接触し、下の半導体より高いバンド・ギャップを有する上の半導体層と、下の半導体層と直接接触し、そこにおいて、メサ構造の側壁部分に配置された下の半導体層より高いバンド・ギャップを有する付加的な半導体層と、電子ドナー層に配置されたオーム性のコンタクト材料と、
を有する。さら、付加的な層は、電子ドナー層でもよい。

【0026】

[0027] 多くの実施形態を開示し記載してきた。にもかかわらず、さまざまな修正が開示の精神と範囲から逸脱することなくされることができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲内である。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】