特許 7068676 ＩＩＩＡ－Ｎ族デバイスのための非エッチ気体冷却エピタキシャルスタック

(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】

(24)【登録日】2022-05-09

(45)【発行日】2022-05-17

(54)【発明の名称】ＩＩＩＡ－Ｎ族デバイスのための非エッチ気体冷却エピタキシャルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20220510BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20220510BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20220510BHJP

【ＦＩ】

H01L21/205

H01L29/80 H

H01L29/80 C

H01L29/80 E

H01L29/78 301B

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2018534035

(86)(22)【出願日】2016-12-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-01-10

(86)【国際出願番号】 US2016069051

(87)【国際公開番号】W WO2017117315

(87)【国際公開日】2017-07-06

【審査請求日】2019-12-23

(31)【優先権主張番号】14/981,348

(32)【優先日】2015-12-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】アサド マフムード ハイダー

(72)【発明者】

【氏名】カリド ファリード

【審査官】田中 崇大

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１８５８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３２００８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０３１８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８４３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０９８６０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１９７６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９２０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０７４２０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＩＩＩＡ－Ｎ族トランジスタを製造する方法であって、
堆積システムの堆積チャンバにおいて第１の温度で基板上に少なくとも第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積することと、
前記堆積システムの前記堆積チャンバにおいて前記第１の温度より低いか又は等しい第２の温度で前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層上に少なくとも１つのＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層を堆積することであって、その後、前記堆積チャンバがベントされる冷却温度まで継続的に前記堆積チャンバに気体混合物を供給する冷却プロセスを用いて前記基板を５５０℃又は５５０℃より低い温度まで冷却し、前記気体混合物がＮＨ_３と容量で４０％未満のＨ_２を含む少なくとも１つの他の気体とを含み、前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層の表面において、（ｉ）２乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さが１０Åより大きく、（ｉｉ）２ｎｍ深さより大きいピット層に対するピット密度が０．０５μｍより小さな平均ピット直径で１０ピット／μｍ^２よりも小さくなるように、前記気体混合物が前記堆積チャンバにおいて前記キャップ層に対して非エッチである雰囲気を提供する、前記堆積することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層上にゲート誘電体層を形成することと、
前記ゲート誘電体層上に金属ゲート電極を形成することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのソースコンタクトを有するソースと前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのドレインコンタクトを有するドレインとを形成することと、
を含む、方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、
前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積した後で前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層を堆積する前に、前記基板を前記第１の温度からキャップ層堆積温度へ冷却する間に前記冷却プロセスを用いることを更に含む、方法。

【請求項3】

請求項１に記載の方法であって、
前記堆積システムが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）システム、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）システム、又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）システムを含む、方法。

【請求項4】

請求項１に記載の方法であって、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層の厚みが０．５ｎｍと３０ｎｍとの間の範囲である、方法。

【請求項5】

請求項１に記載の方法であって、
前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層と前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層との両方が、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを含む、方法。

【請求項6】

請求項１に記載の方法であって、
前記基板が、サファイア、シリコン、又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を含む、方法。

【請求項7】

請求項１に記載の方法であって、
前記気体混合物がＮ_２を更に含む、方法。

【請求項8】

請求項１に記載の方法であって、
前記気体混合物がＨ_２を含まない、方法。

【請求項9】

ＩＩＩＡ－Ｎ族トランジスタを製造する方法であって、
堆積システムの堆積チャンバにおいて第１の温度で基板上に第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積することと、
前記堆積チャンバにおける雰囲気が前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層に対して非エッチであるようにＮＨ_３と少なくとも１つの他の気体とを含む気体混合物を用いて前記第１の温度より低い第２の温度で前記基板を冷却することと、
前記堆積システムの堆積チャンバにおいて前記第２の温度で前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層上にＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層を堆積することであって、前記堆積チャンバがベントされるまで５５０℃以下への冷却プロセスが続き、前記冷却プロセスがＮＨ_３とＮ_２とを含む前記堆積チャンバに供給される気体混合体を利用する、前記堆積することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層上にゲート誘電体層を形成することと、
前記ゲート誘電体層上に金属ゲート電極を形成することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのソースコンタクトを有するソースと前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのドレインコンタクトを有するドレインとを形成することと、
を含む、方法。

【請求項10】

請求項９に記載の方法であって、
前記堆積システムが、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）システム、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）システム、又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）システムを含む、方法。

【請求項11】

請求項９に記載の方法であって、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層の厚さが０．５ｎｍと３０ｎｍとの間の範囲にある、方法。

【請求項12】

請求項９に記載方法であって、
前記基板がシリコン基板である、方法。

【請求項13】

ＩＩＩＡ－Ｎ族トランジスタを製造する方法であって、
堆積システムの堆積チャンバにおいて第１の温度で少なくとも第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を基板上に堆積することと、
前記堆積システムの前記堆積チャンバにおいて前記第１の温度より低い第２の温度で前記第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層上に少なくとも１つのＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層を堆積することであって、続いて、前記堆積チャンバがベントされる冷却温度まで継続的に前記堆積チャンバに気体混合物を提供する冷却プロセスを用いて前記基板を５５０度以下に冷却し、前記気体混合物がＮＨ_３と容量で４０％未満のＨ_２を含む少なくとも１つの他の気体とを含み、前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層の表面において、（ｉ）２乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さが１ｎｍ未満であり、（ｉｉ）２ｎｍ深さより大きいピットに対するピット密度が０．０５μｍより小さな平均ピット直径で１０ピット／μｍ ^２ 未満であるように、前記気体混合物が前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層に対して非エッチである前記堆積チャンバにおける雰囲気を提供する、前記堆積することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層上にゲート誘電体層を形成することと、
前記ゲート誘電体層上に金属ゲート電極を形成することと、
前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのソースコンタクトを有するソースと前記ＩＩＩＡ－Ｎ族表面キャップ層へのドレインコンタクトを有するドレインとを形成することと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ＩＩＩＡ－Ｎ族（Group IIIA-N）（例えば、ＧａＮ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関し、更に特定して言えば、このようなＦＥＴのためのバッファ層に関連する。

【背景技術】

【0002】

ガリウム窒化物（ＧａＮ）は、通常用いられるＩＩＩＡ－Ｎ族材料であり、ＩＩＩＡ－Ｎ族要素（Ｇａ、ボロン、アルミニウム、インジウム、及びタリウムなど）は、１３族要素と称されることもある。ＧａＮは、ウルツ鉱結晶構造を有するバイナリＩＩＩＡ／Ｖ直接バンドギャップ半導体である。室温で３．４ｅＶの（シリコンに対する１．１ｅＶに対して）比較的広いバンドギャップは、オプトエレクトロニクス、高パワーデバイス、及び高周波数電子デバイスにおける様々な用途に対して特殊な特性を与える。

【0003】

ＧａＮ及びシリコンは著しい熱膨張係数ミスマッチを有するので、通常、ひずみ管理のためにシリコン基板とＧａＮ層との間にバッファ層が用いられる。このバッファ技術は、ヘテロ構造ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）又は変調ドープＦＥＴ（ＭＯＤＦＥＴ）デバイスとしても知られる高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）のために通常用いられる、大抵のＧａＮオンＳｉ技術のベースを形成し、これらのデバイスは、（ＭＯＳＦＥＴに対して概してみられるような）ドープされる領域の代わりに、チャネルとして異なるバンドギャップを有する２つの材料間の接合（即ち、ヘテロ接合）を組み込む電界効果トランジスタである。このようなデバイスのための幾つかのバッファ配置は、超格子構造又は段階的バッファ構造を用いる。

【0004】

少なくとも一つのバッファ層の堆積の後、ＧａＮキャップ層堆積が続く。従来のバッファ層及びキャップ層堆積プロセスは、それぞれの堆積温度からの冷却の間、ＮＨ_３及びＨ_２を用いる。Ｈ_２体積流量は、ＮＨ_３体積流量の概して数倍である。

【発明の概要】

【0005】

記載される例において、ＩＩＩＡ－Ｎ族トランジスタのためのエピタキシャルスタックを製造する方法が、堆積システムの堆積チャンバにおいて基板上に少なくとも一つのＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積することを含む。その後、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層上に、少なくとも一つのＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層が堆積される。キャップ層堆積のための堆積温度からの冷却の間、堆積チャンバに供給される気体混合物は、ＮＨ_３及び少なくとも一つの他の気体を含む。この気体混合物は、堆積チャンバにおいてキャップ層に対して非エッチングである雰囲気を提供し、そのため、キャップ層の表面において、（ａ）二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さが１０Åより小さくなり、（ｂ）０．０５μｍより小さ平均ピット直径で、２ｎｍ深さより大きいピットのためのピット密度が１０ピット／μｍ^２よりも小さくなるようにする。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】例示の一実施例に従った、パワーＩＩＩＡ－Ｎ族トランジスタのための少なくとも一つの低欠陥密度キャップ層を含むエピタキシャル層スタックを製造する例示の方法における工程のフローチャートである。

【0007】

【図2】例示の一実施例に従った、低欠陥密度キャップ層を上に備えるＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を含む、例示のデバイススタックの断面図である。

【0008】

【図3A】例示の一実施例に従った、低欠陥密度キャップ層を有するエピタキシャル層スタックを備える、例示のデプリーションモード高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の断面図である。

【0009】

【図3B】例示の一実施例に従った、低欠陥密度キャップ層を有するエピタキシャル層スタックを備えるノーマリーオフゲートを備える、例示のエンハンスメントモードＨＥＭＴの断面図である。

【0010】

【図3C】図３Ａに示すデプリーションモードＨＥＭＴパワーデバイス及び図３Ｂに示すエンハンスメントモードＨＥＭＴを含む例示のＩＣの断面図であり、これらのデバイスは、いずれもバッファスタック上の同じ低欠陥密度キャップ層上にある。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面は必ずしも一定の縮尺で描いてはいない。図面において、類似の参照番号は、類似の又は等価の要素を示す。幾つかの例示の行為又は事象は、異なる順で及び／又は他の行為又は事象と同時に起こり得る。また、幾つかの例示の行為又は事象は、本記載に従った方法論を実装するために必要とされない可能性がある。

【0012】

例示の実施例は、ＩＩＩＡ－Ｎ族デバイスのためのエピタキシャルＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層堆積後の冷却の間、堆積チャンバに供給される従来のＮＨ_３及びＨ_２気体混合物が、冷却時にキャップ層におけるピットとなり、これらが、優先的なエッチングが起こり得る後続のエッチング／洗浄の後、悪化し得ることを認識している。Ｈ_２は、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層（ＧａＮ又はＡｌＧａＮなど）を攻撃し得、ピットを生じさせる。キャップ層における欠陥（ピットなど）は、パワートランジスタにおける欠陥となり、充分に高い密度でそういった欠陥が存在する場合、それらはデバイス欠陥となる恐れがある。

【0013】

記載される例において、基板上の少なくとも一つのバッファ層の堆積の後、ＮＨ_３及び少なくとも一つのその他の気体を含む供給気体混合物を用いる冷却プロセスを用いるキャップ層堆積が続き、この気体混合物は、堆積チャンバにおいて、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族層に対して非エッチングである雰囲気を提供する。本明細書において用いられる「非エッチである」とは、キャップ層の結果として得られる表面が、（ａ）１０Åより小さい二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さ、及び（ｂ）０．０５μｍより小さな平均ピット直径で、１０ピット／μｍ^２よりも小さい、２ｎｍ深さより大きいピット層に対するピット密度を有することを指す。一例では、冷却の間、ＮＨ_３及びＮ_２のみを有する気体混合物を用いる。

【0014】

図１は、例示の一実施例に従った、ＩＩＩＡ－Ｎ族パワートランジスタのための低欠陥密度キャップ層を含むエピタキシャル層スタックを製造する例示の方法１００における工程のフローチャートである。全てのそれぞれのバッファ及びＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）システム、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）システム、又はハイドライド気相エピタキシー（ＨＶＰＥ）システムを用いて、単一の実施においてエピタキシャル成長され得る。

【0015】

工程１０１は、基板（例えば、ウェハ）の表面上に存在する場合、自然酸化物を取り除くことを含む。基板は、サファイア、シリコン、又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を含み得る。

【0016】

工程１０２は、概して１０５０℃～１３００℃の堆積温度を用いて、堆積システムの堆積チャンバにおいて基板上に少なくとも第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積することを含む。バッファ層は、１ミクロン～１０ミクロンの厚みであり得る。本明細書に記載されるＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層及びキャップ層は、一般式Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{ｌ－ｘ－ｙ}Ｎによって表され得、ここで、０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦ｌ、０＜ｘ＋ｙ≦ｌである。例えば、ＩＩＩＡ－Ｎ族層は、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、及びＡｌＩｎＧａＮのうち少なくとも一つを含み得る。ボロン（Ｂ）などの他のＩＩＩＡ族要素も含まれ得、Ｎは、リン（Ｐ）、砒素（Ａs）、又はアンチモン（Ｓｂ）によって部分的に置き換えられ得る。ＩＩＩＡ族窒化物化合物半導体の各々は、Ｓｉ、Ｃ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂｅ、Ｃｄ、及びＺｎから選択される任意選択のドーパントを含み得る。

【0017】

バッファ層堆積の後、任意選択で、一層高いバッファ層堆積温度（例えば、１２５０℃）から、９００℃～１０５０℃などのキャップ層堆積の一層低い堆積温度までの、ＮＨ_３及び少なくとも一つの他の気体を含む堆積チャンバに供給される気体混合物を用いる冷却プロセス冷却が続き得、この気体混合物は、堆積チャンバにおいて第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層に対して非エッチングである雰囲気を提供する。この冷却プロセスの間のランプダウンレートは、概して５℃／分～４０℃／分である。その他の気体は、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及び／又はこのような気体の組み合わせであり得る。一つの特定の実施例において、ＮＨ_３が２～２０リットル／分で供給され、Ｎ_２が５０～１５０リットル／分で供給される。混合物が非エッチのままである限り、水素（Ｈ_２）が容量でＨ_２約４０％まで提供され得る。

【0018】

工程１０２に続いて、この方法は、任意選択で、バッファスタックを形成するため、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層上に少なくとも第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層を堆積することを含み得る。他のバッファ層堆積工程が、記載された冷却プロセスを含む本明細書において上記した工程１０２と同じプロセスの低欠陥密度堆積プロセスを用い得る。

【0019】

工程１０３は、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層（又はバッファスタック）上に、少なくとも一つのＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層を堆積することを含む。本明細書において上述したように、キャップ層堆積温度は、概して９００℃～１０５０℃である。

【0020】

キャップ層堆積の後、ＮＨ_３及び少なくとも一つの他の気体を含む気体混合物を用いる、堆積温度から概して３００℃～５５０℃の温度までの冷却プロセスが続き、この気体混合物は、堆積チャンバにおいてキャップ層に対して非エッチングである雰囲気を提供する。本明細書において上記したように、ここでの「非エッチである」とは、結果として得られるキャップ層が、（ａ）１０Åより小さい二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さ、及び、（ｂ）０．０５μｍより小さな平均ピット直径で、１０ピット／μｍ^２よりも小さい、２ｎｍ深さより大きなピット層に対するピット密度を有することを指す。表面粗さは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）システムによって測定され得、ピット密度は、ＫＬＡ－Ｔｅｎｃｏｒ ＣＡＮＤＥＬＡ（登録商標）８６２０検査システムなどの欠陥分析ツールによって測定され得る。

【0021】

その他の気体は、Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、及び／又はこのような気体の組み合わせであり得る。一つの特定の実施例において、ＮＨ_３が２～２０リットル／分で供給され、Ｎ_２が５０～１５０リットル／分で供給される。混合物が非エッチのままである限り、水素（Ｈ_２）が、容量でＨ_２約４０％まで提供され得る。この冷却プロセスの間のランプダウンレートは、概して５℃／分～４０℃／分であり、本明細書において上記したように、３００℃～５５０℃の温度まで冷却し得、堆積チャンバは、大気に対して排気され、その後、ウェハのボートが概して堆積チャンバから取り除かれる。

【0022】

工程１０４は、キャップ層上にゲート誘電体層（例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、シリコン酸化物、又はこれらの層の任意のものの組み合わせ）を形成すること、ゲート誘電体層上に金属ゲート電極を形成すること、並びに、キャップ層上に、ソースコンタクトを有するソース、及びドレインコンタクトを有するドレインを形成することを含む。ゲート電極は、一実施例においてＴｉＷ合金を含み得る。ソース及びドレインは、一つの特定の実施例において、Ｔｉ／Ａｌ／ＴｉＮなどの金属スタックをスパッタリングすることによって形成され得る。

【0023】

図２は、例示の一実施例に従った、多層バッファスタック（バッファ層スタック）２２０を含む例示のデバイススタック２００の断面図であり、多層バッファスタック２２０は、いずれも基板（例えば、シリコン）２１０上のＡｌＮ層として示される、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ａ及び第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ｂを含む。ＧａＮ層として示されるＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０が、第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ｂ上にあり、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０は、冷却の間、堆積チャンバにおいてキャップ層に対して非エッチである雰囲気を用いるキャップ層冷却プロセスを用いて形成される低欠陥密度を有する。別の配置において、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ａがＡｌＮを含み、第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ｂがＧａＮを含み、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０がＡｌＧａＮを含む。ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０のための例示の厚み範囲は、ＨＥＭＴ層として用いることができる５Å～３００Å、第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ｂのための５０Å～３００Å、及び、第１のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ａのための０．１μｍ～５μｍであり得る。

【0024】

例示の実施例の利点には、一層高いトランジスタ降伏電圧、一層低い漏れ電流、及び低減された基板撓み／ワープを可能にするために、本質的にボイド及びクラックフリーのキャップ層を含む、本質的にボイド及びクラックフリーのエピタキシャルＧａＮ膜スタックを堆積する能力が含まれる。例えば、パワートランジスタが、１μａｍｐ／ｍｍ^２の漏れ電流密度で、少なくとも１００Ｖの降伏電圧を提供し得る。

【0025】

記載されるエピタキシャルスタックを用い得るパワー半導体デバイスの例には、ＨＥＭＴ、ダブルヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＤＨＦＥＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、及びバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）が含まれる。ヘテロ構造ＦＥＴ（ＨＦＥＴ）又は変調ドープされたＦＥＴ（ＭＯＤＦＥＴ）としても知られるＨＥＭＴは、（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）に対して概してみられるような）ドープされた領域の代わりに、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル層として異なるバンドギャップを備える２つの半導体材料間の接合（即ち、ヘテロ接合）を組み込む電界効果トランジスタである。ＨＥＭＴは、ＧａＮ及びＡｌＧａＮなどの広帯域ギャップを有する化合物半導体を含む。ＧａＮ及びＩＩＩＡ－Ｎ材料システムにおける高電子飽和速度に起因して、ＧａＮ ＨＥＭＴにおける電子移動度は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの他の一般的なトランジスタのものより高い。

【0026】

図３Ａは、例示の一実施例に従った、基板２１０上のバッファ層スタック２２０上にＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’を含んで示される記載されるエピタキシャルスタックを備える、例示のデプリーションモードＨＥＭＴパワーデバイス３００の断面図である。ＨＥＭＴパワーデバイス３００は、シリコン窒化物又はシリコンオキシナイトライドを含むなど、ゲート誘電体層２３５を有して示される。ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’は低欠陥密度キャップ層であり、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’の表面は、（ａ）１０Åより小さい二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さ、及び、（ｂ）０．０５μｍより小さな平均ピット直径で、１０ピット／μｍ^２よりも小さい、２ｎｍ深さより大きいピット層のためのピット密度を有する。この実施例において、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’は、最頂部（第１の）ＧａＮ層２３０ｃと、第２のＩＩＩＡ－Ｎ族バッファ層２２０ｂ上にある最低部（第２の）ＧａＮ層２３０ａとの間に挟まれる、ＡｌＧａＮ層２３０ｂを含み得る。最頂部ＧａＮ層２３０ｃ及び最低部ＧａＮ層２３０ａは概して、各々、１×１０^１５ｃｍ^－３～１×１０^１８ｃｍ^－３のドーピング濃度を有する。ドーパントは、炭素、マグネシウム、シリコン、又は亜鉛、又はこのようなドーパントの組み合わせを含み得る。

【0027】

ＨＥＭＴパワーデバイス３００は、ディスクリートデバイス、又はＩＣ上の多くのデバイスの一つであり得る。より概して言えば、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’は、ＧａＮ、ＩｎＮ、Ａ１Ｎ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、及びＡｌＩｎＧａＮの一つ又は複数を含み得る。本明細書において上記したように、ＩＩＩＡ－Ｎ族層は、Ｂなどの他のＩＩＩＡ族要素を含み得、Ｎは、Ｐ、Ａｓ、又はＳｂによって部分的に置き換えられ得、また、任意選択のドーパントを含み得る。別の特定の例において、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’は、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＮ層又はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＮ層の頂部上のＧａＮ層を含み得る。更に別の特定の例は、ＡｌＧａＮ上のＩｎＡｌＮ上のＧａＮを含み得る３層スタックであるＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’である。

【0028】

ＨＥＭＴパワーデバイス３００は、ソース２４１、ドレイン２４２、及びゲート電極２４０を含む。ゲート電極２４０は、ソース２４１とドレイン２４２との間に、ドレイン２４２よりもソース２４１の近くに置かれる。ソース２４１、ドレイン２４２、及びゲート電極２４０は、金属及び／又は金属窒化物で形成され得るが、例示の実施例はそれらに限定されない。

【0029】

図３Ｂは、例示の一実施例に従った、基板２１０上にバッファ層スタック２２０として示されるバッファ層上にＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’を備えるノーマリーオフゲートを備える、例示のエンハンスメントモードＨＥＭＴパワーデバイス３５０の断面図である。ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’は、低欠陥密度キャップ層であり、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０’の表面が、（ａ）１０Åより小さい二乗平均平方根（ｒｍｓ）粗さ、及び、（ｂ）０．０５μｍより小さな平均ピット直径で、１０ピット／μｍ^２よりも小さい、２ｎｍ深さより大きいピット層のためのピット密度を有する。この実施例において、ゲート電極は、ＩＩＩＡ－Ｎ族キャップ層２３０ｃ（例えば、ＧａＮ層）と直接接するｐドープされたゲート電極２４５（ｐゲート電極として示される）。図３Ｃは、いずれも同じキャップ層及びバッファスタックを用いる、図３Ａに示すデプリーションモードＨＥＭＴパワーデバイス３００及び図３Ｂに示すエンハンスメントモードＨＥＭＴを含む、例示のＩＣ３８０の断面図である。

【0030】

例示の実施例が更に、以下の例により例示される。

【0031】

キャップ層冷却のためのＮＨ_３／Ｈ_２気体混合物を用いて形成される既知のキャップ層と比べた、ＮＨ_３／Ｎ_２キャップ層冷却を用いて形成されるＳｉ基板上のキャップ層に対してＡＦＭデータが取られた。一例において、ＮＨ_３／Ｎ_２フローレシオは、５０～１５０リットル／分の範囲のＮＨ_３及びＮ_２の２～２０リットル／分のフローで、１：１０である。堆積されると、記載されたＮＨ_３／Ｎ_２キャップ層冷却で処理されたウェハは、幾つかの異なる実施からのウェハからのデータで、一貫して表面ピットがないことを示した。これに対し、既知のＮＨ_３／Ｈ_２キャップ層冷却で処理されたウェハは、幾つかの異なる実施からのウェハから得たデータで、１０ｎｍから～２００ｎｍまでの範囲のサイズで、一貫して、１×１０^１０／ｃｍ^２の表面ピットを示した。

【0032】

キャップ層におけるピットは、欠陥サイトにおいて優先的なエッチングが成されることが分っている後続のエッチング／洗浄の後、悪化し得ることも分かった。ＮＨ_３／Ｎ_２冷却されたキャップ層プロセスからのキャップ層と、キャップ層冷却のためにＮ_２／Ｈ_２気体混合物を用いて形成された既知のキャップ層とを備えるウェハが、２セットの洗浄プロセスを受けた。両方のキャップ層プロセスのためのウェハに対して、ＡＦＭ分析が実施された。ＮＨ_３／Ｎ_２冷却されたキャップ層からのキャップ層を備えるウェハでは、堆積されたピットの深さは、約０．７ｎｍ～１ｎｍであり、２セットの洗浄プロセスの後、約０．７ｎｍ～１ｎｍの深さのままであった。既知のＮＨ_３／Ｈ_２冷却されたプロセスからのキャップ層を備えるウェハでは、堆積されたピットの深さは、約１ｎｍ～３ｎｍであり、その深さは、２セットの洗浄プロセスの後、６ｎｍ～１０ｎｍの深さまで増大された。

【0033】

高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）ＨＥＭＴデバイスデータが得られ、ここで、キャップ層はＧａＮを含んでおり、バッファ層は、Ｎ_２／ＮＨ_３キャップ層冷却を用いて形成されるＡｌＧａＮ、及び既知のＮＨ_３／Ｈ_２キャップ層冷却を用いて形成される制御ＧａＮキャップ層を含んでいた。

【0034】

ＨＴＲＢ欠陥は、ＧａＮキャップ層ピットに起因する信頼性欠陥に関連していた。既知のＮ_２／Ｈ_２キャップ層冷却を用いて形成される制御ＧａＮキャップ層を有するＨＥＭＴは、５％～１０％のバーンイン故障率を有し、ＮＨ_３／Ｎ_２キャップ層冷却を用いて形成されるＧａＮキャップ層を有するＨＥＭＴは、２％未満のＨＴＲＢ欠陥故障率を有していた。

【0035】

例示の実施例は、種々の異なるデバイス及び関連する製品を形成するための種々のアッセンブリフローに統合される得る半導体ダイを形成するために有用である。こういった半導体ダイは、その中に種々の要素を含み得、及び／又はその上に種々の層を含み得、これらには、障壁層、誘電体層、デバイス構造、能動要素、並びに、ソース領域、ドレイン領域、ビットライン、ベース、エミッタ、コレクタ、導電性ライン、及び導電性ビアを含む受動要素、が含まれる。また、こういった半導体ダイは、バイポーラ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ＣＭＯＳ、ＢｉＣＭＯＳ、及びＭＥＭＳを含む種々のプロセスから形成され得る。

【0036】

本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に改変が成され得、他の実施例も可能である。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】