特表2016-522991IP Force 特許公報全文掲載

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】特表2016-522991(P2016-522991A)
(43)【公表日】2016年8月4日
(54)【発明の名称】ガリウム窒化物電界効果トランジスタ
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/338 20060101AFI20160708BHJP
   H01L 29/812 20060101ALI20160708BHJP
   H01L 29/778 20060101ALI20160708BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20160708BHJP
   H01L 29/78 20060101ALI20160708BHJP
   H01L 21/28 20060101ALI20160708BHJP
【FI】
   H01L29/80 M
   H01L29/80 H
   H01L29/78 301B
   H01L29/78 301G
   H01L29/78 301X
   H01L21/28 301B
   H01L21/28 301R
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2016-512994(P2016-512994)
(86)(22)【出願日】2014年5月5日
(85)【翻訳文提出日】2015年12月28日
(86)【国際出願番号】US2014036842
(87)【国際公開番号】WO2014179809
(87)【国際公開日】20141106
(31)【優先権主張番号】13/886,744
(32)【優先日】2013年5月3日
(33)【優先権主張国】US
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US
(71)【出願人】
【識別番号】390020248
【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社
(71)【出願人】
【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)【1名の代理人】
【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】ジュンウォー ジョー
【テーマコード(参考)】
4M104
5F102
5F140
【Fターム(参考)】
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(57)【要約】
半導体層(104)の上にシリコン含有ゲート誘電体層(108)を形成することにより、半導体デバイス(100)が形成され得る。ゲート誘電体層(108)の上にゲート金属層が形成され、ゲート金属層は、形成の間2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含む。ゲート金属層は、金属ゲート(112)を形成するようにパターニングされる。ソース及びドレインコンタクトホール(116)が続いて形成され、コンタクトホール(116)においてコンタクト金属(118)が形成され、パターニングされる。後続のコンタクトアニールが、コンタクト金属(118)及びゲート(112)を少なくとも750℃の温度で少なくとも30秒間加熱する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体デバイスであって、
基板であって、前記基板の頂部表面の上に配置される半導体層を有する、前記基板、
前記半導体層の上に配置され、シリコンを含む、ゲート誘電体層、
前記ゲート誘電体層の上に配置される金属ゲートであって、2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含む、前記金属ゲート、及び
前記金属ゲートに近接するソース及びドレインコンタクトホールに配置されるコンタクト金属、
を含む、半導体デバイス。
【請求項2】
半導体デバイスであって、
基板であって、前記基板の頂部表面の上に配置されるIII−N半導体材料を含む半導体層を有する、前記基板、
前記半導体層の上に配置され、シリコンを含む、ゲート誘電体層、
前記ゲート誘電体層の上に配置される金属ゲートであって、2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含む、前記金属ゲート、及び
前記金属ゲートに近接して配置されるソース及びドレイントンネリングコンタクト、
を含み、
前記ソース及びドレイントンネリングコンタクトが、ソース及びドレインコンタクトホールに配置されるコンタクト金属を有し、前記ソース及びドレインコンタクトホールが、前記III−N半導体材料内に配置される二次元電子ガスへのトンネリング接続を成す、
半導体デバイス。
【請求項3】
請求項2に記載の半導体デバイスであって、前記金属ゲートが4原子パーセント〜6原子パーセントのシリコンを含む、半導体デバイス。
【請求項4】
請求項2に記載の半導体デバイスであって、前記ゲート誘電体層がシリコン窒化物を含む、半導体デバイス。
【請求項5】
請求項2に記載の半導体デバイスであって、前記金属ゲートが少なくとも10パーセントのチタンを含む、半導体デバイス。
【請求項6】
請求項2に記載の半導体デバイスであって、前記金属ゲートがチタンタングステンを含む、半導体デバイス。
【請求項7】
請求項2に記載の半導体デバイスであって、前記コンタクト金属が、前記半導体層に接するチタン層を含む、半導体デバイス。
【請求項8】
請求項7に記載の半導体デバイスであって、前記コンタクト金属が、前記チタン層上に配置されるスパッタされたアルミニウム層を含む、半導体デバイス。
【請求項9】
半導体デバイスを形成するプロセスであって、
基板を提供すること、
前記基板の頂部表面の上に半導体層を形成すること、
前記半導体層の上にゲート誘電体層を形成することであって、前記ゲート誘電体層がシリコンを含むこと、
前記ゲート誘電体層の上に金属ゲートを形成することであって、前記金属ゲートが2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含むこと、
続いて前記基板上にコンタクト金属を形成すること、及び
前記金属コンタクトを少なくとも750℃の温度で少なくとも30秒間アニーリングすること、
を含む、プロセス。
【請求項10】
請求項9に記載のプロセスであって、前記金属ゲートが4原子パーセント〜6原子パーセントのシリコンを含む、プロセス。
【請求項11】
請求項9に記載のプロセスであって、前記ゲート誘電体層がシリコン窒化物を含む、プロセス。
【請求項12】
請求項9に記載のプロセスであって、前記半導体層がIII−N半導体材料を含む、プロセス。
【請求項13】
請求項9に記載のプロセスであって、前記金属ゲートがチタンタングステンを含む、プロセス。
【請求項14】
請求項9に記載のプロセスであって、前記コンタクト金属が、前記半導体層に接するチタン層を含む、プロセス。
【請求項15】
請求項14に記載のプロセスであって、前記コンタクト金属が、前記チタン層上に配置されるスパッタされたアルミニウム層を含む、プロセス。
【請求項16】
請求項9に記載のプロセスであって、アニーリングすることが、前記コンタクト金属を少なくとも800℃の温度で少なくとも30秒間加熱することを含む、プロセス。
【請求項17】
請求項9に記載のプロセスであって、アニーリングすることが、前記コンタクト金属を少なくとも850℃の温度で少なくとも30秒間加熱することを含む、プロセス。
【請求項18】
請求項9に記載のプロセスであって、前記金属ゲートを形成することが、前記金属ターゲットに含まれるシリコンを有する金属ターゲットから金属ゲート層をスパッタリングすることを含む、プロセス。
【請求項19】
請求項9に記載のプロセスであって、前記金属ゲートを形成することが、不活性ガス及びシリコン種を含むスパッタリングガスを用いて、1原子パーセント未満のシリコンを有する金属ターゲットから金属ゲート層をスパッタリングすることを含む、プロセス。
【請求項20】
請求項9に記載のプロセスであって、前記金属ゲートを形成することが、金属ターゲット及び別個のシリコンターゲットから金属ゲート層をスパッタリングすることを含む、プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、概して半導体デバイスに関し、特にガリウム窒化物電界効果トランジスタに関連する。
【背景技術】
【0002】
ガリウム窒化物電界効果トランジスタ(GaN FET)は、絶縁された金属ゲート及びトンネリングソース及びドレインコンタクトを有し得る。信頼性の高いソース及びドレインコンタクトを形成することは、ゲート誘電体層を劣化させる温度でのアニーリングを必要とし得る。
【発明の概要】
【0003】
2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有する金属ゲートを形成することにより、半導体デバイスが形成され得る。金属ゲートは、シリコンを含むゲート誘電体層の上に形成される。後続のコンタクトアニールが、少なくとも750℃の温度で少なくとも30秒間加熱することを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1A】製造の連続する段階で示す半導体デバイスの断面である。
【図1B】製造の連続する段階で示す半導体デバイスの断面である。
【図1C】製造の連続する段階で示す半導体デバイスの断面である。
【図1D】製造の連続する段階で示す半導体デバイスの断面である。
【図1E】製造の連続する段階で示す半導体デバイスの断面である。
【0005】
【図2】2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するGaN FETの金属ゲートを形成するための例示のプロセスを示す。
【図3】2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するGaN FETの金属ゲートを形成するための例示のプロセスを示す。
【図4】2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するGaN FETの金属ゲートを形成するための例示のプロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【0006】
以下は、関連する主題を記載しており、参照のため本願に組み込まれる。米国特許出願番号US 13/886,378、米国特許公開番号US 2014/0042452 A1、米国特許出願番号US 13/886,429(本願と同時に出願のPCT出願TI−71209WOに対応する)、米国特許出願番号US 13/886,652(本願と同時に出願のPCT出願TI−71492WOに対応する)、米国特許出願番号US 13/886,709、及び米国特許出願番号US 13/886,688(本願と同時に出願のPCT出願TI−72417WOに対応する)。
【特許文献1】米国特許出願番号13/886,378
【特許文献2】米国特許公開番号2014/0042452 A1
【特許文献3】米国特許出願番号13/886,429
【特許文献4】米国特許出願番号13/886,652
【特許文献5】米国特許出願番号13/886,709
【特許文献6】米国特許出願番号13/886,688
【0007】
半導体層の上に、シリコン窒化物などのシリコン含有ゲート誘電体層を形成することにより、半導体デバイスが形成され得る。ゲート誘電体層の上にゲート金属層が形成され、ゲート金属層は、形成の間2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含む。ゲート金属層は、金属ゲートを形成するようにパターニングされる。コンタクト金属が、形成され、また場合によっては、ソース及びドレインコンタクトを形成するようにパターニングされる。後続のコンタクトアニールが、コンタクト金属及びゲートを少なくとも750℃の温度で少なくとも30秒間加熱する。
【0008】
III−N半導体材料は、III族(ボロン族)要素(ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウム)がその半導体材料における原子の一部を提供し、窒素原子がその残りを提供する材料である。III−N半導体材料の例は、ガリウム窒化物、ボロンガリウム窒化物、アルミニウムガリウム窒化物、インジウム窒化物、及びインジウムアルミニウムガリウム窒化物である。III−N材料は、可能な化学量の範囲を示すために可変の下付添え字と共に書くことができる。例えば、アルミニウムガリウム窒化物はAlxGa1−xNと書くことができ、インジウムアルミニウムガリウム窒化物はInxAlyGa1−x−yNと書くことができる。GaN FETは、III−N半導体材料を含む電界効果トランジスタの一例である。
【0009】
スパッタリングによって形成されるアルミニウム(スパッタされたアルミニウム)の一例において、スパッタされたアルミニウムは更に、アルミニウムのエレクトロマイグレーション特性を改善するように、数パーセントまでの、銅、シリコン、チタン、及び/又はその他の要素を含む。
【0010】
図1A〜図1Eは製造の連続段階で示した半導体デバイスの断面である。図1Aを参照すると、半導体デバイス100が基板102上に形成され、基板102は、例えば、ガリウム窒化物の非意図的にドープされた層であり得る頂部表面においてIII−N半導体材料の低欠陥層を有し得る。基板102の頂部表面上にIII−N半導体材料の障壁層104が形成される。障壁層104は、2〜30ナノメートルの厚みのAlxGa1−xN又はInxAlyGa1−x−yNを含み得る。基板102の頂部表面におけるIII−N半導体材料の低欠陥層上の障壁層104を形成することで、例えば、1×1012〜2×1013cm−2の電子密度で、障壁層104のすぐ下の低欠陥層に二次元電子ガスが生成される。障壁層104の上に、2〜5ナノメートルのガリウム窒化物の任意選択のキャップ層106が形成され得る。
【0011】
障壁層104の上に、及び存在する場合キャップ層106の上に、シリコン含有ゲート誘電体層108が形成される。ゲート誘電体層108は、例えば、低圧化学気相成長(LPCVD)又はプラズマエンハンスト化学気相成長(PECVD)によって形成される10〜20ナノメートルのシリコン窒化物であり得る。本例のその他のバージョンにおいて、ゲート誘電体層108は、シリコン窒化物、二酸化シリコン、及び/又はシリコンオキシナイトライドの1つ又は複数の層を含み得る。
【0012】
フィールド誘電体110の層が、ゲート誘電体層108上に形成され、半導体デバイス100のチャネル領域に近接して傾斜した端部を有するようにパターニングされる。フィールド誘電体110は、例えば、LPCVD又はPECVDによって形成される、100〜300ナノメートルのシリコン窒化物を含み得る。金属ゲート112が、チャネル領域の上に、及びフィールド誘電体110の傾斜した端部に重なって、ゲート誘電体層108上に形成される。金属ゲート112は、少なくとも10パーセントのチタン、例えばチタンタングステン合金、を含み得る。金属ゲート112は更に、2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを含む。金属ゲート112は、例えば、エッチングプロセス又はリフトオフプロセスにより形成され得る。
【0013】
図1Bを参照すると、金属ゲート112、フィールド誘電体110、及びゲート誘電体層108の上にパッシベーション誘電体層114が形成される。パッシベーション誘電体層114は、例えば、PECVDによって形成される200〜300ナノメートルのシリコン窒化物を含み得る。ソース及びドレインコンタクトホール116が、パッシベーション誘電体層114、ゲート誘電体層108、及びキャップ層106を介して、及び二次元電子ガスに近接する障壁層104内に、エッチングされる。ソース及びドレインコンタクトホール116は1〜10ミクロン幅であり得る。
【0014】
図1Cを参照すると、コンタクト金属118が、ソース及びドレインコンタクトホール116内に形成され、パターニングされる。コンタクト金属118は、例えば、ソース及びドレインコンタクトホール116内にスパッタされた40〜100ナノメートル厚みのチタンの層120、チタン層120上に形成される50〜200ナノメートル厚みのスパッタされたアルミニウムの層122、及び、物理気相成長(PVD)としても知られている反応性スパッタリングにより、スパッタされたアルミニウム層122上に形成される30〜80ナノメートル厚みのチタン窒化物の層124を含み得る。本例の1つのバージョンにおいて、コンタクト金属118は、ソース及びドレインコンタクトホール116の各々において開口キャビティを提供するように形成される。ソース及びドレインコンタクトホール116及びコンタクト金属118を形成する前に金属ゲート112及びパッシベーション誘電体層114を形成することは、金属ゲート112と干渉することなくコンタクト金属118がパッシベーション誘電体層114の頂部表面に重なり得るため、一層近いゲート・ソース間隔と一層大きな製造プロセス許容範囲とを有利に可能にする。本例の代替のバージョンにおいて、III−N半導体材料の既存の頂部表面上にコンタクト金属118が形成されるように、ソース及びドレインコンタクトホール116の形成は省かれ得る。
【0015】
図1Dを参照すると、コンタクトアニールプロセス126が、コンタクト金属118を少なくとも30秒間少なくとも750℃まで加熱する。コンタクトアニールプロセス126は、電気的接続のインピーダンスを低減することにより、及び電気的接続を一層オーミックにすること、即ち、電気的接続の電流電圧関係を一層線形にすることにより、コンタクト金属118と二次元電子ガスとの間の電気的接続を改善する。コンタクトアニールプロセス126の温度を上げることで、電気的接続が更に改善される。本実施例の1つのバージョンにおいて、コンタクトアニールプロセス126は、コンタクト金属118を少なくとも30秒間少なくとも800℃まで加熱する。別のバージョンにおいて、コンタクトアニールプロセス126は、コンタクト金属118を少なくとも30秒間少なくとも850℃まで加熱する。更なるバージョンにおいて、コンタクトアニールプロセス126は、コンタクト金属118を少なくとも30秒間少なくとも900℃まで加熱する。コンタクトアニールプロセス126は、例えば、白熱電球を用いて半導体デバイス100を加熱する急速サーマルプロセッサ(RTP)ツールにおいて実施され得る。2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するように金属ゲート112を形成することで、シリコン含有ゲート誘電体層108から金属ゲート112へのシリコンの正味(net)のフローが低減され、それにより、ゲート誘電体層108の誘電体完全性(integrity)が有利に改善される。
【0016】
図1Eを参照すると、コンタクト金属118上に第1のメタライゼーション層128が形成される。第1のメタライゼーション層128は、例えば、スパッタされたチタンタングステンの50〜150ナノメートルの接着層130、接着層130上に形成される200〜500ナノメートルのスパッタされたアルミニウムのメイン金属層132、及びメイン金属層132上に形成される20〜40ナノメートルのチタン窒化物の抗反射(anti-refection)層134を含み得る。第1のメタライゼーション層128は、ソース及びドレインコンタクトホール116に重なるようにパターニングされる。
【0017】
図2〜図4は、2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するGaN FETの金属ゲートを形成するための例示のプロセスを示す。図2を参照すると、半導体デバイス200の基板202が、スパッタリングツール236内に配置される。スパッタリングツール236は、金属ターゲット238に含まれるシリコンを有する金属ターゲット238を含む。金属ターゲット238と基板202との間のスパッタリングツール236に、アルゴンなどのスパッタリングガス240が導入される。プラズマがスパッタリングガス240に形成され、電気的バイアスが金属ターゲット238に印加され、そのため、金属ターゲット238から基板202上に金属及びシリコンがスパッタされて、基板202上にシリコンを含む金属ゲート層242が形成される。金属ゲート層242が2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するように、金属ターゲット238におけるシリコンの濃度が選択される。金属ゲート層242が所望の厚みまで形成された後、金属ゲート層242は、図1A〜図1Eに示した金属ゲート112などの金属ゲートを形成するようにパターニングされ得る。
【0018】
図3を参照すると、半導体デバイス300の基板302が、スパッタリングツール336内に配置される。スパッタリングツール336は、1原子パーセント未満のシリコンを有する金属ターゲット338を含む。アルゴンなどの不活性ガス及びシランなどのシリコン種344を含むスパッタリングガス340が、金属ターゲット338と基板302との間のスパッタリングツール336に導入される。プラズマがスパッタリングガス340に形成され、電気的バイアスが金属ターゲット338に印加され、そのため、金属が金属ターゲット338から基板302上にスパッタされ、シリコン種344からのシリコンが、スパッタされた金属に含まれて、基板302上のシリコンを含む金属ゲート層342が形成される。金属ゲート層342が2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するように、圧力及びシリコン種344の流量が選択される。金属ゲート層342が所望の厚みまで形成された後、金属ゲート層342は、図1A〜図1Eに示した金属ゲート112などの金属ゲートを形成するようにパターニングされ得る。
【0019】
図4を参照すると、半導体デバイス400の基板402が、スパッタリングツール436内に配置される。スパッタリングツール436は、金属ターゲット438及び別個のシリコンターゲット446を含む。アルゴンなどのスパッタリングガス440が、金属ターゲット438及びシリコンターゲット446と基板402との間のスパッタリングツール436に導入される。プラズマがスパッタリングガス440に形成され、電気的バイアスが金属ターゲット438に及びシリコンターゲット446に印加され、そのため、金属及びシリコンが、それぞれ、金属ターゲット438及びシリコンターゲット446から基板402上にスパッタされて、基板402上のシリコンを含む金属ゲート層442が形成される。本実施例の1つのバージョンにおいて、基板402は、ターゲット438及び446両方において同時にスパッタリングが起こる一方で、金属ゲート層442の形成の間金属ターゲット438及びシリコンターゲット446に対して静止したままであり得る。別のバージョンにおいて、基板402は、基板402上に主として金属がスパッタされる金属ターゲット438の下の第1の位置と、基板402上に主としてシリコンがスパッタされるシリコンターゲット446の下の第2の位置との間を交互に動き得る。金属ターゲット438及びシリコンターゲット446からのスパッタ速度などのプロセスパラメータは、金属ゲート層442が2原子パーセント〜10原子パーセントのシリコンを有するように選択される。金属ゲート層442が所望の厚みまで形成された後、金属ゲート層442は、図1A〜図1Eに示した金属ゲート112などの金属ゲートを形成するようにパターニングされ得る。
【0020】
当業者であれば、本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得ること、及び多くの他の実施例が可能であることが分かるであろう。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図2】
【図3】
【図4】
【国際調査報告】

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