JP5255743B2 - 炭化ケイ素金属半導体電界効果トランジスタ及び炭化ケイ素の金属半導体電界効果トランジスタを製造する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、マイクロ電子装置に関し、より詳細には、炭化ケイ素内に形成された金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET)に関する。
無線周波数(500MHz)、S−帯域(3GHz)、及びX−帯域(10GHz)のような高周波数で動作する、高電力取扱い能力(20ワット以上)を必要とする電気回路は、近年より多く普及するようになってきた。高電力で高周波数の回路が増加したため、高電力の負荷を取り扱うことができると共に、無線周波数以上の周波数で信頼性高く動作することができるトランジスタに対する需要が対応して高まっている。これまでは、バイポーラトランジスタ及びパワー金属酸化膜半導体の電界効果トランジスタ(MOSFET)は高電力の用途に使用されてきたが、そのような素子の電力取扱い能力は高い動作周波数においては限定されている。接合型電界効果トランジスタ(JFET)は、一般に、高周波数の用途に使用されていたが、従来周知のJFETの電力取扱い能力はやはり限定される。
本発明の実施形態は、深いレベルのドーパントがほとんど存在しない半絶縁性のSiC基板上に形成されたSiCのMESFETを提供する。そのような半絶縁性の基板上にSiCのMESFETを形成することにより、基板内に深いレベルのドーパントが存在することから結果として発生するバックゲート効果(back-gating effect)が減少されて、性能が改善される。本発明の実施形態に基づいてMESFETを形成する場合、n型、p型又は未ドープのSiCのバッファ層を、そのような半絶縁性のSiC基板と共に使用することができる。
本発明の種々の実施形態を例証する図面を参照して、本発明をここで説明する。図面に示すように、層又は領域の寸法は説明の目的のために誇張されており、このため、本発明の全体的な構造体を説明している。さらに、基板又は別の層の上に形成されている層を参照して、本発明の種々の態様を説明する。当業者は理解するように、他の層又は基板上に形成されている層に言及することは、別の層が介在することを企図している。介在する層なしで他の層又は基板上に形成された層に言及することは、層又は基板上に「直接的に」存在するとして、本願では説明される。同様の番号は、全体を通して同じ素子を示している。
Claims (52)
- 炭化ケイ素基板と、
前記基板上のn型導電性炭化ケイ素のn型エピタキシャル層と、
前記n型エピタキシャル層上の、それぞれソース及びドレインを規定するオーム接点と、
前記n型エピタキシャル層上のn型炭化ケイ素のキャップ層であって、第1の凹部と、前記第1の凹部の中の前記n型エピタキシャル層内の第2の凹部とを内部に含み、前記第2の凹部は前記第1の凹部よりも幅が狭いn型炭化ケイ素のキャップ層と、
前記オーム接点間すなわち前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層上のショットキー金属接点であって、前記ショットキー金属接点にバイアスが印加されると前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層内にアクティブチャネルを形成する、前記n型エピタキシャル層内の前記第2の凹部の中のショットキー金属接点と、
を備えることを特徴とする金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型エピタキシャル層と前記キャップ層とがほぼ同じキャリア濃度を有することを特徴とする請求項1に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型エピタキシャル層内の前記凹部が20nmから120nmの深さに伸びることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記キャップ層のドーパントレベルが1×1015cm-3から5×1017cm-3であることを特徴とする請求項1に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記キャップ層の厚さが50nmから300nmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記ショットキー金属接点がプラチナ及び金の上部層をさらに含むことを特徴とする前記の請求項のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記ショットキー金属接点がキノコ形のゲートであることを特徴とする請求項1に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記キノコ形のゲートが前記第2の凹部に対して自己整列することを特徴とする請求項7に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記基板と前記n型エピタキシャル層との間に未ドープの炭化ケイ素のバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記基板と前記n型エピタキシャル層との間にn型の導電性炭化ケイ素のバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記基板が半絶縁性の炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記半絶縁性基板が、前記基板の抵抗率を支配するレベルより低い、深いレベルのドーパントを有することを特徴とする請求項11に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記半絶縁性の炭化ケイ素基板が1×1016cm-3未満の重金属、遷移元素、及び深いレベルのトラッピング元素を含むことを特徴とする請求項11に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記半絶縁性の炭化ケイ素基板が1×1014cm-3未満の重金属、遷移元素、及び深いレベルのトラッピング元素を含むことを特徴とする請求項11に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記オーム接点が前記n型エピタキシャル層の直ぐ上に存在することを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型エピタキシャル層と前記オーム接点との間にn+の炭化ケイ素の領域をさらに含むことを特徴とする前記の請求項のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記オーム接点が前記n型エピタキシャル層の直ぐ上にニッケル接点を含むことを特徴とする請求項15に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記オーム接点及び前記ショットキー金属接点の上に上部層をさらに備えることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型エピタキシャル層が、前記トランジスタの周辺部を規定する、前記n型層を通って伸びる側壁を有するメサを形成することを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記基板と前記n型エピタキシャル層との間にp型炭化ケイ素のバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記p型エピタキシャル層のキャリア濃度が3×1016から5×1016cm-3であることを特徴とする請求項20に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型エピタキシャル層及びp型エピタキシャル層が、前記トランジスタの周辺部を規定する、前記n型層から前記p型層に伸びる側壁を有するメサを形成することを特徴とする請求項20に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記メサが、前記基板及び前記基板内に伸びる前記メサの側壁をさらに含むことを特徴とする請求項19又は22のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記メサの側壁及び前記n型エピタキシャル層の露出部上に保護層をさらに含むことを特徴とする請求項19、22又は23のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記n型層の反対側の前記基板上に金属被覆部をさらに含むことを特徴とする請求項1〜24のいずれかに記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記金属被覆部が、AuGeの共融合金の上部層でコートされたチタン、プラチナ及び金の層を含むことを特徴とする請求項25に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記基板と前記n型エピタキシャル層との間に未ドープの炭化ケイ素のバッファ層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記p型バッファ層に対するオーム接点をさらに含むことを特徴とする請求項20に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記p型バッファ層内にp+炭化ケイ素の井戸領域をさらに含み、かつ前記オーム接点が前記p+井戸領域上に形成されることを特徴とする請求項28に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記p型エピタキシャル層が、
第1のp型層と、
第2のp型層とを備え、前記第1のp型層のドーピング濃度が前記第2のp型層のドーピング濃度よりも高い、
ことを特徴とする請求項29に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 金属半導体電界効果トランジスタであって、
深いレベルのドーパントをほとんど含んでいない半絶縁性の炭化ケイ素基板と、
前記半絶縁性の炭化ケイ素基板上の炭化ケイ素のバッファ層と、
前記バッファ層上の炭化ケイ素のn型エピタキシャル層と、
前記n型エピタキシャル層上の、それぞれソース及びドレインを規定するオーム接点と、
前記ソース接点と前記ドレイン接点との間に第1の凹部を有し、前記第1の凹部内の前記n型エピタキシャル層の中に前記第1の凹部よりも幅が狭い第2の凹部を有する、前記n型エピタキシャル層上のn型炭化ケイ素のキャップ層と、
前記オーム接点間すなわち前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層上のショットキー金属接点であって、バイアスが印加されると前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層内にアクティブチャネルを形成し、
前記第2の凹部内の前記n型エピタキシャル層上にクロム層を含む、ショットキー金属接点と、
メサの側壁及び前記n型エピタキシャル層の露出部上のONO保護層と、
を備え、
前記n型エピタキシャル層は、前記トランジスタの周辺部を規定する、前記n型層内に伸びる前記側壁を有する前記メサを形成する、
ことを特徴とする金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記バッファ層が前記基板と前記n型エピタキシャル層との間の、キャリア濃度が1×1016から1×1017cm-3に選択的にドープされたp型導電性炭化ケイ素のp型エピタキシャル層を含むことを特徴とする請求項31に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 前記バッファ層が未ドープの炭化ケイ素を含むことを特徴とする請求項31に記載の金属半導体電界効果トランジスタ。
- 金属半導体電界効果トランジスタを形成する方法であって、
炭化ケイ素の基板上にn型導電性炭化ケイ素のn型エピタキシャル層を形成するステップと、
前記n型エピタキシャル層上に、それぞれソース及びドレインを規定するオーム接点を形成するステップと、
前記n型エピタキシャル層上にn型炭化ケイ素のキャップ層を形成するステップと、
前記キャップ層内に第1の凹部を形成するステップと、
前記n型エピタキシャル層内の、前記キャップ層の中の前記第1の凹部内に前記第1の凹部よりも幅が狭い第2の凹部を形成するステップと、
前記オーム接点間すなわち前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層内の前記第2の凹部内に、バイアスが印加されると前記ソースと前記ドレインとの間の前記n型エピタキシャル層内にアクティブチャネルを形成するショットキー金属接点を形成するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
- 前記n型エピタキシャル層を形成するステップ及び前記キャップ層を形成するステップが、1つの成長ステップの中で前記n型エピタキシャル層及び前記キャップ層をエピタキシャル成長させるステップを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記1つの成長ステップにおけるn型ドーパントの濃度が、前記キャップ層を成長させるために変更されることを特徴とする請求項35に記載の方法。
- 前記キャップ層の中に前記第1の凹部を形成するステップが、前記第1の凹部を形成するために前記キャップ層をパターニングするステップを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記キャップ層及び前記n型エピタキシャル層を貫通して伸びる側壁を有するメサを形成するステップをさらに含み、
前記第1の凹部を形成するために前記キャップ層をパターニングするステップの後に、
前記メサ及び前記第1の凹部の露出面上にONO保護層を形成するステップと、
前記ONO保護層内の、前記第1の凹部の中にゲートウィンドウを形成するステップと、
前記n型エピタキシャル層内に第2の凹部を形成するステップと、
前記第2の凹部内にゲート接点を形成するステップと、
が続くことを特徴とする請求項35に記載の方法。
- 前記ONO保護層を形成するステップが、
H2環境で前記基板、前記p型エピタキシャル層及び前記n型エピタキシャル層の露出部を高温アニールするステップと、
前記基板、前記p型エピタキシャル層及び前記n型エピタキシャル層の前記露出部上にSiO2層を形成するステップと、
前記SiO2層をアルゴン環境でアニールするステップと、
前記SiO2層を酸化するステップと、
前記酸化されたSiO2層上にSi3N4の層を蒸着するステップと、
前記Si3N4の層を酸化するステップと、
を含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。
- 前記酸化されたSiO2層上に前記Si3N4の層を蒸着するステップが、NO環境において酸化されたSiO2層をアニールするステップにより先行されることを特徴とする請求項39に記載の方法。
- 前記ゲート接点を形成するステップが、前記ONO保護層をマスクとして利用して前記第2の凹部内にゲート接点を形成するステップを含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。
- 前記第2の凹部内に前記ゲート接点を形成するステップが、前記第2の凹部の中にキノコ形のゲート構造体を形成するステップを含むことを特徴とする請求項41に記載の方法。
- 前記ゲートウィンドウを形成するステップ及び第2の凹部を形成するステップが、電子サイクロトロン共鳴及び誘導結合プラズマエッチングの少なくとも1つによって、前記ONO保護層を貫通して前記n型エピタキシャル層内にエッチングすることにより実行されることを特徴とする請求項38に記載の方法。
- 前記基板を形成するステップが、深いレベルのドーパントがほとんどない半絶縁性のSiC基板を形成するステップを含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記基板と前記n型エピタキシャル層との間にバッファ層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記バッファ層を形成するステップが、未ドープの炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項45に記載の方法。
- 前記バッファ層を形成するステップが、n型炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項45に記載の方法。
- 前記バッファ層を形成するステップが、p型炭化ケイ素のエピタキシャル層を形成するステップを含むことを特徴とする請求項45に記載の方法。
- 前記p型エピタキシャル層を形成するステップが、
前記基板上に第1のp型エピタキシャル層を形成するステップと、
前記第1のp型エピタキシャル層上に、ドーパント濃度が前記第1のp型エピタキシャル層よりも低い第2のp型エピタキシャル層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項46に記載の方法。
- 前記p型エピタキシャル層にオーム接点を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項48に記載の方法。
- キャリア濃度が前記p型エピタキシャル層よりも高いp型導電性の炭化ケイ素の領域を設けるために、前記p型エピタキシャル層内にp型のドーパントを注入するステップをさらに含み、
前記オーム接点を形成するステップが、前記注入された領域上にオーム接点を形成するステップを含む、
ことを特徴とする請求項50に記載の方法。
- 前記オーム接点を形成するステップが、
前記キャップ層とMESFETのソース領域に隣接する領域内の前記n型エピタキシャル層とを貫通してグラウンド接点ウィンドウをエッチングするステップと、
前記グラウンド接点ウィンドウ内にオーム接点を形成するステップと、
を含むことを特徴とする請求項50に記載の方法。
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