JP2007150106A - Group iii nitride semiconductor substrate - Google Patents

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Yasuhiro Murase
康裕 村瀬
Kazuki Ota
一樹 大田
Hironobu Miyamoto
広信 宮本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III nitride semiconductor substrate capable of sustaining a clean condition of the surface of an electron supplying layer with a gate electrode formed during a manufacturing of a group III nitride semiconductor system HJFET, and at the same time, having an effective structure for controlling a state of the interface with the surface protective film for covering the electron supplying layer existing between the gate electrode and the drain electrode. <P>SOLUTION: After the formation of the group III nitride semiconductor layer structure including a hetero junction used for the group III nitride semiconductor system HJFET, without exposed to an atmospheric air, without interruption, the nitride insulating film available for the surface protective film is formed. An impurity concentration of the interface between the nitride insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure of the nitride semiconductor substrate is limited to not more than 1×10<SP>17</SP>atoms/cm<SP>3</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、二次元キャリアガスを利用する電界効果トランジスタの作製に利用可能なIII族窒化物半導体基板に関するものである。特に、III族窒化物半導体層構造の表面に、その成長後、大気に曝すことなく、表面保護膜として利用される絶縁膜による被覆を施す製造プロセスを適用して製造されている、二次元電子ガスを利用する電界効果トランジスタの作製に利用可能なIII族窒化物半導体基板に関するものである。   The present invention relates to a group III nitride semiconductor substrate that can be used to manufacture a field effect transistor using a two-dimensional carrier gas. In particular, two-dimensional electrons are manufactured by applying a manufacturing process in which the surface of a group III nitride semiconductor layer structure is coated with an insulating film used as a surface protective film without being exposed to the atmosphere after its growth. The present invention relates to a group III nitride semiconductor substrate that can be used for manufacturing a field effect transistor using a gas.

GaNをはじめとするIII族窒化物半導体は、GaAs系半導体に比べて大きなバンドギャップ(Eg)、高い絶縁破壊電界強度(EB)、そして大きな電子の飽和ドリフト速度を有している。これらの特徴を利用して、III族窒化物半導体は、高温動作、高速スイッチング動作、大電力動作等の点で優れた性能を示す電界効果トランジスタ(FET)などの電子素子を実現する半導体材料として期待を集めている。 Group III nitride semiconductors such as GaN have a larger band gap (Eg), a higher breakdown field strength (E B ), and a higher electron saturation drift velocity than GaAs-based semiconductors. Utilizing these features, III-nitride semiconductors are used as semiconductor materials to realize electronic devices such as field effect transistors (FETs) that exhibit excellent performance in terms of high-temperature operation, high-speed switching operation, and high-power operation. I have high expectations.

また、III族窒化物半導体は、圧電性を有するため、ヘテロ接合構造によって、格子定数の差異に起因する歪み応力が印加されると、自発分極とピエゾ分極に由来して、ヘテロ接合の界面に高濃度二次元キャリアガスが生成される。一方、GaAs系半導体電界効果トランジスタでは、例えば、GaAs系HEMTでは、キャリア供給層の不純物ドーピングによって、ヘテロ接合界面の二次元キャリアガスを生成する機構を利用している。従って、III族窒化物半導体のヘテロ接合を利用する、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero−Junction Field Effect Transistor:以下HJFETと称する)は、GaAs系HEMTとは異なった機構により、素子動作が可能であるという特徴を持っている。   In addition, since group III nitride semiconductors have piezoelectricity, when a strain stress due to a difference in lattice constant is applied due to the heterojunction structure, it originates from spontaneous polarization and piezopolarization, resulting in the heterojunction interface. A highly concentrated two-dimensional carrier gas is generated. On the other hand, in a GaAs-based semiconductor field effect transistor, for example, a GaAs-based HEMT uses a mechanism that generates a two-dimensional carrier gas at a heterojunction interface by impurity doping in a carrier supply layer. Therefore, a hetero-junction field effect transistor (hereinafter referred to as HJFET) using a heterojunction of a group III nitride semiconductor can operate by a mechanism different from that of a GaAs HEMT. It has the characteristics.

AlGaN/GaN HEMTのようなIII族窒化物半導体素子においては、自発分極とピエゾ分極に由来する、ヘテロ接合部における二次元キャリアガスの生成に伴って、半導体層構造表面に負電荷が誘起される。誘起された表面負電荷が表面準位にトラップされると、これがトランジスタの諸特性に大きな影響を及ぼす。そのため、III族窒化物半導体系HJFETにおいては、表面負電荷の制御技術の開発と、表面状態が制御された基板開発が重要である。以下、この点について説明する。   In a group III nitride semiconductor device such as AlGaN / GaN HEMT, negative charges are induced on the surface of the semiconductor layer structure as a result of generation of two-dimensional carrier gas at the heterojunction resulting from spontaneous polarization and piezoelectric polarization. . When the induced surface negative charge is trapped in the surface level, this greatly affects various characteristics of the transistor. Therefore, in the group III nitride semiconductor HJFET, it is important to develop a negative surface charge control technique and a substrate whose surface state is controlled. Hereinafter, this point will be described.

キャリア供給層/チャネル層として機能する、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体の積層構造では、ピエゾ分極等により、ヘテロ接合界面のチャネル層側に高濃度のキャリア(二次元電子ガス)が蓄積される。一方、AlGaN等のキャリア供給層では、半導体層表面に負電荷が発生することが知られている(非特許文献1)。チャネル層中に蓄積される高濃度のキャリアに加えて、表面に局在する負電荷も、ドレイン電流に直接影響を及ぼし、素子性能に大きな影響を有している。具体的には、表面に多量の負電荷が発生すると、交流動作時の最大ドレイン電流は、直流動作時の最大ドレイン電流に比べて、大きな低下を示す。この現象を以下、「電流コラプス」と称する。GaAs系半導体のへテロ接合においては、圧電性に起因する、自発分極とピエゾ分極に由来する分極電荷の発生は極めて僅かであり、GaAs系HEMTでは、電流コラプスの現象は観測されない。圧電性を有するIII族窒化物半導体のヘテロ接合を利用する素子、すなわち、AlGaN/GaN HEMTのようなIII族窒化物半導体素子において、電流コラプスは顕著に見出される。   In a III-nitride semiconductor layered structure including a heterojunction that functions as a carrier supply layer / channel layer, high-concentration carriers (two-dimensional electron gas) are accumulated on the channel layer side of the heterojunction interface due to piezoelectric polarization or the like. The On the other hand, it is known that a negative charge is generated on the surface of a semiconductor layer in a carrier supply layer such as AlGaN (Non-Patent Document 1). In addition to high-concentration carriers accumulated in the channel layer, negative charges localized on the surface also directly affect the drain current and have a great influence on device performance. Specifically, when a large amount of negative charge is generated on the surface, the maximum drain current during AC operation shows a significant decrease compared to the maximum drain current during DC operation. This phenomenon is hereinafter referred to as “current collapse”. In a heterojunction of a GaAs-based semiconductor, the generation of polarization charge due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization due to piezoelectricity is extremely small, and no current collapse phenomenon is observed in a GaAs-based HEMT. Current collapse is remarkably found in a device utilizing a heterojunction of a group III nitride semiconductor having piezoelectricity, that is, a group III nitride semiconductor device such as an AlGaN / GaN HEMT.

表面準位にトラップされている、表面の負電荷に起因する「電流コラプス」の問題への対策としては、従来、半導体層表面に保護層を形成することで、表面準位の低減がなされている。保護膜を設けず、半導体層表面が大気中に露出している構造では、表面準位が高い面密度で存在する結果、「電流コラプス」が顕著となる。特に、高電圧印加時に充分なドレイン電流が得られず、大電力動作を目標として、III族窒化物半導体材料を採用することの利点が発揮されない。また、表面保護膜による電流コラプス抑制の効果は、用いる保護膜の材料に依存している。例えば、GaAs系FETにおいて、表面保護膜として汎用される酸化膜を使用する場合、窒化物半導体に特有の「電流コラプス」の抑制には、十分な効果が得られない。一方、SiNは、AlGaN/GaN HEMTのようなIII族窒化物半導体素子において、「電流コラプス」の抑制効果があり、現在でも、表面保護膜材料として広く用いられている。   As a countermeasure against the problem of “current collapse” caused by negative charge on the surface trapped in the surface level, the surface level has been conventionally reduced by forming a protective layer on the surface of the semiconductor layer. Yes. In a structure in which the protective layer is not provided and the surface of the semiconductor layer is exposed to the atmosphere, the “current collapse” becomes remarkable as a result of the surface state being present at a high surface density. In particular, a sufficient drain current cannot be obtained when a high voltage is applied, and the advantages of employing a group III nitride semiconductor material for high power operation are not exhibited. Further, the effect of suppressing current collapse by the surface protective film depends on the material of the protective film to be used. For example, when an oxide film that is widely used as a surface protective film is used in a GaAs-based FET, a sufficient effect cannot be obtained in suppressing “current collapse” unique to a nitride semiconductor. On the other hand, SiN has an effect of suppressing “current collapse” in a group III nitride semiconductor device such as AlGaN / GaN HEMT, and is still widely used as a surface protective film material.

以下、表面保護膜を有する、従来のIII族窒化物半導体のHJFETの一例について説明する。   Hereinafter, an example of a conventional group III nitride semiconductor HJFET having a surface protective film will be described.

図4は、従来のAlGaN/GaN HJFETを作製するために用いる窒化物半導体基板の構成を示す断面図である。図4に示す窒化物半導体基板においては、サファイア基板209の上に、AlNからなるバッファ層211、GaNチャネル層212およびAlGaN電子供給層213がこの順で積層されている。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a nitride semiconductor substrate used for manufacturing a conventional AlGaN / GaN HJFET. In the nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4, a buffer layer 211 made of AlN, a GaN channel layer 212, and an AlGaN electron supply layer 213 are laminated on a sapphire substrate 209 in this order.

次に、図4に示す、従来の窒化物半導体基板の製造方法の一例を説明する。まず、サファイア製基板209上に、例えば、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)成長法や有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)成長法等を利用して、窒化物半導体層を順次成長させる。基板側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層211(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層212(膜厚2μm)、およびアンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層213(膜厚25nm)を積層して、窒化物半導体基板が得られる。AlGaN電子供給層213を形成した後、窒化物半導体基板は、成膜装置から取り出され、次のデバイス作製の工程に移る。   Next, an example of a conventional method for manufacturing a nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 will be described. First, a nitride semiconductor layer is formed on a sapphire substrate 209 by using, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) growth method or a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) growth method. Grow sequentially. In order from the substrate side, a buffer layer 211 (thickness 20 nm) made of undoped AlN, an undoped GaN channel layer 212 (thickness 2 μm), and an AlGaN electron supply layer 213 (thickness 25 nm) made of undoped AlGaN are stacked, A nitride semiconductor substrate is obtained. After the AlGaN electron supply layer 213 is formed, the nitride semiconductor substrate is taken out of the film forming apparatus and proceeds to the next device manufacturing process.

図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて作製した、AlGaN/GaN HJFETの構成の一例を図5に示す。従来の窒化物半導体基板のAlGaN電子供給層213上に、ソース電極201とドレイン電極203とが形成されている。ソース電極201とドレイン電極203は、AlGaN電子供給層213とオーム性接触している。また、ソース電極201とドレイン電極203の間にゲート電極202が形成されている。ゲート電極202は、AlGaN電子供給層213にショットキー性接触している。ゲート電極202を形成後、AlGaN電子供給層213表面を被覆する、表面保護膜として、SiN膜221が形成されている。図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETでは、表面保護膜として、SiN膜を設けることにより、「電流コラプス」が大幅に抑制されることが報告されている(非特許文献2)。   An example of the structure of an AlGaN / GaN HJFET manufactured using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 is shown in FIG. A source electrode 201 and a drain electrode 203 are formed on an AlGaN electron supply layer 213 of a conventional nitride semiconductor substrate. The source electrode 201 and the drain electrode 203 are in ohmic contact with the AlGaN electron supply layer 213. A gate electrode 202 is formed between the source electrode 201 and the drain electrode 203. The gate electrode 202 is in Schottky contact with the AlGaN electron supply layer 213. After the gate electrode 202 is formed, a SiN film 221 is formed as a surface protective film that covers the surface of the AlGaN electron supply layer 213. In the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5, it is reported that “current collapse” is significantly suppressed by providing a SiN film as a surface protective film (Non-patent Document 2).

次に、図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETを作製する方法の一例について説明する。窒化物半導体基板のGaNチャネル層212が露出するまでエピタキシャル層構造の一部をエッチング除去することにより、素子間分離メサ(不図示)を形成する。そして、AlGaN電子供給層213上の所定の領域に開口部を有するフォトレジスト・マスクを形成する。その後、全面に、例えば、Ti/Al等の金属を蒸着し、リフトオフ法等を用いて、AlGaN電子供給層213上の所定の領域に、ソース電極201とドレイン電極203用のTi/Al等の金属蒸着膜を残す。そして、Ti/Al等の金属蒸着膜を650℃でアニールすることにより、ソース電極201とドレイン電極203とAlGaN電子供給層213との間にオーム性接合を形成する。   Next, an example of a method for producing an AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 will be described. An element isolation mesa (not shown) is formed by etching away a part of the epitaxial layer structure until the GaN channel layer 212 of the nitride semiconductor substrate is exposed. Then, a photoresist mask having an opening in a predetermined region on the AlGaN electron supply layer 213 is formed. Thereafter, for example, a metal such as Ti / Al is deposited on the entire surface, and Ti / Al or the like for the source electrode 201 and the drain electrode 203 is formed in a predetermined region on the AlGaN electron supply layer 213 using a lift-off method or the like. Leave metal deposited film. Then, an ohmic junction is formed between the source electrode 201, the drain electrode 203, and the AlGaN electron supply layer 213 by annealing a metal vapor deposition film such as Ti / Al at 650 ° C.

再び、ソース電極201とドレイン電極203との間に配置するゲート電極202の形状に合わせて、開口部を有するフォトレジスト・マスクを形成する。その後、全面に、例えば、ゲート電極用の金属膜として、Ni(上層)/Au(下層)を蒸着し、リフトオフすることにより、所望の形状のNi(上層)/Au(下層)蒸着膜層をAlGaN電子供給層213上に残す。このNi(上層)/Au(下層)蒸着膜層は、AlGaN電子供給層213との間にショットキー接合を形成しており、ゲート電極202とする。   Again, a photoresist mask having an opening is formed in accordance with the shape of the gate electrode 202 disposed between the source electrode 201 and the drain electrode 203. Thereafter, Ni (upper layer) / Au (lower layer) is deposited on the entire surface, for example, as a metal film for the gate electrode, and lifted off to form a Ni (upper layer) / Au (lower layer) deposited film layer of a desired shape. It remains on the AlGaN electron supply layer 213. This Ni (upper layer) / Au (lower layer) vapor deposition film layer forms a Schottky junction with the AlGaN electron supply layer 213 and serves as the gate electrode 202.

その後、プラズマCVD法等により、全面にSiN膜221(膜厚50nm)を形成する。SiN膜221の所定の領域をエッチング除去して、開口部を設ける。開口部の底部に、ソース電極201とドレイン電極203とを露出させる。以上の手順により、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFET200が得られる。
U. K. Mishra, P. Parikh, and Yi−Feng Wu, 「AlGaN/GaN HEMTs −An overview of device operation and applications.」 Proc. IEEE, vol. 90, No.6, pp.1022−1031, 2002 2001年インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・ダイジェスト(IEDM01−381〜384)、安藤(Y.Ando)
Thereafter, a SiN film 221 (film thickness 50 nm) is formed on the entire surface by plasma CVD or the like. A predetermined region of the SiN film 221 is removed by etching to provide an opening. The source electrode 201 and the drain electrode 203 are exposed at the bottom of the opening. By the above procedure, the AlGaN / GaN HJFET 200 having the structure shown in FIG. 5 is obtained.
U. K. Misra, P.M. Parikh, and Yi-Feng Wu, “AlGaN / GaN HEMTs—Overview of device operation and applications.” Proc. IEEE, vol. 90, no. 6, pp. 1022-1031, 2002 2001 International Electron Device Meeting Digest (IEDM01-381-384), Ando (Y. Ando)

ところが、上述する製造方法で作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETの素子性能のバラツキに関して、本発明者が検討したところ、全ての素子に対して、表面保護膜を設けているにも係わらず、得られた素子の特性を比較すると、バラツキが生じていることが判明した。具体的には、表面保護膜を設けているにも係わらず、例えば、高電圧印加時に充分なドレイン電流が得られていない素子が、相当の頻度で見出されることが明らかになった。   However, when the present inventor examined the variation in device performance of the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured by the manufacturing method described above, a surface protective film is provided for all the devices. Nevertheless, when the characteristics of the obtained elements were compared, it was found that variations occurred. Specifically, it has been clarified that, for example, an element for which a sufficient drain current is not obtained when a high voltage is applied is found with a considerable frequency despite the provision of a surface protective film.

本発明者は、この素子特性のバラツキを引き起こす要因について検討し、以下の機構を推察した。   The present inventor examined the factors that cause the variation in the element characteristics and inferred the following mechanism.

第一に、高電圧印加時に充分なドレイン電流が流れない原因として、下記のメカニズムが推察される。製造過程において、窒化物半導体基板上のAlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面に不純物が導入され、この不純物によって界面準位が形成される。不純物により界面準位が形成されると、キャリアがこの界面準位にトラップされてしまうことが推察される。すなわち、AlGaN電子供給層213の表面に、不純物に起因する界面準位が高い面密度で生成されると、「電流コラプス」が発生するため、例えば、高電圧印加時にドレイン電流の低下が引き起こされる。   First, the following mechanism is presumed as a cause of insufficient drain current flowing when a high voltage is applied. In the manufacturing process, impurities are introduced into the interface between the AlGaN electron supply layer 213 and the SiN film 221 on the nitride semiconductor substrate, and an interface state is formed by the impurities. When an interface state is formed by impurities, it is presumed that carriers are trapped in the interface state. That is, when the interface state due to impurities is generated at a high surface density on the surface of the AlGaN electron supply layer 213, “current collapse” occurs, and thus, for example, a drain current is reduced when a high voltage is applied. .

また、表面保護膜を設けているAlGaN/GaN HJFETにおいては、「電流コラプス」の発生と、ゲート耐圧とは、トレードオフの関係となっている。AlGaN電子供給層の表面に発生する負の分極電荷は、その表面に堆積する表面保護膜(パッシベーション膜)の電気的性質によっては、そのトランジスタ特性に大きな影響を与える。一般に、AlGaN電子供給層表面に、負の固定電荷が高い面密度で存在すると、高いゲート耐圧が得られるが、交流動作時の「電流コラプス」は大きくなる傾向が見られる。一方、AlGaN電子供給層表面に存在する、負の固定電荷量が少ないと、ゲート耐圧は相対的に低下するが、交流動作時の「電流コラプス」は小さくなる。   Further, in an AlGaN / GaN HJFET provided with a surface protective film, the occurrence of “current collapse” and the gate breakdown voltage have a trade-off relationship. The negative polarization charge generated on the surface of the AlGaN electron supply layer greatly affects the transistor characteristics depending on the electrical properties of the surface protective film (passivation film) deposited on the surface. In general, when negative fixed charges are present at a high surface density on the surface of the AlGaN electron supply layer, a high gate breakdown voltage can be obtained, but the “current collapse” during AC operation tends to increase. On the other hand, when the amount of negative fixed charge existing on the surface of the AlGaN electron supply layer is small, the gate breakdown voltage is relatively lowered, but the “current collapse” during AC operation is reduced.

例えば、AlGaN(上層)/GaN(下層)ヘテロ構造では、AlGaNのAl組成と膜厚にも依存するが、AlGaN電子供給層の表面に1×1013 atoms/cm2オーダーの負電荷が誘起される。そのため、このAlGaN電子供給層の表面に誘起される負電荷が、表面保護膜(パッシベーション膜)とAlGaN電子供給層との界面に固定されると、ゲート耐圧の上昇に大きな寄与を示す。すなわち、表面保護膜(パッシベーション膜)とAlGaN電子供給層との界面に負電荷を固定する、トラップ準位が高い面密度で生成されると、誘起される負電荷の相当部分は、トラップされ、負の固定電荷として機能する。表面保護膜(パッシベーション膜)とAlGaN電子供給層との界面の状態の差異に起因して、ゲート耐圧の値が、1桁以上変化することも珍しくない。このような表面保護膜(パッシベーション膜)との界面の状態に起因する、ゲート耐圧の大きな変化は、GaAs系HEMTでは、通常、観測されない現象である。 For example, in an AlGaN (upper layer) / GaN (lower layer) heterostructure, a negative charge of the order of 1 × 10 13 atoms / cm 2 is induced on the surface of the AlGaN electron supply layer, depending on the Al composition and film thickness of AlGaN. The Therefore, if the negative charge induced on the surface of the AlGaN electron supply layer is fixed at the interface between the surface protective film (passivation film) and the AlGaN electron supply layer, it greatly contributes to the increase in gate breakdown voltage. That is, when a negative charge is fixed at the interface between the surface protective film (passivation film) and the AlGaN electron supply layer and a trap level is generated with a high surface density, a substantial portion of the induced negative charge is trapped, Functions as a negative fixed charge. It is not uncommon for the value of the gate breakdown voltage to change by one digit or more due to the difference in the state of the interface between the surface protective film (passivation film) and the AlGaN electron supply layer. Such a large change in the gate breakdown voltage due to the state of the interface with the surface protective film (passivation film) is a phenomenon that is not normally observed in a GaAs HEMT.

このように、「電流コラプス」の発生と、ゲート耐圧とは、AlGaN電子供給層表面に生成される負の固定電荷の面密度に依存しており、互いに、トレードオフの関係となっている。従って、目的とする用途に応じて、ゲート耐圧の許容範囲内で、「電流コラプス」量が許容される範囲に設定する設計値に対して、バラツキを生じないようにすることが望まれている。   Thus, the occurrence of “current collapse” and the gate breakdown voltage depend on the surface density of negative fixed charges generated on the surface of the AlGaN electron supply layer, and are in a trade-off relationship with each other. Therefore, it is desired that the design value set within the allowable range of the “current collapse” amount within the allowable range of the gate breakdown voltage does not vary depending on the intended use. .

換言するならば、III族窒化物半導体系のHJFET、例えば、AlGaN/GaN HJFETは、AlGaN電子供給層の表面状態の変化に極めて敏感な素子であり、その素子特性、特に、ゲート耐圧と「電流コラプス」量が、設計した目標値に対して、バラツキが少なく、高い歩留まり、高い再現性を達成する上では、表面保護膜(パッシベーション膜)とAlGaN電子供給層との界面の状態の制御に細心の注意を払う必要がある。   In other words, a group III nitride semiconductor-based HJFET, such as an AlGaN / GaN HJFET, is an element that is extremely sensitive to changes in the surface state of the AlGaN electron supply layer. In order to achieve high yield and high reproducibility, the amount of “collapse” is less varied than the designed target value. In order to achieve high reproducibility, careful control of the interface state between the surface protection film (passivation film) and the AlGaN electron supply layer is required. Need to pay attention.

第二に、表面保護膜(パッシベーション膜)として、SiN膜221を設けている場合、上記のゲート耐圧と「電流コラプス」量以外にも、AlGaN/GaN HJFETの素子特性に見出されるバラツキとしては、例えば、FET動作時の効率のバラツキが挙げられる。本発明者が検討した結果、FET動作時の効率のバラツキを引き起こす原因の一つとして、ゲート電極202のショットキー特性のバラツキ、具体的には、AlGaN/GaN HJFET200のゲートリーク電流にバラツキが生じることが推察された。そこで、AlGaN/GaN HJFET200のショットキー特性のバラツキを引き起こしている要因についてさらに検討を行った。その結果、AlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面に不純物が導入される場合、同時に、AlGaN電子供給層213上に形成されるゲート電極202のショットキー特性にも影響が及んでいることが見出された。以下、この点について説明する。   Second, when the SiN film 221 is provided as a surface protective film (passivation film), in addition to the gate breakdown voltage and the “current collapse” amount, the variation found in the element characteristics of the AlGaN / GaN HJFET is as follows: For example, there is a variation in efficiency during FET operation. As a result of examination by the present inventors, one of the causes of the variation in efficiency during the operation of the FET is a variation in the Schottky characteristic of the gate electrode 202, specifically, a variation in the gate leakage current of the AlGaN / GaN HJFET 200. It was inferred. Therefore, the factors causing the variation of the Schottky characteristics of the AlGaN / GaN HJFET 200 were further examined. As a result, when impurities are introduced into the interface between the AlGaN electron supply layer 213 and the SiN film 221, the Schottky characteristics of the gate electrode 202 formed on the AlGaN electron supply layer 213 are also affected. Was found. Hereinafter, this point will be described.

従来の窒化物半導体基板を用いて、図5に示すAlGaN/GaN HJFETを製造する場合には、ゲート電極202を作製する工程までの間、それ以前の各工程において、窒化物半導体基板上のAlGaN電子供給層213の表面が大気に曝される状態となっている。そのため、AlGaN電子供給層213の表面に酸化が進行することや、さらには、炭素等不純物が表面に付着している可能性がある。例えば、素子分離用のメサ・エッチング工程や、リフトオフ法を利用するソース/ドレイン電極形成工程においてが、表面にフォトレジスト・マスクが形成される。図4に示す従来の窒化物半導体基板を利用する場合には、AlGaN電子供給層213の表面に直接フォトレジスト・マスクが形成される。また、フォトレジスト・マスクを剥離する過程では、半導体表面に残余する、極薄いレジストの残渣皮膜を除去する目的で、プラズマ・アッシングが利用される。このプラズマ・アッシングの際、酸素を含むプラズマ雰囲気下に曝され、AlGaN電子供給層213の表面にプラズマ・ダメージを受ける可能性がある。さらには、ソース/ドレイン電極の形成工程中、オーム性接合形成時のラピッド・サーマル・アニール(高温アニール)を実施する際、AlGaN電子供給層213の表面にも赤外線照射がなされ、同様に温度上昇する。   In the case of manufacturing the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 5 using the conventional nitride semiconductor substrate, the AlGaN on the nitride semiconductor substrate is formed in each of the previous steps until the step of forming the gate electrode 202. The surface of the electron supply layer 213 is exposed to the atmosphere. Therefore, there is a possibility that oxidation proceeds on the surface of the AlGaN electron supply layer 213, and further, impurities such as carbon are attached to the surface. For example, a photoresist mask is formed on the surface in a mesa etching process for element isolation or a source / drain electrode forming process using a lift-off method. When the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 is used, a photoresist mask is formed directly on the surface of the AlGaN electron supply layer 213. In the process of removing the photoresist mask, plasma ashing is used for the purpose of removing a very thin resist residue film remaining on the semiconductor surface. During the plasma ashing, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 may be subjected to plasma damage by being exposed to a plasma atmosphere containing oxygen. Further, during the process of forming the source / drain electrode, when performing rapid thermal annealing (high temperature annealing) at the time of forming the ohmic junction, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 is also irradiated with infrared rays, and similarly the temperature rises. To do.

上記のように、AlGaN電子供給層213の表面が露呈している状態で、一連の工程を経て作製される、AlGaN/GaN HJFETにおいて、AlGaN電子供給層213とゲート電極202との界面における酸素等の不純物濃度をSIMS(二次イオン質量分析法)により測定したところ、1×1018 atoms/cm3〜1×1019 atoms/cm3程度であった。このように、AlGaN電子供給層213とゲート電極202との界面における不純物濃度が高くなる原因は、AlGaN電子供給層213の表面が酸化を受けた結果と考えられる。すなわち、前述のプラズマ・アッシング処理時に導入されるプラズマ・ダメージ、さらには、高温アニール処理による熱的なダメージを受けたAlGaN電子供給層213の表面は、その後、大気に曝された際、酸化され易くなっている。ショットキー電極を形成する領域のAlGaN電子供給層213の表面に対しては、その半導体表面と金属面とが直接接触可能な清浄な状態にするため、酸等によるエッチング処理が有効である。リフトオフ法を適用して、所望の形状のゲート電極を作製するため、目的の形状の開口部を設けたレジスト・マスクにより、全面を被覆している。通常、このフォトリソ工程において、レジスト膜に開口部を形成した後、露呈する半導体表面に存在する、表面酸化膜のみを、酸などを利用して選択的にエッチング除去する。ソース/ドレイン電極用のオーム性電極は既に形成されており、レジストで覆っていても、エッチング液の周り込みが生じると、半導体表面の金属が侵され、オーミック性接合の劣化等が起きる。そのため、一般に、この酸などを利用した選択的なエッチング処理は、必要最低限のエッチング時間に選択されている。例えば、表面酸化皮膜の生成が予想以上に進行している場合、ショットキー接合形成用の金属を開口部へ蒸着する直前、開口部のAlGaN電子供給層213の表面に対して、酸化皮膜除去を目的とする、短時間の選択的なエッチングを施して、表面状態を充分に清浄な状態することは困難である。 As described above, in an AlGaN / GaN HJFET manufactured through a series of steps with the surface of the AlGaN electron supply layer 213 exposed, oxygen and the like at the interface between the AlGaN electron supply layer 213 and the gate electrode 202 When the impurity concentration of was measured by SIMS (secondary ion mass spectrometry), it was about 1 × 10 18 atoms / cm 3 to 1 × 10 19 atoms / cm 3 . Thus, the cause of the high impurity concentration at the interface between the AlGaN electron supply layer 213 and the gate electrode 202 is considered to be the result of the surface of the AlGaN electron supply layer 213 being oxidized. That is, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 that has been subjected to the plasma damage introduced during the above-described plasma ashing process and further thermally damaged by the high-temperature annealing process is oxidized when exposed to the atmosphere. It is easy. Etching with an acid or the like is effective for the surface of the AlGaN electron supply layer 213 in the region where the Schottky electrode is to be formed in a clean state where the semiconductor surface and the metal surface can be in direct contact. In order to produce a gate electrode having a desired shape by applying the lift-off method, the entire surface is covered with a resist mask provided with an opening having a desired shape. Usually, in this photolithography process, after an opening is formed in the resist film, only the surface oxide film present on the exposed semiconductor surface is selectively removed by etching using an acid or the like. The ohmic electrode for the source / drain electrode has already been formed. Even if the ohmic electrode is covered with a resist, if the etching solution wraps around, the metal on the surface of the semiconductor is eroded and the ohmic junction is deteriorated. Therefore, in general, the selective etching process using the acid or the like is selected with a minimum etching time. For example, when the generation of the surface oxide film is proceeding more than expected, the oxide film is removed from the surface of the AlGaN electron supply layer 213 immediately before the metal for forming the Schottky junction is deposited on the opening. It is difficult to perform a selective etching for a short period of time to obtain a sufficiently clean surface state.

以上説明したように、図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETにおいては、一連の工程を行う間、AlGaN電子供給層は露呈されており、その表面状態はプロセスによる影響を受け易い。すなわち、AlGaN電子供給層213の表面は、外因的なダメージの導入に起因して、半導体の結晶性の変化等を受け、初期の清浄な状態と異なった状態となる。外因的なダメージの導入に起因した、表面状態の変化としては、例えば、
(i)プラズマ・ダメージや熱的なダメージによって、半導体結晶が変化した状態、
さらには、
(ii)ダメージが導入された表面が大気に曝されることによって、AlGaN電子供給層表面に酸素が混入した状態
が挙げられる。
As described above, in the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4, the AlGaN electron supply layer is exposed during a series of steps. The surface condition is easily affected by the process. That is, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 is in a state different from the initial clean state due to a change in crystallinity of the semiconductor due to the introduction of extrinsic damage. Examples of changes in the surface state caused by the introduction of extrinsic damage include:
(I) a state in which the semiconductor crystal has changed due to plasma damage or thermal damage;
Moreover,
(Ii) A state where oxygen is mixed into the surface of the AlGaN electron supply layer by exposing the damaged surface to the atmosphere.

次に、図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETにおいて、ゲート電極202のショットキー特性の測定結果を説明する。図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETにおける、ゲート電極202のショットキー特性の測定結果として、図6(a)には、ゲート電極202のショットキー障壁高さφB(eV)の評価結果(図中、●印)を、図6(a)には、理想化因子nの評価結果(図中、▲印)をそれぞれ示す。3インチウェーハ10枚を用いて、作製された図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETについて、そのゲート電極202に関して、ショットキー接合を仮定して、I−V特性を解析して、ショットキー障壁高さφB(eV)と、理想化因子n値を算定し、その平均値と、標準偏差を図示している。   Next, the measurement result of the Schottky characteristic of the gate electrode 202 in the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 will be described. As a measurement result of the Schottky characteristic of the gate electrode 202 in the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4, FIG. FIG. 6A shows the evaluation result of the Schottky barrier height φB (eV) of the electrode 202 (in the figure), and FIG. 6A shows the evaluation result of the idealization factor n (in the figure, ▲). With respect to the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using 10 3 inch wafers, the Schottky junction is analyzed with respect to the gate electrode 202 assuming a Schottky junction. The height φB (eV) and the idealization factor n value are calculated, and the average value and standard deviation are shown.

理想化因子nは、ショットキー障壁高さφBを有する理想的なショットキー接合が示すI−V特性を基準として、実際に測定されるI−V特性の偏移の程度を示す指標である。従って、理想的なショットキー接合は、理想化因子n値は、n=1に相当し、ショットキー性は損なわれるとともに、n値は、1から大きくなる。一方、理想的なショットキー接合では、ショットキー障壁高さφBは、半導体の仕事関数(eψS)と金属の仕事関数(eψM)の差異に相当するが、ショットキー性は損なわれるとともに、ショットキー障壁高さφBは低下する。 The idealization factor n is an index indicating the degree of deviation of the actually measured IV characteristic with reference to the IV characteristic exhibited by an ideal Schottky junction having a Schottky barrier height φB. Therefore, in the ideal Schottky junction, the idealization factor n value corresponds to n = 1, the Schottky property is impaired, and the n value increases from 1. On the other hand, in an ideal Schottky junction, the Schottky barrier height φB corresponds to the difference between the semiconductor work function (eψ S ) and the metal work function (eψ M ), but the Schottky property is impaired, The Schottky barrier height φB decreases.

図6(a)および図6(b)中に示す結果から、図4に示す従来の窒化物半導体基板を用いて作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETでは、ショットキー障壁高さφBの平均値は、理想的なショットキー接合で予測される障壁高さφBよりも低下しており、また、バラツキも大きくなっている。理想化因子n値も、n=1から大きく増加しており、また、バラツキも大きくなっている。すなわち、作製した10枚のウェーハ中に、ショットキー性が相当に劣るものが幾つか含まれており、その結果、大きなバラツキとなっている。   From the results shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using the conventional nitride semiconductor substrate shown in FIG. 4 has a high Schottky barrier height. The average value of the height φB is lower than the barrier height φB predicted by an ideal Schottky junction, and the variation is also large. The idealization factor n value is also greatly increased from n = 1, and the variation is also large. In other words, the 10 wafers produced contain some of the wafers that are considerably inferior in Schottky properties, resulting in large variations.

以上の検討より、従来の窒化物半導体基板を用いて作製される、図5に示す構造のAlGaN/GaN HJFETにおいては、ゲート電極を形成する際、AlGaN電子供給層213の表面には欠陥準位が高い面密度で存在するため、n値(理想化因子)のn=1からの偏移が大きくなっており、それに付随して、見かけの障壁高さφBの低下として、観測されていることが判る。AlGaN電子供給層とゲート電極との界面に、欠陥準位が高い面密度で存在すると、交流動作時のゲートリーク電流の増加を引き起こし、素子の安定動作の妨げとなる。また、欠陥準位の深さ(トラップ準位エネルギー)と密度に何らかの分布がある場合、それに伴って、ショットキー特性にバラツキが生じる。すなわち、素子特性の再現性を低下させる要因となる。   From the above examination, in the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 5 manufactured using a conventional nitride semiconductor substrate, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 has a defect level when the gate electrode is formed. Is present at a high surface density, the shift of n value (idealization factor) from n = 1 is large, and this is observed as a decrease in the apparent barrier height φB. I understand. If a defect level exists at a high surface density at the interface between the AlGaN electron supply layer and the gate electrode, it causes an increase in gate leakage current during AC operation and hinders stable operation of the device. Further, when there is some distribution in the depth (trap level energy) and density of the defect level, the Schottky characteristics vary accordingly. That is, it becomes a factor of reducing the reproducibility of element characteristics.

従って、例えば、AlGaN/GaN HJFETにおいて、素子の安定動作と、素子特性の再現性を向上するためには、ゲート電極を形成するAlGaN電子供給層の表面の結晶性変化を抑制すること、ならびに、ゲート電極とドレイン電極間に存在するAlGaN電子供給層の表面を被覆する表面保護膜(パッシベーション膜)との界面の状態を制御することが重要である。   Therefore, for example, in AlGaN / GaN HJFET, in order to improve the stable operation of the device and the reproducibility of the device characteristics, suppressing the crystallinity change of the surface of the AlGaN electron supply layer forming the gate electrode, and It is important to control the state of the interface with the surface protective film (passivation film) that covers the surface of the AlGaN electron supply layer existing between the gate electrode and the drain electrode.

本発明は、前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、III族窒化物半導体系HJFET、例えば、AlGaN/GaN HJFETを作製する際、ゲート電極を形成する電子供給層の表面を清浄状態に保つこと、同時に、ゲート電極とドレイン電極間に存在する電子供給層の表面を被覆する表面保護膜(パッシベーション膜)との界面の状態を制御することに有効であり、電流コラプスを抑制した、高出力で信頼性に優れた、III族窒化物半導体体系HJFET、例えば、AlGaN/GaN HJFETを高い再現性で作製する上で、好適に利用可能なIII族窒化物半導体基板を提供することにある。   The present invention solves the above-described problems. The object of the present invention is to clean the surface of the electron supply layer that forms the gate electrode when manufacturing a group III nitride semiconductor HJFET, for example, an AlGaN / GaN HJFET. It is effective to maintain the state, and at the same time, to control the state of the interface with the surface protection film (passivation film) covering the surface of the electron supply layer existing between the gate electrode and the drain electrode, and suppresses current collapse. To provide a group III nitride semiconductor substrate that can be suitably used for manufacturing a high-output and high-reliability group III nitride semiconductor-based HJFET, for example, an AlGaN / GaN HJFET with high reproducibility. is there.

本発明者は、上述する観点から検討を進めた結果、下記の知見を得た。まず、III族窒化物半導体基板を作製する際、III族窒化物半導体体系HJFETにおいて、チャネル層と電子供給層として使用する、二つの層を具えている、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造を作製し、その後、該III族窒化物半導体層構造の表面を大気中に曝すことなく、その表面を覆う絶縁膜を形成することが可能であることを見出した。この絶縁膜は、表面保護膜として利用可能であることが確認された。具体的には、表面を大気中に曝すことなく、その表面を覆う絶縁膜を形成することに伴い、絶縁膜とIII族窒化物半導体層構造との界面における不純物濃度を、1×1017 atoms/cm3以下に制御された状態とできる。そのため、この絶縁膜を表面保護膜として利用すると、「電流コラプス」量の抑制・制御がなされた、III族窒化物半導体体系HJFETの製造を、簡便に行うことができることを検証した。加えて、この絶縁膜で被覆することにより、外的要因による表面へのダメージ導入を回避しており、該絶縁膜に開口部を形成し、その開口部の半導体表面にゲート電極を形成すると、優れたショットキー特性を示すゲート電極となり、特に、高い再現性で作製できることも見出した。本発明者は、以上に述べた新規な知見に基づき、本発明を完成するに至った。 As a result of studying from the above-mentioned viewpoint, the present inventor has obtained the following knowledge. First, when fabricating a group III nitride semiconductor substrate, a group III nitride semiconductor layer including a heterojunction, comprising two layers, used as a channel layer and an electron supply layer in a group III nitride semiconductor HJFET It was found that an insulating film covering the surface of the III-nitride semiconductor layer structure can be formed without exposing the surface of the III-nitride semiconductor layer structure to the atmosphere. It was confirmed that this insulating film can be used as a surface protective film. Specifically, the impurity concentration at the interface between the insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure is set to 1 × 10 17 atoms as the insulating film covering the surface is formed without exposing the surface to the atmosphere. / Cm 3 or less. Therefore, it has been verified that when this insulating film is used as a surface protective film, a group III nitride semiconductor HJFET in which the amount of “current collapse” is suppressed and controlled can be easily manufactured. In addition, by covering with this insulating film, the introduction of damage to the surface due to external factors is avoided, forming an opening in the insulating film, and forming a gate electrode on the semiconductor surface of the opening, It has also been found that the gate electrode exhibits excellent Schottky characteristics and can be produced particularly with high reproducibility. The present inventor has completed the present invention based on the novel findings described above.

すなわち、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板は、
ヘテロ接合を含み、キャリア供給層/チャンネル層の構造を有し、
ヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造に利用されるIII族窒化物半導体層構造と、
該III族窒化物半導体層構造上に無機絶縁膜を有し、
前記無機絶縁膜は、前記III族窒化物半導体層構造の表面に対する表面保護膜として利用可能であり、
前記無機絶縁膜と前記III族窒化物半導体層構造との界面における、III族窒化物半導体中の不純物濃度が、1×1017 atoms/cm3以下である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板である。
That is, the group III nitride semiconductor substrate according to the present invention is
Including a heterojunction, having a carrier supply layer / channel layer structure;
A group III nitride semiconductor layer structure used in the manufacture of a heterojunction field effect transistor; and
An inorganic insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
The inorganic insulating film can be used as a surface protective film for the surface of the group III nitride semiconductor layer structure,
A group III nitride semiconductor, wherein an impurity concentration in the group III nitride semiconductor at the interface between the inorganic insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. It is a substrate.

その際、前記無機絶縁膜は、構成元素として、酸素を実質的に含まない絶縁膜であることが望ましい。   In this case, the inorganic insulating film is preferably an insulating film that substantially does not contain oxygen as a constituent element.

例えば、前記絶縁膜は、構成元素として、前記III族窒化物半導体層構造を構成する元素のうち少なくとも一つを含む膜であることが好ましい。特には、前記絶縁膜は、構成元素として、窒素と珪素のみを含む膜であることがより好ましい。さらには、前記絶縁膜上に、さらに、別の絶縁膜を有し、この別の絶縁膜は、構成元素として、酸素を含む絶縁膜を採用する構造としてもよい。   For example, the insulating film is preferably a film containing at least one of the elements constituting the group III nitride semiconductor layer structure as a constituent element. In particular, the insulating film is more preferably a film containing only nitrogen and silicon as constituent elements. Furthermore, another insulating film may be further provided on the insulating film, and the other insulating film may have a structure in which an insulating film containing oxygen is used as a constituent element.

一方、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板を、III族窒化物半導体体系HJFETの作製に利用する上では、
前記ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造は、
InxGa1-xN(0≦x<1)からなるチャネル層と、AlyGa1-yN(0<y<1)とからなる電子供給層を含み、
前記ヘテロ接合は、AlyGa1-yNとInxGa1-xNとの間に形成されている構成が好適である。
On the other hand, when the group III nitride semiconductor substrate according to the present invention is used for manufacturing a group III nitride semiconductor-based HJFET,
Group III nitride semiconductor layer structure including the heterojunction,
A channel layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) and an electron supply layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y <1),
The heterojunction is preferably formed between Al y Ga 1-y N and In x Ga 1-x N.

本発明のIII族窒化物半導体基板は、III族窒化物半導体体系HJFETの作製に利用する際、表面保護膜として利用可能な無機絶縁膜、すなわち、無機誘電体材料の絶縁膜が、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造の表面に予め形成されており、その絶縁膜との界面において、界面準位を形成する可能性を有する、界面の不純物の濃度は、1×1017 atoms/cm3以下に制限されているため、かかる界面に生成される負の固定電荷の面密度が抑制され、結果として、作製されるIII族窒化物半導体体系HJFETは、「電流コラプス」量が少なく、同時に、そのバラツキも抑制されたものとなる。加えて、この絶縁膜で被覆することにより、外的要因による表面へのダメージ導入を回避しており、該絶縁膜に開口部を形成し、その開口部の半導体表面にゲート電極を形成すると、優れたショットキー特性を示すゲート電極となり、特に、高い再現性で作製できる。これらの利点は、本発明のIII族窒化物半導体基板をIII族窒化物半導体体系HJFETの作製に利用することで、良好な動作特性を有するIII族窒化物半導体体系HJFETを、高い歩留まりで製造することを可能としている。 When the group III nitride semiconductor substrate of the present invention is used for manufacturing a group III nitride semiconductor-based HJFET, an inorganic insulating film that can be used as a surface protective film, that is, an insulating film made of an inorganic dielectric material has a heterojunction. The concentration of the impurity at the interface is 1 × 10 17 atoms / cm, which is formed in advance on the surface of the group III nitride semiconductor layer structure including and has the possibility of forming an interface state at the interface with the insulating film. Since it is limited to 3 or less, the surface density of negative fixed charges generated at such an interface is suppressed, and as a result, the manufactured group III nitride semiconductor HJFET has a small amount of “current collapse” and at the same time The variation is also suppressed. In addition, by covering with this insulating film, the introduction of damage to the surface due to external factors is avoided, forming an opening in the insulating film, and forming a gate electrode on the semiconductor surface of the opening, The gate electrode exhibits excellent Schottky characteristics and can be manufactured particularly with high reproducibility. These advantages are obtained by using a group III nitride semiconductor substrate of the present invention for the manufacture of a group III nitride semiconductor-based HJFET, thereby manufacturing a group III nitride semiconductor-based HJFET having good operating characteristics with a high yield. Making it possible.

本発明にかかるIII族窒化物半導体基板と、その作製工程に関して、より詳しく説明する。   The group III nitride semiconductor substrate according to the present invention and the manufacturing process thereof will be described in more detail.

特に、III族窒化物半導体構造として、AlGaN電子供給層/GaNチャネル層のヘテロ接合を具え、さらに、前記AlGaN電子供給層を被覆する表面保護膜(以下、単に「保護膜」とも呼ぶ。)を有するIII族窒化物半導体基板を例に挙げて、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。また、特に明記する場合を除き、本明細書中においては、積層構造における「積層の順序」を示す際、「上層/下層(基板側)」と表記する。   In particular, as a group III nitride semiconductor structure, a surface protective film (hereinafter also simply referred to as “protective film”) that includes an AlGaN electron supply layer / GaN channel layer heterojunction and further covers the AlGaN electron supply layer. An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a group III nitride semiconductor substrate as an example. In all the drawings, common constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate. In addition, unless otherwise specified, in this specification, “upper layer / lower layer (substrate side)” is used to indicate “the order of stacking” in a stacked structure.

図1は、本実施形態のIII族窒化物半導体基板の基本構成を示す図である。この基板は、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造(GaNチャネル層12、AlGaN電子供給層13)と、これらのIII族窒化物半導体層構造上に保護膜が形成されている。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a group III nitride semiconductor substrate of the present embodiment. In this substrate, a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction (GaN channel layer 12, AlGaN electron supply layer 13) and a protective film are formed on these group III nitride semiconductor layer structures.

III族窒化物半導体層構造は、InxGa1-xN(0≦x<1)からなるチャネル層と、AlyGa1-yN(0<y<1)とからなる電子供給層を含み、ヘテロ界面は、InxGa1-xNとAlyGa1-yNとの界面である。 The group III nitride semiconductor layer structure includes a channel layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) and an electron supply layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y <1). The hetero interface is an interface between In x Ga 1-x N and Al y Ga 1-y N.

このヘテロ界面では、InxGa1-xNの伝導帯エネルギーEC[InxGa1-xN]とAlyGa1-yNの伝導帯エネルギーEC[AlyGa1-yN]の差に起因する、伝導帯のバンド不連続ΔEC=EC[AlyGa1-yN]−EC[InxGa1-xN]が存在する。この伝導帯のバンド不連続ΔECが、10meV≦ΔEC≦1200meVの範囲、より好ましくは300meV≦ΔEC≦500meVの範囲、となるように、InxGa1-xN(0≦x<1)とAlyGa1-yN(0<y<1)の組成を選択することが好ましい。また、このヘテロ界面では、InxGa1-xNの格子定数a[InxGa1-xN]とAlyGa1-yNの格子定数a[AlyGa1-yN]の差に起因する、格子不整合Δa=a[InxGa1-xN]−a[AlyGa1-yN]が存在する。GaNの格子定数aGaNを基準として、(Δa/aGaN)が、0%<{(Δa/aGaN)×100%}≦28%の範囲、より好ましくは12%≦{(Δa/aGaN)×100%}≦19%の範囲となるように、InxGa1-xN(0≦x<1)とAlyGa1-yN(0<y<1)の組成を選択することが好ましい。 This hetero interface, In x Ga 1-x N of the conduction band energy E C [In x Ga 1- x N] and Al y Ga 1-y N in conduction band energy E C [Al y Ga 1-y N] There is a band discontinuity ΔE C = E C [Al y Ga 1-y N] −E C [In x Ga 1-x N] in the conduction band due to the difference between the two. In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) so that the band discontinuity ΔE C of this conduction band is in the range of 10 meV ≦ ΔE C ≦ 1200 meV, more preferably in the range of 300 meV ≦ ΔE C ≦ 500 meV. ) And Al y Ga 1-y N (0 <y <1). In addition, the difference in this hetero interface, In x Ga 1-x lattice constant a of N [In x Ga 1-x N] and Al y Ga 1-y lattice constant a of N [Al y Ga 1-y N] There exists a lattice mismatch Δa = a [In x Ga 1−x N] −a [A y Ga 1−y N] due to the above. Based on the lattice constant a GaN of GaN , (Δa / a GaN ) is in the range of 0% <{(Δa / a GaN ) × 100%} ≦ 28%, more preferably 12% ≦ {(Δa / a GaN ) × 100%} ≦ 19% so that the composition of In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) and Al y Ga 1-y N (0 <y <1) is selected. Is preferred.

ヘテロ接合のAlyGa1-yN/InxGa1-xNの表面に、すなわち、AlGaN電子供給層13の表面を被覆する表面保護膜として利用される絶縁膜は、このAlGaNを構成する元素のうちの一つである窒素を含む絶縁膜であることが望ましい。窒素を構成元素として含む絶縁膜としては、SiN膜や、絶縁性のAlN膜が挙げられる。窒素を構成元素として含む絶縁膜のうちでも、シリコンと窒素からなる絶縁膜である、SiN膜を表面保護膜として選択するとより好ましい。 An insulating film used as a surface protective film covering the surface of the heterojunction Al y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N, that is, the surface of the AlGaN electron supply layer 13 constitutes this AlGaN. An insulating film containing nitrogen which is one of the elements is desirable. Examples of the insulating film containing nitrogen as a constituent element include a SiN film and an insulating AlN film. Of the insulating films containing nitrogen as a constituent element, it is more preferable to select an SiN film, which is an insulating film made of silicon and nitrogen, as the surface protective film.

AlGaN電子供給層13の表面に絶縁膜を形成する際、絶縁膜を構成する元素が、AlGaN電子供給層13と絶縁膜との界面において、深い不純物準位を形成すると、この深い不純物準位に負の電荷がトラップされ、負の固定電荷が形成される懸念がある。SiN膜21中に含まれる窒素は、AlGaN電子供給層13を構成する窒素と共通するため、AlGaN電子供給層13に対して不純物とならず、界面において、深い不純物準位が形成されないようにすることができる。そのため、AlGaN電子供給層13と表面保護膜との界面に生成される高い面密度の負の固定電荷に起因する、「電流コラプス」の発生をさらに効果的に抑制できる。また、表面保護膜として機能する絶縁膜をSiN膜21とすることにより、SiN膜21を、AlGaN電子供給層13と同じ成長法を適用して作製する際、窒素元素の原料として、共通の材料を用いることが可能となる。そのため、SiN膜の成長開示時、AlGaN電子供給層13の表面から、N原子が解離し、空孔(VN)が導入されることが回避される。従って、N原子の空孔(VN)に対して、Nの格子点を置換する不純物原子、例えば、酸素原子が、かかる界面に導入される現象も抑制される。 When forming an insulating film on the surface of the AlGaN electron supply layer 13, if an element constituting the insulating film forms a deep impurity level at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the insulating film, the deep impurity level is reached. There is a concern that negative charges are trapped and negative fixed charges are formed. Nitrogen contained in the SiN film 21 is in common with nitrogen constituting the AlGaN electron supply layer 13, so that it does not become an impurity with respect to the AlGaN electron supply layer 13, and a deep impurity level is not formed at the interface. be able to. Therefore, it is possible to more effectively suppress the occurrence of “current collapse” due to a high fixed density negative fixed charge generated at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the surface protective film. Moreover, when the SiN film 21 is formed by applying the same growth method as that of the AlGaN electron supply layer 13 by using the SiN film 21 as the insulating film functioning as a surface protective film, a common material is used as a nitrogen element material. Can be used. Therefore, when the growth of the SiN film is disclosed, it is avoided that N atoms are dissociated from the surface of the AlGaN electron supply layer 13 and vacancies (V N ) are introduced. Therefore, the phenomenon that impurity atoms, for example, oxygen atoms, that replace N lattice points with respect to vacancies (V N ) of N atoms are introduced into the interface is also suppressed.

SiN膜21は、構成元素として、酸素を実質的に含まない絶縁膜である。酸素は、III族窒化物半導体中で深い準位を形成し易いため、AlGaN電子供給層13の表面を被覆する表面保護膜として利用可能な絶縁膜は、酸素を実質的に含まない膜を選択する。すなわち、表面保護膜として利用可能な絶縁膜を形成する過程において、AlGaN電子供給層13の表面に酸化皮膜が形成され、この酸化皮膜に由来する酸素が、界面において、深い準位を形成することを回避する。その構成とすることにより、AlGaN電子供給層13の表面を被覆する絶縁膜を形成する過程で、界面にトラップ準位として機能する不純物の導入をより効果的に防止でき、「電流コラプス」の発生をさらに確実に抑制することができる。なお、「酸素を実質的に含まない」とは、該表面保護膜として利用可能な絶縁膜中に酸素を意図的に含有させていないことを意味する。例えば、該絶縁膜中に非意図的に酸素が混入される場合、混入される酸素に起因して、該界面に形成される、酸素由来の不純物準位の面密度が、「電流コラプス」の発生を誘発する範囲に達していない程度であれば、特に問題とはならない。   The SiN film 21 is an insulating film that substantially does not contain oxygen as a constituent element. Since oxygen tends to form deep levels in the group III nitride semiconductor, an insulating film that can be used as a surface protective film covering the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is selected as a film that does not substantially contain oxygen. To do. That is, in the process of forming an insulating film that can be used as a surface protective film, an oxide film is formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 13, and oxygen derived from this oxide film forms a deep level at the interface. To avoid. With this configuration, in the process of forming the insulating film covering the surface of the AlGaN electron supply layer 13, it is possible to more effectively prevent the introduction of impurities that function as trap levels at the interface and to generate “current collapse”. Can be more reliably suppressed. Note that “substantially free of oxygen” means that oxygen is not intentionally contained in the insulating film that can be used as the surface protective film. For example, when oxygen is unintentionally mixed into the insulating film, the surface density of impurity levels derived from oxygen formed at the interface due to the mixed oxygen is “current collapse”. It is not a problem as long as it does not reach the range that induces the outbreak.

図8に、AlGaN電子供給層13と絶縁膜との界面に存在する不純物濃度(酸素濃度)と電流コラプスの関係を示す。一般に、GaN−HJFETでは、シートキャリア濃度 1×1012 cm-2 〜1×1013 cm-2程度のキャリアがAlGaN電子供給層13/GaNチャネル層12の界面に存在している。また、AlGaN電子供給層13の表面において、半導体/絶縁膜界面に存在する不純物(酸素)は、界面準位を形成する。この酸素に起因する界面準位は、キャリアのトラップする深い準位として機能する。そのため、界面の酸素が半導体層側に1nm程度拡散する際、その不純物濃度が1×1019 atoms/cm3の場合、界面準位にトラップされるキャリア密度は、1×1012 cm-2に達することになる。すなわち、AlGaN電子供給層13からGaNチャネル層へ供給されるべきキャリアの一部が、半導体/絶縁膜界面にトラップされることになる。そのため、AlGaN電子供給層13/GaNチャネル層12の界面に蓄積されるキャリア密度が減少する。界面準位が存在しない際のGaN−HJFETのシートキャリア濃度によっては、半導体/絶縁膜界面にトラップされる結果、AlGaN電子供給層13/GaNチャネル層12の界面に蓄積されるキャリアが欠乏する状態となり、ドレイン電流が低下するという「電流コラプス」が起きることを示している。なお、図8中、本来のシートキャリア濃度が1×1012 cm-2である場合における、界面に存在する不純物濃度(酸素濃度)と電流コラプスの関係を△印で示す。また、本来のシートキャリア濃度が1×1013 cm-2である場合における、界面に存在する不純物濃度(酸素濃度)と電流コラプスの関係を○印で示す。すなわち、GaN−HJFETでは、本来のシートキャリア濃度が1×1012 cm-2 〜1×1013 cm-2程度に選択している場合、「電流コラプス」の影響を抑えるためには、界面準位にトラップされるキャリア密度、すなわち、半導体/絶縁膜界面の不純物濃度を本来のシートキャリア濃度の10%以下に抑えることが好ましい。例えば、GaN−HJFETのシートキャリア濃度の減少比率を10%以下に抑えるためには、界面における不純物濃度が、1×1017 atoms/cm3以下であり、「電流コラプス」の発生を誘発する範囲に達していない程度であれば、該絶縁膜は、非意図的に酸素が混入されているものであっても、「酸素を実質的に含まない」膜と同等に利用することができる。また、界面で観測される酸素濃度がSIMSにおける検出限界(1×1015 atoms/cm3)以下であることが好ましい。 FIG. 8 shows the relationship between the impurity concentration (oxygen concentration) present at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the insulating film and the current collapse. In general, in the GaN-HJFET, carriers having a sheet carrier concentration of about 1 × 10 12 cm −2 to 1 × 10 13 cm −2 exist at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the GaN channel layer 12. Further, on the surface of the AlGaN electron supply layer 13, impurities (oxygen) present at the semiconductor / insulating film interface form an interface state. This interface level caused by oxygen functions as a deep level where carriers are trapped. Therefore, when the interface oxygen diffuses to the semiconductor layer side by about 1 nm and the impurity concentration is 1 × 10 19 atoms / cm 3 , the carrier density trapped at the interface state is 1 × 10 12 cm −2 . Will reach. That is, a part of carriers to be supplied from the AlGaN electron supply layer 13 to the GaN channel layer is trapped at the semiconductor / insulating film interface. Therefore, the carrier density accumulated at the interface of the AlGaN electron supply layer 13 / GaN channel layer 12 decreases. Depending on the sheet carrier concentration of the GaN-HJFET when there is no interface state, trapped at the semiconductor / insulating film interface results in a lack of carriers accumulated at the AlGaN electron supply layer 13 / GaN channel layer 12 interface. Thus, “current collapse” in which the drain current decreases is shown. In FIG. 8, the relationship between the impurity concentration (oxygen concentration) present at the interface and current collapse when the original sheet carrier concentration is 1 × 10 12 cm −2 is indicated by Δ. In addition, the relationship between the impurity concentration (oxygen concentration) present at the interface and the current collapse when the original sheet carrier concentration is 1 × 10 13 cm −2 is indicated by ◯. That is, in the GaN-HJFET, when the original sheet carrier concentration is selected to be about 1 × 10 12 cm −2 to 1 × 10 13 cm −2, in order to suppress the influence of “current collapse”, the interface state It is preferable to suppress the carrier density trapped in the vicinity, that is, the impurity concentration at the semiconductor / insulating film interface to 10% or less of the original sheet carrier concentration. For example, in order to suppress the reduction ratio of the sheet carrier concentration of GaN-HJFET to 10% or less, the impurity concentration at the interface is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less, and the range in which the occurrence of “current collapse” is induced. As long as it does not reach this level, the insulating film can be used in the same manner as a film that substantially does not contain oxygen even if oxygen is intentionally mixed. Moreover, it is preferable that the oxygen concentration observed at the interface is not more than the detection limit (1 × 10 15 atoms / cm 3 ) in SIMS.

さらには、AlGaN電子供給層13の表面を被覆する絶縁膜は、複数種の絶縁膜が積層された構造であってもよい。具体的には、AlGaN電子供給層13の表面と直接接する下層膜として、SiN膜を用い、その上面に酸素を構成元素として含むSiON膜、SiO2膜や、Al23膜を積層する構造であってもよい。 Furthermore, the insulating film covering the surface of the AlGaN electron supply layer 13 may have a structure in which a plurality of types of insulating films are stacked. Specifically, a SiN film is used as a lower layer film in direct contact with the surface of the AlGaN electron supply layer 13, and a SiON film, an SiO 2 film, or an Al 2 O 3 film containing oxygen as a constituent element is laminated on the upper surface. It may be.

また、上記III族窒化物半導体層構造上に形成されるSiN膜は、上記III族窒化物半導体層構造を形成する装置、例えば、有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)装置を用いて、半導体層の形成後、大気に曝すことなく、形成する。その際、前記成長装置内において、シリコン原料ガスとして、ジシランまたはモノシランを、窒素原料ガスとして、アンモニアを、それぞれキャリアガス中に数%(体積)以上の濃度で混合する原料ガスを利用して、熱的に原料ガスを分解して、SiN膜の成長を行う。   In addition, the SiN film formed on the group III nitride semiconductor layer structure may be an apparatus for forming the group III nitride semiconductor layer structure, for example, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) apparatus. Used after the semiconductor layer is formed without being exposed to the atmosphere. At that time, in the growth apparatus, disilane or monosilane is used as a silicon source gas, ammonia is used as a nitrogen source gas, and a source gas in which ammonia is mixed in a carrier gas at a concentration of several percent (volume) or more, The source gas is thermally decomposed to grow a SiN film.

このSiN膜の成長条件は、温度は、900℃〜1100℃の範囲に選択し、また、成長中、成長室内の内圧を、10kPa〜40kPaの範囲に選択することが望ましい。供給される原料ガス中に含まれる、シリコン原料ガスと窒素原料ガスの供給量比は、含まれるSi:Nの原子数比率として、例えば、ジシランとアンモニアを用いる場合、Si:N=4:1〜6:1の範囲に設定することが好ましい。   As for the growth conditions of this SiN film, the temperature is preferably selected in the range of 900 ° C. to 1100 ° C., and the internal pressure in the growth chamber is preferably selected in the range of 10 kPa to 40 kPa during the growth. The supply ratio of the silicon source gas and the nitrogen source gas contained in the supplied source gas is, for example, Si: N = 4: 1 when disilane and ammonia are used as the Si: N atomic ratio included. It is preferable to set in the range of ˜6: 1.

なお、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板は、図1に例示するように、基板上に、バッファ層を介して、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造、すなわち、電子供給層/チャンネル層として、AlyGa1-yN/InxGa1-xNが形成され、その表面に、表面保護膜として利用可能な絶縁膜として、特には、SiN膜を積層する構成とすることが好ましい。基板10としては、III族窒化物半導体の成長に利用可能な基板であれは、種々の基板が利用可能であるが、特には、基板側から、チャンネル層中へ不純物の拡散(オートドーピング)の懸念が少ない基板材料を利用することが好ましい。従って、SiC基板を利用することがより好ましい。なお、この基板上に成長されるヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造は、その成長面方位は、(0001)に選択することが望ましい。一方、バッファ層11も、その上で成長されるIII族窒化物半導体層構造との、その成長面方位と同じ面方位とし、加えて、かかるバッファ層は、高い抵抗を示す層とすることが好ましい。例えば、低温成長AlNが、バッファ層11として、好適に利用できる。バッファ層11の膜厚は、100〜300nmの範囲に設定すると好ましい。 As shown in FIG. 1, the group III nitride semiconductor substrate according to the present invention has a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction on the substrate via a buffer layer, that is, an electron supply layer / As the channel layer, Al y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N is formed, and on the surface thereof, an insulating film that can be used as a surface protective film, in particular, a SiN film is laminated. Is preferred. As the substrate 10, various substrates can be used as long as they can be used for growing a group III nitride semiconductor. In particular, impurity diffusion (auto-doping) from the substrate side into the channel layer is possible. It is preferable to use a substrate material with less concern. Therefore, it is more preferable to use a SiC substrate. Note that the growth plane orientation of the group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction grown on this substrate is preferably selected to be (0001). On the other hand, the buffer layer 11 also has the same plane orientation as the growth plane orientation of the group III nitride semiconductor layer structure grown thereon, and in addition, the buffer layer may be a layer exhibiting high resistance. preferable. For example, low-temperature grown AlN can be suitably used as the buffer layer 11. The thickness of the buffer layer 11 is preferably set in the range of 100 to 300 nm.

本発明においては、III族窒化物半導体系HJFETの作製を目的とするため、ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造、すなわち、電子供給層/チャンネル層として、AlyGa1-yN/InxGa1-xNは、いずれもノンドーピング層とする。そのAlyGa1-yN/InxGa1-xN層の膜厚は、それぞれ、AlyGa1-yN電子供給層の膜厚は、5〜50nmの範囲に、InxGa1-xNチャンネル層の膜厚は、1〜40nmの範囲に設定することが好ましい。AlyGa1-yN電子供給層の膜厚は、10〜25nmの範囲に、InxGa1-xNチャンネル層の膜厚は、2〜5nmの範囲に設定するとより好ましい。その際、作製するIII族窒化物半導体系HJFETにおいて、表面保護膜として利用されるSiN膜の膜厚は、20〜300nmの範囲に選択することが好ましい。 In the present invention, in order to produce a group III nitride semiconductor HJFET, a group III nitride semiconductor layer structure including a heterojunction, that is, as an electron supply layer / channel layer, Al y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N is a non-doping layer. The film thickness of the Al y Ga 1-y N / In x Ga 1-x N layer is 5 nm to 50 nm, respectively, and the film thickness of the Al y Ga 1-y N electron supply layer is In x Ga 1. The film thickness of the -x N channel layer is preferably set in the range of 1 to 40 nm. More preferably, the thickness of the Al y Ga 1 -y N electron supply layer is set in the range of 10 to 25 nm, and the thickness of the In x Ga 1 -x N channel layer is set in the range of 2 to 5 nm. At that time, the thickness of the SiN film used as the surface protective film in the Group III nitride semiconductor HJFET to be manufactured is preferably selected in the range of 20 to 300 nm.

上記のように、大気に曝すことなく、連続してSiN膜を成長するプロセスを採用することで、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板では、AlyGa1-yN電子供給層とSiN膜との界面における不純物濃度を、容易に1×1017 atoms/cm3以下に抑制することができる。なお、本発明にかかるIII族窒化物半導体基板では、この界面における不純物濃度は、より好ましくは、1×1015 atoms/cm3以下とする。但し、この界面における不純物濃度が、界面で観測される酸素濃度がSIMSにおける検出限界(1×1015 atoms/cm3)以下に達すれば、この下限値以上の低減を図る必要性が極僅かとなる。 As described above, by adopting the process of continuously growing the SiN film without being exposed to the atmosphere, in the group III nitride semiconductor substrate according to the present invention, the Al y Ga 1-y N electron supply layer and the SiN The impurity concentration at the interface with the film can be easily suppressed to 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. In the group III nitride semiconductor substrate according to the present invention, the impurity concentration at this interface is more preferably 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less. However, if the impurity concentration at this interface reaches the detection limit (1 × 10 15 atoms / cm 3 ) or less in SIMS, the need to reduce the lower limit value or less is negligible. Become.

以下、本発明の実施態様について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施態様は、本発明にかかる最良の実施形態の一例であるが、本発明の技術的範囲は、かかる具体的な態様には限定されない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiment described below is an example of the best mode according to the present invention, but the technical scope of the present invention is not limited to such a specific mode.

(実施態様)
本実施態様のIII族窒化物半導体基板は、図1に示される構成を有している。本実施態様のIII族窒化物半導体基板においては、SiC等の基板10上に、III族窒化物半導体層からなるバッファ層11が形成されている。このバッファ層11上に、GaNチャネル層12が形成されている。GaNチャネル層12の上には、AlGaN電子供給層13が形成されている。AlGaN電子供給層13の表面は、SiN膜21で覆われている。以下、本実施態様のIII族窒化物半導体基板を製造する工程をさらに具体的に説明する。
(Embodiment)
The group III nitride semiconductor substrate of this embodiment has the configuration shown in FIG. In the group III nitride semiconductor substrate of this embodiment, a buffer layer 11 made of a group III nitride semiconductor layer is formed on a substrate 10 made of SiC or the like. A GaN channel layer 12 is formed on the buffer layer 11. An AlGaN electron supply layer 13 is formed on the GaN channel layer 12. The surface of the AlGaN electron supply layer 13 is covered with the SiN film 21. Hereinafter, the process of manufacturing the group III nitride semiconductor substrate of this embodiment will be described more specifically.

まず、図2(a)に示したように、SiCからなる基板10上に、エピタキシャル成長法を用いて、半導体を成長させて、基板10側から順に、アンドープAlNからなるバッファ層11(膜厚20nm)、アンドープのGaNチャネル層12(膜厚2μm)、アンドープAlGaNからなるAlGaN電子供給層13(膜厚25nm)が積層した半導体層構造を得る(図2(a))。エピタキシャル成長法として、例えば、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)成長法や有機金属気相エピタキシ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:MOVPE)成長法を利用することができる。   First, as shown in FIG. 2A, a semiconductor is grown on a substrate 10 made of SiC using an epitaxial growth method, and a buffer layer 11 (thickness 20 nm) made of undoped AlN is sequentially formed from the substrate 10 side. ), A semiconductor layer structure in which an undoped GaN channel layer 12 (film thickness 2 μm) and an AlGaN electron supply layer 13 (film thickness 25 nm) made of undoped AlGaN are stacked (FIG. 2A). As the epitaxial growth method, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) growth method or a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) growth method can be used.

そして、AlGaN電子供給層13上にSiN膜21(膜厚60nm)を形成する(図2(b))。このとき、AlGaN電子供給層13の形成後、大気曝露せずに同一の成膜装置内でSiN膜21を形成する。SiN膜21は、AlGaN電子供給層13およびGaNチャネル層12の成長法と同様の気相成長法によって、同一の成長装置内において形成される。   Then, a SiN film 21 (film thickness 60 nm) is formed on the AlGaN electron supply layer 13 (FIG. 2B). At this time, after the AlGaN electron supply layer 13 is formed, the SiN film 21 is formed in the same film forming apparatus without being exposed to the atmosphere. The SiN film 21 is formed in the same growth apparatus by a vapor phase growth method similar to the growth method of the AlGaN electron supply layer 13 and the GaN channel layer 12.

本実施態様では、エピタキシャル成長法によりIII族窒化物半導体層構造を形成した後、成膜室から取り出すことなく、清浄な雰囲気で、引き続きSiN膜21を形成している。清浄な雰囲気とは、具体的には、実質的に酸素を含まない雰囲気である。このSiN膜の作製条件では、AlGaN電子供給層13の表面が途中で大気中に曝されることがないので、AlGaN電子供給層13とSiN膜21との界面における不純物濃度をさらに効果的に低減させることができる。従って、得られるIII族窒化物半導体基板を利用して、図3に示す構造のAlGaN/GaN HJFETを作製した場合、「電流コラプス」をさらに効果的に抑制可能な構成とすることができる。   In this embodiment, after forming the group III nitride semiconductor layer structure by the epitaxial growth method, the SiN film 21 is continuously formed in a clean atmosphere without taking out from the film forming chamber. Specifically, the clean atmosphere is an atmosphere that does not substantially contain oxygen. Under this SiN film production condition, the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is not exposed to the air in the middle, so that the impurity concentration at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the SiN film 21 is further effectively reduced. Can be made. Therefore, when an AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 3 is manufactured using the obtained group III nitride semiconductor substrate, the “current collapse” can be further effectively suppressed.

なお、本実施態様のIII族窒化物半導体基板を作製するプロセスにおいて、利用される成膜室は、一つの室から構成されていてもよいし、複数の小室を含んでいてもよい。複数の小室を含む成膜室を用いる場合、一つの小室において、AlGaN電子供給層13を形成した後、真空解除による大気暴露をせずに基板10を他の小室に搬送し、SiN膜21の形成を行ってもよい。この搬送過程においても、真空解除による大気暴露を行わないため、AlGaN電子供給層13の表面汚染を効果的に抑制することができる。   In the process of manufacturing the group III nitride semiconductor substrate of this embodiment, the film forming chamber used may be composed of a single chamber or may include a plurality of small chambers. In the case of using a deposition chamber including a plurality of chambers, after forming the AlGaN electron supply layer 13 in one chamber, the substrate 10 is transferred to another chamber without exposure to the atmosphere by releasing the vacuum, and the SiN film 21 is formed. Formation may be performed. Even during this transport process, exposure to the atmosphere by releasing the vacuum is not performed, so that surface contamination of the AlGaN electron supply layer 13 can be effectively suppressed.

図6(a)および図6(b)は、本実施態様に従って製造されたIII族窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)の素子特性と、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)の素子特性とを比較する図である。   6 (a) and 6 (b) show the device characteristics of an AlGaN / GaN HJFET (FIG. 3) manufactured using a group III nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment, and a conventional nitride semiconductor substrate. It is a figure which compares the element characteristic of AlGaN / GaN HJFET (FIG. 5) produced using this.

まず、図6(a)および図6(b)は、それぞれ、上述した本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)と、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)において、各々10枚の3インチウェーハで得られたHJFETでのショットキー障壁高さφBおよび理想化因子nを示す図である。   First, FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b) show an AlGaN / GaN HJFET (FIG. 3) manufactured using the nitride semiconductor substrate manufactured according to the above-described embodiment and a conventional nitride semiconductor, respectively. FIG. 6 is a diagram showing Schottky barrier height φB and idealization factor n in HJFETs obtained from 10 3-inch wafers in an AlGaN / GaN HJFET fabricated using a substrate (FIG. 5).

図3に示すAlGaN/GaN HJFETを作製する際、ゲート電極2を形成する工程では、まず、SiN膜に開口部を形成するため、対応する開口部を設けたレジスト膜をマスクとして、SiN膜の選択的エッチングを行う。そのエッチングは、エッチング液として、フッ酸エッチング液を用いている。その後、エッチングマスクとして使用したレジスト膜を除去した後、リフトオフ工程に用いる、所定の開口部を設けたレジスト膜を形成する。その後、SiN膜に設けている開口部に露呈しているAlGaN電子供給層13表面の清浄化のため、例えば、塩酸水溶液を用いて、その表面を処理している。この処理を施したAlGaN電子供給層13の表面にゲート電極を形成している。   When fabricating the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 3, in the step of forming the gate electrode 2, first, in order to form an opening in the SiN film, the resist film provided with the corresponding opening is used as a mask to form the SiN film. Perform selective etching. In the etching, a hydrofluoric acid etching solution is used as an etching solution. Thereafter, after removing the resist film used as the etching mask, a resist film provided with a predetermined opening is used for the lift-off process. Thereafter, in order to clean the surface of the AlGaN electron supply layer 13 exposed in the opening provided in the SiN film, the surface is treated with, for example, an aqueous hydrochloric acid solution. A gate electrode is formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 13 subjected to this treatment.

一方、図5に示すAlGaN/GaN HJFETを作製する際、ゲート電極202を形成する工程では、リフトオフ工程に用いる、所定の開口部を設けたレジスト膜をAlGaN電子供給層213表面に直接形成する。その後、このレジスト膜に設けている開口部に露呈しているAlGaN電子供給層213表面の清浄化のため、例えば、塩酸水溶液を用いて、その表面を処理している。この処理を施したAlGaN電子供給層213の表面にゲート電極を形成している。   On the other hand, when the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 5 is manufactured, in the step of forming the gate electrode 202, a resist film having a predetermined opening used for the lift-off process is directly formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 213. Thereafter, in order to clean the surface of the AlGaN electron supply layer 213 exposed in the opening provided in the resist film, the surface is treated with, for example, an aqueous hydrochloric acid solution. A gate electrode is formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 213 subjected to this treatment.

また、ここで比較している、図5に示すAlGaN/GaN HJFETと、図3に示すAlGaN/GaN HJFETとは、基板、バッファ層、GaNチャンネル層、AlGaN電子供給層は、厚さ、組成ともに同一としている。また、表面被覆層として利用するSiN膜の厚さも同一としている。   In addition, the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 5 and the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 3 are compared with each other in the substrate, the buffer layer, the GaN channel layer, and the AlGaN electron supply layer in both thickness and composition. Identical. The thickness of the SiN film used as the surface coating layer is also the same.

図5に示すAlGaN/GaN HJFETでは、SiN膜221は、ゲート電極202の作製後、成膜法として、プラズマCVD法を利用して形成されている。すなわち、リフトオフ工程で使用するレジスト膜を除去後、AlGaN電子供給層213の表面に残るレジスト膜残渣を除去するため、プラズマ・アッシング処理後、表面を水洗浄している。その後、乾燥したAlGaN電子供給層213の表面に、何らの処理も行わず、プラズマCVD法を利用して、SiN膜221を成膜している。その成膜工程は、例えば、温度300℃、内圧80Paの条件で、10分間を要している。すなわち、作製された、ゲート電極202は、前記SiN膜221の成膜工程の間、その温度300℃、10分間の加熱処理を受けている。   In the AlGaN / GaN HJFET shown in FIG. 5, the SiN film 221 is formed using a plasma CVD method as a film forming method after the gate electrode 202 is manufactured. That is, after removing the resist film used in the lift-off process, the surface is washed with water after the plasma ashing treatment in order to remove the resist film residue remaining on the surface of the AlGaN electron supply layer 213. Thereafter, the SiN film 221 is formed on the surface of the dried AlGaN electron supply layer 213 by using the plasma CVD method without performing any treatment. For example, the film forming process requires 10 minutes under conditions of a temperature of 300 ° C. and an internal pressure of 80 Pa. That is, the fabricated gate electrode 202 is subjected to heat treatment at a temperature of 300 ° C. for 10 minutes during the SiN film 221 deposition process.

一方、SiN膜221を形成するAlGaN電子供給層213の表面は、プラズマ・アッシング処理を施す際に導入されるダメージが表面に残留した状態である。また、プラズマ・アッシング処理の間に表面に形成される酸化皮膜の除去、付着している不純物の除去を目的とするクリーニング処理はなんら施されず、SiN膜221の成膜がなされている。   On the other hand, the surface of the AlGaN electron supply layer 213 on which the SiN film 221 is formed is in a state in which damage introduced when performing the plasma ashing process remains on the surface. In addition, the SiN film 221 is formed without performing any cleaning process for the purpose of removing the oxide film formed on the surface during the plasma ashing process and removing the adhering impurities.

図6(a)および図6(b)に示す対比結果から、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)では、ゲード電極2のショットキー障壁高さφB(図中、○印で示す)は、0.8eVであり、ウェーハ間のバラツキも僅かであり、理想化因子n値(図中、△印で示す)も、平均値は、1.4であり、ウェーハ間のバラツキも小さい。すなわち、理想的なショットキー接合からの偏移が少なく、優れたショットキー性が得られ、また、ウェーハ間の再現性も高いことが判る。これは、ゲート電極2の形成領域となる、AlGaN電子供給層13の表面は、ゲート電極2の形成工程まで、SiN膜で被覆されており、それ以前の各工程において、大気や、プラズマ・アッシングのプラズマ雰囲気に曝されることがなく、AlGaN電子供給層13の表面への汚染、ダメージの影響を抑制されているためと推察される。加えて、ゲート電極2の形成後、表面保護膜を形成するための成膜工程に付随する加熱処理もなく、この影響も回避されていることも、優れたショットキー性を保持する上で好ましいものである。   From the comparison results shown in FIGS. 6A and 6B, in the AlGaN / GaN HJFET manufactured using the nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment (FIG. 3), the Schottky barrier of the gate electrode 2 is obtained. The height φB (indicated by a circle in the figure) is 0.8 eV, the variation between wafers is slight, and the idealization factor n value (indicated by a triangle in the figure) is 1 in average. .4, and the variation between wafers is small. That is, it can be seen that there is little deviation from an ideal Schottky junction, excellent Schottky properties are obtained, and reproducibility between wafers is also high. This is because the surface of the AlGaN electron supply layer 13, which is the formation region of the gate electrode 2, is covered with the SiN film until the formation process of the gate electrode 2. In each of the previous processes, the atmosphere and plasma ashing are performed. This is presumably because the influence of contamination and damage to the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is suppressed without being exposed to the plasma atmosphere. In addition, after the formation of the gate electrode 2, there is no heat treatment associated with the film forming process for forming the surface protective film, and it is preferable that this influence is avoided to maintain excellent Schottky properties. Is.

一方、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、ゲード電極2のショットキー障壁高さφB(図中、●印で示す)は、0.7eVであり、ウェーハ間のバラツキも顕著であり、理想化因子n値(図中、▲印で示す)も、平均値は、2.0であり、ウェーハ間のバラツキも大きい。すなわち、理想的なショットキー接合からの偏移が大きく、ショットキー性は劣っている。これは、ゲート電極202の形成領域となる、AlGaN電子供給層213の表面は、ゲート電極202の形成工程以前の各工程において、大気や、プラズマ・アッシングのプラズマ雰囲気に曝されており、AlGaN電子供給層13の表面への汚染、ダメージの影響が残っているためと推察される。また、残っている汚染、ダメージは、ウェーハ間で異なっており、結果として、ウェーハ間のバラツキも大きくなっている。加えて、ゲート電極202の形成後、表面保護膜を形成するため、プラズマCVD法を利用したSiNの成膜工程に付随する加熱処理を受けており、この加熱処理もショットキー性の低下に何らかの影響を持っていると推察される。   On the other hand, in an AlGaN / GaN HJFET fabricated using a conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), the Schottky barrier height φB (indicated by a mark ● in the figure) of the gate electrode 2 is 0.7 eV, The variation between wafers is also remarkable, and the idealization factor n value (indicated by ▲ in the figure) has an average value of 2.0, and the variation between wafers is also large. That is, the deviation from the ideal Schottky junction is large, and the Schottky property is inferior. This is because the surface of the AlGaN electron supply layer 213, which is the formation region of the gate electrode 202, is exposed to the atmosphere or the plasma atmosphere of plasma ashing in each step before the formation step of the gate electrode 202. It is assumed that the surface of the supply layer 13 is still contaminated and damaged. Further, the remaining contamination and damage are different between wafers, and as a result, the variation between wafers is increased. In addition, after the formation of the gate electrode 202, a heat treatment associated with the SiN film formation process using the plasma CVD method is performed in order to form a surface protective film, and this heat treatment also reduces the Schottky property. Inferred to have an impact.

また、図7は、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)と、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)を、それぞれ10枚の3インチウェーハを用いて試作した際、各ウェーハにおいて測定される電流コラプス量を示す。   FIG. 7 shows an AlGaN / GaN HJFET manufactured using a nitride semiconductor substrate manufactured according to the present embodiment (FIG. 3) and an AlGaN / GaN HJFET manufactured using a conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5). ) Shows the amount of current collapse measured in each wafer when trial manufacture is performed using ten 3-inch wafers.

図7に示す結果において、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、ウェーハ内において、電流コラプス量のバラツキが大きなものが、相当の比率で存在している。また、ウェーハ間における、電流コラプス量のバラツキも大きなものとなっている。すなわち、表面保護膜のSiN膜221と、AlGaN電子供給層213との界面に存在する、負の固定電荷量が、ウェーハ内において、大きなバラツキを示すものが相当の比率で存在している。また、ウェーハ間においても、界面に存在する負の固定電荷量が大きなバラツキを有することを示している。   In the results shown in FIG. 7, in the AlGaN / GaN HJFET fabricated using the conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), a large amount of current collapse variation exists in the wafer in a considerable ratio. . In addition, there is a large variation in the amount of current collapse between wafers. That is, there is a considerable proportion of negative fixed charge amounts present at the interface between the SiN film 221 serving as the surface protective film and the AlGaN electron supply layer 213 and exhibiting large variations in the wafer. Also, it is shown that the negative fixed charge amount existing at the interface has a large variation between wafers.

換言するならば、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、プラズマCVD法を利用して成膜される表面保護膜のSiN膜221と、AlGaN電子供給層213との界面に存在する、深い不純物準位などのトラップ準位の面密度が、ウェーハ内において、大きなバラツキを示すものが相当の比率で存在することを示している。その際、ウェーハ間においても、界面に存在する、深い不純物準位などのトラップ準位の面密度が大きなバラツキを有することを示している。   In other words, in an AlGaN / GaN HJFET fabricated using a conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), a surface protection film SiN film 221 formed using a plasma CVD method, and an AlGaN electron supply layer It is shown that the surface density of trap levels, such as deep impurity levels, present at the interface with 213 has a large ratio within the wafer that exhibits large variations. At this time, the surface density of trap levels such as deep impurity levels existing at the interface also varies greatly between wafers.

従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、AlGaN電子供給層213の表面に表面保護膜のSiN膜221を形成する工程に先立ち、リフトオフ後、表面に残るレジスト残渣を除去するため、プラズマ・アッシング処理を施している。プラズマ・アッシング処理後、表面の洗浄は施されるが、大気や、プラズマ・アッシングのプラズマ雰囲気に曝されることで導入される、AlGaN電子供給層13の表面の酸化や、ダメージを除去するための、表面エッチング処理は施されていない。従って、表面の酸化や、ダメージが残っている状態で、AlGaN電子供給層13の表面にSiN膜221の形成がなされている。また、SiN膜221の形成工程自体、プラズマCVD法を利用しており、この工程自体に起因するプラズマ・ダメージの導入も予測される。従って、ウェーハ内において、残存している表面の酸化や、ダメージの程度にバラツキがあり、同時に、ウェーハ間においても、残存している表面の酸化や、ダメージの程度にバラツキが生じていると推察される。残存している表面の酸化や、ダメージが多い場合、界面に存在する、深い不純物準位などのトラップ準位の面密度も高くなり、それに起因して、電流コラプス量も高い状態となる。   In an AlGaN / GaN HJFET fabricated using a conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), a resist remaining on the surface after lift-off prior to the step of forming the surface protective film SiN film 221 on the surface of the AlGaN electron supply layer 213. In order to remove the residue, plasma ashing is performed. Although the surface is cleaned after the plasma ashing treatment, the surface of the AlGaN electron supply layer 13 introduced by exposure to the atmosphere or the plasma atmosphere of plasma ashing is removed to remove oxidation or damage. The surface etching process is not performed. Therefore, the SiN film 221 is formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 13 with the surface oxidized or damaged. Further, the process itself of forming the SiN film 221 uses the plasma CVD method, and the introduction of plasma damage due to this process itself is expected. Therefore, there is a variation in the degree of oxidation and damage on the remaining surface in the wafer, and at the same time, it is assumed that there is a variation in the degree of oxidation and damage on the remaining surface between wafers. Is done. When the remaining surface is oxidized or damaged, the surface density of trap levels such as deep impurity levels existing at the interface increases, resulting in a high current collapse amount.

すなわち、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、ゲート電極202の形成後、AlGaN電子供給層表面に残存する表面酸化火膜やダメージを除去する目的で、例えば、酸などを利用して、表面のエッチング処理を実施することが困難である。そのため、AlGaN電子供給層表面には、深い不純物準位などのトラップ準位を生じさせる、不純物による汚染、表面酸化皮膜などが、様々な程度で残存することになり、前記の大きなバラツキの要因となっていると推察される。   That is, in the AlGaN / GaN HJFET fabricated using the conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), after the formation of the gate electrode 202, the surface oxide fire film remaining on the surface of the AlGaN electron supply layer and damage are removed. For example, it is difficult to perform surface etching using an acid or the like. Therefore, contamination by impurities, surface oxide film, etc. that cause trap levels such as deep impurity levels remain on the surface of the AlGaN electron supply layer to various extents. It is inferred that

一方、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)では、AlGaN電子供給層13の成長を終えた後、大気に曝すことなく、その清浄な表面上に、表面保護膜のSiN膜21が形成されている。従って、表面保護膜のSiN膜21が形成されている、AlGaN電子供給層13との表面には、本質的には、表面の酸化や、プラズマ・アッシング処理に由来するダメージが導入されることはない。従って、界面に生成される、トラップ準位として機能する深い不純物準位の面密度は、ウェーハ内においてバラツキが僅かであり、また、ウェーハ間においても、バラツキを示さないものとなっている。その後、AlGaN電子供給層13の表面は、表面保護膜のSiN膜21で覆われており、いずれの工程においても、表面保護膜のSiN膜21とAlGaN電子供給層13の界面に新たに不純物が導入されることはない。   On the other hand, in the AlGaN / GaN HJFET manufactured using the nitride semiconductor substrate manufactured according to the present embodiment (FIG. 3), after the growth of the AlGaN electron supply layer 13 is finished, its clean surface is not exposed to the atmosphere. A SiN film 21 serving as a surface protective film is formed thereon. Therefore, the surface of the surface protective film SiN film 21 on which the surface protective film is formed and the AlGaN electron supply layer 13 are essentially damaged by surface oxidation or plasma ashing. Absent. Therefore, the surface density of the deep impurity level that functions as a trap level generated at the interface has little variation within the wafer, and does not show variation between wafers. After that, the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is covered with the SiN film 21 serving as the surface protection film, and impurities are newly added to the interface between the SiN film 21 serving as the surface protection film and the AlGaN electron supply layer 13 in any process. It will not be introduced.

従って、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)では、表面保護膜のSiN膜21とAlGaN電子供給層13の界面に存在する不純物濃度は低減されており、加えて、その後の工程において、不純物濃度の上昇もない。本質的に、表面保護膜のSiN膜21とAlGaN電子供給層13の界面に存在する不純物濃度は、ウェーハ内においてバラツキが僅かであり、また、ウェーハ間においても、バラツキを示さないものとなっている。その結果、表面保護膜のSiN膜21とAlGaN電子供給層13の界面に存在する不純物に由来する、深い不純物準位にトラップされることの生成される、界面の負の固定電荷量は低減されている。加えて、この界面の負の固定電荷量は、ウェーハ内においてバラツキが僅かであり、また、ウェーハ間においても、バラツキを示さないものとなっている。従って、界面の負の固定電荷量に起因する電流コラプス量も低減され、ウェーハ内の均一性も高くなっている。さらには、各ウェーハ間においても、高い再現性で、低減された電流コラプス量が達成されている。   Therefore, in the AlGaN / GaN HJFET manufactured using the nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment (FIG. 3), the impurity concentration present at the interface between the SiN film 21 serving as the surface protective film and the AlGaN electron supply layer 13 is reduced. In addition, there is no increase in impurity concentration in subsequent steps. Essentially, the impurity concentration present at the interface between the SiN film 21 serving as the surface protective film and the AlGaN electron supply layer 13 has little variation within the wafer, and does not exhibit variation between wafers. Yes. As a result, the negative fixed charge amount at the interface that is generated by being trapped at a deep impurity level derived from impurities existing at the interface between the SiN film 21 of the surface protective film and the AlGaN electron supply layer 13 is reduced. ing. In addition, the negative fixed charge amount at this interface has little variation within the wafer and does not show variation between wafers. Therefore, the current collapse amount resulting from the negative fixed charge amount at the interface is also reduced, and the uniformity within the wafer is also increased. Furthermore, a reduced current collapse amount is achieved with high reproducibility between wafers.

実際、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板では、半導体層と同じ成長装置にて、AlGaN電子供給層13を形成後、大気やプラズマ中に暴露することなく、引き続き、原料ガスを熱的に分解する気相成長法を用いてSiN膜21が成長されている。その際、AlGaN電子供給層13の成長の終了した後、引き続きSiN膜21の成長を開始する間、AlGaN電子供給層13の表面は、大気に曝されないため、AlGaN電子供給層13の表面には、大気中での表面酸化に由来する酸化皮膜が形成することはない。   In fact, in the nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment, after forming the AlGaN electron supply layer 13 in the same growth apparatus as the semiconductor layer, the source gas is continuously heated without being exposed to the atmosphere or plasma. The SiN film 21 is grown by using the vapor phase growth method that decomposes into the following. At that time, after the growth of the AlGaN electron supply layer 13 is completed, while the growth of the SiN film 21 is subsequently started, the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is not exposed to the atmosphere. No oxide film derived from surface oxidation in the atmosphere is formed.

一方、AlGaN電子供給層13の表面を減圧下において、窒素原子の分圧がその解離圧より十分に低い環境で、加熱状態に長時間保持する際、表面に存在する窒素原子が熱的に離脱すると、表面に空孔(VN)が生成する。その長時間加熱の間に、成長系内に僅かに酸素が存在すると、酸素は、選択的にこの空孔(VN)を占めるように、その表面に不純物として取り込まれる。AlGaN電子供給層13の成長の終了した後、引き続きSiN膜21の成長を開始する間、例えば、窒素原料となるアンモニアを含むガスを供給し、窒素原子の分圧を解離圧より高く維持することで、AlGaN電子供給層13の表面から、窒素原子が熱的に離脱することを抑制する。さらには、この窒素原料となるアンモニアを含むガスを供給している状態で、AlGaN電子供給層13の表面に、シリコン原料ガスを供給して、SiN膜21の成長を開始するため、成長室内に存在している酸素などの不純物が成長界面へ混入する確率も低減されている。 On the other hand, when the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is kept under reduced pressure and the partial pressure of nitrogen atoms is sufficiently lower than the dissociation pressure in a heated state for a long time, the nitrogen atoms present on the surface are thermally detached. Then, vacancies (V N ) are generated on the surface. During the prolonged heating, if there is a slight amount of oxygen in the growth system, oxygen is taken up as an impurity on the surface to selectively occupy these vacancies (V N ). After the growth of the AlGaN electron supply layer 13 is completed, while the growth of the SiN film 21 is subsequently started, for example, a gas containing ammonia as a nitrogen raw material is supplied to maintain the partial pressure of nitrogen atoms higher than the dissociation pressure. Thus, thermal separation of nitrogen atoms from the surface of the AlGaN electron supply layer 13 is suppressed. Furthermore, in a state where a gas containing ammonia as a nitrogen source is supplied, a silicon source gas is supplied to the surface of the AlGaN electron supply layer 13 to start the growth of the SiN film 21. The probability that existing impurities such as oxygen enter the growth interface is also reduced.

さらに、かかる手法で製造した図1に示す構成の窒化物半導体基板を利用して作製されたAlGaN/GaN HJFET(図3)において、SiN膜21とAlGaN電子供給層13との界面における、AlGaN電子供給層中の酸素濃度を、SIMS法により測定した。SiN膜21の膜厚を60nmと選択している、本実施態様の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図3)の場合、前記界面における酸素濃度は、1×1015 atoms/cm3以下であった。なお、SIMS法による測定結果は、別途、同種の窒化物半導体基板に対して、同じ素子作製プロセスの操作を施したサンプルを利用して、AlGaN電子供給層中の酸素濃度を、SIMS法により測定した結果でなる。 Further, in the AlGaN / GaN HJFET (FIG. 3) manufactured using the nitride semiconductor substrate having the structure shown in FIG. 1 manufactured by such a method, AlGaN electrons at the interface between the SiN film 21 and the AlGaN electron supply layer 13 are used. The oxygen concentration in the supply layer was measured by the SIMS method. In the case of an AlGaN / GaN HJFET (FIG. 3) manufactured using the nitride semiconductor substrate of this embodiment in which the thickness of the SiN film 21 is selected to be 60 nm, the oxygen concentration at the interface is 1 × 10 15 atoms. / Cm 3 or less. In addition, the measurement result by SIMS method measured the oxygen concentration in an AlGaN electron supply layer by SIMS method separately using the sample which performed the same element preparation process operation with respect to the same kind of nitride semiconductor substrate. With the result.

図1に示す構成の窒化物半導体基板から、AlGaN/GaN HJFET(図3)を作製するまでの間、例えば、オーミック性接合形成のためのアニール処理などの加熱処理がなされている。そのため、当初、界面にのみ局在していた酸素などの不純物は、熱的な拡散を引き起こす可能性がある。一方、SiN膜21中に取り込まれていた酸素原子が、加熱処理に伴い、その界面へと凝集される可能性もある。これらの影響を受けた後でも、界面における酸素濃度は、1×1015 atoms/cm3以下に保たれている。 From the nitride semiconductor substrate having the configuration shown in FIG. 1 to the production of the AlGaN / GaN HJFET (FIG. 3), for example, a heat treatment such as an annealing treatment for forming an ohmic junction is performed. For this reason, impurities such as oxygen that were initially localized only at the interface may cause thermal diffusion. On the other hand, there is a possibility that oxygen atoms taken into the SiN film 21 are aggregated to the interface with the heat treatment. Even after being affected by these effects, the oxygen concentration at the interface is maintained at 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less.

加えて、AlGaN電子供給層13上に形成するSiN膜21の膜厚を、5〜200nmの範囲内で種々に変更して、図1に示す構成の窒化物半導体基板を製造し、その製造後、AlGaN電子供給層13とSiN膜21との界面における、不純物濃度を測定した。このSiN膜21の膜厚の範囲では、SIMS法によって、AlGaN電子供給層13とSiN膜21との界面で検出される酸素濃度は、いずれの場合も、1×1015 atoms/cm3以下であった。 In addition, the thickness of the SiN film 21 formed on the AlGaN electron supply layer 13 is variously changed within the range of 5 to 200 nm to manufacture the nitride semiconductor substrate having the configuration shown in FIG. The impurity concentration at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the SiN film 21 was measured. In the range of the thickness of the SiN film 21, the oxygen concentration detected at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the SiN film 21 by SIMS method is 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less in any case. there were.

一方、従来の窒化物半導体基板を用いて作製したAlGaN/GaN HJFET(図5)では、SIMS法によって検出を行った際、AlGaN電子供給層213とSiN膜221との界面におけるAlGaN電子供給層213中の酸素濃度が1×1019 atoms/cm3程度であった。その作製プロセス中では、ゲート電極202の形成後、リフトオフ工程後、表面に残るレジスト膜残渣を除去するため、プラズマ・アッシング処理を施し、表面を洗浄している。但し、AlGaN電子供給層213の表面に生成される表面酸化膜を除去する、酸などを利用する選択エッチング処理は施していない。従って、生成した表面酸化膜で覆われているAlGaN電子供給層213の表面に、SiN膜221をプラズマCVD法により形成した状態となっている。 On the other hand, in an AlGaN / GaN HJFET fabricated using a conventional nitride semiconductor substrate (FIG. 5), the AlGaN electron supply layer 213 at the interface between the AlGaN electron supply layer 213 and the SiN film 221 is detected by the SIMS method. The oxygen concentration therein was about 1 × 10 19 atoms / cm 3 . In the manufacturing process, after the formation of the gate electrode 202, after the lift-off process, in order to remove the resist film residue remaining on the surface, a plasma ashing process is performed to clean the surface. However, the selective etching process using an acid or the like for removing the surface oxide film generated on the surface of the AlGaN electron supply layer 213 is not performed. Therefore, the SiN film 221 is formed on the surface of the AlGaN electron supply layer 213 covered with the generated surface oxide film by the plasma CVD method.

さらに、図1に示す構成の窒化物半導体基板を製造する際、エピタキシャル成長法によりAlGaN電子供給層13を形成した後、このAlGaN電子供給層13を大気に曝した後、そのまま、プラズマCVD法を利用して、膜厚60nmのSiN膜21を形成した。そのSiN膜21の形成後、AlGaN電子供給層13とSiN膜21との界面における、不純物濃度を測定した。その際、SIMS法において、この界面で検出される酸素濃度は、1×1019 atoms/cm3程度であった。 Further, when the nitride semiconductor substrate having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured, after the AlGaN electron supply layer 13 is formed by the epitaxial growth method, the AlGaN electron supply layer 13 is exposed to the atmosphere, and then the plasma CVD method is used as it is. Thus, a SiN film 21 having a thickness of 60 nm was formed. After the formation of the SiN film 21, the impurity concentration at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the SiN film 21 was measured. At that time, in the SIMS method, the oxygen concentration detected at this interface was about 1 × 10 19 atoms / cm 3 .

この製造プロセスは、図4に示す従来の構成を有する窒化物半導体基板に対して、エピタキシャル成長法によりAlGaN電子供給層13を形成した後、成長室から大気中に取り出し、引き続き、別の成膜装置に入れ替え、プラズマCVD法を利用して、膜厚60nmのSiN膜21を形成する操作に相当している。すなわち、前述のゲート電極形成後、プラズマ・アッシング処理が施され、また、その後の表面洗浄後、ある時間、大気中に曝されているAlGaN電子供給層213と、エピタキシャル成長後、極く短かな時間大気に曝されているAlGaN電子供給層13のいずれにおいても、プラズマCVD法を利用して、SiN膜を形成すると、ともに、その界面で検出される酸素濃度は、1×1019 atoms/cm3程度と有意な差違は無いことが判る。 In this manufacturing process, an AlGaN electron supply layer 13 is formed by epitaxial growth on a nitride semiconductor substrate having the conventional structure shown in FIG. 4, and then taken out from the growth chamber to the atmosphere. This corresponds to an operation of forming the SiN film 21 having a thickness of 60 nm by using the plasma CVD method. That is, after the gate electrode is formed, a plasma ashing process is performed, and after the surface cleaning, the AlGaN electron supply layer 213 exposed to the atmosphere for a certain period of time and an extremely short period of time after the epitaxial growth. In any of the AlGaN electron supply layers 13 exposed to the atmosphere, when an SiN film is formed using the plasma CVD method, the oxygen concentration detected at the interface is 1 × 10 19 atoms / cm 3. It can be seen that there is no significant difference in degree.

以上に説明したように、AlGaN電子供給層13形成後、大気暴露することなく同じ成膜室内で、AlGaN電子供給層13と同様の熱的気相成長法によって、SiN膜21を形成している、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板では、AlGaN電子供給層13とSiN膜21との界面における不純物濃度、ここでは酸素濃度は、1×1015 atoms/cm3以下となっている。このように、界面における不純物濃度が1×1015 atoms/cm3以下である窒化物半導体基板を用いて作製される、図3に示す構造のAlGaN/GaN HJFETでは、電流コラプス量が抑制され、また、ウェーハ内の均一性も高くなっている。さらには、各ウェーハ間においても、高い再現性で、低減された電流コラプス量が達成されている。加えて、このSiN膜21に開口部を設けて、ゲート電極2を形成することで、作製されたゲート電極2は、ショットキー性に優れており、また、ウェーハ間においても、高い再現性で、優れたショットキー性が得られている。これらの利点から、上記の製造方法によって、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板を用いることで、図3に示す構造のAlGaN/GaN HJFETを、その設計された素子特性を示すものとして、高い歩留まり、高い再現性で、安定的に製造することが可能となる。 As described above, after the AlGaN electron supply layer 13 is formed, the SiN film 21 is formed by the same thermal vapor deposition method as the AlGaN electron supply layer 13 in the same film formation chamber without being exposed to the atmosphere. In the nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment, the impurity concentration at the interface between the AlGaN electron supply layer 13 and the SiN film 21, here the oxygen concentration, is 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less. Thus, in the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. 3 manufactured using a nitride semiconductor substrate having an impurity concentration of 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less at the interface, the amount of current collapse is suppressed, Also, the uniformity within the wafer is high. Furthermore, a reduced current collapse amount is achieved with high reproducibility between wafers. In addition, by forming an opening in the SiN film 21 and forming the gate electrode 2, the manufactured gate electrode 2 is excellent in Schottky characteristics, and also with high reproducibility between wafers. Excellent Schottky property has been obtained. From these advantages, by using the nitride semiconductor substrate manufactured according to the present embodiment by the above manufacturing method, the AlGaN / GaN HJFET having the structure shown in FIG. It becomes possible to manufacture stably with high yield and high reproducibility.

加えて、本実施態様に従って製造された窒化物半導体基板では、表面保護膜として機能する絶縁膜として、SiN膜21を選択しており、III族窒化物半導体層であるAlGaN電子供給層13の構成元素である窒素を含むため、AlGaN電子供給層13形成後、大気暴露することなく連続工程で、AlGaN電子供給層13と同様の熱的気相成長法によって、SiN膜21を形成することができる。また、得られるSiN膜21の膜質の安定性を向上させることができる。   In addition, in the nitride semiconductor substrate manufactured according to this embodiment, the SiN film 21 is selected as the insulating film functioning as a surface protective film, and the configuration of the AlGaN electron supply layer 13 that is a group III nitride semiconductor layer is selected. Since the element nitrogen is included, the SiN film 21 can be formed by the thermal vapor deposition method similar to the AlGaN electron supply layer 13 in a continuous process without exposure to the atmosphere after the formation of the AlGaN electron supply layer 13. . In addition, the stability of the quality of the obtained SiN film 21 can be improved.

本発明にかかるIII族窒化物半導体基板は、良好な動作特性を有するIII族窒化物半導体体系HJFETを、高い歩留まりで製造する上で好適に利用できる。   The group III nitride semiconductor substrate according to the present invention can be suitably used for manufacturing a group III nitride semiconductor-based HJFET having good operating characteristics with a high yield.

本発明の実施態様にかかるIII族窒化物半導体基板の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the group III nitride semiconductor substrate concerning the embodiment of this invention. 図1に示すIII族窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process for the group III nitride semiconductor substrate shown in FIG. 1. 本発明の実施態様にかかるIII族窒化物半導体基板を利用して作製される、III族窒化物半導体系HJFETの構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the group III nitride semiconductor-type HJFET produced using the group III nitride semiconductor substrate concerning the embodiment of this invention. 従来のIII族窒化物半導体基板の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the conventional group III nitride semiconductor substrate. 従来のIII族窒化物半導体基板を利用して作製される、III族窒化物半導体系HJFETの構成の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically an example of a structure of the group III nitride semiconductor-type HJFET produced using the conventional group III nitride semiconductor substrate. 本発明の実施態様にかかるIII族窒化物半導体基板を利用して作製したIII族窒化物半導体系HJFETと、従来のIII族窒化物半導体基板を利用して作製したIII族窒化物半導体系HJFETにおける、ゲート電極のショットキー特性を比較する図である。In a group III nitride semiconductor HJFET manufactured using a group III nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention and a group III nitride semiconductor HJFET manufactured using a conventional group III nitride semiconductor substrate FIG. 6 is a diagram comparing Schottky characteristics of gate electrodes. 本発明の実施態様にかかるIII族窒化物半導体基板を利用して作製したIII族窒化物半導体系HJFETと、従来のIII族窒化物半導体基板を利用して作製したIII族窒化物半導体系HJFETにおける、ロット間の電流コラプス量のバラツキを比較する図である。In a group III nitride semiconductor HJFET manufactured using a group III nitride semiconductor substrate according to an embodiment of the present invention and a group III nitride semiconductor HJFET manufactured using a conventional group III nitride semiconductor substrate FIG. 6 is a diagram comparing variations in the amount of current collapse between lots. III族窒化物半導体系HJFETにおける、電流コラプス量の表面保護膜と電子供給層の界面に存在する酸素濃度に対する依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence with respect to the oxygen concentration which exists in the interface of the surface protective film and electron supply layer of the amount of current collapse in III group nitride semiconductor HJFET.

符号の説明Explanation of symbols

1 ソース電極
2 ゲート電極
3 ドレイン電極
10 基板
11 バッファ層
12 GaNチャンネル層
13 AlGaN電子供給層
21 SiN膜(表面保護膜)
201 ソース電極
202 ゲート電極
203 ドレイン電極
209 サファイア基板
211 バッファ層
212 GaNチャンネル層
213 AlGaN電子供給層
221 SiN膜(表面保護膜)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Source electrode 2 Gate electrode 3 Drain electrode 10 Substrate 11 Buffer layer 12 GaN channel layer 13 AlGaN electron supply layer 21 SiN film (surface protective film)
201 Source electrode 202 Gate electrode 203 Drain electrode 209 Sapphire substrate 211 Buffer layer 212 GaN channel layer 213 AlGaN electron supply layer 221 SiN film (surface protective film)

Claims (6)

ヘテロ接合を含み、キャリア供給層/チャンネル層の構造を有し、
ヘテロ接合電界効果型トランジスタの製造に利用されるIII族窒化物半導体層構造と、
該III族窒化物半導体層構造上に無機絶縁膜を有し、
前記無機絶縁膜は、前記III族窒化物半導体層構造の表面に対する表面保護膜として利用可能であり、
前記無機絶縁膜と前記III族窒化物半導体層構造との界面における、III族窒化物半導体中の不純物濃度が、1×1017 atoms/cm3以下である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
Including a heterojunction, having a carrier supply layer / channel layer structure;
A group III nitride semiconductor layer structure used in the manufacture of a heterojunction field effect transistor; and
An inorganic insulating film on the group III nitride semiconductor layer structure;
The inorganic insulating film can be used as a surface protective film for the surface of the group III nitride semiconductor layer structure,
A group III nitride semiconductor, wherein an impurity concentration in the group III nitride semiconductor at the interface between the inorganic insulating film and the group III nitride semiconductor layer structure is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less. substrate.
請求項1に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記無機絶縁膜が、構成元素として、酸素を実質的に含まない絶縁膜である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
In the group III nitride semiconductor substrate according to claim 1,
A group III nitride semiconductor substrate, wherein the inorganic insulating film is an insulating film that substantially does not contain oxygen as a constituent element.
請求項1また2に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記絶縁膜は、構成元素として、前記III族窒化物半導体層構造を構成する元素のうち少なくとも一つを含む膜である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
The group III nitride semiconductor substrate according to claim 1 or 2,
The group III nitride semiconductor substrate, wherein the insulating film is a film containing at least one of elements constituting the group III nitride semiconductor layer structure as a constituent element.
請求項1〜3に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記絶縁膜は、構成元素として、窒素と珪素のみを含む膜である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
In the group III nitride semiconductor substrate according to claims 1 to 3,
The group III nitride semiconductor substrate, wherein the insulating film is a film containing only nitrogen and silicon as constituent elements.
請求項1〜4のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記絶縁膜上に、さらに別の無機絶縁膜を有し、
前記別の無機絶縁膜は、構成元素として、酸素を含む絶縁膜である
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
In the group III nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 4,
On the insulating film, further has another inorganic insulating film,
The group III nitride semiconductor substrate, wherein the another inorganic insulating film is an insulating film containing oxygen as a constituent element.
請求項1〜5のいずれかに記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記ヘテロ接合を含むIII族窒化物半導体層構造は、
InxGa1-xN(0≦x<1)からなるチャネル層と、AlyGa1-yN(0<y<1)とからなる電子供給層を含み、
前記ヘテロ接合は、AlyGa1-yNとInxGa1-xNとの間に形成されている
ことを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
In the group III nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 5,
Group III nitride semiconductor layer structure including the heterojunction,
A channel layer made of In x Ga 1-x N (0 ≦ x <1) and an electron supply layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y <1),
The heterojunction, III-nitride semiconductor substrate, characterized in that formed between the Al y Ga 1-y N and In x Ga 1-x N.
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