JP2011198837A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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卓 長谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a structure of a semiconductor device which can suppress hysteresis caused by a charge trap while reducing an interface level, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: The semiconductor device 200 includes a substrate (a semiconductor substrate 100) having a semiconductor layer 101 containing GaN on at least a part of its surface, a first gate insulation layer (an AlOfilm 114) arranged on the semiconductor substrate 100 to be in contact with the semiconductor layer 101 and formed of an metal oxide layer containing no nitrogen but Al, a second gate insulation layer (an SiOfilm 116) arranged on the AlOfilm 114 and containing Si and O, and a gate electrode 118 arranged on the SiOfilm 116. A lower surface of the gate electrode 118 is in contact with the SiOfilm 116. A thickness of the AlOfilm 114 is smaller than that of the SiOfilm 116.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

近年、III−V族窒化物に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧と高い電子移動度を有することから、パワー用の電子デバイスとして非常に有望視されている。その中でも、窒化アルミニウムガリウム/窒化ガリウム(AlGaN/GaN)積層構造をチャネルとして使用する電界効果トランジスタ(FET)がある。このFETは、AlGaNのピエゾ効果によって高い電子移動度とキャリア密度を持つ2次元電子ガスを形成することが可能である。   In recent years, wide band gap semiconductors typified by group III-V nitrides have high potential for use as power electronic devices because of their high breakdown voltage and high electron mobility. Among them, there is a field effect transistor (FET) that uses an aluminum gallium nitride / gallium nitride (AlGaN / GaN) laminated structure as a channel. This FET can form a two-dimensional electron gas having high electron mobility and carrier density by the piezoelectric effect of AlGaN.

上記FETとして、ショットキー型FETの他にMISFETが提案されている。ショットキー型FETは、上記積層構造上に直接ゲート電極を形成した構造を有する。これに対して、MISFETは、上記積層構造上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成した構造を有する。このMISFETは、ゲートへのリーク電流を抑制し、またFETのしきい値を高くしてノーマリーオフ動作を実現できる。例えば、特許文献1には、MISFETとして、酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(Si)または酸化アルミニウム(Al)などをゲート絶縁膜として用い、AlGaN/GaNヘテロ構造とゲート絶縁膜との間に窒化アルミニウム(AlN)膜を形成した構造が記載されている。同文献に記載の技術は、ソース電極及びドレイン電極がAlN膜にのみコンタクトしているので、実質的にはAlN膜はゲート絶縁膜の一部ではなく半導体層として機能しており、ゲート絶縁膜としてはSiOが用いられていると考えられる。 As the FET, a MISFET has been proposed in addition to a Schottky FET. The Schottky FET has a structure in which a gate electrode is directly formed on the above laminated structure. On the other hand, the MISFET has a structure in which a gate electrode is formed on the laminated structure via a gate insulating film. This MISFET can suppress a leakage current to the gate, and can increase the threshold value of the FET to realize a normally-off operation. For example, in Patent Document 1, as a MISFET, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or the like is used as a gate insulating film, and an AlGaN / GaN heterostructure and a gate are used. A structure in which an aluminum nitride (AlN) film is formed between the insulating film and the insulating film is described. In the technique described in this document, since the source electrode and the drain electrode are in contact only with the AlN film, the AlN film substantially functions as a semiconductor layer rather than a part of the gate insulating film. It is thought that SiO 2 is used as

特許文献2には、MISFETとして、AlGaN層上に、ゲート絶縁膜下層として窒化アルミニウム(AlN)膜と、ゲート絶縁膜上層に酸化アルミニウム(Al)膜が形成された構造が記載されている。同文献によれば、AlNは多結晶もしくは非晶質の絶縁体とされている。 Patent Document 2 describes a structure in which an aluminum nitride (AlN) film is formed as an underlayer of a gate insulating film and an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film is formed as an upper layer of a gate insulating film as an MISFET. Yes. According to this document, AlN is a polycrystalline or amorphous insulator.

また、特許文献3には、MISFETとして、AlGaN側から、シリコン窒化膜(SiN)よりなる第1のゲート絶縁膜と、SiN膜よりも絶縁破壊強度の大きな材料からなる第2のゲート絶縁膜が積層された構造が記載されている。同文献には、第2のゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜(SiO)もしくはアルミナ膜(Al)が記載されている。 In Patent Document 3, as the MISFET, from the AlGaN side, a first gate insulating film made of a silicon nitride film (SiN) and a second gate insulating film made of a material having a higher dielectric breakdown strength than the SiN film are provided. A stacked structure is described. This document describes a silicon oxide film (SiO 2 ) or an alumina film (Al 2 O 3 ) as the second gate insulating film.

また、特許文献4には、GaN基板上に、第1の絶縁膜と開口部を有する第2の絶縁膜とが積層され、この開口部内部のゲート電極が第1の絶縁膜と直接接する半導体装置が記載されている。同文献には、第2のゲート絶縁膜に開口部を形成した場合でも、第1の絶縁膜が覆われているGaN基板の表面が露出することがないので、製造工程における損傷やチャネル領域における欠陥を抑制できると記載されている。   Patent Document 4 discloses a semiconductor in which a first insulating film and a second insulating film having an opening are stacked on a GaN substrate, and a gate electrode inside the opening is in direct contact with the first insulating film. An apparatus is described. In this document, even when an opening is formed in the second gate insulating film, the surface of the GaN substrate covered with the first insulating film is not exposed. It is described that defects can be suppressed.

特開2000−252458号公報JP 2000-252458 A 特開2006−32552号公報JP 2006-32552 A 特開2008−103408号公報JP 2008-103408 A 特開2009−59946号公報JP 2009-59946 A

本発明者の知見によると、上記文献に記載のGaN系半導体層を有するMISFET型デバイスにおいて、GaN系半導体層上に形成されるゲート絶縁膜の材料によっては、(i)GaN系半導体層との間の界面準位が大きくなることにより、または(ii)ゲート絶縁膜中に電荷がトラップされることにより、しきい値の制御が困難になる場合があることが見出された。   According to the knowledge of the present inventor, in the MISFET type device having the GaN-based semiconductor layer described in the above document, depending on the material of the gate insulating film formed on the GaN-based semiconductor layer, (i) the GaN-based semiconductor layer It has been found that control of the threshold value may be difficult due to an increase in the interface state between them or (ii) trapping of charges in the gate insulating film.

すなわち、特許文献1の技術においては、GaN系半導体層と接するSiOは、膜中の酸素原子を含んでおり、SiよりGaが酸化されやすいため、半導体層側ではGaと酸素が結合してGaOが形成される。このGaOにより半導体層の界面準位が大きくなる。また、Alにおいては、GaよりAlが酸化されやすいため、膜中に酸素が含まれていても、GaO結合は形成されにくい。しかしながら、Al膜中に電荷がトラップされることがある。このため、素子動作中に電荷がトラップされることで、しきい値が大きく変動してしまう。 That is, in the technique of Patent Document 1, since SiO 2 in contact with the GaN-based semiconductor layer contains oxygen atoms in the film and Ga is more easily oxidized than Si, Ga and oxygen are combined on the semiconductor layer side. GaO is formed. This GaO increases the interface state of the semiconductor layer. In Al 2 O 3 , Al is more easily oxidized than Ga. Therefore, even if oxygen is contained in the film, a GaO bond is not easily formed. However, charges may be trapped in the Al 2 O 3 film. For this reason, when the charge is trapped during the operation of the element, the threshold value largely fluctuates.

また、特許文献1では、ゲート絶縁膜としてSiが用いられており、このSiは酸素を含まないので、GaOの形成を回避することができる。同様に、特許文献2および3においても、AlGaN半導体層との界面側に、酸素を含まない窒化物をゲート絶縁膜として用いている。 Further, in Patent Document 1, Si 3 N 4 is used as a gate insulating film, and since this Si 3 N 4 does not contain oxygen, formation of GaO can be avoided. Similarly, in Patent Documents 2 and 3, nitride containing no oxygen is used as a gate insulating film on the interface side with the AlGaN semiconductor layer.

しかしながら、ゲート絶縁膜に窒素を含む層を用いることには以下のようなデメリットもある。すなわち、本発明者の知見によれば、上述のような窒素を含む膜は、電荷のトラップが非常に多い。このため、ゲート絶縁膜として窒素を含む膜を用いると、電荷のトラップによるヒステリシスを抑制しにくくなり、くわえて上層のSiOやAlなどの酸化物絶縁膜との界面での不連続性が生じて、界面での欠陥が発生しやすいことなどが起こる。また、SiNを用いると、成膜条件による膜応力の変動が大きくなる。このため、圧電電荷を利用するGaN系のMISFETの特性において、そのバラツキが大きくなることがある。 However, the use of a layer containing nitrogen for the gate insulating film has the following disadvantages. That is, according to the knowledge of the present inventor, the film containing nitrogen as described above has very many charge traps. Therefore, when a film containing nitrogen is used as the gate insulating film, it becomes difficult to suppress hysteresis due to charge trapping, and in addition, discontinuity at the interface with the upper oxide insulating film such as SiO 2 or Al 2 O 3 is difficult. Occurs, and defects at the interface are likely to occur. In addition, when SiN is used, the film stress varies greatly depending on the film forming conditions. For this reason, the variation in the characteristics of the GaN-based MISFET using the piezoelectric charge may increase.

本発明によれば、
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板と、
前記半導体層と接するように前記基板上に設けられており、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層上に設けられており、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層と、
前記第2のゲート絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極の下面は、前記第2のゲート絶縁層に接しており、
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄い、半導体装置が提供される。
According to the present invention,
A substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a part of its surface;
A first gate insulating layer which is provided on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer and which is made of a metal oxide layer not containing nitrogen and containing Al;
A second gate insulating layer provided on the first gate insulating layer and containing Si and O;
A gate electrode provided on the second gate insulating layer,
A lower surface of the gate electrode is in contact with the second gate insulating layer;
A semiconductor device is provided in which the film thickness of the first gate insulating layer is thinner than the film thickness of the second gate insulating layer.

また、本発明によれば、
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板と、
前記半導体層と接するように前記基板上に設けられており、窒素を含まず、Y(イットリウム)、またはランタノイドからなる3価の遷移金属を含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層上に設けられており、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層と、
前記第2のゲート絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極の下面は、前記第2のゲート絶縁層に接しており、
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄い、半導体装置が提供される。
Moreover, according to the present invention,
A substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a part of its surface;
A first gate insulating layer which is provided on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer and which includes a metal oxide layer which does not include nitrogen and includes a trivalent transition metal including Y (yttrium) or a lanthanoid;
A second gate insulating layer provided on the first gate insulating layer and containing Si and O;
A gate electrode provided on the second gate insulating layer,
A lower surface of the gate electrode is in contact with the second gate insulating layer;
A semiconductor device is provided in which the film thickness of the first gate insulating layer is thinner than the film thickness of the second gate insulating layer.

また、本発明によれば、
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板を形成する工程と、
前記半導体層と接するように前記基板上に、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁層上に、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁層上に、ゲート電極を形成する工程と、を備え、
前記ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート電極の下面が、前記第2のゲート絶縁層と接するように形成するとともに、
前記第1のゲート絶縁層を形成する工程は、前記第1のゲート絶縁層の膜厚が、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くなるように形成する、半導体装置の製造方法が提供される。
Moreover, according to the present invention,
Forming a substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a portion of the surface;
Forming a first gate insulating layer made of a metal oxide layer not containing nitrogen and containing Al on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer;
Forming a second gate insulating layer containing Si and O on the first gate insulating layer;
Forming a gate electrode on the second gate insulating layer,
The step of forming the gate electrode includes forming the lower surface of the gate electrode in contact with the second gate insulating layer,
The step of forming the first gate insulating layer provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first gate insulating layer is formed so that the thickness of the first gate insulating layer is thinner than the thickness of the second gate insulating layer. Is done.

また、本発明によれば、
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板を形成する工程と、
前記半導体層と接するように前記基板上に、窒素を含まず、Y(イットリウム)、またはランタノイドからなる3価の遷移金属を含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁層上に、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁層上に、ゲート電極を形成する工程と、を備え、
前記ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート電極の下面が、前記第2のゲート絶縁層と接するように形成するとともに、
前記第1のゲート絶縁層を形成する工程は、前記第1のゲート絶縁層の膜厚が、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くなるように形成する、半導体装置の製造方法が提供される。
Moreover, according to the present invention,
Forming a substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a portion of the surface;
Forming a first gate insulating layer made of a metal oxide layer containing a trivalent transition metal made of Y (yttrium) or lanthanoid on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer;
Forming a second gate insulating layer containing Si and O on the first gate insulating layer;
Forming a gate electrode on the second gate insulating layer,
The step of forming the gate electrode includes forming the lower surface of the gate electrode in contact with the second gate insulating layer,
The step of forming the first gate insulating layer provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first gate insulating layer is formed so that the thickness of the first gate insulating layer is thinner than the thickness of the second gate insulating layer. Is done.

本発明においては、GaNを含む半導体層と接する界面層として、第1のゲート絶縁層を用いている。この第1のゲート絶縁層は、Gaより酸化されやすい、Alまたは、Y(イットリウム)、もしくはランタノイドからなる3価の遷移金属を含む酸化金属層からなる。このため、半導体層中のGaの酸化を回避できる。これにより、界面層と半導体層との間で生じる界面準位を低減することができる。
一方、第2の絶縁層は、SiおよびOを含む材料で構成されている。このため、第2の絶縁層においては、電荷トラップの発生量が小さい。くわえて、第1のゲート絶縁層の膜厚を第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くしている。このため、第1のゲート絶縁層の膜厚が第2のゲート絶縁層の膜厚と同じ場合と比較して、第1のゲート絶縁層で生じる電荷トラップ量が少なくなる。このため、全体の絶縁層中への電荷トラップ量が減少するので、電荷トラップに起因するヒステリシスを抑制できる。
In the present invention, the first gate insulating layer is used as the interface layer in contact with the semiconductor layer containing GaN. The first gate insulating layer is made of a metal oxide layer containing a trivalent transition metal made of Al, Y (yttrium), or lanthanoid, which is more easily oxidized than Ga. For this reason, the oxidation of Ga in the semiconductor layer can be avoided. Thereby, the interface state produced between the interface layer and the semiconductor layer can be reduced.
On the other hand, the second insulating layer is made of a material containing Si and O. For this reason, the amount of charge traps generated is small in the second insulating layer. In addition, the thickness of the first gate insulating layer is made thinner than that of the second gate insulating layer. For this reason, compared with the case where the film thickness of the 1st gate insulating layer is the same as the film thickness of the 2nd gate insulating layer, the amount of electric charge traps generated in the 1st gate insulating layer decreases. For this reason, since the amount of charge traps in the entire insulating layer is reduced, hysteresis due to charge traps can be suppressed.

本発明によれば、界面準位を低減しつつ、電荷トラップに起因するヒステリシスを抑制できる半導体装置の構造およびその製造方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the structure of the semiconductor device which can suppress the hysteresis resulting from a charge trap, and its manufacturing method are provided, reducing an interface state.

本発明の実施の形態における半導体装置を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing procedure of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing procedure of the semiconductor device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows the manufacturing procedure of the semiconductor device in embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

図1は、本実施の形態の半導体装置200の断面図を模式的に示す。
本実施の形態の半導体装置200は、GaNを含む半導体層101を表面の少なくとも一部に有する基板(半導体基板100)と、半導体層101と接するように半導体基板100上に設けられており、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層(Al膜114)と、Al膜114上に設けられており、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層(SiO膜116)と、SiO膜116上に設けられたゲート電極118と、を備え、ゲート電極118の下面は、SiO膜116に接しており、Al膜114の膜厚は、SiO膜116の膜厚より薄い。
この半導体装置200は、GaNを主成分として含む半導体の積層構造をチャネルに用い、その上にゲート絶縁層を有する、GaN系MISFET半導体装置(GaN系MISトランジスタ)である。
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a semiconductor device 200 of the present embodiment.
A semiconductor device 200 according to the present embodiment is provided on a semiconductor substrate 100 so as to be in contact with the substrate (semiconductor substrate 100) having a semiconductor layer 101 containing GaN in at least a part of its surface, and nitrogen. A first gate insulating layer (Al 2 O 3 film 114) made of a metal oxide layer containing Al and a second gate containing Si and O provided on the Al 2 O 3 film 114 An insulating layer (SiO 2 film 116) and a gate electrode 118 provided on the SiO 2 film 116 are provided. The lower surface of the gate electrode 118 is in contact with the SiO 2 film 116, and the Al 2 O 3 film 114 The film thickness is smaller than the film thickness of the SiO 2 film 116.
The semiconductor device 200 is a GaN-based MISFET semiconductor device (GaN-based MIS transistor) that uses a semiconductor laminated structure containing GaN as a main component for a channel and has a gate insulating layer thereon.

本実施の形態のゲート絶縁層の構成は、以下のように本発明者の新たな知見に基づくものである。
本発明者は、Al膜を下層のゲート絶縁膜として用い、SiO膜を上層のゲート絶縁膜に用いることについて、詳細な調査を行った。その結果、(i)Al膜は、GaN系半導体層との間の界面で生じる界面準位が小さいものの、膜中に電荷がトラップすることでヒステリシスが起こる場合があること、(ii)SiO膜は、GaN系半導体層との間の界面で生じる界面準位は大きいが、膜中への電荷のトラップが少ないこと、を新たに見出した。そして、GaN系半導体層との界面層に、Al膜を用いることで界面準位の発生を抑制し、その上にトラップの少ないSiO膜を形成すること、かつ、Al膜の膜厚を薄くすることでヒステリシスも抑制するという、新たな構造を考案した。このゲート絶縁層は、窒化物を用いないため、ゲート絶縁層中の窒素の弊害を取り除くことができる。ここで、ゲート絶縁層が窒素成分を含まないとは、製造工程中においてゲート絶縁層に不可避に混入する窒素成分を許容する。
The configuration of the gate insulating layer of this embodiment is based on the inventors' new knowledge as follows.
The inventor conducted a detailed investigation on using the Al 2 O 3 film as a lower gate insulating film and using the SiO 2 film as an upper gate insulating film. As a result, although (i) the Al 2 O 3 film has a small interface state generated at the interface with the GaN-based semiconductor layer, hysteresis may occur due to trapping of charges in the film, (ii) It was newly found that the SiO 2 film has a large interface state generated at the interface with the GaN-based semiconductor layer, but has a small number of charge traps in the film. Then, by using an Al 2 O 3 film as an interface layer with the GaN-based semiconductor layer, generation of interface states is suppressed, and an SiO 2 film with few traps is formed thereon, and Al 2 O 3 We have devised a new structure that reduces hysteresis by reducing the film thickness. Since this gate insulating layer does not use nitride, the harmful effects of nitrogen in the gate insulating layer can be removed. Here, the fact that the gate insulating layer does not contain a nitrogen component allows a nitrogen component inevitably mixed into the gate insulating layer during the manufacturing process.

このように、本実施の形態の半導体装置においては、GaNを主成分として含む半導体の積層構造上のゲート絶縁層として、界面準位が少なく、かつ膜中への電荷のトラップが少ない構造を採用しているので、しきい値の変動の抑制することができる。   As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the gate insulating layer on the stacked structure of the semiconductor containing GaN as a main component has a structure with few interface states and little trapping of charges in the film. As a result, fluctuations in the threshold can be suppressed.

まず、Alにおいては、酸素との親和力が高いAlを含むのでGaの酸化が抑制されること、AlがGa(半導体)と同じIII族元素で構成されており、電気陰性度が近い。これにより、AlとGaN系半導体層との界面準位が小さくなると考えられる。このため、界面層としてはAlの他に、酸素との親和力が高い、かつIII族元素の、YやLa等のランタノイド元素からなる3価の遷移金属の酸化物にも、Alと同様な効果があると考えられる。 First, Al 2 O 3 contains Al having a high affinity for oxygen, so that oxidation of Ga is suppressed, Al is composed of the same group III element as Ga (semiconductor), and has a close electronegativity. . Thereby, it is considered that the interface state between Al 2 O 3 and the GaN-based semiconductor layer is reduced. Therefore, in addition of Al 2 O 3 is as an interface layer, affinity for oxygen is high, and the group III element, in oxide of trivalent transition metal consisting of lanthanoid elements such as Y and La, Al 2 It is thought that there is an effect similar to O 3 .

また、界面層としては、Siを添加したアルミニウムシリケート(AlSiO)を用いことができる。これにより、高温プロセスによるAlの結晶化を回避することができるため、高温プロセス下でも低界面準位を実現できる。 As the interface layer, aluminum silicate (AlSiO) added with Si can be used. Thereby, since crystallization of Al 2 O 3 by a high temperature process can be avoided, a low interface state can be realized even under a high temperature process.

図1に示すように、半導体層101は、GaN層102とAlGaN層104との積層構造を有する。AlGaN層104上には、層間絶縁層110が形成されている。この層間絶縁層110は、AlGaN層104の表面が露出する開口部(凹部112)を有する。この凹部112を埋め込むように、ゲート絶縁層が形成されている。このため、凹部形状のゲート絶縁層上にゲート電極118が形成される。このゲート電極118の底部は、下向きに凸状となる。
また、ゲート絶縁層は、Al膜114およびSiO膜116の多層構造を有している。ゲート電極118の下面の全体が、このSiO膜116に接している。このように、ゲートスタック構造としては、Al膜114、SiO膜116およびゲート電極118となる。このゲートスタック構造の両側の半導体層101の表面近傍に、n型ソース拡散層領域106およびn型ドレイン拡散層領域108が形成されている。これらのソース・ドレイン拡散層領域上には、ソース電極120およびドレイン電極122が形成されている。これらのソース・ドレイン電極は、層間絶縁層110、Al膜114およびSiO膜116の側壁を覆うように形成されている。また、ソース・ドレイン電極は、オーミックコンタクトになっている。
As shown in FIG. 1, the semiconductor layer 101 has a stacked structure of a GaN layer 102 and an AlGaN layer 104. An interlayer insulating layer 110 is formed on the AlGaN layer 104. The interlayer insulating layer 110 has an opening (concave portion 112) through which the surface of the AlGaN layer 104 is exposed. A gate insulating layer is formed so as to fill the recess 112. Therefore, the gate electrode 118 is formed on the recessed gate insulating layer. The bottom of the gate electrode 118 is convex downward.
The gate insulating layer has a multilayer structure of an Al 2 O 3 film 114 and an SiO 2 film 116. The entire lower surface of the gate electrode 118 is in contact with the SiO 2 film 116. Thus, the gate stack structure is the Al 2 O 3 film 114, the SiO 2 film 116, and the gate electrode 118. Near the surface of the semiconductor layer 101 on both sides of the gate stack structure, an n-type source diffusion layer region 106 and an n-type drain diffusion layer region 108 are formed. A source electrode 120 and a drain electrode 122 are formed on these source / drain diffusion layer regions. These source / drain electrodes are formed so as to cover the side walls of the interlayer insulating layer 110, the Al 2 O 3 film 114, and the SiO 2 film 116. The source / drain electrodes are in ohmic contact.

このように、本実施の形態では、界面層の上層に用いるゲート絶縁膜としては、SiOと同様に、膜中への電荷トラップの少ないHfSiOなどの高誘電率の金属シリケート膜を用いることが可能である。 As described above, in the present embodiment, as the gate insulating film used as the upper layer of the interface layer, a metal silicate film having a high dielectric constant such as HfSiO with few charge traps in the film is used as in the case of SiO 2. Is possible.

次に、本実施の形態の半導体装置200の製造方法について説明する。
図2および図3は、本実施の形態の半導体装置200の製造手順の工程断面図を示す。
本実施の形態の半導体装置200の製造方法は、GaNを含む半導体層101を表面の少なくとも一部に有する基板(半導体基板100)を形成する工程と、半導体層101と接するように半導体基板100上に、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層(Al膜114)を形成する工程と、Al膜114上に、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層(SiO膜116)を形成する工程と、SiO膜116上に、ゲート電極118を形成する工程と、を備え、ゲート電極118を形成する工程は、ゲート電極118の下面が、SiO膜116と接するように形成するとともに、Al膜114を形成する工程は、Al膜114の膜厚が、SiO膜116の膜厚より薄くなるように形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 200 of the present embodiment will be described.
2 and 3 show process cross-sectional views of the manufacturing procedure of the semiconductor device 200 of the present embodiment.
In the method for manufacturing the semiconductor device 200 according to the present embodiment, a step of forming a substrate (semiconductor substrate 100) having a semiconductor layer 101 containing GaN on at least a part of the surface, and the semiconductor substrate 100 on the semiconductor substrate 100 so as to be in contact therewith. Forming a first gate insulating layer (Al 2 O 3 film 114) made of a metal oxide layer that does not contain nitrogen and contains Al; and a first gate insulating layer containing Si and O on the Al 2 O 3 film 114. 2 forming a gate insulating layer (SiO 2 film 116) and forming a gate electrode 118 on the SiO 2 film 116. The step of forming the gate electrode 118 includes a lower surface of the gate electrode 118. but with formed so as to be in contact with the SiO 2 film 116, to form an Al 2 O 3 film 114, the film thickness of the Al 2 O 3 film 114 is thinner than the film thickness of the SiO 2 film 116 It forms so that it may become.

まず、図2(a)に示すように、支持基板として半導体基板100(P型シリコン基板)を用い、この半導体基板100上に、不図示のバッファ層を介してGaN層102およびAlGaN層104をエピタキシャル成長する。半導体基板100としては、P型シリコン基板の他に、サファイア基板、SiC基板等を用いることができる。また、エピタキシャル成長には、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いることができるが、MOCVD法に限られるものではなく、ハイドライド気相成長(HVPE)法、分子線エピタキシー(MBE)法等の他の成長法を用いてもよい。GaN層102の膜厚は、典型的には200nm〜2μmとすることができる。AlGaN層104の膜厚は、典型的には1nm〜50nmとすることができる。   First, as shown in FIG. 2A, a semiconductor substrate 100 (P-type silicon substrate) is used as a support substrate, and a GaN layer 102 and an AlGaN layer 104 are formed on the semiconductor substrate 100 via a buffer layer (not shown). Epitaxial growth. As the semiconductor substrate 100, a sapphire substrate, a SiC substrate, or the like can be used in addition to a P-type silicon substrate. In addition, the metalorganic vapor phase epitaxy (MOCVD) method can be used for the epitaxial growth, but it is not limited to the MOCVD method, and other methods such as a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, etc. Alternatively, the growth method may be used. The film thickness of the GaN layer 102 can typically be 200 nm to 2 μm. The film thickness of the AlGaN layer 104 can typically be 1 nm to 50 nm.

図2(b)に示すように、AlGaN層104上にレジストを塗布し、このレジスト露光および現像して、不図示のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、イオン注入を行い、半導体層にソース拡散層領域106およびドレイン拡散層領域108を形成する。このとき、例えば、n型ドーパントとしてSiをイオン注入して、1150℃〜1260℃で活性化する。ドーパント濃度としては、例えば1019atoms/cm〜1020atoms/cmとすることができる。 As shown in FIG. 2B, a resist is applied on the AlGaN layer 104, and this resist exposure and development are performed to form a resist pattern (not shown). Using this resist pattern as a mask, ion implantation is performed to form a source diffusion layer region 106 and a drain diffusion layer region 108 in the semiconductor layer. At this time, for example, Si is ion-implanted as an n-type dopant and activated at 1150 ° C. to 1260 ° C. The dopant concentration can be, for example, 10 19 atoms / cm 3 to 10 20 atoms / cm 3 .

レジスト剥離後、AlGaN層104上に層間絶縁層110を形成する。層間絶縁層110としてシリコン窒化膜(SiN)を用いることができる。層間絶縁層110は、例えば、Chemical Vapor Deposition(CVD)法を用い形成される。層間絶縁層110の膜厚は、例えば、30nm〜100nmとすることができる。   After removing the resist, an interlayer insulating layer 110 is formed on the AlGaN layer 104. A silicon nitride film (SiN) can be used as the interlayer insulating layer 110. The interlayer insulating layer 110 is formed using, for example, a Chemical Vapor Deposition (CVD) method. The film thickness of the interlayer insulating layer 110 can be set to, for example, 30 nm to 100 nm.

続いて、図2(c)に示すように、不図示のレジストパターンを層間絶縁層110上に形成する。このレジストパターンをマスクとして、層間絶縁層110をエッチングする。これにより、層間絶縁層110に開口部(凹部112)が形成される。この凹部112の底部には、AlGaN層104の表面が露出している。このとき、エッチングの条件としては、AlGaN層104の表面に開口が形成されない条件としてもよいが、ゲート絶縁層を埋め込むようにAlGaN層104の表面に開口が形成される条件としてもよい。エッチングとしては、ウエットエッチングまたはドライエッチングのいずれを用いてもよい。半導体層へのダメージを低減する観点から、ウエットエッチングを用いることができる。   Subsequently, as shown in FIG. 2C, a resist pattern (not shown) is formed on the interlayer insulating layer 110. The interlayer insulating layer 110 is etched using this resist pattern as a mask. Thereby, an opening (recess 112) is formed in the interlayer insulating layer 110. The surface of the AlGaN layer 104 is exposed at the bottom of the recess 112. At this time, the etching condition may be a condition that an opening is not formed on the surface of the AlGaN layer 104, or a condition that an opening is formed on the surface of the AlGaN layer 104 so as to embed the gate insulating layer. As the etching, either wet etching or dry etching may be used. From the viewpoint of reducing damage to the semiconductor layer, wet etching can be used.

続いて、露出しているAlGaN層104の表面を洗浄する。洗浄には、液体でリンスする方法が用いられる。液体としては、特に限定されないが、フッ酸や塩酸等の適切な薬液が用いられる。   Subsequently, the exposed surface of the AlGaN layer 104 is cleaned. A method of rinsing with a liquid is used for cleaning. Although it does not specifically limit as a liquid, Appropriate chemical | medical solutions, such as a hydrofluoric acid and hydrochloric acid, are used.

図3(a)に示すように、基板上の全面および凹部112の内部に、界面層としてAl膜114を形成する。引き続いて、Al膜114上の全面に、SiO膜116を形成する。これにより、ゲート絶縁層は、凹部形状となる。界面層の形成方法としては、例えば、Atomic Layer Deposition(ALD)法を用いることができる。また、SiO膜116の形成方法としては、例えば、プラズマCVD法を用いることができる。
また、Al膜114およびSiO膜116の形成時の基板温度は、特に限定されないが、低界面準位を実現する観点から、いずれの場合も600℃以下とすることができる。
As shown in FIG. 3A, an Al 2 O 3 film 114 is formed as an interface layer on the entire surface of the substrate and inside the recess 112. Subsequently, a SiO 2 film 116 is formed on the entire surface of the Al 2 O 3 film 114. Thereby, the gate insulating layer has a concave shape. As a method for forming the interface layer, for example, an atomic layer deposition (ALD) method can be used. Further, as a method for forming the SiO 2 film 116, for example, a plasma CVD method can be used.
In addition, the substrate temperature at the time of forming the Al 2 O 3 film 114 and the SiO 2 film 116 is not particularly limited, but can be set to 600 ° C. or lower in any case from the viewpoint of realizing a low interface state.

界面層(Al膜114)の膜厚は、SiO膜116の膜厚より薄くする。
また、パワーデバイス用の電子デバイスでは、ゲートへの印加電圧が10V以上であるような使用環境が想定されている。この場合、ゲート絶縁層の合計膜厚は15nm程度より厚く設定される。このとき、界面層(Al膜114)の膜厚は、0.5nm以上5nm以下であり、より好ましくは、1nm以上4nm以下である。一方、SiO膜116の膜厚は、とくに限定されないが、10nm以上100nm以下とすることができる。
The film thickness of the interface layer (Al 2 O 3 film 114) is made thinner than the film thickness of the SiO 2 film 116.
In addition, in an electronic device for a power device, a usage environment in which the voltage applied to the gate is 10 V or higher is assumed. In this case, the total film thickness of the gate insulating layer is set to be thicker than about 15 nm. At this time, the thickness of the interface layer (Al 2 O 3 film 114) is not less than 0.5 nm and not more than 5 nm, more preferably not less than 1 nm and not more than 4 nm. On the other hand, the thickness of the SiO 2 film 116 is not particularly limited, but can be 10 nm or more and 100 nm or less.

次いで、図3(b)に示すように、凹部112を埋め込むように、SiO膜116上に選択的にゲート電極118を形成する。凹部112内のゲート電極118の下部の全面にわたって、ゲート絶縁層(Al膜114およびSiO膜116)が2層形成されている。言い換えると、上面視において、凹部112内のゲート電極118が形成される領域には、必ず、ゲート絶縁層が2層形成されている。
このゲート電極118としては、Au/Ni積層構造を用いることができる。ゲート電極118の形成方法としては、特に限定されないが、リフトオフ法を用いることができる。
Next, as shown in FIG. 3B, a gate electrode 118 is selectively formed on the SiO 2 film 116 so as to fill the recess 112. Two gate insulating layers (Al 2 O 3 film 114 and SiO 2 film 116) are formed over the entire surface under the gate electrode 118 in the recess 112. In other words, as viewed from above, two gate insulating layers are always formed in the region where the gate electrode 118 is formed in the recess 112.
As the gate electrode 118, an Au / Ni laminated structure can be used. A method for forming the gate electrode 118 is not particularly limited, and a lift-off method can be used.

続いて、図3(c)に示すように、不図示のレジストパターンをSiO膜116上に形成する。このレジストパターンをマスクとした選択的エッチングにより、層間絶縁層110、Al膜114およびSiO膜116を除去して、開口部を形成する。この開口部の底部には、ソース拡散層領域106およびドレイン拡散層領域108が露出している。この開口部を埋め込むように、ソース電極120およびドレイン電極122を選択的に形成する。ソース電極120およびドレイン電極122としては、例えば、Au/Ni/Al/Ti積層構造を用いることができる。ソースドレイン電極の形成方法としては、特に限定されないが、リフトオフ法を用いることができる。
この後、熱処理を行うことにより、ソース電極120とソース拡散層領域106との間の接続、およびドレイン電極122とドレイン拡散層領域108との接続をオーミックコンタクトにできる。オーミックコンタクト形成時の基板温度は、特に限定されないが、低界面準位を実現する観点から、600℃以下とすることができる。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a resist pattern (not shown) is formed on the SiO 2 film 116. By selective etching using the resist pattern as a mask, the interlayer insulating layer 110, the Al 2 O 3 film 114, and the SiO 2 film 116 are removed to form an opening. The source diffusion layer region 106 and the drain diffusion layer region 108 are exposed at the bottom of the opening. The source electrode 120 and the drain electrode 122 are selectively formed so as to fill the opening. As the source electrode 120 and the drain electrode 122, for example, an Au / Ni / Al / Ti stacked structure can be used. A method for forming the source / drain electrodes is not particularly limited, and a lift-off method can be used.
Thereafter, by performing heat treatment, the connection between the source electrode 120 and the source diffusion layer region 106 and the connection between the drain electrode 122 and the drain diffusion layer region 108 can be in ohmic contact. The substrate temperature at the time of forming the ohmic contact is not particularly limited, but can be set to 600 ° C. or less from the viewpoint of realizing a low interface state.

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態においては、GaNを含む半導体層101と接する界面層として、第1のゲート絶縁層(Al膜114)を用いている。この第1のゲート絶縁層は、Gaより酸化されやすいAlを含む酸化金属層からなる。このため、半導体層101中のGaの酸化を回避できるとともに、AlとGaとの電気陰性度が近くなる。これにより、界面層と半導体層101と間の界面に生じる界面準位を低減することができる。
一方、第2の絶縁層は、SiおよびOを含む材料で構成されている。このため、第2の絶縁層においては、電荷トラップの発生量が小さい。くわえて、第1のゲート絶縁層の膜厚を第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くしている。このため、第1のゲート絶縁層の膜厚が第2のゲート絶縁層の膜厚と同じ場合と比較して、第1のゲート絶縁層で生じる電荷トラップ量が少なくなる。このため、全体の絶縁層中への電荷トラップ量が減少するので、電荷トラップに起因するヒステリシスを抑制できる。
したがって、本実施の形態によれば、界面準位を低減しつつ、電荷トラップに起因するヒステリシスを抑制できるので、しきい値の制御が容易になる。これにより、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
Next, the effect of this Embodiment is demonstrated.
In this embodiment, the first gate insulating layer (Al 2 O 3 film 114) is used as the interface layer in contact with the semiconductor layer 101 containing GaN. The first gate insulating layer is made of a metal oxide layer containing Al that is more easily oxidized than Ga. For this reason, the oxidation of Ga in the semiconductor layer 101 can be avoided, and the electronegativity between Al and Ga becomes close. Thereby, the interface state generated at the interface between the interface layer and the semiconductor layer 101 can be reduced.
On the other hand, the second insulating layer is made of a material containing Si and O. For this reason, the amount of charge traps generated is small in the second insulating layer. In addition, the thickness of the first gate insulating layer is made thinner than that of the second gate insulating layer. For this reason, compared with the case where the film thickness of the 1st gate insulating layer is the same as the film thickness of the 2nd gate insulating layer, the amount of electric charge traps generated in the 1st gate insulating layer decreases. For this reason, since the amount of charge traps in the entire insulating layer is reduced, hysteresis due to charge traps can be suppressed.
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to suppress the hysteresis caused by the charge trap while reducing the interface state, so that the threshold value can be easily controlled. Thereby, a highly reliable semiconductor device can be realized.

また、本実施の形態においては、第1のゲート絶縁層は窒素を含まない。このため、窒素成分に起因する電荷のトラップを減少させ、ヒステリシスを抑制することができる。また、第1のゲート絶縁層の上層のSiOなどの酸化物絶縁膜との界面において、不連続性による欠陥を抑制することができる。また、成膜条件による膜応力の変動が小さなるので、圧電電荷を利用するGaN系のMISFETの特性のバラツキを小さく抑えることができる。 In this embodiment, the first gate insulating layer does not contain nitrogen. For this reason, the trap of the electric charge resulting from a nitrogen component can be reduced, and a hysteresis can be suppressed. In addition, defects due to discontinuity can be suppressed at the interface with the oxide insulating film such as SiO 2 on the first gate insulating layer. In addition, since the fluctuation of the film stress due to the film forming condition is small, the variation in the characteristics of the GaN-based MISFET using the piezoelectric charge can be suppressed to be small.

また、本実施の形態においては、ゲート電極の直下における領域には、第1のゲート絶縁層および第2のゲート絶縁層の2層の絶縁層が必ず形成されている。このため、本実施の形態では、ゲート電極の直下における領域の一部に第2のゲート絶縁層が形成されていない場合と比較して、電荷のトラップ量を低減することができる。したがって、本実施の形態では、ゲート電極と第1の絶縁層とが直接接している場合と比較してヒステリシスを抑制できるので、しきい値のバラツキを一層小さくできる。   In this embodiment mode, two insulating layers of the first gate insulating layer and the second gate insulating layer are always formed in the region immediately below the gate electrode. Therefore, in this embodiment, the amount of trapped charges can be reduced as compared with the case where the second gate insulating layer is not formed in part of the region immediately below the gate electrode. Therefore, in this embodiment mode, hysteresis can be suppressed as compared with the case where the gate electrode and the first insulating layer are in direct contact with each other, so that variation in threshold value can be further reduced.

本実施の形態では、界面層(Al膜114)を介して、GaN系半導体層のAlGaN層104とSiO膜116とが直接接しないように形成される。言い換えると、本実施の形態では、AlGaN層104には、界面層(Al膜114)が直接接するように形成される。これにより、AlGaN層104とAl膜114との界面は、界面準位の小さい界面が形成される。 In the present embodiment, the AlGaN layer 104 of the GaN-based semiconductor layer and the SiO 2 film 116 are not directly in contact with each other through the interface layer (Al 2 O 3 film 114). In other words, in the present embodiment, the AlGaN layer 104 is formed so that the interface layer (Al 2 O 3 film 114) is in direct contact therewith. As a result, an interface having a small interface state is formed between the AlGaN layer 104 and the Al 2 O 3 film 114.

一方、界面層(Al膜114)の膜厚は、SiO膜116より薄くすることにより、Al膜114中の電荷のトラップ量を低減することができる。見方を変えれば、SiO膜116の膜厚は、界面層(Al膜114)に比べて厚い。このSiO膜116は膜中の電荷トラップが少ないため、ゲート電圧の大部分がSiO膜116に印加されるが、高い電圧を印加されることで発生する荷電トラップを減少させることができる。したがって、本実施の形態では、しきい値の変動を低く抑えることができる。 On the other hand, the amount of charge trapping in the Al 2 O 3 film 114 can be reduced by making the thickness of the interface layer (Al 2 O 3 film 114) thinner than that of the SiO 2 film 116. In other words, the SiO 2 film 116 is thicker than the interface layer (Al 2 O 3 film 114). Since the SiO 2 film 116 has few charge traps in the film, most of the gate voltage is applied to the SiO 2 film 116, but charge traps generated by applying a high voltage can be reduced. Therefore, in this embodiment, the variation in threshold value can be suppressed low.

また、パワーデバイス用の電子デバイスでは、ゲートへの印加電圧が10V以上であるような使用環境が想定されている。この場合、ゲート絶縁層の合計膜厚は15nm程度より厚く設定される。このとき、界面層(Al膜114)の膜厚は、0.5nm以上5nm以下とすることができる。Al膜114の膜厚が5nm以下の場合には、Al膜114の膜中トラップの影響を著しく減少させることができる。一方、Al膜114の膜厚が0.5nm以上の場合には、SiO層とAlGaN層が接触した場合の界面準位より、Al膜114とAlGaN層104とが接触した界面準位を減少させることができる。
また、SiO膜116の膜厚は、とくに限定されないが、10nm以上100nm以下とすることができる。SiO膜116の膜厚を上記範囲とすることにより、荷電トラップ量を減少させることができる。これにより、しきい値の変動を低く抑えることができる。
In addition, in an electronic device for a power device, a usage environment in which the voltage applied to the gate is 10 V or higher is assumed. In this case, the total film thickness of the gate insulating layer is set to be thicker than about 15 nm. At this time, the thickness of the interface layer (Al 2 O 3 film 114) can be set to 0.5 nm or more and 5 nm or less. When the thickness of the Al 2 O 3 film 114 is 5 nm or less, the influence of traps in the Al 2 O 3 film 114 can be significantly reduced. On the other hand, when the thickness of the Al 2 O 3 film 114 is 0.5 nm or more, the Al 2 O 3 film 114 and the AlGaN layer 104 are in contact with each other due to the interface state when the SiO 2 layer and the AlGaN layer are in contact with each other. The interface state can be reduced.
The thickness of the SiO 2 film 116 is not particularly limited, but can be 10 nm or more and 100 nm or less. By setting the thickness of the SiO 2 film 116 within the above range, the amount of charge traps can be reduced. Thereby, the fluctuation | variation of a threshold value can be suppressed low.

SiO膜116は、膜中への電荷トラップが少ないゲート絶縁膜であればよい。本実施の形態では、SiO膜116に代えて、ハフニウムシリケート(HfSiOx)などの金属シリケート膜を用いてもよい。特に、高誘電率金属シリケート膜を用いることで、酸化膜換算膜厚を低減することができる。これにより、ゲートの支配力を高め、オン電流を高くすることができる。 The SiO 2 film 116 may be a gate insulating film with few charge traps in the film. In the present embodiment, a metal silicate film such as hafnium silicate (HfSiOx) may be used instead of the SiO 2 film 116. In particular, the oxide film equivalent film thickness can be reduced by using a high dielectric constant metal silicate film. Thereby, the control power of the gate can be increased and the on-current can be increased.

また、界面層(Al膜114)としては、GaN系半導体層(AlGaN層104/GaN層102)との間で界面準位が、SiO層とAlGaN層が接触した場合の界面準位より、小さいゲート絶縁膜であればよい。本実施の形態では、Al膜114に代えて、Gaよりも酸素との親和力が高く、Gaと同じIII族元素の酸化物であるYや、Laやなどのランタノイド酸化物を用いることができる。すなわち、Alに代えて、YやLa等のランタノイド元素からなる3価の遷移金属を用いても、本実施の形態の効果が得られる。 As the interface layer (Al 2 O 3 film 114), the interface state between the GaN-based semiconductor layer (AlGaN layer 104 / GaN layer 102) is the interface state when the SiO 2 layer and the AlGaN layer are in contact with each other. The gate insulating film may be smaller than that. In this embodiment, instead of the Al 2 O 3 film 114, the affinity for oxygen is higher than that of Ga, and Y 2 O 3 that is an oxide of the same group III element as Ga, La 2 O 3 , etc. Lanthanoid oxides can be used. That is, the effect of the present embodiment can be obtained even when a trivalent transition metal made of a lanthanoid element such as Y or La is used instead of Al.

さらに、界面層としては、Siを添加したアルミニウムシリケート(AlSiO)を用いことができる。これにより、高温プロセスによるAlの結晶化を回避することができるため、高温プロセス下でも低界面準位を実現できる。 Furthermore, as the interface layer, aluminum silicate added with Si (AlSiO) can be used. Thereby, since crystallization of Al 2 O 3 by a high temperature process can be avoided, a low interface state can be realized even under a high temperature process.

(実施例1)
以下、本実施の形態を実施例を参照して詳細に説明するが、本実施の形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
図2および図3に従って、実施例1の構造及び作製方法を説明する。
Example 1
Hereinafter, although this Embodiment is described in detail with reference to an Example, this Embodiment is not limited to description of these Examples at all.
The structure and manufacturing method of Example 1 will be described with reference to FIGS.

半導体基板100としてP型シリコン基板を用いた。半導体基板100上に、バッファ層(図示せず)を介して2umのGaN層102、30nmのAlGaN層104をエピタキシャル成長させた(図2(a))。続いて、ソースドレイン形成予定領域以外をレジストで覆った後、Siをイオン注入して1100℃で活性化した。これにより、ソース拡散層領域106およびドレイン拡散層領域108を形成した(図2(b))。続いて、レジスト剥離後、層間絶縁層110として60nmのシリコン窒化膜を形成した。そして、ゲートスタック構造形成予定領域部分の層間絶縁層110をエッチング除去し、AlGaN層104の表面が露出するように、凹部112を形成した(図2(c))。AlGaN層104の表面を適切な薬液で洗浄した後、基板全面および凹部112の内部に、2nmのAl膜114(界面層)をALD法で形成した。引き続き、基板全面および凹部112の内部に、30nmのSiO膜116をプラズマCVD法で形成した(図3(a))。このとき、Al膜114およびSiO膜116の形成時の基板温度は、いずれの場合も550℃以下とした。ゲート電極としてAu/Ni積層構造をリフトオフ法で、Al膜114上の凹部112を埋め込むように形成した(図3(b))。続いて、ソース拡散層領域106およびドレイン拡散層領域108上のゲート絶縁膜(Al膜114、SiO膜116)および層間絶縁層110を開口した。この開口部を埋め込むようにAu/Ni/Al/Ti積層構造からなるソース電極120およびドレイン電極122をリフトオフ法により形成した。この後、熱処理を行うことでオーミックコンタクトを形成した(図3(c))。オーミックコンタクト形成時の熱処理は550℃以下とした。以上のようにして、実施例1のFET(MISトランジスタ)を作製した。 A P-type silicon substrate was used as the semiconductor substrate 100. A 2 μm GaN layer 102 and a 30 nm AlGaN layer 104 were epitaxially grown on the semiconductor substrate 100 via a buffer layer (not shown) (FIG. 2A). Subsequently, after covering the region other than the source / drain formation region with a resist, Si was ion-implanted and activated at 1100 ° C. Thereby, the source diffusion layer region 106 and the drain diffusion layer region 108 were formed (FIG. 2B). Subsequently, after removing the resist, a 60 nm silicon nitride film was formed as the interlayer insulating layer 110. Then, the interlayer insulating layer 110 in the region where the gate stack structure is to be formed is removed by etching, and a recess 112 is formed so that the surface of the AlGaN layer 104 is exposed (FIG. 2C). After the surface of the AlGaN layer 104 was washed with an appropriate chemical solution, a 2 nm Al 2 O 3 film 114 (interface layer) was formed on the entire surface of the substrate and inside the recess 112 by the ALD method. Subsequently, a 30 nm SiO 2 film 116 was formed by plasma CVD on the entire surface of the substrate and inside the recess 112 (FIG. 3A). At this time, the substrate temperature at the time of forming the Al 2 O 3 film 114 and the SiO 2 film 116 was set to 550 ° C. or lower in any case. An Au / Ni laminated structure was formed as a gate electrode by a lift-off method so as to bury the recess 112 on the Al 2 O 3 film 114 (FIG. 3B). Subsequently, the gate insulating film (Al 2 O 3 film 114, SiO 2 film 116) and the interlayer insulating layer 110 on the source diffusion layer region 106 and the drain diffusion layer region 108 were opened. A source electrode 120 and a drain electrode 122 having an Au / Ni / Al / Ti laminated structure were formed by a lift-off method so as to fill the opening. Then, ohmic contact was formed by performing heat treatment (FIG. 3C). The heat treatment for forming the ohmic contact was 550 ° C. or lower. As described above, the FET (MIS transistor) of Example 1 was manufactured.

(実施例2)
界面層のAl膜厚を5nmとした以外は、実施例1と同様にして、実施例2のFETを作製した。
(Example 2)
An FET of Example 2 was fabricated in the same manner as Example 1 except that the Al 2 O 3 film thickness of the interface layer was changed to 5 nm.

(比較例1)
界面層のAlを形成しない以外は、実施例1と同様にして、比較例1のFETを作製した。
(Comparative Example 1)
A FET of Comparative Example 1 was fabricated in the same manner as Example 1 except that the interface layer Al 2 O 3 was not formed.

(CV特性の測定)
実施例1(界面層のAl膜厚が2nm)、実施例2(界面層のAl膜厚が5nm)、比較例1(界面層のAl無し)のCV特性を測定して比較した。その結果、界面層のAlがない比較例1に比べて、実施例1および実施例2は、AlとAlGaN界面の界面準位密度が約1/10に低減することが見出された。また、CV特性測定の際に、ゲートバイアスを負から正の場合と正から負の場合のダブルスイープで測定した時のヒステリシスを測定した。その結果、ヒステリシス幅が、実施例2では約300mV以上であることに対して、実施例1では100mV以下に低減できることが確認された。以上から、界面層のAlの膜厚を5nm以下とすることにより劇的に膜中トラップが減少できることが確認できた。本実施例では、Al膜厚が2nmと5nmの場合を比較して2nmの方に大きなヒステリシスの抑制効果があることを述べた。このことは、Al膜厚が増大するほどヒステリシスが増大するということを示しており、常に効果は相対的なものである。即ち、Al膜厚が5nmであるから必ずしもヒステリシス低減効果がないというわけではなく、5nmより厚いAlを有するデバイスに比べれば本発明の効果が発揮される。
(Measurement of CV characteristics)
Example 1 (Al 2 O 3 film thickness is 2nm of the interface layer), (Al 2 O 3 film thickness is 5nm interface layers) Example 2, CV characteristics of Comparative Example 1 (without Al 2 O 3 interface layer) Were measured and compared. As a result, compared to Comparative Example 1 in which the interface layer does not have Al 2 O 3 , Example 1 and Example 2 can reduce the interface state density at the interface between Al 2 O 3 and AlGaN to about 1/10. It was found. Further, when measuring the CV characteristics, the hysteresis was measured when the gate bias was measured by double sweep when the gate bias was from negative to positive and from positive to negative. As a result, it was confirmed that the hysteresis width can be reduced to 100 mV or less in Example 1 while it is about 300 mV or more in Example 2. From the above, it was confirmed that traps in the film could be dramatically reduced by setting the Al 2 O 3 film thickness of the interface layer to 5 nm or less. In the present example, it was described that the effect of suppressing the hysteresis was larger at 2 nm than when the Al 2 O 3 film thickness was 2 nm and 5 nm. This indicates that the hysteresis increases as the Al 2 O 3 film thickness increases, and the effect is always relative. That is, since the Al 2 O 3 film thickness is 5 nm, the effect of reducing the hysteresis is not necessarily obtained, and the effect of the present invention is exhibited as compared with a device having Al 2 O 3 thicker than 5 nm.

上記の結果は、界面層に薄いAlが存在することにより、AlGaNとの界面で低い界面準位密度を実現可能であることと、Al膜中に電荷がトラップすることにより発生するヒステリシスを低減することが可能であることを示している。本実施例では、ゲート絶縁膜を構成するAl及びSiOの形成温度と、その後のオーミックコンタクト形成温度をいずれも550℃以下としている。このような熱処理により、界面準位が増大することを効果的に抑制している。 The above results indicate that the presence of thin Al 2 O 3 in the interface layer makes it possible to realize a low interface state density at the interface with AlGaN, and the trapping of charges in the Al 2 O 3 film. This shows that it is possible to reduce the generated hysteresis. In this embodiment, the formation temperature of Al 2 O 3 and SiO 2 constituting the gate insulating film and the subsequent ohmic contact formation temperature are both 550 ° C. or lower. Such heat treatment effectively suppresses an increase in interface state.

(実施例3)
図3に従って、実施例3の構造及び作製方法を説明する。
実施例3は、ゲート直下のAlGaN層104をリセスエッチングして、AlGaN層104の膜厚を約4nmに低減させた以外は、実施例1と同様にした。
(Example 3)
The structure and manufacturing method of Example 3 will be described with reference to FIG.
Example 3 was the same as Example 1 except that the AlGaN layer 104 directly under the gate was recess-etched to reduce the thickness of the AlGaN layer 104 to about 4 nm.

すなわち、図2(c)のSiN層(層間絶縁層110)のエッチングまでは実施例1と同じ工程を行った。SiN層のエッチング除去後、AlGaN層104を4nmの膜厚にまでエッチング除去し、凹部124を形成した(図4(a))。凹部124の底部および側壁には、AlGaN層104が露出している。引き続いて、AlGaN層104の表面を適切な薬液で洗浄した。この後、基板全面および凹部124の内部に、Al膜114(界面層)とSiO膜116からなるゲート絶縁層を形成した。これ以降の工程は、再び実施例1と同様のプロセスを経て、図4(b)に示す、FETを作製した。 That is, the same processes as those in Example 1 were performed until the etching of the SiN layer (interlayer insulating layer 110) in FIG. After the SiN layer was removed by etching, the AlGaN layer 104 was removed by etching to a thickness of 4 nm to form a recess 124 (FIG. 4A). The AlGaN layer 104 is exposed at the bottom and side walls of the recess 124. Subsequently, the surface of the AlGaN layer 104 was cleaned with an appropriate chemical solution. Thereafter, a gate insulating layer made of an Al 2 O 3 film 114 (interface layer) and a SiO 2 film 116 was formed on the entire surface of the substrate and inside the recess 124. In the subsequent steps, the same process as in Example 1 was performed again to produce the FET shown in FIG.

実施例3では、基板上のGaN系半導体層(AlGaN層104)の表面を埋め込むように、チャネル領域にゲート絶縁層(Al膜114およびSiO膜116)が形成されている。すなわち、チャネル領域の一部にゲート絶縁層が形成されている。このため、FETのしきい値(Vth)が増大するので、ノーマリーオンのFET特性をノーマリーオフにすることができる。したがって、本実施例によれば、パワーデバイスとして適切なしきい値を付与することができる。 In Example 3, the gate insulating layer (Al 2 O 3 film 114 and SiO 2 film 116) is formed in the channel region so as to embed the surface of the GaN-based semiconductor layer (AlGaN layer 104) on the substrate. That is, a gate insulating layer is formed in part of the channel region. For this reason, since the threshold value (Vth) of the FET increases, the normally-on FET characteristics can be normally off. Therefore, according to the present embodiment, an appropriate threshold value can be given as a power device.

上記実施例では、典型的な例として、界面層としてAlを、界面層の上層にSiOを用いた場合を説明したが、界面層としてはYや、Laをはじめとする3価のランタノイド酸化物によっても同様の効果が得られた。さらに、SiOの代わりに、HfSiO、ZrSiO、などの高誘電率金属シリケート膜を用いた場合でも、低いレベルのヒステリシスを実現できた。また、このような高誘電率膜を用いることで、ゲート絶縁層を高耐圧化がすることができた。 In the above embodiment, the case where Al 2 O 3 is used as the interface layer and SiO 2 is used as the upper layer of the interface layer has been described as a typical example, but Y 2 O 3 or La 2 O 3 is used as the interface layer. Similar effects were obtained with trivalent lanthanoid oxides such as. Furthermore, even when a high dielectric constant metal silicate film such as HfSiO or ZrSiO is used instead of SiO 2 , a low level of hysteresis can be realized. In addition, by using such a high dielectric constant film, it was possible to increase the breakdown voltage of the gate insulating layer.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

例えば、本実施の形態では、典型的な例としてAlGaN/GaN積層構造を半導体として用いたが、例えば最表面がp型GaN構造を持つp−GaN/AlGaN/GaN構造などの、その他の積層構造であっても、本実施の形態と同様な効果が得られる。   For example, in the present embodiment, an AlGaN / GaN laminated structure is used as a semiconductor as a typical example, but other laminated structures such as a p-GaN / AlGaN / GaN structure having a p-type GaN structure on the outermost surface, for example. Even so, the same effect as the present embodiment can be obtained.

また、本実施の形態では、ゲート電極としてリフトオフ法によるAu/Niを用いたが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えばTiNなどの反応性イオンエッチングによる加工が可能なメタルゲートを使用してもよい。ソースドレインコンタクトについても、Auの代わりに用いる電極として例えばAlを用いてもよい。   In this embodiment, Au / Ni by lift-off method is used as the gate electrode, but a metal gate that can be processed by reactive ion etching such as TiN is used without departing from the spirit of the present invention. May be. For the source / drain contact, for example, Al may be used as an electrode used instead of Au.

100 半導体基板
101 半導体層
102 GaN層
104 AlGaN層
106 ソース拡散層領域
108 ドレイン拡散層領域
110 層間絶縁層
112 凹部
114 Al
116 SiO
118 ゲート電極
120 ソース電極
122 ドレイン電極
124 凹部
200 半導体装置
100 Semiconductor substrate 101 Semiconductor layer 102 GaN layer 104 AlGaN layer 106 Source diffusion layer region 108 Drain diffusion layer region 110 Interlayer insulating layer 112 Recess 114 Al 2 O 3 film 116 SiO 2 film 118 Gate electrode 120 Source electrode 122 Drain electrode 124 Recess 200 Semiconductor device

Claims (10)

GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板と、
前記半導体層と接するように前記基板上に設けられており、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層上に設けられており、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層と、
前記第2のゲート絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極の下面は、前記第2のゲート絶縁層に接しており、
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄い、半導体装置。
A substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a part of its surface;
A first gate insulating layer which is provided on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer and which is made of a metal oxide layer not containing nitrogen and containing Al;
A second gate insulating layer provided on the first gate insulating layer and containing Si and O;
A gate electrode provided on the second gate insulating layer,
A lower surface of the gate electrode is in contact with the second gate insulating layer;
The semiconductor device, wherein the first gate insulating layer is thinner than the second gate insulating layer.
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板と、
前記半導体層と接するように前記基板上に設けられており、窒素を含まず、Y(イットリウム)、またはランタノイドからなる3価の遷移金属を含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層上に設けられており、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層と、
前記第2のゲート絶縁層上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記ゲート電極の下面は、前記第2のゲート絶縁層に接しており、
前記第1のゲート絶縁層の膜厚は、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄い、半導体装置。
A substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a part of its surface;
A first gate insulating layer which is provided on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer and which includes a metal oxide layer which does not include nitrogen and includes a trivalent transition metal including Y (yttrium) or a lanthanoid;
A second gate insulating layer provided on the first gate insulating layer and containing Si and O;
A gate electrode provided on the second gate insulating layer,
A lower surface of the gate electrode is in contact with the second gate insulating layer;
The semiconductor device, wherein the first gate insulating layer is thinner than the second gate insulating layer.
前記第2のゲート絶縁層は、SiO膜または金属シリケート膜を含む、請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating layer includes a SiO 2 film or a metal silicate film. 前記第1のゲート絶縁層の膜厚が0.5nm以上である、請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein a film thickness of the first gate insulating layer is 0.5 nm or more. 前記第1のゲート絶縁層の膜厚が5nm以下である、請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate insulating layer has a thickness of 5 nm or less. 前記GaNを含む半導体層は、AlGaNとGaNとからなる積層構造を有する、請求項1から5のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer containing GaN has a stacked structure made of AlGaN and GaN. 前記第1のゲート絶縁層がSiを含む、請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate insulating layer contains Si. GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板を形成する工程と、
前記半導体層と接するように前記基板上に、窒素を含まず、Alを含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁層上に、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁層上に、ゲート電極を形成する工程と、を備え、
前記ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート電極の下面が、前記第2のゲート絶縁層と接するように形成するとともに、
前記第1のゲート絶縁層を形成する工程は、前記第1のゲート絶縁層の膜厚が、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くなるように形成する、半導体装置の製造方法。
Forming a substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a portion of the surface;
Forming a first gate insulating layer made of a metal oxide layer not containing nitrogen and containing Al on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer;
Forming a second gate insulating layer containing Si and O on the first gate insulating layer;
Forming a gate electrode on the second gate insulating layer,
The step of forming the gate electrode includes forming the lower surface of the gate electrode in contact with the second gate insulating layer,
The step of forming the first gate insulating layer is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the film thickness of the first gate insulating layer is formed to be thinner than the film thickness of the second gate insulating layer.
GaNを含む半導体層を表面の少なくとも一部に有する基板を形成する工程と、
前記半導体層と接するように前記基板上に、窒素を含まず、Y(イットリウム)、またはランタノイドからなる3価の遷移金属を含む酸化金属層からなる第1のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁層上に、SiおよびOを含む第2のゲート絶縁層を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁層上に、ゲート電極を形成する工程と、を備え、
前記ゲート電極を形成する工程は、前記ゲート電極の下面が、前記第2のゲート絶縁層と接するように形成するとともに、
前記第1のゲート絶縁層を形成する工程は、前記第1のゲート絶縁層の膜厚が、前記第2のゲート絶縁層の膜厚より薄くなるように形成する、半導体装置の製造方法。
Forming a substrate having a semiconductor layer containing GaN on at least a portion of the surface;
Forming a first gate insulating layer made of a metal oxide layer containing a trivalent transition metal made of Y (yttrium) or lanthanoid on the substrate so as to be in contact with the semiconductor layer;
Forming a second gate insulating layer containing Si and O on the first gate insulating layer;
Forming a gate electrode on the second gate insulating layer,
The step of forming the gate electrode includes forming the lower surface of the gate electrode in contact with the second gate insulating layer,
The step of forming the first gate insulating layer is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the film thickness of the first gate insulating layer is formed to be thinner than the film thickness of the second gate insulating layer.
前記第1のゲート絶縁層を形成する工程、前記第2のゲート絶縁層を形成する工程および前記ゲート電極を形成する工程は、600℃以下の条件下で行う、請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。   10. The method according to claim 8, wherein the step of forming the first gate insulating layer, the step of forming the second gate insulating layer, and the step of forming the gate electrode are performed under conditions of 600 ° C. or lower. A method for manufacturing a semiconductor device.
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