JP2013041969A - Semiconductor device, method for manufacturing the same, and testing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置、半導体装置の製造方法、および試験装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a method for manufacturing a semiconductor device, and a test apparatus.
従来、GaN(窒化ガリウム)系半導体によるヘテロ接合半導体装置(特に高電子移動度トランジスタ:HEMT:High Electron Mobility Transistor)においては、ゲートリーク電流が問題になっていた。そこでゲート電極と半導体層との間にTa(タンタル)酸化物等を介在させて、Metal−Insulator−Semiconductor(MIS)構造のHEMTのゲートリーク電流を低減させることが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1 特開2006−245317号公報
Conventionally, in a heterojunction semiconductor device using a GaN (gallium nitride) -based semiconductor (particularly, a high electron mobility transistor: HEMT: High Electron Mobility Transistor), a gate leakage current has been a problem. Therefore, it is known that Ta (tantalum) oxide or the like is interposed between the gate electrode and the semiconductor layer to reduce the gate leakage current of the HEMT having a metal-insulator-semiconductor (MIS) structure (for example, patents). Reference 1).
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-245317
しかしながら、このようなMIS構造のGaN系HEMTは、ゲートリーク電流を抑制できる一方で、半導体表面のトラップの影響により電流が減少する「電流コラプス」と呼ばれる現象が問題となる。例えば、Vds(ドレイン・ソース間電圧)を予め数十ボルト与え、かつ、Vgs(ゲート・ソース間電圧)にも予め負のストレス電圧を与えると、Id(ドレイン電流)−Vds特性においてIdが減少してしまう。特にストレス電圧印加後の時間が数μsと短い場合、顕著にIdが減少する。即ち、ゲートリーク電流を抑制しつつ、電流コラプスの影響を低減させたデバイスを実現することは困難であった。 However, the MIS HEMT having such a MIS structure has a problem called “current collapse” in which the current decreases due to the influence of the trap on the semiconductor surface while the gate leakage current can be suppressed. For example, if Vds (drain-source voltage) is given in several tens of volts in advance and negative stress voltage is also given in advance to Vgs (gate-source voltage), Id is reduced in the Id (drain current) -Vds characteristic. Resulting in. In particular, when the time after applying the stress voltage is as short as several μs, Id is significantly reduced. That is, it has been difficult to realize a device in which the influence of current collapse is reduced while suppressing gate leakage current.
本発明の第1の態様においては、窒化物系半導体で形成された半導体層と、半導体層上に開口を有して設けられ、タンタル酸窒化物を含む第1絶縁膜と、第1絶縁膜の開口において半導体層上に積層された第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備える半導体装置を提供する。 In the first aspect of the present invention, a semiconductor layer formed of a nitride-based semiconductor, a first insulating film provided with an opening on the semiconductor layer and containing tantalum oxynitride, and a first insulating film A semiconductor device comprising: a second insulating film stacked on the semiconductor layer in the opening; and a gate electrode provided on the second insulating film.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、本実施形態に係る半導体装置100の縦断面の構成例を示す。半導体装置100は、ゲートリーク電流が少なく、かつ、電流コラプスの影響を低減させる。半導体装置100は、FETであってよい。また、半導体装置100は、HEMTであってよい。半導体装置100は、基板10と、半導体層110と、第1絶縁膜120と、第2絶縁膜130と、ゲート電極140と、保護膜150と、ソース電極160と、ドレイン電極170とを備える。
FIG. 1 shows a configuration example of a longitudinal section of a
基板10は、表面上に半導体層110を形成する。基板10は、半導体層110の結晶性を保ったまま形成させるように、半導体層110の格子定数と略同一の格子定数を有する結晶であってよい。基板10は、サファイア、SiC(炭化ケイ素)、GaN、GaAs、またはSi等の単結晶であってよい。
The
半導体層110は、窒化物系半導体で形成される。半導体層110は、バンドギャップの異なる2種類以上の半導体を、結晶性を有したまま接合させたヘテロ接合を有してよい。本実施例において、半導体層110は、GaN系半導体層について説明する。半導体層110は、電子走行層112と、スペーサ層114と、電子供給層116と、保護層118とを有する。
The
電子走行層112は、基板10の表面上に形成される。電子走行層112には、高速で電子を流すことができる二元電子ガスと呼ばれる層が形成される。電子走行層112は、不純物を人工的に添加しないアンドープのi型GaN層でよい。
The
スペーサ層114は、電子走行層112上に形成される。スペーサ層114は、電子走行層112とはバンドギャップの異なる異種の半導体材料で形成される。電子走行層112とスペーサ層114とがヘテロ接合となることで、電子走行層112は、スペーサ層114との界面近傍の10nm程度の領域において、二元電子ガスを形成することができる。スペーサ層114は、アンドープのi型AlGaN層でよい。
The
電子供給層116は、スペーサ層114上に形成される。電子供給層116は、スペーサ層114を介して電子走行層112に電子を供給する。電子供給層116は、不純物をドープしたn型AlGaN層でよい。
The
保護層118は、電子供給層116上に形成される。保護層118は、例えば、電子供給層116中のAl等の酸化を防止して保護する。保護層118は、不純物をドープしたn型GaN層でよい。なお、電子供給層116中のAl等の酸化の影響等が少ない場合は、保護層118は無くてもよい。
The
第1絶縁膜120は、半導体層110上に開口を有して設けられ、Ta(タンタル)酸窒化物(TaON)を含む。第1絶縁膜120は、ゲート電極140の下方の半導体層110上に開口を有し、当該開口以外の半導体層110の表面を覆う。第1絶縁膜120は、SiO2(二酸化シリコン)よりも誘電率の高い絶縁膜でよい。第1絶縁膜120であるTa酸窒化物の絶縁膜は、Ta酸化物およびSiO2等に比べてトラップ準位が少なく、半導体層110との界面において、Ta酸化物およびSiO2等に比べて欠陥の少ない良好な界面が形成される特徴を有する。
The first
第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120の開口において半導体層110上に積層される。第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120の開口内から開口近傍における第1絶縁膜120上部にわたって設けられる。即ち、第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120の開口内において保護層118と接する。また、第2絶縁膜130は、開口以外の部分においては、第1絶縁膜120上に積層される。したがって、開口以外の部分における第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120の開口内と比較して保護層118から離れた層となる。これに伴い、第2絶縁膜130の上面は、開口に対応する部分において窪みを有する。
The second
第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120より絶縁性が高くてよい。第2絶縁膜130は、トンネル効果等によって生じるリーク電流を低減させる高誘電率材料によって形成されてよい。
The second
第2絶縁膜130は、SiNよりも誘電率の高い絶縁膜を含む。第2絶縁膜130は、Ta、Al(アルミニウム)、Hf(ハフニウム)、HfAl(ハフニウムアルミニウム)、La(ランタン)、Y(イットリウム)、LaSi(ランタンシリコン)、およびHfLa(ハフニウムランタン)の少なくとも1つを含む。例えば、第2絶縁膜130は、Ta酸化物、Hf(ハフニウム)酸化物、HfAl(ハフニウムアルミニウム)酸化物、La(ランタン)酸化物、HfLa(ハフニウムランタン)、またはY(イットリウム)酸化物等の絶縁材料を含む。
The second
一例として、第2絶縁膜130は、Ta酸化物(TaOx)を絶縁材料として含む。また、第2絶縁膜130は、複数の絶縁膜が積層されて形成され、複数の絶縁膜の少なくとも1つは、Ta酸化物を絶縁材料として含んでよい。
As an example, the second
ゲート電極140は、第2絶縁膜130上に設けられる。ゲート電極140は、第2絶縁膜130を介して、半導体層110にゲート電圧を印加する絶縁ゲート構造の電極として形成される。ゲート電極は、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Au(金)、Mo(モリブデン)、またはTi(チタン)等を有してよい。ゲート電極140は、配線接続部を有してよい。配線接続部は、ゲート電圧を供給する外部回路と、金メッキまたはワイヤボンディング等によって電気的に接続されてよい。
The
ゲート電極140は、第1絶縁膜120の開口において積層された第2絶縁膜130の第1表面と、第1絶縁膜120上に積層された第2絶縁膜130の第2表面とに、一体となって設けられる。ゲート電極140は、第2絶縁膜130の上面に形成された窪み部分において、保護層118のより近くに積層され、当該窪みの周辺に位置する縁部において、窪み内と比較して保護層118からより離れて積層される。即ち、ゲート電極140は、第2絶縁膜130の異なる2つの面上に形成された2段構造を有する。
The
保護膜150は、ゲート電極140および第2絶縁膜130上に設けられた絶縁性の膜である。保護膜150は、第2絶縁膜130とは別種の絶縁材料を含んでよい。一例として、保護膜150は、SiN(窒化シリコン)を絶縁材料として含む。これによって、半導体装置100は、表面の保護膜の強化と、第2絶縁膜130表面近傍のトラップ準位等を低減させることができる。
The
ソース電極160およびドレイン電極170は、半導体層110上に設けられる。ソース電極160およびドレイン電極170は、電子供給層116に接するように形成されることが望ましい。ソース電極160およびドレイン電極170は、半導体層110と、オーミック接合される。ソース電極160およびドレイン電極170は、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Au(金)、Mo(モリブデン)、Al(アルミニウム)、またはTi(チタン)等を有してよい。
The
ソース電極160およびドレイン電極170は、それぞれ配線接続部を有してよい。それぞれの配線接続部は、ソース電極160またはドレイン電極170と接続されるべき外部回路と、金メッキまたはワイヤボンディング等によって電気的に接続されてよい。
Each of the
ここで、第1絶縁膜120および第2絶縁膜130は、ソース電極160およびドレイン電極170の間に設けられてよい。また、第1絶縁膜120および第2絶縁膜130は、ソース電極160およびドレイン電極170の少なくとも一部を更に覆うように設けられてよい。この場合、第1絶縁膜120は、ソース電極160およびドレイン電極170の配線接続部以外の表面上を覆うように設けられてよい。
Here, the first insulating
図2は、本実施形態に係る半導体装置100の製造フローを示す。また、図3〜図9は、製造フローの各段階で形成された半導体装置100の構成例をそれぞれ示す。
FIG. 2 shows a manufacturing flow of the
まず、基板10上に、半導体層110を形成する(S200)。半導体層110は、MOVPE法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長エピタキシー法)、またはMBE法(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシー法)等で形成されてよい。図3において、本実施形態に係る半導体装置100の半導体層110を形成した段階の構成例を示す。
First, the
次に、ソース電極160およびドレイン電極170を形成する(S210)。ソース電極160およびドレイン電極170は、保護層118をエッチングによって除去して、電子供給層116が露出された領域に形成されてよい。ここで、保護層118は、反応性ガス、イオン、またはラジカル等を用いたドライエッチングによって電極が形成される領域が除去されてよい。これに代えて、液体の薬品を用いたウェットエッチングによって電極が形成される領域が除去されてよい。
Next, the
ソース電極160およびドレイン電極170は、一例として、材料を加熱して気化または昇華させて基板の表面に付着させる蒸着法によって形成される。これに代えて、ソース電極160およびドレイン電極170は、スパッタ法によって形成されてもよい。また、ソース電極160およびドレイン電極170は、一例として、形成すべきパターンの逆パターンを、基板上にフォトレジスト等で形成し、形成すべき薄膜を蒸着後、パターン以外の不用部分をフォトレジストと共に除去する蒸着リフトオフ法で形成される。
For example, the
電子供給層116上に形成されたソース電極160およびドレイン電極170は、500℃程度以上の温度でアニール処理することで、オーミック接合を形成する。図4において、本実施形態に係る半導体層110上にソース電極160およびドレイン電極170を形成した段階の構成例を示す。
The
次に、半導体層110上に第1絶縁膜120を形成する(S220)。第1絶縁膜120は、スパッタによって形成されてよい。第1絶縁膜120は、一例として、絶縁物のターゲットに高周波電圧を印加してスパッタするRFスパッタによって形成される。ここで、Ar(アルゴン)とN2(窒素)の混合ガスを雰囲気ガスとして、Ta2O5(五酸化タンタル)ターゲットをスパッタすることで、第1絶縁膜120であるTa酸窒化物を成膜してよい。
Next, the first insulating
これに代えて、第1絶縁膜120は、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長法)法、ALD(Atomic Layer Deposition)法、スパッタ法等によって形成されてよい。第1絶縁膜120は、10〜100nm程度の膜厚を有してよい。より好ましくは、20〜50nmの膜厚を有してよい。図5において、本実施形態に係る半導体層110上に第1絶縁膜120を形成した段階の構成例を示す。
Instead, the first insulating
次に、第1絶縁膜120に開口を形成する(S230)。開口は、第1絶縁膜120をエッチングによって除去して、半導体層110の表面の一部を露出させて形成されてよい。図6において、本実施形態に係る第1絶縁膜120に開口を形成した段階の構成例を示す。
Next, an opening is formed in the first insulating film 120 (S230). The opening may be formed by removing the first insulating
次に、第1絶縁膜120および開口上に第2絶縁膜130を形成する(S240)。第2絶縁膜130は、第1絶縁膜120と同様に、RFスパッタによって形成されてよい。ここで、第2絶縁膜130として、Ar(アルゴン)とO2(酸素)の混合ガスを雰囲気ガスとして、Ta2O5ターゲットをスパッタすることで、Ta酸化物(TaOx)が成膜されてよい。これによって、絶縁材料のターゲットを変えずに、雰囲気ガスを制御することで、第1絶縁膜120および第2絶縁膜130を成膜することができる。
Next, the second
これに代えて、第2絶縁膜130は、CVD法、ALD法等によって形成されてよい。第2絶縁膜130は、10〜100nm程度の膜厚を有してよい。より好ましくは、20〜50nmの膜厚を有してよい。
Instead, the second
第2絶縁膜130は、開口において、半導体層110の露出された表面と接して形成され、かつ、第1絶縁膜120を覆うように形成される。第2絶縁膜130は、略同一の厚さで第1絶縁膜120および開口上に形成されるので、第2絶縁膜130の表面にも開口と略同一形状の段差が形成される。図7において、本実施形態に係る第1絶縁膜120および開口上に第2絶縁膜130を形成した段階の構成例を示す。
The second
次に、第2絶縁膜130上にゲート電極140を形成する(S250)。ゲート電極140は、一例として、蒸着法によって形成される。ゲート電極140は、一例として、蒸着リフトオフ法によって形成される。ゲート電極140は、複数の電極材料を蒸着して形成されてよい。これに代えて、ゲート電極140は、スパッタ法によって形成されてもよい。
Next, the
ゲート電極140は、第2絶縁膜130の表面に形成された段差を覆って形成されるので、開口に応じた2段構造を有して形成される。図8において、本実施形態に係る第2絶縁膜130上にゲート電極140を形成した段階の構成例を示す。
Since the
次に、ゲート電極140上に、保護膜150を形成する(S260)。保護膜150は、第1絶縁膜120および第2絶縁膜130とは別種の絶縁材料を含んでよい。保護膜150は、CVD法、ALD法、スパッタ法等によって形成されてよい。保護膜150は、一例として、SiNが形成される。この場合、保護膜150は、50〜300nm程度の膜厚で形成されてよい。図9において、本実施形態に係るゲート電極140上に保護膜150を形成した段階の構成例を示す。
Next, the
以上の本実施例により、GaN HEMTである半導体装置100が製造される。半導体装置100は、高耐圧、高出力、および高周波数特性を有するGaN MIS構造のHEMTである。
The
図10は、従来の半導体装置のIg(ゲート電流)−Vds特性の一例を示す。図11は、従来の半導体装置のパルス特性の一例を示す。ここで従来の半導体装置は、開口を有する第1絶縁膜120を形成しないGaN MIS構造HEMTによる半導体装置である。この半導体装置の場合、半導体層110上に第2絶縁膜130を形成させ、第2絶縁膜130上にゲート電極140、保護膜150を順に形成させている。この例では第2絶縁膜130としてTa酸化物を用いている。
FIG. 10 shows an example of Ig (gate current) -Vds characteristics of a conventional semiconductor device. FIG. 11 shows an example of pulse characteristics of a conventional semiconductor device. Here, the conventional semiconductor device is a semiconductor device using a GaN MIS structure HEMT in which the first insulating
なお、パルス特性とは、予め定められたVdsおよびVgsが半導体装置に印加された状態(始状態)から、パルス的に始状態とは異なる予め定められたVdsおよびVgsを印加して予め定められた時間経過した後のIdを測定し、印加するVdsおよびVgsに応じたIdを取得することである。始状態において電圧ストレスが印加されている場合、そのパルス特性からストレス印加後の応答特性が評価できる。なお、本実施例における測定結果は、VdsおよびVgsをパルス的に印加してから略5μs後にIdの測定をおこなっている。 Note that the pulse characteristics are determined in advance by applying predetermined Vds and Vgs different from the initial state in a pulsed manner from a state in which predetermined Vds and Vgs are applied to the semiconductor device (starting state). Is to measure Id after a lapse of time, and obtain Id according to applied Vds and Vgs. When voltage stress is applied in the initial state, response characteristics after stress application can be evaluated from the pulse characteristics. In addition, the measurement result in a present Example has measured Id about 5 microseconds after applying Vds and Vgs like a pulse.
図10において、横軸は、半導体装置のゲート−ソース間電圧Vgsを示し、縦軸は、ゲート電流Igを示す。このゲート電流Igが、ゲートリーク電流に対応する。図より、負のVgsが印加された場合の逆方向ゲートリーク電流が10-10A/mm以下に低減されていることがわかる。 In FIG. 10, the horizontal axis represents the gate-source voltage Vgs of the semiconductor device, and the vertical axis represents the gate current Ig. This gate current Ig corresponds to the gate leakage current. From the figure, it can be seen that the reverse gate leakage current when negative Vgs is applied is reduced to 10 −10 A / mm or less.
図11の横軸は、半導体装置のドレイン−ソース間電圧Vdsを示し、縦軸は、ドレイン−ソース間に流れる電流Idを示す。黒丸でプロットした電流電圧特性は、始状態としてVds=0VおよびVgs=0V、すなわち電圧ストレスのない始状態でのパルス特性であり、それぞれVgs=2、−2、−4、および−6Vの場合のId−Vdsの関係を示す。 The horizontal axis in FIG. 11 represents the drain-source voltage Vds of the semiconductor device, and the vertical axis represents the current Id flowing between the drain and source. The current-voltage characteristics plotted by the black circles are Vds = 0V and Vgs = 0V as the initial state, that is, pulse characteristics in the initial state without voltage stress, and when Vgs = 2, −2, −4, and −6V, respectively. Id-Vds relationship is shown.
この場合、半導体装置は、始状態としてVdsおよびVgsには電圧が印加されていないので、ゲート電極近辺にトラップ準位が形成されていても、キャリアが新たにトラップされることがほとんど無いと考えられる。したがって、当該電流電圧特性は、VdsおよびVgsに静的に電圧を印加した場合の静特性と略同一の形状が観測される。 In this case, since no voltage is applied to Vds and Vgs as a starting state in the semiconductor device, even if a trap level is formed in the vicinity of the gate electrode, it is considered that carriers are hardly trapped newly. It is done. Accordingly, the current-voltage characteristics are observed to have substantially the same shape as the static characteristics when a voltage is statically applied to Vds and Vgs.
白抜きの四角でプロットした電流電圧特性は、始状態としてVds=25VおよびVgs=−10Vを印加した際のパルス特性であり、Vgs=2、0、−2、および−4Vの場合のId−Vdsの関係を示す。即ち、白抜きの四角の電流電圧特性は電圧ストレスがある状態で取得されたパルス特性を示し、一方、黒丸でプロットした電流電圧特性は電圧ストレスがない状態で取得されたパルス特性を示す。このように、始状態での電圧ストレスの有無によって、電流電圧特性が著しく変化することが観測される。 The current-voltage characteristics plotted with white squares are the pulse characteristics when Vds = 25 V and Vgs = −10 V are applied as the initial state, and Id− in the case of Vgs = 2, 0, −2 and −4V. The relationship of Vds is shown. That is, a white square current-voltage characteristic indicates a pulse characteristic acquired in the presence of voltage stress, while a current-voltage characteristic plotted with a black circle indicates a pulse characteristic acquired in the absence of voltage stress. Thus, it is observed that the current-voltage characteristics change significantly depending on the presence or absence of voltage stress in the initial state.
これは、始状態としてVdsおよびVgsに電圧ストレスが印加されることで、VdsおよびVgsに応じて空乏層領域が伸び、ゲート電極140近傍に存在するトラップ準位にキャリアである電子がトラップされ、仮想的なゲートが形成された結果としてIdが減少したと考えられる。このように、ゲート電極140近傍等に存在するトラップの影響で、電流コラプスが引き起こされていると考えられる。
This is because when a voltage stress is applied to Vds and Vgs as a starting state, a depletion layer region extends according to Vds and Vgs, and electrons that are carriers are trapped in trap levels existing in the vicinity of the
ここで、ゲート電極140近傍には、このようなトラップ準位を形成する主な領域として、ゲート電極140−第2絶縁膜130間、および第2絶縁膜130−半導体層110間の2つが考えられる。ゲート電極140−第2絶縁膜130間は、特に、ゲート電極140にゲート電圧が印加される場合に電界が集中するゲート端部において、第2絶縁膜130と保護膜150が存在する。この第2絶縁膜130と保護膜150の異種界面にトラップ準位が形成され、電流コラプスを発生させると考えられる。
Here, in the vicinity of the
このように、第2絶縁膜130として絶縁性の高い材質を形成しても、第2絶縁膜130が半導体層110上に欠陥の少ない良好な界面を形成しなければ、電流コラプスを発生させるトラップ準位を形成して、電流コラプスの影響が問題となる。即ち、従来の半導体装置は、ゲートリーク電流を低減させる絶縁性の高い絶縁膜をゲート電極140−半導体層110間に備えつつ、ゲート電極140−第2絶縁膜130間、および第2絶縁膜130−半導体層110間の2つの領域に形成されるトラップ準位を低減させて電流コラプスの影響を小さくすることが難しかった。例えば、図中の例に示されるように、ゲートリーク電流が10-9A/mm以下の高い絶縁性を実現しつつ、電流コラプスの影響が小さいパルス特性を有するMIS構造のGaN系HEMTを実現することは困難であった。
As described above, even if a highly insulating material is formed as the second
図12は、本実施形態に係る半導体装置100のIg−Vds特性の一例を示す。ここで、第2絶縁膜130は、Ta酸化物である。図12において、横軸は、半導体装置のゲート−ソース間電圧Vgsを示し、縦軸は、ゲート電流Igを示す。図10と同様に、逆方向ゲートリーク電流が10-10A/mm以下に低減されていることがわかる。
FIG. 12 shows an example of Ig-Vds characteristics of the
図13は、本実施形態に係る半導体装置100のパルス特性の一例を示す。図13中の横軸は、図11と同様に、Vdsを示し、縦軸は、Idを示す。黒丸でプロットした電流電圧特性は、電圧ストレスのない始状態でのパルス特性であり、Vgs=2、0、−2、および−4Vの場合の、Id−Vdsの関係を示す。白抜きの四角でプロットした電流電圧特性は、電圧ストレスのある始状態でのパルス特性でありVgs=2、0、−2、および−4Vの場合のId−Vdsの関係を示す。
FIG. 13 shows an example of pulse characteristics of the
本実施例に係る半導体装置100は、電圧ストレスの有無にかかわらず略同一の電流電圧特性の傾向を示すことがわかる。即ち、半導体装置100は、電流電圧特性を変化させる界面準位の形成を防止して、電流コラプスを抑制していると考えられ、従来困難であった、ゲートリーク電流の低減と、電流コラプスの影響の低減とを両立させていることがわかる。
It can be seen that the
半導体装置100は、半導体層110表面において、ゲート電極140直下の領域には第2絶縁膜130を形成し、それ以外の領域には第1絶縁膜120を形成している。この第1絶縁膜120であるTa酸窒化物を含む絶縁膜は、Ta酸化物に比べてトラップ準位が少なく、また、第1絶縁膜120−半導体層110界面において、欠陥の少ない良好な界面を形成する。
In the
したがって、第1絶縁膜120は、ゲート電極140が形成される領域以外の半導体層110表面を覆い、半導体層110と絶縁膜との間の異種界面におけるトラップ準位の形成を低減させることができる。また、ゲート電極140直下の領域は、第1絶縁膜120よりも絶縁性の高い第2絶縁膜130を形成するので、ゲート電極140から半導体層110へのリーク電流を低減させることができる。即ち、半導体装置100は、絶縁膜−半導体層110間である、半導体層110表面において、トラップ準位の形成を低減させつつ、リーク電流を低減させることができる。
Therefore, the first insulating
また、ゲート電極140は、第2絶縁膜130上に開口に応じた2段構造を有して形成されるので、半導体層110に対向して近接する面、ゲート端部、および半導体層110に対向して離間した面において、第2絶縁膜130に覆われる。即ち、ゲート端部は、第2絶縁膜130のみがゲート端部を包み込むように形成されているので、保護膜150等との異種界面が存在しない。したがって、ゲート端部は、異種界面に起因するトラップ準位が形成されず、電流コラプスの影響を防止することができる。
In addition, since the
このように、半導体装置100は、ゲート電極140近傍のゲート電極140−第2絶縁膜130間、および絶縁膜−半導体層110間の2つの領域において、トラップ準位の形成を低減させ、電流コラプスの影響を防止することができる。また、ゲート電極140は、2段構造を有するので、ゲート端における電界の集中を緩和するフィールドプレート効果を得ることもできる。したがって、本実施形態の半導体装置100は、ゲートリーク電流を抑制しつつ、電流コラプスの影響を低減することができる。
As described above, the
図14は、本実施形態に係る半導体装置100の変形例を示す。本変形例の半導体装置100において、図1に示された本実施形態に係る半導体装置100の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。本変形例の半導体装置100は、ゲート境界膜180を更に備える。
FIG. 14 shows a modification of the
ゲート境界膜180は、第2絶縁膜130上に設けられ、第2絶縁膜130上におけるゲート電極140の端部の少なくとも一部においてゲート電極140と接する。ここで、ゲート境界膜180は、第2絶縁膜130上におけるゲート電極140が設けられていない領域の少なくとも一部からゲート電極140上の少なくとも一部に至る領域を覆ってよい。また、ゲート境界膜180は、ゲート電極140の配線接続部以外の表面上を覆うように設けられてよい。
The
ゲート境界膜180は、Ta酸化物、Hf酸化物、HfAl酸化物、La酸化物、またはY酸化物等の絶縁材料を有してよい。一例として、ゲート境界膜180は、Ta酸化物を有する。
The
ここで、ゲート境界膜180およびゲート境界膜180と接する第2絶縁膜130は、同種の絶縁材料を含んでよい。例えば、ゲート境界膜180および第2絶縁膜130は、略同一の絶縁材料で形成される。これに代えて、ゲート境界膜180および第2絶縁膜130は、主要元素または主成分が略同一であってよい。これに代えて、ゲート境界膜180および第2絶縁膜130は、絶縁材料の主成分に含まれる元素の種類または組成が略同一であってよい。
Here, the
これによって、半導体装置100は、ゲート境界膜180と第2絶縁膜130との間に、異種材料を形成させないので、異種界面の形成を防ぐことができる。したがって、ゲート電極140は、電極端部に異種界面と接することがないので、異種界面に形成されるトラップ準位等に電子をトラップされることを防ぐことができる。このように、ゲート電極140は、電極端部に異種界面が形成されないので、ゲート電極140は、2段構造を有さなくてもよい。
Accordingly, since the
以上の本実施例の半導体装置100において、第2絶縁膜130は、単層の絶縁膜が形成される例を説明した。これに代えて、第2絶縁膜130は、異なる材質で形成された複数の層が積層された多層膜であってよい。この場合、複数の絶縁膜の少なくとも1つは、第1絶縁膜120よりも絶縁性の高い絶縁材料を含む。
In the
例えば、半導体装置100は、半導体層110上に接して設けられ、半導体層110と欠陥の少ない良好な界面を形成させるTa酸窒化膜の第1層と、第1層上に設けられ、Ta酸窒化膜よりも絶縁性が高くリーク電流を低減させるTa酸化膜の第2層と、を有する第2絶縁膜130を備えてよい。また、半導体装置100は、ゲート電極140と接して設けられ、ゲート電極140と欠陥の少ない良好な界面を形成させるTa酸窒化膜の第3層を有する第2絶縁膜130を備えてよい。
For example, the
このような多層膜による第2絶縁膜130は、ゲート直下の領域においても、半導体層110および/またはゲート電極140との界面において、欠陥の形成を抑えて良好な界面を形成しつつ、ゲートリーク電流を低減させることができる。以上の本実施例の半導体装置100は、GaNで形成されるMIS HEMTであることから、高耐圧、高出力、および高周波数特性を有することができる。
The second
図15は、本実施形態に係る試験装置410の構成例を被試験デバイス400と共に示す。試験装置410は、アナログ回路、デジタル回路、アナログ/デジタル混載回路、メモリ、およびシステム・オン・チップ(SOC)等の少なくとも1つの被試験デバイス400を試験する。試験装置410は、被試験デバイス400を試験するための試験パターンに基づく試験信号を被試験デバイス400に入力して、試験信号に応じて被試験デバイス400が出力する出力信号に基づいて被試験デバイス400の良否を判定する。
FIG. 15 shows a configuration example of the
試験装置410は、試験部420と、信号入出力部430と、制御装置440とを備える。試験部420は、被試験デバイス400との間で電気信号を授受して被試験デバイス400を試験する。試験部420は、試験信号発生部423と、期待値比較部426とを有する。
The
試験信号発生部423は、信号入出力部430を介して1または複数の被試験デバイス400に接続されて、被試験デバイス400へ供給する複数の試験信号を発生する。試験信号発生部423は、試験信号に応じて被試験デバイス400が出力する応答信号の期待値を生成してよい。
The
期待値比較部426は、信号入出力部430から受信した被試験デバイス400の応答信号に含まれるデータ値と試験信号発生部423が生成する期待値とを比較する。期待値比較部426は、比較結果に基づき、被試験デバイス400の良否を判定する。
The expected
信号入出力部430は、試験すべき被試験デバイス400と試験部420との間を電気的に接続して、試験信号発生部423が発生した試験信号を当該被試験デバイス400に送信する。また、信号入出力部430は、試験信号に応じて当該被試験デバイス400が出力する応答信号を受信する。信号入出力部430は、受信した被試験デバイス400の応答信号を期待値比較部426へと送信する。信号入出力部430は、複数の被試験デバイス400を搭載するパフォーマンスボードであってよい。信号入出力部430は、半導体装置100を有する。
The signal input /
半導体装置100は、試験部420および被試験デバイス400の間に設けられ、試験部420および被試験デバイス400の間を電気的に接続または切断する。試験装置410は、本実施形態に係る半導体装置100によって電気的な接続または切断を実行してよい。
The
本例において、信号入出力部430は1つの被試験デバイス400に接続され、半導体装置100は、1つの被試験デバイス400の入力信号ラインおよび出力信号ラインにそれぞれ1つ設けられる例を説明した。これに代えて信号入出力部430は、複数の被試験デバイス400に接続され、半導体装置100は、複数の被試験デバイス400の入力信号ラインおよび出力信号ラインのそれぞれに1つ設けられてよい。また、信号入出力部430から1つの被試験デバイス400へ接続される信号入出力ラインが1つの場合、1つの入出力ラインに1つの半導体装置100が設けられてよい。
In this example, the example in which the signal input /
制御装置440は、試験装置410の試験を実行すべく、試験部420および信号入出力部430に制御信号を送信する。制御装置440は、試験プログラムに応じて、試験部420に、試験信号の発生または試験結果と期待値との比較等を実行させる制御信号を送信する。また、制御装置440は、試験プログラムに応じて、接続すべき信号入出力ラインに設けられた半導体装置100の接続の指示、および切断すべき信号入出力ラインに設けられた半導体装置100の切断の指示等を、信号入出力部430に送信する。
The
以上の本実施例における試験装置410は、高耐圧、高出力、および高周波数特性を有し、ゲートリーク電流を低減させつつ、ゲート電極にパルスを印加した場合の高周波特性を向上させた半導体装置100を用いて試験を実行することができる。
The above-described
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
10 基板、100 半導体装置、110 半導体層、112 電子走行層、114 スペーサ層、116 電子供給層、118 保護層、120 第1絶縁膜、130 第2絶縁膜、140 ゲート電極、150 保護膜、160 ソース電極、170 ドレイン電極、180 ゲート境界膜、400 被試験デバイス、410 試験装置、420 試験部、423 試験信号発生部、426 期待値比較部、430 信号入出力部、440 制御装置 10 substrate, 100 semiconductor device, 110 semiconductor layer, 112 electron transit layer, 114 spacer layer, 116 electron supply layer, 118 protective layer, 120 first insulating film, 130 second insulating film, 140 gate electrode, 150 protective film, 160 Source electrode, 170 Drain electrode, 180 Gate boundary film, 400 Device under test, 410 Test device, 420 Test unit, 423 Test signal generation unit, 426 Expected value comparison unit, 430 Signal input / output unit, 440 Control device
Claims (14)
前記半導体層上に開口を有して設けられ、タンタル酸窒化物を含む第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の開口において前記半導体層上に積層された第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
を備える半導体装置。 A semiconductor layer formed of a nitride-based semiconductor;
A first insulating film provided on the semiconductor layer with an opening and containing tantalum oxynitride;
A second insulating film stacked on the semiconductor layer in the opening of the first insulating film;
A gate electrode provided on the second insulating film;
A semiconductor device comprising:
前記ゲート電極は、前記開口において積層された前記第2絶縁膜の第1表面と、前記第1絶縁膜上に積層された前記第2絶縁膜の第2表面とに、一体となって設けられる請求項1または2に記載の半導体装置。 The second insulating film is provided over the first insulating film in the vicinity of the opening from within the opening of the first insulating film,
The gate electrode is integrally provided on a first surface of the second insulating film stacked in the opening and a second surface of the second insulating film stacked on the first insulating film. The semiconductor device according to claim 1.
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜は、前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に設けられる
請求項1から10のいずれか一項に記載の半導体装置。 A source electrode and a drain electrode provided on the semiconductor layer;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film and the second insulating film are provided between the source electrode and the drain electrode.
前記半導体層上に開口を有して設けられ、タンタル酸窒化物を含む第1絶縁膜を形成する第1絶縁膜形成段階と、
前記第1絶縁膜の開口において前記半導体層上に第2絶縁膜を形成する第2絶縁膜形成段階と、
前記第2絶縁膜上にゲート電極を形成するゲート電極形成段階と、
を備える半導体装置の製造方法。 A semiconductor layer forming step of forming a semiconductor layer with a nitride-based semiconductor;
A first insulating film forming step of forming a first insulating film provided with an opening on the semiconductor layer and including tantalum oxynitride;
A second insulating film forming step of forming a second insulating film on the semiconductor layer in the opening of the first insulating film;
Forming a gate electrode on the second insulating film; and
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記被試験デバイスとの間で電気信号を伝送して前記被試験デバイスを試験する試験部と、
前記被試験デバイスおよび前記試験部の間の伝送経路に設けられ、前記被試験デバイスおよび前記試験部の間を電気的に接続するか切断するかを切り替える請求項1から12のいずれか一項に記載の半導体装置と、
を備える試験装置。 A test apparatus for testing a device under test,
A test section for transmitting an electrical signal to and from the device under test to test the device under test;
13. The device according to claim 1, wherein the device is provided in a transmission path between the device under test and the test unit, and switches between the device under test and the test unit being electrically connected or disconnected. A semiconductor device according to the description;
A test apparatus comprising:
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