JP2022014645A - Method for manufacturing nitride semiconductor device and nitride semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device.
MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を有する窒化物半導体装置において、ゲート絶縁膜である酸化シリコン層(SiO2層)と、チャネルが形成される窒化ガリウム層(GaN層)との間に、ガリウム酸化物層(Ga酸化物層)が形成されることが知られている(例えば、特許文献1参照)。 In a nitride semiconductor device having a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure, a gallium oxide is formed between a silicon oxide layer (SiO 2 layer) which is a gate insulating film and a gallium nitride layer (GaN layer) on which a channel is formed. It is known that a layer (Ga oxide layer) is formed (see, for example, Patent Document 1).
MOS構造において、ゲート絶縁膜であるSiO2層とGaN層との間にGa酸化物層が存在すると、チャネル移動度などの特性が劣化する可能性がある。Ga酸化物層の膜厚が厚いほど特性が劣化する傾向があるため、Ga酸化物層の厚さを低減することが望まれる。 In the MOS structure, if a Ga oxide layer is present between the SiO 2 layer, which is a gate insulating film, and the GaN layer, characteristics such as channel mobility may deteriorate. Since the characteristics tend to deteriorate as the film thickness of the Ga oxide layer increases, it is desired to reduce the thickness of the Ga oxide layer.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、特性の劣化を抑制できるようにした窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device capable of suppressing deterioration of characteristics.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム系半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程、を備える。ゲート絶縁膜を形成する工程は、大気から遮断された雰囲気中で窒化ガリウム系半導体層上にSi層を成膜する工程と、雰囲気を維持したままSi層上にSiO2層を成膜する工程と、を有する。 In order to solve the above problems, the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a step of forming a gate insulating film on a gallium nitride based semiconductor layer. The steps for forming the gate insulating film are a step of forming a Si layer on the gallium nitride semiconductor layer in an atmosphere shielded from the atmosphere and a step of forming a SiO 2 layer on the Si layer while maintaining the atmosphere. And have.
本発明の一態様に係る窒化物半導体装置は、窒化ガリウム系半導体層上に設けられたゲート絶縁膜、を備える。ゲート絶縁膜は、SiO2層と、SiO2層と窒化ガリウム系半導体層との間に設けられたSiOX層(0<X≦2)と、を有する。 The nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a gate insulating film provided on a gallium nitride based semiconductor layer. The gate insulating film has a SiO 2 layer and a SiO X layer (0 <X ≦ 2) provided between the SiO 2 layer and the gallium nitride based semiconductor layer.
本発明によれば、特性の劣化を抑制できるようにした窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device capable of suppressing deterioration of characteristics.
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 An embodiment of the present invention will be described below. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the plane dimensions, the ratio of the thickness of each device and each member, etc. are different from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following explanation. In addition, it goes without saying that parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下の説明では、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の文言を用いて、方向を説明する場合がある。例えば、X軸方向又はY軸方向は、GaN系半導体層10の上面10aに平行な方向である。Z軸方向は、GaN系半導体層10の上面10aの法線方向である。Z軸方向は、GaN系半導体層10の厚さ方向でもある。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。
Further, in the following description, the direction may be described by using the words in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. For example, the X-axis direction or the Y-axis direction is a direction parallel to the
また、以下の説明では、Z軸の矢印方向を「上」と称し、Z軸の矢印の反対方向を「下」と称する場合がある。「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、領域、層、膜及び基板等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を180度回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。 Further, in the following description, the direction of the arrow on the Z axis may be referred to as "up", and the direction opposite to the arrow on the Z axis may be referred to as "down". "Top" and "bottom" do not necessarily mean vertical to the ground. That is, the "up" and "down" directions are not limited to the direction of gravity. "Upper" and "lower" are merely expedient expressions for specifying relative positional relationships in regions, layers, films, substrates, and the like, and do not limit the technical idea of the present invention. For example, if the paper surface is rotated 180 degrees, it goes without saying that "upper" becomes "lower" and "lower" becomes "upper".
また、以下の説明で、n又はpは、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、pやnに付す+や-は、+及び-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。但し、同じpとpとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。 Further, in the following description, n or p means that electrons or holes are a large number of carriers, respectively. Further, + and-attached to p and n mean that the impurity concentration is relatively high or low, respectively, as compared with the semiconductor regions to which + and-are not added. However, even if the semiconductor regions have the same p and p, it does not mean that the impurity concentrations of the respective semiconductor regions are exactly the same.
<実施形態1>
(MOSトランジスタの構成)
図1は、本発明の実施形態1に係るMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ100の構成例を示す断面図である。本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置は、例えばパワー半導体デバイスであり、図1に示すMOSトランジスタ100を備える。図1は、MOSトランジスタ100の単位構造を示している。単位構造は、Y軸方向に延在し、かつ、X軸方向に繰り返し設けられている。複数の単位構造が設けられた領域を活性領域と称する。図示しないが、活性領域の周囲には、活性領域における電界集中を防ぐ機能を有するエッジ終端構造が設けられている。エッジ終端構造は、ガードリング構造、フィールドプレート構造及びJTE(Junction Termination ExtenSiOn)構造の1つ以上を含んでよい。
<
(Configuration of MOS transistor)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a MOS (Metal Office Semiconductor)
図1に示すように、MOSトランジスタ100は、GaN系半導体層10(本発明の「窒化ガリウム系半導体層」の一例)と、GaN系半導体層10上に設けられたゲート絶縁膜20と、ゲート絶縁膜20上に設けられたゲート電極30と、GaN系半導体層10に設けられたn+型のソース領域41と、GaN系半導体層10に設けられたn+型のドレイン領域42と、GaN系半導体層10上に設けられてソース領域41に接続するソース電極51と、GaN系半導体層10上に設けられてドレイン領域42に接続するドレイン電極52と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
GaN系半導体層10を構成する基板及び層の各々はGaNである。例えば、GaN系半導体層10は、n+型のGaN基板11と、n型のGaN層12と、p型のGaN層13とを有する。なお、GaN系半導体層10を構成する基板及び層の各々は、GaNを主成分とし、アルミニウム(Al)元素及びインジウム(In)元素の1以上の元素をさらに含んでもよい。
Each of the substrate and the layer constituting the GaN-based
図1に示すGaN系半導体層10において、GaN基板11は、n型不純物を含む単結晶のC面GaN基板である。GaN層12は、エピタキシャル成長法によってGaN基板11上に設けられた、n型不純物を含む単結晶GaN層である。GaN層13は、エピタキシャル成長法によってGaN層12上に設けられた、p型不純物を含む単結晶GaN層である。図1において、GaN系半導体層10の上面10aはGaN層13の上面であり、GaN系半導体層10の下面10bはGaN基板11の下面である。
In the GaN-based
MOSトランジスタ100に用いられるn型不純物は、例えば、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、及びO(酸素)のうちの1種類以上の元素を含む。例えば、n型不純物として、Si元素が用いられる。MOSトランジスタ100に用いられるp型不純物は、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Be(ベリリウム)及びZn(亜鉛)のうちの1種類以上の元素を含む。例えば、p型不純物として、Mg元素が用いられる。
The n-type impurity used in the
n+型のソース領域41と、n+型のドレイン領域42は、GaN層13に設けられている。ソース領域41及びドレイン領域42は、GaN系半導体層10の上面10aに露出しており、かつ、GaN系半導体層10の上面10aからGaN層13の底部よりも浅い位置(例えば、上面から0.1μmの深さ位置)まで設けられている。図1に示すように、ソース領域41及びドレイン領域42は、X軸方向において互いに離れている。GaN層13において、ソース領域41とドレイン領域42とに挟まれた領域45に、MOSトランジスタ100のチャネルが形成される。以下、領域45をチャネル領域という。
The n +
ゲート絶縁膜20は、GaN層13上に設けられている。例えば、ゲート絶縁膜20は、ソース領域41とドレイン領域42とに挟まれたチャネル領域45上と、ソース領域41の一部上と、ドレイン領域42の一部上とに連続して設けられている。ゲート絶縁膜20は、例えばプラズマCVD(化学気相成長)で形成された酸化シリコン膜である。
The
ゲート絶縁膜20が酸化シリコン膜である場合、その膜厚は、パワー半導体デバイスに求められる耐圧の観点から、30nm以上であることが好ましく、100nm程度であることがより好ましい。詳しく説明すると、パワー半導体デバイスのゲートには、30V程度の電圧に耐えることが要求される。酸化シリコン膜の絶縁破壊電界は、約10MV/cmである。このため、ゲート絶縁膜20として酸化シリコン膜を用いる場合は、30V程度の耐圧を得るために、ゲート絶縁膜20の厚さを30nm程度にする必要がある。さらに、ゲート絶縁膜20の耐圧に3倍程度の余裕を持たせることを考慮すると、ゲート絶縁膜20の膜厚は100nm程度にする必要がある。
When the
ゲート電極30は、ゲート絶縁膜20上に設けられている。ゲート電極30は、ソース電極51及びドレイン電極52からそれぞれ離れている。ゲート電極30、ソース電極51及びドレイン電極52の各々は、例えばアルミニウム(Al)又はAl合金で構成されており、厚さは100nmである。
The
ゲート絶縁膜20について、より具体的に説明する。図2は、図1に示したMOSトランジスタ100において、ゲート絶縁膜20とGaN層13との界面付近を拡大して示す断面図である。図2に示すように、ゲート絶縁膜20は、SiOX層21と、SiOX層上に設けられたSiO2層22とを有する。SiOX層21におけるXは、0より大きく、2より小さい値である(0<X≦2)。SiOX層21は、SiO2層22よりも薄い。SiOX層21の厚さは0.3nm以上2.4nm以下であり、SiO2層22の厚さは30nm以上である。後述するように、SiOX層21は、ゲート絶縁膜20をプラズマCVDで成膜する際に、GaN層13上に予め形成された薄膜のシリコン(Si)層が酸素ラジカル又は酸素イオンによって酸化されることにより形成される。
The
GaN層13において、SiOX層21との界面付近には、ガリウム酸化物層(本発明の「ガリウム系酸化物層」の一例;以下、Ga酸化物層)131が形成されていてもよい。Ga酸化物層131は、GaN層13とSiOX層21との界面付近に位置し、GaN層13からSiOX層21へ組成が移り変わる遷移層である。GaN層13とSiOX層21とが混合していてもよい。
In the
例えば、GaN層13上に予め形成された薄膜のSi層が全て酸化されて無くなり、GaN層13とSiOX層21とが混合状態にあってもよい。この混合状態にある層が、Ga酸化物層131であってもよい。Si層が無くなり、GaN層13とSiOX層21とが混合状態にあると、良好な特性が得られる。
For example, the Si layer of the thin film previously formed on the
Ga酸化物層131は、例えば、GaN層13の上面が酸素ラジカル又は酸素イオンによって酸化されることにより形成される。Ga酸化物層131は、例えば、Ga元素の原子数及びO元素の原子数の比率が1:1であるGaOと、当該比率が1:2であるGaO2と、当該比率が2:3であるGa2O3とのうちのいずれか1つ以上を含んでよい。なお、Ga酸化物層131は、Ga及びOに加えて、他の元素(Si、Al、N、C及びH等のいずれか一種類以上の元素)を含んでもよい。
The
MOSトランジスタ100の移動度特性とストレス電圧特性との観点から、Ga酸化物層131の厚さは薄いことが好ましく、0.7nm以下であることがより好ましい。詳しく説明すると、MOSトランジスタ100の移動度は、ゲート絶縁膜20とGaN層13との界面に形成されるGa酸化物層131の厚さに依存する。MOSトランジスタ100の移動度は、Ga酸化物層131の厚さが薄いほど、大きくなる傾向がある。このため、Ga酸化物層131の厚さは薄いことが好ましく、膜厚の測定限界に近い0.7nm以下であることがより好ましい。
From the viewpoint of the mobility characteristics and the stress voltage characteristics of the
また、MOSトランジスタ100のゲートには最大で30V程度の電圧がかかる。MOSトランジスタでは、この正電圧ストレスによって電子蓄積が発生し、その結果として、ドレイン電流(Id)とゲート電圧(Vg)との関係(以下、Id-Vg特性という)にヒステリシスが発生する。Id-Vg特性のヒステリシスは、トランジスタ特性が変化することを意味するため、これを低減することが重要である。Id-Vg特性のヒステリシスは、ゲート絶縁膜20とGaN層13との界面に形成されるGa酸化物層131の厚さに依存し、Ga酸化物層131の厚さが厚くなるほど大きくなる傾向がある。したがって、この観点からも、Ga酸化物層131の厚さは薄いことが好ましく、膜厚の測定限界に近い0.7nm以下であることがより好ましい。
Further, a maximum voltage of about 30 V is applied to the gate of the
(製造方法)
次に、本発明の実施形態1に係るMOSトランジスタ100の製造方法を説明する。図3Aから図3Eは、本発明の実施形態1に係るMOSトランジスタ100の製造方法を工程順に示す断面図である。MOSトランジスタ100は、成膜装置(エピタキシャル成長装置、プラズマCVD装置、スパッタ装置等を含む)、露光装置、エッチング装置、イオン注入装置など、各種の装置によって製造される。以下、これらの装置を、製造装置と総称する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
図3Aに示すように、製造装置は、n+型のGaN基板11上にn型のGaN層12とp型のGaN層13とを順次エピタキシャル形成する。これにより、GaN系半導体層10が完成する。
As shown in FIG. 3A, the manufacturing apparatus sequentially epitaxially forms the n-
次に、図3Bに示すように、製造装置は、p型のGaN層13にn+型のソース領域41及びn+型のドレイン領域42を形成する。例えば、製造装置は、ソース領域41及びドレイン領域42形成用の開口を有するレジストマスクをGaN層13上に形成し、このレジストマスクを介してGaN層13にSiなどのn型不純物をイオン注入する。次に、製造装置は、レジストマスクを除去する。そして、製造装置は、窒素(N2)ガスなどの不活性ガス雰囲気中で、GaN系半導体層10に熱処理を施して、GaN層13にイオン注入されたn型不純物を活性化させる。これにより、ソース領域41及びドレイン領域42が形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, the manufacturing apparatus forms an n +
次に、図3Cに示すように、製造装置は、プラズマCVD法を用いて、SiOX層21とSiO2層22とを含む積層構造のゲート絶縁膜20をGaN層13上に形成する。ゲート絶縁膜20の形成方法については、後で図4Aから図4C及び図5を参照しながら説明する。次に、図3Dに示すように、製造装置は、ゲート絶縁膜20を部分的にエッチングして除去し、ソース電極51及びドレイン電極52(図1参照)が形成される領域をゲート絶縁膜20下から露出させる。
Next, as shown in FIG. 3C, the manufacturing apparatus uses a plasma CVD method to form a laminated
次に、図3Dに示すように、製造装置は、ゲート電極30、ソース電極51及びドレイン電極52を形成する。例えば、製造装置は、ゲート絶縁膜20が部分的に形成されたGaN層13上にアルミニウム(Al)膜又はAl合金膜を電子ビーム(EB)蒸着し、蒸着したAl膜又はAl合金膜を部分的にエッチングする。これにより、ゲート電極30、ソース電極51及びドレイン電極52を形成する。以上の工程を経て、図1に示したMOSトランジスタ100が完成する。
Next, as shown in FIG. 3D, the manufacturing apparatus forms a
次に、図3Cに示したゲート絶縁膜20の形成工程について、より具体的に説明する。図4Aから図4Cは、本発明の実施形態1に係るゲート絶縁膜20の形成方法を工程順に示す断面図である。図4Aにおいて、製造装置は、ソース領域41及びドレイン領域42が形成されたGaN層13の上面(GaN系半導体層10の上面10a)を希フッ酸等でエッチングして、酸化膜を除去する。次に、製造装置は、減圧されたチャンバ内にGaN系半導体層10を配置し、このチャンバ内で、モノシラン(SiH4)を原料ガスとするプラズマCVD(本発明の「第1プラズマCVD」の一例)を行う。この原料ガスは、酸素(O2)、水(H2O)又はオゾン(O3)などの酸化種は含まない。これにより、図4Bに示すように、製造装置は、GaN層13上に極薄のSi層15を形成する。Si層15の膜厚は、例えば、0.2mm以上1.6mm以下である。以下、Si層15を形成するプラズマCVDの原料ガスを、第1原料ガスという。
Next, the process of forming the
次に、製造装置は、減圧された上記のチャンバ内で、モノシラン(SiH4)及び酸素(O2)を原料ガスとするプラズマCVD(本発明の「第2プラズマCVD」の一例)を行う。これにより、図4Cに示すように、製造装置は、Si層15を酸化してSiOX層21を形成するとともに、SiOX層21上にSiO2層22を形成する。この工程では、チャンバ内に供給されるO2ガスは励起されて酸素ラジカル又は酸素イオンとなり、酸素ラジカル又は酸素イオンがSi層15を酸化してSiOX層21を形成する。SiOX層21によって、GaN層13の表面が保護される。また、チャンバ内において、SiH4ガスとO2ガスとが反応して、SiOX層21上にSiO2層22が形成される。以下、SiOX層21及びSiO2層22を形成するプラズマCVDの原料ガスを、第2原料ガスという。
Next, the manufacturing apparatus performs plasma CVD (an example of the "second plasma CVD" of the present invention) using monosilane (SiH 4 ) and oxygen (O 2 ) as raw materials in the depressurized chamber. As a result, as shown in FIG. 4C, the manufacturing apparatus oxidizes the
なお、上記の製造方法では、酸素ラジカル又は酸素イオンによって、GaN層13の最表面が酸化されてもよい。これにより、GaN層13において、ゲート絶縁膜20との界面付近に、Ga酸化物層131が形成されていてもよい。Ga酸化物層131の膜厚は、例えば0.7nm以下である。
In the above production method, the outermost surface of the
また、SiO2層22の成膜後も、Si層15の一部は残存していてもよい。この場合、Si層15は、SiOX層21とGaN層13との間、又は、SiOX層21とGa酸化物層131との間に残される。
Further, even after the film formation of the SiO 2 layer 22, a part of the
図5は、本発明の実施形態1に係るゲート絶縁膜20の成膜シーケンスを示すタイムチャートである。図5の横軸は時間である。図5において、時間T1は、チャンバに接続するモノシラン(SiH4)供給用の配管のバルブが開き、チャンバ内へのSiH4ガスの供給量が所定量に到達するタイミングを示す。時間T0は、チャンバに接続する不活性ガス供給用の配管のバルブが開き、チャンバ内への不活性ガスの供給量が所定量に到達するタイミングを示す。不活性ガスによってチャンバ内の圧力が調整されるため、時間T2は自動圧力制御弁によりチャンバ内の圧力が所定値に到達するタイミングを示す。不活性ガスとして、例えばアルゴン(Ar)が用いられる。時間T3は、チャンバ内での放電(すなわち、プラズマ生成)が開始するタイミングを示す。時間T4は、チャンバに接続する酸素(O2)供給用の配管のバルブが開き、チャンバ内へのO2ガスの供給量が所定量に到達するタイミングを示す。時間T5は、チャンバ内での放電が停止するタイミングを示す。時間T6は、O2供給用の配管のバルブと、SiH4供給用の配管のバルブとが同時に閉じるタイミングを示す。時間T7は、自動圧力制御弁を開放するタイミングを示す。時間T8は、不活性ガス供給用の配管のバルブを閉じるタイミングを示す。
FIG. 5 is a time chart showing a film forming sequence of the
図5に示す成膜シーケンスでは、時間T3からT4間に、Si層15(図4B参照)が形成される。また、時間T4からT5の間に、SiOX層21とSiO2層22とが形成される。時間T4からT5の間の初期段階でSiOX層21が形成され、その後、SiO2層22が形成される。 In the film formation sequence shown in FIG. 5, the Si layer 15 (see FIG. 4B) is formed between the times T3 and T4. Further, between the times T4 and T5, the SiO X layer 21 and the SiO 2 layer 22 are formed. The SiO X layer 21 is formed in the initial stage between the times T4 and T5, and then the SiO 2 layer 22 is formed.
図5に示すように、プラズマCVDの原料ガスとして、SiH4及びO2が用いられる。また、不活性ガスとして、Arが用いられる。原料ガスに有機金属ガスを含まないため、SiOX層21及びSiO2層22の各々における不純物炭素はゼロ(0)又はゼロに近い値(すなわち、測定限界値以下)となっている。例えば、SiOX層21及びSiO2層22の各々において、炭素(C)濃度は、それぞれ、4×1017cm-3以下となっている。 As shown in FIG. 5, SiH 4 and O 2 are used as the raw material gas for plasma CVD. Further, Ar is used as the inert gas. Since the raw material gas does not contain organometallic gas, the impurity carbon in each of the SiO X layer 21 and the SiO 2 layer 22 is zero (0) or a value close to zero (that is, a value equal to or less than the measurement limit value). For example, in each of the SiO X layer 21 and the SiO 2 layer 22, the carbon (C) concentration is 4 × 10 17 cm -3 or less, respectively.
以上説明したように、本発明の実施形態1に係るMOSトランジスタ100の製造方法は、GaN系半導体層10上にゲート絶縁膜20を形成する工程、を備える。ゲート絶縁膜20を形成する工程は、大気から遮断された雰囲気中(例えば、減圧されたチャンバ内)でGaN系半導体層10上にSi層15を成膜する工程と、チャンバ内の減圧雰囲気を維持したままSi層15上にSiO2層22を成膜する工程と、を含む。
As described above, the method for manufacturing the
これによれば、SiO2層22を成膜する際に、Si層15の少なくとも一部が酸化されてSiOX層21(X=<2)が形成される。これにより、GaN系半導体層10の上面10aをSiOX層21で保護することができ、上面10aの酸化を抑制することができる。GaN系半導体層10の上面10aにおけるGa酸化物層131の形成を抑制できるため、Ga酸化物層131に起因する、MOSトランジスタ100の特性の劣化(例えば、チャネル移動度の低下や、Id-Vg特性のヒステリシスなど)を抑制することができる。
According to this, when the SiO 2 layer 22 is formed, at least a part of the
また、上記の製造方法において、Si層15を成膜する工程では、第1原料ガスを用いるプラズマCVDを行ってSi層15を成膜してもよい。SiO2層を成膜する工程では、プラズマCVDを行ってSiO2層を成膜してもよい。SiO2層を成膜するプラズマCVDの原料ガス(第2原料ガス)は、Si層15を酸化する酸化種を含んでもよい。これによれば、プラズマCVDにおいて、原料ガスを切り替えることによって、SiOX層21とSiO2層22とを連続して形成することができるので、ゲート絶縁膜20の製造が容易である。また、チャンバ内を大気開放せずにSiOX層21とSiO2層22とを連続して形成することができるため、SiOX層21とSiO2層22との間への不純物の混入を防ぐことができる。これにより、MOSトランジスタ100の特性劣化をさらに抑制することができる。
Further, in the above manufacturing method, in the step of forming the
また、Si層15を成膜する工程では、Si層15を0.2nm以上1.6nm以下の厚さに成膜してもよい。本発明者が行った実験では、Si層15を0.2nm以上成膜することによって、Ga酸化物層131の形成を抑制することができた。また、Si層を1.6nm以下の厚さに成膜することによって、SiO2層22の成膜時にSi層15のほぼ全てを酸化することができた。
Further, in the step of forming the
なお、Si層15の成膜時の厚さTsi1とGa酸化物層131の厚さとの関係は、ゲート絶縁膜20の成膜に用いるプラズマCVD装置や、プラズマCVDの処理条件(例えば、原料ガスの流量、高周波電力など)によって異なることが考えられる。このため、装置や処理条件ごとに、Si層15の成膜時の厚さTsi1とGa酸化物層131の厚さとの関係を予め調べておき、Ga酸化物層131の厚さが許容される範囲に収まるようにSi層15の成膜時の厚さTsi1の下限値を設定してもよい。
The relationship between the thickness Tsi1 of the
また、Si層15の成膜時の厚さTsi1と、SiO2層22を成膜したあとのSi層15の残厚Tsi2との関係も、ゲート絶縁膜20の成膜に用いるプラズマCVD装置や、プラズマCVDの処理条件(例えば、原料ガスの流量、高周波電力など)によって異なることが考えられる。このため、装置や処理条件ごとに、Si層15の成膜時の厚さTsi1と残厚Tsi2との関係を調べておき、残厚Tsi2が許容される範囲に収まるようにSi層15の成膜時の厚さTsi1の上限値を設定してもよい。
Further, the relationship between the thickness Tsi1 at the time of film formation of the
本発明者が行った実験では、Ga酸化物層131だけでなく、Si層15についても、残厚Tsi2が大きいほど、正電圧ストレスによる電子蓄積密度が上昇する傾向がある。正電圧ストレスによる電子蓄積密度を低減し、Id-Vg特性のヒステリシスを低減する観点から、Si層15の残厚Tsi2はできるだけ薄いことが好ましい。
In the experiment conducted by the present inventor, not only the
本発明の実施形態1に係るMOSトランジスタ100は、GaN系半導体層10上に設けられたゲート絶縁膜20、を備える。ゲート絶縁膜20は、SiO2層22と、SiO2層22とGaN系半導体層10との間に設けられたSiOX層21(0<X≦2)と、を有する。これによれば、GaN系半導体層10の上面10aはSiOX層で保護され、上面10aにおけるGa酸化物層131の形成が抑制される。これにより、Ga酸化物層131に起因する、MOSトランジスタ100の特性の劣化(例えば、チャネル移動度の低下や、Id-Vg特性のヒステリシスなど)を抑制することができる。
The
(変形例)
上記の実施形態1では、Si層15(図4B参照)を形成するプラズマCVDの原料ガス(第1原料ガス)として、SiH4を含み、酸化種は含まないガスを用いることを説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、第1原料ガスはこれに限定されない。第1原料ガスは、ジシラン(Si2H6)を含んでもよいし、SiH4及びSi2H6の両方を含んでもよい。本発明の実施形態では、SiH4及びSi2H6の少なくとも一方を含み、酸化種は含まない第1原料ガスを用いて、Si層15を形成してよい。
(Modification example)
In the first embodiment, it has been described that as the raw material gas (first raw material gas) for plasma CVD forming the Si layer 15 (see FIG. 4B), a gas containing SiH 4 and not containing an oxidized species is used. However, in the embodiment of the present invention, the first raw material gas is not limited to this. The first raw material gas may contain disilane (Si 2 H 6 ) or may contain both Si H 4 and Si 2 H 6 . In the embodiment of the present invention, the
また、上記の実施形態1では、SiOX層21及びSiO2層22(図4C参照)を形成するプラズマCVDの原料ガス(第2原料ガス)として、SiH4とO2とを含むガスを用いることを説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、第2原料ガスはこれに限定されない。第2原料ガスは、Si2H6とO2とを含んでもよいし、SiH4及びSi2H6の両方と、O2とを含んでもよい。また、第2原料ガスに含まれる酸化種は、O2に限定されない。第2原料ガスに含まれる酸化種は、O2に加えてH2O又はO3の少なくとも1つ以上を含んでいてもよいし、O2に代えてH2O又はO3の少なくとも1つ以上を含んでいてもよい。本発明の実施形態では、酸化種として、O2、H2O及びO3の少なくとも1つ以上を含む第2原料ガスを用いて、SiOX層21及びSiO2層22を形成してよい。 Further, in the first embodiment, a gas containing SiH 4 and O 2 is used as the raw material gas (second raw material gas) for plasma CVD forming the SiO X layer 21 and the SiO 2 layer 22 (see FIG. 4C). I explained that. However, in the embodiment of the present invention, the second raw material gas is not limited to this. The second raw material gas may contain Si 2 H 6 and O 2 , or may contain both Si H 4 and Si 2 H 6 and O 2 . Further, the oxidized species contained in the second raw material gas is not limited to O 2 . The oxidized species contained in the second raw material gas may contain at least one of H 2 O or O 3 in addition to O 2 , or at least one of H 2 O or O 3 instead of O 2 . The above may be included. In the embodiment of the present invention, the SiO X layer 21 and the SiO 2 layer 22 may be formed by using a second raw material gas containing at least one of O 2 , H 2 O and O 3 as an oxidizing species.
また、上記の実施形態1では、MOSトランジスタ100が横型トランジスタである場合を説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、窒化物半導体装置が備えるMOSトランジスタは、横型に限定されず、縦型であってもよい。縦型のMOSトランジスタは、GaN系半導体層10の上面10a側にソース電極51及びドレイン電極52の一方を有し、GaN系半導体層10の下面10b側にソース電極51及びドレイン電極52の他方を有する。このような場合であっても、縦型のMOSトランジスタが上記のゲート絶縁膜20を備えることによって、横型のMOSトランジスタ100の場合と同様の効果を奏する。
Further, in the first embodiment, the case where the
(実施形態2)
上記の実施形態1では、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置が、パワー半導体デバイスであり、図1に示すMOSトランジスタ100を備えることを説明した。しかしながら、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置は、これに限定されない。窒化物半導体装置は、図6に示すMOSキャパシタ200を備えてもよい。
(Embodiment 2)
In the first embodiment described above, it has been described that the nitride semiconductor device according to the embodiment of the present invention is a power semiconductor device and includes the
図6は、本発明の実施形態2に係るMOSキャパシタ200の構成例を示す断面図である。図6に示すように、MOSキャパシタ200は、GaN系半導体層10A(本発明の「窒化ガリウム系半導体層」の一例)と、GaN系半導体層10Aの上面10Aa上に設けられたゲート絶縁膜20と、ゲート絶縁膜20上に設けられたゲート電極30と、GaN系半導体層10Aの下面10Ab側に設けられた裏面電極60と、を備える。例えば、裏面電極60は、Al又はAl合金で構成されており、GaN系半導体層10Aの下面10Abとオーミック接触している。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration example of the
GaN系半導体層10Aを構成する基板及び層の各々はGaNである。例えば、GaN系半導体層10Aは、n+型のGaN基板11と、n型のGaN層12とを有する。なお、GaN系半導体層10Aを構成する基板及び層の各々は、GaNを主成分とし、アルミニウム(Al)元素及びインジウム(In)元素の1以上の元素をさらに含んでもよい。
Each of the substrate and the layer constituting the GaN-based
実施形態2においても、ゲート絶縁膜20の構成は、実施形態1で図1及び図2を参照しながら説明した構成と同様である。また、ゲート絶縁膜20の製造方法は、実施形態1で図4Aから図4C、図5を参照しながら説明した製造方法と同様である。
Also in the second embodiment, the configuration of the
GaN層12において、SiOX層21との界面付近には、Ga酸化物層121(本発明の「酸化物半導体層」の一例)が形成されていてもよい。Ga酸化物層121は、GaN層12とSiOX層21との界面付近に位置し、GaN層12からSiOX層21へ組成が移り変わる遷移層である。Ga酸化物層121は、例えば、GaN層12の上面が酸素ラジカル又は酸素イオンによって酸化されることにより形成される。Ga酸化物層121は、例えば、Ga元素の原子数及びO元素の原子数の比率が1:1であるGaOと、当該比率が1:2であるGaO2と、当該比率が2:3であるGa2O3とのうちのいずれか1つ以上を含んでよい。なお、Ga酸化物層121は、Ga及びOに加えて、他の元素(Si、Al、N、C及びH等のいずれか一種類以上の元素)を含んでもよい。
In the
以上説明したように、本発明の実施形態2に係るMOSキャパシタ200は、GaN系半導体層10上に設けられたゲート絶縁膜20、を備える。ゲート絶縁膜20は、SiO2層22と、SiO2層22とGaN系半導体層10との間に設けられたSiOX層21(0<X≦2)と、を有する。これによれば、GaN系半導体層10の上面10aはSiOX層で保護され、上面10aにおけるGa酸化物層131の形成が抑制される。これにより、Ga酸化物層131に起因する、MOSキャパシタ200の特性の劣化を抑制することができる。
As described above, the
<その他の実施形態>
上記のように、本発明は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。
<Other embodiments>
As mentioned above, the invention has been described by embodiments and variations, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood to limit the invention. Various alternative embodiments and modifications will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、ゲート絶縁膜20の形成方法はプラズマCVD法に限定されない。ゲート絶縁膜20の形成方法は、原子層堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD)でもよい。例えば、製造装置は、ALD法によりチャンバ内でSi層15を形成し、チャンバ内の雰囲気を大気開放せずに続けて、ALD法によりSiO2層22を形成してもよい。このような方法であっても、SiO2層22を形成する際に、Si層15を酸化してSiOX層21(0<X≦2)を形成することができる。
For example, the method for forming the
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。上記した実施形態及び各変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. At least one of the various omissions, substitutions and modifications of the components may be made without departing from the gist of the embodiments and modifications described above. Further, the effects described in the present specification are merely exemplary and not limited, and other effects may be obtained. The technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention relating to the reasonable claims from the above description.
10、10A GaN系半導体層
10a、10Aa 上面
10Ab、10b 下面
11 GaN基板
12、13 GaN層
15 Si層
20 ゲート絶縁膜
21 SiOX層
22 SiO2層
30 ゲート電極
41 ソース領域
42 ドレイン領域
45 チャネル領域
51 ソース電極
52 ドレイン電極
60 裏面電極
100 MOSトランジスタ
121、131 Ga酸化物層
200 MOSキャパシタ
10, 10A GaN-based
Claims (13)
前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
大気から遮断された雰囲気中で前記窒化ガリウム系半導体層上にSi層を成膜する工程と、
前記雰囲気を維持したまま前記Si層上にSiO2層を成膜する工程と、を有する窒化物半導体装置の製造方法。 A step of forming a gate insulating film on a gallium nitride based semiconductor layer is provided.
The step of forming the gate insulating film is
A process of forming a Si layer on the gallium nitride based semiconductor layer in an atmosphere shielded from the atmosphere, and
A method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising a step of forming a SiO 2 layer on the Si layer while maintaining the atmosphere.
第1原料ガスを用いる第1プラズマCVDを行って前記Si層を成膜し、
前記SiO2層を成膜する工程では、
第2原料ガスを用いる第2プラズマCVDを行って前記SiO2層を成膜し、
前記第2原料ガスは、前記Si層を酸化する酸化種を含む、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 In the step of forming the Si layer,
The first plasma CVD using the first raw material gas was performed to form the Si layer, and the Si layer was formed.
In the step of forming the SiO 2 layer,
The second plasma CVD using the second raw material gas was performed to form the SiO 2 layer, and the film was formed.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the second raw material gas contains an oxidizing species that oxidizes the Si layer.
前記酸化種は、酸素、水及びオゾンの少なくとも1つ以上を含む、請求項3又は4に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 The second raw material gas contains at least one of monosilane and disilane and an oxidized species.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 3 or 4, wherein the oxidized species contains at least one or more of oxygen, water and ozone.
前記ゲート絶縁膜は、
SiO2層と、
前記SiO2層と前記窒化ガリウム系半導体層との間に設けられたSiOX層(0<X≦2)と、を有する窒化物半導体装置。 A gate insulating film provided on a gallium nitride based semiconductor layer is provided.
The gate insulating film is
Two layers of SiO and
A nitride semiconductor device having a SiO X layer (0 <X≤2) provided between the SiO 2 layer and the gallium nitride based semiconductor layer.
前記ガリウム系酸化物層の厚さは0.7nm以下である、請求項8から12のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 A gallium-based oxide layer provided between the gallium nitride-based semiconductor layer and the SiO X layer is further provided.
The nitride semiconductor device according to any one of claims 8 to 12, wherein the gallium-based oxide layer has a thickness of 0.7 nm or less.
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