JP5506036B2 - 半導体トランジスタ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体トランジスタに関し、更に詳しくは、ＧａＮ系半導体から成る活性層を有する半導体トランジスタに関する。
窒化ガリウム系半導体トランジスタ（以下、ＧａＮ系半導体トランジスタ）は、例えば、ＧａＮ系半導体から成る活性層と、活性層上に形成されたゲート絶縁膜とを有する。このゲート絶縁膜としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮｘ、ＧａＯｘ、ＨｆＯ２等が用いられている。
ＧａＮ系半導体トランジスタでは、ゲート絶縁膜にＳｉＯ２を用いると、ＳｉＯ２のＳｉがＧａＮに拡散することが知られている。これに対して、特許文献１には、ゲート絶縁膜にＳｉＯ２に代えて、Ａｌ２Ｏ３を単体で用いる技術が記載されている。
特許文献１に記載の技術では、ＳｉＯ２のＳｉがＧａＮに拡散することを防止できるものの、Ａｌ２Ｏ３から成るゲート絶縁膜は、ＳｉＯ２から成るゲート絶縁膜と比べて、膜質が不十分となる。膜質が不十分とは、例えば、リーク電流が高く、破壊電圧が低いこと等をいう。
特開２００８−２７７６４０号公報 特開２００８−１０３４０８号公報
本発明者らは、ＧａＮ系半導体トランジスタでゲート絶縁膜にＳｉＯ２を用いると、ＳｉＯ２のＳｉがＧａＮに拡散するだけでなく、逆に、ＧａＮからＳｉＯ２に不純物が拡散する相互拡散現象が生じることを見出した。相互拡散現象が生じると、界面準位が高くなり、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性が劣化する。本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、相互拡散現象は、ゲート絶縁膜を構成する化合物の酸化力に起因することを見出した。
また、本発明者らは、ゲート絶縁膜を構成する化合物は、活性層を構成するＧａＮよりもＥｇ（バンドギャップ）が単に広いだけでは不十分であり、ΔＥｃ（コンダクションバンド側障壁）及びΔＥｖ（バレンスバンド側障壁）が存在しなければならないことも見出した。
ところで、ＧａＮ系半導体は、いわゆるワイドバンドギャップ半導体の一種であり、高温環境下での使用が期待されている。高温環境下での使用を想定すると、ＧａＮ系半導体トランジスタのゲート絶縁膜を構成する化合物としては、ＧａＮ系半導体よりもバンドギャップが広く、且つ、高温特性が良好である、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３が挙げられる。
Ａｌ２Ｏ３は、ＳｉＯ２よりも酸化力が強い。このため、ゲート絶縁膜をＡｌ２Ｏ３で形成すれば、高温環境下であっても、ＧａＮ系半導体からＡｌ２Ｏ３への不純物拡散等を防止して界面特性が良好となる。しかし、Ａｌ２Ｏ３は、高品質な膜質を形成するのが難しい。
ＳｉＯ２は、Ａｌ２Ｏ３よりもバンドギャップが広いので、破壊電圧が高く、膜質が良好となる。しかし、ＳｉＯ２は、Ａｌ２Ｏ３よりも酸化力が小さいので、不純物拡散等により界面特性が良好とはならない。従って、ＧａＮ系半導体トランジスタでは、ゲート絶縁膜としてＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３を用いても、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性と、ゲート絶縁膜の膜質との両方を良好にすることは困難であった。
特許文献２には、ＧａＮ系半導体上にＳｉＮｘから成る第１のゲート絶縁膜を形成し、第１のゲート絶縁膜上にＳｉＮｘに比べて絶縁破壊強度の大きなＡｌ２Ｏ３或いはＳｉＯ２から成る第２のゲート絶縁膜を形成したＧａＮ系半導体トランジスタが記載されている。
特許文献２では、ゲート絶縁膜を複合膜（ハイブリット膜）とし、第１のゲート絶縁膜でＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性を良好とし、且つ、第２のゲート絶縁膜で高い破壊電圧を得ることを試みている。しかし、ＳｉＮｘのバンドギャップは５．３ｅＶであり、ＧａＮのバンドギャップ（Ｅｇ＝３．３ｅｖ）に比べて充分に大きくなく、しかもΔＥｖが非常に小さい。このため、ＧａＮ系半導体のゲート絶縁膜として、ＳｉＮｘを用いても、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性、及び、ゲート絶縁膜の膜質を共に良好にすることは困難と言える。
本発明は、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性、及び、ゲート絶縁膜の膜質が共に良好である半導体トランジスタを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、ＧａＮ系の半導体から成る活性層と、標準生成エンタルピーの絶対値が228kJ/molよりも大きい絶縁膜から成る群から選択された１つ以上の化合物を含む第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成され、ＳｉＯ２から成る第２の絶縁膜と、を有するゲート絶縁膜と、を備えることを特徴とする半導体トランジスタを提供する。
また、ＧａＮ系の半導体から成る活性層と、活性層上に形成され、Ａｌ ２ Ｏ ３ ，Ｙ ２ Ｏ ３ から成る群から選択された１つ以上の化合物を含む第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成され、ＳｉＯ２から成る第２の絶縁膜と、を有するゲート絶縁膜と、を備えることを特徴とする半導体トランジスタを提供する。
本発明の半導体トランジスタでは、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性、及び、ゲート絶縁膜の膜質が共に良好となる。
本発明の実施形態に係るＧａＮ系半導体トランジスタの構成を示す断面図。 各化合物の酸化力を例示する説明図。 各化合物のバンド構造を例示する説明図。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係るＧａＮ系半導体トランジスタの製造工程を示す図。 ＧａＮ系半導体トランジスタの製造工程で用いられる成膜装置を概略的に示す図。 （ａ）〜（ｃ）は、図４に続いて、ＧａＮ系半導体トランジスタの製造工程を示す図。
以下、図面を参照し、本発明の例示的な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体トランジスタの構成を示す断面図である。半導体トランジスタ１１は、ＧａＮ系半導体からなる活性層を有するＧａＮ系半導体ドランジスタである。半導体トランジスタ１１は、基板１上に形成されたバッファ層２と、バッファ層２上にIII族窒化物半導体を用いて形成されたｐ型の活性層（ｐ−ＧａＮ）３と、活性層３上に形成された第１及び第２の絶縁膜６，７からなるゲート絶縁膜と、を有する。
さらに、半導体トランジスタ１１は、活性層３上に上記ゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極８ｇと、ゲート電極８ｇに対応して形成され、ソース電極１０ｓ及びドレイン電極１０ｄにそれぞれオーミック接触するｎ＋型ソース領域５ｓ及びｎ＋型ドレイン領域５ｄとを有する。
ここで、ゲート絶縁膜について説明する。ゲート絶縁膜は、第１及び第２の絶縁膜６，７からなるハイブリット膜である。第１の絶縁膜６は、活性層３上に形成され、Ａｌ２Ｏ３，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３から成る群から選択される１つ以上の化合物を含む。第２の絶縁膜７は、第１の絶縁膜６上に形成され、ＳｉＯ２から成る。
本発明者らは、ＧａＮ系半導体トランジスタでゲート絶縁膜にＳｉＯ２を用いると、ＳｉＯ２のＳｉがＧａＮに拡散するだけでなく、逆に、ＧａＮからＳｉＯ２に不純物が拡散する相互拡散現象が生じること、更に、相互拡散現象がゲート絶縁膜を構成する化合物の酸化力に起因することを見出した。相互拡散現象が生じると、界面準位が高くなり、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性が劣化する。このため、相互拡散現象を抑えるには、酸化力がＳｉＯ２よりも大きな化合物をゲート絶縁膜として用いる必要がある。
図２に、各化合物の酸化力を示す。酸化力は、金属−酸素結合の１ｍｏｌ当たりの標準生成エンタルピー（Standard Enthalpy of Formation）で示され、図中、縦軸ΔＨｆ０〔KJ/mol〕の絶対値となる。図２に示すように、ＳｉＯ２の酸化力は２２８、ＺｒＯ２の酸化力は２７５、Ａｌ２Ｏ３の酸化力は２７９、ＨｆＯ２の酸化力は２８６、Ｌａ２Ｏ３の酸化力は２９９、Ｙ２Ｏ３の酸化力は３１８である。よって、Ａｌ２Ｏ３，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３の酸化力は、ＳｉＯ２の酸化力よりも大きい。
また、本発明者らは、化合物のバンド構造にも着目した。その結果、ＧａＮ系半導体トランジスタのゲート絶縁膜を構成する化合物は、活性層３を構成するＧａＮよりもＥｇ（バンドギャップ）が広く、且つ、ΔＥｃ（コンダクションバンド側障壁）及びΔＥｖ（バレンスバンド側障壁）が存在しなければならないことを見出した。なお、ゲート絶縁膜を構成する化合物が、ＧａＮよりもＥｇが広く、且つ、ΔＥｖ及びΔＥｃが存在すると、破壊電圧が高く、膜質が良好となる。
図３に、各化合物のバンド構造を示す。まず、ＧａＮは、ＣＢ（コンダクションバンド）及びＶＢ（バレンスバンド）を基準として、Ｅｇ＝３．３ｅｖで示される。ＳｉＯ２は、３．３ｅｖにΔＥｖ及びΔＥｃの値を加算することで、Ｅｇ＝９．０ｅｖが得られる。同様にして、ＨｆＯ２，ＺｒＯ２のＥｇは６．０ｅｖ、Ａｌ２Ｏ３のＥｇは８．８ｅｖ、Ｌａ２Ｏ３のＥｇは６．０ｅｖ、Ｙ２Ｏ３のＥｇは５．６ｅｖである。よって、ＳｉＯ２のＥｇが最も大きいことが明らかである。
つまり、半導体トランジスタ１１では、ゲート絶縁膜と活性層３との界面特性を良好にするために、第１の絶縁膜６をＳｉＯ２よりも酸化力が大きな化合物で形成し、更に、ゲート絶縁膜の膜質を良好にするために、第２の絶縁膜７を第１の絶縁膜６よりもバンドギャップの大きな化合物で形成した。
以下、半導体トランジスタ１１の製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すように、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ等の基板１上に、ＡｌＮ又はＧａＮよりなる厚さ２０ｎｍ程度のバッファ層２と、厚さ１μｍ程度のｐ−ＧａＮ層３を順に成長する。ｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇが用いられ、そのドーパント濃度は、例えば１×１０１６〜１×１０１７／ｃｍ３とする。なお、基板１上に成長されるＧａＮ等は、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。
次に、図４（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層３上にフォトレジスト４を塗布し、これを露光、現像してソース領域とドレイン領域に開口を形成した後に、その開口を通してｎ型ドーパント、例えばシリコンを注入してｎ＋型ソース領域５ｓ、ｎ＋型ドレイン領域５ｄを形成する。この場合、ｎ型ドーパント濃度を、例えば１×１０１８〜２×１０２０／ｃｍ３とする。
フォトレジスト４を溶剤により除去した後に、図４（ｃ）に示すように、プラズマフリーの触媒化学気相成長（Ｃａｔ−ＣＶＤ）法により、第１の絶縁膜６となるアルミナ膜（Ａｌ２Ｏ３）を、例えば５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さに成長する。Ｃａｔ−ＣＶＤ法は、例えば図５に示すような成膜装置２１を用いて行われる。
成膜装置２１は、図５に示すように、チャンバ２２を備える。チャンバ２２には、排気口２３と基板搬送口２４とが設けられている。また、チャンバ２２内には、基板１を載置する基板載置台２５と、ガス放出器２６と、線状の触媒体２７とが配置されている。ガス放出器２６は、外部から導入した反応（原料）ガスを基板裁置台２５に向けて噴出する。触媒体２７は、タングステンから成り、基板載置台２５とガス放出器２６の間に配置されている。
ここでは、ｐ−ＧａＮ層３が形成された基板１を基板載置台２５に載置し、チャンバ２２内を減圧し、更に、触媒体２７に交流電源（不図示）から電流を流して、１８００℃〜１９００℃程度の温度に上昇させた状態とする。この状態で、ガス放出器２６からｐ−ＧａＮ層３に向けて原料ガスを放出する。原料ガスは、触媒体２７により分解して活性種が生成され、ｐ−ＧａＮ層３の表面にはアルミナ膜（第１の絶縁膜）６が形成される。
続いて、図４（ｄ）に示すように、アルミナ膜６の上に第２の絶縁膜７となるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さに形成する。
次に、図６（ａ）に示すように、シリコン酸化膜７上に導電膜８を形成する。導電膜８としてはポリシリコンが一般に用いられるが、これに限られず、Ｎｉ／ＡｌやＷＳｉ等の金属膜であってもよい。ポリシリコンの場合には、Ａｓ，Ｐ（リン）、Ｂ（硼素）等がドープされてＣＶＤ法により成長され、金属膜の場合にはスパッタ等により形成される。
さらに、導電膜８上にフォトレジスト９を塗布し、これを露光、現像してゲート領域に残すと共に、ソース領域５ｓ、ドレイン領域５ｄの上から除去する。
そして、図６（ｂ）に示すように、パターニングされたフォトレジスト９をマスクにして導電膜８、シリコン酸化膜７及びアルミナ膜６をエッチングし、ゲート領域に残された導電膜８をゲート電極８ｇとする。ゲート電極８ｇの下のシリコン酸化膜７及びアルミナ膜６は、ゲート絶縁膜として機能する。
続いて、図６（ｃ）に示すように、フォトレジスト９を除去した後に、別のフォトレジスト（不図示）を用いたリフトオフ法により、図１に示すように、ソース領域５ｓ上にソース電極１０ｓを形成すると同時に、ドレイン領域５ｄ上にドレイン電極１０ｄを形成する。ソース電極１０ｓ、ドレイン電極１０ｄは、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／ＡｌＳｉ、Ｍｏ等の膜からなり、ドレイン領域５ｄ、ソース領域５ｓを構成するｎ＋−ＧａＮ層に対してオーミック接触している。以上の工程を経ることで、図１に示す半導体トランジスタ１１を製造できる。
本実施形態の半導体トランジスタ１１では、ゲート絶縁膜を第１及び第２の絶縁膜６，７からなるハイブリット膜とし、第１の絶縁膜６をＳｉＯ２よりも酸化力が大きなＡｌ２Ｏ３，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３から成る群から選択される１つ以上の化合物で形成し、また、第２の絶縁膜７を第１の絶縁膜６よりもバンドギャップが大きな化合物であるＳｉＯ２で形成した。
このため、半導体トランジスタ１１では、第１の絶縁膜６によって、ＧａＮ系の半導体／ゲート絶縁膜の界面特性が良好となり、第２の絶縁膜７によって、高い破壊電圧が得られて、ゲート絶縁膜の膜質が良好となる。従って、半導体トランジスタ１１では、ＧａＮ系半導体／ゲート絶縁膜の界面特性、及び、ゲート絶縁膜の膜質を共に良好にできる。
また、半導体トランジスタ１１は、いわゆる信号系のＬＳＩではなく、例えば自動車や家電用電源回路等のパワーデバイスとして用いることを想定している。このため、ゲート絶縁膜がハイブリット膜となり膜厚が大きくなることで、パワーデバイスに好適に用いることができる。
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の半導体トランジスタは、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
１：基板
２：バッファ層
３：活性層
４，９：フォトレジスト
５ｓ：ソース領域
５ｄ：ドレイン領域
６：アルミナ膜（第１の絶縁膜）
７：シリコン酸化膜（第２の絶縁膜）
８：導電膜
８ｇ：ゲート電極
１０ｓ：ソース電極
１０ｄ：ドレイン電極
１１：半導体トランジスタ

Claims (1)

  1. ＧａＮ系の半導体から成る活性層と、
    前記活性層上に形成され、Ａｌ ２ Ｏ ３ ，Ｙ ２ Ｏ ３ から成る群から選択された１つ以上の化合物を含む第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成され、ＳｉＯ２から成る第２の絶縁膜と、を有するゲート絶縁膜と、
    を備えることを特徴とする半導体トランジスタ。
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