JP6176677B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、III族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という場合がある。)からなる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device made of a group III nitride semiconductor (hereinafter sometimes simply referred to as “nitride semiconductor”).
III族窒化物半導体とは、III-V族半導体においてV族元素として窒素を用いた半導体である。窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlXInYGa1−X−YN(0≦X≦1,0≦Y≦1,0≦X+Y≦1)と表わすことができる。
このような窒化物半導体を用いたHEMT(高電子移動度トランジスタ)が提案されている。このようなHEMTは、たとえば、GaNからなる電子走行層と、この電子走行層上にエピタキシャル成長されたAlGaNからなる電子供給層とを含む。電子供給層に接するように一対のソース電極およびドレイン電極が形成され、それらの間にゲート電極が配置される。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで電子供給層に対向するように配置される。GaNとAlGaNとの格子不整合に起因する分極のために、電子走行層内において、電子走行層と電子供給層との界面から数Åだけ内方の位置に、二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスをチャネルとして、ソース・ドレイン間が接続される。ゲート電極に制御電圧を印加することで、二次元電子ガスを遮断すると、ソース・ドレイン間が遮断される。ゲート電極に制御電圧を印加していない状態では、ソース・ドレイン間が導通するので、ノーマリオン型のデバイスとなる。
The group III nitride semiconductor is a semiconductor using nitrogen as a group V element in a group III-V semiconductor. Aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are typical examples. In general, it can be expressed as Al X In Y Ga 1-X -Y N (0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ X + Y ≦ 1).
HEMT (High Electron Mobility Transistor) using such a nitride semiconductor has been proposed. Such a HEMT includes, for example, an electron transit layer made of GaN and an electron supply layer made of AlGaN epitaxially grown on the electron transit layer. A pair of source and drain electrodes are formed in contact with the electron supply layer, and a gate electrode is disposed between them. The gate electrode is disposed so as to face the electron supply layer with the insulating film interposed therebetween. Due to polarization caused by lattice mismatch between GaN and AlGaN, a two-dimensional electron gas is formed in the electron transit layer at a position several inches inside from the interface between the electron transit layer and the electron supply layer. . The source and drain are connected using this two-dimensional electron gas as a channel. By applying a control voltage to the gate electrode, when the two-dimensional electron gas is cut off, the source and drain are cut off. When the control voltage is not applied to the gate electrode, the source and drain are electrically connected, so that a normally-on type device is obtained.
窒化物半導体を用いたデバイスは、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび低オン抵抗といった特徴を有するため、パワーデバイスへの応用が検討されている。
しかし、パワーデバイスとして用いるためには、ゼロバイアス時に電流を遮断するノーマリオフ型のデバイスである必要があるため、前述のようなHEMTは、パワーデバイスには適用できない。
A device using a nitride semiconductor has characteristics such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high speed switching, and low on-resistance, and therefore, application to a power device is being studied.
However, in order to use it as a power device, it is necessary to be a normally-off type device that cuts off a current at zero bias, and thus the HEMT as described above cannot be applied to a power device.
ノーマリオフ型の窒化物半導体HEMTを実現するための構造は、たとえば、特許文献1および特許文献2において提案されている。
A structure for realizing a normally-off type nitride semiconductor HEMT is proposed in, for example,
特許文献1は、ゲート電極直下の電子供給層の層厚を薄くする構造を開示している。しかし、電子供給層の層厚をエッチングで精密に制御することは困難であり、ゲート電極直下の電子供給層を完全になくすことはできない。そのため、電子供給層と電子走行層との間の格子不整合に起因する分極によって作られるチャネルを完全に消失させることができないから、現実的にはノーマリオフ型のデバイスにならない。また、電子供給層からのエッチングを、電子供給層/電子走行層の界面を超えて行うと、電子供給層/電子走行層の界面を傷付けることになるから、電子移動度が著しく低下し、デバイス特性が著しく悪化する。
一方、特許文献2は、n型AlGaN電子供給層にp型GaN層を積層し、その上にゲート電極を配置し、前記p型GaN層から広がる空乏層によってチャネルを消失させることで、ノーマリオフを達成する構成を開示している。しかし、この構成では、pn接合における順方向降下電圧(たとえば2V程度)のために、高いゲート電圧を印加することができない。たとえば、電源電圧が5Vの場合に、3V程度の電圧をチャネルに印加できるに過ぎない。そのため、オン特性があまり良くない。
On the other hand, in
そこで、この発明の目的は、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having excellent device characteristics.
上記の目的を達成するために、この発明は、窒化物半導体からなる電子走行層と、前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された第1絶縁膜と、前記第1絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、前記第1絶縁膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された第2絶縁膜とを含み、前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、前記第1絶縁膜が、前記凹部の底部および側壁に渡って形成されており、前記底部を被覆する底部被覆部と、前記側壁を被覆する側壁被覆部とを含み、前記第2絶縁膜が前記凹部内において前記第1絶縁膜に接し、かつ前記凹部外にまで延びて形成されており、前記電子供給層が、前記電子走行層に接するAlN層である第1層と、前記第1層に接するように積層され当該第1層とはAl組成が異なる第2層とを含み、前記底部被覆部が、前記第1層の材料の熱酸化物からなる、窒化物半導体装置を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides an electron transit layer made of a nitride semiconductor and a nitride semiconductor laminated on the electron transit layer, the Al composition being different from the electron transit layer and comprising Al. An electron supply layer, a first insulating film formed on the electron traveling layer, having an interface continuous to an interface between the electron supply layer and the electron traveling layer; and the electrons sandwiching the first insulating film A gate electrode facing the traveling layer; and a second insulating film disposed so as to be interposed between the first insulating film and the gate electrode, wherein the electron supply layer faces the electron traveling layer. The first insulating film is formed over the bottom and side walls of the recess, and includes a bottom covering portion that covers the bottom portion and a side wall covering portion that covers the side wall. The second insulating film includes the second insulating film in the recess. Insulating film in contact, and the is formed to extend to the outside of the recess, the electron supply layer, the first layer is AlN layer in contact with the electron transit layer, are laminated so as to be in contact with the first layer the Provided is a nitride semiconductor device including a second layer having a different Al composition from a first layer, wherein the bottom covering portion is made of a thermal oxide of a material of the first layer.
この発明の一実施形態では、前記第1絶縁膜の膜厚が、前記第2絶縁膜の膜厚よりも小さい。
また、この発明の一実施形態では、前記第2絶縁膜の膜厚が、前記電子供給層の層厚よりも大きい。
前記第1絶縁膜中の窒素濃度が前記第2絶縁膜中の窒素濃度よりも高くなっていてもよい。具体的には、前記第1絶縁膜中の窒素濃度が5×1016cm−3以上であり、前記第2絶縁膜中の窒素濃度が5×1016cm−3未満であってもよい。
In one embodiment of the present invention, the thickness of the first insulating film is smaller than the thickness of the second insulating film.
In one embodiment of the present invention, the thickness of the second insulating film is larger than the thickness of the electron supply layer.
The nitrogen concentration in the first insulating film may be higher than the nitrogen concentration in the second insulating film. Specifically, the nitrogen concentration in the first insulating film may be 5 × 10 16 cm −3 or more, and the nitrogen concentration in the second insulating film may be less than 5 × 10 16 cm −3 .
前記第1絶縁膜の膜厚が、5nm以下(好ましくは、1nm〜5nm)であってもよい。
前記第1絶縁膜が5×1016cm−3以上の濃度で窒素を含んでいてもよい。
前記第2層がAlxGa1-xN層(0<x<1)からなっていてもよい。
The film thickness of the first insulating film may be 5 nm or less (preferably 1 nm to 5 nm).
The first insulating film may contain nitrogen at a concentration of 5 × 10 16 cm −3 or more .
Before Stories second layer may consist of Al x Ga 1-x N layer (0 <x <1).
前記底面被覆部が、前記電子走行層に接し、かつ前記第1層とほぼ等しい膜厚を有していてもよい。
前記第2絶縁膜は、酸化アルミニウムからなっていてもよい。
The bottom surface covering portion may be in contact with the electron transit layer and have a film thickness substantially equal to that of the first layer.
The second insulating film may be made of aluminum oxide.
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係る窒化物半導体装置の構成を説明するための断面図である。この窒化物半導体装置は、基板1(たとえばシリコン基板)と、基板1の表面に形成されたバッファ層2と、バッファ層2上にエピタキシャル成長された電子走行層3と、電子走行層3上にエピタキシャル成長された電子供給層4とを含む。さらに、この窒化物半導体装置は、電子供給層4の表面を覆うパッシベーション膜5と、パッシベーション膜5に形成されたコンタクト孔6a,7aを貫通して電子供給層4にオーミック接触しているソース電極6およびドレイン電極7とを含む。ソース電極6およびドレイン電極7は、間隔を開けて配置されており、それらの間に、ゲート電極8が配置されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a nitride semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The nitride semiconductor device includes a substrate 1 (for example, a silicon substrate), a
電子供給層4には、その表面から電子走行層3に向かって掘り込まれた凹部9が形成されている。この凹部9の底部9aおよび側壁9bを覆うように、酸化膜11(第1絶縁膜)が形成されている。この酸化膜11に絶縁層12(第2絶縁膜)が積層されており、これらの酸化膜11および絶縁層12によってゲート絶縁膜10が構成されている。ゲート電極8は、ゲート絶縁膜10を挟んで、凹部9の底部9aにおいて、電子走行層3に対向している。酸化膜11が凹部9の底部9aだけでなく側壁9bをも覆うように延びていることにより、リークパスを少なくすることができる。
The
電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なるIII族窒化物半導体(以下単に「窒化物半導体」という。)からなっている。たとえば、電子走行層3は、GaN層からなっていてもよく、その厚さは、0.5μm程度であってもよい。電子供給層4は、この実施形態では、電子走行層3に接する第1層41と、第1層41に接する第2層42とを有している。第1層41は、この実施形態では、AlN層からなっており、厚さは、たとえば、数原子厚程度(5nm以下。好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nm)である。第2層42は、この実施形態では、AlxGa1-xN層(0<x<1)からなっており、その厚さは、たとえば20nm程度である。
The
このように、電子走行層3と電子供給層4とは、Al組成の異なる窒化物半導体からなっており、それらの間には格子不整合が生じている。そして、この格子不整合に起因する分極のために、電子走行層3と電子供給層4との界面に近い位置(たとえば界面から数Å程度の距離の位置)には、その分極に起因する二次元電子ガス15が広がっている。AlNからなる第1層41は、電子の散乱を抑制して、電子移動度の向上に寄与する。
Thus, the
凹部9の底部9aでは、酸化膜11は、電子供給層4の第1層41とほぼ等しい膜厚を有している。具体的には、酸化膜11は、5nm以下、好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nmの膜厚を有している。酸化膜11は、電子走行層3に接しており、酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面と同一平面内に位置している。換言すれば、酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続している。
At the bottom 9 a of the
酸化膜11は、この実施形態では、熱酸化膜であり、電子走行層3との界面に損傷を与えることなく形成された酸化膜である。また、この酸化膜11は、絶縁層12中の窒素濃度よりも高い濃度で窒素を含有している。より具体的には、酸化膜11中の窒素濃度は、5×1016cm−3以上であり、絶縁層12中の窒素濃度は、5×1016cm−3未満である。より詳細には、酸化膜11は、凹部9の底部9aに接する底部被覆部11aにおいて、より高い窒素濃度を有しており、その底部被覆部11aにおける窒素濃度が5×1016cm−3以上であり、凹部9の側壁9bを被覆する側壁被覆部11bにおける窒素濃度よりも高い。
In this embodiment, the
絶縁層12は、たとえば、酸化アルミニウム(アルミナ)からなり、酸化膜11よりも厚く(たとえば電子供給層4よりも厚くてもよい)形成されている。これにより、酸化膜11が薄くとも、酸化膜11とともに必要膜厚のゲート絶縁膜10を形成していて、絶縁破壊電圧の向上に寄与している。絶縁層12は、この実施形態では、凹部9内において酸化膜11に接し、さらに凹部9外にまで延びて形成されている。これにより、一層の耐圧向上が図られている。
The insulating
ゲート電極8は、絶縁層12に接するように形成されている。ゲート電極8は、絶縁層12に接する下層と、この下層上に積層される上層とを有する積層電極膜からなっていてもよい。下層はNiまたはPtからなっていてもよく、上層はAuまたはAlからなっていてもよい。ゲート電極8は、ソース電極6寄りに偏って配置され、これにより、ゲート−ソース間距離よりもゲート−ドレイン間距離の方を長くした非対称構造となっている。この非対称構造は、ゲート−ドレイン間に生じる高電界を緩和して耐圧向上に寄与する。
The gate electrode 8 is formed in contact with the insulating
ソース電極6およびドレイン電極7は、たとえば、電子供給層4に接する下層と、この下層に積層された上層とを有していてもよい。下層はTiであってもよく、上層はAl層であってもよい。
バッファ層2は、たとえば、AlGaN層であってもよいし、AlN層およびGaN層を繰り返し積層した超格子構造を有する層であってもよい。
The
The
この窒化物半導体装置では、電子走行層3上にAl組成の異なる電子供給層4が形成されてヘテロ接合が形成されている。これにより、電子走行層3と電子供給層4との界面付近の電子走行層3内に二次元電子ガス15が形成され、この二次元電子ガス15をチャネルとして利用したHEMTが形成されている。ゲート電極8は、酸化膜11および絶縁層12の積層膜からなるゲート絶縁膜10を挟んで電子走行層3に対向しており、ゲート電極8の直下には、電子供給層4は存在しない。したがって、ゲート電極8の直下では、電子供給層4と電子走行層3との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガス15が形成されない。よって、ゲート電極8にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガス15によるチャネルはゲート電極8の直下で遮断されている。こうして、ノーマリオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極8に適切なオン電圧(たとえば5V)を印加すると、ゲート電極8の直下の電子走行層3内にチャネルが誘起され、ゲート電極8の両側の二次元電子ガス15が接続される。これにより、ソース−ドレイン間が導通する。
In this nitride semiconductor device, an
使用に際しては、たとえば、ソース電極6とドレイン電極7との間に、ドレイン電極7側が正となる所定の電圧(たとえば200V〜400V)が印加される。その状態で、ゲート電極8に対して、ソース電極6を基準電位(0V)として、オフ電圧(0V)またはオン電圧(5V)が印加される。
酸化膜11と電子走行層3との界面は、電子供給層4と電子走行層3との界面に連続していて、ゲート電極8の直下における電子走行層3の界面の状態は、電子供給層4と電子走行層3との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極8の直下の電子走行層3における電子移動度は高い状態に保持されている。また、ゲート部にpn接合を有する構成(特許文献2参照)に比較して、十分に高いオン電圧をゲート電極8に印加できる。よって、ゲート電極8にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
In use, for example, a predetermined voltage (for example, 200 V to 400 V) that is positive on the
The interface between the
こうして、この実施形態は、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供する。
図2A〜図2Fは、前述の窒化物半導体装置の製造工程の一例を説明するための断面図であり、製造工程における複数の段階における断面構造が示されている。
まず、図2Aに示すように、基板1上に、バッファ層2および電子走行層3が順にエピタキシャル成長させられ、さらに電子走行層3上に電子供給層4がエピタキシャル成長させられる。そして、さらに、電子供給層4上の全面を被覆するように、たとえば、CVD法(化学的気相成長法)によって、パッシベーション膜5が形成される。パッシベーション膜5は、窒化シリコン(SiN)からなっていてもよく、その膜厚は数百nm程度が適当である。電子供給層4のエピタキシャル成長は、電子走行層3上にAlNからなる第1層41をエピタキシャル成長させる工程と、第1層41上にAlGaNからなる第2層42をエピタキシャル成長させる工程とを含む。
Thus, this embodiment provides a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having excellent device characteristics.
2A to 2F are cross-sectional views for explaining an example of the manufacturing process of the nitride semiconductor device described above, and show cross-sectional structures at a plurality of stages in the manufacturing process.
First, as shown in FIG. 2A, the
次に、図2Bに示すように、ゲート電極8の形成位置に合わせて、電子供給層4に凹部9が形成される。具体的には、凹部9を形成すべき位置に開口を有するマスクが形成され、そのマスクを介するドライエッチングによって、パッシベーション膜5が開口され、さらに、電子供給層4の一部がエッチングされて、電子供給層4の表面から電子走行層3に向かって窪んだ凹部9が形成される。このとき、凹部9の底部9aには、凹部9外の電子供給層4よりも薄く、5nm以下(好ましくは1〜5nm、より好ましくは1〜3nm)の厚さの薄部4tが残される。この薄部4tは、第1層41(AlN層)のみからなっていてもよいし、第1層41に加えて第2層42(AlGaN層)の一部が含まれていてもよい。
Next, as shown in FIG. 2B, a
次いで、図2Cに示すように、熱酸化炉中で酸素ガスを流しながら行う熱酸化処理によって、酸化膜11が形成される。この熱酸化処理は、薄部4tがその厚さ全体に渡って過不足無く酸化膜11に転換されるように行われる。薄部4tに含まれる第1層(AlN層)においては、熱酸化処理によって、窒素原子(N)が酸素原子(O)に置き換わり、AlaOb(ただしa,bは正の実数)からなる酸化膜に転換する。これにより、凹部9の底部9aにおいては、電子供給層4と電子走行層3との界面がなくなり、代わって、酸化膜11と電子走行層3との界面となる。
Next, as shown in FIG. 2C, an
この界面は、熱酸化によって形成された界面であり、製造工程中、一度も大気に晒されることなく形成された、極めて良好な界面である。そのため、その界面直下における電子走行層3中の電子移動度はその他の部分と同じ高い値を有する。これにより、低いオン抵抗および高スイッチング速度を実現できる。
熱酸化処理は、凹部9の底部9aだけでなく、酸素雰囲気に露出されている側壁9bにおいても進行するので、酸化膜11は、底部9aを覆い、さらに側壁9bにまで延びるように形成される。酸化膜11の底部被覆部11aは、AlN層からなる第1層41から転換された部分を含み、側壁被覆部11bはAlGaN層からなる第2層42から酸化膜に転換されている。そのため、酸化膜11は窒素を含んでおり、その底部被覆部11aの窒素濃度は、側壁被覆部11bの窒素濃度よりも高い。
This interface is an interface formed by thermal oxidation, and is an extremely good interface formed without being exposed to the atmosphere even during the manufacturing process. Therefore, the electron mobility in the
Since the thermal oxidation process proceeds not only at the bottom 9a of the
次に、図2Dに示すように、露出した表面全域を覆うように絶縁層12が形成される。したがって、絶縁層12は、凹部9内において酸化膜11に接し、凹部9外の領域にまで延びて形成される。絶縁層12は、酸化膜11と同種の絶縁膜であることが好ましく、たとえば、アルミナ(Al2O3)からなっていてもよい。このような絶縁層12は、たとえば、ALD(Atomic Layer Deposition)法によって形成することができる。
Next, as shown in FIG. 2D, the insulating
次に、図2Eに示すように、ソース電極6およびドレイン電極7が形成される。具体的には、それらの形成位置に整合するように、絶縁層12およびパッシベーション膜5を貫通するコンタクト孔6a,7aが形成され、次いで、電極膜が形成される。たとえば、電極膜は、下層としてのTi層および上層としてのAl層を積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。その電極膜がエッチングによってパターニングされ、さらに、シンター処理(たとえば500℃〜600℃)が施されることによって、電子供給層4にオーミック接触するソース電極6およびドレイン電極7が形成される。
Next, as shown in FIG. 2E, the
次いで、図2Fに示すように、ゲート電極8の形成位置に開口を有するレジスト膜16が形成され、その状態の表面全域を覆うように、電極膜17が形成される。電極膜17は、たとえば、NiまたはPtからなる下層と、AuまたはAlからなる上層とを積層した積層金属膜からなり、各層を順に蒸着して形成される。
次に、レジスト膜16とともに、当該レジスト膜16上の電極膜17(電極膜17の不要部分)がリフトオフされることによって、当該電極膜17がパターニングされて、ゲート電極8が得られる。さらに、電極6,7,8をマスクとしたエッチングを行って絶縁層12の露出部分をパッシベーション膜5が露出するまで除去することによって、図1に示す構造の窒化物半導体装置が得られる。
Next, as shown in FIG. 2F, a resist
Next, the
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、電子走行層3がGaN層からなり、電子供給層4がAlNからなる第1層41およびAlGaNからなる第2層42を含む例について説明したが、電子走行層3と電子供給層4とはAl組成が異なっていればよく、他の組み合わせも可能である。たとえば、電子走行層3/第1層41/第2層42の組み合わせとしては、GaN/AlN/AlGaN、AlmGa1-mN/AlN/AlnGa1-nN(ただし、m≠n)、AlGaN/AlN/AlInN、GaN/AlN/AlInN、GaN/AlN/AlN、AlGaN/AlN/AlNなどを例示できる。むろん、第1層41および第2層42をいずれもAlN層とするときは、第1層41および第2層42を区別する必要はない。第2層42をAlN以外とする場合でも、必ずしもAlNからなる第1層を設けなくても、凹部9の底部9aに酸化膜を形成することができる。ただし、電子走行層3に接するようにAlN層を設けることによって、電子の散乱が抑制され、電子移動度を高めることができるうえに、電子走行層3に接する酸化膜11を熱酸化法によって確実に形成できる利点がある。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention can also be implemented with another form. For example, in the above-described embodiment, the example in which the
また、前述の実施形態では、ゲート絶縁膜10を酸化膜11および絶縁層12の2層で構成してあるが、3層以上の絶縁膜を積層してゲート絶縁膜10を形成し、絶縁破壊耐圧をより高めた構成としてもよい。
また、前述の実施形態では、基板1の材料例としてシリコンを例示したが、ほかにも、サファイア基板やGaN基板などの任意の基板材料を適用できる。
In the above-described embodiment, the gate insulating film 10 is composed of two layers of the
In the above-described embodiment, silicon is exemplified as a material example of the
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
この明細書および添付図面から抽出され得る特徴を以下に記す。
A1.窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、
前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、
前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さい、窒化物半導体装置。
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
Features that can be extracted from this specification and the accompanying drawings are described below.
A1. An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, has an Al composition different from that of the electron transit layer, and is made of a nitride semiconductor containing Al;
An oxide film formed on the electron transit layer, having an interface continuous with the interface between the electron supply layer and the electron transit layer;
A gate electrode facing the electron transit layer across the oxide film;
An insulating layer disposed so as to be interposed between the oxide film and the gate electrode;
The nitride semiconductor device, wherein a thickness of the oxide film is smaller than a thickness of the insulating layer.
この構成によれば、電子走行層上にAl組成の異なる電子供給層が形成されてヘテロ接合が形成されている。したがって、電子走行層と電子供給層との界面付近の電子走行層内に二次元電子ガスが形成され、この二次元電子ガスをチャネルとして利用したHEMTが形成されている。ゲート電極は、酸化膜を挟んで電子走行層に対向している。その酸化膜と電子走行層との界面は、電子供給層と電子走行層との界面に連続している。すなわち、酸化膜の直下には電子供給層は存在せず、したがって、ゲート電極の直下には、電子供給層と電子走行層との格子不整合による分極に起因する二次元電子ガスが形成されない。よって、ゲート電極にバイアスを印加していないとき(ゼロバイアス時)には、二次元電子ガスによるチャネルはゲート電極直下で遮断されている。これにより、ノーマリオフ型のHEMTが実現されている。ゲート電極に適切なオン電圧を印加すると、ゲート電極直下の電子走行層内にチャネルが誘起され、ゲート電極の両側の二次元電子ガスが接続される。 According to this configuration, the electron supply layer having a different Al composition is formed on the electron transit layer to form a heterojunction. Therefore, a two-dimensional electron gas is formed in the electron transit layer in the vicinity of the interface between the electron transit layer and the electron supply layer, and a HEMT using the two-dimensional electron gas as a channel is formed. The gate electrode is opposed to the electron transit layer with the oxide film interposed therebetween. The interface between the oxide film and the electron transit layer is continuous with the interface between the electron supply layer and the electron transit layer. That is, there is no electron supply layer immediately below the oxide film, and therefore, a two-dimensional electron gas due to polarization due to lattice mismatch between the electron supply layer and the electron transit layer is not formed immediately below the gate electrode. Therefore, when no bias is applied to the gate electrode (at the time of zero bias), the channel due to the two-dimensional electron gas is blocked immediately below the gate electrode. Thereby, a normally-off type HEMT is realized. When an appropriate ON voltage is applied to the gate electrode, a channel is induced in the electron transit layer immediately below the gate electrode, and the two-dimensional electron gas on both sides of the gate electrode is connected.
一方、酸化膜と電子走行層との界面は、電子供給層と電子走行層との界面に連続していて、ゲート電極直下における電子走行層の界面の状態は、電子供給層と電子走行層との界面の状態と同等である。そのため、ゲート電極直下の電子走行層における電子移動度は高い状態に保持されている。また、ゲートにpn接合を備えた特許文献2の構造とは異なり、十分に高いオン電圧をゲート電極に印加できる。よって、ゲート電極にオン電圧を印加したときのデバイス特性も良好である。
On the other hand, the interface between the oxide film and the electron transit layer is continuous with the interface between the electron supply layer and the electron transit layer, and the state of the interface of the electron transit layer immediately below the gate electrode is as follows. It is equivalent to the state of the interface. Therefore, the electron mobility in the electron transit layer directly under the gate electrode is kept high. Further, unlike the structure of
こうして、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を提供できる。
電子供給層/電子走行層の組み合わせは、AlGaN層/GaN層、AlGaN層/AlGaN層(ただしAl組成が異なるもの)、AlInN層/AlGaN層、AlInN層/GaN層、AlN層/GaN層、AlN層/AlGaN層のうちのいずれかであってもよい。より一般化すれば、電子供給層は、組成中にAlおよびNを含む。電子走行層は、組成中にGaおよびNを含み、Al組成が電子供給層とは異なる。電子供給層と電子走行層とでAl組成が異なることにより、それらの間の格子不整合が生じ、それによって、分極に起因する二次元電子ガスが界面に近い電子走行層内に生じる。
Thus, a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having excellent device characteristics can be provided.
The combination of the electron supply layer / electron transit layer includes AlGaN layer / GaN layer, AlGaN layer / AlGaN layer (although different Al compositions), AlInN layer / AlGaN layer, AlInN layer / GaN layer, AlN layer / GaN layer, AlN Any of layer / AlGaN layer may be used. More generally, the electron supply layer contains Al and N in the composition. The electron transit layer contains Ga and N in the composition, and the Al composition is different from that of the electron supply layer. Due to the difference in Al composition between the electron supply layer and the electron transit layer, a lattice mismatch occurs between them, and thereby a two-dimensional electron gas due to polarization is generated in the electron transit layer close to the interface.
また、前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように絶縁層が配置されているので、ゲート電極と電子供給層との間に必要な厚さのゲート絶縁膜(酸化膜および絶縁層)を配置できる。より具体的には、絶縁層が酸化膜に積層されるので、酸化膜の膜厚が絶縁層の層厚よりも薄くても、酸化膜および絶縁層の全体で必要な膜厚のゲート絶縁膜を形成できる。したがって、酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成の際に電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。 In addition, since the insulating layer is disposed so as to be interposed between the oxide film and the gate electrode, a gate insulating film (oxide film and insulating layer) having a necessary thickness between the gate electrode and the electron supply layer. ) Can be placed. More specifically, since the insulating layer is stacked on the oxide film, even if the thickness of the oxide film is smaller than the thickness of the insulating layer, the gate insulating film having the necessary thickness for the entire oxide film and insulating layer Can be formed. Therefore, by making the oxide film thinner, the electron supply layer directly under the gate electrode can be surely lost, and damage to the interface with the electron transit layer can be minimized when forming the oxide film. . On the other hand, the dielectric breakdown voltage can be improved by forming the gate insulating film to a sufficient thickness.
A2.前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、項A1に記載の窒化物半導体装置。
A3.窒化物半導体からなる電子走行層と、
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、
前記酸化膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された絶縁層とを含み、
前記酸化膜中の窒素濃度が前記絶縁層中の窒素濃度よりも高い、窒化物半導体装置。
A2. The nitride semiconductor device according to item A1, wherein the nitrogen concentration in the oxide film is higher than the nitrogen concentration in the insulating layer.
A3. An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, has an Al composition different from that of the electron transit layer, and is made of a nitride semiconductor containing Al;
An oxide film formed on the electron transit layer, having an interface continuous with the interface between the electron supply layer and the electron transit layer;
A gate electrode facing the electron transit layer across the oxide film;
An insulating layer disposed so as to be interposed between the oxide film and the gate electrode;
The nitride semiconductor device, wherein a nitrogen concentration in the oxide film is higher than a nitrogen concentration in the insulating layer.
たとえば、電子供給層と電子走行層との界面にAlN層を形成し、これを熱酸化法によって酸化膜に転換させる場合には、酸化膜中の窒素濃度が絶縁層中の窒素濃度よりも高くなる。
A4.前記酸化膜中の窒素濃度が5×1016cm−3以上であり、前記絶縁層中の窒素濃度が5×1016cm−3未満である、項A1〜A3のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
For example, when an AlN layer is formed at the interface between the electron supply layer and the electron transit layer and is converted into an oxide film by a thermal oxidation method, the nitrogen concentration in the oxide film is higher than the nitrogen concentration in the insulating layer. Become.
A4. The nitrogen concentration in the oxide film is 5 × 10 16 cm −3 or more, and the nitrogen concentration in the insulating layer is less than 5 × 10 16 cm −3 , according to any one of Items A1 to A3. Nitride semiconductor device.
A5.前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、
前記酸化膜が前記凹部の底部に形成されている、項A1〜A4のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
この構成により、電子供給層に形成された凹部の直下において、電子走行層内のチャネル(二次元電子ガス)を遮断でき、その凹部を挟んだ領域において、電子走行層内にチャネル(二次元電子ガス)を形成できる。
A5. The electron supply layer has a recess recessed toward the electron transit layer;
The nitride semiconductor device according to any one of Items A1 to A4, wherein the oxide film is formed on a bottom of the recess.
With this configuration, the channel (two-dimensional electron gas) in the electron transit layer can be cut off immediately below the recess formed in the electron supply layer, and the channel (two-dimensional electron in the electron transit layer is sandwiched between the recesses). Gas).
A6.前記絶縁層が前記凹部内に配置された部分を含む、項A5に記載の窒化物半導体装置。
この構成により、絶縁層は凹部の底部に配置された酸化膜に接するので、ゲート電極との間に良好なゲート絶縁膜を形成できる。
前記絶縁層は、凹部内だけでなく、凹部外にまで延びて形成されていてもよい。絶縁層が凹部外にまで延びて形成されていれば、絶縁破壊耐圧を高めることができる。
A6. The nitride semiconductor device according to Item A5, wherein the insulating layer includes a portion disposed in the recess.
With this configuration, since the insulating layer is in contact with the oxide film disposed at the bottom of the recess, a good gate insulating film can be formed between the gate electrode.
The insulating layer may be formed so as to extend not only inside the recess but also outside the recess. If the insulating layer is formed so as to extend out of the recess, the breakdown voltage can be increased.
A7.前記酸化膜が前記凹部の底部および側壁に渡って形成されている、項A5またはA6に記載の窒化物半導体装置。
この構成によれば、酸化膜が底部だけでなく側壁にも形成されているので、リーク電流を低減できる。たとえば、電子供給層に凹部を形成した後、熱酸化法によって酸化膜を形成すると、凹部の底部および側壁に渡って連続する酸化膜が形成される。
A7. The nitride semiconductor device according to Item A5 or A6, wherein the oxide film is formed across the bottom and side walls of the recess.
According to this configuration, since the oxide film is formed not only on the bottom but also on the side wall, the leakage current can be reduced. For example, when an oxide film is formed by thermal oxidation after forming a recess in the electron supply layer, an oxide film continuous over the bottom and side walls of the recess is formed.
A8.前記酸化膜の膜厚が、5nm以下(好ましくは、1nm〜5nm)である、項A1〜A7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
5nm以下の酸化膜は、熱酸化法によって形成することができる。したがって、電子供給層を部分的に5nm以下に薄型化(たとえば前記凹部を形成)した後に、熱酸化を行うことによって、電子供給層と電子走行層との界面に損傷を与えることなく、電子走行層に接する熱酸化膜を形成でき、その部分において電子供給層を消失させることができる。
A8. The nitride semiconductor device according to any one of Items A1 to A7, wherein the thickness of the oxide film is 5 nm or less (preferably 1 nm to 5 nm).
An oxide film of 5 nm or less can be formed by a thermal oxidation method. Therefore, after the electron supply layer is partially thinned to 5 nm or less (for example, the concave portion is formed), thermal oxidation is performed, so that the electron travel is not damaged to the interface between the electron supply layer and the electron travel layer. A thermal oxide film in contact with the layer can be formed, and the electron supply layer can be lost in that portion.
A9.前記酸化膜が5×1016cm−3以上の濃度で窒素を含む、項A1〜A8のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
A10.前記電子供給層が、前記電子走行層との界面に、AlN層を有している、項A1〜A9のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
AlN層に対して熱酸化を行うと、加熱によって窒素原子(N)が抜けることにより、窒素原子(N)が酸素原子(O)に置換されて、AlxOyからなる酸化膜となる。したがって、電子供給層と電子走行層との界面にAlN層が配置されていれば、これを熱酸化膜に転換させて酸化膜を形成できる。しかも、電子走行層との界面にAlN層が形成されていることにより、電子の散乱が抑制されるので、電子移動度を高めることができる。
A9. The nitride semiconductor device according to any one of Items A1 to A8, wherein the oxide film contains nitrogen at a concentration of 5 × 10 16 cm −3 or more.
A10. The nitride semiconductor device according to any one of Items A1 to A9, wherein the electron supply layer has an AlN layer at an interface with the electron transit layer.
When thermal oxidation is performed on the AlN layer, nitrogen atoms (N) are removed by heating, whereby nitrogen atoms (N) are replaced with oxygen atoms (O), and an oxide film made of Al x O y is formed. Therefore, if an AlN layer is disposed at the interface between the electron supply layer and the electron transit layer, it can be converted into a thermal oxide film to form an oxide film. In addition, since the AlN layer is formed at the interface with the electron transit layer, electron scattering is suppressed, so that the electron mobility can be increased.
A11.前記電子供給層が、前記電子走行層に接する第1層と、前記第1層に接するように積層され当該第1層とはAl組成が異なる第2層とを含む、項A1〜A10のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。第1層が前記AlN層であってもよい。この場合、第2層は、AlGaN層またはAlInN層であってもよい。
A12.窒化物半導体からなる電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層を形成する工程と、
前記電子供給層の一部をエッチングして凹部を形成し、前記凹部の底部に、当該凹部外の部分よりも薄く、前記電子走行層に接する薄部を形成する凹部形成工程と、
前記薄部を熱酸化することにより、前記薄部全体を酸化膜に転換させる熱酸化工程と、
前記酸化膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極を形成するゲート形成工程とを含む、窒化物半導体装置の製造方法。
A11. Any of paragraphs A1 to A10, wherein the electron supply layer includes a first layer that is in contact with the electron transit layer, and a second layer that is stacked so as to be in contact with the first layer and has a different Al composition from the first layer. The nitride semiconductor device according to
A12. Forming an electron transit layer made of a nitride semiconductor;
A step of forming an electron supply layer made of a nitride semiconductor containing Al on the electron transit layer, the Al composition being different from the electron transit layer;
Forming a recess by etching a part of the electron supply layer, and forming a recess at the bottom of the recess that is thinner than a portion outside the recess and in contact with the electron transit layer;
A thermal oxidation step of converting the entire thin portion into an oxide film by thermally oxidizing the thin portion;
And a gate forming step of forming a gate electrode facing the electron transit layer with the oxide film interposed therebetween.
この方法によれば、電子供給層の一部をエッチングして凹部が形成されて、その凹部の底部に電子供給層の薄部が形成される。この薄部が熱酸化されることによって、薄部全体が酸化膜に転換される。こうして、電子供給層と電子走行層との界面に損傷を与えることなく、凹部の底部において電子供給層を消失させることができる。これにより、ノーマリオフ型のHEMT構造を有し、かつ優れたデバイス特性を有する窒化物半導体装置を製造できる。 According to this method, a part of the electron supply layer is etched to form a recess, and a thin part of the electron supply layer is formed at the bottom of the recess. By thermally oxidizing the thin part, the entire thin part is converted into an oxide film. Thus, the electron supply layer can be lost at the bottom of the recess without damaging the interface between the electron supply layer and the electron transit layer. Thereby, a nitride semiconductor device having a normally-off HEMT structure and having excellent device characteristics can be manufactured.
A13.前記凹部形成工程が、前記薄部の厚さが5nm以下(好ましくは1〜5nm)となるように前記電子供給層の一部をエッチングする工程を含む、項A12に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
この方法によれば、薄部の厚さが5nm以下となるまでエッチングされるので、その後の熱酸化によって、その薄部全体を確実に酸化膜に転換させることができる。
A13. The nitride semiconductor device according to Item A12, wherein the recess forming step includes a step of etching part of the electron supply layer so that the thickness of the thin portion is 5 nm or less (preferably 1 to 5 nm). Production method.
According to this method, etching is performed until the thickness of the thin portion becomes 5 nm or less, so that the entire thin portion can be reliably converted into an oxide film by subsequent thermal oxidation.
A14.前記熱酸化工程が、前記薄部から連続する前記凹部の側壁を併せて酸化し、前記酸化膜を前記側壁まで延びるように形成する工程を含む、項A13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
この方法によれば、凹部の底部だけでなく、その側壁にまで延びて酸化膜が形成されるので、リークパスをより少なくしてデバイス特性を向上できる。
A14. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to Item A13, wherein the thermal oxidation step includes a step of oxidizing the side wall of the concave portion continuous from the thin portion and forming the oxide film so as to extend to the side wall. .
According to this method, since the oxide film is formed not only on the bottom of the recess but also on the side wall thereof, the leak path can be reduced and the device characteristics can be improved.
A15.前記熱酸化工程の後に、前記酸化膜上に絶縁層を形成する工程をさらに含み、前記絶縁層の形成後に前記ゲート形成工程が行われる、項A12〜A14のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
この方法によれば、酸化膜上に絶縁層が形成され、その絶縁層上のゲート電極を形成できる。これにより、ゲート電極と電子走行層との間に、必要な厚さのゲート絶縁膜を配置できる。絶縁層は、たとえばALD(Atomic Layer Deposition)法で形成されてもよい。
A15. The nitride according to any one of Items A12 to A14, further including a step of forming an insulating layer on the oxide film after the thermal oxidation step, wherein the gate forming step is performed after the formation of the insulating layer. A method for manufacturing a semiconductor device.
According to this method, the insulating layer is formed on the oxide film, and the gate electrode on the insulating layer can be formed. Thereby, a gate insulating film having a required thickness can be disposed between the gate electrode and the electron transit layer. The insulating layer may be formed by, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method.
A16.前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層との界面に、AlN層を形成する工程を含む、項A12〜A15のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
この方法により、AlN層が電子走行層に接して形成されるので、熱酸化の際に、AlN層中の窒素原子(N)が酸素原子(O)に転換し、電子走行層との界面の電子供給層(AlN層)を確実に消失させることができる。
A16. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of Items A12 to A15, wherein the step of forming the electron supply layer includes a step of forming an AlN layer at an interface with the electron transit layer.
By this method, since the AlN layer is formed in contact with the electron transit layer, during thermal oxidation, nitrogen atoms (N) in the AlN layer are converted into oxygen atoms (O), and at the interface with the electron transit layer. The electron supply layer (AlN layer) can be reliably lost.
A17.前記電子供給層を形成する工程が、前記電子走行層に接する第1層を形成する工程と、前記第1層に接するように前記第1層とはAl組成の異なる第2層を形成する工程とを含む、項A12〜A16のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。前記第1層は、AlN層であってもよい。この場合、前記第2層はAlGaN層またはAlInN層であってもよい。 A17. The step of forming the electron supply layer includes a step of forming a first layer in contact with the electron transit layer and a step of forming a second layer having a different Al composition from the first layer so as to be in contact with the first layer. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of Items A12 to A16. The first layer may be an AlN layer. In this case, the second layer may be an AlGaN layer or an AlInN layer.
A18.前記酸化膜の膜厚が、前記絶縁層の層厚よりも小さくなるように、前記酸化膜および絶縁層が形成される、項A15に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
この方法では、酸化膜の膜厚が薄くても、酸化膜および絶縁層の積層膜からなるゲート絶縁膜は必要な厚さを有することができる。酸化膜を薄くできることにより、ゲート電極直下における電子供給層を確実に消失させることができ、かつ酸化膜の形成によって電子走行層との界面に与える損傷を最小限にとどめることができる。その一方で、ゲート絶縁膜を十分な厚さに形成することによって、絶縁破壊耐圧を向上できる。
A18. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to Item A15, wherein the oxide film and the insulating layer are formed such that a film thickness of the oxide film is smaller than a layer thickness of the insulating layer.
In this method, even if the thickness of the oxide film is thin, the gate insulating film formed of the stacked film of the oxide film and the insulating layer can have a necessary thickness. Since the oxide film can be made thin, the electron supply layer directly under the gate electrode can be surely lost, and the damage to the interface with the electron transit layer due to the formation of the oxide film can be minimized. On the other hand, the dielectric breakdown voltage can be improved by forming the gate insulating film to a sufficient thickness.
1 基板
2 バッファ層
3 電子走行層(GaN層)
4 電子供給層(AlGaN層)
41 第1層(AlN層)
42 第2層(AlGaN層)
4t 薄部
5 パッシベーション膜
6 ソース電極
7 ドレイン電極
8 ゲート電極
9 凹部
9a 底部
9b 側壁
10 ゲート絶縁膜
11 酸化膜
11a 底部被覆部
11b 側壁被覆部
12 絶縁層
15 二次元電子ガス
16 レジスト膜
17 電極膜
1
4 Electron supply layer (AlGaN layer)
41 First layer (AlN layer)
42 Second layer (AlGaN layer)
4t
Claims (10)
前記電子走行層に積層され、前記電子走行層とはAl組成が異なり、Alを含む窒化物半導体からなる電子供給層と、
前記電子供給層と前記電子走行層との界面に連続する界面を有し、前記電子走行層上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極と、
前記第1絶縁膜と前記ゲート電極との間に介在するように配置された第2絶縁膜とを含み、
前記電子供給層が、前記電子走行層に向かって窪んだ凹部を有しており、
前記第1絶縁膜が、前記凹部の底部および側壁に渡って形成されており、前記底部を被覆する底部被覆部と、前記側壁を被覆する側壁被覆部とを含み、
前記第2絶縁膜が前記凹部内において前記第1絶縁膜に接し、かつ前記凹部外にまで延びて形成されており、
前記電子供給層が、前記電子走行層に接するAlN層である第1層と、前記第1層に接するように積層され当該第1層とはAl組成が異なる第2層とを含み、
前記底部被覆部が、前記第1層の材料の熱酸化物からなる、窒化物半導体装置。 An electron transit layer made of a nitride semiconductor;
An electron supply layer that is laminated on the electron transit layer, has an Al composition different from that of the electron transit layer, and is made of a nitride semiconductor containing Al;
A first insulating film having an interface continuous with the interface between the electron supply layer and the electron transit layer and formed on the electron transit layer;
A gate electrode facing the electron transit layer across the first insulating film;
A second insulating film disposed so as to be interposed between the first insulating film and the gate electrode;
The electron supply layer has a recess recessed toward the electron transit layer;
The first insulating film is formed over the bottom and side walls of the recess, and includes a bottom covering portion that covers the bottom portion, and a side wall covering portion that covers the side wall,
The second insulating film is formed in contact with the first insulating film in the recess and extending to the outside of the recess;
The electron supply layer includes a first layer that is an AlN layer that is in contact with the electron transit layer, and a second layer that is stacked so as to be in contact with the first layer and has a different Al composition from the first layer,
The nitride semiconductor device, wherein the bottom covering portion is made of a thermal oxide of the first layer material.
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