JP7067702B2 - Gallium nitride based semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体層と絶縁体層との界面特性が優れている窒化ガリウム系の半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor device having excellent interfacial characteristics between a semiconductor layer and an insulator layer, and a method for manufacturing the same.
窒化ガリウム系の半導体は、青色の半導体レーザのような短波長の光デバイスだけでなく、その高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度によって、高周波のパワーデバイスとしても注目されている。例えば、GaN半導体の場合、そのバンドギャップは3.4eVであり、SiやGaAsと比較して2倍以上の飽和電子速度(Vsat)と、Siの約10倍、GaAsの約7.5倍の絶縁破壊電界強度(Ec)を有する。半導体を用いた高周波・高出力増幅器の性能を比較する指標としてよく用いられるVsat・Ec/2πで表されるJohnson指数で比較すると、GaNは、Siと比較して約27倍、GaAsと比較しても約15倍の大きさであり、これらのことからGaNは圧倒的な優位性を有する半導体と認識されている。 Gallium nitride-based semiconductors are attracting attention not only as short-wavelength optical devices such as blue semiconductor lasers, but also as high-frequency power devices due to their high dielectric breakdown electric field strength, high thermal conductivity, and high electron saturation rate. There is. For example, in the case of a GaN semiconductor, its bandgap is 3.4 eV, which is more than twice the saturated electron velocity (V sat ) compared to Si and GaAs, about 10 times that of Si, and about 7.5 times that of GaAs. It has a dielectric breakdown electric field strength (E c ). When compared with the Johnson index expressed by V sat · E c / 2π, which is often used as an index to compare the performance of high-frequency and high-power amplifiers using semiconductors, GaN is about 27 times that of Si, and GaAs. Even when compared, the size is about 15 times larger, and from these facts, GaN is recognized as a semiconductor having an overwhelming advantage.
しかし、窒化ガリウム系の半導体を用いたMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体装置では、非特許文献1に開示されているように、窒化ガリウム系の半導体の表面の酸化物と被着した金属との反応等によってゲート・ドレイン間にゲートリーク電流が発生することがある。 However. A gate leak current may be generated between the gate and drain due to the reaction between the oxide on the surface of the semiconductor and the adhered metal.
このゲートリーク電流の発生を抑制するために、窒化ガリウム系の半導体の表面にSiN膜(シリコン窒化膜)、SiO2膜(シリコン酸化膜)等の絶縁膜を堆積する態様があるが、窒化ガリウム系の半導体の表面の酸化物の存在等によって半導体の表面と絶縁膜との界面に界面準位が発生してトラップサイトが導入されやすくなる。そのため、そうような態様のMISFETやMOSFETにおいては、周波数による特性が変化しやすくなるという問題が発生する。 In order to suppress the generation of this gate leak current, there is an embodiment in which an insulating film such as a SiN film (silicon nitride film) or a SiO 2 film (silicon oxide film) is deposited on the surface of a gallium nitride based semiconductor. Due to the presence of oxides on the surface of the semiconductor of the system, an interface state is generated at the interface between the surface of the semiconductor and the insulating film, and trap sites are easily introduced. Therefore, in such a mode of MISFET or MOSFET, there arises a problem that the characteristics are likely to change depending on the frequency.
このような問題点を回避するために、特許文献1においては、(InxAl1-x)yGa1-yN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表される窒化ガリウム系の半導体の表面に熱酸化の酸化ガリウム(Ga2O3)熱酸化膜が形成され、形成された熱酸化膜の上にプラズマCVDによるSiO2などの絶縁膜が形成され、更に絶縁膜の上にゲート電極が形成されてなる構造を有している。
In order to avoid such a problem, in
本発明は、窒化ガリウム系半導体装置、特に窒化ガリウム系半導体を用いたMISFET、MOSFETにおいて、上記ゲートリーク電流の問題や周波数特性劣化の問題を解消するものであり、半導体層と絶縁体層との界面特性が優れている窒化ガリウム系の半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems of gate leakage current and deterioration of frequency characteristics in a gallium nitride based semiconductor device, particularly a MISFET or MOSFET using a gallium nitride based semiconductor, and has a semiconductor layer and an insulator layer. It is an object of the present invention to provide a gallium nitride based semiconductor device having excellent interfacial characteristics and a method for manufacturing the same.
本発明の1つの観点によれば、半導体装置が、窒化ガリウムを含む半導体層と、ゲート電極と、半導体層とゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備え、窒化ガリウムは単結晶であり、絶縁体層が、半導体層に隣接する部分において、酸化ガリウムの結晶を含む第1の絶縁膜を少なくとも有し、酸化ガリウムの結晶は、窒化ガリウムの結晶格子と面内格子定数aが整合している。 According to one aspect of the present invention, the semiconductor device comprises a semiconductor layer containing gallium nitride, a gate electrode, and an insulator layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode, and gallium nitride is a single crystal. The insulator layer has at least a first insulating film containing a gallium oxide crystal in a portion adjacent to the semiconductor layer, and the gallium oxide crystal has a gallium nitride crystal lattice and an in-plane lattice constant a. It is consistent.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、窒化ガリウムはウルツ鉱構造の単結晶であり、酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶の結晶である。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure, and gallium oxide crystals are hexagonal crystals having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less. It is a crystal.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、窒化ガリウムはウルツ鉱構造の単結晶であり、酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の立方晶の結晶である。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure, and gallium oxide crystals are cubic crystals having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less. It is a crystal.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、窒化ガリウムはウルツ鉱構造の単結晶であり、酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶及び立方晶の結晶である。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure, and gallium oxide crystals are hexagonal crystals having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less. It is a cubic crystal.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、酸化ガリウムの結晶は、ε構造の酸化ガリウム、γ構造の酸化ガリウム、及びこれらの組合せからなる群から少なくとも1つ選択される。 According to one specific example of the present invention, in a semiconductor device, at least one crystal of gallium oxide is selected from the group consisting of gallium oxide having an ε structure, gallium oxide having a γ structure, and a combination thereof.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、酸化ガリウムの結晶の結晶面が、半導体層の結晶面に揃えて配列されている。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, the crystal planes of gallium oxide crystals are arranged so as to be aligned with the crystal planes of the semiconductor layer.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、第1の絶縁膜の膜厚が、酸化ガリウムの結晶の一原子層の厚さ以上であって、10nm以下である。 According to a specific example of the present invention, in the semiconductor device, the film thickness of the first insulating film is not less than the thickness of the monoatomic layer of the gallium oxide crystal and not more than 10 nm.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、第1の絶縁膜の膜厚が、5nm以下である。 According to a specific example of the present invention, the film thickness of the first insulating film is 5 nm or less in the semiconductor device.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、第1の絶縁膜が、窒化ガリウムの結晶格子と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶、又はa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1である酸化ガリウムの結晶を有する場合であって、第1の絶縁膜における前記酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は95%以上である。 According to a specific example of the present invention, in the semiconductor device, the first insulating film is a gallium oxide crystal in which the gallium nitride crystal lattice and the in-plane lattice constant a are matched, or the a-axis lattice constant is 0. In the case of having a gallium oxide crystal which is at least one of hexagonal crystal and cubic crystal of 28 nm or more and 0.34 nm or less, the ratio of the volume occupied by the gallium oxide crystal in the first insulating film is 95% or more. Is.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、第1の絶縁膜がε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せを有する場合であって、第1の絶縁膜においてε構造の酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は70%以上90%以下であり、第1の絶縁膜の残余部分をγ構造の酸化ガリウムの結晶が占めている。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, the first insulating film has a combination of gallium oxide having an ε structure and gallium oxide having a γ structure, and the first insulating film has an oxidation of the ε structure. The volume ratio of the gallium crystals is 70% or more and 90% or less, and the residual portion of the first insulating film is occupied by the gallium oxide crystals having a γ structure.
本発明の一具体例によれば、半導体装置の第1の絶縁膜において、ε構造の酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は80%であって、γ構造の酸化ガリウムの結晶が占める割合は20%である。 According to a specific example of the present invention, in the first insulating film of the semiconductor device, the volume ratio of the gallium oxide crystal having the ε structure is 80%, and the ratio of the gallium oxide crystal having the γ structure is 80%. It is 20%.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、第1の絶縁膜がε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せを有する場合であって、第1の絶縁膜においてε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムが占める体積の割合は95%以上である。 According to one specific example of the present invention, in a semiconductor device, when the first insulating film has a combination of gallium oxide having an ε structure and gallium oxide having a γ structure, the oxidation of the ε structure in the first insulating film. The volume ratio of gallium and gallium oxide having a γ structure is 95% or more.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、絶縁体層が、ゲート電極と第1の絶縁膜との間に設けられた第2の絶縁膜を含み、第2の絶縁膜が、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を有する。 According to a specific example of the present invention, in the semiconductor device, the insulator layer includes a second insulating film provided between the gate electrode and the first insulating film, and the second insulating film is aluminum. An element consisting of (Al), silicon (Si), hafnium (Hf), zirconium (Zr), tantalum (Ta), titanium (Ti), gallium (Ga), yttrium (Y), scandium (Sc), and rare earth elements. It has an oxide, nitride, or oxynitride of at least one element selected from the group.
本発明の一具体例によれば、半導体装置において、ゲート電極が、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タングステン(W)、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つを有する。 According to a specific example of the present invention, in a semiconductor device, the gate electrodes are aluminum (Al), titanium (Ti), tungsten (W), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), and ruthenium (Ag). It has at least one selected from the group consisting of Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), nickel (Ni), tin (Sn), zinc (Zn) and poly-Si.
本発明の一具体例によれば、上記半導体装置の製造方法が、半導体層を準備する半導体層準備工程と、絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程とを少なくとも有する。 According to a specific example of the present invention, the method for manufacturing a semiconductor device includes a semiconductor layer preparation step for preparing a semiconductor layer, an insulator layer forming step for forming an insulator layer, and a gate electrode forming for forming a gate electrode. It has at least a process.
本発明の一具体例によれば、上記半導体装置の製造方法において、絶縁体層形成工程は、半導体層を、硫酸、過酸化水素水、アンモニア、弗酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化カリウムからなる群から選択された少なくとも1つを使用して表面処理することによって、第1の絶縁膜を形成するステップを含む。 According to one specific example of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device, in the insulator layer forming step, the semiconductor layer is formed of sulfuric acid, hydrogen peroxide solution, ammonia, fluoroacid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and hydroxylation. It comprises the step of forming a first insulating film by surface treatment with at least one selected from the group consisting of potassium.
本発明の一具体例によれば、上記半導体装置の製造方法において、絶縁体層形成工程は、半導体層を、500℃以下でプラズマ酸化処理及び/又はオゾン酸化処理することによって、第1の絶縁膜を形成するステップを含む。 According to a specific example of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device, in the insulator layer forming step, the semiconductor layer is subjected to plasma oxidation treatment and / or ozone oxidation treatment at 500 ° C. or lower to obtain a first insulation. Includes steps to form a membrane.
本発明の一具体例によれば、上記半導体装置の製造方法において、絶縁体層形成工程は、半導体層上に、700℃以下で電子ビーム蒸着法及び/又はMBE法を使用して、870℃以下でCVD法を使用して、700℃以下でHVPE法を使用して、500℃以下でALD法を使用して、及び/又は、500℃以下でスパッタリング法を使用して、第1の絶縁膜を積層するステップを含む。 According to one specific example of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device, the insulator layer forming step is performed on the semiconductor layer at 700 ° C. or lower by using an electron beam vapor deposition method and / or an MBE method at 870 ° C. First insulation using the CVD method below, using the HVPE method below 700 ° C, using the ALD method below 500 ° C, and / or using the sputtering method below 500 ° C. Including the step of laminating the film.
本発明の一具体例によれば、上記半導体装置の製造方法において、絶縁体層形成工程は、半導体層上に、500℃以上870℃以下の熱処理により酸化ガリウムの結晶を形成し、その後エッチングを行って酸化ガリウムの結晶の厚さを10nm以下にして、第1の絶縁膜を形成するステップを含む。 According to a specific example of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor device, in the insulator layer forming step, gallium oxide crystals are formed on the semiconductor layer by heat treatment at 500 ° C. or higher and 870 ° C. or lower, and then etching is performed. The step of forming the first insulating film by reducing the thickness of the gallium oxide crystal to 10 nm or less is included.
本発明によれば、半導体層と絶縁体層との間の界面準位によるトラップサイトを少なくすることによって、良好な電気特性を有する窒化ガリウム系の半導体装置及びその製造方法が与えられる。ここで、窒化ガリウム系の半導体装置とは窒化ガリウムを含む半導体層を有する半導体装置のことをいう。 According to the present invention, by reducing the number of trap sites due to the interface state between the semiconductor layer and the insulator layer, a gallium nitride based semiconductor device having good electrical characteristics and a method for manufacturing the same are provided. Here, the gallium nitride based semiconductor device means a semiconductor device having a semiconductor layer containing gallium nitride.
なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。 It should be noted that other objects, features and advantages of the present invention will be clarified from the following description of the embodiments of the present invention with respect to the accompanying drawings.
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these examples.
<実施の形態1>
実施の形態1では、図1を参照して、横型のMISFETである窒化ガリウム系の半導体装置100を説明する。
半導体装置100は、窒化ガリウムの自立基板111上に形成された窒化ガリウムを含む半導体層(チャネル層)101と、ゲート電極105と、半導体層101とゲート電極105との間に設けられた絶縁体層(ゲート絶縁膜)102とを備える。
半導体層101の窒化ガリウムは単結晶であることが好ましく、その窒化ガリウムはウルツ鉱構造の単結晶であることがより好ましい。また、半導体層101は単結晶の窒化ガリウムからなることがより好ましい。
<
In the first embodiment, the gallium nitride based
The
The gallium nitride of the
絶縁体層102は、半導体層101に隣接する部分において第1の絶縁膜103を含む。また、絶縁体層102は、ゲート電極105と第1の絶縁膜103との間に設けられた第2の絶縁膜104を含んでいてもよい。ここで、第2の絶縁膜104は単層の膜でも複数の膜からなる積層膜でもよい。
また、半導体装置100は、MISFETを構成するために、半導体層101に不純物を注入することにより、ソース領域107及びドレイン領域108を備えていてもよい。例えば、半導体層101がn型の窒化ガリウムである場合には、半導体層101にp型の不純物を注入することによりソース領域107及びドレイン領域108を形成する。
半導体装置100は、ソース領域107上及びドレイン領域108上に、それぞれソース電極109及びドレイン電極110を備える。
The
Further, the
The
第1の絶縁膜103は、半導体層101を構成する窒化ガリウムの結晶格子と面内格子定数aが整合している酸化ガリウムの結晶を含む。
ここで、面内格子定数aが整合しているとは、窒化ガリウムと酸化ガリウムの結晶格子定数aの差が±15%以内に収まっていることをいう。窒化ガリウムと酸化ガリウムの結晶格子定数aの差が±15%以内に収まっていると、絶縁体層102のトラップサイトの発生が抑えられる。
The first
Here, the fact that the in-plane lattice constants a match means that the difference between the crystal lattice constants a of gallium nitride and gallium oxide is within ± 15%. When the difference between the crystal lattice constants a of gallium nitride and gallium oxide is within ± 15%, the generation of trap sites in the
半導体層101を構成する窒化ガリウムの単結晶としては、結晶の安定性からウルツ鉱構造の単結晶を好んで挙げることができる。半導体層101を構成する窒化ガリウムとしてウルツ鉱構造の単結晶を用いた場合は、第1の絶縁膜103を構成する酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1であることが好ましい。
As the single crystal of gallium nitride constituting the
ここで、本発明におけるa軸の格子定数とは、六方晶結晶の場合は通常のa軸の格子定数を指し、立方晶結晶の場合は、(111)面でスライスしたときの切り口における結晶格子の格子定数を指す。 Here, the a-axis lattice constant in the present invention refers to a normal a-axis lattice constant in the case of a hexagonal crystal, and in the case of a cubic crystal, the crystal lattice at the cut end when sliced on the (111) plane. Refers to the lattice constant of.
図11は、立方晶の酸化ガリウム、例えばγ―Ga2O3の結晶を(100)面から見た図で、同図の1は酸素原子(O)を、2はガリウム原子(Ga)を表す。(100)面でスライスした面(インプレーン)においては、六角形の酸素原子配置は認められず、この面に接するGaN半導体とは格子整合はしない。 FIG. 11 is a view of a cubic gallium oxide, for example, a crystal of γ-Ga 2 O 3 viewed from the (100) plane. In the figure, 1 is an oxygen atom (O) and 2 is a gallium atom (Ga). show. Hexagonal oxygen atom configurations are not observed on the plane (inplane) sliced on the (100) plane, and lattice matching does not occur with the GaN semiconductor in contact with this plane.
図12は、立方晶の酸化ガリウム、例えばγ―Ga2O3の結晶を(111)面から見た図である。ここで、図12の1は、図11の場合と同様に、酸素原子(O)を、2はガリウム原子(Ga)を表す。そして、この結晶を(111)面、かつ酸素原子1がある場所でスライスしたとき、その切り口に位置する原子の配置を図13に示す。図13からわかるように、この切り口における(このインプレーンにおける)酸素原子1は六方晶と同じ結晶配置(結晶格子11)をなす。
本発明では、このインプレーンでの図13の21に示されるa1、22に示されるa2、23に示されるa3をa軸の格子定数とするが、ほぼ正六角形をなすため、a1、a2およびa3の値はほぼ等しく、格子定数aで表させる。
FIG. 12 is a view of a cubic gallium oxide, for example, a crystal of γ-Ga 2 O 3 viewed from the (111) plane. Here, 1 in FIG. 12 represents an oxygen atom (O) and 2 represents a gallium atom (Ga), as in the case of FIG. 11. Then, when this crystal is sliced on the (111) plane and at a place where
In the present invention, a1 shown in 21 of FIG. 13 , a2 shown in 22 and a3 shown in 23 are used as the lattice constants of the a - axis in this inplane , but since they form a substantially regular hexagon, a The values of 1 , a 2 and a 3 are almost equal and are expressed by the lattice constant a.
ウルツ鉱構造の窒化ガリウムの結晶構造は、a軸の格子定数が0.319nmの六方晶である。発明者は、酸化ガリウムが、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶構造をなすと、格子が整合されてトラップサイトの発生が十分に抑制されることを見出した。また、発明者は、酸化ガリウムが(111)面の立方晶の場合、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下において六方晶構造であるウルツ鉱構造の窒化ガリウムと格子が十分に整合されて、トラップサイトの発生が十分に抑制されることを見出した。さらに、発明者は、酸化ガリウムが、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶構造の酸化ガリウムと立方晶構造の酸化ガリウムからなる場合に、格子が整合されてトラップサイトの発生が十分に抑制されることを見出した。 The crystal structure of gallium nitride in the wurtzite structure is a hexagonal crystal with an a-axis lattice constant of 0.319 nm. The inventor has found that when gallium oxide has a hexagonal structure having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less, the lattices are aligned and the generation of trap sites is sufficiently suppressed. Further, the inventor found that when gallium oxide is a (111) plane cubic crystal, gallium nitride and a lattice having a wurtzite structure having a hexagonal structure are sufficiently sufficient when the lattice constant of the a-axis is 0.28 nm or more and 0.34 nm or less. It was found that the occurrence of trap sites was sufficiently suppressed. Furthermore, the inventor found that when gallium oxide is composed of hexagonal gallium oxide having a lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less and gallium oxide having a cubic structure, the lattice is matched and the trap site is trapped. It was found that the occurrence of was sufficiently suppressed.
また、第1の絶縁膜103は、ε構造の酸化ガリウム若しくはγ構造の酸化ガリウムから構成され、又は、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せから構成されてもよい。
ここで、ε構造の酸化ガリウムは、六方晶の結晶構造であり、そのa軸の結晶格子定数は0.290nmである。また、γ構造の酸化ガリウムは、立方晶の結晶構造であり、(111)面におけるそのa軸の結晶格子定数は0.291nmである。
ちなみに、特許文献1に示された熱酸化の酸化ガリウムは、900℃ドライ酸素雰囲気中で形成されていることから、β-Ga2O3である。β-Ga2O3は単斜晶系であり、その格子定数はa=1.2214nm、b=0.30371nm、c=0.57981nmである。また、α=γ=90°、β=108.83°であって、β-Ga2O3は、ウルツ鉱構造の窒化ガリウムとは格子整合しないものである。
Further, the first insulating
Here, gallium oxide having an ε structure has a hexagonal crystal structure, and its a-axis crystal lattice constant is 0.290 nm. Further, gallium oxide having a γ structure has a cubic crystal structure, and its a-axis crystal lattice constant on the (111) plane is 0.291 nm.
Incidentally, the thermally oxidized gallium oxide shown in
第1の絶縁膜103を構成する酸化ガリウムの結晶面は、半導体層101の結晶面に揃えて配列されているのが好ましい。例えば、半導体層101の窒化ガリウムのミラー指数[0001]の結晶面上に六方系単結晶である酸化ガリウムの結晶面を揃えるように第1の絶縁膜103は形成されていてもよい。
The crystal planes of gallium oxide constituting the first insulating
第1の絶縁膜103の膜厚は、10nm以下であることが好ましい。10nmより大きくすると、形成される酸化ガリウムの結晶において格子不整合が発生しやすく、トラップサイトが増加するからである。更には、第1の絶縁膜103の膜厚は、5nm以下であるであることがより好ましい。このように、第1の絶縁膜103の膜厚をできるだけ小さくすることが好ましい。一方で、第1の絶縁膜103の膜厚は、半導体層101上に酸化ガリウムが確実に形成されるようにするために、酸化ガリウムの一原子層の厚さ以上とする必要がある。また、第1の絶縁膜103の膜厚は、酸化ガリウムの二原子層の厚さ以上とすると欠陥部の発生が少なくなるという効果がある。
The film thickness of the first insulating
第1の絶縁膜103が窒化ガリウムと面内格子定数aが格子整合された酸化ガリウムの結晶を有する場合、第1の絶縁膜103における窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は、95%以上であることが好ましい。また、第1の絶縁膜103が、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する場合、第1の絶縁膜103におけるa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は、95%以上であることが好ましい。この構成にすることにより、窒化ガリウム系半導体層101とゲート電極105の間に形成されるゲート絶縁膜102のトラップサイトの発生が十分に抑制される。
When the first insulating
第1の絶縁膜103が、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せにより構成されている場合、第1の絶縁膜103の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は70%以上90%以下であって、γ構造の酸化ガリウムが占める割合は10%以上30%以下であって、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの合計が占める割合が95%以上100%以下になっていることが好ましい。例えば、第1の絶縁膜103の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は80%であって、第1の絶縁膜103の残余部分である20%をγ構造の酸化ガリウムが占めていてもよい。また、第1の絶縁膜103の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は78%であって、γ構造の酸化ガリウムが占める割合は18%であって、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウム以外が占める割合は4%になるように、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの合計が占める割合が96%であってもよい。この構成にすることにより、窒化ガリウム系半導体層101とゲート電極105の間に形成されるゲート絶縁膜102のトラップサイトの発生が十分に抑制される。
When the first insulating
絶縁体層102の第2の絶縁膜104は、第1の絶縁膜103上に設けられ、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物から形成されている。第2の絶縁膜104の具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどを挙げることができる。
第2の絶縁膜の膜厚は3nm以上100nm以下が好ましく、5nm以上50nm以下がさらに好ましい。3nm以下の場合、トンネル電流が発生しやすくなったり、ゲート耐圧不良が発生しやすくなったりする。100nm以上では電流駆動能力(Gm)などのFETの特性が不十分になりやすい。
The second
The film thickness of the second insulating film is preferably 3 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 50 nm or less. If it is 3 nm or less, tunnel current is likely to occur, and gate withstand voltage failure is likely to occur. At 100 nm or more, FET characteristics such as current drive capability (Gm) tend to be insufficient.
ゲート電極105は、第2の絶縁膜104上に設けられ、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、タングステン(W)、白金(Pt)、金(Au)、銀(Ag)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、亜鉛(Zn)、poly-Si(ポリシリコン)からなる群から選択された少なくとも1つから形成されている。これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。そして、MISFETのゲート電極としての仕事関数、抵抗率、製造プロセス工程での耐熱性、汚染及び加工性を鑑みてこれらの中から最適な材料が選択される。
The
次に、実施の形態1による窒化ガリウム系半導体装置101の製造工程を、製造フローを断面概要図で示した図2を参照しながら説明する。
本明細書において、n又はpは、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n又はpの右肩に記載した+又は-について、+はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、-はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。
Next, the manufacturing process of the gallium nitride based
As used herein, n or p means that electrons or holes are multiple carriers, respectively. Also, for + or-described on the right shoulder of n or p, + means that the carrier concentration is higher than that not described, and-means that the carrier concentration is lower than that not described. do.
以下、説明をわかりやすくするために自立基板111としてn+型GaN単結晶基板を用いた場合を説明する。p型基板を用いた場合は、以下、nをpに、pをnに置き換えればよい。また、本明細書において、「上」及び「上方」とは、自立基板111から半導体層101への向きである第1方向を意味する。
Hereinafter, in order to make the explanation easy to understand, a case where an n + type GaN single crystal substrate is used as the self-supporting
最初に、自立基板111上に半導体層101を形成する(図2(a))。例えば、自立基板111としてn+型GaN単結晶基板を用い、直接接して、半導体層101として、p型GaN層を第1方向に2μm程度の厚みにエピタキシャル形成する。GaNに対するp型不純物の例としてはMg(マグネシウム)を挙げることができる。
First, the
次に、半導体層101の主面に直接接して、主面全面にスクリーン層151を形成する(図2(b))。スクリーン層151としては、例えば、第1方向に20nm程度の厚みを有するSiO2を挙げることができる。スクリーン層151は、イオン注入時に半導体層101に生じるチャネリングを防ぐ機能を有する。
Next, the
その後、半導体層101にスクリーン層151を介して不純物を注入してソース領域107及びドレイン領域108を形成する(図2(c))。この注入は、フォトレジスト層161をマスクにして行うことができるが、マスクレスでイオンを描画注入することもできる。注入する不純物(n型)としては、例えばSiを挙げることができるが、Siに限るものではなくO(酸素)などを用いてもよい。Siを注入する場合は、例えば、45keVで5×1015cm-2注入する。なお、フォトレジスト層161はSiを遮蔽するほど十分に厚いものとし、チャネル形成領域にはSiを注入しないようにする。なお、フォトレジスト層161に代えてSiO2等のハードマスクを用いてもよい。
After that, impurities are injected into the
しかる後、フォトレジスト層161を除去し(図2(d))、引き続きスクリーン層151上に絶縁層152を形成する(図2(e))。これにより、スクリーン層151と絶縁層152からなるキャップ層153を主面上の全体に形成する。
After that, the
仮に、ソース領域107及びドレイン領域108を形成する不純物注入工程の直後にスクリーン層151を一度除去すると、アモルファス状態のソース領域107及びドレイン領域108の表面が露出することとなる。この状態は活性であり、すぐに酸素と結合し酸化ガリウムを形成してしまう。そこで、本例のように、スクリーン層151を除去することなく絶縁層152を積み増す。
If the
他方、スクリーン層151を除去した後に、主面に接して絶縁層152を設けてもよい。この場合、絶縁層152のみがキャップ層153となる。これにより、イオン注入する際にスクリーン層151に混入した不純物を、スクリーン層151と共に除去することができる。
On the other hand, after removing the
絶縁層152としては、例えば、第1方向に480nm程度の厚みを有するSiO2を挙げることができる。スクリーン層151にさらに絶縁層152を積み増すことにより、この場合キャップ層153の厚みは500nm程度となる。なお、キャップ層153としては、Al2O3,SiN及びAlNを用いることもできる。
半導体層101中の不純物をMgとした場合、Al2O3,SiN及びAlNは、SiO2と比較して半導体層101のMgを吸収しにくい。この場合は、キャップ層153に半導体層101の主面近傍におけるMgを吸収させる目的で、キャップ層153としてSiO2を用いることが望ましい。
As the insulating
When the impurity in the
その後、アニールを行う。アニールの温度は、例えば、1050℃以上1200℃以下を挙げることができる。雰囲気ガスとしてはAr(アルゴン)及び/又はN2(窒素)などを挙げることができるが、このガスに限るものではない。 After that, annealing is performed. The annealing temperature can be, for example, 1050 ° C or higher and 1200 ° C or lower. Examples of the atmospheric gas include Ar (argon) and / or N 2 (nitrogen), but the gas is not limited to this gas.
キャップ層20は、このアニール段階において、半導体層101中の不純物(例えばMg)を吸収することができる。半導体層101としてMgを不純物とするp型GaN層とした場合は、半導体層101中のp型の不純物濃度が実質的に低下するので、n型のソース領域16及びドレイン領域18を低抵抗にすることができる。なお、キャップ層153にSiO2を用いた場合、Siを含んでいるので、キャップ層153はSiを吸収しない。
The
その後、キャップ層153を除去する(図2(f))。アニールを行ったことでソース領域107及びドレイン領域108は再結晶化している。仮に、アニール前にキャップ層153を除去すると、ソース領域107及びドレイン領域108がキャップ層153と共に剥離する可能性がある。アニール後にキャップ層153を除去すると、ソース領域107及びドレイン領域108の剥離を防止することができる。
After that, the
次に、主面上に第1の絶縁膜103及び第2の絶縁膜104を順次形成し、絶縁膜103及び第2の絶縁膜104からなる絶縁体層102を形成する(図2(g))。
ここで、第1の絶縁膜103は、上述の窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する絶縁膜である。又は、第1の絶縁膜103は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する絶縁膜である。
Next, the first insulating
Here, the first insulating
又は、第1の絶縁膜103は、酸化ガリウムの結晶を含む絶縁膜であって、例えば、上述のε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する絶縁膜である。
一般に、酸化ガリウムの結晶はβ構造が安定構造で、ε構造やγ構造は準安定構造とされているが、第1の絶縁膜103をε構造やγ構造の酸化ガリウムの結晶とすることで、ゲート絶縁膜として好適なトラップサイトの少ない良好な界面状態の絶縁膜103を形成することができる。
Alternatively, the first insulating
Generally, the β structure of a gamma oxide crystal is a stable structure, and the ε structure and the γ structure are semi-stable structures. However, by using the first insulating
第1の絶縁膜103を形成する第1の方法は、窒化ガリウムを含む半導体層101の表面を、硫酸、過酸化水素水、アンモニア、弗酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化カリウムからなる群から選択された少なくとも1つの化学溶液によって酸化させる方法である。
この酸化方法としては、SC1(Standard Cleaning solution 1)(NH4OH(アンモニア水)-H2O2(過酸化水素)-H2O(水))、SC2(Standard Cleaning solution 2)(HCl(塩酸)-H2O2-H2O)、SPM(Sulfuric acid hydrogen Peroxide Mixture)(H2SO4(硫酸)-H2O2-H2O)、バッファードフッ酸溶液(Buffered Hydrogen Fluoride:BHF)など通常は洗浄として用いられる方法を挙げることができる。バッファードフッ酸溶液は通常酸化膜を除去する方法として知られているが、除去とともに生成される窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜や、ε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する酸化膜は、第1の絶縁膜103として好適な膜となる。
In the first method of forming the first insulating
Examples of this oxidation method include SC1 (Standard Cleaning solution 1) (NH 4 OH (hydrogen water) -H 2 O 2 (hydrogen hydrogen) -H 2 O (water)), SC2 (Standard Cleaning solution 2) (HCl (HCl). Hydrochloride) -H 2 O 2 -H 2 O), SPM (Sulfuric acid hydrogen Peroxide Mixture) (H 2 SO 4 (sulfuric acid) -H 2 O 2 -H 2 O), Buffered Hydrogen Fluoride: BHF) and the like, which are usually used for cleaning, can be mentioned. A buffered hydrofluoric acid solution is usually known as a method for removing an oxide film, but an oxide film having gallium oxide crystals in which gallium nitride and the in-plane lattice constant a are matched with the gallium nitride produced by the removal, or an oxide film having an ε structure can be used. An oxide film having gallium oxide and / or gallium oxide having a γ structure is a suitable film as the first insulating
この第1の方法によると、第1の絶縁膜103の結晶面(酸化ガリウムの結晶面)は半導体層101表面の結晶面に揃えて配列される。このため、トラップの少ない良質な絶縁膜102を形成する上で第1の方法は特に好ましい。
According to this first method, the crystal planes (crystal planes of gallium oxide) of the first insulating
なお、この第1の方法に際し、光照射を併用してもよい(Photo-Elctrochemical Oxidation)。例えば、水酸化カリウム、リン酸、グリコール、等の化学溶液に半導体層101を浸し、半導体層101の表面に波長280nm以上380nm未満の紫外線(UV)光や波長190nm以上280nm未満の遠視外光(DUV)を照射することによって、半導体層101の表面を酸化させて第1の絶縁膜103を形成してもよい。
また、第1の方法は、常温か加熱処理が加わっても280℃以下の処理であるため、熱酸化処理に比べて熱負荷が少ないという特徴がある。大きな熱負荷が加わると、注入された不純物のプロファイルが変化したり、応力が発生するなどの問題を生じやすい。
In addition, light irradiation may be used together with this first method (Photo-Erctrochemical Oxidation). For example, the
Further, the first method is characterized in that the heat load is smaller than that of the thermal oxidation treatment because the treatment is at room temperature or at 280 ° C. or lower even if heat treatment is applied. When a large heat load is applied, problems such as a change in the profile of the injected impurities and stress are likely to occur.
第1の絶縁膜103を形成する第2の方法は、半導体層101の表面を、500℃以下の雰囲気においてプラズマ酸化処理することによって酸化させ、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成する方法である。また、半導体層101の表面を、500℃以下の雰囲気においてオゾン酸化処理することによって酸化させて、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成してもよい。
In the second method of forming the first insulating
第1の絶縁膜103を形成する第3の方法は、半導体層101の表面上に、700℃以下の雰囲気において電子ビーム蒸着法及び/又は分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させる方法である。また、半導体層101の表面上に、870℃以下の雰囲気において化学的気相成長(Chemical Vapor Deposition:CVD)法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、半導体層101の表面上に、700℃以下の雰囲気においてハイドライド気相成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy:HVPE)法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、半導体層101の表面上に、500℃以下の雰囲気において原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させもよい。また、半導体層101の表面上に、500℃以下の雰囲気においてスパッタリング法によって酸化ガリウムを堆積させ、その後アニールを行って窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
A third method for forming the first insulating
なお、これらの第1の絶縁膜の形成において酸素リッチな条件で成膜すると、ε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムが形成される。 When the first insulating film is formed under oxygen-rich conditions, gallium oxide having an ε structure and / or gallium oxide having a γ structure is formed.
第1の絶縁膜103を形成する第4の方法は、半導体層101の表面上に、500℃以上の熱処理により酸化ガリウムを形成し、その後エッチングを行ってこの酸化ガリウムの厚さを10nm以下にして、第1の絶縁膜を形成する方法である。
In the fourth method of forming the first insulating
第2の絶縁膜104は、Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti、Ga、Y、Sc、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を、スパッタリング法、CVD法、ALD法などで形成する。第2の絶縁膜104の具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどが挙げられるが、例えば、第2の絶縁膜としてAl2O3をスパッタリング法で形成する場合は、ターゲットとしてAlを用い、酸素ガス中でDCスパッタリングを行うこともできるし、ターゲットとしてAl2O3を用いてRFスパッタリングを行うこともできる。また、トリメチルアルミニウムを用いたALD法により形成することもできる。
The second
その後、絶縁体層102の上にゲート電極105を形成する(図2(h))。
ゲート電極105は、ゲート電極を構成するゲート材料を絶縁体層102の全面に堆積後、所望のパターンを有するフォトレジスト層をリソグラフィによって形成し、そのフォトレジスト層をエッチングマスクにしてゲート材料をエッチングして形成する。ゲート電極材料としては、Al、Ti、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Zn、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つから形成されている。これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。ゲート電極材料の堆積方法としては、スパッタリング法、電子線を利用した蒸着法、加熱による蒸着法、CVD法などがある。この方法は、ゲート電極加工精度が高いという特徴がある。
また、リフトオフ用のフォトレジスト層を形成したのち、電子線を利用した蒸着方法、加熱による蒸着法、スパッタリング法、CVD法などによりゲート材料を堆積させ、フォトレジスト層を剥離することによりゲート電極105を形成してもよい。この方法は、エッチングによる半導体装置へのダメージが入らないという特徴がある。
また、ゲート電極を形成する場所を開口部とした層間膜を絶縁体層102の上に形成し、ゲート電極材料を堆積させた後、CMP(Chemical Mechanical Polishinng)法やエッチバック法などでゲート絶縁材料を層間膜の開口部に埋め込んでゲート電極105を形成してもよい。この方法は、エッチングが難しい電極材料を用いた場合においても、十分精度の高い加工が可能になるとともに、エッチングによる半導体装置へのダメージも入りにくいという特徴がある。
After that, the
In the
Further, after forming a photoresist layer for lift-off, a gate material is deposited by a vapor deposition method using an electron beam, a vapor deposition method by heating, a sputtering method, a CVD method, or the like, and the photoresist layer is peeled off to form a
Further, an interlayer film having an opening at a place where the gate electrode is formed is formed on the
その後、ソース電極109及びドレイン電極110を形成する(図2(i))。この際、ソース電極109及びドレイン電極110部の絶縁体層102には開口を予めエッチングにより開けておき、ソース電極109とソース領域107及びドレイン電極110とドレイン領域108が電気的に接触するようにしておく。この電気的接触においては、オーミックコンタクトが好ましい。ソース電極109及びドレイン電極110は、Ti(チタン)及びAl(アルミニウム)の積層体であってよいが、これに限るものではない。ソース電極109及びドレイン電極110としては、Al、Tiのほか、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Zn、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つから形成されていてもよい。また、これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。
以上の工程により、MISFET100が製造される。
After that, the
The
第1の実施の形態の製造方法によるMISFET100は、ゲート電極105を形成する前に半導体層101の不純物やそのプロファイルにとって所望の熱処理を行えることから、所定の電気特性を得やすいという特徴がある。
The
<実施の形態2>
第2の実施の形態の半導体装置は、第1の実施の形態と同じく横型のMISFETである窒化ガリウム系の半導体装置100であるが、その製造方法が第1の実施の形態と異なる。その製造方法を断面概要図で示した図3を参照しながら説明する。
<
The semiconductor device of the second embodiment is a gallium nitride based
最初に、自立基板111上に半導体層101を形成する(図3(a))。
次に、半導体層101の主面上に第1の絶縁膜103及び第2の絶縁膜104を順次形成し、絶縁膜103及び第2の絶縁膜104からなる絶縁体層102を形成する(図3(b))。
ここで、第1の絶縁膜103は、酸化ガリウムの結晶を含む絶縁膜であり、例えば、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又は上述のε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する絶縁膜である。
第1の絶縁膜103を窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造やγ構造の酸化ガリウムとすることで、ゲート絶縁膜として好適なトラップサイトの少ない良好な界面状態の絶縁膜103を形成することができる。
First, the
Next, the first insulating
Here, the first insulating
The first
第1の絶縁膜103を形成する第1の方法は、窒化ガリウムを含む半導体層101の表面を、硫酸、過酸化水素水、アンモニア、弗酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化カリウムからなる群から選択された少なくとも1つの化学溶液によって酸化させる方法である。
この酸化方法としては、SC1、SC2、SPM、バッファードフッ酸溶液など通常は洗浄として用いられる方法を挙げることができる。
この第1の方法によると、第1の絶縁膜103の結晶面は半導体層101表面の結晶面に揃えて配列される。このため、トラップの少ない良質な絶縁膜102を形成する上で第1の方法は特に好ましい。
In the first method of forming the first insulating
Examples of this oxidation method include methods usually used for washing such as SC1, SC2, SPM, and buffered hydrofluoric acid solution.
According to this first method, the crystal planes of the first insulating
なお、この第1の方法に際し、光照射を併用してもよい。例えば、水酸化カリウム、リン酸、グリコール、等の化学溶液に半導体層101を浸し、半導体層101の表面に波長280nm以上380nm未満の紫外線(UV)光や波長190nm以上280nm未満の遠視外光(DUV)を照射することによって、半導体層101の表面を酸化させて第1の絶縁膜103を形成してもよい。
また、第1の方法は、常温か加熱処理が加わっても280℃以下の処理であるため、熱酸化処理に比べて熱負荷が少ないという特徴がある。大きな熱負荷が加わると、注入された不純物のプロファイルが変化したり、応力が発生するなどの問題を生じやすい。
In addition, light irradiation may be used together with this first method. For example, the
Further, the first method is characterized in that the heat load is smaller than that of the thermal oxidation treatment because the treatment is at room temperature or at 280 ° C. or lower even if heat treatment is applied. When a large heat load is applied, problems such as a change in the profile of the injected impurities and stress are likely to occur.
第1の絶縁膜103を形成する第2の方法は、半導体層101の表面を、500℃以下の雰囲気においてプラズマ酸化処理することによって酸化させ、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成する方法である。また、半導体層101の表面を、500℃以下の雰囲気においてオゾン酸化処理することによって酸化させて、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成してもよい。
In the second method of forming the first insulating
第1の絶縁膜103を形成する第3の方法は、半導体層101の表面上に、700℃以下の雰囲気において電子ビーム蒸着法及び/又はMBE法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させる方法である。また、半導体層101の表面上に、870℃以下の雰囲気においてCVD法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、半導体層101の表面上に、700℃以下の雰囲気においてHVPE法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、半導体層101の表面上に、500℃以下の雰囲気においてALD法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させもよい。また、半導体層101の表面上に、500℃以下の雰囲気においてスパッタリング法によって酸化ガリウムを堆積させ、その後アニールを行って窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
In the third method of forming the first insulating
第1の絶縁膜103を形成する第4の方法は、半導体層101の表面上に、500℃以上870℃以下の熱処理により酸化ガリウムを形成し、その後エッチングを行ってこの酸化ガリウムの厚さを10nm以下にして、第1の絶縁膜を形成する方法である。
In the fourth method of forming the first insulating
第2の絶縁膜104は、Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti、Ga、Y、Sc、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を、スパッタリング法、CVD法、ALD法などで形成する。第2の絶縁膜104の具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどが挙げられるが、例えば、第2の絶縁膜としてAl2O3をスパッタリング法で形成する場合は、ターゲットとしてAlを用い、酸素ガス中でDCスパッタリングを行うこともできるし、ターゲットとしてAl2O3を用いてRFスパッタリングを行うこともできる。また、トリメチルアルミニウムを用いたALD法により形成することもできる。
The second
その後、絶縁体層102の上にゲート電極105を形成する(図3(c))。
ゲート電極105は、ゲート電極を構成するゲート材料を絶縁体層102の全面に堆積後、所望のパターンを有するフォトレジスト層をリソグラフィによって形成し、そのフォトレジスト層をエッチングマスクにしてゲート材料をエッチングして形成する。ゲート電極材料としては、Al、Ti、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Zn、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つから形成されている。これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。ゲート電極材料の堆積方法としては、スパッタリング法、電子線を利用した蒸着法、加熱による蒸着法、CVD法などがある。この方法は、ゲート電極加工精度が高いという特徴がある。
また、リフトオフ用のフォトレジスト層を形成したのち、電子線を利用した蒸着方法、加熱による蒸着法、スパッタリング法、CVD法などによりゲート材料を堆積させ、フォトレジスト層を剥離することによりゲート電極105を形成してもよい。この方法は、エッチングによる半導体装置へのダメージが入らないという特徴がある。
また、ゲート電極を形成する場所を開口部とした層間膜を絶縁体層102の上に形成し、ゲート電極材料を堆積させた後、CMP法やエッチバック法などでゲート絶縁材料を層間膜の開口部に埋め込んでゲート電極105を形成してもよい。この方法は、エッチングが難しい電極材料を用いた場合においても、十分精度の高い加工が可能になるとともに、エッチングによる半導体装置へのダメージも入りにくいという特徴がある。
After that, the
In the
Further, after forming a photoresist layer for lift-off, a gate material is deposited by a vapor deposition method using an electron beam, a vapor deposition method by heating, a sputtering method, a CVD method, or the like, and the photoresist layer is peeled off to form a
Further, an interlayer film having an opening at a place where the gate electrode is formed is formed on the
その後、ゲート電極をマスクにして半導体層101に不純物を注入し、ソース領域107及びドレイン領域108を形成する(図3(d))。注入する不純物などは実施の形態1と同じである。
After that, impurities are injected into the
しかる後、ソース電極109及びドレイン電極110を形成する(図3(e))。この際、ソース電極109及びドレイン電極110部の絶縁体層102には開口を予めエッチングにより開けておき、ソース電極109とソース領域107及びドレイン電極110とドレイン領域108が電気的に接触するようにしておく。この電気的接触においては、オーミックコンタクトが好ましい。ソース電極109及びドレイン電極110は、Ti(チタン)及びAl(アルミニウム)の積層体であってよいが、これに限るものではない。ソース電極109及びドレイン電極110としては、Al、Tiのほか、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Zn、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つから形成されていてもよい。また、これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。
以上の工程により、MISFET100が製造される。
After that, the
The
第2の実施の形態の製造方法によるMISFET100は、ゲート電極105をマスクにしてセルフアラインでソース領域107、ドレイン領域108、及びチャンネル領域が形成されるため、微細化を行ったときに各寸法の精度が出しやすいという特徴がある。このため、第2の実施の形態の製造方法は、高集積化を行う上で好適な方法である。
In the
<実施の形態3>
第3の実施の形態では、図4から図6を参照して、縦型のMISFET300について説明する。
<
In the third embodiment, the
本明細書において、ゲート電極340が設けられる側のn型半導体基板350の面を便宜的に表面と称し、ドレイン電極346が設けられる側のn型半導体基板350の面を便宜的に裏面と称する。また、裏面から表面に向かう方向を表面方向と称し、表面から裏面に向かう方向を裏面方向と称する。層又は膜の表面方向の側の面を表面側と称し、裏面方向の側の面を裏面側と称する。
また、本明細書において、n又はpは、それぞれ電子又は正孔が多数キャリアであることを意味する。また、n又はpの右肩に記載した+又は-について、+はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、-はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。
なお、本明細書においては、第1導電型をp型又はp+型とし、第2導電型をn型又はn+型とする。ただし、他の例においては、第1導電型をn型又はn+型とし、第2導電型をp型又はp+型としてもよい。
In the present specification, the surface of the n-
Further, in the present specification, n or p means that electrons or holes are a large number of carriers, respectively. Also, for + or-described on the right shoulder of n or p, + means that the carrier concentration is higher than that not described, and-means that the carrier concentration is lower than that not described. do.
In the present specification, the first conductive type is referred to as p-type or p + type, and the second conductive type is referred to as n-type or n + type. However, in another example, the first conductive type may be n type or n + type, and the second conductive type may be p type or p + type.
縦型MISFET300は、n型半導体基板350に設けられる(図6(c)参照)。n型半導体基板350の表面の一部にはソース電極344が設けられる。また、n型半導体基板350の表面の他の一部にはゲート絶縁膜となる絶縁体層342が設けられる。ゲート絶縁膜(絶縁体層)342の表面側にゲート電極340が設けられる。ソース電極344は、ゲート絶縁膜342及びゲート電極340を挟むように又は囲むように設けられてよい。
The
ゲート絶縁膜342は、第1の絶縁膜351と第2の絶縁膜352の積層膜であり、第1の絶縁膜351はn型半導体基板350側に設けられる。
The
第1の絶縁膜351は、酸化ガリウムの結晶を含む絶縁膜であり、特に、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム若しくはγ構造の酸化ガリウムから構成されるかε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せから構成されている膜であることが好ましい。
The first
また、第1の絶縁膜351の結晶面が、n型半導体基板350の結晶面に揃えて配列されている。例えば、n型半導体基板350の窒化ガリウムのミラー指数[0001]の結晶面上に六方晶系単結晶である酸化ガリウムの結晶面を揃えるように第1の絶縁膜351は形成されていてよい。
Further, the crystal planes of the first insulating
第1の絶縁膜351の膜厚は、10nm以下であることが好ましい。10nmより大きくすると、形成される酸化ガリウムにおいて格子不整合が発生しやすく、トラップサイトが増加するからである。更には、第1の絶縁膜351の膜厚は、5nm以下であるであることがより好ましい。このように、第1の絶縁膜351の膜厚をできるだけ小さくすることが好ましい。一方で、第1の絶縁膜351の膜厚は、n型半導体基板350上に酸化ガリウムの結晶が確実に形成されるようにするために、酸化ガリウムの一原子層以上の厚さとする必要がある。また、第1の絶縁膜351の膜厚は、酸化ガリウムの二原子層以上の厚さとすると欠陥部の発生が少なくなくなるという効果がある。
The film thickness of the first insulating
第1の絶縁膜351が窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する場合、第1の絶縁膜351における窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は、95%以上であることが好ましい。また、第1の絶縁膜351が、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する場合、第1の絶縁膜351におけるa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶が占める体積の割合は、95%以上であることが好ましい。この構成にすることにより、窒化ガリウム系半導体層であるn型半導体基板350とゲート電極105の間に形成されるゲート絶縁膜342のトラップサイトの発生が十分に抑制される。
When the first insulating
また、第1の絶縁膜351が、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの組合せにより構成されている場合、第1の絶縁膜351の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は70%以上90%以下であって、γ構造の酸化ガリウムが占める割合は10%以上30%以下であって、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの合計が占める割合が95%以上100%以下になっていることが好ましい。例えば、第1の絶縁膜103の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は80%であって、第1の絶縁膜351の残余部分である20%をγ構造の酸化ガリウムが占めていてもよい。また、第1の絶縁膜351の体積において、ε構造の酸化ガリウムが占める割合は78%であって、γ構造の酸化ガリウムが占める割合は18%であって、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウム以外が占める割合は4%になるように、ε構造の酸化ガリウム及びγ構造の酸化ガリウムの合計が占める割合が96%であってもよい。この構成にすることにより、窒化ガリウム系半導体層であるn型半導体基板350とゲート電極105の間に形成されるゲート絶縁膜342のトラップサイトの発生が十分に抑制される。
When the first insulating
ゲート絶縁膜342の第2の絶縁膜352は、第1の絶縁膜351上に設けられ、Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti、Ga、Y、Sc、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物から形成されている。第2の絶縁膜104の具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどを挙げることができる。
第2の絶縁膜の膜厚は3nm以上100nm以下が好ましく、5nm以上50nm以下がさらに好ましい。3nm以下の場合、トンネル電流が発生しやすくなったり、ゲート耐圧不良が発生しやすくなったりする。100nm以上では電流駆動能力(Gm)などのFETの特性が不十分になりやすい。
The second
The film thickness of the second insulating film is preferably 3 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 50 nm or less. If it is 3 nm or less, tunnel current is likely to occur, and gate withstand voltage failure is likely to occur. At 100 nm or more, FET characteristics such as current drive capability (Gm) tend to be insufficient.
n型半導体基板350の裏面にはドレイン電極346が設けられる。n型半導体基板350の裏面側であって、ドレイン電極346と接する領域にはn+型半導体層332が設けられる。n+型半導体層332は、所定の厚みを有してよい。n+型半導体層332は、ドレイン電極346との接触抵抗を下げるべく、n型半導体基板350中の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する。
A
縦型MISFET300は、第2導電型のドリフト層としてのn型ドリフト層330と、n型ドリフト層330の表面側に設けられた電流遮断層320を有する。n型半導体基板350は、電流遮断層320の表面側に設けられた第1導電型の半導体層としてのp型半導体層310をさらに有する。p型半導体層310は、GaNである。
The
本例の電流遮断層320は、p型であり、且つ、p型半導体層310よりも不純物の濃度が高い。本例のp型半導体層310は、電流遮断層320に接して設けられたエピタキシャル層である。本例のように、電流遮断層320がp+型半導体層である場合には、電流遮断層320とp型半導体層310とは電気的に接続されている。
The
電流遮断層320は、n型ソース側領域312の裏面側の端部と、n型のドリフト層330の間に位置して、ソース電極344からn型ソース側領域312の裏面側の端部を通ってドレイン電極346に流れる電流を遮断する。なお、他の例においては、電流遮断層320は、絶縁層であってもよい。ただし、電流遮断層320が絶縁層ではなく半導体領域である場合において、ドレイン電極からソース電極へ大電流が流れる場合、電流遮断層320は電流を流すことがある。
The
p型半導体層310は、第2導電型のソース側領域及びドレイン側領域としての、n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を有する。n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314は、p型半導体層310の表面において互いに離間して設けられる。
The p-
n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314は、p型半導体層310において同一の深さまで形成されている。なお、n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を形成するに当たり、不純物ドーピングプロセスは一度だけ行われる。当該一度の不純物ドーピングプロセスにおいて、n型ソース側領域312とn型ドレイン側領域314との間の距離により、チャネル長343が規定される。なお、チャネル長343は、ゲート絶縁膜の裏面側におけるp型半導体層310の一部の領域である。
The n-type
p型半導体層310の裏面側にある電流遮断層320の更に裏面側において、n型ドリフト層330はn型ドレイン側領域314の裏面側の端部に接する。これに対して、電流遮断層320の存在により、n型ドリフト層330はn型ソース側領域312の裏面側の端部には接していない。
On the back surface side of the
ドレイン電極346及びゲート電極340をLow電位とするオフ条件において、電流遮断層320とn型ドリフト層330と間の空乏層、及び、電流遮断層320とn型ドレイン側領域314との間の空乏層が拡大する。空乏層は、n型ドリフト層330とn型ドレイン側領域314の裏面側の端部との間全体にまで達する。これにより、オフ条件におけるドレイン電極346からソース電極344への電流は確実に遮断される。
The depletion layer between the
縦型MISFET300は、第2導電型のコンタクト層としてのn+型コンタクト層318をさらに備える。n+型コンタクト層318は、n型半導体基板350とソース電極344との接触抵抗を下げるべく設けられる。同じ目的で、ソース電極344の裏面側にp+型コンタクト層316が設けられる。
The
n+型コンタクト層318は、少なくとも一部がn型ソース側領域312に形成される。n+型コンタクト層318は、n型ドレイン側領域314及びn型ソース側領域312のいずれよりも不純物の濃度が高い。
At least a part of the n +
本例では、n型ドレイン側領域314からn+型コンタクト層318までの距離L2は、n型ドレイン側領域314からn型ソース側領域312までの距離L1より大きい。つまり、L1<L2である。
In this example, the distance L2 from the n-type
なお、距離L2は、n型半導体基板350の表面におけるn型ドレイン側領域314からn+型コンタクト層318までの最短距離であってよい。又は、距離L2は、n+型コンタクト層318の裏面側端部の深さ位置における、n型ドレイン側領域314からn+型コンタクト層318までの最短距離であってよい。
The distance L2 may be the shortest distance from the n-type
また、距離L1は、n型半導体基板350の表面におけるn型ドレイン側領域314からn型ソース側領域312までの最短距離であってよい。又は、距離L1は、n+型コンタクト層318の裏面側端部の深さ位置における、n型ドレイン側領域314からn型ソース側領域312までの最短距離であってよい。
Further, the distance L1 may be the shortest distance from the n-type
本例の縦型MISFET300において、n+型コンタクト層318は、チャネル長を規定することに全く関与しない。チャネル長は、n型ソース側領域312とn型ドレイン側領域314との間の距離によってのみ規定される。それゆえ、本例の縦型MISFET300においては、チャネル長を精密に制御することができる。つまり、本例の縦型MISFET300は、チャネル長の制御性に優れる。
In the
なお他の例では、n型ドレイン側領域314からn+型コンタクト層318までの距離L2は、n型ドレイン側領域314からn型ソース側領域312までの距離L1以上であるとしてもよい。上記記載から自明であるが、当該他の例では、L1=L2としてもよい。この場合も、n+型コンタクト層318は、チャネル長を規定することに全く関与しない。なお、n+型コンタクト層318の製造時の精度は、L1<L2の場合よりもL1=L2の場合の方が高い精度が要求される。それゆえ、L1<L2の場合の方が、製造がより容易である。
In another example, the distance L2 from the n-type
また、更に他の例では、n+型コンタクト層318は、n型ソース側領域312からn型ドレイン側領域314とは反対方向に延びて形成されてもよい。つまり、ソース電極344は、p+型コンタクト層316ではなくn+型コンタクト層318と主に接してもよい。なお、n型ドレイン側領域314の表面には、n型ドレイン側領域314よりも不純物の濃度が高いコンタクト層は形成されていない。
Further, in still another example, the n +
次に、縦型MISFET300の製造方法を説明する。
上述の様に、n型半導体基板350は、GaNである。p型不純物はマグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)又はベリリウム(Be)であってよく、n型不純物はシリコン(Si)又は酸素(O)であってよい。図4から図6においては、n型半導体基板350がGaNである例を説明する。
Next, a method of manufacturing the
As described above, the n-
図4(a)は、電流遮断層320を形成する段階を示す図である。まず、GaNのn型半導体基板350の表面にパターニングされたフォトレジスト層360を形成する。フォトレジスト層360は、紙面に対して垂直な方向に伸びた直線形状であってよく、矩形のアイランド形状であってもよい。
FIG. 4A is a diagram showing a stage of forming the
次に、フォトレジスト層360をマスクとしてn型半導体基板350の表面側からp型不純物をドープする。フォトレジスト層360を設けた領域以外の領域には、p型不純物がドープされる。p型不純物は、予め定められた範囲の深さで一定の不純物濃度であるボックスプロファイルを構成する。
Next, the
p型不純物は、Mgであってよい。トータルドーズ量は1×1014以上5×1015cm-2以下であってよい。p型不純物は、n型半導体基板350の表面から裏面方向に0.5μmの深さだけドープされてよい。なお、n型半導体基板350の厚み及び不純物濃度は、耐圧に応じて適宜定めてよい。
The p-type impurity may be Mg. The total dose amount may be 1 × 10 14 or more and 5 × 10 15 cm -2 or less. The p-type impurities may be doped to a depth of 0.5 μm from the front surface of the n-
p型不純物をドープした後、1000℃以上1500℃以下でアニールを行う。これにより、電流遮断層320を形成する。なお、電流遮断層320は、後述のp型半導体層310よりもp型の不純物濃度が高いp+型半導体層である。
After doping with p-type impurities, annealing is performed at 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. As a result, the
図4(b)は、p型半導体層310を形成する段階を示す図である。電流遮断層320を形成する段階の後に、フォトレジスト層360をアッシングや剥離液などにより除去し、しかる後、電流遮断層320上にp型半導体層310を形成する。本例では、p型半導体層310を形成する段階において、電流遮断層320上にp型半導体層10をエピタキシャル成長により形成する。エピタキシャル成長したp型半導体層310は、0.5μm以上2.0μm以下の厚みとしてよく、1×1017cm-3のp型不純物を含んでよい。
FIG. 4B is a diagram showing a stage of forming the p-
図4(c)は、n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を同時に形成する段階を示す図である。p型半導体層310を形成する段階の後に、n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を同時に形成する。本例では、まず、n型半導体基板350の表面にパターニングされたフォトレジスト層362を設ける。フォトレジスト層362は断面視上において互いに離間されて設けられる。フォトレジスト層362は、平面視した場合に、ストライプ形状であってよいし、正方形セル形状又は六角形セル形状であってもよい。
FIG. 4C is a diagram showing a stage of simultaneously forming the n-type
次に、フォトレジスト層362をマスクとしてn型半導体基板350の表面側からn型不純物をドープする。フォトレジスト層362を設けた領域以外の領域はn型不純物がドープされる。n型不純物はボックスプロファイルを構成してよい。n型不純物は、Si又はOであってよい。トータルドーズ量は5×1012以上1×1014cm-2以下としてよい。
Next, the
n型不純物をドープした後、アニールを行う。これによりn型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を同時に形成する。形成されたn型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314は、p型半導体層310の表面において互いに離間する。これにより、チャネル長343が規定される。チャネル長343は0.5μm以上2.0μm以下であってよい。
After doping with n-type impurities, annealing is performed. As a result, the n-type
なお、ドープされたn型不純物は、アニール時にp型半導体層310内を拡散する。アニール後においては、n型ソース側領域312の裏面側端部は電流遮断層320に達する。また、n型ドレイン側領域314の裏面側端部はn型ドリフト層330に達する。
The doped n-type impurities diffuse in the p-
図5(a)は、p+型コンタクト層316を形成する段階を示す図である。n型ソース側領域312及びn型ドレイン側領域314を同時に形成する段階の後に、p+型コンタクト層316を形成する。まず、n型半導体基板350の表面にパターニングされたフォトレジスト層364を設ける。本例のフォトレジスト層364は、断面視上において、n型ドレイン側領域314を完全に覆い、かつ、n型ソース側領域312を部分的に覆うように形成される。フォトレジスト層364は、平面視した場合に、ストライプ形状であってよいし、正方形セル形状又は六角形セル形状であってもよい。
FIG. 5A is a diagram showing a stage of forming the p +
次に、フォトレジスト層364をマスクとしてn型半導体基板350の表面側からp型不純物をドープする。この段階でドープするp型不純物は、p型半導体層310よりも高い不純物濃度とする。これにより、フォトレジスト層364を設けた領域以外の領域はp+型となる。p型不純物をドープした後、アニールを行う。これによりp+型コンタクト層316を形成する。
Next, the
図5(b)は、n+型コンタクト層318を形成する段階を示す図である。p+型コンタクト層316を形成する段階の後に、n+型コンタクト層318を形成する。まず、n型半導体基板350の表面にパターニングされたフォトレジスト層366を設ける。フォトレジスト層366は、少なくともn型ソース側領域312に開口を有する。本例のフォトレジスト層366は、断面視上において、平面視した場合に、ストライプ形状であってよいし、正方形セル形状又は六角形セル形状であってもよい。
FIG. 5B is a diagram showing a stage of forming the n +
ただし、フォトレジスト層366の開口のうちn型ドレイン側領域314側の開口端部367は、n型ソース側領域312のn型ドレイン側領域314側の表面側端部313よりもn型ドレイン側領域314の側には設けない。フォトレジスト層366の開口のうちn型ドレイン側領域314側の開口端部367は、n型ソース側領域312のn型ドレイン側領域314側の表面側端部313と一致してもよい。
However, of the openings of the
次に、フォトレジスト層366をマスクとしてn型半導体基板350の表面側からn型不純物をドープする。フォトレジスト層366を設けた領域以外の領域はn型不純物がドープされる。n型不純物は、0.2μmの深さのボックスプロファイルを構成してよい。n型不純物は、Si又はOであってよい。トータルドーズ量は5×1015cm-2としてよい。
Next, the
n型不純物をドープした後、アニールを行う。これにより、n型ドレイン側領域314及びn型ソース側領域312のいずれよりも不純物の濃度が高いn+型コンタクト層318の少なくとも一部を、n型ソース側領域312に形成する。また、n型ドレイン側領域314からn+型コンタクト層318までの距離L2は、n型ドレイン側領域314からn型ソース側領域312までの距離L1以上とする。
After doping with n-type impurities, annealing is performed. As a result, at least a part of the n +
なお変形例として、図4(a)から図5(b)の段階におけるアニールは、図5(b)におけるn+型コンタクト層318を形成するアニールを行う際に、一括して行ってもよい。これにより、製造工程時間を短縮することができる。
As a modification, the annealing at the stage of FIGS. 4A to 5B may be performed collectively when the annealing for forming the n +
次に、図5(c)に示すように、n型半導体基板350の表面に第1の絶縁膜351及び第2の絶縁膜352を順次形成し、第1の絶縁膜351及び第2の絶縁膜352からなるゲート絶縁膜342を形成する。
ここで、第1の絶縁膜351は、酸化ガリウムの結晶を含む絶縁膜であり、特に、上述の窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜や、ε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する絶縁膜であることが好ましい。
第1の絶縁膜351を窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜や、ε構造やγ構造の酸化ガリウムとすることで、ゲート絶縁膜として好適なトラップサイトの少ない良好な界面状態のゲート絶縁膜342を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, a first
Here, the first insulating
By using the first insulating
第1の絶縁膜351を形成する第1の方法は、n型半導体基板350の表面を、硫酸、過酸化水素水、アンモニア、弗酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化カリウムからなる群から選択された少なくとも1つの化学溶液によって酸化させる方法である。
この酸化方法としては、SC1、SC2、SPM、バッファードフッ酸溶液など通常は洗浄として用いられる方法を挙げることができる。
この第1の方法によると、第1の絶縁膜351の結晶面はn型半導体基板350表面の結晶面に揃えて配列される。このため、トラップの少ない良質なゲート絶縁膜342を形成する上で第1の方法は特に好ましい。
In the first method of forming the first insulating
Examples of this oxidation method include methods usually used for washing such as SC1, SC2, SPM, and buffered hydrofluoric acid solution.
According to this first method, the crystal planes of the first insulating
なお、この第1の方法に際し、光照射を併用してもよい。例えば、水酸化カリウム、リン酸、グリコール、等の化学溶液にn型半導体基板350を浸し、n型半導体基板350の表面に波長280nm以上380nm未満の紫外線(UV)光や波長190nm以上280nm未満の遠視外光(DUV)を照射することによって、n型半導体基板350の表面を酸化させて第1の絶縁膜351を形成してもよい。
また、第1の方法は、常温か加熱処理が加わっても280℃以下の処理であるため、熱酸化処理に比べて熱負荷が少ないという特徴がある。大きな熱負荷が加わると、注入された不純物のプロファイルが変化したり、応力が発生するなどの問題を生じやすい。
In addition, light irradiation may be used together with this first method. For example, the n-
Further, the first method is characterized in that the heat load is smaller than that of the thermal oxidation treatment because the treatment is at room temperature or at 280 ° C. or lower even if heat treatment is applied. When a large heat load is applied, problems such as a change in the profile of the injected impurities and stress are likely to occur.
第1の絶縁膜351を形成する第2の方法は、n型半導体基板350の表面を、500℃以下の雰囲気においてプラズマ酸化処理することによって酸化させ、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成する方法である。また、n型半導体基板350の表面を、500℃以下の雰囲気においてオゾン酸化処理することによって酸化させて、窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成してもよい。
In the second method of forming the first insulating
第1の絶縁膜351を形成する第3の方法は、n型半導体基板350の表面上に、700℃以下の雰囲気において電子ビーム蒸着法及び/又はMBE法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させる方法である。また、n型半導体基板350の表面上に、870℃以下の雰囲気においてCVD法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、n型半導体基板350の表面上に、700℃以下の雰囲気においてHVPE法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。また、n型半導体基板350の表面上に、500℃以下の雰囲気においてALD法によって窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させもよい。また、n型半導体基板350の表面上に、500℃以下の雰囲気においてスパッタリング法によって酸化ガリウムを堆積させ、その後アニールを行って窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
In the third method of forming the first insulating
第1の絶縁膜351を形成する第4の方法は、n型半導体基板350の表面上に、500℃以上870℃以下の熱処理により酸化ガリウムの結晶を形成し、その後エッチングを行ってこの酸化ガリウムの厚さを10nm以下にして、第1の絶縁膜を形成する方法である。
The fourth method of forming the first insulating
第2の絶縁膜352は、Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti、Ga、Y、Sc、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を、スパッタリング法、CVD法、ALD法などで形成する。第2の絶縁膜352の具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどが挙げられるが、例えば、第2の絶縁膜としてAl2O3をスパッタリング法で形成する場合は、ターゲットとしてAlを用い、酸素ガス中でDCスパッタリングを行うこともできるし、ターゲットとしてAl2O3を用いてRFスパッタリングを行うこともできる。また、トリメチルアルミニウムを用いたALD法により形成することもできる。
The second
次に、図6(a)に示すように、ゲート絶縁膜342の表面側にゲート電極340を設ける。
ゲート電極340は、ゲート電極を構成するゲート材料をゲート絶縁膜342の全面に堆積後、所望のパターンを有するフォトレジスト層をリソグラフィによって形成し、そのフォトレジスト層をエッチングマスクにしてゲート材料をエッチングして形成する。ゲート電極材料の堆積方法としては、スパッタリング法、電子線を利用した蒸着法、加熱による蒸着法、CVD法などがある。この方法は、ゲート電極加工精度が高いという特徴がある。
Next, as shown in FIG. 6A, a
In the
次に、図6(b)に示すように、p+型コンタクト層316及びn+型コンタクト層318に接してソース電極344を設ける。
その後、図6(c)に示すように、n型半導体基板350の裏面にn型不純物をドープしてn+型半導体層332を形成し、しかる後、n+型半導体層332に裏面にドレイン電極346を設ける。ゲート電極340、ソース電極344、ドレイン電極346は、Al、Ti、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Zn、poly-Siからなる群から選択された少なくとも1つから形成されていてよい。これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。
以上により、縦型MISFET300が完成する。
Next, as shown in FIG. 6B, a
Then, as shown in FIG. 6C, the back surface of the n-
With the above, the
第3の実施の形態の製造方法によるMISFET300は、半導体層として窒化ガリウム系半導体を用いた縦型MISFETであって、トラップサイトの少ない良好な界面状態のゲート絶縁膜を有することを特徴とする。このため、第3の実施の形態の製造方法によるMISFET300は、周波数特性に優れ、ヒステリシスの少ないMISFETとなる。
The
なお、実施の形態1から3では、MISFETのゲート絶縁膜に前記窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウム膜を適用した場合を示したが、前記窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造及び/又はγ構造の酸化ガリウム膜の好適な適用はこれに限るものではない。
例えば、MISキャパシタの絶縁膜に使用しても、トラップサイトが少ないことから、ヒステリシスが少なく、周波数特性に優れるMISキャパシタを提供することが可能になる。
また、窒化ガリウム半導体を用いた高周波デバイスにおいて、窒化ガリウム半導体表面に直接接触する層として、前記窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有するパッシベーション膜を用いることも有効である。この場合、高周波デバイスにおける電流コラプスを十分に抑制できるという効果がある。ここで、パッシベーション膜は窒化ガリウムと面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する膜を含んだ多層膜からなる構造でもよい。
In the first to third embodiments, the gallium nitride gate insulating film has an oxide film having a gallium nitride crystal in which the in-plane lattice constant a is matched with the gallium nitride, and the a-axis lattice constant is 0.28 nm or more. The case where an oxide film having at least one gallium oxide crystal having a hexagonal crystal or a cubic crystal of 34 nm or less, or a gallium oxide film having an ε structure and / or a gallium oxide film having a γ structure is applied is shown. An oxide film having a gallium oxide crystal in which the in-plane lattice constant a is matched, a hexagonal crystal having a lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less, or a gallium oxide crystal having at least one of cubic crystals. The suitable application of the oxide film having an oxide film or the gallium oxide film having an ε structure and / or a γ structure is not limited to this.
For example, even if it is used as an insulating film of a MIS capacitor, since there are few trap sites, it is possible to provide a MIS capacitor having a small hysteresis and an excellent frequency characteristic.
Further, in a high-frequency device using a gallium nitride semiconductor, an oxide film having a crystal in which the gallium nitride and the in-plane lattice constant a are matched as a layer in direct contact with the surface of the gallium nitride semiconductor, and the lattice constant of the a-axis is 0. It is also effective to use an oxide film having at least one gallium oxide crystal having a hexagonal crystal or a cubic structure of 28 nm or more and 0.34 nm or less, or a passion film having a gallium oxide having a ε structure and / or a gallium oxide having a γ structure. Is. In this case, there is an effect that the current collapse in the high frequency device can be sufficiently suppressed. Here, the passivation film is at least one of gallium nitride and an oxide film having a gallium oxide crystal in which the in-plane lattice constant a is matched, a hexagonal crystal having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less, or a cubic crystal. It may be a structure composed of an oxide film having gallium oxide crystals of 1 or a multilayer film including a film having gallium oxide having an ε structure and / or gallium oxide having a γ structure.
<実施の形態4>
第4の実施の形態では、図14及び図15を参照して、DMOS(Double-Diffused MOSFET)400について説明する。
<Embodiment 4>
In the fourth embodiment, the DMOS (Double-Defused MOSFET) 400 will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
図14及び図15は、プレーナ型DMOS構造のパワーMOSFETを製造するプロセスの概略を順次断面構造を用いて説明したものである。図15(d)に、作製したDMOS(400)の断面構造をより具体的に示す。図14(a)~(d)及び図15(a)~(d)に示す工程を行って、その製造プロセスを説明する。 14 and 15 show an outline of a process for manufacturing a power MOSFET having a planar type DMOS structure by using a sequential cross-sectional structure. FIG. 15D shows the cross-sectional structure of the produced DMOS (400) more specifically. The manufacturing process thereof will be described by performing the steps shown in FIGS. 14 (a) to 14 (d) and FIGS. 15 (a) to 15 (d).
まず、高濃度のn型GaN基板(n+基板)402の上に、このn+基板402を種結晶としてn型のGaNエピタキシャル層(n-エピ層)403を成長させる(図14(a)参照)。ここで、n-エピ層403の結晶構造はウルツ鉱構造である。
First, an n-type GaN epitaxial layer (n - epi layer) 403 is grown on a high-concentration n-type GaN substrate (n + substrate) 402 using the n + substrate 402 as a seed crystal (FIG. 14 (a)). reference). Here, the crystal structure of the n - epi
その後、後程形成するゲート電極の領域がマスキングされるようにレジストパターンを形成して、基板表面にイオン注入を行う。そして、イオン注入後に基板を熱処理することによって、打ち込まれたp型不純物の活性化を行う。その際、活性化と同時に、わずかに拡散が起こる。この工程により、ゲートが形成される領域以外の部分にp型不純物が注入されたp型ウェル404が形成される(図14(b)参照)。 After that, a resist pattern is formed so that the region of the gate electrode to be formed later is masked, and ion implantation is performed on the substrate surface. Then, the substrate is heat-treated after ion implantation to activate the p-type impurities that have been implanted. At that time, a slight diffusion occurs at the same time as the activation. By this step, a p-type well 404 in which p-type impurities are injected is formed in a portion other than the region where the gate is formed (see FIG. 14 (b)).
次に、p型ウェル404中に、n+の拡散層405を形成するため、レジストからなるマスクを形成し、その開口部により限定された範囲に、n型不純物を高濃度かつ浅い条件で注入を行う。この際、後程形成するゲート電極領域がマスキングされるようにレジストパターンを形成する。
この注入後、熱処理を行い、注入したn型不純物の活性化を行う。この熱処理に伴い、わずかな横方向の拡散が起きる。この工程により、n+の拡散層405が形成される(図14(c)参照)。
Next, in order to form the n + diffusion layer 405 in the p-
After this injection, heat treatment is performed to activate the injected n-type impurities. Along with this heat treatment, a slight lateral diffusion occurs. By this step, an n + diffusion layer 405 is formed (see FIG. 14 (c)).
次に、図14(d)に示すように、この試料の表面に第1の絶縁膜として酸化ガリウム層406aを形成する。
ここで、酸化ガリウム層406aは、酸化ガリウムの結晶を含む絶縁膜であり、特に、上述の窒化ガリウムからなるn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜や、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを有する絶縁膜であることが好ましい。
酸化ガリウム層406aをn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜や、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造やγ構造の酸化ガリウムとすることで、後述の第2の絶縁膜407aとの積層膜で、ゲート絶縁膜として好適なトラップサイトの少ない良好な界面状態のゲート絶縁体層421aを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 14 (d), a
Here, the
An oxide film having a gallium oxide crystal in which the n - epi layer 403 and the in-plane lattice constant a of the
酸化ガリウム層406aを形成する第1の方法は、n-エピ層403の露出面を含む表面を、硫酸、過酸化水素水、アンモニア、弗酸、塩酸、硝酸、リン酸、水酸化カリウムからなる群から選択された少なくとも1つの化学溶液によって酸化させる方法である。
この酸化方法としては、SC1、SC2、SPM、バッファードフッ酸溶液など通常は洗浄として用いられる方法を挙げることができる。
この第1の方法によると、酸化ガリウム層406aの結晶面はn-エピ層403表面の結晶面に揃えて配列される。このため、トラップの少ない良質なゲート絶縁体層421aを形成する上で第1の方法は特に好ましい。
In the first method of forming the
Examples of this oxidation method include methods usually used for washing such as SC1, SC2, SPM, and buffered hydrofluoric acid solution.
According to this first method, the crystal planes of the
なお、この第1の方法に際し、光照射を併用してもよい。例えば、水酸化カリウム、リン酸、グリコール、等の化学溶液にn-エピ層403を含む表面を浸し、その表面に波長280nm以上380nm未満の紫外線(UV)光や波長190nm以上280nm未満の遠視外光(DUV)を照射することによって、n-エピ層403の露出面を含む表面を酸化させて酸化ガリウム層406aを形成してもよい。
ここで、第1の方法は、常温か加熱処理が加わっても280℃以下の処理であるため、熱酸化処理に比べて熱負荷が少ないという特徴がある。大きな熱負荷が加わると、注入された不純物のプロファイルが変化したり、応力が発生するなどの問題を生じやすい。
In addition, light irradiation may be used together with this first method. For example, the surface containing the n - epi layer 403 is immersed in a chemical solution of potassium hydroxide, phosphoric acid, glycol, etc., and the surface is exposed to ultraviolet (UV) light having a wavelength of 280 nm or more and less than 380 nm or far-field outside of a wavelength of 190 nm or more and less than 280 nm. By irradiating with light (DUV), the surface including the exposed surface of the n - epi
Here, the first method is characterized in that the heat load is smaller than that of the thermal oxidation treatment because the treatment is at room temperature or at 280 ° C. or lower even if heat treatment is applied. When a large heat load is applied, problems such as a change in the profile of the injected impurities and stress are likely to occur.
酸化ガリウム層406aを形成する第2の方法は、n-エピ層403の露出面を含む表面を、500℃以下の雰囲気においてプラズマ酸化処理することによって酸化させ、n-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成する方法である。また、n-エピ層403の露出面を含む表面を、500℃以下の雰囲気においてオゾン酸化処理することによって酸化させて、n-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを形成してもよい。
In the second method of forming the
酸化ガリウム層406aを形成する第3の方法は、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、700℃以下の雰囲気において電子ビーム蒸着法及び/又はMBE法によってn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させる方法である。
また、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、870℃以下の雰囲気においてCVD法によってp-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
また、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、700℃以下の雰囲気においてHVPE法によってn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
また、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、500℃以下の雰囲気においてALD法によってn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させもよい。
また、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、500℃以下の雰囲気においてスパッタリング法によって酸化ガリウムを堆積させ、その後アニールを行ってn-エピ層403と面内格子定数aが整合された酸化ガリウムの結晶を有する酸化膜、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶の少なくとも何れか1の酸化ガリウムを有する絶縁膜、又はε構造の酸化ガリウム及び/又はγ構造の酸化ガリウムを堆積させてもよい。
A third method for forming the
Further, an oxide film having gallium oxide crystals in which the p - epi layer 403 and the in-plane lattice constant a are matched by the CVD method in an atmosphere of 870 ° C. or lower on the surface including the exposed surface of the n - epi
Further, an oxide film having gallium oxide crystals in which the in-plane lattice constant a is matched with the n - epi layer 403 by the HVPE method in an atmosphere of 700 ° C. or lower on the surface including the exposed surface of the n - epi
Further, an oxide film having gallium oxide crystals in which the in-plane lattice constant a is matched with the n - epi layer 403 by the ALD method in an atmosphere of 500 ° C. or lower on the surface including the exposed surface of the n - epi
Further, gallium oxide is deposited on the surface including the exposed surface of the n - epi
酸化ガリウム層406aを形成する第4の方法は、n-エピ層403の露出面を含む表面上に、500℃以上870℃以下の熱処理により酸化ガリウムの結晶を形成し、その後エッチングを行ってこの酸化ガリウムの厚さを10nm以下にして、酸化ガリウム層406aを形成する方法である。
The fourth method for forming the
その後、図15(a)に示すように、酸化ガリウム層406aの上に第2の絶縁膜407aを形成し、酸化ガリウム層406a及び第2の絶縁膜407aからなるゲート絶縁体層421aを形成する。
After that, as shown in FIG. 15A, a second
第2の絶縁膜407aは、Al、Si、Hf、Zr、Ta、Ti、Ga、Y、Sc、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも1つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を、スパッタリング法、CVD法、ALD法などで形成する。第2の絶縁膜407aの具体的な材料としては、Al2O3、SiO2、HfO2、ZrO3、Ta2O3、TiO2、Ga2O3、YO3、Sc2O3、Si3N4、SiONなどが挙げられる。例えば、第2の絶縁膜407aとしてAl2O3をスパッタリング法で形成する場合は、ターゲットとしてAlを用い、酸素ガス中でDCスパッタリングを行うこともできるし、ターゲットとしてAl2O3を用いてRFスパッタリングを行うこともできる。また、トリメチルアルミニウムを用いたALD法により形成することもできる。
The second
次に、図15(b)に示すように、第2の絶縁膜407aの表面に金属膜408aを形成する。ここで、金属膜408aとしては、例えば、Al、Ti、W、Pt、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Ni、Sn、Znからなる群から選択された少なくとも1つを挙げることができる。形態としては単層膜でも積層膜でもよい。また、これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも1つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも1つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物などの化合物でもよい。また、金属膜408aとして、ポリシリコンも用いることができるし、ポリシリコンと上記金属との積層膜を挙げることもできる。金属膜408aの形成方法としては、スパッタリング法、蒸着法などを挙げることができる。
Next, as shown in FIG. 15B, a
次に、レジストをマスクにして、金属膜408a、第2の絶縁膜407a及び酸化ガリウム層406aを、ドライエッチングして、第1の絶縁膜406、第2の絶縁膜407及びゲート電極408からなるDMOSのゲート形状を形成する(図15(c)参照)。
Next, using the resist as a mask, the
次に、減圧CVD法を用いてPSG膜(リン原子を3%~5%含む低温酸化膜)を基板表面の全面に成膜した後、n+の拡散層405と接続するメタルコンタクトを形成するための開口部分が形成されたPSG膜からなる絶縁膜411を形成する。
最後に、前記開口部分に金属、例えばチタンとアルミニウムの合金からなるメタルコンタクトを形成し、エミッタ電極412とする。一方、n+基板402の裏面に、n+基板と低抵抗のオーミックコンタクトを得るニッケル、チタン、銀、金などからなる多層膜による裏面電極を形成し、コレクタ電極401とする(図15(d)参照)。
以上の工程により、DMOS(400)が作製される。
Next, a PSG film (a low-temperature oxide film containing 3% to 5% of phosphorus atoms) is formed on the entire surface of the substrate using a reduced pressure CVD method, and then a metal contact is formed to be connected to the n + diffusion layer 405. An insulating
Finally, a metal contact made of a metal, for example, an alloy of titanium and aluminum is formed in the opening portion to form an
By the above steps, DMOS (400) is produced.
第4の実施の形態の製造方法によるDMOS(400)は、半導体層として窒化ガリウム系半導体を用いたDMOS構造のMOSFETであって、トラップサイトの少ない良好な界面状態のゲート絶縁膜を有することを特徴とする。このため、第4の実施の形態の製造方法によるDMOS(400)は、周波数特性及びスイッチング特性が安定して優れたパワーMOSFETになる。 The DMOS (400) according to the manufacturing method of the fourth embodiment is a MOSFET having a DMOS structure using a gallium nitride based semiconductor as a semiconductor layer, and has a gate insulating film in a good interface state with few trap sites. It is a feature. Therefore, the DMOS (400) according to the manufacturing method of the fourth embodiment is a power MOSFET in which the frequency characteristics and the switching characteristics are stable and excellent.
実施例1では、図7に示すMISキャパシタ(MOSキャパシタ)200を作製して、そのMISキャパシタの電気特性を評価した。 In Example 1, the MIS capacitor (MOS capacitor) 200 shown in FIG. 7 was manufactured, and the electrical characteristics of the MIS capacitor were evaluated.
実施例1のMISキャパシタは、自立基板201、半導体層としてのn-GaNエピタキシャル層202、第1の絶縁膜204と第2の絶縁膜205からなる絶縁層203、電極206と207からなる。
The MIS capacitor of Example 1 is composed of a self-standing
実施例1のMISキャパシタの作製方法は以下のとおりである。 The method for manufacturing the MIS capacitor of Example 1 is as follows.
半導体基板及び半導体層として、厚さが270μmのn-GaNである自立基板201の上に、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、膜厚が5μmで、Siドープしたキャリア濃度が1×1016cm-3のn-GaNエピタキシャル層202が形成されたものを準備した。ここで、n-GaNエピタキシャル層202表面の結晶面は(0001)である。
As a semiconductor substrate and a semiconductor layer, a self-supporting
n-GaNエピタキシャル層202の表面を、イソプロピルアルコール及びアセトン溶液にて室温(23℃)下で洗浄した後に、濃度3体積%の希フッ酸溶液で表面処理した。
続いて、H2SO4-H2O2-H2OからなるSPMを酸化膜形成法として使用して、n-GaNエピタキシャル層202の表面に酸化ガリウムの結晶(Ga2O3)を生成し、その酸化ガリウムの結晶層を第1の絶縁膜204とした。ここで、n-GaNエピタキシャル層202をSPM液に浸漬させ、硫酸過水作製時の自発熱の温度で処理した。H2SO4とH2O2の体積比率は2:1である。
The surface of the n -
Subsequently, SPM consisting of H 2 SO 4 -H 2 O 2 -H 2 O was used as an oxide film forming method to generate gallium oxide crystals (Ga 2 O 3 ) on the surface of the n -
SPMによって表面処理したn-GaNエピタキシャル層202の表面状態をXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)法で測定した。図8にXPS法によるXPS Ga3dスペクトルを示す。測定データを□印で示し、シミュレーションによるデータを実線で示す。
結合エネルギー19.8eVでピークを有するGa-N結合の成分(太い実線)と結合エネルギー20.3eVでピークを有するGa-O結合の成分(太い実線)とを合算したシミュレーションによるデータ(細い実線)は、測定データとよく一致している。これによって、n-GaNエピタキシャル層202の表面をSPMにより表面処理することによって、n-GaNエピタキシャル層202の表面に、酸化ガリウムが生成されていることが確認された。
The surface state of the n -
Data by simulation (thin solid line) obtained by adding up the Ga-N bond component (thick solid line) having a peak at the binding energy of 19.8 eV and the Ga-O bond component (thick solid line) having a peak at the binding energy of 20.3 eV. Is in good agreement with the measured data. As a result, it was confirmed that gallium oxide was generated on the surface of the n -
また、TEM(Transmission Electron Microscope)による断面解析を行って、n-GaNエピタキシャル層202の表面に形成された酸化ガリウムの結晶の構造を調べた。図9A及び図9Bに、それぞれミラー指数[1-100]面における断面解析図及びミラー指数[11-20]面における断面解析図を示す。その結果、生成された酸化ガリウムの膜厚は1.7nmであり、この酸化ガリウムの結晶の構造は、ε構造及びγ構造の結晶であることが確認された。
さらに、STEM(Scanning transmission electron microscopy)によって、この酸化ガリウムは、体積比で、ε構造が80%、γ構造が20%の結晶からなることが確認された。
また、このε構造及びγ構造の結晶面は、n-GaNエピタキシャル層202の結晶面に揃えて配列されていることが確認された。
In addition, cross-sectional analysis by TEM (Transmission Electron Microscope) was performed to investigate the structure of gallium nitride crystals formed on the surface of the n -
Furthermore, by STEM (Scanning transmission electron microscopy), it was confirmed that this gamma oxide consists of crystals having an ε structure of 80% and a γ structure of 20% by volume.
Further, it was confirmed that the crystal planes of the ε structure and the γ structure were aligned with the crystal planes of the n -
続いて、第1の絶縁膜204の表面上に、前駆体としてのトリメチルアルミニウム(TMA)と酸化ガスとして水蒸気を用いたALD法によって、成長温度300℃で、膜厚10nmの酸化アルミニウム(Al2O3)を生成して、第2の絶縁膜205とした。
詳細には、窒素ガス(N2ガス)をパージとして、TMA投入、N2ガスパージ、20℃の水ガス投入、N2ガスパージの4ステップを1サイクルにして膜厚が10nmになるまでそのサイクルを繰り返した。ここで、TMA及び水ガスはパルス供給した。
そして、Al2O3膜を形成後、窒素雰囲気ガス中で300℃の熱処理を行った。
Subsequently, aluminum oxide (Al 2 ) having a growth temperature of 300 ° C. and a film thickness of 10 nm was produced by the ALD method using trimethylaluminum (TMA) as a precursor and water vapor as an oxidation gas on the surface of the first insulating
Specifically, using nitrogen gas (N 2 gas) as a purge, the four steps of TMA injection, N 2 gas purge, water gas injection at 20 ° C, and N 2 gas purge are set as one cycle until the film thickness reaches 10 nm. Repeated. Here, TMA and water gas were pulsed.
Then, after forming the Al 2 O 3 film, a heat treatment at 300 ° C. was performed in a nitrogen atmosphere gas.
続いて、第2の絶縁膜205の表面上に、電子線蒸着法及びフォトリソプロセスによって、膜厚100nmの白金(Pt)膜を生成して、電極206を形成した。
最後に、n-GaN自立基板201の表面(裏面)上に、膜厚20nmのチタン(Ti)膜及び膜厚100nmの白金(Pt)膜を連続して生成して、オーミックコンタクトの電極207を形成した。
以上の工程により、図7に示すMISキャパシタ200を作製した。
Subsequently, a platinum (Pt) film having a film thickness of 100 nm was formed on the surface of the second
Finally, a titanium (Ti) film having a thickness of 20 nm and a platinum (Pt) film having a thickness of 100 nm are continuously formed on the front surface (back surface) of the n - GaN free-standing
Through the above steps, the
図10に、作製したMISキャパシタ200のC-V特性を示す。
電極206と207との間にフォワードに電圧を印加した場合の測定データを○印で示し、リバースに電圧を印加した場合の測定データを□印で示す。
フォワードの場合とリバースの場合のフラットバンド電圧におけるヒステリシスは、無視できるくらい小さいことが確認された。これは、ε構造及びγ構造からなる酸化ガリウムによる第1の絶縁膜204と、酸化アルミニウムによる第2の絶縁膜205とからなる絶縁層203において、欠陥に起因したトラップサイトが非常に少ないことを意味している。
FIG. 10 shows the CV characteristics of the manufactured
The measurement data when a voltage is applied to the forward between the
It was confirmed that the hysteresis in the flat band voltage in the case of forward and the case of reverse is negligibly small. This is because there are very few trap sites due to defects in the insulating
また、n-GaNエピタキシャル層202のフェルミレベル、Ptによる電極206の仕事関数、絶縁膜203の膜厚と誘電率の値から得られる実線で示される理想曲線と○印及び□印で示される測定データが非常に良く一致した。
なお、非特許文献1においては、n-GaNエピタキシャル層202と絶縁体層203との界面を特に注意して作製していないために、C-V特性の周波数分散が報告されており、界面の状態が良くないことを示唆している。
Further, the ideal curve shown by the solid line obtained from the Fermi level of the n -
In
以上より、半導体層が窒化ガリウムであり、絶縁層203がε構造及びγ構造の酸化ガリウムからなる第1の絶縁膜204と酸化アルミニウムからなる第2の絶縁膜205からなるMISキャパシタ200は、トラップサイトの少ない良好な界面特性を有することが確認された。
From the above, the
このように、窒化ガリウム半導体層上に形成されたε構造及びγ構造の酸化ガリウムからなる第1の絶縁膜と酸化アルミニウムからなる第2の絶縁膜からなる絶縁層203は、トラップサイトの少ない界面特性の良好な絶縁層が形成されるが、このことはMISキャパシタに留まらない。MISFET(MOSFET)のゲート絶縁膜にε構造及びγ構造の酸化ガリウムからなる第1の絶縁膜と2の絶縁膜からなる絶縁層203を用いると、そのゲート絶縁膜はトラップサイトの少ない界面特性の良好なものとなり、その結果、周波数特性に優れ、ヒステリシスの少ない良好なMISFET(MOSFET)を提供することが可能になる。
As described above, the insulating
半導体基板上の半導体層として、厚さが5μmで、Siをドープしたキャリア濃度が2×1016cm-3の市販のn-GaN基板を入手した。ここで、この半導体基板表面の結晶面は(0001)である。 As the semiconductor layer on the semiconductor substrate, a commercially available n - GaN substrate having a thickness of 5 μm and a Si-doped carrier concentration of 2 × 10 16 cm -3 was obtained. Here, the crystal plane on the surface of this semiconductor substrate is (0001).
n-GaN基板の表面を、イソプロピルアルコール及びアセトン溶液にて室温(23℃)下で洗浄した後に、濃度3体積%の希フッ酸溶液で表面処理した。
続いて、H2SO4-H2O2-H2OからなるSPMを酸化膜形成法として使用して、n-GaN基板の表面に酸化ガリウムを生成し、その酸化ガリウム層を第1の絶縁膜とした。すなわち、n-GaN基板をSPM液に浸漬させ、硫酸過水作製時の自発熱の温度で処理した。H2SO4とH2O2の体積比率は2:1である。
The surface of the n - GaN substrate was washed with an isopropyl alcohol and an acetone solution at room temperature (23 ° C.), and then surface-treated with a dilute hydrofluoric acid solution having a concentration of 3% by volume.
Subsequently, SPM composed of H 2 SO 4 -H 2 O 2 -H 2 O was used as an oxide film forming method to generate gallium oxide on the surface of the n - GaN substrate, and the gallium oxide layer was used as the first gallium oxide layer. It was used as an insulating film. That is, the n - GaN substrate was immersed in the SPM solution and treated at the temperature of self-heating at the time of producing sulfuric acid hydrogen peroxide. The volume ratio of H 2 SO 4 and H 2 O 2 is 2: 1.
その後、酸化ガリウムからなる第1の絶縁膜の上に、膜厚100nmのSiO2からなる第2の絶縁膜をプラズマCVD法によって形成した。第2の絶縁膜はアモルファス膜である。そして、両者の絶縁膜を断面TEM観察により評価した。 Then, a second insulating film made of SiO 2 having a film thickness of 100 nm was formed on the first insulating film made of gallium oxide by a plasma CVD method. The second insulating film is an amorphous film. Then, both insulating films were evaluated by TEM observation of the cross section.
図16に断面TEM観察結果を示す。ここで、図16の(a)は明視野断面TEM像、(b)は暗視野断面TEM像、そして(c)は暗視野断面TEM像にFFT(Fast Fourier Transform)信号解析による回折像を重ねた像である。(c)の白線及び輝度の高い白点列が回折結果を示す。 FIG. 16 shows the cross-sectional TEM observation results. Here, FIG. 16 (a) is a bright field cross-sectional TEM image, (b) is a dark field cross-sectional TEM image, and (c) is a dark-field cross-sectional TEM image overlaid with a diffraction image obtained by FFT (Fast Fourier Transform) signal analysis. It is a statue. The white line in (c) and the white dot sequence with high brightness indicate the diffraction result.
その結果、図16(c)からわかるように、GaN結晶領域から第1の絶縁膜にかけて、輝度の高い白点列は一直線上に並んでおり、GaN結晶と第1の絶縁膜の結晶格子は整合していることが確認された。なお、第1の絶縁膜がガリウム酸化膜からなることは低速イオン散乱分光法から確認されている。 As a result, as can be seen from FIG. 16 (c), from the GaN crystal region to the first insulating film, the white spots having high brightness are aligned in a straight line, and the crystal lattice of the GaN crystal and the first insulating film is formed. It was confirmed that they were consistent. It has been confirmed by slow ion scattering spectroscopy that the first insulating film is made of a gallium oxide film.
その後、第2の絶縁膜の膜厚を10nmに変えて、実施例1と同様にしてMISキャパシタを作製した。また、第2の絶縁膜を実施例1で示した膜厚10nmのAl2O3膜を形成し、実施例1と同様にしてMISキャパシタを作製した。その結果、作製されたMISキャパシタは、トラップサイトの少ない良好な界面特性を有するものであった。 Then, the film thickness of the second insulating film was changed to 10 nm, and a MIS capacitor was produced in the same manner as in Example 1. Further, an Al 2 O 3 film having a film thickness of 10 nm shown in Example 1 was formed from the second insulating film, and a MIS capacitor was produced in the same manner as in Example 1. As a result, the produced MIS capacitor had good interfacial characteristics with few trap sites.
上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。 Although the above description has been made for a specific embodiment, it is clear to those skilled in the art that the present invention is not limited to this, and various changes and modifications can be made within the scope of the principles of the present invention and the accompanying claims. be.
1 酸素原子(O)
2 ガリウム原子(Ga)
11 結晶格子
21 格子定数a1
22 格子定数a2
23 格子定数a3
100 半導体装置
101 半導体層
102 絶縁体層(ゲート絶縁膜)
103 第1の絶縁膜
104 第2の絶縁膜
105 ゲート電極
107 ソース領域
108 ドレイン領域
109 ソース電極
110 ドレイン電極
111 自立基板
151 スクリーン層
152 絶縁層
153 キャップ層
161 フォトレジスト層
200 MISキャパシタ
201 n-GaN自立基板
202 n-GaNエピタキシャル層
203 絶縁体層
204 第1の絶縁膜
205 第2の絶縁膜
206 電極
207 電極
300 縦型MISFET
310 p型半導体層
312 n型ソース側領域
313 表面側端部
314 n型ドレイン側領域
316 p+型コンタクト層
318 n+型コンタクト層
320 電流遮断層
322 p+型カラム
330 ドリフト層
332 n+型半導体層
340 ゲート電極
342 ゲート絶縁膜(絶縁体層)
343 チャネル長
344 ソース電極
346 ドレイン電極
350 半導体基板
351 第1の絶縁膜
352 第2の絶縁膜
360 フォトレジスト層
362 フォトレジスト層
364 フォトレジスト層
366 フォトレジスト層
367 開口端部
400 DMOS
401 コレクタ電極
402 n型GaN基板(n+基板)
403 GaNエピタキシャル層(n-エピ層)
404 p型ウェル
405 拡散層
406 第1の絶縁膜
406a 酸化ガリウム層
407 第2の絶縁膜
407a 第2の絶縁膜
408 ゲート電極
408a 金属膜
411 絶縁膜(PSG膜)
412 エミッタ電極
421a ゲート絶縁体層
1 Oxygen atom (O)
2 Gallium atom (Ga)
11
22 Lattice constant a 2
23 Lattice constant a 3
100
103 First insulating
310 p-type semiconductor layer 312 n-type
343
401 Collector electrode 402 n-type GaN substrate (n + substrate)
403 GaN epitaxial layer (n - epi layer)
404 p-type well 405
412 Emitter electrode 421a Gate insulator layer
Claims (19)
ゲート電極と、
前記半導体層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁体層と
を備え、
前記窒化ガリウムは単結晶であり、
前記絶縁体層が、前記半導体層に隣接する部分において、酸化ガリウムの結晶を含む第1の絶縁膜を少なくとも有し、
前記酸化ガリウムの結晶は、前記窒化ガリウムの結晶格子と面内格子定数aが整合している、半導体装置。 A semiconductor layer containing gallium nitride and
With the gate electrode
An insulator layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode is provided.
The gallium nitride is a single crystal and is
The insulator layer has at least a first insulating film containing gallium oxide crystals in a portion adjacent to the semiconductor layer.
The gallium oxide crystal is a semiconductor device in which the in-plane lattice constant a matches the gallium nitride crystal lattice.
前記酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶の結晶である、請求項1に記載の半導体装置。 The gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium oxide crystal is a hexagonal crystal having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less.
前記酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の立方晶の結晶である、請求項1に記載の半導体装置。 The gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium oxide crystal is a cubic crystal having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less.
前記酸化ガリウムの結晶は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶及び立方晶の結晶である、請求項1に記載の半導体装置。 The gallium nitride is a single crystal having a wurtzite structure.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium oxide crystal is a hexagonal or cubic crystal having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less.
前記半導体層を準備する半導体層準備工程と、
前記絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
前記ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と
を少なくとも有する製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 14.
The semiconductor layer preparation process for preparing the semiconductor layer and
The insulator layer forming step for forming the insulator layer and
A manufacturing method including at least a gate electrode forming step for forming the gate electrode.
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Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7014355B2 (en) * | 2017-06-28 | 2022-02-01 | 株式会社Flosfia | Laminated structures and semiconductor devices |
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CN113053730B (en) * | 2021-03-05 | 2024-05-03 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Porous gallium oxide epitaxial layer and preparation method thereof |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003046081A (en) | 2001-07-30 | 2003-02-14 | Sharp Corp | Semiconductor device |
JP2003258258A (en) | 2002-02-28 | 2003-09-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2003332356A (en) | 2002-05-17 | 2003-11-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device |
JP2004507081A (en) | 2000-08-10 | 2004-03-04 | ブラドック, ウォルター, デビッド, Iv | Integrated transistor device |
JP2008156141A (en) | 2006-12-21 | 2008-07-10 | Koha Co Ltd | Semiconductor substrate and method for manufacturing the same |
JP2010114423A (en) | 2008-10-09 | 2010-05-20 | Canon Inc | Substrate for growing wurtzite type crystal and method for manufacturing the same and semiconductor device |
JP2014212340A (en) | 2008-03-12 | 2014-11-13 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
JP2017007871A (en) | 2015-06-16 | 2017-01-12 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | ε-Ga2O3 SINGLE CRYSTAL, PRODUCTION METHOD FOR ε-Ga2O3, AND SEMICONDUCTOR ELEMENT USING THE SAME |
-
2018
- 2018-06-26 JP JP2018120489A patent/JP7067702B2/en active Active
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004507081A (en) | 2000-08-10 | 2004-03-04 | ブラドック, ウォルター, デビッド, Iv | Integrated transistor device |
JP2003046081A (en) | 2001-07-30 | 2003-02-14 | Sharp Corp | Semiconductor device |
JP2003258258A (en) | 2002-02-28 | 2003-09-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2003332356A (en) | 2002-05-17 | 2003-11-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor device |
JP2008156141A (en) | 2006-12-21 | 2008-07-10 | Koha Co Ltd | Semiconductor substrate and method for manufacturing the same |
JP2014212340A (en) | 2008-03-12 | 2014-11-13 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
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