JP7130986B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device.
窒化ガリウム(以下、GaN)層の表面の自然酸化膜を除去するべく、非プラズマ状態のアンモニアガスにGaN層を曝した後に、SiO2層を形成することが知られている(例えば、特許文献1)。また、被処理試料表面へのダメージを低減するべく、マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、Al2O3膜とSiO2膜との二層構造を有するゲート絶縁膜を形成することが知られている(例えば、特許文献2)。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2006-114802号公報
[特許文献2] 特開2012-156245号公報
In order to remove a native oxide film on the surface of a gallium nitride (hereafter, GaN) layer, it is known to form a SiO2 layer after exposing the GaN layer to ammonia gas in a non-plasma state (see, for example, Patent Documents 1). Further, in order to reduce damage to the surface of the sample to be processed, a gate insulating film having a two-layer structure of an Al 2 O 3 film and a SiO 2 film can be formed by microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition). known (for example, Patent Document 2).
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] JP-A-2006-114802 [Patent Document 2] JP-A-2012-156245
MOS構造を有する半導体装置においては、SiO2層等の絶縁層とGaN層との間に形成される遷移層であって、主として酸化ガリウムを有する遷移層の厚さを低減することが望ましい。 In a semiconductor device having a MOS structure, it is desirable to reduce the thickness of a transition layer formed between an insulating layer such as a SiO2 layer and a GaN layer, the transition layer comprising predominantly gallium oxide.
本発明の第1の態様においては、窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、少なくとも金属含有ガスを窒化ガリウム系半導体層上に供給するべく、予め定められた時間、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、絶縁層を形成する段階とを備えてよい。絶縁層を形成する段階は、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階の後であってよい。絶縁層を形成する段階においては、反応チャンバ内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させて、窒化ガリウム系半導体層上において酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることにより絶縁層を形成してよい。 A first aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device having a gallium nitride based semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor device includes the steps of introducing at least a metal-containing gas into a reaction chamber for a predetermined time to supply at least the metal-containing gas onto a gallium nitride-based semiconductor layer, and forming an insulating layer. Be prepared. Forming the insulating layer may be at least after introducing the metal-containing gas into the reaction chamber. In the step of forming the insulating layer, the insulating layer may be formed by generating oxygen radicals from the oxygen-containing gas in the reaction chamber and reacting the oxygen radicals with the metal-containing gas on the gallium nitride based semiconductor layer. .
少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階においては、予め定められた時間において金属含有ガスを供給するが、酸素含有ガスは供給しなくてよい。そして、絶縁層を形成する段階において、酸素含有ガスを供給してよい。 At least in the step of introducing the metal-containing gas into the reaction chamber, the metal-containing gas, but not the oxygen-containing gas, may be supplied at predetermined times. Then, in the step of forming the insulating layer, an oxygen-containing gas may be supplied.
これに代えて、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階は、予め定められた時間が経過する前に、酸素含有ガスを供給することを含んでもよい。 Alternatively, the step of introducing at least the metal-containing gas into the reaction chamber may include supplying the oxygen-containing gas before the predetermined time has elapsed.
半導体装置は、窒化ガリウム系半導体層と絶縁層との間にガリウム酸化物層を有してよい。ガリウム酸化物層の厚さは、1nm以下であってよい。 The semiconductor device may have a gallium oxide layer between the gallium nitride based semiconductor layer and the insulating layer. The thickness of the gallium oxide layer may be 1 nm or less.
少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階においては、金属含有ガスの供給量を1.5Pa・min以上で反応チャンバへ導入してよい。 At least in the step of introducing the metal-containing gas into the reaction chamber, the metal-containing gas may be introduced into the reaction chamber at a supply rate of 1.5 Pa·min or more.
予め定められた時間は、20秒以上であってよい。 The predetermined time may be 20 seconds or more.
絶縁層を形成する段階において、窒化ガリウム系半導体層の温度は300℃以下であってよい。 In the step of forming the insulating layer, the temperature of the gallium nitride based semiconductor layer may be 300° C. or less.
絶縁層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのいずれかを含んでよい。 The insulating layer may contain either silicon oxide or aluminum oxide.
絶縁層が酸化シリコンである場合に、金属含有ガスは、モノシラン、ジシランおよびオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)のいずれかを含んでよい。また、絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム(TMA)およびトリエチルアルミニウム(TEA)のいずれかを含んでよい。 When the insulating layer is silicon oxide, the metal-containing gas may include any of monosilane, disilane and tetraethylorthosilicate (TEOS). Also, when the insulating layer is aluminum oxide, the metal-containing gas may include either trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA).
酸素含有ガスは、酸素ガス、オゾンガスおよび水蒸気のいずれかを含んでよい。また。少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階において予め定められた時間が経過する前に酸素含有ガスを供給する場合には、酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含んでよい。 The oxygen-containing gas may include any one of oxygen gas, ozone gas and water vapor. Also. The oxygen-containing gas may include either oxygen gas or water vapor, provided that the oxygen-containing gas is supplied before the predetermined time elapses at least in the step of introducing the metal-containing gas into the reaction chamber.
絶縁層の厚さは1nm以上であってよい。 The thickness of the insulating layer may be 1 nm or more.
本発明の第2の態様においては、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、絶縁層を形成する段階の後に、絶縁層上に電極層を形成する段階をさらに備えてよい。絶縁層は、MOS構造に用いられるゲート絶縁層であってよい。MOS構造は、窒化ガリウム系半導体層と、絶縁層と、電極層とを有してよい。 A second aspect of the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device. The method of manufacturing a semiconductor device may further include forming an electrode layer on the insulating layer after forming the insulating layer. The insulating layer may be a gate insulating layer used in MOS structures. The MOS structure may have a gallium nitride-based semiconductor layer, an insulating layer, and an electrode layer.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not list all the necessary features of the invention. Subcombinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution of the invention.
図1は、第1実施形態における横型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)100の断面図である。図1は、横型MOSFET100の一部をX‐Z平面で切断した断面である。本例において、X軸とY軸とは互いに垂直な方向であり、Z軸方向はX‐Y平面に垂直な方向である。X、YおよびZ軸は、いわゆる右手系を成す。GaN系半導体50の上面52および下面54は、X‐Y平面に平行であってよい。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a lateral MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 100 according to the first embodiment. FIG. 1 is a cross section of a portion of the
本例においては、Z軸の正方向を「上」と称し、Z軸の負方向を「下」と称する場合がある。ただし、「上」および「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」および「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」および「下」は、基板、層、領域および膜等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎない。 In this example, the positive direction of the Z-axis may be called "up", and the negative direction of the Z-axis may be called "down". However, "above" and "below" do not necessarily mean vertical to the ground. That is, the "up" and "down" directions are not limited to the direction of gravity. "Upper" and "lower" are merely convenient expressions specifying relative positions in substrates, layers, regions, films, and the like.
横型MOSFET100は、X‐Y平面の大きさが10mm×10mmのGaN系半導体50のチップを用いて形成されてよい。横型MOSFET100は、GaN系半導体装置の一例である。図1に示す断面は、横型MOSFET100の単位構造であってよい。当該単位構造は、Y軸方向に延在し、かつ、X軸方向に繰り返し設けられてよい。複数の単位構造は、X‐Y平面視において略矩形形状を構成するよう配置されてよい。複数の単位構造が設けられた領域を活性領域と称してよい。活性領域の周囲には、活性領域における電界集中を防ぐ機能を有するエッジ終端構造が設けられてよい。エッジ終端構造は、ガードリング構造、フィールドプレート構造およびJTE(Junction Termination Extension)構造の一以上を含んでよい。
The
本例において、GaN系半導体50を構成する基板および層の各々はGaN半導体である。ただし、これら基板および層の各々は、アルミニウム(Al)元素およびインジウム(In)元素の一以上の元素をさらに含んでもよい。つまり、GaN系半導体50を構成する基板および層の各々は、Al元素およびIn元素を微量に含んだ混晶半導体、即ちAlxInyGa1-x-yN(0≦x<1、0≦y<1)であってもよい。ただし、本例において、GaN系半導体50を構成する基板および層の各々は、AlxInyGa1-x-yNにおいてx=y=0としたGaN半導体である。
In this example, each of the substrate and layers forming the GaN-based
本例のGaN系半導体50は、n+型のGaN基板10と、n型のGaN層20と、p型のGaN層30とを有する。GaN基板10は、いわゆるc面GaN基板であってよい。GaN基板10のc軸方向は、Z軸方向と平行であってよい。また、GaN基板10は、貫通転位密度が1E+7cm-2未満の低転位自立基板であってよい。なお、Eは10の冪を意味し、例えば1E+7は107を意味する。本例のGaN基板10は、350μmのZ軸方向の長さ(即ち、厚さ)を有するn+型の基板である。本例では、GaN基板10の下面をGaN系半導体50の下面54と称する。
A GaN-based
n型のGaN層20は、GaN基板10に接してGaN基板10上に設けられたエピタキシャル層であってよい。本例のGaN層20は、1μmの厚さを有し、n型不純物として2E+16cm-3のSi元素を含む。
The n-
p型のGaN層30は、GaN層20に接してGaN層20上に設けられたエピタキシャル層であってよい。本例のGaN層30は、4μmの厚さを有し、p型不純物として1E+17cm-3のMgを含む。なお、GaN層30は、GaN系半導体層の一例である。本例では、GaN層30の上面をGaN系半導体50の上面52と称する。
The p-
本例において、nまたはpは、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。nまたはpの右肩に記載した+または-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。本例においては、GaN層20をn型とし且つGaN層30をp型とする。ただし、他の実施形態においては、GaN層20をp型とし且つGaN層30をn型としてもよい。
In this example, n or p means that electrons or holes are the majority carriers, respectively. Regarding + or - written on the right side of n or p, + means that the carrier concentration is higher than that without it, and - means that the carrier concentration is lower than that without it. In this example, the
GaN半導体に対するn型不純物は、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、およびO(酸素)の一種類以上の元素であってよい。本例においては、n型不純物としてSi元素を用いる。また、GaN半導体に対するp型不純物は、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Be(ベリリウム)およびZn(亜鉛)の一種類以上の元素であってよい。本例においては、p型不純物としてMg元素を用いる。 The n-type impurities for the GaN semiconductor may be one or more elements of Si (silicon), Ge (germanium), and O (oxygen). In this example, Si element is used as the n-type impurity. Also, the p-type impurity for the GaN semiconductor may be one or more elements of Mg (magnesium), Ca (calcium), Be (beryllium) and Zn (zinc). In this example, Mg element is used as the p-type impurity.
GaN層30は、X軸方向において互いに離間する一対のn+型GaN領域32を有する。本例において、n+型GaN領域32の上部は上面52に露出する。n+型GaN領域32は、上面52からGaN層30の底部よりも浅い所定の深さ位置まで設けられてよい。n+型GaN領域32は、上面52から0.1μmの深さ位置まで設けられてよい。
The
本例の横型MOSFET100は、ゲート電極層40と、ガリウム酸化物層42と、ゲート絶縁層44と、ソース電極層46と、ドレイン電極層48とをさらに有する。ゲート電極層40、ゲート絶縁層44およびGaN層30は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を構成してよい。
The
MOS構造は、ゲート絶縁層44とGaN層30との間において、ガリウム酸化物層42を有してよい。ガリウム酸化物層42は、ゲート絶縁層44とGaN層30との界面に位置する遷移層でもある。ガリウム酸化物層42は、例えば、GaN層30の上面52が酸化されることにより形成される。ガリウム酸化物層42の組成式は、GaOXであってよい。GaOXは、Ga元素の原子数およびO元素の原子数の比率が1:1であるGaOと、当該比率が1:2であるGaO2と、当該比率が2:3であるGa2O3との少なくともいずれかを含んでよい。なお、ガリウム酸化物層42は、GaおよびOに加えて、他の元素(Si、Al、N、CおよびH等のいずれか一種類以上の元素)を含んでもよい。
The MOS structure may have a
ガリウム酸化物層42の厚さは1nm(即ち、10Å)以下であってよい。また、ガリウム酸化物層42の厚さは、GaNの1原子層の厚さ以上であってもよい。本例のGaN層30(六方晶)におけるc軸はZ軸と平行であるので、1原子層の厚さは約2.5Åである。それゆえ、ガリウム酸化物層42の厚さは、約5Å以上であってよく、6Å以上であってよく、7Å以上であってよく、8Å以上であってよく、9Å以上であってもよい。
ガリウム酸化物層42(遷移層)は、ゲート絶縁層44およびp型のGaN層30の一部を各々侵食することにより形成されると考えられる。ガリウム酸化物層42の厚さが大きくなるほど、GaN層30の上部(即ち、GaN層30における上面52近傍の領域)がp型特性を失い、ゲート電極層40からの電界に応答しなくなると考えられる。それゆえ、ガリウム酸化物層42の厚さは、小さい方が望ましい。ガリウム酸化物層42の厚さが1nm以下であれば、横型MOSFET100における電界効果移動度を100cm2/V・sまたはこれよりも高くすることができる。
Gallium oxide layer 42 (transition layer) is believed to be formed by partially eroding
電界効果移動度に影響を及ぼすパラメータとして、(1)GaN層30の上面52における物理的な凹凸に起因するラフネス散乱、(2)GaN層30における結晶格子の格子振動に起因するフォノン散乱、(3)GaN層30中のイオン化不純物およびゲート絶縁層44中の固定電荷に起因するクーロン散乱、ならびに、(4)GaN層30とゲート絶縁層44との界面にトラップされた電荷に起因する界面電荷散乱が考えられる。本願においては、上述の(1)から(4)のいずれが支配的であるかは必ずしも明らかではないものの、ガリウム酸化物層42の厚さを小さくすることによりGaN層30における非応答領域を低減することにより、電界効果移動度を大きくするものである。
Parameters affecting the field-effect mobility include (1) roughness scattering caused by physical irregularities on the
ガリウム酸化物層42の厚さは、例えば、XPS(X‐ray Photoelectron Spectroscopy、即ち、光電子分光)分析から決定することができる。詳細は後述の式(1)および(2)を参照されたい。ガリウム酸化物層42の厚さはTEM(Transmission Electron Microscope)観察やEDX(Energy dispersive X-ray spectrometry)分析からも測定できるが、1nm以下の非常に薄い層においてはXPS分析の方が厚さの大小関係を正確に特定することができる。
The thickness of the
本例のゲート絶縁層44は、GaN層30に接してGaN層30上に設けられる。より具体的には、ゲート絶縁層44は、一対のn+型GaN領域32の間に位置するチャネル形成領域34の上部と、チャネル形成領域34に隣接するn+型GaN領域32の一部の上部とに設けられる。なお、ゲート絶縁層44は、後述する製造方法で形成された絶縁層の一例である。ゲート絶縁層44の厚さは1nm以上200nm以下であってよい。本例のゲート絶縁層44の厚さは100nmであるが、ゲート絶縁層44の厚さは10nmであってもよい。後述するように、本明細書は、ゲート絶縁層44を1nm以上形成する場合に、GaN層30とゲート絶縁層44との間の界面遷移層の厚さを低減する有益な方法を提示する。
The
ゲート絶縁層44は、酸化シリコン層および酸化アルミニウム層の少なくともいずれかを含んでよい。ゲート絶縁層44は、酸化シリコン(SiO2)層の単層であってよく、酸化アルミニウム(Al2O3)層の単層であってもよい。これに代えて、ゲート絶縁層44は、酸化アルミニウム層と、少なくとも一部が酸化アルミニウム層上に位置する酸化シリコン層とを含んでもよい。なお、酸化シリコン層は、酸化アルミニウム層よりもバンドギャップが広く、耐圧特性に優れるので有利である。製造工程においても、酸化シリコン層は、酸化アルミニウムに比べてウェットエッチングがし易い点が有利である。
ゲート絶縁層44は、対向する一対のn+型GaN領域32の間のX軸方向の長さより長くてよい。ゲート電極層40は、ゲート絶縁層44上においてゲート絶縁層44に接してよい。ゲート電極層40は、X軸方向においてソース電極層46およびドレイン電極層48から離間してよい。ソース電極層46およびドレイン電極層48の各々は、上面52においてn+型GaN領域32およびGaN層30に接してよい。ゲート電極層40、ソース電極層46およびドレイン電極層48の各々は、厚み200nm程度のアルミニウム電極であってよい。
The
ソース電極層46およびドレイン電極層48間に所定の電位差が形成され、かつ、ゲート電極層40に所定の正電位が供給されることにより、一対のn+型GaN領域32間に位置するチャネル形成領域34に電荷反転領域(即ち、チャネル)が形成されてよい。これにより、ソース電極層46からドレイン電極層48へ電子電流が流れる。ゲート電極層40に所定の正電位が供給されることを横型MOSFET100がオンするとも称する。これに対して、ゲート電極層40に所定の正電位を供給することを止めると、チャネルが消滅する。これにより、電子電流の流れは止まる、つまり、横型MOSFET100はオフする。
A channel is formed between the pair of n + -
図2は、横型MOSFET100の製造方法を示すフローチャートである。本例においては、段階S100からS150の順に(即ち、番号の若い順に)各段階を実行する。
FIG. 2 is a flow chart showing a method for manufacturing the
図3は、横型MOSFET100の製造方法の各工程を示す図である。段階S100は、GaN基板10上にn型のGaN層20をエピタキシャル形成し、次いで、GaN層20上にp型のGaN層30をエピタキシャル形成する段階である。GaN層20およびGaN層30のエピタキシャル層は、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法により形成してよい。MOCVD法に代えて、HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法により各エピタキシャル層を形成してもよい。
FIG. 3 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the
本例においては、MOCVD法を採用する。本例においては、トリメチルガリウム((CH3)3Ga、以降においてTMGと略記する)、アンモニア(NH3)およびモノシラン(SiH4)を含む原料ガスと、窒素(N2)および水素(H2)を含む押圧ガスとをGaN基板10上に流す。このとき、GaN基板10の温度は1100℃としてよい。なお、モノシランのSi元素は、n型GaN層20におけるn型不純物として機能し得る。これにより、1μmの厚さを有し、2E+16cm-3のSi元素を含むn型のGaN層20を形成してよい。
In this example, the MOCVD method is adopted. In this example, source gas containing trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga, hereinafter abbreviated as TMG), ammonia (NH 3 ) and monosilane (SiH 4 ), nitrogen (N 2 ) and hydrogen (H 2 ) ) is flowed onto the
GaN層20を形成した後に、GaN層30を形成する。本例においては、TMG、アンモニアおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を含む原料ガスと、窒素(N2)および水素(H2)を含む押圧ガスとをGaN基板10上に流す。このとき、GaN基板10の温度は1050℃としてよい。なお、Cp2MgのMgは、GaN層30におけるp型不純物として機能し得る。これにより、4μmの厚さを有し、1E+17cm-3のMgを含むp型GaN層30を形成してよい。
After forming the
GaN層20およびGaN層30を形成した後に、GaN系半導体50をMOCVD装置から取り出し、熱処理装置へ移動させてよい。GaN層30におけるp型不純物を活性化させるべく、熱処理装置においてGaN系半導体50を熱処理してよい。本例においては、酸素を含有する窒素(N2)ガス雰囲気において、GaN系半導体50を650℃で熱処理してよい。これにより、S100を終了する。
After forming the
段階S110は、n+型GaN領域32を形成する段階である。本例においては、塗布装置および露光装置等を用いて、n+型GaN領域32形成用の開口を有するレジストマスクを形成してよい。その後、イオン注入装置を用いて、当該レジストマスクを介してGaN層30にドーズ量3E+15[cm-2]で上面52から深さ約0.1μmまでの範囲にSiイオンを注入してよい。その後、レジストマスクを除去して、保護膜としてAlN(窒化アルミニウム)膜やSiO2膜などを形成してもよい。GaN系半導体50を熱処理装置へ移動させてよい。そして、注入したSiを活性化させるべく、窒素(N2)ガス雰囲気においてGaN系半導体50を1000℃で熱処理してよい。また、熱処理後に、GaN層30およびn+型GaN領域32の上面52から酸化層を除去するために上面52を希フッ酸などでエッチングしてよい。その後、上面52を純水でリンスしてよい。
Step S110 is the step of forming the n + -
段階S120は、金属含有ガスを予め定められた時間、プラズマCVD装置の反応チャンバ210へ導入する段階である。ただし、段階S120では、プラズマCVD装置のプラズマ放電を実行しない。段階S120は、プラズマCVD装置を用いながらもプラズマを発生させず、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバ120へ導入する段階である。反応チャンバ120へ導入された金属含有ガスの一部は、GaN系半導体50の上面52に吸着してよい。
Step S120 is the step of introducing the metal-containing gas into the
金属含有ガスは、形成するゲート絶縁層44の種類に応じて定めよい。金属含有ガスの金属は、当該金属の酸化物のエネルギーギャップがGaNのエネルギーギャップよりも大きい金属を意味してよい。当該金属は、SiおよびAlであってよい。
The metal-containing gas may be determined according to the type of
ゲート絶縁層44が酸化シリコン層である場合に、金属含有ガスは、モノシラン(SiH4)、ジシラン(Si2H6)およびオルトケイ酸テトラエチル(Si(OC2H5)4、即ちTEOS)のいずれかを含んでよい。また、ゲート絶縁層44が酸化アルミニウム層である場合に、金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム((CH3)3Al、即ちTMA)およびトリエチルアルミニウム((C2H5)3Al、即ちTEA)のいずれかを含んでよい。
When the
予め定められた時間、金属含有ガスを反応チャンバへ導入することにより、金属含有ガスをGaN層30上に供給することができる。予め定められた時間は、好ましくは20秒以上であり、60秒であってよい。本例においては、予め定められた時間は20秒であり、金属含有ガスはTEOSガスである。TOESガスをGaN層30上に供給することにより、TEOS分子はGaN層30の上面52に吸着し得る。TEOS分子は、1分子層から3分子層程度が上面52に吸着してよい。
The metal-containing gas can be supplied onto the
予め定められた時間の下限は、金属含有ガスの1分子層が上面52に吸着するのに要する時間であってよい。後続の工程において、上面52に接する位置で金属含有ガスが酸素プラズマ(活性酸素またはラジカル酸素とも呼ばれる)により酸化されて、酸化シリコン層または酸化アルミニウム層となり得る。それゆえ、上面52から離れた位置で金属含有ガスと酸素ラジカルとが反応することにより酸化シリコン層または酸化アルミニウム層が形成されて、その後、酸化シリコン層または酸化アルミニウム層が上面52上に堆積する場合に比べて、酸素ラジカルとGaN層30の上面52との反応を低減することができる。したがって、段階S120を実行することにより、ガリウム酸化物層42(遷移層)の厚さを低減することができる。
A lower predetermined time limit may be the time required for one molecular layer of metal-containing gas to adsorb to
金属含有ガスの積層数が時間に対して増加するが一定の時間で飽和する場合には、予め定められた時間の上限は、積層可能な金属含有ガスの最大の分子層数(例えば、3分子層)が上面52に吸着する時間であってよい。なお、数分から数十分もの間、金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入すると製造効率が低下するので、予め定められた時間の上限は、製造効率を考慮して決定してもよい。なお、TEOS分子同士は互いに反発し合うので、3分子層を超えるTEOS分子層は一般的に形成され難い。
If the number of layers of the metal-containing gas increases with time but saturates at a certain time, the upper limit of the predetermined time is the maximum number of molecular layers of the metal-containing gas that can be stacked (e.g., 3 molecules layer) adheres to the
段階S120において、流量0.5sccm(standard cubic centimeters per minute)以上の金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入してよく、2.0sccm金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入してよい。金属含有ガスの流量は、反応チャンバ210内圧が約270Pa(後述のXPS分析のために作成した試料においても同じ)における流量であってよい。相対的に低い0.5sccmの場合でも、ガリウム酸化物層42の厚さを低減する効果を得ることができる。また、相対的に高い2.0sccmの場合、0.5sccmに比べて、ガリウム酸化物層42の厚さをより低減することができるので、効果的である。
At step S 120 , the metal-bearing gas with a flow rate of 0.5 sccm (standard cubic centimeters per minute) or more may be introduced into the
TOESガスの流量0.5sccmおよび2.0sccmに対応する分圧は、それぞれ1.5Paおよび6Paである。TOESガスを反応チャンバ210へ導入する時間は、60秒間または20秒間であってよい。このように、所定時間TEOSガスをGaN層30上に供給することで、GaN層30上にTEOS分子が吸着し得る。例えば、TOES供給量が1.5Pa・min(=1.5Pa・1min)以上の場合、TEOS分子はGaN層30上に吸着する。製造時間を考慮して、TOES供給量を1.5Pa・min以上、さらに好ましくは2Pa・min(=6Pa・20sec)以上、6Pa・min(=6Pa・1min)としてもよい。
The partial pressures corresponding to TOES gas flow rates of 0.5 sccm and 2.0 sccm are 1.5 Pa and 6 Pa, respectively. The time to introduce the TOES gas into
段階S120において、GaN層30の温度は、室温以上好ましくは300℃以下である。本例においては、GaN層30の温度は、300℃とする。GaN層30の温度が300℃を超えると(例えば、400℃の場合)金属含有ガスが上面52に吸着しにくくなるので、ガリウム酸化物層42の厚さが増加する傾向にある。金属含有ガスが上面52に吸着することを可能とするべく、GaN層30の温度は300℃以下であることが望ましい。なお、GaN層30とGaN基板10との温度は、同じ温度と見なすことができる。それゆえ、GaN層30の温度を制御することは、GaN基板10の温度を制御することと見なしてよい。
In step S120, the temperature of the
本例(以降において、第1例と称する場合がある)の段階S120においては、予め定められた時間において金属含有ガスを供給するが、酸素含有ガスは供給しない。これに対して、第1例の変形例である第2例に係る段階S120においては、予め定められた時間が経過する前に、酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入することを開始してもよい。予め定められた時間が経過する前に酸素含有ガスを導入することにより、後述の段階S130において安定した電離状態の酸素プラズマ(酸素ラジカル)を形成しやすいという利点がある。酸素含有ガスは、酸素(O2)ガス、オゾン(O3)ガスおよび水蒸気(H2O)のいずれかを含んでよい。ただし、酸素含有ガスがオゾン(O3)ガスである場合、酸素含有ガスは既に活性(ラジカル)であるので、予め定められた時間が経過する前に導入しない。
In step S120 of this example (hereinafter sometimes referred to as the first example), the metal-containing gas is supplied for a predetermined time, but the oxygen-containing gas is not supplied. On the other hand, in step S120 according to the second example, which is a modification of the first example, even if introduction of the oxygen-containing gas into the
第2例に係る段階S120において、酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入する場合に、金属含有ガスの分子層と上面52との間に、酸素含有ガスの分子が吸着してよい。ただし、この場合、酸素含有ガスはオゾン(O3)ガス以外の酸素含有ガス(例えば、酸素ガスおよび水蒸気)である。ラジカル状態ではない酸素含有ガスはGaN層30の上面52を酸化しない。また、それゆえに、酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入しても、ガリウム酸化物層42の厚さは増加しない。吸着した酸素含有ガスは、その後の段階S130において、上面52から脱離してよい。
When the oxygen-containing gas is introduced into the
段階S130は、酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることによりゲート絶縁層44を形成する段階である。なお、段階S130においては、主に、上面52に吸着した金属含有ガスと活性化した酸素含有ガスとを反応させることにより、ゲート絶縁層44を形成することができる。
Step S130 is forming the
段階S130は、段階S120における予め定められた時間の経過後に実行してよい。本例の段階S130では、反応チャンバ210に酸素含有ガスを供給し、反応チャンバ210内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させる。そして、GaN層30上において酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることによりゲート絶縁層44を形成する。本例においては、上面52に吸着した金属含有ガスと酸素ラジカルとが反応するため、酸素ラジカルによる上面52(即ち、GaN層30の表面)の酸化を抑制することができる。それゆえ、反応により形成された酸化シリコン層または酸化アルミニウム層を上面52に堆積させる場合に比べて、ガリウム酸化物層42をより薄くすることができる。
Step S130 may be performed after a predetermined period of time in step S120. In step S<b>130 of this example, the oxygen-containing gas is supplied to the
なお、第1例および第2例の変形例である第3例に係る段階S130においては、酸素ラジカルを発生するときに金属含有ガスと酸素含有ガスとを反応チャンバ210へ導入することを開始してもよい。第3例においても、GaN層30の上面52を酸素ラジカルに暴露した後に金属含有ガスと酸素含有ガスに由来する酸素ラジカルとを反応させる場合に比べて、ガリウム酸化物層42の厚さを低減させる一定の効果を得ることができる。
In step S130 according to the third example, which is a modification of the first and second examples, introduction of the metal-containing gas and the oxygen-containing gas into the
段階S140は、ガリウム酸化物層42およびゲート絶縁層44を部分的に削除する段階である。S140においては、ソース電極層46およびドレイン電極層48に対応する領域に開口を有するレジストマスクを用いてガリウム酸化物層42およびゲート絶縁層44をエッチングにより部分的に除去する。
Step S140 is a step of partially removing the
段階S150は、ゲート電極層40、ソース電極層46およびドレイン電極層48を形成する段階である。本例においては、200nmの厚さを有するAl電極層を蒸着する。次いで、適宜エッチングすることによりゲート絶縁層44上にゲート電極層40を形成する。その後、ゲート電極層40を覆う様に、層間絶縁膜(不図示)を形成してよい。また、層間絶縁膜に、ソース電極層46およびドレイン電極層48に対応する開口を形成してよい。ソース電極層46として、下から順にチタン(Ti)層およびAl層を積層形成してよい。ドレイン電極層48もTi層およびAl層の積層構造であってよい。
Step S150 is the step of forming the
図4は、プラズマCVD装置200の概要を示す図である。プラズマCVD装置200は、反応チャンバ210、温度調節部230、排気ポンプ240、マイクロ波発生器250、導波路252、および、プラズマ発生チャンバ254を有する。プラズマCVD装置200において、酸素含有ガスをプラズマ化することで酸素ラジカルを発生させ、原料ガスと反応させることで酸化膜を形成することができる。なお、酸素含有ガスとしてオゾンガスを用いる場合には、マイクロ波発生器250を使用せずに、導入口256からオゾンガスを反応チャンバ210へ直接導入してよい。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of the
本例の反応チャンバ210は、内部にAlからなるペデスタル212を有する。GaN系半導体50はペデスタル212上において静電吸着を利用して固定されてよい。ペデスタル212内部にはヒーター220が設けられてよい。温度調節部230はヒーター220の温度を100℃から450℃に制御してよい。本例では、段階S120およびS130において、GaN系半導体50が300℃となるように、ヒーター220の温度を調節する。排気ポンプ240は、反応チャンバ210内の気体を排気口214から吸引してよい。排気ポンプ240は、反応チャンバ210内の気圧を200Paから300Paに制御してよい。
The
マイクロ波発生器250は、導波路252を介してプラズマ発生チャンバ254に接続してよい。マイクロ波発生器250は、導入口256からプラズマ発生チャンバ254に導入されるO2(酸素)をプラズマ化して酸素ラジカルを発生させる。図4に示す様に、酸素ラジカルは反応チャンバ210の内部へ進んでよい。
導入口216から反応チャンバ210へは、金属含有ガスが導入されてよい。これにより、上述の段階S130で述べたように、金属含有ガスと酸素ラジカルとを反応させることができる。本例において、金属含有ガスはTEOSガスであるので、形成される絶縁層は酸化シリコン層である。ただし、金属含有ガスとしてTMA等のAl含有ガスを用いる場合には、絶縁層として酸化アルミニウム層を形成することができる。
A metal-bearing gas may be introduced into
本例のプラズマCVD装置200は、マイクロ波放電により酸素プラズマを発生させるリモートプラズマ方式の成膜装置である。しかしながら、プラズマCVD装置200は、当該マイクロ波放電に代えて、平行平板放電、高周波放電、直流放電および表面波放電のいずれかの方式を用いてもよい。マイクロ波放電はガスの分解効率が良いが、平行平板放電や高周波放電は、被処理体が大面積である場合に特に有利である。リモートプラズマ方式では、プラズマ発生場所と成膜場所とが離間しているので、酸素プラズマによるGaN層30の上面52へのダメージを低減することができる。表面波放電方式も放電が電極表面に局在するためダメージを低減することができる。
The
図5は、酸素ガス導入期間とTEOSガス導入期間とを説明する図である。横軸は時間を示し、縦軸はガスの種類を示す。時刻T1は、金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入することを開始する時刻である。時刻T2は、酸素含有ガスから酸素プラズマを発生させて反応チャンバ210へ酸素プラズマを導入する時刻である。時刻T3は、ゲート絶縁層44の形成を終了する時刻である。
FIG. 5 is a diagram for explaining the oxygen gas introduction period and the TEOS gas introduction period. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the type of gas. Time T1 is the time to start introducing the metal-containing gas into
なお、酸化シリコン層の通常の成膜例(通常の成膜例)では、プラズマが安定した後に成膜を行うため、酸素プラズマを発生させた後に金属含有ガスを導入する。それゆえ、時刻T1は、時刻T2よりも後である。これに対して、本例(第1例)において、時刻T1は、時刻T2よりも前である。 Note that in the normal film formation example of the silicon oxide layer (normal film formation example), the film is formed after the plasma is stabilized, so the metal-containing gas is introduced after the oxygen plasma is generated. Therefore, time T1 is later than time T2. On the other hand, in this example (first example), the time T1 is earlier than the time T2.
第1例においては、時刻T1から時刻T2まで金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入し続ける。つまり、時刻T1から時刻T2までは、GaN系半導体50の上面52に金属含有ガスを供給する前処理期間である。そして、不活性ガスによるパージ等を行うことなく、時刻T2以降も金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入し続ける。また、時刻T2において、放電開始と同時に酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入する。それゆえ、本例は、前駆体ガスを被処理層の表面に吸着させた後に反応チャンバ内の前駆体ガスを排気する原子層堆積法(ALD)とは異なる。本例において、時刻T1から時刻T2までが、金属含有ガスを反応チャンバ210へ導入する予め定められた時間である。また、時刻T2から時刻T3までがゲート絶縁層44を形成する時間である。
In a first example, the introduction of metal-containing gas into
ところで、上述した第2例においては、予め定められた時間が経過する前に、オゾンガス以外の酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入することを開始する。第2例においては、時刻T1後時刻T2前の時刻Txに、酸素含有ガスを反応チャンバ210へ導入することを開始する(図5中において破線で示す)。これにより、時刻T2においてプラズマ放電が安定化する点が有利である。ただし、時刻Txに酸素含有ガスを導入しても、酸素プラズマの発生は時刻T2に開始するので、ゲート絶縁層44を形成する時間は時刻T2から時刻T3までである。
By the way, in the second example described above, the introduction of the oxygen-containing gas other than the ozone gas into the
また、上述した第3例においては、金属含有ガスの導入および酸素ラジカルの導入が同じタイミングで実行される。つまり、時刻T1と時刻T2とが同時である。第1例および第2例に比べて劣るが、第3例においても、ガリウム酸化物層42の厚さを低減させる一定の効果を得ることができる。
Also, in the third example described above, the introduction of the metal-containing gas and the introduction of the oxygen radicals are performed at the same timing. That is, the time T1 and the time T2 are the same. A certain effect of reducing the thickness of the
本例においては、プレーナーゲート型の横型MOSFET100の例を述べた。しかしながら、段階S120およびS130を経てゲート絶縁層44を形成することを、プレーナーゲート型の縦型MOSFETおよびトレンチゲート型の縦型MOSFETに適用してよいのは勿論である。
In this example, the example of the planar gate
図6Aから図6Eは、複数の試料に対してXPS(X‐ray Photoelectron Spectroscopy、即ち、光電子分光)分析を行った実験結果を示す図である。複数の試料(試料No.3~10)は、GaN層30と、ガリウム酸化物層42と、ゲート絶縁層44に対応する酸化シリコン層とを有する。ただし、試料No.1と試料No.2は、GaN層30と、ガリウム酸化物層42とを有するが、酸化シリコン層を有しない。試料No.1は、GaN層30をエピタキシャル成長させた後、意図的な処理を施していない試料である。試料No.2は、上述した通常の成膜例による酸化シリコン層の成膜前(即ち、成膜前に酸素プラズマ処理を施したもの)に対応する試料である。試料No.3は、上述した通常の成膜例による酸化シリコン層の成膜後に対応する試料である。試料No.4、試料No.6および試料No.9は、上述した第3例に対応する試料である。試料No.5、試料No.7、試料No.8および試料No.10は、上述した第2例に対応する試料である。試料No.1~10についての各条件を表1に示す。なお、試料No.3~10において、前処理段階と酸化シリコン層形成段階とでは、TEOS流量を同じとした。
6A to 6E are diagrams showing experimental results of XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) analysis of a plurality of samples. A plurality of samples (sample Nos. 3 to 10) had a
XPS分析を可能とするべく、酸化シリコン層の厚さは1nmとした。ただし、対照実験としての試料No.1およびNo.2は、酸化シリコン層を設けなかった(酸化シリコン層の厚さ=0nm)。本実験においては、GaN層30とゲート絶縁層44との間の界面領域にX線を照射した。X線としてはAlKα線を用いた。また、検出器が光電子を取り込む方向と、積層構造を有する試料の水平面とが成す角度を45度とした。
The thickness of the silicon oxide layer was set to 1 nm to enable XPS analysis. However, sample no. 1 and no. No. 2 did not provide a silicon oxide layer (thickness of silicon oxide layer=0 nm). In this experiment, the interface region between the
GaN層30は、主としてGa‐N結合を有する。これに対して、ガリウム酸化物層42は主としてGa‐O結合を有する。Ga原子の2p軌道により放出される光電子はGa‐N結合とGa‐O結合で異なるエネルギーのケミカルシフトを生じる。図6Aから図6Eにおいては、Ga原子の2p軌道の結合エネルギー(横軸)に対応する強度(縦軸)の関係であるスペクトルを測定した。図6Aから図6Eにおいて、横軸は結合エネルギー(binding energy)[eV]であり、縦軸は強度(c/s、即ちcounts per second)である。なお、本明細書においては、Ga原子の2p軌道をGa2pと記載する場合がある。
The
本実験の実測値は、ガリウム酸化物層42とGaN層30を含む界面領域をXPS分析することにより得られたものである。実測値は、Ga‐N結合成分とGa‐O結合成分とを含む。純粋なGa‐N結合の強度ピークに対応するエネルギーは、例えばゲート絶縁層44を設けないGaN層30をXPS分析することにより、予め得ることができる。また、純粋なGa‐O結合の強度ピークに対応するエネルギーも、GaN層30の酸化表面をXPS分析することにより予め得ることができる。本実験において、Ga‐N結合の強度ピークに対応するエネルギーは1117.4eVであり、Ga‐O結合の強度ピークに対応するエネルギーは1118.2eVであった。
The measured values in this experiment were obtained by XPS analysis of the interface region including the
本実験においては、各々予め得られたGa‐N結合およびGa‐O結合のエネルギーに対応する強度ピークの波形を用いて、Ga2pの実測値の波形を分解した。波形を分解した結果、Ga‐N結合の波形のピーク値がGa‐O結合の波形のピーク値よりも高い場合、界面領域においてガリウム酸化物層42の厚さ、量および体積の少なくともいずれかが相対的に少ないことを意味する。これに対して、波形を分解した結果、Ga‐O結合の波形のピーク値がGa‐N結合の波形のピーク値よりも高い場合、界面領域においてガリウム酸化物層42が相対的に多いことを意味する。
In this experiment, the waveforms of the measured Ga2p values were decomposed using previously obtained waveforms of intensity peaks corresponding to Ga—N bond and Ga—O bond energies, respectively. As a result of resolving the waveform, if the peak value of the Ga—N bond waveform is higher than the peak value of the Ga—O bond waveform, then at least one of the thickness, amount, and volume of the
Ga‐O結合成分とGa‐N結合成分の強度比IOX/IGaNより、以下の式(1)を用いてガリウム酸化物層42の厚さdを算出した。なお、式(1)において、「×」は積を意味する。
d=λOX×cosθ
×ln[(λGaNNGaN)/(λOXNOX)×(IOX/IGaN)+1]・・・(1)
ここで、θは光電子取出し角、NGaNおよびNOXはそれぞれGaN層およびGa酸化層中のGa原子密度である。λGaNおよびλOXはそれぞれGaN層およびGa酸化層中のGa2p電子の脱出深さであり、[非特許文献1]に記載の半経験式より算出した。化合物に対しては電子の脱出深さλ(nm)は、Eを光電子のエネルギー(eV)、aを単原子層の厚さ(nm)として以下の式(2)で表される。
λ(nm)=538aE-2+0.72(a3/2E1/2)・・(2)
[非特許文献1]:大西孝治・堀池靖浩・吉原一紘、固体表面分析I、第1刷、講談社、1995年4月20日、第28頁。
The thickness d of the
d=λ OX ×cos θ
x ln [(λ GaN N GaN )/(λ OX NOX ) x ( IOX /I GaN )+1] (1)
where θ is the photoelectron extraction angle, N GaN and N OX are the Ga atomic densities in the GaN layer and Ga oxide layer, respectively. λ GaN and λ OX are escape depths of Ga2p electrons in the GaN layer and Ga oxide layer, respectively, and were calculated from the semi-empirical formula described in [Non-Patent Document 1]. The electron escape depth λ (nm) for a compound is represented by the following equation (2), where E is the photoelectron energy (eV) and a is the monoatomic layer thickness (nm).
λ(nm)=538aE −2 +0.72(a 3/2 E 1/2 ) (2)
[Non-Patent Document 1]: Koji Onishi, Yasuhiro Horiike, Kazuhiro Yoshihara, Solid Surface Analysis I, 1st edition, Kodansha, April 20, 1995, p.28.
図6Aは、試料No.1のXPS分析結果を示す図である。試料No.1は、段階S100においてGaN層30を形成しただけであり、酸化シリコン層等の絶縁層を形成しなかった試料である(酸化シリコン層の厚さ=0nm)。また、試料No.1においては、GaN層30形成後に上面52上に金属含有ガスまたは酸素含有ガスを流していない(「前処理」=なし)。つまり、図6Aは、エピタキシャル層形成段階(S100)後のGaN層30の上面52をXPS分析した結果である。試料No.1において、酸化ガリウム層の厚さdは0.1nmであった。試料No.1における酸化ガリウム層は、いわゆる自然酸化膜であると考えられる。
FIG. 6A shows sample no. 1 shows the XPS analysis results of No. 1. FIG. Sample no. 1 is a sample in which only the
図6Aにおいて、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ga原子の2p軌道を測定した実測スペクトルである。図6A中「Ga‐N成分」ピークはGa‐N結合由来の波形であり、図6A中「Ga‐O成分」ピークはGa‐O結合由来の波形である。二番目に高い強度ピークを有する曲線(破線)は、Ga‐O結合の成分とGa‐N結合の成分とを合わせたものである(図6A中のGa‐O+Ga‐N成分)。図6Aにおいて、Ga‐N結合の波形(図6A中のGa‐N成分)のピークは、Ga‐O結合の波形(図6A中のGa‐O成分)のピークよりも圧倒的に高かった。つまり、試料No.1においてGa‐O成分はGa‐N成分に比べて極めて少なかった。 In FIG. 6A, the curve with the highest intensity peak is the measured spectrum of the 2p orbital of Ga atoms. The "Ga--N component" peak in FIG. 6A is a waveform derived from Ga--N bonds, and the "Ga--O component" peak in FIG. 6A is a waveform derived from Ga--O bonds. The curve with the second highest intensity peak (dashed line) is the combination of the Ga--O bond component and the Ga--N bond component (Ga--O+Ga--N component in FIG. 6A). In FIG. 6A, the peak of the Ga—N bond waveform (Ga—N component in FIG. 6A) was overwhelmingly higher than the peak of the Ga—O bond waveform (Ga—O component in FIG. 6A). That is, sample no. In No. 1, the Ga—O component was much less than the Ga—N component.
図6Bは、試料No.2のXPS分析結果を示す図である。試料No.2においては、GaN層30形成後に上面52上に金属含有ガスまたは酸素含有ガスを流しておらず、上面52上に酸化シリコン層を形成してもいない(酸化シリコン層の厚さ=0nm)。ただし、試料No.2においては、段階S100においてGaN層30を形成した後に、上面52に酸素ラジカルを照射した(表1において、「前処理」=酸素プラズマ)。なお、酸素ラジカルを照射するときに、GaN基板10の温度は300℃とした。これは通常の成膜例の前処理段階に対応する。試料No.2において、酸化ガリウム層の厚さdは1.5nmと厚い酸化ガリウム層が形成された。
FIG. 6B shows sample no. 2 is a diagram showing the XPS analysis results of No. 2. FIG. Sample no. 2, no metal-containing gas or oxygen-containing gas is flowed over the
図6Bにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ga原子の2p軌道を測定した実測スペクトルである。二番目に高い強度ピークを有する曲線(破線)は、Ga‐O+Ga‐N成分である。また、三番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐O成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐N成分である。図6Bに示す様に、酸素ラジカルで上面52を処理することにより、試料No.1に比べて酸化ガリウム層が著しく成長した。
Also in FIG. 6B, the curve with the highest intensity peak is the measured spectrum obtained by measuring the 2p orbital of Ga atoms. The curve with the second highest intensity peak (dashed line) is the Ga-O+Ga-N component. Also, the curve with the third highest intensity peak is the Ga--O component, and the curve with the fourth highest intensity peak is the Ga--N component. As shown in FIG. 6B, by treating the
図6Cは、試料No.3のXPS分析結果を示す図である。試料No.3においては、GaN層30形成後に上面52上に酸素ラジカルの照射を開始し、その後遅れて、TEOSガスの導入を開始した(表1において、「前処理」=酸素プラズマ、「TEOS流量」=0.5sccm)。なお、この状況は、図5を用いて説明すると、時刻T1が時刻T2の後になったことに相当する。これにより、上面52上に1nm厚さの酸化シリコン層を形成した。試料No.3においては、GaN基板10の温度は300℃とした。
FIG. 6C shows sample no. 3 shows the XPS analysis results of No. 3. FIG. Sample no. 3, the irradiation of oxygen radicals on the
図6Cにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ga原子の2p軌道を測定した実測スペクトルである。二番目に高い強度ピークを有する曲線(破線)は、Ga‐O+Ga‐N成分である。また、三番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐O成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐N成分である。通常の成膜例に対応する試料No.3における酸化ガリウム層の厚さdは、試料No.1~10の中で最も大きかった。試料No.3において、酸化ガリウム層の厚さdは2.0nmであった。なお、試料No.3の電界効果移動度のピーク値は、50cm2/V・sであった。 Also in FIG. 6C, the curve with the highest intensity peak is the measured spectrum of the 2p orbital of Ga atoms. The curve with the second highest intensity peak (dashed line) is the Ga-O+Ga-N component. Also, the curve with the third highest intensity peak is the Ga--O component, and the curve with the fourth highest intensity peak is the Ga--N component. Sample No. corresponding to a normal film formation example. The thickness d of the gallium oxide layer in Sample No. 3 is 1 to 10 was the largest. Sample no. 3, the thickness d of the gallium oxide layer was 2.0 nm. In addition, sample no. The peak value of the field effect mobility of 3 was 50 cm 2 /V·s.
上述の第3例に対応する試料No.4は、「前処理」の条件のみが試料No.3と異なる。試料No.4においては、酸化ガリウム層の厚さdが試料No.3の約半分である1.1nmとなった。このことから、酸素プラズマを単独でGaN層30の上面に照射しないことが、酸化ガリウム層の厚さdを低減する上で有効であると言える。
Sample No. corresponding to the third example described above. In Sample No. 4, only the condition of "pretreatment" was applied. different from 3. Sample no. 4, the thickness d of the gallium oxide layer is the same as that of sample No. 4. 1.1 nm, which is about half of 3. From this, it can be said that not irradiating the upper surface of the
また、上述の第2例に対応する試料No.5は、「前処理」の条件が0.5sccmで1分間TEOSガスを反応チャンバ210内に導入した。係る点が、試料No.3と異なる。試料No.4においては、酸化ガリウム層の厚さdが0.8nmとなった。このことから、GaN系半導体50の上面52に金属含有ガスを吸着させる前処理を行うことが、酸化ガリウム層の厚さdを低減する上で有効であると言える。
Also, sample No. 1 corresponding to the above-described second example. 5 introduced the TEOS gas into the
図6Dは、試料No.6のXPS分析結果を示す図である。上述の第3例に対応する試料No.6においては、GaN層30形成後に、TEOSガスおよび酸素ガスを反応チャンバ210に導入すると同時に、プラズマ放電を実行した(表1において、「前処理」=なし、プラズマ放電時の「TEOS流量」=2.0sccm)。つまり、試料No.6においては、TEOSガスと酸素プラズマとを同時に上面52上に導入した。この状況は、図5を用いて説明すると、時刻T1と時刻T2とが同時であることに相当する。これにより、上面52上に1nm厚さの酸化シリコン層を形成した。試料No.6においては、GaN基板10の温度は300℃とし、TEOSの流量は2.0sccmとした。試料No.6において、酸化ガリウム層の厚さdは0.9nmであった。
FIG. 6D shows sample no. 6 is a diagram showing the XPS analysis results of No. 6. FIG. Sample No. corresponding to the third example described above. 6, after the
図6Dにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ga原子の2p軌道を測定した実測スペクトルである。また、二番目に高い強度ピークを有する曲線(破線)は、Ga‐O+Ga‐N成分である。しかし、三番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐N成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐O成分である。試料No.6の結果からも、酸素プラズマにより前処理を行わないことが、酸化ガリウム層の厚さdを低減する上で有効であると言える。なお、試料No.6の電界効果移動度のピーク値は、100cm2/V・sであった。試料No.3と比較すると、酸化ガリウム層の厚さdが移動度を向上させるうえで有効であると言える。 Also in FIG. 6D, the curve with the highest intensity peak is the measured spectrum of the 2p orbital of Ga atoms. Also, the curve with the second highest intensity peak (dashed line) is the Ga-O+Ga-N component. However, the curve with the third highest intensity peak is the Ga-N component and the curve with the fourth highest intensity peak is the Ga-O component. Sample no. 6, it can be said that not performing the pretreatment with oxygen plasma is effective in reducing the thickness d of the gallium oxide layer. In addition, sample no. The peak value of the field effect mobility of 6 was 100 cm 2 /V·s. Sample no. 3, it can be said that the thickness d of the gallium oxide layer is effective in improving the mobility.
図6Eは、試料No.7のXPS分析結果を示す図である。上述の第2例に対応する試料No.7においては、GaN層30形成後にTEOSガスを20秒間反応チャンバ210に導入し、その後、酸素ガスをプラズマ放電した(「前処理」=2.0sccmで20秒間TEOSガスを反応チャンバ210内に導入)。試料No.7は、図5を用いて説明すると、時刻T1後に20秒経て時刻T2に至り、時刻T2から時刻T3まで酸化シリコン層を形成したことに相当する。つまり、試料No.7は、図2および図3において説明した例に対応する。試料No.7においても、上面52上に1nm厚さの酸化シリコン層を形成した。
FIG. 6E shows sample no. 7 shows the XPS analysis results of No. 7. FIG. Sample No. corresponding to the second example described above. 7, the TEOS gas was introduced into the
試料No.7において、GaN基板10の温度は300℃とした。試料No.7において、酸化ガリウム層の厚さdは、試料No.1~10の中で最も小さかった。試料No.7において、酸化ガリウム層の厚さdは0.5nmであった。試料No.10との比較から、GaN基板10の温度が低い方が、酸化ガリウム層の厚さdを低減する上で有効であると言える。
Sample no. 7, the temperature of the
図6Eにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ga原子の2p軌道を測定した実測スペクトルである。また、二番目に高い強度ピークを有する曲線(破線)は、Ga‐O+Ga‐N成分である。ただし、三番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐N成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はGa‐O成分である。試料No.7において、Ga‐N成分のピークに対するGa‐O成分のピークの比は、試料No.6に比べて高い。この結果からも、酸素プラズマを照射する前にTEOSガスを導入する利点が明らかとなった。なお、試料No.7の電界効果移動度のピーク値は、120cm2/V・sであった。試料No.3および6よりも移動度を向上させることができた。 Also in FIG. 6E, the curve with the highest intensity peak is the measured spectrum of the 2p orbital of Ga atoms. Also, the curve with the second highest intensity peak (dashed line) is the Ga-O+Ga-N component. However, the curve with the third highest intensity peak is the Ga-N component and the curve with the fourth highest intensity peak is the Ga-O component. Sample no. 7, the ratio of the peak of the Ga--O component to the peak of the Ga--N component is Higher than 6. This result also clarified the advantage of introducing the TEOS gas before the oxygen plasma irradiation. In addition, sample no. The peak value of the field effect mobility of 7 was 120 cm 2 /V·s. Sample no. It was possible to improve the mobility more than 3 and 6.
上述の第2例に対応する試料No.8は、「前処理」においてTEOSガスを流す時間が、試料No.7と異なる。試料No.8における酸化ガリウム層の厚さdは、試料No.7と同様に、試料No.1~10の中で最も小さい0.5nmであった。 Sample No. corresponding to the second example described above. In sample No. 8, the TEOS gas was allowed to flow in the "pretreatment". different from 7. Sample no. The thickness d of the gallium oxide layer in sample no. Similar to sample no. It was 0.5 nm, which was the smallest among 1 to 10.
上述の第3例に対応する試料No.9は、「前処理」においてTEOSガスを流さなかった。また、GaN基板10の温度は400℃とした。係る点が、試料No.7および8と異なる。試料No.4、と試料No.6および9との対比からわかるように、酸化シリコン層形成時のTEOS流量が高い方が、ガリウム酸化物層42の厚さdが小さい。
Sample No. corresponding to the third example described above. 9 did not flow TEOS gas in the "pretreatment". Also, the temperature of the
上述の第2例に対応する試料No.10は、「前処理」において2.0sccmでTEOSガスを流した。係る点が、試料No.9と異なる。試料No.10のガリウム酸化物層42の厚さdが、試料No.9に比べて小さくなったことからも、酸素プラズマを照射する前にTEOSガスを導入する利点が明らかとなった。なお、本実験において、上述の第1例に対応する試料は作成しなかった。しかしながら、第1例に対応する試料におけるガリウム酸化物層42の厚さdは、第2例に対応する試料におけるガリウム酸化物層42の厚さdと同等、または、これよりも小さくすることができると考えられる。それゆえ、第1例に対応する試料は、第2例に対応する試料と同等以上の有利な効果を享受することができると合理的に考えられる。
Sample No. corresponding to the second example described above. 10 flowed TEOS gas at 2.0 sccm in "Pretreatment". The point concerned is the sample No. different from 9. Sample no. The thickness d of the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various modifications or improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the scope of the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
[項目1-1]
窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、
少なくとも金属含有ガスを上記窒化ガリウム系半導体層上に供給するべく、予め定められた時間、上記少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、
上記導入する段階の後に、上記反応チャンバ内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させて、上記窒化ガリウム系半導体層上において上記酸素ラジカルと上記金属含有ガスとを反応させることにより絶縁層を形成する段階と、
を備える、半導体装置の製造方法。
[項目1-2]
上記導入する段階においては、上記予め定められた時間において上記金属含有ガスを供給するが、上記酸素含有ガスは供給せず、
上記絶縁層を形成する段階において、上記酸素含有ガスを供給する、
項目1-1に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-3]
上記導入する段階は、上記予め定められた時間が経過する前に、上記酸素含有ガスを供給することを含む、項目1-1に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-4]
上記半導体装置は、上記窒化ガリウム系半導体層と上記絶縁層との間にガリウム酸化物層を有し、
上記ガリウム酸化物層の厚さは、1nm以下である、
項目1-1から1-3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-5]
上記導入する段階においては、上記金属含有ガスの供給量を1.5Pa・min以上で上記反応チャンバへ導入する、項目1-1から1-4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-6]
上記予め定められた時間は、20秒以上である、項目1-1から1-5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-7]
上記絶縁層を形成する段階において、上記窒化ガリウム系半導体層の温度は300℃以下である、項目1-1から1-6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-8]
上記絶縁層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのいずれかを含む、項目1-1から1-7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-9]
上記絶縁層が酸化シリコンである場合に、上記金属含有ガスは、モノシラン、ジシランおよびオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)のいずれかを含み、
上記絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、上記金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム(TMA)およびトリエチルアルミニウム(TEA)のいずれかを含む、
項目1-8に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-10]
上記酸素含有ガスは、酸素ガス、オゾンガスおよび水蒸気のいずれかを含み、
上記導入する段階において上記予め定められた時間が経過する前に上記酸素含有ガスを供給する場合には、上記酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含む、
項目1-1から1-9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-11]
上記絶縁層の厚さは1nm以上である、項目1-1から1-10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目1-12]
上記絶縁層を形成する段階の後に、上記絶縁層上に電極層を形成する段階をさらに備え、
上記絶縁層は、上記窒化ガリウム系半導体層と、上記絶縁層と、上記電極層とを有するMOS構造に用いられるゲート絶縁層である、
項目1-1から1-11のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-1]
窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、
金属含有ガスを上記窒化ガリウム系半導体層の上面に吸着させるべく、予め定められた時間、少なくとも上記金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、
上記導入する段階の後に、上記反応チャンバ内において酸素含有ガスをプラズマ化することで酸素ラジカルを発生させて、上記金属含有ガスが吸着された上記窒化ガリウム系半導体層の上面において、上記酸素ラジカルと上記金属含有ガスとを反応させることにより、上記金属含有ガスに含まれる金属の酸化物である絶縁層を形成する段階と、
を備える、半導体装置の製造方法。
[項目2-2]
上記導入する段階においては、上記予め定められた時間において上記金属含有ガスを供給するが、上記酸素含有ガスは供給せず、
上記絶縁層を形成する段階において、上記酸素含有ガスを供給する、
項目2-1に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-3]
上記導入する段階は、上記予め定められた時間が経過する前に、上記酸素含有ガスを供給することを含む、項目2-1に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-4]
上記半導体装置は、上記窒化ガリウム系半導体層と上記絶縁層との間にガリウム酸化物層を有し、
上記ガリウム酸化物層の厚さは、1nm以下である、
項目2-1から2-3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-5]
上記ガリウム酸化物層は、上記絶縁層を形成する段階において、上記酸素含有ガスに含まれる酸素と上記窒化ガリウム系半導体層とが反応することにより形成される、項目2-4に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-6]
上記導入する段階においては、上記金属含有ガスの供給量を1.5Pa・min以上で上記反応チャンバへ導入する、項目2-1から2-5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-7]
上記予め定められた時間は、20秒以上である、項目2-1から2-6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-8]
上記絶縁層を形成する段階において、上記窒化ガリウム系半導体層の温度は300℃以下である、項目2-1から2-7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-9]
上記絶縁層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのいずれかを含む、項目2-1から2-8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-10]
上記絶縁層が酸化シリコンである場合に、上記金属含有ガスは、モノシラン、ジシランおよびオルトケイ酸テトラエチル(TEOS)のいずれかを含み、
上記絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、上記金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム(TMA)およびトリエチルアルミニウム(TEA)のいずれかを含む、
項目2-9に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-11]
上記酸素含有ガスは、酸素ガス、オゾンガスおよび水蒸気のいずれかを含み、
上記導入する段階において上記予め定められた時間が経過する前に上記酸素含有ガスを供給する場合には、上記酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含む、
項目2-1から2-10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-12]
上記絶縁層の厚さは1nm以上である、項目2-1から2-11いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
[項目2-13]
上記絶縁層を形成する段階の後に、前期絶縁層上に電極層を形成する段階をさらに備え、
上記絶縁層は、上記窒化ガリウム系半導体層と、上記絶縁層と、上記電極層とを有するMOS構造に用いられるゲート絶縁層である、
項目2-1から2-12のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The execution order of each process such as actions, procedures, steps, and stages in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, the specification, and the drawings is particularly "before", "before etc., and it should be noted that they can be implemented in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the specification, and the drawings, even if the description is made using "first,""next," etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. not a thing
[Item 1-1 ]
A method for manufacturing a semiconductor device having a gallium nitride-based semiconductor layer, comprising:
introducing the at least metal-containing gas into a reaction chamber for a predetermined time to supply the at least metal-containing gas onto the gallium nitride based semiconductor layer;
After the step of introducing, oxygen radicals are generated from the oxygen-containing gas in the reaction chamber, and an insulating layer is formed on the gallium nitride based semiconductor layer by reacting the oxygen radicals with the metal-containing gas. stages and
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
[ Item 1-2]
In the introducing step, the metal-containing gas is supplied for the predetermined time, but the oxygen-containing gas is not supplied;
supplying the oxygen-containing gas in the step of forming the insulating layer;
A method for manufacturing a semiconductor device according to item 1-1 .
[Item 1-3 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to item 1-1, wherein the step of introducing includes supplying the oxygen - containing gas before the predetermined time elapses.
[Item 1-4 ]
The semiconductor device has a gallium oxide layer between the gallium nitride-based semiconductor layer and the insulating layer,
The gallium oxide layer has a thickness of 1 nm or less.
A method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1-1 to 1-3 .
[Item 1-5 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 1-1 to 1-4, wherein in the introducing step, the metal - containing gas is introduced into the reaction chamber at a supply rate of 1.5 Pa·min or more. .
[Item 1-6 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 1-1 to 1-5 , wherein the predetermined time is 20 seconds or longer.
[Item 1-7 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 1-1 to 1-6 , wherein in the step of forming the insulating layer, the temperature of the gallium nitride based semiconductor layer is 300° C. or less.
[Item 1-8 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1-1 to 1-7 , wherein the insulating layer contains either silicon oxide or aluminum oxide.
[Item 1-9 ]
when the insulating layer is silicon oxide, the metal-containing gas includes any one of monosilane, disilane, and tetraethyl orthosilicate (TEOS);
when the insulating layer is aluminum oxide, the metal-containing gas comprises either trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA);
A method for manufacturing a semiconductor device according to item 1-8 .
[Item 1-10 ]
The oxygen-containing gas includes any one of oxygen gas, ozone gas and water vapor,
When the oxygen-containing gas is supplied before the predetermined time elapses in the introducing step, the oxygen-containing gas includes either oxygen gas or water vapor.
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1-1 to 1-9 .
[Item 1-11 ]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1-1 to 1-10 , wherein the insulating layer has a thickness of 1 nm or more.
[Item 1-12 ]
after forming the insulating layer, further comprising forming an electrode layer on the insulating layer;
The insulating layer is a gate insulating layer used in a MOS structure having the gallium nitride-based semiconductor layer, the insulating layer, and the electrode layer.
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 1-1 to 1-11 .
[Item 2-1]
A method for manufacturing a semiconductor device having a gallium nitride-based semiconductor layer, comprising:
introducing at least the metal-containing gas into a reaction chamber for a predetermined time to adsorb the metal-containing gas onto the upper surface of the gallium nitride-based semiconductor layer;
After the step of introducing, the oxygen-containing gas is turned into plasma in the reaction chamber to generate oxygen radicals, and the oxygen radicals and forming an insulating layer that is an oxide of a metal contained in the metal-containing gas by reacting it with the metal-containing gas;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
[Item 2-2]
In the introducing step, the metal-containing gas is supplied for the predetermined time, but the oxygen-containing gas is not supplied;
supplying the oxygen-containing gas in the step of forming the insulating layer;
A method for manufacturing a semiconductor device according to item 2-1.
[Item 2-3]
The method of manufacturing a semiconductor device according to item 2-1, wherein the step of introducing includes supplying the oxygen-containing gas before the predetermined time elapses.
[Item 2-4]
The semiconductor device has a gallium oxide layer between the gallium nitride-based semiconductor layer and the insulating layer,
The gallium oxide layer has a thickness of 1 nm or less.
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-3.
[Item 2-5]
The semiconductor device according to item 2-4, wherein the gallium oxide layer is formed by reacting oxygen contained in the oxygen-containing gas with the gallium nitride-based semiconductor layer in the step of forming the insulating layer. manufacturing method.
[Item 2-6]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-5, wherein in the introducing step, the metal-containing gas is introduced into the reaction chamber at a supply rate of 1.5 Pa·min or more. .
[Item 2-7]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-6, wherein the predetermined time is 20 seconds or longer.
[Item 2-8]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-7, wherein in the step of forming the insulating layer, the temperature of the gallium nitride based semiconductor layer is 300° C. or less.
[Item 2-9]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-8, wherein the insulating layer contains either silicon oxide or aluminum oxide.
[Item 2-10]
when the insulating layer is silicon oxide, the metal-containing gas includes any one of monosilane, disilane, and tetraethyl orthosilicate (TEOS);
when the insulating layer is aluminum oxide, the metal-containing gas comprises either trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA);
A method for manufacturing a semiconductor device according to item 2-9.
[Item 2-11]
The oxygen-containing gas includes any one of oxygen gas, ozone gas and water vapor,
When the oxygen-containing gas is supplied before the predetermined time elapses in the introducing step, the oxygen-containing gas includes either oxygen gas or water vapor.
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-10.
[Item 2-12]
The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Items 2-1 to 2-11, wherein the insulating layer has a thickness of 1 nm or more.
[Item 2-13]
After the step of forming the insulating layer, further comprising forming an electrode layer on the insulating layer;
The insulating layer is a gate insulating layer used in a MOS structure having the gallium nitride-based semiconductor layer, the insulating layer, and the electrode layer.
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of items 2-1 to 2-12.
10・・GaN基板、20・・GaN層、30・・GaN層、32・・n+型GaN領域、34・・チャネル形成領域、40・・ゲート電極層、42・・ガリウム酸化物層、44・・ゲート絶縁層、46・・ソース電極層、48・・ドレイン電極層、50・・GaN系半導体、52・・上面、54・・下面、100・・横型MOSFET、200・・プラズマCVD装置、210・・反応チャンバ、212・・ペデスタル、214・・排気口、216・・導入口、220・・ヒーター、230・・温度調節部、240・・排気ポンプ、250・・マイクロ波発生器、252・・導波路、254・・プラズマ発生チャンバ、256・・導入口
Claims (13)
金属含有ガスを前記窒化ガリウム系半導体層の上面に吸着させるべく、予め定められた時間、少なくとも前記金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、
前記導入する段階の後に、前記反応チャンバ内において酸素含有ガスをプラズマ化することで酸素ラジカルを発生させて、前記金属含有ガスが吸着された前記窒化ガリウム系半導体層の上面において、前記金属含有ガスを導入しながら前記酸素ラジカルと前記金属含有ガスとを反応させることにより、前記金属含有ガスに含まれる金属の酸化物である絶縁層を形成する段階と、
を備える、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device having a gallium nitride-based semiconductor layer, comprising:
introducing at least the metal-containing gas into a reaction chamber for a predetermined time to adsorb the metal-containing gas onto the upper surface of the gallium nitride based semiconductor layer;
After the step of introducing, the oxygen-containing gas is turned into plasma in the reaction chamber to generate oxygen radicals, and the metal-containing gas is generated on the upper surface of the gallium nitride-based semiconductor layer to which the metal -containing gas is adsorbed. forming an insulating layer that is an oxide of a metal contained in the metal-containing gas by reacting the oxygen radicals with the metal-containing gas while introducing
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記絶縁層を形成する段階において、前記酸素含有ガスを供給する
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 in the introducing step, the metal-containing gas is supplied for the predetermined time but the oxygen-containing gas is not supplied;
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said oxygen-containing gas is supplied in said step of forming said insulating layer.
請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said step of introducing includes supplying said oxygen-containing gas before said predetermined time elapses.
前記ガリウム酸化物層の厚さは、1nm以下である
請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The semiconductor device has a gallium oxide layer between the gallium nitride-based semiconductor layer and the insulating layer,
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium oxide layer has a thickness of 1 nm or less.
請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in said introducing step, said metal-containing gas is introduced into said reaction chamber at a supply rate of 1.5 Pa.min or more.
請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said predetermined time is 20 seconds or longer.
請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step of forming the insulating layer, the temperature of the gallium nitride based semiconductor layer is 300[deg.] C. or less.
請求項1から8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating layer contains either silicon oxide or aluminum oxide.
前記絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、前記金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム(TMA)およびトリエチルアルミニウム(TEA)のいずれかを含む
請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 when the insulating layer is silicon oxide, the metal-containing gas includes any one of monosilane, disilane, and tetraethyl orthosilicate (TEOS);
10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein when said insulating layer is aluminum oxide, said metal-containing gas contains either trimethylaluminum (TMA) or triethylaluminum (TEA).
前記導入する段階において前記予め定められた時間が経過する前に前記酸素含有ガスを供給する場合には、前記酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含む
請求項1から10のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The oxygen-containing gas includes any one of oxygen gas, ozone gas and water vapor,
11. The oxygen-containing gas according to any one of claims 1 to 10, wherein when the oxygen-containing gas is supplied before the predetermined time elapses in the introducing step, the oxygen-containing gas contains either oxygen gas or water vapor. A method for manufacturing the semiconductor device according to item 1.
請求項1から11いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating layer has a thickness of 1 nm or more.
前記絶縁層は、前記窒化ガリウム系半導体層と、前記絶縁層と、前記電極層とを有するMOS構造に用いられるゲート絶縁層である
請求項1から12のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 forming an electrode layer on the insulating layer after forming the insulating layer;
13. The semiconductor device according to claim 1, wherein said insulating layer is a gate insulating layer used in a MOS structure having said gallium nitride based semiconductor layer, said insulating layer, and said electrode layer. Production method.
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