JP7162833B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に係り、特にバンドギャップが広くキャリア移動度の高い半導体装置およびその半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a wide bandgap and high carrier mobility and a method of manufacturing the semiconductor device.
近年、高パワーデバイスは、需要が急激に高まっていて、すでにハイブリッド車や高効率電車のキーデバイスになっている。そして、高パワーデバイスは、今後のスマート社会を支えるキーデバイスと位置づけられている。このため、高パワーデバイスの需要は今後も益々高まっていくものと考えられている。 In recent years, the demand for high-power devices has increased rapidly, and they have already become key devices for hybrid cars and high-efficiency trains. High-power devices are positioned as key devices to support the future smart society. Therefore, it is believed that the demand for high-power devices will continue to increase in the future.
高パワーデバイスを提供するためにはバンドギャップの広い半導体が必要になる。
広バンドギャップの半導体の中でも酸化ガリウム(Ga2O3)は、4.8~5.0eVという極めて広いバンドギャップを有するため、近年特に注目を集めている半導体である。このため、Ga2O3を用いた半導体装置の開発が精力的に進められており、例えば特許文献1に開示がある。そこでは、酸化ガリウム半導体としてβ-Ga2O3が用いられている。
Wide bandgap semiconductors are needed to provide high power devices.
Among wide bandgap semiconductors, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) is a semiconductor that has attracted particular attention in recent years because it has an extremely wide bandgap of 4.8 to 5.0 eV. For this reason, the development of semiconductor devices using Ga 2 O 3 has been vigorously pursued, and is disclosed, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200013. There, β-Ga 2 O 3 is used as a gallium oxide semiconductor.
ここで、β-Ga2O3は安定な構造の結晶であり、結晶格子がa=1.2214nm、b=0.30371nm、c=0.57981nm、α=γ=90°、β=108.83°の単斜晶系の結晶である。そのバンドギャップは4.8~4.9eVであり、臨界電界強度は約8MV/cmと見積られている。 Here, β-Ga 2 O 3 is a crystal with a stable structure, and has a crystal lattice of a=1.2214 nm, b=0.30371 nm, c=0.57981 nm, α=γ=90°, β=108. It is an 83° monoclinic crystal. Its bandgap is 4.8-4.9 eV and its critical electric field strength is estimated to be about 8 MV/cm.
β-Ga2O3半導体は広いバンドギャップを有し、絶縁耐圧が高いため、高パワー用途の半導体装置(例えば、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor))として注目を集めているが、キャリアの移動度が低く、高周波デバイスや高速のロジック適用に難があるという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、バンドギャップが広くて絶縁耐圧に優れ、かつキャリアの移動度が高い半導体装置およびその製造方法を提供することである。
Since the β-Ga 2 O 3 semiconductor has a wide bandgap and a high withstand voltage, it is used in semiconductor devices for high power applications (for example, MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)). However, it has the problem of low carrier mobility, making it difficult to apply to high-frequency devices and high-speed logic.
A problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor device having a wide bandgap, excellent dielectric strength and high carrier mobility, and a method of manufacturing the same.
本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
酸化ガリウムの結晶を含む半導体層と、
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以下である、半導体装置。
(構成2)
酸化ガリウムの結晶からなる半導体層と、
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以下である、半導体装置。
(構成3)
前記酸化ガリウムの結晶は、六方晶または立方晶の少なくとも何れかの結晶である、構成1または2記載の半導体ナノシート。
(構成4)
前記半導体層の表面粗さが0nm以上0.5nm以下である、構成1から3の何れかに記載の半導体装置。
(構成5)
前記半導体層の表面粗さが0nm以上0.2nm以下である、構成1から3の何れかに記載の半導体装置。
(構成6)
前記半導体層はn型半導体である、構成1から5の何れか1記載の半導体装置。
(構成7)
前記半導体層は、Si、Ge、Sn、F、Clの群から選ばれる少なくとも1以上のドーパントを含む、構成1から6の何れか1記載の半導体装置。
(構成8)
前記絶縁体層が、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、または酸窒化物を有する、構成1から7の何れか1記載の半導体装置。
(構成9)
前記ゲート電極が、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つを有する、構成1から8の何れか1記載の半導体装置。
(構成10)
構成1から9の何れか1記載の半導体装置の製造方法であって、
ドーパントを含有する窒化ガリウム結晶基板を準備する基板準備工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板上に酸化ガリウム半導体層を形成する酸化ガリウム半導体層形成工程と、
前記酸化ガリウム半導体層の上に絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
前記絶縁体層の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程を有する、半導体装置の製造方法。
(構成11)
構成1から9の何れか1記載の半導体装置の製造方法であって、
ドーパントを含有する窒化ガリウム結晶基板を準備する基板準備工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板上に第1の酸化ガリウム半導体層を形成する第1の酸化ガリウム半導体層形成工程と、
前記第1の酸化ガリウム半導体層の上に酸化ガリウム層をエピタキシャル形成する酸化ガリウム形成工程と、
前記酸化ガリウムにドーパントを注入して第2の酸化ガリウム半導体層を形成するドーパント注入工程と、
前記第2の酸化ガリウム半導体層の上に剛性を有する基体を被着形成する基体形成工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板を除去する窒化ガリウム結晶基板除去工程と、
前記第1の酸化ガリウム半導体層の上に絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
前記絶縁体層の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程を有する、半導体装置の製造方法。
(構成12)
前記窒化ガリウム結晶基板はウルツ鉱構造の単結晶である、構成10または11記載の半導体装置の製造方法。
(構成13)
前記酸化ガリウム半導体層および前記第1の酸化ガリウム半導体層形成工程は、前記窒化ガリウム結晶基板を、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ステップを含む、構成10から12の何れか1記載の半導体装置の製造方法。
(構成14)
前記酸化ガリウム半導体層および前記第1の酸化ガリウム半導体層形成工程は、前記窒化ガリウム結晶基板を、500℃以下でプラズマ酸化、オゾン酸化の少なくとも何れか1の酸化処理をするステップを含む、構成10から12の何れか1記載の半導体装置の製造方法。
(構成15)
前記酸化ガリウム半導体層および前記第1の酸化ガリウム半導体層形成工程は、前記窒化ガリウム結晶基板上に、700℃以下で電子ビーム蒸着、700℃以下でMBE、870℃以下でCVD、700℃以下でHVPE、400℃以下でALD、500℃以下でスパッタリングからなる群から選択された少なくとも1つの方法を使用して酸化物を形成するステップを含む、構成10から12の何れか1記載の半導体装置の製造方法。
The configuration of the present invention is shown below.
(Configuration 1)
a semiconductor layer containing crystals of gallium oxide;
a gate electrode;
an insulator layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode;
The semiconductor device, wherein the gallium oxide crystal has an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less.
(Configuration 2)
a semiconductor layer made of gallium oxide crystals;
a gate electrode;
an insulator layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode;
The semiconductor device, wherein the gallium oxide crystal has an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less.
(Composition 3)
3. The semiconductor nanosheet according to
(Composition 4)
3. The semiconductor device according to any one of Structures 1 to 3, wherein the semiconductor layer has a surface roughness of 0 nm or more and 0.5 nm or less.
(Composition 5)
3. The semiconductor device according to any one of Structures 1 to 3, wherein the semiconductor layer has a surface roughness of 0 nm or more and 0.2 nm or less.
(Composition 6)
The semiconductor device according to any one of configurations 1 to 5, wherein the semiconductor layer is an n-type semiconductor.
(Composition 7)
7. The semiconductor device according to any one of Structures 1 to 6, wherein the semiconductor layer contains at least one dopant selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, F, and Cl.
(Composition 8)
The insulator layer is an oxide, nitride, or oxynitride of at least one element selected from the group of elements consisting of Al, Si, Hf, Zr, Ta, Ti, Ga, Y, Sc, and rare earth elements. 8. The semiconductor device according to any one of structures 1 to 7, having
(Composition 9)
9. Structures 1 to 8, wherein the gate electrode comprises at least one selected from the group consisting of Al, Ti, W, Pt, Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Ni, Sn, Zn, and poly-Si. 1. A semiconductor device according to any one of the above.
(Configuration 10)
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 1 to 9,
a substrate preparation step of preparing a gallium nitride crystal substrate containing a dopant;
a gallium oxide semiconductor layer forming step of forming a gallium oxide semiconductor layer on the gallium nitride crystal substrate;
an insulator layer forming step of forming an insulator layer on the gallium oxide semiconductor layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the insulator layer.
(Composition 11)
A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 1 to 9,
a substrate preparation step of preparing a gallium nitride crystal substrate containing a dopant;
a first gallium oxide semiconductor layer forming step of forming a first gallium oxide semiconductor layer on the gallium nitride crystal substrate;
a gallium oxide forming step of epitaxially forming a gallium oxide layer on the first gallium oxide semiconductor layer;
a dopant implantation step of implanting a dopant into the gallium oxide to form a second gallium oxide semiconductor layer;
a substrate forming step of depositing and forming a rigid substrate on the second gallium oxide semiconductor layer;
a gallium nitride crystal substrate removing step of removing the gallium nitride crystal substrate;
an insulator layer forming step of forming an insulator layer on the first gallium oxide semiconductor layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the insulator layer.
(Composition 12)
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Composition 13)
In the step of forming the gallium oxide semiconductor layer and the first gallium oxide semiconductor layer, the gallium nitride crystal substrate is treated with sulfuric acid, hydrogen peroxide solution, ammonia, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, and potassium hydroxide. 13. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of configurations 10 to 12, comprising a step of surface treatment using at least one selected from .
(Composition 14)
Configuration 10, wherein the step of forming the gallium oxide semiconductor layer and the first gallium oxide semiconductor layer includes the step of subjecting the gallium nitride crystal substrate to at least one of plasma oxidation and ozone oxidation at 500° C. or less. 13. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of 12 to 12.
(Composition 15)
The step of forming the gallium oxide semiconductor layer and the first gallium oxide semiconductor layer includes, on the gallium nitride crystal substrate, electron beam evaporation at 700° C. or lower, MBE at 700° C. or lower, CVD at 870° C. or lower, and CVD at 700° C. or lower. 13. The semiconductor device of any one of arrangements 10-12, comprising forming the oxide using at least one method selected from the group consisting of HVPE, ALD at 400° C. or less, and sputtering at 500° C. or less. Production method.
本発明によれば、半導体層のバンドギャップが広くて絶縁耐圧に優れ,かつ移動度の高い半導体装置(MISFET、MOSFETなど)およびその製造方法を提供することが可能になる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device (MISFET, MOSFET, etc.) having a wide bandgap of a semiconductor layer, excellent withstand voltage, and high mobility, and a manufacturing method thereof.
発明者は、上述のように優れたポテンシャルをもつβ-Ga2O3からなる半導体層を用いた半導体装置が、期待されるほどの高い移動度をもたない原因を鋭意研究した。
その結果、β-Ga2O3からなる半導体層の界面が物理的に粗面になっており、そこでキャリアの散乱が起こって移動度が高まらなくなっていることがわかった。すなわち、β-Ga2O3半導体層が形成される際に、β-Ga2O3半導体層界面が物理的に荒れて粗面状になっていることが、移動度が高まらない一因になっていることを突き止めた。
The inventor intensively studied the reason why a semiconductor device using a semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 having excellent potential as described above does not have the expected high mobility.
As a result, it was found that the interface of the semiconductor layer made of β-Ga 2 O 3 was physically rough, and carrier scattering occurred there to prevent the mobility from increasing. That is, when the β-Ga 2 O 3 semiconductor layer is formed, the interface between the β-Ga 2 O 3 semiconductor layer is physically roughened to form a rough surface, which is one of the reasons why the mobility does not increase. I figured out what was going on.
そこで、発明者は、酸化ガリウム半導体がもつ高パワー半導体としての高いポテンシャルを活かしつつ、半導体層の界面が荒れない、粗面とならない半導体装置の研究を重ねた。 Therefore, the inventor has made extensive research on a semiconductor device in which the interface of the semiconductor layer does not become rough, and the surface does not become rough, while making the most of the high potential of the gallium oxide semiconductor as a high-power semiconductor.
その結果、窒化ガリウム(GaN)結晶からなる半導体層上に酸化ガリウムからなる半導体層(酸化ガリウム半導体層)を形成し、その酸化ガリウム半導体層をa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のGa2O3結晶を含むようにすれば、キャリアの界面散乱が抑制されて高い移動度が得られることを見出した。特に、酸化ガリウム半導体層をa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のGa2O3結晶からなるようにすれば、キャリアの界面散乱が大きく抑制されて非常に高い移動度が得られることを見出した。この構成にすると、移動度に加え、酸化ガリウム半導体層は結晶欠陥も少なく、トラップサイトも少ないものになるので、絶縁耐圧等も含めて電気特性に優れた半導体装置を提供することが可能になる。 As a result, a semiconductor layer made of gallium oxide (gallium oxide semiconductor layer) is formed on a semiconductor layer made of gallium nitride (GaN) crystal, and the gallium oxide semiconductor layer has a lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm along the a-axis. It has been found that interfacial scattering of carriers can be suppressed and high mobility can be obtained by including the following Ga 2 O 3 crystals. In particular, if the gallium oxide semiconductor layer is made of a Ga 2 O 3 crystal having a lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less along the a-axis, interfacial scattering of carriers is greatly suppressed, and a very high mobility can be obtained. I found out that it can be done. With this configuration, in addition to mobility, the gallium oxide semiconductor layer has fewer crystal defects and fewer trap sites, so it is possible to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics including dielectric strength. .
<実施の形態1>
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。
実施の形態1の半導体装置1010は、図1に示すように、GaN基板11、酸化ガリウム半導体層12、絶縁体層(ゲート絶縁膜)13、ゲート電極14を基本構成要素とする。
<Embodiment 1>
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated, referring drawings.
As shown in FIG. 1, the
GaN基板11は単結晶GaN(0001)であり、その結晶の構造は、安定性の高さからウルツ鉱構造が好ましい。GaN基板11はn型の不純物(ドーパント)を含んでいるn型半導体基板である。そのドーパントとしては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、酸素(O)の群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。ドーパントの量としては5×1015/cm3以上5×1019/cm3以下が好ましい。この範囲以外のドーパント量の場合は、GaN基板11の上に形成される酸化ガリウム半導体層12をn型半導体層とすることが難しくなる。
The
酸化ガリウム半導体層12は、単結晶GaNの結晶格子と面内格子定数aがほぼ整合しているa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のガリウム酸化物の結晶を含む膜である。このようにすると、酸化ガリウム半導体層12の欠陥は少なくなり、トラップサイトは少ないものとなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面粗さも極めて小さなものになることを見出した。
酸化ガリウム半導体層12がa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のガリウム酸化物の結晶を含む量は、50体積%以上が好ましく、70体積%以上がより好ましく、100体積%がさらに一層好ましい。
ここで、酸化ガリウム半導体層12は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のガリウム酸化物の結晶を含む量が多いほど好ましい。この量が増えるほど酸化ガリウム半導体層12の欠陥は少なくなり、トラップサイトは少ないものとなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面粗さも少なくなる。
The gallium
The amount of gallium oxide crystals having an a-axis lattice constant of 0.28 nm or more and 0.34 nm or less in the gallium
Here, the gallium
酸化ガリウム半導体層12は、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶、または六方晶および立方晶の酸化ガリウムからなることが好ましい。
ウルツ鉱構造のGaNの結晶構造は、a軸の格子定数が0.319nmの六方晶であり、この構造のGaNと酸化ガリウム半導体層12は結晶格子の整合性が高く、その両半導体が形成する界面は平滑度が極めて高く、粗さが極めて抑えられた界面になる。そして、その結果、酸化ガリウム半導体層12の表面は、平滑度が極めて高く、粗さが極めて抑えられた表面になる。
The gallium
The crystal structure of wurtzite GaN is a hexagonal crystal with an a-axis lattice constant of 0.319 nm. The interface has extremely high smoothness and extremely suppressed roughness. As a result, the surface of the gallium
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 lattice constant of the a-axis in the present invention refers to the normal lattice constant of the a-axis in the case of a hexagonal crystal, and in the case of a cubic crystal, the crystal lattice at the cut end when sliced along the (111) plane. refers to the lattice constant of
図2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2001は酸素原子(O)を、2002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. 2 is a view of a cubic gallium oxide crystal, for example, a γ-Ga 2 O 3 crystal, viewed from the (100) plane. show. No hexagonal oxygen atom arrangement is observed in the (100) plane (in-plane), and lattice matching does not occur with the GaN semiconductor in contact with this plane.
図3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2の場合と同様に、図3の2001は酸素原子(O)を、2002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2001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4に示す。図4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2001は六方晶と同じ結晶配置(結晶格子2011)をなす。
本発明では、このインプレーンでの図4の2021に示されるa1、2022に示されるa2、2023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. 3 is a view of a cubic gallium oxide, eg, γ-Ga 2 O 3 crystal viewed from the (111) plane. Here, as in FIG. 2, 2001 in FIG. 3 represents oxygen atoms (O) and 2002 represents gallium atoms (Ga). When this crystal is sliced on the (111) plane and where the
In the present invention, a 1 indicated by 2021, a 2 indicated by 2022, and a 3 indicated by 2023 in FIG. The values of 1 , a 2 and a 3 are approximately equal and are represented by the lattice constant a.
発明者は、酸化ガリウム半導体層12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であると、GaN基板11と酸化ガリウム半導体層12の格子が整合されて、酸化ガリウム半導体層12の結晶欠陥は小さなものとなり、トラップサイトも少ないものとなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面粗さも極めて小さなものになることを見出した。また、発明者は、酸化ガリウム半導体層12が(111)面の立方晶の酸化ガリウムの場合、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、酸化ガリウム半導体層12の結晶欠陥は小さなものとなり、トラップサイトも少ないものとなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面粗さも極めて小さなものになることを見出した。さらに、発明者は、酸化ガリウム半導体層12が、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶構造および立方晶の酸化ガリウムであると、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、酸化ガリウム半導体層12の結晶欠陥は小さなものとなり、トラップサイトも少ないものとなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面粗さも極めて小さなものになることを見出した。
The inventor believes that the lattices of the
また、酸化ガリウム半導体層12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、または、ε構造の酸化ガリウムおよび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。
The gallium
Here, the ε-structure gallium oxide is a hexagonal crystal, and its a-axis crystal lattice constant is 0.290 nm. The γ-structure gallium oxide is a cubic crystal, and the crystal lattice constant of the a-axis on the (111) plane is 0.291 nm.
酸化ガリウム半導体層12は、ε―Ga2O3を50体積%以上、好ましくは70体積%以上100体積%以下含むガリウム酸化膜が好ましい。
また、酸化ガリウム半導体層12は、ε―Ga2O3を70体積%以上90体積%以下、γ―Ga2O3を10体積%以上30体積%以下含んでよい。
そして、酸化ガリウム半導体層12の結晶面は、GaN基板11を構成する単結晶GaN(0001)の結晶面に揃えて配列されることが好ましい。
The gallium
Further, the gallium
The crystal plane of the gallium
酸化ガリウム半導体層12が、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下のガリウム酸化物の結晶を50体積%以上含むガリウム酸化膜であることを満たさない場合は、酸化ガリウム半導体層12の欠陥は大きくなり、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面の粗さも大きなものになる。
また、酸化ガリウム半導体層12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の酸化ガリウムを50体積%以上含むガリウム酸化膜であることを満たさない場合は、酸化ガリウム半導体層12の欠陥は大きくなり、トラップサイトも多数発生し、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面の粗さも大きなものになる。
また、ガリウム酸化物結晶膜12がε―Ga2O3またはε―Ga2O3とγ―Ga2O3を含むこと、およびε―Ga2O3またはε―Ga2O3とγ―Ga2O3を上で示した比率で含むこと、を満たさない場合は、酸化ガリウム半導体層12の欠陥は大きくなり、トラップサイトも多数発生し、さらに酸化ガリウム半導体層12の表面の粗さも大きなものになる。
If the gallium
Further, the gallium
Further, the gallium
ここで、酸化ガリウム半導体層12の膜厚は2nm以上30nm以下が好ましく、より好ましくは5nm以上30nm以下が好ましい。なお、ε―Ga2O3およびγ―Ga2O3は準安定のガリウム酸化膜と位置づけられているガリウム酸化膜の結晶構造体である。
Here, the film thickness of the gallium
また、酸化ガリウム半導体層12の表面粗さは、RMS(Root Mean Square)で表して0nm以上0.5nm以下が好ましく、より好ましくは0nm以上0.2nm以下が好ましい。酸化ガリウム半導体層12の表面粗さがこの範囲にあると、キャリアの散乱が少なくなり、高いキャリア移動度を得ることが可能になる。
The surface roughness of the gallium
酸化ガリウム半導体層12は、GaN基板11の酸化形成層でn型のドーパントが引き継がれて形成されるため、酸化ガリウム半導体層12にはGaN基板11と同種のドーパントが存在する。かつ、ドーパントとして活性であるため、酸化ガリウム半導体層12はn型半導体として機能する。また、酸化ガリウム半導体層12には微量の窒素(N)や炭素(C)も取り込まれる。
ここで、n型のドーパントを酸化ガリウム半導体層12に注入してドーパント量の調整を行ってもよい。そのドーパントとしては、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、弗素(F)、塩素(Cl)の群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。このドーパントの注入方法としては、イオン注入法、不純物拡散法などを挙げることができる。
Since the gallium
Here, the dopant amount may be adjusted by implanting an n-type dopant into the gallium
ゲート絶縁膜13としては、Al2O3,SiO2、SiN、SiON、Ta2O3、HfO2、HfSiOxなどを、その形成方法としてはALD法、PE-ALD法、スパッタリング法、CVD法などを挙げることができる。ここで、ゲート絶縁膜13は単層膜でも二層膜でも多層膜でもよい。
Al 2 O 3 , SiO 2 , SiN, SiON, Ta 2 O 3 , HfO 2 , HfSiO x or the like is used as the
ゲート電極14は、酸化ガリウム半導体層12にゲート絶縁膜13を介して設けられた電極であり、その材料としては、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)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、多結晶シリコン(poly-Si)からなる群から選択された少なくとも1つ、および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を挙げることができる。また、これらの積層膜でもよい。
この電極材料の被着方法としては、蒸着法、スパッタリング法、CVD法などを挙げることができる。これらの中から、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、汚染および加工性を鑑みて最適な材料が選択される。
The
Examples of methods for depositing the electrode material include a vapor deposition method, a sputtering method, and a CVD method. Among these materials, the most suitable material is selected in consideration of work function, resistivity, heat resistance, contamination and workability in the manufacturing process steps for the gate electrode of MISFET.
次に、実施の形態1による半導体装置の製造工程を、製造工程を示すフローチャート図である図5と製造フローを断面概要図で示した図6および図7を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 5, which is a flow chart showing the manufacturing process, and FIGS.
最初に、n型のドーパントを含有するGaN基板11を準備する(図5の工程S11、図6(a))。
GaN基板11は、GaNからなる基板でも、GaNからなる基板やAlGaN基板上にエピタキシャル成長法でGaN単結晶からなる半導体層を形成したものでも構わない。エピタキシャル形成法によりGaN半導体層を形成した場合は、例えば、GaN半導体層の厚さを2μmとすることができる。
n型のドーパントは、GaN基板11を形成する際にGaN基板11に取り込まれて含有するようにしてもよいし、GaN基板11を作製後にイオン注入法や不純物拡散法によって含有するようにしてもよい。
ドーパントとしては、Si、Ge、Oの群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。ドーパントの量としては5×1015/cm3以上5×1019/cm3以下が好ましい。
First, a
The
The n-type dopant may be incorporated into the
At least one or more selected from the group of Si, Ge, and O can be used as the dopant. The amount of dopant is preferably 5×10 15 /cm 3 or more and 5×10 19 /cm 3 or less.
次に、GaN基板11の主面上に酸化ガリウム半導体層12を形成する(工程S12、図6(b))。
ここで、酸化ガリウム半導体層12は、上述のa軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の酸化ガリウムの結晶を含む膜、好ましくは、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶、立方晶、または六方晶および立方晶の酸化ガリウムを含む膜である。これらの酸化ガリウムの量は多いほど好ましく、これらの酸化ガリウムからなる膜が好ましい。a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の六方晶の例としては、ε-Ga2O3を、a軸の格子定数が0.28nm以上0.34nm以下の立方晶の例としては、γ-Ga2O3を挙げることができる。
Next, a gallium
Here, the gallium
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、GaN基板11上に形成されたε構造やγ構造の酸化ガリウム結晶は、GaNの影響を受けて、半導体層として好適な欠陥もトラップサイトも少なく、かつ表面が平滑で粗さの少ないものとなる。また、通常使用の使用環境では経時変化も少ないものとなる。 In general, gallium oxide crystals have a β structure as a stable structure, and an ε structure and a γ structure as metastable structures. As a result, the semiconductor layer has few defects and trap sites, and has a smooth surface with little roughness. In addition, there is little change over time in the environment of normal use.
酸化ガリウム半導体層12を形成する第1の方法は、GaN基板11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酸化膜は、酸化ガリウム半導体層12として好適な膜となる。
A first method for forming the gallium
As this oxidation method, SC1 (Standard Cleaning solution 1) (NH 4 OH (ammonia water)-H 2 O 2 (hydrogen peroxide)-H 2 O (water)), SC2 (Standard Cleaning solution 2) (HCl ( Hydrochloric acid)—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 other methods usually used for cleaning can be mentioned. A buffered hydrofluoric acid solution is generally known as a method for removing an oxide film, and the oxide film produced along with the removal is suitable as the gallium
この第1の方法によると、酸化ガリウム半導体層12の結晶面(酸化ガリウムの結晶面)はGaN基板11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酸化ガリウム半導体層12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 plane of the gallium oxide semiconductor layer 12 (the crystal plane of gallium oxide) is aligned with the crystal plane of the surface 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(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GaN基板11を浸し、GaN基板11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、GaN基板11の表面を酸化させて酸化ガリウム半導体層12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、ドーパントのプロファイルが変化する、応力が発生するなどの問題を生じやすい。
In this first method, light irradiation may be used together (Photo-Electrochemical Oxidation). For example, the
In addition, the first method is characterized in that the heat load is less than that of the thermal oxidation treatment because the treatment is carried out at room temperature or at 280° C. or less even if heat treatment is added. When a large thermal load is applied, problems such as a change in dopant profile and generation of stress tend to occur.
酸化ガリウム半導体層12を形成する第2の方法は、GaN基板11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て酸化膜を形成する方法である。また、GaN基板11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、酸化膜を形成してもよい。
A second method for forming the gallium
酸化ガリウム半導体層12を形成する第3の方法は、GaN基板11の表面上に、700℃以下の雰囲気において電子ビーム蒸着法および/または分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法によって酸化膜を堆積させる方法である。また、GaN基板11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)法によって酸化膜を堆積させる方法でもよい。また、GaN基板11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)法によって酸化膜を堆積させる方法でもよい。また、GaN基板11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)法によって酸化膜を堆積させる方法でもよい。また、GaN基板11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酸化膜を堆積させる方法でもよい。
ここで、この際、n型のドーパントを注入するのが好ましい。n型のドーパントとしては、Si、Ge、Sn、F、Clの群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。ドーパントの注入方法としては、堆積時に上記のドーパント元素を添加する方法、堆積後にイオン注入を行う方法、不純物拡散を行う方法、これらの組み合わせを行う方法などを挙げることができる。
A third method for forming the gallium
At this time, it is preferable to implant an n-type dopant. At least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, F, and Cl can be used as the n-type dopant. Examples of the dopant implantation method include a method of adding the dopant element during deposition, a method of ion implantation after deposition, a method of impurity diffusion, and a combination of these methods.
なお、これらの酸化ガリウム半導体層12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および/またはγ構造の酸化ガリウムが形成される。
If the gallium
酸化ガリウム半導体層12を形成する第4の方法は、GaN基板11の表面上に、500℃以上750℃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、酸化ガリウム半導体層12を形成する方法である。
A fourth method for forming the gallium
その後、ゲート絶縁膜13aを形成する(工程S13、図6(c))。
ゲート絶縁膜13aとしては、例えばSiOx、SiON、SOG、ポリイミドを挙げることができる。その形成法としては、例えばCVD法、スパッタリング法、塗布形成法を挙げることができる。ここで、ゲート絶縁膜13aは単層膜でも2層膜でも多層膜でもよい。
After that, a
Examples of the
その後、ゲート絶縁膜13aの上にゲート電極14を形成し、ゲート電極が形成された半導体装置1010を得る(工程S14、図6(d))。
ゲート電極14は、ゲート電極を構成するゲート材料(メタル)をゲート絶縁膜13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。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。
After that, the
The
ゲート電極14の材料としては、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、および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を挙げることができる。
ここで、ゲート電極14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。
The material of the
Here, the method of depositing the
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14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14を形成する場所を開口部とした層間膜をゲート絶縁膜13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14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 forming a photoresist layer for lift-off, a gate material is deposited by an electron beam vapor deposition method, a heat vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like, and the photoresist layer is peeled off to form the
An interlayer film is formed on the
その後、ソース電極16およびドレイン電極17を形成して(工程S15)、半導体装置1011を作製する(工程S16)。
After that, the
ソース電極16およびドレイン電極17の形成方法としては下記の方法がある。
最初に、絶縁膜15aをゲート絶縁膜13およびゲート電極14の上に形成(図7(a))した後、リソグラフィとエッチングによりソース電極16およびドレイン電極17形成用の開口18が形成された絶縁膜7、ゲート絶縁膜13とする(図7(b))。その後、開口部にメタルを形成してドレイン電極16およびソース電極17を形成して半導体装置1011を得る(図7(c))。
Methods for forming the
First, after forming an insulating
ここで、絶縁膜15aとしては、例えばシリコン酸化膜、TEOS(Tetra-ethoxy silane)膜、SOG(Spin on Glass)膜、リンガラス膜、ポリイミド膜を挙げることができる。
また、ソース電極16およびドレイン電極17と酸化ガリウム半導体層12との電気的接触においては、オーミック接触が好ましい。ソース電極16およびドレイン電極17は、Ti(チタン)および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16およびドレイン電極17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。
Here, examples of the insulating
Ohmic contact is preferable for the electrical contact between the
ソース電極16およびドレイン電極17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。
Methods of depositing materials for the
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法などによりソース電極16およびドレイン電極17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ソース電極16およびドレイン電極17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。
Also, after forming a photoresist layer for lift-off, the
第1の実施の形態の製造方法による半導体装置(MISFET)1011は、キャリアの散乱が抑制されて高い移動度をもつ半導体装置となる。また、酸化ガリウム半導体層12は4.8~5.0eVとバンドギャップが広くて絶縁耐圧が優れるので高パワー用途に適する。さらに、半導体層の欠陥が少なく、トラップ準位も少ない。
The semiconductor device (MISFET) 1011 according to the manufacturing method of the first embodiment is a semiconductor device with high mobility due to suppressed carrier scattering. In addition, the gallium
<実施の形態2>
実施の形態2では、製造工程を示すフローチャート図である図8と製造フローを断面概要図で示した図9から図11を参照して、高周波用途に好適な半導体装置(MISFET)1013の製造方法について説明する。
<
In the second embodiment, a method of manufacturing a semiconductor device (MISFET) 1013 suitable for high frequency applications will be described with reference to FIG. will be explained.
最初に、実施の形態1と同様にして、n型の窒化ガリウム半導体層を少なくともその表面に有するGaN基板(窒化ガリウム結晶基板)11を準備し(図8の工程S21、図9(a))、GaN基板11上に第1の酸化ガリウム半導体層12を形成する(工程S22、図9(b))。
第1の酸化ガリウム半導体層12は、実施の形態1と同様に、GaN基板11の酸化形成層でn型のドーパントが引き継がれて形成されるためn型のドーパントを含み、かつそのドーパントが活性なためn型の半導体層となる。
ここで、n型のドーパントとしては、Si、Ge、Sn、F、Clの群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。
First, similarly to Embodiment 1, a GaN substrate (gallium nitride crystal substrate) 11 having at least an n-type gallium nitride semiconductor layer on its surface is prepared (step S21 in FIG. 8, FIG. 9A). , the first gallium
As in Embodiment 1, the first gallium
Here, at least one or more selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, F, and Cl can be used as the n-type dopant.
第1の酸化ガリウム半導体層12の厚さは、2nm以上30nm以下が好ましく、より好ましくは5nm以上30nm以下が好ましい。厚さが30nmを超えると結晶が乱れやすく欠陥が発生しやすくなる。また、厚さが2nm未満では、MISFETの半導体層としての電気的特性機能が低下しやすくなる。
GaN基板11の主表面がCMPによる研磨などにより十分平滑である場合、第1の酸化ガリウム半導体層12とGaN基板11との界面の粗さは十分小さく、その粗さを0.2nm(RSM)とすることが可能になる。
The thickness of the first gallium
When the main surface of the
次に、第1の酸化ガリウム半導体層12の上に、HVPEなどのエピタキシャル成長法により、エピタキシャルGa2O3膜21a(酸化ガリウム層)を形成する(工程S23、図9(c))。エピタキシャル形成法としては、HVPEのほか、実施の形態1で述べた第2および第3の方法を用いてもよい。
ここで、エピタキシャルGa2O3膜21aの厚さは、3nm以上200nm以下が好ましい。厚さが3nmを下回ると、後述するように、第1の酸化ガリウム半導体層12とのドーパントの濃度差をつけるのが難しくなり、厚さが200nmを超えると欠陥の少ない膜を形成するのが困難になる。
Next, an epitaxial Ga 2 O 3 film 21a (gallium oxide layer) is formed on the first gallium
Here, the thickness of the epitaxial Ga 2 O 3 film 21a is preferably 3 nm or more and 200 nm or less. If the thickness is less than 3 nm, it becomes difficult to create a dopant concentration difference from the first gallium
その後、エピタキシャルGa2O3膜21aにイオン注入22などによりn型のドーパントを注入して、Ga2O3膜21aを第2の酸化ガリウム半導体層であるドープドGa2O3膜21に変える(工程S24、図9(d))。
ここで、注入するn型のドーパントとしては、Si、Ge、Sn、F、Clの群から選ばれる少なくとも1以上を挙げることができる。このn型のドーパントは第1の酸化ガリウム半導体層12のドーパントと同じ元素でもよいし、元素を変えてもよい。
なお、エピタキシャルGa2O3膜21aに注入するドーパントの量は、第1の酸化ガリウム半導体層12に含有されているドーパントの量と変えておくことが好ましい。
また、エピタキシャルGa2O3膜21aにドーパントを注入した後に熱処理を行って、ドーパントを活性化するのが好ましい。
Thereafter, an n-type dopant is implanted into the epitaxial Ga 2 O 3 film 21a by
Here, at least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, F, and Cl can be used as the implanted n-type dopant. This n-type dopant may be the same element as the dopant of the first gallium
The amount of dopant implanted into the epitaxial Ga 2 O 3 film 21 a is preferably different from the amount of dopant contained in the first gallium
Moreover, after implanting the dopant into the epitaxial Ga 2 O 3 film 21a, heat treatment is preferably performed to activate the dopant.
しかる後、ドープドGa2O3膜21の上に剛性を有する基体23を形成する(工程S25、図10(a))。基体23の形成方法としては、貼り付け法、CVD法、スパッタリング法などを挙げることができる。
基体23としては、Si基板、GaAs基板、GaN基板、AlGaN基板、InP基板、サファイア基板、合成石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダライムガラスなどのガラス基板、アルミナ、窒化ケイ素などのセラミックス基板、アクリル、ポリスチレン(PS)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)などの有機材料基板、アルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属基板を挙げることができる。
Thereafter, a
Examples of the
引き続いて、GaN基板11を除去する(工程S26、図10(b))。GaN基板11の除去法方法としては、CMPなどによる研磨法、ドライエッチング法、ウェットエッチング法、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。この除去の際に、露出する第1の酸化ガリウム半導体層12の表面を荒らさないようにすることが肝要で、このため、除去の最終段階では研磨あるいはウェットエッチングを行うことが好ましい。
Subsequently, the
その後、ゲート絶縁膜13aを形成する(工程S27、図10(c))。
ゲート絶縁膜13aとしては、実施の形態1と同様に、例えばSiOx、SiON、SOG、ポリイミドを挙げることができる。その形成法としては、例えばCVD法、スパッタリング法、塗布形成法を挙げることができる。ここで、ゲート絶縁膜13aは単層膜でも2層膜でも多層膜でもよい。
After that, a
For example, SiO x , SiON, SOG, and polyimide can be used for the
その後、ゲート絶縁膜13aの上にゲート電極14を形成し(工程S28)、ゲート電極が形成された半導体装置1012を得る(図10(d))。
ゲート電極14は、ゲート電極を構成するゲート材料(メタル)をゲート絶縁膜13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。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。
After that, a
The
ゲート電極14の材料としては、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、および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を挙げることができる。
ここで、ゲート電極14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。
The material of the
Here, the method of depositing the
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14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14を形成する場所を開口部とした層間膜をゲート絶縁膜13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14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 forming a photoresist layer for lift-off, a gate material is deposited by an electron beam vapor deposition method, a heat vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, or the like, and the photoresist layer is peeled off to form the
An interlayer film is formed on the
その後、ソース電極16およびドレイン電極17を形成して(工程S29)、半導体装置1013を作製する。
After that, the
ソース電極16およびドレイン電極17の形成方法としては下記の方法がある。
最初に、絶縁膜15aをゲート絶縁膜13およびゲート電極14の上に形成(図11(a))した後、リソグラフィとエッチングによりソース電極16およびドレイン電極17形成用の開口18が形成された絶縁膜7、ゲート絶縁膜13とする(図11(b))。その後、開口部にメタルを形成してドレイン電極16およびソース電極17を形成して、半導体装置1013を得る(工程S30、図11(c))。
Methods for forming the
First, after forming an insulating
ここで、絶縁膜15aとしては、例えばシリコン酸化膜、TEOS(Tetra-ethoxy silane)膜、SOG(Spin on Glass)膜、リンガラス膜、ポリイミド膜を挙げることができる。
また、ソース電極16およびドレイン電極17と第1の酸化ガリウム半導体層12との電気的接触においては、オーミック接触が好ましい。ソース電極16およびドレイン電極17は、Ti(チタン)および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16およびドレイン電極17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。
Here, examples of the insulating
Ohmic contact is preferable for the electrical contact between the
ソース電極16およびドレイン電極17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。
Methods of depositing materials for the
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法などによりソース電極16およびドレイン電極17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ソース電極16およびドレイン電極17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。
Also, after forming a photoresist layer for lift-off, the
第2の実施の形態の製造方法による半導体装置(MISFET)1013は、半導体層の界面の平滑性が高く、キャリアの散乱が少ないので高い移動度が得られる。特にキャリア移動度特性を主に決めるゲート電極側の半導体層である第1の酸化ガリウム半導体層12の界面は、極めて平滑で粗さが少ないため高い移動度が得られる。
また、ゲート電極側の半導体層である第1の酸化ガリウム半導体層12は欠陥やトラップ準位も少ない。
さらに、半導体装置1013の半導体層は、第1の酸化ガリウム半導体層12と第2の酸化ガリウム半導体層であるドープドGa2O3膜21からなるため、2段階にドーパントの量を厚さ方向に変えることができ、キャリア移動の制御、漏れ電流の制御が容易になる。
加えて、第1の酸化ガリウム半導体層12および第2の酸化ガリウム半導体層21は4.8~5.0eVとバンドギャップが広くて絶縁耐圧が優れるので高パワー用途に適する。
これらのことから、実施の形態2の半導体装置1013は高パワー用途に好適で、かつ高いキャリア移動度をもつ半導体装置である。
The semiconductor device (MISFET) 1013 according to the manufacturing method of the second embodiment has high smoothness at the interfaces of the semiconductor layers and little scattering of carriers, so that high mobility can be obtained. In particular, the interface of the first gallium
In addition, the first gallium
Furthermore, since the semiconductor layers of the
In addition, the first gallium
For these reasons, the
以下、本発明の実施例について説明する。当然ながら、本発明はこのような特定の形式に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により規定されるものである。 Examples of the present invention will be described below. Of course, the invention is not limited to this particular form, but the scope of the invention is defined by the appended claims.
(実施例1)
実施例1ではガリウム窒化物半導体基板(GaN基板)上に形成される酸化ガリウムについて述べる。
(Example 1)
In Example 1, gallium oxide formed on a gallium nitride semiconductor substrate (GaN substrate) will be described.
まず、HVPE法で作製したc-planeのGaN(0001)基板を準備し、そのGaN基板の主表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)によって研磨した。GaN基板の厚さは330μmで、フリースタンディングであり、その結晶転移密度は106/cm2台で、キャリア密度は1.4×1018/cm3である。ここで、このGaNはウルツ鉱構造の単結晶である。
そして、このGaN基板を超音波浴槽中でアセトンおよびエタノールにより有機洗浄し、その後、硫酸と過酸化水素水を体積比で1:1の比率で混合させた混合液を用いて洗浄を行ってGaN基板の表面に酸化膜を形成した。
First, a c-plane GaN (0001) substrate manufactured by the HVPE method was prepared, and the main surface of the GaN substrate was polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing). The GaN substrate has a thickness of 330 μm, is free-standing, has a crystal dislocation density on the order of 10 6 /cm 2 and a carrier density of 1.4×10 18 /cm 3 . Here, this GaN is a single crystal with a wurtzite structure.
Then, the GaN substrate was organically cleaned with acetone and ethanol in an ultrasonic bath, and then cleaned with a mixture of sulfuric acid and hydrogen peroxide at a volume ratio of 1:1. An oxide film was formed on the surface of the substrate.
次に、室温23℃のクリンルーム中に1日放置した時点でのGaN(0001)基板上1に形成された酸化膜の状態を、断面TEMおよびそのデータを基にしたFFT(Fast Fourier Transform)解析により調べた。FFT解析により、結晶の格子整合性が調べられる。断面TEMとしてはJEM-ARM200F(JEOL製)を用い、200kVで観察した。 Next, the state of the oxide film formed on the GaN (0001) substrate 1 after being left in a clean room at room temperature of 23° C. for one day was analyzed by cross-sectional TEM and FFT (Fast Fourier Transform) based on the data. investigated by analysis. FFT analysis examines the lattice match of the crystal. A JEM-ARM200F (manufactured by JEOL) was used as a cross-sectional TEM and observed at 200 kV.
輪帯暗照明による断面観察結果を図12に示す。同図中の(a)は[1-100]方向の断面観察図であり、(b)は(a)の断面TEM像にFFT信号解析を施した像である。同図中の(c)は[1-210]方向の断面観察図であり、(d)は(c)の断面TEM像にFFT信号解析を施した像である。図12(b)および(d)の白線は回折パターンを示す。その白線が一直線上にあると基板の結晶とその上に形成された膜の結晶格子が格子整合されていることになる。
観察の結果、白線は一直線上に並んでおり、GaN基板上に形成された膜はGaN基板の結晶と結晶格子が整合し、その結晶面は基板であるGaN(0001)基板の結晶面に揃っていることが確認された。
なお、ここでは、GaN基板上に形成された膜の厚さが約1nmの場合を例示したが、膜の厚さがより厚い場合(例えば3nm)でもその膜の結晶格子は整合し、また結晶面も基板であるGaN(0001)に揃っていることは確認されている。
次に、低速イオン散乱分光を行って、GaN基板上に形成された膜が6回対称性をもつガリウム酸化物であることを確認した。
FIG. 12 shows the results of cross-sectional observation under annular dark illumination. In the figure, (a) is a cross-sectional observation view in the [1-100] direction, and (b) is an image obtained by subjecting the cross-sectional TEM image of (a) to FFT signal analysis. In the figure, (c) is a cross-sectional observation view in the [1-210] direction, and (d) is an image obtained by subjecting the cross-sectional TEM image of (c) to FFT signal analysis. White lines in FIGS. 12(b) and (d) indicate diffraction patterns. When the white line is aligned, it means that the crystal lattice of the substrate and the crystal lattice of the film formed thereon are lattice-matched.
As a result of observation, the white lines were aligned, and the film formed on the GaN substrate matched the crystals of the GaN substrate in crystal lattice, and the crystal plane was aligned with the crystal plane of the GaN (0001) substrate. It was confirmed that
Here, the case where the film formed on the GaN substrate has a thickness of about 1 nm is exemplified. It has been confirmed that the plane is also aligned with the GaN (0001) substrate.
Next, slow ion scattering spectroscopy was performed to confirm that the film formed on the GaN substrate was gallium oxide with six-fold symmetry.
その後、GaN基板上に形成されたガリウム酸化膜の表面粗さをAFM(Atomic Force Microscope)によって測定した。ここで、AFMとしてはDNF L-trace(SII製)を用い、1μm×1μmの領域を測定した。
その結果を図13に示す。その表面粗さRMS(Root Mean Square)は0.087nmと大変小さいものであることが確認された。
このことから、ガリウム酸化物半導体層界面は極めて平滑で、そこでのキャリアの散乱は小さいものとなる。
After that, the surface roughness of the gallium oxide film formed on the GaN substrate was measured by AFM (Atomic Force Microscope). Here, DNF L-trace (manufactured by SII) was used as the AFM, and an area of 1 μm×1 μm was measured.
The results are shown in FIG. It was confirmed that the surface roughness RMS (Root Mean Square) was as small as 0.087 nm.
For this reason, the gallium oxide semiconductor layer interface is extremely smooth, and carrier scattering there is small.
以上説明したように、本発明により、高パワーデバイスに好適な、バンドギャップが広く、絶縁耐圧に優れ、キャリア移動度の高い半導体装置およびその製造方法が提供される。
絶縁耐圧が高く、キャリア移動度も高い半導体装置は、高パワー下での高周波デバイスおよびロジックデバイスへの道を開くものであり、産業の発展に大いに寄与するものと考えられる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention provides a semiconductor device suitable for high-power devices, having a wide bandgap, excellent withstand voltage, and high carrier mobility, and a manufacturing method thereof.
Semiconductor devices with high withstand voltage and high carrier mobility open the way to high-frequency devices and logic devices under high power, and are expected to greatly contribute to the development of industry.
11:GaN基板
12:半導体層(第1の酸化ガリウム半導体層)
13:ゲート絶縁膜(絶縁体層)
13a:ゲート絶縁膜(絶縁体層)
14:ゲート電極
15:絶縁膜
15a:絶縁膜
16:ソース電極
17:ドレイン電極
18:開口
21a:エピタキシャルGa2O3膜(酸化ガリウム層)
21:ドープドGa2O3膜(第2の酸化ガリウム半導体層)
22:イオン注入
23:基体
1010:半導体装置
1011:半導体装置
1012:半導体装置
1013:半導体装置
2001:酸素原子(O)
2002:ガリウム原子(Ga)
2011:結晶格子
2021:格子定数a1
2022:格子定数a2
2023:格子定数a3
11: GaN substrate 12: semiconductor layer (first gallium oxide semiconductor layer)
13: Gate insulating film (insulator layer)
13a: Gate insulating film (insulator layer)
14: Gate electrode 15: Insulating
21: Doped Ga 2 O 3 film (second gallium oxide semiconductor layer)
22: Ion implantation 23: Substrate 1010: Semiconductor device 1011: Semiconductor device 1012: Semiconductor device 1013: Semiconductor device 2001: Oxygen atom (O)
2002: Gallium Atom (Ga)
2011: crystal lattice 2021: lattice constant a 1
2022: lattice constant a 2
2023: lattice constant a 3
Claims (12)
ドーパントを含有する窒化ガリウム結晶基板を準備する基板準備工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板上に酸化ガリウム半導体層を形成する酸化ガリウム半導体層形成工程と、
前記酸化ガリウム半導体層の上に絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
前記絶縁体層の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程を有する、半導体装置の製造方法。 The semiconductor device includes a semiconductor layer containing gallium oxide crystals, a gate electrode, and an insulator layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode, wherein the gallium oxide crystals have a lattice constant of 0.0 on the a-axis. 28 nm or more and 0.34 nm or less A method for manufacturing a semiconductor device,
a substrate preparation step of preparing a gallium nitride crystal substrate containing a dopant;
a gallium oxide semiconductor layer forming step of forming a gallium oxide semiconductor layer on the gallium nitride crystal substrate;
an insulator layer forming step of forming an insulator layer on the gallium oxide semiconductor layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the insulator layer.
ドーパントを含有する窒化ガリウム結晶基板を準備する基板準備工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板上に第1の酸化ガリウム半導体層を形成する第1の酸化ガリウム半導体層形成工程と、
前記第1の酸化ガリウム半導体層の上に酸化ガリウム層をエピタキシャル形成する酸化ガリウム形成工程と、
前記酸化ガリウムにドーパントを注入して第2の酸化ガリウム半導体層を形成するドーパント注入工程と、
前記第2の酸化ガリウム半導体層の上に剛性を有する基体を被着形成する基体形成工程と、
前記窒化ガリウム結晶基板を除去する窒化ガリウム結晶基板除去工程と、
前記第1の酸化ガリウム半導体層の上に絶縁体層を形成する絶縁体層形成工程と、
前記絶縁体層の上にゲート電極を形成するゲート電極形成工程を有する、半導体装置の製造方法。 The semiconductor device includes a semiconductor layer containing gallium oxide crystals, a gate electrode, and an insulating layer provided between the semiconductor layer and the gate electrode, wherein the gallium oxide crystals have a lattice constant of 0.00 in the a-axis. 28 nm or more and 0.34 nm or less A method for manufacturing a semiconductor device,
a substrate preparation step of preparing a gallium nitride crystal substrate containing a dopant;
a first gallium oxide semiconductor layer forming step of forming a first gallium oxide semiconductor layer on the gallium nitride crystal substrate;
a gallium oxide forming step of epitaxially forming a gallium oxide layer on the first gallium oxide semiconductor layer;
a dopant implantation step of implanting a dopant into the gallium oxide to form a second gallium oxide semiconductor layer;
a substrate forming step of depositing and forming a rigid substrate on the second gallium oxide semiconductor layer;
a gallium nitride crystal substrate removing step of removing the gallium nitride crystal substrate;
an insulator layer forming step of forming an insulator layer on the first gallium oxide semiconductor layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a gate electrode forming step of forming a gate electrode on the insulator layer.
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