JP2004247709A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に(InxAl1-x)yGa1―yN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物半導体層、いわゆる窒化ガリウム系の化合物半導体層よりなる半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor layer generally represented by (In x Al 1 -x ) y Ga 1 -y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), that is, a so-called gallium nitride-based layer. The present invention relates to a semiconductor device including a compound semiconductor layer and a method for manufacturing the same.
III族窒化物半導体、すなわちGaN、AlN、InN又はその混晶物よりなる半導体は、短波長発光デバイスのみならず電子デバイスへの応用が検討されている。特に、AlxGa1-xN(0≦x≦1) とGaNとのへテロ界面に形成される高濃度の二次元電子ガスを利用したヘテロ接合電界効果デバイス(Heterojunction Field Effect Transistor、以下HFETと略す)においては、窒化物半導体が有する本来の物性の特長である高い絶縁耐圧及び高い飽和速度を十分活用できる可能性が高いので、ヘテロ接合電界効果デバイスは高出力高周波デバイスとして開発が進められている。 A group III nitride semiconductor, that is, a semiconductor made of GaN, AlN, InN or a mixed crystal thereof is being studied for application to not only short-wavelength light emitting devices but also electronic devices. In particular, Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) In a heterojunction field effect transistor (hereinafter abbreviated as HFET) using a high-concentration two-dimensional electron gas formed at the hetero interface between GaN and GaN, the intrinsic properties of nitride semiconductors Therefore, there is a high possibility that the high withstand voltage and high saturation speed can be sufficiently utilized, and therefore, a heterojunction field effect device is being developed as a high-output high-frequency device.
以下、III族窒化物半導体層を有する従来の半導体装置について、図13を参照しながら説明する。 Hereinafter, a conventional semiconductor device having a group III nitride semiconductor layer will be described with reference to FIG.
図13に示すように、基板101の上にはバッファ層102が形成されており、該バッファ層102の上にはGaN層103が形成されている。GaN層103の上にはAlxGa1-xN層104が形成されており、該AlxGa1-xN層104にはオーミック・コンタクト105が形成されている。AlxGa1-xN層104の上にはゲート電極106が形成されている。
As shown in FIG. 13, a
ところで、HFETにおいて、チャネル領域を流れる二次元電子ガスの流量は、通常、AlxGa1-xN層104の表面バリア層にショットキー接合を形成するゲート電極106に加える電圧によって制御される。このように、窒化物半導体層の表面に形成されるショットキー接合を有するゲート電極は、一般に、金属性のゲート電極材料を窒化物半導体層の表面に直接堆積することにより形成されている。この場合、ゲート電極材料と窒化物半導体層との間の密着性を高めるために、ゲート電極材料と窒化物半導体層との反応性を高める必要がある。
Incidentally, in the HFET, the flow rate of the two-dimensional electron gas flowing through the channel region is generally controlled by the voltage applied to the
しかしながら、ゲート電極材料と窒化物半導体層との反応性を高めると、最終的に形成されるショットキー接合におけるリーク特性を最小に抑える上で大きな問題になる。すなわち、リーク電流をより小さく抑えるためには、一般的に窒化物半導体層に対して反応性が低い材料(例えばAu、Pt、又はPd等)をゲート電極に用いればよいが、これらの材料は窒化物半導体層に対する反応性が低いために窒化物半導体層の表面に対する密着性が低いので、これらの材料を用いたゲート電極は窒化物半導体層の表面から容易に剥がれてしまう。 However, increasing the reactivity between the gate electrode material and the nitride semiconductor layer poses a major problem in minimizing the leakage characteristics of the finally formed Schottky junction. That is, in order to suppress the leakage current to a smaller value, generally, a material having low reactivity to the nitride semiconductor layer (for example, Au, Pt, or Pd) may be used for the gate electrode. Since the adhesiveness to the surface of the nitride semiconductor layer is low due to low reactivity to the nitride semiconductor layer, the gate electrode using these materials is easily peeled off from the surface of the nitride semiconductor layer.
窒化物半導体層に対して反応性が低いAu、Pt、又はPd等の材料を用いたゲート電極が窒化物半導体層の表面から容易に剥がれるという問題に対しては、通常、Ti、Ni、又はSi等をAu、Pt、又はPd等と共に蒸着することにより、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を高めるという方法が採用されている。 For the problem that a gate electrode using a material such as Au, Pt, or Pd having low reactivity to the nitride semiconductor layer is easily peeled off from the surface of the nitride semiconductor layer, usually, Ti, Ni, or A method of increasing the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer by depositing Si or the like together with Au, Pt, Pd, or the like has been adopted.
しかしながら、Ti、Ni、又はSiはそれぞれ窒化物半導体層に対する反応性が高い金属であるので、窒化物半導体層と化学反応を起こして窒化物半導体層内に窒素空孔等の欠陥を誘起する。このため、形成されたショットキー接合を介して流れるリーク電流は極めて高くなる。
ところで、リーク電流の発生を低減できるショットキー接合を形成する目的で、窒化物半導体層の表面に、ゲート電極の材料として微量のSiが含有されたPdよりなるゲート電極を形成することにより、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上することは確認された。しかしながら、ゲート電極の材料として添加されるSiの添加量を極限まで下げると、ゲート電極を形成した後の半導体装置を製造するプロセスにおける機械的外乱作用を抑制する要求(例えば、過度の超音波洗浄を避ける等)が極めて高くなる。さらに、ゲート電極の材料として添加されるSiの添加量を極限まで下げると、表面に大きな凹凸を有する不完全な結晶性のエピタキシャル層の上にゲート電極を形成する場合又は高温の熱処理工程に曝される等の場合には、通常、窒化物半導体層の表面に一旦付着したゲート電極が剥がれるという新たな問題が生じる。 By the way, in order to form a Schottky junction capable of reducing the occurrence of a leak current, a gate electrode made of Pd containing a small amount of Si as a material of the gate electrode is formed on the surface of the nitride semiconductor layer to form a nitride. It was confirmed that the adhesion of the gate electrode to the semiconductor layer was improved. However, when the addition amount of Si added as a material of the gate electrode is reduced to the minimum, there is a demand for suppressing mechanical disturbance in a process of manufacturing a semiconductor device after forming the gate electrode (for example, excessive ultrasonic cleaning). Is extremely high. Furthermore, when the addition amount of Si added as a material for the gate electrode is reduced to the minimum, the case where the gate electrode is formed on an incomplete crystalline epitaxial layer having large irregularities on the surface or a high-temperature heat treatment step is performed. In such a case, a new problem that the gate electrode once adhered to the surface of the nitride semiconductor layer is usually peeled off occurs.
前記に鑑み、本発明の目的は、ショットキー接合を介して流れるリーク電流を低く抑えると共に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることである。 In view of the above, it is an object of the present invention to reduce the leakage current flowing through a Schottky junction and to improve the adhesion of a gate electrode to a nitride semiconductor layer.
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、III族窒化物半導体層と、III族窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極とを備え、ゲート電極は密着性促進元素を含んでおり、III族窒化物半導体層とゲート電極との間に熱酸化絶縁膜が介在していることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a group III nitride semiconductor layer and a gate electrode formed on the group III nitride semiconductor layer, wherein the gate electrode is an adhesion promoting element. And a thermal oxide insulating film is interposed between the group III nitride semiconductor layer and the gate electrode.
本発明に係る半導体装置によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the thermal oxidation insulating film is interposed between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer. Since a chemical reaction does not occur directly with the semiconductor layer, generation of a leak current can be suppressed. Further, since the gate electrode causes a chemical reaction with the thermal oxide insulating film but does not directly cause a chemical reaction with the group III nitride semiconductor layer, the content of the adhesion promoting element in the gate electrode is increased to a necessary amount. be able to. Therefore, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer can be improved, so that the gate electrode can be prevented from peeling off due to external factors.
なお、密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであって、特に、酸化し易い元素であることが望ましく、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Ga、In等の元素のことである。また、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化膜と、窒素を含んだ熱酸化膜すなわち熱酸窒化膜を含む概念である。 Note that the adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, and is particularly preferably an element that is easily oxidized, for example, Ti, Si, Ni, Cr, Elements such as Cu, Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Ga, and In. The thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide film and a thermal oxide film containing nitrogen, that is, a thermal oxynitride film.
本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜が、酸化アルミニウム又は酸化珪素よりなる場合には、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を確実に抑えることができる。さらに、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上することにより、ゲート電極が外的な要因によって窒化物半導体層から剥がれることをより確実に防止することができる。 In the semiconductor device according to the present invention, when the thermally oxidized insulating film is made of aluminum oxide or silicon oxide, the gate electrode causes a chemical reaction with the thermally oxidized insulating film, and directly between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer. Since no chemical reaction occurs, generation of a leak current can be reliably suppressed. Furthermore, by improving the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, it is possible to more reliably prevent the gate electrode from peeling off from the nitride semiconductor layer due to external factors.
本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜の厚さは、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the thickness of the thermal oxide insulating film is preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less.
このようにすると、熱酸化絶縁膜の厚さが0.5nm未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の発生を抑制することができない。また、熱酸化絶縁膜の厚さが3nmよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合を実現することができない。このため、熱酸化絶縁膜の厚さを0.5nm以上且つ3nm以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。 With this configuration, when the thickness of the thermally oxidized insulating film is less than 0.5 nm, the generation of a leakage current is suppressed as in the case where the gate electrode is directly joined to the group III nitride semiconductor layer. Can not. When the thickness of the thermally oxidized insulating film is greater than 3 nm, a function as an insulating film is exhibited and Schottky junction cannot be realized. Therefore, by setting the thickness of the thermally oxidized insulating film in the range of 0.5 nm or more and 3 nm or less, Schottky junction can be realized and the leak current can be suppressed, and further, the gate to the nitride semiconductor layer can be formed. The adhesion of the electrodes can be improved.
本発明に係る半導体装置において、ゲート電極は、Pdを含有していることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the gate electrode preferably contains Pd.
このようにすると、リーク電流の発生を効果的に抑制できると共に、熱酸化絶縁膜との密着性を向上させることができる。さらには、Pdを含有してなるゲート電極は熱に対する耐性に優れている。 By doing so, it is possible to effectively suppress the occurrence of a leak current and to improve the adhesion to the thermal oxide insulating film. Further, the gate electrode containing Pd has excellent heat resistance.
本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素が、Ti、Ni又はSiである場合には、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上する。 In the semiconductor device according to the present invention, when the adhesion promoting element is Ti, Ni or Si, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer is improved.
本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素は、酸化し易い性質を有する元素である場合には、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性が向上する。 In the semiconductor device according to the present invention, when the adhesion promoting element is an element having a property of being easily oxidized, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer is improved.
本発明に係る半導体装置において、熱酸化絶縁膜は、III族窒化物半導体層が熱酸化されてなる絶縁膜であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the thermal oxide insulating film is preferably an insulating film formed by thermally oxidizing a group III nitride semiconductor layer.
本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素はSiであり、ゲート電極を構成する金属のうちSiが占める重量比は、3%以上で且つ10%以下であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the adhesion promoting element is Si, and the weight ratio of Si in the metal constituting the gate electrode is preferably 3% or more and 10% or less.
このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られないか又はほとんど見られないので、ゲート電極は窒化物半導体層に対して優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さいか又は小さい値に抑えることができるので、ゲート電極は優れた電気的特性を有する。 In this case, the gate electrode has no or almost no peeling over the entire surface of the wafer, so that the gate electrode has excellent adhesion to the nitride semiconductor layer. In this case, the leakage current can be extremely small or can be suppressed to a small value, so that the gate electrode has excellent electric characteristics.
本発明に係る半導体装置において、密着性促進元素はSiであり、ゲート電極を構成する金属のうちSiが占める重量比は、4%以上で且つ7%以下であることがより好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the adhesion promoting element is Si, and the weight ratio of Si in the metal constituting the gate electrode is more preferably 4% or more and 7% or less.
このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られないので、ゲート電極は窒化物半導体層に対して非常に優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さい値に抑えることができるので、ゲート電極は非常に優れた電気的特性を有する。 In this case, the gate electrode does not peel off at all over the wafer, so that the gate electrode has extremely excellent adhesion to the nitride semiconductor layer. In this case, the leakage current can be suppressed to a very small value, so that the gate electrode has very excellent electric characteristics.
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、III族窒化物半導体層を熱酸化させて、III族窒化物半導体層の表面に熱酸化絶縁膜を形成する工程と、熱酸化絶縁膜の上に、密着性促進元素を含むゲート電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of thermally oxidizing a group III nitride semiconductor layer and forming a thermally oxidized insulating film on the surface of the group III nitride semiconductor layer. Forming a gate electrode containing an adhesion promoting element on the thermally oxidized insulating film.
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, since the thermal oxide insulating film is interposed between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer, the gate electrode causes a chemical reaction with the thermal oxide insulating film, Since a chemical reaction does not occur directly with the group III nitride semiconductor layer, generation of a leak current can be suppressed. Further, since the gate electrode causes a chemical reaction with the thermal oxide insulating film but does not directly cause a chemical reaction with the group III nitride semiconductor layer, the content of the adhesion promoting element in the gate electrode is increased to a necessary amount. be able to. Therefore, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer can be improved, so that the gate electrode can be prevented from peeling off due to external factors.
なお、密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであって、特に、酸化し易い元素であることが望ましく、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Ga、In等の元素のことである。また、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化膜と、窒素を含んだ熱酸化膜すなわち熱酸窒化膜を含む概念である。 Note that the adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, and is particularly preferably an element that is easily oxidized, for example, Ti, Si, Ni, Cr, Elements such as Cu, Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Ga, and In. The thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide film and a thermal oxide film containing nitrogen, that is, a thermal oxynitride film.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、熱酸化絶縁膜を形成する工程は、記III族窒化物半導体層の上に窒化アルミニウム層を形成した後、窒化アルミニウム層を熱酸化させて酸化アルミニウム層に変化させることにより、該酸化アルミニウム層よりなる熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming a thermal oxide insulating film includes forming an aluminum nitride layer on the group III nitride semiconductor layer, and then thermally oxidizing the aluminum nitride layer to form an aluminum oxide layer. It is preferable to include a step of forming a thermally oxidized insulating film made of the aluminum oxide layer by changing to
このようにすると、ゲート電極と窒化アルミニウム層との間に酸化アルミニウム層が介在しているため、ゲート電極は酸化アルミニウム層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は酸化アルミニウム層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。 In this case, since the aluminum oxide layer is interposed between the gate electrode and the aluminum nitride layer, the gate electrode causes a chemical reaction with the aluminum oxide layer, while a chemical reaction directly occurs between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer. Since no reaction occurs, generation of a leak current can be suppressed. Furthermore, since the gate electrode chemically reacts with the aluminum oxide layer but does not directly react with the group III nitride semiconductor layer, it is necessary to increase the content of the adhesion promoting element in the gate electrode to a necessary amount. Can be. Therefore, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer can be improved, so that the gate electrode can be prevented from peeling off due to external factors.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、酸化アルミニウム層の厚さは、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the thickness of the aluminum oxide layer is preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less.
このようにすると、酸化アルミニウム層の厚さが0.5nm未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の発生を抑制することができない。また、酸化アルミニウム層の厚さが3nmよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができない。このため、酸化アルミニウム層の厚さを0.5nm以上で且つ3nm以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流の発生を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。 In this manner, when the thickness of the aluminum oxide layer is less than 0.5 nm, it is possible to suppress the occurrence of leakage current as in the case where the gate electrode is directly joined to the group III nitride semiconductor layer. Can not. If the thickness of the aluminum oxide layer is greater than 3 nm, a function as an insulating film is exhibited and Schottky junction cannot be performed. Therefore, by setting the thickness of the aluminum oxide layer to a range of 0.5 nm or more and 3 nm or less, Schottky junction can be realized, and generation of a leak current can be suppressed. Of the gate electrode can be improved.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、熱酸化絶縁膜を形成する工程は、III族窒化物半導体層の表面にシリコン層を形成した後、シリコン層を熱酸化させて酸化珪素層に変化させることにより、該酸化珪素層よりなる熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step of forming a thermal oxide insulating film includes, after forming a silicon layer on the surface of a group III nitride semiconductor layer, thermally oxidizing the silicon layer to change it to a silicon oxide layer. Accordingly, the method preferably includes a step of forming a thermal oxide insulating film made of the silicon oxide layer.
このようにすると、ゲート電極と窒化物半導体層との間に酸化珪素層が介在しているため、ゲート電極は酸化珪素層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は酸化珪素層と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。 In this case, since the silicon oxide layer is interposed between the gate electrode and the nitride semiconductor layer, the gate electrode causes a chemical reaction with the silicon oxide layer, while the gate electrode directly reacts with the group III nitride semiconductor layer. Since no chemical reaction occurs, generation of a leak current can be suppressed. Furthermore, since the gate electrode causes a chemical reaction with the silicon oxide layer but does not directly cause a chemical reaction with the group III nitride semiconductor layer, the content of the adhesion promoting element in the gate electrode must be increased to a necessary amount. Can be. Therefore, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer can be improved, so that the gate electrode can be prevented from peeling off due to external factors.
本発明に係る半導体装置の製造方法において、酸化珪素層の厚さは、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the thickness of the silicon oxide layer is preferably 0.5 nm or more and 3 nm or less.
このようにすると、酸化珪素層の厚さが0.5nm未満である場合には、ゲート電極がIII族窒化物半導体層に直接接合される場合と同様に、リーク電流の派生を抑制することができない。また、酸化珪素層の厚さが3nmよりも厚い場合には、絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合を実現することができない。このため、酸化珪素層の厚さを0.5nm以上で且つ3nm以下の範囲にすることにより、ショットキー接合を実現できると共にリーク電流の発生を低く抑えることができ、さらには、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができる。 In this manner, when the thickness of the silicon oxide layer is less than 0.5 nm, it is possible to suppress the generation of the leak current as in the case where the gate electrode is directly joined to the group III nitride semiconductor layer. Can not. Further, when the thickness of the silicon oxide layer is larger than 3 nm, a function as an insulating film is exhibited and Schottky junction cannot be realized. Therefore, by setting the thickness of the silicon oxide layer in the range of 0.5 nm or more and 3 nm or less, Schottky junction can be realized and the occurrence of leak current can be suppressed low. Of the gate electrode can be improved.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極は熱酸化絶縁膜と化学反応を起こす一方、III族窒化物半導体層との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極における密着性促進元素の含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。 According to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the present invention, since the thermal oxide insulating film is interposed between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer, the gate electrode reacts chemically with the thermal oxide insulating film. No chemical reaction occurs directly with the group III nitride semiconductor layer, so that the occurrence of leakage current can be suppressed. Further, since the gate electrode causes a chemical reaction with the thermal oxide insulating film but does not directly cause a chemical reaction with the group III nitride semiconductor layer, the content of the adhesion promoting element in the gate electrode is increased to a necessary amount. be able to. Therefore, the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer can be improved, so that the gate electrode can be prevented from peeling off due to external factors.
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図1(a)〜(c)及び図2を参照しながら説明する。
(1st Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (c) and FIG.
図1(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 1A to 1C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
まず、図1(a) に示すように、SiC基板11の上にバッファ層12を堆積した後、有機化学気相堆積法(Metal organic chemical vapor deposition:以下MOCVD法という)又は分子線エピタキシー法(Molecular beam epitaxy:以下MBE法という)により、バッファ層12の上にn- 型のGaN層13を形成する。次に、同様に、MOCVD法又はMBE法により、GaN層13の上に1.5nmの極めて薄い膜厚を有するAlN層14を形成する。
First, as shown in FIG. 1A, after a
次に、図1(b) に示すように、酸素流量が5mL/min(標準状態)である酸素雰囲気下において、900℃で5分間、図1(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、GaN層13の上に形成されているAlN層14は熱酸化されて極めて薄いAl2O3膜(熱酸化絶縁膜)15に変化する。
Next, as shown in FIG. 1B, the surface of the sample shown in FIG. 1A was heated at 900 ° C. for 5 minutes in an oxygen atmosphere having an oxygen flow rate of 5 mL / min (standard state). Oxidation is performed to form a thermal oxidation insulating film. That is, the
次に、図1(c) に示すように、Al2O3 膜15の上に、密着性促進元素としてSiが重量比10%の割合で混合されたPdを蒸着した後、リフトオフにより、Siが重量比10%の割合で混合されたPdよりなるゲート電極16を形成する。このようにして、ダイオードが完成する。
Next, as shown in FIG. 1 (c), Pd in which Si is mixed at a weight ratio of 10% as an adhesion promoting element is vapor-deposited on the Al 2 O 3 film 15 and then lift-off is performed. Forms a
ここで、密着性促進元素について、[表1]を参照しながら説明する
密着性促進元素とは、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、下記[表1]に示すように、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。
Here, the adhesion promoting element will be described with reference to [Table 1]. The adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, and is described in [Table 1] below. As shown in (1), for example, an element having high adhesion, such as Ti, Si, Ni, Cr, or Cu, can be used as the adhesion element.
また、密着性促進元素は、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。 Further, the adhesion promoting element is preferably an element having a property of being easily oxidized. This is because a gate electrode containing an element having a property of being easily oxidized has excellent adhesion to a nitride semiconductor layer.
下記[表2]は、金属元素及びSiについての酸化物、酸化性及び酸化生成熱を示している。 The following [Table 2] shows the oxides, oxidizability, and heat of oxidation formation for metal elements and Si.
[表2]に示すように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInは、酸化生成熱として高い値を有しており、酸化性が高いことが明らかである。このように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInのそれぞれは、容易に酸化されて、それぞれAl2O3、HfO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Nd2O3、SiO2、Ga2O3、In2O3となる。一方、Au、Pd及びPtは酸化性が低く、密着性促進元素として相応しくないことが分かる。従って、密着性促進元素として、[表2]に示すように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInを用いることが望ましい。 As shown in [Table 2], Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In have high values of heat of oxidation generation, and it is clear that they have high oxidizability. . Thus, each of Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In is easily oxidized, and Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , Nb 2 O 5 , Ta, respectively. 2 O 5 , Nd 2 O 3 , SiO 2 , Ga 2 O 3 , and In 2 O 3 . On the other hand, it can be seen that Au, Pd and Pt have low oxidizing properties and are not suitable as adhesion promoting elements. Therefore, as shown in [Table 2], it is desirable to use Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In as the adhesion promoting element.
また、ゲート電極16とGaN層13との間に形成されたAl2O3膜15の膜厚は、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。
Further, the thickness of the Al 2 O 3 film 15 formed between the
下記[表3]は、Al2O3膜15の膜厚と、Al2O3膜15の上に形成されるゲート電極16のショットキー特性及びAl2O3膜15の表面のモフォロジーとAl2O3膜15の膜厚との関係を示している。
The following Table 3], Al 2 O 3 and the thickness of the
[表3]から明らかなように、Al2O3膜15の膜厚が0.5nm以上で3nm以下である場合、ショットキー特性が良好であることが分かる。これは、膜厚が0.5nm未満である場合には、ゲート電極16がGaN層13の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が3nmよりも厚い場合には、Al2O3膜15の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Al2O3膜15の膜厚が0.5nm以上で且つ3nm以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Al2O3膜15の膜厚が0.5nm以上で3nm以下である場合、Al2O3膜15の表面のモフォロジーについても良好であることが分かる。尚、より好ましくは、Al2O3膜15の膜厚が0.8n〜3nmであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。
As is evident from Table 3, when the thickness of the Al 2 O 3 film 15 is 0.5 nm or more and 3 nm or less, the Schottky characteristics are good. This is because when the film thickness is less than 0.5 nm, the leakage current cannot be suppressed as in the case where the
以上のように、第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極16とGaN層13との間にAl2O3膜15が介在しているため、ゲート電極16はAl2O3膜15と化学反応を起こす一方、GaN層13との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極16はAl2O3膜15と化学反応を起こす一方、GaN層13との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極16に混合されるSiの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極16が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極16の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極16は全く剥がれなかった。すなわち、第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極16を構成するPdが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極16が剥がれることを防止することができる。
As described above, according to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the first embodiment, since the Al 2 O 3 film 15 is interposed between the
また、ゲート電極16とGaN層13との間に介在させるAl2O3膜15は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極16とGaN層13との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のCVD法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。
Further, since the Al 2 O 3 film 15 interposed between the
図2は、本発明の第1の実施形態に係るゲート電極16のI−V特性を示しており、図2から明らかなように、第1の実施形態に係る半導体装置が良好なショットキー特性を実現していることが分かる。
FIG. 2 shows the IV characteristics of the
尚、第1の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Al2O3膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたAlONx 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。 In the first embodiment, the thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide insulating film and a thermal oxynitride insulating film. That is, the concept includes a pure thermal oxide insulating film made of an Al 2 O 3 film and a thermal oxynitride insulating film made of an AlON x film containing nitrogen.
(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図3(a)〜(d)を参照しながら説明する。
(Second embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図3(a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 3A to 3D are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
まず、図3(a) に示すように、SiC基板21の上にAlNよりなるバッファ層22をMOCVD法によって堆積した後、該バッファ層22の上に1μmの膜厚を有するGaN層23を堆積する。次に、GaN層23の上に、表面バリア層として25nmの膜厚を有するAl0.25Ga0.75N層24を堆積した後、MOCVD法により、Al0.25Ga0.75N層24の上に、1nmの極めて薄い膜厚を有するAlN層25を堆積する。
First, as shown in FIG. 3A, a
次に、図3(b) に示すように、酸素流量が5mL/min(標準状態)である酸素雰囲気下において、900℃で10分間、図3(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、最表面に形成されたAlN層25は熱酸化されて1.3nmの膜厚を有するAl2O3膜(熱酸化絶縁膜)26に変化する。
Next, as shown in FIG. 3 (b), the surface of the sample shown in FIG. 3 (a) was heated at 900 ° C. for 10 minutes in an oxygen atmosphere having an oxygen flow rate of 5 mL / min (standard state). Oxidation is performed to form a thermal oxidation insulating film. That is, the
次に、図3(c) に示すように、レジストパターンをマスクにエッチングを行なうことにより、Al2O3膜26等の所望の領域を除去してソース・ドレイン形成領域を形成する。次に、金属蒸着を行なった後に、レジストパターンのリフトオフを行ない、さらに、金属が蒸着されたソース・ドレイン領域に対してアニールを行なうことによりソース・ドレイン電極27を形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a desired region such as the Al 2 O 3 film 26 is removed by etching using the resist pattern as a mask to form a source / drain formation region. Next, after performing metal deposition, lift-off of the resist pattern is performed, and further, annealing is performed on the source / drain regions where the metal is deposited, thereby forming source /
次に、図3(d) に示すように、Al2O3膜26の上に、密着性促進元素としてSiが重量比5%の割合で混合されたPdを蒸着した後、リフトオフにより、Siが重量比5%の割合で混合されたPdよりなるゲート電極28を形成する、このようにして、トランジスタが完成する。
Next, as shown in FIG. 3D, Pd in which Si is mixed at a weight ratio of 5% as an adhesion promoting element is vapor-deposited on the Al 2 O 3 film 26, and then lift-off is performed. Forms a
ここで、密着性促進元素とは、第1の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記[表1]に示したように、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。 Here, the adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, as in the first embodiment. For example, as shown in [Table 1], for example, Elements having high adhesion, such as Ti, Si, Ni, Cr, and Cu, can be used as the adhesion element.
また、密着性促進元素は、第1の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記[表2]に示すように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInを密着性促進元素として用いることが望ましい。 Further, it is preferable that the adhesion promoting element is an element having a property of being easily oxidized, as in the first embodiment. This is because a gate electrode containing an element having a property of being easily oxidized has excellent adhesion to a nitride semiconductor layer. Specifically, as shown in Table 2 above, it is desirable to use Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In as the adhesion promoting element.
また、ゲート電極28とAl0.25Ga0.75N層24との間に形成されたAl2O3 膜26の膜厚は、第1の実施形態と同様に、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。
The thickness of the Al 2 O 3 film 26 formed between the
これは、前記[表3]から明らかなように、Al2O3膜26の膜厚が0.5nm以上で3nm以下である場合、ショットキー特性が良好であるからである。すなわち、膜厚が0.5nm未満である場合には、ゲート電極28がGaN層23の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が3nmよりも厚い場合には、Al2O3膜26の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Al2O3膜26の膜厚が0.5nm以上で且つ3nm以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Al2O3膜26の膜厚が0.5nm以上で且つ3nm以下である場合、Al2O3膜26の表面のモフォロジーについても良好である。尚、より好ましくは、Al2O3膜26の膜厚が0.8n〜3nmであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。
This is because, as is clear from Table 3, when the thickness of the Al 2 O 3 film 26 is 0.5 nm or more and 3 nm or less, the Schottky characteristics are good. That is, when the film thickness is less than 0.5 nm, the leak current cannot be suppressed as in the case where the
以上のように、第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極28とAl0.25Ga0.75N層24との間にAl2O3膜26が介在しているため、ゲート電極28はAl2O3膜26と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層24との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極28はAl2O3膜26と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層24との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極28に混合されるSiの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極28の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極28は全く剥がれなかった。すなわち、第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極28を構成するPdが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極28が剥がれることを防止することができる。
As described above, according to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the second embodiment, since the Al 2 O 3 film 26 is interposed between the
また、ゲート電極28とAl0.25Ga0.75N層24との間に介在させるAl2O3膜26は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極28とAl0.25Ga0.75N層24との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のCVD法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。
Further, since the Al 2 O 3 film 26 interposed between the
図4は、第2の実施形態に係るゲート電極28のI−V特性を示す図であり、図4から明らかなように、逆バイアス50Vまでリーク電流が3nA以下であるという特性を示しており、第2の実施形態に係る半導体装置が良好なショットキー特性を実現していることが分かる。
FIG. 4 is a diagram showing the IV characteristics of the
尚、第2の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Al2O3膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたAlONx 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。 In the second embodiment, the thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide insulating film and a thermal oxynitride insulating film. That is, the concept includes a pure thermal oxide insulating film made of an Al 2 O 3 film and a thermal oxynitride insulating film made of an AlON x film containing nitrogen.
(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図5(a)〜(c)を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図5(a)〜(c)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 5A to 5C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
まず、図5(a) に示すように、SiC基板31の上に50nmの膜厚を有するバッファ層32を堆積した後、該バッファ層32の上に1μmの膜厚を有するn- 型のGaN層33を堆積する。
First, as shown in FIG. 5A, after a
次に、図5(b) に示すように、酸素流量が5mL/min(標準状態)である酸素雰囲気下において、900℃で3分間、図5(a) に示した試料の表面を熱により酸化させて熱酸化絶縁膜を形成する。すなわち、GaN層33の最表面が酸化されて1.5nmの極めて薄い膜厚を有するGa2O3膜(熱酸化絶縁膜)34に変化する。
Next, as shown in FIG. 5 (b), the surface of the sample shown in FIG. 5 (a) was heated at 900 ° C. for 3 minutes under an oxygen atmosphere having an oxygen flow rate of 5 mL / min (standard state). Oxidation is performed to form a thermal oxidation insulating film. That is, the outermost surface of the
次に、図5(c) に示すように、Ga2O3膜34の上に、密着性促進元素としてSiが重量比5%の割合で混合されたPdを蒸着した後、リフトオフにより、Siが重量比5%の割合で混合されたPdよりなるゲート電極35を形成する。このようにして、ダイオードが完成する。
Next, as shown in FIG. 5 (c), Pd in which Si is mixed at a weight ratio of 5% as an adhesion promoting element is deposited on the Ga 2 O 3 film 34, and then lift-off is performed to lift off the Si. Forms a
ここで、密着性促進元素とは、第1の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記[表1]に示したように、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。 Here, the adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, as in the first embodiment. For example, as shown in [Table 1], for example, Elements having high adhesion, such as Ti, Si, Ni, Cr, and Cu, can be used as the adhesion element.
また、密着性促進元素は、第1の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記[表2]に示すように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInを密着性促進元素として用いることが望ましい。 Further, it is preferable that the adhesion promoting element is an element having a property of being easily oxidized, as in the first embodiment. This is because a gate electrode containing an element having a property of being easily oxidized has excellent adhesion to a nitride semiconductor layer. Specifically, as shown in Table 2 above, it is desirable to use Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In as the adhesion promoting element.
また、ここで、密着性促進元素としてSiを用いた場合において、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める濃度(重量比%)とGa2O3膜に対するゲート電極35の密着性及びゲート電極35の電気的特性との関係について、下記[表4]を参照しながら説明する。
Here, when Si is used as the adhesion promoting element, the concentration (% by weight) of Si in the metal constituting the
[表4]に示すように、まず、Ga2O3膜34に対するゲート電極35の密着性については、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が4%以上で且つ13%未満の範囲であれば、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることは全く見られない。また、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が3%以上で且つ4%未満の範囲であれば、ウェハ全面においてゲート電極が剥がれることはほとんど見られない。尚、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が2%以上で且つ3%未満の範囲であれば、ウェハ全面におけるところどころでゲート電極35が剥がれる。
As shown in Table 4, first, regarding the adhesion of the
また、Ga2O3膜34に対するゲート電極35の電気的特性については、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が4%以上で且つ8%未満の範囲であれば、リーク電流は非常に小さい。また、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が3%以上で且つ4%未満の範囲と8%以上で且つ11%未満の範囲であれば、リーク電流は小さい。尚、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比が2%以上で且つ3%未満の範囲と8%以上で且つ11%未満の範囲であれば、リーク電流はやや高いがアプリケーションによっては使用可能である。
Regarding the electrical characteristics of the
従って、密着性促進元素としてSiを用いた場合、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比は、3%以上で且つ10%以下であることが好ましい。このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極35が剥がれることは全く見られないか又はほとんど見られないので、ゲート電極35はGa2O3膜34に対して優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さいか又は小さい値に抑えることができるので、ゲート電極35は優れた電気的特性を有する。
Therefore, when Si is used as the adhesion promoting element, the weight ratio of Si in the metal constituting the
さらに、より好ましくは、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める重量比は、4%以上で且つ7%以下であればよい。このようにすると、ウェハ全面においてゲート電極35が剥がれることは全く見られないので、ゲート電極35はGa2O3膜34に対して非常に優れた密着性を有する。またこの場合、リーク電流は非常に小さい値に抑えることができるので、ゲート電極35は非常に優れた電気的特性を有する。
More preferably, the weight ratio of Si in the metal constituting
尚、前記[表4]は、密着性促進元素としてSiを用いた場合において、ゲート電極35を構成する金属のうちSiが占める濃度(重量比%)とGa2O3膜に対するゲート電極35の密着性及びゲート電極35の電気的特性との関係を示しているが、Ga2O3膜の他にも、前記[表2]おける酸化性が高い元素についての酸化物等に代表される熱酸化絶縁膜の場合であっても同様の関係が得られることは明らかである。
[Table 4] indicates that, when Si is used as the adhesion promoting element, the concentration (% by weight) of Si in the metal constituting the
以上のように、第3の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極35とGaN層33との間にGa2O3膜34が介在しているため、ゲート電極35はGa2O3膜34と化学反応を起こす一方、GaN層33との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極35はGa2O3膜34と化学反応を起こす一方、GaN層33との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極35に混合されるSiの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極35が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極35の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極35は全く剥がれなかった。すなわち、第3の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極35を構成するPdが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極35が剥がれることを防止することができる。
As described above, according to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the third embodiment, since the Ga 2 O 3 film 34 is interposed between the
尚、第3の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、Ga2O3膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたGaONx 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。 In the third embodiment, the thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide insulating film and a thermal oxynitride insulating film. That is, the concept includes a pure thermal oxide insulating film made of a Ga 2 O 3 film and a thermal oxynitride insulating film made of a GaON x film containing nitrogen.
(第4の実施形態)
以下に、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図6(a)〜(d)及び図7を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 (a) to 6 (d) and FIG.
図6(a)〜(d)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法を示す工程断面図である。 6A to 6D are process cross-sectional views illustrating a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to a fourth embodiment of the present invention.
まず、図6(a) に示すように、MOCVD法より、SiC基板41の上に50nmの膜厚を有するバッファ層42を形成した後、該バッファ層42の上に2μmの膜厚を有するノンドープ型のGaN層43を積層する。GaN層43の上に表面バリア層として20nmの膜厚を有するAl0.25Ga0.75N層44を堆積する。また、Al0.25Ga0.75N層44は、HFETに通常用いられるAlGaAs/GaAsの変調ドープ構造と同様に、Siがドーピングされている。
First, as shown in FIG. 6A, a
次に、図6(b) に示すように、Al0.25Ga0.75N層44の上に、ドーパントに用いたSiを5〜7原子層分積層してSi層45を形成する。また、このように膜厚が極めて薄いSi層45は、MOCVD法を用いることによって形成することが可能である。
Next, as shown in FIG. 6B, a
次に、Si層45の最表面の2〜3原子層は、大気中の移動時に自然酸化しているので、HFにより、自然酸化された2〜3原子層を除去する。
Next, since the 2 to 3 atomic layers on the outermost surface of the
次に、図6(c) に示すように、酸化炉において、酸素が20%(酸素流量は5mL/min(標準状態))、窒素が80%である雰囲気下、750℃で10分間、図6(b) に示した試料に対して熱処理を行なうことによって熱酸化絶縁膜を形成する。この場合、酸化する温度が750℃で極めて低いので、Al0.25Ga0.75N層44は酸化されることなく、Si層45のみが酸化されて、膜厚が1nmという極めて薄いSi02 膜(熱酸化絶縁膜)46に変化する。
Next, as shown in FIG. 6 (c), in an oxidation furnace, at 750 ° C. for 10 minutes in an atmosphere in which oxygen is 20% (oxygen flow rate is 5 mL / min (standard state)) and nitrogen is 80%. A thermal oxide insulating film is formed by performing a heat treatment on the sample shown in FIG. In this case, the temperature to oxidize very low at 750 ℃, Al 0.25 Ga 0.75 N layer 44 without being oxidized, only
次に、図6(d) に示すように、SiO2 膜46等に対して、レジストパターンをマスクとしてエッチングを行なうことにより、SiO2 膜46等の所望の領域を除去してソース・ドレイン形成領域を形成する。次に、ソース・ドレイン形成領域に金属を蒸着した後に、レジストパターンのリフトオフを行ない、ソース・ドレイン領域に対してアニールを行なうことによりソース・ドレイン電極47を形成する。
Next, as shown in FIG. 6D, by etching the SiO 2 film 46 and the like using the resist pattern as a mask, a desired region of the SiO 2 film 46 and the like is removed to form a source / drain. Form an area. Next, after metal is deposited on the source / drain formation region, the resist pattern is lifted off, and the source / drain region is annealed to form a source /
次に、Si02 膜46の上に、密着性促進元素としてSiが重量比30%の割合で混合されたPdを蒸着した後、リフトオフにより、Siが重量比30%の割合で混合されたPdよりなるゲート電極48を形成する。このようにして、トランジスタが完成する。
Next, on the Si0 2 film 46, Si as an adhesion-promoting element after depositing the Pd mixed in a weight ratio of 30%, by lift-off, Si is mixed in a weight ratio of 30% Pd
ここで、密着性促進元素とは、第1の実施形態と同様に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を促進させる元素のことであり、前記[表1]に示したように、例えばTi、Si、Ni、Cr、Cu等の密着性の高い元素を密着性元素として用いることができる。 Here, the adhesion promoting element is an element that promotes the adhesion of the gate electrode to the nitride semiconductor layer, as in the first embodiment. For example, as shown in [Table 1], for example, Elements having high adhesion, such as Ti, Si, Ni, Cr, and Cu, can be used as the adhesion element.
また、密着性促進元素は、第1の実施形態と同様に、酸化し易い性質を有する元素であることが好ましい。これは、酸化し易い性質を有する元素を含有するゲート電極は、窒化物半導体層に対する密着性に優れるからである。具体的には、前記[表2]に示すように、Al、Hf、Zr、Nb、Ta、Nd、Si、Ga、及びInを密着性促進元素として用いることが望ましい。 Further, it is preferable that the adhesion promoting element is an element having a property of being easily oxidized, as in the first embodiment. This is because a gate electrode containing an element having a property of being easily oxidized has excellent adhesion to a nitride semiconductor layer. Specifically, as shown in Table 2 above, it is desirable to use Al, Hf, Zr, Nb, Ta, Nd, Si, Ga, and In as the adhesion promoting element.
また、ゲート電極48とAl0.25Ga0.75N 層44との間に形成されたSi02 膜46の膜厚は、第1の実施形態と同様に、0.5nm以上で且つ3nm以下であることが好ましい。
Further, the
下記[表5]は、Si02 膜46の膜厚と、Si02 膜46の上に形成されるゲート電極48のショットキー特性及びSi02 膜46の膜厚の表面のモフォロジーとSi02 膜46の膜厚との関係を示している。
The following Table 5], Si0 2 film and the film thickness of 46, Si0 2
[表5]から明らかなように、Si02 膜46の膜厚が0.5nm以上で3nm以下である場合、ショットキー特性が良好であることが分かる。これは、膜厚が0.5nm未満である場合には、ゲート電極48がAl0.25Ga0.75N層44の上に直接接合される場合と同様に、リーク電流を抑制することができない一方、膜厚が3nmよりも厚い場合には、Si02 膜46の絶縁膜としての機能が発現しショットキー接合ができなくなるからである。すなわち、Si02 膜46の膜厚が0.5nm以上で且つ3nm以下であれば、良好なショットキー特性を実現すると共にゲート電極の機能を損なうことはない。また、Si02 膜46の膜厚が0.5nm以上で3nm以下である場合、Si02 膜46の表面のモフォロジーについても良好であることが分かる。尚、より好ましくは、Si02 膜46の膜厚が0.5n〜1.5nmであれば、ショットキー特性により優れると共に、リーク電流をより効果的に抑制することができる。
As is clear from Table 5, when the thickness of the SiO 2 film 46 is 0.5 nm or more and 3 nm or less, it is found that the Schottky characteristics are good. This is because when the film thickness is less than 0.5 nm, the leak current cannot be suppressed, as in the case where the
以上のように、第4の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極48とAl0.25Ga0.75N層44との間にSi02 膜46が介在しているため、ゲート電極48はSi02 膜46と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層44との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極48はSi02 膜46と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層44との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極48に混合されるSiの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極48の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極48は全く剥がれなかった。すなわち、第4の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極48を構成するPdが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極48が剥がれることを防止することができる。
As described above, according to the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the fourth embodiment, since the SiO 2 film 46 is interposed between the
また、ゲート電極48とAl0.25Ga0.75N層44との間に介在させるSi02 膜46は熱酸化絶縁膜であるため、ダングリングボンド等に由来する表面準位が少ないので、熱酸化絶縁膜を形成する際に電気的な安定性を得ることができる。このため、ゲート電極48とAl0.25Ga0.75N層44との間に熱酸化絶縁膜を介在させることにより、通常のCVD法等による堆積によって形成される絶縁膜であれば、ダングリングボンド等に由来する表面準位が多く電気的に活性化することにより発生するリーク電流を防ぐことができる。
Further, since the SiO 2 film 46 interposed between the
尚、第4の実施形態において、熱酸化絶縁膜とは、純粋の熱酸化絶縁膜と熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。すなわち、SiO2 膜よりなる純粋の熱酸化絶縁膜と、窒素が含まれたSiONx 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜とを含む概念である。 In the fourth embodiment, the thermal oxide insulating film is a concept including a pure thermal oxide insulating film and a thermal oxynitride insulating film. That is, the concept includes a pure thermal oxide insulating film made of a SiO 2 film and a thermal oxynitride insulating film made of a SiON x film containing nitrogen.
また、第4の実施形態において、Si層45はドーピングにより形成したが、Si層を蒸着してもかまわない。
In the fourth embodiment, the
また、Al0.25Ga0.75N層44には、Siがドーピングされている場合について説明したが、Siがドーピングされていない場合であっても、同様の効果を奏することができる。 Although the case where the Al 0.25 Ga 0.75 N layer 44 is doped with Si has been described, the same effect can be obtained even when the Si is not doped.
ここで、第4の実施形態の変形例に係る半導体装置について、図7を参照しながら説明する。 Here, a semiconductor device according to a modification of the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
図7は第4の実施形態の変形例に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a modification of the fourth embodiment.
図7に示す半導体装置において、SiC基板41、バッファ層42、GaN層43、Al0.25Ga0.75N層44は、前記図6(a) を用いた説明と同様にして形成されている。また、Al0.25Ga0.75N層44の上に形成されているSiON膜81は、前記図6(b) を用いた説明の手順により形成されたSi層45に対して、N2O 又はNOの雰囲気下で熱処理を行なって、Si層45の最表面を極めて薄いシリコン酸窒化膜に変化させることにより形成されている。尚、ソース・ドレイン電極47及びゲート電極48は、前記図6(d)を用いた説明と同様の手順により形成される。このようにして、トランジスタが完成する。
In the semiconductor device shown in FIG. 7, the
この第4の実施形態の変形例によると、ゲート電極48とAl0.25Ga0.75N層44との間にSiON膜81が介在しているため、ゲート電極48はSiON膜81と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層44との間では直接化学反応を起こさないので、リーク電流の発生を抑えることができる。さらに、ゲート電極48はSiON膜81と化学反応を起こす一方、Al0.25Ga0.75N層44との間で直接化学反応を起こさないので、ゲート電極48に混合されるSiの含有量を必要な量まで高めることができる。したがって、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、ゲート電極が外的な要因によって剥がれることを防止することができる。その結果として、ゲート電極48の形成において、リフトオフ時の過度の超音波洗浄を施した場合であっても、ゲート電極48は全く剥がれなかった。すなわち、第4の実施形態の変形例に係る半導体装置及びその製造方法によると、ゲート電極48を構成するPdが本来有する非常に低いリーク特性を実現すると共に、ゲート電極48が剥がれることを防止することができる。
According to the modification of the fourth embodiment, since the
このように、熱酸化絶縁膜として、窒素が含まれたSiONx 膜よりなる熱酸窒化絶縁膜を用いても、前述の純粋の熱酸化絶縁膜が用いられる場合と同様の効果を得ることができる。 As described above, even when the thermal oxynitride insulating film made of the SiON x film containing nitrogen is used as the thermal oxide insulating film, the same effect as that when the above-described pure thermal oxide insulating film is used can be obtained. it can.
また、前述の第1〜第4の実施形態において、熱酸化絶縁膜として、Al2O3膜、Ga2O3膜及びSiO2膜を用いた場合について説明したが、例えば、前記[表2]に示した酸化物のうち、HfO2膜、ZrO2膜、Nb2O5膜、Ta2O5膜、Nd2O3膜、又はIn2O3膜を熱酸化絶縁膜に用いた場合であっても、熱酸化絶縁膜がAl2O3膜、Ga2O3膜又はSiO2膜である場合と同様の効果を得ることができる。 In the first to fourth embodiments, the case where the Al 2 O 3 film, the Ga 2 O 3 film, and the SiO 2 film are used as the thermal oxide insulating film has been described. In the case where the HfO 2 film, the ZrO 2 film, the Nb 2 O 5 film, the Ta 2 O 5 film, the Nd 2 O 3 film, or the In 2 O 3 film among the oxides shown in FIG. Even in this case, the same effect as when the thermal oxidation insulating film is an Al 2 O 3 film, a Ga 2 O 3 film, or a SiO 2 film can be obtained.
また、前述の第1〜第4の各実施形態において、基板としてSiCを用いた場合について説明したが、これに限定されるものでなく、サファイア、Si、又はGaN等を用いてもかまわない。 In each of the first to fourth embodiments described above, the case where SiC is used as the substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and sapphire, Si, GaN, or the like may be used.
また、前述の第1〜第4の各実施形態において、熱酸化絶縁膜の下地膜がGaN膜又はAlGaN膜である場合について説明したが、AlN膜、InN膜又はその混晶物等、一般的に(InxAl1-x)yGa1―yN(0≦x≦1、0≦y≦1)で表されるIII族窒化物半導体層の上に、前述の第1〜第4の実施形態で説明した熱酸化絶縁膜を形成する場合であっても、同様の効果を得ることができる。 Further, in each of the first to fourth embodiments described above, the case where the base film of the thermal oxide insulating film is a GaN film or an AlGaN film has been described. However, a general film such as an AlN film, an InN film, or a mixed crystal thereof is used. On the group III nitride semiconductor layer represented by (In x Al 1-x ) y Ga 1 -y N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), Similar effects can be obtained even when the thermal oxidation insulating film described in the embodiment is formed.
−本発明の作用効果に関する考察−
ここで、以上の各実施形態で述べたように、ゲートの金属電極と窒化物半導体層の間に絶縁膜が介在しても、絶縁膜の膜厚を約1nm〜約3nmに保つことによって、各実施形態におけるゲート電極が、窒化物半導体層の表面に直接金属を堆積した場合と同様のショットキー特性を有することを以下に説明する。
-Consideration on the operation and effect of the present invention-
Here, as described in the above embodiments, even if an insulating film is interposed between the metal electrode of the gate and the nitride semiconductor layer, by maintaining the thickness of the insulating film at about 1 nm to about 3 nm, It will be described below that the gate electrode in each embodiment has the same Schottky characteristics as when a metal is directly deposited on the surface of the nitride semiconductor layer.
図8(a) は、金属電極を直接窒化物半導体層の表面に形成したショットキー接合のバンド・ダイアグラムである。 FIG. 8A is a band diagram of a Schottky junction in which a metal electrode is formed directly on the surface of a nitride semiconductor layer.
図8(a) に示すように、ショットキー障壁の高さを決める金属と窒化物半導体層のフェルミレベルのアラインメントは金属のフェルミレベル近傍の電子の波動関数201が窒化物半導体層と金属界面の界面準位202に重なることで実現する。この接合におけるI−V特性は、図8(b) に示すように、近似的に熱電子放出モデルに従う次式で表される。
As shown in FIG. 8A, the alignment of the Fermi level between the metal and the nitride semiconductor layer that determines the height of the Schottky barrier is such that the
J=A**T2(−qφ/kBT){exp(qV/kBT)−1}
ここで、Jは電流密度、A**はリチャードソン定数、qは素電荷、φはショットキー障壁の高さ、kBTはボルツマン定数、Tは絶対温度、Vは印加電圧を表す。
J = A ** T 2 (-qφ / k B T) {exp (qV / k B T) -1}
Here, J is the current density, A ** Richardson constant, q is the elementary charge, phi is the Schottky barrier height, k B T is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, V is representative of the applied voltage.
図9〜図11は、金属電極と窒化物半導体層との間に極薄の絶縁膜が介在する場合のバンドダイアグラムである。 9 to 11 are band diagrams in the case where an extremely thin insulating film is interposed between the metal electrode and the nitride semiconductor layer.
図9〜図11に示すように、絶縁膜の膜厚が徐々に厚くなった場合、金属のフェルミレベル近傍の電子の波動関数301と窒化物半導体層の表面準位302との重なりの度合いは絶縁膜の膜厚の増加に従って少なくなり、両者は最終的には無相関状態(デカップリング)となる。絶縁膜の膜厚が極度に薄い3nm以下の場合には、波動関数301と窒化物半導体層の表面準位302との重なりの度合いは十分に大きく、金属と半導体表面とのフェルミレベルのアラインメントは金属を直接窒化物半導体層に堆積したショットキー接合の場合と同様となり、得られるI−V特性についてもそれに対応してほぼ同様である。
As shown in FIGS. 9 to 11, when the thickness of the insulating film is gradually increased, the degree of overlap between the
図12は図9〜図11に対応するI−V特性を示す図であり、図9〜図11に対応するI−V特性を曲線a〜cを用いて示している。 FIG. 12 is a diagram showing IV characteristics corresponding to FIGS. 9 to 11, and shows the IV characteristics corresponding to FIGS. 9 to 11 using curves a to c.
絶縁膜の膜厚が3nmを超える場合は、曲線cに示すように、金属と窒化物半導体層とのフェルミレベルは無相関状態となり、ショットキー接合ではなくトンネル接合を形成する。この領域では、ゲート電極に印加する電圧によって、金属のフェルミレベルを窒化物半導体層に対して独立に制御することが可能となり、特に逆バイアス時にはゲートからのトンネリングによって注入される電子に起因するリーク電流の増大を招く。また、絶縁膜の膜厚の増加に伴って絶縁膜中の電圧降下も増大し、窒化物半導体層の中の電荷量の制御性は劣化し、例えばHFETにおいては相互コンダクタンス(gm)の低下を招く。 When the thickness of the insulating film exceeds 3 nm, the Fermi level between the metal and the nitride semiconductor layer becomes uncorrelated as shown by the curve c, and a tunnel junction is formed instead of a Schottky junction. In this region, the voltage applied to the gate electrode makes it possible to independently control the Fermi level of the metal with respect to the nitride semiconductor layer, and in particular, at the time of reverse bias, leakage caused by electrons injected by tunneling from the gate. This causes an increase in current. Further, as the thickness of the insulating film increases, the voltage drop in the insulating film also increases, and the controllability of the amount of charge in the nitride semiconductor layer deteriorates. For example, in an HFET, the decrease in transconductance (gm) decreases. Invite.
一方、絶縁膜の膜厚が極度に薄く、原子層1〜2層程度の膜厚になると、窒化物半導体層の表面には絶縁膜の不均一性に起因する表面準位が増大し、ショットキー特性にはリーク電流の増大等の悪影響が生じる(以上、参考文献「E.H.RHODERICK and R.H.WILLIAM.,"Metal-Semiconductor Contacts",2nd Ed.Claredon Press. Oxford 1988 Chap1〜3」)。 On the other hand, when the thickness of the insulating film is extremely thin and is about one or two atomic layers, surface levels due to the nonuniformity of the insulating film on the surface of the nitride semiconductor layer increase, The key characteristics have an adverse effect such as an increase in leakage current (the above-mentioned references "EHRHODERICK and RHWILLIAM.," Metal-Semiconductor Contacts ", 2nd Ed. Claredon Press. Oxford 1988 Chap 1-3).
ここで、絶縁膜としてAl2O3 膜又はSiO2 膜を用いると、前述の元素Ti、Ni、又はSiは極めて反応性が高いのでPdの密着性が向上する。ただし、反応時に絶縁膜中に過度に拡散する場合があるTi、NiよりはSiの方がより電気的にも所望の特性を得ることができる。従って、ゲート電極材料としてPdを主成分とし、これにSiを適量混合したものを用いれば、Pdが本来有する低いリーク特性を活かしながら、Al2O3膜又はSiO2膜に対して極めて密着性が高いゲート電極を形成することが可能になるので、これは本発明においても特に望ましい材料の組み合わせである。 Here, when an Al 2 O 3 film or a SiO 2 film is used as the insulating film, the aforementioned element Ti, Ni, or Si has extremely high reactivity, so that the adhesion of Pd is improved. However, Si can obtain desired characteristics more electrically than Ti and Ni, which may be excessively diffused into the insulating film during the reaction. Therefore, if a material containing Pd as a main component and a proper amount of Si mixed with the material is used as the gate electrode material, it is extremely adherent to the Al 2 O 3 film or SiO 2 film while making use of the inherently low leak characteristics of Pd. This is a particularly desirable combination of materials in the present invention, because it is possible to form a gate electrode having a high gate electrode.
以上のように本発明によると、ゲート電極とIII族窒化物半導体層との間に熱酸化絶縁膜が介在しているため、リーク電流の発生を抑えることができると共に、窒化物半導体層に対するゲート電極の密着性を向上させることができるので、III族窒化物半導体層の上にゲート電極を形成する場合に有用である。 As described above, according to the present invention, since the thermal oxide insulating film is interposed between the gate electrode and the group III nitride semiconductor layer, it is possible to suppress the occurrence of a leakage current and to reduce the gate to the nitride semiconductor layer. Since the adhesion of the electrode can be improved, it is useful when a gate electrode is formed on a group III nitride semiconductor layer.
11、21、31、41 SiC基板
12、22、32、42 バッファ層
13、23、33、43 GaN層
14、25 AlN層
15、26 Al2O3膜
16、28、35、48 ゲート電極
24、44 Al0.25Ga0.75N層
27、47 ソース・ドレイン電極
34 Ga2O3膜
45 Si層
46 SiO2膜
81 SiON膜
201、301 金属フェルミ準位近傍波動関数模式図
202、302 金属/半導体界面準位
11, 21, 31, 41
Claims (14)
前記III族窒化物半導体層の上に形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート電極は密着性促進元素を含んでおり、
前記III族窒化物半導体層と前記ゲート電極との間に熱酸化絶縁膜が介在していることを特徴とする半導体装置。 A group III nitride semiconductor layer;
A gate electrode formed on the group III nitride semiconductor layer,
The gate electrode contains an adhesion promoting element,
A semiconductor device, wherein a thermal oxide insulating film is interposed between the group III nitride semiconductor layer and the gate electrode.
前記ゲート電極を構成する金属のうち前記Siが占める重量比は、3%以上で且つ10%以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 The adhesion promoting element is Si,
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein a weight ratio of the Si occupying the metal constituting the gate electrode is 3% or more and 10% or less. 9.
前記ゲート電極を構成する金属のうち前記Siが占める重量比は、4%以上で且つ7%以下であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 The adhesion promoting element is Si,
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein a weight ratio of the Si occupying the metal forming the gate electrode is 4% or more and 7% or less. 9.
前記熱酸化絶縁膜の上に、密着性促進元素を含むゲート電極を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Thermally oxidizing the group III nitride semiconductor layer to form a thermal oxide insulating film on the surface of the group III nitride semiconductor layer;
Forming a gate electrode containing an adhesion promoting element on the thermally oxidized insulating film.
前記III族窒化物半導体層の上に窒化アルミニウム層を形成した後、前記窒化アルミニウム層を熱酸化させて酸化アルミニウム層に変化させることにより、該酸化アルミニウム層よりなる前記熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the thermal oxide insulating film includes:
After forming an aluminum nitride layer on the group III nitride semiconductor layer, by thermally oxidizing the aluminum nitride layer to change it to an aluminum oxide layer, the thermal oxide insulating film made of the aluminum oxide layer is formed. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, comprising a step.
前記III族窒化物半導体層の表面にシリコン層を形成した後、前記シリコン層を熱酸化させて酸化珪素層に変化させることにより、該酸化珪素層よりなる前記熱酸化絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the thermal oxide insulating film includes:
Forming a silicon layer on the surface of the group III nitride semiconductor layer, and then thermally oxidizing the silicon layer to change it to a silicon oxide layer, thereby forming the thermal oxide insulating film made of the silicon oxide layer. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the method includes:
14. The method according to claim 13, wherein the thickness of the silicon oxide layer is 0.5 nm or more and 3 nm or less.
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