JP2006173294A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 GaN系HFETにおいて、高利得が得られる10nm未満の膜厚のゲート絶縁膜を用いて、安定なドレイン電流と、十分なゲートリーク電流低減効果とを実現することができ、しかも、高品質絶縁膜の作製が容易である、汎用性の高い絶縁膜を用いることができる半導体装置を提供する。
【解決手段】 窒化物半導体を用いたHFET基板の表面に形成されたSi3N4膜41Aと、Si3N4膜41A上に形成されたSiO2膜41Bと、SiO2膜41B上に形成されたゲート電極42とを備えている。また、Si3N4膜41Aの膜厚が、0.28nm〜3nmであり、SiO2膜41Bの膜厚が、0.5nm〜7nmである。
【選択図】 図1In a GaN-based HFET, it is possible to realize a stable drain current and a sufficient gate leakage current reduction effect by using a gate insulating film with a thickness of less than 10 nm that can obtain a high gain, and a high Provided is a semiconductor device in which a high-quality insulating film can be used, which makes it easy to produce a quality insulating film.
A Si 3 N 4 film 41A formed on the surface of an HFET substrate using a nitride semiconductor, a SiO 2 film 41B formed on the Si 3 N 4 film 41A, and a SiO 2 film 41B are formed. The gate electrode 42 is provided. The thickness of the Si 3 N 4 film 41A is 0.28 nm to 3 nm, and the thickness of the SiO 2 film 41B is 0.5 nm to 7 nm.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、高温・高出力・高耐圧の半導体装置に関し、特に、半導体装置の中の超高周波化合物半導体電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a high temperature, a high output, and a high withstand voltage, and more particularly to an ultrahigh frequency compound semiconductor field effect transistor in the semiconductor device.
ヘテロ構造電界効果トランジスタ(Heterostructure Field Effect Transistor:HFET)には、窒化物半導体を用いたHFET(GaN系HFET)がある。GaN系HFETは、次世代の高温・高出力・高耐圧の超高周波トランジスタとして非常に有望であり、現在、実用化に向けて盛んに研究が行われている。 As a heterostructure field effect transistor (HFET), there is an HFET (GaN HFET) using a nitride semiconductor. GaN-based HFETs are very promising as next-generation high-temperature, high-output, high-voltage ultrahigh-frequency transistors, and are currently being actively researched for practical use.
一方、ゲート電極下の基板表面上にSiO2やSiNなどの絶縁膜を有する絶縁ゲートHFET構造がある。この絶縁ゲートHFET構造は、ゲート耐圧を増大して電流密度を増大させ、また、消費電力やノイズの増大をもたらすゲートリーク電流を低減する上で、非常に魅力的である。一般に、絶縁ゲートHFETには次の課題がある。
(i)絶縁膜と基板表面との間に界面準位が存在すると、ドレイン電流の不安定性(交流動作における電流低減)をもたらすため、このような効果の少ない適切な絶縁膜を選択する必要がある。
(ii)高い利得を得るためには、絶縁性の高い(禁制帯幅の大きい)適切な絶縁膜を用いて、絶縁膜厚を低減することが望ましい。
On the other hand, there is an insulated gate HFET structure having an insulating film such as SiO 2 or SiN on the substrate surface under the gate electrode. This insulated gate HFET structure is very attractive in increasing the gate breakdown voltage to increase the current density and reducing the gate leakage current that causes an increase in power consumption and noise. In general, the insulated gate HFET has the following problems.
(I) If an interface state exists between the insulating film and the substrate surface, drain current instability (current reduction in alternating current operation) is caused. Therefore, it is necessary to select an appropriate insulating film having such an effect. is there.
(Ii) In order to obtain a high gain, it is desirable to reduce the insulating film thickness by using an appropriate insulating film having a high insulating property (a large forbidden band width).
そこで、現在、高利得が得られる10nm未満の薄層絶縁膜を用いた、良好な特性を示す絶縁ゲートHFET、つまり、ドレイン電流の不安定性を伴わず、かつ、十分なゲートリーク電流低減効果が得られる絶縁ゲートHFETの開発が行われつつある(非特許文献1、2)。
このような背景のもと、薄層絶縁ゲートを用いた高利得・大電流絶縁ゲートHFETとして、高品質絶縁膜の作製が容易であり、汎用性の高い絶縁膜を用いて作製可能な絶縁ゲートHFETの開発が望まれていた。 Against this background, it is easy to produce a high-quality insulating film as a high-gain, high-current insulated gate HFET using a thin-layer insulated gate, and an insulated gate that can be produced using a highly versatile insulating film Development of HFET has been desired.
本発明は、GaN系HFETにおいて、高利得が得られる10nm未満の膜厚のゲート絶縁膜を用いて、安定なドレイン電流と、十分なゲートリーク電流低減効果とを実現することができ、しかも、高品質絶縁膜の作製が容易である、汎用性の高い絶縁膜を用いることができる半導体装置を提供することにある。 The present invention can realize a stable drain current and a sufficient gate leakage current reduction effect by using a gate insulating film having a thickness of less than 10 nm that can obtain a high gain in a GaN-based HFET, An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a high-quality insulating film can be easily manufactured and a highly versatile insulating film can be used.
前記課題を解決するために、請求項1の発明は、窒化物半導体を用いたHFET基板の表面に形成されたSi3N4膜と、前記Si3N4膜上に形成されたSiO2膜と、前記SiO2膜上に形成されたゲート電極とを備えたことを特徴とする半導体装置である。
請求項2の発明は、請求項1記載の半導体装置において、前記Si3N4膜の膜厚が、0.28nm〜3nmであることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の半導体装置において、前記SiO2膜の膜厚が、0.5nm〜7nmであることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置において、前記Si3N4膜の膜厚が、成膜条件が原子層レベルで制御されて形成されていることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 includes a Si 3 N 4 film formed on the surface of an HFET substrate using a nitride semiconductor, and a SiO 2 film formed on the Si 3 N 4 film. And a gate electrode formed on the SiO 2 film.
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first aspect, a thickness of the Si 3 N 4 film is 0.28 nm to 3 nm.
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the first or second aspect, the thickness of the SiO 2 film is 0.5 nm to 7 nm.
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the first to third aspects, the film thickness of the Si 3 N 4 film is controlled at the atomic layer level. It is characterized by that.
本発明による半導体装置の作用は次のとおりである。本発明では、ゲート電極下の基板表面上に、膜厚0.28nm〜3nmのSi3N4膜と、膜厚0.5nm〜7nmのSiO2膜とが、この順に積層されている2層絶縁膜を用いて、絶縁ゲートHFETの構造とすることである。また、前記のSi3N4膜の膜厚が、原子層レベルで制御されて形成されている2層絶縁膜を用いて、絶縁ゲートHFETの構造とすることである。 The operation of the semiconductor device according to the present invention is as follows. In the present invention, two layers in which a Si 3 N 4 film having a thickness of 0.28 nm to 3 nm and a SiO 2 film having a thickness of 0.5 nm to 7 nm are laminated in this order on the substrate surface under the gate electrode. An insulating gate is used to form an insulated gate HFET. Further, an insulating gate HFET structure is formed by using a two-layer insulating film formed by controlling the film thickness of the Si 3 N 4 film at an atomic layer level.
つまり、界面準位の少ない良好な絶縁膜/GaN系半導体界面を形成することの可能なSi3N4膜と、より大きな禁制帯幅を有するSiO2膜とをこの順で積層した2層絶縁膜を用いることにより、良好な界面形成によるドレイン電流の安定化と、高い絶縁性を用いた絶縁膜厚の低減との両立が可能となり、薄層絶縁ゲートを用いた高利得・大電流絶縁ゲートHFETが実現される。 In other words, a two-layer insulation in which a Si 3 N 4 film capable of forming a good insulating film / GaN-based semiconductor interface with few interface states and a SiO 2 film having a larger forbidden band are stacked in this order. By using a film, it is possible to achieve both stabilization of drain current due to good interface formation and reduction of insulation film thickness using high insulation, and high gain and high current insulation gate using thin layer insulation gate. An HFET is realized.
ここで、もし、良好な界面形成によるドレイン電流の安定化を望んでSi3N4膜のみを絶縁ゲート膜として用いた場合には、Si3N4膜の絶縁性がSiO2膜の絶縁性に比べて低いため、絶縁膜厚の低減は困難となる。一方、もし、高い絶縁性を用いることにより絶縁膜厚の低減を望んでSiO2膜のみを絶縁ゲート膜として用いた場合には、界面準位の少ない良好な界面を形成することが困難なため、ドレイン電流の安定化を得ることは困難になる。したがって、良好な界面形成によるドレイン電流の安定化と、高い絶縁性を用いた絶縁膜厚の低減との両立を得るためには、本発明が有効である。 Here, if only the Si 3 N 4 film is used as the insulating gate film in order to stabilize the drain current by forming a good interface, the insulating property of the Si 3 N 4 film is the insulating property of the SiO 2 film. Therefore, it is difficult to reduce the insulating film thickness. On the other hand, if only the SiO 2 film is used as an insulating gate film in order to reduce the insulating film thickness by using a high insulating property, it is difficult to form a good interface with few interface states. It becomes difficult to obtain stabilization of the drain current. Therefore, the present invention is effective in order to obtain both the stabilization of the drain current by forming a favorable interface and the reduction of the insulating film thickness using a high insulating property.
本発明によれば、GaN系HFETにおいて、高利得が得られる10nm未満の膜厚のゲート絶縁膜を用いて、安定なドレイン電流と、十分なゲートリーク電流低減効果とが、高品質絶縁膜の作製が容易である汎用性の高い絶縁膜を用いて実現される。その結果、薄層絶縁ゲートを用いた高利得・大電流絶縁ゲートHFETを実現することができる。 According to the present invention, in a GaN-based HFET, a stable drain current and a sufficient gate leakage current reducing effect can be obtained by using a gate insulating film having a thickness of less than 10 nm that can obtain a high gain. This is realized using a highly versatile insulating film that is easy to manufacture. As a result, a high gain / high current insulated gate HFET using a thin-layer insulated gate can be realized.
つぎに、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。図1は、本発明の実施形態による半導体装置の一例を示す基本構成図である。図1の半導体装置は、2層絶縁膜を有する絶縁ゲートHFETであり、この絶縁ゲートHFETは、GaN系HFET構造10、ソース金属(ソース電極)20、ドレイン金属(ドレイン電極)30、および絶縁ゲート40で構成されている。GaN系HFET構造10は、SiC基板11、AlGaNバッファー層12、GaN層13、およびAlGaN層14で構成され、絶縁ゲート40は、2層絶縁膜41とゲート金属(ゲート電極)42とで構成されている。さらに、2層絶縁膜41は、Si3N4膜41AとSiO2膜41Bとで構成されている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a basic configuration diagram showing an example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. The semiconductor device of FIG. 1 is an insulated gate HFET having a two-layer insulating film, and this insulated gate HFET includes a GaN-based
本実施形態について具体的に述べる。本実施形態による絶縁ゲートHFETでは、SiC基板11にAlGaNバッファー層12が形成されている。SiC基板11の代わりに、サファイヤ基板を用いてもよい。AlGaNバッファー層12のAl組成が0.1〜1.0である。AlGaNバッファー層12にはGaN層13が形成され、さらに、GaN層13にはAlGaN層14が形成されている。AlGaN層14のAl組成が0.1〜1.0である。AlGaN層14の表面には、ソース金属20、ドレイン金属30、および絶縁ゲート40が形成されている。本実施形態では、有機金属気相成長法、あるいは分子線エピタキシー法という結晶成長法を用いて、GaN系HFET構造10を作製する。この後、素子作製プロセスによって、電極金属の取り付け等を行い、絶縁ゲートHFETを作製する。
This embodiment will be specifically described. In the insulated gate HFET according to the present embodiment, the
本実施形態では、絶縁ゲート40が次のように形成されている。つまり、窒化物基板表面であるGaN系HFET構造10の表面に、膜厚1〜3nmのSi3N4膜を積層することにより、界面準位の少ない良好な絶縁膜/半導体界面を形成することができた。あるいは、窒化物基板表面上に、膜厚が原子層レベルで制御された、0.25〜2.0原子層のSi3N4膜(膜厚0.14〜1.12nmに相当)を積層することにより、界面準位の少ない良好な絶縁膜/半導体界面を形成することができた。膜厚1〜3nmのSi3N4膜を、原子層レベルでの制御を行って積層しても、差し支えなかった。
In the present embodiment, the insulated gate 40 is formed as follows. In other words, a good insulating film / semiconductor interface with few interface states is formed by laminating a Si 3 N 4 film having a film thickness of 1 to 3 nm on the surface of the GaN-based
なお、Si3N4膜の主要な配向方向であるc軸方向の、Si3N4膜の格子定数は0.56nmであり、したがって、1原子層のSi3N4膜の厚さは、0.56nmである。ここで、Si3N4膜の1原子層は、4層の原子面から構成されているため、1/4原子層(0.25原子層=0.14nm)が厚さの最小単位となる。ここで、膜厚の原子層レベルでの制御は、スパッタ法、CVD(Chemical
Vapour Deposition)法等において成膜条件を制御することにより得られた。また、界面準位の少ない良好な絶縁膜/半導体界面を形成することができたことは、ドレイン電流の不安定性(交流動作における電流減少)が生じないことによって確認された。
Incidentally, in the c-axis direction is the main orientation direction of the Si 3 N 4 film, Si 3 N 4 lattice constant of the film was 0.56 nm, thus, the Si 3 N 4 membrane thickness of one atomic layer, 0.56 nm. Here, since one atomic layer of the Si 3 N 4 film is composed of four atomic planes, a ¼ atomic layer (0.25 atomic layer = 0.14 nm) is the minimum unit of thickness. . Here, the film thickness is controlled at the atomic layer level by sputtering, CVD (Chemical
It was obtained by controlling the film forming conditions in the Vapor Deposition method or the like. In addition, the fact that a good insulating film / semiconductor interface with few interface states could be formed was confirmed by the fact that drain current instability (current reduction in AC operation) did not occur.
素子の利得の点からは、Si3N4膜41AであるSi3N4の膜厚は薄い方が望ましいが、膜厚が0.5原子層(0.28nm)未満になると、ドレイン電流の不安定性が生じた。ドレイン電流の安定化は、Si3N4の膜厚を増大することにより得られたが、その臨界膜厚は、基板表面のGaN系半導体材料およびSi3N4膜の積層条件に依存し、原子層レベルでの制御を行った積層の場合は0.5〜2.0原子層(膜厚0.28〜1.12nmに相当)の範囲内、原子層レベルでの制御を行わない汎用の積層の場合は膜厚1〜3nmの範囲内であった。臨界膜厚以上では、ドレイン電流の動作に相異は見られなかった。図2に、これらの状況を模式的に示す。図2(a)は、Si3N4膜が膜厚0.28より小さい場合であり、この状態ではドレイン電流に不安定性がある。また、図2(b)は、原子層レベルの膜厚制御にてSi3N4膜が0.28〜1.12nmであるか、汎用の膜厚制御にてSi3N4膜が1〜3nmの場合であり、ドレイン電流に不安定性がない。このように、膜厚0.28〜3nmのSi3N4膜41Aによってドレイン電流の安定化が可能であり、この膜厚を用いることが素子利得上も有利である。
From the viewpoint of the gain element, but Si 3 N Si 3 film thickness of N 4 thin it is desirable that the 4
つぎに、絶縁膜によるゲートリーク電流の低減効果について説明する。ドレイン電流の安定化が可能な、膜厚0.28〜3nmのSi3N4膜41Aのみを絶縁ゲート膜として用いた場合には、絶縁効果は十分ではなく、ゲート電圧を正に印加した際のゲートリーク電流の低減は1桁未満であった。したがって、2桁以上の十分なゲートリーク電流の低減効果を得るためには、さらに、Si3N4膜41A上に絶縁膜を積層する必要があった。この際には、絶縁性のより高い、つまり、禁制帯幅のより大きい絶縁膜を用いることが、膜厚をできるだけ小さくする上で有利である。 Next, the effect of reducing the gate leakage current by the insulating film will be described. When only the Si 3 N 4 film 41A having a film thickness of 0.28 to 3 nm capable of stabilizing the drain current is used as the insulating gate film, the insulating effect is not sufficient, and when the gate voltage is applied positively The reduction in gate leakage current was less than an order of magnitude. Therefore, in order to obtain a sufficient gate leakage current reduction effect of two digits or more, it is necessary to further stack an insulating film on the Si 3 N 4 film 41A. In this case, it is advantageous to use an insulating film having a higher insulating property, that is, having a larger forbidden bandwidth, in order to make the film thickness as small as possible.
SiO2膜は禁制帯幅が約9eVであり、禁制帯幅約5eVのSi3N4よりも絶縁性が高い。したがって、SiO2膜を用いることによって、より小さな膜厚で所定のゲートリーク電流低減効果を得ることができた。実際、ドレイン電流の安定化が可能な、膜厚0.28〜3nmのSi3N4膜41A上に、膜厚0.5nm以上のSiO2膜41Bを積層した2層絶縁膜41を用いることにより、2桁以上のゲートリーク電流低減効果を得ることが可能であった。図3に、この様子を模式的に示す。図3では、曲線aが通常ゲートHFETのゲートリーク電流の特性を示す。これに対して、膜厚0.28〜3nmのSi3N4膜41Aと膜厚0.5nmのSiO2膜41Bとによりゲートリーク電流低減効果を得た絶縁ゲートHFETの特性を曲線bに示す。
SiO 2 film is forbidden band width of about 9 eV, a high insulation property than Si 3 N 4 of the forbidden band width of about 5 eV. Therefore, a predetermined gate leakage current reduction effect can be obtained with a smaller film thickness by using the SiO 2 film. Actually, a two-
一般に、正のゲート電圧印加時にゲートリーク電流の増大が顕著で、これを低減することが有効である。正のゲート電圧印加時のゲートリーク電流低減が2桁以上であれば、絶縁ゲートHFETの正ゲート電圧印加時のゲート電流を、通常ゲートHFETの負ゲート電圧印加時のゲート電流よりも小さくすることが可能であり、ゲートリーク電流低減効果は顕著であるということができる。 In general, when a positive gate voltage is applied, the increase in gate leakage current is significant, and it is effective to reduce this. If the gate leakage current reduction when applying a positive gate voltage is 2 digits or more, the gate current when applying a positive gate voltage to an insulated gate HFET should be smaller than the gate current when applying a negative gate voltage to a normal gate HFET. It can be said that the effect of reducing the gate leakage current is remarkable.
なお、半導体基板表面上に、単層のSiO2を積層した場合には、ドレイン電流低減効果が起きるため、ゲート絶縁膜として単層で用いることは適切ではないことが確認された。また、本発明におけるSiO2膜41Bの最小膜厚は、ドレイン電流の安定化が可能な、膜厚0.28〜3nmのSi3N4膜41A上に積層した場合に、2桁以上のゲートリーク低減効果が認められるときの最小膜厚である0.5nmとする。また、本発明におけるSiO2膜41Bの最大膜厚は、上記Si3N4膜41A上にSiO2膜41Bを積層した場合に、ゲート絶縁膜の総膜厚が高利得の得られる10nm未満であるので、最大膜厚である7nmとする。 Note that when a single layer of SiO 2 is stacked on the surface of the semiconductor substrate, a drain current reduction effect occurs, and it has been confirmed that it is not appropriate to use a single layer as a gate insulating film. Further, the minimum film thickness of the SiO 2 film 41B in the present invention is a gate of two digits or more when laminated on the Si 3 N 4 film 41A having a film thickness of 0.28 to 3 nm capable of stabilizing the drain current. The minimum film thickness when the leakage reduction effect is recognized is 0.5 nm. Further, the maximum film thickness of the SiO 2 film 41B in the present invention is less than 10 nm at which the total film thickness of the gate insulating film can obtain a high gain when the SiO 2 film 41B is laminated on the Si 3 N 4 film 41A. Therefore, the maximum film thickness is set to 7 nm.
このように、界面準位の少ない良好な絶縁膜/GaN系半導体界面を形成することの可能なSi3N4膜41Aと、より大きな禁制帯幅を有するSiO2膜41Bとをこの順で積層した2層絶縁膜41を用いることにより、良好な界面形成によるドレイン電流の安定化と、高い絶縁性を用いた絶縁膜厚の低減との両立が可能となり、薄層絶縁ゲートを用いて高利得・大電流絶縁ゲートHFETが実現された。
As described above, the Si 3 N 4 film 41A capable of forming a good insulating film / GaN-based semiconductor interface having a small interface state and the SiO 2 film 41B having a larger forbidden band are stacked in this order. By using the two-
ここで、SiO2膜は、産業技術レベルの現状において、高品質膜を、比較的広い成膜条件下で安定に、高い膜厚制御性で作製することが容易な、半導体電子デバイス製造プロセスにおいて最も汎用性の高い絶縁膜である。このような特長のSiO2膜を、本発明の2層絶縁膜41における上層の高絶縁性絶縁膜として用いることは、素子作製上の利点が大きい。実際、SiO2膜41Bの代わりにAl2O3膜を用いることも可能であったが、スパッタ法において、高品質のAl2O3膜の作製のためには、成膜条件の厳密な制御が必要であったのに対して、高品質のSiO2膜41Bの作製は広い範囲の成膜条件下で可能である。その結果、素子の繰り返し製造において、素子特性の高い再現性を得ることが可能であった。
Here, the SiO 2 film is a semiconductor electronic device manufacturing process in which it is easy to produce a high-quality film stably and with high film thickness controllability under a relatively wide film formation condition at the current state of the industrial technology level. It is the most versatile insulating film. The use of the SiO 2 film having such a feature as an upper high-insulating insulating film in the two-
こうして、本実施形態によれば、窒化物基板表面上に、膜厚1〜3nmのSi3N4膜41Aを積層することにより、界面準位の少ない良好な絶縁膜/半導体界面を形成することができた。 Thus, according to the present embodiment, by forming the Si 3 N 4 film 41A having a film thickness of 1 to 3 nm on the nitride substrate surface, a good insulating film / semiconductor interface with few interface states is formed. I was able to.
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、基板のGaN系HFET10がいかなる層構造の場合でも、かかる2層絶縁膜41を有する絶縁ゲートHFETは本発明の範囲内である。
The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the specific configuration is not limited to the present embodiment, and the present invention can be applied even if there is a design change or the like without departing from the scope of the present invention. included. For example, an insulated gate HFET having such a two-
10 GaN系HFET構造
11 SiC基板
12 AlGaNバッファー層
13 GaN層
14 AlGaN層
20 ソース金属
30 ドレイン金属
40 絶縁ゲート
41 2層絶縁膜
41A Si3N4膜
41B SiO2膜
42 ゲート金属
10 GaN-based
Claims (4)
前記Si3N4膜(41A)上に形成されたSiO2膜(41B)と、
前記SiO2膜(41B)上に形成されたゲート電極(42)と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 A Si 3 N 4 film (41A) formed on the surface of an HFET substrate using a nitride semiconductor;
A SiO 2 film (41B) formed on the Si 3 N 4 film (41A);
A gate electrode (42) formed on the SiO 2 film (41B);
A semiconductor device comprising:
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