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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、より詳細には、その表面にシリコン窒化膜を保護膜として有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a silicon nitride film as a protective film on the surface thereof.
半導体デバイスの微細化に伴って、高電圧化・高電力密度化が必然的に要求されてきており、これに応える材料として炭化珪素(SiC)や窒化ガリウム(GaN)をはじめとする窒化物半導体といったいわゆるワイドバンドギャップ半導体に対する期待が高まり、多くの研究がなされてきている。 With the miniaturization of semiconductor devices, higher voltage and higher power density are inevitably required, and nitride semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) are the materials to meet this demand. Many researches have been made on the so-called wide band gap semiconductor.
特に窒化物半導体材料は光デバイスとしての開発が進められ、青色発光ダイオードの実用化という目覚しい成果として結実した。GaNをはじめとする窒化物半導体は、広いバンドギャップと直接遷移型という物性的特長に加え、大きな絶縁破壊電圧と飽和ドリフト速度および良好な熱伝導性とヘテロ接合特性などの特長を兼ね備えており、高出力・高周波電子デバイスとしての開発が進められている。 In particular, nitride semiconductor materials have been developed as optical devices, and have resulted in a remarkable achievement of practical use of blue light-emitting diodes. Nitride semiconductors such as GaN have the characteristics such as large breakdown voltage and saturation drift speed, good thermal conductivity and heterojunction characteristics in addition to the physical characteristics of wide band gap and direct transition type. Development as a high-power, high-frequency electronic device is underway.
電子デバイスとしての窒化物半導体開発は、その初期においてはノンドープn型GaN層を用いたMESFETの試作がなされたが、現在ではIII−V族化合物半導体の特徴である二次元電子ガス系を利用した高電子移動度トランジスタ(HEMT)が主流となっており、その殆どがAlGaN/GaN−HEMTに関するものとなっている。 In the early stages of the development of nitride semiconductors as electronic devices, MESFET prototypes using non-doped n-type GaN layers were made, but now a two-dimensional electron gas system that is characteristic of III-V compound semiconductors is used. High electron mobility transistors (HEMTs) are the mainstream, most of which are related to AlGaN / GaN-HEMTs.
電子デバイスの高周波動作のためには微細化が必須であるが、窒化物半導体電子デバイスには電流コラプス(高周波の大出力動作により電流出力が低下する現象)やゲート漏れ電流などの表面に深く関連した不安定性の問題が未解決のまま残されている。窒化物半導体表面の物理的・化学的特性は、既に多くの知見が蓄積されてきているSiやGaAsの表面特性とは大きく異なっており、表面安定化のためのプロセス技術の基本的な研究開発が重要となる。 Miniaturization is essential for high-frequency operation of electronic devices, but nitride semiconductor electronic devices are deeply related to the surface of current collapse (a phenomenon in which current output decreases due to high-frequency high-power operation) and gate leakage current. Instability issues remain unresolved. The physical and chemical characteristics of nitride semiconductor surfaces are very different from the surface characteristics of Si and GaAs, for which much knowledge has already been accumulated, and basic research and development of process technologies for surface stabilization. Is important.
窒化物半導体電子デバイスの表面に関連した主要な問題であるゲート漏れ電流と電流コラプスのうち、前者(ゲート漏れ電流)については、界面に存在するトラップ準位を介したトンネル過程に起因するという推論がなされることが多いがその詳細については解明されていない。 Inferring that the former (gate leakage current) of the major problems related to the surface of nitride semiconductor electronic devices is due to the tunneling process via the trap level present at the interface. However, the details have not been elucidated.
一方、後者(電流コラプス)の発生メカニズムに関しては、ゲートストレス印加時にゲート電極よりAlGaN表面トラップに電子が注入されてゲート端において仮想ゲートが生じることによるとするモデルや結晶成長終了時あるいはデバイスプロセス中にAlGaN表面で生じる窒素空乏やダングリングボンドなどに起因した表面欠陥が表面準位を形成することによるとするモデル、さらにはバッファ層中の深い準位へのホットエレクトロン注入やゲートバイアスに誘起された歪がコラプスの原因であるとするモデルなどが提起されているが、SiN膜などによる表面パッシベーションで大幅に抑制されるという事実から表面欠陥準位の荷電状態の変化に起因するものと考えられると言われている。また、非特許文献1には、SiN/GaN構造が低い界面準位密度を示すことが報告されて以来、SiNパッシベーションがAlGaN/GaN−HEMTの電流コラプス現象の抑制と高周波特性の改善に効果的であるという報告がなされていると記載されている。
On the other hand, regarding the generation mechanism of the latter (current collapse), a model is assumed that electrons are injected from the gate electrode into the AlGaN surface trap when a gate stress is applied, and a virtual gate is generated at the gate edge, or at the end of crystal growth or during device process Model induced by surface defects due to surface defects caused by nitrogen depletion or dangling bonds on the AlGaN surface, and induced by hot electron injection to deep levels in the buffer layer and gate bias. Model has been proposed that the collapse is the cause of collapse, but it is thought to be due to the change in the charge state of the surface defect level from the fact that it is greatly suppressed by surface passivation by SiN film etc. It is said. Further, since Non-Patent
このように、窒化物半導体電子デバイスの表面に関連した主要な問題であるゲート漏れ電流と電流コラプスの何れも、その表面(もしくはその近傍)に存在する何らかの欠陥準位と深く関係した現象であり、表面安定化のための基本技術が求められている。 In this way, both the gate leakage current and current collapse, which are the main problems related to the surface of nitride semiconductor electronic devices, are deeply related to some defect level existing on the surface (or its vicinity). Basic technology for surface stabilization is required.
上述したように、窒化物半導体装置の特性はその表面状態に極めて敏感であり、窒化物半導体電子デバイスの表面安定化のためには、窒化物半導体積層体の最表面層上に窒化シリコン(SiN)保護膜を形成する手法がとられるのが一般的であり、このSiN保護膜を設けることで、ゲート電極にバイアス印加した際に生じるゲート漏れ電流と電流コラプスとをある程度抑制することができる。 As described above, the characteristics of the nitride semiconductor device are extremely sensitive to the surface state, and in order to stabilize the surface of the nitride semiconductor electronic device, silicon nitride (SiN) is formed on the outermost surface layer of the nitride semiconductor stack. In general, a method of forming a protective film is employed, and by providing this SiN protective film, gate leakage current and current collapse generated when a bias is applied to the gate electrode can be suppressed to some extent.
しかしながら、これまでのSiN保護膜では、ゲート漏れ電流や電流コラプスの発生をコマーシャルレベルでの高い特性要求を確実に満足するレベルまで抑制することは困難であった。また、窒化物半導体電子デバイスを高周波動作させるための更なる微細化要求に伴って高電圧化と高電力密度化への要求が高まってくると、SiN保護膜による窒化物半導体装置の表面安定化をより高レベルでかつ確実なものとする必要がある。 However, with conventional SiN protective films, it has been difficult to suppress the occurrence of gate leakage current and current collapse to a level that reliably satisfies high characteristic requirements at the commercial level. In addition, as the demand for higher voltage and higher power density increases along with further miniaturization requirements for high-frequency operation of nitride semiconductor electronic devices, the surface stabilization of nitride semiconductor devices by SiN protective film Need to be at a higher level and certainty.
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、窒化物半導体、特にGaN系の窒化物半導体(例えば、GaN、AlGaN、InGaN、InAlGaN若しくはこれら以外のGaNを含む混晶または積層体)の表面安定化に有効なSiN保護膜を実現し、これにより、ゲート漏れ電流と電流コラプスとをコマーシャルレベルの高い特性要求を満足する水準にまで抑制した半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide nitride semiconductors, particularly GaN-based nitride semiconductors (for example, GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, or other mixed GaN containing GaN). The present invention provides a semiconductor device in which a SiN protective film effective for surface stabilization of a crystal or a laminate is realized, and thereby, a gate leakage current and a current collapse are suppressed to a level satisfying high commercial level characteristic requirements. It is in.
本発明は、基板上にGaN電子走行層と、前記GaN電子走行層上にAlGaN電子供給層と、前記AlGaN電子供給層上にGaN薄膜層と、前記GaN薄膜層上にゲート電極と、前記GaN薄膜層上に前記ゲート電極を挟むソース電極およびドレイン電極とを備え、前記ソース電極と前記ゲート電極との間および前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の前記GaN薄膜層の結晶表面上に、水素含有量が15%以下の窒化珪素膜を有することを特徴とする半導体装置である。 The present invention includes a GaN electron transit layer on a substrate, an AlGaN electron supply layer on the GaN electron transit layer, a GaN thin film layer on the AlGaN electron supply layer, a gate electrode on the GaN thin film layer, and the GaN A source electrode and a drain electrode sandwiching the gate electrode on the thin film layer, and on the crystal surface of the GaN thin film layer between the source electrode and the gate electrode and between the gate electrode and the drain electrode, A semiconductor device including a silicon nitride film having a hydrogen content of 15% or less.
上記構成において、前記窒化珪素膜中の水素含有量が5%以下である構成とすることができる。 In the above structure, the hydrogen content in the silicon nitride film may be 5% or less.
上記構成において、前記窒化珪素膜中の水素含有量が1%以下である構成とすることができる。 In the above structure, the hydrogen content in the silicon nitride film may be 1% or less.
本発明によれば、窒化物半導体結晶表面上に水素含有量が15%以下の窒化シリコン膜を保護層として設けることとしたので、保護膜中に水素が存在することで生じる窒化物半導体表面の状態変化と表面欠陥準位の荷電状態の変化とを抑制し、これにより、ゲート漏れ電流と電流コラプスとをコマーシャルレベルの高い特性要求を満足する水準にまで抑制した半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, since the silicon nitride film having a hydrogen content of 15% or less is provided as a protective layer on the nitride semiconductor crystal surface, the nitride semiconductor surface produced by the presence of hydrogen in the protective film is formed. It is possible to provide a semiconductor device that suppresses the state change and the change in the charge state of the surface defect level, and thereby suppresses the gate leakage current and the current collapse to a level that satisfies a high commercial level characteristic requirement. It becomes.
以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、シリコン窒化膜(SiNx)を単にSiNと表記するが、これはシリコン窒化膜のSiとNとの組成比が1:1である場合のみを意味するものではない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. The silicon nitride film (SiN x ) is simply expressed as SiN, but this does not mean that the composition ratio of Si and N in the silicon nitride film is 1: 1.
図1は、本発明の窒化物半導体装置の構成例を説明するための図で、この窒化物半導体装置100は、例えばSiCの基板110の主面上に、エピタキシャル成長させたGaNの電子走行層120と、n型AlGaNの電子供給層130と、n型GaNの薄膜層140とが順次積層された積層体の上に、バイアス印加のためのソース150とゲート160とドレイン170とが互いに離間されて設けられている。そして、これらソース150とゲート160間およびゲート160とドレイン170間に暴露されることとなるn型GaNの薄膜層140の表面上には、その極めて活性な表面をパッシベーションするためにSiN保護膜180が設けられている。
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration example of a nitride semiconductor device according to the present invention. The
GaN系半導体の表面は他の半導体表面と同様に極めて活性であり、大気に曝されたn型GaN表面にはGa2O3を主成分とする自然酸化膜が存在し、同様に、n型AlGaN表面にも主成分をAl2O3とGa2O3とする自然酸化膜が存在する。このような自然酸化膜の存在や自然酸化膜中に取り込まれている表面汚染元素は、窒化物半導体表面の化学結合状態や化学量論的組成を乱し、高密度の表面準位とバンド曲がりを生じさせる。本発明の半導体装置のn型GaNの薄膜層140はn型AlGaNの電子供給層130の表面を保護するために設けられるものであり、SiN保護膜180はn型GaNの薄膜層140の表面を保護するために設けられるものである。
The surface of the GaN-based semiconductor is extremely active like other semiconductor surfaces, and a natural oxide film mainly composed of Ga 2 O 3 exists on the n-type GaN surface exposed to the atmosphere. There is also a natural oxide film whose main components are Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 on the AlGaN surface. The presence of such a natural oxide film and surface contamination elements incorporated into the natural oxide film disturb the chemical bonding state and stoichiometric composition of the nitride semiconductor surface, resulting in high-density surface states and band bending. Give rise to The n-type GaN
図1に示した半導体装置の構成は一般的な窒化物半導体のHEMT構造と同様であるが、従来の窒化物半導体装置のn型GaNの薄膜層上に設けられるSiN保護膜中の水素(H)含有量が概ね20%程度であるのに対し、本発明ではSiN保護膜180中のH含有量が15%以下となるように成膜されている。すなわち、本発明の半導体装置は、窒化物半導体装置の最表面に設けられるSiN保護膜中のH不純物含有量を成膜条件の制御により低減させ、SiN保護膜中にHが存在することで生じる窒化物半導体表面の状態変化と表面欠陥準位の荷電状態の変化を抑制し、これによりゲート漏れ電流と電流コラプスとをコマーシャルレベルの高い特性要求を満足するレベルまで抑制することを可能とするものである。
The configuration of the semiconductor device shown in FIG. 1 is the same as that of a general nitride semiconductor HEMT structure, but the hydrogen (H in the SiN protective film provided on the n-type GaN thin film layer of the conventional nitride semiconductor device). In the present invention, the H content in the SiN
SiN保護膜中のH不純物含有量を低減させることでデバイス特性を改善するという着想は、以下のような考察によるものである。 The idea of improving device characteristics by reducing the H impurity content in the SiN protective film is based on the following consideration.
窒化物半導体に限らず、半導体表面はデバイスプロセス中にその表面が比較的高いプロセスエネルギに曝されることとがあり、かかるプロセス中に好ましくない表面欠陥が導入され易い。特に、成膜プロセスのような比較的高温や高エネルギを必要とするデバイスプロセスにおいてはそのような表面欠陥を生じ易い。窒化物半導体においてこれらの表面欠陥が発生すると、化学量論的組成が乱されて表面近傍での窒素空乏を生じさせる。前記非特許文献1によれば、水素プラズマや酸化種を含む雰囲気中でのプロセスでは、GaNやAlGaN表面と反応してNHxやNOxなどを生成して表面からの窒素離脱を促進するとの報告、このような窒素空乏は表面欠陥準位となるとの報告、更には低エネルギでリモート窒素プラズマ処理したりSiN保護膜を設けることで、かかる窒素空乏起因の欠陥の発生を抑制することができるとの報告があると記載されている。
Not only nitride semiconductors, semiconductor surfaces may be exposed to relatively high process energy during device processes, and undesirable surface defects are likely to be introduced during such processes. In particular, such a surface defect is likely to occur in a device process that requires a relatively high temperature and high energy such as a film forming process. When these surface defects occur in a nitride semiconductor, the stoichiometric composition is disturbed, causing nitrogen depletion near the surface. According to
一方、電流コラプスの発生原因は表面準位であり、この表面準位の存在に加えてゲート・ドレイン間の高電界が重要な役割を果たしていると考えられている。 On the other hand, the cause of current collapse is the surface level. In addition to the presence of this surface level, a high electric field between the gate and the drain is thought to play an important role.
また、ゲート漏れ電流についてはその発生メカニズムの詳細は明らかとなってはいないものの、非特許文献1によれば、GaNあるいはAlGaN表面近傍に生成したドナー型の窒素空乏欠陥準位のイオン化により、ショットキ障壁が薄層化するというTBS(Thin Surface Barrier)モデルも提案されているとの記載がある。
Further, although details of the generation mechanism of the gate leakage current have not been clarified, according to
そうすると、電流コラプスにせよゲート漏れ電流にせよ、半導体装置の表面に位置する窒化物半導体層表面での窒素空乏の生成を抑制することにより低減させ得ることとなり、その表面上に設けられることとなるSiN保護膜にもかかる窒素空乏を発生させることのない膜質が求められることとなる。 Then, whether it is current collapse or gate leakage current, it can be reduced by suppressing the generation of nitrogen depletion on the surface of the nitride semiconductor layer located on the surface of the semiconductor device, and is provided on the surface. A film quality that does not cause such nitrogen depletion in the SiN protective film is also required.
本発明者らは、SiN保護膜中に不純物として含有されているHが窒化物半導体表面から窒素を引き抜き、窒素空乏欠陥を発生せしめるのではないかとの仮説を立てた。その詳細は以下のようなものである。一般に、SiN保護膜の成膜には、Si供給ガスとしてモノシラン(SiH4)やジシラン(Si2H6)などのシラン系ガスが用いられ、N供給ガスとしては窒素ガス(N2)やアンモニア(NH3)などのガスが用いられる。特に、SiH4ガスとNH3ガスの組み合わせは反応効率が高く、殆どのSiN保護膜はこのガスの組み合わせで成膜されているものと推測される。このように、SiN保護膜はHを本来的に含む雰囲気中で成膜されるため、その膜中にHを取り込み易く、通常のSiN保護膜は概ね20%程度のHを含有している。 The inventors have hypothesized that H contained as an impurity in the SiN protective film may extract nitrogen from the surface of the nitride semiconductor and cause nitrogen depletion defects. The details are as follows. Generally, the deposition of the SiN protective film, monosilane silane-based gas such as (SiH 4) or disilane (Si 2 H 6) is used as the Si supplying gas, nitrogen gas as the N supply gas (N 2) or ammonia A gas such as (NH 3 ) is used. In particular, the combination of SiH 4 gas and NH 3 gas has high reaction efficiency, and it is assumed that most of the SiN protective film is formed with this gas combination. Thus, since the SiN protective film is formed in an atmosphere that inherently contains H, H is easily taken into the film, and a normal SiN protective film contains approximately 20% of H.
このSiN保護膜中のHは、フレームワークとしてあるSiとは弱く結合するのみであり、熱処理などによりエネルギを与えられると容易にSiN保護膜外に離脱する。本来負電荷状態で結合していたHがSiN保護膜から離脱すると、Siは負電荷をトランスファする相手がなくなるが、Si−Nの標準生成エネルギはGa−Nの標準生成エネルギに比較して小さく、NはGaと結合しているよりもSiと結合している状態の方がより安定である。このため、SiN保護膜中のSiは新たな結合の相手としてSiN保護膜の直下にある窒化物半導体層中のNを引き抜きSiN保護膜中に取り込んでしまう。そして、このようなNの引き抜きが生じると、窒化物半導体表面は化学量論的組成が乱されてGaリッチな状態となり表面近傍での窒素空乏を生じさせる。 H in this SiN protective film is only weakly bonded to Si as a framework, and is easily detached from the SiN protective film when energy is applied by heat treatment or the like. When H originally bound in the negative charge state is released from the SiN protective film, Si has no partner to transfer negative charge, but the standard generation energy of Si-N is smaller than the standard generation energy of Ga-N. , N is more stable when bonded to Si than bonded to Ga. For this reason, Si in the SiN protective film pulls out N in the nitride semiconductor layer immediately below the SiN protective film as a new bonding partner and takes it into the SiN protective film. When such N extraction occurs, the stoichiometric composition of the nitride semiconductor surface is disturbed and becomes Ga-rich, causing nitrogen depletion near the surface.
このような仮説に立てば、電流コラプスやゲート漏れ電流の原因となっている窒素空乏の発生を抑制するには、SiN保護膜中に含有されるHの量を低減することが有効であるはずである。なお、後述するように、SiN保護膜中のH濃度は、15%以下とすることで充分な効果があるが、好ましくは5%以下であり、さらに好ましくは1%以下である。 Based on such a hypothesis, it is effective to reduce the amount of H contained in the SiN protective film in order to suppress the occurrence of nitrogen depletion that causes current collapse and gate leakage current. It is. As will be described later, the H concentration in the SiN protective film is sufficiently effective when it is 15% or less, but is preferably 5% or less, and more preferably 1% or less.
図2は、本発明の窒化物半導体HEMTと従来の窒化物半導体HEMTとの電流コラプスの発生の程度を比較して説明するための図で、横軸がソース−ドレイン電圧Vds(V)、縦軸がソース−ドレイン電流Ids(mA)である。これらのHEMTの構造は図1に示した構造であり、図2(a)に示した本発明の窒化物半導体HEMTのSiN保護膜中のH含有量が1%未満、図2(b)に示した従来の窒化物半導体HEMTのSiN保護膜中のH含有量が20%である。これらの電気特性は、ソースを接地電位とし、ゲートに負電位、ドレインに正電位を負荷する3端子法により測定した。 FIG. 2 is a diagram for comparing the generation of current collapse between the nitride semiconductor HEMT of the present invention and the conventional nitride semiconductor HEMT, and the horizontal axis represents the source-drain voltage V ds (V), The vertical axis represents the source-drain current I ds (mA). The structure of these HEMTs is the structure shown in FIG. 1, and the H content in the SiN protective film of the nitride semiconductor HEMT of the present invention shown in FIG. 2 (a) is less than 1%, and FIG. The H content in the SiN protective film of the conventional nitride semiconductor HEMT shown is 20%. These electrical characteristics were measured by a three-terminal method in which the source is ground potential, the gate is charged with a negative potential, and the drain is loaded with a positive potential.
これらの図中、矢印で示した実線から破線へのIV曲線の変化が電流コラプスに対応する。図から明らかなように、H含有量20%の従来のSiN保護膜を有する窒化物半導体HEMT(図2(b))では極めて大きな電流コラプスが確認されるのに対して、H含有量1%のSiN保護膜で表面安定化された本発明の窒化物半導体HEMTの電流コラプスは大幅に抑制されており、SiN保護膜中のH含有量の低減が電流コラプスの抑制に有効であることがわかる。 In these drawings, the change in the IV curve from the solid line to the broken line indicated by the arrow corresponds to the current collapse. As is clear from the figure, in the nitride semiconductor HEMT having the conventional SiN protective film having an H content of 20% (FIG. 2B), an extremely large current collapse is confirmed, whereas the H content is 1%. The current collapse of the nitride semiconductor HEMT of the present invention whose surface is stabilized by the SiN protective film is greatly suppressed, and it can be seen that the reduction of the H content in the SiN protective film is effective in suppressing the current collapse. .
図3は、図2(a)および図2(b)で電流コラプス特性を説明した窒化物半導体HEMTのゲート漏れ電流特性を比較して説明するための図で、横軸がゲート電圧Vg(V)、縦軸がゲート漏れ電流Ig(A/mm)である。従来のSiN保護膜で表面安定化した従来品のゲート漏れ電流は、ゲートへ印加する負電圧を大きくするにつれて徐々に増大し、−40Vを印加した場合の漏れ電流は1×10−5A/mmにも達する。これに対して、H含有量1%のSiN保護膜で表面安定化した本発明の窒化物半導体HEMTの漏れ電流は−40V印加でせいぜい1×10−6A/mmであり、約一桁のリーク電流低減効果があることが分かる。 FIG. 3 is a diagram for comparing and explaining the gate leakage current characteristics of the nitride semiconductor HEMT whose current collapse characteristics have been described with reference to FIGS. 2A and 2B, and the horizontal axis represents the gate voltage V g ( V), and the vertical axis represents the gate leakage current I g (A / mm). The gate leakage current of the conventional product whose surface is stabilized by the conventional SiN protective film gradually increases as the negative voltage applied to the gate increases, and the leakage current when −40 V is applied is 1 × 10 −5 A / It reaches to mm. On the other hand, the leakage current of the nitride semiconductor HEMT of the present invention, which is surface-stabilized with a SiN protective film having an H content of 1%, is 1 × 10 −6 A / mm at the maximum when −40 V is applied. It can be seen that there is a leakage current reducing effect.
図4は、ゲート漏れ電流の発生の様子を説明するための図である。この窒化物半導体HEMTの基本動作として、ソース150を接地電位とし、ゲート160に負電位、ドレイン170に正電位を印加すると、ソース150から注入された電子はn型GaNの薄膜層140とn型AlGaNの電子供給層130中をドリフトしてGaNの電子走行層120へと注入される。この注入電子はゲート160とドレイン170に印加されるバイアスによって形成されるポテンシャル勾配に沿って電子走行層120内を走行し、電子供給層130および薄膜層140内をドリフトしてドレイン170へと流れ込む。
FIG. 4 is a diagram for explaining how the gate leakage current is generated. As a basic operation of the nitride semiconductor HEMT, when the
ここで、かかるバイアス印加状態においてn型GaNの薄膜層表面に高密度の欠陥準位が存在すると、ゲート160中の電子がこの表面欠陥準位にトラップされてSiN保護膜180とn型GaNの薄膜層140との界面に沿って電荷輸送されることで生じる漏れ電流や、この表面準位が見かけ上のソースとなってゲート160からチャネルへの電子注入がなされることで生じる漏れ電流などが発生することとなる。したがって、SiN保護膜180中のH含有量を低減してSiN保護膜180とn型GaNの薄膜140との界面の電子捕獲位の密度を低減させることで、ゲート漏れ電流を抑制することができることになる。
Here, when a high-density defect level exists on the surface of the n-type GaN thin film layer in such a bias application state, electrons in the
本発明を完成させるに際しては、SiN保護膜中のH含有量は全て、FTIR装置(フーリエ変換赤外分光計)を用いて2160cm−1近傍に現れるSi−H伸縮振動に起因する赤外吸収スペクトルの強度を測定し、このデータを元に水素含有率計算式に代入して算出している。なお、この手法によるSiN膜中のH検出下限は概ね1%とされている。 In completing the present invention, all the H content in the SiN protective film is an infrared absorption spectrum caused by Si-H stretching vibration appearing in the vicinity of 2160 cm −1 using an FTIR apparatus (Fourier transform infrared spectrometer). This is measured by substituting into the hydrogen content calculation formula based on this data. Note that the lower limit of H detection in the SiN film by this method is approximately 1%.
図5は、図2および図3で電気特性を説明した本発明の窒化物半導体HEMTが備えるSiN保護膜(H含有量1%以下)と従来の窒化物半導体HEMTが備えるSiN保護膜(H含有量20%)の赤外吸収スペクトルを説明するための図である。従来のSiN保護膜からはSi−H伸縮運動に起因する2160cm−1近傍のブロードな吸収が明瞭に現れている一方、本発明の窒化物半導体のSiN保護膜からはこの吸収は確認されていない。すなわち、本発明の窒化物半導体装置のSiN保護膜中にHが含有されているとしてもその含有量は赤外吸収法による検出下限の1%以下であることがわかる。 FIG. 5 shows an SiN protective film (H content of 1% or less) provided in the nitride semiconductor HEMT of the present invention whose electrical characteristics have been described with reference to FIGS. 2 and 3 and an SiN protective film (H containing) included in the conventional nitride semiconductor HEMT. It is a figure for demonstrating the infrared absorption spectrum of 20% of quantity. From the conventional SiN protective film, broad absorption near 2160 cm −1 due to Si—H stretching motion clearly appears, but this absorption is not confirmed from the SiN protective film of the nitride semiconductor of the present invention. . That is, even if H is contained in the SiN protective film of the nitride semiconductor device of the present invention, the content is 1% or less of the lower limit of detection by the infrared absorption method.
窒化物半導体HEMTの電気特性のH含有量依存性を調べた結果によれば、SiN保護膜中のH濃度を15%以下とすることで充分な効果があるが、好ましくは5%以下であり、さらに好ましくは1%以下である。 According to the result of investigating the H content dependency of the electrical characteristics of the nitride semiconductor HEMT, there is a sufficient effect by setting the H concentration in the SiN protective film to 15% or less, but preferably 5% or less. More preferably, it is 1% or less.
図6は、電流コラプスの発生のSiN保護膜中のH含有量依存性を説明するための図で、各図中に数字で示したのはSiN保護膜中のH含有量である。これらの図は、SiN保護膜中のH含有量が少なくなるにつれて電流コラプスの発生が抑制される様子を顕著に表している。コマーシャルレベルでの高い特性要求を満足するレベルまで電流コラプスを抑制するには、H含有量を15%以下とする必要があり、好ましくは5%以下とし、さらに好ましくは1%以下とすることで、高周波動作のための微細化を行った場合にも充分な電気特性を有する窒化物半導体装置を得ることができる。 FIG. 6 is a diagram for explaining the dependency of the occurrence of current collapse on the H content in the SiN protective film. Each figure shows the H content in the SiN protective film. These figures remarkably show how the generation of current collapse is suppressed as the H content in the SiN protective film decreases. In order to suppress current collapse to a level that satisfies the high characteristic requirements at the commercial level, the H content needs to be 15% or less, preferably 5% or less, and more preferably 1% or less. A nitride semiconductor device having sufficient electrical characteristics can be obtained even when miniaturization for high-frequency operation is performed.
本発明の窒化物半導体は、以下のような成膜プロセスにより作製される。 The nitride semiconductor of the present invention is manufactured by the following film formation process.
図7は、本発明の窒化物半導体HEMTの作製プロセスの一例を説明するための図である。先ず、n型GaNの薄膜層140をエピタキシャルさせてその表面にフォトリソグラフィーによってソース150とドレイン170を形成し(図7(a))、この上にSiN保護膜180を全面に成膜する(図7(b))。ここで、SiN保護膜の成膜方法に特に制限はないが、例えば、スパッタ装置、平行平板型PECVD(プラズマCVD)装置、ECRCVD(有磁場マイクロ波プラズマ)装置、またはICPCVD(誘導結合プラズマ)装置などにより成膜することができる。特に、スパッタ成膜の場合には成膜中の雰囲気に基本的に水素が含まれないこととなるため、好ましい成膜方法である。
FIG. 7 is a diagram for explaining an example of a manufacturing process of the nitride semiconductor HEMT of the present invention. First, an n-type GaN
成膜したSiN保護膜180上にフォトレジスト190を塗布して、ソース150とドレイン170との間の薄膜層140面上に形成されているSiN保護膜180の一部領域を暴露するようにレジストマスクを形成する(図7(c))。次に、SiN保護膜180の暴露部分をエッチングにより除去してn型GaNの薄膜層140表面を露出させ(図7(d))、さらにレジスト開口部のn型GaN薄膜層140側が若干広がった形状となるように該当部分のレジスト除去をおこなう(図7(e))。最後に、レジスト190をマスクとしてゲート160をセルフアライン形成し、残余のレジストを全て除去して窒化物半導体装置が完成する(図7(f))。
A
本発明においては、SiN保護膜中のH含有量は成膜条件(主として成膜環境中の水素濃度)で制御される。従来の殆どのSiN膜(H含有量〜20%)はPECVD法で成膜され、一般的な膜厚である200ÅのSiN膜を形成する場合の条件は、例えば、モノシランガス流量16sccm、アンモニアガス流量13sccm、窒素ガス流量140sccmとし、基板温度300℃でRFパワーを200W、成膜時間が37秒である。すなわち、従来のSiN保護層は成膜雰囲気中に水素を必然的に持ち込むこととなるモノシランガスやアンモニアガスが全供給ガス中で占める比率が高い条件で成膜され膜中にHが取り込まれ易い。これに対して、本発明においてはこの比率を極力下げることとし、SiN膜の成膜中でのHの取り込み確率が低くなるように条件設定される。このような条件とするとSiN膜の成長速度が低下するために所望の膜厚のSiN保護層を得るための成膜時間は長くなり比較的高い温度に曝される時間が長くなる。したがって、窒化物半導体の作製に当たっては、SiN保護層の成膜に要する時間とその膜質とを考慮してSiN膜中のH含有量を設計することとなる。 In the present invention, the H content in the SiN protective film is controlled by the film forming conditions (mainly the hydrogen concentration in the film forming environment). Most conventional SiN films (H content ˜20%) are formed by PECVD, and the conditions for forming a 200 nm SiN film, which is a typical film thickness, are, for example, a monosilane gas flow rate of 16 sccm and an ammonia gas flow rate. The gas power is 13 sccm, the nitrogen gas flow rate is 140 sccm, the substrate temperature is 300 ° C., the RF power is 200 W, and the film formation time is 37 seconds. That is, the conventional SiN protective layer is formed under the condition that the monosilane gas or ammonia gas that inevitably brings hydrogen into the film forming atmosphere has a high ratio of the total supply gas, and H is easily taken into the film. In contrast, in the present invention, this ratio is reduced as much as possible, and conditions are set so that the probability of H incorporation during the formation of the SiN film is lowered. Under such conditions, the growth rate of the SiN film decreases, so that the film formation time for obtaining a SiN protective layer having a desired film thickness becomes long and the time for exposure to a relatively high temperature becomes long. Therefore, when manufacturing the nitride semiconductor, the H content in the SiN film is designed in consideration of the time required for forming the SiN protective layer and the film quality.
本発明においてSiN保護膜の成膜条件は用いる成膜装置により適宜変更されることはいうまでもないが、スパッタ成膜する場合には、Si:N=3:4の組成比のターゲットを、Arガス、N2ガス、若しくはArガスとN2ガスの混合ガスでスパッタして成膜する。 In the present invention, it goes without saying that the film forming conditions of the SiN protective film are appropriately changed depending on the film forming apparatus to be used. However, when sputtering film formation is performed, a target having a composition ratio of Si: N = 3: 4 is used. A film is formed by sputtering with Ar gas, N 2 gas, or a mixed gas of Ar gas and N 2 gas.
また、平行平板型プラズマCVD成膜する場合には、供給ガスSiH4/(SiH4+N2+希ガス)≦5/1000、RF電力密度0.02〜0.1W/cm2、かつ基板温度250〜400℃の条件下で成膜する。 Further, in the case of a parallel plate type plasma CVD film formation, the feed gas SiH 4 / (SiH 4 + N 2 + rare gas) ≦ 5/1000, RF power density 0.02~0.1W / cm 2, and the substrate temperature Film formation is performed at 250 to 400 ° C.
さらに、有磁場マイクロ波プラズマ成膜または誘導結合プラズマ成膜する場合には、SiH4ガス流量0.5〜3.0sccm、N2ガス流量10〜50sccm、かつSiH4/N2≦1/10の条件で成膜する。なお、平行平板型プラズマCVD成膜、有磁場マイクロ波プラズマ成膜または誘導結合プラズマ成膜する場合には、基板温度を250℃以上とし、かつ成膜速度を20nm/sec以下とすることが好ましい。 Further, in the case of performing magnetic field microwave plasma film formation or inductively coupled plasma film formation, the SiH 4 gas flow rate is 0.5 to 3.0 sccm, the N 2 gas flow rate is 10 to 50 sccm, and SiH 4 / N 2 ≦ 1/10. The film is formed under the following conditions. In the case of performing parallel plate type plasma CVD film formation, magnetic field microwave plasma film formation, or inductively coupled plasma film formation, it is preferable that the substrate temperature be 250 ° C. or higher and the film formation rate be 20 nm / sec or less. .
具体的な成膜条件例は例えば以下のようなものである。 Specific examples of film forming conditions are as follows, for example.
例えばH含有量5%のSiN膜を200Åの膜厚でPECVD成膜させる場合には、モノシランガス流量4sccm、アンモニアガス流量0.5sccm、窒素ガス流量200sccmとし、さらに不活性ガスであるヘリウムをガス流量896sccm流して主要キャリアガスとし、チャンバ内の圧力を0.9Torrとした減圧環境下で、基板温度300℃でRFパワー50Wとし、140秒間の成膜を行う。 For example, when a SiN film having a H content of 5% is formed by PECVD with a thickness of 200 mm, the monosilane gas flow rate is 4 sccm, the ammonia gas flow rate is 0.5 sccm, the nitrogen gas flow rate is 200 sccm, and helium, which is an inert gas, is used as the gas flow rate. A film is formed for 140 seconds under a reduced pressure environment in which a flow of 896 sccm is used as the main carrier gas and the pressure in the chamber is 0.9 Torr, the substrate temperature is 300 ° C., the RF power is 50 W.
また、同じくH含有量5%のSiN膜を200Åの膜厚でスパッタ成膜させる場合には、先ず、アルゴンガス流量30sccm、RFパワー0.35kW、チャンバ内圧力0.45Pa、基板温度100℃の条件で30秒間の基板クリーニングを行った後、Si:Nの組成比率が3:4のスパッタターゲットを用いて、アルゴンガス流量10sccm、RFパワー0.45kW、チャンバ内圧力0.8Pa、基板温度100℃の条件で、225秒間のスパッタリングを行ってSiN膜を成膜する。 Similarly, when sputtering a SiN film having a H content of 5% with a thickness of 200 mm, first, an argon gas flow rate of 30 sccm, an RF power of 0.35 kW, a chamber pressure of 0.45 Pa, and a substrate temperature of 100 ° C. After cleaning the substrate for 30 seconds under the conditions, an argon gas flow rate of 10 sccm, an RF power of 0.45 kW, a chamber internal pressure of 0.8 Pa, and a substrate temperature of 100 using a sputtering target having a composition ratio of Si: N of 3: 4. A SiN film is formed by sputtering for 225 seconds under the condition of ° C.
これまでは窒化物半導体装置としてHEMT構造の電子デバイスを例に説明してきたが、窒化物半導体の表面安定化はこのデバイスに限らず、光デバイスなどの他の半導体装置にも有効に適用可能であることはいうまでもない。 Until now, an electronic device having a HEMT structure has been described as an example of a nitride semiconductor device, but the surface stabilization of a nitride semiconductor is not limited to this device, and can be effectively applied to other semiconductor devices such as optical devices. Needless to say.
図8は、H含有量を低減させたSiN保護膜で表面安定化された本発明の発光素子の構成例を説明するための図で、この図において、810は窒化物半導体基板、820はGaN系のバッファ層、830はn型GaN層、840は量子井戸構造のキャビティであるInGaN層、850は電流制御層であるAlGaN層、860はp型GaNのコンタクト層、870はp型オーミック電極、875はn型オーミック電極、880はSiN保護層、890はポリイミド膜、そして895は配線材料である。 FIG. 8 is a diagram for explaining a structural example of the light emitting device of the present invention whose surface is stabilized by a SiN protective film with a reduced H content. In this figure, 810 is a nitride semiconductor substrate, and 820 is GaN. 830 is an n-type GaN layer, 840 is an InGaN layer that is a quantum well structure cavity, 850 is an AlGaN layer that is a current control layer, 860 is a p-type GaN contact layer, 870 is a p-type ohmic electrode, 875 is an n-type ohmic electrode, 880 is a SiN protective layer, 890 is a polyimide film, and 895 is a wiring material.
p型オーミック電極870とn型オーミック電極875にバイアスが印加されp型オーミック電極870からキャリアが注入されると、このキャリアはp型GaN層860、AlGaN層850、InGaN層840、n型GaN層830中をドリフトして基板810裏面に形成されたn型オーミック電極875に流れ込む。このとき、量子井戸構造のInGaN層からは量子効果に基づく電子正孔対の再結合により発光が生じ、この光が上方向から取り出される。
When a bias is applied to the p-
本発明の発光素子においては、p型GaN層860の表面が水素含有量の低いSiN保護層880で安定化されているためにp型GaN層860の表面欠陥準位密度(p型GaN層860とSiN保護層880の間の界面トラップ準位密度)が低く、素子特性の劣化を抑制することができる。
In the light emitting device of the present invention, since the surface of the p-
本発明によれば、ゲート漏れ電流と電流コラプスとをコマーシャルレベルの高い特性要求を満足するレベルまで抑制した窒化物半導体装置、およびその製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor device in which gate leakage current and current collapse are suppressed to a level satisfying a high commercial level characteristic requirement, and a method for manufacturing the same.
100 窒化物半導体装置
110 基板
120 GaNの電子走行層
130 n型AlGaNの電子供給層
140 n型GaNの薄膜層
150 ソース
160 ゲート
170 ドレイン
180 SiN保護膜
190 フォトレジスト
810 窒化物半導体基板
820 GaN系のバッファ層
830 n型GaN層
840 InGaN層
850 AlGaN層
860 p型GaNのコンタクト層
870 p型オーミック電極
875 n型オーミック電極
880 SiN保護層
890 ポリイミド膜
895 配線材料
100
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