JP6931572B2 - How to form the gate insulating film and the gate insulating film - Google Patents
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Description
本発明は、ゲート絶縁膜の形成方法、および、ゲート絶縁膜に関する。 The present invention relates to a method for forming a gate insulating film and a gate insulating film.
ガリウムと15族の元素とを含む化合物半導体層を有した電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)は、半導体素子の1つであり、電界効果トランジスタには、化合物半導体層と、ゲート電極との間にゲート絶縁膜を有した構造であるMISFET構造(Metal Insulator Semiconductor FET)が知られている。MISFET構造が有するゲート絶縁膜として、酸化アルミニウムから形成された絶縁膜が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A field effect transistor having a compound semiconductor layer containing gallium and a group 15 element is one of the semiconductor elements, and the field effect transistor is provided between the compound semiconductor layer and the gate electrode. A MISFET structure (Metal Insulator Semiconductor FET), which is a structure having a gate insulating film, is known. As a gate insulating film having a MISFET structure, an insulating film formed of aluminum oxide has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
ところで、MISFET構造が有するゲート電極に繰り返し電圧を印加すると、酸化アルミニウム膜が有する膜中欠陥の変動によって、ゲート電極における閾値電圧が、電圧の印加が繰り返されることに伴って変動してしまう。閾値電圧の変動を抑えることが可能なゲート絶縁膜として、半導体層に接する酸化アルミニウム層と、酸化アルミニウム層上に位置する酸化ケイ素層とから構成されるゲート絶縁膜が検討されている。こうしたゲート絶縁膜において、ゲート絶縁膜として用いられたときに好適な構成についての検討が、未だ十分ではない。 By the way, when a repeated voltage is applied to the gate electrode of the MOSFET structure, the threshold voltage at the gate electrode fluctuates as the voltage is repeatedly applied due to the fluctuation of the defect in the film of the aluminum oxide film. As a gate insulating film capable of suppressing fluctuations in the threshold voltage, a gate insulating film composed of an aluminum oxide layer in contact with a semiconductor layer and a silicon oxide layer located on the aluminum oxide layer has been studied. In such a gate insulating film, studies on a suitable configuration when used as a gate insulating film are not yet sufficient.
本発明は、酸化アルミニウム層に酸化ケイ素層が積層された積層膜において、ゲート絶縁膜として用いたときに好適な構成を有するゲート絶縁膜の形成方法、および、ゲート絶縁膜を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for forming a gate insulating film having a suitable configuration when used as a gate insulating film in a laminated film in which a silicon oxide layer is laminated on an aluminum oxide layer, and to provide a gate insulating film. And.
上記課題を解決するためのゲート絶縁膜の形成方法は、成膜対象が含む表面であって、ガリウムと15族の元素とを含む半導体から形成された領域を含む前記表面に酸化アルミニウム層を形成することと、前記酸化アルミニウム層における前記表面に接する面とは反対側の面に、酸化ケイ素層を形成することとを含む。前記酸化ケイ素層を形成することは、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層との境界に、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域であって、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層とが積み重なる方向における厚さが、4nm以上10nm以下である前記遷移領域が形成されるように前記酸化ケイ素層を形成する。 The method for forming the gate insulating film for solving the above problems is to form an aluminum oxide layer on the surface included in the film formation target, which includes a region formed of a semiconductor containing gallium and Group 15 elements. This includes forming a silicon oxide layer on the surface of the aluminum oxide layer opposite to the surface in contact with the surface. Forming the silicon oxide layer is a transition region containing oxygen, aluminum, and silicon at the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer, and the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are formed. The silicon oxide layer is formed so that the transition region having a thickness of 4 nm or more and 10 nm or less in the stacking direction is formed.
上記課題を解決するためのゲート絶縁膜は、ガリウムと15族の原子とを含む半導体層の表面に位置する酸化アルミニウム層と、前記酸化アルミニウム層における前記表面に接する面とは反対側の面に位置する酸化ケイ素層とを備える。前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層との境界を含む領域が、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域であり、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層とが積み重なる方向における前記遷移領域の幅が、4nm以上10nm以下である。 The gate insulating film for solving the above problems is formed on an aluminum oxide layer located on the surface of a semiconductor layer containing gallium and Group 15 atoms and a surface of the aluminum oxide layer opposite to the surface in contact with the surface. It has a silicon oxide layer located. The region including the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer is a transition region containing oxygen, aluminum, and silicon, and the width of the transition region in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked. However, it is 4 nm or more and 10 nm or less.
本願発明者は、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とから構成されるゲート絶縁膜について鋭意研究するなかで、以下のことを見出した。すなわち、本願発明者は、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界を含む領域が遷移領域であり、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積み重なる方向において、遷移領域の幅が4nm以上10nm以下であることにより、ゲート電極における閾値電圧の絶対値が、負の範囲において大きくなることが抑えられることを見出した。 The inventor of the present application has found the following in his diligent research on a gate insulating film composed of an aluminum oxide layer and a silicon oxide layer. That is, in the present invention, the region including the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer is the transition region, and the width of the transition region is 4 nm or more and 10 nm or less in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked. As a result, it was found that the absolute value of the threshold voltage at the gate electrode can be suppressed from becoming large in the negative range.
この点で、上記構成によれば、酸化アルミニウム層の上に酸化ケイ素層を形成したゲート絶縁膜において、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積み重なる方向における遷移領域の厚さが、4nm以上10nm以下である。そのため、ゲート電極における閾値電圧の絶対値が、負の範囲において大きくなることが抑えられる。このように、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積層された積層膜において、ゲート絶縁膜として用いたときに好適な構成とすることができる。 In this respect, according to the above configuration, in the gate insulating film in which the silicon oxide layer is formed on the aluminum oxide layer, the thickness of the transition region in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked is 4 nm or more and 10 nm or less. Is. Therefore, it is possible to prevent the absolute value of the threshold voltage at the gate electrode from becoming large in the negative range. As described above, in a laminated film in which an aluminum oxide layer and a silicon oxide layer are laminated, a suitable configuration can be obtained when used as a gate insulating film.
上記ゲート絶縁膜の形成方法において、前記酸化アルミニウム層を形成することは、ALD法を用いて前記酸化アルミニウム層を形成し、前記酸化ケイ素層を形成することは、プラズマCVD法を用いて前記酸化ケイ素層を形成してもよい。 In the method for forming the gate insulating film, forming the aluminum oxide layer is to form the aluminum oxide layer by using the ALD method, and forming the silicon oxide layer is to form the oxidation by using the plasma CVD method. A silicon layer may be formed.
上記構成によれば、酸化ケイ素層を形成するときには、ゲート絶縁膜の下層に位置する半導体層が酸化アルミニウム層で覆われているため、酸化ケイ素層をプラズマCVD法によって形成しても半導体層が損傷することが抑えられる。 According to the above configuration, when the silicon oxide layer is formed, the semiconductor layer located under the gate insulating film is covered with the aluminum oxide layer, so that even if the silicon oxide layer is formed by the plasma CVD method, the semiconductor layer is formed. Damage is suppressed.
上記ゲート絶縁膜の製造方法において、前記酸化ケイ素層を形成することは、0.2W/cm2以下の電力を電極に供給してもよい。
上記構成によれば、電極に供給される電力が0.2W/cm2以下であることによって、遷移領域の厚さが4nm以上になる確実性が高まる。
In the method for producing the gate insulating film, forming the silicon oxide layer may supply electric power of 0.2 W / cm 2 or less to the electrode.
According to the above configuration, when the power supplied to the electrodes is 0.2 W / cm 2 or less, the certainty that the thickness of the transition region becomes 4 nm or more is increased.
上記ゲート絶縁膜において、前記遷移領域は、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層との境界としての凹凸面を含む領域、および、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層とにおける相互拡散領域の少なくとも一方であってもよい。 In the gate insulating film, the transition region is at least one of a region including an uneven surface as a boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer and a mutual diffusion region between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer. It may be.
上記構成によれば、遷移領域が凹凸面を含む領域、および、相互拡散領域の少なくとも一方であるため、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積み重なる方向において、遷移領域の厚さが、上述した範囲における下限値を超えやすくなる。 According to the above configuration, since the transition region is at least one of the region including the uneven surface and the mutual diffusion region, the thickness of the transition region is within the above-mentioned range in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked. It becomes easy to exceed the lower limit value in.
図1から図15を参照して、ゲート絶縁膜の形成方法およびゲート絶縁膜を具体化した一実施形態として、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とから構成されるゲート絶縁膜の形成方法およびゲート絶縁膜を説明する。以下では、酸化アルミニウム層の形成に用いられるALD装置の概略構成、酸化ケイ素層の形成に用いられるプラズマCVD装置の概略構成、ゲート絶縁膜の形成方法を含むMISFETの製造方法、および、試験例を説明する。 With reference to FIGS. 1 to 15, as an embodiment in which the gate insulating film is formed and the gate insulating film is embodied, a method for forming a gate insulating film composed of an aluminum oxide layer and a silicon oxide layer and gate insulation are used. The film will be described. In the following, a schematic configuration of an ALD apparatus used for forming an aluminum oxide layer, a schematic configuration of a plasma CVD apparatus used for forming a silicon oxide layer, a method for manufacturing a MISFET including a method for forming a gate insulating film, and a test example. explain.
[ALD装置の概略構成]
図1を参照してALD装置の概略構成を説明する。以下に説明するALD装置は、原子層堆積法(Atomic Layer Deposition)を用いて酸化アルミニウム層を形成するための装置である。
[Outline configuration of ALD device]
The schematic configuration of the ALD apparatus will be described with reference to FIG. The ALD apparatus described below is an apparatus for forming an aluminum oxide layer by using an atomic layer deposition method (Atomic Layer Deposition).
図1が示すように、ALD装置10は、箱状を有した真空槽11を備えている。真空槽11の内部には、成膜対象Sを支持する支持部12が位置し、支持部12は、例えばステージである。成膜対象Sは、酸化アルミニウム層が形成される表面Saを含んでいる。支持部12の内部には、加熱部13が位置している。加熱部13は、支持部12に支持された成膜対象Sの温度を200℃以上の所定の温度に加熱し、より好ましくは、250℃以上500℃以下に含まれる所定の温度に加熱する。
As shown in FIG. 1, the
真空槽11には、真空槽11の内部を排気する排気部14が接続されている。排気部14は、真空槽11の内部を所定の圧力にまで排気する。排気部14は、例えば排気ポンプおよびバルブを含んでいる。
An
真空槽11には、第1配管21、第2配管22、第3配管23、および、第4配管24が接続されている。第1配管21には、パージガスを貯蔵するボンベが接続され、パージガスは、例えば窒素(N2)ガスである。第1配管21の途中には第1バルブ21aが設置され、第1バルブ21aが開放された状態で、第1配管21を通じた真空槽11へのパージガスの供給が行われ、第1バルブ21aが閉塞された状態で、第1配管21を通じた真空槽11へのパージガスの供給が停止される。
The
第2配管22には、第1酸化ガスを貯蔵するボンベが接続され、第1酸化ガスは、例えばオゾン(O3)ガスである。第2配管22の途中には第2バルブ22aが設置され、第2バルブ22aが開放された状態で、第2配管22を通じた真空槽11への第1酸化ガスの供給が行われ、第2バルブ22aが閉塞された状態で、第2配管22を通じた真空槽11への第1酸化ガスの供給が停止される。
The
第3配管23には、第1貯蔵部25が接続され、第3配管23の途中には、第3バルブ23aが設置されている。第4配管24には、第2貯蔵部26が接続され、第4配管24の途中には、第4バルブ24aが設置されている。
A
第1貯蔵部25は、第2酸化ガスを貯蔵している。第2酸化ガスは、例えば水(H2O)である。第1貯蔵部25は、第1温調部27によって覆われている。第1温調部27は、第1貯蔵部25の内部に貯蔵された第2酸化ガスの温度を所定の温度に調節する。これにより、第1温調部27は、第1貯蔵部25内における第2酸化ガスの蒸気圧を所定の値に調節する。
The
第3配管23では、第3バルブ23aが開放された状態で、第3配管23を通じた真空槽11への第2酸化ガスの供給が行われ、第3バルブ23aが閉塞された状態で、第3配管23を通じた真空槽11への第2酸化ガスの供給が停止される。
In the
第2貯蔵部26は、酸化アルミニウム層を形成するための第1成膜材料M1を貯蔵している。第1成膜材料M1は、例えばトリメチルアルミニウム(TMA)(Al(CH3)3)である。第1成膜材料M1は、常温常圧において液体である。なお、第1成膜材料M1には、トリメチルアルミニウムに限らず、例えばトリエチルアルミニウム(TEA)(Al(C2H5)3)などを用いることもできる。
The
第2貯蔵部26は、第2温調部28によって覆われている。第2温調部28は、第2貯蔵部26の内部に貯蔵された第1成膜材料M1の温度を所定の温度に調節する。これにより、第2温調部28は、第2貯蔵部26内における第1成膜材料M1の蒸気圧を所定の値に調節する。
The
第4配管24では、第4バルブ24aが開放された状態で、第4配管24を通じた真空槽11への第1成膜材料M1の供給が行われ、第4バルブ24aが閉塞された状態で、第4配管24を通じた真空槽11への第1成膜材料M1の供給が停止される。
In the
こうしたALD装置10では、第1バルブ21a、第2バルブ22a、第3バルブ23a、および、第4バルブ24aを開放する時間によって、真空槽11への各ガスの供給量が制御される。また、ALD装置10では、第1成膜材料M1、第2酸化ガス、および、第1酸化ガスがこの順に成膜対象Sの表面Saに供給され、かつ、第1成膜材料M1、第2酸素ガス、および、第1酸素ガスの各々が表面Saに供給された後に、パージガスが表面Saに供給される。これにより、所定の温度に加熱された成膜対象Sの表面Saに付着した第1成膜材料M1が、成膜対象Sの表面Saにおいて第1酸化ガスおよび第2酸化ガスによって酸化される。
In such an
第1成膜材料M1の供給、パージガスの供給、第2酸化ガスの供給、パージガスの供給、第1酸化ガスの供給、および、パージガスの供給によって、1つのサイクルが構成され、ALD装置10では、1つの成膜対象Sに酸化アルミニウム層を形成する際に、こうしたサイクルが数十回から数百回繰り返される。結果として、成膜対象Sの表面Saに所定の厚さを有した酸化アルミニウム(Al2O3)層が形成される。 One cycle is composed of the supply of the first film-forming material M1, the supply of the purge gas, the supply of the second oxide gas, the supply of the purge gas, the supply of the first oxide gas, and the supply of the purge gas. When the aluminum oxide layer is formed on one film forming target S, such a cycle is repeated tens to hundreds of times. As a result, an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) layer having a predetermined thickness is formed on the surface Sa of the film formation target S.
[プラズマCVD装置の概略構成]
図2を参照してプラズマCVD装置の構成を説明する。以下に説明するプラズマCVD装置は、プラズマを援用する化学気相成長(plasma-enhanced chemical vapor deposition:PECVD)を用いて酸化ケイ素層を形成するための装置である。
[Rough configuration of plasma CVD equipment]
The configuration of the plasma CVD apparatus will be described with reference to FIG. The plasma CVD apparatus described below is an apparatus for forming a silicon oxide layer by using plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD).
図2が示すように、プラズマCVD装置30は、箱状を有した真空槽31を備え、真空槽31には、真空槽31から突き出すとともに、真空槽31に各種ガスを導入するための導入部32が接続されている。真空槽31の内部には、成膜対象Sを支持する支持部33が位置している。支持部33は、例えばステージである。成膜対象Sは、酸化ケイ素層が形成される表面として、酸化アルミニウムによって形成された表面を含んでいる。
As shown in FIG. 2, the
支持部33の内部には、加熱部34が位置している。加熱部34は、支持部33に支持された成膜対象Sの温度を200℃以上の所定の温度に加熱し、より好ましくは、250℃以上500℃以下に含まれる所定の温度に加熱する。
A
真空槽31の内部であって、支持部33と対向する位置には、拡散部35が位置している。拡散部35は導入部32を介して真空槽31に供給されるガスを真空槽31の内部に拡散させる。拡散部35は、例えば金属製のシャワープレートである。拡散部35には高周波電源36が接続され、拡散部35は、高周波電源36が出力する高周波電力の供給先である電極の一例でもある。高周波電源36は、例えば27.12MHzの周波数を有した高周波電力を拡散部35に供給する。高周波電源36が拡散部35に高周波電力を供給することによって、真空槽31の内部に供給されたガスからプラズマが生成される。なお、プラズマCVD装置30は、拡散部35とは別体の電極を真空槽31の内部に有してもよく、こうした電極を備える構成では、拡散部35が省略されてもよい。
The
真空槽31には、真空槽31の内部を排気する排気部37が接続されている。排気部37は、真空槽31の内部を所定の圧力まで排気する。排気部37は、例えば排気ポンプおよびバルブを含んでいる。
An
導入部32には第1配管41が接続されている。第1配管41は、導入部32から離れた位置にて2本に分岐し、一方にシリコンソースガス供給部42が接続し、他方に酸素含有ガス供給部43が接続している。シリコンソースガス供給部42は、シラン(SiH4)ガスを所定の流量で第1配管41に流すマスフローコントローラである。なお、シリコンソースガスには、例えばテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)(TEOS)、および、トリエトキシシラン(SiH(OC2H5)3)(TRIES)などを用いてもよい。酸素含有ガス供給部43は、亜酸化窒素ガス(N2O)を所定の流量で第1配管41に流すマスフローコントローラである。なお、酸素含有ガスには、例えば酸素ガス(O2)、一酸化炭素ガス(CO)、および、二酸化炭素ガス(CO2)などを用いてもよい。
The first pipe 41 is connected to the
こうしたプラズマCVD装置30では、シランガスが真空槽31内に供給され、また、亜酸化窒素ガスが真空槽31内に供給される。次いで、高周波電源36が拡散部35に高周波電力を供給することによって、真空槽31内のガスからプラズマが生成される。これにより、シランの分解と酸化とが生じることによって、成膜対象Sが有する酸化アルミニウム膜上に酸化ケイ素膜が形成される。
In such a
[MISFETの製造方法]
図3から図5を参照してMISFETの製造方法を説明する。
ゲート絶縁膜の形成方法は、酸化アルミニウム層を形成することと、酸化ケイ素層を形成することとを含む。酸化アルミニウム層を形成することは、成膜対象Sが含む表面Saであって、ガリウムと15族の元素とを含む半導体から形成された領域を含む表面Saに酸化アルミニウム層を形成する。酸化ケイ素層を形成することは、酸化アルミニウム層における成膜対象Sの表面Saに接する面とは反対側の面に、酸化ケイ素層を形成する。また、酸化ケイ素層を形成することは、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界に、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域が形成されるように酸化ケイ素層を形成する。遷移領域において、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積み重なる方向における厚さが、4nm以上10nm以下である。
[Manufacturing method of MISFET]
A method for manufacturing a MISFET will be described with reference to FIGS. 3 to 5.
The method for forming the gate insulating film includes forming an aluminum oxide layer and forming a silicon oxide layer. Forming the aluminum oxide layer is the surface Sa included in the film formation target S, and the aluminum oxide layer is formed on the surface Sa including the region formed from the semiconductor containing gallium and the element of Group 15. To form the silicon oxide layer, the silicon oxide layer is formed on the surface of the aluminum oxide layer opposite to the surface of the film-forming target S in contact with the surface Sa. Further, forming the silicon oxide layer forms the silicon oxide layer so that a transition region containing oxygen, aluminum, and silicon is formed at the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer. In the transition region, the thickness in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked is 4 nm or more and 10 nm or less.
すなわち、図3が示すように、ゲート絶縁膜の形成方法では、まず、表面Saを含む成膜対象Sを準備する。成膜対象Sの表面は、ガリウムと15族の元素とを含む半導体から形成された領域を含んでいる。成膜対象Sは、基板51と、基板51上に位置するバッファ層52と、バッファ層52のうち、基板51に接する面とは反対側に位置する窒化ガリウム(i‐GaN)層53とを備えている。
That is, as shown in FIG. 3, in the method of forming the gate insulating film, first, the film formation target S including the surface Sa is prepared. The surface of the film-forming target S includes a region formed from a semiconductor containing gallium and a group 15 element. The film formation target S includes the
また、成膜対象Sは、窒化ガリウム層53のうち、バッファ層52に接する面とは反対側の面に位置する窒化アルミニウム(AlN)層54と、窒化アルミニウム層54のうち、窒化ガリウム層53に接する面とは反対側の面に位置する窒化アルミニウムガリウム(i‐Al0.26GaN)層55とを備えている。
Further, the film-forming target S is an aluminum nitride (AlN)
基板51は、例えばケイ素から形成され、バッファ層52は、例えば基板51に接する層から順に、窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層とから形成されている。
The
窒化アルミニウムガリウムは、ガリウムと、15族の元素の一例である窒素とを含む化合物半導体であり、窒化アルミニウムガリウム層55が、表面Saのうち、半導体から形成された領域を含んでいる。すなわち、半導体から形成された領域は、アルミニウム、ガリウム、および、窒素を含んでいる。
Aluminum gallium nitride is a compound semiconductor containing gallium and nitrogen, which is an example of a group 15 element, and the aluminum
なお、表面Saのうち、半導体から形成された領域は、窒化アルミニウムガリウムに限らず、ガリウムと15族の元素に加えて、アルミニウムおよびインジウムのいずれか一方をさらに含む半導体から形成されてもよい。こうした半導体には、窒化インジウムガリウム(InGaN)、および、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)を挙げることができる。また、半導体には、窒化ガリウム(GaN)、および、ヒ化ガリウム(GaAs)のいずれかを挙げることもできる。 The region of the surface Sa formed from the semiconductor is not limited to aluminum gallium nitride, and may be formed from a semiconductor further containing either aluminum or indium in addition to gallium and Group 15 elements. Examples of such semiconductors include indium gallium nitride (InGaN) and indium gallium arsenide (InGaAs). Further, as the semiconductor, either gallium nitride (GaN) or gallium arsenide (GaAs) can be mentioned.
また、成膜対象Sは、窒化アルミニウムガリウム層55の一部に形成されたソース電極56、および、ドレイン電極57を備えている。ソース電極56およびドレイン電極57の形成材料には、金属、あるいは、導電性を有した金属化合物を用いることができる。ソース電極56およびドレイン電極57は、例えば、窒化アルミニウムガリウム層55に接する層から順に、チタン(Ti)層、アルミニウム(Al)層、ニッケル(Ni)層、および、金(Au)層から構成されている。なお、ソース電極56の外表面、および、ドレイン電極57の外表面は、成膜対象Sの表面Saに含まれる。
Further, the film formation target S includes a
こうした成膜対象Sの表面Saに酸化アルミニウム層61を形成する。酸化アルミニウム層61を形成するときには、上述したALD装置10において、ALD法を用いて酸化アルミニウム層61を形成する。酸化アルミニウム層61は、成膜対象Sの表面Saに加えて、窒化アルミニウム層54のうちで外部に露出した側面と、窒化アルミニウムガリウム層55のうちで外部に露出した側面とを覆うように形成される。
The
酸化アルミニウム層61を形成する工程では、以下の6つのステップから構成されるサイクルが酸化アルミニウム層61の厚さに応じた回数だけ繰り返される。各サイクルにおいて、第1ステップは、第1成膜材料M1を真空槽11に供給するステップであり、第2ステップは、パージガスを真空槽11に供給するステップであり、第3ステップは、第2酸化ガスを真空槽11に供給するステップである。また、第4ステップは、パージガスを真空槽11に供給するステップであり、第5ステップは、第1酸化ガスを真空槽11に供給するステップであり、第6ステップは、パージガスを真空槽11に供給するステップである。
In the step of forming the
なお、酸化アルミニウム層61を形成する工程では、2nmよりも大きく25nm以下の厚さを有した酸化アルミニウム層61を形成することが好ましい。なお、3nm以上25nm以下の厚さを有した酸化アルミニウム層61を形成することがより好ましい。
In the step of forming the
酸化アルミニウム層61を形成する工程において、成膜対象Sの温度は、250℃以上500℃以下であることが好ましく、真空槽11内の圧力は、10Pa以上50Pa以下であることが好ましい。また、第2ステップ、第4ステップ、および、第6ステップにおいて、窒素ガスの流量は、5sccm以上50sccm以下であることが好ましい。
In the step of forming the
図4が示すように、酸化アルミニウム層61のうち、成膜対象Sの表面Saに接する面とは反対側の面の全体に酸化ケイ素層62を形成する。酸化ケイ素層62を形成するときには、上述したプラズマCVD装置30において、プラズマCVD法を用いて酸化ケイ素層62を形成する。これにより、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とから構成されるゲート絶縁膜60を得ることができる。
As shown in FIG. 4, the
酸化アルミニウム層61上に酸化ケイ素層62が形成されるとき、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62との界面において、以下の少なくとも一方を含む遷移領域が形成される。すなわち、遷移領域は酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む領域であって、界面としての凹凸面を含む領域、および、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とにおける相互拡散領域との少なくとも一方である。このように、遷移領域とは、アルミニウムとケイ素との両方を含む領域である。
When the
遷移領域が凹凸面を含む領域、および、相互拡散領域の少なくとも一方であるため、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とが積み重なる方向において、遷移領域の厚さが、上述した範囲における下限値を超えやすくなる。 Since the transition region is at least one of the region including the uneven surface and the mutual diffusion region, the thickness of the transition region tends to exceed the lower limit value in the above range in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked. Become.
なお、相互拡散領域は、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62との界面と、界面の近傍とを含む領域である。相互拡散領域は、酸化アルミニウム層61のなかで、酸化ケイ素層62に由来するケイ素が、酸化ケイ素層62から酸化アルミニウム層61に向けて拡散した領域と、酸化ケイ素層62のなかで、酸化アルミニウム層61に由来するアルミニウムが、酸化アルミニウム層61から酸化ケイ素層62に向けて拡散した領域とを含む。遷移領域が相互拡散領域であるときには、遷移領域の厚さは、相互拡散領域の厚さである。
The mutual diffusion region is a region including the interface between the
これに対して、遷移領域が凹凸面を含む領域であるとき、遷移領域の厚さは、凹凸面のなかで、酸化アルミニウム層61から酸化ケイ素層62に向かう方向に突き出た部分と、酸化ケイ素層62から酸化アルミニウム層61に向かう方向に突き出た部分との差の最大値である。また、遷移領域が相互拡散領域であり、かつ、凹凸面を含む領域であるときには、各領域によって規定される遷移領域の厚さのうちで大きい値を遷移領域の厚さに設定することができる。
On the other hand, when the transition region is a region including an uneven surface, the thickness of the transition region is the portion of the uneven surface that protrudes from the
上述したように、遷移領域の厚さは、4nm以上10nm以下であり、4nm以上7nm以下であることが好ましい。遷移領域に含まれる原子の種類、遷移領域における各原子の割合、および、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とが積み重なる方向における遷移領域の厚さは、電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて解析することができる。
As described above, the thickness of the transition region is preferably 4 nm or more and 10 nm or less, and preferably 4 nm or more and 7 nm or less. Electron energy loss spectroscopy (EELS) is used to determine the types of atoms contained in the transition region, the proportion of each atom in the transition region, and the thickness of the transition region in the direction in which the
酸化ケイ素層62を形成することは、0.2W/cm2以下の電力を電極の一例である拡散部35に供給することが好ましい。拡散部35に供給される電力が0.2W/cm2以下であることによって、遷移領域の厚さが4nm以上になる確実性が高まる。
To form the
酸化アルミニウム層61と酸化アルミニウム層61よりも単位体積当たりの膜中欠陥が小さい酸化ケイ素層62とを積層するため、酸化アルミニウム層61を単独で用いる場合と比べて、酸化アルミニウム層61の厚さを小さくしても、ゲート絶縁膜60によって所望の絶縁耐力を得ることができる。これにより、酸化アルミニウム層61の体積が小さくなる分、酸化アルミニウム層61の有する膜中欠陥を小さくすることができ、結果として、ゲート絶縁膜60を介して成膜対象Sに電圧が繰り返し印加されたときにおいて、閾値電圧の変動を抑えることができる。
Since the
なお、酸化アルミニウム層61、および、酸化アルミニウム層61上に形成する絶縁膜の膜中欠陥は、炭素(C)および水素(H)などの膜中不純物による欠陥構造に起因している。各膜における膜中欠陥は、SIMS、XPS、および、FTIRなどの分析法により評価することができる。
The defects in the film of the
酸化ケイ素層62を形成する工程では、10nm以上50nm以下の厚さを有した酸化ケイ素層62を形成することが好ましい。
酸化ケイ素層62を形成する工程において、成膜対象Sの温度は、250℃以上500℃以下であることが好ましく、真空槽11内の圧力は、50Pa以上300Pa以下であることが好ましく、高周波電源36が拡散部35に供給する電力の規格値は、0.024W/cm2以上0.2W/cm2以下であることが好ましい。また、シランガスの流量は、5sccm以上100sccm以下であることが好ましい。また、亜酸化窒素ガスの流量は、50sccm以上1000sccm以下であることが好ましい。
In the step of forming the
In the step of forming the
このように、ゲート絶縁膜60を形成するときには、ALD法を用いて酸化アルミニウム層61を形成し、かつ、プラズマCVD法を用いて酸化ケイ素層62を形成する。そのため、成膜対象Sの表面Saに厚さにおけるばらつきの抑えられた酸化アルミニウム層61を形成することができ、また、酸化アルミニウム層61の形成にプラズマが用いられる場合と比べて、成膜対象Sの表面Saが損傷することが抑えられる。酸化ケイ素層62が形成されるときには、成膜対象Sの表面Saが酸化アルミニウム層61によって覆われているため、酸化ケイ素層62を形成するときに成膜対象Sがプラズマに曝されることによって、ゲート絶縁膜60と半導体から形成された表面Saとの界面が損傷することが抑えられる。
As described above, when the
図5が示すように、成膜対象Sの表面Saと対向する平面視において、ゲート絶縁膜60上のうち、ソース電極56とドレイン電極57との間の部分にゲート電極63を形成する。ゲート電極63の形成材料には、金属、あるいは、導電性を有した金属化合物を用いることができる。ゲート電極63は、例えば、ゲート絶縁膜60に接する層から順に金(Au)層、チタン(Ti)層、および、白金(Pt)層から構成される。次いで、成膜対象Sの厚さ方向において、ゲート絶縁膜60のうち、ソース電極56と重なる部分、および、ドレイン電極57と重なる部分を除去する。
As shown in FIG. 5, the
そして、ソース電極56のうち、ゲート絶縁膜60から露出する部分にソース配線パッド64を形成し、ゲート電極63のうち、ゲート絶縁膜60に接する面とは反対側の面にゲート配線パッド65を形成し、ドレイン電極57のうち、ゲート絶縁膜60から露出する部分にドレイン配線パッド66を形成する。なお、各配線パッドの形成材料には、金属、または、導電性を有した金属化合物を用いることができる。各配線パッドは、例えば各電極に接する層から順に金層とチタン層とから構成されている。これにより、MISFET70を得ることができる。
Then, the
こうしたMISFET70において、ゲート絶縁膜60は、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とを備えている。酸化アルミニウム層61は、ガリウムと15族の原子とを含む窒化アルミニウムガリウム層55の表面に位置している。酸化ケイ素層62は、酸化アルミニウム層61のなかで、窒化アルミニウムガリウム層55に接する面とは反対側の面に位置している。酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62との境界を含む領域が、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域である。酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とが積み重なる方向における遷移領域の幅が、4nm以上10nm以下である。遷移領域は、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62との境界としての凹凸面を含む領域、および、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62との間における相互拡散領域の少なくとも一方を含んでいる。
In such a
[試験例]
図6から図15を参照して試験例を説明する。
[試験例1]
試験例1のMISFETを形成するために、以下の構成を有した成膜対象を準備した。すなわち、シリコン基板の1つの面に、バッファ層、i型の窒化ガリウム層、窒化アルミニウム層、および、i型の窒化アルミニウムガリウム層がこの順に積層され、かつ、窒化アルミニウムガリウム層上に、ソース電極とドレイン電極とを有する成膜対象を準備した。なお、バッファ層として、シリコン基板に接する層から順に、窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層とを形成した。また、ソース電極およびドレイン電極の各々として、窒化アルミニウムガリウム層に接する層から順に、チタン層、アルミニウム層、ニッケル層、および、金層から構成される電極を形成した。
[Test example]
A test example will be described with reference to FIGS. 6 to 15.
[Test Example 1]
In order to form the MISFET of Test Example 1, a film forming object having the following configuration was prepared. That is, a buffer layer, an i-type gallium nitride layer, an aluminum nitride layer, and an i-type aluminum gallium nitride layer are laminated in this order on one surface of the silicon substrate, and the source electrode is placed on the aluminum gallium nitride layer. A film-forming object having a drain electrode and a drain electrode was prepared. As the buffer layer, a gallium nitride layer and an aluminum gallium nitride layer were formed in order from the layer in contact with the silicon substrate. Further, as each of the source electrode and the drain electrode, an electrode composed of a titanium layer, an aluminum layer, a nickel layer, and a gold layer was formed in order from the layer in contact with the aluminum nitride gallium layer.
なお、500μmの厚さを有したシリコン基板を準備し、バッファ層である窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層との積層体における合計の厚さが5μmであるように、バッファ層を形成した。また、i型の窒化ガリウム層を1μmの厚さで形成し、窒化アルミニウム層を1nmの厚さで形成し、i型の窒化アルミニウムガリウム層を25nmの厚さで形成した。 A silicon substrate having a thickness of 500 μm was prepared, and the buffer layer was formed so that the total thickness of the laminated body of the gallium nitride layer and the aluminum gallium nitride layer, which are the buffer layers, was 5 μm. Further, the i-type gallium nitride layer was formed with a thickness of 1 μm, the aluminum nitride layer was formed with a thickness of 1 nm, and the i-type aluminum gallium nitride layer was formed with a thickness of 25 nm.
次いで、以下の6つのステップから構成されるサイクルを210回繰り返すことによって、ALD法を用いて20nmの厚さを有する酸化アルミニウム膜を形成した。各ステップの継続時間を以下のように設定した。 Then, by repeating the cycle consisting of the following six steps 210 times, an aluminum oxide film having a thickness of 20 nm was formed by using the ALD method. The duration of each step was set as follows.
[ALDサイクル]
・第1ステップ 第1成膜材料M1の供給 0.02秒
・第2ステップ パージガスの供給 5秒
・第3ステップ 第2酸化ガスの供給 0.02秒
・第4ステップ パージガスの供給 5秒
・第5ステップ 第1酸化ガスの供給 0.2秒
・第6ステップ パージガスの供給 10秒
[ALD cycle]
・ 1st step 1st film formation material M1 supply 0.02 seconds ・ 2nd step purge gas supply 5 seconds ・ 3rd step 2nd oxide gas supply 0.02 seconds ・ 4th step purge gas supply 5 seconds ・ 4th step 5 steps 1st oxidation gas supply 0.2 seconds ・ 6th step
なお、第2ステップ、第4ステップ、および、第6ステップにおいて、パージガスの流量を20sccmに設定した。また、第1ステップから第6ステップにわたり、真空槽内の圧力を30Paに設定し、成膜対象の温度を300℃に設定した。 In the second step, the fourth step, and the sixth step, the flow rate of the purge gas was set to 20 sccm. Further, from the first step to the sixth step, the pressure in the vacuum chamber was set to 30 Pa, and the temperature of the film forming target was set to 300 ° C.
次いで、プラズマCVD法を用いて、酸化アルミニウム層上に20nmの厚さを有した酸化ケイ素層を形成することによって、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層とから構成されるゲート絶縁膜を形成した。このとき、シランガスの流量を10sccmに設定し、亜酸化窒素ガスの流量を500sccmに設定した。また、真空槽内の圧力を100Paに設定し、成膜対象の温度を350℃に設定し、高周波電源の出力を0.48W/cm2に設定した。 Next, a gate insulating film composed of the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer was formed by forming a silicon oxide layer having a thickness of 20 nm on the aluminum oxide layer by using the plasma CVD method. At this time, the flow rate of silane gas was set to 10 sccm, and the flow rate of nitrous oxide gas was set to 500 sccm. Further, the pressure in the vacuum chamber was set to 100 Pa, the temperature of the film forming target was set to 350 ° C, and the output of the high frequency power supply was set to 0.48 W / cm 2 .
そして、金層、チタン層、および、白金層によりゲート電極を形成し、ゲート絶縁膜のうち、成膜対象の厚さ方向において、ソース電極に重なる部分と、ドレイン電極に重なる部分とを除去した。次いで、ソース電極に接続するソース配線パッド、ゲート電極に接続するゲート配線パッド、および、ドレイン電極に接続するドレイン配線パッドをそれぞれ金層およびチタン層により形成した。これにより、試験例1のMISFETを得た。 Then, the gate electrode was formed by the gold layer, the titanium layer, and the platinum layer, and the portion of the gate insulating film overlapping the source electrode and the portion overlapping the drain electrode in the thickness direction of the film formation target were removed. .. Next, a source wiring pad connected to the source electrode, a gate wiring pad connected to the gate electrode, and a drain wiring pad connected to the drain electrode were formed of a gold layer and a titanium layer, respectively. As a result, the MISFET of Test Example 1 was obtained.
[試験例2]
酸化ケイ素層を形成するときに、高周波電力の出力を0.24W/cm2に設定した以外は、試験例1と同じ方法によって試験例2のMISFETを得た。
[Test Example 2]
The MISFET of Test Example 2 was obtained by the same method as that of Test Example 1 except that the output of high frequency power was set to 0.24 W / cm 2 when the silicon oxide layer was formed.
[試験例3]
酸化ケイ素層を形成するときに、高周波電力の出力を0.12W/cm2に設定した以外は、試験例1と同じ方法によって試験例3のMISFETを得た。
[Test Example 3]
The MISFET of Test Example 3 was obtained by the same method as that of Test Example 1 except that the output of high frequency power was set to 0.12 W / cm 2 when the silicon oxide layer was formed.
[試験例4]
酸化ケイ素層を形成するときに、高周波電力の出力を0.048W/cm2に設定した以外は、試験例1と同じ方法によって試験例4のMISFETを得た。
[Test Example 4]
The MISFET of Test Example 4 was obtained by the same method as that of Test Example 1 except that the output of high frequency power was set to 0.048 W / cm 2 when the silicon oxide layer was formed.
[閾値電圧の測定]
試験例1から試験例4のMISFETにおいて、ゲート電極に直流電圧を印加するときに、電圧値を−20Vから8Vに向けて変更し、−20Vから8Vの範囲において、ドレイン電流(mA/mm)を測定した。各試験例のMISFETにおいて、ゲート電極に対して最初に電圧を印加したときのドレイン電流と、ゲート電極に対して2回目に電圧を印加したときのドレイン電流とを測定した。なお、各試験例のMISFETにおいて、ドレイン電流が10−6mA/mmであるときのゲート電圧を閾値電圧に設定した。
[Measurement of threshold voltage]
In the MISFETs of Test Examples 1 to 4, when a DC voltage is applied to the gate electrode, the voltage value is changed from -20V to 8V, and the drain current (mA / mm) is changed in the range of -20V to 8V. Was measured. In the MISFET of each test example, the drain current when the voltage was first applied to the gate electrode and the drain current when the voltage was applied to the gate electrode a second time were measured. In the MISFET of each test example, the gate voltage when the drain current was 10-6 mA / mm was set as the threshold voltage.
各試験例のMISFETにおけるドレイン電流の測定結果は、図6から図9に示す通りであった。なお、図6から図9では、ゲート電極に対して2回目に電圧を印加したときのドレイン電流、すなわち、各試験例において、ドレイン電流において最終的に収束した値が実線で示されている。 The measurement results of the drain current in the MISFET of each test example were as shown in FIGS. 6 to 9. In FIGS. 6 to 9, the drain current when the voltage is applied to the gate electrode for the second time, that is, the value finally converged in the drain current in each test example is shown by a solid line.
図6が示すように、試験例1のMISFETでは、閾値電圧が、−9.7Vであることが認められた。図7が示すように、試験例2のMISFETでは、閾値電圧が−9.1Vであることが認められた。図8が示すように、試験例3のMISFETでは、閾値電圧が、−5.4Vであることが認められた。図9が示すように、試験例4のMISFETでは、閾値電圧が、−4.3Vであることが認められた。 As shown in FIG. 6, in the MISFET of Test Example 1, the threshold voltage was found to be −9.7V. As shown in FIG. 7, in the MISFET of Test Example 2, it was confirmed that the threshold voltage was −9.1 V. As shown in FIG. 8, in the MISFET of Test Example 3, the threshold voltage was found to be −5.4V. As shown in FIG. 9, in the MISFET of Test Example 4, the threshold voltage was found to be -4.3V.
このように、試験例1から試験例4のMISFETによれば、酸化ケイ素層を形成するときに拡散部に供給される高周波電力が小さいほど、閾値電圧が0Vに近付くことが認められた。 As described above, according to the MISFETs of Test Examples 1 to 4, it was confirmed that the smaller the high frequency power supplied to the diffusing portion when forming the silicon oxide layer, the closer the threshold voltage approaches to 0V.
[遷移領域]
[試験例5]
図5を参照して先に説明した構造を有するMISFETを形成することによって、試験例5のMISFETを得た。なお、試験例5のMISFETが有する酸化アルミニウム層を形成するときには、上述した試験例1において酸化アルミニウム層を形成したときと同じ条件とし、酸化ケイ素層を形成するときには、上述した試験例1において酸化ケイ素層を形成したときと同じ条件とした。また、酸化アルミニウム層を20nmの厚さで形成し、酸化ケイ素層を20nmの厚さで形成した。なお、ゲート電極として、金層、チタン層、および、白金層が積層された積層体を形成した。
[Transition area]
[Test Example 5]
By forming a MISFET having the structure described above with reference to FIG. 5, the MISFET of Test Example 5 was obtained. When the aluminum oxide layer of the MISFET of Test Example 5 is formed, the conditions are the same as when the aluminum oxide layer is formed in Test Example 1 described above, and when the silicon oxide layer is formed, oxidation is carried out in Test Example 1 described above. The conditions were the same as when the silicon layer was formed. Further, the aluminum oxide layer was formed with a thickness of 20 nm, and the silicon oxide layer was formed with a thickness of 20 nm. As the gate electrode, a laminated body in which a gold layer, a titanium layer, and a platinum layer were laminated was formed.
試験例5のMISFETにおける断面構造の一部を透過型電子顕微鏡(TEM)(JEM‐ARM200F、日本電子(株)製)によって撮像したTEM画像は、図10に示す通りであった。なお、TEM画像を撮像したとき、加速電圧を80kVに設定し、倍率を2,000,000倍に設定した。 A TEM image obtained by photographing a part of the cross-sectional structure of the MISFET of Test Example 5 with a transmission electron microscope (TEM) (JEM-ARM200F, manufactured by JEOL Ltd.) was as shown in FIG. When the TEM image was taken, the acceleration voltage was set to 80 kV and the magnification was set to 2,000,000 times.
図10は、試験例5のMISFETの厚さ方向に沿う断面のなかで、窒化アルミニウムガリウム層、酸化アルミニウム層、酸化ケイ素層、および、ゲート電極が積み重なる部分を撮像したTEM画像である。図10が示すように、試験例5のMISETでは、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界が、ほぼ平坦であることが認められた。 FIG. 10 is a TEM image of a portion in which the aluminum gallium nitride layer, the aluminum oxide layer, the silicon oxide layer, and the gate electrode are stacked in the cross section of the MISFET of Test Example 5 along the thickness direction. As shown in FIG. 10, in the MISET of Test Example 5, it was confirmed that the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer was almost flat.
透過型電子顕微鏡(同上)と元素分析装置(Quantum ER、Gatan社製)(Quantumは登録商標)とを用いたエネルギー損失分光法(EELS)により、試験例5の積層体に対する元素分析を行った。透過型電子顕微鏡において、加速電圧を80kVに設定し、ビーム径を約0.1nmに設定した。また、元素分析装置において、測定点数を100点に設定し、1点あたりの取込時間を約3秒に設定し、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を測定元素に設定した。また、酸化ケイ素層から酸化アルミニウム層に向けて、積層体の元素分析を行った。元素分析の結果は、図11に示す通りであった。 Elemental analysis was performed on the laminate of Test Example 5 by energy loss spectroscopy (EELS) using a transmission electron microscope (same as above) and an elemental analyzer (Quantum ER, manufactured by Gatan) (Quantum is a registered trademark). .. In the transmission electron microscope, the acceleration voltage was set to 80 kV and the beam diameter was set to about 0.1 nm. Further, in the elemental analyzer, the number of measurement points was set to 100 points, the uptake time per point was set to about 3 seconds, and oxygen, aluminum, and silicon were set as measurement elements. In addition, elemental analysis of the laminate was performed from the silicon oxide layer to the aluminum oxide layer. The results of the elemental analysis were as shown in FIG.
図11が示すように、遷移領域、すなわち、酸化ケイ素層と酸化アルミニウム層との境界を含む領域であって、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む領域は、酸化ケイ素層と酸化アルミニウム層とが積み重なる方向において、3nmの厚さを有することが認められた。 As shown in FIG. 11, in the transition region, that is, the region including the boundary between the silicon oxide layer and the aluminum oxide layer, and the region containing oxygen, aluminum, and silicon, the silicon oxide layer and the aluminum oxide layer are formed. It was found to have a thickness of 3 nm in the stacking direction.
[試験例6]
図5を参照して先に説明した構造を有するMISFETを形成することによって、試験例6のMISFETを得た。なお、試験例6のMISFETが有する酸化アルミニウム層を形成するときには、上述した試験例4において酸化アルミニウム層を形成したときと同じ条件とし、酸化ケイ素層を形成するときには、上述した試験例4において酸化ケイ素層を形成したときと同じ条件とした。また、酸化アルミニウム層を20nmの厚さで形成し、酸化ケイ素を20nmの厚さで形成した。なお、ゲート電極として、金層、チタン層、および、白金層が積層された積層体を形成した。
[Test Example 6]
By forming a MISFET having the structure described above with reference to FIG. 5, the MISFET of Test Example 6 was obtained. When the aluminum oxide layer of the MISFET of Test Example 6 is formed, the conditions are the same as when the aluminum oxide layer is formed in Test Example 4 described above, and when the silicon oxide layer is formed, oxidation is carried out in Test Example 4 described above. The conditions were the same as when the silicon layer was formed. Further, the aluminum oxide layer was formed with a thickness of 20 nm, and silicon oxide was formed with a thickness of 20 nm. As the gate electrode, a laminated body in which a gold layer, a titanium layer, and a platinum layer were laminated was formed.
試験例6のMISFETにおける断面構造の一部を透過型電子顕微鏡(同上)によって撮像したTEM画像は、図12に示す通りであった。なお、TEM画像を撮像したときの条件を、試験例5の積層体においてTEM画像を撮像したときと同一の条件に設定した。 The TEM image obtained by capturing a part of the cross-sectional structure of the MISFET of Test Example 6 with a transmission electron microscope (same as above) was as shown in FIG. The conditions when the TEM image was imaged were set to the same conditions as when the TEM image was imaged in the laminated body of Test Example 5.
図12は、試験例6のMISFETの厚さ方向に沿う断面のなかで、窒化アルミニウムガリウム層、酸化アルミニウム層、酸化ケイ素層、および、ゲート電極が積み重なる部分を撮像したTEM画像である。図12が示すように、試験例6のMISFETにおいて、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界は、試験例5の積層体における境界に比べて、平坦性が低いことが認められた。 FIG. 12 is a TEM image of a portion in which the aluminum gallium nitride layer, the aluminum oxide layer, the silicon oxide layer, and the gate electrode are stacked in the cross section of the MISFET of Test Example 6 along the thickness direction. As shown in FIG. 12, in the MISFET of Test Example 6, it was found that the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer was lower in flatness than the boundary in the laminate of Test Example 5.
エネルギー損失分光法により、試験例6の積層体に対する元素分析を行った。試験例6の積層体に対する元素分析は、試験例5の積層体に対する元素分析と同一の条件で行った。元素分析の結果は、図13に示す通りであった。 Elemental analysis of the laminate of Test Example 6 was performed by energy loss spectroscopy. The elemental analysis of the laminate of Test Example 6 was performed under the same conditions as the elemental analysis of the laminate of Test Example 5. The result of elemental analysis was as shown in FIG.
図13が示すように、酸化ケイ素と酸化アルミニウム層とが積み重なる方向において、遷移領域は、7nmの厚さを有することが認められた。すなわち、試験例6の積層体における遷移領域の厚さは、試験例5の積層体における遷移領域の厚さよりも大きいことが認められた。 As shown in FIG. 13, it was found that the transition region had a thickness of 7 nm in the direction in which the silicon oxide and the aluminum oxide layer were stacked. That is, it was found that the thickness of the transition region in the laminated body of Test Example 6 was larger than the thickness of the transition region in the laminated body of Test Example 5.
また、遷移領域は、アルミニウムとケイ素とを含むこと、および、試験例5における酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界が、試験例6における酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界よりも平坦性が低いことから、遷移領域は、以下の少なくとも一方を含むと言える。すなわち、遷移領域は、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界である凹凸面、および、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との相互拡散領域との少なくとも一方を含む。 Further, the transition region contains aluminum and silicon, and the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer in Test Example 5 is flatter than the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer in Test Example 6. Is low, it can be said that the transition region includes at least one of the following. That is, the transition region includes at least one of the uneven surface which is the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer and the mutual diffusion region between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer.
[高周波電力とMISFETの特性との関係]
酸化ケイ素層を形成するときに拡散部に供給する高周波電力の大きさを変えつつ、MISFETを形成した。そして、各MISFETにおいて、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との厚さ方向に沿う遷移領域の厚さを測定した。また、各MISFETにおいて、閾値電圧を測定した。なお、酸化ケイ素層を形成するときに拡散部に供給する高周波電力を変更する以外は、上述した試験例1のMISFETを得たときと同様の条件にて、各MISFETを得た。遷移領域の厚さを測定した結果は、図14に示す通りであり、閾値電圧を測定した結果は、図15に示す通りであった。
[Relationship between high frequency power and characteristics of MISFET]
The MOSFET was formed while changing the magnitude of the high-frequency power supplied to the diffuser when the silicon oxide layer was formed. Then, in each MOSFET, the thickness of the transition region along the thickness direction of the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer was measured. In addition, the threshold voltage was measured in each MOSFET. Each MISFET was obtained under the same conditions as when the MISFET of Test Example 1 described above was obtained, except that the high-frequency power supplied to the diffusing part was changed when the silicon oxide layer was formed. The result of measuring the thickness of the transition region is as shown in FIG. 14, and the result of measuring the threshold voltage is as shown in FIG.
図14が示すように、拡散部に供給する高周波電力の大きさを、0.48W/cm2から0.024W/cm2に向けて次第に小さくしたところ、高周波電力が0.2W/cm2以下となることによって、酸化アルミニウム層と酸化ケイ素層との境界を含む遷移領域の厚さが急峻に大きくなることが認められた。なお、高周波電力の大きさが0.48/c
m2であるときの拡散領域の厚さが3nmであり、高周波電力の大きさが0.024W/cm2であるときの拡散領域の厚さが7.2nmであることが認められた。
As shown in FIG. 14, the magnitude of the high-frequency power supplied to the spreading unit, was gradually smaller toward the 0.48 W / cm 2 to 0.024W / cm 2, a high frequency power is 0.2 W / cm 2 or less As a result, it was confirmed that the thickness of the transition region including the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer suddenly increased. The magnitude of high-frequency power is 0.48 / c.
The thickness of the diffusion region when a m 2 is 3 nm, the thickness of the diffusion region when the magnitude of the high frequency power is 0.024W / cm 2 was found to be 7.2 nm.
図15が示すように、拡散部に供給する高周波電力の大きさを、0.48W/cm2から0.024W/cm2に向けて次第に小さくしたところ、高周波電力が0.2W/cm2以下となることによって、閾値電圧の絶対値が、急峻に小さくなることが認められた。なお、高周波電力の大きさが0.48W/cm2であるときの閾値電圧が−9.7Vであり、高周波電力の大きさが0.024W/cm2であるときの閾値電圧が−3.9Vであることが認められた。 As shown in FIG. 15, the magnitude of the high-frequency power supplied to the spreading unit, was gradually smaller toward the 0.48 W / cm 2 to 0.024W / cm 2, a high frequency power is 0.2 W / cm 2 or less It was confirmed that the absolute value of the threshold voltage was sharply reduced. The threshold voltage when the magnitude of the high frequency power is 0.48 W / cm 2 is -9.7 V, and the threshold voltage when the magnitude of the high frequency power is 0.024 W / cm 2 is -3. It was found to be 9V.
以上説明したように、ゲート絶縁膜の形成方法およびゲート絶縁膜の一実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
(1)酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とが積み重なる方向において、遷移領域の厚さが4nm以上10nm以下であるため、ゲート電極における閾値電圧の絶対値が、負の範囲において大きくなることが抑えられる。このように、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とを積層した積層膜が、ゲート絶縁膜として用いたときに好適な構成とすることができる。
As described above, according to the method for forming the gate insulating film and one embodiment of the gate insulating film, the effects listed below can be obtained.
(1) Since the thickness of the transition region is 4 nm or more and 10 nm or less in the direction in which the
(2)酸化ケイ素層62を形成するときには、ゲート絶縁膜60の下層に位置する窒化アルミニウムガリウム層55が酸化アルミニウム層61で覆われているため、酸化ケイ素層62をプラズマCVD法によって形成しても窒化アルミニウムガリウム層55が損傷することが抑えられる。
(3)拡散部35に供給される高周波電力が0.2W/cm2以下であることによって、遷移領域の厚さが4nm以上になる確実性が高まる。
(2) When the
(3) When the high-frequency power supplied to the
(4)遷移領域が凹凸面を含む領域、および、相互拡散領域の少なくとも一方であるため、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とが積み重なる方向において、遷移領域の厚さが、上述した範囲における下限値を超えやすくなる。
(4) Since the transition region is at least one of the region including the uneven surface and the mutual diffusion region, the thickness of the transition region is in the above-mentioned range in the direction in which the
なお、上述した実施形態は、以下のように適宜変更して実施することができる。
・酸化アルミニウム層61は、上述したALD法に限らず、CVD法、真空蒸着法、および、スパッタ法などを用いて形成してもよい。また、酸化ケイ素層62は、上述したプラズマCVD法に限らず、熱CVD法、ALD法、真空蒸着法、および、スパッタ法などを用いて形成してもよい。こうした構成であっても、ゲート絶縁膜60が、酸化アルミニウム層61と酸化ケイ素層62とから構成され、かつ、4nm以上10nm以下の厚さを有した遷移領域を有する以上は、上述した(1)と同等の効果を得ることはできる。
The above-described embodiment can be appropriately modified and implemented as follows.
The
10…ALD装置、11,31…真空槽、12,33…支持部、13,34…加熱部、14,37…排気部、21,41…第1配管、21a…第1バルブ、22…第2配管、22a…第2バルブ、23…第3配管、23a…第3バルブ、24…第4配管、24a…第4バルブ、25…第1貯蔵部、26…第2貯蔵部、27…第1温調部、28…第2温調部、30…プラズマCVD装置、32…導入部、35…拡散部、36…高周波電源、42…シリコンソースガス供給部、43…酸素含有ガス供給部、51…基板、52…バッファ層、53…窒化ガリウム層、54…窒化アルミニウム層、55…窒化アルミニウムガリウム層、56…ソース電極、57…ドレイン電極、60…ゲート絶縁膜、61…酸化アルミニウム層、62…酸化ケイ素層、63…ゲート電極、64…ソース配線パッド、65…ゲート配線パッド、66…ドレイン配線パッド、70…MISFET、M1…第1成膜材料、S…成膜対象、Sa…表面。
10 ... ALD device, 11, 31 ... Vacuum tank, 12, 33 ... Support part, 13, 34 ... Heating part, 14, 37 ... Exhaust part, 21, 41 ... First piping, 21a ... First valve, 22 ... No. 2 pipes, 22a ... 2nd valve, 23 ... 3rd pipe, 23a ... 3rd valve, 24 ... 4th pipe, 24a ... 4th valve, 25 ... 1st storage, 26 ... 2nd storage, 27 ... 1 temperature control section, 28 ... second temperature control section, 30 ... plasma CVD device, 32 ... introduction section, 35 ... diffusion section, 36 ... high frequency power supply, 42 ... silicon source gas supply section, 43 ... oxygen-containing gas supply section, 51 ... Substrate, 52 ... Buffer layer, 53 ... Gallium nitride layer, 54 ... Aluminum nitride layer, 55 ... Aluminum gallium nitride layer, 56 ... Source electrode, 57 ... Drain electrode, 60 ... Gate insulating film, 61 ... Aluminum oxide layer, 62 ... Silicon oxide layer, 63 ... Gate electrode, 64 ... Source wiring pad, 65 ... Gate wiring pad, 66 ... Drain wiring pad, 70 ... MISFET, M1 ... First film forming material, S ... Film forming target, Sa ... Surface ..
Claims (5)
前記酸化アルミニウム層における前記表面に接する面とは反対側の面に、酸化ケイ素層を形成することと、を含み、
前記酸化ケイ素層を形成することは、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層との境界に、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域であって、前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層とが積み重なる方向における厚さが、4nm以上10nm以下である前記遷移領域が形成されるように前記酸化ケイ素層を形成する
ゲート絶縁膜の形成方法。 To form an aluminum oxide layer on the surface included in the film formation target, which includes a region formed of a semiconductor containing gallium and nitrogen.
Including forming a silicon oxide layer on a surface of the aluminum oxide layer opposite to the surface in contact with the surface.
The formation of the silicon oxide layer is a transition region containing oxygen, aluminum, and silicon at the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer, and the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are formed. A method for forming a gate insulating film that forms the silicon oxide layer so that the transition region having a thickness of 4 nm or more and 10 nm or less in the stacking direction is formed.
前記酸化ケイ素層を形成することは、プラズマCVD法を用いて前記酸化ケイ素層を形成する
請求項1に記載のゲート絶縁膜の形成方法。 To form the aluminum oxide layer, the aluminum oxide layer is formed by using the ALD method.
The method for forming a gate insulating film according to claim 1, wherein the silicon oxide layer is formed by using a plasma CVD method.
請求項2に記載のゲート絶縁膜の形成方法。 The method for forming a gate insulating film according to claim 2, wherein the silicon oxide layer is formed by supplying electric power of 0.2 W / cm 2 or less to the electrode.
前記酸化アルミニウム層における前記表面に接する面とは反対側の面に位置する酸化ケイ素層と、を備え、
前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層との境界を含む領域が、酸素、アルミニウム、および、ケイ素を含む遷移領域であり、
前記酸化アルミニウム層と前記酸化ケイ素層とが積み重なる方向における前記遷移領域の幅が、4nm以上10nm以下である
ゲート絶縁膜。 An aluminum oxide layer located on the surface of a semiconductor layer containing gallium and nitrogen,
The aluminum oxide layer includes a silicon oxide layer located on a surface opposite to the surface in contact with the surface.
The region including the boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer is a transition region containing oxygen, aluminum, and silicon.
A gate insulating film in which the width of the transition region in the direction in which the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer are stacked is 4 nm or more and 10 nm or less.
請求項4に記載のゲート絶縁膜。
According to claim 4, the transition region is at least one of a region including an uneven surface as a boundary between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer and a mutual diffusion region between the aluminum oxide layer and the silicon oxide layer. The gate insulating film described.
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