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JP7439660B2 - Method for forming silicon nitride passivation film and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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JP7439660B2 - Method for forming silicon nitride passivation film and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for forming silicon nitride passivation film and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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本開示は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。 The present disclosure relates to a method for forming a silicon nitride passivation film, a method for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device.

特許文献1には、窒化物半導体を用いた半導体装置としての高電子移動度トランジスタ(HEMT)の製造に関する技術が開示されている。特許文献1に記載されたHEMTは、SiCなどの基板上の窒化物半導体層と、当該窒化物半導体層の表面上に成膜された窒化珪素パッシベーション膜と、を備える。窒化珪素パッシベーション膜は、減圧CVD法により成膜されている。 Patent Document 1 discloses a technology related to manufacturing a high electron mobility transistor (HEMT) as a semiconductor device using a nitride semiconductor. The HEMT described in Patent Document 1 includes a nitride semiconductor layer on a substrate such as SiC, and a silicon nitride passivation film formed on the surface of the nitride semiconductor layer. The silicon nitride passivation film is formed by a low pressure CVD method.

特開2018-181885号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-181885

近年、例えばGaN系半導体などの窒化物半導体を用いた半導体装置が開発されている。半導体装置では、半導体の最表面を保護(パッシベーション)するために絶縁性のシリコン化合物膜が設けられるが、窒化物半導体を用いた半導体装置の場合、同じ窒化物である窒化珪素(SiN)膜が用いられることが多い。窒化物半導体上に窒化珪素膜を成膜する場合には、比較的低温で成膜する為に、プラズマを用いた成膜方法(プラズマCVD、電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance;ECR)スパッタ等)が用いられる。従って、窒化物半導体の表面には、プラズマによるダメージが形成される。 In recent years, semiconductor devices using nitride semiconductors such as GaN-based semiconductors have been developed. In semiconductor devices, an insulating silicon compound film is provided to protect (passivate) the outermost surface of the semiconductor, but in the case of semiconductor devices using nitride semiconductors, a silicon nitride (SiN) film, which is the same nitride, is used. Often used. When forming a silicon nitride film on a nitride semiconductor, a film forming method using plasma (plasma CVD, electron cyclotron resonance (ECR) sputtering, etc.) is used to form the film at a relatively low temperature. is used. Therefore, damage caused by the plasma is formed on the surface of the nitride semiconductor.

一方、シリコン半導体上に窒化珪素膜を成膜する場合には、減圧(Low Pressure;LP)CVD法を用いる。減圧CVD法によれば、成膜圧力を下げる代わりに成膜温度を高くすることにより、良質の膜を形成可能である。このため、減圧CVD法によれば、下地結晶であるシリコン半導体へのプラズマによるダメージが抑制される。発明者は、窒化物半導体上の窒化珪素膜にも減圧CVD法を用いることができれば、プラズマによるダメージを窒化物半導体の表面に与えることなく、窒化珪素膜を好適に形成することができると考えた。 On the other hand, when forming a silicon nitride film on a silicon semiconductor, a low pressure (LP) CVD method is used. According to the low-pressure CVD method, a high-quality film can be formed by increasing the film-forming temperature instead of lowering the film-forming pressure. Therefore, according to the low pressure CVD method, damage caused by plasma to the silicon semiconductor, which is the underlying crystal, is suppressed. The inventor believes that if the low pressure CVD method can also be used for silicon nitride films on nitride semiconductors, it is possible to suitably form silicon nitride films without damaging the surface of the nitride semiconductors due to plasma. Ta.

減圧CVD法により窒化珪素膜を成膜すると、エピタキシャル成長後の待機期間中にエピタキシャルウェハの表面を大気に暴露することにより酸化膜が形成される。それに加え、高温環境下において、装置内におけるデガスによる水分及び酸素が存在することで、窒化物半導体の表面に酸化層(例えば、酸化ガリウム層、酸化アルミニウム層、又は酸化インジウム層等)が形成されることも考えられる。こうしてできた窒化物半導体と窒化珪素膜との界面の酸化膜及び酸化層からの酸素により、半導体装置の動作特性が劣化する場合がある。 When a silicon nitride film is formed by low pressure CVD, an oxide film is formed by exposing the surface of the epitaxial wafer to the atmosphere during a waiting period after epitaxial growth. In addition, in a high-temperature environment, the presence of moisture and oxygen due to degassing within the device causes an oxide layer (for example, a gallium oxide layer, an aluminum oxide layer, or an indium oxide layer) to be formed on the surface of the nitride semiconductor. It is also possible that Oxygen from the oxide film and oxide layer at the interface between the nitride semiconductor and the silicon nitride film thus formed may deteriorate the operating characteristics of the semiconductor device.

なお、シリコン半導体上の窒化珪素膜の成膜で成熟してきた一般的な減圧CVD技術において、シリコン半導体と窒化珪素膜との界面の酸素に関する考察は求められていなかった。シリコン半導体上の窒化珪素膜の成膜においては、シリコン半導体の表面に酸化膜が形成された場合、シリコンの材料の特性上、表面の酸化膜を簡易な手法で取り除くことができるからである。また、酸化膜が電気特性に影響を及ぼすことがほとんどないからである。 Note that in the general low-pressure CVD technology that has matured by forming a silicon nitride film on a silicon semiconductor, consideration regarding oxygen at the interface between the silicon semiconductor and the silicon nitride film has not been required. This is because when forming a silicon nitride film on a silicon semiconductor, if an oxide film is formed on the surface of the silicon semiconductor, the oxide film on the surface can be removed by a simple method due to the characteristics of the silicon material. Another reason is that the oxide film hardly affects the electrical characteristics.

発明者の知見によれば、窒化物半導体への窒化珪素膜の成膜に減圧CVD法を適用する際には、窒化物半導体と窒化珪素膜との界面の酸素量を低減しないと、かかる界面の酸素が半導体装置の動作特性に影響を与える。例えば、ゲート端電界が集中する界面の近傍に、デガスによって質の悪い酸化膜が形成されると、リーク電流が増加し、電気的特性が低下してしまう。 According to the inventor's findings, when applying the low pressure CVD method to forming a silicon nitride film on a nitride semiconductor, unless the amount of oxygen at the interface between the nitride semiconductor and the silicon nitride film is reduced, such interface Oxygen affects the operating characteristics of semiconductor devices. For example, if a poor quality oxide film is formed by degassing near the interface where the electric field at the gate edge is concentrated, leakage current increases and electrical characteristics deteriorate.

しかしながら、一般的な減圧CVD法において、界面の酸素量の低減のために、脱離ガス(ここでは水分及び酸素)を完全に無くすことは、装置の機構上難しい。これは、成膜試料であるエピタキシャルウェハそのものからのデガスがあるからである。さらに、装置内部の成膜室のすべての部材を大気暴露させない管理が難しいからである。 However, in the general low-pressure CVD method, it is difficult to completely eliminate the desorption gas (here, moisture and oxygen) in order to reduce the amount of oxygen at the interface due to the mechanism of the device. This is because there is degas from the epitaxial wafer itself, which is the film-forming sample. Furthermore, it is difficult to manage all the members of the film forming chamber inside the apparatus so as not to expose them to the atmosphere.

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、減圧CVD法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法、並びに、電気的特性の低下を抑制できる半導体装置を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such problems, and when forming a silicon nitride passivation film on a nitride semiconductor using a low pressure CVD method, the nitride semiconductor and the silicon nitride passivation film are It is an object of the present invention to provide a method for forming a silicon nitride passivation film that can reduce the amount of oxygen at an interface, a method for manufacturing a semiconductor device, and a semiconductor device that can suppress deterioration of electrical characteristics.

上述した課題を解決するために、一実施形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体層に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、窒化物半導体層を含む基板が載置された反応炉内の雰囲気をNHを含む雰囲気、あるいは、Hを含む雰囲気に置換する工程と、反応炉内の温度を第1の温度に昇温する昇温工程と、反応炉内を第1の温度とし、反応炉内の雰囲気をNHあるいは、Hを含む雰囲気とした状態に3分以上保持するクリーニング工程と、反応炉内の温度を第1の温度よりも低い第2の温度に降温する降温工程と、反応炉内の圧力を30Pa以下の第2の圧力とした状態で、反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、を含む。 In order to solve the above-mentioned problems, a method for forming a silicon nitride passivation film according to an embodiment is a method for forming a silicon nitride passivation film in contact with a nitride semiconductor layer, the method comprising: forming a silicon nitride passivation film on a substrate including a nitride semiconductor layer; a step of replacing the atmosphere in the reactor in which is placed with an atmosphere containing NH 3 or an atmosphere containing H 2 ; a temperature raising step of raising the temperature in the reactor to a first temperature; A cleaning process in which the inside of the reactor is kept at a first temperature and the atmosphere inside the reactor is an atmosphere containing NH 3 or H 2 for 3 minutes or more, and the temperature inside the reactor is lower than the first temperature. A silicon nitride passivation film is formed by supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) into the reactor while the temperature is lowered to a second temperature and the pressure inside the reactor is set to a second pressure of 30 Pa or less. A step of forming a film.

また、別の実施形態に係る半導体装置は、基板と、窒化物半導体からそれぞれ構成される複数の窒化物半導体層を含み、基板上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部の表面を覆う窒化珪素パッシベーション膜と、窒化珪素パッシベーション膜と半導体積層部との界面において、0.16×1015atom/cm以下の界面酸素量で存在する酸素原子と、を備える。 Further, a semiconductor device according to another embodiment includes a substrate and a plurality of nitride semiconductor layers each made of a nitride semiconductor, and covers a semiconductor stack provided on the substrate and a surface of the semiconductor stack. A silicon nitride passivation film and oxygen atoms present in an interface oxygen amount of 0.16×10 15 atoms/cm 2 or less at an interface between the silicon nitride passivation film and the semiconductor stack.

本開示による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法によれば、減圧CVD法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。また、本開示による半導体装置によれば、電気的特性の低下を抑制できる。 According to the method for forming a silicon nitride passivation film and the method for manufacturing a semiconductor device according to the present disclosure, when forming a silicon nitride passivation film on a nitride semiconductor using a low pressure CVD method, the nitride semiconductor and the silicon nitride passivation film are The amount of oxygen at the interface with the film can be reduced. Further, according to the semiconductor device according to the present disclosure, deterioration of electrical characteristics can be suppressed.

図1は、第1実施形態に係る成膜方法によって形成される窒化珪素パッシベーション膜を示す側面図である。FIG. 1 is a side view showing a silicon nitride passivation film formed by the film forming method according to the first embodiment. 図2は、第1実施形態による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to the first embodiment. 図3は、窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the temperature in the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film. 図4は、比較例1による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. 図5は、比較例1によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the temperature inside the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. 図6は、比較例2による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 2. 図7は、比較例2によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the temperature inside the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 2. 図8は、昇温条件と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between temperature increasing conditions and interfacial oxygen amount. 図9は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount. 図10は、クリーニング圧力と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between cleaning pressure and interfacial oxygen amount. 図11は、クリーニング温度と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between cleaning temperature and interfacial oxygen amount. 図12は、第2実施形態による製造方法の各工程を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing each step of the manufacturing method according to the second embodiment. 図13は、第2実施形態による製造方法の各工程を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing each step of the manufacturing method according to the second embodiment. 図14は、第2実施形態による製造方法の各工程を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing each step of the manufacturing method according to the second embodiment. 図15は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後のToF-SIMS分析の結果を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the results of ToF-SIMS analysis after the silicon nitride passivation film was formed. 図16は、第3実施形態による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。FIG. 16 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to the third embodiment. 図17は、比較例1によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing pressure changes in the reactor when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. 図18は、第3実施形態によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing pressure changes in the reactor when growing a silicon nitride passivation film according to the third embodiment. 図19は、第4実施形態による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。FIG. 19 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to the fourth embodiment. 図20は、窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the temperature in the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film. 図21は、雰囲気ガスのH分圧と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the relationship between the H 2 partial pressure of the atmospheric gas and the amount of interfacial oxygen. 図22は、反応炉内の圧力と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the relationship between the pressure inside the reactor and the amount of interfacial oxygen. 図23は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount. 図24は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount.

本開示の実施形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 A method for forming a silicon nitride passivation film, a method for manufacturing a semiconductor device, and a specific example of a semiconductor device according to an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to these examples, but is indicated by the claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope equivalent to the claims. In the following description, the same elements are given the same reference numerals in the description of the drawings, and redundant description will be omitted.

図1は、本開示の第1実施形態に係る成膜方法によって形成される窒化珪素パッシベーション膜を示す側面図である。この窒化珪素パッシベーション膜3は、窒化物半導体層5の表面と接しており、窒化物半導体層5の表面上に減圧CVD法によって成膜されたものである。窒化物半導体層5は、例えばSiCなどの基板7上に成長した層であって、例えばGaN層である。窒化物半導体層5及び基板7は、エピタキシャルウェハ9を構成する。エピタキシャルウェハ9と窒化珪素パッシベーション膜3との界面には、酸素原子11が存在している。本明細書中では、この界面における酸素の量(以下「界面酸素量」という。)を表すために、「atom/cm」(原子数/cm)という単位を用いる。なお、界面酸素量は、SIMS分析による深さ方向の酸素濃度の分布を基に、エピタキシャルウェハ9と窒化珪素パッシベーション膜3との界面における酸素の量を評価した値である。具体的には、SIMS分析は、減圧CVD法における成膜のフローにより、窒化珪素パッシベーション膜3の成膜を実施した後に行われる。図1に示されるエピタキシャルウェハ9と窒化珪素パッシベーション膜3との界面には、酸素原子11が、例えば、0.16×1015atom/cm以下の界面酸素量で存在している。 FIG. 1 is a side view showing a silicon nitride passivation film formed by a film forming method according to a first embodiment of the present disclosure. This silicon nitride passivation film 3 is in contact with the surface of the nitride semiconductor layer 5, and is formed on the surface of the nitride semiconductor layer 5 by a low pressure CVD method. The nitride semiconductor layer 5 is a layer grown on a substrate 7 made of, for example, SiC, and is, for example, a GaN layer. Nitride semiconductor layer 5 and substrate 7 constitute epitaxial wafer 9 . Oxygen atoms 11 are present at the interface between epitaxial wafer 9 and silicon nitride passivation film 3 . In this specification, the unit "atom/cm 2 " (number of atoms/cm 2 ) is used to express the amount of oxygen at this interface (hereinafter referred to as "interfacial oxygen amount"). Note that the interfacial oxygen amount is a value obtained by evaluating the amount of oxygen at the interface between the epitaxial wafer 9 and the silicon nitride passivation film 3 based on the distribution of oxygen concentration in the depth direction by SIMS analysis. Specifically, the SIMS analysis is performed after the silicon nitride passivation film 3 is formed according to the flow of film formation in the low pressure CVD method. At the interface between epitaxial wafer 9 and silicon nitride passivation film 3 shown in FIG. 1, oxygen atoms 11 exist in an amount of interfacial oxygen of, for example, 0.16×10 15 atoms/cm 2 or less.

図2は、本実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法を示すフローチャートである。まず、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、窒化物半導体層5を基板7上に成長し、エピタキシャルウェハ9を作製する(工程S1)。次に、減圧CVD法を用いて、窒化珪素パッシベーション膜3を窒化物半導体層5上に成長する(工程S2)。この工程S2の詳細について、図2及び図3を参照しながら説明する。図3は、窒化珪素パッシベーション膜3を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。 FIG. 2 is a flowchart showing a method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to this embodiment. First, a nitride semiconductor layer 5 is grown on a substrate 7 using a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method to fabricate an epitaxial wafer 9 (step S1). Next, silicon nitride passivation film 3 is grown on nitride semiconductor layer 5 using a low pressure CVD method (step S2). Details of this step S2 will be explained with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 3 is a diagram showing the temperature in the reactor and the procedure for supplying gas when growing the silicon nitride passivation film 3.

まず、反応炉内の温度を、500℃以下に設定する(工程S21)。この温度は、400℃以下であってもよく、或いは300℃以下であってもよい。また、この温度は、室温(25℃)以上であってもよい。一実施例では、工程S21において設定する温度は400℃である。反応炉内の温度が設定した温度で安定した後、窒化物半導体層5を含むエピタキシャルウェハ9を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する(工程S22)。次に、反応炉内の真空パージとNHパージとを繰り返し行うことにより(サイクルパージ)、反応炉内のガス雰囲気をNHを含む雰囲気に置換する(工程S23)。一実施例では、NH雰囲気に置換する。なお、この工程S23では、反応炉内の大気雰囲気を、NH分圧が0.1以上であるNH及びNの混合雰囲気に置換してもよい。 First, the temperature inside the reactor is set to 500° C. or lower (step S21). This temperature may be 400°C or less, or 300°C or less. Moreover, this temperature may be room temperature (25° C.) or higher. In one example, the temperature set in step S21 is 400°C. After the temperature in the reactor is stabilized at the set temperature, the epitaxial wafer 9 including the nitride semiconductor layer 5 is set in a transfer device in an air atmosphere and introduced into the reactor (step S22). Next, by repeatedly performing a vacuum purge and an NH 3 purge in the reactor (cycle purge), the gas atmosphere in the reactor is replaced with an atmosphere containing NH 3 (step S23). In one embodiment, an NH 3 atmosphere is substituted. In addition, in this step S23, the atmospheric atmosphere in the reactor may be replaced with a mixed atmosphere of NH 3 and N 2 in which the partial pressure of NH 3 is 0.1 or more.

上記のサイクルパージが終了した後、反応炉内の圧力を、成膜時の圧力(後述する第1の圧力)よりも大きい第2の圧力に変更する(工程S24)。この第2の圧力は、300Pa以上であってもよく、5kPa以上であってもよく、或いは10kPa以上であってもよい。また、この第2の圧力は、大気圧(100kPa)以下であってもよい。一実施例では、第2の圧力は3kPaである。そして、反応炉内の圧力を第2の圧力に維持しつつ、反応炉内を700℃より高い第1の温度に昇温する(工程S25、昇温工程)。この第1の温度は、成膜温度(後述する第2の温度)よりも高い温度である。第1の温度は、第2の温度よりも20℃以上高い温度であってもよい。また、第1の温度は、800℃以上であってもよく、また900℃以下であってもよい。一実施例では、第1の温度は800℃である。 After the cycle purge described above is completed, the pressure in the reactor is changed to a second pressure that is higher than the pressure during film formation (first pressure described later) (step S24). This second pressure may be 300 Pa or more, 5 kPa or more, or 10 kPa or more. Further, this second pressure may be equal to or lower than atmospheric pressure (100 kPa). In one example, the second pressure is 3 kPa. Then, while maintaining the pressure inside the reactor at the second pressure, the inside of the reactor is heated to a first temperature higher than 700° C. (step S25, temperature raising step). This first temperature is higher than the film forming temperature (second temperature described later). The first temperature may be 20° C. or more higher than the second temperature. Further, the first temperature may be 800°C or higher or 900°C or lower. In one example, the first temperature is 800°C.

続いて、反応炉内を、第1の温度(ここでは800℃)、NHを含む雰囲気(ここではNH雰囲気)、及び第2の圧力(ここでは3kPa)とした状態に3分間以上保持する(工程S26、クリーニング工程;保持する工程)。一実施例では、保持時間は10分間である。なお、保持時間は2分間以上であってもよい。工程S26を行うことにより、反応炉内をクリーニングする。次に、成膜環境の準備を行う(降温工程)。具体的には、次に説明する工程S27,S28を行う。まず、成膜のために反応炉内の温度を第2の温度に降温する(工程S27)。ただし、第2の温度は、第1の温度よりも低い温度である。第2の温度は、700℃以上であってもよい。一実施例では、第2の温度は780℃である。反応炉内の温度が第2の温度に安定したのち、反応炉内の圧力を、100Pa以下の第1の圧力に減圧する(工程S28)。この第1の圧力は、40Pa以下であってもよく、また10Pa以上であってもよい。一実施例では、第1の圧力は20Paである。 Subsequently, the inside of the reactor is maintained at a first temperature (here, 800° C.), an atmosphere containing NH 3 (here, NH 3 atmosphere), and a second pressure (here, 3 kPa) for 3 minutes or more. (Step S26, cleaning step; holding step). In one example, the hold time is 10 minutes. Note that the holding time may be 2 minutes or more. By performing step S26, the inside of the reactor is cleaned. Next, a film forming environment is prepared (temperature lowering step). Specifically, steps S27 and S28 described below are performed. First, the temperature inside the reactor is lowered to a second temperature for film formation (step S27). However, the second temperature is lower than the first temperature. The second temperature may be 700°C or higher. In one example, the second temperature is 780°C. After the temperature in the reactor is stabilized at the second temperature, the pressure in the reactor is reduced to a first pressure of 100 Pa or less (step S28). This first pressure may be 40 Pa or less, or may be 10 Pa or more. In one example, the first pressure is 20 Pa.

そして、反応炉内を第1の圧力(ここでは20Pa)とした状態で、反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜する(工程S29)。この工程S29では、NH流量及びジクロロシラン流量を互いに略等しくしてもよい。NH流量及びジクロロシラン流量は、例えば共に100sccmである。1sccmは、1atm、0℃における1cm/分を表す。 Then, with the inside of the reactor at the first pressure (here, 20 Pa), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) is supplied into the reactor to form the silicon nitride passivation film 3 (step S29). . In this step S29, the NH 3 flow rate and the dichlorosilane flow rate may be made substantially equal to each other. The NH 3 flow rate and the dichlorosilane flow rate are both 100 sccm, for example. 1 sccm represents 1 cm 3 /min at 1 atm and 0°C.

窒化珪素パッシベーション膜3の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度(例えば700℃)まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する(工程S30)。その後、反応炉からエピタキシャルウェハ9を取り出す(工程S31)。以上の工程により、窒化物半導体層5上に窒化珪素パッシベーション膜3が成膜される。 After the formation of the silicon nitride passivation film 3 is completed, the source gas is stopped and the temperature inside the reactor is lowered to a predetermined temperature (for example, 700° C.). Then, in order to drive out the chlorine gas in the reactor, a cycle purge with nitrogen gas is performed to dilute the chlorine gas to the detection limit (step S30). After that, the epitaxial wafer 9 is taken out from the reactor (step S31). Through the above steps, silicon nitride passivation film 3 is formed on nitride semiconductor layer 5.

以上に説明した、本実施形態による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法によって得られる効果について、比較例1及び比較例2と対比しながら説明する。まず、比較例1について説明する。図4は、比較例1による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。図5は、比較例1によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。比較例1では、工程S1ののち、減圧CVD法を用いて、窒化珪素パッシベーション膜3を窒化物半導体層5上に成長する(工程S4)。具体的には、まず、反応炉内の温度を700℃に設定する(工程S41)。反応炉内の温度が700℃で安定した後、窒化物半導体層5を含むエピタキシャルウェハ9を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する(工程S42)。次に、反応炉内の真空パージとNパージとを繰り返し行うことにより、反応炉内の大気雰囲気をN雰囲気に置換する(工程S43)。 The effects obtained by the method for forming a silicon nitride passivation film according to the present embodiment described above will be explained in comparison with Comparative Example 1 and Comparative Example 2. First, Comparative Example 1 will be explained. FIG. 4 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. FIG. 5 is a diagram showing the temperature inside the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. In Comparative Example 1, after step S1, silicon nitride passivation film 3 is grown on nitride semiconductor layer 5 using a low pressure CVD method (step S4). Specifically, first, the temperature inside the reactor is set to 700°C (step S41). After the temperature in the reactor is stabilized at 700° C., the epitaxial wafer 9 including the nitride semiconductor layer 5 is set on a transfer device in an air atmosphere and introduced into the reactor (step S42). Next, by repeatedly performing a vacuum purge and an N 2 purge in the reactor, the atmospheric atmosphere in the reactor is replaced with an N 2 atmosphere (step S43).

その後、反応炉内の圧力を、成膜圧力と同程度の例えば20Paに減圧する(工程S44)。そして、反応炉内の圧力を維持しつつ、反応炉内を成膜温度(例えば800℃)まで昇温する(工程S45)。そして、反応炉内の温度が安定するまで待機する(工程S46)。反応炉内の温度が安定したら、反応炉内の雰囲気をN雰囲気から成膜ガスであるNH雰囲気に変更するために、真空引きを行い、NHガスをパージする(工程S47)。このとき、反応炉内の圧力を成膜圧力である20Paとする。NHガスの流量は100sccmである。そして、NH雰囲気の圧力が安定したら、シリコン系の原料ガスであるジクロロシランを反応炉内に供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜する(工程S48)。ジクロロシラン流量は100sccmである。 After that, the pressure inside the reactor is reduced to, for example, 20 Pa, which is about the same as the film forming pressure (step S44). Then, while maintaining the pressure inside the reactor, the temperature inside the reactor is raised to a film forming temperature (for example, 800° C.) (step S45). Then, the process waits until the temperature in the reactor becomes stable (step S46). Once the temperature inside the reactor is stabilized, the atmosphere inside the reactor is changed from N 2 atmosphere to NH 3 atmosphere, which is a film forming gas, by evacuation and purging of NH 3 gas (step S47). At this time, the pressure inside the reactor is set to 20 Pa, which is the film forming pressure. The flow rate of NH 3 gas is 100 sccm. Then, once the pressure of the NH 3 atmosphere is stabilized, dichlorosilane, which is a silicon-based raw material gas, is supplied into the reactor to form the silicon nitride passivation film 3 (step S48). The dichlorosilane flow rate is 100 sccm.

窒化珪素パッシベーション膜3の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度(例えば700℃)まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する(工程S49)。その後、反応炉からエピタキシャルウェハ9を取り出す(工程S50)。以上の工程により、窒化物半導体層5上に窒化珪素パッシベーション膜3が成膜される。 After the formation of the silicon nitride passivation film 3 is completed, the source gas is stopped and the temperature inside the reactor is lowered to a predetermined temperature (for example, 700° C.). Then, in order to drive out the chlorine gas in the reactor, a cycle purge with nitrogen gas is performed to dilute the chlorine gas to the detection limit (step S49). After that, the epitaxial wafer 9 is taken out from the reactor (step S50). Through the above steps, silicon nitride passivation film 3 is formed on nitride semiconductor layer 5.

次に、比較例2について説明する。図6は、比較例2による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。図7は、比較例2によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。比較例2では、工程S1ののち、減圧CVD法を用いて、窒化珪素パッシベーション膜3を窒化物半導体層5上に成長する(工程S6)。具体的には、まず、反応炉内の温度を400℃に設定する(工程S61)。反応炉内の温度が400℃で安定した後、窒化物半導体層5を含むエピタキシャルウェハ9を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する(工程S62)。次に、反応炉内の真空パージとNHパージとを繰り返し行うことにより、反応炉内の大気雰囲気をNH雰囲気に置換する(工程S63)。 Next, Comparative Example 2 will be explained. FIG. 6 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 2. FIG. 7 is a diagram showing the temperature inside the reactor and the procedure for supplying gas when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 2. In Comparative Example 2, after step S1, silicon nitride passivation film 3 is grown on nitride semiconductor layer 5 using a low pressure CVD method (step S6). Specifically, first, the temperature inside the reactor is set to 400° C. (step S61). After the temperature in the reactor is stabilized at 400° C., the epitaxial wafer 9 including the nitride semiconductor layer 5 is set in a transfer device in an air atmosphere and introduced into the reactor (step S62). Next, by repeatedly performing a vacuum purge and an NH 3 purge in the reactor, the atmospheric atmosphere in the reactor is replaced with an NH 3 atmosphere (step S63).

その後、反応炉内の圧力を、3kPaに変更する(工程S64)。そして、反応炉内の圧力を維持しつつ、反応炉内を成膜温度(例えば800℃)まで昇温する(工程S65)。そして、反応炉内の温度が安定したら、反応炉内の圧力を成膜圧力である20Paまで減圧する(工程S66)。そして、シリコン系の原料ガスであるジクロロシランを反応炉内に供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜する(工程S67)。ジクロロシラン流量は100sccmである。 After that, the pressure inside the reactor is changed to 3 kPa (step S64). Then, while maintaining the pressure inside the reactor, the temperature inside the reactor is raised to a film forming temperature (for example, 800° C.) (step S65). Then, when the temperature inside the reactor becomes stable, the pressure inside the reactor is reduced to 20 Pa, which is the film forming pressure (step S66). Then, dichlorosilane, which is a silicon-based raw material gas, is supplied into the reactor to form the silicon nitride passivation film 3 (step S67). The dichlorosilane flow rate is 100 sccm.

窒化珪素パッシベーション膜3の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度(例えば700℃)まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する(工程S68)。その後、反応炉からエピタキシャルウェハ9を取り出す(工程S69)。以上の工程により、窒化物半導体層5上に窒化珪素パッシベーション膜3が成膜される。 After the formation of the silicon nitride passivation film 3 is completed, the source gas is stopped and the temperature inside the reactor is lowered to a predetermined temperature (for example, 700° C.). Then, in order to expel the chlorine gas in the reactor, a cycle purge with nitrogen gas is performed to dilute the chlorine gas to the detection limit (step S68). After that, the epitaxial wafer 9 is taken out from the reactor (step S69). Through the above steps, silicon nitride passivation film 3 is formed on nitride semiconductor layer 5.

図2及び図3に示された本実施形態の工程S25では、図4及び図5に示された比較例1の工程S45と異なり、反応炉内の雰囲気をNHを含む雰囲気とし、反応炉内の圧力を第1の圧力よりも大きい第2の圧力とした状態で昇温している。表1及び図8は、昇温条件と界面酸素量との関係を示す。表1は、昇温条件(ここでは、雰囲気ガスの種類及び圧力)を変更して成膜し、それぞれの昇温条件下で成膜された場合の界面酸素量(窒化物半導体層5と窒化珪素パッシベーション膜3との界面の酸素量)を比較した結果を示す。図8は、表1の比較結果をプロットしたグラフである。図8のグラフにおいて、横軸は昇温条件としての圧力であり、縦軸は界面酸素量である。なお、以下で示す界面酸素量は、反応炉内から搬出したエピタキシャルウェハ9をSIMS分析によって調査して得られた数値である。 In step S25 of this embodiment shown in FIGS. 2 and 3, unlike step S45 of Comparative Example 1 shown in FIGS. 4 and 5, the atmosphere in the reactor is set to be an atmosphere containing NH 3 and The temperature is raised while the internal pressure is set to a second pressure that is higher than the first pressure. Table 1 and FIG. 8 show the relationship between temperature increase conditions and interfacial oxygen content. Table 1 shows the amount of interfacial oxygen (nitride semiconductor layer 5 and nitride The results of comparing the amount of oxygen at the interface with the silicon passivation film 3 are shown. FIG. 8 is a graph plotting the comparison results in Table 1. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis is the pressure as the temperature increasing condition, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Note that the interfacial oxygen amount shown below is a value obtained by examining the epitaxial wafer 9 taken out from the reactor by SIMS analysis.

表1の比較結果を得るにあたり、反応炉内にエピタキシャルウェハ9を導入する際の温度を400℃とした。また、上記表1の条件下で反応炉内を昇温した後、反応炉内の温度を800℃、反応炉内の雰囲気をN雰囲気、反応炉内の圧力を30Paとした状態に10分間保持することにより、反応炉内をクリーニングした。また、反応炉内の温度を700℃、反応炉内の圧力を30Paとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜した。 In obtaining the comparison results shown in Table 1, the temperature at which the epitaxial wafer 9 was introduced into the reactor was 400°C. In addition, after raising the temperature inside the reactor under the conditions shown in Table 1 above, the temperature inside the reactor was set to 800°C, the atmosphere inside the reactor was N 2 atmosphere, and the pressure inside the reactor was set to 30 Pa for 10 minutes. By holding it, the inside of the reactor was cleaned. Further, dichlorosilane was supplied into the reactor at a temperature of 700° C. and a pressure of 30 Pa to form the silicon nitride passivation film 3.

表1を参照すると、反応炉内の雰囲気がN雰囲気の場合よりもNH雰囲気の場合に界面酸素量が低減されることがわかる。また、反応炉内の圧力が300Pa以上の場合(特に、3000Pa以上の場合)に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。なお、以下の比較結果(表2から表4)を得るにあたり、反応炉内を昇温する際の条件として、反応炉内の雰囲気をNH雰囲気、反応炉内の圧力を3000Paとした。 Referring to Table 1, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is reduced when the atmosphere in the reactor is NH 3 atmosphere than when it is N 2 atmosphere. Furthermore, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the pressure inside the reactor is 300 Pa or more (especially when it is 3000 Pa or more). In obtaining the following comparison results (Tables 2 to 4), the conditions for raising the temperature inside the reactor were that the atmosphere inside the reactor was an NH 3 atmosphere and the pressure inside the reactor was 3000 Pa.

上記表1の比較結果では、昇温条件として雰囲気ガスをNHとすることで、熱分解によって水素(H)が発生し、この水素によってエピタキシャルウェハ9の表面の酸化膜に含まれる酸素原子11が還元作用を示して除去されると考えられる。また、この還元作用により、反応炉内に付着している水分及び酸素に含まれる酸素原子11も除去されていると考えられる。特に、反応炉内の圧力が比較的高い場合(例えば、300Pa以上の場合)、水素の発生量が比較的多くなるので、還元作用によって除去される酸素原子11の量も増加する。 In the comparison results shown in Table 1 above, by setting the atmospheric gas to NH 3 as the temperature raising condition, hydrogen (H 2 ) is generated by thermal decomposition, and this hydrogen causes oxygen atoms contained in the oxide film on the surface of the epitaxial wafer 9 to be generated. It is thought that 11 exhibits a reducing action and is removed. It is also believed that this reduction action also removes the oxygen atoms 11 contained in the moisture and oxygen adhering to the interior of the reactor. In particular, when the pressure inside the reactor is relatively high (for example, 300 Pa or more), the amount of hydrogen generated is relatively large, so the amount of oxygen atoms 11 removed by the reduction action also increases.

また、図2及び図3に示された本実施形態の工程S26では、図6及び図7に示された比較例2と異なり、反応炉内のクリーニングを実施している。具体的には、反応炉内の温度を成膜温度(第2の温度)よりも高い第1の温度、反応炉内の雰囲気をNH雰囲気を含む雰囲気、反応炉内の圧力を成膜時の圧力(第1の圧力)よりも高い第2の圧力とした状態に3分以上保持している。以下では、クリーニングを実施する際の保持時間(以下、「クリーニング時間」ともいう。)、反応炉内の雰囲気ガスの種類、反応炉内の温度(以下、「クリーニング温度」ともいう。)、及び反応炉内の圧力(以下、「クリーニング圧力」ともいう。)をそれぞれクリーニング条件という。表2及び図9は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表2は、クリーニング条件としての保持時間を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図9は、表2の比較結果をプロットしたグラフである。図9のグラフにおいて、横軸はクリーニング時間であり、縦軸は界面酸素量である。なお、クリーニングを行わなかった場合については、表2において時間を0分として示した。また、保持時間以外のクリーニング条件を共通とした。具体的には、雰囲気ガスをNH、温度を800℃、圧力を300Paとした。 Further, in step S26 of the present embodiment shown in FIGS. 2 and 3, unlike Comparative Example 2 shown in FIGS. 6 and 7, the inside of the reactor is cleaned. Specifically, the temperature inside the reactor is set to a first temperature higher than the film-forming temperature (second temperature), the atmosphere inside the reactor is set to an atmosphere containing NH 3 atmosphere, and the pressure inside the reactor is set to a first temperature higher than the film-forming temperature (second temperature). The pressure is maintained at a second pressure higher than the first pressure for 3 minutes or more. In the following, the holding time when performing cleaning (hereinafter also referred to as "cleaning time"), the type of atmospheric gas in the reactor, the temperature in the reactor (hereinafter also referred to as "cleaning temperature"), and The pressure within the reactor (hereinafter also referred to as "cleaning pressure") is referred to as a cleaning condition. Table 2 and FIG. 9 show the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount. Table 2 shows the results of comparing the amount of interfacial oxygen when the film was formed under each cleaning condition by changing the holding time as the cleaning condition. FIG. 9 is a graph plotting the comparison results in Table 2. In the graph of FIG. 9, the horizontal axis is the cleaning time, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Note that in Table 2, the time was set to 0 minutes in the case where cleaning was not performed. In addition, the cleaning conditions other than the holding time were the same. Specifically, the atmospheric gas was NH 3 , the temperature was 800° C., and the pressure was 300 Pa.

表2の比較結果を得るにあたり、クリーニング条件以外の条件については、次のとおりとした。まず、反応炉内にエピタキシャルウェハ9を導入する際の温度を400℃とした。また、上述したように、反応炉内を昇温する際の条件として、反応炉内の雰囲気をNH雰囲気、反応炉内の圧力を3000Paとした。また、反応炉内の温度をクリーニングの際より低い温度、反応炉内の圧力を30Paとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜した。なお、以下で示す比較結果を得る際にも、クリーニング条件以外の条件については同様とした。 In obtaining the comparison results shown in Table 2, conditions other than cleaning conditions were as follows. First, the temperature at which the epitaxial wafer 9 was introduced into the reactor was set to 400°C. Furthermore, as described above, the conditions for raising the temperature inside the reactor were that the atmosphere inside the reactor was an NH 3 atmosphere and the pressure inside the reactor was 3000 Pa. Further, dichlorosilane was supplied into the reactor at a temperature lower than that during cleaning and at a pressure of 30 Pa to form the silicon nitride passivation film 3. Note that conditions other than the cleaning conditions were the same when obtaining the comparison results shown below.

表2及び図9を参照すると、反応炉内のクリーニングを実施しなかった場合(すなわち、上記表2における時間が0分の場合)よりも反応炉内のクリーニングを実施した場合に界面酸素量が低減されることがわかる。また、反応炉内のクリーニングを3分以上実施した場合に、界面酸素量が特に低減され、10分以上でより一層低減されることがわかる。 Referring to Table 2 and FIG. 9, the amount of interfacial oxygen is lower when the reactor is cleaned than when the reactor is not cleaned (that is, when the time in Table 2 is 0 minutes). It can be seen that this is reduced. It can also be seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the inside of the reactor is cleaned for 3 minutes or more, and is further reduced when it is 10 minutes or more.

次に、反応炉内のクリーニングを10分間実施した場合において、保持時間以外のクリーニング条件のいずれかを変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果について説明する。表3は、クリーニング条件としての雰囲気ガスの種類及びクリーニング圧力を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図10は、表3の比較結果をプロットしたグラフであり、クリーニング圧力と界面酸素量との関係を示す。図10のグラフにおいて、横軸はクリーニング圧力であり、縦軸は界面酸素量である。ここでは、クリーニング条件としての温度を共通とした。具体的には、温度を800℃とした。表3及び図10を参照すると、反応炉内の雰囲気ガスがNの場合よりもNHの場合に界面酸素量がより低減されることがわかる。また、雰囲気ガスをNHとすると、圧力が300Pa以上の場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。 Next, when cleaning the inside of the reactor for 10 minutes, we formed a film by changing any of the cleaning conditions other than the holding time, and compared the amount of interfacial oxygen when the film was formed under each cleaning condition. Explain the results. Table 3 shows the results of comparing the amount of interfacial oxygen when the film was formed under each cleaning condition by changing the type of atmospheric gas and the cleaning pressure as cleaning conditions. FIG. 10 is a graph plotting the comparison results in Table 3, and shows the relationship between cleaning pressure and interfacial oxygen amount. In the graph of FIG. 10, the horizontal axis is the cleaning pressure, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Here, a common temperature was used as the cleaning condition. Specifically, the temperature was set to 800°C. Referring to Table 3 and FIG. 10, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is reduced more when the atmospheric gas in the reactor is NH 3 than when it is N 2 . Furthermore, it can be seen that when the atmospheric gas is NH 3 , the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the pressure is 300 Pa or more.

表4は、クリーニング条件としての温度を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図11は、表4の比較結果をプロットしたグラフであり、クリーニング温度と界面酸素量との関係を示す。図11のグラフにおいて、横軸はクリーニング温度であり、縦軸は界面酸素量である。ここでは、温度以外のクリーニング条件を共通とした。具体的には、雰囲気ガスをNH、圧力を3000Paとした。表4を参照すると、温度が750℃以上の場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。 Table 4 shows the results of comparing the amount of interfacial oxygen when the film was formed under each cleaning condition by changing the temperature as the cleaning condition. FIG. 11 is a graph plotting the comparison results in Table 4, and shows the relationship between cleaning temperature and interfacial oxygen amount. In the graph of FIG. 11, the horizontal axis is the cleaning temperature, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Here, cleaning conditions other than temperature were the same. Specifically, the atmospheric gas was NH 3 and the pressure was 3000 Pa. Referring to Table 4, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the temperature is 750° C. or higher.

以上の結果から、反応炉内の温度を750℃以上、反応炉内の雰囲気をNH雰囲気、反応炉内の圧力を300Pa以上とした状態で3分間保持することにより、反応炉内のクリーニングを実施した場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかった。 From the above results, cleaning inside the reactor can be carried out by maintaining the temperature inside the reactor at 750°C or higher, the atmosphere inside the reactor at NH 3 atmosphere, and the pressure inside the reactor at 300 Pa or higher for 3 minutes. It has been found that when carried out, the amount of interfacial oxygen is particularly reduced.

本実施形態のように、比較例1及び比較例2に対し、成膜温度よりも高い温度、及びNHを含む雰囲気の環境下において、成膜前のエピタキシャルウェハ9を3分以上曝すことにより、次の(1)及び(2)で示す効果が期待できる。
(1)窒化物半導体層5の表面の酸化膜に含まれる酸素原子11が還元されることにより除去される。
(2)反応炉内に付着した脱離ガスの原因である水分及び酸素に含まれる酸素原子11も還元され、反応炉内で新たな酸化膜が形成されることが抑制される。
As in the present embodiment, compared to Comparative Examples 1 and 2, by exposing the epitaxial wafer 9 before film formation for 3 minutes or more in an environment containing NH 3 and a temperature higher than the film formation temperature. , the following effects (1) and (2) can be expected.
(1) Oxygen atoms 11 contained in the oxide film on the surface of the nitride semiconductor layer 5 are reduced and removed.
(2) Oxygen atoms 11 contained in moisture and oxygen, which are the causes of desorption gas adhering to the inside of the reactor, are also reduced, and the formation of a new oxide film inside the reactor is suppressed.

上記(1)及び(2)の相乗効果により、界面酸素量が十分に低減されるので、ゲートリーク電流が低減される。したがって、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。特に、界面酸素量が0.6×1015atom/cm以下である場合(大気圧の環境下において、0.6×1015cm-2以下である場合)に、ゲートリーク電流が優位に低減され、半導体装置の電気的特性の劣化が抑えられる。 Due to the synergistic effect of (1) and (2) above, the amount of interfacial oxygen is sufficiently reduced, so that gate leakage current is reduced. Therefore, the electrical characteristics of the semiconductor device can be improved. In particular, when the amount of interfacial oxygen is 0.6×10 15 atom/cm 2 or less (0.6×10 15 cm -2 or less in an atmospheric pressure environment), the gate leakage current becomes dominant. This suppresses deterioration of the electrical characteristics of the semiconductor device.

ところで、大気にエピタキシャルウェハの表面を曝すと、上記酸素等に加え、例えば炭素、フッ素等(以下、単に「炭素等」という場合がある。)がエピタキシャルウェハに取り込まれることが懸念される。これら炭素等は、窒化物半導体において深いアクセプタ準位を形成する不純物として振る舞う。そのため、炭素等が窒化物半導体に取り込まれると、例えば、半導体装置のリーク電流の増加、コラプス特性の悪化等の問題に直結する。 By the way, if the surface of the epitaxial wafer is exposed to the atmosphere, there is a concern that in addition to the above-mentioned oxygen, carbon, fluorine, etc. (hereinafter simply referred to as "carbon etc.") may be incorporated into the epitaxial wafer. These carbon and the like behave as impurities that form deep acceptor levels in nitride semiconductors. Therefore, if carbon or the like is incorporated into a nitride semiconductor, it will directly lead to problems such as an increase in leakage current and deterioration of collapse characteristics of the semiconductor device.

ここで、発明者によれば、フッ素は、炭素及び酸素に比し、反応炉内に多く存在しているとは考えにくい。ところが、エピタキシャル成長後、成膜前にIPA(isopropyl alcohol)を用いた洗浄処理を行い、減圧CVD法を用いて成膜しただけで、窒化物半導体層5(例えばGaN層)の表面にフッ素が1×1011atom/cm以下の量で検出される。なお、この値は、酸素原子11の量に比べると4桁も小さい値である。反応炉内で行われる処理には、例えばRCA洗浄等のフッ酸(HF)系溶液が用いられる処理が含まれるため、多少ではあるが大気中にフッ素が存在し、エピタキシャルウェハ9の表面に付着すると考えられる。反応炉内にて作業する際には、エピタキシャルウェハ9の表面へのフッ素の付着を回避することは困難である。 According to the inventor, it is difficult to imagine that fluorine is present in a larger amount in the reactor than carbon and oxygen. However, after epitaxial growth and before film formation, cleaning treatment using IPA (isopropyl alcohol) is performed and film formation is performed using low-pressure CVD, but 1 fluorine is not present on the surface of the nitride semiconductor layer 5 (for example, a GaN layer). Detected in amounts below ×10 11 atoms/cm 2 . Note that this value is four orders of magnitude smaller than the amount of oxygen atoms 11. Since the processing performed in the reactor includes processing using a hydrofluoric acid (HF) solution such as RCA cleaning, a small amount of fluorine is present in the atmosphere and may adhere to the surface of the epitaxial wafer 9. It is thought that then. When working in a reactor, it is difficult to avoid adhesion of fluorine to the surface of the epitaxial wafer 9.

これに対し、上記(1)及び(2)の相乗効果により、エピタキシャルウェハ9表面の炭素及びフッ素も除去される。これは、NHを含む雰囲気によってHが発生するためである。具体的には、残留したフッ素(F)は、雰囲気ガス中の水素原子(H)と反応しフッ酸(HF)を形成して気化される。炭素(C)は、雰囲気ガス中の水素原子(H)と反応しメタン(CH)を形成して気化される。このように窒化物半導体層5と窒化珪素パッシベーション膜3との界面の炭素及びフッ素が除去されることで、上述したようなエピタキシャルウェハ9の表面の残留不純物に起因した問題が減少する。これにより、ゲートリーク電流が低減され、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。 On the other hand, due to the synergistic effect of the above (1) and (2), carbon and fluorine on the surface of the epitaxial wafer 9 are also removed. This is because H 2 is generated by an atmosphere containing NH 3 . Specifically, the remaining fluorine (F) reacts with hydrogen atoms (H) in the atmospheric gas to form hydrofluoric acid (HF) and is vaporized. Carbon (C) reacts with hydrogen atoms (H) in the atmospheric gas to form methane (CH 4 ) and is vaporized. By removing carbon and fluorine at the interface between nitride semiconductor layer 5 and silicon nitride passivation film 3 in this manner, the problems caused by residual impurities on the surface of epitaxial wafer 9 as described above are reduced. This reduces gate leakage current and improves the electrical characteristics of the semiconductor device.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態として、上記第1実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法を含む、窒化物半導体を主構成材料とする半導体装置の製造方法を説明する。図12から図14は、本実施形態による製造方法の各工程を示す図である。本実施形態は、半導体装置としてGaN-HEMTを例示する。
(Second embodiment)
Next, as a second embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device mainly composed of a nitride semiconductor will be described, including a method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to the first embodiment. 12 to 14 are diagrams showing each step of the manufacturing method according to this embodiment. In this embodiment, a GaN-HEMT is exemplified as a semiconductor device.

まず、図12(a)に示すように、基板10上に、MOCVD法を用いて、複数の窒化物半導体層を含む積層構造20(半導体積層構造、半導体積層部)を成長する。基板10は、例えば(0001)主面を有するSiC基板であり、積層構造20の積層方向は例えば[0001]方向である。積層構造20は、基板10側から順に形成される核形成層12、電子走行層14、電子供給層16、およびキャップ層18を含む。核形成層12は、例えば厚さ数十nmのAlN層である。電子走行層14は、例えば厚さが1000nmのアンドープGaN層である。電子供給層16は、例えば厚さ20nmのn型AlGaN層である。キャップ層18は、例えば厚さ5nmのn型GaN層である。 First, as shown in FIG. 12A, a stacked structure 20 (semiconductor stacked structure, semiconductor stacked part) including a plurality of nitride semiconductor layers is grown on a substrate 10 using the MOCVD method. The substrate 10 is, for example, a SiC substrate having a (0001) principal surface, and the lamination direction of the laminated structure 20 is, for example, the [0001] direction. The stacked structure 20 includes a nucleation layer 12, an electron transport layer 14, an electron supply layer 16, and a cap layer 18, which are formed in this order from the substrate 10 side. The nucleation layer 12 is, for example, an AlN layer with a thickness of several tens of nanometers. The electron transit layer 14 is, for example, an undoped GaN layer with a thickness of 1000 nm. The electron supply layer 16 is, for example, an n-type AlGaN layer with a thickness of 20 nm. The cap layer 18 is, for example, an n-type GaN layer with a thickness of 5 nm.

このとき、大気暴露により、キャップ層18の表面には、酸素膜が形成される。この酸素膜をSIMS分析により調査すると、酸素原子が0.6×1015atom/cm程度の界面酸素量で存在している。 At this time, an oxygen film is formed on the surface of the cap layer 18 due to exposure to the atmosphere. When this oxygen film is investigated by SIMS analysis, oxygen atoms are present in an interfacial oxygen amount of about 0.6×10 15 atoms/cm 2 .

次に、図12(b)に示すように、積層構造20の上面に接する窒化珪素パッシベーション膜(SiN膜)26を、減圧CVD法を用いて成膜する。このとき、第1実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法を適用する。成膜温度は、例えば800℃である。また、原料ガスとして、NHガス及びジクロロシラン(SiHCl)を用いる。このとき、SiN膜26と積層構造20との界面において存在する上述した酸化膜をToF-SIMS(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)分析により調査すると、酸素原子が酸窒化珪素として存在している。 Next, as shown in FIG. 12(b), a silicon nitride passivation film (SiN film) 26 in contact with the upper surface of the stacked structure 20 is formed using a low pressure CVD method. At this time, the method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to the first embodiment is applied. The film forming temperature is, for example, 800°C. Moreover, NH 3 gas and dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) are used as source gases. At this time, when the above-mentioned oxide film existing at the interface between the SiN film 26 and the laminated structure 20 is investigated by ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) analysis, it is found that oxygen atoms exist as silicon oxynitride. There is.

具体的には、エピタキシャル成長後の窒化物半導体は、大気暴露の影響により表面酸化している。しかし、SiN膜26の成膜後、酸化した窒化物半導体の酸素は窒化珪素側に移動し、酸窒化珪素となる。図15は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後のToF-SIMS分析の結果を示すグラフである。図15のグラフにおいて、横軸は深さであり、縦軸は二次イオン速度である。ただし、左縦軸は右縦軸よりも1桁大きい。図15により、窒化ガリウム上の酸化ガリウムが、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後に、酸窒化珪素となることがわかる。 Specifically, the surface of the nitride semiconductor after epitaxial growth is oxidized due to exposure to the atmosphere. However, after the SiN film 26 is formed, oxygen in the oxidized nitride semiconductor moves to the silicon nitride side and becomes silicon oxynitride. FIG. 15 is a graph showing the results of ToF-SIMS analysis after the silicon nitride passivation film was formed. In the graph of FIG. 15, the horizontal axis is depth, and the vertical axis is secondary ion velocity. However, the left vertical axis is one digit larger than the right vertical axis. It can be seen from FIG. 15 that gallium oxide on gallium nitride becomes silicon oxynitride after the silicon nitride passivation film is formed.

なお、ToF-SIMS分析は、一次イオンビームとしてのパルスビームの照射によって放出された二次イオンを質量分析する分析法である。ToF-SIMS分析では、少ないイオンビーム照射量(1×1012cm-2以下)にて試料最表面に存在する元素及び分子情報を検出可能である。ToF-SIMS分析において、使用される一次イオンビームとしては、例えば、比較的質量の重いイオン(Bi,Au等)ビーム、微細ビーム化の容易なGaイオンビーム等が挙げられる。 Note that ToF-SIMS analysis is an analysis method in which secondary ions released by irradiation with a pulsed beam as a primary ion beam are subjected to mass spectrometry. In ToF-SIMS analysis, information on elements and molecules present on the outermost surface of a sample can be detected with a small ion beam irradiation dose (1×10 12 cm −2 or less). In ToF-SIMS analysis, primary ion beams used include, for example, relatively heavy ion beams (Bi, Au, etc.), Ga ion beams that can be easily made into fine beams, and the like.

続いて、図12(c)に示すように、SiN膜26上に、フォトレジスト50を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト50に開口50aを形成する。フォトレジスト50をマスクとして反応性イオンエッチング(RIE)によりSiN膜26及びキャップ層18に開口を形成する。その後、フォトレジスト50を除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 12(c), a photoresist 50 is applied on the SiN film 26. An opening 50a is formed in the photoresist 50 by photolithography. Openings are formed in the SiN film 26 and the cap layer 18 by reactive ion etching (RIE) using the photoresist 50 as a mask. After that, the photoresist 50 is removed.

続いて、図13(a)に示すように、SiN膜26上に、別のフォトレジスト51を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト51の開口51aをSiN膜26の開口上に形成する。SiN膜26の開口を介して電子供給層16に接触するソース電極22およびドレイン電極24を、蒸着法を用いて形成する。ソース電極22およびドレイン電極24は、共にTi膜およびAl膜を有する。Ti膜の膜厚は例えば30nm、Al膜の膜厚は例えば300nmである。Ti膜はTa膜でもよい。フォトレジスト51上には金属23が堆積する。その後、フォトレジスト51を除去することにより、フォトレジスト51上の金属23を除去する。これにより、電子供給層16に接するソース電極22およびドレイン電極24が形成される。例えば400℃において熱処理することにより、ソース電極22およびドレイン電極24と電子供給層16とを合金化する。550℃以上であれば、コンタクト抵抗の低抵抗化に更に寄与する。 Subsequently, as shown in FIG. 13(a), another photoresist 51 is applied on the SiN film 26. An opening 51a of the photoresist 51 is formed over the opening of the SiN film 26 by photolithography. A source electrode 22 and a drain electrode 24 that contact the electron supply layer 16 through the opening in the SiN film 26 are formed using a vapor deposition method. Both the source electrode 22 and the drain electrode 24 have a Ti film and an Al film. The thickness of the Ti film is, for example, 30 nm, and the thickness of the Al film is, for example, 300 nm. The Ti film may be a Ta film. Metal 23 is deposited on photoresist 51 . Thereafter, by removing the photoresist 51, the metal 23 on the photoresist 51 is removed. As a result, a source electrode 22 and a drain electrode 24 in contact with the electron supply layer 16 are formed. For example, the source electrode 22, the drain electrode 24, and the electron supply layer 16 are alloyed by heat treatment at 400°C. When the temperature is 550° C. or higher, it further contributes to lowering the contact resistance.

続いて、図13(b)に示すように、積層構造20上に、更に別のフォトレジスト52を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト52に開口52aを形成する。フォトレジスト52をマスクとしてRIEによりSiN膜26に開口を形成する。その後、フォトレジスト52を除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 13(b), another photoresist 52 is applied on the laminated structure 20. An opening 52a is formed in the photoresist 52 by photolithography. An opening is formed in the SiN film 26 by RIE using the photoresist 52 as a mask. After that, the photoresist 52 is removed.

続いて、積層構造20上に、フォトレジストを塗布する。ゲート電極パターンとなる開口をフォトリソグラフィによりフォトレジストに形成する。蒸着法を用い、図14(a)に示すように、キャップ層18に接触するゲート電極28を形成する。ゲート電極28は、積層構造20側からNi膜およびAu膜を有する。Ni膜の膜厚は例えば50nm、Au膜の膜厚は例えば400nmである。蒸着法としては、EB蒸着法、スパッタ蒸着法、抵抗加熱蒸着法など種々の方法が用いられる。フォトレジスト上に堆積した金属は、フォトレジストとともに除去される。 Subsequently, a photoresist is applied onto the laminated structure 20. An opening that will become a gate electrode pattern is formed in the photoresist by photolithography. Using a vapor deposition method, a gate electrode 28 is formed in contact with the cap layer 18, as shown in FIG. 14(a). The gate electrode 28 includes a Ni film and an Au film from the stacked structure 20 side. The thickness of the Ni film is, for example, 50 nm, and the thickness of the Au film is, for example, 400 nm. Various methods are used as the vapor deposition method, such as EB vapor deposition, sputter vapor deposition, and resistance heating vapor deposition. The metal deposited on the photoresist is removed along with the photoresist.

続いて、図14(b)に示すように、SiN膜26上に例えばPECVD法により絶縁膜30を形成し、この絶縁膜30によりゲート電極28を覆う。絶縁膜30は、例えば膜厚が500nmのSiN膜である。バッファードフッ酸を用いたエッチングにより絶縁膜30に開口30aを形成し、ソース電極22およびドレイン電極24を露出させる。以上の工程を経て、HEMT1Aが作製される。 Subsequently, as shown in FIG. 14(b), an insulating film 30 is formed on the SiN film 26 by, for example, PECVD, and the gate electrode 28 is covered with this insulating film 30. The insulating film 30 is, for example, a SiN film with a thickness of 500 nm. An opening 30a is formed in the insulating film 30 by etching using buffered hydrofluoric acid, and the source electrode 22 and drain electrode 24 are exposed. HEMT1A is produced through the above steps.

図14(b)に示すように、作製されたHEMT1Aは、基板10と、複数の窒化物半導体層を含み基板10上に設けられた積層構造20とを備える。積層構造20は、基板10側から順に形成された核形成層12、電子走行層14、電子供給層16、およびキャップ層18を含む。核形成層12、電子走行層14、電子供給層16、およびキャップ層18は、窒化物半導体からそれぞれ構成されている。HEMT1Aは、SiN膜26を更に備える。SiN膜26は、積層構造20の表面を覆っている。具体的には、SiN膜26は、キャップ層18の表面を覆っている。作製されたHEMT1Aにおいては、SiN膜26とキャップ層18との界面には、酸素原子が0.6×1015atom/cm以下の界面酸素量で酸窒化珪素として存在している。SiN膜26は、複数の開口を有する。これらの開口では、SiN膜26から積層構造20(電子供給層16又はキャップ層18)が露出する。 As shown in FIG. 14(b), the fabricated HEMT 1A includes a substrate 10 and a stacked structure 20 provided on the substrate 10 and including a plurality of nitride semiconductor layers. The laminated structure 20 includes a nucleation layer 12, an electron transport layer 14, an electron supply layer 16, and a cap layer 18 formed in this order from the substrate 10 side. The nucleation layer 12, the electron transit layer 14, the electron supply layer 16, and the cap layer 18 are each made of a nitride semiconductor. The HEMT 1A further includes a SiN film 26. The SiN film 26 covers the surface of the stacked structure 20. Specifically, the SiN film 26 covers the surface of the cap layer 18. In the fabricated HEMT 1A, oxygen atoms exist as silicon oxynitride at the interface between the SiN film 26 and the cap layer 18 with an interfacial oxygen amount of 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less. The SiN film 26 has a plurality of openings. In these openings, the stacked structure 20 (electron supply layer 16 or cap layer 18) is exposed from the SiN film 26.

また、HEMT1Aは、ソース電極22、ドレイン電極24、ゲート電極28、及び絶縁膜30を更に備える。ソース電極22及びドレイン電極24は、基板10の面に沿って順に並んでいる。ソース電極22、ドレイン電極24、及びゲート電極28は、SiN膜26の開口をそれぞれ覆っている。また、ゲート電極28は、積層構造20上においてソース電極22とドレイン電極24との間に設けられている。絶縁膜30はゲート電極28を覆う保護膜である。 Further, the HEMT 1A further includes a source electrode 22, a drain electrode 24, a gate electrode 28, and an insulating film 30. The source electrode 22 and the drain electrode 24 are arranged in order along the surface of the substrate 10. The source electrode 22, the drain electrode 24, and the gate electrode 28 each cover the opening in the SiN film 26. Further, the gate electrode 28 is provided between the source electrode 22 and the drain electrode 24 on the stacked structure 20. The insulating film 30 is a protective film that covers the gate electrode 28.

以上に説明した半導体装置の製造方法によれば、第1実施形態に記載の方法を用いてSiN膜26を減圧CVD法により成膜することによって、窒化物半導体層(キャップ層18)とSiN膜26との界面の酸素量を低減できる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device described above, by forming the SiN film 26 by the low pressure CVD method using the method described in the first embodiment, the nitride semiconductor layer (cap layer 18) and the SiN film The amount of oxygen at the interface with 26 can be reduced.

また、HEMT1Aは、基板10と、窒化物半導体からそれぞれ構成される複数の窒化物半導体層(核形成層12、電子走行層14、電子供給層16、およびキャップ層18)を含み、基板10上に設けられた積層構造20と、積層構造20の表面を覆うSiN膜26と、SiN膜26と積層構造20との界面において、0.6×1015atom/cm以下の界面酸素量で存在する酸素原子と、を備える。このHEMT1Aによれば、酸素原子の界面酸素量が0.6×1015atom/cm以下まで低減されているので、ゲートリーク電流が優位に低減され、半導体装置の電気的特性の低下が抑えられる。 Further, the HEMT 1A includes a substrate 10 and a plurality of nitride semiconductor layers (a nucleation layer 12, an electron transport layer 14, an electron supply layer 16, and a cap layer 18) each made of a nitride semiconductor. At the interface between the laminated structure 20 provided in the laminated structure 20, the SiN film 26 covering the surface of the laminated structure 20, and the SiN film 26 and the laminated structure 20, an amount of interfacial oxygen of 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less exists. and an oxygen atom. According to this HEMT1A, since the amount of oxygen at the interface of oxygen atoms is reduced to 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less, gate leakage current is significantly reduced, and deterioration of the electrical characteristics of the semiconductor device is suppressed. It will be done.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係る成膜方法によって図1に示される窒化珪素パッシベーション膜3を形成する方法について説明する。図16は、第3実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法を示すフローチャートである。第3実施形態による成膜方法では、工程S2に代えて工程S7を行う点において第1実施形態による成膜方法と相違し、その他の点において第1実施形態による成膜方法と同様である。つまり、第3実施形態においては、工程S1ののち、工程S7を行うことにより、窒化珪素パッシベーション膜3を窒化物半導体層5上に成長する。
(Third embodiment)
Next, a method for forming the silicon nitride passivation film 3 shown in FIG. 1 using the film forming method according to the third embodiment will be described. FIG. 16 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film 3 according to the third embodiment. The film forming method according to the third embodiment differs from the film forming method according to the first embodiment in that step S7 is performed instead of step S2, and is similar to the film forming method according to the first embodiment in other respects. That is, in the third embodiment, the silicon nitride passivation film 3 is grown on the nitride semiconductor layer 5 by performing the step S7 after the step S1.

工程S7では、まず、工程S71から工程S77を順に行う。なお、工程S71から工程S77は、工程S2における工程S21から工程S27とそれぞれ同様である。工程S77により反応炉内の温度が第2の温度に安定したのち、反応炉内の圧力を、緩やかに変化させて30Pa以下の第1の圧力に減圧する(工程S78)。なお、工程S78では、比較例1のS47において行っているような真空引きを行わずに、反応炉内の圧力を減圧する。具体的には、反応炉内への投入ガス流量及び排気バルブのAPC(Auto Pressuer Controller)による制御を行う。これにより、極端に低い圧力にすることなく、所望のガス雰囲気を維持しつつ、反応炉内の圧力を成膜時の圧力である第1の圧力に調整する。一実施例では、第1の圧力は20Paである。 In step S7, first, steps S71 to S77 are sequentially performed. Note that steps S71 to S77 are the same as steps S21 to S27 in step S2, respectively. After the temperature in the reactor is stabilized at the second temperature in step S77, the pressure in the reactor is gradually changed and reduced to a first pressure of 30 Pa or less (step S78). Note that in step S78, the pressure inside the reactor is reduced without evacuation as performed in S47 of Comparative Example 1. Specifically, the flow rate of gas introduced into the reactor and the exhaust valve are controlled by an APC (Auto Pressure Controller). Thereby, the pressure in the reactor is adjusted to the first pressure, which is the pressure during film formation, while maintaining a desired gas atmosphere without reducing the pressure to an extremely low level. In one example, the first pressure is 20 Pa.

そして、工程S79から工程S81を順に行う。工程S79から工程S81は、工程S2における工程S29から工程S31とそれぞれ同様である。以上の工程により、窒化物半導体層5上に窒化珪素パッシベーション膜3が成膜される。 Then, steps S79 to S81 are performed in order. Steps S79 to S81 are the same as steps S29 to S31 in step S2, respectively. Through the above steps, silicon nitride passivation film 3 is formed on nitride semiconductor layer 5.

以上に説明した、第3実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法によれば、第1実施形態による成膜方法と同様の効果を得ることができる。具体的には、工程S76を行うので、減圧CVD法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。 According to the method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to the third embodiment described above, the same effects as the film forming method according to the first embodiment can be obtained. Specifically, since step S76 is performed, the amount of oxygen at the interface between the nitride semiconductor and the silicon nitride passivation film can be reduced when forming the silicon nitride passivation film on the nitride semiconductor using the low pressure CVD method. .

続けて、第3実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法によって得られる更なる効果について、比較例1と対比しながら説明する。図17は、比較例1によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。図17のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は圧力である。比較例1では、成膜前の反応炉内の雰囲気の置換(工程S47)において、高温雰囲気下にて高圧から低圧への変更が伴う。そこで、窒化物半導体表面からの窒素原子抜けを抑制する観点から、高温雰囲気下かつ低圧になる時間を最短とするために、図17に示されるように、真空引きを行った後、成膜ガスを導入して圧力調整を行っている。しかし、減圧CVD装置は反応炉内に石英部材を用いているほか、装置が大型であることから真空引きに伴い、デガス(反応炉内側壁等に付着した残留物が再度反応炉内に放出される現象)が発生し、界面酸素濃度が増加する懸念もある。 Next, further effects obtained by the method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to the third embodiment will be described in comparison with Comparative Example 1. FIG. 17 is a graph showing pressure changes in the reactor when growing a silicon nitride passivation film according to Comparative Example 1. In the graph of FIG. 17, the horizontal axis is time and the vertical axis is pressure. In Comparative Example 1, replacing the atmosphere in the reactor before film formation (step S47) involves changing from high pressure to low pressure in a high temperature atmosphere. Therefore, from the viewpoint of suppressing the loss of nitrogen atoms from the nitride semiconductor surface, in order to minimize the time required to reach a low pressure in a high temperature atmosphere, as shown in FIG. 17, after evacuation, the deposition gas has been introduced to adjust the pressure. However, since low-pressure CVD equipment uses a quartz member inside the reactor, and the equipment is large, degassing (residues attached to the inner walls of the reactor, etc.) may be released into the reactor again as the vacuum is drawn. There is also a concern that the interfacial oxygen concentration may increase.

これに対し、第3実施形態においては、成膜前の反応炉内の雰囲気の置換(工程S28)において、比較例1にて行っているような真空引きを行わず、成膜時の圧力まで炉内の圧力を緩やかに変化(減圧)させる。図18は、第3実施形態によって窒化珪素パッシベーション膜3を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。図18のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は圧力である。第3実施形態においては、工程S78の直前の降温工程(工程S77)にて反応炉内の温度が下げられることと相まって、工程S78にてAPC等の装置による制御下で反応炉内の圧力が減圧される。これにより、図18に示されるように、比較例1の雰囲気置換時間と同等な減圧時間に抑えつつ、真空雰囲気による平衡蒸気圧の極端な低下が抑制されるので、窒素原子抜けを低減できる。その結果、表面荒れの低減された窒化物半導体層5(GaN層)表面を維持しつつ、デガスを低減し、酸素濃度増加を低減できる。 On the other hand, in the third embodiment, in replacing the atmosphere in the reactor before film formation (step S28), evacuation is not performed as in Comparative Example 1, and the pressure at the time of film formation is The pressure inside the furnace is gradually changed (depressurized). FIG. 18 is a graph showing the pressure change in the reactor when growing the silicon nitride passivation film 3 according to the third embodiment. In the graph of FIG. 18, the horizontal axis is time and the vertical axis is pressure. In the third embodiment, the temperature inside the reactor is lowered in the temperature lowering step (step S77) immediately before step S78, and the pressure inside the reactor is lowered in step S78 under the control of a device such as an APC. The pressure is reduced. As a result, as shown in FIG. 18, the depressurization time can be kept to the same value as the atmosphere replacement time in Comparative Example 1, and an extreme drop in the equilibrium vapor pressure due to the vacuum atmosphere can be suppressed, so that the loss of nitrogen atoms can be reduced. As a result, while maintaining the surface of the nitride semiconductor layer 5 (GaN layer) with reduced surface roughness, degassing can be reduced and increase in oxygen concentration can be reduced.

表5は、圧力条件を変更して成膜し、それぞれの条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。表5においては、第3実施形態(図18を参照)のように圧力制御を行ったものを真空引き時間0分とし、比較例1(図17を参照)のように圧力制御を行ったものを真空引き時間1分~10分として示している。表5から、真空引き時間5分以内にすることにより界面酸素量を0.6×1015atom/cm以下まで低減できることがわかった。また、表5から、真空引き圧力を5Pa以上に保つことにより界面酸素量を0.6×1015atom/cm以下まで低減できることがわかった。つまり、上述した半導体装置の電気的特性の改善の観点から界面酸素量を0.6×1015atom/cm以下まで低減するためには、真空引き時間5分以内にするか、あるいは真空引き圧力を5Pa以上に保つことが重要である。 Table 5 shows the results of film formation under different pressure conditions and comparison of the amount of interfacial oxygen when the film was formed under each condition. In Table 5, the evacuation time is 0 minutes for the case where the pressure was controlled as in the third embodiment (see FIG. 18), and the case where the pressure was controlled as in Comparative Example 1 (see FIG. 17). is shown as a vacuuming time of 1 minute to 10 minutes. Table 5 shows that the amount of interfacial oxygen can be reduced to 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less by reducing the evacuation time to 5 minutes or less. Moreover, from Table 5, it was found that by maintaining the vacuum pressure at 5 Pa or more, the interfacial oxygen amount could be reduced to 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less. In other words, in order to reduce the amount of interfacial oxygen to 0.6×10 15 atoms/cm 2 or less from the viewpoint of improving the electrical characteristics of the semiconductor device mentioned above, it is necessary to reduce the evacuation time to 5 minutes or less, or to It is important to maintain the pressure at 5 Pa or higher.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態に係る成膜方法によって図1に示される窒化珪素パッシベーション膜3を形成する方法について説明する。図19は、第4実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法を示すフローチャートである。第4実施形態による成膜方法では、工程S2に代えて工程S9を行う点において第1実施形態による成膜方法と相違し、その他の点において第1実施形態による成膜方法と同様である。つまり、第4実施形態においては、工程S1ののち、工程S9を行うことにより、窒化珪素パッシベーション膜3を窒化物半導体層5上に成長する。図20は、窒化珪素パッシベーション膜3を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。
(Fourth embodiment)
Next, a method for forming the silicon nitride passivation film 3 shown in FIG. 1 using the film forming method according to the fourth embodiment will be described. FIG. 19 is a flowchart showing a method for forming a silicon nitride passivation film 3 according to the fourth embodiment. The film forming method according to the fourth embodiment differs from the film forming method according to the first embodiment in that step S9 is performed instead of step S2, and is similar to the film forming method according to the first embodiment in other respects. That is, in the fourth embodiment, silicon nitride passivation film 3 is grown on nitride semiconductor layer 5 by performing step S9 after step S1. FIG. 20 is a diagram showing the temperature inside the reactor and the procedure for supplying gas when growing the silicon nitride passivation film 3.

工程S9では、まず、工程S91,S92を順に行う。なお、工程S91,S92は、工程S2における工程S21,S22とそれぞれ同様である。次に、反応炉内の真空パージとNパージとを繰り返し行い(サイクルパージ)、大気雰囲気をN雰囲気に置換する(工程S93)。最後の真空引き後に、Hを含むガスを反応炉内に充填し、反応炉内の雰囲気を、Hを含む雰囲気に置換する。ここでは、Hを含むガスとして、N+H混合ガスを反応炉内に充填し、反応炉内の雰囲気をN+H雰囲気とする。一実施例では、H分圧(H/(H+N))は、0.005(すなわち、0.5%)以上である。なお、H分圧は、5%以上であってもよい。 In step S9, first, steps S91 and S92 are performed in order. Note that steps S91 and S92 are the same as steps S21 and S22 in step S2, respectively. Next, vacuum purge and N 2 purge in the reactor are repeated (cycle purge) to replace the atmospheric atmosphere with N 2 atmosphere (step S93). After the final evacuation, the reactor is filled with a gas containing H 2 to replace the atmosphere inside the reactor with an atmosphere containing H 2 . Here, a mixed gas of N 2 +H 2 is filled into the reactor as a gas containing H 2 , and the atmosphere inside the reactor is set to be an N 2 +H 2 atmosphere. In one example, the H 2 partial pressure (H 2 /(H 2 +N 2 )) is greater than or equal to 0.005 (ie, 0.5%). Note that the H 2 partial pressure may be 5% or more.

上記のサイクルパージが終了した後、工程S94を行う。工程S94は、工程S2における工程S24と同様である。そして、反応炉内の圧力を第2の圧力に維持しつつ、反応炉内を700℃以上の第3の温度に昇温する(工程S95、昇温工程)。この第3の温度は、成膜温度(つまり、第2の温度)よりも高い温度である。第3の温度は、第2の温度よりも20℃以上高い温度であってもよい。また、第3の温度は、650℃以上であってもよく、また900℃以下であってもよい。一実施例では、第3の温度は800℃である。 After the cycle purge described above is completed, step S94 is performed. Step S94 is similar to step S24 in step S2. Then, while maintaining the pressure inside the reactor at the second pressure, the inside of the reactor is heated to a third temperature of 700° C. or higher (step S95, temperature raising step). This third temperature is higher than the film forming temperature (that is, the second temperature). The third temperature may be 20° C. or more higher than the second temperature. Further, the third temperature may be 650°C or higher or 900°C or lower. In one example, the third temperature is 800°C.

続いて、反応炉内を、第3の温度(ここでは800℃)及び第2の圧力(ここでは3kPa)とした状態に3分間以上保持する(工程S96、クリーニング工程)。一実施例では、保持時間は10分間である。次に、成膜環境の準備を行う(降温工程)。具体的には、次に説明する工程S97,S98を行う。まず、成膜のために反応炉内の温度を第2の温度に降温する(工程S97)。第2の温度は、第3の温度よりも低い温度である。一実施例では、第2の温度は700℃である。反応炉内の温度が第2の温度に安定したのち、反応炉内にNHガスを供給して、反応炉内の雰囲気をN+H雰囲気からNH雰囲気に切り替えるとともに反応炉内の圧力を100Pa以下の第3の圧力に調整する(工程S98)。この第3の圧力は、20Pa以下であってもよく、また10Pa以上であってもよい。一実施例では、第3の圧力は20Paである。 Subsequently, the inside of the reactor is maintained at a third temperature (here, 800° C.) and a second pressure (here, 3 kPa) for 3 minutes or more (step S96, cleaning step). In one example, the hold time is 10 minutes. Next, a film forming environment is prepared (temperature lowering step). Specifically, steps S97 and S98 described below are performed. First, the temperature inside the reactor is lowered to a second temperature for film formation (step S97). The second temperature is lower than the third temperature. In one example, the second temperature is 700°C. After the temperature inside the reactor stabilizes at the second temperature, NH 3 gas is supplied into the reactor to switch the atmosphere inside the reactor from N 2 + H 2 atmosphere to NH 3 atmosphere, and at the same time, the pressure inside the reactor is reduced. is adjusted to a third pressure of 100 Pa or less (step S98). This third pressure may be 20 Pa or less, or may be 10 Pa or more. In one example, the third pressure is 20Pa.

そして、工程S99から工程S101を順に行う。工程S99から工程S101は、工程S2における工程S29から工程S31とそれぞれ同様である。以上の工程により、窒化物半導体層5上に窒化珪素パッシベーション膜3が成膜される。 Then, steps S99 to S101 are performed in order. Steps S99 to S101 are the same as steps S29 to S31 in step S2, respectively. Through the above steps, silicon nitride passivation film 3 is formed on nitride semiconductor layer 5.

以上に説明した、第4実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法によれば、第1実施形態による成膜方法と同様の効果を得ることができる。具体的には、工程S96を行うので、減圧CVD法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。 According to the method of forming the silicon nitride passivation film 3 according to the fourth embodiment described above, the same effects as the film forming method according to the first embodiment can be obtained. Specifically, since step S96 is performed, the amount of oxygen at the interface between the nitride semiconductor and the silicon nitride passivation film can be reduced when forming the silicon nitride passivation film on the nitride semiconductor using the low pressure CVD method. .

表6及び図21は、雰囲気ガスのH分圧と界面酸素量との関係を示す。表6は、工程S94から工程S98におけるH分圧を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量(窒化物半導体層5と窒化珪素パッシベーション膜3との界面の酸素量)を比較した結果を示す。図21は、表6の結果をプロットしたグラフである。図21のグラフにおいて、横軸は雰囲気ガスのH分圧であり、縦軸は界面酸素量である。 Table 6 and FIG. 21 show the relationship between the H 2 partial pressure of the atmospheric gas and the amount of interfacial oxygen. Table 6 compares the amount of interfacial oxygen (the amount of oxygen at the interface between nitride semiconductor layer 5 and silicon nitride passivation film 3) in each case by changing the H 2 partial pressure from step S94 to step S98. The results are shown below. FIG. 21 is a graph plotting the results of Table 6. In the graph of FIG. 21, the horizontal axis is the H 2 partial pressure of the atmospheric gas, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount.

表6の比較結果を得るにあたり、工程S92における温度(すなわち、反応炉内にエピタキシャルウェハ9を導入する際の温度)を400℃とした。また、反応炉内の雰囲気をN+H雰囲気とした。工程S94から工程S95における反応炉内の圧力を3000Paとした。また、工程S96において、反応炉内の温度を800℃、反応炉内の圧力を3000Paとした状態に10分間保持することにより、反応炉内をクリーニングした。また、反応炉内の温度を700℃、反応炉内の圧力を30Paとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜3を成膜した。表6を参照すると、雰囲気ガスのH分圧が0.005(0.5)%以上の場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。また、雰囲気ガスのH分圧が0.05(5%)以上の場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。 In obtaining the comparison results shown in Table 6, the temperature in step S92 (that is, the temperature when introducing the epitaxial wafer 9 into the reactor) was set to 400°C. Further, the atmosphere inside the reactor was set to be N 2 +H 2 atmosphere. The pressure inside the reactor in steps S94 to S95 was set to 3000 Pa. Further, in step S96, the inside of the reactor was cleaned by maintaining the temperature inside the reactor at 800° C. and the pressure inside the reactor at 3000 Pa for 10 minutes. Further, dichlorosilane was supplied into the reactor at a temperature of 700° C. and a pressure of 30 Pa to form the silicon nitride passivation film 3. Referring to Table 6, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is sufficiently reduced when the H 2 partial pressure of the atmospheric gas is 0.005 (0.5)% or more. It is also seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the H 2 partial pressure of the atmospheric gas is 0.05 (5%) or more.

上記表6の比較結果では、雰囲気ガスをH+N雰囲気とすることで、雰囲気ガスをNH雰囲気とした場合と同様に、水素(H)によってエピタキシャルウェハ9の表面の酸化膜に含まれる酸素原子11が還元作用を示して除去されると考えられる。また、この還元作用により、反応炉内に付着している水分及び酸素に含まれる酸素原子11も除去されていると考えられる。特に、反応炉内の圧力が比較的高い場合(例えば、300Pa以上の場合)、水素の発生量が比較的多くなるので、還元作用によって除去される酸素原子11の量も増加する。 In the comparison results shown in Table 6 above, by setting the atmospheric gas to H 2 +N 2 atmosphere, hydrogen (H 2 ) is included in the oxide film on the surface of the epitaxial wafer 9, similar to when the atmospheric gas is NH 3 atmosphere. It is thought that the oxygen atoms 11 that are removed exhibit a reducing action and are removed. It is also believed that this reduction action also removes the oxygen atoms 11 contained in the moisture and oxygen adhering to the interior of the reactor. In particular, when the pressure inside the reactor is relatively high (for example, 300 Pa or more), the amount of hydrogen generated is relatively large, so the amount of oxygen atoms 11 removed by the reduction action also increases.

次に、昇温条件としての反応炉内の圧力を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表7及び図22は、反応炉内の圧力と界面酸素量との関係を示す。表7は、工程S94から工程S98における反応炉内の圧力を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図22は、表7の結果をプロットしたグラフである。図22のグラフにおいて、横軸は反応炉内の圧力であり、縦軸は界面酸素量である。表7及び図22を参照すると、反応炉内の圧力を3000Pa以上とした場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。また、反応炉内の圧力を10000Pa以上とした場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。 Next, the results of forming a film by changing the pressure inside the reactor as a temperature raising condition and comparing the amount of interfacial oxygen in each case will be described. Table 7 and FIG. 22 show the relationship between the pressure inside the reactor and the amount of interfacial oxygen. Table 7 shows the results of forming a film by changing the pressure in the reactor from step S94 to step S98, and comparing the amount of interfacial oxygen in each case. FIG. 22 is a graph plotting the results of Table 7. In the graph of FIG. 22, the horizontal axis is the pressure inside the reactor, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Referring to Table 7 and FIG. 22, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is sufficiently reduced when the pressure inside the reactor is set to 3000 Pa or more. It is also seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the pressure inside the reactor is set to 10,000 Pa or more.

次に、クリーニング条件としてのクリーニング時間を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表8及び図23は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表8は、工程S96におけるクリーニング時間を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図23は、表8の結果をプロットした図である。図23のグラフにおいて、横軸はクリーニング時間であり、縦軸は界面酸素量である。表8及び図23を参照すると、クリーニング時間を2分以上とした場合に界面酸素量がある程度低減されることがわかる。また、クリーニング時間を5分以上とした場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。さらに、クリーニング時間を10分以上とした場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。 Next, the results of forming a film while changing the cleaning time as the cleaning condition and comparing the amount of interfacial oxygen in each case will be described. Table 8 and FIG. 23 show the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount. Table 8 shows the results of forming a film by changing the cleaning time in step S96 and comparing the amount of interfacial oxygen in each case. FIG. 23 is a diagram plotting the results of Table 8. In the graph of FIG. 23, the horizontal axis is the cleaning time, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Referring to Table 8 and FIG. 23, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is reduced to some extent when the cleaning time is set to 2 minutes or more. It is also seen that the amount of interfacial oxygen is sufficiently reduced when the cleaning time is 5 minutes or more. Furthermore, it can be seen that the amount of interfacial oxygen is particularly reduced when the cleaning time is 10 minutes or longer.

次に、雰囲気ガス及びクリーニング温度を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表9及び図24は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表9は、工程S26,S96における雰囲気ガス及びクリーニング温度を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図24は、表9の結果をプロットした図である。図24のグラフにおいて、横軸はクリーニング温度であり、縦軸は界面酸素量である。表9及び図24を参照すると、反応炉内の雰囲気ガスがNHの場合よりもH+Nである場合に、より低いクリーニング温度によって界面酸素量が低減されることがわかる。 Next, the results of forming a film while changing the atmospheric gas and cleaning temperature and comparing the amount of interfacial oxygen in each case will be described. Table 9 and FIG. 24 show the relationship between cleaning time and interfacial oxygen amount. Table 9 shows the results of forming films by changing the atmospheric gas and cleaning temperature in steps S26 and S96, and comparing the amount of interfacial oxygen in each case. FIG. 24 is a diagram plotting the results of Table 9. In the graph of FIG. 24, the horizontal axis is the cleaning temperature, and the vertical axis is the interfacial oxygen amount. Referring to Table 9 and FIG. 24, it can be seen that the lower cleaning temperature reduces the amount of interfacial oxygen when the atmospheric gas in the reactor is H 2 +N 2 than when it is NH 3 .

上述したように、雰囲気ガスをNHとした場合には、熱分解によって水素(H)が発生し、この水素によってエピタキシャルウェハ9の表面の酸化膜に含まれる酸素原子11が還元作用を示して除去されると考えられる。つまり、NHが熱分解してHを発生することにより、界面酸素量が低減されるという効果が得られる。しかし、クリーニング温度が低い場合、これに応じてNHが熱分解した際のHの発生量が小さくなるので、上記の還元作用が小さくなる。これに対し、雰囲気ガスをHを含む雰囲気とした場合には、Hが直接提供されるので、雰囲気ガスをNHとした場合よりも低いクリーニング温度においても雰囲気ガスをNHとした場合と同等のHによる還元作用が得られる。特に、化合物半導体であるGaN層上に成膜する場合、エピタキシャルウェハ9の表面の窒素抜けの観点から、成膜温度が低いことが望ましい。したがって、第4実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法は、窒化物半導体層5がGaN層である場合により適している。また、H+N雰囲気でクリーニング温度が700℃の場合、成膜温度とクリーニング温度とが同じでも、界面酸素量は十分に低減されている。したがって、NHガスのような成膜温度よりも高い温度によるクリーニング工程が必ずしも必要ないことがわかる。 As described above, when the atmospheric gas is NH 3 , hydrogen (H 2 ) is generated by thermal decomposition, and this hydrogen causes the oxygen atoms 11 contained in the oxide film on the surface of the epitaxial wafer 9 to exhibit a reducing action. It is thought that it will be removed. In other words, by thermally decomposing NH 3 to generate H 2 , an effect of reducing the amount of interfacial oxygen can be obtained. However, if the cleaning temperature is low, the amount of H 2 generated when NH 3 is thermally decomposed will be correspondingly small, so the above-mentioned reduction effect will be small. On the other hand, when the atmospheric gas is an atmosphere containing H 2 , H 2 is directly provided, so even when the atmospheric gas is NH 3 , the cleaning temperature is lower than that when the atmospheric gas is NH 3 . A reduction effect by H 2 equivalent to that obtained can be obtained. In particular, when forming a film on a GaN layer which is a compound semiconductor, it is desirable that the film forming temperature be low from the viewpoint of nitrogen removal from the surface of the epitaxial wafer 9. Therefore, the method for forming silicon nitride passivation film 3 according to the fourth embodiment is more suitable when nitride semiconductor layer 5 is a GaN layer. Further, when the cleaning temperature is 700° C. in an H 2 +N 2 atmosphere, the amount of interfacial oxygen is sufficiently reduced even if the film forming temperature and the cleaning temperature are the same. Therefore, it can be seen that a cleaning process using NH 3 gas at a temperature higher than the film forming temperature is not necessarily necessary.

また、第4実施形態による窒化珪素パッシベーション膜3の成膜方法によれば、工程S93から工程S95において、反応炉内の温度が比較的低温である状態から、反応炉内のデガスによる酸化が抑制されるとともに、エピタキシャルウェハ9の表面において酸化還元作用が得られる。したがって、減圧CVD法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量をより低減できる。 Further, according to the method for forming the silicon nitride passivation film 3 according to the fourth embodiment, in steps S93 to S95, oxidation due to degas in the reactor is suppressed from a state where the temperature in the reactor is relatively low. At the same time, an oxidation-reduction effect is obtained on the surface of the epitaxial wafer 9. Therefore, when forming a silicon nitride passivation film on a nitride semiconductor using the low pressure CVD method, the amount of oxygen at the interface between the nitride semiconductor and the silicon nitride passivation film can be further reduced.

本開示による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、第2実施形態では、半導体装置の例としてのHEMTを示したが、本開示による半導体装置の製造方法及び半導体装置は、HEMT以外にも様々な窒化物半導体装置に適用できる。 The method for forming a silicon nitride passivation film, the method for manufacturing a semiconductor device, and the semiconductor device according to the present disclosure are not limited to the embodiments described above, and various other modifications are possible. For example, the embodiments described above may be combined with each other depending on the desired purpose and effect. Further, in the second embodiment, a HEMT is shown as an example of a semiconductor device, but the semiconductor device manufacturing method and semiconductor device according to the present disclosure can be applied to various nitride semiconductor devices other than the HEMT.

(付記)
上述した実施形態から把握されるとおり、本明細書では以下に示す態様の開示を含んでいる。
(Additional note)
As understood from the embodiments described above, this specification includes disclosure of the following aspects.

本開示の一形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体層に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の温度が700℃以上である状態にて、前記反応炉内の圧力を5Pa以上に保って、前記反応炉内の雰囲気の変更、及び前記反応炉内の圧力の変更の少なくとも一方を実施する工程と、前記反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、を含む。 A method for forming a silicon nitride passivation film according to one embodiment of the present disclosure is a method for forming a silicon nitride passivation film in contact with a nitride semiconductor layer, the method comprising: forming a silicon nitride passivation film in a reactor containing a substrate including the nitride semiconductor layer. At least one of changing the atmosphere inside the reactor and changing the pressure inside the reactor is carried out while maintaining the pressure inside the reactor at 5 Pa or more while the temperature inside the reactor is 700° C. or higher. and a step of supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) into the reactor to form the silicon nitride passivation film.

本開示の一形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体層に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の温度が700℃以上である状態にて、前記反応炉内の圧力が5Pa以下になる時間を5分以内として、前記反応炉内の雰囲気の変更、及び前記反応炉内の圧力の変更の少なくとも一方を実施する工程と、前記反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、を含む。 A method for forming a silicon nitride passivation film according to one embodiment of the present disclosure is a method for forming a silicon nitride passivation film in contact with a nitride semiconductor layer, the method comprising: forming a silicon nitride passivation film in a reactor containing a substrate including the nitride semiconductor layer. Changing the atmosphere in the reactor and changing the pressure in the reactor while the temperature in the reactor is 700 ° C. or higher, the time for the pressure in the reactor to become 5 Pa or less is within 5 minutes. and a step of supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) into the reactor to form the silicon nitride passivation film.

1A…HEMT(半導体装置)、3…窒化珪素パッシベーション膜、5…窒化物半導体層、7…基板、9…エピタキシャルウェハ、11…酸素原子、10…基板、12…核形成層、14…電子走行層、16…電子供給層、18…キャップ層、20…積層構造(半導体積層構造、半導体積層部)、22…ソース電極、23…金属、24…ドレイン電極、26…SiN膜、28…ゲート電極、30…絶縁膜、50,51,52…フォトレジスト。

1A...HEMT (semiconductor device), 3...Silicon nitride passivation film, 5...Nitride semiconductor layer, 7...Substrate, 9...Epitaxial wafer, 11...Oxygen atom, 10...Substrate, 12...Nucleation layer, 14...Electron transport layer, 16... electron supply layer, 18... cap layer, 20... stacked structure (semiconductor stacked structure, semiconductor stacked part), 22... source electrode, 23... metal, 24... drain electrode, 26... SiN film, 28... gate electrode , 30... Insulating film, 50, 51, 52... Photoresist.

Claims (11)

窒化物半導体層に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、
前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の雰囲気をNHを含む雰囲気、あるいは、Hを含む雰囲気に置換する工程と、
前記反応炉内の温度を第1の温度に昇温する昇温工程と、
前記反応炉内の温度を前記第1の温度とし、前記反応炉内の雰囲気を前記NHあるいは、前記Hを含む雰囲気とした状態に3分以上保持するクリーニング工程と、
前記反応炉内の温度を前記第1の温度よりも低い第2の温度に降温する降温工程と、
前記反応炉内の圧力を100Pa以下の第1の圧力とした状態で、前記反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、
を含む、窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。
A method for forming a silicon nitride passivation film in contact with a nitride semiconductor layer, the method comprising:
replacing the atmosphere in the reactor containing the substrate containing the nitride semiconductor layer with an atmosphere containing NH 3 or an atmosphere containing H 2 ;
a temperature raising step of raising the temperature in the reactor to a first temperature;
a cleaning step of maintaining the temperature in the reactor at the first temperature and the atmosphere in the reactor in an atmosphere containing the NH 3 or the H 2 for 3 minutes or more;
a temperature lowering step of lowering the temperature in the reactor to a second temperature lower than the first temperature;
supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) into the reactor while the pressure in the reactor is set to a first pressure of 100 Pa or less to form the silicon nitride passivation film;
A method for forming a silicon nitride passivation film, including:
前記クリーニング工程において、前記反応炉内の圧力は前記第1の圧力よりも大きい第2の圧力に保持される、請求項1に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 2. The method for forming a silicon nitride passivation film according to claim 1, wherein in the cleaning step, the pressure in the reactor is maintained at a second pressure that is higher than the first pressure. 前記第2の圧力は300Pa以上である、請求項2に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 3. The method for forming a silicon nitride passivation film according to claim 2, wherein the second pressure is 300 Pa or more. 前記第2の温度は、700℃以上であり、
前記第1の温度は、前記第2の温度よりも少なくとも20℃高い温度である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。
The second temperature is 700°C or higher,
The method for forming a silicon nitride passivation film according to claim 1, wherein the first temperature is at least 20° C. higher than the second temperature.
前記第1の温度は、750℃以上且つ900℃以下である、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 The method for forming a silicon nitride passivation film according to any one of claims 1 to 4, wherein the first temperature is 750°C or higher and 900°C or lower. 前記降温工程において、前記反応炉内の圧力を前記第1の圧力に減圧する、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 The method for forming a silicon nitride passivation film according to any one of claims 1 to 5, wherein in the temperature lowering step, the pressure in the reactor is reduced to the first pressure. 窒化物半導体を主構成材料とする半導体装置の製造方法であって、
前記窒化物半導体層を含む半導体積層構造を前記基板上に成長する工程と、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の方法を用いて、前記半導体積層構造に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、
前記窒化珪素パッシベーション膜に開口を形成し、該開口を介して前記半導体積層構造に接触する電極を形成する工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device whose main constituent material is a nitride semiconductor, the method comprising:
growing a semiconductor stacked structure including the nitride semiconductor layer on the substrate;
forming a silicon nitride passivation film in contact with the semiconductor stacked structure using the method according to any one of claims 1 to 6;
forming an opening in the silicon nitride passivation film and forming an electrode in contact with the semiconductor stacked structure through the opening;
A method for manufacturing a semiconductor device, including:
窒化物半導体層に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、
前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の雰囲気をHを含む雰囲気に置換する工程と、
前記反応炉内の温度を第1の温度に昇温する昇温工程と、
前記反応炉内の温度を前記第1の温度とした状態に保持する工程と、
前記反応炉内の温度を前記第1の温度よりも低い、若しくは同じ、第2の温度に降温する降温工程と、
前記反応炉内の圧力を100Pa以下の第1の圧力とした状態で、前記反応炉内にジクロロシラン(SiHCl)を供給して、前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、
を含む、窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。
A method for forming a silicon nitride passivation film in contact with a nitride semiconductor layer, the method comprising:
replacing the atmosphere in the reactor containing the substrate containing the nitride semiconductor layer with an atmosphere containing H2 ;
a temperature raising step of raising the temperature in the reactor to a first temperature;
maintaining the temperature in the reactor at the first temperature;
a temperature lowering step of lowering the temperature in the reactor to a second temperature that is lower than or the same as the first temperature;
supplying dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) into the reactor while the pressure in the reactor is set to a first pressure of 100 Pa or less to form the silicon nitride passivation film;
A method for forming a silicon nitride passivation film, including:
前記保持する工程において、前記反応炉内のH分圧を0.5%以上とする、請求項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 9. The method for forming a silicon nitride passivation film according to claim 8 , wherein in the holding step, the H 2 partial pressure in the reactor is set to 0.5% or more. 前記保持する工程において、前記反応炉内の圧力を300Pa以上とする、請求項又は請求項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 The method for forming a silicon nitride passivation film according to claim 8 or 9 , wherein in the holding step, the pressure in the reactor is set to 300 Pa or more. 前記保持する工程では、前記反応炉内の温度を前記第1の温度とした状態に2分以上保持する、請求項から請求項10のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。 Forming the silicon nitride passivation film according to any one of claims 8 to 10 , wherein in the holding step, the temperature in the reactor is held at the first temperature for 2 minutes or more. Method.
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