特許 6011620 トランジスタの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6011620

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】トランジスタの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20161006BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20161006BHJP

   H01L 29/80 20060101ALI20161006BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20161006BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 301B

   H01L29/80 Z

   H01L21/316 X

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-524720(P2014-524720)

(86)(22)【出願日】2013年6月25日

(86)【国際出願番号】JP2013067319

(87)【国際公開番号】WO2014010405

(87)【国際公開日】20140116

【審査請求日】2014年12月15日

(31)【優先権主張番号】特願2012-157583(P2012-157583)

(32)【優先日】2012年7月13日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100079577

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 全啓

(72)【発明者】

【氏名】荒木 聖人

(72)【発明者】

【氏名】橋本 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】高尾 将和

【審査官】 小堺 行彦

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００４７７９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２８８９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０１５３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０８８０６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２６７９２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３４３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７１４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５２６４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体層を準備する工程と、
前記半導体層上に、第１の反応物質および第２の反応物質を用いた第１の原子層堆積法により、第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のゲート絶縁膜上に、第１の反応物質および第２の反応物質を用いた第２の原子層堆積法により、第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第２のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体層上に前記ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程を備え、
前記第２の原子層堆積法に用いた前記第２の反応物質が、前記第１の原子層堆積法に用いた前記第２の反応物質よりも反応性が高く、
前記第２のゲート絶縁膜は、前記第１のゲート絶縁膜に比べて不純物の濃度が小さく、
前記第１の反応物質がトリメチルアルミニウムであり、
前記第１の原子層堆積法に用いた第２の反応物質がオゾンであり、
前記第２の原子層堆積法に用いた第２の反応物質が酸素プラズマであることを特徴とするトランジスタの製造方法。

【請求項2】

前記不純物が水素原子および炭素原子の少なくとも一方であり、
前記第１のゲート絶縁膜および前記第２のゲート絶縁膜が酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載されたトランジスタの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ゲート絶縁膜を備えたトランジスタおよびトランジスタの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、例えば特許文献１（特開２０１０−９８１４１号）に開示されるようなトランジスタが、電子回路における信号増幅器として用いられている。

【0003】

図４に、従来のトランジスタの一例を示す。なお、図４は従来のトランジスタ２００の断面図である。

【0004】

図４に示すトランジスタ２００は、基板１０１上に、ＧａＮ層１０２ａおよびＡｌＧａＮ層１０２ｂからなる半導体層１０２を備えている。

【0005】

半導体層１０２上には、ソース電極１０５およびドレイン電極１０６が形成されている。

【0006】

ソース電極１０５およびドレイン電極１０６上には、接続用電極１１２が形成されている。

【0007】

半導体層１０２上の一部には、ゲート絶縁膜１０７が形成されている。

【0008】

ゲート絶縁膜１０７上の一部には、ゲート電極１０８が形成されている。

【0009】

ゲート絶縁膜１０７上の一部には、保護膜１０９が形成されている。

【0010】

ゲート電極１０８、保護膜１０９、接続用電極１１２上には、ポリイミド樹脂等からなる表面保護樹脂１１５が形成されている。

【0011】

上述した従来のトランジスタ２００において、酸化アルミニウム等からなるゲート絶縁膜１０７は、段差被膜性、膜厚均一性、膜厚制御性に優れた原子層堆積（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成されることが一般的である。

【0012】

以下に、原子層堆積法によるゲート絶縁膜１０７の形成方法の一例について説明する。

【0013】

まず、第１の反応物質であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、Tri Methyl Aluminum、化学式：Ａｌ（ＣＨ₃）₃）を半導体層１０２上へ供給することにより、ＴＭＡを半導体層１０２の表面に吸着させる。次に、吸着せずに残ったＴＭＡを排除する。次に、第２の反応物質であるＯ₃を半導体層１０２上へ供給することにより、半導体層１０２に吸着したＴＭＡと反応させる。次に、反応せずに残ったＯ₃を排除することで、１原子層の酸化アルミニウムを形成する。この一連のサイクルを繰り返すことによって、複数原子層の酸化アルミニウムからなる所望のゲート絶縁膜１０７を形成する。

【0014】

しかしながら、Ｏ₃は反応性が高くないため、Ｏ₃がＴＭＡと充分に反応せず、酸化アルミニウム中にＨ原子やＣ原子等の不純物が残ってしまう場合があった。その結果、酸化アルミニウム膜の密度が小さくなり、ゲート絶縁膜１０７の絶縁破壊電圧が小さくなってしまうことがあった。

【0015】

そこで、ゲート絶縁膜１０７の絶縁破壊電圧を向上させるために、上記の原子層堆積法における第２の反応物質として、Ｏ₃の代わりに、Ｏ₂プラズマを供給する方法があった。

【0016】

あるいは、ゲート絶縁膜１０７の絶縁破壊電圧を向上させるための方法として、特許文献２（特開２００９−１５２６４０号）に示されているように、上記の原子層堆積法における第２の反応物質として、Ｏ₃を供給した後、適宜、Ｏ₂プラズマを照射する方法があった。

【0017】

Ｏ₂プラズマはＯ₃に比べてＴＭＡとの反応性が高い。そのため、酸化アルミニウム膜中にＨ原子やＣ原子等の不純物が残りにくくなり、酸化アルミニウム膜の密度が大きくなる。

【0018】

図５は、上述した従来の方法で形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧（ＭＶ／ｃｍ）の一例を示している。図５中の（Ａ）は、第２の反応物質としてＯ₃を用いて形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示している。また、図５中の（Ｂ）は、第２の反応物質としてＯ₂プラズマを用いて形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示している。ゲート絶縁膜の膜厚はいずれも、３０ｎｍである。図５から分かるように、原子層堆積法における第２の反応物質としてＯ₂プラズマを用いることによって、Ｏ₃を用いる場合に比べてゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が向上している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0019】

【特許文献1】特開２０１０−９８１４１号

【特許文献2】特開２００９−１５２６４０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

しかしながら、上述したＯ₂プラズマを用いてゲート絶縁膜１０７を形成した場合、Ｏ₂プラズマの反応性が高いため、半導体層１０２が損傷を受けやすい。このため、損傷を受けた半導体層１０２中の電子濃度が減少し、トランジスタ２００のドレイン・ソース電極間を流れる電流が減少してしまうという問題があった。

【0021】

本発明の目的は、ドレイン・ソース電極間を流れる電流の低下を抑制しつつ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が高いトランジスタおよび、その製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0023】

上記目的を達成するため、本発明にかかるトランジスタの製造方法は、半導体層を準備する工程と、半導体層上に、第１の反応物質および第２の反応物質を用いた第１の原子層堆積法により、第１のゲート絶縁膜を形成する工程と、第１のゲート絶縁膜上に、第１の反応物質および第２の反応物質を用いた第２の原子層堆積法により、第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、第２のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、半導体層上に、ゲート電極を挟んでソース電極およびドレイン電極を形成する工程を備え、第２の原子層堆積法に用いた第２の反応物質が、第１の原子層堆積法に用いた第２の反応物質よりも反応性が高く、第２のゲート絶縁膜は、第１のゲート絶縁膜に比べて不純物の濃度が小さく、第１の反応物質がトリメチルアルミニウムであり、第１の原子層堆積法に用いた第２の反応物質がオゾンであり、第２の原子層堆積法に用いた第２の反応物質が酸素プラズマであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、ドレイン・ソース電極間を流れる電流の低下を抑制しつつ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧が高いトランジスタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１（Ａ）〜（Ｅ）は、本発明の実施形態にかかるトランジスタ１００の製造方法において適用する各工程を示す断面図である。

【図2】図２（Ｆ）〜（Ｉ）は、図１の続きであり、本発明の実施形態にかかるトランジスタ１００の製造方法において適用する各工程を示す断面図である。なお、図２（Ｉ）は完成したトランジスタ１００の断面図でもある。

【図3】図３は、本発明の方法で形成したゲート絶縁膜と、従来の方法で形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を比較したグラフである。

【図4】図４は、従来のトランジスタ２００の断面図である。

【図5】図５は、従来の方法で形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下において、図面とともに、本発明を実施するための形態の一例について説明する。

【0027】

図２（Ｉ）に、本発明の実施形態にかかるトランジスタ１００の断面図を示す。

【0028】

トランジスタ１００は、窒化ガリウム、シリコン、炭化ケイ素等からなる基板１上に、窒化ガリウム層２ａおよび窒化アルミニウムガリウム層２ｂからなる半導体層２を備えている。

【0029】

半導体層２上には、チタンやアルミニウム等を含む材料からなるソース電極５およびドレイン電極６が形成されている。

【0030】

ソース電極５およびドレイン電極６上には、金等を含む材料からなる接続用電極１２が形成されている。

【0031】

半導体層２上の一部には、酸化アルミニウム等からなる第１のゲート絶縁膜７ａが形成されている。第１のゲート絶縁膜７ａは、不純物として水素原子および炭素原子の少なくとも一方を含んでいる。

【0032】

第１のゲート絶縁膜７ａ上には、酸化アルミニウム等からなる第２のゲート絶縁膜７ｂが形成されている。第２のゲート絶縁膜７ｂは、第１のゲート絶縁膜７ａと同様に、不純物として水素原子および炭素原子の少なくとも一方を含んでおり、その濃度は第１のゲート絶縁膜７ａよりも小さくなっている。この不純物濃度の小さいゲート絶縁膜７ｂをゲート絶縁膜７中に備えることによって、トランジスタ１００におけるゲート絶縁膜７の絶縁破壊電圧が高くなっている。

【0033】

ここで、第１のゲート絶縁膜７ａは、第１の反応物質としてＴＭＡ、第２の反応物質としてオゾンを用いた原子層堆積法により形成されている。第１のゲート絶縁膜７ａにおいては、原子層堆積法に反応性の低いオゾンを用いているため、オゾンの照射による半導体層２の損傷はほとんどない。

【0034】

一方、第２のゲート絶縁膜７ｂは、第１のゲート絶縁膜７ａとは異なり、第１の反応物質としてＴＭＡ、第２の反応物質として酸素プラズマを用いた原子層堆積法により形成されている。第２のゲート絶縁膜７ｂは、第１のゲート絶縁膜７ａ上に形成されるため、反応性の高い酸素プラズマを用いても、酸素プラズマの照射による半導体層２への損傷を少なくすることができる。すなわち、本発明によれば、第１のゲート絶縁膜７ａおよび第２のゲート絶縁膜７ｂの形成の際に、半導体層２への損傷を少なくし、半導体層２中の電子濃度の減少を抑制することができる。したがって、電子濃度の減少に伴うドレイン・ソース電極間を流れる電流の低下を抑制することができる。

【0035】

本発明の実施形態にかかるトランジスタ１００は、上述したゲート絶縁膜７を備えることにより、ドレイン・ソース電極間を流れる電流の低下を抑制しつつ、ゲート絶縁膜７の絶縁破壊電圧を高くすることができる。

【0036】

第２のゲート絶縁膜７ｂ上の一部には、金やニッケル等を含む材料からなるゲート電極８が形成されている。

【0037】

第２のゲート絶縁膜７ｂ上の一部には、窒化ケイ素等からなる保護膜９が形成されている。

【0038】

保護膜９および接続用電極１２上には、ポリイミド樹脂等の表面保護樹脂１５が形成されている。

【0039】

次に、上述した構成からなる、本発明の実施形態にかかるトランジスタ１００の製造方法の一例を説明する。

【0040】

図１（Ａ）〜図２（Ｉ）はそれぞれ、本実施形態にかかるトランジスタ１００の製造法において適用する各工程を示す断面図である。なお、図１（Ｃ）〜図２（Ｉ）においては、図１（Ｂ）におけるＡ領域を拡大して示している。

【0041】

まず、図１（Ａ）に示すように、窒化ガリウム、シリコン、炭化ケイ素等からなる基板１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、窒化ガリウム層２ａを形成する。続いて、窒化ガリウム層２ａ上に、ＭＯＣＶＤ法により、窒化アルミニウムガリウム層２ｂを形成し、半導体層２を完成させる。

【0042】

次に、図１（Ｂ）に示すように、ドライエッチング等により、半導体層２の一部に必要な深さの溝３を形成し、半導体層２をＡの領域ごとに電気的に分離する。

【0043】

必要であれば、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、半導体層２の一部を除去し、トランジスタ１００にノーマリオフ化等の機能を持たせるためのゲートリセス（図示せず）を形成する。

【0044】

次に、図１（Ｃ）に示すように、半導体層２上にフォトリソグラフィと真空蒸着法により、チタン、アルミニウム等を含む材料からなるソース電極５およびドレイン電極６を形成する。その後、必要であれば、熱処理により、ソース電極５およびドレイン電極６のそれぞれと半導体層２の接触面をオーミック接触にする。

【0045】

次に、図１（Ｄ）に示すように、以下に示すステップ１〜４よりなる第１の原子層堆積法により、半導体層２およびソース電極５およびドレイン電極６上に、酸化アルミニウムからなる第１のゲート絶縁膜７ａを形成する。

【0046】

まず、ステップ１では、基板１が収容された処理室内に、第１の反応物質であるＴＭＡを供給する。この時、１原子層分のＴＭＡが半導体層２およびソース電極５およびドレイン電極６上に吸着する。

【0047】

ステップ２では、吸着せずに残ったＴＭＡを処理室内からドライポンプ等で排除する。また、窒素ガス等の不活性ガスを処理室内に一定時間供給する。

【0048】

ステップ３では、オゾンを処理室内に導入する。この時、ステップ１において吸着したＴＭＡとオゾンとが反応をして、１原子層の酸化アルミニウムが形成される。

【0049】

ステップ４では、処理室内からオゾンをドライポンプ等で排除する。また、窒素ガス等の不活性ガスを処理室内に一定時間供給する。

【0050】

ステップ１から４を所定の回数にわたって繰り返すことにより、所定の膜厚の酸化アルミニウムからなる第１のゲート絶縁膜７ａが形成される。

【0051】

次に、図１（Ｅ）に示すように、以下に示すステップ１から４よりなる第２の原子層堆積法により、酸化アルミニウムからなる第２のゲート絶縁膜７ｂを、第１のゲート絶縁膜７ａ上に形成する。

【0052】

まず、ステップ１では、上記の第１の原子層堆積法と同様に、第１の反応物質であるＴＭＡを処理室内に供給する。この時、第１のゲート絶縁膜７ａ上に、ＴＭＡが堆積する。

【0053】

ステップ２では、吸着せずに残ったＴＭＡを処理室内からドライポンプ等で排除する。また、窒素ガス等の不活性ガスを処理室内に一定時間供給する。

【0054】

ステップ３では、酸素ガスを処理室内に導入し、処理室内に設けられた電極間に高周波電力を印加することにより、酸素ガスをプラズマ励起する。プラズマ励起された酸素ガス（酸素プラズマ）は、第１のゲート絶縁膜７ａ上に堆積されたＴＭＡと反応する。

【0055】

ステップ４として、処理室から酸素ガスをドライポンプ等で排除し、電極間への高周波電力の印加を停止する。また、窒素ガス等の不活性ガスを一定時間処理室内に流す。

【0056】

ステップ１から４を所定の回数にわたって繰り返すことにより、所定の膜厚の第２のゲート絶縁膜７ｂが第１のゲート絶縁膜７ａ上に形成される。

【0057】

酸素プラズマはオゾンに比べて反応性が高いため、酸化アルミニウムからなる第２のゲート絶縁膜７ｂの水素原子や炭素原子等の不純物濃度は、第１のゲート絶縁膜７ａに比べて小さくなる。つまり、トランジスタ１００の第１のゲート絶縁膜７ａおよび第２のゲート絶縁膜７ｂに含まれる不純物の濃度は、第１のゲート絶縁膜７ａの半導体層２側の表面から第２のゲート絶縁膜７ｂのゲート電極８側の上面にかけて減少することになる。この結果、上記のように、ゲート絶縁膜７中に不純物濃度の小さい第２のゲート絶縁膜７ｂを形成することができるため、トランジスタ１００におけるゲート絶縁膜７の絶縁破壊電圧が高くなる。

【0058】

なお、本実施形態の製造方法では、第１のゲート絶縁膜７ａを形成した後に酸素プラズマを用いて第２のゲート絶縁膜７ｂを形成しているので、酸素プラズマが第１のゲート絶縁膜７ａに遮られて半導体層２まで到達しにくい。したがって、半導体層２は、酸素プラズマの照射によって損傷しにくい。

【0059】

次に、図２（Ｆ）に示すように、フォトリソグラフィと真空蒸着法により、第２のゲート絶縁膜７ｂ上に、金やニッケル等を含む材料からなるゲート電極８を形成する。

【0060】

次に、図２（Ｇ）に示すように、ＣＶＤ法により、ソース電極５およびドレイン電極６間に窒化ケイ素等からなる保護膜９を形成する。続いて、ゲート電極８上の保護膜９と、ソース電極５およびドレイン電極６上の第１のゲート絶縁膜７ａおよび第２のゲート絶縁膜７ｂおよび保護膜９を、フォトリソグラフィとドライエッチングにより除去することで開口１０を形成し、ゲート電極８の一部、およびソース電極５の一部、およびドレイン電極６の一部を露出させる。

【0061】

次に、図２（Ｈ）に示すように、ソース電極５およびドレイン電極６の抵抗を低減させるために、フォトリソグラフィと真空蒸着法により金やアルミニウム等を含む材料からなる接続用電極１２、１２を形成する。

【0062】

最後に、図２（Ｉ）に示すように、保護膜９および接続用電極１２上に、接続用電極１２，１２の一部を露出させて、ポリイミド樹脂等の表面保護樹脂１５を形成し、トランジスタ１００を完成させる。

【0063】

以上のように、本発明においては、ゲート絶縁膜７を第１のゲート絶縁膜７ａおよび第２のゲート絶縁膜７ｂで形成することにより、半導体層２への損傷を抑制しつつ、ゲート絶縁膜７中に不純物濃度が小さい層を形成することができる。その結果、トランジスタ１００のドレイン・ソース電極間を流れる電流の低下を抑制しつつ、ゲート絶縁膜７の絶縁破壊電圧を向上させることができる。

【0064】

図３は、本発明の方法で形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧と、従来の方法で形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を比較したグラフである。図３中の（Ａ）は、第１の反応物質としてＴＭＡを、第２の反応物質としてオゾンを用いた従来の原子層堆積法により形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示している。図３中の（Ｂ）は、第１の反応物質としてＴＭＡを、第２の反応物質として酸素プラズマを用いた従来の原子層堆積法により形成したゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示している。図３中の（Ｃ）は、本実施形態で示した方法により形成した、第１のゲート絶縁膜および第２のゲート絶縁膜からなるゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧を示している。

【0065】

図３中の（Ａ）〜（Ｃ）におけるゲート絶縁膜の膜厚はそれぞれ、同一の３０ｎｍである。図３中の（Ｃ）における第１のゲート絶縁膜および第２のゲート絶縁膜の膜厚はそれぞれ１５ｎｍである。

【0066】

図３から分かるように、図３中の（Ｃ）のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧は、図３中の（Ａ）のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧に比べて高く、図３中の（Ｂ）のゲート絶縁膜の絶縁破壊電圧と比べても遜色がない。

【0067】

なお、本発明にかかるトランジスタおよび、その製造方法は本実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

【0068】

例えば、本実施形態では、半導体層２として窒化ガリウム層２ａや窒化アルミニウムガリウム層２ｂを用いているが、砒化ガリウム層や砒化アルミニウムガリウム層等であっても良い。また、第１の原子層堆積法において、第２の反応物質としてオゾンを用いているが、水蒸気等を用いても良い。また、第２の原子層堆積法において、第２の反応物質として酸素プラズマを用いているが、プラズマ励起した二酸化炭素、水蒸気等を用いても良い。また、第１のゲート絶縁膜７ａ、第２のゲート絶縁膜７ｂの材料として、酸化アルミニウムを用いているが、酸化ケイ素、酸化ハフニウム等の酸化物や、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の窒化物等の絶縁物材料を用いても良い。また、窒化物材料の形成には、第１の原子層堆積法における第２の反応物質に窒素やアンモニア等を用い、第２の原子層堆積法における第２の反応物質にプラズマ励起した窒素やアンモニア等を用いてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１ 基板
２ 半導体層
２ａ 窒化ガリウム層
２ｂ 窒化アルミニウムガリウム層
３ 溝
５ ソース電極
６ ドレイン電極
７ ゲート絶縁膜
７ａ 第１のゲート絶縁膜
７ｂ 第２のゲート絶縁膜
８ ゲート電極
９ 保護膜
１０ 開口
１２ 接続用電極
１５ 表面保護樹脂
１００ トランジスタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】