GaN MOS電界効果トランジスタのプロセス依存性に関する研究ohnolab.deca.jp/wp-content/lab_data/pdf_a/2011_Y_Sogawa_slide.pdf · gan mosfetの課題と研究目的

Ohno Laboratory@UTee

1

GaN MOS電界効果トランジスタのプロセス依存性に関する研究

物性デバイス講座大野研究室

祖川雄司


2

研究背景

パワーデバイス高電圧、大電流

省エネルギー技術

高効率パワーデバイス

高出力、高周波デバイスとしての応用が期待ワイドバンドギャップ・高破壊耐圧・高電子飽和速度

GaN（窒化ガリウム）

ワイドバンドギャップ半導体

を用いたパワーデバイス


3

GaN MOSFETの必要性

• HFETノーマリーオン、ゲートリーク

• MIS HFETAlGaNの耐圧がSiO2に比べて低い

MISHFETの耐圧がAlGaNで決まる

• MOS FETノーマリーオフ

低ゲートリーク

高耐圧

GaN系デバイス

GaNAlGaN

GateS D

GaNAlGaNInsulaterS DGate

S D

GaNAlGaN

S DOxideGate


4

GaN MOSFETの現状

絶縁膜SiO2・・・ gm =6mS/mm μFE=45cm2/V・s

絶縁膜HfO2・・・ gm =23mS/mm μFE=70-90cm2/V・sK.Matocha et al.,IEEE Trans.Electron Devices,52,(2005)6

S.Sugiura et al. Electron Lett.43,(2007)952

絶縁膜SiN/SiO2 ・・・ gm =6.9mS/mm μFE=133cm2/V・s （縦型構造）H.Otake et al. Japanese Journal of Applied Physics.Vol 46,(2007)25

GaN MOSFETの現状

絶縁膜シラン SiO2（100nm）・・・ gm =8.6mS/mm μFE=137cm2/V・s

大野研のGaN MOSFETの現状(2009年度)

課題

キャリア移動度が低い界面準位密度


5

GaN MOSFETの課題と研究目的

GaN MOSFETのプロセスによる特性の違いを評価

• 絶縁膜アニールによる特性の違い

• 表面処理による特性の違い

• チャネルのエッチング条件による特性の違い

キャリア移動度が低い（2010年度：137ｃｍ2/Ｖ・ｓ）

→SiO2/GaN界面の汚染やGaN表面のダメージ

課題と原因

移動度の向上、プロセスの改善

研究目的


6

GaN MOSFETの構造

• AlGaN層にオーミック電極

良好な接触抵抗

• チャネルはGaN層を用いる

AlGaN

Sapphire

u-GaN

Ti/Al/Ti/Au Ti/Al/Ti/AuNi/Au

SiO2

AlGaN

Sapphire

u-GaN

25nm

3μm

500μm

エピ構造


7

ドライエッチング

AlGaN

Sapphire

u-GaN

AlGaN

Sapphire

u-GaN

マーク(400nm)

ICP/Bias=50/200W,Gas:SiCl4 4sccm

ICPエッチング条件

アイソレーション（150nm）

step1ICP/Bias=50/100W

Gas:SiCl4 4sccmstep2

ICP/Bias=50/50WGas:Cl2 4sccm

ICPエッチング条件

AlGaN

Sapphire

u-GaNICP/Bias=50/20W,Gas:SiCl4 4sccm

ICPエッチング条件ゲートエッチング(40nm)


8

ゲートエッチング条件

• GATE MESAゲートエッチングのみ

段差40nm

• ISOアイソレーションエッチングのみ

段差150nm

• ISO+GATE MESAアイソレーションとゲートエッチング

段差150nm+40nm

AlGaN

Sapphire

u-GaN

AlGaN

Sapphire

u-GaN

AlGaN

Sapphire

u-GaN


9

絶縁膜堆積前表面処理

AlGaN

Sapphire

u-GaN

硝酸：フッ酸=1:1 1min 100℃硝フッ酸処理

RFPower:50WHeater:400℃

Gas:N2 460sccmTime:5min

窒素プラズマ処理ICP/Bias=50/0WPressure:0.3PaGas:Cl2 4sccm

Time:15min

塩素プラズマ処理


10

絶縁膜

AlGaN

Sapphire

u-GaN

AlGaN

Sapphire

u-GaN

RF=50WHeater:400℃

Gas:SiH4 13sccmN2O 460sccm

Time:3.83min(100nm)

絶縁膜成膜条件

ウェットエッチング絶縁膜アニール条件

絶縁膜アニールなし

N2 1000℃ 10minN2 1100℃ 10minO2 600℃ 10minO2 850℃ 10min

N2 1000℃ 10min+O2 850℃ 10min


11

電極形成

AlGaN

Sapphire

u-GaN

スパッタ条件Ti/Al/Ti/Au

=50/200/40/40nm

アニール条件RTA

N2雰囲気850℃

Time:1min

スパッタ条件

Ni/Au=70/30nm

オーミック金属堆積↓

リフトオフ↓

オーミックアニール

AlGaN

Sapphire

u-GaN ゲート金属堆積


12

測定パターン

Lg

Wg

長チャネルリング MOSFET 短チャネルリング MOSFET

Lg=94μm

実効Wg=819μm

Lg=10μm

実効Wg=590μm

アイソレーション部分を回ってくる電流がない


13

長チャネルリング MOSFET特性

0

5

10

15

20

25

30

35

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage(V)

Capacit

ance(p

F)

GATE MESA

ISO

0

100

200

300

400

500

600

700

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(

μA

)

GATE MESA

ISO

N2 1000℃ 硝フッ酸処理

ID-VG特性 C-V特性

Lg=94μm

実効Wg=819μm

エッチング条件で電流値に６倍以上の差


14

移動度比較

0

50

100

150

200

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage[V]

Dri

ft M

obilit

y[c

m2/V

s]

μFE

μeff

0

500

1000

1500

2000

2500

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage[V]

Dri

ft M

obilit

y[c

m2/V

s]

μFE

μeff

GATE MESA ISO

同エピHFETの電界効果移動度：1460cm2/Vs

しきい値電圧付近で高い電界効果移動度

同エピHFETよりも高い移動度


15

移動度チャネル長依存性

GATE MESA：ゲート長が短いほど移動度低下

すべてのパターン：10nm以下で移動度低下

0

100

200

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40 50

Mask Gate Length(μm)

Dri

ft M

obilit

y(c

m2/V

s)

GATE MESA

ISO

GATE MESA+ISO

エッチングのエッジが影響している可能性


16

エッチング状態

GATE MESA：山形にエッチング→AlGaNが残っている可能性

GATE MESA ISO

28.3nm135.6nm

エッジは深くエッチング

絶縁膜アニール、絶縁膜堆積前処理依存性は

ISOエッチングの長チャネルリング FETで比較

エッチング条件依存性は短チャネルFETで比較


17

MOSFET特性の絶縁膜アニール依存性


18

MOSFET(ISO) C-V特性

• しきい値電圧のシフト→界面特性の変化

酸化膜厚106nm(AFM) 比誘電率4.06

0

5

10

15

20

25

30

35

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage(V)

Capacit

ance(p

F)


N2 1000℃

N2 1100℃

O2 600℃

O2 850℃

N2+O2 アニール

Lg=94μm

実効Wg=819μm


19

1.0E-12

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

-20 -10 0 10 20Gate Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(

A)


N2 1000℃

N2 1100℃

O2 600℃

O2 850℃

N2+O2 アニール

MOSFET(ISO) Id-Vg特性

Slope(V/dec) Qss(個/eVcm2)

1.11 3.75×1012

0.266 7.38×1011

1.25 4.25×1012

0.784 2.59×1012

0.46 1.43×1012

0.273 7.63×1011

N2 1100℃で界面準位密度が悪化

界面準位密度

最小：N2 1000℃ 7.38×1011個/eVcm2

最大：N2 1000℃ 4.25×1012個/eVcm2Lg=94μm

実効Wg=819μm


20

0

20

40

60

80

100

120

140

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage[V]

Dri

ft M

obilit

y[c

m2/V

s] 絶縁膜アニールなし

N2 1000℃

N2 1100℃

O2 600℃

O2 850℃

N2＋O2 アニール

MOSFET(ISO)実効移動度

N2雰囲気中でのアニールによって移動度が高くなった

最大実効移動度

104cm2/Vs

121cm2/Vs

126cm2/Vs

95cm2/Vs

100cm2/Vs

129cm2/Vs

N2アニール

)( TgeffDeff VVCWV

LI−

=δ

μLg=94μm

実効Wg=819μm


21

まとめ

立ち上がり電圧(V)

Qss(個/eVcm2)

最大実効移動度(cm2/Vs)

絶縁膜アニールなし -12.3 3.75×1012 104

N2 1000℃ -6.6 7.38×1011 121

N2 1000℃ -2.5 4.25×1012 126

O2 600℃ -13.8 2.59×1012 95

O2 850℃ -2.7 1.43×1012 100

N2＋O2 アニール -7.4 7.63×1011 129


22

MOSFET特性の絶縁膜堆積前表面処理依存性


23

MOSFET(ISO) C-V特性

Cl2,N2処理：しきい値の大幅なシフト

0

5

10

15

20

25

30

35

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage(V)

Capacit

ance(p

F) 硝フッ酸処理


窒素プラズマ処理

絶縁膜アニールN2 1000℃ 10min

Lg=94μm

実効Wg=819μm


24

1.0E-12

1.0E-11

1.0E-10

1.0E-09

1.0E-08

1.0E-07

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

-20 -10 0 10 20Gate Voltage(V)

Dra

in C

urr

ent(

A)

硝フッ酸処理



MOSFET(ISO) Id-Vg特性

Slope(V/dec) Qss(個/eVcm2)

0.266 7.38×1011

0.364 1.09×1012

0.680 2.22×1012

表面処理によって界面準位密度が増加

界面準位密度最小：硝フッ酸処理

7.38×1011個/eVcm2

最大：窒素プラズマ処理2.22×1012個/eVcm2Lg=94μm

実効Wg=819μm


25

MOSFET(ISO) 実効移動度

窒素プラズマ処理では移動度の大幅な低下が見られる

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-20 -10 0 10 20

Gate Voltage[V]

Dri

ft M

obilit

y[c

m2/V

s]

硝フッ酸処理




121cm2/Vs

134cm2/Vs

65cm2/Vs

Lg=94μm

実効Wg=819μm


26

まとめ

立ち上がり電圧(V)

Qss(個/eVcm2)

最大実効移動度(cm2/Vs)

硝フッ酸処理 -6.6 7.38×1011 121塩素プラズマ処理 3.9 1.09×1012 134

窒素プラズマ 9.7 2.22×1012 65


27

MOSFET特性のエッチング条件依存性


28

移動度エッチング条件依存性

N2 1000℃ 10min アニール

0

50

100

150

200

-20 -10 0 10 20Gate Voltage[V]

Dri

ft M

obilit

y[c

m2/V

s]

GATE MESA

GATE MESA + ISO

ISO


181cm2/Vs

129cm2/Vs

94cm2/Vs

GATE MESA条件で高い実効移動度

Lg=10μm

実効Wg=590μm


29

本研究のまとめ

• 絶縁膜アニールによる特性の違い

N2によるアニールで移動度が向上

• 絶縁膜堆積前表面処理による特性の違い

窒素プラズマ処理では界面準位密度、移動度の低下

• チャネル層エッチングによる特性の違い

エッチング条件で移動度の変化を確認した

N2 1000℃ MOSFET(GATE MESA)：181cm2/Vsエッチング条件次第でさらなる移動度の改善の可能性

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