実験番号：2016G1010
実験番号：2015PB012

2016 年度 大学院生のための成果公開無償利用事業 成果報告書

軟 X 線光電子分光による窒化物半導体上に多層成膜した絶縁膜と半導体界面における電子状態解析
有馬幸記 1、久保俊晴 1、座間秀昭 2、小林忠正 2、江川孝志 1
名古屋工業大学 1、アルバック 2

1. 測定実施日
2016 年 11 月 9 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2016 年 11 月 16 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2016 年 11 月 17 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2016 年 11 月 30 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2. 概要
Si 基板上の GaN 系トランジスタは、Si 基板の大口径化により低コストで量産することが可能なため、次世代半導体パワーデバイスとして期待されている。
この GaN-on-Si トランジスタでは、ゲートリーク電流の低減、ノーマリオフ（ゲート電圧が 0 V 時にソース・ドレイン間に電流が流れない）化が実用化に向けた大きな課題である。これらの課題を克服するためには、ゲート電極部分に絶縁膜を挟んだ金属/絶縁体/半導体(MIS)構造を用いることが有効であり、
我 々 は こ れ ま で 、 絶 縁 膜 と し て Al2O3 膜 を 採 用 し て Al2O3/AlGaN/GaN
MIS-HEMT (HEMT: High-electron-mobility transistor)を作製し、その電気特性を調べると共に Al2O3/AlGaN 界面の化学状態を軟 X 線光電子分光(softSiO2/Al2O3⊿Vth (V)3210-10Fig.1

SiO2/Al2O3/AlGaN/GaN MIS-HEMT246810 12 14 16 18 20

Al2O3 の膜厚 (nm)Fig.2 MIS-HEMT における⊿Vth とAl2O3 の膜厚との関係

XPS)により評価してきた[1, 2]。2016 年度の実験では、MIS 構造に用いる絶縁膜として SiO2/Al2O3 2 層膜に着目した(Fig. 1 参照)。 2 層膜を用い、Al2O3膜の膜厚を薄くすることにより、Fig. 2 に示すように MIS-HEMT の閾値電圧シフト⊿Vth を低減することができる。しかしながら、2 層膜にした場合の⊿Vth の低減の機構については不明な点が多いことから、本研究では、SiO2/Al2O3界面近傍における化学状態を SiO2 の膜厚に対して評価した。

3．背景と研究目的
GaN 系トランジスタとして、現在 AlGaN/GaN HEMT デバイスが注目され、特に MIS 構造について精力的に研究が行われている。本研究では、MIS 構造に使用する SiO2/Al2O3 2 層絶縁膜について、SiO2 成膜が Al2O3 膜に及ぼす影響を評価するため、一般的な光電子分光では得られない、3nm および 5nm 厚の SiO2 膜と Al2O3 の界面近傍の化学状態について評価を行う。放射光を用いた XPS 測定を行い、埋もれた SiO2/Al2O3 界面の化学状態を調べ、良好なデバイス動作の鍵となる 2 層絶縁膜界面近傍の化学状態を明らかにする。
4．実験内容測定用試料として、Si 基板上の AlGaN/GaN 表面にまず成膜温度 300℃で原子層堆積により Al2O3 を 20 nm 成膜し、その後、プラズマ CVD により成膜温度を 350℃として SiO2 を 3nm および 5nm 成膜した。SiO2 の膜厚制御は成膜時間を測定することにより行った。作製した試料について、2keV および3keV の X 線エネルギーにより XPS スペクトルを取得し、 SiO2/Al2O3 界面近傍の化学状態を調べた。比較のため、SiO2 を成膜しない試料についても測定を行った。
5．結果および考察
Al 1s の XPS スペクトルの SiO2 膜厚依存性をそれぞれ Fig. 3、Fig. 4 に示す。XPS スペクトルの補正は C 1s スペクトルのピーク位置を 285 eV として行った。X 線エネルギーが 2 keV の場合の結果である Fig. 3 から、ピーク位

Intensity (arb. unit)

Al1S
1sAl
hν = 2keV

SiO2: 5nm
5nm
SiO2: 3nm
3nm
SiO2: 0nm
0nm

1561.1eV

1561.5eV

1565

1564

1563

1562

1561

1560

1559

1558

Binding energy (eV)Fig.3 Al 1s スペクトルの SiO2 膜厚依存性 (hν= 2keV).

Intensity (arb. unit)

Al11SsAlhν = 3keV

SiO2: 5nm
5nm
SiO2: 3nm
3nm
SiO2: 0nm
0nm

1561.1eV

1561.5eV

1565

15641563

1562

156115601559

1558

Binding energy (eV)Fig.4 Al 1s スペクトルの SiO2 膜厚依存性 (hν= 3keV).
は SiO2 を 3nm 成膜することにより、1561.1 eV から 1561.5 eV へ高束縛エネルギー側へシフトしていることが分かる。このことから、SiO2 を成膜することにより、Al2O3 表面は酸化が進行していることが示唆される。また、その後、
SiO2 を 5nm 成膜した場合には、ピーク位置の変化は見られなかったことから、
Al2O3 の酸化は SiO2 成膜の初期段階に生じていることが分かった。また、X線エネルギーが 3 keV の場合の結果である Fig. 4 から、SiO2 を 3nm 成膜した場合には、表面からより深い箇所までの化学状態を測定しているため、ピーク位置が 1561.5 eV まではシフトしていないことが分かる。さらに、SiO2 を5 nm 成膜した場合には、SiO2/Al2O3 界面近傍の化学状態を反映して Fig. 3 と同様のピーク位置を示していることが分かる。以上の測定深さと X 線エネルギーの関係を Fig. 5 に示した。以上の結果から、プラズマ CVD による SiO2成膜は Al2O3 表面を酸化させていることが分かり、これは、原子層堆積(ALD:
Atomic layer deposition)で成膜した Al2O3 中の水酸基や炭素等の不純物がSiO2 成膜の際に脱離し、その結果、Al と O の結び付きが強まった結果であると考えられる。

光電子の脱出深さの模式図
2keV

3keV

Al2O3 20nm

2keV

3keV

2keV

3keV

SiO2 3nm

SiO2 5nm

Al2O3 20nm

Al2O3 20nm

Fig.5 Al 1s 内核準位からの光電子の脱出深さの模式図

6.今後の課題
今回の実験から、絶縁膜として SiO2/Al2O3 2 層膜を用いた場合、SiO2 を成膜することにより、Al2O3 の酸化が進行していることが分かった。この現象はSiO2 の成膜条件に依存すると考えられることから、今後の課題として、SiO2をより大きな出力で成膜した場合の化学状態の変化等を評価する必要がある。
7.参考文献[1] T. Kubo, et. al., Semicond. Sci. Technol. 29, 045004 (2014).
[2] 久保 他:

第 76 回応用物理学会秋季学術講演会，15a-4C-12.