2015 年度後期 成果公開無償利用事業 成果報告書

実験番号：2015PB012

軟 X 線光電子分光による Si 基板上窒化物半導体と絶縁体との界面における電子状態解析
久保俊晴、西野剛介、江川孝志
名古屋工業大学

1. 測定実施日
2015 年 10 月 29 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2015 年 11 月 18 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2015 年 1 月 14 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2015 年 1 月 29 日 10 時 – 18 時 30 分 (2 シフト) ，BL6N1
2. 概要
大口径化が可能な Si 基板上の GaN 系トランジスタは、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、ゲートリーク電流が大きいこと、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、2015 年度前期の実験では、絶縁膜として Al2O3 膜を採用した際の Al2O3/AlGaN 界面の化学状態を軟 X 線光電子分光(soft XPS)により評価した。2015 年度後期の実験では MIS 構造に用いる絶縁膜として HfO2 に着目した(Fig. 1 参照)。
HfO2(バンドギャップ5〜6, 比誘電率20)

Fig.1

HfO2/AlGaN/GaN HEMT の模式図

Fig.2

MIS-HEMT の伝達特性

HfO2 を用いた場合、Al2O3 を用いたデバイスよりも初期閾値電圧シフトが低減するが、Fig.2 に示したように伝達特性にヒステリシスも見られており、デバイス特性の改善のためには、ポストアニール(Post-deposition annealing:PDA)による膜質向上が必要である 1)。
本課題では、前期の実験と同様に PDA が HfO2/AlGaN 界面の化学状態に与える影響を明らかにする。放射光を用いた XPS により、表面から 5 nm 程度の深い場所にある界面の化学状態の評価を行った。
3．背景と研究目的
GaN 系トランジスタとして、現在 AlGaN/GaN 高移動度トランジスタ(High-electron-mobility transistor: HEMT)デバイスが注目され、多くの研究が行われている。そこで本研究では、一般的な光電子分光では得られない、5nm 厚の HfO2 膜と AlGaN 界面の化学状態について、PDA 温度との関係を調べる。HfO2 はバンドギャップが 5〜6 eV、比誘電率が約 20 と共に高く、絶縁膜として有望な材料である 2)。放射光を用いた XPS 測定を行い、埋もれた
HfO2/AlGaN 界面の化学結合状態を調べ、良好なデバイス動作の鍵となる界面の化学状態と PDA 温度との関係を明らかにする。
4．実験内容測定として、ビームライン BL6N1 を用い、Si 基板上の AlGaN/GaN 表面に成膜温度 250 ℃で堆積した膜厚 5 nm の HfO2 膜について、2 keV 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、 HfO2/AlGaN 界面近傍の状態を調べた。PDA 温度は 400, 600 ℃とした。比較のため、PDA 無しの As-depo.の試料についても測定を行った。
5．結果および考察
Ga 2p3/2 および Hf 3d5/2 の XPS スペクトルの PDA 温度依存性をそれぞれFig. 3、Fig. 4 および Fig. 5、Fig. 6 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。また、図中の模式図は
HfO2/AlGaN 界面付近における酸素の移動と PDA との関係を示したものであPDA 600oC

Fig.3 Ga 2p3/2 スペクトルの PDA 温度依存性 (hν= 2keV).

PDA 600oC

Fig.4 Ga 2p3/2 スペクトルの PDA 温度依存性 (hν= 3keV).
る。Ga 原子は AlGaN 層にのみ存在するため、まず Ga 2p3/2 スペクトルに着目すると、As-depo.のピーク位置が hν = 3 keV の場合は 1117.1 eV、hν = 2 keVの場合は 1117.3 eV と 2 keV の場合に若干高エネルギー側にシフトしていることが分かる。これは Al2O3 の場合と同様の結果であり、成膜時に AlGaN 表面は若干酸化していることが考えられる。次に PDA400 ℃の場合では、Fig. 3および Fig. 4 に示したようにピーク位置が As-depo.とほぼ等しいことから、

PDA400 ℃では界面および AlGaN 内部での Ga と O の結合状態はそれほど変化しないことが考えられる。PDA600 ℃の場合では、Fig. 3 の hν = 2 keVの場合にピーク位置が低エネルギー側にシフトしていることから、Ga と O の結合が少なくなったことが考えられる。一方、Fig. 4 の hν = 3 keV の場合にはピーク位置がほとんど変化しないことから、AlGaN 内部では Ga と O の結合はそれ程変化していないことが分かる。
次に、Hf 3d5/2 スペクトルでは、hν = 2 keV の場合は主に HfO2 膜表面の情報を、hν = 3 keV では HfO2/AlGaN 界面まで含めた情報を示していると考えられるが、Fig. 5 に示したように PDA400 ℃において hν = 2 keV でのピーク位置は低エネルギー側へシフトしており、このことは Hf と O の結合が多くなっていることを示している。一方、hν = 3 keV においても Fig. 6 に示したように、ピーク位置が低エネルギー側へシフトしており、これらの結果とGa2p3/2 スペクトルの結果から、酸素は表面および界面から HfO2 膜へ移動していることが考えられる。さらに PDA600 ℃については、Fig.5 および Fig.6より、hν = 3 keV ではあまりピーク位置に変化がないのに対し、hν = 2 keV
ではさらに低エネルギー側へシフトしており、表面からの酸素の取り込みが継続していることが考えられる。以上から、HfO2 では 400 ℃程度から HfO2 表面および HfO2/AlGaN 界面から HfO2 膜中へ酸素の移動が起こっており、
PDA600 ℃でも移動が継続していることが分かった。

PDA 600oC

Fig.5 Hf 3d5/2 スペクトルの PDA 温度依存性 (hν= 2keV).

PDA 600oC

Fig.6 Hf 3d5/2 スペクトルの PDA 温度依存性 (hν= 3keV).

6.今後の課題
今回の実験から、絶縁体として HfO2 を用いた場合、400 ℃程度においてもHfO2 膜は酸素を取り込む性質のあることが分かった。HfO2 はイオン結合性が強いために酸素欠陥が多く生じており、このことが Al2O3 膜と HfO2 膜との相違を生み出していることが考えられる。今後の課題として、Al2O3 膜、HfO2膜単独では、PDA によっても MIS 構造デバイスの特性改善は限定的であるので、Al2O3 膜と HfO2 膜を積層した絶縁膜等を検討する必要がある。
7.参考文献[1] 西野 他:

第 62 回応用物理学会春季学術講演会，12p-A21-6.

[2] C. Mizue, et. al., Jpn. J. Appl. Phys. 50, 021001 (2011).