半導体事業における放射光利用分析技術の活用 -...

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半導体事業における放射光利用分析技術の活用

三菱電機株式会社先端技術総合研究所環境・分析評価技術部材料・デバイス分析グループ本谷宗

第6回次世代先端デバイス研究会／第32回SPring-8先端利用技術ワークショップ2018.11.19（mon） @AP品川京急第2ビル 9F Mルーム


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微細化による性能向上が難しくなっているといわれながらも、新しい構造、材料の採用により発展を続けるＳｉデバイスや、その限界を超えるためのⅣ族、Ⅲ－Ⅴ族化合物半導体デバイス技術の研究は実用化に向け着々と進められており、またフレキシブル、低環境負荷、低コストでユビキタス社会に向け期待される次世代半導体としての有機デバイスの研究もますます盛んとなってきています。これらデバイスの材料、デバイス構造、製造プロセス開発での課題解決のために、SPring-8の高輝度なX線を活かした評価は有用な技術です。今回は、

〇過酷な環境下で動作可能なSiC ＦＥＴの開発〇パワー・高周波デバイスとして開発の進むWBG半導体デバイスの特性向上に向けた分析〇より高温での信頼性が求められるパワーデバイス実装時の接合部の劣化過程の評価〇高い移動度を有する液晶性有機材料をはじめとする有機トランジスタ材料の解析

製品への適用が進む半導体材料、デバイスの実用時の課題に関する研究と放射光利用事例を紹介します。

本研究会趣旨


高電子移動度トランジスタ(HEMT)ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガス(2DEG)をチャネルとしたトランジスタで、高速かつ低ノイズであることを特徴とし、IT社会を支える基盤デバイスとなっている。

AlGaN/GaN HEMTの構造模式図

GaN

SiC sub.

AlGaN

Source DrainGate

2DEG

応用例）衛星放送受信機携帯電話機カーナビゲーション受信機自動車レーダー・・・・・

Ohmic

Schottky

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設計

製品が市場に出るまで開発製造出荷

基礎物性評価微細構造解析・・・・・

市場開拓（営業）

市場

性能向上に向けた課題解決製品の品質保証（性能限界を知る）


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材料のワイドバンドギャップ化利点●絶縁破壊電圧が高い

GaN：3 MV/cm, GaAs 0.4 MV/cm

●高電圧動作が可能⇒ 効率を理論限界に近づけやすい⇒ 増幅率の線形性を確保しやすい（動作帯域幅を広げやすい）

●高温動作が可能⇒ 放熱機構の簡素化⇒低コスト化


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発表概要

①AlGaN/GaN HEMT金属/AlGaN界面のSchottky障壁高さの評価

②AlGaN/GaN HEMTゲートリーク電流に関する表面保護膜依存性評価

③InAlN/GaN HEMTオーミックコンタクト形成に関する表面熱処理温度依存性評価

GaN系HEMTの高品位化の課題解決や検討製造プロセスの妥当性検証を目的とした事例を紹介


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HEMTの構造模式図

Source DrainGate

OhmicSchottky

Contents

①AlGaN/GaN HEMT金属/AlGaN界面のSchottky障壁高さ

②AlGaN/GaN HEMTゲートリーク電流と表面保護膜との関係

③InAlN/GaN HEMTオーミックコンタクト形成に関する評価

①② ③

GaN-HEMT高品質化のための重要な課題✅ ゲートリーク電流低減✅ 電流コラプス（オン抵抗増加）の低減


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Source DrainGate

OhmicSchottky

Contents




①② ③


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SchottkyBarrier height

金属/AlGaN界面のSchottky障壁高さの評価

Ohmic Schottky

ゲートリーク電流は低減すべき重要な課題様々な金属種の仕事関数とSchottky barrier heightとの関係を調査

from wiki


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Experiment & Results

●SiC基板を準備●MOCVD法で(0001)un-doped GaN層を形成●MOCVD法で(0001)n-type AlGaN層を形成

●7×10 mm の小片とし、洗浄●蒸着法を用いて、各小片に 10 nm厚の電極

Pt, Ni, Ti, Osを形成

Experimental detailsBeam Line : BL16XU@SPring-8Photon energy : 7955 eVTemperature : Room Temp.Electron analyzer : SCIENTA R4000Take Off Angle : 85 degreesEnergy calibration : Au 4f7/2

試料作製

GaN（un-doped）

SiC sub.

AlGaN （n-type）

Pt, Ni, Ti, Os


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測定条件の検証Experiment & Results Pt/AlGaNサンプル Ga 2p3/2 スペクトルの測定条件による変化

condition 1 condition 2 condition 3 condition 4

w/o atten. w/ atten. w/o e-gun w/ e-gunposition (eV) 1118 1118 1119 1117height(cps) 51863 24672 41252 42976FWHM(eV) 1.34 1.34 1.44 1.39

sliver paste carbon tape

試料のAgペースト固定で安定したGa 2p3/2スペクトル計測を達成。


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Experiment & ResultsGa 2p3/2 spectra

Ga 2p3/2 と N 1sピークは正比例でシフト⇒ 金属/AlGaN界面の電位変化によるシフトと解釈


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Barrier height

Binding Energy

Ti

Os

NiPt

Experiment & Results

TiOs

NiPt

Tiを基準とした相対的なSchottky Barrier Heightは

仕事関数に対して傾き0.4程度の正の相関であることが確認できた。

仕事関数の大きなPt, Niはゲートリーク電流の低減に有効であることが分かった。


まとめ①HEMT性能向上に必須となるゲートリーク低減に向けて、ゲート電極金属/AlGaN層のSchottky Barrier Height(S.B.H)を調査した。

① 電極/AlGaN層界面から安定した光電子スペクトルを得るために銀ペースト固定が有効であることを確認した。

② 仕事関数の異なる4種の金属（Ti, Ni, Os, Pt）においてGa 2p3/2ピーク位置から推定されたS.B.Hが、仕事関数と正の相関をとることを確認した（傾きは0.4程度）。

③ 金属種の選定でS.B.Hを制御でき、相対的にNiやPtがゲートリーク電流低減に有効であると推定された。

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Source DrainGate

OhmicSchottky

Contents




①② ③


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Passivation film（膜種）による特性変化

[1] S. Arukumaran, T. Egawa, H. Ishikawa, T. Jimbo and Y. Sano, Appl. Phys. Lett. 84, 613 (2004).

Pas.膜の形成条件を変化させ、Pas.膜とゲートリーク電流との相関を調査

先行文献：Pas.膜種によって、オフ耐圧が変化 [1]


Experiment & Results 1■ Pas. film dependence of gate leakage currentFabrication process●Epitaxial layer growth (MOVPE)●Contact ion implantation●Activation annealing (RTA)●Source/Drain electrode formation

(Ohmic contact formation)●Isolation ion implantation●Gate electrode formation

(Schottky contact formation)●Pas. film formation

(sputtering technique)

Fabricated device structure

⇒Passivation film: SiNx①N2-poor SiNx②N2-middle SiNx③N2-rich SiNx

DimensionGate length・・・・・・・・・・・ 1.0 µmGate Width・・・・・・・・・・・ 100.0 µmGate-Source distance・・・ 1.0 µmGate-Drain distance・・・・ 2.0 µm

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■ Pas. film dependence of gate leakage currentGate leakage current characteristics(Vgd-Igd characteristics)

1.0E-11

1.0E-09

1.0E-07

1.0E-05

1.0E-03

0.1 1 10 100

Gat

e leak

age c

urr

ent

[A/m

m]

Reverse gate bias [V]

N2-poor SiN

N2-middle SiN

N2-rich SiN

The effective barrier height at gate electrode edge is affected by pas. film.

Pas. film: SiNx①～③

Leakage current pass at high bias

Experiment & Results 1

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Experiment & Results 2■ Electronic structure of SiNx/AlGaN interfaceHArd X-ray PhotoEmission Spectroscopy (HAXPES)

Photoelectron

Experimental detailsBeam Line :BL16XU@SPring-8Photon energy : 7955 eVTemperature : Room Temp.Electron analyzer : SCIENTA R4000Take Off Angle : 88 degreesEnergy calibration : Au 4f7/2Measurement spectra : Al 1s, Ga 2p (and N1s, Si 2s: not shown)

Schematic image

Hard X-ray

GaN

SiC sub.

AlGaN

Pas. film: SiNx①～③

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Experiment & Results 2■ Electronic structure of SiNx/AlGaN interfacePeak position of core level spectra

1118.5

1118.7

1118.9

1561.4

1561.6

1561.8poor middle rich

N2 flow rate

Binding Energy [eV]Bind

ing

Ener

gy [e

V]

the Al 1s core level

the Ga 2p(3/2) core level

The pas. film affects SiNx/AlGaN interface states.

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1561.4 1561.5 1561.6 1561.7 1561.8

Gat

e le

akag

e c

urr

ent

[A

/m

m]

(@V

g=-100V

)

Binding Energy [eV] (Al 1s)

N2-rich SiN

N2-middle SiN

N2-poor SiN

Gate leakage current vs. Al 1s states

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GaAl


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簡略化されたHEMTのバンド構造模式図

考察ゲート電極/Pas.膜境界部を考慮

ゲート電極端を考慮したHEMTのバンド構造模式図


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まとめ②HEMT性能向上に必須となるゲートリーク低減に向けて、これが、Pas.膜に依存するメカニズムを調査した。

① AlGaN/GaN HEMTデバイスでPas.膜中窒素濃度と高バイアス領域のゲートリーク電流量との相関を明らかにした。

② AlGaN/GaN epi. 基板上でPas.膜中窒素濃度とAl 1s, Ga 2p3/2 の低エネルギー側シフト量との相関を明らかにした。

③ HEMTバンド構造において、ゲート電極/Pas.膜境界を考慮することでPas.膜中窒素濃度と、高バイアス領域におけるゲートリーク電流量の関係を理解することができた。


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Source DrainGate

OhmicSchottky

Contents




①② ③


電子供給層

電子走行層

ソースドレインゲート

2DEG


SiC

GaN

GaAsSi InP

100周波数 (GHz)

1 10

1

10

100

1000

0.1

出力

(W)

InAlN

GaN系HEMT 高出力化に向けて

材料と出力-周波数の関係

電子供給層材料をAlGaN → InAlNとすることでより高出力化可能InAlNの組成比によっては電子走行層GaNとの格子整合も可能（高信頼性化）

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電子供給層（InAlN）電子走行層

ソースドレインゲート

2DEG

接触抵抗変化が確認された箇所

接触抵抗の熱処理温度依存性Temperature［degreeC］

?

電子供給層に印加された熱処理の影響（800℃より高温）で、この上部に形成された電極との接触抵抗（Rc）が大きく変化。

電極形成前熱処理による金属/InAlN間接触抵抗変化

⇒ 現象を理解することで、プロセスの意味、そのマージンを理解したい24


微小角入射X線回折（GIXD†）

† Grazing Incidence X-ray Diffraction‡ 豊川秀訓他第9回シンクロトロン光利用者研究会, 名古屋大学, 2009年2月10日

Experimental detailsBeam Line :BL16XU@SPring-8Photon energy : 8.045 keV(~Cu Ka)Temperature : Room Temp.Detector : Pilatus 100K / NaI detectorEnergy calibration : CeO2 powder

面内回転軸（ωH, φ）

α面内回折角（2θH）

入射波反射波

面内回折波

測定試料

測定①： ωH-2θH scan測定②： φ scan測定試料は、同一基板（InAlN/GaN）から得られた小片で

熱処理温度775, 850, 900, 950℃と、熱処理無を準備

GIXD測定レイアウト

Pilatus 100K‡

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熱処理温度に対応するInAlN(10-10)ピーク位置の変化に、Rc変化との類似性を確認

ωH - 2θH scan

微小角入射X線回折（GIXD†）測定結果φ scan

InAlN(10-10)回折面の秩序は変化しない。26


27

775℃850℃

900℃

950℃

コンタクト抵抗とInAlN(10-10)面間隔との相関

900℃以下の熱処理条件において、InAlN （10-10）面間隔の変化とコンタクト抵抗変化には相関があるように見える。

※ベガード則を仮定した推定でもInの濃化は小さい。※950℃熱処理の特異性が理解できない。


面内回転軸（ωH, φ）

α面内回折角（2θH）

入射波反射波

面内回折波

測定試料

検出面GIXD測定配置

面内回折信号を詳細に評価Inplanediff. Spot

+ 2θH

+ 2θ

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Inplanediff. Spot

+ 2θH

+ 2θ REF 775℃ 850℃ 900℃ 950℃

Pilatus 100Kによる面内回折波まわりの散乱信号の検出

InAlN（10-10）回折点の+2θ方向に拡がる散乱信号を捉えた。

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散乱プロファイルの抽出

熱処理：775℃ではほとんど変化なし。熱処理：850℃では、1桁弱の抵抗値低下熱処理：900℃では、2桁程度の抵抗値低下

熱処理温度上昇に伴って熱処理無し試料の散乱振幅プロファイルとの乖離が増大

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まとめ③HEMT性能向上に向けて実施した材料変更に起因して発現した事象について半導体エピタキシャル層表面の結晶構造に注目した解析を実施した。

〇熱処理温度の上昇に伴った面内回折ピークの変化は微量であったがPilatus100Kを用いることで、より変化量の大きな散乱信号をとらえることができた。

〇上記散乱信号から、コンタクト抵抗が最小化する熱処理温度を採用するリスクを一定程度見積もることができた。

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最後に

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GaN系HEMTの高性能化を対象とした放射光利用分析事例を紹介

●GaN-HEMTの課題であるゲートリーク電流低減に向けた分析を慎重に実施し、信頼性の高い知見を得ることができた。

●他方、もう一つの重要な課題、電流コラプス現象の解明に向けて先般、東北大等のグループからプレスリリースのあったオペランド顕微X線光電子分光法による動作環境下にあるトランジスタの解析は、上記解析に極めて有効な手法と考えられる。

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