SiCN膜の特性

SiCN膜の特性についてまとめ、GaN HEMTのパッシベーションおよびゲート絶縁膜として使えるかどうか考える。

SiデバイスにおけるSiCN膜

SiCN膜はSiデバイスにおいては、low-k膜として、Cu配線の間の層間絶縁膜に使用されている。Cu配線は並行にならんだ平板とみなすことができ、電気的なキャパシタが形成され、静電容量は配線の間隔に反比例し,絶縁膜の誘電率に比例する。特に信号伝搬に係わるスイッチングでは,この静電結合への充放電現象が伝搬遅延(∝RC)や電力消費(∝CV2)に大きく影響してしまう。そこで、静電容量を下げるために低い誘電率をもつ(Low-κ)材料が層間絶縁膜に使われている。
誘電率を下げるためには単位堆積中の原子数密度を下げるのが効果的で、ポーラス導入といった形で空孔を設けることも行われている。

上記とは別に誘電率は高めとなるが,H2OのパッシベーションやCuの拡散防止を目的とする膜を堆積することも必要である。これらの膜には、密度が高いこと、拡散を増速するイオン化を避けられることが求められる。このためには膜中の酸素を下げるのが効果的である。古くはシリコン窒化膜(SiN),最近ではSiCHやSiCNといった組成の膜が堆積されている。

GaN HEMTへのパッシベーション

SiCN膜をGaN HEMTのパッシベーション膜に使うことで特性を改善したと、Y. J. Choiらによる報告がある[2]。

彼らは,AlGaN/GaN のキャップ層に SiCNを使用し、ドレイン電流の向上と、低周波ノイズの低減を実現したと報告している。表面のパッシベーションにより、ゲートリーク電流、低界面トラップ密度(Dit)、高オン/オフ比が実現されていると述べている。

Ditを低く抑えられている要因の一つとして、AlGaN/GaN成長後、そのままMOCVD炉内でSiCNを成膜していることがあげられる。
通常、AlGaN/GaN成長後に大気中にエピを暴露すると表面の汚染や酸化が起こり、表面の欠陥が増加する。一方、MOCVD炉内ですなわちin situで製膜することで表面の汚染や酸化の影響を受けないため、正常な絶縁膜/半導体界面を得ることができる。

SiCNの成膜に使用する原料だが、ジターシャリーブチルシラン(DTBSi)とカーボンテトラブロミド(CBr4)とNH3である。成長温度は1100℃とGaNバッファ層よりも高温で、成長レートは7nm/hourである。

SiCN膜のイオン化

絶縁膜中への金属拡散を促す要因として、絶縁膜のイオン化があると参考文献[1]に述べられている。
SiO2やSiNと比べてSiCNはイオン化しやすいのだろうか?イオン化しづらければGaN MOSFETのゲート絶縁膜として利用できる可能性が出てくるのではないだろうか。low-kであることがそもそもゲート絶縁膜として不利だが、絶縁膜中の電荷によるクーロン散乱を受けなくなり、移動度が向上するのではないだろうか。

 

参考文献

[1] 次世代ナノエレクトロニクスにおける絶縁超薄膜技術と膜・界面の物性科学
第5編 絶縁成膜とエッチング 第5章 層間絶縁膜の成膜とエッチングhttp://www.plasma.engg.nagoya-u.ac.jp/ishikawa/index.php/ABOUT?Book04

[2] Choi, Y.-J.; Lee, J.-H.; Choi, J.-S.; An, S.-J.; Hwang, Y.-M.; Roh, J.-S.; Im, K.-S. “Improved Noise and Device Performances of AlGaN/GaN HEMTs with In Situ Silicon Carbon Nitride (SiCN) Cap Layer.” Crystals 2021, 11, 489. https://doi.org/
10.3390/cryst11050489

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はじめまして!”あおやぎ”と言います。
メーカーで研究開発の仕事をしています。このブログでは、私の専門分野である半導体やそれに関連する内容を紹介していきます。
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