JP2005347527A - Ｍｉｓ型化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲート絶縁膜における遅いトラップを低減し、より高性能で信頼度の高いＭＩＳ型半導体装置を提供する。
【解決手段】ＩｎＰ系の化合物半導体からなる半導体層エピタキシャル層（半導体層）１０２を備えた基板１０１の上に、ＥＣＲスパッタ法により、ＩＩＩ族元素の窒化物であるＡｌＮ膜（ゲート絶縁膜）１０３を形成することで、ＭＩＳ型化合物半導体装置を製造し、水素ガスを含むガス雰囲気１１１において、形成したゲート絶縁膜１０３を加熱処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属／絶縁膜／化合物半導体（ＭＩＳ）構造を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法に関する。

現在、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）としては、金属ゲート電極（Ｍｅｔａｌ）と半導体（Semiconductor）を接触させたＭＥＳＦＥＴが、実用化されている。このＭＥＳＦＥＴは、ショットキー接合で生ずる半導体側の空乏層を利用し、ゲート電極と半導体中に誘起するチャンネルとの電気的絶縁を得ている。

しかしながら、ショットキー接合で得られる電気的バリヤが低いため、上記ＭＥＳＦＥＴでは、ゲート電極と半導体間で大きなリーク電流（ゲートリーク）が生じていた。このため、耐圧の低下、相互コンダクタンス（ｇｍ）の低下、ドレインコンダクタンスの増加、オンオフ電流比の低下など、従来のＭＥＳＦＥＴでは様々な障害が発生していた。これらの障害は、化合物半導体による大規模集積回路（ＬＳＩ）の実現を阻害するものでもあった。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた電界効果トランジスタを実現する場合、ゲート電極と半導体の間に絶縁膜を設けたＭＩＳ型構造が理想的である。
最近、化合物半導体によるＭＩＳデバイスを実現するため、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板に絶縁膜を堆積してＭＩＳダイオードを作製する試みが行われている。例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＮ絶縁層／ゲート電極、あるいは、ＧａＡｓ／ＩｎＰ／ＡｌＮ絶縁層／ゲート電極の構成を有するＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、ＧａＡｓチャンネル層／Ａｓ過剰ＧａＡｓ絶縁層／ゲート電極の構成を持つＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献２参照）。
また、ＧａＮチャンネル層／ＡｌＮ／ゲート電極の構成を有するＭＩＳ型半導体装置とその製造方法が提案されている（特許文献３参照）。
また、ＧａＡｓ／ＡｌＮ／ゲート絶縁膜、あるいは、ＩｎＰ／ＡｌＮ／ゲート絶縁膜の構成を有する半導体装置も提案されている（特許文献４参照）。

上述したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたＭＩＳ型半導体装置に関する技術では、主としてＧａＡｓやＧａＮなどの高温のプロセス温度に耐える材料の上にゲート絶縁膜を堆積していた。この理由は、ゲート絶縁膜を低温で形成し、また低温で熱処理したのでは、使用に耐える良好な界面特性が得られていないためである。

一方、ＩｎＰ基板上に低温でＡｌＮ膜を形成し、ＭＩＳ特性を評価した報告もなされている（非特許文献１参照）。
また、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓチャンネル層をエピタキシャル成長させ、このチャンネル層の上にＡｌを蒸着してアルミニウム膜を形成し、９０分間のウェット酸化によってアルミニウム膜を絶縁膜とし、ＨＥＭＴ（高移動度トランジスタ）構造を作製して特性を評価した結果が報告されている（非特許文献２参照）。

また、ＩｎＰ基板上に薄いＳｉの界面制御層を堆積し、この表面を窒化した後、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法によってＳｉ₃Ｎ₄膜を形成し、この上にゲート電極を形成してＣ−Ｖ特性を評価した実験が報告されている（非特許文献３参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平８−１５３８６７号公報 特開平９−２２９９８号公報 特開平１０−２２３９０１号公報 特開平５−６７７４１号公報 H.Hayashi,I.Hatanaka,S.Sato,and H.Ikoma,Jpn.J.Appl.Phys.,Part 1,Vol.36,No.7A,4235(1997). 中村、奈須野、太田、飯山、高宮、「Ａｌ酸化層を絶縁層とするＩｎＰ系ＭＩＳＨＥＭＴの試作・評価」、第４９回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、第３分冊、１４０１頁、講演番号：２８ａ−ＹＫ−７． Z.Fu,H.Takahashi,S.Kasai,andH.Hasegawa,Jpn.J.Appl.Phys.,Part 1,Vol.41,No.2B,1062(2002).

しかしながら、現在提案されている技術により作製したＭＩＳダイオードにおいては、Ｃ−Ｖ特性において、大きな周波数分散特性のあることが判明した。これは、ＡｌＮ／ｌｎＰ界面付近に遅いトラップが多量に存在することを意味する。遅いトラップは、ＭＩＳ型トランジスタの動作において、雑音の発生源になり、また、閾値を変化させて信頼性を低下させる原因になる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ゲート絶縁膜における遅いトラップを低減し、より高性能で信頼度の高いＭＩＳ型半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた基板の上にＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程を備えたＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法であって、水素ガスを含むガス雰囲気中でゲート絶縁膜を加熱処理するようにしたものである。
水素雰囲気中における加熱処理で、半導体層とゲート絶縁膜との界面の近傍における欠陥が、水素で終端された状態となる。
上記ＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、ガス雰囲気は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気であってもよい。

また、ＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、ＩＩＩ族元素の窒化物は、ＡｌＮ及びＢＮの少なくとも１つであればよく、また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、２つのＩＩＩ族化合物を含むものであってもよく、また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＰ及びＧａＮの少なくとも１つであればよい。
上記ＭＩＳ型半導体装置の製造方法において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＩｎＰである場合、加熱処理の温度は、２００〜３００℃の範囲で行う方がよい。

以上説明したように、本発明によれば、水素ガス中の加熱処理により、半導体層とゲート絶縁膜との界面の近傍における欠陥を、水素で終端された状態とするようにしたので、ゲート絶縁膜における遅いトラップを低減し、より高性能で信頼度の高いＭＩＳ型半導体装置が提供できるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法を説明する工程図である。ここでは、ＭＩＳダイオードを例にして説明する。まず、図１（ａ）に示すように、面方位が（１００）で５×１０¹⁸ｃｍ^-3のキャリヤ濃度（ドーパント：イオウ）を有するｎ⁺形ＩｎＰからなる基板１０１に、ノンドープＩｎＰからなる膜厚３〜４μｍのエピタキシャル層（半導体層）１０２を形成する。エピタキシャル層１０２の抵抗率は、１〜１０Ωｃｍである。

次に、図１（ｂ）に示すように、ＥＣＲスパッタ法によりＡｌＮ（窒化アルミニウム）を堆積することで、エピタキシャル層１０２の上に、ＡｌＮからなる膜厚約３ｎｍのゲート絶縁膜１０３を形成する。ＥＣＲスパッタによるＡｌＮ膜の形成は、図２に示すＥＣＲスパッタ装置を用い、ターゲットにはＡｌ（アルミニウム）ターゲットを用い、また、Ａｒ（アルゴン）のガス流量２０（ｍｌ／ｍｉｎ），Ｎ₂のガス流量８（ｍｌ／ｍｉｎ）とし、また、マイクロ波及びＲＦ電力は、５００Ｗとすればよい。また、ＡｌＮ膜の形成では、基板の加熱は行わない。

ここで、図２に示すＥＣＲスパッタ装置について説明すると、まず、チャンバー２０１とこれに連通するプラズマ生成室２０２とを備えている。チャンバー２０１は、図示していない真空排気装置に連通し、真空排気装置によりプラズマ生成室２０２とともに内部が真空排気される。

チャンバー２０１には、膜形成対象の基板１０１が固定される試料台２０４が設けられている。試料台２０４は、図示しない回転機構により所望の角度に傾斜し、かつ回転可能とされている。試料台２０４を傾斜して回転させることで、堆積させる材料による膜の面内均一性と段差被覆性とを向上させることが可能となる。
また、チャンバー２０１内の、プラズマ生成室２０２からのプラズマが導入される開口領域において、開口領域を取り巻くようにリング状のターゲット２０５が備えられている。

ターゲット２０５は、絶縁体からなる容器２０５ａ内に載置され、内側の面がチャンバー２０１内に露出している。また、ターゲット２０５には、マッチングユニット２２１を介して高周波電源２２２が接続され、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波が印加可能とされている。ターゲット２０５が導電性材料の場合、直流を印加するようにしても良い。なお、ターゲット２０５は、上面から見た状態で、円形状だけでなく、多角形状態であっても良い。

プラズマ生成室２０２は、真空導波管２０６に連通し、真空導波管２０６は、石英窓２０７を介して導波管２０８に接続されている。導波管２０８は、図示していないマイクロ波発生部に連通している。また、プラズマ生成室２０２の周囲及びプラズマ生成室２０２の上部には、磁気コイル（磁場形成手段）２１０が備えられている。これら、マイクロ波発生部、導波管２０８，石英窓２０７，真空導波管２０６により、マイクロ波供給手段が構成されている。なお、導波管２０８の途中に、モード変換器を設けるようにする構成もある。

図２のＥＣＲスパッタ装置の動作例について説明すると、まず、チャンバー２０１及びプラズマ生成室２０２内を真空排気した後、不活性ガス導入部２１１より不活性ガスであるアルゴンガスを導入し、また、反応性ガス導入部２１２より窒素（Ｎ₂）ガスを導入し、プラズマ生成室２０２内を例えば１０^-5〜１０^-4Ｐａ程度の圧力にする。この状態で、磁気コイル２１０よりプラズマ生成室２０２内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管２０８，石英窓２０７を介してプラズマ生成室２０２内に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを発生させる。

ＥＣＲプラズマは、磁気コイル２１０からの発散磁場により、試料台２０４の方向にプラズマ流を形成する。生成されたＥＣＲプラズマのうち、電子は磁気コイル２１０で形成される発散磁場によりターゲット２０５の中を貫通して基板１０１の側に引き出され、基板１０１の表面、すなわちエピタキシャル層１０２の表面に照射される。このとき同時に、ＥＣＲプラズマ中のプラスイオンが、電子による負電荷を中和するように、すなわち、電界を弱めるように基板１０１側に引き出され、エピタキシャル層１０２の表面に照射される。このように各粒子が照射される間に、プラスイオンの一部は電子と結合して中性粒子となる。

なお、図２の薄膜形成装置では、図示していないマイクロ波発生部より供給されたマイクロ波電力を、導波管２０８においていったん分岐し、プラズマ生成室２０２上部の真空導波管２０６に、プラズマ生成室２０２の側方から石英窓２０７を介して結合させている。このようにすることで、石英窓２０７に対するターゲット２０５からの飛散粒子の付着が、防げるようになり、ランニングタイムを大幅に改善できるようになる。

以上のことによりプラズマを生成している状態で、プラズマ生成室２０２と試料台２０４との間に設けたリング状のターゲット２０５に、高周波電源２２２より高周波電圧を印加することで、ターゲット２０５の表面にプラズマを引き寄せてスパッタリングを行う。スパッタリングにより、ターゲット２０５の表面よりターゲット材料の粒子が飛び出し、プラズマ生成室２０２より放出されたプラズマとともに基板１０１の上に到達する。また、このとき、上記粒子とともに、プラズマにより活性化された窒素も基板１０１の上に到達する。この結果、基板１０１のエピタキシャル層１０２の上に、ターゲット材料（Ａｌ）の窒化膜（ＡｌＮ）が形成されることになる。

加えて、基板１０１の上には、発散磁界で引き出されたプラズマが照射されるので、照射されたプラズマのプラズマアシスト効果により、基板１０１の上に形成された膜はより強固で高品質なものとなる。また、ＥＣＲスパッタ装置では、他のスパッタ法と比較して低いガス圧でプラズマを生成してスパッタリングをし、また、ターゲットと基板とを対向させていない。このため、ＥＣＲスパッタ法による膜の形成では、基板に対して作用する高エネルギー粒子を著しく少なくできるため、形成した膜の欠陥を顕著に少ない状態とすることが可能となる。

これらＥＣＲスパッタによる膜の形成の特徴については、例えば、「Semiconductor FPD World」１０月号、平成１３年、株式会社プレスジャーナル発行、５７〜６１頁を参照されたい。この文献には、ＥＣＲスパッタ装置を用いてシリコン基板の上に酸化物ゲートを堆積したときの、ＭＯＳ界面特性が報告されている。

以上に説明したように、図２のＥＣＲスパッタ装置を用いて形成したＡｌＮ膜は、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像においては、膜厚よりも寸法の小さな格子縞が部分的に見られたが、反射高エネルギー電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像はハローであり、ほぼアモルファスであると考えられる。

次に、ステンシルマスクを用いた真空蒸着法により、Ａｌを選択的に堆積し、図１（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１０３の上にＡｌ電極パターン１０４が形成された状態とする。また、基板１０１の裏面に、スパッタ法によりＴｉ（チタン）を堆積し、さらに、Ａｕ（金）を真空蒸着して電極膜１０５を形成することで、ＡｌＮ膜をゲート絶縁膜としたＭＩＳダイオードが得られる。

次に、図１（ｄ）に示すように、水素ガスを含むガス雰囲気１１１において、形成したＡｌＮからなるゲート絶縁膜１０３を加熱処理する。この水素雰囲気中における加熱処理（水素処理）は、図３に示す処理装置により行えばよい。図３に示す処理装置は、ゴールドイメージ炉と呼ばれる装置であり、石英管３０１の中に設置されたホルダー３０２に処理対象物となる基板３０３を載置し、石英管３０１の内部に水素ガス３０４を満たして石英管３０１の周囲に配置したヒーターユニット３０５のヒーター３０６によって基板３０３を所定の温度に加熱する装置である。

ヒーター３０６は、例えば赤外線ランプヒーターであり、この外側に金メッキされ水冷された熱反射板を備えてヒータユニット３０５が構成されている。
石英管３０１の内部は、ロータリーポンプ（図示せず）によって真空排気し、基板３０３を装填した後、内部の空気を排気してから水素を含むガスを供給し、大気圧でフローさせる。フローさせるガスは、水素のみでもよく、また、窒素ガス中に水素ガスを混合させた、いわゆる、フォーミングガスであっても良い。

石英管３０１の内部に水素ガスをフローさせて熱処理を始める前に、ポンプによる排気と、ガスのフローとを交互に繰り返す、いわゆるサイクルパージを行うことによって、石英管３０１の内部から、残留している空気や水分をより完全に排出することができる。空気や水分の残留がより少ない方が、良い結果が得られる。
上述した装置を用い、また上述した処理手順により、例えば、水素処理として、１気圧、１００％の水素ガス雰囲気中で、基板を２００℃に加熱する。また、この水素処理は、３０分間行う。なお、水素処理は、Ａｌ電極パターン１０４を形成する前に行ってもよい。

以下、図４，図５，図６によって、上述した水素処理の効果を説明する。なお、以降では、図１〜図３により説明した上述の水素処理をしたＭＩＳダイオードについて、「水素処理を行った試料」としている。また、図１（ｃ）まで作製したＭＩＳダイオードについて「水素処理をしていない試料」としている。言い換えると、以降では、図１（ｃ）まで作製したＭＩＳダイオードを、試料としている。

図４は、水素処理をしていない試料のＣ−Ｖ特性の周波数分散を示している。１ＭＨｚの測定では、バイアス電圧によって生ずる反転，空乏，蓄積の各領域で、ある程度の良好な特性が認められるが、１０ｋＨｚでの測定では、反転と空乏の領域の容量が小さくならず、異常な特性を示している。１００ｋＨｚでは、１ＭＨｚと１ｋＨｚの中間の特性になる。１０ｋＨｚの測定で、負バイアス側の容量が小さくならない理由は、半導体（エピタキシャル層１０２）の界面側で、少数キャリヤの生成が測定周波数に追随してしまうからである。少数キャリヤが高速に生成する原因として一般に欠陥の存在が考えられている。

図５は、水素処理を行った試料に対するＣ−Ｖ特性の周波数分散である。１０ｋＨｚの測定においても負バイアス側で容量が小さくなり、少数キャリヤの生成速度が追随しなくなったことを示している。
絶縁膜／半導体界面が高品質になるほど少数キャリヤの生成が遅くなるため、一般的に、空乏〜蓄積領域のＣ−Ｖカーブ（特性）は、高周波でのＣ−Ｖカーブ（特性）に一致するようになる。図５においては、各々のＣ−Ｖカーブはまだ離れているが、図４の特性に比べると、格段の改善であることがわかる。

ところで、図５に示す特性が、水素の存在によって得られたのか、単に熱処理の効果によって得られたのかの区別が必要である。これを検証するために、上記と同じ試料を１００％窒素ガス雰囲気中で２００℃、３０分間の熱処理を行い、Ｃ−Ｖ特性の周波数分散を取得した。図６は、窒素ガス雰囲気の加熱処理を行った結果を示す特性図である。改善効果は認められるが、水素処理ほど顕著ではないことがわかる。このことから、ＡｌＮ／ｌｎＰの系においては、水素処理が有効であることが確認できる。

水素処理の温度に対する欠陥の除去効果は、２００〜３００℃の間でほとんど変わらない。１００％窒素ガス雰囲気中で３００℃、３０分間の熱処理を行い、Ｃ−Ｖ特性の周波数分散を取得したところ、２００℃、３０分間の熱処理の場合とほぼ同じ結果になった。４００℃での熱処理では、明らかに特性が劣化した。これは、ＩｎＰが熱ストレスに耐えられなかったことを示しており、予想された現象である。

ＡｌＮ／ｌｎＰを二次イオン質量分析（ＳｉＭＳ）分析したところ、１０²¹〜１０²²ｃｍ^-3の多量の酸素が、ＡｌＮ／ｌｎＰ界面に存在することが判明した。これは、ＡｌＮの堆積前にＩｎＰからなる半導体層の表面に、自然酸化膜が成長していたためである。この酸素は、ＩｎＰのバンドギャップ中に準位をつくり、欠陥の原因となるものと考えられる。この欠陥は水素処理では除去できないものと考えられるので、上記の欠陥除去の効果に対する水素処理温度の依存性については、この酸素による欠陥量のオフセットのため、差が出ていない可能性が高い。逆に考えると、２００〜３００℃での水素処理でも、図５に示される改善効果よりも実際にはより大きな改善効果のある可能性もある。

ＡｌＮ／ｌｎＰの系において、水素処理が有効である理由は、ＳｉＯ₂／Ｓｉの系でこれまで論じられている理由と類似しているものと考えられる。Ｓｉは、ｓｐ³混成軌道を持ち、４配位構造（４つの結合手）をとるため、ダイヤモンド型格子を形成する。ｓｐ³分子軌道は、結合軌道と反結合軌道を形成し、これらの軌道は隣の軌道との重なりによって縮退が解け（エネルギーに差が生じ）、価電子帯と伝導帯のバンドになる。

このような結合の状態で、Ｓｉの４つの結合手の一つに欠損が生じ、ダングリングボンドが生ずると、結合軌道と反結合軌道のエネルギーの間に結合しない軌道の準位（局在準位又は欠陥準位）が残ることになる。この欠陥準位には電子が２個配置でき、この場合いわゆる孤立電子対を生ずることになる。このように、欠陥準位は、バンドギャップの中心に位置し、キャリヤのトラップとして作用する。

ここで、キャリヤのトラップとして作用する欠陥準位に水素原子が結合すると、水素原子からの電子とＳｉ原子からの電子とを一個ずつ出し合って過不足の無い結合が形成され、結合によって軌道のエネルギーがずれ、バンド中心の欠陥準位は消滅する。ただし、水素化非晶質Ｓｉでは、欠陥の減少は、単なるダングリングボンドの水素終端のみによるのではなく、多量の水素の含有（約１０％）による構造緩和が、欠陥を減少させるとしている。

結合手の一つが水素終端されたＳｉは、３配位構造となるため、このことから、結合の空間的な自由度が増して上記の構造緩和が起こる。
逆に、もともと結合の空間自由度の大きいカルコゲン元素（ＶＩ族）を含む化合物（カルコゲナイド）に対しては、水素の含有が欠陥の減少に効果的ではないという研究が報告されている。

ところで、ＩｎＰやＧａＡｓのようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ｓｐ³混成軌道の４配位構造を持つことが知られている。このため、ダイヤモンド型格子と類似のせん亜鉛鉱型格子を作り、バンド構造もＳｉと類似している。ダングリングボンドや欠陥準位のでき方も類似しており、水素終端による欠陥準位の消滅も同様であると推測される。ＡｌＮの結晶は、六方晶系であり、ウルツ鉱型である。ウルツ鉱型結晶も、ｓｐ³混成軌道の４配位構造によって形成される。ＥＣＲスパッタ法で堆積した極薄いＡｌＮ膜は非晶質であることが、断面ＴＥＭと反射電子線回折（ＲＨＨＥＤ）の観察によってわかっている。非晶質ＡｌＮも、結晶のようにｓｐ³混成軌道を形成し、４配位構造をとっているものと推測される。

本実施の形態における前述したの実験事実は、上述とは逆に、非晶質ＡｌＮが４配位構造をとっており、ダングリングボンドの水素終端によって欠陥が減少していることを示唆しているものと考えることができる。
以上の考察から、水素処理は、４配位構造をとる化合物全般に対して有効であることが導かれる。ＩＶ族のＧｅについても同様である。ＩＩＩ−Ｖ族化合物結晶のほとんどは４配位構造をとる。また、ＩＩ−ＶＩ族化合物結晶も４配位構造をとる。４配位構造をとるＩＩ−ＶＩ族化合物の代表はＺｎＳであり、せん亜鉛鉱型結晶モデルを提供する化合物である。

ただし、ＩＩ−ＶＩ族化合物は、元素の電子配置から小さな配位数をとり易く、この場合、結合の空間自由度が大きくなるため、結晶構造や結合構造にバリエーションが生じ易くなるものと考えられる。従って、欠陥準位の生じ方にもバリエーションが生ずるものと思われ、このことが、水素終端処理の効果が得られにくいものと考えられる。

Ａｌ₂Ｏ₃は、Ａｌが３配位、Ｏが２配位をとり易く、平均配位数は２．４である。このため、Ａｌ₂Ｏ₃には多くの結晶型が存在する。平均配位数が小さいことは、少なくとも、水素化による構造緩和で欠陥密度が減少しない原因になる。ＺｒＯ₂やＨｆＯ₂も小さな配位数をとり易く、結合の空間自由度が大きいので、Ａｌ₂Ｏ₃と同様なことになると推定できる。
なお、水素処理効果が認められたＡｌＮを始めとするＩＩＩ−Ｖ族化合物の各元素は、配位数３を、Ｓｉは配位数４をとり易いことは、いわゆる、「Ｍｏｔｔ」の８−Ｎ則（Ｎは価電子数）による。

前述した実施の形態では、ゲート絶縁膜としてＡｌＮの例を示したが、ゲート絶縁膜にＢＮを用いた場合でも、同様な効果が得られる。ＢＮは、バンドギャップエネルギーがＡｌＮよりも大きく（約８ｅＶ）、ＭＩＳデバイスのゲート絶縁膜に好適である。ＢＮは、せん亜鉛鉱型とウルツ鉱型の２つの結晶構造をとることが知られている。いずれも、４配位構造であり、ＡｌＮと同様の水素処理の効果が期待できる。スパッタ堆積においては、ターゲットにＢＮを用いる。Ａｒと窒素ガスの混合ガスを用いることにより、堆積するＢＮがＢリッチなることを防止する。

ＧａＮのバンドギャップエネルギー（３．４ｅＶ）は、ＢＮやＡｌＮ（６．２ｅＶ）よりも小さいが、従来のＭＥＳ構造のショットキー障壁（＜０．７ｅＶ）よりも大きな障壁が期待できる。従って、ＧａＮをゲート絶縁膜としてＭＩＳ構造とした方が、ＭＥＳ構造よりもゲートリーク電流を低減できる。ＧａＮ膜の堆積にはＧａＮターゲットが適する。

また、上記実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体として２元の元素の場合を示したが、電子移動度の大きいＩＩＩ族が２元のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ｌｎＡｌＡｓやＩｎＧａＡｓ等）をＩｎＰ基板などに結晶成長させて作製した基板を用いた場合においても有効であることは無論である。本発明は、半導体にＧａＮを用い、ゲート絶縁膜としてＡｌＮやＢＮを堆積したＭＩＳ型デバイスにも適用できる。この構成においても、図１に示した方法と同様にすることで、ＭＩＳ型デバイスが製造できる。ＧａＮを用いた場合、許容されるプロセス温度は５００℃程度と高くなるため、水素終端処理のための熱処理温度を高くすることができ、より効果的に欠陥が除去できる。

また、上記実施の形態では絶縁膜の堆積時に外部エネルギーによる基板加熱を行わなかったが、半導体の許容プロセス温度以下の温度に加熱してＩＩＩ族元素の窒化物膜を堆積しても良い。
前述したように、本発明は、ＩｎＰなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層の上に堆積した、ＡｌＮなどのＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜のＭＩＳ界面に存在する欠陥を水素終端によって電気的に不活性化し、ＭＩＳデバイスの特性を改善しようとしたものである。

上述では、ＭＩＳダイオードを例にしたが、これに限るものではなく、ＭＩＳトランジスタなど他のＭＩＳデバイスに、同様に適用できることはいうまでもない。図１において、基板１０１をＩＩＩ−Ｖ族化合物から構成し、エピタキシャル層１０２を基板と同様の化合物から構成し、エピタキシャル層１０２の上にＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜１０３を形成し、ゲート絶縁膜１０３の上にゲート電極１０４を形成し、水素を含むガス雰囲気中でゲート絶縁膜１０３を加熱処理すればよい。

シリコン系ＭＯＳ型半導体装置の製造においては、従来から、製造工程の終端付近においてフォーミングガス（窒素ガスと水素ガスの混合ガス）中で４００℃程度での熱処理、いわゆる、水素処理を行い、ＳｉＯ₂／Ｓｉ界面のダングリングボンドを水素で終端することによって、電気的トラップを消滅させる工程を行っている。しかしながら、この水素処理は、すべての材料に有効なものではないことが分かってきた。発明者等は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）ゲート絶縁膜としてＳｉ上のＡｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂膜を検討してきたが、これらの材料は、４００℃での水素処理の効果が認められない。

一方、発明者等の実験によれば、ＳｉＯ₂／Ｓｉの系においては、ＳｉＯ₂膜をＥＣＲスパッタ法によって基板加熱なしで堆積しても、３５０〜４００℃の水素処理を行えば、極めて良好なＭＯＳ界面特性（界面トラップ密度：１０¹⁰ｃｍ^-2ｅＶ^-1台）が得られることを見いだした。これを契機に、ＥＣＲスパッタ法でＩｎＰ基板の上に堆積したＡｌＮ膜の系における水素処理の効果を検討したところ、前述したように大きな効果を見いだすことができた。

ところで、ＳｉＯ₂の平均配位数は２．７であり、むしろ小さい方である。このことは、水素処理の効果が顕著である理由を平均配位数との関係で論ずることに疑問を投げかけることになる。しかしながら、最近、１０００℃以下程度の比較的低温でシリコンを酸化して形成したＳｉＯ₂は、シリコン結晶の秩序を残す形でＳｉとＯとのネットワークを形成するということを確認した研究が報告されている（辰村、渡邉、志村、梅野、大泊、（２００４年春季）第５１回応用物理学関係連合講演会予稿集、第２分冊、応用物理学会、東京、８６５頁、２８ｐ-Ｃ-１０．）。この報告により、ＳｉＯ₂は、必ずしもリラックスした構造にはなっていないことが明らかになってきた。従って、ＳｉＯ₂/Ｓｉ系では、水素処理の効果と平均配位数との関係を否定するものではないと考えられる。

本発明の実施の形態におけるＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法を説明する工程図である。 ＥＣＲスパッタ装置の構成例を示す模式的な断面図である。 水素雰囲気中における加熱処理（水素処理）を行うための処理装置の構成例を簡単に示す模式的な断面図である。 水素処理をしていない試料のＣ−Ｖ特性の周波数分散を示す特性図である。 水素処理を行った試料に対するＣ−Ｖ特性の周波数分散を示す特性図である。 窒素ガス雰囲気の加熱処理を行った試料に対するＣ−Ｖ特性の周波数分散を示す特性図である。

符号の説明

１０１…基板、１０２…エピタキシャル層（半導体層）、１０３…ゲート絶縁膜、１０４…Ａｌ電極パターン、１０５…Ａｌ電極パターン、１１１…ガス雰囲気。

Claims (6)

1. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層を備えた基板の上にＩＩＩ族元素の窒化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程を備えたＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法であって、
   水素ガスを含むガス雰囲気中で前記ゲート絶縁膜を加熱処理する工程を備える
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
   前記ガス雰囲気は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気である
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
3. 請求項１記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
   前記ＩＩＩ族元素の窒化物は、ＡｌＮ及びＢＮの少なくとも１つである
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
4. 請求項１記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、２つのＩＩＩ族化合物を含む
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
5. 請求項１記載のＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法において、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＰ及びＧａＮの少なくとも１つである
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
6. 請求項１記載のＭＩＳ型半導体装置の製造方法において、
   前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＩｎＰであり、
   前記加熱処理の温度は、２００〜３００℃である
   ことを特徴とするＭＩＳ型化合物半導体装置の製造方法。
   

Images