JP2007227621A - 絶縁ゲート構造体を有する半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 窒化物半導体が用いられている半導体装置において、信頼性の高い絶縁ゲート構造体を提供すること。
【解決手段】 絶縁ゲート構造体１０は、マグネシウムが不純物として導入されている窒化ガリウムの半導体領域１２を備えている。絶縁ゲート構造体１０は、半導体領域１２に接しており、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４を備えている。絶縁ゲート構造体１０は、その第１絶縁膜１４によって半導体領域１２から隔てられている酸化シリコンの第２絶縁膜１６を備えている。絶縁ゲート構造体１０はさらに、第１絶縁膜１４を介して半導体領域１２に対向しているゲート電極１８を備えている。半導体領域１２には、一般式がAl_x Ga_y In_1-x-yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1-x-y≦1）で表される窒化物半導体が用いられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、絶縁ゲート構造体を有する半導体装置とその製造方法に関する。本発明は特に、半導体材料に窒化物半導体が用いられている半導体装置に関する。

半導体材料に窒化物半導体が用いられている半導体装置の開発が進められている。なかでも、窒化ガリウム（GaN）、窒化アルミニウム（AlN）及び窒化インジウム（InN）等の、一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表わされる窒化物半導体は、高い破壊電界強度と高い飽和電子移動度を備えていることから、この種の窒化物半導体を利用する半導体装置には、スイッチング素子としての用途が期待されている。

窒化物半導体が用いられている半導体装置において、スイッチング特性を改善するために、絶縁ゲート構造体を利用することが検討されている。シリコンが用いられている半導体装置では、絶縁ゲート構造体が一般的に利用されている。しかしながら、窒化物半導体が用いられている半導体装置では、絶縁ゲート構造体を実現するために改善しなければならない課題が多い。
絶縁ゲート構造体は、チャネルが形成される半導体領域と、その半導体領域に接しているゲート絶縁膜（絶縁体領域の一例）と、そのゲート絶縁膜を介して前記半導体領域に対向しているゲート電極（導電体領域の一例）を備えている。この種の半導体装置では、窒化物半導体のうち、窒化ガリウムを用いることが多い。この場合、半導体領域には、ｐ型の不純物としてマグネシウムを利用することが多い。半導体領域に導入されたマグネシウムは、極めて大きい拡散速度を有していることが知られている（非特許文献１参照）。

C.J.Pan, G.C.Chi, Solid-State Electronics, (1999) 43, p.621-623.

窒化ガリウムに導入されたマグネシウムは、極めて大きい拡散速度を有している。このため、半導体領域のマグネシウムの一部が、ゲート絶縁膜内に移動してしまう。ゲート絶縁膜内に移動したマグネシウムが可動イオンとして振舞うと、絶縁ゲート構造体の特性を変動させてしまう。このため、窒化ガリウムが用いられている半導体装置に絶縁ゲート構造体を設けると、閾値電圧を変動させてしまうという問題がある。
本発明は、窒化物半導体が用いられている半導体装置において、閾値電圧の変動が小さい絶縁ゲート構造体を提供することを目的としている。本発明はさらに、そのような絶縁ゲート構造体を有する半導体装置の製造方法を提供することも目的としている。

一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表される窒化物半導体のうち、窒化ガリウムに導入されたマグネシウムの拡散速度は極めて大きい。しかしながら、ガリウムの含有量を減らし、アルミニウム及び／又はインジウムの含有量を増加させると、マグネシウムの拡散速度が小さくなる。特に、窒化アルミニウムにおけるマグネシウムの拡散速度は、極めて小さいことが分かってきた。なお、窒化アルミニウムは、マグネシウムだけではなく、他のアルカリ土類金属に対しても小さい拡散速度を有している。さらに、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムは、絶縁性を有しており、ゲート絶縁膜としても有用である。即ち、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムをゲート絶縁膜に利用すれば、拡散してくる可動イオン量が少なく、閾値電圧の変動が小さい絶縁ゲート構造体を得ることができる。本発明は、これらの知見に基づいて、新規で斬新な絶縁ゲート構造体を有する半導体装置の実現に成功した。
ここで、本明細書で用いられる用語に関して説明する。本明細書において、「不純物が導入されている窒化物半導体の半導体領域」とは、不純物濃度が１×１０¹⁵ｃｍ⁻³以上の窒化物半導体の半導体領域をいう。不純物は、意図して積極的に導入される場合の他に、結果として上記範囲の濃度が導入されている場合も含む。また、「不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域」という用語も用いられる。この場合、不純物は、意図して積極的に導入されていない。したがって、この第１絶縁体領域には、不純物の濃度が１×１０¹⁵ｃｍ⁻³未満の窒化アルミニウムが用いられている。

本発明は、絶縁ゲート構造体を有する半導体装置に具現化することができる。本発明の絶縁ゲート構造体は、アルカリ土類金属が不純物として導入されている窒化物半導体の半導体領域を備えている。本発明の絶縁ゲート構造体は、その半導体領域に接しており、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域を備えている。本発明の絶縁ゲート構造体は、その第１絶縁体領域によって半導体領域から隔てられている酸化シリコンの第２絶縁体領域を備えている。本発明の絶縁ゲート構造体はさらに、第１絶縁体領域及び第２絶縁体領域を介して半導体領域に対向している導電体領域を備えている。本発明の半導体領域には、一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表される窒化物半導体が用いられている。
この形態の絶縁ゲート構造体は、絶縁体領域に、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域と、酸化シリコンの第２絶縁体領域の組合せを備えている。不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域では、アルカリ土類金属は、極めて小さい拡散速度を有している。その第１絶縁体領域は、半導体領域側に設けられている。このため、半導体領域からのアルカリ土類金属の拡散は、第１絶縁体領域が抑制する。これにより、半導体領域に含まれるアルカリ土類金属は、第２絶縁体領域内に侵入することも抑制される。したがって、本発明の絶縁ゲート構造体は、拡散してくる可動イオン量が少なく、閾値電圧の変動が少ない。さらに、第２絶縁体領域の酸化シリコンは、広いバンドギャップを有している。このため、第２絶縁体領域は、広いバンドギャップによって、リーク電流を抑制する。窒化アルミニウムの第１絶縁体領域と酸化シリコンの第２絶縁体領域の組合せは、絶縁ゲート構造体の絶縁体領域として極めて有用である。

本発明の半導体領域には、窒化ガリウムが用いられていることが好ましい。
アルミニウムの含有量が少ない窒化物半導体では、アルカリ土類金属は、大きな拡散速度を有している。このような窒化物半導体を利用する絶縁ゲート構造体では、アルカリ土類金属の拡散に対策を講じることが極めて重要である。窒化物半導体が窒化ガリウムの場合、アルカリ土類金属の拡散速度は極めて大きくなる。窒化ガリウムを利用する絶縁ゲート構造体では、アルカリ土類金属の拡散に対策を講じることが極めて重要であり、本発明はこのような場合に有用な効果を発揮することができる。

絶縁ゲート構造体の半導体領域に導入されているアルカリ土類金属が、マグネシウムであってもよい。この場合、絶縁ゲート構造体の半導体領域は、ｐ型の導電型を有する。
窒化物半導体領域内のマグネシウムは、極めて大きな拡散速度を有することが知られている。本発明は、マグネシウムを半導体領域に導入している場合に、極めて有用な効果を発揮することができる。

第１絶縁体領域は、半導体領域の表面からエピタキシャル成長して形成されていることが好ましい。
半導体領域には窒化物半導体が用いられているので、窒化アルミニウムの第１絶縁体領域は、半導体領域の表面からエピタキシャル成長することができる。エピタキシャル成長を利用すると、半導体領域と第１絶縁体領域の界面の結晶の連続性が極めて良質になる。これにより、第１絶縁体領域は、半導体領域からのアルカリ土類金属の拡散を抑制する効果を向上させることができる。

エピタキシャル成長して形成される第１絶縁体領域の厚みは、10〜20nmであることが好ましい。
第１絶縁体領域の厚みが10nm以上に調整されていると、半導体領域からのアルカリ土類金属の拡散を顕著に抑制することができる。しかしながら、第１絶縁体領域の厚みが大きすぎると、良質な結晶の第１絶縁体領域を得ることができず、半導体領域からのアルカリ土類金属の拡散を抑制する効果が低減してしまう。第１絶縁体領域の厚みが20nm以下に調整されていると、良質な結晶の第１絶縁体領域を得ることができ、半導体領域からのアルカリ土類金属の拡散を顕著に抑制し得ることが確認されている。

本発明は、絶縁ゲート構造体を有する半導体装置を製造する方法を提供することができる。本発明の製造方法は、基板の表面からエピタキシャル成長させ、アルカリ土類金属が不純物として導入されている窒化物半導体の半導体領域を形成する第１工程を備えている。本発明の製造方法は、その半導体領域の表面からエピタキシャル成長させ、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域を形成する第２工程を備えている。本発明の製造方法はさらに、第１絶縁体領域の表面に、酸化シリコンの第２絶縁体領域を形成する第３工程を備えている。本発明の製造方法では、半導体領域に一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表される窒化物半導体が用いられている。
上記の製造方法を利用すると、半導体領域と第１絶縁体領域の界面の結晶の連続性を極めて良質にすることができる。

本発明の製造方法では、半導体領域に窒化ガリウムを用いることが好ましい。この種の半導体材料を利用する絶縁ゲート構造体では、アルカリ土類金属の拡散に対策を講じることが極めて重要であり、本発明はこのような場合に有用な効果を発揮することができる。

本発明の製造方法では、絶縁体領域の厚みを10〜20nmの範囲内に調整することが好ましい。絶縁体領域の厚みを10〜20nmに調整すると、半導体領域のマグネシウムの拡散を顕著に抑制し得る絶縁体領域を得ることができる。

本発明によると、窒化物半導体が用いられている半導体装置において、拡散してくる可動イオン量が少なく、閾値電圧の変動が小さい絶縁ゲート構造体を提供することができ、極めて有用な半導体装置を得ることができる。本発明はさらに、そのような絶縁ゲート構造体を有する半導体装置を製造する方法をも提供する。

図１に、絶縁ゲート構造体１０の要部断面図を模式的に示す。図１は、絶縁ゲート構造体１０の基本構成を表したものであり、実際の半導体装置に作り込まれるものと異なることがある。絶縁ゲート構造体１０は、半導体装置を構成する要素の一部である。半導体装置には、図示しない部分に、半導体装置を構成する他の要素が存在している。また、絶縁ゲート構造体１０は、プレーナー型に代えて、トレンチ型にすることもできる。

絶縁ゲート構造体１０は、アルカリ土類金属が不純物として導入されている窒化物半導体の半導体領域１２を備えている。アルカリ土類金属は、マグネシウム、ベリリウム、カルシウムから選択される。本形態の絶縁ゲート構造体１０では、マグネシウムが用いられている。半導体領域１２には、一般式がAl_x Ga_y In_1-x-yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1-x-y≦1）で表される窒化物半導体が用いられている。本形態の絶縁ゲート構造体１０では、窒化物半導体に窒化ガリウムが用いられている。絶縁ゲート構造体１０は、半導体領域１２に接しているゲート絶縁膜１５（絶縁体領域の一例）を備えている。ゲート絶縁膜１５は、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４（第１絶縁体領域の一例）と酸化シリコンの第２絶縁膜１６（第２絶縁体領域の一例）を備えている。第２絶縁膜１６は、第１絶縁膜１４によって半導体領域１２から隔てられている。絶縁ゲート構造体１０はさらに、ゲート絶縁膜１５を介して半導体領域１２に対向しているゲート電極１８（導電体領域の一例）を備えている。ゲート電極１８には、アルミニウムが用いられている。ゲート電極１８には、アルミニウムに代えて、ポリシリコンを用いてもよい。ゲート電極１８は、ゲート制御回路１９に接続されている。

ゲート制御回路１９は、矩形波のゲート電圧を生成する。ゲート制御回路１９で生成されたゲートオン電圧がゲート電極１８に印加されると、ゲート電極１８が対向している半導体領域１２の表面部に反転層（図中破線）が形成される。電子電流は、この反転層を介して半導体領域１２を移動することができる。ゲート制御回路１９で生成されたゲートオフ電圧がゲート電極１８に印加されると、反転層は消失する。これにより、電子電流は、半導体領域１２を移動することができない。絶縁ゲート構造体１０は、ゲート電極１８に印加するゲート電圧に基づいて、半導体領域１２を移動する電子電流を制御し、半導体装置のオン・オフを経時的に切替えることができる。

半導体領域１２に導入されているマグネシウムは、極めて大きい拡散速度を有している。このため、このマグネシウムの一部がゲート絶縁膜１５内に移動し、マグネシウムが可動イオンとして振舞うと、半導体装置の特性が変動してしまう。しかしながら、絶縁ゲート構造体１０を構成するゲート絶縁膜１５は、窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４を備えている。窒化アルミニウム中のマグネシウムの拡散速度は、極めて小さい。このため、半導体領域１２に導入されているマグネシウムは、第１絶縁膜１４内に侵入することが抑制される。このため、半導体領域１２に導入されているマグネシウムは、第２絶縁膜１６内に侵入することも抑制される。絶縁ゲート構造体１０は、安定した特性を得ることができる。

絶縁ゲート構造体１０のゲート絶縁膜１５は、酸化シリコンの第２絶縁膜１６を備えている。酸化シリコンは、広いバンドギャップを有している。このため、第２絶縁膜１６は、リーク電流を顕著に抑制することができる。絶縁ゲート構造体１０のゲート絶縁膜１５は、窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４と酸化シリコンの第２絶縁膜１６の組合せを利用している点に特徴を有している。窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４は、半導体領域１２からのマグネシウムの拡散を抑制する。酸化シリコンの第２絶縁膜１６は、広いバンドギャップによって、リーク電流を抑制する。窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４と酸化シリコンの第２絶縁膜１６の組合せは、両者の特性を兼ね備えており、絶縁ゲート構造体１０のゲート絶縁膜１５として極めて有用である。
さらに、窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４は、酸化シリコンの第２絶縁膜１６に比して、高い比誘電率を備えている。このため、ゲート絶縁膜１５に第１絶縁膜１４が設けられていると、ゲート絶縁膜１５の相互インダクタンスの低下も抑えることができる。

（絶縁ゲート構造体１０の製造方法）
図２〜図４を参照して、絶縁ゲート構造体１０の製造方法を説明する。
まず、図２に示すように、マグネシウムが不純物として導入されている窒化ガリウムの半導体領域１２を準備する。半導体領域１２は、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、図示しない基板の表面から窒化ガリウムをエピタキシャル成長することによって得ることができる。基板には、サファイア基板、炭化ケイ素基板、シリコン基板等が用いられる。このとき、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(ＴＭＧａ)、窒素原料としてアンモニアガス(ＮＨ_３)、ドーパント材料としてシクロペンタジエニルマグネシウム(ＣＰ２Ｍｇ)を好適に利用することができる。

次に、図３に示すように、ＭＯＣＶＤ法を利用して、半導体領域１２上に窒化アルミニウムの第１絶縁膜１４をエピタキシャル成長して形成する。このとき、アルミニウム原料としてトリメチルアルミニウム(ＴＭＡｌ)、ガリウム原料としてトリメチルガリウム(ＴＭＧａ)を好適に利用することができる。また、このエピタキシャル成長の段階では、ドーパント材料を用いない。これにより、第１絶縁膜１４は、不純物が実質的に導入されていない状態として得られる。半導体領域１２と第１絶縁膜１４は、供給する原料の一部を切替えることによって形成することができる。半導体領域１２と第１絶縁膜１４の格子定数の値は近いので、第１絶縁膜１４は、半導体領域１２の表面からエピタキシャル成長することができる。半導体領域１２と第１絶縁膜１４の界面の結晶の連続性は極めて良質である。半導体領域１２と第１絶縁膜１４の界面が良質であると、第１絶縁膜１４は、半導体領域１２からのマグネシウムの拡散を顕著に抑制することができる。
また、第１絶縁膜１４の厚み１４ａは、10〜20nmに調整されている。第１絶縁膜１４の厚みが10〜20nmに調整されていると、半導体領域１２からのマグネシウムの拡散を実効的に抑制することができる。なお、この数値範囲による効果に関する詳細は、後の実施例で説明する。

次に、図４に示すように、減圧ＣＶＤ法を利用して、第１絶縁膜１４上に酸化シリコンの第２絶縁膜１６を形成する。減圧ＣＶＤ法に代えて、プラズマＣＶＤ法又はスパッタ法を利用してもよい。
次に、スパッタ法を利用して、第２絶縁膜１６上にアルミニウムのゲート電極１８を形成する。これらの工程を経て、図１に示す絶縁ゲート構造体１０を形成することができる。

本実施例では、窒化アルミニウムの絶縁膜の厚みと、マグネシウムの拡散抑制効果の関係を検討した。
図５に、検討した構造体２０の断面図を模式的に示す。構造体２０は、サファイア基板２２と、マグネシウムが不純物として導入されている窒化ガリウムの下側半導体層２４と、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの絶縁膜２６と、不純物が導入されていない窒化ガリウムの上側半導体層２８で構成されている。構造体２０は、絶縁膜２６の厚み２６ａが10、15、20、30nmのものを準備した。下側半導体層２４と絶縁膜２６と上側半導体層２８は、ＭＯＣＶＤ法を利用して、サファイア基板２２の表面からエピタキシャル成長して形成されている。下側半導体層２４と絶縁膜２６と上側半導体層２８は、ＭＯＣＶＤ法を実施するときに供給する原料の一部を切替えることによって形成されている。なお、ＭＯＣＶＤ法を実施するときに供給する原料は、図１の絶縁ゲート構造体１０を製造する際に利用したものと同一である。

図６に、上側半導体層２８の表面からの深さと、マグネシウムの濃度の関係を示す。なお、上側半導体層２８の厚み２８ａは0.5μmである。したがって、絶縁膜２６は、上側半導体層２８の表面からの深さが約0.5μmの位置に設けられている。
図６に示すように、絶縁膜２６の厚み２６ａが10〜20nmの範囲では、上側半導体層２８のマグネシウムの濃度が低く抑えられている。即ち、絶縁膜２６は、下側半導体層２４に導入されているマグネシウムが絶縁膜２６を通過して上側半導体層２８に侵入することを抑制している。しかしながら、絶縁膜２６の厚み２６ａが30nmの場合、上側半導体層２８のマグネシウムの濃度が、他の例に比して大きくなっている。この現象は、絶縁膜２６の厚み２６ａが厚くなりすぎると、エピタキシャル成長しているときに、絶縁膜２６内に粒界が形成されてしまうためであると推測される。このため、下側半導体層２４に導入されているマグネシウムは、その粒界を介して絶縁膜２４を通過し、上側半導体層２８に侵入してしまう。本実施例によって、絶縁膜２６の厚み２６ａが、10〜20nmに調整されていると、絶縁膜２６はマグネシウムの拡散を顕著に抑制することが確認された。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

絶縁ゲート構造体の要部断面図を模式的に示す。 絶縁ゲート構造体の製造過程を示す（１）。 絶縁ゲート構造体の製造過程を示す（２）。 絶縁ゲート構造体の製造過程を示す（３）。 実施例の構造体の断面図を模式的に示す。 上側半導体層の表面からの深さと、マグネシウムの濃度の関係を示す。

符号の説明

１０：絶縁ゲート構造体
１２：半導体領域
１４：第１絶縁膜
１５：ゲート絶縁膜
１６：第２絶縁膜
１８：ゲート電極
１９：ゲート制御回路

Claims (8)

1. 絶縁ゲート構造体を有する半導体装置であり、
   絶縁ゲート構造体は、
   アルカリ土類金属が不純物として導入されている窒化物半導体の半導体領域と、
   その半導体領域に接しており、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域と、
   その第１絶縁体領域によって前記半導体領域から隔てられている酸化シリコンの第２絶縁体領域と、
   第１絶縁体領域及び第２絶縁体領域を介して前記半導体領域に対向している導電体領域と、を備えており、
   前記半導体領域には、一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表される窒化物半導体が用いられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記半導体領域には、窒化ガリウムが用いられていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
3. 前記半導体領域に導入されているアルカリ土類金属は、マグネシウムであることを特徴とする請求項１又は２の半導体装置。
4. 第１絶縁体領域は、前記半導体領域の表面からエピタキシャル成長して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの半導体装置。
5. 第１絶縁体領域の厚みは、10〜20nmであることを特徴とする請求項４の半導体装置。
6. 絶縁ゲート構造体を有する半導体装置を製造する方法であり、
   基板の表面からエピタキシャル成長させ、アルカリ土類金属が不純物として導入されている窒化物半導体の半導体領域を形成する第１工程と、
   その半導体領域の表面からエピタキシャル成長させ、不純物が実質的に導入されていない窒化アルミニウムの第１絶縁体領域を形成する第２工程と、
   その第１絶縁体領域の表面に、酸化シリコンの第２絶縁体領域を形成する第３工程と、を備えており、
   前記半導体領域には、一般式がAl_x Ga_y In_1−x−yＮ（但し、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1）で表される窒化物半導体が用いられている製造方法。
7. 前記半導体領域には、窒化ガリウムが用いられていることを特徴とする請求項６の製造方法。
8. 前記絶縁体領域の厚みを、10〜20nmの範囲内に調整することを特徴とする請求項６又は７の製造方法。

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