JP2013135055A - Mis semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize a threshold voltage in a MIS semiconductor device having a gate insulation film composed of ZrON.SOLUTION: In a MIS semiconductor device operating at an operating voltage of 5 V or more, and including a gate insulation film 11 on a semiconductor layer 10 composed of Si, and a gate electrode 12 on the gate insulation film 11, ZrON(where x and y satisfy x>0, y>0, 0.3≤y/x≤10 and 1.5≤0.55x+y≤1.7) is used as the gate insulation film 11. The MIS semiconductor device having such gate insulation film 11 can stably operate because there is no variation in a threshold voltage though a large voltage is applied.

Description

本発明は、半導体層上にZrOx y (酸窒化ジルコニウム)からなるゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を有した動作電圧が5V以上のMIS型半導体装置に関する。また、そのMIS型半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a MIS type semiconductor device having a gate insulating film made of ZrO x N y (zirconium oxynitride) on a semiconductor layer and having a gate electrode on the gate insulating film and having an operating voltage of 5 V or more. The present invention also relates to a method for manufacturing the MIS type semiconductor device.

近年、半導体装置の微細化が進んでおり、トランジスタのゲート絶縁膜の薄膜化が求められている。しかし、従来用いられているSiO2 では薄くするとリーク電流が増大してしまう。そこでSiO2 に替えて高誘電率材料を用いることにより薄膜化を図っている。高誘電率材料としては、HfO2 、ZrO2 、TiO2 、HfOx y 、ZrOx y 、などが挙げられる。特にゲート絶縁膜としてZrOx y を用いたMIS(Metal−Insulator−Semiconductor)型半導体装置が特許文献1〜3に示されている。 In recent years, miniaturization of semiconductor devices has progressed, and thinning of gate insulating films of transistors has been demanded. However, in the case of SiO 2 that has been conventionally used, the leakage current increases if it is made thin. Therefore, thinning is attempted by using a high dielectric constant material instead of SiO 2 . Examples of the high dielectric constant material include HfO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , HfO x N y , and ZrO x N y . In particular, Patent Documents 1 to 3 show MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type semiconductor devices using ZrO x N y as a gate insulating film.

特許文献1には、半導体基板上にゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を有した半導体装置において、ゲート絶縁膜としてZr2 ON2 や、ZrO2-2x4x/3(ただしxは3/8<x<3/4)を用いたものが示されている。また、ゲート絶縁膜は結晶または多結晶であることが示されている。また、Zr2 ON2 からなるゲート絶縁膜は、Zr2 ON2 セラミックターゲットを用いたスパッタにより形成することが記載されており、スパッタガスにはアルゴンを用い、基板温度は600〜800℃、スパッタガス圧は0.5〜0.2Paとすることが記載されている。 In Patent Document 1, in a semiconductor device having a gate insulating film on a semiconductor substrate and a gate electrode on the gate insulating film, Zr 2 ON 2 or ZrO 2-2x N 4x / 3 ( However, x is shown using 3/8 <x <3/4). Further, it is shown that the gate insulating film is crystalline or polycrystalline. The gate insulating film made of Zr 2 ON 2 is described to be formed by sputtering using Zr 2 ON 2 ceramic target, with argon as the sputtering gas, a substrate temperature of 600 to 800 ° C., sputtering It is described that the gas pressure is 0.5 to 0.2 Pa.

特許文献2には、窒素を含むZrO2 からなるゲート絶縁膜を有したMIS型半導体装置において、ゲート絶縁膜の窒素濃度をチャネル側の方がゲート電極側よりも高くし、ゲート絶縁膜のチャネル側の窒素濃度を1020〜1021/cm3 としたものが示されている。また、ゲート絶縁膜は、室温から800℃、0.1mPa〜1kPaにおいてアルゴンガスで希釈した窒素ガスと酸素ガスの混合ガス中でスパッタ法により形成することが記載されている。また、ゲート絶縁膜が結晶、多結晶、アモルファスのいずれの状態であるかについては特に記載されていない。 In Patent Document 2, in a MIS type semiconductor device having a gate insulating film made of ZrO 2 containing nitrogen, the nitrogen concentration of the gate insulating film is higher on the channel side than on the gate electrode side, and the channel of the gate insulating film is The nitrogen concentration on the side is 10 20 to 10 21 / cm 3 . Further, it is described that the gate insulating film is formed by sputtering in a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas diluted with argon gas at room temperature to 800 ° C. and 0.1 mPa to 1 kPa. Further, there is no particular description as to whether the gate insulating film is in a crystalline, polycrystalline, or amorphous state.

特許文献3には、半導体基板上に、化学的酸化物層、高誘電体層、下部金属層、捕捉金属層、上部金属層、多結晶半導体層を順に積層したMIS型半導体装置が示されている。半導体基板にはSiやIII−V族半導体を用いることができる旨記載されている。また、高誘電体層には、ZrOx y (0.5≦x≦3、0≦y≦2)を用いることができる旨記載されている。高誘電体層が結晶、多結晶、アモルファスのいずれの状態であるかについては特に記載されていない。また、高誘電体層はCVD法やALD法などによって形成することができると記載があるが、スパッタ法による形成については特に記載がない。 Patent Document 3 discloses a MIS type semiconductor device in which a chemical oxide layer, a high dielectric layer, a lower metal layer, a trapping metal layer, an upper metal layer, and a polycrystalline semiconductor layer are sequentially stacked on a semiconductor substrate. Yes. It is described that Si or III-V semiconductor can be used for the semiconductor substrate. Further, it is described that ZrO x N y (0.5 ≦ x ≦ 3, 0 ≦ y ≦ 2) can be used for the high dielectric layer. There is no particular description as to whether the high dielectric layer is in a crystalline, polycrystalline, or amorphous state. In addition, although it is described that the high dielectric layer can be formed by a CVD method, an ALD method, or the like, there is no description about formation by a sputtering method.

特開2005−44835JP-A-2005-44835 特開2005−217159JP 2005-217159 A 特開2011−3899JP2011-3899

発明者らは、MIS型のパワーデバイスについて、ZrOx y からなる高誘電率のゲート絶縁膜を採用し、微細化を図ることを検討した。しかし、ゲート絶縁膜にZrOx y を採用した場合、Oの組成比xとNの組成比yによっては印加電圧を大きくするとしきい値電圧が変動し、動作が不安定になることがわかった。このようなしきい値電圧が変動するという問題点について、特許文献1〜3には記載も示唆もされていない。 The inventors have studied to adopt a high dielectric constant gate insulating film made of ZrO x N y and reduce the size of the MIS type power device. However, when ZrO x N y is used for the gate insulating film, the threshold voltage fluctuates when the applied voltage is increased depending on the O composition ratio x and the N composition ratio y, and the operation becomes unstable. It was. Patent Documents 1 to 3 do not describe or suggest such a problem that the threshold voltage fluctuates.

そこで本発明の目的は、半導体層上にZrOx y からなるゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を有したMIS型半導体装置において、しきい値電圧の安定を図ることである。 Accordingly, an object of the present invention is to stabilize the threshold voltage in a MIS type semiconductor device having a gate insulating film made of ZrO x N y on a semiconductor layer and having a gate electrode on the gate insulating film. is there.

第1の発明は、半導体層上にZrOx y からなるゲート絶縁膜を有し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を有した動作電圧が5V以上のMIS型半導体装置において、ゲート絶縁膜は、アモルファス状であり、x、yは、x>0、y>0、および、0.3≦y/x≦10、を満たす、ことを特徴とするMIS型半導体装置である。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a MIS type semiconductor device having a gate insulating film made of ZrO x N y on a semiconductor layer and having a gate electrode on the gate insulating film and having an operating voltage of 5 V or more. The MIS type semiconductor device is amorphous, and x and y satisfy x> 0, y> 0, and 0.3 ≦ y / x ≦ 10.

半導体層には、Si層や、III 族窒化物半導体層、III−V族半導体層、II−VI族化合物半導体層、SiC層などを用いることができる。III 族窒化物半導体層は、たとえばGaN層、AlGaN層、InGaN層、AlN層、AlGaInN層などである。III−V族半導体層は、GaAs層、GaP層、GaInP層などである。II−VI族化合物半導体層はZnO層などである。半導体層にはn型不純物やp型不純物がドープされていてもよい。また、半導体層は半導体基板そのものであってもよいし、半導体基板や絶縁基板上に半導体層が積層されていてもよい。また、半導体層は材料や組成比、伝導型、不純物濃度などが異なる複数の層で構成されていてもよい。   As the semiconductor layer, a Si layer, a group III nitride semiconductor layer, a group III-V semiconductor layer, a group II-VI compound semiconductor layer, a SiC layer, or the like can be used. The group III nitride semiconductor layer is, for example, a GaN layer, an AlGaN layer, an InGaN layer, an AlN layer, an AlGaInN layer, or the like. The III-V semiconductor layer is a GaAs layer, a GaP layer, a GaInP layer, or the like. The II-VI group compound semiconductor layer is a ZnO layer or the like. The semiconductor layer may be doped with n-type impurities or p-type impurities. The semiconductor layer may be the semiconductor substrate itself, or the semiconductor layer may be stacked on the semiconductor substrate or the insulating substrate. The semiconductor layer may be composed of a plurality of layers having different materials, composition ratios, conductivity types, impurity concentrations, and the like.

ゲート絶縁膜は、上記に示した酸素組成比x、窒素組成比yを満たす範囲であれば、複数の層で構成されていてもよい。   The gate insulating film may be composed of a plurality of layers as long as the oxygen composition ratio x and the nitrogen composition ratio y described above are satisfied.

半導体層とゲート絶縁膜は、直接接していてもよいし、半導体層とゲート絶縁膜との間に、絶縁膜などを有していてもよい。この場合絶縁膜にはSiO2 、Six y 、ZrO2 などを用いることができる。 The semiconductor layer and the gate insulating film may be in direct contact with each other, or an insulating film or the like may be provided between the semiconductor layer and the gate insulating film. In this case, SiO 2 , Si x N y , ZrO 2 or the like can be used for the insulating film.

ゲート絶縁膜とゲート電極は、直接接していてもよいし、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に、絶縁膜や金属膜を有していてもよい。   The gate insulating film and the gate electrode may be in direct contact with each other, or an insulating film or a metal film may be provided between the gate insulating film and the gate electrode.

また、x、yについて、より望ましいy/xの範囲は、1≦y/x≦5とすることである。また、x、yは、1.5≦0.55x+y≦1.7を満たすことが望ましい。この範囲であれば、MIS型半導体装置のしきい値変動をより抑制することができ、動作の安定性をより向上させることができる。   For x and y, a more desirable range of y / x is 1 ≦ y / x ≦ 5. Also, x and y preferably satisfy 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7. Within this range, the threshold fluctuation of the MIS semiconductor device can be further suppressed, and the operational stability can be further improved.

また、本発明のゲート絶縁膜のx、yの範囲を、さらにx≦0.5の範囲に限定したとしても、しきい値変動をより抑制することができ、動作の安定性をより向上させることができる。   Further, even if the range of x and y of the gate insulating film of the present invention is further limited to the range of x ≦ 0.5, the threshold fluctuation can be further suppressed and the operational stability is further improved. be able to.

また、本発明のMIS型半導体装置は、動作電圧が10V以上である場合に特に有効である。このような高い動作電圧においても、本発明のMIS型半導体装置によればしきい値電圧の変動を抑制することができる。   The MIS type semiconductor device of the present invention is particularly effective when the operating voltage is 10 V or higher. Even at such a high operating voltage, the threshold voltage fluctuation can be suppressed according to the MIS type semiconductor device of the present invention.

また、本発明のMIS型半導体装置は、パワー半導体素子に好適に採用することができ、MISFET、HFET、IGBTなどの半導体装置に適用することができる。   Further, the MIS type semiconductor device of the present invention can be suitably used for power semiconductor elements, and can be applied to semiconductor devices such as MISFET, HFET, and IGBT.

第2の発明は、第1の発明において、1.5≦0.55x+y≦1.7、をさらに満たすことを特徴とするMIS型半導体装置である。   A second invention is a MIS type semiconductor device according to the first invention, further satisfying 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7.

第3の発明は、第1の発明または第2の発明において、x、yは、1≦y/x≦5であることを特徴とするMIS型半導体装置である。   A third invention is a MIS type semiconductor device according to the first or second invention, wherein x and y are 1 ≦ y / x ≦ 5.

第4の発明は、第1の発明から第3の発明において、x≦0.5であることを特徴とするMIS型半導体装置である。   A fourth invention is a MIS type semiconductor device according to the first to third inventions, wherein x ≦ 0.5.

第5の発明は、第1の発明から第4の発明において、ゲート絶縁膜は、半導体層上に直接接して設けられている、ことを特徴とするMIS型半導体装置である。   A fifth invention is a MIS type semiconductor device according to any one of the first to fourth inventions, wherein the gate insulating film is provided in direct contact with the semiconductor layer.

第6の発明は、第1の発明から第5の発明において、半導体層は、III 族窒化物半導体層であることを特徴とするMIS型半導体装置である。   A sixth invention is a MIS type semiconductor device according to any one of the first to fifth inventions, wherein the semiconductor layer is a group III nitride semiconductor layer.

第7の発明は、第6の発明において、動作電圧が10V以上であることを特徴とするMIS型半導体装置である。   A seventh invention is the MIS type semiconductor device according to the sixth invention, wherein the operating voltage is 10 V or more.

第8の発明は、半導体層上にZrOx y からなるゲート絶縁膜をスパッタ法により形成する工程と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有したMIS型半導体装置の製造方法において、スパッタ法では、金属Zrをターゲットとし、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを流しながら、室温によりゲート絶縁膜をアモルファス状で、かつ、x、yが、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7を満たすように形成する、ことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a MIS type semiconductor device comprising: a step of forming a gate insulating film made of ZrO x N y on a semiconductor layer by a sputtering method; and a step of forming a gate electrode on the gate insulating film. In the method, in the sputtering method, the gate insulating film is made amorphous at room temperature while flowing a gas containing nitrogen gas and oxygen gas with a metal Zr as a target, and x and y are x> 0, y> 0, It is a method for manufacturing a MIS type semiconductor device, characterized in that it is formed so as to satisfy 0.3 ≦ y / x ≦ 10 and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7.

第9の発明は、第8の発明において、x、yは、1.5≦0.55x+y≦1.7をさらに満たすことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A ninth invention is the method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to the eighth invention, wherein x and y further satisfy 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7.

第10の発明は、第8の発明または第9の発明において、x、yが、1≦y/x≦5を満たすようゲート絶縁膜を形成する、ことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A tenth invention is the manufacture of a MIS type semiconductor device according to the eighth or ninth invention, wherein the gate insulating film is formed so that x and y satisfy 1 ≦ y / x ≦ 5. Is the method.

第11の発明は、第8の発明から第10の発明において、x≦0.5を満たすようゲート絶縁膜を形成することを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   An eleventh aspect of the invention is a method of manufacturing a MIS type semiconductor device according to the eighth aspect to the tenth aspect of the invention, wherein a gate insulating film is formed so as to satisfy x ≦ 0.5.

第12の発明は、第8の発明から第11の発明において、ゲート絶縁膜は、半導体層上に直接形成する、ことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A twelfth aspect of the invention is a method for manufacturing a MIS type semiconductor device according to the eighth to eleventh aspects of the invention, wherein the gate insulating film is formed directly on the semiconductor layer.

第13の発明は、第8の発明から第12の発明において、半導体層は、III 族窒化物半導体層であることを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A thirteenth aspect of the invention is a method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to the eighth to twelfth aspects of the invention, wherein the semiconductor layer is a group III nitride semiconductor layer.

第14の発明は、第8の発明から第13の発明において、MIS型半導体装置は、動作電圧が5V以上であることを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A fourteenth aspect of the invention is a method for manufacturing a MIS type semiconductor device according to the eighth to thirteenth aspects of the invention, wherein the MIS type semiconductor device has an operating voltage of 5 V or more.

第15の発明は、第14の発明において、MIS型半導体装置は、動作電圧が10V以上であることを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法である。   A fifteenth aspect of the invention is a method of manufacturing a MIS type semiconductor device according to the fourteenth aspect of the invention, wherein the MIS type semiconductor device has an operating voltage of 10 V or more.

本発明によれば、MIS型半導体装置に大きな電圧を印加しても、しきい値電圧の変動が抑制され、安定した動作をさせることができる。本発明のゲート絶縁膜によってこのようなしきい値を安定させる効果が得られる理由は明らかではないが、ゲート絶縁膜中の酸素欠乏により生成される準位が、ゲート絶縁膜中の窒素によって低減されるためではないかと推測される。本発明は、動作電圧が5V以上、特に10V以上のMIS型半導体装置に有効であり、パワー半導体素子に利用することができる。また、本発明によるゲート絶縁膜は熱処理に対して安定しており、800℃程度までは結晶化せずアモルファスの状態を保持することができる。そのため、ゲート絶縁膜形成後の熱処理工程の制約が少なくなり、製造工程の自由度が従来に比べて高い。   According to the present invention, even when a large voltage is applied to the MIS type semiconductor device, fluctuations in the threshold voltage are suppressed and stable operation can be achieved. Although it is not clear why the gate insulating film of the present invention has such an effect of stabilizing the threshold value, the level generated by the oxygen deficiency in the gate insulating film is reduced by nitrogen in the gate insulating film. It is presumed that this is because of this. The present invention is effective for MIS type semiconductor devices having an operating voltage of 5 V or higher, particularly 10 V or higher, and can be used for power semiconductor elements. In addition, the gate insulating film according to the present invention is stable against heat treatment and can maintain an amorphous state without being crystallized up to about 800 ° C. For this reason, there are fewer restrictions on the heat treatment process after the gate insulating film is formed, and the degree of freedom in the manufacturing process is higher than in the prior art.

実施例1のMIS型半導体装置の構成を示した断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a MIS type semiconductor device of Example 1. 実施例1のMIS型半導体装置の製造工程を示した図。FIG. 6 is a diagram showing manufacturing steps of the MIS type semiconductor device of Example 1; 実施例1のMIS型半導体装置のC−V特性を示したグラフ。3 is a graph showing CV characteristics of the MIS type semiconductor device of Example 1. 比較例のMIS型半導体装置のC−V特性を示したグラフ。The graph which showed the CV characteristic of the MIS type semiconductor device of a comparative example. ゲート絶縁膜11のO組成比、N組成比を示した図。The figure which showed O composition ratio of the gate insulating film 11, and N composition ratio. ゲート絶縁膜11の窒素原子濃度/酸素原子濃度を示した図。The figure which showed the nitrogen atom concentration / oxygen atom concentration of the gate insulating film 11. 実施例2のHFETの構成を示した図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an HFET of Example 2. 実施例2のHFETの製造工程を示した図。FIG. 6 shows a manufacturing process of the HFET of Example 2. 実施例3のダイオードの構成を示した図。FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a diode according to Example 3.

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1のMIS型半導体装置の構成を示した断面図である。実施例1のMIS型半導体装置は、半導体層10と、半導体層10上に接して位置するゲート絶縁膜11と、ゲート絶縁膜11の一部領域上に接して位置するゲート電極12と、を有している。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the MIS type semiconductor device according to the first embodiment. The MIS type semiconductor device of Example 1 includes a semiconductor layer 10, a gate insulating film 11 positioned in contact with the semiconductor layer 10, and a gate electrode 12 positioned in contact with a partial region of the gate insulating film 11. Have.

半導体層10は、厚さ600μmのn型Si基板である。Si以外にもIII 族窒化物半導体層、III−V族半導体層、II−VI族化合物半導体層、SiC層などを用いることができる。III 族窒化物半導体層は、たとえばGaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlGaInNなどの層である。また、III−V族半導体層は、たとえば、GaAs、GaP、GaInPなどの層である。また、II−VI族化合物半導体層は、たとえばZnOなどの層である。また、半導体層10の伝導型はn型でなくともよく、p型でも真性でもよい。また、半導体層10は単層でなくてもよく、複数の層によって構成されていてもよい。たとえば、材料、伝導型、組成比、不純物濃度などが異なる層が積層された構成であってもよい。また、半導体層10は半導体基板そのものであってもよいし、半導体基板や絶縁基板上に積層された層であってもよい。   The semiconductor layer 10 is an n-type Si substrate having a thickness of 600 μm. In addition to Si, a group III nitride semiconductor layer, a group III-V semiconductor layer, a group II-VI compound semiconductor layer, a SiC layer, or the like can be used. The group III nitride semiconductor layer is, for example, a layer of GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, or the like. The III-V semiconductor layer is a layer of GaAs, GaP, GaInP, or the like, for example. The II-VI group compound semiconductor layer is a layer of ZnO, for example. Further, the conductivity type of the semiconductor layer 10 does not have to be n-type, and may be p-type or intrinsic. Further, the semiconductor layer 10 may not be a single layer, and may be composed of a plurality of layers. For example, a configuration in which layers having different materials, conductivity types, composition ratios, impurity concentrations, and the like are stacked may be used. Further, the semiconductor layer 10 may be a semiconductor substrate itself, or may be a layer laminated on a semiconductor substrate or an insulating substrate.

ゲート絶縁膜11は、厚さ75nmのアモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)からなる。 The gate insulating film 11 is an amorphous ZrO x N y having a thickness of 75 nm (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0. 55x + y ≦ 1.7).

ゲート絶縁膜11は実施例1のように半導体層10上に接して位置していてもよいが、他の絶縁膜を介して半導体層10上に位置していてもよい。たとえば、半導体層10とゲート絶縁膜11との間にSiO2 やSix y 、ZrO2 などからなる絶縁膜を有していてもよい。 The gate insulating film 11 may be positioned on the semiconductor layer 10 as in the first embodiment, but may be positioned on the semiconductor layer 10 with another insulating film interposed therebetween. For example, an insulating film made of SiO 2 , Si x N y , ZrO 2 or the like may be provided between the semiconductor layer 10 and the gate insulating film 11.

ゲート電極12には、ポリシリコン、Wなどを用いることができる。ゲート電極12は、実施例1のようにゲート絶縁膜11上に直接接して位置していてもよいが、他の層を介してゲート絶縁膜11上に位置していてもよい。たとえば、ゲート絶縁膜11とゲート電極12の間に、他の絶縁膜や金属膜を有していてもよい。   Polysilicon, W, or the like can be used for the gate electrode 12. Although the gate electrode 12 may be positioned directly on the gate insulating film 11 as in the first embodiment, it may be positioned on the gate insulating film 11 through another layer. For example, another insulating film or a metal film may be provided between the gate insulating film 11 and the gate electrode 12.

実施例1のMIS型半導体装置では、ゲート絶縁膜11としてアモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)を用いているため、5V以上の大きな電圧を印加してもしきい値電圧の変動が抑制され、安定して動作させることができる。そのため、実施例1のMIS型半導体装置は、動作電圧が5V以上、特に10V以上の場合であっても安定した動作が可能である。また、そのような高い動作電圧での安定した動作が可能であることから、FET、HFET、IGBT、などのパワー半導体素子としての利用に適している。また、実施例1のMIS型半導体装置のゲート絶縁膜11は、800℃程度までの熱処理を行っても結晶化せず、アモルファスの状態を維持することができる。そのため、実施例1のMIS型半導体装置は熱的安定性にも優れている。 In the MIS type semiconductor device of Example 1, amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1 as the gate insulating film 11). .5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7) is used, fluctuation of the threshold voltage is suppressed even when a large voltage of 5 V or more is applied, and stable operation is possible. Therefore, the MIS type semiconductor device of Example 1 can operate stably even when the operating voltage is 5 V or higher, particularly 10 V or higher. Further, since stable operation at such a high operating voltage is possible, it is suitable for use as a power semiconductor element such as an FET, HFET, or IGBT. In addition, the gate insulating film 11 of the MIS type semiconductor device of Example 1 does not crystallize even when heat treatment up to about 800 ° C., and can maintain an amorphous state. Therefore, the MIS type semiconductor device of Example 1 is also excellent in thermal stability.

なお、ゲート絶縁膜11のO組成比に対するN組成比y/xは、1≦y/x≦5であることがより望ましい。しきい値電圧の変動がより抑制され、より安定した動作が可能となるためである。   The N composition ratio y / x with respect to the O composition ratio of the gate insulating film 11 is more preferably 1 ≦ y / x ≦ 5. This is because fluctuations in the threshold voltage are further suppressed and a more stable operation is possible.

また、O組成比xは、x≦0.5をさらに満たすようにしてもよい。このようなx、yの範囲であるゲート絶縁膜11を有した実施例1のMIS型半導体装置についても、しきい値電圧の変動が抑制されており、安定した動作が可能である。   Further, the O composition ratio x may further satisfy x ≦ 0.5. Also in the MIS type semiconductor device of Example 1 having the gate insulating film 11 in such a range of x and y, fluctuations in the threshold voltage are suppressed and stable operation is possible.

次に、実施例1のMIS型半導体装置の製造工程について説明する。   Next, the manufacturing process of the MIS type semiconductor device of Example 1 will be described.

まず、n型のSi基板である半導体層10を用意し、半導体層10の表面をアセトン、IPA(イソプロピルアルコール)、超純水を順に用いて洗浄し、半導体層10表面の油分を除去する。その後、半導体層10をバッファードフッ酸に浸漬させて、半導体層10表面の自然酸化膜を除去する(図2(a))。   First, the semiconductor layer 10 which is an n-type Si substrate is prepared, and the surface of the semiconductor layer 10 is cleaned using acetone, IPA (isopropyl alcohol), and ultrapure water in this order to remove oil on the surface of the semiconductor layer 10. Thereafter, the semiconductor layer 10 is immersed in buffered hydrofluoric acid to remove the natural oxide film on the surface of the semiconductor layer 10 (FIG. 2A).

次に、清浄された半導体層10上に、ECR(Electron Cyclotron Resonance、電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法によってZrOx y からなるゲート絶縁膜11を形成する(図2(b))。スパッタは、アルゴンガスに窒素と酸素を混合した混合ガス中で、Zrの金属ターゲットを用いて行い、基板温度は室温とし、圧力は0.07〜0.2Paとし、RFパワーは500W、マイクロ波パワーは500Wとする。また、アルゴンガスの流量は15〜30sccm、酸素ガスの流量は0.1〜3.0sccm、窒素ガスの流量は4.3〜17sccmとする。ゲート絶縁膜11のO組成比、N組成比は酸素ガス流量と窒素ガス流量によって制御可能であり、窒素ガス流量に対する酸素ガス流量の比は0.012〜0.36とする。 Next, the gate insulating film 11 made of ZrO x N y is formed on the cleaned semiconductor layer 10 by ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method (FIG. 2B). Sputtering is performed using a Zr metal target in a mixed gas of nitrogen gas and nitrogen mixed with argon gas, the substrate temperature is room temperature, the pressure is 0.07 to 0.2 Pa, the RF power is 500 W, and the microwave The power is 500W. The flow rate of argon gas is 15-30 sccm, the flow rate of oxygen gas is 0.1-3.0 sccm, and the flow rate of nitrogen gas is 4.3-17 sccm. The O composition ratio and the N composition ratio of the gate insulating film 11 can be controlled by the oxygen gas flow rate and the nitrogen gas flow rate, and the ratio of the oxygen gas flow rate to the nitrogen gas flow rate is 0.012 to 0.36.

なお、上記ECRスパッタ法では、キャリアガスとしてアルゴンを用いたが、キセノンなど他の不活性ガスを用いてもよい。また、ECRスパッタ法以外にも、マグネトロンスパッタなどを用いることができる。ただし、ECRスパッタ法は、他のスパッタ法に比べて低温、高圧力でゲート絶縁膜11を成膜することができる点で利点がある。   In the ECR sputtering method, argon is used as the carrier gas, but other inert gases such as xenon may be used. In addition to ECR sputtering, magnetron sputtering or the like can be used. However, the ECR sputtering method is advantageous in that the gate insulating film 11 can be formed at a lower temperature and higher pressure than other sputtering methods.

また、アルゴンガスの流量、酸素ガスの流量、窒素ガスの流量については、必ずしも上記範囲とする必要はないが、上記範囲とすることでZrOx y のO組成比x、N組成比yの制御性よくゲート絶縁膜11を形成することができる。 Further, the flow rate of argon gas, the flow rate of oxygen gas, and the flow rate of nitrogen gas are not necessarily in the above ranges, but by making the above ranges, the O composition ratio x and the N composition ratio y of ZrO x N y The gate insulating film 11 can be formed with good controllability.

上記条件によりゲート絶縁膜11を形成すると、ゲート絶縁膜11のO組成比x、N組成比yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7を満たす範囲に形成することができ、ゲート絶縁膜11をアモルファス状に形成することができる。   When the gate insulating film 11 is formed under the above conditions, the O composition ratio x and the N composition ratio y of the gate insulating film 11 are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5. ≦ 0.55x + y ≦ 1.7 can be formed, and the gate insulating film 11 can be formed in an amorphous state.

また、発明者らの検討によると、上記温度、圧力の条件下でのECRスパッタ法によると、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスの流量制御によっては1.5≦0.55x+y≦1.7の範囲を外れるO組成比x、N組成比yのZrOx y 膜は作製することができなかった。このことから、本条件下でのECRスパッタ法によってアモルファス状のZrOx y 膜が作製できれば、そのZrOx y 膜は1.5≦0.55x+y≦1.7を満たすO組成比x、N組成比yであるものと推察される。 Further, according to the study by the inventors, according to the ECR sputtering method under the above temperature and pressure conditions, 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7 depending on the flow rate control of argon gas, nitrogen gas, and oxygen gas. A ZrO x N y film having an O composition ratio x and an N composition ratio y outside the range could not be produced. Therefore, if an amorphous ZrO x N y film can be produced by ECR sputtering under the present conditions, the ZrO x N y film has an O composition ratio x satisfying 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7, It is assumed that the N composition ratio is y.

また、ゲート絶縁膜11はアモルファス状に形成されるため、半導体層10に格子整合させる必要がなく、Siからなる半導体層10以外にもSiO2 などの絶縁膜上や、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、III 族窒化物半導体などの化合物半導体層上にも形成することができる。 Further, since the gate insulating film 11 is formed in an amorphous state, it is not necessary to lattice match with the semiconductor layer 10, and besides the semiconductor layer 10 made of Si, on the insulating film such as SiO 2 or III-V compound semiconductor. It can also be formed on a compound semiconductor layer such as a II-VI group compound semiconductor or a group III nitride semiconductor.

上記条件のECRスパッタ法において、窒素ガス流量に対する酸素ガス流量の比を0.012〜0.36とすれば、しきい値電圧の変動が1V以下に抑制されるゲート絶縁膜11を形成することができる。特に窒素ガス流量に対する酸素ガス流量の比を0.036〜0.36とすれば、さらにしきい値電圧の変動を0.1V以下に抑制することができる。   In the ECR sputtering method under the above conditions, if the ratio of the oxygen gas flow rate to the nitrogen gas flow rate is 0.012 to 0.36, the gate insulating film 11 in which the fluctuation of the threshold voltage is suppressed to 1 V or less is formed. Can do. In particular, if the ratio of the oxygen gas flow rate to the nitrogen gas flow rate is 0.036 to 0.36, the threshold voltage fluctuation can be further suppressed to 0.1 V or less.

次に、ゲート絶縁膜11上の所定の領域に、リフトオフ法によってゲート電極12を形成する。より具体的には、ゲート絶縁膜11上にフォトリソグラフィによって所定の領域以外の領域にレジスト膜を形成し、ついで所定の領域およびレジスト膜上に蒸着等によって電極膜を形成し、次にリフトオフによってレジスト膜と、その上の電極膜の一部を除去し、所定の領域にのみ電極膜を残すことで、ゲート絶縁膜11上の所定の領域にのみゲート電極12を形成する。以上によって図1に示す実施例1のMIS型半導体装置が作製される。   Next, the gate electrode 12 is formed in a predetermined region on the gate insulating film 11 by a lift-off method. More specifically, a resist film is formed on the gate insulating film 11 in a region other than the predetermined region by photolithography, then an electrode film is formed on the predetermined region and the resist film by vapor deposition or the like, and then lift-off is performed. The resist film and a part of the electrode film thereon are removed and the electrode film is left only in a predetermined region, whereby the gate electrode 12 is formed only in the predetermined region on the gate insulating film 11. Thus, the MIS type semiconductor device of Example 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

上記説明した実施例1のMIS型半導体装置の製造方法によれば、ZrOx y からなり、アモルファス状であって、O組成比x、N組成比yがx>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7を満たすゲート絶縁膜11を形成することができる。そのため、動作電圧が5V以上であっても、しきい値電圧の変動を抑制することができ、安定した動作をさせることが可能である。 According to the manufacturing method of the MIS type semiconductor device of Example 1 described above, it is made of ZrO x N y and is amorphous, and the O composition ratio x and the N composition ratio y are x> 0, y> 0, 0 The gate insulating film 11 satisfying .3 ≦ y / x ≦ 10 and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7 can be formed. Therefore, even if the operating voltage is 5 V or higher, fluctuations in the threshold voltage can be suppressed and stable operation can be achieved.

また、上記の方法によって形成したゲート絶縁膜11は、800℃程度までの熱処理を行ってもアモルファス状を保持することができ、高い信頼性を有している。このように、ゲート絶縁膜11は熱的な安定性が高いため、実施例1のMIS型半導体装置のしきい値電圧は、温度変化によってもほとんど変動せず、安定している。また、同じくゲート絶縁膜11の熱的安定性から、ゲート絶縁膜11形成後の熱処理工程、たとえば電極のアロイ処理工程などにおいて温度の制約が少なくなり、製造工程の自由度が増す。   Further, the gate insulating film 11 formed by the above method can maintain an amorphous state even when heat treatment up to about 800 ° C. is performed, and has high reliability. As described above, since the gate insulating film 11 has high thermal stability, the threshold voltage of the MIS type semiconductor device of Example 1 is stable with almost no fluctuations due to temperature changes. Similarly, the thermal stability of the gate insulating film 11 reduces the temperature restriction in the heat treatment process after the gate insulating film 11 is formed, for example, the electrode alloying process, and the degree of freedom in the manufacturing process is increased.

以下、実施例1のMIS型半導体装置についての具体的な評価を実験例として示す。   Hereinafter, specific evaluation of the MIS type semiconductor device of Example 1 is shown as an experimental example.

[実験例1]
ZrOx y からなり、xが0.79、yが1.2のアモルファス状のゲート絶縁膜11を有した実施例1のMIS型半導体装置を作製し、しきい値電圧の安定性を検証した。図3は、実施例1のMIS型半導体装置のC−V特性を示したグラフである。印加電圧は、−2Vから5V、5Vから−2V、−2Vから10V、10Vから−2V、−2Vから15V、15Vから−2V、−2Vから5Vと連続的に掃引して変化させた。電圧の掃引速度は0.1V/sとした。図3のように、印加電圧を上記のように掃引してもしきい値電圧はほとんど変化していないことがわかる。特に、印加電圧を−2Vから15V、15Vから−2Vと大きく変化させた場合であっても、しきい値電圧はほとんど変動していない。
[Experimental Example 1]
A MIS type semiconductor device of Example 1 having an amorphous gate insulating film 11 made of ZrO x N y and having x of 0.79 and y of 1.2 is manufactured, and the stability of the threshold voltage is verified. did. FIG. 3 is a graph showing the CV characteristics of the MIS type semiconductor device of Example 1. The applied voltage was changed by continuously sweeping from −2 V to 5 V, from 5 V to −2 V, from −2 V to 10 V, from 10 V to −2 V, from −2 V to 15 V, from 15 V to −2 V, and from −2 V to 5 V. The voltage sweep rate was 0.1 V / s. As shown in FIG. 3, the threshold voltage hardly changes even when the applied voltage is swept as described above. In particular, even when the applied voltage is greatly changed from −2 V to 15 V and from 15 V to −2 V, the threshold voltage hardly fluctuates.

また、比較例として、ゲート絶縁膜11としてアモルファス状のZrO2 を用いた以外は実施例1のMIS型半導体装置と同様の構造のMIS型半導体装置を作製し、そのしきい値の安定性を検証した。図4は、比較例のMIS型半導体装置のC−V特性を示したグラフである。印加電圧は図3の場合と同様にして掃引した。図3のように、印加電圧を−2Vから10V、10Vから−2Vと掃引した場合と、−2Vから15V、15Vから−2Vと掃引した場合でしきい値電圧が大きく変動していることがわかる。また、印加電圧を−2Vから5V、5Vから−2Vと掃引した場合でも、若干しきい値電圧が変動していることがわかる。 As a comparative example, a MIS type semiconductor device having the same structure as that of the MIS type semiconductor device of Example 1 except that amorphous ZrO 2 is used as the gate insulating film 11 is manufactured, and the stability of the threshold value is increased. Verified. FIG. 4 is a graph showing the CV characteristics of the MIS type semiconductor device of the comparative example. The applied voltage was swept in the same manner as in FIG. As shown in FIG. 3, the threshold voltage greatly fluctuates when the applied voltage is swept from −2 V to 10 V, from 10 V to −2 V, and from −2 V to 15 V, and from 15 V to −2 V. Recognize. It can also be seen that the threshold voltage slightly fluctuates even when the applied voltage is swept from -2 V to 5 V and from 5 V to -2 V.

このように、ZrOx y からなり、アモルファス状で、x、yが、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たすゲート絶縁膜11を有した実施例1のMIS型半導体装置は、大きな電圧を印加してもしきい値電圧の変動がなく、安定して動作させることができることがわかる。また、図3の結果から、動作電圧が5V以上、特に動作電圧が10V以上のMIS型半導体装置において有効であり、そのような動作電圧のMIS型半導体装置であっても安定して動作させることができることがわかる。 Thus, it is made of ZrO x N y and is amorphous, and x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1. It can be seen that the MIS type semiconductor device of Example 1 having the gate insulating film 11 satisfying 7 is stable in operation without fluctuation of the threshold voltage even when a large voltage is applied. Further, from the results of FIG. 3, it is effective in an MIS type semiconductor device having an operating voltage of 5 V or more, particularly an operating voltage of 10 V or more, and even an MIS type semiconductor device having such an operating voltage can be stably operated. You can see that

[実験例2]
実施例1のMIS型半導体装置におけるゲート絶縁膜11の形成において、アルゴンガス流量を20sccm、窒素ガス流量を8.5sccmで一定とし、酸素ガス流量を0.1、0.3、0.5、1、3sccmと替えて5つの試料を作製した。ゲート絶縁膜11は、5つの試料のいずれでもアモルファス状に形成されていた。そのゲート絶縁膜11のO組成比x、N組成比yは、図5のグラフに示す通りであった。すなわち、酸素ガス流量が0.1sccm(酸素ガス流量/窒素ガス流量が0.0118)のときにxがおよそ0.2、yがおよそ1.55(図5中のプロット5)、酸素ガス流量が0.3sccm(酸素ガス流量/窒素ガス流量が0.0353)のときにxがおよそ0.24、yがおよそ1.4(図5中のプロット4)、酸素ガス流量が0.5sccm(酸素ガス流量/窒素ガス流量が0.0588)のときにxがおよそ0.45、yがおよそ1.45(図5中のプロット3)、酸素ガス流量が1sccm(酸素ガス流量/窒素ガス流量が0.1176)のときにxがおよそ0.76、yがおよそ1.24(図5中のプロット2)、酸素ガス流量が3sccm(酸素ガス流量/窒素ガス流量が0.3529)のときにxがおよそ1.85、yがおよそ0.55(図5中のプロット1)、であった。
[Experiment 2]
In the formation of the gate insulating film 11 in the MIS type semiconductor device of Example 1, the argon gas flow rate is constant at 20 sccm, the nitrogen gas flow rate is 8.5 sccm, and the oxygen gas flow rate is 0.1, 0.3, 0.5, Five samples were prepared in place of 1, 3 sccm. The gate insulating film 11 was formed in an amorphous state in any of the five samples. The O composition ratio x and N composition ratio y of the gate insulating film 11 were as shown in the graph of FIG. That is, when the oxygen gas flow rate is 0.1 sccm (oxygen gas flow rate / nitrogen gas flow rate 0.0118), x is approximately 0.2 and y is approximately 1.55 (plot 5 in FIG. 5). Is 0.3 sccm (oxygen gas flow rate / nitrogen gas flow rate is 0.0353), x is approximately 0.24, y is approximately 1.4 (plot 4 in FIG. 5), and oxygen gas flow rate is 0.5 sccm ( When oxygen gas flow rate / nitrogen gas flow rate is 0.0588, x is approximately 0.45, y is approximately 1.45 (plot 3 in FIG. 5), oxygen gas flow rate is 1 sccm (oxygen gas flow rate / nitrogen gas flow rate) X is approximately 0.76, y is approximately 1.24 (plot 2 in FIG. 5), and the oxygen gas flow rate is 3 sccm (oxygen gas flow rate / nitrogen gas flow rate is 0.3529). X is approximately 1.85, There approximately 0.55 (plot 1 in FIG. 5), was.

この図5のグラフから、5つの試料のいずれについても、ゲート絶縁膜11のO組成比x、N組成比yが、直線0.55x+y=1.6を中心としてyが±0.1の幅を有する範囲、すなわち、1.5≦0.55x+y≦1.7を満たす範囲に含まれていることがわかる。   From the graph of FIG. 5, in any of the five samples, the O composition ratio x and the N composition ratio y of the gate insulating film 11 are in the range where y is ± 0.1 around the straight line 0.55x + y = 1.6. In other words, it is included in the range satisfying 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7.

図6は、図5で用いた5つの試料について、しきい値電圧のシフト量を示したグラフである。印加電圧を−2Vから10Vまで掃引し、10Vから−2Vまで掃引し、−2Vから15Vまで掃引した場合のしきい値電圧のシフト量である。横軸は、ゲート絶縁膜11の材料であるZrOx y の窒素原子濃度/酸素原子濃度(つまりy/x)であり、縦軸はしきい値電圧のシフト量(V)である。また、比較例として、y/x=0、すなわちゲート絶縁膜11をZrO2 とした場合についても、同様に印加電圧を掃引して、しきい値電圧のシフト量を調べた。図6中のプロットに付した番号は、図5中に付したプロットの番号と対応している。ゲート絶縁膜11をZrO2 とした比較例ではしきい値電圧のシフト量がおよそ4.8Vであるのに対し、他の5つの試料ではしきい値電圧のシフト量が1V以下であった。このように、ZrOx y における窒素と酸素の組成比y/xが、0.3≦y/x≦10であれば、しきい値電圧のシフト量が1V以下となることがわかった。シフト量が1V以下であれば、動作電圧が5V以上、特に10V以上である実施例1のMIS型半導体装置を安定して動作させることができる。なお、y/xを10以下としたのは、ZrOx y の窒素の割合が大きくなるため導電性であるZrNに物性が近づき、絶縁膜としての機能を果たせなくなるためである。 FIG. 6 is a graph showing the shift amount of the threshold voltage for the five samples used in FIG. This is the threshold voltage shift amount when the applied voltage is swept from -2 V to 10 V, swept from 10 V to -2 V, and swept from -2 V to 15 V. The horizontal axis represents the nitrogen atom concentration / oxygen atom concentration (that is, y / x) of ZrO x N y that is the material of the gate insulating film 11, and the vertical axis represents the threshold voltage shift amount (V). As a comparative example, when y / x = 0, that is, when the gate insulating film 11 is ZrO 2 , the applied voltage was similarly swept to investigate the shift amount of the threshold voltage. The numbers given to the plots in FIG. 6 correspond to the numbers of the plots given in FIG. In the comparative example in which the gate insulating film 11 is ZrO 2 , the shift amount of the threshold voltage is about 4.8V, whereas in the other five samples, the shift amount of the threshold voltage is 1V or less. Thus, it was found that when the composition ratio y / x of nitrogen and oxygen in ZrO x N y is 0.3 ≦ y / x ≦ 10, the threshold voltage shift amount is 1 V or less. If the shift amount is 1 V or less, the MIS type semiconductor device of Example 1 having an operating voltage of 5 V or more, particularly 10 V or more can be stably operated. The reason why y / x is set to 10 or less is that since the ratio of nitrogen in ZrO x N y increases, the physical properties approach ZrN, which is conductive, and the function as an insulating film cannot be achieved.

また、より望ましいy/xの範囲は1≦y/x≦5である。この範囲であれば、図6のように、しきい値電圧のシフト量を0.1V以下とすることができ、実施例1のMIS型半導体装置をより安定して動作させることができる。   A more desirable range of y / x is 1 ≦ y / x ≦ 5. Within this range, as shown in FIG. 6, the shift amount of the threshold voltage can be 0.1 V or less, and the MIS type semiconductor device of Example 1 can be operated more stably.

またO組成比xは、0.5以下であってもよい。xがこの範囲であっても、x、yが、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たすのであれば、図6に示すように、実施例1のMIS型半導体装置はしきい値電圧のシフト量を1V以下とすることができ、安定した動作をさせることができる。   The O composition ratio x may be 0.5 or less. Even if x is within this range, x and y satisfy x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7. For example, as shown in FIG. 6, the MIS type semiconductor device according to the first embodiment can reduce the threshold voltage shift amount to 1 V or less, and can operate stably.

なお、本発明のMIS型半導体装置は、実施例1に示した構造に限るものではなく、半導体層上にゲート絶縁膜、ゲート電極が順に形成された構造であれば任意の構造であってよい。   The MIS type semiconductor device of the present invention is not limited to the structure shown in the first embodiment, and may have any structure as long as a gate insulating film and a gate electrode are sequentially formed on the semiconductor layer. .

また、実施例1のMIS型半導体装置では、ゲート絶縁膜11を単層としているが、上記x、yの範囲を満たすアモルファス状のZrOx y からなるのであれば、O組成比x、N組成比yの異なる複数の層で構成されていてもよい。 In the MIS type semiconductor device of Example 1, the gate insulating film 11 is a single layer. However, if the gate insulating film 11 is made of amorphous ZrO x N y satisfying the ranges of x and y, the O composition ratio x, N It may be composed of a plurality of layers having different composition ratios y.

図7は、実施例2のHFET100の構成を示した図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the HFET 100 according to the second embodiment.

HFET100は、Siからなる基板101と、基板101上にAlNからなるバッファ層102を介して位置するノンドープのGaNからなる第1キャリア走行層103を有している。   The HFET 100 includes a substrate 101 made of Si, and a first carrier traveling layer 103 made of non-doped GaN located on the substrate 101 via a buffer layer 102 made of AlN.

また、第1キャリア走行層103上の互いに離間した2つの領域上に、2つに分離して形成されたノンドープのGaNからなる第2キャリア走行層104と、2つの分離した第2キャリア走行層104上にそれぞれ位置するAl0.25Ga0.75Nからなるキャリア供給層105を有していて、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105はヘテロ接合している。第2キャリア走行層104とキャリア供給層105は、選択的に再成長させて形成した層である。 In addition, the second carrier traveling layer 104 made of non-doped GaN formed separately on two regions separated from each other on the first carrier traveling layer 103 and the two separated second carrier traveling layers. The carrier supply layer 105 made of Al 0.25 Ga 0.75 N is provided on each 104, and the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 are heterojunctioned. The second carrier transit layer 104 and the carrier supply layer 105 are layers formed by selective regrowth.

また、2つの分離したキャリア供給層105のうち、一方のキャリア供給層105上に形成されたソース電極106と、他方のキャリア供給層105上に形成されたドレイン電極107と、を有している。ソース電極106およびドレイン電極107はTi/Al(キャリア供給層105側からTi、Alの順)からなる。   In addition, of the two separated carrier supply layers 105, a source electrode 106 formed on one carrier supply layer 105 and a drain electrode 107 formed on the other carrier supply layer 105 are provided. . The source electrode 106 and the drain electrode 107 are made of Ti / Al (in order of Ti and Al from the carrier supply layer 105 side).

また、2つの第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105の領域に挟まれ第2キャリア走行層104の形成されていない第1キャリア走行層103上、2つの第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105の領域が離間して向かい合う側の第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105の2つの側端面111、キャリア供給層105上に、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)からなる絶縁膜108を有している。 Further, the two second carrier running layers 104 and the carrier supply are provided on the first carrier running layer 103 between which the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 are sandwiched. On the two side end faces 111 of the second carrier traveling layer 104 and the carrier supply layer 105 on the side where the regions of the layer 105 are spaced apart from each other, on the carrier supply layer 105, amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7).

また、この絶縁膜108を介して、第2キャリア走行層104の形成されていない第1キャリア走行層103上、および2つの側端面111に形成されたゲート電極109を有している。ゲート電極109は、Ni/Au(絶縁膜108側からNi、Auの順)からなる。このゲート電極109は、側端面111近傍のキャリア供給層105上にも、絶縁膜108を介して延伸していて、ソース電極106側とドレイン電極107側それぞれに0.5μm延伸している。このように延伸させることで、ゲート電極109に正の電圧を印加した際に、側端面111近傍により多くの電子を蓄積することができ、その延伸されたゲート電極109の下部にあたる領域の2DEGの濃度をより高めることができる。そのため、オン抵抗をより低減することができる。   In addition, a gate electrode 109 formed on the first carrier traveling layer 103 where the second carrier traveling layer 104 is not formed and on the two side end surfaces 111 is provided via the insulating film 108. The gate electrode 109 is made of Ni / Au (in order of Ni and Au from the insulating film 108 side). The gate electrode 109 extends also on the carrier supply layer 105 in the vicinity of the side end face 111 via the insulating film 108 and extends 0.5 μm to the source electrode 106 side and the drain electrode 107 side, respectively. By extending in this way, when a positive voltage is applied to the gate electrode 109, more electrons can be accumulated in the vicinity of the side end face 111, and the 2DEG of the region corresponding to the lower portion of the extended gate electrode 109 is stored. The concentration can be further increased. Therefore, the on-resistance can be further reduced.

第1キャリア走行層103の厚さは2μm、第2キャリア走行層104の厚さは100nm、キャリア供給層105の厚さは25nmである。また、絶縁膜108の厚さは40nmである。また、ソース電極106とゲート電極109との間隔は1.5μm、ゲート電極109とドレイン電極107との距離は6.5μmであり、ゲート電極109はソース電極106よりに位置した非対称な構成となっている。このようにゲート電極109をドレイン電極107よりもソース電極106に近い位置とすることで、耐圧性の向上を図っている。   The thickness of the first carrier transit layer 103 is 2 μm, the thickness of the second carrier transit layer 104 is 100 nm, and the thickness of the carrier supply layer 105 is 25 nm. The thickness of the insulating film 108 is 40 nm. Further, the distance between the source electrode 106 and the gate electrode 109 is 1.5 μm, the distance between the gate electrode 109 and the drain electrode 107 is 6.5 μm, and the gate electrode 109 has an asymmetrical configuration located closer to the source electrode 106. ing. In this manner, the gate electrode 109 is positioned closer to the source electrode 106 than the drain electrode 107, thereby improving the pressure resistance.

基板101には、Si以外に、サファイア、SiC、ZnO、スピネル、GaNなどの従来よりIII 族窒化物半導体の成長基板として知られる任意の材料の基板を用いてもよい。   In addition to Si, the substrate 101 may be made of any material conventionally known as a group III nitride semiconductor growth substrate, such as sapphire, SiC, ZnO, spinel, and GaN.

バッファ層102には、AlNのほか、GaNを用いてもよく、AlN/GaNなどの複数の層であってもよい。また、第1キャリア走行層103は、任意の組成比のIII 族窒化物半導体でよいが、結晶性等の点からGaNが望ましい。また、第1キャリア走行層103はn型不純物などがドープされていてもよく、複数の層で構成されていてもよい。また、バッファ層102を形成せず、直接基板101上に第1キャリア走行層103が形成されていてもよい。   In addition to AlN, GaN may be used for the buffer layer 102, or a plurality of layers such as AlN / GaN may be used. The first carrier transit layer 103 may be a group III nitride semiconductor having an arbitrary composition ratio, but GaN is desirable from the viewpoint of crystallinity and the like. The first carrier traveling layer 103 may be doped with an n-type impurity or the like, and may be composed of a plurality of layers. Further, the first carrier traveling layer 103 may be formed directly on the substrate 101 without forming the buffer layer 102.

第2キャリア走行層104はGaN、キャリア供給層105はAlGaNであるが、キャリア供給層105のバンドギャップが第2キャリア走行層104よりも大きくなるようにIII 族窒化物半導体の組成比が選択されていれば、第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105は任意のIII 族窒化物半導体でよい。たとえば、第2キャリア走行層104としてInGaNを用い、キャリア供給層105としてGaNないしAlGaNを用いてもよい。また、キャリア供給層105は、Siなどの不純物がドープされたn型としてもよい。また、キャリア供給層105上にキャップ層を設けた構造としてもよい。また、第2キャリア走行層104は、第1キャリア走行層103と同一組成であってもよいし、異なる組成比のIII 族窒化物半導体材料であってもよい。   The second carrier transit layer 104 is GaN and the carrier supply layer 105 is AlGaN. The composition ratio of the group III nitride semiconductor is selected so that the band gap of the carrier supply layer 105 is larger than that of the second carrier transit layer 104. If so, the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 may be any group III nitride semiconductor. For example, InGaN may be used as the second carrier traveling layer 104 and GaN or AlGaN may be used as the carrier supply layer 105. The carrier supply layer 105 may be an n-type doped with an impurity such as Si. Further, a structure in which a cap layer is provided over the carrier supply layer 105 may be employed. The second carrier traveling layer 104 may have the same composition as the first carrier traveling layer 103, or may be a group III nitride semiconductor material having a different composition ratio.

第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合により、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面110近傍であって第2キャリア走行層104側には、2DEGが形成される(図1の点線で示した部分)。第2キャリア走行層104とキャリア供給層105は、ゲート電極109によって互いに離間された2つの領域に形成されているため、2DEGもまた、キャリア供給層105上にソース電極106が形成されている側(ソース−ゲート側)と、キャリア供給層105上にドレイン電極107が形成されている側(ゲート−ドレイン側)の2つの領域に分離して形成される。   Due to the heterojunction between the second carrier transit layer 104 and the carrier supply layer 105, 2DEG is present in the vicinity of the heterojunction interface 110 between the second carrier transit layer 104 and the carrier supply layer 105 and on the second carrier transit layer 104 side. It is formed (portion shown by a dotted line in FIG. 1). Since the second carrier traveling layer 104 and the carrier supply layer 105 are formed in two regions separated from each other by the gate electrode 109, the 2DEG is also on the side where the source electrode 106 is formed on the carrier supply layer 105. It is formed separately in two regions (source-gate side) and the side where the drain electrode 107 is formed on the carrier supply layer 105 (gate-drain side).

ソース電極106およびドレイン電極107は、トンネル効果によってキャリア供給層105を介して第2キャリア走行層104にオーミックコンタクトをとる。ソース電極106およびドレイン電極107の材料として、Ti/Al以外にも、Ti/Auなどを用いることができる。なお、ショットキーコンタクトをとる材料であってもよいが、オン抵抗の低減を図るためには望ましくない。また、良好なオーミックコンタクトを得るために、ソース電極106およびドレイン電極107直下のキャリア供給層105、第2キャリア走行層104の領域に、高濃度にSiをドープしたり、ソース電極106およびドレイン電極107直下のキャリア供給層105の厚さを薄くしてもよい。   The source electrode 106 and the drain electrode 107 are in ohmic contact with the second carrier traveling layer 104 through the carrier supply layer 105 by a tunnel effect. In addition to Ti / Al, Ti / Au or the like can be used as a material for the source electrode 106 and the drain electrode 107. Note that a material having a Schottky contact may be used, but this is not desirable in order to reduce the on-resistance. Further, in order to obtain a good ohmic contact, the regions of the carrier supply layer 105 and the second carrier running layer 104 immediately below the source electrode 106 and the drain electrode 107 are doped with Si at a high concentration, or the source electrode 106 and the drain electrode The thickness of the carrier supply layer 105 immediately below 107 may be reduced.

絶縁膜108は、ゲート絶縁膜と保護膜とを兼ねたものである。ゲート絶縁膜は、絶縁膜108のうち、第1キャリア走行層103、第2キャリア走行層104、およびキャリア供給層105と、ゲート電極109との間に挟まれて位置する領域108aである。もちろん、ゲート絶縁膜と保護膜とを兼ねずともよく、ゲート絶縁膜部分がアモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)であれば、保護膜部分については別の材料としてもよい。保護膜部分を別材料とする場合、SiO2 、SiNx 、Al2 3 、HfO2 、ZrO2 、AlNなどを用いることができる。また、絶縁膜108は単層であるが、絶縁膜108の全部または一部を、上記x、yを満たすアモルファス状のZrOx y からなる層を含む複数の層で構成してもよい。 The insulating film 108 serves as both a gate insulating film and a protective film. The gate insulating film is a region 108 a of the insulating film 108 that is located between the first carrier traveling layer 103, the second carrier traveling layer 104, the carrier supply layer 105, and the gate electrode 109. Of course, the gate insulating film may not serve as the protective film, and the gate insulating film portion is amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10 and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7), the protective film portion may be made of another material. When the protective film portion is made of another material, SiO 2 , SiN x , Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 , AlN or the like can be used. In addition, although the insulating film 108 is a single layer, all or part of the insulating film 108 may be formed of a plurality of layers including a layer made of amorphous ZrO x N y satisfying the above x and y.

ゲート電極109は、Ni/Auの他にも、Ti/Al、Wやポリシリコンなどを用いてもよい。   The gate electrode 109 may be made of Ti / Al, W, polysilicon or the like in addition to Ni / Au.

実施例2のHFET100の動作について説明する。HFET100は、ゲート電極109にバイアス電圧が印加されていない状態では、2DEGがソース−ゲート側と、ゲート−ドレイン側に分離され、電気的に接続されていない。したがって、ソース−ドレイン間に電流は流れず、オフ状態となっている。つまり、HFET100はノーマリオフ特性を有している。一方、ゲート電極109に閾値電圧以上のバイアス電圧が印加されると、絶縁膜108を介してゲート電極109と接している領域、すなわち、第2キャリア走行層104の形成されていない第1キャリア走行層103表面近傍、第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105の向かい合う側端面111近傍に電子が蓄積され、この蓄積された電子を介してソース−ゲート側の2DEGとゲート−ドレイン側の2DEGが電気的に接続される。その結果、ソース−ドレイン間に電流が流れ、オン状態となる。   The operation of the HFET 100 according to the second embodiment will be described. In the HFET 100, in the state where the bias voltage is not applied to the gate electrode 109, 2DEG is separated into the source-gate side and the gate-drain side and is not electrically connected. Therefore, no current flows between the source and the drain, and the transistor is in the off state. That is, the HFET 100 has normally-off characteristics. On the other hand, when a bias voltage equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 109, the region in contact with the gate electrode 109 through the insulating film 108, that is, the first carrier traveling where the second carrier traveling layer 104 is not formed. Electrons are accumulated in the vicinity of the surface of the layer 103, in the vicinity of the side end face 111 facing the second carrier traveling layer 104 and the carrier supply layer 105, and the 2DEG on the source-gate side and the 2DEG on the gate-drain side are connected via the accumulated electrons. Electrically connected. As a result, a current flows between the source and the drain, and the device is turned on.

また、このHFET100では、第2キャリア走行層104は、第1キャリア走行層103上に選択的に再成長された層であるから、第1キャリア走行層103と第2キャリア走行層104との界面に再成長に伴う不純物が混入しているが、第2キャリア走行層104中の再成長に伴う不純物は、第1キャリア走行層103から離れるにしたがって減少している。そのため、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面110においては、選択的な再成長に伴う不純物はほとんど見られない。また、キャリア供給層105は、第2キャリア走行層104を再成長させたのちに、第2キャリア走行層104に連続して選択的に再成長させた層であるから、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面110の平坦性は、直接第1キャリア走行層103上にキャリア供給層105を再成長させた場合の第1キャリア走行層103とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面よりも高くなっている。そのため、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面110近傍であって第2キャリア走行層104側に形成される2DEGの移動度を低下させてしまうことがない。したがって、実施例2のHFET100は、ノーマリオフでありながら、オン抵抗の低い構造となっている。   Further, in this HFET 100, since the second carrier traveling layer 104 is a layer selectively regrown on the first carrier traveling layer 103, the interface between the first carrier traveling layer 103 and the second carrier traveling layer 104 is obtained. However, impurities accompanying regrowth in the second carrier transit layer 104 decrease as the distance from the first carrier transit layer 103 increases. Therefore, at the heterojunction interface 110 between the second carrier transit layer 104 and the carrier supply layer 105, almost no impurities accompanying selective regrowth are observed. In addition, the carrier supply layer 105 is a layer that is selectively regrown continuously with the second carrier traveling layer 104 after the second carrier traveling layer 104 is regrown, and therefore, the second carrier traveling layer 104. The flatness of the heterojunction interface 110 between the carrier supply layer 105 and the carrier supply layer 105 is determined by the heterogeneity between the first carrier travel layer 103 and the carrier supply layer 105 when the carrier supply layer 105 is regrown directly on the first carrier travel layer 103. It is higher than the bonding interface. Therefore, the mobility of 2DEG formed near the heterojunction interface 110 between the second carrier traveling layer 104 and the carrier supply layer 105 and on the second carrier traveling layer 104 side is not reduced. Therefore, the HFET 100 of Example 2 has a structure with low on-resistance while being normally off.

なお、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面における、再成長に伴って混入した不純物を十分に低減し、平坦性を高めるためには、第2キャリア走行層104の厚さを50nm以上とすることが望ましい。   Note that the thickness of the second carrier traveling layer 104 is sufficient to sufficiently reduce impurities mixed with regrowth at the heterojunction interface between the second carrier traveling layer 104 and the carrier supply layer 105 and to improve flatness. The thickness is preferably 50 nm or more.

また、HFET100では、第1キャリア走行層103上に形成された絶縁膜108の上端が、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面110よりも低い位置(第1キャリア走行層103により近い位置)となるように、絶縁膜108の厚さを第2キャリア走行層104の厚さよりも薄くしている。これにより、ゲート電極109に正の電圧を印加した際に、2つの側端面111近傍に、より多くの電子を蓄積することができる。その結果、オン抵抗がさらに低減された構造となっている。   In the HFET 100, the upper end of the insulating film 108 formed on the first carrier travel layer 103 is lower than the heterojunction interface 110 between the second carrier travel layer 104 and the carrier supply layer 105 (first carrier travel layer). The thickness of the insulating film 108 is made thinner than the thickness of the second carrier traveling layer 104 so as to be closer to the position 103. Thereby, when a positive voltage is applied to the gate electrode 109, more electrons can be accumulated in the vicinity of the two side end surfaces 111. As a result, the on-resistance is further reduced.

また、HFET100では、ゲート絶縁膜(絶縁膜108のうち、第1キャリア走行層103、第2キャリア走行層104、およびキャリア供給層105とゲート電極109との間に位置する領域108a)として、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)を用いている。そのため、HFET100を5V以上の動作電圧とした場合であっても、しきい値が変動せず、安定した動作をさせることができる。 In the HFET 100, the gate insulating film (the first carrier traveling layer 103, the second carrier traveling layer 104, and the region 108a located between the carrier supply layer 105 and the gate electrode 109 in the insulating film 108) is amorphous. ZrO x N y (where x and y satisfy x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7) ing. Therefore, even when the HFET 100 is set to an operating voltage of 5 V or more, the threshold value does not fluctuate and stable operation can be performed.

次に、実施例2のHFET100の製造工程について、図を参照に説明する。   Next, the manufacturing process of the HFET 100 of Example 2 will be described with reference to the drawings.

まず、Siからなる基板101上に、AlNからなるバッファ層102をMOCVD法によって形成する。そして、バッファ層102上にノンドープGaNからなる第1キャリア走行層103をMOCVD法によって形成する(図8(a))。キャリアガスには水素と窒素、窒素源にはアンモニア、Ga源にはTMG(トリメチルガリウム)、Al源にはTMA(トリメチルアルミニウム)、を用いる。   First, the buffer layer 102 made of AlN is formed on the substrate 101 made of Si by the MOCVD method. Then, the first carrier traveling layer 103 made of non-doped GaN is formed on the buffer layer 102 by MOCVD (FIG. 8A). Hydrogen and nitrogen are used for the carrier gas, ammonia is used for the nitrogen source, TMG (trimethylgallium) is used for the Ga source, and TMA (trimethylaluminum) is used for the Al source.

次に、第1キャリア走行層103上の所定の領域に、CVD法によってSiO2 からなるマスク113を形成し、マスク113を挟んで2つの離間した領域にはマスク113を形成せず第1キャリア走行層103表面を露出させる(図8(b))。マスク113は、III 族窒化物半導体の成長を阻害する材料であれば何でもよく、SiO2 のほか、Si3 4 、Al2 3 、HfO2 、ZrO2 などの絶縁膜などを用いることができる。 Next, a mask 113 made of SiO 2 is formed in a predetermined region on the first carrier traveling layer 103 by a CVD method, and the mask 113 is not formed in two spaced regions with the mask 113 interposed therebetween. The surface of the traveling layer 103 is exposed (FIG. 8B). The mask 113 may be any material that inhibits the growth of the group III nitride semiconductor. In addition to SiO 2 , an insulating film such as Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , HfO 2 , or ZrO 2 may be used. it can.

次に、第1キャリア走行層103上に、MOCVD法によってノンドープGaNからなる第2キャリア走行層104を再成長させる。ここで、マスク113上は結晶成長が阻害されてGaNが成長しないため、マスク113の形成されていない2つの離間した領域上にのみ、第2キャリア走行層104が選択的に再成長する(図8(c))。この再成長時において、第1キャリア走行層103と第2キャリア走行層104との界面の平坦性は悪化し、不純物が混入してしまう。しかし、第2キャリア走行層104が成長するにしたがって、第2キャリア走行層104表面の平坦性は回復していき、再成長に伴う不純物の混入も減少していく。   Next, the second carrier traveling layer 104 made of non-doped GaN is regrown on the first carrier traveling layer 103 by MOCVD. Here, since crystal growth is inhibited on the mask 113 and GaN does not grow, the second carrier traveling layer 104 is selectively regrown only on two separated regions where the mask 113 is not formed (FIG. 8 (c)). During this regrowth, the flatness of the interface between the first carrier traveling layer 103 and the second carrier traveling layer 104 is deteriorated, and impurities are mixed. However, as the second carrier transit layer 104 grows, the flatness of the surface of the second carrier transit layer 104 recovers, and the contamination of impurities accompanying regrowth also decreases.

第2キャリア走行層104を所定の厚さまで成長させた後、続けてAl0.25Ga0.75Nからなるキャリア供給層105をMOCVD法によって成長させる。ここにおいても、マスク113上は結晶成長が阻害されるため、2つの第2キャリア走行層104上にのみ、キャリア供給層105が選択的に成長する。キャリア供給層105の形成時において、第2キャリア走行層104の平坦性は回復し、不純物の混入が減少しているため、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面の平坦性は高く、またその界面近傍における再成長に伴う不純物はほとんど見られない。マスク113は、キャリア供給層105を所定の厚さまで成長させたのちに除去する(図8(d))。 After the second carrier traveling layer 104 is grown to a predetermined thickness, the carrier supply layer 105 made of Al 0.25 Ga 0.75 N is subsequently grown by the MOCVD method. Also in this case, since the crystal growth is inhibited on the mask 113, the carrier supply layer 105 is selectively grown only on the two second carrier traveling layers 104. When the carrier supply layer 105 is formed, the flatness of the second carrier travel layer 104 is restored and the contamination of impurities is reduced. Therefore, the heterojunction interface between the second carrier travel layer 104 and the carrier supply layer 105 is flattened. The impurities are high, and there are almost no impurities associated with regrowth in the vicinity of the interface. The mask 113 is removed after the carrier supply layer 105 is grown to a predetermined thickness (FIG. 8D).

次に、第2キャリア走行層104が形成されていない第1キャリア走行層103上、2つの領域の第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105が離間して向かい合う側の第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105の2つの側端面111、キャリア供給層105上に、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)からなる絶縁膜108を形成する(図8(e))。絶縁膜108は、ゲート絶縁膜とキャリア供給層105の保護膜とを兼ねるものであり、これにより製造工程数の削減を図っている。 Next, on the first carrier running layer 103 where the second carrier running layer 104 is not formed, the second carrier running layer 104 on the side where the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 in the two regions are separated and face each other. On the two side end surfaces 111 of the carrier supply layer 105 and the carrier supply layer 105, amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10). And 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7) is formed (FIG. 8E). The insulating film 108 serves as both a gate insulating film and a protective film for the carrier supply layer 105, thereby reducing the number of manufacturing steps.

ここで、絶縁膜108の形成には、ECRスパッタ法を用い、アルゴンガスに窒素と酸素を混合した混合ガス中で、Zrの金属ターゲットを用いて行い、基板温度は室温とし、圧力は0.07〜0.2Paとし、RFパワーは500W、マイクロ波パワーは500Wとする。また、アルゴンガスの流量は15〜30sccm、酸素ガスの流量は0.1〜3.0sccm、窒素ガスの流量は4.3〜17sccmとする。ゲート絶縁膜11のO組成比、N組成比は酸素ガス流量と窒素ガス流量によって制御可能であり、窒素ガス流量に対する酸素ガス流量の比は0.012〜0.36とする。この条件により、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)からなる絶縁膜108を形成することができる。 Here, the insulating film 108 is formed by using an ECR sputtering method in a mixed gas in which nitrogen and oxygen are mixed with argon gas, using a Zr metal target, the substrate temperature is room temperature, and the pressure is 0. The power is set to 07 to 0.2 Pa, the RF power is 500 W, and the microwave power is 500 W. The flow rate of argon gas is 15-30 sccm, the flow rate of oxygen gas is 0.1-3.0 sccm, and the flow rate of nitrogen gas is 4.3-17 sccm. The O composition ratio and the N composition ratio of the gate insulating film 11 can be controlled by the oxygen gas flow rate and the nitrogen gas flow rate, and the ratio of the oxygen gas flow rate to the nitrogen gas flow rate is 0.012 to 0.36. Under these conditions, amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7, The insulating film 108 can be formed.

次に、ソース電極106、ドレイン電極107を形成する領域の絶縁膜108を除去してキャリア供給層105を露出させ、その露出したキャリア供給層105上に蒸着とリフトオフによってソース電極106、ドレイン電極107を形成する。また、第2キャリア走行層104が形成されていない第1キャリア走行層103上、2つの側端面111、その側端面111近傍のキャリア供給層105上に、蒸着とリフトオフによってゲート電極109を形成する。以上によって図1に示すHFET100が製造される。   Next, the insulating film 108 in the region where the source electrode 106 and the drain electrode 107 are formed is removed to expose the carrier supply layer 105, and the source electrode 106 and the drain electrode 107 are formed on the exposed carrier supply layer 105 by vapor deposition and lift-off. Form. Further, the gate electrode 109 is formed by vapor deposition and lift-off on the first carrier running layer 103 where the second carrier running layer 104 is not formed, on the two side end faces 111 and on the carrier supply layer 105 in the vicinity of the side end face 111. . Thus, the HFET 100 shown in FIG. 1 is manufactured.

このHFET100の製造方法によれば、第2キャリア走行層104とキャリア供給層105とのヘテロ接合界面の平坦性が高く、その界面近傍における再成長に伴う不純物はほとんど見られないため、ノーマリオフ特性を有しつつオン抵抗を低くすることができる。また、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)からなる絶縁膜108を形成することができるため、HFET100を5V以上の動作電圧とした場合であっても、しきい値が変動せず、安定した動作をさせることができる。 According to the method for manufacturing the HFET 100, the flatness of the heterojunction interface between the second carrier transit layer 104 and the carrier supply layer 105 is high, and almost no impurities are observed due to regrowth in the vicinity of the interface. The on-resistance can be lowered while having it. Amorphous ZrO x N y (where x and y satisfy x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7) Therefore, even when the HFET 100 is set to an operating voltage of 5 V or more, the threshold value does not fluctuate and a stable operation can be performed.

なお、上記HFET100の製造方法において、選択成長に用いたマスク113は、キャリア供給層105の形成後に除去しているが、マスク113として、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)を用い、これを除去せずにゲート絶縁膜としてそのまま利用してもよい。 In the method of manufacturing the HFET 100, the mask 113 used for selective growth is removed after the formation of the carrier supply layer 105. However, as the mask 113, amorphous ZrO x N y (where x and y are x > 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7), and it is used as it is as a gate insulating film without being removed. May be.

図9は、実施例3のHFET400の構成を示した図である。HFET400は、実施例1のHFET100における第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105に替えて、第2キャリア走行層404とキャリア供給層405の対を3対形成したものであり、第1キャリア走行層103側から順に、第2キャリア走行層404a、キャリア供給層405a、第2キャリア走行層404b、キャリア供給層405b、第2キャリア走行層404c、キャリア供給層405cの順に積層された構造である。他の構成についてはHFET100と同様である。この3対の第2キャリア走行層404およびキャリア供給層405は、HFET100の第2キャリア走行層104およびキャリア供給層105と同様に、いずれも第1キャリア走行層103上に選択的に再成長された層である。   FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of the HFET 400 according to the third embodiment. The HFET 400 is formed by forming three pairs of the second carrier running layer 404 and the carrier supply layer 405 instead of the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 in the HFET 100 of the first embodiment. The second carrier running layer 404a, the carrier supply layer 405a, the second carrier running layer 404b, the carrier supply layer 405b, the second carrier running layer 404c, and the carrier supply layer 405c are stacked in this order from the layer 103 side. Other configurations are the same as those of the HFET 100. The three pairs of the second carrier running layer 404 and the carrier supply layer 405 are selectively regrown on the first carrier running layer 103, similarly to the second carrier running layer 104 and the carrier supply layer 105 of the HFET 100. Layer.

第2キャリア走行層404aとキャリア供給層405aとのヘテロ接合界面440aであって第2キャリア走行層404a側、第2キャリア走行層404bとキャリア供給層405bとのヘテロ接合界面440bであって第2キャリア走行層404b側、第2キャリア走行層404cとキャリア供給層405cとのヘテロ接合界面440cであって第2キャリア走行層404c側、にそれぞれ2DEGが形成される。また、第2キャリア走行層404とキャリア供給層405は、第1キャリア走行層103上に選択的に再成長された層であるから、これらのヘテロ接合界面440a、b、cは平坦性が高く、ヘテロ接合界面440a、b、c近傍の領域は再成長に伴って混入した不純物がほとんど見られない。したがって、これらのヘテロ接合界面440a、b、c近傍に形成される2DEGは、移動度の低下が抑制されており、オン抵抗が低減されている。   The heterojunction interface 440a between the second carrier running layer 404a and the carrier supply layer 405a and the second carrier running layer 404a side, and the heterojunction interface 440b between the second carrier running layer 404b and the carrier supply layer 405b 2DEGs are formed on the carrier traveling layer 404b side and the heterojunction interface 440c between the second carrier traveling layer 404c and the carrier supply layer 405c and on the second carrier traveling layer 404c side, respectively. Further, since the second carrier transit layer 404 and the carrier supply layer 405 are layers selectively regrown on the first carrier transit layer 103, these heterojunction interfaces 440a, b, and c have high flatness. In the regions near the heterojunction interfaces 440a, b, and c, almost no impurities mixed with regrowth are observed. Therefore, in 2DEG formed in the vicinity of these heterojunction interfaces 440a, b, and c, a decrease in mobility is suppressed, and an on-resistance is reduced.

以上のように、実施例3のHFET400では、移動度の低下が抑制された2DEGの層が3つ形成されているため、さらにオン抵抗が低減された構造となっている。   As described above, the HFET 400 of Example 3 has a structure in which the on-resistance is further reduced because three 2DEG layers in which the decrease in mobility is suppressed are formed.

また、実施例3のHFET400では、実施例2のHFET100と同様に、ゲート絶縁膜(絶縁膜108のうち、第1キャリア走行層103、第2キャリア走行層404、およびキャリア供給層405と、ゲート電極109との間に位置する領域108a)として、アモルファス状のZrOx y (ただしx、yは、x>0、y>0、0.3≦y/x≦10、および、1.5≦0.55x+y≦1.7、を満たす)を用いている。そのため、HFET400を5V以上の動作電圧とした場合であっても、しきい値が変動せず、安定した動作をさせることができる。 Further, in the HFET 400 of the third embodiment, as in the HFET 100 of the second embodiment, the gate insulating film (the first carrier traveling layer 103, the second carrier traveling layer 404, the carrier supply layer 405 of the insulating film 108, and the gate) As the region 108a located between the electrodes 109), amorphous ZrO x N y (where x and y are x> 0, y> 0, 0.3 ≦ y / x ≦ 10, and 1.5). ≦ 0.55x + y ≦ 1.7) is used. Therefore, even when the HFET 400 is set to an operating voltage of 5 V or more, the threshold value does not fluctuate and stable operation can be performed.

なお、上記実施例3では、第2キャリア走行層404a、b、cはいずれも同一組成とし、キャリア供給層405a、b、cのいずれも同一組成としたが、第2キャリア走行層404aとキャリア供給層405a、第2キャリア走行層404bとキャリア供給層405b、第2キャリア走行層404cとキャリア供給層405cがそれぞれヘテロ接合となり、その界面近傍に2DEGが形成されるのであれば、第2キャリア走行層404a、b、cをそれぞれ異なる組成としてもよく、キャリア供給層405a、b、cをそれぞれ異なる組成としてもよい。   In Example 3, the second carrier traveling layers 404a, b, and c all have the same composition, and the carrier supply layers 405a, b, and c all have the same composition. However, the second carrier traveling layer 404a and the carrier If the supply layer 405a, the second carrier travel layer 404b and the carrier supply layer 405b, the second carrier travel layer 404c and the carrier supply layer 405c are each heterojunction and 2DEG is formed near the interface, the second carrier travel is performed. The layers 404a, b, and c may have different compositions, and the carrier supply layers 405a, b, and c may have different compositions.

また、実施例2、3では、MIS型半導体装置のより具体的な例としてHFETを示したが、本発明はこれに限るものではなく、従来知られているMIS型構造を有した任意の半導体装置に適用可能である。たとえば、FETやIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などにも本発明を適用することができる。   In the second and third embodiments, the HFET is shown as a more specific example of the MIS type semiconductor device, but the present invention is not limited to this, and any semiconductor having a conventionally known MIS type structure. Applicable to the device. For example, the present invention can be applied to FETs, IGBTs (insulated gate bipolar transistors), and the like.

本発明のMIS型半導体装置は、MISFET、HFETなどのパワーデバイスに適している。   The MIS type semiconductor device of the present invention is suitable for power devices such as MISFET and HFET.

10:半導体層
11:ゲート絶縁膜
12:ゲート電極
100:HFET
101:基板
102:バッファ層
103:第1キャリア走行層
104:第2キャリア走行層
105:キャリア供給層
106:ソース電極
107:ドレイン電極
108:絶縁膜
109:ゲート電極
10: Semiconductor layer 11: Gate insulating film 12: Gate electrode 100: HFET
101: substrate 102: buffer layer 103: first carrier traveling layer 104: second carrier traveling layer 105: carrier supply layer 106: source electrode 107: drain electrode 108: insulating film 109: gate electrode

Claims (15)

半導体層上にZrOx y からなるゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を有した動作電圧が5V以上のMIS型半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は、アモルファス状であり、
x、yは、x>0、y>0、および、0.3≦y/x≦10、を満たす、
ことを特徴とするMIS型半導体装置。
In a MIS type semiconductor device having a gate insulating film made of ZrO x N y on a semiconductor layer and having a gate electrode on the gate insulating film and an operating voltage of 5 V or more,
The gate insulating film is amorphous,
x and y satisfy x> 0, y> 0, and 0.3 ≦ y / x ≦ 10,
MIS type semiconductor device characterized by the above.
x、yは、1.5≦0.55x+y≦1.7、をさらに満たす、ことを特徴とする請求項1に記載のMIS型半導体装置。   2. The MIS type semiconductor device according to claim 1, wherein x and y further satisfy 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7. x、yは、1≦y/x≦5であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のMIS型半導体装置。   The MIS type semiconductor device according to claim 1, wherein x and y satisfy 1 ≦ y / x ≦ 5. x≦0.5であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置。   4. The MIS type semiconductor device according to claim 1, wherein x ≦ 0.5. 前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層上に直接接して設けられている、ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置。   5. The MIS type semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is provided in direct contact with the semiconductor layer. 6. 前記半導体層は、III 族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置。   6. The MIS type semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a group III nitride semiconductor layer. 動作電圧が10V以上であることを特徴とする請求項6に記載のMIS型半導体装置。   The MIS type semiconductor device according to claim 6, wherein the operating voltage is 10 V or more. 半導体層上にZrOx y からなるゲート絶縁膜をスパッタ法により形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を有したMIS型半導体装置の製造方法において、
前記スパッタ法では、金属Zrをターゲットとし、窒素ガスおよび酸素ガスを含むガスを流しながら、室温により前記ゲート絶縁膜をアモルファス状で、かつ、x、yが、x>0、y>0、および、0.3≦y/x≦10、を満たすように形成する、
ことを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a MIS type semiconductor device, comprising: a step of forming a gate insulating film made of ZrO x N y on a semiconductor layer by a sputtering method; and a step of forming a gate electrode on the gate insulating film.
In the sputtering method, the gate insulating film is made amorphous at room temperature while flowing a gas containing nitrogen gas and oxygen gas with a metal Zr as a target, and x and y are x> 0, y> 0, and , 0.3 ≦ y / x ≦ 10.
A method for manufacturing a MIS type semiconductor device.
x、yは、1.5≦0.55x+y≦1.7をさらに満たすことを特徴とする請求項8に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   9. The method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein x and y further satisfy 1.5 ≦ 0.55x + y ≦ 1.7. x、yが、1≦y/x≦5を満たすよう前記ゲート絶縁膜を形成する、ことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein the gate insulating film is formed so that x and y satisfy 1 ≦ y / x ≦ 5. x≦0.5を満たすようゲート絶縁膜を形成することを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   11. The method for manufacturing a MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein the gate insulating film is formed so as to satisfy x ≦ 0.5. 前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層上に直接形成する、ことを特徴とする請求項8ないし請求項11のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   12. The method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein the gate insulating film is formed directly on the semiconductor layer. 前記半導体層は、III 族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項8ないし請求項12のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   13. The method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor layer is a group III nitride semiconductor layer. 前記MIS型半導体装置は、動作電圧が5V以上であることを特徴とする請求項8ないし請求項13のいずれか1項に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   14. The method of manufacturing an MIS type semiconductor device according to claim 8, wherein the MIS type semiconductor device has an operating voltage of 5 V or more. 前記MIS型半導体装置は、動作電圧が10V以上であることを特徴とする請求項14に記載のMIS型半導体装置の製造方法。   The MIS type semiconductor device manufacturing method according to claim 14, wherein the MIS type semiconductor device has an operating voltage of 10 V or more.
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