JP2016181673A - 半導体装置、インバータ回路、駆動装置、車両及び、昇降機 - Google Patents

Abstract

【課題】高い閾値を実現する半導体装置を提供する。
【解決手段】実施形態の半導体装置は、ｐ型のＳｉＣ層と、ゲート電極と、ＳｉＣ層とゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、ゲート絶縁層は、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層と第２の層との間に跨る第１の領域と、Ｇｅ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、ランタノイドの群の元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第１の層内の、第２の領域と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置、インバータ回路、駆動装置、車両及び、昇降機に関する。

次世代の半導体デバイス用の材料としてＳｉＣ（炭化珪素）が期待されている。ＳｉＣはＳｉ（シリコン）と比較して、バンドギャップが３倍、破壊電界強度が約１０倍、熱伝導率が約３倍と優れた物性を有する。この特性を活用すれば低損失かつ高温動作可能な半導体デバイスを実現することができる。

しかし、例えば、ＳｉＣを用いてＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅａｔｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を形成する場合、半導体と絶縁層との間に存在する界面準位の密度がＳｉと比較して大きくなる。このため、電荷の移動度が低下し、ＭＩＳＦＥＴのオン抵抗が高くなるという問題がある。

このため、例えば、ＳｉＣと絶縁層との界面に界面準位を終端するためにＮ（窒素）やリン（Ｐ）を導入する方法がある。この方法を用いた場合、Ｎ（窒素）やリン（Ｐ）がｎ型ドーパントとして働き、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が低下する恐れがある。

ＳｉＣＭＯＳＦＥＴの誤動作を起こさないためには、動作温度（例えば２００℃）に於いて、少なくとも３Ｖ以上の閾値が必要であり、５Ｖ以上が望ましい。そういった中、窒素やリンの終端では、１Ｖ程度に落ちてしまうのが現状である。

特開２０１１−２２８４２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、高い閾値を実現する半導体装置、インバータ回路、駆動装置、車両及び、昇降機を提供することにある。

実施形態の半導体装置は、ｐ型のＳｉＣ層と、ゲート電極と、前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、前記ゲート絶縁層は、第１の層と、前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層と前記第２の層との間に跨る第１の領域と、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有し、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、前記第１の層内の第２の領域と、を有する。

第１の実施形態の半導体装置を示す模式断面図。 第１の実施形態のＳｉＣ半導体の結晶構造を示す図。 第１の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第１の実施形態の作用及び効果の説明図。 第２の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図。 第２の実施形態の作用及び効果の説明図。 第３の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第３の実施形態の作用及び効果の説明図。 第４の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第４の実施形態の作用及び効果の説明図。 第５の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第５の実施形態の作用及び効果の説明図。 第６の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第６の実施形態の作用及び効果の説明図。 第７の実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図。 第７の実施形態の作用及び効果の説明図。 第８の実施形態の駆動装置の模式図。 第９の実施形態の車両の模式図。 第１０の実施形態の車両の模式図。 第１１の実施形態の昇降機の模式図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。

また、以下の説明において、ｎ^＋、ｎ、ｎ⁻及び、ｐ^＋、ｐ、ｐ⁻の表記は、各導電型における不純物濃度の相対的な高低を表す。すなわちｎ^＋はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に高く、ｎ⁻はｎよりもｎ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。また、ｐ^＋はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に高く、ｐ⁻はｐよりもｐ型の不純物濃度が相対的に低いことを示す。なお、ｎ^＋型、ｎ⁻型を単にｎ型、ｐ^＋型、ｐ⁻型を単にｐ型と記載する場合もある。

（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ｐ型のＳｉＣ層と、ゲート電極と、ＳｉＣ層とゲート電極との間のゲート絶縁層とを備える。記ゲート絶縁層は、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層と第２の層との間に跨る第１の領域と、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第１の層内の第２の領域と、を有する。

図１は、本実施形態の半導体装置であるＭＩＳＦＥＴの構成を示す模式断面図である。このＭＩＳＦＥＴ１００は、ｐウェルとソース領域をイオン注入で形成する、Ｄｏｕｂｌｅ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ＭＯＳＦＥＴ（ＤＩＭＯＳＦＥＴ）である。また、ＭＩＳＦＥＴ１００は、電子をキャリアとするｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。

このＭＩＳＦＥＴ１００は、ｎ^＋型のＳｉＣ基板１２を備えている。本明細書ではＳｉＣ基板１２等の面に対し、図１における上側の面を表面、下側の面を裏面と称する。

ＳｉＣ基板１２は、例えば、不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２０ｃｍ^−３以下の、例えばＮ（窒素）をｎ型不純物として含む４Ｈ−ＳｉＣのＳｉＣ基板である。

図２は、ＳｉＣ半導体の結晶構造を示す図である。ＳｉＣ半導体の代表的な結晶構造は、４Ｈ−ＳｉＣのような六方晶系である。六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）の一方が（０００１）面である。（０００１）面と等価な面を、シリコン面と称し｛０００１｝面と表記する。シリコン面にはＳｉ（シリコン）が配列している。

六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）の他方が（０００−１）面である。（０００−１）面と等価な面を、カーボン面と称し｛０００−１｝面と表記する。カーボン面にはＣ（炭素）が配列している

一方、六角柱の側面（柱面）が、（１−１００）面と等価な面であるｍ面、すなわち｛１−１００｝面である。また、隣り合わない一対の稜線を通る面が（１１−２０）面と等価な面であるａ面、すなわち｛１１−２０｝面である。ｍ面及びa面には、Ｓｉ（シリコン）及びＣ（炭素）の双方が配列している。

以下、ＳｉＣ基板１２の表面がシリコン面に対し０度以上８度以下傾斜した面、裏面がカーボン面に対し０度以上８度以下傾斜した面である場合を例に説明する。

ＳｉＣ基板１２の表面上には、例えば、ｎ型不純物の不純物濃度５×１０^１５以上２×１０^１６ｃｍ^−３以下のｎ⁻型のドリフト層１４が形成されている。ドリフト層１４は、例えば、ＳｉＣ基板１２上にエピタキシャル成長により形成されたＳｉＣのエピタキシャル成長層である。

ドリフト層１４の表面も、シリコン面に対し０度以上８度以下傾斜した面である。ドリフト層１４の膜厚は、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下である。

ドリフト層１４の一部表面には、例えば、ｐ型不純物の不純物濃度５×１０^１５ｃｍ^−３以上１×１０^１７ｃｍ^−３以下のｐ型のｐウェル領域（ＳｉＣ層）１６が形成されている。ｐウェル領域１６の深さは、例えば０．６μｍ程度である。ｐウェル領域１６は、ＭＩＳＦＥＴ１００のチャネル領域として機能する。

ｐウェル領域１６の一部表面には、例えばｎ型不純物の不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２２ｃｍ^−３ｃｍ^−３以下のｎ^＋型のソース領域１８が形成されている。ソース領域１８の深さは、ｐウェル領域１６の深さよりも浅く、例えば０．３μｍ程度である。

また、ｐウェル領域１６の一部表面であって、ソース領域１８の側方に、例えば、ｐ型不純物の不純物濃度１×１０^１８ｃｍ^−３以上１×１０^２２ｃｍ^−３以下のｐ^＋型のｐウェルコンタクト領域２０が形成されている。ｐウェルコンタクト領域２０の深さは、ｐウェル領域１６の深さよりも浅く、例えば０．３μｍ程度である。

ドリフト層１４及びｐウェル領域（ＳｉＣ層）１６の表面に連続的に、これらの層及び領域を跨ぐように形成されたゲート絶縁層１２８を有している。

そして、ゲート絶縁層１２８上には、ゲート電極３０が形成されている。ゲート電極３０には、例えば、ドーピングされたポリシリコン等が適用可能である。ゲート電極３０上には、例えば、シリコン酸化膜で形成される層間絶縁膜３２が形成されている。

ゲート電極３０下の、ソース領域１８とドリフト層１４とに挟まれるｐウェル領域１６がＭＩＳＦＥＴ１００のチャネル領域として機能する。

ゲート絶縁層１２８は、ゲート電極３０とｐウェル領域（ＳｉＣ層）１６との間に設けられる。ゲート絶縁層１２８の膜厚は、例えば、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。また、ゲート絶縁層１２８のシリコン酸化膜換算膜厚は、例えば、３０ｎｍ以上６０ｎｍ以下である。

図３は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図３（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層１２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図３（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層１２８は、第１の層１２８ａ、第２の層１２８ｂ、第１の領域１２９ａ、第２の領域１２９ｂを備える。第２の層１２８ｂは、第１の層１２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層１２８ｂは、第１の層１２８ａ上に設けられる。

第１の層１２８ａ及び第２の層１２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層１２８ａ及び第２の層１２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層１２８ｂの酸素密度は、第１の層１２８ａの酸素密度よりも高い。第１の層１２８ａがシリコン酸化膜、第２の層１２８ｂがハフニウム酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域１２９ａは、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの間に設けられる。第１の領域１２９ａは、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの界面に設けられる。第１の領域１２９ａは、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、及び、Ｈ（水素）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の領域１２９ａは、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素は、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの界面に偏析している。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。

第２の領域１２９ｂは、第１の領域１２９ａと第１の層１２８ａとの間に設けられる。第２の領域１２９ｂは、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の領域１２９ｂは、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの界面の第１の層１２８ａ側に偏析している。

なお、本明細書中、ピークとピークとの距離とは、各ピークの頂部の間の距離を意味するものとする。

第２の領域１２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有する。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Ｃの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のCの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。Cの濃度は、SIMSにて確認できるが、Cの検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層１２８ａ、第２の層１２８ｂ、第１の領域１２９ａ、第２の領域１２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

ＭＩＳＦＥＴ１００は、ソース領域１８とｐウェルコンタクト領域２０とに電気的に接続される導電性のソース電極３４を備えている。ソース電極３４は、ｐウェル領域１６に電位を与えるｐウェル電極としても機能する。

ソース電極３４は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）のバリアメタル層と、バリアメタル層上のＡｌ（アルミニウム）のメタル層との積層で構成される。Ｎｉのバリアメタル層とＡｌのメタル層とは反応により合金を形成していてもよい。

また、ＳｉＣ基板１２のドリフト層１４と反対側、すなわち、裏面側には、導電性のドレイン電極３６が形成されている。ドレイン電極３６は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）である。

なお、本実施形態において、ｎ型不純物は例えば、Ｎ（窒素）やＰ（リン）が好ましいが、Ａｓ（ヒ素）あるいはＳｂ（アンチモン）等を適用することも可能である。また、ｐ型不純物は例えば、Ａｌ（アルミニウム）が好ましいが、Ｂ（ボロン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）等を適用することも可能である。

以下、本実施形態の半導体装置の作用及び効果について説明する。

ＳｉＣのＭＩＳＦＥＴでは、ＳｉＣ層とゲート絶縁層との界面の界面準位に起因して、電子の移動度が低下し、オン抵抗が高くなるという問題がある。このため、例えば、ＳｉＣ層と絶縁層との界面に、界面準位を終端するためのＮ（窒素）やリン（Ｐ）を導入する方法がある。この方法を用いた場合、Ｎ（窒素）やリン（Ｐ）がｎ型ドーパントとして働き、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴでは閾値が低下する恐れがある。このため、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴでは電子の高い移動度と高い閾値との両立が求められている。

図４は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域１２９ａに正電荷が存在し、第１の領域１２９ａに近接する第２の領域１２９ｂに負電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、ゲート絶縁層１２８が、酸素密度の異なる第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの積層構造となっている。酸素密度の異なる第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの界面では酸素欠陥の密度が大きくなる。発明者による第一原理計算の結果、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、及び、Ｈ（水素）から選ばれる第１の元素が酸素欠陥の存在する界面に導入されると、電子を放出して酸素欠陥を埋め正の固定電荷となることで安定となる。

一方、発明者による第一原理計算の結果、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる第２の元素は、絶縁層中、特に、シリコン酸化膜中で、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）と結合して複合体を形成することで安定になることが明らかになった。そして、この複合体は、シリコン酸化膜中で電子トラップ準位を形成することも明らかとなった。

本実施形態では、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、及び、Ｈ（水素）から選ばれる第１の元素から、電子が、第２の元素、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）の複合体に供給されて固定ダイポールが形成され、固定ダイポールが安定となっている。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

第２の元素は、Ｃ（炭素）と１：１の量比で結合して複合体を形成する。したがって、第２の元素とＣ（炭素）との量比は、１：１に近いことが望ましい。したがって、第２のピークの濃度が、第３のピークの濃度の８０％以上１２０％以下であることが望ましい。

また、第２の元素は、Ｃ（炭素）と結合して複合体を形成しているため、第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について、図１、図３を参照しつつ説明する。特に、ゲート絶縁層１２８の製造方法について説明する。第１の元素がＡｌ（アルミニウム）、第２の元素がＦ（フッ素）である場合を例に説明する。

まず、ＳｉＣ層１６上に熱酸化膜を形成する。この際、熱酸化膜中には基板中のＣ（炭素）が拡散する。この熱酸化膜が第１の層１２８ａとなる。

次に、酸化窒素雰囲気で熱窒化処理を行い、ＳｉＣ層１６と熱酸化膜との界面のダングリングボンドをＮ（窒素）で終端する。

次に、熱酸化膜上に、Ａｌ（アルミニウム）膜を蒸着する。次に、フッ素プラズマ中でフッ化処理を行う。

次に、酸化ハフニウム膜をＣＶＤ法により堆積する。この酸化ハフニウム膜が、第２の層１２８ｂとなる。その後、窒素雰囲気中でアニールを行う。このアニールにより、Ｆ（フッ素）が、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂとの界面に偏析するとともに、基板から供給されたＣ（炭素）、Ａｌ膜から供給されたＡｌとＯ（酸素）が結びつき
複合体が形成される。この複合体が界面のＦ（フッ素）に引き寄せられて、第１の領域１２９ａと第２の領域１２９ｂが、形成される。

その後、例えば、多結晶シリコンのゲート電極が形成される。

その他の工程については、公知の製造方法を適用することにより、図１、図３に示したＭＩＳＦＥＴ１００が形成される。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

Ａｌ以外の元素の導入方法として、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）であっても、Ａｌと同様に金属を蒸着させれば良い。或いは、イオン打ち込みによって作っても良い。イオン打ち込みで作る場合には、同じ領域に炭素を打ち込むことで炭素を取り入れることも可能である。以下の実施形態でも同様である。
Ｆ（フッ素）以外の元素の導入方法として、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）であっても、Hプラズマ、Dプラズマ処理を行えば良い。以下の実施形態でも同様である。

（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と第２の層の積層構造を複数層備えること以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については、記述を省略する。

図５は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図である。図５に示すように、ゲート絶縁層１２８は、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂの積層構造を２層備えている。第１の領域１２９ａと第２の領域１２９ｂも２層備えている。

図６は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂの積層構造を２層備え、第１の領域１２９ａと第２の領域１２９ｂを２層備えることで、固定ダイポールも２層形成される。ＭＩＳＦＥＴの閾値の上昇は固定ダイポールの層数に比例する。したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、更に、ＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。

なお、ここでは、第１の層１２８ａと第２の層１２８ｂの積層構造を２層備える場合を例に説明したが、３層以上とすることも可能である。特に、高耐圧のＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴでは、ゲート絶縁層厚を厚くすることが、ある程度許容されるため、積層回数を増加させて閾値を上昇させることが容易である。

ここで、基板から遠い場所に形成された１２９b中に炭素を十分に取り込むことは、ＴＥＯＳをプリカーサとした膜とするなどの工夫により可能である。その他の作り方は第１の実施形態と同様である。場合によっては、炭素をイオン打ち込みによって取り込んでも良い。以下の実施形態に於いても、炭素が必要な場合には、ＴＥＯＳによるＳｉＯ_２膜を使えば良い。

（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第２の層内の第１の領域と、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第２の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図７は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図７（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層２２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図７（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層２２８は、第１の層２２８ａ、第２の層２２８ｂ、第１の領域２２９ａ、第２の領域２２９ｂを備える。第２の層２２８ｂは、第１の層２２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層２２８ｂは、第１の層２２８ａ上に設けられる。

第１の層２２８ａ及び第２の層２２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層２２８ａ及び第２の層２２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層２２８ｂの酸素密度は、第１の層２２８ａの酸素密度よりも高い。第１の層２２８ａがシリコン酸化膜、第２の層２２８ｂがハフニウム酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域２２９ａは、第１の層２２８ａと第２の層２２８ｂとの間に設けられる。第１の領域２２９ａは、第１の層２２８ａと第２の層２２８ｂとの界面の第２の層２２８ｂ側に設けられる。第１の領域２２９ａは、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素は、第１の層２２８ａと第２の層２２８ｂとの界面に偏析している。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。

第２の領域２２９ｂは、第１の領域２２９ａと第１の層２２８ａとの間に設けられる。第２の領域２２９ｂは、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層２２８ａと第２の層２２８ｂとの界面の第１の層２２８ａ側に偏析している。

第２の領域２２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有する。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Ｃの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のCの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層２２８ａ、第２の層２２８ｂ、第１の領域２２９ａ、第２の領域２２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

図８は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域２２９ａに正電荷が存在し、第１の領域２２９ａに近接する第２の領域２２９ｂに負電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、酸素密度の高い第２の層２２８ｂ中に、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）から選ばれる第１の元素が固定される。発明者による第一原理計算の結果、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）から選ばれる第１の元素は、電子を放出して酸素密度の高い第２の層２２８ｂ中の金属元素を置換して安定化することが明らかになっている。

一方、発明者による第一原理計算の結果、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる第２の元素は、絶縁層中、特に、シリコン酸化膜中で、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）と結合して複合体を形成することで安定になることが明らかになった。そして、この複合体は、シリコン酸化膜中で電子トラップ準位を形成することが明らかとなった。

本実施形態では、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）から選ばれる第１の元素から、電子が、第２の元素、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）の複合体に供給されて固定ダイポールが形成され、固定ダイポールが安定となっている。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

Ｔａ以外の元素の導入方法として、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）であっても、Ｔａと同様に金属を蒸着させれば良い。或いは、イオン打ち込みによって作っても良い。また、第２の実施形態にならって、多重の積層膜にしても良い。

（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層と第２の層との間に跨る第１の領域と、 Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第２の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図９は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図９（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層３２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図９（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層３２８は、第１の層３２８ａ、第２の層３２８ｂ、第１の領域３２９ａ、第２の領域３２９ｂを備える。第２の層３２８ｂは、第１の層３２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層３２８ｂは、第１の層３２８ａ上に設けられる。

第１の層３２８ａ及び第２の層３２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層３２８ａ及び第２の層３２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層３２８ｂの酸素密度は、第１の層３２８ａの酸素密度よりも低い。第１の層３２８ａがハフニウム酸化膜、第２の層３２８ｂがシリコン酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域３２９ａは、第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの間に設けられる。第１の領域３２９ａは、第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの界面に設けられる。第１の領域３２９ａは、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の領域３２９ａは、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第１の元素は、第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの界面に偏析している。

第２の領域３２９ｂは、第１の領域３２９ａと第２の層３２８ｂとの間に設けられる。第２の領域３２９ｂは、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の領域３２９ｂは、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの界面の第２の層３２８ｂ側に偏析している。

第２の領域３２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有する。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Cの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のCの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層３２８ａ、第２の層３２８ｂ、第１の領域３２９ａ、第２の領域３２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

図１０は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域３２９ａに負電荷が存在し、第１の領域３２９ａに近接する第２の領域３２９ｂに正電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、ゲート絶縁層３２８が、酸素密度の異なる第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの積層構造となっている。酸素密度の異なる第１の層３２８ａと第２の層３２８ｂとの界面では酸素欠陥の密度が大きくなる。発明者による第一原理計算の結果、このような界面に、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）から選ばれる第１の元素が導入されると電子を受け取って酸素欠陥を埋め、固定負電荷となり、安定となることが明らかとなった。

一方、発明者による第一原理計算の結果、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる第２の元素は、絶縁層中、特に、シリコン酸化膜中で、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）と結合して複合体を形成することで安定することが明らかになった。そして、この複合体は、シリコン酸化膜中で電子を放出して正電荷を形成することも明らかとなった。

本実施形態では、第２の元素、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）の複合体から、電子がＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）から選ばれる第１の元素へ供給されて安定した固定ダイポールが形成される。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の導入方法としては、ＨｆＯ_２膜成後に、それぞれの元素のプラズマ処理をすればよい。そしてその上にＴＥＯＳをプリカーサとするＳｉＯ２を形成する。こうして、実施形態の積層膜が形成される。ここで、プラズマ処理の代わりに、ＮＨ３、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＳｂＨ３、ＢｉＨ３処理をしてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉなどの元素を吸着させても良い。また、第２の実施形態にならって、多重の積層膜にしても良い。

（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層内の第１の領域と、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第２の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図１１は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図１１（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層４２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図１１（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層４２８は、第１の層４２８ａ、第２の層４２８ｂ、第１の領域４２９ａ、第２の領域４２９ｂを備える。第２の層４２８ｂは、第１の層４２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層４２８ｂは、第１の層４２８ａ上に設けられる。

第１の層４２８ａ及び第２の層４２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層４２８ａ及び第２の層４２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層４２８ｂの酸素密度は、第１の層４２８ａの酸素密度よりも低い。第１の層４２８ａがハフニウム酸化膜、第２の層４２８ｂがシリコン酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域４２９ａは、第１の層４２８ａと第２の層４２８ｂとの間に設けられる。第１の領域４２９ａは、第１の層４２８ａと第２の層４２８ｂとの界面の第１の層４２８ａ側に設けられる。第１の領域４２９ａは、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の領域４２９ａは、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素は、第１の層４２８ａと第２の層４２８ｂとの界面の第１の層４２８ａ側に偏析している。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。

第２の領域４２９ｂは、第１の領域４２９ａと第２の層４２８ｂとの間に設けられる。第２の領域４２９ｂは、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の領域４２９ｂは、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層４２８ａと第２の層４２８ｂとの界面の第２の層４２８ｂ側に偏析している。

第２の領域４２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有する。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Cの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のCの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層４２８ａ、第２の層４２８ｂ、第１の領域４２９ａ、第２の領域４２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

図１２は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域４２９ａに負電荷が存在し、第１の領域４２９ａに近接する第２の領域４２９ｂに正電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、酸素密度の高い第２の層３２８ｂ中に、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）から選ばれる第１の元素が固定され負電荷を形成する。

一方、発明者による第一原理計算の結果、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる第２の元素は、絶縁層中、特に、シリコン酸化膜中で、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）と結合して複合体を形成することで安定することが明らかになった。そして、この複合体は、シリコン酸化膜中で電子を放出して正電荷を形成することも明らかとなった。

本実施形態では、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）から選ばれる第１の元素の負電荷と、第２の元素、Ｃ（炭素）及びＯ（酸素）の複合体の正電荷が安定した固定ダイポールが形成する。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の導入方法としては、ＨｆＯ２膜成後に、それぞれの元素の金属を蒸着すればよい。その後に、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）のプラズマ処理をして、その上にＴＥＯＳをプリカーサとするＳｉＯ_２を形成する。こうして、実施形態の積層膜が形成される。ここで、プラズマ処理の代わりに、ＮＨ_３、ＰＨ_３、ＡｓＨ_３、ＳｂＨ_３、ＢｉＨ_３処理をしてＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉなどの元素を吸着させても良い。また、第２の実施形態にならって、多重の積層膜にしても良い。

（第６の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層と第２の層との間に跨る第１の領域と、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有する、第２の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図１３は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図１３（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層５２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図１３（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層５２８は、第１の層５２８ａ、第２の層５２８ｂ、第１の領域５２９ａ、第２の領域５２９ｂを備える。第２の層５２８ｂは、第１の層５２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層５２８ｂは、第１の層５２８ａ上に設けられる。

第１の層５２８ａ及び第２の層５２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層５２８ａ及び第２の層５２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層５２８ｂの酸素密度は、第１の層５２８ａの酸素密度よりも高い。第１の層５２８ａがシリコン酸化膜、第２の層５２８ｂがハフニウム酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域５２９ａは、第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの間に設けられる。第１の領域５２９ａは、第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの界面に設けられる。第１の領域５２９ａは、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の領域５２９ａは、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素は、第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの界面に偏析している。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。

第２の領域５２９ｂは、第１の領域５２９ａと第２の層５２８ｂとの間に設けられる。第２の領域５２９ｂは、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の領域５２９ｂは、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの界面の第２の層５２８ｂ側に偏析している。

第２の領域５２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有することが望ましい。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Ｃの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のＣの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層５２８ａ、第２の層５２８ｂ、第１の領域５２９ａ、第２の領域５２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

図１４は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域５２９ａに負電荷が存在し、第１の領域５２９ａに近接する第２の領域５２９ｂに正電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、ゲート絶縁層５２８が、酸素密度の異なる第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの積層構造となっている。酸素密度の異なる第１の層５２８ａと第２の層５２８ｂとの界面では酸素欠陥の密度が大きくなる。発明者による第一原理計算の結果、このような界面に、Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）から選ばれる第１の元素が導入されると電子を受け取って酸素欠陥を埋め、固定負電荷となり、安定となることが明らかとなった。

本実施形態では、酸素密度の高い第２の層５２８ｂ中に、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）から選ばれる第２の元素が固定され正電荷を形成する。第２の元素は、Ｃ（炭素）と共存することで安定する。

したがって、本実施形態では、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）から選ばれる第２の元素から選ばれる第２の元素から、電子が、界面のＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）から選ばれる第１の元素に供給されて固定ダイポールが形成され安定となっている。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

各元素の導入方法は、これまでの実施形態に倣えば良い。第２の実施形態にならって、多重の積層膜にしても良い。

ＨｆＯ_２中にＣを導入したければ、Ｃを含むプリカーサを用いたＣＶＤ成膜を行えば良い。また、イオン打ち込みにより導入しても良い。或いは、基板酸化を行えば、基板から拡散したＣを使うことも出来る。

（第７の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第１の層と第２の層との間に跨る第１の領域と、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有する、第１の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

図１５は、本実施形態のｐ型のＳｉＣ層、ゲート絶縁層及びゲート電極部分の拡大図及び元素分布を示す図である。図１５（ａ）がｐ型のＳｉＣ層１６、ゲート絶縁層６２８及びゲート電極３０部分の拡大図、図１５（ｂ）が元素分布を示す図である。

ゲート絶縁層６２８は、第１の層６２８ａ、第２の層６２８ｂ、第１の領域６２９ａ、第２の領域６２９ｂを備える。第２の層６２８ｂは、第１の層６２８ａとゲート電極３０との間に設けられる。第２の層６２８ｂは、第１の層６２８ａ上に設けられる。

第１の層６２８ａ及び第２の層６２８ｂは、例えば、酸化膜又は酸窒化膜である。第１の層６２８ａ及び第２の層６２８ｂは、例えば、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、アルミウム酸化膜である。

第２の層６２８ｂの酸素密度は、第１の層６２８ａの酸素密度よりも低い。第１の層６２８ａがハフニウム酸化膜、第２の層６２８ｂがシリコン酸化膜である場合を例に説明する。

第１の領域６２９ａは、第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの間に設けられる。第１の領域６２９ａは、第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの界面に設けられる。第１の領域６２９ａは、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第１の元素を含有する。

そして、第１の領域６２９ａは、第１の元素の濃度の第１のピークを有する。第１のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第１の元素は、第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの界面に偏析している。第１の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第１の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、SIMSにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。

第２の領域６２９ｂは、第１の領域６２９ａと第１の層６２８ａとの間に設けられる。第２の領域６２９ｂは、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有する。

そして、第２の領域６２９ｂは、第２の元素の濃度の第２のピークを有する。第２のピークの半値全幅は１ｎｍ以下である。第２の元素の濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置の第２の元素の濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第２のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である。第２のピークは、第１のピークからの距離が１ｎｍ以下であることが望ましい。第２の元素は、第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの界面の第１の層６２８ａ側に偏析している。

第２の領域６２９ｂは、更に、Ｃ（炭素）の濃度の第３のピークを有することが望ましい。第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である。Ｃの濃度のピークから１ｎｍ以上離れた位置のＣの濃度は、十分に小さく、１×１０^１８ｃｍ^−３以下であることが望ましい。元素の濃度は、ＳＩＭＳにて確認できるが、各元素の検出限界以下（およそ１×１０^１７ｃｍ^−３以下）であることがより好ましい。第３のピークは、第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短い。第３のピークと第２のピークとは重なっていることが望ましい。

なお、第１の層６２８ａ、第２の層６２８ｂ、第１の領域６２９ａ、第２の領域６２９ｂ中の元素濃度及びその分布は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）により求めることが可能である。

図１６は、本実施形態の作用及び効果の説明図である。本実施形態では、第１の領域６２９ａに正電荷が存在し、第１の領域６２９ａに近接する第２の領域６２９ｂに正電荷が存在する。この正電荷と負電荷が固定ダイポールを形成している。固定ダイポールは、ゲート電極側が正電荷、ＳｉＣ層１６側が負電荷となる。したがって、この固定ダイポールによりｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。よって、高い閾値を備えるＭＩＳＦＥＴが実現できる。

本実施形態では、ゲート絶縁層６２８が、酸素密度の異なる第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの積層構造となっている。酸素密度の異なる第１の層６２８ａと第２の層６２８ｂとの界面では酸素欠陥の密度が大きくなる。発明者による第一原理計算の結果、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、及び、Ｈ（水素）から選ばれる第１の元素が酸素欠陥の存在する界面に導入されると、電子を放出して酸素欠陥を埋め正の固定電荷となることで安定となる。

本実施形態では、酸素密度の高い第１の層６２８ｂ中に、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）から選ばれる第２の元素が固定される。第２の元素は、Ｃ（炭素）と共存することで安定する。

したがって、本実施形態では、界面の、Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）から選ばれる第１の元素から、電子が、酸素密度の高い第１の層５２８ｂ中のＭｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）から選ばれる第２の元素に供給されて固定ダイポールが形成され、固定ダイポールが安定となっている。

第１のピークの濃度、第２のピークの濃度、第３のピーク濃度は、１×１０^１９ｃｍ^−３以上４×１０^２２ｃｍ^−３以下であることが望ましい。上記範囲を下回ると、固定ダイポールによる閾値上昇効果が得られない恐れがある。また、上記範囲を超えて元素を膜中に導入することは困難である。

本実施形態によれば、高い移動度と高い閾値との両立が可能なｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴが実現できる。

各元素の導入方法は、これまでの実施形態に倣えば良い。第２の実施形態にならって、多重の積層膜にしても良い。

（第８の実施形態）
本実施形態のインバータ回路及び駆動装置は、第１の実施形態の半導体装置を備える駆動装置である。

図１７は、本実施形態の駆動装置の模式図である。駆動装置１１００は、モーター１４０と、インバータ回路１５０を備える。

インバータ回路５０は、第１の実施形態のＭＩＳＦＥＴ１００をスイッチング素子とする３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃで構成される。３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを並列に接続することで、３個の交流電圧の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを備える三相のインバータ回路１５０が実現される。インバータ回路１５０から出力される交流電圧により、モーター１４０が駆動する。

本実施形態によれば、高い閾値を有するＭＩＳＦＥＴを備えることで、インバータ回路１５０及び駆動装置１１００の動作が安定する。

（第９の実施形態）
本実施形態の車両は、第１の実施形態の半導体装置を備える車両である。

図１８は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両１２００は、鉄道車両である。車両１２００は、モーター１４０と、インバータ回路１５０を備える。

インバータ回路１５０は、第１の実施形態のＭIＳＦＥＴ１００をスイッチング素子とする３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃで構成される。３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを並列に接続することで、３個の交流電圧の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを備える三相のインバータ回路１５０が実現される。

インバータ回路１５０から出力される交流電圧により、モーター１４０が駆動する。モーター１４０により車両１２００の車輪９０が回転する。

本実施形態によれば、高い閾値を有するＭＩＳＦＥＴを備えることで、車両１２００の動作が安定する。

（第１０の実施形態）
本実施形態の車両は、第１の実施形態の半導体装置を備える車両である。

図１９は、本実施形態の車両の模式図である。本実施形態の車両１３００は、自動車である。車両１３００は、モーター１４０と、インバータ回路１５０を備える。

インバータ回路１５０は、第１の実施形態のＭIＳＦＥＴ１００をスイッチング素子とする３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃで構成される。３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを並列に接続することで、３個の交流電圧の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを備える三相のインバータ回路１５０が実現される。

インバータ回路１５０から出力される交流電圧により、モーター１４０が駆動する。モーター１４０により車両１３００の車輪９０が回転する。

本実施形態によれば、高い閾値を有するＭＩＳＦＥＴを備えることで、車両１３００の信頼性が向上する。

（第１１の実施形態）
本実施形態の昇降機は、第１の実施形態の半導体装置を備える昇降機である。

図２０は、本実施形態の昇降機（エレベータ）の模式図である。本実施形態の昇降機１４００は、かご１０１０、カウンターウエイト１０１２、ワイヤロープ１０１４、巻上機１０１６、モーター１４０と、インバータ回路１５０を備える。

インバータ回路１５０は、第１の実施形態のＭIＳＦＥＴ１００をスイッチング素子とする３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃで構成される。３個の半導体モジュール１００ａ、１００ｂ、１００ｃを並列に接続することで、３個の交流電圧の出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗを備える三相のインバータ回路１５０が実現される。

インバータ回路１５０から出力される交流電圧により、モーター１４０が駆動する。モーター１４０により巻上機１０１６が回転し、かご１０１０が昇降する。

本実施形態によれば、高い閾値を有するＭＩＳＦＥＴを備えることで、昇降機１４００の信頼性が向上する。

以上、第１乃至第７の実施形態では、炭化珪素の結晶構造として４Ｈ−ＳｉＣの場合を例に説明したが、本発明は６Ｈ−ＳｉＣ、３Ｃ−ＳｉＣ等、その他の結晶構造の炭化珪素に適用することも可能である。

また、第１乃至第７の実施形態では、ｎチャネル型のプレーナ型のＭＩＳＦＥＴを例に説明したが、ｎチャネル型のトレンチ型のＭＩＳＦＥＴにも本発明を適用することは可能である。また、ｎチャネル型のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）にも本発明を適用することは可能である。

また、第３乃至第７の実施形態についても、ゲート絶縁層が、第１の層と第２の層の積層構造を複数層備え、複数層の固定ダイポールを備える構成とすることも可能である。

また、異なる実施形態の層構成を組み合わせたゲート絶縁層を半導体装置に設けることも可能である。例えば、第１の実施形態と第７の実施形態を組み合わせることによって、積層膜の界面を有効に使うことが出来る。

従来の電荷トラップ膜では、電荷の注入作業が必要だが、高密度で入れることが出来るというメリットもある。従来の電荷トラップ膜では、時間が経つにつれ、電荷が放出されてしまい、閾値が低下するという問題がある。これは、トラップ状態が、それ程安定ではないことを意味している。

それに対し、上記実施形態では、ゲート絶縁層中に安定なダイポールを形成することが出来る。非常に安定であるため、絶縁層中から電荷の出入りはない。唯一の問題は、トラップ量を、それ程高く出来ないために、シフト量が稼げないという点があげられる。しかし、その点は、多重の積層にすることでシフト量をかなり大きく出来る。ダイポール一つ当たりで、１〜５Ｖ程度可能である。よって、目標の５Ｖ程度であれば、ダイポールを１〜３段程度導入すれば、十分である。更に５Ｖを超えて７Ｖ程度にすると、安定性が増すので、非常に有効である。ＳｉＣ／絶縁層界面をしっかり終端すると、移動度は上昇するが、閾値が低下してしまう。上記実施形態では、終端とは独立したゲート絶縁層の積層構造によって、閾値を自由にコントロールできる。

また、第９乃至第１１の実施形態において、本発明の半導体装置を車両やエレベータに適用する場合を例に説明したが、本発明の半導体装置を例えば、太陽光発電システムのパワーコンディショナー等に適用することも可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１６ ｐウェル領域（ＳｉＣ層）
３０ ゲート電極
１００ ＭＩＳＦＥＴ（半導体装置）
１２８ ゲート絶縁層
１２８ａ 第１の層
１２８ｂ 第２の層
１２９ａ 第１の領域
１２９ｂ 第２の領域
１４０ モーター
１５０ インバータ回路
２２８ ゲート絶縁層
２２８ａ 第１の層
２２８ｂ 第２の層
２２９ａ 第１の領域
２２９ｂ 第２の領域
３２８ ゲート絶縁層
３２８ａ 第１の層
３２８ｂ 第２の層
３２９ａ 第１の領域
３２９ｂ 第２の領域
４２８ ゲート絶縁層
４２８ａ 第１の層
４２８ｂ 第２の層
４２９ａ 第１の領域
４２９ｂ 第２の領域
５２８ ゲート絶縁層
５２８ａ 第１の層
５２８ｂ 第２の層
５２９ａ 第１の領域
５２９ｂ 第２の領域
６２８ ゲート絶縁層
６２８ａ 第１の層
６２８ｂ 第２の層
６２９ａ 第１の領域
６２９ｂ 第２の領域
１１００ 駆動装置
１２００ 車両
１３００ 車両
１４００ 昇降機

本実施形態の半導体装置は、ゲート絶縁層が、第１の層と、第１の層とゲート電極との間の、第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、第１の元素の濃度の第１のピークを有する、第２の層内の第１の領域と、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群から選ばれる少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、第２の元素の濃度の第２のピークを有し、第２のピークからの距離が第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、第１の層内の第２の領域と、を有する。ゲート絶縁層の構成が異なる以外は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。

Claims (34)

1. ｐ型のＳｉＣ層と、
   ゲート電極と、
   前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
   前記ゲート絶縁層は、
   第１の層と、
   前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、
   Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層と前記第２の層との間に跨る第１の領域と、
   Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有し、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、前記第１の層内の第２の領域と、
   を有する半導体装置。
2. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第３のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項１記載の半導体装置。
3. 前記第１のピーク、及び、前記第２のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
4. 前記第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体装置。
5. 前記第１の層がシリコン酸化膜である請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
6. 前記第２の層がハフニウム酸化膜、又は、ジルコニウム酸化膜である請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体装置。
7. ｐ型のＳｉＣ層と、
   ゲート電極と、
   前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
   前記ゲート絶縁層は、
   第１の層と、
   前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、
   Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第２の層内の第１の領域と、
   Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有し、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、前記第２の層内の第２の領域と、
   を有する半導体装置。
8. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第３のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項７記載の半導体装置。
9. 前記第１のピーク、及び、前記第２のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項７又は請求項８記載の半導体装置。
10. 前記第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項７乃至請求項９いずれか一項記載の半導体装置。
11. 前記第１の層がシリコン酸化膜である請求項７乃至請求項１０いずれか一項記載の半導体装置。
12. 前記第２の層がハフニウム酸化膜、又は、ジルコニウム酸化膜である請求項７乃至請求項１１いずれか一項記載の半導体装置。
13. ｐ型のＳｉＣ層と、
    ゲート電極と、
    前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
    前記ゲート絶縁層は、
    第１の層と、
    前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、
    Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層と前記第２の層との間に跨る第１の領域と、
    Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有し、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、前記第２の層内の第２の領域と、
    を有する半導体装置。
14. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第３のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項１３記載の半導体装置。
15. 前記第１のピーク、及び、前記第２のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１１３又は請求項１４記載の半導体装置。
16. 前記第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１３乃至請求項１５いずれか一項記載の半導体装置。
17. 前記第２の層がシリコン酸化膜である請求項１３乃至請求項１６いずれか一項記載の半導体装置。
18. 前記第１の層がハフニウム酸化膜、又は、ジルコニウム酸化膜である請求項１３乃至請求項１７いずれか一項記載の半導体装置。
19. ｐ型のＳｉＣ層と、
    ゲート電極と、
    前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
    前記ゲート絶縁層は、
    第１の層と、
    前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、
    Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層内の第１の領域と、
    Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有し、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する、前記第２の層内の第２の領域と、
    を有する半導体装置。
20. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第３のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項１９記載の半導体装置。
21. 前記第１のピーク、及び、前記第２のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１９又は請求項２０記載の半導体装置。
22. 前記第３のピークの半値全幅が１ｎｍ以下である請求項１９乃至請求項２１いずれか一項記載の半導体装置。
23. 前記第２の層がシリコン酸化膜である請求項１９乃至請求項２２いずれか一項記載の半導体装置。
24. 前記第１の層がハフニウム酸化膜、又は、ジルコニウム酸化膜である請求項１９乃至請求項２３いずれか一項記載の半導体装置。
25. ｐ型のＳｉＣ層と、
    ゲート電極と、
    前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
    前記ゲート絶縁層は、
    第１の層と、
    前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の高い第２の層と、
    Ｎ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層と前記第２の層との間に跨る第１の領域と、
    Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｖ（バナジウム）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有する、前記第２の層内の第２の領域と、
    を有する半導体装置。
26. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項２５記載の半導体装置。
27. 前記第２の領域が、前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する請求項２５又は請求項２６記載の半導体装置。
28. ｐ型のＳｉＣ層と、
    ゲート電極と、
    前記ＳｉＣ層と前記ゲート電極との間のゲート絶縁層とを備え、
    前記ゲート絶縁層は、
    第１の層と、
    前記第１の層と前記ゲート電極との間の、前記第１の層よりも酸素密度の低い第２の層と、
    Ｆ（フッ素）、Ｄ（重水素）、Ｈ（水素）の群の少なくとも一つの元素である第１の元素を含有し、前記第１の元素の濃度の第１のピークを有する、前記第１の層と前記第２の層との間に跨る第１の領域と、
    Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙ（イットリウム）、Ｌａ（ランタン）、ランタノイド（Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）の群の少なくとも一つの元素である第２の元素を含有し、前記第２の元素の濃度の第２のピークを有する、前記第１の層内の第２の領域と、
    を有する半導体装置。
29. 前記第２のピークの前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下である請求項２８記載の半導体装置。
30. 前記第２の領域が、前記第１のピークからの距離が４ｎｍ以下であり、前記第２のピークからの距離が前記第１のピークからの距離よりも短いＣ（炭素）の濃度の第３のピークを有する請求項２８又は請求項２９記載の半導体装置。
31. 請求項１乃至請求項２９いずれか一項記載の半導体装置を備えるインバータ回路。
32. 請求項１乃至請求項２９いずれか一項記載の半導体装置を備える駆動装置。
33. 請求項１乃至請求項２９いずれか一項記載の半導体装置を備える車両。
34. 請求項１乃至請求項２９いずれか一項記載の半導体装置を備える昇降機。
    

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