JP2018056348A

JP2018056348A - 半導体装置

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Publication number: JP2018056348A
Application number: JP2016191047A
Authority: JP
Inventors: 隆樹丹羽; Shigeki Niwa
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-09-29
Also published as: JP6658431B2

Abstract

【課題】半導体装置における閾値電圧の変動を抑制する。
【解決手段】半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層に接して形成され、窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有する酸化絶縁膜と、酸化絶縁膜を挟んで窒化物半導体層とは反対側において、酸化絶縁膜に接するゲート電極と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

従来から、半導体装置として、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物半導体から主に成る窒化物半導体層の上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等の絶縁体から主に成る絶縁層が形成され、かかる絶縁層の上にゲート電極が形成された構造を有する半導体装置が提案されている（特許文献１参照）。このような半導体装置の製造過程において、窒化物半導体層の表面上に絶縁層が形成されると、例えば、窒化物半導体層に含まれるドーパントの活性化を目的とした加熱処理（アニール）が行われた場合等において、蒸気圧の高い窒素が窒化物半導体層から絶縁層へと拡散してしまう。その結果、窒化物半導体層と絶縁層との界面において窒素空孔が生じ、かかる窒素空孔に起因して界面準位が生じるおそれがある。このように界面準位が生じると、半導体装置が放射線を浴びた際に、絶縁層内で電離された電荷（電子またはホール）が界面準位に捕らわれることにより、閾値電圧が変動するおそれがある。

特表２０１３−５１８４３６号公報

例えば、特許文献１に記載のように、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から成る窒化物半導体層の上に、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から成る層と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から成る層とが、この順序で形成された構造を有するゲート絶縁層を設けることにより、窒化物半導体層から拡散された窒素を、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から成る層に含まれる窒素によって補填することで、界面準位の発生を抑制して、閾値電圧の変動を抑制できる可能性がある。本発明は、このような従来の構成および方法とは異なる構成および方法により、半導体装置における閾値電圧の変動を抑制可能な技術を提供する。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、窒化物半導体層と；前記窒化物半導体層に接して形成され、前記窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有する酸化絶縁膜と；前記酸化絶縁膜を挟んで前記窒化物半導体層とは反対側において、前記酸化絶縁膜に接するゲート電極と；を備える。この形態の半導体装置によれば、酸化絶縁膜は、窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有するので、窒化物半導体層と酸化絶縁膜との界面に窒素空孔が生じた場合でも、濃度傾斜部に含まれる窒素により窒素原子のダングリングボンドを終端して界面準位が生じることを抑制し、閾値電圧の変動を抑制できる。

（２）上記形態の半導体装置において、前記酸化絶縁膜は、前記窒化物半導体層に接して配置され、窒素を含有し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る第１絶縁膜と；前記第１絶縁膜を挟んで前記窒化物半導体層とは反対側において前記第１絶縁膜に接し、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る第２絶縁膜と；を有し；前記濃度傾斜部は、前記第１絶縁膜を含んでもよい。この形態の半導体装置によれば、酸化絶縁膜は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る第１絶縁膜と、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る第２絶縁膜とを有するため、放射線照射に伴う電離で生じた電子とホールの対のうち、ホールを第２絶縁膜の深い準位に捕獲させて第２絶縁膜を正に帯電させ、他方、電子を第１絶縁膜の深い準位に捕獲させて第１絶縁膜を負に帯電させることができる。このため、酸化絶縁膜の全体として、正と負の電荷を打ち消し合わせて電荷増加を抑制し、界面準位の発生を抑制できる。

（３）上記形態の半導体装置において、前記酸化絶縁膜は、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る複数の副絶縁膜を有し；前記濃度傾斜部は、前記複数の副絶縁膜を含み；前記複数の副絶縁膜において、前記窒化物半導体層に近い膜ほど、平均窒素濃度が高くてもよい。この形態の半導体装置によれば、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る複数の副絶縁膜において、窒化物半導体層に近い膜ほど平均窒素濃度が高いので、酸化絶縁膜のうち、少なくとも複数の副絶縁膜から成る部分においては、ゲート電圧が印加された状態において電界を弱めることができる。換言すると、各層の積層方向に沿った伝導帯および価電子帯の電子のエネルギー（ポテンシャルエネルギー）を、平均窒素濃度が均一な場合に比べて平坦化させることができる。このため、放射線照射に伴う電離により酸化絶縁膜内に生じた電子とホールとが、互いに反対方向（窒化物半導体層から遠ざかる方向および近づく方向）に移動することを抑制し、互いに再結合することを促進できる。これにより、仮に、窒化物半導体層と酸化絶縁膜との界面に界面準位が生じた場合であっても、かかる界面準位に電離で生じた電荷が捕獲されることを抑制できる。このため、閾値電圧の変動を抑制できる。

（４）上記形態の半導体装置において、前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含んでもよい。この形態の半導体装置によれば、窒化物半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むので、半導体装置の高温動作や、高速スイッチングが可能になる等の効果を奏する。

本発明は、半導体装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、半導体装置の製造方法、および酸化絶縁膜の形成方法等の形態で実現することができる。

本発明の半導体装置によれば、酸化絶縁膜は、窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有するので、窒化物半導体層と酸化絶縁膜との界面に窒素空孔が生じた場合でも、濃度傾斜部に含まれる窒素により窒素原子のダングリングボンドを終端して界面準位が生じることを抑制し、閾値電圧の変動を抑制できる。

本発明の一実施形態としての半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。図１における領域Ａｒ１を拡大して示す断面図である。半導体装置の製造方法を示す工程図である。酸化絶縁膜の形成工程の詳細手順を示す工程図である。工程Ｐ１１０が実行される際の、第１のｎ型半導体層と第１絶縁膜との界面の様子を模式的に示す断面図である。第２実施形態における半導体装置の一部の領域を拡大して示す断面図である。第２実施形態における酸化絶縁膜の形成工程の詳細手順を示す工程図である。ゲート電極にゲート電圧が印加されていない状態における酸化絶縁膜の近傍のバンドダイアグラムを示す説明図である。ゲート電極にゲート電圧が印加されている状態における酸化絶縁膜の近傍のバンドダイアグラムを示す説明図である。ゲート電極にゲート電圧が印加されている状態における比較例の半導体装置のバンドダイアグラムを示す説明図である。ゲート電極にゲート電圧が印加されている状態における比較例の半導体装置のバンドダイアグラムを示す説明図である。第３実施形態における半導体装置の一部の領域を拡大して示す断面図である。第３実施形態における酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順を示す工程図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．装置構成：
図１は、本発明の一実施形態としての半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が表されている。以降において、＋Ｚ方向を上方、−Ｚ方向を下方と呼ぶ。なお、上方および下方とは、便宜上そのように呼ぶに過ぎず、半導体装置１００が使用される際の半導体装置１００の向きを限定するものではない。図１のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、他の図のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸に対応する。

半導体装置１００は、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタである。半導体装置１００は、基板１１０と、第１のｎ型半導体層１１２と、ｐ型半導体層１１４と、第２のｎ型半導体層１１６と、トレンチ１５０と、酸化絶縁膜１３０と、ゲート電極１２２と、ソース電極１２４と、ドレイン電極１２６とを備えている。

基板１１０は、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる板状の外観形状を有する。基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層である。本実施形態において、「窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム（ＧａＮ）を５０％以上含有することを意味する。基板１１０は、第１のｎ型半導体層１１２よりも高い濃度でドーパント（ドナー）が添加されている。本実施形態では、かかるドナーとして、ケイ素（Ｓｉ）が添加されている。なお、基板１１０は、ｎ^＋ＧａＮ層とも呼ぶことができる。

第１のｎ型半導体層１１２は、基板１１０の上に接して形成されている。第１のｎ型半導体層１１２は、基板１１０と同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドナーとしてケイ素（Ｓｉ）が添加されている。第１のｎ型半導体層１１２は、ｎ⁻ＧａＮ層とも呼ぶことができる。

ｐ型半導体層１１４は、第１のｎ型半導体層１１２の上に接して形成されている。ｐ型半導体層１１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｐ型半導体層である。ｐ型半導体層１１４には、ドーパント（アクセプタ）としてマグネシウム（Ｍｇ）が添加されている。ｐ型半導体層１１４は、ｐ⁻ＧａＮ層とも呼ぶことができる。

第２のｎ型半導体層１１６は、ｐ型半導体層１１４の上に接して形成されている。第２のｎ型半導体層１１６は、基板１１０および第１のｎ型半導体層１１２と同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体層であり、ドナーとしてケイ素（Ｓｉ）が添加されている。第２のｎ型半導体層１１６におけるドナー濃度は、第１のｎ型半導体層１１２におけるドナー濃度よりも高い。第２のｎ型半導体層１１６は、ｎ^＋ＧａＮ層とも呼ぶことができる。

トレンチ１５０は、第２のｎ型半導体層１１６とｐ型半導体層１１４とを連続して貫通して第１のｎ型半導体層１１２の上部まで達する溝部として形成されている。トレンチ１５０は、ｐ型半導体層１１４を完全に貫いているため、ｐ型半導体層１１４に反転層が十分に形成される。したがって、ｐ型半導体層１１４を完全に貫いていない構成に比べて半導体装置１００のオン抵抗を低減できる。なお、トレンチ１５０は、第１のｎ型半導体層１１２の中央または下部まで達する溝部として形成されてもよい。

酸化絶縁膜１３０は、電気絶縁性を有する膜である。酸化絶縁膜１３０は、トレンチ１５０の表面、すなわち、トレンチ１５０の底部および側面部の表面を覆うように形成されている。

図２は、図１における領域Ａｒ１を拡大して示す断面図である。領域Ａｒ１は、トレンチ１５０の底部近傍の酸化絶縁膜１３０を中心とした領域を示す。酸化絶縁膜１３０は、第１絶縁膜１３１と、第２絶縁膜１３２とから成る。

第１絶縁膜１３１は、第１のｎ型半導体層１１２の上に接して形成されている。本実施形態において、第１絶縁膜１３１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る。第１絶縁膜１３１には、窒素が含まれており、かかる窒素の平均濃度（単位体積あたりの平均窒素量）は、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて高くなる。換言すると、第１絶縁膜１３１は、領域Ａｒ１において、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて窒素の平均濃度が高くなる濃度傾斜部として構成されている。本実施形態において、第１絶縁膜１３１の厚さ（領域Ａｒ１においては、Ｚ方向の長さ）は、５０ｎｍ（ナノメートル）以下である。なお、第１絶縁膜１３１の厚さとしては、２０ｎｍ以下が好ましい。このようにすることで、後述する酸化絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ２５）において、窒素原子が、第１のｎ型半導体層１１２と第１絶縁膜１３１との界面に供給され易くできる。

上述のように、第１絶縁膜１３１において、窒素の平均濃度が第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて高くなっていることにより、第１のｎ型半導体層１１２の上に第１絶縁膜１３１が形成された後、第１のｎ型半導体層１１２の窒素が第１絶縁膜１３１に拡散されて、第１のｎ型半導体層１１２と第１絶縁膜１３１との界面に窒素空孔が生じた場合でも、第１絶縁膜１３１に含まれる窒素により窒素原子のダングリングボンドを終端して界面準位が生じることを抑制できる。

第２絶縁膜１３２は、第１絶縁膜１３１の表面上に接して形成されている。換言すると、領域Ａｒ１において、第２絶縁膜１３２は、第１絶縁膜１３１を挟んで第１のｎ型半導体層１１２とは反対側において、第１絶縁膜１３１に接して形成されている。本実施形態において、第２絶縁膜１３２は、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る。

図１に示すように、ゲート電極１２２は、酸化絶縁膜１３０に覆われたトレンチ１５０内に埋め込まれるように配置されている。本実施形態において、ゲート電極１２２は、アルミニウム（Ａｌ）から成る。なお、アルミニウム（Ａｌ）に代えて、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、ポリシリコン等の導電性材料の少なくとも１つにより構成してもよい。例えば、熱安定性の高い窒化チタン（ＴｉＮ）膜と、かかるＴｉＮ膜の上に接して形成されたアルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）からなる電極とにより、ゲート電極１２２を構成してもよい。

ソース電極１２４は、第２のｎ型半導体層１１６の上に接して形成されている。ソース電極１２４は、ゲート電極１２２と同様な材料により形成してもよい。

ドレイン電極１２６は、基板１１０の下に接して配置されている。換言すると、ドレイン電極１２６は、基板１１０における第１のｎ型半導体層１１２と接する面とは反対側の面と接して形成されている。ドレイン電極１２６は、ゲート電極１２２と同様な材料により形成してもよい。

Ａ２．半導体装置１００の製造：
図３は、半導体装置１００の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、基板１１０の上に第１のｎ型半導体層１１２を形成する（工程Ｐ５）。本実施形態では、第１のｎ型半導体層１１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって形成される。具体的には、例えば、用意した基板１１０をチャンバー内に配置し、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ：Tri-Methyl-Gallium）と、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）と、ドーパント用ガスであるシラン（ＳｉＨ_４）とを混合したガスをチャンバー内に供給する。このとき、キャリアガスとして、水素と窒素の混合ガスを用いる。

製造者は、工程Ｐ５により形成された第１のｎ型半導体層１１２上に、ｐ型半導体層１１４を形成する（工程Ｐ１０）。この工程Ｐ１０も、ＭＯＣＶＤにより実行される。工程Ｐ１０では、工程Ｐ５で用いた原料ガスと同じ原料ガスを用いる。他方、ドーパント用ガスとして、シクロペンタンジエチルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いる。

製造者は、工程Ｐ１０により形成されたｐ型半導体層１１４の上に、第２のｎ型半導体層１１６を形成する（工程Ｐ１５）。この工程Ｐ１５も、ＭＯＣＶＤにより実行される。工程Ｐ１５において用いられる原料ガスおよびドーパント用ガスは、上述の工程Ｐ５で用いたガスと同じ種類のガスである。但し、工程Ｐ１５におけるドーパント用ガス（シラン（ＳｉＨ_４）ガス）の流量を、工程Ｐ５に比べて大きくして、第２のｎ型半導体層１１６におけるドナー濃度が、第１のｎ型半導体層１１２におけるドナー濃度よりも高くなるように調整する。

製造者は、エッチングによりトレンチ１５０を形成する（工程Ｐ２０）。本実施形態では、工程Ｐ２０は、第２のｎ型半導体層１１６、ｐ型半導体層１１４、および第１のｎ型半導体層１１２に対する−Ｚ方向のドライエッチングにより形成される。トレンチ１５０が形成された後、製造者は、トレンチ１５０の表面を覆うように、酸化絶縁膜１３０を形成する（工程Ｐ２５）。

図４は、酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順を示す工程図である。製造者は、トレンチ１５０の表面上、すなわち、トレンチ１５０内に露出した、第１のｎ型半導体層１１２、ｐ型半導体層１１４および第２のｎ型半導体層１１６の各層の表面上に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る部分層を形成する（工程Ｐ１０５）。「部分層」とは、酸化絶縁膜１３０の一部（すなわち、第１絶縁膜１３１）を構成することとなる層であって、領域Ａｒ１において、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて窒素の平均濃度が高くなる濃度傾斜部として構成される前段の層（膜）を意味する。換言すると、部分層とは、第１絶縁膜１３１の前駆体の層といえる。本実施形態では、部分層は、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）プラズマ発生装置を用いて、プラズマＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）によって形成される。

製造者は、部分層の表面側から窒素プラズマを照射することにより、第１絶縁膜１３１（濃度傾斜部）を形成する（工程Ｐ１１０）。本実施形態において、工程Ｐ１１０は、工程Ｐ１０５に引き続き、ＥＣＲプラズマ発生装置を用いて実行される。工程Ｐ１１０では、減圧下で窒素含有ガスを１００％供給して高密度の窒素プラズマを発生させる。窒素含有ガスとしては、例えば、窒素（Ｎ_２）ガス、およびアンモニア（ＮＨ_３）ガス等を用いることができる。

図５は、工程Ｐ１１０が実行される際の、第１のｎ型半導体層１１２と第１絶縁膜１３１との界面の様子を模式的に示す断面図である。なお、図５では、図１および図２で示す領域Ａｒ１と同じ位置の領域を拡大して示している。図５に示すように、窒素プラズマが第１絶縁膜１３１（部分層）の表面側、すなわち、第１のｎ型半導体層１１２とは反対側の露出した面側から第１絶縁膜１３１に照射されると、窒素原子が第１絶縁膜１３１（部分層）を通って第１のｎ型半導体層１１２と第１絶縁膜１３１との界面１１３に達する。工程Ｐ１０５の後、第１のｎ型半導体層１１２から第１絶縁膜１３１（部分層）に向かって窒素原子が拡散して窒素空孔が界面１１３に生じ得る。しかし、かかる窒素空孔（窒素のダングリンボンド）は、窒素プラズマにより供給される窒素原子により塞がれる。換言すると、窒素プラズマにより第１絶縁膜１３１（部分層）の表面から供給される窒素原子は、その多くが界面１１３まで達して界面１１３近傍において捕獲される。このため、第１絶縁膜１３１には、図２に示すような平均窒素濃度の傾斜、すなわち、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜が形成されることとなる。特に、窒素プラズマのエネルギーが高いと、第１絶縁膜１３１の表面よりも第１のｎ型半導体層１１２の方に窒素原子がより高濃度に注入されるため、第１絶縁膜１３１の表面の窒素濃度は相対的に低くなり、第１のｎ型半導体層１１２の窒素濃度は相対的に高くなる。

図４に示すように、工程Ｐ１１０により第１絶縁膜１３１が形成された後、製造者は、第１絶縁膜１３１の表面上に、第２絶縁膜１３２を形成する（工程Ｐ１１５）。本実施形態において、工程Ｐ１１５は、工程Ｐ１０５およびＰ１１０に引き続き、ＥＣＲプラズマ発生装置を用いて実行される。このとき、窒素原子の原料ガスである窒素（Ｎ_２）と、酸素原子の原料であるオゾン（Ｏ_３）と、ケイ素（Ｓｉ）の原料であるシラン（ＳｉＨ_４）とを混合したガスをチャンバー内に供給する。また、キャリアガスとして、水素と窒素の混合ガスを用いる。工程Ｐ１１５が完了して第２絶縁膜１３２が形成されると、酸化絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ２５）は終了する。

図３に戻って、酸化絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ２５）が終了すると、ゲート電極１２２、ソース電極１２４、およびドレイン電極１２６が形成される（工程Ｐ３０）。各電極１２２，１２４，１２６は、原料の金属材料を蒸着することにより形成される。なお、ソース電極１２４は、第２のｎ型半導体層１１６とオーミック接触するように形成される。また、各電極１２２，１２４，１２６は、蒸着に代えてスパッタリングにより形成されてもよい。

以上説明した第１実施形態の半導体装置１００によれば、酸化絶縁膜１３０は、窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる第１絶縁膜１３１（濃度傾斜部）を有するので、第１のｎ型半導体層１１２と酸化絶縁膜１３０（第１絶縁膜１３１）との界面１１３に窒素空孔が生じた場合でも、第１絶縁膜１３１（濃度傾斜部）に含まれる窒素により窒素原子のダングリングボンドを終端して界面準位が生じることを抑制し、閾値電圧の変動を抑制できる。

また、半導体装置１００では、酸化絶縁膜１３０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る第１絶縁膜１３１と、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る第２絶縁膜１３２とを有するため、放射線照射に伴う電離で生じた電子とホールの対のうち、ホールを第２絶縁膜１３２の深い準位に捕獲させて第２絶縁膜１３２を正に帯電させ、他方、電子を第１絶縁膜１３１の深い準位に捕獲させて第１絶縁膜１３１を負に帯電させることができる。このため、酸化絶縁膜１３０の全体として、正と負の電荷を打ち消し合わせて電荷増加を抑制し、界面準位の発生を抑制できる。

また、半導体装置１００では、基板１１０を含む各層１１２，１１４，１１６は、いずれも窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むので、高温動作や高速スイッチングが可能になる等の効果を奏する。

Ｂ．第２実施形態：
Ｂ１．装置構成：
図６は、第２実施形態における半導体装置の一部の領域を拡大して示す断面図である。図６に示す領域Ａｒ２は、第１実施形態における領域Ａｒ１とほぼ同じ位置の領域、即ち、トレンチ１５０の底部近傍の酸化絶縁膜を中心とした領域を示す。

第２実施形態の半導体装置は、酸化絶縁膜１３０に代えて酸化絶縁膜１３０ａを備えている点において、第１実施形態の半導体装置１００と異なる。第２実施形態の半導体装置におけるその他の構成は、第１実施形態の半導体装置１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態の酸化絶縁膜１３０ａは、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る複数の副絶縁膜を備える。具体的には、酸化絶縁膜１３０ａは、第１のｎ型半導体層１１２に近い側から順番に、第１副絶縁膜１３１ａと、第２副絶縁膜１３２ａと、第３副絶縁膜１３３ａとが積層された構造を有する。第１副絶縁膜１３１ａの−Ｚ方向の面は、第１のｎ型半導体層１１２に接する。第３副絶縁膜１３３ａの＋Ｚ方向の面は、ゲート電極１２２に接する。第２副絶縁膜１３２ａは、第１副絶縁膜１３１ａの＋Ｚ方向の面および第３副絶縁膜１３３ａの−Ｚ方向の面に接する。

酸化絶縁膜１３０ａにおける平均窒素濃度は、第１実施形態の第１絶縁膜１３１と同様に、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて高くなる。具体的には、第１副絶縁膜１３１ａの平均窒素濃度は最も高く、第２副絶縁膜１３２ａの平均窒素濃度は２番目に高く、第３副絶縁膜１３３ａの平均窒素濃度は最も低い。即ち、第２実施形態では、酸化絶縁膜１３０ａは、全体として濃度傾斜部として構成されている。

Ｂ２．第２実施形態の半導体装置の製造：
図７は、第２実施形態における酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順を示す工程図である。第２実施形態における半導体装置の製造方法は、酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順において、第１実施形態における半導体装置の製造方法と異なる。第２実施形態における半導体装置の製造方法のその他の手順は、第１実施形態における半導体装置の製造方法と同じである。

第２実施形態における酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）では、まず、製造者は、第１のｎ型半導体層１１２の表面上に、第１副絶縁膜１３１ａを形成する（工程Ｐ２０５）。本実施形態では、第１副絶縁膜１３１ａおよび他の２つの副絶縁膜１３２ａ，１３３ａは、いずれも、第１実施形態における工程Ｐ１１５と同様に、ＥＣＲプラズマ発生装置を用いて形成される。この工程Ｐ２０５においてチャンバー内に供給される窒素（Ｎ_２）ガスの流量を第１流量とする。

製造者は、窒素ガス流量を第２流量として、第１副絶縁膜１３１ａの表面上に、第２副絶縁膜１３２ａを形成する（工程Ｐ２１０）。ここで、第２流量は、工程Ｐ２０５における第１流量よりも小さい。このようにすることで、第２副絶縁膜１３２ａにおける平均窒素濃度を第１副絶縁膜１３１ａにおける平均窒素濃度よりも小さくできる。

製造者は、窒素ガス流量を第３流量として、第２副絶縁膜１３２ａの表面上に、第３副絶縁膜１３３ａを形成する（工程Ｐ２１５）。ここで、第３流量は、工程Ｐ２１０における第２流量よりも小さい。このようにすることで、第３副絶縁膜１３３ａにおける平均窒素濃度を第２副絶縁膜１３２ａにおける平均窒素濃度よりも小さくできる。

このようにして形成された酸化絶縁膜１３０ａでは、上述のように、酸化絶縁膜１３０ａにおける平均窒素濃度は、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて高くなる。

図８は、ゲート電極１２２にゲート電圧Ｖｇが印加されていない状態における酸化絶縁膜１３０ａの近傍のバンドダイアグラムを示す説明図である。図８において縦軸は電子のエネルギー（ポテンシャルエネルギー）を示す。なお、図８では、フェルミレベルＥｆおよび伝導帯Ｅｃを示しており、価電子帯は省略されている。

ゲート電圧Ｖｇが印加されていない状態において、ゲート電極１２２における伝導帯Ｅｃのエネルギーレベルは、フェルミレベルＥｆと一致している。また、ゲート電圧Ｖｇが印加されていない状態において、酸化絶縁膜１３０ａ伝導帯Ｅｃのエネルギーレベルは、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて階段状に下がっている。これは、上述したように、酸化絶縁膜１３０ａでは、第１のｎ型半導体層１１２に近づくにつれて平均窒素濃度が階段状に高くなっているためである。

図９は、ゲート電極１２２にゲート電圧Ｖｇが印加されている状態における酸化絶縁膜１３０ａの近傍のバンドダイアグラムを示す説明図である。図９の縦軸は図８の縦軸と同じである。図９では、フェルミレベルＥｆおよび伝導帯Ｅｃに加えて、価電子帯Ｅｖも表されている。なお、図９では、ゲート電圧Ｖｇとして正の電圧が印加されている。

ゲート電圧Ｖｇが印加されると、ゲート電極１２２における伝導帯Ｅｃのエネルギーレベルは、ゲート電圧Ｖｇ分だけフェルミレベルＥｆから下がる。酸化絶縁膜１３０ａにおける伝導帯Ｅｃでは、各副絶縁膜１３１ａ，１３２ａ，１３３ａの界面の段差の存在によって、各副絶縁膜１３１ａ，１３２ａ，１３３ａの電界（伝導帯Ｅｃの傾き）は、小さくなっている。したがって、本実施形態では、ゲート電圧Ｖｇが印加されたときの酸化絶縁膜１３０ａにおける電界を、酸化絶縁膜の伝導帯Ｅｃに段差がない構成（後述の比較例）に比べて弱めることができる。

図９に示すように、酸化絶縁膜１３０ａに放射線が照射されると、かかる照射で電離形成された電子とホールの対により、伝導帯Ｅｃに電子が、価電子帯Ｅｖにホールが、それぞれ形成される。上述のように、ゲート電圧Ｖｇが印加されている状態では、酸化絶縁膜１３０ａにおける電界は弱くなっているため、伝導帯Ｅｃに形成された電子は、ゲート電極１２２に向かって移動せずに酸化絶縁膜１３０ａ内に留まる可能性が高い。特に、各副絶縁膜１３１ａ，１３２ａ，１３３ａの界面には段差があるため、電子は移動し難い。同様に、価電子帯Ｅｖに形成されたホールは、第１のｎ型半導体層１１２に向かって移動せずに酸化絶縁膜１３０ａ内の伝導帯Ｅｃの段差に留まる可能性が高い。このように、放射線照射で電離形成された電子およびホールは、互いに反対方向に移動することが抑制されて酸化絶縁膜１３０ａ内に留まる可能性が高まるので、これら電子およびホールが、酸化絶縁膜１３０ａ内において再結合することが促進される。したがって、電離形成される電荷（電子およびホール）の増加を抑制でき、かかる電荷に起因して閾値電圧が変動することを抑制できる。

図１０は、ゲート電極１２２にゲート電圧Ｖｇが印加されている状態における比較例の半導体装置のバンドダイアグラムを示す説明図である。図１０では、図８および図９と同様に、酸化絶縁膜近傍におけるバンドダイアグラムを示す。比較例の半導体装置では、酸化絶縁膜において、平均窒素濃度の傾斜が設けられていない。換言すると、比較例の酸化絶縁膜の平均窒素濃度は、積層方向（厚さ方向）のいずれの部分において略均一である。したがって、図１０に示すように、比較例の酸化絶縁膜における伝導帯Ｅｃのエネルギーレベルは、積層方向において平坦（一定）である。

図１１は、ゲート電極１２２にゲート電圧Ｖｇが印加されている状態における比較例の半導体装置のバンドダイアグラムを示す説明図である。図１１では、図１０と同様に、酸化絶縁膜近傍におけるバンドダイアグラムを示す。また、図１１では、図９と同様に、フェルミレベルＥｆおよび伝導帯Ｅｃに加えて、価電子帯Ｅｖも表されている。

比較例の半導体装置にゲート電圧Ｖｇ（正の電圧）が印加されると、伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖは、いずれも傾斜する。具体的には、ゲート電極に近づくほど電子のエネルギーが下がり、第１のｎ型半導体層に近づくほど電子のエネルギーが上がる。このとき、伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖの傾斜（電界）は、図９に示す本実施形態とは異なり段差が無いことにより、非常に高くなっている。このため、図１１に示すように、放射線照射で電離形成された電子とホールの対により、伝導帯Ｅｃに形成された電子は、ゲート電極に向かって移動する。他方、価電子帯Ｅｖに形成されたホールは、第１のｎ型半導体層に向かって移動し、酸化絶縁膜と第１のｎ型半導体層との界面に生じた界面準位に捕獲されることとなる。このため、酸化絶縁膜は正に帯電する。このように、酸化絶縁膜が正に帯電すると、閾値電圧がマイナス方向に変動する。その結果、ゲート電圧Ｖｇを印加しなくても電流が流れるようになり、トランジスタがオフできなくなるという動作不良が生じるおそれがある。

このような比較例の半導体装置に対して、第２実施形態の半導体装置では、上述したように、ゲート電圧Ｖｇが印加された場合に、酸化絶縁膜における伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖの電界を低くすることができるため、放射線照射で電離形成された電子とホールの対が再結合することを促進して、電離形成される電荷の増加を抑制できる。このため、かかる電荷に起因する閾値電圧の変動を抑制できる。

以上説明した第２実施形態の半導体装置では、酸化絶縁膜１３０ａを構成する複数の副絶縁膜において、第１のｎ型半導体層１１２に近い膜ほど平均窒素濃度が高いので、ゲート電圧Ｖｇが印加された状態において酸化絶縁膜１３０ａにおける電界を弱めることができる。換言すると、酸化絶縁膜１３０ａにおける積層方向に沿った電子のエネルギー（ポテンシャルエネルギー）を、平均窒素濃度が均一な場合に比べて平坦化させることができる。このため、放射線照射に伴う電離で生じた電子とホールとが、それぞれゲート電極１２２および第１のｎ型半導体層１１２へと移動することを抑制し、互いに再結合することを促進できる。これにより、仮に、第１のｎ型半導体層１１２と酸化絶縁膜１３０ａとの界面に界面準位が生じた場合であっても、かかる界面準位に電離で生じたホールが捕獲されることを抑制でき、閾値電圧の変動を抑制できる。

Ｃ．第３実施形態：
図１２は、第３実施形態における半導体装置の一部の領域を拡大して示す断面図である。図１２に示す領域Ａｒ３は、第１実施形態における領域Ａｒ１とほぼ同じ位置の領域、即ち、トレンチ１５０の底部近傍の酸化絶縁膜を中心とした領域を示す。

第３実施形態の半導体装置は、酸化絶縁膜１３０に代えて酸化絶縁膜１３０ｂを備えている点において、第１実施形態の半導体装置１００と異なる。第３実施形態の半導体装置におけるその他の構成は、第１実施形態の半導体装置１００と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、第３実施形態の酸化絶縁膜１３０ｂは、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る複数の副絶縁膜を備える。具体的には、酸化絶縁膜１３０ｂは、第１のｎ型半導体層１１２に近い側から順番に、第１副絶縁膜１３１ｂと、第２副絶縁膜１３２ｂと、第３副絶縁膜１３３ｂと、第４副絶縁膜１３４ｂとが積層された構造を有する。第１副絶縁膜１３１ｂの−Ｚ方向の面は、第１のｎ型半導体層１１２に接する。第４副絶縁膜１３４ｂの＋Ｚ方向の面は、ゲート電極１２２に接する。第２副絶縁膜１３２ｂは、第１副絶縁膜１３１ｂの＋Ｚ方向の面および第３副絶縁膜１３３ｂの−Ｚ方向の面に接する。第３副絶縁膜１３３ｂは、第２副絶縁膜１３２ｂの＋Ｚ方向の面および第４副絶縁膜１３４ｂの−Ｚ方向の面に接する。

第１副絶縁膜１３１ｂにおける平均窒素濃度は、第１実施形態の第１絶縁膜１３１と同様に、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて高くなる。また、第２副絶縁膜１３２ｂ、第３副絶縁膜１３３ｂ、および第４副絶縁膜１３４ｂの平均窒素濃度は、第２実施形態の酸化絶縁膜１３０ａ（第１副絶縁膜１３１ａ、第２副絶縁膜１３２ａ、および第３副絶縁膜１３３ａ）と同様に、第１のｎ型半導体層１１２（第１副絶縁膜１３１ｂ）に向かうにつれて高くなる。具体的には、第２副絶縁膜１３２ｂの平均窒素濃度は最も高く、第３副絶縁膜１３３ｂの平均窒素濃度は２番目に高く、第４副絶縁膜１３４ｂの平均窒素濃度は最も低い。即ち、第３実施形態では、第１副絶縁膜１３１ｂは、かかる層（膜）単体で濃度傾斜部として構成されている。加えて、残りの３つの副絶縁膜１３２ｂ〜１３４ｂも、全体として濃度傾斜部として構成されている。すなわち、第３実施形態の酸化絶縁膜１３０ｂは、第１実施形態の酸化絶縁膜１３０の上に、第２実施形態の酸化絶縁膜１３０ａが形成された構成と同様な構成を有する。

図１３は、第３実施形態における酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順を示す工程図である。第３実施形態における半導体装置の製造方法は、酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）の詳細手順において、第１実施形態における半導体装置の製造方法と異なる。第３実施形態における半導体装置の製造方法のその他の手順は、第１実施形態における半導体装置の製造方法と同じである。

第３実施形態における酸化絶縁膜の形成工程（工程Ｐ２５）では、まず、製造者は、トレンチ１５０の表面、すなわち、トレンチ１５０内に露出した、第１のｎ型半導体層１１２、ｐ型半導体層１１４、および第２のｎ型半導体層１１６の表面上に、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る部分層を形成する（工程Ｐ３０５）。この工程Ｐ３０５は、「部分層」が、酸化絶縁膜１３０ｂの一部（すなわち、第１副絶縁膜１３１ｂ）を構成することとなる層であって、領域Ａｒ３において、第１のｎ型半導体層１１２に向かうにつれて窒素の平均濃度が高くなる濃度傾斜部として構成される前段の層（膜）を意味する点において、第１実施形態の工程Ｐ１０５と異なる。すなわち、第３実施形態における部分層は、第１副絶縁膜１３１ｂの前駆体といえる。部分層は、第１実施形態における工程Ｐ１１５と同様に、ＥＣＲプラズマ発生装置を用いて形成される。

製造者は、部分層の表面側から窒素プラズマを照射することにより、第１副絶縁膜１３１ｂ（濃度傾斜部）を形成する（工程Ｐ３１０）。この工程は、第１実施形態の工程Ｐ１１０と同様である。

製造者は、第１副絶縁膜１３１ｂの表面上に、第２副絶縁膜１３２ｂを形成する（工程Ｐ３１５）。本実施形態では、第２副絶縁膜１３２ｂおよび他の２つの副絶縁膜１３３ｂ，１３４ｂは、いずれも、第１実施形態における工程Ｐ１１５と同様に、ＥＣＲプラズマ発生装置を用いて形成される。この工程Ｐ３１５においてチャンバー内に供給される窒素（Ｎ_２）ガスの流量を第１流量とする。

製造者は、窒素ガス流量を第２流量として、第２副絶縁膜１３２ｂの表面上に、第３副絶縁膜１３３ｂを形成する（工程Ｐ３２０）。ここで、第２流量は、工程Ｐ３１５における第１流量よりも小さい。

製造者は、窒素ガス流量を第３流量として、第３副絶縁膜１３３ｂの表面上に、第４副絶縁膜１３４ｂを形成する（工程Ｐ３２５）。ここで、第３流量は、工程Ｐ３２０における第２流量よりも小さい。

以上の構成を有する第３実施形態の半導体装置は、第１実施形態の半導体装置１００および第２実施形態の半導体装置と同様な効果を有する。

Ｄ．変形例：
Ｄ１．変形例１：
各実施形態において、半導体装置１００は、トレンチゲート構造を有する縦型トランジスタであったが、プレーナ型の縦型トランジスタであってもよい。このような構成であっても、ゲート絶縁膜を、酸化絶縁膜１３０，１３０ａ，１３０ｂと同様な構成とすることで、各実施形態の半導体装置と同様な効果を奏する。

Ｄ２．変形例２：
第１実施形態の工程Ｐ１１０および第３実施形態の工程Ｐ３１０において、部分層の表面側から照射されるものは、窒素プラズマであったが、窒素プラズマに代えて、窒素ラジカルであってもよい。具体的には、例えば、部分層が形成された基板を、ラジカル発生装置のチャンバー内に配置する。このチャンバー内には、互いに離間した２つの電極が配置されており、かかる電極には、高周波電源（ＲＦ電源）が接続されている。そして、チャンバーにアンモニア（ＮＨ_３）ガスや窒素（Ｎ_２）ガスを導入して、ＲＦ放電させることにより窒素原子を励起させて窒素ラジカルを生成して、部分層に照射させてもよい。

また、例えば、チャンバー内にタングステン（Ｗ）から成るフィラメントを有する加熱部を配置し、タングステンフィラメントを高温（例えば、１５００℃程度）となるまで加熱した状態で、チャンバー内に窒素（Ｎ_２）ガスを導入することにより、窒素原子を熱エネルギーにより励起させて窒素ラジカルを生成して、部分層に照射させてもよい。これらの構成により製造された半導体装置は、各実施形態の半導体装置１００と同様な効果を奏する。

Ｄ３．変形例３：
第２実施形態の第１副絶縁膜１３１ａ〜第３副絶縁膜１３３ａ、および第３実施形態の第２副絶縁膜１３２ｂ〜第４副絶縁膜１３４ｂは、いずれも、第１のｎ型半導体層１１２または第１副絶縁膜１３１ｂに向かうにつれて平均窒素濃度が段階的に高くなっていたが、本発明はこれに限定されない。これらの複数の副絶縁層において、第１のｎ型半導体層１１２または第１副絶縁膜１３１ｂに向かうにつれて平均窒素濃度が連続的に高くなってもよい。この場合、例えば、ＥＣＲプラズマ発生装置のチャンバーに供給される窒素（Ｎ_２）ガスの流量を連続的に減少させながら酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る層を形成することにより、複数の副絶縁層において、第１のｎ型半導体層１１２または第１副絶縁膜１３１ｂに向かうにつれて平均窒素濃度を連続的に高くすることができる。

Ｄ４．変形例４：
第１実施形態において、第１絶縁膜１３１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る膜であったが、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に代えて、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）や、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から主に成る膜であってもよい。かかる構成を有する半導体装置は、第１実施形態の半導体装置１００と同様な効果を有する。

Ｄ５．変形例５：
第１実施形態において、第２絶縁膜１３２は、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る膜であったが、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）に代えて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る膜であってもよい。かかる構成を有する半導体装置は、第１実施形態の半導体装置１００と同様な効果を有する。

Ｄ６．変形例６：
各実施形態の半導体装置１００を構成する各層のうち、ＧａＮから主に成る半導体層は、ＧａＮに代えて、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化鉛ガリウム（ＺｎＧａＮ）、窒化アルミニウム鉛ガリウム（ＡｌＺｎＧａＮ）から主と成る構成としてもよい。すなわち、一般には、これらの層を、ＧａＮを含む層として構成してもよい。

Ｄ７．変形例７：
各実施形態において、ドナーとしてケイ素（Ｓｉ）が用いられ、アクセプタとしてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられていたが、本発明はこれに限定されない。ドナーとして、ゲルマニウム（Ｇｅ）や酸素（Ｏ）などを用いてもよい。また、アクセプタとして、亜鉛（Ｚｎ）や炭素（Ｃ）などを用いてもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する本実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…半導体装置
１１０…基板
１１２…第１のｎ型半導体層
１１３…界面
１１４…ｐ型半導体層
１１６…第２のｎ型半導体層
１２２…ゲート電極
１２４…ソース電極
１２６…ドレイン電極
１３０，１３０ａ，１３０ｂ…酸化絶縁膜
１３１…第１絶縁膜
１３１ａ…第１副絶縁膜
１３１ｂ…第１副絶縁膜
１３２…第２絶縁膜
１３２ａ…第２副絶縁膜
１３２ｂ…第２副絶縁膜
１３３ａ…第３副絶縁膜
１３３ｂ…第３副絶縁膜
１３４ｂ…第４副絶縁膜
１５０…トレンチ
Ａｒ１，Ａｒ２，Ａｒ３…領域
Ｅｃ…伝導帯
Ｅｆ…フェルミレベル
Ｅｖ…価電子帯

Claims

半導体装置であって、
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層に接して形成され、前記窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有する酸化絶縁膜と、
前記酸化絶縁膜を挟んで前記窒化物半導体層とは反対側において、前記酸化絶縁膜に接するゲート電極と、
を備える、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記酸化絶縁膜は、
前記窒化物半導体層に接して配置され、窒素を含有し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜を挟んで前記窒化物半導体層とは反対側において前記第１絶縁膜に接し、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る第２絶縁膜と、
を有し、
前記濃度傾斜部は、前記第１絶縁膜を含む、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置において、
前記酸化絶縁膜は、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）から主に成る複数の副絶縁膜を有し、
前記濃度傾斜部は、前記複数の副絶縁膜を含み、
前記複数の副絶縁膜において、前記窒化物半導体層に近い膜ほど、平均窒素濃度が高い、半導体装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置において、
前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む、半導体装置。
窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に接して形成され、前記窒化物半導体層に向かうにつれて平均窒素濃度が高くなる濃度傾斜部を有する酸化絶縁膜と、前記酸化絶縁膜を挟んで前記窒化物半導体層とは反対側において前記酸化絶縁膜に接するゲート電極と、を有する半導体装置の製造方法であって、
（ａ）酸化物または酸窒化物から主に成り前記酸化絶縁膜の一部を構成する部分層を、前記窒化物半導体層の表面上に形成する工程と、
（ｂ）前記部分層の表面側から、窒素プラズマまたは窒素ラジカルを照射することにより、前記濃度傾斜部を形成する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。