JP2023167184A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】信頼性の高い半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する。ゲート絶縁膜は、窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第１の絶縁膜の上面に配置されており、窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第２の絶縁膜の上面に配置されており、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を備える。第１の絶縁膜の結晶性の方が第３の絶縁膜の結晶性よりも高い。【選択図】図１
Description
本明細書で開示する技術は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
単結晶の窒化ガリウム上に、ゲート絶縁膜およびゲート電極を積層した構造が知られている。また、窒化ガリウム界面近傍におけるゲート絶縁膜の結晶性を、熱処理によって高める技術が知られている。界面およびゲート絶縁膜中における欠陥準位を低減できるため、チャネルを走行する伝導キャリアの捕獲・散乱による移動度の低下を抑制することが可能となる。なお、特許文献１には、関連する技術が開示されている。
結晶化が窒化ガリウム界面からゲート絶縁膜の上部に向かって進行すると、結晶粒界における欠陥や不純物の偏析により、ゲート絶縁膜のリーク電流の増加や耐圧の低下が生じてしまう。ゲート絶縁膜の信頼性を低下させるおそれがある。
本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置である。ゲート絶縁膜は、窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第１の絶縁膜の上面に配置されており、窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第２の絶縁膜の上面に配置されており、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を備える。第１の絶縁膜の結晶性の方が第３の絶縁膜の結晶性よりも高い。
上記実施形態の半導体装置では、第２の絶縁膜により、第１の絶縁膜から第３の絶縁膜への窒化ガリウム結晶情報の伝搬を阻害することができる。第１の絶縁膜の結晶性の方が第３の絶縁膜の結晶性よりも高い構造を形成することが可能となる。結晶性の高い第１の絶縁膜によって、界面および絶縁膜中における欠陥準位を低減できる。また結晶性の低い第３の絶縁膜によって、リーク電流の増加や耐圧の低下を抑制することができる。移動度の低下を抑制しながら、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることが可能となる。
第１の絶縁膜は、窒化ガリウムに配向して結晶化していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
第１の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかであってもよい。
第２の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素であってもよい。
第３の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムであってもよい。
第１の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートであってもよい。
第１の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートであってもよい。
第１の絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
第２の絶縁膜の厚さは、１ｎｍ以上であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。
本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第１の絶縁膜の上面に、窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第２の絶縁膜の上面に、第１の絶縁膜および第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第１の絶縁膜、第２の絶縁膜、第３の絶縁膜を備えた窒化ガリウムを熱処理する工程を備える。効果の詳細は実施例で説明する。
（半導体装置１の構造）
図１に、本実施例に係る半導体装置１の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１は、横型のＭＯＳＦＥＴの一実施形態である。半導体装置１は、半導体基板１０、窒化物半導体２０、絶縁膜２８、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６、ゲート絶縁膜４０、ゲート電極４４、を備える。
図１に、本実施例に係る半導体装置１の要部断面図を模式的に示す。半導体装置１は、横型のＭＯＳＦＥＴの一実施形態である。半導体装置１は、半導体基板１０、窒化物半導体２０、絶縁膜２８、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６、ゲート絶縁膜４０、ゲート電極４４、を備える。
半導体基板１０は、窒化物半導体２０の下地基板であり、窒化物半導体２０が結晶成長可能な組成の材料で構成されている。本実施例では、半導体基板１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の単結晶基板である。窒化物半導体２０は、半導体基板１０の表面上に設けられている。窒化物半導体２０は、ＧａＮの単結晶からなる。窒化物半導体２０は、ｐ型のボディ領域２２、ｎ＋型のドレイン領域２５、ｎ＋型のソース領域２６を有している。
ボディ領域２２は、ＧａＮのエピ成長層であり、ドレイン領域２５とソース領域２６を隔てるように設けられている。ドレイン領域２５は、ボディ領域２２上に設けられており、窒化物半導体２０の表層部の一部に設けられており、窒化物半導体２０の表面に露出している。ドレイン領域２５は、窒化物半導体２０の表面上の一部に設けられているドレイン電極３２にオーミック接触している。ソース領域２６は、ボディ領域２２上に設けられており、窒化物半導体２０の表層部の一部に設けられており、窒化物半導体２０の表面に露出している。ソース領域２６は、窒化物半導体２０の表面上の一部に設けられているソース電極３４にオーミック接触している。ボディ領域２２の一部は、窒化物半導体２０の表面に露出している。露出しているボディ領域２２は、窒化物半導体２０の表面上の一部に設けられているボディ電極３６にオーミック接触している。ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６は、絶縁膜２８によって絶縁されている。
ゲート絶縁膜４０は、ドレイン領域２５とソース領域２６の間に位置するボディ領域２２に対向するように、窒化物半導体２０の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜４０は、窒化物半導体２０（詳細にはボディ領域２２）の表面に接している。ゲート絶縁膜４０上には、ゲート電極４４が配置されている。ゲート電極４４は、ゲート絶縁膜４０を介して、ドレイン領域２５とソース領域２６の間に位置するボディ領域２２に対向している。ゲート電極４４は、例えばアルミニウムである。
ゲート絶縁膜４０は、第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３、を備えている。第１絶縁膜４１は、窒化ガリウムの窒化物半導体２０の表面に配置されている。第１絶縁膜４１は、六回対称の結晶性を有する絶縁膜である。具体的には、第１絶縁膜４１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミニウムシリケート（ＡｌＳｉＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、の何れかである。
第１絶縁膜４１は、ゲート絶縁膜４０のうち窒化ガリウムに接している部分であり、窒化ガリウムの結晶構造に倣った結晶構造を有している。なお、窒化ガリウムの結晶構造に倣った結晶構造とは、単結晶である窒化ガリウムの表面の原子配列に配向して再結晶化された結晶構造をいう。
第１絶縁膜４１の厚さは、３ｎｍ以上であることが好ましい。これは、第１絶縁膜４１と窒化ガリウムとの界面ＩＦから第１絶縁膜４１の３ｎｍ程度内側までの領域の膜質が、半導体装置の特性に影響すると考えられるためである。すなわち、第１絶縁膜４１の界面ＩＦから３ｎｍ程度内側までの領域の結晶性が低い場合には、界面ＩＦおよび第１絶縁膜４１中における欠陥準位によって、キャリアの移動度が低下してしまう。そこで第１絶縁膜４１の厚さを３ｎｍ以上とするとともに、後述する熱処理によって第１絶縁膜４１の結晶性を高めることで、移動度の低下を抑制することができる。
本実施例では、第１絶縁膜４１はアルミニウムシリケート（ＡｌＳｉＯ）とした。ここで、シリコン原子とアルミニウム原子の総和におけるシリコン原子の割合を、混合比ｘＳｉと定義する。すなわち混合比ｘＳｉは、「ｘＳｉ＝Ｓｉ／（Ａｌ＋Ｓｉ）」で表される。本実施例では、第１絶縁膜４１の混合比ｘＳｉは、０．２２とした。
第１絶縁膜４１の混合比ｘＳｉは、０．４以下であることが好ましい。理由を説明する。アルミニウムシリケート中のシリコンの割合を低下させるほど、熱処理によりアルミニウムシリケートを結晶化させやすくなる。そして本発明者らは、第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３を備える本明細書の膜構造においては、第１絶縁膜４１の混合比ｘＳｉを０．４以下にすることで、熱処理による第１絶縁膜４１の多結晶化を促進できることを見出した。なお、混合比ｘＳｉの制御方法については後述する。
第２絶縁膜４２は、第１絶縁膜４１の上面に配置されている。第２絶縁膜４２は、窒化ガリウムの結晶情報の第３絶縁膜４３への伝搬を阻害する機能を有する絶縁膜である。すなわち第２絶縁膜４２は、第３絶縁膜４３の結晶化を抑制する層である。具体的には、第２絶縁膜４２は、高温において安定したアモルファス構造をとることができる絶縁膜である。第２絶縁膜４２は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）とすることができる。本実施例では、第２絶縁膜４２は酸化ケイ素とした。
第２絶縁膜４２の厚さは、１ｎｍ以上であることが好ましい。これは、後述する熱処理（ステップＳ７）よる拡散によって、第２絶縁膜４２が薄くなるためである。具体的には、第１絶縁膜４１のアルミニウムが第２絶縁膜４２に拡散し、その拡散長が０．９ｎｍ程度であることが本発明者らによって見出されたためである。従って、第２絶縁膜４２による結晶化抑制効果を維持するために、１ｎｍ以上が必要となる。
第３絶縁膜４３は、第２絶縁膜４２の上面に配置されている。第３絶縁膜４３は、第１絶縁膜４１および第２絶縁膜４２よりも厚い膜であり、ゲート絶縁膜４０膜厚の半分以上を構成する膜である。第３絶縁膜４３の材料は、アルミニウムシリケート（ＡｌＳｉＯ）またはケイ酸ハフニウム（ＨｆＳｉＯ）である。本実施例では、第３絶縁膜４３はアルミニウムシリケートであるとした。また第３絶縁膜４３の混合比ｘＳｉは、０．２２とした。
第３絶縁膜４３の誘電率は、第１絶縁膜４１および第２絶縁膜４２の誘電率以上であることが好ましい。誘電率は、シリコン原子が多くなるほど低くなり、アルミニウム原子が多くなるほど高くなる。よって、第３絶縁膜４３の混合比ｘＳｉを、第１絶縁膜４１および第２絶縁膜４２の混合比ｘＳｉ以下とすればよい。効果を説明する。ゲート絶縁膜の誘電率が高い程、一定のゲート電圧に対してゲート絶縁膜４０と窒化物半導体２０の界面ＩＦに形成される反転層のキャリア濃度を増加させることができるため、チャネル抵抗を低下させることができる。一方、ゲート絶縁膜の多結晶化が進むと、結晶粒界における欠陥や不純物の偏析により、リーク電流が増大したり耐圧が低下する。そして、ゲート絶縁膜中のアルミニウム原子が多くなるほど、誘電率が高くなるとともに、熱処理により多結晶化が進みやすくなる。一方、本実施例の技術では、第２絶縁膜４２によって第３絶縁膜４３の多結晶化を抑制することができる。従って、第３絶縁膜４３のアルミニウム原子を選択的に多くすることで、ゲート絶縁膜の高誘電率化とリーク電流の抑制とを両立することができる。
（半導体装置１の製造方法）
図２を参照して、半導体装置１の製造方法について説明する。図２のフローチャートのステップＳ１において、窒化物半導体形成工程が行われる。具体的には、ＧａＮの単結晶基板である半導体基板１０を用意し、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、半導体基板１０上に窒化物半導体２０を成長させる。
図２を参照して、半導体装置１の製造方法について説明する。図２のフローチャートのステップＳ１において、窒化物半導体形成工程が行われる。具体的には、ＧａＮの単結晶基板である半導体基板１０を用意し、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて、半導体基板１０上に窒化物半導体２０を成長させる。
ステップＳ２において、窒化物半導体２０に、ドレイン領域２５及びソース領域２６を形成する。具体的には、周知のフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング加工を用いて、窒化物半導体２０上に、ドレイン領域２５及びソース領域２６が開口しているマスクを加工する。次いで、マスクを介してＳｉイオンを注入する。次いで、窒化物半導体２０を熱処理する。これにより、窒化物半導体２０に注入されたＳｉイオンが活性化され、ドレイン領域２５及びソース領域２６が形成される。
ステップＳ３において、窒化物半導体２０の表面に付着した不純物による汚染層や加工によるダメージ層、および酸化層（ＧａＯ）を除去する表面洗浄工程が行われる。表面洗浄工程では、硫酸、アンモニア水、塩酸と過酸化水素水の混合液の他、希フッ酸（ＤＨＦ）が利用される。
ステップＳ４において、窒化物半導体２０上に、アモルファス構造の第１絶縁膜４１を成膜する。第１絶縁膜４１は、プラズマ支援原子層堆積法（ＡＬＤ法）を利用して成膜される。具体的に説明する。ＡＬＤ法でアルミニウムシリケートを成膜するには、Ａｌ２О３層を成膜する第１成膜ステップと、ＳｉО２層を成膜する第２成膜ステップと、を交互に実行する。第１成膜ステップは、Ａｌの原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用い、酸素の原料として酸素ラジカルを用いる。吸着させたＡｌを酸化させることによって、第１成膜ステップの１サイクルが行われ、Ａｌ２О３の１分子の層を形成することができる。第２成膜ステップは、Ｓｉの原料としてトリスジメチルアミノシラン（ＴＤＭＡＳ）を用い、酸素の原料として酸素ラジカルを用いる。吸着させたＳｉを酸化させることによって、第２成膜ステップの１サイクルが行われ、ＳｉО２の１分子の層を形成することができる。なお、ＡＬＤ法の内容は公知であるため、詳細な説明は省略する。
アルミニウムシリケートの混合比ｘＳｉは、第１成膜ステップのサイクル数と第２成膜ステップのサイクル数との比率によって、調整することができる。例えば、第１および第２成膜ステップのサイクル数が共に「１」である場合には、混合比ｘＳｉは約０．３３となる。混合比ｘＳｉを低下させる場合には、第１成膜ステップのサイクル数を第２成膜ステップのサイクル数よりも大きくすればよい。本実施例では、第１絶縁膜４１は、厚さ３ｎｍのアルミニウムシリケートであり、混合比ｘＳｉは０．２２である。
ステップＳ５において、第１絶縁膜４１の上面に、アモルファス構造の第２絶縁膜４２を成膜する。第２絶縁膜４２は、ＡＬＤ法によって、第１絶縁膜４１と連続成膜することができる。本実施例では、第２絶縁膜４２は、厚さ１．５ｎｍの酸化ケイ素である。
ステップＳ６において、第２絶縁膜４２の上面に、アモルファス構造の第３絶縁膜４３を成膜する。第３絶縁膜４３は、ＡＬＤ法によって、第２絶縁膜４２と連続成膜することができる。本実施例では、第３絶縁膜４３は、厚さ４０ｎｍのアルミニウムシリケートであり、混合比ｘＳｉは０．２２である。
ステップＳ７において、第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３を備えた窒化物半導体２０を熱処理する。熱処理は、窒素雰囲気中で９５０℃、１０分間行った。これにより、ゲート絶縁膜４０のうち窒化物半導体２０と接する第１絶縁膜４１が、アモルファス構造から多結晶構造に変化する。これは、第１絶縁膜４１のうち窒化ガリウムと接する部分が、単結晶である窒化ガリウムの表面に倣って再結晶化するためである。一方、第３絶縁膜４３は、第２絶縁膜４２によって第１絶縁膜４１から離間している。第２絶縁膜４２によって、第３絶縁膜４３への結晶情報の伝搬を抑えることができるその結果、第３絶縁膜４３は、アモルファス構造に近い状態が維持される。これは、窒化ガリウムと第１絶縁膜４１との界面ＩＦから進んだ再結晶化が、第２絶縁膜４２で遮断されるためである。
熱処理後においては、第１絶縁膜４１の結晶性の方が、第３絶縁膜４３の結晶性よりも高くすることができる。ここで、「結晶性が高い」とは、酸化物のアモルファス構造の再結晶化が進んでいることを意味する。すなわち、第１絶縁膜４１の方が、第３絶縁膜４３よりも多結晶構造をより多く備えている。
ステップＳ８において、ゲート絶縁膜４０上に、ゲート電極４４を形成する。具体的には、窒化物半導体２０上に、Ａｌ層を堆積する。次いで、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ゲート絶縁膜４０以外の領域に形成されているＡｌ層を除去する。
ステップＳ９において、窒化物半導体２０上に、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６を形成する。具体的には、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６を形成する領域のゲート絶縁膜４０を除去する。Ｔｉ層及びＡｌ層の積層膜を成膜し、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ドレイン電極３２、ソース電極３４、ボディ電極３６に加工する。これにより、図１に示す半導体装置１が完成する。
（効果）
本明細書の技術では、第２絶縁膜４２により、第１絶縁膜４１から第３絶縁膜４３への窒化ガリウム結晶情報の伝搬を阻害することができる。第１絶縁膜４１は窒化物半導体２０の表面を種結晶として結晶化が始まるが、第２絶縁膜４２によって上方への結晶の成長が抑制されるため、その分だけ横方向に結晶が拡大し易くなると考えられる。これにより第１絶縁膜４１の結晶化が促進され、界面ＩＦおよび第１絶縁膜４１における欠陥準位を低減できるため、チャネルを走行する伝導キャリアの捕獲・散乱による移動度の低下を抑制することが可能となる。また、第３絶縁膜４３の多結晶化を防止することで、第３絶縁膜４３を非晶質に近い状態で維持することができる。結晶粒界における欠陥や不純物の偏析を抑制できるため、リーク電流を抑制することや耐圧低下を防止することが可能となる。ゲート絶縁膜の信頼性向上とキャリア移動度の向上とを、両立することができる。
本明細書の技術では、第２絶縁膜４２により、第１絶縁膜４１から第３絶縁膜４３への窒化ガリウム結晶情報の伝搬を阻害することができる。第１絶縁膜４１は窒化物半導体２０の表面を種結晶として結晶化が始まるが、第２絶縁膜４２によって上方への結晶の成長が抑制されるため、その分だけ横方向に結晶が拡大し易くなると考えられる。これにより第１絶縁膜４１の結晶化が促進され、界面ＩＦおよび第１絶縁膜４１における欠陥準位を低減できるため、チャネルを走行する伝導キャリアの捕獲・散乱による移動度の低下を抑制することが可能となる。また、第３絶縁膜４３の多結晶化を防止することで、第３絶縁膜４３を非晶質に近い状態で維持することができる。結晶粒界における欠陥や不純物の偏析を抑制できるため、リーク電流を抑制することや耐圧低下を防止することが可能となる。ゲート絶縁膜の信頼性向上とキャリア移動度の向上とを、両立することができる。
（実験例）
本実施例のサンプルとして、第１絶縁膜４１を、厚さ３ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）とした。第２絶縁膜４２を、厚さ１．５ｎｍの酸化ケイ素とした。第３絶縁膜４３を、厚さ４０ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）とした。また比較例のサンプルとして、厚さ４０ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）の単層を、窒化ガリウム表面に成膜した。両サンプルに対して、窒素雰囲気中で９５０℃、１０分間の熱処理を行った。断面ＴＥＭにより、両者の結晶性を比較した。本実施例のサンプルでは、第１絶縁膜４１が均一に結晶化している一方で、第２絶縁膜４２より上層では結晶性は低く、アモルファスに近い構造であることが観察された。一方、比較例のサンプルでは、窒化ガリウムの界面からおよそ１５ｎｍの範囲で不均一な多結晶が形成されていることが確認された。
本実施例のサンプルとして、第１絶縁膜４１を、厚さ３ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）とした。第２絶縁膜４２を、厚さ１．５ｎｍの酸化ケイ素とした。第３絶縁膜４３を、厚さ４０ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）とした。また比較例のサンプルとして、厚さ４０ｎｍのアルミニウムシリケート（混合比ｘＳｉ＝０．２２）の単層を、窒化ガリウム表面に成膜した。両サンプルに対して、窒素雰囲気中で９５０℃、１０分間の熱処理を行った。断面ＴＥＭにより、両者の結晶性を比較した。本実施例のサンプルでは、第１絶縁膜４１が均一に結晶化している一方で、第２絶縁膜４２より上層では結晶性は低く、アモルファスに近い構造であることが観察された。一方、比較例のサンプルでは、窒化ガリウムの界面からおよそ１５ｎｍの範囲で不均一な多結晶が形成されていることが確認された。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
（変形例）
第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３の材料の組み合わせは、様々であってよい。例えば、第１絶縁膜４１は窒化アルミニウムであり、第２絶縁膜４２は酸化ケイ素であり、第３絶縁膜４３はアルミニウムシリケートであってもよい。この構成においても、第３絶縁膜４３を非晶質に近い状態に維持しながら、第１絶縁膜４１の窒化アルミニウムを結晶化することができる。
第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３の材料の組み合わせは、様々であってよい。例えば、第１絶縁膜４１は窒化アルミニウムであり、第２絶縁膜４２は酸化ケイ素であり、第３絶縁膜４３はアルミニウムシリケートであってもよい。この構成においても、第３絶縁膜４３を非晶質に近い状態に維持しながら、第１絶縁膜４１の窒化アルミニウムを結晶化することができる。
第１絶縁膜４１、第２絶縁膜４２、第３絶縁膜４３の成膜方法はＡＬＤに限られない。窒化ガリウムの表面の酸化を抑制しながら成膜できる方法であれば、何れの成膜方法であってもよい。例えば、表面ダメージを抑えることができるリモートプラズマＣＶＤ法や、スパッタリング法等の、公知の方法を用いてもよい。
本明細書が開示するゲート絶縁膜４０は、種々の半導体装置に用いることができる。例えば、トレンチゲート型の縦型ＭＯＳＦＥＴ、ノーマリオフ型のＨＥＭＴ、ノーマリオン型のＨＥＭＴなどに適用可能である。
以下に、本技術の態様を列挙する。
［態様１］
単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上面に配置されており、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上面に配置されており、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜と、
を備えており、
前記第１の絶縁膜の結晶性の方が前記第３の絶縁膜の結晶性よりも高い、半導体装置。
［態様２］
前記第１の絶縁膜は、前記窒化ガリウムに配向して結晶化している、態様１に記載の半導体装置。
［態様３］
前記第１の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様４］
前記第２の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、態様１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様５］
前記第３の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムである、態様１～４の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様６］
前記第１の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様７］
前記第１の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様８］
前記第１の絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上である、態様１～７の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様９］
前記第２の絶縁膜の厚さは、１ｎｍ以上である、態様１～８の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様１０］
単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜の上面に、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を配置する工程と、
前記第２の絶縁膜の上面に、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜、前記第３の絶縁膜を備えた前記窒化ガリウムを熱処理する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
［態様１］
単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上面に配置されており、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上面に配置されており、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜と、
を備えており、
前記第１の絶縁膜の結晶性の方が前記第３の絶縁膜の結晶性よりも高い、半導体装置。
［態様２］
前記第１の絶縁膜は、前記窒化ガリウムに配向して結晶化している、態様１に記載の半導体装置。
［態様３］
前記第１の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様４］
前記第２の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、態様１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様５］
前記第３の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムである、態様１～４の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様６］
前記第１の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様７］
前記第１の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様１または２に記載の半導体装置。
［態様８］
前記第１の絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上である、態様１～７の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様９］
前記第２の絶縁膜の厚さは、１ｎｍ以上である、態様１～８の何れか１項に記載の半導体装置。
［態様１０］
単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜の上面に、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を配置する工程と、
前記第２の絶縁膜の上面に、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜、前記第３の絶縁膜を備えた前記窒化ガリウムを熱処理する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
１：半導体装置 １０：半導体基板 ２０：窒化物半導体 ２２：ボディ領域 ２５：ドレイン領域 ２６：ソース領域 ２８：絶縁膜 ３２：ドレイン電極 ３４：ソース電極 ３６：ボディ電極 ４０：ゲート絶縁膜 ４１：第１絶縁膜 ４２：第２絶縁膜 ４３：第３絶縁膜 ４４：ゲート電極
Claims (10)
- 単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上面に配置されており、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上面に配置されており、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜と、
を備えており、
前記第１の絶縁膜の結晶性の方が前記第３の絶縁膜の結晶性よりも高い、半導体装置。 - 前記第１の絶縁膜は、前記窒化ガリウムに配向して結晶化している、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかである、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第２の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、請求項３に記載の半導体装置。
- 前記第３の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムである、請求項４に記載の半導体装置。
- 前記第１の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、前記第２の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第３の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第１の絶縁膜の厚さは、３ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記第２の絶縁膜の厚さは、１ｎｍ以上である、請求項１に記載の半導体装置。
- 単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第１の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜の上面に、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第２の絶縁膜を配置する工程と、
前記第２の絶縁膜の上面に、前記第１の絶縁膜および前記第２の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第３の絶縁膜を配置する工程と、
前記第１の絶縁膜、前記第２の絶縁膜、前記第３の絶縁膜を備えた前記窒化ガリウムを熱処理する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
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