JP6099085B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、密封型窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものである。

ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）型の半導体素子において半導体−絶縁膜の界面準位を低減させると界面における電子移動度を向上させることができるために、素子抵抗を減少できることが知られている。そのため、半導体−絶縁膜の界面準位を低減させる試みが積極的になされている。

一般に、絶縁膜−半導体界面準位の低減手法は、絶縁膜−半導体材料の組み合わせに依存して異なることが知られている。
例えば、Ｓｉ−ＳｉＯ_２界面の場合、水素雰囲気中で３００℃以上の熱処理を行うことがＳｉ−ＳｉＯ_２界面での界面トラップレベル密度（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｓｔａｔｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ、界面準位密度：以下、Ｄ_ｉｔという。）を低減させる有効な手段であることが報告されている（非特許文献１）。
また、ＳｉＣ−ＳｉＯ_２界面では、Ｎ_２Ｏ雰囲気下の熱処理が界面準位の低減手法として有効であることが報告されている（非特許文献２）。
一方、ＧａＮ−ＳｉＯ_２界面では、窒素中の８００℃、３０ｍｉｎアニールが、界面準位の低減手法として有効であることが報告されており、例えば、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位密度を１×１０^１１ｃｍ^−２ｅＶ^−１に低減できることが報告されている（非特許文献３）。ここで、Ｅｃは伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）のエネルギー準位であり、Ｅｔはトラップ帯（ｔｒａｐ ｂａｎｄ）のエネルギー準位である。

しかし、上記手法では窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減は不十分であり、有効な手法はこれまで報告されていない。

Ｅ．Ｈ．Ｎｉｃｏｌｌｉａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｂｒｅｗｓ，ＭＯＳ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ（２００３），７８２． Ｔ．Ｋｉｍｏｔｏ ｅｔ ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４４，１２１３（２００５）． Ｙ．Ｎｉｉｙａｍａ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．５６，７３（２０１１）． Ｙ．Ｉｒｏｋａｗａ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ ＲＲＬ ３，２６６（２００９）． Ｙ．Ｉｒｏｋａｗａ，ＥＣＳＣＲＭ２０１２、ＭｏＰ−７９． Ｙ．Ｉｒｏｋａｗａ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１１３，０２６１０４（２０１３）．

本発明は、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の大幅な低減手法を明らかにし、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化した窒化物半導体素子の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、窒化物半導体ＭＩ（Ｏ）Ｓ（金属−絶縁体（酸化物）−半導体）ダイオードをＨ_２含有ガス雰囲気に保持することによって、室温で窒化物半導体と二酸化珪素間の界面準位を低減できることを明らかにして、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。

（１）内部に密封可能な格納部を有する格納容器と、前記格納部に格納され、密封保持された窒化物半導体素子及び電極、を有する密封型窒化物半導体素子であって、前記窒化物半導体素子が窒化物半導体層と絶縁体層との積層構造を有し、前記格納部内がＨ_２含有ガス雰囲気とされていることを特徴とする密封型窒化物半導体素子。

（２）前記Ｈ_２含有ガス雰囲気が、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上とした雰囲気であることを特徴とする（１）に記載の密封型窒化物半導体素子。
（３）前記窒化物半導体層がＧａＮ層又はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の密封型窒化物半導体素子。
（４）前記絶縁体層がＳｉＯ_２層であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の密封型窒化物半導体素子。

（５）前記窒化物半導体素子において、前記窒化物半導体層上に第１の電極層が形成され、前記絶縁体層上に第２の電極層が形成されており、前記第１の電極層が前記格納容器に設けられた第３の電極部に接続され、前記第２の電極層が前記格納容器に設けられた第４の電極部に接続されていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の密封型窒化物半導体素子。
（６）前記格納容器がステンレス製であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の密封型窒化物半導体素子。
（７）前記格納容器に、前記格納部と外部とを連通する配管部が設けられており、前記配管部に前記格納部を密封可能なバルブが設けられていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の密封型窒化物半導体素子。

（８）窒化物半導体層と絶縁体層との積層構造を有する窒化物半導体素子を作成する工程と、前記窒化物半導体素子を、内部に密封可能な格納部と、前記格納部と外部とを連通する配管部と、前記配管部に設けられ、前記格納部を密封可能なバルブと、を具備した格納容器の前記格納部内に格納する工程と、前記配管部を介して、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内を、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上としたＨ_２含有ガス雰囲気とする工程と、前記バルブを閉じて前記格納部内を密封する工程と、を有することを特徴とする密封型窒化物半導体素子の製造方法。
（９）窒化物半導体層と絶縁体層と金属膜層が順次積層された窒化物半導体素子の製造方法において、前記窒化物半導体層はＧａＮ層又はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層からなり、前記絶縁体層はＳｉＯ _２ 膜からなり、前記金属膜層がＰｔ又はＰｄからなり、前記窒化物半導体層上に前記絶縁体層と前記金属膜層が積層された状態で、Ｈ _２ ガスを１００ｐｐｍ以上含有させた圧力１０ｋＰａ以上のＨ _２ 含有Ｎ _２ ガス処理を３０分以上行い、前記窒化物半導体層と前記絶縁体層の界面の界面準位を低減させたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
（１０）前記絶縁体層の膜厚が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする（９）記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（１１）前記金属膜層の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする（９）又は（１０）記載の窒化物半導体素子の製造方法。
（１２）前記Ｈ _２ 含有Ｎ _２ ガス処理を密封型容器を用いて行うことを特徴とする（９）から（１１）のいずれか１記載の窒化物半導体素子の製造方法。

本発明の密封型窒化物半導体素子は、内部に密封可能な格納部を有する格納容器と、前記格納部に格納され、密封保持された窒化物半導体素子と、を有する密封型窒化物半導体素子であって、前記窒化物半導体素子が窒化物半導体層と絶縁体層との積層構造及び電極を有し、前記格納部内がＨ_２含有ガス雰囲気とされている構成なので、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減手法を明らかにでき、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化することができる。

本発明の密封型窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体層と絶縁体層との積層構造及び電極を有する窒化物半導体素子を作成する工程と、前記窒化物半導体素子を、内部に密封可能な格納部と、前記格納部と外部とを連通する配管部と、前記配管部に設けられ、前記格納部を密封可能なバルブ、を具備した格納容器の前記格納部内に格納する工程と、前記配管部を介して、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内を、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上としたＨ_２含有ガス雰囲気とする工程と、前記バルブを閉じて前記格納部内を密封する工程と、を有する構成なので、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減手法を明らかにし、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化した密封型窒化物半導体素子を容易に製造することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の一例を示す概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。 窒化物半導体素子の一例を示す概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。 本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の製造方法の一例を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の特性測定方法の一例を示す回路図である。 実施例１の金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）ダイオードの構造図である。 実施例１のＭＩＳダイオードの特性評価の回路構成図である。 実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性を示すグラフである。 実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から得られた容量から、ターマン法を用いて直接導出した界面準位密度Ｄ_ｉｔを示すグラフである。 実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から得られた容量から、固定電荷の影響を除外後、ターマン法を用いて導出した界面準位密度Ｄ_ｉｔを示すグラフである。

（本発明の実施形態）
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子及びその製造方法について説明する。

＜密封型窒化物半導体素子＞
まず、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子について説明する。
図１は、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の一例を示す概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。
図１に示すように、密封型窒化物半導体素子１は、内部に密封可能な格納部１２ｃを有する格納容器１２と、格納部１２ｃに格納され、密封保持された窒化物半導体素子１１と、を有して概略構成されている。

（格納容器）
図１（ａ）に示すように、格納容器１２は、平面視略矩形状とされている。その外部上面部１２ａに平面視円弧状の第３の電極部１６Ａ、１６Ｂと、平面視円状の第４の電極部１６Ｃが同中心となるように設けられている。
なお、外部上面部１２ａは取り外すことができ、格納部１２ｃ内に窒化物半導体素子１１を格納することができる構成とされている。

格納容器はステンレス製とすることが好ましい。これにより、内部に所定圧力でガスを充填させても、容器を破壊させることがなく、内部に、窒化物半導体素子１１を安定して格納することができる。Ｈ_２含有ガス雰囲気を安定して保持できる。

第３の電極部１６Ａ、１６Ｂ及び第４の電極部１６Ｃとして、Ａｕ・Ｗ等の耐腐食性に優れた高融点金属を用いることができる。
格納容器と第３の電極部１６Ａ、１６Ｂとの間及び格納容器と第４の電極部１６Ｃとの間にはそれぞれ絶縁部が設けられている（図示略）。

図１（ｂ）に示すように、格納容器１２内には、格納部１２ｃが設けられており、格納部１２ｃ内には、窒化物半導体素子１１が配置されている。また、格納容器１２には、格納部１２ｃと外部と連通する配管部１３Ａ及び１３Ｂが設けられており、配管部１３Ａ及び１３Ｂにはそれぞれバルブ１４Ａ及び１４Ｂが設けられている。以上の構成により、バルブ１４Ａ及び１４Ｂを開けて、格納部１２ｃ内をＨ_２含有ガス雰囲気としてから、バルブ１４Ａ及び１４Ｂを閉じて、窒化物半導体素子１１を格納部１２ｃ内に密封保持することにより、窒化物半導体素子１１をＨ_２含有ガス雰囲気中に保持可能とされている。

前記Ｈ_２含有ガス雰囲気は、水素ガスを含むガスが前記格納部内に充填された雰囲気である。水素ガス濃度および容器内圧力は幅広い値を取ることが可能である。
前記Ｈ_２含有ガス雰囲気は、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上とした雰囲気であることが好ましい。この雰囲気で、３０分以上放置することが好ましい。これにより、界面準位を低減できる（非特許文献４）。
このように、水素ガス濃度・容器内圧力・界面準位低減までに要する時間の３点は相関があるので、この相関を考慮して、Ｈ_２含有ガス雰囲気の条件を設定することが望ましい。

窒化物半導体素子１１において、前記窒化物半導体層２３上に第１の電極層２４が形成され、前記絶縁体層２５上に第２の電極層２６が形成されており、前記第１の電極層２４が格納容器１２に設けられた第３の電極部１６Ａ、１６Ｂに接続され、前記第２の電極層２６が前記格納容器に設けられた第４の電極部１６Ｃに接続されている。
第３の電極部１６Ａ、１６Ｂが平面視円弧状としたことにより窒化物半導体素子１１の上面へのガスの流入路を形成することができ、配管部１３Ａから格納部１２ｃ内にガスを流入させ、配管部１３Ｂからガスを排出させたときに、窒化物半導体素子１１の上面を短時間でガスに曝すことができる。

格納容器の大きさは、製品への搭載を考慮して小さい方が好ましいが、特に限定されない。実施例では、チャンバーを用いて特性を評価した。
他の半導体素子を搭載した基板ごと、格納容器内に配置する構成としてもよい。

格納容器の大きさを、窒化物半導体素子レベルまで小さくする場合には、バルブで閉じる構成ではなく、配管部１３Ａ、１３Ｂをつぶす構成としてもよい。

（窒化物半導体素子）
図２は、窒化物半導体素子の一例を示す概略図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。
図２（ａ）に示すように、窒化物半導体素子１１は平面視略矩形状の窒化物半導体層２３と、平面視略環状の第１の電極部２４と、平面視略環状の絶縁体層２５と、平面視略円状の第２の電極部２６とが同中心となるように設けられている。
例えば、第２の電極部２６の直径ｒ_１は５０μｍ〜１ｍｍ程度とし、第１の電極部２４の内径ｒ_２はｒ_１＋４０μｍ程度とすることが好ましい。

図２（ｂ）に示すように、窒化物半導体素子１１は、基板２１の一面にバッファー層２２が形成され、バッファー層２２の一面に窒化物半導体層２３が形成され、窒化物半導体層２３の一面に第１の電極部２４が形成され、第１の電極部２４の中心側部分と、第３の電極部２４の環内の窒化物半導体層２３の一面部分を覆うように、絶縁体層２５が形成され、絶縁体層２５の一面に第２の電極部２６が形成されている。
以上の構成に示すように、窒化物半導体素子１１は窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との積層構造を有する。

基板２１として、サファイア基板を挙げることができる。この場合、基板２１の一面としてはサファイア基板のｃ面を用いる。これにより、この面に成長させる窒化物の結晶性を向上させることができる。サファイア基板の厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。
バッファー層２２として、アンドープＧａＮを挙げることができる。バッファー層２２の層厚ｔ_１は５００ｎｍ以上２μｍ以下とすることが好ましい。

窒化物半導体層２３として、添加物ドープＧａＮを挙げることができる。もしくは窒化物半導体層２３上にＡｌＧａＮを加えてもよい。ＡｌＧａＮは、ＡｌＮとＧａＮの混晶であり、この系でもＧａＮと同様に、水素添加が界面準位を低減する効果を奏する。添加物としてはＳｉを挙げることができる。ＳｉドープＧａＮは、ｎ−ＧａＮとして用いることができる。窒化物半導体層２３の層厚ｔ_２は１μｍ以上とすることが好ましい。

絶縁体層２５として、ＳｉＯ_２を挙げることができる。絶縁体層２５の層厚ｔ_３は１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好ましい。

第１の電極部２４として、金属多層膜層を用いることができる。例えば、基板側からＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（４０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を積層し窒素雰囲気中７５０℃で３０秒間の熱処理を行うことによって作製する。第１の電極部２４の層厚ｔ_４は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることが好ましい。

第２の電極部２６として、Ｐｔ金属層を用いることができる。Ｐｔ金属層を用いることにより、Ｐｔ金属層を介して原子状水素を窒化物半導体−絶縁膜の界面に導入することができる。Ｐｔ以外にＰｄも同様の機能を持つ。
第２の電極部２６の層厚ｔ_５は１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましい。

第３の電極部１６Ａ、１６Ｂと第１の電極部２４との間及び第４の電極部１６Ｃと第２の電極部２６との間は、それぞれ電気的に接合されている。

＜密封型窒化物半導体素子の製造方法＞
次に、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の製造方法について、図１〜３を参照して、説明する。なお、図３は、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
図３に示すように、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の製造方法は、窒化物半導体素子作成工程Ｓ１と、窒化物半導体素子格納工程Ｓ２と、格納部内をＨ_２含有ガス雰囲気とする工程Ｓ３と、格納部内密封工程Ｓ４と、を有する。

（窒化物半導体素子作成工程Ｓ１）
この工程では、バッファー層２２、窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との積層構造及び電極を有する窒化物半導体素子１１を作成する。

（窒化物半導体素子格納工程Ｓ２）
この工程では、窒化物半導体素子１１を、内部に密封可能な格納部１２ｃと、格納部１２ｃと外部とを連通する配管部１３Ａ及び１３Ｂと、配管部１３Ａ、１３Ｂにそれぞれ設けられ、格納部１２ｃを密封可能なバルブ１４Ａ及び１４Ｂと、を具備した格納容器１２の格納部１２ｃ内に格納する。

（格納部内をＨ_２含有ガス雰囲気とする工程Ｓ３）
この工程では、配管部１３Ａを介して、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを格納部１２ｃ内に充填して、格納部１２ｃ内を、格納部１２ｃ内圧力を１０ｋＰａ以上としたＨ_２含有ガス雰囲気とする。

（格納部内密封工程Ｓ４）
この工程では、バルブ１４Ａ及び１４Ｂを閉じて格納部１２ｃ内を密封する。
以上の工程により、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１を製造できる。

＜密封型窒化物半導体素子の特性評価方法＞
次に、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の特性評価方法について、図１〜４を参照して、説明する。図４は、本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子の特性測定方法の一例を示す回路図である。
図４に示すように、密封型窒化物半導体素子１の第３の電極部１６Ａに配線３２Ａの一端を接続し、配線３２Ａの他端を測定器３１に接続する。また、密封型窒化物半導体素子１の第４の電極部１６Ｃに配線３２Ｂの一端を接続し、配線３２Ｂの他端を測定器３１に接続する。

測定器３１には、ＰＣが接続されており（図示略）、ＰＣを制御することにより、窒化物半導体素子に電界を印加できるとともに、窒化物半導体そしのＣ−Ｖ（静電容量−電圧）特性を測定できる構成とされている。窒化物半導体素子のＣ−Ｖ特性から、窒化物半導体素子１１の窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との積層構造の界面準位の密度を算出することができる。

界面準位密度Ｄ_ｉｔについては、窒化物半導体素子のＣ−Ｖ特性で得られたデータからターマン法を用いて算出できる。これについては、既に報告した（非特許文献５、６）。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子では、窒化物半導体素子１１はＨ_２含有ガス雰囲気中に配置されている。これにより、窒化物半導体素子１１の窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との界面にＰｔ金属層２６を介して原子状水素を導入できる。
これにより、窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との間の界面準位を低減できる。
これにより、その界面での抵抗を減少でき、結果として界面での電子移動度を向上でき、窒化物半導体のトランジスタ素子のチャネル移動度を向上させることができ、より高性能なトランジスタ素子を作製できる。

なお、背景技術に記載した様々な従来法を省みると、水素雰囲気中において熱処理する手法が、同様の効果、すなわち、ＧａＮ−ＳｉＯ_２界面の準位を低減でき、その界面での抵抗を減少でき、その界面での電子移動度を向上できると期待できる。
そのため、本願発明の製造工程において、熱処理工程を加えてもよい。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、内部に密封可能な格納部１２ｃを有する格納容器１２と、格納部１２ｃに格納され、密封保持された窒化物半導体素子１１と、を有する密封型窒化物半導体素子であって、窒化物半導体素子１１が窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との積層構造を有し、格納部１２ｃ内がＨ_２含有ガス雰囲気とされている構成なので、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減手法を明らかにでき、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、前記Ｈ_２含有ガス雰囲気が、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上とした雰囲気である構成なので、窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との界面にＰｔ金属層２６を介して原子状水素を導入でき、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減手法を明らかにでき、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、窒化物半導体層２３がＧａＮ層又はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層である構成なので、窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との界面にＰｔ金属層２６を介して原子状水素を導入できる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、絶縁体層２５がＳｉＯ_２層である構成なので、窒化物半導体層２３と絶縁体層２５との界面にＰｔ金属層２６を介して原子状水素を導入できる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、窒化物半導体素子１１において、窒化物半導体層２３上に第１の電極層２４が形成され、絶縁体層２５上に第２の電極層２６が形成されており、第１の電極層２４が格納容器１２に設けられた第３の電極部１６Ａ、１６Ｂに接続され、第２の電極層２６が格納容器１２に設けられた第４の電極部１６Ｃに接続されている構成なので、外部から窒化物半導体素子に効率的に電界を印加できる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、格納容器１２がステンレス製である構成なので、窒化物半導体素子を配置するＨ_２含有ガス雰囲気を安定して保持することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１は、格納容器１２に、格納部１２ｃと外部とを連通する配管部１３Ａ及び１３Ｂが設けられており、配管部１３Ａ及び１３Ｂに格納部１２ｃを密封可能なバルブ１４Ａ及び１４Ｂが設けられている構成なので、窒化物半導体素子を配置するＨ_２含有ガス雰囲気を所望の状態に容易に設定することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子１の製造方法は、窒化物半導体層と絶縁体層との積層構造を有する窒化物半導体素子を作成する工程Ｓ１と、前記窒化物半導体素子を、内部に密封可能な格納部と、前記格納部と外部とを連通する配管部と、前記配管部に設けられ、前記格納部を密封可能なバルブと、を具備した格納容器の前記格納部内に格納する工程Ｓ２と、前記配管部を介して、Ｎ_２ガスに対してＨ_２ガスを１００ｐｐｍ以上含有させたＨ_２含有Ｎ_２ガスを前記格納部内に充填して、前記格納部内を、前記格納部内圧力を１０ｋＰａ以上としたＨ_２含有ガス雰囲気とする工程Ｓ３と、前記バルブを閉じて前記格納部内を密封する工程Ｓ４と、を有する構成なので、窒化物半導体−絶縁膜界面の界面準位の低減手法を明らかにし、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化した密封型窒化物半導体素子を容易に製造することができる。

本発明の実施形態である密封型窒化物半導体素子及びその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
＜ＭＩＳダイオードの作製＞
まず、厚さ０．５０ｍｍのサファイア基板を用意した。
次に、ＭＯＣＶＤ法により、前記サファイア基板の一面（ｃ面）に、アンドープＧａＮ（図５では、ｕｎ−ｄｏｐｅｄ ＧａＮと記載する。）を膜厚１．０μｍで成膜した。
次に、前記アンドープＧａＮの一面に、ドーパントとしてＳｉをキャリア濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３で添加して、ＳｉドープＧａＮ（図５では、ｎ−ＧａＮと記載する。）を膜厚２．０μｍで成膜した。
次に、フォトリソグラフィー法及びＥＢ蒸着装置を用いて、前記ｎ−ＧａＮの一面に前記一面側からＴｉ（２０ｎｍ）／Ａｌ（１００ｎｍ）／Ｐｔ（４０ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）からなる多層金属膜層を形成した。この多層金属膜層は、前記ｎ−ＧａＮの一面上で、環の内径が３４０μｍの平面視環状（平面視リング状）に加工されている。
次に、これらに対して、窒素雰囲気中で７５０℃、３０秒の電極シンター処理を行い、オーミックコンタクト部（オーミック電極）を形成した。

次に、ＲＦスパッタ装置を用いて、アルゴンを８ｓｃｃｍ、酸素を２ｓｃｃｍ流し、チャンバーの圧力を３ｍＴｏｒｒに保ち、プラズマのパワーを１００Ｗにして、１２分間の蒸着を行い、半導体材料上に膜厚１０ｎｍのＳｉＯ_２を形成した。
なお、この際、フォトリソグラフィー法によって前記のオーミックコンタクト部の外延側を部分的に覆うマスクを用いた。これにより、ｎ−ＧａＮの前記のオーミックコンタクト部を離間する部分を覆うとともに、前記のオーミックコンタクト部の中心側を部分的に覆うようにＳｉＯ_２が成膜された。

次に、フォトリソグラフィー法及びＥＢ蒸着装置を用いて、前記ＳｉＯ_２の一面に（オーミックコンタクトリング中心になるように）Ｐｔ（２５ｎｍ）を直径３００μｍの平面視円状に作製して、ショットキーコンタクト部（ゲート電極）を形成した。これらのゲート電極とオーミック電極との距離は２０μｍとされた。
以上の工程により、図５に示す構造の実施例１の金属−絶縁膜−半導体（ＭＩＳ）ダイオードを作製した。これは、金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）ダイオードでもある。

＜ＭＩＳダイオードの特性評価＞
ＭＩＳダイオードの特性評価を行った。
図６は、実施例１のＭＩＳダイオードの特性評価の回路構成図である。
まず、ステンレスチャンバー内にＭＩＳダイオードを配置した。
ステンレスチャンバーには、２本のガス管を接続した（図示略）。１本のガス管は、ガス貯蔵タンクに接続し、もう１本のガス管はバリアン社ドライスクロールポンプＳＨ１１０に接続した。

次に、測定器（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ１２９６）に一端側を接続した２本の同軸ケーブルの他端側をそれぞれＭＩＳダイオードのオーミックコンタクト部及びショットキーコンタクト部に電気的に接続した。なお、インピーダンス測定器はＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２９６とＳｏｌａｒｔｒｏｎ１２５５Ｂから成る。
また、インピーダンス測定器にＰＣを接続し、装置をＰＣ制御可能とした。

次に、室温において、バリアン社ドライスクロールポンプＳＨ１１０で排気して、窒素希釈の１％水素ガスをステンレスチャンバー内に１００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流通させ、ステンレスチャンバー内を１０．０ｋＰａの圧力とした。
この状態で、約３０分間、Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ １２５５Ｂおよび１２９６を用いてインピーダンス測定を行い、界面準位を測定した。

具体的には、１ＭＨｚ〜１ｋＨｚの周波数を振幅１００ｍＶで発生させて、バイアス電圧を＋４Ｖから−３Ｖまで変化させた時の実施例１のＭＩＳダイオードの静電容量をインピーダンス測定装置によって計測した。
図７は、実施例１のＭＩＳダイオードの室温のＣ−Ｖ特性を示すグラフである。Ｎ_２（白丸）中及び１％Ｈ_２含有Ｎ_２（黒丸）中の１０ｋＨｚのＣ−Ｖ特性を比較した。

図７に示す実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から、ターマン法を用いて界面準位の直接導出を行った。
図８は、実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から、ターマン法を用いて直接導出した界面準位密度Ｄ_ｉｔを示すグラフである。

次に、図７に示す実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から、固定電荷の影響を除外後に、ターマン法を用いて界面準位の導出を行った。
図９は、実施例１のＭＩＳダイオードのＣ−Ｖ特性から、固定電荷の影響を除外後に、ターマン法を用いて導出した界面準位密度Ｄ_ｉｔを示すグラフである。Ｎ_２（白丸）中及びＨ_２（黒丸）中の界面準位密度Ｄ_ｉｔの水素誘起変化を示している。
図９から分かるように、水素処理によって、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化することに成功した。

本発明の密封型窒化物半導体素子及びその製造方法は、水素導入によって、窒化物半導体−絶縁膜（二酸化珪素）界面の界面準位の低減手法を明らかにして、Ｅｃ−Ｅｔ＝０．４ｅＶにおける界面準位の密度を１０^１０ｃｍ^−２ｅＶ^−１程度に低減化した窒化物半導体素子及びその製造方法に関するものであり、半導体製造産業、特に窒化物半導体製造産業において利用可能性がある。

１…密封型窒化物半導体素子、１１…窒化物半導体素子、１２…格納容器、１２ａ…外部上面部、１２ｃ…格納部、１３Ａ、１３Ｂ…配管部、１４Ａ、１４Ｂ…バルブ、１６Ａ、１６Ｂ…第３の電極部、１６Ｃ…第４の電極部、２１…基板、２２…バッファー層、２３…窒化物半導体層、２４…第１の電極部、２５…絶縁体層、２６…第２の電極部、３１…測定器、３２Ａ、３２Ｂ…配線。

Claims (4)

1. 窒化物半導体層と絶縁体層と金属膜層が順次積層された窒化物半導体素子の製造方法において、
   前記窒化物半導体層はＧａＮ層又はＧａＮ層とＡｌＧａＮ層からなり、
   前記絶縁体層はＳｉＯ _２ 膜からなり、
   前記金属膜層がＰｔ又はＰｄからなり、
   前記窒化物半導体層上に前記絶縁体層と前記金属膜層が積層された状態で、Ｈ _２ ガスを１００ｐｐｍ以上含有させた圧力１０ｋＰａ以上のＨ _２ 含有Ｎ _２ ガス処理を３０分以上行い、
   前記窒化物半導体層と前記絶縁体層の界面の界面準位を低減させたことを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
2. 前記絶縁体層の膜厚が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子の製造方法。
3. 前記金属膜層の膜厚が１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体素子の製造方法。
4. 前記Ｈ _２ 含有Ｎ _２ ガス処理を密封型容器を用いて行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１記載の窒化物半導体素子の製造方法。