JP7185225B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
(半導体装置1の構造)
図1の要部断面図に示されるように、半導体装置1は、横型のMOSFETである。半導体装置1は、半導体基板10、窒化物半導体20、ドレイン電極32、ソース電極34、及び、絶縁ゲート40を備えている。
一般的に、MOSFET等の半導体装置では、ゲート閾値電圧の再現性が高いことが望ましい。ゲート閾値電圧の再現性は、ゲート絶縁膜42内の欠陥の量、及び、窒化物半導体20とゲート絶縁膜42との界面にできる界面トラップに依存する。そこで、本実施例の半導体装置1では、ゲート絶縁膜42のうち、窒化物半導体20と接する部分(即ち第1絶縁層42a)は、窒化物半導体20の結晶構造に倣った結晶構造、即ち多結晶構造を備える。第1絶縁層42aが多結晶構造であるため、ゲート絶縁膜42内の欠陥の量を低減することができる。また、第1絶縁層42aが多結晶構造であるために、第1絶縁層42aがアモルファス構造である場合に比して窒化物半導体20とゲート絶縁膜42との界面にできる界面トラップを低減することができる。従って、ゲート閾値電圧の再現性が高めることができる。この結果、半導体装置1の信頼性を向上させることができる。
また、一般的に、MOSFET等の半導体装置では、ゲート閾値電圧の再現性が高く、かつ、ゲート電極44からのリーク電流が小さいことが望ましい。ゲート絶縁膜中の欠陥を少なくする方法として、ゲート絶縁膜をAl2О3で形成する方法が考えられる。Al2О3は、SiO2等と比較して、多結晶構造になり易いため、ゲート絶縁膜全体を多結晶化させることができ、ゲート絶縁膜内の欠陥を低減することができる。これにより、ゲート閾値電圧の再現性を高めることができる。しかしながら、図5に示すように、Al2О3で形成されるゲート絶縁膜142には、結晶粒界Bが形成される。この場合、ゲート電極44から、ゲート絶縁膜142内の結晶粒界Bを通って、窒化物半導体20にリーク電流が流れてしまう。そこで、本実施例のゲート絶縁膜42は、窒化物半導体20上に設けられており、多結晶構造を備える窒化物半導体20と接する部分を含む第1絶縁層42aと、第1絶縁層42a上に設けられており、アモルファス構造を備える第2絶縁層42bと、を備えている。この場合、第1絶縁層42a内には、結晶粒界が生成される。しかしながら、第2絶縁層42b内には、結晶粒界が生成されず、これにより、ゲート電極44から、ゲート絶縁膜42を介して、窒化物半導体20にリーク電流が流れることを抑制することができる。従って、ゲート閾値電圧の再現性が高めることができ、かつ、ゲート電極44からのリーク電流を小さくすることができる。この結果、半導体装置1の信頼性をより向上させることができる。
図2~図4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、2~4μm程度の窒化物半導体20を成長させる。
図6に、半導体装置1と同様のゲート絶縁膜42を有するMOSキャパシタにおけるフラットバンド電圧Vfbの変動電圧を計測した結果を示す。図6の縦軸は、フラットバンド電圧Vfbの変動量である。フラットバンド電圧Vfbの変動電圧は、初期状態のMOSキャパシタのフラットバンド電圧Vfbと、MOSキャパシタのゲート電極に、300秒の間、3.9[MV/cm]のストレス電圧を印加した後のMOSキャパシタのフラットバンド電圧Vfbと、の差分である。なお、フラットバンド電圧Vfbは、ゲート電極の仕事関数とチャネル領域の仕事関数の差であり、ゲート閾値電圧との間に相関関係を有する。即ち、フラットバンド電圧Vfbの変動電圧が大きいことは、ゲート閾値電圧の変動電圧が大きいことを意味する。図6の横軸は、MOSキャパシタのゲート絶縁膜を熱処理した温度(以下では、「熱処理温度」と呼ぶ)である。
本実施例では、ゲート絶縁膜42は、Alだけではなく、Siを含む。仮に、ゲート絶縁膜がSiを含まない場合、当該ゲート絶縁膜を熱処理すると、ゲート絶縁膜の大部分が多結晶構造となる(例えば図5のゲート絶縁膜142)。この場合、ゲート電極44から、ゲート絶縁膜142を介して、窒化物半導体20に流れるリーク電流が多くなってしまう。一方、ゲート絶縁膜42は、結晶性の異なるAl及びSiを含むために、熱処理が行われた後においても、ゲート絶縁膜42のうち窒化物半導体20から離間している部分まで再結晶化が進まず、アモルファス構造が維持される(図1参照)。従って、結晶性の異なるAl及びSiを含むゲート絶縁膜42を成膜することで、ゲート絶縁膜42内に、多結晶構造を有する第1絶縁層42aとアモルファス構造を有する第2絶縁層42bとを形成することができる。この結果、ゲート閾値電圧の再現性を高めることができ、かつ、ゲート電極44からのリーク電流を小さくすることができる。なお、ゲート絶縁膜42に含まれる元素の組み合わせは、AlとSiに限定されない。変形例では、ゲート絶縁膜42に含まれる元素の組み合わせは、HfとAlであってもよい。Hfの酸化物は、Alの酸化物よりも結晶性が高い。また、別の変形例では、ゲート絶縁膜42に含まれる元素の組み合わせは、HfとSiであってもよい。Hfの酸化物は、Siの酸化物よりも結晶性が高い。一般的に言うと、ゲート電極44は、第1元素及び第1元素とは異なる第2元素を含んでおり、かつ、第1元素の酸化物が第2の元素の酸化物よりも結晶性が高ければよい。
半導体装置1を製造する過程において、窒化物半導体20とゲート絶縁膜42との間に酸化膜が生成され得る。窒化物半導体20とゲート絶縁膜42との間に酸化膜が生成されていると、熱処理が行われても、ゲート絶縁膜42の再結晶化が進みにくくなる。そこで、本実施例では、窒化物半導体20上にゲート絶縁膜42を生成する前に、表面洗浄工程(図2のステップS3)が実行される。この表面洗浄工程において、窒化物半導体20上の酸化膜が洗浄(除去)される。このため、半導体装置1では、窒化物半導体20とゲート絶縁膜42との間に、アモルファスの酸化膜は存在しない。従って、表面洗浄工程の後に熱処理(ステップS5)を行うことで、ゲート絶縁膜42のうち窒化物半導体20と接する部分が再結晶化され、ゲート絶縁膜42内の欠陥を低減させることができる。従って、ゲート閾値電圧の再現性を向上させることができる。
図7に、第2実施例の半導体装置201の要部断面図を模式的に示す。半導体装置201は、縦型のMOSFETであり、トレンチゲート型である。半導体装置201は、半導体基板210、窒化物半導体220、シリコン酸化膜からなる絶縁膜228、ドレイン電極232、ソース電極234、及び、絶縁ゲート240を備える。半導体基板210は、GaNの単結晶基板である。窒化物半導体220は、n-型のドリフト領域222と、p型のボディ領域224と、n+型のソース領域226と、を備える。
図8に、第3実施例の半導体装置301の要部断面図を模式的に示す。半導体装置301は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)であり、ノーマリオン型である。半導体装置301は、半導体基板310、窒化物半導体320、シリコン酸化膜からなる絶縁膜326、ドレイン電極332、ソース電極334、及び、絶縁ゲート340を備える。半導体基板310は、Siの単結晶基板である。窒化物半導体320は、超格子(AlN/GaN)又は窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)からなるバッファ層321、アンドープのGaNからなる電子走行層322、AlGaNからなる電子供給層324が積層している構造を備える。窒化物半導体320の表面には、ドレイン電極332及びソース電極334が配置されている。ドレイン電極332、ソース電極334は、絶縁膜326によって絶縁されている。
図9に、第4実施例の半導体装置401の要部断面図を模式的に示す。半導体装置401は、HEMTであり、ノーマリオフ型である。第4実施例の半導体基板410、窒化物半導体420(バッファ層421、電子走行層422、電子供給層424)、ドレイン電極432、ソース電極434は、それぞれ、第3実施例の半導体基板310、窒化物半導体320(バッファ層321、電子走行層322、電子供給層324)、ドレイン電極332、ソース電極334と同様の構造を有する。
図10に、第5実施例の半導体装置501の要部断面図を模式的に示す。半導体装置501は、横型のMOSFETの一実施形態である。半導体装置501は、半導体基板510、窒化物半導体520、シリコン酸化膜からなる絶縁膜528、ドレイン電極532、ソース電極534、及び、絶縁ゲート540を備える。
Claims (4)
- 単結晶の窒化物半導体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、
前記ゲート絶縁膜のうち、前記窒化物半導体と接する部分が、前記窒化物半導体の結晶構造に倣った結晶構造を備え、
前記ゲート絶縁膜は、第1元素と、前記第1元素とは異なる第2元素と、を含み、
前記第1元素の酸化物は、前記第2元素の酸化物よりも結晶性が高い、半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化物半導体上に設けられており、前記窒化物半導体の結晶構造に倣った結晶構造を備える前記窒化物半導体と接する部分を含む第1絶縁層と、
前記第1絶縁層上に設けられており、前記窒化物半導体に倣った結晶構造とは異なる結晶構造を有する第2絶縁層と、を備える、請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1元素と前記第2元素の組み合わせは、AlとSi、HfとAl、又は、HfとSiである、請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 半導体装置の製造方法であって、
単結晶の窒化物半導体上に、第1元素と第2元素とを含むゲート絶縁膜を成膜する工程であって、前記第1元素の酸化物は、前記第2元素の酸化物よりも結晶性が高い、工程と、
前記窒化物半導体上に成膜されている前記ゲート絶縁膜を、700℃以上の温度で熱処理する工程であって、前記ゲート絶縁膜のうち、前記窒化物半導体と接する部分を、前記窒化物半導体の結晶構造に倣った結晶構造にする、工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
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