JP7405027B2 - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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本明細書の技術分野は、半導体装置とその製造方法に関する。 The technical field of this specification relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

GaNに代表されるIII 族窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界を備えている。そのため、III 族窒化物半導体は、GaAs系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、III 族窒化物半導体を用いるHEMT素子などが研究開発されている。 Group III nitride semiconductors represented by GaN have a high dielectric breakdown electric field. Therefore, group III nitride semiconductors are expected to replace GaAs-based semiconductors as materials for high-output, high-frequency, high-temperature semiconductor devices. For this reason, HEMT devices using Group III nitride semiconductors are being researched and developed.

例えば、特許文献1には、電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜にSiN膜およびSiO2 膜を用いる技術が開示されている。III 族窒化物半導体の上にSiN膜を形成し、SiN膜の上にSiO2 膜を形成する(特許文献1の段落[0036]-[0038]および図2D)。これにより、ソース-ドレイン間における窒素空格子点密度が低減される旨が開示されている(特許文献1の段落[0041])。また、ソース-ドレイン間における表面電荷の発生が抑制され、表面リーク電流が抑制される旨が開示されている(特許文献1の段落[0041])。 For example, Patent Document 1 discloses a technique of using a SiN film and a SiO 2 film as a gate insulating film in a field effect transistor. A SiN film is formed on the Group III nitride semiconductor, and an SiO 2 film is formed on the SiN film (paragraphs [0036] to [0038] of Patent Document 1 and FIG. 2D). It is disclosed that this reduces the nitrogen vacancy density between the source and drain (paragraph [0041] of Patent Document 1). Furthermore, it is disclosed that generation of surface charge between the source and drain is suppressed, and surface leakage current is suppressed (paragraph [0041] of Patent Document 1).

特開2009-32796号公報Japanese Patent Application Publication No. 2009-32796

特許文献1の技術では、III 族窒化物半導体の表面にSiN膜が接触している。SiN膜は絶縁性窒化膜である。絶縁性窒化膜の絶縁破壊強度は絶縁性酸化膜(SiO2 等)の絶縁破壊強度に比べて低い傾向にある。また、絶縁性窒化膜では膜中に電子が注入されやすい。絶縁性窒化膜中に電子が注入されると、半導体装置の動作が不安定となる。 In the technique disclosed in Patent Document 1, a SiN film is in contact with the surface of a group III nitride semiconductor. The SiN film is an insulating nitride film. The dielectric breakdown strength of an insulating nitride film tends to be lower than that of an insulating oxide film (SiO 2 etc.). Further, in an insulating nitride film, electrons are easily injected into the film. When electrons are injected into the insulating nitride film, the operation of the semiconductor device becomes unstable.

とはいえ、III 族窒化物半導体の上にSiO2 膜を直接接触させると、SiO2 膜の酸素がIII 族窒化物半導体の表面を酸化する。III 族窒化物半導体の表面はゲート近傍に相当するため、このIII 族窒化物半導体の表面が酸化されると半導体装置の動作は不安定となる。 However, when a SiO 2 film is brought into direct contact with a group III nitride semiconductor, oxygen in the SiO 2 film oxidizes the surface of the group III nitride semiconductor. Since the surface of the group III nitride semiconductor corresponds to the vicinity of the gate, if the surface of the group III nitride semiconductor is oxidized, the operation of the semiconductor device becomes unstable.

本明細書の技術が解決しようとする課題は、III 族窒化物半導体から絶縁膜への電子の注入を抑制するとともに絶縁膜に起因するIII 族窒化物半導体の表面の酸化を抑制する半導体装置とその製造方法を提供することである。 The problem to be solved by the technology of this specification is to provide a semiconductor device that suppresses injection of electrons from a group III nitride semiconductor into an insulating film and suppresses oxidation of the surface of a group III nitride semiconductor caused by the insulating film. An object of the present invention is to provide a manufacturing method thereof.

第1の態様における半導体装置の製造方法は、III 族窒化物半導体層の上に第1絶縁性酸化膜を成膜する工程と、III 族窒化物半導体層および第1絶縁性酸化膜に第1絶縁性酸化膜の側から窒素プラズマを照射する工程と、第1絶縁性酸化膜を熱処理する第1熱処理工程と、第1絶縁性酸化膜の上に第2絶縁性酸化膜を成膜する工程と、第2絶縁性酸化膜を熱処理する第2熱処理工程と、を有する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect includes the steps of forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer, and forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer and the first insulating oxide film. A step of irradiating nitrogen plasma from the side of the insulating oxide film, a first heat treatment step of heat-treating the first insulating oxide film, and a step of forming a second insulating oxide film on the first insulating oxide film. and a second heat treatment step of heat treating the second insulating oxide film.

この半導体装置の製造方法は、III 族窒化物半導体層の上に第1絶縁性酸化膜を形成し、第1絶縁性酸化膜より上層に第1絶縁性窒化膜を形成し、第1絶縁性窒化膜の上に第2絶縁性酸化膜を形成することができる。III 族窒化物半導体層は第1絶縁性酸化膜と接触しているため、III 族窒化物半導体から絶縁膜への電子の注入が抑制されている。III 族窒化物半導体層には窒素が注入されているため、絶縁膜に起因するIII 族窒化物半導体の表面の酸化が抑制されている。 This method of manufacturing a semiconductor device includes forming a first insulating oxide film on a group III nitride semiconductor layer, forming a first insulating nitride film above the first insulating oxide film, and forming a first insulating nitride film on a group III nitride semiconductor layer. A second insulating oxide film may be formed on the nitride film. Since the group III nitride semiconductor layer is in contact with the first insulating oxide film, injection of electrons from the group III nitride semiconductor into the insulating film is suppressed. Since nitrogen is implanted into the group III nitride semiconductor layer, oxidation of the surface of the group III nitride semiconductor caused by the insulating film is suppressed.

本明細書では、III 族窒化物半導体から絶縁膜への電子の注入を抑制するとともに絶縁膜に起因するIII 族窒化物半導体の表面の酸化を抑制する半導体装置とその製造方法が提供されている。 The present specification provides a semiconductor device that suppresses injection of electrons from a group III nitride semiconductor into an insulating film and suppresses oxidation of the surface of a group III nitride semiconductor caused by the insulating film, and a method for manufacturing the same. .

第1の実施形態の半導体装置100の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 100 according to a first embodiment. 第1の実施形態の半導体装置100のゲート絶縁膜F10の積層構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a stacked structure of a gate insulating film F10 of the semiconductor device 100 of the first embodiment. 第1の実施形態の半導体装置100の絶縁膜の成膜方法を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a method for forming an insulating film of the semiconductor device 100 of the first embodiment. 第1の実施形態の半導体装置100の絶縁膜の成膜方法を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a method for forming an insulating film of the semiconductor device 100 of the first embodiment. 第2の実施形態の半導体装置200の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 200 according to a second embodiment. 第3の実施形態の半導体装置300の概略構成図である。FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 300 according to a third embodiment. MISキャパシタのSIMS分析の結果を示すグラフである。It is a graph showing the result of SIMS analysis of MIS capacitor. 窒素プラズマを照射した構造体(サンプル)の酸素原子の1sスペクトルを示すグラフである。It is a graph showing a 1s spectrum of oxygen atoms of a structure (sample) irradiated with nitrogen plasma. 窒素プラズマを照射しなかった構造体(サンプル)の酸素原子の1sスペクトルを示すグラフである。It is a graph showing the 1s spectrum of oxygen atoms of a structure (sample) that was not irradiated with nitrogen plasma. 第1熱処理工程の温度が900℃である場合の構造体(サンプル)のCV特性を示すグラフである。It is a graph showing CV characteristics of a structure (sample) when the temperature of the first heat treatment step is 900°C. 第1熱処理工程の温度が700℃である場合の構造体(サンプル)のCV特性を示すグラフである。It is a graph showing CV characteristics of a structure (sample) when the temperature of the first heat treatment step is 700°C. 第1熱処理工程の温度が500℃である場合の構造体(サンプル)のCV特性を示すグラフである。It is a graph showing CV characteristics of a structure (sample) when the temperature of the first heat treatment step is 500°C.

以下、具体的な実施形態について、半導体装置とその製造方法を例に挙げて説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。本明細書において、第1導電型はn型を表し、第2導電型はp型を表す。ただし、第1導電型はp型を表し、第2導電型はn型を表してもよい場合がある。 Hereinafter, specific embodiments will be described using a semiconductor device and a method for manufacturing the same as an example. However, the technology herein is not limited to these embodiments. In this specification, the first conductivity type represents n-type, and the second conductivity type represents p-type. However, the first conductivity type may represent a p-type, and the second conductivity type may represent an n-type.

(第1の実施形態)
1.半導体装置
図1は、第1の実施形態の半導体装置100の概略構成図である。半導体装置100は、MISFETである。半導体装置100はトレンチを有さない。半導体装置100は、GaN基板110と、第1半導体層120と、第2半導体層130と、半導体領域140と、ゲート絶縁膜F10と、ゲート電極G1と、ボディ電極B1と、ソース電極S1と、ドレイン電極D1と、を有する。
(First embodiment)
1. Semiconductor Device FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 100 of the first embodiment. The semiconductor device 100 is a MISFET. Semiconductor device 100 does not have a trench. The semiconductor device 100 includes a GaN substrate 110, a first semiconductor layer 120, a second semiconductor layer 130, a semiconductor region 140, a gate insulating film F10, a gate electrode G1, a body electrode B1, a source electrode S1, and a drain electrode D1.

第1半導体層120と、第2半導体層130と、半導体領域140とは、III 族窒化物半導体層である。第1半導体層120は、例えば、GaN層である。第2半導体層130は、例えば、p型GaN層である。半導体領域140は、例えば、n+ GaNである。半導体領域140は半導体の一部にイオン注入された領域である。 The first semiconductor layer 120, the second semiconductor layer 130, and the semiconductor region 140 are group III nitride semiconductor layers. The first semiconductor layer 120 is, for example, a GaN layer. The second semiconductor layer 130 is, for example, a p-type GaN layer. The semiconductor region 140 is, for example, n + GaN. The semiconductor region 140 is a region in which ions are implanted into a part of the semiconductor.

ゲート絶縁膜F10は、第2半導体層130および半導体領域140の上に形成されている。ゲート電極G1は、ゲート絶縁膜F10の上に形成されている。ゲート電極G1は、ゲート絶縁膜F10を間に挟んだ状態で、第2半導体層130と半導体領域140の一部と対向している。ソース電極S1およびドレイン電極D1は、半導体領域140の上に形成されている。 The gate insulating film F10 is formed on the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. Gate electrode G1 is formed on gate insulating film F10. The gate electrode G1 faces the second semiconductor layer 130 and part of the semiconductor region 140 with the gate insulating film F10 interposed therebetween. Source electrode S1 and drain electrode D1 are formed on semiconductor region 140.

2.ゲート絶縁膜
2-1.積層構造
図2は、第1の実施形態の半導体装置100のゲート絶縁膜F10の積層構造を示す図である。ゲート絶縁膜F10は、III 族窒化物半導体層の表面の一部を覆うゲート絶縁膜である。ゲート絶縁膜F10は、III 族窒化物半導体層の表面を保護する。ゲート絶縁膜F10は、第2半導体層130および半導体領域140と、ゲート電極G1と、の間の位置に配置されている。ゲート絶縁膜F10は、絶縁性酸窒化膜と絶縁性窒化膜と絶縁性酸化膜とを有する。ゲート絶縁膜F10は、SiON膜F11と、SiN膜F13と、SiO2 膜F14と、を有する。
2. Gate insulating film 2-1. Laminated Structure FIG. 2 is a diagram showing a laminated structure of the gate insulating film F10 of the semiconductor device 100 of the first embodiment. The gate insulating film F10 is a gate insulating film that covers part of the surface of the group III nitride semiconductor layer. The gate insulating film F10 protects the surface of the group III nitride semiconductor layer. The gate insulating film F10 is arranged at a position between the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140, and the gate electrode G1. The gate insulating film F10 includes an insulating oxynitride film, an insulating nitride film, and an insulating oxide film. The gate insulating film F10 includes a SiON film F11, a SiN film F13, and a SiO 2 film F14.

SiON膜F11は、第2半導体層130および半導体領域140の表面の少なくとも一部を覆っている。SiON膜F11は、第2半導体層130および半導体領域140の上に形成されている。SiON膜F11は、第2半導体層130および半導体領域140に接触している。SiON膜F11の膜厚は、例えば、1nm以上6nm以下である。好ましくは、1nm以上4nm以下である。 The SiON film F11 covers at least a portion of the surfaces of the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. The SiON film F11 is formed on the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. The SiON film F11 is in contact with the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. The thickness of the SiON film F11 is, for example, 1 nm or more and 6 nm or less. Preferably, the thickness is 1 nm or more and 4 nm or less.

SiN膜F13は、SiON膜F11より上層の位置に形成されている。SiN膜F13は、SiON膜F11の上に形成されている。SiN膜F13は、SiON膜F11に接触している。SiN膜F13の膜厚は、例えば、1nm以上3nm以下である。好ましくは、1nm以上2nm以下である。 The SiN film F13 is formed at a position above the SiON film F11. The SiN film F13 is formed on the SiON film F11. The SiN film F13 is in contact with the SiON film F11. The thickness of the SiN film F13 is, for example, 1 nm or more and 3 nm or less. Preferably, the thickness is 1 nm or more and 2 nm or less.

SiO2 膜F14は、SiN膜F13の上に形成されている。SiO2 膜F14は、SiN膜F13に接触している。SiO2 膜F14の膜厚は、例えば、40nm以上100nm以下である。 The SiO 2 film F14 is formed on the SiN film F13. The SiO 2 film F14 is in contact with the SiN film F13. The thickness of the SiO 2 film F14 is, for example, 40 nm or more and 100 nm or less.

2-2.窒素濃度
ゲート絶縁膜F10においては、窒素濃度が半導体側からゲート電極G1に向かうにつれて増加し、飽和した後に減少する。SiON膜F11は、窒素原子を含有する。SiON膜F11における窒素原子含有量は、例えば、1×1021atm/cm3 以上1×1022atm/cm3 未満である。SiON膜F11における窒素原子含有量は、SiO2 膜F14における窒素原子含有量よりも多い。後述するように、SiON膜F11には窒素プラズマが照射されているためである。
2-2. Nitrogen Concentration In the gate insulating film F10, the nitrogen concentration increases from the semiconductor side toward the gate electrode G1, and decreases after being saturated. The SiON film F11 contains nitrogen atoms. The nitrogen atom content in the SiON film F11 is, for example, 1×10 21 atm/cm 3 or more and less than 1×10 22 atm/cm 3 . The nitrogen atom content in the SiON film F11 is greater than the nitrogen atom content in the SiO 2 film F14. This is because the SiON film F11 is irradiated with nitrogen plasma, as will be described later.

3.ゲート絶縁膜の各層の役割
SiON膜F11は、酸素原子がIII 族窒化物半導体に拡散することを防止する拡散防止層である。SiON膜F11は十分に薄く、高い温度で熱処理されている。このため、酸素原子が移動しにくい。また、SiON膜F11は、III 族窒化物半導体から絶縁膜への電子の注入を抑制するための層である。そして、SiON膜F11は、後述する絶縁膜の成膜方法においてIII 族窒化物半導体を保護する。このため、III 族窒化物半導体は、後述する窒素プラズマの照射によりダメージをほとんど受けない。
3. Role of each layer of the gate insulating film The SiON film F11 is a diffusion prevention layer that prevents oxygen atoms from diffusing into the group III nitride semiconductor. The SiON film F11 is sufficiently thin and has been heat-treated at a high temperature. Therefore, oxygen atoms are difficult to move. Further, the SiON film F11 is a layer for suppressing injection of electrons from the group III nitride semiconductor into the insulating film. The SiON film F11 protects the group III nitride semiconductor in the insulating film forming method described later. Therefore, group III nitride semiconductors are hardly damaged by nitrogen plasma irradiation, which will be described later.

SiN膜F13は、III 族窒化物半導体を湿気から保護するための膜である。なお、SiON膜F11がSiN膜F13への電子の注入を抑制する。 The SiN film F13 is a film for protecting the group III nitride semiconductor from moisture. Note that the SiON film F11 suppresses injection of electrons into the SiN film F13.

SiO2 膜F14は、高い電気絶縁性によりIII 族窒化物半導体を保護するための膜である。このため、SiO2 膜F14は、ゲートリーク電流を抑制することができる。 The SiO 2 film F14 is a film for protecting the group III nitride semiconductor with high electrical insulation. Therefore, the SiO 2 film F14 can suppress gate leakage current.

このようにゲート絶縁膜F10は、III 族窒化物半導体が酸化することを防止し、III 族窒化物半導体から絶縁膜への電子の注入を抑制する。このため、ゲート絶縁膜F10を有する半導体装置100は、良好なCV特性(容量電圧特性)を備えている。 In this way, the gate insulating film F10 prevents the group III nitride semiconductor from being oxidized and suppresses the injection of electrons from the group III nitride semiconductor into the insulating film. Therefore, the semiconductor device 100 having the gate insulating film F10 has good CV characteristics (capacitance voltage characteristics).

4.絶縁膜の成膜方法
図3は、第1の実施形態の半導体装置100の絶縁膜の成膜方法を示すフローチャートである。図3に示すように、この成膜方法は、III 族窒化物半導体層の上に第1絶縁性酸化膜を成膜する工程と、III 族窒化物半導体層および第1絶縁性酸化膜に第1絶縁性酸化膜の側から窒素プラズマを照射する工程と、第1絶縁性酸化膜を熱処理する第1熱処理工程と、第1絶縁性酸化膜の上に第2絶縁性酸化膜を成膜する工程と、第2絶縁性酸化膜を熱処理する第2熱処理工程と、を有する。ここでは、ゲート絶縁膜F10を成膜する場合について説明する。
4. Method for Forming an Insulating Film FIG. 3 is a flowchart showing a method for forming an insulating film of the semiconductor device 100 of the first embodiment. As shown in FIG. 3, this film formation method includes a step of forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer, and a step of forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer and the first insulating oxide film. A step of irradiating nitrogen plasma from the side of the first insulating oxide film, a first heat treatment step of heat-treating the first insulating oxide film, and forming a second insulating oxide film on the first insulating oxide film. and a second heat treatment step of heat treating the second insulating oxide film. Here, a case will be described in which the gate insulating film F10 is formed.

4-1.第1絶縁膜成膜工程
図4に示すように、第2半導体層130および半導体領域140の上に第1絶縁性酸化膜I1を成膜する(S101)。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。反応性スパッタリングの場合には、メタルモードを用いる。CVD法の場合には、熱CVDを用いる。ALD法の場合には、H2 OまたはO3 を酸化法に用いる。第1絶縁性酸化膜I1の膜厚は、例えば、2nm以上9nm以下である。好ましくは、3nm以上6nm以下である。図4に示すように、第1絶縁性酸化膜I1は、窒化されてSiON膜F11となる部分と、窒化されてSiN膜F13となる部分と、を有する。
4-1. First Insulating Film Forming Step As shown in FIG. 4, a first insulating oxide film I1 is formed on the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140 (S101). The film forming method is, for example, reactive sputtering, CVD method, or ALD method. In the case of reactive sputtering, metal mode is used. In the case of the CVD method, thermal CVD is used. In the case of the ALD method, H 2 O or O 3 is used in the oxidation method. The thickness of the first insulating oxide film I1 is, for example, 2 nm or more and 9 nm or less. Preferably, the thickness is 3 nm or more and 6 nm or less. As shown in FIG. 4, the first insulating oxide film I1 has a portion that is nitrided to become the SiON film F11 and a portion that is nitrided to become the SiN film F13.

4-2.窒素プラズマ処理工程
第2半導体層130および半導体領域140および第1絶縁性酸化膜I1に第1絶縁性酸化膜I1の側から窒素プラズマを照射する(S102)。例えば、ECRプラズマ、ICP、表面波プラズマ、を用いることができる。プラズマガスは、N2 ガスである。窒素ガス(N2 )の流量は、例えば、20sccm以上100sccm以下である。
4-2. Nitrogen Plasma Treatment Step Nitrogen plasma is applied to the second semiconductor layer 130, the semiconductor region 140, and the first insulating oxide film I1 from the first insulating oxide film I1 side (S102). For example, ECR plasma, ICP, and surface wave plasma can be used. The plasma gas is N2 gas. The flow rate of nitrogen gas (N 2 ) is, for example, 20 sccm or more and 100 sccm or less.

基板温度は、例えば、0℃以上300℃以下である。基板側のバイアスの電力は、例えば、0W以上20W以下である。絶縁膜および第2半導体層130および半導体領域140にダメージを与えないために、バイアスの電力は弱いほうがよい。処理時間は、例えば、10分以上150分以下である。これらの数値範囲は例示であり、上記以外の数値であってもよい。 The substrate temperature is, for example, 0° C. or higher and 300° C. or lower. The bias power on the substrate side is, for example, 0 W or more and 20 W or less. In order not to damage the insulating film, the second semiconductor layer 130, and the semiconductor region 140, the bias power should be weak. The processing time is, for example, 10 minutes or more and 150 minutes or less. These numerical ranges are just examples, and numerical values other than those mentioned above may be used.

この際に、窒素プラズマから電子、陽イオン等の荷電粒子を除去することが好ましい。例えば、窒素プラズマの移動経路に金属製の網を配置する。これにより、窒素ラジカルが第1絶縁性酸化膜I1に照射される。または、窒素プラズマの移動経路に磁界を加えることにより、荷電粒子を除去してもよい。または、窒素プラズマのプラズマ生成領域と基板との距離を離し、基板側のバイアスの電力を弱めてもよい。 At this time, it is preferable to remove charged particles such as electrons and cations from the nitrogen plasma. For example, a metal net is placed in the path of nitrogen plasma movement. As a result, the first insulating oxide film I1 is irradiated with nitrogen radicals. Alternatively, charged particles may be removed by applying a magnetic field to the moving path of the nitrogen plasma. Alternatively, the distance between the nitrogen plasma generation region and the substrate may be increased, and the bias power on the substrate side may be weakened.

第1絶縁性酸化膜I1は十分に薄いので、窒素ラジカルは第1絶縁性酸化膜I1および第2半導体層130および半導体領域140の表面側に供給される。これにより、第1絶縁性酸化膜I1の主に表面側が窒化されるとともに第2半導体層130および半導体領域140の表面側に窒素が注入される。これにより、第2半導体層130および半導体領域140の窒素空孔密度は減少する。図4に示すように、第1絶縁性酸化膜I1の表面側は十分に窒化されてSiN膜F13となり、第1絶縁性酸化膜I1における第2半導体層130および半導体領域140の側は、ある程度窒化されてSiON膜F11となる。 Since the first insulating oxide film I1 is sufficiently thin, nitrogen radicals are supplied to the surface side of the first insulating oxide film I1, the second semiconductor layer 130, and the semiconductor region 140. As a result, mainly the surface side of the first insulating oxide film I1 is nitrided, and nitrogen is implanted into the surface side of the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. This reduces the nitrogen vacancy density in the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. As shown in FIG. 4, the surface side of the first insulating oxide film I1 is sufficiently nitrided to become a SiN film F13, and the second semiconductor layer 130 and semiconductor region 140 side of the first insulating oxide film I1 is partially nitrided. It is nitrided to become a SiON film F11.

このように、窒素プラズマ処理工程では、III 族窒化物半導体層の少なくとも表面に窒素ラジカルを供給してIII 族窒化物半導体層の窒素空格子点密度を減少させ、第1絶縁性酸化膜I1の表面を窒化する。 In this way, in the nitrogen plasma treatment step, nitrogen radicals are supplied to at least the surface of the group III nitride semiconductor layer to reduce the nitrogen vacancy density of the group III nitride semiconductor layer, thereby reducing the density of the first insulating oxide film I1. Nitrid the surface.

なお、第1絶縁性酸化膜I1が存在するため、窒素ラジカルは第2半導体層130および半導体領域140にダメージをほとんど与えない。 Note that since the first insulating oxide film I1 exists, nitrogen radicals hardly damage the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140.

4-3.第1熱処理工程
次に、窒素プラズマを照射した半導体および絶縁膜に第1熱処理工程を実施する(S103)。第1熱処理工程の熱処理温度は、例えば、800℃以上1000℃以下である。好ましくは、900℃以上である。熱処理時間は、例えば、10分以上60分以下である。好ましくは、30分以上である。これらの数値範囲は例示であり、上記以外の数値であってもよい。
4-3. First heat treatment step Next, a first heat treatment step is performed on the semiconductor and insulating film irradiated with nitrogen plasma (S103). The heat treatment temperature in the first heat treatment step is, for example, 800°C or more and 1000°C or less. Preferably, the temperature is 900°C or higher. The heat treatment time is, for example, 10 minutes or more and 60 minutes or less. Preferably, it is 30 minutes or more. These numerical ranges are just examples, and numerical values other than those mentioned above may be used.

4-4.第2絶縁膜成膜工程
次に、第1絶縁性酸化膜I1の上に第2絶縁性酸化膜(SiO2 膜F14)を成膜する(S104)。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。反応性スパッタリングの場合には、オキサイドモードを用いる。CVD法の場合には、プラズマを用いてもよい。ALD法の場合には、酸化のためにプラズマを用いてもよい。SiO2 膜F14の膜厚は、例えば、40nm以上100nm以下である。
4-4. Second Insulating Film Forming Step Next, a second insulating oxide film (SiO 2 film F14) is formed on the first insulating oxide film I1 (S104). The film forming method is, for example, reactive sputtering, CVD method, or ALD method. In the case of reactive sputtering, oxide mode is used. In the case of the CVD method, plasma may be used. In the case of the ALD method, plasma may be used for oxidation. The thickness of the SiO 2 film F14 is, for example, 40 nm or more and 100 nm or less.

4-5.第2熱処理工程
次に、半導体および絶縁膜に第2熱処理工程を実施する(S105)。これにより、第2半導体層130および半導体領域140から順に、SiON膜F11、SiN膜F13、SiO2 膜F14が形成される。第2熱処理工程の熱処理温度は、例えば、400℃以上600℃以下である。第2熱処理工程の熱処理温度は、第1熱処理工程の熱処理温度よりも低い。熱処理時間は、例えば、10分以上30分以下である。これらの数値範囲は例示であり、上記以外の数値であってもよい。
4-5. Second heat treatment step Next, a second heat treatment step is performed on the semiconductor and the insulating film (S105). As a result, the SiON film F11, the SiN film F13, and the SiO 2 film F14 are formed in this order from the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. The heat treatment temperature in the second heat treatment step is, for example, 400°C or more and 600°C or less. The heat treatment temperature in the second heat treatment step is lower than the heat treatment temperature in the first heat treatment step. The heat treatment time is, for example, 10 minutes or more and 30 minutes or less. These numerical ranges are just examples, and numerical values other than those mentioned above may be used.

4-6.その他の工程
また、その他の工程を実施してもよい。例えば、第1絶縁性酸化膜成膜工程および第2絶縁性酸化膜成膜工程の前に、III 族窒化物半導体および絶縁膜を有機洗浄する有機洗浄工程を実施してもよい。
4-6. Other Processes Other processes may also be implemented. For example, before the first insulating oxide film forming step and the second insulating oxide film forming step, an organic cleaning step for organically cleaning the group III nitride semiconductor and the insulating film may be performed.

5.半導体装置の製造方法
5-1.半導体層形成工程
GaN基板110の上に第1半導体層120、第2半導体層130、半導体領域140をこの順序で成長させる。そのために、例えば、MOCVD法を用いればよい。または、その他の気相成長法を用いてもよい。または、液相成長法を用いてもよい。また、イオン注入により半導体領域140を形成する。
5. Manufacturing method of semiconductor device 5-1. Semiconductor Layer Formation Step The first semiconductor layer 120, the second semiconductor layer 130, and the semiconductor region 140 are grown in this order on the GaN substrate 110. For that purpose, for example, MOCVD method may be used. Alternatively, other vapor phase growth methods may be used. Alternatively, a liquid phase growth method may be used. Further, a semiconductor region 140 is formed by ion implantation.

5-2.絶縁膜成膜工程
第2半導体層130および半導体領域140の上にゲート絶縁膜F10を形成する。前述の絶縁膜の成膜方法を用いればよい。また、ソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する領域にはゲート絶縁膜F10を形成しない。そのため、例えば、第2半導体層130および半導体領域140の表面に一様な絶縁膜を形成した後に、ソース電極S1およびドレイン電極D1を形成する領域の絶縁膜を除去してもよい。そのために例えば、CF4 、C4 6 等のフッ素系ガスを用いたエッチングを実施してもよい。
5-2. Insulating Film Forming Step A gate insulating film F10 is formed on the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140. The method for forming an insulating film described above may be used. Further, the gate insulating film F10 is not formed in the region where the source electrode S1 and the drain electrode D1 are to be formed. Therefore, for example, after forming a uniform insulating film on the surfaces of the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140, the insulating film in the regions where the source electrode S1 and the drain electrode D1 are to be formed may be removed. For this purpose, for example, etching may be performed using a fluorine gas such as CF 4 or C 4 F 6 .

5-3.ゲート電極形成工程
ゲート絶縁膜F10の上にゲート電極G1を形成する。そのためには、ALD法、スパッタリング等の成膜技術を用いればよい。
5-3. Gate Electrode Formation Step A gate electrode G1 is formed on the gate insulating film F10. For this purpose, a film forming technique such as ALD method or sputtering may be used.

5-4.ソース電極形成工程
第2半導体層130および半導体領域140の上にボディ電極B1およびソース電極S1を形成する。そのために、スパッタリング、EB蒸着法または抵抗加熱蒸着法を用いればよい。
5-4. Source Electrode Formation Step Body electrode B1 and source electrode S1 are formed on second semiconductor layer 130 and semiconductor region 140. For this purpose, sputtering, EB evaporation, or resistance heating evaporation may be used.

5-5.ドレイン電極形成工程
半導体領域140の上にドレイン電極D1を形成する。そのために、スパッタリング、EB蒸着法または抵抗加熱蒸着法を用いればよい。
5-5. Drain Electrode Formation Step A drain electrode D1 is formed on the semiconductor region 140. For this purpose, sputtering, EB evaporation, or resistance heating evaporation may be used.

5-6.素子分離工程
そして、ウエハから半導体装置100を切り出し、各々の独立した半導体装置100を製造する。
5-6. Element Separation Process Then, the semiconductor devices 100 are cut out from the wafer, and each independent semiconductor device 100 is manufactured.

5-7.その他の工程
保護膜形成工程、熱処理工程等、その他の工程を適宜実施してもよい。以上により、半導体装置100が得られる。また、ソース電極S1およびドレイン電極D1の積層構造が同じ場合には、ソース電極S1およびドレイン電極D1を同時に形成してもよい。
5-7. Other Steps Other steps such as a protective film forming step, a heat treatment step, etc. may be performed as appropriate. Through the above steps, the semiconductor device 100 is obtained. Furthermore, when the source electrode S1 and the drain electrode D1 have the same laminated structure, the source electrode S1 and the drain electrode D1 may be formed at the same time.

6.第1の実施形態の効果
第1の実施形態の半導体装置100は、ゲート絶縁膜F10を有する。ゲート絶縁膜F10のSiON膜F11は、第2半導体層130および半導体領域140からゲート絶縁膜F10への電子の注入を抑制する。第2半導体層130および半導体領域140には窒素ラジカルが供給されているため、第2半導体層130および半導体領域140における窒素空格子点密度は十分に低い。第2半導体層130および半導体領域140はゲート絶縁膜F10から半導体領域140の酸化を抑制されている。
6. Effects of First Embodiment The semiconductor device 100 of the first embodiment has a gate insulating film F10. The SiON film F11 of the gate insulating film F10 suppresses injection of electrons from the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140 into the gate insulating film F10. Since nitrogen radicals are supplied to the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140, the nitrogen vacancy density in the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140 is sufficiently low. In the second semiconductor layer 130 and the semiconductor region 140, oxidation of the semiconductor region 140 is suppressed by the gate insulating film F10.

III 族窒化物半導体に対して表面酸化層はドナーとして振る舞う。半導体装置100では半導体の酸化が抑制されているため、ゲート絶縁膜F10を有する半導体装置100は、良好なCV特性を備えている。そして、半導体装置100は、ドレイン電流が良好に立ち上がる。 The surface oxide layer acts as a donor for group III nitride semiconductors. Since oxidation of the semiconductor is suppressed in the semiconductor device 100, the semiconductor device 100 including the gate insulating film F10 has good CV characteristics. In the semiconductor device 100, the drain current rises satisfactorily.

ゲート絶縁膜F10のSiN膜F13は、III 族窒化物半導体を湿気から保護する。 The SiN film F13 of the gate insulating film F10 protects the group III nitride semiconductor from moisture.

また、SiO2 膜F14は十分な厚みを有するため、半導体装置100のゲート絶縁膜は高い絶縁破壊強度を有する。このため、ゲートリーク電流が抑制されている。 Furthermore, since the SiO 2 film F14 has a sufficient thickness, the gate insulating film of the semiconductor device 100 has high dielectric breakdown strength. Therefore, gate leakage current is suppressed.

7.変形例
7-1.保護膜
第1の実施形態の技術をゲート絶縁膜以外の保護膜に適用することができる。この場合であっても、この保護膜は高い絶縁性を備えるとともにIII 族窒化物半導体の酸化を抑制することができる。また、III 族窒化物半導体を湿気から保護することができる。
7. Modification 7-1. Protective Film The technique of the first embodiment can be applied to protective films other than gate insulating films. Even in this case, the protective film has high insulating properties and can suppress oxidation of the group III nitride semiconductor. Further, the Group III nitride semiconductor can be protected from moisture.

7-2.基板
GaN基板110の代わりにその他の基板を用いてもよい。例えば、サファイア基板、Si基板が挙げられる。もちろん、それ以外の基板を用いてもよい。
7-2. Substrate Other substrates may be used instead of the GaN substrate 110. Examples include a sapphire substrate and a Si substrate. Of course, other substrates may also be used.

7-3.絶縁性酸化膜
SiO2 膜の代わりにその他の絶縁性酸化膜を用いてもよい。例えば、Al2 3 が挙げられる。
7-3. Insulating oxide film Other insulating oxide films may be used instead of the SiO 2 film. For example, Al 2 O 3 is mentioned.

7-4.絶縁性窒化膜
SiN膜の代わりにその他の絶縁性窒化膜を用いてもよい。例えば、AlNが挙げられる。
7-4. Insulating Nitride Film Other insulating nitride films may be used instead of the SiN film. For example, AlN can be mentioned.

7-5.トレンチ
半導体装置100は、トレンチを有さない。第1の実施形態の技術は、トレンチを有するHEMTにも適用可能である。
7-5. Trench The semiconductor device 100 does not have a trench. The technique of the first embodiment is also applicable to HEMTs having trenches.

7-6.組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてよい。
7-6. Combination The above variations may be freely combined.

(第2の実施形態)
1.半導体装置
図5は、第2の実施形態の半導体装置200の概略構成図である。半導体装置200は、縦型MISFETである。図5に示すように、半導体装置200は、GaN基板210と、第1半導体層220と、第2半導体層230と、第3半導体層240と、ゲート絶縁膜F30と、ゲート電極G2と、ソース電極S2と、ドレイン電極D2と、ボディ電極B2と、を有する。
(Second embodiment)
1. Semiconductor Device FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 200 of the second embodiment. The semiconductor device 200 is a vertical MISFET. As shown in FIG. 5, the semiconductor device 200 includes a GaN substrate 210, a first semiconductor layer 220, a second semiconductor layer 230, a third semiconductor layer 240, a gate insulating film F30, a gate electrode G2, and a source. It has an electrode S2, a drain electrode D2, and a body electrode B2.

第1半導体層220は、GaN基板210の上に形成されている。第1半導体層220は第1導電型のIII 族窒化物半導体層である。第1半導体層220は、例えば、n- GaNである。 The first semiconductor layer 220 is formed on the GaN substrate 210. The first semiconductor layer 220 is a group III nitride semiconductor layer of a first conductivity type. The first semiconductor layer 220 is, for example, n GaN.

第2半導体層230は、第1半導体層220の上に形成されている。第2半導体層230は第2導電型のIII 族窒化物半導体層である。第2半導体層230は、例えば、pGaNである。 The second semiconductor layer 230 is formed on the first semiconductor layer 220. The second semiconductor layer 230 is a group III nitride semiconductor layer of a second conductivity type. The second semiconductor layer 230 is, for example, pGaN.

第3半導体層240は、第2半導体層230の上に形成されている。第3半導体層240は、第1導電型のIII 族窒化物半導体層である。第3半導体層240は、例えば、n+ GaNである。 The third semiconductor layer 240 is formed on the second semiconductor layer 230. The third semiconductor layer 240 is a group III nitride semiconductor layer of the first conductivity type. The third semiconductor layer 240 is, for example, n + GaN.

ボディ電極B2は、第2半導体層230から正孔を引き抜くための電極である。ボディ電極B2は、リセスR2に形成されている。リセスR2は、第3半導体層240を貫通し、第2半導体層230の途中まで達する凹部である。ボディ電極B2は、第2半導体層230と、第3半導体層240と、ソース電極S2と、に接触している。 The body electrode B2 is an electrode for extracting holes from the second semiconductor layer 230. Body electrode B2 is formed in recess R2. The recess R2 is a recess that penetrates the third semiconductor layer 240 and reaches halfway through the second semiconductor layer 230. Body electrode B2 is in contact with second semiconductor layer 230, third semiconductor layer 240, and source electrode S2.

ゲート絶縁膜F30は、トレンチT2を覆っている。ゲート絶縁膜F30は、ゲート電極G2と半導体層とを絶縁している。ゲート絶縁膜F30は、第1半導体層220の底面および側面と、第2半導体層230の側面と、第3半導体層240の側面および表面の一部と、を覆っている。 Gate insulating film F30 covers trench T2. The gate insulating film F30 insulates the gate electrode G2 and the semiconductor layer. The gate insulating film F30 covers the bottom and side surfaces of the first semiconductor layer 220, the side surfaces of the second semiconductor layer 230, and a portion of the side and surface of the third semiconductor layer 240.

ゲート絶縁膜F30の積層構造は、第1の実施形態のゲート絶縁膜F10と同じである。 The stacked structure of the gate insulating film F30 is the same as that of the gate insulating film F10 of the first embodiment.

2.第2の実施形態の効果
第2の実施形態の半導体装置200は、ゲート絶縁膜F30を有する。ゲート絶縁膜F30は、第1の実施形態のゲート絶縁膜F10と同様の効果を奏する。
2. Effects of Second Embodiment The semiconductor device 200 of the second embodiment has a gate insulating film F30. The gate insulating film F30 has the same effect as the gate insulating film F10 of the first embodiment.

3.変形例
3-1.保護膜
半導体装置200は、保護膜を有していてもよい。その保護膜にゲート絶縁膜F30の積層構造を採用してもよい。
3. Modification 3-1. Protective Film The semiconductor device 200 may have a protective film. A laminated structure of the gate insulating film F30 may be adopted as the protective film.

(第3の実施形態)
図6は、第3の実施形態の半導体装置300の概略構成図である。半導体装置300は、MISキャパシタである。半導体装置300は、n型半導体310と、ゲート絶縁膜F40と、ゲート電極G3と、を有する。n型半導体310はn型のIII 族窒化物半導体である。ゲート絶縁膜F40は、ゲート絶縁膜F10と同様の積層構造である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a semiconductor device 300 according to the third embodiment. Semiconductor device 300 is a MIS capacitor. The semiconductor device 300 includes an n-type semiconductor 310, a gate insulating film F40, and a gate electrode G3. The n-type semiconductor 310 is an n-type group III nitride semiconductor. The gate insulating film F40 has the same laminated structure as the gate insulating film F10.

2.第3の実施形態の効果
第3の実施形態の半導体装置300は、ゲート絶縁膜F40を有する。ゲート絶縁膜F40は、第1の実施形態のゲート絶縁膜F10と同様の効果を奏する。
2. Effects of Third Embodiment The semiconductor device 300 of the third embodiment has a gate insulating film F40. The gate insulating film F40 has the same effect as the gate insulating film F10 of the first embodiment.

3.変形例
3-1.保護膜
半導体装置300は、保護膜を有していてもよい。その保護膜にゲート絶縁膜F40の積層構造を採用してもよい。
3. Modification 3-1. Protective Film The semiconductor device 300 may have a protective film. A laminated structure of the gate insulating film F40 may be adopted as the protective film.

(実験)
1.二次イオン質量分析法(SIMS)
1-1.サンプルの作製
n型GaNにゲート絶縁膜を形成して構造体を製作した。その際に、n型GaNにSiO2 膜を形成した。そして、窒素プラズマの照射の有無により、SIMSおよびXPSを比較した。窒素プラズマを照射した構造体は、図3のS101からS103までを実施したものに相当する。
(experiment)
1. Secondary ion mass spectrometry (SIMS)
1-1. Fabrication of Sample A structure was fabricated by forming a gate insulating film on n-type GaN. At that time, a SiO 2 film was formed on the n-type GaN. Then, SIMS and XPS were compared depending on the presence or absence of nitrogen plasma irradiation. The structure irradiated with nitrogen plasma corresponds to the structure in which steps S101 to S103 in FIG. 3 were performed.

窒素プラズマを発生させるためにECRプラズマを用いた。マイクロ波の出力は500Wであった。基板側のバイアスの電力は0Wであった。基板温度は室温であった。処理時間は60分であった。なお、SiO2 膜の熱処理温度は、熱処理温度を変更した場合を除き900℃であった。また、n型GaNにゲート絶縁膜とゲート電極とを形成し、MISキャパシタを製作した。 ECR plasma was used to generate nitrogen plasma. The microwave output was 500W. The bias power on the substrate side was 0W. The substrate temperature was room temperature. Treatment time was 60 minutes. Note that the heat treatment temperature of the SiO 2 film was 900° C. except when the heat treatment temperature was changed. Further, a gate insulating film and a gate electrode were formed on n-type GaN, and a MIS capacitor was manufactured.

1-2.測定結果
図7は、SIMS分析の結果を示すグラフである。図7の横軸はゲート絶縁膜の表面からの距離(深さ)である。図7の縦軸は、窒素原子の濃度(atms/cm3 )または酸素原子の検出強度である。
1-2. Measurement Results FIG. 7 is a graph showing the results of SIMS analysis. The horizontal axis in FIG. 7 is the distance (depth) from the surface of the gate insulating film. The vertical axis in FIG. 7 is the concentration of nitrogen atoms (atms/cm 3 ) or the detected intensity of oxygen atoms.

図7に示すように、窒素プラズマ処理により、SiO2 膜が表面から窒化されていることが分かる。そして、窒素プラズマを照射した側から順に、SiN、SiON、SiO2 が存在する。深さが6nm以下の領域では、窒素プラズマの照射により窒素濃度が上昇し、酸素濃度が減少している。つまり、この条件において、窒素ラジカルまたは窒素イオンが6nm程度まで到達していると考えられる。また、深さが2nm未満の領域ではSiNが形成され、深さが2nm以上の領域ではSiONが形成されている。電気的な安定性の観点から、GaNの上に形成される絶縁膜はSiNよりもSiONのほうが好ましい。なお、深さが7nm以上の領域では、窒素プラズマの効果とn型GaNからの窒素の拡散の効果とが重なっており、必ずしも明確には判別できない。 As shown in FIG. 7, it can be seen that the SiO 2 film is nitrided from the surface by the nitrogen plasma treatment. Then, SiN, SiON, and SiO 2 are present in this order from the side irradiated with nitrogen plasma. In a region with a depth of 6 nm or less, the nitrogen concentration increases and the oxygen concentration decreases due to nitrogen plasma irradiation. In other words, it is considered that under these conditions, nitrogen radicals or nitrogen ions reach up to about 6 nm. Furthermore, SiN is formed in a region with a depth of less than 2 nm, and SiON is formed in a region with a depth of 2 nm or more. From the viewpoint of electrical stability, SiON is more preferable than SiN as the insulating film formed on GaN. Note that in a region with a depth of 7 nm or more, the effect of nitrogen plasma and the effect of nitrogen diffusion from n-type GaN overlap and cannot necessarily be clearly distinguished.

窒素濃度が絶縁膜側からn型GaNに向かうにつれて減少し、その後ふたたび増加する。SiO2 膜における窒素原子含有量は、例えば、1×1019atm/cm3 以上1×1021atm/cm3 未満である。SiON膜における窒素原子含有量は、例えば、1×1021atm/cm3 以上1×1022atm/cm3 未満である。SiN膜における窒素原子含有量は、例えば、1×1022atm/cm3 以上である。 The nitrogen concentration decreases from the insulating film side toward the n-type GaN, and then increases again. The nitrogen atom content in the SiO 2 film is, for example, 1×10 19 atm/cm 3 or more and less than 1×10 21 atm/cm 3 . The nitrogen atom content in the SiON film is, for example, 1×10 21 atm/cm 3 or more and less than 1×10 22 atm/cm 3 . The nitrogen atom content in the SiN film is, for example, 1×10 22 atm/cm 3 or more.

2.X線光電子分光法
2-1.サンプルの作製
n型GaNに厚さ3nmのSiO2 を成膜した構造体を作製した。その後、窒素プラズマの照射の有無により酸素原子との結合状態を調べた。
2. X-ray photoelectron spectroscopy 2-1. Preparation of Sample A structure in which a 3 nm thick SiO 2 film was formed on n-type GaN was prepared. Thereafter, the bonding state with oxygen atoms was investigated by checking the presence or absence of nitrogen plasma irradiation.

2-2.測定結果
Ga単体、Ga-O結合、Ga-N結合のケミカルシフト量は1eV程度である。このため、Gaの3d準位から発せられる光を分光しても、ピークを分離することが困難である。このため、酸素原子(O)の1s準位から発せられる光を分光した。
2-2. Measurement Results The amount of chemical shift of Ga alone, Ga--O bond, and Ga--N bond is about 1 eV. For this reason, even if the light emitted from the 3d level of Ga is spectrally analyzed, it is difficult to separate the peaks. For this reason, light emitted from the 1s level of oxygen atoms (O) was spectrally analyzed.

図8は、窒素プラズマを照射したGaNとSiO2 との界面近傍の酸素原子の1sスペクトルを示すグラフである。図8の横軸は結合エネルギーである。図8の縦軸は1秒当たりのカウント数である。 FIG. 8 is a graph showing a 1s spectrum of oxygen atoms near the interface between GaN and SiO 2 irradiated with nitrogen plasma. The horizontal axis in FIG. 8 is binding energy. The vertical axis in FIG. 8 is the number of counts per second.

図8では、O-Ga結合の割合は3%程度であった。つまり、Gaはほとんど酸化されていない。 In FIG. 8, the proportion of O--Ga bonds was about 3%. In other words, Ga is hardly oxidized.

図9は、窒素プラズマを照射しなかったGaNとSiO2 との界面近傍の酸素原子の1sスペクトルを示すグラフである。図9の横軸は結合エネルギーである。図9の縦軸は1秒当たりのカウント数である。 FIG. 9 is a graph showing a 1s spectrum of oxygen atoms near the interface between GaN and SiO 2 that were not irradiated with nitrogen plasma. The horizontal axis in FIG. 9 is binding energy. The vertical axis in FIG. 9 is the number of counts per second.

図9では、O-Ga結合の割合は16%程度であった。 In FIG. 9, the proportion of O--Ga bonds was about 16%.

窒素プラズマを照射することにより、O-Ga結合が十分に減少している。つまり、図8に示すように、GaNとSiO2 との界面近傍においてGaの酸化が抑制されていることがわかる。n型GaNにおける窒素空孔密度が低くなっていると考えられる。 By irradiating with nitrogen plasma, O--Ga bonds are sufficiently reduced. In other words, as shown in FIG. 8, it can be seen that oxidation of Ga is suppressed near the interface between GaN and SiO 2 . It is thought that the density of nitrogen vacancies in n-type GaN is low.

3.CV特性
3-1.サンプルの作製
n型GaNに厚さ3nmの第1SiO2 膜を成膜したものに窒素プラズマを照射し、その後、さらに第2SiO2 膜を成膜した。このように製造された構造体についてCV特性を調べた。
3. CV characteristics 3-1. Preparation of Sample A first SiO 2 film with a thickness of 3 nm was formed on n-type GaN, which was then irradiated with nitrogen plasma, and then a second SiO 2 film was further formed. The CV characteristics of the structure manufactured in this way were investigated.

3-2.測定結果
図10は、第1熱処理工程の温度が900℃である場合の構造体のCV特性を示すグラフである。図10の横軸はゲート電圧である。図10の縦軸は静電容量である。静電容量は、ゲート絶縁膜の静電容量の値により規格化されている。図10に示すように、この場合にはゲート電圧の増加に対して静電容量は段差無くなだらかに変化している。
3-2. Measurement Results FIG. 10 is a graph showing the CV characteristics of the structure when the temperature of the first heat treatment step is 900°C. The horizontal axis in FIG. 10 is the gate voltage. The vertical axis in FIG. 10 is capacitance. The capacitance is standardized by the capacitance value of the gate insulating film. As shown in FIG. 10, in this case, the capacitance changes smoothly with no step difference as the gate voltage increases.

図11は、第1熱処理工程の温度が700℃である場合の構造体のCV特性を示すグラフである。図11の横軸はゲート電圧である。図11の縦軸は静電容量である。静電容量は、ゲート絶縁膜の静電容量の値により規格化されている。図11に示すように、ゲート電圧が-2V程度の箇所に段差HP1がある。段差HP1が存在すると、閾値電圧が安定せず、半導体装置の動作が不安定となる。 FIG. 11 is a graph showing the CV characteristics of the structure when the temperature of the first heat treatment step is 700°C. The horizontal axis in FIG. 11 is the gate voltage. The vertical axis in FIG. 11 is capacitance. The capacitance is standardized by the capacitance value of the gate insulating film. As shown in FIG. 11, there is a step HP1 at a location where the gate voltage is about -2V. If the step HP1 exists, the threshold voltage will not be stabilized, and the operation of the semiconductor device will become unstable.

図12は、第1熱処理工程の温度が500℃である場合の構造体のCV特性を示すグラフである。図12の横軸はゲート電圧である。図12の縦軸は静電容量である。静電容量は、ゲート絶縁膜の静電容量の値により規格化されている。図12に示すように、ゲート電圧が-2V程度の箇所に段差HP2がある。段差HP2が存在すると、閾値電圧が安定せず、半導体装置の動作が不安定となる。 FIG. 12 is a graph showing the CV characteristics of the structure when the temperature of the first heat treatment step is 500°C. The horizontal axis in FIG. 12 is the gate voltage. The vertical axis in FIG. 12 is capacitance. The capacitance is standardized by the capacitance value of the gate insulating film. As shown in FIG. 12, there is a step HP2 at a location where the gate voltage is about -2V. If the step HP2 exists, the threshold voltage will not be stabilized, and the operation of the semiconductor device will become unstable.

このように、第1熱処理工程の熱処理温度を800℃以上とすることにより、ゲート電圧の閾値電圧が安定する。 In this way, by setting the heat treatment temperature in the first heat treatment step to 800° C. or higher, the threshold voltage of the gate voltage is stabilized.

(付記)
第1の態様における半導体装置の製造方法は、III 族窒化物半導体層の上に第1絶縁性酸化膜を成膜する工程と、III 族窒化物半導体層および第1絶縁性酸化膜に第1絶縁性酸化膜の側から窒素プラズマを照射する工程と、第1絶縁性酸化膜を熱処理する第1熱処理工程と、第1絶縁性酸化膜の上に第2絶縁性酸化膜を成膜する工程と、第2絶縁性酸化膜を熱処理する第2熱処理工程と、を有する。
(Additional note)
The method for manufacturing a semiconductor device according to the first aspect includes the steps of forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer, and forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer and the first insulating oxide film. A step of irradiating nitrogen plasma from the side of the insulating oxide film, a first heat treatment step of heat-treating the first insulating oxide film, and a step of forming a second insulating oxide film on the first insulating oxide film. and a second heat treatment step of heat treating the second insulating oxide film.

第2の態様における半導体装置の製造方法においては、第1絶縁性酸化膜を成膜する工程では、第1絶縁性酸化膜の膜厚を2nm以上9nm以下とする。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the second aspect, in the step of forming the first insulating oxide film, the thickness of the first insulating oxide film is set to be 2 nm or more and 9 nm or less.

第3の態様における半導体装置の製造方法においては、第1熱処理工程の熱処理温度は、第2熱処理工程の熱処理温度よりも高い。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the third aspect, the heat treatment temperature in the first heat treatment step is higher than the heat treatment temperature in the second heat treatment step.

第4の態様における半導体装置の製造方法においては、第1熱処理工程の熱処理温度は、800℃以上1000℃以下である。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth aspect, the heat treatment temperature in the first heat treatment step is 800°C or more and 1000°C or less.

第5の態様における半導体装置の製造方法においては、窒素プラズマを照射する工程では、III 族窒化物半導体層の少なくとも表面に窒素ラジカルを供給する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth aspect, in the step of irradiating nitrogen plasma, nitrogen radicals are supplied to at least the surface of the group III nitride semiconductor layer.

第6の態様における半導体装置の製造方法においては、窒素プラズマを照射する工程では、第1絶縁性酸化膜の表面を窒化する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect, in the step of irradiating nitrogen plasma, the surface of the first insulating oxide film is nitrided.

第7の態様における半導体装置は、III 族窒化物半導体層と、III 族窒化物半導体層の上のゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上のゲート電極と、を有する。ゲート絶縁膜は、III 族窒化物半導体層の上のSiON膜と、SiON膜の上のSiN膜と、SiN膜の上のSiO2 膜と、を有する。SiON膜は、III 族窒化物半導体層に接触している。SiN膜は、SiON膜に接触している。SiO2 膜は、SiN膜に接触している。SiON膜の膜厚は、1nm以上4nm以下である。 A semiconductor device in a seventh aspect includes a group III nitride semiconductor layer, a gate insulating film on the group III nitride semiconductor layer, and a gate electrode on the gate insulating film. The gate insulating film includes an SiON film on the group III nitride semiconductor layer, a SiN film on the SiON film, and an SiO 2 film on the SiN film. The SiON film is in contact with the group III nitride semiconductor layer. The SiN film is in contact with the SiON film. The SiO 2 film is in contact with the SiN film. The thickness of the SiON film is 1 nm or more and 4 nm or less.

100…半導体装置
110…GaN基板
120…第1半導体層
130…第2半導体層
140…半導体領域
D1…ドレイン電極
S1…ソース電極
G1…ゲート電極
F10…ゲート絶縁膜
F11…SiON膜
F13…SiN膜
F14…SiO2
100...Semiconductor device 110...GaN substrate 120...First semiconductor layer 130...Second semiconductor layer 140...Semiconductor region D1...Drain electrode S1...Source electrode G1...Gate electrode F10...Gate insulating film F11...SiON film F13...SiN film F14 ...SiO 2 film

Claims (7)

III族窒化物半導体層の上に第1絶縁性酸化膜を成膜する工程と、
前記III族窒化物半導体層および前記第1絶縁性酸化膜に前記第1絶縁性酸化膜の側から窒素プラズマを照射する工程と、
前記第1絶縁性酸化膜を熱処理する第1熱処理工程と、
前記第1絶縁性酸化膜の上に第2絶縁性酸化膜を成膜する工程と、
前記第2絶縁性酸化膜を熱処理する第2熱処理工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
forming a first insulating oxide film on the group III nitride semiconductor layer;
irradiating the Group III nitride semiconductor layer and the first insulating oxide film with nitrogen plasma from the first insulating oxide film side;
a first heat treatment step of heat treating the first insulating oxide film;
forming a second insulating oxide film on the first insulating oxide film;
a second heat treatment step of heat treating the second insulating oxide film;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1絶縁性酸化膜を成膜する工程では、
前記第1絶縁性酸化膜の膜厚を2nm以上9nm以下とすること
を含む半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
In the step of forming the first insulating oxide film,
A method for manufacturing a semiconductor device, including setting the thickness of the first insulating oxide film to be 2 nm or more and 9 nm or less.
請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1熱処理工程の熱処理温度は、
前記第2熱処理工程の熱処理温度よりも高いこと
を含む半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2,
The heat treatment temperature in the first heat treatment step is:
A method for manufacturing a semiconductor device, the method comprising: heating the heat treatment at a temperature higher than the heat treatment temperature in the second heat treatment step.
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1熱処理工程の熱処理温度は、
800℃以上1000℃以下であること
を含む半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The heat treatment temperature in the first heat treatment step is:
A method for manufacturing a semiconductor device, the method comprising: 800°C or more and 1000°C or less.
請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素プラズマを照射する工程では、
前記III族窒化物半導体層の少なくとも表面に窒素ラジカルを供給すること
を含む半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
In the step of irradiating the nitrogen plasma,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising supplying nitrogen radicals to at least the surface of the Group III nitride semiconductor layer.
請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素プラズマを照射する工程では、
前記第1絶縁性酸化膜の表面を窒化すること
を含む半導体装置の製造方法。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
In the step of irradiating the nitrogen plasma,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising nitriding a surface of the first insulating oxide film.
GaN層と、
前記GaN層の上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上のゲート電極と、
を有し、
前記ゲート絶縁膜は、
前記GaN層の上のSiON膜と、
前記SiON膜の上のSiN膜と、
前記SiN膜の上のSiO膜と、
を有し、
前記SiON膜は、
前記GaN層に接触しており、
前記SiN膜は、
前記SiON膜に接触しており、
前記SiO膜は、
前記SiN膜に接触しており、
前記SiON膜の膜厚は、
1nm以上4nm以下であり、
前記SiON膜の窒素濃度は、前記GaN層から前記SiN膜に向かうにつれて連続的に増加していて、
前記SiON膜の酸素濃度は、前記GaN層から前記SiN膜に向かうにつれて連続的に減少している、
ことを含む半導体装置。
GaN layer;
a gate insulating film on the GaN layer;
a gate electrode on the gate insulating film;
has
The gate insulating film is
a SiON film on the GaN layer;
a SiN film on the SiON film;
an SiO 2 film on the SiN film;
has
The SiON film is
in contact with the GaN layer,
The SiN film is
is in contact with the SiON film,
The SiO 2 film is
is in contact with the SiN film,
The thickness of the SiON film is
1 nm or more and 4 nm or less ,
The nitrogen concentration of the SiON film increases continuously from the GaN layer toward the SiN film,
The oxygen concentration of the SiON film continuously decreases from the GaN layer toward the SiN film,
semiconductor devices including
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