WO2022264191A1

WO2022264191A1 - 半導体装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: WO2022264191A1
Application number: PCT/JP2021/022442
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Inventors: 高寛山田; 茉里香中村; 正尚伊藤; 雄貴滝口
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Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-22
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Abstract

半導体装置（１００）は、第１の窒化物半導体層（３）と、第１の窒化物半導体層（３）の上方に設けられ、第１の窒化物半導体層（３）との間で二次元電子ガスを形成する第２の窒化物半導体層（４）とを備える。第２の窒化物半導体層（４）の上方には、二次元電子ガスと電気的に接続したソース電極（５）およびドレイン電極（７）と、ソース電極（５）とドレイン電極（７）との間に配置されたゲート電極（６）とが設けられる。ゲート電極（６）とソース電極（５）との間には、第１の酸化物層（１１）と、第１の酸化物層（１１）の上方に設けられた第２の酸化物層（１２）とが形成されている。

Description

半導体装置および半導体装置の製造方法

　本開示は、窒化物半導体を用いた半導体装置に関する。

　窒化物半導体を用いて作製された半導体装置としては、電界効果型トランジスタや高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High electron mobility transistor）などが知られている（例えば下記の特許文献１，２）。中でも、ＨＥＭＴは、ヘテロ接合されたバンドギャップの異なる二つの窒化物半導体を備え、その接合界面に高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ：Two dimensional electron gas）が形成される。２ＤＥＧ中の電子移動度は非常に高く、ＨＥＭＴは、２ＤＥＧを電気伝導層に利用することで、横型の半導体装置として低いオン抵抗を実現している。また、窒化物半導体は、バンドギャップが広く、高い絶縁破壊電界と高い電子飽和速度を有している。そのため、窒化物半導体を用いて作製されたＨＥＭＴ（以下「窒化物半導体ＨＥＭＴ」という）は、耐圧とオン抵抗とのトレードオフの課題を解決でき、従来のケイ素（Ｓｉ）を用いて作製された半導体装置と比べて、高出力かつ高周波での動作が可能であることから、無線通信システムにおける電力増幅器などに利用されている。

特開２０１８－１１７１１４号公報特開２０１９－５０２３２号公報

　近年のモバイルコミュニケーションツールの急速な発展に伴う情報通信の大容量化および高速化の要求に対応するためには、半導体装置の性能向上が不可欠である。窒化物半導体ＨＥＭＴの更なる高出力動作化や高周波動作化には、ゲート長を短くすることが重要である。しかし、ゲート長を短縮すると、オフ状態からオン状態への切り替え時にソース電極側の２ＤＥＧ密度が不足するソーススタベーション効果と呼ばれる現象が発生し、印加電圧に対して期待されるドレイン電流値が得られなることが懸念される。

　本開示は以上のような課題を解決するためになされたものであり、ソーススタベーション効果を抑制することが可能な窒化物半導体装置を提供することを目的とする。

　本開示に係る半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記第１の窒化物半導体層との間で二次元電子ガスを形成する第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記二次元電子ガスと電気的に接続したソース電極と、前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記二次元電子ガスと電気的に接続したドレイン電極と、前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に配置された保護膜と、前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に配置された第１の酸化物層と、前記第１の酸化物層の上方に設けられた第２の酸化物層と、を備える。

　本開示に係る半導体装置によれば、ソーススタベーション効果が抑制される。

　本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す模式断面図である。実施の形態１に係る半導体装置の変形例を示す模式断面図である。第１の酸化物層と第２の酸化物層との積層構造に形成される電気ダイポールおよびダイポールモーメントの方向を示す模式図である。実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す模式断面図である。第１～第５の酸化物層の積層構造に形成される電気ダイポールおよびダイポールモーメントの方向を示す模式図である。実施の形態３に係る半導体装置を示す模式断面図である。

　以下、本開示の技術の実施の形態に係る窒化物半導体装置について、図面を参照して説明する。図面において、互いに同一または類似する要素にはそれぞれ同一の符号を付しているため、重複する説明は省略することもある。また、説明における「上方」、「下方」の文言は、構成要素の相対的な位置関係を示しており、必ずしも重力方向を基準とするものではない。

　なお、本明細書でいう「窒化物半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）あるいはそれらの中間組成を備える半導体の総称である。

　＜実施の形態１＞
　図１は、実施の形態１に係る半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１００は、窒化物半導体ＨＥＭＴである。図１に示すように、半導体装置１００は、基板１、バッファ層２、第１の窒化物半導体層３、第２の窒化物半導体層４、ソース電極５、ゲート電極６、ドレイン電極７、保護膜８、第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２を備える。

　基板１は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成される。炭化ケイ素以外にも、ケイ素、窒化ガリウム、サファイア（酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３））などを基板１の材料として適用することが可能である。

　バッファ層２は、基板１と第１の窒化物半導体層３との間の格子不整合による格子歪みを緩和する機能を備える。バッファ層２は、例えば窒化アルミニウムで構成される。窒化アルミニウム以外にも、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ（０＜Ｘ＜１））などを、バッファ層２の材料としてもよい。バッファ層２をバンドギャップが大きい材料で構成すると、格子歪みが緩和される効果とともに、半導体装置の耐圧を向上させる効果も得られる。

　第１の窒化物半導体層３は、バッファ層２の上方に設けられる。第１の窒化物半導体層３は、チャネル層（電子走行層）とも称される。チャネル層は、例えば、アンドープのＧａＮで構成される。チャネル層の厚さは、例えば０．１μｍ以上、１０μｍ以下である。

　また、チャネル層は、例えば鉄（Ｆｅ）および炭素（Ｃ）の片方または両方を添加元素として含む積層構造から構成されてもよい。例えば、バッファ層２側に配置された高濃度の添加元素を含む層と、その上層に配置された低濃度の添加元素を含む層とを備える積層構造のチャネル層が用いられてもよい。バッファ層の添加元素の濃度範囲としては、鉄の濃度は１×１０^１５ｃｍ^－３以上、１×１０^１９ｃｍ^－３以下、炭素の濃度は１×１０^１６ｃｍ^－３以上、１×１０^１９ｃｍ^－３以下が好ましい。この添加元素によってチャネル層中に捕獲電荷が形成され、チャネル層を通じてリーク電流が流れることを抑制する効果が得られる。

　第２の窒化物半導体層４は、第１の窒化物半導体層３の上方に設けられ、第１の窒化物半導体層３との間で二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。第２の窒化物半導体層４は、バリア層（電子供給層）とも称される。バリア層は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ＹＧａ_１－ＹＮ（０＜Ｙ＜１））で構成される。例えば、バリア層として、Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ｎからなる厚さ２０ｎｍの層を用いることができる。バリア層のバンドギャップは、チャネル層のバンドギャップよりも大きく、チャネル層とバリア層とのヘテロ接合界面では、ピエゾ分極と自発分極により生じた分極電荷により、アンドープでも高濃度の２ＤＥＧが形成される。この２ＤＥＧは、窒化物半導体ＨＥＭＴの電気伝導層として用いられる。

　ソース電極５、ゲート電極６およびドレイン電極７は、第２の窒化物半導体層４の上方に互いに離間して設けられている。ソース電極５およびドレイン電極７は、例えば金属電極であり、具体的には、チタン（Ｔｉ）やアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）などの単層もしくは積層構造から構成される。ソース電極５と第２の窒化物半導体層４との間の接続、および、ドレイン電極７と第２の窒化物半導体層４との間の接続は、それぞれオーミックコンタクトであることが望ましい。それらのオーミックコンタクトを実現するため、第２の窒化物半導体層４の少なくともソース電極５およびドレイン電極７の下方の領域に、ｎ型のドーピングを行ってもよい。ｎ型のドーピングは、例えば、ケイ素のイオン注入によって行うことができる。ソース電極５およびドレイン電極７は、第２の窒化物半導体層４を通して２ＤＥＧと電気的に接続される。

　ゲート電極６は、ソース電極５とドレイン電極７との間に配置される。ゲート電極６は、例えば、金属電極であり、具体的には、ニッケル（Ｎｉ）や白金（Ｐｔ）などの単層もしくは積層構造から構成される。金属以外にも、ボロン（Ｂ）をドーピングしたｐ型ポリシリコン、リン（Ｐ）をドーピングしたｎ型ポリシリコンなどを、ゲート電極６の材料としてもよい。ゲート電極６は、第２の窒化物半導体層４との間でショットキー接合を形成する。

　ただし、ゲート電極６と第２の窒化物半導体層４との間は、必ずしもショットキー接合でなくてよく、例えば図２のように、ゲート電極６と第２の窒化物半導体層４との間にゲート絶縁膜９を介在させることで、ゲート部を金属－絶縁体－半導体（ＭＩＳ：Metal-Insulator-Semiconductor）構造を適用してもよい。ゲート長を短縮したデバイスでは、順方向のゲート電圧を印加した際に生じるゲートリーク電流の増加が問題の一つとなるが、ゲート部をＭＩＳ構造にすることにより、ゲートリーク電流を低減する効果が期待できる。ゲート絶縁膜９の材料としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）など、バンドギャップの広い材料もしくは誘電率の高い材料が用いられることが好ましい。ゲート絶縁膜９は、それらの単層もしくは積層構造から構成される。ゲート絶縁膜９は非晶質でもよいし、結晶でもよい。

　保護膜８は、第２の窒化物半導体層４の上方に設けられ、ゲート電極６とドレイン電極７との間に配置される。保護膜８は、例えば絶縁膜である。また、保護膜８は、例えば非晶質である。保護膜８は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成される。窒化シリコン以外にも、例えば、酸化シリコンや酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウムなどを保護膜８の材料として適用することも可能である。

　保護膜８には、第２の窒化物半導体層４の表面に存在するエネルギー準位の深い欠陥の密度を低減させる作用があり、それにより、トランジスタの駆動時に引き起こされる電流コラプス現象を抑制できる効果が得られる。その一方で、保護膜８は、第２の窒化物半導体層４との間で新たな界面欠陥を生じさせる。界面欠陥は、表面欠陥に比べてエネルギー準位が低いものの、電流コラプス現象の原因になると考えられることから、保護膜８を形成する場合は、第２の窒化物半導体層４との間で界面欠陥が形成されにくい材料や成膜方法を選定することが望ましい。

　第１の酸化物層１１は、第２の窒化物半導体層４の上方に設けられ、ゲート電極６とソース電極５との間に配置される。第１の酸化物層１１は、例えば酸化シリコンで構成される。酸化シリコン以外に、例えば酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ_２）を第１の酸化物層１１の材料として適用することも可能である。第１の酸化物層１１には、保護膜８と同様に、窒化物半導体層４の表面に存在する深い準位の欠陥の密度を低減させ、電流コラプス現象を抑制する効果がある。また、第１の酸化物層１１は窒素を含有し、第１の酸化物層１１の窒素の含有量は３０％以下である。第１の酸化物層１１が窒素を含有することで、外部から第１の酸化物層１１への不純物の混入を低減する効果が得られる。第１の酸化物層１１は、例えば非晶質である。第１の酸化物層１１の厚さは、例えば３ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である。

　第２の酸化物層１２は、第１の酸化物層１１の上方に設けられ、第１の酸化物層１１に接している。第２の酸化物層１２も、第１の酸化物層１１と同様に、ゲート電極６とソース電極５との間に配置される。第２の酸化物層１２は、例えば、酸化アルミニウムで構成される。酸化アルミニウム以外に、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）の内の少なくとも一つの元素から構成される酸化物を、第２の酸化物層１２の材料として適用することも可能である。第２の酸化物層１２の酸素面密度は、第１の酸化物層１１の酸素面密度よりも高い。第２の酸化物層１２は、例えば非晶質である。第２の酸化物層１２の厚さは、例えば１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

　ここで、第１の酸化物層１１と第２の酸化物層１２との接合界面を「第１の接合界面」と定義する。第２の酸化物層１２は、第１の接合界面において、第２の酸化物層１２の酸素面密度が第１の酸化物層１１の酸素面密度よりも高くなるように構成される。これにより、第２の酸化物層１２の酸素が第１の酸化物層１１に移動し、図３に示すように、第１の接合界面に、第１の酸化物層１１側が負、第２の酸化物層１２側が正に帯電した電気双極子（ダイポール）が形成される。したがって、第１の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きは、第１の酸化物層１１から第２の酸化物層１２へ向かう方向になる。

　上述のように、第１の接合界面に形成された電気ダイポールのダイポールモーメントの向きが、第１の酸化物層１１から第２の酸化物層１２へ向かう方向になると、第１の酸化物層１１と第２の酸化物層１２との積層構造の下方に位置する第２の窒化物半導体層４のポテンシャルが引き下げられ、ゲート電極６とソース電極５との間の２ＤＥＧ密度が増加する。したがって、第１の接合界面に電気ダイポールモーメントを形成することで、窒化物半導体ＨＥＭＴ、とりわけ、短ゲートの窒化物半導体ＨＥＭＴにおいて懸念されるオフ状態からオン状態への切り替え時にソース電極側の２ＤＥＧ密度が不足するソーススタベーション効果を抑制することが可能となる。言い換えると、ゲート電極６とドレイン電極との間には第１の酸化物層１１及び第２の酸化物層１２のような酸素面密度の関係を有する酸化物層は設けず、ゲート電極６とソース電極５との間にのみ第１の酸化物層１１及び第２の酸化物層１２を設けることでソーススタベーション効果を抑制することが可能となる。

　ここで、第１の酸化物層１１の材料は、イオン性の強い材料でないことが好ましい。なぜなら、第１の酸化物層１１の材料のイオン性が強いと、第２の酸化物層１２との間の酸素の移動と同時に金属カチオンも移動するため、第１の接合界面に形成される電荷の補償が起こり、電気ダイポールが形成されないからである。

　以下、図１に示した実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、基板１の上方に、バッファ層２、第１の窒化物半導体層３、第２の窒化物半導体層４の各層を、この順番でエピタキシャル成長により形成する。各層のエピタキシャル成長には、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metalorganic chemical vapor deposition）などを用いることができる。

　次に、第２の窒化物半導体層４の上方に保護膜８を形成する。保護膜８の形成には、例えば、プラズマＣＶＤ法もしくは原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic layer deposition）などを用いることができる。

　保護膜８の形成後、保護膜８が結晶化し始める温度以下で熱処理を施す。例えば保護膜８が窒化膜もしくは酸窒化膜である場合、この熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる。また、保護膜８が、酸化膜である場合、この熱処理は、少量の酸素ガスを含む不活性ガス雰囲気中で行われてもよい。

　続いて、リソグラフィー法およびエッチング法などの手法を用いて、ゲート電極６とドレイン電極７との間の領域以外の保護膜８を除去する。保護膜８を除去するためのエッチング法としては、例えば、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いることができる。ドライエッチング法としては、例えば、誘導結合プラズマを用いた反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ－ＲＩＥ：Iductively coupled plasma-Reactive ion etching）などを適用可能である。

　次に、ソース電極５の形成領域とゲート電極６の形成領域との間の領域に、第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２を形成する。第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２の形成方法は、基本的に、保護膜８の形成方法と同様でよい。

　第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２の形成後には、第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２が結晶化しない温度範囲で熱処理を施す。この熱処理には、第１の接合界面に形成される電気ダイポールを活性化させる効果がある。当該熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気中もしくは少量の酸素ガスを含む不活性ガス雰囲気中（例えば、酸素濃度が０．１％の雰囲気中）で行われる。

　最後に、第２の窒化物半導体層４の上方に、ソース電極５、ドレイン電極７、ゲート電極６をそれぞれ形成する。以上の工程により、図１に示した半導体装置１００の構成が得られる。

　＜実施の形態２＞
　図４は、実施の形態２に係る半導体装置２００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置２００も、窒化物半導体ＨＥＭＴである。図４の半導体装置２００の構成は、図１に示した半導体装置１００の構成に対し、第２の酸化物層１２の上方に、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５を追加したものである。第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２と同様に、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５も、ゲート電極６とソース電極５との間に配置される。

　第３の酸化物層１３は、第２の酸化物層１２の上方に設けられ、第２の酸化物層１２に接している。第３の酸化物層１３は、例えば酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）で構成される。酸化イットリウム以外に、例えば、ランタノイド（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ）、ストロンチウム（Ｓｒ）のうちの少なくとも一つの元素の酸化物を、第３の酸化物層１３の材料として適用することも可能である。第３の酸化物層１３の酸素面密度は、酸化シリコンの酸素面密度よりも低い。第３の酸化物層１３は、例えば非晶質である。第３の酸化物層１３の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

　第４の酸化物層１４は、第３の酸化物層１３の上方に設けられ、第３の酸化物層１３に接している。第４の酸化物層１４は、例えば酸化シリコンで構成される。酸化シリコン以外に、例えば酸化ゲルマニウムを第４の酸化物層１４の材料として適用することも可能である。第４の酸化物層１４は、例えば非晶質である。第４の酸化物層１４の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下である。

　第５の酸化物層１５は、第４の酸化物層１４の上に設けられ、第４の酸化物層１４に接している。第５の酸化物層１５は、例えば酸化アルミニウムで構成される。酸化アルミニウム以外に、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、スカンジウム（Ｓｃ）の内の少なくとも一つの元素から構成される酸化物を、第５の酸化物層１５の材料として適用することも可能である。第５の酸化物層１５の酸素面密度は、酸化シリコンの酸素面密度よりも高い。第５の酸化物層１５は、例えば非晶質である。第５の酸化物層１５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

　ここで、第２の酸化物層１２と第３の酸化物層１３との接合界面を「第２の接合界面」、第３の酸化物層１３と第４の酸化物層１４との接合界面を「第３の接合界面」、第４の酸化物層１４と第５の酸化物層１５との接合界面を「第４の接合界面」と定義する。

　第３の酸化物層１３は、第２の接合界面において、第３の酸化物層１３の酸素面密度が第２の酸化物層１２の酸素面密度よりも低くなるように構成される。これにより、第２の酸化物層１２の酸素が第３の酸化物層１３に移動する。ただし、第２の酸化物層１２および第３の酸化物層１３はともにイオン性の強い材料であるため、第２の接合界面では酸素の移動によって形成される電気ダイポールを補償するように金属カチオンも移動する。よって、図５に示すように、第２の接合界面には、電気ダイポールは形成されない。例えば、第２の酸化物層１２が酸化アルミニウム、第３の酸化物層１３が酸化イットリウムである場合、両者の酸素面密度は大きく異なるが、第２の接合界面には電気ダイポールは形成されないことが実験的に確認されている（参考文献：S.Hibino et al.,"Counter Dipole Layer Formation in Multilayer High-k Gate Stacks",Japanese Journal of Applied Physics 51,081303（2012））。

　一方、第４の酸化物層１４は、第３の接合界面において、第４の酸化物層１４の酸素面密度が第３の酸化物層１３の酸素面密度よりも高くなるように構成される。また、第５の酸化物層１５は、第４の接合界面において、第５の酸化物層１５の酸素面密度が第４の酸化物層１４の酸素面密度よりも高くなるように構成される。よって、第３の接合界面および第４の接合界面には、それぞれ電気ダイポールが形成される。第３の接合界面で形成される電気ダイポールは、第３の酸化物層１３側が負、第４の酸化物層１４側が正に帯電する。第４の接合界面で形成される電気ダイポールは、第４の酸化物層１４側が負、第５の酸化物層１５側が正に帯電する。よって、第３の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きと、第４の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きとは、互いに同じ方向であり、且つ、第１の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きとも同じ方向である。

　したがって、実施の形態２に係る半導体装置２００の第１の酸化物層１１、第２の酸化物層１２、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５に生じるダイポールモーメントの強度は、実施の形態１に係る半導体装置１００の第１の酸化物層１１と第２の酸化物層１２との積層構造に生じるダイポールモーメントの強度よりも高いものとなる。つまり、実施の形態２に係る半導体装置２００のソース電極５とゲート電極６との間の領域に生じるダイポールモーメントの強度は、実施の形態１に係る半導体装置１００のソース電極５とゲート電極６との間の領域に生じるダイポールモーメントの強度よりも高くなる。それにより、実施の形態２に係る半導体装置２００のゲート電極６とソース電極５との間の２ＤＥＧ密度は、実施の形態１の半導体装置１００のそれよりも高くなるので、窒化物半導体ＨＥＭＴのソーススタベーション現象の抑制効果も実施の形態１より高いものとなる。

　なお、実施の形態２に係る半導体装置２００の製造方法は、実施の形態１に係る半導体装置１００の製造方法に対し、第２の酸化物層１２の上に第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５を形成する工程を追加したものとなる。また、第１の酸化物層１１、第２の酸化物層１２、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５の形成後には、それらの酸化物層が結晶化しない温度範囲で、電気ダイポールを活性化させるための熱処理を施す。当該熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気中もしくは少量の酸素ガスを含む不活性ガス雰囲気中（例えば、酸素濃度が０．１％の雰囲気中）で行われる。

　＜実施の形態３＞
　図６は、実施の形態３に係る半導体装置３００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置３００も、窒化物半導体ＨＥＭＴである。図６の半導体装置２００の構成は、図４に示した半導体装置２００の構成に対し、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５から構成される積層構造２０を、第２の酸化物層１２の上方に周期的に積み重ねたものである。以下、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５から構成される積層構造２０を「単位積層構造」という。

　単位積層構造２０のそれぞれは、第２の酸化物層１２と第３の酸化物層１３との接合界面である第２の接合界面と、第３の酸化物層１３と第４の酸化物層１４との接合界面である第３の接合界面とを有している。また、実施の形態２で説明したように、第３の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きと、第４の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きとは、互いに同じ方向であり、且つ、第１の接合界面で形成される電気ダイポールのダイポールモーメントの向きとも同じ方向である。よって、ソース電極５とゲート電極６との間の領域に生じるダイポールモーメントの強度は、積み重ねられた単位積層構造２０の個数が多くなるほど高くなる。

　したがって、単位積層構造２０を複数個積み重ねた構造を有する実施の形態３に係る半導体装置３００のソース電極５とゲート電極６との間の領域に生じるダイポールモーメントの強度は、単位積層構造２０を１つのみ有する実施の形態２に係る半導体装置２００のソース電極５とゲート電極６との間の領域に生じるダイポールモーメントの強度よりも高くなる。それにより、実施の形態３に係る半導体装置３００のゲート電極６とソース電極５との間の２ＤＥＧ密度は、実施の形態２の半導体装置２００のそれよりも高くなるので、窒化物半導体ＨＥＭＴのソーススタベーション現象の抑制効果も実施の形態２より高いものとなる。

　なお、実施の形態３に係る半導体装置３００の製造方法は、実施の形態２に係る半導体装置１００の製造方法に対し、第３の酸化物層１３、第４の酸化物層１４および第５の酸化物層１５を形成する工程（つまり、単位積層構造２０を形成する工程）を複数回繰り返したものとなる。また、第１の酸化物層１１および第２の酸化物層１２と、複数の単位積層構造２０を形成した後には、それらの酸化物層が結晶化しない温度範囲で、電気ダイポールを活性化させるための熱処理を施す。当該熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気中もしくは少量の酸素ガスを含む不活性ガス雰囲気中（例えば、酸素濃度が０．１％の雰囲気中）で行われる。

　なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

　上記した説明は、すべての態様において、例示であって、例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。

　１　基板、２　バッファ層、３　第１の窒化物半導体層、４　第２の窒化物半導体層、５　ソース電極、６　ゲート電極、７　ドレイン電極、８　保護膜、９　ゲート絶縁膜、１１　第１の酸化物層、１２　第２の酸化物層、１３　第３の酸化物層、１４　第４の酸化物層、１５　第５の酸化物層、２０　単位積層構造、１００，２００，３００　半導体装置。

Claims

　第１の窒化物半導体層と、
　前記第１の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記第１の窒化物半導体層との間で二次元電子ガスを形成する第２の窒化物半導体層と、
　前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記二次元電子ガスと電気的に接続したソース電極と、
　前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記二次元電子ガスと電気的に接続したドレイン電極と、
　前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、
　前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に配置された保護膜と、
　前記第２の窒化物半導体層の上方に設けられ、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に配置された第１の酸化物層と、
　前記第１の酸化物層の上方に設けられた第２の酸化物層と、
を備える半導体装置。
　前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間の接合界面において、前記第１の酸化物層の酸素面密度は、前記第２の酸化物層の酸素面密度より低い、
請求項１に記載の半導体装置。
　前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層は、いずれも非晶質である、
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
　前記第１の酸化物層は、窒素を含有する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置。
　前記第２の酸化物層の上方に設けられた第３の酸化物層と、
　前記第３の酸化物層の上方に設けられた第４の酸化物層と、
前記第４の酸化物層の上方に設けられた第５の酸化物層と、
をさらに備える、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置。
　前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との接合界面において、前記第２の酸化物層の酸素面密度は、前記第３の酸化物層の酸素面密度より高く、
　前記第３の酸化物層と前記第４の酸化物層との接合界面において、前記第３の酸化物層の酸素面密度は、前記第４の酸化物層の酸素面密度より低く、
　前記第４の酸化物層と前記第５の酸化物層との接合界面において、前記第４の酸化物層の酸素面密度は、前記第５の酸化物層の酸素面密度より低い、
請求項５に記載の半導体装置。
　前記第３の酸化物層、前記第４の酸化物層および前記第５の酸化物層が、いずれも非晶質である、
請求項５または請求項６に記載の半導体装置。
　前記第３の酸化物層、前記第４の酸化物層および前記第５の酸化物層から構成される単位積層構造が、前記第２の酸化物層の上方に周期的に形成されている、
請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置。
　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
　前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層を形成する工程と、
　前記第１の酸化物層および前記第２の酸化物層が結晶化しない温度範囲で熱処理を行う工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
　請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
　前記第１の酸化物層、前記第２の酸化物層、前記第３の酸化物層、前記第４の酸化物層および前記第５の酸化物層を形成する工程と、
　前記第１の酸化物層、前記第２の酸化物層、前記第３の酸化物層、前記第４の酸化物層および前記第５の酸化物層が結晶化しない温度範囲で熱処理を行う工程と、
を備える半導体装置の製造方法。