特開 2020-31171 半導体層と絶縁体層との界面特性の測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-31171(P2020-31171A)

(43)【公開日】2020年2月27日

(54)【発明の名称】半導体層と絶縁体層との界面特性の測定方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20200131BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20200131BHJP

   G01N 27/22 20060101ALI20200131BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20200131BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20200131BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/66 Q

   G01N27/00 J

   G01N27/22 C

   H01L21/66 V

   H01L29/78 301T

   H01L29/78 658L

   H01L29/78 653A

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-157105(P2018-157105)

(22)【出願日】2018年8月24日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】生田目 俊秀

(72)【発明者】

【氏名】上殿 明良

【テーマコード（参考）】

2G060

4M106

5F140

【Ｆターム（参考）】

2G060AA09

2G060AD01

2G060AF03

2G060AF10

2G060AG14

2G060DA11

2G060DA31

2G060HA02

2G060HE03

4M106AA10

4M106BA04

4M106BA14

4M106CA12

5F140AA06

5F140AA37

5F140BA00

5F140BA04

5F140BA06

5F140BC12

5F140BD05

5F140BD07

5F140BD09

5F140BD11

5F140BD12

5F140BE09

5F140BE16

5F140BF04

5F140BF05

(57)【要約】

【課題】半導体装置の半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法を提供する。
【解決手段】該方法は、蓄積状態から空乏状態までゲート電極−基板間の電圧をスイープしている間にゲート電極−基板間に形成されるキャパシタの容量値を計測し、その後、空乏状態から蓄積状態までゲート電極−基板間の電圧をスイープしている間にゲート電極−基板間に形成されるキャパシタの容量値を計測し、更に、蓄積状態から空乏状態までゲート電極−基板間の電圧を再度スイープしている間にゲート電極−基板間に形成されるキャパシタの容量値を計測し、その後、半導体層と絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行ってから、空乏状態から蓄積状態までゲート電極−基板間の電圧を再度スイープしている間にゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測し、計測されたキャパシタの容量値より界面特性を推定する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板に設けられた半導体層と、ゲート電極と、前記半導体層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備える半導体装置における、前記半導体層と前記絶縁体層との界面特性を測定するための方法であって、
（ａ）前記絶縁体層と隣接する前記半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、前記ゲート電極と前記基板との間に電圧を印加するステップと、
（ｂ）前記蓄積状態から、前記絶縁体層と隣接する前記半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、前記ゲート電極と前記基板との間の電圧をスイープし、前記空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の間に、前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｂ）の後、前記空乏状態から前記蓄積状態が形成されるようになるまで、前記ゲート電極と前記基板との間の電圧をスイープし、前記蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）の間に、前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｄ）の後、前記蓄積状態から前記空乏状態が形成されるようになるまで、前記ゲート電極と前記基板との間の電圧を再度スイープし、前記空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）の間に、前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップと、
（ｈ）前記ステップ（ｆ）の後、前記半導体層と前記絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行うステップと、
（ｉ）前記ステップ（ｈ）の後、前記空乏状態から前記蓄積状態が形成されるようになるまで、前記ゲート電極と前記基板との間の電圧を再度スイープし、前記蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップと、
（ｊ）前記ステップ（ｉ）の間に、前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップと、
（ｋ）前記ステップ（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｊ）において計測されたキャパシタの容量値より、前記界面特性を推定するステップと
を含む方法。

【請求項2】

前記ステップ（ｂ）において、前記蓄積状態の電圧から前記空乏状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第１のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、前記ステップ（ｄ）において、前記空乏状態の電圧から前記蓄積状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第２のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、前記ステップ（ｆ）において、前記蓄積状態の電圧から前記空乏状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第３のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、前記ステップ（ｉ）において、前記空乏状態の電圧から前記蓄積状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第４のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ステップ（ｋ）において、前記第２のフラットバンド電圧と前記第４のフラットバンド電圧とを比較する、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記ステップ（ｋ）において、前記比較した結果を使用して、前記半導体層のバンドギャップの範囲における深い界面準位にトラップされた電荷の密度を推定する、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記ステップ（ｈ）において、前記半導体層のバンドギャップエネルギーまでのエネルギーを有する光子による光照射を行う、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記ステップ（ｈ）において、小さいエネルギーを有する光子による光照射から大きいエネルギーを有する光子による光照射に向かってスイープさせるように光照射を行う、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記ステップ（ａ）〜（ｇ）、（ｉ）〜（ｋ）においては光照射を行わない、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記半導体層は、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンド、及び窒化アルミニウムからなる群から選択された１つを含む、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記絶縁体層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｓｃ、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも１つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む、請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記ゲート電極は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。

【請求項11】

スイープ電源と、容量測定器と、制御装置と、光源とを備える装置において、基板と、前記基板に設けられた半導体層と、ゲート電極と、前記半導体層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備える半導体装置における、前記半導体層と前記絶縁体層との界面特性の測定を実行させるためのプログラムであって、
（ａ）前記絶縁体層と隣接する前記半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、前記スイープ電源によって前記ゲート電極と前記基板との間に電圧を印加させるステップと、
（ｂ）前記蓄積状態から、前記絶縁体層と隣接する前記半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、前記スイープ電源によって前記ゲート電極と前記基板との間の電圧をスイープさせ、前記空乏状態が形成された後、前記スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップと、
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の間に、前記容量測定器によって前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｂ）の後、前記空乏状態から前記蓄積状態が形成されるようになるまで、前記スイープ電源によって前記ゲート電極と前記基板との間の電圧をスイープさせ、前記蓄積状態が形成された後、前記スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）の間に、前記容量測定器によって前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップと、
（ｆ）前記ステップ（ｄ）の後、前記蓄積状態から前記空乏状態が形成されるようになるまで、前記スイープ電源によって前記ゲート電極と前記基板との間の電圧を再度スイープさせ、前記空乏状態が形成された後、前記スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップと、
（ｇ）前記ステップ（ｆ）の間に、前記容量測定器によって前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップと、
（ｈ）前記ステップ（ｆ）の後、前記光源によって前記半導体層と前記絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行わせるステップと、
（ｉ）前記ステップ（ｈ）の後、前記空乏状態から前記蓄積状態が形成されるようになるまで、前記スイープ電源によって前記ゲート電極と前記基板との間の電圧を再度スイープさせ、前記蓄積状態が形成された後、前記スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップと、
（ｊ）前記ステップ（ｉ）の間に、前記容量測定器によって前記ゲート電極と前記基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップと、
（ｋ）前記ステップ（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｊ）において計測されたキャパシタの容量値より、前記制御装置によって前記界面特性を推定させるステップと
を含むプログラム。

【請求項12】

前記スイープ電源によって、前記ステップ（ｂ）において、前記蓄積状態の電圧から前記空乏状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第１のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、前記ステップ（ｄ）において、前記空乏状態の電圧から前記蓄積状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第２のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、前記ステップ（ｆ）において、前記蓄積状態の電圧から前記空乏状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第３のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、前記ステップ（ｉ）において、前記空乏状態の電圧から前記蓄積状態の電圧まで前記半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第４のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせる、請求項１１に記載のプログラム。

【請求項13】

前記ステップ（ｋ）において、前記制御装置によって前記第２のフラットバンド電圧と前記第４のフラットバンド電圧とを比較させる、請求項１２に記載のプログラム。

【請求項14】

前記ステップ（ｋ）において、前記制御装置によって前記比較した結果を使用して前記半導体層のバンドギャップの範囲における深い界面準位にトラップされた電荷の密度を推定させる、請求項１３に記載のプログラム。

【請求項15】

前記ステップ（ｈ）において、前記光源によって前記半導体層のバンドギャップエネルギーまでのエネルギーを有する光子による光照射を行わせる、請求項１１〜１４の何れか一項に記載のプログラム。

【請求項16】

前記ステップ（ｈ）において、前記光源によって小さいエネルギーを有する光子による光照射から大きいエネルギーを有する光子による光照射に向かってスイープさせるように光照射を行わせる、請求項１５に記載のプログラム。

【請求項17】

前記ステップ（ａ）〜（ｇ）、（ｉ）〜（ｋ）においては、前記光源によって光照射を行わせない、請求項１１〜１６の何れか一項に記載のプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置の半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法及びプログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ワイドギャップ半導体は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体のように、青色の半導体レーザのような短波長の光デバイスだけでなく、その高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い飽和電子速度によって、高周波デバイスやパワーデバイスとしても注目されている。例えば、ＧａＮ系の半導体は、そのバンドギャップは３．４ｅＶであって、シリコン（Ｓｉ）系やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）系の２倍以上の飽和電子速度を有し、Ｓｉ系の約１０倍、ＧａＡｓ系の約７．５倍の絶縁破壊電界強度を有する。更に、半導体を用いた高周波・高出力増幅器の性能を比較する指標としてよく用いられる、飽和電子速度×絶縁破壊電界強度／２πで表されるＪｏｈｎｓｏｎ指数で比較すると、ＧａＮ系は、Ｓｉ系と比較して約２７倍、ＧａＡｓ系と比較しても約１５倍の大きさであることから、圧倒的な優位性を有する半導体として認識されている。

【0003】

しかし、ワイドギャップ半導体系のＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、等の半導体装置においては、半導体層の表面上の酸化物の存在等によって半導体層と絶縁体層との界面に界面準位が発生して、その界面準位に電荷がトラップされ、このようなトラップされた電荷が、ＭＩＳＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、等の半導体装置の移動度、閾値電圧、等のデバイス特性に影響を与える。従って、半導体層と絶縁体層との界面準位にトラップされた電荷の有無を判断できる測定方法が非常に重要である。なおここで、ワイドギャップ半導体系の半導体装置とは、ワイドギャップ半導体を含む半導体層を有する半導体装置のことをいう。

【0004】

特許文献１には、白色光源からの光を分光した単一波長光をゲート電極／酸化膜／ｎ型シリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）のＭＯＳ構造の半導体試料に照射しつつ、Ｃ−Ｖ（容量−電圧）測定装置を使用してＣ−Ｖ特性を測定し、その測定結果から深いトラップ準位を評価することができることが開示されている。

【0005】

非特許文献１には、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）／窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）／窒化ガリウム（ＧａＮ）から構成されたパワーデバイスに、窒化アルミニウムガリウムのバンドギャップエネルギーの大きさの半分までのエネルギーを有する光子によって光照射を行うことによって、半導体層と絶縁体層との間の界面準位において、バンドギャップの浅いエネルギー準位からハンドギャップの中間のエネルギー準位までの界面準位密度の評価を行うために、Ｃ−Ｖ特性を測定することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−８５４８４号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Jpn. J. Appl. Phys. 50 (2001) 021001

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１のように、半導体試料に常に光照射を行いながらＣ−Ｖ特性を測定すると、空乏状態で、光照射によって生成した電荷が容量として観測され、Ｃ−Ｖ曲線から正確なフラットバンド電圧を求めることが難しいという問題点がある。

【0009】

また非特許文献１においては、窒化アルミニウムガリウムのバンドギャップエネルギーの大きさの半分までのエネルギーを有する光子によって光照射を行っているために、バンドギャップの深いエネルギー準位にトラップされた電荷の有無を判断することができないという問題点がある。

【0010】

本発明は、上記問題点を解決して、半導体層と絶縁体層との間の界面準位において、バンドギャップの浅いエネルギー準位から深いエネルギー準位までにトラップされた電荷の有無を判断することができる測定方法及びプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の１つの観点によれば、基板と、基板に設けられた半導体層と、ゲート電極と、半導体層とゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備える半導体装置における、半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法が、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、ゲート電極と基板との間に電圧を印加するステップ（ａ）と、蓄積状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、ゲート電極と基板との間の電圧をスイープし、空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）の間に、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップ（ｃ）と、ステップ（ｂ）の後、空乏状態から蓄積状態が形成されるようになるまで、ゲート電極と基板との間の電圧をスイープし、蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップ（ｄ）と、ステップ（ｄ）の間に、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップ（ｅ）と、ステップ（ｄ）の後、蓄積状態から空乏状態が形成されるようになるまで、ゲート電極と基板との間の電圧を再度スイープし、空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップ（ｆ）と、ステップ（ｆ）の間に、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップ（ｇ）と、ステップ（ｆ）の後、半導体層と絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行うステップ（ｈ）と、ステップ（ｈ）の後、空乏状態から蓄積状態が形成されるようになるまで、ゲート電極と基板との間の電圧を再度スイープし、蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止するステップ（ｉ）と、ステップ（ｉ）の間に、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測するステップ（ｊ）と、ステップ（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｊ）において計測されたキャパシタの容量値より界面特性を推定するステップ（ｋ）とを含む。

【0012】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ｂ）において、蓄積状態の電圧から空乏状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第１のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、上記方法のステップ（ｄ）において、空乏状態の電圧から蓄積状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第２のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、上記方法のステップ（ｆ）において、蓄積状態の電圧から空乏状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第３のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープし、上記方法のステップ（ｉ）において、空乏状態の電圧から蓄積状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第４のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープする。

【0013】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ｋ）において、第２のフラットバンド電圧と第４のフラットバンド電圧とを比較する。

【0014】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ｋ）において、上記比較した結果を使用して、半導体層のバンドギャップの範囲における深い界面準位にトラップされた電荷の密度を推定する。

【0015】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ｈ）において、半導体層のバンドギャップエネルギーまでのエネルギーを有する光子による光照射を行う。

【0016】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ｈ）において、小さいエネルギーを有する光子による光照射から大きいエネルギーを有する光子による光照射に向かってスイープさせるように光照射を行う。

【0017】

本発明の一具体例によれば、上記方法のステップ（ａ）〜（ｇ）、（ｉ）〜（ｋ）においては光照射を行わない。

【0018】

本発明の一具体例によれば、上記方法において、半導体層は、窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンド、及び窒化アルミニウムからなる群から選択された１つを含む。

【0019】

本発明の一具体例によれば、上記方法において、絶縁体層は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｇａ、Ｙ、Ｓｃ、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも１つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。

【0020】

本発明の一具体例によれば、上記方法において、ゲート電極は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、ｐｏｌｙ−Ｓｉからなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0021】

本発明の１つの観点によれば、スイープ電源と、容量測定器と、制御装置と、光源とを備える装置において、基板と、基板に設けられた半導体層と、ゲート電極と、半導体層とゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備える半導体装置における、半導体層と絶縁体層との界面特性の測定を実行させるためのプログラムが、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、スイープ電源によってゲート電極と基板との間に電圧を印加させるステップ（ａ）と、蓄積状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、スイープ電源によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープさせ、空乏状態が形成された後、スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップ（ｂ）と、ステップ（ｂ）の間に、容量測定器によってゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップ（ｃ）と、ステップ（ｂ）の後、空乏状態から蓄積状態が形成されるようになるまで、スイープ電源によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープさせ、蓄積状態が形成された後、スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップ（ｄ）と、ステップ（ｄ）の間に、容量測定器によってゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップ（ｅ）と、ステップ（ｄ）の後、蓄積状態から空乏状態が形成されるようになるまで、スイープ電源によってゲート電極と基板との間の電圧を再度スイープさせ、空乏状態が形成された後、スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップ（ｆ）と、ステップ（ｆ）の間に、容量測定器によってゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップ（ｇ）と、ステップ（ｆ）の後、光源によって半導体層と絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行わせるステップ（ｈ）と、ステップ（ｈ）の後、空乏状態から蓄積状態が形成されるようになるまで、スイープ電源によってゲート電極と基板との間の電圧を再度スイープさせ、蓄積状態が形成された後、スイープ電源の電圧のスイープを停止させるステップ（ｉ）と、ステップ（ｉ）の間に、容量測定器によってゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測させるステップ（ｊ）と、ステップ（ｃ）、（ｅ）、（ｇ）、（ｊ）において計測されたキャパシタの容量値より、制御装置によって界面特性を推定させるステップ（ｋ）とを含む。

【0022】

本発明の一具体例によれば、スイープ電源によって、上記プログラムのステップ（ｂ）において、蓄積状態の電圧から空乏状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第１のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、上記プログラムのステップ（ｄ）において、空乏状態の電圧から蓄積状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第２のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、上記プログラムのステップ（ｆ）において、蓄積状態の電圧から空乏状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第３のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせ、上記プログラムのステップ（ｉ）において、空乏状態の電圧から蓄積状態の電圧まで半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第４のフラットバンド電圧を通るように電圧をスイープさせる。

【0023】

本発明の一具体例によれば、上記プログラムのステップ（ｋ）において、制御装置によって第２のフラットバンド電圧と第４のフラットバンド電圧とを比較させる。

【0024】

本発明の一具体例によれば、上記プログラムのステップ（ｋ）において、制御装置によって上記比較した結果を使用して半導体層のバンドギャップの範囲における深い界面準位にトラップされた電荷の密度を推定させる。

【0025】

本発明の一具体例によれば、上記プログラムのステップ（ｈ）において、光源によって半導体層のバンドギャップエネルギーまでのエネルギーを有する光子による光照射を行わせる。

【0026】

本発明の一具体例によれば、上記プログラムのステップ（ｈ）において、光源によって小さいエネルギーを有する光子による光照射から大きいエネルギーを有する光子による光照射に向かってスイープさせるように光照射を行わせる。

【0027】

本発明の一具体例によれば、上記プログラムのステップ（ａ）〜（ｇ）、（ｉ）〜（ｋ）においては、光源によって光照射を行わせない。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、半導体層と絶縁体層との間の界面準位において、バンドギャップの深いエネルギー準位にトラップされた電荷の有無を判断することができる。

【0029】

なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の実施形態としての半導体装置の半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための装置の概略図である。

【図2a】図１の装置によって測定される半導体装置の第１の実施形態の断面概略図である。

【図2b】図１の装置によって測定される半導体装置の第２の実施形態の断面概略図である。

【図3】図１の装置によって実行される測定方法を示すフローチャートである。

【図4a】図１の装置によって測定される半導体装置の光照射を行わない場合の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図の概略図である。

【図4b】図１の装置によって測定される半導体装置の光照射を行った場合の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図の概略図である。

【図5】図１の装置によって測定されるＭＩＳキャパシタの概略断面図である。

【図6】図５のＭＩＳキャパシタの光照射を行わない場合のＣ−Ｖ特性である。

【図7a】７００℃で熱処理した図５のＭＩＳキャパシタの光照射を行わない場合のＣ−Ｖ特性である。

【図7b】７００℃で熱処理した図５のＭＩＳキャパシタの光照射を行った場合のＣ−Ｖ特性である。

【図8】図５のＭＩＳキャパシタの熱処理温度に対するフラットバンド電圧の変化を示す図である。

【図9a】図５のＭＩＳキャパシタの熱処理温度に対する光照射を行った場合のフラットバンド電圧と光照射を行わない場合のフラットバンド電圧との間の差を示す図である。

【図9b】図５のＭＩＳキャパシタの熱処理温度に対するディープトラップ密度を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0032】

図１に、半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための測定装置１０１を示す。測定装置１０１は、制御装置１０２と、記憶装置１０３と、スイープ電源１０４と、交流電源１０５と、光源１０６と、容量測定器１０７とを備える。測定装置１０１によって測定される半導体装置１０９は、基板と、基板に設けられた半導体層と、ゲート電極と、半導体層とゲート電極との間に設けられた絶縁体層とを備える。半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧が印加されることができるように、ゲート電極と基板との間にスイープ電源１０４及び交流電源１０５が接続される。スイープ電源１０４は、制御装置１０２によって制御されて、正電圧から負電圧に又は負電圧から正電圧にスイープ（掃引）しながらゲート電極と基板との間に電圧を印加することができる。交流電源１０５は、制御装置１０２によって制御されて、ゲート電極と基板との間に微小振幅の交流電圧を印加することができる。光源１０６は、制御装置１０２によって制御されて、半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との間の界面に対して光照射１０８を行うことができる。容量測定器１０７は、交流電源１０５からの交流電圧を使用して、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間に印加されている電圧における、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を計測することができる。制御装置１０２は、記憶装置１０３に接続されていてもよく、計測されたキャパシタの容量値は、記憶装置１０３に記憶されてもよい。また、制御装置１０２はＣＰＵ等の処理装置を備えていてもよく、記憶装置１０３に記憶されたプログラムを読み出して、プログラムによって、下記に説明される半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法が実行されるようにしてもよい。

【0033】

図２ａに、測定装置１０１によって測定される半導体装置１０９の実施形態である横型ＭＩＳＦＥＴ２０１ａを示す。横型ＭＩＳＦＥＴ２０１ａは、高周波デバイスとして使用されることができ、基板２０２上に設けられた半導体層（チャネル層）２０３と、ゲート電極２０５と、半導体層２０３とゲート電極２０５との間に設けられた絶縁体層（ゲート絶縁膜）２０４とを備える。また、横型ＭＩＳＦＥＴ２０１ａは、ＭＩＳＦＥＴを構成するために、半導体層２０３に不純物を注入することによって、ソース領域２０８及びドレイン領域２０９を備える。例えば、半導体層２０３がｎ型の半導体である場合には、半導体層２０３にｐ型の不純物を注入することによって、ソース領域２０８及びドレイン領域２０９を形成する。横型ＭＩＳＦＥＴ２０１ａは、ソース領域２０８上及びドレイン領域２０９上に、それぞれソース電極２０６及びドレイン電極２０７を備える。測定装置１０１を使用して、横型ＭＩＳＦＥＴ２０１ａの半導体層２０３と絶縁体層２０４との界面特性を測定することができる。

【0034】

図２ｂに、測定装置１０１によって測定される半導体装置１０９の実施形態である縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂを示す。縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂは、パワーデバイスとして使用されることができ、ドリフト層２１０と、ドリフト層２１０上に設けられた半導体層（チャネル層）２０３と、ドリフト層２１０及び半導体層２０３に設けられたトレンチに埋め込まれたゲート電極２０５と、ドリフト層２１０及び半導体層２０３とゲート電極２０５との間に埋め込まれた絶縁体層（ゲート絶縁膜）２０４とを備える。また、縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂは、ＭＩＳＦＥＴを構成するために、半導体層２０３に不純物を含むソース領域２０８を備え、ドリフト層２１０下に不純物を含むドレイン領域２０９を備える。例えば、半導体層２０３をｐ型の半導体とする場合には、ドリフト層２１０上にＭｇ^＋イオン等のｐ型の不純物をドープしてエピタキシャル成長することによって、又はｐ型の不純物を注入することによって、半導体層２０３を形成し、半導体層２０３にｎ型の不純物を注入することによって、ソース領域２０８を形成する。また、ｎ型の不純物をドープした自立基板としてのドレイン領域２０９上に低濃度のｎ型の不純物をドープしてエピタキシャル成長することによって、ドリフト層２１０を形成する。縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂは、ソース領域２０８上にソース電極２０６を備え、ドレイン領域２０９下にドレイン電極２０７を備える。測定装置１０１を使用して、縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂの半導体層２０３と絶縁体層２０４との界面特性を測定することができる。なお、縦型ＭＩＳＦＥＴ２０１ｂにおいては、下記に説明される方法でいうところの基板として半導体層２０３の一部を使用する。

【0035】

半導体層２０３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド（Ｃ）、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる群から選択された１つから形成される。窒化ガリウム、酸化ガリウム、ダイヤモンド、及び窒化アルミニウムのバンドギャップエネルギーは、それぞれ３．４ｅＶ、４．９ｅＶ、５．４７ｅＶ、６．２ｅＶである。このようなバンドギャップエネルギーが３ｅＶより大きいワイドギャップ半導体を半導体層として使用する場合に、本発明の半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法は特に有効である。

【0036】

絶縁体層２０４は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ガリウム（Ｇａ）、イットリウム（Ｙ）、スカンジウム（Ｓｃ）、希土類元素からなる元素の群から選択された少なくとも１つの元素の酸化物、窒化物、又は酸窒化物から形成される。絶縁体層２０４の具体的な材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｇａ_２Ｏ_３、ＹＯ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯＮ、等を挙げることができる。絶縁体層２０４は、３ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下が更に好ましい。３ｎｍ以下の場合、トンネル電流が発生しやすくなったり、ゲート耐圧不良が発生しやすくなったりする。１００ｎｍ以上では電流駆動能力（Ｇｍ）等のＦＥＴの特性が不十分になりやすい。

【0037】

ゲート電極２０５は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ｐｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）からなる群から選択された少なくとも１つから形成される。これらの金属のほか、これらの群から選択された少なくとも１つを含む合金、これらの群から選択された少なくとも１つを含む窒化物、炭化物、炭化窒化物、等の化合物でもよい。そして、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極としての仕事関数、抵抗率、製造プロセス工程での耐熱性、汚染及び加工性を鑑みてこれらの中から最適な材料が選択される。

【0038】

次に、測定装置１０１によって、半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面特性を測定するための方法を説明する。図３に、その方法を実行するための一連のフローチャートを示す。図１に示すように、測定される半導体装置１０９のゲート電極と基板との間にスイープ電源１０４及び交流電源１０５を接続することによって測定を開始し、まず、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、ゲート電極と基板との間に電圧を印加する（ＳＴＥＰ１０１）。そして、蓄積状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープし（初期スイープ）、空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止する（ＳＴＥＰ１０２）。ここで、半導体層の部分において蓄積状態が形成される電圧から半導体層の部分において空乏状態が形成される電圧まで、半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第１のフラットバンド電圧を通って、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープする。ＳＴＥＰ１０２の間に、交流電源１０５によってゲート電極と基板との間に微小振幅の交流電圧を印加して、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を容量計測器１０７によって計測する（ＳＴＥＰ１０３）。交流電圧の周波数は、０．１ＭＨｚ以上、好ましくは１ＭＨｚ以上の高周波である。

【0039】

ＳＴＥＰ１０２において電圧のスイープを停止した後、１回目の初期スイープか否かを判断する（ＳＴＥＰ１０４）。１回目の初期スイープである場合には、ＳＴＥＰ１０２においてスイープを停止した電圧をゲート電極と基板との間に印加した状態で光照射を行うことなく一定時間待機する（ＳＴＥＰ１０５）。待機時間としては、例えば６０秒であり、それ以上であってもよいし、それ以下であってもよい。そして、空乏状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるようになるまで、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープし（光照射なしスイープ）、蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止する（ＳＴＥＰ１０７）。ここで、半導体層の部分において空乏状態が形成される電圧から半導体層の部分において蓄積状態が形成される電圧まで、半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第２のフラットバンド電圧を通って、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープする。ＳＴＥＰ１０７の間に、交流電源１０５によってゲート電極と基板との間に微小振幅の交流電圧を印加して、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を容量計測器１０７によって計測する（ＳＴＥＰ１０３）。

【0040】

図４ａに、ＳＴＥＰ１０１、ＳＴＥＰ１０２、ＳＴＥＰ１０４、ＳＴＥＰ１０５、ＳＴＥＰ１０７の順に移行した場合における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図を示す。特に、図４ａの左側がＳＴＥＰ１０１（蓄積状態）における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図であって、図４ａの右側がＳＴＥＰ１０５（空乏状態）における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図である。図４ａにおいては、半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）を印加して半導体層の部分に蓄積状態を形成し、電圧をスイープして半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）を印加して半導体層の部分に空乏状態を形成し、光源１０６によって半導体層と絶縁体層との界面に対して光照射を行うことなく一定時間待機した後、電圧をスイープして半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）を印加して半導体層の部分に蓄積状態を形成することによって測定された半導体装置１０９のＣ−Ｖ（容量−電圧）特性から、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位においてトラップされた電荷のみが励起され、価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_ｖ）付近の深いエネルギー準位においてトラップされた電荷は励起されずその準位に固定された状態であって、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位におけるトラップを調査することができる。ここで、Ｖ_ｆｂはフラットバンド電圧である。なお、半導体層の部分に蓄積状態を形成するためにフラットバンド電圧より３Ｖ大きい電圧をゲート電極と基板との間に印加し、半導体層の部分に空乏状態を形成するためにフラットバンド電圧より３Ｖ小さい電圧をゲート電極と基板との間に印加しているが、絶縁体層が破壊しないような電圧を印加すればよい。また、図４ａにおいては、半導体層としてｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）、絶縁体層として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が示されているが、上記に示されるような他の材料から形成される場合も同様であって、選択される材料に応じて印加される電圧は変更されてもよい。

【0041】

ＳＴＥＰ１０５のように光照射を行わない場合にはＳＴＥＰ１０１に戻って（ＳＴＥＰ１０８）、再度、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるように、ゲート電極と基板との間に電圧を印加し（ＳＴＥＰ１０１）、蓄積状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において空乏状態が形成されるようになるまで、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープし（初期スイープ）、空乏状態が形成された後、電圧のスイープを停止する（ＳＴＥＰ１０２）。ここで、半導体層の部分において蓄積状態が形成される電圧から半導体層の部分において空乏状態が形成される電圧まで、半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第３のフラットバンド電圧を通って、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープする。ＳＴＥＰ１０２の間に、交流電源１０５によってゲート電極と基板との間に微小振幅の交流電圧を印加して、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を容量計測器１０７によって計測する（ＳＴＥＰ１０３）。なお、第１のフラットバンド電圧と第３のフラットバンド電圧とはほぼ同じ電圧である。

【0042】

ＳＴＥＰ１０２において電圧のスイープを停止した後、１回目の初期スイープか否かを判断する（ＳＴＥＰ１０４）。２回目の初期スイープである場合には、ＳＴＥＰ１０２においてスイープを停止した電圧をゲート電極と基板との間に印加した状態で半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との間の界面に対して一定時間光照射を行う（ＳＴＥＰ１０６）。光源１０６をオンにして、光源１０６から半導体層と絶縁体層との間の界面に対して光子を一定時間放出した後、光源１０６をオフにする。光照射を行う時間は、光照射を行う電力によって変更されてもよい。例えば、６０秒程度の時間で光照射を行う場合には、光照射を行う電力は０．５ｍＷから４０ｍＷであればよい。半導体層のバンドギャップエネルギーまでの、すなわち、半導体層のバンドギャップエネルギーより小さいエネルギーを有する光子によって光照射を行う。例えば、半導体層が窒化ガリウムであれば、窒化ガリウムのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶまでのエネルギーを有する光子によって光照射を行う。この場合、バンドギャップエネルギー３．４ｅＶより０．１ｅＶ小さい（すなわち３．３ｅＶ）、更には０．０１ｅＶ小さい（３．３９ｅＶ）エネルギーまでのエネルギーを有する光子によって光照射を行うことが好ましい。なお、半導体層のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光子によって光照射を行うことは好ましくない。半導体層のバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光子によって光照射を行う場合には、価電子帯にある電荷も励起されるために、半導体層のバンドギャップの範囲における界面準位にトラップされた電荷の密度を推定することができない。また、光照射は、小さいエネルギーを有する光子による光照射から開始して、半導体層のバンドギャップエネルギーまでの大きいエネルギーを有する光子による光照射に向かって、照射される光子のエネルギーが徐々に大きくなるようにスイープして行う。これは、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位にトラップされた電荷を光電離によって励起することから開始して、徐々に深いエネルギー準位にトラップされた電荷を光電離によって励起して、価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近の深いエネルギー準位までにトラップされた電荷を光電離によって励起するためである。なお、ＳＴＥＰ１０６を除くＳＴＥＰ１０１〜ＳＴＥＰ１０８においては、半導体層と絶縁体層との間の界面に対して光源１０７による光照射を行うべきではなく、ＳＴＥＰ１０６を除くＳＴＥＰ１０１〜ＳＴＥＰ１０８は、暗室で行われることが好ましい。

【0043】

そして、再び、空乏状態から、絶縁体層と隣接する半導体層の部分において蓄積状態が形成されるようになるまで、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープし（光照射ありスイープ）、蓄積状態が形成された後、電圧のスイープを停止する（ＳＴＥＰ１０７）。ここで、半導体層の部分において空乏状態が形成される電圧から半導体層の部分において蓄積状態が形成される電圧まで、半導体層のバンドがフラットバンド状態になる第４のフラットバンド電圧を通って、スイープ電源１０４によってゲート電極と基板との間の電圧をスイープする。ＳＴＥＰ１０７の間に、交流電源１０５によってゲート電極と基板との間に微小振幅の交流電圧を印加して、ゲート電極と基板との間に形成されるキャパシタの容量値を容量計測器１０７によって計測する（ＳＴＥＰ１０３）。

【0044】

図４ｂに、ＳＴＥＰ１０１、ＳＴＥＰ１０２、ＳＴＥＰ１０４、ＳＴＥＰ１０６、ＳＴＥＰ１０７の順に移行した場合における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図を示す。特に、図４ｂの左側がＳＴＥＰ１０１（蓄積状態）における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図であって、図４ｂの右側が、光照射を行っている場合のＳＴＥＰ１０６（空乏状態）における半導体装置１０９の半導体層と絶縁体層との界面におけるバンド図である。図４ｂにおいては、半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）を印加して半導体層の部分に蓄積状態を形成し、電圧をスイープして半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）を印加して半導体層の部分に空乏状態を形成し、光源１０６によって半導体層と絶縁体層との界面に対して半導体層のバンドギャップエネルギーまでのエネルギーを有する光子（例えば、半導体層が窒化ガリウムであれば、窒化ガリウムのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶまでのエネルギーを有する光子）によって一定時間光照射を行った後、電圧をスイープして半導体装置１０９のゲート電極と基板との間に電圧（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）を印加して半導体層の部分に蓄積状態を形成することによって測定された半導体装置１０９のＣ−Ｖ（容量−電圧）特性から、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位から価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近の深いエネルギー準位までのより広いエネルギー準位（例えば、半導体層が窒化ガリウムであれば、窒化ガリウムのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶに相当）においてトラップされた電荷が光照射で光電離よって励起され、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位から価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近の深いエネルギー準位までにおけるトラップを調査することができる。ここで、Ｖ_ｆｂはフラットバンド電圧である。なお、半導体層の部分に蓄積状態を形成するためにフラットバンド電圧より３Ｖ大きい電圧をゲート電極と基板との間に印加し、半導体層の部分に空乏状態を形成するためにフラットバンド電圧より３Ｖ小さい電圧をゲート電極と基板との間に印加しているが、絶縁体層が破壊しないような電圧を印加すればよい。また、図４ｂにおいては、半導体層としてｎ型窒化ガリウム（ＧａＮ）、絶縁体層として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が示されているが、上記に示されるような他の材料から形成される場合も同様であって、選択される材料に応じて印加される電圧は変更されてもよい。

【0045】

ＳＴＥＰ１０６のように光照射を行った場合（ＳＴＥＰ１０８）には、ＳＴＥＰ１０３において計測されたキャパシタの容量値より界面特性を推定する（ＳＴＥＰ１０９）。ＳＴＥＰ１０３においては、２回の初期スイープ、光照射なしスイープ、及び光照射ありスイープによって４つのＣ−Ｖ特性を計測したが、制御装置１０２によって、１回目の初期スイープによるＣ−Ｖ曲線と、光照射なしスイープによるＣ−Ｖ曲線とを比較することによって、浅いエネルギー準位におけるトラップに推定することができる。また、制御装置１０２によって、２回目の初期スイープによるＣ−Ｖ曲線と、光照射ありスイープによるＣ−Ｖ曲線とを比較することによって、浅いエネルギー準位から深いエネルギー準位までにおけるトラップを推定することができる。更に、制御装置１０２によって、光照射なしスイープによるＣ−Ｖ曲線と、光照射ありスイープによるＣ−Ｖ曲線とを比較することによって、深いエネルギー準位おけるトラップを推定することができ、光照射なしスイープによるＣ−Ｖ曲線によって得られた第２のフラットバンド電圧と、光照射ありスイープによるＣ−Ｖ曲線によって得られた第４のフラットバンド電圧とを比較して、半導体層のバンドギャップの範囲における深い界面準位にトラップされた電荷の密度を推定することができる。このように界面特性を推定して測定は終了する。なお、フラットバンド電圧は、キャパシタで電荷がない理想的な構造を想定したシミュレーションを用いて計算される。

【0046】

次に、半導体装置１０９の実施例であるＭＩＳキャパシタ（ＭＯＳキャパシタ）３０１を作製し、そのＣ−Ｖ特性を測定した。

【0047】

まず、図５に示す、白金（Ｐｔ）／酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）／ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）から構成されたＭＯＳキャパシタ３０１を以下のように作製した。基板３０２として密度１．３×１０^１８ｃｍ^−３のｎ^＋−ＧａＮ自立基板を準備し、ｎ^＋−ＧａＮ自立基板のミラー指数［０００１］面上に、膜厚５μｍの密度２×１０^１６ｃｍ^−３のＳｉドープＧａＮエピタキシャル層を堆積し、硫酸過酸化水素混合物（Ｈ_２Ｏ_２：Ｈ_２ＳＯ_４＝１：１）の水溶液において、ＳｉドープＧａＮエピタキシャル層の表面を５分間洗浄した。そして、半導体層３０３としてのその洗浄されたＳｉドープＧａＮエピタキシャル層の表面上に、前駆体としてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及び酸化ガスとして水蒸気を使用した原子層堆積（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）法によって、成長温度３００℃で、絶縁体層３０４として膜厚２５ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を堆積した。そして、堆積後アニール（Ｐｏｓｔ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ：ＰＤＡ）によって、窒素（Ｎ_２）雰囲気中において６００〜９００℃で熱処理した。最後に、ゲート電極３０５として膜厚１００ｎｍの白金（Ｐｔ）を、シャドーマスクを介して絶縁体層３０４上に堆積し、白金（Ｐｔ）（１００ｎｍ）／チタン（Ｔｉ）（２０ｎｍ）のオーミックコンタクト３０６を基板３０２の裏面（ＳｉドープＧａＮエピタキシャル層に対向する側）上に堆積した。

【0048】

図４ａのように、ゲート電極３０５−オーミックコンタクト３０６間のゲートバイアス電圧を蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）からフラットバンド状態を通って空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）までスイープした（初期スイープ）後、（光照射せず）６０秒間待機し、そして、ゲートバイアス電圧を空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）からフラットバンド状態を通って蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）までスイープする（光照射なしスイープ）ことによって、ＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ特性を測定して、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位におけるトラップを調査した。続いて、図４ｂのように、ゲートバイアス電圧を蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）からフラットバンド状態を通って空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）までスイープした（初期スイープ）後、光源をオンにしてエネルギーｈνが窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーより小さい３．３ｅＶ以下である光子によって６０秒間光照射を行った後、光源をオフにし、そして、ゲートバイアス電圧を空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）からフラットバンド状態を通って蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）までスイープする（光照射ありスイープ）ことによって、ＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ特性を測定して、伝導帯の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位から価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近の深いエネルギー準位までのより広いエネルギー準位（窒化ガリウムのバンドギャップエネルギー３．４ｅＶに相当）におけるトラップを、光照射でトラップされた電荷を光電離によって励起させることによって調査した。ＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ特性の測定に際しては、ゲート電極３０５−オーミックコンタクト３０６間に、正の方向から負の方向に及び負の方向から正の方向にスイープ電圧を印加し、更に１ＭＨｚの周波数を有する微小振幅の交流電圧を印加した。なお、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバンドギャップエネルギーである３．４ｅＶまでのエネルギーを有する光子によって光照射を行う必要があるので、光照射を行うための光源として、３．４ｅＶより僅かに小さい３．３ｅＶまでのエネルギーを有する光子によって光照射を行うことができる半導体レーザを使用した。

【0049】

図６に、光照射しない場合のＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ特性の測定結果を示す。熱処理をしないＭＯＳキャパシタ３０１及び６００℃で熱処理されたＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ曲線は近似しており、熱処理温度を６００℃から９００℃に上昇させるにつれて、Ｃ−Ｖ曲線は正の方向にシフトした。図７ａに、７００℃で熱処理したＭＯＳキャパシタ３０１を光照射を行わない場合のＣ−Ｖ特性を示す。ゲートバイアス電圧を蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）から空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）までスイープした場合（初期スイープ）のＣ−Ｖ曲線に対して、光照射を行わず、ゲートバイアス電圧を空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）から蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）までスイープした場合（光照射なしスイープ）のＣ−Ｖ曲線は、負の方向に向かってわずかにシフトした（−９０ｍＶ）。このＣ−Ｖ曲線のシフトは、伝導体の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の小さい時定数の浅いエネルギー準位におけるトラップから励起されたことに起因する。続いて、図７ｂに、７００℃で熱処理したＭＯＳキャパシタ３０１を光照射した場合のＣ−Ｖ特性を示す。ゲートバイアス電圧を蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）から空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）までスイープした場合（初期スイープ）のＣ−Ｖ曲線に対して、光照射を行った後、ゲートバイアス電圧を空乏状態（Ｖ_ｆｂ−３Ｖ）から蓄積状態（Ｖ_ｆｂ＋３Ｖ）までスイープした場合（光照射ありスイープ）のＣ−Ｖ曲線は、負の方向に向かって大きくシフトした（−６４０ｍＶ）。このＣ−Ｖ曲線のシフトは、図４ｂのバンド図のようなバンドギャップエネルギーまでの高いエネルギー有する光子による光照射によって、大きい時定数の深いエネルギー準位におけるトラップからも励起されて、より広いエネルギー準位の範囲にある界面準位から光電離によって励起されることに起因する。

【0050】

図８は、熱処理温度の関数としての初期スイープ、光照射なしスイープ、及び光照射ありスイープによるそれぞれのフラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの変化を示す。熱処理温度を上昇させるにつれて、初期スイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｉｎｉｔｉａｌ）}が理想フラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｉｄｅａｌ）}側にシフトし、半導体層３０３と絶縁体層３０４との間の界面３０７における特性が著しく改善されて、熱処理温度がＭＯＳキャパシタ３０１の電気的特性に影響を及ぼす。熱処理温度を６００℃から７００℃以上に上昇させるにつれて、光照射なしスイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｄａｒｋｎｅｓｓ）}と初期スイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｉｎｉｔｉａｌ）}との差が０．１Ｖから０．０１Ｖに減少した。これは、界面３０７における特性の改善により、伝導体の底のエネルギー（Ｅ_Ｃ）付近の浅いエネルギー準位におけるトラップの数が少なくなることを示唆する。また、光照射ありスイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｈν）}は、熱処理された全てのＭＯＳキャパシタ３０１において、光照射なしスイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｄａｒｋｎｅｓｓ）}に比較して、負の方向に向かって大きくシフトした。

【0051】

図９ａは、熱処理温度の関数としての光照射ありスイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｈν）}と光照射なしスイープによるフラットバンド電圧Ｖ_{ｆｂ（ｄａｒｋｎｅｓｓ）}との間の差を示す。熱処理しないＭＯＳキャパシタ３０１では、−１．７ｅＶという絶対値的に大きい負のＶ_ｆｂシフトを示す。負のＶ_ｆｂシフトは、熱処理温度の上昇とともに徐々に絶対値的に減少し、９００℃で熱処理したＭＯＳキャパシタ３０１では、−０．３２ｅＶにまで負のＶ_ｆｂシフトを絶対値的に小さくすることができる。負のＶ_ｆｂシフトは、価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近に幾つかの界面準位が存在するので、価電子帯の頂上のエネルギー（Ｅ_Ｖ）付近の深いエネルギー準位におけるトラップに起因する。次の数式のように、深いエネルギー準位におけるトラップの密度を推定した。

【数1】

ここで、Ｄ_ｄｔはディープトラップ密度、Ｃ_ＯＸは酸化物容量、qは電荷素量である。図９ｂに示すように、熱処理しないＭＯＳキャパシタ３０１は、３．１×１０^１２ｃｍ^−２という大きなディープトラップ密度（Ｄ_ｄｔ）を示し、これは、半導体層３０３上における絶縁体層３０４である酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の初期の成長が半導体層３０３との界面３０７に電気的欠陥を形成していることを示唆する。６００℃で熱処理すると、ディープトラップ密度（Ｄ_ｄｔ）は１．５×１０^１２ｃｍ^−２に減少し、熱処理温度を上昇させるにつれて、ディープトラップ密度（Ｄ_ｄｔ）は減少する。しかし、９００℃で熱処理した後であっても、０．６７×１０^１２ｃｍ^−２という大きなディープトラップ密度（Ｄ_ｄｔ）が残る。

【0052】

上記のように作製されたＭＯＳキャパシタ３０１のＣ−Ｖ特性を測定した結果、光照射を行わない場合のＣ−Ｖ特性と比較して、光照射を行った場合のＣ−Ｖ特性においては、熱処理された全てのＭＯＳキャパシタにおいて負のＶ_ｆｂシフトが観察され、これは、半導体層３０３と絶縁体層３０４との間の界面３０７での深いエネルギー準位におけるトラップに起因する。また、このような深いエネルギー準位におけるトラップが、移動度、閾値電圧、等のデバイス特性に影響を与える。

【0053】

上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。

【符号の説明】

【0054】

１０１ 測定装置
１０２ 制御装置
１０３ 記憶装置
１０４ スイープ電源
１０５ 交流電源
１０６ 光源
１０７ 容量測定器
１０８ 光照射
１０９ 半導体装置
２０１ａ 横型ＭＩＳＦＥＴ
２０１ｂ 縦型ＭＩＳＦＥＴ
２０２ 基板
２０３ 半導体層
２０４ 絶縁体層
２０５ ゲート電極
２０６ ソース電極
２０７ ドレイン電極
２０８ ソース領域
２０９ ドレイン領域
２１０ ドリフト領域
３０１ ＭＯＳキャパシタ
３０２ 基板
３０３ 半導体層
３０４ 絶縁体層
３０５ ゲート電極
３０６ オーミックコンタクト
３０７ 界面

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】

【図9a】

【図9b】