特許 6783992 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6783992

(24)【登録日】2020年10月27日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20201102BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 29/423 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 29/49 20060101ALI20201102BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/78 301G

   H01L21/28 301B

   H01L21/28 301R

   H01L29/58 G

   H01L29/78 301B

   H01L29/78 301F

   H01L29/78 652T

   H01L29/78 652K

   H01L29/78 653C

   H01L29/78 658F

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-189645(P2017-189645)

(22)【出願日】2017年9月29日

(65)【公開番号】特開2019-67847(P2019-67847A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2019年11月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】000241463

【氏名又は名称】豊田合成株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】泉 貴富

(72)【発明者】

【氏名】西井 潤弥

(72)【発明者】

【氏名】池本 由平

【審査官】 市川 武宜

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２６７９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０５４２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０４０８２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／２８

Ｈ０１Ｌ ２９／１２

Ｈ０１Ｌ ２９／４２３

Ｈ０１Ｌ ２９／４９

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置であって、
窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層に接して形成された酸化物絶縁膜と、
前記酸化物絶縁膜に接して形成され、結晶配向に（２００）配向と（２２０）配向とのうち少なくとも一方を含む窒化金属から形成されるゲート電極と、を備える、半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置であって、
前記ゲート電極は、窒化チタンもしくは窒化タンタルから形成される、半導体装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記酸化物絶縁膜は、酸化シリコンから形成される、半導体装置。

【請求項4】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置であって前記ゲート電極が窒化チタンから形成される前記半導体装置を製造する製造方法であって、
前記ゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２７０Ｐａ以上である条件下において反応性スパッタ法によって形成される、半導体装置を製造する製造方法。

【請求項5】

請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置であって前記ゲート電極が窒化タンタルから形成される前記半導体装置を製造する製造方法であって、
前記ゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２５２Ｐａ以上である条件下において反応性スパッタ法によって形成される、半導体装置を製造する製造方法。

【請求項6】

請求項４または請求項５に記載の前記半導体装置を製造する製造方法であって、
前記ゲート電極は、前記反応性スパッタ法で形成された後、加熱処理が施される、製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置には、窒化物半導体層を備えたものがある。このような半導体装置における窒化物半導体層では、半導体装置の製造工程において、窒素抜けが生じる場合がある。窒素抜けが生じる例としては、プラズマを用いたドライエッチングによって窒化物半導体層の表面をエッチングする場合や、窒化物半導体層の表面に絶縁膜として酸化膜を形成する場合等が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０−２６７９３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の窒化物半導体装置では、窒化シリコンから形成される絶縁膜が窒化物半導体層に接して形成されていることにより、窒化物半導体層での窒素抜けに対する窒素の補填を絶縁膜から行っている。しかし、絶縁膜の成膜において広く使用されている原子層堆積法を用いて、窒化シリコンから形成される絶縁膜を成膜する場合には、良質な絶縁膜を成膜できないことおよび成膜時間が長くなることといった技術的な困難が生じるという課題がある。このような課題を解決するために、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対して窒素を補填可能な技術が望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層に接して形成された酸化物絶縁膜と、前記酸化物絶縁膜に接して形成され、結晶配向に（２００）配向と（２２０）配向とのうち少なくとも一方を含む窒化金属から形成されるゲート電極と、を備える。このような形態とすれば、（２００）配向と（２２０）配向とのうち少なくとも一方を含む窒化金属から形成されるゲート電極は、（１１１）配向のみを含む窒化金属から形成されるゲート電極と比べて、窒化物半導体層の窒素抜けに対する絶縁膜を介した窒素の補填をより多く行うことができる。したがって、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【0007】

（２）上記形態における半導体装置において、前記ゲート電極は、窒化チタンもしくは窒化タンタルから形成されてもよい。

【0008】

（３）上記形態における半導体装置において、前記酸化物絶縁膜は、酸化シリコンから形成されてもよい。

【0009】

（４）本発明の一形態によれば、ゲート電極が窒化チタンから形成される半導体装置を製造する製造方法が提供される。この製造方法では、前記ゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２７０Ｐａ以上である条件下において反応性スパッタ法によって形成される。このような形態とすれば、ゲート電極を形成する窒化チタンの結晶配向に（２００）配向が含まれた半導体装置を製造できる。

【0010】

（５）本発明の一形態によれば、ゲート電極が窒化タンタルから形成される半導体装置を製造する製造方法が提供される。この製造方法では、前記ゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２５２Ｐａ以上である条件下において反応性スパッタ法によって形成される。このような形態とすれば、ゲート電極を形成する窒化タンタルの結晶配向に（２００）配向および（２２０）配向が含まれた半導体装置を製造できる。

【0011】

（６）上記形態における半導体装置を製造する製造方法において、前記ゲート電極は、前記反応性スパッタ法で形成された後、加熱処理が施されてもよい。このような形態とすれば、ゲート電極による窒化物半導体層へのゲート絶縁膜を介した窒素の補填量を増加させることができる。

【0012】

本発明は、半導体装置およびその製造方法以外の種々の形態で実現することも可能であり、例えば、ショットキーバリアダイオード、半導体、それらのダイオードおよび半導体もしくは上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器、並びに、その半導体装置を製造する製造装置、それらの装置の設計方法、それらの装置の製造方法などの形態で実現できる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、（２００）配向と（２２０）配向とのうち少なくとも一方を含む窒化金属から形成されるゲート電極は、（１１１）配向のみを含む窒化金属から形成されるゲート電極と比べて、窒化物半導体層の窒素抜けに対する絶縁膜を介した窒素の補填をより多く行うことができる。したがって、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。

【図2】Ｘ線回折法による測定を行なった結果を示す説明図である。

【図3】バックサイドＳＩＭＳによる測定を行った結果を示す説明図である。

【図4】バックサイドＳＩＭＳによる測定を行った結果を示す説明図である。

【図5】バックサイドＳＩＭＳによる測定を行った結果を示す説明図である。

【図6】バックサイドＳＩＭＳによる測定を行った結果を示す説明図である。

【図7】ＴＥＭにより観察した画像を示す説明図である。

【図8】ＴＥＭにより観察した画像を示す説明図である。

【図9】ＴＥＭにより観察した画像を示す説明図である。

【図10】ＴＥＭにより観察した画像を示す説明図である。

【図11】Ｘ線光電子分光による測定結果を示す説明図である。

【図12】ゲート電圧の測定結果を示す説明図である。

【図13】ゲートリーク電流の測定結果を示す説明図である。

【図14】Ｘ線回折法による測定を行なった結果を示す説明図である。

【図15】半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

Ａ．第１実施形態：
図１は、半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１には、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。Ｘ軸は、図１の左から右に延びる軸である。Ｙ軸は、図１の紙面の手前から奥に延びる軸である。Ｚ軸は、図１の下から上に延びる軸である。なお、本明細書において、＋Ｚ軸方向側を便宜的に「上」と呼ぶことがある。この「上」という呼称は、半導体装置１００の配置（向き）を限定するものではない。すなわち、半導体装置１００は、任意の向きに配置しうる。

【0016】

半導体装置１００は、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いて形成されたＩＩＩ族窒化物系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置であり、いわゆる横型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置１００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

【0017】

半導体装置１００は、基板１１０と、ｉ型半導体層１２０と、ｐ型半導体層１３０と、ｎ型半導体領域１４２と、ｎ型半導体領域１４４と、ソース電極１５２と、ドレイン電極１５４と、ゲート絶縁膜１６０と、ゲート電極１７０とを備える。

【0018】

基板１１０、ｉ型半導体層１２０およびｐ型半導体層１３０は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って広がる板状の半導体である。本実施形態では、基板１１０、ｉ型半導体層１２０およびｐ型半導体層１３０は、ＩＩＩ族窒化物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成されている。ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、の他に、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）などが例示できる。なお、電力制御用の半導体装置に用いる観点から、ＩＩＩ族窒化物半導体としては、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が好ましい。なお、本実施形態の効果を奏する範囲において、窒化ガリウム（ＧａＮ）の一部をアルミニウム（Ａｌ）やインジウム（Ｉｎ）などの他のＩＩＩ族元素に置換してもよく、他の不純物を含んでいてもよい。

【0019】

基板１１０は、ｎ型の特性を有する半導体である。本実施形態では、基板１１０には、ドナー元素として、ケイ素（Ｓｉ）が含まれる。

【0020】

ｉ型半導体層１２０は、ｉ型の特性を有する半導体である。ｉ型の特性を有する半導体とは、不純物を意図的に展開していないノンドープの半導体のことである。ｉ型半導体層１２０は、基板１１０の上に位置する。

【0021】

ｐ型半導体層１３０は、ｐ型の特性を有する半導体である。ｐ型半導体層１３０は、ｉ型半導体層１２０の上に位置する。本実施形態では、ｐ型半導体層１３０には、アクセプタ元素として、マグネシウム（Ｍｇ）が含まれる。

【0022】

ｎ型半導体領域１４２およびｎ型半導体領域１４４は、ｎ型の特性を有する半導体である。ｎ型半導体領域１４４は、ｐ型半導体層１３０のうち＋Ｘ軸方向側に形成される。ｎ型半導体領域１４２は、ｐ型半導体層１３０のうち−Ｘ軸方向側に形成される。ｎ型半導体領域１４２およびｎ型半導体領域１４４は、ｐ型半導体層１３０にケイ素（Ｓｉ）を不純物としてイオン注入するとともに、加熱による活性化処理（アニール）を行うことにより形成される。

【0023】

ソース電極１５２は、ｎ型半導体領域１４２およびｐ型半導体層１３０の上にまたがるよう位置する。ドレイン電極１５４は、ｎ型半導体領域１４４の上に位置するがｐ型半導体層１３０には接していない。

【0024】

ゲート絶縁膜１６０は、電気絶縁性を有する膜である。ゲート絶縁膜１６０は、ソース電極１５２とドレイン電極１５４との間において、ｐ型半導体層１３０、ｎ型半導体領域１４２およびｎ型半導体領域１４４にまたがって接するよう形成されている。本実施形態では、ゲート絶縁膜１６０は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から形成されている。他の実施形態では、ゲート絶縁膜１６０は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成されてもよい。本実施形態では、ゲート絶縁膜１６０は、原子層堆積法によって形成される。

【0025】

ゲート電極１７０は、ゲート絶縁膜１６０の上に接して形成されている。本実施形態では、ゲート電極１７０は、窒化チタン（ＴｉＮ）から形成されている。ゲート電極１７０に電圧が印加された場合、ｐ型半導体層１３０に反転層が形成され、この反転層がチャネルとして機能することによって、ソース電極１５２とドレイン電極１５４との間に導通経路が形成される。

【0026】

本実施形態では、ゲート電極１７０は、結晶配向に（２００）配向を含む窒化チタンから形成されている。窒化チタンの結晶配向は、主に（１１１）配向、（２００）配向および（２２０）配向を示す。ゲート電極１７０を形成する窒化チタンのうち（１１１）配向の結晶は、ゲート絶縁膜１６０の面に対して斜めに成長した結晶である。ゲート電極１７０を形成する窒化チタンのうち（２００）配向および（２２０）配向の結晶は、ゲート絶縁膜１６０の面に対して垂直に成長した結晶である。

【0027】

本実施形態では、ゲート電極１７０は、反応性スパッタ法によって形成される。図２は、反応性スパッタ法において処理チャンバ内の窒素分圧を種々の条件にして形成されたゲート電極について、Ｘ線回折法による測定を行なった結果を示す説明図である。図２の横軸は、回折角度を示す。図２の縦軸は、回折強度を示す。図２で示される波形は、窒素分圧の各条件において、ゲート絶縁膜１６０に接して形成されたゲート電極を形成する窒化チタンの結晶配向の状態を示す。図２の結果から、処理チャンバ内の窒素分圧０．０４２Ｐａの条件では、ゲート電極を形成する窒化チタンの結晶配向において（１１１）配向が支配的であるが、窒素分圧を高くすることに伴って、ゲート電極を形成する窒化チタンの結晶配向に（１１１）配向が含まれる割合が低くなるとともに（２００）配向が含まれる割合が高くなることが確認された。本実施形態では、ゲート電極１７０は、処理チャンバ内の窒素分圧を０．２７０Ｐａの条件にした反応性スパッタ法により形成させたものである。他の実施形態では、ゲート電極１７０は、処理チャンバ内の窒素分圧を０．２７０Ｐａより高い条件にした反応性スパッタ法により形成させたものであってもよい。

【0028】

ゲート電極１７０を反応性スパッタ法によって形成する際、結晶の成長速度が早い面が結晶配向の決定において優位になる。処理チャンバ内の窒素分圧が低い場合、（１１１）配向が優位に形成されるが、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２７０Ｐａ以上である場合、（２００）配向が形成されるようになる。後述するように、窒化チタンにおいて、（１１１）配向より（２００）配向の方が結晶粒界に沿って窒素を拡散させやすい配向である。

【0029】

本実施形態では、ゲート電極１７０は、反応性スパッタ法によって形成された後、加熱処理が施される。加熱処理の効果については、図３から図６を用いて説明する。図３から図６は、種々の条件で形成されたゲート電極を含む試料について、バックサイドＳＩＭＳによる測定を行った結果を示す説明図である。図３から図６において測定された試料は、Ｓｉ基板の上に、酸化シリコンから形成されたゲート絶縁膜、窒化チタンから形成されるゲート電極が順に配されたものである。図３から図６において測定された試料の違いは、ゲート電極の結晶配向の状態もしくは反応性スパッタ法の後の加熱処理の有無である。図３から図６の横軸は、Ｓｉ基板表面からの深さを示す。図３から図６の縦軸は、窒素濃度を示す。

【0030】

図３の結果は、図２で示した処理チャンバ内の窒素分圧を０．０４２Ｐａの条件にして形成させた（１１１）配向が支配的である窒化チタンから形成されたゲート電極であって加熱処理が施されていないものを備える試料の測定結果である。図４の結果は、図２で示した処理チャンバ内の窒素分圧を０．２７０Ｐａの条件にして形成させた（２００）配向を含む窒化チタンから形成されたゲート電極であって加熱処理が施されていないものを備える試料の測定結果である。図５の結果は、図３の試料に加熱処理が施されたものを測定した結果である。図６の結果は、図４の試料に加熱処理が施されたものを測定した結果である。図６で測定された試料中のゲート絶縁膜とゲート電極との組み合わせは、本実施形態における半導体装置１００が備えるゲート絶縁膜１６０とゲート電極１７０との組み合わせと同じである。

【0031】

図３および図４を比較すると、図３および図４の横軸ＳｉＯ_２にて範囲が図示されたゲート絶縁膜中の窒素拡散量について、図４の方が高い濃度であることが確認された。よって、ゲート電極を形成する窒化チタンに（２００）配向が含まれていた方が、ゲート電極によるゲート絶縁膜側への窒素の拡散量を多くできることが確認された。窒化チタンにおいて、（１１１）配向より（２００）配向の方が結晶粒界に沿って窒素を拡散させやすい配向であることが、図３および図４の結果より推察された。

【0032】

図３および図５、図４および図６を比較すると、ゲート絶縁膜中の窒素拡散量について、図５および図６の方が高い濃度であることが確認された。よって、ゲート電極は、反応性スパッタ法によって形成された後に加熱処理を施された方が、窒素の拡散量を多くできることが確認された。この結果は、ゲート電極を形成する窒化チタンの結晶粒界に存在していた窒素が、加熱処理により結晶粒界から容易に離脱できるようになったためであると考えられる。

【0033】

図５および図６を比較すると、図３および図４の比較と同様に、ゲート絶縁膜中の窒素拡散量は、図６の方がより高い濃度であることが確認された。よって、ゲート電極は、加熱処理を施された場合でも、ゲート電極を形成する窒化チタンに（２００）配向が含まれていた方が、ゲート電極によるゲート絶縁膜側への窒素の拡散量を多くできることが確認された。

【0034】

図７、図８、図９および図１０は、半導体装置を構成するｐ型半導体層とゲート絶縁膜との界面を、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）により観察した画像を示す説明図である。図７および図８は、本実施形態の半導体装置１００とは異なる半導体装置１００ａをＴＥＭにより観察した画像である。半導体装置１００ａは、図２で示した処理チャンバ内の窒素分圧を０．０４２Ｐａの条件にして形成させた（１１１）配向が支配的である窒化チタンからゲート電極が形成されている点を除き、本実施形態の半導体装置１００と同じである。なお、半導体装置１００ａのゲート電極には、加熱処理が施されているものとする。

【0035】

図７は、半導体装置１００ａを構成するｐ型半導体層１３０のａ面方向から、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を観察した画像である。図８は、半導体装置１００ａを構成するｐ型半導体層１３０のｍ面方向から、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を観察した画像である。

【0036】

図９および図１０は、本実施形態の半導体装置１００をＴＥＭにより観察した画像である。図９は、半導体装置１００を構成するｐ型半導体層１３０のａ面方向から、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を観察した画像である。図１０は、半導体装置１００を構成するｐ型半導体層１３０のｍ面方向から、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を観察した画像である。

【0037】

図７および図８では、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面に改質層１３５が確認された。改質層１３５は、ｐ型半導体層１３０の上にゲート絶縁膜１６０が形成される際、ｐ型半導体層１３０の表面が酸化されて形成されたガリウムの酸化膜であると推定される。このとき、ｐ型半導体層１３０の表面は、改質層１３５が形成される際に、ｐ型半導体層１３０を形成している窒化ガリウム（ＧａＮ）中のガリウムが酸素と結合することによって、ガリウムと結合していた窒素がｐ型半導体層１３０から抜けている状態であると考えられる。一方、図９および図１０では、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面に改質層１３５が確認されなかった。

【0038】

図１１は、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）により、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面におけるガリウム原子の３ｄ軌道の結合エネルギーを測定した結果を示す説明図である。図１１において、黒塗りの四角は、ゲート電極を形成する窒化チタンの結晶配向において（１１１）配向が支配的である半導体装置１００ａにおけるｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を測定した結果である。図１１において、白抜きの丸は、ゲート電極１７０を形成する窒化チタンの結晶配向において（２００）配向を含む半導体装置１００におけるｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面を測定した結果である。図１１の横軸は、光電子の脱出角度を示す。図１１の縦軸は、結合エネルギーを示す。図１１の結果より、本実施形態の半導体装置１００では、半導体装置１００ａに比べて、界面におけるガリウム原子の３ｄ軌道の結合エネルギーが低いことが確認された。

【0039】

窒素とガリウムの結合エネルギーは、酸素とガリウムの結合エネルギーより低いことから、図１１の結果より、半導体装置１００ａに比べて、本実施形態の半導体装置１００では、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面に含まれる窒素濃度が高いことが確認された。したがって、半導体装置１００では、ｐ型半導体層１３０の上にゲート絶縁膜１６０が形成される際に改質層１３５が形成されてｐ型半導体層１３０から窒素が抜けたとしても、ゲート電極１７０によるゲート絶縁膜１６０を介したｐ型半導体層１３０への窒素の補填が後に行われることにより、ｐ型半導体層１３０とゲート絶縁膜１６０との界面の状態を、改質層１３５が形成されていない状態に回復させていることが推察された。

【0040】

図１２は、ソース電極１５２とドレイン電極１５４との間に導通経路を形成するためにゲート電極１７０に印加される電圧であるしきい値電圧について測定した結果を示す説明図である。図１２における実線は、半導体装置１００ａのしきい値電圧について測定した結果である。図１２における破線は、半導体装置１００のしきい値電圧について測定した結果である。図１２の横軸は、ゲート電圧を示す。図１２の縦軸は、ソース電極１５２とドレイン電極１５４との間に流れるドレイン電流を示す。

【0041】

図１２の結果より、半導体装置１００ａのしきい値電圧は、Ｖ１である。一方、半導体装置１００のしきい値電圧は、Ｖ２（＞Ｖ１）である。したがって、半導体装置１００の方が、半導体装置１００ａより、しきい値電圧が高いことが確認された。

【0042】

図１３は、ゲートリーク電流を測定した結果を示す説明図である。図１３における実線は、半導体装置１００ａのゲートリーク電流について測定した結果である。図１３における破線は、半導体装置１００のゲートリーク電流について測定した結果である。図１３の横軸は、ゲート電圧を示す。図１３の縦軸は、ゲートリーク電流を示す。

【0043】

図１３の結果より、半導体装置１００は、半導体装置１００ａと比べて、ゲートリーク電流が抑制されていることが確認された。

【0044】

図１２および図１３の結果より、半導体装置１００ａでは、ｐ型半導体層１３０において窒素抜けが生じたことにより、ゲート電圧の低下およびゲートリーク電流の増加が起こっていることが確認された。一方、半導体装置１００では、ｐ型半導体層１３０に生じた窒素抜けに対して、ゲート電極１７０からゲート絶縁膜１６０を介してｐ型半導体層１３０への窒素の補填が行われることから、ゲート電圧の低下およびゲートリーク電流の増加が起こることを抑制できていることが確認された。

【0045】

以上説明した第１実施形態によれば、（２００）配向を含む窒化チタンから形成されるゲート電極１７０は、（１１１）配向のみを含む窒化チタンから形成されるゲート電極と比べて、窒化物半導体層であるｐ型半導体層１３０の窒素抜けに対するゲート絶縁膜１６０を介した窒素の補填をより多く行うことができる。したがって、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【0046】

また、第１実施形態の半導体装置１００のゲート電極１７０は、処理チャンバ内の窒素分圧が０．２７０Ｐａである条件下において反応性スパッタ法によって形成される。このため、ゲート電極１７０を形成する窒化チタンの結晶配向に（２００）配向がより多く含まれた半導体装置１００を製造できる。

【0047】

また、第１実施形態の半導体装置１００のゲート電極１７０は、反応性スパッタ法で形成された後、加熱処理が施される。このため、ゲート電極１７０によるｐ型半導体層１３０へのゲート絶縁膜１６０を介した窒素の補填量を増加させることができる。

【0048】

第１実施形態の反応性スパッタ法によって形成されたゲート電極１７０を構成する窒化チタンでは、窒化チタンにおける窒素とチタンとの結合力が、原子層堆積法や化学気相成長法によって形成された窒化チタンと比べて弱い。よって、窒化チタンの結晶粒が不完全に形成される傾向があることから、窒化チタンの結晶粒界に不安定な窒素を豊富に存在させることができる。したがって、第１実施形態のゲート電極１７０を構成する窒化チタンでは、原子層堆積法や化学気相成長法によって形成された窒化チタンと比べて、窒素の拡散量を多くすることができる。言い換えれば、ゲート電極１７０を形成する方法を変更することによって、ゲート電極１７０からの窒素の拡散量を調整することができる。

【0049】

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態における半導体装置は、ゲート電極１７０とは異なるゲート電極を備える点を除き、第１実施形態における半導体装置１００と同じ構成である。第２実施形態ゲート電極は、結晶配向に（２００）配向および（２２０）を含む窒化タンタルから形成されている。

【0050】

第２実施形態のゲート電極は、第１実施形態と同様に、反応性スパッタ法によって形成される。図１４は、反応性スパッタ法において処理チャンバ内の窒素分圧を種々の条件にして形成されたゲート電極について、Ｘ線回折法による測定を行なった結果を示す説明図である。図１４の横軸は、回折角度を示す。図１４の縦軸は、回折強度を示す。図１４で示される波形は、窒素分圧の各条件において、ゲート絶縁膜１６０に接して形成されたゲート電極の結晶配向の状態を示す。図１４の結果から、窒素分圧を高くすることに伴って、ゲート電極を形成する窒化タンタルの結晶配向に（１１１）配向が含まれる割合が低くなるとともに（２００）配向および（２２０）配向が含まれる割合が高くなることが確認された。（２２０）配向の結晶は、（２００）配向の結晶と同様に、ゲート絶縁膜の面に対して垂直に成長した結晶であることから、結晶粒界に沿って窒素を拡散させやすい配向である。第２実施形態のゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧を０．２５２Ｐａの条件にした反応性スパッタ法により形成させたものである。第２実施形態のゲート電極は、処理チャンバ内の窒素分圧を０．２５２Ｐａより高い条件にした反応性スパッタ法により形成させたものであってもよい。

【0051】

以上説明した第２実施形態によれば、（２００）配向および（２２０）配向を含む窒化タンタルから形成される第２実施形態のゲート電極は、（１１１）配向のみを含む窒化タンタルから形成されるゲート電極と比べて、窒化物半導体層であるｐ型半導体層１３０の窒素抜けに対するゲート絶縁膜１６０を介した窒素の補填をより多く行うことができる。したがって、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【0052】

なお、第２実施形態のゲート電極においても、反応性スパッタ法によって形成された後、加熱処理が施すことにより、ゲート電極による窒素の拡散量を多くすることができる。

【0053】

Ｃ．第３実施形態：
図１５は、第３実施形態における半導体装置２００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置２００は、いわゆる縦型ＭＯＳＦＥＴである。半導体装置２００は、基板２１０と、ｎ型半導体層２２０と、ｐ型半導体層２３０と、ｎ型半導体層２４０と、ソース電極２５２と、ドレイン電極２５４と、ゲート絶縁膜２６０と、ゲート電極２７０とを備える。

【0054】

基板２１０は、第１実施形態の基板１１０と同じである。ｐ型半導体層２３０は、Ｘ軸方向中央寄りにトレンチ２６５が形成されている点を除き、第１実施形態のｐ型半導体層１３０と同じである。ｎ型半導体層２２０およびｎ型半導体層２４０は、ｎ型の特性を有する半導体であり、ｎ型半導体層２２０はｐ型半導体層２３０の下に位置し、ｎ型半導体層２４０はｐ型半導体層２３０の上に位置する。基板２１０および各半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成されている。

【0055】

ソース電極２５２は、ｎ型半導体層２４０の上に位置する。ソース電極２５２は、ｐ型半導体層２３０の上にもまたがって形成され、ボディ電極としても機能する。ドレイン電極２５４は、基板２１０の下に位置する。

【0056】

トレンチ２６５は、ｎ型半導体層２４０からｐ型半導体層２３０を貫通してｎ型半導体層２２０の一部を削って窪んだ溝部である。トレンチ２６５は、各半導体層に対するドライエッチングによって形成された構造である。

【0057】

ゲート絶縁膜２６０は、ｎ型半導体層２４０のうちＸ軸方向中央寄りの一部およびトレンチ２６５の表面を覆う。ゲート絶縁膜２６０は、第１実施形態のゲート絶縁膜１６０と同様に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から形成されているとともに、原子層堆積法によって形成される。

【0058】

ゲート電極２７０は、ゲート絶縁膜２６０の上に接して形成されている。ゲート電極２７０は、第１実施形態のゲート電極１７０と同様に、結晶配向に（２００）配向を含む窒化チタンから形成されている。また、ゲート電極２７０は、第１実施形態のゲート電極１７０と同様に、反応性スパッタ法によって形成されるとともに、反応性スパッタ法によって形成された後、加熱処理が施される。

【0059】

以上説明した第３実施形態によれば、（２００）配向を含む窒化チタンから形成されるゲート電極１７０は、（１１１）配向のみを含む窒化チタンから形成されるゲート電極と比べて、窒化物半導体層であるｎ型半導体層２２０、ｐ型半導体層２３０およびｎ型半導体層２４０の窒素抜けに対するゲート絶縁膜２６０を介した窒素の補填をより多く行うことができる。したがって、窒化シリコンから形成される絶縁膜を用いることなく、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【0060】

半導体装置２００のようなトレンチを含む縦型ＭＯＳＦＥＴの場合、窒化物半導体層の表面に絶縁膜として酸化膜を形成することに加えて、トレンチを形成する際に窒化物半導体層の表面がエッチングされる。すなわち、トレンチを含まない横型ＭＯＳＦＥＴと比べて、窒化物半導体層に一層窒素抜けが生じやすい。このため、上述した各実施形態のようなゲート電極を備えることにより、窒化物半導体層の窒素抜けに対する窒素を補填できる。

【0061】

Ｄ．他の実施形態：
上述した各実施形態では、ゲート電極の結晶配向は、処理チャンバ内の窒素分圧を高くすることによって（２００）配向が形成されるよう調整されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、ゲート電極の結晶配向は、ＲＦスパッタ法において高周波電力を印加する、もしくは、基板バイアス印加を行うことで調整されてもよい。また、ゲート電極の結晶配向は、処理チャンバに流すガスに含まれる窒素量の割合を増加させることによって（２００）配向が形成されるよう調整されてもよい。

【0062】

第１実施形態では、ゲート電極１７０は、結晶配向に（２００）配向を含む窒化チタンから形成されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、ゲート電極１７０は、（２００）配向と同様の結晶構造を有する（２２０）配向を含む窒化チタンから形成されていてもよい。（２００）配向と（２２０）配向とは同様の結晶構造であると考えられるため、結晶配向に（２２０）配向を含む窒化チタンから形成されているゲート電極は、（２００）配向を含む窒化チタンから形成されているゲート電極１７０と同様の効果を有すると推測される。

【0063】

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0064】

１００…半導体装置
１００ａ…半導体装置
１１０…基板
１２０…ｉ型半導体層
１３０…ｐ型半導体層
１３５…改質層
１４２…ｎ型半導体領域
１４４…ｎ型半導体領域
１５２…ソース電極
１５４…ドレイン電極
１６０…ゲート絶縁膜
１７０…ゲート電極
２００…半導体装置
２１０…基板
２２０…ｎ型半導体層
２３０…ｐ型半導体層
２４０…ｎ型半導体層
２５２…ソース電極
２５４…ドレイン電極
２６０…ゲート絶縁膜
２６５…トレンチ
２７０…ゲート電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】