特許 6885288 窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法

(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】6885288

(24)【登録日】2021年5月17日

(45)【発行日】2021年6月9日

(54)【発明の名称】窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/318 20060101AFI20210531BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20210531BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20210531BHJP

   C23C 16/52 20060101ALI20210531BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20210531BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20210531BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20210531BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/318 B

   H01L21/31 B

   C23C16/42

   C23C16/52

   H01L29/80 H

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-191009(P2017-191009)

(22)【出願日】2017年9月29日

(65)【公開番号】特開2019-67887(P2019-67887A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2020年6月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100136722

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼木 邦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100174399

【弁理士】

【氏名又は名称】寺澤 正太郎

(72)【発明者】

【氏名】住吉 和英

【審査官】 長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２２７４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４３２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１６６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７６３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１００８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０７９９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１８１８８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／０２、２１／２０５、２１／３１−２１／３２、

２１／３３７−２１／３３８、２１／３６５、

２１／４６９−２１／４７５、２１／８６、２７／０９５、

２９／７７８、２９／８０−２９／８１２、

Ｃ２３Ｃ １６／００−１６／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、
前記窒化物半導体を５００℃以下の第１の温度に設定された反応炉内に導入する工程と、
前記反応炉内を窒素（Ｎ₂）雰囲気とし、前記反応炉内の圧力を３０ｋＰａ以上の第１の圧力に維持しつつ、前記反応炉内の温度を７５０℃以上の第２の温度に変更する工程と、
前記反応炉内の温度を前記第２の温度に維持しつつ、前記反応炉内の前記窒素雰囲気からアンモニア（ＮＨ₃）雰囲気への置換を２０分以内で行うとともに、圧力を１００Ｐａ以下の第２の圧力に減圧する置換工程と、
前記反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を供給して前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、
を含む、窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。

【請求項2】

前記第２の温度が９００℃以下である、請求項１に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。

【請求項3】

前記置換工程において、前記反応炉内の圧力を２０Ｐａ以下に真空引きする工程と、前記反応炉内にアンモニアガスを導入する工程とを繰り返す、請求項１または２に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。

【請求項4】

前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程では、アンモニアの供給量とジクロロシランの供給量とを互いに等しくする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。

【請求項5】

前記反応炉内の圧力を前記第１の圧力とした後、前記第２の温度への昇温の前に、前記反応炉のリーク検査を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法。

【請求項6】

前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程の後、ジクロロシランの供給を遮断して前記反応炉内の雰囲気をアンモニア雰囲気とし、前記第２の温度で前記反応炉内の雰囲気を窒素雰囲気に置換する工程を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜方法。

【請求項7】

前記窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程の後、ジクロロシランの供給を遮断して前記反応炉内の雰囲気をアンモニア雰囲気とし、前記反応炉内の温度を前記第２の温度より低い温度に降温した後、前記反応炉内の雰囲気を窒素雰囲気に置換する工程を更に含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の成膜方法。

【請求項8】

窒化物半導体を主構成材料とする半導体装置の製造方法であって、
複数の窒化物半導体層を含む積層構造を基板上に成長する工程と、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を用いて、前記積層構造に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、
前記窒化珪素パッシベーション膜に開口を形成し、該開口を介して前記積層構造に接触する電極を形成する工程と、
を含む、半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１，２には、窒化物半導体を用いた高移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する技術が開示されている。特許文献１に記載されたＨＥＭＴは、ＳｉＣ基板上に、化合物半導体層と、化合物半導体層を覆う窒化珪素（ＳｉＮ）からなる保護膜とを備える。保護膜には開口が形成されており、その開口を埋め込むように、化合物半導体層と接するゲート電極が形成されている。保護膜は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）にて形成される。

【0003】

特許文献２に記載されたＨＥＭＴは、基板上に形成された積層部を備える。積層部を構成する各層は、III族窒化物材料を含む。積層部の上層は、ＳｉＮを含むパッシベーション膜によって覆われている。この特許文献２には、Ｓｉ₃Ｎ₄からなるパッシベーション膜を、減圧ＣＶＤ法を用いて５５０℃より高い温度（好ましくは７００℃より高い温度）で成膜するとの記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−０７７６２１号公報

【特許文献2】特開２０１３−１２３０４７号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Kevin J. Chen et al., "GaN-on-Si Power Technology:Devices andApplications" IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 64, No. 3, p.779, March 2017

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、例えばＧａＮ系半導体などの窒化物半導体を用いた半導体装置が開発されている。半導体装置では、半導体の最表面を保護（パッシベーション）するために絶縁性のシリコン化合物膜が設けられるが、窒化物半導体を用いた半導体装置の場合、同じ窒化物である窒化珪素（ＳｉＮ）膜が用いられることが多い。窒化物半導体上にＳｉＮ膜を成膜する場合には、比較的低温で成膜する為に、プラズマを用いた成膜方法（プラズマＣＶＤ、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance；ＥＣＲ）スパッタ等）が用いられる。従って、窒化物半導体の表面には、プラズマによるダメージが形成される。

【0007】

一方、シリコン半導体上にＳｉＮ膜を成膜する場合には、減圧（Low Pressure；ＬＰ）ＣＶＤ法を用いる。減圧ＣＶＤ法は、成膜圧力を下げる代わりに成膜温度を高くすることにより、良質の膜を形成する方法である。シリコン半導体は高温時の耐性が高いため、このような減圧ＣＶＤ法による成膜が適している。本発明者は、窒化物半導体上のＳｉＮ膜にも減圧ＣＶＤ法を用いることができれば、プラズマによるダメージを窒化物半導体の表面に与えることなく、ＳｉＮ膜を好適に形成することができると考えた。

【0008】

しかしながら、減圧ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を成膜すると、高温且つ低圧の環境下、窒素原子が母体半導体材料から抜けてしまい、窒化物半導体の表面の結晶状態が荒れるという問題が知られている（非特許文献１を参照）。更に、減圧ＣＶＤ法によりＳｉＮ膜を成膜する際には、珪素（Ｓｉ）の原料ガスとして、面内均一性を高めるためモノシランではなくジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を用いることがある。ジクロロシランには、窒化物半導体に対してエッチングガスとして作用する塩素原子が含まれている。従って、塩素のエッチング作用により、窒化物半導体の表面の結晶状態が更に荒れてしまう。表面の結晶状態が荒れると、半導体装置の動作特性が劣化してしまう。

【0009】

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、減圧ＣＶＤ法を用いて窒化物半導体上にＳｉＮパッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体の表面の結晶状態の荒れを低減できるＳｉＮパッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法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】

【0010】

上述した課題を解決するために、一実施形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体に接する窒化珪素パッシベーション膜を成膜する方法であって、窒化物半導体を５００℃以下の第１の温度に設定された反応炉内に導入する工程と、反応炉内を窒素（Ｎ₂）雰囲気とし、反応炉内の圧力を３０ｋＰａ以上の第１の圧力に維持しつつ、反応炉内の温度を７５０℃以上の第２の温度に変更する工程と、反応炉内の温度を第２の温度に維持しつつ、反応炉内の窒素雰囲気からアンモニア（ＮＨ₃）雰囲気への置換を２０分以内で行うとともに、圧力を１００Ｐａ以下の第２の圧力に減圧する置換工程と、反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）を供給して窒化珪素パッシベーション膜を成膜する工程と、を含む。

【発明の効果】

【0011】

本発明による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法によれば、減圧ＣＶＤ法を用いて窒化物半導体上に窒化珪素パッシベーション膜を成膜する際に、窒化物半導体の表面の結晶状態の荒れを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態に係る成膜方法によって形成される窒化珪素（ＳｉＮ）パッシベーション膜を示す側面図である。

【図2】図２は、第１実施形態によるＳｉＮパッシベーション膜の成膜方法を示すフローチャートである。

【図3】図３は、ＳｉＮパッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度および供給ガスの手順を示す図である。

【図4】図４は、昇温時の炉内圧力と、窒化物半導体層の表面粗さを表すＲＭＳ（Root Mean Square）値との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、ウェハ導入時の炉内温度と、窒化物半導体層の表面粗さを表すＲＭＳ値との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、成膜温度下にて窒素雰囲気からアンモニア雰囲気への置換を開始してから、ジクロロシランを供給して成膜を開始する迄の時間と、窒化物半導体層の表面粗さを表すＲＭＳ値との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、ＡＦＭにより得られた窒化物半導体層の表面画像である。

【図8】図８は、ＡＦＭにより得られた窒化物半導体層の表面画像である。

【図9】図９は、ＡＦＭにより得られた窒化物半導体層の表面画像である。

【図10】図１０の（ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態による製造方法の各工程を示す図である。

【図11】図１１の（ａ），（ｂ）は、第２実施形態による製造方法の各工程を示す図である。

【図12】図１２の（ａ），（ｂ）は、第２実施形態による製造方法の各工程を示す図である。

【図13】図１３は、積層構造表面のＲＭＳ値とＨＥＭＴのゲートリーク電流との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明の実施形態に係る窒化珪素（ＳｉＮ）パッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

【0014】

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る成膜方法によって形成されるＳｉＮパッシベーション膜を示す側面図である。このＳｉＮパッシベーション膜３は、窒化物半導体層５の表面と接しており、窒化物半導体層５の表面上に減圧ＣＶＤ法によって成膜されたものである。窒化物半導体層５は、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）などの基板７上に成長した層であって、例えばＧａＮ層である。窒化物半導体層５及び基板７は、エピタキシャルウェハ９を構成する。

【0015】

図２は、本実施形態によるＳｉＮパッシベーション膜３の成膜方法を示すフローチャートである。まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いて、窒化物半導体層５を基板７上に成長し、エピタキシャルウェハ９を作製する（工程Ｓ１）。次に、減圧ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮパッシベーション膜３を窒化物半導体層５上に成長する（工程Ｓ２）。この工程Ｓ２の詳細について、図２及び図３を参照しながら説明する。図３は、ＳｉＮパッシベーション膜３を成長する際の反応炉内の温度（以下、炉内温度という）および供給ガスの手順を示す図である。

【0016】

まず、炉内温度を、５００℃以下の第１の温度に設定する（工程Ｓ２１）。この第１の温度は、４００℃以下であってもよく、或いは３００℃以下であってもよい。また、この第１の温度は、室温（２５℃）以上であってもよい。一実施例では、第１の温度は５００℃である。炉内温度が第１の温度で安定した後、窒化物半導体層５を含むエピタキシャルウェハ９を大気雰囲気にて減圧ＣＶＤ装置の反応炉内にセットする（工程Ｓ２２）。次に、反応炉内の真空引きと窒素（Ｎ₂）の導入とを繰り返し行うことにより（サイクルパージ）、反応炉内の雰囲気を窒素雰囲気に置換する（工程Ｓ２３）。

【0017】

上記のサイクルパージが終了した後、反応炉内の圧力（以下、炉内圧力という）を、３ｋＰａ以上の第１の圧力に変更する（工程Ｓ２４）。この第１の圧力は、３０ｋＰａ以上であってもよい。また、この第１の圧力は、大気圧（１００ｋＰａ）以下であってもよい。一実施例では、第１の圧力は３０ｋＰａである。そして、反応炉のリーク検査を行う。リーク検査は、反応炉を真空引きした後、反応炉につながる配管を全て閉じ、反応炉を封止した状態で、炉内圧力の変化を確認する作業である。その後、炉内圧力を第１の圧力に維持しつつ、炉内温度を７５０℃以上の第２の温度に変更する（工程Ｓ２５）。この時の昇温速度（レート）は１０℃／分程度が好ましい。一例では、５００℃から８００℃まで３０分を要して昇温する。この第２の温度は、８００℃以上であってもよく、また９００℃以下であってもよい。一実施例では、第２の温度は８００℃である。

【0018】

続いて、炉内を減圧するとともに、反応炉内の雰囲気を窒素からアンモニア（ＮＨ₃）に置換する（工程Ｓ２６、置換工程）。まず、反応炉内を真空引きしてその圧力を第１の圧力よりも低い第２の圧力にする。第２の圧力は、１００Ｐａ以下でもよく、あるいは２０Ｐａ以下でもよい。また、第２の圧力は、１０Ｐａ以上でもよい。次いで、反応炉内にアンモニアを導入する。一例では、炉内圧力が２０Ｐａとなるまで真空引きした後、アンモニアを導入する。上記の真空引き及びアンモニアの導入を数回繰り返す。

【0019】

最後の真空引きの後、反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）及びアンモニアを供給して、ＳｉＮパッシベーション膜３を成膜する（工程Ｓ２７）。この工程Ｓ２７では、アンモニア流量及びジクロロシラン流量を互いに略等しくしてもよい。アンモニア流量及びジクロロシラン流量は、例えば共に１００ｓｃｃｍである。１ｓｃｃｍは、１ａｔｍ、０℃における１ｃｍ^３／分を表す。また、反応炉内を窒素雰囲気からアンモニア雰囲気に置換する際の反応炉内の真空引きにおいて、窒化物半導体層５の表面を減圧雰囲気（例えば１００Ｐａ以下）に晒す時間の合計は、２０分以下が望ましい。一例では、この時間を１０分以下に設定する。

【0020】

ＳｉＮパッシベーション膜３の成膜が完了した後、ジクロロシランの供給を遮断して反応炉内の雰囲気をアンモニア雰囲気とする。次いで、炉内温度を第２の温度より低い所定の温度（例えば７００℃）まで降温する。そして、反応炉内を窒素雰囲気に置換するため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、ジクロロシランが分解して生成された塩素ガスを検出限界まで希釈する（工程Ｓ２８）。その後、反応炉からエピタキシャルウェハ９を取り出す（工程Ｓ２９）。以上の工程により、窒化物半導体層５上にＳｉＮパッシベーション膜３が成膜される。なお、この例では成膜後、反応炉内を降温させた後に窒素雰囲気への置換を行っているが、成膜後、炉内温度を成膜温度（第２の温度）に維持した状態で、反応炉内を窒素雰囲気に置換してもよい。この場合、反応炉内を窒素雰囲気に維持した状態で、炉内温度を初期温度（例えば５００℃）まで低下させる。

【0021】

以上に説明した、本実施形態によるＳｉＮパッシベーション膜の成膜方法によって得られる効果について説明する。図２に示された本実施形態の工程Ｓ２４では、昇温時の炉内圧力を、３０ｋＰａ以上といった極めて高い値に設定している。図４は、昇温時の炉内圧力と、窒化物半導体層５の表面粗さを表すＲＭＳ（Root Mean Square）値との関係を示すグラフである。また、下の表１は、図４に示されたグラフの基の数値である。

【表1】

【0022】

窒化物半導体層５の表面のＲＭＳ値は、窒化物半導体層５上に成膜されたＳｉＮパッシベーション膜３をフッ酸（ＨＦ）により除去した後、窒化物半導体層５の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定して得られた数値である（以降のグラフも同様）。なお、この関係を取得するに際して、反応炉内にエピタキシャルウェハ９を導入する際の温度を４００℃とし、その後の工程は上記説明のとおりとした。昇温時の炉内圧力のみをパラメータとした。

【0023】

図４及び表１を参照すると、昇温時の炉内圧力が高くなるに従って、窒化物半導体層５の表面のＲＭＳ値が次第に低下している。そして、炉内圧力が３ｋＰａ以上になると、ＲＭＳ値が０．４３ｎｍにまで低下し、炉内圧力が３０ｋＰａ以上になると、ＲＭＳ値が０．３２ｎｍにまで低下している。更に、炉内圧力が１００ｋＰａ以上になると、ＲＭＳ値が０．２７ｎｍにまで更に低下している。

【0024】

また、図２に示された本実施形態の工程Ｓ２１では、エピタキシャルウェハ９導入時の炉内温度を５００℃以下といった低い温度に設定している。図５は、ウェハ導入時の炉内温度と、窒化物半導体層５の表面粗さを表すＲＭＳ値との関係を示すグラフである。また、下の表２は、図５に示されたグラフの基の数値である。

【表2】

なお、この関係を取得するに際して、昇温時の炉内圧力を１００ｋＰａ（大気圧）とした。また、ジクロロシランを供給して成膜を開始するまでの間、窒化物半導体層５の表面を減圧下（第２の圧力）に晒す時間の合計を５分とした。

【0025】

図５を参照すると、ウェハ導入時の炉内温度が低くなるに従って、窒化物半導体層５の表面のＲＭＳ値が次第に低下していることがわかる。そして、炉内温度が５００℃以下になると、ＲＭＳ値が０．２８ｎｍにまで低下している。更に、炉内温度が４００℃以下になると、ＲＭＳ値が０．２７ｎｍにまで低下している。

【0026】

また、本実施形態では、ウェハ導入時の温度（第１の温度）にて炉内雰囲気の置換及びリーク検査を実施するので、昇温後の成膜温度（第２の温度）下で減圧後の炉内圧力（第２の圧力）に窒化物半導体層５の表面を晒す時間、すなわち、減圧してから成膜を開始するまでの時間を短くすることができる。

【0027】

図６は、成膜温度下にて窒素雰囲気からアンモニア雰囲気への置換を開始してから、ジクロロシランを供給して成膜を開始する迄の時間と、窒化物半導体層５の表面粗さを表すＲＭＳ値との関係を示すグラフである。また、下の表３は、図６に示されたグラフの基の数値である。この時間はすなわち、成膜温度下にて窒化物半導体層５の表面を減圧環境下に晒す時間に相当する。実際には、反応炉内の減圧と、反応炉内へのアンモニアの導入とを数回繰り返すので、窒化物半導体層５の表面が減圧環境下に晒される時間はこれよりも短い。

【表3】

【0028】

図６を参照すると、成膜前の減圧環境に晒される時間が短くなるに従って、窒化物半導体層５の表面のＲＭＳ値が次第に低下している。そして、減圧環境に晒される時間が２０分以下になると、ＲＭＳ値が０．３２ｎｍにまで低下している。更に、この時間が１０分以下になるとＲＭＳ値が０．２８ｎｍにまで低下し、この時間が５分以下になるとＲＭＳ値が０．２７ｎｍにまで低下している。一つの指標としてＲＭＳ値を０．３５程度とすると、成膜前に減圧環境に晒される時間は２０分以内であることが好ましい。

【0029】

ここで、図７〜図９は、ＡＦＭにより得られた窒化物半導体層５の表面画像（撮像範囲１μｍ×１μｍ）である。図７は窒化物半導体層５の表面が殆ど荒れていない状態（表面荒さのＲＭＳ値が０．３５ｎｍ未満）を示し、図８は窒化物半導体層５の表面がやや荒れている状態（表面荒さが０．３５以上０．５０未満）を示し、図９は窒化物半導体層５の表面が荒れている状態（表面荒さが０．５０以上）を示す。図７は、窒化物半導体層５の成長後、ＳｉＮパッシベーション膜３を成膜する前の状態であり、原子層ステップを明瞭に視認でき、十数個の転移と呼ばれる欠陥が見える。そして、ＲＭＳ値が０．３５ｎｍを超えると、図８に示されるように、窒素抜けとみられる微小なピットが観測され始める。更に、ＲＭＳ値が０．５０ｎｍを超えると、図９に示されるように、窒化物半導体層５の表面の原子層ステップを観測できなくなる程度に表面荒れが生じる。この荒れは、図８の表面に生じている色の濃い点が原因であり、ＡＦＭのラインスキャンによって観測すると、幅５〜２０ｎｍ程度、深さ０．５〜２ｎｍ程度の微小なピットが見える。図９の表面ではこの微小ピットが増え、且つ大きくなり互いに重なることによって、更に荒れたと考えられる。

【0030】

上述したように、昇温時の炉内圧力が３０ｋＰａ以上になると、ＲＭＳ値が０．３２ｎｍにまで低下する。従って、図２の工程Ｓ２４において昇温時の炉内圧力を３０ｋＰａ以上に設定することにより、図７に示されるような殆ど荒れていない窒化物半導体層５の表面を得ることができる。

【0031】

また、上述したように、エピタキシャルウェハ９を導入する時の炉内温度が５００℃以下になると、ＲＭＳ値が０．３２ｎｍにまで低下する。従って、図２の工程Ｓ２１においてウェハ導入時の炉内温度（第１の温度）を５００℃以下に設定することにより、図８に示されるような殆ど荒れていない窒化物半導体層５の表面を得ることができる。

【0032】

また、上述したように、炉内温度が成膜温度（第２の温度）に達した後、実際に成膜を始めるまでの待機時間の少なくとも一部において、窒化物半導体層５の表面は減圧環境（第２の圧力）下に晒される。この待機時間を２０分以内とすることにより、図８に示されるような殆ど荒れていない窒化物半導体層５の表面を得ることができる。

【0033】

また、上述したように、第２の温度が９００℃以下であってもよい。これにより、第２の温度による窒化物半導体層５の表面の結晶状態の荒れを更に抑制することができる。

【0034】

また、上述したように、置換工程Ｓ２６において、炉内圧力を２０Ｐａ以下に真空引きする工程と、反応炉内にアンモニアガスを導入する工程とを繰り返してもよい。一般的には、窒素からアンモニア雰囲気に切り替える際には、窒素雰囲気にて１Ｐａ以下まで真空引きを行い、アンモニアガスを導入して第２の圧力（例えば１０Ｐａ〜１００Ｐａ）に圧力を制御する。しかし、高温である第２の温度において炉内圧力を１Ｐａ以下の低圧にすることは、窒化物半導体層５の表面の結晶状態の荒れを促進させてしまう。上記のように、炉内圧力を２０Ｐａ以下にする工程とアンモニアガスを導入する工程とを繰り返すことによって、炉内圧力を１Ｐａ以下といった低圧にすることなく第２の圧力に制御することができる。従って、窒化物半導体層５の表面の結晶状態の荒れを更に抑制することができる。

【0035】

また、上述したように、ＳｉＮパッシベーション膜を成膜する工程Ｓ２７では、アンモニアの供給量とジクロロシランの供給量とを互いに等しくしてもよい。

【0036】

また、リーク試験は、一般的に第２の温度で実施することが多い。理由は、成膜直前であり、成膜温度でもある第２の温度で実施する方が、リーク試験の確度が高いためである。しかしながら、本実施形態のように、反応炉のリーク検査を、反応炉内の圧力を第１の圧力とした後、第２の温度への昇温の前に行ってもよい。これにより、窒化物半導体層５の表面を減圧環境（第２の圧力）下に晒す時間を短くすることができる。

【0037】

また、上述したように、工程Ｓ２７の後、ジクロロシランの供給を遮断して反応炉内の雰囲気をアンモニア雰囲気とし、第２の温度で反応炉内の雰囲気を窒素雰囲気に置換してもよい。

【0038】

或いは、上述したように、工程Ｓ２７の後、ジクロロシランの供給を遮断して反応炉内の雰囲気をアンモニア雰囲気とし、反応炉内の温度を第２の温度より低い温度に降温した後、反応炉内の雰囲気を窒素雰囲気に置換してもよい。これにより、降温中の窒化物半導体層５の表面の結晶状態の荒れを抑制する効果が期待できる。

【0039】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態として、上記第１実施形態によるＳｉＮパッシベーション膜３の成膜方法を含む、窒化物半導体を主構成材料とする半導体装置の製造方法を説明する。図１０〜図１２は、本実施形態による製造方法の各工程を示す図である。本実施形態は、半導体装置としてＧａＮ−ＨＥＭＴを例示する。

【0040】

まず、図１０の（ａ）に示すように、基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、複数の窒化物半導体層を含む積層構造２０を成長する。基板１０は、例えば（０００１）主面を有するＳｉＣ基板であり、積層構造２０の積層方向は例えば［０００１］方向である。積層構造２０は、基板１０側から順に形成される核形成層１２、電子走行層１４、電子供給層１６、およびキャップ層１８を含む。核形成層１２は、例えば厚さ数十ｎｍのＡｌＮ層である。電子走行層１４は、例えば厚さが１０００ｎｍのアンドープＧａＮ層である。電子供給層１６は、例えば厚さ２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮ層である。キャップ層１８は、例えば厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＮ層である。

【0041】

次に、図１０の（ｂ）に示すように、積層構造２０の上面に接するＳｉＮパッシベーション膜（ＳｉＮ膜）２６を、減圧ＣＶＤ法を用いて成膜する。このとき、第１実施形態によるＳｉＮパッシベーション膜３の成膜方法を適用する。成膜温度は、例えば８００℃である。また、原料ガスとして、アンモニアガス及びジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を用いる。ＳｉＮ膜２６の厚さを、例えば１００ｎｍとする。

【0042】

続いて、図１０の（ｃ）に示すように、ＳｉＮ膜２６上に、フォトレジスト５０を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト５０に開口５０ａを形成する。フォトレジスト５０をマスクとしてフッ素（Ｆ）原子を含む反応性ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりＳｉＮ膜２６及びキャップ層１８に開口を形成する。その後、フォトレジスト５０を除去する。

【0043】

続いて、図１１の（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜２６上に、別のフォトレジスト５１を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト５１の開口５１ａをＳｉＮ膜２６の開口上に形成する。フォトレジスト５１に形成する開口５１ａは、先のフォトレジスト５０に形成する開口５０ａよりも広い。開口５１ａ内では、ＳｉＮパシベーション膜２６に形成した開口内にキャップ層１８が露出する。塩素（Ｃｌ）を含む反応性ガスを用いたＲＩＥにより、露出しているキャップ層１８を除去する。この時、ＳｉＮ膜２６の開口の周囲でレジストの開口５１ａにより露出したＳｉＮ膜２６の表面が、塩素プラズマに晒される。

【0044】

次いで、ＳｉＮ膜２６の開口を介して電子供給層１６に接触するソース電極２２およびドレイン電極２４を、蒸着法を用いて形成する。ソース電極２２およびドレイン電極２４は、共にＴｉ膜およびＡｌ膜を有する。Ｔｉ膜の膜厚は例えば３０ｎｍ、Ａｌ膜の膜厚は例えば３００ｎｍである。Ｔｉ膜はＴａ膜でもよい。フォトレジスト５１上には金属２３が堆積する。その後、フォトレジスト５１を除去することにより、フォトレジスト５１上の金属２３を除去する。これにより、電子供給層１６に接するソース電極２２およびドレイン電極２４が形成される。例えば５００℃の熱処理によってＴｉ膜（若しくはＴａ膜）とＡｌ膜とを合金化（アロイ）することにより、電子供給層１６に接触するソース電極２２およびドレイン電極２４を形成する。アロイ温度が５５０℃以上であれば、コンタクト抵抗の低抵抗化に更に寄与する。

【0045】

続いて、図１１の（ｂ）に示すように、積層構造２０上に、更に別のフォトレジスト５２を塗布する。フォトリソグラフィにより、フォトレジスト５２に開口５２ａを形成する。フォトレジスト５２をマスクとしてＲＩＥによりＳｉＮ膜２６に開口を形成する。その後、フォトレジスト５２を除去する。

【0046】

続いて、積層構造２０上に、フォトレジストを塗布する。ゲート電極パターンとなる開口をフォトリソグラフィによりフォトレジストに形成する。蒸着法を用い、図１２の（ａ）に示すように、キャップ層１８に接触するゲート電極２８を形成する。ゲート電極２８は、積層構造２０側からＮｉ膜およびＡｕ膜を有する。Ｎｉ膜の膜厚は例えば５０ｎｍ、Ａｕ膜の膜厚は例えば４００ｎｍである。蒸着法としては、ＥＢ蒸着法、スパッタ蒸着法、抵抗加熱蒸着法など種々の方法を用いることができる。フォトレジスト上に堆積した金属は、フォトレジストとともに除去される。

【0047】

続いて、図１２の（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜２６上に例えばＰＥＣＶＤ法により絶縁膜３０を形成し、この絶縁膜３０によりゲート電極２８を覆う。絶縁膜３０は、例えば膜厚が５００ｎｍのＳｉＮ膜である。バッファードフッ酸を用いたエッチングにより絶縁膜３０に開口３０ａを形成し、ソース電極２２およびドレイン電極２４を露出させる。以上の工程を経て、ＨＥＭＴ１Ａが作製される。

【0048】

以上に説明した半導体装置の製造方法によれば、第１実施形態に記載の方法を用いてＳｉＮ膜２６を減圧ＣＶＤ法により成膜することによって、窒化物半導体（キャップ層１８）の表面の結晶状態の荒れを低減できる。図１３は、ソースをオープンとし、ゲート−ドレイン間に０〜５０Ｖの逆方向電圧を与えた時のリーク電流値を示すグラフである。図中のグラフＧ１〜Ｇ３は、それぞれ成膜前条件を下記の条件１〜３とした場合を示す。なお、ソース・ドレイン間隔Ｌｓｄを７．２μｍとし、ソース・ゲート間隔Ｌｓｇを１．４μｍとし、ゲート・ドレイン間隔Ｌｇｄを５．２μｍとし、ゲート長Ｌｇを０．６μｍとし、ゲート幅Ｗｇを５００μｍとした。

【表4】

【0049】

表４に示されるように、ウェハ導入時の炉内温度が４００℃、昇温時の炉内圧力が１００ｋＰａ、且つ成膜前の待機時間が５分である条件１では、ウェハ導入時の炉内温度が６００℃、昇温時の炉内圧力が３ｋＰａ以下、且つ成膜前の待機時間が３０分である条件２及び条件３と比較して、積層構造２０の表面荒れ（ＲＭＳ値）が少なくなる。そして、図１３に示すように、積層構造２０の表面荒れが少ないほど、ゲートリーク電流が小さくなり、ＨＥＭＴ１Ａの動作特性及び長期信頼性が向上する。

【0050】

本発明によるＳｉＮパッシベーション膜の成膜方法及び半導体装置の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、第２実施形態では半導体装置の例としてＨＥＭＴを示したが、本発明による半導体装置の製造方法はＨＥＭＴ以外にも様々な窒化物半導体装置に適用できる。

【符号の説明】

【0051】

１Ａ…ＨＥＭＴ、３…ＳｉＮパッシベーション膜、５…窒化物半導体層、７…基板、９…エピタキシャルウェハ、１０…基板、１２…核形成層、１４…電子走行層、１６…電子供給層、１８…キャップ層、２０…積層構造、２２…ソース電極、２３…金属、２４…ドレイン電極、２６…ＳｉＮ膜、２８…ゲート電極、３０…絶縁膜、５０，５１，５２…フォトレジスト。

【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】