特開 2022-130162 窒化物半導体装置とその製造方法

(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】P2022130162

(43)【公開日】2022-09-06

(54)【発明の名称】窒化物半導体装置とその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/318 20060101AFI20220830BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20220830BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20220830BHJP

【ＦＩ】

H01L21/318 C

H01L21/31 B

H01L29/78 301G

H01L29/78 301B

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021029176

(22)【出願日】2021-02-25

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(71)【出願人】

【識別番号】513067727

【氏名又は名称】高知県公立大学法人

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大川 峰司

(72)【発明者】

【氏名】富田 英幹

(72)【発明者】

【氏名】川原村 敏幸

(72)【発明者】

【氏名】▲劉▼ ▲麗▼

【テーマコード（参考）】

5F045

5F058

5F140

【Ｆターム（参考）】

5F045AA03

5F045AB34

5F045AC00

5F045AC07

5F045AD08

5F045AF03

5F045AF04

5F045AF09

5F045BB16

5F045CA05

5F045CB05

5F045DC51

5F045DC57

5F045EE02

5F045EK07

5F045HA16

5F058BA20

5F058BB01

5F058BB06

5F058BC11

5F058BD01

5F058BD15

5F058BF02

5F058BF22

5F058BF29

5F058BF46

5F058BF47

5F058BG02

5F058BG03

5F058BH04

5F058BJ10

5F140AA06

5F140AC36

5F140BA01

5F140BA06

5F140BD01

5F140BD05

5F140BD09

5F140BD11

5F140BD15

5F140BE05

5F140BE10

5F140BK13

(57)【要約】

【課題】ゲート閾値電圧の変動が抑えられた窒化物半導体装置とその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層上にゲート絶縁膜を成膜するゲート絶縁膜成膜工程、を備えており、前記ゲート絶縁膜成膜工程は、前記窒化物半導体層の表面に接するようにシリコン酸窒化膜を成膜するステップ、を有しており、前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化して前記シリコン酸窒化膜を成膜する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体装置（１，２，３）の製造方法であって、
窒化物半導体層（２０）上にゲート絶縁膜（４４）を成膜するゲート絶縁膜成膜工程、を備えており、
前記ゲート絶縁膜成膜工程は、前記窒化物半導体層の表面に接するようにシリコン酸窒化膜（１４４，１４４ａ，１４４ｂ）を成膜するステップ、を有しており、
前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化して前記シリコン酸窒化膜を成膜する、製造方法。

【請求項2】

前記膜原料がポリシラザン又はヘキサメチルジシラザンである、請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、ミストＣＶＤ法を利用して前記シリコン酸窒化膜を成膜する、請求項１又は２に記載の製造方法。

【請求項4】

前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層の表面に接する第１シリコン酸窒化膜（１４４ａ）と、前記第１シリコン酸窒化膜を介して前記窒化物半導体層に対向する第２シリコン酸窒化膜（１４４ｂ）と、を有しており、
前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、前記第２シリコン酸窒化膜を成膜するときよりも前記第１シリコン酸窒化膜を成膜するときに、酸化剤濃度が低い条件で実施される、請求項１～３のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項5】

前記ゲート絶縁膜成膜工程はさらに、前記シリコン酸窒化膜上に、シリコン酸窒化物とは異なる材料の上側絶縁膜（１４６）を成膜するステップ、を備えており、
前記上側絶縁膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットが、前記シリコン酸窒化物膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットよりも大きい、請求項１～４のいずれか一項に記載の製造方法。

【請求項6】

前記上側絶縁膜が、シリコン酸化膜又は金属酸化膜である、請求項５に記載の製造方法。

【請求項7】

窒化物半導体装置（２）であって、
窒化物半導体層（２０）上に設けられているゲート絶縁膜（４４）、を備えており、
前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜（１４４ａ，１４４ｂ）、を有しており、
前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層の表面に接する第１シリコン酸窒化膜（１４４ａ）と、前記第１シリコン酸窒化膜を介して前記窒化物半導体層に対向する第２シリコン酸窒化膜（１４４ｂ）と、を有しており、
前記第２シリコン酸窒化膜内の炭素濃度は、前記第１シリコン酸窒化膜内の炭素濃度よりも低い、窒化物半導体装置。

【請求項8】

窒化物半導体装置（３）であって、
窒化物半導体層（２０）上に設けられているゲート絶縁膜（４４）、を備えており、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜（１４４）と、
前記シリコン酸窒化膜上に設けられているとともに前記シリコン酸窒化物とは異なる材料の上側絶縁膜（１４６）と、を有しており、
前記上側絶縁膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットが、前記シリコン酸窒化物膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットよりも大きい、窒化物半導体装置。

【請求項9】

前記上側絶縁膜が、シリコン酸化膜又は金属酸化膜である、請求項８に記載の窒化物半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、窒化物半導体装置とその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、窒化物半導体層上にシリコン窒化膜とシリコン酸化膜が積層して構成されたゲート絶縁膜を備えた窒化物半導体装置を開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－１０３４０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

シリコン窒化膜は、窒化物半導体層に対して負のバンドオフセットを有している。このため、特許文献１のゲート絶縁膜では、シリコン窒化膜の価電子帯に井戸型ポテンシャルが形成され、その井戸型ポテンシャルに正孔が蓄積する。井戸型ポテンシャルに正孔が蓄積すると、ゲート閾値電圧が変動するという問題がある。本明細書は、ゲート閾値電圧の変動が抑えられた窒化物半導体装置とその製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する窒化物半導体装置（１，２，３）の製造方法は、窒化物半導体層（２０）上にゲート絶縁膜（４４）を成膜するゲート絶縁膜成膜工程、を備えることができる。前記ゲート絶縁膜成膜工程は、前記窒化物半導体層の表面に接するようにシリコン酸窒化膜（１４４，１４４ａ，１４４ｂ）を成膜するステップ、を有することができる。さらに、前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化して前記シリコン酸窒化膜を成膜する。前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層に対して正のバンドオフセットを有している。このため、前記シリコン酸窒化膜を有する前記ゲート絶縁膜では、井戸型ポテンシャルが形成されない。したがって、前記ゲート絶縁膜では、正孔の蓄積が抑えられる。この製造方法で製造される窒化物半導体装置では、ゲート閾値電圧の変動が抑えられる。

【0006】

本明細書が開示する窒化物半導体装置（２）の一実施形態は、窒化物半導体層（２０）上に設けられているゲート絶縁膜（４４）を備えることができる。前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜（１４４ａ，１４４ｂ）を有することができる。さらに、前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層の表面に接する第１シリコン酸窒化膜（１４４ａ）と、前記第１シリコン酸窒化膜を介して前記窒化物半導体層に対向する第２シリコン酸窒化膜（１４４ｂ）と、を有することができる。前記第２シリコン酸窒化膜内の炭素濃度は、前記第１シリコン酸窒化膜内の炭素濃度よりも低い。前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層に対して正のバンドオフセットを有している。このため、前記シリコン酸窒化膜を有する前記ゲート絶縁膜では、井戸型ポテンシャルが形成されない。したがって、前記ゲート絶縁膜では、正孔の蓄積が抑えられる。上記実施形態の窒化物半導体装置では、ゲート閾値電圧の変動が抑えられる。

【0007】

本明細書が開示する窒化物半導体装置（３）の一実施形態は、窒化物半導体層（２０）上に設けられているゲート絶縁膜（４４）を備えることができる。前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜（１４４）と、前記シリコン酸窒化膜上に設けられているとともに前記シリコン酸窒化物とは異なる材料の上側絶縁膜（１４６）と、を有することができる。前記上側絶縁膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットは、前記シリコン酸窒化物膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットよりも大きい。前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層に対して正のバンドオフセットを有している。このため、前記シリコン酸窒化膜を有する前記ゲート絶縁膜では、井戸型ポテンシャルが形成されない。したがって、前記ゲート絶縁膜では、正孔の蓄積が抑えられる。上記実施形態の窒化物半導体装置では、ゲート閾値電圧の変動が抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の窒化物半導体層装置の一例の要部断面図を模式的に示す図である。

【図2】ミストＣＶＤ装置の構成の概略を示す図である。

【図3】本実施形態の窒化物半導体層装置の一例の要部断面図を模式的に示す図である。

【図4】本実施形態の窒化物半導体層装置の一例の要部断面図を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本明細書が開示する技術について説明する。しかしながら、本明細書が開示する技術は、以下で説明する例に限らず、絶縁ゲート部を有する様々な種類の窒化物半導体装置に適用可能である。また、以下では、プレーナー型の絶縁ゲート部を例示するが、本明細書が開示する技術はトレンチ型の絶縁ゲート部にも適用可能である。

【0010】

（第１実施形態）
図１に示されるように、窒化物半導体装置１は、横型ＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）又は横型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）と称される種類のスイッチング素子であり、基板１０と、窒化物半導体層２０と、ドレイン電極３２と、ソース電極３４と、プレーナー型の絶縁ゲート部４０と、を備えている。

【0011】

基板１０は、その表面から窒化物半導体が結晶成長可能な材料で構成されており、典型的にはＧａＮ基板である。この例に代えて、基板１０は、シリコン、サファイア等で構成されていてもよい。

【0012】

窒化物半導体層２０は、Ｖ族元素として窒素を含むＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を材料とする半導体層で構成されており、基板１０の表面から結晶成長して形成されている。窒化物半導体層２０は、特に限定されるものではないが、この例では窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成されている。窒化物半導体層２０は、ｐ型のボディ領域２２と、ｎ⁺型のドレイン領域２４と、ｎ⁺型のソース領域２６と、を有している。

【0013】

ボディ領域２２は、ドレイン領域２４とソース領域２６を隔てる部分（以下、「チャネル領域ＣＨ」という）を少なくとも有している。ボディ領域２２は、ドーパントとして例えばマグネシウム（Ｍｇ）を含むｐ型の領域である。チャネル領域ＣＨは、窒化物半導体層２０の表面に露出する位置に設けられており、絶縁ゲート部４０の直下に配置されている。

【0014】

ドレイン領域２４は、窒化物半導体層２０の表面に露出する位置に配置されており、ドーパントとして例えばシリコン（Ｓｉ）を含むｎ型の領域である。ドレイン領域２４は、イオン注入技術を利用して、窒化物半導体層２０の表層部にシリコンを導入することで形成されている。

【0015】

ソース領域２６は、窒化物半導体層２０の表面に露出する位置に配置されており、ドーパントとして例えばシリコン（Ｓｉ）を含むｎ型の領域である。ソース領域２６は、イオン注入技術を利用して、窒化物半導体層２０の表層部にシリコンを導入することで形成されている。

【0016】

ドレイン電極３２とソース電極３４は、窒化物半導体層２０の表面上に設けられており、絶縁ゲート部４０を間に置いて配置されている。ドレイン電極３２は、ドレイン領域２４に接触するように配置されており、ドレイン領域２４にオーミック接触している。ソース電極３４は、ソース領域２６に接触するように配置されており、ソース領域２６にオーミック接触している。

【0017】

絶縁ゲート部４０は、窒化物半導体層２０の表面上に設けられており、ボディ領域２２のチャネル領域ＣＨに対向するように配置されている。絶縁ゲート部４０は、ゲート電極４２と、ゲート絶縁膜４４と、を有している。

【0018】

ゲート電極４２は、チャネル領域ＣＨにゲート絶縁膜４４を介して対向するように配置されている。ゲート絶縁膜４４は、窒化物半導体層２０とゲート電極４２の間に配置されており、両者を絶縁分離している。ゲート絶縁膜４４は、この例ではシリコン酸窒化膜１４４（ＳｉＯＮ膜）の単層で構成されている。

【0019】

次に、窒化物半導体装置１の動作について説明する。ドレイン電極３２がソース電極３４よりも高電位となるような電圧がドレイン電極３２とソース電極３４の間に印加されている状態で、ゲート電極４２に閾値電圧以上の電圧が印加されると、チャネル領域ＣＨに反転層が生成され、ドレイン領域２４とソース領域２６がその反転層を介して電気的に接続される。これにより、ドレイン電極３２とソース電極３４の間が導通し、窒化物半導体装置１がオンとなる。ゲート電極４２に印加される電圧が閾値電圧よりも小さくなると、チャネル領域ＣＨに生成されていた反転層が消失し、窒化物半導体装置１はオフとなる。このように、窒化物半導体装置１は、ドレイン電極３２とソース電極３４の間を流れる電流を制御するスイッチング素子として機能することができる。

【0020】

窒化物半導体装置１では、ゲート絶縁膜４４が単層のシリコン酸窒化膜１４４で構成されている。シリコン酸窒化膜１４４は、窒化物半導体層２０の表面に接しており、窒化物半導体層２０との間に界面を形成している。シリコン酸窒化膜１４４は、窒化物半導体層２０（この例では、ＧａＮ）に対して正のバンドオフセットを有している。このため、シリコン酸窒化膜１４４の価電子帯には、井戸型ポテンシャルが形成されない。この結果、シリコン酸窒化膜１４４に正孔が蓄積するということが抑えられ、ゲート閾値電圧の変動が抑えられる。

【0021】

次に、窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。以下では、窒化物半導体装置１を製造する工程のうちのゲート絶縁膜４４を成膜する工程のみを説明する。窒化物半導体装置１を製造する工程のうちのゲート絶縁膜４４を成膜する工程以外の工程については、既知の製造方法を利用することができる。

【0022】

この例では、ゲート絶縁膜４４はミストＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）を利用して成膜される。なお、ミストＣＶＤ法に代えて、他の塗布法、例えばスプレー法、印刷法又はインクジェット法が利用されてもよい。図２に、ミストＣＶＤ法を実行するミストＣＶＤ装置８０の構成を概略して示す。ミストＣＶＤ装置８０は、炉８２と、ミスト発生装置８４と、キャリアガス供給源８６と、酸化ガス供給源８８と、を有している。なお、図２には、ファインチャネル方式のミストＣＶＤ装置８０を例示しているが、この例に代えて、他の方式、例えばリニアソース方式又はホットウォール方式のミストＣＶＤ装置であってもよい。

【0023】

炉８２は、チャンバー８２ａを有している。チャンバー８２ａ内に、各種の電極（ドレイン電極、ソース電極、ゲート電極）を形成する前の窒化物半導体層２０が載置される。炉８２は、ヒータを内蔵しており、チャンバー８２ａ内の窒化物半導体層２０を加熱することができる。

【0024】

ミスト発生装置８４は、ミスト発生タンク８４ａと、容器８４ｂと、超音波振動子８４ｃと、を有している。

【0025】

ミスト発生タンク８４ａ内には、溶液８４ｄが貯留されている。溶液８４ｄは、ゲート絶縁膜４４のシリコン酸窒化膜１４４を成膜するための膜原料が溶剤に溶解したものである。膜原料は、シリコンと窒素の双方を分子中に含む有機物である。例えば、膜原料として、ポリシラザン又はヘキサメチルジシラザンを用いることができる。溶剤として、ジメチルエーテル、酢酸メチル、アセトニトリル、ジブチルエーテル等の有機溶剤を用いることができる。

【0026】

容器８４ｂは、液体８４ｅ（例えば、水）を貯留している。ミスト発生タンク８４ａの下部は、液体８４ｅ内に浸漬されている。容器８４ｂの底面に、超音波振動子８４ｃが固定されている。超音波振動子８４ｃは、液体８４ｅに超音波を加える。液体８４ｅに加えられた超音波は、液体８４ｅを介してミスト発生タンク８４ａ内の溶液８４ｄに伝わる。すると、溶液８４ｄの液面が振動し、溶液８４ｄの上部の空間に溶液８４ｄのミスト８３が発生する。このように、ミスト発生装置８４は、ミスト発生タンク８４ａ内に、溶液８４ｄのミスト８３を発生させる。ミスト発生タンク８４ａは、原料供給管９４を介して炉８２に接続されている。ミスト８３は、ミスト発生タンク８４ａから原料供給管９４を介して炉８２に供給される。炉８２内を下流端まで流れたミスト８３は、炉８２の外部へ排出される。

【0027】

キャリアガス供給源８６は、キャリアガス供給管９０を介してミスト発生タンク８４ａに接続されている。キャリアガス供給源８６は、ミスト発生タンク８４ａにキャリアガス（例えば、アルゴン等の不活性ガス）を供給する。

【0028】

酸化ガス供給源８８は、酸化ガス供給管９２を介して原料供給管９４の途中に接続されている。酸化ガス供給源８８は、原料供給管９４に酸化剤（この例では、オゾン）を供給する。なお、酸化剤は、例えば水蒸気（Ｈ₂Ｏ）であってもよい。

【0029】

ゲート絶縁膜形成工程では、まず、炉８２のチャンバー８２ａ内に窒化物半導体層２０を載置する。次に、炉８２によって窒化物半導体層２０を加熱する。ゲート絶縁膜形成工程の間は、窒化物半導体層２０の温度を約４００℃に維持する。

【0030】

次に、超音波振動子８４ｃを作動させて、溶液８４ｄからミスト８３を発生させる。同時に、キャリアガス供給源８６からミスト発生タンク８４ａへのキャリアガスの供給を開始し、酸化ガス供給源８８から原料供給管９４への酸化ガスの供給を開始する。キャリアガス供給管９０からミスト発生タンク８４ａ内に流入したキャリアガスは、ミスト発生タンク８４ａ内のミスト８３と共に原料供給管９４へ流れる。原料供給管９４内では、ミスト８３がキャリアガスとともに炉８２へ向かって流れる。原料供給管９４の途中で、酸化ガス供給管９２から原料供給管９４内に酸化ガスが流入する。このため、原料供給管９４のうちの酸化ガス供給管９２との合流部よりも下流側の部分では、ミスト８３がキャリアガスと酸化ガスとともに炉８２へ向かって流れる。

【0031】

ミスト８３、キャリアガス、及び、酸化ガスは、原料供給管９４の下流端まで達すると、炉８２のチャンバー８２ａ内へ流入する。チャンバー８２ａ内を流れるミスト８３の一部は、窒化物半導体層２０の表面に付着する。すると、窒化物半導体層２０の表面に付着したミスト８３に含まれる溶剤が揮発し、窒化物半導体層２０の表面にシリコンと窒素を含む膜原料が固着する。また、窒化物半導体層２０の表面に膜原料が固着するのと同時に、膜原料が酸化ガスによって酸化される。酸化された膜原料は、シリコン酸窒化膜１４４となる。したがって、窒化物半導体層２０の表面に、シリコン酸窒化膜１４４により構成されたゲート絶縁膜４４が成長する。

【0032】

単層のシリコン酸窒化膜１４４からなるゲート絶縁膜４４を形成したら、窒化物半導体層２０を窒素雰囲気下において約８００℃にて約５分間アニールする。このような手順により、ゲート絶縁膜４４を成膜することができる。

【0033】

このように、本明細書が開示するミストＣＶＤ法は、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化することでシリコン酸窒化膜１４４を成膜する。例えば、窒素源としてアンモニアを用いる手法では、アンモニアが分解したときに生じる水素ラジカルによって窒化物半導体層２０の表面にダメージが加わるという問題がある。一方、本明細書が開示する技術では、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化するので、窒素源としてアンモニアを用いない。このため、水素ラジカルによって窒化物半導体層２０の表面にダメージが加わることが抑えられる。この結果、窒化物半導体装置１は、高いチャネル移動度を有することができる。

【0034】

さらに、本明細書が開示するミストＣＶＤ法では、非プラズマ状態の酸化ガスを使用して膜原料を酸化し、シリコン酸窒化膜１４４を成膜する。このため、本明細書が開示するミストＣＶＤ法では、窒化物半導体層２０の表面がプラズマ状態の酸化ガスに曝されることがないので、窒化物半導体層２０の表面にダメージが加わることが抑えられる。この点でも、窒化物半導体装置１は、高いチャネル移動度を有することができる。

【0035】

（第２実施形態）
図３に、第２実施形態の窒化物半導体装置２を示す。なお、第１実施形態の窒化物半導体装置１と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。窒化物半導体装置２は、ゲート絶縁膜４４が第１シリコン酸窒化膜１４４ａと第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを有していることを特徴としている。

【0036】

第１シリコン酸窒化膜１４４ａは、窒化物半導体層２０の表面に接するように設けられている。第２シリコン酸窒化膜１４４ｂは、第１シリコン酸窒化膜１４４ａの表面上に設けられており、第１シリコン酸窒化膜１４４ａを介して窒化物半導体層２０に対向するように設けられている。

【0037】

第１シリコン酸窒化膜１４４ａと第２シリコン酸窒化膜１４４ｂは、第１実施形態と同様に、ミストＣＶＤ法を利用して成膜される。さらに、ミストＣＶＤ法を利用して成膜するときに、第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを成膜するときよりも第１シリコン酸窒化膜１４４ａを成膜するときの酸化剤濃度が低い条件で実施される。即ち、第１シリコン酸窒化膜１４４ａを成膜するときの酸化力は相対的に弱く、第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを成膜するときの酸化力が相対的に強い。

【0038】

窒化物半導体層２０と接する第１シリコン酸窒化膜１４４ａを成膜するときの酸化力を弱くすることで、窒化物半導体層２０の表面が酸化されるのを抑え、窒化物半導体層２０の表面にダメージが加わるのを抑えることができる。この結果、窒化物半導体装置２は、高いチャネル移動度を有することができる。一方、窒化物半導体層２０から離れた第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを成膜するときの酸化力を強くすることで、第２シリコン酸窒化膜１４４ｂの膜質を欠陥が少ない良質なものとすることができ、リーク電流を抑えることができる。このように、第１シリコン酸窒化膜１４４ａと第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを有する窒化物半導体装置２は、ゲート閾値電圧の変動を抑えながら、高いチャネル移動度と低リーク電流を両立することができる。

【0039】

上記したように、第１シリコン酸窒化膜１４４ａを成膜するときの酸化力は相対的に弱く、第２シリコン酸窒化膜１４４ｂを成膜するときの酸化力が相対的に強い。この結果、第１シリコン酸窒化膜１４４ａには有機物の膜材料（例えば、ポリシラザン又はヘキサメチルジシラザン）に含まれる炭素が相対的に多く取り込まれ、第２シリコン酸窒化膜１４４ｂには有機物の膜材料（例えば、ポリシラザン又はヘキサメチルジシラザン）に含まれる炭素が相対的に少なく取り込まれる。

【0040】

なお、ゲート絶縁膜４４内において、第１シリコン酸窒化膜１４４ａと第２シリコン酸窒化膜１４４ｂは明確に区別できないこともある。例えば、ゲート絶縁膜４４を成膜するときに、酸化剤の供給濃度を連続的に増加させるように調整した場合、ゲート絶縁膜４４内の炭素濃度が窒化物半導体層２０の表面から離れる向きに連続的に増加するようなプロファイルとなる。このような場合、ゲート絶縁膜４４のうちの窒化物半導体層２０の表面に接する任意の厚みを第１シリコン酸窒化膜１４４ａとし、ゲート絶縁膜４４のうちの残りの部分を第２シリコン酸窒化膜１４４ｂとすると、第１シリコン酸窒化膜１４４ａの任意の位置の炭素濃度＞第２シリコン酸窒化膜１４４ｂの任意の位置の炭素濃度の関係が成立する。第２実施形態の窒化物半導体装置２は、このような場合も含んでいる。即ち、第２実施形態の窒化物半導体装置２のゲート絶縁膜４４に含まれる炭素濃度は、窒化物半導体層２０の表面から離れる向きに単調増加する限りにおいて様々なプロファイルを持つことができる。いずれのプロファイルでも、窒化物半導体装置２は、ゲート閾値電圧の変動を抑えながら、高いチャネル移動度と低リーク電流を両立することができる。

【0041】

（第３実施形態）
図４に、第３実施形態の窒化物半導体装置３を示す。なお、第１実施形態の窒化物半導体装置１と共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。窒化物半導体装置３は、ゲート絶縁膜４４がシリコン酸窒化膜１４４と上側絶縁膜１４６とを有していることを特徴としている。

【0042】

シリコン酸窒化膜１４４は、窒化物半導体層２０の表面に接するように設けられている。上側絶縁膜１４６は、シリコン酸窒化膜１４４の表面上に設けられており、シリコン酸窒化膜１４４を介して窒化物半導体層２０に対向するように設けられている。

【0043】

上側絶縁膜１４６の窒化物半導体層２０に対するバンドオフセットが、シリコン酸窒化膜１４４の窒化物半導体層２０に対するバンドオフセットよりも大きい。上側絶縁膜１４６の材料は、特に限定されるものではないが、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）又は金属酸化膜である。金属酸化膜としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）であってもよい。上側絶縁膜１４６は、特に限定されるものではないが、例えばミストＣＶＤ法を利用して成膜してもよい。

【0044】

窒化物半導体層２０と接するようにシリコン酸窒化膜１４４が設けられている。このため、窒化物半導体装置３では、シリコン酸窒化膜１４４に井戸型ポテンシャルが形成されないので、ゲート閾値電圧の変動を抑えられる。さらに、上側絶縁膜１４６の窒化物半導体層２０に対するバンドオフセットが、シリコン酸窒化膜１４４の窒化物半導体層２０に対するバンドオフセットよりも大きい。このため、上側絶縁膜１４６は、シリコン酸窒化膜１４４よりも絶縁破壊強度が大きい。この結果、窒化物半導体装置３では、ゲート絶縁膜４４の絶縁破壊強度が大きくなる。

【0045】

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

【0046】

本明細書が開示する窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層上にゲート絶縁膜を成膜するゲート絶縁膜成膜工程を備えることができる。前記ゲート絶縁膜成膜工程は、前記窒化物半導体層の表面に接するようにシリコン酸窒化膜を成膜するステップを有することができる。前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、シリコンと窒素の双方を分子中に含む膜原料を酸化して前記シリコン酸窒化膜を成膜する。前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、例えばミストＣＶＤ法、スプレー法、印刷法又はインクジェット法等の塗布法が利用されてもよい。この製造方法によると、例えば窒素源としてアンモニアを利用する場合に問題となる水素ラジカルが発生しない。このため、この製造方法では、前記窒化物半導体層の表面に対するダメージが抑えられる。

【0047】

前記膜原料は、特に限定されるものではないが、例えばポリシラザン又はヘキサメチルジシラザンであってもよい。

【0048】

前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、特に限定されるものではないが、例えばミストＣＶＤ法を利用して前記シリコン酸窒化膜を成膜してもよい。ミストＣＶＤ法によると、非プラズマ状態の酸化ガスを使用して前記膜原料を酸化することができる。このため、ミストＣＶＤ法では、前記窒化物半導体層の表面がプラズマ状態の酸化ガスに曝されることがないので、窒化物半導体層の表面にダメージが加わることが抑えられる。

【0049】

前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層の表面に接する第１シリコン酸窒化膜と、前記第１シリコン酸窒化膜を介して前記窒化物半導体層に対向する第２シリコン酸窒化膜と、を有していてもよい。前記シリコン酸窒化膜を成膜するステップは、前記第２シリコン酸窒化膜を成膜するときよりも前記第１シリコン酸窒化膜を成膜するときに、酸化剤濃度が低い条件で実施されてもよい。この製造方法によると、酸化力の弱い条件で前記第１シリコン酸窒化膜を成膜することで高いチャネル移動度という特性を確保し、酸化力の強い条件で前記第２シリコン酸窒化膜を成膜することで低いリーク電流という特性を確保することができる。この製造方法によると、高いチャネル移動度と低リーク電流を両立した窒化物半導体装置を製造することができる。

【0050】

前記ゲート絶縁膜成膜工程はさらに、前記シリコン酸窒化膜上に、シリコン酸窒化物とは異なる材料の上側絶縁膜を成膜するステップ、を備えていてもよい。前記上側絶縁膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットが、前記シリコン酸窒化物膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットよりも大きい。前記上側絶縁膜が、シリコン酸化膜又は金属酸化膜であってもよい。この製造方法によると、高いチャネル移動度と高い絶縁破壊耐量を両立した窒化物半導体装置を製造することができる。。

【0051】

本明細書が開示する窒化物半導体装置の一実施形態は、窒化物半導体層上に設けられているゲート絶縁膜を備えることができる。前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜を有することができる。前記シリコン酸窒化膜は、前記窒化物半導体層の表面に接する第１シリコン酸窒化膜と、前記第１シリコン酸窒化膜を介して前記窒化物半導体層に対向する第２シリコン酸窒化膜と、を有することができる。前記第２シリコン酸窒化膜内の炭素濃度は、前記第１シリコン酸窒化膜内の炭素濃度よりも低い。この窒化物半導体装置は、高いチャネル移動度と低リーク電流を両立することができる。

【0052】

本明細書が開示する窒化物半導体装置の一実施形態は、窒化物半導体層上に設けられているゲート絶縁膜を備えることができる。前記ゲート絶縁膜は、前記窒化物半導体層の表面に接するシリコン酸窒化膜と、前記シリコン酸窒化膜上に設けられているとともに前記シリコン酸窒化物とは異なる材料の上側絶縁膜と、を有することができる。前記上側絶縁膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットが、前記シリコン酸窒化物膜の前記窒化物半導体層に対するバンドオフセットよりも大きい。前記上側絶縁膜が、シリコン酸化膜又は金属酸化膜であってもよい。この窒化物半導体装置は、高いチャネル移動度と高い絶縁破壊耐量を両立することができる。

【0053】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0054】

１，２，３：窒化物半導体装置、 １０：基板、 ２０：窒化物半導体層、 ２２：ボディ領域、 ２４：ドレイン領域、 ２６：ソース領域、 ３２：ドレイン電極、 ３４：ソース電極、 ４０：絶縁ゲート部、 ４２：ゲート電極、 ４４：ゲート絶縁膜、 １４４：シリコン酸窒化膜、 ＣＨ：チャネル領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】