特開 2022-130165 スイッチングデバイスとその製造方法

(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】P2022130165

(43)【公開日】2022-09-06

(54)【発明の名称】スイッチングデバイスとその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20220830BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20220830BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20220830BHJP

   H01L 21/368 20060101ALI20220830BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20220830BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20220830BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 301G

H01L21/316 X

H01L21/31 B

H01L21/368 Z

H01L29/78 652T

H01L29/78 652K

H01L29/78 658F

H01L29/78 658E

H01L29/78 658A

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 2021029179

(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】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】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】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】富田 英幹

(72)【発明者】

【氏名】大川 峰司

(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

5F053

5F058

5F140

【Ｆターム（参考）】

5F045AA03

5F045AA15

5F045AB32

5F045AB34

5F045AC16

5F045BB16

5F045CA07

5F045DC61

5F045DP04

5F045EE02

5F045EE03

5F045EE19

5F045EK07

5F053AA50

5F053BB60

5F053DD20

5F053FF01

5F053GG10

5F053HH01

5F053HH04

5F053LL10

5F053RR03

5F058BB01

5F058BC02

5F058BC11

5F058BF29

5F058BF46

5F058BF47

5F058BJ01

5F140AA01

5F140AA05

5F140AB05

5F140AC23

5F140BA06

5F140BA16

5F140BB18

5F140BD05

5F140BD09

5F140BE09

5F140BE10

5F140BE20

5F140BF04

5F140BF05

5F140BH30

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体層の界面にガリウム酸化物層が形成されることを抑制でき、高い性能を有するスイッチングデバイス及びその製造方法を提供する。
【解決手段】スイッチングデバイス１０であって、窒化ガリウム半導体基板１２と、酸化シリコンにより構成されているとともに窒化ガリウム半導体層上に配置されたゲート絶縁膜２２と、を有する。窒化ガリウム半導体基板とゲート絶縁膜の界面３０にガリウム酸化物層が存在しないか又は窒化ガリウム半導体基板とゲート絶縁膜の界面に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチングデバイス（１０、５００、６００）であって、
窒化ガリウム半導体層（１２、６１２）と
酸化シリコンにより構成されており、前記窒化ガリウム半導体層上に配置されたゲート絶縁膜（２２、６２２）と、
を有し、
前記窒化ガリウム半導体層と前記ゲート絶縁膜の界面（３０、６３０）にガリウム酸化物層が存在しない、または、前記窒化ガリウム半導体層と前記ゲート絶縁膜の界面に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下である、スイッチングデバイス。

【請求項2】

スイッチングデバイスの製造方法であって、
シリコンを含む成膜原料と非プラズマ状態の酸化ガスとを窒化ガリウム半導体層（１２、６１２）の表面に供給することによって、前記窒化ガリウム半導体層上に酸化シリコンにより構成されたゲート絶縁膜（２２、６２２）を形成する工程を有し、
前記ゲート絶縁膜をプラズマ状態の酸化ガスに曝す工程を有さない、製造方法。

【請求項3】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記成膜原料が溶解しているとともに溶剤を含む溶液（８４ｄ）を、前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する、請求項２に記載の製造方法。

【請求項4】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記溶液からミスト（８３）を発生させ、前記ミストを前記酸化ガスとともに前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する、請求項３に記載の製造方法。

【請求項5】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記溶液を前記窒化ガリウム半導体層の前記表面にスプレー塗布しながら前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する、請求項３に記載の製造方法。

【請求項6】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記溶液をインクジェット法によって前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に塗布しながら前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する、請求項３に記載の製造方法。

【請求項7】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記溶液中にバブルを発生させることによって前記溶液の液滴を発生させ、前記液滴を前記酸化ガスとともに前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する、請求項３に記載の製造方法。

【請求項8】

前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程では、前記成膜原料を含む原料ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する工程と、前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する工程と、を交互に複数回繰り返す、請求項２に記載の製造方法。

【請求項9】

前記酸化ガスが、オゾンである請求項１～８のいずれか一項の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、スイッチングデバイスに関する。

【0002】

特許文献１には、スイッチングデバイスの製造方法が開示されている。この製造方法は、第１ゲート絶縁膜形成工程と、第２ゲート絶縁膜形成工程を有している。第１ゲート絶縁膜形成工程では、オゾンを酸化剤として用いたＡＬＤ法（atomic layer deposition）により、窒化ガリウム半導体層上に第１ゲート絶縁膜を形成する。第２工程では、酸素プラズマを酸化剤として用いたＡＬＤ法により、第１ゲート絶縁膜上に第２ゲート絶縁膜を形成する。第２ゲート絶縁膜上には、ゲート電極が形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－０７１４９７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の製造方法では、第２工程において、第１ゲート絶縁膜が酸素プラズマ（プラズマ状態の酸素ガス）に曝される。酸素プラズマは高い酸化力を有するので、第２工程では、第１ゲート絶縁膜の下部の窒化ガリウム半導体層が酸化される。このため、第１ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体層の界面に、ガリウム酸化物層が形成される。その結果、この界面に高密度に界面準位が生成され、スイッチングデバイスの性能が低下する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示するスイッチングデバイスは、窒化ガリウム半導体層と、酸化シリコンにより構成されているとともに前記窒化ガリウム半導体層上に配置されたゲート絶縁膜と、を有する。前記窒化ガリウム半導体層と前記ゲート絶縁膜の界面にガリウム酸化物層が存在しない、または、前記窒化ガリウム半導体層と前記ゲート絶縁膜の界面に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下である。

【0006】

なお、スイッチングデバイスは、ゲート絶縁膜を有するスイッチングデバイスであれば、いずれのスイッチングデバイスであってもよい。例えば、スイッチングデバイスは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistor）であってもよいし、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）であってもよい。

【0007】

また、窒化ガリウム半導体層は、窒化ガリウムを主成分とする半導体層である。例えば、窒化ガリウム半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）により構成されていてもよいし、窒化インジウムアルミニウムガリウム（ＩｎＡｌＧａＮ）により構成されていてもよい。

【0008】

また、酸化シリコンは、ＳｉとＯとの結合を含む化合物である。例えば、酸化シリコンは、ＳｉＯ_２であってもよいし、ＳｉＯＮであってもよい。

【0009】

このスイッチングデバイスでは、窒化ガリウム半導体層とゲート絶縁膜の界面にガリウム酸化物層が存在しない、または、前記窒化ガリウム半導体層と前記ゲート絶縁膜の界面に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下である。このため、窒化ガリウム半導体層とゲート絶縁膜の界面に存在する界面準位が少ない。したがって、このスイッチングデバイスは、高い性能を有する。

【0010】

本明細書は、スイッチングデバイスの製造方法を開示する。この製造方法は、シリコンを含む成膜原料と非プラズマ状態の酸化ガスとを窒化ガリウム半導体層の表面に供給することによって、前記窒化ガリウム半導体層上に酸化シリコンにより構成されたゲート絶縁膜を形成する工程を有する。また、この製造方法は、前記ゲート絶縁膜をプラズマ状態の酸化ガスに曝す工程を有さない。

【0011】

なお、酸化ガスは、シリコンを酸化する能力を有するガスを意味する。例えば、酸化ガスは、酸素ガス、水蒸気、オゾン等であってもよい。

【0012】

この製造方法では、ゲート絶縁膜を形成する工程において非プラズマ状態の酸化ガスを用いるため、ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体層の界面における窒化ガリウム半導体層の酸化を抑制できる。また、この製造方法は、ゲート絶縁膜をプラズマ状態の酸化ガスに曝す工程を有さないので、ゲート絶縁膜の形成後においても、ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体層の界面における窒化ガリウム半導体層の酸化を抑制できる。したがって、この製造方法によれば、ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体層の界面にガリウム酸化物層が形成されることを抑制できる。このため、この製造方法によれば、高い性能を有するスイッチングデバイスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】スイッチングデバイス１０の断面図。

【図2】スイッチングデバイス１０の製造方法の説明図。

【図3】スイッチングデバイス１０の製造方法の説明図。

【図4】スイッチングデバイス１０の製造方法の説明図。

【図5】スイッチングデバイス１０の製造方法の説明図。

【図6】ミストＣＶＤ法の説明図。

【図7】ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体基板の界面のＸＰＳ分析結果を示すグラフ。

【図8】実施例１の製造方法により製造されたスイッチングデバイス１０の移動度を示すグラフ。

【図9】酸素プラズマを使用する製造方法により製造されたスイッチングデバイス１０の移動度を示すグラフ。

【図10】スプレー法の説明図。

【図11】インクジェット法の説明図。

【図12】バブリング法の説明図。

【図13】非プラズマ状態の酸化ガスを使用するＡＬＤ法の説明図。

【図14】スイッチングデバイス５００の断面図。

【図15】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図16】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図17】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図18】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図19】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図20】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図21】スイッチングデバイス５００の製造方法の説明図。

【図22】スイッチングデバイス６００の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本明細書が開示する一例のスイッチングデバイスの製造方法では、前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程で、前記成膜原料が溶解しているとともに溶剤を含む溶液を、前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給してもよい。この場合、一つの構成においては、前記溶液からミストを発生させ、前記ミストを前記酸化ガスとともに前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給してもよい。また、別の構成においては、前記溶液を前記窒化ガリウム半導体層の前記表面にスプレー塗布しながら前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給してもよい。また、別の構成においては、前記溶液をインクジェット法によって前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に塗布しながら前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給してもよい。また、別の構成においては、前記溶液中にバブルを発生させることによって前記溶液の液滴を発生させ、前記液滴を前記酸化ガスとともに前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給してもよい。

【0015】

これらの構成によれば、窒化ガリウム半導体層上に好適にゲート絶縁膜を形成することができる。

【0016】

また、本明細書が開示する別の一例のスイッチングデバイスの製造方法では、前記ゲート絶縁膜を形成する前記工程で、前記成膜原料を含む原料ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する工程と、前記酸化ガスを前記窒化ガリウム半導体層の前記表面に供給する工程と、を交互に複数回繰り返してもよい。

【0017】

この構成によれば、窒化ガリウム半導体層上に好適にゲート絶縁膜を形成することができる。

【0018】

本明細書が開示する何れかの製造方法では、前記酸化ガスが、オゾンであってもよい。

【0019】

図１に示す実施形態のスイッチングデバイス１０は、ＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）である。スイッチングデバイス１０は、窒化ガリウム半導体基板１２を有している。窒化ガリウム半導体基板１２は、高濃度ｎ型層１４ａ、バッファ層１４ｂ、ドリフト層１４ｃ、ボディ層１６、ソース層１８、及び、ドレイン層２０を有している。高濃度ｎ型層１４ａは、窒化ガリウム半導体基板１２の下面を含む範囲に設けられている。バッファ層１４ｂは、高濃度ｎ型層１４ａよりもｎ型不純物濃度が低いｎ型層であり、高濃度ｎ型層１４ａ上に設けられている。ドリフト層１４ｃは、バッファ層１４ｂと同等のｎ型不純物濃度を有するｎ型層であり、バッファ層１４ｂ上に設けられている。ボディ層１６は、ｐ型層であり、ドリフト層１４ｃ上に設けられている。ソース層１８とドレイン層２０は、ｎ型層であり、ボディ層１６上に設けられている。ソース層１８とドレイン層２０は、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａを部分的に含む範囲に設けられている。ソース層１８とドレイン層２０は互いから分離されている。すなわち、ソース層１８とドレイン層２０の間にボディ層１６が設けられており、ボディ層１６によってソース層１８がドレイン層２０から分離されている。

【0020】

窒化ガリウム半導体基板１２の上部に、ゲート絶縁膜２２、ゲート電極２４、ソース電極２６、及び、ドレイン電極２８が配置されている。

【0021】

ゲート絶縁膜２２は、酸化シリコン（例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ等）によって構成されている。ゲート絶縁膜２２は、窒化ガリウム半導体基板１２上に配置されている。ゲート絶縁膜２２は、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａのうち、ソース層１８の表面からドレイン層２０の表面まで伸びている。ゲート絶縁膜２２は、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａにおいて、ソース層１８、ボディ層１６、及び、ドレイン層２０に接している。

【0022】

ゲート電極２４は、導体（例えば、金属やポリシリコン）により構成されている。ゲート電極２４は、ゲート絶縁膜２２上に配置されている。ゲート電極２４は、ソース層１８の上部からドレイン層２０の上部まで伸びている。ゲート電極２４は、ゲート絶縁膜２２を介して、ソース層１８、ボディ層１６、及び、ドレイン層２０に対向している。

【0023】

ソース電極２６は、導体により構成されている。ソース電極２６は、ソース層１８上に配置されている。ソース電極２６は、ソース層１８にオーミック接触している。

【0024】

ドレイン電極２８は、導体により構成されている。ドレイン電極２８は、ドレイン層２０上に配置されている。ドレイン電極２８は、ドレイン層２０にオーミック接触している。

【0025】

ゲート電極２４に閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜２２の直下のドレイン層２０にチャネルが形成される。チャネルによってソース層１８とドレイン層２０が接続される。この状態で、ドレイン電極２８にソース電極２６よりも高い電位を印加すると、ソース層１８からチャネルを通ってドレイン層２０へ電子が流れる。すなわち、スイッチングデバイス１０がオンする。なお、後に詳述するが、スイッチングデバイス１０では、ゲート絶縁膜２２と窒化ガリウム基板１２との界面３０における界面準位密度が低い。したがって、スイッチングデバイス１０のチャネル移動度は高い。

【実施例0026】

次に、実施例１のスイッチングデバイス１０の製造方法について説明する。図２は、加工前の窒化ガリウム半導体基板１２を示している。スイッチングデバイス１０は、図２の窒化ガリウム半導体基板１２から製造される。図２に示す窒化ガリウム半導体基板１２の全体は、高濃度ｎ型層１４ａにより構成されている。高濃度ｎ型層１４ａは、約４００μｍの厚さを有しており、約１×１０^１８ｃｍ^－３のｎ型不純物濃度を有している。

【0027】

まず、図３に示すように、高濃度ｎ型層１４ａ上に、窒化ガリウムにより構成されたバッファ層１４ｂをエピタキシャル成長させる。ここでは、バッファ層１４ｂのｎ型不純物濃度が約２×１０^１６ｃｍ^－３となり、バッファ層１４ｂの厚さが約０．３μｍとなるようにバッファ層１４ｂを形成する。次に、図３に示すように、バッファ層１４ｂ上に、窒化ガリウムにより構成されたドリフト層１４ｃをエピタキシャル成長させる。ここでは、ドリフト層１４ｃのｎ型不純物濃度が約２×１０^１６ｃｍ^－３となり、ドリフト層１４ｃの厚さが約１．０μｍとなるようにドリフト層１４ｃを形成する。次に、図３に示すように、ドリフト層１４ｃ上に、窒化ガリウムにより構成されたボディ層１６をエピタキシャル成長させる。ここでは、ボディ層１６がｐ型不純物（例えば、マグネシウム）を約５×１０^１７ｃｍ^－３の濃度で有しており、ボディ層１６の厚さが約１．５μｍとなるようにボディ層１６を形成する。その後、窒化ガリウム半導体基板１２を窒素雰囲気化において約８５０℃にて約５分間アニールし、ボディ層１６中のｐ型不純物を活性化させる。

【0028】

次に、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａからボディ層１６に選択的にｎ型不純物（例えば、シリコン）を約３×１０^１５ｃｍ^－２のドーズ量でイオン注入する。その後、窒化ガリウム半導体基板１２全体を窒素雰囲気化において約１０００℃にて約５分間アニールし、注入したｎ型不純物を活性化させる。これによって、図４に示すように、ボディ層１６の表層部の一部に、ソース層１８とドレイン層２０を形成する。

【0029】

次に、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａを洗浄する。次に、ゲート絶縁膜形成工程を実施する。ゲート絶縁膜形成工程では、図５に示すように、上面１２ａ上に酸化シリコンにより構成されたゲート絶縁膜２２を形成する。実施例１のゲート絶縁膜形成工程では、ミストＣＶＤ法（chemical vapor deposition）によりゲート絶縁膜２２を形成する。

【0030】

図６は、ミストＣＶＤ法を実行するミストＣＶＤ装置８０を示している。ミストＣＶＤ装置８０は、炉８２、ミスト発生装置８４、キャリアガス供給源８６、及び、酸化ガス供給源８８を有している。

【0031】

炉８２は、チャンバー８２ａを有している。チャンバー８２ａ内に、窒化ガリウム半導体基板１２を載置することができる。炉８２は、ヒータを内蔵しており、チャンバー８２ａ内の窒化ガリウム半導体基板１２を加熱することができる。

【0032】

ミスト発生装置８４は、ミスト発生タンク８４ａ、容器８４ｂ、超音波振動子８４ｃを有している。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、溶剤に成膜原料を溶解させたものである。成膜原料は、元素としてシリコンを含んでいる。例えば、成膜原料として、ポリシラザン、テトラエトキシシラン、トリエトキシシラン、ヘキサメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサメチルジシラン等を用いることができる。溶剤として、酢酸ブチル、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。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。

【0033】

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。

【0034】

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に酸化ガス（本実施形態では、オゾン）を供給する。

【0035】

ゲート絶縁膜形成工程では、まず、炉８２のチャンバー８２ａ内に窒化ガリウム半導体基板１２を載置する。ここでは、チャンバー８２ａ内を流れるミストに上面１２ａが曝される向きで、窒化ガリウム半導体基板１２をチャンバー８２ａ内に載置する。次に、炉８２によって窒化ガリウム半導体基板１２を加熱する。ゲート絶縁膜形成工程の間は、窒化ガリウム半導体基板１２の温度を約４００℃に維持する。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。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、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａに付着する。すると、上面１２ａに付着したミスト８３に含まれる溶剤が揮発し、上面１２ａにシリコンを含む成膜原料が固着する。また、上面１２ａに成膜原料が固着するのと同時に、成膜原料が酸化ガスによって酸化される。酸化された成膜原料は、酸化シリコンとなる。したがって、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａに、酸化シリコンにより構成されたゲート絶縁膜２２が成長する。ここでは、５分程度の成膜時間で、ゲート絶縁膜２２の厚さが約１００ｎｍとなるようにゲート絶縁膜２２を形成する。

【0036】

ゲート絶縁膜２２を形成したら、窒化ガリウム半導体基板１２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。

【0037】

次に、図１に示すように、ソース層１８の上部、及び、ドレイン層２０の上部において、ゲート絶縁膜２２にコンタクトホール２６ａ、２８ａを形成する。次に、ゲート電極２４、ソース電極２６、及び、ドレイン電極２８を形成する。その後、必要に応じて、窒化ガリウム半導体基板１２に対して水素シンタ処理を実施する。以上の工程によって、図１に示すスイッチングデバイス１０が完成する。

【0038】

以上に説明したように、実施例１では、非プラズマ状態の酸化ガスを使用するミストＣＶＤ法によってゲート絶縁膜２２を形成する。すなわち、窒化ガリウム半導体基板１２上で成膜原料を非プラズマ状態の酸化ガスによって酸化することによって、ゲート絶縁膜２２（すなわち、酸化シリコン膜）を形成する。すなわち、実施例１の製造方法では、ゲート絶縁膜形成工程でプラズマ状態の酸化ガスを使用しない。また、実施例１の製造方法では、ゲート絶縁膜２２の形成後に、ゲート絶縁膜２２がプラズマ状態の酸化ガスに曝されることが無い。以下に説明するように、この構成によれば、ゲート絶縁膜２２と窒化ガリウム半導体基板１２との界面３０にガリウム酸化物層が形成されることを抑制し、スイッチングデバイス１０のチャネル移動度を改善できる。

【0039】

図７のグラフＡ～Ｃは、スイッチングデバイス１０として３つのサンプルを作成し、各サンプルに対してＧａＬＬＭについてのＸＰＳ分析を行った結果を示している。グラフＡは、ゲート絶縁膜２２を形成していない状態（図４の状態）のボディ層１６の表面に対してＸＰＳ分析を行った結果である。すなわち、グラフＡは、ガリウム酸化物層が存在しない状態のボディ層１６の表面に対してＸＰＳ分析を行った結果である。グラフＢは、実施例１のゲート絶縁膜形成工程（すなわち、酸化ガスとしてオゾンを使用したミストＣＶＤ法）によってゲート絶縁膜２２を形成し、そのゲート絶縁膜２２とボディ層１６との界面３０にＸＰＳ分析を行った結果である。グラフＣは、酸素プラズマ（プラズマ状態の酸素ガス）を用いたＡＬＤ法によってゲート絶縁膜２２を形成し、そのゲート絶縁膜２２とボディ層１６との界面３０にＸＰＳ分析を行った結果である。なお、グラフＢ及びＣの測定では、ゲート絶縁膜２２をウェットエッチングすることによってゲート絶縁膜２２の厚さを約１００ｎｍから約５ｎｍまで減少させ、その後に、ゲート絶縁膜２２とボディ層１６の界面３０に対してＸＰＳ分析を行った。

【0040】

図７に示すように、グラフＢはグラフＡとほぼ一致するのに対し、グラフＣはグラフＡに対して明らかなずれを有する。Noritake Isomura at el(2020). X-ray photoelectron spectroscopy insights on interfaces between SiO2 films and GaNsubstrates: differences due to depositional technique, Jpn. J. Appl. Phys. 59, 090902 (2020)に示されているように、ゲート絶縁膜と窒化ガリウム半導体との界面のＸＰＳ分析の結果を比較することで、当該界面にガリウム酸化物層が存在するか否かを検出することができる。この手法によれば、厚さが１ｎｍより厚いガリウム酸化物層を検出することができる。上述したように、グラフＡはガリウム酸化物層が存在しない状態のボディ層１６の表面に対してＸＰＳ分析を行った結果である。グラフＢはグラフＡと一致しているので、グラフＢのサンプルでは、界面３０にガリウム酸化物層が存在しない、または、界面３０に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下（検出限界以下）である。すなわち、酸化ガスとしてオゾンを使用したミストＣＶＤ法によりゲート絶縁膜２２を形成した場合には、界面３０にガリウム酸化物層が形成されない、または、界面３０に形成されるガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下である。グラフＣはグラフＡに対してずれを有しているので、グラフＣのサンプルでは、界面３０に厚さが１ｎｍよりも厚いガリウム酸化物層が存在する。すなわち、酸素プラズマを用いたＡＬＤ法によってゲート絶縁膜２２を形成した場合には、界面３０に厚さが１ｎｍよりも厚いガリウム酸化物層が形成される。

【0041】

以上に説明したように、実施例１の製造方法によれば、界面３０にガリウム酸化物層が形成されることを抑制できる。その理由は、以下のように推測される。ゲート絶縁膜２２を形成するときに、プラズマ状態の酸化ガスを使用すると、プラズマ状態の酸化ガスの酸化力が高すぎるため、窒化ガリウム半導体基板１２の表面が酸化され、界面３０にガリウム酸化物層が形成される。これに対し、実施例１の製造方法では、ゲート絶縁膜２２を形成するときに非プラズマ状態の酸化ガスを使用する。非プラズマ状態の酸化ガスの酸化力がそれほど高くないので、界面３０にガリウム酸化物層が形成されることが抑制される。また、ゲート絶縁膜２２の形成後にゲート絶縁膜２２がプラズマ状態の酸化ガスに曝されると、界面３０にガリウム酸化物層が形成される。これに対し、実施例１の製造方法では、ゲート絶縁膜２２の形成後にゲート絶縁膜２２がプラズマ状態の酸化ガスに曝される工程が存在しない。したがって、ゲート絶縁膜２２の形成後に界面３０にガリウム酸化物層が形成されることが抑制される。したがって、実施例１の製造方法によれば、界面３０にガリウム酸化物層が存在しない、または、界面３０に存在するガリウム酸化物層の厚さが１ｎｍ以下であるスイッチングデバイス１０を製造することができる。

【0042】

界面３０におけるガリウム酸化物層の形成が抑制されると、界面３０における界面準位密度を低減することができる。スイッチングデバイス１０では、界面３０に沿ってチャネルが形成されるので、界面３０の界面準位密度を低減することで、チャネル移動度を向上させることができる。図８は、実施例１の製造方法により製造したスイッチングデバイス１０のチャネル移動度を測定した結果を示している。図８に示すように、この場合、２５０ｃｍ^２／Ｖｓを超える移動度が得られた。図９は、酸素プラズマを用いたＡＬＤ法によってゲート絶縁膜２２を形成した場合のスイッチングデバイス１０のチャネル移動度を測定した結果を示している。図９に示すように、この場合、移動度は最大でも約５６ｃｍ^２／Ｖｓであった。このように、実施例１の製造方法によれば、界面３０におけるガリウム酸化物層の形成を抑制でき、チャネル移動度の高いスイッチングデバイス１０を製造することができる。

【0043】

次に、実施例２～５の製造方法について説明する。なお、実施例２～５の製造方法では、ゲート絶縁膜形成工程のみが実施例１の製造方法とは異なる。したがって、以下では、実施例２～５のゲート絶縁膜形成工程について説明する。

【実施例0044】

実施例２のゲート絶縁膜形成工程では、スプレー塗布法によってゲート絶縁膜２２を形成する。すなわち、ここでは、窒化ガリウム半導体基板１２を加熱しながら、図１０に示すように、溶液８４ｄを窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａにスプレー塗布する。同時に、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａに、酸化ガス（ここでは、オゾン）を供給する。上面１２ａに付着した溶液８４ｄから溶剤が揮発し、上面１２ａにシリコンを含む成膜原料が固着する。また、上面１２ａに成膜原料が固着するのと同時に、成膜原料が酸化ガスによって酸化される。酸化された成膜原料は、酸化シリコンとなる。したがって、窒化ガリウム半導体基板１２の上面１２ａに、酸化シリコンにより構成されたゲート絶縁膜２２が成長する。