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(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】
(24)【登録日】2023-11-20
(45)【発行日】2023-11-29
(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/336 20060101AFI20231121BHJP
H01L 29/78 20060101ALI20231121BHJP
H01L 29/12 20060101ALI20231121BHJP
H01L 21/28 20060101ALI20231121BHJP
H01L 21/283 20060101ALI20231121BHJP
H01L 29/423 20060101ALI20231121BHJP
H01L 29/49 20060101ALI20231121BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20231121BHJP
H01L 29/778 20060101ALI20231121BHJP
H01L 29/812 20060101ALI20231121BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 301G
H01L29/78 301B
H01L29/78 301H
H01L29/78 301V
H01L29/78 652K
H01L29/78 652T
H01L29/78 653A
H01L29/78 658F
H01L21/28 301B
H01L21/283 C
H01L29/58 G
H01L29/80 H
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2017236729
(22)【出願日】2017-12-11
(65)【公開番号】P2019106417
(43)【公開日】2019-06-27
【審査請求日】2020-09-08
【審判番号】
【審判請求日】2022-12-13
(73)【特許権者】
【識別番号】000183646
【氏名又は名称】出光興産株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504139662
【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構
(74)【代理人】
【識別番号】110002354
【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】上岡 義弘
(72)【発明者】
【氏名】矢野 公規
(72)【発明者】
【氏名】勝又 聡
(72)【発明者】
【氏名】天野 浩
(72)【発明者】
【氏名】本田 善央
(72)【発明者】
【氏名】出来 真斗
【合議体】
【審判長】恩田 春香
【審判官】河本 充雄
【審判官】棚田 一也
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０７２３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１６／１５７３７１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１７－１０７９７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１８１６３２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
H01L21/336
H01L21/338
H01L29/778
H01L29/78
H01L29/812
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体層、前記半導体層と接し、前記半導体層が形成する平面上に形成される第１の絶縁体層、
前記第１の絶縁体層と接する第２の絶縁体層、及び、
前記第２の絶縁体層と接する金属層をこの順に含み、
前記半導体層が、III－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記金属層が、ゲート電極であり、
前記第１の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び前記第２の絶縁体層の前記第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、σＯ１＞σＯ２を満たす半導体装置。
【請求項2】
前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層が、下記式（１）を満たす請求項１に記載の半導体装置。【数9】
ΔＶｉｄｅａｌは、理論電圧シフト量であり、ΔＶｉｄｅａｌ＞０である。
αは、ダイポール寄与率であって、１／１００００である。
Δσ１２は、σＯ１－σＯ２の差である。
ｑは、電気素量である。
ＣＯＸ１は、前記第１の絶縁体層の１ｃｍ２あたりの容量である。）
【請求項3】
前記第１の絶縁体層が、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第２の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む請求項１～３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項5】
前記半導体層が、ＧａＮを含む請求項１～４のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項6】
前記第２の絶縁体層と接する第３の絶縁体層をさらに含み、前記第１の絶縁体層、前記第２の絶縁体層及び前記第３の絶縁体層の順に含み、
前記第３の絶縁体層が、前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層とは異なる材料を含む請求項１～５のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第３の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ３としたとき、σＯ３＞σＯ２を満たす、請求項６に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第３の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む請求項６又は７に記載の半導体装置。
【請求項9】
前記半導体層が、第１の半導体層と第２の半導体層からなる積層体であり、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが、互いに異なるIII－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の界面に二次元電子ガスが存在する請求項１～８のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項10】
前記金属層が、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＮｉから選ばれる１種以上を含む請求項１～９のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項11】
前記金属層が、ＭＩＳ構造の少なくとも一部を構成する、絶縁ゲート型電界効果トランジスタである請求項１～１０のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項12】
トレンチ構造を備え、前記ＭＩＳ構造が、前記トレンチ構造の壁部において形成されている請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項13】
縦型トランジスタである、請求項１～１２のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項14】
ＧａＮを含む半導体層が形成する平面上に、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む第１の絶縁体層を形成し、前記第１の絶縁体層上に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む第２の絶縁体層を形成し、
前記第２の絶縁体層上に金属層を形成し、
請求項１～９のいずれかに記載の半導体装置を得る、半導体装置の製造方法。
【請求項15】
前記第１の絶縁体層の形成を、成膜温度６００℃未満で行う請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項16】
前記金属層が、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＮｉから選ばれる１種以上を含む、請求項１４又は１５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項17】
前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ｏ２ガス、オゾンガス及びＨ２Ｏガスから選ばれる１種類以上のガスを含む原料ガスとする原子層堆積法で形成する請求項１４～１６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項18】
前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを含むスパッタガスとするスパッタ法で形成する請求項１４～１６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項19】
前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを供給ガスとする、有磁場マイクロ波プラズマ成膜法又誘導結合プラズマ成膜法により形成する請求項１４～１６のいずれかに記載の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、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
窒化ガリウムに代表される窒化物半導体は、ＬＥＤ等の発光素子に広く用いられており、近年では、Ｓｉよりも省エネ性能の高いダイオード、トランジスタ等のパワー半導体材料として期待されている。
【0003】
窒化物半導体を用いる電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極から構成される。代表的なトランジスタ構造としては、チャネル部に半導体ヘテロ接合により発生した二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を用いるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、半導体／絶縁膜／電極のＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造からなるＭＩＳＦＥＴがある。
【0004】
しきい値電圧（Ｖｔｈ：ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）は、スイッチング素子の信頼性において、重要なパラメータの１つであり、スイッチング素子が、電流が導通しない「オフ状態」から電流が導通する「オン状態」に切り替わる電圧を指す。特に電力変換用トランジスタにおいては、大電流及び大電圧を扱うため、ゲートへの印加電圧０Ｖでオン状態を維持できる「ノーマリーオフ」が安全上必要となる。
しかしながら、窒化物半導体を用いたトランジスタでは、構造上ノーマリーオンとなり易く、電力変換用トランジスタとして実用化する上での問題となっていた。
しかしながら、窒化物半導体を用いたトランジスタでは、構造上ノーマリーオンとなり易く、電力変換用トランジスタとして実用化する上での問題となっていた。
【0005】
特許文献１には、窒化物半導体を用いたトランジスタのノーマリーオフを実現する手段として、ソースにノーマリーオフのＳｉ－ＭＯＳＦＥＴを接続した、カスコード接続が開示されている。しかしながら、トランジスタの電流―電圧特性にＳｉ－ＭＯＳＦＥＴの抵抗が加わるだけでなく、高周波特性がＳｉ－ＭＯＳＦＥＴに制限されるため、高周波特性に優れる窒化物半導体のメリットが活かせない問題があった。
【0006】
特許文献２には、窒化物半導体を用いたトランジスタのノーマリーオフを実現する手段として、ゲート部に溝を形成した、リセスゲートが開示されている。しかしながら、Åオーダーでエッチングを制御する必要があり、その制御の困難さからＶｔｈのばらつきが大きく、生産性に問題があった。
【0007】
特許文献３には、窒化物半導体を用いたトランジスタのノーマリーオフを実現する手段として、ゲート部にｐ型ＧａＮを形成した、ｐ型ＧａＮゲートが開示されている。しかしながら、ｐｎ接合による内部電界を用いるため、物性値より２Ｖ以上のＶｔｈは困難であるという問題がある。また、ｐ型及びｎ型窒化物半導体の精密なドーピング制御の困難さから、Ｖｔｈの面内ばらつきが大きいため、生産性にも問題があった。
【0008】
特許文献４には、窒化物半導体を用いたトランジスタのノーマリーオフを実現する手段として、ゲート部にＦイオンを注入した、Ｆイオン注入ゲートが開示されている。しかしながら、Ｆイオンが熱等の外部エネルギーにより可動してしまうので、長期信頼性に欠ける問題があった。
【0009】
特許文献５には、窒化物半導体を用いたトランジスタのノーマリーオフを実現する手段として、ゲート部に電荷を蓄積する層を挿入した、電荷蓄積ゲートが開示されている。しかしながら、電荷が熱等の外部エネルギーによって可動してしまうので、長期信頼性に欠ける問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特開２０１４－１８７０５９号公報
【文献】特開２００６－３２６５０号公報
【文献】特開２００９－３８１７５号公報
【文献】特開２０１２－１２４４４２号公報
【文献】特開２００９－２７２５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
本発明の目的は、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタを提供することである。
本発明の他の目的は、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明によれば、以下の半導体装置等が提供される。
１．半導体層、前記半導体層と接する第１の絶縁体層、及び前記第１の絶縁体層と接する第２の絶縁体層をこの順に含み、
前記半導体層が、III－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記第１の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び前記第２の絶縁体層の前記第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、σＯ１＞σＯ２を満たす半導体装置。
２．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層が、下記式（１）を満たす１に記載の半導体装置。
（前記式（１）中、
ΔＶｉｄｅａｌは、理論電圧シフト量であり、ΔＶｉｄｅａｌ＞０である。
αは、ダイポール寄与率であって、１／１００００である。
Δσ１２は、σＯ１－σＯ２の差である。
ｑは、電気素量である。
ＣＯＸ１は、前記第１の絶縁体層の１ｃｍ２あたりの容量である。）
３．前記第１の絶縁体層が、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む１又は２に記載の半導体装置。
４．前記第２の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む１～３のいずれかに記載の半導体装置。
５．前記半導体層が、ＧａＮを含む１～４のいずれかに記載の半導体装置。
６．前記第２の絶縁体層と接する第３の絶縁体層をさらに含み、
前記第１の絶縁体層、前記第２の絶縁体層及び前記第３の絶縁体層の順に含み、
前記第３の絶縁体層が、前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層とは異なる材料を含む１～５のいずれかに記載の半導体装置。
７．前記第３の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ３としたとき、σＯ３＞σＯ２を満たす、６に記載の半導体装置。
８．前記第３の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む６又は７に記載の半導体装置。
９．前記半導体層が、第１の半導体層と第２の半導体層からなる積層体であり、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが、互いに異なるIII－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の界面に二次元電子ガスが存在する１～８のいずれかに記載の半導体装置。
１０．金属層をさらに含み、
前記半導体層、前記第１の絶縁体層、前記第２の絶縁体層、及び前記金属層の順に含む１～９のいずれかに記載の半導体装置。
１１．前記金属層が、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉから選ばれる１種以上を含む１０に記載の半導体装置。
１２．前記金属層が、ＭＩＳ構造の少なくとも一部を構成する、絶縁ゲート型電界効果トランジスタである１０又は１１に記載の半導体装置。
１３．トレンチ構造を備え、
ＭＩＳ構造が、前記トレンチ構造の壁部において形成されている１０～１２のいずれかに記載の半導体装置。
１４．縦型トランジスタである、１０～１３のいずれかに記載の半導体装置。
１５．ＧａＮを含む半導体層上に、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む第１の絶縁体層を形成し、
前記第１の絶縁体層上に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む第２の絶縁体層を形成する、半導体装置の製造方法。
１６．前記第１の絶縁体層の形成を、成膜温度６００℃未満で行う１５に記載の半導体装置の製造方法。
１７．前記前記第１の絶縁体層上に前記第２の絶縁体層を形成した後、前記第２の絶縁体層上に、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉから選ばれる１種以上を含む金属層を形成する、１５又は１６に記載の半導体装置の製造方法。
１８．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ｏ２ガス、オゾンガス及びＨ２Ｏガスから選ばれる１種類以上のガスを含む原料ガスとする原子層堆積法で形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
１９．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを含むスパッタガスとするスパッタ法で形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
２０．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを供給ガスとする、有磁場マイクロ波プラズマ成膜法又誘導結合プラズマ成膜法により形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
１．半導体層、前記半導体層と接する第１の絶縁体層、及び前記第１の絶縁体層と接する第２の絶縁体層をこの順に含み、
前記半導体層が、III－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記第１の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び前記第２の絶縁体層の前記第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、σＯ１＞σＯ２を満たす半導体装置。
２．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層が、下記式（１）を満たす１に記載の半導体装置。
【数1】
ΔＶｉｄｅａｌは、理論電圧シフト量であり、ΔＶｉｄｅａｌ＞０である。
αは、ダイポール寄与率であって、１／１００００である。
Δσ１２は、σＯ１－σＯ２の差である。
ｑは、電気素量である。
ＣＯＸ１は、前記第１の絶縁体層の１ｃｍ２あたりの容量である。）
３．前記第１の絶縁体層が、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む１又は２に記載の半導体装置。
４．前記第２の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む１～３のいずれかに記載の半導体装置。
５．前記半導体層が、ＧａＮを含む１～４のいずれかに記載の半導体装置。
６．前記第２の絶縁体層と接する第３の絶縁体層をさらに含み、
前記第１の絶縁体層、前記第２の絶縁体層及び前記第３の絶縁体層の順に含み、
前記第３の絶縁体層が、前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層とは異なる材料を含む１～５のいずれかに記載の半導体装置。
７．前記第３の絶縁体層の前記第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ３としたとき、σＯ３＞σＯ２を満たす、６に記載の半導体装置。
８．前記第３の絶縁体層が、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む６又は７に記載の半導体装置。
９．前記半導体層が、第１の半導体層と第２の半導体層からなる積層体であり、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層とが、互いに異なるIII－Ｖ族元素窒化物を含み、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層の界面に二次元電子ガスが存在する１～８のいずれかに記載の半導体装置。
１０．金属層をさらに含み、
前記半導体層、前記第１の絶縁体層、前記第２の絶縁体層、及び前記金属層の順に含む１～９のいずれかに記載の半導体装置。
１１．前記金属層が、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉから選ばれる１種以上を含む１０に記載の半導体装置。
１２．前記金属層が、ＭＩＳ構造の少なくとも一部を構成する、絶縁ゲート型電界効果トランジスタである１０又は１１に記載の半導体装置。
１３．トレンチ構造を備え、
ＭＩＳ構造が、前記トレンチ構造の壁部において形成されている１０～１２のいずれかに記載の半導体装置。
１４．縦型トランジスタである、１０～１３のいずれかに記載の半導体装置。
１５．ＧａＮを含む半導体層上に、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む第１の絶縁体層を形成し、
前記第１の絶縁体層上に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む第２の絶縁体層を形成する、半導体装置の製造方法。
１６．前記第１の絶縁体層の形成を、成膜温度６００℃未満で行う１５に記載の半導体装置の製造方法。
１７．前記前記第１の絶縁体層上に前記第２の絶縁体層を形成した後、前記第２の絶縁体層上に、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉから選ばれる１種以上を含む金属層を形成する、１５又は１６に記載の半導体装置の製造方法。
１８．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ｏ２ガス、オゾンガス及びＨ２Ｏガスから選ばれる１種類以上のガスを含む原料ガスとする原子層堆積法で形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
１９．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを含むスパッタガスとするスパッタ法で形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
２０．前記第１の絶縁体層及び前記第２の絶縁体層を、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上のガスを供給ガスとする、有磁場マイクロ波プラズマ成膜法又誘導結合プラズマ成膜法により形成する１５～１７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタが提供できる。
本発明によれば、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法が提供できる。
本発明によれば、ノーマリーオフが実現可能であって、生産性に優れる窒化物半導体を用いたトランジスタの製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本態様に係る半導体装置の作用及び効果を説明する図面である。
【図2】本態様に係る半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。
【図3】本態様に係る半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図4】本態様に係る半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図5】本態様に係る半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図6】本態様に係る半導体装置の他の実施形態を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
［半導体装置］
本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体層、半導体層と接する第１の絶縁体層、及び第１の絶縁体層と接する第２の絶縁体層をこの順に含み、半導体層が、III－Ｖ族元素窒化物を含む。そして、第１の絶縁体層の第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び第２の絶縁体層の第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、σＯ１＞σＯ２を満たす。
ここで、酸素単位面密度とは、１ｃｍ－２あたりにおける酸素原子の存在量、すなわちａｔｏｍ／ｃｍ２で表される量である。
本発明の一態様に係る半導体装置は、半導体層、半導体層と接する第１の絶縁体層、及び第１の絶縁体層と接する第２の絶縁体層をこの順に含み、半導体層が、III－Ｖ族元素窒化物を含む。そして、第１の絶縁体層の第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び第２の絶縁体層の第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、σＯ１＞σＯ２を満たす。
ここで、酸素単位面密度とは、１ｃｍ－２あたりにおける酸素原子の存在量、すなわちａｔｏｍ／ｃｍ２で表される量である。
【0016】
本態様に係る半導体装置では、互いに接する第１の絶縁体層と第２の絶縁体層との界面で、界面ダイポールが生じ、ノーマリーオフを実現することができる。
図１は、本態様に係る半導体装置の作用及び効果を説明する図面である。
図１では、半導体層、第１の絶縁体層、第２の絶縁体層、金属層がこの順に接して積層しており、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層との界面において、第１の絶縁体層の酸素単位面密度が、第２の絶縁体層２２の酸素単位面密度よりも高くなっている（σＯ１＞σＯ２）。絶縁体層の界面では、酸素密度に勾配が存在しており、当該界面では酸素の移動が生じ、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の界面において界面ダイポールが生じる。
この界面ダイポールによって、絶縁体層中に電界が生じ、金属層の準位が本来の準位よりも上がり、しきい値電圧がプラスにシフトする。この一連の作用により、半導体装置のオン状態になる電圧を０Ｖ以上にすることができ、ノーマリーオフを実現することができる。
以下、本態様に係る半導体装置の各層について説明する。
図１は、本態様に係る半導体装置の作用及び効果を説明する図面である。
図１では、半導体層、第１の絶縁体層、第２の絶縁体層、金属層がこの順に接して積層しており、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層との界面において、第１の絶縁体層の酸素単位面密度が、第２の絶縁体層２２の酸素単位面密度よりも高くなっている（σＯ１＞σＯ２）。絶縁体層の界面では、酸素密度に勾配が存在しており、当該界面では酸素の移動が生じ、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の界面において界面ダイポールが生じる。
この界面ダイポールによって、絶縁体層中に電界が生じ、金属層の準位が本来の準位よりも上がり、しきい値電圧がプラスにシフトする。この一連の作用により、半導体装置のオン状態になる電圧を０Ｖ以上にすることができ、ノーマリーオフを実現することができる。
以下、本態様に係る半導体装置の各層について説明する。
【0017】
本態様の半導体装置の絶縁体層では、第１の絶縁体層が半導体層と接し、第２の絶縁体層が第１の絶縁体層と接する。
ここで「第１の絶縁体層が半導体層と接する」とは、半導体層の表面の一部又は全面に接する形で第１の絶縁膜層が形成されていることを意味し、「第２の絶縁体層が第１の絶縁体層と接する」とは、第１の絶縁体層の表面の一部又は全面に接する形で第２の絶縁膜層が形成されていることを意味する。
絶縁体層の断面形状は、例えば、断面ＳＥＭ又は断面ＴＥＭにより観察することができる。また、半導体層と第１の絶縁体層が接しているかどうかは、例えば、走査型広がり抵抗顕微鏡を用いて判別することができる。
ここで「第１の絶縁体層が半導体層と接する」とは、半導体層の表面の一部又は全面に接する形で第１の絶縁膜層が形成されていることを意味し、「第２の絶縁体層が第１の絶縁体層と接する」とは、第１の絶縁体層の表面の一部又は全面に接する形で第２の絶縁膜層が形成されていることを意味する。
絶縁体層の断面形状は、例えば、断面ＳＥＭ又は断面ＴＥＭにより観察することができる。また、半導体層と第１の絶縁体層が接しているかどうかは、例えば、走査型広がり抵抗顕微鏡を用いて判別することができる。
【0018】
第１の絶縁体層の第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ１、及び第２の絶縁体層の第１の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ２としたとき、本態様の半導体装置ではσＯ１＞σＯ２を満たす。σＯ１、σＯ２及び界面ダイポールの関係を以下説明する。
第１の絶縁体層を構成する材料のモル質量をＭ１、その密度をρ１、アボガドロ数をＮＡとすると、一組成式あたりの占める体積Ｖ１との関係は、下記式（１－１）のようになる。
次に、Ｖ１を組成式に含まれる酸素の個数ｎ１で割り、酸素１個が存在可能な酸素単位体積ＶＯ１を求めると、下記式（１－２）のようになる。
酸素単位体積ＶＯ１を２／３乗し、酸素単位面積ＳＯ１を求めると、下記式（１－３）のようになる。
酸素単位面積ＳＯ１は酸素１個が存在可能な面積であるので、１ｃｍ２辺り存在している酸素の個数である酸素面密度σＯ１を求めると、下記式（１－４）のようになる。
同様に求めた、第２の絶縁体層を構成する材料の酸素面密度をσＯ２とするとき、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の界面ダイポールにより、ノーマリーオフを実現するためには、下記式（１－５）式の関係、即ちσＯ１＞σＯ２を満たすとよいことが分かる。
第１の絶縁体層を構成する材料のモル質量をＭ１、その密度をρ１、アボガドロ数をＮＡとすると、一組成式あたりの占める体積Ｖ１との関係は、下記式（１－１）のようになる。
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【数6】
【0019】
第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層は、下記式（１）を満たすと好ましい。
界面ダイポールなしに比べて、界面ダイポールによるＶｔｈのシフト効果は、酸素面密度差Δσ１２＝σＯ１－σＯ２、電気素量をｑ、第１の絶縁体層の１ｃｍ２辺りの容量をＣｏｘ１、ダイポール寄与率をα、とすると、理論電圧シフト量ΔＶｉｄｅａｌは、上記（１）式のようになる。ここで、ダイポール寄与率αを１／１００００としたとき、ΔＶｉｄｅａｌは正であると好ましい。
ダイポール、即ち双極子モーメントは、共有結合及びイオン結合に比べて、極めて相互作用が小さく、αは１／１００００以下であると好ましい。
【数7】
ダイポール、即ち双極子モーメントは、共有結合及びイオン結合に比べて、極めて相互作用が小さく、αは１／１００００以下であると好ましい。
【0020】
絶縁体層の界面の酸素単位面密度は、絶縁体層を構成する材料を適宜選択することにより調整することができる。また、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の酸素単位面密度σＯ１及びσＯ２は、実施例に記載の方法により確認できる。
【0021】
第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の構成材料は、σＯ１＞σＯ２を満たすように選択するとよい。
【0022】
第１の絶縁体層の構成材料としては、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、並びに、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物が挙げられる。第１の絶縁体層は、これら構成材料から選ばれる１種以上を含めばよく、これら構成材料のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
【0023】
Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、並びに、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物の具体例としては、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮ、Ｇａ２Ｏ３、ＧａＯＮ、Ｂ２Ｏ３、及びＢＯＮが挙げられる。
【0024】
第２の絶縁体層の構成材料としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物が挙げられる。第２の絶縁体層は、これら構成材料から選ばれる１種以上を含めばよく、これら構成材料のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
ここでランタノイド元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕであり、ランタノイド元素を含む酸化物は、これら元素を１種以上含む酸化物であり、ランタノイド元素を含む酸窒化物は、これら元素を１種以上含む酸窒化物である。
ここでランタノイド元素とは、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕであり、ランタノイド元素を含む酸化物は、これら元素を１種以上含む酸化物であり、ランタノイド元素を含む酸窒化物は、これら元素を１種以上含む酸窒化物である。
【0025】
本態様に係る半導体装置の絶縁体層は、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層の積層構造を含めばよく、さらに別の絶縁体層を含んでもよい。
絶縁体層が、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層を含む３層以上の積層体である場合であって、ΔＶＦＢ（ΔＶＦＢ：フラットバンド電圧の変化量）が負の値になる絶縁体層同士の界面が存在する場合は、界面の組成を徐々に変化させることで、ΔＶＦＢが負の値になる界面のダイポールの発生を抑制し、ΔＶＦＢが正の値となる他の界面のダイポールの効果を利用することができる。
絶縁体層が、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層を含む３層以上の積層体である場合であって、ΔＶＦＢ（ΔＶＦＢ：フラットバンド電圧の変化量）が負の値になる絶縁体層同士の界面が存在する場合は、界面の組成を徐々に変化させることで、ΔＶＦＢが負の値になる界面のダイポールの発生を抑制し、ΔＶＦＢが正の値となる他の界面のダイポールの効果を利用することができる。
【0026】
本態様に係る半導体装置では、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層のほかに、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層とは異なる材料を含む第３の絶縁体層をさらに含むと好ましい。当該第３の絶縁体層は、第２の絶縁体層と接しており、第１の絶縁体層、第２の絶縁体層及び第３の絶縁体層の順に含まれる。
【0027】
第３の絶縁体層の第２の絶縁体層との界面の酸素単位面密度をσＯ３としたとき、σＯ３＞σＯ２を満たすと好ましい。
酸素単位面密度の確認方法は、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層と同じである。
酸素単位面密度の確認方法は、第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層と同じである。
【0028】
第３の絶縁体層の構成材料としては、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物が挙げられる。第３の絶縁体層は、これら構成材料から選ばれる１種以上を含めばよく、これら構成材料のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
第３の絶縁体層の構成材料は、第２の絶縁体層の構成材料を考慮して、σＯ３＞σＯ２を満たすように選択するとよい。
第３の絶縁体層の構成材料は、第２の絶縁体層の構成材料を考慮して、σＯ３＞σＯ２を満たすように選択するとよい。
【0029】
絶縁体層の厚みは、１０ｎｍ～１０μｍの範囲から、所望の絶縁破壊電界が得られるように適宜選択するとよい。従って、第１の絶縁体層の厚みと第２の絶縁体層の厚みは、それぞれ１０ｎｍ～１０μｍの範囲で適宜選択すればよく、第１の絶縁体層の厚みと第２の絶縁体層の厚みは同じでも異なってもよい。
膜厚は、例えば、断面ＳＥＭ又は断面ＴＥＭにより測定することができる。
膜厚は、例えば、断面ＳＥＭ又は断面ＴＥＭにより測定することができる。
【0030】
絶縁体層が例えば酸化物からなる場合、当該絶縁体層は、非晶質酸化物からなる層、多結晶酸化物からなる層、又は非晶質酸化物及び多結晶酸化物が混在した層のいずれでもよい。
絶縁体層が酸窒化物からなる場合も上記と同様である。
絶縁体層の結晶性は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の格子像から判別できる。
絶縁体層が酸窒化物からなる場合も上記と同様である。
絶縁体層の結晶性は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の格子像から判別できる。
【0031】
絶縁体層は、好ましくは２５℃での電気抵抗率が１×１０７Ωｍ以上である。
絶縁体層の２５℃での電気抵抗率が１×１０７Ωｍ未満の場合、絶縁体層が導電性を有してしまい、絶縁破壊性が低下してしまうおそれがある。
絶縁体層の電気抵抗率は、例えばソースメータ（ケースレー２４００）を用い．１ＭＶ／ｃｍ印加して測定するとよい。
絶縁体層の２５℃での電気抵抗率が１×１０７Ωｍ未満の場合、絶縁体層が導電性を有してしまい、絶縁破壊性が低下してしまうおそれがある。
絶縁体層の電気抵抗率は、例えばソースメータ（ケースレー２４００）を用い．１ＭＶ／ｃｍ印加して測定するとよい。
【0032】
半導体層は、III－Ｖ族元素窒化物を含み、半導体層は、III－Ｖ族元素窒化物からなると好ましい。
III－Ｖ族元素窒化物としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮが挙げられる。半導体層は、これらIII－Ｖ族元素窒化物から選ばれる１種以上を含めばよく、これらIII－Ｖ族元素窒化物のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
半導体層は、ＧａＮからなる半導体層が好ましい。
III－Ｖ族元素窒化物としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮが挙げられる。半導体層は、これらIII－Ｖ族元素窒化物から選ばれる１種以上を含めばよく、これらIII－Ｖ族元素窒化物のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
半導体層は、ＧａＮからなる半導体層が好ましい。
【0033】
尚、半導体層をｐ型半導体層とする場合、例えばｐ型不純物としては、ホウ素（Ｂ）、ベリリウム（Ｂｅ）、又はマグネシウム（Ｍｇ）でドープした窒化ガリウム（ｐ－ＧａＮ）を用いることができる。
半導体層をｎ型半導体層とする場合、例えばｎ型不純物として、例えば酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）でドープした窒化ガリウム（ｎ－ＧａＮ）を用いることができる。
半導体層をｎ型半導体層とする場合、例えばｎ型不純物として、例えば酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）でドープした窒化ガリウム（ｎ－ＧａＮ）を用いることができる。
【0034】
半導体層は、１層単独でも２層以上の積層体でもよい。
半導体層が、２層以上の積層体である場合、当該半導体層は、互いに異なるIII－Ｖ族元素窒化物を含む第１の半導体層と第２の半導体層の積層体であって、第１の半導体層と第２の半導体層の界面に二次元電子ガスが存在すると好ましい。
例えば、第１の半導体層と第２の半導体層の組み合わせとしては、ＧａＮとＡｌＧａＮが挙げられる。
半導体層が、２層以上の積層体である場合、当該半導体層は、互いに異なるIII－Ｖ族元素窒化物を含む第１の半導体層と第２の半導体層の積層体であって、第１の半導体層と第２の半導体層の界面に二次元電子ガスが存在すると好ましい。
例えば、第１の半導体層と第２の半導体層の組み合わせとしては、ＧａＮとＡｌＧａＮが挙げられる。
【0035】
半導体層の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜設定すればよく、例えば１０ｎｍ～２ｍｍの範囲で設定するとよい。
【0036】
本態様に係る半導体装置は、金属層をさらに含むと好ましい。当該金属層は、電極として機能できる。
上記金属層は、本態様に係る半導体装置において、半導体層、第１の絶縁体層、第２の絶縁体層及び金属層の順となるように含まれると好ましく、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造を形成するとよい。
本態様に係る半導体装置は、トレンチ構造を備え、当該トレンチ構造の壁部において上記ＭＩＳ構造が形成されていると好ましい。
上記金属層は、本態様に係る半導体装置において、半導体層、第１の絶縁体層、第２の絶縁体層及び金属層の順となるように含まれると好ましく、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）構造を形成するとよい。
本態様に係る半導体装置は、トレンチ構造を備え、当該トレンチ構造の壁部において上記ＭＩＳ構造が形成されていると好ましい。
【0037】
金属層の構成材料としては、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉが挙げられる。金属層は、これら構成材料から選ばれる１種以上を含めばよく、これら構成材料のうち１種単独で形成してもよく、又は２種以上を組み合わせて形成してもよい。
【0038】
金属層は、１層単独でも２層以上の積層体でもよい。例えば絶縁体層に接する金属層にＮｉからなる金属層を用い、酸化を防ぐため、Ｎｉからなる金属層上にさらにＡｕからなる金属層を積層することができる。
金属層の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜設定すればよく、例えば１０ｎｍ～１０μｍの範囲で設定するとよい。
金属層の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜設定すればよく、例えば１０ｎｍ～１０μｍの範囲で設定するとよい。
【0039】
本態様に係る半導体装置は、金属層を含み、当該金属層がＭＩＳ構造の少なくとも一部を構成する、絶縁型電界効果トランジスタであると好ましい。
また、本態様に係る半導体装置は、縦型トランジスタであると好ましい。
また、本態様に係る半導体装置は、縦型トランジスタであると好ましい。
【0040】
以下、図面を参照して、本態様に係る半導体装置の実施形態を説明する。但し、本態様に係る半導体装置は、下記実施形態に限定されない。
＜プレーナー型ＭＯＳＦＥＴ＞
図２は、本態様に係る半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。
図２において、半導体装置１では、支持基板１０、バッファ層２０、ｐ型半導体層３０がこの順に積層している。ｐ型半導体層３０は、積層方向上面の一部に開口部を有しており、当該開口部にｎ型半導体層４０が形成されている。ｐ型半導体層３０上にはプレーナー構造が形成されており、ｐ型半導体層３０及びｎ型半導体層４０が形成する平面上に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなる絶縁体層５０が形成されている。ソース電極７０及びドレイン電極８０が、ｎ型半導体層４０及び絶縁体層５０に接してそれぞれ形成されており、ゲート電極６０が、絶縁体層５０上に形成されている。
半導体装置１において、ｐ型半導体層３０が、「半導体層」に対応し、ゲート電極６０が、「金属層」に対応する。
＜プレーナー型ＭＯＳＦＥＴ＞
図２は、本態様に係る半導体装置の一実施形態を示す概略断面図である。
図２において、半導体装置１では、支持基板１０、バッファ層２０、ｐ型半導体層３０がこの順に積層している。ｐ型半導体層３０は、積層方向上面の一部に開口部を有しており、当該開口部にｎ型半導体層４０が形成されている。ｐ型半導体層３０上にはプレーナー構造が形成されており、ｐ型半導体層３０及びｎ型半導体層４０が形成する平面上に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなる絶縁体層５０が形成されている。ソース電極７０及びドレイン電極８０が、ｎ型半導体層４０及び絶縁体層５０に接してそれぞれ形成されており、ゲート電極６０が、絶縁体層５０上に形成されている。
半導体装置１において、ｐ型半導体層３０が、「半導体層」に対応し、ゲート電極６０が、「金属層」に対応する。
【0041】
半導体装置１において、支持基板の構成材料としては、半導体層を積層できれば特に限定されず、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコン（Ｓｉ）、及びサファイアを挙げることができる。支持基板は、これら構成材料のうちの１種単独で形成してもよく、又は２種類以上を組み合わせて形成してもよい。
また、支持基板は１層単独でも、２層以上の積層体としてもよい。
支持基板の厚さは、それぞれ目的に応じて適宜設定するとよい。
また、支持基板は１層単独でも、２層以上の積層体としてもよい。
支持基板の厚さは、それぞれ目的に応じて適宜設定するとよい。
【0042】
半導体装置１において、バッファ層は、例えば、欠陥密度をさらに減らした良好な結晶性の窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる目的で設けられる層である。
バッファ層としては、低温で成膜されたＧａＮ（ＬＴ－ＧａＮ）、低温で成膜されたＡｌＮ（ＬＴ－ＡｌＮ）が挙げられる。
バッファ層の厚さは目的に応じて適宜設定するとよい。
バッファ層としては、低温で成膜されたＧａＮ（ＬＴ－ＧａＮ）、低温で成膜されたＡｌＮ（ＬＴ－ＡｌＮ）が挙げられる。
バッファ層の厚さは目的に応じて適宜設定するとよい。
【0043】
ソース電極及びドレイン電極の構成材料は、金属層の構成材料と同じものを使用できる。
電極は、１層単独でも２層以上の積層体でもよい。
また、電極の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜選択すればよく、例えば１０ｎｍ～１０μｍの範囲で選択するとよい。
電極は、１層単独でも２層以上の積層体でもよい。
また、電極の厚みは、所望の電気特性が得られるように適宜選択すればよく、例えば１０ｎｍ～１０μｍの範囲で選択するとよい。
【0044】
本態様に係る半導体装置の構造は、図２に限定されず、下記図３～６に示す構造も取ることができる。
＜トレンチ型ＭＯＳＦＥＴ＞
図３において、半導体装置２では、ドレイン電極８０、支持基板１０、ドリフト層２５、ｐ型半導体層３０、ｎ型半導体層４０がこの順に積層され、さらにその上にトレンチ構造が形成されている。トレンチ構造において、絶縁体層５０は、略Ｕ字型に形成されており、当該Ｕ字型の絶縁体層５０の凹部分をゲート電極６０が充填するように形成されている。さらに、ソース電極７０がｐ型半導体層３０、ｎ型半導層４０及び絶縁体層５０の端部と接して積層されている。
半導体装置２において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の絶縁体層５２がｐ型半導体層３０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。
＜トレンチ型ＭＯＳＦＥＴ＞
図３において、半導体装置２では、ドレイン電極８０、支持基板１０、ドリフト層２５、ｐ型半導体層３０、ｎ型半導体層４０がこの順に積層され、さらにその上にトレンチ構造が形成されている。トレンチ構造において、絶縁体層５０は、略Ｕ字型に形成されており、当該Ｕ字型の絶縁体層５０の凹部分をゲート電極６０が充填するように形成されている。さらに、ソース電極７０がｐ型半導体層３０、ｎ型半導層４０及び絶縁体層５０の端部と接して積層されている。
半導体装置２において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の絶縁体層５２がｐ型半導体層３０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。
【0045】
図４において、半導体装置３では、ドレイン電極８０、支持基板１０及びドリフト層２５がこの順に積層しており、ドリフト層２５は積層方向上面の一部に開口部を有しており、当該開口部にｐ型半導体層３０が形成されている。ｐ型半導体層３０も積層方向上面の一部に開口部を有しており、当該開口部にはｎ型半導体層４０が形成されている。絶縁体層５０が、ドリフト層２５、ｐ型半導体層３０及びｎ型半導体層４０に接して形成されており、当該絶縁体層５０上にはさらにゲート電極６０が形成されている。また、ソース電極７０がｐ型半導体層３０及びｎ型半導層４０と接して積層されている。
半導体装置３において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の絶縁体層５２がｐ型半導体層３０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。
半導体装置３において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の絶縁体層５２がｐ型半導体層３０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。
【0046】
＜ＨＥＭＴ＞
図５において、半導体装置４では、支持基板１０、バッファ層２０、ｉ型半導体層９０及びｎ型半導体層４０がこの順に積層されている。ｎ型半導体層４０上には、絶縁体層５０、ソース電極７０、ドレイン電極８０がそれぞれ積層しており、絶縁体層５０上にはさらにゲート電極６０が積層している。
半導体装置４において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の半導体層５２がｎ型半導体層４０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。ｎ型半導体層４０は、電子供給層として機能し、ｉ型半導体層９０との界面で二次元電子ガスが発生し、高速スイッチング可能なトランジスタとすることができる。
尚、ｉ型半導体層は、意図的な不純物のドーピングがされていない半導体層であって、絶縁性（Ｉｎｔｒｉｓｉｃ）の半導体層である。
図５において、半導体装置４では、支持基板１０、バッファ層２０、ｉ型半導体層９０及びｎ型半導体層４０がこの順に積層されている。ｎ型半導体層４０上には、絶縁体層５０、ソース電極７０、ドレイン電極８０がそれぞれ積層しており、絶縁体層５０上にはさらにゲート電極６０が積層している。
半導体装置４において、絶縁体層５０は、半導体装置１の絶縁体層５０と同様に、第１の絶縁体層５２及び第２の絶縁体層５４の積層体からなっており（図示略）、第１の半導体層５２がｎ型半導体層４０と接し、第２の絶縁体層５４がゲート電極６０と接している。ｎ型半導体層４０は、電子供給層として機能し、ｉ型半導体層９０との界面で二次元電子ガスが発生し、高速スイッチング可能なトランジスタとすることができる。
尚、ｉ型半導体層は、意図的な不純物のドーピングがされていない半導体層であって、絶縁性（Ｉｎｔｒｉｓｉｃ）の半導体層である。
【0047】
【0048】
［半導体装置の製造方法］
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、下記第１の工程及び第２の工程を含む：
第１の工程：ＧａＮを含む半導体層上に、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む第１の絶縁体層を形成する工程
第２の工程：第１の絶縁体層上に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む第２の絶縁体層を形成する工程
本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、下記第１の工程及び第２の工程を含む：
第１の工程：ＧａＮを含む半導体層上に、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸化物、又は、Ａｌ，Ｇａ及びＢから選ばれる１種以上を含む酸窒化物を含む第１の絶縁体層を形成する工程
第２の工程：第１の絶縁体層上に、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｈｆ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＺｎＯ、Ｙｂ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、Ｓｃ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｅｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＳｒＯ、ランタノイド元素を含む酸化物、及びランタノイド元素を含む酸窒化物から選ばれる１種以上を含む第２の絶縁体層を形成する工程
【0049】
本態様の半導体装置の製造方法は、精密なエッチング制御、精密なドーピング制御等を必要としないため、半導体装置を歩留まりよく製造することができる。
【0050】
第１の工程において、第１の絶縁体層の形成は、成膜温度６００℃未満で行うと好ましい。
６００℃未満で成膜することで、絶縁膜の結晶化による耐圧の低下を抑制することができる。成膜温度は５００℃以下であるとより好ましく、４００℃以下であるとさらに好ましい。
６００℃未満で成膜することで、絶縁膜の結晶化による耐圧の低下を抑制することができる。成膜温度は５００℃以下であるとより好ましく、４００℃以下であるとさらに好ましい。
【0051】
第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層の形成方法としては、スパッタ成膜、原子層堆積（ＡＬＤ）成膜、熱化学気相成長（ＣＶＤ）成膜、平行平板型プラズマＣＶＤ成膜、有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ成膜、誘導結合プラズマＣＶＤ成膜、又はスピンコート法のいずれかを用いることができる。
【0052】
第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層を、原子層堆積成膜で形成する場合、Ｏ２ガス、オゾンガス及びＨ２Ｏガスから選ばれる１種類以上のガスを含む原料ガスを用いると好ましい。
【0053】
第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層を、有磁場マイクロ波プラズマＣＶＤ成膜又は誘導結合プラズマＣＶＤ成膜で形成する場合、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種類以上を含むガスを供給ガスに用いると好ましい。
【0054】
第１の絶縁体層及び第２の絶縁体層を、スパッタ成膜で形成する場合、Ａｒガス、Ｏ２ガス、及びＮ２ガスから選ばれる１種以上のガスを含むスパッタガスを用いると好ましい。
スパッタ成膜で形成する場合、酸素含有雰囲気下で、目的とする絶縁体層が含む金属元素からなる金属ターゲットを用いて、反応性スパッタをすることも好ましい。こうすることにより、絶縁体化合物からなるターゲットを用いるスパッタに比べて、成膜レートを向上させることができる。
スパッタ成膜で形成する場合、酸素含有雰囲気下で、目的とする絶縁体層が含む金属元素からなる金属ターゲットを用いて、反応性スパッタをすることも好ましい。こうすることにより、絶縁体化合物からなるターゲットを用いるスパッタに比べて、成膜レートを向上させることができる。
【0055】
本態様に係る半導体装置の製造方法は、第１の絶縁体層上に第２の絶縁体層を形成した後、第２の絶縁体層上に、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ及びｐｏｌｙ－Ｓｉから選ばれる１種以上を含む金属層を形成する工程を含むと好ましい。
【実施例】
【0056】
比較例１
低抵抗ｎ型ＧａＮ基板を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置（大陽日酸社製）にセットし、ｎ型ＧａＮ層（電子濃度：４×１０１６ｃｍ－３）を２μｍエピタキシャル成長した。
得られた基板を、原子層堆積（ＡＬＤ）装置（菅製作所社製：ＳＡＬ－１５００）にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスとＨ２Ｏガスを用いて、第１の絶縁体層としてＡｌ２Ｏ３層を１００ｎｍ成膜した。
得られた積層体をエリアマスクとともに電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置（アルバック社製）にセットした後、電極としてＮｉ及びＡｕをそれぞれ膜厚２０ｎｍ及び２００ｎｍで蒸着して、積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造した。
低抵抗ｎ型ＧａＮ基板を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置（大陽日酸社製）にセットし、ｎ型ＧａＮ層（電子濃度：４×１０１６ｃｍ－３）を２μｍエピタキシャル成長した。
得られた基板を、原子層堆積（ＡＬＤ）装置（菅製作所社製：ＳＡＬ－１５００）にセットし、原料ガスとしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスとＨ２Ｏガスを用いて、第１の絶縁体層としてＡｌ２Ｏ３層を１００ｎｍ成膜した。
得られた積層体をエリアマスクとともに電子ビーム（ＥＢ）蒸着装置（アルバック社製）にセットした後、電極としてＮｉ及びＡｕをそれぞれ膜厚２０ｎｍ及び２００ｎｍで蒸着して、積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造した。
【0057】
得られた素子（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））について、ＬＣＲメーター（Ａｇｉｌｅｎｔ社製：Ｅ４９８０Ａ）を使用して、容量―電圧特性を評価したところ、フラットバンド電圧は－２．０Ｖであった。
【0058】
実施例１
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｇｄ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＧｄ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｇｄ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｇｄ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＧｄ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｇｄ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
【0059】
尚、第１の絶縁体層と第２の絶縁体層の界面における、第１の絶縁体層の酸素単位面密度σＯ１と第２の絶縁体層の酸素単位面密度σＯ２を以下のようにして算出した。結果を表１に示す。
第１の絶縁体層のＡｌ２Ｏ３は、モル質量が１０１．９６ｇ／ｍｏｌであり、密度は３．９５ｇ／ｃｍ３である。この数値を上記式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ１＝１．７０×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。同様に、第２の絶縁体層のＧｄ２Ｏ３は、モル質量が３６２．５０ｇ／ｍｏｌであり、７．４１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層のＡｌ２Ｏ３は、モル質量が１０１．９６ｇ／ｍｏｌであり、密度は３．９５ｇ／ｃｍ３である。この数値を上記式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ１＝１．７０×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。同様に、第２の絶縁体層のＧｄ２Ｏ３は、モル質量が３６２．５０ｇ／ｍｏｌであり、７．４１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１１×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0060】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－０．７Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は１．３Ｖであった。また、下記式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００、ＣＯＸ１を７．９７×１０－１０Ｆｃｍ２として求めた理論電圧シフト量は１．３Ｖであった。
【数8】
【0061】
実施例２
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｅｒ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＥｒ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｅｒ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｅｒ２Ｏ３のモル質量は、３８２．５６ｇ／ｍｏｌであり、密度は８．６４ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１９×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｅｒ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＥｒ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｅｒ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｅｒ２Ｏ３のモル質量は、３８２．５６ｇ／ｍｏｌであり、密度は８．６４ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１９×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0062】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－０．８Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は１．２Ｖであった。また、式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００として求めた理論電圧シフト量は１．２Ｖであった。
【0063】
実施例３
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、ＧｅＯ２焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＧｅＯ２膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／ＧｅＯ２（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、ＧｅＯ２のモル質量は、１０４．６１ｇ／ｍｏｌであり、密度は４．２３ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．３３×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、ＧｅＯ２焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＧｅＯ２膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／ＧｅＯ２（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、ＧｅＯ２のモル質量は、１０４．６１ｇ／ｍｏｌであり、密度は４．２３ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．３３×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0064】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－１．７Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は０．３Ｖであった。また、式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００として求めた理論電圧シフト量は０．７Ｖであった。
【0065】
実施例４
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｙ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＹ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｙ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｙ２Ｏ３のモル質量は、２２５．８１ｇ／ｍｏｌであり、密度は５．０１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１７×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、Ｙ２Ｏ３焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＹ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｙ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｙ２Ｏ３のモル質量は、２２５．８１ｇ／ｍｏｌであり、密度は５．０１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１７×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0066】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－１．６Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は０．４Ｖであった。また、式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００として求めた理論電圧シフト量は１．０Ｖであった。
【0067】
実施例５
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＤｙ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｄｙ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｄｙ２Ｏ３のモル質量は、３７２．９９ｇ／ｍｏｌであり、密度は７．８１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１３×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＤｙ２Ｏ３膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／Ｄｙ２Ｏ３（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、Ｄｙ２Ｏ３のモル質量は、３７２．９９ｇ／ｍｏｌであり、密度は７．８１ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．１３×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0068】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－１．５Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は０．５Ｖであった。また、式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００として求めた理論電圧シフト量は１．２Ｖであった。
【0069】
実施例６
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、ＴｉＯ２焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＴｉＯ２膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／ＴｉＯ２（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、ＴｉＯ２のモル質量は、７９．８７ｇ／ｍｏｌであり、密度は４．１７ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．５８×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
第１の絶縁体層を形成した後に、得られた積層体をスパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製：ＡＣＳ－４０００）にセットし、ＴｉＯ２焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いて、ＲＦ１００Ｗ、Ａｒ及びＯ２の混合ガス雰囲気の条件でスパッタリングし、膜厚１０ｎｍのＴｉＯ２膜を第２の絶縁体層として形成した他は、比較例１と同様にして積層体（ＧａＮ／Ａｌ２Ｏ３（１００ｎｍ）／ＴｉＯ２（１０ｎｍ）／Ｎｉ（２０ｎｍ）／Ａｕ（２００ｎｍ））からなる素子を製造し、評価した。結果を表１に示す。
尚、ＴｉＯ２のモル質量は、７９．８７ｇ／ｍｏｌであり、密度は４．１７ｇ／ｃｍ３であるので、式（１－１）～（１－４）に当てはめると、σＯ２＝１．５８×１０１５ａｔｏｍ／ｃｍ２となる。
【0070】
得られた素子は、フラットバンド電圧は－１．５Ｖであり、比較例１の素子に対するフラットバンドシフト量は０．５Ｖであった。また、式（１）を用いて、ダイポール寄与率αを１／１０００００として求めた理論電圧シフト量は０．２Ｖであった。
【0071】
【表1】
【0072】
実施例１－６の結果から、実施例と同様の積層構造を持つ、トランジスタのゲート電極部のフラットバンド電圧をプラス方向へシフトできる。したがって、トランジスタの電流―電圧特性における、しきい値電圧をプラス方向にシフトすることができ、ノーマリーオフを実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【0073】
本発明の半導体装置は、例えばＡＣ－ＤＣコンバータ、ＤＣ－ＡＣインバータ、ＤＣ－ＤＣコンバータ、ＡＣ－ＡＣコンバータに使用できる。
【符号の説明】
【0074】
１ 半導体装置
２ 半導体装置
３ 半導体装置
４ 半導体装置
１０ 支持基板
２０ バッファ層
２５ ドリフト層
３０ ｐ型半導体層
４０ ｎ型半導体層
５０ 絶縁体層
５２ 第１の絶縁体層
５４ 第２の絶縁体層
６０ ゲート電極
７０ ソース電極
８０ ドレイン電極
９０ ｉ型半導体層
２ 半導体装置
３ 半導体装置
４ 半導体装置
１０ 支持基板
２０ バッファ層
２５ ドリフト層
３０ ｐ型半導体層
４０ ｎ型半導体層
５０ 絶縁体層
５２ 第１の絶縁体層
５４ 第２の絶縁体層
６０ ゲート電極
７０ ソース電極
８０ ドレイン電極
９０ ｉ型半導体層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
