特許 7439660 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】

(24)【登録日】2024-02-19

(45)【発行日】2024-02-28

(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 20060101AFI20240220BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20240220BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20240220BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20240220BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20240220BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20240220BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20240220BHJP

   C23C 16/42 20060101ALI20240220BHJP

   C23C 16/44 20060101ALI20240220BHJP

【ＦＩ】

H01L21/318 B

H01L21/31 B

H01L29/80 H

H01L29/80 P

C23C16/42

C23C16/44 J

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020115056

(22)【出願日】2020-07-02

(65)【公開番号】P2021044538

(43)【公開日】2021-03-18

【審査請求日】2022-12-21

(31)【優先権主張番号】P 2019161282

(32)【優先日】2019-09-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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

(72)【発明者】

【氏名】岡田 政也

(72)【発明者】

【氏名】井上 和孝

(72)【発明者】

【氏名】米村 卓巳

【審査官】長谷川 直也

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－１５０１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０２７２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６７８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８１８８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１８

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７

Ｃ２３Ｃ １６／４２

Ｃ２３Ｃ １６／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体層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、
前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の雰囲気をＮＨ_３を含む雰囲気、あるいは、Ｈ_２を含む雰囲気に置換する工程と、
前記反応炉内の温度を第１の温度に昇温する昇温工程と、
前記反応炉内の温度を前記第１の温度とし、前記反応炉内の雰囲気を前記ＮＨ_３あるいは、前記Ｈ_２を含む雰囲気とした状態に３分以上保持するクリーニング工程と、
前記反応炉内の温度を前記第１の温度よりも低い第２の温度に降温する降温工程と、
前記反応炉内の圧力を１００Ｐａ以下の第１の圧力とした状態で、前記反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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】

前記クリーニング工程において、前記反応炉内の圧力は前記第１の圧力よりも大きい第２の圧力に保持される、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】

前記第２の圧力は３００Ｐａ以上である、請求項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】

前記第２の温度は、７００℃以上であり、
前記第１の温度は、前記第２の温度よりも少なくとも２０℃高い温度である、請求項１から請求項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】

前記第１の温度は、７５０℃以上且つ９００℃以下である、請求項１から請求項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】

前記降温工程において、前記反応炉内の圧力を前記第１の圧力に減圧する、請求項１から請求項５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7】

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、
前記窒化物半導体層を含む半導体積層構造を前記基板上に成長する工程と、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法を用いて、前記半導体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半導体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。

【請求項8】

窒化物半導体層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、
前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の雰囲気をＨ_２を含む雰囲気に置換する工程と、
前記反応炉内の温度を第１の温度に昇温する昇温工程と、
前記反応炉内の温度を前記第１の温度とした状態に保持する工程と、
前記反応炉内の温度を前記第１の温度よりも低い、若しくは同じ、第２の温度に降温する降温工程と、
前記反応炉内の圧力を１００Ｐａ以下の第１の圧力とした状態で、前記反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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9】

前記保持する工程において、前記反応炉内のＨ_２分圧を０．５％以上とする、請求項８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10】

前記保持する工程において、前記反応炉内の圧力を３００Ｐａ以上とする、請求項８又は請求項９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11】

前記保持する工程では、前記反応炉内の温度を前記第１の温度とした状態に２分以上保持する、請求項８から請求項１０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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、窒化物半導体を用いた半導体装置としての高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の製造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などの基板上の窒化物半導体層と、当該窒化物半導体層の表面上に成膜された窒化珪素パッシベーション膜と、を備える。窒化珪素パッシベーション膜は、減圧ＣＶＤ法により成膜されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１８１８８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。窒化物半導体上に窒化珪素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。

【0005】

一方、シリコン半導体上に窒化珪素膜を成膜する場合には、減圧（Low Pressure；ＬＰ）ＣＶＤ法を用いる。減圧ＣＶＤ法によれば、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、良質の膜を形成可能である。このため、減圧ＣＶＤ法によれば、下地結晶であるシリコン半導体へのプラズマによるダメージが抑制される。発明者は、窒化物半導体上の窒化珪素膜にも減圧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、窒化珪素膜を好適に形成することができると考えた。

【0006】

減圧ＣＶＤ法により窒化珪素膜を成膜すると、エピタキシャル成長後の待機期間中にエピタキシャルウェハの表面を大気に暴露することにより酸化膜が形成される。それに加え、高温環境下において、装置内におけるデガスによる水分及び酸素が存在することで、窒化物半導体の表面に酸化層（例えば、酸化ガリウム層、酸化アルミニウム層、又は酸化インジウム層等）が形成されることも考えられる。こうしてできた窒化物半導体と窒化珪素膜との界面の酸化膜及び酸化層からの酸素により、半導体装置の動作特性が劣化する場合がある。

【0007】

なお、シリコン半導体上の窒化珪素膜の成膜で成熟してきた一般的な減圧ＣＶＤ技術において、シリコン半導体と窒化珪素膜との界面の酸素に関する考察は求められていなかった。シリコン半導体上の窒化珪素膜の成膜においては、シリコン半導体の表面に酸化膜が形成された場合、シリコンの材料の特性上、表面の酸化膜を簡易な手法で取り除くことができるからである。また、酸化膜が電気特性に影響を及ぼすことがほとんどないからである。

【0008】

発明者の知見によれば、窒化物半導体への窒化珪素膜の成膜に減圧ＣＶＤ法を適用する際には、窒化物半導体と窒化珪素膜との界面の酸素量を低減しないと、かかる界面の酸素が半導体装置の動作特性に影響を与える。例えば、ゲート端電界が集中する界面の近傍に、デガスによって質の悪い酸化膜が形成されると、リーク電流が増加し、電気的特性が低下してしまう。

【0009】

しかしながら、一般的な減圧ＣＶＤ法において、界面の酸素量の低減のために、脱離ガス（ここでは水分及び酸素）を完全に無くすことは、装置の機構上難しい。これは、成膜試料であるエピタキシャルウェハそのものからのデガスがあるからである。さらに、装置内部の成膜室のすべての部材を大気暴露させない管理が難しいからである。

【0010】

本開示は、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、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減でき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、並びに、電気的特性の低下を抑制できる半導体装置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】

【0011】

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、窒化物半導体層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、窒化物半導体層を含む基板が載置された反応炉内の雰囲気をＮＨ_３を含む雰囲気、あるいは、Ｈ_２を含む雰囲気に置換する工程と、反応炉内の温度を第１の温度に昇温する昇温工程と、反応炉内を第１の温度とし、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３あるいは、Ｈ_２を含む雰囲気とした状態に３分以上保持するクリーニング工程と、反応炉内の温度を第１の温度よりも低い第２の温度に降温する降温工程と、反応炉内の圧力を３０Ｐａ以下の第２の圧力とした状態で、反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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。

【0012】

また、別の実施形態に係る半導体装置は、基板と、窒化物半導体からそれぞれ構成される複数の窒化物半導体層を含み、基板上に設けられた半導体積層部と、半導体積層部の表面を覆う窒化珪素パッシベーション膜と、窒化珪素パッシベーション膜と半導体積層部との界面において、０．１６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下の界面酸素量で存在する酸素原子と、を備える。

【発明の効果】

【0013】

本開示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、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。また、本開示による半導体装置によれば、電気的特性の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【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実施形態による窒化珪素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、窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【図4】図４は、比較例１による窒化珪素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5】図５は、比較例１によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【図6】図６は、比較例２による窒化珪素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7】図７は、比較例２によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【図8】図８は、昇温条件と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図10】図１０は、クリーニング圧力と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、クリーニング温度と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図12】図１２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、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14】図１４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15】図１５は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後のＴｏＦ－ＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフである。

【図16】図１６は、第３実施形態による窒化珪素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17】図１７は、比較例１によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。

【図18】図１８は、第３実施形態によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。

【図19】図１９は、第４実施形態による窒化珪素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20】図２０は、窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【図21】図２１は、雰囲気ガスのＨ_２分圧と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図22】図２２は、反応炉内の圧力と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図23】図２３は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示すグラフである。

【図24】図２４は、クリーニング時間と界面酸素量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】

【0015】

本開示の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、半導体装置の製造方法、及び半導体装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示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。

【0016】

図１は、本開示の第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パッシベーション膜を示す側面図である。この窒化珪素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。エピタキシャルウェハ９と窒化珪素パッシベーション膜３との界面には、酸素原子１１が存在している。本明細書中では、この界面における酸素の量（以下「界面酸素量」という。）を表すために、「ａｔｏｍ／ｃｍ^２」(原子数／ｃｍ^２)という単位を用いる。なお、界面酸素量は、ＳＩＭＳ分析による深さ方向の酸素濃度の分布を基に、エピタキシャルウェハ９と窒化珪素パッシベーション膜３との界面における酸素の量を評価した値である。具体的には、ＳＩＭＳ分析は、減圧ＣＶＤ法における成膜のフローにより、窒化珪素パッシベーション膜３の成膜を実施した後に行われる。図１に示されるエピタキシャルウェハ９と窒化珪素パッシベーション膜３との界面には、酸素原子１１が、例えば、０．１６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下の界面酸素量で存在している。

【0017】

図２は、本実施形態による窒化珪素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、窒化珪素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、窒化珪素パッシベーション膜３を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【0018】

まず、反応炉内の温度を、５００℃以下に設定する（工程Ｓ２１）。この温度は、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、この温度は、室温（２５℃）以上であってもよい。一実施例では、工程Ｓ２１において設定する温度は４００℃である。反応炉内の温度が設定した温度で安定した後、窒化物半導体層５を含むエピタキシャルウェハ９を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する（工程Ｓ２２）。次に、反応炉内の真空パージとＮＨ_３パージとを繰り返し行うことにより（サイクルパージ）、反応炉内のガス雰囲気をＮＨ_３を含む雰囲気に置換する（工程Ｓ２３）。一実施例では、ＮＨ_３雰囲気に置換する。なお、この工程Ｓ２３では、反応炉内の大気雰囲気を、ＮＨ_３分圧が０．１以上であるＮＨ_３及びＮ_２の混合雰囲気に置換してもよい。

【0019】

上記のサイクルパージが終了した後、反応炉内の圧力を、成膜時の圧力（後述する第１の圧力）よりも大きい第２の圧力に変更する（工程Ｓ２４）。この第２の圧力は、３００Ｐａ以上であってもよく、５ｋＰａ以上であってもよく、或いは１０ｋＰａ以上であってもよい。また、この第２の圧力は、大気圧（１００ｋＰａ）以下であってもよい。一実施例では、第２の圧力は３ｋＰａである。そして、反応炉内の圧力を第２の圧力に維持しつつ、反応炉内を７００℃より高い第１の温度に昇温する（工程Ｓ２５、昇温工程）。この第１の温度は、成膜温度（後述する第２の温度）よりも高い温度である。第１の温度は、第２の温度よりも２０℃以上高い温度であってもよい。また、第１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１の温度は８００℃である。

【0020】

続いて、反応炉内を、第１の温度（ここでは８００℃）、ＮＨ_３を含む雰囲気（ここではＮＨ_３雰囲気）、及び第２の圧力（ここでは３ｋＰａ）とした状態に３分間以上保持する（工程Ｓ２６、クリーニング工程；保持する工程）。一実施例では、保持時間は１０分間である。なお、保持時間は２分間以上であってもよい。工程Ｓ２６を行うことにより、反応炉内をクリーニングする。次に、成膜環境の準備を行う（降温工程）。具体的には、次に説明する工程Ｓ２７，Ｓ２８を行う。まず、成膜のために反応炉内の温度を第２の温度に降温する（工程Ｓ２７）。ただし、第２の温度は、第１の温度よりも低い温度である。第２の温度は、７００℃以上であってもよい。一実施例では、第２の温度は７８０℃である。反応炉内の温度が第２の温度に安定したのち、反応炉内の圧力を、１００Ｐａ以下の第１の圧力に減圧する（工程Ｓ２８）。この第１の圧力は、４０Ｐａ以下であってもよく、また１０Ｐａ以上であってもよい。一実施例では、第１の圧力は２０Ｐａである。

【0021】

そして、反応炉内を第１の圧力（ここでは２０Ｐａ）とした状態で、反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜する（工程Ｓ２９）。この工程Ｓ２９では、ＮＨ_３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。ＮＨ_３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。

【0022】

窒化珪素パッシベーション膜３の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度（例えば７００℃）まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する（工程Ｓ３０）。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Ｓ３１）。以上の工程により、窒化物半導体層５上に窒化珪素パッシベーション膜３が成膜される。

【0023】

以上に説明した、本実施形態による窒化珪素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、比較例１及び比較例２と対比しながら説明する。まず、比較例１について説明する。図４は、比較例１による窒化珪素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５は、比較例１によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。比較例１では、工程Ｓ１ののち、減圧ＣＶＤ法を用いて、窒化珪素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Ｓ４）。具体的には、まず、反応炉内の温度を７００℃に設定する（工程Ｓ４１）。反応炉内の温度が７００℃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を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する（工程Ｓ４２）。次に、反応炉内の真空パージとＮ_２パージとを繰り返し行うことにより、反応炉内の大気雰囲気をＮ_２雰囲気に置換する（工程Ｓ４３）。

【0024】

その後、反応炉内の圧力を、成膜圧力と同程度の例えば２０Ｐａに減圧する（工程Ｓ４４）。そして、反応炉内の圧力を維持しつつ、反応炉内を成膜温度（例えば８００℃）まで昇温する（工程Ｓ４５）。そして、反応炉内の温度が安定するまで待機する（工程Ｓ４６）。反応炉内の温度が安定したら、反応炉内の雰囲気をＮ_２雰囲気から成膜ガスであるＮＨ_３雰囲気に変更するために、真空引きを行い、ＮＨ_３ガスをパージする（工程Ｓ４７）。このとき、反応炉内の圧力を成膜圧力である２０Ｐａとする。ＮＨ_３ガスの流量は１００ｓｃｃｍである。そして、ＮＨ_３雰囲気の圧力が安定したら、シリコン系の原料ガスであるジクロロシランを反応炉内に供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜する（工程Ｓ４８）。ジクロロシラン流量は１００ｓｃｃｍである。

【0025】

窒化珪素パッシベーション膜３の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度（例えば７００℃）まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する（工程Ｓ４９）。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Ｓ５０）。以上の工程により、窒化物半導体層５上に窒化珪素パッシベーション膜３が成膜される。

【0026】

次に、比較例２について説明する。図６は、比較例２による窒化珪素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７は、比較例２によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。比較例２では、工程Ｓ１ののち、減圧ＣＶＤ法を用いて、窒化珪素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Ｓ６）。具体的には、まず、反応炉内の温度を４００℃に設定する（工程Ｓ６１）。反応炉内の温度が４００℃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を大気雰囲気にて搬送装置にセットし、反応炉内に導入する（工程Ｓ６２）。次に、反応炉内の真空パージとＮＨ_３パージとを繰り返し行うことにより、反応炉内の大気雰囲気をＮＨ_３雰囲気に置換する（工程Ｓ６３）。

【0027】

その後、反応炉内の圧力を、３ｋＰａに変更する（工程Ｓ６４）。そして、反応炉内の圧力を維持しつつ、反応炉内を成膜温度（例えば８００℃）まで昇温する（工程Ｓ６５）。そして、反応炉内の温度が安定したら、反応炉内の圧力を成膜圧力である２０Ｐａまで減圧する（工程Ｓ６６）。そして、シリコン系の原料ガスであるジクロロシランを反応炉内に供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜する（工程Ｓ６７）。ジクロロシラン流量は１００ｓｃｃｍである。

【0028】

窒化珪素パッシベーション膜３の成膜が完了した後、原料ガスを停止し、反応炉内の温度を所定の温度（例えば７００℃）まで下げる。そして、反応炉内の塩素ガスを追い出すため、窒素ガスによるサイクルパージを行い、塩素ガスを検出限界まで希釈する（工程Ｓ６８）。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Ｓ６９）。以上の工程により、窒化物半導体層５上に窒化珪素パッシベーション膜３が成膜される。

【0029】

図２及び図３に示された本実施形態の工程Ｓ２５では、図４及び図５に示された比較例１の工程Ｓ４５と異なり、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３を含む雰囲気とし、反応炉内の圧力を第１の圧力よりも大きい第２の圧力とした状態で昇温している。表１及び図８は、昇温条件と界面酸素量との関係を示す。表１は、昇温条件（ここでは、雰囲気ガスの種類及び圧力）を変更して成膜し、それぞれの昇温条件下で成膜された場合の界面酸素量（窒化物半導体層５と窒化珪素パッシベーション膜３との界面の酸素量）を比較した結果を示す。図８は、表１の比較結果をプロットしたグラフである。図８のグラフにおいて、横軸は昇温条件としての圧力であり、縦軸は界面酸素量である。なお、以下で示す界面酸素量は、反応炉内から搬出したエピタキシャルウェハ９をＳＩＭＳ分析によって調査して得られた数値である。

【0030】

【表1】

【0031】

表１の比較結果を得るにあたり、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℃とした。また、上記表１の条件下で反応炉内を昇温した後、反応炉内の温度を８００℃、反応炉内の雰囲気をＮ_２雰囲気、反応炉内の圧力を３０Ｐａとした状態に１０分間保持することにより、反応炉内をクリーニングした。また、反応炉内の温度を７００℃、反応炉内の圧力を３０Ｐａとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜した。

【0032】

表１を参照すると、反応炉内の雰囲気がＮ_２雰囲気の場合よりもＮＨ_３雰囲気の場合に界面酸素量が低減されることがわかる。また、反応炉内の圧力が３００Ｐａ以上の場合（特に、３０００Ｐａ以上の場合）に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。なお、以下の比較結果（表２から表４）を得るにあたり、反応炉内を昇温する際の条件として、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３雰囲気、反応炉内の圧力を３０００Ｐａとした。

【0033】

上記表１の比較結果では、昇温条件として雰囲気ガスをＮＨ_３とすることで、熱分解によって水素（Ｈ_２）が発生し、この水素によってエピタキシャルウェハ９の表面の酸化膜に含まれる酸素原子１１が還元作用を示して除去されると考えられる。また、この還元作用により、反応炉内に付着している水分及び酸素に含まれる酸素原子１１も除去されていると考えられる。特に、反応炉内の圧力が比較的高い場合（例えば、３００Ｐａ以上の場合）、水素の発生量が比較的多くなるので、還元作用によって除去される酸素原子１１の量も増加する。

【0034】

また、図２及び図３に示された本実施形態の工程Ｓ２６では、図６及び図７に示された比較例２と異なり、反応炉内のクリーニングを実施している。具体的には、反応炉内の温度を成膜温度（第２の温度）よりも高い第１の温度、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３雰囲気を含む雰囲気、反応炉内の圧力を成膜時の圧力（第１の圧力）よりも高い第２の圧力とした状態に３分以上保持している。以下では、クリーニングを実施する際の保持時間（以下、「クリーニング時間」ともいう。）、反応炉内の雰囲気ガスの種類、反応炉内の温度（以下、「クリーニング温度」ともいう。）、及び反応炉内の圧力（以下、「クリーニング圧力」ともいう。）をそれぞれクリーニング条件という。表２及び図９は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表２は、クリーニング条件としての保持時間を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図９は、表２の比較結果をプロットしたグラフである。図９のグラフにおいて、横軸はクリーニング時間であり、縦軸は界面酸素量である。なお、クリーニングを行わなかった場合については、表２において時間を０分として示した。また、保持時間以外のクリーニング条件を共通とした。具体的には、雰囲気ガスをＮＨ_３、温度を８００℃、圧力を３００Ｐａとした。

【0035】

【表2】

【0036】

表２の比較結果を得るにあたり、クリーニング条件以外の条件については、次のとおりとした。まず、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℃とした。また、上述したように、反応炉内を昇温する際の条件として、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３雰囲気、反応炉内の圧力を３０００Ｐａとした。また、反応炉内の温度をクリーニングの際より低い温度、反応炉内の圧力を３０Ｐａとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜した。なお、以下で示す比較結果を得る際にも、クリーニング条件以外の条件については同様とした。

【0037】

表２及び図９を参照すると、反応炉内のクリーニングを実施しなかった場合（すなわち、上記表２における時間が０分の場合）よりも反応炉内のクリーニングを実施した場合に界面酸素量が低減されることがわかる。また、反応炉内のクリーニングを３分以上実施した場合に、界面酸素量が特に低減され、１０分以上でより一層低減されることがわかる。

【0038】

次に、反応炉内のクリーニングを１０分間実施した場合において、保持時間以外のクリーニング条件のいずれかを変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果について説明する。表３は、クリーニング条件としての雰囲気ガスの種類及びクリーニング圧力を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図１０は、表３の比較結果をプロットしたグラフであり、クリーニング圧力と界面酸素量との関係を示す。図１０のグラフにおいて、横軸はクリーニング圧力であり、縦軸は界面酸素量である。ここでは、クリーニング条件としての温度を共通とした。具体的には、温度を８００℃とした。表３及び図１０を参照すると、反応炉内の雰囲気ガスがＮ_２の場合よりもＮＨ_３の場合に界面酸素量がより低減されることがわかる。また、雰囲気ガスをＮＨ_３とすると、圧力が３００Ｐａ以上の場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。

【0039】

【表3】

【0040】

表４は、クリーニング条件としての温度を変更して成膜し、各クリーニング条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。図１１は、表４の比較結果をプロットしたグラフであり、クリーニング温度と界面酸素量との関係を示す。図１１のグラフにおいて、横軸はクリーニング温度であり、縦軸は界面酸素量である。ここでは、温度以外のクリーニング条件を共通とした。具体的には、雰囲気ガスをＮＨ_３、圧力を３０００Ｐａとした。表４を参照すると、温度が７５０℃以上の場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかる。

【0041】

【表4】

【0042】

以上の結果から、反応炉内の温度を７５０℃以上、反応炉内の雰囲気をＮＨ_３雰囲気、反応炉内の圧力を３００Ｐａ以上とした状態で３分間保持することにより、反応炉内のクリーニングを実施した場合に、界面酸素量が特に低減されることがわかった。

【0043】

本実施形態のように、比較例１及び比較例２に対し、成膜温度よりも高い温度、及びＮＨ_３を含む雰囲気の環境下において、成膜前のエピタキシャルウェハ９を３分以上曝すことにより、次の（１）及び（２）で示す効果が期待できる。
（１）窒化物半導体層５の表面の酸化膜に含まれる酸素原子１１が還元されることにより除去される。
（２）反応炉内に付着した脱離ガスの原因である水分及び酸素に含まれる酸素原子１１も還元され、反応炉内で新たな酸化膜が形成されることが抑制される。

【0044】

上記（１）及び（２）の相乗効果により、界面酸素量が十分に低減されるので、ゲートリーク電流が低減される。したがって、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。特に、界面酸素量が０．６×１０^１５ａｔｏｍ/ｃｍ^２以下である場合（大気圧の環境下において、０．６×１０^１５ｃｍ^－２以下である場合）に、ゲートリーク電流が優位に低減され、半導体装置の電気的特性の劣化が抑えられる。

【0045】

ところで、大気にエピタキシャルウェハの表面を曝すと、上記酸素等に加え、例えば炭素、フッ素等（以下、単に「炭素等」という場合がある。）がエピタキシャルウェハに取り込まれることが懸念される。これら炭素等は、窒化物半導体において深いアクセプタ準位を形成する不純物として振る舞う。そのため、炭素等が窒化物半導体に取り込まれると、例えば、半導体装置のリーク電流の増加、コラプス特性の悪化等の問題に直結する。

【0046】

ここで、発明者によれば、フッ素は、炭素及び酸素に比し、反応炉内に多く存在しているとは考えにくい。ところが、エピタキシャル成長後、成膜前にＩＰＡ（isopropyl alcohol）を用いた洗浄処理を行い、減圧ＣＶＤ法を用いて成膜しただけで、窒化物半導体層５（例えばＧａＮ層）の表面にフッ素が１×１０^１１ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下の量で検出される。なお、この値は、酸素原子１１の量に比べると４桁も小さい値である。反応炉内で行われる処理には、例えばＲＣＡ洗浄等のフッ酸（ＨＦ）系溶液が用いられる処理が含まれるため、多少ではあるが大気中にフッ素が存在し、エピタキシャルウェハ９の表面に付着すると考えられる。反応炉内にて作業する際には、エピタキシャルウェハ９の表面へのフッ素の付着を回避することは困難である。

【0047】

これに対し、上記（１）及び（２）の相乗効果により、エピタキシャルウェハ９表面の炭素及びフッ素も除去される。これは、ＮＨ_３を含む雰囲気によってＨ_２が発生するためである。具体的には、残留したフッ素（Ｆ）は、雰囲気ガス中の水素原子（Ｈ）と反応しフッ酸（ＨＦ）を形成して気化される。炭素（Ｃ）は、雰囲気ガス中の水素原子（Ｈ）と反応しメタン（ＣＨ_４）を形成して気化される。このように窒化物半導体層５と窒化珪素パッシベーション膜３との界面の炭素及びフッ素が除去されることで、上述したようなエピタキシャルウェハ９の表面の残留不純物に起因した問題が減少する。これにより、ゲートリーク電流が低減され、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。

【0048】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態として、上記第１実施形態による窒化珪素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１２から図１４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。

【0049】

まず、図１２（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（半導体積層構造、半導体積層部）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。

【0050】

このとき、大気暴露により、キャップ層１８の表面には、酸素膜が形成される。この酸素膜をＳＩＭＳ分析により調査すると、酸素原子が０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２程度の界面酸素量で存在している。

【0051】

次に、図１２（ｂ）に示すように、積層構造２０の上面に接する窒化珪素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実施形態による窒化珪素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、ＮＨ_３ガス及びジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）を用いる。このとき、ＳｉＮ膜２６と積層構造２０との界面において存在する上述した酸化膜をＴｏＦ－ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析により調査すると、酸素原子が酸窒化珪素として存在している。

【0052】

具体的には、エピタキシャル成長後の窒化物半導体は、大気暴露の影響により表面酸化している。しかし、ＳｉＮ膜２６の成膜後、酸化した窒化物半導体の酸素は窒化珪素側に移動し、酸窒化珪素となる。図１５は、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後のＴｏＦ－ＳＩＭＳ分析の結果を示すグラフである。図１５のグラフにおいて、横軸は深さであり、縦軸は二次イオン速度である。ただし、左縦軸は右縦軸よりも１桁大きい。図１５により、窒化ガリウム上の酸化ガリウムが、窒化珪素パッシベーション膜の成膜後に、酸窒化珪素となることがわかる。

【0053】

なお、ＴｏＦ－ＳＩＭＳ分析は、一次イオンビームとしてのパルスビームの照射によって放出された二次イオンを質量分析する分析法である。ＴｏＦ－ＳＩＭＳ分析では、少ないイオンビーム照射量（１×１０^１２ｃｍ^－２以下）にて試料最表面に存在する元素及び分子情報を検出可能である。ＴｏＦ－ＳＩＭＳ分析において、使用される一次イオンビームとしては、例えば、比較的質量の重いイオン（Ｂｉ，Ａｕ等）ビーム、微細ビーム化の容易なＧａイオンビーム等が挙げられる。

【0054】

続いて、図１２（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。

【0055】

続いて、図１３（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。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４００℃において熱処理することにより、ソース電極２２およびドレイン電極２４と電子供給層１６とを合金化する。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。

【0056】

続いて、図１３（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。

【0057】

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１４（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が用いられる。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。

【0058】

続いて、図１４（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。

【0059】

図１４（ｂ）に示すように、作製されたＨＥＭＴ１Ａは、基板１０と、複数の窒化物半導体層を含み基板１０上に設けられた積層構造２０とを備える。積層構造２０は、基板１０側から順に形成された核形成層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、電子走行層１４、電子供給層１６、およびキャップ層１８は、窒化物半導体からそれぞれ構成されている。ＨＥＭＴ１Ａは、ＳｉＮ膜２６を更に備える。ＳｉＮ膜２６は、積層構造２０の表面を覆っている。具体的には、ＳｉＮ膜２６は、キャップ層１８の表面を覆っている。作製されたＨＥＭＴ１Ａにおいては、ＳｉＮ膜２６とキャップ層１８との界面には、酸素原子が０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下の界面酸素量で酸窒化珪素として存在している。ＳｉＮ膜２６は、複数の開口を有する。これらの開口では、ＳｉＮ膜２６から積層構造２０（電子供給層１６又はキャップ層１８）が露出する。

【0060】

また、ＨＥＭＴ１Ａは、ソース電極２２、ドレイン電極２４、ゲート電極２８、及び絶縁膜３０を更に備える。ソース電極２２及びドレイン電極２４は、基板１０の面に沿って順に並んでいる。ソース電極２２、ドレイン電極２４、及びゲート電極２８は、ＳｉＮ膜２６の開口をそれぞれ覆っている。また、ゲート電極２８は、積層構造２０上においてソース電極２２とドレイン電極２４との間に設けられている。絶縁膜３０はゲート電極２８を覆う保護膜である。

【0061】

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、窒化物半導体層（キャップ層１８）とＳｉＮ膜２６との界面の酸素量を低減できる。

【0062】

また、ＨＥＭＴ１Ａは、基板１０と、窒化物半導体からそれぞれ構成される複数の窒化物半導体層（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）を含み、基板１０上に設けられた積層構造２０と、積層構造２０の表面を覆うＳｉＮ膜２６と、ＳｉＮ膜２６と積層構造２０との界面において、０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下の界面酸素量で存在する酸素原子と、を備える。このＨＥＭＴ１Ａによれば、酸素原子の界面酸素量が０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下まで低減されているので、ゲートリーク電流が優位に低減され、半導体装置の電気的特性の低下が抑えられる。

【0063】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る成膜方法によって図１に示される窒化珪素パッシベーション膜３を形成する方法について説明する。図１６は、第３実施形態による窒化珪素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。第３実施形態による成膜方法では、工程Ｓ２に代えて工程Ｓ７を行う点において第１実施形態による成膜方法と相違し、その他の点において第１実施形態による成膜方法と同様である。つまり、第３実施形態においては、工程Ｓ１ののち、工程Ｓ７を行うことにより、窒化珪素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。

【0064】

工程Ｓ７では、まず、工程Ｓ７１から工程Ｓ７７を順に行う。なお、工程Ｓ７１から工程Ｓ７７は、工程Ｓ２における工程Ｓ２１から工程Ｓ２７とそれぞれ同様である。工程Ｓ７７により反応炉内の温度が第２の温度に安定したのち、反応炉内の圧力を、緩やかに変化させて３０Ｐａ以下の第１の圧力に減圧する（工程Ｓ７８）。なお、工程Ｓ７８では、比較例１のＳ４７において行っているような真空引きを行わずに、反応炉内の圧力を減圧する。具体的には、反応炉内への投入ガス流量及び排気バルブのＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）による制御を行う。これにより、極端に低い圧力にすることなく、所望のガス雰囲気を維持しつつ、反応炉内の圧力を成膜時の圧力である第１の圧力に調整する。一実施例では、第１の圧力は２０Ｐａである。

【0065】

そして、工程Ｓ７９から工程Ｓ８１を順に行う。工程Ｓ７９から工程Ｓ８１は、工程Ｓ２における工程Ｓ２９から工程Ｓ３１とそれぞれ同様である。以上の工程により、窒化物半導体層５上に窒化珪素パッシベーション膜３が成膜される。

【0066】

以上に説明した、第３実施形態による窒化珪素パッシベーション膜３の成膜方法によれば、第１実施形態による成膜方法と同様の効果を得ることができる。具体的には、工程Ｓ７６を行うので、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、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。

【0067】

続けて、第３実施形態による窒化珪素パッシベーション膜３の成膜方法によって得られる更なる効果について、比較例１と対比しながら説明する。図１７は、比較例１によって窒化珪素パッシベーション膜を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。図１７のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は圧力である。比較例１では、成膜前の反応炉内の雰囲気の置換（工程Ｓ４７）において、高温雰囲気下にて高圧から低圧への変更が伴う。そこで、窒化物半導体表面からの窒素原子抜けを抑制する観点から、高温雰囲気下かつ低圧になる時間を最短とするために、図１７に示されるように、真空引きを行った後、成膜ガスを導入して圧力調整を行っている。しかし、減圧ＣＶＤ装置は反応炉内に石英部材を用いているほか、装置が大型であることから真空引きに伴い、デガス（反応炉内側壁等に付着した残留物が再度反応炉内に放出される現象）が発生し、界面酸素濃度が増加する懸念もある。

【0068】

これに対し、第３実施形態においては、成膜前の反応炉内の雰囲気の置換（工程Ｓ２８）において、比較例１にて行っているような真空引きを行わず、成膜時の圧力まで炉内の圧力を緩やかに変化（減圧）させる。図１８は、第３実施形態によって窒化珪素パッシベーション膜３を成長する際の反応炉内の圧力変化を示すグラフである。図１８のグラフにおいて、横軸は時間であり、縦軸は圧力である。第３実施形態においては、工程Ｓ７８の直前の降温工程（工程Ｓ７７）にて反応炉内の温度が下げられることと相まって、工程Ｓ７８にてＡＰＣ等の装置による制御下で反応炉内の圧力が減圧される。これにより、図１８に示されるように、比較例１の雰囲気置換時間と同等な減圧時間に抑えつつ、真空雰囲気による平衡蒸気圧の極端な低下が抑制されるので、窒素原子抜けを低減できる。その結果、表面荒れの低減された窒化物半導体層５（ＧａＮ層）表面を維持しつつ、デガスを低減し、酸素濃度増加を低減できる。

【0069】

表５は、圧力条件を変更して成膜し、それぞれの条件下で成膜された場合の界面酸素量を比較した結果を示す。表５においては、第３実施形態（図１８を参照）のように圧力制御を行ったものを真空引き時間０分とし、比較例１（図１７を参照）のように圧力制御を行ったものを真空引き時間１分～１０分として示している。表５から、真空引き時間５分以内にすることにより界面酸素量を０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下まで低減できることがわかった。また、表５から、真空引き圧力を５Ｐａ以上に保つことにより界面酸素量を０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下まで低減できることがわかった。つまり、上述した半導体装置の電気的特性の改善の観点から界面酸素量を０．６×１０^１５ａｔｏｍ／ｃｍ^２以下まで低減するためには、真空引き時間５分以内にするか、あるいは真空引き圧力を５Ｐａ以上に保つことが重要である。

【0070】

【表5】

【0071】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る成膜方法によって図１に示される窒化珪素パッシベーション膜３を形成する方法について説明する。図１９は、第４実施形態による窒化珪素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。第４実施形態による成膜方法では、工程Ｓ２に代えて工程Ｓ９を行う点において第１実施形態による成膜方法と相違し、その他の点において第１実施形態による成膜方法と同様である。つまり、第４実施形態においては、工程Ｓ１ののち、工程Ｓ９を行うことにより、窒化珪素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。図２０は、窒化珪素パッシベーション膜３を成長する際の反応炉内の温度及び供給ガスの手順を示す図である。

【0072】

工程Ｓ９では、まず、工程Ｓ９１，Ｓ９２を順に行う。なお、工程Ｓ９１，Ｓ９２は、工程Ｓ２における工程Ｓ２１，Ｓ２２とそれぞれ同様である。次に、反応炉内の真空パージとＮ_２パージとを繰り返し行い（サイクルパージ）、大気雰囲気をＮ_２雰囲気に置換する（工程Ｓ９３）。最後の真空引き後に、Ｈ_２を含むガスを反応炉内に充填し、反応炉内の雰囲気を、Ｈ_２を含む雰囲気に置換する。ここでは、Ｈ_２を含むガスとして、Ｎ_２＋Ｈ_２混合ガスを反応炉内に充填し、反応炉内の雰囲気をＮ_２＋Ｈ_２雰囲気とする。一実施例では、Ｈ_２分圧（Ｈ_２／（Ｈ_２＋Ｎ_２））は、０．００５（すなわち、０．５％）以上である。なお、Ｈ_２分圧は、５％以上であってもよい。

【0073】

上記のサイクルパージが終了した後、工程Ｓ９４を行う。工程Ｓ９４は、工程Ｓ２における工程Ｓ２４と同様である。そして、反応炉内の圧力を第２の圧力に維持しつつ、反応炉内を７００℃以上の第３の温度に昇温する（工程Ｓ９５、昇温工程）。この第３の温度は、成膜温度（つまり、第２の温度）よりも高い温度である。第３の温度は、第２の温度よりも２０℃以上高い温度であってもよい。また、第３の温度は、６５０℃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３の温度は８００℃である。

【0074】

続いて、反応炉内を、第３の温度（ここでは８００℃）及び第２の圧力（ここでは３ｋＰａ）とした状態に３分間以上保持する（工程Ｓ９６、クリーニング工程）。一実施例では、保持時間は１０分間である。次に、成膜環境の準備を行う（降温工程）。具体的には、次に説明する工程Ｓ９７，Ｓ９８を行う。まず、成膜のために反応炉内の温度を第２の温度に降温する（工程Ｓ９７）。第２の温度は、第３の温度よりも低い温度である。一実施例では、第２の温度は７００℃である。反応炉内の温度が第２の温度に安定したのち、反応炉内にＮＨ_３ガスを供給して、反応炉内の雰囲気をＮ_２＋Ｈ_２雰囲気からＮＨ_３雰囲気に切り替えるとともに反応炉内の圧力を１００Ｐａ以下の第３の圧力に調整する（工程Ｓ９８）。この第３の圧力は、２０Ｐａ以下であってもよく、また１０Ｐａ以上であってもよい。一実施例では、第３の圧力は２０Ｐａである。

【0075】

そして、工程Ｓ９９から工程Ｓ１０１を順に行う。工程Ｓ９９から工程Ｓ１０１は、工程Ｓ２における工程Ｓ２９から工程Ｓ３１とそれぞれ同様である。以上の工程により、窒化物半導体層５上に窒化珪素パッシベーション膜３が成膜される。

【0076】

以上に説明した、第４実施形態による窒化珪素パッシベーション膜３の成膜方法によれば、第１実施形態による成膜方法と同様の効果を得ることができる。具体的には、工程Ｓ９６を行うので、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、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量を低減できる。

【0077】

表６及び図２１は、雰囲気ガスのＨ_２分圧と界面酸素量との関係を示す。表６は、工程Ｓ９４から工程Ｓ９８におけるＨ_２分圧を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量（窒化物半導体層５と窒化珪素パッシベーション膜３との界面の酸素量）を比較した結果を示す。図２１は、表６の結果をプロットしたグラフである。図２１のグラフにおいて、横軸は雰囲気ガスのＨ_２分圧であり、縦軸は界面酸素量である。

【0078】

【表6】

【0079】

表６の比較結果を得るにあたり、工程Ｓ９２における温度（すなわち、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℃とした。また、反応炉内の雰囲気をＮ_２＋Ｈ_２雰囲気とした。工程Ｓ９４から工程Ｓ９５における反応炉内の圧力を３０００Ｐａとした。また、工程Ｓ９６において、反応炉内の温度を８００℃、反応炉内の圧力を３０００Ｐａとした状態に１０分間保持することにより、反応炉内をクリーニングした。また、反応炉内の温度を７００℃、反応炉内の圧力を３０Ｐａとした状態で反応炉内にジクロロシランを供給して、窒化珪素パッシベーション膜３を成膜した。表６を参照すると、雰囲気ガスのＨ_２分圧が０．００５（０．５）％以上の場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。また、雰囲気ガスのＨ_２分圧が０．０５（５％）以上の場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。

【0080】

上記表６の比較結果では、雰囲気ガスをＨ_２＋Ｎ_２雰囲気とすることで、雰囲気ガスをＮＨ_３雰囲気とした場合と同様に、水素（Ｈ_２）によってエピタキシャルウェハ９の表面の酸化膜に含まれる酸素原子１１が還元作用を示して除去されると考えられる。また、この還元作用により、反応炉内に付着している水分及び酸素に含まれる酸素原子１１も除去されていると考えられる。特に、反応炉内の圧力が比較的高い場合（例えば、３００Ｐａ以上の場合）、水素の発生量が比較的多くなるので、還元作用によって除去される酸素原子１１の量も増加する。

【0081】

次に、昇温条件としての反応炉内の圧力を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表７及び図２２は、反応炉内の圧力と界面酸素量との関係を示す。表７は、工程Ｓ９４から工程Ｓ９８における反応炉内の圧力を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図２２は、表７の結果をプロットしたグラフである。図２２のグラフにおいて、横軸は反応炉内の圧力であり、縦軸は界面酸素量である。表７及び図２２を参照すると、反応炉内の圧力を３０００Ｐａ以上とした場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。また、反応炉内の圧力を１００００Ｐａ以上とした場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。

【0082】

【表7】

【0083】

次に、クリーニング条件としてのクリーニング時間を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表８及び図２３は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表８は、工程Ｓ９６におけるクリーニング時間を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図２３は、表８の結果をプロットした図である。図２３のグラフにおいて、横軸はクリーニング時間であり、縦軸は界面酸素量である。表８及び図２３を参照すると、クリーニング時間を２分以上とした場合に界面酸素量がある程度低減されることがわかる。また、クリーニング時間を５分以上とした場合に界面酸素量が十分に低減されることがわかる。さらに、クリーニング時間を１０分以上とした場合に界面酸素量が特に低減されることがわかる。

【0084】

【表8】

【0085】

次に、雰囲気ガス及びクリーニング温度を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果について説明する。表９及び図２４は、クリーニング時間と界面酸素量との関係を示す。表９は、工程Ｓ２６，Ｓ９６における雰囲気ガス及びクリーニング温度を変更して成膜し、それぞれの場合における界面酸素量を比較した結果を示す。図２４は、表９の結果をプロットした図である。図２４のグラフにおいて、横軸はクリーニング温度であり、縦軸は界面酸素量である。表９及び図２４を参照すると、反応炉内の雰囲気ガスがＮＨ_３の場合よりもＨ_２＋Ｎ_２である場合に、より低いクリーニング温度によって界面酸素量が低減されることがわかる。

【0086】

【表9】

【0087】

上述したように、雰囲気ガスをＮＨ_３とした場合には、熱分解によって水素（Ｈ_２）が発生し、この水素によってエピタキシャルウェハ９の表面の酸化膜に含まれる酸素原子１１が還元作用を示して除去されると考えられる。つまり、ＮＨ_３が熱分解してＨ_２を発生することにより、界面酸素量が低減されるという効果が得られる。しかし、クリーニング温度が低い場合、これに応じてＮＨ_３が熱分解した際のＨ_２の発生量が小さくなるので、上記の還元作用が小さくなる。これに対し、雰囲気ガスをＨ_２を含む雰囲気とした場合には、Ｈ_２が直接提供されるので、雰囲気ガスをＮＨ_３とした場合よりも低いクリーニング温度においても雰囲気ガスをＮＨ_３とした場合と同等のＨ_２による還元作用が得られる。特に、化合物半導体であるＧａＮ層上に成膜する場合、エピタキシャルウェハ９の表面の窒素抜けの観点から、成膜温度が低いことが望ましい。したがって、第４実施形態による窒化珪素パッシベーション膜３の成膜方法は、窒化物半導体層５がＧａＮ層である場合により適している。また、Ｈ_２+Ｎ_２雰囲気でクリーニング温度が７００℃の場合、成膜温度とクリーニング温度とが同じでも、界面酸素量は十分に低減されている。したがって、ＮＨ_３ガスのような成膜温度よりも高い温度によるクリーニング工程が必ずしも必要ないことがわかる。

【0088】

また、第４実施形態による窒化珪素パッシベーション膜３の成膜方法によれば、工程Ｓ９３から工程Ｓ９５において、反応炉内の温度が比較的低温である状態から、反応炉内のデガスによる酸化が抑制されるとともに、エピタキシャルウェハ９の表面において酸化還元作用が得られる。したがって、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、窒化物半導体と窒化珪素パッシベーション膜との界面の酸素量をより低減できる。

【0089】

本開示による窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法、半導体装置の製造方法、及び半導体装置は、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のＨＥＭＴを示したが、本開示による半導体装置の製造方法及び半導体装置は、ＨＥＭＴ以外にも様々な窒化物半導体装置に適用できる。

【0090】

（付記）
上述した実施形態から把握されるとおり、本明細書では以下に示す態様の開示を含んでいる。

【0091】

本開示の一形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体層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、前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の温度が７００℃以上である状態にて、前記反応炉内の圧力を５Ｐａ以上に保って、前記反応炉内の雰囲気の変更、及び前記反応炉内の圧力の変更の少なくとも一方を実施する工程と、前記反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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。

【0092】

本開示の一形態に係る窒化珪素パッシベーション膜の成膜方法は、窒化物半導体層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、前記窒化物半導体層を含む基板が収容された反応炉内の温度が７００℃以上である状態にて、前記反応炉内の圧力が５Ｐａ以下になる時間を５分以内として、前記反応炉内の雰囲気の変更、及び前記反応炉内の圧力の変更の少なくとも一方を実施する工程と、前記反応炉内にジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）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。

【符号の説明】

【0093】

１Ａ…ＨＥＭＴ（半導体装置）、３…窒化珪素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、１１…酸素原子、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（半導体積層構造、半導体積層部）、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】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】