JP2017174988A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】動作の安定した半導体装置を製造する技術を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体層の上に、窒素を含む有機金属を原料として原子層堆積法により絶縁膜を成膜する第１工程と、前記絶縁膜を、酸素とオゾンとの少なくとも一つを含む雰囲気下において酸素プラズマ処理する第２工程と、前記第２工程の後、窒素含有雰囲気下において、前記絶縁膜を熱処理する第３工程と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
従来から、絶縁膜を備える半導体装置が知られており、絶縁膜を形成する方法としては、例えば、原子層成膜（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が知られている。しかし、ＡＬＤ法により成膜した絶縁膜の中には、成膜原料に由来する不純物が含まれ、これらの不純物が絶縁膜のＣＶヒステリシスを増大させることが知られている（例えば、特許文献１）。このため、特許文献１では、成膜原料に含まれる炭素（Ｃ）に着目し、炭素（Ｃ）を減らす方法が開示されている。
特開２００４−２８８８８４号公報
しかし、特許文献１に記載された方法は、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制する方法として十分ではなく、絶縁膜のＣＶヒステリシスをさらに抑制し、動作の安定した半導体装置を製造する技術が望まれていた。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、半導体層の上に、窒素を含む有機金属を原料として原子層堆積法により絶縁膜を成膜する第１工程と、前記絶縁膜を、酸素とオゾンとの少なくとも一つを含む雰囲気下において酸素プラズマ処理する第２工程と、前記第２工程の後、窒素含有雰囲気下において、前記絶縁膜を熱処理する第３工程と、を備える。この形態の半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、動作の安定した半導体装置を製造できる。
（２）上述の製造方法であって、前記酸素プラズマ処理において、リモートプラズマを用いてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、酸素プラズマ処理時の絶縁膜へのプラズマによるダメージを軽減できる。
（３）上述の製造方法であって、前記酸素プラズマ処理において、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、酸素プラズマ処理時の絶縁膜へのプラズマによるダメージをさらに軽減できる。
（４）本発明の他の形態によれば、半導体層と、前記半導体層に接する絶縁膜と、を備える半導体装置が提供される。この半導体装置は、前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが３０ｎｍまでの前記絶縁膜の領域における平均窒素濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３未満であり、前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが３０ｎｍの仮想面から、前記半導体層と接する面まで深さが２０ｎｍまでの仮想面までの絶縁膜の領域における平均窒素濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、１．０×１０１９ｃｍ−３未満である。この形態の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
（５）上述の半導体装置において、前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが２０ｎｍまでの前記絶縁膜の領域における平均水素濃度が１．０×１０２０ｃｍ−３以上、かつ、１．０×１０２１ｃｍ−３未満であってもよい。この形態の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
（６）上述の半導体装置において、前記絶縁膜の上に、金属から形成された電極を備えてもよい。この形態の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
（７）上述の半導体装置において、前記半導体層は、溝部を備え、前記絶縁膜は、前記溝部の内側に形成されていてもよい。この形態の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
（８）上述の半導体装置は、縦型トレンチＭＯＳＦＥＴであってもよい。この形態の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
本発明は、半導体装置の製造方法や半導体装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上述の製造方法を用いて半導体装置を製造する装置などの形態で実現することができる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、動作の安定した半導体装置を製造できる。また、本発明の半導体装置によれば、絶縁膜のＣＶヒステリシスを抑制できるため、高い動作安定性を備えることができる。
第１実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図。 第１実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図。 第１実施形態における絶縁膜の形成工程を示す工程図。 絶縁膜の形成工程後における絶縁膜の濃度分布を模式的に示す断面図。 評価試験の結果を示す図。 評価試験の結果を示す図。 評価試験の結果を示す図。 評価試験の結果を示す図。 評価試験の結果を示す図。 評価試験の結果を示す図。
Ａ．第１実施形態
Ａ−１．半導体装置の構成
図１は、第１実施形態における半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、図１の紙面左から紙面右に向かう軸である。＋Ｘ軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、紙面左に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、図１の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。＋Ｙ軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、図１の紙面下から紙面上に向かう軸である。＋Ｚ軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、紙面下に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。
本実施形態では、半導体装置１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置１００は、縦型トレンチＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置１００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。
半導体装置１００は、基板１１０と、ｎ型半導体層１１２と、ｐ型半導体領域１１３と、ｐ型半導体層１１４と、ｎ型半導体層１１６とを備える。半導体装置１００は、これらの半導体層に形成された構造として、トレンチ１２２と、リセス１２４とを有する。半導体装置１００は、更に、絶縁膜１３０と、ゲート電極１４２と、ボディ電極１４４と、ソース電極１４６と、ドレイン電極１４８とを備える。
半導体装置１００の基板１１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状の半導体である。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に形成されている。本明細書の説明において、「Ａ（例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ））から主に形成されている」とは、モル分率においてＡ（例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ））を９０％以上含有することを意味する。本実施形態では、基板１１０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有するｎ型半導体である。本実施形態では、基板１１０に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、１×１０１８ｃｍ−３以上である。基板１１０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、１００μｍ（マイクロメートル）以上であり、本実施形態では、３００μｍである。
半導体装置１００のｎ型半導体層１１２は、ｎ型の特性を有する半導体である。本実施形態では、ｎ型半導体層１１２は、基板１１０の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる。本実施形態では、主に、ｎ型半導体層１１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）により形成されている。本実施形態では、ｎ型半導体層１１２は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素（ｎ型不純物）として含有する。本実施形態では、ｎ型半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１×１０１７ｃｍ−３以下であり、例えば、１×１０１６ｃｍ−３である本実施形態では、ｎ型半導体層１１２の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、１０μｍである。
半導体装置１００のｐ型半導体領域１１３は、ｎ型半導体層１１２の一部に対するイオン注入によって形成された領域である。ｐ型半導体領域１１３における半導体は、ｐ型の特性を有する。本実施形態では、ｐ型半導体領域１１３は、トレンチ１２２から離れた位置に形成され、ｎ型半導体層１１２およびｐ型半導体層１１４に隣接する。本実施形態では、ｐ型半導体領域１１３は、ｎ型半導体層１１２と同様に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に形成されている。本実施形態では、ｐ型半導体領域１１３は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素（ｐ型不純物）として含有する。ｐ型半導体領域１１３において、ｐ型不純物の濃度は、ｎ型不純物の濃度より高い。本実施形態では、ｐ型半導体領域１１３におけるｐ型不純物の濃度は、ｎ型不純物の濃度に対して１００倍以上である。本実施形態では、ｐ型半導体領域１１３におけるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度の平均値は、１×１０１８ｃｍ−３以上である。
半導体装置１００のｐ型半導体層１１４は、ｐ型の特性を有する半導体である。本実施形態では、ｐ型半導体層１１４は、ｎ型半導体層１１２およびｐ型半導体領域１１３の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる。本実施形態では、ｐ型半導体層１１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に形成されている。本実施形態では、ｐ型半導体層１１４は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有する。本実施形態では、ｐ型半導体層１１４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値は、約４×１０１８ｃｍ−３以下である。本実施形態では、ｐ型半導体層１１４の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１．０μｍである。
半導体装置１００のｎ型半導体層１１６は、ｎ型の特性を有する半導体である。本実施形態では、ｎ型半導体層１１６は、ｐ型半導体層１１４の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる。本実施形態では、ｎ型半導体層１１６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に形成されている。本実施形態では、ｎ型半導体層１１６は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、ｎ型半導体層１１６に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、１×１０１８ｃｍ−３以上であり、約３×１０１８ｃｍ−３である。本実施形態では、ｎ型半導体層１１６の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、０．４μｍ以下であり、約０．２μｍである。
半導体装置１００のトレンチ１２２は、ｎ型半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側の面からｎ型半導体層１１６及びｐ型半導体層１１４を貫通し、ｎ型半導体層１１２にまで落ち込んだ溝部である。本実施形態では、トレンチ１２２は、ｎ型半導体層１１６，ｐ型半導体層１１４，及びｎ型半導体層１１２に対するドライエッチングによって形成された構造である。
半導体装置１００のリセス１２４は、ｎ型半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側の面からｎ型半導体層１１６を貫通し、ｐ型半導体層１１４にわたって窪んだ溝部である。本実施形態では、リセス１２４は、ｎ型半導体層１１６及びｐ型半導体層１１４に対するドライエッチングによって形成された構造である。
半導体装置１００の絶縁膜１３０は、トレンチ１２２の内側に形成され、電気絶縁性を有する膜である。本実施形態では、絶縁膜１３０は、トレンチ１２２の内側からｎ型半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側の表面の一部にわたって形成されている。本実施形態では、絶縁膜１３０は、半導体層１１２，１１４，１１６に接しており、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に形成されている。
半導体装置１００のゲート電極１４２は、絶縁膜１３０を介してトレンチ１２２の内側に形成された電極である。本実施形態では、ゲート電極１４２は、トレンチ１２２の内側に加え、トレンチ１２２の外側である絶縁膜１３０の＋Ｚ軸方向側の面の一部にわたって形成されている。ゲート電極１４２は、金属から形成されており、本実施形態では、アルミニウム（Ａｌ）から主に形成されている。ゲート電極１４２に電圧が印加された場合、ｐ型半導体層１１４に反転層が形成され、この反転層がチャネルとして機能することによって、ソース電極１４６とドレイン電極１４８との間に導通経路が形成される。換言すると、ゲート電極１４２に電圧が印加された場合、電流は基板１１０の鉛直方向（Ｚ軸方向）に流れる。
半導体装置１００のボディ電極１４４は、リセス１２４に形成され、ｐ型半導体層１１４に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ボディ電極１４４は、パラジウム（Ｐｄ）から主に形成された層に熱処理が加えられることにより形成された電極である。
半導体装置１００のソース電極１４６は、ｎ型半導体層１１６に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ソース電極１４６は、ボディ電極１４４の上からｎ型半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側の面の一部にわたって形成されている。ソース電極１４６は、ボディ電極１４４から離れた部位に形成されていてもよい。本実施形態では、ソース電極１４６は、チタン（Ｔｉ）から主に形成された層に、アルミニウム（Ａｌ）から主に形成された層を積層した後に熱処理が加えられることによって形成された電極である。
半導体装置１００のドレイン電極１４８は、基板１１０の−Ｚ軸方向側の裏面に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ドレイン電極１４８は、チタン（Ｔｉ）から主に形成された層に、アルミニウム（Ａｌ）から主に形成された層を積層した後に熱処理が加えられることによって形成された電極である。
Ａ−２．半導体装置の製造方法
図２は、第１実施形態における半導体装置１００の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、基板１１０の上にｎ型半導体層１１２を結晶成長によって形成する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、製造者は、基板１１０における＋Ｚ軸方向側の表面にｎ型半導体層１１２を形成する。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によってｎ型半導体層１１２を形成する。本実施形態では、ｎ型半導体層１１２は、主に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成されている。
ｎ型半導体層１１２を形成した後（工程Ｐ１１０）、製造者は、イオン注入によってｎ型半導体層１１２の一部にｐ型半導体領域１１３を形成する（工程Ｐ１２０）。本実施形態では、製造者は、ｎ型半導体層１１２における＋Ｚ軸方向側の一部の領域にｐ型半導体領域１１３を形成する。
ｐ型半導体領域１１３を形成した後（工程Ｐ１２０）、製造者は、ｎ型半導体層１１２およびｐ型半導体領域１１３の表面に、ｐ型半導体層１１４を形成する（工程Ｐ１３０）。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、主に窒化ガリウム（ＧａＮ）によりｐ型半導体層１１４を形成する。
ｐ型半導体層１１４を形成した後（工程Ｐ１３０）、製造者は、ｐ型半導体層１１４の上にｎ型半導体層１１６を形成する（工程Ｐ１４０）。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によってｎ型半導体層１１６を形成する。
ｎ型半導体層１１６を形成した後（工程Ｐ１４０）、製造者は、エッチングによってトレンチ１２２およびリセス１２４を形成する（工程Ｐ１５０）。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによってトレンチ１２２およびリセス１２４を形成する。
トレンチ１２２およびリセス１２４を形成した後（工程Ｐ１５０）、製造者は、絶縁膜を形成する（工程Ｐ１６０）。本実施形態では、製造者は、トレンチ１２２により露出したｎ型半導体層１１２の面及び半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側の一部の領域に絶縁膜１３０を形成する。なお、絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ１６０）において、トレンチ１２２により露出したｐ型半導体層１１４及びｎ型半導体層１１６の側面においても絶縁膜１３０が形成される。
図３は、第１実施形態における絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ１６０）を示す工程図である。絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ１６０）において、製造者は、まず、半導体層１１２、１１６の上に、窒素（Ｎ）を含む有機金属を原料として原子層堆積（ＡＬＤ）法により絶縁膜１３０を成膜する（工程Ｐ１６１）。工程Ｐ１６１は、第１工程とも呼ぶ。絶縁膜１３０の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、本実施形態では、１００ｎｍである。
本明細書において、窒素（Ｎ）を含む有機金属とは、金属とアミノ基との結合を有する化合物を示す。窒素（Ｎ）を含む有機金属としては、例えば、ＳＡＭ．２４（登録商標）、ビスターシャルブチルアミノシラン（ＢＴＢＡＳ）、トリスジメチルアミノシラン（ＴＤＭＡＳ）を挙げることができる。
絶縁膜１３０を成膜した後（工程Ｐ１６１）、製造者は、絶縁膜１３０を、酸素（Ｏ２）とオゾン（Ｏ３）との少なくとも一つを含む雰囲気下において酸素プラズマ処理する（工程Ｐ１６３）。工程Ｐ１６３を、第２工程とも呼ぶ。酸素プラズマ処理は、絶縁膜１３０中の窒素（Ｎ）濃度を制御することを目的としており、絶縁膜１３０の形状を加工する目的は無い。このため、酸素プラズマ処理は、ドライエッチングと異なる。
本実施形態において、酸素プラズマ処理は、酸素（Ｏ２）を含む雰囲気下において行われる。酸素プラズマ処理においては、例えば、ダイレクトプラズマを用いる方法や、リモートプラズマを用いる方法が挙げられる。絶縁膜１３０や半導体層１１２，１１４，１１６へのプラズマによるダメージを軽減する観点から、酸素プラズマ処理においては、リモートプラズマを用いることが好ましい。また、絶縁膜１３０や半導体層１１２，１１４，１１６へのプラズマによるダメージをより軽減する観点から、酸素プラズマ処理においては、電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）プラズマを用いることが好ましい。
本実施形態の第２工程（工程Ｐ１６３）では、ＥＣＲプラズマを用い、マイクロ波の励起パワーは５００Ｗであり、酸素流量を２０ｓｃｃｍである。第２工程（工程Ｐ１６３）は、減圧雰囲気で行うことが好ましく、本実施形態では、圧力は５．０×１０−２Ｐａ以下である。第２工程（工程Ｐ１６３）を経ることにより、絶縁膜１３０中の窒素（Ｎ）や水素（Ｈ）を絶縁膜１３０外に脱離させることが可能となり、絶縁膜１３０中の窒素（Ｎ）濃度や水素（Ｈ）濃度を制御することができる。なお、本実施形態において、基板１１０へイオンを引き込むためのバイアスパワーは印加されていないが、絶縁膜１３０や半導体層１１２，１１４，１１６へのプラズマによるダメージが許容できる範囲であれば印加されていてもよい。
第２工程（工程Ｐ１６３）において、絶縁膜１３０は室温でもよく、加熱されていてもよい。絶縁膜１３０の加熱は、絶縁膜１３０を備える半導体装置１００の中間製品が設置されているステージを加熱することにより行われる。絶縁膜１３０中の水素（Ｈ）や窒素（Ｎ）を効率的に脱離させる観点から、第２工程（工程Ｐ１６３）における絶縁膜１３０の温度は、３００℃以上が好ましく、４００℃以上がより好ましく、また、５００℃以下が好ましい。本実施形態では、絶縁膜１３０と間接的に接する基板１１０が３００℃に達した状態において６０分間、第２工程（工程Ｐ１６３）を行う。
第２工程（工程Ｐ１６３）を行った後、製造者は、窒素（Ｎ）含有雰囲気下において、絶縁膜１３０を熱処理する（工程Ｐ１６５）。工程Ｐ１６５を、第３工程とも呼ぶ。熱処理の温度は、４００℃以上５００℃以下が好ましく、本実施形態では、５００℃である。第３工程（工程Ｐ１６５）を経ることにより、第１工程（工程Ｐ１６１）における絶縁膜１３０や半導体層１１２，１１４，１１６へのダメージが回復し、絶縁膜１３０の電気特性が安定する。第３工程（工程Ｐ１６５）を行うことにより、絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ１６０）が完了する。
図４は、絶縁膜１３０の形成工程（工程Ｐ１６０）後における絶縁膜１３０の濃度分布を模式的に示す断面図である。図４に記載されている領域Ｒは、図１に記載されている領域Ｒに対応する。
絶縁膜１３０のｎ型半導体層１１６とは接しない面Ｓ１（＋Ｚ軸方向側の面）からの深さ（Ｚ軸方向）が３０ｎｍまでの絶縁膜１３０の領域１３２は、窒素（Ｎ）が低濃度な領域である。このため、領域１３２は、窒素低濃度領域１３２とも呼ぶ。窒素低濃度領域１３２における平均窒素（Ｎ）濃度は、３．０×１０１８ｃｍ−３未満であり、本実施形態では、約２．１×１０１８ｃｍ−３である。領域１３２の窒素（Ｎ）濃度が低い原因としては、第２工程（工程Ｐ１６３）及び第３工程（工程Ｐ１６５）を経ることにより、絶縁膜１３０中の窒素（Ｎ）が絶縁膜１３０外に離脱している点が挙げられる。
また、絶縁膜１３０のＣＶヒステリシスを抑制する観点から、絶縁膜１３０のｎ型半導体層１１６とは接しない面Ｓ１（＋Ｚ軸方向側の面）から深さ（Ｚ軸方向）が２０ｎｍまでの絶縁膜１３０の領域における平均水素（Ｈ）濃度は、１０２１ｃｍ−３未満であることが好ましく、１．０×１０２０ｃｍ−３以上であることが好ましい。領域１３２の水素（Ｈ）濃度が低い原因は、領域１３２の窒素（Ｎ）濃度が低い原因と同様に、第２工程（工程Ｐ１６３）及び第３工程（工程Ｐ１６５）を経ることにより、絶縁膜１３０中の水素（Ｈ）が絶縁膜１３０外に離脱している点が挙げられる。
絶縁膜１３０のｎ型半導体層１１６とは接しない面Ｓ１からの深さである３０ｎｍの仮想面Ｓ２から、ｎ型半導体層１１６と接する面Ｓ４までの深さが２０ｎｍである仮想面Ｓ３までの絶縁膜１３０の領域１３４における平均窒素（Ｎ）濃度は、３．０×１０１８ｃｍ−３以上１．０×１０１９ｃｍ−３未満であり、本実施形態では、約５．７×１０１８ｃｍ−３である。領域１３４は、膜中領域１３４とも呼ぶ。
仮想面Ｓ３から面Ｓ４までの絶縁膜１３０の領域１３６は、窒素（Ｎ）が高濃度な領域である。このため、領域１３６は、窒素高濃度領域１３６とも呼ぶ。領域１３６の窒素（Ｎ）濃度が高い原因としては、第２工程（工程Ｐ１６３）及び第３工程（工程Ｐ１６５）を経ることにより、膜中領域１３４中の窒素（Ｎ）の一部がｎ型半導体層１１６へ移行している点が考えられる。
絶縁膜１３０を形成した後（工程Ｐ１６０、図２参照）、製造者は、ゲート電極１４２、ボディ電極１４４、ソース電極１４６およびドレイン電極１４８を形成する（工程Ｐ１７０）。本実施形態では、スパッタ法と蒸着法を用いる。これらの工程を経て、半導体装置１００が完成する。
Ａ−３．効果
以上説明した第１実施形態の製造方法では、第１工程（工程Ｐ１６１）において絶縁膜１３０を成膜した後、第２工程（工程Ｐ１６３）において酸素プラズマ処理を行い、その後、第３工程（工程Ｐ１６５）において窒素（Ｎ）含有雰囲気下において絶縁膜１３０を熱処理する。このようにすることにより、絶縁膜１３０中の窒素（Ｎ）を好ましい濃度分布とすることができる。この結果、第１実施形態の製造方法では、絶縁膜１３０のＣＶヒステリシスを抑制できるため、動作の安定した半導体装置１００を製造できる。以下、第１工程（工程Ｐ１６１）において絶縁膜１３０を成膜した後、第２工程（工程Ｐ１６３）及び第３工程（工程Ｐ１６５）を経ることにより、絶縁膜１３０のＣＶヒステリシスを抑制することを裏付ける評価試験の結果を示す。
Ａ−４．試験結果
図５から図１０は、評価試験の結果を示す図である。評価試験には、以下の試料１から試料３を用いた。具体的には、試験者は、まず、ｎ型半導体層１１６の上に絶縁膜１３０を成膜した。絶縁膜１３０の厚さは、１００ｎｍである。次に、試験者は、試料１及び試料２の絶縁膜１３０を酸素プラズマ処理した。具体的には、試験者は、上記実施形態と同様に、試料１の絶縁膜１３０を３００℃に加熱した状態においてプラズマ処理した（工程Ｐ１６３）。また、試験者は、試料２の絶縁膜１３０を常温でプラズマ処理した（工程Ｐ１６３）。なお、試料１及び試料２は実施例であるのに対し、試料３は、比較例であるため、試験者は、試料３の絶縁膜１３０にプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行わなかった。なお、試験者は、いずれの試料においても、熱処理（工程Ｐ１６５）を行った。
３００℃に加熱した状態においてプラズマ処理を行った試料１の試験結果を図５及び図８に示す。常温でプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行った試料２の試験結果を図６及び図９に示す。プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行わなかった試料３の試験結果を図７及び図１０に示す。
図５から図７は、各試料の絶縁膜１３０における窒素（Ｎ）濃度及び水素（Ｈ）濃度を二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectrometry：ＳＩＭＳ）により測定した結果を示す。図５から図７において、横軸は絶縁膜１３０の−Ｚ軸方向の深さ（ｎｍ）を示し、縦軸は窒素（Ｎ）濃度及び水素（Ｈ）濃度（ｃｍ−３）を示す。深さ０ｎｍは、絶縁膜１３０の＋Ｚ軸方向側の表面である。
図８から図１０は、絶縁膜１３０のＣＶヒステリシス特性の結果を示す。この結果は、絶縁膜１３０の表面（＋Ｚ軸方向側の面）とｎ型半導体層１１６の裏面（−Ｚ軸方向側の面）とに電圧を加えることにより測定した結果である。図８から図１０において、縦軸は、絶縁膜容量（Ｃｉ）で正規化した容量を示し、横軸は印加電圧を示す。この測定は、以下の条件で行った。
・周波数：１００ｋＨｚ
・電圧掃引方向：０Ｖ→＋４Ｖ→−６Ｖ→＋８Ｖ→−１０Ｖ→＋１２Ｖ→−１６Ｖ
・掃引ステップ：０．２Ｖ／ステップ
・測定時温度：室温（２５℃）
・測定環境：遮光環境
図５から図７の結果から、以下のことが分かる。つまり、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ない試料３（比較例）の結果（図７参照）と比較して、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経た試料１，２（実施例）の結果（図５，６参照）では、深さが０ｎｍから３０ｎｍまでの領域において窒素（Ｎ）濃度が低くなることが分かる。具体的には、この領域における試料３（比較例）の平均窒素濃度（図７参照）は３．０×１０１８ｃｍ−３以上であり、約３．０×１０１９ｃｍ−３であるのに対して、この領域における試料１，２（実施例）の平均窒素濃度（図５，６参照）は３．０×１０１８ｃｍ−３以下である。この結果から、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ることにより、絶縁膜１３０の表面近傍の窒素（Ｎ）が脱離していることが分かる。
同様に、図５から図７の結果から、以下のことが分かる。つまり、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ない試料３（比較例）の結果（図７参照）と比較して、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経た試料１，２（実施例）の結果（図５，６参照）では、深さが０ｎｍから２０ｎｍまでの領域において水素（Ｈ）濃度が低くなることが分かる。具体的には、この領域における試料３（比較例）の平均水素濃度（図７参照）は１．０×１０２１ｃｍ−３より大きいのに対して、この領域における試料１，２（実施例）の平均水素濃度（図５，６参照）は１．０×１０２１ｃｍ−３ｃｍ−３以下である。この結果から、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ることにより、絶縁膜１３０の表面近傍の水素（Ｈ）が脱離していることが分かる。なお、図５から図７の結果において、深さが０ｎｍから数ｎｍまでの窒素濃度及び水素濃度が高い理由としては、絶縁膜１３０の表面付着物に起因するノイズの影響があると考えられる。
また、図８から図１０の結果から、以下のことが分かる。つまり、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ない試料３（比較例）の結果（図１０参照）と比較して、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経た試料１，２（実施例）の結果（図７，８参照）の方が、ヒステリシス・ループを一回描くことによって、そのループに閉じられた面積が小さいことがわかる。この結果から、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経ない試料３（比較例）と比較して、プラズマ処理（工程Ｐ１６３）を経た試料１，２（実施例）の方が、ＣＶヒステリシスが抑制されていることが分かる。
また、常温でプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行った試料２の試験結果（図９参照）と比較して、絶縁膜１３０を加熱した状態においてプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行った試料１の試験結果（図１０参照）の方が、ヒステリシス・ループを一回描くことによって、そのループに閉じられた面積がさらに小さくなることが分かる。この結果から、常温でプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行った場合と比較して、絶縁膜１３０を加熱した状態においてプラズマ処理（工程Ｐ１６３）を行った場合の方が、ＣＶヒステリシスがさらに抑制されていることが分かる。
Ｂ．その他の実施形態
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
上述の実施形態では、半導体として窒化ガリウムを用いているが、本発明はこれに限られない。半導体としては、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などであってもよい。
本発明が適用される半導体装置は、上述の実施形態で説明した縦型トレンチＭＯＳＦＥＴに限られず、例えば、縦型ショットキーバリアダイオード、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（metal-semiconductor field effect transistor）などであってもよい。本発明の半導体装置は、半導体層の上に絶縁膜を備える半導体装置に適用することができ、本発明の製造方法は、半導体層の上に絶縁膜を形成する工程を備える製造方法に適用できる。
上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の実施形態の材質に限らず、他の材質であってもよい。
１００…半導体装置
１１０…基板（半導体層）
１１２…ｎ型半導体層（半導体層）
１１３…ｐ型半導体領域（半導体層）
１１４…ｐ型半導体層（半導体層）
１１６…ｎ型半導体層（半導体層）
１２２…トレンチ
１２４…リセス
１３０…絶縁膜
１３２…領域（窒素低濃度領域）
１３４…領域（膜中領域）
１３６…領域（窒素高濃度領域）
１４２…ゲート電極
１４４…ボディ電極
１４６…ソース電極
１４８…ドレイン電極
Ｒ…領域
Ｓ１…面
Ｓ２…仮想面
Ｓ３…仮想面
Ｓ４…面

Claims (8)

  1. 半導体装置の製造方法であって、
    半導体層の上に、窒素を含む有機金属を原料として原子層堆積法により絶縁膜を成膜する第１工程と、
    前記絶縁膜を、酸素とオゾンとの少なくとも一つを含む雰囲気下において酸素プラズマ処理する第２工程と、
    前記第２工程の後、窒素含有雰囲気下において、前記絶縁膜を熱処理する第３工程と、を備える、半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸素プラズマ処理において、リモートプラズマを用いる、半導体装置の製造方法。
  3. 請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸素プラズマ処理において、電子サイクロトロン共鳴プラズマを用いる、半導体装置の製造方法。
  4. 半導体層と、前記半導体層に接する絶縁膜と、を備える半導体装置であって、
    前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが３０ｎｍまでの前記絶縁膜の領域における平均窒素濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３未満であり、
    前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが３０ｎｍの仮想面から、前記半導体層と接する面まで深さが２０ｎｍまでの仮想面までの絶縁膜の領域における平均窒素濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３以上、かつ、１．０×１０１９ｃｍ−３未満である、半導体装置。
  5. 請求項４に記載の半導体装置であって、
    前記絶縁膜の前記半導体層とは接しない面から深さが２０ｎｍまでの前記絶縁膜の領域における平均水素濃度が１．０×１０２０ｃｍ−３以上、かつ、１．０×１０２１ｃｍ−３未満である、半導体装置。
  6. 請求項４または請求項５に記載の半導体装置であって、
    前記絶縁膜の上に、金属から形成された電極を備える、半導体装置。
  7. 請求項６に記載の半導体装置であって、
    前記半導体層は、溝部を備え、前記絶縁膜は、前記溝部の内側に形成されている、半導体装置。
  8. 請求項７に記載の半導体装置であって、
    前記半導体装置は、縦型トレンチＭＯＳＦＥＴである、半導体装置。
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