(57)【要約】【課題】高い閾値電圧を有する半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置し、底面と側面を有し、底面が第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層のいずれか一方の中に位置するトレンチと、トレンチの中に位置するゲート電極と、底面とゲート電極との間、及び、側面とゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方の中に位置し、底面に隣り合う第１の部分を含むフッ素を含有する領域と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、
前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、底面と側面を有し、前記底面が前記第１の窒化物半導体層及び前記第２の窒化物半導体層のいずれか一方の中に位置するトレンチと、
前記トレンチの中に位置するゲート電極と、
前記底面と前記ゲート電極との間、及び、前記側面と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、
前記第１の窒化物半導体層及び前記第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方の中に位置し、前記底面に隣り合う第１の部分を含むフッ素を含有する領域と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記領域は、前記側面に隣り合う第２の部分を含む請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の部分のフッ素濃度は、前記第２の部分のフッ素濃度よりも高い請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記領域の幅は５ｎｍ以下である請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記領域は、窒化物半導体の結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記領域は、前記３個のフッ素原子の近傍に位置し、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する１個のフッ素原子を有する請求項５記載の半導体装置。
【請求項７】
前記領域は、第１のガリウム原子と第２のガリウム原子に結合する第１のフッ素原子、前記第１のガリウム原子と第３のガリウム原子に結合する第２のフッ素原子、前記第１のガリウム原子と第４のガリウム原子に結合する第３のフッ素原子を有する請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項８】
前記領域は、前記第１のフッ素原子、前記第２のフッ素原子、前記第３のフッ素原子の近傍に位置し、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する第４のフッ素原子を有する請求項７記載の半導体装置。
【請求項９】
前記領域のフッ素濃度は１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下である請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１の窒化物半導体層は窒化ガリウムであり、前記第２の窒化物半導体層は窒化アルミニウムガリウムである請求項１ないし請求項９いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の半導体装置を備える電源回路。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１０いずれか一項記載の半導体装置を備えるコンピュータ。
【請求項１３】
窒化物半導体層に底面と側面を有するトレンチを形成し、
前記トレンチを形成した後に、三フッ化窒素を含む雰囲気中で第１のプラズマ処理を行い、
前記トレンチ内にゲート絶縁層を形成し、
前記ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第１のプラズマ処理を行った後、フッ素を含む雰囲気中で第２のプラズマ処理を行う請求項１３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記ゲート絶縁層を形成する前に、前記第２のプラズマ処理を行う請求項１４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記第１のプラズマ処理を行った後、前記第２のプラズマ処理を行う前に、前記側面を覆う側壁の形成を行う請求項１４又は請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記第２のプラズマ処理を行った後に、８００℃以上１０００℃以下の熱処理を行う請求項１４ないし請求項１６いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記トレンチの形成を反応性イオンエッチング法により行う請求項１３ないし請求項１７いずれか一項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】
本発明の実施形態は、半導体装置、半導体装置の製造方法、電源回路、及び、コンピュータに関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源回路やインバータ回路などの回路には、トランジスタやダイオードなどの半導体素子が用いられる。これらの半導体素子には高耐圧及び低オン抵抗が求められる。そして、耐圧とオン抵抗の関係には、素子材料で決まるトレードオフ関係がある。
【０００３】
技術開発の進歩により、半導体素子は、主たる素子材料であるシリコンの限界近くまで低オン抵抗が実現されている。耐圧を更に向上させたり、オン抵抗を更に低減させたりするには、素子材料の変更が必要である。窒化ガリウムや窒化アルミニウムガリウムなどの窒化物半導体を半導体素子の素子材料として用いることで、素子材料で決まるトレードオフ関係を改善できる。このため、半導体素子の飛躍的な高耐圧化や低オン抵抗化が可能である。
【０００４】
窒化物半導体を用いたトランジスタでは、一般に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとするＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）構造が適用される。通常のＨＥＭＴでは、ゲートに電圧を印加しなくても導通してしまうノーマリーオンのトランジスタとなる。このため、ゲートに電圧を印加しない限り導通しないノーマリーオフのトランジスタの実現が困難である。
【０００５】
ゲート電極がトレンチ（リセス）内に設けられるゲート・リセス構造をＨＥＭＴに適用することにより、閾値電圧を高くし、ノーマリーオフのトランジスタの実現が可能となる。ゲート電極をトレンチ内に設けることで、ゲート電極の下の２次元電子ガス密度を低減させる、又は、２次元電子ガスを消滅させることにより、ＨＥＭＴの閾値電圧が高くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｄ．Ｓｏｎｇ  ｅｔ．ａｌ．，“Ｎｏｒｍａｌｌｙ  Ｏｆｆ  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  Ｌｏｗ−Ｄｅｎｓｉｔｙ  Ｄｒａｉｎ  ＨＥＭＴ（ＬＤＤ−ＨＥＭＴ）  Ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  Ｖｏｌｔａｇｅ  ａｎｄ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ”，ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．３（２００７）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、高い閾値電圧を有する半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、前記第１の窒化物半導体層の上に位置し、前記第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に位置し、底面と側面を有し、前記底面が前記第１の窒化物半導体層及び前記第２の窒化物半導体層のいずれか一方の中に位置するトレンチと、前記トレンチの中に位置するゲート電極と、前記底面と前記ゲート電極との間、及び、前記側面と前記ゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、前記第１の窒化物半導体層及び前記第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方の中に位置し、前記底面に隣り合う第１の部分を含むフッ素を含有する領域と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図６】第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図７】第１の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図８】第１の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図９】第１の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図１０】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図１１】第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図１２】第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図１３】第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図１４】第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図。
【図１５】第２の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図１６】第２の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図１７】第２の実施形態の作用及び効果の説明図。
【図１８】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図１９】第４の実施形態のコンピュータの模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材についてはその説明を省略する場合がある。
【００１１】
本明細書中、「窒化物半導体層」は「ＧａＮ系半導体」を含む。「ＧａＮ系半導体」とは、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）及びそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
【００１２】
本明細書中、「アンドープ」とは、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３以下であることを意味する。
【００１３】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【００１４】
（第１の実施形態）
第１の実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第１の電極と、第１の窒化物半導体層の上に位置し、第１の窒化物半導体層に電気的に接続された第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に位置し、底面と側面を有し、底面が第１の窒化物半導体層の中に位置するトレンチと、トレンチの中に位置するゲート電極と、底面とゲート電極との間、及び、側面とゲート電極との間に位置するゲート絶縁層と、第１の窒化物半導体層及び第２の窒化物半導体層の少なくともいずれか一方の中に位置し、底面に隣り合う第１の部分を含むフッ素を含有する領域と、を備える。そして、領域は、トレンチの側面に隣り合う第２の部分を含む。
【００１５】
図１は、第１の実施形態の半導体装置の模式断面図である。半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＭＩＳ構造のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１００である。ＨＥＭＴ１００は、ゲート電極がトレンチ（リセス）内に設けられるゲート・リセス構造を備える。
【００１６】
ＨＥＭＴ１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）、バリア層１５（第２の窒化物半導体層）、ゲート絶縁層１６、ゲート電極１８、ソース電極２０（第１の電極）、ドレイン電極２２（第２の電極）、層間絶縁層３０、トレンチ４０、及び、フッ素領域５０（領域）を備える。
【００１７】
トレンチ４０は、底面４０ａと側面４０ｂを有する。トレンチ４０の底面４０ａはチャネル層１４の中に位置する。ゲート絶縁層１６及びゲート電極１８は、トレンチ４０の中に形成される。トレンチ４０の底面４０ａがチャネル層１４内に位置することにより、ゲート電極１８の下の２次元電子ガスが消滅する。したがって、ノーマリーオフ動作の実現が可能となる。
【００１８】
基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）で形成される。シリコン以外にも、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）や炭化珪素（ＳｉＣ）を適用することも可能である。
【００１９】
基板１０上に、バッファ層１２が設けられる。バッファ層１２は、基板１０とチャネル層１４との間の格子不整合を緩和する機能を備える。バッファ層１２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ≦１））の多層構造で形成される。
【００２０】
チャネル層１４は、バッファ層１２上に設けられる。チャネル層１４は電子走行層とも称される。チャネル層１４は、例えば、アンドープの窒化アルミウムガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１））である。より具体的には、例えば、アンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）である。チャネル層１４の膜厚は、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００２１】
バリア層１５は、チャネル層１４上に設けられる。バリア層１５は電子供給層とも称される。バリア層１５のバンドギャップは、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きい。バリア層１５は、例えば、アンドープの窒化アルミウムガリウム（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ））である。より具体的には、例えば、アンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎである。バリア層１５の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２２】
チャネル層１４とバリア層１５との間は、ヘテロ接合界面となる。ヘテロ接合界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されＨＥＭＴ１００のキャリアとなる。
【００２３】
ソース電極２０は、チャネル層１４及びバリア層１５の上に設けられる。ソース電極２０は、チャネル層１４及びバリア層１５に電気的に接続される。ソース電極２０は、例えば、バリア層１５に接する。
【００２４】
ソース電極２０は、例えば、金属電極である。ソース電極２０は、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造である。ソース電極２０と、バリア層１５との間はオーミックコンタクトであることが望ましい。
【００２５】
ドレイン電極２２は、チャネル層１４及びバリア層１５の上に設けられる。ドレイン電極２２は、チャネル層１４及びバリア層１５に電気的に接続される。ドレイン電極２２は、例えば、バリア層１５に接する。
【００２６】
ドレイン電極２２は、例えば、金属電極である。ドレイン電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造である。ドレイン電極２２と、バリア層１５との間はオーミックコンタクトであることが望ましい。
【００２７】
ソース電極２０とドレイン電極２２との距離は、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２８】
なお、ソース電極２０及びドレイン電極２２は、チャネル層１４に接する構造とすることも可能である。
【００２９】
トレンチ４０は、ソース電極２０とドレイン電極２２の間に設けられる。トレンチ４０は、底面４０ａと側面４０ｂを有する。トレンチ４０の底面４０ａはチャネル層１４の中に位置する。図示はしないが、トレンチ４０を形成する前に、窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜を形成し、それを残したままプロセスを進めても良い。この場合、バリア層１５の上には、チャネル層１４上のゲート絶縁膜１６との間に窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜が形成されることになる。バリア層１５の表面の保護の観点からは、窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜を挟んだ構造が好ましい。
【００３０】
ゲート電極１８の少なくとも一部は、トレンチ４０の中に形成される。ゲート電極１８は、バリア層１５の上に設けられる。ゲート電極１８は、ソース電極２０とドレイン電極２２の間に設けられる。
【００３１】
ゲート電極１８は、例えば、導電性不純物を含む多結晶シリコンである。また、ゲート電極１８は、例えば、金属である。ゲート電極１８は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）である。
【００３２】
ゲート絶縁層１６の少なくとも一部は、トレンチ４０内に形成される。ゲート絶縁層１６は、チャネル層１４とゲート電極１８との間に位置する。ゲート絶縁層１６は、トレンチ４０の底面４０ａとゲート電極１８との間、及び、トレンチ４０の側面４０ｂとゲート電極１８との間に位置する。
【００３３】
ゲート絶縁層１６は、ゲート電極１８とドレイン電極２２との間のバリア層１５上にも形成される。ゲート絶縁層１６は、ゲート電極１８とソース電極２０との間のバリア層１５上にも形成される。
【００３４】
ゲート絶縁層１６は、例えば、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁層１６は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。
【００３５】
ゲート絶縁層１６の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ゲート絶縁層１６の酸化シリコン膜換算膜厚（ＥＯＴ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）は、例えば、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。
【００３６】
フッ素領域５０は、トレンチ４０の周囲のチャネル層１４及びバリア層１５の中に位置する。フッ素領域５０は、第１の部分５０ａと第２の部分５０ｂを有する。フッ素領域５０は、フッ素（Ｆ）を含む窒化物半導体である。
【００３７】
第１の部分５０ａは、チャネル層１４の中のトレンチ４０の底面４０ａに隣り合う。第１の部分５０ａは、チャネル層１４の中のトレンチ４０の底面４０ａの近傍に位置する。第１の部分５０ａは、トレンチ４０の底面４０ａに接する。第２の部分５０ｂは、バリア層１５のトレンチ４０の側面４０ｂに隣り合い、近傍に位置する。。第２の部分５０ｂは、トレンチ４０の側面４０ｂに接する。
【００３８】
フッ素領域５０の幅は、例えば、５ｎｍ以下である。第１の部分５０ａの幅（図１中のｗ１）は、例えば、５ｎｍ以下である。第２の部分５０ｂの幅（図１中のｗ２）は、例えば、５ｎｍ以下である。
【００３９】
フッ素領域５０の幅は、トレンチ４０の底面４０ａ又は側面４０ｂからフッ素領域５０の端部までの距離である。フッ素領域５０の端部は、例えば、フッ素濃度が、ピーク値から２桁低下した位置と定義する。
【００４０】
フッ素領域５０のフッ素濃度は、例えば、１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下である。フッ素領域５０のフッ素濃度は、例えば、測定で得られるフッ素濃度のピーク値で代表させる。第１の部分５０ａのフッ素濃度は、例えば、第２の部分のフッ素濃度よりも高い。
【００４１】
フッ素領域５０は、窒化物半導体の結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する。フッ素領域５０は、第１のガリウム原子と第２のガリウム原子に結合する第１のフッ素原子、第１のガリウム原子と第３のガリウム原子に結合する第２のフッ素原子、第１のガリウム原子と第４のガリウム原子に結合する第３のフッ素原子を有する。
【００４２】
半導体層、半導体領域の元素の種類、元素濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により測定することが可能である。また、元素濃度の相対的な高低は、例えば、ＳＣＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）で求められるキャリア濃度の高低から判断することも可能である。また、不純物領域の深さ、厚さ、幅、間隔などの距離は、例えば、ＳＩＭＳで求めることが可能である。また。不純物領域の深さ、厚さ、幅、間隔などの距離は、例えば、ＳＣＭ像とアトムプローブ像との比較画像からも求めることが可能である。
【００４３】
また、フッ素領域５０中の原子の結合状態は、例えば、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で判定することが可能である。また、フッ素領域５０中の原子の結合状態や分布状態は、例えば、ＸＡＦＳ（Ｘ−ｒａｙ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｆｉｎｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）で判定することが可能である。
【００４４】
次に、第１の実施形態の半導体装置の製造方法の一例について説明する。図２、図３、図４、図５、図６は、第１の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【００４５】
第１の実施形態の半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層に底面と側面を有するトレンチを形成し、トレンチを形成した後に、三フッ化窒素を含む雰囲気中で第１のプラズマ処理を行い、トレンチ内にゲート絶縁層を形成し、ゲート絶縁層の上にゲート電極を形成する。
【００４６】
最初に、基板１０、例えば、シリコン基板を準備する。次に、例えば、シリコン基板上にエピタキシャル成長により、バッファ層１２となる窒化アルミニウムガリウムの多層構造を形成する。例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によりバッファ層１２を成長させる。
【００４７】
次に、バッファ層１２上に、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）となるアンドープの窒化ガリウム、バリア層１５（第２の窒化物半導体層）となるアンドープの窒化アルミニウムガリウムをエピタキシャル成長により形成する（図２）。例えば、ＭＯＣＶＤ法により、チャネル層１４、バリア層１５を成長させる。
【００４８】
次に、マスク材６０をマスクに、バリア層１５及びチャネル層１４にトレンチ４０を形成する（図３）。トレンチ４０は、バリア層１５を貫通し、チャネル層１４に達する。トレンチ４０は、底面４０ａと側面４０ｂとを有する。
【００４９】
マスク材６０は、例えば、窒化シリコン膜である。トレンチ４０は、例えば、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により形成する。トレンチ４０は、例えば、塩素を含むガスを用いてエッチングする。
【００５０】
次に、三フッ化窒素（ＮＦ３）を含む雰囲気中で、第１のプラズマ処理を行う（図４）。第１のプラズマ処理により、フッ素領域５０が形成される。フッ素領域５０は、第１の部分５０ａと第２の部分５０ｂを有する。
【００５１】
次に、チャネル層１４及びバリア層１５の上に、ゲート絶縁層１６を形成する（図５）。ゲート絶縁層１６は、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁層１６は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。但し、チャネル層１４及びバリア層１５との界面には、チャネル層１４及びバリア層１５からの窒素抜けを防止する意味で、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ未満のアモルファスＳｉ３Ｎ４膜、或いは、結晶化したＡｌＮ膜が挿入されていることが好ましい。０．５ｎｍ未満では、窒素供給源として機能し難い。５ｎｍ以上では、トラップとなる可能性が高い。
【００５２】
ゲート絶縁層１６は、例えば、ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により形成する。
【００５３】
次に、８００℃以上１０００℃以下の熱処理を行う。熱処理によりゲート絶縁層１６のデンシファイを行う。
【００５４】
次に、ゲート絶縁層１６の上にゲート電極１８を形成する（図６）。ゲート電極１８は、例えば、導電性不純物を含む多結晶シリコンである。また、ゲート電極１８は、例えば、金属である。ゲート電極１８は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）である。
【００５５】
ゲート電極１８は、例えば、ＣＶＤ法又はスパッタ法による導電膜の形成と、リソグラフィ法及びドライエッチング法によるパターニングにより形成する。
【００５６】
次に、公知の方法により、ソース電極２０、ドレイン電極２２、及び、層間絶縁層３０を形成する。
【００５７】
以上の製造方法により、図１に示すＨＥＭＴ１００が形成される。
【００５８】
以下、第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果について説明する。
【００５９】
窒化物半導体を用いたトランジスタでは、一般に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）をキャリアとするＨＥＭＴ構造が適用される。通常のＨＥＭＴでは、ゲートに電圧を印加しなくても導通してしまうノーマリーオンのトランジスタとなる。このため、ゲートに電圧を印加しない限り導通しないノーマリーオフのトランジスタを実現することが困難である。
【００６０】
ゲート電極がトレンチ（リセス）内に設けられるゲート・リセス構造をＨＥＭＴに適用することにより、閾値電圧を高くし、ノーマリーオフのトランジスタを実現することができる。ゲート電極をトレンチ内に設けることで、ゲート電極の下の２次元電子ガス密度を低減させる、又は、２次元電子ガスを消滅させることにより、閾値電圧を高くすることができる。
【００６１】
しかし、ゲート・リセス構造を適用したＨＥＭＴであっても、想定通りの閾値電圧の上昇が得られない場合がある。その原因の一つがトレンチを形成するエッチングのダメージにより窒素空孔が形成されることにあると考えられる。第１の実施形態の半導体装置では、フッ素を高濃度に含むフッ素領域５０を設けることにより、エッチングのダメージにより生じた窒素空孔の量を低減させる。よって、ゲート・リセス構造のＨＥＭＴの閾値電圧を高くすることができる。以下、詳述する。
【００６２】
図７は、第１の実施形態の作用及び効果の説明図である。図７は、窒化ガリウム中の窒素空孔によって形成されるエネルギー準位の説明図である。図７（ａ）はバンド構造の模式図、図７（ｂ）は第１原理計算によるバンド構造の計算結果である。
【００６３】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、窒素空孔により窒化ガリウムの伝導帯下端付近にエネルギー準位（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｅｖｅｌ）が形成される。なお、図７（ａ）の黒丸は電子で埋まったエネルギー準位、白丸は電子で埋まっていないエネルギー準位を示している。窒素空孔により形成されるエネルギー準位は、伝導帯下端付近にあることで、電子を放出するドナー準位となる。
【００６４】
トレンチをＲＩＥ法により形成する場合、高電界で加速されたイオンがトレンチ底面や側面に衝突する。イオンの衝突により、窒化物半導体層内にエッチングダメージが及ぶ。エッチングダメージにより、多量の窒素空孔がトレンチ周囲の窒化物半導体層内に形成される。
【００６５】
窒素空孔は、ドナー準位となるため、トレンチ周囲の窒化物半導体層がｎ型半導体となる。したがって、ＨＥＭＴの閾値電圧が低下する。
【００６６】
図８は、第１の実施形態の作用及び効果の説明図である。図８は、窒化ガリウムの結晶構造中に存在するガリウム原子で形成された四面体構造を示す。図８（ａ）は基本構造、図８（ｂ）は窒素空孔の構造、図８（ｃ）が第１の実施形態が備える構造である。
【００６７】
図８（ａ）の基本構造では、第１のガリウム原子（Ｇ１）、第２のガリウム原子（Ｇ２）、第３のガリウム原子（Ｇ３）、第４のガリウム原子（Ｇ４）で形成された四面体構造の中心部に窒素原子（Ｎ）が位置する。
【００６８】
図８（ｂ）は、四面体構造の中心部から窒素原子（Ｎ）が離脱し、窒素空孔（ＶＮ）が形成された構造である。以下、図８（ｂ）の構造をＶＮ構造と称する。
【００６９】
第１の実施形態のフッ素領域５０には、図８（ｃ）に示す構造が含まれる。すなわち、窒化ガリウムの結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する構造である。いいかえれば、窒化ガリウムの結晶構造中に存在する窒素原子を、３個のフッ素原子で置換した構造である。
【００７０】
より具体的には、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第２のガリウム原子（Ｇ２）に結合する第１のフッ素原子（Ｆ１）、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第３のガリウム原子（Ｇ３）に結合する第２のフッ素原子（Ｆ２）、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第４のガリウム原子（Ｇ４）に結合する第３のフッ素原子（Ｆ３）を有する構造である。以下、図８（ｃ）の構造をＶＮ−３Ｆ構造と称する。発明者による第１原理計算により、ＶＮ−３Ｆ構造が安定であることが明らかになった。
【００７１】
なお、ＶＮ−３Ｆ構造は、ＶＮが存在する状態からは容易に生成されるが、ＶＮのない基本構造（図８（ａ））からの生成は、エネルギー障壁が高く容易ではない。
【００７２】
図９は、第１の実施形態の作用及び効果の説明図である。図９は、ＶＮ−３Ｆ構造の説明図である。図９（ａ）はバンド構造の模式図、図９（ｂ）は第１原理計算によるバンド構造の計算結果である。  
【００７３】
図９（ａ）、図９（ｂ）に示すように、ＶＮ−３Ｆ構造では、窒素空孔により形成されていたドナー準位は消滅する。第１の実施形態のＨＥＭＴ１００では、トレンチ４０の周囲の窒素空孔が多量に存在していた領域に、フッ素領域５０を備える。このため、窒素空孔によるドナー準位が低減する。したがって、ＨＥＭＴ１００の閾値電圧の低下が抑制される。よって、高い閾値電圧を有するＨＥＭＴ１００が実現される。
【００７４】
第１の実施形態の半導体装置の製造方法では、トレンチ４０をＲＩＥ法により形成した後、三フッ化窒素（ＮＦ３）を含む雰囲気中で第１のプラズマ処理を行う。第１のプラズマ処理により、トレンチ４０のエッチングで生じた多量の窒素空孔を３個のフッ素原子で埋める。
【００７５】
三フッ化窒素を構成するフッ素原子と窒素原子のいずれもが窒素空孔を埋めることができる。したがって、効率的に窒素空孔を消滅させることが可能である。
【００７６】
また、三フッ化窒素の窒化物半導体との反応性は、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）等の他のフッ化物と窒化物半導体との反応性よりも低い。したがって、窒化物半導体のエッチングが第１のプラズマ処理で進行することが抑制される。
【００７７】
また、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）等の他のフッ化物を用いると、硫黄（Ｓ）や炭素（Ｃ）が、新たなエネルギー準位を窒化物半導体のバンドギャップ中に形成する。したがって、ＨＥＭＴの特性が劣化するおそれがある。
【００７８】
フッ素領域５０の幅は、５ｎｍ以下であることが好ましい。窒化物半導体層内にエッチングダメージが及ぶ範囲、言い換えれば、窒素空孔が形成される範囲は、トレンチ４０の表面から５ｎｍ以下の領域である。
【００７９】
フッ素領域５０のフッ素濃度は、１×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２２ｃｍ−３以下であることが好ましく、５×１０１９ｃｍ−３以上１×１０２１ｃｍ−３以下あることがより好ましい。上記範囲を下回ると窒素空孔が残存するおそれがある。上記範囲を上回ることは、通常の製造条件では実現困難である。
【００８０】
例えば、トレンチ４０をＲＩＥ法により形成した場合、エッチングのダメージは、底面４０ａの方が側面４０ｂよりも大きいと考えられる。この場合、底面４０ａの近傍の窒素空孔の量が、側面４０ｂの近傍の窒素空孔の量よりも多くなる。したがって、第１の部分５０ａには、第２の部分５０ｂよりも多くのＶＮ−３Ｆ構造が形成される。よって、第１の部分５０ａのフッ素濃度は、第２の部分のフッ素濃度よりも高くなる。
【００８１】
以上、第１の実施形態の半導体装置及びその製造方法によれば、トレンチ４０の底面４０ａや側面４０ｂの近傍の窒素空孔の量が低減される。したがって、高い閾値電圧を有するＨＥＭＴ１００が実現される。
【００８２】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体装置は、領域が、３個のフッ素原子の近傍に位置し、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する１個のフッ素原子を有する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【００８３】
図１０は、第２の実施形態の半導体装置の模式断面図である。半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＭＩＳ構造のＨＥＭＴ２００である。ＨＥＭＴ２００は、ゲート電極がトレンチ（リセス）内に設けられるゲート・リセス構造を備える。
【００８４】
ＨＥＭＴ２００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）、バリア層１５（第２の窒化物半導体層）、ゲート絶縁層１６、ゲート電極１８、ソース電極２０（第１の電極）、ドレイン電極２２（第２の電極）、層間絶縁層３０、トレンチ４０、及び、フッ素領域５０を備える。
【００８５】
フッ素領域５０は、トレンチ４０の周囲のチャネル層１４及びバリア層１５の中に位置する。フッ素領域５０は、第１の部分５０ａと第２の部分５０ｂを有する。フッ素領域５０は、フッ素（Ｆ）を含む窒化物半導体である。
【００８６】
第１の部分５０ａは、チャネル層１４の中のトレンチ４０の底面４０ａに隣り合う。第１の部分５０ａは、チャネル層１４の中のトレンチ４０の底面４０ａの近傍に位置する。第１の部分５０ａは、トレンチ４０の底面４０ａに接する。第２の部分５０ｂは、バリア層１５のトレンチ４０の側面４０ｂに隣り合い、近傍に位置する。第２の部分５０ｂは、トレンチ４０の側面４０ｂに接する。
【００８７】
フッ素領域５０は、窒化物半導体の結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する。フッ素領域５０は、第１のガリウム原子と第２のガリウム原子に結合する第１のフッ素原子、第１のガリウム原子と第３のガリウム原子に結合する第２のフッ素原子、第１のガリウム原子と第４のガリウム原子に結合する第３のフッ素原子を有する。
【００８８】
フッ素領域５０の第１の部分５０ａは、窒化物半導体の結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する。そして、３個のフッ素原子の近傍に位置し、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する１個のフッ素原子を有する。
【００８９】
フッ素領域５０の第１の部分５０ａは、第１のガリウム原子と第２のガリウム原子に結合する第１のフッ素原子、第１のガリウム原子と第３のガリウム原子に結合する第２のフッ素原子、第１のガリウム原子と第４のガリウム原子に結合する第３のフッ素原子を有する。そして、第１のフッ素原子、第２のフッ素原子、第３のフッ素原子の近傍に位置し、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する第４のフッ素原子を有する。
【００９０】
第１の部分５０ａのフッ素濃度は、第２の部分５０ｂのフッ素濃度よりも高い。例えば、第１の部分５０ａのフッ素濃度は、第２の部分５０ｂのフッ素濃度の１．１倍以上３．５倍以下である。１．２倍以上１．５倍以下が好ましい。
【００９１】
次に、第２の実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図１１、図１２、図１３、図１４は、第２の実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式断面図である。
【００９２】
第２の実施形態の半導体装置の製造方法は、第１のプラズマ処理を行った後、フッ素を含む雰囲気中で第２のプラズマ処理を行う点で第１の実施形態と異なっている。
【００９３】
三フッ化窒素（ＮＦ３）を含む雰囲気中で、第１のプラズマ処理を行う（図１１）までは、第１の実施形態と同様である。
【００９４】
次に、トレンチ４０の側面４０ｂを覆う側壁６２を形成する（図１２）。トレンチ４０の底面４０ａは露出している。側壁６２は、例えば、シリコン窒化膜である。例えば、シリコン窒化膜のＣＶＤ法による堆積と、ＲＩＥ法によるエッチングにより、側壁６２が形成される。
【００９５】
次に、フッ素を含む雰囲気中で第２のプラズマ処理を行う（図１３）。露出しているトレンチ４０の底面４０ａから、チャネル層１４内にフッ素原子が供給される。１個のフッ素原子が、窒素空孔を埋めた３個のフッ素原子の近傍に固定される。１個のフッ素原子は、窒化物半導体の結晶格子の格子間に位置する。
【００９６】
次に、チャネル層１４及びバリア層１５の上に、ゲート絶縁層１６を形成する（図１４）。ゲート絶縁層１６は、酸化物又は酸窒化物である。ゲート絶縁層１６は、例えば、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン、又は、酸窒化アルミニウムである。但し、チャネル層１４及びバリア層１５との界面には、チャネル層１４及びバリア層１５からの窒素抜けを防止する意味で、０．５ｎｍ以上、５ｎｍ未満のアモルファスＳｉ３Ｎ４膜、或いは、結晶化したＡｌＮ膜が挿入されていることが好ましい。０．５ｎｍ未満では、窒素供給源として機能し難い。５ｎｍ以上では、トラップとなる可能性が高い。
【００９７】
ゲート絶縁層１６は、例えば、ＣＶＤ法により形成する。
【００９８】
次に、８００℃以上１０００℃以下の熱処理を行う。熱処理によりゲート絶縁層１６のデンシファイを行う。
【００９９】
その後、第１の実施形態と同様の方法により、ソース電極２０、ドレイン電極２２、及び、層間絶縁層３０を形成する。
【０１００】
以上の製造方法により、図１０に示すＨＥＭＴ２００が形成される。
【０１０１】
以下、第２の実施形態の半導体装置及びその製造方法の作用及び効果について説明する。
【０１０２】
図１５は、第２の実施形態の作用及び効果の説明図である。図１５は、窒化ガリウムの結晶構造中に存在するガリウム原子で形成された四面体構造を示す。図１５は第２の実施形態が備える構造である。
【０１０３】
第２の実施形態のフッ素領域５０の第１の部分５０ａには、図１５に示す構造が含まれる。すなわち、窒化ガリウムの結晶格子の窒素原子位置に存在する３個のフッ素原子を有する。そして、３個のフッ素原子の近傍に位置し、窒化ガリウムの結晶格子の格子間に存在する１個のフッ素原子を有する構造である。
【０１０４】
より具体的には、第１の部分５０ａに含まれる構造は、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第２のガリウム原子（Ｇ２）に結合する第１のフッ素原子（Ｆ１）、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第３のガリウム原子（Ｇ３）に結合する第２のフッ素原子（Ｆ２）、第１のガリウム原子（Ｇ１）と第４のガリウム原子（Ｇ４）に結合する第３のフッ素原子（Ｆ３）を有する。そして、第１のフッ素原子（Ｆ１）、第２のフッ素原子（Ｆ２）、第３のフッ素原子（Ｆ３）の近傍に位置し、窒化ガリウムの結晶格子の格子間に存在する第４のフッ素原子（Ｆ４）を有する。以下、図１５の構造をＶＮ−３ＦＦ構造と称する。
【０１０５】
なお、「第１のフッ素原子（Ｆ１）、第２のフッ素原子（Ｆ２）、第３のフッ素原子（Ｆ３）の近傍」とは、第１のフッ素原子（Ｆ１）、第２のフッ素原子（Ｆ２）、及び、第３のフッ素原子（Ｆ３）からの距離が、四面体構造を形成するガリウム原子の間の距離よりも近い領域を意味する。例えば、第１のフッ素原子（Ｆ１）、第２のフッ素原子（Ｆ２）、及び、第３のフッ素原子（Ｆ３）と第４のフッ素原子（Ｆ４）との距離は０．５ｎｍ以下である。
【０１０６】
第１のプラズマ処理では、ＮＦ３処理を行っている。ＮＦ３処理により、Ｆが近傍に３つある、ＶＮ−３Ｆ構造が形成される。更にＦを結合させたＶＮ−３ＦＦ構造にするには、追加でＦを供給する必要がある。この時、大部分は格子間Ｆｉ構造となるが、長時間アニールなどによって、ＶＮ−３ＦＦ構造が出来る。Ｆｉ構造は熱処理によって、外方拡散してしまうが、ＶＮ−３ＦＦ構造は安定で、負の電荷を持つ。プラズマ処理をＮＦ３処理とＦ２処理に分割することによって、ＶＮ−３Ｆ構造とＶＮ−３ＦＦ構造を使い分けることが可能となる。
【０１０７】
例えば、ＣＦ４処理やＳＦ６処理を行った場合は、初期段階からＶＮ−３ＦＦ構造が出来ることになり、ＶＮ−３Ｆ構造（チャージアップのない構造）とＶＮ−３ＦＦ構造（ＶＮ−３Ｆ構造の近傍の格子間にＦが導入され、負にチャージアップした構造）とを使い分けることができない。ＣＦ４やＳＦ６を使った場合は、炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）が窒化物中に拡散してトラップを形成するというデメリットだけではなく、ＶＮ−３Ｆ構造とＶＮ−３ＦＦ構造とを使い分けることができないというデメリットもある。
【０１０８】
１個のフッ素原子が窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在するか否かは、例えば、ＸＰＳで判定することが可能である。また、窒化物半導体の結晶格子の格子間に存在する１個のフッ素原子が、３個のフッ素原子の近傍に位置するか否かは、例えば、ＸＡＦＳで判定することが可能である。
【０１０９】
発明者による第１原理計算により、図１５に示すＶＮ−３ＦＦ構造が、フッ素原子が単独で窒化ガリウムの結晶格子の格子間に存在するよりも安定であることが明らかになった。具体的には、ＶＮ−３ＦＦ構造は、フッ素原子が単独で格子間に存在するよりも２．２ｅＶのエネルギー利得があることが分かった。
【０１１０】
図１６は、第２の実施形態の作用及び効果の説明図である。図１６は、ＶＮ−３ＦＦ構造の説明図である。図１６（ａ）はバンド構造の模式図、図１６（ｂ）は第１原理計算によるバンド構造の計算結果である。  
【０１１１】
図１６（ａ）、図１６（ｂ）に示すように、窒化ガリウムの価電子帯上端付近にエネルギー準位が形成される。なお、図１６（ａ）の黒丸は電子で埋まったエネルギー準位、白丸は電子で埋まっていないエネルギー準位を示している。４つのフッ素原子が近接する構造により形成されるエネルギー準位は、価電子帯上端付近にあることで、電子を受け取るアクセプタ準位となる。ＶＮ−３ＦＦ構造により形成されるエネルギー準位は、負の固定電荷を形成する。
【０１１２】
ゲート電極１８の直下のチャネル層１４の第１の部分５０ａに負の固定電荷が形成されることにより、チャネル層１４のポテンシャルが持ち上げられ、電子障壁が形成される。したがって、高い閾値電圧を有するＨＥＭＴ２００が実現される。
【０１１３】
第２の実施形態の半導体装置の製造方法では、ＲＩＥ法によるトレンチ４０の形成時のダメージにより、大量の窒素空孔が窒化物半導体層内に形成される。このため、第１のプラズマ処理により、大量のＶＮ−３Ｆ構造が窒化物半導体層内に形成される。大量のＶＮ−３Ｆ構造と第２のプラズマ処理により導入されたフッ素が近接することにより大量のＶＮ−３ＦＦ構造が窒化物半導体層内に形成される。したがって、窒化物半導体層内に大量の負の固定電荷が形成できる。よって、ＨＥＭＴ２００の閾値電圧を大幅に高くすることができる。
【０１１４】
第２の部分５０ｂの中のＶＮ−３ＦＦ構造の量は、第１の部分５０ａの中のＶＮ−３ＦＦ構造の量よりも少ない。第２のプラズマ処理の際に、トレンチ４０の側面４０ｂを覆う側壁６２を形成することで、第２の部分５０ｂの中のＶＮ−３ＦＦ構造の量が、第１の部分５０ａの中のＶＮ−３ＦＦ構造の量よりも少なくなる。その結果、第１の部分５０ａのフッ素濃度は、第２の部分５０ｂのフッ素濃度よりも高い。
【０１１５】
第２の部分５０ｂの負の固定電荷の量は少ない。このため、第２の部分５０ｂの直下の２ＤＥＧ濃度の低下が抑制される。したがって、ＨＥＭＴ２００のオン抵抗の低下が抑制される。なお、製造方法を簡易化し製造コストを低減する観点からは、側壁６２の形成を省略することも可能である。
【０１１６】
上述のように、ＶＮ−３ＦＦ構造は、フッ素原子が単独で窒化ガリウムの結晶格子の格子間に存在するよりも安定である。したがって、例えば、第２のプラズマ処理後に、ゲート絶縁層１６のデンシファイのための熱処理を８００℃以上の温度で行った場合でも、ＶＮ−３ＦＦ構造からフッ素原子が離脱することが抑制される。
【０１１７】
なお、ゲート絶縁層１６形成後の熱処理の温度は８００℃以上１０００℃以下であることが好ましい。上記範囲を下回るとゲート絶縁層１６のデンシファイ効果が得られないおそれがある。また、上記範囲を上回るとＶＮ−３ＦＦ構造からフッ素原子が離脱するおそれがある。
【０１１８】
第２のプラズマ処理をトレンチ４０の底面４０ａが露出した状態で行うことを例に説明したが、第２のプラズマ処理は、例えば、側壁６２の形成後に１０ｎｍ未満の薄い酸化シリコン膜を形成した後に行うことも可能である。１０ｎｍ以上の酸化シリコン膜を形成した場合はプラズマが失活してしまう。このため、厚い絶縁膜が必要であれば、積み増した上で、１０００℃以下でデンシファイアニールを行うことになる。
【０１１９】
図１７は、第２の実施形態の作用及び効果の説明図である。図１７は、窒化ガリウムの窒素原子の格子位置に４個の水素（Ｈ）が存在する構造の説明図である。図１７（ａ）はバンド構造の模式図、図１７（ｂ）は第１原理計算によるバンド構造の計算結果である。
【０１２０】
窒素空孔を４個の水素で埋めた構造もエネルギー的には安定である。しかしながら、図１７（ａ）、図１７（ｂ）に示すように、４個の水素（Ｈ）により窒化ガリウムの価電子帯と伝導帯との中間付近にエネルギー準位が形成される。なお、図１７（ａ）の黒丸は電子で埋まったエネルギー準位、白丸は電子で埋まっていないエネルギー準位を示している。
【０１２１】
価電子帯と伝導帯との中間付近のエネルギー準位は、電荷の正負が安定しない。したがって、ＨＥＭＴの特性が安定しない。よって、ＶＮ−３ＦＦ構造は、窒素空孔を４個の水素で埋めた構造よりも好ましい。
【０１２２】
以上、第２の実施形態の半導体装置及びその製造方法によれば、トレンチ４０の底面４０ａや側面４０ｂの近傍の窒素空孔の量が低減される。また、トレンチ４０の底面４０ａの近傍に負の固定電荷が形成できる。したがって、第１の実施形態のＨＥＭＴ１００よりも高い閾値電圧を有するＨＥＭＴ２００が実現される。
【０１２３】
（第３の実施形態）
第３の実施形態の半導体装置は、底面が、第２の窒化物半導体層の中に位置する点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
【０１２４】
図１８は、第３の実施形態の半導体装置の模式断面図である。半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＭＩＳ構造のＨＥＭＴ３００である。ＨＥＭＴ３００は、ゲート電極がトレンチ（リセス）内に設けられるゲート・リセス構造を備える。
【０１２５】
ＨＥＭＴ３００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４（第１の窒化物半導体層）、バリア層１５（第２の窒化物半導体層）、ゲート絶縁層１６、ゲート電極１８、ソース電極２０（第１の電極）、ドレイン電極２２（第２の電極）、層間絶縁層３０、トレンチ４０、及び、フッ素領域５０を備える。
【０１２６】
トレンチ４０は、底面４０ａと側面４０ｂを有する。トレンチ４０の底面４０ａはバリア層１５の中に位置する。ゲート絶縁層１６及びゲート電極１８は、トレンチ４０の中に形成される。トレンチ４０の底面４０ａの直下のバリア層１５の厚さが薄くなり、ゲート電極１８の下の２次元電子ガスの密度が低減する。したがって、ノーマリーオフ動作の実現が可能となる。
【０１２７】
フッ素領域５０は、トレンチ４０の周囲のバリア層１５の中に位置する。フッ素領域５０は、第１の部分５０ａと第２の部分５０ｂを有する。フッ素領域５０は、フッ素（Ｆ）を含む窒化物半導体である。
【０１２８】
第３の実施形態の半導体装置によれば、第１の実施形態と同様、フッ素領域５０を備えることにより、トレンチ４０の底面４０ａや側面４０ｂの近傍の窒素空孔の量が低減される。したがって、高い閾値電圧を有するＨＥＭＴ３００が実現される。
【０１２９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態の電源回路及びコンピュータは、第１ないし第３の実施形態のＨＥＭＴを有する。
【０１３０】
図１９は、第４の実施形態のコンピュータの模式図である。第４の実施形態のコンピュータは、例えば、サーバ４００である。
【０１３１】
サーバ４００は筐体１６０内に電源回路１６２を有する。サーバ４００は、サーバソフトウェアを稼働させるコンピュータである。電源回路１６２は、例えば、第１の実施形態のＨＥＭＴ１００を有する。
【０１３２】
電源回路１６２は、高い閾値を有するＨＥＭＴ１００を有することにより、安定した動作が実現される。また、サーバ４００は、電源回路１６２を有することにより、安定した動作が実現される。
【０１３３】
第４の実施形態によれば、安定した動作が実現される電源回路及びコンピュータが実現できる。
【０１３４】
第１ないし第３の実施形態では、窒化物半導体としてガリウム（Ｇａ）を含む窒化ガリウムや窒化アルミニウムガリウムを例に説明したが、例えば、インジウム（Ｉｎ）を含有する窒化インジウムガリウム、窒化インジウムアルミニウムガリウムを適用することも可能である。Ｇａを含まない、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化インジウムアルミニウムも可能である。また、これらの積層構造も可能である。
【０１３５】
また、第１ないし第３の実施形態では、バリア層１５として、アンドープの窒化アルミニウムガリウムを例に説明したが、ｎ型の窒化アルミニウムガリウムを適用することも可能である。
【０１３６】
また、トレンチ底部に、窒化アルミニウムガリウムや窒化アルミニウムなどを再度成長させた構造なども可能である。
【０１３７】
また、ゲート絶縁層１６は、例えば、窒化物を含んでいても良い。例えば、窒化シリコン、又は、窒化アルミニウムである。また、ゲート絶縁層１６は、チャネル層１４に接する部分と、バリア層１５に接する部分とで、異なった積層膜であってもよい。
【０１３８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１３９】
１４      チャネル層（第１の窒化物半導体層、窒化物半導体層）
１５      バリア層（第２の窒化物半導体層、窒化物半導体層）
１６      ゲート絶縁層
１８      ゲート電極
２０      ソース電極（第１の電極）
２２      ドレイン電極（第２の電極）
４０      トレンチ
４０ａ    底面
４０ｂ    側面
５０      フッ素領域（領域）
５０ａ    第１の部分
５０ｂ    第２の部分
６２      側壁
１００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
１６２    電源回路
２００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
３００    ＨＥＭＴ（半導体装置）
４００  サーバ（コンピュータ）
Ｇ１    第１のガリウム原子
Ｇ２    第２のガリウム原子
Ｇ３    第３のガリウム原子
Ｇ４    第４のガリウム原子
Ｆ１    第１のフッ素原子
Ｆ２    第２のフッ素原子
Ｆ３    第３のフッ素原子
Ｆ４    第４のフッ素原子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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