(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＯＳ構造を有する半導体装置においては、ＳｉＯ２層等の絶縁層とＧａＮ層との間に形成される遷移層であって、主として酸化ガリウムを有する遷移層の厚さを低減する。【解決手段】窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、少なくとも金属含有ガスを窒化ガリウム系半導体層上に供給するべく、予め定められた時間、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、導入する段階の後に、反応チャンバ内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させて、窒化ガリウム系半導体層上において酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることにより絶縁層を形成する段階とを備える。【選択図】図２
2019153627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法であって、
少なくとも金属含有ガスを前記窒化ガリウム系半導体層上に供給するべく、予め定められた時間、前記少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、
前記導入する段階の後に、前記反応チャンバ内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させて、前記窒化ガリウム系半導体層上において前記酸素ラジカルと前記金属含有ガスとを反応させることにより絶縁層を形成する段階と
を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記導入する段階においては、前記予め定められた時間において前記金属含有ガスを供給するが、前記酸素含有ガスは供給せず、
前記絶縁層を形成する段階において、前記酸素含有ガスを供給する
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記導入する段階は、前記予め定められた時間が経過する前に、前記酸素含有ガスを供給することを含む
請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記半導体装置は、前記窒化ガリウム系半導体層と前記絶縁層との間にガリウム酸化物層を有し、
前記ガリウム酸化物層の厚さは、１ｎｍ以下である
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記導入する段階においては、前記金属含有ガスの供給量を１．５Ｐａ・ｍｉｎ以上で前記反応チャンバへ導入する
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記予め定められた時間は、２０秒以上である
請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記絶縁層を形成する段階において、前記窒化ガリウム系半導体層の温度は３００℃以下である
請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのいずれかを含む
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記絶縁層が酸化シリコンである場合に、前記金属含有ガスは、モノシラン、ジシランおよびオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）のいずれかを含み、
前記絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、前記金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）のいずれかを含む
請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記酸素含有ガスは、酸素ガス、オゾンガスおよび水蒸気のいずれかを含み、
前記導入する段階において前記予め定められた時間が経過する前に前記酸素含有ガスを供給する場合には、前記酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含む
請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記絶縁層の厚さは１ｎｍ以上である
請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記絶縁層を形成する段階の後に、前記絶縁層上に電極層を形成する段階をさらに備え、
前記絶縁層は、前記窒化ガリウム系半導体層と、前記絶縁層と、前記電極層とを有するＭＯＳ構造に用いられるゲート絶縁層である
請求項１から１１のいずれか一項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、半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
窒化ガリウム（以下、ＧａＮ）層の表面の自然酸化膜を除去するべく、非プラズマ状態のアンモニアガスにＧａＮ層を曝した後に、ＳｉＯ２層を形成することが知られている（例えば、特許文献１）。また、被処理試料表面へのダメージを低減するべく、マイクロ波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、Ａｌ２Ｏ３膜とＳｉＯ２膜との二層構造を有するゲート絶縁膜を形成することが知られている（例えば、特許文献２）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２００６−１１４８０２号公報
［特許文献２］  特開２０１２−１５６２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＭＯＳ構造を有する半導体装置においては、ＳｉＯ２層等の絶縁層とＧａＮ層との間に形成される遷移層であって、主として酸化ガリウムを有する遷移層の厚さを低減することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様においては、窒化ガリウム系半導体層を有する半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、少なくとも金属含有ガスを窒化ガリウム系半導体層上に供給するべく、予め定められた時間、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階と、絶縁層を形成する段階とを備えてよい。絶縁層を形成する段階は、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階の後であってよい。絶縁層を形成する段階においては、反応チャンバ内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させて、窒化ガリウム系半導体層上において酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることにより絶縁層を形成してよい。
【０００５】
少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階においては、予め定められた時間において金属含有ガスを供給するが、酸素含有ガスは供給しなくてよい。そして、絶縁層を形成する段階において、酸素含有ガスを供給してよい。
【０００６】
これに代えて、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階は、予め定められた時間が経過する前に、酸素含有ガスを供給することを含んでもよい。
【０００７】
半導体装置は、窒化ガリウム系半導体層と絶縁層との間にガリウム酸化物層を有してよい。ガリウム酸化物層の厚さは、１ｎｍ以下であってよい。
【０００８】
少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階においては、金属含有ガスの供給量を１．５Ｐａ・ｍｉｎ以上で反応チャンバへ導入してよい。
【０００９】
予め定められた時間は、２０秒以上であってよい。
【００１０】
絶縁層を形成する段階において、窒化ガリウム系半導体層の温度は３００℃以下であってよい。
【００１１】
絶縁層は、酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのいずれかを含んでよい。
【００１２】
絶縁層が酸化シリコンである場合に、金属含有ガスは、モノシラン、ジシランおよびオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）のいずれかを含んでよい。また、絶縁層が酸化アルミニウムである場合に、金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）のいずれかを含んでよい。
【００１３】
酸素含有ガスは、酸素ガス、オゾンガスおよび水蒸気のいずれかを含んでよい。また。少なくとも金属含有ガスを反応チャンバへ導入する段階において予め定められた時間が経過する前に酸素含有ガスを供給する場合には、酸素含有ガスは、酸素ガスおよび水蒸気のいずれかを含んでよい。
【００１４】
絶縁層の厚さは１ｎｍ以上であってよい。
【００１５】
本発明の第２の態様においては、半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、絶縁層を形成する段階の後に、絶縁層上に電極層を形成する段階をさらに備えてよい。絶縁層は、ＭＯＳ構造に用いられるゲート絶縁層であってよい。ＭＯＳ構造は、窒化ガリウム系半導体層と、絶縁層と、電極層とを有してよい。
【００１６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態における横型ＭＯＳＦＥＴ１００の断面図である。
【図２】横型ＭＯＳＦＥＴ１００の製造方法を示すフローチャートである。
【図３】横型ＭＯＳＦＥＴ１００の製造方法の各工程を示す図である。
【図４】プラズマＣＶＤ装置２００の概要を示す図である。
【図５】酸素ガス導入期間とＴＥＯＳガス導入期間とを説明する図である。
【図６Ａ】試料Ｎｏ．１のＸＰＳ分析結果を示す図である。
【図６Ｂ】試料Ｎｏ．２のＸＰＳ分析結果を示す図である。
【図６Ｃ】試料Ｎｏ．３のＸＰＳ分析結果を示す図である。
【図６Ｄ】試料Ｎｏ．６のＸＰＳ分析結果を示す図である。
【図６Ｅ】試料Ｎｏ．７のＸＰＳ分析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１９】
図１は、第１実施形態における横型ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１００の断面図である。図１は、横型ＭＯＳＦＥＴ１００の一部をＸ‐Ｚ平面で切断した断面である。本例において、Ｘ軸とＹ軸とは互いに垂直な方向であり、Ｚ軸方向はＸ‐Ｙ平面に垂直な方向である。Ｘ、ＹおよびＺ軸は、いわゆる右手系を成す。ＧａＮ系半導体５０の上面５２および下面５４は、Ｘ‐Ｙ平面に平行であってよい。
【００２０】
本例においては、Ｚ軸の正方向を「上」と称し、Ｚ軸の負方向を「下」と称する場合がある。ただし、「上」および「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」および「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」および「下」は、基板、層、領域および膜等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎない。
【００２１】
横型ＭＯＳＦＥＴ１００は、Ｘ‐Ｙ平面の大きさが１０ｍｍ×１０ｍｍのＧａＮ系半導体５０のチップを用いて形成されてよい。横型ＭＯＳＦＥＴ１００は、ＧａＮ系半導体装置の一例である。図１に示す断面は、横型ＭＯＳＦＥＴ１００の単位構造であってよい。当該単位構造は、Ｙ軸方向に延在し、かつ、Ｘ軸方向に繰り返し設けられてよい。複数の単位構造は、Ｘ‐Ｙ平面視において略矩形形状を構成するよう配置されてよい。複数の単位構造が設けられた領域を活性領域と称してよい。活性領域の周囲には、活性領域における電界集中を防ぐ機能を有するエッジ終端構造が設けられてよい。エッジ終端構造は、ガードリング構造、フィールドプレート構造およびＪＴＥ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）構造の一以上を含んでよい。
【００２２】
本例において、ＧａＮ系半導体５０を構成する基板および層の各々はＧａＮ半導体である。ただし、これら基板および層の各々は、アルミニウム（Ａｌ）元素およびインジウム（Ｉｎ）元素の一以上の元素をさらに含んでもよい。つまり、ＧａＮ系半導体５０を構成する基板および層の各々は、Ａｌ元素およびＩｎ元素を微量に含んだ混晶半導体、即ちＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）であってもよい。ただし、本例において、ＧａＮ系半導体５０を構成する基板および層の各々は、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮにおいてｘ＝ｙ＝０としたＧａＮ半導体である。
【００２３】
本例のＧａＮ系半導体５０は、ｎ＋型のＧａＮ基板１０と、ｎ型のＧａＮ層２０と、ｐ型のＧａＮ層３０とを有する。ＧａＮ基板１０は、いわゆるｃ面ＧａＮ基板であってよい。ＧａＮ基板１０のｃ軸方向は、Ｚ軸方向と平行であってよい。また、ＧａＮ基板１０は、貫通転位密度が１Ｅ＋７ｃｍ−２未満の低転位自立基板であってよい。なお、Ｅは１０の冪を意味し、例えば１Ｅ＋７は１０７を意味する。本例のＧａＮ基板１０は、３５０μｍのＺ軸方向の長さ（即ち、厚さ）を有するｎ＋型の基板である。本例では、ＧａＮ基板１０の下面をＧａＮ系半導体５０の下面５４と称する。
【００２４】
ｎ型のＧａＮ層２０は、ＧａＮ基板１０に接してＧａＮ基板１０上に設けられたエピタキシャル層であってよい。本例のＧａＮ層２０は、１μｍの厚さを有し、ｎ型不純物として２Ｅ＋１６ｃｍ−３のＳｉ元素を含む。
【００２５】
ｐ型のＧａＮ層３０は、ＧａＮ層２０に接してＧａＮ層２０上に設けられたエピタキシャル層であってよい。本例のＧａＮ層３０は、４μｍの厚さを有し、ｐ型不純物として１Ｅ＋１７ｃｍ−３のＭｇを含む。なお、ＧａＮ層３０は、ＧａＮ系半導体層の一例である。本例では、ＧａＮ層３０の上面をＧａＮ系半導体５０の上面５２と称する。
【００２６】
本例において、ｎまたはｐは、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。ｎまたはｐの右肩に記載した＋または−について、＋はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、−はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。本例においては、ＧａＮ層２０をｎ型とし且つＧａＮ層３０をｐ型とする。ただし、他の実施形態においては、ＧａＮ層２０をｐ型とし且つＧａＮ層３０をｎ型としてもよい。
【００２７】
ＧａＮ半導体に対するｎ型不純物は、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、およびＯ（酸素）の一種類以上の元素であってよい。本例においては、ｎ型不純物としてＳｉ元素を用いる。また、ＧａＮ半導体に対するｐ型不純物は、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）およびＺｎ（亜鉛）の一種類以上の元素であってよい。本例においては、ｐ型不純物としてＭｇ元素を用いる。
【００２８】
ＧａＮ層３０は、Ｘ軸方向において互いに離間する一対のｎ＋型ＧａＮ領域３２を有する。本例において、ｎ＋型ＧａＮ領域３２の上部は上面５２に露出する。ｎ＋型ＧａＮ領域３２は、上面５２からＧａＮ層３０の底部よりも浅い所定の深さ位置まで設けられてよい。ｎ＋型ＧａＮ領域３２は、上面５２から０．１μｍの深さ位置まで設けられてよい。
【００２９】
本例の横型ＭＯＳＦＥＴ１００は、ゲート電極層４０と、ガリウム酸化物層４２と、ゲート絶縁層４４と、ソース電極層４６と、ドレイン電極層４８とをさらに有する。ゲート電極層４０、ゲート絶縁層４４およびＧａＮ層３０は、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を構成してよい。
【００３０】
ＭＯＳ構造は、ゲート絶縁層４４とＧａＮ層３０との間において、ガリウム酸化物層４２を有してよい。ガリウム酸化物層４２は、ゲート絶縁層４４とＧａＮ層３０との界面に位置する遷移層でもある。ガリウム酸化物層４２は、例えば、ＧａＮ層３０の上面５２が酸化されることにより形成される。ガリウム酸化物層４２の組成式は、ＧａＯＸであってよい。ＧａＯＸは、Ｇａ元素の原子数およびＯ元素の原子数の比率が１：１であるＧａＯと、当該比率が１：２であるＧａＯ２と、当該比率が２：３であるＧａ２Ｏ３との少なくともいずれかを含んでよい。なお、ガリウム酸化物層４２は、ＧａおよびＯに加えて、他の元素（Ｓｉ、Ａｌ、Ｎ、ＣおよびＨ等のいずれか一種類以上の元素）を含んでもよい。
【００３１】
ガリウム酸化物層４２の厚さは１ｎｍ（即ち、１０Å）以下であってよい。また、ガリウム酸化物層４２の厚さは、ＧａＮの１原子層の厚さ以上であってもよい。本例のＧａＮ層３０（六方晶）におけるｃ軸はＺ軸と平行であるので、１原子層の厚さは約２．５Åである。それゆえ、ガリウム酸化物層４２の厚さは、約５Å以上であってよく、６Å以上であってよく、７Å以上であってよく、８Å以上であってよく、９Å以上であってもよい。
【００３２】
ガリウム酸化物層４２（遷移層）は、ゲート絶縁層４４およびｐ型のＧａＮ層３０の一部を各々侵食することにより形成されると考えられる。ガリウム酸化物層４２の厚さが大きくなるほど、ＧａＮ層３０の上部（即ち、ＧａＮ層３０における上面５２近傍の領域）がｐ型特性を失い、ゲート電極層４０からの電界に応答しなくなると考えられる。それゆえ、ガリウム酸化物層４２の厚さは、小さい方が望ましい。ガリウム酸化物層４２の厚さが１ｎｍ以下であれば、横型ＭＯＳＦＥＴ１００における電界効果移動度を１００ｃｍ２／Ｖ・ｓまたはこれよりも高くすることができる。
【００３３】
電界効果移動度に影響を及ぼすパラメータとして、（１）ＧａＮ層３０の上面５２における物理的な凹凸に起因するラフネス散乱、（２）ＧａＮ層３０における結晶格子の格子振動に起因するフォノン散乱、（３）ＧａＮ層３０中のイオン化不純物およびゲート絶縁層４４中の固定電荷に起因するクーロン散乱、ならびに、（４）ＧａＮ層３０とゲート絶縁層４４との界面にトラップされた電荷に起因する界面電荷散乱が考えられる。本願においては、上述の（１）から（４）のいずれが支配的であるかは必ずしも明らかではないものの、ガリウム酸化物層４２の厚さを小さくすることによりＧａＮ層３０における非応答領域を低減することにより、電界効果移動度を大きくするものである。
【００３４】
ガリウム酸化物層４２の厚さは、例えば、ＸＰＳ（Ｘ‐ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、即ち、光電子分光）分析から決定することができる。詳細は後述の式（１）および（２）を参照されたい。ガリウム酸化物層４２の厚さはＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察やＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析からも測定できるが、１ｎｍ以下の非常に薄い層においてはＸＰＳ分析の方が厚さの大小関係を正確に特定することができる。
【００３５】
本例のゲート絶縁層４４は、ＧａＮ層３０に接してＧａＮ層３０上に設けられる。より具体的には、ゲート絶縁層４４は、一対のｎ＋型ＧａＮ領域３２の間に位置するチャネル形成領域３４の上部と、チャネル形成領域３４に隣接するｎ＋型ＧａＮ領域３２の一部の上部とに設けられる。なお、ゲート絶縁層４４は、後述する製造方法で形成された絶縁層の一例である。ゲート絶縁層４４の厚さは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってよい。本例のゲート絶縁層４４の厚さは１００ｎｍであるが、ゲート絶縁層４４の厚さは１０ｎｍであってもよい。後述するように、本明細書は、ゲート絶縁層４４を１ｎｍ以上形成する場合に、ＧａＮ層３０とゲート絶縁層４４との間の界面遷移層の厚さを低減する有益な方法を提示する。
【００３６】
ゲート絶縁層４４は、酸化シリコン層および酸化アルミニウム層の少なくともいずれかを含んでよい。ゲート絶縁層４４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層の単層であってよく、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の単層であってもよい。これに代えて、ゲート絶縁層４４は、酸化アルミニウム層と、少なくとも一部が酸化アルミニウム層上に位置する酸化シリコン層とを含んでもよい。なお、酸化シリコン層は、酸化アルミニウム層よりもバンドギャップが広く、耐圧特性に優れるので有利である。製造工程においても、酸化シリコン層は、酸化アルミニウムに比べてウェットエッチングがし易い点が有利である。
【００３７】
ゲート絶縁層４４は、対向する一対のｎ＋型ＧａＮ領域３２の間のＸ軸方向の長さより長くてよい。ゲート電極層４０は、ゲート絶縁層４４上においてゲート絶縁層４４に接してよい。ゲート電極層４０は、Ｘ軸方向においてソース電極層４６およびドレイン電極層４８から離間してよい。ソース電極層４６およびドレイン電極層４８の各々は、上面５２においてｎ＋型ＧａＮ領域３２およびＧａＮ層３０に接してよい。ゲート電極層４０、ソース電極層４６およびドレイン電極層４８の各々は、厚み２００ｎｍ程度のアルミニウム電極であってよい。
【００３８】
ソース電極層４６およびドレイン電極層４８間に所定の電位差が形成され、かつ、ゲート電極層４０に所定の正電位が供給されることにより、一対のｎ＋型ＧａＮ領域３２間に位置するチャネル形成領域３４に電荷反転領域（即ち、チャネル）が形成されてよい。これにより、ソース電極層４６からドレイン電極層４８へ電子電流が流れる。ゲート電極層４０に所定の正電位が供給されることを横型ＭＯＳＦＥＴ１００がオンするとも称する。これに対して、ゲート電極層４０に所定の正電位を供給することを止めると、チャネルが消滅する。これにより、電子電流の流れは止まる、つまり、横型ＭＯＳＦＥＴ１００はオフする。
【００３９】
図２は、横型ＭＯＳＦＥＴ１００の製造方法を示すフローチャートである。本例においては、段階Ｓ１００からＳ１５０の順に（即ち、番号の若い順に）各段階を実行する。
【００４０】
図３は、横型ＭＯＳＦＥＴ１００の製造方法の各工程を示す図である。段階Ｓ１００は、ＧａＮ基板１０上にｎ型のＧａＮ層２０をエピタキシャル形成し、次いで、ＧａＮ層２０上にｐ型のＧａＮ層３０をエピタキシャル形成する段階である。ＧａＮ層２０およびＧａＮ層３０のエピタキシャル層は、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成してよい。ＭＯＣＶＤ法に代えて、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法により各エピタキシャル層を形成してもよい。
【００４１】
本例においては、ＭＯＣＶＤ法を採用する。本例においては、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ、以降においてＴＭＧと略記する）、アンモニア（ＮＨ３）およびモノシラン（ＳｉＨ４）を含む原料ガスと、窒素（Ｎ２）および水素（Ｈ２）を含む押圧ガスとをＧａＮ基板１０上に流す。このとき、ＧａＮ基板１０の温度は１１００℃としてよい。なお、モノシランのＳｉ元素は、ｎ型ＧａＮ層２０におけるｎ型不純物として機能し得る。これにより、１μｍの厚さを有し、２Ｅ＋１６ｃｍ−３のＳｉ元素を含むｎ型のＧａＮ層２０を形成してよい。
【００４２】
ＧａＮ層２０を形成した後に、ＧａＮ層３０を形成する。本例においては、ＴＭＧ、アンモニアおよびビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を含む原料ガスと、窒素（Ｎ２）および水素（Ｈ２）を含む押圧ガスとをＧａＮ基板１０上に流す。このとき、ＧａＮ基板１０の温度は１０５０℃としてよい。なお、Ｃｐ２ＭｇのＭｇは、ＧａＮ層３０におけるｐ型不純物として機能し得る。これにより、４μｍの厚さを有し、１Ｅ＋１７ｃｍ−３のＭｇを含むｐ型ＧａＮ層３０を形成してよい。
【００４３】
ＧａＮ層２０およびＧａＮ層３０を形成した後に、ＧａＮ系半導体５０をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、熱処理装置へ移動させてよい。ＧａＮ層３０におけるｐ型不純物を活性化させるべく、熱処理装置においてＧａＮ系半導体５０を熱処理してよい。本例においては、酸素を含有する窒素（Ｎ２）ガス雰囲気において、ＧａＮ系半導体５０を６５０℃で熱処理してよい。これにより、Ｓ１００を終了する。
【００４４】
段階Ｓ１１０は、ｎ＋型ＧａＮ領域３２を形成する段階である。本例においては、塗布装置および露光装置等を用いて、ｎ＋型ＧａＮ領域３２形成用の開口を有するレジストマスクを形成してよい。その後、イオン注入装置を用いて、当該レジストマスクを介してＧａＮ層３０にドーズ量３Ｅ＋１５［ｃｍ−２］で上面５２から深さ約０．１μｍまでの範囲にＳｉイオンを注入してよい。その後、レジストマスクを除去して、保護膜としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜やＳｉＯ２膜などを形成してもよい。ＧａＮ系半導体５０を熱処理装置へ移動させてよい。そして、注入したＳｉを活性化させるべく、窒素（Ｎ２）ガス雰囲気においてＧａＮ系半導体５０を１０００℃で熱処理してよい。また、熱処理後に、ＧａＮ層３０およびｎ＋型ＧａＮ領域３２の上面５２から酸化層を除去するために上面５２を希フッ酸などでエッチングしてよい。その後、上面５２を純水でリンスしてよい。
【００４５】
段階Ｓ１２０は、金属含有ガスを予め定められた時間、プラズマＣＶＤ装置の反応チャンバ２１０へ導入する段階である。ただし、段階Ｓ１２０では、プラズマＣＶＤ装置のプラズマ放電を実行しない。段階Ｓ１２０は、プラズマＣＶＤ装置を用いながらもプラズマを発生させず、少なくとも金属含有ガスを反応チャンバ１２０へ導入する段階である。反応チャンバ１２０へ導入された金属含有ガスの一部は、ＧａＮ系半導体５０の上面５２に吸着してよい。
【００４６】
金属含有ガスは、形成するゲート絶縁層４４の種類に応じて定めよい。金属含有ガスの金属は、当該金属の酸化物のエネルギーギャップがＧａＮのエネルギーギャップよりも大きい金属を意味してよい。当該金属は、ＳｉおよびＡｌであってよい。
【００４７】
ゲート絶縁層４４が酸化シリコン層である場合に、金属含有ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）およびオルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４、即ちＴＥＯＳ）のいずれかを含んでよい。また、ゲート絶縁層４４が酸化アルミニウム層である場合に、金属含有ガスは、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ、即ちＴＭＡ）およびトリエチルアルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ、即ちＴＥＡ）のいずれかを含んでよい。
【００４８】
予め定められた時間、金属含有ガスを反応チャンバへ導入することにより、金属含有ガスをＧａＮ層３０上に供給することができる。予め定められた時間は、好ましくは２０秒以上であり、６０秒であってよい。本例においては、予め定められた時間は２０秒であり、金属含有ガスはＴＥＯＳガスである。ＴＯＥＳガスをＧａＮ層３０上に供給することにより、ＴＥＯＳ分子はＧａＮ層３０の上面５２に吸着し得る。ＴＥＯＳ分子は、１分子層から３分子層程度が上面５２に吸着してよい。
【００４９】
予め定められた時間の下限は、金属含有ガスの１分子層が上面５２に吸着するのに要する時間であってよい。後続の工程において、上面５２に接する位置で金属含有ガスが酸素プラズマ（活性酸素またはラジカル酸素とも呼ばれる）により酸化されて、酸化シリコン層または酸化アルミニウム層となり得る。それゆえ、上面５２から離れた位置で金属含有ガスと酸素ラジカルとが反応することにより酸化シリコン層または酸化アルミニウム層が形成されて、その後、酸化シリコン層または酸化アルミニウム層が上面５２上に堆積する場合に比べて、酸素ラジカルとＧａＮ層３０の上面５２との反応を低減することができる。したがって、段階Ｓ１２０を実行することにより、ガリウム酸化物層４２（遷移層）の厚さを低減することができる。
【００５０】
金属含有ガスの積層数が時間に対して増加するが一定の時間で飽和する場合には、予め定められた時間の上限は、積層可能な金属含有ガスの最大の分子層数（例えば、３分子層）が上面５２に吸着する時間であってよい。なお、数分から数十分もの間、金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入すると製造効率が低下するので、予め定められた時間の上限は、製造効率を考慮して決定してもよい。なお、ＴＥＯＳ分子同士は互いに反発し合うので、３分子層を超えるＴＥＯＳ分子層は一般的に形成され難い。
【００５１】
段階Ｓ１２０において、流量０．５ｓｃｃｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ  ｃｕｂｉｃ  ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ）以上の金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入してよく、２．０ｓｃｃｍ金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入してよい。金属含有ガスの流量は、反応チャンバ２１０内圧が約２７０Ｐａ（後述のＸＰＳ分析のために作成した試料においても同じ）における流量であってよい。相対的に低い０．５ｓｃｃｍの場合でも、ガリウム酸化物層４２の厚さを低減する効果を得ることができる。また、相対的に高い２．０ｓｃｃｍの場合、０．５ｓｃｃｍに比べて、ガリウム酸化物層４２の厚さをより低減することができるので、効果的である。
【００５２】
ＴＯＥＳガスの流量０．５ｓｃｃｍおよび２．０ｓｃｃｍに対応する分圧は、それぞれ１．５Ｐａおよび６Ｐａである。ＴＯＥＳガスを反応チャンバ２１０へ導入する時間は、６０秒間または２０秒間であってよい。このように、所定時間ＴＥＯＳガスをＧａＮ層３０上に供給することで、ＧａＮ層３０上にＴＥＯＳ分子が吸着し得る。例えば、ＴＯＥＳ供給量が１．５Ｐａ・ｍｉｎ（＝１．５Ｐａ・１ｍｉｎ）以上の場合、ＴＥＯＳ分子はＧａＮ層３０上に吸着する。製造時間を考慮して、ＴＯＥＳ供給量を１．５Ｐａ・ｍｉｎ以上、さらに好ましくは２Ｐａ・ｍｉｎ（＝６Ｐａ・２０ｓｅｃ）以上、６Ｐａ・ｍｉｎ（＝６Ｐａ・１ｍｉｎ）としてもよい。
【００５３】
段階Ｓ１２０において、ＧａＮ層３０の温度は、室温以上好ましくは３００℃以下である。本例においては、ＧａＮ層３０の温度は、３００℃とする。ＧａＮ層３０の温度が３００℃を超えると（例えば、４００℃の場合）金属含有ガスが上面５２に吸着しにくくなるので、ガリウム酸化物層４２の厚さが増加する傾向にある。金属含有ガスが上面５２に吸着することを可能とするべく、ＧａＮ層３０の温度は３００℃以下であることが望ましい。なお、ＧａＮ層３０とＧａＮ基板１０との温度は、同じ温度と見なすことができる。それゆえ、ＧａＮ層３０の温度を制御することは、ＧａＮ基板１０の温度を制御することと見なしてよい。
【００５４】
本例（以降において、第１例と称する場合がある）の段階Ｓ１２０においては、予め定められた時間において金属含有ガスを供給するが、酸素含有ガスは供給しない。これに対して、第１例の変形例である第２例に係る段階Ｓ１２０においては、予め定められた時間が経過する前に、酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入することを開始してもよい。予め定められた時間が経過する前に酸素含有ガスを導入することにより、後述の段階Ｓ１３０において安定した電離状態の酸素プラズマ（酸素ラジカル）を形成しやすいという利点がある。酸素含有ガスは、酸素（Ｏ２）ガス、オゾン（Ｏ３）ガスおよび水蒸気（Ｈ２Ｏ）のいずれかを含んでよい。ただし、酸素含有ガスがオゾン（Ｏ３）ガスである場合、酸素含有ガスは既に活性（ラジカル）であるので、予め定められた時間が経過する前に導入しない。
【００５５】
第２例に係る段階Ｓ１２０において、酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入する場合に、金属含有ガスの分子層と上面５２との間に、酸素含有ガスの分子が吸着してよい。ただし、この場合、酸素含有ガスはオゾン（Ｏ３）ガス以外の酸素含有ガス（例えば、酸素ガスおよび水蒸気）である。ラジカル状態ではない酸素含有ガスはＧａＮ層３０の上面５２を酸化しない。また、それゆえに、酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入しても、ガリウム酸化物層４２の厚さは増加しない。吸着した酸素含有ガスは、その後の段階Ｓ１３０において、上面５２から脱離してよい。
【００５６】
段階Ｓ１３０は、酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることによりゲート絶縁層４４を形成する段階である。なお、段階Ｓ１３０においては、主に、上面５２に吸着した金属含有ガスと活性化した酸素含有ガスとを反応させることにより、ゲート絶縁層４４を形成することができる。
【００５７】
段階Ｓ１３０は、段階Ｓ１２０における予め定められた時間の経過後に実行してよい。本例の段階Ｓ１３０では、反応チャンバ２１０に酸素含有ガスを供給し、反応チャンバ２１０内において酸素含有ガスから酸素ラジカルを発生させる。そして、ＧａＮ層３０上において酸素ラジカルと金属含有ガスとを反応させることによりゲート絶縁層４４を形成する。本例においては、上面５２に吸着した金属含有ガスと酸素ラジカルとが反応するため、酸素ラジカルによる上面５２（即ち、ＧａＮ層３０の表面）の酸化を抑制することができる。それゆえ、反応により形成された酸化シリコン層または酸化アルミニウム層を上面５２に堆積させる場合に比べて、ガリウム酸化物層４２をより薄くすることができる。
【００５８】
なお、第１例および第２例の変形例である第３例に係る段階Ｓ１３０においては、酸素ラジカルを発生するときに金属含有ガスと酸素含有ガスとを反応チャンバ２１０へ導入することを開始してもよい。第３例においても、ＧａＮ層３０の上面５２を酸素ラジカルに暴露した後に金属含有ガスと酸素含有ガスに由来する酸素ラジカルとを反応させる場合に比べて、ガリウム酸化物層４２の厚さを低減させる一定の効果を得ることができる。
【００５９】
段階Ｓ１４０は、ガリウム酸化物層４２およびゲート絶縁層４４を部分的に削除する段階である。Ｓ１４０においては、ソース電極層４６およびドレイン電極層４８に対応する領域に開口を有するレジストマスクを用いてガリウム酸化物層４２およびゲート絶縁層４４をエッチングにより部分的に除去する。
【００６０】
段階Ｓ１５０は、ゲート電極層４０、ソース電極層４６およびドレイン電極層４８を形成する段階である。本例においては、２００ｎｍの厚さを有するＡｌ電極層を蒸着する。次いで、適宜エッチングすることによりゲート絶縁層４４上にゲート電極層４０を形成する。その後、ゲート電極層４０を覆う様に、層間絶縁膜（不図示）を形成してよい。また、層間絶縁膜に、ソース電極層４６およびドレイン電極層４８に対応する開口を形成してよい。ソース電極層４６として、下から順にチタン（Ｔｉ）層およびＡｌ層を積層形成してよい。ドレイン電極層４８もＴｉ層およびＡｌ層の積層構造であってよい。
【００６１】
図４は、プラズマＣＶＤ装置２００の概要を示す図である。プラズマＣＶＤ装置２００は、反応チャンバ２１０、温度調節部２３０、排気ポンプ２４０、マイクロ波発生器２５０、導波路２５２、および、プラズマ発生チャンバ２５４を有する。プラズマＣＶＤ装置２００において、酸素含有ガスをプラズマ化することで酸素ラジカルを発生させ、原料ガスと反応させることで酸化膜を形成することができる。なお、酸素含有ガスとしてオゾンガスを用いる場合には、マイクロ波発生器２５０を使用せずに、導入口２５６からオゾンガスを反応チャンバ２１０へ直接導入してよい。
【００６２】
本例の反応チャンバ２１０は、内部にＡｌからなるペデスタル２１２を有する。ＧａＮ系半導体５０はペデスタル２１２上において静電吸着を利用して固定されてよい。ペデスタル２１２内部にはヒーター２２０が設けられてよい。温度調節部２３０はヒーター２２０の温度を１００℃から４５０℃に制御してよい。本例では、段階Ｓ１２０およびＳ１３０において、ＧａＮ系半導体５０が３００℃となるように、ヒーター２２０の温度を調節する。排気ポンプ２４０は、反応チャンバ２１０内の気体を排気口２１４から吸引してよい。排気ポンプ２４０は、反応チャンバ２１０内の気圧を２００Ｐａから３００Ｐａに制御してよい。
【００６３】
マイクロ波発生器２５０は、導波路２５２を介してプラズマ発生チャンバ２５４に接続してよい。マイクロ波発生器２５０は、導入口２５６からプラズマ発生チャンバ２５４に導入されるＯ２（酸素）をプラズマ化して酸素ラジカルを発生させる。図４に示す様に、酸素ラジカルは反応チャンバ２１０の内部へ進んでよい。
【００６４】
導入口２１６から反応チャンバ２１０へは、金属含有ガスが導入されてよい。これにより、上述の段階Ｓ１３０で述べたように、金属含有ガスと酸素ラジカルとを反応させることができる。本例において、金属含有ガスはＴＥＯＳガスであるので、形成される絶縁層は酸化シリコン層である。ただし、金属含有ガスとしてＴＭＡ等のＡｌ含有ガスを用いる場合には、絶縁層として酸化アルミニウム層を形成することができる。
【００６５】
本例のプラズマＣＶＤ装置２００は、マイクロ波放電により酸素プラズマを発生させるリモートプラズマ方式の成膜装置である。しかしながら、プラズマＣＶＤ装置２００は、当該マイクロ波放電に代えて、平行平板放電、高周波放電、直流放電および表面波放電のいずれかの方式を用いてもよい。マイクロ波放電はガスの分解効率が良いが、平行平板放電や高周波放電は、被処理体が大面積である場合に特に有利である。リモートプラズマ方式では、プラズマ発生場所と成膜場所とが離間しているので、酸素プラズマによるＧａＮ層３０の上面５２へのダメージを低減することができる。表面波放電方式も放電が電極表面に局在するためダメージを低減することができる。
【００６６】
図５は、酸素ガス導入期間とＴＥＯＳガス導入期間とを説明する図である。横軸は時間を示し、縦軸はガスの種類を示す。時刻Ｔ１は、金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入することを開始する時刻である。時刻Ｔ２は、酸素含有ガスから酸素プラズマを発生させて反応チャンバ２１０へ酸素プラズマを導入する時刻である。時刻Ｔ３は、ゲート絶縁層４４の形成を終了する時刻である。
【００６７】
なお、酸化シリコン層の通常の成膜例（通常の成膜例）では、プラズマが安定した後に成膜を行うため、酸素プラズマを発生させた後に金属含有ガスを導入する。それゆえ、時刻Ｔ１は、時刻Ｔ２よりも後である。これに対して、本例（第１例）において、時刻Ｔ１は、時刻Ｔ２よりも前である。
【００６８】
第１例においては、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入し続ける。つまり、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までは、ＧａＮ系半導体５０の上面５２に金属含有ガスを供給する前処理期間である。そして、不活性ガスによるパージ等を行うことなく、時刻Ｔ２以降も金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入し続ける。また、時刻Ｔ２において、放電開始と同時に酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入する。それゆえ、本例は、前駆体ガスを被処理層の表面に吸着させた後に反応チャンバ内の前駆体ガスを排気する原子層堆積法（ＡＬＤ）とは異なる。本例において、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までが、金属含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入する予め定められた時間である。また、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までがゲート絶縁層４４を形成する時間である。
【００６９】
ところで、上述した第２例においては、予め定められた時間が経過する前に、オゾンガス以外の酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入することを開始する。第２例においては、時刻Ｔ１後時刻Ｔ２前の時刻Ｔｘに、酸素含有ガスを反応チャンバ２１０へ導入することを開始する（図５中において破線で示す）。これにより、時刻Ｔ２においてプラズマ放電が安定化する点が有利である。ただし、時刻Ｔｘに酸素含有ガスを導入しても、酸素プラズマの発生は時刻Ｔ２に開始するので、ゲート絶縁層４４を形成する時間は時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までである。
【００７０】
また、上述した第３例においては、金属含有ガスの導入および酸素ラジカルの導入が同じタイミングで実行される。つまり、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２とが同時である。第１例および第２例に比べて劣るが、第３例においても、ガリウム酸化物層４２の厚さを低減させる一定の効果を得ることができる。
【００７１】
本例においては、プレーナーゲート型の横型ＭＯＳＦＥＴ１００の例を述べた。しかしながら、段階Ｓ１２０およびＳ１３０を経てゲート絶縁層４４を形成することを、プレーナーゲート型の縦型ＭＯＳＦＥＴおよびトレンチゲート型の縦型ＭＯＳＦＥＴに適用してよいのは勿論である。
【００７２】
図６Ａから図６Ｅは、複数の試料に対してＸＰＳ（Ｘ‐ｒａｙ  Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、即ち、光電子分光）分析を行った実験結果を示す図である。複数の試料（試料Ｎｏ．３〜１０）は、ＧａＮ層３０と、ガリウム酸化物層４２と、ゲート絶縁層４４に対応する酸化シリコン層とを有する。ただし、試料Ｎｏ．１と試料Ｎｏ．２は、ＧａＮ層３０と、ガリウム酸化物層４２とを有するが、酸化シリコン層を有しない。試料Ｎｏ．１は、ＧａＮ層３０をエピタキシャル成長させた後、意図的な処理を施していない試料である。試料Ｎｏ．２は、上述した通常の成膜例による酸化シリコン層の成膜前（即ち、成膜前に酸素プラズマ処理を施したもの）に対応する試料である。試料Ｎｏ．３は、上述した通常の成膜例による酸化シリコン層の成膜後に対応する試料である。試料Ｎｏ．４、試料Ｎｏ．６および試料Ｎｏ．９は、上述した第３例に対応する試料である。試料Ｎｏ．５、試料Ｎｏ．７、試料Ｎｏ．８および試料Ｎｏ．１０は、上述した第２例に対応する試料である。試料Ｎｏ．１〜１０についての各条件を表１に示す。なお、試料Ｎｏ．３〜１０において、前処理段階と酸化シリコン層形成段階とでは、ＴＥＯＳ流量を同じとした。
【００７３】
【表１】
2019153627.tif 000003
【００７４】
ＸＰＳ分析を可能とするべく、酸化シリコン層の厚さは１ｎｍとした。ただし、対照実験としての試料Ｎｏ．１およびＮｏ．２は、酸化シリコン層を設けなかった（酸化シリコン層の厚さ＝０ｎｍ）。本実験においては、ＧａＮ層３０とゲート絶縁層４４との間の界面領域にＸ線を照射した。Ｘ線としてはＡｌＫα線を用いた。また、検出器が光電子を取り込む方向と、積層構造を有する試料の水平面とが成す角度を４５度とした。
【００７５】
ＧａＮ層３０は、主としてＧａ‐Ｎ結合を有する。これに対して、ガリウム酸化物層４２は主としてＧａ‐Ｏ結合を有する。Ｇａ原子の２ｐ軌道により放出される光電子はＧａ‐Ｎ結合とＧａ‐Ｏ結合で異なるエネルギーのケミカルシフトを生じる。図６Ａから図６Ｅにおいては、Ｇａ原子の２ｐ軌道の結合エネルギー（横軸）に対応する強度（縦軸）の関係であるスペクトルを測定した。図６Ａから図６Ｅにおいて、横軸は結合エネルギー（ｂｉｎｄｉｎｇ  ｅｎｅｒｇｙ）［ｅＶ］であり、縦軸は強度（ｃ／ｓ、即ちｃｏｕｎｔｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）である。なお、本明細書においては、Ｇａ原子の２ｐ軌道をＧａ２ｐと記載する場合がある。
【００７６】
本実験の実測値は、ガリウム酸化物層４２とＧａＮ層３０を含む界面領域をＸＰＳ分析することにより得られたものである。実測値は、Ｇａ‐Ｎ結合成分とＧａ‐Ｏ結合成分とを含む。純粋なＧａ‐Ｎ結合の強度ピークに対応するエネルギーは、例えばゲート絶縁層４４を設けないＧａＮ層３０をＸＰＳ分析することにより、予め得ることができる。また、純粋なＧａ‐Ｏ結合の強度ピークに対応するエネルギーも、ＧａＮ層３０の酸化表面をＸＰＳ分析することにより予め得ることができる。本実験において、Ｇａ‐Ｎ結合の強度ピークに対応するエネルギーは１１１７．４ｅＶであり、Ｇａ‐Ｏ結合の強度ピークに対応するエネルギーは１１１８．２ｅＶであった。
【００７７】
本実験においては、各々予め得られたＧａ‐Ｎ結合およびＧａ‐Ｏ結合のエネルギーに対応する強度ピークの波形を用いて、Ｇａ２ｐの実測値の波形を分解した。波形を分解した結果、Ｇａ‐Ｎ結合の波形のピーク値がＧａ‐Ｏ結合の波形のピーク値よりも高い場合、界面領域においてガリウム酸化物層４２の厚さ、量および体積の少なくともいずれかが相対的に少ないことを意味する。これに対して、波形を分解した結果、Ｇａ‐Ｏ結合の波形のピーク値がＧａ‐Ｎ結合の波形のピーク値よりも高い場合、界面領域においてガリウム酸化物層４２が相対的に多いことを意味する。
【００７８】
Ｇａ‐Ｏ結合成分とＧａ‐Ｎ結合成分の強度比ＩＯＸ／ＩＧａＮより、以下の式（１）を用いてガリウム酸化物層４２の厚さｄを算出した。なお、式（１）において、「×」は積を意味する。
ｄ＝λＯＸ×ｃｏｓθ
×ｌｎ［（λＧａＮＮＧａＮ）／（λＯＸＮＯＸ）×（ＩＯＸ／ＩＧａＮ）＋１］・・・（１）
ここで、θは光電子取出し角、ＮＧａＮおよびＮＯＸはそれぞれＧａＮ層およびＧａ酸化層中のＧａ原子密度である。λＧａＮおよびλＯＸはそれぞれＧａＮ層およびＧａ酸化層中のＧａ２ｐ電子の脱出深さであり、［非特許文献１］に記載の半経験式より算出した。化合物に対しては電子の脱出深さλ（ｎｍ）は、Ｅを光電子のエネルギー（ｅＶ）、ａを単原子層の厚さ（ｎｍ）として以下の式（２）で表される。
λ（ｎｍ）＝５３８ａＥ−２＋０．７２（ａ３／２Ｅ１／２）・・（２）
［非特許文献１］：大西孝治・堀池靖浩・吉原一紘、固体表面分析Ｉ、第１刷、講談社、１９９５年４月２０日、第２８頁。
【００７９】
図６Ａは、試料Ｎｏ．１のＸＰＳ分析結果を示す図である。試料Ｎｏ．１は、段階Ｓ１００においてＧａＮ層３０を形成しただけであり、酸化シリコン層等の絶縁層を形成しなかった試料である（酸化シリコン層の厚さ＝０ｎｍ）。また、試料Ｎｏ．１においては、ＧａＮ層３０形成後に上面５２上に金属含有ガスまたは酸素含有ガスを流していない（「前処理」＝なし）。つまり、図６Ａは、エピタキシャル層形成段階（Ｓ１００）後のＧａＮ層３０の上面５２をＸＰＳ分析した結果である。試料Ｎｏ．１において、酸化ガリウム層の厚さｄは０．１ｎｍであった。試料Ｎｏ．１における酸化ガリウム層は、いわゆる自然酸化膜であると考えられる。
【００８０】
図６Ａにおいて、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ｇａ原子の２ｐ軌道を測定した実測スペクトルである。図６Ａ中「Ｇａ‐Ｎ成分」ピークはＧａ‐Ｎ結合由来の波形であり、図６Ａ中「Ｇａ‐Ｏ成分」ピークはＧａ‐Ｏ結合由来の波形である。二番目に高い強度ピークを有する曲線（破線）は、Ｇａ‐Ｏ結合の成分とＧａ‐Ｎ結合の成分とを合わせたものである（図６Ａ中のＧａ‐Ｏ＋Ｇａ‐Ｎ成分）。図６Ａにおいて、Ｇａ‐Ｎ結合の波形（図６Ａ中のＧａ‐Ｎ成分）のピークは、Ｇａ‐Ｏ結合の波形（図６Ａ中のＧａ‐Ｏ成分）のピークよりも圧倒的に高かった。つまり、試料Ｎｏ．１においてＧａ‐Ｏ成分はＧａ‐Ｎ成分に比べて極めて少なかった。
【００８１】
図６Ｂは、試料Ｎｏ．２のＸＰＳ分析結果を示す図である。試料Ｎｏ．２においては、ＧａＮ層３０形成後に上面５２上に金属含有ガスまたは酸素含有ガスを流しておらず、上面５２上に酸化シリコン層を形成してもいない（酸化シリコン層の厚さ＝０ｎｍ）。ただし、試料Ｎｏ．２においては、段階Ｓ１００においてＧａＮ層３０を形成した後に、上面５２に酸素ラジカルを照射した（表１において、「前処理」＝酸素プラズマ）。なお、酸素ラジカルを照射するときに、ＧａＮ基板１０の温度は３００℃とした。これは通常の成膜例の前処理段階に対応する。試料Ｎｏ．２において、酸化ガリウム層の厚さｄは１．５ｎｍと厚い酸化ガリウム層が形成された。
【００８２】
図６Ｂにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ｇａ原子の２ｐ軌道を測定した実測スペクトルである。二番目に高い強度ピークを有する曲線（破線）は、Ｇａ‐Ｏ＋Ｇａ‐Ｎ成分である。また、三番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｏ成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｎ成分である。図６Ｂに示す様に、酸素ラジカルで上面５２を処理することにより、試料Ｎｏ．１に比べて酸化ガリウム層が著しく成長した。
【００８３】
図６Ｃは、試料Ｎｏ．３のＸＰＳ分析結果を示す図である。試料Ｎｏ．３においては、ＧａＮ層３０形成後に上面５２上に酸素ラジカルの照射を開始し、その後遅れて、ＴＥＯＳガスの導入を開始した（表１において、「前処理」＝酸素プラズマ、「ＴＥＯＳ流量」＝０．５ｓｃｃｍ）。なお、この状況は、図５を用いて説明すると、時刻Ｔ１が時刻Ｔ２の後になったことに相当する。これにより、上面５２上に１ｎｍ厚さの酸化シリコン層を形成した。試料Ｎｏ．３においては、ＧａＮ基板１０の温度は３００℃とした。
【００８４】
図６Ｃにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ｇａ原子の２ｐ軌道を測定した実測スペクトルである。二番目に高い強度ピークを有する曲線（破線）は、Ｇａ‐Ｏ＋Ｇａ‐Ｎ成分である。また、三番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｏ成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｎ成分である。通常の成膜例に対応する試料Ｎｏ．３における酸化ガリウム層の厚さｄは、試料Ｎｏ．１〜１０の中で最も大きかった。試料Ｎｏ．３において、酸化ガリウム層の厚さｄは２．０ｎｍであった。なお、試料Ｎｏ．３の電界効果移動度のピーク値は、５０ｃｍ２／Ｖ・ｓであった。
【００８５】
上述の第３例に対応する試料Ｎｏ．４は、「前処理」の条件のみが試料Ｎｏ．３と異なる。試料Ｎｏ．４においては、酸化ガリウム層の厚さｄが試料Ｎｏ．３の約半分である１．１ｎｍとなった。このことから、酸素プラズマを単独でＧａＮ層３０の上面に照射しないことが、酸化ガリウム層の厚さｄを低減する上で有効であると言える。
【００８６】
また、上述の第２例に対応する試料Ｎｏ．５は、「前処理」の条件が０．５ｓｃｃｍで１分間ＴＥＯＳガスを反応チャンバ２１０内に導入した。係る点が、試料Ｎｏ．３と異なる。試料Ｎｏ．４においては、酸化ガリウム層の厚さｄが０．８ｎｍとなった。このことから、ＧａＮ系半導体５０の上面５２に金属含有ガスを吸着させる前処理を行うことが、酸化ガリウム層の厚さｄを低減する上で有効であると言える。
【００８７】
図６Ｄは、試料Ｎｏ．６のＸＰＳ分析結果を示す図である。上述の第３例に対応する試料Ｎｏ．６においては、ＧａＮ層３０形成後に、ＴＥＯＳガスおよび酸素ガスを反応チャンバ２１０に導入すると同時に、プラズマ放電を実行した（表１において、「前処理」＝なし、プラズマ放電時の「ＴＥＯＳ流量」＝２．０ｓｃｃｍ）。つまり、試料Ｎｏ．６においては、ＴＥＯＳガスと酸素プラズマとを同時に上面５２上に導入した。この状況は、図５を用いて説明すると、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２とが同時であることに相当する。これにより、上面５２上に１ｎｍ厚さの酸化シリコン層を形成した。試料Ｎｏ．６においては、ＧａＮ基板１０の温度は３００℃とし、ＴＥＯＳの流量は２．０ｓｃｃｍとした。試料Ｎｏ．６において、酸化ガリウム層の厚さｄは０．９ｎｍであった。
【００８８】
図６Ｄにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ｇａ原子の２ｐ軌道を測定した実測スペクトルである。また、二番目に高い強度ピークを有する曲線（破線）は、Ｇａ‐Ｏ＋Ｇａ‐Ｎ成分である。しかし、三番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｎ成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｏ成分である。試料Ｎｏ．６の結果からも、酸素プラズマにより前処理を行わないことが、酸化ガリウム層の厚さｄを低減する上で有効であると言える。なお、試料Ｎｏ．６の電界効果移動度のピーク値は、１００ｃｍ２／Ｖ・ｓであった。試料Ｎｏ．３と比較すると、酸化ガリウム層の厚さｄが移動度を向上させるうえで有効であると言える。
【００８９】
図６Ｅは、試料Ｎｏ．７のＸＰＳ分析結果を示す図である。上述の第２例に対応する試料Ｎｏ．７においては、ＧａＮ層３０形成後にＴＥＯＳガスを２０秒間反応チャンバ２１０に導入し、その後、酸素ガスをプラズマ放電した（「前処理」＝２．０ｓｃｃｍで２０秒間ＴＥＯＳガスを反応チャンバ２１０内に導入）。試料Ｎｏ．７は、図５を用いて説明すると、時刻Ｔ１後に２０秒経て時刻Ｔ２に至り、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３まで酸化シリコン層を形成したことに相当する。つまり、試料Ｎｏ．７は、図２および図３において説明した例に対応する。試料Ｎｏ．７においても、上面５２上に１ｎｍ厚さの酸化シリコン層を形成した。
【００９０】
試料Ｎｏ．７において、ＧａＮ基板１０の温度は３００℃とした。試料Ｎｏ．７において、酸化ガリウム層の厚さｄは、試料Ｎｏ．１〜１０の中で最も小さかった。試料Ｎｏ．７において、酸化ガリウム層の厚さｄは０．５ｎｍであった。試料Ｎｏ．１０との比較から、ＧａＮ基板１０の温度が低い方が、酸化ガリウム層の厚さｄを低減する上で有効であると言える。
【００９１】
図６Ｅにおいても、最も高い強度ピークを有する曲線は、Ｇａ原子の２ｐ軌道を測定した実測スペクトルである。また、二番目に高い強度ピークを有する曲線（破線）は、Ｇａ‐Ｏ＋Ｇａ‐Ｎ成分である。ただし、三番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｎ成分であり、四番目に高い強度ピークを有する曲線はＧａ‐Ｏ成分である。試料Ｎｏ．７において、Ｇａ‐Ｎ成分のピークに対するＧａ‐Ｏ成分のピークの比は、試料Ｎｏ．６に比べて高い。この結果からも、酸素プラズマを照射する前にＴＥＯＳガスを導入する利点が明らかとなった。なお、試料Ｎｏ．７の電界効果移動度のピーク値は、１２０ｃｍ２／Ｖ・ｓであった。試料Ｎｏ．３および６よりも移動度を向上させることができた。
【００９２】
上述の第２例に対応する試料Ｎｏ．８は、「前処理」においてＴＥＯＳガスを流す時間が、試料Ｎｏ．７と異なる。試料Ｎｏ．８における酸化ガリウム層の厚さｄは、試料Ｎｏ．７と同様に、試料Ｎｏ．１〜１０の中で最も小さい０．５ｎｍであった。
【００９３】
上述の第３例に対応する試料Ｎｏ．９は、「前処理」においてＴＥＯＳガスを流さなかった。また、ＧａＮ基板１０の温度は４００℃とした。係る点が、試料Ｎｏ．７および８と異なる。試料Ｎｏ．４、と試料Ｎｏ．６および９との対比からわかるように、酸化シリコン層形成時のＴＥＯＳ流量が高い方が、ガリウム酸化物層４２の厚さｄが小さい。
【００９４】
上述の第２例に対応する試料Ｎｏ．１０は、「前処理」において２．０ｓｃｃｍでＴＥＯＳガスを流した。係る点が、試料Ｎｏ．９と異なる。試料Ｎｏ．１０のガリウム酸化物層４２の厚さｄが、試料Ｎｏ．９に比べて小さくなったことからも、酸素プラズマを照射する前にＴＥＯＳガスを導入する利点が明らかとなった。なお、本実験において、上述の第１例に対応する試料は作成しなかった。しかしながら、第１例に対応する試料におけるガリウム酸化物層４２の厚さｄは、第２例に対応する試料におけるガリウム酸化物層４２の厚さｄと同等、または、これよりも小さくすることができると考えられる。それゆえ、第１例に対応する試料は、第２例に対応する試料と同等以上の有利な効果を享受することができると合理的に考えられる。
【００９５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９６】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９７】
１０・・ＧａＮ基板、２０・・ＧａＮ層、３０・・ＧａＮ層、３２・・ｎ＋型ＧａＮ領域、３４・・チャネル形成領域、４０・・ゲート電極層、４２・・ガリウム酸化物層、４４・・ゲート絶縁層、４６・・ソース電極層、４８・・ドレイン電極層、５０・・ＧａＮ系半導体、５２・・上面、５４・・下面、１００・・横型ＭＯＳＦＥＴ、２００・・プラズマＣＶＤ装置、２１０・・反応チャンバ、２１２・・ペデスタル、２１４・・排気口、２１６・・導入口、２２０・・ヒーター、２３０・・温度調節部、２４０・・排気ポンプ、２５０・・マイクロ波発生器、２５２・・導波路、２５４・・プラズマ発生チャンバ、２５６・・導入口
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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