(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置であって、
半導体層と、
前記半導体層の上に形成された絶縁膜と、
前記半導体層の上にショットキー接合された電極と、
を備え、
前記絶縁膜は、
前記半導体層に隣接する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と主に成る材料が同じである第２の絶縁層と
を含み、
前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高く、
前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びており、
前記第１の絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上であり、
前記半導体層は、ｎ型半導体層を含み、
前記絶縁膜は、前記ｎ型半導体層の上に形成され、
前記第１の絶縁層は、前記ｎ型半導体層に隣接する、半導体装置。
【請求項２】
半導体装置であって、
半導体層と、
前記半導体層の上に形成された絶縁膜と
を備え、
前記半導体層は、ｎ型半導体層を含み、
前記絶縁膜は、
前記ｎ型半導体層に隣接する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と主に成る材料が同じである第２の絶縁層と
を含み、
前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高く、
前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びており、
前記絶縁膜は、開口部を有し、
更に、前記絶縁膜の前記開口部の内側における前記ｎ型半導体層の上から前記絶縁膜の上にわたって形成され、前記ｎ型半導体層の上にショットキー接合された電極を備える、半導体装置。
【請求項３】
半導体装置であって、
半導体層と、
前記半導体層の上に形成された絶縁膜と
を備え、
前記絶縁膜は、
前記半導体層に隣接する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と主に成る材料が同じである第２の絶縁層と
を含み、
前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高く、
前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びており、
前記半導体層は、
ｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層に接合されたｐ型半導体層と
を含み、
前記絶縁膜は、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とが接合するｐｎ接合部に形成され、
前記第１の絶縁層は、前記ｐｎ接合部に隣接する、半導体装置。
【請求項４】
半導体装置であって、
半導体層と、
前記半導体層の上に形成された絶縁膜と
を備え、
前記半導体層は、ｎ型半導体層を含み、
前記絶縁膜は、
前記ｎ型半導体層に隣接する第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と主に成る材料が同じである第２の絶縁層と
を含み、
前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高く、
前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びており、
前記半導体層は、厚み方向に落ち込んだ段差部を有し、
前記絶縁膜は、前記段差部の少なくとも一部に形成され、
前記第１の絶縁層は、前記段差部に隣接する、半導体装置。
【請求項５】
前記第１の絶縁層は、前記半導体層から５ｎｍ以内の範囲に形成されている、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層は、III族窒化物から主に成る、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１の絶縁層に帯びている負電荷は、固定電荷である、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記第１および第２の絶縁層の比誘電率は６以上であり、
前記第１および第２の絶縁層は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）の少なくとも１つの化合物を含有する、半導体装置。
【請求項９】
前記第１および第２の絶縁層は、酸化物から主に成る、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の絶縁層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の少なくとも１つから主に成る、請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置（半導体デバイス、半導体素子）では、半導体層および電極の各周辺に発生する電界集中を緩和することによって逆方向リーク電流を抑制することが求められる。特に、パワーデバイスとして用いられる半導体装置では、高耐圧化を実現するために、電界集中の緩和による逆方向リーク電流の抑制が重要である。
【０００３】
特許文献１，２には、ショットキーダイオードにおいて、ショットキー電極の端部に発生する電界集中を、フィールドプレート構造を用いて緩和する技術が記載されている。特許文献３には、窒化ガリウム系のショットキーダイオードにおいて、半導体層との界面における正の固定電荷密度が１．２×１０１２ｃｍ−２未満となる窒化絶縁層によるフィールドプレート構造について記載されている。
【０００４】
非特許文献１には、ダイオードおよびトランジスタにおいて、ドライエッチングによって形成された素子分離溝の側面に露出したｐｎ接合の端部に発生する電界集中を、フィールドプレート構造を用いて緩和する技術が記載されている。
【０００５】
特許文献４には、III族窒化物系の半導体装置において、ドライエッチングによって露出したｐ型半導体層の表面がｎ型化することを防止するために、そのｐ型半導体層の表面を被覆する絶縁膜に、負に帯電した粒子を注入する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５４８６号公報
【特許文献２】特開２００９−５９９１２号公報
【特許文献３】特開２０１０−５６１００号公報
【特許文献４】特開２０１２−１１４３１７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】カズキ・ノモト(Kazuki Nomoto)他５名著、「フィジカ・ステータス・ソリディ（ａ）−応用材料科学(Physica Status Solidi (a)- Applications and Materials Science)」、（米国）、２０１１年７月、第208巻、p.1535-1537
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１〜３並びに非特許文献１のフィールドプレート構造では、電界集中を十分に緩和することが困難であるため、逆方向リーク電流を十分に抑制できないという問題があった。
【０００９】
特許文献４における絶縁膜に帯電粒子を注入する技術では、絶縁膜に帯電粒子を注入する際にｐ型半導体層にまで帯電粒子が注入される虞があり、ｐ型半導体層にまで帯電粒子が注入された場合には、かえって逆方向リーク電流が増大するという問題があった。また、特許文献４の技術では、ｐ型半導体層への帯電粒子の注入を避けるために、帯電粒子を絶縁膜に注入する位置をｐ型半導体層から離す程、ｐ型半導体層に正孔を誘導するために必要な帯電粒子の量が増大する。このように絶縁膜における帯電粒子の量が増大した場合、これらの帯電粒子が絶縁膜において漏電経路（リークパス）を形成することによって、絶縁膜の耐圧が低下し、ひいては半導体装置の耐圧が低下する要因となり得る。
【００１０】
そのため、半導体装置において逆方向リーク電流を十分に抑制できる技術が望まれていた。そのほか、半導体装置においては、低コスト化、微細化、製造の容易化、省資源化、使い勝手の向上、耐久性の向上などが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、半導体層と；前記半導体層の上に形成された絶縁膜と；前記半導体層の上にショットキー接合された電極と；を備え；前記絶縁膜は；前記半導体層に隣接する第１の絶縁層と；前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と同種材料から成る第２の絶縁層とを含み；前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高く；前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びており；前記第１の絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上であり；前記半導体層は、ｎ型半導体層を含み；前記絶縁膜は、前記ｎ型半導体層の上に形成され；前記第１の絶縁層は、前記ｎ型半導体層に隣接する。
【００１２】
（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、半導体層と；前記半導体層の上に形成された絶縁膜とを備え、前記絶縁膜は、前記半導体層に隣接する第１の絶縁層と；前記第１の絶縁層の上に形成され、前記第１の絶縁層と同種材料から成る第２の絶縁層とを含み、前記第１の絶縁層の結晶性は、前記第２の絶縁層より高い。この形態によれば、結晶化に伴って第１の絶縁層に発生する負電荷によって半導体層の表面を空乏化させることができる。そのため、半導体層の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００１３】
（２）上記形態の半導体装置において、前記第１の絶縁層は、前記半導体層から５ｎｍ以内の範囲に形成されていてもよい。この形態によれば、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。
【００１４】
（３）上記形態の半導体装置において、前記半導体層は、III族窒化物から主に成ってもよい。この形態によれば、III族窒化物系の半導体装置において逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００１５】
（４）上記形態の半導体装置において、前記第１の絶縁層は、負電荷を帯びていてもよい。この形態によれば、第１の絶縁層に帯びている負電荷によって半導体層の表面を空乏化させることができる。
【００１６】
（５）上記形態の半導体装置において、前記第１の絶縁層に帯びている負電荷は、固定電荷であってもよい。この形態によれば、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層の表面を空乏化させることができる。
【００１７】
（６）上記形態の半導体装置において、前記第１の絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上であってもよい。この形態によれば、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。
【００１８】
（７）上記形態の半導体装置において、前記第１および第２の絶縁層の比誘電率は６以上であり、前記第１および第２の絶縁層は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）の少なくとも１つの化合物を含有してもよい。この形態によれば、比較的に高い結晶性を有する第１の絶縁層を容易に実現できる。
【００１９】
（８）上記形態の半導体装置において、前記第１および第２の絶縁層は、酸化物から主に成ってもよい。この形態によれば、窒化物およびケイ化物と比較して、比較的に高い結晶性を有する第１の絶縁層を容易に実現できる。
【００２０】
（９）上記形態の半導体装置において、前記第１および第２の絶縁層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の少なくとも１つから主に成ってもよい。この形態によれば、比較的に高い結晶性を有する第１の絶縁層を容易に実現できる。
【００２１】
（１０）上記形態の半導体装置において、前記半導体層は、ｎ型半導体層を含み、前記絶縁膜は、前記ｎ型半導体層の上に形成され、前記第１の絶縁層は、前記ｎ型半導体層に隣接してもよい。この形態によれば、ｎ型半導体層の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００２２】
（１１）上記形態の半導体装置において、前記絶縁膜は、開口部を有し、更に、前記絶縁膜の前記開口部の内側における前記ｎ型半導体層の上から前記絶縁膜の上にわたって形成された電極を備えてもよい。この形態によれば、電極、絶縁膜およびｎ型半導体層によるフィールドプレート構造において、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００２３】
（１２）上記形態の半導体装置において、前記半導体層は、ｎ型半導体層と；前記ｎ型半導体層に接合されたｐ型半導体層とを含み、前記絶縁膜は、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層とが接合するｐｎ接合部に形成され、前記第１の絶縁層は、前記ｐｎ接合部に隣接してもよい。この形態によれば、ｐｎ接合部において逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００２４】
（１３）上記形態の半導体装置において、前記半導体層は、厚み方向に落ち込んだ段差部を有し、前記絶縁膜は、前記段差部の少なくとも一部に形成され、前記第１の絶縁層は、前記段差部に隣接してもよい。この形態によれば、段差部において逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００２５】
（１４）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。この製造方法は、半導体層を形成し；酸素プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法によって、前記半導体層の上に形成される絶縁膜の少なくとも一部として、前記半導体層に隣接する第１の絶縁層を形成するとともに、前記第１の絶縁層と同種材料から成る第２の絶縁層を前記第１の絶縁層の上に形成する。この形態によれば、第１の絶縁層の結晶性が第２の絶縁層より高くすることができる。これによって、結晶化に伴って第１の絶縁層に発生する負電荷によって半導体層の表面を空乏化させることができる。そのため、半導体層の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【００２６】
上記形態の製造方法において、前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層を形成する処理温度は、１００℃以上４００℃以下であってもよい。この形態によれば、処理温度を１００℃以上とすることによって第１および第２の絶縁層における絶縁性を十分に確保できるとともに、処理温度を４００℃以下とすることによって気相原料の分解を抑制できるため第１および第２の絶縁層を効率的に形成できる。
【００２７】
上記形態の製造方法において、前記酸素プラズマを発生させるプラズマ電力は、１００Ｗ以上１０００Ｗ以下であってもよい。この形態によれば、プラズマ電力を１００Ｗ以上とすることによって第１および第２の絶縁層における絶縁性を十分に確保できるとともに、プラズマ電力を１０００Ｗ以下とすることによって半導体層の損傷による半導体装置の耐圧低下を抑制できる。
【００２８】
上記形態の製造方法において、前記酸素プラズマを照射するプラズマ照射時間は、０．１秒以上１０秒以下であってもよい。この形態によれば、プラズマ照射時間を０．１秒以上とすることによって第１および第２の絶縁層における絶縁性を十分に確保できるとともに、プラズマ照射時間を１０秒以下とすることによって第１および第２の絶縁層を効率的に形成できる。
【００２９】
本発明は、半導体装置およびその製造方法以外の種々の形態で実現することも可能であり、例えば、上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器、並びに、その半導体装置を製造する製造装置などの形態で実現できる。
【発明の効果】
【００３０】
本願発明によれば、結晶化に伴って第１の絶縁層に発生する負電荷によって半導体層の表面を空乏化させることができる。そのため、半導体層の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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である。
【図２】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である。
【図３】酸素プラズマを用いて形成された絶縁膜の断面を示す説明図である。
【図４】オゾンを用いて形成された絶縁膜の断面を示す説明図である。
【図５】負電荷を帯びた絶縁層による耐圧向上の効果に関する評価結果を示すグラフである。
【図６】負電荷を帯びた絶縁層が逆方向リーク特性に及ぼす影響を評価した評価結果を示すグラフである。
【図７】第２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である。
【図８】第３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である。
【図９】第４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である。
【図１０】第５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である。
【図１１】第６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である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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。
【００３３】
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、縦型ショットキーバリアダイオードである。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、半導体層１１２と、絶縁膜１３０と、ショットキー電極１５０と、パッド電極１６０と、カソード電極１７０とを備える。
【００３４】
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を成す半導体である。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本明細書の説明において、「窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム（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、約１×１０１８ｃｍ−３である。
【００３５】
半導体装置１００の半導体層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ｎ型半導体層である。本実施形態では、半導体層１１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層１１２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、半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値は、約１×１０１６ｃｍ−３である。本実施形態では、半導体層１１２の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、約５μｍ（マイクロメートル）である。本実施形態では、半導体層１１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって形成された半導体層である。
【００３６】
半導体装置１００の絶縁膜１３０は、電気絶縁性を有し、半導体層１１２の上に形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜１３０は、半導体層１１２の表面を保護する保護膜であり、半導体層１１２の表面を被覆する。絶縁膜１３０は、絶縁層１３３と絶縁層１３４とを含む。
【００３７】
絶縁膜１３０の絶縁層１３３は、半導体層１１２の上に形成され、半導体層１１２に隣接する。本実施形態では、絶縁層１３３の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、約１００ｎｍ（ナノメートル）である。
【００３８】
本実施形態では、絶縁層１３３の比誘電率は、６以上である。本実施形態では、絶縁層１３３は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成る。本明細書の説明において、「酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成る」とは、モル分率において酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を９０％以上含有することを意味する。
【００３９】
絶縁層１３３は、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）によって成膜され、絶縁層１３１と絶縁層１３２とを含む。絶縁層１３１は、半導体層１１２に隣接する第１の絶縁層である。絶縁層１３２は、絶縁層１３１の上に形成され、絶縁層１３１と同種材料から成る第２の絶縁層である。絶縁層１３１の結晶性は、絶縁層１３２より高い。
【００４０】
本実施形態では、絶縁層１３１は、半導体層１１２から５ｎｍ以内の範囲に形成されている。本実施形態では、絶縁層１３１の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、約３〜５ｎｍである。
【００４１】
本実施形態では、絶縁層１３１は、負電荷を帯びた微結晶から主に成る絶縁層である。本明細書の説明において、「微結晶から主に成る」とは、体積比において微結晶を９０％以上含有することを意味する。本実施形態では、絶縁層１３１に帯びている負電荷は、固定電荷である。絶縁層１３１における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上が好ましく、５×１０１２ｃｍ−２以上がいっそう好ましく、１×１０１３ｃｍ−２以上がさらに好ましい。また、絶縁膜１３０の電気絶縁性を十分に確保する観点から、絶縁層１３１における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１６ｃｍ−２以下が好ましい。
【００４２】
絶縁膜１３０の絶縁層１３４は、絶縁層１３３の上に形成され、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。本実施形態では、絶縁層１３４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、絶縁層１３４の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、約５００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層１３４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ：Plasma Chemical Vapor Deposition)によって成膜された絶縁層である。
【００４３】
絶縁膜１３０には、絶縁膜１３０を貫通する開口部１３８が形成されている。開口部１３８は、半導体層１１２が露出するまで絶縁膜１３０の一部を半導体層１１２の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【００４４】
半導体装置１００のショットキー電極１５０は、導電性材料から成り、半導体層１１２にショットキー接合されたアノード電極である。ショットキー電極１５０は、絶縁膜１３０の開口部１３８の内側における半導体層１１２の上から、絶縁膜１３０の上にわたって形成されている。これによって、ショットキー電極１５０の端部は、半導体層１１２との間に絶縁膜１３０を挟むフィールドプレート構造を構成する。絶縁膜１３０の端部とショットキー電極１５０の端部との間の距離Ｄｅ１は、電界集中を緩和する観点から、２μｍ（マイクロメートル）以上から好ましく、５μｍ以上がいっそう好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。半導体装置１００を微細化する観点から、距離Ｄｅ１は、１ｍｍ（ミリメートル）以下が好ましい。
【００４５】
本実施形態では、ショットキー電極１５０は、電子ビーム蒸着によって、半導体層１１２側から順に、厚さ約１００ｎｍのニッケル（Ｎｉ）から成る層と、厚さ約１００ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）から成る層と、厚さ約２０ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）から成る層とを積層した電極である。
【００４６】
半導体装置１００のパッド電極１６０は、導電性材料から成り、ショットキー電極１５０の上から絶縁膜１３０の上にわたって形成されたアノード電極である。ショットキー電極１５０の端部とパッド電極１６０の端部との間の距離Ｄｅ２は、電極の密着性を向上させるとともに半導体層１１２への電極材料の拡散を抑制する観点から、３μｍ以上から好ましく、５μｍ以上がいっそう好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。半導体装置１００を微細化する観点から、距離Ｄｅ２は、１ｍｍ以下が好ましい。
【００４７】
本実施形態では、パッド電極１６０は、スパッタ蒸着によって、ショットキー電極１５０側から順に、厚さ約２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）から成る層と、厚さ約２００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）から成る層と、厚さ約２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）から成る層と、厚さ約４μｍのアルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ）から成る層とを積層した電極である。
【００４８】
半導体装置１００のカソード電極１７０は、導電性材料から成り、基板１１０の−Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、カソード電極１７０は、スパッタ蒸着によってチタン（Ｔｉ）から主に成る層にアルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ）から成る層を積層した電極である。
【００４９】
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。半導体装置１００の製造者は、基板１１０の上に半導体層１１２をエピタキシャル成長によって形成する（工程Ｐ１１０）。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を実現するＭＯＣＶＤ装置を用いたエピタキシャル成長によって、半導体層１１２を形成する。
【００５０】
半導体層１１２を形成した後（工程Ｐ１１０）、製造者は、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって、半導体層１１２の上に絶縁層１３３を成膜する（工程Ｐ１３２）。これによって、半導体層１１２の上には、絶縁層１３１と絶縁層１３２とを含む絶縁層１３３が形成される。絶縁層１３１は、半導体層１１２に隣接し、絶縁層１３２は、絶縁層１３１の上に形成され、絶縁層１３１の結晶性は、絶縁層１３２より高い。
【００５１】
絶縁層１３１は、負電荷を帯びており、その負電荷は、固定電荷である。絶縁層１３１における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上が好ましく、５×１０１２ｃｍ−２以上がいっそう好ましく、１×１０１３ｃｍ−２以上がさらに好ましい。また、絶縁膜１３０の電気絶縁性を十分に確保する観点から、絶縁層１３１における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１６ｃｍ−２以下が好ましい。
【００５２】
本実施形態では、絶縁層１３１，１３２は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成り、絶縁層１３２の比誘電率は、６以上である。本実施形態では、絶縁層１３３の厚みは、約１００ｎｍであり、そのうち、絶縁層１３１は、半導体層１１２から５ｎｍ以内の範囲に形成され、絶縁層１３１の厚みは、約３〜５ｎｍである。
【００５３】
絶縁層１３３の成膜（工程Ｐ１３２）において、絶縁層１３１，１３２を形成する処理温度は、１００℃以上４００℃以下であればよく、本実施形態では、約３００℃である。処理温度を１００℃以上とすることによって絶縁層１３１，１３２における絶縁性を十分に確保できるとともに、処理温度を４００℃以下とすることによって気相原料の分解を抑制できるため絶縁層１３１，１３２を効率的に形成できる。
【００５４】
絶縁層１３３の成膜（工程Ｐ１３２）において、酸素（Ｏ２）プラズマを発生させるプラズマ電力は、１００Ｗ（ワット）以上１０００Ｗ以下であればよく、本実施形態では、５００Ｗである。プラズマ電力を１００Ｗ以上とすることによって絶縁層１３１，１３２における絶縁性を十分に確保できるとともに、プラズマ電力を１０００Ｗ以下とすることによって半導体層１１２の損傷による半導体装置１００の耐圧低下を抑制できる。
【００５５】
絶縁層１３３の成膜（工程Ｐ１３２）において、酸素（Ｏ２）プラズマを照射するプラズマ照射時間は、０．１秒以上１０秒以下であればよく、本実施形態では、０．２秒である。プラズマ照射時間を０．１秒以上とすることによって絶縁層１３１，１３２における絶縁性を十分に確保できるとともに、プラズマ照射時間を１０秒以下とすることによって絶縁層１３１，１３２を効率的に形成できる。
【００５６】
絶縁層１３３を成膜した後（工程Ｐ１３２）、製造者は、絶縁層１３２の上に絶縁層１３４を成膜する（工程Ｐ１３４）。これによって、絶縁層１３２および絶縁層１３４を積層した絶縁膜１３０が半導体層１１２の上に形成される。本実施形態では、絶縁層１３２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、製造者は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）によって絶縁層１３４を成膜する。本実施形態では、絶縁層１３４の厚みは、約５００ｎｍである。
【００５７】
絶縁膜１３０を形成した後（工程Ｐ１３４）、製造者は、ウエットエッチングによって絶縁膜１３０に開口部１３８を形成する（工程Ｐ１３８）。本実施形態では、製造者は、絶縁膜１３０の上にフォトレジストによるマスクパターンを形成した後、フッ酸系エッチング液を用いて絶縁膜１３０の一部を除去することによって、絶縁膜１３０に開口部１３８を形成する。本実施形態では、製造者は、絶縁膜１３０に開口部１３８を形成した後、絶縁膜１３０の上に形成したマスクパターンを除去する。
【００５８】
絶縁膜１３０に開口部１３８を形成した後（工程Ｐ１３８）、製造者は、アノード電極であるショットキー電極１５０を、絶縁膜１３０の開口部１３８の内側における半導体層１１２の上から、絶縁膜１３０の上にわたって形成する（工程Ｐ１５０）。本実施形態では、製造者は、ショットキー電極１５０をリフトオフ法によって形成する。具体的には、製造者は、絶縁膜１３０の上にフォトレジストによるマスクパターンを形成する。その後、製造者は、電子ビーム蒸着によって、半導体層１１２側から順に、厚さ約１００ｎｍのニッケル（Ｎｉ）から成る層と、厚さ約１００ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）から成る層と、厚さ約２０ｎｍのモリブデン（Ｍｏ）から成る層とを成膜する。その後、製造者は、絶縁膜１３０の上からマスクパターンを除去する。これによって、絶縁膜１３０の開口部１３８にショットキー電極１５０が形成される。
【００５９】
ショットキー電極１５０を形成した後（工程Ｐ１５０）、製造者は、カソード電極１７０を基板１１０の−Ｚ軸方向側に形成する（工程Ｐ１７０）。本実施形態では、製造者は、スパッタ蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ）から成る層を積層することによって、カソード電極１７０を形成する。他の実施形態では、製造者は、カソード電極１７０を形成する工程（工程Ｐ１７０）を、ショットキー電極１５０を形成する工程（工程Ｐ１５０）に先立って実施してもよい。
【００６０】
カソード電極１７０を形成した後（工程Ｐ１７０）、製造者は、アノード電極であるパッド電極１６０を、ショットキー電極１５０の上から絶縁膜１３０の上にわたって形成する（工程Ｐ１８０）。本実施形態では、製造者は、絶縁膜１３０およびショットキー電極１５０の全面に、スパッタ蒸着によって、ショットキー電極１５０側から順に、厚さ約２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）から成る層と、厚さ約２００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）から成る層と、厚さ約２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）から成る層と、厚さ約４μｍのアルミニウム−ケイ素合金（ＡｌＳｉ）から成る層とを成膜する。その後、製造者は、これらの層の上にフォトレジストによるマスクパターンを形成し、マスクパターンから露出した部分を塩素系のドライエッチングによって除去する。その後、製造者は、マスクパターンを除去する。これによって、ショットキー電極１５０の上にパッド電極１６０が形成される。これらの工程を経て、半導体装置１００が完成する。
【００６１】
Ａ−３．第１評価試験
第１評価試験では、試験者は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になるｎ型半導体の上に絶縁膜を成膜した後、ニッケル（Ｎｉ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した電極を絶縁膜の上に形成することによって、絶縁膜の構成が異なる複数のＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）構造体を試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３として作製した。試験者は、各ＭＯＳ構造体に対してＣ−Ｖ（容量−電圧）測定を実施し、その測定結果から得られるフラットバンド電圧に基づいて、絶縁層における電荷量を算出した。各試料における絶縁膜の仕様および電荷量は次のとおりである。
【００６２】
＜試料Ｓ１＞
絶縁膜の材質：二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）
絶縁膜の形成方法：プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）
絶縁膜の電荷量：＋１．１×１０１２ｃｍ−２（正の電荷）
【００６３】
＜試料Ｓ２＞
絶縁膜の材質：酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）
絶縁膜の形成方法：オゾン（Ｏ３）を酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）
絶縁膜の電荷量：−４．４×１０１１ｃｍ−２（負の電荷）
【００６４】
＜試料Ｓ３＞
絶縁膜の材質：酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）
絶縁膜の形成方法：酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）
絶縁膜の電荷量：−３．１×１０１２ｃｍ−２（負の電荷）
【００６５】
第１評価試験によれば、比誘電率が６以上である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を絶縁膜に用いることによって絶縁膜に負電荷が発生することが分かるとともに、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）を用いることによって絶縁膜に発生する負電荷が増加することが分かる。
【００６６】
図３は、酸素（Ｏ２）プラズマを用いて形成された絶縁膜の断面を示す説明図である。図３（ａ）には、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いて絶縁膜の断面を撮影したＴＥＭ画像でしめされている。図３（ｂ）には、図３（ａ）を拡大したＴＥＭ画像が示されている。図３の絶縁膜は、試料Ｓ３の絶縁膜に相当する。図３の絶縁膜の上には、電極ではなく、炭素（Ｃ）保護膜が形成されている。
【００６７】
図４は、オゾン（Ｏ３）を用いて形成された絶縁膜の断面を示す説明図である。図４には、絶縁膜の断面を撮影したＴＥＭ画像が示されている。図４の絶縁膜は、試料Ｓ２の絶縁膜に相当する。図４の絶縁膜の上には、電極ではなく、炭素（Ｃ）保護膜が形成されている。
【００６８】
試験者は、試料Ｓ３に相当する絶縁膜（図３）における窒化ガリウム（ＧａＮ）との界面から約３ｎｍの領域に、試料Ｓ２に相当する絶縁膜（図４）に見られない微結晶から主に成る層を確認した。この微結晶から主に成る層が形成される要因は、酸素（Ｏ２）プラズマの影響で窒化ガリウム（ＧａＮ）の表面が、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が結晶化しやすい構造へと改質されたことによると考えられる。これによって、窒化ガリウム（ＧａＮ）との界面付近に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が結晶化し、その結果、絶縁膜に発生する負電荷が増加する。
【００６９】
Ａ−４．第２評価試験
図５は、負電荷を帯びた絶縁層による耐圧向上の効果に関する評価結果を示すグラフである。第２評価試験では、試験者は、デバイスシミュレータを用いて試料の耐圧向上の効果を評価した。第２評価試験の試料は、次の点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様である。
・半導体層１１２の厚み：１２μｍ
・半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値：６×１０１５ｃｍ−３
・絶縁膜１３０：酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成る絶縁層（厚さ０．６μｍ）のみ
・絶縁膜１３０における負の電荷密度の絶対値：０〜２×１０１３ｃｍ−２
・絶縁膜１３０における負電荷の位置：半導体層１１２との界面から０ｎｍ、５ｎｍ
【００７０】
図５の横軸は、絶縁膜１３０における負の電荷密度の絶対値を示す。図５の縦軸は、試料において逆方向電流密度が１ｍＡ／ｃｍ２となる耐圧であるリーク耐圧を示す。破線ＢＬは、絶縁膜１３０に負電荷が存在しない場合のリーク耐圧を示す。
【００７１】
第２評価試験によれば、絶縁膜１３０における負電荷の位置は、半導体層１１２との界面から５ｎｍ以下であれば、同等のリーク耐圧が得られることが分かる。このことから、絶縁膜１３０における負電荷は、半導体層１１２との界面に対して二次元的なシート状に分布している必要はなく、三次元的に分布していてもよい。また、第２評価試験によれば、絶縁膜１３０における負の電荷密度の絶対値が大きいほど、リーク耐圧が高くなる、すなわち、逆方向リーク電流が抑制されることが分かる。具体的には、絶縁層１３２における負の電荷密度の絶対値は、１×１０１２ｃｍ−２以上が好ましく、５×１０１２ｃｍ−２以上がいっそう好ましく、１×１０１３ｃｍ−２以上がさらに好ましい。
【００７２】
Ａ−５．第３評価試験
図６は、負電荷を帯びた絶縁層が逆方向リーク特性に及ぼす影響を評価した評価結果を示すグラフである。第３評価試験では、試験者は、評価対象である半導体装置として試料Ｅ１、試料Ｃ１および試料Ｃ２を作成し、各試料について逆方向リーク特性を評価した。試験者は、逆方向電圧を印加した場合における各試料の逆方向電流密度を測定することによって、逆方向リーク特性を評価した。図６の横軸は、逆方向電圧を示し、図６の縦軸は、逆方向電流密度を示す。
【００７３】
試料Ｅ１は、第１実施形態の半導体装置１００と同様の半導体装置である。試料Ｃ１は、オゾン（Ｏ３）を酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって絶縁層１３３を形成した点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様の半導体装置である。試料Ｃ２は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る厚さ６００ｎｍの絶縁層１３４のみで絶縁膜１３０を構成した点を除き、第１実施形態の半導体装置１００と同様の半導体装置である。
【００７４】
図６に示すように、試料Ｅ１の逆方向電流密度は、１００Ｖ（ボルト）以上の逆方向電圧に対する試料Ｃ１，Ｃ２の逆方向電流密度より低い。この結果は、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成される絶縁層１３１に発生する負電荷に起因すると考えられる。絶縁層１３１に発生する負電荷によって、半導体層１１２の＋Ｚ軸方向側の表面において空乏化が促進されるため、半導体層１１２の表面に発生する電界集中が緩和される。これによって、逆方向電流密度が低下する。すなわち、逆方向リーク電流が抑制される。
【００７５】
Ａ−６．効果
以上説明した第１実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層１３１に発生する負電荷によって半導体層１１２の表面を空乏化させることができる。そのため、半導体層１１２の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層１３１が半導体層１１２から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層１３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層１１２の表面を空乏化させることができる。
【００７６】
Ａ−７．変形例
第１実施形態の変形例では、絶縁層１３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層１３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【００７７】
第１実施形態の他の変形例では、絶縁膜１３０において、絶縁層１３１，１３２の比誘電率は、６以上であり、その絶縁層は、アルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）の少なくとも１つの化合物を含有する層であればよい。このような形態によれば、比較的に高い結晶性を有する絶縁層１３１を容易に実現できる。
【００７８】
第１実施形態の他の変形例では、絶縁膜１３０において、絶縁層１３１，１３２は、酸化物から主に成り、具体的には、その絶縁層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）の少なくとも１つから主に成る層であればよい。このような形態によれば、窒化物およびケイ化物と比較して、比較的に高い結晶性を有する絶縁層１３１を容易に実現できる。
【００７９】
Ｂ．第２実施形態
図７は、第２実施形態における半導体装置２００の構成を模式的に示す断面図である。図７には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置２００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２００は、縦型ｐｎ接合ダイオードである。本実施形態では、半導体装置２００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２００は、基板２１０と、半導体層２１２と、半導体層２１３と、絶縁膜２３０と、アノード電極２５０と、フィールドプレート電極２６０と、カソード電極２７０とを備える。
【００８０】
半導体装置２００の基板２１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板２１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、基板２１０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。
【００８１】
半導体装置２００の半導体層２１２は、基板２１０の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるｎ型半導体層である。本実施形態では、半導体層２１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層２１２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、半導体層２１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【００８２】
半導体装置２００の半導体層２１３は、半導体層２１２の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるｐ型半導体層である。本実施形態では、半導体層２１３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層２１３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、半導体層２１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【００８３】
本実施形態では、半導体層２１３は、キャリア濃度が異なる２つの半導体層２１４，２１５を備える。半導体層２１４は、半導体層２１２の＋Ｚ軸方向側に積層され、半導体層２１５は、半導体層２１４の＋Ｚ軸方向側に積層されている。他の実施形態では、半導体層２１３は、単層であってもよいし、３層以上の半導体層によって構成されてもよい。
【００８４】
半導体装置２００には、半導体層２１３の＋Ｚ軸方向側から半導体層２１２の内部へと厚み方向（Ｚ軸方向）に落ち込んだ段差部２２８が形成されている。段差部２２８は、半導体装置２００を他の半導体装置から分離する素子分離構造（トレンチアイソレーション構造）である。本実施形態では、段差部２２８は、基板２１０の上に形成された半導体層２１２，２１３の一部をドライエッチングによって除去した構造である。
【００８５】
半導体層２１２と半導体層２１３との間には、ｐｎ接合部２１６が形成されている。ｐｎ接合部２１６は、ｎ型半導体である半導体層２１２とｐ型半導体である半導体層２１３とが接合する界面である。ｐｎ接合部２１６は、段差部２２８に露出した端部２１６ｅを有する。
【００８６】
半導体装置２００の絶縁膜２３０は、電気絶縁性を有し、段差部２２８から半導体層２１３の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜２３０は、半導体層２１２，２１３の表面を保護する保護膜であり、半導体層２１２，２１３の表面を被覆する。絶縁膜２３０は、絶縁層２３３と、絶縁層２３４とを含む。
【００８７】
絶縁膜２３０の絶縁層２３３は、段差部２２８から半導体層２１３の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成され、ｐｎ接合部２１６の端部２１６ｅに隣接する。本実施形態では、絶縁層２３３の厚みは、約１００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層２３３は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成る。
【００８８】
絶縁層２３３は、第１実施形態の絶縁層１３３と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって成膜され、絶縁層２３１と絶縁層２３２とを含む。絶縁層２３１は、ｐｎ接合部２１６の端部２１６ｅに隣接する第１の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３１と同様である。絶縁層２３２は、絶縁層２３１の上に形成され、絶縁層２３１と同種材料から成る第２の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３２と同様である。第１実施形態と同様に、絶縁層２３１の結晶性は、絶縁層２３２より高い。
【００８９】
絶縁膜２３０の絶縁層２３４は、絶縁層２３３の上に形成され、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。本実施形態では、絶縁層２３４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、絶縁層２３４の厚みは、約５００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層２３４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ)によって成膜された絶縁層である。
【００９０】
絶縁膜２３０には、絶縁膜２３０を貫通し半導体層２１３の＋Ｚ軸方向側の表面に至る開口部２３８が形成されている。開口部２３８は、半導体層２１３が露出するまで絶縁膜２３０の一部を半導体層２１３の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【００９１】
半導体装置２００のアノード電極２５０は、導電性材料から成り、半導体層２１３の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。アノード電極２５０は、絶縁膜２３０の開口部２３８の内側に位置する。本実施形態では、アノード電極２５０は、電子ビーム蒸着によってニッケル（Ｎｉ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【００９２】
半導体装置２００のフィールドプレート電極２６０は、導電性材料から成り、アノード電極２５０の上を含む絶縁膜２３０の開口部２３８の内側から、絶縁膜２３０の上に広がる電極である。これによって、フィールドプレート電極２６０は、段差部２２８においてｐｎ接合部２１６の端部２１６ｅとの間に絶縁膜２３０を挟むフィールドプレート構造を構成する。本実施形態では、フィールドプレート電極２６０は、電子ビーム蒸着によって形成され、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る。
【００９３】
半導体装置２００のカソード電極２７０は、導電性材料から成り、基板２１０の−Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、カソード電極２７０は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【００９４】
以上説明した第２実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層２３１に発生する負電荷によって半導体層２１２の表面を空乏化させることができる。そのため、ｐｎ接合部２１６の端部２１６ｅの近傍における半導体層２１２の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層２３１が半導体層２１２から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層２３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層２１２の表面を空乏化させることができる。
【００９５】
第２実施形態の半導体装置２００は、第１実施形態と同様の変形例を適用可能である。例えば、絶縁層２３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層２３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【００９６】
Ｃ．第３実施形態
図８は、第３実施形態における半導体装置３００の構成を模式的に示す断面図である。図８には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置３００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３００は、プレーナ型ｐｎ接合ダイオードである。本実施形態では、半導体装置３００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３００は、基板３１０と、半導体層３１２と、半導体層３１３と、絶縁膜３３０と、アノード電極３５０と、フィールドプレート電極３６０と、カソード電極３７０とを備える。
【００９７】
半導体装置３００の基板３１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板３１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、基板３１０は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有するｐ型半導体である。
【００９８】
半導体装置３００の半導体層３１２は、基板３１０の＋Ｚ軸方向側の一部に対してイオン注入を行うことによって形成されたｎ型半導体である。本実施形態では、半導体層３１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層３１２は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。
【００９９】
半導体装置３００の半導体層３１３は、半導体層３１２の＋Ｚ軸方向側の一部に対してイオン注入を行うことによって形成されたｐ型半導体である。本実施形態では、半導体層３１３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層３１３は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有するｐ型半導体である。
【０１００】
基板３１０と半導体層３１２との間には、ｐｎ接合部３１６が形成されている。ｐｎ接合部３１６は、ｐ型半導体である基板３１０とｎ型半導体である半導体層３１２とが接合する界面である。ｐｎ接合部３１６は、＋Ｚ軸方向側に露出した端部３１６ｅを有する。
【０１０１】
半導体層３１２と半導体層３１３との間には、ｐｎ接合部３１７が形成されている。ｐｎ接合部３１７は、ｎ型半導体である半導体層３１２とｐ型半導体である半導体層３１３とが接合する界面である。ｐｎ接合部３１７は、＋Ｚ軸方向側に露出した端部３１７ｅを有する。
【０１０２】
半導体装置３００の絶縁膜３３０は、電気絶縁性を有し、基板３１０および半導体層３１２，３１３の各半導体における＋Ｚ軸方向側の表面に形成された膜である。絶縁膜３３０は、基板３１０の表面、半導体層３１２，３１３の表面、ｐｎ接合部３１６の端部３１６ｅ、並びにｐｎ接合部３１７の端部３１７ｅを保護する保護膜であり、基板３１０および半導体層３１２，３１３の各表面を被覆する。絶縁膜３３０は、絶縁層３３３と、絶縁層３３４とを含む。
【０１０３】
絶縁膜３３０の絶縁層３３３は、基板３１０および半導体層３１２，３１３における＋Ｚ軸方向側の各表面に形成され、ｐｎ接合部３１６の端部３１６ｅおよびｐｎ接合部３１７の端部３１７ｅに隣接する。本実施形態では、絶縁層３３３の厚みは、約１００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層３３３は、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物である酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から主に成る。
【０１０４】
絶縁層３３３は、第１実施形態の絶縁層１３３と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって成膜され、絶縁層３３１と絶縁層３３２とを含む。絶縁層３３１は、ｐｎ接合部３１６の端部３１６ｅおよびｐｎ接合部３１７の端部３１７ｅに隣接する第１の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３１と同様である。絶縁層３３２は、絶縁層３３１の上に形成され、絶縁層３３１と同種材料から成る第２の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３２と同様である。第１実施形態と同様に、絶縁層３３１の結晶性は、絶縁層３３２より高い。
【０１０５】
絶縁膜３３０の絶縁層３３４は、絶縁層３３３の上に形成され、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。本実施形態では、絶縁層３３４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、絶縁層３３４の厚みは、約５００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層３３４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ)によって成膜された絶縁層である。
【０１０６】
絶縁膜３３０には、絶縁膜３３０を貫通し半導体層３１３の＋Ｚ軸方向側の表面に至る開口部３３８が形成されている。開口部３３８は、半導体層３１３が露出するまで絶縁膜３３０の一部を半導体層３１３の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【０１０７】
絶縁膜３３０には、絶縁膜３３０を貫通し半導体層３１２の＋Ｚ軸方向側の表面に至る開口部３３９が形成されている。開口部３３９は、半導体層３１２が露出するまで絶縁膜３３０の一部を半導体層３１２の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【０１０８】
半導体装置３００のアノード電極３５０は、導電性材料から成り、半導体層３１３の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。アノード電極３５０は、絶縁膜３３０の開口部３３８の内側に位置する。本実施形態では、アノード電極３５０は、電子ビーム蒸着によってニッケル（Ｎｉ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１０９】
半導体装置３００のフィールドプレート電極３６０は、導電性材料から成り、アノード電極３５０の上を含む絶縁膜３３０の開口部３３８の内側から、絶縁膜３３０の上に広がる電極である。これによって、フィールドプレート電極３６０は、ｐｎ接合部３１６の端部３１６ｅおよびｐｎ接合部３１７の端部３１７ｅとの間に絶縁膜３３０を挟むフィールドプレート構造を構成する。本実施形態では、フィールドプレート電極３６０は、電子ビーム蒸着によって形成され、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る電極である。
【０１１０】
半導体装置３００のカソード電極３７０は、導電性材料から成り、絶縁膜３３０の開口部３３９の内側において半導体層３１２の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、カソード電極３７０は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１１１】
以上説明した第３実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層３３１に発生する負電荷によって半導体層３１２の表面を空乏化させることができる。そのため、ｐｎ接合部３１７の端部３１７ｅの近傍における半導体層３１２の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層３３１が半導体層３１２から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層３３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層３１２の表面を空乏化させることができる。
【０１１２】
第３実施形態の半導体装置３００は、第１実施形態と同様の変形例を適用可能である。例えば、絶縁層３３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層３３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【０１１３】
Ｄ．第４実施形態
図９は、第４実施形態における半導体装置４００の構成を模式的に示す断面図である。図９には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置４００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４００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４００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４００は、基板４１０と、半導体層４１２と、半導体層４１３と、半導体層４１４と、絶縁膜４３０と、ソース電極４４１と、ゲート電極４４２と、ドレイン電極４４３と、ボディ電極４４４と、ゲート絶縁膜４５０とを備える。
【０１１４】
半導体装置４００の基板４１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板４１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、基板４１０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。
【０１１５】
半導体装置４００の半導体層４１２は、基板４１０の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるｎ型半導体層である。本実施形態では、半導体層４１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層４１２は、基板４１０より低い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、半導体層４１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１１６】
半導体装置４００の半導体層４１３は、半導体層４１２の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるｐ型半導体層である。本実施形態では、半導体層４１３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層４１３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、半導体層４１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１１７】
半導体装置４００の半導体層４１４は、半導体層４１３の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるｎ型半導体層である。本実施形態では、半導体層４１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層４１４は、半導体層４１２より高い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有する。本実施形態では、半導体層４１４は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１１８】
半導体装置４００には、半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側から半導体層４１３を貫通して半導体層４１２の内部へと厚み方向（Ｚ軸方向）に落ち込んだ段差部４２８が形成されている。段差部４２８は、半導体装置４００を他の半導体装置から分離する素子分離構造（トレンチアイソレーション構造）である。本実施形態では、段差部４２８は、基板４１０の上に形成された半導体層４１２，４１３，４１４の一部をドライエッチングによって除去した構造である。
【０１１９】
半導体層４１２と半導体層４１３との間には、ｐｎ接合部４１６が形成されている。ｐｎ接合部４１６は、ｎ型半導体である半導体層４１２とｐ型半導体である半導体層４１３とが接合する界面である。ｐｎ接合部４１６は、段差部４２８に露出した端部４１６ｅを有する。
【０１２０】
半導体装置４００の絶縁膜４３０は、電気絶縁性を有し、段差部４２８から半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜４３０は、半導体層４１２，４１３，４１４の表面を保護する保護膜であり、半導体層４１２，４１３，４１４の表面を被覆する。絶縁膜４３０は、絶縁層４３３と、絶縁層４３４とを含む。
【０１２１】
絶縁膜４３０の絶縁層４３３は、段差部４２８から半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成され、ｐｎ接合部４１６の端部４１６ｅに隣接する。本実施形態では、絶縁層４３３の厚みは、約１００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層４３３は、ジルコニウム（Ｚｒ）の酸化物である酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から主に成る。
【０１２２】
絶縁層４３３は、第１実施形態の絶縁層１３３と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって成膜され、絶縁層４３１と絶縁層４３２とを含む。絶縁層４３１は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から主に成るとともにｐｎ接合部４１６の端部４１６ｅに隣接する第１の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３１と同様である。絶縁層４３２は、絶縁層４３１の上に形成され、絶縁層４３１と同種材料から成る第２の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３２と同様である。第１実施形態と同様に、絶縁層４３１の結晶性は、絶縁層４３２より高い。
【０１２３】
絶縁膜４３０の絶縁層４３４は、絶縁層４３３の上に形成され、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。本実施形態では、絶縁層４３４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、絶縁層４３４の厚みは、約９００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層４３４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ)によって成膜された絶縁層である。
【０１２４】
絶縁膜４３０には、絶縁膜４３０を貫通し半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側の表面に至る開口部４３８が形成されている。開口部４３８は、半導体層４１４が露出するまで絶縁膜４３０の一部を半導体層４１４の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【０１２５】
半導体装置４００のソース電極４４１は、導電性材料から成り、開口部４３８の内側において半導体層４１４の−Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ソース電極４４１は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１２６】
半導体装置４００には、開口部４３８の内側におけるソース電極４４１より内側にトレンチ４２２が形成されている。トレンチ４２２は、半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側から半導体層４１３を貫通して半導体層４１２の内部へと厚み方向（Ｚ軸方向）に落ち込んだ溝部である。本実施形態では、トレンチ４２２は、基板４１０の上に形成された半導体層４１２，４１３，４１４の一部をドライエッチングによって除去した構造である。
【０１２７】
半導体装置４００のゲート絶縁膜４５０は、電気絶縁性を有し、開口部４３８の内側においてトレンチ４２２から半導体層４１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。本実施形態では、ゲート絶縁膜４５０は、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成され、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。
【０１２８】
半導体装置４００のゲート電極４４２は、ゲート絶縁膜４５０を介してトレンチ４２２に形成された電極である。ゲート電極４４２に電圧が印加された場合、半導体層４１３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４４１とドレイン電極４４３との間に導通経路が形成される。本実施形態では、ゲート電極４４２は、電子ビーム蒸着によって形成され、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る。
【０１２９】
半導体装置４００のドレイン電極４４３は、導電性材料から成り、基板４１０の−Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ドレイン電極４４３は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１３０】
半導体装置４００には、段差部４２８と開口部４３８との間にリセス４２４が形成されている。リセス４２４は、絶縁膜４３０および半導体層４１４を貫通して半導体層４１３に至るまで落ち込んだ凹部である。本実施形態では、リセス４２４は、絶縁膜４３０、半導体層４１４および半導体層４１３の一部をエッチングによって除去した構造である。
【０１３１】
半導体装置４００のボディ電極４４４は、リセス４２４に形成され、半導体層４１３にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ボディ電極４４４は、電子ビーム蒸着によってパラジウム（Ｐｄ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１３２】
以上説明した第４実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層４３１に発生する負電荷によって半導体層４１２の表面を空乏化させることができる。そのため、ｐｎ接合部４１６の端部４１６ｅの近傍における半導体層４１２の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層４３１が半導体層４１２から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層４３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層４１２の表面を空乏化させることができる。
【０１３３】
第４実施形態の半導体装置４００は、第１実施形態と同様の変形例を適用可能である。例えば、絶縁層４３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層４３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【０１３４】
Ｅ．第５実施形態
図１０は、第５実施形態における半導体装置５００の構成を模式的に示す断面図である。図１０には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置５００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５００は、リセス構造を有する横型ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置５００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５００は、基板５１０と、半導体層５１２と、半導体層５１３と、半導体層５１４と、絶縁膜５３０と、ソース電極５４１と、ゲート電極５４２と、ドレイン電極５４３と、絶縁膜５５０とを備える。
【０１３５】
半導体装置５００の基板５１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板５１０は、ケイ素（Ｓｉ）から主に成る。
【０１３６】
半導体装置５００の半導体層５１２は、基板５１０の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるバッファ層である。本実施形態では、半導体層５１２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から主に成る比較的に薄いアンドープ層の上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る比較的に厚いアンドープ層を積層した多層構造を有する。本実施形態では、半導体層５１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１３７】
半導体装置５００の半導体層５１３は、半導体層５１２の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がるキャリア走行層である。本実施形態では、半導体層５１３は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るアンドープ層である。本実施形態では、半導体層５１３は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１３８】
半導体装置５００の半導体層５１４は、半導体層５１３の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる障壁層である。本実施形態では、半導体層５１４は、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ）から主に成るアンドープ層である。半導体層５１４は、キャリア走行層である半導体層５１３より広い禁制帯幅を有し、半導体層５１３に対してキャリアを供給する。半導体層５１３と半導体層５１４とのヘテロ接合界面５１６には、正の分極電荷の影響によって、半導体層５１３側に二次元ガスが発生する。本実施形態では、半導体層５１４は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって形成された半導体層である。
【０１３９】
半導体層５１４の材質は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）に限らず、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、窒化アルミニウムインジウムガリウム（ＡｌＧａＩｎＮ）など他の窒化物であってもよい。半導体層５１４は、アンドープ層に限らず、ドーピング層であってもよい。半導体層５１４は、単層に限らず、材質およびドーピング濃度の少なくとも一方が異なる複数の半導体層から成る半導体層であってもよく、例えば、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮなどの多層構造を有してもよい。他の実施形態では、半導体層５１３および半導体層５１４の上に、他の障壁層および他のキャリア走行層から成る構造が形成されていてもよい。
【０１４０】
半導体装置５００には、半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側から半導体層５１３の内部へと厚み方向（Ｚ軸方向）に落ち込んだ段差部５２８が形成されている。段差部５２８は、半導体装置５００を他の半導体装置から分離する素子分離構造（トレンチアイソレーション構造）である。段差部５２８には、ヘテロ接合界面５１６の端部５１６ｅが露出する。本実施形態では、段差部５２８は、基板５１０の上に形成された半導体層５１３，５１４の一部をドライエッチングによって除去した構造である。
【０１４１】
半導体装置５００の絶縁膜５３０は、電気絶縁性を有し、段差部５２８から半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜５３０は、半導体層５１３，５１４の表面を保護する保護膜であり、半導体層５１３，５１４の表面を被覆する。絶縁膜５３０は、絶縁層５３３と、絶縁層５３４とを含む。
【０１４２】
絶縁膜５３０の絶縁層５３３は、段差部５２８から半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成され、ヘテロ接合界面５１６の端部５１６ｅに隣接する。本実施形態では、絶縁層５３３の厚みは、約１００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層５３３は、ハフニウム（Ｈｆ）の酸化物である酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）から主に成る。
【０１４３】
絶縁層５３３は、第１実施形態の絶縁層１３３と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって成膜され、絶縁層５３１と絶縁層５３２とを含む。絶縁層５３１は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）から主に成るとともにヘテロ接合界面５１６の端部５１６ｅに隣接する第１の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３１と同様である。絶縁層５３２は、絶縁層５３１の上に形成され、絶縁層５３１と同種材料から成る第２の絶縁層である点を除き、第１実施形態の絶縁層１３２と同様である。第１実施形態と同様に、絶縁層５３１の結晶性は、絶縁層５３２より高い。
【０１４４】
絶縁膜５３０の絶縁層５３４は、絶縁層５３３の上に形成され、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。本実施形態では、絶縁層５３４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。本実施形態では、絶縁層５３４の厚みは、約９００ｎｍである。本実施形態では、絶縁層５３４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ)によって成膜された絶縁層である。
【０１４５】
絶縁膜５３０には、絶縁膜５３０を貫通し半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側の表面に至る開口部５３８が形成されている。開口部５３８は、半導体層５１４が露出するまで絶縁膜５３０の一部を半導体層５１４の上からウエットエッチングによって除去した構造である。
【０１４６】
半導体装置５００のソース電極５４１は、導電性材料から成り、開口部５３８の内側において半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ソース電極５４１は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１４７】
半導体装置５００には、開口部５３８の内側におけるソース電極５４１より内側にリセス５２２が形成されている。リセス５２２は、半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側から半導体層４１３の内部へと厚み方向（Ｚ軸方向）に落ち込んだ凹部である。リセス５２２の深さは、ゲート電極５４２にゲート電圧が印加されていない状態で、ソース電極５４１とゲート電極５４２との間の二次元電子ガスと、ゲート電極５４２とドレイン電極５４３との間の二次元電子ガスとが十分に分離されるように、設定されている。これによって、ゲート電極５４２にゲート電圧が印加されていない状態でソース電極５４１とドレイン電極５４３との間を流れる電流を抑制するノーマリーオフが実現される。本実施形態では、リセス５２２は、基板５１０の上に形成された半導体層５１３，５１４の一部をドライエッチングによって除去した構造である。
【０１４８】
半導体装置５００のドレイン電極５４３は、導電性材料から成り、開口部５３８の内側においてリセス５２２およびゲート電極５４２を挟んでソース電極５４１とは反対側に位置し、半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ドレイン電極５４３は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１４９】
半導体装置５００の絶縁膜５５０は、電気絶縁性を有し、リセス５２２から半導体層５１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜５５０は、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成され、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。
【０１５０】
半導体装置５００のゲート電極５４２は、絶縁膜５５０を介してリセス５２２に形成された電極である。本実施形態では、ゲート電極５４２は、電子ビーム蒸着によって形成され、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る。
【０１５１】
以上説明した第５実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層５３１に発生する負電荷によって半導体層５１３の表面を空乏化させることができる。そのため、ヘテロ接合界面５１６の端部５１６ｅの近傍における半導体層５１３の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層５３１が半導体層５１３から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層５３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層５１３の表面を空乏化させることができる。
【０１５２】
第５実施形態の半導体装置５００は、第１実施形態と同様の変形例を適用可能である。例えば、絶縁層５３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層５３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【０１５３】
Ｆ．第６実施形態
図１１は、第６実施形態における半導体装置６００の構成を模式的に示す断面図である。図１１には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置６００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６００は、横型ＨＦＥＴ（Heterostructure Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置６００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６００は、基板６１０と、半導体層６１２と、半導体層６１３と、半導体層６１４と、絶縁膜６３０と、ソース電極６４１と、ゲート電極６４２と、ドレイン電極６４３と、絶縁膜６５０とを備える。
【０１５４】
半導体装置６００の基板６１０は、第５実施形態の基板５１０と同様である。半導体装置６００の半導体層６１３，６１４は、リセス５２２が形成されていない点を除き、第５実施形態の半導体層５１３，５１４と同様である。半導体層６１３と半導体層６１４との間には、ヘテロ接合界面６１６が形成される。半導体装置６００には、第５実施形態の段差部５２８と同様に段差部６２８が形成されている。段差部６２８には、ヘテロ接合界面６１６の端部６１６ｅが露出する。
【０１５５】
半導体装置６００の絶縁膜６３０は、第５実施形態の絶縁膜５３０と同様であり、絶縁層６３３と、絶縁層６３４とを含む。絶縁膜６３０の絶縁層６３３は、第５実施形態の絶縁層５３３と同様に、酸素（Ｏ２）プラズマを酸素原料として用いた原子層堆積法（ＡＬＤ）によって成膜され、絶縁層６３１と絶縁層６３２とを含む。絶縁層６３１は、ヘテロ接合界面６１６の端部６１６ｅに隣接する第１の絶縁層である点を除き、第５実施形態の絶縁層５３１と同様である。絶縁層６３２は、絶縁層６３１の上に形成され、絶縁層６３１と同種材料から成る第２の絶縁層である点を除き、第５実施形態の絶縁層５３２と同様である。第５実施形態と同様に、絶縁層６３１の結晶性は、絶縁層６３２より高い。絶縁膜６３０の絶縁層６３４は、第５実施形態の絶縁層５３４と同様に、非晶質から主に成る他の絶縁膜である。絶縁膜６３０には、第５実施形態の開口部５３８と同様に開口部６３８が形成されている。
【０１５６】
半導体装置６００のソース電極６４１は、第５実施形態のソース電極５４１と同様である。ソース電極６４１は、開口部６３８の内側において半導体層６１４の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。
【０１５７】
半導体装置６００のドレイン電極６４３は、第５実施形態のドレイン電極５４３と同様である。ドレイン電極６４３は、開口部６３８の内側においてゲート電極６４２を挟んでソース電極６４１とは反対側に位置し、半導体層６１４の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。
【０１５８】
半導体装置６００のゲート電極６４２は、開口部６３８の内側においてソース電極６４１とドレイン電極６４３との間に位置し、半導体層６１４の＋Ｚ軸方向側にオーミック接合されたオーミック電極である。本実施形態では、ゲート電極６４２は、電子ビーム蒸着によってチタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。
【０１５９】
半導体装置６００の絶縁膜６５０は、電気絶縁性を有し、開口部６３８の内側における半導体層６１４の＋Ｚ軸方向側の表面にわたって形成された膜である。絶縁膜６５０は、ソース電極６４１とゲート電極６４２との間、並びに、ゲート電極６４２とドレイン電極６４３との間に形成されている。本実施形態では、絶縁膜６５０は、原子層堆積法（ＡＬＤ）によって形成され、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）から主に成る。
【０１６０】
以上説明した第６実施形態によれば、結晶化に伴って絶縁層６３１に発生する負電荷によって半導体層６１３の表面を空乏化させることができる。そのため、ヘテロ接合界面６１６の端部６１６ｅの近傍における半導体層６１３の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。また、絶縁層６３１が半導体層６１３から５ｎｍ以内の範囲に形成されているため、逆方向リーク電流を効果的に抑制できる。また、絶縁層６３１に帯びている負電荷が固定電荷であるため、界面準位による負電荷と異なり、電圧印加に対して遅れることなく半導体層６１３の表面を空乏化させることができる。
【０１６１】
第６実施形態の半導体装置６００は、第１実施形態と同様の変形例を適用可能である。例えば、絶縁層６３４は、複数の絶縁層を含む多層構造であってもよい。また、多層構造の絶縁層６３４を構成する少なくとも１つの絶縁層は、負電荷を帯びた絶縁層であってもよい。
【０１６２】
Ｇ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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。
【０１６３】
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半導体装置に限らず、電界集中が発生する部位の上に絶縁膜を備える半導体装置であればよく、例えば、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）および絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などであってもよい。
【０１６４】
上述の実施形態において、基板の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのいずれであってもよい。上述の実施形態において、各半導体層の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、III-Ｖ族化合物（例えば、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）など）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、ワイドバンドギャップ半導体（例えば、ダイヤモンド）などのいずれであってもよい。
【０１６５】
上述の実施形態において、ｎ型半導体層に含まれるドナー元素は、ケイ素（Ｓｉ）に限らず、ゲルマニウム（Ｇｅ）、酸素（Ｏ）などであってもよい。
【０１６６】
上述の実施形態において、ｐ型半導体層に含まれるアクセプタ元素は、マグネシウム（Ｍｇ）に限らず、亜鉛（Ｚｎ）、炭素（Ｃ）などであってもよい。
【０１６７】
上述の実施形態において、絶縁膜は、少なくとも第１の絶縁層（例えば、絶縁層１３１，２３１など）と第２の絶縁層（例えば、絶縁層１３２，２３２など）とを含めばよく、更に他の絶縁層を含んでもよい。上述の実施形態において、第１および第２の絶縁層の材質は、上述した材質に限らず、結晶化しやすい高比誘電率（例えば６以上）の材質であればよい。第１および第２の絶縁層の材質は、酸化物に限らず、窒化物およびケイ化物（例えば、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯＮ）、酸窒化ハフニウムシリコン（ＨｆＳｉＯＮ）など）であってもよい。ただし、第１および第２の絶縁層の材質には、結晶化しやすい観点から酸化物が好ましい。
【符号の説明】
【０１６８】
１００…半導体装置
１１０…基板
１１２…半導体層
１３０…絶縁膜
１３１…絶縁層（第１の絶縁層）
１３２…絶縁層（第２の絶縁層）
１３３…絶縁層
１３４…絶縁層
１３８…開口部
１５０…ショットキー電極
１６０…パッド電極
１７０…カソード電極
２００…半導体装置
２１０…基板
２１２，２１３，２１４，２１５…半導体層
２１６…ｐｎ接合部
２１６ｅ…端部
２２８…段差部
２３０…絶縁膜
２３１…絶縁層（第１の絶縁層）
２３２…絶縁層（第２の絶縁層）
２３３…絶縁層
２３４…絶縁層
２３８…開口部
２５０…アノード電極
２６０…フィールドプレート電極
２７０…カソード電極
３００…半導体装置
３１０…基板
３１２，３１３…半導体層
３１６…ｐｎ接合部
３１６ｅ…端部
３１７…ｐｎ接合部
３１７ｅ…端部
３３０…絶縁膜
３３１…絶縁層（第１の絶縁層）
３３２…絶縁層（第２の絶縁層）
３３３…絶縁層
３３４…絶縁層
３３８，３３９…開口部
３５０…アノード電極
３６０…フィールドプレート電極
３７０…カソード電極
４００…半導体装置
４１０…基板
４１２，４１３，４１４…半導体層
４１６…ｐｎ接合部
４１６ｅ…端部
４２２…トレンチ
４２４…リセス
４２８…段差部
４３０…絶縁膜
４３１…絶縁層（第１の絶縁層）
４３２…絶縁層（第２の絶縁層）
４３３…絶縁層
４３４…絶縁層
４３８…開口部
４４１…ソース電極
４４２…ゲート電極
４４３…ドレイン電極
４４４…ボディ電極
４５０…ゲート絶縁膜
５００…半導体装置
５１０…基板
５１２，５１３，５１４…半導体層
５１６…ヘテロ接合界面
５１６ｅ…端部
５２２…リセス
５２８…段差部
５３０…絶縁膜
５３１…絶縁層（第１の絶縁層）
５３２…絶縁層（第２の絶縁層）
５３３…絶縁層
５３４…絶縁層
５３８…開口部
５４１…ソース電極
５４２…ゲート電極
５４３…ドレイン電極
５５０…絶縁膜
６００…半導体装置
６１０…基板
６１２，６１３，６１４…半導体層
６１６…ヘテロ接合界面
６１６ｅ…端部
６２８…段差部
６３０…絶縁膜
６３１…絶縁層（第１の絶縁層）
６３２…絶縁層（第２の絶縁層）
６３３…絶縁層
６３４…絶縁層
６３８…開口部
６４１…ソース電極
６４２…ゲート電極
６４３…ドレイン電極
６５０…絶縁膜
【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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