半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体装置。该半导体装置即使对栅极电极层反复施加晶体管动作时的栅极电压，也不会发生阈值电压的漂移。在具备层叠于半导体层的一侧的面的栅极绝缘膜、和层叠在栅极绝缘膜上，用于经由该栅极绝缘膜向半导体层施加用于形成沟道的电压的栅极电极层的半导体装置中，栅极绝缘膜具备层叠于半导体层的一侧的面的第一绝缘膜、和配置在第一绝缘膜与栅极电极层之间的第二绝缘膜，在将第一以及第二绝缘膜的相对介电常数设为ε1、ε2，将第一以及第二绝缘膜的膜厚设为d1[nm]、d2[nm]，将对栅极电极层能够施加的额定电压设为Vmax[V]时，构成为ε1<ε2，并且满足下式（C1）：公式1
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及半导体装置。
【背景技术】
[0002]半导体所使用的绝缘膜材料以漏电流的减少、电容(增益)的提高以及迁移率的改善为目的，使用层叠有由相对介电常数较低但能够降低界面态密度的二氧化硅(S12)等构成的第一层、和由相对介电常数较高的high-k材料(Hf、Zr等的氧化物、氮氧化物)构成的第二层的栅极绝缘膜(专利文献I~专利文献2)。在专利文献I~2的技术中，第一层被层叠在半导体层上，第二层被配置在第一层与栅极电极层之间。
[0003]专利文献1:日本特开2011-233695号公报
[0004]专利文献2:日本特开2007-311740号公报
[0005]但是，high-k材料在相对低温下容易结晶化，由于在制造工序的途中结晶化而容易在绝缘膜中形成载流子的俘获能级。另外，在是施加电压较高的电力用半导体器件等情况下，在对栅极绝缘膜施加了较高的电压使得在栅极绝缘膜下形成(积累电容)沟道时，在以往的技术中，半导体侧的栅极绝缘膜(第一层/下层)较薄，所以在下层的栅极绝缘膜中容易产生漏电流(隧穿电流)。因此，若在沟道的未充分地积累有载流子那样的低偏置点，产生上述的漏电流，则载流子经由下层的栅极绝缘膜向high-k绝缘膜(第二层/上层)流出，并在high-k绝缘膜的内部被俘获。其结果，阈值电压向施加的电压侧漂移。到被俘获的载流子被释放需要时间，所以产生在使电压施加返回到0V，再次施加电压时阈值电压仍保持漂移，即使施加相同的电压，沟道也不能积累，而电流减小的问题。特别是在电力转换用半导体装置(功率器件)中，与硅基的微细元件相比对栅极绝缘膜施加的电压高，所以该课题显著。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决上述的课题而完成的，能够作为以下的方式来实现。
[0007](I)根据本发明的一个方式，在具备层叠于半导体层的一侧的面的栅极绝缘膜、和层叠在上述栅极绝缘膜上，且用于经由该栅极绝缘膜对上述半导体层施加用于形成沟道的电压的栅极电极层的半导体装置中，上述栅极绝缘膜具备层叠于上述半导体层的一侧的面的第一绝缘膜、和配置在上述第一绝缘膜与上述栅极电极层之间的第二绝缘膜，在将上述第一以及第二绝缘膜的相对介电常数设为ε?、ε 2，将上述第一以及第二绝缘膜的膜厚设为dl[nm]、d2[nm],将对上述栅极电极层能够施加的额定电压设为Vmax[V]时,构成为ε 1< ε 2，并且满足下面的公式(Cl)。
[0008]公式I
rmfx <21 [MV/cm]...(Cl)
[0009]儿 ε?
UL ~\--.U 2
ε2
[0010]这里，所谓的额定电压是在栅极绝缘膜不发生击穿地使用的基础上能够对栅极电极层施加的最大的电压。在本方式中，通过以满足公式(Cl)的条件的方式来构成栅极绝缘膜，即使第二绝缘膜结晶化而在膜中形成载流子的俘获能级，在半导体装置动作时的施加电压下，在第一绝缘膜中也不会流过漏电流(隧穿电流)，能够在动作时在反复施加栅极电压的情况下不产生阈值电压漂移的问题。
[0011](2)在上述方式的半导体装置中，上述栅极绝缘膜满足公式(C2)。
[0012]公式2
【权利要求】
1.一种半导体装置，其中， 在具备层叠于半导体层的一侧的面的栅极绝缘膜、和层叠在所述栅极绝缘膜上，且用于经由该栅极绝缘膜向所述半导体层施加用于形成沟道的电压的栅极电极层的半导体装置中， 所述栅极绝缘膜具备层叠于所述半导体层的一侧的面的第一绝缘膜、和配置在所述第一绝缘膜与所述栅极电极层之间的第二绝缘膜，在将所述第一绝缘膜以及第二绝缘膜的相对介电常数设为ε?、ε2，将所述第一绝缘膜以及第二绝缘膜的膜厚设为dl[nm]、d2[nm]，将对所述栅极电极层能够施加的额定电压设为Vmax[V]时，构成为ε 1< ε 2，并且满足下式(Cl): 公式I
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述栅极绝缘膜满足下式(C2): 公式2
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述第一绝缘膜的膜厚dl是1nm以上。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 在将所述第一绝缘膜的击穿场强设为Elbd[MV/cm]时，所述栅极绝缘膜满足下式(C3): 公式3
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中， 所述击穿场强Elbd是10MV/cm。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述额定电压Vmax是1V以上。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述第一绝缘膜是主要包含Si的绝缘材料，所述第二绝缘膜是具有包含从Hf、Zr、Al中选择出的一种以上的氧化物或者氮氧化物的绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中， 所述第一绝缘膜是主要包含Al的绝缘材料，所述第二绝缘膜是具有包含从Hf、Zr中选择出的一种以上的氧化物或者氮氧化物的绝缘材料。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二绝缘膜层叠多层而构成。
10.根据权利 要求1所述的半导体装置，其中，所述半导体层包含III族氮化物半导体。
【文档编号】H01L29/51GK104078505SQ201410098589
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月17日 优先权日:2013年3月28日
【发明者】冈彻, 园山贵广 申请人:丰田合成株式会社