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JP7746914B2 - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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JP7746914B2 - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor device and method for manufacturing the same

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JP7746914B2 JP2022078160A JP2022078160A JP7746914B2 JP 7746914 B2 JP7746914 B2 JP 7746914B2 JP 2022078160 A JP2022078160 A JP 2022078160A JP 2022078160 A JP2022078160 A JP 2022078160A JP 7746914 B2 JP7746914 B2 JP 7746914B2
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Description

本明細書で開示する技術は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to semiconductor devices and methods for manufacturing semiconductor devices.

単結晶の窒化ガリウム上に、ゲート絶縁膜およびゲート電極を積層した構造が知られている。また、窒化ガリウム界面近傍におけるゲート絶縁膜の結晶性を、熱処理によって高める技術が知られている。界面およびゲート絶縁膜中における欠陥準位を低減できるため、チャネルを走行する伝導キャリアの捕獲・散乱による移動度の低下を抑制することが可能となる。なお、特許文献1には、関連する技術が開示されている。 A structure in which a gate insulating film and a gate electrode are stacked on single-crystal gallium nitride is known. A technology is also known in which the crystallinity of the gate insulating film near the gallium nitride interface is improved by heat treatment. This reduces defect levels at the interface and in the gate insulating film, making it possible to suppress a decrease in mobility due to the capture and scattering of conduction carriers traveling through the channel. Related technology is disclosed in Patent Document 1.

特許第6707995号明細書Patent No. 6707995 specification

結晶化が窒化ガリウム界面からゲート絶縁膜の上部に向かって進行すると、結晶粒界における欠陥や不純物の偏析により、ゲート絶縁膜のリーク電流の増加や耐圧の低下が生じてしまう。ゲート絶縁膜の信頼性を低下させるおそれがある。 When crystallization progresses from the gallium nitride interface toward the top of the gate insulating film, defects and impurity segregation at the grain boundaries can increase leakage current and reduce breakdown voltage in the gate insulating film, potentially reducing the reliability of the gate insulating film.

本明細書で開示する半導体装置の一実施形態は、単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置である。ゲート絶縁膜は、窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第1の絶縁膜の上面に配置されており、窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜を備える。ゲート絶縁膜は、第2の絶縁膜の上面に配置されており、第1の絶縁膜および第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜を備える。第1の絶縁膜の結晶性の方が第3の絶縁膜の結晶性よりも高い。 One embodiment of a semiconductor device disclosed herein is a semiconductor device having a gate insulating film disposed on single-crystal gallium nitride. The gate insulating film is disposed on the surface of the gallium nitride and includes a first insulating film having hexagonal symmetry crystallinity. The gate insulating film is disposed on the upper surface of the first insulating film and includes a second insulating film that functions to inhibit the propagation of gallium nitride crystal information. The gate insulating film is disposed on the upper surface of the second insulating film and includes a third insulating film that has a dielectric constant equal to or greater than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film. The crystallinity of the first insulating film is higher than that of the third insulating film.

上記実施形態の半導体装置では、第2の絶縁膜により、第1の絶縁膜から第3の絶縁膜への窒化ガリウム結晶情報の伝搬を阻害することができる。第1の絶縁膜の結晶性の方が第3の絶縁膜の結晶性よりも高い構造を形成することが可能となる。結晶性の高い第1の絶縁膜によって、界面および絶縁膜中における欠陥準位を低減できる。また結晶性の低い第3の絶縁膜によって、リーク電流の増加や耐圧の低下を抑制することができる。移動度の低下を抑制しながら、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることが可能となる。 In the semiconductor device of the above embodiment, the second insulating film can inhibit the propagation of gallium nitride crystal information from the first insulating film to the third insulating film. It is possible to form a structure in which the crystallinity of the first insulating film is higher than that of the third insulating film. The highly crystalline first insulating film can reduce defect levels at the interface and within the insulating film. Furthermore, the low-crystalline third insulating film can suppress an increase in leakage current and a decrease in breakdown voltage. It is possible to improve the reliability of the gate insulating film while suppressing a decrease in mobility.

第1の絶縁膜は、窒化ガリウムに配向して結晶化していてもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The first insulating film may be crystallized with a gallium nitride orientation. Details of this effect will be explained in the examples.

第1の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかであってもよい。 The first insulating film may be aluminum nitride, aluminum silicate, hafnium oxide, or aluminum oxide.

第2の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素であってもよい。 The second insulating film may be silicon oxide or silicon nitride.

第3の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムであってもよい。 The third insulating film may be aluminum silicate or hafnium silicate.

第1の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートであってもよい。 The first insulating film may be aluminum silicate, the second insulating film may be silicon oxide, and the third insulating film may be aluminum silicate.

第1の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートであってもよい。 The first insulating film may be aluminum nitride, the second insulating film may be silicon oxide, and the third insulating film may be aluminum silicate.

第1の絶縁膜の厚さは、3nm以上であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The thickness of the first insulating film may be 3 nm or more. Details of the effects will be explained in the examples.

第2の絶縁膜の厚さは、1nm以上であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。 The thickness of the second insulating film may be 1 nm or more. Details of the effects will be explained in the examples.

本明細書が開示する半導体装置の製造方法は、単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第1の絶縁膜の上面に、窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第2の絶縁膜の上面に、第1の絶縁膜および第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜を配置する工程を備える。製造方法は、第1の絶縁膜、第2の絶縁膜、第3の絶縁膜を備えた窒化ガリウムを熱処理する工程を備える。効果の詳細は実施例で説明する。 The method for manufacturing a semiconductor device disclosed in this specification includes the step of disposing a first insulating film having hexagonal symmetry crystallinity on the surface of single-crystal gallium nitride. The method also includes the step of disposing a second insulating film on the upper surface of the first insulating film, the second insulating film having the function of inhibiting the propagation of gallium nitride crystal information. The method also includes the step of disposing a third insulating film on the upper surface of the second insulating film, the third insulating film having a dielectric constant equal to or greater than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film. The method also includes the step of heat-treating the gallium nitride having the first insulating film, second insulating film, and third insulating film. Details of the effects will be explained in the examples.

半導体装置1の要部断面図を模式的に示す図である。1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device 1. FIG. 半導体装置1の製造方法を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a method for manufacturing the semiconductor device 1.

(半導体装置1の構造)
図1に、本実施例に係る半導体装置1の要部断面図を模式的に示す。半導体装置1は、横型のMOSFETの一実施形態である。半導体装置1は、半導体基板10、窒化物半導体20、絶縁膜28、ドレイン電極32、ソース電極34、ボディ電極36、ゲート絶縁膜40、ゲート電極44、を備える。
(Structure of Semiconductor Device 1)
1 is a schematic cross-sectional view of a main portion of a semiconductor device 1 according to this embodiment. The semiconductor device 1 is an embodiment of a lateral MOSFET. The semiconductor device 1 includes a semiconductor substrate 10, a nitride semiconductor 20, an insulating film 28, a drain electrode 32, a source electrode 34, a body electrode 36, a gate insulating film 40, and a gate electrode 44.

半導体基板10は、窒化物半導体20の下地基板であり、窒化物半導体20が結晶成長可能な組成の材料で構成されている。本実施例では、半導体基板10は、窒化ガリウム(GaN)の単結晶基板である。窒化物半導体20は、半導体基板10の表面上に設けられている。窒化物半導体20は、GaNの単結晶からなる。窒化物半導体20は、p型のボディ領域22、n型のドレイン領域25、n型のソース領域26を有している。 The semiconductor substrate 10 is a base substrate for the nitride semiconductor 20, and is made of a material having a composition that allows crystal growth of the nitride semiconductor 20. In this embodiment, the semiconductor substrate 10 is a single crystal substrate of gallium nitride (GaN). The nitride semiconductor 20 is provided on the surface of the semiconductor substrate 10. The nitride semiconductor 20 is made of single crystal GaN. The nitride semiconductor 20 has a p-type body region 22, an n + -type drain region 25, and an n + -type source region 26.

ボディ領域22は、GaNのエピ成長層であり、ドレイン領域25とソース領域26を隔てるように設けられている。ドレイン領域25は、ボディ領域22上に設けられており、窒化物半導体20の表層部の一部に設けられており、窒化物半導体20の表面に露出している。ドレイン領域25は、窒化物半導体20の表面上の一部に設けられているドレイン電極32にオーミック接触している。ソース領域26は、ボディ領域22上に設けられており、窒化物半導体20の表層部の一部に設けられており、窒化物半導体20の表面に露出している。ソース領域26は、窒化物半導体20の表面上の一部に設けられているソース電極34にオーミック接触している。ボディ領域22の一部は、窒化物半導体20の表面に露出している。露出しているボディ領域22は、窒化物半導体20の表面上の一部に設けられているボディ電極36にオーミック接触している。ドレイン電極32、ソース電極34、ボディ電極36は、絶縁膜28によって絶縁されている。 The body region 22 is a GaN epitaxially grown layer and is provided to separate the drain region 25 and the source region 26. The drain region 25 is provided on the body region 22, is provided in part of the surface layer of the nitride semiconductor 20, and is exposed at the surface of the nitride semiconductor 20. The drain region 25 is in ohmic contact with a drain electrode 32 provided on part of the surface of the nitride semiconductor 20. The source region 26 is provided on the body region 22, is provided in part of the surface layer of the nitride semiconductor 20, and is exposed at the surface of the nitride semiconductor 20. The source region 26 is in ohmic contact with a source electrode 34 provided on part of the surface of the nitride semiconductor 20. A part of the body region 22 is exposed at the surface of the nitride semiconductor 20. The exposed body region 22 is in ohmic contact with a body electrode 36 provided on part of the surface of the nitride semiconductor 20. The drain electrode 32, source electrode 34, and body electrode 36 are insulated by an insulating film 28.

ゲート絶縁膜40は、ドレイン領域25とソース領域26の間に位置するボディ領域22に対向するように、窒化物半導体20の表面上に設けられている。ゲート絶縁膜40は、窒化物半導体20(詳細にはボディ領域22)の表面に接している。ゲート絶縁膜40上には、ゲート電極44が配置されている。ゲート電極44は、ゲート絶縁膜40を介して、ドレイン領域25とソース領域26の間に位置するボディ領域22に対向している。ゲート電極44は、例えばアルミニウムである。 The gate insulating film 40 is provided on the surface of the nitride semiconductor 20 so as to face the body region 22 located between the drain region 25 and the source region 26. The gate insulating film 40 is in contact with the surface of the nitride semiconductor 20 (specifically, the body region 22). A gate electrode 44 is disposed on the gate insulating film 40. The gate electrode 44 faces the body region 22 located between the drain region 25 and the source region 26 via the gate insulating film 40. The gate electrode 44 is made of, for example, aluminum.

ゲート絶縁膜40は、第1絶縁膜41、第2絶縁膜42、第3絶縁膜43、を備えている。第1絶縁膜41は、窒化ガリウムの窒化物半導体20の表面に配置されている。第1絶縁膜41は、六回対称の結晶性を有する絶縁膜である。具体的には、第1絶縁膜41は、窒化アルミニウム(AlN)、アルミニウムシリケート(AlSiO)、酸化ハフニウム(HfO)、酸化アルミニウム(Al)、の何れかである。 The gate insulating film 40 includes a first insulating film 41, a second insulating film 42, and a third insulating film 43. The first insulating film 41 is disposed on the surface of the gallium nitride nitride semiconductor 20. The first insulating film 41 is an insulating film having hexagonal symmetry crystallinity. Specifically, the first insulating film 41 is any one of aluminum nitride (AlN), aluminum silicate (AlSiO), hafnium oxide (HfO), and aluminum oxide ( Al2O3 ).

第1絶縁膜41は、ゲート絶縁膜40のうち窒化ガリウムに接している部分であり、窒化ガリウムの結晶構造に倣った結晶構造を有している。なお、窒化ガリウムの結晶構造に倣った結晶構造とは、単結晶である窒化ガリウムの表面の原子配列に配向して再結晶化された結晶構造をいう。 The first insulating film 41 is the portion of the gate insulating film 40 that contacts the gallium nitride, and has a crystalline structure that mimics the crystalline structure of gallium nitride. Note that a crystalline structure that mimics the crystalline structure of gallium nitride refers to a crystalline structure that is recrystallized and oriented to the atomic arrangement on the surface of single-crystal gallium nitride.

第1絶縁膜41の厚さは、3nm以上であることが好ましい。これは、第1絶縁膜41と窒化ガリウムとの界面IFから第1絶縁膜41の3nm程度内側までの領域の膜質が、半導体装置の特性に影響すると考えられるためである。すなわち、第1絶縁膜41の界面IFから3nm程度内側までの領域の結晶性が低い場合には、界面IFおよび第1絶縁膜41中における欠陥準位によって、キャリアの移動度が低下してしまう。そこで第1絶縁膜41の厚さを3nm以上とするとともに、後述する熱処理によって第1絶縁膜41の結晶性を高めることで、移動度の低下を抑制することができる。 The thickness of the first insulating film 41 is preferably 3 nm or more. This is because it is believed that the film quality of the region extending from the interface IF between the first insulating film 41 and the gallium nitride to a depth of approximately 3 nm inside the first insulating film 41 affects the characteristics of the semiconductor device. In other words, if the crystallinity of the region extending from the interface IF of the first insulating film 41 to a depth of approximately 3 nm inside is low, the carrier mobility will decrease due to defect levels at the interface IF and in the first insulating film 41. Therefore, by making the thickness of the first insulating film 41 3 nm or more and increasing the crystallinity of the first insulating film 41 by heat treatment, which will be described later, it is possible to suppress the decrease in mobility.

本実施例では、第1絶縁膜41はアルミニウムシリケート(AlSiO)とした。ここで、シリコン原子とアルミニウム原子の総和におけるシリコン原子の割合を、混合比xSiと定義する。すなわち混合比xSiは、「xSi=Si/(Al+Si)」で表される。本実施例では、第1絶縁膜41の混合比xSiは、0.22とした。 In this example, the first insulating film 41 is made of aluminum silicate (AlSiO). Here, the ratio of silicon atoms to the total of silicon atoms and aluminum atoms is defined as the mixture ratio xSi . That is, the mixture ratio xSi is expressed as " xSi = Si/(Al+Si)." In this example, the mixture ratio xSi of the first insulating film 41 is set to 0.22.

第1絶縁膜41の混合比xSiは、0.4以下であることが好ましい。理由を説明する。アルミニウムシリケート中のシリコンの割合を低下させるほど、熱処理によりアルミニウムシリケートを結晶化させやすくなる。そして本発明者らは、第1絶縁膜41、第2絶縁膜42、第3絶縁膜43を備える本明細書の膜構造においては、第1絶縁膜41の混合比xSiを0.4以下にすることで、熱処理による第1絶縁膜41の多結晶化を促進できることを見出した。なお、混合比xSiの制御方法については後述する。 The mixing ratio x Si of the first insulating film 41 is preferably 0.4 or less. The reason for this is explained below. The lower the proportion of silicon in the aluminum silicate, the easier it is to crystallize the aluminum silicate by heat treatment. The inventors have found that in the film structure of this specification including the first insulating film 41, the second insulating film 42, and the third insulating film 43, setting the mixing ratio x Si of the first insulating film 41 to 0.4 or less can promote polycrystallization of the first insulating film 41 by heat treatment. The method for controlling the mixing ratio x Si will be described later.

第2絶縁膜42は、第1絶縁膜41の上面に配置されている。第2絶縁膜42は、窒化ガリウムの結晶情報の第3絶縁膜43への伝搬を阻害する機能を有する絶縁膜である。すなわち第2絶縁膜42は、第3絶縁膜43の結晶化を抑制する層である。具体的には、第2絶縁膜42は、高温において安定したアモルファス構造をとることができる絶縁膜である。第2絶縁膜42は、酸化ケイ素(SiO)または窒化ケイ素(SiN)とすることができる。本実施例では、第2絶縁膜42は酸化ケイ素とした。 The second insulating film 42 is disposed on the upper surface of the first insulating film 41. The second insulating film 42 is an insulating film that has the function of inhibiting the propagation of gallium nitride crystal information to the third insulating film 43. In other words, the second insulating film 42 is a layer that suppresses crystallization of the third insulating film 43. Specifically, the second insulating film 42 is an insulating film that can have a stable amorphous structure at high temperatures. The second insulating film 42 can be silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN). In this example, the second insulating film 42 was silicon oxide.

第2絶縁膜42の厚さは、1nm以上であることが好ましい。これは、後述する熱処理(ステップS7)よる拡散によって、第2絶縁膜42が薄くなるためである。具体的には、第1絶縁膜41のアルミニウムが第2絶縁膜42に拡散し、その拡散長が0.9nm程度であることが本発明者らによって見出されたためである。従って、第2絶縁膜42による結晶化抑制効果を維持するために、1nm以上が必要となる。 The thickness of the second insulating film 42 is preferably 1 nm or more. This is because the second insulating film 42 becomes thinner due to diffusion caused by the heat treatment (step S7) described below. Specifically, the inventors discovered that aluminum from the first insulating film 41 diffuses into the second insulating film 42, and that the diffusion length is approximately 0.9 nm. Therefore, a thickness of 1 nm or more is necessary to maintain the crystallization suppression effect of the second insulating film 42.

第3絶縁膜43は、第2絶縁膜42の上面に配置されている。第3絶縁膜43は、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42よりも厚い膜であり、ゲート絶縁膜40膜厚の半分以上を構成する膜である。第3絶縁膜43の材料は、アルミニウムシリケート(AlSiO)またはケイ酸ハフニウム(HfSiO)である。本実施例では、第3絶縁膜43はアルミニウムシリケートであるとした。また第3絶縁膜43の混合比xSiは、0.22とした。 The third insulating film 43 is disposed on the upper surface of the second insulating film 42. The third insulating film 43 is thicker than the first insulating film 41 and the second insulating film 42, and constitutes more than half of the thickness of the gate insulating film 40. The material of the third insulating film 43 is aluminum silicate (AlSiO) or hafnium silicate (HfSiO). In this example, the third insulating film 43 is aluminum silicate. The mixing ratio xSi of the third insulating film 43 is 0.22.

第3絶縁膜43の誘電率は、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42の誘電率以上であることが好ましい。誘電率は、シリコン原子が多くなるほど低くなり、アルミニウム原子が多くなるほど高くなる。よって、第3絶縁膜43の混合比xSiを、第1絶縁膜41および第2絶縁膜42の混合比xSi以下とすればよい。効果を説明する。ゲート絶縁膜の誘電率が高い程、一定のゲート電圧に対してゲート絶縁膜40と窒化物半導体20の界面IFに形成される反転層のキャリア濃度を増加させることができるため、チャネル抵抗を低下させることができる。一方、ゲート絶縁膜の多結晶化が進むと、結晶粒界における欠陥や不純物の偏析により、リーク電流が増大したり耐圧が低下する。そして、ゲート絶縁膜中のアルミニウム原子が多くなるほど、誘電率が高くなるとともに、熱処理により多結晶化が進みやすくなる。一方、本実施例の技術では、第2絶縁膜42によって第3絶縁膜43の多結晶化を抑制することができる。従って、第3絶縁膜43のアルミニウム原子を選択的に多くすることで、ゲート絶縁膜の高誘電率化とリーク電流の抑制とを両立することができる。 The dielectric constant of the third insulating film 43 is preferably equal to or greater than the dielectric constants of the first insulating film 41 and the second insulating film 42. The dielectric constant decreases with increasing silicon atoms, and increases with increasing aluminum atoms. Therefore, the mixing ratio x Si of the third insulating film 43 should be equal to or less than the mixing ratio x Si of the first insulating film 41 and the second insulating film 42. The effect is explained below. A higher dielectric constant of the gate insulating film increases the carrier concentration of the inversion layer formed at the interface IF between the gate insulating film 40 and the nitride semiconductor 20 for a given gate voltage, thereby reducing channel resistance. On the other hand, as the gate insulating film becomes more polycrystalline, defects and impurity segregation at the grain boundaries increase leakage current and decrease breakdown voltage. Furthermore, the more aluminum atoms in the gate insulating film, the higher the dielectric constant and the more easily polycrystallization occurs due to heat treatment. On the other hand, the technology of this embodiment allows the second insulating film 42 to suppress polycrystallization of the third insulating film 43. Therefore, by selectively increasing the aluminum atoms in the third insulating film 43, it is possible to achieve both a high dielectric constant for the gate insulating film and suppression of leakage current.

(半導体装置1の製造方法)
図2を参照して、半導体装置1の製造方法について説明する。図2のフローチャートのステップS1において、窒化物半導体形成工程が行われる。具体的には、GaNの単結晶基板である半導体基板10を用意し、周知の有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を用いて、半導体基板10上に窒化物半導体20を成長させる。
(Method for manufacturing semiconductor device 1)
A method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described with reference to Fig. 2. A nitride semiconductor formation process is performed in step S1 of the flowchart in Fig. 2. Specifically, a semiconductor substrate 10, which is a single crystal substrate of GaN, is prepared, and a nitride semiconductor 20 is grown on the semiconductor substrate 10 by using the well-known metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method.

ステップS2において、窒化物半導体20に、ドレイン領域25及びソース領域26を形成する。具体的には、周知のフォトリソグラフィー技術及びドライエッチング加工を用いて、窒化物半導体20上に、ドレイン領域25及びソース領域26が開口しているマスクを加工する。次いで、マスクを介してSiイオンを注入する。次いで、窒化物半導体20を熱処理する。これにより、窒化物半導体20に注入されたSiイオンが活性化され、ドレイン領域25及びソース領域26が形成される。 In step S2, the drain region 25 and the source region 26 are formed in the nitride semiconductor 20. Specifically, a mask with openings for the drain region 25 and the source region 26 is formed on the nitride semiconductor 20 using well-known photolithography techniques and dry etching. Next, Si ions are implanted through the mask. Next, the nitride semiconductor 20 is heat-treated. This activates the Si ions implanted in the nitride semiconductor 20, forming the drain region 25 and the source region 26.

ステップS3において、窒化物半導体20の表面に付着した不純物による汚染層や加工によるダメージ層、および酸化層(GaO)を除去する表面洗浄工程が行われる。表面洗浄工程では、硫酸、アンモニア水、塩酸と過酸化水素水の混合液の他、希フッ酸(DHF)が利用される。 In step S3, a surface cleaning process is performed to remove contaminated layers caused by impurities adhering to the surface of the nitride semiconductor 20, damaged layers caused by processing, and oxide layers (GaO). In the surface cleaning process, sulfuric acid, ammonia water, a mixture of hydrochloric acid and hydrogen peroxide, as well as dilute hydrofluoric acid (DHF) are used.

ステップS4において、窒化物半導体20上に、アモルファス構造の第1絶縁膜41を成膜する。第1絶縁膜41は、プラズマ支援原子層堆積法(ALD法)を利用して成膜される。具体的に説明する。ALD法でアルミニウムシリケートを成膜するには、AlО層を成膜する第1成膜ステップと、SiО層を成膜する第2成膜ステップと、を交互に実行する。第1成膜ステップは、Alの原料としてトリメチルアルミニウム(TMAl)を用い、酸素の原料として酸素ラジカルを用いる。吸着させたAlを酸化させることによって、第1成膜ステップの1サイクルが行われ、AlОの1分子の層を形成することができる。第2成膜ステップは、Siの原料としてトリスジメチルアミノシラン(TDMAS)を用い、酸素の原料として酸素ラジカルを用いる。吸着させたSiを酸化させることによって、第2成膜ステップの1サイクルが行われ、SiОの1分子の層を形成することができる。なお、ALD法の内容は公知であるため、詳細な説明は省略する。 In step S4, a first insulating film 41 having an amorphous structure is formed on the nitride semiconductor 20. The first insulating film 41 is formed using plasma-assisted atomic layer deposition (ALD). Specifically, to form an aluminum silicate film using ALD, a first film formation step for forming an Al2O3 layer and a second film formation step for forming a SiO2 layer are alternately performed. The first film formation step uses trimethylaluminum (TMAl) as the Al source and oxygen radicals as the oxygen source. One cycle of the first film formation step is performed by oxidizing the adsorbed Al, and a monomolecular layer of Al2O3 can be formed . The second film formation step uses trisdimethylaminosilane (TDMAS) as the Si source and oxygen radicals as the oxygen source. One cycle of the second film formation step is performed by oxidizing the adsorbed Si, and a monomolecular layer of SiO2 can be formed. The ALD method is well known, and therefore a detailed description thereof will be omitted.

アルミニウムシリケートの混合比xSiは、第1成膜ステップのサイクル数と第2成膜ステップのサイクル数との比率によって、調整することができる。例えば、第1および第2成膜ステップのサイクル数が共に「1」である場合には、混合比xSiは約0.33となる。混合比xSiを低下させる場合には、第1成膜ステップのサイクル数を第2成膜ステップのサイクル数よりも大きくすればよい。本実施例では、第1絶縁膜41は、厚さ3nmのアルミニウムシリケートであり、混合比xSiは0.22である。 The mixing ratio x Si of aluminum silicate can be adjusted by the ratio between the number of cycles in the first film formation step and the number of cycles in the second film formation step. For example, when the number of cycles in the first and second film formation steps is both "1," the mixing ratio x Si is approximately 0.33. To decrease the mixing ratio x Si , the number of cycles in the first film formation step may be made greater than the number of cycles in the second film formation step. In this embodiment, the first insulating film 41 is made of aluminum silicate with a thickness of 3 nm, and the mixing ratio x Si is 0.22.

ステップS5において、第1絶縁膜41の上面に、アモルファス構造の第2絶縁膜42を成膜する。第2絶縁膜42は、ALD法によって、第1絶縁膜41と連続成膜することができる。本実施例では、第2絶縁膜42は、厚さ1.5nmの酸化ケイ素である。 In step S5, a second insulating film 42 having an amorphous structure is formed on the upper surface of the first insulating film 41. The second insulating film 42 can be formed continuously with the first insulating film 41 using the ALD method. In this example, the second insulating film 42 is silicon oxide with a thickness of 1.5 nm.

ステップS6において、第2絶縁膜42の上面に、アモルファス構造の第3絶縁膜43を成膜する。第3絶縁膜43は、ALD法によって、第2絶縁膜42と連続成膜することができる。本実施例では、第3絶縁膜43は、厚さ40nmのアルミニウムシリケートであり、混合比xSiは0.22である。 In step S6, a third insulating film 43 having an amorphous structure is formed on the upper surface of the second insulating film 42. The third insulating film 43 can be formed continuously with the second insulating film 42 by the ALD method. In this example, the third insulating film 43 is made of aluminum silicate and has a thickness of 40 nm, and the mixture ratio x Si is 0.22.

ステップS7において、第1絶縁膜41、第2絶縁膜42、第3絶縁膜43を備えた窒化物半導体20を熱処理する。熱処理は、窒素雰囲気中で950℃、10分間行った。これにより、ゲート絶縁膜40のうち窒化物半導体20と接する第1絶縁膜41が、アモルファス構造から多結晶構造に変化する。これは、第1絶縁膜41のうち窒化ガリウムと接する部分が、単結晶である窒化ガリウムの表面に倣って再結晶化するためである。一方、第3絶縁膜43は、第2絶縁膜42によって第1絶縁膜41から離間している。第2絶縁膜42によって、第3絶縁膜43への結晶情報の伝搬を抑えることができるその結果、第3絶縁膜43は、アモルファス構造に近い状態が維持される。これは、窒化ガリウムと第1絶縁膜41との界面IFから進んだ再結晶化が、第2絶縁膜42で遮断されるためである。 In step S7, the nitride semiconductor 20 including the first insulating film 41, second insulating film 42, and third insulating film 43 is heat-treated. The heat treatment is performed at 950°C for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. As a result, the first insulating film 41 of the gate insulating film 40 in contact with the nitride semiconductor 20 changes from an amorphous structure to a polycrystalline structure. This is because the portion of the first insulating film 41 in contact with the gallium nitride recrystallizes in imitation of the surface of the single-crystal gallium nitride. Meanwhile, the third insulating film 43 is separated from the first insulating film 41 by the second insulating film 42. The second insulating film 42 suppresses the propagation of crystalline information to the third insulating film 43. As a result, the third insulating film 43 maintains a state close to an amorphous structure. This is because the second insulating film 42 blocks recrystallization that begins at the interface IF between the gallium nitride and the first insulating film 41.

熱処理後においては、第1絶縁膜41の結晶性の方が、第3絶縁膜43の結晶性よりも高くすることができる。ここで、「結晶性が高い」とは、酸化物のアモルファス構造の再結晶化が進んでいることを意味する。すなわち、第1絶縁膜41の方が、第3絶縁膜43よりも多結晶構造をより多く備えている。 After heat treatment, the crystallinity of the first insulating film 41 can be made higher than that of the third insulating film 43. Here, "high crystallinity" means that the amorphous structure of the oxide has been recrystallized. In other words, the first insulating film 41 has a larger polycrystalline structure than the third insulating film 43.

ステップS8において、ゲート絶縁膜40上に、ゲート電極44を形成する。具体的には、窒化物半導体20上に、Al層を堆積する。次いで、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ゲート絶縁膜40以外の領域に形成されているAl層を除去する。 In step S8, a gate electrode 44 is formed on the gate insulating film 40. Specifically, an Al layer is deposited on the nitride semiconductor 20. Next, the Al layer formed in areas other than the gate insulating film 40 is removed using well-known photolithography and etching processes.

ステップS9において、窒化物半導体20上に、ドレイン電極32、ソース電極34、ボディ電極36を形成する。具体的には、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ドレイン電極32、ソース電極34、ボディ電極36を形成する領域のゲート絶縁膜40を除去する。Ti層及びAl層の積層膜を成膜し、周知のフォトリソグラフィー技術およびエッチング加工を用いて、ドレイン電極32、ソース電極34、ボディ電極36に加工する。これにより、図1に示す半導体装置1が完成する。 In step S9, the drain electrode 32, source electrode 34, and body electrode 36 are formed on the nitride semiconductor 20. Specifically, using well-known photolithography and etching, the gate insulating film 40 is removed from the areas where the drain electrode 32, source electrode 34, and body electrode 36 will be formed. A stacked film of a Ti layer and an Al layer is formed, and then using well-known photolithography and etching, the stacked film is processed into the drain electrode 32, source electrode 34, and body electrode 36. This completes the semiconductor device 1 shown in FIG. 1.

(効果)
本明細書の技術では、第2絶縁膜42により、第1絶縁膜41から第3絶縁膜43への窒化ガリウム結晶情報の伝搬を阻害することができる。第1絶縁膜41は窒化物半導体20の表面を種結晶として結晶化が始まるが、第2絶縁膜42によって上方への結晶の成長が抑制されるため、その分だけ横方向に結晶が拡大し易くなると考えられる。これにより第1絶縁膜41の結晶化が促進され、界面IFおよび第1絶縁膜41における欠陥準位を低減できるため、チャネルを走行する伝導キャリアの捕獲・散乱による移動度の低下を抑制することが可能となる。また、第3絶縁膜43の多結晶化を防止することで、第3絶縁膜43を非晶質に近い状態で維持することができる。結晶粒界における欠陥や不純物の偏析を抑制できるため、リーク電流を抑制することや耐圧低下を防止することが可能となる。ゲート絶縁膜の信頼性向上とキャリア移動度の向上とを、両立することができる。
(effect)
In the technology of the present specification, the second insulating film 42 can inhibit the propagation of gallium nitride crystal information from the first insulating film 41 to the third insulating film 43. Crystallization of the first insulating film 41 begins using the surface of the nitride semiconductor 20 as a seed crystal, but the second insulating film 42 suppresses upward crystal growth, which is thought to facilitate lateral crystal expansion. This promotes crystallization of the first insulating film 41 and reduces defect levels at the interface IF and the first insulating film 41, thereby suppressing mobility reduction due to capture and scattering of conduction carriers traveling through the channel. Furthermore, by preventing the third insulating film 43 from becoming polycrystallized, the third insulating film 43 can be maintained in a near-amorphous state. Since defects and impurity segregation at grain boundaries can be suppressed, leakage current can be suppressed and a decrease in breakdown voltage can be prevented. This allows for both improved gate insulating film reliability and improved carrier mobility.

(実験例)
本実施例のサンプルとして、第1絶縁膜41を、厚さ3nmのアルミニウムシリケート(混合比xSi=0.22)とした。第2絶縁膜42を、厚さ1.5nmの酸化ケイ素とした。第3絶縁膜43を、厚さ40nmのアルミニウムシリケート(混合比xSi=0.22)とした。また比較例のサンプルとして、厚さ40nmのアルミニウムシリケート(混合比xSi=0.22)の単層を、窒化ガリウム表面に成膜した。両サンプルに対して、窒素雰囲気中で950℃、10分間の熱処理を行った。断面TEMにより、両者の結晶性を比較した。本実施例のサンプルでは、第1絶縁膜41が均一に結晶化している一方で、第2絶縁膜42より上層では結晶性は低く、アモルファスに近い構造であることが観察された。一方、比較例のサンプルでは、窒化ガリウムの界面からおよそ15nmの範囲で不均一な多結晶が形成されていることが確認された。
(Experimental Example)
In the sample of this example, the first insulating film 41 was made of aluminum silicate (mixing ratio xSi = 0.22) with a thickness of 3 nm. The second insulating film 42 was made of silicon oxide with a thickness of 1.5 nm. The third insulating film 43 was made of aluminum silicate (mixing ratio xSi = 0.22) with a thickness of 40 nm. In addition, in the sample of the comparative example, a single layer of aluminum silicate (mixing ratio xSi = 0.22) with a thickness of 40 nm was formed on the surface of the gallium nitride. Both samples were subjected to a heat treatment at 950°C for 10 minutes in a nitrogen atmosphere. The crystallinity of both samples was compared using cross-sectional TEM. In the sample of this example, the first insulating film 41 was uniformly crystallized, while the layer above the second insulating film 42 had low crystallinity and a structure close to amorphous. On the other hand, in the sample of the comparative example, it was confirmed that non-uniform polycrystals were formed within a range of approximately 15 nm from the gallium nitride interface.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the specific examples exemplified above. Furthermore, the technical elements described in this specification or drawings may demonstrate technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. Furthermore, the technology exemplified in this specification or drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of these objectives is itself technically useful.

(変形例)
第1絶縁膜41、第2絶縁膜42、第3絶縁膜43の材料の組み合わせは、様々であってよい。例えば、第1絶縁膜41は窒化アルミニウムであり、第2絶縁膜42は酸化ケイ素であり、第3絶縁膜43はアルミニウムシリケートであってもよい。この構成においても、第3絶縁膜43を非晶質に近い状態に維持しながら、第1絶縁膜41の窒化アルミニウムを結晶化することができる。
(Modification)
Various combinations of materials may be used for the first insulating film 41, the second insulating film 42, and the third insulating film 43. For example, the first insulating film 41 may be aluminum nitride, the second insulating film 42 may be silicon oxide, and the third insulating film 43 may be aluminum silicate. Even in this configuration, the aluminum nitride of the first insulating film 41 can be crystallized while the third insulating film 43 is maintained in a nearly amorphous state.

第1絶縁膜41、第2絶縁膜42、第3絶縁膜43の成膜方法はALDに限られない。窒化ガリウムの表面の酸化を抑制しながら成膜できる方法であれば、何れの成膜方法であってもよい。例えば、表面ダメージを抑えることができるリモートプラズマCVD法や、スパッタリング法等の、公知の方法を用いてもよい。 The method for forming the first insulating film 41, second insulating film 42, and third insulating film 43 is not limited to ALD. Any method can be used as long as it can form the film while suppressing oxidation of the gallium nitride surface. For example, known methods such as remote plasma CVD and sputtering, which can suppress surface damage, can also be used.

本明細書が開示するゲート絶縁膜40は、種々の半導体装置に用いることができる。例えば、トレンチゲート型の縦型MOSFET、ノーマリオフ型のHEMT、ノーマリオン型のHEMTなどに適用可能である。 The gate insulating film 40 disclosed in this specification can be used in a variety of semiconductor devices. For example, it can be applied to trench-gate vertical MOSFETs, normally-off HEMTs, normally-on HEMTs, and the like.

以下に、本技術の態様を列挙する。
[態様1]
単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の上面に配置されており、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜の上面に配置されており、前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜と、
を備えており、
前記第1の絶縁膜の結晶性の方が前記第3の絶縁膜の結晶性よりも高い、半導体装置。
[態様2]
前記第1の絶縁膜は、前記窒化ガリウムに配向して結晶化している、態様1に記載の半導体装置。
[態様3]
前記第1の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかである、態様1または2に記載の半導体装置。
[態様4]
前記第2の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、態様1~3の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様5]
前記第3の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムである、態様1~4の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様6]
前記第1の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、前記第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様1または2に記載の半導体装置。
[態様7]
前記第1の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、前記第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、態様1または2に記載の半導体装置。
[態様8]
前記第1の絶縁膜の厚さは、3nm以上である、態様1~7の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様9]
前記第2の絶縁膜の厚さは、1nm以上である、態様1~8の何れか1項に記載の半導体装置。
[態様10]
単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜を配置する工程と、
前記第1の絶縁膜の上面に、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜を配置する工程と、
前記第2の絶縁膜の上面に、前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜を配置する工程と、
前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第3の絶縁膜を備えた前記窒化ガリウムを熱処理する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
Aspects of the present technology are listed below.
[Aspect 1]
A semiconductor device having a gate insulating film provided on a single crystal gallium nitride,
The gate insulating film is
a first insulating film disposed on a surface of the gallium nitride and having hexagonal symmetry crystallinity;
a second insulating film disposed on an upper surface of the first insulating film and having a function of inhibiting propagation of crystalline information of the gallium nitride;
a third insulating film disposed on an upper surface of the second insulating film and having a dielectric constant equal to or greater than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film;
It is equipped with
The semiconductor device, wherein the first insulating film has higher crystallinity than the third insulating film.
[Aspect 2]
2. The semiconductor device according to aspect 1, wherein the first insulating film is crystallized in a manner oriented toward the gallium nitride.
[Aspect 3]
3. The semiconductor device according to aspect 1, wherein the first insulating film is made of any one of aluminum nitride, aluminum silicate, hafnium oxide, and aluminum oxide.
[Aspect 4]
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second insulating film is silicon oxide or silicon nitride.
[Aspect 5]
5. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 4, wherein the third insulating film is aluminum silicate or hafnium silicate.
[Aspect 6]
3. The semiconductor device according to aspect 1, wherein the first insulating film is made of aluminum silicate, the second insulating film is made of silicon oxide, and the third insulating film is made of aluminum silicate.
[Aspect 7]
3. The semiconductor device according to aspect 1, wherein the first insulating film is aluminum nitride, the second insulating film is silicon oxide, and the third insulating film is aluminum silicate.
[Aspect 8]
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first insulating film has a thickness of 3 nm or more.
[Aspect 9]
9. The semiconductor device according to any one of aspects 1 to 8, wherein the second insulating film has a thickness of 1 nm or more.
[Aspect 10]
disposing a first insulating film having hexagonal symmetry crystallinity on a surface of the single-crystal gallium nitride;
disposing a second insulating film on an upper surface of the first insulating film, the second insulating film having a function of inhibiting propagation of crystalline information of the gallium nitride;
disposing a third insulating film on an upper surface of the second insulating film, the third insulating film having a dielectric constant equal to or higher than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film;
heat-treating the gallium nitride having the first insulating film, the second insulating film, and the third insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

1:半導体装置 10:半導体基板 20:窒化物半導体 22:ボディ領域 25:ドレイン領域 26:ソース領域 28:絶縁膜 32:ドレイン電極 34:ソース電極 36:ボディ電極 40:ゲート絶縁膜 41:第1絶縁膜 42:第2絶縁膜 43:第3絶縁膜 44:ゲート電極 1: Semiconductor device 10: Semiconductor substrate 20: Nitride semiconductor 22: Body region 25: Drain region 26: Source region 28: Insulating film 32: Drain electrode 34: Source electrode 36: Body electrode 40: Gate insulating film 41: First insulating film 42: Second insulating film 43: Third insulating film 44: Gate electrode

Claims (10)

単結晶の窒化ガリウム上に設けられたゲート絶縁膜を有する半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、
前記窒化ガリウムの表面に配置されており、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の上面に配置されており、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜と、
前記第2の絶縁膜の上面に配置されており、前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜と、
を備えており、
前記第1の絶縁膜の結晶性の方が前記第3の絶縁膜の結晶性よりも高い、半導体装置。
A semiconductor device having a gate insulating film provided on a single crystal gallium nitride,
The gate insulating film is
a first insulating film disposed on a surface of the gallium nitride and having hexagonal symmetry crystallinity;
a second insulating film disposed on an upper surface of the first insulating film and having a function of inhibiting propagation of crystalline information of the gallium nitride;
a third insulating film disposed on an upper surface of the second insulating film and having a dielectric constant equal to or greater than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film;
It is equipped with
The semiconductor device, wherein the first insulating film has higher crystallinity than the third insulating film.
前記第1の絶縁膜は、前記窒化ガリウムに配向して結晶化している、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device described in claim 1, wherein the first insulating film is crystallized in a direction oriented toward the gallium nitride. 前記第1の絶縁膜は、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムの何れかである、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the first insulating film is made of aluminum nitride, aluminum silicate, hafnium oxide, or aluminum oxide. 前記第2の絶縁膜は、酸化ケイ素または窒化ケイ素である、請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 3, wherein the second insulating film is silicon oxide or silicon nitride. 前記第3の絶縁膜は、アルミニウムシリケートまたはケイ酸ハフニウムである、請求項4に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 4, wherein the third insulating film is aluminum silicate or hafnium silicate. 前記第1の絶縁膜はアルミニウムシリケートであり、前記第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the first insulating film is aluminum silicate, the second insulating film is silicon oxide, and the third insulating film is aluminum silicate. 前記第1の絶縁膜は窒化アルミニウムであり、前記第2の絶縁膜は酸化ケイ素であり、前記第3の絶縁膜はアルミニウムシリケートである、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the first insulating film is aluminum nitride, the second insulating film is silicon oxide, and the third insulating film is aluminum silicate. 前記第1の絶縁膜の厚さは、3nm以上である、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the thickness of the first insulating film is 3 nm or more. 前記第2の絶縁膜の厚さは、1nm以上である、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device of claim 1, wherein the second insulating film has a thickness of 1 nm or more. 単結晶の窒化ガリウムの表面に、六回対称の結晶性を有する第1の絶縁膜を配置する工程と、
前記第1の絶縁膜の上面に、前記窒化ガリウムの結晶情報の伝搬を阻害する機能を有する第2の絶縁膜を配置する工程と、
前記第2の絶縁膜の上面に、前記第1の絶縁膜および前記第2の絶縁膜の誘電率以上の誘電率を有する第3の絶縁膜を配置する工程と、
前記第1の絶縁膜、前記第2の絶縁膜、前記第3の絶縁膜を備えた前記窒化ガリウムを熱処理する工程と、
を備える、半導体装置の製造方法。
disposing a first insulating film having hexagonal symmetry crystallinity on a surface of the single-crystal gallium nitride;
disposing a second insulating film on an upper surface of the first insulating film, the second insulating film having a function of inhibiting propagation of crystalline information of the gallium nitride;
disposing a third insulating film on an upper surface of the second insulating film, the third insulating film having a dielectric constant equal to or higher than the dielectric constants of the first insulating film and the second insulating film;
heat-treating the gallium nitride having the first insulating film, the second insulating film, and the third insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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