JP7644921B2 - METHOD OF MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device.
縦型のMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造を有する窒化物半導体装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、窒化物半導体装置では、マグネシウム(Mg)をドーパントとして用いることによりP型の伝導度制御が可能である(例えば、特許文献2参照)。 Nitride semiconductor devices having a vertical MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure are known (see, for example, Patent Document 1). In addition, in nitride semiconductor devices, it is possible to control the P-type conductivity by using magnesium (Mg) as a dopant (see, for example, Patent Document 2).
窒化物半導体装置において、良好なオーミック接触を実現するためには、高濃度のP型領域を窒化物半導体に選択的に形成する必要がある。P型領域を選択形成する手法としては、コスト、生産性、信頼性の観点でイオン注入が望ましい。しかし、窒化物半導体に対してMgを高濃度にイオン注入し、Mgを活性化させるために1300℃を超える高温度で熱処理を施すと、Mgがロッド状に高密度に偏析する。Mgがロッド状に高密度に偏析すると、偏析が生じている領域以外の領域でMg濃度は低下する(例えば、非特許文献1参照)。また、超高圧雰囲気下でさらに1400℃を超える高温度で熱処理を行うと、Mgが深く拡散し、濃度が低下する(例えば、非特許文献2参照)。このため、高濃度で、濃度のばらつきが小さいP型領域をイオン注入で形成することは難しかった。 In order to achieve good ohmic contact in a nitride semiconductor device, it is necessary to selectively form a high-concentration P-type region in the nitride semiconductor. Ion implantation is a desirable method for selectively forming a P-type region in terms of cost, productivity, and reliability. However, when Mg is ion-implanted into a nitride semiconductor at a high concentration and heat treatment is performed at a high temperature exceeding 1300°C to activate the Mg, the Mg segregates into rod-like structures at a high density. When Mg segregates into rod-like structures at a high density, the Mg concentration decreases in regions other than the region where the segregation occurs (see, for example, Non-Patent Document 1). Furthermore, when heat treatment is performed at a high temperature exceeding 1400°C under an ultra-high pressure atmosphere, Mg diffuses deeply and the concentration decreases (see, for example, Non-Patent Document 2). For this reason, it has been difficult to form a high-concentration P-type region with small concentration variation by ion implantation.
熱処理によりMgが活性化されてP型領域になると、P型領域のフェルミ準位が価電子帯に近づく。フェルミ準位が価電子帯に近づくと、Mgアクセプタの形成エネルギー(すなわち、GaNのGaサイトにMgを入れるために要するエネルギー)が増加し、Mgの活性化が不安定となる(例えば、非特許文献3参照)。上記したMgの高密度の偏析は、Mgの活性化が不安定となり、欠陥を介してMgが偏析しやすくなることで生じる、と考えられる。 When Mg is activated by heat treatment to become a P-type region, the Fermi level of the P-type region approaches the valence band. When the Fermi level approaches the valence band, the formation energy of Mg acceptors (i.e., the energy required to insert Mg into the Ga site of GaN) increases, and Mg activation becomes unstable (see, for example, Non-Patent Document 3). The high-density segregation of Mg described above is thought to occur when Mg activation becomes unstable, making it easier for Mg to segregate through defects.
本発明は、このような考えに基づいて本発明者が鋭意検討してなされたものであって、高濃度で、濃度のばらつきが小さいP型領域を実現可能な窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention was developed through extensive research by the inventors based on this idea, and aims to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device that can realize a P-type region with a high concentration and small concentration variation.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体装置製造方法は、窒化物半導体にアクセプタ元素をイオン注入する工程と、前記アクセプタ元素がイオン注入された前記窒化物半導体上に保護膜を形成する工程と、前記保護膜が形成された前記窒化物半導体に熱処理を施して前記アクセプタ元素を活性化することによって、前記窒化物半導体にP型領域を形成する工程と、を備える。前記保護膜はN型半導体で構成されている。 In order to solve the above problem, a method for manufacturing a nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes the steps of ion-implanting an acceptor element into a nitride semiconductor, forming a protective film on the nitride semiconductor into which the acceptor element has been ion-implanted, and forming a P-type region in the nitride semiconductor by activating the acceptor element by subjecting the nitride semiconductor with the protective film to a heat treatment. The protective film is made of an N-type semiconductor.
本発明の一態様に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体と、前記窒化物半導体に設けられたP型領域と、を備える。前記P型領域におけるアクセプタ元素の濃度は1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。前記P型領域の表層部におけるアクセプタ偏析の密度は、前記P型領域において前記表層部よりも深い部位における前記アクセプタ偏析の密度よりも低い。 A nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a nitride semiconductor and a P-type region provided in the nitride semiconductor. A concentration of an acceptor element in the P-type region is 1×10 19 cm -3 or more and 1×10 21 cm -3 or less. A density of the acceptor segregation in a surface layer portion of the P-type region is lower than a density of the acceptor segregation in a portion of the P-type region deeper than the surface layer portion.
本発明によれば、高濃度で、濃度のばらつきが小さいP型領域を実現可能な窒化物半導体装置の製造方法及び窒化物半導体装置を提供することができる。 The present invention provides a method for manufacturing a nitride semiconductor device that can realize a P-type region with high concentration and small concentration variation, and a nitride semiconductor device.
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 The following describes an embodiment of the present invention. In the following description of the drawings, the same or similar parts are given the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each device and each component, etc., differ from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined with reference to the following description. In addition, it goes without saying that the drawings include parts with different dimensional relationships and ratios.
また、以下の説明では、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の文言を用いて、方向を説明する場合がある。例えば、X軸方向及びY軸方向は、後述のGaN基板10の表面10aに平行な方向である。X軸方向及びY軸方向を水平方向ともいう。また、Z軸方向は、GaN基板10の表面10aと垂直に交わる方向である。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。
In the following description, directions may be described using the terms X-axis, Y-axis, and Z-axis. For example, the X-axis and Y-axis directions are parallel to the
また、以下の説明では、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。「上」及び「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」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、領域、層、膜及び基板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ず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を180度回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。 In the following description, the positive direction of the Z axis may be referred to as "up" and the negative direction of the Z axis may be referred to as "down". "Up" and "down" do not necessarily mean the vertical direction relative to the ground. In other words, the directions of "up" and "down" are not limited to the direction of gravity. "Up" and "down" are merely convenient expressions for specifying the relative positional relationships in regions, layers, films, substrates, etc., and do not limit the technical ideas of the present invention. For example, if the paper is rotated 180 degrees, "up" will of course become "down" and "down" will become "up".
また以下の説明において、導電型を示すPやNに付す+や-は、+及び-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。ただし同じPとP(または、NとN)とが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。 In the following explanation, the + or - attached to the P or N that indicates the conductivity type means that the semiconductor region has a relatively high or low impurity concentration, respectively, compared to a semiconductor region that does not have a + or - attached. However, even if the same P and P (or N and N) are attached to the same semiconductor region, it does not mean that the impurity concentration of each semiconductor region is strictly the same.
<実施形態1>
(構成例)
図1は、本発明の実施形態1に係る窒化ガリウム半導体装置(本発明の「窒化物半導体装置」の一例;以下、GaN半導体装置)100の構成例を示す平面図である。図1は、X-Y平面図である。図1に示すように、GaN半導体装置100は、活性領域110とエッジ終端領域130とを有する。活性領域110は、ゲートパッド112及びソースパッド114を有する。ゲートパッド112及びソースパッド114は、後述のゲート電極23及びソース電極25にそれぞれ電気的に接続された電極パッドである。
<
(Configuration example)
1 is a plan view showing an example of the configuration of a gallium
Z軸方向からの平面視で、エッジ終端領域130は、活性領域110の周囲を囲んでいる。エッジ終端領域130は、ガードリング構造、JTE(Junction Termination Extension)構造の一以上を有してよい。エッジ終端領域130は、活性領域110で発生した空乏層をエッジ終端領域130まで広げることにより、活性領域110での電界集中を防ぐ機能を有してよい。
In a plan view from the Z-axis direction, the
図2は、本発明の実施形態1に係る縦型MOSFET1の構成例を示す平面図である。図3は、本発明の実施形態1に係る縦型MOSFET1の構成例を示す断面図である。図2は、図1に示した活性領域110の一部を拡大して示すとともに、ゲート電極23及びソース電極25のZ軸方向からの平面視による形状を示すため、ゲートパッド112及びソースパッド114の図示は省略している。図3は、図2の平面図をX-X´線で切断した断面を示している。
Figure 2 is a plan view showing an example of the configuration of a
図2及び図3に示すGaN半導体装置100は、窒化ガリウム基板(本発明の「窒化物半導体」の一例;以下、GaN基板)10と、GaN基板10に設けられた複数の縦型MOSFET1(本発明の「電界効果トランジスタ」の一例)と、を備える。GaN半導体装置100では、縦型MOSFET1が一方向(例えば、X軸方向)に繰り返し設けられている。1つの縦型MOSFET1が繰り返しの単位構造であり、この単位構造が一方向(例えば、X軸方向)に並んで配置されている。
The
図2及び図3に示すように、縦型MOSFET1は、GaN基板10に設けられたN-型のドリフト領域12、P型のウェル領域14、P+型のコンタクト領域16(本発明の「P型領域」の一例)及びN+型のソース領域18と、GaN基板10の表面10a上に設けられたゲート絶縁膜21と、ゲート絶縁膜21上に設けられたゲート電極23と、GaN基板10の表面10a側に設けられてコンタクト領域16及びソース領域18と電気的に接続するソース電極25(本発明の「電極」の一例)と、GaN基板10の裏面10b側に設けられてドリフト領域12に電気的に接続するドレイン電極27と、を有する。
As shown in Figures 2 and 3, the
GaN基板10は、GaN単結晶基板である。GaN基板10は、例えばN-型の基板である。GaN基板10は、表面10aと、表面10aの反対側に位置する裏面10bとを有する。例えば、GaN基板10は、貫通転位密度が1×107cm-2未満である低転位自立GaN基板である。
The
GaN基板10に含まれるドナー元素(N型不純物)は、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、及びO(酸素)の一種類以上の元素であってよい。また、GaN基板10に含まれるアクセプタ元素(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)及びZn(亜鉛)の一種類以上の元素であってよい。
The donor element (N-type impurity) contained in the
GaN基板10が低転位自立GaN基板であることにより、GaN基板10に大面積のパワーデバイスが形成される場合でも、パワーデバイスにおけるリーク電流を少なくすることができる。これにより、パワーデバイスを高い良品率で製造することが可能となる。また、縦型MOSFET1の製造工程に含まれる熱処理において、イオン注入された不純物が転位に沿って深く拡散することを防止することができる。
Since the
なお、GaN基板10は、N-型ではなく、N型であってもよい。また、GaN基板10は、GaN単結晶基板と、GaN単結晶基板上にエピタキシャル成長された単結晶のGaN層とを含んでもよい。この場合、GaN単結晶基板はN+型又はN型であってもよく、GaN層はN型又はN-型であってもよい。また、GaN単結晶基板が低転位自立GaN基板であってもよい。
The
縦型MOSFET1において、GaN基板10は、アルミニウム(Al)及びインジウム(In)の一以上の元素を含んでもよい。GaN基板10は、GaNにAl及びIn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。なお、GaNは、AlxInyGa1-x-yNにおいてx=y=0とした場合である。
In the
GaN基板10に、ドリフト領域12、ウェル領域14、コンタクト領域16及びソース領域18がそれぞれ設けられている。ウェル領域14、コンタクト領域16及びソース領域18は、それぞれ、GaN基板10の表面10aから所定の深さに不純物がイオン注入され、熱処理により不純物が活性化された領域である。
The
例えば、ウェル領域14の表面側にコンタクト領域16が設けられている。ウェル領域14はP型の領域であり、コンタクト領域16はP+型の領域である。ウェル領域14よりもコンタクト領域16の方が、P型の不純物濃度が高い。ウェル領域14及びコンタクト領域16は、アクセプタ元素として、Mg及びBeの少なくとも一方を含む。
For example, the
例えば、ウェル領域14及びコンタクト領域16は、アクセプタ元素として、Mgを含む。ウェル領域14におけるMgの濃度は、1×1016cm-3以上3×1018cm-3以下である。コンタクト領域16におけるMgの濃度は、1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。
For example, the
ドリフト領域12はN-型の領域であり、ソース領域18はN+型の領域である。ドリフト領域12よりもソース領域18の方が、N型の不純物濃度が高い。ドリフト領域12及びソース領域18は、N型の不純物として、例えばSiを含む。例えば、ドリフト領域12のN型の不純物濃度は、GaN基板10のN型の不純物濃度と同じである。この場合、ドリフト領域12には、N型の不純物がイオン注入されていなくてもよい。ドリフト領域12におけるSiの濃度は、1×1015cm-3以上1×1017cm-3以下である。
The
ソース領域18はウェル領域14の表面側に設けられている。ソース領域18は、ウェル領域14の表面側にSiがイオン注入され、熱処理によりSiが活性化されることにより形成される。ソース領域18におけるSiの濃度は、1×1019cm-3以上1×1022cm-3以下である。
The
ソース領域18の上部は、GaN基板10の表面10aに露出している。ソース領域18は、X軸方向における一方の側部と、X軸方向において一方の反対側に位置する他方の側部とを有する。ソース領域18の一方の側部と底部はウェル領域14に接し、ソース領域18の他方の側部がコンタクト領域16に接している。ソース領域18の一方の側部は、縦型MOSFET1のチャネルが形成される領域(以下、チャネル領域)141側に位置する。なお、縦型MOSFET1のチャネルは、ウェル領域14に形成される。
The top of the
コンタクト領域16は、GaN基板10の表面10aに露出している。コンタクト領域16は、X軸方向における両側部がソース領域18に接し、底部がウェル領域14に接している。ウェル領域14、コンタクト領域16及びソース領域18は、Y軸方向に延伸するストライプ形状を有する。
The
ドリフト領域12の上部(以下、上部領域)121は、GaN基板10の表面10aに露出している。上部領域121は、表面10aにおいてゲート絶縁膜21と接している。上部領域121は、Y軸方向で向かい合う一対のウェル領域14間に位置する。上部領域121はJFET領域と呼んでもよい。上部領域121は、N-型ではなく、N型であってもよい。これにより、縦型MOSFET1のオン抵抗を低減することができる。
The upper part (hereinafter, the upper region) 121 of the
ドリフト領域12の下部(以下、下部領域)122は、ウェル領域14の底部と接している。下部領域122は、上部領域121とドレイン電極27との間、及び、ウェル領域14とドレイン電極27との間にそれぞれ位置する。下部領域122は、X軸方向で繰り返される複数の縦型MOSFET1(すなわち、複数の単位構造)間で、X軸方向に連続して設けられている。
The lower part (hereinafter, lower part) 122 of the
ドリフト領域12は、ドレイン電極27とチャネル領域141との間の電流経路として機能する。コンタクト領域16は、ウェル領域14と電極(例えば、ソース電極25)とのコンタクトを取るための領域である。コンタクト領域16は、ゲートオフ時の正孔引き抜き経路としても機能する。
The
ゲート絶縁膜21は、例えばシリコン酸化膜(SiO2膜)である。ゲート絶縁膜21は、例えば平坦な表面10a上に設けられる。
The
ゲート電極23は、ゲート絶縁膜21を介してチャネル領域141の上方に設けられている。例えば、ゲート電極23は、平坦なゲート絶縁膜21上に設けられたプレーナ型である。ゲート電極23は、ゲートパッド112と異なる材料で形成されている。ゲート電極23は不純物をドープしたポリシリコンで形成され、ゲートパッド112はAlまたはAl‐Siの合金で形成されている。
The
ソース電極25は、GaN基板10の表面10a上に設けられている。ソース電極25は、ソース領域18の一部とコンタクト領域16とに接している。ソース電極25は、図示しない層間絶縁膜を介してゲート電極23上にも設けられてもよい。層間絶縁膜は、ゲート電極23とソース電極25とが電気的に接続しないように、ゲート電極23の上部及び側部を覆ってもよい。
The
ソース電極25は、ソースパッド114と同一の材料で構成されている。例えば、AlまたはAl-Siの合金からなるソース電極25が、ソースパッド114を兼ねている。ソース電極25は、GaN基板10の表面10aとAl(または、Al-Si)との間にバリアメタル層を有してもよい。バリアメタル層の材料としてチタン(Ti)を使用してもよい。ドレイン電極27は、GaN基板10の裏面10b側に設けられており、裏面10bに接している。ドレイン電極27もソース電極25と同様の材料で構成されている。
The
図3において、ゲート端子、ソース端子及びドレイン端子を、それぞれG、D及びSで示す。例えば、ゲート端子Gを介してゲート電極23に閾値電圧以上の電位が与えられると、チャネル領域141に反転層が形成される。チャネル領域141に反転層が形成されている状態で、ドレイン電極27に所定の高電位が与えられ、かつ、ソース電極25に低電位(例えば、接地電位)が与えられると、ドレイン端子Dからソース端子Sへ電流が流れる。また、ゲート電極23に閾値電圧よりも低い電位が与えられるとチャネル領域141に反転層は形成されず、電流は遮断される。これにより、縦型MOSFET1は、ソース端子S及びドレイン端子D間における電流をスイッチングすることができる。
In FIG. 3, the gate terminal, source terminal, and drain terminal are indicated by G, D, and S, respectively. For example, when a potential equal to or greater than the threshold voltage is applied to the
図1から図3に示したGaN半導体装置100において、コンタクト領域16は、Mg偏析の少ない表層部を有する。表層部の表面10aからの深さは1nm以上30nm以下である。コンタクト領域16の表層部におけるMg偏析の密度は、コンタクト領域16において表層部よりも深い部位(以下、深部)におけるMg偏析の密度よりも低くなっている。
In the
例えば、Mg偏析を、ロッド状Mg偏析と非ロッド状Mg偏析とに分類する。ロッド状Mg偏析は、一方向への長さが30nm以上で、Mg濃度が5×1020cm-3以上の偏析である。非ロッド状Mg偏析は、一方向への長さが30nm未満で、Mg濃度が5×1020cm-3以上の偏析である。コンタクト領域16の表層部において、ロッド状アクセプタ偏析の密度は1×1014cm-3以下であり、非ロッド状アクセプタ偏析の密度は1×1015cm-3未満となっている。コンタクト領域16の深部におけるロッド状アクセプタ偏析の密度及び非ロッド状アクセプタ偏析の密度は、コンタクト領域16の表層部における各密度よりも高い値となっている。
For example, Mg segregation is classified into rod-shaped Mg segregation and non-rod-shaped Mg segregation. Rod-shaped Mg segregation is segregation with a length in one direction of 30 nm or more and a Mg concentration of 5×10 20 cm −3 or more. Non-rod-shaped Mg segregation is segregation with a length in one direction of less than 30 nm and a Mg concentration of 5×10 20 cm −3 or more. In the surface layer part of the
これは、後述するように、コンタクト形成領域16´にイオン注入されたMgを熱処理で活性化する際に、予め、コンタクト形成領域16´の表面を保護膜(N型半導体)で覆うことで実現される。コンタクト形成領域16´に保護膜(N型半導体)を接触させることで、コンタクト形成領域16´の表層部に空乏層を生じさせ、空乏層におけるフェルミ準位が価電子帯に近づくことを抑制している(より好ましくは、伝導帯に近づけている)。これにより、コンタクト領域16の表層部のMg偏析を抑制している。
As described below, this is achieved by covering the surface of the contact formation region 16' with a protective film (N-type semiconductor) beforehand when activating the Mg ion-implanted into the contact formation region 16' by heat treatment. By bringing the protective film (N-type semiconductor) into contact with the contact formation region 16', a depletion layer is generated in the surface portion of the contact formation region 16', and the Fermi level in the depletion layer is prevented from approaching the valence band (more preferably, the conduction band). This prevents Mg segregation in the surface portion of the
(製造方法)
次に、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法について説明する。図4Aから図4Gは、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、図4Aから図4Gは、X軸方向に繰り返し配置される複数の縦型MOSFET1のうちの、1つの縦型MOSFET1について、その製造方法を工程順に示している。また、GaN半導体装置100は、成膜装置、露光装置、エッチング装置、イオン注入装置、熱処理装置など、各種の装置によって製造される。以下、これらの装置を、製造装置と総称する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
図4Aに示すように、製造装置は、GaN基板10において、ウェル領域14(図3参照)が形成される領域(以下、ウェル形成領域)14´に、アクセプタ元素としてMgをイオン注入する。例えば、製造装置は、GaN基板10の表面10a上にマスクM1を形成する。マスクM1は、GaN基板10に対して選択的に除去可能なSiO2膜又はフォトレジストである。マスクM1は、ウェル形成領域14´の上方を開口し、他の領域の上方を覆う形状を有する。製造装置は、マスクM1が形成されたGaN基板10にMgをイオン注入する。イオン注入後、製造装置は、GaN基板10上からマスクM1を除去する。
As shown in FIG. 4A, the manufacturing equipment ion-implants Mg as an acceptor element into a region (hereinafter, well formation region) 14' in the
図4Aに示す工程では、GaN基板10の表面10aから注入ピーク位置までの深さが200nm以上1500nm以下であり、一例として500nmとなるように、注入エネルギー(加速電圧)が設定される。また、この工程では、イオン注入されるMgについて、注入ピーク位置におけるMg濃度が1×1016cm-3以上3×1018cm-3以下となるように、Mgのドーズ量が設定される。
4A, the implantation energy (acceleration voltage) is set so that the depth from the
または、図4Aに示す工程では、注入ピーク位置だけでなく、ウェル形成領域14´全体におけるMg濃度が1×1016cm-3以上3×1018cm-3以下となるように、Mgの注入エネルギーとドーズ量とが設定されてもよい。図4Aに示す工程は、加速エネルギーが1条件である一段イオン注入で行ってもよいし、加速エネルギーが複数条件ある多段イオン注入で行ってもよい。 4A, the Mg implantation energy and dose may be set so that the Mg concentration is 1×10 16 cm -3 or more and 3×10 18 cm -3 or less not only at the implantation peak position but also throughout the well formation region 14'. The process shown in FIG. 4A may be performed by single-stage ion implantation in which the acceleration energy is one condition, or may be performed by multi-stage ion implantation in which the acceleration energy is multiple conditions.
次に、図4Bに示すように、製造装置は、GaN基板10において、コンタクト領域が形成される領域(以下、コンタクト形成領域)16´にアクセプタ元素としてMgをイオン注入する。例えば、製造装置は、GaN基板10上にマスクM2を形成する。マスクM2は、SiO2膜又はフォトレジストである。マスクM2は、コンタクト形成領域16´の上方を開口し、他の領域の上方を覆う形状を有する。製造装置は、マスクM2が形成されたGaN基板10にMgをイオン注入する。イオン注入後、製造装置は、GaN基板10上からマスクM2を除去する。
Next, as shown in FIG. 4B, the manufacturing equipment ion-implants Mg as an acceptor element into a region 16' in which a contact region is to be formed (hereinafter, contact formation region) in the
図4Bに示す工程では、GaN基板10の表面10aから注入ピーク位置までの深さが1nm以上200nm以下であり、一例として10nm以上100nm以下となるように、注入エネルギー(加速電圧)が設定される。また、この工程では、イオン注入されるMgについて、注入ピーク位置におけるMg濃度が1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、一例として1×1020cm-3となるように、Mgのドーズ量が設定される。
4B, the implantation energy (acceleration voltage) is set so that the depth from the
または、図4Bに示す工程では、注入ピーク位置だけでなく、コンタクト形成領域16´全体におけるMg濃度が1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、一例として1×1020cm-3となるようにMgの注入エネルギーとドーズ量とが設定されてもよい。図4Bに示す工程は、単一の加速エネルギーを用いた一段イオン注入で行ってもよいし、異なる加速エネルギーを用いた多段イオン注入で行ってもよい。 4B, the Mg implantation energy and dose may be set so that the Mg concentration not only at the implantation peak position but also in the entire contact formation region 16' is 1×10 19 cm -3 or more and 1×10 21 cm -3 or less, for example, 1×10 20 cm -3 . The process shown in FIG. 4B may be performed by single-stage ion implantation using a single acceleration energy, or may be performed by multi-stage ion implantation using different acceleration energies.
次に、図4Cに示すように、製造装置は、GaN基板10の表面10a上に保護膜30を形成する。これにより、GaN基板10の表面10aにおいて、少なくともコンタクト形成領域16´は保護膜30と直に接触する。ウェル形成領域14´、上部領域121の各表面は、保護膜30と直に接触してよいし、図示しない絶縁膜で覆われていてもよい。
Next, as shown in FIG. 4C, the manufacturing equipment forms a
保護膜30は、N+型の半導体(本発明の「N型半導体」の一例)で構成されている。例えば、保護膜30は、N+型の窒化アルミニウム(AlN)又はN+型の窒化シリコン(SiN)で構成されている。AlN又はSiNは、耐熱性が高く、GaN基板10と良好な密着性を有し、保護膜30からGaN基板10側へ不純物が拡散せず、かつ、GaN基板10に対して選択的に除去可能であるため、保護膜30に好適である。
The
保護膜30に含まれるドナー元素(一例として、Si)の濃度は、例えば1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下である。保護膜30に含まれるドナー元素の濃度は、コンタクト形成領域16´にイオン注入されるアクセプタ元素の濃度以上の値であってもよい。
The concentration of the donor element (for example, Si) contained in the
保護膜30の成膜時の厚さは、コンタクト形成領域16´(または、コンタクト領域16(図3参照))の表層部の表面からの深さ以上の値である。例えば、保護膜30の厚さの下限値は、コンタクト形成領域16´(または、コンタクト領域16)の表層部の深さが1nmのときは1nmであり、表層部の深さが30nmのときは30nmである。保護膜30の厚さの上限値は特に制限はないが、保護膜30の成膜スループットの低下を抑制する観点と、GaN基板10における反り等の発生を抑制する観点とから、上限値は1μmであることが好ましく、500nmであることがより好ましい。以上から、一例を示すと、保護膜30の成膜時の厚さは1nm以上1μm以下であり、より好ましくは1nm以上500nm以下である。
The thickness of the
次に、製造装置は、保護膜30で覆われたGaN基板10に、最大温度が1300℃以上2000℃以下の熱処理を施す。この熱処理は、例えば急速加熱処理である。この熱処理によりGaN基板10にイオン注入されたMgが活性化され、図4Dに示すように、GaN基板10に、P型のウェル領域14と、P+型のコンタクト領域16とが形成されるとともに、ドリフト領域12が画定される。また、この熱処理により、GaN基板10において、Mgのイオン注入により生じた欠陥をある程度回復することができる。熱処理後、製造装置は、GaN基板10の表面10a上から保護膜30を除去する。
Next, the manufacturing equipment performs a heat treatment on the
次に、図4Eに示すように、製造装置は、GaN基板10において、ソース領域18(図3参照)が形成される領域(以下、ソース形成領域)18´にドナー元素としてSiをイオン注入する。例えば、製造装置は、GaN基板10の表面10a上にマスクM3を形成する。マスクM3は、SiO2膜又はフォトレジストである。マスクM3は、ソース形成領域18´の上方を開口し、他の領域の上方を覆う形状を有する。製造装置は、マスクM3が形成されたGaN基板10にSiをイオン注入する。イオン注入後、製造装置は、GaN基板10上からマスクM3を除去する。
Next, as shown in FIG. 4E, the manufacturing equipment ion-implants Si as a donor element into a region (hereinafter, source formation region) 18' in the
次に、製造装置は、GaN基板10に最大温度が1200℃以下の熱処理を施す。この熱処理は、例えば急速加熱処理である。この熱処理によりGaN基板10にイオン注入されたSi が活性化され、図4Fに示すように、GaN基板10にN+型のソース領域18が形成される。また、この熱処理により、GaN基板10において、Siのイオン注入により生じた欠陥をある程度回復することができる。
The manufacturing equipment then performs a heat treatment on the
次に、図4Gに示すように、製造装置は、GaN基板10上にゲート絶縁膜21を形成する。次に、製造装置は、ゲート電極23とソース電極25とを形成する。次に、製造装置は、ゲート電極23とソース電極25とが覆わるようにGaN基板10の表面10a上に層間絶縁膜(図示せず)を形成する。次に、製造装置は、ゲート電極23に電気的に接続するゲートパッド112(図1参照)と、ソース電極25に電気的に接続するソースパッド114(図1参照)とを形成する。その後、製造装置は、GaN基板10の裏面10bにドレイン電極27を形成する。このような工程を経て、縦型MOSFET1を備えるGaN半導体装置100が完成する。
Next, as shown in FIG. 4G, the manufacturing equipment forms a
(GaNに生じる空乏層のフェルミ準位)
図5は、GaNと保護膜(N型半導体)との接触部及びその近傍のバンド図であって、アクセプタ元素を活性化するための熱処理前と熱処理後の、価電子帯Ev、伝導帯Ec、フェルミ準位Efを示す図である。なお、図5に示すGaNにはアクセプタ元素としてMgがイオン注入されている。
(Fermi level of the depletion layer occurring in GaN)
5 is a band diagram of the contact portion between GaN and a protective film (N-type semiconductor) and its vicinity, showing the valence band Ev, the conduction band Ec, and the Fermi level Ef before and after heat treatment for activating the acceptor element. Note that Mg is ion-implanted into the GaN shown in FIG. 5 as an acceptor element.
図5に示すように、GaNと保護膜との接触部には空乏層が生じる。空乏層でバンド構造は曲がり、GaNのフェルミ準位Efと保護膜(N型半導体)のフェルミ準位Efとが一致している。この状態で熱処理を施すと、GaNではMgが活性化されてフェルミ準位が価電子帯に近づくが、空乏層ではバンド構造が曲がっている。このため、GaNにおいて空乏層が生じている領域(すなわち、GaNの表層部)では、空乏層が生じていない領域と比べて、フェルミ準位Efの価電子帯への接近が抑制される。 As shown in Figure 5, a depletion layer occurs at the contact area between GaN and the protective film. The depletion layer bends the band structure, and the Fermi level Ef of GaN coincides with the Fermi level Ef of the protective film (N-type semiconductor). When heat treatment is performed in this state, Mg is activated in GaN, and the Fermi level approaches the valence band, but the band structure is bent in the depletion layer. Therefore, in the region where the depletion layer occurs in GaN (i.e., the surface layer of GaN), the approach of the Fermi level Ef to the valence band is suppressed compared to the region where the depletion layer does not occur.
なお、GaNにおけるアクセプタ濃度が1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下で、保護膜におけるドナー濃度が1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下の場合、保護膜との接触によりGaNに形成される空乏層の幅(深さ)は、およそ1nm以上30nm以下となる。保護膜におけるドナー濃度が高濃度になるほど、GaNに形成される空乏層の幅は大きくなる。 When the acceptor concentration in GaN is 1×10 19 cm -3 or more and 1×10 21 cm -3 or less and the donor concentration in the protective film is 1×10 19 cm -3 or more and 1×10 21 cm -3 or less, the width (depth) of the depletion layer formed in GaN due to contact with the protective film is approximately 1 nm or more and 30 nm or less. The higher the donor concentration in the protective film, the larger the width of the depletion layer formed in GaN.
図6は、保護膜が絶縁膜である場合のGaNのバンド図であって、アクセプタ元素を活性化するための熱処理前と熱処理後の、価電子帯Ev、伝導帯Ec、フェルミ準位Efを示す図である。保護膜が絶縁膜の場合は図6に示すように空乏層は生じず、空乏層におけるバンド構造の曲がりも生じない。絶縁膜で覆われたGaNに熱処理を施すと、GaNに含まれるMgは活性化され、GaNのフェルミ準位は価電子帯に近づく。 Figure 6 is a band diagram of GaN when the protective film is an insulating film, showing the valence band Ev, conduction band Ec, and Fermi level Ef before and after heat treatment to activate the acceptor element. When the protective film is an insulating film, no depletion layer is formed as shown in Figure 6, and no bending of the band structure occurs in the depletion layer. When GaN covered with an insulating film is subjected to heat treatment, the Mg contained in the GaN is activated and the Fermi level of the GaN approaches the valence band.
(フェルミ準位の制御によるMg偏析の抑制)
図7は、GaNにおけるMgアクセプタの形成エネルギー等とGaNのフェルミ準位との関係を示すグラフである。このグラフは、第一原理計算で算出されたデータである。図7の横軸はフェルミ準位Ef(eV)を示し、図7の縦軸はエネルギー(eV)を示す。図7の実線(a)は、Mgアクセプタの形成エネルギー(すなわち、GaNのGaサイトにMgを入れるために要するエネルギー)と、GaNのフェルミ準位Efとの関係を示している。図7の破線(b)は、GaNの格子間にGaが入るのに要するエネルギーと、GaNのフェルミ準位Efとの関係を示す。
(Suppression of Mg segregation by controlling the Fermi level)
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the formation energy of Mg acceptors in GaN and the Fermi level of GaN. This graph is data calculated by first-principles calculation. The horizontal axis of FIG. 7 shows the Fermi level Ef (eV), and the vertical axis of FIG. 7 shows the energy (eV). The solid line (a) of FIG. 7 shows the relationship between the formation energy of Mg acceptors (i.e., the energy required to insert Mg into the Ga site of GaN) and the Fermi level Ef of GaN. The dashed line (b) of FIG. 7 shows the relationship between the energy required to insert Ga into the lattice of GaN and the Fermi level Ef of GaN.
図7において、フェルミ準位Efが0(eV)に近づくほど(すなわち、フェルミ準位Efが価電子帯に近づき、GaNの導電型がP型に近づくほど)、Mgアクセプタの形成エネルギーは大きくなる。また、フェルミ準位が0(eV)に近づくほど、GaNの格子間にGaが入るのに要するエネルギーは小さくなる。 In Figure 7, the closer the Fermi level Ef is to 0 (eV) (i.e., the closer the Fermi level Ef is to the valence band and the closer the conductivity type of GaN is to P-type), the greater the energy required to form Mg acceptors. Also, the closer the Fermi level is to 0 (eV), the smaller the energy required for Ga to enter the GaN interstitial spaces.
図7のグラフから、GaNのフェルミ準位が価電子帯に近づき、GaNの導電型がP型に近づくほど、Mgは活性化され難くなり、アクセプタとして機能し難くなることがわかる。換言すると、GaNのフェルミ準位が伝導帯に近づき、GaNの導電型がN型に近づくほど、Mgは活性化され易くなり、アクセプタとして機能し易くなることがわかる。 From the graph in Figure 7, it can be seen that the closer the Fermi level of GaN is to the valence band and the closer the conductivity type of GaN is to P-type, the more difficult it is for Mg to be activated and the more difficult it is for it to function as an acceptor. In other words, the closer the Fermi level of GaN is to the conduction band and the closer the conductivity type of GaN is to N-type, the more easily Mg is activated and the more easily it functions as an acceptor.
本発明の実施形態では、コンタクト形成領域16´の表層部はN型半導体である保護膜30との接触により空乏層が形成され、空乏層のフェルミ準位Efは価電子帯Evへの接近が抑制される。コンタクト形成領域16´の表層部のフェルミ準位Efは、価電子帯に接近しないように制御される。これにより、コンタクト領域16の表層部では、Mgは活性化され易く、アクセプタとして機能し易くなっている。
In an embodiment of the present invention, a depletion layer is formed in the surface portion of the contact formation region 16' due to contact with the
(実施形態1の効果)
以上説明したように、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法は、GaN基板10のコンタクト形成領域16´にMgをイオン注入する工程と、Mgがイオン注入されたGaN基板10のコンタクト形成領域16´上に保護膜30を形成する工程と、保護膜30が形成されたGaN基板10に熱処理を施してMgを活性化することによって、GaN基板10にコンタクト領域16を形成する工程と、を備える。保護膜30はN+型の半導体で構成されている。
(Effects of the First Embodiment)
As described above, the method for manufacturing the
これによれば、コンタクト形成領域16´と保護膜30とが接触することにより、コンタクト形成領域16´の表層部には空乏層が生じ、この表層部のフェルミ準位は保護膜30のフェルミ準位と一致する。保護膜30はN+型の半導体で構成されているため、表層部に生じた空乏層のフェルミ準位が価電子帯に接近することを抑制することができる。
As a result, a depletion layer is generated in the surface portion of the contact formation region 16' due to contact between the contact formation region 16' and the
これにより、コンタクト形成領域16´の表層部では、Mgアクセプタの形成エネルギーを低い状態で維持することができ、Mgを活性化し易くすることができるので、熱処理によるMgの偏析を抑制し、Mg偏析によるMg濃度のばらつきを抑制することができる。これにより、高濃度で、濃度のばらつきが小さく、表層部でのMg偏析が少ないP+型のコンタクト領域16を実現することができる。また、このようなP+型のコンタクト領域16にソース電極25を接合することによって、オーミック性に優れたソースコンタクトを実現することができる。
As a result, in the surface layer of the contact formation region 16', the formation energy of the Mg acceptor can be maintained at a low level, making it easier to activate Mg, suppressing Mg segregation due to heat treatment and suppressing variations in Mg concentration due to Mg segregation. This makes it possible to realize a P+
また、上記の製造方法では、GaN基板10にイオン注入されるMgの濃度よりも、保護膜30に含まれるドナー元素の濃度の方が高濃度となるように、Mgのイオン注入条件を設定してもよい。これによれば、GaN基板10に形成される空乏層の幅(深さ)を大きくすることができるので、Mg偏析が少ない表層部の領域を深さ方向に広げることが容易となる。
In addition, in the above manufacturing method, the Mg ion implantation conditions may be set so that the concentration of the donor element contained in the
(変形例)
上記の実施形態1では、P+型のコンタクト領域16を形成した後で、N+型のソース領域18を形成することを説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、ソース領域18の形成は、コンタクト領域16の形成前に行ってよい。例えば、図4Eに示したソース形成領域18´にSiをイオン注入する工程と、図4Fに示したSiを活性化するための熱処理の工程は、図4Bに示したコンタクト領域16´にMgをイオン注入する工程の前に行ってもよい。このような方法であっても、製造装置は、縦型MOSFET1を製造することができる。また、この方法では、Siを活性化するための熱処理を行う際に、コンタクト形成領域16´におけるMg偏析は考慮する必要がない。このため、Siを活性化するための熱処理の最大温度を1300℃以上にしてもよく、ソース領域18におけるSiの活性化率を高めることが容易となる。
(Modification)
In the
また、上記の実施形態1では、熱処理によりコンタクト領域16を形成した後で、GaN基板10の表面10a上から保護膜30を除去することを説明した。しかしながら、本発明の実施形態では、コンタクト領域16上に保護膜30の少なくとも一部を残してもよい。
In addition, in the above-described
図8は、本発明の実施形態1の変形例に係るGaN半導体装置100Aの構成例を示す断面図である。図8に示すように、GaN半導体装置100Aは、GaN基板10と、GaN基板10に設けられ、一方向(例えば、X軸方向)に繰り返し設けられた複数の縦型MOSFET1Aを備える。図8に示す縦型MOSFET1Aにおいて、図3に示した縦型MOSFET1との相違点は、コンタクト領域16とソース電極25との間、及び、ソース領域18とソース電極25との間に保護膜30が残されている(介在している)点である。
Figure 8 is a cross-sectional view showing a configuration example of a
縦型MOSFET1Aにおいて、コンタクト領域16とソース電極25との間、及び、ソース領域18とソース電極25との間に残された保護膜30の厚さは、例えば、1nm以上1μm以下であり、より好ましくは1nm以上500nm以下である。保護膜30はトンネル膜として機能する。保護膜30の厚さは成膜時の厚さのままであってもよいが、エッチングにより薄膜化されていてもよい。保護膜30を薄膜化することによって、保護膜30におけるトンネル効果を高めることができる。
In the vertical MOSFET 1A, the thickness of the
このような構成であっても、コンタクト領域16とソース電極25との間、及び、ソース領域18とソース電極25との間は電気的に接続される。このため、図8に示す縦型MOSFET1Aは、図3等に示した縦型MOSFET1と同様に動作する。
Even with this configuration, electrical connections are made between the
また、図8に示す変形例では、縦型MOSFET1Aの完成後も、コンタクト領域16上に保護膜30が残される。このため、コンタクト領域16を形成した後でソース領域18を形成する際に、ソース領域18のSiを活性化するための熱処理の最大温度を1300℃以上に設定しても、コンタクト領域16におけるMg偏析を抑制することができる。これにより、ソース領域18のSiを活性化するための熱処理温度を高くすることができるので、ソース領域18におけるSiの活性化率を高めることが容易となる。
In addition, in the modified example shown in FIG. 8, the
<実施形態2>
(構成)
図9は、本発明の実施形態2に係るGaN半導体装置200の構成例を示す断面図である。図9に示すように、実施形態2に係るGaN半導体装置200は、GaN基板10と、GaN基板10に設けられたPNダイオード2(本発明の「ダイオード」の一例)と、GaN基板10に設けられてPNダイオード2を囲むガードリング構造17と、を備える。
<
(composition)
Fig. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of a
PNダイオード2は、GaN基板10に設けられたN-型領域13と、GaN基板10に設けられたP型領域15と、GaN基板10に設けられたP+型のコンタクト領域16と、GaN基板10の表面10a上に設けられた絶縁膜19と、GaN基板10の表面10a側に設けられてコンタクト領域16上に設けられてコンタクト領域16に電気的に接続するアノード電極35(本発明の「電極」の一例)と、GaN基板10の裏面10b側に設けられてN-型領域13に電気的に接続するカソード電極37と、を有する。PNダイオード2において、N-型領域13はカソード領域であり、P型領域15はアノード領域である。
The
P型領域15は、N型のGaN基板10にアクセプタ元素がイオン注入され、熱処理されることにより形成される。アクセプタ元素は、例えばMgである。
The P-
絶縁膜19は、例えば酸化シリコン(SiO2)膜である。絶縁膜19には、コンタクト領域16を底面とする開口部H19が設けられている。アノード電極35は、開口部H19を通してコンタクト領域16に接続している。
The insulating
アノード電極35及びカソード電極37は、例えば、AlまたはAl-Siの合金で構成されている。アノード電極35及びカソード電極37は、GaN基板10との間にバリアメタル層を有してもよい。バリアメタル層の材料としてTiを使用してもよい。
The
ガードリング構造17は、例えば、PNダイオード2の周りを複数のP型領域でリング状に囲む構造を有する。ガードリング構造17は、PNダイオード2に逆バイアスが印加されたときに、GaN基板10の外周側へ空乏層を広がり易くすることができ、PNダイオード2への電界集中を抑制することができる。これにより、ガードリング構造17は、PNダイオード2の耐圧を向上させることができる。
The
(製造方法)
次に、本発明の実施形態2に係るGaN半導体装置200の製造方法について説明する。図10Aから図10Eは、本発明の実施形態2に係るGaN半導体装置200の製造方法を工程順に示す断面図である。図10A及び図10Bに示すように、製造装置は、GaN基板10において、P型領域15(図9参照)が形成される領域(以下、P型形成領域)15´とコンタクト形成領域16´とにアクセプタ元素としてMgをイオン注入する。このイオン注入は、P型形成領域15´よりもコンタクト形成領域16´の方が、アクセプタ元素の注入深さが浅く、かつ、アクセプタ元素の注入濃度が高くなるように、イオン注入条件を設定する。また、このイオン注入は、同じマスクを用いた多段イオン注入で行ってもよい。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
例えば、製造装置は、GaN基板10の表面10a上にマスクM11を形成する。マスクM11は、GaN基板10に対して選択的に除去可能なSiO2膜又はフォトレジストである。マスクM11は、P型形成領域15´の上方(図10Bに示すように、コンタクト形成領域16´の上方でもある)を開口し、他の領域の上方を覆う形状を有する。製造装置は、マスクM11が形成されたGaN基板10にMgをイオン注入して、P型形成領域15´にMgを導入する。このときのイオン注入条件は、例えば、図4Aに示した工程におけるイオン注入条件と同じである。
For example, the manufacturing equipment forms a mask M11 on the
次に、図10Bに示すように、製造装置は、マスクM11が形成されたGaN基板10にMgをイオン注入して、コンタクト形成領域16´にMgを導入する。このときのイオン注入条件は、例えば、図4Bに示した工程におけるイオン注入条件と同じである。P型形成領域15´及びコンタクト形成領域16´へのイオン注入後、製造装置は、GaN基板10上からマスクM11を除去する。
Next, as shown in FIG. 10B, the manufacturing equipment ions implants Mg into the
次に、図10Cに示すように、製造装置は、GaN基板10において、ガードリング構造17(図9参照)が形成される領域(以下、ガードリング形成領域)17´にアクセプタ元素としてMgをイオン注入する。例えば、製造装置は、GaN基板10の表面10a上にマスクM12を形成する。マスクM12は、ガードリング形成領域17´の上方を開口し、他の領域の上方を覆う形状を有する。マスクM12は、GaN基板10に対して選択的に除去可能なSiO2膜又はフォトレジストである。製造装置は、マスクM12が形成されたGaN基板10にMgをイオン注入して、ガードリング形成領域17´にMgを導入する。このときのイオン注入条件は、例えば、図4Aに示した工程におけるイオン注入条件と同じであってもよいし、異なっていてもよい。ガードリング形成領域17´へのイオン注入後、製造装置は、GaN基板10上からマスクM12を除去する。
Next, as shown in FIG. 10C, the manufacturing equipment ion-implants Mg as an acceptor element into a region (hereinafter, guard ring formation region) 17' in the
次に、図10Dに示すように、製造装置は、GaN基板10の表面10a上に保護膜30を形成する。これにより、GaN基板10の表面10aにおいて、少なくともコンタクト形成領域16´は保護膜30と直に接触する。また、GaN基板10の表面10a全体が保護膜30と直に接触してよい。
Next, as shown in FIG. 10D, the manufacturing device forms a
次に、製造装置は、保護膜30で覆われたGaN基板10に、最大温度が1300℃以上2000℃以下の熱処理を施す。この熱処理は、例えば急速加熱処理である。この熱処理によりGaN基板10に導入されたMgが活性化され、図10Eに示すように、GaN基板10に、P型領域15と、P+型のコンタクト領域16と、P型のガードリング構造17とが形成されるとともに、N-型領域13が画定される。また、この熱処理により、GaN基板10において、Mgのイオン注入により生じた欠陥をある程度回復することができる。熱処理後、製造装置は、GaN基板10の表面10a上から保護膜30を除去する。
Next, the manufacturing equipment performs a heat treatment on the
なお、図10Eでは、P型領域15がコンタクト形成領域16よりも横方向へ広く拡散している態様を示しているが、これはあくまで一例である。本発明の実施形態2では、P型領域15及びコンタクト形成領域16の横方向への拡散が同じであり、P型領域15の表面側の全てがコンタクト形成領域16で覆われるような構造であってもよい。
Note that FIG. 10E shows a state in which the P-
次に、製造装置は、GaN基板10の表面10a上に絶縁膜19(図9参照)を形成し、絶縁膜19に開口部H19(図9参照)を形成する。次に、製造装置は、アノード電極35、カソード電極37を形成する。このような工程を経て、図9に示したPNダイオード2を備えるGaN半導体装置200が完成する。
Next, the manufacturing equipment forms an insulating film 19 (see FIG. 9) on the
(実施形態2の効果)
以上説明したように、本発明の実施形態2に係るGaN半導体装置200の製造方法は、GaN基板10のコンタクト形成領域16´にMgをイオン注入する工程と、Mgがイオン注入されたGaN基板10のコンタクト形成領域16´上に保護膜30を形成する工程と、保護膜30が形成されたGaN基板10に熱処理を施してMgを活性化することによって、GaN基板10にコンタクト領域16を形成する工程と、を備える。保護膜30はN+型の半導体で構成されている。
(Effects of the Second Embodiment)
As described above, the method for manufacturing the
これによれば、実施形態1に係るGaN半導体装置100と同様に、高濃度で、濃度のばらつきが小さく、表層部でのMg偏析が少ないP+型のコンタクト領域16を実現することができる。また、このようなP+型のコンタクト領域16にアノード電極35を接合することによって、オーミック性に優れたアノードコンタクトを実現することができる。
As a result, a P+
(変形例)
実施形態1と同様に、実施形態2においても、コンタクト領域16上に保護膜30の少なくとも一部を残してよい。図11は、本発明の実施形態2の変形例に係るGaN半導体装置200Aの構成例を示す断面図である。図11に示すように、GaN半導体装置200Aは、GaN基板10と、GaN基板10に設けられたPNダイオード2Aを備える。図11に示すPNダイオード2Aにおいて、図9に示したPNダイオード2との相違点は、コンタクト領域16とアノード電極35との間に保護膜30が残されている(介在している)点である。
(Modification)
As in the first embodiment, in the second embodiment, at least a part of the
PNダイオード2Aにおいて、コンタクト領域16とアノード電極35との間に残された保護膜30の厚さは、例えば、1nm以上1μm以下であり、より好ましくは1nm以上500nm以下である。保護膜30は、トンネル膜として機能する。このような構成であって、コンタクト領域16とアノード電極35との間は電気的に接続されるため、上記のPNダイオード2と同様に動作する。
In the
また、図10Aから図10Eに示した製造方法では、マスクM11を用いて、P型形成領域15´とコンタクト形成領域16´とにアクセプタ元素としてMgを多段イオン注入することを説明した。しかしながら、本発明の実施形態2において、P型形成領域15´へのイオン注入と、コンタクト形成領域16´へのイオン注入は、それぞれ異なるマスクを用いておこなってもよい。このような方法であっても、図9に示したGaN半導体装置200と同様の構造を有する半導体装置を製造することが可能である。この方法では、製造工程数は増えてしまうが、例えば、コンタクト領域16の平面視による形状を、P型領域15とは異なる形状に形成することが可能である。
In the manufacturing method shown in Figures 10A to 10E, the mask M11 is used to perform multi-stage ion implantation of Mg as an acceptor element into the P-type formation region 15' and the contact formation region 16'. However, in the second embodiment of the present invention, ion implantation into the P-type formation region 15' and ion implantation into the contact formation region 16' may be performed using different masks. Even with this method, it is possible to manufacture a semiconductor device having a structure similar to that of the
また、図10Aから図10Eに示した製造方法では、マスクM12を用いて、ガードリング形成領域17´にアクセプタ元素としてMgをイオン注入することを説明した。しかしながら、本発明の実施形態2において、ガードリング形成領域17´へのイオン注入は、マスクM11を用いて行ってもよい。このような方法であっても、図9に示したGaN半導体装置200と同様の構造を有する半導体装置を製造することが可能である。この方法では、ガードリング構造17は、P型領域15上にP+型領域16が配置された構造に形成される。
In the manufacturing method shown in Figures 10A to 10E, the mask M12 is used to implant Mg as an acceptor element into the guard ring formation region 17'. However, in the second embodiment of the present invention, the ion implantation into the guard ring formation region 17' may be performed using the mask M11. Even with this method, it is possible to manufacture a semiconductor device having a structure similar to that of the
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態1、2及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。
Other Embodiments
As described above, the present invention has been described by the first and second embodiments and modifications, but the descriptions and drawings forming a part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments and modifications will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.
例えば、ゲート絶縁膜21は、SiO2膜に限定されるものではなく、他の絶縁膜であってもよい。ゲート絶縁膜21には、シリコン酸窒化(SiON)膜、ストロンチウム酸化物(SrO)膜、シリコン窒化物(Si3N4)膜、アルミニウム酸化物(Al2O3)膜も使用可能である。また、ゲート絶縁膜21には、単層の絶縁膜をいくつか積層した複合膜等も使用可能である。ゲート絶縁膜21としてSiO2膜以外の絶縁膜を用いた縦型MOSFETは、縦型MISFETと呼んでもよい。MISFETは、MOSFETを含む、より包括的な絶縁ゲート型トランジスタを意味する。
For example, the
また、上記の実施形態1では、コンタクト領域16が縦型MISFETに含まれることを説明した。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定されない。コンタクト領域16は、GaN基板の垂直方向に電流が流れる縦型MISFETではなく、GaN基板の水平方向に電流が流れる横型MISFETに含まれていてもよい。
In the
また、上記の実施形態1では、コンタクト領域16と接触する電極がソース電極25であることを説明した。上記の実施形態2では、コンタクト領域16と接触する電極がアノード電極35であることを説明した。しかしながら、本発明の実施形態はこれに限定されない。コンタクト領域16は、ソース電極、アノード電極以外の他の電極と接触してもよい。また、コンタクト領域16に例示されるP型領域は、MOSFET、PNダイオード以外の他の素子に含まれていてもよく、例えば、バイポーラトランジスタ、容量素子又は抵抗素子等に含まれていてもよい。
In the
このように、本技術はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。上述した実施形態及び変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。 As such, the present technology naturally includes various embodiments not described herein. At least one of various omissions, substitutions, and modifications of components can be made without departing from the spirit of the above-described embodiments and modifications. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present.
1、1A 縦型MOSFET
2、2A PNダイオード
10 GaN基板
10a 表面
10b 裏面
12 ドリフト領域
13 N-型領域
14 ウェル領域
14´ ウェル形成領域
15 P型領域
15´ P型形成領域
16 コンタクト領域
16´ コンタクト形成領域
17 ガードリング構造
17´ ガードリング形成領域
18 ソース領域
18´ ソース形成領域
19 絶縁膜
21 ゲート絶縁膜
23 ゲート電極
25 ソース電極
27 ドレイン電極
30 保護膜
35 アノード電極
37 カソード電極
100、100A、200、200A GaN半導体装置
110 活性領域
112 ゲートパッド
114 ソースパッド
121 上部領域
122 下部領域
130 エッジ終端領域
141 チャネル領域
D ドレイン端子
Ec 伝導帯
Ef フェルミ準位
Ev 価電子帯
G ゲート端子
H19 開口部
M1、M2、M3、M11、M12 マスク
S ソース端子
1,1A vertical MOSFET
2,
Claims (16)
前記アクセプタ元素がイオン注入された前記窒化物半導体上に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜が形成された前記窒化物半導体に熱処理を施して前記アクセプタ元素を活性化することによって、前記窒化物半導体にP型領域を形成する工程と、を備え、
前記保護膜はN型半導体で構成されている、窒化物半導体装置の製造方法。 ion-implanting an acceptor element into a nitride semiconductor;
forming a protective film on the nitride semiconductor into which the acceptor element has been ion-implanted;
and a step of activating the acceptor element by subjecting the nitride semiconductor on which the protective film is formed to a heat treatment to form a P-type region in the nitride semiconductor,
The method for manufacturing a nitride semiconductor device, wherein the protective film is composed of an N-type semiconductor.
前記窒化物半導体に設けられたP型領域と、を備え、
前記P型領域におけるアクセプタ元素の濃度は1×1019cm-3以上1×1021cm-3以下であり、
前記P型領域におけるアクセプタ偏析を、
一方向への長さが30nm以上で、前記アクセプタ元素の濃度が5×10 20 cm -3 以上であるロッド状アクセプタ偏析と、
一方向への長さが30nm未満で、前記アクセプタ元素の濃度が5×10 20 cm -3 以上である非ロッド状アクセプタ偏析と、に分類すると、
前記P型領域の表層部における前記ロッド状アクセプタ偏析の密度及び前記非ロッド状アクセプタ偏析の密度は、前記P型領域において前記表層部よりも深い部位における前記ロッド状アクセプタ偏析の密度及び前記非ロッド状アクセプタ偏析の密度よりもそれぞれ低い値である、窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor;
a P-type region provided in the nitride semiconductor;
the concentration of the acceptor element in the P-type region is equal to or higher than 1×10 19 cm −3 and equal to or lower than 1×10 21 cm −3 ,
Acceptor segregation in the P-type region,
a rod-shaped acceptor segregation having a length in one direction of 30 nm or more and a concentration of the acceptor element of 5×10 20 cm −3 or more;
and non-rod-shaped acceptor segregation having a length in one direction of less than 30 nm and a concentration of the acceptor element of 5×10 20 cm −3 or more.
a density of the rod-shaped acceptor segregation and a density of the non-rod-shaped acceptor segregation in a surface layer portion of the P-type region are lower than a density of the rod-shaped acceptor segregation and a density of the non-rod-shaped acceptor segregation in a portion of the P-type region deeper than the surface layer portion, respectively .
前記窒化物半導体に設けられたP型領域と、を備え、
前記P型領域におけるアクセプタ元素の濃度は1×10 19 cm -3 以上1×10 21 cm -3 以下であり、
前記P型領域の表層部におけるアクセプタ偏析の密度は、前記P型領域において前記表層部よりも深い部位における前記アクセプタ偏析の密度よりも低く、
前記アクセプタ偏析を、
一方向への長さが30nm以上で、前記アクセプタ元素の濃度が5×1020cm-3以上であるロッド状アクセプタ偏析と、
一方向への長さが30nm未満で、前記アクセプタ元素の濃度が5×1020cm-3以上である非ロッド状アクセプタ偏析と、に分類すると、
前記表層部において、前記ロッド状アクセプタ偏析の密度は1×1014cm-3以下であり、前記非ロッド状アクセプタ偏析の密度は1×1015cm-3未満である、窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor;
a P-type region provided in the nitride semiconductor;
the concentration of the acceptor element in the P-type region is equal to or higher than 1×10 19 cm −3 and equal to or lower than 1×10 21 cm −3 ,
a density of the acceptor segregation in a surface layer portion of the P-type region is lower than a density of the acceptor segregation in a portion of the P-type region that is deeper than the surface layer portion;
The acceptor segregation is
a rod-shaped acceptor segregation having a length in one direction of 30 nm or more and a concentration of the acceptor element of 5×10 20 cm −3 or more;
and non-rod-shaped acceptor segregation having a length in one direction of less than 30 nm and a concentration of the acceptor element of 5×10 20 cm −3 or more.
In the surface layer portion, the density of the rod-shaped acceptor segregations is 1×10 14 cm −3 or less, and the density of the non -rod-shaped acceptor segregations is less than 1×10 15 cm −3 .
前記窒化物半導体に設けられたP型領域と、を備え、
前記P型領域におけるアクセプタ元素の濃度は1×10 19 cm -3 以上1×10 21 cm -3 以下であり、
前記P型領域の表層部におけるアクセプタ偏析の密度は、前記P型領域において前記表層部よりも深い部位における前記アクセプタ偏析の密度よりも低く、
前記表層部の表面からの深さは1nm以上30nm以下である、窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor;
a P-type region provided in the nitride semiconductor;
the concentration of the acceptor element in the P-type region is equal to or higher than 1×10 19 cm −3 and equal to or lower than 1×10 21 cm −3 ,
a density of the acceptor segregation in a surface layer portion of the P-type region is lower than a density of the acceptor segregation in a portion of the P-type region that is deeper than the surface layer portion;
The depth of the surface layer from the surface is 1 nm or more and 30 nm or less.
前記窒化物半導体に設けられたP型領域と、を備え、
前記P型領域におけるアクセプタ元素の濃度は1×10 19 cm -3 以上1×10 21 cm -3 以下であり、
前記P型領域の表層部におけるアクセプタ偏析の密度は、前記P型領域において前記表層部よりも深い部位における前記アクセプタ偏析の密度よりも低く、
前記表層部上に設けられた電極と、
前記表層部と前記電極との間に介在する、N型半導体で構成された保護膜と、をさらに備える、記載の窒化物半導体装置。 A nitride semiconductor;
a P-type region provided in the nitride semiconductor;
the concentration of the acceptor element in the P-type region is equal to or higher than 1×10 19 cm −3 and equal to or lower than 1×10 21 cm −3 ,
a density of the acceptor segregation in a surface layer portion of the P-type region is lower than a density of the acceptor segregation in a portion of the P-type region that is deeper than the surface layer portion;
An electrode provided on the surface layer portion;
the nitride semiconductor device according to claim 1, further comprising: a protective film made of an N-type semiconductor and interposed between the surface layer and the electrode.
前記窒化物半導体に設けられ、前記ウェル領域にチャネルが形成される電界効果トランジスタと、を備え、
前記P型領域は、前記ウェル領域よりも前記アクセプタ元素の濃度が高く、かつ前記ウェル領域に電気的に接続する、請求項8から14のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 A P-type well region provided in the nitride semiconductor;
a field effect transistor provided in the nitride semiconductor, the field effect transistor having a channel formed in the well region;
15. The nitride semiconductor device according to claim 8, wherein said P-type region has a higher concentration of said acceptor element than said well region and is electrically connected to said well region.
前記P型領域は前記ダイオードのアノード領域である、請求項8から14のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 a diode provided in the nitride semiconductor;
The nitride semiconductor device according to claim 8 , wherein said P-type region is an anode region of said diode.
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