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技術 半導体装置の製造方法

出願人 豊田合成株式会社
発明者 藤井隆弘小嵜正芳丹羽隆樹
出願日 2016年3月28日 (4年8ヶ月経過) 出願番号 2016-063771
公開日 2017年10月5日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-183333
状態 特許登録済
技術分野 ダイオード 縦型MOSトランジスタ 半導体の電極
主要キーワード n型半導体 MESFET アニールガス 型注入領域 ボディ電極 加熱工程後 アクセプタ元素 導通経路
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (18)

課題

半導体装置製造コストを削減する技術を提供する。

解決手段

半導体装置の製造方法は、主に、III族窒化物により形成されている第1半導体層に、マグネシウムベリリウムとのうちの少なくとも一方をイオン注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後、マグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方のアニールガスを含む雰囲気下において、前記第1半導体層を加熱する加熱工程と、を備える。

概要

背景

従来から、半導体材料として窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物を用いた半導体装置が知られている。半導体装置には、p型の半導体領域を備えるものがあり、特許文献1には、p型の半導体領域を形成するために、イオン注入を複数回行う方法が記載されている。

概要

半導体装置の製造コストを削減する技術を提供する。半導体装置の製造方法は、主に、III族窒化物により形成されている第1半導体層に、マグネシウムベリリウムとのうちの少なくとも一方をイオン注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後、マグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方のアニールガスを含む雰囲気下において、前記第1半導体層を加熱する加熱工程と、を備える。

目的

このため、半導体装置の製造コストを削減するために、イオン注入回数を減らす技術が望まれていた

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

半導体装置の製造方法であって、主に、III族窒化物により形成されている第1半導体層に、マグネシウムベリリウムとのうちの少なくとも一方をイオン注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後、マグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方のアニールガスを含む雰囲気下において、前記第1半導体層を加熱する加熱工程と、を備える、半導体装置の製造方法。

請求項2

請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、前記イオン注入工程において注入される元素にマグネシウムが含まれる場合、前記アニールガスにマグネシウムが含まれ、前記イオン注入工程において注入される元素にベリリウムが含まれる場合、前記アニールガスにベリリウムが含まれる、半導体装置の製造方法。

請求項3

請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、前記アニールガスにマグネシウムが含まれる場合、前記アニールガスには、さらに、水素アンモニアが含まれる、半導体装置の製造方法。

請求項4

請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記イオン注入工程における注入温度は、20℃以上500℃以下である、半導体装置の製造方法。

請求項5

請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、さらに、前記イオン注入工程の前に、前記第1半導体層の表面に保護膜を形成する工程を備え、前記加熱工程の後に、前記保護膜を除去する工程を備える、半導体装置の製造方法。

請求項6

請求項5に記載の半導体装置の製造方法であって、前記保護膜は、窒化アルミニウム窒化ガリウム窒化インジウム窒化アルミニウムガリウム窒化ガリウムインジウム、窒化アルミニウムインジウム窒化アルミニウムガリウムインジウムからなる群より選ばれた少なくとも一つの非晶質な材料を含む、半導体装置の製造方法。

請求項7

請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記加熱工程における加熱温度が、800℃以上1200℃以下である、半導体装置の製造方法。

請求項8

請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記加熱工程における圧力が、10kPa以上100kPa以下である、半導体装置の製造方法。

請求項9

請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、前記加熱工程における加熱時間が、1分以上60分以下である、半導体装置の製造方法。

請求項10

請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、さらに、前記加熱工程の後に、前記第1半導体層の表面に、主に、III族窒化物により第2半導体層を形成する工程を備える、半導体装置の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

背景技術

0002

従来から、半導体材料として窒化ガリウム(GaN)などのIII族窒化物を用いた半導体装置が知られている。半導体装置には、p型の半導体領域を備えるものがあり、特許文献1には、p型の半導体領域を形成するために、イオン注入を複数回行う方法が記載されている。

先行技術

0003

特開2007−184327号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、イオン注入工程は、高価な工程である。このため、半導体装置の製造コストを削減するために、イオン注入回数を減らす技術が望まれていた。

課題を解決するための手段

0005

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。

0006

(1)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。この半導体装置の製造方法は、主に、III族窒化物により形成されている第1半導体層に、マグネシウムベリリウムとのうちの少なくとも一方をイオン注入するイオン注入工程と、前記イオン注入工程の後、マグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方のアニールガスを含む雰囲気下において、前記第1半導体層を加熱する加熱工程と、を備える。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0007

(2)上述の製造方法において、前記イオン注入工程において注入される元素にマグネシウムが含まれる場合、前記アニールガスにマグネシウムが含まれ、前記イオン注入工程において注入される元素にベリリウムが含まれる場合、前記アニールガスにベリリウムが含まれてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0008

(3)上述の製造方法において、前記アニールガスにマグネシウムが含まれる場合、前記アニールガスには、さらに、水素アンモニアが含まれてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、加熱工程において、第1半導体層の中にマグネシウムが効率的に入るため、製造コストをより削減できる。

0009

(4)上述の製造方法において、前記イオン注入工程における注入温度は、20℃以上500℃以下としてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0010

(5)上述の製造方法において、さらに、前記イオン注入工程の前に、前記第1半導体層の表面に保護膜を形成する工程を備え、前記加熱工程の後に、前記保護膜を除去する工程を備えてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、保護膜が形成された第1半導体層の表面が、加熱工程において荒れることを抑制できる。

0011

(6)上述の製造方法において、前記保護膜は、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム窒化アルミニウムガリウム窒化ガリウムインジウム、窒化アルミニウムインジウム窒化アルミニウムガリウムインジウムからなる群より選ばれた少なくとも一つの非晶質な材料を含んでもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0012

(7)上述の製造方法において、前記加熱工程における加熱温度が、800℃以上1200℃以下としてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0013

(8)上述の製造方法において、前記加熱工程における圧力が、10kPa以上100kPa以下としてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0014

(9)上述の製造方法において、前記加熱工程における加熱時間が、1分以上60分以下としてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0015

(10)上述の製造方法において、さらに、前記加熱工程の後に、前記第1半導体層の表面に、主に、III族窒化物により第2半導体層を形成する工程を備えてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

0016

本発明は、半導体装置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る。例えば、上述の製造方法を用いて製造された半導体装置や、上述の製造方法を用いて半導体装置を製造する装置などの形態で実現することができる。

発明の効果

0017

本願発明の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程のみならず、加熱工程においても、第1半導体層の中にマグネシウムとベリリウムとのうちの少なくとも一方が入るため、イオン注入の回数を減らすことができ、この結果として、製造コストを削減できる。

図面の簡単な説明

0018

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。
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。
第1実施形態におけるp型半導体領域の形成工程(工程)を示す工程図。
n型半導体層の上に保護膜が形成された状態を模式的に示す断面図。
保護膜の不要な部分をエッチングした後の状態を模式的に示す断面図。
型注入領域が形成された後の状態を模式的に示す断面図。
加熱工程後の状態を模式的に示す断面図。
保護膜を除去した後の状態を模式的に示す断面図。
n型半導体層を形成した後の状態を模式的に示す断面図。
トレンチおよびリセスを形成した後の状態を模式的に示す断面図。
絶縁膜を形成した後の状態を模式的に示す断面図。
評価試験の結果を示す図。
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。
第2実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図。
p型半導体領域を形成した後の状態を模式的に示す断面図。
メサを形成した後の状態を模式的に示す断面図。
ショットキー電極および裏面電極を形成後の状態を模式的に示す断面図。

実施例

0019

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。図1のXYZ軸は、他の図のXYZ軸に対応する。

0020

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100は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

0021

半導体装置100は、基板110と、n型半導体層112と、p型半導体領域113と、p型半導体層114と、n型半導体層116とを備える。半導体装置100は、これらの半導体層に形成された構造として、トレンチ122と、リセス124とを有する。半導体装置100は、更に、絶縁膜130と、ゲート電極142と、ボディ電極144と、ソース電極146と、ドレイン電極148とを備える。

0022

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)から主に形成されている。本明細書の説明において、「A(例えば、窒化ガリウム(GaN))から主に形成されている」とは、モル分率においてA(例えば、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、1×1018cm−3以上である。基板110の厚さ(Z軸方向の長さ)は、100μm(マイクロメートル)以上であり、本実施形態では、300μmである。

0023

半導体装置100のn型半導体層112は、n型の特性を有する半導体である。n型半導体層112は、第1半導体層とも呼ぶ。本実施形態では、n型半導体層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112は、主に、III族窒化物により形成されている。本実施形態では、主に、n型半導体層112は、窒化ガリウム(GaN)により形成されている。本実施形態では、n型半導体層112は、ケイ素(Si)をドナー元素(n型不純物)として含有する。本実施形態では、n型半導体層112に含まれるケイ素(Si)濃度の平均値は、約1×1017cm−3以下であり、例えば、1×1016cm−3である。n型半導体層112の厚さ(Z軸方向の長さ)は、5μm以上、かつ、20μm以下が好ましく、15μm以下がより好ましい。本実施形態では、n型半導体層112の厚さ(Z軸方向の長さ)は、10μmである。

0024

半導体装置100のp型半導体領域113は、n型半導体層112の一部に対するイオン注入によって形成された領域である。p型半導体領域113における半導体は、p型の特性を有する。本実施形態では、p型半導体領域113は、トレンチ122から離れた位置に形成され、n型半導体層112およびp型半導体層114に隣接する。本実施形態では、p型半導体領域113は、n型半導体層112と同様に、窒化ガリウム(GaN)から主に形成されている。本実施形態では、p型半導体領域113は、マグネシウム(Mg)をアクセプタ元素(p型不純物)として含有する。p型半導体領域113において、p型不純物の濃度は、n型不純物の濃度より高い。本実施形態では、p型半導体領域113におけるp型不純物の濃度は、n型不純物の濃度に対して100倍以上である。本実施形態では、p型半導体領域113におけるマグネシウム(Mg)の濃度の平均値は、1×1018cm−3以上である。

0025

半導体装置100のp型半導体層114は、p型の特性を有する半導体である。p型半導体層114は、第2半導体層とも呼ぶ。p型半導体層114は、主に、III族窒化物により形成されている。本実施形態では、p型半導体層114は、n型半導体層112およびp型半導体領域113の+Z軸方向側に位置し、X軸およびY軸に沿って広がる。本実施形態では、p型半導体層114は、窒化ガリウム(GaN)から主に形成されている。本実施形態では、p型半導体層114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、p型半導体層114に含まれるマグネシウム(Mg)濃度の平均値は、約4×1018cm−3以下である。本実施形態では、p型半導体層114の厚さ(Z軸方向の長さ)は、約1.0μmである。

0026

半導体装置100のn型半導体層116は、n型の特性を有する半導体である。本実施形態では、n型半導体層116は、p型半導体層114の+Z軸方向側に位置し、X軸およびY軸に沿って広がる。本実施形態では、n型半導体層116は、窒化ガリウム(GaN)から主に形成されている。本実施形態では、n型半導体層116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、n型半導体層116に含まれるケイ素(Si)濃度の平均値は、1×1018cm−3以上であり、約3×1018cm−3である。本実施形態では、n型半導体層116の厚さ(Z軸方向の長さ)は、0.4μm以下であり、約0.2μmである。

0027

半導体装置100のトレンチ122は、n型半導体層116の+Z軸方向側の面からn型半導体層116及びp型半導体層114を貫通し、n型半導体層112にまで落ち込んだ溝部である。本実施形態では、トレンチ122は、n型半導体層116,p型半導体層114,及びn型半導体層112に対するドライエッチングによって形成された構造である。

0028

半導体装置100のリセス124は、n型半導体層116の+Z軸方向側の面からn型半導体層116を貫通し、p型半導体層114にわたって窪んだ凹部である。本実施形態では、リセス124は、n型半導体層116及びp型半導体層114に対するドライエッチングによって形成された構造である。

0029

半導体装置100の絶縁膜130は、トレンチ122の内側に形成され、電気絶縁性を有する膜である。本実施形態では、絶縁膜130は、トレンチ122の内側からn型半導体層116の+Z軸方向側の表面の一部にわたって形成されている。本実施形態では、絶縁膜130は、二酸化ケイ素(SiO2)から主に形成されている。

0030

半導体装置100のゲート電極142は、絶縁膜130を介してトレンチ122の内側に形成された電極である。本実施形態では、ゲート電極142は、トレンチ122の内側に加え、トレンチ122の外側である絶縁膜130の+Z軸方向側の面の一部にわたって形成されている。本実施形態では、ゲート電極142は、アルミニウム(Al)から主に形成されている。ゲート電極142に電圧印加された場合、p型半導体層114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146とドレイン電極148との間に導通経路が形成される。

0031

半導体装置100のボディ電極144は、リセス124に形成され、p型半導体層114に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ボディ電極144は、パラジウム(Pd)から主に形成された層に熱処理が加えられることにより形成された電極である。

0032

半導体装置100のソース電極146は、n型半導体層116に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ソース電極146は、ボディ電極144の上からn型半導体層116の+Z軸方向側の面の一部にわたって形成されている。ソース電極146は、ボディ電極144から離れた部位に形成されていてもよい。本実施形態では、ソース電極146は、チタン(Ti)から主に形成された層に、アルミニウム(Al)から主に形成された層を積層した後に熱処理が加えられることによって形成された電極である。

0033

半導体装置100のドレイン電極148は、基板110の−Z軸方向側の裏面に対してオーミック接触する電極である。本実施形態では、ドレイン電極148は、チタン(Ti)から主に形成された層に、アルミニウム(Al)から主に形成された層を積層した後に熱処理が加えられることによって形成された電極である。

0034

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。まず、製造者は、基板110の上にn型半導体層112を結晶成長によって形成する(工程P110)。本実施形態では、製造者は、基板110における+Z軸方向側の表面にn型半導体層112を形成する。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によってn型半導体層112を形成する。n型半導体層112は、主に、III族窒化物から形成されており、本実施形態では、窒化ガリウム(GaN)から形成されている。

0035

n型半導体層112を形成した後(工程P110)、製造者は、イオン注入によってn型半導体層112の一部にp型半導体領域113を形成する(工程P120)。本実施形態では、製造者は、n型半導体層112における+Z軸方向側の一部の領域にp型半導体領域113を形成する。

0036

図3は、第1実施形態におけるp型半導体領域113の形成工程(工程P120)を示す工程図である。p型半導体領域113の形成工程(工程P120)において、製造者は、まず、n型半導体層112における+Z軸方向側の表面にイオン注入に用いる保護膜を形成する(工程P121)。つまり、後述するイオン注入工程の前に、n型半導体層112の表面に保護膜を形成する。

0037

図4は、n型半導体層112の上に保護膜912が形成された状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、n型半導体層112の結晶成長に連続して、n型半導体層112の上に保護膜912を結晶成長によって形成する。n型半導体層112と保護膜912とを連続して形成させることにより、n型半導体層112と保護膜912との間に不純物混入することによる汚染を防止できる。本実施形態では、製造者は、n型半導体層112における+Z軸方向側の表面に保護膜912を形成する。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって保護膜912を形成する。

0038

製造者は、III族窒化物半導体のドナー元素とならない元素を主な材料として、保護膜912を形成する。このようにすることにより、後述するイオン注入工程において、保護膜912の材料がn型半導体層112に注入されることを抑制できる。ここで、「III族窒化物半導体のドナー元素となる元素」としては、例えば、ケイ素(Si)、酸素(O)、ゲルマニウム(Ge)を挙げることができる。

0039

保護膜912は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化ガリウムインジウム(GaInN)、窒化アルミニウムインジウム(AlInN)、窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlGaInN)からなる群より選ばれた少なくとも一つの非晶質な材料を含むことが好ましい。本実施形態において、保護膜912は、非晶質な窒化アルミニウム(AlN)から主に形成されている。保護膜912の厚みは、100nm以上、1000nm以下が好ましく、本実施形態では、300nmである。保護膜912の結晶成長時における成長温度は、300℃以上1500℃以下が好ましく、成長圧力は10kPa以上100kPa以下が好ましい。

0040

保護膜912を形成した後(工程P121)、製造者は、リソグラフィ法を用いて保護膜912の不要な部分をエッチングする(工程P122)。

0041

図5は、保護膜912の不要な部分をエッチングした後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、製造者は、85℃の水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)を用いて、ウェットエッチングを行う。なお、ウェットエッチングの変わりに、ドライエッチングを用いてもよい。

0042

保護膜912の不要な部分をエッチングした後(工程P122)、製造者は、n型半導体層112に、マグネシウム(Mg)とベリリウム(Be)との少なくとも一方をイオン注入する(工程P123)。工程P123を、イオン注入工程とも呼ぶ。本実施形態では、製造者は、+Z軸方向側からn型半導体層112にp型不純物を注入する。これによって、n型半導体層112の+Z軸方向側の一部の領域には、p型不純物が注入された領域であるp型注入領域が形成される。

0043

図6は、n型半導体層112の+Z軸方向側の一部であって保護膜912に被覆されていない部分に、p型注入領域113Aが形成された後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、p型不純物として、マグネシウム(Mg)を用いる。なお、マグネシウム(Mg)の代わりに、ベリリウム(Be)を用いてもよく、マグネシウム(Mg)及びベリリウム(Be)を用いてもよい。イオン注入工程(工程P123)における注入温度は、20℃以上500℃以下が好ましく、本実施形態では、500℃である。注入エネルギーは、1keV以上500keV以下の範囲で制御が可能であり、本実施形態では、230keVである。ドーズ量は、1012cm−2以上1016cm−2以下が好ましく、本実施形態では、1.7×1015cm−2である。注入角度は、チャネリングの影響を抑制する観点から、厚み方向(Z軸方向)に対して0°より大きく10°未満が好ましく、本実施形態では、厚み方向(Z軸方向)に対して7°である。

0044

イオン注入工程(工程P123)の後、製造者は、マグネシウム(Mg)とベリリウム(Be)との少なくとも一方のアニールガスを含む雰囲気下において、n型半導体層112を加熱する(工程P124)。工程P124を、加熱工程とも呼ぶ。本明細書において、「アニールガス」とは、加熱工程においてn型半導体層112(第1半導体層)と接するガスを言う。本実施形態では、p型注入領域113Aの表面の少なくとも一部が露出した状態において、加熱工程(工程P124)を行う。この工程を経ることにより、イオン注入されたp型不純物が活性化し、また、n型半導体層112の+Z軸方向側の表層に、マグネシウム(Mg)をドープすることができる。本実施形態では、マグネシウム(Mg)を含むアニールガスを用いる。より具体的には、マグネシウム(Mg)を含むアニールガスとして、ビズシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いる。

0045

アニールガスは、半導体装置100を製造するための加熱工程において、n型半導体層112の周囲(雰囲気)に充填充満)するものであり、特に、III族窒化物の半導体装置の製造時には、一般的に、水素(H)とアンモニア(NH3)が含まれる。本実施形態では、n型半導体層112の中にマグネシウム(Mg)をより効率的にドープさせるために、アニールガスには、水素(H)とアンモニア(NH3)が含まれる。なお、本実施形態では、アンモニア(NH3)以外の水素(H)源として、ヒドラジン(N2H2)を用いる。水素(H)は、アンモニア(NH3)やマグネシウム(Mg)を運ぶガス(いわゆるキャリアガス)として機能する。アンモニア(NH3)は、加熱工程時の熱によって窒素イオン水素イオンとに分解され、窒素イオンは、n型半導体層112からの窒素抜けを抑制し、水素イオンは、n型半導体層112内のマグネシウム(Mg)と結びついて、n型半導体層112内でのマグネシウム(Mg)の活性化を促すこととなる。

0046

一般に、マグネシウム(Mg)原子と水素(H)原子とは、結合した状態で半導体(GaN)層中に存在することが知られている。このため、アニールガスに、水素(H)とアンモニア(NH3)が含まれることにより、加熱工程(工程P124)においてマグネシウム(Mg)原子と水素(H)原子が結合しやすい状態となると考えられる。この結果として、n型半導体層112の中にマグネシウム(Mg)をより効率的にドープさせることができると考えられる。なお、同様の効果が、ベリリウム(Be)を用いる場合にも得られると考えられる。n型半導体層112中に拡散させるマグネシウム(Mg)の濃度は、例えば、アニールガスに含まれるアンモニア(NH3)とビズシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)とのモル比を制御することにより調整できる。具体的には、アニールガスに含まれるアンモニア(NH3)に対するビズシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)のモル比(Cp2Mg/NH3)を大きくすることにより、n型半導体層112中に拡散させるマグネシウム(Mg)の濃度を大きくすることができる。

0047

図7は、加熱工程(工程P124)後の状態を模式的に示す断面図である。加熱工程(工程P124)を経ることにより、p型不純物が活性化し、p型注入領域113Aがp型半導体領域113となる。加熱工程における各条件は、p型不純物のn型半導体層112への定着促進と、n型半導体層112の表面の損傷を抑制する観点から、以下の範囲とすることが好ましい。つまり、加熱工程(工程P124)における加熱温度は、800℃以上1200℃以下が好ましく、本実施形態では、1050℃である。加熱工程(工程P124)における加熱時間は、1分以上60分以下が好ましく、本実施形態では、15分である。加熱工程(工程P124)における圧力は、10kPa以上100kPa以下が好ましく、本実施形態では、100kPaである。

0048

加熱工程(工程P124)の後、製造者は、n型半導体層112の上から保護膜912を除去する(工程P125)。本実施形態では、製造者は、85℃の水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)を用いたウェットエッチングにより、保護膜912の除去を行う。なお、ウェットエッチングの変わりに、ドライエッチングを用いてもよい。

0049

図8は、保護膜912を除去した後の状態を模式的に示す断面図である。保護膜912を除去(工程P125、図3参照)することにより、p型半導体領域113の形成工程(工程P120)が完了する。

0050

p型半導体領域113を形成した後(工程P120、図2参照)、製造者は、n型半導体層112およびp型半導体領域113の表面に、主に、III族窒化物によりp型半導体層114を形成する(工程P130)。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法(MOCVD)によって、主に窒化ガリウム(GaN)によりp型半導体層114を形成する。

0051

p型半導体層114を形成した後(工程P130)、製造者は、p型半導体層114の上にn型半導体層116を形成する(工程P140)。

0052

図9は、n型半導体層116を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法(MOCVD)によってn型半導体層116を形成する。

0053

n型半導体層116を形成した後(工程P140)、製造者は、エッチングによってトレンチおよびリセスを形成する(工程P150)。

0054

図10は、トレンチ122およびリセス124を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによってトレンチ122およびリセス124を形成する。

0055

トレンチ122およびリセス124を形成した後(工程P150)、製造者は、絶縁膜を形成する(工程P160)。

0056

図11は、絶縁膜130を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、製造者は、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)によって絶縁膜130を形成する。なお、原子層堆積法の変わりに、スパッタ法を用いてもよい。

0057

絶縁膜130を形成した後(工程P160)、製造者は、ゲート電極142、ボディ電極144、ソース電極146およびドレイン電極148を形成する(工程P170)。本実施形態では、スパッタ法を用いるが、蒸着法を用いてもよい。これらの工程を経て、半導体装置100が完成する。

0058

A−3.効果
以上説明した第1実施形態の製造方法では、イオン注入工程(工程P123)の後に、マグネシウム(Mg)のアニールガスを含む雰囲気下において、n型半導体層112を加熱する加熱工程(工程P124)を備える。このため、加熱工程(工程P124)において、イオン注入されたマグネシウム(Mg)が活性化し、また、n型半導体層112の+Z軸方向側の表層に、マグネシウム(Mg)をドープすることができる。この結果として、イオン注入の回数を減らすことができ、製造コストを削減できる。以下、加熱工程(工程P124)により、n型半導体層112の+Z軸方向側の表層に、マグネシウム(Mg)がドープされることを裏付ける評価試験の結果を示す。

0059

A−4.試験結果
図12は、評価試験の結果を示す図である。評価試験には、以下の試料を用いた。具体的には、試験者は、まず、基板110にn型半導体層112を形成した後に、以下の条件によりイオン注入を1回行った。
・注入温度:500℃
・注入エネルギー:230keV
・ドーズ量:1.7×1015cm−2
・注入角度:厚み方向(Z軸方向)に対して7°

0060

次に、試験者は、以下の条件により加熱工程を行った。
・加熱時間:15分
・加熱温度:1050℃
・圧力:100kPa
・アンモニア(NH3)流量:3.7×10−2sccm
・水素(H2)流量:3.7×10−2sccm
・ビズシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)流量:100sccm

0061

図12は、試料のn型半導体層112における不純物濃度二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)により測定した結果を示す。図12において、横軸はn型半導体層112の−Z軸方向の深さ(μm)を示し、縦軸はマグネシウム(Mg)濃度(cm−3)を示す。深さ0μmは、n型半導体層112の+Z軸方向側の表面である。なお、実施例として、上記の加熱工程を経た結果を示し、比較例として、上記の加熱工程を経ない結果を示す。

0062

図12に示すように、深さが0μmから0.3μmにおけるほぼ全ての領域において、比較例と比較して、実施例の方がマグネシウム(Mg)濃度が高いことが分かる。特に、深さが0μmから0.15μmの領域において、実施例のマグネシウム(Mg)濃度が比較例のマグネシウム(Mg)濃度に対して約1.5倍程度高いことが分かる。この結果から、加熱工程(工程P124)により、特に、n型半導体層112の+Z軸方向側の表層において、マグネシウム(Mg)がドープされることが分かる。

0063

一般に、イオン注入において注入されたマグネシウム(Mg)は、n型半導体層112中のガリウム(Ga)の一部と置換され、加熱工程によって活性化してアクセプタとなる。また、イオン注入によって破壊されたp型注入領域113Aの結晶は、加熱工程において再結晶化する。本実施形態では、この加熱工程時において、p型注入領域113Aの表面近傍に、アニールガスに含まれるマグネシウム(Mg)が存在することにより、再結晶化過程の窒化ガリウム(GaN)結晶中にマグネシウム(Mg)が取り込まれると考えられる。また、この加熱工程時において、取り込まれたマグネシウム(Mg)が活性化すると考えられる。このため、n型半導体層112の+Z軸方向側の表層において、マグネシウム(Mg)の濃度が、加熱工程を経ない場合に比べて特に高くなると考えられる。

0064

B.第2実施形態
図13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13は、図1と同様に相互に直交するXYZ軸が図示されている。

0065

半導体装置200は、III族窒化物半導体を用いて形成されたIII族窒化物系の半導体装置である。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200は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

0066

半導体装置200は、基板210と、n型半導体層212と、p型半導体領域213と、ショットキー電極251と、裏面電極252と、絶縁膜253とを備える。半導体装置200は、メサ211を有する。

0067

半導体装置200の基板210、n型半導体層212、p型半導体領域213は、第1実施形態の基板110、n型半導体層112、p型半導体領域113とそれぞれ対応する。つまり、半導体装置200の基板210は、第1実施形態の基板110と同様である。半導体装置200のn型半導体層212は、第1実施形態のn型半導体層112と同様である。半導体装置200のp型半導体領域213は、第1実施形態のp型半導体領域113と同様である。

0068

半導体装置200のp型半導体領域213は、メサ211の端部を構成する。p型半導体領域213は、n型半導体層212と隣接する。n型半導体層212の+Z軸方向側の面及びp型半導体領域213の+Z軸方向側の面は、メサ211の上面を構成する。

0069

半導体装置200のショットキー電極251は、導電性材料から形成されており、メサ211における上面の一部にショットキー接合されたアノード電極である。本実施形態では、ショットキー電極251は、ニッケル(Ni)から主に形成されている。

0070

半導体装置200の絶縁膜253は、電気絶縁性を有し、メサ211の周囲からショットキー電極251における上面の一部にわたって形成された膜である。本実施形態では、絶縁膜253は、二酸化ケイ素(SiO2)から主に形成されている膜である。

0071

半導体装置200の裏面電極252は、導電性材料から形成されており、基板210の−Z軸方向側の裏面にオーミック接合されたカソード電極である。本実施形態では、裏面電極252は、チタン(Ti)から主に形成される層にアルミニウム(Al)から主に形成される層を積層した後に熱処理が加えられて形成されている電極である。ショットキー電極251に正の電圧が印加されるとショットキー電極251とn型半導体層212の界面に形成されているショットキー障壁が下がることにより、ショットキー電極251と裏面電極252との間に導通経路が形成される。

0072

図14は、第2実施形態における半導体装置200の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、第1実施形態と同様に、基板210の上にn型半導体層212を結晶成長によって形成する(工程P210)。その後、製造者は、第1実施形態のp型半導体領域113の形成工程(工程P120)と同様に、n型半導体層212にp型半導体領域213を形成する(工程P220)。

0073

図15は、p型半導体領域213を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。p型半導体領域213を形成した後(工程P220)、製造者は、エッチングによってメサ211を形成する(工程P230)。

0074

図16は、メサ211を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、製造者は、ドライエッチングによってメサ211を形成する。メサ211を形成した後(工程P230)、製造者は、ショットキー電極251及び裏面電極252を形成する(工程P240)。

0075

図17は、ショットキー電極251及び裏面電極252を形成した後の状態を模式的に示す断面図である。本実施形態では、スパッタ法を用いるが、蒸着法を用いてもよい。

0076

その後、製造者は、絶縁膜253を形成する(工程P250)。本実施形態では、製造者は、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)によって絶縁膜130を形成する。なお、原子層堆積法の変わりに、スパッタ法を用いてもよい。これらの工程を経て、半導体装置200が完成する。

0077

以上説明した第2実施形態の製造方法によれば、第1実施形態のp型半導体領域113の形成方法を、本実施形態のp型半導体領域213の形成方法に援用することにより、縦型ショットキーバリアダイオードを作製することができる。また、第2実施形態の製造方法によれば、第1実施形態の製造方法と同様に、イオン注入の回数を減らすことができ、製造コストを削減できる。

0078

C.その他の実施形態
本発明は、上述の実施形態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。

0079

第1実施形態のp型半導体領域113の形成工程(P120、図3参照)では、イオン注入工程(工程P123)において注入される元素にマグネシウム(Mg)が含まれ、加熱工程(工程P124)のアニールガスにマグネシウム(Mg)が含まれている。しかし、本発明はこれに限られない。イオン注入工程(工程P123)において注入される元素にベリリウム(Be)が含まれ、加熱工程(工程P124)のアニールガスにベリリウム(Be)が含まれていてもよい。また、イオン注入工程(工程P123)において注入される元素にマグネシウム(Mg)及びベリリウム(Be)が含まれ、加熱工程(工程P124)のアニールガスにマグネシウム(Mg)及びベリリウム(Be)が含まれていてもよい。また、イオン注入工程(工程P123)において注入される元素にマグネシウム(Mg)が含まれ、加熱工程(工程P124)のアニールガスにベリリウム(Be)が含まれていてもよい。また、イオン注入工程(工程P123)において注入される元素にベリリウム(Be)が含まれ、加熱工程(工程P124)のアニールガスにマグネシウム(Mg)が含まれていてもよい。

0080

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縦型トレンチMOSFETや縦型ショットキーバリアダイオードに限られず、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)、MESFET(metal-semiconductor field effect transistor)などであってもよい。本発明の製造方法は、n型半導体層にp型半導体領域を形成する工程を備える製造方法に適用できる。

0081

上述の実施形態において、絶縁膜の材質は、電気絶縁性を有する材質であればよく、二酸化ケイ素(SiO2)の他、窒化ケイ素(SiNx)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸窒化ケイ素(SiON)、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(HfON)などの少なくとも1つであってもよい。絶縁膜は、単層であってもよいし、2層以上であってもよい。

0082

上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の実施形態の材質に限らず、他の材質であってもよい。

0083

100…半導体装置
110…基板
112…n型半導体層
113…p型半導体領域
113A…p型注入領域
114…p型半導体層
116…n型半導体層
122…トレンチ
124…リセス
130…絶縁膜
142…ゲート電極
144…ボディ電極
146…ソース電極
148…ドレイン電極
200…半導体装置
210…基板
211…メサ
212…n型半導体層
213…p型半導体領域
251…ショットキー電極
252…裏面電極
253…絶縁膜
912…保護膜

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