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特許5909531窒化物系トランジスタおよびその製造方法

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5909531

(24)【登録日】2016年4月1日

(45)【発行日】2016年4月26日

(54)【発明の名称】窒化物系トランジスタおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

H01L 29/12 20060101AFI20160412BHJP

H01L 29/78 20060101ALI20160412BHJP

H01L 21/336 20060101ALI20160412BHJP

H01L 21/337 20060101ALI20160412BHJP

H01L 21/338 20060101ALI20160412BHJP

H01L 29/808 20060101ALI20160412BHJP

H01L 29/812 20060101ALI20160412BHJP

H01L 21/28 20060101ALI20160412BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652T

H01L29/78 653A

H01L29/78 652H

H01L29/78 652E

H01L29/78 658E

H01L29/78 658K

H01L29/78 652M

H01L29/78 652G

H01L29/78 658G

H01L29/80 V

H01L21/28 301B

【請求項の数】13

【全頁数】66

(21)【出願番号】特願2014-172631(P2014-172631)

(22)【出願日】2014年8月27日

(65)【公開番号】特開2015-46599(P2015-46599A)

(43)【公開日】2015年3月12日

【審査請求日】2014年8月27日

(31)【優先権主張番号】10-2013-0102768

(32)【優先日】2013年8月28日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2013-0127760

(32)【優先日】2013年10月25日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2013-0127810

(32)【優先日】2013年10月25日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2013-0142826

(32)【優先日】2013年11月22日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】507194969

【氏名又は名称】ソウルセミコンダクターカンパニーリミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】特許業務法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】竹谷元伸

(72)【発明者】

【氏名】李 ▲寛▼ 鉉

(72)【発明者】

【氏名】金恩熙

【審査官】棚田一也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２−１０４５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１−０４４２０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／２８

Ｈ０１Ｌ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ２１／３３７

Ｈ０１Ｌ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ２９／７８

Ｈ０１Ｌ２９／８０８

Ｈ０１Ｌ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ２９／７３９

Ｈ０１Ｌ２７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ａ）成長基板上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成するステップと、
（ｅ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｆ）前記第３半導体層または前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成するステップと、
（ｇ）前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項2】

（ａ）成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、前記下部窒化物系半導体層よりも低濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成するステップと、
（ｅ）少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｆ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｇ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｈ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項3】

（ａ）成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｅ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｆ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｇ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項4】

第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体領域と、
前記第１半導体領域によって取り囲まれるように配置され、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体パターン領域と、
前記第１半導体領域上に配置される、高濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体領域と、
前記第２半導体パターン領域の間の前記第１半導体領域に形成されるトレンチの内部に配置されるゲート誘電層およびゲート電極と、
前記第３半導体領域と電気的に連結されるソース電極と、
前記第１半導体領域と電気的に連結されるドレイン電極とを含むことを特徴とする、窒化物系トランジスタ。

【請求項5】

（ａ）成長基板上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成するステップと、
（ｅ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｆ）前記第３半導体層または前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成するステップと、
（ｇ）前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項6】

（ａ）成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、前記下部窒化物系半導体層よりも低濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成するステップと、
（ｅ）少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｆ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｇ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｈ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項7】

（ａ）成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成するステップと、
（ｂ）前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｃ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成するステップと、
（ｄ）前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｅ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｆ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｇ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項8】

第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体領域と、
前記第１半導体領域によって取り囲まれるように配置され、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体領域と、
前記第２半導体領域の下面に配置される絶縁性電流遮断層と、
前記第１半導体領域上に配置される、高濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体領域と、
前記第２半導体領域の間の前記第１半導体領域に形成されるトレンチの内部に配置されるゲート誘電層およびゲート電極と、
前記第３半導体領域と電気的に連結されるソース電極と、
前記第１半導体領域と電気的に連結されるドレイン電極とを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタ。

【請求項9】

（ａ）基板上に窒化物シード（ｓｅｅｄ）パターンを形成するステップと、
（ｂ）前記窒化物シードパターンの間を埋め込むように、前記基板上に窒化物バッファ層を形成するステップと、
（ｃ）前記窒化物シードパターンの上部の前記窒化物バッファ層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記窒化物バッファ層から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層を成長させるステップと、
（ｅ）前記下部窒化物系半導体層上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成するステップと、
（ｆ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｇ）前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｈ）前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成するステップと、
（ｉ）少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｊ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｋ）前記上部窒化物系半導体層および前記下部窒化物系半導体層とそれぞれオーミックコンタクトをなすソース電極およびドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項10】

（ａ）基板上に窒化物シード（ｓｅｅｄ）パターンを形成するステップと、
（ｂ）前記窒化物シードパターンの間を埋め込むように、前記基板上に窒化物バッファ層を形成するステップと、
（ｃ）前記窒化物シードパターンの上部の前記窒化物バッファ層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記窒化物バッファ層から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層を成長させるステップと、
（ｅ）前記下部窒化物系半導体層上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成するステップと、
（ｆ）前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｇ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成するステップと、
（ｈ）前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｉ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｊ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｋ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項11】

（ａ）基板上に第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層を形成するステップと、（ｂ）前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成するステップと、
（ｃ）前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第１型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させるステップと、
（ｄ）前記第２半導体層上に第２型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成するステップと、
（ｅ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｆ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｇ）前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成するステップと、
（ｈ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｉ）前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成するステップと、
（ｊ）前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項12】

（ａ）基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層とを形成するステップと、
（ｂ）前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成するステップと、
（ｃ）前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させるステップと、
（ｄ）前記第２半導体層上に第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成するステップと、
（ｅ）前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｆ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｇ）前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成するステップと、
（ｈ）少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｉ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｊ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｋ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【請求項13】

（ａ）基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層とを形成するステップと、
（ｂ）前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成するステップと、
（ｃ）前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させるステップと、
（ｄ）前記第２半導体層上に、第1型にドーピングされた窒化物系第３半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを形成するステップと、
（ｅ）前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成するステップと、
（ｆ）前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成するステップと、
（ｇ）前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成するステップと、
（ｈ）前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成するステップと、
（ｉ）前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成するステップと、
（ｊ）前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成するステップとを含むことを特徴とする、垂直型窒化物系トランジスタの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、概して（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）、窒化物系トランジスタに関するものである。特に、垂直型窒化物系トランジスタに関するものである。

【背景技術】

【0002】

情報通信技術の発達により、高速スイッチング環境や高電圧環境で動作する高耐圧トランジスタの要請が増加している。そこで、最近登場したＩＩＩ−Ｖ族半導体物質を適用する窒化ガリウム系トランジスタは、従来のシリコントランジスタに比べて高速スイッチング動作が可能で、超高速信号処理に適するだけでなく、素材自体の高耐圧特性により高電圧環境に適用可能である利点があり、業界の注目を集めている。

【0003】

このような窒化ガリウム系トランジスタは、水平型構造または垂直型構造で製造できる。水平型構造は、窒化ガリウム系トランジスタの電荷の伝導が窒化ガリウム表面に対して水平方向に行われている構造を意味し、一般的に、ソース電極、ゲート電極、およびドレイン電極が基板上の同一面上に配置される構造である。

【0004】

しかし、このような水平型構造では、窒化ガリウムの表面に形成された電界がチャネル層を介して移動する電荷の流れを妨げて電荷移動度を減少させたり、素子の動作時に、ゲート電極の角に集中した電界が素子の耐圧を劣化させる問題が報告されている。

【0005】

最近登場した垂直型構造は、前述の水平型構造とは異なり、電荷の伝導が窒化ガリウム表面に対して垂直方向に行われている構造を意味し、米国公開特許第２０１２−０３１９１２７号に開示された電流アパーチャ垂直電子トランジスタ（ＣＡＶＥＴ；ＣｕｒｒｅｎｔＡｐｅｒｔｕｒｅＶｅｒｔｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を一例として提示することができる。

【0006】

前記ＣＡＶＥＴによれば、ソース電極とドレイン電極は、垂直方向に互いに対向して配置され、その間に、電流障壁層としてｐ型ガリウムナイトライド（ｐ−ＧａＮ）層が配置される。そして、電流は、ｐ型ガリウムナイトライド（ｐ−ＧａＮ）層によって提供されるアパーチャ（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を介してソース電極からドレイン電極まで垂直方向に流れる。

【0007】

しかし、このような垂直型構造の商用化のためには、チャネル層における電荷移動度を向上させる技術、ソース電極とドレイン電極との間のリーク電流を減少させて動作信頼性を向上させる技術などへの要請が依然として続いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】米国公開特許第２０１２−０３１９１２７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の実施形態は、チャネル層の移動度を向上させることができる窒化物系トランジスタを提供する。

【0010】

本発明の実施形態は、ソース電極とドレイン電極との間のリーク電流を抑制することができる窒化物系トランジスタを提供する。

【0011】

本発明の実施形態は、窒化物系半導体物質層内の結晶欠陥の密度が減少した垂直型窒化物系トランジスタを提供する。

【0012】

本発明の実施形態は、結晶欠陥によって発生するリーク電流を抑制させることができる垂直型窒化物系トランジスタを提供する。

【0013】

本発明の実施形態は、窒化物系半導体物質層内の貫通転位を通して伝導されるリーク電流を減少させることができる垂直型窒化物系トランジスタを提供する。

【0014】

本発明の実施形態は、前述の特性を備える窒化物系トランジスタを製造する方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の一態様にかかる窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記第３半導体層または前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成する。前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成する。

【0016】

他の態様にかかる窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、前記下部窒化物系半導体層よりも低濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成する。少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0017】

さらに他の態様にかかる窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成する。前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成する。前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0018】

さらに他の態様にかかる窒化物系トランジスタが開示される。前記窒化物系トランジスタは、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体領域と、前記第１半導体領域の内部に配置され、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体パターン領域と、前記第１半導体領域上に配置される、高濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体領域と、前記第２半導体パターン領域の間の領域に形成されるトレンチの内部に配置されるゲート誘電層およびゲート電極と、前記第３半導体領域と電気的に連結されるソース電極と、前記第１半導体領域と電気的に連結されるドレイン電極とを含む。

【0019】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記第３半導体層または前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成する。前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成する。

【0020】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、前記下部窒化物系半導体層よりも低濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成する。少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0021】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、成長基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、絶縁性電流遮断層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成する。前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成する。前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0022】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタが開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタは、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体領域と、前記第１半導体領域の内部に配置され、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体パターン領域と、前記第２半導体パターン領域の下面に配置される絶縁性電流遮断層と、前記第１半導体領域上に配置される、高濃度の第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体領域と、前記第２半導体パターン領域の間の領域に形成されるトレンチの内部に配置されるゲート誘電層およびゲート電極と、前記第３半導体領域と電気的に連結されるソース電極と、前記第１半導体領域と電気的に連結されるドレイン電極とを含む。

【0023】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、まず、基板上に窒化物シード（ｓｅｅｄ）パターンを形成する。前記窒化物シードパターンの間を埋め込むように、前記基板上に窒化物バッファ層を形成する。前記窒化物シードパターンの上部の前記窒化物バッファ層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成する。前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記窒化物バッファ層から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層を成長させる。前記下部窒化物系半導体層上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層とを順次形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込み、前記第３半導体層上に積層される第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成する。少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層および前記下部窒化物系半導体層とそれぞれオーミックコンタクトをなすソース電極およびドレイン電極を形成する。

【0024】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、基板上に窒化物シード（ｓｅｅｄ）パターンを形成する。前記窒化物シードパターンの間を埋め込むように、前記基板上に窒化物バッファ層を形成する。前記窒化物シードパターンの上部の前記窒化物バッファ層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成する。前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記窒化物バッファ層から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層を成長させる。前記下部窒化物系半導体層上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを順次形成する。前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成する。前記第３半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0025】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、基板上に第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層を形成する。前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成する。前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第１型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させる。前記第２半導体層上に第２型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層の内部に第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記第４半導体層と電気的に連結されるソース電極を形成する。前記第１半導体層と電気的に連結されるドレイン電極を形成する。

【0026】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層とを形成する。前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成する。前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第１型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させる。前記第２半導体層上に第２型にドーピングされた窒化物系第３半導体層を形成する。前記第３半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層を形成する。少なくとも前記上部窒化物系半導体層および前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【0027】

さらに他の態様にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法が開示される。前記垂直型窒化物系トランジスタの製造方法において、基板上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層とを形成する。前記第１半導体層上に窒化物側面成長用マスクパターンを形成する。前記窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、前記第１半導体層から第１型にドーピングされた窒化物系第２半導体層を成長させる。前記第２半導体層上に、第２型にドーピングされた窒化物系第３半導体層と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層とを形成する。前記上部窒化物系半導体層から前記第１半導体層の内部に至る第１トレンチを形成する。前記第１トレンチを埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層を形成する。前記第４半導体層を選択的にエッチングして、第２トレンチを形成する。前記第２トレンチの内部にゲート電極を形成する。前記上部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすソース電極を形成する。前記下部窒化物系半導体層とオーミックコンタクトをなすドレイン電極を形成する。

【発明の効果】

【0028】

本発明の実施形態によれば、上下方向のチャネルを有する窒化物系トランジスタにおいて、第２型にドーピングされた窒化物系半導体層とゲート誘電層との間に、第１型にドーピングされた窒化物系半導体層を配置させることができる。ゲート電極は、前記第１型にドーピングされた窒化物系半導体層の空乏領域を制御することにより、前記第１型にドーピングされた窒化物系半導体層にチャネル層を形成することができる。一例として、前記第１型にドーピングされた窒化物系半導体層がｎ型半導体層で、前記第２型にドーピングされた窒化物系半導体層がｐ型半導体層の場合に、電荷伝導度が相対的に高い前記ｎ型半導体層にチャネル層を形成することにより、窒化物系トランジスタのチャネル移動度を向上させることができる。

【0029】

本発明の実施形態によれば、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層の下面に絶縁性電流遮断層を形成することができる。前記絶縁性電流遮断層は、上下方向のチャネル以外の他の経路を介して伝導されるリーク電流を効果的に抑制する役割を果たすことができる。前記絶縁性電流遮断層は、炭素または鉄を含む窒化物系半導体物質を含むことにより、前記絶縁性電流遮断層の上部および下部に形成される第１半導体層、第２半導体層との格子定数の差に起因する変形を効果的に防止することができる。

【0030】

本発明の一実施形態によれば、基板との格子定数の差によって窒化物系半導体物質層内に発生する貫通転位の密度が減少した垂直型窒化物系トランジスタを製造することができる。これにより、チャネル層以外の経路に伝導されるリーク電流を低下させることができ、窒化物系トランジスタの電気的信頼性を向上させることができる。

【0031】

本発明の一実施形態によれば、窒化物系半導体物質層の側面成長により、成長した半導体物質層の内部に位置する貫通転位の密度を減少させる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を提供することができる。

【0032】

具体的な実施形態において、窒化物側面成長用マスクパターンを用いて、窒化物系半導体物質層を側面成長させることにより、成長した半導体物質層の内部に位置する貫通転位の密度を効果的に減少させることができる。また、窒化物側面成長用マスクパターンを、下部の窒化物系半導体物質層と異なる構成元素および組成を備えるように形成することにより、前記下部の窒化物系半導体物質層から窒化物側面成長用マスクパターンの内部に貫通転位が延びることを遮断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】本発明の第１実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。

【図2】本発明の第２実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図4】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図5】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図6】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図7】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図8】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図9】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図10】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図11】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図12】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図13】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図14】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図15】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図16】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図17】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図18】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図19】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図20】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図21】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図22】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図23】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図24】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図25】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図26】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図27】本発明の第３実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。

【図28】本発明の第４実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。

【図29】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図30】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図31】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図32】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図33】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図34】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図35】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図36】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図37】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図38】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図39】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図40】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図41】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図42】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図43】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図44】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図45】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図46】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図47】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図48】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図49】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図50】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図51】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図52】本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図53】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図54】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図55】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図56】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図57】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図58】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図59】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図60】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図61】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図62】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図63】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図64】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図65】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図66】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図67】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図68】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図69】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図70】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図71】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図72】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図73】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図74】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図75】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図76】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図77】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図78】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図79】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図80】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図81】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図82】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図83】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図84】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図85】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図86】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図87】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図88】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図89】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図90】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図91】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図92】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図93】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図94】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図95】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図96】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図97】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図98】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図99】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図100】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図101】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図102】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図103】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【図104】本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に説明する。しかし、本開示にる技術は、ここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に具体化されてもよい。図面において、各装置の構成要素を明確に表現するために、前記構成要素の幅や厚さなどの大きさをやや拡大して示したが、それらの幅や厚さに限定する趣旨ではない。

【0035】

本明細書において、一要素が他の要素の「上」または「下」に位置すると言及される場合、これは、前記一要素が他の要素の「上」または「下」に直に位置するか、またはそれらの要素の間に追加的な要素が介在し得るという意味をすべて含む。また、本明細書において、「上部」または「下部」という用語は、観察者の時点から設定された相対的な概念で、観察者の時点が変われば、「上部」が「下部」を意味することもでき、「下部」が「上部」を意味することもできる。

【0036】

複数の図面上において、同一の符号は実質的に互いに同一の要素を指し示す。また、単数の表現は、文脈上明らかに別途に示さない限り、複数の表現を含むと理解されなければならず、「含む」または「有する」などの用語は、記述される特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定するものであって、１つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないと理解されなければならない。

【0037】

本明細書において、上下方向に形成されるチャネルという意味は、ソース電極からドレイン電極への電荷の伝導が上下方向に行われるチャネルを備えることを意味することができる。したがって、前記チャネルは、チャネル層が基板面のような基準面に対して垂直に形成される場合だけでなく、前記チャネル層が前記基準面に対して所定の角度で傾斜した場合をすべて含む意味で使用できる。傾斜度はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜面を有することができる。

【0038】

本明細書において、ソース電極およびドレイン電極は、電流の方向を考慮して、便宜上区分して名付けたものであって、印加される電圧の極性の変化によって電流方向が変化する場合、ソース電極はドレイン電極を、ドレイン電極はソース電極を意味することもできる。

【0039】

本明細書において、第１層と第２層との間の界面領域とは、第１層と第２層との境界面だけでなく、前記境界面に隣接する第１層または第２層の所定深さへの内部領域を包括すると解釈できる。

【0040】

本明細書において、ｎ型またはｐ型にドーピングされるという意味は、窒化物系半導体内に、ドーパントが、ｐ型は約１Ｅ１７〜１Ｅ２０／ｃｍ^３、ｎ型は約１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３程度の濃度で注入される場合を意味することができる。一方、「高濃度のｎ型またはｐ型にドーピングされる」という意味は、窒化物系半導体内に、ｐ型の場合、約１Ｅ２０／ｃｍ^３以上、ｎ型の場合、ドーパントが約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上注入される場合を意味することができる。

【0041】

図１は、本発明の第１実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、窒化物系トランジスタ１００は、窒化物系第１半導体領域１０５と、窒化物系第２半導体パターン領域１２０と、窒化物系第３半導体領域１３０とを備える。また、窒化物系トランジスタ１００は、窒化物系第２半導体パターン領域１２０の間の第１半導体領域１０５に形成されるトレンチ１０を備えることができる。また、窒化物系トランジスタ１００は、トレンチ１０の内部に配置されるゲート誘電層１４２およびゲート電極１４４を含むことができる。窒化物系トランジスタ１００は、窒化物系第３半導体領域１３０と電気的に連結されるソース電極１５０と、窒化物系第１半導体領域１０５と電気的に連結されるドレイン電極１７０とを含むことができる。

【0042】

図面を参照すれば、窒化物系第１半導体領域１０５は、第１型にドーピングされた窒化物半導体層を含むことができる。前記第１型とは、ドーピングタイプを意味するもので、半導体物質層の内部に流入するドーパントの種類によって、一例として、ｎ型またはｐ型であってよい。一例として、ｎ型にドーピングされる場合、ドーパントは、シリコン（Ｓｉ）が適用可能であり、ｐ型にドーピングされる場合、ドーパントは、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）などが適用可能である。

【0043】

窒化物系第１半導体領域１０５は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物を含むことができる。第１半導体領域１０５は、一例として、エピ成長したｎ型のＧａＮ層であってよい。

【0044】

第２半導体パターン領域１２０は、第１半導体領域１０５の内部に配置されてよい。したがって、第２半導体パターン領域１２０は、第１半導体領域１０５によって取り囲まれるように配置されてよい。第２半導体パターン領域１２０は、所定の幅、長さおよび厚さを有し、不連続的に配置されるパターン層を含むことができる。第２半導体パターン領域１２０は、第１半導体領域１０５と異なる類型のドーピングタイプである第２型にドーピングされた窒化物層を含むことができる。一例として、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされる場合、第２半導体パターン領域１２０はｐ型にドーピングされてよく、第１半導体領域１０５がｐ型にドーピングされる場合、第２半導体パターン領域１２０はｎ型にドーピングされてよい。

【0045】

第３半導体領域１３０は、第１半導体領域１０５上に配置されてよい。第３半導体領域１３０は、高濃度の第１型にドーピングされた窒化物半導体層を含むことができる。第３半導体領域１３０は、第１半導体領域１０５と同一類型のドーピングタイプを備えることができる。第３半導体領域１３０は、ソース電極１５０と電気的に連結できる。

【0046】

以下では、一実施形態として、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体パターン領域１２０がｐ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、第３半導体領域１３０が高濃度のｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含む場合について説明する。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の変形例においても、後述の実施形態における動作機序と実質的に同一の動作機序が適用可能である。

【0047】

図面をさらに参照すれば、第２半導体パターン領域１２０の間の第１半導体領域１０５内にトレンチ１０が形成されてよい。トレンチ１０の内部には、ゲート誘電層１４２およびゲート電極１４４が配置されてよい。

【0048】

ゲート誘電層１４２は、トレンチ１０の内壁に薄膜の形態で配置されてよい。ゲート誘電層１４２は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。一例として、ゲート誘電層１４２は、シリコン酸化膜を含むことができる。

【0049】

ゲート電極１４４は、ゲート誘電層１４２上に配置され、トレンチ１０を満たすように形成されてよい。ゲート電極１４４は、一例として、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、またはこれらの組み合わせを含むドーパントがドーピングされたｐ型ＧａＮ半導体を含むことができる。他の例として、ゲート電極１４４は、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を含むことができる。

【0050】

ゲート電極１４４は、第２半導体パターン領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５の空乏領域を調整することができる。図示のように、第１半導体領域１０５と第２半導体パターン領域１２０とが接するように配置される時、第１半導体領域１０５と第２半導体パターン領域１２０との界面領域では、ＰＮ接合による空乏領域が発生し得る。図面では、空乏領域１１５として、便宜上、第１半導体領域１０５の内部に形成される空乏領域のみを概略的に示している。また、図示しないが、第１半導体領域１０５とゲート電極１４４との間のエネルギーバンドの差によって、ゲート誘電層１４２に隣接する第１半導体領域１０５内に空乏領域が追加的に形成されることもある。

【0051】

具体的には、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体パターン領域１２０がｐ型にドーピングされたＧａＮ層を含む時、第２半導体パターン領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５の内部には、電子の空乏領域を形成させることができる。

【0052】

この時、ゲート電極１４４にゲート電圧を印加することにより、空乏領域１１５の幅Ｗを変化させることができる。具体的な実施形態において、前記ゲート電圧に閾値電圧以上のゲート電圧を印加して空乏領域１１５の幅Ｗを十分に減少させることにより、第２半導体パターン領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５に電子伝導のためのチャネル層を形成することができる。前記チャネル層が上下方向に形成される場合、第３半導体領域１３０から前記チャネル層を介して下部のドレイン電極１７０方向に電子が伝導可能である。

【0053】

ソース電極１５０は、ゲート電極１４４と物理的に離隔して配置され、第３半導体領域１３０と接するように配置されてよい。ソース電極１５０は、第３半導体領域１３０とオーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔ）可能な物質を含むことができる。ソース電極１５０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。

【0054】

図示のように、ソース電極１５０は、第２半導体パターン領域１２０と接するように形成されてよい。ソース電極１５０は、素子の動作時に、第２半導体パターン領域１２０と第３半導体領域１３０の電位を接地レベルに維持させることができる。かくして、第２半導体パターン領域１２０と第３半導体領域１３０を電気的に安定化させることができる。ソース電極１５０とゲート電極１４４との間には絶縁層１４６が配置され、ソース電極１５０とゲート電極１４４とを電気的に絶縁することができる。

【0055】

第１半導体領域１０５の下部には、高濃度の第１型にドーピングされた第４半導体領域１６０が配置されてよい。一実施形態において、第１半導体領域１０５がｎ型ＧａＮ層を含む場合、第４半導体領域１６０は、高濃度のｎ型ＧａＮ層を含むことができる。

【0056】

ドレイン電極１７０が第４半導体領域１６０上に配置されてよい。ドレイン電極１７０は、第４半導体領域１６０とオーミックコンタクト（ｏｈｍｉｃｃｏｎｔａｃｔ）可能な物質を含むことができる。ドレイン電極１７０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。

【0057】

図面を参照すれば、ソース電極１５０の上部にはヒートシンク１８０が配置されてよい。ヒートシンク１８０は、接合部材１８２を用いて、ソース電極１５０の上部に付着することができる。接合部材１８２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。ヒートシンク１８０は、窒化物系トランジスタ１００で発生する熱を外部に伝達する役割を果たすことができる。ヒートシンク１８０は、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。

【0058】

上述の図面を用いて、本実施形態にかかる窒化物系トランジスタ１００の駆動方法を説明する。まず、動作待機状態で、第２半導体パターン領域１２０とゲート電極１４４との間に位置する第１半導体領域１０５に空乏領域１１５が形成される。ソース電極１５０とドレイン電極１７０との間に駆動電圧が印加されても、空乏領域１１５が電荷の移動を妨げることにより、ソース電極１５０とドレイン電極１７０との間で電荷の伝導は発生しない。

【0059】

ゲート電極１４４に閾値電圧以上の電圧が印加されると、空乏領域１１５が除去され、第１半導体領域１０５内に上下方向のチャネル層が形成される。一実施形態として、第１半導体領域１０５がｎ型ドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体パターン領域１２０がｐ型ドーピングされたＧａＮ層を含む場合、ゲート電極１４４に印加される前記電圧によって、第１半導体領域１０５に電子が伝導可能な上下方向のチャネル層が形成できる。

【0060】

前記電子は、ソース電極１５０から第３半導体領域１３０に伝導された後に、下部方向に位置する前記チャネル層、第１半導体領域１０５、および第４半導体領域１６０を通過してドレイン電極１７０に伝導可能である。本実施形態では、ゲート電極１４４によって制御されるチャネル層を上下方向に構成するが、チャネル層をｎ型ドーピングされたＧａＮ層に形成することにより、チャネル層における電荷移動度を増加させることができる。

【0061】

本発明者らによれば、本実施形態と対比される第１比較例として、ｎ型ドーピング領域−ｐ型ドーピング領域−ｎ型ドーピング領域からなる窒化物構造物において、ゲート電圧により前記ｐ型ドーピング領域内に直接チャネル層を形成する窒化物系トランジスタ構造が挙げられる。しかし、本発明者らは、第１比較例のトランジスタ構造は、チャネル層における電子移動度を信頼性あるように実現し難いと判断する。

【0062】

必ずしも特定の理論にこだわって解釈されることはないものの、通常、前記ｐ型ドーピング領域は、ＧａＮのような窒化物半導体層内にマグネシウムのようなｐ型ドーパントを注入させて形成するが、ｐ型ドーパントの注入濃度が増加するほど、ｐ型ドーパントの活性化工程を信頼性あるように実現し難いことから、前記チャネル層における電子移動度に偏差が発生し得ると判断している。

【0063】

また、本発明者らによれば、本実施形態と対比される第２比較例として、ｎ型ドーピング領域−ｐ型ドーピング領域−ｎ型ドーピング領域からなる窒化物構造物において、前記ｐ型ドーピング領域とゲート電極との間に、ＡｌＧａＮ層およびＧａＮ層の二重接合による２ＤＥＧ（two dimensional electron gas）層（２次元電子ガス層）を形成するトランジスタ構造が挙げられる。この場合、２ＤＥＧ層がチャネル層を形成することにより、電荷移動度を向上させることができるが、第２比較例のトランジスタでは、閾値電圧が高電圧環境で動作するには相対的に低い問題があると判断している。すなわち、本発明者らは、第２比較例のトランジスタ構造において、前記ゲート電極が前記２ＤＥＧ層を制御することが相対的に困難で、３Ｖ以上の閾値電圧を実現し難いと判断する。

【0064】

これに対し、本実施形態は、ゲート電極１４４に隣接する第１半導体領域１０５内に空乏領域１１５を形成し、ゲート電圧により空乏領域１１５を制御することにより、電荷伝導のための十分な移動度を備え、３Ｖ以上の十分に高い閾値電圧を備えるチャネル層を形成することができる。かくして、上述の比較例で示されるチャネル層における電荷移動度の低下現象および閾値電圧の低下現象を克服することができる利点がある。

【0065】

図２は、本発明の第２実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。図２を参照すれば、窒化物系トランジスタ２００は、基板１０１上に第４半導体領域１６０が配置され、ドレイン電極２７０が第４半導体領域１６０の一部分上にパターン形態で配置される構成を除けば、図１に関連して上述した窒化物系トランジスタ１００と実質的に同一である。

【0066】

基板１０１は、一例として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板などのような成長基板であってよい。基板１０１は、電気的絶縁性を備えることができる他の多様な材質の基板が適用されてもよい。

【0067】

図３〜図１４は、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いて形成することができる。

【0068】

図３を参照すれば、成長基板３０１の上部に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層３３０とを順次形成する。この時、成長基板３０１と第１半導体層３０５との間に、前記第１半導体層３０５よりも高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２を追加的に形成することができる。

【0069】

成長基板３０１は、一例として、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板、ＡｌＮ基板であってよいが、必ずしもこれに限定されず、窒化物系物質層を成長させる条件を満足する多様な基板が適用可能である。

【0070】

一実施形態によれば、第１半導体層３０５、第２半導体層３２０、および第３半導体層３３０は、ドーピングタイプが異なるだけで、同一の窒化物半導体を含むことができる。第１型がｎ型の場合、第２型はｐ型を意味することができ、第１型がｐ型の場合、第２型がｎ型であってよい。一例として、ｎ型にドーピングされる場合、ドーパントは、シリコン（Ｓｉ）が適用可能であり、ｐ型にドーピングされる場合、ドーパントは、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）などが適用可能である。

【0071】

図４を参照すれば、第３半導体層３３０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ２０を形成する。第１トレンチ２０は、第３半導体層３３０、第２半導体層３２０、および第１半導体層３０５の一部分を選択的にエッチングすることにより形成することができる。第１トレンチ２０の側壁部は、第１トレンチ２０の底面と垂直をなすように形成されてよい。

【0072】

別の例として、第１トレンチ２０の側壁部は、第１トレンチ２０の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0073】

図５を参照すれば、第１トレンチ２０を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層３４０を形成する。第４半導体層３４０は、第１トレンチ２０を埋め込むように形成されると同時に、第３半導体層３３０上に積層されるように形成されてよい。

【0074】

次に、第４半導体層３４０よりも高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層３６０を形成することができる。一実施形態において、第４半導体層３４０は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１７／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよく、上部窒化物系半導体層３６０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、第３半導体層３３０、および第４半導体層３４０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0075】

図６を参照すれば、上部窒化物系半導体層３６０および窒化物系第４半導体層３４０を選択的にエッチングして、第２トレンチ３０を形成する。第２トレンチ３０は、第１トレンチ２０の内部に形成されてよい。

【0076】

より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ３０は、第１トレンチ２０の側壁部から第４半導体層３４０が所定の厚さだけ残存するように、第４半導体層３４０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。残存する第４半導体層３４０の一部分は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第４半導体層３４０の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0077】

第２トレンチ３０は、第３半導体層３４０の表面から少なくとも第２半導体層３２０の厚さをカバーするように形成されてよい。たとえ、図面では、第２トレンチ３０の底面が第１トレンチ２０の底面と同一水準の深さで示されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ３０の底面が第１トレンチ２０の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0078】

第２トレンチ３０の側壁部は、第２トレンチ３０の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第２トレンチ３０の側壁部は、第２トレンチ３０の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0079】

図７を参照すれば、第２トレンチ３０の間の上部窒化物系半導体層３６０、第４半導体層３４０、および第３半導体層３３０を選択的にエッチングして、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ４０を形成する。第３トレンチ４０の側壁部は、第３トレンチ４０の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第３トレンチ４０の側壁部は、第３トレンチ４０の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。第３トレンチ４０は、後述のソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４０として機能することができる。

【0080】

図８を参照すれば、第２トレンチ３０および第３トレンチ４０の内部および上部窒化物系半導体層３６０上にゲート誘電膜３７２を形成する。図示のように、ゲート誘電膜３７２が第２トレンチ３０の側壁に沿って形成され、第３トレンチ４０の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0081】

ゲート誘電膜３７２は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。ゲート誘電膜３７２を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0082】

図９を参照すれば、第２トレンチ３０の内部および第２トレンチ３０の外部のゲート誘電膜３７２上にゲート導電層を形成することにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ３０の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0083】

ゲート電極３７４は、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、またはこれらの組み合わせを含むドーパントがドーピングされたｐ型ＧａＮ半導体を含むことができる。他の例として、ゲート電極３７４は、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を含むことができる。ゲート電極３７４を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0084】

図１０を参照すれば、ゲート誘電膜３７２およびゲート電極３７４上に層間絶縁層３７６を形成する。層間絶縁層３７６は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。層間絶縁層３７６を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0085】

図１１を参照すれば、層間絶縁層３７６およびゲート誘電膜３７２を選択的にエッチングして、絶縁層パターン３７８およびゲート誘電層３７３を形成する。また、前記選択的エッチング過程で、第３トレンチ４０の内部のゲート誘電膜３７２が除去されることにより、第３トレンチ４０が露出する。第３トレンチ４０は、少なくとも第４半導体層３４０から下部方向に形成されて、第２半導体層３２０を露出させることができる。第３トレンチ４０は、後述のように、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４０として機能することができる。

【0086】

図１２を参照すれば、ソースコンタクト４０の内部および絶縁層パターン３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、または上部窒化物系半導体層３６０とオーミックコンタクトをなすことができる。

【0087】

ソース電極３８０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ソース電極３８０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0088】

図１３を参照すれば、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、一例として、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0089】

図１３をさらに参照すれば、成長基板３０１を、下部窒化物系半導体層３０２と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0090】

図１４を参照すれば、成長基板３０１が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、下部窒化物系半導体層３０２とオーミックコンタクトを形成することができる。ドレイン電極３９０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ドレイン電極３９０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。上述の工程により、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタを製造することができる。

【0091】

いくつかの他の実施形態によれば、図１２に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、成長基板３０１上で、第１半導体層３０５、第２半導体層３２０、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、上部窒化物系半導体層３６０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３０２を露出させることができる。

【0092】

次に、下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成することができる。上述の工程により、図２に関連して上述した窒化物系トランジスタを形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0093】

図１５〜図２６は、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いて形成することができる。図３〜図１４に関連して上述した実施形態の構成要素と同一の構成要素については、重複を排除するために、以下、詳細な説明は省略する。

【0094】

図１５を参照すれば、成長基板３０１上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層１５１０とを順次形成する。一実施形態において、下部窒化物系半導体層３０２は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第１半導体層３０５は下部窒化物系半導体層３０２に比べて相対的に低濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第２半導体層３２０はｐ型のＧａＮ層、上部窒化物系半導体層１５１０は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。下部窒化物系半導体層３０２および上部窒化物系半導体層１５１０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされてよく、第１半導体層３０５は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１７／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされてよい。

【0095】

図１６を参照すれば、上部窒化物系半導体層１５１０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ６０を形成する。第１トレンチ６０は、上部窒化物系半導体層１５１０、第２半導体層３２０、および第１半導体層３０５の一部分を選択的にエッチングすることにより形成されてよい。第１トレンチ６０の側壁部は、第１トレンチ６０の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第１トレンチ６０の側壁部は、第１トレンチ６０の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。

【0096】

図１７を参照すれば、第１トレンチ６０を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層１５２０を形成する。第３半導体層１５２０は、第１トレンチ６０を埋め込むように形成されると同時に、上部窒化物系半導体層１５１０上に積層されるように形成されてよい。一実施形態において、第３半導体層１５２０は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１７／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、上部窒化物系半導体層１５１０、および第３半導体層１５２０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0097】

図１８を参照すれば、第３半導体層１５２０を平坦化して、第３半導体層１５２０の表面が上部窒化物系半導体層１５１０の表面と均一となるようにする。前記平坦化方法は、一例として、化学的機械的研磨法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を適用することができる。

【0098】

図１９を参照すれば、第３半導体層１５２０を選択的にエッチングして、第２トレンチ７０を形成する。第２トレンチ７０は、第１トレンチ６０の内部に形成されてよい。より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ７０は、第１トレンチ６０の側壁部から第３半導体層１５２０が所定の厚さだけ残存するように、第３半導体層１５２０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。

【0099】

第２トレンチ７０の側壁部に残存する第３半導体層１５２０の一部分１５２２は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第３半導体層１５２０の一部分１５２２の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0100】

図面では、第２トレンチ７０の底面が第１トレンチ６０の底面と同一水準の深さで示されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ７０の底面が第１トレンチ６０の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0101】

図２０を参照すれば、第２トレンチ７０の内部、第３半導体層１５２２、および上部窒化物系半導体層１５１０上にゲート誘電膜３７２を形成する。ゲート誘電膜３７２は、第２トレンチ７０の側壁および底面に沿って形成されてよい。

【0102】

図２１を参照すれば、第２トレンチ７０の内部および第２トレンチ７０の外部のゲート誘電膜３７２上にゲート導電層を形成することにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ７０の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0103】

図２２を参照すれば、ゲート誘電膜３７２およびゲート電極３７４上に層間絶縁層３７６を形成する。

【0104】

図２３を参照すれば、層間絶縁層３７６、ゲート誘電膜３７２、および上部窒化物系半導体層１５１０を選択的にエッチングして、絶縁層パターン３７８およびゲート誘電層３７３を形成する。また、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ８０を形成することができる。第３トレンチ８０は、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト８０として機能することができる。

【0105】

図２４を参照すれば、ソースコンタクト８０の内部および絶縁層パターン３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、上部窒化物系半導体層１５１０とオーミックコンタクトをなすことができる。

【0106】

図２５を参照すれば、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0107】

図面をさらに参照すれば、成長基板３０１を、下部窒化物系半導体層３０２と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0108】

図２６を参照すれば、成長基板３０１が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、下部窒化物系半導体層３０２とオーミックコンタクトを形成することができる。上述の工程により、本発明の実施形態にかかる窒化物系トランジスタを形成することができる。

【0109】

いくつかの他の実施形態によれば、図２４に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、成長基板３０１上で、第１半導体層３０５、第２半導体層３２０、上部窒化物系半導体層１５１０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３０２を露出させることができる。

【0110】

次に、下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成することができる。上述の工程により、図２に関連して上述した窒化物系トランジスタと実質的に同一の構造を形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0111】

図２７は、本発明の第３実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。図２７を参照すれば、垂直型窒化物系トランジスタ３００は、窒化物系第１半導体領域１０５と、絶縁性電流遮断層１１０と、窒化物系第２半導体領域１２０と、窒化物系第３半導体領域１３０とを備える。また、窒化物系トランジスタ３００は、窒化物系第２半導体領域１２０の間の第１半導体領域１０５に形成されるトレンチ１０を備えることができる。さらに、窒化物系トランジスタ３００は、トレンチ１０の内部に配置されるゲート誘電層１４２およびゲート電極１４４を含むことができる。窒化物系トランジスタ３００は、窒化物系第３半導体領域１３０と電気的に連結されるソース電極１５０と、窒化物系第１半導体領域１０５と電気的に連結されるドレイン電極１７０とを含むことができる。

【0112】

第２半導体領域１２０は、成長中にドーピング原子に自然結合された水素原子を除去するために熱処理しなければならないが、この時生成された水素ガスの離脱を容易にするために、第３半導体領域１３０の少なくとも一部が露出できる。また、これによって、ソース電極１５０の一部は、第２半導体領域１２０と接することができる。

【0113】

【0114】

第２半導体領域１２０は、第１半導体領域１０５の内部に配置されてよい。したがって、第２半導体領域１２０は、第１半導体領域１０５によって取り囲まれるように配置されてよい。第２半導体領域１２０は、所定の幅、長さおよび厚さを有し、不連続的に配置されるパターン層を含むことができる。第２半導体領域１２０は、第１半導体領域１０５と異なる類型のドーピングタイプである第２型にドーピングされた窒化物層を含むことができる。一例として、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされる場合、第２半導体領域１２０はｐ型にドーピングされてよく、第１半導体領域１０５がｐ型にドーピングされる場合、第２半導体領域１２０はｎ型にドーピングされてよい。

【0115】

第２半導体領域１２０の下面には、絶縁性電流遮断層１１０が配置されてよい。絶縁性電流遮断層１１０は、一例として、炭素または鉄のドーピングされた窒化物系半導体物質を含むことができる。一実施形態において、絶縁性電流遮断層１１０は、炭素または鉄のドーピングされた窒化ガリウム層を含むことができる。絶縁性電流遮断層１１０は、第２半導体領域１２０を通過してソース電極１５０およびドレイン電極１７０の間に伝導されるリーク電流を抑制する機能を果たすことができる。絶縁性電流遮断層１１０は、炭素または鉄のドーピングされた窒化物系半導体層を含むことにより、絶縁性電流遮断層１１０と接する第１半導体領域１０５、第２半導体領域１２０との格子定数の差に起因する変形を効果的に防止することができる。

【0116】

【0117】

以下では、一実施形態として、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、絶縁性電流遮断層１１０が炭素または鉄でドーピングされたＧａＮ層であり、第２半導体領域１２０がｐ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、第３半導体領域１３０が高濃度のｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含む場合について説明する。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、他の変形例においても、後述の実施形態における動作機序と実質的に同一の動作機序が適用可能である。

【0118】

図面をさらに参照すれば、第２半導体領域１２０の間の第１半導体領域１０５内にトレンチ１０が形成されてよい。トレンチ１０の内部には、ゲート誘電層１４２およびゲート電極１４４が配置されてよい。

【0119】

【0120】

【0121】

ゲート電極１４４は、第２半導体領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５の空乏領域を調整することができる。図示のように、第１半導体領域１０５と第２半導体領域１２０とが接するように配置される時、第１半導体領域１０５と第２半導体領域１２０との界面領域では、ＰＮ接合による空乏領域が発生し得る。また、第１半導体領域１０５とゲート電極１４４との間のエネルギーバンドの差によって、ゲート誘電層１４２に隣接する第１半導体領域１０５内に空乏領域が追加的に形成されることもある。図面では、上述の第２半導体領域１２０またはゲート電極１４４の影響によって第１半導体領域１０５の内部に形成される空乏領域１１５を概略的に示している。

【0122】

具体的には、第１半導体領域１０５がｎ型にドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体領域１２０がｐ型にドーピングされたＧａＮ層を含む時、第２半導体領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５の内部には、キャリアである電子の空乏領域が形成される。

【0123】

この時、ゲート電極１４４にゲート電圧を印加することにより、ゲート電極１４４に沿って上下方向に位置する空乏領域１１５の幅Ｗ１、Ｗ２を変化させることができる。具体的な実施形態において、前記ゲート電圧に閾値電圧以上のゲート電圧を印加して空乏領域１１５の幅Ｗを十分に減少させると、第２半導体領域１２０とトレンチ１０の側壁との間に位置する第１半導体領域１０５に電子伝導のためのチャネル層を形成することができる。前記チャネル層が上下方向に形成される場合、第３半導体領域１３０から前記チャネル層を介して下部のドレイン電極１７０方向に電子を伝導させることができる。

【0124】

【0125】

また、図示のように、ソース電極１５０は、第２半導体領域１２０と接するように形成されてよい。ソース電極１５０を接地させることにより、素子の動作時に、第２半導体領域１２０と第３半導体領域１３０の電位を接地レベルに維持させることができる。かくして、第２半導体領域１２０と第３半導体領域１３０を電気的に安定化させることができる。ソース電極１５０とゲート電極１４４との間には絶縁層１４６を配置し、ソース電極１５０とゲート電極１４４とを電気的に絶縁することができる。

【0126】

【0127】

【0128】

図面を参照すれば、ソース電極１５０の上部にはヒートシンク１８０が配置されてよい。ヒートシンク１８０は、接合部材１８２を用いて、ソース電極１５０の上部に付着することができる。接合部材１８２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。ヒートシンク１８０は、窒化物系トランジスタ３００で発生する熱を外部に伝達する役割を果たすことができる。ヒートシンク１８０は、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。

【0129】

上述の図面を用いて、本実施形態にかかる窒化物系トランジスタ３００の駆動方法を説明する。まず、動作待機状態で、第２半導体領域１２０とゲート電極１４４との間に位置する第１半導体領域１０５に空乏領域１１５が形成される。ソース電極１５０とドレイン電極１７０との間に駆動電圧が印加されても、空乏領域１１５が電荷の移動を妨げることにより、ソース電極１５０とドレイン電極１７０との間で電荷の伝導は発生しない。

【0130】

ゲート電極１４４に閾値電圧以上の電圧が印加されると、空乏領域１１５が除去され、第１半導体領域１０５内に上下方向のチャネル層が形成される。一実施形態として、第１半導体領域１０５がｎ型ドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体領域１２０がｐ型ドーピングされたＧａＮ層を含む場合、ゲート電極１４４に印加される前記電圧によって、第１半導体領域１０５に電子が伝導可能な上下方向のチャネル層が形成できる。

【0131】

前記電子は、ソース電極１５０から第３半導体領域１３０内に伝導された後に、下部方向に位置する前記チャネル層、第１半導体領域１０５、および第４半導体領域１６０を通過してドレイン電極１７０に伝導可能である。本実施形態では、ゲート電極１４４によって制御されるチャネル層を上下方向に構成するが、チャネル層をｎ型ドーピングされたＧａＮ層（すなわち、第１半導体領域１０５の内部）に形成することにより、チャネル層における電荷移動度を増加させることができる。

【0132】

【0133】

必ずしも特定の理論にこだわって解釈されることはないものの、通常、前記ｐ型ドーピング領域は、ＧａＮのような窒化物層内にマグネシウムのようなｐ型ドーパントを注入させて形成するが、ｐ型ドーパントの注入濃度が増加するほど、ｐ型ドーパントの活性化工程を信頼性あるように実現し難いことから、前記チャネル層における電子移動度に偏差が発生し得ると判断している。

【0134】

【0135】

【0136】

また、第２半導体領域１２０の下面に絶縁性電流遮断層１１０を形成することにより、前記チャネル層でない、第２半導体領域１２０の内部を貫通して伝導されるリーク電流を効果的に抑制することができる利点がある。さらに、絶縁性電流遮断層１１０が炭素または鉄のドーピングされた窒化物系半導体層を含むことにより、絶縁性電流遮断層１１０と接する第１半導体領域１０５、第２半導体領域１２０との格子定数の差に起因する変形を効果的に防止することができる。

【0137】

図２８は、本発明の第４実施形態にかかる窒化物系トランジスタを概略的に示す断面図である。図２８を参照すれば、窒化物系トランジスタ４００は、基板１０１上に第４半導体領域１６０が配置され、ドレイン電極２７０が第４半導体領域１６０の一部分上にパターン形態で配置される構成を除けば、図２７に関連して上述した窒化物系トランジスタ３００と実質的に同一である。

【0138】

【0139】

図２９〜図４０は、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。以下、説明する前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いて形成することができる。

【0140】

図２９を参照すれば、成長基板３０１の上部に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、絶縁性電流遮断層３１０と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層３３０とを順次形成する。この時、成長基板３０１と第１半導体層３０５との間に、前記第１半導体層３０５よりも高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２を追加的に形成することができる。

【0141】

【0142】

【0143】

絶縁性電流遮断層３１０は、炭素（Ｃ）または鉄（Ｆｅ）のドーピングされた窒化物系半導体物質を含むことができる。一実施形態によれば、絶縁性電流遮断層３１０は、炭素のドーピングガスとして、四臭化炭素（ＣＢｒ４）、または四塩化炭素（ＣＣｌ４）を適用して、上述の金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を進行させることにより形成することができる。

【0144】

あるいは、他の実施形態によれば、絶縁性電流遮断層３１０は、鉄の前駆体として、ビスシクロペンタジエニル鉄（Ｃｐ２Ｆｅ、ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｉｒｏｎ）を適用して、上述の金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を進行させることにより形成することができる。

【0145】

図３０を参照すれば、第３半導体層３３０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ２２を形成する。第１トレンチ２２は、第３半導体層３３０、第２半導体層３２０、絶縁性電流遮断層３１０の一部分を選択的にエッチングすることにより形成することができる。第１トレンチ２２の側壁部は、第１トレンチ２２の底面と垂直をなすように形成されてよい。

【0146】

別の例として、第１トレンチ２２の側壁部は、第１トレンチ２２の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0147】

第１トレンチ２２の底面は、絶縁性電流遮断層３１０と第１半導体層３０５との境界面と同一の水準を維持するか、前記境界面よりも下に形成されてよい。

【0148】

図３１を参照すれば、第１トレンチ２２を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層３４０を形成する。第４半導体層３４０は、第１トレンチ２２を埋め込むように形成されると同時に、第３半導体層３３０上に積層されるように形成されてよい。

【0149】

次に、第４半導体層３４０よりも高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層３６０を形成することができる。一実施形態において、第４半導体層３４０は、約１Ｅ１７〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよく、上部窒化物系半導体層３６０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、絶縁性電流遮断層３１０、第３半導体層３３０、および第４半導体層３４０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0150】

図３２を参照すれば、上部窒化物系半導体層３６０および窒化物系第４半導体層３４０を選択的にエッチングして、第２トレンチ３２を形成する。第２トレンチ３２は、第１トレンチ２２の内部に形成されてよい。

【0151】

より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ３２は、第１トレンチ２２の側壁部から第４半導体層３４０が所定の厚さｔ１、ｔ２だけ残存するように、第４半導体層３４０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。残存する第４半導体層３４０の一部分は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第４半導体層３４０の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0152】

第２トレンチ３２は、第３半導体層３３０の表面から少なくとも第２半導体層３２０の厚さをカバーするように形成されてよい。たとえ、図面では、第２トレンチ３２の底面が第１トレンチ２２の底面と同一水準の深さで示されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ３２の底面が第１トレンチ２２の底面よりも深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0153】

第２トレンチ３２の側壁部は、第２トレンチ３２の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第２トレンチ３２の側壁部は、第２トレンチ３２の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0154】

図３３を参照すれば、第２トレンチ３２の間の上部窒化物系半導体層３６０、第４半導体層３４０、および第３半導体層３３０を選択的にエッチングして、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ４２を形成する。第３トレンチ４２の側壁部は、第３トレンチ４２の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第３トレンチ４２の側壁部は、第３トレンチ４２の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。第３トレンチ４２は、後述のソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４２として機能することができる。

【0155】

図３４を参照すれば、第２トレンチ３２および第３トレンチ４２の内部、および上部窒化物系半導体層３６０上にゲート誘電膜３７２を形成する。図示のように、ゲート誘電膜３７２が第２トレンチ３２の側壁に沿って形成され、第３トレンチ４２の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0156】

【0157】

図３５を参照すれば、第２トレンチ３２の内部および第２トレンチ３２の外部のゲート誘電膜３７２上にゲート導電層を形成することにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ３２の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0158】

【0159】

図３６を参照すれば、ゲート誘電膜３７２およびゲート電極３７４上に層間絶縁層３７６を形成する。層間絶縁層３７６は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。層間絶縁層３７６を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0160】

図３７を参照すれば、層間絶縁層３７６およびゲート誘電膜３７２を選択的にエッチングして、絶縁層パターン３７８およびゲート誘電層３７３を形成する。また、前記選択的エッチング過程で、第３トレンチ４２の内部のゲート誘電膜３７２が除去されることにより、第３トレンチ４２が露出する。第３トレンチ４２は、少なくとも第４半導体層３４０から下部方向に形成されて、第２半導体層３２０を露出させることができる。第３トレンチ４２は、後述のように、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４２として機能することができる。

【0161】

図３８を参照すれば、ソースコンタクト４２の内部および絶縁層パターン３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、または上部窒化物系半導体層３６０とオーミックコンタクトをなすことができる。ソース電極３８０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ソース電極３８０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0162】

図３９を参照すれば、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、一例として、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0163】

図３９をさらに参照すれば、成長基板３０１を、下部窒化物系半導体層３０２と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0164】

図４０を参照すれば、成長基板３０１が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、下部窒化物系半導体層３０２とオーミックコンタクトを形成することができる。ドレイン電極３９０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ドレイン電極３９０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。上述の工程により、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタを製造することができる。

【0165】

いくつかの他の実施形態によれば、図３８に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、成長基板３０１上で、第１半導体層３０５、絶縁性電流遮断層３１０、第２半導体層３２０、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、上部窒化物系半導体層３６０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３０２を露出させることができる。

【0166】

次に、下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極を形成することができる。上述の工程により、図２８に関連して上述した窒化物系トランジスタを形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0167】

図４１〜図５２は、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いて形成することができる。図２７〜図４０に関連して上述した実施形態の構成要素と同一の構成要素については、重複を排除するために、以下、詳細な説明は省略する。

【0168】

図４１を参照すれば、成長基板３０１上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、絶縁性電流遮断層３１０と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層１５１０とを順次形成する。

【0169】

一実施形態において、下部窒化物系半導体層３０２は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第１半導体層３０５は下部窒化物系半導体層３０２に対して相対的に低濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第２半導体層３２０はｐ型のＧａＮ層、上部窒化物系半導体層１５１０は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。下部窒化物系半導体層３０２および上部窒化物系半導体層１５１０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされてよく、第１半導体層３０５は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ３のドーピング濃度にドーピングされてよい。

【0170】

絶縁性電流遮断層３１０は、炭素（Ｃ）または鉄（Ｆｅ）のドーピングされた窒化物系半導体物質を含むことができる。一実施形態によれば、絶縁性電流遮断層３１０は、炭素のドーピングガスとして、四臭化炭素（ＣＢｒ４）、または四塩化炭素（ＣＣｌ４）を適用するか、鉄の前駆体として、ビスシクロペンタジエニル鉄（Ｃｐ２Ｆｅ、ｂｉｓ（ｃｙｃｌｏｐｅｎｔａｄｉｅｎｙｌ）ｉｒｏｎ）を適用して、上述の金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を進行させることにより形成することができる。

【0171】

図４２を参照すれば、上部窒化物系半導体層１５１０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ６２を形成する。第１トレンチ６２は、上部窒化物系半導体層１５１０、第２半導体層３２０、および絶縁性電流遮断層３１０の一部分を選択的にエッチングすることにより形成されてよい。第１トレンチ６２の側壁部は、第１トレンチ６２の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第１トレンチ６２の側壁部は、第１トレンチ６２の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。

【0172】

第１トレンチ６２の底面は、絶縁性電流遮断層３１０と第１半導体層３０５との境界面と同一の水準を維持するか、前記境界面よりも下に形成されてよい。

【0173】

図４３を参照すれば、第１トレンチ６２を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層１５２０を形成する。第３半導体層１５２０は、第１トレンチ６２を埋め込むように形成されると同時に、上部窒化物系半導体層１５１０上に積層されるように形成されてよい。一実施形態において、第３半導体層１５２０は、約１Ｅ１７〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、絶縁性電流遮断層３１０、上部窒化物系半導体層１５１０、および第３半導体層１５２０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0174】

図４４を参照すれば、第３半導体層１５２０を平坦化して、第３半導体層１５２０の表面が上部窒化物系半導体層１５１０の表面と均一となるようにする。前記平坦化方法は、一例として、化学的機械的研磨法（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）、ドライエッチング法、またはウェットエッチング法を適用することができる。

【0175】

図４５を参照すれば、第３半導体層１５２０を選択的にエッチングして、第２トレンチ７２を形成する。第２トレンチ７２は、第１トレンチ６２の内部に形成されてよい。より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ７２は、第１トレンチ６２の側壁部から第３半導体層１５２０が所定の厚さｔ３、ｔ４だけ残存するように、第３半導体層１５２０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。

【0176】

第２トレンチ７２の側壁部に残存する第３半導体層１５２０の一部分１５２２は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第３半導体層１５２０の一部分１５２２の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0177】

図面では、第２トレンチ７２の底面が第１トレンチ６２の底面と同一水準の深さで示されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ７２の底面が第１トレンチ６２の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0178】

図４６を参照すれば、第２トレンチ７２の内部、第３半導体層１５２２、および上部窒化物系半導体層１５１０上にゲート誘電膜３７２を形成する。ゲート誘電膜３７２は、第２トレンチ７２の側壁および底面に沿って形成されてよい。

【0179】

図４７を参照すれば、第２トレンチ７２の内部および第２トレンチ７２の外部のゲート誘電膜３７２上にゲート導電層を形成することにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ７２の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0180】

図４８を参照すれば、ゲート誘電膜３７２およびゲート電極３７４上に層間絶縁層３７６を形成する。

【0181】

図４９を参照すれば、層間絶縁層３７６、ゲート誘電膜３７２、および上部窒化物系半導体層１５１０を選択的にエッチングして、絶縁層パターン３７８およびゲート誘電層３７３を形成する。また、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ８２を形成することができる。第３トレンチ８２は、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト８２として機能することができる。

【0182】

図５０を参照すれば、ソースコンタクト８２の内部および絶縁層パターン３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、上部窒化物系半導体層１５１０とオーミックコンタクトをなすことができる。

【0183】

図５１を参照すれば、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0184】

【0185】

図５２を参照すれば、成長基板３０１が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、下部窒化物系半導体層３１０とオーミックコンタクトを形成することができる。上述の工程により、本発明の実施形態にかかる窒化物系トランジスタを形成することができる。

【0186】

いくつかの他の実施形態によれば、図５０に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、成長基板３０１上で、第１半導体層３０５、絶縁性電流遮断層３１０、第２半導体層３２０、上部窒化物系半導体層１５１０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３１０を露出させることができる。

【0187】

次に、下部窒化物系半導体層３１０上にドレイン電極を形成することができる。上述の工程により、図２８に関連して上述した窒化物系トランジスタと実質的に同一の構造を形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0188】

図５３〜図６９は、本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いて形成することができる。

【0189】

図５３を参照すれば、基板３０１上に窒化物半導体層４１０を形成する。基板３０１は、一例として、シリコン基板、サファイア基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、ＡｌＮ基板などのような成長基板であってよいが、必ずしもこれに限定されず、窒化物系半導体物質層を成長させる要件を満足する限り、他の基板も可能である。

【0190】

窒化物半導体層４１０は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物系半導体を含む層であってよい。一実施形態として、基板３０１がサファイア基板の場合、窒化物半導体層４１０はＧａＮ層であってよい。

【0191】

ただし、このような窒化物半導体層４１０を形成する過程で、基板３０１と窒化物半導体層４１０との間の格子定数の差に起因する結晶欠陥である貫通転位４１２が窒化物半導体層４１０内に形成される。貫通転位４１２は、基板３０１に対して上下方向に形成される。

【0192】

図５４を参照すれば、窒化物半導体層４１０を選択的にエッチングして、窒化物シードパターン４１５を形成する。前記エッチング工程において、窒化物半導体層４１０をエッチングした後に、追加的なエッチングを進行させて、基板３０１が所定の深さに凹部を形成させることができる。前記エッチング工程は、異方性エッチング工程で進行可能であり、一例として、ドライエッチング、ウェットエッチング、またはこれらの結合で進行可能である。

【0193】

図５５を参照すれば、窒化物シードパターン４１５を用いて、窒化物バッファ層４２０を成長させる。窒化物バッファ層４２０は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物系半導体を含む層であってよい。窒化物バッファ層４２０は、一例として、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、またはこれらの積層構造であってよい。窒化物バッファ層４２０は、第１型にドーピングされてよい。

【0194】

窒化物バッファ層４２０は、図面の矢印方向、すなわち、基板３０１を基準として上下方向および左右方向に成長するように制御されてよい。基板３０１を基準として上下方向に成長する窒化物バッファ層４２０の内部には、窒化物シードパターン４１５から延びる貫通転位４１２が形成される。

【0195】

これに対し、基板３０１を基準として左右方向に成長する窒化物バッファ層４２０の内部には、貫通転位４１２が形成されることが抑制できる。エピタキシ成長の特性上、成長する方向に沿って下部層の結晶欠陥をそのまま保有しながら、上部層の薄膜が形成されるからである。したがって、貫通転位４１２は、窒化物バッファ層４２０が基板３０１を基準として上下方向に成長する時、成長する窒化物バッファ層４２０内に形成される。

【0196】

図５６を参照すれば、窒化物バッファ層４２０上に窒化物側面成長用マスクパターン４３０を形成する。窒化物側面成長用マスクパターン４３０は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むパターン層であってよい。一例として、窒化物側面成長用マスクパターン４３０は、シリコン酸化膜パターン層であってよい。

【0197】

窒化物側面成長用マスクパターン４３０は、非晶質形態の結晶構造を有するように形成されてよく、一例として、化学気相蒸着法、蒸発法、コーティング法などのような方法を適用して形成することができる。また、窒化物側面成長用マスクパターン４３０は、窒化物バッファ層４２０と互いに異なる組成および構成原子を有することにより、窒化物バッファ層４２０内の貫通転位が窒化物側面成長用マスクパターン４３０の内部に延びなくて済む。

【0198】

図５７を参照すれば、窒化物側面成長用マスクパターン４３０を用いて、窒化物バッファ層４２０から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２を成長させる。

【0199】

次に、下部窒化物系半導体層３０２上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層３３０とを順次形成する。

【0200】

第１半導体層３０５、第２半導体層３２０、および第３半導体層３３０は、ドーピングタイプが異なるだけで、同一の窒化物を含むことができる。第１型がｎ型の場合、第２型はｐ型を意味することができ、第１型がｐ型の場合、第２型がｎ型であってよい。一例として、ｎ型にドーピングされる場合、ドーパントは、シリコン（Ｓｉ）が適用可能であり、ｐ型にドーピングされる場合、ドーパントは、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）などが適用可能である。

【0201】

一実施形態において、窒化物バッファ層４２０としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層、下部窒化物系半導体層３０２として高濃度のｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第１半導体層３０５としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第２半導体層３２０としてｐ型ドーピングされたＧａＮ層、第３半導体層３３０としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層が形成されてよい。

【0202】

下部窒化物系半導体層３０２は、窒化物バッファ層４２０から上下方向および左右方向にエピ成長することができる。エピ成長工程中に上述のｎ型ドーパントが注入されてよい。

【0203】

下部窒化物系半導体層３０２が窒化物バッファ層４２０から成長する時、窒化物バッファ層４２０内の貫通転位４１２も共に延びて、下部窒化物系半導体層３０２内に形成される。

【0204】

ただし、窒化物側面成長用マスクパターン４３０の上部に形成される下部窒化物系半導体層３０２の内部には、貫通転位４１２の密度が相対的に低くなり得る。なぜなら、窒化物側面成長用マスクパターン４３０の上部では、バッファ層４２０から直接窒化物半導体層が成長せず、窒化物バッファ層４２０から上下方向に成長する下部窒化物系半導体層３０２の一部分が窒化物側面成長用マスクパターン４３０の側面方向に成長することにより、窒化物側面成長用マスクパターン４３０の上部に下部窒化物系半導体層３０２が形成されるからである。上述のように、側面成長する窒化物層の内部には、下部層から貫通転位が延びないことから、貫通転位の密度が低くなり得る。

【0205】

図５８を参照すれば、第３半導体層３３０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ２４を形成する。第１トレンチ２４は、第３半導体層３３０、第２半導体層３２０、および第１半導体層３０５の一部分を選択的にエッチングすることにより形成することができる。

【0206】

第１トレンチ２４の側壁部は、第１トレンチ２４の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第１トレンチ２４の側壁部は、第１トレンチ２４の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0207】

図５９を参照すれば、第１トレンチ２４を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層３４０を形成する。第４半導体層３４０は、第１トレンチ２４を埋め込むように形成されると同時に、第３半導体層３３０上に積層されるように形成されてよい。

【0208】

次に、第４半導体層３４０よりも高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層３６０を形成することができる。一実施形態において、第４半導体層３４０は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよく、上部窒化物系半導体層３６０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、第３半導体層３３０、および第４半導体層３４０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0209】

図６０を参照すれば、上部窒化物系半導体層３６０および窒化物系第４半導体層３４０を選択的にエッチングして、第２トレンチ３４を形成する。第２トレンチ３４は、第１トレンチ２４の内部に形成されてよい。

【0210】

より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ３４は、第１トレンチ２４の側壁部から第４半導体層３４０が所定の厚さｔ１、ｔ２だけ残存するように、第４半導体層３４０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。残存する第４半導体層３４０の一部分は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第４半導体層３４０の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0211】

第２トレンチ３４は、第３半導体層３３０の表面から少なくとも第２半導体層３２０の厚さをカバーするように形成されてよい。図面では、第２トレンチ３４の底面が第１トレンチ２４の底面と同一水準の深さで示されているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ３４の底面が第１トレンチ２４の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0212】

第２トレンチ３４の側壁部は、第２トレンチ３４の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第２トレンチ３４の側壁部は、第２トレンチ３４の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0213】

図６１を参照すれば、第２トレンチ３４の間の上部窒化物系半導体層３６０、第４半導体層３４０、および第３半導体層３３０を選択的にエッチングして、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ４４を形成する。第３トレンチ４４の側壁部は、第３トレンチ４４の底面と垂直をなすように形成されてよい。

【0214】

別の例として、第３トレンチ４４の側壁部は、第３トレンチ４４の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。第３トレンチ４４は、後述のソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４４として機能することができる。

【0215】

図６２を参照すれば、第２トレンチ３４および第３トレンチ４４の内部および上部窒化物系半導体層３６０上にゲート誘電膜３７２を形成する。図示のように、ゲート誘電膜３７２が第２トレンチ３４の側壁に沿って形成され、第３トレンチ４４の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0216】

【0217】

図６３を参照すれば、第２トレンチ３４の内部および第２トレンチ３４の外部のゲート誘電膜３７２上にゲート導電層を形成することにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ３４の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0218】

【0219】

図６４を参照すれば、ゲート誘電膜３７２およびゲート電極３７４上に層間絶縁膜３７６を形成する。層間絶縁膜３７６は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。層間絶縁膜３７６を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0220】

図６５を参照すれば、層間絶縁膜３７６およびゲート誘電膜３７２を選択的にエッチングして、層間絶縁層３７８およびゲート誘電層３７３を形成する。また、前記選択的エッチング過程で、第３トレンチ４４の内部のゲート誘電膜３７２が除去されることにより、第３トレンチ４４が露出する。第３トレンチ４４は、少なくとも第４半導体層３４０から下部方向に形成されて、第２半導体層３２０を露出させることができる。第３トレンチ４４は、後述のように、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト４４として機能することができる。

【0221】

図６６を参照すれば、ソースコンタクト４４の内部および層間絶縁層３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、または上部窒化物系半導体層３６０とオーミックコンタクトをなすことができる。ソース電極３８０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ソース電極３８０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0222】

図６７を参照すれば、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、一例として、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0223】

図６７をさらに参照すれば、基板３０１を、窒化物シードパターン４１５および窒化物バッファ層４２０と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0224】

図６８を参照すれば、基板３０１が分離されることにより、露出する窒化物シードパターン４１５および窒化物バッファ層４２０上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、窒化物バッファ層４２０とオーミックコンタクトを形成することができる。

【0225】

ドレイン電極３９０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ドレイン電極３９０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。上述の工程により、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタを製造することができる。

【0226】

いくつかの他の実施形態によれば、図６６に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、基板３０１上で、第１半導体層３０５、第２半導体層３２０、第３半導体層３３０、第４半導体層３４０、上部窒化物系半導体層３６０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３０２を露出させることができる。

【0227】

次に、下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９０を形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0228】

以下では、図６８を参照して、本発明の実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの駆動方法を説明する。まず、動作待機状態で、第２半導体層３２０とゲート電極３７４との間に位置する第４半導体層３４０に空乏領域１６１０が形成される。ソース電極３８０とドレイン電極３９０との間に駆動電圧が印加されても、空乏領域１６１０が電荷の移動を妨げることにより、ソース電極３８０とドレイン電極３９０との間で電荷の伝導は発生しない。

【0229】

ゲート電極３７４に閾値電圧以上の電圧が印加されると、空乏領域１６１０が除去され、第４半導体層３４０内に上下方向のチャネル層が形成される。一実施形態として、第４半導体領域３４０がｎ型ドーピングされたＧａＮ層を含み、第２半導体層３２０がｐ型ドーピングされたＧａＮ層を含む場合、ゲート電極３７４に印加される前記電圧によって、第４半導体層３４０に電子が伝導可能な上下方向のチャネル層が形成できる。

【0230】

前記電子は、ソース電極３８０から第３半導体領域３３０に伝導された後に、下部方向に位置する前記チャネル層、第１半導体層３２０、下部窒化物系半導体層３０２、窒化物バッファ層４２０を通過してドレイン電極３９０に伝導可能である。本実施形態では、ゲート電極３７４によって制御されるチャネル層を上下方向に構成するが、チャネル層をｎ型ドーピングされたＧａＮ層に形成することにより、チャネル層における電荷移動度を増加させることができる。

【0231】

本発明の実施形態にかかる製造方法によれば、基板３０１上に、下部窒化物系半導体層３０２、第１半導体層３０５〜第４半導体層３４０、および上部窒化物系半導体層３６０を形成するにあたり、基板物質と窒化物系半導体物質との間の結晶格子の差に起因して窒化物系半導体層内に発生する貫通転位の形成を抑制することができる。これにより、上述の垂直型窒化物系トランジスタの構造において、貫通転位を介したソース電極とドレイン電極との間の、所望しないリーク電流の発生を抑制することができる。

【0232】

図７０〜図７８は、本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。図７０を参照すれば、基板３０１上に窒化物シードパターン４１５を形成する。次に、窒化物シードパターン４１５の間を埋め込むように、基板３０１上に窒化物バッファ層４２０を形成する。窒化物バッファ層４２０上に窒化物側面成長用マスクパターン４３０を形成する。次に、窒化物側面成長用マスクパターン４３０を用いて、窒化物バッファ層４２０から高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層３０２を形成する。

【0233】

上述の窒化物シードパターン４１５、窒化物バッファ層４２０、窒化物側面成長用マスクパターン４３０、および下部窒化物系半導体層３０２の構成および形成方法は、図５３〜図５７に関連して上述した実施形態におけるそれぞれの構成および形成方法と実質的に同一である。

【0234】

上述のように、窒化物シードパターン４１５を用いる窒化物バッファ層４２０の側面成長、および窒化物側面成長用マスクパターン４３０を用いる下部窒化物系半導体層３０２の側面成長により、下部窒化物系半導体層３０２の内部の貫通転位の密度を従来に比べて減少させることができる。

【0235】

図７０を参照すれば、下部窒化物系半導体層３０２上に、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層３０５と、第２型にドーピングされた窒化物系第２半導体層３２０と、高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層１５１０とを順次形成する。一実施形態において、下部窒化物系半導体層３０２は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第１半導体層３０５は下部窒化物系半導体層３０２に対して相対的に低濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層、第２半導体層３２０はｐ型のＧａＮ層、上部窒化物系半導体層１５１０は高濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。下部窒化物系半導体層３０２および上部窒化物系半導体層１５１０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされてよく、第１半導体層３０２および第２半導体層３０５は、約１Ｅ１６〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされてよい。

【0236】

図７１を参照すれば、上部窒化物系半導体層１５１０から第１半導体層３０５の内部に至る第１トレンチ６４を形成する。第１トレンチ６４は、上部窒化物系半導体層１５１０、第２半導体層３２０、および第１半導体層３０５の一部分を選択的にエッチングすることにより形成されてよい。第１トレンチ６４の側壁部は、第１トレンチ６４の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第１トレンチ６４の側壁部は、第１トレンチ６４の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。

【0237】

図７２を参照すれば、第１トレンチ６４を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第３半導体層１５２２を形成する。かくして、第２半導体層３２０は、第１半導体層３０５、上部窒化物系半導体層１５１０、および第３半導体層１５２２によって取り囲まれるように配置されてよい。図示のように、第３半導体層１５２２は、上部窒化物系半導体層１５１０の表面と同一の高さ水準を有するように平坦化できる。

【0238】

図７３を参照すれば、第３半導体層１５２２を選択的にエッチングして、第２トレンチ７４を形成する。第２トレンチ７４は、第１トレンチ６４の内部に形成されてよい。より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ７４は、第１トレンチ６４の側壁部から第３半導体層１５２２が所定の厚さｔ３、ｔ４だけ残存するように、第３半導体層１５２２を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。

【0239】

第２トレンチ７４の側壁部に残存する第３半導体層１５２２は、後続の工程により、窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第３半導体層１５２２の厚さは、第２半導体層３２０とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。

【0240】

図７４を参照すれば、第２トレンチ７４の内部、第３半導体層１５２２、および上部窒化物系半導体層１５１０上にゲート誘電膜３７３を形成する。ゲート誘電膜３７３は、第２トレンチ７４の側壁および底面に沿って形成されてよい。

【0241】

次に、第２トレンチ７４の内部および第２トレンチ７４の外部のゲート誘電膜３７３上にゲート導電層を形成してパターニングすることにより、ゲート電極３７４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ７４の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0242】

図７５を参照すれば、ゲート誘電膜３７３およびゲート電極３７４上に層間絶縁層３７８を形成する。次に、前記層間絶縁層３７８、ゲート誘電膜３７３、および上部窒化物系半導体層１５１０を選択的にエッチングして、第２半導体層３２０を部分的に露出させる第３トレンチ８４を形成することができる。第３トレンチ８４は、ソース電極３８０を形成するためのソースコンタクト８４として機能することができる。

【0243】

図７６を参照すれば、ソースコンタクト８４の内部および層間絶縁層３７８の間にソース電極３８０を形成する。ソース電極３８０は、上部窒化物系半導体層１５１０とオーミックコンタクトをなすことができる。

【0244】

図７７を参照すれば、接合部材９１２を用いて、ソース電極３８０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。また、基板３０１を、窒化物シードパターン４１５および窒化物バッファ層４２０と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0245】

基板３０１が分離されることにより、露出する窒化物シードパターン４１５および窒化物バッファ層４２０上にドレイン電極３９０を形成する。ドレイン電極３９０は、窒化物バッファ層４２０とオーミックコンタクトを形成することができる。ドレイン電極３９０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。

【0246】

いくつかの他の実施形態によれば、図７６に関連して上述したソース電極３８０を形成する工程を行った後に、図７８に示されるように、基板３０１上で、第１半導体層３０５、第２半導体層３２０などを選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層３０２を露出させることができる。次に、下部窒化物系半導体層３０２上にドレイン電極３９２を形成することができる。加えて、ソース電極３８０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0247】

図７９〜図９３は、本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。以下、説明する実施形態において、窒化物系半導体層は、一例として、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のような窒化物半導体を含むことができる。前記窒化物系半導体層は、一例として、金属有機化学気相蒸着法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子ビームエピタキシ（ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）、水素化気相蒸着エピタキシ（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）などのような方法を用いるエピ成長法によって形成することができる。

【0248】

図７９を参照すれば、基板５０５上に、高濃度の第１型にドーピングされた下部窒化物系半導体層５１０と、第１型にドーピングされた窒化物系第１半導体層５２１とを順次形成する。基板５０５は、一例として、シリコン基板、サファイア基板、炭化シリコン（ＳｉＣ）基板、ＡｌＮ基板などのような基板であってよいが、必ずしもこれに限定されず、窒化物系半導体物質層を成長させる要件を満足する限り、他の基板も可能である。

【0249】

前記第１型とは、ｎ型またはｐ型のドーピング形態を意味する。一例として、ｎ型にドーピングされる場合、ドーパントは、シリコン（Ｓｉ）が適用可能であり、ｐ型にドーピングされる場合、ドーパントは、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）などが適用可能である。上述のドーピングは、前記窒化物系半導体層の製造工程を行う途中に、ドーピングガスを反応器内に提供することにより行われてよい。一実施形態によれば、下部窒化物系半導体層５１０として高濃度のｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第１半導体層５２１としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層が形成されてよい。

【0250】

下部窒化物系半導体層５１０が基板５０５上で形成される時、基板５０５と下部窒化物系半導体層５１０をなす物質の格子定数の差に起因して結晶欠陥である貫通転位５１２が下部窒化物系半導体層５１０の内部に形成される。貫通転位５１２は、基板５０５に対して上下方向に形成される。貫通転位５１２は、第１半導体層５２１が下部窒化物系半導体層５１０上に形成される時、下部窒化物系半導体層５１０の内部に延びる。エピ成長法を適用する限り、下部層の結晶構造に沿って上部層が形成されるからである。

【0251】

図７９をさらに参照すれば、第１半導体層上にマスク層５３０を形成する。マスク層５３０は、一例として、酸化物、窒化物、酸窒化物、またはこれらの２以上を含む物質で形成することができる。マスク層５３０は、具体的な例として、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸窒化膜であってよい。マスク層５３０は、上述の材料膜を単独または複層の積層構造で形成することができる。

【0252】

マスク層５３０は、非晶質形態の結晶構造を有するように形成されてよく、一例として、化学気相蒸着法、蒸発法、コーティング法などのような方法を適用して形成することができる。また、マスク層５３０は、第１半導体層５２１と互いに異なる組成および構成原子を有することにより、第１半導体層５２１内の貫通転位５１２がマスク層５３０の内部に延びなくて済む。

【0253】

図８０を参照すれば、マスク層５３０を選択的にエッチングして、窒化物側面成長用マスクパターン５３５を形成する。上述のエッチング法は、異方性エッチング法または等方性エッチング法を適用することができる。

【0254】

図８１を参照すれば、窒化物側面成長用マスクパターン５３５を用いて、第１半導体層５２１から第１型にドーピングされた窒化物系第２半導体層５２２を成長させる。次に、第２半導体層５２２上に第２型にドーピングされた窒化物系第３半導体層５２３を形成する。

【0255】

第１半導体層５２１、第２半導体層５２２、および第３半導体層５２３は、ドーピングタイプが異なるだけで、同一の窒化物を含むことができる。第１型がｎ型の場合、第２型はｐ型を意味することができ、第１型がｐ型の場合、第２型がｎ型であってよい。一例として、ｎ型にドーピングされる場合、ドーパントは、シリコン（Ｓｉ）が適用可能であり、ｐ型にドーピングされる場合、ドーパントは、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）などが適用可能である。

【0256】

一実施形態において、下部窒化物系半導体層５１０として高濃度のｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第１半導体層５２１としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第２半導体層５２２としてｐ型ドーピングされたＧａＮ層、第３半導体層５２３としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層が形成されてよい。

【0257】

第２半導体層５２２は、第１半導体層５２１から上下方向および左右方向にエピ成長することができる。エピ成長工程中に上述のｐ型ドーパントが注入されてよい。

【0258】

第２半導体層５２２が第１半導体層５２１から成長する時、第１半導体層５２１内の貫通転位５１２も共に延びて、第２半導体層５２２内に形成される。ただし、窒化物側面成長用マスクパターン５３５の上部に形成される第２半導体層５２２の内部には、貫通転位５１２の密度が相対的に低くなり得る。なぜなら、窒化物側面成長用マスクパターン５３５の上部では、第１半導体層５２１から直接窒化物半導体層が成長せず、第１半導体層５２１から上下方向に直接成長していた第１半導体層５２１の一部分が窒化物側面成長用マスクパターン５３５の側面方向に方向を切り替えて成長することにより、窒化物側面成長用マスクパターン５３５の上部に第２半導体層５２２の部分が形成されるからである。側面成長する窒化物層は、下部層の結晶構造に沿わないことから、下部層の貫通転位が延びなくて済む。

【0259】

第２半導体層５２２内の貫通転位の密度が低いことから、第２半導体層５２２からエピ成長する第３半導体層５２３内の貫通転位の密度も低くなり得る。

【0260】

図８２を参照すれば、第３半導体層５２３から第１半導体層５２１の内部に至る第１トレンチ１６を形成する。第１トレンチ１６は、第３半導体層５２３、第２半導体層５２２、窒化物側面成長用マスクパターン５３５、および第１半導体層５２１を選択的にエッチングすることにより形成することができる。第１トレンチ１６の側壁部は、第１トレンチ１６の底面と垂直をなすように形成されてよい。

【0261】

別の例として、第１トレンチ１６の側壁部は、第１トレンチ１６の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0262】

図８３を参照すれば、第１トレンチ１６を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層５２４を形成する。第４半導体層５２４は、第１トレンチ１６を埋め込むように形成されると同時に、第３半導体層５２３上に積層されるように形成されてよい。

【0263】

次に、第４半導体層５２４よりも高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層５４０を形成することができる。一実施形態において、第４半導体層５２４は、約１Ｅ１７〜１Ｅ１９／ｃｍ^３のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよく、上部窒化物系半導体層５４０は、約１Ｅ１９／ｃｍ^３以上のドーピング濃度にドーピングされたｎ型のＧａＮ層であってよい。かくして、第３半導体層５２３は、第２半導体層５２２、および第４半導体層５２４によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0264】

図８４を参照すれば、上部窒化物系半導体層５４０および第４半導体層５２４を選択的にエッチングして、第２トレンチ２６を形成する。第２トレンチ２６は、第１トレンチ１６の内部に形成されてよい。

【0265】

より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ２６は、第１トレンチ１６の側壁部から第４半導体層５２４が所定の厚さｔ１、ｔ２だけ残存するように、第４半導体層５２４を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。

【0266】

残存する第４半導体層５２４の一部分は、後続の工程により、垂直型窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第４半導体層５２４の厚さは、第３半導体層５２３とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。図示のように、第２トレンチ２６の底面は、第１トレンチ１６の底面と同一水準の深さであってよいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ２６の底面が第１トレンチ１６の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0267】

第２トレンチ２６の側壁部は、第２トレンチ２６の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第２トレンチ２６の側壁部は、第２トレンチ２６の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0268】

図８５を参照すれば、第２トレンチ２６の間の上部窒化物系半導体層５４０、第４半導体層５２４を選択的にエッチングして、第２半導体層５２２を部分的に露出させる第３トレンチ３６を形成する。第３トレンチ３６の側壁部は、第３トレンチ３６の底面と垂直をなすように形成されてよい。別の例として、第３トレンチ３６の側壁部は、第３トレンチ３６の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。第３トレンチ３６は、後述のソース電極５７０を形成するためのソースコンタクト３６として機能することができる。

【0269】

図８６を参照すれば、第２トレンチ２６および第３トレンチ３６の内部および上部窒化物系半導体層５４０上にゲート誘電膜５５２を形成する。図示のように、ゲート誘電膜５５２が第２トレンチ２６の側壁に沿って形成され、第３トレンチ３６の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0270】

ゲート誘電膜５５２は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。ゲート誘電膜５５２を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0271】

図８７を参照すれば、第２トレンチ２６の内部および第２トレンチ２６の外部のゲート誘電膜５５２上にゲート導電層を形成してパターニングすることにより、ゲート電極５５４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ２６の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0272】

ゲート電極５５４は、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、またはこれらの組み合わせを含むドーパントがドーピングされたｐ型ＧａＮ半導体を含むことができる。他の例として、ゲート電極５５４は、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属を含むことができる。ゲート電極５５４を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0273】

図８８を参照すれば、ゲート誘電膜５５２およびゲート電極５５４上に層間絶縁膜５６０を形成する。層間絶縁膜５６０は、一例として、酸化物、窒化物、または酸窒化物を含むことができる。層間絶縁膜５６０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0274】

図８９を参照すれば、層間絶縁膜５６０およびゲート誘電膜５５２を選択的にエッチングして、層間絶縁層５６２およびゲート誘電層５５３を形成する。また、前記選択的エッチング過程で、第３トレンチ３６の内部のゲート誘電膜５５２が除去されることにより、第３トレンチ３６が露出する。第３トレンチ３６は、少なくとも第４半導体層５２４から下部方向に形成されて、第３半導体層５２３を露出させることができる。第３トレンチ３６は、後述のように、ソース電極５７０を形成するためのソースコンタクト３６として機能することができる。

【0275】

図９０を参照すれば、ソースコンタクト３６の内部および層間絶縁層５６２の間にソース電極５７０を形成する。ソース電極５７０は、第４半導体層５２４または上部窒化物系半導体層５４０とオーミックコンタクトをなすことができる。ソース電極５７０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ソース電極５７０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。

【0276】

図９１を参照すれば、ソース電極５７０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。ヒートシンク９１０は、垂直型窒化物系トランジスタの内部で発生する熱を外部に伝導させる機能を果たす。ヒートシンク９１０は、一例として、熱伝導率の良い金属のような材質からなる構造物であってよい。ヒートシンク９１０は、接合部材９１２を用いて、ソース電極５７０の上部に付着することができる。接合部材９１２は、一例として、熱伝導率の良いソルダーまたは金属ペーストを含むことができるが、必ずしもこれに限定されず、公知の他の物質を含むことができる。

【0277】

図９１をさらに参照すれば、基板５０５を、下部窒化物系半導体層５１０と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0278】

図９２を参照すれば、基板５０５が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層５１０上にドレイン電極５８０を形成する。ドレイン電極５８０は、下部窒化物系半導体層５１０とオーミックコンタクトを形成することができる。

【0279】

ドレイン電極５８０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。ドレイン電極５８０を形成する方法は、一例として、化学気相蒸着法、スパッタリング、原子層蒸着法、蒸発法などを適用することができる。上述の工程により、本発明の一実施形態にかかる窒化物系トランジスタを製造することができる。

【0280】

図９３のように、いくつかの他の実施形態によれば、図９０に関連して上述したソース電極５７０を形成する工程を行った後に、基板５０５上で、第１半導体層５２１、第２半導体層５２２、窒化物側面成長用マスクパターン５３５、第３半導体層５２３、第４半導体層５２４、上部窒化物系半導体層５４０を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層５１０を露出させることができる。

【0281】

次に、下部窒化物系半導体層５１０上にドレイン電極５８２を形成することができる。加えて、ソース電極５７０の上部にヒートシンクを追加的に配置させてもよい。

【0282】

以下では、図９２を参照して、本発明の実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの駆動方法を説明する。まず、動作待機状態で、第３半導体層５２３とゲート電極５５４との間に位置する第４半導体層５２４に空乏領域１４１０が形成される。ソース電極５７０とドレイン電極５８０との間に駆動電圧が印加されても、空乏領域１４１０が電荷の移動を妨げることにより、ソース電極５７０とドレイン電極５８０との間で電荷の伝導は発生しない。

【0283】

ゲート電極５５４に閾値電圧以上の電圧が印加されると、空乏領域１４１０が除去され、第４半導体層５２４内に上下方向のチャネル層が形成される。一実施形態として、第４半導体層５２４がｎ型ドーピングされたＧａＮ層を含み、第３半導体層５２３がｐ型ドーピングされたＧａＮ層を含む場合、ゲート電極５５４に印加される前記電圧によって、第４半導体層５２４に電子が伝導可能な上下方向のチャネル層が形成できる。

【0284】

前記電子は、ソース電極５７０から上部窒化物系半導体層５４０に伝導された後に、下部方向に位置する前記チャネル層、第１半導体層５２１、および下部窒化物系半導体層５１０を通過してドレイン電極５８０に伝導可能である。本実施形態では、ゲート電極５５４によって制御されるチャネル層を上下方向に構成するが、チャネル層をｎ型ドーピングされたＧａＮ層に形成することにより、チャネル層における電荷移動度を増加させることができる。

【0285】

図９４〜図１０４は、本発明の一実施形態にかかる垂直型窒化物系トランジスタの製造方法を概略的に示す断面図である。図９４を参照すれば、図８１に関連して上述した基板構造物を用意する。すなわち、基板５０５上に、下部窒化物系半導体層５１０、第１半導体層５２１、第２半導体層５２２、および第３半導体層５２３が積層される。第２半導体層５２２は、窒化物側面成長用マスクパターン５３５を用いて、第１半導体層５２１からエピ成長することができる。

【0286】

図９５を参照すれば、第３半導体層５２３上に高濃度の第１型にドーピングされた上部窒化物系半導体層１５４０を形成する。一実施形態において、下部窒化物系半導体層５１０として高濃度のｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第１半導体層５２１としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層、第２半導体層５２２としてｐ型ドーピングされたＧａＮ層、第３半導体層５２３としてｎ型ドーピングされたＧａＮ層、上部窒化物系半導体層１５４０として高濃度のｎ型ドーピングされたＧａＮ層が形成されてよい。

【0287】

図９６を参照すれば、上部窒化物系半導体層１５４０から第１半導体層５２１の内部に至る第１トレンチ４６を形成する。第１トレンチ４６は、上部窒化物系半導体層１５４０、第３半導体層５２３、第２半導体層５２２、窒化物側面成長用マスクパターン５３５、および第１半導体層５２１を選択的にエッチングすることにより形成することができる。第１トレンチ４６の側壁部は、第１トレンチ４６の底面と垂直をなすように形成されてよい。

【0288】

別の例として、第１トレンチ４６の側壁部は、第１トレンチ４６の底面と所定の角度で傾斜をなすように形成されてよい。この時、傾斜角はエッチング工程によって異なるが、ＧａＮの格子面に沿って約３０〜９０度未満の角度を有することができる。より詳細には、ドライエッチングまたはウェットエッチングした時、約６０〜７０度の傾斜を有することができる。

【0289】

図９７を参照すれば、第１トレンチ４６を埋め込む、第１型にドーピングされた窒化物系第４半導体層１５５０を形成する。第４半導体層１５５０は、第１トレンチ４６を埋め込み、上部窒化物系半導体層１５４０と同一の表面を有するように平坦化できる。かくして、第３半導体層５２３は、第２半導体層５２２、上部窒化物系半導体層１５４０、および第４半導体層１５５０によって取り囲まれるように配置されてよい。

【0290】

図９８を参照すれば、第４半導体層１５５０を選択的にエッチングして、第２トレンチ５６を形成する。第２トレンチ５６は、第１トレンチ４６の内部に形成されてよい。より具体的な一実施形態によれば、第２トレンチ５６は、第１トレンチ４６の側壁部から第４半導体層１５５０が所定の厚さｔ３、ｔ４だけ残存（すなわち、図面における第４半導体層の部分１５５２）するように、第４半導体層１５５０を選択的にエッチングする工程を行うことにより形成されてよい。

【0291】

残存する第４半導体層１５５０の一部分１５５２は、後続の工程により、垂直型窒化物系トランジスタのチャネル層として機能することができる。したがって、残存する第４半導体層１５５２の厚さは、第３半導体層５２３とゲート電極との間に形成される空乏領域の幅を考慮して決定可能である。図示のように、第２トレンチ５６の底面は、第１トレンチ４６の底面と同一水準の深さであってよいが、必ずしもこれに限定されるものではなく、第２トレンチ５６の底面が第１トレンチ４６の底面より深く、または浅くなるように形成されてもよい。

【0292】

図９９を参照すれば、第２トレンチ５６の内部、第４半導体層１５５２、および上部窒化物系半導体層１５４０上にゲート誘電膜５５３を形成する。ゲート誘電膜５５３は、第２トレンチ５６の側壁および底面に沿って形成されてよい。

【0293】

次に、第２トレンチ５６の内部および第２トレンチ５６の外部のゲート誘電膜５５３上にゲート導電層を形成してパターニングすることにより、ゲート電極５５４を形成することができる。この時、前記ゲート導電層は、第２トレンチ５６の内部を埋め込むように形成されてよい。

【0294】

図１００を参照すれば、ゲート誘電膜５５３およびゲート電極５５４上に層間絶縁層５６２を形成する。次に、前記層間絶縁層５６２、ゲート誘電膜５５３、および上部窒化物系半導体層１５４０を選択的にエッチングして、第３半導体層５２３を部分的に露出させる第３トレンチ６６を形成することができる。第３トレンチ６６は、ソース電極５７０を形成するためのソースコンタクト６６として機能することができる。

【0295】

図１０１を参照すれば、ソースコンタクト６６の内部および層間絶縁層５６２の間にソース電極５７０を形成する。ソース電極５７０は、上部窒化物系半導体層１５４０とオーミックコンタクトをなすことができる。

【0296】

図１０２を参照すれば、接合部材９１２を用いて、ソース電極５７０の上部にヒートシンク９１０を配置させる。

【0297】

次に、基板５０５を、下部窒化物系半導体層５１０と互いに分離させる。前記分離させる方法は、一例として、レーザリフトオフ（ｌａｓｅｒｌｉｆｔｏｆｆ）工程を適用することができる。

【0298】

図１０３を参照すれば、基板５０５が分離されることにより、露出する下部窒化物系半導体層５１０上にドレイン電極５８０を形成する。ドレイン電極５８０は、下部窒化物系半導体層５１０とオーミックコンタクトを形成することができる。ドレイン電極５８０は、一例として、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、またはこれらの組み合わせを含むことができる。

【0299】

図１０４のように、いくつかの他の実施形態によれば、図１０１に関連して上述したソース電極５７０を形成する工程を行った後に、基板５０５上で、第１半導体層５２１、第２半導体層５２２、第３半導体層５２３、窒化物側面成長用マスクパターン５３５を選択的にエッチングして、下部窒化物系半導体層５１０を露出させることができる。

【0300】

【0301】

以上、図面および実施形態を参照して説明したが、当該技術分野における熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本出願の技術的思想を逸脱しない範囲内で本出願に開示された実施形態を多様に修正および変更可能であることを理解することができる。

【符号の説明】

【0302】

１００、２００、３００、４００：窒化物系トランジスタ
１０、２０、３０、４０、２２、３２、４２、６０、７０、８０、６２、７２、８２、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４、１６、２６、３６、４６、５６、６６：トレンチ
１０１：基板
１０５：第１半導体領域
１１０：絶縁性電流遮断層
１１５：空乏領域
１２０：第２半導体パターン領域
１３０：第３半導体領域
１４２：ゲート誘電層
１４４：ゲート電極
１４６：層間絶縁層
１５０：ソース電極
１６０：第４半導体領域
１７０：ドレイン電極
１８０：ヒートシンク
１８２：接合部材
３０１：基板
３０２：下部窒化物系半導体層
３０５：第１半導体層
３２０：第２半導体層
３３０：第３半導体層
３４０：第４半導体層
３６０：上部窒化物系半導体層
３７２：ゲート誘電膜
３７３：ゲート誘電層
３７４：ゲート電極
３７６：層間絶縁層
３７８：層間絶縁層
３８０：ソース電極
３９０、３９２：ドレイン電極
４１０：窒化物層
４１２：貫通転位
４１５：窒化物シードパターン
４２０：窒化物バッファ層
４３０：窒化物側面成長用マスクパターン
５０５：基板
５１０：下部窒化物系半導体層
５１２：貫通転位
５２１、５２２、５２３、５２４：第１、第２、第３、第４半導体層
５３０：マスク層
５３５：窒化物側面成長用マスクパターン
５４０：上部窒化物系半導体層
５５３：ゲート誘電層
５５４：ゲート電極
５６２：層間絶縁層
５７０：ソース電極
５８０、５８２：ドレイン電極
９１０：ヒートシンク
９１２：接合部材
１５１０：上部窒化物系半導体層
１５２０、１５２２：第３半導体層
１５４０：上部窒化物系半導体層
１５５０、１５５２：第４半導体層

【図1】