特開 2024-20854 半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024020854

(43)【公開日】2024-02-15

(54)【発明の名称】半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/336 20060101AFI20240207BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20240207BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20240207BHJP

   H01L 21/265 20060101ALI20240207BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 658A

H01L29/78 652T

H01L29/78 652C

H01L29/78 652F

H01L21/265 601A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022123354

(22)【出願日】2022-08-02

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大川 峰司

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 健太

(57)【要約】

【課題】 ＧａＮ系半導体基板内におけるマグネシウムの拡散距離を制御する。
【解決手段】 半導体装置の製造方法であって、ＧａＮ系半導体基板に不活性元素または電子線を注入する工程と、前記ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程と、前記ＧａＮ系半導体基板を熱処理する工程を有する。不活性元素または電子線を注入する前記工程における最も深い注入深さＤ１（ｎｍ）からＤｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍの数式により算出される基準深さＤｒｅｆが、マグネシウムを注入する前記工程における最も深い注入深さＤ２（ｎｍ）よりも深い。前記熱処理の後に、前記基準深さＤｒｅｆの位置でマグネシウム濃度が所定減少率で深い側に向かうほど減少している。前記所定減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体装置の製造方法であって、
ＧａＮ系半導体基板（１２）に不活性元素または電子線を注入する工程と、
前記ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程と、
不活性元素または電子線を注入する前記工程とマグネシウムを注入する前記工程の実施後に、前記ＧａＮ系半導体基板を熱処理する工程、
を有し、
前記ＧａＮ系半導体基板の表面において、不活性元素または電子線の注入範囲である第１注入範囲（Ｒｎ）とマグネシウムの注入範囲である第２注入範囲（Ｒｍｇ）とが重複しており、
不活性元素または電子線を注入する前記工程における最も深い注入深さＤ１（ｎｍ）からＤｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍの数式により算出される基準深さＤｒｅｆが、マグネシウムを注入する前記工程における最も深い注入深さＤ２（ｎｍ）よりも深く、
前記熱処理の後に、前記第１注入範囲と前記第２注入範囲が重複する範囲内の深さ方向におけるマグネシウム濃度の分布において、前記基準深さＤｒｅｆの位置でマグネシウム濃度が所定減少率で深い側に向かうほど減少しており、
前記所定減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい、
製造方法。

【請求項2】

不活性元素または電子線を注入する前記工程では、前記ＧａＮ系半導体基板にＮ、Ｇａ、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅの少なくとも１つを注入する、請求項１に記載の製造方法。

【請求項3】

前記表面において、前記第２注入範囲が前記第１注入範囲に含まれており、
不活性元素または電子線を注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ１、前記第１注入範囲の面積Ｓ１、マグネシウムを注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ２、及び、前記第２注入範囲の面積Ｓ２が、ＤＳ１・Ｓ１＞ＤＳ２・Ｓ２の関係を満たす、
請求項１または２の製造方法。

【請求項4】

前記熱処理における熱処理温度が１３００℃以上である、請求項１または２に記載の製造方法。

【請求項5】

前記熱処理の後に、前記表面のうちの前記第２注入範囲の外部であって前記第１注入範囲の内部の範囲がチャネル領域（２４ａ）となるようにゲート電極（４２）を形成する工程をさらに有する、請求項１または２に記載の製造方法。

【請求項6】

前記チャネル領域内のマグネシウム濃度が、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域内のマグネシウム濃度の１０％以上である、請求項５に記載の製造方法。

【請求項7】

前記熱処理の後に、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域（２４ｍｇ）を除去してその下部のｐ型領域を露出させる工程と、
露出させた前記ｐ型領域がチャネル領域となるようにゲート電極（４２）を形成する工程、
をさらに有する請求項１または２に記載の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示の技術は、半導体装置の製造方法に関する。

【0002】

特許文献１には、ＧａＮ系半導体基板内にｐ型半導体層を形成する技術が開示されている。この技術では、ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入した後にＧａＮ系半導体基板を熱処理する。熱処理を実施すると、ＧａＮ系半導体基板の内部でマグネシウムが活性化する。その結果、ＧａＮ系半導体基板の内部にｐ型半導体層が形成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１５５４６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

マグネシウムを活性化するための熱処理において、ＧａＮ系半導体基板の内部でマグネシウムが拡散する。マグネシウムの拡散距離は熱処理条件等によって大きく変化するため、マグネシウムの拡散距離を制御することは難しい。このため、特許文献１の製造方法では、ｐ型半導体層の形状を制御することが困難であった。本明細書では、ＧａＮ系半導体基板内におけるマグネシウムの拡散距離を従来よりも正確に制御する技術を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

半導体装置の製造方法であって、ＧａＮ系半導体基板に不活性元素または電子線を注入する工程と、前記ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程と、不活性元素または電子線を注入する前記工程とマグネシウムを注入する前記工程の実施後に前記ＧａＮ系半導体基板を熱処理する工程、を有する。前記ＧａＮ系半導体基板の表面において、不活性元素または電子線の注入範囲である第１注入範囲とマグネシウムの注入範囲である第２注入範囲とが重複している。不活性元素または電子線を注入する前記工程における最も深い注入深さＤ１（ｎｍ）からＤｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍの数式により算出される基準深さＤｒｅｆが、マグネシウムを注入する前記工程における最も深い注入深さＤ２（ｎｍ）よりも深い。前記熱処理の後に、前記第１注入範囲と前記第２注入範囲が重複する範囲内の深さ方向におけるマグネシウム濃度の分布において、前記基準深さＤｒｅｆの位置でマグネシウム濃度が所定減少率で深い側に向かうほど減少している。前記所定減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい。

【0006】

なお、ＧａＮ系半導体基板に不活性元素または電子線を注入する工程と、ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程は、いずれを先に実施してもよい。
また、ＧａＮ系半導体基板は、ＧａＮ（すなわち、窒化ガリウム）を主成分とする半導体基板を意味する。例えば、ＧａＮ系半導体基板は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等によって構成されていてもよい。
また、上記減少率が小さいことは、より急激な割合でマグネシウム濃度が減少することを意味する。言い換えると、上記減少率が小さいことは、より急な傾きでマグネシウム濃度が減少することを意味する。例えば、３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／２０となる減少率は、３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい。なお、上記減少率は、深さをＤ（ｎｍ）とし、マグネシウムの濃度をＰ（ｃｍ^－３）とし、底を１０とする濃度Ｐの対数値をｌｏｇ_１０Ｐとしたときに、ｄＤ／ｄｌｏｇ_１０Ｐにより表すことができる。すなわち、上記減少率は、深さＤを対数値ｌｏｇ_１０Ｐで微分した値である。すなわち、「前記所定減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい」は、ｄＤ／ｄｌｏｇ_１０Ｐ＜３００であることを意味する。
また、上記不活性元素は、ＧａＮ系半導体基板に注入されたときにアクセプタとしてもドナーとして機能しない元素を意味する。

【0007】

ＧａＮ系半導体基板に不活性元素または電子線を注入する工程（以下、第１注入工程という）では、その注入領域内に結晶欠陥が形成される。結晶欠陥は不活性元素または電子線が注入された深さとその周辺に形成される。ＧａＮ系半導体基板においては、第１注入工程における最も深い注入深さＤ１に対して、Ｄｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍとなる基準深さＤｒｅｆよりも深い位置まで結晶欠陥が形成される。基準深さＤｒｅｆでは、深い側に向かうほど結晶欠陥密度が急速に減少している。ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程（以下、第２注入工程という）では、基準深さＤｒｅｆよりも浅い範囲にマグネシウムが注入される。第１注入工程と第２注入工程の実施後にＧａＮ系半導体基板を熱処理すると、ＧａＮ系半導体基板内でマグネシウムが拡散する。このとき、第１注入工程で結晶欠陥が形成された領域（すなわち、基準深さＤｒｅｆよりも浅い領域）ではマグネシウムが速く拡散する。他方、結晶欠陥が形成された領域と結晶欠陥が形成されていない領域の界面ではマグネシウムの拡散が抑制される。このため、熱処理工程において結晶欠陥が形成されている領域内で十分にマグネシウムを拡散させると、マグネシウムの拡散領域の端部を基準深さＤｒｅｆの位置近傍に制御することができる。この場合、基準深さＤｒｅｆの位置でマグネシウム濃度が非常に小さい減少率で深い側に向かうほど減少している分布が得られる。より具体的には、基準深さＤｒｅｆの位置におけるマグネシウム濃度の減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい減少率となる。以上に説明したように、この製造方法によれば、マグネシウムの拡散領域の端部を基準深さＤｒｅｆの位置近傍に制御することができ、マグネシウムの拡散距離のばらつきを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】半導体装置１０の断面図。

【図2】ドリフト層形成工程の説明図。

【図3】Ｎ注入工程の説明図。

【図4】深さ方向におけるＮ濃度分布を示すグラフ。

【図5】実施例１のＭｇ注入工程の説明図。

【図6】ＧａＮ系半導体基板を上から見たときのＭｇ注入範囲とＮ注入範囲の平面図。

【図7】実施例１の熱処理工程の説明図。

【図8】熱処理工程前のＭｇ濃度分布を示すグラフ。

【図9】熱処理工程後のＭｇ濃度分布を示すグラフ。

【図10】ゲート絶縁膜とゲート電極の形成工程の説明図。

【図11】熱処理温度を変更したときのＭｇ濃度分布を示すグラフ。

【図12】実施例２のＭｇ注入工程の説明図。

【図13】実施例２の熱処理工程の説明図。

【図14】実施例２のＭｇ注入領域を除去する工程の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本明細書が開示する一例の製造方法では、不活性元素または電子線を注入する前記工程では、前記ＧａＮ系半導体基板にＮ、Ｇａ、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅの少なくとも１つを注入してもよい。

【0010】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記表面において、前記第２注入範囲が前記第１注入範囲に含まれていてもよい。不活性元素または電子線を注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ１、前記第１注入範囲の面積Ｓ１、マグネシウムを注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ２、及び、前記第２注入範囲の面積Ｓ２が、ＤＳ１・Ｓ１＞ＤＳ２・Ｓ２の関係を満たしてもよい。

【0011】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記熱処理における熱処理温度が１３００℃以上であってもよい。

【0012】

この構成によれば、第１注入工程における注入領域の界面によるＭｇの拡散抑制効果をより確実に得ることができる。

【0013】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記熱処理の後に、前記表面のうちの前記第２注入範囲の外部であって前記第１注入範囲の内部の範囲がチャネル領域となるようにゲート電極を形成する工程をさらに有していてもよい。

【0014】

なお、チャネル領域は、ゲート電極にゲート閾値以上の電位が印加されたときに反転層（すなわち、チャネル）が形成される半導体領域を意味する。この構成によれば、結晶欠陥が少ない領域をチャネル領域とすることができ、チャネル抵抗を低減することができる。

【0015】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記チャネル領域内のマグネシウム濃度が、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域内のマグネシウム濃度の１０％以上であってもよい。

【0016】

本明細書が開示する一例の製造方法では、前記熱処理の後に、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域を除去してその下部のｐ型領域を露出させる工程と、露出させた前記ｐ型領域がチャネル領域となるようにゲート電極を形成する工程、をさらに有していてもよい。

【0017】

この構成によれば、結晶欠陥が少ない領域をチャネル領域とすることができ、チャネル抵抗を低減することができる。

【0018】

図１は、実施例の製造方法により製造される半導体装置１０を示している。半導体装置１０は、ＧａＮ系半導体基板１２を有している。ＧａＮ系半導体基板１２の内部に、ドレイン層２０、ドリフト層２２、複数のボディ層２４、及び、複数のソース層２６が設けられている。ドレイン層２０は、ｎ型層であり、ＧａＮ系半導体基板１２の下面１２ｂを含む範囲に配置されている。ドリフト層２２は、ドレイン層２０よりもｎ型不純物濃度が低いｎ型層である。ドリフト層２２は、ドレイン層２０の上部に配置されている。複数のボディ層２４は、ｐ型層であり、ドリフト層２２の上部に配置されている。各ボディ層２４は、ＧａＮ系半導体基板１２の上面１２ａを部分的に含む範囲に配置されている。各ボディ層２４は間隔を空けて配置されている。以下では、各ボディ層２４の間の間隔部を窓部２３という。窓部２３には、ドリフト層２２が配置されている。窓部２３内で、ドリフト層２２は上面１２ａまで伸びている。各ソース層２６は、ｎ型層であり、対応するボディ層２４の内部に配置されている。各ソース層２６は、上面１２ａを部分的に含む範囲に配置されている。各ソース層２６は、対応するボディ層２４によってドリフト層２２から分離されている。

【0019】

ＧａＮ系半導体基板１２の上部には、ゲート絶縁膜４０、ゲート電極４２、層間絶縁膜４４、及び、ソース電極４６が設けられている。ゲート絶縁膜４０は、１つのソース層２６の上面から他のソース層２６の上面まで伸びている。ゲート絶縁膜４０は、２つのソース層２６の間において、ボディ層２４の上面と窓部２３内のドリフト層２２の上面を覆っている。ゲート電極４２は、ゲート絶縁膜４０の上部に配置されている。ゲート電極４２は、ゲート絶縁膜４０を介して、ソース層２６、ボディ層２４、及び、窓部２３内のドリフト層２２に対向している。層間絶縁膜４４は、ゲート電極４２を覆っている。ソース電極４６は、層間絶縁膜４４とＧａＮ系半導体基板１２の上面１２ａを覆っている。ソース電極４６は、各ソース層２６と各ボディ層２４に電気的に接続されている。

【0020】

ＧａＮ系半導体基板１２の下部には、ドレイン電極４８が設けられている。ドレイン電極４８は、ドレイン層２０と電気的に接続されている。

【0021】

半導体装置１０の使用時には、ドレイン電極４８にソース電極４６よりも高い電位が印加される。ゲート電極４２にゲート閾値以上の電位を印加すると、ゲート絶縁膜４０の下部のボディ層２４（すなわち、窓部２３とソース層２６の間のボディ層２４の表層部）にチャネルが形成される。以下では、ボディ層２４のうちのチャネルが形成される部分を、チャネル領域２４ａという。チャネル領域２４ａにチャネルが形成されると、ソース層２６から、チャネル、ドリフト層２２を介してドレイン層２０へ電子が流れ、半導体装置１０がオンする。

【0022】

次に、半導体装置１０の製造方法について説明する。最初に、従来の半導体装置１０の製造方法について説明する。

【0023】

（従来の製造方法）
半導体装置１０は、ドレイン層２０によって構成されているＧａＮ系半導体基板から製造される。まず、図２に示すように、ドレイン層２０上にドリフト層２２をエピタキシャル成長させる。次に、ドリフト層２２の表層部にＭｇ（すなわち、マグネシウム）を注入する。次に、ＧａＮ系半導体基板１２を熱処理し、ＧａＮ系半導体基板１２内でＭｇを拡散させるとともに活性化させる。ＭｇはＧａＮ系半導体基板１２内でｐ型不純物として機能するので、Ｍｇが拡散した範囲内にｐ型のボディ層２４が形成される。その後、従来公知の方法によって、図１のように、ソース層２６、ゲート絶縁膜４０、ゲート電極４２、層間絶縁膜４４、ソース電極４６、及び、ドレイン電極４８を形成する。これにより、半導体装置１０が完成する。

【0024】

従来の製造方法では、熱処理工程におけるＭｇの拡散距離を制御することが難しい。これにより、以下の問題が生じる。

【0025】

Ｍｇの拡散距離が長いほど、ボディ層２４が厚くなり、窓部２３の縦方向の長さが長くなる。窓部２３の縦方向の長さが長くなると、窓部２３の抵抗が大きくなり、半導体装置１０のオン抵抗が大きくなる。したがって、Ｍｇの拡散距離のばらつきが大きいと、窓部２３の抵抗のばらつきが大きくなり、半導体装置１０のオン抵抗のばらつきが大きくなる。

【0026】

また、Ｍｇの拡散距離が長い場合には、ボディ層２４よりも下側まで拡散した少量のＭｇがドリフト層２２とドレイン層２０の界面に偏析する場合がある。ドリフト層２２とドレイン層２０の界面にＭｇの偏析層が形成されると、半導体装置１０のオン抵抗が高くなる。したがって、Ｍｇの拡散距離のばらつきが大きいと、偏析層の影響によって半導体装置１０のオン抵抗のばらつきが大きくなる。

【0027】

また、Ｍｇの拡散距離が長いほど、ボディ層２４の表層部におけるｐ型不純物濃度が低くなり、チャネル領域２４ａのｐ型不純物濃度が低くなる。チャネル領域２４ａのｐ型不純物濃度が低いと、ゲート閾値（すなわち、チャネルを形成するために必要なゲート電位）が低くなる。したがって、Ｍｇの拡散距離のばらつきが大きいと、ゲート閾値のばらつきが大きくなる。

【0028】

以上の通り、従来の製造方法ではＭｇの拡散距離を制御することが難しく、その結果、半導体装置１０のオン抵抗及びゲート閾値のばらつきが大きくなる。

【0029】

（実施例１の製造方法）
実施例１の製造方法でも、図２に示すように、ドレイン層２０上にドリフト層２２をエピタキシャル成長させる。次に、Ｎ注入工程を実施する。Ｎ注入工程では、図３に示すように、ＧａＮ系半導体基板１２の上面１２ａにＮ（すなわち、窒素）をイオン注入する。ここでは、図示しないマスクを用いてＮの注入範囲を限定する。以下では、上面１２ａのうちのＮの注入範囲を、注入範囲Ｒｎという。ここでは、上面１２ａのうちのボディ層２４を形成する予定の範囲にＮをイオン注入する。また、上面１２ａのうちの窓部２３を形成する予定の範囲にはＮをイオン注入しない。本実施例では、Ｎの注入エネルギーＥｎを変更しながら複数回Ｎをイオン注入することで、ボディ層２４に対応する深さ範囲全体にＮをイオン注入する。このようにＧａＮ系半導体基板１２にＮを注入することで、ＧａＮ系半導体基板１２内にＮ注入領域２４ｎを形成する。ＧａＮ系半導体基板１２にＮを注入すると、その注入領域に結晶欠陥が形成される。したがって、Ｎ注入領域２４ｎは、Ｎ注入工程によって結晶欠陥が形成された領域である。なお、ＧａＮ系半導体基板１２においては、チャネルングをしない条件（例えば、チルト角７°、ツイスト角１５°）において、Ｎを注入するときの加速エネルギーＥｎ（ｋｅＶ）とＮの注入深さＤｎ（ｎｍ）は、下記の数式の関係を満たす。
Ｄｎ＝－４．０３×１０^－４Ｅｎ^２＋１．４１Ｅｎ－１３．８
なお、注入深さＤｎは、Ｎが停止する平均の深さである。ＧａＮ系半導体基板１２に注入エネルギーＥｎで注入されたＮは、注入深さＤｎを中心にその周辺に分布する。

【0030】

図４のグラフＧは、Ｎ注入工程においてＧａＮ系半導体基板１２に注入されたＮの濃度分布を示している。図４の横軸は注入深さを示しており、原点は上面１２ａの位置を示している。なお、ＧａＮ系半導体基板１２自体がＮを有しているので、注入されたＮの濃度分布であるグラフＧを実測することは困難である。グラフＧは、Ｎ注入工程における注入エネルギーＥｎに基づいて算出したものである。また、上述したように、ＧａＮ系半導体基板１２にＮが注入されると、ＧａＮ系半導体基板１２内に結晶欠陥が形成される。グラフＧは、Ｎ注入工程においてＧａＮ系半導体基板中に形成された結晶欠陥の分布に対応する。

【0031】

上述したように、Ｎ注入工程では注入エネルギーＥｎを変更しながら複数回Ｎをイオン注入する。このため、ＧａＮ系半導体基板１２の表層部では、Ｎが比較的高い濃度で比較的均一な濃度で分布している。また、図４の深さＤ１は、Ｎ注入工程における最も深い注入深さを示している。また、図４の基準深さＤｒｅｆは、Ｄｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍの数式により算出した深さである。図４に示すように、基準深さＤｒｅｆの位置では、Ｎの濃度が深い側に向かうに従って急激に減少している。すなわち、基準深さＤｒｅｆでは、結晶欠陥の密度が深い側に向かうに従って急激に減少している。このように、Ｎ注入工程における最も深い注入深さＤ１からＮの濃度が急速に減少している基準深さＤｒｅｆを算出することが可能である。図３では、基準深さＤｒｅｆの位置を、Ｎ注入領域２４ｎの下端として示している。

【0032】

次に、Ｍｇ注入工程を実施する。Ｍｇ注入工程では、図５に示すように、ＧａＮ系半導体基板１２の上面１２ａにＭｇをイオン注入する。ここでは、図示しないマスクを用いてＭｇの注入範囲を限定する。以下では、上面１２ａのうちのＭｇの注入範囲を、注入範囲Ｒｍｇという。ここでは、図６に示すように、上面１２ａにおいて、Ｎの注入範囲ＲｎとＭｇの注入範囲Ｒｍｇが重複するようにＭｇをイオン注入する。本実施例では、注入範囲Ｒｍｇは注入範囲Ｒｎよりも小さく、注入範囲Ｒｍｇが注入範囲Ｒｎに含まれている。ここでは、Ｍｇの注入深さを変更しながら複数回Ｍｇをイオン注入してもよいし、一定の深さにＭｇをイオン注入してもよい。このようにＧａＮ系半導体基板１２にＭｇを注入することで、ＧａＮ系半導体基板１２内にＭｇ注入領域２４ｍｇを形成する。図５に示すように、ここでは、基準深さＤｒｅｆよりも浅い位置にＭｇをイオン注入する。以下では、Ｍｇ注入工程における最も深い注入深さを、注入深さＤ２という。図５に示すように、注入深さＤ２は、基準深さＤｒｅｆよりも浅い。

【0033】

なお、Ｎ注入工程におけるＮの注入量は、Ｍｇ注入工程におけるＭｇの注入量以上とすることができる。なお、Ｎの注入量は、Ｎ注入工程におけるドーズ量ＤＳ１とＮ注入工程における注入範囲Ｒｎの面積Ｓ１との積により表すことができる。また、Ｍｇの注入量は、Ｍｇ注入工程におけるドーズ量ＤＳ２とＭｇ注入工程における注入範囲Ｒｍｇの面積Ｓ２との積により表すことができる。すなわち、ＤＳ１・Ｓ１＞ＤＳ２・Ｓ２の関係を満たすようにＮ及びＭｇの注入量を調節することができる。

【0034】

Ｎ注入工程とＭｇ注入工程の実施後に、熱処理工程を実施する。本実施例では、ＧａＮ系半導体基板１２を１３００℃以上の温度で熱処理する。ＧａＮ系半導体基板１２を熱処理すると、ＧａＮ系半導体基板１２の内部でＭｇが拡散するとともに活性化する。すなわち、Ｍｇ注入領域２４ｍｇ内のＭｇがその周辺に拡散する。Ｎ注入領域２４ｎ内ではＭｇが拡散し易い。また、Ｎ注入領域２４ｎとＮが注入されていない領域の界面ではＭｇの拡散が抑制される。このため、図７に示すように、Ｎ注入領域２４ｎ内に、ｐ型のボディ層２４が形成される。

【0035】

図８、９は、図７の直線Ａ－Ａの位置におけるＭｇの濃度分布を示している。すなわち、図８、９は、Ｎ注入範囲ＲｎとＭｇ注入範囲Ｒｍｇとが重複している位置から深さ方向に測定したＭｇの濃度分布を示している。図８は熱処理工程前の分布を示しており、図９は熱処理工程後の分布を示している。図８、９のグラフＡ～Ｃは、実施例１の製造方法を実施した場合のＭｇの濃度分布を示している。図８、９のグラフＧは、Ｎ注入工程で注入されたＮの濃度分布を示している。すなわち、図８、９のグラフＧは、図４のグラフＧと等しい。図８、９のグラフＤは、比較例として、Ｎ注入工程を行わない場合のＭｇの濃度分布を示している。グラフＡ～Ｄは、実験により実測した値である。上述したように、グラフＧは、Ｎ注入工程における注入エネルギーＥｎに基づいて算出したグラフである。

【0036】

図８に示すように、グラフＡは、Ｍｇ注入工程において表層部の狭い範囲に高濃度でＭｇが注入された場合を示している。グラフＢは、Ｍｇ注入工程においてグラフＡよりも広い範囲にグラフＡよりも低い濃度でＭｇが注入された場合を示している。グラフＣは、Ｍｇ注入工程においてグラフＢよりもさらに広い範囲にグラフＢよりもさらに低い濃度でＭｇが注入された場合を示している。また、図８に示すように、熱処理工程前においては、グラフＣとグラフＤは略等しい。

【0037】

図９に示すように、熱処理工程の実施後においては、グラフＡ～Ｃのいずれでも、ＧａＮ系半導体基板１２の表層部ではＭｇ濃度が比較的均一に分布している。グラフＡ～Ｃの間で、表層部のＭｇ濃度は略等しい。このことから、Ｎ注入領域２４ｎ内ではＭｇが十分に拡散していることが分かる。基準深さＤｒｅｆの近傍では深い側ほどＭｇ濃度が低くなるようにＭｇ濃度が急激に減少している。図９の破線Ｘは、深さ３００ｎｍあたりにＭｇ濃度が１／１０となる減少率（すなわち、深さＤとＭｇ濃度ＰがｄＤ／ｄｌｏｇ_１０Ｐ＝３００ｎｍとなる減少率）を表している。グラフＡ～Ｃのいずれでも、基準深さＤｒｅｆの位置において、破線Ｘよりも急な傾きでＭｇ濃度が減少している。すなわち、グラフＡ～Ｃのいずれでも、基準深さＤｒｅｆの位置において、深さ３００ｎｍあたりにＭｇ濃度が１／１０となる減少率よりも小さい減少率（すなわち、ｄＤ／ｄｌｏｇ_１０Ｐ＜３００ｎｍとなる減少率）でＭｇ濃度が減少している。他方、グラフＤでは、表層部におけるＭｇ濃度がグラフＡ～Ｃよりも低い。また、グラフＤでは、基準深さＤｒｅｆに相当する位置において、Ｍｇ濃度が減少する傾きが破線Ｘよりも緩やかである。すなわち、グラフＤでは、減少率ｄＤ／ｄｌｏｇ_１０Ｐが３００ｎｍよりも大きい。このため、基準深さＤｒｅｆよりも深い範囲では、グラフＤではグラフＡ～ＣよりもＭｇ濃度が高くなっている。すなわち、グラフＤでは、グラフＡ～Ｃよりも深い位置までＭｇが拡散している。グラフＡ～ＣとグラフＤを比較することで明らかなように、Ｎ注入工程を実施した場合には、基準深さＤｒｅｆの位置（すなわち、Ｎ注入領域２４ｎの境界の位置）でＭｇの拡散が抑制される。このように、Ｎ注入工程とＭｇ注入工程の実施後に熱処理工程を実施すると、基準深さＤｒｅｆの近傍においてそれより深い領域へのＭｇの拡散を抑制することができる。

【0038】

以上に説明したように、Ｎ注入工程とＭｇ注入工程を実施した後に熱処理工程を実施すると、Ｎ注入領域２４ｎとＮが注入されていない領域との界面においてＭｇの拡散が抑制される。したがって、Ｎ注入工程における注入範囲Ｒｎと注入深さＤｎを制御することで、Ｍｇの拡散範囲を制御でき、ボディ層２４の形成範囲を正確に制御できる。

【0039】

次に、図１０に示すように、イオン注入によってソース層２６を形成する。次に、ソース層２６と窓部２３の間のボディ層２４の表面を覆うようにゲート絶縁膜４０を形成する。次に、ゲート絶縁膜４０の上部にゲート電極４２を形成する。このようにゲート絶縁膜４０とゲート電極４２を形成することで、ソース層２６と窓部２３の間のボディ層２４の表層部がチャネル領域２４ａとなる。図１０において、Ｍｇ注入領域２４ｍｇの外側のボディ層２４は、Ｍｇ注入領域２４ｍｇから拡散したＭｇによって形成されたボディ層２４である。Ｍｇ注入領域２４ｍｇはＭｇがイオン注入されるときに形成された結晶欠陥を多く含んでいる。他方、Ｍｇ注入領域２４ｍｇの外側のボディ層２４に存在する結晶欠陥は、Ｍｇ注入領域２４ｍｇよりも少ない。Ｍｇ注入領域２４ｍｇの外側のボディ層２４をチャネル領域２４ａとすることで、チャネル領域２４ａ内の結晶欠陥を少なくすることができる。チャネル領域２４ａ内の結晶欠陥を少なくすることで、チャネル抵抗を低下させることができる。なお、ここでは、Ｍｇ注入領域２４ｍｇ内のＭｇ濃度の１０％以上の濃度を有する部分をチャネル領域２４ａとすることができる。これにより、好適なスイッチングを実現できる。

【0040】

その後、層間絶縁膜４４、ソース電極４６、及び、ドレイン電極４８を形成することで、図１に示す半導体装置１０が完成する。

【0041】

以上に説明したように、実施例１の製造方法によれば、Ｍｇの拡散距離を正確に制御でき、ボディ層２４の形成範囲を正確に制御できる。このため、窓部２３の縦方向の長さのばらつきを低減でき、半導体装置１０のオン抵抗のばらつきを低減できる。また、Ｍｇがドリフト層２２とドレイン層２０の界面まで拡散することを防止できるので、偏析層の影響によるオン抵抗のばらつきを抑制できる。また、Ｍｇの拡散距離を正確に制御できるので、チャネル領域２４ａのＭｇ濃度を正確に制御できる。これにより、半導体装置１０のゲート閾値のばらつきを抑制できる。

【0042】

なお、Ｎ注入工程とＭｇ注入工程の実施後に熱処理工程を実施する場合であっても、熱処理工程における温度または時間が不十分であると、Ｍｇの拡散距離を正確に制御することはできない場合がある。例えば、熱処理工程が不十分な場合には、Ｍｇが基準深さＤｒｅｆの位置まで十分に拡散せず、Ｎ注入領域２４ｎの界面におけるＭｇの拡散抑制効果が得られない。例えば、図１１は、Ｎ注入工程とＭｇ注入工程の実施後に熱処理温度を変更しながら熱処理工程を実施したときの濃度分布を示している。図１１に示すように、熱処理温度Ｔが１３００℃、１３５０℃、１４６０℃の場合には、Ｍｇを基準深さＤｒｅｆまで十分に拡散させることができる。すなわち、これらの場合、基準深さＤｒｅｆの位置において、破線Ｘよりも急な傾きでＭｇ濃度が減少している。これに対し、熱処理温度Ｔが１２５０℃の場合には、基準深さＤｒｅｆまでＭｇを十分に拡散させることができない。このため、この場合、基準深さＤｒｅｆにおけるＭｇ濃度の傾きが破線Ｘよりも緩やかとなっている。すなわち、この場合、Ｎ注入領域２４ｎの界面におけるＭｇの拡散抑制効果が得られない。このため、Ｎ注入領域２４ｎの界面におけるＭｇの拡散抑制効果を得るために、熱処理工程では、ＧａＮ系半導体基板１２を１３００℃以上かつ融点未満の温度で熱処理することができる。

【0043】

（実施例２）
実施例２の製造方法では、実施例１の製造方法と同様にしてＮ注入工程を実施した後に、図１２に示すようにＭｇ注入工程を実施する。ここでは、Ｎの注入範囲内であって実施例１（すなわち、図５）よりも広い範囲にＭｇを注入する。次に、実施例１と同様にして熱処理工程を実施し、図１３に示すようにＮ注入領域２４ｎ内にボディ層２４を形成する。次に、ＧａＮ系半導体基板１２の上面１２ａをエッチングすることによって、図１４に示すように、Ｍｇ注入範囲２４ｍｇを除去し、Ｍｇ注入領域２４ｍｇの下部のボディ層２４を露出させる。次に、実施例１と同様にして、ソース層２６、ゲート絶縁膜４０、ゲート電極４２、層間絶縁膜４４、ソース電極４６、及び、ドレイン電極４８を形成する。これにより、半導体装置１０が完成する。

【0044】

実施例２の製造方法では、Ｍｇ注入領域２４ｍｇの除去により露出したボディ層２４がチャネル領域２４ａとなるようにゲート絶縁膜４０とゲート電極４２を形成する。実施例２の製造方法によれば、Ｍｇ注入領域２４ｍｇの外側のボディ層２４をチャネル領域２４ａとすることができ、チャネル領域２４ａ内の結晶欠陥を少なくすることができる。したがって、チャネル抵抗を低下させることができる。

【0045】

なお、上述した実施例１、２では、ＧａＮ系半導体基板１２に不活性元素としてＮを注入した。しかしながら、不活性元素として、Ｎ、Ｇａ、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅの少なくとも１つを注入してもよい。また、不活性元素に代えて、ＧａＮ系半導体基板１２に電子線を注入（すなわち、照射）してもよい。

【0046】

また、上述した実施例１、２では、不活性元素の注入工程の実施後にＭｇ注入工程を実施したが。Ｍｇ注入工程の実施後に不活性元素の注入工程を実施してもよい。

【0047】

また、上述した実施例１、２では、Ｍｇ注入範囲Ｒｍｇが不活性元素の注入範囲に含まれていた。しかしながら、Ｍｇ注入範囲Ｒｍｇと不活性元素の注入範囲が少なくとも部分的に重複していれば、Ｍｇ注入範囲Ｒｍｇが不活性元素の注入範囲の外側まで分布していてもよい。このような構成でも、不活性元素の注入領域内ではＭｇの拡散距離を制御できる。

【0048】

上記の注入範囲Ｒｎは第１注入範囲の一例であり、上記の注入範囲Ｒｍｇは第２注入範囲の一例である。

【0049】

以下に、本願明細書に開示の技術が有する構成を列記する。
（構成１）
半導体装置の製造方法であって、
ＧａＮ系半導体基板に不活性元素または電子線を注入する工程と、
前記ＧａＮ系半導体基板にマグネシウムを注入する工程と、
不活性元素または電子線を注入する前記工程とマグネシウムを注入する前記工程の実施後に、前記ＧａＮ系半導体基板を熱処理する工程、
を有し、
前記ＧａＮ系半導体基板の表面において、不活性元素または電子線の注入範囲である第１注入範囲とマグネシウムの注入範囲である第２注入範囲とが重複しており、
不活性元素または電子線を注入する前記工程における最も深い注入深さＤ１（ｎｍ）からＤｒｅｆ＝Ｄ１＋１４０ｎｍの数式により算出される基準深さＤｒｅｆが、マグネシウムを注入する前記工程における最も深い注入深さＤ２（ｎｍ）よりも深く、
前記熱処理の後に、前記第１注入範囲と前記第２注入範囲が重複する範囲内の深さ方向におけるマグネシウム濃度の分布において、前記基準深さＤｒｅｆの位置でマグネシウム濃度が所定減少率で深い側に向かうほど減少しており、
前記所定減少率が、深さ３００ｎｍあたりにマグネシウム濃度が１／１０となる減少率よりも小さい、
製造方法。
（構成２）
不活性元素または電子線を注入する前記工程では、前記ＧａＮ系半導体基板にＮ、Ｇａ、Ａｒ、Ｈ、Ｈｅの少なくとも１つを注入する、構成１に記載の製造方法。
（構成３）
前記表面において、前記第２注入範囲が前記第１注入範囲に含まれており、
不活性元素または電子線を注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ１、前記第１注入範囲の面積Ｓ１、マグネシウムを注入する前記工程におけるドーズ量ＤＳ２、及び、前記第２注入範囲の面積Ｓ２が、ＤＳ１・Ｓ１＞ＤＳ２・Ｓ２の関係を満たす、
構成１または２の製造方法。
（構成４）
前記熱処理における熱処理温度が１３００℃以上である、構成１～３のいずれか一項に記載の製造方法。
（構成５）
前記熱処理の後に、前記表面のうちの前記第２注入範囲の外部であって前記第１注入範囲の内部の範囲がチャネル領域となるようにゲート電極を形成する工程をさらに有する、構成１～４のいずれか一項に記載の製造方法。
（構成６）
前記チャネル領域内のマグネシウム濃度が、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域内のマグネシウム濃度の１０％以上である、構成５に記載の製造方法。
（構成７）
前記熱処理の後に、マグネシウムを注入する前記工程でマグネシウムが注入された領域を除去してその下部のｐ型領域を露出させる工程と、
露出させた前記ｐ型領域がチャネル領域となるようにゲート電極を形成する工程、
をさらに有する構成１～４のいずれか一項に記載の製造方法。

【0050】

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0051】

１２：ＧａＮ系半導体基板、２２：ドリフト層、２４：ボディ層、２４ａ：チャネル領域、２４ｎ：Ｎ注入領域、２４ｍｇ：Ｍｇ注入領域、２６：ソース層、４０：ゲート絶縁膜、４２：ゲート電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】