特許 7024761 窒化物半導体装置および窒化物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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-15

(45)【発行日】2022-02-24

(54)【発明の名称】窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/78 20060101AFI20220216BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20220216BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20220216BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 652C

H01L29/80 H

H01L29/80 V

H01L29/80 C

H01L29/78 652T

H01L29/78 653A

H01L29/78 658E

H01L29/78 652D

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019084049

(22)【出願日】2019-04-25

(65)【公開番号】P2020181891

(43)【公開日】2020-11-05

【審査請求日】2020-07-22

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、文部科学省、科学技術試験研究委託事業「省エネルギー社会の実現に資する次世代半導体研究開発（パワーデバイス・システム領域）」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】冨田 一義

(72)【発明者】

【氏名】成田 哲生

【審査官】杉山 芳弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０６２１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０１７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１６３８８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０５６４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８３１４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６３０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５０３１０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ドレイン電極と、
前記ドレイン電極の上方に配置されている第１のｎ型ＧａＮ層と、
前記第１のｎ型ＧａＮ層の上面に配置されており、開口部を備えている低濃度ｐ型ＧａＮ層と、
前記低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に配置されている第２のｎ型ＧａＮ層と、
前記開口部に配置されているｎ型ＧａＮである開口部半導体層であって、前記第１のｎ型ＧａＮ層と前記第２のｎ型ＧａＮ層とを接続している前記開口部半導体層と、
前記第２のｎ型ＧａＮ層および前記開口部半導体層の上方に配置されているゲート電極であって、前記ゲート電極を上方から見たときに前記ゲート電極が配置されている領域が前記開口部を含んでいる、前記ゲート電極と、
前記第２のｎ型ＧａＮ層の上面から前記低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達しているトレンチであって、上方から見たときに前記開口部が配置されている領域外に形成されている前記トレンチと、
前記トレンチ内に配置されているコンタクト領域であって、前記低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮで形成されている前記コンタクト領域と、
前記コンタクト領域の少なくとも一部に接するソース電極と、
を備える窒化物半導体装置。

【請求項2】

前記第２のｎ型ＧａＮ層および前記開口部半導体層の上面に配置されているとともに、前記ゲート電極の下方に配置されているＡｌＧａＮ層をさらに備え、
前記トレンチは、前記ＡｌＧａＮ層の上面から前記低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達している、請求項１に記載の窒化物半導体装置。

【請求項3】

前記低濃度ｐ型ＧａＮ層と前記コンタクト領域との界面近傍における前記低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度に対する、前記開口部の近傍における前記低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の比は、２倍以内である、請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。

【請求項4】

前記コンタクト領域は、エピタキシャル成長法またはスパッタ法によって形成された領域である、請求項１～３の何れか１項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項5】

ＧａＮ基板上に第１のｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程と、
前記第１のｎ型ＧａＮ層の上面に低濃度ｐ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程と、
前記低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面から前記第１のｎ型ＧａＮ層まで到達している開口部を形成する工程と、
前記開口部の内部および前記低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に第２のｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程と、
前記第２のｎ型ＧａＮ層の上面から前記低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達しているトレンチを形成する工程であって、上方から見たときに前記開口部が配置されている領域外に前記トレンチを形成する工程と、
前記低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮで形成されているコンタクト領域を、前記トレンチ内に形成する工程と、
不活性雰囲気でアニールすることで前記低濃度ｐ型ＧａＮ層に含まれている水素を前記コンタクト領域に拡散させるアニール工程と、
前記コンタクト領域の少なくとも一部に接するソース電極を形成する工程と、
を備える、窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項6】

前記コンタクト領域を形成する工程は、エピタキシャル成長法またはスパッタ法によって行われる、請求項５に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する技術は、窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＧａＮでは、水素が高濃度に含まれていると、アクセプタ（例：Ｍｇ）が活性化せず、ｐ型領域の性能が得られない場合がある。特許文献１には、ｐ型ＧａＮ層から効率よく水素を離脱させるために、ｐ型ＧａＮ層が露出した状態で脱水素アニールを行う技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開2015-115430号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ｐ型ＧａＮ層が露出した状態で脱水素アニールを行った場合においても、ｐ型ＧａＮ層の水素が十分抜けきらず、実効アクセプタ濃度が低下してしまう場合がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書に開示する窒化物半導体装置の一実施形態は、ドレイン電極を備える。ドレイン電極の上方に配置されている第１のｎ型ＧａＮ層を備える。第１のｎ型ＧａＮ層の上面に配置されている低濃度ｐ型ＧａＮ層を備える。低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に配置されている第２のｎ型ＧａＮ層を備える。第２のｎ型ＧａＮ層の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達しているトレンチを備える。トレンチ内に配置されているコンタクト領域であって、低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮで形成されているコンタクト領域を備える。コンタクト領域の少なくとも一部に接するソース電極を備える。

【0006】

また、本明細書に開示する窒化物半導体装置の一実施形態は、ドレイン電極を備える。ドレイン電極の上方に配置されている第１のｎ型ＧａＮ層を備える。第１のｎ型ＧａＮ層の上面に配置されている低濃度ｐ型ＧａＮ層を備える。低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮ層であって、低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に配置されている高濃度ｐ型ＧａＮ層を備える。高濃度ｐ型ＧａＮ層の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達しているトレンチを備える。トレンチ内に配置されているｎ型ＧａＮのソース領域を備える。ソース領域の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層を貫通して第１のｎ型ＧａＮ層まで到達しているゲート電極領域を備える。ソース領域の上面の少なくとも一部および高濃度ｐ型ＧａＮ層の上面の少なくとも一部に接するソース電極を備える。

【0007】

低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面の一部に高濃度ｐ型ＧａＮ層が形成されている状態で、アニールを行うことができる。低濃度ｐ型ＧａＮ層に含まれている水素を高濃度ｐ型ＧａＮ層に拡散させることができるため、低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度を、高濃度ｐ型ＧａＮ層が上面に配置されていない場合に比して短時間で十分低くすることができる。低濃度ｐ型ＧａＮの実効アクセプタ濃度を高めることができる。

【0008】

第２のｎ型ＧａＮ層の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層を貫通して第１のｎ型ＧａＮ層まで到達しているゲート電極領域をさらに備えていてもよい。

【0009】

低濃度ｐ型ＧａＮ層とコンタクト領域との界面近傍における低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度に対する、ゲート電極領域の近傍における低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の比は、２倍以内であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0010】

低濃度ｐ型ＧａＮ層は開口部を備えていてもよい。窒化物半導体装置は、開口部に配置されているｎ型ＧａＮである開口部半導体層であって、下面が低濃度ｐ型ＧａＮ層の下面と同一平面内であり、上面が低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面と同一平面内である、開口部半導体層をさらに備えていてもよい。第２のｎ型ＧａＮ層および開口部の上方に配置されているゲート電極であって、ゲート電極を上方から見たときにゲート電極が配置されている領域が開口部を含んでいる、ゲート電極をさらに備えていてもよい。

【0011】

低濃度ｐ型ＧａＮ層とコンタクト領域との界面近傍における低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度に対する、開口部の近傍における低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の比は、２倍以内であってもよい。効果の詳細は実施例で説明する。

【0012】

コンタクト領域は、エピタキシャル成長法またはスパッタ法によって形成された領域であってもよい。

【0013】

本明細書に開示する窒化物半導体装置の製造方法の一実施形態は、ＧａＮ基板上に第１のｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。第１のｎ型ＧａＮ層の上面に低濃度ｐ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に第２のｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。第２のｎ型ＧａＮ層の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達しているトレンチを形成する工程を備える。低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮで形成されているコンタクト領域を、トレンチ内に形成する工程を備える。不活性雰囲気でアニールすることで低濃度ｐ型ＧａＮ層に含まれている水素をコンタクト領域に拡散させるアニール工程を備える。コンタクト領域の少なくとも一部に接するソース電極を形成する工程を備える。

【0014】

コンタクト領域を形成する工程は、エピタキシャル成長法またはスパッタ法によって行われてもよい。

【0015】

また、本明細書に開示する窒化物半導体装置の製造方法の一実施形態は、ＧａＮ基板上に第１のｎ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。第１のｎ型ＧａＮ層の上面に低濃度ｐ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に、低濃度ｐ型ＧａＮ層よりもｐ型不純物濃度が高い高濃度ｐ型ＧａＮ層をエピタキシャル成長法により形成する工程を備える。不活性雰囲気でアニールすることで低濃度ｐ型ＧａＮ層に含まれている水素を高濃度ｐ型ＧａＮ層に拡散させるアニール工程を備える。高濃度ｐ型ＧａＮ層の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層まで到達している第１トレンチを形成する工程を備える。第１トレンチ内にｎ型ＧａＮのソース領域を形成する工程を備える。ソース領域の上面から低濃度ｐ型ＧａＮ層を貫通して第１のｎ型ＧａＮ層まで到達している第２トレンチを形成する工程を備える。第２トレンチ内にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するとともに、ソース領域の上面の少なくとも一部および高濃度ｐ型ＧａＮ層の上面の少なくとも一部に接するソース電極を形成する工程を備える。

【0016】

ソース領域を形成する工程は、エピタキシャル成長法またはスパッタ法によって行われてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施例１に係る半導体装置１の断面概略図である。

【図2】実施例１に係る半導体装置１の製造方法を示すフローチャートである。

【図3】実施例１に係る半導体装置１の製造工程を示す図である。

【図4】実施例１に係る半導体装置１の製造工程を示す図である。

【図5】低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の測定結果のグラフである。

【図6】実施例２に係る半導体装置１０１の断面概略図である。

【図7】実施例２に係る半導体装置１０１の製造方法を示すフローチャートである。

【図8】実施例２に係る半導体装置１０１の製造工程を示す図である。

【図9】実施例２に係る半導体装置１０１の製造工程を示す図である。

【図10】実施例３に係る半導体装置２０１の断面概略図である。

【図11】実施例３に係る半導体装置２０１の製造方法を示すフローチャートである。

【図12】実施例３に係る半導体装置２０１の製造工程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0018】

（半導体装置１の構成）
図１に、実施例１に係る半導体装置１の断面概略図を示す。半導体装置１は、トレンチゲートを備えた縦型ＭＯＳＦＥＴである。半導体装置１は、半導体基板１０を備えている。半導体基板１０は、ドレイン層３２、ドリフト層３４、ボディ層３６、ソース領域３８が積層した構造を有している。

【0019】

ドレイン層３２は、高濃度ｎ型（ｎ^＋型）のＧａＮ基板である。ドレイン層３２の裏面には、ドレイン電極５２が形成されている。ドレイン層３２のドナー濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３とした。ドレイン層３２の表面には、ドリフト層３４が形成されている。ドリフト層３４は、ドレイン層３２の表面上にエピタキシャル成長した低濃度ｎ型（ｎ^－型）のＧａＮ層である。ドリフト層３４のドナー濃度は、８×１０^１５ｃｍ^－３とした。ボディ層３６は、ドリフト層３４上にエピタキシャル成長した低濃度ｐ型（ｐ^－型）のＧａＮ層である。ボディ層３６のアクセプタ（Ｍｇ）濃度は、５×１０^１７ｃｍ^－３とした。ソース領域３８は、ボディ層３６上にエピタキシャル成長した、高濃度ｎ型（ｎ^＋型）のＧａＮ領域である。ソース領域３８のドナー濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３とした。

【0020】

ソース領域３８の上面からボディ層３６まで到達しているコンタクトトレンチＴ２が形成されている。コンタクトトレンチＴ２内には、ボディコンタクト領域４６が配置されている。ボディコンタクト領域４６は、コンタクトトレンチＴ２内にエピタキシャル成長した高濃度ｐ型（ｐ^＋型）のＧａＮ層である。ボディコンタクト領域４６は、ボディ層３６よりもｐ型不純物濃度が高い。ボディコンタクト領域４６のアクセプタ（Ｍｇ）濃度は、３×１０^１９ｃｍ^－３とした。ボディコンタクト領域４６は開口領域Ａ１を備えている。開口領域Ａ１は、ボディ層３６の上面にボディコンタクト領域４６が配置されていない領域である。開口領域Ａ１の内部に、ソース領域３８の一部およびゲート電極領域４１が配置されている。

【0021】

ボディ層３６の水素濃度は、ボディコンタクト領域４６の水素濃度よりも低い。例えば、ボディ層３６の水素濃度は、ボディコンタクト領域４６の水素濃度の１／１０以下であってもよい。ボディ層３６の水素濃度は、５×１０^１６ｃｍ^－３とした。

【0022】

図１に示すように、ボディ層３６内において、ゲート電極領域４１の近傍の領域であって、ゲート絶縁膜４２を介してトレンチゲート電極４０に対向している領域を、領域Ｒ１とする。またボディ層３６内において、ボディ層３６とボディコンタクト領域４６との界面近傍の領域を、領域Ｒ２とする。領域Ｒ２の水素濃度に対する領域Ｒ１の水素濃度の比は、２倍以内である。

【0023】

ゲート電極領域４１は、トレンチゲート電極４０およびゲート絶縁膜４２を備えている。トレンチゲート電極４０は、ソース領域３８の表面から、ソース領域３８とボディ層３６を貫通してドリフト層３４に侵入している。トレンチゲート電極４０は、ゲート絶縁膜４２で側面および底面が覆われたゲートトレンチＴ１内に形成された電極である。トレンチゲート電極４０は、ゲートトレンチＴ１外を延びており、ゲート電極５０と接触している。トレンチゲート電極４０は、多結晶シリコンなどで形成されている。

【0024】

層間絶縁膜４８は、トレンチゲート電極４０およびゲート電極５０とソース電極４４との絶縁を確保するための層である。ボディコンタクト領域４６の上面の一部、および、ソース領域３８の上面の一部には、ソース電極４４が接触している。

【0025】

（半導体装置１の製造方法）
図２～図４を参照して、半導体装置１の製造方法について説明する。図２のフローチャートのステップＳ１において、積層構造形成工程が行われる。具体的には、ドレイン層３２、ドリフト層３４、ボディ層３６、ソース領域３８が積層している半導体基板１０を形成する。半導体基板１０は、エピタキシャル成長法（例：ＭＯＶＰＥ法）によって、ドレイン層３２上にドリフト層３４、ボディ層３６、ソース領域３８を成長させることで形成してもよい。

【0026】

ステップＳ２において、コンタクトトレンチ形成工程が行われる。具体的には、ソース領域３８の上面からソース領域３８を貫通してボディ層３６に到達するコンタクトトレンチＴ２を加工する。コンタクトトレンチＴ２の加工は、周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工により行うことができる。これにより、図３に示す構造が形成される。

【0027】

ステップＳ３において、ボディコンタクト領域形成工程が行われる。具体的には、エピタキシャル成長法（例：ＭＯＶＰＥ法）によって、ソース領域３８上に高濃度ｐ型ＧａＮ層を成長させる。これにより、コンタクトトレンチＴ２の内部およびソース領域３８の上面に、高濃度ｐ型ＧａＮ層が形成される。次に、周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて、開口領域Ａ１に対応する開口部を備えたマスクを加工する。ドライエッチングにより開口領域Ａ１の高濃度ｐ型ＧａＮ層を除去することで、ソース領域３８を露出させる。これにより、図４に示すように、ボディコンタクト領域４６が形成される。

【0028】

ステップＳ４において、アニール工程が行われる。具体的には、半導体基板１０を不活性雰囲気中（例：Ｎ_２雰囲気中）で９００℃、１０分間の条件で加熱する。これにより、ボディ層３６（低濃度ｐ型ＧａＮ層）に含まれている水素を、ボディコンタクト領域４６（高濃度ｐ型ＧａＮ層）に拡散させることができる。換言すると、図４の矢印Ｙ１に示すように、ボディ層３６中の水素を、ボディコンタクト領域４６側に吸い出すことができる。これにより、ボディ層３６の水素濃度を、約５×１０^１６ｃｍ^－３程度まで低減することができる。なお、アニール温度は９００℃以下が好ましい。アニール温度が９００℃より高いと、ＧａＮが熱分解してしまうためである。

【0029】

ステップＳ５において、ゲートトレンチ形成工程が行われる。具体的には、開口領域Ａ１の一部に、ソース領域３８の上面からボディ層３６を突き抜けてドリフト層３４に到達するゲートトレンチＴ１を加工する。ステップＳ６において、ゲート電極領域形成工程が行われる。具体的には、ゲートトレンチＴ１内および半導体基板１０の表面に、ゲート絶縁膜４２を形成する。ゲート絶縁膜４２は、ＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３等を原子堆積法などで堆積させて形成した絶縁膜である。ボロンなどの不純物をドープしたポリシリコンをＬＰ－ＣＶＤ法で成膜する。周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて、ゲートトレンチＴ１周囲のポリシリコンを除去することで、トレンチゲート電極４０を形成する。

【0030】

ステップＳ７において、ソース電極およびゲート電極形成工程が行われる。具体的には、トレンチゲート電極４０の上面に層間絶縁膜４８を成膜する。そして周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて、ソース電極４４およびゲート電極５０を形成する領域の層間絶縁膜４８およびゲート絶縁膜４２を除去する。金属層を成膜する。周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて、金属層を、ソース電極４４およびゲート電極５０に加工する。

【0031】

ステップＳ８において、ドレイン電極形成工程が行われる。具体的には、ドレイン層３２の裏面に、金属層のドレイン電極５２を成膜する。以上により、図１に示す半導体装置１が完成する。

【0032】

（半導体装置１の動作）
図１に示す半導体装置１は、ドレイン電極５２を高電位に接続し、ソース電極４４を接地し、ゲート電極５０に加える電位を変化させる。ゲート電極５０に正電位を加えると、ゲート絶縁膜４２を介してトレンチゲート電極４０に対向している領域Ｒ１のｐ^－型のボディ層３６がｎ型に反転し、反転層によってｎ^＋型のソース領域３８とｎ^－型のドリフト層３４が導通し、ソース電極４４とドレイン電極５２の間を電流が流れる。ゲート電極５０に正電位を加えるのを停止すると、領域Ｒ１の反転層が消失し、ドリフト層３４に空乏層が伸長して、ソース電極４４とドレイン電極５２の間が高抵抗な状態となる。

【0033】

（実施例１の効果）
低濃度ｐ型ＧａＮ層であるボディ層３６は、前述したように反転層が形成される層であるため、半導体装置１のしきい値を決定する重要な層である。またｐ型ＧａＮは、水素が高濃度に含まれていると、アクセプタ（例：Ｍｇ）が活性化せず、ｐ型特性が十分が得られない場合がある。従って、ボディ層３６の水素濃度を低減する必要がある。本明細書に記載されている技術では、低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）の上面の一部に高濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディコンタクト領域４６）が接している状態で、不活性雰囲気でアニールを行うことができる（ステップＳ４）。このようなアニールを行うことで、低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度を、高濃度ｐ型ＧａＮ層が上面に配置されていない場合に比して短時間で十分低くすることができることを、本発明者らは見出した。これは、高濃度ｐ型ＧａＮ層と低濃度ｐ型ＧａＮ層の界面では水素がプロトンとして存在し、高濃度ｐ型ＧａＮ層側への水素の拡散が電界によって加速されるためと考えられる。これにより、低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）の水素濃度を十分に低減することができる。設計通りの実効アクセプタ濃度を得ることができるため、しきい値電圧を精密に制御することが可能となる。またこれにより、低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）の脱水素を短時間アニール（例：１０分以下）で実現することができる。長時間アニールによって低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）に新たな欠陥が導入されてしまう事態を抑制することが可能となる。

【0034】

本明細書に記載されている半導体装置１は、ソース領域３８を貫いてボディ層３６へ到達するコンタクトトレンチＴ２内に、高濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディコンタクト領域４６）を配置する構造を備えている。これにより、ボディコンタクト領域４６を、脱水素アニール（ステップＳ４）で水素をボディ層３６から吸い出すための領域として流用することが可能になる。

【0035】

従来のように、イオン注入法によって、ボディ層の上部にソース領域（高濃度ｎ型ＧａＮ層）を形成する場合には、イオン注入により導入されるダメージにより、チャネル特性が悪化してしまう。本明細書に記載されている半導体装置１では、ソース領域３８を、エピタキシャル成長により形成することができる（ステップＳ１）。これにより、ソース領域３８にダメージが導入されることがないため、チャネル特性の悪化を抑制することが可能となる。

【0036】

ボディコンタクト領域４６を用いて水素をボディ層３６から吸い出すことによって、図１に示すように、領域Ｒ１１の水素濃度に対する領域Ｒ１２の水素濃度の比を、２倍以内にすることができる。これにより、面内均一性よく、ボディ層３６の水素濃度を低減することができる。すなわち、ボディ層３６の活性化率を均一に保つことができる。よって、半導体装置１のしきい値電圧の面内均一性を向上させることができる。半導体装置１のしきい値電圧の精密制御や、素子耐圧の確保が可能となる。

【0037】

（水素濃度の測定結果）
図５に、低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の測定結果のグラフを示す。図５は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いた測定結果である。典型的な測定条件例としては、一次イオン種としてＣｓ^＋イオンを用い、加速電圧として８．０ｋＶを用いた。縦軸は、正規化された水素濃度である。横軸は、アニール時間である。アニール温度は８５０℃、アニール雰囲気はＮ_２とした。比較例１、比較例２、本実施例、の３つの条件の各々について、水素濃度を測定した。比較例１では、低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に高濃度ｎ型ＧａＮ層が形成されているサンプルを使用した。比較例２では、低濃度ｐ型ＧａＮ層が露出しているサンプルを使用した。本実施例では、低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に高濃度ｐ型ＧａＮ層が形成されているサンプルを使用した。図５では、比較例１の測定結果を三角形の点、比較例２の測定結果を丸形の点、本実施例の測定結果を四角形の点、で示している。

【0038】

アニール時間が１０分である時刻ｔ１の時点において、比較例１（三角形）では水素濃度がアニール前とほぼ同一である。また比較例２（丸形）では、アニール前の６０％程度までしか水素濃度が減少していない。しかし、本実施例（四角形）では、アニール前の１０％程度まで減少させることができる。低濃度ｐ型ＧａＮ層の上面に高濃度ｐ型ＧａＮ層が形成されている状態でアニールすることで、低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度を効率よく低減させることができることが分かる。またこの効果は、アニール時間を１０分より長くした場合においても得られることが分かる。

【実施例2】

【0039】

（半導体装置１０１の構成）
図６に、実施例２に係る半導体装置１０１の断面概略図を示す。半導体装置１０１は、トレンチゲートを備えた縦型ＭＯＳＦＥＴである。実施例１の半導体装置１（図１）に対して、実施例２の半導体装置１０１（図６）が異なる部分には、符号の末尾に「ａ」を付すことで区別している。半導体装置１と１０１とで共通する部分には同一符号を付すことで、説明を省略する。実施例１の半導体装置１は、コンタクトトレンチＴ２内に高濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディコンタクト領域４６）を形成する構造であった。一方、実施例２の半導体装置１０１は、トレンチＴ３ａ内に高濃度ｎ型ＧａＮ層（ソース領域３８ａ）を形成する構造を有する。以下に説明する。

【0040】

半導体基板１０ａは、ドレイン層３２、ドリフト層３４、ボディ層３６、ボディコンタクト領域４６ａが積層した構造を有している。ボディコンタクト領域４６ａは、ボディ層３６上にエピタキシャル成長した、高濃度ｐ型（ｐ^＋型）のＧａＮ領域である。ボディコンタクト領域４６ａは、ボディ層３６よりもｐ型不純物濃度が高い。
アクセプタ（Ｍｇ）濃度は、ボディコンタクト領域４６ａが３×１０^１９ｃｍ^－３であり、ボディ層３６が５×１０^１７ｃｍ^－３であるとした。

【0041】

ボディコンタクト領域４６ａの上面からボディ層３６まで到達しているトレンチＴ３ａが形成されている。トレンチＴ３ａ内には、ソース領域３８ａが配置されている。ソース領域３８ａは、トレンチＴ３ａ内にエピタキシャル成長した高濃度ｎ型（ｎ^＋型）のＧａＮ層である。ソース領域３８ａのドナー濃度は、１×１０^１８ｃｍ^－３とした。

【0042】

ボディ層３６の水素濃度は、ボディコンタクト領域４６ａの水素濃度よりも低い。また、図６に示すように、ボディ層３６内において、ボディ層３６とボディコンタクト領域４６ａとの界面近傍の領域を、領域Ｒ２ａとする。領域Ｒ２ａの水素濃度に対する領域Ｒ１の水素濃度の比は、２倍以内である。

【0043】

（半導体装置１０１の製造方法）
図７～図９を参照して、半導体装置１０１の製造方法について説明する。実施例１の半導体装置１の製造フローチャート（図２）に対して、実施例２の半導体装置１０１の製造フローチャート（図７）が異なる部分には、符号の末尾に「ａ」を付すことで区別している。共通するステップには同一符号を付すことで、説明を省略する。

【0044】

図７のフローチャートのステップＳ１ａにおいて、積層構造形成工程が行われる。具体的には図８に示すように、ドレイン層３２、ドリフト層３４、ボディ層３６、ボディコンタクト領域４６ａが積層している半導体基板１０ａを形成する。

【0045】

ステップＳ２ａにおいて、アニール工程が行われる。具体的には、半導体基板１０ａを不活性雰囲気中で９００℃、１０分間の条件で加熱する。これにより、ボディ層３６（低濃度ｐ型ＧａＮ層）に含まれている水素を、ボディコンタクト領域４６ａ（高濃度ｐ型ＧａＮ層）に拡散させることができる（図８、矢印Ｙ２）。これにより、ボディ層３６の水素濃度を、約５×１０^１６ｃｍ^－３程度まで低減することができる。

【0046】

ステップＳ３ａにおいて、トレンチ形成工程が行われる。具体的には、ボディコンタクト領域４６ａの上面からボディ層３６に到達するトレンチＴ３ａを加工する。

【0047】

ステップＳ４ａにおいて、ソース領域形成工程が行われる。具体的には、スパッタリング法によって、トレンチＴ３ａの内部に、高濃度ｎ型ＧａＮ層を形成する。次に、ボディコンタクト領域４６ａの上面に成長した高濃度ｎ型ＧａＮ層を、周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて除去する。これにより図９に示すように、トレンチＴ３ａにソース領域３８ａが形成される。

【0048】

ステップＳ５～Ｓ８の内容は、実施例１のフローチャート（図２）の内容と同様であるため、説明を省略する。以上により、図６に示す半導体装置１０１が完成する。

【0049】

（実施例２の効果）
実施例２に記載されている技術では、低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）の上面に高濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディコンタクト領域４６ａ）が接している状態で、アニールを行うことができる（ステップＳ２ａ）。これにより、短時間のアニールで、低濃度ｐ型ＧａＮ層（ボディ層３６）の水素濃度を十分に低減することができる。またボディ層３６の上面の全体にボディコンタクト領域４６ａが配置された状態でアニールを行うことができるため、面内均一性よく、ボディ層３６の水素濃度を低減することができる。

【0050】

実施例２に記載されている半導体装置１０１では、ソース領域３８ａを、スパッタリング法により形成することができる（ステップＳ４ａ）。これにより、ソース領域をイオン注入で形成する場合に比して、ソース領域に導入されてしまうダメージを抑制することができるため、チャネル特性の悪化を抑制することが可能となる。またスパッタリング法は雰囲気に水素を含まないため、ステップＳ４ａにおけるボディ層への新たな水素の導入を防止することができる。

【実施例3】

【0051】

（半導体装置２０１の構成）
図１０に、実施例３に係る半導体装置２０１の断面概略図を示す。半導体装置２０１は、ノーマリオフ型の縦型ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）である。半導体装置２０１は、ドレイン電極２１０、ドレイン層２１１、ドリフト層２１２、電流狭窄層２１３、開口部２１３ａ、開口部半導体層２１４、チャネル層２１５、ＡｌＧａＮ層２１６、Ｐ型層２２０、ゲート電極２２１、絶縁層２２２、コンタクト領域２２３、ソース電極２２４、を備える。

【0052】

ドレイン層２１１は高濃度ｎ型ＧａＮ（ドナー濃度＝２×１０^１８ｃｍ^－３）である。ドリフト層２１２は、低濃度ｎ型ＧａＮ（ドナー濃度＝８×１０^１５ｃｍ^－３）である。ドリフト層２１２の上面には、電流狭窄層２１３が接している。電流狭窄層２１３は、低濃度ｐ型ＧａＮ（アクセプタ（Ｍｇ）濃度＝１×１０^１９ｃｍ^－３）である。電流狭窄層２１３は、開口部２１３ａを備えている。電流狭窄層２１３の上面には、低濃度ｎ型ＧａＮであるチャネル層２１５が接している。開口部２１３ａの内部には、低濃度ｎ型ＧａＮである開口部半導体層２１４が配置されている。開口部半導体層２１４は、縦方向電流経路として機能する。よって、いわゆるアパーチャ構造が形成されている。チャネル層２１５の上面および開口部半導体層２１４の上面には、ＡｌＧａＮ層２１６がヘテロ接合している。ＡｌＧａＮ層２１６の上面には、高濃度ｐ型ＧａＮであるＰ型層２２０（アクセプタ（Ｍｇ）濃度＝２×１０^１９ｃｍ^－３）が接している。Ｐ型層２２０の上面には、ゲート電極２２１が接している。ゲート電極２２１を上方（ｚ軸正方向）から見たときに、ゲート電極２２１が配置されている領域内に、開口部２１３ａが含まれている。

【0053】

ＡｌＧａＮ層２１６の上面からチャネル層２１５を貫通して電流狭窄層２１３まで到達しているコンタクトトレンチＴ４が形成されている。コンタクトトレンチＴ４内には、コンタクト領域２２３が配置されている。コンタクト領域２２３は、コンタクトトレンチＴ４内にエピタキシャル成長した高濃度ｐ型ＧａＮ（アクセプタ（Ｍｇ）濃度＝５×１０^１９ｃｍ^－３）である。コンタクト領域２２３は、電流狭窄層２１３よりもｐ型不純物濃度が高い。絶縁層２２２は、Ｐ型層２２０とソース電極２２４の絶縁を確保するための層である。ＡｌＧａＮ層２１６の上面の一部、および、コンタクト領域２２３の上面には、ソース電極２２４が接触している。

【0054】

図１０に示すように、電流狭窄層２１３内において、開口部半導体層２１４の近傍の領域を、領域Ｒ２１とする。また電流狭窄層２１３内において、電流狭窄層２１３とコンタクト領域２２３との界面近傍の領域を、領域Ｒ２２とする。領域Ｒ２２の水素濃度に対する領域Ｒ２１の水素濃度の比は、２倍以内である。

【0055】

（半導体装置２０１の製造方法）
図１１および図１２を参照して、半導体装置２０１の製造方法について説明する。図１１のフローチャートのステップＳ１０１において、積層構造形成工程が行われる。具体的には、エピタキシャル成長法（例：ＭＯＶＰＥ法）によって、ドレイン層２１１上にドリフト層２１２、電流狭窄層２１３を成長させる。ステップＳ１０２において、開口部形成工程が行われる。具体的には、周知のフォトリソグラフィー技術およびドライエッチング加工を用いて、開口部２１３ａに対応する部分を除去し、トレンチを形成する。そして、埋め込み再成長法によって、低濃度ｎ型ＧａＮである開口部半導体層２１４およびチャネル層２１５を形成する。ステップＳ１０３において、ゲート構造形成工程が行われる。具体的には、ＡｌＧａＮ層２１６と、高濃度ｐ型ＧａＮ層を積層する。そして高濃度ｐ型ＧａＮ層をＰ型層２２０に加工する。

【0056】

ステップＳ１０４において、コンタクトトレンチ形成工程が行われる。具体的には、ＡｌＧａＮ層２１６の上面から電流狭窄層２１３に到達するコンタクトトレンチＴ４を加工する。そして、高濃度ｐ型ＧａＮ層を、埋め込み再成長法によってコンタクトトレンチＴ４内に形成する。ドライエッチングにより、ＡｌＧａＮ層２１６表面やＰ型層２２０表面の不要な高濃度ｐ型ＧａＮ層を除去する。これにより、図１２に示すように、コンタクト領域２２３が形成される。

【0057】

ステップＳ１０５において、アニール工程が行われる。具体的には、図１２に示す構造を不活性雰囲気中（例：Ｎ_２雰囲気中）で９００℃、１０分間の条件で加熱する。これにより、矢印Ｙ３に示すように、電流狭窄層２１３中の水素を、コンタクト領域２２３側に吸い出すことができる。これにより、電流狭窄層２１３の水素濃度を、約５×１０^１６ｃｍ^－３程度まで低減することができる。

【0058】

ステップＳ１０６において、ゲート電極２２１、ソース電極２２４、ドレイン電極２１０が形成される。以上により、図１０に示す半導体装置２０１が完成する。

【0059】

（実施例３の効果）
実施例３に記載されている技術では、低濃度ｐ型ＧａＮ層（電流狭窄層２１３）の上面に高濃度ｐ型ＧａＮ層（コンタクト領域２２３）が接している状態で、アニールを行うことができる（ステップＳ１０５）。これにより、短時間のアニールで、電流狭窄層２１３の水素濃度を十分に低減することができる。

【0060】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【0061】

（変形例）
トレンチ内にボディコンタクト領域４６やコンタクト領域２２３を形成する方法は、エピタキシャル成長法に限られず、様々な方法を使用可能である。例えば、スパッタ法であってもよい。またソース領域３８ａを形成する方法は、水素ガスを含まないエピタキシャル成長法（例：分子線エピタキシー法）であってもよい。

【0062】

本実施例における脱水素アニールを行うタイミングは一例であり、様々なタイミングが使用可能である。例えば実施例２のフローチャート（図７）において、アニール工程は、トレンチ形成工程（ステップＳ４ａ）の後や、ゲート電極領域形成工程（ステップＳ６）の後に行われてもよい。

【0063】

アニール工程の温度は８５０℃に限られず、８５０℃以下の温度であってもよい。温度を下げるほど、低濃度ｐ型ＧａＮ層の水素濃度の低下速度が下降するが、アニールによる結晶性の劣化を抑制することが可能となる。

【0064】

半導体基板１０を構成するIII族窒化物半導体はＧａＮに限定されるものではなく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）、または、その混晶等であってもよい。

【0065】

上記の実施例では、ｐ型領域を形成するためのII族元素の一例としてマグネシウム（Ｍｇ）を用いていたが、この構成に限定されるものではない。II族元素は、例えばベリウム（Ｂｅ）、カルシウム（Ｃａ）等であってもよい。

【0066】

本実施例で説明した不純物濃度はすべて一例である。様々な濃度の組み合わせを用いることが可能である。

【0067】

ドリフト層３４は、第１のｎ型ＧａＮ層の一例である。ボディ層３６は、低濃度ｐ型ＧａＮ層の一例である。ソース領域３８は、第２のｎ型ＧａＮ層の一例である。
ボディコンタクト領域４６はコンタクト領域の一例である。

【符号の説明】

【0068】

１：半導体装置 １０：半導体基板 ３２：ドレイン層 ３４：ドリフト層 ３６：ボディ層 ３８：ソース領域 ４１：ゲート電極領域 ４４：ソース電極 ４６：ボディコンタクト領域 Ｔ２：コンタクトトレンチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】