特許 7600569 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】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(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 21/336 20060101AFI20241210BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20241210BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20241210BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20241210BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20241210BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20241210BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 301G

H01L21/316 X

H01L21/31 C

H01L29/78 301B

H01L27/04 C

H01L29/78 652T

H01L29/78 652J

H01L29/78 653A

H01L29/78 658E

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2020145825

(22)【出願日】2020-08-31

(65)【公開番号】P2022040895

(43)【公開日】2022-03-11

【審査請求日】2023-07-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松山 秀昭

(72)【発明者】

【氏名】上野 勝典

(72)【発明者】

【氏名】田中 亮

(72)【発明者】

【氏名】稲本 拓朗

(72)【発明者】

【氏名】福島 悠太

(72)【発明者】

【氏名】高島 信也

【審査官】石川 雄太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０５４２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７２３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１３８１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１５３６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０７６６７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６８４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０４６５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１３２９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

Ｈ０１Ｌ ２１／３１６

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２７／０４

Ｈ０１Ｌ ２９／１２

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｇａを含む窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上方に設けられた電極と、
を備え、
前記絶縁膜中の固定電荷密度と、前記絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合１Ｅ７（／ｃｍ）以下の範囲内であり、
前記絶縁膜における界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下である、
窒化物半導体装置。

【請求項2】

前記絶縁膜のＧａ濃度は、前記窒化物半導体層との界面からの３０ｎｍより上方の領域において、＋４Ｅ１７ｃｍ^－３以下である、
請求項１に記載の窒化物半導体装置。

【請求項3】

前記絶縁膜はＳｉを含む酸化物を含む、
請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。

【請求項4】

前記絶縁膜は酸窒化物を含む、
請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項5】

前記絶縁膜は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項6】

前記窒化物半導体層は、ＧａＮを含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項7】

前記窒化物半導体層は、ＭｇドープのＰ型ＧａＮを含む、
請求項１から６のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項8】

前記窒化物半導体層のＭｇ濃度は、＋１Ｅ１６ｃｍ^－３以上、＋１Ｅ１８ｃｍ^－３以下である、
請求項７に記載の窒化物半導体装置。

【請求項9】

前記窒化物半導体層、前記絶縁膜および前記電極は、ＭＯＳゲート構造を有する電界効果トランジスタを構成する、
請求項１から８のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項10】

前記電界効果トランジスタは、＋３Ｖ以上の閾値電圧を有する、
請求項９に記載の窒化物半導体装置。

【請求項11】

前記絶縁膜のＣ不純物濃度は、＋４Ｅ１７ｃｍ^－３以下である、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

【請求項12】

Ｇａを含む窒化物半導体層を設ける段階と、
前記窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜を設ける段階と、
前記絶縁膜の上方に設けられた電極を設ける段階と、を備え、
前記絶縁膜中の固定電荷密度と、前記絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合１Ｅ７（／ｃｍ）以下の範囲内であり、
前記絶縁膜における界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下である、
窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項13】

前記絶縁膜を設ける段階は、プラズマＣＶＤにより行われる、
請求項１２に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項14】

前記プラズマＣＶＤにおける原料ガスは、モノシランまたはジシランを含む、
請求項１３に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項15】

前記プラズマＣＶＤにおける原料ガスは、酸素ガス、水、または酸素ラジカルを含む、
請求項１３または１４に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項16】

前記絶縁膜を設ける段階において、
前記絶縁膜は、２５ｎｍ／ｍｉｎ以上の成膜速度で設けられる、
請求項１２から１５のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。

【請求項17】

前記絶縁膜を設ける段階において、前記窒化物半導体層の温度は３５０℃以下に設定される、
請求項１２から１５のいずれか一項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】

本発明は、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】

特許文献１、特許文献２、および特許文献３には、窒化ガリウム等のワイドギャップ半導体を含む半導体装置が記載されている。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１６－５４２５０号公報
［特許文献２］ 特開２０１６－６６６４１号公報
［特許文献３］ 特開２０１６－７２３５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

絶縁膜中の固定電荷分布を調整して、移動度や閾値電圧などで良好な特性を有する窒化物半導体装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様においては、Ｇａを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜と、絶縁膜の上方に設けられた電極と、を備え、絶縁膜中の固定電荷密度と、絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合１Ｅ７（／ｃｍ）以下の範囲内であり、絶縁膜中における界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下である、窒化物半導体装置を提供する。

【0005】

絶縁膜のＧａ濃度は、界面からの３０ｎｍより上方の領域において、＋４Ｅ１７ｃｍ^－３以下であってよい。

【0006】

絶縁膜はＳｉを含む酸化物を含んでよい。

【0007】

絶縁膜は酸窒化物を含んでよい。

【0008】

絶縁膜は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有してよい。

【0009】

窒化物半導体層は、ＧａＮを含んでよい。

【0010】

窒化物半導体層は、ＭｇドープのＰ型ＧａＮを含んでよい。

【0011】

窒化物半導体層のＭｇ濃度は、＋１Ｅ１６ｃｍ^－３以上、＋１Ｅ１８ｃｍ^－３以下であってよい。

【0012】

窒化物半導体層、絶縁膜および電極は、ＭＯＳゲート構造を有する電界効果トランジスタを構成してよい。

【0013】

電界効果トランジスタは、＋３Ｖ以上の閾値電圧を有してよい。

【0014】

絶縁膜のＣ不純物濃度は、＋４Ｅ１７ｃｍ^－３以下であってよい。

【0015】

本発明の第２の態様においては、Ｇａを含む窒化物半導体層を設ける段階と、窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜を設ける段階と、絶縁膜の上方に設けられた電極を設ける段階と、を備え、絶縁膜中の固定電荷密度と、絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合１Ｅ７（／ｃｍ）以下の範囲内であり、絶縁膜中における界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下である、窒化物半導体装置の製造方法を提供する。

【0016】

絶縁膜を設ける段階は、プラズマＣＶＤにより行われてよい。

【0017】

プラズマＣＶＤにおける原料ガスは、モノシランまたはジシランを含んでよい。

【0018】

プラズマＣＶＤにおける原料ガスは、酸素ガス、水、または酸素ラジカルを含んでよい。

【0019】

絶縁膜を設ける段階において、絶縁膜は、２５ｎｍ／ｍｉｎ以上の成膜速度で設けられてよい。

【0020】

絶縁膜を設ける段階において、窒化物半導体層の温度は３５０℃以下に設定されてよい。

【0021】

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】窒化物半導体装置１００の構成の一例を示す。

【図2】絶縁膜３０の成膜速度およびＧａ濃度（ｃｍ^－３）の関係の一例を示す。

【図3】絶縁膜３０の炭素（Ｃ）濃度の一例を示す。

【図4A】絶縁膜３０の深さと、Ｇａ濃度との関係を示す。

【図4B】絶縁膜３０中のＧａ濃度と、絶縁膜３０の固定電荷密度との関係を示す。

【図4C】絶縁膜３０中のＧａ濃度と、固定電荷密度／絶縁膜３０の厚さとの関係を示す。

【図5】第２実施形態に係る窒化物半導体装置２００の構成の一例を示す。

【図6】第２実施形態に係る窒化物半導体装置２００の製造方法を示す。

【図7】絶縁膜３０の固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆと閾値電圧Ｖｔｈとの関係を示す。

【図8A】成膜速度を変えた場合における、膜厚ｄ_ｏｘと固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆとの関係を示す。

【図8B】絶縁膜３０の界面固定電荷密度と、電界効果移動度μの最大値μ_ｍａｘとの関係を示す。

【図9】第３実施形態に係る窒化物半導体装置３００の構成の一例を示す。

【図10】第４実施形態に係る窒化物半導体装置４００の構成の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0024】

図１は、第１実施形態に係る窒化物半導体装置１００の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置１００は、下面電極４２と、窒化物半導体基板層１０と、窒化物半導体層２０と、絶縁膜３０と、上面電極４０とを備える。

【0025】

本例の窒化物半導体装置１００は、下面電極４２と上面電極４０との間に絶縁膜３０が設けられている。即ち、本例の窒化物半導体装置１００は、絶縁膜３０を誘電体とするキャパシタを形成する。

【0026】

本例の窒化物半導体基板層１０は、ＧａＮを含む。一例として窒化物半導体基板層１０は、気相成長法または液相成長法等の方法を用いて得られる。

【0027】

窒化物半導体層２０は、窒化物半導体基板層１０にエピタキシャル成長させて得られた層である。本例の窒化物半導体層２０は、Ｇａを含む。

【0028】

絶縁膜３０は、窒化物半導体層２０の上面２１に積層される。絶縁膜３０は、化学蒸着（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で成膜された層であってよい。一例として、絶縁膜３０は、μ波プラズマＣＶＤ法、リモートプラズマＣＶＤ法または高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマＣＶＤ法等のプラズマＣＶＤ法で設けられる。絶縁膜３０は、絶縁膜３０を設ける際のＣＶＤ法におけるＳｉ原料ガスとして、モノシランまたはジシランが用いられてよい。さらに、ＣＶＤ法における酸素原料ガスとして酸素ガス、水、または酸素ラジカルが用いられてよい。

【0029】

一例として、絶縁膜３０は、Ｓｉを含む酸化物層である。本例の絶縁層３０は、ＳｉＯ_２を含む。別例において、絶縁膜３０は、酸窒化物を含んでもよい。一例として、絶縁膜３０は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有する。絶縁膜３０がＳｉＯ_２膜である場合、約１０ＭＶ／ｃｍの耐圧を有する絶縁膜３０を用いることができる。この場合、絶縁膜の厚さを３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすれば、約３０Ｖ以上約１００Ｖ以下の耐圧を有する絶縁膜を製造できる。

【0030】

下面電極４２および上面電極４０は、金属等の導電性の材料を含む。下面電極４２および上面電極４０は、同一の金属で設けられてよく、異なる金属で設けられてもよい。一例として、下面電極４２および上面電極４０の材料は、アルミニウム（Ａｌ）である。上面電極４０は、アルミニウム蒸着により絶縁膜３０の上方に設けられてよい。下面電極４２は、窒化物半導体基板層１０の下面１１に設けられる。

【0031】

図２は、絶縁膜３０の成膜速度およびＧａ濃度（ｃｍ^－３）の関係の一例を示す。本例において、横軸を成膜速度（ｎｍ／ｍｉｎ）、縦軸をＧａ濃度とした図が示されている。

【0032】

ＧａＮは熱分解しやすいので、Ｇａを含有する窒化物半導体層２０の上面に絶縁膜３０を成膜する場合、窒化物半導体層２０から絶縁膜３０へとＧａが取り込まれる。さらに、絶縁膜３０において、窒化物半導体層２０の上面２１の近傍にＧａＯｘ界面層が形成される。取り込まれるＧａの濃度が高くなると、ＧａＯｘ界面層の有する電荷の絶対値も大きくなる。絶縁膜３０の成膜速度を速くすることにより、窒化物半導体層２０がプラズマに暴露される時間は短くなる。これが一因となり、絶縁膜３０を速い成膜速度で設ける場合には、絶縁膜３０に取り込まれるＧａ濃度が低くなる。一例として、絶縁膜３０は、２５ｎｍ／ｍｉｎ以上の成膜速度で設けられる。

【0033】

また、窒化物半導体装置１００の製造において、絶縁膜３０および窒化物半導体層２０との界面を熱安定化することを目的とした熱処理を行うか否かを選択してよい。本例では、熱処理を行った場合の絶縁膜３０のＧａ濃度と、熱処理を行わない場合の絶縁膜３０のＧａ濃度とが示される。一例として、熱処理は８００℃で行われる。熱処理を行った場合、窒化物半導体層２０から絶縁膜３０中にＧａが拡散されやすくなり、Ｇａ濃度が高くなる。熱処理を行わない場合には、絶縁膜３０に取り込まれるＧａ濃度が低くなる。熱処理を行わない場合には、一例として、絶縁膜３０を設ける際に、窒化物半導体層２０の温度が３５０℃以下に保たれる。

【0034】

絶縁膜３０において、Ｇａは不純物として働く。絶縁膜３０中の不純物濃度が高いほど、絶縁膜３０の絶縁破壊が生じる電界の大きさが小さくなり、絶縁破壊が起きやすくなる。絶縁膜３０のＧａ濃度は、絶縁膜３０の成膜速度を速くし、かつ、熱処理を行わないことで低くなり、絶縁破壊に対する耐性を向上させる。

【0035】

図中、２Ａ、２Ｂ、および２Ｃの３点の成膜条件が示される。これらの３点の成膜条件におけるＧａ濃度プロファイルが、図４Ａを参照して後述される。

【0036】

図３は、絶縁膜３０の炭素（Ｃ）濃度の一例を示す。絶縁膜３０をプラズマＣＶＤにより設け、Ｓｉ原料ガスとしてモノシランを用いた場合について、絶縁膜３０の深さに応じたＣ濃度と、絶縁膜３０がバックグラウンドとして有するＢＧ（ＢａｃｋＧｒｏｕｎｄ）レベルとが示される。

【0037】

絶縁膜３０をＣＶＤ法により成膜する場合、Ｓｉ原料ガスとして、化学式がＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）であるオルトケイ酸エチル（別称：テトラエトキシシラン、ＴＥＯＳ：Ｔｅｔｒａｅｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）を用いることがある。ＴＥＯＳガスは元素として炭素を含むので、ＴＥＯＳを原料ガスとして用いた場合には、絶縁膜中に不純物として炭素が取り込まれる。

【0038】

窒化物半導体装置１００では、プラズマＣＶＤにおけるＳｉ原料ガスとしてモノシランまたはジシラン等の炭素を含まないガスが用いられる。これにより、ＳｉＯ２中のＣ濃度を低減できる。

【0039】

本例では、原料ガスとしてモノシランを用いたプロファイルが示されている。本例の絶縁膜３０のＣ濃度は、界面近傍以外でＢＧレベル前後のオーダーに収めることができる。

【0040】

図４Ａは、絶縁膜３０の深さと、Ｇａ濃度との関係を示す。本例の横軸は、絶縁膜３０の表面から窒化物半導体層２０との界面へ向けて取った長さである。縦軸は、絶縁膜３０中のＧａ濃度に対応する。各曲線において、最大Ｇａ濃度を有する深さを一致させている。なお、最大Ｇａ濃度の深さが、おおよそ絶縁膜３０と窒化物半導体層２０の界面に対応する。図中の３つの曲線は、図２に示された２Ａ、２Ｂ、および２Ｃの３点に対応する成膜条件でのＧａ濃度プロファイルに相当する。

【0041】

Ｇａ濃度プロファイルでは、絶縁膜３０中において、表面から３０ｎｍの領域はＧａまたはＣなどの吸着物の影響で実際のＧａ濃度より大きな値が示されることがある。３０ｎｍ以上で表面からのＧａ濃度プロファイルへの影響が小さくなり、Ｇａ濃度プロファイルがフラットとなった。同様に、絶縁膜３０と窒化物半導体層２０との界面から絶縁膜３０側に深さが３０ｎｍ以上で窒化物半導体層２０から拡散するＧａの影響が小さくなり、Ｇａ濃度プロファイルがフラットとなった。

【0042】

図４Ｂは、絶縁膜３０中のＧａ濃度と、絶縁膜３０の固定電荷密度との関係を示す。絶縁膜３０中に取り込まれるＧａの濃度が増大すればするほど、絶縁膜３０の有する固定電荷密度も増大する。それらの関係は、直線で近似できる。

【0043】

図４Ｃは、絶縁膜３０中のＧａ濃度と、固定電荷密度／絶縁膜３０の厚さとの関係を示す。図４Ｃにおいては縦軸の固定電荷密度Ｎｅｆｆを絶縁膜３０の厚さで割ることにより、絶縁膜３０中の平均固定電荷密度が与えられる。

【0044】

横軸のＧａ濃度に対し、縦軸の平均固定電荷密度は、約３０％の値を示す。これは、絶縁膜３０中の固定電荷は、Ｇａ由来のものが大きいことを意味する。即ち、絶縁膜３０では、窒化物半導体層２０から取り込まれるＧａが絶縁膜３０内で正イオン化し、固定電荷の主要因として寄与するものと推定される。

【0045】

図５は、第２実施形態に係る窒化物半導体装置２００の構成の一例を示す。窒化物半導体装置２００は、ＭＯＳ（金属酸化物半導体）ゲート構造を有する電界効果トランジスタ、即ちＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）デバイスを構成する。窒化物半導体装置２００は、窒化物半導体基板層１０と、窒化物半導体層２０と、高濃度Ｎ型領域２６と、絶縁膜３０と、ソース電極４４と、ドレイン電極４６と、ゲート電極４８とを備える。なお、窒化物半導体装置２００がＦＥＴとして機能する場合、電源回路またはインバータなどのパワー半導体素子として用いられてよい。

【0046】

窒化物半導体基板層１０は、ＧａＮを含む。窒化物半導体基板層１０の含むＧａＮは、Ｇａ面ＧａＮ、Ｎ面ＧａＮ、ａ面ＧａＮ、ｍ面ＧａＮであってもよい。

【0047】

本例の窒化物半導体層２０は、Ｎ型窒化物半導体層２２と、Ｐ型窒化物半導体層２４とを備える。窒化物半導体層２０のいずれも、窒化物半導体基板層１０をエピタキシャル成長させることによる成膜で設けることができる。

【0048】

Ｎ型窒化物半導体層２２は、窒化物半導体基板層１０に対してエピタキシャル成長させて形成した層であってよい。一例として、Ｎ型窒化物半導体層２２はＮｄドープのＮ型ＧａＮである。Ｎ型窒化物半導体層２２にドーピングされるＮｄ濃度は、＋５Ｅ１５ｃｍ^－３以上＋５Ｅ１６ｃｍ^－３以下であってよい。例えば、Ｎ型窒化物半導体層２２のＮｄ濃度は、＋１Ｅ１６ｃｍ^－３に設定される。

【0049】

Ｐ型窒化物半導体層２４は、Ｎ型窒化物半導体層２２に対しエピタキシャル成長させて形成した層であってよい。一例として、Ｐ型窒化物半導体層２４は、ＭｇドープのＰ型ＧａＮである。Ｐ型窒化物半導体層２４にドーピングされるＭｇ濃度は、＋１Ｅ１６ｃｍ^－３以上＋１Ｅ１８ｃｍ^－３以下であってよく、＋１Ｅ１６ｃｍ^－３以上＋５Ｅ１７ｃｍ^－３以下であってもよい。例えば、Ｐ型窒化物半導体層２４のＭｇ濃度は、＋１Ｅ１７ｃｍ^－３に設定される。

【0050】

高濃度Ｎ型領域２６は、Ｎ型窒化物半導体層２２より高いド－ピング濃度のＮ型半導体領域である。一例として、高濃度Ｎ型領域は、Ｓｉが添加され、熱処理を施すことによって得られる。

【0051】

絶縁膜３０は、Ｐ型窒化物半導体層２４の上方に形成される。絶縁膜３０は、Ｓｉを含む酸化物を含んでよく、酸窒化物を含んでもよい。絶縁膜３０は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのゲート絶縁膜に相当する。一例として、絶縁膜３０の膜厚は、１００ｎｍに設定される。

【0052】

ソース電極４４は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのソース電極に対応する。ソース電極４４は、高濃度Ｎ型領域２６の上方に形成される。ソース電極４４の下方に設けられる高濃度Ｎ型領域２６は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのソース領域に対応する。

【0053】

ドレイン電極４６は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン電極に対応する。ドレイン電極４６の下方に設けられる高濃度Ｎ型領域２６は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン領域に対応する。本例の窒化物半導体装置２００は、プレーナ型のＦＥＴを構成する。本例ではソース電極４４と、ドレイン電極４６に印加する電圧を入れ替えることで、それらの役割を入れ替えることができる。

【0054】

ゲート電極４８は、ＭＯＳＦＥＴデバイスのゲート電極に対応する。ゲート電極４８にゲート電圧が印加された場合、Ｐ型窒化物半導体層２４にはＮ型のチャネルが形成され、ソース領域とドレイン領域の間をＮ型のチャネルで接続する。これにより、窒化物半導体装置２００は、ＦＥＴとして動作する。当該ＦＥＴは、３Ｖ以上の閾値電圧Ｖｔｈ（Ｖ）を有していてよい。

【0055】

図６は、第２実施形態に係る窒化物半導体装置２００の製造方法を示す。窒化物半導体装置２００の製造方法は、段階Ｓ１００から段階Ｓ１０８を備える。

【0056】

Ｓ１００において、Ｎ型窒化物半導体層２２を設ける。Ｎ型窒化物半導体層２２は、窒化物半導体基板層１０に対してＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法．Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりエピタキシャル成長を行ってＮｄドープのＮ型ＧａＮとして形成してよい。

【0057】

さらにＮ型窒化物半導体層２２の上方にＰ型窒化物半導体層２４をエピタキシャル成長させ、ＭｇドープのＰ型ＧａＮとして形成してよい。また、半導体装置に熱処理を行い、Ｐ型窒化物半導体層２４を活性化させてもよい。

【0058】

段階Ｓ１０２において、Ｐ型窒化物半導体層２４に高濃度Ｎ型領域２６を設ける。高濃度Ｎ型領域２６を設ける段階は、Ｐ型窒化物半導体層２４の一部にＮ＋型のイオン注入を行うことにより行われる。一例として、注入されるイオンは、Ｓｉイオンである。ただし、Ｇｅイオン等の異なるＮ型ドーパントが注入されてもよい。さらに、熱処理段階を行うことによりＳｉドーパントの活性化が行われる。

【0059】

Ｓ１０４において、Ｐ型窒化物半導体層２４の上面に絶縁膜３０を設ける。絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法で設けられてよい。プラズマＣＶＤ法における原料ガスは、Ｓｉ原料ガスとしてモノシラン又はジシランが用いられてよく、酸素原料ガスとして酸素ガス、水、または酸素ラジカルが用いられてよい。一例として、絶縁膜３０は、Ｐ型窒化物半導体層２４と高濃度Ｎ型領域２６とにまたがって設けられる。所望の領域以外に設けられた絶縁膜３０は、ウェットエッチング等のエッチングにより除去される。絶縁膜を設ける際に、窒化物半導体層の温度は３５０℃以下に設定されてよい。

【0060】

段階Ｓ１０６において、絶縁膜３０の上方にゲート電極４８が設けられる。一例として、ゲート電極４８は、メタルマスクを用いたアルミニウム蒸着によって設けられる。

【0061】

段階Ｓ１０８において、高濃度Ｎ型領域２６の一部の上方にソース電極４４およびドレイン電極４６が設けられる。一例として、ソース電極４４およびドレイン電極４６は、ゲート電極４８と同様に、メタルマスクを用いたアルミニウム蒸着により設けられるが、異なる導電体によって設けられてよく、電極を設ける方法もアルミニウム蒸着に限定されない。

【0062】

また、段階Ｓ１０６および段階Ｓ１０８の順番は、入れ替えて行われてもよい。以上の工程により窒化物半導体装置２００が製造される。

【0063】

図７は、絶縁膜３０の固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆと閾値電圧Ｖｔｈとの関係を示す。縦軸はＭＯＳゲートの閾値電圧Ｖｔｈ（Ｖ）を示し、横軸はＭＯＳＦＥＴデバイスの固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆ（ｃｍ^－２）を示す。本例では、窒化物半導体装置２００に係るＭＯＳＦＥＴデバイスを用いて説明する。

【0064】

本例のＭＯＳＦＥＴデバイスをパワーＭＯＳＦＥＴデバイスとして用いる場合、パワーＭＯＳＦＥＴデバイスの安全性のためにノーマリオフ動作を実現することが好ましい。この場合、オンオフ境界である閾値電圧Ｖｔｈとして、例えば、動作の信頼性を実現すべくＶｔｈを＋３Ｖ以上に設定し、電圧の制御性を実現すべく、Ｖｔｈを１０Ｖ以下に設定することがある。ただし、Ｖｔｈの範囲は、＋３Ｖ以上１０Ｖ以下の値に限定されるものではない。

【0065】

閾値電圧ＶｔｈとＭＯＳＦＥＴデバイスの固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆには、直線的な関係がある。閾値電圧Ｖｔｈを＋３Ｖよりも大きく、＋１０Ｖよりも小さくするための固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆの条件は、固定電荷が正の場合、Ｎ_ｅｆｆ＜９．８Ｅ１１（／ｃｍ^２）となる。

【0066】

ここで、閾値電圧Ｖｔｈとフラットバンド電圧Ｖｆｂには下記の式の関係がある。
Ｖｔｈ＝Ｖｆｂ＋２φｂ＋√（２ε_ｓｑＮａ（２φｂ））／Ｃｏｘ
Ｎ_ｅｆｆ＝－Ｃｏｘ（Ｖｆｂ－Ｖｆｂ（ｉｄｅａｌ））
ただし、ε_ｓは、半導体の比誘電率である。また、アクセプタ濃度Ｎａ＝１Ｅ１７ｃｍ^－３、絶縁膜３０の膜厚ｄ_ｏｘ＝１００ｎｍ、フラットバンド電圧Ｖｆｂ（ｉｄｅａｌ）＝－３Ｖ、および障壁高さφｂ＝１．５３Ｖの各式を満たす。この場合、（２ε_ｓｑＮａ（２φｂ））／Ｃｏｘ＝８．３（Ｖ）であり、Ｖｔｈ＋Ｎ_ｅｆｆ／Ｃｏｘ＝８．４（Ｖ）となる。また、図７より、Ｖｔｈ＋Ｎ_ｅｆｆ／Ｃｏｘが約８．１（Ｖ）となる。

【0067】

ｄ_ｏｘ＝１００ｎｍ以外に対しては、Ｃｏｘ＝εｏｘ／ｄ_ｏｘの関係があるので、予め定められた閾値電圧Ｖｔｈの範囲を満たすのは、絶縁膜３０の固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆと絶縁膜３０の膜厚ｄ_ｏｘとの積が、固定電荷が正の場合、１Ｅ７（／ｃｍ）以下の範囲内となる。

【0068】

また、膜中の平均の固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆ／ｄ_ｏｘについて、（Ｎ_ｅｆｆ／ｄ_ｏｘ）＜１Ｅ１７（／ｃｍ^３）となり、Ｇａ濃度が４Ｅ１７ｃｍ^－３以下の範囲であれば閾値電圧Ｖｔｈへの影響を抑制できる。特に、表面吸着Ｇａまたは拡散Ｇａ等の影響の少ない界面から３０ｎｍより上方の領域において、Ｇａ濃度は４Ｅ１７ｃｍ^－３以下であってよい。

【0069】

図８Ａは、成膜速度を変えた場合における、絶縁膜３０をＳｉＯ２膜としたときの膜厚ｄ_ｏｘと固定電荷面密度Ｎ_ｅｆｆとの関係を示す図である。横軸に絶縁膜３０の膜厚ｄ_ｏｘ（ｎｍ）、縦軸に固定電荷密度Ｎ_ｅｆｆ（ｃｍ ^－２ ）の大きさを取った図が示される。

【0070】

既述の通り、成膜速度が大きいほど、窒化物半導体層２０がプラズマにさらされる時間が短くなり、Ｇａが絶縁膜中に取り込まれる量が少なくなる。絶縁膜３０の界面固定電荷密度は、固定電荷の絶縁膜３０の膜厚依存性から導出でき、図８Ａの縦軸の切片となる。

【0071】

図８Ｂは、絶縁膜３０の界面固定電荷密度と、電界効果移動度μの最大値μｍａｘとの関係を示す。横軸に、絶縁膜３０の界面固定電荷密度（／ｃｍ^－２）、縦軸に、電界効果移動度μ（ｃｍ^－２／Ｖｓ）の最大値を取った図が示される。

【0072】

電界効果移動度μ（ｃｍ^－２／Ｖｓ）は、窒化物半導体層２０内の絶縁膜３０との界面付近に形成されるチャネル領域におけるキャリアの移動度を指す。パワーＭＯＳＦＥＴデバイスにおいては、電界効果移動度μの値が大きいほど制御出力が大きくなるので、電界効果移動度μは大きな値であることが好ましい。一例として、電界効果移動度μ（ｃｍ^２／Ｖｓ）は、５０（ｃｍ^２／Ｖｓ）以上に設定されるが、１００（ｃｍ^２／Ｖｓ）以上に設定されてもよい。

【0073】

ゲート電極４８にゲート電圧が印加された場合、Ｐ型窒化物半導体層２４内の絶縁膜３０側には、Ｎ型のチャネルが形成される。一方で、Ｐ型窒化物半導体層２４と絶縁膜３０との境界の近傍においては、境界面の粗さによるラフネス散乱と、キャリアおよび絶縁膜３０における界面の電荷の間で生じるクーロン相互作用によるクーロン散乱等の電磁的相互作用による散乱とが発生する。これらの散乱は、境界近傍におけるキャリア移動度を半導体基板のバルクにおけるキャリア移動度より小さくする。

【0074】

なお、界面の電磁気的相互作用による散乱には、キャリアと界面固定電荷とのクーロン相互作用の他に、界面に静電ポテンシャルが存在する場合には、静電ポテンシャルにより生じる相互作用も寄与する。ここで、Ｐ型窒化物半導体層２４と絶縁膜３０との間に生じる界面準位密度Ｄ_ｉｔは小さい。例えば、Ｐ型窒化物半導体層２４がＧａＮであり、絶縁膜３０がＳｉＯ_２である場合には、ＧａＮ／ＳｉＯ_２間に生じる界面準位密度Ｄ_ｉｔは、１Ｅ１０（ｃｍ^－２／ｅＶ）以下の大きさである。この場合、界面準位密度Ｄ_ｉｔが散乱に与える寄与は、界面固定電荷によって生じるクーロン散乱の寄与に比べて小さくなる。

【0075】

クーロン散乱の寄与は、界面固定電荷密度を小さくすることによって小さくなる。したがって、界面固定電荷密度を小さくすることにより、界面の電磁気的相互作用による散乱の影響を減少させ、電界効果移動度μ（ｃｍ^２／Ｖｓ）を大きくできる。

【0076】

実験結果において、電界効果移動度μ（ｃｍ^２／Ｖｓ）を５０（ｃｍ^２／Ｖｓ）以上とするためには、界面固定電荷密度は、１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下となった。

【0077】

界面電荷の正負はクーロン相互作用が引力となるか斥力となるかにおいては寄与するが、クーロン散乱によるキャリア移動度への寄与という点では、いずれの相互作用も小さいことが好ましい。したがって、界面固定電荷密度の絶対値を小さくすることにより、所望の電界効果移動度μ（ｃｍ^２／Ｖｓ）が得られる。本例の絶縁膜３０において、界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合１Ｅ１１（／ｃｍ^２）以下、さらに好ましくは、７Ｅ１０（／ｃｍ^２）以下であってよい。

【0078】

図９は、第３実施形態に係る窒化物半導体装置３００の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置３００は、縦型ＭＯＳＦＥＴを構成する。窒化物半導体装置２００は、窒化物半導体基板層１０と、窒化物半導体層２０と、高濃度Ｎ型領域２６と、Ｎ型ウェル領域２８と、絶縁膜３０と、ソース電極４４と、ドレイン電極４６と、ゲート電極４８とを備える。

【0079】

窒化物半導体層２０は、Ｎ型窒化物半導体層２２と、Ｐ型窒化物半導体層２４とを備える。一例として、Ｎ型窒化物半導体層２２は、ＧａＮ半導体基板層上にエピタキシャル成長させたＮ型ＧａＮ層である。別の例において、Ｎ型窒化物半導体層２２は、Ｎ型半導体基板の層であってよく、Ｎ型半導体基板およびＮ型半導体基板をエピタキシャル成長させたＮ型半導体の層の両方を含んでもよい。Ｐ型窒化物半導体層２４は、Ｎ型窒化物半導体層２２をエピタキシャル成長させて成膜されてよい。

【0080】

本例では、高濃度Ｎ型領域２６は、いずれもＭＯＳＦＥＴデバイスのソース領域に相当する。高濃度Ｎ型領域２６の一部の上方には、ソース電極４４が形成される。高濃度Ｎ型領域２６には、ＳｉまたはＧｅが添加されてよい。

【0081】

Ｎ型ウェル領域２８は、Ｐ型窒化物半導体層２５の一部にＮ型ドーパントを添加させて設けられる。Ｎ型ウェル領域２８には、ＳｉまたはＯが添加されてよい。

【0082】

ドレイン電極４６は、Ｎ型窒化物半導体層２２の下方に設けられる。ドレイン電極４６はＭＯＳＦＥＴデバイスのドレイン電極として機能する。

【0083】

ゲート電極４８にゲート電圧が印加されると、高濃度Ｎ型領域２６およびＮ型ウェル領域２８の間のＰ型窒化物半導体層の絶縁膜３０側にＮ型のチャネルが形成される。これにより、高濃度Ｎ型領域２６およびＮ型ウェル領域２８の間をキャリアが流れ、Ｎ型ウェル領域２８およびＮ型窒化物半導体層２２を通じたキャリアの経路が導通する。これにより、窒化物半導体装置３００は、ＭＯＳＦＥＴデバイスとして動作する。

【0084】

窒化物半導体装置３００は、窒化物半導体装置２００と異なり、窒化物半導体層２０の深さ方向にわたって上面２１から下方のドレイン電極４６までキャリアの経路が導通する。したがって、窒化物半導体装置３００は、窒化物半導体装置２００に比べて、ＭＯＳＦＥＴデバイスの耐圧を向上できる。

【0085】

図１０は、第４実施形態に係る窒化物半導体装置４００の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置４００は、トレンチゲート型デバイスを構成する。本例の窒化物半導体装置４００は、トレンチゲート型ＭＯＳＦＥＴを構成する。窒化物半導体装置２００は、窒化物半導体基板層１０と、窒化物半導体層２０と、高濃度Ｎ型領域２６と、Ｎ型ウェル領域２８と、絶縁膜３０と、ソース電極４４と、ドレイン電極４６と、ゲート電極４８とを備える。以下では、主に窒化物半導体装置３００との相違点について述べる。

【0086】

本例では、高濃度Ｎ型領域２６をＰ型窒化物半導体層２４の上方に設けた後、基板にエッチングが施され、トレンチが設けられる。トレンチには、絶縁膜３０およびゲート電極４８が設けられる。

【0087】

ゲート電極４８は、金属で設けられてよく、ポリシリコンで設けられてもよい。ゲート電極４８にゲート電圧が印加されると、高濃度Ｎ型領域２６およびＮ型窒化物半導体層２２の間のＰ型窒化物半導体層２４において、絶縁膜３０側にＮ型チャネルが形成される。これにより、高濃度Ｎ型領域２６、Ｎ型チャネル、およびＮ型窒化物半導体層２２を介して、ソース電極４４からドレイン電極４６へのキャリアの経路が導通する。したがって、窒化物半導体装置４００がＭＯＳＦＥＴデバイスとして動作する。

【0088】

窒化物半導体装置４００においては、窒化物半導体装置３００に比べ多数のゲート電極４８を設けやすい。これにより、窒化物半導体層２０においてチャネルとして用いることのできる領域の比率が大きくなり、半導体装置としての動作効率が向上する。

【0089】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【0090】

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

【符号の説明】

【0091】

１０・・・窒化物半導体基板層、１１・・・下面、２０・・・窒化物半導体層、２１・・・上面、２２・・・Ｎ型窒化物半導体層、２４・・・Ｐ型窒化物半導体層、２６…高濃度Ｎ型領域、２８・・・Ｎ型ウェル領域、３０・・・絶縁膜、４０・・・上面電極、４２・・・下面電極、４４・・・ソース電極、４６・・・ドレイン電極、４８・・・ゲート電極、１００・・・窒化物半導体装置、２００・・・窒化物半導体装置、３００・・・窒化物半導体装置、４００・・・窒化物半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】