CN117716509A - 氮化物半导体装置、氮化物半导体衬底以及氮化物半导体装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够形成p型区域、有效减少p型区域与电极的接触电阻的技术。本发明的氮化物半导体装置的制造方法的一个实施方式具有：镁层形成工序，在氮化物半导体衬底的表面形成以镁作为主要成分的镁层。本发明的制造方法具有：退火工序，对形成有镁层的氮化物半导体衬底进行退火。

Description

氮化物半导体装置、氮化物半导体衬底以及氮化物半导体装 置的制造方法

技术领域

本申请基于2021年7月26日提出的日本专利申请第2021-121826号和2021年10月26日提出的日本专利申请第2021-174661号要求优先权。在本说明书中参考并引用上述申请的全部内容。本说明书所公开的技术涉及氮化物半导体装置、氮化物半导体衬底以及氮化物半导体装置的制造方法。

背景技术

已知通过在氮化物半导体衬底的任意的位置离子注入作为受主(acceptor)杂质的镁(Mg)而形成p型区域的技术。此外，已知在p型区域上形成电极的技术。另外，在日本特开2021-28932号公报和美国专利申请公开第2019/0393038号说明书中公开了相关技术。

发明内容

发明要解决的问题

在本说明书中，提供一种能够形成p型区域、有效减少p型区域与电极的接触电阻的技术。

用于解决问题的方案

本说明书所公开的氮化物半导体装置的制造方法的一个实施方式具有在氮化物半导体衬底的表面形成以镁作为主要成分的镁层的镁层形成工序。制造方法具有对形成了镁层的氮化物半导体衬底进行退火的退火工序。

发明人发现在氮化物半导体衬底形成镁层并进行退火的技术。由此，能够形成p型区域、有效减少p型区域与电极的接触电阻。

在镁层形成工序中，也可以在表面的至少一部分露出有p型区域的氮化物半导体衬底的p型区域的表面的至少一部分形成镁层。在退火工序中，也可以在包含氮的环境中对形成有镁层的氮化物半导体衬底进行退火，使镁层变化为包含镁和氮的中间层。制造方法也可以进一步具有在中间层的上表面的至少一部分形成电极层的电极层形成工序。效果的详细情况通过实施例进行说明。

在退火工序后也可以进一步具有使中间层的膜厚减少的工序。电极层形成工序也可以在膜厚减少后的中间层的上表面形成电极层。

镁层形成工序也可以在p型区域的表面的至少一部分的特定区域选择性地形成镁层。

镁层形成工序也可以具有在氮化物半导体衬底的表面形成掩模层的工序，所述掩模层具有与特定区域对应的开口部在镁层形成工序也可以具有使镁层隔着掩模层沉积的工序。

也可以在氮化物半导体衬底的表面的一部分露出有n型区域。镁层形成工序也可以在p型区域的表面的至少一部分形成镁层，并且在n型区域的表面不形成镁层。电极层形成工序也可以以横跨在p型区域形成的中间层和n型区域的方式形成电极层。

制造方法也可以具有从氮化物半导体衬底的表面向内部侧形成晶体缺陷的缺陷形成工序。镁层也可以为固体层。

通过使Mg向形成晶体缺陷的区域热扩散，能够提高扩散速度。通过固相扩散也能够使Mg扩散至充分的深度。由于不需要使用Mg离子注入，因此能够抑制氮空位的产生。其结果为，能够形成p型区域。

也可以进一步具有在镁层的表面形成保护层的保护层形成工序。退火工序也可以对形成有保护层的氮化物半导体衬底进行加热。效果的详细情况通过实施例进行说明。

也可以进一步具有以低于退火工序的温度加热氮化物半导体衬底的预退火工序。预退火工序也可以在镁层形成工序后且保护层形成工序前进行。效果的详细情况通过实施例进行说明。

也可以进一步具有通过预退火工序除去形成于镁层的表面的变质层的工序。保护层也可以在除去了变质层的镁层的表面形成。效果的详细情况通过实施例进行说明。

制造方法也可以具有从氮化物半导体衬底的表面向内部侧形成晶体缺陷的缺陷形成工序。镁层也可以是包含镁的熔液。

熔液也可以包含Zn。熔液的温度也可以为450℃以上。

缺陷形成工序也可以具有从氮化物半导体衬底的表面注入氮离子的工序。效果的详细情况通过实施例进行说明。

本说明书所公开的氮化物半导体装置的一个实施方式具有在表面的至少一部分露出有p型区域的氮化物半导体衬底。氮化物半导体装置具有包含镁和氮的中间层，所述中间层配置在p型区域的上表面的至少一部分。氮化物半导体装置具有电极层，所述电极层配置在中间层的上表面的至少一部分。

发明人发现了在氮化物半导体衬底的p型区域和电极层之间配置包含镁和氮的中间层的结构。由此，与不配置中间层的情况相比，能够大幅减少p型区域与电极层的接触电阻。

中间层也可以具有非晶结构。

中间层也可以包含镓。中间层的镓的浓度也可以随着远离p型区域与中间层的分界面而降低。

p型区域的受主浓度和其他的杂质浓度的范围也可以为1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3。

中间层的厚度也可以为1000nm以下。

也可以进一步具有在氮化物半导体衬底的表面的一部分露出的n型区域。电极层也可以横跨n型区域和p型区域配置。也可以在p型区域和电极层之间配置有中间层，并且在n型区域和电极层之间不配置中间层。

氮化物半导体衬底也可以为氮化镓。中间层也可以为氮化镁。

在本说明书公开的氮化物半导体衬底的一个实施方式中，氮化物半导体衬底的与表面垂直的方向的镁的浓度分布在从表面至深度100纳米的第一区域内具有最大值。最大值为1×10²⁰cm^-3以上。

镁的浓度分布也可以为，在从最大值向深度方向扩展的幅度为100纳米以下的第二区域内的浓度变化为一位数以上。

镁的浓度分布也可以在第二区域内具有浓度梯度急剧变小的奇异点。也可以存在从奇异点朝向深度方向的镁浓度大致固定的浓度固定区域。浓度固定区域的深度方向的幅度也可以为50纳米以上。

添加有镁的区域的剖视时的环缺陷的平面密度也可以为1×10⁵[个/cm²]以下。

附图说明

图1是示出实施例1的半导体装置1剖视概略图。

图2是对半导体装置1的制造方法进行说明的流程图。

图3是对半导体装置1的制造方法进行说明的剖视图。

图4是对半导体装置1的制造方法进行说明的剖视图。

图5是对半导体装置1的制造方法进行说明的剖视图。

图6是示出电流-电压特性的测定结果的图。

图7是实施例2的半导体装置101的剖视概略图。

图8是对半导体装置101的制造方法进行说明的流程图。

图9是对半导体装置101的制造方法进行说明的剖视图。

图10是比较例的半导体装置201的剖视概略图。

图11是氮化物半导体衬底的制造方法的流程图。

图12是示出氮化物半导体衬底的制造工序的剖视图。

图13是示出氮化物半导体衬底的制造工序的剖视图。

图14是示出氮化物半导体衬底的制造工序的剖视图。

图15是示出氮化物半导体衬底的制造工序的剖视图。

图16是示出Mg浓度分布曲线的图表。

图17是本实施例的p型GaN区域的SNDM剖视观察图像。

图18是比较例的p型GaN区域的SNDM剖视观察图像。

具体实施方式

实施例1

(半导体装置1的结构)

图1示出实施例1的半导体装置1的剖视概略图。半导体装置1具有半导体衬底10、中间层13、电极层14依次层叠的结构。半导体衬底10具有在GaN衬底11上层叠有p型GaN层12的结构。即，p型GaN层12在半导体衬底10的表面的整个面露出。p型GaN层12的杂质是镁，其浓度为1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3的范围。

中间层13配置在p型GaN层12的上表面的整个面。中间层13是包含镁和氮的化合物。在本实施例中，中间层13是氮化镁(MgNx)。中间层13的厚度T3为1000nm以下，优选为300nm以下。

中间层13的氮的浓度随着从中间层13的上表面13u朝向p型GaN层12侧而降低。如后所述，中间层13是通过在氮环境中对镁层进行退火使氮从上表面13u扩散而形成的层。

此外，中间层13包含镓，p型GaN层12包含镁。中间层13的镓的浓度随着远离p型GaN层12与中间层13的分界面IF1而降低。p型GaN层12的镁的浓度随着远离边界面IF1而降低。这是因为，通过后述的退火工序在边界面IF1进行了相互扩散。

此外，中间层13具有非晶结构。这是因为，中间层13是通过氮退火形成的氮化镁层。能够通过XPS(X射线光电子分光法)确认中间层13具有非晶结构。

另外，还能够不使用氮退火而形成氮化镁层。例如在氮环境中溅射镁的方法等。但是，不使用氮退火而形成的氮化镁层有时不成为非晶结构而包含微晶。此外，氮浓度在厚度方向上不变化。因此，通过分析非晶结构的有无、氮浓度的厚度方向的分布，能够确定中间层13是否为通过氮退火形成的层。

电极层14配置在中间层13的上表面的整个面。电极层14的结构、厚度没有特别限定。在本实施例中，电极层14具有在镍上层叠有金的结构。

(半导体装置1的制造方法)

参照图2的流程图以及图3～图5的剖视概略图，对半导体装置1的制造方法进行说明。在步骤S1中，形成在GaN衬底11上层叠有p型GaN层12的半导体衬底10。半导体衬底10也可以通过外延生长法(例如：MOVPE法、HVPE法、MBE法)在GaN衬底11上使p型GaN层12生长而形成。在本实施例中，将p型GaN层12的镁浓度设为1×10¹⁷cm^-3。

在步骤S2中，进行镁层形成工序。具体而言，在p型GaN层12的表面形成镁层13A(参照图3)。镁层13A是以镁作为主要成分的层。镁层13A也可以包含氟、氧等其他元素。在本实施例中，镁层13A的厚度T1为50nm。镁层13A能够使用各种方法、装置形成。例如，可以使用EB蒸镀装置、电阻加热蒸镀装置、溅射装置等。

在步骤S3中进行退火工序。具体而言，在包含氮的环境中对形成有镁层13A的半导体衬底10进行退火。退火温度能够为300～1000℃的范围。退火时间能够适当设定。退火能够使用各种方法和装置执行。在本实施例中，使用RTA(Rapid thermal anneal，快速热退火)装置进行800℃、60分钟的退火。

通过退火工序能够使环境中的氮从镁层13A的表面扩散。由此，能够使镁层13A变化为中间层13(氮化镁)(参照图4)。退火后的中间层13的厚度T2变得比退火前的厚度T1大。在本实施例中，厚度T1为50nm，厚度T2为80～100nm。此外，通过退火工序能够在p型GaN层12和镁层13A之间发生相互扩散。

在步骤S4中，进行使中间层13的膜厚减少的工序。由此，中间层13的膜厚从厚度T2(图4)减少至厚度T3(图5)。该工序能够通过使用了王水、氢氟酸等的湿法蚀刻、干法蚀刻、抛光等各种方法进行。在本实施例中，通过利用王水的湿法蚀刻，从厚度T2(80～100nm)薄膜化至厚度T3(约20nm)。

在步骤S5中，进行电极层形成工序。具体而言，在膜厚减少后的中间层13的上表面形成电极层14。在本实施例中，电极层14具有依次层叠了镍和金的结构。

在步骤S6中，在氧环境中对形成有电极层14的半导体装置1进行退火。由此，能够形成氧化镍的接触。在本实施例中，以525℃进行5分钟的退火。通过以上，完成图1所示的半导体装置1。

(电流-电压特性的测定结果)

测定p型GaN层12和电极层14之间的电流-电压特性。p型GaN层12的杂质浓度为1×10¹⁷cm^-3。图6示出测定结果。横轴表示电压。将相对于p型GaN层12在电极层14施加正的电压的情况设为正向电压。将相对于电极层14在p型GaN层12施加正的电压的情况设为反向电压。纵轴是电流。

图表G0是比较例的半导体装置的测定值。比较例的半导体装置具有如下结构：不具有中间层13，在p型GaN层12上直接配置有电极层14。图表G1和G2是本实施例的半导体装置的测定值。图表G1是在厚的中间层13(图4，厚度T2)上配置有电极层14的半导体装置的测定值。图表G2是在薄的中间层13(图1，厚度T3)上配置有电极层14的半导体装置的测定值。

根据图表G0和G1可知，相比于比较例的半导体装置，在本实施例的半导体装置中能够使电流值最大增加100万倍。即，通过具有中间层13能够使接触电阻大幅降低。此外，根据图表G1和G2可知，通过将中间层13薄膜化，能够进一步使电流值最大增加1000倍。即，通过将中间层13薄膜化，能够进一步使接触电阻降低。

此外，在图表G1中，反向电压的电流值高于正向电压的电流值10倍左右。另一方面，在图表G2中，反向电压的电流值与正向电压的电流值大致同等。即，通过将中间层13薄膜化，能够抑制整流作用。能够形成良好的欧姆接触。

对能够通过使中间层13介于中间从而使接触电阻降低的模型进行说明。在作为化合物半导体的氮化镓中，由于p型氮化镓的缺陷多，因此在材料表面存在带弯曲。因此，相对于空穴的能量势垒变高。因此，在本说明书的技术中，通过将镁层13A沉积在p型GaN层12上并进行退火，能够使镁在p型GaN层12的表面扩散。通过用镁使氮化镓中的缺陷钝化以及增加受主浓度，能够减小带弯曲的程度。由此，能够使相对于空穴的能量势垒减少。此外，在本说明书的技术中，在中间层13上形成电极层14。由此，能够在维持使相对于空穴的能量势垒降低的状态的同时形成电极。其结果为，能够使接触电阻降低。

(效果)

以往，在形成于杂质浓度为低浓度(1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3左右)的p型GaN层的电极中，难以降低接触电阻、形成欧姆接触。这是因为，需要使高浓度(2×10¹⁹cm^-3以上)的p型GaN层介于低浓度的p型GaN层与电极之间。而且，在通过外延再生长形成高浓度的p型GaN时，Si沉积层会导入再生长层的分界面。在本说明书的技术中，在低浓度的p型GaN层和电极之间配置有通过氮退火形成的中间层13(氮化镁)。由此，在低浓度的p型GaN层中也能够降低与电极的接触电阻，并且能够实现欧姆接触。此外，不需要使高浓度的p型GaN再生长，因此能够减少工时、成本。

实施例2

(半导体装置101的结构)

图7示出实施例2的半导体装置101的剖视概略图。半导体装置101是具有平面栅极的横向MOSFET。半导体装置101具有半导体衬底110。半导体衬底110具有层叠了作为高浓度n型(n⁺型)GaN的漏极层111a、作为低浓度n型(n^-型)GaN的漂移层111b、作为低浓度p型(p^-型)GaN的体层112的结构。在本实施例中，体层112的镁浓度为1×10¹⁸cm^-3。

在体层112的上部配置有n型GaN的源极区域116和漏极区域117。源极区域116和漏极区域117是通过离子注入形成的区域，是在半导体衬底110的表面的一部分露出的区域。在源极区域116与漏极区域117之间的区域配置有栅极绝缘膜119和栅电极118。栅电极118隔着栅极绝缘膜119配置在体层112的上表面。

在半导体衬底110的表面的露出的体层112之中，在没有配置栅极绝缘膜119的区域配置有中间层113。中间层113的结构与实施例1的中间层13相同，因此省略说明。

源电极114s与源极区域116的上表面和中间层113的上表面相接。即，源电极114s横跨源极区域116和体层112配置。在源电极114s与体层112之间配置有中间层113。另一方面，在源电极114s与源极区域116之间不配置中间层113。通过源电极114s与体层112的接触区域，形成体接触BC。体接触BC的功能是公知的，因此省略说明。

同样，漏电极114d横跨漏极区域117和体层112配置。在漏电极114d与体层112之间配置有中间层113。另一方面，在漏电极114d与漏极区域117之间不配置中间层113。通过漏电极114d与体层112的接触区域，形成体接触BC。

(半导体装置101的制造方法)

参照图8的流程图和图9的剖视概略图，对半导体装置101的制造方法进行说明。在步骤S11中，形成半导体衬底110。具体而言，在漏极层111a上使漂移层111b和体层112外延生长。在步骤S12中，形成源极区域116和漏极区域117。具体而言，隔着具有与源极区域116和漏极区域117对应的开口部的掩模，向体层112离子注入硅或锗。

在步骤S13中，进行栅电极形成工序。具体而言，在源极区域116与漏极区域117之间的区域且体层112的上表面，隔着栅极绝缘膜119形成栅电极118。栅极绝缘膜119是通过原子沉积法等使SiO₂或Al₂O₃等沉积而形成的绝缘膜。栅电极118是掺杂有硼等杂质的多晶硅。栅电极118能够使用公知的光刻技术和干法蚀刻加工形成。

在步骤S14中，进行镁层形成工序。具体而言，形成具有与特定区域对应的开口部的掩模层。特定区域是形成镁层113A的区域。在本实施例中，特定区域是形成体接触BC的区域。接下来，隔着掩模层使镁沉积。最后，除去掩模层。由此，如图9所示，镁层113A在体层112的表面选择性地形成。镁层113A未形成于源极区域116和漏极区域117的表面。需要说明的是，镁层113A的结构与实施例1的镁层13A相同，因此省略说明。

在步骤S15中进行退火工序。具体而言，在包含氮的环境中对形成有镁层113A的半导体衬底110进行退火。退火工序的内容与实施例1的步骤S3相同，因此省略说明。由此，能够使镁层113A变化为作为氮化镁的中间层113。需要说明的是，中间层113的结构与实施例1的中间层13相同，因此省略说明。

在步骤S16中，进行使中间层113的膜厚减少的工序。该工序的内容与实施例1的步骤S4相同，因此省略说明。

在步骤S17中，进行电极形成工序。具体而言，对金属层进行成膜。接下来，使用公知的光刻技术和干法蚀刻加工，将金属层加工为源电极114s和漏电极114d。源电极114s以横跨在体层112形成的中间层113与源极区域116的方式形成。此外漏电极114d以横跨在体层112形成的中间层113与漏极区域117的方式形成。由此，完成图7所示的半导体装置101。

(效果)

使用图10的比较例的半导体装置201，对问题进行说明。比较例的半导体装置201与实施例2的半导体装置101(图7)相比，仅在中间层113替换为接触层213的方面不同。接触层213是高浓度p型(p⁺型)GaN层。对共同的部位标注相同附图标记，并省略说明。MOSFET的体层112需要通过阈值电压的关系控制镁浓度(例如，1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3左右)。于是，为了降低体接触BC的接触电阻并且形成欧姆接触，需要插入高浓度p型GaN层(接触层213)。在用于形成该接触层213的通常的方法中，当使接触层213在体层112的表面整个面再生长后，通过干法蚀刻除去开口区域R1的接触层213。但是，在再生长中，Si沉积层SL被导入接触层213与体层112的分界面。因此难以降低体接触BC的接触电阻、形成欧姆接触。此外，由于干法蚀刻会导致在沟道中形成损伤层DL，因此有器件特性劣化的风险。

在本实施例的半导体装置101(图7)中，在形成体接触BC的区域配置中间层113(氮化镁)。不需要高浓度p型GaN层的再生长，因此不会形成Si沉积层SL。能够降低体接触BC的接触电阻、形成欧姆接触。此外，通过使用光刻技术，能够在形成体接触BC的区域选择性地形成中间层113。不需要通过干法蚀刻除去中间层113的工序，因此不会在沟道中形成损伤层DL。能够抑制器件特性的劣化。

此外，中间层113(氮化镁)增加了相对于n型GaN的接触电阻。在本实施例的半导体装置101(图7)中，采用在源极区域116和源电极114s之间、以及在漏极区域117和漏电极114d之间不配置中间层113的结构。由此，能够抑制接触电阻的增加。

实施例3

(p型GaN区域的形成方法)

在本实施例中，对使用氮化镓(GaN)作为氮化物半导体、使用镁(Mg)作为II族元素的受主杂质、使用硅(Si)作为施主(donor)杂质的情况进行说明。使用图11的流程图和图12～图15的剖视图，对在衬底301形成p型区域的工序进行说明。图12～图15是衬底301的表面附近的局部放大图。衬底301具有在GaN的基础衬底311上层叠有不掺杂杂质的GaN层312的结构。GaN层312也可以通过外延生长形成。在本实施例中，GaN层312的厚度为3μm。

在步骤S101中，在GaN层312的表面312s形成有掩模330。掩模330具有与想要形成p型区域的位置对应的开口部OP。掩模330能够通过已知的光刻技术形成。

在步骤S102中，从表面312s隔着掩模330离子注入氮(参照图12)。氮离子注入以从表面312s至规定深度的氮浓度大致固定的、呈所谓的箱型曲线(box profile)的方式注入。箱型曲线能够通过改变注入能量和注入量而进行多次离子注入来实现。由此，形成氮离子注入后的注入区域IA。在图12中，用虚线示出注入区域IA。在本实施例中，注入区域IA的深度D1为250nm。氮离子的加速电压为10KV～10MV的范围内。氮浓度为5×10¹⁹cm^-3、5×10¹⁸cm^-3、5×10¹⁶cm^-3的三种。

对离子注入氮的理由进行说明。通过离子注入，形成Ga空位、氮空位等晶体缺陷。通过将Mg替换为Ga空位而将Mg活化并p型化，因此需要Ga空位。另一方面，氮空位是施主性缺陷，受主被补偿，阻碍了p型化。因此，优选氮空位少。因此，在本实施例的技术中，离子注入了构成氮化物半导体的氮。离子注入形成的氮空位被注入的氮替换，因此能够抑制氮空位的产生。因此，通过氮的离子注入，能够选择性地形成Ga空位。

在步骤S103中，在表面312s形成含Mg层313(参照图13)。含Mg层313是包含Mg的层。在本实施例中，含Mg层313通过用电子束(EB)蒸镀法蒸镀Mg而形成。此外含Mg层313的厚度T0为50nm。

在步骤S104中进行预退火工序。在本实施例中，使用RTA(Rapid Thermal Anneal，快速热退火)装置以800℃进行1小时的处理。预退火时的压力和环境没有特别限定。在本实施例中，以常压的大气环境中进行预退火。

通过预退火工序，能够使含Mg层313(图13)变化为Mg固体层313a和MgO层313b的层叠结构(图14)。Mg固体层313a是包含Mg、Ga、N的层。Mg固体层313a的化学组成没有特别限定。例如，也可以是混合了氮化镁(MgN)和GaN的组成。MgO层313b是包含氧化镁的层。MgO层313b是含Mg层313的表面与退火环境中的氧反应而形成的变质层。在本实施例中，Mg固体层313a的厚度T1和MgO层313b的厚度T2为20～50nm的范围。

Mg固体层313a的厚度T1能够通过含Mg层313的厚度T0和预退火工序的温度来控制。例如，通过减少含Mg层313的厚度T0，能够使Mg固体层313a的厚度T1减少。通过Mg固体层313a的厚度T1，能够控制后述的Mg的掺杂浓度。例如，通过减少Mg固体层313a的厚度T1，能够减少Mg的供给源，因此能够使Mg的掺杂浓度减少。

在步骤S105中，除去在Mg固体层313a的表面形成的MgO层313b。MgO层313b所包含的氧作为施主杂质对GaN发挥功能。因此，通过除去MgO层313b，能够防止p型特性的显现被氧所阻碍。除去方法可以为湿法蚀刻、干法蚀刻、抛光等各种方法。在本说明书中，通过使用王水的湿法蚀刻除去。

在步骤S106中，在除去了MgO层313b的Mg固体层313a的表面313as形成保护层314(参照图15)。保护层314优选具有高耐热性和密合性。通过保护层314，能够在后述的扩散退火工序中抑制氮从GaN脱离。在本实施方式中，保护层314为通过MOVPE法成膜的氮化铝(AlN)。此外，厚度为300nm。

在步骤S107中，进行扩散退火工序。扩散退火工序的温度高于步骤S104的预退火工序的温度。例如，也可以为700℃～1400℃的范围内。退火环境没有特别限定。在退火环境中也可以不包含氮。由此，可以得到抑制保护层314、GaN热分解的效果。压力也可以为1000个大气压以下。退火时间只要根据后述的Mg浓度分布曲线决定即可，也可以为例如30秒～1小时的范围。从热积存的观点出发，也可以具有温度越高则退火时间越短这样的相关性。例如，也可以在1400℃的情况下设退火时间为30秒，在700℃的情况下设退火时间为1小时。在本实施例中，在1300℃、常压的大气环境中进行退火。此外，退火时间为5分钟。

在注入区域IA中，以箱型曲线形成晶体缺陷。此外，形成有晶体缺陷的区域与没有形成晶体缺陷的区域相比，能够提高Mg的扩散速度。因此，通过扩散退火工序，能够使Mg从Mg固体层313a向注入区域IA的整体固相扩散。此外，如前所述，在注入区域IA中，通过氮的离子注入选择性地形成有Ga空位，因此能够通过将Mg替换为Ga空位而使其活化。由此，能够在形成有注入区域IA的区域形成p型GaN区域PR(参照图15)

在步骤S108中，除去保护层314。除去方法可以为湿法蚀刻、干法蚀刻等各种。在本说明书中，通过使用TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide，氢氧化四甲铵)的湿法蚀刻除去。如上所述，p型GaN区域的形成流程结束。

(Mg浓度分布曲线)

对通过上述流程制作的衬底301的深度方向的Mg浓度分布曲线进行说明。在图16中示出使用二次离子质量分析(SIMS)法的Mg浓度分布曲线。纵轴是Mg的浓度。横轴是距GaN层312的表面312s的深度。

注入区域IA是以箱型曲线注入氮离子的区域。在本实施例中，注入区域IA的深度D1为约250nm。Mg浓度分布曲线MP1～MP3示出与表面312s垂直的方向的Mg的浓度分布。Mg浓度分布曲线MP1～MP3示出在注入区域IA内的氮浓度分别为5×10¹⁹cm^-3、5×10¹⁸cm^-3、5×10¹⁶cm^-3的情况下形成的曲线。

Mg浓度分布曲线MP1～MP3在从表面至深度100nm的第一区域R1内具有Mg浓度的最大值MV。最大值MV为1×10²⁰cm^-3以上。此外，成为最大值MV的区域距表面312s的深度为约15nm。对效果进行说明。以往，在使用离子注入法的情况下，难以使距表面312s为15nm左右的极表面的Mg浓度成为1×10²⁰cm^-3以上的高浓度。在本说明书的技术中，使Mg从表面312s固相扩散，因此能够使极表面的Mg浓度为1×10²⁰cm^-3以上的高浓度。由此，能够形成与在表面312s形成的电极的欧姆接触。

Mg浓度分布曲线MP1～MP3在从最大值MV向深度方向扩展的幅度为100nm以下的第二区域R2内Mg浓度变化为一位数以上。换言之，随着从最大值MV(深度约15nm)变深，Mg浓度降低直至最大值MV的1/10以下。此外，Mg浓度分布曲线MP1～MP3在第二区域R2内具有浓度梯度急剧变小的奇异点SP1～SP3。而且，在从奇异点SP1～SP3变深的方向上，存在Mg浓度大致固定的浓度固定区域CR。浓度固定区域CR的深度方向的幅度为50nm以上。根据以上可知，能够使深度方向的Mg浓度急剧减少。对效果进行说明。在Mg浓度分布曲线向深度方向平稳变化的情况下，在p型区域的底部存在低浓度的p型区域。低浓度的p型区域在形成pn接合面时成为高电阻区域。另一方面，在本说明书的技术中，能够使Mg浓度分布曲线陡峭，因此在p型区域的底部不存在低浓度的p型区域。因此，能够制作高浓度的p型区域与高浓度的n型区域接合的pn接合面。能够抑制在pn接合面形成高电阻区域。

根据Mg浓度分布曲线MP1可知，相比于比注入区域IA更深的区域(比0.25μm深的区域)，注入区域IA(比0.25μm浅的区域)的Mg浓度变高。这是因为，能够通过氮离子注入所形成的晶体缺陷捕获Mg。由此，通过在想要提高Mg浓度的区域形成注入区域IA，能够形成期望的Mg浓度分布曲线。此外，通过比较Mg浓度分布曲线MP1(氮浓度5×10¹⁹cm^-3)、MP2(氮浓度5×10¹⁸cm^-3)、MP3(氮浓度5×10¹⁶cm^-3)可知，注入区域IA内的氮浓度越高越能够提高Mg浓度。这是因为，氮浓度越高越能够提高晶体缺陷密度。因此，通过控制氮浓度，能够间接地控制Mg浓度。

(效果)

在通过固相扩散将Mg扩散的情况下，深度方向的Mg浓度分布曲线和Mg的掺杂浓度呈所谓的误差函数曲线。由于是由热处理温度和时间唯一决定的，因此难以控制Mg浓度分布曲线、掺杂浓度。因此，形成各种器件所需要的箱型曲线、将Mg浓度调节为期望的值是困难的。此外，为了使Mg扩散得比100nm更深，需要数小时以上的长时间的热处理。因此，在本实施例的技术中，具有使Mg向形成有晶体缺陷的注入区域IA固相扩散的结构。能够用Ga空位捕获Mg并且进行活化，因此能够以按照注入区域IA的氮曲线的方式形成Mg浓度分布曲线。此外，注入的氮的浓度越高，越能够提高Mg的掺杂浓度。换言之，能够通过控制注入区域IA的氮曲线来控制Mg浓度分布曲线，并且通过控制氮浓度来控制Mg掺杂浓度。此外，形成有缺陷的区域与没有形成缺陷的区域相比，更容易使Mg扩散，因此能够大幅缩短用于使Mg向比100nm深的区域扩散的热处理时间(例如：5分钟)。

以往，为了通过Mg的离子注入形成p型GaN区域，需要用于恢复产生于结晶内部的氮空位等损伤的超高压的热处理。但是，需要压力1GPa(约1万个大气压)这样的极特殊的环境下的热处理，因此难以实施。在本说明书的技术中，通过氮离子注入形成注入区域IA，因此能够抑制氮空位的产生并且积极地形成Ga空位。由于能够抑制氮空位等损伤，因此不需要超高压的热处理。能够容易地进行热处理。

(p型GaN区域的评价结果)

使用扫描非线性介电显微镜(SNDM)评价p型GaN区域的形成状态。SNDM是使载流子分布二维可视化的显微镜。在图17和图18示出剖视观察结果的一个例子。纵轴是距衬底表面的深度。横轴是与表面水平的方向的位置。在图17和图18中，p型GaN区域PR以浅色填充表示，n型GaN区域NR以深色填充表示，高电阻的本征GaN区域IR以白色表示。

图17是通过本实施例的技术形成的p型GaN区域的剖视图。在n⁺-GaN的基础衬底311的(0001)面上形成有约3μm的不掺杂的GaN层312。在GaN层312的上部形成有注入区域IA。注入区域IA的水平方向的宽度为约10.5μm，深度D1为约200nm。在注入区域IA中，以箱型曲线注入氮，氮浓度为5×10¹⁸cm^-3。

在图17的本实施例中，在注入区域IA的内部，在从表面312s至深度约0.7μm的区域形成有p型GaN区域PR。由于表面312s进行了p型化，因此能够在注入区域IA上形成了电极的情况下形成欧姆接触。此外，在注入区域IA的外侧，在从表面312s至深度约1.0μm的区域形成有n型GaN区域NR。此外，在从深度约0.5μm至3.0μm的区域形成有本征GaN区域IR。

另一方面，图18示出比较例。比较例是在Mg离子注入后进行超高压退火(UHPA)而形成的p型GaN区域的剖视图。在图18的比较例中，在n⁺-GaN衬底的上部形成有离子注入Mg后的Mg注入区域MA。在Mg注入区域MA内，在深度约0.5μm至2.0μm的区域形成有p型GaN区域PR。但是，表面412s至约0.5μm的区域为本征GaN区域IR。即，可知，在离子注入法中，难以使表面412s为p型GaN。因此，即使在Mg注入区域MA上形成电极，也难以形成欧姆接触。

(晶体缺陷的评价结果)

使用环状暗视野扫描透射电子显微镜(ADF-STEM)评价晶体缺陷的形成状态。作为比较例，通过在Mg离子注入后进行超高压退火(1GPa，1480℃，5分钟)制作p型GaN区域。然后，观察(11-20)面的剖面。在比较例中，观察到多个空位型的位错环缺陷，其平面密度为约3×10¹⁰[个/cm²]。

另一方面，在本实施例的技术所制作的p型GaN区域中，观察同样的剖面，结果没有观察到空位型缺陷引起的椭圆形等位错环缺陷、咖啡豆型缺陷。换言之，添加了Mg的区域的环缺陷密度为1×10⁵[个/cm²]以下。对理由进行说明。位错环缺陷是由于过饱和的点缺陷(空位、晶格间原子)集中为平板状，能够进行在其边缘闭合的位错而形成的。在比较例中，通过Mg离子注入形成有多个氮空位，因此形成有多个位错环缺陷。另一方面，在本实施例的技术中，不进行Mg离子注入而进行氮离子注入。而且，如前所述，在氮离子注入中能够抑制氮空位的生成，因此能够抑制位错环缺陷的形成。

实施例4

在实施例3中，对将Mg向注入区域IA固相扩散的方式进行了说明。在实施例4中，对将Mg向注入区域IA气相扩散的方式进行说明。至形成注入区域IA为止的工序(步骤S101～S102)相同，因此省略说明。

在气相扩散工序中，在包含Mg的环境中对形成有注入区域IA的衬底301进行退火。气相Mg原料种类可以为各种。也可以为Mg蒸气、氯化镁(MgCl₂)。此外，也可以为Cp₂Mg、EtCp2Mg等各种有机金属化合物(MO)。此外，也可以在退火环境中包含氮。例如，也可以向腔室内供给氨气、氮气。通过从环境中向GaN衬底供给氮，能够抑制退火所导致的从GaN的脱氮。在本实施例中，在包含Cp2Mg和氨气的环境中，以830℃进行退火。

在气相扩散工序后，也可以进行：形成保护层314(步骤S106)、扩散退火工序(步骤S107)、除去保护层314(步骤S108)。由此，气相扩散的p型GaN区域的形成流程结束。

(效果)

在实施例3的固相扩散中，p型GaN区域形成后的表面312s的表面形态劣化。例如，使用AFM等测定了表面312s的均方粗糙度(RMS)，结果氮离子注入(步骤S102)后的RMS为0.2～0.5nm。另一方面，p型GaN区域完成(步骤S108)后的RMS为7.0nm。可以认为这是因为在预退火工序(步骤S104)中，在形成Mg固体层313a时，表面形态劣化。

另一方面，在实施例4的气相扩散中，能够省略形成Mg固体层313a的工序，因此能够改善表面312s的表面形态。例如，测定p型GaN区域完成后的RMS，其结果为0.3nm。此外，在表面312s的AFM像中，观察到了台阶，因此可知在原子水平上维持了平坦的表面。由此，能够改善将衬底301应用于器件的情况的各种特性。

实施例5

对在实施例5中使Mg向注入区域IA液相扩散的方式进行说明。至形成注入区域IA为止的工序(步骤S101～S102)相同，因此省略说明。

在液相扩散工序中，使形成有注入区域IA的衬底301与包含Mg的熔液接触。熔液的种类可以为各种。例如，可以为Zn-Mg二元系金属、Al-Zn-Mg三元系金属、Cu-Mg-Zn三元系金属等的熔液。或者，可以为氮的溶解度高的金属的熔液，例如可以为Na等碱金属熔液。在本实施例中，使用Mg∶Zn比率为51∶20的MgZn熔液。此外，温度为450℃。

用于实施液相扩散工序的装置结构可以为各种。也可以在高温(例如：400～1000℃)和高压(例如：数十大气压)的环境下，在坩埚内生产熔液，使衬底301与该熔液接触。此外也可以通过在熔液内融入氮气(N₂)，抑制从GaN的脱氮。

在液相扩散工序后，也可以进行：形成保护层314(步骤S106)、扩散退火工序(步骤S107)、除去保护层314(步骤S108)。由此，液相扩散的p型GaN区域的形成流程结束。

实施例6

在实施例6中，对在注入区域IA等离子体掺杂Mg的方式进行说明。至形成注入区域IA为止的工序(步骤S101～S102)相同，因此省略说明。

在等离子体掺杂工序中，将形成有注入区域IA的衬底301设置于真空容器内的偏压电极。然后，通过产生由包含Mg的气体构成的等离子体，使等离子体中的Mg离子朝向表面312s加速，从而能够将Mg导入注入区域IA中。

在等离子体掺杂工序后，也可以进行：形成保护层314(步骤S106)、扩散退火工序(步骤S107)、除去保护层314(步骤S108)。由此，等离子体掺杂的p型GaN区域的形成流程结束。

以上，对本发明的具体例进行了详细说明，但是这些仅为示例，并不限制权利要求的范围。在权利要求的范围所记载的技术中，包括对以上示例的具体例进行了各种各样变形、变更的方案。本说明书或者附图中说明的技术要素单独地或者通过各种组合来发挥技术实用性，并不限定于申请时权利要求所记载的组合。此外，本说明书或者附图中示例的技术能够同时达到多个目的，达到其中一个目的本身就具有技术实用性。

(变形例)

使中间层的膜厚减少的工序(步骤S4、S16)能够省略。

构成中间层13和113的氮化镁(MgNx)也可以包含氟、氧等其他元素。

能够应用本说明书的技术的器件结构不限于实施例2所示的横向MOSFET。能够应用于各种器件结构。例如，也可以应用于具有沟槽栅的纵型MOSFET、超结MOSFET、PN二极管、异质结双极晶体管(HBT)、HEMT等。

退火工序(步骤S3、S15)所使用的加热方法可以是各种方法。例如，也可以使用灯加热、加热器加热、高频加热等。此外退火工序的环境不限于纯粹的氮环境，例如也可以使H₂、NH₃、Ar、Xe、He、Ne等混合。

能够应用本说明书的技术的氮化物半导体不限定于GaN。例如，也能够应用于InN、AlN等的二元系、AlGaN、GaInN、AlInN等的三元系、AlGaInN等的四元系的氮化物半导体。此外，也能够应用于至少形成有一层AlGaInN系氮化物半导体层的蓝宝石、Si、SiC、SiO₂、MgO、Ga₂O₃、ZrB₂、尖晶石、金刚石、PET等。

本说明书的Mg的扩散技术不限于衬底301的上表面，也能够应用于各种结构的表面。例如，也能够应用于对沟槽的内壁的表面。

在步骤S102中注入的离子不限于氮离子单体，也可以包含各种离子。例如，也可以包含氢离子、氟离子等。

步骤S102是以导入晶体缺陷为目的的工序，因此不限于离子注入。例如，也可以通过电子射线的照射来导入晶体缺陷。

在步骤S103中形成的含Mg层313也可以是包含Mg的化合物。例如，也可以为MgO、MgZnO等。

也可以不形成保护层314而进行扩散退火工序。在该情况下，跳过步骤S106即可。也可以不除去MgO层313b。在该情况下，跳过步骤S105即可。

在上述实施例中，作为用于形成p型区域的II族元素的一个例子，使用了镁(Mg)，但不限定于该结构。II族元素也可以为例如铍(Be)、钙(Ca)等。此外，作为用于形成n型区域的元素的一个例子，使用了硅(Si)，但不限定于该结构，也可以使用锗(Ge)等。

步骤S102的工序是缺陷形成工序的一个例子。步骤S107的扩散退火工序是第一热处理工序的一个例子。步骤S104的预退火工序是第二热处理工序的一个例子。MgO层313b是变质层的一个例子。

Claims (26)

1.一种氮化物半导体装置的制造方法，具有：

镁层形成工序，在氮化物半导体衬底的表面形成以镁作为主要成分的镁层；以及

退火工序，对形成有所述镁层的所述氮化物半导体衬底进行退火。

2.根据权利要求1所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

在所述镁层形成工序中，在表面的至少一部分露出有p型区域的所述氮化物半导体衬底的所述p型区域的表面的至少一部分形成所述镁层，

在所述退火工序中，在包含氮的环境中对形成有所述镁层的所述氮化物半导体衬底进行退火，使所述镁层变化为包含镁和氮的中间层，

所述氮化物半导体装置的制造方法还具有：电极层形成工序，在所述中间层的上表面的至少一部分形成电极层。

3.根据权利要求2所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

在所述退火工序后还具有使所述中间层的膜厚减少的工序，

在所述电极层形成工序中，在膜厚减少后的所述中间层的上表面形成所述电极层。

4.根据权利要求2或3所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

所述p型区域的杂质浓度的范围为1×10¹⁶～1×10²⁰。

5.根据权利要求2～4中任一项所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

在所述镁层形成工序中，在所述p型区域的表面的至少一部分的特定区域选择性地形成所述镁层。

6.根据权利要求5所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

所述镁层形成工序具有：

在所述氮化物半导体衬底的表面形成掩模层的工序，所述掩模层具有与所述特定区域对应的开口部；以及

使所述镁层隔着所述掩模层沉积的工序。

7.根据权利要求5或6所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

在所述氮化物半导体衬底的表面的一部分露出有n型区域，

在所述镁层形成工序中，在所述p型区域的表面的至少一部分形成所述镁层，并且在所述n型区域的表面不形成所述镁层，

在所述电极层形成工序中，以横跨在所述p型区域形成的所述中间层与所述n型区域的方式形成所述电极层。

8.根据权利要求2～7中任一项所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

所述氮化物半导体衬底为氮化镓。

9.根据权利要求1所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

还具有：从所述氮化物半导体衬底的表面向内部侧形成晶体缺陷的缺陷形成工序，

所述镁层为固体层。

10.根据权利要求9所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

还具有：保护层形成工序，在所述镁层的表面形成保护层，

在所述退火工序中，对形成有所述保护层的所述氮化物半导体衬底进行加热。

11.根据权利要求10所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

还具有：预退火工序，以低于所述退火工序的温度加热所述氮化物半导体衬底，

所述预退火工序在所述镁层形成工序后且所述保护层形成工序前进行。

12.根据权利要求11所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

还具有：通过所述预退火工序除去形成于所述镁层的表面的变质层的工序，

所述保护层在除去了所述变质层的所述镁层的表面形成。

13.根据权利要求1所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

还具有：缺陷形成工序，从所述氮化物半导体衬底的表面向内部侧形成晶体缺陷，

所述镁层为包含镁的熔液。

14.根据权利要求13所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

所述熔液包含Zn，

所述熔液的温度为450℃以上。

15.根据权利要求9～14中任一项所述的氮化物半导体装置的制造方法，其中，

所述缺陷形成工序具有：从所述氮化物半导体衬底的表面注入氮离子的工序。

16.一种氮化物半导体装置，其具有：

在表面的至少一部分露出有p型区域的氮化物半导体衬底；

包含镁和氮的中间层，其配置在所述p型区域的上表面的至少一部分；以及

电极层，其配置在所述中间层的上表面的至少一部分。

17.根据权利要求16所述的氮化物半导体装置，其中，

所述中间层具有非晶结构。

18.根据权利要求16或17所述的氮化物半导体装置，其中，

所述中间层包含镓，

所述中间层的所述镓的浓度随着远离所述p型区域与所述中间层的界面而降低。

19.根据权利要求16～18中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，

所述p型区域的杂质浓度的范围为1×10¹⁶～1×10²⁰cm^-3。

20.根据权利要求16～19中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，

所述中间层的厚度为1000nm以下。

21.根据权利要求16～20中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，

还具有：在所述氮化物半导体衬底的表面的一部分露出的n型区域，

所述电极层横跨所述n型区域和所述p型区域配置，

在所述p型区域与所述电极层之间配置有所述中间层，并且在所述n型区域与所述电极层之间不配置所述中间层。

22.根据权利要求16～21中任一项所述的氮化物半导体装置，其中，

所述氮化物半导体衬底为氮化镓，

所述中间层为氮化镁。

23.一种氮化物半导体衬底，其中，

所述氮化物半导体衬底的与表面垂直的方向的镁的浓度分布在从所述表面至深度100纳米的第一区域内具有最大值，

所述最大值为1×10²⁰cm^-3以上。

24.根据权利要求23所述的氮化物半导体衬底，其中，

所述镁的浓度分布在从所述最大值向深度方向扩展的幅度为100纳米以下的第二区域内的浓度变化为一位数以上。

25.根据权利要求24所述的氮化物半导体衬底，其中，

所述镁的浓度分布在所述第二区域内具有浓度梯度急剧变小的奇异点，

存在从所述奇异点朝向深度方向的镁浓度大致固定的浓度固定区域，

所述浓度固定区域的深度方向的幅度为50纳米以上。

26.根据权利要求23～25中任一项所述的氮化物半导体衬底，其中，

添加有镁的区域的剖视时的环缺陷的平面密度为1×10⁵[个/cm²]以下。