JP2016021460A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン注入によってｐ型半導体層の上にｎ型半導体層を形成した半導体装置において、ｐ型半導体層より下層に位置する他の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制する。【解決手段】半導体装置は、第１の濃度で第１のドナー元素を含有する第１の半導体層と；第１の半導体層の上に形成され、第１の濃度より高い第２の濃度でアクセプタ元素を含有し、ｐ型の導電性を有する第２の半導体層と；第２の半導体層の上に形成され、アクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素を含有し、ｎ型の導電性を有する第３の半導体層とを備える。第１の半導体層は、第２の半導体層から離れるにしたがって減少する濃度で、第２の半導体層と同じ種類のアクセプタ元素を含有し、第１の半導体層におけるアクセプタ元素の濃度が第１の濃度に等しくなる領域は、第２の半導体層から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に存在する。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

半導体装置（半導体デバイス、半導体素子）を製造する技術として、ｐ型半導体層内の表面側にドナー元素をイオン注入した後、ドナー元素を活性化させるためにｐ型半導体層を熱処理（活性化アニール処理）することによって、ｐ型半導体層の上にｎ型半導体層を形成する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

特開２００５−１８３６６８号公報 特開２００８−１０３６３６号公報

本願の発明者は、イオン注入および熱処理によって、ｐ型半導体層に含まれるアクセプタ元素がｐ型半導体層より下層に位置する他の半導体層へと拡散し、その結果、アクセプタ元素が拡散した他の半導体層における電気抵抗が増大するという課題を発見した。従来、このような課題が十分に認識されていないのが実情であった。そのため、イオン注入によってｐ型半導体層の上にｎ型半導体層を形成した半導体装置において、ｐ型半導体層より下層に位置する他の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制できる技術が必要とされる。そのほか、半導体装置およびその製造方法においては、微細化、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上、耐久性の向上などが望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、第１の濃度で第１のドナー元素を含有する第１の半導体層と；前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の濃度より高い第２の濃度でアクセプタ元素を含有し、ｐ型の導電性を有する第２の半導体層と；前記第２の半導体層の上に形成され、前記アクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素を含有し、ｎ型の導電性を有する第３の半導体層とを備え、前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層から離れるにしたがって減少する濃度で、前記第２の半導体層と同じ種類のアクセプタ元素を含有し、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる領域は、前記第２の半導体層から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に存在する。この形態によれば、第３の半導体層における第２のドナー元素の原子量が第２の半導体層におけるアクセプタ元素の原子量より小さいため、第２の半導体層から第１の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制できる。これによって、第１の半導体層の電気抵抗を低減できる。その結果、半導体装置のオン抵抗を低減できる。また、第１の半導体層においてアクセプタ元素の濃度が第１の濃度より高い領域によって、半導体装置の耐圧を向上できる。

（２）上記形態の半導体装置において、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる前記領域は、前記第２の半導体層から０．５μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に存在してもよい。この形態によれば、半導体装置の耐圧をいっそう向上できる。

（３）上記形態の半導体装置において、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度は、前記第２の半導体層から０．１μｍに位置する領域において、前記第２の濃度に対して１／１０から１／１００００であってもよい。この形態によれば、第１の半導体層の電気抵抗を十分に低減できる。

（４）上記形態の半導体装置において、前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および第３の半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ってもよい。この形態によれば、ＧａＮ系の半導体装置において、第２の半導体層から拡散した第１の半導体層におけるアクセプタ元素の濃度を抑制できる。

（５）上記形態の半導体装置において、前記アクセプタ元素は、マグネシウム（Ｍｇ）であり、前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）であってもよい。この形態によれば、アクセプタ元素の濃度を抑制した第１の半導体層を容易に実現できる。

（６）上記形態の半導体装置において、前記アクセプタ元素は、亜鉛（Ｚｎ）およびカルシウム（Ｃａ）の少なくとも１つであり、前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）およびケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つであってもよい。この形態によれば、アクセプタ元素の濃度を抑制した第１の半導体層を容易に実現できる。

（７）上記形態の半導体装置において、前記アクセプタ元素は、カドミウム（Ｃｄ）およびバリウム（Ｂａ）の少なくとも１つであり、前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）、ケイ素（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の少なくとも１つであってもよい。この形態によれば、アクセプタ元素の濃度を抑制した第１の半導体層を容易に実現できる。

（８）本発明の一形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、第１の濃度で第１のドナー元素を含有する第１の半導体層を、結晶成長によって形成し；前記第１の半導体層の上に、前記第１の濃度より高い第２の濃度でアクセプタ元素を含有したｐ型の導電性を有する第２の半導体層を、結晶成長によって形成し；前記第２の半導体層の上に、前記アクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素をイオン注入し；前記第２の半導体層の上に前記第２のドナー元素をイオン注入した後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を熱処理することによって、前記第２の半導体層の上に、前記第２のドナー元素を含有したｎ型の導電性を有する第３の半導体層を、形成するとともに、前記第２の半導体層から前記アクセプタ元素を前記第１の半導体層へと拡散させて、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる領域を、前記第２の半導体層から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に形成する。この形態によれば、第３の半導体層における第２のドナー元素の原子量が第２の半導体層におけるアクセプタ元素の原子量より小さいため、第２の半導体層から第１の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制できる。これによって、第１の半導体層の電気抵抗を低減できる。その結果、第１の半導体層のオン抵抗を低減できる。また、半導体装置の耐圧を向上できる。

（９）上記形態における半導体装置の製造方法において、前記第２の半導体層の上に前記第２のドナー元素をイオン注入した後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を熱処理することによって、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度を、前記第２の半導体層から０．１μｍに位置する領域において、前記第２の濃度に対して１／１０から１／１００００にしてもよい。この形態によれば、第１の半導体層の電気抵抗を十分に低減できる。

（１０）上記形態における半導体装置の製造方法において、前記熱処理において前記第２の半導体層を８００℃以上１２５０℃以下の温度まで加熱してもよい。この形態によれば、比較的に低温で加熱するため、熱処理に伴う各半導体層の損傷を抑制できる。

本発明は、半導体装置およびその製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器、上記形態の半導体装置を製造する製造装置などの形態で実現することができる。

本願発明の半導体装置によれば、第３の半導体層における第２のドナー元素の原子量が第２の半導体層におけるアクセプタ元素の原子量より小さいため、第２の半導体層から第１の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制できる。これによって、第１の半導体層の電気抵抗を低減できる。その結果、半導体装置のオン抵抗を低減できる。また、第１の半導体層においてアクセプタ元素の濃度が第１の濃度より高い領域によって、半導体装置の耐圧を向上できる。

本願発明における半導体装置の製造方法によれば、第３の半導体層における第２のドナー元素の原子量が第２の半導体層におけるアクセプタ元素の原子量より小さいため、第２の半導体層から第１の半導体層へのアクセプタ元素の拡散を抑制できる。これによって、第１の半導体層の電気抵抗を低減できる。その結果、第１の半導体層のオン抵抗を低減できる。また、半導体装置の耐圧を向上できる。

第１実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 半導体層に含まれるＭｇの濃度分布を示すグラフである。 第１実施形態における半導体装置の製造方法を示す工程図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 製造途中にある半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。 第１評価試験に用いた試料の構成を模式的に示す断面図である。 第１評価試験の結果として試料に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示すグラフである。 第２評価試験におけるオン抵抗に関する評価結果を示すグラフである。

Ａ．第１実施形態
Ａ−１．半導体装置の構成
図１は、第１実施形態における半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１００は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置１００は、縦型トレンチＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。本実施形態では、半導体装置１００は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、図１の紙面左から紙面右に向かう軸である。＋Ｘ軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、紙面左に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、図１の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。＋Ｙ軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、図１の紙面下から紙面上に向かう軸である。＋Ｚ軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、紙面下に向かう方向である。

半導体装置１００は、基板１１０と、半導体層１１２と、半導体層１１４と、半導体層１１６とを備える。半導体装置１００は、これらの半導体層１１２，１１４，１１６に形成された構造として、トレンチ１２２と、トレンチ１２８とを有する。半導体装置１００は、更に、絶縁膜１３０と、ソース電極１４１と、ゲート電極１４２と、ドレイン電極１４３と、ボディ電極１４４とを備える。

半導体装置１００の基板１１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体である。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本明細書の説明において、「窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る」とは、モル分率において窒化ガリウム（ＧａＮ）を９０％以上含有することを意味する。本実施形態では、基板１１０は、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有するｎ型半導体である。

半導体装置１００の半導体層１１２は、基板１１０の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる第１の半導体層である。本実施形態では、半導体層１１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層１１２は、ケイ素（Ｓｉ）を第１のドナー元素として含有するｎ型半導体である。本実施形態では、半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値（第１の濃度）は、約１×１０^１６ｃｍ^−３である。本実施形態では、半導体層１１２は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって基板１１０の上に形成された層である。本実施形態では、半導体層１１２の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１０μｍ（マイクロメートル）である。

半導体装置１００の半導体層１１４は、半導体層１１２の＋Ｚ軸方向側に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる第２の半導体層である。本実施形態では、半導体層１１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層１１４は、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有するｐ型半導体である。本実施形態では、半導体層１１４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値（第２の濃度）は、約４×１０^１８ｃｍ^−３である。半導体層１１４のＭｇ濃度は、半導体層１１２のＳｉ濃度より高い。本実施形態では、半導体層１１４は、ＭＯＣＶＤによって半導体層１１２の上に形成された層である。本実施形態では、半導体層１１４の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、約１．２μｍである。

半導体装置１００の半導体層１１６は、半導体層１１４の＋Ｚ軸方向側の一部に位置し、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる第３の半導体層である。本実施形態では、半導体層１１６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る。本実施形態では、半導体層１１６は、酸素（Ｏ）を第２のドナー元素として含有するｎ型半導体である。半導体層１１６のドナー元素である酸素（Ｏ）の原子量は、半導体層１１４のアクセプタ元素であるマグネシウム（Ｍｇ）の原子量より小さい。本実施形態では、半導体層１１６は、半導体層１１４の＋Ｚ軸方向側の一部に対するイオン注入によって形成された層である。本実施形態では、半導体層１１６は、１×１０^１８ｃｍ^−３以上の濃度で、ドナー元素である酸素（Ｏ）を含有する領域である。半導体層１１６の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、０．１μｍから０．５μｍまでの範囲であればよく、本実施形態では、約０．２μｍである。

図２は、半導体層１１２，１１４，１１６に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示すグラフである。図２の横軸は、半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側からの深さを示す。図２の縦軸は、半導体層１１２，１１４，１１６の各領域に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度を示す。図２の曲線Ｌは、半導体層１１２，１１４，１１６に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。

半導体層１１４におけるＭｇ濃度は、半導体層１１６から半導体層１１２の手前にかけて濃度Ｃ２でほぼ一定であり、半導体層１１２の手前で急減する。濃度Ｃ２は、半導体層１１４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値（第２の濃度）であり、本実施形態では、約４×１０^１８ｃｍ^−３である。

半導体層１１２は、半導体層１１４から離れるにしたがって減少する濃度で、半導体層１１４のアクセプタ元素であるマグネシウム（Ｍｇ）を含有する。半導体層１１２に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）は、半導体層１１４から半導体層１１２へと拡散したものである。

半導体層１１２におけるマグネシウム（Ｍｇ）濃度は、半導体層１１４から０．１μｍに位置する領域Ｐ１において、半導体層１１４における濃度Ｃ２に対して１／１０から１／１００００であることが好ましい。本実施形態では、領域Ｐ１における濃度Ｃ３は、濃度Ｃ２に対して約１／１００である。

半導体層１１２における領域Ｐ２は、マグネシウム（Ｍｇ）濃度が濃度Ｃ１に等しくなる領域である。濃度Ｃ１は、半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値（第１の濃度）であり、本実施形態では、約１×１０^１６ｃｍ^−３である。半導体装置１００において耐圧の向上およびオン抵抗増大の抑制を図る観点から、半導体層１１２における領域Ｐ２は、半導体層１１４から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に存在することが好ましく、半導体層１１４から０．５μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に存在することがより好ましい。本実施形態では、領域Ｐ２は、半導体層１１４から約０．６μｍに位置する。

図１の説明に戻り、半導体装置１００のトレンチ１２２は、半導体層１１２，１１４，１１６に形成され、半導体層１１２，１１４，１１６の厚さ方向（−Ｚ軸方向）に落ち込んだ溝部である。トレンチ１２２は、半導体層１１６の＋Ｚ軸方向側から半導体層１１４を貫通し半導体層１１２に至る。本実施形態では、トレンチ１２２は、半導体層１１２，１１４，１１６に対するドライエッチングによって形成された構造である。

半導体装置１００のトレンチ１２８は、半導体層１１４，１１６に形成され、半導体層１１４，１１６の厚さ方向（−Ｚ軸方向）に落ち込んだ溝部である。トレンチ１２８は、半導体層１１４の＋Ｚ軸方向側から半導体層１１２に至る。これによって、トレンチ１２８は、基板１１０上に形成された他の素子から半導体装置１００を分離する。本実施形態では、トレンチ１２８は、半導体層１１６より−Ｘ軸方向側に位置する。本実施形態では、トレンチ１２８は、半導体層１１４，１１６に対するドライエッチングによって形成された構造である。

半導体装置１００の絶縁膜１３０は、電気絶縁性を有する膜である。絶縁膜１３０は、トレンチ１２２の外側から内側にわたって形成されている。本実施形態では、絶縁膜１３０は、トレンチ１２２の外側から内側に加え、半導体層１１４および半導体層１１６における＋Ｚ軸方向側の界面、並びに、トレンチ１２８の外側から内側にわたって形成されている。本実施形態では、絶縁膜１３０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る。本実施形態では、絶縁膜１３０は、原子層堆積法（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）によって形成された膜である。

絶縁膜１３０は、コンタクトホール１２１と、コンタクトホール１２４とを有する。コンタクトホール１２１は、絶縁膜１３０を貫通して半導体層１１６に至る貫通孔である。コンタクトホール１２４は、絶縁膜１３０を貫通して半導体層１１４に至る貫通孔である。本実施形態では、コンタクトホール１２１，１２４は、絶縁膜１３０に対するウェットエッチングによって形成された構造である。

半導体装置１００のソース電極１４１は、コンタクトホール１２１に形成された電極である。ソース電極１４１は、半導体層１１６に対してオーミック接触する。本実施形態では、ソース電極１４１は、チタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。

半導体装置１００のゲート電極１４２は、絶縁膜１３０を介してトレンチ１２２に形成された電極である。本実施形態では、ゲート電極１４２は、アルミニウム（Ａｌ）から主に成る。ゲート電極１４２に電圧が印加された場合、半導体層１１４に反転層が形成され、この反転層がチャネルとして機能することによって、ソース電極１４１とドレイン電極１４３との間に導通経路が形成される。

半導体装置１００のドレイン電極１４３は、基板１１０の−Ｚ軸方向側の界面に形成された電極である。ドレイン電極１４３は、基板１１０に対してオーミック接触する。本実施形態では、ドレイン電極１４３は、チタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。

半導体装置１００のボディ電極１４４は、コンタクトホール１２４に形成された電極である。ボディ電極１４４は、半導体層１１４にオーミック接触する。本実施形態では、ボディ電極１４４は、半導体層１１４の上にパラジウム（Ｐｄ）から成る層を積層した後にアニール処理（熱処理）した電極である。

Ａ−２．半導体装置の製造方法
図３は、第１実施形態における半導体装置１００の製造方法を示す工程図である。まず、製造者は、基板１１０を用意する。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成り、ケイ素（Ｓｉ）をドナー元素として含有するｎ型半導体である。

製造者は、基板１１０の上に半導体層１１２を結晶成長によって形成する（工程Ｐ１１２）。本実施形態では、製造者は、ＭＯＣＶＤを用いて半導体層１１２を形成する。本実施形態では、半導体層１１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成り、ケイ素（Ｓｉ）を第１のドナー元素として含有するｎ型半導体である。本実施形態では、半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値（第１の濃度Ｃ１）は、約１×１０^１６ｃｍ^−３である。本実施形態では、半導体層１１２の厚さは、約１０μｍである。

半導体層１１２を形成した後（工程Ｐ１１２）、製造者は、半導体層１１２の上に半導体層１１４を結晶成長によって形成する（工程Ｐ１１４）。本実施形態では、製造者は、ＭＯＣＶＤを用いて半導体層１１４を形成する。本実施形態では、半導体層１１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成り、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有するｐ型半導体である。本実施形態では、半導体層１１４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値（第２の濃度Ｃ２）は、約４×１０^１８ｃｍ^−３であり、半導体層１１２に含まれるケイ素（Ｓｉ）濃度の平均値（第１の濃度Ｃ１）より高い。本実施形態では、半導体層１１４の厚さは、約１．２μｍである。

図４は、製造途中にある半導体装置１００ａの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、半導体層１１２，１１４の形成（工程Ｐ１１２，Ｐ１１４）を経て半導体装置１００ａを得る。半導体装置１００ａでは、基板１１０の上に半導体層１１２が形成され、半導体層１１２の上に半導体層１１４が形成されている。

図３の説明に戻り、半導体層１１４を形成した後（工程Ｐ１１４）、製造者は、半導体層１１４に含まれるアクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素を、半導体層１１４の上にイオン注入する（工程Ｐ１２２）。本実施形態では、製造者は、第２のドナー元素として酸素（Ｏ）を半導体層１１４の上にイオン注入する。

図５は、製造途中にある半導体装置１００ｂの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、イオン注入（工程Ｐ１２２）において半導体装置１００ｂを作製する。製造者は、半導体装置１００ａの半導体層１１４の上にスルー膜１８１を形成した後、スルー膜１８１の上にマスク１８２を形成する。これによって、製造者は、半導体装置１００ｂを得る。

半導体装置１００ｂのスルー膜１８１は、イオン注入に伴う半導体層１１４における表面の損傷を防止するとともに、半導体層１１４に注入されるドナー元素を半導体層１１４の表面近傍に集める。本実施形態では、製造者は、プラズマＣＶＤ（化学気相成長：Chemical Vapor Deposition)によってスルー膜１８１を形成する。本実施形態では、スルー膜１８１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る。本実施形態では、スルー膜１８１の膜厚は、約３０ｎｍ（ナノメートル）である。

半導体装置１００ｂのマスク１８２は、半導体層１１４におけるドナー元素を注入させない領域を保護する。本実施形態では、製造者は、フォトレジスト（Photoresist）によってマスク１８２を形成する。本実施形態では、マスク１８２の膜厚は、約２μｍである。

図６は、製造途中にある半導体装置１００ｃの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、イオン注入（工程Ｐ１２２）において、半導体装置１００ｂの半導体層１１４に対してドナー元素を注入することによって半導体装置１００ｃを得る。本実施形態では、製造者は、半導体層１１４の表面から０．２μｍまでの領域においてドナー元素である酸素（Ｏ）の濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上となるように、半導体層１１４に対して酸素（Ｏ）をイオン注入する。本実施形態では、イオン注入の回数は、２回である。
＜イオン注入の態様＞
・１回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：３０ｋｅＶ（キロ電子ボルト）
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
・２回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

半導体装置１００ｃでは、スルー膜１８１のうちマスク１８２に覆われていない部分の下に、半導体層１１４にドナー元素が注入された領域として半導体層１１６が形成されている。半導体装置１００ｃにおける半導体層１１６は、ドナー元素が活性化されていないため、ｎ型の導電性を有していない。

図７は、製造途中にある半導体装置１００ｄの構成を模式的に示す断面図である。イオン注入（工程Ｐ１２２）において、製造者は、半導体層１１４にドナー元素を注入した後、半導体装置１００ｃからスルー膜１８１およびマスク１８２を除去することによって半導体装置１００ｄを得る。本実施形態では、製造者は、ウェットエッチングによってマスク１８２を除去した後、ウェットエッチングによってスルー膜１８１を除去する。

半導体装置１００ｄでは、ドナー元素が注入された領域として半導体層１１６が半導体層１１４の上に形成されている。半導体装置１００ｄにおける半導体層１１６は、半導体装置１００ｃと同様に、ｎ型の導電性を有していない。

図３の説明に戻り、イオン注入（工程Ｐ１２２）を行った後、製造者は、半導体層１１６におけるドナー元素を活性化させるために活性化アニール（工程Ｐ１２４）を行う。活性化アニール（工程Ｐ１２４）において、製造者は、半導体層１１４を加熱することによって、ｎ型の導電性を有する半導体層１１６を半導体層１１４の上に形成する。活性化アニール（工程Ｐ１２４）に伴って、半導体層１１４に含まれるアクセプタ元素の一部は、半導体層１１２へと拡散する。これによって、半導体層１１２における半導体層１１４から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲において、半導体層１１２におけるアクセプタ元素は、半導体層１１２におけるドナー元素の濃度に等しくなる。

図８は、製造途中にある半導体装置１００ｅの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、活性化アニール（工程Ｐ１２４）において半導体装置１００ｅを作成する。製造者は、半導体装置１００ｄにおける半導体層１１４，１１６の上にキャップ膜１８３を形成することによって半導体装置１００ｅを得る。

半導体装置１００ｅのキャップ膜１８３は、加熱に伴う半導体層１１４，１１６における表面の損傷を防止する。本実施形態では、製造者は、プラズマＣＶＤによってキャップ膜１８３を形成する。本実施形態では、キャップ膜１８３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から主に成る。本実施形態では、キャップ膜１８３の膜厚は、約５０ｎｍである。

活性化アニール（工程Ｐ１２４）において、製造者は、半導体装置１００ｅの半導体層１１４，１１６を、キャップ膜１８３を介して加熱する。半導体層１１４，１１６を加熱する温度は、８００℃以上１２５０℃以下であることが好ましい。本実施形態では、製造者は、次の条件で活性化アニール（工程Ｐ１２４）を行う。
＜活性化アニールの条件＞
雰囲気ガス：窒素
加熱温度：１１５０℃
加熱時間：２分

活性化アニール（工程Ｐ１２４）において、製造者は、半導体層１１４，１１６を加熱した後、半導体装置１００ｅからキャップ膜１８３を除去する。本実施形態では、製造者は、ウェットエッチングによってキャップ膜１８３を除去する。

図３の説明に戻り、活性化アニール（工程Ｐ１２４）を行った後、製造者は、ドライエッチングによってトレンチ１２２，１２８を形成する（工程Ｐ１６０）。本実施形態では、製造者は、塩素系ガスを用いたドライエッチングによってトレンチ１２２，１２８を形成する。

図９は、製造途中にある半導体装置１００ｆの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、ドライエッチングによってトレンチ１２２，１２８を形成することによって半導体装置１００ｆを得る。

図３の説明に戻り、トレンチ１２２，１２８を形成した後（工程Ｐ１６０）、製造者は、絶縁膜１３０を形成する（工程Ｐ１７０）。本実施形態では、製造者は、半導体装置１００ｆの＋Ｚ軸方向側に露出した表面に対して、ＡＬＤによって絶縁膜１３０を成膜する。

図１０は、製造途中にある半導体装置１００ｇの構成を模式的に示す断面図である。製造者は、半導体装置１００ｆに対して絶縁膜１３０を形成することによって半導体装置１００ｇを得る。

図３の説明に戻り、絶縁膜１３０を形成した後（工程Ｐ１７０）、製造者は、ソース電極１４１と、ゲート電極１４２と、ドレイン電極１４３と、ボディ電極１４４とを形成する（工程Ｐ１８０）。本実施形態では、製造者は、半導体装置１００ｇの絶縁膜１３０にコンタクトホール１２１，１２４をウェットエッチングによって形成する。その後、製造者は、コンタクトホール１２１にソース電極１４１を形成し、コンタクトホール１２４にボディ電極１４４を形成する。ソース電極１４１およびボディ電極１４４を形成した後、製造者は、トレンチ１２２の上に絶縁膜１３０を介してゲート電極１４２を形成する。ゲート電極１４２を形成した後、製造者は、基板１１０の上にドレイン電極１４３を形成する。これらの工程を経て、半導体装置１００が完成する。

Ａ−３．第１評価試験
図１１は、第１評価試験に用いた半導体構造８００の構成を模式的に示す断面図である。図１１には、図１と同様に、ＸＹＺ軸が図示されている。半導体構造８００は、基板８１０と、バッファ層８１１と、半導体層８１２と、半導体層８１４と、半導体層８１６とを備える。

半導体構造８００の基板８１０は、サファイアから主に成る。半導体構造８００のバッファ層８１１は、基板８１０の上にＭＯＣＶＤによって形成された層である。

半導体構造８００の半導体層８１２は、バッファ層８１１の上にＭＯＣＶＤによって形成された第１の半導体である。半導体層８１２は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る真性半導体（ｉ型半導体）である。半導体層８１２の厚さは、約２．３μｍである。

半導体構造８００の半導体層８１４は、半導体層８１２の上にＭＯＣＶＤによって形成された第２の半導体である。半導体層８１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成り、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ元素として含有するｐ型半導体である。半導体層８１４の厚さは、約１．０μｍである。半導体層８１４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）濃度の平均値（濃度Ｃ２）は、約４×１０^１８ｃｍ^−３である。

半導体構造８００の半導体層８１６は、半導体層８１４に対するイオン注入によって形成された第３の半導体層である。半導体層８１６は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るｎ型半導体である。半導体層８１６の厚さは、約０．２μｍである。

試験者は、イオン注入の態様が異なる４種類の半導体構造８００として、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５を作製した。イオン注入の回数は、試料Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４において２回であり、試料Ｓ２において１回である。

＜イオン注入の条件：試料Ｓ１＞
・１回目
イオン種：^２８Ｓｉ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
・２回目
イオン種：^２８Ｓｉ^＋
加速電圧：１００ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

＜イオン注入の条件：試料Ｓ２＞
イオン種：^２８Ｓｉ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

＜イオン注入の条件：試料Ｓ３＞
・１回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：３０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
・２回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

＜イオン注入の条件：試料Ｓ４＞
・１回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
・２回目
イオン種：^１６Ｏ^＋
加速電圧：１００ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

試験者は、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対するイオン注入を行う前に、半導体層８１４の上にスルー膜（材質：ＳｉＯ_２、膜厚３０ｎｍ）を形成した。試験者は、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対するイオン注入を行った後、スルー膜をフッ酸系のウェットエッチングによって除去した。

試験者は、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対して活性化アニールを次の条件で行った。
＜活性化アニールの条件＞
雰囲気ガス：窒素
加熱温度：１１５０℃
加熱時間：２分

試験者は、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対する活性化アニールを行う前に、半導体層８１６の上にキャップ膜（材質：ＳｉＯ_２、膜厚５０ｎｍ）を形成した。試験者は、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対する活性化アニールを行った後、キャップ膜をフッ酸系のウェットエッチングによって除去した。

試験者は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）によって、試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に分布するマグネシウム（Ｍｇ）の濃度を測定した。

図１２は、第１評価試験の結果として試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示すグラフである。図１２の横軸は、半導体層８１６の＋Ｚ軸方向側からの深さを示す。図１２の縦軸は、半導体層８１２，８１４，８１６の各領域に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度を示す。

図１２の曲線Ｌｐは、イオン注入を施す前の試料に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。曲線Ｌｐは、活性化アニールを施す前の試料Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布と同じである。

図１２の曲線Ｌｓ１は、試料Ｓ１に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。図１２の曲線Ｌｓ２は、試料Ｓ２に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。図１２の曲線Ｌｓ３は、試料Ｓ３に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。図１２の曲線Ｌｓ４は、試料Ｓ４に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度分布を示す。

第１評価試験の結果によれば、イオン注入のイオン種は、半導体層８１４から半導体層８１２へのマグネシウム（Ｍｇ）の拡散量に対して、イオン注入の加速電圧およびドーズ量より大きく影響を与えることが分かる。また、マグネシウム（Ｍｇ）より小さい原子量を有する酸素（Ｏ）イオンを注入した試料Ｓ３，Ｓ４では、マグネシウム（Ｍｇ）より大きい原子量を有するケイ素（Ｓｉ）イオンを注入した試料Ｓ１，Ｓ２より、半導体層８１４から半導体層８１２へのマグネシウム（Ｍｇ）の拡散量が大幅に抑制されていることが分かる。

Ａ−４．第２評価試験
図１３は、第２評価試験におけるオン抵抗に関する評価結果を示すグラフである。第２評価試験では、試験者は、試料Ｓ５，Ｓ６を作製した。試料Ｓ５は、上述した半導体装置１００と同様である。試料Ｓ６は、酸素（Ｏ）に代えてケイ素（Ｓｉ）をイオン注入した点を除き、半導体装置１００と同様である。試料Ｓ６を作製する際、試験者は、次の条件でイオン注入を行った。
＜イオン注入の条件：試料Ｓ６＞
・１回目
イオン種：^２８Ｓｉ^＋
加速電圧：５０ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２
・２回目
イオン種：^２８Ｓｉ^＋
加速電圧：１００ｋｅＶ
ドーズ量：１×１０^１５ｃｍ^−２

試験者は、試料Ｓ５，Ｓ６のオン抵抗を測定した。試験者は、試料Ｓ５のオン抵抗の平均値と、試料Ｓ６のオン抵抗の平均値との比（オン抵抗比）を算出し、図１３の評価結果を得た。第２評価試験によれば、マグネシウム（Ｍｇ）より小さい原子量を有する酸素（Ｏ）イオンを注入した試料Ｓ５では、マグネシウム（Ｍｇ）より大きい原子量を有するケイ素（Ｓｉ）イオンを注入した試料Ｓ６より、オン抵抗が大幅に抑制されることが分かる。

Ａ−５．効果
以上説明した第１実施形態によれば、半導体層１１６における第２のドナー元素（酸素（Ｏ））の原子量が半導体層１１４におけるアクセプタ元素（マグネシウム（Ｍｇ））より小さいため、半導体層１１４から半導体層１１２へのアクセプタ元素（マグネシウム（Ｍｇ））の拡散を抑制できる。これによって、半導体層１１２の電気抵抗を低減できる。その結果、半導体装置１００のオン抵抗を低減できる。半導体層１１２においてマグネシウム（Ｍｇ）の濃度が第１のドナー元素（ケイ素（Ｓｉ））の濃度Ｃ１より高い領域によって、半導体装置１００の耐圧を向上できる。

また、半導体層１１２におけるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、半導体層１１４から０．１μｍに位置する領域Ｐ１において、半導体層１１４におけるマグネシウム（Ｍｇ）の濃度Ｃ２に対して１／１０から１／１００００であるため、半導体層１１２の電気抵抗を十分に低減できる。

また、活性化アニール（工程Ｐ１２４）において半導体層１１４，１１６を加熱する温度は、比較的に低温である８００℃以上１２５０℃以下であるため、活性化アニール（工程Ｐ１２４）に伴う半導体層１１４，１１６の損傷を抑制できる。

Ｂ．他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

本発明が適用される半導体装置は、上述の実施形態で説明した縦型トレンチＭＯＳＦＥＴに限られず、制御電極を有する半導体装置であればよく、例えば、プレーナＭＯＳトランジスタ、接合型トランジスタ、バイポーラトランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）およびサイリスタなどであってもよい。

上述の実施形態において、基板の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）および炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのいずれであってもよい。上述の実施形態において、各半導体層の材質は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ケイ素（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）およびヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などのいずれであってもよい。

上述の実施形態において、半導体層１１４，２１４に含まれるアクセプタ元素は、亜鉛（Ｚｎ）およびカルシウム（Ｃａ）の少なくとも１つであってもよく、この場合、イオン注入される第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）およびケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つであればよい。

上述の実施形態において、半導体層１１４，２１４に含まれるアクセプタ元素は、カドミウム（Ｃｄ）およびバリウム（Ｂａ）の少なくとも１つであってもよく、この場合、イオン注入される第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）、ケイ素（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の少なくとも１つであればよい。

上述の実施形態において、イオン注入（工程Ｐ１１４，Ｐ２１４）の回数は、１回であってもよいし、２回であってもよいし、３回以上であってもよい。イオン注入（工程Ｐ１１４，Ｐ２１４）の条件（例えば、加速電圧およびドーズ量など）は、ドナー元素を注入する具合に応じて適宜調整できる。スルー膜１８１の膜厚は、イオン注入（工程Ｐ１１４，Ｐ２１４）の条件に応じて、３０ｎｍ未満であってもよいし、３０ｎｍ超過であってもよい。スルー膜１８１の材質は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に限らず、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３であってもよい。

上述の実施形態において、活性化アニール（工程Ｐ１２４，Ｐ２２４）の条件（例えば、加熱温度および加熱時間）は、ドナー元素を活性化させる具合に応じて適宜調整できる。キャップ膜１８３の膜厚は、活性化アニール（工程Ｐ１２４，Ｐ２２４）の条件に応じて、５０ｎｍ未満であってもよいし、５０ｎｍ超過であってもよい。キャップ膜１８３の材質は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に限らず、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ、グラファイトであってもよい。

上述の実施形態において、絶縁膜の材質は、電気絶縁性を有する材質であればよく、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の他、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、酸窒化ジルコニウム（ＺｒＯＮ）、酸窒化ハフニウム（ＨｆＯＮ）などの少なくとも１つであってもよい。絶縁膜は、単層であってもよいし、２層以上であってもよい。絶縁膜を形成する手法は、ＡＬＤに限らず、ＥＣＲスパッタであってもよいし、ＥＣＲ−ＣＶＤであってもよい。

上述の実施形態において、各電極の材質は、上述の材質に限らず、他の材質であってもよい。

１００…半導体装置
１００ａ〜１００ｇ…半導体装置
１１０…基板
１１２…半導体層
１１４…半導体層
１１６…半導体層
１２１…コンタクトホール
１２２…トレンチ
１２４…コンタクトホール
１２８…トレンチ
１３０…絶縁膜
１４１…ソース電極
１４２…ゲート電極
１４３…ドレイン電極
１４４…ボディ電極
１８１…スルー膜
１８２…マスク
１８３…キャップ膜
８００…半導体構造
８１０…基板
８１１…バッファ層
８１２…半導体層
８１４…半導体層
８１６…半導体層

Claims (10)

1. 半導体装置であって、
   第１の濃度で第１のドナー元素を含有する第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上に形成され、前記第１の濃度より高い第２の濃度でアクセプタ元素を含有し、ｐ型の導電性を有する第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上に形成され、前記アクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素を含有し、ｎ型の導電性を有する第３の半導体層と
   を備え、
   前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層から離れるにしたがって減少する濃度で、前記第２の半導体層と同じ種類のアクセプタ元素を含有し、
   前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる領域は、前記第２の半導体層から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に存在する、半導体装置。
2. 前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる前記領域は、前記第２の半導体層から０．５μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に存在する、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度は、前記第２の半導体層から０．１μｍに位置する領域において、前記第２の濃度に対して１／１０から１／１００００である、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第１の半導体層、前記第２の半導体層および第３の半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
   前記アクセプタ元素は、マグネシウム（Ｍｇ）であり、
   前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）である、半導体装置。
6. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
   前記アクセプタ元素は、亜鉛（Ｚｎ）およびカルシウム（Ｃａ）の少なくとも１つであり、
   前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）およびケイ素（Ｓｉ）の少なくとも１つである、半導体装置。
7. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の半導体装置であって、
   前記アクセプタ元素は、カドミウム（Ｃｄ）およびバリウム（Ｂａ）の少なくとも１つであり、
   前記第２のドナー元素は、酸素（Ｏ）、ケイ素（Ｓｉ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の少なくとも１つである、半導体装置。
8. 半導体装置の製造方法であって、
   第１の濃度で第１のドナー元素を含有する第１の半導体層を、結晶成長によって形成し、
   前記第１の半導体層の上に、前記第１の濃度より高い第２の濃度でアクセプタ元素を含有したｐ型の導電性を有する第２の半導体層を、結晶成長によって形成し、
   前記第２の半導体層の上に、前記アクセプタ元素より小さい原子量を有する第２のドナー元素をイオン注入し、
   前記第２の半導体層の上に前記第２のドナー元素をイオン注入した後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を熱処理することによって、前記第２の半導体層の上に、前記第２のドナー元素を含有したｎ型の導電性を有する第３の半導体層を、形成するとともに、前記第２の半導体層から前記アクセプタ元素を前記第１の半導体層へと拡散させて、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度が前記第１の濃度に等しくなる領域を、前記第２の半導体層から０．４μｍ以上０．８μｍ以下の範囲に形成する、半導体装置の製造方法。
9. 前記第２の半導体層の上に前記第２のドナー元素をイオン注入した後、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を熱処理することによって、前記第１の半導体層における前記アクセプタ元素の濃度を、前記第２の半導体層から０．１μｍに位置する領域において、前記第２の濃度に対して１／１０から１／１００００にする、請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記熱処理において前記第１の半導体層および前記第２の半導体層を８００℃以上１２５０℃以下の温度まで加熱する、請求項８または請求項９に記載の半導体装置の製造方法。

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