JP7031238B2 - 窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、窒化物半導体装置とその製造方法に関する。

縦型の窒化物半導体装置の開発が進められている。一例として、ｎ型のＪＦＥＴ領域に隣接してｐ型の埋め込み領域が埋め込まれている縦型の窒化物半導体装置が知られている。ｐ型の埋め込み領域が電流障壁層として機能し、電流はｎ型のＪＦＥＴ領域を縦方向に流れる。また、このような埋め込み領域は、アバランシェ時に発生した正孔を排出するための経路としても機能することができる。

このような埋め込み領域では、ｐ型不純物としてマグネシウムが導入されている。ｐ型不純物として導入されているマグネシウムの一部は、水素と結合して水素化マグネシウムの複合体となることがある。このため、このような埋め込み領域では、水素の残留によって活性化率が低下するという問題がある。

特許文献１は、窒化物半導体層の表面から埋め込み領域に達する溝を形成し、その溝の底面に埋め込み領域が露出した状態でアニール処理を実施し、埋込み領域から水素を除去する技術を開示する。

特開２０１５－１９０７０号公報

特許文献１の技術では、溝が埋め込み領域の表面までしか伸びていない。このため、埋め込み領域は、溝の底面のみに露出しており、溝に露出する埋め込み領域の面積が小さく、水素が良好に除去されない。本明細書は、p型の埋め込み領域から水素が良好に除去される技術を提供する。

本明細書が開示する窒化物半導体装置の製造方法は、溝形成工程及びアニール工程を備えることができる。溝形成工程では、ｎ型のＪＦＥＴ領域に隣接して埋め込まれているｐ型の埋め込み領域を有する窒化物半導体層の表面から溝を形成する。溝は、埋め込み領域内に侵入する。なお、ＪＦＥＴ領域は、溝形成工程の前に窒化物半導体層に予め形成されていてもよく、溝形成工程の後に窒化物半導体層に形成されてもよい。アニール工程では、溝の側面の一部及び底面に埋め込み領域が露出した状態でアニール処理を実施する。この窒化物半導体装置の製造方法では、溝が埋め込み領域内に侵入して形成されるので、アニール工程において、溝の底面に加えて、溝の側面の一部からも水素が除去される。このため、埋め込み領域から水素が良好に除去される。

上記窒化物半導体装置の製造方法はさらに、電極充填工程及びウェットエッチング工程を備えていてもよい。電極充填工程は、アニール工程の後に、溝内に充填電極を充填する。ウェットエッチング工程は、溝形成工程と電極充填工程の間に、溝の側面をウェットエッチングする。この製造方法によると、ウェットエッチング工程において、溝形成工程のときに溝の側面に形成されたエッチングダメージが除去される。これにより、充填電極と埋め込み領域の接触抵抗が低下する。

上記窒化物半導体装置の製造方法では、ウェットエッチング工程で用いられるエッチャントが水酸化テトラメチルアンモニウムであってもよい。この場合、窒化物半導体層の表面がｃ面であり、溝の側面がｍ面である。このため、窒化物半導体層の表面に直交する方向から観測したときに、溝が六角形状である。水酸化テトラメチルアンモニウムは、窒化物半導体のｃ面以外の面を選択的にエッチングすることができるので、ｍ面である溝の側面を選択的にエッチングすることができる。これにより、溝の側面のエッチングダメージを除去することができる。また、水酸化テトラメチルアンモニウムは溝の側面を選択的にエッチングすることができるので、ウェットエッチング工程において、溝が埋め込み領域を貫通して深くなる事態を回避することができる。

上記窒化物半導体装置の製造方法では、窒化物半導体層が、ｐ型のチャネル領域をさらに有していてもよい。チャネル領域は、埋め込み領域上に設けられており、窒化物半導体層の表面に露出しており、埋め込み領域よりも不純物濃度が薄い。溝形成工程では、チャネル領域を貫通して埋め込み領域内に侵入するように溝が形成される。埋め込み領域の厚みは、チャネル領域の厚みよりも薄い。本明細書が開示する技術は、このような形態を有する埋め込み領域から水素を良好に除去することができる。

本明細書が開示する窒化物半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層の表面から深部に向けて伸びる溝内に充填されている充填電極と、を備えることができる。窒化物半導体層は、ｎ型のＪＦＥＴ領域と、ＪＦＥＴ領域に隣接しており、窒化物半導体層内に埋め込まれているｐ型の埋め込み領域と、を有することができる。充填電極は、埋め込み領域内に侵入しており、その側面の一部及び底面で埋め込み領域に接している。

上記窒化物半導体装置では、窒化物半導体層の表面がｃ面であり、溝の側面がｍ面であってもよい。この場合、窒化物半導体層の表面に直交する方向から観測したときに、溝が六角形状である。

上記窒化物半導体装置では、窒化物半導体層が、ｐ型のチャネル領域、をさらに有していてもよい。チャネル領域は、埋め込み領域上に設けられており、窒化物半導体層の表面に露出しており、埋め込み領域よりも不純物濃度が薄い。充填電極は、チャネル領域を貫通して埋め込み領域内に侵入している。埋め込み領域の厚みは、チャネル領域の厚みよりも薄い。

上記窒化物半導体装置はさらに、窒化物半導体層の前記表面の一部に設けられている絶縁ゲート部、及び、窒化物半導体層の表面の他の一部に設けられているソース電極を備えていてもよい。この場合、窒化物半導体層は、ｎ型のソース領域をさらに有していてもよい。ソース領域は、チャネル領域によってＪＦＥＴ領域から隔てられており、窒化物半導体層の表面に露出する。絶縁ゲート部は、ＪＦＥＴ領域とソース領域を隔てているチャネル領域に対向している。ソース電極は、ソース領域に接している。

窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示しており、図２のI-I線に対応する要部断面図である。 窒化物半導体装置の窒化物半導体層の要部平面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。 窒化物半導体装置の一製造過程における窒化物半導体装置の要部断面図を模式的に示す。

図１に示されるように、窒化物半導体装置１は、ｎ⁺型の窒化ガリウム（ＧａＮ）の窒化物半導体基板１０、窒化物半導体基板１０の表面上に積層した窒化ガリウム（ＧａＮ）の窒化物半導体層２０、窒化物半導体基板１０の裏面を被覆するドレイン電極３２、窒化物半導体層２０の表面上の一部を被覆するソース電極３４、窒化物半導体層２０の表面上の一部に設けられている絶縁ゲート部３６、及び、ボディ電極３８を備えている。窒化物半導体層２０は、ｎ^-型のドリフト領域２２、ｐ型のボディ領域２４、及び、ｎ⁺型のソース領域２６を有している。

窒化物半導体基板１０は、ｎ型不純物を高濃度に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）を材料とする。ドレイン電極３２が窒化物半導体基板１０の裏面全体を被覆しており、ドレイン電極３２と窒化物半導体基板１０がオーミック接触している。窒化物半導体基板１０は、窒化物半導体層２０がエピタキシャル成長するための下地基板である。

ドリフト領域２２は、窒化物半導体基板１０の表面上に設けられており、ドリフト層２２ａとＪＦＥＴ領域２２ｂを有している。ドリフト層２２ａは、窒化物半導体基板１０の表面上に設けられている。ＪＦＥＴ領域２２ｂは、ドリフト層２２ａの表面から縦方向に突出した凸状の形態を有するように、ドリフト層２２ａの表面上に設けられており、窒化物半導体層２０の表面の一部に露出する。ＪＦＥＴ領域２２ｂは、窒化物半導体層２０の表面に直交する方向から見たときに、直線状に伸びている（図２参照）。

ボディ領域２４は、ドリフト層２２ａの表面上に設けられており、ＪＦＥＴ領域２２ｂの両側に隣接して配置されており、ｐ⁺型の埋め込み領域２４ａとｐ^-型のチャネル領域２４ｂを有している。

埋め込み領域２４ａは、ＪＦＥＴ領域２２ｂの両側に隣接して配置されており、ドリフト層２２ａとチャネル領域２４ｂの間に設けられている。埋め込み領域２４ａは、チャネル領域２４ｂよりもｐ型不純物（マグネシウム）を高濃度に含んでおり、電流遮蔽領域として機能するとともに、アバランシェ時に発生した正孔を排出するための経路としても機能することができる。埋め込み領域２４ａの不純物濃度は、例えば１×１０¹⁷～１×１０¹⁹ｃｍ^-3である。埋め込み領域２４ａの厚みは、チャネル領域２４ｂの厚みよりも薄い。埋め込み領域２４ａの厚みは、例えば２００～２０００ｎｍである。また、埋め込み領域２４ａは、オフのときにチャネル領域２４ｂがパンチスルーするのを抑える機能も有する。

チャネル領域２４ｂは、埋め込み領域２４ａの表面上に配置されており、ＪＦＥＴ領域２２ｂの両側に隣接して配置されているとともに、窒化物半導体層２０の表面に露出する。チャネル領域２４ｂのｐ型不純物（マグネシウム）の濃度は、窒化物半導体装置１のゲート閾値電圧及びチャネル移動度が所望の値となるように、低く設定されている。

ソース領域２６は、チャネル領域２４ｂの表層部に配置されており、チャネル領域２４ｂによってＪＦＥＴ領域２２ｂから隔てられているとともに、窒化物半導体層２０の表面に露出する。ソース領域２６は、ｎ型不純物を高濃度に含んでおり、ソース電極３４にオーミック接触している。ソース領域２６は、イオン注入技術を利用して、窒化物半導体層２０の表面に向けてシリコンを照射することで形成されている。

絶縁ゲート部３６は、窒化物半導体層２０の表面上の一部に設けられており、酸化シリコンのゲート絶縁膜３６ａ及びポリシリコンのゲート電極３６ｂを有する。ゲート電極３６ｂは、ＪＦＥＴ領域２２ｂとソース領域２６を隔てる部分のチャネル領域２４ｂの表面にゲート絶縁膜３６ａを介して対向している。

ボディ電極３８は、窒化物半導体層２０の表面上に設けられているボディ表面電極３８ａ及び窒化物半導体層２０の表面から深部に向けて伸びる溝３８Ｔ内に充填されているボディ充填電極３８ｂを有している。ボディ充填電極３８ｂは、チャネル領域２４ｂを貫通して伸びており、一端がボディ表面電極３８ａに接しており、他端が埋め込み領域２４ａ内に侵入している。ボディ充填電極３８ｂは、埋め込み領域２４ａにオーミック接触している。図２に示されるように、窒化物半導体層２０には、複数個のボディ充填電極３８ｂが配設されている。ボディ充填電極３８ｂは、窒化物半導体層２０の表面に直交する方向から観測したときに、六角形状である。ボディ表面電極３８ａの材料は例えばアルミニウムであり、ボディ充填電極３８ｂの材料は例えばニッケルと金の積層である。

次に、窒化物半導体装置１の動作を説明する。使用時には、ドレイン電極３２に正電圧が印加され、ソース電極３４及びボディ電極３８が接地される。ゲート電極３６ｂにゲート閾値よりも高い正電圧が印加されると、ＪＦＥＴ領域２２ｂとソース領域２６を隔てる部分のチャネル領域２４ｂに反転層が形成され、窒化物半導体装置１がターンオンする。このとき、反転層を経由してソース領域２６からＪＦＥＴ領域２２ｂに電子が流入する。ＪＦＥＴ領域２２ｂに流入した電子は、そのＪＦＥＴ領域２２ｂを縦方向に流れてドレイン電極３２に向かう。これにより、ドレイン電極３２とソース電極３４が導通する。

ゲート電極３６ｂが接地されると、反転層が消失し、窒化物半導体装置１がターンオフする。このとき、埋め込み領域２４ａ及びチャネル領域２４ｂからＪＦＥＴ領域２２ｂ内に空乏層が伸びてくる。ＪＦＥＴ領域２２ｂは、両側から伸びてくる空乏層が繋がってピンチオフの状態となる。ＪＦＥＴ領域２２ｂがピンチオフすることで、絶縁ゲート部３６のゲート絶縁膜３６ａに加わる電界が緩和され、ゲート絶縁膜３６ａの絶縁破壊が抑えられ、窒化物半導体装置１が高い耐圧を有することができる。

また、窒化物半導体装置１のドレイン電極３２とソース電極３４の間に過電圧が印加されると、窒化物半導体層２０内でアバランシェ降伏が発生する。このアバランシェ時に発生した正孔は、埋め込み領域２４ａ及びボディ充填電極３８ｂを介してボディ表面電極３８ａに排出される。窒化物半導体装置１は、高いアバランシェ耐量を有することができる。

次に、窒化物半導体装置１の製造方法を説明する。まず、図３Ａに示されるように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を利用して、窒化物半導体基板１０の表面からドリフト層２２ａ、埋め込み領域２４ａ及びチャネル領域２４ｂを順に積層して窒化物半導体層２０を形成する。窒化物半導体基板１０の表面はｃ面である。このため、窒化物半導体基板１０の表面から結晶成長して形成される窒化物半導体層２０の表面もｃ面である。

次に、図３Ｂに示されるように、ドライエッチング技術を利用して、チャネル領域２４ｂと埋め込み領域２４ａを貫通してドリフト層２２ａに達するトレンチ２２Ｔを形成する。このトレンチ２２Ｔによって分断された埋め込み領域２４ａとチャネル領域２４ｂがボディ領域２４となる。

次に、図３Ｃに示されるように、有機金属気相成長法を利用して、トレンチ２２Ｔ内にｎ^-型の窒化ガリウム（ＧａＮ）を再成長させてＪＦＥＴ領域２２ｂを形成する。なお、図３Ｂ及び図３ＣのＪＦＥＴ領域２２ｂを形成する工程は、後述するアニール工程の後に実施してもよい。

次に、図３Ｄに示されるように、ドライエッチング技術を利用して、窒化物半導体層２０の表面からチャネル領域２４ｂを貫通して埋め込み領域２４ａに侵入する複数の溝３８Ｔを形成する（溝形成工程）。溝３８Ｔは、窒化物半導体層２０の表面に直交する方向から観測したときに、六角形状である。即ち、溝３８Ｔは、その側面がｍ面となるように形成される。

次に、図３Ｅに示されるように、窒化物半導体基板１０及び窒化物半導体層２０を８５０°以上に加熱するアニール処理を実施する（アニール工程）。これにより、埋め込み領域２４ａ内のマグネシウムに結合していた水素は、溝３８Ｔを介して外部に排出される。このとき、埋め込み領域２４ａは、溝３８Ｔの側面の一部及び底面に露出している。このため、埋め込み領域２４ａが溝３８Ｔ内に広く露出しているので、埋め込み領域２４ａから水素が良好に除去される。埋め込み領域２４ａから水素が良好に除去されるので、埋め込み領域２４ａは高い活性化率を有することができる。これにより、埋め込み領域２４ａは、電流遮蔽層及び正孔排出経路としての機能を良好に発揮することができる。

次に、図３Ｆに示されるように、溝３８Ｔの側面をウェットエッチングする（ウェットエッチング工程）。このウェットエッチングで用いられるエッチャントは、この例では水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）である。ＴＭＡＨ水溶液は、窒化物半導体のｃ面以外の面をエッチングすることができる。このため、ＴＭＡＨ水溶液は、ｍ面である溝３８Ｔの側面を選択的にエッチングすることができる。このウェットエッチングにより、溝３８Ｔの側面がエッチングされ、溝３８Ｔの幅が広がる。この過程で、ドライエッチングによって溝３８Ｔを形成したときに溝３８Ｔの側面に形成されていたエッチングダメージが除去される。また、溝３８Ｔの底面はｃ面であり、このウェットエッチングによって溝３８Ｔの底面はエッチングされない。このため、ウェットエッチングによって溝３８Ｔがさらに深くなり、ドリフト層２２ａに達するような事態が回避されている。前記したように、アニール工程で水素を良好に除去するために、溝３８Ｔは埋め込み領域２４ａに侵入している。一方、埋め込み領域２４ａの厚みは薄い。ＴＭＡＨ水溶液を利用したウェットエッチングであれば、溝３８Ｔがドリフト層２２ａに達する事態を回避しながら、溝３８Ｔの側面のエッチングダメージを除去することができる。特に限定されないが、ＴＭＡＨ水溶液の濃度は５～５０％、温度は５０～１００℃であるのが望ましい。より望ましくは、濃度５～２５％、温度８０℃～１００℃である。

最後に、イオン注入技術を利用してソース領域２６を形成した後に、既知の製造技術を利用して、ドレイン電極３２、ソース電極３４、絶縁ゲート部３６及びボディ電極３８を形成する。これにより、図１に示す窒化物半導体装置１が完成する。このうちボディ電極３８のボディ充填電極３８ｂを溝３８Ｔに充填する工程を特に、電極充填工程という。前記したように、溝３８Ｔは、埋め込み領域２４ａ内に侵入して形成されており、さらに、ウェットエッチングによってその側面のエッチングダメージが除去されている。このため、ボディ充填電極３８ｂは、埋め込み領域２４ａと広い面積を介して良好に接触することができる。ボディ充填電極３８ｂと埋め込み領域２４ａは、小さい接触抵抗で接触することができる。

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。また、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。

１：窒化物半導体装置
２０：窒化物半導体層
２２：ドリフト領域
２２ａ：ドリフト層
２２ｂ：ＪＦＥＴ領域
２４：ボディ領域
２４ａ：埋め込み領域
２４ｂ：チャネル領域
２６：ソース領域
３２：ドレイン電極
３４：ソース電極
３６：絶縁ゲート部
３６ａ：ゲート絶縁膜
３６ｂ：ゲート電極
３８：ボディ電極
３８Ｔ：溝
３８ａ：ボディ表面電極
３８ｂ：ボディ充填電極

Claims (3)

1. ｎ型のＪＦＥＴ領域の両側に隣接して埋め込まれているｐ型の埋め込み領域を有する窒化物半導体層の表面から前記ＪＦＥＴ領域の両側に隣接する前記埋め込み領域の各々に複数の溝を形成する溝形成工程であって、前記複数の溝の各々が前記埋め込み領域内に侵入する、溝形成工程と、
   前記複数の溝の各々の側面の一部及び底面に前記埋め込み領域が露出した状態でアニール処理を実施するアニール工程と、
   前記アニール工程の後に、前記複数の溝内に充填電極を充填する電極充填工程と、
   前記溝形成工程と前記電極充填工程の間に、前記複数の溝の各々の側面をウェットエッチングするウェットエッチング工程と、を備え、
   前記ウェットエッチング工程で用いられるエッチャントが、水酸化テトラメチルアンモニウムであり、
   前記窒化物半導体層の前記表面がｃ面であり、
   前記複数の溝の各々の側面がｍ面であり、
   前記窒化物半導体層の前記表面に直交する方向から観測したときに、前記複数の溝の各々が六角形状であり、
   前記窒化物半導体層は、
   前記埋め込み領域上に設けられており、前記窒化物半導体層の前記表面に露出しており、前記埋め込み領域よりも不純物濃度が薄いｐ型のチャネル領域、をさらに有しており、
   前記溝形成工程では、前記チャネル領域を貫通して前記埋め込み領域内に侵入するように前記複数の溝が形成され、
   前記埋め込み領域の厚みは、前記チャネル領域の厚みよりも薄い、窒化物半導体装置の製造方法。
2. 窒化物半導体層と、
   前記窒化物半導体層の表面から深部に向けて伸びる複数の溝内に充填されている充填電極と、を備えており、
   前記窒化物半導体層は、
   ｎ型のＪＦＥＴ領域と、
   前記ＪＦＥＴ領域の両側に隣接しており、前記窒化物半導体層内に埋め込まれているｐ型の埋め込み領域と、を有しており、
   前記ＪＦＥＴ領域の両側に隣接する前記埋め込み領域の各々に前記複数の溝が形成されており、
   前記充填電極は、前記埋め込み領域内に侵入しており、その側面の一部及び底面で前記埋め込み領域に接しており、
   前記窒化物半導体層の前記表面がｃ面であり、
   前記複数の溝の各々の側面がｍ面であり、
   前記窒化物半導体層の前記表面に直交する方向から観測したときに、前記複数の溝の各々が六角形状であり、
   前記窒化物半導体層は、
   前記埋め込み領域上に設けられており、前記窒化物半導体層の前記表面に露出しており、前記埋め込み領域よりも不純物濃度が薄いｐ型のチャネル領域、をさらに有しており、
   前記充填電極が、前記チャネル領域を貫通して前記埋め込み領域内に侵入しており、
   前記埋め込み領域の厚みは、前記チャネル領域の厚みよりも薄い、窒化物半導体装置。
3. 前記窒化物半導体層の前記表面の一部に設けられている絶縁ゲート部と、
   前記窒化物半導体層の前記表面の他の一部に設けられているソース電極と、をさらに備えており、
   前記窒化物半導体層は、
   前記チャネル領域によって前記ＪＦＥＴ領域から隔てられており、前記窒化物半導体層の前記表面に露出するｎ型のソース領域、をさらに有しており、
   前記絶縁ゲート部は、前記ＪＦＥＴ領域と前記ソース領域を隔てている前記チャネル領域に対向しており、
   前記ソース電極は、前記ソース領域に接している、請求項２に記載の窒化物半導体装置。

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