JP7056390B2 - 窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、窒化物半導体装置の製造方法に関する。

窒化ガリウムを代表例とする窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界特性と、高い熱伝導特性を有しており、高耐圧低損失のパワー半導体素子への応用が期待されている。半導体装置の大容量化には、縦型の半導体装置が有利であり、縦型の窒化物半導体装置に関して多くの研究がなされている（例えば非特許文献１、２）。

窒化物半導体は、シリコンよりもドリフト濃度を１～２桁程度も高くできるため、オン抵抗を小さくすることができる。しかしながらオン抵抗が小さいことでトレンチ底部において空乏層が伸び難くなり、トレンチ底部などに電界が集中する。その結果、トレンチ底部における耐圧の低下、あるいは、高電界によるゲート絶縁膜の信頼性低下などの課題が生じる。特許文献１には、トレンチ底部にｐ型半導体領域を設けることが提案されている。トレンチ底部のｐ型半導体領域から空乏層が拡がり、トレンチ底部の耐圧が向上する。特許文献１の技術では、トレンチ底部のｐ型半導体領域は、ｎ型の窒化物半導体で作られているトレンチ底部にマグネシウムなどのｐ型の不純物をイオン注入して形成する。以下、説明の便宜上、トレンチ底部のｐ型半導体領域を底部ｐ型領域と称することにする。

"GaN-Based Trench Gate Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor Fabricated with Novel Wet Etching", M. Kodama et al., Appl. Phys. Exp. 1, 021104, 2008 "1.8 mΩ・cm2 vertical GaN-based trench metal-oxide-semiconductor field-effect transistors on a free-standing GaN substrate for 1.2-kV-class operation", T. Oka, et al., Appl. Phys. Exp. 8, 054101, 2015

特許第５１４１０３７号公報

ｐ型不純物のイオン注入による底部ｐ型領域の形成方法は、残留欠陥が生じるため活性化率が十分とは言い難い。本明細書は、イオン注入に代わる方法でｎ型のトレンチ底部にｐ型領域を形成する方法（窒化物半導体装置の製造方法）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、ドリフト層形成工程と、ボディ領域形成工程と、トレンチ形成工程と、マストランスポート工程と、アルカリエッチング工程を備えている。ドリフト層形成工程では、基板の上にｎ型の窒化物半導体層であるドリフト層を形成する。ボディ領域形成工程では、ドリフト層の上にｐ型のボディ領域を形成する。トレンチ形成工程では、基板を平面視したときにボディ領域が二分されるようにドリフト層に達するトレンチを形成する。マストランスポート工程では、ボディ領域を８００℃以上に加熱してトレンチの側面に露出しているボディ領域のｐ型の半導体物質をトレンチの底へ移動させる。底へ移動したｐ型半導体物質が底部ｐ型領域を形成する。アルカリエッチング工程では、アルカリ水溶液でトレンチの側面をエッチングして平坦化する。

本明細書が開示する製造方法では、マストランスポート現象を利用してトレンチ側面に露出しているボディ領域のｐ型半導体物質をトレンチの底へ移動させる。イオン注入を使わずに底部ｐ型領域を形成することができる。

アルカリエッチング工程の効果を説明する。マストランスポート現象により、ｐ型半導体物質がトレンチ底部に一様に堆積する。そのまま半導体装置を完成させると、トレンチの底面と側面の角部（以下、トレンチ底角部と称する）と底部ｐ型領域の距離が極めて短い。多くの場合、底部ｐ型領域の端がトレンチ底角部に達する。一方、完成した半導体装置では、トレンチ側面の表層を電子電流が流れる。トレンチ底角部と底部ｐ型領域の間の距離が短いと、底部ｐ型領域から拡がる空乏層が電子電流の流れを阻害し、オン抵抗が増加してしまう。アルカリエッチング工程によって、トレンチ底角部を拡げる（トレンチ底角部を底部ｐ型領域から離す）ことができる。アルカリエッチング工程を加えることで、トレンチ底角部と底部ｐ型領域の間の距離が拡がり、底部ｐ型領域に起因するオン抵抗の増加が抑えられる。

本明細書が開示する製造方法では、ボディ領域形成工程とトレンチ形成工程の間に、ボディ領域の上に窒化アルミニウム層（ＡｌＮ層）を形成するＡｌＮ層形成工程をさらに備えているとよい。ＡｌＮ層を設けることで、マストランスポート現象の進行が緩やかになり、底部ｐ型領域形成（マストランスポート工程）の制御性が向上する。ここで、制御性とは、トレンチ底部に堆積させるｐ型半導体物質の量の調整を意味する。

本明細書が開示する製造方法は、さらに、ＡｌＮ層の上に、窒化物半導体層を形成するＡｌＮ保護層形成工程を備えているとよい。窒化物半導体層（ＡｌＮ保護層）は、脆弱なＡｌＮ層を保護する。ＡｌＮ層の上に形成するＧａＮ層は、ｎ型、ｐ型、真性のいずれの伝導型であってもよい。

アルカリエッチング工程で用いるアルカリ水溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を主成分として含んでいるとよい。アルカリエッチング工程で用いるアルカリ水溶液は、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）の水溶液でもよいが、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）はアルカリ金属を含んでいないため、洗浄が容易であり、アルカリ金属イオン（Ｋ⁺、Ｎａ⁺ など）によるしきい値電圧変動を防ぐことができる。水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分として含んでいるアルカリ水溶液を用いることで、環境にも配慮することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

窒化物半導体装置の要部断面図である。 第１実施例の製造方法を説明する断面図である（１）。 第１実施例の製造方法を説明する断面図である（２）。 第１実施例の製造方法を説明する断面図である（３）。 第１実施例の製造方法を説明する断面図である（４）。 第１実施例の製造方法を説明する断面図である（５）。 電流の流れを示す断面図である。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（１）。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（２）。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（３）。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（４）。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（５）。 第２実施例の製造方法を説明する断面図である（６）。

実施例の製造方法を説明するのに先立って、実施例の製造方法で製造し得る窒化物半導体装置を説明する。以下で説明する窒化物半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いたトレンチ型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。以下では、説明の便宜上、実施例の製造方法で製造される窒化物半導体装置を単純に半導体装置２と称する。図１に半導体装置２の要部断面図を示す。

半導体装置２は、ｎ型の窒化物半導体を材料とする基板３、ｎ型のドリフト層４、ｐ型のボディ領域５、ｎ型のソース領域６、トレンチ７、ゲート絶縁膜１３、ゲート電極１４、ソース電極１５、ボディ電極１６、ドレイン電極１７、底部ｐ型領域８を備えている。図１は、トレンチ７で分離された一対のボディ領域５とその周辺のみを示している。半導体装置２は、図１と同じ構造を複数備えており、それらの構造の周囲を耐圧構造が囲んでいる。耐圧構造については説明を省略する。

基板３は、ｎ型不純物を高濃度に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）を材料としている。基板３の裏面全体にドレイン電極１７がオーミック接触している。基板３は、ドリフト層４がエピタキシャル成長するための下地基板である。

ドリフト層４は、基板３の上にｎ型の半導体物質をエピタキシャル成長させた層である。ドリフト層４は、基板３よりもｎ型不純物を低濃度に含む窒化ガリウム（ＧａＮ）を材料とする。ｎ型不純物の例としては、シリコン（Ｓｉ）が挙げられる。

ドリフト層４の上にｐ型のボディ領域５が設けられている。ボディ領域５は、ｐ型不純物を含んでいる。ｐ型不純物の例としては、マグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。ボディ領域５は、トレンチ７で分割されている。図示は省略するが、トレンチ７は、基板３を平面視したとき、および、図１の断面でみたときのいずれにおいてもボディ領域５を二分するように形成されている。

トレンチ７は、ドリフト層４まで達している。トレンチ７の側面と底面、及び、ボディ領域５の表面は、ゲート絶縁膜１３で覆われている。後述するように、ゲート絶縁膜１３は、一部が除去され、ボディ領域５が露出している箇所と、後述するソース領域６が露出する箇所が作られている。トレンチ７の内部は、ゲート電極１４で満たされている。ゲート電極１４は、ｎ型不純物を高濃度に含むポリシリコンで形成されている。ゲート電極１４は、ゲート絶縁膜１３によって、トレンチ７の側面と底面から絶縁されている。

トレンチ７で分割された一対のボディ領域５の表層の一部にソース領域６が設けられている。ソース領域６は、トレンチ７の両側に設けられている。ただし、ソース領域６はゲート絶縁膜１３によってゲート電極１４から絶縁されている。ソース領域６は、ボディ領域５によって、ドリフト層４から隔てられている。ソース領域６は、ｎ型不純物を高濃度に含んでいる。ｎ型不純物の例は、シリコン（Ｓｉ）である。ソース領域６は、ボディ領域５にシリコンイオンを注入することで形成される。

ソース領域６にソース電極１５がオーミック接触している。先に述べたように、ソース領域６の表層の一部が露出するようにゲート絶縁膜１３の一部が除去されており、ゲート絶縁膜１３が除去された部位でソース電極１５がソース領域６にオーミック接触している。

先に述べたように、ボディ領域５の表層の一部が露出するようにゲート絶縁膜１３の別の一部が除去されており、除去された部位でボディ領域５にボディ電極１６がオーミック接触している。図１では示されていないが、ボディ電極１６はソース電極１５と導通されている。

トレンチ７の底部にｐ型の半導体領域、即ち、底部ｐ型領域８が設けられている。底部ｐ型領域８は、ゲート絶縁膜１３でゲート電極１４から絶縁されている。底部ｐ型領域８の効果を説明する。ワイドバンドギャップ半導体である窒化ガリウム（窒化物半導体）は、絶縁破壊に至る電界強度が高いことが一つの特徴である。この特徴により、ドリフト層４のｎ型不純物の濃度を高めることができる。その結果、オン抵抗を下げることができる。窒化物半導体では、シリコン半導体と比較して、ドリフト層４のｎ型不純物の濃度を１～２桁程度高くすることができる。一方、ドリフト層４のｎ型不純物の濃度が高いため、ドリフト層４で空乏層が広がり難くなる。その結果、トレンチ７の底部などに電界が集中してしまう。トレンチ７の底部への電界の集中は、トレンチ底部における耐圧の低下、あるいは、ゲート絶縁膜１３のトレンチ７の底部における信頼性の低下を招く。窒化物半導体自身は耐圧が高いのに、トレンチ底部における構造的な耐圧の低下は、耐圧が高いという窒化物半導体自体の特性を損なうことになる。そこで、トレンチ７の底部にｐ型半導体の領域（底部ｐ型領域８）を設ける。半導体装置２がオンしたときに底部ｐ型領域８から空乏層が延び、トレンチ底部で十分な範囲の空乏層が確保され、トレンチ底部における耐圧が向上する。

窒化ガリウムでは、イオン注入によるｐ型領域の形成が難しい。例えばマグネシウムイオンをトレンチ７の底に注入して底部ｐ型領域を作ろうとすると、残留欠陥の存在のため、活性化率が低く、十分な底部ｐ型領域を形成することが難しい。そこで、実施例の製造方法では、マストランスポート現象を利用し、トレンチ７の側面のボディ領域５を構成するｐ型半導体物質をボディ領域５から離脱させ、トレンチ７の底に堆積させる。そうして、底部ｐ型領域８を確保する。

次に、図２から図６を参照して半導体装置２の製造方法（第１実施例）を説明する。まず、図２に示すように、窒化ガリウムを材料とするｎ型の基板３の主面上に、エピタキシャル成長技術を用いてｎ型の窒化物半導体層であるドリフト層４を堆積させる（ドリフト層形成工程）。エピタキシャル成長技術の一例は、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）である。ドリフト層４のｎ型不純物の濃度は、基板３のｎ型不純物の濃度よりも低い。

次に、図３に示すように、ｎ型のドリフト層４の上に、エピタキシャル成長技術を用いてｐ型のボディ領域５を堆積させる（ボディ領域形成工程）。ボディ領域５も窒化ガリウム（ＧａＮ）を主成分とする窒化物半導体の層である。ｐ型の不純物としては、例えばマグネシウム（Ｍｇ）が挙げられる。なお、ドリフト層４もボディ領域５も、窒化ガリウムのｃ面が主面（表面）となるように成長させる。

次に、図４に示すように、ボディ領域５を二分するようにボディ領域５の表面からドリフト層４に達するトレンチ７ａを形成する（トレンチ形成工程）。トレンチ７ａは、ボディ領域５のトレンチ予定領域以外をマスクし、トレンチ予定領域をドライエッチングにて除去して形成する。ボディ領域５は、トレンチ７ａによって二分され、トレンチ７ａの両側に位置する。

次に、図５に示すように、ボディ領域５を８００℃以上に加熱し、トレンチ７ａの夫々の側面に露出しているボディ領域５のｐ型の半導体物質をトレンチ７ａの底へ移動させる（マストランスポート工程）。基板は８００℃以上のアンモニア雰囲気下に暴露されることにより加熱される。アンモニア雰囲気下で８００℃以上に熱すると、トレンチ７ａの側面の凹凸から半導体物質が離反する。トレンチ側面から離反したｐ型の半導体物質は、表面張力によりトレンチ７ａの底へと移動し、堆積する。図４、図５では、マストランスポート前のトレンチを符号７ａ表しており、トレンチ側面の半導体物質の離反によってトレンチ開口側が拡がったトレンチを符号７ｂで表している。トレンチ側面から離反したｐ型の半導体物質は、トレンチ７ｂの底に一様に堆積する。なお、加熱の際、アンモニア以外に他の原料（トリメチルガリウム（ＴＭＧ）やビスシクロペンタマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）など）を含んでいてもよい。ただし、ＴＭＧを用いる場合は、窒化ガリウムが成長しない範囲に限定する。

次に、アルカリ水溶液でトレンチ７ｂの側面をエッチングして平坦化する（アルカリエッチング工程）。アルカリ水溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水溶液でよい。これらの溶液は、III族窒化物半導体のｃ面はエッチングできないが、ｃ面以外（ａ面、ｍ面、ｒ面など）はエッチングできる。先に述べたように、ドリフト層４とボディ領域５は、ｃ面が主面を向くように形成されている。すなわち、トレンチ７ｂの側面には、ｃ面以外が面している。従って、アルカリ水溶液によってトレンチ７ｂの側面をエッチングする（削る）ことができる。マストランスポート工程によって開口側が拡がったトレンチ７ｂは、図６に示すように、トレンチ側面と底面の角部（トレンチ底角部ＴＣ）がエッチングにより拡がり、トレンチ側面が底面に対してほぼ垂直に平坦化される。アルカリ水溶液によるエッチング後のトレンチを符号７で表す。トレンチ底角部ＴＣが拡がることにより、トレンチ底角部ＴＣが底部ｐ型領域８から離れる。図６に示す距離Ｌが、トレンチ底角部ＴＣと底部ｐ型領域８との距離を示している。所定値以上の距離Ｌが確保できることの利点は後に説明する。

アルカリエッチング工程で用いるアルカリ水溶液は、ＴＭＡＨ水溶液がよい。ＴＭＡＨ水溶液はアルカリ金属を含まないので、しきい値電圧変動を引き起こさない。

アルカリエッチング工程の後は、従来の方法により、ゲート絶縁膜１３、ゲート電極１４、ソース電極１５、ボディ電極１６、ドレイン電極１７を形成し、図１に示す半導体装置２が完成する。

第１実施例の製造方法では、ｐ型不純物のイオン注入を行わずに、トレンチ７の底にｐ型の半導体領域（底部ｐ型領域８）を形成することができる。半導体装置２がオンすると、底部ｐ型領域８を中心に空乏層が拡がり、トレンチ底部の耐圧が向上する。

図７に半導体装置２の断面に電流の流れを太線矢印で加えた図を示す。ゲート電極１４に閾値を超える電圧を印加すると、トレンチ７の近傍のボディ領域５にｎ型のチャネルが形成され、トレンチ７に沿ってソース領域６からボディ領域５のチャネルを通過し、ドリフト層４へ電流が流れる。図７の太矢印線が電流の流れを示している。トレンチ底角部ＴＣと底部ｐ型領域８との間には距離Ｌが確保されている。半導体装置２がオンすると、底部ｐ型領域８を中心に空乏層が拡がる。距離Ｌが短いと、空乏層が電流の流れを阻害し、オン抵抗が増加する。トレンチ底角部ＴＣと底部ｐ型領域８の間に所定の距離Ｌを確保することで、トレンチ底角部ＴＣ近傍の空乏層が抑えられ、オン抵抗の増加が回避される。距離Ｌを確保するアルカリエッチング工程は、オン抵抗の増大を抑制する効果を奏する。

（第２実施例）次に、図８－図１３を参照して第２実施例の製造方法を説明する。ドリフト層形成工程（図２）とボディ領域形成工程（図３）は、第１実施例の場合と同じである。第２実施例では、ボディ領域形成工程に続いて、ボディ領域５の表面に窒化アルミニウムの層（ＡｌＮ層２１）を形成する（ＡｌＮ層形成工程、図８参照）。ＡｌＮ層２１は、例えば、有機金属化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって窒化アルミニウムを結晶成長させることで得られる。

次に、ＡｌＮ層２１の上に、窒化物半導体によるＡｌＮ保護層２２を形成する（ＡｌＮ保護層形成工程、図９参照）。ＡｌＮ保護層２２の窒化物半導体は、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）でよい。窒化物半導体の伝導型は、ｎ型、ｐ型、真性のいずれでもよい。窒化物半導体の層（ＡｌＮ保護層２２）は、脆弱なＡｌＮ層２１を機械的に保護するために設ける。

次に、図１０に示すように、ボディ領域５を二分するように、ＡｌＮ保護層２２の上からドリフト層４に達するトレンチ７ｃを形成する（トレンチ形成工程）。ドライエッチングにより、トレンチ直上のＡｌＮ層２１とＡｌＮ保護層２２も除去される。

次に、図１１に示すように、アンモニア雰囲気下でボディ領域５を８００℃以上に加熱し、トレンチ７ｃの側面のｐ型の半導体物質を離脱させ、トレンチ７ｃの底に堆積させる（マストランスポート工程）。図１１では、半導体物質の一部が離脱した後のトレンチ側面を符号７ｄで表している。この工程では、ＡｌＮ層２１とＡｌＮ保護層２２は加熱の影響を受けず、そのまま残る。ＡｌＮ層２１の存在により、マストランスポート現象の進行が緩やかとなる。マストランスポート現象の進行を緩めることによって、トレンチ７ｃの底へのｐ型半導体物質の堆積速度が緩やかとなる。それゆえ、トレンチ７ｃの底に貯めるｐ型半導体物質の量を制御し易くなる。マストランスポートによってトレンチ底部に堆積したｐ型半導体物質が底部ｐ型領域８となる。

次にアルカリ水溶液でトレンチ７ｄの側面をエッチングして平坦化する（アルカリエッチング工程）。図１２に、アルカリエッチング後の断面を示す。平坦化された側面を有するトレンチを符号７で示している。アルカリ水溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水溶液でよいが、アルカリ金属を含まない点でＴＭＡＨ水溶液を用いることが好ましい。

トレンチ７ｄの側面をエッチングすることで、第１実施例の場合と同様に、トレンチ底角部ＴＣと底部ｐ型領域８との間に所定の距離Ｌが確保される（図１２参照）。

次に、ドライエッチングによりＡｌＮ保護層２２を除去し、次いでウェットエッチングによりＡｌＮ層２１を除去する（図１３参照）。図１３は、第１実施例の図６と同じである。ＡｌＮ層２１とＡｌＮ保護層２２を除去した後は、従来の方法により、ゲート絶縁膜１３、ゲート電極１４、ソース電極１５、ボディ電極１６、ドレイン電極１７を形成し、図１に示す半導体装置２が完成する。

第２実施例の製造方法は、ＡｌＮ層２１によってマストランスポート現象の進行を緩やかにする。マストランスポート現象の進行が遅くなることで、トレンチ底部に堆積させるｐ型半導体物質の量（即ち底部ｐ型領域の深さ）を制御し易くなる。また、ＡｌＮ層２１の上にＡｌＮ保護層２２を設けることで、ＡｌＮ層２１を安定にすることができる。このことも、底部ｐ型領域の深さを制御し易くすることに寄与する。

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。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。

２：半導体装置
３：基板
４：ドリフト層
５：ボディ領域
６：ソース領域
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：トレンチ
８：底部ｐ型領域
１３：ゲート絶縁膜
１４：ゲート電極
１５：ソース電極
１６：ボディ電極
１７：ドレイン電極
２１：ＡｌＮ層
２２：ＡｌＮ保護層
ＴＣ：トレンチ底角部

Claims (4)

1. 窒化物半導体装置の製造方法であり、
   基板の上にｎ型の窒化物半導体層であるドリフト層を形成するドリフト層形成工程と、
   前記ドリフト層の上にｐ型のボディ領域を形成するボディ領域形成工程と、
   前記ボディ領域を二分するように前記ドリフト層に達するトレンチを形成するトレンチ形成工程と、
   前記ボディ領域を８００℃以上に加熱して前記トレンチの側面に露出している前記ボディ領域のｐ型の半導体物質を前記トレンチの底へ移動させるマストランスポート工程と、
   アルカリ水溶液で前記トレンチの側面をエッチングして平坦化するアルカリエッチング工程と、
   を備えている、窒化物半導体装置の製造方法。
2. 前記ボディ領域形成工程と前記トレンチ形成工程の間に、前記ボディ領域の上に窒化アルミニウム層を形成するＡｌＮ層形成工程をさらに備えている、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記窒化アルミニウム層の上に、窒化物半導体層を形成するＡｌＮ保護層形成工程をさらに備えている、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記アルカリ水溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウムを主成分として含んでいる、請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。

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