半導体装置とその製造方法
【課題】 気相成長の際のマストランスポートを抑制する技術を提供する。
【解決手段】 表層部にトレンチ４２が形成されている窒化物の半導体下地層１０のトレンチ４２内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えている。トレンチ４２に露出する半導体下地層１０の表面８ａの少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である。
【解決手段】 表層部にトレンチ４２が形成されている窒化物の半導体下地層１０のトレンチ４２内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えている。トレンチ４２に露出する半導体下地層１０の表面８ａの少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。特に、トレンチが形成されている半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物の半導体下地層の表面に窒化物の半導体成長層を気相成長させる技術が知られている。一般的に、この種の気相成長技術では、半導体成長層を気相成長させるために、半導体下地層を成長温度にまで加熱した状態で、原料ガスを半導体下地層の表面に供給する。さらに、半導体下地層から窒素が抜けることを防止するために、半導体下地層が成長温度に達するまでは、半導体下地層をアンモニア（ＮＨ３）雰囲気に曝すことが多い。
【０００３】
半導体装置を製造する工程では、半導体下地層の表面にトレンチを形成し、そのトレンチ内に半導体成長層を気相成長させることが必要とされることが多い。ところが、窒化物半導体を半導体材料に用いた気相成長方法では、半導体下地層が高温に曝されるとともにアンモニア雰囲気に曝されると、トレンチの側面が崩れるという現象（マストランスポートという）が起きることが知られている。マストランスポートによってトレンチの形態が崩れると、半導体装置の特性が悪化する。このため、窒化物半導体を半導体材料に用いた気相成長方法では、マストランスポートを抑える技術が必要とされている。
【０００４】
非特許文献１には、マストランスポートを抑えるために、窒化物半導体として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が有用であることが提案されている。非特許文献１には、マストランスポートが抑制される理由は、アルミニウムと窒素の結合（Al-N）の存在によるものであり、この結合（Al-N）を増やすことが肝要であると記載されている。非特許文献１には、アルミニウムのモル比が０．１の窒化アルミニウムガリウム（Al0.1Ga0.9N）が例示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】In-plane GaN/AlGaN heterostructure fabricated by selective mass transport planar technology, “S. Nitta et al, Materials Science and Engineering B93 (2002) 139-142”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示されるように、マストランスポートを抑えるということにのみ着眼すれば、窒化物半導体内のアルミニウムのモル比を増加させることが望ましい。しかしながら、窒化物半導体は、アルミニウムのモル比の増加に伴いバンドギャップ幅が大きくなり、これにより、物性が大きく変化するという性質を有している。このため、半導体装置の種類によっては、アルミニウムのモル比を増加させた窒化物半導体を用いることができない場面が多く存在する。すなわち、アルミニウムのモル比を増加させたときに、半導体装置の種類によっては、マストランスポートの抑制と半導体装置の特性が相反する関係となることがある。本明細書は、気相成長の際にマストランスポートを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、窒化物の半導体下地層にアルミニウムがドーピングされていることを特徴とする。アルミニウムのモル比が非特許文献１に開示されるほどに高濃度でなくても、マストランスポートを十分に抑制できる。一方で、半導体装置の種類によっては、アルミニウムのモル比を抑えることで、半導体装置の特性を悪化させないこともできる。非特許文献１のように、マストランスポートの抑制にのみ着眼する限り、アルミニウムのモル比を抑えるという着想は得られない。本発明者らは、窒化物半導体内のアルミニウムのモル比が増加すると、半導体装置の特性を悪化させてしまう形態があることを見出し、非特許文献１の技術志向と逆行してアルミニウムのモル比を抑えるという技術を創作した。
【０００８】
本明細書に開示する技術は、半導体装置の製造方法に具現化することができる。その製造方法は、表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えている。そして、トレンチに露出する半導体下地層の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体である。なお、トレンチに露出する面だけでなく、トレンチ以外に露出する面がInxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体であってもよい。なお、この種の技術分野では、含まれるアルミニウムのモル比が０．０１以下である場合、InxGa(1-x)Nで示される窒化物に対して、不純物（アルミニウム）がドーピングされているAlドープ窒化物半導体とみなされる。
【０００９】
本明細書に開示する製造方法では、半導体下地層が、表層部に半導体成長層とは異なる導電型の部分領域を有しているのが望ましい。さらに、トレンチが部分領域を貫通しており、トレンチに露出する部分領域の表面がInxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体であることが望ましい。なお、部分領域は、トレンチに露出する部分領域の表面のみがAlドープ窒化物半導体であってもよく、全体がAlドープ窒化物半導体であってもよい。
【００１０】
上記の製造方法の場合、半導体下地層の表層部に、半導体成長層と半導体成長層とは異なる導電型の部分領域とが隣接した構造が得られる。具体的には、上記製造方法の場合、半導体成長層が部分領域に挟まれた構造を有する半導体装置を製造することができる。このような構造を有する半導体装置を製造する場合、隣接する部分領域間の距離が設定した値からずれると、製造された半導体装置が所望する特性を示さないことがある。上記の製造方法では、部分領域の表面がAlドープ窒化物半導体で構成されているので、マストランスポートが抑制され、部分領域間の距離を設定した値に制御することができる。なお、異なる導電型とは、一方がｎ型の場合、他方がｐ型又はｉ型であり、一方がｐ型の場合、他方がｎ型又はｉ型である。
【００１１】
上記した製造方法では、気相成長工程に先立って、アルミニウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で部分領域を気相成長させる工程と、部分領域の表面からエッチングし、部分領域を貫通するトレンチを形成する工程とを備えていることが好ましい。これにより、部分領域の全体をAlドープ窒化物半導体とすることができる。
【００１２】
上記したように、本明細書は、トレンチが形成されている窒化物の半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる工程を有する技術を開示する。この場合、半導体成長層を成長させたときに、半導体下地層から半導体成長層に酸素が取り込まれ易い。半導体成長層に取り込まれた酸素は、半導体成長層内の窒素と置換され、半導体成長層のドナーとして機能する。それにより、半導体成長層内の不純物濃度の調整が困難となる。半導体下地層から半導体成長層に酸素が取り込まれることを抑えるためには、半導体成長層の成長温度を高温に設定するのが望ましい。しかしながら、一般的に、気相成長の温度を高くすると、マストランスポートが起こり易くなる。本明細書で開示される気相成長方法は、このような場面に有用である。
【００１３】
すなわち、本明細書で開示する製造方法では、気相成長工程の成長温度が、半導体下地層から半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように設定されていることが好ましい。あるいは、気相成長工程の成長温度が９８０℃以上であることが望ましい。上記したように、本明細書で開示される製造方法では、半導体下地層にアルミニウムがドーピングされているので、マストランスポートを抑制することができる。このため、本明細書で開示される製造方法によると、アルミニウムのドーピングによってマストランスポートの発生が抑制されており、半導体成長層を高温で成長させることにより取り込まれる酸素濃度を低濃度に抑えることができる。この結果、本明細書で開示される製造方法によると、ドナー濃度が安定した半導体装置を製造することができる。
【００１４】
気相成長工程の成長温度が上記した半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度を抑制するような温度である場合、半導体装置は、半導体下地層上に設けられており、電流が横方向に流れる窒化物のチャネル層を備えていることが好ましい。そして、半導体下地層は、チャネル層と接する面がｃ面であり、半導体成長層の側面と接する面がａ又はｍ面とすることができる。ｃ面に比べ、ａ又はｍ面からの気相成長では、半導体成長層に酸素が取り込まれやすい。このような場合でも、本明細書で開示される製造方法では、半導体下地層のマストランスポートを抑制しながら、気相成長層に含まれる酸素の濃度を抑制することができる。
【００１５】
上記したように、本明細書に開示する製造方法によると、気相成長のときのマストランスポートを抑制することができるとともに、気相成長層に含まれる酸素の濃度も抑制することができる。そのため、半導体下地層のトレンチ内に形成される気相成長層の不純物濃度を、所望する濃度に調整することができる。
【００１６】
本明細書に開示する製造方法によって製造される半導体装置は、チャネル層に電気的に接続する表面電極と、半導体下地層の裏面に電気的に接続する裏面電極とを備えており、表面電極と裏面電極の間を流れる電流が、チャネル層と半導体成長層を介して流れることが好ましい。すなわち、縦型の半導体装置であることが好ましい。縦型の半導体装置の場合、半導体成長層のサイズ及び不純物濃度が、装置の特性に大きく影響する。マストランスポートを抑制しつつ、半導体成長層に取り込まれる酸素の量を抑制することにより、半導体成長層のサイズ及び不純物濃度を、所望のレベルに調整することができる。なお、チャネル層は、ヘテロ接合を有していてもよい。
【００１７】
本明細書に開示する半導体装置は、半導体下地層と半導体成長層を備えている。半導体下地層は、表層部にトレンチが形成されている窒化物半導体である。半導体成長層は、トレンチ内に充填されている窒化物半導体である。この半導体装置では、半導体下地層と半導体成長層の界面のうちの半導体下地層側の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体である。
【発明の効果】
【００１８】
本明細書で開示される技術によると、半導体装置の特性に影響を及ぼすことなく、マストランスポートを抑制して半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１の半導体装置の要部断面図を示す。
【図２】図２は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図３】図３は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図４】図４は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図５】図５は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【図６】図６は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（５）。
【図７】図７は、実施例２の半導体装置の要部断面図を示す。
【図８】図８は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図９】図９は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図１０】図１０は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図１１】図１１は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【図１２】図１２は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（５）。
【図１３】図１３は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（６）。
【図１４】図１４は、実施例３の半導体装置の要部断面図を示す。
【図１５】図１５は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図１６】図１６は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図１７】図１７は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図１８】図１８は、実施例４の半導体装置の要部断面図を示す。
【図１９】図１９は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図２０】図２０は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図２１】図２１は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図２２】図２２は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴の幾つかを以下に簡潔に記す。
（特徴１）半導体成長層の成長温度は、９８０℃以上、１１００℃以下である。
（特徴２）部分領域がｎ型の場合、半導体下地層の他のｎ型領域よりもｎ型不純物の濃度を濃くする。
【実施例１】
【００２１】
図１を参照し、半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は縦型の半導体装置であり、ドレイン電極２とソース電極１６の間を電流が流れる。なお、図１には、２つの単位構造１００ａと１００ｂを示している。単位構造１００ａと１００ｂは同一の構造を有している。半導体装置１００について、裏面から順に説明する。半導体装置１００の裏面にドレイン電極２が設けられている。ドレイン電極２は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）が積層された積層電極である。ドレイン電極２は、裏面電極の一例であり、電源（図示省略）の高圧側に接続している。ｎ型の第１低抵抗ｎ型領域４が、ドレイン電極２の表面に設けられている。第１低抵抗ｎ型領域４の材料は窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１低抵抗ｎ型領域４の不純物としてシリコン（Ｓｉ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ３×１０１８ｃｍ−３である。ドレイン電極２は、第１低抵抗ｎ型領域４に対して電気的に接続している。ｎ型の高抵抗ｎ型領域６が、第１低抵抗ｎ型領域４の表面に設けられている。高抵抗ｎ型領域６の材料は窒化ガリウムである。高抵抗ｎ型領域６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。
【００２２】
複数のｐ型の埋込領域８が、高抵抗ｎ型領域６の表層側に間隔を有して設けられている。埋込領域８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域８の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。埋込領域８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。埋込領域８の材料を一般式で示すと、Ａｌ０．００１ＧａＮとなる。アルミニウムのモル比が０．００１程度の場合、通常、アルミニウムは、埋込領域８の構成元素と評価されない。埋込領域８は、アルミニウムが窒化ガリウムにドーピングされている、アルミニウムドープ窒化物と評価される。なお、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度は、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。この濃度範囲の埋込領域８の材料を一般式で示すと、InxAlyGa(1-x-y)N (x+y=1, 0.00001≦y≦0.01)となる。アルミニウムのモル比が０．０１以下の場合も、アルミニウムは、窒化ガリウムにドーピングされていると評価される。また、以下の説明では、高抵抗ｎ型領域６のうち、隣接する埋込領域８の間に位置する領域を、アパーチャ領域１８と称する。
【００２３】
ｎ型の第１半導体層２８が、埋込領域８の表面の一部とアパーチャ領域１８の表面の全体に設けられている。第１半導体層２８は、隣り合う埋込領域８の表面の一部の間で連続して形成されている。第１半導体層２８の材料は窒化ガリウムである。第１半導体層２８の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１４ｃｍ−３である。すなわち、第１半導体層２８の材料は、高抵抗ｎ型領域６の材料と等しい。そのため、第１半導体層２８と高抵抗ｎ型領域６は、一つの連続した領域と捉えることもできる。埋込領域８の一部が、第１半導体層２８と高抵抗ｎ型領域６で形成されている領域内に埋設されているということもできる。
【００２４】
ｉ型の第２半導体層２６が、第１半導体層２８の表面に設けられている。第２半導体層２６の材料は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。第２半導体層２６にはマグネシウム等の不純物が導入されていない。なお、第２半導体層２６の材料を一般式で示すと、InxAlyGa(1-x-y)N (x=0, 0.10≦y≦0.30）となる。そのため、第２半導体層２６に含まれるアルミニウムは、第２半導体層２６の構成元素と捉えることができる。第２半導体層２６のバンドギャップは、第１半導体層２８のバンドギャップよりも広い。そのため、第２半導体層２６と第１半導体層２８の間にヘテロ接合が形成されている。以下の説明では、第２半導体層２６と第１半導体層２８を併せて、チャネル層３０と称する。
【００２５】
ｎ＋型の第２低抵抗ｎ型領域２４が、チャネル層３０の表層部に部分的に設けられている。第２低抵抗ｎ型領域２４の深部は、第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面に達している。半導体装置１００を平面視したときに、埋込領域８の一部が、第２低抵抗ｎ型領域２４とアパーチャ領域１８の間に位置している。ソース電極１６が、第２低抵抗ｎ型領域２４に対して電気的に接続している。すなわち、ソース電極１６は、チャネル層３０に電気的に接続している。ソース電極１６は、チタンとアルミニウムが積層された積層電極である。ソース電極１６は表面電極の一例であり、接地されている。
【００２６】
ゲート電極２０が、ゲート絶縁膜２２を介してチャネル層３０に対向している。ゲート電極２０の材料はリンをドーピングした多結晶シリコンであり、ゲート絶縁膜２２の材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。なお、ゲート電極２０の材料はアルミニウムでもよい。半導体装置１００を平面視したときに、ゲート電極２０は、第２低抵抗ｎ型領域２４の一部と、第２低抵抗ｎ型領域２４とアパーチャ領域１８の間に位置する埋込領域８と、アパーチャ領域１８とに対向している。ゲート電極２０は、絶縁膜（図示省略）によって、ソース電極１６から絶縁されている。ボディ電極１４が、埋込領域８に電気的に接続している。ボディ電極１４の材料はニッケル（Ｎｉ）である。ボディ電極１４は接地されている。
【００２７】
半導体装置１００の動作について説明する。埋込領域８がチャネル層３０に対向している。ゲート電極２０に電圧を印加していない状態では、ｐ型の埋込領域８からチャネル層３０に向けて空乏層が伸びている。その空乏層は、第１半導体層２８と第２半導体層２６のヘテロ接合面にまで達している。ヘテロ接合面が空乏化すると、ヘテロ接合面の伝導体のエネルギー準位がフェルミ準位よりも上側に存在する。そのため、２次元電子ガス層が、ヘテロ接合面に存在することができない。ゲート電極２０に電圧が印加されていない状態では、半導体装置１００はオフしている。半導体装置１００は、ノーマリーオフの動作を行う。
【００２８】
ゲート電極２０に正の電圧を印加すると、ｐ型の埋込領域８からチャネル層３０に向けて伸びていた空乏層の幅が縮小する。２次元電子ガス層が、第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面に形成される。それにより、ソース電極１６から注入された電子が、２次元電子ガス層を走行できるようになる。電子は、第２低抵抗ｎ型領域２４から第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面を横方向に移動し、アパーチャ領域１８，高抵抗ｎ型領域６，第１低抵抗ｎ型領域４を縦方向に移動し、ドレイン電極２に至る。ドレイン電極２とソース電極が導通する。なお、半導体装置１００の動作中にアバランシェ降伏により高抵抗ｎ型領域６内に生じたホール（正孔）は、埋込領域８，ボディ電極１４を経由して半導体装置１００の外部に引き抜かれる。正孔濃度がおよそ３×１０１７ｃｍ−３の場合、埋込領域８内のホールの移動度は、およそ１０ｃｍ２／ｖｓである。これは、アルミニウムがドーピングされていない窒化ガリウム内のホールの移動度とほぼ同じ結果である。
【００２９】
図２〜図６を参照し、半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、図２に示すように、ｎ型の高抵抗ｎ型領域６をｎ型の半導体基板（第１低抵抗ｎ型領域）４の表面に気相成長させ、さらに、ｐ型の半導体層８を高抵抗ｎ型領域６の表面に気相成長させる。半導体層８は、最終的に図１の埋込領域８になる。よって、以下の説明では、埋込領域８として説明する。埋込領域８は、アルミニウムとマグネシウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で気相成長させる。埋込領域８の表面は、ｃ面（（０００１）面）である。埋込領域８を結晶成長するときは、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度が１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３となるように、ドーパントガスの濃度を調整する。なお、高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を気相成長させる工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから原料ガスを供給する。また、以下の説明では、第１低抵抗ｎ型領域４と高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を併せて、半導体下地層１０と称する。その後、開口４０ａを有するマスク４０を、埋込領域８の表面に形成する。
【００３０】
次に、図３に示すように、開口４０ａに対応する部分のｐ型の埋込領域８を表面からエッチングし、埋込領域８を貫通して高抵抗ｎ型領域６内に至るトレンチ４２を形成する。これにより、半導体下地層１０の表層部１２にトレンチ４２が形成される。半導体下地層１０が第１低抵抗ｎ型領域４と高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を有する場合、埋込領域８が、請求項に記載の部分領域に相当する。埋込領域８の側壁８ａには、不純物であるアルミニウムが１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３含まれている。埋込領域８の側壁８ａは、ａ面（（００−２０）面）、ｍ面（（１−１００）面）又はそれらの面に近い結晶面である。すなわち、埋込領域８の側壁８ａは、ｃ面以外の面である。次に、図４に示すように、ｎ型の第１半導体層２８を、半導体下地層１０のトレンチ４２（図３も参照）内、及び、半導体下地層１０の表面に気相成長させる（気相成長工程）。第１半導体層２８は、高抵抗ｎ型領域６の露出した表面６ａと８ａからも気相成長する。第１半導体層２８は、請求項に記載の半導体成長層に相当する。この気相成長工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから、原料ガスの供給を行う。なお、第１半導体層２８のうち、埋込領域８の間に位置する部分がアパーチャ領域１８（図１を参照）である。また、第１半導体層２８を成長する温度は、１１００℃以下であることが好ましい。後述するように、第１半導体層２８の成長温度を高くすることにより、第１半導体層２８に取り込まれる酸素の量を抑制することができる。しかしながら、成長温度を高くしすぎる（１１００℃よりも高くする）と、結晶の分解が生じ始めることがある。それにより、半導体装置１００の品質が低下することがある。
【００３１】
次に、図５に示すように、ｎ型の第２半導体層２８を、第１半導体層２８の表面に気相成長させる。それにより、ヘテロ接合を有するチャネル層３０が形成される。その後、開口４４ａを有するマスク４４を、第２半導体層２６の表面に形成する。その後、マスク４４の開口４４ａに対応する第２半導体層２６に向けて、シリコンをイオン注入する。イオン注入は、シリコンの注入範囲２４が、第１半導体層２８と第２半導体層２６のヘテロ接合面に達するように実施する。マスク４４を除去した後、図６に示すように、開口４６ａを有するマスク４６を、第２半導体層２６の表面に形成する。マスク４６の幅は、マスク４４の幅よりも広い（図５も参照）。その後、マスク４６の開口４６ａに対応する第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングする。それにより、第２低抵抗ｎ型領域２４が形成され、埋込領域８の表面の一部が露出する。なお、第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングして埋込領域８の表面の一部を露出させ、次いで、第２半導体層２６に向けてシリコンをイオン注入してもよい。
【００３２】
その後、ソース電極１６を第２低抵抗ｎ型領域２４の表面に形成し、ボディ電極１４を露出している埋込領域８の表面に形成し、ドレイン電極２を第１低抵抗ｎ型領域４の裏面に形成し、ゲート電極２０をゲート絶縁膜２２を介して第２半導体層２６の表面に形成する。それにより、図１に示す半導体装置１００が完成する。なお、電極１６，１４，２，２０の形成方法は公知のため、説明を省略する。また、上記実施例では、高抵抗ｎ型領域６、埋込領域８及び第１半導体層２８の全ての気相成長において、雰囲気温度がおよそ９８０℃を超えてから原料ガスの供給を行った。しかしながら、高抵抗ｎ型領域６及び埋込領域８を気相成長させる工程では、雰囲気温度がおよそ９００℃を超えてから原料ガスの供給を行ってもよい。
【００３３】
ここで、埋込領域８にアルミニウムを１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３導入する理由を説明する。上記したように、半導体装置１００では、電流がアパーチャ領域１８を縦方向に移動する。そのため、アパーチャ領域１８の幅（隣接する埋込領域８の間隔）が狭くなると、電流が流れにくくなる。窒化物半導体を気相成長させる場合、気相成長が生じる温度（およそ９００℃）までは、アンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気下で半導体下地層１０を加熱する。それにより、窒素（Ｎ）が半導体下地層１０から抜けることを防止する。埋込領域８にアルミニウムが導入されていないと、半導体下地層１０を加熱する過程で、図３に示す埋込領域８の表面がマストランスポートをして、トレンチ４２内に移動することがある。そうすると、トレンチ４２の幅（隣接する埋込領域８の間隔）が設計値からずれ、アパーチャ領域１８の幅が設計値からずれることがある。最悪の場合、アパーチャ領域１８がｐ型化してしまい、オン抵抗が極めて高くなってしまう。本実施例では、埋込領域８にアルミニウムをドーピングすることにより、埋込領域８の表面がマストランスポートすることを抑制する。
【００３４】
なお、従来より、窒化ガリウムではなく、窒化アルミニウムガリウムであれば、マストランスポートを抑制できることが知られていた。そのため、マストランスポートを抑制するだけならば、埋込領域８を窒化アルミニウムガリウムで形成すれば足りる。しかしながら、埋込領域８の材料を窒化アルミニウムガリウムとすると、埋込領域８内の正孔の移動度及び正孔濃度が低下する。すなわち、埋込領域８の比抵抗が増大する。それにより、半導体装置１００の耐圧が低下する等の不具合が生じることがある。そのため、高耐圧を維持しながら、アパーチャ領域１８の幅を正確に制御することが困難であった。本実施例では、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度を１×１０２１ｃｍ−３以下とする。それにより、埋込領域の比抵抗が増大することを抑制している。上記したように、アルミニウムのモル比が０．０１以下の窒化物半導体は、窒化アルミニウムガリウムとはみなされず、窒化ガリウムとみなされる。そのため、マストランスポートを抑制することができないと考えられていた。しかしながら、本実施例の半導体装置１００では、比抵抗の増大を抑制しながら、マストランスポートを抑制することができる。なお、アルミニウムのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満であれば、もはやアルミニウムの効果が得られず、マストランスポートを抑制することができない。
【００３５】
次に、埋込領域８を９８０℃以上で気相成長させる理由を説明する。上記したように、埋込領域８の側壁８ａは、ａ面又はｍ面である。窒化物半導体をｃ面以外の面から気相成長させる場合、その成長は、横方向成長又はファセット成長により進行する。横方向成長又はファセット成長は、ｃ面成長と比較して、成長膜に酸素が取り込まれやすい。特に、低温（９００℃程度）で気相成長すると、成長膜に多くの酸素が取り込まれる。そのため、９００℃程度で原料ガスの導入を行うと、第１半導体層２８内に酸素が過剰に取り込まれる。第１半導体層２８内に酸素が過剰に取り込まれると、その酸素は、第１半導体層２８の材料である窒素と置換される。そして、その酸素は、第１半導体層２８のドナーとして機能する。すなわち、第１半導体層２８のｎ型不純物の濃度が増大する。アパーチャ領域１８の不純物濃度を所望する値に調整することが困難になる。半導体装置１００がオフしているときは、埋込領域８からアパーチャ領域１８に向けて空乏層が伸びる。アパーチャ領域１８の不純物濃度を所望する値に調整しないと、半導体装置１００の耐圧が低下したり、リーク電流が増加することがある。
【００３６】
しかしながら、本実施例のように、第１半導体層２８を９８０℃以上で気相成長させると、成長膜に取り込まれる酸素の量を低減することができる。具体的には、第１半導体層２８に取り込まれる酸素濃度を、３×１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができる。酸素濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下であれば、半導体装置１００の特性を所望するレベルに維持することができる。
【００３７】
なお、第１半導体層２８を９８０℃以上で成長させることができるのは、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされているからである。上記したように、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされていなければ、第１半導体層２８を成長させる工程でマストランスポートが起こる。マストランスポートは高温になる程顕著になるので、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされていなければ、第１半導体層２８を９８０℃以上で成長させることができない。
【実施例２】
【００３８】
図７を参照し、半導体装置２００について説明する。半導体装置２００は半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置２００は、２つの単位構造２００ａと２００ｂを有している。高抵抗ｎ型領域２０６の材料は窒化ガリウムである。高抵抗ｎ型領域２０６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。複数のｐ型の埋込領域２０８が、高抵抗ｎ型領域２０６の表面に間隔を有して設けられている。埋込領域２０８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域２０８の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。なお、埋込領域２０８には、アルミニウムがドーピングされていない。
【００３９】
複数のアパーチャ領域２１８が、高抵抗ｎ型領域２０６の表面に間隔を有して設けられている。アパーチャ領域２１８は、埋込領域２０８間に位置している。アパーチャ領域２１８の材料は窒化ガリウムである。アパーチャ領域２１８の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ３×１０１６ｃｍ−３である。アパーチャ領域２１８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。すなわち、半導体装置２００は、埋込領域２０８にアルミニウムがドーピングされておらず、アパーチャ領域２１８にアルミニウムがドーピングされている点、及び、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度が半導体装置１００と異なる。アパーチャ領域２１８に含まれるシリコンの濃度は、高抵抗ｎ型領域２０６に含まれるシリコンの濃度よりも濃い。半導体装置２００では、アパーチャ領域２１８にアルミニウムがドーピングされている。そのため、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度を高抵抗ｎ型領域２０６にドーピングするシリコンの濃度と等しくすると、アパーチャ領域２１８の抵抗が高くなる。アパーチャ領域２１８の抵抗を低くするために、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度を増加させている。
【００４０】
図８〜図１３を参照し、半導体装置２００の製造方法について説明する。まず、図８に示すように、ｎ型の高抵抗ｎ型領域２０６をｎ型の第１低抵抗ｎ型領域４の表面に気相成長させ、さらに、ｎ型の半導体層２１８を高抵抗ｎ型領域２０６の表面に気相成長させる。半導体層２１８は、アルミニウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で気相成長させる。半導体層２１８の表面はｃ面である。その後、半導体層２１８の表面に、開口６０ａを有するマスク６０を形成する。
【００４１】
次に、図９に示すように、ｎ型の半導体層２１８の表面からエッチングし、半導体層２１８の側壁２１８ａと高抵抗ｎ型領域２０６の表面２０６ａとで画定されるトレンチ２３２を形成する。これにより、図７に示すアパーチャ領域２１８が完成する。なお、半導体層２１８を確実に除去するために、トレンチ２３２は、半導体層２１８を貫通して高抵抗ｎ型領域２０６内に至ってもよい。アパーチャ領域２１８と高抵抗ｎ型領域２０６と第１低抵抗ｎ型領域４によって、トレンチ２３２を有する半導体下地層２１０が形成される。半導体層２１８の側壁２１８ａには、不純物であるアルミニウムが１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３含まれている。
【００４２】
次に、図１０に示すように、ｐ型の半導体層２０８を、半導体下地層２１０のトレンチ２３２（図９も参照）内、及び、半導体下地層２１０の表面に気相成長させる（気相成長工程）。本実施例ではｐ型の半導体層２０８が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。また、アパーチャ領域２１８が、請求項に記載の部分領域に相当する。気相成長工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから、原料ガスの供給を行う。次に、図１１に示すように、アパーチャ領域２１８の表面が露出するまで、半導体層２０８を表面からエッチングする。これにより、図７に示す埋込領域２０８が完成する。埋込み領域２０８は、トレンチ２３２内を充填している。
【００４３】
次に、図１２に示すように、ｎ型の第１半導体層２８を、アパーチャ領域２１８と埋込領域２０８の表面に気相成長させる。次いで、ｎ型の第２半導体層２６を、第１半導体層２８の表面に気相成長させる、それにより、ヘテロ接合を有するチャネル層３０が形成される。その後、開口６２ａを有するマスク６２を、第２半導体層２６の表面に形成する。その後、マスク６２の開口６２ａに対応する第２半導体層２６に向けて、シリコンをイオン注入する。マスク６２を除去した後、図１３に示すように、開口６４を有するマスク６４を、第２半導体層２６の表面に形成する。マスク６４の幅は、図１２に示すマスク６２の幅よりも広い。その後、マスク６４の開口６４ａに対応する第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングする。以下の製造工程は半導体装置１００と同じなので省略する。
【実施例３】
【００４４】
図１４を参照し、半導体装置３００について説明する。半導体装置３００は半導体装置２００の変形例であり、半導体装置２００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。ここでは、半導体装置２００との相違点だけを説明する。半導体装置３００は、２つの単位構造３００ａと３００ｂを有している。半導体装置３００では、埋込領域３０８と、高抵抗ｎ型領域２０６及びアパーチャ領域２１８との間に、ｎ型の第３半導体層３７０が介在している。第３半導体層３７０の材料は窒化ガリウムである。第３半導体層３７０の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。第３半導体層３７０は、埋込領域３０８が高抵抗ｎ型領域２０６の表面に直接接触することを防止するために設けられている。
【００４５】
図１５〜図１７を参照し、半導体装置３００の製造方法及び、第３半導体層３７０を形成する効果について説明する。まず、半導体装置２００と同様に、図８〜図９までの工程を実施する。図８〜図９までの工程については説明を省略する。半導体下地層２１０を形成した後に、図１５に示すように、ｎ型の第３半導体層３７０を、半導体下地層２１０の表面の全面に気相成長させる。第３半導体層３７０の気相成長は、９８０℃以上の温度で行う。第３半導体層３７０の厚みはおよそ０．５μｍである。第３半導体層３７０を成長させても、第３半導体層３７０がトレンチ２３２内を完全に充填することはない。そのため、アパーチャ領域２１８の側壁２１８ａから成長した部分第３半導体層３７０ｂと、高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａから成長した部分第３半導体層３７０ａとで画定されるトレンチ３３２が形成される。なお、第３半導体層３７０を９８０℃以上で気相成長させるので、過剰な酸素が第３半導体層３７０に取り込まれことを防止できる。
【００４６】
次に、図１６に示すように、ｐ型の埋込領域３０８を、トレンチ３３２内及び第３半導体層３７０の表面３７０ｃ上に気相成長させる。本実施例では、ｐ型の埋込領域３０８が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。次に、図１７に示すように、アパーチャ領域２１８の表面が露出するまで、埋込領域３０８をエッチングする。その後の工程は、半導体装置２００の製造方法の図１２以降の工程に等しいので、説明を省略する。
【００４７】
上記したように、第３半導体層３７０を設けることにより、図９に示す高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａが被覆される。図８と図９に示すように、露出面２０６ａは、半導体層２１８をエッチングすることによって露出する。そのため、露出面２０６ａには、エッチングによる欠陥が形成される。露出面２０６ａ上に直接ｐ型の埋込領域３０８を形成すると、埋込領域３０８に含まれる不純物（マグネシウム）が、その欠陥を通じて、高抵抗ｎ型領域２０６に移動しやすくなる。第３半導体層３７０で露出面２０６ａを被覆すると、埋込領域３０８から高抵抗ｎ型領域２０６に不純物が移動することを抑制することができる。
【００４８】
なお、第３半導体層３７０は、不純物としてアルミニウムが含まれていてもよい。第３半導体層３７０がマストランスポートすることを抑制することができる。なお、上記したように、第３半導体３７０を形成する目的は、埋込領域３０８が高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａに直接接触することを防止することである。また、上記したように、第３半導体層３７０の厚みは非常に薄い。そのため、第３半導体層３７０がマストランスポートしたとしても、アパーチャ領域２１８がマストランスポートしなければ、半導体装置３００の特性のほとんど影響を及ぼさない。そのため、必ずしも、第３半導体層３７０にアルミニウムをドーピングする必要はない。
【実施例４】
【００４９】
図１８は、半導体装置４００の要部断面図を示す。半導体装置４００は横型の半導体装置である。半導体装置４００について裏面から順に説明する。なお、半導体装置１００，２，３００と実質的に同じ構造については、下二桁が同じ符号を付すことにより説明を省略する。サファイア基板４７１の表面にバッファ層４７２が設けられており、バッファ層４７２の表面にｎ型の半導体層４７４，４７６が設けられている。半導体層４７４，４７６の材料は窒化ガリウムである。半導体層４７４，４７６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１４ｃｍ−３である。そのため、半導体層４７４，４７６を、一つの半導体層４７５とみなすこともできる。ｉ型の第２半導体層４２６が、半導体層４７６の表面に設けられている。第２半導体層４２６の材料は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。第２半導体層４２６にはマグネシウム等の不純物が導入されていない。
【００５０】
ｐ型の埋込領域４０８が、半導体層４７５の内部に埋設されている。埋込領域４０８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域４０８の不純物としてマグネシウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。埋込領域４０８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。半導体層４７６と第２半導体層４２６によって、ヘテロ接合が形成されている。半導体層４７６のうち、埋込領域４０８上に位置する第１半導体層４２８と第２半導体層４２６によって、チャネル層４３０が形成される。ｎ＋型の第２低抵抗ｎ型領域４２４とｎ＋型の第１低抵抗ｎ型領域４０４が、第２半導体層４２６内に間隔を有して設けられている。第２低抵抗ｎ型領域４２４にソース電極４１６が電気的に接続しており、第１低抵抗ｎ型領域４０４にドレイン電極４０２が電気的に接続している。
【００５１】
ソース電極４１６とドレイン電極４０２の間に、ゲート電極４２０が設けられている。ゲート電極４２０は、ゲート絶縁膜４２２を介して第２半導体層４２６に対向している。半導体装置４００を平面視すると、ゲート電極４２０は、埋込領域４０８に対向している。半導体装置４００では、電流が、第１低抵抗ｎ型領域４０４と第２低抵抗ｎ型領域４２４の間を横方向に流れる。
【００５２】
図１９〜図２２を参照し、半導体装置４００の製造方法について説明する。まず、図１９に示すように、サファイア基板４７１の表面にバッファ層４７２を形成し、バッファ層４７２の表面にｎ型の半導体層４７４を形成する。次いで、不純物としてマグネシウムとアルミニウムを含む半導体層４０８を、半導体層４７４の表面に気相成長させる。半導体層４０８は、最終的に図１８に示す埋込領域４０８になる。その後、開口４８０ａを有するマスク４８０を、埋込領域４０８の表面に形成する。
【００５３】
次に、図２０に示すように、開口４８０ａに露出している埋込領域４０８を、表面からドライエッチングして半導体層４７４の表面の一部を露出させる。エッチング後の埋込領域４０８と半導体層４７４は、半導体下地層４１０に相当する。埋込領域４０８の側壁４０８ａと半導体層４７４の露出面４７４ａにより、トレンチ４３２が形成される。埋込領域４０８の側壁４０８ａには、アルミニウムがドーピングされている。マスク４８０を除去した後に、図２１に示すように、トレンチ４３２の内部と埋込領域４０８の表面に、半導体層４７６を気相成長させる（気相成長工程）。半導体層４７６の不純物濃度は、半導体層４７４と等しい。半導体層４７６のうち、埋込領域４０８上に位置する部分が第１半導体層４２８である。本実施例では、ｎ型の半導体層４７６が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。また、半導体下地層４１０のうちのｐ型の埋込領域４０８が、請求項に記載の部分領域に相当する。
【００５４】
次に、図２２に示すように、半導体層４７６の表面に第２半導体層４２６を気相成長させる。これにより、チャネル層４３０が形成される。次に、開口４８２ａを有するマスク４８２を形成し、開口４８２ａに向けてシリコンをイオン注入することにより、第２低抵抗ｎ型領域４２４及び第１低抵抗ｎ型領域４０４を形成する。その後、ソース電極とドレイン電極を形成することにより、図１８に示す半導体装置４００が完成する。
【００５５】
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、出願時の請求項に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の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。
【符号の説明】
【００５６】
８，２１８、４０８：部分領域
１０，２１０，４１０：半導体下地層
２８，２０８，３０８，４７６：半導体成長層
３０，４３０：チャネル層
４２，２３２，３３２，４３２：トレンチ
１００，２００，３００，４００：半導体装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関する。特に、トレンチが形成されている半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物の半導体下地層の表面に窒化物の半導体成長層を気相成長させる技術が知られている。一般的に、この種の気相成長技術では、半導体成長層を気相成長させるために、半導体下地層を成長温度にまで加熱した状態で、原料ガスを半導体下地層の表面に供給する。さらに、半導体下地層から窒素が抜けることを防止するために、半導体下地層が成長温度に達するまでは、半導体下地層をアンモニア（ＮＨ３）雰囲気に曝すことが多い。
【０００３】
半導体装置を製造する工程では、半導体下地層の表面にトレンチを形成し、そのトレンチ内に半導体成長層を気相成長させることが必要とされることが多い。ところが、窒化物半導体を半導体材料に用いた気相成長方法では、半導体下地層が高温に曝されるとともにアンモニア雰囲気に曝されると、トレンチの側面が崩れるという現象（マストランスポートという）が起きることが知られている。マストランスポートによってトレンチの形態が崩れると、半導体装置の特性が悪化する。このため、窒化物半導体を半導体材料に用いた気相成長方法では、マストランスポートを抑える技術が必要とされている。
【０００４】
非特許文献１には、マストランスポートを抑えるために、窒化物半導体として窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）が有用であることが提案されている。非特許文献１には、マストランスポートが抑制される理由は、アルミニウムと窒素の結合（Al-N）の存在によるものであり、この結合（Al-N）を増やすことが肝要であると記載されている。非特許文献１には、アルミニウムのモル比が０．１の窒化アルミニウムガリウム（Al0.1Ga0.9N）が例示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】In-plane GaN/AlGaN heterostructure fabricated by selective mass transport planar technology, “S. Nitta et al, Materials Science and Engineering B93 (2002) 139-142”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に開示されるように、マストランスポートを抑えるということにのみ着眼すれば、窒化物半導体内のアルミニウムのモル比を増加させることが望ましい。しかしながら、窒化物半導体は、アルミニウムのモル比の増加に伴いバンドギャップ幅が大きくなり、これにより、物性が大きく変化するという性質を有している。このため、半導体装置の種類によっては、アルミニウムのモル比を増加させた窒化物半導体を用いることができない場面が多く存在する。すなわち、アルミニウムのモル比を増加させたときに、半導体装置の種類によっては、マストランスポートの抑制と半導体装置の特性が相反する関係となることがある。本明細書は、気相成長の際にマストランスポートを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、窒化物の半導体下地層にアルミニウムがドーピングされていることを特徴とする。アルミニウムのモル比が非特許文献１に開示されるほどに高濃度でなくても、マストランスポートを十分に抑制できる。一方で、半導体装置の種類によっては、アルミニウムのモル比を抑えることで、半導体装置の特性を悪化させないこともできる。非特許文献１のように、マストランスポートの抑制にのみ着眼する限り、アルミニウムのモル比を抑えるという着想は得られない。本発明者らは、窒化物半導体内のアルミニウムのモル比が増加すると、半導体装置の特性を悪化させてしまう形態があることを見出し、非特許文献１の技術志向と逆行してアルミニウムのモル比を抑えるという技術を創作した。
【０００８】
本明細書に開示する技術は、半導体装置の製造方法に具現化することができる。その製造方法は、表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えている。そして、トレンチに露出する半導体下地層の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体である。なお、トレンチに露出する面だけでなく、トレンチ以外に露出する面がInxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体であってもよい。なお、この種の技術分野では、含まれるアルミニウムのモル比が０．０１以下である場合、InxGa(1-x)Nで示される窒化物に対して、不純物（アルミニウム）がドーピングされているAlドープ窒化物半導体とみなされる。
【０００９】
本明細書に開示する製造方法では、半導体下地層が、表層部に半導体成長層とは異なる導電型の部分領域を有しているのが望ましい。さらに、トレンチが部分領域を貫通しており、トレンチに露出する部分領域の表面がInxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体であることが望ましい。なお、部分領域は、トレンチに露出する部分領域の表面のみがAlドープ窒化物半導体であってもよく、全体がAlドープ窒化物半導体であってもよい。
【００１０】
上記の製造方法の場合、半導体下地層の表層部に、半導体成長層と半導体成長層とは異なる導電型の部分領域とが隣接した構造が得られる。具体的には、上記製造方法の場合、半導体成長層が部分領域に挟まれた構造を有する半導体装置を製造することができる。このような構造を有する半導体装置を製造する場合、隣接する部分領域間の距離が設定した値からずれると、製造された半導体装置が所望する特性を示さないことがある。上記の製造方法では、部分領域の表面がAlドープ窒化物半導体で構成されているので、マストランスポートが抑制され、部分領域間の距離を設定した値に制御することができる。なお、異なる導電型とは、一方がｎ型の場合、他方がｐ型又はｉ型であり、一方がｐ型の場合、他方がｎ型又はｉ型である。
【００１１】
上記した製造方法では、気相成長工程に先立って、アルミニウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で部分領域を気相成長させる工程と、部分領域の表面からエッチングし、部分領域を貫通するトレンチを形成する工程とを備えていることが好ましい。これにより、部分領域の全体をAlドープ窒化物半導体とすることができる。
【００１２】
上記したように、本明細書は、トレンチが形成されている窒化物の半導体下地層のトレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる工程を有する技術を開示する。この場合、半導体成長層を成長させたときに、半導体下地層から半導体成長層に酸素が取り込まれ易い。半導体成長層に取り込まれた酸素は、半導体成長層内の窒素と置換され、半導体成長層のドナーとして機能する。それにより、半導体成長層内の不純物濃度の調整が困難となる。半導体下地層から半導体成長層に酸素が取り込まれることを抑えるためには、半導体成長層の成長温度を高温に設定するのが望ましい。しかしながら、一般的に、気相成長の温度を高くすると、マストランスポートが起こり易くなる。本明細書で開示される気相成長方法は、このような場面に有用である。
【００１３】
すなわち、本明細書で開示する製造方法では、気相成長工程の成長温度が、半導体下地層から半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように設定されていることが好ましい。あるいは、気相成長工程の成長温度が９８０℃以上であることが望ましい。上記したように、本明細書で開示される製造方法では、半導体下地層にアルミニウムがドーピングされているので、マストランスポートを抑制することができる。このため、本明細書で開示される製造方法によると、アルミニウムのドーピングによってマストランスポートの発生が抑制されており、半導体成長層を高温で成長させることにより取り込まれる酸素濃度を低濃度に抑えることができる。この結果、本明細書で開示される製造方法によると、ドナー濃度が安定した半導体装置を製造することができる。
【００１４】
気相成長工程の成長温度が上記した半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度を抑制するような温度である場合、半導体装置は、半導体下地層上に設けられており、電流が横方向に流れる窒化物のチャネル層を備えていることが好ましい。そして、半導体下地層は、チャネル層と接する面がｃ面であり、半導体成長層の側面と接する面がａ又はｍ面とすることができる。ｃ面に比べ、ａ又はｍ面からの気相成長では、半導体成長層に酸素が取り込まれやすい。このような場合でも、本明細書で開示される製造方法では、半導体下地層のマストランスポートを抑制しながら、気相成長層に含まれる酸素の濃度を抑制することができる。
【００１５】
上記したように、本明細書に開示する製造方法によると、気相成長のときのマストランスポートを抑制することができるとともに、気相成長層に含まれる酸素の濃度も抑制することができる。そのため、半導体下地層のトレンチ内に形成される気相成長層の不純物濃度を、所望する濃度に調整することができる。
【００１６】
本明細書に開示する製造方法によって製造される半導体装置は、チャネル層に電気的に接続する表面電極と、半導体下地層の裏面に電気的に接続する裏面電極とを備えており、表面電極と裏面電極の間を流れる電流が、チャネル層と半導体成長層を介して流れることが好ましい。すなわち、縦型の半導体装置であることが好ましい。縦型の半導体装置の場合、半導体成長層のサイズ及び不純物濃度が、装置の特性に大きく影響する。マストランスポートを抑制しつつ、半導体成長層に取り込まれる酸素の量を抑制することにより、半導体成長層のサイズ及び不純物濃度を、所望のレベルに調整することができる。なお、チャネル層は、ヘテロ接合を有していてもよい。
【００１７】
本明細書に開示する半導体装置は、半導体下地層と半導体成長層を備えている。半導体下地層は、表層部にトレンチが形成されている窒化物半導体である。半導体成長層は、トレンチ内に充填されている窒化物半導体である。この半導体装置では、半導体下地層と半導体成長層の界面のうちの半導体下地層側の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物半導体である。
【発明の効果】
【００１８】
本明細書で開示される技術によると、半導体装置の特性に影響を及ぼすことなく、マストランスポートを抑制して半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施例１の半導体装置の要部断面図を示す。
【図２】図２は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図３】図３は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図４】図４は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図５】図５は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【図６】図６は、実施例１の半導体装置の製造工程を示す（５）。
【図７】図７は、実施例２の半導体装置の要部断面図を示す。
【図８】図８は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図９】図９は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図１０】図１０は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図１１】図１１は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【図１２】図１２は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（５）。
【図１３】図１３は、実施例２の半導体装置の製造工程を示す（６）。
【図１４】図１４は、実施例３の半導体装置の要部断面図を示す。
【図１５】図１５は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図１６】図１６は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図１７】図１７は、実施例３の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図１８】図１８は、実施例４の半導体装置の要部断面図を示す。
【図１９】図１９は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（１）。
【図２０】図２０は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（２）。
【図２１】図２１は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（３）。
【図２２】図２２は、実施例４の半導体装置の製造工程を示す（４）。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
実施例を説明する前に、実施例の技術的特徴の幾つかを以下に簡潔に記す。
（特徴１）半導体成長層の成長温度は、９８０℃以上、１１００℃以下である。
（特徴２）部分領域がｎ型の場合、半導体下地層の他のｎ型領域よりもｎ型不純物の濃度を濃くする。
【実施例１】
【００２１】
図１を参照し、半導体装置１００について説明する。半導体装置１００は縦型の半導体装置であり、ドレイン電極２とソース電極１６の間を電流が流れる。なお、図１には、２つの単位構造１００ａと１００ｂを示している。単位構造１００ａと１００ｂは同一の構造を有している。半導体装置１００について、裏面から順に説明する。半導体装置１００の裏面にドレイン電極２が設けられている。ドレイン電極２は、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）が積層された積層電極である。ドレイン電極２は、裏面電極の一例であり、電源（図示省略）の高圧側に接続している。ｎ型の第１低抵抗ｎ型領域４が、ドレイン電極２の表面に設けられている。第１低抵抗ｎ型領域４の材料は窒化ガリウム（ＧａＮ）である。第１低抵抗ｎ型領域４の不純物としてシリコン（Ｓｉ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ３×１０１８ｃｍ−３である。ドレイン電極２は、第１低抵抗ｎ型領域４に対して電気的に接続している。ｎ型の高抵抗ｎ型領域６が、第１低抵抗ｎ型領域４の表面に設けられている。高抵抗ｎ型領域６の材料は窒化ガリウムである。高抵抗ｎ型領域６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。
【００２２】
複数のｐ型の埋込領域８が、高抵抗ｎ型領域６の表層側に間隔を有して設けられている。埋込領域８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域８の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。埋込領域８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。埋込領域８の材料を一般式で示すと、Ａｌ０．００１ＧａＮとなる。アルミニウムのモル比が０．００１程度の場合、通常、アルミニウムは、埋込領域８の構成元素と評価されない。埋込領域８は、アルミニウムが窒化ガリウムにドーピングされている、アルミニウムドープ窒化物と評価される。なお、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度は、１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲内であることが好ましい。この濃度範囲の埋込領域８の材料を一般式で示すと、InxAlyGa(1-x-y)N (x+y=1, 0.00001≦y≦0.01)となる。アルミニウムのモル比が０．０１以下の場合も、アルミニウムは、窒化ガリウムにドーピングされていると評価される。また、以下の説明では、高抵抗ｎ型領域６のうち、隣接する埋込領域８の間に位置する領域を、アパーチャ領域１８と称する。
【００２３】
ｎ型の第１半導体層２８が、埋込領域８の表面の一部とアパーチャ領域１８の表面の全体に設けられている。第１半導体層２８は、隣り合う埋込領域８の表面の一部の間で連続して形成されている。第１半導体層２８の材料は窒化ガリウムである。第１半導体層２８の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１４ｃｍ−３である。すなわち、第１半導体層２８の材料は、高抵抗ｎ型領域６の材料と等しい。そのため、第１半導体層２８と高抵抗ｎ型領域６は、一つの連続した領域と捉えることもできる。埋込領域８の一部が、第１半導体層２８と高抵抗ｎ型領域６で形成されている領域内に埋設されているということもできる。
【００２４】
ｉ型の第２半導体層２６が、第１半導体層２８の表面に設けられている。第２半導体層２６の材料は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。第２半導体層２６にはマグネシウム等の不純物が導入されていない。なお、第２半導体層２６の材料を一般式で示すと、InxAlyGa(1-x-y)N (x=0, 0.10≦y≦0.30）となる。そのため、第２半導体層２６に含まれるアルミニウムは、第２半導体層２６の構成元素と捉えることができる。第２半導体層２６のバンドギャップは、第１半導体層２８のバンドギャップよりも広い。そのため、第２半導体層２６と第１半導体層２８の間にヘテロ接合が形成されている。以下の説明では、第２半導体層２６と第１半導体層２８を併せて、チャネル層３０と称する。
【００２５】
ｎ＋型の第２低抵抗ｎ型領域２４が、チャネル層３０の表層部に部分的に設けられている。第２低抵抗ｎ型領域２４の深部は、第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面に達している。半導体装置１００を平面視したときに、埋込領域８の一部が、第２低抵抗ｎ型領域２４とアパーチャ領域１８の間に位置している。ソース電極１６が、第２低抵抗ｎ型領域２４に対して電気的に接続している。すなわち、ソース電極１６は、チャネル層３０に電気的に接続している。ソース電極１６は、チタンとアルミニウムが積層された積層電極である。ソース電極１６は表面電極の一例であり、接地されている。
【００２６】
ゲート電極２０が、ゲート絶縁膜２２を介してチャネル層３０に対向している。ゲート電極２０の材料はリンをドーピングした多結晶シリコンであり、ゲート絶縁膜２２の材料は酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。なお、ゲート電極２０の材料はアルミニウムでもよい。半導体装置１００を平面視したときに、ゲート電極２０は、第２低抵抗ｎ型領域２４の一部と、第２低抵抗ｎ型領域２４とアパーチャ領域１８の間に位置する埋込領域８と、アパーチャ領域１８とに対向している。ゲート電極２０は、絶縁膜（図示省略）によって、ソース電極１６から絶縁されている。ボディ電極１４が、埋込領域８に電気的に接続している。ボディ電極１４の材料はニッケル（Ｎｉ）である。ボディ電極１４は接地されている。
【００２７】
半導体装置１００の動作について説明する。埋込領域８がチャネル層３０に対向している。ゲート電極２０に電圧を印加していない状態では、ｐ型の埋込領域８からチャネル層３０に向けて空乏層が伸びている。その空乏層は、第１半導体層２８と第２半導体層２６のヘテロ接合面にまで達している。ヘテロ接合面が空乏化すると、ヘテロ接合面の伝導体のエネルギー準位がフェルミ準位よりも上側に存在する。そのため、２次元電子ガス層が、ヘテロ接合面に存在することができない。ゲート電極２０に電圧が印加されていない状態では、半導体装置１００はオフしている。半導体装置１００は、ノーマリーオフの動作を行う。
【００２８】
ゲート電極２０に正の電圧を印加すると、ｐ型の埋込領域８からチャネル層３０に向けて伸びていた空乏層の幅が縮小する。２次元電子ガス層が、第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面に形成される。それにより、ソース電極１６から注入された電子が、２次元電子ガス層を走行できるようになる。電子は、第２低抵抗ｎ型領域２４から第１半導体層２８と第２半導体層２６の接合面を横方向に移動し、アパーチャ領域１８，高抵抗ｎ型領域６，第１低抵抗ｎ型領域４を縦方向に移動し、ドレイン電極２に至る。ドレイン電極２とソース電極が導通する。なお、半導体装置１００の動作中にアバランシェ降伏により高抵抗ｎ型領域６内に生じたホール（正孔）は、埋込領域８，ボディ電極１４を経由して半導体装置１００の外部に引き抜かれる。正孔濃度がおよそ３×１０１７ｃｍ−３の場合、埋込領域８内のホールの移動度は、およそ１０ｃｍ２／ｖｓである。これは、アルミニウムがドーピングされていない窒化ガリウム内のホールの移動度とほぼ同じ結果である。
【００２９】
図２〜図６を参照し、半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、図２に示すように、ｎ型の高抵抗ｎ型領域６をｎ型の半導体基板（第１低抵抗ｎ型領域）４の表面に気相成長させ、さらに、ｐ型の半導体層８を高抵抗ｎ型領域６の表面に気相成長させる。半導体層８は、最終的に図１の埋込領域８になる。よって、以下の説明では、埋込領域８として説明する。埋込領域８は、アルミニウムとマグネシウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で気相成長させる。埋込領域８の表面は、ｃ面（（０００１）面）である。埋込領域８を結晶成長するときは、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度が１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３となるように、ドーパントガスの濃度を調整する。なお、高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を気相成長させる工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから原料ガスを供給する。また、以下の説明では、第１低抵抗ｎ型領域４と高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を併せて、半導体下地層１０と称する。その後、開口４０ａを有するマスク４０を、埋込領域８の表面に形成する。
【００３０】
次に、図３に示すように、開口４０ａに対応する部分のｐ型の埋込領域８を表面からエッチングし、埋込領域８を貫通して高抵抗ｎ型領域６内に至るトレンチ４２を形成する。これにより、半導体下地層１０の表層部１２にトレンチ４２が形成される。半導体下地層１０が第１低抵抗ｎ型領域４と高抵抗ｎ型領域６と埋込領域８を有する場合、埋込領域８が、請求項に記載の部分領域に相当する。埋込領域８の側壁８ａには、不純物であるアルミニウムが１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３含まれている。埋込領域８の側壁８ａは、ａ面（（００−２０）面）、ｍ面（（１−１００）面）又はそれらの面に近い結晶面である。すなわち、埋込領域８の側壁８ａは、ｃ面以外の面である。次に、図４に示すように、ｎ型の第１半導体層２８を、半導体下地層１０のトレンチ４２（図３も参照）内、及び、半導体下地層１０の表面に気相成長させる（気相成長工程）。第１半導体層２８は、高抵抗ｎ型領域６の露出した表面６ａと８ａからも気相成長する。第１半導体層２８は、請求項に記載の半導体成長層に相当する。この気相成長工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから、原料ガスの供給を行う。なお、第１半導体層２８のうち、埋込領域８の間に位置する部分がアパーチャ領域１８（図１を参照）である。また、第１半導体層２８を成長する温度は、１１００℃以下であることが好ましい。後述するように、第１半導体層２８の成長温度を高くすることにより、第１半導体層２８に取り込まれる酸素の量を抑制することができる。しかしながら、成長温度を高くしすぎる（１１００℃よりも高くする）と、結晶の分解が生じ始めることがある。それにより、半導体装置１００の品質が低下することがある。
【００３１】
次に、図５に示すように、ｎ型の第２半導体層２８を、第１半導体層２８の表面に気相成長させる。それにより、ヘテロ接合を有するチャネル層３０が形成される。その後、開口４４ａを有するマスク４４を、第２半導体層２６の表面に形成する。その後、マスク４４の開口４４ａに対応する第２半導体層２６に向けて、シリコンをイオン注入する。イオン注入は、シリコンの注入範囲２４が、第１半導体層２８と第２半導体層２６のヘテロ接合面に達するように実施する。マスク４４を除去した後、図６に示すように、開口４６ａを有するマスク４６を、第２半導体層２６の表面に形成する。マスク４６の幅は、マスク４４の幅よりも広い（図５も参照）。その後、マスク４６の開口４６ａに対応する第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングする。それにより、第２低抵抗ｎ型領域２４が形成され、埋込領域８の表面の一部が露出する。なお、第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングして埋込領域８の表面の一部を露出させ、次いで、第２半導体層２６に向けてシリコンをイオン注入してもよい。
【００３２】
その後、ソース電極１６を第２低抵抗ｎ型領域２４の表面に形成し、ボディ電極１４を露出している埋込領域８の表面に形成し、ドレイン電極２を第１低抵抗ｎ型領域４の裏面に形成し、ゲート電極２０をゲート絶縁膜２２を介して第２半導体層２６の表面に形成する。それにより、図１に示す半導体装置１００が完成する。なお、電極１６，１４，２，２０の形成方法は公知のため、説明を省略する。また、上記実施例では、高抵抗ｎ型領域６、埋込領域８及び第１半導体層２８の全ての気相成長において、雰囲気温度がおよそ９８０℃を超えてから原料ガスの供給を行った。しかしながら、高抵抗ｎ型領域６及び埋込領域８を気相成長させる工程では、雰囲気温度がおよそ９００℃を超えてから原料ガスの供給を行ってもよい。
【００３３】
ここで、埋込領域８にアルミニウムを１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３導入する理由を説明する。上記したように、半導体装置１００では、電流がアパーチャ領域１８を縦方向に移動する。そのため、アパーチャ領域１８の幅（隣接する埋込領域８の間隔）が狭くなると、電流が流れにくくなる。窒化物半導体を気相成長させる場合、気相成長が生じる温度（およそ９００℃）までは、アンモニア（ＮＨ３）ガス雰囲気下で半導体下地層１０を加熱する。それにより、窒素（Ｎ）が半導体下地層１０から抜けることを防止する。埋込領域８にアルミニウムが導入されていないと、半導体下地層１０を加熱する過程で、図３に示す埋込領域８の表面がマストランスポートをして、トレンチ４２内に移動することがある。そうすると、トレンチ４２の幅（隣接する埋込領域８の間隔）が設計値からずれ、アパーチャ領域１８の幅が設計値からずれることがある。最悪の場合、アパーチャ領域１８がｐ型化してしまい、オン抵抗が極めて高くなってしまう。本実施例では、埋込領域８にアルミニウムをドーピングすることにより、埋込領域８の表面がマストランスポートすることを抑制する。
【００３４】
なお、従来より、窒化ガリウムではなく、窒化アルミニウムガリウムであれば、マストランスポートを抑制できることが知られていた。そのため、マストランスポートを抑制するだけならば、埋込領域８を窒化アルミニウムガリウムで形成すれば足りる。しかしながら、埋込領域８の材料を窒化アルミニウムガリウムとすると、埋込領域８内の正孔の移動度及び正孔濃度が低下する。すなわち、埋込領域８の比抵抗が増大する。それにより、半導体装置１００の耐圧が低下する等の不具合が生じることがある。そのため、高耐圧を維持しながら、アパーチャ領域１８の幅を正確に制御することが困難であった。本実施例では、埋込領域８に含まれるアルミニウムの濃度を１×１０２１ｃｍ−３以下とする。それにより、埋込領域の比抵抗が増大することを抑制している。上記したように、アルミニウムのモル比が０．０１以下の窒化物半導体は、窒化アルミニウムガリウムとはみなされず、窒化ガリウムとみなされる。そのため、マストランスポートを抑制することができないと考えられていた。しかしながら、本実施例の半導体装置１００では、比抵抗の増大を抑制しながら、マストランスポートを抑制することができる。なお、アルミニウムのドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満であれば、もはやアルミニウムの効果が得られず、マストランスポートを抑制することができない。
【００３５】
次に、埋込領域８を９８０℃以上で気相成長させる理由を説明する。上記したように、埋込領域８の側壁８ａは、ａ面又はｍ面である。窒化物半導体をｃ面以外の面から気相成長させる場合、その成長は、横方向成長又はファセット成長により進行する。横方向成長又はファセット成長は、ｃ面成長と比較して、成長膜に酸素が取り込まれやすい。特に、低温（９００℃程度）で気相成長すると、成長膜に多くの酸素が取り込まれる。そのため、９００℃程度で原料ガスの導入を行うと、第１半導体層２８内に酸素が過剰に取り込まれる。第１半導体層２８内に酸素が過剰に取り込まれると、その酸素は、第１半導体層２８の材料である窒素と置換される。そして、その酸素は、第１半導体層２８のドナーとして機能する。すなわち、第１半導体層２８のｎ型不純物の濃度が増大する。アパーチャ領域１８の不純物濃度を所望する値に調整することが困難になる。半導体装置１００がオフしているときは、埋込領域８からアパーチャ領域１８に向けて空乏層が伸びる。アパーチャ領域１８の不純物濃度を所望する値に調整しないと、半導体装置１００の耐圧が低下したり、リーク電流が増加することがある。
【００３６】
しかしながら、本実施例のように、第１半導体層２８を９８０℃以上で気相成長させると、成長膜に取り込まれる酸素の量を低減することができる。具体的には、第１半導体層２８に取り込まれる酸素濃度を、３×１０１６ｃｍ−３以下に抑制することができる。酸素濃度が３×１０１６ｃｍ−３以下であれば、半導体装置１００の特性を所望するレベルに維持することができる。
【００３７】
なお、第１半導体層２８を９８０℃以上で成長させることができるのは、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされているからである。上記したように、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされていなければ、第１半導体層２８を成長させる工程でマストランスポートが起こる。マストランスポートは高温になる程顕著になるので、埋込領域８にアルミニウムがドーピングされていなければ、第１半導体層２８を９８０℃以上で成長させることができない。
【実施例２】
【００３８】
図７を参照し、半導体装置２００について説明する。半導体装置２００は半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。半導体装置２００は、２つの単位構造２００ａと２００ｂを有している。高抵抗ｎ型領域２０６の材料は窒化ガリウムである。高抵抗ｎ型領域２０６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。複数のｐ型の埋込領域２０８が、高抵抗ｎ型領域２０６の表面に間隔を有して設けられている。埋込領域２０８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域２０８の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。なお、埋込領域２０８には、アルミニウムがドーピングされていない。
【００３９】
複数のアパーチャ領域２１８が、高抵抗ｎ型領域２０６の表面に間隔を有して設けられている。アパーチャ領域２１８は、埋込領域２０８間に位置している。アパーチャ領域２１８の材料は窒化ガリウムである。アパーチャ領域２１８の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ３×１０１６ｃｍ−３である。アパーチャ領域２１８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。すなわち、半導体装置２００は、埋込領域２０８にアルミニウムがドーピングされておらず、アパーチャ領域２１８にアルミニウムがドーピングされている点、及び、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度が半導体装置１００と異なる。アパーチャ領域２１８に含まれるシリコンの濃度は、高抵抗ｎ型領域２０６に含まれるシリコンの濃度よりも濃い。半導体装置２００では、アパーチャ領域２１８にアルミニウムがドーピングされている。そのため、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度を高抵抗ｎ型領域２０６にドーピングするシリコンの濃度と等しくすると、アパーチャ領域２１８の抵抗が高くなる。アパーチャ領域２１８の抵抗を低くするために、アパーチャ領域２１８にドーピングするシリコンの濃度を増加させている。
【００４０】
図８〜図１３を参照し、半導体装置２００の製造方法について説明する。まず、図８に示すように、ｎ型の高抵抗ｎ型領域２０６をｎ型の第１低抵抗ｎ型領域４の表面に気相成長させ、さらに、ｎ型の半導体層２１８を高抵抗ｎ型領域２０６の表面に気相成長させる。半導体層２１８は、アルミニウムをドーパントガスとして含む雰囲気下で気相成長させる。半導体層２１８の表面はｃ面である。その後、半導体層２１８の表面に、開口６０ａを有するマスク６０を形成する。
【００４１】
次に、図９に示すように、ｎ型の半導体層２１８の表面からエッチングし、半導体層２１８の側壁２１８ａと高抵抗ｎ型領域２０６の表面２０６ａとで画定されるトレンチ２３２を形成する。これにより、図７に示すアパーチャ領域２１８が完成する。なお、半導体層２１８を確実に除去するために、トレンチ２３２は、半導体層２１８を貫通して高抵抗ｎ型領域２０６内に至ってもよい。アパーチャ領域２１８と高抵抗ｎ型領域２０６と第１低抵抗ｎ型領域４によって、トレンチ２３２を有する半導体下地層２１０が形成される。半導体層２１８の側壁２１８ａには、不純物であるアルミニウムが１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３含まれている。
【００４２】
次に、図１０に示すように、ｐ型の半導体層２０８を、半導体下地層２１０のトレンチ２３２（図９も参照）内、及び、半導体下地層２１０の表面に気相成長させる（気相成長工程）。本実施例ではｐ型の半導体層２０８が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。また、アパーチャ領域２１８が、請求項に記載の部分領域に相当する。気相成長工程では、雰囲気の温度がおよそ９８０℃以上になってから、原料ガスの供給を行う。次に、図１１に示すように、アパーチャ領域２１８の表面が露出するまで、半導体層２０８を表面からエッチングする。これにより、図７に示す埋込領域２０８が完成する。埋込み領域２０８は、トレンチ２３２内を充填している。
【００４３】
次に、図１２に示すように、ｎ型の第１半導体層２８を、アパーチャ領域２１８と埋込領域２０８の表面に気相成長させる。次いで、ｎ型の第２半導体層２６を、第１半導体層２８の表面に気相成長させる、それにより、ヘテロ接合を有するチャネル層３０が形成される。その後、開口６２ａを有するマスク６２を、第２半導体層２６の表面に形成する。その後、マスク６２の開口６２ａに対応する第２半導体層２６に向けて、シリコンをイオン注入する。マスク６２を除去した後、図１３に示すように、開口６４を有するマスク６４を、第２半導体層２６の表面に形成する。マスク６４の幅は、図１２に示すマスク６２の幅よりも広い。その後、マスク６４の開口６４ａに対応する第２半導体層２６と第１半導体層２８をイオンエッチングする。以下の製造工程は半導体装置１００と同じなので省略する。
【実施例３】
【００４４】
図１４を参照し、半導体装置３００について説明する。半導体装置３００は半導体装置２００の変形例であり、半導体装置２００と実質的に同じ構造については、同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。ここでは、半導体装置２００との相違点だけを説明する。半導体装置３００は、２つの単位構造３００ａと３００ｂを有している。半導体装置３００では、埋込領域３０８と、高抵抗ｎ型領域２０６及びアパーチャ領域２１８との間に、ｎ型の第３半導体層３７０が介在している。第３半導体層３７０の材料は窒化ガリウムである。第３半導体層３７０の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３である。第３半導体層３７０は、埋込領域３０８が高抵抗ｎ型領域２０６の表面に直接接触することを防止するために設けられている。
【００４５】
図１５〜図１７を参照し、半導体装置３００の製造方法及び、第３半導体層３７０を形成する効果について説明する。まず、半導体装置２００と同様に、図８〜図９までの工程を実施する。図８〜図９までの工程については説明を省略する。半導体下地層２１０を形成した後に、図１５に示すように、ｎ型の第３半導体層３７０を、半導体下地層２１０の表面の全面に気相成長させる。第３半導体層３７０の気相成長は、９８０℃以上の温度で行う。第３半導体層３７０の厚みはおよそ０．５μｍである。第３半導体層３７０を成長させても、第３半導体層３７０がトレンチ２３２内を完全に充填することはない。そのため、アパーチャ領域２１８の側壁２１８ａから成長した部分第３半導体層３７０ｂと、高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａから成長した部分第３半導体層３７０ａとで画定されるトレンチ３３２が形成される。なお、第３半導体層３７０を９８０℃以上で気相成長させるので、過剰な酸素が第３半導体層３７０に取り込まれことを防止できる。
【００４６】
次に、図１６に示すように、ｐ型の埋込領域３０８を、トレンチ３３２内及び第３半導体層３７０の表面３７０ｃ上に気相成長させる。本実施例では、ｐ型の埋込領域３０８が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。次に、図１７に示すように、アパーチャ領域２１８の表面が露出するまで、埋込領域３０８をエッチングする。その後の工程は、半導体装置２００の製造方法の図１２以降の工程に等しいので、説明を省略する。
【００４７】
上記したように、第３半導体層３７０を設けることにより、図９に示す高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａが被覆される。図８と図９に示すように、露出面２０６ａは、半導体層２１８をエッチングすることによって露出する。そのため、露出面２０６ａには、エッチングによる欠陥が形成される。露出面２０６ａ上に直接ｐ型の埋込領域３０８を形成すると、埋込領域３０８に含まれる不純物（マグネシウム）が、その欠陥を通じて、高抵抗ｎ型領域２０６に移動しやすくなる。第３半導体層３７０で露出面２０６ａを被覆すると、埋込領域３０８から高抵抗ｎ型領域２０６に不純物が移動することを抑制することができる。
【００４８】
なお、第３半導体層３７０は、不純物としてアルミニウムが含まれていてもよい。第３半導体層３７０がマストランスポートすることを抑制することができる。なお、上記したように、第３半導体３７０を形成する目的は、埋込領域３０８が高抵抗ｎ型領域２０６の露出面２０６ａに直接接触することを防止することである。また、上記したように、第３半導体層３７０の厚みは非常に薄い。そのため、第３半導体層３７０がマストランスポートしたとしても、アパーチャ領域２１８がマストランスポートしなければ、半導体装置３００の特性のほとんど影響を及ぼさない。そのため、必ずしも、第３半導体層３７０にアルミニウムをドーピングする必要はない。
【実施例４】
【００４９】
図１８は、半導体装置４００の要部断面図を示す。半導体装置４００は横型の半導体装置である。半導体装置４００について裏面から順に説明する。なお、半導体装置１００，２，３００と実質的に同じ構造については、下二桁が同じ符号を付すことにより説明を省略する。サファイア基板４７１の表面にバッファ層４７２が設けられており、バッファ層４７２の表面にｎ型の半導体層４７４，４７６が設けられている。半導体層４７４，４７６の材料は窒化ガリウムである。半導体層４７４，４７６の不純物としてシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１４ｃｍ−３である。そのため、半導体層４７４，４７６を、一つの半導体層４７５とみなすこともできる。ｉ型の第２半導体層４２６が、半導体層４７６の表面に設けられている。第２半導体層４２６の材料は窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）である。第２半導体層４２６にはマグネシウム等の不純物が導入されていない。
【００５０】
ｐ型の埋込領域４０８が、半導体層４７５の内部に埋設されている。埋込領域４０８の材料は窒化ガリウムである。埋込領域４０８の不純物としてマグネシウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１９ｃｍ−３である。埋込領域４０８にはさらに、不純物としてアルミニウムが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０２０ｃｍ−３である。半導体層４７６と第２半導体層４２６によって、ヘテロ接合が形成されている。半導体層４７６のうち、埋込領域４０８上に位置する第１半導体層４２８と第２半導体層４２６によって、チャネル層４３０が形成される。ｎ＋型の第２低抵抗ｎ型領域４２４とｎ＋型の第１低抵抗ｎ型領域４０４が、第２半導体層４２６内に間隔を有して設けられている。第２低抵抗ｎ型領域４２４にソース電極４１６が電気的に接続しており、第１低抵抗ｎ型領域４０４にドレイン電極４０２が電気的に接続している。
【００５１】
ソース電極４１６とドレイン電極４０２の間に、ゲート電極４２０が設けられている。ゲート電極４２０は、ゲート絶縁膜４２２を介して第２半導体層４２６に対向している。半導体装置４００を平面視すると、ゲート電極４２０は、埋込領域４０８に対向している。半導体装置４００では、電流が、第１低抵抗ｎ型領域４０４と第２低抵抗ｎ型領域４２４の間を横方向に流れる。
【００５２】
図１９〜図２２を参照し、半導体装置４００の製造方法について説明する。まず、図１９に示すように、サファイア基板４７１の表面にバッファ層４７２を形成し、バッファ層４７２の表面にｎ型の半導体層４７４を形成する。次いで、不純物としてマグネシウムとアルミニウムを含む半導体層４０８を、半導体層４７４の表面に気相成長させる。半導体層４０８は、最終的に図１８に示す埋込領域４０８になる。その後、開口４８０ａを有するマスク４８０を、埋込領域４０８の表面に形成する。
【００５３】
次に、図２０に示すように、開口４８０ａに露出している埋込領域４０８を、表面からドライエッチングして半導体層４７４の表面の一部を露出させる。エッチング後の埋込領域４０８と半導体層４７４は、半導体下地層４１０に相当する。埋込領域４０８の側壁４０８ａと半導体層４７４の露出面４７４ａにより、トレンチ４３２が形成される。埋込領域４０８の側壁４０８ａには、アルミニウムがドーピングされている。マスク４８０を除去した後に、図２１に示すように、トレンチ４３２の内部と埋込領域４０８の表面に、半導体層４７６を気相成長させる（気相成長工程）。半導体層４７６の不純物濃度は、半導体層４７４と等しい。半導体層４７６のうち、埋込領域４０８上に位置する部分が第１半導体層４２８である。本実施例では、ｎ型の半導体層４７６が、請求項に記載の半導体成長層に相当する。また、半導体下地層４１０のうちのｐ型の埋込領域４０８が、請求項に記載の部分領域に相当する。
【００５４】
次に、図２２に示すように、半導体層４７６の表面に第２半導体層４２６を気相成長させる。これにより、チャネル層４３０が形成される。次に、開口４８２ａを有するマスク４８２を形成し、開口４８２ａに向けてシリコンをイオン注入することにより、第２低抵抗ｎ型領域４２４及び第１低抵抗ｎ型領域４０４を形成する。その後、ソース電極とドレイン電極を形成することにより、図１８に示す半導体装置４００が完成する。
【００５５】
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、出願時の請求項に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の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。
【符号の説明】
【００５６】
８，２１８、４０８：部分領域
１０，２１０，４１０：半導体下地層
２８，２０８，３０８，４７６：半導体成長層
３０，４３０：チャネル層
４２，２３２，３３２，４３２：トレンチ
１００，２００，３００，４００：半導体装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置の製造方法であって、
表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層の前記トレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えており、
前記トレンチに露出する前記半導体下地層の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である製造方法。
【請求項２】
前記半導体下地層は、表層部に前記半導体成長層とは異なる導電型の部分領域を有しており、
前記トレンチは、前記部分領域を貫通しており、
前記トレンチに露出する前記部分領域の表面が、前記Alドープ窒化物である請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記気相成長工程に先立って、
アルミニウムをドーパンドガスとして含む雰囲気下で、前記部分領域を気相成長させる工程と、
前記部分領域の表面からエッチングし、前記部分領域を貫通する前記トレンチを形成する工程と、をさらに備えている請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記気相成長工程の成長温度が、前記半導体下地層から前記半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記気相成長工程の成長温度が、９８０℃以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記半導体装置は、
前記半導体下地層上に設けられており、電流が横方向に流れる窒化物のチャネル層を備えており、
前記半導体下地層は、前記チャネル層と接する面がｃ面であり、前記半導体成長層の側面と接する面がａ又はｍ面である請求項４又は５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記半導体装置は、
前記チャネル層に電気的に接続する表面電極と、
前記半導体下地層の裏面に電気的に接続する裏面電極と、をさらに備えており、
前記表面電極と前記裏面電極の間を流れる電流が、前記チャネル層と前記半導体成長層を介して流れる請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層は、ヘテロ接合を有する請求項６又は７に記載の製造方法。
【請求項９】
半導体装置であって、
表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層と、
前記トレンチ内に充填されている窒化物の半導体成長層と、を備えており、
前記半導体下地層と前記半導体成長層の界面のうちの前記半導体下地層側の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である半導体装置。
【請求項１】
半導体装置の製造方法であって、
表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層の前記トレンチ内に、窒化物の半導体成長層を気相成長させる気相成長工程を備えており、
前記トレンチに露出する前記半導体下地層の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である製造方法。
【請求項２】
前記半導体下地層は、表層部に前記半導体成長層とは異なる導電型の部分領域を有しており、
前記トレンチは、前記部分領域を貫通しており、
前記トレンチに露出する前記部分領域の表面が、前記Alドープ窒化物である請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記気相成長工程に先立って、
アルミニウムをドーパンドガスとして含む雰囲気下で、前記部分領域を気相成長させる工程と、
前記部分領域の表面からエッチングし、前記部分領域を貫通する前記トレンチを形成する工程と、をさらに備えている請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記気相成長工程の成長温度が、前記半導体下地層から前記半導体成長層内に取り込まれる酸素濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下となるように設定されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記気相成長工程の成長温度が、９８０℃以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記半導体装置は、
前記半導体下地層上に設けられており、電流が横方向に流れる窒化物のチャネル層を備えており、
前記半導体下地層は、前記チャネル層と接する面がｃ面であり、前記半導体成長層の側面と接する面がａ又はｍ面である請求項４又は５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記半導体装置は、
前記チャネル層に電気的に接続する表面電極と、
前記半導体下地層の裏面に電気的に接続する裏面電極と、をさらに備えており、
前記表面電極と前記裏面電極の間を流れる電流が、前記チャネル層と前記半導体成長層を介して流れる請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記チャネル層は、ヘテロ接合を有する請求項６又は７に記載の製造方法。
【請求項９】
半導体装置であって、
表層部にトレンチが形成されている窒化物の半導体下地層と、
前記トレンチ内に充填されている窒化物の半導体成長層と、を備えており、
前記半導体下地層と前記半導体成長層の界面のうちの前記半導体下地層側の表面の少なくとも一部が、InxAlyGa(1-x-y)N (0≦x≦1，0.00001≦y≦0.01，0＜1-x-y≦1)で示されるAlドープ窒化物である半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−１４６４４１（Ｐ２０１１−１４６４４１Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４３５４（Ｐ２０１０−４３５４）
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１２日（２０１０．１．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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