窒化物半導体装置
【課題】ｐ型の窒化物半導体層からのマグネシウムの拡散を防止するとともに良好なノーマリオフ特性を確保することができる窒化物半導体装置を提供する。
【解決手段】窒化物半導体装置１００は、ｎチャネル型の縦型のＨＥＭＴである。窒化物半導体装置１００は、ｎ型の第３窒化物半導体層４の表面の一部にマグネシウムが含有されているｐ型の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂを備えている。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲には、イオン注入されたアルミニウムが含有されているＡｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されている。Ａｌ含有領域８ａ、８ｂはマグネシウムの拡散を防止する。また、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂの表裏両面に二次元電子ガス層が発生することが抑制され、リーク電流が流れることが抑制される。
【解決手段】窒化物半導体装置１００は、ｎチャネル型の縦型のＨＥＭＴである。窒化物半導体装置１００は、ｎ型の第３窒化物半導体層４の表面の一部にマグネシウムが含有されているｐ型の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂを備えている。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲には、イオン注入されたアルミニウムが含有されているＡｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されている。Ａｌ含有領域８ａ、８ｂはマグネシウムの拡散を防止する。また、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂの表裏両面に二次元電子ガス層が発生することが抑制され、リーク電流が流れることが抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｎチャネル型の窒化物半導体装置の開発が進められている。ｎチャネル型の窒化物半導体装置は、電流規制層としてｐ型の窒化物半導体層を備えている。ｐ型の窒化物半導体層は、通常、ｐ型の不純物としてＭｇ（マグネシウム）を含有している。この、窒化物半導体装置では、ｐ型の窒化物半導体層に含有されているＭｇがそのｐ型窒化物半導体層と隣接する他の領域まで拡散することがある。Ｍｇが他の領域まで拡散すると、窒化物半導体装置のデバイス特性が低下する。
【０００３】
特許文献１には、ｎチャネル型の窒化物半導体装置において、ｐ型の窒化物半導体層からＭｇが拡散することを防止する技術が開示されている。この技術では、Ｍｇを含有するｐ型の窒化物半導体層の表面に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的成膜法）を用いて単結晶ＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜を成長させる。ＭｇはＡｌＮ膜内を通過し難い。このため、ＡｌＮ膜がＭｇの拡散防止膜となり、Ｍｇが隣接する領域まで拡散することが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、ｐ型の窒化物半導体層上にＡｌＮを積層するため、ＡｌＮ上にｎ型の窒化物半導体層が形成される。このため、ＡｌＮとｎ型の窒化物半導体層がヘテロ接合し、この接合部に二次元電子ガス層（以下、２ＤＥＧと称する）が形成され、半導体装置の特性を低下させる。例えば、III族窒化物半導体装置として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）が知られている。ＨＥＭＴでは、バンドギャップの異なる二つの窒化物半導体層をヘテロ接合することによって、ヘテロ接合界面に２ＤＥＧを形成する。この２ＤＥＧを利用して電子を走行させることによって、電子の移動度を高めることができ、高速動作を実現することができる。
【０００６】
ＨＥＭＴにおいては、ｐ型の窒化物半導体層上に、ｎ型の第１窒化物半導体層と、この第１窒化物半導体層上にヘテロ接合する第２窒化物半導体層とが形成されることがあり、第１窒化物半導体層としてＧａＮ（窒化ガリウム）とＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）が用いられることがある。このＨＥＭＴに、上記の特許文献１の技術を用いると、ｐ型の窒化物半導体層上に、ＡｌＮとＧａＮとＡｌＧａＮが積層されることとなる。ＡｌＮとＧａＮのバンドギャップの差は大きく、ＧａＮとＡｌＧａＮの間だけでなく、ＡｌＮとＧａＮもヘテロ接合する。このため、ＡｌＮとＧａＮの間にも２ＤＥＧが形成されることがある。この場合、窒化物半導体装置をターンオフしても、ＧａＮの表裏両面に形成されている２ＤＥＧが完全に消滅せず、その２ＤＥＧ内をリーク電流が流れることがある。このため、良好なノーマリオフ特性を確保することが出来ない。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みて創作されたものである。本発明は、ｐ型の窒化物半導体層からのマグネシウムの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができるIII族窒化物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ｎチャネル型の窒化物半導体装置に関する。この窒化物半導体装置は、マグネシウムを含有するｐ型の第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の表面に形成されているｎ型又はｉ型の第２窒化物半導体層を備えている。第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲には、アルミニウムが含有されている。アルミニウムは、例えば、イオン注入法などによって含有されている。アルミニウムは少なくとも第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲に含有されていればよく、第１窒化物半導体層の裏面にまで達していてもよい。
【０００９】
上記の窒化物半導体装置では、第１窒化物半導体層内のアルミニウムが含有されている領域（以下、Ａｌ含有領域と称する）の結晶構造の均一性が低下している。このため、Ａｌ含有領域の格子定数は小さくなっており、Ｍｇが通過し難い。その結果、Ａｌ含有領域はＭｇの拡散防止膜として機能する。さらに、Ａｌ含有領域の近傍では電子がＡｌの散乱によって影響を受けるため、電子の移動度が低下する。このため、Ａｌ含有領域と第２窒化物半導体層の間には２ＤＥＧが発生し難い。上記の窒化物半導体装置では、ｐ型の窒化物半導体層からのＭｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００１０】
本発明の窒化物半導体装置では、窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているアルミニウムの不純物濃度が窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているマグネシウムの不純物濃度よりも高いことが好ましい。この場合、アルミニウムの不純物濃度を高めることでＡｌ含有領域の格子定数がより小さくなる。これによって、Ａｌ含有領域内をＭｇがより通過し難くなる。このため、Ｍｇの拡散防止効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の窒化物半導体装置によると、ｐ型の窒化物半導体層からのマグネシウムの拡散を防止することができる。さらに、良好な半導体装置特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係るIII族窒化物半導体装置１００の断面図を示す。
【図２】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（１）を示す。
【図３】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（２）を示す。
【図４】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（３）を示す。
【図５】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（４）を示す。
【図６】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（５）を示す。
【図７】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（６）を示す。
【図８】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（７）を示す。
【図９】実施例２に係るIII族窒化物半導体装置２００の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（形態１）第２窒化物半導体層上に第４窒化物半導体層が積層されている。第２窒化物半導体層は、ｎ型のＧａＮである。第４窒化物半導体層は、一般式がAlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）である。この形態によると、第２窒化物半導体層と第４窒化物半導体層の間にヘテロ接合界面を形成することができる。
（形態２）第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲の一部にＡｌ含有領域が形成されている。この形態によると、Ｍｇが第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層へ拡散することを防止することができる。
（形態３）Ａｌ含有領域の深さが第１窒化物半導体層の裏面まで達していない。この形態によると、III族窒化物半導体装置の耐圧の低下を防止することができる。
【実施例１】
【００１４】
図１に、実施例１に係る窒化物半導体装置１００の断面図を示す。半導体装置１００は、ＨＥＭＴ構造を有するｎチャネル型の縦型の半導体装置である。即ち、裏面にドレイン電極２２が形成されており、表面に一対のソース電極１０ａ、１０ｂが形成されており、電流が縦方向に流れる。窒化物半導体装置１００は、窒化物半導体基板２を備えている。窒化物半導体基板２は、ｎ＋型のＧａＮで形成されている。窒化物半導体基板２の表面には、第３窒化物半導体層４が積層されている。第３窒化物半導体層４は、ｎ−型のＧａＮで形成されている。第３窒化物半導体層４の表面には、一対の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂが設けられている。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂは、Ｍｇを含有するｐ＋型のＧａＮで形成されている。第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲には、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されている。Ａｌ含有領域８ａ、８ｂには、Ａｌが含有されている。第３窒化物半導体層４の表面と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面には、第２窒化物半導体層１４が積層されている。第２窒化物半導体層１４は、ｎ−型のＧａＮで形成されている。また、第３窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層１４の不純物濃度は等しい。第２窒化物半導体層１４の表面には、第４窒化物半導体層１６が積層されている。第４窒化物半導体層１６は、ｎ−型のＡｌＧａＮで形成されている。第４窒化物半導体層１６は、第２窒化物半導体層１４よりもバンドギャップが大きい。第４窒化物半導体層１６は、第２窒化物半導体層１４に対してヘテロ接合している。
【００１５】
第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの各表面の一部には、一対のｎ＋型のソース領域１２ａ、１２ｂが設けられている。各ソース領域１２ａ、１２ｂは第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６に亘って形成されており、各ソース領域１２ａ、１２ｂの内部をヘテロ接合界面が通過している。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの端部には、第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面の一部に接しているとともにソース領域１２ａ、１２ｂに接している一対のソース電極１０ａ、１０ｂが設けられている。ソース電極１０ａ、１０ｂは、ソース領域１２ａ、１２ｂを介して第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６に導通している。第４窒化物半導体層１６の表面は、ゲート絶縁膜１８で被覆されている。ゲート絶縁膜１８の表面のうちの一対のソース電極１０ａ、１０ｂに挟まれている範囲には、ゲート電極２０が設けられている。
【００１６】
次に、窒化物半導体装置１００の動作を説明する。窒化物半導体装置１００は、ソース電極１０ａ、１０ｂとドレイン電極２２の間に電圧を印加して用いる。ゲート電極２０に正の電圧が印加されていなければ、第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６のヘテロ接合界面に２ＤＥＧが形成されない。また、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂと第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの間にも２ＤＥＧが形成されない。このため、窒化物半導体装置１００は、良好な半導体装置特性を確保することができる。ゲート電極１６に正の電圧を印加すると、一対のソース領域１４ａ、１４ｂの間に位置している第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６のヘテロ接合界面に２ＤＥＧが形成される。その結果、窒化物半導体装置１００はターンオンする。窒化物半導体装置１００は、２ＤＥＧを利用して電子を移動させる。電子の移動度が高く、高速動作を実現することができる。
【００１７】
次に、窒化物半導体装置１００の製造方法を説明する。まず、図２に示すように、ＧａＮを材料とするｎ＋型の窒化物半導体基板２の表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮを材料とするｎ−型の第３窒化物半導体層４を結晶成長する。窒化物半導体基板２の不純物濃度は３×１０１８ｃｍ−３であり、導入する不純物はＳｉであり、厚みは２００μｍである。第３窒化物半導体層４に導入する不純物はＳｉであり、成長する厚みは６μｍである。次に、図３に示すように、第３窒化物半導体層４の表面のうちの第１窒化物半導体層６ａ、６ｂを形成しない範囲に第１シリコン酸化膜２４を形成する。次に、図４に示すように、第１シリコン酸化膜２４をマスクとして表面からマグネシウムイオン２６を注入する。注入するマグネシウムイオンの不純物濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、注入深さは０．５μｍである。これによって、第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲のうちの第１シリコン酸化膜２４で覆われていない範囲にｐ＋型の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂが形成される。
【００１８】
次に、第１シリコン酸化膜２４を除去した後、図５に示すように、第３窒化物半導体層４の表面のうちのＡｌ含有領域８ａ、８ｂを形成しない範囲に第２シリコン酸化膜３０を形成する。次に、第２シリコン酸化膜３０をマスクとして表面からアルミニウムイオンを注入する。注入するアルミニウムイオンの不純物濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。このとき、アルミニウムイオンの注入深さが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの裏面に達しないよう注入条件を調整する。これによって、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂが形成される。次に、Ｎ２とＮＨ３の混合ガス雰囲気下、１１００℃でアニール処理を行う。次に、図６に示すように、第３窒化物半導体層４と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−型の第２窒化物半導体層１４を１００ｎｍ形成する。第２窒化物半導体層１４の材料及び不純物濃度は第３窒化物半導体層４と等しい。次に、図７に示すように、第２窒化物半導体層１４の表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを材料とするｎ−型の第４窒化物半導体層１６を形成する。第４窒化物半導体層１６の不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３であり、成長する厚みは２５ｎｍである。
【００１９】
次に、第４窒化物半導体層１６の表面に第３シリコン酸化膜（図示しない）を形成する。次に、第３シリコン酸化膜の一部を除去して、ソース領域１２ａ、１２ｂを形成する範囲の第４窒化物半導体層１６を露出させる。次に、露出している第４窒化物半導体層１６の表面に、イオン注入装置を用いてＮとＳｉを連続して注入する。Ｎの注入量は１×１０１６ｃｍ−３であり、注入するときの加速電圧は３５ｋｅＶである。Ｓｉの注入量は１×１０１５ｃｍ−２であり、注入するときの加速電圧は６５ｋｅＶである。次に、第３シリコン酸化膜を除去した後、図８に示すように、第４シリコン酸化膜３１を表面の全面に形成し、アニール処理する。アニール温度は１３００℃、アニール時間は５分である。これによって、ＮとＳｉを注入した領域にｎ＋型のソース領域１２ａ、１２ｂが形成される。
【００２０】
次に、ソース領域１２ａ、１２ｂの外側に位置する第４窒化物半導体層１６の表面を覆っている第４シリコン酸化膜３１を除去する。次に、露出している第４窒化物半導体層１６の表面から第２窒化物半導体層１４を貫通して第１窒化物半導体層６ａ、６ｂに達するまでドライエッチングする。次に、残っている第４シリコン酸化膜３１を全て除去する。次に、表面の全面にＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜１８としてＨＴＯ（High-Temperature-Oxide）を５０ｎｍ形成する。次に、第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に形成されているゲート絶縁膜１８をエッチングして除去する。次に、露出している第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面にＮｉを成膜する。次に、ソース領域１２ａ、１２ｂの表面に形成されているゲート絶縁膜１８の一部をエッチングして除去する。次に、露出しているソース領域１２ａ、１２ｂの表面と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂ上に成膜したＮｉの表面にＴｉ／Ａｌを各々１０ｎｍ／１００ｎｍの厚みで蒸着し、一対のソース電極１２ａ、１２ｂを形成する。同様に、窒化物半導体基板２の裏面にＴｉ／Ａｌを各々１０ｎｍ／１００ｎｍの厚みで蒸着し、ドレイン電極２２を形成する。次に、ゲート絶縁膜１８の表面であって一対のソース領域１２ａ、１２ｂの間に位置している第４窒化物半導体層１６に対向する範囲に、Ｎｉを材料としてゲート電極２０を形成する。これによって、窒化物半導体装置１００が完成する。
【００２１】
窒化物半導体装置１００では、Ｍｇが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層１４へ拡散することがある。窒化物半導体装置１００では、第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部にもＡｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されているため、Ｍｇが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層１４へ拡散することが防止される。なお、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂは第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部にのみ形成されているため、第３窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層１４の間を縦方向に流れる電流経路を確保することができる。このため、窒化物半導体装置１００をオンすることができる。
【実施例２】
【００２２】
図９に、実施例２に係る窒化物半導体装置２００の断面図を示す。図９において、図１の参照符号に３０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一である。窒化物半導体装置２００では、Ａｌ含有領域３８ａ、３８ｂが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの裏面まで達している。この構造は、マグネシウムイオンを注入するときの注入条件を調整することによって実現することができる。窒化物半導体装置２００では、第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの側面に臨む範囲にもＡｌ含有領域３８ａ、３８ｂが設けられている。このため、Ｍｇが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの表面に臨む範囲の端部から拡散することが防止される。第３窒化物半導体層３４の表面に臨む範囲の一部に不純物含有領域３８ａ、３８ｂを形成しなくとも、Ｍｇが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂから第２窒化物半導体層４４へ拡散することを防止することができる。
【００２３】
実施例１、２の窒化物半導体装置では、Ａｌ含有領域の深さが第１窒化物半導体層の裏面まで達していないことが好ましい。Ａｌ含有領域が第１窒化物半導体層の裏面まで達していると、窒化物半導体装置の耐圧が低下するおそれがある。Ａｌ含有領域を第１窒化物半導体層の裏面まで達しないように形成することで、窒化物半導体装置の耐圧の低下を防止することができる。
【００２４】
実施例１、２では、縦型の窒化物半導体装置を記載したが、横型の窒化物半導体装置であってもよい。横型の窒化物半導体装置であっても、ｐ型の窒化物半導体層の表面に臨む範囲にＡｌ含有領域を設けることで、Ｍｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００２５】
実施例１、２では、ＨＥＭＴを記載したが、半導体レーザなど他の窒化物半導体装置であってもよい。この場合であっても、ｐ型の窒化物半導体層の表面に臨む範囲にＡｌ含有領域を設けることで、Ｍｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、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。
【符号の説明】
【００２７】
２、３２：窒化物半導体基板
４、３４：第３窒化物半導体層
６ａ、６ｂ、３６ａ、３６ｂ：第１窒化物半導体層
８ａ、８ｂ、３８ａ、３８ｂ：Ａｌ含有領域
１０ａ、１０ｂ、４０ａ、４０ｂ：ソース電極
１２ａ、１２ｂ、４２ａ、４２ｂ：ソース領域
１４、４４：第２窒化物半導体層
１６、４６：第４窒化物半導体層
１８、４８：ゲート絶縁膜
２０、５０：ゲート電極
２２、５２：ドレイン電極
１００、２００：窒化物半導体装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ｎチャネル型の窒化物半導体装置の開発が進められている。ｎチャネル型の窒化物半導体装置は、電流規制層としてｐ型の窒化物半導体層を備えている。ｐ型の窒化物半導体層は、通常、ｐ型の不純物としてＭｇ（マグネシウム）を含有している。この、窒化物半導体装置では、ｐ型の窒化物半導体層に含有されているＭｇがそのｐ型窒化物半導体層と隣接する他の領域まで拡散することがある。Ｍｇが他の領域まで拡散すると、窒化物半導体装置のデバイス特性が低下する。
【０００３】
特許文献１には、ｎチャネル型の窒化物半導体装置において、ｐ型の窒化物半導体層からＭｇが拡散することを防止する技術が開示されている。この技術では、Ｍｇを含有するｐ型の窒化物半導体層の表面に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学的成膜法）を用いて単結晶ＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜を成長させる。ＭｇはＡｌＮ膜内を通過し難い。このため、ＡｌＮ膜がＭｇの拡散防止膜となり、Ｍｇが隣接する領域まで拡散することが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術では、ｐ型の窒化物半導体層上にＡｌＮを積層するため、ＡｌＮ上にｎ型の窒化物半導体層が形成される。このため、ＡｌＮとｎ型の窒化物半導体層がヘテロ接合し、この接合部に二次元電子ガス層（以下、２ＤＥＧと称する）が形成され、半導体装置の特性を低下させる。例えば、III族窒化物半導体装置として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）が知られている。ＨＥＭＴでは、バンドギャップの異なる二つの窒化物半導体層をヘテロ接合することによって、ヘテロ接合界面に２ＤＥＧを形成する。この２ＤＥＧを利用して電子を走行させることによって、電子の移動度を高めることができ、高速動作を実現することができる。
【０００６】
ＨＥＭＴにおいては、ｐ型の窒化物半導体層上に、ｎ型の第１窒化物半導体層と、この第１窒化物半導体層上にヘテロ接合する第２窒化物半導体層とが形成されることがあり、第１窒化物半導体層としてＧａＮ（窒化ガリウム）とＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）が用いられることがある。このＨＥＭＴに、上記の特許文献１の技術を用いると、ｐ型の窒化物半導体層上に、ＡｌＮとＧａＮとＡｌＧａＮが積層されることとなる。ＡｌＮとＧａＮのバンドギャップの差は大きく、ＧａＮとＡｌＧａＮの間だけでなく、ＡｌＮとＧａＮもヘテロ接合する。このため、ＡｌＮとＧａＮの間にも２ＤＥＧが形成されることがある。この場合、窒化物半導体装置をターンオフしても、ＧａＮの表裏両面に形成されている２ＤＥＧが完全に消滅せず、その２ＤＥＧ内をリーク電流が流れることがある。このため、良好なノーマリオフ特性を確保することが出来ない。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みて創作されたものである。本発明は、ｐ型の窒化物半導体層からのマグネシウムの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができるIII族窒化物半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ｎチャネル型の窒化物半導体装置に関する。この窒化物半導体装置は、マグネシウムを含有するｐ型の第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の表面に形成されているｎ型又はｉ型の第２窒化物半導体層を備えている。第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲には、アルミニウムが含有されている。アルミニウムは、例えば、イオン注入法などによって含有されている。アルミニウムは少なくとも第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲に含有されていればよく、第１窒化物半導体層の裏面にまで達していてもよい。
【０００９】
上記の窒化物半導体装置では、第１窒化物半導体層内のアルミニウムが含有されている領域（以下、Ａｌ含有領域と称する）の結晶構造の均一性が低下している。このため、Ａｌ含有領域の格子定数は小さくなっており、Ｍｇが通過し難い。その結果、Ａｌ含有領域はＭｇの拡散防止膜として機能する。さらに、Ａｌ含有領域の近傍では電子がＡｌの散乱によって影響を受けるため、電子の移動度が低下する。このため、Ａｌ含有領域と第２窒化物半導体層の間には２ＤＥＧが発生し難い。上記の窒化物半導体装置では、ｐ型の窒化物半導体層からのＭｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００１０】
本発明の窒化物半導体装置では、窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているアルミニウムの不純物濃度が窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているマグネシウムの不純物濃度よりも高いことが好ましい。この場合、アルミニウムの不純物濃度を高めることでＡｌ含有領域の格子定数がより小さくなる。これによって、Ａｌ含有領域内をＭｇがより通過し難くなる。このため、Ｍｇの拡散防止効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の窒化物半導体装置によると、ｐ型の窒化物半導体層からのマグネシウムの拡散を防止することができる。さらに、良好な半導体装置特性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１に係るIII族窒化物半導体装置１００の断面図を示す。
【図２】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（１）を示す。
【図３】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（２）を示す。
【図４】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（３）を示す。
【図５】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（４）を示す。
【図６】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（５）を示す。
【図７】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（６）を示す。
【図８】III族窒化物半導体装置１００を製造する方法の工程（７）を示す。
【図９】実施例２に係るIII族窒化物半導体装置２００の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（形態１）第２窒化物半導体層上に第４窒化物半導体層が積層されている。第２窒化物半導体層は、ｎ型のＧａＮである。第４窒化物半導体層は、一般式がAlXGaYIn1-X-YN（ただし、０≦X≦１、０≦Y≦１、０≦1−X−Y≦１）である。この形態によると、第２窒化物半導体層と第４窒化物半導体層の間にヘテロ接合界面を形成することができる。
（形態２）第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲の一部にＡｌ含有領域が形成されている。この形態によると、Ｍｇが第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層へ拡散することを防止することができる。
（形態３）Ａｌ含有領域の深さが第１窒化物半導体層の裏面まで達していない。この形態によると、III族窒化物半導体装置の耐圧の低下を防止することができる。
【実施例１】
【００１４】
図１に、実施例１に係る窒化物半導体装置１００の断面図を示す。半導体装置１００は、ＨＥＭＴ構造を有するｎチャネル型の縦型の半導体装置である。即ち、裏面にドレイン電極２２が形成されており、表面に一対のソース電極１０ａ、１０ｂが形成されており、電流が縦方向に流れる。窒化物半導体装置１００は、窒化物半導体基板２を備えている。窒化物半導体基板２は、ｎ＋型のＧａＮで形成されている。窒化物半導体基板２の表面には、第３窒化物半導体層４が積層されている。第３窒化物半導体層４は、ｎ−型のＧａＮで形成されている。第３窒化物半導体層４の表面には、一対の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂが設けられている。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂは、Ｍｇを含有するｐ＋型のＧａＮで形成されている。第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲には、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されている。Ａｌ含有領域８ａ、８ｂには、Ａｌが含有されている。第３窒化物半導体層４の表面と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面には、第２窒化物半導体層１４が積層されている。第２窒化物半導体層１４は、ｎ−型のＧａＮで形成されている。また、第３窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層１４の不純物濃度は等しい。第２窒化物半導体層１４の表面には、第４窒化物半導体層１６が積層されている。第４窒化物半導体層１６は、ｎ−型のＡｌＧａＮで形成されている。第４窒化物半導体層１６は、第２窒化物半導体層１４よりもバンドギャップが大きい。第４窒化物半導体層１６は、第２窒化物半導体層１４に対してヘテロ接合している。
【００１５】
第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの各表面の一部には、一対のｎ＋型のソース領域１２ａ、１２ｂが設けられている。各ソース領域１２ａ、１２ｂは第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６に亘って形成されており、各ソース領域１２ａ、１２ｂの内部をヘテロ接合界面が通過している。第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの端部には、第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面の一部に接しているとともにソース領域１２ａ、１２ｂに接している一対のソース電極１０ａ、１０ｂが設けられている。ソース電極１０ａ、１０ｂは、ソース領域１２ａ、１２ｂを介して第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６に導通している。第４窒化物半導体層１６の表面は、ゲート絶縁膜１８で被覆されている。ゲート絶縁膜１８の表面のうちの一対のソース電極１０ａ、１０ｂに挟まれている範囲には、ゲート電極２０が設けられている。
【００１６】
次に、窒化物半導体装置１００の動作を説明する。窒化物半導体装置１００は、ソース電極１０ａ、１０ｂとドレイン電極２２の間に電圧を印加して用いる。ゲート電極２０に正の電圧が印加されていなければ、第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６のヘテロ接合界面に２ＤＥＧが形成されない。また、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂと第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの間にも２ＤＥＧが形成されない。このため、窒化物半導体装置１００は、良好な半導体装置特性を確保することができる。ゲート電極１６に正の電圧を印加すると、一対のソース領域１４ａ、１４ｂの間に位置している第２窒化物半導体層１４と第４窒化物半導体層１６のヘテロ接合界面に２ＤＥＧが形成される。その結果、窒化物半導体装置１００はターンオンする。窒化物半導体装置１００は、２ＤＥＧを利用して電子を移動させる。電子の移動度が高く、高速動作を実現することができる。
【００１７】
次に、窒化物半導体装置１００の製造方法を説明する。まず、図２に示すように、ＧａＮを材料とするｎ＋型の窒化物半導体基板２の表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮを材料とするｎ−型の第３窒化物半導体層４を結晶成長する。窒化物半導体基板２の不純物濃度は３×１０１８ｃｍ−３であり、導入する不純物はＳｉであり、厚みは２００μｍである。第３窒化物半導体層４に導入する不純物はＳｉであり、成長する厚みは６μｍである。次に、図３に示すように、第３窒化物半導体層４の表面のうちの第１窒化物半導体層６ａ、６ｂを形成しない範囲に第１シリコン酸化膜２４を形成する。次に、図４に示すように、第１シリコン酸化膜２４をマスクとして表面からマグネシウムイオン２６を注入する。注入するマグネシウムイオンの不純物濃度は１×１０１９ｃｍ−３であり、注入深さは０．５μｍである。これによって、第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲のうちの第１シリコン酸化膜２４で覆われていない範囲にｐ＋型の第１窒化物半導体層６ａ、６ｂが形成される。
【００１８】
次に、第１シリコン酸化膜２４を除去した後、図５に示すように、第３窒化物半導体層４の表面のうちのＡｌ含有領域８ａ、８ｂを形成しない範囲に第２シリコン酸化膜３０を形成する。次に、第２シリコン酸化膜３０をマスクとして表面からアルミニウムイオンを注入する。注入するアルミニウムイオンの不純物濃度は１×１０２０ｃｍ−３である。このとき、アルミニウムイオンの注入深さが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの裏面に達しないよう注入条件を調整する。これによって、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂが形成される。次に、Ｎ２とＮＨ３の混合ガス雰囲気下、１１００℃でアニール処理を行う。次に、図６に示すように、第３窒化物半導体層４と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてｎ−型の第２窒化物半導体層１４を１００ｎｍ形成する。第２窒化物半導体層１４の材料及び不純物濃度は第３窒化物半導体層４と等しい。次に、図７に示すように、第２窒化物半導体層１４の表面に、ＭＯＣＶＤ法を用いてＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎを材料とするｎ−型の第４窒化物半導体層１６を形成する。第４窒化物半導体層１６の不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３であり、成長する厚みは２５ｎｍである。
【００１９】
次に、第４窒化物半導体層１６の表面に第３シリコン酸化膜（図示しない）を形成する。次に、第３シリコン酸化膜の一部を除去して、ソース領域１２ａ、１２ｂを形成する範囲の第４窒化物半導体層１６を露出させる。次に、露出している第４窒化物半導体層１６の表面に、イオン注入装置を用いてＮとＳｉを連続して注入する。Ｎの注入量は１×１０１６ｃｍ−３であり、注入するときの加速電圧は３５ｋｅＶである。Ｓｉの注入量は１×１０１５ｃｍ−２であり、注入するときの加速電圧は６５ｋｅＶである。次に、第３シリコン酸化膜を除去した後、図８に示すように、第４シリコン酸化膜３１を表面の全面に形成し、アニール処理する。アニール温度は１３００℃、アニール時間は５分である。これによって、ＮとＳｉを注入した領域にｎ＋型のソース領域１２ａ、１２ｂが形成される。
【００２０】
次に、ソース領域１２ａ、１２ｂの外側に位置する第４窒化物半導体層１６の表面を覆っている第４シリコン酸化膜３１を除去する。次に、露出している第４窒化物半導体層１６の表面から第２窒化物半導体層１４を貫通して第１窒化物半導体層６ａ、６ｂに達するまでドライエッチングする。次に、残っている第４シリコン酸化膜３１を全て除去する。次に、表面の全面にＣＶＤ法を用いてゲート絶縁膜１８としてＨＴＯ（High-Temperature-Oxide）を５０ｎｍ形成する。次に、第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に形成されているゲート絶縁膜１８をエッチングして除去する。次に、露出している第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面にＮｉを成膜する。次に、ソース領域１２ａ、１２ｂの表面に形成されているゲート絶縁膜１８の一部をエッチングして除去する。次に、露出しているソース領域１２ａ、１２ｂの表面と第１窒化物半導体層６ａ、６ｂ上に成膜したＮｉの表面にＴｉ／Ａｌを各々１０ｎｍ／１００ｎｍの厚みで蒸着し、一対のソース電極１２ａ、１２ｂを形成する。同様に、窒化物半導体基板２の裏面にＴｉ／Ａｌを各々１０ｎｍ／１００ｎｍの厚みで蒸着し、ドレイン電極２２を形成する。次に、ゲート絶縁膜１８の表面であって一対のソース領域１２ａ、１２ｂの間に位置している第４窒化物半導体層１６に対向する範囲に、Ｎｉを材料としてゲート電極２０を形成する。これによって、窒化物半導体装置１００が完成する。
【００２１】
窒化物半導体装置１００では、Ｍｇが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層１４へ拡散することがある。窒化物半導体装置１００では、第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部にもＡｌ含有領域８ａ、８ｂが形成されているため、Ｍｇが第１窒化物半導体層６ａ、６ｂの表面に臨む範囲の端部から第２窒化物半導体層１４へ拡散することが防止される。なお、Ａｌ含有領域８ａ、８ｂは第３窒化物半導体層４の表面に臨む範囲の一部にのみ形成されているため、第３窒化物半導体層４と第２窒化物半導体層１４の間を縦方向に流れる電流経路を確保することができる。このため、窒化物半導体装置１００をオンすることができる。
【実施例２】
【００２２】
図９に、実施例２に係る窒化物半導体装置２００の断面図を示す。図９において、図１の参照符号に３０を加えた部材は、図１で説明した部材と同一である。窒化物半導体装置２００では、Ａｌ含有領域３８ａ、３８ｂが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの裏面まで達している。この構造は、マグネシウムイオンを注入するときの注入条件を調整することによって実現することができる。窒化物半導体装置２００では、第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの側面に臨む範囲にもＡｌ含有領域３８ａ、３８ｂが設けられている。このため、Ｍｇが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂの表面に臨む範囲の端部から拡散することが防止される。第３窒化物半導体層３４の表面に臨む範囲の一部に不純物含有領域３８ａ、３８ｂを形成しなくとも、Ｍｇが第１窒化物半導体層３６ａ、３６ｂから第２窒化物半導体層４４へ拡散することを防止することができる。
【００２３】
実施例１、２の窒化物半導体装置では、Ａｌ含有領域の深さが第１窒化物半導体層の裏面まで達していないことが好ましい。Ａｌ含有領域が第１窒化物半導体層の裏面まで達していると、窒化物半導体装置の耐圧が低下するおそれがある。Ａｌ含有領域を第１窒化物半導体層の裏面まで達しないように形成することで、窒化物半導体装置の耐圧の低下を防止することができる。
【００２４】
実施例１、２では、縦型の窒化物半導体装置を記載したが、横型の窒化物半導体装置であってもよい。横型の窒化物半導体装置であっても、ｐ型の窒化物半導体層の表面に臨む範囲にＡｌ含有領域を設けることで、Ｍｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００２５】
実施例１、２では、ＨＥＭＴを記載したが、半導体レーザなど他の窒化物半導体装置であってもよい。この場合であっても、ｐ型の窒化物半導体層の表面に臨む範囲にＡｌ含有領域を設けることで、Ｍｇの拡散を防止するとともに良好な半導体装置特性を確保することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、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。
【符号の説明】
【００２７】
２、３２：窒化物半導体基板
４、３４：第３窒化物半導体層
６ａ、６ｂ、３６ａ、３６ｂ：第１窒化物半導体層
８ａ、８ｂ、３８ａ、３８ｂ：Ａｌ含有領域
１０ａ、１０ｂ、４０ａ、４０ｂ：ソース電極
１２ａ、１２ｂ、４２ａ、４２ｂ：ソース領域
１４、４４：第２窒化物半導体層
１６、４６：第４窒化物半導体層
１８、４８：ゲート絶縁膜
２０、５０：ゲート電極
２２、５２：ドレイン電極
１００、２００：窒化物半導体装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムを含有するｐ型の第１窒化物半導体層と、その第１窒化物半導体層の表面に形成されているｎ型又はｉ型の第２窒化物半導体層を備えているｎチャネル型の窒化物半導体装置であり、
前記第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲にアルミニウムが含有されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているアルミニウムの不純物濃度が前記第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているマグネシウムの不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１の窒化物半導体装置。
【請求項１】
マグネシウムを含有するｐ型の第１窒化物半導体層と、その第１窒化物半導体層の表面に形成されているｎ型又はｉ型の第２窒化物半導体層を備えているｎチャネル型の窒化物半導体装置であり、
前記第１窒化物半導体層の少なくとも表面に臨む範囲にアルミニウムが含有されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
【請求項２】
前記第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているアルミニウムの不純物濃度が前記第１窒化物半導体層の表面に臨む範囲に含有されているマグネシウムの不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項１の窒化物半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２５１５０５（Ｐ２０１０−２５１５０５Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８９８５（Ｐ２００９−９８９８５）
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【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２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１５日（２００９．４．１５）
【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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