JP6065545B2

JP6065545B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6065545B2
Application number: JP2012259338A
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Inventors: 隆弘藤井; 正芳小嵜
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
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Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014107409A

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）としては、Ｐ型半導体層の上にＮ型半導体層を積層した窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。ＧａＮ系の半導体装置におけるＰ型半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になり、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタ（ドーパント、不純物）として含有する。ＧａＮ系の半導体装置におけるＮ型半導体層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主になり、ケイ素（Ｓｉ）をドナー（ドーパント、不純物）として含有する。

一般的に、ＧａＮ系の半導体装置は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって製造される。ＭＯＣＶＤでは、原料ガスを用いた結晶成長によって各半導体層が形成され、原料ガスには、各半導体層に応じたドーパントが混合される。ＧａＮ系の半導体層の形成に用いられる原料ガスには、ガリウム（Ｇａ）の元であるIII族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、窒素原子（Ｎ）の元であるＶ族原料としてアンモニア（ＮＨ₃）とを含有するものが知られている。このような原料ガスにおけるIII族原料に対するＶ族原料のモル比（Ｖ／III比）は、一般的に１５００程度である。

アンモニアを含有する原料ガスをＧａＮ系のＰ型半導体層の形成に用いる場合、アンモニアに由来する水素原子（Ｈ）がＰ型半導体層に残留することによって、Ｐ型半導体層におけるアクセプタであるＭｇの機能が抑制されてしまう。特許文献２には、水素原子が残留するＰ型半導体層におけるアクセプタを活性化させるために、Ｐ型半導体層に対して加熱処理（アニール処理）を行うことによって、Ｐ型半導体層から水素原子を離脱させることが記載されている。また、特許文献２には、Ｖ族原料としてアンモニアに代えてヒドラジン誘導体を含有する原料ガスを用いることや、Ｖ族原料としてアンモニアに加えヒドラジン誘導体を含有する原料ガスを用いることが記載されている。特許文献２における原料ガスのＶ／III比は、３６０〜３０００程度である。

特開２００８−１９２７０１号公報特開２００９−１６４５２号公報

特許文献１におけるＧａＮ系の半導体装置では、Ｐ型半導体層の上にＮ型半導体層が積層されているため、加熱処理（アニール処理）を行ったとしても、Ｐ型半導体層からの水素原子の離脱がＮ型半導体層によって阻害され、Ｐ型半導体層のアクセプタが十分に活性化しないという問題があった。また、ＧａＮ系の半導体装置に対して加熱処理（アニール処理）を行う場合、窒素原子（Ｎ）の離脱によって半導体層が劣化するという問題があった。特許文献２の製造方法では、ヒドラジン誘導体を含有する原料ガスを用いるため、炭素原子（Ｃ）がＰ型半導体層に取り込まれ、Ｐ型半導体層の電気的特性が劣化するという問題があった。

そのため、Ｐ型半導体層にＮ型半導体層を積層したＧａＮ系の半導体装置において電気的特性を向上させることが可能な技術が望まれていた。そのほか、半導体装置においては、微細化や、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。
本発明の一形態によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＰ型半導体層に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＮ型半導体層を積層した半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法が提供される。この製造方法は、前記Ｐ型半導体層の全域におけるマグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度に対する水素原子（Ｈ）の平均濃度の割合が３５％以下となるように、III族原料に対するＶ族原料のモル比が１００〜３５０である原料ガスであって、前記III族原料がトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）から成るとともに、前記Ｖ族原料がアンモニア（ＮＨ₃）から成り、水素（Ｈ _２）を含む原料ガスを用いた結晶成長によって、前記Ｐ型半導体層を形成し；前記Ｐ型半導体層を形成した後、アニール処理を行うことなく連続して前記Ｎ型半導体層を前記Ｐ型半導体層の上に形成する。

（１）本発明の一形態によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＰ型半導体層に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＮ型半導体層を積層した半導体装置を製造する、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、III族原料に対するＶ族原料のモル比が１００〜３５０である原料ガスであって、前記III族原料がトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）から成るとともに、前記Ｖ族原料がアンモニア（ＮＨ₃）から成る原料ガスを用いた結晶成長によって、前記Ｐ型半導体層を形成し；前記Ｐ型半導体層を形成した後、前記Ｎ型半導体層を前記Ｐ型半導体層の上に形成する。この形態における半導体装置の製造方法によれば、Ｐ型半導体層を形成する際にＰ型半導体層に残留する水素原子（Ｈ）が抑制されることによって、加熱処理（アニール処理）を行うことなく、Ｐ型半導体層におけるアクセプタを十分に機能させることができる。その結果、Ｐ型半導体層にＮ型半導体層を積層した窒化ガリウム（ＧａＮ）系の半導体装置において電気的特性を向上させることができる。

（２）上記形態における半導体装置の製造方法において、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る半導体層の上に、前記原料ガスを用いた前記結晶成長によって前記Ｐ型半導体層を形成してもよい。この形態における半導体装置の製造方法によれば、Ｐ型半導体層を構成する結晶の品質を十分に確保することができる。

（３）本発明の一形態によれば、上記形態における半導体装置の製造方法を用いて製造された半導体装置が提供される。この形態の半導体装置によれば、電気的特性を向上させることができる。

（４）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、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＰ型半導体層と；窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成り、前記Ｐ型半導体層に積層されたＮ型半導体層とを備え、前記Ｐ型半導体層の全域におけるマグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度に対する水素原子（Ｈ）の平均濃度の割合は、３５％以下である。この形態の半導体装置によれば、電気的特性を向上させることができる。

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、本願発明は、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。

半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置の製造方法を示す工程図である。原料ガスのＶ／III比とＰ型半導体層のＨ／Ｍｇ割合との関係を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、半導体装置１０の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置１０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１０は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。

半導体装置１０は、基板１１０と、第１のＮ型半導体層１２０と、Ｐ型半導体層１３０と、第２のＮ型半導体層１４０とを備える。半導体装置１０は、ＮＰＮ型の半導体装置であり、第１のＮ型半導体層１２０と、Ｐ型半導体層１３０と、第２のＮ型半導体層１４０とが順に接合した構造を有する。

半導体装置１０の基板１１０には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を利用した結晶成長によって、第１のＮ型半導体層１２０と、Ｐ型半導体層１３０と、第２のＮ型半導体層１４０とが順に積層した状態で形成されている。他の実施形態では、基板１１０と第１のＮ型半導体層１２０と間に真性半導体層（アンドープ半導体層）が形成されてもよいし、第１のＮ型半導体層１２０とＰ型半導体層１３０との間に真性半導体層が形成されてもよい。

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、基板１１０に対して第１のＮ型半導体層１２０が積層する積層方向に沿った軸である。Ｘ軸に沿ったＸ軸方向のうち、＋Ｘ軸方向は、基板１１０から第１のＮ型半導体層１２０に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、＋Ｘ軸方向に対向する方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸およびＺ軸は、Ｚ軸に直交すると共に相互に直交する軸である。Ｙ軸に沿ったＹ軸方向のうち、＋Ｙ軸方向は、図１の紙面左から紙面右に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、＋Ｙ軸方向に対向する方向である。Ｚ軸に沿ったＺ軸方向のうち、＋Ｚ軸方向は、図１の紙面奥から紙面手前に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、＋Ｚ軸方向に対向する方向である。

半導体装置１０の基板１１０は、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる板状をなす。本実施形態では、基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第１のＮ型半導体層１２０よりも高い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。本実施形態では、基板１１０の全域におけるＳｉの平均濃度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。基板１１０は、半導体装置１０の各半導体層を定着および支持可能に構成された部位であればよく、他の実施形態では、例えば、ケイ素（Ｓｉ）から主に成る部位であってもよい。

基板１１０は、界面１１１と、界面１１２とを有する。基板１１０の界面１１１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。基板１１０の界面１１２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１１１に背向する。界面１１２は、第１のＮ型半導体層１２０に隣接する。

基板１１０の厚さは、界面１１１と界面１１２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、３２０μｍ（マイクロメートル）である。他の実施形態では、基板１１０の厚さは、３００μｍ〜１ｍｍ（ミリメートル）の範囲から選択される他の値であってもよい。

本実施形態では、基板１１０の界面１１１には、ドレイン電極とも呼ばれる電極２１０が形成されている。本実施形態では、電極２１０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構造を有する電極である。他の実施形態では、電極２１０は、ＴｉおよびＡｌの他、白金（Ｐｔ）、Ｃｏ（コバルト）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等の導電性材料の少なくとも１つから成る電極であってもよい。

半導体装置１０における第１のＮ型半導体層１２０は、基板１１０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。第１のＮ型半導体層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第２のＮ型半導体層１４０よりも低い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。本実施形態では、第１のＮ型半導体層１２０の全域におけるＳｉの平均濃度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以下である。第１のＮ型半導体層１２０は、「ｎ^-−ＧａＮ」とも呼ばれる。

第１のＮ型半導体層１２０は、界面１２１と、界面１２２とを有する。第１のＮ型半導体層１２０における界面１２１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１２１は、基板１１０に隣接する。第１のＮ型半導体層１２０における界面１２２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１２１に背向する。界面１２２は、Ｐ型半導体層１３０に隣接する。

第１のＮ型半導体層１２０の厚さは、界面１２１と界面１２２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、１０μｍである。他の実施形態では、第１のＮ型半導体層１２０の厚さは、５〜１５μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。

半導体装置１０のＰ型半導体層１３０は、第１のＮ型半導体層１２０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。Ｐ型半導体層１３０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、マグネシウム（Ｍｇ）をアクセプタとして含有する。本実施形態では、Ｐ型半導体層１３０の全域におけるＭｇの平均濃度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下である。Ｐ型半導体層１３０は、「ｐ−ＧａＮ」とも呼ばれる。

Ｐ型半導体層１３０は、III族原料に対するＶ族原料のモル比（Ｖ／III比）が１００〜３５０である原料ガスを用いて形成される。Ｐ型半導体層１３０の形成に用いられる原料ガスに含まれるIII族原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ：Tri-Methyl-Gallium）から成る。Ｐ型半導体層１３０の形成に用いられる原料ガスに含まれるＶ族原料は、アンモニア（ＮＨ₃）から成る。このような原料ガスを用いて形成されたＰ型半導体層１３０では、Ｐ型半導体層１３０の全域におけるＨ／Ｍｇ割合は、Ｐ型半導体層としての電気的特性の実現に必要とされる３５％以下となる。Ｈ／Ｍｇ割合は、Ｐ型半導体層１３０におけるマグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度に対する水素原子（Ｈ）の平均濃度の比率である。

Ｐ型半導体層１３０は、界面１３１と、界面１３２とを有する。Ｐ型半導体層１３０の界面１３１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１３１は、第１のＮ型半導体層１２０に隣接する。Ｐ型半導体層１３０の界面１３２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１３１に背向する。界面１３２は、第２のＮ型半導体層１４０に隣接する。

Ｐ型半導体層１３０の厚さは、界面１３１と界面１３２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、１μｍである。他の実施形態では、Ｐ型半導体層１３０の厚さは、０．３〜２μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。

本実施形態では、Ｐ型半導体層１３０の界面１３２には、第２のＮ型半導体層１４０に加え、Ｐボディ電極とも呼ばれる電極２３０が形成されている。本実施形態では、電極２３０は、ニッケル（Ｎｉ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した構造を有する電極である。他の実施形態では、電極２３０は、ＮｉおよびＡｕの他、白金（Ｐｔ）、Ｃｏ（コバルト）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）などの導電性材料の少なくとも１つから成る電極であってもよい。

半導体装置１０における第２のＮ型半導体層１４０は、Ｐ型半導体層１３０に積層した状態で形成され、Ｙ軸およびＺ軸に沿って広がる層をなす。第２のＮ型半導体層１４０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成ると共に、第１のＮ型半導体層１２０よりも高い濃度でケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。本実施形態では、第２のＮ型半導体層１４０の全域におけるＳｉの平均濃度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上である。第２のＮ型半導体層１４０は、「ｎ⁺−ＧａＮ」とも呼ばれる。

第２のＮ型半導体層１４０は、界面１４１と、界面１４２とを有する。第２のＮ型半導体層１４０における界面１４１は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ−Ｘ軸方向を向いた面である。界面１４１は、Ｐ型半導体層１３０に隣接する。第２のＮ型半導体層１４０における界面１４２は、Ｙ軸およびＺ軸に平行かつ＋Ｘ軸方向を向いた面であり、界面１４１に背向する。

第２のＮ型半導体層１４０の厚さは、界面１４１と界面１４２との間におけるＸ軸方向に沿った距離であり、本実施形態では、０．２μｍである。他の実施形態では、第２のＮ型半導体層１４０の厚さは、０．１〜０．５μｍの範囲から選択される他の値であってもよい。

本実施形態では、第２のＮ型半導体層１４０の界面１４２には、ソース電極とも呼ばれる電極２４０が形成されている。本実施形態では、電極２４０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構造を有する電極である。他の実施形態では、電極２１０は、ＴｉおよびＡｌの他、白金（Ｐｔ）、Ｃｏ（コバルト）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などの導電性材料の少なくとも１つから成る電極であってもよい。

本実施形態では、第１のＮ型半導体層１２０とＰ型半導体層１３０との各表面にわたって絶縁膜３３０が形成され、第１のＮ型半導体層１２０とＰ型半導体層１３０と第２のＮ型半導体層１４０との各表面にわたって絶縁膜３４０が形成されている。本実施形態では、絶縁膜３３０，３４０は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）から成る層である。他の実施形態では、絶縁膜３３０，３４０は、アルミニウム（Ａl）のシリケート化合物から成る層であってもよいし、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）などの各酸化物、または、これらのシリケート化合物から成る層であってもよい。本実施形態では、絶縁膜３３０を形成する物質と、絶縁膜３４０を形成する物質とは、同じ物質であるが、他の実施形態では、相互に異なる物質であってもよい。

本実施形態では、ゲート電極とも呼ばれる電極２５０が、第１のＮ型半導体層１２０とＰ型半導体層１３０と第２のＮ型半導体層１４０との各表面にわたって、絶縁膜３４０を間に挟む状態で形成されている。本実施形態では、電極２５０は、ニッケル（Ｎｉ）から成る層に金（Ａｕ）から成る層を積層した構造を有する電極である。他の実施形態では、電極２５０は、ＮｉおよびＡｕの他、白金（Ｐｔ）、Ｃｏ（コバルト）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、ポリシリコンなどの導電性材料の少なくとも１つから成る電極であってもよい。

図２は、半導体装置１０の製造方法を示す工程図である。半導体装置１０を製造する際には、製造者は、まず、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を実現するＭＯＣＶＤ装置を用意し、ＭＯＣＶＤ装置の反応室に基板１１０を配置する（工程Ｐ１２２）。

反応室に基板１１０を配置した後（工程Ｐ１２２）、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、ケイ素（Ｓｉ）を混合した原料ガスを用いた結晶成長によって、基板１１０上に第１のＮ型半導体層１２０を形成する（工程Ｐ１２４）。本実施形態では、原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）と、アンモニア（ＮＨ₃）と、水素（Ｈ₂）とを含有するガスであり、ＭＯＣＶＤ装置の配管を通じて反応室に供給される。工程Ｐ１２４において、ＭＯＣＶＤ装置は、反応室に供給される前の原料ガスに対してＳｉを混合する。

基板１１０上に第１のＮ型半導体層１２０を形成した後（工程Ｐ１２４）、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、マグネシウム（Ｍｇ）を混合した原料ガスを用いた結晶成長によって、第１のＮ型半導体層１２０上にＰ型半導体層１３０を形成する（工程Ｐ１２６）。工程Ｐ１２６において、ＭＯＣＶＤ装置は、反応室に供給される前の原料ガスに対してＭｇを混合する。

工程Ｐ１２６においてＰ型半導体層１３０を形成する間、ＭＯＣＶＤ装置は、原料ガスのＶ／III比が１００〜３５０となるように、原料ガスに含まれるIII族原料の量とＶ族原料の量とを調整する。Ｐ型半導体層１３０の形成に用いられる原料ガスに含まれるIII族原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）から成る。Ｐ型半導体層１３０の形成に用いられる原料ガスに含まれるＶ族原料は、アンモニア（ＮＨ₃）から成る。このような原料ガスを用いて形成されたＰ型半導体層１３０では、Ｐ型半導体層１３０の全域におけるＨ／Ｍｇ割合は、Ｐ型半導体層としての電気的特性の実現に必要とされる３５％以下となる。

Ｐ型半導体層１３０を形成した後（工程Ｐ１２６）、ＭＯＣＶＤ装置は、製造者の操作に基づいて、ケイ素（Ｓｉ）を混合した原料ガスを用いた結晶成長によって、Ｐ型半導体層１３０上に第２のＮ型半導体層１４０を形成する（工程Ｐ１２８）。工程Ｐ１２８において、ＭＯＣＶＤ装置は、反応室に供給される前の原料ガスに対してＳｉを混合する。工程Ｐ１２８において、ＭＯＣＶＤ装置は、第２のＮ型半導体層１４０におけるＳｉの濃度が第１のＮ型半導体層１２０よりも高くなるように、原料ガスに混合されるＳｉの量を調整する。

第２のＮ型半導体層１４０を形成した後（工程Ｐ１２８）、製造者は、半導体装置１０の中間製品をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、この中間製品に電極を形成する（工程Ｐ１５０）。本実施形態では、工程Ｐ１５０において、電極２１０，２３０，２４０，２５０、および絶縁膜３３０，３４０が、それぞれ形成される。電極を形成した後（工程Ｐ１５０）、半導体装置１０が完成する。

図３は、原料ガスのＶ／III比とＰ型半導体層のＨ／Ｍｇ割合との関係を示すグラフである。発明者は、図３のグラフを得るために、Ｖ／III比が異なる複数の原料ガスを用いて、Ｐ型半導体層１３０に相当するＰ型半導体層を形成することによって、複数のサンプルを作製した。これらのサンプルにおけるＰ型半導体層は、第１のＮ型半導体層１２０に相当する基板上に形成されており、各Ｐ型半導体層の上には他の導体層は形成されていない。各原料ガスに含まれるIII族原料は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）から成り、各原料ガスに含まれるＶ族原料は、アンモニア（ＮＨ₃）から成る。

発明者は、複数のサンプルのうち第１グループのサンプルに対しては、加熱処理（アニール処理）を行わずに、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer）を用いて、各サンプルのＨ／Ｍｇ割合を計測した。発明者は、複数のサンプルのうち第２グループのサンプルに対しては、加熱処理を行うことによって各サンプルにおけるＰ型半導体層のＭｇを活性化させた後、ＳＩＭＳを用いて各サンプルのＨ／Ｍｇ割合を計測した。これによって、発明者は、図３のグラフを得た。

図３のグラフでは、横軸は、原料ガスのＶ／III比を示し、縦軸は、その原料ガスを用いて形成されたＰ型半導体層のＨ／Ｍｇ割合を示す。図３に施されたハッチングは、ＳＩＭＳの検出限界のためにＨ／Ｍｇ割合を計測できなかった範囲を示し、この範囲におけるＨ／Ｍｇ割合は、ＳＩＭＳを用いて測定された測定値に基づいて推測される推測値である。図３の直線は、加熱処理を施されていない第１グループのサンプルについて、原料ガスのＶ／III比とＰ型半導体層のＨ／Ｍｇ割合との関係を示す。図３の一点鎖線は、加熱処理が施された第２グループのサンプルについて、原料ガスのＶ／III比とＰ型半導体層のＨ／Ｍｇ割合との関係を示す。

図３に示すように、加熱処理の有無にかかわらず、Ｖ／III比が小さくなるに従って、Ｈ／Ｍｇ割合も小さくなる。加熱処理ありの場合には、１７００以下のＶ／III比によって、３５％以下のＨ／Ｍｇ割合を実現可能であり、加熱処理なしの場合には、３５０以下のＶ／III比によって、３５％以下のＨ／Ｍｇ割合を実現可能である。

Ｐ型半導体層を形成する際におけるＰ型半導体層を構成する結晶の成長率を向上させる観点から、Ｖ／III比は小さい方が好ましい。しかしながら、Ｖ／III比が１００を下回る場合には、Ｐ型半導体層を構成する結晶が成長し難くなるため、Ｖ／III比は１００以上であることが好ましい。

Ｐ型半導体層を構成する結晶の品質を向上させる観点から、Ｖ／III比は大きい方が好ましい。しかしながら、Ｐ型半導体層を構成する結晶の基礎となる下の層がＧａＮ系の半導体層である場合には、Ｖ／III比が３５０以下であっても、Ｐ型半導体層を構成する結晶の品質を十分に確保可能である。

したがって、図３のグラフによれば、加熱処理なしでＰ型半導体層を形成するには、原料ガスのＶ／III比は、１００以上３５０以下であることが好ましく、１００以上３００以下であることがより好ましく、１００以上２５０以下であることが更に好ましく、１００以上２００以下であることが一層好ましい。

以上説明した実施形態によれば、Ｐ型半導体層１３０を形成する際（工程Ｐ１２６）にＰ型半導体層１３０に残留する水素原子（Ｈ）が抑制されることによって、加熱処理（アニール処理）を行うことなく、Ｐ型半導体層１３０におけるアクセプタであるマグネシウム（Ｍｇ）を十分に機能させることができる。その結果、Ｐ型半導体層１３０に第２のＮ型半導体層１４０を積層したＧａＮ系の半導体装置１０において電気的特性を向上させることができる。また、第１のＮ型半導体層１２０の上にＰ型半導体層１３０を形成するため（工程Ｐ１２６）、Ｐ型半導体層１３０を構成する結晶の品質を十分に確保することができる。

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。

例えば、Ｐ型半導体層が最外層となる半導体装置を製造する際、Ｐ型半導体層の形成に図２の工程Ｐ１２６を適用することが可能である。これによって、加熱処理（アニール処理）を行うことなく、Ｐ型半導体層のアクセプタを十分に機能させることができる。その結果、製造の容易化を図ることができる。

１０…半導体装置
１１０…基板
１１１…界面
１１２…界面
１２０…第１のＮ型半導体層
１２１…界面
１２２…界面
１３０…Ｐ型半導体層
１３１…界面
１３２…界面
１４０…第２のＮ型半導体層
１４１…界面
１４２…界面
２１０…電極
２３０…電極
２４０…電極
２５０…電極
３３０…絶縁膜
３４０…絶縁膜

Claims

窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＰ型半導体層に、窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成るＮ型半導体層を積層した半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、
前記Ｐ型半導体層の全域におけるマグネシウム（Ｍｇ）の平均濃度に対する水素原子（Ｈ）の平均濃度の割合が３５％以下となるように、III族原料に対するＶ族原料のモル比が１００〜３５０である原料ガスであって、前記III族原料がトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）から成るとともに、前記Ｖ族原料がアンモニア（ＮＨ₃）から成り、水素（Ｈ _２）を含む原料ガスを用いた結晶成長によって、前記Ｐ型半導体層を形成し、
前記Ｐ型半導体層を形成した後、アニール処理を行うことなく連続して前記Ｎ型半導体層を前記Ｐ型半導体層の上に形成する、半導体装置の製造方法。
窒化ガリウム（ＧａＮ）から主に成る半導体層の上に、前記原料ガスを用いた前記結晶成長によって前記Ｐ型半導体層を形成する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。