JP7501196B2 - NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application - Google Patents
NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application Download PDFInfo
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Description
本発明は、窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device.
従来から、窒化ガリウム(GaN)を用いたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、n型GaNベースの半導体エピタキシャル層(以下、n型GaN層)に第1導電型不純物がドーピングされた領域を形成する際に、n型GaN層上に絶縁体層を形成し、絶縁体層上にフォトレジストで構成されるイオン注入マスクを形成し、イオン注入マスクに形成された開口部及び絶縁体層を通してn型GaN層にマグネシウム(Mg)等の第1導電型不純物をイオン注入する手法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、酸化膜をマスクとして、半導体基板にイオン注入する手法が知られている(例えば、特許文献3参照)。
2. Description of the Related Art Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) using gallium nitride (GaN) have been known (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233663).
Also, when forming a region doped with a first conductivity type impurity in an n-type GaN-based semiconductor epitaxial layer (hereinafter, n-type GaN layer), a method is known in which an insulator layer is formed on the n-type GaN layer, an ion implantation mask made of photoresist is formed on the insulator layer, and ions of the first conductivity type impurity such as magnesium (Mg) are implanted into the n-type GaN layer through openings formed in the ion implantation mask and the insulator layer (see, for example, Patent Document 2).
Also, a method is known in which ions are implanted into a semiconductor substrate using an oxide film as a mask (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233664).
フォトレジストを用いてGaN層に第1導電型不純物(アクセプタ)をイオン注入する工程では、フォトレジストからの脱ガスによってチャンバ内の雰囲気中に炭素元素(C)、酸素元素(O)が放出され、放出されたC、Oが第1導電型不純物と共にGaN層に注入される可能性がある。GaN層において、Cはアクセプタ、Oはドナーとして働く。このため、第1導電型不純物(アクセプタ)と共に、C、OがGaN層に注入されると、GaN層における実効アクセプタ濃度が変動し、GaN層を有する素子の特性が低下する可能性がある。 In the process of ion-implanting a first conductivity type impurity (acceptor) into a GaN layer using a photoresist, carbon elements (C) and oxygen elements (O) are released into the atmosphere in the chamber due to degassing from the photoresist, and the released C and O may be implanted into the GaN layer together with the first conductivity type impurity. In the GaN layer, C acts as an acceptor and O acts as a donor. Therefore, when C and O are implanted into the GaN layer together with the first conductivity type impurity (acceptor), the effective acceptor concentration in the GaN layer may fluctuate, and the characteristics of the element having the GaN layer may deteriorate.
また、イオン注入マスクにフォトレジストではなく、酸化膜を用いる手法では、脱ガスによるC、Oの放出が防止される。しかし、この手法では、イオン注入後にGaN層上から酸化膜をエッチングして除去する際に、イオン注入マスクの開口部下に位置する領域(すなわち、イオン注入領域)の表面がオーバーエッチングされてダメージを受ける可能性がある。GaN層がダメージを受けると、GaN層を有する素子の特性が低下する可能性がある。 In addition, the method of using an oxide film instead of a photoresist as an ion implantation mask prevents the release of C and O due to degassing. However, with this method, when the oxide film is etched away from the GaN layer after ion implantation, the surface of the region located under the opening of the ion implantation mask (i.e., the ion implantation region) may be over-etched and damaged. If the GaN layer is damaged, the characteristics of the device having the GaN layer may be degraded.
本発明は上記課題に着目してなされたものであって、特性の低下を抑制可能な窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made with a focus on the above-mentioned problems, and aims to provide a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device that can suppress deterioration of characteristics.
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体装置は、第1導電型の不純物元素が注入されている注入領域と、前記注入領域に隣接し、前記不純物元素が注入されていない非注入領域と、を有する窒化ガリウム層、を備える。前記注入領域において、前記注入領域の表面から前記不純物元素の注入量が深さ方向で最大となるピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度は、1E+16/cm3以下である。前記注入領域と前記非注入領域との境界の段差は1nm以下である。 In order to solve the above problems, a nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a gallium nitride layer having an implanted region into which an impurity element of a first conductivity type is implanted, and a non-implanted region adjacent to the implanted region into which the impurity element is not implanted. In the implanted region, an average concentration of carbon element (C) in a range from a surface of the implanted region to a peak position where the amount of implantation of the impurity element is maximum in a depth direction is 1E+16/ cm3 or less. A step at a boundary between the implanted region and the non-implanted region is 1 nm or less.
これによれば、注入領域において、アクセプタとして働く炭素元素(C)の濃度が低く抑えられているため、注入領域における実効アクセプタ濃度(または、実効ドナー濃度)の変動を抑制することができる。これにより、注入領域を含む素子の特性の低下を抑制することができる。また、注入領域と非注入領域との境界の段差が1nm以下である。これにより、この境界を含む素子に逆方向に電圧が印加された際に、境界の段差への電界集中を抑制することができ、耐圧の劣化を抑制することができる。 As a result, the concentration of carbon element (C) acting as an acceptor in the implanted region is kept low, so that fluctuations in the effective acceptor concentration (or effective donor concentration) in the implanted region can be suppressed. This makes it possible to suppress deterioration in the characteristics of the element including the implanted region. In addition, the step at the boundary between the implanted region and the non-implanted region is 1 nm or less. This makes it possible to suppress electric field concentration at the step at the boundary when a voltage is applied in the reverse direction to an element including this boundary, and suppress deterioration in the breakdown voltage.
なお、上記の「表面」は、厳密に表面でなく、表面近傍であってもよい。表面近傍とは、「濃度の測定値に信頼性がある、表面に最も近い位置」としてもよい。また、表面近傍とは、「表面から深さ方向へ0.2μm離れた位置」としてもよい。あるいは、表面近傍とは、「表面に最も近く、不純物元素の濃度が1E+16/cm3以上、1E+18/cm3以下の位置」としてもよい。また、実効アクセプタ濃度とは、アクセプタ濃度からドナー濃度を相殺した濃度のことである。実効ドナー濃度とは、ドナー濃度からアクセプタ濃度を相殺した濃度のことである。また、なお、E+は、指数表記である。例えば、1E+16は、1×1016を意味する。 The above "surface" may not be the surface strictly, but may be near the surface. Near the surface may be "a position closest to the surface where the measured concentration is reliable". Near the surface may be "a position 0.2 μm away from the surface in the depth direction". Alternatively, near the surface may be "a position closest to the surface where the concentration of the impurity element is 1E+16/cm 3 or more and 1E+18/cm 3 or less". The effective acceptor concentration is the concentration obtained by offsetting the donor concentration from the acceptor concentration. The effective donor concentration is the concentration obtained by offsetting the acceptor concentration from the donor concentration. E+ is an exponential notation. For example, 1E+16 means 1×10 16 .
本発明の別の態様に係る窒化物半導体装置は、第1導電型の不純物元素が注入されている注入領域と、前記注入領域に隣接し、前記不純物元素が注入されていない非注入領域と、を有する窒化ガリウム層、を備える。前記注入領域において、前記注入領域の表面から前記不純物元素の注入量が深さ方向で最大となるピーク位置までの範囲における酸素元素(O)の平均濃度は、1E+16/cm3以下である。前記注入領域と前記非注入領域との境界の段差は1nm以下である。 A nitride semiconductor device according to another aspect of the present invention includes a gallium nitride layer having an implanted region into which an impurity element of a first conductivity type is implanted, and a non-implanted region adjacent to the implanted region into which the impurity element is not implanted. In the implanted region, an average concentration of oxygen (O) in a range from a surface of the implanted region to a peak position where the amount of implantation of the impurity element is maximum in a depth direction is 1E+16/cm3 or less . A step at a boundary between the implanted region and the non-implanted region is 1 nm or less.
これによれば、注入領域において、ドナーとして働く酸素元素(O)の濃度が低く抑えられているため、注入領域における実効アクセプタ濃度(または、実効ドナー濃度)の変動を抑制することができる。これにより、注入領域を含む素子の特性の低下を抑制することができる。また、注入領域と非注入領域との境界の段差が1nm以下であるため、この境界の段差への電界集中を抑制することができ、耐圧の劣化を抑制することができる。 As a result, the concentration of oxygen (O), which acts as a donor, is kept low in the implanted region, so that fluctuations in the effective acceptor concentration (or effective donor concentration) in the implanted region can be suppressed. This makes it possible to suppress deterioration in the characteristics of the element including the implanted region. In addition, because the step at the boundary between the implanted region and the non-implanted region is 1 nm or less, electric field concentration at this step at the boundary can be suppressed, and deterioration in the breakdown voltage can be suppressed.
本発明の一態様に係る窒化物半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム層上に第1無機材料膜を成膜する工程と、前記第1無機材料膜上に、フッ素含有ガスによるドライエッチング処理のエッチングレートが前記第1無機材料膜よりも大きい第2無機材料膜を成膜する工程と、前記ドライエッチング処理により前記第2無機材料膜をパターニングして、前記第2無機材料膜を厚さ方向に貫通する第1開口部を前記第2無機材料膜に形成する工程と、前記第1開口部が形成された前記第2無機材料膜をマスクに用いて、前記第1無機材料膜に第1ウェットエッチング処理を施して、前記第1開口部に連通する第2開口部を前記第1無機材料膜に形成する工程と、前記第1開口部及び前記第2開口部を通して前記窒化ガリウム層に第1導電型の不純物元素をイオン注入する工程と、前記第2無機材料膜に第2ウェットエッチング処理を施して、前記第1無機材料膜上から前記第2無機材料膜を除去する工程と、前記第1無機材料膜に第3ウェットエッチング処理を施して、前記窒化ガリウム層上から前記第1無機材料膜を除去する工程と、を備える。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention includes the steps of: forming a first inorganic material film on a gallium nitride layer; forming a second inorganic material film on the first inorganic material film, the second inorganic material film having a higher etching rate in a dry etching process using a fluorine-containing gas than the first inorganic material film; patterning the second inorganic material film by the dry etching process to form a first opening penetrating the second inorganic material film in the thickness direction in the second inorganic material film; performing a first wet etching process on the first inorganic material film using the second inorganic material film in which the first opening is formed as a mask to form a second opening in the first inorganic material film that communicates with the first opening; ion-implanting a first conductive type impurity element into the gallium nitride layer through the first opening and the second opening; performing a second wet etching process on the second inorganic material film to remove the second inorganic material film from above the first inorganic material film; and performing a third wet etching process on the first inorganic material film to remove the first inorganic material film from above the gallium nitride layer.
これによれば、製造装置は、第1導電型の不純物元素がイオン注入される注入領域の表面へのオーバードライエッチングを抑制することができ、注入領域の表面に欠陥や界面準位の発生等のダメージを与えることを抑制することができる。また、第1導電型の不純物元素をイオン注入する際に、レジストパターンではなく、第1無機材料膜及び第2無機材料膜で構成される積層膜がマスクに用いられる。これにより、上記のイオン注入の際にレジストパターンからの脱ガスはなく、脱ガスに含まれる炭素元素(C)及び酸素元素(O)が注入領域に注入されることもない。窒化ガリウム層においてCはアクセプタ、Oはドナーとして働くが、上記のイオン注入の際に脱ガスからのC、Oは注入されないため、注入領域における実効アクセプタ濃度(または、実効ドナー濃度)の変動を抑制することができる。これにより、注入領域を含む素子の特性の低下を抑制することができる。 According to this, the manufacturing apparatus can suppress overdry etching of the surface of the implantation region into which the first conductive type impurity element is ion-implanted, and can suppress damage such as the generation of defects and interface states on the surface of the implantation region. In addition, when ion-implanting the first conductive type impurity element, a laminated film composed of a first inorganic material film and a second inorganic material film is used as a mask instead of a resist pattern. As a result, there is no outgassing from the resist pattern during the above ion implantation, and carbon element (C) and oxygen element (O) contained in the outgas are not implanted into the implantation region. In the gallium nitride layer, C acts as an acceptor and O acts as a donor, but C and O from the outgas are not implanted during the above ion implantation, so that it is possible to suppress fluctuations in the effective acceptor concentration (or effective donor concentration) in the implantation region. This makes it possible to suppress deterioration in the characteristics of the element including the implantation region.
本発明によれば、特性の低下を抑制可能な窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device that can suppress deterioration of characteristics.
以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 The following describes an embodiment of the present invention. In the following description of the drawings, the same or similar parts are given the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimensions, the thickness ratio of each device and each component, etc., differ from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined with reference to the following description. In addition, it goes without saying that the drawings include parts with different dimensional relationships and ratios.
以下の説明では、Z軸の正方向を「上」と称し、Z軸の負方向を「下」と称する場合がある。「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、領域、層、膜及び基板等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を180度回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。 In the following description, the positive direction of the Z axis may be referred to as "up" and the negative direction of the Z axis may be referred to as "down". "Up" and "down" do not necessarily mean the vertical direction relative to the ground. In other words, the directions of "up" and "down" are not limited to the direction of gravity. "Up" and "down" are merely convenient expressions for specifying the relative positional relationships in regions, layers, films, substrates, etc., and do not limit the technical concept of the present invention. For example, if the paper is rotated 180 degrees, "up" will of course become "down" and "down" will become "up".
以下の説明では、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である場合について例示的に説明する。またpやnに付す+又は-は、+又は-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。但し、同じpとp(または、nとn)とが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。 In the following explanation, an example will be given in which the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. The + or - attached to p or n means that the semiconductor region has a relatively high or low impurity concentration, respectively, compared to a semiconductor region without a + or - attached. However, even if the same p and p (or n and n) are attached to semiconductor regions, this does not mean that the impurity concentrations of the respective semiconductor regions are strictly the same.
<実施形態1>
(構成)
図1は、本発明の実施形態1に係る窒化物半導体装置の構成例を示す断面図である。図2は、本発明の実施形態1に係る窒化物半導体装置の構成例を示す平面図である。図1は、図2に示す平面図をX2-X´2線で切断した断面を示している。また、図2では、後述するGaN層12の表面12aと、p型領域14の表面14aと、表面12a、14a間の境界13とを示すために、絶縁膜16及びアノード電極18の図示を省略している。また、図1、図2と、後述の図12、図14において、X軸方向及びY軸方向は、GaN層12の表面12aに平行な方向であり、Z軸方向はGaN層12の深さ方向である。X軸、Y軸及びZ軸は互いに直交する。
<
(composition)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a cross section taken along line X2-X'2 of the plan view shown in FIG. 2. In addition, in FIG. 2, in order to show a
図1及び図2に示すように、実施形態1に係る窒化物半導体装置はpnダイオード1(本発明の「ダイオード」の一例)を備える。pnダイオード1は、n+型の窒化ガリウム基板(GaN基板)10と、GaN基板10の表面10a側に設けられたn型の窒化ガリウム層(GaN層)12と、GaN層12内に設けられたp型領域14と、GaN層12の表面12a上に設けられた絶縁膜16と、p型領域14に接続するアノード電極18と、n+型のGaN基板10に接続するカソード電極20と、を有する。p型領域14は本発明の「注入領域」の一例である。n型のGaN層12において、p型領域14に隣接する領域が本発明の「非注入領域」の一例である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the nitride semiconductor device according to the first embodiment includes a pn diode 1 (one example of the "diode" of the present invention). The
GaN基板10は、例えばn+型のc面GaN単結晶基板である。GaN基板10に含まれるn型不純物は、Si(シリコン)、O(酸素)及びGe(ゲルマニウム)のうちの一種類以上の元素である。一例を挙げると、GaN基板10に含まれるn型不純物はSi又はOであり、GaN基板10におけるSiの不純物濃度は5E+17/cm3以上である。
The
なお、GaN基板10は、n型又はn-型であってもよい。GaN基板10は、転位密度が1E+7cm-2未満の低転位自立基板であってもよい。GaN基板10が低転位自立基板であることにより、GaN基板10上に形成されるGaN層12の転位密度も低くなる。また、低転位基板をGaN基板10に用いることで、GaN基板10に大面積のパワーデバイスが形成される場合でも、パワーデバイスにおけるリーク電流を少なくすることができる。これにより、製造装置は、パワーデバイスを高い良品率で製造することができる。また、熱処理において、イオン注入された不純物が転位に沿って深く拡散することを防ぐことができる。
The
GaN層12は、GaN基板10の表面10a上に設けられている。GaN層12は、例えばn型のGaN単結晶層であり、GaN基板10の表面10a上にエピタキシャル成長された層である。GaN層12は、エピタキシャル成長の過程でn型不純物がドープされることにより形成される。n型不純物は、例えばSiである。例えば、GaN層12におけるSiの濃度は、2E+16/cm3である。GaN層12の厚さは4μmである。
The
p型領域14は、n型のGaN層12にp型の不純物元素(p型不純物)がイオン注入され、熱処理されることにより形成される。p型不純物は、例えばマグネシウム(Mg)である。後述の図4及び図5に例示されるように、p型領域14において、その表面(または、表面近傍)からMgの注入量が深さ方向で最大となるMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度及び酸素元素(O)の平均濃度は、それぞれ1E+16/cm3以下となっている。また、GaN層12の表面12aとp型領域14の表面14aとの境界13の段差は、例えば1nm以下となっている。
The p-
絶縁膜16は、例えば酸化シリコン(SiO2)膜である。絶縁膜16には、開口部H1が設けられている。アノード電極18は、絶縁膜16上に設けられており、開口部H1を通してp型領域14に接続している。カソード電極20は、n+型のGaN基板10の裏面10b側に設けられており、GaN基板10に接続している。アノード電極18及びカソード電極20は、例えば、Al、Al合金(一例として、Ti-Al合金)、Ni、又は、Ni合金(一例として、Ni-Au合金)で構成されている。
The insulating
(製造方法)
次に、図1及び図2に示したpnダイオード1の製造方法を説明する。図3Aから図3Fは、本発明の実施形態1に係るpnダイオード1の製造方法を工程順に示す断面図である。pnダイオード1は、成膜装置(エピタキシャル成長装置、CVD装置、スパッタ装置、レジスト塗布装置を含む)、露光装置、イオン注入装置、アニール装置、エッチング装置など、各種の装置を用いて製造される。以下、これらの装置を、製造装置と総称する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the
図3Aに示すように、製造装置は、GaN基板10の表面10a上にGaN層12を形成する。例えば、製造装置は、有機金属成長法(MOCVD法)により、GaN基板10上にGaN層12をエピタキシャル成長させる。製造装置は、GaN層12をエピタキシャル成長させる過程で、GaN層12にn型不純物としてSiをドープする。
As shown in FIG. 3A, the manufacturing equipment forms a
次に、製造装置は、CVD法により、GaN層12上に酸化アルミニウム(Al2O3)膜22(本発明の「第1無機材料膜」の一例)を成膜する。製造装置は、Al2O3膜22を例えば150nmの厚さに成膜する。次に、図3Bに示すように、製造装置は、CVD法により、Al2O3膜22上にSiO2膜24(本発明の「第2無機材料膜」の一例)を成膜する。製造装置は、SiO2膜24を例えば2μmの厚さに成膜する。
Next, the manufacturing equipment forms an aluminum oxide ( Al2O3 ) film 22 (an example of a "first inorganic material film" of the present invention) on the
次に、図3Cに示すように、製造装置は、SiO2膜24上にフォトレジストで構成されるパターン(レジストパターン)RP1を形成する。そして、製造装置は、レジストパターンRP1をマスクに用いて、SiO2膜22にフッ素含有ガス(例えば、三フッ化メタン(CHF3)によるドライエッチング処理を施す。これにより、製造装置は、SiO2膜24を厚さ方向に貫通する第1開口部H11をSiO2膜24に形成する。 3C, the manufacturing equipment forms a pattern (resist pattern) RP1 made of photoresist on the SiO 2 film 24. Then, the manufacturing equipment uses the resist pattern RP1 as a mask to perform a dry etching process on the SiO 2 film 22 with a fluorine-containing gas (e.g., methane trifluoride (CHF 3 )). As a result, the manufacturing equipment forms a first opening H11 in the SiO 2 film 24 that penetrates the SiO 2 film 24 in the thickness direction.
Al2O3膜22は、フッ素含有ガス(例えば、CHF3)によるドライエッチング処理のエッチングレートがSiO2膜よりも小さい。換言すると、SiO2膜24は、フッ素含有ガス(例えば、CHF3)によるドライエッチング処理のエッチングレートが、Al2O3膜22よりも大きい。エッチングレートとは、単位時間当たりのエッチング量である。SiO2膜24よりAl2O3膜22の方がドライエッチング処理のエッチングレートが小さいため、Al2O3膜22はエッチングストッパとして機能する。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバードライエッチングされないように、ドライエッチングの進行を制御することができる。
The etching rate of the Al 2 O 3 film 22 in dry etching processing using a fluorine-containing gas (e.g., CHF 3 ) is smaller than that of the SiO 2 film. In other words, the etching rate of the SiO 2 film 24 in dry etching processing using a fluorine-containing gas (e.g., CHF 3 ) is larger than that of the Al 2 O 3 film 22. The etching rate is the amount of etching per unit time. Since the etching rate of the Al 2 O 3 film 22 in dry etching processing is smaller than that of the SiO 2 film 24, the Al 2 O 3 film 22 functions as an etching stopper. This allows the manufacturing device to control the progress of dry etching so that the
次に、製造装置は、アセトン(C3H6O)を用いてレジストパターンRP1を除去する。SiO2膜24及びAl2O3膜22はアセトンではエッチングされず、GaN層12上にそのまま残る。次に、製造装置は、第1開口部H11が形成されたSiO2膜24をマスクに用いて、Al2O3膜22に第1ウェットエッチング処理を施す。これにより、図3Dに示すように、製造装置は、第1開口部H11に連通する第2開口部H12をAl2O3膜22に形成する。第2開口部H12は、Al2O3膜22を厚さ方向に貫通している。
Next, the manufacturing equipment removes the resist pattern RP1 using acetone (C 3 H 6 O). The SiO 2 film 24 and the Al 2 O 3 film 22 are not etched by acetone and remain as they are on the
第1ウェットエッチング処理では、SiO2膜24及びGaN層12の各々よりもAl2O3膜22の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、TMAH)を用いる。TMAHによるGaN層12のエッチングレートは、ゼロ又はゼロに近い値である。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、Al2O3膜22及びSiO2膜24で構成される積層構造のイオン注入マスク25を形成することができる。
In the first wet etching process , a chemical (e.g., TMAH) is used that has a higher etching rate for the Al2O3
オーバーエッチングが抑制されるため、GaN層12の表面12aにおいて、イオン注入マスク25で覆われている領域と、イオン注入マスク25から露出している領域(すなわち、第1開口部H11の底面で露出している領域)との境界13´に段差が生じることを抑制することができる。また、オーバーエッチングが抑制されるため、GaN層12の表面12aに欠陥や界面準位等のダメージが生じることを抑制することができる。
Because overetching is suppressed, it is possible to suppress the occurrence of a step at the boundary 13' between the area covered by the
次に、図3Eに示すように、製造装置は、イオン注入マスク25の第1開口部H11及び第2開口部H12を通して、GaN層12にMgをイオン注入する。これにより、GaN層12にMg注入領域14´が形成される。Mgのイオン注入は、レジストパターンではなく、Al2O3膜22及びSiO2膜24で構成されるイオン注入マスク25を用いて行われる。このため、図3Eのイオン注入工程でレジストパターンからの脱ガスはなく、レジストパターンからの脱ガスに含まれる炭素元素(C)、酸素元素(O)がMgと共にGaN層12に注入されることもない。これにより、Mg注入領域14´における炭素元素(C)濃度、酸素元素(O)濃度をそれぞれ低く抑えることができる。例えば、Mg注入領域14´の表面(または、表面近傍)からMgの注入量が深さ方向で最大となるMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度及び酸素元素(O)の平均濃度を、それぞれ1E+16/cm3以下にすることができる。
Next, as shown in FIG. 3E, the manufacturing device ions-implants Mg into the
次に、製造装置は、SiO2膜24に第2ウェットエッチング処理を施して、Al2O3膜22上からSiO2膜24を除去する。第2ウェットエッチング処理では、GaN層12よりもSiO2膜24の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、フッ酸(HF)水溶液)を用いる。HF水溶液によるGaN層12のエッチングレートは、HF水溶液によるSiO2膜24のエッチングレートよりも十分に小さく、例えばゼロ又はゼロに近い値である。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、Al2O3膜22上からSiO2膜24を除去することができる。
Next, the manufacturing equipment performs a second wet etching process on the SiO 2 film 24 to remove the SiO 2 film 24 from above the Al 2 O 3 film 22. In the second wet etching process, a chemical (e.g., a hydrofluoric acid (HF) aqueous solution) having a higher etching rate for the SiO 2 film 24 than for the
次に、製造装置は、Al2O3膜22に第3ウェットエッチング処理を施して、GaN層12上からAl2O3膜22を除去する。第3ウェットエッチング処理では、GaN層12よりもAl2O3膜22の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、TMAH)を用いる。TMAHによるGaN層12のエッチングレートは、結晶方向に依る。この例では、素子構造が形成される面(デバイス面)はC面((0001)面)である。TMAHによるGaN層12のC面のエッチングレートは、TMAHによるAl2O3膜22のエッチングレートよりも十分に小さく、例えばゼロ又はゼロに近い値である。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、GaN層12上からAl2O3膜22を除去することができる。
Next, the manufacturing equipment performs a third wet etching process on the Al 2 O 3 film 22 to remove the Al 2 O 3 film 22 from above the
次に、製造装置は、Mg注入領域14´を含む基板全体にアニール処理を施して、Mg注入領域14´に含まれるMgを活性化させる。これにより、図3Fに示すように、GaN層12にp型領域14が形成される。
その後、製造装置は、GaN層12の表面12a上に絶縁膜16(図1参照)を形成し、絶縁膜16に開口部H1(図1参照)を形成する。次に、製造装置は、GaN層12の表面12a側にアノード電極18(図1参照)を形成する。また、アノード電極18の形成工程と前後して、製造装置は、GaN基板10の裏面10b側にカソード電極20(図1参照)を形成する。以上の工程を経て、図1に示したpnダイオード1が完成する。
Next, the manufacturing equipment performs an annealing process on the entire substrate including the Mg-implanted regions 14' to activate the Mg contained in the Mg-implanted regions 14', thereby forming p-
Thereafter, the manufacturing equipment forms an insulating film 16 (see FIG. 1) on the
(シミュレーション結果)
図4は、本発明の実施形態1に係るpnダイオード1のp型領域14について、表面14aからの深さと炭素元素(C)濃度との関係を実際に測定した結果(実験結果)を示すグラフである。図4の横軸は表面14aからの深さ[μm]を示し、縦軸は炭素元素(C)濃度[/cm3]を示す。図5は、本発明の実施形態1に係るpnダイオード1のp型領域14について、表面14aからの深さと酸素元素(O)濃度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図5の横軸は表面14aからの深さ[μm]を示し、縦軸は酸素元素(O)濃度[/cm3]を示す。
(simulation result)
Fig. 4 is a graph showing the results of an actual measurement (experimental results) of the relationship between the depth from the
図4及び図5は、p型領域14の表面近傍からMgの注入量が深さ方向で最大となるMgピーク位置までの範囲におけるMgの平均濃度が1E+18/cm3となるようにMgを多段イオン注入した場合のシミュレーション結果である。このシミュレーションにおいて、p型領域14の表面近傍とは、表面14aから深さ方向へ0.2μm離れた位置である。図4及び図5に示すように、p型領域14の表面14a(すなわち、図4及び図5において、深さ0μmの位置)から深さ方向へ0.2μmまでの範囲は、表面14aの状態によりMg濃度が大きく変化する領域であり、Mg濃度の値に信頼性がない領域であるため、この範囲の領域は平均濃度の算出の対象から除外した。
4 and 5 show the results of a simulation in which Mg is implanted in multiple stages such that the average Mg concentration in the range from near the surface of the p-
図4に示すように、p型領域14において、p型領域14の表面近傍(例えば、深さ02.μmの位置)からMgピーク位置(例えば、620nm)までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度は、1E+16/cm3以下であった。また、図5に示すように、p型領域14において、p型領域14の表面近傍(例えば、深さ0.2μmの位置)からMgピーク位置(例えば、620nm)までの範囲における酸素元素(O)の平均濃度も、1E+16/cm3以下であった。
なお、p型領域14は、Mgのイオン注入で形成されるため、図4及び図5に示すように、表面14aからの深さに対してMg濃度が変化するような濃度プロファイル(Mgプロファイル)を有する。
As shown in Fig. 4, the average concentration of carbon element (C) in the range from the surface vicinity of p-type region 14 (e.g., a position at a depth of 0.2 µm) to the Mg peak position (e.g., 620 nm) was 1E+16/cm3 or less in p-type region 14. Also, as shown in Fig. 5, the average concentration of oxygen element (O) in the range from the surface vicinity of p-type region 14 (e.g., a position at a depth of 0.2 µm) to the Mg peak position (e.g., 620 nm) was also 1E+16/cm3 or less in p-type region 14 .
Since the p-
図6は、本発明の比較例1に係るpnダイオードのp型領域について、表面からの深さと炭素元素(C)濃度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図6の縦軸は表面からの深さ[μm]を示し、縦軸は炭素元素(C)濃度[/cm3]を示す。図7は、本発明の比較例1に係るpnダイオードのp型領域について、表面からの深さと酸素元素(O)濃度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図7の縦軸は表面からの深さ[μm]を示し、縦軸は酸素元素(O)濃度[/cm3]を示す。比較例1のp型領域は、積層構造のイオン注入マスクではなく、レジストパターンをマスクに用いてMgをイオン注入することにより形成したものである。 6 is a graph showing the results of simulating the relationship between the depth from the surface and the carbon element (C) concentration for the p-type region of the pn diode according to Comparative Example 1 of the present invention. The vertical axis of FIG. 6 indicates the depth from the surface [μm], and the vertical axis indicates the carbon element (C) concentration [/cm 3 ]. FIG. 7 is a graph showing the results of simulating the relationship between the depth from the surface and the oxygen element (O) concentration for the p-type region of the pn diode according to Comparative Example 1 of the present invention. The vertical axis of FIG. 7 indicates the depth from the surface [μm], and the vertical axis indicates the oxygen element (O) concentration [/cm 3 ]. The p-type region of Comparative Example 1 is formed by ion implanting Mg using a resist pattern as a mask, not a laminated ion implantation mask.
図6及び図7は、p型領域の表面近傍からMgピーク位置までの範囲におけるMgの平均濃度が1E+19/cm3となるようにMgを一段イオン注入した場合のシミュレーション結果である。このシミュレーションにおいても、p型領域の表面近傍とは、表面から深さ方向へ0.2μm離れた位置である。図6及び図7に示すように、p型領域の表面近傍からMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度及び酸素元素(O)の平均濃度は、実施形態1のシミュレーション値よりもそれぞれ大きかった。これは、Mgをイオン注入する際に、レジストパターンからの脱ガスに含まれる炭素元素(C)、酸素元素(O)が、Mgイオンと共にGaN層に注入されることが原因と考えられる。 6 and 7 show the results of a simulation in which Mg is ion-implanted in one step such that the average concentration of Mg in the range from the surface vicinity of the p-type region to the Mg peak position is 1E+19/cm 3. In this simulation, the surface vicinity of the p-type region is a position 0.2 μm away from the surface in the depth direction. As shown in FIGS. 6 and 7, the average concentrations of carbon element (C) and oxygen element (O) in the range from the surface vicinity of the p-type region to the Mg peak position were each greater than the simulation values in the first embodiment. This is believed to be due to the fact that carbon element (C) and oxygen element (O) contained in the degassing from the resist pattern are implanted into the GaN layer together with Mg ions when Mg is ion-implanted.
図8は、本発明の比較例2に係るpnダイオードのp型領域について、p型領域の表面からの深さと炭素元素(C)濃度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図8の横軸は表面からの深さ[μm]を示し、縦軸は炭素元素(C)濃度[/cm3]を示す。図9は、本発明の比較例2に係るpnダイオードのp型領域について、表面からの深さと酸素元素(O)濃度との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図9の横軸は表面からの深さ[μm]を示し、縦軸は酸素元素(O)濃度[/cm3]を示す。比較例1と同様に、比較例2のp型領域も、レジストパターンをマスクに用いてMgをイオン注入することにより形成したものである。 8 is a graph showing the results of simulating the relationship between the depth from the surface of the p-type region and the carbon element (C) concentration for the p-type region of the pn diode according to Comparative Example 2 of the present invention. The horizontal axis of FIG. 8 indicates the depth from the surface [μm], and the vertical axis indicates the carbon element (C) concentration [/cm 3 ]. FIG. 9 is a graph showing the results of simulating the relationship between the depth from the surface and the oxygen element (O) concentration for the p-type region of the pn diode according to Comparative Example 2 of the present invention. The horizontal axis of FIG. 9 indicates the depth from the surface [μm], and the vertical axis indicates the oxygen element (O) concentration [/cm 3 ]. As with Comparative Example 1, the p-type region of Comparative Example 2 was also formed by ion implantation of Mg using a resist pattern as a mask.
図8及び図9は、p型領域の表面近傍からMgピーク位置までの範囲におけるMgの平均濃度が3E+18/cm3となるようにMgを一段イオン注入した場合のシミュレーション結果である。このシミュレーションにおいても、p型領域の表面近傍とは、表面から深さ方向へ0.2μm離れた位置である。図8及び図9に示すように、p型領域の表面近傍からMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度及び酸素元素(O)の平均濃度は、実施形態1のシミュレーション値よりもそれぞれ大きかった。これは、比較例1と同様に、レジストパターンからの脱ガスに含まれる炭素元素(C)、酸素元素(O)が原因であると考えられる。 8 and 9 show the results of a simulation in which Mg is ion-implanted in one step such that the average concentration of Mg in the range from the surface vicinity of the p-type region to the Mg peak position is 3E+18/cm 3. In this simulation, the surface vicinity of the p-type region is a position 0.2 μm away from the surface in the depth direction. As shown in FIGS. 8 and 9, the average concentration of carbon element (C) and the average concentration of oxygen element (O) in the range from the surface vicinity of the p-type region to the Mg peak position were each greater than the simulation values of the first embodiment. This is believed to be due to the carbon element (C) and oxygen element (O) contained in the degassing from the resist pattern, as in Comparative Example 1.
図4から図9のシミュレーション結果の数値を、表1に示す。 The numerical values of the simulation results for Figures 4 to 9 are shown in Table 1.
図10は、本発明の実施形態1に係るpnダイオード1について、逆方向電圧とリーク電流密度との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図11は、本発明の比較例1に係るpnダイオードについて、逆方向電圧とリーク電流密度との関係をシミュレーションした結果を示す図である。図10及び図11の各々において、横軸は逆方向電圧[V]を示し、縦軸はリーク電流密度[A/cm2]を示す。図10と図11とを比較して分かるように、実施形態1に係るpnダイオード1は、比較例1に係るpnダイオードと比べて、逆方向電圧に対するリーク電流が小さい。
Figure 10 is a diagram showing the results of a simulation of the relationship between reverse voltage and leakage current density for the
これは、表1に示したように、p型領域14における酸素元素(O)の平均濃度が低いことが理由と考えられる。酸素元素(O)はドナーとして働くため、p型領域14では、酸素元素(O)の平均濃度が低いほど、実効アクセプタ濃度が高くなる。これにより、p型領域14とn型のGaN層12との間の空乏層をn型のGaN層12側に広げることができる。これにより、pnダイオード1は、逆方向電圧に対するリーク電流を抑制することができ、pn接合耐圧の低下を抑制することができる。
This is believed to be due to the low average concentration of oxygen element (O) in the p-
また、図3Cに示した工程で、Mgがイオン注入される領域へのオーバードライエッチングが抑制されていることも理由と考えられる。Mgのイオン注入によってp型領域14が形成されるが、オーバードライエッチングの抑制により、p型領域14の表面14aに欠陥や界面準位等のダメージが生じることが抑制され、欠陥や界面準位等に起因した電荷の蓄積が抑制される。これにより、pnダイオード1は、逆方向電圧に対するリーク電流を抑制することができ、pn接合耐圧の低下を抑制することができる。
Another reason is thought to be that overdry etching of the region where Mg is ion-implanted is suppressed in the process shown in FIG. 3C. The p-
また、Mgの注入領域であるp型領域14の表面14aと、Mgの非注入領域であるGaN層12の表面12aとの境界13の段差が、例えば1nm以下に抑制されていることも理由と考えられる。段差が1nm以下に抑制されているため、逆方向電圧が印加される際に、この段差に電界が集中することが抑制される。これにより、pnダイオード1は、逆方向電圧に対するリーク電流を抑制することができ、pn接合耐圧の低下を抑制することができる。
Another reason is thought to be that the step at the
(実施形態1の効果)
以上説明したように、本発明の実施形態1に係る窒化物半導体装置は、pnダイオード1を備える。pnダイオード1は、p型の不純物元素(例えば、Mg)が注入されたp型領域14と、p型領域14に隣接し、Mgが注入されていない非注入領域と、を有するGaN層12、を備える。p型領域14において、p型領域14の表面14aからMgの注入量が深さ方向で最大となるMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度は、1E+16/cm3以下である。Mgが注入されたp型領域14と非注入領域との境界13の段差は1nm以下である。
(Effects of the First Embodiment)
As described above, the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a
これによれば、p型領域14において、アクセプタとして働く炭素元素(C)の濃度は低く抑えられているため、p型領域14における実効アクセプタ濃度の変動が抑制される。これにより、p型領域14を含むpnダイオード1は、pn接合耐圧の変動を抑制することができる。また、上記の境界13の段差が1nm以下である。このため、境界13を含むpnダイオード1は、逆方向に電圧が印加された際に、境界13の段差への電界集中を抑制することができ、耐圧の劣化を抑制することができる。
As a result, the concentration of carbon (C), which acts as an acceptor, is kept low in the p-
また、p型領域14において、その表面14aからMgピーク位置までの範囲における酸素元素(O)の平均濃度は、1E+16/cm3以下であってもよい。これによれば、p型領域14において、ドナーとして働く酸素元素(O)の濃度は低く抑えられているため、p型領域14における実効アクセプタ濃度の変動がさらに抑制される。これにより、p型領域14を含むpnダイオード1において、pn接合耐圧の変動をさらに抑制することができる。
Furthermore, in the p-
なお、Mgピーク位置におけるMgの濃度は、1E+16/cm3以上、1E+21/cm3以下であってもよく、1E+17/cm3以上、1E+19/cm3以下であってもよい。また、Mgピーク位置における上記のMg濃度範囲の規定に加えて、GaN層12の表面12aからMgピーク位置までの深さは500nm以上であることが好ましい。これにより、耐圧を確保することが容易となる。
The Mg concentration at the Mg peak position may be 1E+16/cm3 or more and 1E+21/ cm3 or less, or 1E+17/cm3 or more and 1E+19/cm3 or less . In addition to the above-mentioned Mg concentration range at the Mg peak position, the depth from the
また、本発明の実施形態1に係る窒化物半導体装置の製造方法は、GaN層12上にAl2O3膜22を成膜する工程と、Al2O3膜22上に、フッ素含有ガスによるドライエッチング処理のエッチングレートがAl2O3膜22よりも大きいSiO2膜24を成膜する工程と、ドライエッチング処理によりSiO2膜24をパターニングして、SiO2膜24を厚さ方向に貫通する第1開口部H11をSiO2膜24に形成する工程と、第1開口部H11が形成されたSiO2膜24をマスクに用いて、Al2O3膜22に第1ウェットエッチング処理を施して、第1開口部H11に連通する第2開口部H12をAl2O3膜22に形成する工程と、第1開口部H11及び第2開口部H12を通してGaN層12にMgをイオン注入する工程と、SiO2膜24に第2ウェットエッチング処理を施して、Al2O3膜22上からSiO2膜24を除去する工程と、Al2O3膜22に第3ウェットエッチング処理を施して、窒化ガリウム層上からAl2O3膜22を除去する工程と、を備える。
The method for manufacturing the nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes the steps of: forming an Al 2 O 3 film 22 on a
これによれば、製造装置は、Mgがイオン注入されるMg注入領域14´の表面へのオーバードライエッチングを抑制することができ、Mg注入領域14´の表面に欠陥や界面準位の発生等のダメージを与えることを抑制することができる。これにより、pnダイオード1は、素子間分離用の絶縁膜16とp型領域14との接触界面において、界面準位密度の増加を抑制することができ、界面準位に起因する電荷の蓄積を抑制することができる。これにより、pnダイオード1は、耐圧の劣化を抑制することができる。
As a result, the manufacturing equipment can suppress overdry etching of the surface of the Mg-implanted region 14' into which Mg ions are implanted, and can suppress damage to the surface of the Mg-implanted region 14', such as the generation of defects and interface states. As a result, the
また、Mgをイオン注入する際に、レジストパターンではなく、Al2O3膜22及びSiO2膜24で構成される積層構造のイオン注入マスク25が用いられる。これにより、Mgのイオン注入の際にレジストパターンからの脱ガスはなく、脱ガスに含まれる炭素元素(C)及び酸素元素(O)がMg注入領域14´に注入されることもない。GaN層においてCはアクセプタ、Oはドナーとして働くが、Mgのイオン注入の際に脱ガスからのC、Oは注入されないため、p型領域14における実効アクセプタ濃度の変動を抑制することができる。
Furthermore, when Mg ions are implanted, a laminated
また、第1ウェットエッチング処理によるエッチングレートは、SiO2膜24及び窒化ガリウム層の各々よりもAl2O3膜22のほうが大きくてもよい。第2ウェットエッチング処理によるエッチングレートは、GaN層12よりもSiO2膜24のほうが大きくてもよい。第3ウェットエッチング処理によるエッチングレートは、GaN層12よりもAl2O3膜22のほうが大きくてもよい。
これによれば、p型領域14の表面14aがオーバーエッチングされることを抑制することができる。Mgの注入領域であるp型領域14と、p型領域14に隣接するMgの非注入領域との境界13の段差を小さくすることができ、例えば、境界13の段差を1nm以下にすることができる。
The etching rate of the Al2O3
This makes it possible to prevent over-etching of
<実施形態2>
上記の実施形態1では、本発明がpnダイオードに適用される場合を説明した。しかしながら、本発明の適用はpnダイオードに限定されない。本発明は、縦型MOSFETに適用されてもよい。
<Embodiment 2>
In the
(構成)
図12は、本発明の実施形態2に係る窒化物半導体装置の構成例を示す断面図である。図12に示すように、実施形態2に係る窒化物半導体装置は、プレーナゲート構造の縦型MOSFET2(本発明の「縦型MOSFET」の一例)を備える。縦型MOSFET2は、GaN基板10と、GaN基板10の表面10a側に設けられたn型のGaN層12と、GaN層12内に設けられたp型領域14と、p型領域14内に設けられたn+型のソース領域30と、GaN層12の表面12a上に設けられた素子間分離用の絶縁膜32と、GaN層12の表面12a上に設けられたゲート絶縁膜34と、ゲート絶縁膜34上に設けられたゲート電極36と、GaN層12の表面12a側に設けられてn+型のソース領域30とp型領域14とに接続するソース電極38と、GaN基板10の裏面10b側に設けられたドレイン電極40と、を有する。この例では、n型のGaN層12はドリフト領域として機能し、p型領域14はウェル領域として機能する。
(composition)
12 is a cross-sectional view showing a configuration example of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, the nitride semiconductor device according to the second embodiment includes a planar gate structure vertical MOSFET 2 (one example of the "vertical MOSFET" of the present invention). The vertical MOSFET 2 includes a
ソース領域30は、p型領域14の表面14a側に設けられている。ソース領域30は、p型領域14の表面14aから所定の深さにSi(シリコン)等のn型不純物がイオン注入され、熱処理されることにより形成される。
絶縁膜32は、例えばSiO2膜で構成されている。絶縁膜32には開口部H2が設けられている。開口部H2の底面にp型領域14とソース領域30とが露出している。ソース電極38は、開口部H2を通してp型領域14とソース領域30とに接続している。これにより、p型領域14の電位は、ソース電極38の電位に固定される。
The
The insulating
ゲート絶縁膜34は、例えばSiO2膜又は酸化アルミニウム膜(Al2O3膜)で構成されている。ゲート電極36、ソース電極38及びドレイン電極40は、例えば、Al、Al合金(一例として、Ti-Al合金)、Ni、又は、Ni合金(一例として、Ni-Au合金)で構成されている。また、ゲート電極36は、不純物をドープしたポリシリコン(pOly-Si)等で構成されていてもよい。
The
プレーナゲート構造の縦型MOSFET2のチャネル領域は、Mgの非注入領域であるn型のGaN層12とn+型のソース領域30との間に位置し、かつゲート絶縁膜34を介してゲート電極36と向かい合う領域に形成される。縦型MOSFET2のオン電流は、ドレイン電極40から、GaN基板10、GaN層12、チャネル領域及びソース領域30を通って、ソース電極38に流れる。
The channel region of the vertical MOSFET 2 with a planar gate structure is located between the n-
(製造方法)
次に、図12に示した縦型MOSFET2の製造方法を説明する。図13Aから図13Fは、本発明の実施形態2に係る縦型MOSFET2の製造方法を工程順に示す断面図である。縦型MOSFET2は、成膜装置(エピタキシャル成長装置、CVD装置、スパッタ装置、レジスト塗布装置を含む)、露光装置、イオン注入装置、アニール装置、エッチング装置など、各種の製造装置を用いて製造される。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the vertical MOSFET 2 shown in Fig. 12 will be described. Fig. 13A to Fig. 13F are cross-sectional views showing the process steps of a method for manufacturing the vertical MOSFET 2 according to the second embodiment of the present invention. The vertical MOSFET 2 is manufactured using various manufacturing equipment such as a film formation equipment (including an epitaxial growth equipment, a CVD equipment, a sputtering equipment, and a resist coating equipment), an exposure equipment, an ion implantation equipment, an annealing equipment, and an etching equipment.
図13Aにおいて、SiO2膜を形成する工程までは、実施形態1で説明したpnダイオード1の製造方法と同じである(図3A、図3B参照)。SiO2膜24が形成された後、製造装置は、SiO2膜24上にレジストパターンRP2を形成する。そして、製造装置は、レジストパターンRP2をマスクに用いて、SiO2膜22にフッ素含有ガス(例えば、三フッ化メタン(CHF3)によるドライエッチング処理を施す。これにより、製造装置は、SiO2膜24を厚さ方向に貫通する第1開口部H11をSiO2膜24に形成する。
In Fig. 13A, the process up to the step of forming the SiO 2 film is the same as the manufacturing method of the
実施形態1で説明したように、SiO2膜24よりAl2O3膜22の方がドライエッチング処理のエッチングレートが小さく、Al2O3膜22はエッチングストッパとして機能する。このため、第1開口部H11の形成工程では、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバードライエッチングされないように、ドライエッチングの進行を制御することができる。
As described in the first embodiment, the etching rate of the dry etching process is smaller for the Al 2 O 3 film 22 than for the SiO 2 film 24, and the Al 2 O 3 film 22 functions as an etching stopper. Therefore, in the step of forming the first opening H11, the manufacturing equipment can control the progress of the dry etching so that the
次に、製造装置は、アセトン(C3H6O)を用いてレジストパターンRP2を除去する。次に、製造装置は、第1開口部H11が形成されたSiO2膜24をマスクに用いて、Al2O3膜22に第1ウェットエッチング処理を施す。これにより、図13Bに示すように、製造装置は、第1開口部H11に連通する第2開口部H12をAl2O3膜22に形成する。実施形態1と同様に、第1ウェットエッチング処理では、SiO2膜24及びGaN層12の各々よりもAl2O3膜22の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、TMAH)を用いる。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、Al2O3膜22及びSiO2膜24で構成される積層構造のイオン注入マスク25を形成することができる。
Next, the manufacturing equipment removes the resist pattern RP2 using acetone (C 3 H 6 O). Next, the manufacturing equipment performs a first wet etching process on the Al 2 O 3 film 22 using the SiO 2 film 24 in which the first opening H11 is formed as a mask. As a result, as shown in FIG. 13B, the manufacturing equipment forms a second opening H12 in the Al 2 O 3 film 22 that communicates with the first opening H11. As in the first embodiment, the first wet etching process uses a chemical (e.g., TMAH) in which the etching rate of the Al 2 O 3 film 22 is greater than that of the SiO 2 film 24 and the
次に、図13Cに示すように、製造装置は、イオン注入マスク25の第1開口部H11及び第2開口部H12を通して、GaN層12にMgをイオン注入する。これにより、GaN層12にMg注入領域14´が形成される。Mgのイオン注入は、レジストパターンではなく、Al2O3膜22及びSiO2膜24で構成されるイオン注入マスク25を用いて行われるため、レジストパターンからの脱ガスはない。レジストパターンからの脱ガスに含まれる炭素元素(C)、酸素元素(O)がMgと共にGaN層12に注入されることを防ぐことができるため、Mg注入領域14´における炭素元素(C)濃度、酸素元素(O)濃度をそれぞれ低く抑えることができる。
Next, as shown in Fig. 13C, the manufacturing equipment ions-implants Mg into the
次に、製造装置は、SiO2膜24に第2ウェットエッチング処理を施して、Al2O3膜22上からSiO2膜24を除去する。実施形態1と同様に、第2ウェットエッチング処理では、GaN層12よりもSiO2膜24の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、フッ酸(HF)水溶液)を用いる。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、Al2O3膜22上からSiO2膜24を除去することができる。
Next, the manufacturing equipment performs a second wet etching process on the SiO 2 film 24 to remove the SiO 2 film 24 from above the Al 2 O 3 film 22. As in the first embodiment, the second wet etching process uses a chemical solution (e.g., a hydrofluoric acid (HF) aqueous solution) that has a higher etching rate for the SiO 2 film 24 than for the
次に、製造装置は、Al2O3膜22に第3ウェットエッチング処理を施して、GaN層12上からAl2O3膜22を除去する。実施形態1と同様に、第3ウェットエッチング処理では、GaN層12よりもAl2O3膜22の方がエッチングレートが大きい薬液(例えば、TMAH)を用いる。これにより、製造装置は、GaN層12の表面12aがオーバーエッチングされることを抑制しつつ、GaN層12上からAl2O3膜22を除去することができる。
次に、製造装置は、Mg注入領域14´を含む基板全体にアニール処理を施して、Mg注入領域14´に含まれるMgを活性化させる。これにより、図13Dに示すように、GaN層12にp型領域14が形成される。
Next, the manufacturing equipment performs a third wet etching process on the Al 2 O 3 film 22 to remove the Al 2 O 3 film 22 from above the
Next, the manufacturing equipment performs an annealing process on the entire substrate including the Mg-implanted regions 14' to activate the Mg contained in the Mg-implanted regions 14', thereby forming p-
次に、図13Eに示すように、製造装置は、GaN層12上にレジストパターンRP3を形成する。そして、製造装置は、レジストパターンRP3をマスクに用いて、p型領域14にSi等のn型不純物をイオン注入する。これにより、p型領域14にSi注入領域30´を形成する。次に、製造装置は、アセトン(C3H6O)を用いてレジストパターンRP3を除去する。次に、製造装置は、Si注入領域30´を含む基板全体にアニール処理を施して、Si注入領域30´に含まれるSiを活性化させる。これにより、図13Fに示すように、ソース領域30が形成される。
Next, as shown in FIG. 13E, the manufacturing equipment forms a resist pattern RP3 on the
その後、製造装置は、GaN層12の表面12a上に素子間分離用の絶縁膜32と、ゲート絶縁膜34とを形成する。次に、製造装置は、ゲート絶縁膜34上にゲート電極36(図12参照)を形成する。次に、製造装置は、GaN層12の表面12a側にソース電極38(図12参照)を形成する。また、ソース電極38の形成工程と前後して、製造装置は、GaN基板10の裏面10b側にドレイン電極40(図12参照)を形成する。以上の工程を経て、図12に示したプレーナゲート構造の縦型MOSFET2が完成する。
Then, the manufacturing equipment forms an insulating
(実施形態2の効果)
以上説明したように、本発明の実施形態2に係る窒化物半導体装置は、プレーナゲート構造の縦型MOSFET2を備える。縦型MOSFET2は、p型の不純物元素(例えば、Mg)が注入されたp型領域14と、p型領域14に隣接し、Mgが注入されていない非注入領域と、を有するGaN層12、を備える。p型領域14において、その表面14aからMgピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度は、1E+16/cm3以下である。Mgが注入されたp型領域14とMgの非注入領域であるn型のGaN層12との境界13の段差は1nm以下である。
(Effects of the Second Embodiment)
As described above, the nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a vertical MOSFET 2 having a planar gate structure. The vertical MOSFET 2 includes a
これによれば、p型領域14において、アクセプタとして働く炭素元素(C)の濃度は低く抑えられているため、p型領域14における実効アクセプタ濃度の変動が抑制される。p型領域14にはチャネルが形成される。このため、縦型MOSFET2は、チャネル領域の実効アクセプタ濃度の変動を抑制することができ、しきい値電圧Vthの変動を抑制することができる。また、縦型MOSFET2は、p型領域14における実効アクセプタ濃度の変動が抑制されるため、p型領域14と、Mgの非注入領域であるn型のGaN層12とのpn接合耐圧の変動を抑制することができる。
また、上記の境界13の段差が1nm以下である。このため、境界13を含む縦型MOSFET2は、逆方向に電圧が印加された際に、境界13の段差への電界集中を抑制することができ、耐圧の劣化を抑制することができる。
According to this, the concentration of carbon (C) acting as an acceptor in the p-
In addition, the step of the
また、本発明の実施形態2に係る窒化物半導体装置の製造方法においても、実施形態1と同様に、製造装置は、Mgがイオン注入されるMg注入領域14´の表面へのオーバードライエッチングを抑制することができ、Mg注入領域14´の表面に欠陥(例えば、ドナー型欠陥)や界面準位の発生等のダメージを与えることを抑制することができる。これにより、縦型MOSFET2は、チャネルが形成されるp型領域14の界面準位密度の増加を抑制することができる。例えば、上記のオーバードライエッチングを抑制することによって、p型領域14とゲート絶縁膜34との接触界面の界面準位密度を、1E+10cm-2/eV台に抑制することができる。これにより、縦型MOSFET2は、移動度の低下を抑制することができる。
Also in the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, similarly to the first embodiment, the manufacturing apparatus can suppress over-dry etching of the surface of the Mg-implanted region 14' into which Mg is ion-implanted, and can suppress damage to the surface of the Mg-implanted region 14', such as the generation of defects (e.g., donor-type defects) and interface states. This allows the vertical MOSFET 2 to suppress an increase in the interface state density of the p-
また、上記のようにオーバードライエッチングを抑制し、ドナー型欠陥の発生を抑制することによって、p型領域14における実効アクセプタ濃度の低下を抑制することができる。これにより、縦型MOSFET2は、しきい値電圧Vthの低下を抑制することができる。
In addition, by suppressing overdry etching and the occurrence of donor defects as described above, it is possible to suppress the decrease in the effective acceptor concentration in the p-
<実施形態3>
上記の実施形態2では、本発明の実施形態に係る窒化物半導体装置がプレーナゲート構造の縦型MOSFET2を備える場合を説明した。しかしながら、本発明の実施形態において、窒化物半導体装置が備える縦型MOSFETは、プレーナゲート構造に限定されない。縦型MOSFETはトレンチゲート構造であってもよい。
<Embodiment 3>
In the above-described second embodiment, the case has been described in which the nitride semiconductor device according to the embodiment of the present invention includes the vertical MOSFET 2 having a planar gate structure. However, in the embodiments of the present invention, the vertical MOSFET included in the nitride semiconductor device is not limited to the planar gate structure. The vertical MOSFET may have a trench gate structure.
図14は、本発明の実施形態3に係る窒化物半導体装置の構成例を示す断面図である。図14に示すように、実施形態3に係る窒化物半導体装置は、トレンチゲート構造の縦型MOSFET3(本発明の「縦型MOSFET」の一例)を備える。トレンチゲート構造の縦型MOSFET3は、GaN層12に設けられたトレンチH3を有する。トレンチH3は、GaN層12の表面12a側に開口している。トレンチH3の深さはGaN層12の厚さよりも大きい。トレンチH3の側面はソース領域30とp型領域14とに面し、トレンチH3の底面はn型のGaN層12に面している。
Figure 14 is a cross-sectional view showing an example of the configuration of a nitride semiconductor device according to embodiment 3 of the present invention. As shown in Figure 14, the nitride semiconductor device according to embodiment 3 includes a vertical MOSFET 3 with a trench gate structure (one example of the "vertical MOSFET" of the present invention). The vertical MOSFET 3 with a trench gate structure has a trench H3 provided in the
トレンチH3の内側には、ゲート絶縁膜34とゲート電極60とが配置されている。トレンチH3の側面と底面とをゲート絶縁膜34が覆っており、ゲート絶縁膜34を介してゲート電極36がトレンチH3に埋め込まれている。
トレンチゲート構造の縦型MOSFET3では、p型領域14であって、非注入領域であるn型のGaN層12とn+型のソース領域30との間に位置し、かつゲート絶縁膜34を介してゲート電極36と向かい合う領域にチャネルが形成される。縦型MOSFET3のオン電流は、ドレイン電極40から、GaN基板10、GaN層12、チャネル領域及びソース領域30を通って、ソース電極38に流れる。また、ソース電極38は、ソース領域30だけでなくp型領域14とも接続している。これにより、p型領域14の電位は、ソース電極38の電位に固定される。
Arranged inside the trench H3 are a
In the vertical MOSFET 3 with a trench gate structure, a channel is formed in the p-
本発明の実施形態3に係る窒化物半導体装置は、実施形態2に係る窒化物半導体装置と同様の効果を奏する。 The nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention has the same effects as the nitride semiconductor device according to the second embodiment.
<その他の実施形態>
上記のように、本発明は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。
例えば、ゲート絶縁膜34には、シリコン酸窒化(SiON)膜、ストロンチウム酸化(SrO)膜、シリコン窒化(SiN)膜も使用可能である。また、ゲート絶縁膜34には、単層の絶縁膜をいくつか積層した複合膜等も使用可能である。ゲート絶縁膜34としてSiO2膜以外の絶縁膜を用いたMOSFETは、MISFETと呼んでもよい。MISFETは、MOSFETを含む、より包括的な絶縁ゲート型トランジスタを意味する。
<Other embodiments>
As described above, the present invention has been described by the embodiments and modifications, but the descriptions and drawings forming a part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments and modifications will become apparent to those skilled in the art from this disclosure.
For example, a silicon oxynitride (SiON) film, a strontium oxide (SrO) film, or a silicon nitride (SiN) film can be used for the
また、上記の実施形態では、第1導電型がp型であり、第2導電型がn型である場合について説明した。しかしながら、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をn型、第2導電型をp型としてもよい。
また、上記の実施形態では、本発明の「第1導電型の不純物元素」としてマグネシウム(Mg)を用いることを説明したが、Mgに代えて、ベリリウム(Be)、シリコン(Si)又はゲルマニウム(Ge)を用いてもよいし、酸素元素(O)を用いてもよい。
また、上記の実施形態では、本発明の「第1無機材料膜」として酸化アルミニウム(Al2O3)を用いることを説明したが、Al2O3に代えて、酸化ハフニウム(HfO2)、窒化アルミニウム(AlN)又は窒化シリコン(SiN)を用いてもよい。
In the above embodiment, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. However, the conductivity types may be selected in the reverse relationship, with the first conductivity type being n-type and the second conductivity type being p-type.
In the above embodiment, magnesium (Mg) is used as the "impurity element of first conductivity type" of the present invention. However, instead of Mg, beryllium (Be), silicon (Si) or germanium (Ge) may be used, or oxygen element (O) may be used.
In the above embodiment, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used as the “first inorganic material film” of the present invention, but hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (SiN) may be used instead of Al 2 O 3 .
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。上述した実施形態及び各変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As such, the present invention naturally includes various embodiments not described here. At least one of various omissions, substitutions, and modifications of components can be made without departing from the spirit of the above-mentioned embodiments and each modified example. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present. The technical scope of the present invention is determined only by the invention-specific matters related to the scope of the claims that are appropriate from the above explanation.
1 pnダイオード
2、3 縦型MOSFET
10 GaN基板
10a、12a、14a 表面
10b 裏面
12 GaN層
13 境界
14 p型領域
14´ Mg注入領域
16、32 絶縁膜
18 アノード電極
20 カソード電極
22 Al2O3膜
24 SiO2膜
25 イオン注入マスク
30 ソース領域
30´ Si注入領域
34 ゲート絶縁膜
36 ゲート電極
38 ソース電極
40 ドレイン電極
60 ゲート電極
H1、H2 開口部
H2 開口部
H3 トレンチ
H11 第1開口部
H12 第2開口部
RP1、RP2、RP3 レジストパターン
1 pn diode 2, 3 vertical MOSFET
10
Claims (15)
前記注入領域に隣接し、前記不純物元素が注入されていない非注入領域と、
を有する窒化ガリウム層、を備え、
前記注入領域において、前記注入領域の表面から前記不純物元素の注入量が深さ方向で最大となるピーク位置までの範囲における炭素元素(C)の平均濃度は、1E+16/cm3以下であり、
前記注入領域と前記非注入領域との境界の段差は1nm以下である、窒化物半導体装置。 an implantation region into which an impurity element of a first conductivity type is implanted;
a non-implanted region adjacent to the implanted region and into which the impurity element is not implanted;
a gallium nitride layer having
In the implantation region, the average concentration of carbon element (C) in the range from the surface of the implantation region to a peak position where the implantation amount of the impurity element is maximum in the depth direction is 1E+16/ cm3 or less;
The nitride semiconductor device has a step of 1 nm or less at a boundary between the implanted region and the non-implanted region.
前記注入領域に隣接し、前記不純物元素が注入されていない非注入領域と、
を有する窒化ガリウム層、を備え、
前記注入領域において、前記注入領域の表面から前記不純物元素の注入量が深さ方向で最大となるピーク位置までの範囲における酸素元素(O)の平均濃度は、1E+16/cm3以下であり、
前記注入領域と前記非注入領域との境界の段差は1nm以下である、窒化物半導体装置。 an implantation region into which an impurity element of a first conductivity type is implanted;
a non-implanted region adjacent to the implanted region and into which the impurity element is not implanted;
a gallium nitride layer having
In the implantation region, the average concentration of oxygen (O) in the range from the surface of the implantation region to a peak position where the implantation amount of the impurity element is maximum in the depth direction is 1E+16/ cm3 or less;
The nitride semiconductor device has a step of 1 nm or less at a boundary between the implanted region and the non-implanted region.
前記非注入領域の導電型は第2導電型であり、
前記注入領域と前記非注入領域とで構成されるダイオード、を備える請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 the conductivity type of the implantation region is a first conductivity type;
the non-implanted region has a second conductivity type;
The nitride semiconductor device according to claim 1 , further comprising a diode formed by the implanted region and the non-implanted region.
前記非注入領域の導電型は第2導電型であり、
前記注入領域にチャネルが形成される、プレーナゲート構造の縦型MOSFET、を備える請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 the conductivity type of the implantation region is a first conductivity type;
the non-implanted region has a second conductivity type;
The nitride semiconductor device according to claim 1 , comprising a vertical MOSFET of a planar gate structure, in which a channel is formed in the implantation region.
前記非注入領域の導電型は第2導電型であり、
前記注入領域にチャネルが形成される、トレンチゲート構造の縦型MOSFET、を備える請求項1から9のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。 the conductivity type of the implantation region is a first conductivity type;
the non-implanted region has a second conductivity type;
The nitride semiconductor device according to claim 1 , comprising a vertical MOSFET having a trench gate structure, in which a channel is formed in the implantation region.
前記第1無機材料膜上に、フッ素含有ガスによるドライエッチング処理のエッチングレートが前記第1無機材料膜よりも大きい第2無機材料膜を成膜する工程と、
前記ドライエッチング処理により前記第2無機材料膜をパターニングして、前記第2無機材料膜を厚さ方向に貫通する第1開口部を前記第2無機材料膜に形成する工程と、
前記第1開口部が形成された前記第2無機材料膜をマスクに用いて、前記第1無機材料膜に第1ウェットエッチング処理を施して、前記第1開口部に連通する第2開口部を前記第1無機材料膜に形成する工程と、
前記第1開口部及び前記第2開口部を通して前記窒化ガリウム層に第1導電型の不純物元素をイオン注入する工程と、
前記第2無機材料膜に第2ウェットエッチング処理を施して、前記第1無機材料膜上から前記第2無機材料膜を除去する工程と、
前記第1無機材料膜に第3ウェットエッチング処理を施して、前記窒化ガリウム層上から前記第1無機材料膜を除去する工程と、を備える窒化物半導体装置の製造方法。 forming a first inorganic material film on the gallium nitride layer;
forming a second inorganic material film on the first inorganic material film, the second inorganic material film having an etching rate in a dry etching process using a fluorine-containing gas higher than that of the first inorganic material film;
patterning the second inorganic material film by the dry etching process to form a first opening in the second inorganic material film, the first opening penetrating the second inorganic material film in a thickness direction;
a step of performing a first wet etching process on the first inorganic material film using the second inorganic material film in which the first opening is formed as a mask to form a second opening in the first inorganic material film, the second opening communicating with the first opening;
ion-implanting an impurity element of a first conductivity type into the gallium nitride layer through the first opening and the second opening;
a step of performing a second wet etching process on the second inorganic material film to remove the second inorganic material film from above the first inorganic material film;
and performing a third wet etching process on the first inorganic material film to remove the first inorganic material film from above the gallium nitride layer.
前記第2ウェットエッチング処理によるエッチングレートは、前記窒化ガリウム層よりも前記第2無機材料膜のほうが大きく、
前記第3ウェットエッチング処理によるエッチングレートは、前記窒化ガリウム層よりも前記第1無機材料膜のほうが大きい、請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 an etching rate of the first wet etching process is greater for the first inorganic material film than for the second inorganic material film and than for the gallium nitride layer;
an etching rate of the second wet etching process is greater for the second inorganic material film than for the gallium nitride layer;
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 , wherein an etching rate in said third wet etching process is higher for said first inorganic material film than for said gallium nitride layer.
前記第2無機材料膜は、酸化シリコン(SiO2)である、請求項13又は14に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 the first inorganic material film is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), hafnium oxide (HfO 2 ), aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (SiN);
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 or 14, wherein the second inorganic material film is silicon oxide (SiO 2 ).
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