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JP6327379B1 - Gallium nitride semiconductor device and method for manufacturing gallium nitride semiconductor device - Google Patents

Gallium nitride semiconductor device and method for manufacturing gallium nitride semiconductor device Download PDF

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JP6327379B1
JP6327379B1 JP2017074038A JP2017074038A JP6327379B1 JP 6327379 B1 JP6327379 B1 JP 6327379B1 JP 2017074038 A JP2017074038 A JP 2017074038A JP 2017074038 A JP2017074038 A JP 2017074038A JP 6327379 B1 JP6327379 B1 JP 6327379B1
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信也 高島
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勝典 上野
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Abstract

【課題】ゲートトレンチ部およびメサ部に起因する問題を解決する。【解決手段】プレーナゲート型の窒化ガリウム半導体装置であって、窒化ガリウム単結晶基板と、窒化ガリウム単結晶基板上の窒化ガリウム層と、窒化ガリウム層中に設けられ、少なくとも一部が窒化ガリウム層の表面に露出する第1導電型の第1のソース領域と、第1のソース領域の底部よりも下において窒化ガリウム層中に設けられ、第2導電型の不純物を有する、第1の埋込領域と、表面と平行な方向において第1のソース領域に隣接し、第1の埋込領域上に設けられ、少なくとも一部が表面に露出する第2導電型の第1のベース領域と、第1のベース領域よりも上方に設けられたゲート電極とを備え、窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、第1のベース領域における第2導電型不純物濃度は、第1の埋込領域の上端から表面に向けて徐々に低下する、窒化ガリウム半導体装置を提供する。【選択図】図2A problem caused by a gate trench portion and a mesa portion is solved. A planar gate type gallium nitride semiconductor device, comprising: a gallium nitride single crystal substrate; a gallium nitride layer on the gallium nitride single crystal substrate; and a gallium nitride layer provided at least in part in the gallium nitride layer. A first source region of the first conductivity type exposed on the surface of the first source region, and a first buried region provided in the gallium nitride layer below the bottom of the first source region and having an impurity of the second conductivity type A first conductivity-type first base region that is adjacent to the first source region in a direction parallel to the surface, is provided on the first buried region, and is at least partially exposed to the surface; And a gate electrode provided above the first base region, and in a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the first base region is the first buried region. From the top of Gradually decreases toward the surface, to provide a gallium nitride semiconductor device. [Selection] Figure 2

Description

本発明は、窒化ガリウム半導体装置および窒化ガリウム半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a gallium nitride semiconductor device and a method for manufacturing a gallium nitride semiconductor device.

従来、エピタキシャル形成したp型の窒化ガリウム(以下、GaN)層を部分的に除去してゲートトレンチ部を設けることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。また、p型のGaN層を部分的に除去してGaN層のメサ部を形成し、当該メサ部の側部および底部にフィールドプレートを形成することが知られている(例えば、同文献参照)。なお、特許文献1には、GaN層にマグネシウム(以下、Mg)を部分的にイオン注入し、その後にMgを熱拡散させることにより拡散領域をp型化させることが記載されている。
[先行技術文献]
[非特許文献]
[非特許文献1] Tohru Oka et al.,"Vertical GaN‐based trench metal oxide semiconductor field‐effect transistors on a free‐standing GaN substrate with blocking voltage of 1.6 kV",Applied Physics Express,published 28 January 2014,Volume 7,Number 2,021002
[特許文献]
[特許文献1] 特開2007−258578号公報
Conventionally, it is known that a gate trench portion is provided by partially removing an epitaxially formed p -type gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) layer (see, for example, Non-Patent Document 1). It is also known that a p - type GaN layer is partially removed to form a mesa portion of the GaN layer, and field plates are formed on the side and bottom of the mesa portion (see, for example, the same document). ). Patent Document 1 describes that magnesium (hereinafter referred to as Mg) is partially ion-implanted into a GaN layer, and then the diffusion region is made p-type by thermally diffusing Mg.
[Prior art documents]
[Non-patent literature]
[Non-Patent Document 1] Tohru Oka et al. , "Vertical GaN-based trench metal oxide semiconductor field-effect transistors on a free-standing GaN substrate with blocking voltage of 1.6 kV", Applied Physics Express, published 28 January 2014, Volume 7, Number 2,021002
[Patent Literature]
[Patent Document 1] JP 2007-258578 A

ゲートトレンチ部およびメサ部を設ける場合には、ゲートトレンチ部の底部における角部およびメサ部の底部における角部において、電界集中が生じることにより耐圧が低下する。また、ゲートトレンチ部およびメサ部はフォトリソグラフィー工程における微細加工を妨げるという問題がある。さらに、ゲートトレンチ部およびメサ部を形成するときにGaN層の表面がダメージを受けるという問題がある。   In the case where the gate trench portion and the mesa portion are provided, the breakdown voltage is reduced due to electric field concentration at the corner portion at the bottom portion of the gate trench portion and the corner portion at the bottom portion of the mesa portion. In addition, the gate trench part and the mesa part have a problem of hindering microfabrication in the photolithography process. Furthermore, there is a problem that the surface of the GaN layer is damaged when the gate trench part and the mesa part are formed.

本発明の第1の態様においては、プレーナゲート型の窒化ガリウム半導体装置を提供する。窒化ガリウム半導体装置は、窒化ガリウム単結晶基板と、窒化ガリウム層と、第1のソース領域と、第1の埋込領域と、第1のベース領域と、ゲート電極とを備えてよい。窒化ガリウム層は、窒化ガリウム単結晶基板上に設けられてよい。第1のソース領域は、窒化ガリウム層中に設けられてよい。第1のソース領域は、少なくとも一部が窒化ガリウム層の表面に露出してよい。第1のソース領域は、第1導電型であってよい。第1の埋込領域は、第1のソース領域の底部よりも下において窒化ガリウム層中に設けられてよい。第1の埋込領域は、第2導電型の不純物を有してよい。第1のベース領域は、表面と平行な方向において第1のソース領域に隣接してよい。第1のベース領域は、第1の埋込領域上に設けられてよい。第1のベース領域は、少なくとも一部が表面に露出してよい。第1のベース領域は、第2導電型であってよい。ゲート電極は、第1のベース領域よりも上方に設けられてよい。窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、第1のベース領域における第2導電型不純物濃度は、第1の埋込領域の上端から表面に向けて徐々に低下してよい。   In a first aspect of the present invention, a planar gate type gallium nitride semiconductor device is provided. The gallium nitride semiconductor device may include a gallium nitride single crystal substrate, a gallium nitride layer, a first source region, a first buried region, a first base region, and a gate electrode. The gallium nitride layer may be provided on the gallium nitride single crystal substrate. The first source region may be provided in the gallium nitride layer. The first source region may be at least partially exposed on the surface of the gallium nitride layer. The first source region may be of the first conductivity type. The first buried region may be provided in the gallium nitride layer below the bottom of the first source region. The first buried region may have a second conductivity type impurity. The first base region may be adjacent to the first source region in a direction parallel to the surface. The first base region may be provided on the first buried region. At least a part of the first base region may be exposed on the surface. The first base region may be of the second conductivity type. The gate electrode may be provided above the first base region. In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the first base region may gradually decrease from the upper end of the first buried region toward the surface.

第1の埋込領域は、予め定められた深さ位置に第2導電型不純物濃度分布のピークを有してよい。   The first buried region may have a peak of the second conductivity type impurity concentration distribution at a predetermined depth position.

窒化ガリウム半導体装置は、第1の下部拡散領域をさらに備えてよい。第1の下部拡散領域は、第1の埋込領域の下に直接接してよい。第1の下部拡散領域は、第1の埋込領域と窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられてよい。第1の下部拡散領域は、第1の埋込領域よりも低い第2導電型不純物濃度を有してよい。窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、第1の下部拡散領域における第2導電型不純物濃度は、第1の埋込領域の下端から窒化ガリウム単結晶基板に向けて徐々に低下してよい。   The gallium nitride semiconductor device may further include a first lower diffusion region. The first lower diffusion region may be in direct contact with the first buried region. The first lower diffusion region may be provided between the first buried region and the gallium nitride single crystal substrate. The first lower diffusion region may have a second conductivity type impurity concentration lower than that of the first buried region. In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the first lower diffusion region gradually decreases from the lower end of the first buried region toward the gallium nitride single crystal substrate. Good.

窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、第1のベース領域における残留欠陥濃度は、第1の埋込領域の上端から表面に向けて徐々に低下してよい。   In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the residual defect concentration in the first base region may gradually decrease from the upper end of the first buried region toward the surface.

第1の埋込領域は、予め定められた深さ位置に残留欠陥濃度のピークを有してよい。   The first buried region may have a residual defect concentration peak at a predetermined depth position.

窒化ガリウム半導体装置の断面視において、窒化ガリウム層は、第2の埋込領域と、第2のベース領域と、ドリフト領域とを更に備えてよい。第2の埋込領域は、深さ方向と平行な方向に延びる線対称軸に対して第1の埋込領域に対応してよい。第2のベース領域は、線対称軸に対して第1のベース領域に対応してよい。ドリフト領域は、第1導電型の上部領域と、第1導電型の下部領域とを含んでよい。上部領域は、第1のベース領域および第1の埋込領域と第2のベース領域および第2の埋込領域との間に設けられてよい。下部領域は、上部領域と窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられてよい。上部領域の第1導電型不純物濃度は、下部領域の第1導電型不純物濃度よりも高くてよい。   In a cross-sectional view of the gallium nitride semiconductor device, the gallium nitride layer may further include a second buried region, a second base region, and a drift region. The second buried region may correspond to the first buried region with respect to a line symmetry axis extending in a direction parallel to the depth direction. The second base region may correspond to the first base region with respect to the line symmetry axis. The drift region may include a first conductivity type upper region and a first conductivity type lower region. The upper region may be provided between the first base region and the first buried region and the second base region and the second buried region. The lower region may be provided between the upper region and the gallium nitride single crystal substrate. The first conductivity type impurity concentration in the upper region may be higher than the first conductivity type impurity concentration in the lower region.

表面は、第1のソース領域の上端と、第1のベース領域の上端と、ドリフト領域における上部領域の上端とを含んでよい。第1のソース領域の上端と、第1のベース領域の上端と、ドリフト領域における上部領域の上端とは、一つの平面を構成してよい。   The surface may include an upper end of the first source region, an upper end of the first base region, and an upper end of the upper region in the drift region. The upper end of the first source region, the upper end of the first base region, and the upper end of the upper region in the drift region may constitute one plane.

窒化ガリウム単結晶基板は、低転位自立型基板であってよい。   The gallium nitride single crystal substrate may be a low dislocation free-standing substrate.

本発明の第2の態様においては、プレーナゲート型の窒化ガリウム半導体装置の製造方法を提供する。窒化ガリウム半導体装置の製造方法は、窒化ガリウム層を形成する段階と、第2導電型不純物をイオン注入する段階と、第2導電型の第1のベース領域を形成する段階と、窒化ガリウム層に第1導電型不純物をイオン注入する段階と、ゲート電極を形成する段階とを備えてよい。窒化ガリウム層は、窒化ガリウム単結晶基板上に形成されてよい。第2導電型不純物をイオン注入する段階は、窒化ガリウム層の予め定められた深さ位置に第1の埋込領域を形成することを目的とするイオン注入であってよい。第1のベース領域を形成する段階において、窒化ガリウム単結晶基板および窒化ガリウム層を熱処理することにより、第1のベース領域を形成してよい。第1導電型不純物をイオン注入する段階は、窒化ガリウム層のうち予め定められた深さ位置よりも上の領域に第1のソース領域を形成することも目的として実行されてよい。ゲート電極は、第1のベース領域よりも上方に形成されてよい。第1のベース領域を形成する段階の後において、第1のベース領域は、窒化ガリウム層の表面と平行な方向において第1のソース領域に隣接し、第1の埋込領域上に位置し、少なくとも一部が前記表面に露出していてよい。また、第1のベース領域を形成する段階の後において、窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、第1のベース領域における第2導電型不純物濃度は、第1の埋込領域の上端から表面に向けて徐々に低下してよい。   In a second aspect of the present invention, a method for manufacturing a planar gate type gallium nitride semiconductor device is provided. A method of manufacturing a gallium nitride semiconductor device includes a step of forming a gallium nitride layer, a step of ion-implanting a second conductivity type impurity, a step of forming a first base region of a second conductivity type, The method may comprise the step of ion-implanting the first conductivity type impurity and the step of forming a gate electrode. The gallium nitride layer may be formed on a gallium nitride single crystal substrate. The step of ion-implanting the second conductivity type impurity may be ion implantation for the purpose of forming the first buried region at a predetermined depth position of the gallium nitride layer. In the step of forming the first base region, the first base region may be formed by heat-treating the gallium nitride single crystal substrate and the gallium nitride layer. The step of ion-implanting the first conductivity type impurity may be performed for the purpose of forming a first source region in a region above a predetermined depth position in the gallium nitride layer. The gate electrode may be formed above the first base region. After the step of forming the first base region, the first base region is adjacent to the first source region in a direction parallel to the surface of the gallium nitride layer and located on the first buried region, At least a part of the surface may be exposed. In addition, after the step of forming the first base region, the second conductivity type impurity concentration in the first base region in the direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer is the upper end of the first buried region. It may gradually decrease from to the surface.

熱処理は、急速加熱処理であってよい。急速加熱処理において、1300℃以上の予め定められた温度で、10分未満の時間、窒化ガリウム層を加熱してよい。   The heat treatment may be a rapid heat treatment. In the rapid heat treatment, the gallium nitride layer may be heated at a predetermined temperature of 1300 ° C. or higher for a time of less than 10 minutes.

急速加熱処理において、予め定められた温度に達するまで、窒化ガリウム層を数百℃/分の昇温速度で加熱してよい。   In the rapid heating process, the gallium nitride layer may be heated at a heating rate of several hundred degrees C / min until a predetermined temperature is reached.

窒化ガリウム半導体装置の断面視において、窒化ガリウム半導体装置は、第2の埋込領域と、第2のベース領域と、第1導電型のドリフト領域とを更に備えてよい。第2の埋込領域は、深さ方向と平行な方向に延びる線対称軸に対して第1の埋込領域に対応してよい。第2のベース領域は、線対称軸に対して第1のベース領域に対応してよい。ドリフト領域は、第1導電型の上部領域と、第1導電型の下部領域とを含んでよい。上部領域は、第1のベース領域および第1の埋込領域と第2のベース領域および第2の埋込領域との間に設けられてよい。下部領域は、上部領域と窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられてよい。窒化ガリウム半導体装置の製造方法は、上部領域に第1導電型の不純物をイオン注入する段階をさらに備えてよい。上部領域に第1導電型の不純物をイオン注入することにより、上部領域の第1導電型不純物濃度が下部領域の第1導電型不純物濃度よりも高くなってよい。   In a cross-sectional view of the gallium nitride semiconductor device, the gallium nitride semiconductor device may further include a second buried region, a second base region, and a first conductivity type drift region. The second buried region may correspond to the first buried region with respect to a line symmetry axis extending in a direction parallel to the depth direction. The second base region may correspond to the first base region with respect to the line symmetry axis. The drift region may include a first conductivity type upper region and a first conductivity type lower region. The upper region may be provided between the first base region and the first buried region and the second base region and the second buried region. The lower region may be provided between the upper region and the gallium nitride single crystal substrate. The method for manufacturing a gallium nitride semiconductor device may further include a step of ion-implanting a first conductivity type impurity in the upper region. By ion-implanting the first conductivity type impurity into the upper region, the first conductivity type impurity concentration in the upper region may be higher than the first conductivity type impurity concentration in the lower region.

上部領域に第1導電型の不純物をイオン注入する段階は、窒化ガリウム単結晶基板および窒化ガリウム層を熱処理することにより第1のベース領域および第2のベース領域を形成する段階の前または後であってよい。   The step of ion-implanting the first conductivity type impurity in the upper region is performed before or after the step of forming the first base region and the second base region by heat-treating the gallium nitride single crystal substrate and the gallium nitride layer. It may be.

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

第1実施形態における縦型MOSFET100の上面図である。FIG. 3 is a top view of the vertical MOSFET 100 in the first embodiment. 図1のA‐A断面およびB‐B断面を示す図である。It is a figure which shows the AA cross section and BB cross section of FIG. 図2のC‐C断面における、Mg濃度分布および残留欠陥分布を示す図である。It is a figure which shows Mg density | concentration distribution and residual defect distribution in the CC cross section of FIG. 縦型MOSFET100の製造工程を示すフロー図である。5 is a flowchart showing a manufacturing process of the vertical MOSFET 100. FIG. 段階S210を示す図である。It is a figure which shows step S210. 段階S220を示す図である。It is a figure which shows step S220. 段階S225を示す図である。It is a figure which shows step S225. 段階S230を示す図である。It is a figure which shows step S230. 段階S240を示す図である。It is a figure which shows step S240. 段階S250を示す図である。It is a figure which shows step S250. 段階S260を示す図である。It is a figure which shows step S260. 段階S265を示す図である。It is a figure which shows step S265. 段階S270を示す図である。It is a figure which shows step S270. 段階S280を示す図である。It is a figure which shows step S280. 段階S290を示す図である。It is a figure which shows step S290. 段階S300を示す図である。It is a figure which shows step S300. 段階S250における熱処理温度の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the heat processing temperature in step S250. は、熱処理装置150の概要を示す図である。These are figures which show the outline | summary of the heat processing apparatus 150. FIG. 第2実施形態における縦型MOSFET100の製造工程を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the manufacturing process of the vertical MOSFET100 in 2nd Embodiment. 段階S265を示す図である。It is a figure which shows step S265. 段階S268を示す図である。It is a figure which shows step S268.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図1は、第1実施形態における縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)100の上面図である。図1は、縦型MOSEFT100のX‐Y平面図でもある。本例において、X軸方向とY軸方向とは互いに垂直な方向であり、Z軸方向はX‐Y平面に垂直な方向である。X、YおよびZ軸は、いわゆる右手系を成す。   FIG. 1 is a top view of a vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 100 according to the first embodiment. FIG. 1 is also an XY plan view of the vertical MOSEFT 100. In this example, the X-axis direction and the Y-axis direction are directions perpendicular to each other, and the Z-axis direction is a direction perpendicular to the XY plane. The X, Y, and Z axes form a so-called right-handed system.

本例においては、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」および「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」および「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」および「下」は、領域、層、膜およ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ない。   In this example, 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 a vertical direction with respect to the ground. That is, the “up” and “down” directions are not limited to the direction of gravity. “Upper” and “lower” are merely convenient expressions for specifying a relative positional relationship among regions, layers, films, substrates, and the like.

本例の縦型MOSFET100は、活性領域110とエッジ終端領域130とを有する。本例の活性領域110は、ゲートパッド112およびソースパッド114を有する。ゲートパッド112およびソースパッド114は、後述のゲート電極44およびソース電極54にそれぞれ電気的に接続された電極パッドである。   The vertical MOSFET 100 of this example has an active region 110 and an edge termination region 130. The active region 110 in this example has a gate pad 112 and a source pad 114. The gate pad 112 and the source pad 114 are electrode pads that are electrically connected to a gate electrode 44 and a source electrode 54 described later, respectively.

エッジ終端領域130は、上面視において活性領域110の周囲を囲んで設けられる。エッジ終端領域130は、ガードリング構造、フィールドプレート構造およびJTE(Junction Termination Extension)構造の一以上を有してよい。エッジ終端領域130は、活性領域110で発生した空乏層をエッジ終端領域130まで広げることにより、活性領域110での電界集中を防ぐ機能を有してよい。   The edge termination region 130 is provided so as to surround the active region 110 in a top view. The edge termination region 130 may have one or more of a guard ring structure, a field plate structure, and a JTE (Junction Termination Extension) structure. The edge termination region 130 may have a function of preventing electric field concentration in the active region 110 by expanding a depletion layer generated in the active region 110 to the edge termination region 130.

図2は、図1のA‐A断面およびB‐B断面を示す図である。A‐A断面およびB‐B断面は、各々Y‐Z平面に平行な断面である。A‐A断面は活性領域110の部分的な断面図であり、B‐B断面はエッジ終端領域130の部分的な断面図である。なお、A‐A断面は、MOSFETの繰り返し単位の構造を示す。MOSFETの繰り返し単位の構造は、Y軸方向において繰り返し設けられてよい。   FIG. 2 is a view showing the AA cross section and the BB cross section of FIG. Each of the AA cross section and the BB cross section is a cross section parallel to the YZ plane. The AA cross-section is a partial cross-sectional view of the active region 110, and the BB cross-section is a partial cross-sectional view of the edge termination region 130. The AA cross section shows the structure of the repeating unit of the MOSFET. The structure of the repeating unit of the MOSFET may be repeatedly provided in the Y-axis direction.

(A‐A断面)本例の縦型MOSFET100は、活性領域110にプレーナゲート型の縦型MOSFETを有する。本例の縦型MOSFET100は、GaN基板10、GaN層16、ゲート絶縁膜42、ゲート電極44、ソース電極54およびドレイン電極56を有する。   (A-A cross section) The vertical MOSFET 100 of this example has a planar gate type vertical MOSFET in the active region 110. The vertical MOSFET 100 of this example includes a GaN substrate 10, a GaN layer 16, a gate insulating film 42, a gate electrode 44, a source electrode 54 and a drain electrode 56.

GaN基板10はGaN単結晶基板の一例である。GaN基板10は、第1導電型の基板であってよい。本例のGaN基板10は、n型の基板である。GaN層16は、GaN基板10上に設けられてよい。本例のGaN層16は、GaN基板10上にエピタキシャル形成される。GaN層16は、第1導電型の層であってよい。本例のGaN層16は、n型の層である。 The GaN substrate 10 is an example of a GaN single crystal substrate. The GaN substrate 10 may be a first conductivity type substrate. The GaN substrate 10 of this example is an n + type substrate. The GaN layer 16 may be provided on the GaN substrate 10. The GaN layer 16 of this example is formed epitaxially on the GaN substrate 10. The GaN layer 16 may be a first conductivity type layer. The GaN layer 16 in this example is an n type layer.

本例においては、第1導電型をn型とし、第2導電型をp型とする。ただし、他の例においては第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としてもよい。なお、nまたはpは、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。nまたはpの右肩に記載した+または−について、+はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が高く、−はそれが記載されていないものよりもキャリア濃度が低いことを意味する。   In this example, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type. However, in another example, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type. Here, n or p means that electrons or holes are majority carriers, respectively. For + or-listed on the right shoulder of n or p, + means that the carrier concentration is higher than that in which it is not described, and-means that the carrier concentration is lower than that in which it is not described.

GaNに対する第1導電型(n型)不純物は、Si(シリコン)、Ge(ゲルマニウム)、およびO(酸素)の一種類以上の元素であってよい。本例においては、n型不純物としてSiを用いる。また、GaNに対する第1導電型(p型)不純物は、Mg(マグネシウム)、Ca(カルシウム)、Be(ベリリウム)およびZn(亜鉛)の一種類以上の元素であってよい。本例においては、p型不純物としてMgを用いる。   The first conductivity type (n-type) impurity for GaN may be one or more elements of Si (silicon), Ge (germanium), and O (oxygen). In this example, Si is used as the n-type impurity. The first conductivity type (p-type) impurity for GaN may be one or more elements of Mg (magnesium), Ca (calcium), Be (beryllium), and Zn (zinc). In this example, Mg is used as the p-type impurity.

本例の縦型MOSFET100において、半導体材料はGaNであるが、半導体材料はアルミニウム(Al)およびインジウム(In)の一以上の元素を含んでもよい。半導体材料は、AlおよびInを微量に含んだ混晶半導体、即ちAlInGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1)であってもよい。ただし、本例の半導体材料は、AlInGa1−x−yNにおいてx=y=0としたGaNである。 In the vertical MOSFET 100 of this example, the semiconductor material is GaN, but the semiconductor material may include one or more elements of aluminum (Al) and indium (In). The semiconductor material may be a mixed crystal semiconductor containing a small amount of Al and In, that is, Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x <1, 0 ≦ y <1). However, the semiconductor material of this example is GaN in which x = y = 0 in Al x In y Ga 1-xy N.

GaN基板10は、低転位自立型基板であってよい。本例のGaN基板10は、貫通転位密度が1E+7cm−2未満の自立基板である。GaN基板10を低転位密度とすることにより、GaN基板10上に形成したGaN層16の転位密度も低減することができる。さらに、このような低転位基板を用いることで、大面積のパワーデバイスを形成してもリーク電流を少なくすることができる。これにより、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、イオン注入された不純物が熱処理のときに転位に沿って深く拡散することを防止できる。 The GaN substrate 10 may be a low dislocation free-standing substrate. The GaN substrate 10 of this example is a self-supporting substrate having a threading dislocation density of less than 1E + 7 cm −2 . By setting the GaN substrate 10 to a low dislocation density, the dislocation density of the GaN layer 16 formed on the GaN substrate 10 can also be reduced. Furthermore, by using such a low dislocation substrate, leakage current can be reduced even when a large area power device is formed. Thereby, a power device can be manufactured with a high yield rate. Further, it is possible to prevent the ion-implanted impurity from deeply diffusing along the dislocation during the heat treatment.

本例において、GaN層16とGaN基板10との界面を境界12とする。本例において、境界12はGaN基板10の第1主面である。GaN基板10の第2主面は、境界12と反対側の裏面18である。また、本例において、GaN層16の第1主面は、境界12と反対側の表(おもて)面14であり、GaN層16の第2主面は境界12である。   In this example, the interface between the GaN layer 16 and the GaN substrate 10 is defined as a boundary 12. In this example, the boundary 12 is the first main surface of the GaN substrate 10. The second main surface of the GaN substrate 10 is a back surface 18 opposite to the boundary 12. In the present example, the first main surface of the GaN layer 16 is the front surface 14 opposite to the boundary 12, and the second main surface of the GaN layer 16 is the boundary 12.

(イオン注入領域)GaN層16中には、不純物がイオン注入されてよい。本例において、GaN層16は、表面14から各々所定の深さ範囲に不純物がイオン注入された領域である、コンタクト領域25、ソース領域26および埋込領域28を有する。つまり、コンタクト領域25、ソース領域26および埋込領域28は、GaN層16中に設けられる。   (Ion implantation region) Impurities may be ion implanted into the GaN layer 16. In this example, the GaN layer 16 has a contact region 25, a source region 26, and a buried region 28, which are regions in which impurities are ion-implanted in a predetermined depth range from the surface 14. That is, the contact region 25, the source region 26 and the buried region 28 are provided in the GaN layer 16.

コンタクト領域25および埋込領域28にはMgがイオン注入されてよい。コンタクト領域25および埋込領域28の各々は、イオン注入後の熱処理を経て、第2導電型領域になってよい。本例のコンタクト領域25および埋込領域28の各々は、熱処理後にp型となる。 Mg may be implanted into the contact region 25 and the buried region 28. Each of contact region 25 and buried region 28 may become a second conductivity type region through a heat treatment after ion implantation. Each of the contact region 25 and the buried region 28 in this example becomes p + type after the heat treatment.

埋込領域28がp型である場合に、埋込領域28は耐圧構造部として機能し得る。例えば、p型の埋込領域28が無い場合には、ベース領域23とドリフト領域22とのpn接合により形成される空乏層がベース領域23の上端にまで達することで、ゲートオフ時の耐圧が低下する場合がある。これに対して、埋込領域28を設けることにより、空乏層がベース領域23の上端にまで達することを防ぐことができるので、埋込領域28が無い場合に比べてゲートオフ時の耐圧を向上させることができる。 When the buried region 28 is p + type, the buried region 28 can function as a breakdown voltage structure. For example, when there is no p + type buried region 28, the depletion layer formed by the pn junction between the base region 23 and the drift region 22 reaches the upper end of the base region 23, so that the breakdown voltage at the gate-off time is increased. May decrease. On the other hand, since the depletion layer can be prevented from reaching the upper end of the base region 23 by providing the buried region 28, the breakdown voltage when the gate is turned off is improved as compared with the case where there is no buried region 28. be able to.

ソース領域26には、Siがイオン注入されてよい。これにより、ソース領域26は、第1導電型の不純物を有する。ソース領域26は、イオン注入後の熱処理を経て、第1導電型領域になってよい。本例のソース領域26は、熱処理後にn型となる。なお、本例のコンタクト領域25、ソース領域26および埋込領域28は、X軸方向に延伸するストライプ形状であってよい。 Si may be ion-implanted into the source region 26. Thus, the source region 26 has the first conductivity type impurity. The source region 26 may become a first conductivity type region through a heat treatment after ion implantation. The source region 26 in this example becomes n + type after the heat treatment. Note that the contact region 25, the source region 26, and the buried region 28 of this example may have a stripe shape extending in the X-axis direction.

埋込領域28は、ソース領域26の底部よりも下に位置する。ソース領域26の底部と埋込領域28の上部との間には、ベース領域23が位置してよい。本例のGaN層16は、第1の埋込領域28‐1および第2の埋込領域28‐2を含む。第2の埋込領域28‐2は、線対称軸60に対して第1の埋込領域28‐1に対応してよい。なお、線対称軸60は、深さ方向と平行な方向に延びる仮想的な直線である。深さ方向とは、Z軸方向に平行な方向である。線対称軸60は、MOSFETの繰り返し単位の構造において一つ存在するとしてよい。本例の第1の埋込領域28‐1および第2の埋込領域28‐2は、線対称軸60に対して対称である。   The buried region 28 is located below the bottom of the source region 26. A base region 23 may be located between the bottom of the source region 26 and the top of the buried region 28. The GaN layer 16 of this example includes a first buried region 28-1 and a second buried region 28-2. The second buried region 28-2 may correspond to the first buried region 28-1 with respect to the line symmetry axis 60. The line symmetry axis 60 is an imaginary straight line extending in a direction parallel to the depth direction. The depth direction is a direction parallel to the Z-axis direction. One line symmetry axis 60 may exist in the structure of the repeating unit of the MOSFET. The first buried region 28-1 and the second buried region 28-2 in this example are symmetric with respect to the line symmetry axis 60.

ソース領域26は、電子電流が流れる経路を提供してよい。本例のソース領域26は、少なくとも一部が表面14に露出する。ソース領域26は、底部と内側の側部とがベース領域23に接し、外側の側部がコンタクト領域25に接してよい。なお、本例においては、一の領域において線対称軸60に近い位置を内側と称し、当該一の領域における線対称軸60から遠い位置を外側と称する場合がある。また、本例のGaN層16は、線対称軸60に対して対称である第1のソース領域26‐1および第2のソース領域26‐2を含む。   The source region 26 may provide a path for the electron current to flow. The source region 26 in this example is at least partially exposed to the surface 14. The source region 26 may have a bottom portion and an inner side portion in contact with the base region 23, and an outer side portion in contact with the contact region 25. In this example, a position close to the line symmetry axis 60 in one region may be referred to as the inside, and a position far from the line symmetry axis 60 in the one region may be referred to as the outside. Further, the GaN layer 16 of this example includes a first source region 26-1 and a second source region 26-2 that are symmetrical with respect to the line symmetry axis 60.

コンタクト領域25は、ソース電極54との接触抵抗を低減する機能、および、ゲートオフ時の正孔引き抜き経路を提供する機能を有してよい。本例のコンタクト領域25は、少なくとも一部が表面14に露出する。コンタクト領域25は、内側の側部がソース領域26およびベース領域23に接し、底部が埋込領域28に接してよい。また、本例のGaN層16は、線対称軸60に対して対称である第1のコンタクト領域25‐1および第2のコンタクト領域25‐2を含む。   The contact region 25 may have a function of reducing contact resistance with the source electrode 54 and a function of providing a hole extraction path when the gate is off. The contact region 25 of this example is at least partially exposed on the surface 14. The contact region 25 may have an inner side in contact with the source region 26 and the base region 23 and a bottom in contact with the buried region 28. Further, the GaN layer 16 of this example includes a first contact region 25-1 and a second contact region 25-2 that are symmetric with respect to the line symmetry axis 60.

(熱拡散領域)本例のGaN層16は、ベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29をさらに有する。つまり、ベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29は、GaN層16中に設けられる。本例のベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29は、埋込領域28を熱処理した結果、埋込領域28中の第2導電型の不純物が拡散することにより形成された領域である。これら熱拡散領域は、第2導電型領域である。本例のベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29は、埋込領域28よりも低い第2導電型不純物濃度を有する。本例のベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29は、p型またはp型である。 (Thermal diffusion region) The GaN layer 16 of this example further has a base region 23, a side diffusion region 27, and a lower diffusion region 29. That is, the base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 are provided in the GaN layer 16. The base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 in this example are regions formed by diffusing impurities of the second conductivity type in the buried region 28 as a result of heat treatment of the buried region 28. is there. These thermal diffusion regions are second conductivity type regions. In this example, the base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 have a second conductivity type impurity concentration lower than that of the buried region 28. The base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 in this example are p-type or p - type.

ベース領域23は、埋込領域28上に設けられる。本例のGaN層16は、線対称軸60に対して対称である第1のベース領域23‐1および第2のベース領域23‐2を含む。ベース領域23の一部である上部領域は、表面14に露出してよい。本例において、上部領域は、チャネル形成領域24に対応する領域である。本例の上部領域(チャネル形成領域24)は、表面14においてゲート絶縁膜42に接する。   Base region 23 is provided on buried region 28. The GaN layer 16 of the present example includes a first base region 23-1 and a second base region 23-2 that are symmetric with respect to the line symmetry axis 60. An upper region that is part of the base region 23 may be exposed on the surface 14. In this example, the upper region is a region corresponding to the channel formation region 24. The upper region (channel formation region 24) in this example is in contact with the gate insulating film 42 on the surface 14.

本例のベース領域23は、チャネル形成領域24(上部領域)およびソース領域26の下に位置する下部領域を含む。ベース領域23における上部領域および下部領域の内側の側部は、各々ドリフト領域22に接する。また、本例のチャネル形成領域24は、表面14と平行な方向において、ソース領域26に隣接してよい。本例のチャネル形成領域24の外側は、ソース領域26に接する。なお、本例の下部領域の外側は、コンタクト領域25に接する。   The base region 23 in this example includes a channel formation region 24 (upper region) and a lower region located under the source region 26. The side portions inside the upper region and the lower region in the base region 23 are in contact with the drift region 22. Further, the channel forming region 24 of this example may be adjacent to the source region 26 in a direction parallel to the surface 14. The outside of the channel forming region 24 in this example is in contact with the source region 26. Note that the outside of the lower region in this example is in contact with the contact region 25.

本例の側部拡散領域27は、Y軸方向において埋込領域28に隣接する。本例のGaN層16は、線対称軸60に対して各々対称である、第1の側部拡散領域27‐1および第2の側部拡散領域27‐2と、第1の下部拡散領域29‐1および第2の下部拡散領域29‐2とを含む。側部拡散領域27は、埋込領域28よりも内側に位置する。   The side diffusion region 27 in this example is adjacent to the buried region 28 in the Y-axis direction. The GaN layer 16 of this example includes a first side diffusion region 27-1 and a second side diffusion region 27-2 that are symmetrical with respect to the line symmetry axis 60, and a first lower diffusion region 29. -1 and a second lower diffusion region 29-2. The side diffusion region 27 is located inside the buried region 28.

本例の下部拡散領域29は、埋込領域28の下に直接接する。本例の下部拡散領域29は、埋込領域28とGaN基板10との間に位置する。ベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29の内側の側部は、第2導電型不純物の熱拡散領域と第1導電型のドリフト領域22との間の連続的に設けられた境界17を構成してよい。   The lower diffusion region 29 of this example is in direct contact with the buried region 28. The lower diffusion region 29 in this example is located between the buried region 28 and the GaN substrate 10. The inner side portions of the base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 are continuously provided boundaries between the thermal diffusion region of the second conductivity type impurity and the drift region 22 of the first conductivity type. 17 may be configured.

本例のドリフト領域22は、各々第1導電型である、上部領域22‐Tおよび下部領域22‐Bを含む。本例の上部領域22‐Tおよび下部領域22‐Bは、各々n型の領域である。上部領域22‐Tは、第1のベース領域23‐1、側部拡散領域27‐1、第1の埋込領域28‐1および第1の下部拡散領域29‐1と、第2のベース領域23‐2、側部拡散領域27‐2、第2の埋込領域28‐2および第2の下部拡散領域29‐2との間に設けられてよい。本例の上部領域22‐Tは、線対称軸60に対して対称に設けられた二つの境界17に間に位置する。また、本例において、上部領域22‐Tの上端は表面14に一致し、上部領域22‐Tの下端は下部拡散領域29の下端と同じ深さ位置に一致する。 The drift region 22 of this example includes an upper region 22-T and a lower region 22-B, each of the first conductivity type. The upper region 22-T and the lower region 22-B in this example are each an n type region. The upper region 22-T includes a first base region 23-1, a side diffusion region 27-1, a first buried region 28-1, a first lower diffusion region 29-1, and a second base region. 23-2, the side diffusion region 27-2, the second buried region 28-2, and the second lower diffusion region 29-2. The upper region 22 -T of this example is located between two boundaries 17 provided symmetrically with respect to the line symmetry axis 60. In this example, the upper end of the upper region 22 -T coincides with the surface 14, and the lower end of the upper region 22 -T coincides with the same depth position as the lower end of the lower diffusion region 29.

下部領域22‐Bは、上部領域22‐TとGaN基板10との間に位置してよい。本例の下部領域22‐Bは、下部拡散領域29の下端とGaN基板10の上端(即ち、境界12)との間に位置する。下部領域22‐Bは、MOSFETの繰り返し単位の構造において、Y軸方向全体に渡って設けられてよい。   The lower region 22 -B may be located between the upper region 22 -T and the GaN substrate 10. The lower region 22-B in this example is located between the lower end of the lower diffusion region 29 and the upper end (that is, the boundary 12) of the GaN substrate 10. The lower region 22-B may be provided over the entire Y-axis direction in the structure of the repeating unit of the MOSFET.

ゲート絶縁膜42は、少なくともチャネル形成領域24上に直接接して設けられてよい。本例のゲート絶縁膜42は、ドリフト領域22の上部領域22‐Tと、チャネル形成領域24と、ソース領域26の一部とに直接接して設けられる。本例のゲート絶縁膜42は、平坦な表面14上に設けられる。   The gate insulating film 42 may be provided in direct contact with at least the channel formation region 24. The gate insulating film 42 in this example is provided in direct contact with the upper region 22 -T of the drift region 22, the channel formation region 24, and a part of the source region 26. The gate insulating film 42 in this example is provided on the flat surface 14.

本例において、平坦な表面14とは、ゲートトレンチ部またはメサ構造を設けることを目的としたエッチングにより意図的な凹凸が設けられていない表面14を意味する。ただし、平坦な表面14は、後述のマスク80およびキャップ層85等のエッチングならびに熱処理に起因して、例えば、10nm程度の凹凸を有してもよい。凹凸は、例えば、最大高さ粗さRzにより評価してよい。最大高さ粗さRzとは、凹凸を示す輪郭曲線の平均線の方向に基準長さLだけ輪郭曲線を抜き取ったグラフにおいて、当該平均線から最も高い山頂までの高さRpと最も低い谷までの深さRvとの差を意味する。   In this example, the flat surface 14 means a surface 14 on which no intentional unevenness is provided by etching for the purpose of providing a gate trench portion or a mesa structure. However, the flat surface 14 may have unevenness of, for example, about 10 nm due to etching and heat treatment of the mask 80 and the cap layer 85 described later. The unevenness may be evaluated by, for example, the maximum height roughness Rz. The maximum height roughness Rz is a graph in which the contour curve is extracted by the reference length L in the direction of the average line of the contour curve showing the unevenness, and the height Rp from the average line to the highest peak and the lowest valley Means the difference from the depth Rv.

本例の表面14は、ソース領域26の上端と、チャネル形成領域24の上端と、上部領域22‐Tの上端とを含む。本例においては、ソース領域26の上端と、チャネル形成領域24の上端と、上部領域22‐Tの上端と、コンタクト領域25の上端とが、表面14に一致する一つの平面を構成する。このように、本例においては、ゲートトレンチ部もメサ部も設けないので、ゲートトレンチ部の角部またはメサ部の角部において電界集中が生じることにより耐圧が低下するという問題を解消することができる。   The surface 14 of this example includes the upper end of the source region 26, the upper end of the channel forming region 24, and the upper end of the upper region 22-T. In this example, the upper end of the source region 26, the upper end of the channel forming region 24, the upper end of the upper region 22 -T, and the upper end of the contact region 25 constitute one plane that matches the surface 14. As described above, in this example, since neither the gate trench part nor the mesa part is provided, it is possible to solve the problem that the breakdown voltage is lowered due to the electric field concentration at the corner part of the gate trench part or the corner part of the mesa part. it can.

ゲート電極44は、ベース領域23よりも上方に設けられてよい。本例のゲート電極44は、ゲート絶縁膜42上に直接接して、少なくともチャネル形成領域24上に設けられる。より具体的には、本例のゲート電極44は、上部領域22‐Tと、チャネル形成領域24と、ソース領域26の一部との上方に設けられる。このように、本例のゲート電極44は、平坦なゲート絶縁膜42上に設けられたプレーナ型である。ゲート電極44は、ゲートパッド112と異なる材料で形成されてよい。本例において、ゲート電極44は不純物をドープしたポリシリコンで形成され、ゲートパッド112はAlまたはAl‐Siの合金で形成される。   The gate electrode 44 may be provided above the base region 23. The gate electrode 44 of this example is provided on at least the channel formation region 24 in direct contact with the gate insulating film 42. More specifically, the gate electrode 44 of this example is provided above the upper region 22 -T, the channel formation region 24, and a part of the source region 26. Thus, the gate electrode 44 of this example is a planar type provided on the flat gate insulating film 42. The gate electrode 44 may be formed of a material different from that of the gate pad 112. In this example, the gate electrode 44 is formed of polysilicon doped with impurities, and the gate pad 112 is formed of Al or an Al—Si alloy.

ソース電極54は、表面14上に設けられてよい。本例のソース電極54は、ソース領域26の一部とコンタクト領域25とに接して設けられる。ソース電極54は、層間絶縁膜を介してゲート電極44上にも設けられてよい。層間絶縁膜は、ゲート電極44がソース電極54と電気的に接続しないように、ゲート電極44の上部および複数の側部を被覆してよい。   The source electrode 54 may be provided on the surface 14. The source electrode 54 in this example is provided in contact with a part of the source region 26 and the contact region 25. The source electrode 54 may also be provided on the gate electrode 44 through an interlayer insulating film. The interlayer insulating film may cover an upper portion and a plurality of side portions of the gate electrode 44 so that the gate electrode 44 is not electrically connected to the source electrode 54.

なお、ソース電極54は、ソースパッド114と同一の材料で形成されてよい。本例においては、AlまたはAl‐Siの合金からなるソース電極54がソースパッド114も兼ねる。ソース電極54は、表面14とAl層またはAl‐Si層との間にバリアメタル層を有してもよい。バリアメタル層の材料としてチタン(Ti)を使用してもよい。つまり、ソース電極54は、Ti層およびAl層の積層、または、Ti層およびAl‐Siの合金層の積層であってもよい。ドレイン電極56は、裏面18に接して裏面18の下に設けられる。ドレイン電極56もソース電極54と同様の材料で構成されてよい。   Note that the source electrode 54 may be formed of the same material as the source pad 114. In this example, the source electrode 54 made of Al or an Al—Si alloy also serves as the source pad 114. The source electrode 54 may have a barrier metal layer between the surface 14 and the Al layer or Al—Si layer. Titanium (Ti) may be used as a material for the barrier metal layer. That is, the source electrode 54 may be a laminate of a Ti layer and an Al layer, or a laminate of a Ti layer and an Al—Si alloy layer. The drain electrode 56 is provided under the back surface 18 in contact with the back surface 18. The drain electrode 56 may be made of the same material as the source electrode 54.

ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を、それぞれG、DおよびSで示す。例えば、ゲート端子を介してゲート電極44に閾値電圧以上の電位が与えられると、チャネル形成領域24に反転層が形成される。反転層が形成された場合に、ドレイン電極56に所定の高電位が与えられ、かつ、ソース電極54に接地電位が与えられると、ドレイン端子からソース端子へ電流が流れる。また、ゲート電極44に閾値電圧よりも低い電位が与えられるとチャネル形成領域24における反転層が消滅し、電流が遮断される。これにより、縦型MOSFET100は、ソース端子およびドレイン端子間における電流をスイッチングすることができる。   The gate terminal, source terminal and drain terminal are denoted by G, D and S, respectively. For example, when a potential equal to or higher than the threshold voltage is applied to the gate electrode 44 through the gate terminal, an inversion layer is formed in the channel formation region 24. When the inversion layer is formed, when a predetermined high potential is applied to the drain electrode 56 and a ground potential is applied to the source electrode 54, a current flows from the drain terminal to the source terminal. Further, when a potential lower than the threshold voltage is applied to the gate electrode 44, the inversion layer in the channel formation region 24 disappears and the current is cut off. Thereby, the vertical MOSFET 100 can switch a current between the source terminal and the drain terminal.

(B‐B断面)本例の縦型MOSFET100は、エッジ終端領域130において、GaN基板10、GaN層16、電極58、保護膜70およびドレイン電極56を有する。なお、GaN基板10およびGaN層16は、エッジ終端領域130および活性領域110において、共通して設けられる。つまり、GaN基板10およびGaN層16の一部が活性領域110であり、GaN基板10およびGaN層16の他の一部がエッジ終端領域130である。ただし、エッジ終端領域130におけるGaN層16の内部の構造は、活性領域110と異なる。   (BB cross section) The vertical MOSFET 100 of this example has a GaN substrate 10, a GaN layer 16, an electrode 58, a protective film 70, and a drain electrode 56 in an edge termination region 130. The GaN substrate 10 and the GaN layer 16 are provided in common in the edge termination region 130 and the active region 110. That is, a part of the GaN substrate 10 and the GaN layer 16 is the active region 110, and another part of the GaN substrate 10 and the GaN layer 16 is the edge termination region 130. However, the internal structure of the GaN layer 16 in the edge termination region 130 is different from that of the active region 110.

エッジ終端領域130のGaN層16は、ドリフト領域22、上部拡散領域34、第1ドープ領域35、第2ドープ領域36、側部拡散領域37、埋込領域38および下部拡散領域39を有する。なお、本例において、第1ドープ領域35、第2ドープ領域36および埋込領域38は、Mgをイオン注入した領域である。これに対して、上部拡散領域34、側部拡散領域37および下部拡散領域39は、イオン注入した後の熱処理により形成された領域である。熱処理において、埋込領域38はp型領域となってよく、第1ドープ領域35、第2ドープ領域36、上部拡散領域34、側部拡散領域37および下部拡散領域39はp型またはp型領域となってよい。 The GaN layer 16 in the edge termination region 130 includes a drift region 22, an upper diffusion region 34, a first doped region 35, a second doped region 36, a side diffusion region 37, a buried region 38 and a lower diffusion region 39. In this example, the first doped region 35, the second doped region 36, and the buried region 38 are regions where Mg ions are implanted. In contrast, the upper diffusion region 34, the side diffusion region 37, and the lower diffusion region 39 are regions formed by heat treatment after ion implantation. In the heat treatment, the buried region 38 may be a p + -type region, and the first doped region 35, the second doped region 36, the upper diffusion region 34, the side diffusion region 37, and the lower diffusion region 39 may be p-type or p −. It may be a mold area.

上部拡散領域34は、埋込領域38上に直接接して設けられる。X‐Y平面において、第2ドープ領域36、第1ドープ領域35および上部拡散領域34の順にGaN層16の側端部に近い。第1ドープ領域35は、第2ドープ領域36と上部拡散領域34との間に位置する。側部拡散領域37は、埋込領域38の側部に位置し、深さ方向において第1ドープ領域35と下部拡散領域39との間に位置する。下部拡散領域39は、埋込領域38の底部に接して底部の下に位置する。 The upper diffusion region 34 is provided in direct contact with the buried region 38. In the XY plane, the second doped region 36, the first doped region 35, and the upper diffusion region 34 are close to the side end portion of the GaN layer 16 in this order. The first doped region 35 is located between the second doped region 36 and the upper diffusion region 34. The side diffusion region 37 is located on the side of the buried region 38 and is located between the first doped region 35 and the lower diffusion region 39 in the depth direction. The lower diffusion region 39 is in contact with the bottom of the buried region 38 and is located below the bottom.

本例のエッジ終端領域130は、ガードリング構造74およびJTE(Junction Termination Extension)構造78を有する。本例においては、上部拡散領域34、側部拡散領域37、埋込領域38、下部拡散領域39および電極58が、ガードリング構造74を構成する。エッジ終端領域130は、互いに離間した複数のガードリング構造74を有してもよい。   The edge termination region 130 of this example has a guard ring structure 74 and a JTE (Junction Termination Extension) structure 78. In this example, the upper diffusion region 34, the side diffusion region 37, the buried region 38, the lower diffusion region 39, and the electrode 58 constitute a guard ring structure 74. The edge termination region 130 may have a plurality of guard ring structures 74 that are spaced apart from each other.

電極58は、上部拡散領域34上に直接接して設けられる。電極58、上部拡散領域34、側部拡散領域37、埋込領域38および下部拡散領域39は、活性領域110をX‐Y平面において囲むようにリング状に設けられてよい。電極58は、接地電位を有してもよい。ガードリング構造74があることにより、ゲートオフ状態での空乏層がGaN層16の側端部に広がり易くなる。これにより、ガードリング構造74が無い場合に比べて縦型MOSFET100の耐圧を向上させることができる。   The electrode 58 is provided in direct contact with the upper diffusion region 34. The electrode 58, the upper diffusion region 34, the side diffusion region 37, the buried region 38, and the lower diffusion region 39 may be provided in a ring shape so as to surround the active region 110 in the XY plane. The electrode 58 may have a ground potential. Due to the guard ring structure 74, the depletion layer in the gate-off state easily spreads to the side end portion of the GaN layer 16. Thereby, the breakdown voltage of the vertical MOSFET 100 can be improved as compared with the case where the guard ring structure 74 is not provided.

第1ドープ領域35および第2ドープ領域36は、JTE構造78を構成する。本例において、第2ドープ領域36のMg濃度は、第1ドープ領域35のMg濃度よりも低い。Mg濃度が低いほど空乏化する範囲が広くなる。GaN層16の側端部に近い第2ドープ領域36のMg濃度を相対的に低濃度とすることにより、ゲートオフ状態での空乏層が外側に広がり易くなる。これにより、JTE構造78が無い場合に比べて縦型MOSFET100の耐圧を向上させることができる。   The first doped region 35 and the second doped region 36 constitute a JTE structure 78. In this example, the Mg concentration of the second doped region 36 is lower than the Mg concentration of the first doped region 35. The lower the Mg concentration, the wider the depleted range. By making the Mg concentration of the second doped region 36 close to the side edge of the GaN layer 16 relatively low, the depletion layer in the gate-off state is likely to spread outward. Thereby, the withstand voltage of the vertical MOSFET 100 can be improved as compared with the case without the JTE structure 78.

図3は、図2のC‐C断面における、Mg濃度分布および残留欠陥分布を示す図である。C‐C断面は、ベース領域23(特に、チャネル形成領域24)、埋込領域28、下部拡散領域29および下部領域22‐Bを通るX‐Z平面に平行な断面である。   FIG. 3 is a diagram showing the Mg concentration distribution and the residual defect distribution in the CC section of FIG. The CC cross section is a cross section parallel to the XZ plane passing through the base region 23 (particularly the channel forming region 24), the buried region 28, the lower diffusion region 29, and the lower region 22-B.

上側のグラフがMg濃度分布であり、下側のグラフが残留欠陥分布である。本例において、Mg濃度分布は、熱処理後のMg濃度分布を意味する。Mg濃度分布において、縦軸はMg濃度[cm−3]であり、横軸は深さ[nm]である。また、本例において、残留欠陥分布は、熱処理後における残留欠陥濃度の分布を意味する。それゆえ、縦軸は残留欠陥濃度[cm−3]であり、横軸は深さ[nm]である。残留欠陥は、例えば点欠陥である。 The upper graph is the Mg concentration distribution, and the lower graph is the residual defect distribution. In this example, the Mg concentration distribution means the Mg concentration distribution after the heat treatment. In the Mg concentration distribution, the vertical axis represents the Mg concentration [cm −3 ], and the horizontal axis represents the depth [nm]. Further, in this example, the residual defect distribution means a distribution of residual defect concentration after the heat treatment. Therefore, the vertical axis is the residual defect concentration [cm −3 ], and the horizontal axis is the depth [nm]. The residual defect is, for example, a point defect.

本例において、埋込領域28は、予め定められた深さ位置にp型不純物濃度分布のピークを有する。また、埋込領域28は、予め定められた深さ位置に残留欠陥濃度のピークを有する。本例において、埋込領域28におけるp型不純物濃度分布のピーク深さ位置と残留欠陥濃度のピーク深さ位置とは一致する。つまり、所定の深さ位置にMgイオンがイオン注入されるので、この所定の深さ位置においてMg濃度分布および残留欠陥分布は極大値を有する。   In this example, the buried region 28 has a p-type impurity concentration distribution peak at a predetermined depth position. The buried region 28 has a peak of residual defect concentration at a predetermined depth position. In this example, the peak depth position of the p-type impurity concentration distribution in the buried region 28 coincides with the peak depth position of the residual defect concentration. That is, since Mg ions are ion-implanted at a predetermined depth position, the Mg concentration distribution and the residual defect distribution have maximum values at the predetermined depth position.

ベース領域23におけるp型不純物濃度は、GaN層16の深さ方向と平行な方向において、埋込領域28の上端から表面14に向けて徐々に低下してよい。なお、図3における埋込領域28の上端および下端を、破線で示す。埋込領域28からベース領域23にp型不純物が熱拡散することに起因して、p型不純物がZ軸の正方向において徐々に低下してよい。   The p-type impurity concentration in the base region 23 may gradually decrease from the upper end of the buried region 28 toward the surface 14 in a direction parallel to the depth direction of the GaN layer 16. Note that the upper and lower ends of the embedded region 28 in FIG. 3 are indicated by broken lines. Due to the thermal diffusion of the p-type impurity from the buried region 28 to the base region 23, the p-type impurity may gradually decrease in the positive direction of the Z axis.

同様に、ベース領域23における残留欠陥濃度は、GaN層16の深さ方向と平行な方向において、埋込領域28の上端から表面14に向けて徐々に低下してよい。埋込領域28からベース領域23にp型不純物が熱拡散することに起因して、欠陥も同様に熱拡散してよい。これにより、残留欠陥濃度がZ軸の正方向において徐々に低下してよい。なお、不純物濃度または欠陥濃度がZ軸方向において徐々に低下するとは、不純物濃度または欠陥濃度がZ軸方向において単調減少であることを意味してよい。   Similarly, the residual defect concentration in the base region 23 may gradually decrease from the upper end of the buried region 28 toward the surface 14 in a direction parallel to the depth direction of the GaN layer 16. Due to the thermal diffusion of the p-type impurity from the buried region 28 to the base region 23, the defect may be similarly thermally diffused. Thereby, the residual defect concentration may gradually decrease in the positive direction of the Z axis. Note that the gradual decrease in the impurity concentration or the defect concentration in the Z-axis direction may mean that the impurity concentration or the defect concentration is monotonously decreased in the Z-axis direction.

このように、本例のMg濃度分布および残留欠陥分布は、埋込領域28の上端から表面14に向けてテール領域を有する。詳細については、後述するが、チャネル形成領域24を埋込領域28の熱処理(特に、急速加熱処理)により形成することにより、低Mg濃度かつ低欠陥濃度のチャネル形成領域24を形成することができる。   As described above, the Mg concentration distribution and the residual defect distribution in this example have a tail region from the upper end of the buried region 28 toward the surface 14. Although details will be described later, the channel formation region 24 having a low Mg concentration and a low defect concentration can be formed by forming the channel formation region 24 by heat treatment (particularly rapid heating treatment) of the buried region 28. .

また、GaN層16の深さ方向と平行な方向において、下部拡散領域29におけるp型不純物濃度は、埋込領域28の下端からGaN基板10に向けて徐々に低下してよい。埋込領域28からドリフト領域22の下部領域22‐Bにp型不純物が熱拡散することに起因して、p型不純物がZ軸の負方向において徐々に低下してよい。   Further, the p-type impurity concentration in the lower diffusion region 29 may gradually decrease from the lower end of the buried region 28 toward the GaN substrate 10 in a direction parallel to the depth direction of the GaN layer 16. Due to the thermal diffusion of the p-type impurity from the buried region 28 to the lower region 22 -B of the drift region 22, the p-type impurity may gradually decrease in the negative direction of the Z axis.

さらに、下部拡散領域29における残留欠陥濃度は、GaN層16の深さ方向と平行な方向において、埋込領域28の下端からGaN基板10に向けて徐々に低下してよい。つまり、埋込領域28からドリフト領域22にp型不純物が熱拡散することに起因して、欠陥も同様に熱拡散してよい。これにより、残留欠陥濃度がZ軸の負方向において徐々に低下してよい。   Furthermore, the residual defect concentration in the lower diffusion region 29 may gradually decrease from the lower end of the buried region 28 toward the GaN substrate 10 in a direction parallel to the depth direction of the GaN layer 16. That is, due to the thermal diffusion of the p-type impurity from the buried region 28 to the drift region 22, the defect may be thermally diffused as well. Thereby, the residual defect concentration may gradually decrease in the negative direction of the Z axis.

本例においては、相対的に残留欠陥濃度が高い埋込領域28と下部領域22‐Bとでpn接合を形成するのではなく、相対的に残留欠陥濃度が低い下部拡散領域29と下部領域22‐Bとでpn接合を形成する。それゆえ、本例では、埋込領域28と下部領域22‐Bとでpn接合を形成する場合に比べて、逆バイアス時のリーク電流が少ない良好な空乏層を下部拡散領域29と下部領域22‐Bとにより形成することができる。   In this example, a pn junction is not formed between the buried region 28 and the lower region 22-B having a relatively high residual defect concentration, but the lower diffusion region 29 and the lower region 22 having a relatively low residual defect concentration. A pn junction is formed with -B. Therefore, in this example, a good depletion layer with less leakage current at the time of reverse bias is formed as the lower diffusion region 29 and the lower region 22 compared with the case where a pn junction is formed by the buried region 28 and the lower region 22-B. -B.

図4は、縦型MOSFET100の製造工程を示すフロー図である。本例の製造工程は、段階S210からS300の順に(即ち、番号の小さい順に)行われる。   FIG. 4 is a flowchart showing the manufacturing process of the vertical MOSFET 100. The manufacturing process of this example is performed in the order of steps S210 to S300 (that is, in ascending order of numbers).

図5Aは、段階S210を示す図である。段階S210においては、GaN基板10上にGaN層16をエピタキシャル形成する。本例の段階S210においては、有機金属成長法(MOCVD)またはハライド気相成長法(HVPE)等によりn型のGaN基板10上にn型のGaN層16をエピタキシャル形成する。エピタキシャル形成されたGaN層16は、1E+15cm−3以上5E+16cm−3以下のSiを有してよい。なお、Eは10の冪を表す。例えば、1E+15は、1×1015を意味する。GaN層16の厚み(即ち、境界12から表面14までの長さ)は、耐圧に応じて変えてよいが、例えば1μm以上50μm以下である。 FIG. 5A is a diagram illustrating step S210. In step S210, the GaN layer 16 is epitaxially formed on the GaN substrate 10. In step S210 of this example, the n-type GaN layer 16 is epitaxially formed on the n + -type GaN substrate 10 by metal organic growth (MOCVD), halide vapor phase epitaxy (HVPE), or the like. The epitaxially formed GaN layer 16 may have Si of 1E + 15 cm −3 or more and 5E + 16 cm −3 or less. Note that E represents 10 folds. For example, 1E + 15 means 1 × 10 15 . The thickness of the GaN layer 16 (that is, the length from the boundary 12 to the surface 14) may be changed according to the breakdown voltage, but is, for example, 1 μm or more and 50 μm or less.

図5Bは、段階S220を示す図である。本例の段階S220においては、第1ドープ領域35を形成するべく、エッジ終端領域130の一部にMgをイオン注入する。本例の段階S220においては、エッジ終端領域130の一部に開口を有するマスク80‐1を介してGaN層16にMgをイオン注入する。マスク80は、GaN層16に対して選択的に除去可能な二酸化シリコン(SiO)マスクまたはフォトレジストマスクであってよい。 FIG. 5B shows step S220. In step S220 of this example, Mg ions are implanted into a part of the edge termination region 130 in order to form the first doped region 35. In step S220 of this example, Mg ions are implanted into the GaN layer 16 through a mask 80-1 having an opening in a part of the edge termination region 130. The mask 80 may be a silicon dioxide (SiO 2 ) mask or a photoresist mask that can be selectively removed with respect to the GaN layer 16.

イオン注入の加速エネルギーは、注入深さに応じて変えてよい。なお、加速エネルギーは、加速電圧に比例する。加速電圧が大きいほど不純物のエネルギーを大きくすることができる。加速電圧が大きいほど、注入深さが深くなる。   The acceleration energy of ion implantation may be changed according to the implantation depth. The acceleration energy is proportional to the acceleration voltage. Impurity energy can be increased as the acceleration voltage is increased. The greater the acceleration voltage, the deeper the implantation depth.

本例では、加速電圧10、20、40、70、110、150および200(単位は全てkeV)、ならびに、ドーズ量1E+12cm−2以上1E+14cm−2以下の多段注入によりMgをGaN層16にイオン注入する。注入深さは、表面14から0.4μmの範囲であってよい。イオン注入後に、マスク80‐1は除去してよい。他の工程においてもイオン注入後にマスク80は除去してよい。 In this example, acceleration ions of 10, 20, 40, 70, 110, 150, and 200 (units are keV) and Mg are ion-implanted into the GaN layer 16 by multi-stage implantation with a dose amount of 1E + 12 cm −2 to 1E + 14 cm −2. To do. The implantation depth may range from the surface 14 to 0.4 μm. The mask 80-1 may be removed after the ion implantation. In other processes, the mask 80 may be removed after the ion implantation.

図5Cは、段階S225を示す図である。本例の段階S225においては、第2ドープ領域36を形成するべく、エッジ終端領域130の他の一部にMgをイオン注入する。より具体的には、第1ドープ領域35に対してY軸正方向に隣接するエッジ終端領域130の他の一部に開口を有するマスク80‐2を介してGaN層16にMgをイオン注入する。段階S225における加速電圧および注入深さは段階S220と同じであるが、段階S225におけるドーズ量は段階S220よりも小さくてよい。これにより、第2ドープ領域36のMg濃度を、第1ドープ領域35よりも低くする。なお、他の例においては、先に段階S225を実行し、その後に段階S220を実行してもよい。   FIG. 5C is a diagram illustrating step S225. In step S225 of this example, Mg ions are implanted into another part of the edge termination region 130 in order to form the second doped region. More specifically, Mg is ion-implanted into the GaN layer 16 through a mask 80-2 having an opening in the other part of the edge termination region 130 adjacent to the first doped region 35 in the positive Y-axis direction. . The acceleration voltage and implantation depth in step S225 are the same as in step S220, but the dose in step S225 may be smaller than in step S220. Thereby, the Mg concentration of the second doped region 36 is made lower than that of the first doped region 35. In another example, step S225 may be performed first, and then step S220 may be performed.

図5Dは、段階S230を示す図である。段階S230においては、活性領域110の埋込領域28およびエッジ終端領域130の埋込領域38を形成するべく、GaN層16の予め定められた深さ位置にMgをイオン注入する。本例の段階S230においては、埋込領域28および埋込領域38をイオン注入により同時に形成する。本例では、マスク80‐3を介して、加速電圧250keV以上500keV以下、ならびに、ドーズ量1E+14cm−2以上1E+15cm−2以下の条件でMgをGaN層16にイオン注入する。注入深さは、表面14から0.3μm以上0.5μm以下の範囲であってよい。 FIG. 5D is a diagram illustrating step S230. In step S230, Mg is ion-implanted at a predetermined depth position of the GaN layer 16 in order to form the buried region 28 of the active region 110 and the buried region 38 of the edge termination region 130. In step S230 of this example, the buried region 28 and the buried region 38 are simultaneously formed by ion implantation. In this example, Mg is ion-implanted into the GaN layer 16 through the mask 80-3 under the conditions of an acceleration voltage of 250 keV to 500 keV and a dose of 1E + 14 cm −2 to 1E + 15 cm −2 . The implantation depth may be in the range from 0.3 μm to 0.5 μm from the surface 14.

なお、上記の加速電圧およびドーズ量は、埋込領域28および埋込領域38を形成するための必要最低限の条件である。段階S230は、上記条件以外の加速電圧およびドーズ量でのイオン注入をさらに含んでもよい。段階S230のイオン注入は、多段注入としてもよい。つまり、段階S230のイオン注入は、所定の条件における一回のイオン注入ではなく、異なる加速電圧およびドーズ量による複数回のイオン注入であってもよい。これにより、埋込領域28および埋込領域38の厚みを制御することができる。   Note that the acceleration voltage and the dose are the minimum necessary conditions for forming the buried region 28 and the buried region 38. Step S230 may further include ion implantation with an acceleration voltage and a dose other than those described above. The ion implantation in step S230 may be multi-stage implantation. That is, the ion implantation in step S230 may be multiple ion implantations with different acceleration voltages and doses, rather than a single ion implantation under a predetermined condition. Thereby, the thickness of the buried region 28 and the buried region 38 can be controlled.

図5Eは、段階S240を示す図である。本例の段階S240においては、GaN層16の表面14上の全面に第1のキャップ層85‐1を形成する。なお、本例においては、GaN基板10、GaN層16およびキャップ層85の積層を積層体90と称する場合がある。   FIG. 5E shows step S240. In step S240 of this example, a first cap layer 85-1 is formed on the entire surface 14 of the GaN layer 16. In this example, the stack of the GaN substrate 10, the GaN layer 16, and the cap layer 85 may be referred to as a stack 90.

キャップ層85は、熱処理中においてGaN層16から窒素原子が放出されることを防ぐ機能を有してよい。窒素原子がGaN層16から放出された位置には窒素空孔が形成される。窒素空孔は、ドナー型欠陥として機能し得るので、p型特性の発現が阻害される可能性がある。本例においてはこれを防ぐべく、GaN層16の表面14に直接接するキャップ層85を設ける。   The cap layer 85 may have a function of preventing nitrogen atoms from being released from the GaN layer 16 during the heat treatment. Nitrogen vacancies are formed at positions where nitrogen atoms are released from the GaN layer 16. Nitrogen vacancies can function as donor-type defects, so that the expression of p-type characteristics may be inhibited. In this example, in order to prevent this, a cap layer 85 that is in direct contact with the surface 14 of the GaN layer 16 is provided.

キャップ層85は、耐熱性が高く、表面14と良好な密着性を有し、キャップ層85からGaN層16へ不純物が拡散せず、かつ、GaN層16に対して選択的に除去可能であることが望ましい。キャップ層85の耐熱性が高いとは、1100℃以上1400℃以下の温度で熱処理された場合においてもキャップ層85にピット(貫通開口)が形成されない程度に、キャップ層85が実質的に分解しないことを意味する。   The cap layer 85 has high heat resistance, good adhesion to the surface 14, impurities do not diffuse from the cap layer 85 to the GaN layer 16, and can be selectively removed from the GaN layer 16. It is desirable. High heat resistance of the cap layer 85 means that the cap layer 85 is not substantially decomposed to such an extent that no pits (through openings) are formed in the cap layer 85 even when heat-treated at a temperature of 1100 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. Means that.

本例のキャップ層85は、AlN層であるが、二酸化シリコン(SiO)層または窒化シリコン(SiN)層であってもよい。ただし、SiまたはOがGaN層16へ拡散する可能性を排除するべくAlN層の方が望ましい。なお、キャップ層85は、AlN層上にさらにSiO層、SiN層およびGaN層の1以上を積層してもよい。この場合において、AlN層はn型不純物の拡散防止層としても機能してよい。 The cap layer 85 in this example is an AlN layer, but may be a silicon dioxide (SiO 2 ) layer or a silicon nitride (SiN) layer. However, the AlN layer is desirable to eliminate the possibility of Si or O diffusing into the GaN layer 16. The cap layer 85 may further include one or more of a SiO 2 layer, a SiN layer, and a GaN layer on the AlN layer. In this case, the AlN layer may function also as an n-type impurity diffusion prevention layer.

図5Fは、段階S250を示す図である。本例の段階S250においては、熱処理装置150を用いて、1300℃以上1400℃以下の温度で積層体90‐1を熱処理する。なお、後述するように、段階S250は急速加熱処理である。   FIG. 5F is a diagram illustrating step S250. In step S250 of this example, the laminated body 90-1 is heat-treated at a temperature of 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower using the heat treatment apparatus 150. As will be described later, step S250 is a rapid heating process.

段階S250の熱処理により、埋込領域28からMgを熱拡散させて、各々p型またはp型のベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29を形成する。同様に、埋込領域38からMgを熱拡散させて、上部拡散領域34、側部拡散領域37および下部拡散領域39を形成する。また、埋込領域28および埋込領域38中の不純物を活性化し、イオン注入により生じた欠陥をある程度回復することができる。 By heat treatment in step S250, Mg is thermally diffused from the buried region 28 to form the p-type or p - type base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29, respectively. Similarly, Mg is thermally diffused from the buried region 38 to form the upper diffusion region 34, the side diffusion region 37 and the lower diffusion region 39. Further, the impurities in the buried region 28 and the buried region 38 are activated, and defects caused by ion implantation can be recovered to some extent.

図5Gは、段階S260を示す図である。本例の段階S260は、コンタクト領域25を形成するべく、Mgをイオン注入する段階である。本例では、マスク80‐4を介して、加速電圧10、20、40、70、110、150および200(単位は全てkeV)、ならびに、ドーズ量1E+15cm−2以上1E+16cm−2以下の多段注入により、Mgを活性領域110のGaN層16にイオン注入する。注入深さは、表面14から0.05μm以上0.1μm以下の範囲であってよい。イオン注入後に、マスク80‐4は除去してよい。 FIG. 5G shows step S260. In this example, step S260 is a step of ion-implanting Mg to form the contact region 25. In this example, through a mask 80-4, accelerating voltage 10,20,40,70,110,150 and 200 (in units of keV), and, by a multistage injection follows dose 1E + 15cm -2 least 1E + 16cm -2 Mg ions are implanted into the GaN layer 16 in the active region 110. The implantation depth may be in the range from 0.05 μm to 0.1 μm from the surface 14. The mask 80-4 may be removed after the ion implantation.

図5Hは、段階S265を示す図である。本例の段階S265においては、埋込領域28よりも上の領域にソース領域26を形成するべく、GaN層16にn型不純物をイオン注入する。本例では、マスク80‐5を介して、加速電圧10、20、40、70、110および150(単位は全てkeV)、ならびに、ドーズ量1E+15cm−2以上1E+16cm−2以下の多段注入により、Siを活性領域110のGaN層16にイオン注入する。 FIG. 5H is a diagram illustrating step S265. In step S265 of this example, n-type impurities are ion-implanted into the GaN layer 16 in order to form the source region 26 in a region above the buried region 28. In this example, the acceleration voltage of 10, 20, 40, 70, 110 and 150 (all units are keV) and multi-stage implantation with a dose of 1E + 15 cm −2 or more and 1E + 16 cm −2 or less through the mask 80-5, Si Are ion-implanted into the GaN layer 16 in the active region 110.

図5Iは、段階S270を示す図である。本例の段階S270においては、第2のキャップ層85‐2を形成する。第2のキャップ層85‐2は、第1のキャップ層85‐1と同じ材料および構成であってよい。第2のキャップ層85‐2も、GaN層16の表面14上の全面に形成する。これにより積層体90‐2を形成する。   FIG. 5I is a diagram illustrating step S270. In step S270 of this example, a second cap layer 85-2 is formed. The second cap layer 85-2 may be the same material and configuration as the first cap layer 85-1. The second cap layer 85-2 is also formed on the entire surface 14 of the GaN layer 16. Thereby, the laminated body 90-2 is formed.

図5Jは、段階S280を示す図である。本例の段階S280においては、熱処理装置150を用いて、段階S250よりも低い温度で積層体90‐2を熱処理する。段階S280の熱処理は、急速加熱処理でなくてよい。段階S280では、1100℃以上1200℃以下の温度で5分、積層体90‐2を熱処理してよい。これにより、コンタクト領域25およびソース領域26中の不純物を活性化し、イオン注入により生じた欠陥をある程度回復することができる。   FIG. 5J shows step S280. In step S280 of this example, the laminated body 90-2 is heat-treated using the heat treatment apparatus 150 at a temperature lower than that in step S250. The heat treatment in step S280 may not be rapid heat treatment. In step S280, the stacked body 90-2 may be heat-treated at a temperature of 1100 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for 5 minutes. As a result, the impurities in the contact region 25 and the source region 26 can be activated, and defects caused by ion implantation can be recovered to some extent.

本例においては、熱処理を段階S250および段階S280の二回に分けて行うが、他の例においては、一回の熱処理で段階S250および段階S280の熱処理を実行してもよい。当該他の例においては、本例の段階S230、段階S260および段階S265を実行し、その後に、段階S240および段階S250を実行する。これにより、本例の段階S270および段階S280を省略することができるので、製造工程数、製造時間および製造費用の点で有利である。   In this example, the heat treatment is performed in two steps, S250 and S280. However, in another example, the heat treatment in steps S250 and S280 may be performed by one heat treatment. In the other example, step S230, step S260 and step S265 of this example are executed, and thereafter step S240 and step S250 are executed. Thereby, step S270 and step S280 of this example can be omitted, which is advantageous in terms of the number of manufacturing steps, manufacturing time, and manufacturing cost.

図5Kは、段階S290を示す図である。本例の段階S290においては、少なくとも表面14に露出するベース領域23を覆うゲート絶縁膜42を形成する。まず、化学気相成長法(CVD)により絶縁膜を形成して、その後フォトリソグラフィーおよびエッチング工程を経て当該絶縁膜を所定形状に成形する。これにより、ゲート絶縁膜42を形成してよい。ゲート絶縁膜42は、100nmの厚みを有してよい。ゲート絶縁膜42は、SiO膜であってよく、酸化アルミニウム(Al)膜であってもよい。 FIG. 5K shows step S290. In step S290 of this example, a gate insulating film 42 that covers at least the base region 23 exposed on the surface 14 is formed. First, an insulating film is formed by chemical vapor deposition (CVD), and then the insulating film is formed into a predetermined shape through photolithography and etching processes. Thereby, the gate insulating film 42 may be formed. The gate insulating film 42 may have a thickness of 100 nm. The gate insulating film 42 may be a SiO 2 film or an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film.

図5Lは、段階S300を示す図である。本例の段階S300においては、ゲート電極44、ソース電極54、ドレイン電極56、電極58および保護膜70を形成する。保護膜70は、パッシベーション膜である。ゲート電極44、ソース電極54、電極58およびドレイン電極56は、スパッタリング、フォトリソグラフィーおよびエッチング等を経て形成されてよい。   FIG. 5L is a diagram illustrating step S300. In step S300 of this example, the gate electrode 44, the source electrode 54, the drain electrode 56, the electrode 58, and the protective film 70 are formed. The protective film 70 is a passivation film. The gate electrode 44, the source electrode 54, the electrode 58, and the drain electrode 56 may be formed through sputtering, photolithography, etching, and the like.

保護膜70は、エッジ終端領域130において表面14に露出するGaN層16を被覆してよい。これにより、表面14から不純物が入り込むことを防ぐことができる。本例の保護膜70は、SiO膜である。また、本例では、ゲート電極44上に層間絶縁膜を形成し、ゲート電極44に電気的に接続するゲートパッド112を形成する。これにより、縦型MOSFET100が完成する。 The protective film 70 may cover the GaN layer 16 exposed on the surface 14 in the edge termination region 130. Thereby, impurities can be prevented from entering from the surface 14. The protective film 70 in this example is a SiO 2 film. In this example, an interlayer insulating film is formed on the gate electrode 44 and the gate pad 112 electrically connected to the gate electrode 44 is formed. Thereby, the vertical MOSFET 100 is completed.

図6は、段階S250における熱処理温度の時間変化を示す図である。縦軸は温度[℃]であり、横軸は時間である。段階S250の熱処理は、急速加熱処理である。本例の急速加熱処理においては、目的とする温度での熱処理時間が、数十秒以上数分以下の短時間である。一例において、段階S250における熱処理では、1300℃以上の予め定められた温度で、10分未満の時間、積層体90‐1を加熱してよい。   FIG. 6 is a diagram showing a temporal change in the heat treatment temperature in step S250. The vertical axis is temperature [° C.], and the horizontal axis is time. The heat treatment in step S250 is a rapid heat treatment. In the rapid heat treatment of this example, the heat treatment time at the target temperature is a short time of several tens of seconds to several minutes. In one example, in the heat treatment in step S250, the laminate 90-1 may be heated at a predetermined temperature of 1300 ° C. or higher for a time of less than 10 minutes.

時刻t0から時刻t1の間、積層体90‐1が配置された熱処理装置150の熱処理炉内部の温度を数百℃/分で昇温させてよい。これにより、予め定められた温度に達するまで、積層体90‐1を数百℃/分の昇温速度で加熱する。本例においては、1分間当たり200℃以上400℃以下の温度で、熱処理炉内部の温度を昇温させる。本例では、このように急速加熱することにより、後述するように欠陥のクラスターにp型不純物が補足されることを抑制することができる。   Between the time t0 and the time t1, the temperature inside the heat treatment furnace of the heat treatment apparatus 150 in which the laminate 90-1 is arranged may be raised at several hundred degrees C / min. Thereby, the laminated body 90-1 is heated at a heating rate of several hundred degrees C / min until reaching a predetermined temperature. In this example, the temperature inside the heat treatment furnace is raised at a temperature of 200 ° C. to 400 ° C. per minute. In this example, by rapid heating in this way, it is possible to suppress the p-type impurity from being captured by the defect cluster as described later.

その後、時刻t1から時刻t2の間、熱処理炉内部の温度を一定の温度に維持してよい。ただし、一定の温度は±25℃程度の揺れを含んでもよい。本例においては、熱処理炉内部の温度を1300℃以上1400℃未満の所定温度で5分間、または、熱処理炉内部の温度を1400℃で30秒間維持する。その後、時刻t2から時刻t3の間、熱処理炉内部の温度を数百℃/分で降温させてよい。これにより、段階S250の急速加熱処理を完了する。   Thereafter, the temperature inside the heat treatment furnace may be maintained at a constant temperature from time t1 to time t2. However, the constant temperature may include a fluctuation of about ± 25 ° C. In this example, the temperature inside the heat treatment furnace is maintained at a predetermined temperature of 1300 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. for 5 minutes, or the temperature inside the heat treatment furnace is maintained at 1400 ° C. for 30 seconds. Thereafter, during the time t2 to the time t3, the temperature inside the heat treatment furnace may be decreased at several hundred degrees C / min. Thereby, the rapid heating process of step S250 is completed.

本例においては、1300℃以上1400℃以下の高温で熱処理することにより、埋込領域28および埋込領域38のMgを熱拡散させることができる。なお、本願の発明者の知見によれば、1100℃程度の温度では、埋込領域28および埋込領域38からMgは熱拡散しないと考えられる。   In this example, the Mg in the buried region 28 and the buried region 38 can be thermally diffused by heat treatment at a high temperature of 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. According to the knowledge of the inventors of the present application, it is considered that Mg does not thermally diffuse from the buried region 28 and the buried region 38 at a temperature of about 1100 ° C.

また、本例においては、数十秒以上数分以下の短時間で積層体90‐1を急速加熱処理する。これに対して、700℃以上1100℃以下の所定の温度で、1時間程度の長時間に渡って積層体90‐1を熱処理すると、GaN層16中の欠陥が凝集してクラスター(cluster)を形成する恐れがある。GaN層16における欠陥は、ガリウム(Ga)空孔であるVGa、および、窒素(N)空孔であるVがある。また、GaN層16における欠陥のクラスターには、1つのVGaおよび1つのVからなる複合欠陥であるVGa、1つのVGaおよび2つのVからなる複合欠陥VGa(V等がある。 In this example, the laminate 90-1 is rapidly heated in a short time of several tens of seconds to several minutes. On the other hand, when the stacked body 90-1 is heat-treated at a predetermined temperature of 700 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower for a long time of about 1 hour, defects in the GaN layer 16 are aggregated to form clusters. There is a risk of forming. Defects in the GaN layer 16 include V Ga which is a gallium (Ga) vacancy and V N which is a nitrogen (N) vacancy. Further, the cluster of defects in GaN layer 16, a complex defects of one of V Ga and one V N V Ga V N, one V Ga and consisting of two V N complex defects V Ga (V N 2 ) etc.

欠陥のクラスターにp型不純物が一旦補足されると、クラスターからp型不純物が脱出するのは困難となる。これにより、p型不純物の熱拡散が阻害されるので、熱拡散によりp型またはp型のベース領域23等の形成が困難になる。これに対して、本例においては、積層体90‐1を急速加熱処理するので、p型不純物がクラスターに補足される前に、p型不純物を熱拡散することができる。 Once the defect cluster is supplemented with the p-type impurity, it becomes difficult for the p-type impurity to escape from the cluster. As a result, the thermal diffusion of the p-type impurity is hindered, so that it becomes difficult to form the p-type or p -type base region 23 or the like by the thermal diffusion. On the other hand, in this example, since the stacked body 90-1 is subjected to the rapid heat treatment, the p-type impurities can be thermally diffused before the p-type impurities are captured by the clusters.

図7は、熱処理装置150の概要を示す図である。段階S250および段階S280においては、熱処理装置150を用いて熱処理してよい。本例の熱処理装置150は、制御部160、電源部170、熱処理炉200、シャッタ部210、および昇降部220を有する。図7中のZ軸方向は、図1〜図6のZ軸方向と同じである。   FIG. 7 is a diagram showing an outline of the heat treatment apparatus 150. In step S250 and step S280, heat treatment may be performed using the heat treatment apparatus 150. The heat treatment apparatus 150 of this example includes a control unit 160, a power supply unit 170, a heat treatment furnace 200, a shutter unit 210, and an elevating unit 220. The Z-axis direction in FIG. 7 is the same as the Z-axis direction in FIGS.

本例の熱処理炉200は、電気熱処理炉である。制御部160は、電源部170に制御信号を送ることにより、熱処理炉200へ投入する電力を制御する。これにより、制御部160は、熱処理炉200内部の温度を決定することができる。制御部160は、時間に対して投入電力を一定にしてよく、時間に対して投入電力を増加または減少させてもよい。   The heat treatment furnace 200 of this example is an electric heat treatment furnace. The control unit 160 controls the power input to the heat treatment furnace 200 by sending a control signal to the power supply unit 170. Thereby, the control unit 160 can determine the temperature inside the heat treatment furnace 200. The control unit 160 may make the input power constant with respect to time, and may increase or decrease the input power with respect to time.

熱処理炉200は、Z軸方向に所定の温度分布を有してよい。熱処理炉200に電力が投入されている場合に、熱処理炉200内部の温度分布はZ軸の正方向に行くほど高くなってよい。説明の便宜上、熱処理炉200内部において、積層体90が配置可能である最も上部の位置をP1とし、最も下部の位置をP4とする。P4からP1に向かうにつれて、熱処理炉200内部の温度は高くなってよい。   The heat treatment furnace 200 may have a predetermined temperature distribution in the Z-axis direction. When electric power is supplied to the heat treatment furnace 200, the temperature distribution inside the heat treatment furnace 200 may become higher in the positive direction of the Z axis. For convenience of explanation, in the heat treatment furnace 200, the uppermost position where the stacked body 90 can be arranged is P1, and the lowermost position is P4. The temperature inside the heat treatment furnace 200 may increase as it goes from P4 to P1.

本例の熱処理装置150は、積層体90の位置(例えば、P1〜P4)に応じて積層体90の熱処理温度を制御する。例えば、位置P4において積層体90の温度は1100℃であり、位置P3において積層体90の温度は1200℃である。また、位置P2において積層体90の温度は1300℃であり、位置P1において積層体90の温度は1400℃である。   The heat treatment apparatus 150 of this example controls the heat treatment temperature of the stacked body 90 according to the position of the stacked body 90 (for example, P1 to P4). For example, the temperature of the stacked body 90 is 1100 ° C. at the position P4, and the temperature of the stacked body 90 is 1200 ° C. at the position P3. Moreover, the temperature of the laminated body 90 is 1300 degreeC in the position P2, and the temperature of the laminated body 90 is 1400 degreeC in the position P1.

制御部160は、シャッタ部210の開閉を制御してよい。シャッタ部210は、シャッタ214および駆動部212を有する。駆動部212は、制御部160からの指令に応じてシャッタ214を開閉する。   The control unit 160 may control opening and closing of the shutter unit 210. The shutter unit 210 includes a shutter 214 and a drive unit 212. The drive unit 212 opens and closes the shutter 214 in response to a command from the control unit 160.

制御部160は、昇降部220における駆動部180の動作も制御してよい。駆動部180は、ステージ182をZ軸方向に対して平行に移動させる。これにより、トレイ184および積層体90は、Z軸方向に移動することができる。トレイ184はステージ182におけるZ軸の正方向の端部に設けられ、積層体90はトレイ184上に載置される。   The controller 160 may also control the operation of the drive unit 180 in the elevating unit 220. The drive unit 180 moves the stage 182 parallel to the Z-axis direction. Thereby, the tray 184 and the laminated body 90 can move in the Z-axis direction. The tray 184 is provided at the end of the stage 182 in the positive direction of the Z axis, and the stacked body 90 is placed on the tray 184.

シャッタ214が開状態の場合に、トレイ184はZ軸方向において熱処理炉200を出入りしてよい。また、シャッタ214が閉状態の場合に、トレイ184は、熱処理炉200の内部において静止してよく、熱処理炉200の内部においてZ軸方向に移動してもよい。   When the shutter 214 is open, the tray 184 may enter and exit the heat treatment furnace 200 in the Z-axis direction. In addition, when the shutter 214 is in the closed state, the tray 184 may be stationary inside the heat treatment furnace 200 and may move in the Z-axis direction inside the heat treatment furnace 200.

段階S250および段階S280の熱処理の具体的な手順は、例えば以下のようになる。まず、シャッタ214を開状態とする。その後、積層体90が載置されたトレイ184を熱処理炉200の内部に位置させる。その後、シャッタ214を閉状態とする。その後、目的とする温度に応じたZ軸方向の位置(例えば、P1〜P4)に、所定時間、積層体90を位置させることにより積層体90を熱処理する。   The specific procedure of the heat treatment in step S250 and step S280 is as follows, for example. First, the shutter 214 is opened. Thereafter, the tray 184 on which the stacked body 90 is placed is positioned inside the heat treatment furnace 200. Thereafter, the shutter 214 is closed. Then, the laminated body 90 is heat-treated by positioning the laminated body 90 at a position in the Z-axis direction (for example, P1 to P4) corresponding to the target temperature for a predetermined time.

段階S250の熱処理においては、位置P2以上位置P1以下の所定の位置において積層体90を1300℃以上1400℃以下の温度で熱処理する。また、段階S280の熱処理においては、位置P4以上位置P3以下の所定の位置において積層体90を1100℃以上1200℃以下の温度で熱処理する。なお、熱処理する際に、熱処理炉200の内部に窒素(N)およびアンモニア(NH)を含むガスを充填してもよい。熱処理後、シャッタ214を開状態として、積層体90およびトレイ184を駆動部212へ移動させる。 In the heat treatment in step S250, the laminated body 90 is heat-treated at a temperature of 1300 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower at a predetermined position between the position P2 and the position P1. Further, in the heat treatment in step S280, the laminated body 90 is heat-treated at a temperature of 1100 ° C. or more and 1200 ° C. or less at a predetermined position between the position P4 and the position P3. Note that when heat treatment is performed, the heat treatment furnace 200 may be filled with a gas containing nitrogen (N 2 ) and ammonia (NH 3 ). After the heat treatment, the shutter 214 is opened and the stacked body 90 and the tray 184 are moved to the driving unit 212.

図8は、第2実施形態における縦型MOSFET100の製造工程を示すフロー図である。第2実施形態においては、段階S265において形成されるベース領域23、側部拡散領域27および下部拡散領域29のY軸方向の範囲が、第1実施形態よりも広い。また、第2実施形態は、段階S265と段階S270との間にS268をさらに有する。係る点において、第1実施形態と異なり、その他の点は第1実施形態と同じである。   FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of the vertical MOSFET 100 in the second embodiment. In the second embodiment, the range in the Y-axis direction of the base region 23, the side diffusion region 27, and the lower diffusion region 29 formed in step S265 is wider than that in the first embodiment. In addition, the second embodiment further includes S268 between step S265 and step S270. In that respect, unlike the first embodiment, the other points are the same as in the first embodiment.

図9Aは、段階S265を示す図である。段階S265は、GaN層16にn型不純物をイオン注入する段階である。ただし、本例においては、積層体90‐1を熱処理することによりベース領域23等を形成したことに起因して、ドリフト領域22の上部領域22‐Tが消滅している。つまり、ベース領域23‐1およびベース領域23‐2が、Y軸方向において互いに接続している。なお、側部拡散領域27‐1および側部拡散領域27‐2、ならびに、下部拡散領域29‐1および下部拡散領域29‐2も、Y軸方向において互いに接続している。   FIG. 9A shows step S265. Step S265 is a step of ion-implanting n-type impurities into the GaN layer 16. However, in this example, the upper region 22 -T of the drift region 22 disappears due to the base region 23 and the like being formed by heat-treating the stacked body 90-1. That is, the base region 23-1 and the base region 23-2 are connected to each other in the Y-axis direction. The side diffusion region 27-1 and the side diffusion region 27-2, and the lower diffusion region 29-1 and the lower diffusion region 29-2 are also connected to each other in the Y-axis direction.

図9Bは、段階S268を示す図である。本例の段階S268においては、マスク80‐6を介して、上部領域22‐Tのn型不純物濃度が下部領域22‐Bのn型不純物濃度よりも高くなるように、上部領域22‐TにSiをイオン注入する。   FIG. 9B shows step S268. In the step S268 of this example, the upper region 22-T is formed through the mask 80-6 so that the n-type impurity concentration of the upper region 22-T is higher than the n-type impurity concentration of the lower region 22-B. Si is ion-implanted.

本例の段階S265のように線対称軸60にまでp型不純物が熱拡散してn型の上部領域22‐Tが消滅した場合、縦型MOSFET100のオン動作ができなくなる。また、上部領域22‐Tが消滅しなくても、Y軸方向の幅が狭くなった場合には、縦型MOSFET100のオン抵抗が上昇する。そこで、本例においては、動作不良またはオン抵抗の上昇を防ぐべく、線対称軸60の近傍かつ下部拡散領域29の下端よりも上の領域にn型不純物をイオン注入する。これにより、線対称軸60の位置にまで拡散したp型の拡散領域をカウンタードープする。カウンタードープ後に熱処理することにより、n型の上部領域22‐Tを形成する。   When the p-type impurity is thermally diffused to the line symmetry axis 60 and the n-type upper region 22-T disappears as in step S265 of this example, the vertical MOSFET 100 cannot be turned on. Even if the upper region 22-T does not disappear, the on-resistance of the vertical MOSFET 100 increases when the width in the Y-axis direction becomes narrow. Therefore, in this example, n-type impurities are ion-implanted in a region near the line symmetry axis 60 and above the lower end of the lower diffusion region 29 in order to prevent malfunction or increase in on-resistance. Thereby, the p-type diffusion region diffused to the position of the line symmetry axis 60 is counter-doped. An n-type upper region 22-T is formed by heat treatment after the counter-doping.

カウンタードープによりn型の上部領域22‐Tを形成する場合に、上部領域22‐Tのn型不純物濃度は、下部領域22‐Bのn型不純物濃度よりも高くてよい。つまり、上部領域22‐Tには、エピタキシャル形成された時点のn型不純物濃度に加えて、カウンタードープによってさらにn型不純物が追加されてよい。これにより、チャネル形成領域24に接するドリフト領域22を確保するので、カウンタードープしない場合に比べてオン抵抗の上昇を防ぐことができる。   When the n-type upper region 22-T is formed by counter doping, the n-type impurity concentration of the upper region 22-T may be higher than the n-type impurity concentration of the lower region 22-B. That is, n-type impurities may be further added to the upper region 22-T by counter doping in addition to the n-type impurity concentration at the time of epitaxial formation. As a result, the drift region 22 in contact with the channel formation region 24 is secured, so that an increase in on-resistance can be prevented as compared with the case where no counter-doping is performed.

カウンタードープによりn型の上部領域22‐Tを形成する場合に、上部領域22‐Tのn型不純物濃度分布は、深さ方向においてn型不純物濃度分布が平坦な領域を有するBOX型プロファイルであってよい。   When the n-type upper region 22-T is formed by counter doping, the n-type impurity concentration distribution of the upper region 22-T is a BOX type profile having a region where the n-type impurity concentration distribution is flat in the depth direction. It's okay.

これに代えて、上部領域22‐Tのn型不純物濃度分布は、深さ方向においてピークを有してもよい。ピークの深さ位置は、埋込領域28が設けられる深さ範囲内の特定の深さに位置してよい。埋込領域28が設けられる深さ範囲は、上部領域22‐Tにおいてp型不純物が比較的高いと考えられる。ピークを設ける例においては、上部領域22‐Tを深さ方向全体において比較的高濃度にする場合と比較して、埋込領域28が設けられる深さ範囲にn型不純物濃度分布のピークを設けることにより、埋込領域28の深さ方向における実質的なキャリア濃度を一定にすることができる。   Instead, the n-type impurity concentration distribution in the upper region 22-T may have a peak in the depth direction. The depth position of the peak may be located at a specific depth within the depth range where the buried region 28 is provided. The depth range in which the buried region 28 is provided is considered to be relatively high in p-type impurities in the upper region 22-T. In the example in which the peak is provided, the peak of the n-type impurity concentration distribution is provided in the depth range in which the buried region 28 is provided, as compared with the case where the upper region 22-T is made relatively high in the entire depth direction. As a result, the substantial carrier concentration in the depth direction of the buried region 28 can be made constant.

本例においては側部拡散領域27が残存するが、他の例においては本例よりもマスク80‐6の開口を拡張させてイオン注入することにより側部拡散領域27を消滅させてもよい。また、さらなる他の例においては、段階S250の前に段階S268のイオン注入を実行することにより、熱処理前に予め上部領域22‐Tに対応する領域のn型不純物濃度を高くしておいてもよい。   In this example, the side diffusion region 27 remains, but in another example, the side diffusion region 27 may be extinguished by expanding the opening of the mask 80-6 as compared with this example and performing ion implantation. In still another example, by performing the ion implantation in step S268 before step S250, the n-type impurity concentration in the region corresponding to the upper region 22-T may be increased in advance before the heat treatment. Good.

なお、第2実施形態においては、積層体90‐1を熱処理する段階(S250)の後に上部領域22‐Tにn型不純物をイオン注入する(S268)。しかしながら、積層体90‐1を熱処理する段階(S250)の「前」に上部領域22‐Tに対応する領域にn型不純物をイオン注入してもよい。つまり、熱処理する段階(S250)の前に、上部領域22‐Tに対応する領域に所定濃度のn型不純物をイオン注入してよい。所定濃度は、p型不純物の拡散の程度を考慮して定めてよい。上部領域22‐Tに対応する領域のn型不純物濃度を予め相対的に高くしておくことにより、熱処理する段階(S250)の直後に上部領域22‐Tが消滅することを防ぐことができる。   In the second embodiment, n-type impurities are ion-implanted into the upper region 22-T after the step of heat-treating the stacked body 90-1 (S250) (S268). However, n-type impurities may be ion-implanted into a region corresponding to the upper region 22-T “before” the step of heat-treating the stacked body 90-1 (S250). That is, an n-type impurity having a predetermined concentration may be ion-implanted into a region corresponding to the upper region 22-T before the heat treatment step (S250). The predetermined concentration may be determined in consideration of the degree of diffusion of the p-type impurity. By making the n-type impurity concentration in the region corresponding to the upper region 22-T relatively high in advance, it is possible to prevent the upper region 22-T from disappearing immediately after the heat treatment step (S250).

なお、第1実施形態において述べたように、第2実施形態の他の例においても、熱処理を段階S250および段階S280の二回に分けずに、一回の熱処理で段階S250および段階S280の熱処理を実行してもよい。当該他の例においては、本例の段階S230、段階S260、段階S265および段階S268を実行し、その後に、段階S240および段階S250を実行する。これにより、本例の段階S270および段階S280を省略することができるので、製造工程数、製造時間および製造費用の点で有利である。   As described in the first embodiment, in other examples of the second embodiment, the heat treatment is not divided into two steps, S250 and S280, and the heat treatment in steps S250 and S280 is performed by a single heat treatment. May be executed. In the other example, step S230, step S260, step S265, and step S268 of this example are executed, and thereafter step S240 and step S250 are executed. Thereby, step S270 and step S280 of this example can be omitted, which is advantageous in terms of the number of manufacturing steps, manufacturing time, and manufacturing cost.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the description of the scope of claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Even if the operation flow in the claims, the description, and the drawings is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

10・・GaN基板、12・・境界、14・・表面、16・・GaN層、17・・境界、18・・裏面、22・・ドリフト領域、22‐T・・上部領域、22‐B・・下部領域、23・・ベース領域、24・・チャネル形成領域、25・・コンタクト領域、26・・ソース領域、27・・側部拡散領域、28・・埋込領域、29・・下部拡散領域、34・・上部拡散領域、35・・第1ドープ領域、36・・第2ドープ領域、37・・側部拡散領域、38・・埋込領域、39・・下部拡散領域、42・・ゲート絶縁膜、44・・ゲート電極、54・・ソース電極、56・・ドレイン電極、58・・電極、60・・線対称軸、70・・保護膜、74・・ガードリング構造、78・・JTE構造、80・・マスク、85・・キャップ層、90・・積層体、100・・縦型MOSFET、110・・活性領域、112・・ゲートパッド、114・・ソースパッド、130・・エッジ終端領域、150・・熱処理装置、160・・制御部、170・・電源部、180・・駆動部、182・・ステージ、184・・トレイ、200・・熱処理炉、210・・シャッタ部、212・・駆動部、214・・シャッタ、220・・昇降部   10 .. GaN substrate, 12 .. boundary, 14 .. surface, 16 .. GaN layer, 17 .. boundary, 18 .. back surface, 22 .. drift region, 22-T. -Lower region, 23-Base region, 24-Channel formation region, 25-Contact region, 26-Source region, 27-Side diffusion region, 28-Buried region, 29-Lower diffusion region 34 .. Upper diffusion region 35 .. First doped region 36 .. Second doped region 37 .. Side diffusion region 38 .. Buried region 39 .. Lower diffusion region 42 .. Gate Insulating film, 44..Gate electrode, 54..Source electrode, 56..Drain electrode, 58..Electrode, 60..Axis of symmetry, 70..Protective film, 74..Guard ring structure, ..JTE Structure, 80 ... Mask, 85 ... Cap layer, 90 ... Layer body, 100 ... Vertical MOSFET, 110 ... Active region, 112 ... Gate pad, 114 ... Source pad, 130 ... Edge termination region, 150 ... Heat treatment device, 160 ... Control unit, 170 ... Power supply unit, 180 ... drive unit, 182 ... stage, 184 ... tray, 200 ... heat treatment furnace, 210 ... shutter unit, 212 ... drive unit, 214 ... shutter, 220 ... lift unit

Claims (11)

プレーナゲート型の窒化ガリウム半導体装置であって、
前記窒化ガリウム半導体装置は、活性領域と、前記窒化ガリウム半導体装置の上面視において前記活性領域を囲んで設けられたエッジ終端領域とを有し、
前記活性領域は、
窒化ガリウム単結晶基板と、
前記窒化ガリウム単結晶基板上の窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層中に設けられ、少なくとも一部が前記窒化ガリウム層の表面に露出する第1導電型の第1のソース領域と、
前記第1のソース領域の底部よりも下において前記窒化ガリウム層中に設けられ、第2導電型の不純物を有する、第1の埋込領域と、
前記表面と平行な方向において前記第1のソース領域に隣接し、前記第1の埋込領域上に設けられ、少なくとも一部が前記表面に露出する第2導電型の第1のベース領域と、
前記第1のベース領域よりも上方に設けられたゲート電極と
を備え、
前記エッジ終端領域は、前記窒化ガリウム単結晶基板と、前記窒化ガリウム層とを備え、
前記エッジ終端領域は、前記窒化ガリウム層において、第3の埋込領域と、前記第3の埋込領域上に接して設けられる上部拡散領域とを有し、
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記第1のベース領域における第2導電型不純物濃度は、前記第1の埋込領域の上端から前記表面まで徐々に低下する単調減少であり
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記上部拡散領域における第2導電型不純物濃度は、前記第3の埋込領域の上端から前記表面まで徐々に低下する単調減少である
窒化ガリウム半導体装置。
A planar gate type gallium nitride semiconductor device,
The gallium nitride semiconductor device has an active region and an edge termination region provided to surround the active region in a top view of the gallium nitride semiconductor device,
The active region is
A gallium nitride single crystal substrate;
A gallium nitride layer on the gallium nitride single crystal substrate;
A first source region of a first conductivity type provided in the gallium nitride layer and exposed at least partially on the surface of the gallium nitride layer;
A first buried region provided in the gallium nitride layer below the bottom of the first source region and having a second conductivity type impurity;
A first base region of a second conductivity type adjacent to the first source region in a direction parallel to the surface, provided on the first buried region, and at least partially exposed to the surface;
A gate electrode provided above the first base region,
The edge termination region comprises the gallium nitride single crystal substrate and the gallium nitride layer,
The edge termination region has a third buried region and an upper diffusion region provided on and in contact with the third buried region in the gallium nitride layer,
In the depth direction parallel to the direction of the gallium nitride layer, wherein the first second-conductivity-type impurity concentration in the base region of the is an monotonically decreasing gradually decreases from the upper end of the first buried region to said surface ,
In the depth direction parallel to the direction of the gallium nitride layer, a second conductivity type impurity concentration of the upper diffusion region is a monotonically decreasing gradually decreases from the upper end of the third buried region to the surface <br A gallium nitride semiconductor device.
前記第1の埋込領域は、予め定められた深さ位置に第2導電型不純物濃度分布のピークを有する
請求項1に記載の窒化ガリウム半導体装置。
The gallium nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first buried region has a peak of a second conductivity type impurity concentration distribution at a predetermined depth position.
前記第1の埋込領域の下に直接接し、前記第1の埋込領域と前記窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられ、前記第1の埋込領域よりも低い第2導電型不純物濃度を有する第1の下部拡散領域をさらに備え、
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記第1の下部拡散領域における前記第2導電型不純物濃度は、前記第1の埋込領域の下端から前記窒化ガリウム単結晶基板に向けて徐々に低下する
請求項1または2に記載の窒化ガリウム半導体装置。
A second conductivity type impurity concentration that is in direct contact with the first buried region and is provided between the first buried region and the gallium nitride single crystal substrate and is lower than the first buried region; Further comprising a first lower diffusion region having
In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the first lower diffusion region is from the lower end of the first buried region toward the gallium nitride single crystal substrate. The gallium nitride semiconductor device according to claim 1, which gradually decreases.
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記第1のベース領域における残留欠陥濃度は、前記第1の埋込領域の上端から前記表面に向けて徐々に低下する
請求項1から3のいずれか一項に記載の窒化ガリウム半導体装置。
The residual defect concentration in the first base region gradually decreases from the upper end of the first buried region toward the surface in a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer. The gallium nitride semiconductor device according to any one of the above.
前記第1の埋込領域は、予め定められた深さ位置に残留欠陥濃度のピークを有する
請求項1から4のいずれか一項に記載の窒化ガリウム半導体装置。
5. The gallium nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the first buried region has a peak of residual defect concentration at a predetermined depth position. 6.
前記窒化ガリウム半導体装置の断面視において、前記窒化ガリウム層は、
前記深さ方向と平行な方向に延びる線対称軸に対して前記第1の埋込領域に対応する第2の埋込領域と、
前記線対称軸に対して前記第1のベース領域に対応する第2のベース領域と、
前記第1のベース領域および前記第1の埋込領域と前記第2のベース領域および前記第2の埋込領域との間に設けられた第1導電型の上部領域と、前記上部領域と前記窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられた第1導電型の下部領域とを含む、ドリフト領域と
を更に備え、
前記上部領域の第1導電型不純物濃度は、前記下部領域の第1導電型不純物濃度よりも高い
請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化ガリウム半導体装置。
In a cross-sectional view of the gallium nitride semiconductor device, the gallium nitride layer is
A second buried region corresponding to the first buried region with respect to a line symmetry axis extending in a direction parallel to the depth direction;
A second base region corresponding to the first base region with respect to the line symmetry axis;
An upper region of a first conductivity type provided between the first base region and the first buried region and the second base region and the second buried region; the upper region; A drift region including a lower region of the first conductivity type provided between the gallium nitride single crystal substrate,
6. The gallium nitride semiconductor device according to claim 1, wherein a first conductivity type impurity concentration of the upper region is higher than a first conductivity type impurity concentration of the lower region.
前記表面は、前記第1のソース領域の上端と、前記第1のベース領域の上端と、前記ドリフト領域における前記上部領域の上端とを含み、
前記第1のソース領域の前記上端と、前記第1のベース領域の前記上端と、前記ドリフト領域における前記上部領域の前記上端とは、一つの平面を構成する
請求項6に記載の窒化ガリウム半導体装置。
The surface includes an upper end of the first source region, an upper end of the first base region, and an upper end of the upper region in the drift region;
The gallium nitride semiconductor according to claim 6, wherein the upper end of the first source region, the upper end of the first base region, and the upper end of the upper region in the drift region form one plane. apparatus.
前記窒化ガリウム単結晶基板は、低転位自立型基板である
請求項1から7のいずれか一項に記載の窒化ガリウム半導体装置。
The gallium nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the gallium nitride single crystal substrate is a low dislocation self-standing substrate.
活性領域と、上面視において前記活性領域を囲んで設けられたエッジ終端領域とを有するプレーナゲート型の窒化ガリウム半導体装置を製造する方法であって、
窒化ガリウム単結晶基板上に窒化ガリウム層を形成する段階と、
前記窒化ガリウム層の予め定められた深さ位置に、前記活性領域における第1の埋込領域と前記エッジ終端領域における第3の埋込領域を形成するべく、第2導電型不純物をイオン注入する段階と、
前記窒化ガリウム単結晶基板および前記窒化ガリウム層を熱処理することにより、第2導電型の第1のベース領域と、第2導電型の上部拡散領域を形成する段階と、
前記窒化ガリウム層のうち前記予め定められた深さ位置よりも上の領域に第1のソース領域を形成するべく、前記窒化ガリウム層に第1導電型不純物をイオン注入する段階と、
前記第1のベース領域よりも上方にゲート電極を形成する段階と
を備え、
前記第1のベース領域を形成する段階の後において、
前記第1のベース領域は、前記窒化ガリウム層の表面と平行な方向において前記第1のソース領域に隣接し、前記第1の埋込領域上に位置し、少なくとも一部が前記表面に露出しており、
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記第1のベース領域における第2導電型不純物濃度は、前記第1の埋込領域の上端から前記表面に向けて徐々に低下しており、
前記上部拡散領域は、前記第3の埋込領域上に接して設けられ、
前記窒化ガリウム層の深さ方向と平行な方向において、前記上部拡散領域における第2導電型不純物濃度は、前記第3の埋込領域の上端から前記表面に向けて徐々に低下しており、
前記熱処理は、前記予め定められた温度に達するまで、前記窒化ガリウム層を数百℃/分の昇温速度で加熱し、1300℃以上の予め定められた温度で、10分未満の時間、前記窒化ガリウム層を加熱する急速加熱処理である
化ガリウム半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a planar gate type gallium nitride semiconductor device having an active region and an edge termination region provided surrounding the active region in a top view,
Forming a gallium nitride layer on the gallium nitride single crystal substrate;
A second conductivity type impurity is ion-implanted to form a first buried region in the active region and a third buried region in the edge termination region at a predetermined depth position of the gallium nitride layer. Stages,
Forming a second conductivity type first base region and a second conductivity type upper diffusion region by heat-treating the gallium nitride single crystal substrate and the gallium nitride layer;
Ion-implanting a first conductivity type impurity into the gallium nitride layer to form a first source region in a region of the gallium nitride layer above the predetermined depth position;
Forming a gate electrode above the first base region;
With
After the step of forming the first base region,
The first base region is adjacent to the first source region in a direction parallel to the surface of the gallium nitride layer, is located on the first buried region, and at least a part of the first base region is exposed to the surface. And
In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the first base region gradually decreases from the upper end of the first buried region toward the surface. ,
The upper diffusion region is provided in contact with the third buried region;
In a direction parallel to the depth direction of the gallium nitride layer, the second conductivity type impurity concentration in the upper diffusion region gradually decreases from the upper end of the third buried region toward the surface,
The heat treatment is performed by heating the gallium nitride layer at a heating rate of several hundred degrees C / min until the predetermined temperature is reached, and at a predetermined temperature of 1300 ° C. or more for a time of less than 10 minutes, It is a rapid heat treatment that heats the gallium nitride layer.
Method for producing a gallium nitride semiconductor device.
前記窒化ガリウム半導体装置の断面視において、前記窒化ガリウム半導体装置は、
前記深さ方向と平行な方向に延びる線対称軸に対して前記第1の埋込領域に対応する第2の埋込領域と、
前記線対称軸に対して前記第1のベース領域に対応する第2のベース領域と、
前記第1のベース領域および前記第1の埋込領域と前記第2のベース領域および前記第2の埋込領域との間に設けられた第1導電型の上部領域と、前記上部領域と前記窒化ガリウム単結晶基板との間に設けられた第1導電型の下部領域とを含む、ドリフト領域と
を更に備え、
前記窒化ガリウム半導体装置の製造方法は、
前記上部領域の第1導電型不純物濃度が前記下部領域の第1導電型不純物濃度よりも高くなるように、前記上部領域に第1導電型の不純物をイオン注入する段階をさらに備える
請求項に記載の窒化ガリウム半導体装置の製造方法。
In a cross-sectional view of the gallium nitride semiconductor device, the gallium nitride semiconductor device is
A second buried region corresponding to the first buried region with respect to a line symmetry axis extending in a direction parallel to the depth direction;
A second base region corresponding to the first base region with respect to the line symmetry axis;
An upper region of a first conductivity type provided between the first base region and the first buried region and the second base region and the second buried region; the upper region; A drift region including a lower region of the first conductivity type provided between the gallium nitride single crystal substrate,
The method for manufacturing the gallium nitride semiconductor device includes:
10. The method of claim 9 , further comprising ion-implanting a first conductivity type impurity in the upper region such that a first conductivity type impurity concentration in the upper region is higher than a first conductivity type impurity concentration in the lower region. The manufacturing method of the gallium nitride semiconductor device of description.
前記上部領域に第1導電型の不純物をイオン注入する段階は、前記窒化ガリウム単結晶基板および前記窒化ガリウム層を熱処理することにより前記第1のベース領域および前記第2のベース領域を形成する段階の前または後である
請求項10に記載の窒化ガリウム半導体装置の製造方法。
The step of ion-implanting the first conductivity type impurity into the upper region includes forming the first base region and the second base region by heat-treating the gallium nitride single crystal substrate and the gallium nitride layer. The method of manufacturing a gallium nitride semiconductor device according to claim 10 , before or after the step.
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