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JP7404710B2 - Nitride semiconductor device and method for manufacturing nitride semiconductor device - Google Patents

Nitride semiconductor device and method for manufacturing nitride semiconductor device Download PDF

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JP7404710B2 JP2019152332A JP2019152332A JP7404710B2 JP 7404710 B2 JP7404710 B2 JP 7404710B2 JP 2019152332 A JP2019152332 A JP 2019152332A JP 2019152332 A JP2019152332 A JP 2019152332A JP 7404710 B2 JP7404710 B2 JP 7404710B2
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Description

本発明は、窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device.

半導体層における不純物濃度分布として、例えば表面側の濃度が低く、深い領域の濃度が高いレトログレードプロファイルが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、半導体層にレトログレードプロファイルの不純物濃度分布を形成した後、不純物の活性化率を算出し、算出した活性化率に基づいて半導体層の表面を除去することによって、電気的特性(しきい値電圧及びそれに伴うチャネル移動度、オン抵抗など)のばらつきを抑制することが開示されている。特許文献1には、半導体層の表面を除去する方法として、犠牲酸化処理とドライエッチングが開示されている。 As an impurity concentration distribution in a semiconductor layer, for example, a retrograde profile is known in which the concentration is low on the surface side and high in the deep region (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses that after forming an impurity concentration distribution with a retrograde profile in a semiconductor layer, the activation rate of impurities is calculated, and the surface of the semiconductor layer is removed based on the calculated activation rate, thereby improving electrical performance. It is disclosed that variations in characteristics (threshold voltage and associated channel mobility, on-resistance, etc.) are suppressed. Patent Document 1 discloses sacrificial oxidation treatment and dry etching as methods for removing the surface of a semiconductor layer.

特開2015-60841号公報JP2015-60841A

特許文献1に開示された技術では、電気的特性のばらつきを抑制するために、不純物の活性化率の算出工程、犠牲酸化処理工程、ドライエッチング工程など、多数の工程が必要である。 The technique disclosed in Patent Document 1 requires a large number of steps, such as a step of calculating the activation rate of impurities, a sacrificial oxidation treatment step, and a dry etching step, in order to suppress variations in electrical characteristics.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立可能な窒化物半導体装置と、この窒化物半導体装置を工程数の増加を抑制しつつ製造可能な窒化物半導体装置の製造方法とを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a nitride semiconductor device that can achieve both good channel characteristics and good breakdown voltage, and a method for manufacturing this nitride semiconductor device while suppressing an increase in the number of manufacturing steps. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a nitride semiconductor device that can be manufactured at the same time.

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層に設けられた第1導電型のウェル領域と、ウェル領域の表面側に設けられた第2導電型のソース領域と、ウェル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備える。ウェル領域は、ソース領域側に位置する第1端部と、ウェル領域の表面方向において第1端部の反対側に位置する第2端部と、を有する。ウェル領域の表面における第1導電型の不純物濃度は、第1端部から第2端部に向かって変化し、かつ第1端部と第2端部との間に最大値が存在する分布を有する。ウェル領域の深さ方向における第1導電型の不純物濃度は、ウェル領域の表面からウェル領域の底部に向かって変化し、かつウェル領域の表面と底部との間に最大値が存在する分布を有する。 In order to solve the above problems, a nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a nitride semiconductor layer, a first conductivity type well region provided in the nitride semiconductor layer, and a surface side of the well region. The semiconductor device includes a second conductivity type source region provided, a gate insulating film provided on the well region, and a gate electrode provided on the gate insulating film. The well region has a first end located on the source region side and a second end located on the opposite side of the first end in the surface direction of the well region. The impurity concentration of the first conductivity type on the surface of the well region has a distribution that changes from the first end toward the second end and has a maximum value between the first end and the second end. have The impurity concentration of the first conductivity type in the depth direction of the well region changes from the surface of the well region toward the bottom of the well region, and has a distribution in which the maximum value exists between the surface and the bottom of the well region. .

本発明の一態様に係る窒化物半導体装置の製造方法は、窒化物半導体層に第1導電型のウェル領域を形成する工程と、ウェル領域の表面側に2導電型のソース領域を形成する工程と、ウェル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を備える。ウェル領域を形成する工程は、ウェル領域の表面方向に対して傾斜した傾斜面を有するマスクを窒化物半導体層上に形成する工程と、マスクが形成された窒化物半導体層に、マスク側から第1導電型の不純物をイオン注入する工程と、を有する。マスクを形成する工程では、窒化物半導体層においてウェル領域が形成される予定領域上に傾斜面を配置する。 A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a step of forming a first conductivity type well region in a nitride semiconductor layer, and a step of forming a second conductivity type source region on the surface side of the well region. The method includes the steps of: forming a gate insulating film on the well region; and forming a gate electrode on the gate insulating film. The step of forming the well region includes a step of forming a mask having an inclined surface inclined with respect to the surface direction of the well region on the nitride semiconductor layer, and a step of forming a mask on the nitride semiconductor layer with the mask formed thereon from the mask side. and a step of ion-implanting impurities of one conductivity type. In the step of forming the mask, a sloped surface is placed on a region of the nitride semiconductor layer where a well region is to be formed.

本発明によれば、しきい値電圧のばらつきを容易に抑制することが可能な窒化物半導体装置及び窒化物半導体装置の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the nitride semiconductor device that can easily suppress variations in threshold voltage.

図1は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の構成例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置において、ウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing an example of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region in the GaN semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置において、ウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing an example of the distribution of surface Mg concentration in the well region in the GaN semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図5は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図6は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図7は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図8は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図9は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図10は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図11は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図12は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a GaN semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention in order of steps. 図13は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing an example of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the second embodiment of the present invention. 図14は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing an example of the distribution of surface Mg concentration in the well region according to Embodiment 2 of the present invention. 図15は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例1)を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing an example (Modification 1) of Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to Embodiment 2 of the present invention. 図16は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例(変形例1)を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing an example (Modification 1) of the distribution of surface Mg concentration in the well region according to Embodiment 2 of the present invention. 図17は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例2)を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing an example (modification example 2) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the second embodiment of the present invention. 図18は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例(変形例2)を示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing an example (modified example 2) of the distribution of the surface Mg concentration in the well region according to the second embodiment of the present invention. 図19は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例3)を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing an example (modified example 3) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the second embodiment of the present invention. 図20は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例(変形例3)を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing an example (modified example 3) of the distribution of surface Mg concentration in the well region according to the second embodiment of the present invention. 図21は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例4)を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing an example (modified example 4) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the second embodiment of the present invention. 図22は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例(変形例4)を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing an example (modified example 4) of the distribution of the surface Mg concentration in the well region according to the second embodiment of the present invention. 図23は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例5)を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing an example (modified example 5) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the second embodiment of the present invention. 図24は、本発明の実施形態2に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布の一例(変形例5)を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing an example (modified example 5) of the distribution of surface Mg concentration in the well region according to the second embodiment of the present invention. 図25は、本発明の実施形態3に係るGaN半導体装置の構成例を示す断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view showing a configuration example of a GaN semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention. 図26は、本発明の比較例に係るGaN半導体装置の製造工程の一部を示す断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of a GaN semiconductor device according to a comparative example of the present invention. 図27は、本発明の比較例に係るウェル領域の深さ方向におけるMg濃度の分布を示すグラフである。FIG. 27 is a graph showing the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region according to the comparative example of the present invention. 図28は、本発明の比較例に係るウェル領域の表面Mg濃度の分布を示すグラフである。FIG. 28 is a graph showing the distribution of surface Mg concentration in a well region according to a comparative example of the present invention.

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判定すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Embodiments of the present invention will be described below. In the description of the drawings below, the same or similar parts are designated by the same or similar symbols. However, it should be noted that the drawings are schematic and the relationship between thickness and planar dimension, the ratio of the thickness of each device and each member, etc. may differ from reality. Therefore, specific thickness and dimensions should be determined with reference to the following explanation. Furthermore, it goes without saying that the drawings include portions with different dimensional relationships and ratios.

また、以下の説明では、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向の文言を用いて、方向を説明する場合がある。例えば、X軸方向又はY軸方向は、後述するウェル領域3の表面方向である。Z軸方向は、後述するウェル領域3の深さ方向である。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向は、互いに直交する。 Furthermore, in the following description, directions may be explained using terms such as the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. For example, the X-axis direction or the Y-axis direction is the surface direction of the well region 3, which will be described later. The Z-axis direction is the depth direction of the well region 3, which will be described later. The X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are orthogonal to each other.

また、以下の説明では、Z軸の矢印方向を「上」と称し、Z軸の矢印の反対方向を「下」と称する場合がある。「上」及び「下」は、必ずしも地面に対する鉛直方向を意味しない。つまり、「上」及び「下」の方向は、重力方向に限定されない。「上」及び「下」は、領域、層、膜及び基板等における相対的な位置関係を特定する便宜的な表現に過ぎず、本発明の技術的思想を限定するものではない。例えば、紙面を180度回転すれば「上」が「下」に、「下」が「上」になることは勿論である。 Furthermore, in the following description, the direction of the arrow on the Z-axis may be referred to as "up", and the direction opposite to the arrow on the Z-axis may be referred to as "down". "Above" and "below" do not necessarily mean a direction perpendicular to the ground. That is, the "up" and "down" directions are not limited to the direction of gravity. "Top" and "bottom" are merely convenient expressions for specifying relative positional relationships among regions, layers, films, substrates, etc., and do not limit the technical idea of the present invention. For example, if the page is rotated 180 degrees, "top" becomes "bottom" and "bottom" becomes "top".

また以下の説明では、第1導電型がp型、第2導電型がn型の場合について例示的に説明する。しかし、導電型を逆の関係に選択して、第1導電型をn型、第2導電型をp型としても構わない。またpやnに付す+や-は、+及び-が付記されていない半導体領域に比して、それぞれ相対的に不純物濃度が高い又は低い半導体領域であることを意味する。但し、同じpとpとが付された半導体領域であっても、それぞれの半導体領域の不純物濃度が厳密に同じであることを意味するものではない。 In the following description, a case will be exemplified in which the first conductivity type is p type and the second conductivity type is n type. However, the conductivity types may be selected in a reverse relationship, with the first conductivity type being n type and the second conductivity type being p type. Further, + or - added to p or n means that the semiconductor region has a relatively high or low impurity concentration, respectively, compared to a semiconductor region without + or -. However, even if the semiconductor regions are labeled with the same p and p, this does not mean that the impurity concentrations of the respective semiconductor regions are strictly the same.

<実施形態1>
(構造)
図1は、本発明の実施形態1に係る窒化ガリウム半導体装置(以下、GaN半導体装置)100の構成例を示す断面図である。GaN半導体装置100は、本発明の窒化物半導体装置の一例であり、プレーナゲート型縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である。図1に示すように、GaN半導体装置100は、窒化ガリウム基板(本発明の「第1窒化物半導体層」の一例;以下、GaN基板)1と、GaN層2(本発明の「第2窒化物半導体層」の一例)と、ゲート絶縁膜5と、ゲート電極6と、ソース電極7及びドレイン電極8を有する。
<Embodiment 1>
(structure)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a gallium nitride semiconductor device (hereinafter referred to as a GaN semiconductor device) 100 according to Embodiment 1 of the present invention. The GaN semiconductor device 100 is an example of a nitride semiconductor device of the present invention, and is a planar gate vertical MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). As shown in FIG. 1, a GaN semiconductor device 100 includes a gallium nitride substrate (an example of the "first nitride semiconductor layer" of the present invention; hereinafter referred to as a GaN substrate) 1 and a GaN layer 2 (an example of the "second nitride semiconductor layer" of the present invention). a semiconductor layer (an example of a semiconductor layer), a gate insulating film 5, a gate electrode 6, a source electrode 7, and a drain electrode 8.

GaN基板1は、GaN単結晶基板である。GaN基板1は、第1導電型(n型)の基板であり、例えばn型の基板である。GaN基板1に含まれるn型不純物は、Si(シリコン)、O(酸素)及びGe(ゲルマニウム)のうちの一種類以上の元素である。一例を挙げると、GaN基板1に含まれるn型不純物はSi又はOである。GaN基板1におけるSi又はOの不純物濃度は2×1018cm-3以上である。 GaN substrate 1 is a GaN single crystal substrate. The GaN substrate 1 is a first conductivity type (n type) substrate, for example, an n + type substrate. The n-type impurity contained in the GaN substrate 1 is one or more elements of Si (silicon), O (oxygen), and Ge (germanium). For example, the n-type impurity contained in the GaN substrate 1 is Si or O. The impurity concentration of Si or O in the GaN substrate 1 is 2×10 18 cm −3 or more.

なお、GaN基板1は、転位密度が1×10cm-2未満の低転位自立基板であってもよい。GaN基板1が低転位自立基板であることにより、GaN基板1上に形成されるGaN層2の転位密度も低くなる。また、低転位自立基板をGaN基板1に用いることで、GaN基板1に大面積のパワーデバイスが形成される場合でも、パワーデバイスにおけるリーク電流を少なくすることができる。これにより、製造装置は、パワーデバイスを高い良品率で製造することができる。また、熱処理において、イオン注入された不純物が転位に沿って深く拡散することを防止することができる。 Note that the GaN substrate 1 may be a low-dislocation free-standing substrate with a dislocation density of less than 1×10 7 cm −2 . Since the GaN substrate 1 is a low dislocation free-standing substrate, the dislocation density of the GaN layer 2 formed on the GaN substrate 1 is also low. Further, by using a low-dislocation free-standing substrate as the GaN substrate 1, even when a large-area power device is formed on the GaN substrate 1, leakage current in the power device can be reduced. Thereby, the manufacturing apparatus can manufacture power devices with a high rate of non-defective products. Further, in the heat treatment, it is possible to prevent ion-implanted impurities from deeply diffusing along dislocations.

GaN層2は、GaN基板1の表面1a上に設けられている。GaN層2は、n型のGaN単結晶層であり、GaN基板1の表面1a上にエピタキシャル形成された層である。GaN層2には、p型のウェル領域3と、n型のソース領域4とが設けられている。GaN層2において、ウェル領域3とソース領域4とが設けられていない領域は、ドリフト領域と呼んでもよい。ドリフト領域は、GaN基板1とウェル領域3との間の電流経路として機能する領域である。 GaN layer 2 is provided on surface 1a of GaN substrate 1. GaN layer 2 is provided on surface 1a of GaN substrate 1. GaN layer 2 is an n type GaN single crystal layer, and is a layer epitaxially formed on surface 1 a of GaN substrate 1 . The GaN layer 2 is provided with a p-type well region 3 and an n + -type source region 4. In GaN layer 2, a region where well region 3 and source region 4 are not provided may be called a drift region. The drift region is a region that functions as a current path between the GaN substrate 1 and the well region 3.

ウェル領域3は、GaN層2の表面2a側からp型不純物がイオン注入され、熱処理されることにより形成される。p型不純物は、例えばマグネシウムである。ウェル領域3の表面D1は、図1に示したGaN層2の表面2aと同じ面である。また、ウェル領域3は、ソース領域4側に位置する第1端部P1と、ウェル領域3の表面方向においてソース領域4の反対側に位置する第2端部P2と、を有する。ウェル領域3において、ゲート絶縁膜5と接する表面D1とその近傍が、縦型MOSFETのチャネル領域10である。 The well region 3 is formed by ion-implanting p-type impurities from the surface 2a side of the GaN layer 2 and subjecting it to heat treatment. The p-type impurity is, for example, magnesium. The surface D1 of the well region 3 is the same surface as the surface 2a of the GaN layer 2 shown in FIG. Further, the well region 3 has a first end P1 located on the source region 4 side, and a second end P2 located on the opposite side of the source region 4 in the surface direction of the well region 3. In the well region 3, the surface D1 in contact with the gate insulating film 5 and its vicinity are the channel region 10 of the vertical MOSFET.

なお、図1では、p型のウェル領域3に含まれるマグネシウム(Mg)の濃度を正円で模式的に示している。正円が大きいほど正円とその付近におけるMg濃度が大きく、正円が小さいほど正円とその付近におけるMg濃度が小さいことを示している。 In addition, in FIG. 1, the concentration of magnesium (Mg) contained in the p-type well region 3 is schematically shown by a perfect circle. The larger the perfect circle, the higher the Mg concentration in the perfect circle and its vicinity, and the smaller the perfect circle, the lower the Mg concentration in the perfect circle and its vicinity.

ソース領域4は、GaN層2の表面2a側からn型不純物がイオン注入され、熱処理されることにより形成される。n型不純物は、例えばSi、O及びGeのうちの一種類以上の元素である。ソース領域4は、GaN層2の表面2a側に設けられており、ウェル領域3の内側に位置する。ソース領域4の側部と底部は、ウェル領域3に接している。X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向において、ソース領域4とウェル領域3は互いに接している。 The source region 4 is formed by ion-implanting n-type impurities from the surface 2a side of the GaN layer 2 and subjecting it to heat treatment. The n-type impurity is, for example, one or more elements among Si, O, and Ge. Source region 4 is provided on the surface 2 a side of GaN layer 2 and located inside well region 3 . The sides and bottom of the source region 4 are in contact with the well region 3 . The source region 4 and the well region 3 are in contact with each other in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.

ゲート絶縁膜5は、ウェル領域3上に設けられている。ゲート絶縁膜5は、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)又は酸化アルミニウム(Al)膜である。ゲート絶縁膜5の厚さは、例えば50nm以上100nm以下である。ゲート電極6は、ゲート絶縁膜5上に設けられている。ゲート電極6は、平坦なゲート絶縁膜5上に設けられたプレーナ型の電極である。ゲート電極6は、例えば不純物をドープしたポリシリコンで形成されている。 Gate insulating film 5 is provided on well region 3 . The gate insulating film 5 is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) or an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film. The thickness of the gate insulating film 5 is, for example, 50 nm or more and 100 nm or less. Gate electrode 6 is provided on gate insulating film 5 . The gate electrode 6 is a planar electrode provided on the flat gate insulating film 5. The gate electrode 6 is made of polysilicon doped with impurities, for example.

ソース電極7は、ソース領域4上に設けられており、ソース領域4と電気的に接続している。図示しないが、ソース電極7は、層間絶縁膜を介してゲート電極6を覆うように設けられてもよい。ソース電極7は、例えばAl又はAl-Siの合金からなる。また、ソース電極7は、GaN層2の表面2a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。ドレイン電極8は、GaN基板1の裏面1b側に設けられており、GaN基板1と電気的に接続している。ドレイン電極8は、例えばAl又はAl-Siの合金からなる。 Source electrode 7 is provided on source region 4 and is electrically connected to source region 4 . Although not shown, the source electrode 7 may be provided so as to cover the gate electrode 6 via an interlayer insulating film. The source electrode 7 is made of, for example, Al or an Al-Si alloy. Further, the source electrode 7 may have a barrier metal layer between it and the surface 2a of the GaN layer 2. Titanium (Ti) may be used as a material for the barrier metal layer. The drain electrode 8 is provided on the back surface 1b side of the GaN substrate 1 and is electrically connected to the GaN substrate 1. The drain electrode 8 is made of, for example, Al or an Al-Si alloy.

図2は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100において、ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例を示すグラフである。図2において、横軸はウェル領域3の深さ方向における位置を示し、縦軸はMg濃度を示す。図2は、Mg濃度の分布の一例として、図1に示す仮想線VLの位置におけるMg濃度の分布を示している。仮想線VLは、ウェル領域3の深さ方向に平行である。 FIG. 2 is a graph showing an example of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 in the GaN semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the position in the depth direction of the well region 3, and the vertical axis indicates the Mg concentration. FIG. 2 shows the Mg concentration distribution at the position of the virtual line VL shown in FIG. 1 as an example of the Mg concentration distribution. The virtual line VL is parallel to the depth direction of the well region 3.

図2に示すように、ウェル領域3のMg濃度は、ウェル領域3の深さ方向にレトログレードプロファイルを有する。レトログレードプロファイルとは、一方向に向かって位置が変わるにしたがって濃度が変化する濃度分布のことである。例えば、ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度は、ウェル領域3の表面D1からウェル領域3の底部D2に向かって連続的に変化している。ウェル領域3の表面D1と底部D2との間に、Mg濃度が最大値C2となるピーク位置D3(本発明の「第2ピーク位置」の一例)が存在する。 As shown in FIG. 2, the Mg concentration in the well region 3 has a retrograde profile in the depth direction of the well region 3. A retrograde profile is a concentration distribution in which the concentration changes as the position changes in one direction. For example, the Mg concentration in the depth direction of the well region 3 continuously changes from the surface D1 of the well region 3 toward the bottom D2 of the well region 3. Between the surface D1 and the bottom D2 of the well region 3, there is a peak position D3 (an example of the "second peak position" of the present invention) where the Mg concentration reaches the maximum value C2.

ウェル領域3の表面D1からピーク位置D3に近づくにしたがってMg濃度は高くなる。ピーク位置D3から底部D2に近づくにしたがってMg濃度は低くなる。ピーク位置D3で、Mg濃度は極大かつ最大となる。図2に示すように、ウェル領域3の深さ方向において、ピーク位置D3は、表面D1と底部D2との間に1つだけ存在する。 The Mg concentration increases as it approaches the peak position D3 from the surface D1 of the well region 3. The Mg concentration decreases as it approaches the bottom D2 from the peak position D3. At the peak position D3, the Mg concentration becomes maximum and maximum. As shown in FIG. 2, in the depth direction of the well region 3, only one peak position D3 exists between the surface D1 and the bottom D2.

図3は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100において、ウェル領域3の表面D1におけるMg濃度(以下、表面Mg濃度)の分布の一例を示すグラフである。図3において、横軸はウェル領域3の表面方向における位置を示し、縦軸は表面Mg濃度を示す。 FIG. 3 is a graph showing an example of the distribution of Mg concentration (hereinafter referred to as surface Mg concentration) on the surface D1 of the well region 3 in the GaN semiconductor device 100 according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the position in the surface direction of the well region 3, and the vertical axis indicates the surface Mg concentration.

図3に示すように、ウェル領域3の表面Mg濃度は、ウェル領域3の表面方向にレトログレードプロファイルを有する。例えば、ウェル領域3の表面Mg濃度は、ウェル領域3の第1端部P1から第2端部P2に向かって連続的に変化している。ウェル領域3の第1端部P1と第2端部P2との間に、Mg濃度が最大値C2となるピーク位置P3(本発明の「第1ピーク位置」の一例)が存在する。 As shown in FIG. 3, the surface Mg concentration of the well region 3 has a retrograde profile in the surface direction of the well region 3. For example, the surface Mg concentration of the well region 3 continuously changes from the first end P1 to the second end P2 of the well region 3. Between the first end P1 and the second end P2 of the well region 3, there is a peak position P3 (an example of the "first peak position" of the present invention) where the Mg concentration reaches the maximum value C2.

ウェル領域3の第1端部P1からピーク位置P3に近づくにしたがってMg濃度は高くなる。ピーク位置P3から第2端部P2に近づくにしたがってMg濃度は低くなる。ピーク位置P3で、Mg濃度は極大かつ最大となる。図3に示すように、ウェル領域3の表面方向において、ピーク位置P3は、第1端部P1と第2端部P2との間に1つだけ存在する。 The Mg concentration increases as the distance from the first end P1 of the well region 3 approaches the peak position P3. The Mg concentration decreases as it approaches the second end P2 from the peak position P3. At the peak position P3, the Mg concentration becomes maximum and maximum. As shown in FIG. 3, in the surface direction of the well region 3, only one peak position P3 exists between the first end P1 and the second end P2.

なお、ウェル領域3の表面Mg濃度と、ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度は、それぞれ、1×1016cm-3以上1×1020cm-3以下であることが好ましい。これにより、耐圧とオン特性を両立可能となる。また、ウェル領域3の表面Mg濃度と、ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度は、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下であることがより好ましい。これにより、より良好に耐圧とオン特性を制御可能となる。 Note that the surface Mg concentration of the well region 3 and the Mg concentration in the depth direction of the well region 3 are preferably 1×10 16 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less, respectively. This makes it possible to achieve both high breakdown voltage and on-characteristics. Further, the surface Mg concentration of the well region 3 and the Mg concentration in the depth direction of the well region 3 are more preferably 1×10 17 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less. This allows better control of breakdown voltage and on-characteristics.

(製造方法)
次に、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法を説明する。図4から図12は、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法を工程順に示す断面図である。GaN半導体装置100は、成膜装置、露光装置、エッチング装置、イオン注入装置など、各種の製造装置によって製造される。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the GaN semiconductor device 100 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. 4 to 12 are cross-sectional views showing the method for manufacturing the GaN semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention in order of steps. The GaN semiconductor device 100 is manufactured using various manufacturing apparatuses such as a film forming apparatus, an exposure apparatus, an etching apparatus, and an ion implantation apparatus.

図4に示すように、製造装置は、GaN基板1の表面1a上にGaN層2を形成する。例えば、製造装置は、有機金属成長法(MOCVD)又はハライド気相成長法(HVPE)等により、n型のGaN基板1上にn型のGaN層2をエピタキシャル形成する。なお、GaN層2は、後の工程でウェル領域が形成される予定領域3’と、後の工程でソース領域が形成される予定領域4’とを含む。 As shown in FIG. 4, the manufacturing apparatus forms a GaN layer 2 on a surface 1a of a GaN substrate 1. As shown in FIG. For example, the manufacturing apparatus epitaxially forms an n type GaN layer 2 on an n + type GaN substrate 1 by metal organic CVD (MOCVD), halide vapor phase epitaxy (HVPE), or the like. Note that the GaN layer 2 includes a planned region 3' in which a well region will be formed in a later step, and a planned region 4' in which a source region will be formed in a later step.

次に、製造装置は、GaN層2の表面2a上に絶縁膜21を形成する。絶縁膜21は、例えばシリコン酸化膜(SiO膜)である。次に、図5に示すように、製造装置は、絶縁膜21上にレジストマスク22を形成する。レジストマスク22は、ソースが形成される予定領域4’の上方を開口し、それ以外の領域を覆う形状を有する。また、レジストマスク22の開口側の端部は、GaN層2の表面2aに対して傾斜した傾斜面22aを有する。傾斜面22aは、レジストマスク22の膜厚が開口側に近づくにしたがって徐々に小さくなるように傾斜している。製造装置は、ウェル領域が形成される予定領域3’上に傾斜面22aが配置されるようにレジストマスク22を形成する。なお、傾斜面22aの傾斜角度は、レジストの種類、フォトマスクの種類、レジストの感光条件等を任意に選択することによって、所望の値に合わせ込むことが可能である。 Next, the manufacturing apparatus forms an insulating film 21 on the surface 2a of the GaN layer 2. The insulating film 21 is, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film). Next, as shown in FIG. 5, the manufacturing apparatus forms a resist mask 22 on the insulating film 21. The resist mask 22 has a shape that opens above the region 4' where the source is to be formed and covers the other region. Furthermore, the end of the resist mask 22 on the opening side has an inclined surface 22 a inclined with respect to the surface 2 a of the GaN layer 2 . The inclined surface 22a is inclined so that the thickness of the resist mask 22 gradually decreases as it approaches the opening side. The manufacturing apparatus forms the resist mask 22 so that the inclined surface 22a is located on the region 3' where the well region is to be formed. Note that the inclination angle of the inclined surface 22a can be adjusted to a desired value by arbitrarily selecting the type of resist, the type of photomask, the exposure conditions of the resist, and the like.

次に、図6に示すように、製造装置は、レジストマスク22及び絶縁膜21にドライエッチング処理を施す。これにより、絶縁膜21からマスク21Mが形成される。絶縁膜21はレジストマスク22で覆われた状態でドライエッチングされるため、レジストマスク22の形状がマスク21Mに反映される。マスク21Mは、ウェル領域が形成される予定領域3’上に傾斜面21aを有する形状に形成される。 Next, as shown in FIG. 6, the manufacturing apparatus performs a dry etching process on the resist mask 22 and the insulating film 21. As a result, a mask 21M is formed from the insulating film 21. Since the insulating film 21 is dry-etched while being covered with the resist mask 22, the shape of the resist mask 22 is reflected on the mask 21M. The mask 21M is formed in a shape having an inclined surface 21a on a region 3' where a well region is to be formed.

次に、図7に示すように、製造装置は、マスク21M上から、残存するレジストマスク22を除去する。次に、製造装置は、マスク21Mで覆われたGaN層2に、マスク21M側からマグネシウム(Mg)をイオン注入する。これにより、図8に示すように、GaN層2にp型のウェル領域3が形成される。このイオン注入工程では、マスク21Mの傾斜面21aが予定領域3’上に位置するため、Mgの注入ピーク位置は傾斜面21aに沿う形となる。ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布は図2に示したような形となり、ウェル領域3の表面方向におけるMg濃度の分布は図3に示したような形となる。 Next, as shown in FIG. 7, the manufacturing apparatus removes the remaining resist mask 22 from above the mask 21M. Next, the manufacturing apparatus implants magnesium (Mg) ions into the GaN layer 2 covered with the mask 21M from the mask 21M side. As a result, a p-type well region 3 is formed in the GaN layer 2, as shown in FIG. In this ion implantation step, since the slope 21a of the mask 21M is located on the planned region 3', the Mg implantation peak position is along the slope 21a. The Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 has a shape as shown in FIG. 2, and the Mg concentration distribution in the surface direction of the well region 3 has a shape as shown in FIG.

次に、図9に示すように、製造装置は、GaN層2上からマスク21Mを除去する。次に、図10に示すように、製造装置は、GaN層上にレジストマスク23を形成する。レジストマスク23は、ソースが形成される予定領域4’の上方を開口し、それ以外の領域を覆う形状を有する。次に、製造装置は、レジストマスク23で覆われたGaN層2に、レジストマスク23側からSi又はOなどのn型不純物をイオン注入する。これにより、予定領域4’にソース領域4が形成される。次に、製造装置は、GaN層2上からレジストマスク23を除去する。 Next, as shown in FIG. 9, the manufacturing apparatus removes the mask 21M from above the GaN layer 2. Next, as shown in FIG. 10, the manufacturing apparatus forms a resist mask 23 on the GaN layer. The resist mask 23 has a shape that opens above the region 4' where the source is to be formed and covers the other region. Next, the manufacturing apparatus ion-implants an n-type impurity such as Si or O into the GaN layer 2 covered with the resist mask 23 from the resist mask 23 side. As a result, the source region 4 is formed in the planned region 4'. Next, the manufacturing apparatus removes the resist mask 23 from above the GaN layer 2.

次に、製造装置は、GaN層2上に保護膜(図示せず)を形成する。保護膜は、耐熱性が高く、保護膜からGaN層2側へ不純物が拡散せず、かつ、GaN層2に対して選択的に除去可能な膜である。耐熱性が高いとは、例えば、1000℃以上1200℃以下の温度で熱処理された場合においても保護膜にピット(貫通開口)が形成されない程度に、保護膜が実質的に分解しないことを意味する。 Next, the manufacturing apparatus forms a protective film (not shown) on the GaN layer 2. The protective film is a film that has high heat resistance, prevents impurities from diffusing from the protective film toward the GaN layer 2, and can be selectively removed with respect to the GaN layer 2. High heat resistance means, for example, that the protective film does not substantially decompose to the extent that pits (through openings) are not formed in the protective film even when heat treated at a temperature of 1000°C or higher and 1200°C or lower. .

次に、製造装置は、GaN層2に、最大温度が1000℃以上1200℃以下の熱処理を施す。この熱処理は、例えば急速加熱処理である。この熱処理により、GaN層2に導入されたMg等のp型不純物と、Si、O等のn型不純物とが活性化される。次に、製造装置は、GaN層上から保護膜を除去する。 Next, the manufacturing apparatus performs heat treatment on the GaN layer 2 at a maximum temperature of 1000° C. or more and 1200° C. or less. This heat treatment is, for example, rapid heat treatment. By this heat treatment, p-type impurities such as Mg and n-type impurities such as Si and O introduced into the GaN layer 2 are activated. Next, the manufacturing apparatus removes the protective film from above the GaN layer.

次に、図11に示すように、製造装置は、GaN層2上にゲート絶縁膜5を形成する。次に、図12に示すように、製造装置は、ゲート絶縁膜5上にゲート電極6を形成する。次に、製造装置は、ソース領域4上にソース電極7(図1参照)を形成する。以上の工程を経て、図1に示したGaN半導体装置100が完成する。 Next, as shown in FIG. 11, the manufacturing apparatus forms a gate insulating film 5 on the GaN layer 2. Next, as shown in FIG. 12, the manufacturing apparatus forms a gate electrode 6 on the gate insulating film 5. Next, the manufacturing apparatus forms a source electrode 7 (see FIG. 1) on the source region 4. Through the above steps, the GaN semiconductor device 100 shown in FIG. 1 is completed.

以上説明したように、本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100は、GaN層2と、GaN層2に設けられたp型のウェル領域3と、ウェル領域3の表面D1側に設けられたn型のソース領域4と、ウェル領域3上に設けられたゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜5上に設けられたゲート電極6と、を備える。ウェル領域3は、ソース領域4側に位置する第1端部P1と、ウェル領域3の表面方向において第1端部P1の反対側に位置する第2端部P2と、を有する。ウェル領域3の表面Mg濃度は、第1端部P1から第2端部P2に向かって変化し、かつ第1端部P1と第2端部P2との間に最大値C2が存在する分布を有する。ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度は、ウェル領域3の表面D1から底部D2に向かって変化し、かつ表面D1と底部D2との間で最大値C2が存在する分布を有する。 As explained above, the GaN semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention includes the GaN layer 2, the p-type well region 3 provided in the GaN layer 2, and the p-type well region 3 provided on the surface D1 side of the well region 3. The semiconductor device includes an n + type source region 4, a gate insulating film 5 provided on the well region 3, and a gate electrode 6 provided on the gate insulating film 5. The well region 3 has a first end P1 located on the source region 4 side, and a second end P2 located on the opposite side of the first end P1 in the surface direction of the well region 3. The surface Mg concentration of the well region 3 has a distribution that changes from the first end P1 to the second end P2 and has a maximum value C2 between the first end P1 and the second end P2. have The Mg concentration in the depth direction of the well region 3 changes from the surface D1 of the well region 3 toward the bottom D2, and has a distribution in which the maximum value C2 exists between the surface D1 and the bottom D2.

ウェル領域3において、第1端部P1と第2端部P2との間に位置する部位の表面D1とその近傍がチャネル領域10となる。チャネル領域10の表面Mg濃度は表面方向にレトログレードプロファイルを有し、表面Mg濃度が最大値C2となるピーク位置P3がチャネル領域10に存在する。GaN半導体装置100のチャネル特性(しきい値電圧、移動度)は、チャネル領域10の表面Mg濃度の最大値C2に依存する。チャネル領域10にピーク位置P3が存在するため、GaN半導体装置100のチャネル特性は安定している。 In the well region 3, the surface D1 of the portion located between the first end P1 and the second end P2 and the vicinity thereof become the channel region 10. The surface Mg concentration of the channel region 10 has a retrograde profile in the surface direction, and there is a peak position P3 in the channel region 10 where the surface Mg concentration has a maximum value C2. The channel characteristics (threshold voltage, mobility) of the GaN semiconductor device 100 depend on the maximum value C2 of the surface Mg concentration of the channel region 10. Since the peak position P3 exists in the channel region 10, the channel characteristics of the GaN semiconductor device 100 are stable.

また、ウェル領域3のMg濃度は、ウェル領域3の表面方向だけでなく、ウェル領域3の深さ方向にもレトログレードプロファイルを有する。ウェル領域3の表面D1と底部D2との間には、Mg濃度が最大値C2となるピーク位置D3が存在する。GaN半導体装置100の耐圧は、ウェル領域3においてチャネル領域10よりも深い位置のMg濃度に依存する。ウェル領域3の深い位置にピーク位置D3が存在するため、GaN半導体装置100の耐圧は高い。これにより、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立している。 Further, the Mg concentration in the well region 3 has a retrograde profile not only in the surface direction of the well region 3 but also in the depth direction of the well region 3. A peak position D3 exists between the surface D1 and the bottom D2 of the well region 3, where the Mg concentration reaches the maximum value C2. The breakdown voltage of the GaN semiconductor device 100 depends on the Mg concentration at a position deeper than the channel region 10 in the well region 3 . Since the peak position D3 exists deep in the well region 3, the breakdown voltage of the GaN semiconductor device 100 is high. Thereby, the GaN semiconductor device 100 has both good channel characteristics and good breakdown voltage.

本発明の実施形態1に係るGaN半導体装置100の製造方法は、GaN層2にp型のウェル領域3を形成する工程と、ウェル領域3の表面D1側にn型のソース領域4を形成する工程と、ウェル領域3上にゲート絶縁膜5を形成する工程と、ゲート絶縁膜5上にゲート電極6を形成する工程と、を備える。ウェル領域3を形成する工程は、ウェル領域3の表面方向に対して傾斜した傾斜面21aを有するマスク21MをGaN層2上に形成する工程と、マスク21Mが形成されたGaN層2に、マスク21M側からMgをイオン注入する工程と、を有する。マスク21Mを形成する工程では、GaN層2においてウェル領域3が形成される予定領域3’上に傾斜面21aを配置する。 The method for manufacturing the GaN semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention includes the steps of forming a p-type well region 3 in the GaN layer 2, and forming an n + -type source region 4 on the surface D1 side of the well region 3. , a step of forming a gate insulating film 5 on the well region 3 , and a step of forming a gate electrode 6 on the gate insulating film 5 . The step of forming the well region 3 includes a step of forming a mask 21M having an inclined surface 21a inclined with respect to the surface direction of the well region 3 on the GaN layer 2, and a step of forming a mask on the GaN layer 2 on which the mask 21M is formed. and a step of ion-implanting Mg from the 21M side. In the step of forming the mask 21M, the inclined surface 21a is arranged on the GaN layer 2 on the planned region 3' where the well region 3 will be formed.

この製造方法によれば、GaN半導体装置100を容易に、安定して製造することができる。例えば、Mgをイオン注入する工程において、Mgの注入エネルギーや注入角度にばらつきが生じると、表面Mg濃度のピーク位置P3は第1端部P1と第2端部P2との間で位置が変動するが、ピーク位置P3におけるMg濃度(すなわち、表面Mg濃度の最大値C2)は一定である。このため、上記の製造方法により製造されるGaN半導体装置100は、チャネル特性のばらつきが抑制される。同様に、Mgをイオン注入する工程において、Mgの注入エネルギーや注入角度にばらつきが生じると、ウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度のピーク位置D3は表面D1と底部D2との間で位置が変動するが、ピーク位置D3におけるMg濃度(すなわち、Mg濃度の最大値C2)は一定である。このため、上記の製造方法により製造されるGaN半導体装置100は、耐圧のばらつきが抑制される。 According to this manufacturing method, the GaN semiconductor device 100 can be easily and stably manufactured. For example, in the process of ion-implanting Mg, if variations occur in the Mg implantation energy or implantation angle, the peak position P3 of the surface Mg concentration will vary between the first end P1 and the second end P2. However, the Mg concentration at the peak position P3 (ie, the maximum value C2 of the surface Mg concentration) is constant. Therefore, in the GaN semiconductor device 100 manufactured by the above manufacturing method, variations in channel characteristics are suppressed. Similarly, in the process of ion-implanting Mg, if variations occur in the Mg implantation energy or implantation angle, the Mg concentration peak position D3 in the depth direction of the well region 3 will be located between the surface D1 and the bottom D2. Although it fluctuates, the Mg concentration at the peak position D3 (that is, the maximum value C2 of the Mg concentration) is constant. Therefore, in the GaN semiconductor device 100 manufactured by the above manufacturing method, variations in breakdown voltage are suppressed.

また、上記の製造方法では、傾斜面21aを有するマスク21Mを通してGaN層2にMgをイオン注入してp型のウェル領域3を形成する。このため、ウェル領域3の形状は傾斜面21aの形状を反映して湾曲化する。これにより、ウェル領域3の端部での電界集中が緩和されるので、さらなる耐圧向上の効果が期待される。 Further, in the above manufacturing method, the p-type well region 3 is formed by ion-implanting Mg into the GaN layer 2 through the mask 21M having the inclined surface 21a. Therefore, the shape of the well region 3 is curved to reflect the shape of the inclined surface 21a. This alleviates the electric field concentration at the end of the well region 3, and is expected to further improve the breakdown voltage.

上記の製造方法によれば、チャネル特性のばらつきと耐圧のばらつきとを抑制するために、Mgの活性化率を算出したり、GaN層2に犠牲酸化膜を形成したり、犠牲酸化膜をドライエッチングしたりする必要がない。このため、上記の製造方法は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立可能なGaN半導体装置100を、工程数の増加を抑えつつ製造することができる。 According to the above manufacturing method, in order to suppress variations in channel characteristics and breakdown voltage, the activation rate of Mg is calculated, a sacrificial oxide film is formed on the GaN layer 2, and the sacrificial oxide film is dried. No need for etching. Therefore, the above manufacturing method can manufacture the GaN semiconductor device 100 that can have both good channel characteristics and good breakdown voltage while suppressing an increase in the number of steps.

<実施形態2>
上記の実施形態1では、図2及び図3に示したように、ウェル領域3の表面D1と底部D2との間でMg濃度が極大かつ最大となるピーク位置D3と、ウェル領域3の第1端部P1と第2端部P2との間で表面Mg濃度が極大かつ最大となるピーク位置P3とが、それぞれ1つずつ存在する場合を説明した。しかし、本発明の実施形態はこれに限定されない。本発明の実施形態では、ピーク位置D3、P3が、互いに同じ数だけ複数存在してもよい。
<Embodiment 2>
In the first embodiment described above, as shown in FIGS. 2 and 3, there is a peak position D3 where the Mg concentration is maximum between the surface D1 and the bottom D2 of the well region 3, and A case has been described in which there is one peak position P3 at which the surface Mg concentration is maximum between the end P1 and the second end P2. However, embodiments of the present invention are not limited thereto. In the embodiment of the present invention, the same number of peak positions D3 and P3 may exist.

図13は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例を示すグラフである。図13において、横軸はウェル領域3の深さ方向における位置を示し、縦軸はMg濃度を示す。図14は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例を示すグラフである。図14において、横軸はウェル領域3の表面方向における位置を示し、縦軸は表面Mg濃度を示す。 FIG. 13 is a graph showing an example of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 13, the horizontal axis indicates the position in the depth direction of the well region 3, and the vertical axis indicates the Mg concentration. FIG. 14 is a graph showing an example of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 14, the horizontal axis indicates the position of the well region 3 in the surface direction, and the vertical axis indicates the surface Mg concentration.

図13に示すように、ウェル領域3の表面D1と底部D2との間には、Mg濃度が極大かつ最大となる2つのピーク位置D31、D32(本発明の「第2ピーク位置」の一例)が存在する。図14に示すように、ウェル領域3の第1端部P1と第2端部P2との間には、表面Mg濃度が最大かつ極大となる2つのピーク位置P31、P32(本発明の「第1ピーク位置」の一例)が存在する。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 13, between the surface D1 and the bottom D2 of the well region 3, there are two peak positions D31 and D32 where the Mg concentration is maximum and maximum (an example of the "second peak position" of the present invention). exists. As shown in FIG. 14, between the first end P1 and the second end P2 of the well region 3, there are two peak positions P31 and P32 (in the present invention) where the surface Mg concentration is maximum and maximum. 1 peak position) exists. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

ピーク位置D31、D32、P31、P32は、例えば図8に示した工程で、互いに異なる注入エネルギーでMgを2回に分けてイオン注入することによって形成することができる。例えば、例えば図8に示した工程では、製造装置は、第1の注入エネルギーでMgをイオン注入し、続いて、第1の注入エネルギーとは異なる第2の注入エネルギーでMgをイオン注入する。または、ピーク位置D31、D32、P31、P32は、例えば図8に示した工程で、厚さ又は傾斜面21aの傾斜角度が互いに異なる2種類のマスク21Mを用いて、Mgを2回に分けてイオン注入することによって形成することができる。 The peak positions D31, D32, P31, and P32 can be formed, for example, by ion-implanting Mg in two steps with different implantation energies in the process shown in FIG. For example, in the process shown in FIG. 8, the manufacturing apparatus implants Mg ions with a first implantation energy, and then implants Mg ions with a second implantation energy different from the first implantation energy. Alternatively, the peak positions D31, D32, P31, and P32 can be determined by applying Mg in two steps using two types of masks 21M with different thicknesses or angles of inclination of the inclined surfaces 21a, for example, in the process shown in FIG. It can be formed by ion implantation.

(変形例1)
本発明の実施形態において、ピーク位置D31におけるMg濃度と、ピーク位置D32におけるMg濃度は、互いに同一の値でなくてもよい。同様に、ピーク位置P31における表面Mg濃度と、ピーク位置P32における表面Mg濃度も、互いに同一の値でなくてもよい。
(Modification 1)
In the embodiment of the present invention, the Mg concentration at the peak position D31 and the Mg concentration at the peak position D32 may not have the same value. Similarly, the surface Mg concentration at peak position P31 and the surface Mg concentration at peak position P32 may not have the same value.

図15は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例1)を示すグラフである。図15の横軸と縦軸は、図13と同じである。図16は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例(変形例1)を示すグラフである。図16の横軸と縦軸は、図14と同じである。 FIG. 15 is a graph showing an example (Modification 1) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 15 are the same as in FIG. 13. FIG. 16 is a graph showing an example (modification 1) of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 16 are the same as in FIG. 14.

図15に示すように、ピーク位置D31におけるMg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D32におけるMg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。図16に示すように、ピーク位置P31における表面Mg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D32における表面Mg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 15, the Mg concentration at the peak position D31 may be the maximum value C2, and the Mg concentration at the peak position D32 may be a value C3 smaller than the maximum value C2. As shown in FIG. 16, the surface Mg concentration at the peak position P31 may be the maximum value C2, and the surface Mg concentration at the peak position D32 may be a value C3 smaller than the maximum value C2. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

(変形例2)
図17は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例2)を示すグラフである。図17の横軸と縦軸は、図13と同じである。図18は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例(変形例2)を示すグラフである。図18の横軸と縦軸は、図14と同じである。
(Modification 2)
FIG. 17 is a graph showing an example (modified example 2) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 17 are the same as in FIG. 13. FIG. 18 is a graph showing an example (modified example 2) of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 18 are the same as in FIG. 14.

図17に示すように、ピーク位置D32におけるMg濃度は最大値C2であり、ピーク位置D31におけるMg濃度が最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。図18に示すように、ピーク位置P32における表面Mg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D31における表面Mg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 17, the Mg concentration at the peak position D32 is the maximum value C2, and the Mg concentration at the peak position D31 may be a value C3 smaller than the maximum value C2. As shown in FIG. 18, the surface Mg concentration at the peak position P32 may be the maximum value C2, and the surface Mg concentration at the peak position D31 may be a value C3 smaller than the maximum value C2. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

(変形例3)
図19は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例3)を示すグラフである。図19の横軸と縦軸は、図13と同じである。図20は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例(変形例3)を示すグラフである。図20の横軸と縦軸は、図14と同じである。
(Modification 3)
FIG. 19 is a graph showing an example (modified example 3) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 19 are the same as in FIG. 13. FIG. 20 is a graph showing an example (modified example 3) of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 20 are the same as in FIG. 14.

図19に示すように、ウェル領域3の表面D1と底部D2との間には、Mg濃度が極大となる3つのピーク位置D31、D32、D33(本発明の「第2ピーク位置」の一例)が存在してもよい。3つのピーク位置D31、D32、D33のうち、ピーク位置D32におけるMg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D31、D33におけるMg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。 As shown in FIG. 19, between the surface D1 and the bottom D2 of the well region 3, there are three peak positions D31, D32, and D33 (an example of the "second peak position" of the present invention) where the Mg concentration is maximum. may exist. Among the three peak positions D31, D32, and D33, the Mg concentration at the peak position D32 may be the maximum value C2, and the Mg concentration at the peak positions D31 and D33 may be a value C3 smaller than the maximum value C2.

図20に示すように、ウェル領域3の第1端部P1と第2端部P2との間には、表面Mg濃度が極大となる3つのピーク位置P31、P32、P33(本発明の「第1ピーク位置」の一例)が存在してもよい。3つのピーク位置P31、P32、P33のうち、ピーク位置P32における表面Mg濃度が最大値C2であり、ピーク位置P31、P33における表面Mg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 20, between the first end P1 and the second end P2 of the well region 3, there are three peak positions P31, P32, and P33 (the "first" 1 peak position) may exist. Among the three peak positions P31, P32, and P33, the surface Mg concentration at the peak position P32 may be the maximum value C2, and the surface Mg concentration at the peak positions P31 and P33 may be a value C3 smaller than the maximum value C2. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

ピーク位置D31からD33、P31からP33は、例えば図8に示した工程で、互いに異なる注入エネルギーでMgを3回に分けてイオン注入することによって形成することができる。または、ピーク位置D31からD33、P31からP33は、例えば図8に示した工程で、厚さ又は傾斜面21aの傾斜角度が互いに異なる3種類のマスク21Mを用いて、Mgを3回に分けてイオン注入することによって形成することができる。 The peak positions D31 to D33 and P31 to P33 can be formed by ion-implanting Mg three times at different implantation energies, for example, in the process shown in FIG. Alternatively, the peak positions D31 to D33 and P31 to P33 can be determined by applying Mg in three times using three types of masks 21M with different thicknesses or inclination angles of the inclined surfaces 21a, for example, in the process shown in FIG. It can be formed by ion implantation.

(変形例4)
本発明の実施形態において、3つのピーク位置D31からD33のうち、Mg濃度が極大かつ最大となるピーク位置は、ピーク位置D32に限定されない。同様に、3つのピーク位置P31からP33のうち、表面Mg濃度が極大かつ最大となるピーク位置は、ピーク位置P32に限定されない。
(Modification 4)
In the embodiment of the present invention, among the three peak positions D31 to D33, the peak position where the Mg concentration is maximum is not limited to the peak position D32. Similarly, among the three peak positions P31 to P33, the peak position where the surface Mg concentration is maximum is not limited to peak position P32.

図21は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例4)を示すグラフである。図21の横軸と縦軸は、図13と同じである。図22は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例(変形例4)を示すグラフである。図22の横軸と縦軸は、図24と同じである。 FIG. 21 is a graph showing an example (modified example 4) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 21 are the same as in FIG. 13. FIG. 22 is a graph showing an example (modified example 4) of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 22 are the same as in FIG. 24.

図21に示すように、3つのピーク位置D31、D32、D33のうち、ピーク位置D31におけるMg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D32、D33におけるMg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。図22に示すように、3つのピーク位置P31、P32、P33のうち、ピーク位置P31における表面Mg濃度が最大値C2であり、ピーク位置P32、P33における表面Mg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 21, among the three peak positions D31, D32, and D33, the Mg concentration at the peak position D31 is the maximum value C2, and the Mg concentration at the peak positions D32 and D33 is a value C3 smaller than the maximum value C2. There may be. As shown in FIG. 22, among the three peak positions P31, P32, and P33, the surface Mg concentration at the peak position P31 is the maximum value C2, and the surface Mg concentration at the peak positions P32 and P33 is a value smaller than the maximum value C2. It may be C3. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

(変形例5)
図23は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の深さ方向におけるMg濃度の分布の一例(変形例5)を示すグラフである。図23の横軸と縦軸は、図13と同じである。図24は、本発明の実施形態2に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布の一例(変形例5)を示すグラフである。図24の横軸と縦軸は、図14と同じである。
(Modification 5)
FIG. 23 is a graph showing an example (modified example 5) of the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 23 are the same as in FIG. 13. FIG. 24 is a graph showing an example (modification 5) of the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to the second embodiment of the present invention. The horizontal and vertical axes in FIG. 24 are the same as in FIG. 14.

図23に示すように、3つのピーク位置D31、D32、D33のうち、ピーク位置D33におけるMg濃度が最大値C2であり、ピーク位置D31、D32におけるMg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。図24に示すように、3つのピーク位置P31、P32、P33のうち、ピーク位置P33における表面Mg濃度が最大値C2であり、ピーク位置P31、P32における表面Mg濃度は最大値C2よりも小さい値C3であってもよい。このような態様であっても、GaN半導体装置100は、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。 As shown in FIG. 23, among the three peak positions D31, D32, and D33, the Mg concentration at the peak position D33 is the maximum value C2, and the Mg concentration at the peak positions D31 and D32 is a value C3 smaller than the maximum value C2. There may be. As shown in FIG. 24, among the three peak positions P31, P32, and P33, the surface Mg concentration at the peak position P33 is the maximum value C2, and the surface Mg concentration at the peak positions P31 and P32 is a value smaller than the maximum value C2. It may be C3. Even in such an embodiment, the GaN semiconductor device 100 can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

<実施形態3>
図25は、本発明の実施形態3に係るGaN半導体装置100Aの構成例を示す断面図である。図25に示すように、GaN半導体装置100Aは、GaN層2の表面側に設けられたn型のJFET領域30(本発明の「第2導電型の不純物領域」の一例)を備える。JFET領域30は、p型のウェル領域3によって表面方向(例えば、X軸方向)の両側から挟まれている。JFET領域30は、n型のGaN層2(n型のドリフト層)よりもn型不純物の濃度が高い。このような構成であっても、GaN半導体装置100Aは、良好なチャネル特性と良好な耐圧とを両立することができる。
<Embodiment 3>
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a configuration example of a GaN semiconductor device 100A according to Embodiment 3 of the present invention. As shown in FIG. 25, the GaN semiconductor device 100A includes an n-type JFET region 30 (an example of the "second conductivity type impurity region" of the present invention) provided on the surface side of the GaN layer 2. The JFET region 30 is sandwiched between the p-type well regions 3 from both sides in the surface direction (for example, the X-axis direction). The JFET region 30 has a higher concentration of n-type impurities than the n - type GaN layer 2 (n - type drift layer). Even with such a configuration, the GaN semiconductor device 100A can have both good channel characteristics and good breakdown voltage.

また、GaN半導体装置100Aは、図1に示したGaN半導体装置100と比べて、ドレイン電極8からウェル領域3に至る電流経路の電気抵抗が低く、空乏層による電流経路の狭窄も抑制されるため、オン抵抗を低減することができる。また、p型のウェル領域3とn型のJFET領域30とのpn接合部では、ウェル領域3とn-型ドリフト層とのpn接合部よりもウェル領域3側に空乏層が広がる。このため、GaN半導体装置100Aは、図1に示したGaN半導体装置100と比べて、耐圧をさらに向上させることができる。GaN半導体装置100Aは、良好なチャネル特性と、良好な耐圧と、良好なオン抵抗とを両立することができる。 Further, in the GaN semiconductor device 100A, the electrical resistance of the current path from the drain electrode 8 to the well region 3 is lower than that of the GaN semiconductor device 100 shown in FIG. , on-resistance can be reduced. Further, at the pn junction between the p-type well region 3 and the n-type JFET region 30, the depletion layer spreads closer to the well region 3 than the pn junction between the well region 3 and the n-type drift layer. Therefore, the GaN semiconductor device 100A can further improve the breakdown voltage compared to the GaN semiconductor device 100 shown in FIG. The GaN semiconductor device 100A can have good channel characteristics, good breakdown voltage, and good on-resistance.

<比較例>
次に、本発明の比較例について説明する。図26は、本発明の比較例に係るGaN半導体装置200の製造工程の一部を示す断面図である。図26に示すように、GaN半導体装置200は、n型のGaN基板101と、GaN基板101上に設けられたn型のGaN層102と、GaN層102に設けられたp型のウェル領域103と、ウェル領域103の表面側に設けられたn型のソース領域104と、を備える。
<Comparative example>
Next, a comparative example of the present invention will be explained. FIG. 26 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of a GaN semiconductor device 200 according to a comparative example of the present invention. As shown in FIG. 26, the GaN semiconductor device 200 includes an n + type GaN substrate 101, an n type GaN layer 102 provided on the GaN substrate 101, and a p type well provided on the GaN layer 102. A region 103 and an n + type source region 104 provided on the surface side of the well region 103.

p型のウェル領域103を形成する工程で、垂直性の高いマスク121を用いてMgのイオン注入を行う。マスク121の端部の側面は、GaN層102の表面に対してほぼ垂直となっている。図26に示すように、比較例では、垂直性の高いマスク121を用いるため、Mgの注入ピークはGaN層102の表面に平行となる。 In the step of forming the p-type well region 103, Mg ions are implanted using a highly vertical mask 121. The side surface of the end of the mask 121 is substantially perpendicular to the surface of the GaN layer 102. As shown in FIG. 26, in the comparative example, since a highly vertical mask 121 is used, the Mg injection peak is parallel to the surface of the GaN layer 102.

図27は、本発明の比較例に係るウェル領域103の深さ方向におけるMg濃度の分布を示すグラフである。図28は、本発明の比較例に係るウェル領域3の表面Mg濃度の分布を示すグラフである。図27及び図28において、比較例1はMgの注入エネルギーが低い場合を示し、比較例2はMgの注入エネルギーが高い場合を示している。 FIG. 27 is a graph showing the Mg concentration distribution in the depth direction of the well region 103 according to a comparative example of the present invention. FIG. 28 is a graph showing the distribution of surface Mg concentration in the well region 3 according to a comparative example of the present invention. In FIGS. 27 and 28, Comparative Example 1 shows a case where Mg implantation energy is low, and Comparative Example 2 shows a case where Mg implantation energy is high.

図27に示すように、比較例のMg濃度分布は、ウェル領域103の深さ方向ではレトログレードプロファイルとなる。注入エネルギーが低い比較例1と、注入エネルギーが高い比較例2とにおいて、深さ方向のMg濃度の最大値はC21であり、互いに同じ値となる。これに対して、図28に示すように、比較例の表面Mg濃度分布は、ウェル領域103の表面方向において一定となる。注入エネルギーが低い比較例1ではMgの注入ピークは浅い領域に位置するが、注入エネルギーが高い比較例2ではMgの注入ピークは深い領域に位置する。このため、比較例1、2間で、表面Mg濃度に差が生じる。比較例1の表面Mg濃度C11よりも、比較例2の表面Mg濃度C12の方が低い値となる。 As shown in FIG. 27, the Mg concentration distribution in the comparative example has a retrograde profile in the depth direction of the well region 103. In Comparative Example 1 with low implantation energy and Comparative Example 2 with high implantation energy, the maximum value of the Mg concentration in the depth direction is C21, which is the same value. On the other hand, as shown in FIG. 28, the surface Mg concentration distribution of the comparative example is constant in the surface direction of the well region 103. In Comparative Example 1 where the implantation energy is low, the Mg implantation peak is located in a shallow region, whereas in Comparative Example 2 where the implantation energy is high, the Mg implantation peak is located in a deep region. Therefore, a difference occurs in the surface Mg concentration between Comparative Examples 1 and 2. The surface Mg concentration C12 of Comparative Example 2 has a lower value than the surface Mg concentration C11 of Comparative Example 1.

このように、比較例に係るGaN半導体装置200では、Mgの注入エネルギーや注入角度のばらつきが、ウェル領域103の表面Mg濃度に反映される。このため、GaN半導体装置200では、ウェル領域103の表面Mg濃度がばらつきやすく、チャネル特性が変動しやすい傾向がある。 In this way, in the GaN semiconductor device 200 according to the comparative example, variations in Mg implantation energy and implantation angle are reflected in the surface Mg concentration of the well region 103. Therefore, in the GaN semiconductor device 200, the surface Mg concentration of the well region 103 tends to vary, and the channel characteristics tend to fluctuate.

<特性の比較>
本発明の実施形態1から3と比較例とについて、特性を比較した結果を表1に示す。表1では、特性として、Mgの表面濃度分布と、しきい値と、耐圧を示している。また、表1において、〇は良を、×は不良を意味する。
<Comparison of characteristics>
Table 1 shows the results of comparing the characteristics of Embodiments 1 to 3 of the present invention and the comparative example. Table 1 shows the Mg surface concentration distribution, threshold value, and breakdown voltage as characteristics. Further, in Table 1, ◯ means good, and × means bad.

Figure 0007404710000001
Figure 0007404710000001

実施形態1から3では、チャネル領域10の表面Mg濃度の最大値にばらつきは生じにく、安定したしきい値が得られる。これに対して、比較例では、チャネル領域の表面Mg濃度の最大値にばらつきが生じやすく、しきい値が変動しやすい。耐圧に関しては、実施形態1から3、比較例とも、ウェル領域の深い領域にMg濃度のピークが存在するため、高耐圧の特性が得られる。 In Embodiments 1 to 3, variations in the maximum surface Mg concentration of the channel region 10 are unlikely to occur, and a stable threshold value can be obtained. On the other hand, in the comparative example, the maximum value of the surface Mg concentration in the channel region tends to vary, and the threshold value tends to fluctuate. Regarding the breakdown voltage, in both Embodiments 1 to 3 and the comparative example, the peak of the Mg concentration exists in the deep region of the well region, so that high breakdown voltage characteristics can be obtained.

<その他の実施形態>
上記のように、本発明は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。
<Other embodiments>
As described above, the present invention has been described by way of embodiments and modifications, but the statements and drawings that form part of this disclosure should not be understood as limiting the present invention. Various alternative embodiments and modifications will be apparent to those skilled in the art from this disclosure.

例えば、ゲート絶縁膜5には、シリコン酸窒化(SiON)膜、ストロンチウム酸化物(SrO)膜、シリコン窒化物(Si)膜も使用可能である。また、ゲート絶縁膜5には、単層の絶縁膜をいくつか積層した複合膜等も使用可能である。ゲート絶縁膜5としてSiO膜以外の絶縁膜を用いた縦型MOSFETは、縦型MISFETと呼んでもよい。MISFETは、MOSFETを含む、より包括的な絶縁ゲート型トランジスタを意味する。 For example, a silicon oxynitride (SiON) film, a strontium oxide (SrO) film, or a silicon nitride (Si 3 N 4 ) film can also be used for the gate insulating film 5 . Furthermore, a composite film or the like in which several single-layer insulating films are laminated can be used as the gate insulating film 5. A vertical MOSFET using an insulating film other than the SiO 2 film as the gate insulating film 5 may be referred to as a vertical MISFET. MISFET refers to the more general insulated gate transistor, which includes MOSFET.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。上記した実施形態及び各変形例の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の種々の省略、置換及び変更のうち少なくとも1つを行うことができる。また、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものでは無く、また他の効果があってもよい。本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 Thus, it goes without saying that the present invention includes various embodiments not described here. At least one of various omissions, substitutions, and modifications of the constituent elements can be made without departing from the gist of the embodiment and each modification described above. Furthermore, the effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present. The technical scope of the present invention is determined only by the matters specifying the invention in the claims that are reasonable from the above description.

1、101 GaN基板
1a、2a 表面
1b 裏面
2、102 GaN層
3、103 ウェル領域
3’ (ウェル領域が形成される)予定領域
4、104 ソース領域
4’ (ソース領域が形成される)予定領域
5 ゲート絶縁膜
6 ゲート電極
7 ソース電極
8 ドレイン電極
10 チャネル領域
21 絶縁膜
21a、22a 傾斜面
21M、121 マスク
22、23 レジストマスク
23 レジストマスク
30 JFET領域
100 GaN半導体装置
D1 表面
D2 底部
D3、D31、D32、D33 ピーク位置
P1 第1端部
P2 第2端部
P3、P31、P32、P33 ピーク位置
VL 仮想線
1, 101 GaN substrate 1a, 2a Front surface 1b Back surface 2, 102 GaN layer 3, 103 Well region 3' (well region will be formed) planned region 4, 104 Source region 4' (source region will be formed) planned region 5 Gate insulating film 6 Gate electrode 7 Source electrode 8 Drain electrode 10 Channel region 21 Insulating films 21a, 22a Slanted surfaces 21M, 121 Masks 22, 23 Resist mask 23 Resist mask 30 JFET region 100 GaN semiconductor device D1 Surface D2 Bottom D3, D31 , D32, D33 Peak position P1 First end P2 Second end P3, P31, P32, P33 Peak position VL Virtual line

Claims (9)

窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層に設けられた第1導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域の表面側に設けられた第2導電型のソース領域と、
前記ウェル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、を備え、
前記ウェル領域は、
前記ソース領域側に位置する第1端部と、
前記ウェル領域の表面方向において前記第1端部の反対側に位置する第2端部と、を有し、
前記ウェル領域の表面における第1導電型の不純物濃度は、
前記第1端部から前記第2端部に向かって変化し、かつ前記第1端部と前記第2端部との間に第1最大値が存在し、前記第1最大値と前記第2端部との間に前記第1最大値よりも前記第1導電型の不純物濃度が低い領域が存在する第1分布を有し、
前記ウェル領域の深さ方向における前記第1導電型の不純物濃度は、
前記ウェル領域の表面から前記ウェル領域の底部に向かって変化し、かつ前記ウェル領域の表面と前記底部との間に第2最大値が存在する第2分布を有する、窒化物半導体装置。
a nitride semiconductor layer;
a first conductivity type well region provided in the nitride semiconductor layer;
a second conductivity type source region provided on the surface side of the well region;
a gate insulating film provided on the well region;
a gate electrode provided on the gate insulating film,
The well region is
a first end located on the source region side;
a second end located on the opposite side of the first end in the surface direction of the well region,
The first conductivity type impurity concentration at the surface of the well region is:
changes from the first end toward the second end, a first maximum value exists between the first end and the second end, and the first maximum value and the second having a first distribution in which there is a region between the end portion and the impurity concentration of the first conductivity type lower than the first maximum value ;
The impurity concentration of the first conductivity type in the depth direction of the well region is:
A nitride semiconductor device having a second distribution that changes from the surface of the well region toward the bottom of the well region and has a second maximum value between the surface and the bottom of the well region.
前記第2分布には、The second distribution includes:
前記第2最大値と前記底部との間に前記第2最大値よりも前記第1導電型の不純物濃度が低い領域が存在する、請求項1に記載の窒化物半導体装置。2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein there is a region between the second maximum value and the bottom where the impurity concentration of the first conductivity type is lower than the second maximum value.
前記第1端部と前記第2端部との間で前記第1導電型の不純物濃度が極大となる第1ピーク位置と、前記ウェル領域の表面と前記底部との間で前記第1導電型の不純物濃度が極大となる第2ピーク位置と、が互いに同じ数だけ存在する、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。 A first peak position where the impurity concentration of the first conductivity type is maximum between the first end and the second end, and a first peak position where the impurity concentration of the first conductivity type is maximum between the surface and the bottom of the well region. 3. The nitride semiconductor device according to claim 1 , wherein there are the same number of second peak positions where the impurity concentration is maximum. 前記第1導電型の不純物はマグネシウムであり、
前記ウェル領域の表面におけるマグネシウム濃度と、前記ウェル領域の深さ方向におけるマグネシウム濃度は、それぞれ、1×1016cm-3以上1×1020cm-3以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
The first conductivity type impurity is magnesium,
4. The magnesium concentration at the surface of the well region and the magnesium concentration in the depth direction of the well region are each 1×10 16 cm −3 or more and 1×10 20 cm −3 or less , respectively. The nitride semiconductor device according to item 1 .
前記第1導電型の不純物はマグネシウムであり、
前記ウェル領域の表面におけるマグネシウム濃度と、前記ウェル領域の深さ方向におけるマグネシウム濃度は、それぞれ、1×1017cm-3以上1×1018cm-3以下である、請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
The first conductivity type impurity is magnesium,
The magnesium concentration at the surface of the well region and the magnesium concentration in the depth direction of the well region are each 1×10 17 cm −3 or more and 1×10 18 cm −3 or less , respectively. The nitride semiconductor device according to item 1 .
前記窒化物半導体層は、
第2導電型の第1窒化物半導体層と、
前記第1窒化物半導体層上に設けられた第2導電型の第2窒化物半導体層と、を有し、
前記第1窒化物半導体層よりも前記第2窒化物半導体層の方が第2導電型の不純物濃度が低く、
前記ウェル領域と前記ソース領域は前記第2窒化物半導体層に設けられている、請求項1からのいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor layer is
a first nitride semiconductor layer of a second conductivity type;
a second nitride semiconductor layer of a second conductivity type provided on the first nitride semiconductor layer,
The second nitride semiconductor layer has a lower impurity concentration of the second conductivity type than the first nitride semiconductor layer,
6. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the well region and the source region are provided in the second nitride semiconductor layer.
前記第2窒化物半導体層に設けられ、前記第2端部に隣接する第2導電型の不純物領域、をさらに備え、
前記第2導電型の不純物濃度は、前記第1窒化物半導体層よりも前記不純物領域の方が低く、前記不純物領域よりも前記第2窒化物半導体層の方が低い、請求項に記載の窒化物半導体装置。
further comprising a second conductivity type impurity region provided in the second nitride semiconductor layer and adjacent to the second end,
7. The impurity concentration of the second conductivity type is lower in the impurity region than in the first nitride semiconductor layer, and is lower in the second nitride semiconductor layer than in the impurity region. Nitride semiconductor device.
窒化物半導体層に第1導電型のウェル領域を形成する工程と、
前記ウェル領域の表面側に2導電型のソース領域を形成する工程と、
前記ウェル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を備え、
前記ウェル領域を形成する工程は、
前記ウェル領域の表面方向に対して傾斜した傾斜面を有するマスクを前記窒化物半導体層上に形成する工程と、
前記マスクが形成された前記窒化物半導体層に、前記マスク側から第1導電型の不純物をイオン注入する工程と、を有し、
前記マスクを形成する工程では、
前記窒化物半導体層において前記ウェル領域が形成される予定領域上に前記傾斜面を配置し、
前記ウェル領域の端部であって、前記ソース領域側に位置する端部を第1端部とし、前記ウェル領域の表面方向において前記第1端部の反対側に位置する端部を第2端部とすると、
前記第1導電型の不純物をイオン注入する工程では、
前記ウェル領域の表面における第1導電型の不純物濃度について、
前記第1端部から前記第2端部に向かって変化し、かつ前記第1端部と前記第2端部との間に第1最大値が存在し、前記第1最大値と前記第2端部との間に前記第1最大値よりも前記第1導電型の不純物濃度が低い領域が存在する第1分布を形成する窒化物半導体装置の製造方法。
forming a first conductivity type well region in the nitride semiconductor layer;
forming a two-conductivity type source region on the surface side of the well region;
forming a gate insulating film on the well region;
forming a gate electrode on the gate insulating film,
The step of forming the well region includes:
forming a mask on the nitride semiconductor layer having an inclined surface inclined with respect to a surface direction of the well region;
ion-implanting impurities of a first conductivity type into the nitride semiconductor layer on which the mask is formed from the mask side;
In the step of forming the mask,
arranging the inclined surface on a region in the nitride semiconductor layer where the well region is to be formed;
An end of the well region located on the source region side is a first end, and an end located on the opposite side of the first end in the surface direction of the well region is a second end. If the section is
In the step of ion-implanting the first conductivity type impurity,
Regarding the impurity concentration of the first conductivity type at the surface of the well region,
changes from the first end toward the second end, a first maximum value exists between the first end and the second end, and the first maximum value and the second A method for manufacturing a nitride semiconductor device , comprising forming a first distribution in which a region having an impurity concentration of the first conductivity type lower than the first maximum value exists between the end portion and the end portion .
前記第1導電型の不純物をイオン注入する工程では、
前記第1導電型の不純物を第1の注入エネルギーでイオン注入する工程と、
前記第1導電型の不純物を前記第1の注入エネルギーとは異なる第2の注入エネルギーでイオン注入する工程と、を含む、請求項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
In the step of ion-implanting the first conductivity type impurity,
ion-implanting the first conductivity type impurity with a first implantation energy;
9. The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 8 , comprising the step of ion-implanting the first conductivity type impurity with a second implantation energy different from the first implantation energy.
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