JP7528963B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本開示は、半導体装置に関する。

特許文献１は、半導体ＳｉＣからなり、アクティブ領域の周囲にターミネーション領域を有し、前記ターミネーション領域の表面上がパッシベーション膜によって覆われる半導体装置において、前記パッシベーション膜は、前記ターミネーション領域の表面に接する第１酸化シリコン膜と、前記第１酸化シリコン膜上に積層され、前記第１酸化シリコン膜に接する第２酸化シリコン膜と、前記第２酸化シリコン膜上に積層され、前記第２酸化シリコン膜に接する第３酸化シリコン膜と、を備えることを特徴とする半導体装置、を開示している。同文献は、半導体装置は、前記ターミネーション領域はＦＬＲ（フィールドリミティングリング）構造を有し得ることを開示している。

特開２０１６－８１９８１号公報

ｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、ｐ型酸化ニッケル半導体層を周辺耐圧構造に採用することができる。しかしながら、ｐ型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタ密度を低減することが困難である。そのため、電極層と接するｐ型酸化ニッケル半導体層の外周端部に電界が集中し、絶縁破壊が生じやすい。

したがって、ｎ型酸化ガリウム半導体と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、絶縁破壊の抑制、すなわち耐圧性の向上が求められている。

本開示は、高い耐圧性を有する、ｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置を提供することを目的とする。

本発明者は、以下の手段により上記課題を達成することができることを見出した：
《態様１》
中央領域及び前記中央領域よりもドナー密度が低い周辺領域を有している、ｎ型酸化ガリウム半導体層、
前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記中央領域において、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びに
前記ｎ型酸化ガリウム半導体層と前記電極層との間に部分的に位置するようにして前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記周辺領域側の外周端部が前記周辺領域にある、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層
を有している、半導体装置。
《態様２》
前記周辺領域におけるドナー密度は、５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下である、態様１に記載の半導体装置。
《態様３》
前記中央領域におけるドナー密度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である、態様１又は２に記載の半導体装置。
《態様４》
積層方向から見たときに、前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、前記中央領域と前記周辺領域とを跨るようにして位置する、態様１～３のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様５》
前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記中央領域の厚さをｔとし、かつ前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層のうち、前記中央領域にある部分の幅をｘとしたときに、ｘ／ｔ＞０．５０である、態様４に記載の半導体装置。
《態様６》
前記ドナーは、Ｓｎ又はＳｉである、態様１～５のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様７》
前記周辺領域は、アクセプタがドープされていることによって、前記中央領域よりもドナー密度が低い、態様１～６のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様８》
前記アクセプタは、Ｎ又はＭｇである、態様７に記載の半導体装置。
《態様９》
前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側の前記周辺領域に、互いに前記中央領域から前記周辺領域に向かう方向に間隔を有するようにして、複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層を有している、態様１～８のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様１０》
前記ｎ型酸化ガリウム半導体層は、前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第２のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側に複数のトレンチ構造を有しており、
前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第２のｐ型酸化ニッケル半導体層は、それぞれ前記トレンチ構造の凹部内に積層されている、
態様９に記載の半導体装置。
《態様１１》
ｐｎダイオード、ＪＢＳダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、又は接合型電界効果トランジスタである、態様１～１０のいずれか一つに記載の半導体装置。
《態様１２》
イオン照射又は酸素雰囲気下での加熱で前記ドナー密度を低下させることによって、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記周辺領域を形成することを含む、態様１～１１のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
《態様１３》
前記イオン照射において、アクセプタ元素、水素、又はヘリウムのイオンを照射する、態様１２に記載の方法。
《態様１４》
前記イオン照射の後に、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行う、態様１２又は１３に記載の方法。
《態様１５》
前記イオン照射の後に、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行わない、態様１２又は１３に記載の方法。

本開示によれば、高い耐圧性を有する、ｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置を提供することができる。

図１は、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１の模式図である。 図２は、本開示の実施形態とは異なる半導体装置２の模式図である。 図３は、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１の模式図である。 図４は、比較例２の半導体装置３の模式図である。 図５は、比較例３の半導体装置４の模式図である。 図６は、実施例１の半導体装置５の模式図である。 図７は、実施例７における、イオン注入後のｎ型酸化ガリウム半導体層の深さとＭｇ密度との関係を示すグラフである。 図８は、実施例８における、大気雰囲気下で熱処理後のｎ型酸化ガリウム半導体層の深さとＭｇ密度との関係を示すグラフである。

以下、本開示の実施の形態について詳述する。なお、本開示は、以下の実施の形態に限定されるのではなく、開示の本旨の範囲内で種々変形して実施できる。

本開示の半導体装置は、中央領域及び中央領域よりもドナー密度が低い周辺領域を有している、ｎ型酸化ガリウム半導体層、ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、中央領域において、ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びにｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層との間に部分的に位置するようにしてｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、周辺領域側の外周端部が周辺領域にある、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層を有している。

ｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層とがショットキー接合を形成している半導体装置において、ｐ型酸化ニッケル半導体層を周辺耐圧構造に採用した場合、絶縁破壊が生じやすい。これは、ｐ型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタ密度を低減することが困難であるため、電極層と接するｐ型酸化ニッケル半導体層の外周端部に電界が集中しやすいことによる。

本開示の半導体装置は、積層方向から見たときに、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層の周辺領域側の外周端部が、ｎ型酸化ガリウム半導体層の周辺領域にある。この周辺領域は、中央領域よりもドナー密度が低い。これにより、電極層と接する第１のｐ型酸化ニッケル半導体層の外周端部における電界の集中が抑制される。したがって、本開示の半導体装置は、絶縁破壊が抑制される。

図１は、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１の模式図である。

図１に示すように、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１は、中央領域１１及び中央領域１１よりもドナー密度が低い周辺領域１３を有している、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、中央領域１１において、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０とショットキー接合を形成している、第１の電極層２０、並びにｎ型酸化ガリウム半導体層１０と第１の電極層２０との間に部分的に位置するようにしてｎ型酸化ガリウム半導体層１０の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、周辺領域１３側の外周端部が周辺領域１３にある、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層４０を有している。

また、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の面のうち、第１の電極層２０が積層されていない側の面上に、第２の電極層３０が積層されている。なお、第２の電極層３０は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０とオーミック接合を形成している。

なお、図１における「Ｃ」は、中央領域側、「Ｏ」は、周辺領域側を示している。なお、「中央領域側Ｃ」及び「周辺領域側Ｏ」は、方向を示すにすぎず、ある構成要素の「中央領域側Ｃ」は、必ずしも積層方向から見たときにｎ型酸化ガリウム半導体層１０の中央領域と重なることを意味するものではない。「周辺領域側Ｏ」についても同様である。

本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１は、積層方向から見たときに、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層４０のうち周辺領域側Ｏの外周端部が、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の周辺領域１３にある。ここで、周辺領域１３は、中央領域１１よりもドナー密度が低い。これにより、第１の電極層２０と接する第１のｐ型酸化ニッケル半導体層４０の外周端部における電界の集中が抑制される。したがって、本開示の第１の実施形態に従う半導体装置１は、絶縁破壊が抑制される。

なお、図１は、本開示の半導体装置を限定する趣旨ではない。

図２は、本開示の実施形態とは異なる半導体装置２の模式図である。

図２に示すように、本開示の実施形態とは異なる半導体装置２は、中央領域１１と周辺領域１３とのドナー密度に差がない。概して、ｐ型酸化ニッケル半導体はアクセプタ密度が大きい。したがって、このような半導体装置２では、第１の電極層２０と接する第１のｐ型酸化ニッケル半導体層４０の外周端部において電界が集中するため、絶縁破壊が起こりやすい。

なお、本開示の半導体装置は、例えばダイオード、より具体的にはｐｎダイオード若しくはＪＢＳダイオード、又はトランジスタ、より具体的には金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）若しくは接合型電界効果トランジスタ（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＪＦＥＴ）であってよい。

《ｎ型酸化ガリウム半導体層》
ｎ型酸化ガリウム半導体層は、中央領域及び周辺領域を有している。周辺領域のドナー密度は、中央領域のドナー密度よりも低い。

ｎ型酸化ガリウム半導体層は、例えば酸化ガリウム単結晶層の上に成膜されたものであってよい。より具体的には、ｎ型酸化ガリウム半導体層は、例えばエピタキシャル層であってよい。

酸化ガリウム単結晶層は、例えばα－Ｇａ₂Ｏ₃単結晶、β－Ｇａ₂Ｏ₃単結晶、又は他の結晶構造を有するＧａ₂Ｏ₃単結晶の層であることができ、好ましくはβ－Ｇａ₂Ｏ₃単結晶の層である。

ｎ型酸化ガリウム半導体層は、ドナーを含有している。ドナーは、例えばＳｎ又はＳｉであることができる。

〈中央領域〉
中央領域は、電極層が配置される、ショットキーダイオードのアクティブ領域を少なくとも含んでいることができる。なお、アクティブ領域とは、半導体素子を形成する部分である。

中央領域は、周辺領域よりもドナー密度が高い。

中央領域におけるドナー密度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上であることができる。

中央領域におけるドナー密度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上かつ１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であってよい。

中央領域におけるドナー密度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、２．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、５．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、又は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であってよく、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、又は１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であってよい。

〈周辺領域〉
周辺領域は、中央領域の周囲を取り囲む領域である。周辺領域は、中央領域よりもドナー密度が低い。

周辺領域におけるドナー密度は、５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であってよい。

周辺領域におけるドナー密度は、５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下かつ０．０ｃｍ^-3以上であってよい。

周辺領域におけるドナー密度は、５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下、又は１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であってよく、０．０ｃｍ^-3以上、５．０×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、２．０×１０¹⁴ｃｍ^-3以上、又は１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上であってよい。

周辺領域のドナー密度を中央領域よりも低くするために、周辺領域にはアクセプタがドープされていることができる。この場合、例えばドナーが均一にドープされているｎ型酸化ガリウム半導体層を製膜した後に、ｎ型酸化ガリウム半導体層のうち周辺領域とすべき部分に事後的にアクセプタをドープさせることによって、簡易に中央領域と周辺領域とを形成することができる。

ｎ型酸化ガリウム半導体層へのアクセプタのドープは、例えば第１のｐ型酸化ニッケル半導体層、又は第１及び第２のｐ型酸化ニッケル半導体層をｎ型酸化ガリウム半導体層に積層する前に、イオン注入によって行ってよい。

アクセプタは、例えばＮ、又はＭｇであってよい。

《電極層》
電極層は、ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されている。電極層は、半導体装置を積層方向から見たときに、中央領域において、ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している。

電極層は、少なくともｎ型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成することができる任意の材料から形成されていることができる。

ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成することができる材料は、例えばＴｉ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、又はＰｔ等を挙げることができるが、これらに限定されない。

電極層は、例えば任意の成膜方法によってｎ型酸化ガリウム半導体層上に形成されてよい。電極層を形成するための成膜方法は、例えば物理蒸着法、より具体的には真空蒸着、分子線蒸着、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、コンベンショナル・スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、又はイオン・ビームスパッタリング等であってよい。

なお、本開示の半導体装置は、ｎ型酸化ガリウム半導体層の面のうち電極層が積層されている側の反対側に、ｎ⁺型酸化ガリウム基板及び別の電極層を有していることができる。以下ｎ⁺型酸化ガリウム基板は簡単のため省略する。

この別の電極層は、少なくともｎ型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、ｎ型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成していることができる。

この別の電極層は、少なくともｎ型酸化ガリウム半導体層と接触している部分において、ｎ型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成することができる任意の材料から形成されていることができる。

ｎ型酸化ガリウム半導体層とオーミック接合を形成することができる材料は、例えばＴｉ等を挙げることができるが、これらに限定されない。

なお、この別の電極層も、電極層と同様の方法によって形成することができる。

《第１のｐ型酸化ニッケル半導体層》
本開示の半導体装置は、ｎ型酸化ガリウム半導体層と電極層との間に部分的に位置するようにしてｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されている、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層を有している。第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、半導体装置を積層方向から見たときに、周辺領域側の外周端部が周辺領域にある。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、アクセプタがドープされていることができる。

アクセプタは、例えばＬｉ、Ｃｕ又はＡｇであってよい。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であることができる。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上かつ１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下であってよい。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、２．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、５．０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、又は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以上であってよく、１．０×１０²⁰ｃｍ^-3以下、５．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下、２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下、又は１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であってよい。

なお、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層へのアクセプタのドープは、例えば成膜時のドーピングによって行うことができる。

積層方向から見たときに、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、中央領域と周辺領域とを跨るようにして位置することができる。これにより、半導体装置を積層方向から見たときに、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分と周辺領域にある部分とが形成される。

ここで、図３に示すように、本開示の半導体装置１は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の中央領域１１のドリフト層厚さをｔとし（上記ｎ⁺酸化ガリウム半導体層を含まない）、かつ第１のｐ型酸化ニッケル半導体層４０のうち、中央領域１１にある部分の幅をｘとしたときに、ｘ／ｔ＞０．５０であることが、好ましい。なお、「厚さ」とは、ドリフト層の最大厚さを意味している。また、「幅」とは、最大幅を意味している。

なお、図３は、本開示の半導体装置を限定する趣旨ではない。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分が少ない場合、すなわちｘ／ｔが小さい場合、半導体装置の耐圧性は向上させることができるが、他方で、半導体装置の抵抗率が増加する。

ｘ／ｔ＞０．５０である場合、半導体装置の抵抗率を維持しつつ、耐圧性を向上させることができる。

また、ｘ／ｔ≦２．００であってよい。

ｘ／ｔは、０．５０超、０．８０以上、１．００以上、又は１．５０以上であってよく、２．００以下、１．８０以下、１．６０以下、又は１．５０以下であってよい。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層の幅は、例えば１．０μｍ～１０．０μｍであってよい。なお、「幅」とは、最大幅を意味している。

第１のｐ型酸化ニッケル半導体層の幅は、１．０μｍ以上、２．０μｍ以上、３．０μｍ以上、又は５．０μｍ以上であってよく、１０．０μｍ以下、８．０μｍ以下、６０．０μｍ以下、又は５．０μｍ以下であってよい。

なお、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、例えばｎ型酸化ガリウム半導体層の面のうち、電極層が積層されている側の面に形成されたトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。

《第２のｐ型酸化ニッケル半導体層》
本開示の半導体装置は、ｎ型酸化ガリウム半導体層の第１のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側の周辺領域に、互いに中央領域から周辺領域に向かう方向に間隔を有するようにして、複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層を有していることができる。この複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層は、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層と共に、周辺耐圧構造として機能することができる。

第２のｐ型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度は、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層におけるアクセプタ密度と同様であってよい。

第２のｐ型酸化ニッケル半導体層の幅は、例えば１．０μｍ～１０．０μｍであってよい。なお、「幅」とは、最大幅を意味している。

第２のｐ型酸化ニッケル半導体層の幅は、１．０μｍ以上、２．０μｍ以上、３．０μｍ以上、又は４．０μｍ以上であってよく、１０．０μｍ以下、９．０μｍ以下、８０．０μｍ以下、又は７．０μｍ以下であってよい。

互いに隣接する第２のｐ型酸化ニッケル半導体層同士、及び／又は互いに隣接する第１のｐ型酸化ニッケル半導体層と第２のｐ型酸化ニッケル半導体層との間隔は、例えば０．５μｍ～５．０μｍであってよい。なお、「間隔」とは、互いに隣接するｐ型酸化ニッケル半導体層同士の最短距離を意味している。

この間隔は、０．５μｍ以上、１．０μｍ以上、１．５μｍ以上、又は２．０μｍ以上であってよく、５．０μｍ以下、４．５μｍ以下、４．０μｍ以下、又は３．５μｍ以下であってよい。

なお、第２のｐ型酸化ニッケル半導体層は、例えばｎ型酸化ガリウム半導体層の面のうち、電極層が積層されている側の面に形成されたトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。

《トレンチ構造》
ｎ型酸化ガリウム半導体層は、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側に複数のトレンチ構造を有していることができる。第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層は、それぞれトレンチ構造の凹部内に積層されていることができる。

トレンチ構造は、例えばｎ型酸化ガリウム半導体層をエッチングすることによって形成することができる。エッチングの際には、ｎ型酸化ガリウム半導体層の面のうちトレンチ構造の凸部となる部分にマスキングを施して行うことができる。エッチング後には、マスキングを除去する。その後、ｎ型酸化ガリウム半導体層の面上に、例えば物理蒸着法によってｐ型酸化ニッケル半導体層を堆積させる。最後に、トレンチ構造の凹部内に積層されたｐ型酸化ニッケル半導体層を残して、トレンチ構造の凸部上に積層されたｐ型酸化ニッケル半導体層を除去する。これにより、トレンチ構造の凹部内に第１及び第２のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層された構造を形成することができる。

《半導体装置の製造方法》
本開示の半導体装置の製造方法は、イオン照射又は酸素雰囲気下での加熱でドナー密度を低下させることによって、ｎ型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。

〈イオン照射〉
本開示の半導体装置の製造方法は、イオン照射でドナー密度を低下させることによって、ｎ型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。

本開示の半導体装置の製造方法は、ｎ型酸化ガリウム半導体層の前駆体、例えば所定のドナー密度を有する酸化ガリウム層に対してイオン照射を行うことで、当該部分におけるドナー密度を低下させる。

イオン照射において、アクセプタ元素、水素、又はヘリウムのイオンを照射してよい。アクセプタ元素としては、例えばＭｇ、Ｎ、及びＧa等を挙げることができる。

イオン照射において水素又はヘリウムを照射する場合、酸化ガリウム半導体層のより深い領域まで低ドナー化することができる。

イオン照射の後に、ｎ型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行ってもよいが、生産性向上の観点から、行わないほうが好ましい。なお、「アニール処理」は、例えば不活性ガス雰囲気下での熱処理である。「アニール処理」の熱処理の温度は、例えば８００℃以上である。

〈酸素雰囲気下での加熱〉
本開示の半導体装置の製造方法は、酸素雰囲気下での加熱によって、ｎ型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成することを含む。

本開示の半導体層の製造方法において、酸素雰囲気下での加熱によってドナー密度を低下させることができる原理は、これに限定する趣旨ではないが、酸化ガリウム層の表面にドナーを補償する欠陥が生成し、ドナー密度が下がることによると考えられる。

本開示の半導体装置の製造方法は、ｎ型酸化ガリウム半導体層の前駆体、例えば所定のドナー密度を有する酸化ガリウム層に対して酸素雰囲気下での加熱を行うことで、ｎ型酸化ガリウム半導体層の周辺領域を形成する。ｎ型酸化ガリウム半導体層の中央領域は、周辺領域よりもドナー密度が高いが、これは、例えばｎ型酸化ガリウム半導体層の前駆体のうち中央領域とするべき箇所の表面をマスキング等することで、周辺領域とするべき箇所のみドナー密度を低下させればよい。

「酸素雰囲気下」とは、酸素を含んでいる雰囲気であり、例えば大気雰囲気下であってよい。酸素雰囲気下における酸素の濃度は、特に限定されないが、例えば雰囲気全体に対する酸素の体積比が５．０％～４０．０％であることができる。酸素の体積比は、５．０％以上、１０．０％以上、１５．０％以上、又は２０．０％以上であってよく、４０．０％以下、３５．０％以下、３０．０％以下、又は２５．０％以下であってよい。

加熱の温度は、酸化ガリウム層のドナー密度を低下させることができる程度高い温度であれば特に限定されない。

加熱の温度は、例えば６００℃～９００℃であってよい。加熱の温度は、６００℃以上、６５０℃以上、６７５℃以上、又は７００℃以上であってよく、９００℃以下、８５０℃以下、８００℃以下、又は７５０℃以下であってよい。

なお、加熱は、ｎ型酸化ガリウム半導体層に第１又は第２のｐ型酸化ニッケル半導体層を形成する前であっても後であってもよいが、酸化ニッケルの分解の恐れがある高温の場合には酸化ニッケルの形成前に加熱することが好ましい。

《実施例１～６及び比較例１～３》
〈比較例１〉
ドナー密度Ｎｄが１．２×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ型酸化ガリウム半導体層上に、Ｐｔ電極層を形成して、ショットキーダイオードとした。なお、ｎ型酸化ガリウム半導体層はｎ⁺型酸化ガリウム半導体基板（厚さ６５０μｍ）に保持しているが、図では省略している。これを、比較例１の半導体装置とした。なお、ｎ型酸化ガリウム半導体層の厚さは、１０μｍであった。

〈比較例２〉
ショットキーダイオードの端部において、ガードリング（ＧＲ）として、実効アクセプタ密度Ｎａが１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3であるｐ型酸化ニッケル半導体層を形成したことを除いて比較例１と同様にして、比較例２の半導体装置を作製した。

具体的には、比較例２の半導体装置３は、図４に示すような構成を有していた。

図４に示すように、比較例２の半導体装置３は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の一方の面上に第１の電極層２０が積層されている。第１の電極層２０は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０とショットキー接合を形成している。また、比較例２の半導体装置３は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の他方の面上に第２の電極層３０が積層されている。第２の電極層３０は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０とオーミック接合を形成している。

図４において、比較例２の半導体装置３は、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０と第１の電極層２０との間に部分的に位置する様に配置されている、ガードリング６０を有している。ガードリング層は、ｐ型酸化ニッケル半導体層である。

〈比較例３〉
ショットキーダイオードの端部において、周辺耐圧構造として、実効アクセプタ密度Ｎａが１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3であるｐ型酸化ニッケル半導体層を複数形成して、フィールドリミッティングリング（ＦＬＲ）を形成したことを除いて比較例１と同様にして、比較例３の半導体装置を作製した。ここで、ｐ型酸化ニッケル半導体層の幅は、２．５μｍであった。また、互いに隣り合うｐ型酸化ニッケル半導体層同士の距離は、５．０μｍであった。

具体的には、比較例３の半導体装置４は、図５に示すような構成を有していた。

〈実施例１〉
ｎ型酸化ガリウム半導体層のうち、周辺領域のドナー密度Ｎｄを低下させたことを除いて比較例３と同様にして、実施例１の半導体装置を作製した。これにより、ｎ型酸化ガリウム半導体層のうち、電極層とｎ型酸化ガリウム半導体層とに挟まれているｐ型酸化ニッケル半導体層の周辺領域側の外周端部を囲む部分のドナー密度Ｎｄは、ｎ型酸化ガリウム半導体層のうち、当該ｐ型酸化ニッケル半導体層の他の部分を囲む部分のドナー密度Ｎｄよりも低くなっている。

なお、実施例１の半導体装置において、中央領域のドナー密度は、１．２×１０¹⁶ｃｍ^-3であり、周辺領域の実効的なドナー密度は、０．０ｃｍ^-3であった。

実施例１の半導体装置５は、図６に示すような構成を有していた。ここで、実施例１の半導体装置５において、ｎ型酸化ガリウム半導体層１０の厚さｔに対する、電極層とｎ型酸化ガリウム半導体層とに挟まれているｐ型酸化ニッケル半導体層のうち、中央領域にある部分の幅ｘの比率ｘ／ｔは、１．５０であった。

〈実施例２〉
周辺領域のドナー密度を１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3としたことを除いて実施例１と同様にして、実施例２の半導体装置を作製した。

〈実施例３〉
周辺領域のドナー密度を５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3としたことを除いて実施例１と同様にして、実施例３の半導体装置を作製した。

〈実施例４〉
ｘ／ｔを０．８としたことを除いて実施例１と同様にして、実施例４の半導体装置を作製した。

〈実施例５〉
ｘ／ｔを０．５３としたことを除いて実施例１と同様にして、実施例５の半導体装置を作製した。

〈実施例６〉
ｘ／ｔを０．５０としたことを除いて実施例１と同様にして、実施例５の半導体装置を作製した。

〈耐圧試験〉
各例の半導体装置について、それぞれ順方向に電圧を加えて、絶縁破壊が生じたときの電圧を測定した。

〈抵抗率測定試験〉
各例の半導体装置について、抵抗率を測定した。

〈結果〉
各例の半導体装置の構成、並びに耐圧試験及び抵抗率測定試験の結果を、表１に示す。

表１に示すように、周辺耐圧構造を有しなかった比較例１では、僅か７８Ｖで、電極層の端部において絶縁破壊が起こった。

また、周辺耐圧構造を有するが、中央領域と周辺領域でのドナー密度に差が無かった比較例２及び３では、比較例１よりも耐圧が高かった（それぞれ順に、６９４Ｖ及び８４４Ｖ）。

周辺耐圧構造を有し、かつ中央領域のドナー密度よりも周辺領域のドナー密度が低かった実施例１～６では、いずれも耐圧が１２００Ｖ以上、特に実施例１、２、及び４～６では１５００Ｖ以上であり、比較例１～３よりもはるかに耐圧性が高かった。

なお、ｘ／ｔが０．５より大きかった実施例１～５では、抵抗率が１６．０ｍΩｃｍ²であり、比較例１と同様の水準に維持されていた。他方、ｘ／ｔが０．５であった実施例６では、抵抗率が１６．１ｍΩｃｍ²であり、抵抗率の増加がみられた。

例として記載していないが、ｘ／ｔを更に低下させると、比較例１～３よりもはるかに高い耐圧が得られたが、抵抗率の更なる増加がみられた。

《実施例７及び８、並びに比較例４》
〈実施例７〉
以下のようにして、実施例７の半導体装置を作製した。

ドナー密度１．２×１０^１６ｃｍ^－３の酸化ガリウム層の中心にメタルマスクを形成し、周辺部のみにＭｇイオンを用いたイオン注入を行い、その後のアニール処理を行わなかった。その後、比較例３と同様にして周辺耐圧構造を形成した。

ここで、イオン注入は、１４０ｋｅＶ、ドーズ５×１０^１４ｃｍ^－２で行った。このイオン注入により表面から５００ｎｍの深さにイオン注入欠陥が形成された結果、図７に示すようにドナー密度が減少し半絶縁化した。図７に示すように、ドナー密度が減少した領域の深さは、酸化ガリウム層表面から０．５μｍであった。

なお、実施例７の半導体装置は、図６に示すのと同様の構成を有していた。

実施例７の半導体装置に対して耐圧試験を行ったところ、絶縁破壊電圧は向上し、９７０Ｖであった。

〈実施例８〉
以下のようにして、実施例８の半導体装置を作製した。

ドナー密度１．２×１０^１６ｃｍ^－３の酸化ガリウム層の中心にメタルマスクを形成し、７００℃で１０分、大気雰囲気下で熱処理を行った。その結果、図８に示すように酸化ガリウム基板の表面でドナー密度の減少が見られた。図８に示すように、ドナー密度が減少した領域の深さは、１．５μｍ～２．０μｍであった。

このようにして得た酸化ガリウム層に対して図６に示すような半導体装置を形成し耐圧試験を行ったところ、絶縁破壊電圧は向上し１０７０Ｖであった。

〈比較例４〉
以下のようにして、比較例４の半導体装置を作製した。

ドナー密度１．２×１０^１６ｃｍ^－３の酸化ガリウム層にアクセプタ密度１－２×１０^２０ｃｍ^－３のＮｉＯ層を１００ｎｍの厚さで形成して、ｐｎダイオードとした。

図５に示すのと同様に、比較例４の半導体装置２の周辺領域１３には幅２．５μｍのＮｉＯ層（第２のｐ型酸化ニッケル半導体層）を５．０μｍ間隔にて配置し、周辺耐圧構造を形成した。ＮｉＯ上にはＮｉを形成してオーミック電極とした。

この半導体装置２では、周辺領域１３に形成されている周辺耐圧構造部のドナー密度は下げていないので、耐圧試験の結果、８００Ｖで絶縁破壊をした。

１～５ 半導体装置
１０ ｎ型酸化ガリウム半導体層
１１ 中央領域
１３ 周辺領域
２０ 第１の電極層
３０ 第２の電極層
４０ 第１のｐ型酸化ニッケル半導体層
５０ 第２のｐ型酸化ニッケル半導体層
６０ ガードリング
Ｃ 中央領域側
Ｏ 周辺領域側

Claims (14)

1. 中央領域及び前記中央領域よりもドナー密度が低い周辺領域を有している、ｎ型酸化ガリウム半導体層、
   前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記中央領域において、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層とショットキー接合を形成している、電極層、並びに
   前記ｎ型酸化ガリウム半導体層と前記電極層との間に部分的に位置するようにして前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の上に積層されており、かつ積層方向から見たときに、前記周辺領域側の外周端部が前記周辺領域にある、第１のｐ型酸化ニッケル半導体層
   を有しており、
   積層方向から見たときに、前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層は、前記中央領域と前記周辺領域とを跨るようにして位置する、
   半導体装置。
2. 前記周辺領域におけるドナー密度は、５．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下である、請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記中央領域におけるドナー密度は、１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3以上である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記中央領域の厚さをｔとし、かつ前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層のうち、前記中央領域にある部分の幅をｘとしたときに、ｘ／ｔ＞０．５０である、請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体装置。
5. 前記ドナーは、Ｓｎ又はＳｉである、請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体装置。
6. 前記周辺領域は、アクセプタがドープされていることによって、前記中央領域よりもドナー密度が低い、請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体装置。
7. 前記アクセプタは、Ｎ、又はＭｇである、請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側の前記周辺領域に、互いに前記中央領域から前記周辺領域に向かう方向に間隔を有するようにして、複数の第２のｐ型酸化ニッケル半導体層を有している、請求項１～７のいずれか一項に記載の半導体装置。
9. 前記ｎ型酸化ガリウム半導体層は、前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第２のｐ型酸化ニッケル半導体層が積層されている側に複数のトレンチ構造を有しており、
   前記第１のｐ型酸化ニッケル半導体層及び複数の前記第２のｐ型酸化ニッケル半導体層は、それぞれ前記トレンチ構造の凹部内に積層されている、
   請求項８に記載の半導体装置。
10. ｐｎダイオード、ＪＢＳダイオード、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、又は接合型電界効果トランジスタである、請求項１～９のいずれか一項に記載の半導体装置。
11. イオン照射又は酸素雰囲気下での加熱で前記ドナー密度を低下させることによって、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層の前記周辺領域を形成することを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記イオン照射において、アクセプタ元素、水素、又はヘリウムのイオンを照射する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記イオン照射の後に、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行う、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記イオン照射の後に、前記ｎ型酸化ガリウム半導体層のアニール処理を行わない、請求項１１又は１２に記載の方法。

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