(57)【要約】【課題】  半導体装置の閾値電圧を高く確保する。【解決手段】  窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムの第１半導体領域と窒化インジウムアルミニウムの第２半導体領域のヘテロ接合を有するチャネル領域と、そのチャネル領域の一方側からヘテロ接合に対向しているゲート電極と、そのチャネル領域の他方側からヘテロ接合に対向しているｐ型の不純物を含んでいる窒化ガリウムの第３半導体領域を備えている。第２半導体領域内に発生しているピエゾ分極の方向が、ヘテロ接合から離れる方向に調整されている。【選択図】  図１
2008263142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムの第１半導体領域と窒化インジウムアルミニウムの第２半導体領域のヘテロ接合を有するチャネル領域と、
そのチャネル領域の一方側から前記ヘテロ接合に対向しているゲート電極と、
そのチャネル領域の他方側から前記ヘテロ接合に対向しているｐ型の不純物を含んでいる窒化ガリウムの第３半導体領域を備えており、
第２半導体領域内に発生しているピエゾ分極の方向が、前記ヘテロ接合から離れる方向である半導体装置。
【請求項２】
第２半導体領域内に発生しているピエゾ分極の大きさが、第２半導体領域内に発生している自発分極の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
第１半導体領域は、ｎ型不純物を含んでいるか又はｉ型の窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１又は２の半導体装置。
【請求項４】
第１半導体領域と第３半導体領域の間に、ｐ型の不純物の拡散を抑制する拡散抑制膜が設けられていることを特徴とする請求項３の半導体装置。
【請求項５】
第１半導体層の厚みが、０．１５μｍ以上であることを特徴とする請求項４の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体を利用した半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体を利用した半導体装置の開発が活発に行われている。III族窒化物半導体を利用した半導体装置は、ノーマリーオフで動作するタイプとノーマリーオンで動作するタイプに大別することができる。
【０００３】
特許文献１にノーマリーオフで動作する半導体装置の一例が開示されている。特許文献１の半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体領域と窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）の半導体領域のヘテロ接合を有するチャネル領域と、そのチャネル領域の一方側からヘテロ接合に対向しているゲート電極と、そのチャネル領域の他方側からヘテロ接合に対向しているｐ型の不純物を含んでいる窒化ガリウムのｐ型半導体領域を備えている。
特許文献１の半導体装置は、ｐ型半導体領域が設けられていることを特徴としている。ｐ型半導体領域は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに、チャネル領域のヘテロ接合の伝導帯のエネルギー準位がフェルミ準位よりも高くなるように作用する。このため、ゲート電極に電圧が印加されていなければ、チャネル領域のヘテロ接合に２次元電子ガス層が形成されず、電子はチャネル領域を流れることができない。上記半導体装置は、ノーマリーオフで動作する。
【０００４】
特許文献２にノーマリーオンで動作する半導体装置の一例が開示されている。特許文献２の半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体領域と窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）の半導体領域のヘテロ接合を有するチャネル領域と、そのチャネル領域の一方側からヘテロ接合に対向しているゲート電極を備えている。
特許文献２の半導体装置は、ゲート電極に電圧が印加されていないときに、チャネル領域のヘテロ接合の伝導帯のエネルギー準位がフェルミ準位よりも低くなっており、ノーマリーオンで動作する。さらに、特許文献２の半導体装置は、チャネル領域を構成する半導体領域の材料に窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）が用いられていることを特徴としている。特許文献２の半導体装置では、窒化インジウムアルミニウム（ＩｎＡｌＮ）中のインジウムの割合を規定することによって、チャネル領域のヘテロ接合の伝導帯のエネルギー準位をさらに低く調整し、２次元電子ガス層の電子密度を大きくしている。この結果、特許文献２の半導体装置は、チャネル抵抗を小さくすることに成功している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２６０１４０号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
安全で使い易いという観点から、ノーマリーオフで動作する半導体装置が望まれている。上記したノーマリーオフ型の半導体装置は、ｐ型半導体領域の作用によってノーマリーオフを実現している。ｐ型半導体領域を利用する技術は優れたものであるが、ｐ型半導体領域単独の作用だけでは、ゲートの閾値電圧を所望の値にまで高くできない場面が存在し得る。さらに良好なノーマリーオフ動作を実現するために、ゲートの閾値電圧をさらに高くする技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される技術は、ノーマリーオフで動作する半導体装置のチャネル領域を、窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムの半導体領域と窒化インジウムアルミニウムの半導体領域で構成することを特徴としている。
窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムと窒化インジウムアルミニウムで構成されているヘテロ接合では、窒化インジウムアルミニウム中のインジウムの割合を調整することによって、窒化インジウムアルミニウムの半導体領域内に発生するピエゾ分極の方向及び大きさを調整することができる。本明細書で開示される技術では、このピエゾ分極の方向をヘテロ接合から離れる方向に調整することによって、ヘテロ接合の伝導帯のエネルギー準位を高くし、ゲートの閾値電圧を高く調整する。本明細書で開示される半導体装置では、ｐ型半導体領域の作用とピエゾ分極の作用の両者によって、ゲートの閾値電圧を従来技術よりも高く調整することができる。本明細書で開示される技術によると、実用性に優れた半導体装置が得られる。
前記したように、ノーマリーオン型の半導体装置では、チャネル抵抗を小さくするために、窒化インジウムアルミニウムを採用することが知られている。すなわち、従来の技術思想では、窒化インジウムアルミニウムは、ノーマリーオン特性を改善するために有効な材料であると認識されている。
本明細書で開示される技術は、この認識とは逆に、窒化インジウムアルミニウムをノーマリーオフ型の半導体装置に採用することを特徴とする。ノーマリーオフ型の半導体装置において窒化インジウムアルミニウムが担っている作用効果は、ノーマリーオン型の半導体装置において窒化インジウムアルミニウムが担っている作用効果と全く異なっている。本発明者らは、窒化インジウムアルミニウムがノーマリーオフ型の半導体装置においても有効であることを見出し、本発明に係る技術を創作することに成功した。
【０００８】
すなわち、本明細書で開示される半導体装置は、窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムの第１半導体領域と窒化インジウムアルミニウムの第２半導体領域のヘテロ接合を有するチャネル領域と、そのチャネル領域の一方側から前記ヘテロ接合に対向しているゲート電極と、そのチャネル領域の他方側から前記ヘテロ接合に対向しているｐ型の不純物を含んでいる窒化ガリウムの第３半導体領域を備えている。第２半導体領域内に発生しているピエゾ分極の方向が、ヘテロ接合から離れる方向であることを特徴としている。
【０００９】
本明細書で開示される半導体装置では、第２半導体領域内に発生しているピエゾ分極の大きさが、第２半導体領域内に発生している自発分極の大きさよりも大きいことが好ましい。
上記の半導体装置では、ピエゾ分極と自発分極の合計の方向が、ヘテロ接合面から離れる方向になる。第１半導体領域と第２半導体領域の接合（ヘテロ接合）面の伝導帯のエネルギー準位が、フェルミ準位よりも高くなる。ノーマリーオフの半導体装置を確実に実現することができる。
【００１０】
本明細書で開示される半導体装置では、第１半導体領域が、ｎ型不純物を含んでいるか又はｉ型の窒化ガリウムであることが好ましい。
上記の半導体装置では、２次元電子ガス層のチャネル抵抗を低減することができる。
【００１１】
本明細書で開示される半導体装置では、第１半導体領域と第３半導体領域の間に、ｐ型の不純物の拡散を抑制する拡散抑制膜が設けられていることが好ましい。
拡散抑制膜が設けられていると、第３半導体領域に含まれているｐ型の不純物が第１半導体領域内に拡散する現象が抑制される。このため、第１半導体領域は、ｎ型又はｉ型の状態が良好に維持され、ゲートの閾値電圧やチャネル抵抗を改善することができる。
【００１２】
本明細書で開示される半導体装置では、第１半導体領域の厚みが、０．１５μｍ以上であることが好ましい。
本発明者らの検討によって、拡散抑制膜が設けられているとともに第１半導体領域の厚みが上記範囲に調整されていると、第３半導体領域のｐ型の不純物が第１半導体領域と第２半導体領域のヘテロ接合にまで達しないことが確認されている。このため、第１半導体領域のうちの２次元電子ガス層が発生する範囲は、ｎ型又はｉ型の状態に維持され、ゲートの閾値電圧やチャネル抵抗を顕著に改善することができる。
なお、第１半導体領域の膜厚が厚くなると、第３半導体領域（ｐ型半導体領域）がヘテロ接合に及ぼす作用が低下し、ゲートの閾値電圧も低下する。本明細書で開示される技術では、チャネル領域の第２半導体領域の材料に窒化インジウムアルミニウムを採用することによって、第２半導体領域と第３半導体領域の両者の作用によってゲート閾値電圧を高い値に維持することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体装置によると、半導体装置をオンするときの閾値電圧を大きくすることができる。ゲート電極にノイズ等が印加されても誤動作を起こしにくい半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）  ソース電極が、第２半導体領域及び第３の半導体領域の双方に電気的に接続している。
（特徴２）  縦型の半導体装置であり、第３半導体領域がｎ型不純物を含んでいる第４半導体領域の表面に分散して形成されており、第２半導体領域と第４半導体領域が隣り合う第３半導体領域の間で接している。ドレイン電極が、第４半導体領域に電気的に接続している。
（特徴３）  窒化ガリウムの第１半導体領域と、窒化インジウムアルミニウムの第２半導体領域がヘテロ接合しており、第２半導体領域中のインジウムの割合が、２２ｍｏｌ％以上に調整されている。
（特徴４）  第１半導体領域と第３半導体領域の間に形成されている拡散抑制膜の厚みが、１０〜２０ｎｍに調整されている。
【実施例】
【００１５】
（第１実施例）
図１に、縦型のIII族窒化物半導体装置１００の縦断面図を模式的に示す。図１の断面図は半導体装置１００の単位構造を示し、この単位構造が紙面左右方向に繰り返し形成されている。なお、各部の構成は、実際のサイズの縮尺を正確に表すものではない。図面の明瞭化のために、図面の縮尺を適宜変更している。
半導体装置１００は、ドレイン電極２と、ドレイン電極２上に設けられている窒化ガリウムを主材料とするｎ＋型のドレイン領域４と、ドレイン領域４上に設けられている窒化ガリウムを主材料とするｎ−型のドリフト領域（第４半導体領域）６を備えている。ドレイン電極２は、ドレイン領域４に電気的に接続している。
半導体装置１００はさらに、ドリフト領域６の表面に分散して設けられている窒化ガリウムを主材料とするｐ＋型のボディ領域（第３半導体領域）８を備えている。複数個のボディ領域８がドリフト領域６の表面に形成されており、隣接するボディ領域８の間は、ドリフト領域６によって隔てられている。半導体装置１００を平面視したときに、各々のボディ領域８は紙面奥行き方向に長く伸びてストライプ状に配置されている。なお、本実施例の半導体装置１００では、ボディ領域８の不純物濃度がおよそ１×１０１９ｃｍ−３に調整されている。
【００１６】
半導体装置１００はさらに、窒化ガリウムを主材料とするｎ−型の第１半導体領域１６と窒化インジウムアルミニウムを主材料とするｎ−型の第２半導体領域１８で構成されているチャネル領域１７を備えている。チャネル領域１７は、一方のボディ領域８の表面から、ドリフト領域６の表面を横断して他方のボディ領域８まで伸びている。第１半導体領域１６の不純物にはシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３に調整されている。第１半導体領域の厚みは０．１５μｍ以上である。第２半導体領域１８の不純物にはシリコンが用いられており、その不純物濃度はおよそ１×１０１６ｃｍ−３に調整されている。第２半導体領域１８中のインジウムの割合は２２ｍｏｌ％よりも大きく調整されている。
半導体装置１００はさらに、ｎ型の不純物を高濃度に含んでいるソース領域１２と、そのソース領域１２に電気的に接続されているソース電極１０を備えている。後述の製造方法で説明するように、ソース領域１２は窒化ガリウムと窒化インジウムアルミニウムで構成されている。ソース領域１２は、チャネル領域１７の端部に接しており、ソース領域１２とドリフト領域６は、チャネル領域１７によって隔てられている。ソース電極１０は、ボディ領域８にも電気的に接続している。
【００１７】
半導体装置１００はさらに、多結晶シリコンのゲート電極２０を備えている。ゲート電極２０は、ゲート絶縁膜２２を介してチャネル領域１７に対向している。ゲート絶縁膜２２の材料には、酸化シリコン（ＳｉＯ２）が用いられている。ソース電極１０とゲート電極２０は、電気的に分離されている。
【００１８】
半導体装置１００では、ボディ領域８とチャネル領域１７とゲート電極２０が縦方向に積層しており、この部分でゲート部を構成している。本実施例では、ゲート絶縁膜２２とゲート電極２０は、チャネル領域１７のほぼ全範囲に対向して形成されている。しかしながら、ゲート絶縁膜２２とゲート電極２０は、ボディ領域８に対向する位置にさえ形成されていればよい。すなわち、ボディ領域８、第１半導体領域１６及び第２半導体領域１８が積層されている部分にだけ、ゲート絶縁膜２２とゲート電極２０が形成されていてもよい。
本実施例では、第１半導体領域１６及び第２半導体領域１８はｎ型の不純物を含んでいる。第１半導体領域１６及び／又は第２半導体領域１８は、ｉ型半導体でもよい。
また、図４に示している半導体装置４００のように、ボディ領域８と、第１半導体領域１６とソース領域１２の間に、ｐ型の不純物の拡散を抑制する拡散抑制膜（典型的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）膜）１４が設けられていてもよい。拡散抑制膜１４の効果については後述する。
【００１９】
半導体装置１００の動作を説明する。
まず、第２半導体層１８を窒化インジウムアルミニウムとする効果について説明する。
図１６に、窒化ガリウムと窒化インジウムアルミニウムの、格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示している。グラフの横軸は格子定数（単位：Å）を示しており、縦軸はバンドギャップエネルギー（単位：ｅＶ）を示している。
カーブ４４は、一般式がＩｎｘＡｌ１−ｘＮで表される窒化インジウムアルミニウムにおいて、ｘの値を０≦ｘ≦１まで変化させたときの曲線を示している。点４０はｘ＝０を示しており、点４６はｘ＝１を示している。点３８は窒化ガリウムを示している。破線４２は、窒化ガリウムの格子定数と窒化インジウムアルミニウムの格子定数が一致するときの格子定数を示しており、このときの窒化インジウムアルミニウム中のインジウムの割合は１７ｍｏｌ％である。
窒化ガリウムを主材料とする第１半導体領域１６と窒化インジウムアルミニウムを主材料とする第２半導体領域１８でチャネル領域１７を構成すると、第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％であればピエゾ分極は発生しない。第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも小さくなると、ピエゾ分極の方向はヘテロ接合に向かう方向である。第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも大きくなると、ピエゾ分極の方向はヘテロ接合から離れる方向である。
【００２０】
図１７（ａ）、（ｂ）に、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の間のエネルギーバンド図を示している。図１７（ａ）は、第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも小さいときのエネルギーバンド図を示しており、図１７（ｂ）は、第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも大きいときのエネルギーバンド図を示している。図中の一点鎖線４８はフェルミ準位を示しており、矢印５２は自発分極の方向を示しており、矢印５４はピエゾ分極の方向を示している。
図１７（ａ）に示しているように、第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも小さいときは、自発分極５２の方向とピエゾ分極５４の方向が同じ（ヘテロ接合に向かう方向）になる。第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の接合面の伝導帯のエネルギー準位が、フェルミ準位４８よりも低くなる。
図１７（ｂ）に示しているように、第２半導体領域１８中のインジウムの割合が１７ｍｏｌ％よりも大きいときは、自発分極５２の方向とピエゾ分極５４の方向が反対方向である（自発分極５２はヘテロ接合に向かう方向に発生し、ピエゾ分極５４はヘテロ接合から離れる方向に発生する）。第２半導体領域１８中のインジウムの割合が２２ｍｏｌ％よりも大きくなると、ピエゾ分極５４の大きさが自発分極５２の大きさよりも大きくなる。ピエゾ分極５４と自発分極５２の合計の方向が、ヘテロ接合面から離れる方向になる。すなわち、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面（ヘテロ接合面）の伝導帯のエネルギー準位が、フェルミ準位４８よりも高くなる。
図１７（ｂ）に示しているように、半導体装置１００では、ｐ型のボディ領域８の作用がなくても第１半導体領域１６と第２半導体層１８の界面の伝導帯のエネルギー準位が、フェルミ準位４８よりも上側に存在する。
【００２１】
図１８に、半導体装置１００における第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の間のエネルギーバンド図を示している。半導体装置１００では、ゲート電極２０に電圧を印加していない状態では、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位は、フェルミ準位４８の上側に存在する。ボディ領域８（図１を参照）の作用がなくても、半導体装置１００はオフしている。なお、第２半導体領域１８中のインジウムの割合をより大きくすると、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位は、より上側にシフトする。
【００２２】
半導体装置１００では、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面に、ｐ型の第３半導体領域１６が対向している。そのため、図１９（ａ）に示しているように、ゲート電極２０に電圧を印加していない状態では、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位が、図１８の状態と比較して、フェルミ準位のより上方に移動する。すなわち、ボディ領域８の作用とピエゾ分極の作用の両者によって、半導体装置１００の閾値電圧をより大きくすることができる。なお、ゲート電極２０に電圧を印加していない状態では、第３半導体領域８から第１半導体領域１６と第２半導体領域１８のヘテロ接合に向けて空乏層が伸びて形成される。
【００２３】
ゲート電極２０に正の電圧が印加されると、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８のヘテロ接合に向けて伸びていた空乏層が縮小する。図２０（ａ）に示しているように、第１半導体層１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位が、フェルミ準位４８よりも下側に存在し、量子井戸部５０に２次元電子ガス層が形成される。その２次元電子ガス層を電子が走行することができる。すなわち、半導体装置１００はノーマリーオフの動作を行う。
ソース領域１４から２次元電子ガス層を横方向に走行してきた電子は、ドリフト領域６，ドレイン領域４を経由してドレイン電極２４に流れる。ソース電極１０とドレイン電極２の間が導通する。
【００２４】
従来の半導体装置では、窒化ガリウムの第１半導体領域１６と、窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）第２半導体領域１８によってヘテロ接合を形成している。窒化ガリウムアルミニウムは、図１７（ａ）の矢印５４の方向にピエゾ分極する。その分極の方向は、窒化ガリウムアルミニウムの自発分極の方向（矢印５２）と同じ向きである。すなわち、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位は、フェミル準位の下側に存在する。量子井戸５０に２次元電子ガス層が形成される。なお、窒化ガリウムアルミニウム中のガリウム又はアルミニウムの割合を変化させても、ピエゾ分極の方向は変化しない。
従来の半導体装置では、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８に対向する位置にｐ型の半導体領域を形成することによって、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位をフェルミ準位の上側に存在させている。すなわち、ｐ型の半導体領域の作用によってのみノーマリーオフの半導体装置を実現している。
半導体装置１００では、ボディ領域８の空乏層の作用とピエゾ分極の作用の両者によって、ゲートの閾値電圧を従来技術よりも高く調整することができる。
【００２５】
図４に、変形例の半導体装置４００の縦断面図を模式的に示す。半導体装置４００は、ボディ領域８とチャネル領域１７の間に設けられている拡散抑制膜１４を備えていることを特徴としている。第１半導体領域１６の厚みは、０．１５μｍ以上に調整されている。ここで、拡散抑制膜１４の効果と、第１半導体領域１６の厚みを０．１５μｍ以上に調整する効果について説明する。
図２２に、半導体装置４００内の深さ方向（図４の紙面上下方向）の位置とマグネシウム（ｐ型の不純物）の濃度の関係について表すグラフを示している。図中の記号１６は、第１半導体層１６の厚みを示しており、記号１４は、拡散抑制膜（ＡｌＮ膜）１４の厚みを示しており、記号８は、ボディ領域８の厚みを示している。グラフの縦軸はマグネシウムの濃度（単位：ｃｍ−３）を示している。カーブ５８は、半導体装置４００内の深さ方向の位置とマグネシウムの濃度の関係を示しており、カーブ５６は、拡散抑制膜１４が形成されていない半導体装置１００内の深さ方向の位置とマグネシウムの濃度の関係を示している。
【００２６】
カーブ５６から明らかなように、拡散抑制膜１４を形成しない場合は、第１半導体領域１６内のマグネシウムの濃度は高い値を示しており、ボディ領域８に含まれていたマグネシウムが第１半導体領域１６内に拡散したことが分かる。それに対して、半導体装置４００では、拡散抑制膜１４が形成されているので、第１半導体領域１６内のマグネシウムの濃度は、第１半導体領域１６と拡散抑制膜１４の界面から離れるに従って急激に薄くなっている。すなわち、拡散抑制膜１４を形成することによって、ボディ領域８内のマグネシウムが、第１半導体領域１６に拡散することを顕著に抑制することができる。
カーブ５８から明らかなように、拡散抑制膜１４から０．１５μｍ以上離れた位置では、第１半導体層１６内のマグネシウムの濃度は、ボディ領域８中のマグネシウムの濃度の１０００分の１以下であり、半導体装置１００の動作にほとんど影響を及ぼさないレベルである。
なお、半導体装置４００では、拡散抑制膜１４の厚みはおよそ１０ｎｍに調整されている。拡散抑制膜１４の厚みを１０ｎｍよりも厚くしても、ボディ領域８から第１半導体層１６へのマグネシウムの拡散がさらに抑制されることはない。反対に、マグネシウムの拡散を抑制する効果が低くなることがある。拡散抑制膜１４の厚みを１０ｎｍよりも厚くすると、ＡｌＮ粒子が凝集し、マグネシウムが通過するための経路が形成されてしまう。ここでは詳細な結果は示さないが、拡散抑制膜１４の厚みを薄くしていくと、およそ１０ｎｍまではマグネシウムの抑制性能が向上していくが、１０ｎｍよりもさらに薄くしても抑制効果の向上はあまりみられない。拡散抑制膜１４の厚みは、１０〜２０ｎｍに調整されていることが好ましい。拡散抑制膜１４の厚みが上記範囲に調整されていると、マグネシウムの拡散抑制効果が高く得られる。
【００２７】
半導体装置４００では、III族窒化物半導体層１６の厚みがおよそ０．１５μｍに調整されている。しかしながら、III族窒化物半導体層１６の厚みが０．１５μｍよりも厚くてもよい。第１半導体領域１６に拡散するマグネシウム濃度を、より薄くすることができる。あるいは半導体装置１００のように、拡散抑制膜１４を省略することもできる。
なお、従来のノーマリーオフの半導体装置では、第１半導体領域１６の厚みを０．１５μｍ以上に調整することは望ましくない。従来のノーマリーオフの半導体装置で第１半導体領域１６の厚みを０．１５μｍ以上に調整すると、半導体装置がオフしているときに、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８のヘテロ接合を空乏化する効果が低減され、ゲートの閾値電圧が低下してしまう。即ち、従来の半導体装置では、ゲートの閾値電圧を高くしようとすると、第１半導体領域１６の厚みを薄くしなければならず、その場合、第１半導体領域１６にマグネシウムが多量に拡散するので、チャネル抵抗が増加するという問題があった。
半導体装置１００，４００は、ボディ領域８から第１半導体領域１６に向けて伸びる空乏層の影響が低下されても、ピエゾ分極の作用によってヘテロ接合の伝導帯のエネルギー準位を持ち上げることができ、ゲートの閾値電圧を高くすることができる。そのため、第１半導体領域１６の厚みを厚く（０．１５μｍ以上）することができ、第１半導体領域１６へのマグネシウムの拡散を抑えることができる。半導体装置１００，４００は、高いゲートの閾値電圧と低いチャネル抵抗を両立することができる。
この現象を図１９から図２１を参照して説明する。図１９（ａ）は、第１半導体領域１６の厚みが０．３μｍのときのエネルギーバンド図を示しており、図１９（ｂ）は、第１半導体領域１６の厚みが０．１μｍのときのエネルギーバンド図を示している。なお、第１半導体領域１６以外の構成は全て同じである。図２０（ａ）は、図１９（ａ）の半導体装置がオンしているときのエネルギーバンド図を示しており、図２０（ｂ）は、図１９(ｂ)の半導体装置がオンしているときのエネルギーバンド図を示している。
【００２８】
図２０（ａ），２０（ｂ）から明らかなように、第１半導体領域１６の厚みが薄い（０．１μｍ）方が、第１半導体領域１６の厚みが厚い（０．３μｍ）よりも半導体装置をオンさせるための閾値電圧が高い（Ｖ２＞Ｖ１）。
図２１は、この現象をグラフ化したものであり、グラフの横軸は、ゲート電極に印加する電圧（単位：Ｖ）を示しており、グラフの縦軸は、ソース−ドレイン間に流れる電流（単位：Ａ）を示している。グラフ横軸は、紙面右側に変化するほどゲート電極の値が大きいことを示しており、紙面中心付近が０Ｖである。カーブ５２は、第１半導体領域１６の厚みが０．３μｍのときの結果を示しており、カーブ５４は、第１半導体領域１６の厚みが０．１μｍのときの結果を示している。
カーブ５２，５４から明らかなように、第１半導体領域１６の厚みが薄い方が、第１半導体領域１６の厚みが厚いよりも半導体装置をオンさせるための閾値電圧が高い。すなわち、従来の半導体装置では、半導体装置の閾値電圧を大きく確保するためには、第１半導体領域１６の厚みを薄くしなくてはいけないため、ボディ領域８から第１半導体領域１６に不純物が拡散することを避けられない。換言すると、ボディ領域８から第１半導体領域１６に不純物が拡散しないように第１半導体領域１６の厚みを厚くすると、半導体装置の閾値電圧を高く確保することができない。
【００２９】
本実施例では、第１半導体領域１６が窒化ガリウムであり、第２半導体領域１８が窒化インジウムアルミニウムの例について説明した。しかしながら、第１半導体領域１６は窒化インジウムガリウムでもよい。この場合でも、第２半導体領域１８の窒化インジウムアルミニウム中のインジウムの割合を２２ｍｏｌ％よりも大きくすると、第１半導体領域１６と第２半導体領域１８の界面の伝導帯のエネルギー準位を、フェルミ準位４８よりも上側に存在させることができる。このことは、後述する半導体装置２００の第１半導体領域２１６と第２半導体領域２１８にも適用可能な事象である。
【００３０】
（半導体装置４００の製造方法）
半導体装置４００の製造方法について図５から図１３を参照して説明する。
まず図５に示しているように、窒化ガリウムを主材料とするｎ＋型の半導体基板４を用意する。次に、図６に示しているように、窒化ガリウムを主材料とするｎ型の半導体領域６をエピタキシャル成長させる。第１半導体領域６の厚みはおよそ１０μｍである。
次に、図７に示しているように、第１半導体領域６の表面にマスク層２６を形成し、マスク層２６の一部をエッチングして開口を形成する。その後、マスク層２６の開口から第１半導体領域６をエッチングし、トレンチ２４を形成する。トレンチ２４の深さはおよそ１μｍに調整されており、幅（紙面左右方向）はおよそ２μｍに調整されている。この段階で、図４に示している半導体装置４００のドリフト領域６が完成する。
次に、図８に示しているように、マスク層２６を付けた状態で、トレンチ２４内に窒化ガリウムを主材料とするｐ＋型の半導体領域８をエピタキシャル成長させる。その後、半導体領域８の表面に開口２８を有する拡散抑制膜１４を形成する。拡散抑制膜１４の厚みはおよそ１０ｎｍに調整されている。
マスク層２６としてＳｉＯ２を使用すると、半導体領域８を、マスク層２６上には成長させないでトレンチ２４内にのみ選択的に成長させることとができる。トレンチ２４内に半導体領域８を選択的に成長させた後、マスク層２６をエッチングして除去する。この段階で、図４に示しているボディ領域８が完成する。なお、トレンチ２４内にｐ型の半導体領域８を成長させるときに、マスク層２６を除去した後に、ｐ型の半導体領域をトレンチ２４内だけでなく半導体領域６のエッチングされていない部分にも成長させ、半導体領域６のエッチングされていない部分が露出するまでｐ型の半導体領域をエッチングしてもよい。半導体領域８の厚みを、より精度良く形成することができる。
【００３１】
次に、図９に示しているように、半導体領域６の露出している表面からｎ型の窒化ガリウムを主材料とする半導体層１６をエピタキシャル成長させる。半導体層１６の厚みはおよそ０．１５μｍである。
次に、図１０に示しているように、半導体層１６の表面に、窒化インジウムアルミニウムを主材料とするｎ型の半導体層１８をエピタキシャル成長させる。半導体層１８の厚みはおよそ０．０２μｍである。その後、半導体層１８の表面にマスク層３０を形成し、マスク層３０の一部をエッチングして開口を形成する。次いで、露出した半導体層１８の表面から半導体層１８，１６にシリコンをイオン注入する。図中の矢印は、シリコンがイオン注入される範囲を示している。その後、マスク層３０を除去し、半導体層１８の表面に再度マスク層（図示省略）を形成し、不活性雰囲気中でアニールする。アニールすることによって、イオン注入した不純物（シリコン）を活性化させる。この段階で、図４に示している第１半導体領域１６と第２半導体領域１８が完成する。
【００３２】
次に、図１１に示しているように、第２半導体領域１８の表面と半導体領域１２の一部の表面にマスク層３２を形成し、マスク層３２の一部をエッチングして開口を形成する。なお、半導体領域１２は、図１０の工程でシリコンがイオン注入された部分である。
次に、図１２に示しているように、マスク層３２の開口部分から半導体領域１２と拡散抑制膜１４をエッチングし、第３半導体領域８の一部を露出させる。この段階で、図４に示しているソース領域１２と拡散抑制膜１４が完成する。
次に、図１３に示しているように、マスク層３２の一部を除去し、ソース領域１２の一部を露出させる。マスク層３２の残部によってゲート絶縁膜２２が形成される。その後、ゲート絶縁膜２２の表面にゲート電極２０を形成し、第３半導体領域８とソース領域１２の双方に接続するソース電極１０を形成し、半導体領域４の裏面にドレイン電極２を形成することによって、図４に示している半導体装置４００が得られる。
【００３３】
なお、他の製造方法も提供することができる。図７，８の工程に代えて、図１４に示しているように、半導体層６の表面にｐ型の窒化ガリウムを主材料とする半導体層８を形成し、半導体層８の表面に拡散抑制膜１４を形成することもできる。
その後、図１５に示しているように、拡散抑制膜１４の所定部分に開口を形成した後、その開口部分から半導体層８をエッチングし、半導体層６の表面にまで至るトレンチ３６を形成する。その後、トレンチ３６の底面（半導体層６の表面）からｎ型の窒化ガリウムの半導体領域をエピタキシャル成長させることによって、図９に示している状態を得ることもできる。
【００３４】
（第２実施例）
図２を参照して半導体装置２００について説明する。半導体装置２００は、半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００と同じ構成については、同じ参照番号又は下二桁に同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。
半導体装置２００は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）で構成されている基板２０７上に設けられているｎ−型の半導体領域（第４半導体領域）２０６を備えている。
半導体装置２００はさらに、半導体領域２０６の表面の一部に、ｐ＋型のボディ領域（第３半導体領域）２０８を備えている。ボディ領域２０８の不純物にはマグネシウムが用いられている。
半導体装置２００はさらに、窒化ガリウムを主材料とするｎ−型の第１半導体領域２１６と窒化インジウムガリウムを主材料とするｎ−型の第２半導体領域２１８を備えている。第１半導体領域２１６は、ボディ領域２０８の一部の表面と第４半導体領域２０６の一部の表面に接している。
【００３５】
半導体装置２００はさらに、ｎ型の不純物を高濃度に含んでいるソース領域２１２と、そのソース領域２１２に電気的に接続されているソース電極２１０を備えている。ソース領域２１２は、ボディ領域２０８に対向する位置でチャネル領域２１７の端部に接触している。ｎ型の不純物を高濃度に含んでいるドレイン領域２０４と、そのドレイン領域２０４に電気的に接続されているドレイン電極２０２を備えている。ドレイン領域２０４は、ボディ領域２０８に対向しない位置でチャネル領域２１７の端部に接触している。ゲート絶縁膜２２を介してチャネル領域１７に対向しているゲート電極２０を備えている。ソース電極２１０、ドレイン電極２０２及びゲート電極２０は、各々電気的に分離されている。
【００３６】
ゲート電極２０に正の電圧を印加していない状態では、ボディ領域２０８から第１半導体領域２１６に向けて空乏層が伸びており、半導体装置２００はオフしている。ここでも、ボディ領域２０８から第１半導体領域２１６に向けて伸びる空乏層の影響がなくても、第１半導体領域２１６と第２半導体領域２１８の界面に２次元電子ガス層が形成されない。すなわち、ゲート電極２０に正の電圧を印加していない状態では、ボディ領域２０８に対向しない位置に形成されている第１半導体領域２１６と第２半導体領域２１８の界面にも、２次元電子ガス層が形成されない。より確実に半導体装置２００をオフすることができる。
ゲート電極２０２に正の電圧が印加されると、ボディ領域２０８から第１半導体領域２１６に向けて伸びていた空乏層が縮小する。第１半導体領域２１６と第２半導体領域２１８の界面に２次元電子ガス層が形成される。半導体装置２００がオンする。
本実施例の半導体装置２００でも、ボディ領域２０８から伸びる空乏層の影響がなくても、ゲート電極２２０に電圧を印加していないときには、第１半導体領域２１６と第２半導体領域２１８の界面に２次元電子ガス層が形成されない。半導体装置２００の閾値電圧を大きくすることができる。
【００３７】
（第３実施例）
図３を参照して半導体装置３００について説明する。半導体装置３００は、半導体装置１００の変形例であり、半導体装置１００を同じ構成については、同じ参照番号又は下二桁に同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。
半導体領域６の一部の表面とボディ領域８の一部に接する、窒化インジウムガリウムのｎ型の半導体領域（第２半導体領域）３１８を備えている。
ゲート電極２０に正の電圧を印加していない状態では、ボディ領域８から第２半導体領域３１８に向けて空乏層が伸びており、半導体装置３００はオフしている。ここでも、ボディ領域８から第２半導体領域３１８に向けて伸びる空乏層の影響がなくても、半導体装置３００はオフしている。
ゲート電極２０に正の電圧を印加されると、ボディ領域８と、第２半導体領域３１８の界面に２次元電子ガス層が形成される。半導体装置３００がオンする。
【００３８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
実施例２，３では、第３半導体領域の表面に拡散抑制膜が設けられていない。しかしながら、実施例１と同じように、第３半導体領域の表面に拡散抑制膜を設けてもよい。ｐ型の不純物がチャネル領域に拡散することを抑制できる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図２】第２実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図３】第３実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図４】第１実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図５】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図６】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図７】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図８】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図９】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図１０】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図１１】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図１２】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図１３】第１実施例の半導体装置の製造過程を示す。
【図１４】第１実施例の半導体装置の他の製造過程を示す。
【図１５】第１実施例の半導体装置の他の製造過程を示す。
【図１６】格子定数とバンドギャップエネルギーの関係を示す。
【図１７】窒化アルミニウムガリウム又は窒化インジウムガリウムと、窒化ガリウムのエネルギーバンド図を示す。
【図１８】ゲート電極に電圧を印加していないときの、窒化インジウムガリウムと、窒化ガリウムのエネルギーバンド図を示す。
【図１９】第１実施例の半導体装置のゲート電極に電圧を印加していないときの、窒化インジウムガリウムと、窒化ガリウムのエネルギーバンド図を示す。
【図２０】第１実施例の半導体装置のゲート電極に電圧を印加しているときの、窒化インジウムガリウムと、窒化ガリウムのエネルギーバンド図を示す。
【図２１】ゲート電極に印加する電圧と、ソース−ドレイン間に流れる電流の関係を示す。
【図２２】実施例１の半導体装置内の位置とマグネシウム濃度の関係を示す。
【符号の説明】
【００４０】
２，２０２：ドレイン電極
８，２０８：第３半導体領域（ボディ領域）
１０，２１０，３１０：ソース電極
１２，２１２，３１２：ソース領域
１４：拡散抑制膜
１６，２１６：第１半導体領域
１８，２１８：第２半導体領域
２０：ゲート電極
２２：ゲート絶縁膜
１００，２００，３００，４００：半導体装置
【図１】
2008263142.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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