DE112022001391T5 - Nitridhalbleiterbauteil - Google Patents

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Rohm Co Ltd
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Abstract

Ein Nitridhalbleiterbauteil 1 umfasst ein SiC-Substrat 2 mit einem hexagonalen Kristallsystem, das eine erste Hauptfläche 2a und eine zweite Hauptfläche 2b an einer dazu gegenüberliegenden Seite aufweist, und eine Nitridepitaxieschicht 20, die auf der ersten Hauptfläche 2a ausgebildet ist und die erste Hauptfläche 2a einen Abweichungswinkel von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls aufweist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Nitridhalbleiterbauteil, das einen Gruppe-III-Nitridhalbleiter (im Folgenden manchmal einfach als „Nitridhalbleiter“ bezeichnet) aufweist.
  • Stand der Technik
  • Ein Gruppe-III-Nitridhalbleiter ist ein Halbleiter der Gruppe III-V-Halbleiter, bei dem Stickstoff als Element der Gruppe V verwendet wird. Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN) sind repräsentative Beispiele dafür. Es kann im Allgemeinen ausgedrückt werden als AlxInyGa1-x-yN (0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ x+y ≤ 1).
  • Ein HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit; „high electron mobility transistor“), der einen Nitridhalbleiter verwendet, wird in der Patentliteratur 1 offenbart. Der HEMT der Patentliteratur 1 umfasst ein p-Si-Substrat, eine auf dem p-Si-Substrat gebildete Pufferschicht, eine GaN umfassende und auf der Pufferschicht gebildete Elektronentransitschicht („electron transit layer“) und eine AlGaN umfassende und auf der Elektronentransitschicht gebildete Elektronenzuführungsschicht („electron supply layer“). Eine Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode sind so ausgebildet, dass sie die Elektronenzuführungsschicht berühren bzw. kontaktieren („contact“).
  • Außerdem ist eine Source-Elektrode so ausgebildet, dass sie die Elektronenzuführungsschicht, die Elektronentransitschicht und die Pufferschicht durchdringt und das p-Si-Substrat berührt. Auf einer Rückseite des p-Si-Substrats ist eine Rückseiten-Elektrode („rear surface electrode“) ausgebildet, die über das p-Si-Substrat elektrisch mit der Source-Elektrode verbunden ist.
  • Aufgrund von Polarisation, die durch die Gitterfehlanpassung („lattice mismatch“) von GaN und AlGaN verursacht wird, bildet sich ein zweidimensionales Elektronengas an einer Stelle innerhalb der Elektronentransitschicht, die nur wenige Å einwärts von einer Grenzfläche („interface“) zwischen der Elektronentransitschicht und der Elektronenzuführungsschicht liegt. Eine Source und ein Drain sind mit dem zweidimensionalen Elektronengas als Kanal miteinander verbunden. Wenn das zweidimensionale Elektronengas durch Anlegen einer Steuerspannung („control voltage“) an die Gate-Elektrode unterbrochen wird, werden die Source und der Drain voneinander getrennt.
  • Zitierliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Japanischen Patentanmeldung mit Veröffentlichungs-Nr. 2004-363563
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Nitridhalbleiterbauteil bereitzustellen, das eine neuartige Anordnung aufweist.
  • Lösung des Problems
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt ein Nitridhalbleiterbauteil bereit, das ein SiC-Substrat mit einem hexagonalen Kristallsystem, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche an einer gegenüberliegenden Seite davon aufweist, und eine Nitridepitaxieschicht umfasst, die auf der ersten Hauptfläche gebildet ist und bei der die erste Hauptfläche einen Off-Winkel bzw. Abweichungswinkel („off angle“) von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls aufweist.
  • Durch diese Anordnung kann ein Nitridhalbleiterbauteil erhalten werden, das eine neuartige Anordnung aufweist.
  • Die vorgenannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Wirkungen der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
    • [1] 1 ist eine Schnittdarstellung zur Beschreibung der Anordnung eines Nitridhalbleiterbauteils gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • [2A] 2A ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren des Nitridhalbleiterbauteils zeigt.
    • [2B] 2B ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2A zeigt.
    • [2C] 2C ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2B zeigt.
    • [2D] 2D ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2C zeigt.
    • [2E] 2E ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2D zeigt.
    • [2F] 2F ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2E zeigt.
    • [2G] 2G ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2F zeigt.
    • [2H] 2H ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4G zeigt.
    • [2I] 21 ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 2H zeigt.
    • [2J] 2J ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 21 zeigt.
    • [3] 3 ist eine Schnittdarstellung zur Beschreibung der Anordnung eines Nitridhalbleiterbauteils gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • [4A] 4A ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel für ein Herstellungsverfahren des Nitridhalbleiterbauteils zeigt.
    • [4B] 4B ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4A zeigt.
    • [4C] 4C ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4B zeigt.
    • [4D] 4D ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4C zeigt.
    • [4E] 4E ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4D zeigt.
    • [4F] 4F ist eine Schnittdarstellung, die einen Schritt nach dem von 4E zeigt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • [Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung stellt ein Nitridhalbleiterbauteil bereit, das ein SiC-Substrat mit einem hexagonalen Kristallsystem, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche an einer gegenüberliegenden Seite davon aufweist, und eine Nitridepitaxieschicht umfasst, die auf der ersten Hauptfläche ausgebildet ist und bei der die erste Hauptfläche einen Off-Winkel von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls aufweist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat die erste Hauptfläche einen Off-Winkel („off angle“), der in einem Winkel von nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat die erste Hauptfläche einen Off-Winkel, der in einem Winkel von nicht weniger als 2° und nicht mehr als 6° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die Nitridepitaxieschicht eine erste Nitridhalbleiterschicht, die eine Elektronentransitschicht darstellt, und eine zweite Nitridhalbleiterschicht, die auf der ersten Nitridhalbleiterschicht angeordnet ist, eine Elektronenzuführungsschicht darstellt und eine höhere Bandlücke als die erste Nitridhalbleiterschicht aufweist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine halb-isolierende Nitridschicht umfasst, die zwischen dem SiC-Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht angeordnet ist und bei der eine Akzeptorkonzentration höher ist als eine Donatorkonzentration.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Pufferschicht umfasst, die zwischen dem SiC-Substrat und der halb-isolierenden Nitridschicht angeordnet ist und einen Nitridhalbleiter aufweist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode, die auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht angeordnet sind, eine rückseitige Elektrode („back electrode“), die auf der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist, und ein leitendes Element, das die Nitridepitaxieschicht und das SiC-Substrat durchdringt und die Source-Elektrode mit der rückseitigen Elektrode elektrisch verbindet, umfasst.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind eine Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode und eine Gate-Elektrode, die auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht angeordnet sind, eine rückseitige Elektrode, die auf der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist, und ein leitendes Element, das die Nitridepitaxieschicht durchdringt und die Source-Elektrode elektrisch mit dem SiC-Substrat verbindet, umfasst.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht und die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht und die halbisolierende Nitridschicht eine GaN-Schicht, die Kohlenstoff aufweist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht, die halbisolierende Nitridschicht eine GaN-Schicht, die Kohlenstoff aufweist, und die Pufferschicht einen laminierten bzw. geschichteten („laminated“) Film aus einer AlN-Schicht, die auf der ersten Hauptfläche gebildet ist, und einer AlGaN-Schicht, die auf die AlN-Schicht laminiert ist.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht, die halbisolierende Nitridschicht eine GaN-Schicht, die Kohlenstoff aufweist, und die Pufferschicht aus einer AlN-Schicht oder einer AlGaN-Schicht.
  • [Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
  • 1 ist eine Schnittdarstellung zur Beschreibung der Anordnung eines Nitridhalbleiterbauteils gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Das Nitridhalbleiterbauteil 1 umfasst ein Substrat 2, das eine erste Hauptfläche 2a und eine zweite Hauptfläche 2b an einer dazu gegenüberliegenden Seite aufweist, und eine Nitridepitaxieschicht 20, die auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist. Die Nitridepitaxieschicht 20 umfasst eine Pufferschicht 3, die auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist, eine halb-isolierende Nitridschicht 4, die auf der Pufferschicht 3 ausgebildet ist, eine erste Nitridhalbleiterschicht 5, die auf der halb-isolierenden Nitridschicht 4 ausgebildet ist, und eine zweite Nitridhalbleiterschicht 6, die auf der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 ausgebildet ist.
  • Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1 einen Isolierfilm 7, der auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 ausgebildet ist. Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1 eine Source-Elektrode 10 und eine Drain-Elektrode 11, die jeweils durch ein Sourcekontaktloch („source contact hole“) 8 und ein Drainkontaktloch („drain contact hole“) 9, die in dem Isolierfilm 7 ausgebildet sind, hindurchtreten und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 stehen. Die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 sind in einem Abstand („interval“) zueinander angeordnet.
  • Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1 eine Gate-Elektrode 13, die durch ein im Isolierfilm 7 ausgebildetes Gatekontaktloch 12 dringt und in Kontakt mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 steht. Die Gate-Elektrode 13 ist zwischen der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 angeordnet.
  • Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1 eine harte Maskenschicht („hard mask layer“) 15, die auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 ausgebildet ist, eine rückseitige Elektrode 16, die auf einer Oberfläche der harten Maskenschicht 15 auf einer dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und einen Kontaktstecker 17, der die rückseitige Elektrode 16 und die Source-Elektrode 10 elektrisch verbindet.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat 2 ein SiC-Substrat mit einem hexagonalen Kristallsystem. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 2 ein SiC-Substrat mit elektrischer Leitfähigkeit. Außerdem ist das Substrat 2 in dieser bevorzugten Ausführungsform ein 4H-SiC-Substrat.
  • Außerdem hat in dieser bevorzugten Ausführungsform die erste Hauptfläche 2a des Substrats 2 einen Off-Winkel von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls. Genauer gesagt hat die erste Hauptfläche 2a des Substrats 2 einen Off-Winkel, der in einem Winkel von nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist. Der Off-Winkel in der [11-20]-Richtung beträgt vorzugsweise nicht weniger als 2° und nicht mehr als 6° und noch bevorzugter nicht weniger als 3° und nicht mehr als 5°. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt der Off-Winkel in der Richtung [11-20] etwa 4°. Eine Dicke des Substrats 2 beträgt z.B. etwa 30 um bis 300 um. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Substrats 2 etwa 150 µm.
  • Die Pufferschicht 3 ist eine Pufferschicht, die Spannungen („strain“) puffert bzw. abmildert („buffers“), die aus einer Fehlanpassung einer Gitterkonstante der halbisolierenden Nitridschicht 4, die auf der Pufferschicht 3 gebildet wird, und einer Gitterkonstante des Substrats 2 resultieren. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die Pufferschicht 3 eine mehrschichtigen Pufferschicht, in der eine Vielzahl von Nitridhalbleiter-Filmen laminiert ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die Pufferschicht 3 einen laminierten Film aus einem AlN-Film, der mit der Frontseite bzw. Vorderseite des Substrats 2 in Kontakt steht, und einem AlGaN-Film, der auf eine Frontseite (Oberfläche auf einer dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite) des AlN-Films laminiert ist. Die Pufferschicht 3 kann stattdessen eine einzige AlN-Schicht oder eine einzige AlGaN-Schicht umfassen. Eine Dicke der Pufferschicht 3 beträgt z.B. etwa 3 um bis 15 um. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Pufferschicht 3 etwa 5 µm.
  • Die halb-isolierende Nitridschicht 4 dient zur Unterdrückung eines Leckstroms („leak current“). Die halbisolierende Nitridschicht 4 umfasst eine GaN-Schicht, die mit einer Verunreinigung dotiert ist und eine Dicke von etwa 1 um bis 10 um aufweist. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der halb-isolierenden Nitridschicht 4 etwa 2 um. Die Verunreinigung ist z.B. C (Kohlenstoff) und ist so dotiert, dass eine Differenz zwischen einer Akzeptorkonzentration („acceptor concentration“) Na und einer Donatorkonzentration („donor concentration“) Nd (Na - Nd) etwa 1×1017 cm-3 beträgt.
  • Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 bildet eine Elektronentransitschicht. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht 5 eine n-Typ-GaN-Schicht, die mit einer Donator-Typ-Verunreinigung dotiert ist und eine Dicke von etwa 0,05 µm bis 1 um aufweist. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 etwa 1 um. Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 kann stattdessen auch eine undotierte GaN-Schicht aufweisen.
  • Die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 bildet eine Elektronenzuführungsschicht. Die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 umfasst einen Nitridhalbleiter mit größerer Bandlücke als die erste Nitridhalbleiterschicht 5. Insbesondere umfasst die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 einen Nitridhalbleiter mit einer höheren Al-Zusammensetzung bzw. höherem Al-Anteil („Al composition“) als die erste Nitridhalbleiterschicht 5. Je höher die Al-Zusammensetzung in einem Nitridhalbleiter ist, desto größer ist die Bandlücke. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 eine Alx1Ga1-x1N-Schicht (0 < x1 ≤1) und ihre Dicke beträgt etwa 1 nm bis 100 nm. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 etwa 20 nm und x1 = 0,2.
  • Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 (Elektronentransitschicht) und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 (Elektronenzuführungsschicht) umfassen also Nitridhalbleiter, die sich in ihrer Bandlücke (Al-Zusammensetzung) unterscheiden und zwischen denen eine Gitterfehlanpassung vorliegt. Außerdem wird aufgrund spontaner Polarisationen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 und einer Piezopolarisation aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen den beiden ein Energieniveau eines Leitungsbandes der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 an einer Grenzfläche („interface“) zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 niedriger als ein Fermi-Niveau gemacht. Dadurch breitet sich innerhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) 19 an einer Position nahe der Grenzfläche zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 aus (zum Beispiel in einem Abstand von nur einigen Ä von der Grenzfläche).
  • Der Isolierfilm 7 wird im Wesentlichen über eine gesamte Fläche der vorderen Oberfläche bzw. Frontfläche („front surface“) der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst der Isolierfilm 7 SiN. Eine Dicke des Isolierfilms 7 beträgt zum Beispiel etwa 10 nm bis 200 nm. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Isolierfilms 7 etwa 100 nm. Neben SiN kann der Isolierfilm 7 auch SiO2 , SiN, SiON, Al O23 , AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON, AlON usw. umfassen.
  • Die Source-Elektrode 10 umfasst einen Hauptelektrodenabschnitt („main electrode portion“) 10A und einen Erweiterungsabschnitt („extension portion“) 10B. Der Hauptelektrodenabschnitt 10A bedeckt das Sourcekontaktloch 8 und den peripheren Randbereich („peripheral edge portion“) des Sourcekontaktlochs 8 an der Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Abschnitt des Hauptelektrodenabschnitts 10A dringt in das Sourcekontaktloch 8 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Sourcekontaktlochs 8. Der Erweiterungsabschnitt 10B erstreckt sich entlang der Frontfläche des Isolierfilms 7 in einer der Gate-Elektrode 13 entgegengesetzten Richtung von einer Seitenkante des Hauptelektrodenabschnitts 10A an einer der Gate-Elektrode 13 gegenüberliegenden Seite.
  • Die Drain-Elektrode 11 bedeckt das Drainkontaktloch 9 und einen peripheren Randbereich des Drainkontaktlochs 9 an einer Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Abschnitt der Drain-Elektrode 11 dringt in das Drainkontaktloch 9 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Drainkontaktlochs 9.
  • Die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 umfassen jeweils beispielsweise einen Ti/Al-Laminatfilm („laminated film“), bei dem ein Ti-Film und ein Al-Film in dieser Reihenfolge von einer unteren Schicht aus laminiert bzw. geschichtet sind. Eine Dicke des Ti-Films an der Seite der unteren Schicht beträgt beispielsweise etwa 20 nm und eine Dicke des Al-Films an der Seite der oberen Schicht beträgt beispielsweise etwa 300 nm.
  • Es genügt, wenn die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 ein Material umfassen, mit dem ein ohmscher Kontakt zur zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 (AlGaN-Schicht) hergestellt werden kann. Die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 können jeweils einen Ti/Al/Ni/Au-Laminatfilm umfassen, in den ein Ti-Film, ein Al-Film, ein Ni-Film und ein Au-Film in dieser Reihenfolge von einer unteren Schicht an laminiert sind.
  • Die Gate-Elektrode 13 bedeckt das Gatekontaktloch 12 und einen peripheren Randbereich des Gatekontaktlochs 12 an der Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Abschnitt der Gate-Elektrode 13 dringt in das Gatekontaktloch 12 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Gatekontaktlochs 12.
  • Die Gate-Elektrode 13 umfasst zum Beispiel einen Ni/Au-Laminatfilm, bei dem ein Ni-Film und ein Au-Film in dieser Reihenfolge von einer unteren Schicht aus laminiert sind. Eine Dicke des Ni-Films an der Seite der unteren Schicht beträgt beispielsweise etwa 10 nm und eine Dicke des Au-Films an der Seite der oberen Schicht beträgt beispielsweise etwa 600 nm. Es genügt, wenn die Gate-Elektrode 13 ein Material umfasst, mit dem eine Schottky-Barriere gegenüber der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 (AlGaN-Schicht) gebildet werden kann.
  • Die harte Maskenschicht 15 umfasst z.B. eine Ni-Schicht, und eine Dicke davon beträgt z.B. etwa 3 um beträgt. An einer Stelle, die einem Abschnitt des Erweiterungsabschnitts 10B der Source-Elektrode 10 gegenüberliegt, ist in der harten Maskenschicht 15 ein Öffnungsabschnitt 15a ausgebildet, der die harte Maskenschicht 15 in einer Dickenrichtung durchdringt.
  • Zwischen der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 und dem Erweiterungsabschnitt 10B der Source-Elektrode 10 wird ein rückseitiges Kontaktloch („back contact hole“) gebildet, das mit dem Öffnungsabschnitt 15a der harten Maskenschicht 15 in Verbindung steht und das Substrat 2, die Nitridepitaxieschicht 20 und den Isolierfilm 7 kontinuierlich durchdringt. In den Öffnungsabschnitt 15a und das rückseitige Kontaktloch 18 ist ein Kontaktstecker 17 eingebettet, dessen oberes Ende mit der Source-Elektrode 10 auf dem Isolierfilm 7 verbunden ist.
  • Der Kontaktstecker 17 ist aus eine Barrieremetallfilm bzw. Sperrmetallfilm („barrier metal film“) 17A und einem Metallstecker 17B aufgebaut. Der Barrieremetallfilm 17A ist so ausgebildet, dass er Seitenflächen des Öffnungsabschnitts 15a, Seitenflächen des rückseitigen Kontaktlochs 18 und eine Bodenfläche des rückseitigen Kontaktlochs 18 (ein Bereich einer unteren Fläche des Erweiterungsabschnitts 10B der Source-Elektrode 10, der dem rückseitigen Kontaktloch 18 zugewandt ist) bedeckt. Der Metallstecker 17B ist in den Öffnungsabschnitt 15a und das rückseitige Kontaktloch 22 eingebettet, wobei er von dem Barrieremetallfilm 17A umgeben ist. Der Barrieremetallfilm 17A umfasst zum Beispiel TiN. Der Metallstecker 17B umfasst z.B. Au. Der Metallstecker 17B kann aber auch Cu umfassen.
  • Der Kontaktstecker 17 ist ein Beispiel für ein „leitendes Glied („conductive member“), das die Source-Elektrode mit der rückseitigen Elektrode elektrisch verbindet" der vorliegenden Offenbarung.
  • Die rückseitige Elektrode 16 ist auf der Oberfläche der harten Maskenschicht 15 auf der dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite so ausgebildet, dass sie die Oberfläche und eine untere Endfläche des Kontaktsteckers 17 bedeckt. Die rückseitige Elektrode 16 umfasst einen Barrieremetallfilm 16A, der auf der Oberfläche der harten Maskenschicht 15 auf der dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, und ein Elektrodenmetall 16B, das auf einer Oberfläche des Barrieremetallfilms 16A auf einer der harten Maskenschicht 15 gegenüberliegenden Seite ausgebildet ist, um die Oberfläche und die untere Endfläche des Kontaktsteckers 17 zu bedecken.
  • Der Barrieremetallfilm 16A weist z.B. TiN auf. Das Elektrodenmetall 16B weist z.B. Au auf. Das Elektrodenmetall 16B kann aber auch Cu aufweisen. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Barrieremetallfilm 16A integral bzw. einstückig („integrally“) mit dem Barrieremetallfilm 17A und das Elektrodenmetall 16B ist integral mit dem Metallstecker 17B ausgebildet.
  • Die rückseitige Elektrode 16 ist über den Kontaktstecker 17 elektrisch mit der Source-Elektrode 10 verbunden.
  • Mit dem Nitridhalbleiterbauteil 1 wird ein Heteroübergang gebildet, indem auf der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 (Elektronentransitschicht) die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet wird, die sich in der Bandlücke (Al-Zusammensetzung) unterscheidet. Dadurch wird das zweidimensionale Elektronengas 19 innerhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 in der Nähe der Grenzfläche der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet und ein HEMT, der das zweidimensionale Elektronengas 19 als Kanal verwendet, gebildet.
  • In einem Zustand, in dem keine Steuerspannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt ist, sind die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 elektrisch miteinander verbunden, wobei das zweidimensionale Elektronengas 19 als Kanal dient. Daher ist der HEMT vom normalerweise eingeschalteten Typ („normally-on type“). Wenn die Steuerspannung so an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird, dass ein Potential an der Gate-Elektrode 13 in Bezug auf die Source-Elektrode 10 negativ wird, wird das zweidimensionale Elektronengas 19 unterbrochen und der HEMT wird in einen ausgeschalteten Zustand versetzt.
  • 2A bis 2J sind Schnittansichten zur Beschreibung eines Beispiels eines Herstellungsverfahrens des oben beschriebenen Nitridhalbleiterbauteils 1 und zeigen eine Schnittstruktur in einer Vielzahl von Stufen des Herstellungsverfahrens.
  • Zunächst werden, wie in 2A gezeigt, die Pufferschicht 3 und die halb-isolierende Nitridschicht 4 nacheinander auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 epitaktisch aufgewachsen, z.B. durch ein MOCVD-Verfahren (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung; „metal organic chemical vapor deposition“). Ferner werden die erste Nitridhalbleiterschicht (Elektronentransitschicht) 5 und die zweite Nitridhalbleiterschicht (Elektronenzuführungsschicht) 6 nacheinander auf der halbisolierenden Nitridschicht 4 durch das MOCVD-Verfahren epitaktisch aufgewachsen. Die Nitridepitaxieschicht 20, die die Pufferschicht 3, die halb-isolierende Nitridschicht 4, die erste Nitridhalbleiterschicht 5 und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 umfasst, wird dadurch auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 gebildet.
  • Als nächstes wird, wie in 2B gezeigt, durch ein Plasma-CVD-Verfahren, LPCVD-Verfahren (Niederdruck-CVD), MOCVD-Verfahren, Sputterverfahren usw. ein Isoliermaterialfilm 31, der ein Materialfilm des Isolierfilms 7 ist, auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet.
  • Als nächstes wird ein Resist-Film („resist film“; nicht dargestellt) auf dem Isoliermaterialfilm 31 in einem Bereich gebildet, der Bereiche ausschließt, in denen das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 gebildet werden sollen. Indem der Isoliermaterialfilm 31 über den Resist-Film trocken geätzt wird, werden das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 im Isoliermaterialfilm 31 gebildet, wie in 2C gezeigt. Das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 durchdringen den Isoliermaterialfilm 31 und erreichen die zweite Nitridhalbleiterschicht 6. Als Ätzgas wird z.B. CF4 Gas verwendet. Danach wird der Resist-Film entfernt.
  • Als Nächstes wird, wie in 2D gezeigt, beispielsweise durch ein Elektronenstrahl-Aufdampfverfahren, ein Sputterverfahren usw., ein Elektrodenfilm 32 , der ein Materialfilm der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 ist, auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet, um den Isoliermaterialfilm 31 zu bedecken. Der Elektrodenfilm 32 umfasst zum Beispiel einen Ti/Al-Laminatfilm, bei dem ein Ti-Film und ein Al-Film in dieser Reihenfolge von einer unteren Schicht aus laminiert werden.
  • Ein Resist-Film, der einen für die Vorbereitung der Source-Elektrode vorgesehenen Bereich und einen für die Vorbereitung der Drain-Elektrode vorgesehenen Bereich einer Frontfläche des Elektrodenfilms 32 bedeckt, wird gebildet. Indem der Elektrodenfilm 32 dann selektiv unter Verwendung des Resist-Films als Maske geätzt wird, erhält man die Source-Elektrode 10 einschließlich des Hauptelektrodenabschnitts 10A und des Erweiterungsabschnitts 10B sowie die Drain-Elektrode 11, wie in 2E gezeigt.
  • Als nächstes wird, wie in 2F gezeigt, nach dem Entfernen des Resistfilms die harte Maskenschicht 15 mit dem Öffnungsabschnitt 15a auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 gebildet. Die harte Maskenschicht 15 mit dem Öffnungsabschnitt 15a wird durch Bilden eines Ni-Films, beispielsweise durch ein Sputterverfahren auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 und anschließende Strukturierung („patterning“) des Ni-Films, beispielsweise durch ein Ionenfräsverfahren („ion milling method“), hergestellt.
  • Als nächstes werden, wie in 2G gezeigt, das Substrat 2, die Nitridepitaxieschicht 20 und der Isoliermaterialfilm 31 unter Verwendung der harten Maskenschicht 15 als Maske trocken geätzt („dry etched“), um das rückseitige Kontaktloch 18 zu bilden, das durch das Substrat 2, die Nitridepitaxieschicht 20 und den Isoliermaterialfilm 31 dringt. Dabei fungiert die untere Fläche des Erweiterungsabschnitts 10B der Source-Elektrode 10 als Ätzstoppschicht („etching stopper layer“). Als Ätzgas wird z.B. SF6-Gas verwendet.
  • Als nächstes wird, wie in 2H gezeigt, ein Materialfilm (z.B. ein TiN-Film) der Barrieremetallfilme 16A und 17A gebildet, z.B. durch ein Sputterverfahren auf den Seitenflächen und der Bodenfläche (ein Teil der unteren Fläche des Erweiterungsabschnitts 10B der Source-Elektrode 10) des rückseitigen Kontaktlochs 18, den Seitenflächen des Öffnungsabschnitts 15a und der Oberfläche der harten Maskenschicht 15 auf der dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite. Der Barrieremetallfilm 17A wird dabei auf den Seitenflächen und der Bodenfläche des rückseitigen Kontaktlochs 18 und den Seitenflächen des Öffnungsabschnitts 15a gebildet und der Barrieremetallfilm 16A wird auf der Oberfläche der harten Maskenschicht 15 an der dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite gebildet.
  • Als nächstes wird, wie in 21 gezeigt, ein Film aus Gold (Au) auf dem Barrieremetallfilm 17A und dem Barrieremetallfilm 16A gebildet, zum Beispiel durch ein Plattierungsverfahren („plating method“). Dabei wird der Metallstecker 17B, der von dem Barrieremetallfilm 17A umgeben ist, innerhalb des rückseitigen Kontaktlochs 18 und das Elektrodenmetall 16B auf dem Barrieremetallfilm 16A gebildet. Dadurch erhält man den Kontaktstecker 17, der den Barrieremetallfilm 17A und den Metallstecker 17B umfasst, und die rückseitige Elektrode 16, die den Barrieremetallfilm 16A und das Elektrodenmetall 16B umfasst.
  • Als nächstes wird auf dem Isoliermaterialfilm 31, der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 ein Resist-Film (nicht gezeigt) in einem Bereich gebildet, der einen Bereich ausschließt, in dem das Gatekontaktloch 12 gebildet werden soll. Indem der Isoliermaterialfilm 31 über den Resist-Film trocken geätzt wird, wird das Gatekontaktloch 12 in dem Isoliermaterialfilm 31 gebildet, wie in 2J gezeigt. Als Ätzgas wird z.B. das CF4-Gas verwendet. Dadurch wird der Isoliermaterialfilm 31 strukturiert und der Isolierfilm 7 erhalten. Das Gatekontaktloch 12 dringt durch den Isolierfilm 7 hindurch und erreicht die zweite Nitridhalbleiterschicht 6.
  • Nach dem Entfernen des Resist-Films wird die Gate-Elektrode 13 gebildet und das Nitridhalbleiterbauteil 1, wie in 1 gezeigt, wird dadurch erhalten. Die Gate-Elektrode 13 umfasst zum Beispiel einen Ni/Au-Laminatfilm, bei dem der Ni-Film und der Au-Film in dieser Reihenfolge von der unteren Schicht aus laminiert werden.
  • 3 ist eine Schnittdarstellung zur Beschreibung der Anordnung eines Nitridhalbleiterbauteils gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Das Nitridhalbleiterbauteil 1A umfasst das Substrat 2, das die erste Hauptfläche 2a und die zweite Hauptfläche 2b an der dazu gegenüberliegenden Seite aufweist, und die Nitridepitaxieschicht 20, die auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist. Die Nitridepitaxieschicht 20 umfasst die Pufferschicht 3, die auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 ausgebildet ist, die halb-isolierende Nitridschicht 4, die auf der Pufferschicht 3 ausgebildet ist, die erste Nitridhalbleiterschicht 5, die auf der halb-isolierenden Nitridschicht 4 ausgebildet ist, und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6, die auf der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 ausgebildet ist.
  • Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1A den Isolierfilm 7, der auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 ausgebildet ist. Weiterhin umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1A eine Source-Elektrode 40 und eine Drain-Elektrode 50, die das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9, die in der Isolierschicht 7 ausgebildet sind, durchdringen und in ohmschem Kontakt mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 stehen. Die Source-Elektrode 40 und die Drain-Elektrode 50 sind in einem Abstand zueinander angeordnet.
  • Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1A die Gate-Elektrode 13, die durch das im Isolierfilm 7 gebildete Gatekontaktloch 12 hindurchdringt und mit der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 in Kontakt steht. Die Gate-Elektrode 13 ist zwischen der Source-Elektrode 40 und der Drain-Elektrode 50 angeordnet. Ferner umfasst das Nitridhalbleiterbauteil 1A eine rückseitige Elektrode 61, die auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 ausgebildet ist.
  • In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst das Substrat 2 ein SiC-Substrat mit einem hexagonalen Kristallsystem. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 2 ein SiC-Substrat mit elektrischer Leitfähigkeit. Außerdem ist das Substrat 2 in dieser bevorzugten Ausführungsform ein 4H-SiC-Substrat.
  • Außerdem hat in dieser bevorzugten Ausführungsform die erste Hauptfläche 2a des Substrats 2 einen Off-Winkel von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls. Genauer gesagt hat die erste Hauptfläche 2a des Substrats 2 einen Off-Winkel, der in einem Winkel von nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist. Der Off-Winkel in der [11-20]-Richtung beträgt vorzugsweise nicht weniger als 2° und nicht mehr als 6° und noch bevorzugter nicht weniger als 3° und nicht mehr als 5°. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt der Off-Winkel in der Richtung [11-20] etwa 4°. Eine Dicke des Substrats 2 beträgt z.B. etwa 30 um bis 300 um. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Substrats 2 etwa 150 µm.
  • Die Pufferschicht 3 ist eine Pufferschicht, die Spannungen puffert, die aus einer Fehlanpassung einer Gitterkonstante der auf der Pufferschicht 3 gebildeten halbisolierenden Nitridschicht 4 und einer Gitterkonstante des Substrats 2 resultieren. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die Pufferschicht 3 eine mehrschichtige Pufferschicht, in die mehrere Nitridhalbleiterfilme laminiert sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die Pufferschicht 3 einen laminierten Film bzw. Laminatfilm („laminated film“) aus einem AlN-Film, der mit der Fronseite des Substrats 2 in Kontakt steht, und einen AlGaN-Film, der auf eine Frontseite (Oberfläche auf einer dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite) des AlN-Films laminiert ist. Die Pufferschicht 3 kann stattdessen eine einzige AlN-Schicht oder eine einzige AlGaN-Schicht aufweisen. Eine Dicke der Pufferschicht 3 beträgt z. B. etwa 3 um bis 15 um. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der Pufferschicht 3 etwa 5 um.
  • Die halb-isolierende Nitridschicht 4 dient zur Unterdrückung eines Leckstroms. Die halb-isolierende Nitridschicht 4 umfasst eine GaN-Schicht, die mit einer Verunreinigung dotiert ist und eine Dicke davon beträgt etwa 1 um bis 10 um. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der halb-isolierenden Nitridschicht 4 etwa 2 um. Die Verunreinigung ist z.B. C (Kohlenstoff) und ist so dotiert, dass eine Differenz zwischen einer Akzeptorkonzentration Na und einer Donatorkonzentration Nd (Na - Nd) etwa 1×1017 cm-3 beträgt.
  • Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 bildet eine Elektronentransitschicht. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Nitridhalbleiterschicht 5 eine n-Typ-GaN-Schicht, die mit einer Donator-Typ-Verunreinigung dotiert ist und eine Dicke von etwa 0,05 um bis 1 um aufweist. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 etwa 1 um. Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 kann stattdessen auch eine undotierte GaN-Schicht umfassen.
  • Die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 bildet eine Elektronenzuführungsschicht. Die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 umfasst einen Nitridhalbleiter mit größerer Bandlücke als die erste Nitridhalbleiterschicht 5. Insbesondere umfasst die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 einen Nitridhalbleiter mit einer höheren Al-Zusammensetzung als die erste Nitridhalbleiterschicht 5. Je höher die Al-Zusammensetzung in einem Nitridhalbleiter ist, desto größer ist die Bandlücke. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 eine Alx1Ga1-x1N-Schicht (0 < x1 ≤1) und eine Dicke davon beträgt etwa 1 nm bis 100 nm. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 etwa 20 nm und x1 = 0,2.
  • Die erste Nitridhalbleiterschicht 5 (Elektronentransitschicht) und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 (Elektronenzuführungsschicht) umfassen somit Nitridhalbleiter mit unterschiedlicher Bandlücke (Al-Zusammensetzung), zwischen denen eine Gitterfehlanpassung auftritt. Außerdem wird aufgrund spontaner Polarisationen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 und einer Piezopolarisation aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen den beiden ein Energieniveau eines Leitungsbandes der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 an einer Grenzfläche zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 niedriger als ein Fermi-Niveau gemacht. Dadurch breitet sich innerhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) 19 an einer Position nahe der Grenzfläche zwischen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 aus (zum Beispiel in einem Abstand von nur einigen Ä von der Grenzfläche).
  • Der Isolierfilm 7 wird über einen im Wesentlichen gesamten Bereich der Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet. In dieser bevorzugten Ausführungsform umfasst der Isolierfilm 7 SiN. Eine Dicke des Isolierfilms 7 beträgt zum Beispiel etwa 10 nm bis 200 nm. In dieser bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke des Isolierfilms 7 etwa 100 nm. Neben SiN kann der Isolierfilm 7 auch SiO2 , SiN, SiON, Al O23 , AlN, AlON, HfO, HfN, HfON, HfSiON, AlON usw. umfassen
  • Im Substrat 2, der Nitridepitaxieschicht 20 und dem Isolierfilm 7 ist auf einer dem Gatekontaktloch 12 gegenüberliegenden Seite in Bezug auf das Sourcekontaktloch 8 ein rückseitiges Kontaktloch 62 ausgebildet, das den Isolierfilm 7 und die Nitridepitaxieschicht 20 von einer Frontfläche des Isolierfilms 7 aus durchgehend durchdringt und sich über (etwa) die halbe Dicke des Substrats 2 erstreckt.
  • Die Source-Elektrode 40 umfasst einen Hauptelektrodenabschnitt 40A und einen Erweiterungsabschnitt 40B. Der Hauptelektrodenabschnitt 40A bedeckt das Sourcekontaktloch 8 und den peripheren Randbereich des Sourcekontaktlochs 8 an der Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Abschnitt des Hauptelektrodenabschnitts 40A dringt in das Sourcekontaktloch 8 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Sourcekontaktlochs 8.
  • Der Erweiterungsabschnitt 40B bedeckt das rückseitige Kontaktloch 62 und einen peripheren Randabschnitt des rückseitigen Kontaktlochs 62 an der Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Seitenrand des Erweiterungsabschnitts 40B an der Seite des Hauptelektrodenabschnitts 40A und ein Seitenrand des Hauptelektrodenabschnitts 40A an der Seite des Erweiterungsabschnitts 10B sind miteinander verbunden. Ein Abschnitt des Erweiterungsabschnitts 40B dringt in das rückseitige Kontaktloch 62 ein und berührt das Substrat 2 innerhalb des rückseitigen Kontaktlochs 62. Der Erweiterungsabschnitt 40B ist ein Beispiel für ein „leitendes Glied, das die Source-Elektrode mit der SiC-Elektrode elektrisch verbindet“ in der vorliegenden Offenbarung.
  • Die Source-Elektrode 40 umfasst einen Barrieremetallfilm 41 und einen auf dem Barrieremetallfilm 41 ausgebildeten Elektrodenmetall 42. Der Barrieremetallfilm 41 bedeckt Innenflächen (Seitenflächen und Bodenfläche) des Sourcekontaktlochs 8, den peripheren Randabschnitt des rückseitigen Kontaktlochs 62 an der Frontfläche des Isolierfilms 7 (Seitenflächen und Bodenfläche), Innenflächen des rückseitigen Kontaktlochs 62 und den peripheren Randabschnitt des rückseitigen Kontaktlochs 62 an der Frontfläche des Insolierfilms 7. Der Barrieremetallfilm 41 umfasst zum Beispiel einen TiN-Film. Das Elektrodenmetall 42 umfasst z.B. Au. Das Elektrodenmetall 42 kann aber auch Cu umfassen.
  • Die Drain-Elektrode 50 bedeckt das Drainkontaktloch 9 und den peripheren Randbereich des Drainkontaktlochs 9 an der Frontfläche der Isolierfolie 7. Ein Abschnitt der Drain-Elektrode 50 dringt in das Drainkontaktloch 9 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Drainkontaktlochs 9.
  • Die Drain-Elektrode 50 umfasst einen Barrieremetallfilm 51, der das Drainkontaktloch 9 und den peripheren Randbereich des Drainkontaktlochs 9 an der Frontfläche des Isolierfilms 7 bedeckt, und einen auf dem Barrieremetallfilm 51 ausgebildeten Elektrodenmetall 52. Der Barrieremetallfilm 51 umfasst zum Beispiel einen TiN-Film. Das Elektrodenmetall 52 umfasst z.B. Au. Das Elektrodenmetall 52 kann aber auch Cu umfassen.
  • Die Gate-Elektrode 13 bedeckt das Gatekontaktloch 12 und einen peripheren Randbereich des Gatekontaktlochs 12 an der Frontfläche des Isolierfilms 7. Ein Abschnitt der Gate-Elektrode 13 dringt in das Gatekontaktloch 12 ein und berührt die Frontfläche der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 innerhalb des Gatekontaktlochs 12.
  • Die Gate-Elektrode 13 umfasst zum Beispiel einen Ni/Au-Laminatfilm, bei dem ein Ni-Film und ein Au-Film in dieser Reihenfolge von einer unteren Schicht aus laminiert sind. Die Dicke des Ni-Films an der Seiter der unteren Schicht beträgt beispielsweise etwa 10 nm und eine Dicke des Au-Films an der Seite der oberen Schicht beträgt beispielsweise etwa 600 nm. Es reicht aus, dass die Gate-Elektrode 13 ein Material umfasst, mit dem eine Schottky-Barriere gegenüber der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 (AlGaN-Schicht) gebildet werden kann.
  • Die rückseitige Elektrode 61 ist so ausgebildet, dass sie eine im Wesentlichen gesamte Fläche der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 bedeckt. Die rückseitige Elektrode 61 umfasst beispielsweise einen Ni-Film. Die rückseitige Elektrode 61 ist über das Substrat 2 und den Erweiterungsabschnitt 40B der Source-Elektrode 40 elektrisch mit dem Hauptelektrodenabschnitt 40A der Source-Elektrode 40 verbunden.
  • Mit dem Nitridhalbleiterbauteil 1A wird ein Heteroübergang gebildet, indem auf der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 (Elektronentransitschicht) die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet wird, die sich in der Bandlücke (Al-Zusammensetzung) unterscheidet. Dadurch wird das zweidimensionale Elektronengas 19 innerhalb der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 in der Nähe der Grenzfläche der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 und der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet und ein HEMT, der das zweidimensionale Elektronengas 19 als Kanal verwendet, gebildet.
  • In einem Zustand, in dem keine Steuerspannung an die Gate-Elektrode 13 angelegt ist, sind die Source-Elektrode 10 und die Drain-Elektrode 11 mit dem zweidimensionalen Elektronengas 19 als Kanal miteinander verbunden. Daher ist der HEMT vom normalerweise eingeschalteten Typ. Wenn die Steuerspannung so an die Gate-Elektrode 13 angelegt wird, dass ein Potential an der Gate-Elektrode 13 gegenüber der Source-Elektrode 10 negativ wird, wird das zweidimensionale Elektronengas 19 unterbrochen und der HEMT in einen ausgeschalteten Zustand versetzt.
  • 4A bis 4J sind Schnittansichten zur Beschreibung eines Beispiels eines Herstellungsverfahrens für das oben beschriebene Nitridhalbleiterbauteil 1A und zeigen eine Schnittstruktur in einer Vielzahl von Stufen des Herstellungsverfahrens.
  • Auch bei der Herstellung des Nitridhalbleiterbauteils 1A von 3 werden die in 2A und 2B dargestellten Schritte wie bei der Herstellung des Nitridhalbleiterbauteils 1A von 1 durchgeführt. Das heißt, wie in 2A gezeigt, werden die Pufferschicht 3 und die halb-isolierende Nitridschicht 4 nacheinander auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 epitaktisch aufgewachsen, zum Beispiel durch ein MOCVD-Verfahren. Weiterhin werden die erste Nitridhalbleiterschicht (Elektronentransitschicht) 5 und die zweite Nitridhalbleiterschicht (Elektronenzuführungsschicht) 6 nacheinander auf der halbisolierenden Nitridschicht 4 durch das MOCVD-Verfahren epitaktisch aufgewachsen. Die Nitridepitaxieschicht 20, die die Pufferschicht 3, die halb-isolierende Nitridschicht 4, die erste Nitridhalbleiterschicht 5 und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 umfasst, wird dadurch auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 gebildet.
  • Als nächstes wird, wie in 2B gezeigt, durch die Plasma-CVD-Methode, LPCVD-Methode, MOCVD-Methode, Sputtering-Methode usw. der Isoliermaterialfilm 31, der der Materialfilm des Isolierfilms 7 ist, auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 gebildet.
  • Als nächstes wird, wie in 4A gezeigt, die rückseitige Elektrode 61 auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 gebildet. Die rückseitige Elektrode 61 wird durch Bilden eines Ni-Films, zum Beispiel durch ein Sputterverfahren auf der zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 gebildet.
  • Als nächstes wird ein Resist-Film (nicht gezeigt) auf dem Isoliermaterialfilm 31 in einem Bereich gebildet, der einen Bereich ausschließt, in dem das rückseitige Kontaktloch 62 gebildet werden soll. Indem der Isoliermaterialfilm 31, die Nitridepitaxieschicht 20 und ein Teil des Substrats 2 über den Resist-Film trocken geätzt werden, wird das rückseitige Kontaktloch 62, das kontinuierlich durch den Isoliermaterialfilm 31 und die Nitridepitaxieschicht 20 dringt und das Innere des Substrats 2 erreicht, wie in 4B gezeigt, gebildet. Zum Ätzen des Isoliermaterialfilms 31 wird z.B. CF4-Gas verwendet, zum Ätzen der Nitridepitaxieschicht 20 und des Substrats 2 wird z.B. ein BCL3/CL2-Mischgas verwendet.
  • Danach wird der Resist-Film entfernt. Dann wird ein Resist-Film (nicht dargestellt) auf dem Isoliermaterialfilm 31 in einem Bereich gebildet, der Bereiche ausschließt, in denen das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 gebildet werden sollen. Indem der Isoliermaterialfilm 31 über den Resist-Film trocken geätzt wird, werden das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 im Isoliermaterialfilm 31 gebildet, wie in 4C gezeigt. Das Sourcekontaktloch 8 und das Drainkontaktloch 9 durchdringen den Isoliermaterialfilm 31 und erreichen die zweite Nitridhalbleiterschicht 6. Als Ätzgas wird z.B. CF4-Gas verwendet.
  • Anschließend wird der Resist-Film entfernt. Dann wird z.B. durch ein Sputterverfahren ein Barrieremetallfilm (z.B. ein TiN-Film), der ein Materialfilm der Barrieremetallfilme 41 und 51 ist, auf der Frontseite des Isoliermaterialfilms 31, den Innenflächen (Seitenflächen und Bodenfläche) des rückseitigen Kontaktlochs 62, den Innenflächen des Sourcekontaktlochs 8 und Innenflächen des Drainkontaktlochs 9 gebildet. Die Barrieremetallfilme 41 und 51 werden dann, wie in 4D gezeigt, durch die Strukturierung des Barrierematerialfilms gebildet.
  • Als nächstes wird, wie in 4E gezeigt, zum Beispiel durch ein Beschichtungsverfahren bzw. Plattierungsverfahren („plating method“) das Elektrodenmetall 42, das zum Beispiel Au umfasst, auf dem Barrieremetall 41 gebildet und das Elektrodenmetall 52, das zum Beispiel Au umfasst, auf dem Barrieremetall 51 gebildet. Dadurch erhält man die Source-Elektrode 40, die den Barrieremetallfilm 41 und das Elektrodenmetall 42 umfasst, und die Drain-Elektrode 50, die den Barrieremetallfilm 51 und das Elektrodenmetall 52 umfasst. Die Source-Elektrode 40 umfasst den Hauptelektrodenabschnitt 40A und den Erweiterungsabschnitt 40B.
  • Als nächstes wird auf dem Isoliermaterialfilm 31, der Source-Elektrode 10 und der Drain-Elektrode 11 ein Resist-Film (nicht gezeigt) in dem Bereich mit Ausnahme des Bereichs, in dem das Gatekontaktloch 12 gebildet werden soll, gebildet. Indem der Isoliermaterialfilm 31 über den Resist-Film trocken geätzt wird, wird das Gatekontaktloch 12 im Isoliermaterialfilm 31 gebildet, wie in 4F gezeigt. Dadurch wird der Isoliermaterialfilm 31 strukturiert und man erhält den Isolierfilm 7. Das Gatekontaktloch 12 dringt durch den Isolierfilm 7 hindurch und erreicht die zweite Nitridhalbleiterschicht 6. Als Ätzgas wird z.B. CF4-Gas verwendet.
  • Nach dem Entfernen des Resist-Films wird die Gate-Elektrode 13 gebildet und das Nitridhalbleiterbauteil 1A, wie in 3 gezeigt, wird dadurch erhalten. Die Gate-Elektrode 13 umfasst beispielsweise den Ni/Au-Laminatfilm, bei dem der Ni-Film und der Au-Film in dieser Reihenfolge von der unteren Schicht aus laminiert sind.
  • Obwohl bei jeder der oben beschriebenen ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsformen die halbisolierende Nitridschicht 4 auf der Pufferschicht 3 gebildet wird, muss die halb-isolierende Nitridschicht 4 nicht gebildet werden.
  • Auch wenn bei jeder der oben beschriebenen ersten und zweiten bevorzugten Ausführungsform ein Beispiel angeführt wird, bei dem die erste Nitridhalbleiterschicht (Elektronentransitschicht) 5 eine GaN-Schicht und die zweite Nitridhalbleiterschicht (Elektronenzuführungsschicht) 6 eine AlGaN-Schicht umfasst, reicht es aus, dass sich die erste Nitridhalbleiterschicht 5 und die zweite Nitridhalbleiterschicht 6 in der Bandlücke (z. B. in der Al-Zusammensetzung) unterscheiden, und andere Kombinationen sind ebenfalls möglich. Als Kombinationen der ersten Nitridhalbleiterschicht 5 / zweiten Nitridhalbleiterschicht 6 können z.B. GaN/AlN, AlGaN/AlN usw. genannt werden.
  • Während bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oben detailliert beschrieben wurden, handelt es sich dabei lediglich um spezifische Beispiele, die zur Verdeutlichung des technischen Inhalts der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, und die vorliegende Offenbarung sollte nicht so ausgelegt werden, als sei sie auf diese spezifischen Beispiele beschränkt; der Umfang der vorliegenden Offenbarung ist nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt, und verschiedene Konstruktionsänderungen können im Rahmen anderer in den Ansprüchen beschriebener Gegenstände angewendet werden.
  • Die vorliegende Anmeldung entspricht der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-065663 , die am 8. April 2021 beim japanischen Patentamt eingereicht wurde, und die gesamte Offenbarung dieser Anmeldung ist hier durch Bezugnahme enthalten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1A
    Nitridhalbleiterbauteil
    2
    Substrat
    3
    Pufferschicht
    4
    halb-isolierende Nitridschicht
    5
    erste Nitridhalbleiterschicht
    6
    zweite Nitridhalbleiterschicht
    7
    Isolierfilm
    8
    Sourcekontaktloch
    9
    Drainkontaktloch
    10
    Source-Elektrode
    10A
    Hauptelektrodenabschnitt
    10B
    Erweiterungsabschnitt
    11
    Drain-Elektrode
    12
    Gatekontaktloch
    13
    Gate-Elektrode
    15
    harte Maskenschicht
    15a
    Öffnungsabschnitt
    16
    Rückseitige Elektrode
    16A
    Barrieremetallfilm
    16B
    Elektrodenmetall
    17
    Kontaktstecker
    17A
    Barrieremetallfilm
    17B
    Metallstecker
    18
    Rückseitiges Kontaktloch
    19
    zweidimensionales Elektronengas
    20
    Nitridepitaxieschicht
    31
    Isoliermaterialfilm
    32
    Elektrodenfilm
    40
    Source-Elektrode
    40A
    Hauptelektrodenabschnitt
    40B
    Erweiterungsabschnitt
    41
    Barrieremetallfilm
    42
    Elektrodenmetall
    50
    Drain-Elektrode
    51
    Barrieremetallfilm
    52
    Elektrodenmetall
    61
    Rückseitige Elektrode
    62
    Rückseitiges Kontaktloch
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2004363563 [0006]
    • JP 2021065663 [0100]

Claims (12)

  1. Nitridhalbleiterbauteil, aufweisend: ein SiC-Substrat mit einem hexagonalen Kristallsystem, das eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche an einer dazu gegenüberliegenden Seite aufweist; und eine Nitridepitaxieschicht, die auf der ersten Hauptfläche gebildet ist; und wobei die erste Hauptfläche einen Abweichungswinkel von mehr als 1° in Bezug auf eine c-Ebene des hexagonalen Kristalls aufweist.
  2. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 1, wobei die erste Hauptfläche den Abweichungswinkel aufweist, der um einen Winkel von nicht weniger als 1° und nicht mehr als 8° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist.
  3. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 1, wobei die erste Hauptfläche den Abweichungswinkel aufweist, der um einen Winkel von nicht weniger als 2° und nicht mehr als 6° in einer [11-20]-Richtung in Bezug auf die c-Ebene des hexagonalen Kristalls geneigt ist.
  4. Nitridhalbleiterbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nitridepitaxieschicht aufweist: eine erste Nitridhalbleiterschicht, die eine Elektronentransitschicht bildet, und eine zweite Nitridhalbleiterschicht, die auf der ersten Nitridhalbleiterschicht angeordnet ist, eine Elektronenzuführungsschicht bildet und eine höhere Bandlücke als die erste Nitridhalbleiterschicht aufweist.
  5. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 4, aufweisend: eine halb-isolierende Nitridschicht, die zwischen dem SiC-Substrat und der ersten Nitridhalbleiterschicht angeordnet ist und bei der eine Akzeptorkonzentration höher ist als eine Donatorkonzentration.
  6. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 5, aufweisend: eine Pufferschicht, die zwischen dem SiC-Substrat und der halb-isolierenden Nitridschicht angeordnet ist und einen Nitridhalbleiter aufweist.
  7. Nitridhalbleiterbauteil gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, aufweisend: eine Source-Elektrode; eine Drain-Elektrode; und eine Gate-Elektrode, die auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht angeordnet sind; eine rückseitige Elektrode, die auf der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist; und ein leitendes Glied, das die Nitridepitaxieschicht und das SiC-Substrat durchdringt und die Source-Elektrode mit der rückseitigen Elektrode elektrisch verbindet.
  8. Nitridhalbleiterbauteil gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, aufweisend: eine Source-Elektrode; eine Drain-Elektrode; und eine Gate-Elektrode, die auf der zweiten Nitridhalbleiterschicht angeordnet sind; eine rückseitige Elektrode, die auf der zweiten Hauptfläche ausgebildet ist; und ein leitendes Glied, das die Nitridepitaxieschicht durchdringt und die Source-Elektrode elektrisch mit dem SiC-Substrat verbindet.
  9. Nitridhalbleiterbauteil gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht aus einer GaN-Schicht und die zweite Nitridhalbleiterschicht aus einer AlGaN-Schicht gebildet ist.
  10. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 5, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht und die halbisolierende Nitridschicht eine kohlenstoffhaltige GaN-Schicht aufweist.
  11. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 6, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht, die halbisolierende Nitridschicht eine kohlenstoffhaltige GaN-Schicht und die Pufferschicht einen laminierten Film, umfassend eine auf der ersten Hauptfläche gebildete AlN-Schicht und eine auf die AlN-Schicht laminierte AlGaN-Schicht, aufweist.
  12. Nitridhalbleiterbauteil gemäß Anspruch 6, wobei die erste Nitridhalbleiterschicht eine GaN-Schicht, die zweite Nitridhalbleiterschicht eine AlGaN-Schicht, die halbisolierende Nitridschicht eine kohlenstoffhaltige GaN-Schicht und die Pufferschicht eine AlN-Schicht oder eine AlGaN-Schicht aufweist.
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