JP2008021757A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体装置10は、p型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体のp型部分領域52とn型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体のソース領域54を備えている。半導体装置10はさらに、p型部分領域52及びソース領域54に電気的に接続するソース電極58を備えている。半導体装置10は、p型部分領域52とソース電極の間に形成されているとともに酸化ガリウムを含むコンタクト層56を備えている。コンタクト層56は、ソース領域54とソース電極58の間にも形成されている。
【選択図】 図1
Description
一方、n型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体の半導体領域と電極のコンタクト特性を改善するためには、TiやAlなどが一般的に用いられる。
本発明は、上記の課題を解決する技術を提供する。
本発明は、第1コンタクト層と第2コンタクト層に共通の材料である酸化ガリウムを用いることを特徴としている。酸化ガリウムは導電性を有しており、p型の半導体領域と電極の間を良好に電気的に接続することができる。さらに、酸化ガリウムは、n型の半導体領域と電極の間も良好に電気的に接続することができる。本発明の製造方法では、p型の第1部分領域の表面とn型の第2部分領域の表面のそれぞれに専用のコンタクト層を形成しない。本発明の製造方法では、第1コンタクト層と第2コンタクト層の両者が、同一工程で作成される。本発明の製造方法を利用すると、少ない工程数で製造することが可能であるとともに、p型の第1部分領域と第1電極の間のコンタクト特性とn型の第2部分領域と第2電極の間のコンタクト特性の両者を改善することができる。
なお、特許文献3〜5には、発光素子の透明電極に酸化ガリウムを用いる技術が提案されている。特許文献3〜5の技術思想は、酸化ガリウムが透明であるという特性に着目して創作されたものである。本発明の技術思想は、透明であるという特性に全く着目していない。本発明は、コンタクト特性の改善と工程数の削減を主な目的としている。透明電極に係る技術思想とコンタクト特性の改善に係る技術思想は相容れないものである。例えば、コンタクト特性の改善のみに着目したならば、p型の半導体領域にはPdAu合金やNiAu合金を用い、n型の半導体領域にはTiやAlを用いようとする。透明であるという特性で注目されている酸化ガリウムが従来から知られていたとしても、その材料をコンタクト特性の改善のために用いようとする着想は得られない。なぜなら、酸化ガリウムは、PdAu合金、NiAu合金、Ti及びAlの材料よりもコンタクト特性を悪化させ得るからである。本発明は、その酸化ガリウムを敢えて使用する。即ち、本発明の技術思想は、最良のコンタクト特性を得るためのものではなく、コンタクト特性を犠牲にしてでも工程数が削減できるという利益を享受するものである。本発明は、p型の半導体領域とn型の半導体領域のコンタクト特性の改善と工程数の削減を同時に得ることができる有用な技術である。
本発明の半導体装置では、第1コンタクト層が第1部分領域と第1電極の間を良好に電気的に接続し、第2コンタクト層が第2部分領域と第2電極の間を良好に電気的に接続する。第1コンタクト層と第2コンタクト層は、共通の材料であり、同一工程で作成することができる。本発明の半導体装置は、少ない工程数で製造することが可能であるとともに、p型の第1部分領域と第1電極の間のコンタクト特性とn型の第2部分領域と第2電極の間のコンタクト特性の両者を改善することができる。
上記の半導体装置では、ゲート電極に電圧が印加していない状態において、p型半導体領域から伸展する空乏層がチャネル領域を空乏化する。このため、上記の半導体装置は、ノーマリオフで動作することができる。この種の半導体装置では、p型半導体領域の電位を安定させるために、コンタクト部に設けられたp型部分領域を介してp型半導体領域と第1電極を電気的に接続している。一方、この種の半導体装置では、チャネル領域に電子を供給するために、コンタクト部に設けられたn型部分領域を介してチャネル領域と第2電極を電気的に接続している。本発明の半導体装置では、p型部分領域と第1電極の間のコンタクト特性が第1コンタクト層によって改善されており、n型部分領域と第2電極の間のコンタクト特性が第2コンタクト層によって改善されている。
第1コンタクト層と第2コンタクト層は、共通の材料であり、同一工程で作成することができる。本発明の半導体装置は、少ない工程数で製造することが可能であるとともに、p型の第1部分領域と第1電極の間のコンタクト特性とn型の第2部分領域と第2電極の間のコンタクト特性の両者を改善することができる。
第1コンタクト層と第2コンタクト層を共通化することによって、第1コンタクト層と第2コンタクト層がセルフアライン的に形成され、半導体装置が小型化される。
上記の半導体装置では、第1チャネル領域と第2チャネル領域の間に2次元電子ガス層が形成され、電子はその2次元電子ガス層を利用して走行することができる。上記の半導体装置のチャネル抵抗は小さい。
本発明の製造方法は、ゲート部とコンタクト部に連続して伸びているp型半導体領域と第1チャネル領域と第2チャネル領域の積層体を準備し、コンタクト部の範囲に存在する第1チャネル領域及び第2チャネル領域の一部にn型の不純物を導入し、n型部分領域を形成する工程を備えている。本発明の製造方法は、そのn型部分領域の第2チャネル領域の一部を除去し、第1チャネル領域が露出する溝を形成する工程を備えている。本発明の製造方法は、その溝の底面において露出している第1チャネル領域の表面、及びその溝よりも反ゲート部側の第2チャネル領域の表面の一部を酸化し、第1チャネル領域の少なくとも一部に酸化ガリウムを含むコンタクト層を形成し、第2チャネル領域の少なくとも一部に酸化アルミニウムを含む絶縁領域する工程を備えている。本発明の製造方法はさらに、コンタクト層に電気的に接続する第2電極を形成する工程を備えている。
上記の製造方法では、溝の底面において露出している第1チャネル領域の表面、及び第2チャネル領域の表面の一部を同時に酸化することによって、第1チャネル領域の少なくとも一部に酸化ガリウムを含むコンタクト層を形成し、第2チャネル領域の少なくとも一部に酸化アルミニウムを含む絶縁領域することを特徴としている。この工程によって、第2電極に接続するためのコンタクト層が形成されるとともに、半導体装置を周囲から絶縁分離するための絶縁領域も同時に形成することができる。
(第1形態) 窒化ガリウム系半導体は、一般式がAlXGaYIn1-X-YN(ただし、0≦X≦1、0<Y≦1、0≦1−X−Y≦1)で表される。
(第2形態) p型部分領域の表面及びn型部分領域の表面に対する酸化処理は、熱酸化処理、オゾン処理等を利用することができる。
半導体装置10は、アルミニウム(Al)のドレイン電極22を裏面に備えている。半導体装置10は、そのドレイン電極22上に形成されており、窒化ガリウム(GaN)を主材料とするn+型のドレイン層24を備えている。ドレイン層24の不純物には、シリコン(Si)又は酸素(O)が用いられており、そのキャリア濃度は約3×1018cm-3に調整されている。ドレイン層24の厚みは、約200μmである。
p型半導体領域28の横方向の距離L28は、約10〜25μmである。なお、図1は、半導体装置10の単位構造を表しており、実際には、その単位構造が紙面左右に繰り返し形成されている。したがって、実際のp型半導体領域28の横方向の距離は、前記距離L28の約2倍になる。p型半導体領域28とそれに隣合うp型半導体領域28の間の距離L26は、約1〜10μmである。
p型半導体領域28が不純物拡散抑制膜32を介して第1チャネル領域34に間接的に接している。このため、ゲート電極39に電圧を印加していない状態では、第1チャネル領域34に空乏層が形成され、その空乏層は第1チャネル領域34と第2チャネル領域36のヘテロ接合面にまで伸びている。これにより、ヘテロ接合面の伝導体のエネルギー準位は、フェルミ準位よりも上側に存在することになる。このため、ゲート電極39に電圧を印加していない状態では、2次元電子ガス層は、ヘテロ接合面に形成されない。したがって、ゲート電極39に電圧が印加されていない状態では、電子の走行が停止され、半導体装置10は、ノーマリオフとして動作する。
さらに、コンタクト層56は、ソース領域54とソース電極58の間にも良好な電気的な接続を提供する。このため、ソース領域54とソース電極58の間のコンタクト抵抗が小さい。この結果、半導体装置10のオン抵抗は、小さい値になる。
さらに、コンタクト層56は、p型部分領域52とソース領域54の両者に共通して設けられている。半導体装置10は、p型部分領域52とソース領域54のそれぞれに専用のコンタクト層を形成しない。コンタクト層56は、同一工程で作成することができる。半導体装置10は、少ない工程数で製造することが可能であるとともに、p型部分領域54とソース電極58の間のコンタクト特性とソース領域52とソース電極の間のコンタクト特性の両者を改善することができる。
次に半導体装置10の製造方法を説明する。
まず、図2に示すように、n+型の窒化ガリウムを主材料とする半導体基板24(後にドレイン層24となる)を用意する。半導体基板24の厚みは約200μmである。
次に、図3に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、半導体基板24上にn−型の低濃度半導体領域26を結晶成長する。低濃度半導体領域26の厚みは、約6μmである。さらに、MOCVD法を利用して、低濃度半導体領域26上にp+型のp型半導体領域28を結晶成長する。p型半導体領域28の厚みは、約0.5μmである。次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を利用して、p型半導体領域28上に酸化シリコンのマスク62を成膜する。
次に、図5に示すように、MOCVD法を利用して、p型半導体領域28及び低濃度半導体領域26の表面に窒化アルミニウムの不純物拡散抑制膜32を成膜する。
次に、図6に示すように、リソグラフィー技術を利用して、トレンチ71の内壁に形成されている不純物拡散抑制膜32を除去するとともに、p型半導体領域28がコンタクトするための開孔に対応する部分の不純物拡散抑制膜32を除去する。
次に、図7に示すように、CVD法を利用して、不純物拡散抑制膜32及び露出するp型半導体領域28上に酸化シリコンのマスク64を形成する。
なお、不純物抑制膜32の材料に、酸化シリコン又は窒化シリコンを用いると、この工程において選択横方向成長法(ELO)の技術を利用することができる。酸化シリコン又は窒化シリコンは、それらの表面から結晶成長が生じない。したがって、トレンチ71において露出している低濃度半導体領域26の表面からの結晶成長が、不純物拡散抑制膜32の表面を横方向に進行する。このとき、不純物拡散抑制膜32の表面を覆って形成される部分は、結晶欠陥の密度が低減化された良質な半導体層になる。なお、ELO技術で成長した半導体層の厚みが厚い場合は、エッチング、研磨などにより所望の厚さに調整することができる。
なお、第1チャネル領域34及び第2チャネル領域36を形成すると同時に、p型半導体領域28に含まれていたマグネシウムの一部が、不純物拡散抑制膜32の開孔から第1チャネル領域34及び第2チャネル領域36の一部に拡散し、p型部分領域52を形成する。
次に、CVD法を利用して、第2チャネル領域36の表面に酸化シリコンのマスク66を形成する。次に、マスク66は、リソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、コンタクト部に対応する部分が選択的に除去される。
次に、イオン注入技術を利用して、マスク66の開孔から露出している第2チャネル領域36及び第1チャネル領域34に不純物を導入する。このとき、窒素をドーズ量1×1015cm-2、加速電圧35eVで注入した後に、シリコンをドーズ量1×1015cm-2、加速電圧65eVで注入する。イオン注入をした後に、マスク66を除去する。
次に、図13に示すように、酸化処理(酸素雰囲気下、880℃、5時間)を実施する。酸化処理によって、p型部分領域52の表面及びソース領域54の表面が酸化され、酸化ガリウムのコンタクト層56が形成される。コンタクト層56は、p型部分領域52とソース領域54の両者に連続して形成される。なお、詳細には、コンタクト層56のうちp型部分領域52を酸化して形成される部分の厚みとコンタクト層56のうちソース領域54を酸化して形成される部分の厚みは異なっていることが多い。図13では、コンタクト層56がp型部分領域52とソース領域54の両者に連続して形成されていることを明瞭にするために、簡単化して図示している。また、本工程の酸化処理によってマスク68も酸化され、酸化シリコンとポリシリコンの積層膜となるが、図12では簡単化して図示している。マスク68は、酸化処理後にフッ酸によるエッチングによって除去する。
次に、CVD法を利用して、ゲート絶縁膜38の表面に不純物が高濃度に導入されたポリシリコンのゲート電極39を形成する。次に、リソグラフィー技術及びエッチング技術を利用して、ゲート絶縁膜38とゲート電極39を所望の形状に加工する。この工程を経て、図14に示す構造が得られる。
酸化ガリウムのコンタクト層56は導電性を有しており、p型部分領域52とソース電極58の間を良好に電気的に接続することができる。さらに、コンタクト層56は、ソース領域54とソース電極58の間も良好に電気的に接続することができる。本実施例の製造方法では、p型部分領域52の表面とソース領域54の表面のそれぞれに専用のコンタクト層を形成しない。本実施例の製造方法を利用すると、少ない工程数で製造することが可能であるとともに、p型部分領域52とソース電極58の間のコンタクト特性とソース領域54とソース電極58の間のコンタクト特性の両者を改善することができる。さらに、コンタクト層56及びソース電極58がセルフアライン的に形成されるので、コンタクト層56及びソース電極58を少ない面積にすることができる。本実施例の製造方法は、半導体装置10の小型化に寄与することができる。
図15に、半導体装置10の他の製造方法の製造過程を示す。図15の製造過程は、ソース領域54及びp型部分領域52のうち第2チャネル領域36に対応する部分を除去する前の段階であり、図12の製造過程に対応している。
次に、図16に示すように、ソース領域54の一部及びp型部分領域52の一部を除去し、溝72を形成する。溝72は、ソース領域54及びp型部分領域52に形成され、第2チャネル領域36に形成されていない。溝72の深さは、第2チャネル領域36の厚みに対応している。したがって、溝72を形成することによって、ソース領域54及びp型部分領域52のうち第2チャネル領域36に対応する部分が除去され、ソース領域54及びp型部分領域52のうち第1チャネル領域34に対応する部分の表面が露出する。
絶縁領域74は、第2チャネル領域36及び第1チャネル領域34内に形成され、ヘテロ接合面を実質的に破壊する。このため、素子分離を良好に行うことができる。この素子分離技術は、複数の半導体装置10群とその周囲に形成される他の素子の間を電気的に分離するときに有用である。
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、出願時請求項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。
24:ドレイン層
26:低濃度半導体領域
28:p型半導体領域
30:ゲート部
32:不純物拡散抑制膜
34:第1チャネル領域
35:チャネル領域
36:第2チャネル領域
38:ゲート絶縁膜
39:ゲート電極
50:コンタクト部
52:p型部分領域
54:ソース領域
56:コンタクト層
58:ソース電極
Claims (7)
- 半導体装置を製造する方法であって、
p型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体の第1部分領域とn型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体の第2部分領域が表面に露出している半導体領域を酸化し、第1部分領域の少なくとも一部に酸化ガリウムを含む第1コンタクト層を形成するとともに第2部分領域の少なくとも一部にも酸化ガリウムを含む第2コンタクト層を形成する工程と、
第1コンタクト層に電気的に接続する第1電極を形成する工程と、
第2コンタクト層に電気的に接続する第2電極を形成する工程と、
を備えている製造方法。 - 半導体装置であって、
p型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体の第1部分領域とn型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体の第2部分領域を有する半導体領域と、
第1部分領域に電気的に接続する第1電極と、
第1部分領域と第1電極の間に形成されているとともに酸化ガリウムを含む第1コンタクト層と、
第2部分領域に電気的に接続する第2電極と、
第2部分領域と第2電極の間に形成されているとともに酸化ガリウムを含む第2コンタクト層と、
を備えている半導体装置。 - ゲート部とコンタクト部が横方向に並んで配置されている半導体装置であって、
ゲート部は、
p型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体のp型半導体領域と、
ゲート電極と、
p型半導体領域とゲート電極の間に形成されているとともに窒化ガリウム系半導体のチャネル領域を有し、
コンタクト部は、
前記p型半導体領域に電気的に接続しているとともにp型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体のp型部分領域と、
p型部分領域に電気的に接続する第1電極と、
p型部分領域と第1電極の間に形成されているとともに酸化ガリウムを含む第1コンタクト層と、
前記チャネル領域に電気的に接続しており、n型の不純物を含む窒化ガリウム系半導体のn型部分領域と、
n型部分領域に電気的に接続する第2電極と、
n型部分領域と第2電極の間に形成されているとともに酸化ガリウムを含む第2コンタクト層と、
を備えている半導体装置。 - p型部分領域とn型部分領域が直接的に接しており、第1コンタクト層と第2コンタクト層が連続していることを特徴とする請求項3の半導体装置。
- チャネル領域は、第1チャネル領域と第2チャネル領域を有し、
第1チャネル領域のバンドギャップの幅と第2チャネル領域のバンドギャップの幅が異なっており、第1チャネル領域と第2チャネル領域がヘテロ接合していることを特徴とする請求項3又は4の半導体装置。 - 第1チャネル領域は、アルミニウムを含まない窒化ガリウムであり、
第2チャネル領域は、アルミニウムを含む窒化ガリウムであることを特徴とする請求項5の半導体装置。 - 請求項6の半導体装置を製造する方法であり、
ゲート部とコンタクト部に連続して伸びているp型半導体領域と第1チャネル領域と第2チャネル領域の積層体を準備し、コンタクト部の範囲に存在する第1チャネル領域及び第2チャネル領域の一部にn型の不純物を導入し、n型部分領域を形成する工程と、
そのn型部分領域の第2チャネル領域の一部を除去し、第1チャネル領域が露出する溝を形成する工程と、
その溝の底面において露出している第1チャネル領域の表面、及びその溝よりも反ゲート部側の第2チャネル領域の表面の一部を酸化し、第1チャネル領域の少なくとも一部に酸化ガリウムを含むコンタクト層を形成し、第2チャネル領域の少なくとも一部に酸化アルミニウムを含む絶縁領域する工程と、
前記コンタクト層に電気的に接続する第2電極を形成する工程と、
を備えている製造方法。
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