JP2008177515A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体で構成された半導体装置とその製造方法に関する。特に、p型の不純物を含むp型窒化物半導体領域とその表面に形成されている電極との間の接触抵抗が低くなるように改善された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device composed of a nitride semiconductor and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a semiconductor device improved so that the contact resistance between a p-type nitride semiconductor region containing a p-type impurity and an electrode formed on the surface thereof is lowered.
窒化物半導体で構成された半導体装置の開発が進められている。例えば、窒化物半導体で構成されたMISFET(Metal Insulated Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、HEMT(High Electron Mobility Transistor)、ダイオードなどの開発が進められている。非特許文献1には、窒化物半導体で構成されたMOSFETが開示されている。
Development of a semiconductor device composed of a nitride semiconductor is in progress. For example, the development of MISFETs (Metal Insulated Semiconductor Field Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), HEMTs (High Electron Mobility Transistors), diodes, and the like made of nitride semiconductors is underway. Non-Patent
図27に、非特許文献1に開示されているMOSFET100の断面図を模式的に示す。MOSFET100は、基板110の表面に形成されているp型のボディ領域116と、ボディ領域116の表面に形成されているn型のドレイン領域122とn型のソース領域124を備えている。ドレイン領域122とソース領域124は、ボディ領域116によって隔てられている。MOSFET100は、さらにドレイン領域122とソース領域124を隔てているボディ領域116にゲート絶縁膜129を介して対向しているゲート電極130を備えている。ドレイン領域122はドレイン電極126に電気的に接続されており、ソース領域124はソース電極128に電気的に接続されている。MOSFET100は、さらにボディ領域116に電気的に接続されているボディ電極120を備えている。ボディ電極120は、ボディ領域116からホールを排出する。
FIG. 27 schematically shows a cross-sectional view of
一般的に、窒化物半導体に含まれているp型の不純物は、活性化率が低いことが知られている。このため、ボディ電極120とボディ領域116の間の接触抵抗を低くすることが難しいという問題がある。
上記の課題は、MOSFET100に限ったことではない。他の種類の半導体装置においても、p型窒化物半導体領域の表面に電極を形成することがある。この場合も、p型窒化物半導体領域と電極の間の接触抵抗を小さく抑えることが難しいという問題がある。
本発明は、p型窒化物半導体領域の表面に電極が形成されている半導体装置に関する。本発明は、p型窒化物半導体領域と電極の間の接触抵抗が小さく抑えられている半導体装置を提供することを目的としている。本発明はまた、そのような半導体装置を製造する方法を提供することも目的としている。
In general, it is known that p-type impurities contained in nitride semiconductors have a low activation rate. For this reason, there is a problem that it is difficult to reduce the contact resistance between the
The above problem is not limited to the
The present invention relates to a semiconductor device in which an electrode is formed on the surface of a p-type nitride semiconductor region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a contact resistance between a p-type nitride semiconductor region and an electrode is kept small. The present invention also aims to provide a method of manufacturing such a semiconductor device.
本明細書で開示される技術は、p型窒化物半導体領域と電極の接触抵抗を下げるために、p型窒化物半導体結晶に存在する転位を積極的に利用する。本発明者らの研究によって、転位が多く存在する領域(転位の密度が高い領域をいい、本発明では高転位密度領域という)の表面に電極を形成すると、電極を形成する導電性物質が転位に沿ってp型半導体領域内に進入し、p型窒化物半導体領域と電極の接触抵抗が低下することを見出した。本明細書で開示される技術は、その知見を活用する。 The technique disclosed in this specification positively utilizes dislocations existing in the p-type nitride semiconductor crystal in order to reduce the contact resistance between the p-type nitride semiconductor region and the electrode. According to the inventors' research, when an electrode is formed on the surface of a region where many dislocations exist (a region having a high dislocation density, which is called a high dislocation density region in the present invention), the conductive material forming the electrode is dislocated. It has been found that the contact resistance between the p-type nitride semiconductor region and the electrode decreases as it enters the p-type semiconductor region. The technology disclosed in this specification utilizes the knowledge.
本明細書で開示される半導体装置は、高転位密度領域と低転位密度領域を有するとともにp型の不純物を含むp型窒化物半導体領域と、p型窒化物半導体領域の高転位密度領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極を備えている。
上記の半導体装置は、転位の密度が高い高転位密度領域の表面に電極が形成されているために、p型窒化物半導体領域と電極の接触抵抗を低く抑えることができる。この半導体装置の場合、p型窒化物半導体領域にホールが蓄積することを防止する必要があるような場合に、p型窒化物半導体領域からホールをスムーズに排出することができる。あるいは、p型窒化物半導体領域の電位を安定する必要があるときに、その電位を安定させることができる。
A semiconductor device disclosed in this specification includes a p-type nitride semiconductor region having a high dislocation density region and a low dislocation density region and containing p-type impurities, and a surface of a high dislocation density region of the p-type nitride semiconductor region. The electrode formed in at least one part of is provided.
In the semiconductor device, since the electrode is formed on the surface of the high dislocation density region where the dislocation density is high, the contact resistance between the p-type nitride semiconductor region and the electrode can be kept low. In the case of this semiconductor device, holes can be smoothly discharged from the p-type nitride semiconductor region when it is necessary to prevent holes from accumulating in the p-type nitride semiconductor region. Alternatively, when it is necessary to stabilize the potential of the p-type nitride semiconductor region, the potential can be stabilized.
本明細書で開示される半導体装置では、高転位密度領域を介して前記電極に対向している格子不整合層をさらに備えているのが好ましい。この場合、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数が不一致であることを特徴としている。
格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数が不一致であると、格子不整合層の表面からp型窒化物半導体領域を結晶成長させたときに、格子不整合層の表面には転位の密度が高い高転位密度領域が形成される。上記の半導体装置は、p型窒化物半導体領域の一部に高転位密度領域を容易に形成することが可能な形態を備えている。
The semiconductor device disclosed in this specification preferably further includes a lattice mismatching layer facing the electrode via a high dislocation density region. In this case, the lattice constants of the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region are mismatched.
If the lattice constants of the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region do not match, when the p-type nitride semiconductor region is crystal-grown from the surface of the lattice mismatching layer, there is a dislocation on the surface of the lattice mismatching layer. A high dislocation density region having a high density is formed. The semiconductor device has a configuration in which a high dislocation density region can be easily formed in a part of the p-type nitride semiconductor region.
本明細書で開示される半導体装置では、格子不整合層がp型窒化物半導体領域中の一部に形成されているのが好ましい。この場合、格子不整合層と電極の間に高転位密度領域が存在している。
ここで、「格子不整合層がp型窒化物半導体領域中の一部に形成されている」とは、格子不整合層がp型窒化物半導体領域によって取り囲まれた形態をいい、また格子不整合層がp型窒化物半導体領域によって他の領域から隔てられていることをいう。
上記形態の半導体装置では、高転位密度領域がp型窒化物半導体領域を貫通して存在することなく、格子不整合層と電極の間の限られた範囲に存在している。このため、高転位密度領域が影響を及ぼす範囲は、格子不整合層と電極の間の限られた範囲に留まることができ、この結果、リーク電流の増加や耐圧特性の変化を抑制できる半導体装置が得られる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the lattice mismatch layer is preferably formed in a part of the p-type nitride semiconductor region. In this case, a high dislocation density region exists between the lattice mismatch layer and the electrode.
Here, “the lattice mismatching layer is formed in a part of the p-type nitride semiconductor region” means a form in which the lattice mismatching layer is surrounded by the p-type nitride semiconductor region. This means that the matching layer is separated from other regions by the p-type nitride semiconductor region.
In the semiconductor device of the above aspect, the high dislocation density region does not exist through the p-type nitride semiconductor region, but exists in a limited range between the lattice mismatch layer and the electrode. For this reason, the range affected by the high dislocation density region can be limited to a limited range between the lattice mismatch layer and the electrode, and as a result, the semiconductor device capable of suppressing an increase in leakage current and a change in breakdown voltage characteristics. Is obtained.
本明細書で開示される技術は、例えばMOSやIGBTといったスイッチング機能を有する半導体装置に具現化することができる。本明細書で開示される具体的な1つの半導体装置は、窒化物半導体の下地層と、下地層の表面の一部に形成されている格子不整合層と、下地層から格子不整合層に跨って伸びる範囲の下地層と格子不整合層の表面に形成されているとともにp型の不純物を含むp型窒化物半導体領域と、平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極と、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲に形成されているスイッチング構造体とを備えている。本明細書で開示される半導体装置では、下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さい。
上記の半導体装置によると、下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さいために、下地層と格子不整合層の表面からp型窒化物半導体領域を結晶成長したときに、下地層の表面には転位の少ない領域が形成されるのに対して格子不整合層の表面には転位の多い領域が形成される。平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面に電極を形成すると、その電極はp型窒化物半導体領域に形成されている高転位密度領域に接する。この結果、電極とp型窒化物半導体領域の接触抵抗が下がり、ドレイン電極とソース電極の間に高電圧が印加されたときにアバランシェ現象で発生したホールはp型窒化物半導体領域から電極に円滑に排出される。平面視したときに、格子不整合層が存在しない範囲はきれいな結晶であって転位が少ない。この低転位密度領域にスイッチング構造体が形成されているために、スイッチング構造体はすぐれた特性を発揮する。
The technology disclosed in this specification can be embodied in a semiconductor device having a switching function, such as a MOS or an IGBT. One specific semiconductor device disclosed in this specification includes a nitride semiconductor underlayer, a lattice mismatching layer formed on a part of the surface of the underlayer, and an underlayer to a lattice mismatching layer. A p-type nitride semiconductor region formed on the surface of the underlying layer and the lattice mismatching layer extending in a straddle and containing p-type impurities, and a p-type in a range where the lattice mismatching layer exists when viewed in plan An electrode formed on at least a part of the surface of the nitride semiconductor region, and a switching structure formed in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view. In the semiconductor device disclosed in this specification, the difference in lattice constant between the base layer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than the difference in lattice constant between the lattice mismatch layer and the p-type nitride semiconductor region.
According to the above semiconductor device, since the difference in lattice constant between the base layer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than the difference in lattice constant between the lattice mismatch layer and the p-type nitride semiconductor region, the lattice mismatch with the base layer When a p-type nitride semiconductor region is crystal-grown from the surface of the layer, a region with few dislocations is formed on the surface of the underlayer, whereas a region with many dislocations is formed on the surface of the lattice mismatch layer. The When an electrode is formed on the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists when seen in a plan view, the electrode is in contact with the high dislocation density region formed in the p-type nitride semiconductor region. As a result, the contact resistance between the electrode and the p-type nitride semiconductor region decreases, and holes generated by the avalanche phenomenon when a high voltage is applied between the drain electrode and the source electrode are smoothly transferred from the p-type nitride semiconductor region to the electrode. To be discharged. When viewed in a plan view, the region where no lattice mismatching layer exists is a clean crystal with few dislocations. Since the switching structure is formed in this low dislocation density region, the switching structure exhibits excellent characteristics.
本明細書で開示される他の具体的な1つの半導体装置は、窒化物半導体の下地層と、下地層の表面に形成されているとともに、p型の不純物を含むp型窒化物半導体領域と、p型窒化物半導体領域中の一部に形成されている格子不整合層と、平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極と、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲に形成されているスイッチング構造体とを備えている。本明細書で開示される他の具体的な1つの半導体装置においても、下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さい。
上記の半導体装置では、格子不整合層がp型窒化物半導体領域を介して下地層から隔てられている。このため、格子不整合層と下地層の間には、転位の少ないp型窒化物半導体領域が存在しているので、半導体装置の安定した特性が得られる。
Another specific semiconductor device disclosed in this specification includes a nitride semiconductor underlayer, a p-type nitride semiconductor region formed on the surface of the underlayer, and including a p-type impurity. And a lattice mismatching layer formed in a part of the p-type nitride semiconductor region, and at least a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists in a plan view. And a switching structure formed in a range where the lattice mismatching layer does not exist when viewed in a plan view. In another specific semiconductor device disclosed in this specification, the difference between the lattice constants of the base layer and the p-type nitride semiconductor region is the lattice constant of the lattice mismatch layer and the p-type nitride semiconductor region. Smaller than the difference.
In the above semiconductor device, the lattice mismatch layer is separated from the base layer via the p-type nitride semiconductor region. For this reason, since a p-type nitride semiconductor region with few dislocations exists between the lattice mismatch layer and the underlayer, stable characteristics of the semiconductor device can be obtained.
本明細書で開示される半導体装置には、様々なスイッチング構造体を組み込むことができる。例えば、MISFET構造体を組み込むことができる。その場合のスイッチング構造体は、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部に形成されているとともにn型の不純物を含むドレイン領域と、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部に形成されており、p型窒化物半導体領域によってドレイン領域から隔てられているとともにn型の不純物を含むソース領域と、ドレイン領域とソース領域を隔てているp型窒化物半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えていることを特徴とする。 Various switching structures can be incorporated in the semiconductor device disclosed in this specification. For example, a MISFET structure can be incorporated. In this case, the switching structure is formed on a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when viewed in plan, and includes a drain region including an n-type impurity, The p-type nitride semiconductor region is formed on a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region where no lattice mismatching layer exists when viewed, and the n-type impurity is separated from the drain region by the p-type nitride semiconductor region. And a gate electrode facing the p-type nitride semiconductor region separating the source region and the drain region with a gate insulating film interposed therebetween.
それに代えて、HEMT構造体を組み込むことができる。その場合のスイッチング構造体は、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型半導体領域の表面に形成されている窒化物半導体下層と、窒化物半導体下層の表面に形成されている窒化物半導体上層と、窒化物半導体上層の表面の一部に形成されているドレイン電極と、窒化物半導体上層の表面の他の一部に形成されているソース電極と、ドレイン電極とソース電極を隔てている窒化物半導体上層の表面上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えている。上記において、窒化物半導体下層のバンドギャップの幅は、窒化物半導体上層のバンドギャップの幅よりも小さいことを特徴とする。ゲート電極は、窒化物半導体上層の表面に直接に形成されていてもよいし、ゲート電極と窒化物半導体上層の間にゲート絶縁膜が介在していてもよい。 Alternatively, a HEMT structure can be incorporated. The switching structure in that case is formed on the surface of the nitride semiconductor lower layer formed on the surface of the p-type semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when viewed in plan, and on the surface of the nitride semiconductor lower layer A nitride semiconductor upper layer; a drain electrode formed on a part of the surface of the nitride semiconductor upper layer; a source electrode formed on another part of the surface of the nitride semiconductor upper layer; a drain electrode and a source electrode; A gate electrode formed on at least a part of the surface of the separated nitride semiconductor upper layer is provided. In the above, the band gap width of the nitride semiconductor lower layer is smaller than the band gap width of the nitride semiconductor upper layer. The gate electrode may be formed directly on the surface of the nitride semiconductor upper layer, or a gate insulating film may be interposed between the gate electrode and the nitride semiconductor upper layer.
あるいは、電流を縦方向に流すことが可能なHEMT構造体を組み込むこともできる。その場合のスイッチング構造体は、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面から裏面まで貫通して下地層に接しているとともにn型の不純物を含むn型窒化物半導体領域と、平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域とn型窒化物半導体領域の表面に形成されている窒化物半導体下層と、窒化物半導体下層の表面に形成されている窒化物半導体上層と、平面視したときにn型窒化物半導体領域が存在していない範囲の窒化物半導体上層の表面の一部に形成されているソース電極と、平面視したときにソース電極とn型窒化物半導体領域を隔てている窒化物半導体上層の表面上の少なくとも一部に形成されているゲート電極と、下地層の裏面に電気的に接続しているドレイン電極を備えている。この場合も、窒化物半導体下層のバンドギャップの幅が半導体上層のバンドギャップの幅よりも小さいことを特徴とする。ゲート電極は、窒化物半導体上層の表面に形成されていてもよいし、ゲート電極と窒化物半導体上層の間にゲート絶縁膜が介在していてもよい。 Alternatively, a HEMT structure capable of flowing a current in the vertical direction can be incorporated. In this case, the switching structure has an n-type impurity that penetrates from the front surface to the back surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view and includes an n-type impurity. Nitride semiconductor region, p-type nitride semiconductor region in a range where no lattice mismatching layer exists when viewed in plan, nitride semiconductor lower layer formed on the surface of n-type nitride semiconductor region, and nitride semiconductor A nitride semiconductor upper layer formed on the surface of the lower layer, a source electrode formed on a part of the surface of the nitride semiconductor upper layer in a range where the n-type nitride semiconductor region does not exist when viewed in plan, A gate electrode formed on at least a part of the surface of the upper layer of the nitride semiconductor that separates the source electrode and the n-type nitride semiconductor region in plan view, and electrically connected to the back surface of the base layer Dray And a electrode. Also in this case, the band gap width of the nitride semiconductor lower layer is smaller than the band gap width of the semiconductor upper layer. The gate electrode may be formed on the surface of the nitride semiconductor upper layer, or a gate insulating film may be interposed between the gate electrode and the nitride semiconductor upper layer.
本明細書で開示される半導体装置では、下地層とp型窒化物半導体領域に同一種類の半導体が用いられていることが好ましい。
この場合、下地層とp型半導体領域の格子定数が一致している。したがって、下地層の表面からp型半導体領域を結晶成長させたときに、下地層の上方には転位が少ない低転位密度領域が形成される。
In the semiconductor device disclosed in this specification, it is preferable that the same type of semiconductor is used for the base layer and the p-type nitride semiconductor region.
In this case, the lattice constants of the underlayer and the p-type semiconductor region are the same. Therefore, when the p-type semiconductor region is crystal-grown from the surface of the underlayer, a low dislocation density region with few dislocations is formed above the underlayer.
本明細書で開示される半導体装置では、下地層とp型窒化物半導体領域に窒化ガリウムが用いられており、格子不整合層に窒化アルミニウムが用いられていることが好ましい。窒化アルミニウムは窒化ガリウムよりも格子定数が小さいので、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数が不一致になる。したがって、格子不整合層の表面からp型半導体領域を結晶成長させたときに、格子不整合層の上方には転位が多い高転位密度領域が形成される。 In the semiconductor device disclosed in this specification, gallium nitride is preferably used for the base layer and the p-type nitride semiconductor region, and aluminum nitride is preferably used for the lattice mismatch layer. Since aluminum nitride has a smaller lattice constant than gallium nitride, the lattice constants of the lattice mismatch layer and the p-type nitride semiconductor region do not match. Therefore, when the p-type semiconductor region is crystal-grown from the surface of the lattice mismatch layer, a high dislocation density region with many dislocations is formed above the lattice mismatch layer.
本明細書で開示される技術によると、p型窒化物半導体領域の表面に電極を形成する際に、p型窒化物半導体領域に存在する転位の密度が高い領域に電極を形成するために、電極を形成する導電性物質が転位に沿ってp型窒化物半導体領域に侵入する。したがって、p型窒化物半導体領域と電極の接触抵抗を下げることができる。この結果、例えば半導体装置の動作時にp型窒化物半導体領域に発生したホールを、電極にスムーズに排出することができる。あるいは、p型窒化物半導体領域の電位を安定させることができる According to the technique disclosed in this specification, when forming an electrode on the surface of the p-type nitride semiconductor region, in order to form the electrode in a region having a high dislocation density existing in the p-type nitride semiconductor region, The conductive material forming the electrode enters the p-type nitride semiconductor region along the dislocation. Therefore, the contact resistance between the p-type nitride semiconductor region and the electrode can be lowered. As a result, for example, holes generated in the p-type nitride semiconductor region during operation of the semiconductor device can be smoothly discharged to the electrode. Alternatively, the potential of the p-type nitride semiconductor region can be stabilized.
本明細書で開示される技術の好ましい特徴を列記する。
(第1特徴) p型不純物としては、マグネシウム、ベリリウム、カルシウムを用いるのが好ましい。
(第2特徴) n型不純物としては、珪素、セレン等を用いるのが好ましい。
(第3特徴) 窒化物半導体は、一般式がAlXGaYIn1-X-YN(ただし、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦1−X−Y≦1)であるのが好ましい。
(第4特徴) 格子不整合層は、窒化物半導体であるのが好ましい。この場合、下地層と格子不整合層とp型窒化物半導体領域を形成する窒化物の一般式がAlXGaYIn1-X-YN(ただし、0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦1−X−Y≦1)であるのが好ましい。この場合、格子不整合層を形成する窒化物の一般式中のX、Y、1−X−Yは、下地層とp型窒化物半導体領域を形成する窒化物の一般式中のX、Y、1−X−Yと不一致であるのが好ましい。
(第5特徴) 格子不整合層がp型窒化物半導体領域中の一部に形成されており、格子不整合層の上方に存在するp型窒化物半導体領域の膜厚と格子不整合層の下方に存在するp型窒化物半導体領域の膜厚が略等しいのが好ましい。
Preferred features of the technology disclosed in this specification are listed.
(First Feature) As the p-type impurity, it is preferable to use magnesium, beryllium, or calcium.
(Second Feature) As the n-type impurity, it is preferable to use silicon, selenium or the like.
(Third feature) The nitride semiconductor has a general formula of Al X Ga Y In 1-XY N (where 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ 1-X−Y ≦ 1). Is preferred.
(Fourth feature) The lattice mismatch layer is preferably a nitride semiconductor. In this case, the general formula of the nitride forming the base layer, the lattice mismatching layer, and the p-type nitride semiconductor region is Al X Ga Y In 1-XY N (where 0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, It is preferable that 0 ≦ 1−X−Y ≦ 1). In this case, X, Y, 1-XY in the general formula of the nitride forming the lattice mismatching layer is X, Y in the general formula of the nitride forming the base layer and the p-type nitride semiconductor region. , 1-XY is preferred.
(Fifth feature) The lattice mismatch layer is formed in a part of the p-type nitride semiconductor region, and the thickness of the p-type nitride semiconductor region existing above the lattice mismatch layer and the lattice mismatch layer It is preferable that the thickness of the p-type nitride semiconductor region existing below is substantially equal.
(第1実施例)
図1に、スイッチング構造体としてMISFET構造体を備えた半導体装置1の断面図を模式的に示す。半導体装置1は、基板10と、基板10上に形成されている下地層12を備えている。基板10の材料には、サファイア(Al2O3)が用いられている。基板10の材料には、珪素(Si)、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)を用いても良い。下地層12には、不純物を含まない窒化ガリウムが用いられている。下地層12の表面の一部には、窒化アルミニウムの格子不整合層14が形成されている。格子不整合層14は、下地層12の表面の周縁の一部に形成されており、その厚みは約10nmである。下地層12と格子不整合層14の表面には、p型の不純物を含むp型窒化ガリウム領域16(p型窒化物半導体領域の一例)が形成されている。p型窒化ガリウム領域16は、下地層12の表面から格子不整合層14の表面に跨る範囲に連続して形成されている。p型窒化ガリウム領域16の不純物にはマグネシウム(Mg)が用いられており、そのキャリア濃度は約1×1017cm-3に調整されている。p型窒化ガリウム領域16の厚みは、約1000nmである。p型窒化ガリウム領域16は、結晶内に転位が高密度に存在する高転位密度領域18と転位が低密度にしか存在しない低転位密度領域19を備えている。高転位密度領域18は、平面視したときに、格子不整合層14が存在する範囲に形成されている。低転位密度領域19は、平面視したときに、格子不整合層14が存在しない範囲に形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional view of a
半導体装置1はさらに、p型窒化ガリウム領域16の表面に形成されているボディ電極20を備えている。ボディ電極20は、p型窒化ガリウム領域16のうちの高転位密度領域18の表面の少なくとも一部に形成されている。ボディ電極20の材料には、ニッケル(Ni)が用いられている。
The
半導体装置1はさらに、p型窒化ガリウム領域16の低密度領域19の表面に形成されているドレイン領域22とソース領域24を備えている。ドレイン領域22とソース領域24は、n型不純物を含んでいる。n型不純物には、シリコンが用いられる。ドレイン領域22とソース領域24は、p型窒化ガリウム領域16によって隔てられている。ソース領域24は、ボディ電極20側に配置されている。ドレイン領域22はドレイン電極26に電気的に接続しており、ソース領域24はソース電極28に電気的に接続している。
半導体装置1はさらに、ゲート電極30を備えている。ゲート電極30は、ドレイン領域22とソース領域24を隔てているp型窒化ガリウム領域16の表面に、ゲート絶縁膜29を介して対向している。ゲート電極30には、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、多結晶シリコン(Poly-Si)などが用いられている。ゲート絶縁膜29には、シリコン酸化膜(SiO)、あるいはシリコン窒化膜(SiN)が用いられている。
The
The
次に、半導体装置1の動作を説明する。
ドレイン領域22とソース領域24は、p型窒化ガリウム領域16で隔てられている。ゲート電極30に電圧が印加されていない状態では、ドレイン領域22とソース領域24を隔てているp型窒化ガリウム領域16に反転層が形成されず、ドレイン領域22とソース領域24の間に電流経路が形成されない。
ゲート電極30に正の電圧が印加されると、p型窒化ガリウム領域16とゲート絶縁膜29の境界面に電子が誘起し、ドレイン領域22とソース領域24を隔てているp型窒化ガリウム領域16にn型の反転層が形成される。したがって、ドレイン領域22とソース領域24の間に電流経路が形成される。
Next, the operation of the
The
When a positive voltage is applied to the
ドレイン電極26とソース電極28の間に高電圧が印加される場合は、アバランシェ現象により、ホールが発生する。発生したホールがp型窒化ガリウム領域16に蓄積されると、p型窒化ガリウム領域16の電位が上昇し、寄生トランジスタが動作するため素子が破壊に至る。したがって、発生したホールは、素早くp型窒化ガリウム領域16から排出されるのが望ましい。
半導体装置1では、p型窒化ガリウム領域16のうちの高転位密度領域18の表面にボディ電極20が形成されている。高転位密度領域18には、転位が高密度に存在している。高転位密度領域18の表面にボディ電極20を形成すると、ボディ電極20を形成する導電性物質が転位に沿って高転位密度領域18に侵入する。高転位密度領域18の表面にボディ電極20を形成すると、ボディ電極20と高転位密度領域18の接触抵抗が低くなる。このため、p型窒化ガリウム領域内に生成されたホールは、ボディ電極20に円滑に排出される。
When a high voltage is applied between the
In the
次に半導体装置1の製造方法について説明する。
まず図7に示すように、サファイアなどを主材料とする基板10を用意し、MOCVD法を利用して、その表面全体に窒化ガリウムの下地層12となる窒化ガリウム層を結晶成長させる。この下地層12には不純物は導入しない。次に、MOCVD法を利用して、下地層12の表面全体に窒化アルミニウムの格子不整合層14を結晶成長させる。下地層12を結晶成長させるときの温度は約1100℃に調整されており、格子不整合層14を結晶成長させるときの温度は約600℃以下に調整されている。
次に、図8に示すように、格子不整合層14の表面にシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を主成分とする絶縁膜13をパターニングする。次に、ウェットエッチング技術を利用して、露出した格子不整合層14の一部を除去する。ウェットエッチングは、水酸化カリウム(KOH)をベースとしたウェットエッチング(J.R.Mileham et.al., Appl. Phys. Lett., vol.67(1995), p.1119等)を利用することができる。ウェットエッチングに代えて、ICPドライエッチングなどを用いてもよい。
格子不整合層14の一部を除去した後、絶縁膜13を除去して、図9に示すように、MOCVD法を利用して、格子不整合層14と下地層12の表面からp型不純物を含む窒化ガリウムを結晶成長させる。p型不純物としてはマグネシウム(Mg)などをドープする。これによって、p型窒化ガリウム領域16が形成される。p型窒化ガリウム領域16と下地層12は、ともに窒化ガリウムであり、両者の格子定数は一致している。一方、格子不整合層14は窒化アルミニウムなので、p型窒化ガリウム領域16と格子不整合層14の格子定数は一致していない。したがって、p型窒化ガリウム領域16を結晶成長させたときに、格子定数の違いから格子不整合層14の表面には転位が高密度に存在する高転位密度領域18が形成される。一方、格子定数が一致することから、下地層12の表面には転位が低密度にしか存在しない低転位密度領域19が形成される。
その後で、一旦自然酸化膜を全て除去した後、再び、図10に示すように、全面に絶縁膜29を形成する。次に、低転位密度領域19に対応する絶縁膜29の一部を除去し、ドレイン領域22およびソース領域24を形成する。ドレイン領域22およびソース領域24は、イオン注入技術を利用して形成することができる。その後、一旦絶縁膜29を全て除去した後、再び図10に示すように全面に絶縁膜29を形成する。その後、高転位密度領域18に対応する絶縁膜29を除去し、高転位密度領域18の表面にボディ電極20を形成する。次に、図1に示すように、ドレイン領域22およびソース領域24の内側の絶縁膜29の一部を除去し、ドレイン領域22の表面の一部にドレイン電極26を形成し、ソース領域24の表面の一部にソース電極28を形成する。最後にドレイン領域22とソース領域24を隔てている絶縁膜29の表面に、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、多結晶シリコン(Poly-Si)などを主材料とするゲート電極30を形成する。これらの工程を経て、図1に示す半導体装置1を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 7, a
Next, as shown in FIG. 8, the insulating
After removing a part of the
Thereafter, after all the natural oxide film is removed, an insulating
(第2実施例)
図2に、スイッチング構造体としてMISFET構造体を備えた他の半導体装置2の断面図を模式的に示す。半導体装置2の構造は、p型窒化ガリウム領域16中の一部に格子不整合層14が形成されている点で半導体装置1と異なる。格子不整合層14は、p型窒化ガリウム領域16によって下地層12から隔てられている。p型窒化ガリウム領域16は、結晶内に転位が高密度に存在する高転位密度領域18と転位が低密度にしか存在しない低転位密度領域19を備えている。高転位密度領域18は、平面視したときに、格子不整合層14が存在する範囲の格子不整合層14の上方に形成されている。即ち、高転位密度領域18は、格子不整合層14とボディ電極20の間の領域に局在している。一方、低転位密度領域19は、平面視したときに、格子不整合層14が存在しない範囲および格子不整合層14が存在する範囲の格子不整合層14の下方に形成されている。
(Second embodiment)
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional view of another
半導体装置2の動作およびホールの排出については第1実施例と同じであるため、説明を省略する。半導体装置1および半導体装置2の構造では、不純物を含まない下地層12は、結晶性を改善するためのバッファ層としての役割を果たす。下地層10の状態によっては、p型窒化ガリウム領域16を下地層10の表面から結晶成長させたときに、p型窒化ガリウム領域16と下地層10の界面に結晶欠陥、界面準位が存在することがある。第1実施例の半導体装置1では、格子不整合層14が下地層10の表面に形成されており、格子不整合層14と下地層12の間の格子定数の不一致によって、格子不整合層14を下地層12の表面から結晶成長させたときに、格子不整合層14の内部にも転位が形成されてしまうことが多い。この場合、下地層12とp型窒化ガリウム領域16の界面とボディ電極20は、高転位密度領域19内の転位と格子不整合層14内の転位を介して電気的に接続され、下地層12とp型窒化ガリウム領域16の界面を電流が横方向に流れることがある。したがって、図1の半導体装置1をオフしたときに、ドレイン電極26とボディ電極20の間にリーク電流が流れることがある。しかし、第2実施例の半導体装置2では、格子不整合層14がp型窒化ガリウム領域16によって下地層12から隔てられている。格子不整合層14と下地層12の間のp型窒化ガリウム領域16は転位の少ない領域なので、格子不整合層14と下地層12の間がこの転位の少ない領域によって電気的に絶縁される。格子不整合層14がp型窒化ガリウム領域16中に形成されていると、リーク電流が抑制される。
Since the operation of the
次に半導体装置2の製造方法について説明する。
下地層12を結晶成長させる工程までは第1実施例の製造方法で示した手順と同様であるため、説明を省略する。次に、図11に示すように、下地層12の表面からp型不純物を含む窒化ガリウムを、所望するp型窒化ガリウム領域16の膜厚の半分程度まで結晶成長させる。これにより、p型窒化ガリウム領域16aが形成される。次に、MOCVD法を利用して、p型窒化ガリウム領域16aの表面全体に窒化アルミニウムの格子不整合層14を結晶成長させる。次に、図12に示すように、格子不整合層14の表面に絶縁膜13をパターニングした後、格子不整合層14の一部を除去する。この工程は、第1実施例と同様に、ウェットエッチング技術を利用することができる。
格子不整合層14の一部を除去した後、絶縁膜13を除去して、図13に示すように、MOCVD法を利用して、格子不整合層14とp型窒化ガリウム領域16aの表面からp型不純物を含む窒化ガリウムを、所望の窒化ガリウム領域16の膜厚の半分程度までさらに結晶成長させる。これにより、p型窒化ガリウム領域16中に格子不整合層14が形成されている構造となる。格子定数の違いから格子不整合層14の表面には転位が高密度に存在する高転位密度領域18が形成される。一方、格子定数が一致することから、格子不整合層14の下面の領域を含む下地層12の表面には転位が低密度にしか存在しない低転位密度領域19が形成される。
次に、一旦自然酸化膜を全て除去した後、図14に示すように、再び全面に絶縁膜29を形成する。次に、スイッチング構造体を形成する工程は実施例1と同じであるため、説明を省略する。スイッチング構造体を形成する工程を経て、図2に示す半導体装置2を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the
The process up to the step of crystal growth of the
After removing a part of the
Next, after all the natural oxide film is removed, an insulating
(第3実施例)
図3に、スイッチング構造体として横型のHEMT構造体を備えた半導体装置3の断面図を模式的に示す。基板10からp型窒化ガリウム領域16までの構造は図1に示したMISFET構造体を備えた半導体装置1と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置3は、低転位密度領域19の表面に形成されている窒化物半導体下層52を備えている。窒化物半導体下層52は、n型の不純物を含んでいる窒化ガリウムで形成されている。n型の不純物にはシリコン(Si)が用いられており、そのキャリア濃度は約1×1016cm-3に調整されている。窒化物半導体下層52の厚みは、約50nm〜300nmである。
半導体装置3はさらに、窒化物半導体下層52の表面に形成されている窒化物半導体上層54を備えている。窒化物半導体上層54は、不純物が含まれていない窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)で形成されている。窒化物半導体上層54の厚さは約30nmである。窒化ガリウムで形成されている窒化物半導体下層52のバンドギャップの幅は、窒化アルミニウムガリウムで形成されている窒化物半導体上層54のバンドギャップの幅よりも小さい。窒化物半導体上層54と窒化物半導体下層52の接合面はヘテロ接合であり、界面付近には二次元電子ガス層53が形成されている。
(Third embodiment)
FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view of a
The
The
半導体装置3はさらに、窒化物半導体上層54の表面に形成されているドレイン電極66とソース電極68を備えている。ドレイン電極66は、窒化物半導体上層54の一部を介して半導体下層52に対向している。ソース電極68は、窒化物半導体上層54の他の一部を介して窒化物半導体下層52に対向している。ソース電極68はボディ電極20側に配置されている。ドレイン電極66とソース電極68とボディ電極20に用いられている材料は半導体装置1と同様である。なお、窒化物半導体上層54の一部にn型不純物を導入し、ドレイン電極66と半導体下層52がそのn型不純物が導入された領域を介して接続するように構成してもよい。同様に、窒化物半導体上層54の一部にn型不純物を導入し、ソース電極68と半導体下層52がそのn型不純物が導入された領域を介して接続するように構成してもよい。
半導体装置3はさらに、ドレイン電極66とソース電極68の間に配置されているゲート電極60を備えている。ゲート電極60は、窒化物半導体上層54の表面にゲート絶縁膜59を介して対向している。ゲート電極60の材料にはニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、多結晶シリコン(Poly-Si)などが用いられている。ゲート絶縁膜59の材料にはシリコン酸化膜(SiO)、あるいはシリコン窒化膜(SiN)が用いられている。ゲート絶縁膜は省略することができる。ゲート絶縁膜59を省略しても、ゲート電極60と窒化物半導体上層54はオーミック接触しない。ゲート電極60は低転位密度領域19の表面に形成されることになり、その接触抵抗が高く、ショットキー特性となる。
The
The
次に、半導体装置3の動作を説明する。
上記したように、窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面付近には二次元電子ガス層53が形成されている。このため、ゲート電極60に電圧を印加していない状態では、二次元電子ガス層53がチャネルとなり、ドレイン電極66からソース電極68まで電流経路が形成されている。半導体装置3は、ノーマリオンとして動作する。
ゲート電極60に負の電圧を印加すると、ニ次元電子ガス層53の一部に空乏層が形成され、電子の移動が遮断される。半導体装置3は、ゲート電極60に印加する電圧を切換えることで、導通状態と非導通状態を経時的に切換えることができる。
Next, the operation of the
As described above, the two-dimensional
When a negative voltage is applied to the
ドレイン電極66とソース電極68の間に高電圧が印加される場合は、アバランシェ現象によりホールが発生する。発生したホールは、p型窒化ガリウム領域16に移動し、高転位密度領域18に形成されている接触抵抗が低いボディ電極20に円滑に排出される。
When a high voltage is applied between the
なお、半導体装置3は、ノーマリオフとして動作させることもできる。半導体装置3をノーマリオフで動作させる場合は、窒化物半導体下層52の厚みを50nm以下に形成するのが望ましい。窒化物半導体下層52の厚みが50nm以下であると、ゲート電極60に電圧が印加されていない状態で、p型窒化物半導体領域16とn型窒化物半導体下層52の接合面からn型窒化物半導体下層52に向けて空乏層が伸展し、その空乏層が窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面にまで達する。したがって、ゲート電極60に電圧が印加されていない状態で、ドレイン電極66からソース電極68までの電流経路が遮断される。一方、ゲート電極60に正の電圧を印加すると、空乏層の伸展を収縮させ、窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面に二次元電子ガス層を発生させることができる。即ち、窒化物半導体下層52の厚みが50nm以下に形成されていると、半導体装置3は、ノーマリオフとして動作する。
The
次に半導体装置3の製造方法について説明する。
p型窒化ガリウム領域16を結晶成長させる工程まで(図7から図9まで)は第1実施例の製造方法で示した手順と同様であるため、説明を省略する。
図9の状態まで進めた後、図15に示すように、p型窒化ガリウム領域16の表面にn型の不純物を含む窒化物半導体下層52をエピタキシャル成長させる。n型不純物としてはシリコンをドープする。さらに窒化物半導体下層52の表面に不純物を含まない窒化物半導体上層54をエピタキシャル成長させる。
次に、図16に示すように、窒化物半導体上層54の表面に絶縁膜59を形成する。次に、高転位密度領域18の表面上に形成された窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54および絶縁膜59を除去し、高転位密度領域18の表面にボディ電極20を形成する。次に、ドレイン電極66およびソース電極68に対応する絶縁膜59を除去し、ドレイン電極66とソース電極68を形成する。最後に、ドレイン電極66とソース電極68の間の絶縁膜59の表面に、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、多結晶シリコン(Poly-Si)などを主材料とするゲート電極60を形成する。これらの工程を経て、図3に示す半導体装置3を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the
The steps up to the step of crystal growth of the p-type gallium nitride region 16 (from FIG. 7 to FIG. 9) are the same as the procedure shown in the manufacturing method of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
After proceeding to the state of FIG. 9, a nitride semiconductor
Next, as shown in FIG. 16, an insulating
(第4実施例)
図4に、スイッチング構造体として横型のHEMT構造体を備えた他の半導体装置4の断面図を模式的に示す。半導体装置4の構造は、p型窒化ガリウム領域16中の一部に格子不整合層14が形成されている点で半導体装置3と異なる。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view of another
半導体装置4の動作およびホールの排出については実施例3と同じであるため、説明を省略する。半導体装置3および半導体装置4は、半導体装置1および半導体装置2の構造と同じように、不純物を含まない下地層12がバッファ層としての役割を果たす。そのため、半導体装置4のように格子不整合層14がp型窒化ガリウム領域16中に形成されていると、格子不整合層14と下地層12の間のp型窒化ガリウム領域16は転位の少ない領域が存在し、格子不整合層14と下地層12の間がこの転位の少ない領域によって電気的に絶縁される。この結果、半導体装置4の形態によると、リーク電流が抑制される。
Since the operation of the
半導体装置4の製造方法について、p型窒化ガリウム領域16をさらに結晶成長させる工程まで(図11から図13まで)は実施例2の製造方法で示した手順と同じであるため、説明を省略する。その後、実施例3の製造方法で示した工程と同じ手順を経て(図17、図18)、図4に示す半導体装置4を形成することができる。
The manufacturing method of the
(第5実施例)
図5に、スイッチング構造体として電流を縦方向に流すことが可能なHEMT構造体を備えた半導体装置5の断面図を模式的に示す。半導体装置5は、第3実施例の半導体装置3の変形例である。以下、第3実施例の半導体装置3と異なる点を中心に説明する。
半導体装置5の基板70と下地層12は、n型の不純物を含んでいることを特徴としている。さらに、半導体装置5は、平面視したときに、格子不整合層14が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域19の表面から裏面まで貫通して下地層12に接しており、n型の不純物を含む窒化ガリウムのn型窒化物半導体領域12aを備えていることを特徴としている。これにより、下地層12と窒化物半導体下層52は、n型窒化物半導体領域12aを介して電気的に接続している。半導体装置5は、下地層12の裏面に形成されており、n型の不純物を含む窒化ガリウムの半導体基板70を備えている。なお、半導体基板70は、下地層12の一部と評価することもできる。n型窒化物半導体領域12aと下地層12と半導体基板70のn型の不純物には、シリコンが用いられている。半導体装置5はさらに、半導体基板70の裏面に形成されているドレイン電極86を備えている。ドレイン電極86は、第3実施例の半導体装置3とは異なり、裏面側に配置されている。
(5th Example)
FIG. 5 schematically shows a cross-sectional view of a
The
ソース電極68は、平面視したときにn型窒化物半導体領域12aが存在していない範囲の窒化物半導体上層54の表面の一部に形成されている。ソース電極68は窒化物半導体上層54を介して窒化物半導体52に対向している。ゲート電極60は、ゲート絶縁膜59を介して窒化物半導体上層54と窒化物半導体下層52に対向している。ゲート電極60は、少なくともソース電極68とn型窒化物半導体領域12aを隔てている窒化物半導体上層54の表面に形成されている。この場合も、ゲート絶縁膜59は省略することができる。ゲート絶縁膜59を省略しても、ゲート電極60と窒化物半導体上層54はオーミック接触しない。ゲート電極60は低転位密度領域19の表面に形成されることになり、その接触抵抗が高く、ショットキー特性となる。
The
次に、半導体装置5の動作を説明する
窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面付近には二次元電子ガス層53が形成されている。このため、ゲート電極60に電圧を印加していない状態では、二次元電子ガス層53に多量の電子が誘起される。これらの電子は、窒化物半導体下層52とn型半導体領域12aとn型の下地層12とn型の半導体基板70を縦方向に移動し、ドレイン電極86にまで達する。半導体装置5では、ゲート電極60に電圧を印加していない状態でソース電極68とドレイン電極86の間に電流経路が形成されるので、ノーマリオンとして動作する。
ゲート電極60に負の電圧を印加すると、窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の接合面の一部に空乏層が形成され、窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の接合面の一部に電子が存在できない状態が形成される。半導体装置5では、平面視したときに、ソース電極68とn型窒化物半導体領域12aを分離している範囲にゲート電極60が配置されているので、ゲート電極60の直下の窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の接合面に電子が存在できない状態が形成される。この結果、電子の移動は、ソース電極68とn型半導体領域12aの間で遮断されるので、ソース電極68とドレイン電極86の間に電流を流すことができない。半導体装置5は、ゲート電極60に印加する電圧を切換えることで、導通状態と非導通状態を経時的に切換えることができる。
Next, the operation of the
When a negative voltage is applied to the
ドレイン電極86とソース電極68の間に高電圧が印加される場合は、アバランシェ現象によりホールが発生する。発生したホールは、p型窒化ガリウム領域16に移動し、高転位密度領域18に形成されている接触抵抗が低いボディ電極20に円滑に排出される。
When a high voltage is applied between the
なお、半導体装置5では、ノーマリオフとして動作させることもできる。ノーマリオフとして動作させる場合は、窒化物半導体下層52の厚みを50nm以下に形成するのが好ましい。窒化物半導体下層52の厚みが50nm以下に形成されていると、ゲート電極60に電圧が印加されていない状態で、p型窒化物半導体領域12と窒化物半導体下層52の接合面から窒化物半導体下層52に向けて空乏層が伸展し、その空乏層が窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面にまで達する。したがって、ゲート電極60に電圧が印加されていない状態で、ドレイン電極86からソース電極68までの電流経路が遮断される。一方、ゲート電極60に正の電圧を印加すると、空乏層の伸展を収縮させ、窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54の界面に二次元電子ガス層を発生させることができる。即ち、窒化物半導体下層52の厚みが50nm以下に形成されていると、半導体装置5は、ノーマリオフとして動作させることができる。
本実施例では、高転位密度領域18にボディ電極20が形成されているので、ボディ電極20とp型窒化物半導体領域12の接触抵抗が低く、p型窒化物半導体領域12の電位を安定させることができる。半導体装置5の動作を安定させることができる。
Note that the
In the present embodiment, since the
次に半導体装置5の製造方法について説明する。
まず図19に示すように、n型不純物としてシリコンを含む窒化ガリウムの半導体基板70を用意し、MOCVD法を利用して、その表面全体にn型不純物としてシリコンを含む下地層12を結晶成長させる。その後、p型窒化ガリウム領域16を形成する工程までは第1実施例の半導体装置製造方法で示した手順と同じである。
次に、図20に示すように、ドライエッチング技術を利用して低転位密度領域19においてp型窒化ガリウム16を貫通するトレンチを形成する。
次に、図21に示すように、p型窒化ガリウム領域16と下地層12の表面に、n型の窒化物半導体を連続してエピタキシャル成長させる。これによって、トレンチ内にn型の窒化物半導体12aとp型窒化ガリウム領域16の表面に、窒化物半導体下層52が形成される。n型の窒化物半導体12aとn型の窒化物半導体下層52には、n型不純物であるシリコンを導入する。
さらに窒化物半導体下層52の表面に不純物を含まない窒化物半導体上層54をエピタキシャル成長させる。窒化物半導体上層54の材料には窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)を用いる。窒化物半導体上層54には不純物はドープしない。
次に、図22に示すように、窒化物半導体上層54の表面に絶縁膜59を形成する。その後に、高転位密度領域18の表面上に形成された窒化物半導体下層52と窒化物半導体上層54と絶縁膜59を除去し、高転位密度領域18の表面にボディ電極20を形成する。次に、1対のソース電極68に対応する領域の絶縁膜59を除去し、1対のソース電極68を形成する。次に、1対のソース電極68を隔てている絶縁膜59の表面に、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、多結晶シリコン(Poly-Si)などを主材料とするゲート電極60を形成する。最後に、半導体基板70の裏面全体にドレイン電極86を形成する。これらの工程を経て、図5に示す半導体装置5を形成することができる。
Next, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 19, a gallium
Next, as shown in FIG. 20, a trench penetrating the p-
Next, as shown in FIG. 21, an n-type nitride semiconductor is continuously epitaxially grown on the surfaces of the p-type
Further, the nitride semiconductor
Next, as shown in FIG. 22, an insulating
(第6実施例)
図6に、スイッチング構造体として電流を縦方向に流すことが可能なHEMT構造体を備えた他の半導体装置6の断面図を模式的に示す。半導体装置6の構造は、p型窒化ガリウム領域16中の一部に格子不整合層14が形成されている点で半導体装置5と異なる。
(Sixth embodiment)
FIG. 6 schematically shows a cross-sectional view of another
半導体装置6の動作およびホールの排出については実施例3と同じであるため、説明を省略する。
p型窒化ガリウム領域16は、ボディ電極20に電気的に接続されている。ボディ電極20とソース電極68は同電位なので、ドレイン・ソース間電圧は、p型窒化ガリウム領域16と下地層12の間のpn接合に高電圧が印加される。例えば、半導体装置3のように格子不整合層14がp型窒化ガリウム領域16の下面に設けられていると、前記したように、転位が格子不整合層14内にも存在している場合は、格子不整合層14と下地層12の間に高電圧が印加され、リーク電流の増加や耐圧の劣化を引き起こす。しかし半導体装置6では、格子不整合層14がp型窒化ガリウム領域16中に形成されており、下地層12から隔てられている。このため、p型窒化ガリウム領域16と下地層12の間には、良好なpn接合が形成されているので、リーク電流の増加や耐圧の劣化が抑制される。
Since the operation of the
The p-type
半導体装置6の製造方法について、下地層12を結晶成長させる工程までは実施例5の製造方法で示した手順と同様であるため、説明を省略する。次に、図23に示すように、下地層12の表面からp型不純物を含む窒化ガリウムを、所望の窒化ガリウム領域16の膜厚の半分程度まで結晶成長させる。これによって、p型窒化ガリウム領域16aが形成される。次に、MOCVD法を利用して、p型窒化ガリウム領域16aの表面全体に窒化アルミニウムの格子不整合層14を結晶成長させる。次に、格子不整合層14の表面に絶縁膜13をパターニングして、格子不整合層14の一部を除去した後、絶縁膜13を除去する。この工程も実施例5の製造方法で示した手順と同様であるため、説明を省略する。
格子不整合層14の一部を除去した後、MOCVD法を利用して、格子不整合層14とp型窒化ガリウム領域16aの表面からp型不純物を含む窒化ガリウムを、所望の窒化ガリウム領域16の膜厚の半分程度までさらに結晶成長させる。これにより、p型窒化ガリウム領域16中に格子不整合層14が形成されている構造となる。
その後、図24に示すように、p型窒化ガリウム領域16を貫通するトレンチを形成する。HEMT構造体を形成する工程(図25、図26)は第5実施例の製造方法で示した手順と同じであるため、説明を省略する。これらの工程を経て、図6に示す半導体装置6を形成することができる。
About the manufacturing method of the
After removing a part of the
Thereafter, as shown in FIG. 24, a trench penetrating the p-type
実施例2、実施例4、実施例6における半導体装置では、格子不整合層がp型窒化物半導体領域16の膜厚の半分の位置に形成されることが好ましい。キャリアの排出効果と耐圧効果のバランスが最も優れているからである。このような形態は、窒化ガリウムを、所望する窒化ガリウム領域16の膜厚の半分まで結晶成長させることにより容易に実現することができる。
In the semiconductor devices according to the second embodiment, the fourth embodiment, and the sixth embodiment, the lattice mismatch layer is preferably formed at a position that is half the film thickness of the p-type
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。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
トランジスタの実施例の断面図を示す
10、110:基板
12:半導体下地層
13、29、59、129:絶縁膜
14:格子不整合層
16、16a、116:p型窒化物半導体領域(p型窒化ガリウム領域)
18:高転位密度領域
19:低転位密度領域
20、120:ボディ電極
22、122:ドレイン領域
24、124:ソース領域
26、66、86、126:ドレイン電極
28、68、128:ソース電極
30、60、130:ゲート電極
52:半導体下層
53:二次元電子ガス層
54:半導体上層
70:半導体基板
10, 110: Substrate 12:
18: High dislocation density region 19: Low
Claims (17)
p型窒化物半導体領域の高転位密度領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極と、
を備えている半導体装置。 A p-type nitride semiconductor region having a high dislocation density region and a low dislocation density region and containing a p-type impurity;
an electrode formed on at least a part of the surface of the high dislocation density region of the p-type nitride semiconductor region;
A semiconductor device comprising:
格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数が不一致であることを特徴とする請求項1の半導体装置。 Further comprising a lattice mismatch layer facing the electrode through a high dislocation density region;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the lattice constants of the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region are mismatched.
格子不整合層と電極の間に高転位密度領域が存在することを特徴とする請求項2の半導体装置。 The lattice mismatch layer is formed in a part of the p-type nitride semiconductor region,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein a high dislocation density region exists between the lattice mismatch layer and the electrode.
下地層の表面の一部に形成されている格子不整合層と、
下地層から格子不整合層に跨って伸びる範囲の下地層と格子不整合層の表面に形成されているとともに、p型の不純物を含むp型窒化物半導体領域と、
平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲に形成されているスイッチング構造体とを備えており、
下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 A nitride semiconductor underlayer;
A lattice mismatching layer formed on a part of the surface of the underlayer;
A p-type nitride semiconductor region formed on the surface of the base layer and the lattice mismatch layer in a range extending from the base layer to the lattice mismatch layer;
An electrode formed on at least a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists when seen in a plan view;
And a switching structure formed in a range where no lattice mismatching layer exists when seen in a plan view,
A semiconductor device characterized in that a difference in lattice constant between the base layer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than a difference in lattice constant between the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region.
下地層の表面に形成されているとともに、p型の不純物を含むp型窒化物半導体領域と、
p型窒化物半導体領域中の一部に形成されている格子不整合層と、
平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に形成されている電極と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲に形成されているスイッチング構造体とを備えており、
下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 A nitride semiconductor underlayer;
A p-type nitride semiconductor region formed on the surface of the underlayer and containing p-type impurities;
a lattice mismatching layer formed in a part of the p-type nitride semiconductor region;
An electrode formed on at least a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists when seen in a plan view;
And a switching structure formed in a range where no lattice mismatching layer exists when seen in a plan view,
A semiconductor device characterized in that a difference in lattice constant between the base layer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than a difference in lattice constant between the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部に形成されているとともに、n型の不純物を含むドレイン領域と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部に形成されており、p型窒化物半導体領域によってドレイン領域から隔てられているとともに、n型の不純物を含むソース領域と、
ドレイン領域とソース領域を隔てているp型窒化物半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を備えていることを特徴とする請求項4又は5の半導体装置。 The switching structure is
A drain region containing an n-type impurity and formed on a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view;
It is formed on a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view, is separated from the drain region by the p-type nitride semiconductor region, and is n-type A source region containing impurities;
6. The semiconductor device according to claim 4, further comprising a gate electrode facing the p-type nitride semiconductor region separating the drain region and the source region via a gate insulating film.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面に形成されている窒化物半導体下層と、
窒化物半導体下層の表面に形成されている窒化物半導体上層と、
窒化物半導体上層の表面の一部に形成されているドレイン電極と、
窒化物半導体上層の表面の他の一部に形成されているソース電極と、
ドレイン電極とソース電極を隔てている窒化物半導体上層の表面上の少なくとも一部に形成されているゲート電極を備えており、
窒化物半導体下層のバンドギャップの幅は、窒化物半導体上層のバンドギャップの幅よりも小さいことを特徴とする請求項4又は5の半導体装置。 The switching structure is
A nitride semiconductor lower layer formed on the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view;
A nitride semiconductor upper layer formed on the surface of the nitride semiconductor lower layer;
A drain electrode formed on a part of the surface of the nitride semiconductor upper layer;
A source electrode formed on another part of the surface of the nitride semiconductor upper layer;
A gate electrode formed on at least a part of the surface of the nitride semiconductor upper layer separating the drain electrode and the source electrode;
6. The semiconductor device according to claim 4, wherein the band gap width of the nitride semiconductor lower layer is smaller than the band gap width of the nitride semiconductor upper layer.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面から裏面まで貫通して下地層に接しているとともに、n型の不純物を含むn型窒化物半導体領域と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域とn型窒化物半導体領域の表面に形成されている窒化物半導体下層と、
窒化物半導体下層の表面に形成されている窒化物半導体上層と、
平面視したときにn型窒化物半導体領域が存在していない範囲の窒化物半導体上層の表面の一部に形成されているソース電極と、
平面視したときにソース電極とn型窒化物半導体領域を隔てている窒化物半導体上層の表面上の少なくとも一部に形成されているゲート電極と、
下地層の裏面に電気的に接続されているドレイン電極を備えており、
窒化物半導体下層のバンドギャップの幅が窒化物半導体上層のバンドギャップの幅よりも小さいことを特徴とする請求項4又は5の半導体装置。 The switching structure is
An n-type nitride semiconductor region containing an n-type impurity and penetrating from the front surface to the back surface of the p-type nitride semiconductor region in a range in which no lattice mismatching layer exists when viewed in plan,
A nitride semiconductor lower layer formed on the surface of the p-type nitride semiconductor region and the n-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when viewed in plan,
A nitride semiconductor upper layer formed on the surface of the nitride semiconductor lower layer;
A source electrode formed on a part of the surface of the upper layer of the nitride semiconductor in a range where the n-type nitride semiconductor region does not exist when seen in a plan view;
A gate electrode formed on at least a part of the surface of the upper layer of the nitride semiconductor that separates the source electrode and the n-type nitride semiconductor region when viewed in plan,
It has a drain electrode that is electrically connected to the back surface of the underlayer,
6. The semiconductor device according to claim 4, wherein the band gap width of the nitride semiconductor lower layer is smaller than the band gap width of the nitride semiconductor upper layer.
格子不整合層に窒化アルミニウムが用いられている、
ことを特徴とする請求項9の半導体装置。 Gallium nitride is used for the underlayer and the p-type nitride semiconductor region,
Aluminum nitride is used for the lattice mismatch layer,
The semiconductor device according to claim 9.
窒化物半導体の下地層の表面の一部に格子不整合層を形成する工程と、
下地層から格子不整合層に跨って伸びる範囲の下地層と格子不整合層の表面にp型窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に電極を形成する工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲にスイッチング構造体を形成する工程とを備えており、
下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さいことを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Forming a lattice mismatch layer on a portion of the surface of the underlying layer of the nitride semiconductor;
A step of crystal-growing a p-type nitride semiconductor region on the surface of the base layer and the lattice mismatch layer in a range extending from the base layer to the lattice mismatch layer;
Forming an electrode on at least a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists when seen in a plan view;
And a step of forming a switching structure in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view,
A manufacturing method characterized in that a difference in lattice constant between the underlayer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than a difference in lattice constant between the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region.
下地層の表面にp型窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、
p型窒化物半導体領域の表面の一部に格子不整合層を形成する工程と、
p型窒化物半導体領域の表面から格子不整合層に跨って伸びる範囲のp型窒化物半導体領域と格子不整合層の表面にさらにp型窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在する範囲のp型窒化物半導体領域の表面の少なくとも一部に電極を形成する工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲にスイッチング構造体を形成する工程とを備えており、
下地層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差が、格子不整合層とp型窒化物半導体領域の格子定数の差よりも小さいことを特徴とする製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
A step of crystal-growing a p-type nitride semiconductor region on the surface of the underlayer;
forming a lattice mismatch layer on a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region;
a step of crystal-growing a p-type nitride semiconductor region on the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range extending from the surface of the p-type nitride semiconductor region to the lattice mismatch layer and a surface of the lattice mismatch layer;
Forming an electrode on at least a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer exists when seen in a plan view;
And a step of forming a switching structure in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view,
A manufacturing method characterized in that a difference in lattice constant between the underlayer and the p-type nitride semiconductor region is smaller than a difference in lattice constant between the lattice mismatching layer and the p-type nitride semiconductor region.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部にn型の不純物を含むドレイン領域を形成する工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面の一部であってp型窒化物半導体領域によってドレイン領域から隔てられている領域に、n型の不純物を含むソース領域を形成する工程と
ドレイン領域とソース領域を隔てているp型窒化物半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向しているゲート電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項11又は12の製造方法。 Forming the switching structure comprises:
Forming a drain region containing an n-type impurity in a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view;
An n-type impurity is introduced into a part of the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatch layer does not exist when seen in a plan view and separated from the drain region by the p-type nitride semiconductor region. A step of forming a source region including a step of forming a gate electrode facing the p-type nitride semiconductor region separating the drain region and the source region through a gate insulating film;
The manufacturing method of Claim 11 or 12 characterized by the above-mentioned.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面に窒化物半導体下層を形成する工程と、
半導体下層の表面に窒化物半導体上層を形成する工程と、
窒化物半導体上層の表面の一部にドレイン電極を形成する工程と、
窒化物半導体上層の表面の他の一部にソース電極を形成する工程と、
ドレイン電極とソース電極を隔てている半導体上層の表面上の少なくとも一部にゲート電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項11又は12の製造方法。 Forming the switching structure comprises:
Forming a nitride semiconductor lower layer on the surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view;
Forming a nitride semiconductor upper layer on the surface of the semiconductor lower layer;
Forming a drain electrode on a portion of the surface of the nitride semiconductor upper layer;
Forming a source electrode on another part of the surface of the nitride semiconductor upper layer;
Forming a gate electrode on at least a portion of the surface of the semiconductor upper layer separating the drain electrode and the source electrode;
The manufacturing method of Claim 11 or 12 characterized by the above-mentioned.
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域の表面から裏面まで貫通して下地層に接しているとともに、n型の不純物を含むn型窒化物半導体領域を形成する工程と、
平面視したときに格子不整合層が存在しない範囲のp型窒化物半導体領域とn型窒化物半導体領域の表面に窒化物半導体下層を形成する工程と、
窒化物半導体下層の表面に窒化物半導体上層を形成する工程と、
平面視したときにn型半導体領域が存在していない範囲の窒化物半導体上層の表面の一部にソース電極を形成する工程と、
平面視したときにソース電極とn型半導体領域を隔てている半導体上層の表面上の少なくとも一部にゲート電極を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項11又は12の製造方法。 The step of forming the switching function structure is as follows:
An n-type nitride semiconductor region containing an n-type impurity is formed while penetrating from the front surface to the back surface of the p-type nitride semiconductor region in a range where no lattice mismatching layer exists when viewed in plan. And a process of
Forming a nitride semiconductor lower layer on the surface of the p-type nitride semiconductor region and the n-type nitride semiconductor region in a range where the lattice mismatching layer does not exist when seen in a plan view;
Forming a nitride semiconductor upper layer on the surface of the nitride semiconductor lower layer;
Forming a source electrode on a part of the surface of the nitride semiconductor upper layer in a range where the n-type semiconductor region does not exist when viewed in plan;
Forming a gate electrode on at least a part of the surface of the semiconductor upper layer separating the source electrode and the n-type semiconductor region when viewed in plan;
The manufacturing method of Claim 11 or 12 characterized by the above-mentioned.
格子不整合層に窒化アルミニウムが用いられる、
ことを特徴とする請求項16の製造方法。 Gallium nitride is used for the underlayer and the p-type nitride semiconductor region,
Aluminum nitride is used for the lattice mismatch layer,
The manufacturing method according to claim 16.
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