JP2008235543A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide technology which enables stable normally-off operation in a semiconductor device employing hetero-junction surface for a channel. <P>SOLUTION: The semiconductor device is equipped with a nitride semiconductor crystal and a gate electrode opposed to the upper side surface of the nitride semiconductor crystal through an insulating layer. The semiconductor crystal is provided with a first layer constituted of a first kind of a nitride semiconductor and a second layer, laminated on the first layer and constituted of a second kind of a nitride semiconductor. The hetero-junction surface, formed on a boundary between the first layer and the second layer, is positioned on a crystalline plane orthogonal to a (0001) crystalline plane. In the first layer, p-type semiconductor region, containing p-type impurities, is formed at a position opposed to at least one part of the gate electrode through the hetero-junction surface. In this case, the side boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a crystalline plane, orthogonal to the hetero-junction surface and forming an angle between the (0001) crystalline plane. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor crystal.

特許文献1に、窒化物半導体結晶を用いた半導体装置が開示されている。この半導体装置は、窒化物半導体結晶と、その窒化物半導体結晶の上側表面に絶縁層を介して対向するゲート電極を有している。窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体(窒化ガリウム)で構成された第1層と、第1層の上側に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体(窒化ガリウム・アルミニウム)で構成された第2層を有している。第1層と第2層はバンドギャップが互いに異なることから、両者の境界面はヘテロ接合面となっている。第1層と第2層とのヘテロ接合面の一部には、ゲート電極が一方側から対向している。特許文献1の半導体装置は、ヘテロ接合面をチャネルに用いる横型の電界効果トランジスタであり、いわゆるヘテロ接合電界効果トランジスタと称されるものである。   Patent Document 1 discloses a semiconductor device using a nitride semiconductor crystal. This semiconductor device has a nitride semiconductor crystal and a gate electrode facing the upper surface of the nitride semiconductor crystal via an insulating layer. The nitride semiconductor crystal includes a first layer composed of a first type nitride semiconductor (gallium nitride) and a second type nitride semiconductor (gallium nitride / aluminum) laminated on the upper side of the first layer. It has the 2nd layer comprised by these. Since the first layer and the second layer have different band gaps, the interface between them is a heterojunction surface. A gate electrode is opposed to a part of the heterojunction surface between the first layer and the second layer from one side. The semiconductor device of Patent Document 1 is a lateral field effect transistor that uses a heterojunction plane as a channel, and is called a so-called heterojunction field effect transistor.

ヘテロ接合電界効果トランジスタでは、チャネルとなるヘテロ接合面を(0001)結晶面上に形成すると、自発分極及びピエゾ分極に起因する内部電界の発生によって、ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成される。ヘテロ接合面に高密度の2次元電子ガス層が形成されると、ゲート電極に電圧を印加していない時でも、ヘテロ接合面は多数の電子が走行可能な状態となる。従って、チャネルとなるヘテロ接合面を(0001)結晶面上に形成した半導体装置は、ノーマリオン型の挙動を示すこととなる。
それに対して、特許文献1の半導体装置では、チャネルとなるヘテロ接合面を(11−20)結晶面上に形成している。(11−20)結晶面は、厚み方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、(11−20)結晶面上に形成したヘテロ接合面では、それに垂直な自発分極及びピエゾ分極が発生せず、2次元電子ガス層の密度は比較的に低くなる。その結果、ゲート電極に電圧を印加しない状態では、ヘテロ接合面における電子の走行が抑制される。特許文献1によれば、しきい値電圧は−0.4Vに上昇し、ほぼノーマリオフ型の動作特性を得ることができるという。
In a heterojunction field effect transistor, when a heterojunction plane serving as a channel is formed on a (0001) crystal plane, a high-density two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction plane due to the generation of an internal electric field due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization. Is formed. When a high-density two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction surface, even when no voltage is applied to the gate electrode, the heterojunction surface is in a state where a large number of electrons can travel. Therefore, a semiconductor device in which a heterojunction plane serving as a channel is formed on a (0001) crystal plane exhibits normally-on behavior.
On the other hand, in the semiconductor device of Patent Document 1, a heterojunction surface to be a channel is formed on the (11-20) crystal plane. The (11-20) crystal plane is a nonpolar plane whose polarity does not change in the thickness direction. Therefore, spontaneous polarization and piezo polarization perpendicular to the heterojunction surface formed on the (11-20) crystal plane do not occur, and the density of the two-dimensional electron gas layer is relatively low. As a result, in the state where no voltage is applied to the gate electrode, the traveling of electrons on the heterojunction surface is suppressed. According to Patent Document 1, the threshold voltage rises to −0.4 V, and almost normally-off operation characteristics can be obtained.

ここで、(11−20)という表記の「2」の前に付された「−」は、一般に「2」の上部に付すべき「バー」を示すものである。本願の明細書及び特許請求の範囲では、結晶面や結晶軸の表記を同様に行う。また、特に言及しない限り、例えば(10−10)結晶面という表記は、(10−10)結晶面とそれに等価な結晶面を含むものとする。同様に、例えば<10−10>結晶軸という表記は、<10−10>結晶軸とそれに等価な結晶軸を含むものとする。   Here, “-” added before “2” in the notation of (11-20) generally indicates “bar” to be added to the upper part of “2”. In the specification and claims of the present application, the crystal plane and the crystal axis are indicated in the same manner. Unless otherwise specified, for example, the notation (10-10) crystal plane includes a (10-10) crystal plane and an equivalent crystal plane. Similarly, for example, the expression <10-10> crystal axis includes a <10-10> crystal axis and an equivalent crystal axis.

特開2006−324465号公報JP 2006-324465 A

特許文献1の半導体装置は、しきい値電圧が依然として負の値のままであり、安定したノーマリオフ動作を実現するには不十分といえる。安定したノーマリオフ動作を実現するためには、ゲート電極に電圧を印加しない状態で、ヘテロ接合面における電子の走行をより強く禁止する必要がある。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、ヘテロ接合面をチャネルに用いる半導体装置において、安定したノーマリオフ動作を可能とする技術を提供する。
The semiconductor device of Patent Document 1 still has a negative threshold voltage, which is insufficient for realizing a stable normally-off operation. In order to realize a stable normally-off operation, it is necessary to more strongly inhibit the traveling of electrons on the heterojunction surface without applying a voltage to the gate electrode.
The present invention solves the above problems. The present invention provides a technique that enables a stable normally-off operation in a semiconductor device using a heterojunction plane as a channel.

本発明によって具現化される半導体装置は、窒化物半導体結晶と、前記窒化物半導体結晶の上側表面に絶縁層を介して対向するゲート電極を備えている。前記窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と、前記第1層の上方に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体で構成された第2層を備えている。前記第1層と前記第2層との境界に形成されたヘテロ接合面は、(0001)結晶面に垂直な結晶面上に位置している。前記第1層には、p型の不純物を含むp型半導体領域が、前記へテロ接合面を介して前記ゲート電極の少なくとも一部に対向する位置に形成されている。そして、前記p型半導体領域の側方境界面は、前記へテロ接合面に垂直であるとともに(0001)結晶面と角度を成す結晶面上に形成されていることを特徴とする。
ここで、窒化物半導体結晶の上側表面とは、鉛直上方に位置する表面を意図するものではなく、半導体装置の各構成の位置関係を明確にするために便宜上定めるものである。本明細書および特許請求の範囲では、窒化物半導体結晶の複数の表面のうち、ゲート電極が配設された表面を上側表面と定め、上側表面に対向する表面を下側表面と定める。そして、下側表面から上側表面に向かう方向を上方と表現し、上側表面から下側表面に向かう方向を下方と表現し、上側表面及び下側表面に平行な方向を側方と表現する。
A semiconductor device embodied by the present invention includes a nitride semiconductor crystal and a gate electrode facing the upper surface of the nitride semiconductor crystal via an insulating layer. The nitride semiconductor crystal includes a first layer composed of a first type of nitride semiconductor and a second layer composed of a second type of nitride semiconductor and stacked above the first layer. I have. The heterojunction plane formed at the boundary between the first layer and the second layer is located on a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. In the first layer, a p-type semiconductor region containing a p-type impurity is formed at a position facing at least a part of the gate electrode through the heterojunction surface. The lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a crystal plane that is perpendicular to the heterojunction plane and forms an angle with the (0001) crystal plane.
Here, the upper surface of the nitride semiconductor crystal is not intended to be a surface positioned vertically upward, but is defined for the sake of convenience in order to clarify the positional relationship of each component of the semiconductor device. In the present specification and claims, of the plurality of surfaces of the nitride semiconductor crystal, the surface on which the gate electrode is disposed is defined as the upper surface, and the surface facing the upper surface is defined as the lower surface. A direction from the lower surface to the upper surface is expressed as upward, a direction from the upper surface to the lower surface is expressed as downward, and a direction parallel to the upper surface and the lower surface is expressed as side.

この半導体装置では、チャネルとなるヘテロ接合面が、(0001)結晶面に垂直な結晶面上に形成されている。(0001)結晶面に垂直な結晶面は、厚み方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、(0001)結晶面に垂直な結晶面上に形成されたヘテロ接合面では、ヘテロ接合面に垂直な方向に自発分極及びピエゾ分極が発生せず、2次元電子ガス層の密度は比較的に低くなる。
上記に加えて、この半導体装置では、p型の不純物を含むp型半導体領域が、チャネルとなるヘテロ接合面に対向している。それにより、ゲート電極に電圧を印加していない状態では、p型半導体領域から伸びる空乏層によって、ヘテロ接合面における2次元電子ガス層の形成が抑制される。
以上により、ゲート電極に電圧を印加していない状態では、ヘテロ接合面における2次元電子ガス層の形成が十分に抑制され、ヘテロ接合面における電子の走行を禁止することができる。この半導体装置は、安定したノーマリオフ動作が可能である。
In this semiconductor device, a heterojunction plane that becomes a channel is formed on a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. The crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane is a nonpolar plane whose polarity does not change in the thickness direction. Therefore, in the heterojunction plane formed on the crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, spontaneous polarization and piezopolarization do not occur in the direction perpendicular to the heterojunction plane, and the density of the two-dimensional electron gas layer is Relatively low.
In addition to the above, in this semiconductor device, a p-type semiconductor region containing a p-type impurity is opposed to a heterojunction surface serving as a channel. Thereby, in the state where no voltage is applied to the gate electrode, the formation of the two-dimensional electron gas layer at the heterojunction surface is suppressed by the depletion layer extending from the p-type semiconductor region.
As described above, in the state where no voltage is applied to the gate electrode, the formation of the two-dimensional electron gas layer on the heterojunction surface is sufficiently suppressed, and the traveling of electrons on the heterojunction surface can be prohibited. This semiconductor device can perform a stable normally-off operation.

上記した半導体装置は、p型半導体領域を含む窒化物半導体結晶を必要とする。このような窒化物半導体結晶は、結晶成長を利用して製造することができる。窒化物半導体結晶を結晶成長させる場合、結晶を成長させる表面に(0001)結晶面が含まれていると、均質な結晶の成長が困難となる。それに対して、上記した半導体装置では、p型半導体領域の側方境界面が、前記へテロ接合面に垂直であるとともに(0001)結晶面と角度を成す結晶面上に形成されている。それにより、結晶成長を利用して製造する際に、(0001)結晶面からの結晶成長が必要とされず、より均質な結晶を容易に成長させることができる。均質な結晶を得やすい構造を有していることから、製造上の品質変動が少なく、安定したノーマリオフ動作を期待することができる。   The semiconductor device described above requires a nitride semiconductor crystal including a p-type semiconductor region. Such a nitride semiconductor crystal can be manufactured by utilizing crystal growth. When growing a nitride semiconductor crystal, it is difficult to grow a homogeneous crystal if the surface on which the crystal is grown contains a (0001) crystal plane. In contrast, in the semiconductor device described above, the lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a crystal plane that is perpendicular to the heterojunction plane and forms an angle with the (0001) crystal plane. Thereby, when manufacturing using crystal growth, crystal growth from the (0001) crystal plane is not required, and a more uniform crystal can be easily grown. Since it has a structure in which homogeneous crystals can be easily obtained, there is little production quality fluctuation, and stable normally-off operation can be expected.

上記の半導体装置では、前記へテロ接合面が(1−210)結晶面上に位置していることが好ましい。この場合、前記p型半導体領域の側方境界面は、(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に形成されていることが好ましい。
(1−210)結晶面は(0001)結晶面に垂直な結晶面である。また、(10−10)結晶面と(10−12)結晶面は、(1−210)結晶面に垂直であるとともに(0001)結晶面と角度を成す結晶面である。これらの結晶面上にヘテロ接合面やp型半導体領域の側方境界面が位置することにより、半導体装置は安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
In the above semiconductor device, the heterojunction plane is preferably located on the (1-210) crystal plane. In this case, the lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is preferably formed on the (10-10) crystal plane or the (10-12) crystal plane.
The (1-210) crystal plane is a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. The (10-10) crystal plane and the (10-12) crystal plane are crystal planes that are perpendicular to the (1-210) crystal plane and form an angle with the (0001) crystal plane. Since the heterojunction plane and the lateral boundary surface of the p-type semiconductor region are located on these crystal planes, the semiconductor device can realize a stable normally-off operation.

上記の半導体装置では、前記p型半導体領域が六角柱形状の領域であることが好ましい。この場合、その6つの側方境界面が(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に形成されていることが好ましい。
p型半導体領域が六角柱形状の領域であると、窒化物半導体結晶内にp型半導体領域を効果的に配置することが可能となる。そして、p型半導体領域を六角柱形状の領域とした場合、その6つの側方境界面を(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に形成することによって、半導体装置は安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
In the above semiconductor device, the p-type semiconductor region is preferably a hexagonal column-shaped region. In this case, it is preferable that the six side boundary surfaces are formed on the (10-10) crystal plane or the (10-12) crystal plane.
When the p-type semiconductor region is a hexagonal column-shaped region, the p-type semiconductor region can be effectively arranged in the nitride semiconductor crystal. When the p-type semiconductor region is a hexagonal column-shaped region, the six lateral boundary surfaces are formed on the (10-10) crystal plane or the (10-12) crystal plane, thereby stabilizing the semiconductor device. The normally-off operation can be realized.

あるいは、上記の半導体装置において、前記へテロ接合面が(10−10)結晶面上に位置することも好ましい。この場合、前記p型半導体領域の側方境界面は、(1−210)結晶面又は(1−212)結晶面上に形成されていることが好ましい。
(10−10)結晶面は(0001)結晶面に垂直な結晶面である。また、(1−210)結晶面と(1−212)結晶面は、(10−10)結晶面に垂直であるとともに(0001)結晶面と角度を成す結晶面である。これらの結晶面上にヘテロ接合面やp型半導体領域の側方境界面が位置することにより、半導体装置は安定したノーマリオフ動作を実現することができる。
この半導体装置においても、前記p型半導体領域を六角柱形状の領域とすることができる。この場合、その6つの側方境界面を、(1−210)結晶面又は(1−212)結晶面上に形成することが好ましい。
Alternatively, in the above semiconductor device, it is also preferable that the heterojunction plane is located on a (10-10) crystal plane. In this case, the lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is preferably formed on the (1-210) crystal plane or the (1-212) crystal plane.
The (10-10) crystal plane is a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. The (1-210) crystal plane and the (1-212) crystal plane are crystal planes that are perpendicular to the (10-10) crystal plane and form an angle with the (0001) crystal plane. Since the heterojunction plane and the lateral boundary surface of the p-type semiconductor region are located on these crystal planes, the semiconductor device can realize a stable normally-off operation.
Also in this semiconductor device, the p-type semiconductor region can be a hexagonal column-shaped region. In this case, it is preferable to form the six side boundary surfaces on the (1-210) crystal plane or the (1-212) crystal plane.

上記した窒化物半導体装置は、前記第1種類の窒化物半導体を窒化ガリウムとし、前記第2種類の窒化物半導体を窒化ガリウム・アルミニウムとすることが好ましい。
これらの材料の組み合わせであると、適度なバンドギャップの差異によって、チャネルに適したヘテロ接合面が形成される。
In the above-described nitride semiconductor device, it is preferable that the first type nitride semiconductor is gallium nitride and the second type nitride semiconductor is gallium nitride / aluminum.
With a combination of these materials, a heterojunction surface suitable for the channel is formed due to an appropriate band gap difference.

本発明の技術は、新規で有用な半導体装置の製造方法を提供する。この製造方法は、主材料が第1種類の窒化物半導体であり、表面が(0001)結晶面に垂直な結晶面であり、p型の不純物を含むp型半導体層を有する窒化物半導体結晶を用意する工程と、前記窒化物半導体結晶の一部を除去し、前記p型半導体層の他の一部をその側面が(0001)結晶面と角度を成すように突出させる除去工程と、少なくとも前記除去工程でp型半導体層を除去した領域に、第1種類の窒化物半導体を結晶成長させる第1結晶成長工程と、第1結晶成長工程後の窒化物半導体結晶の表面に、第2種類の窒化物半導体を結晶成長させる第2結晶成長工程と、第2結晶成長工程後の窒化物半導体結晶の表面に、前記p型半導体層の少なくとも一部に対向するゲート電極を、ゲート絶縁膜を介在させて形成する工程とを備える。   The technology of the present invention provides a novel and useful method for manufacturing a semiconductor device. In this manufacturing method, a nitride semiconductor crystal having a p-type semiconductor layer containing a p-type impurity, the main material being a first type nitride semiconductor, the surface being a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, Preparing, removing a part of the nitride semiconductor crystal, and removing another part of the p-type semiconductor layer so that the side surface forms an angle with the (0001) crystal plane, A first crystal growth step of growing a first type of nitride semiconductor in the region where the p-type semiconductor layer has been removed in the removal step, and a second type of nitride semiconductor crystal on the surface of the nitride semiconductor crystal after the first crystal growth step. A second crystal growth step for crystal growth of the nitride semiconductor; and a gate electrode facing at least a part of the p-type semiconductor layer on the surface of the nitride semiconductor crystal after the second crystal growth step, with a gate insulating film interposed And forming a process .

この製造方法は、先に説明した半導体装置を好適に製造することができる。この製造方法では、窒化物半導体結晶を結晶成長させる際に、(0001)結晶面からの結晶成長が禁止される。それにより、結晶成長が不均一に進行することが防止され、均質な結晶を得ることができる。
この製造方法によると、本発明に係る半導体装置を良好に製造することができる。
This manufacturing method can preferably manufacture the semiconductor device described above. In this manufacturing method, crystal growth from the (0001) crystal plane is prohibited when the nitride semiconductor crystal is grown. Thereby, the crystal growth is prevented from proceeding non-uniformly, and a homogeneous crystal can be obtained.
According to this manufacturing method, the semiconductor device according to the present invention can be manufactured satisfactorily.

上記した製造方法において、前記除去工程では、前記p型半導体層の一部を、6つの側面が(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に位置する六角柱状に突出させることが好ましい。
この製造方法によると、窒化物半導体結晶内にp型半導体領域を効果的に形成することが可能となる。
In the manufacturing method described above, in the removing step, a part of the p-type semiconductor layer is projected in a hexagonal column shape in which six side surfaces are located on the (10-10) crystal plane or the (10-12) crystal plane. Is preferred.
According to this manufacturing method, it is possible to effectively form the p-type semiconductor region in the nitride semiconductor crystal.

本発明により、ヘテロ接合面をチャネルに用いる半導体装置において、安定したノーマリオフ動作を実現することが可能となる。高いオフ耐圧と低いオン抵抗を有するノーマリオフ型の半導体装置を具現化することが可能となる。   According to the present invention, a stable normally-off operation can be realized in a semiconductor device using a heterojunction surface for a channel. A normally-off semiconductor device having a high off breakdown voltage and a low on-resistance can be realized.

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) 窒化物半導体結晶の上側表面は、(0001)結晶面に垂直な結晶面であり、例えば(1−210)結晶面又は(10−10)結晶面である。
(特徴2) 窒化物半導体結晶は、第1低濃度半導体領域を備えている。第1低濃度半導体領域は、n型の不純物を比較的に低濃度に含むn型の半導体領域である。第1低濃度半導体領域は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層の最上層部に位置しており、ヘテロ接合面とp型半導体領域の間に介在している。
(特徴3) 窒化物半導体結晶は、ドレイン領域を備えている。ドレイン領域は、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の半導体領域である。ドレイン領域は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層の最下層部に形成されており、窒化物半導体結晶の下側表面に露出している。ドレイン領域には、ドレイン電極がオーミック接触している。
(特徴4) 窒化物半導体結晶は、ソース領域を備えている。ソース領域は、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の半導体領域である。ソース領域は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と第2種類の窒化物半導体で構成された第2層の両層に亘って形成されており、両層の境界面であるヘテロ接合面が通過している。ソース領域は、窒化物半導体結晶の上側表面に露出しており、ソース電極がオーミック接触している。
First, the main features of the embodiments described below are listed.
(Feature 1) The upper surface of the nitride semiconductor crystal is a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, for example, a (1-210) crystal plane or a (10-10) crystal plane.
(Feature 2) The nitride semiconductor crystal includes a first low-concentration semiconductor region. The first low concentration semiconductor region is an n type semiconductor region containing an n type impurity at a relatively low concentration. The first low-concentration semiconductor region is located in the uppermost layer portion of the first layer made of the first type nitride semiconductor, and is interposed between the heterojunction plane and the p-type semiconductor region.
(Feature 3) The nitride semiconductor crystal includes a drain region. The drain region is an n + type semiconductor region containing an n type impurity at a relatively high concentration. The drain region is formed in the lowermost layer portion of the first layer made of the first type nitride semiconductor, and is exposed on the lower surface of the nitride semiconductor crystal. A drain electrode is in ohmic contact with the drain region.
(Feature 4) A nitride semiconductor crystal includes a source region. The source region is an n + type semiconductor region containing an n type impurity at a relatively high concentration. The source region is formed over both the first layer composed of the first type nitride semiconductor and the second layer composed of the second type nitride semiconductor, and at the boundary surface between the two layers. A heterojunction plane passes through. The source region is exposed on the upper surface of the nitride semiconductor crystal, and the source electrode is in ohmic contact.

(実施例1)
図1は、実施例1の半導体装置10を上方から平面視した構造を模式的に示している。図2は、図1中のII−II線における断面図を示している。図1は、半導体装置10の特徴的な構造を模式的に示すものであり、実際には同様の構造が図面の上下左右方向に多数形成されている。
半導体装置10は、窒化物半導体結晶20と、ソース電極28と、ドレイン電極30と、ゲート電極32を備えている。ソース電極28は、窒化物半導体結晶20の上側表面20aに形成されている。ドレイン電極30は、窒化物半導体結晶20の下側表面20bに形成されている。ゲート電極32は、窒化物半導体結晶20の上側表面20aにゲート絶縁膜34を介して形成されている。図1に示すように、ソース電極28は、上方から平面視した形状が略正六角形となっている。ゲート電極32は、上方から平面視した形状がハニカム状の網目形状となっている。
ソース電極28とドレイン電極30とゲート電極32を構成する材料は特に限定されず、例えば金属を用いて構成することができる。本実施例では、ソース電極28とドレイン電極30を、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)が積層された積層体によって構成している。また、ゲート電極32を、主にチタン(Ti)を用いて構成している。なお、ゲート絶縁膜34は、酸化シリコン(SiO)を用いて構成している。ソース電極28とドレイン電極30はオーミック電極であり、窒化物半導体結晶20の上下の表面20a、20bにそれぞれオーミック接触している。
(Example 1)
FIG. 1 schematically shows a structure of the semiconductor device 10 according to the first embodiment when viewed from above. FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 1 schematically shows a characteristic structure of the semiconductor device 10. In fact, many similar structures are formed vertically and horizontally in the drawing.
The semiconductor device 10 includes a nitride semiconductor crystal 20, a source electrode 28, a drain electrode 30, and a gate electrode 32. The source electrode 28 is formed on the upper surface 20 a of the nitride semiconductor crystal 20. The drain electrode 30 is formed on the lower surface 20 b of the nitride semiconductor crystal 20. The gate electrode 32 is formed on the upper surface 20 a of the nitride semiconductor crystal 20 via a gate insulating film 34. As shown in FIG. 1, the source electrode 28 has a substantially regular hexagonal shape when viewed from above. The gate electrode 32 has a honeycomb network shape in plan view from above.
The material which comprises the source electrode 28, the drain electrode 30, and the gate electrode 32 is not specifically limited, For example, it can comprise using a metal. In this embodiment, the source electrode 28 and the drain electrode 30 are constituted by a laminate in which titanium (Ti) and aluminum (Al) are laminated. The gate electrode 32 is mainly composed of titanium (Ti). The gate insulating film 34 is configured using silicon oxide (SiO 2 ). The source electrode 28 and the drain electrode 30 are ohmic electrodes, and are in ohmic contact with the upper and lower surfaces 20a and 20b of the nitride semiconductor crystal 20, respectively.

窒化物半導体結晶20は、六方晶の構造を有する結晶体である。窒化物半導体結晶20の上側表面20aは、(0001)結晶面に垂直な(1−210)結晶面である。窒化物半導体結晶20は、窒化ガリウム(GaN)で構成されたGaN層22(第1層)と、窒化ガリウム・アルミニウム(Al0.3Ga0.7N)で構成されたAlGaN層24(第2層)を備えている。AlGaN層24は、GaN層22の上側に積層されている。窒化ガリウムと窒化ガリウム・アルミニウムのバンドギャップは互いに異なることから、GaN層22とAlGaN層24との境界にヘテロ接合面26が形成されている。なお、窒化ガリウムのバンドギャップは、窒化ガリウム・アルミニウムのバンドギャップよりも狭い。ヘテロ接合面26は、窒化物半導体結晶20の上側表面20aに平行であり、(0001)結晶面に垂直な(1−210)結晶面上に位置している。ヘテロ接合面26の一部には、ゲート電極32がゲート絶縁膜34及びAlGaN層24を介して対向している。 The nitride semiconductor crystal 20 is a crystal body having a hexagonal crystal structure. The upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20 is a (1-210) crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. The nitride semiconductor crystal 20 includes a GaN layer 22 (first layer) composed of gallium nitride (GaN) and an AlGaN layer 24 (first layer) composed of gallium nitride / aluminum (Al 0.3 Ga 0.7 N). 2 layers). The AlGaN layer 24 is stacked on the upper side of the GaN layer 22. Since the band gaps of gallium nitride and gallium nitride / aluminum are different from each other, a heterojunction surface 26 is formed at the boundary between the GaN layer 22 and the AlGaN layer 24. The band gap of gallium nitride is narrower than that of gallium nitride / aluminum. The heterojunction surface 26 is parallel to the upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20 and is located on the (1-210) crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. A gate electrode 32 faces a part of the heterojunction surface 26 with the gate insulating film 34 and the AlGaN layer 24 therebetween.

GaN層22は、導入した不純物の種類や濃度に応じて、ドレイン領域42と、低濃度半導体領域44、48、50と、p型半導体領域46と、ソース領域54に区分することができる。同様に、AlGaN層24は、i型半導体領域52とソース領域54に区分することができる。ソース領域54は、GaN層22とAlGaN層24に亘って形成されており、その内部をヘテロ接合面が26通過している。また、低濃度半導体領域44、48、50は、窒化物半導体結晶20の上下方向(厚み方向)に関して、p型半導体領域46よりも上方に位置する第1低濃度半導体領域50と、p型半導体領域46の側方(上下位置が等しい)に位置する第2低濃度半導体領域48と、p型半導体領域46よりも下方に位置する第3低濃度半導体領域44に区分することができる。   The GaN layer 22 can be divided into a drain region 42, low-concentration semiconductor regions 44, 48, 50, a p-type semiconductor region 46, and a source region 54 according to the type and concentration of the introduced impurity. Similarly, the AlGaN layer 24 can be divided into an i-type semiconductor region 52 and a source region 54. The source region 54 is formed across the GaN layer 22 and the AlGaN layer 24, and 26 heterojunction surfaces pass through the source region 54. The low-concentration semiconductor regions 44, 48, and 50 are the first low-concentration semiconductor region 50 located above the p-type semiconductor region 46 and the p-type semiconductor in the vertical direction (thickness direction) of the nitride semiconductor crystal 20. The region can be divided into a second low-concentration semiconductor region 48 located on the side of the region 46 (upper and lower positions are equal) and a third low-concentration semiconductor region 44 located below the p-type semiconductor region 46.

ドレイン領域42は、窒化ガリウムを主材料とする領域であり、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の半導体領域である。n型の不純物にはシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約3×1018cm−3に調整されている。ドレイン領域42は、GaN層22の最下層部に形成されている。ドレイン領域42には、ドレイン電極30がオーミック接触している。
低濃度半導体領域44、48、50は、窒化ガリウムを主材料とする領域であり、n型の不純物を比較的に低濃度に含むn型の半導体領域である。n型の不純物にはシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約1×1016cm−3に調整されている。
第1低濃度半導体領域50は、ヘテロ接合面26の下側に形成されており、その一部がヘテロ接合面26とp型半導体領域46の間に介在している。
第2低濃度半導体領域48は、第1低濃度半導体領域50と第3低濃度半導体領域44の間に形成されている。第2低濃度半導体領域48は、ゲート電極32の中間部の下方に形成されている。
第3低濃度半導体領域44は、ドレイン領域42の上側に形成されており、その一部がドレイン領域42とp型半導体領域46の間に介在している。低濃度半導体領域44、48、50は、ゲート電極32の中間部の下方に、ヘテロ接合面26からドレイン領域42まで伸びる一連のn領域を形成している。
The drain region 42 is a region mainly composed of gallium nitride, and is an n + type semiconductor region containing an n-type impurity at a relatively high concentration. Silicon (Si) is used as the n-type impurity, and its concentration is adjusted to about 3 × 10 18 cm −3 . The drain region 42 is formed in the lowermost layer portion of the GaN layer 22. The drain electrode 30 is in ohmic contact with the drain region 42.
The low-concentration semiconductor regions 44, 48, and 50 are regions containing gallium nitride as a main material, and are n -type semiconductor regions containing an n-type impurity at a relatively low concentration. Silicon (Si) is used as the n-type impurity, and its concentration is adjusted to about 1 × 10 16 cm −3 .
The first low-concentration semiconductor region 50 is formed below the heterojunction surface 26, and a part of the first low-concentration semiconductor region 50 is interposed between the heterojunction surface 26 and the p-type semiconductor region 46.
The second low concentration semiconductor region 48 is formed between the first low concentration semiconductor region 50 and the third low concentration semiconductor region 44. The second low concentration semiconductor region 48 is formed below the middle portion of the gate electrode 32.
The third low-concentration semiconductor region 44 is formed above the drain region 42, and a part thereof is interposed between the drain region 42 and the p-type semiconductor region 46. The low concentration semiconductor regions 44, 48, 50 form a series of n regions extending from the heterojunction surface 26 to the drain region 42 below the intermediate portion of the gate electrode 32.

p型半導体領域46は、窒化ガリウムを主材料とする領域であり、p型の不純物を含むp型の半導体領域である。p型の不純物にはマグネシウム(Mg)が用いられており、その濃度は約5×1019cm−3に調整されている。
図3は、図1と同じ視点からp型半導体領域46の配列を平面視した図である。図2、3に示すように、それぞれのp型半導体領域46は、上下方向に伸びる六角柱形状の領域であり、各ソース電極28の下方に位置している。p型半導体領域46は、上方から平面視したときにソース電極28よりも広い範囲に形成されており、p型半導体領域46の周縁部がゲート電極32の下方まで伸びている。
p型半導体領域46の6つの側面46a、46bは、窒化物半導体結晶20の上側表面20aに垂直であるとともに、(0001)結晶面と角度を成す(平行でない)結晶面上に位置している。詳しくは、図中左右方向に対向する2つの側面46aは、(0001)結晶面に垂直な(10−10)結晶面上に位置している。そして、他の4つの側面46bは、(0001)結晶面と略30度の角度を成す(10−12)結晶面上に位置している。
The p-type semiconductor region 46 is a region mainly composed of gallium nitride, and is a p-type semiconductor region containing p-type impurities. Magnesium (Mg) is used as the p-type impurity, and its concentration is adjusted to about 5 × 10 19 cm −3 .
FIG. 3 is a plan view of the arrangement of the p-type semiconductor regions 46 from the same viewpoint as FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, each p-type semiconductor region 46 is a hexagonal column-shaped region extending in the vertical direction, and is located below each source electrode 28. The p-type semiconductor region 46 is formed in a wider area than the source electrode 28 when viewed from above, and the peripheral edge of the p-type semiconductor region 46 extends to below the gate electrode 32.
The six side surfaces 46a and 46b of the p-type semiconductor region 46 are perpendicular to the upper surface 20a of the nitride semiconductor crystal 20 and are located on a crystal plane that forms an angle with the (0001) crystal plane (not parallel). . Specifically, the two side surfaces 46a facing in the left-right direction in the drawing are located on the (10-10) crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. The other four side surfaces 46b are located on the (10-12) crystal plane that forms an angle of approximately 30 degrees with the (0001) crystal plane.

図2に示すように、ゲート電極32の中間部の下方には、p型半導体領域46が形成されておらず、第2低濃度半導体領域48が形成されている。図2、図3に示すように、第2低濃度半導体領域48は、六角柱形状をした複数のp型半導体領域46の間隙に位置しており、ハニカム状の領域となっている。ゲート電極32の中央部の下方には、低濃度半導体領域44、48、50及びドレイン領域42によって、ヘテロ接合面26からp型半導体領域46の側方を通過して窒化物半導体結晶20の下側表面20bに到る一連のn型の半導体領域が形成されている。この一連のn型の半導体領域42、44、48、50は、ゲート電極32に電圧が印加されたときに、電子が走行するチャネルの一部を構成する。   As shown in FIG. 2, the p-type semiconductor region 46 is not formed under the intermediate portion of the gate electrode 32, and the second low-concentration semiconductor region 48 is formed. As shown in FIGS. 2 and 3, the second low-concentration semiconductor region 48 is located in the gap between the plurality of p-type semiconductor regions 46 having a hexagonal column shape, and is a honeycomb-like region. Below the central portion of the gate electrode 32, the lightly doped semiconductor regions 44, 48, 50 and the drain region 42 pass through the side of the p-type semiconductor region 46 from the heterojunction surface 26 and below the nitride semiconductor crystal 20. A series of n-type semiconductor regions reaching the side surface 20b are formed. The series of n-type semiconductor regions 42, 44, 48, and 50 constitute a part of a channel through which electrons travel when a voltage is applied to the gate electrode 32.

ソース領域54は、GaN層22とAlGaN層24に亘って形成されており、窒化物半導体結晶20の上側表面20aに露出している。ソース領域54は、n型の不純物を比較的に高濃度に含むn型の領域である。n型の不純物にはシリコン(Si)が用いられており、その濃度は約3×1018cm−3に調整されている。ソース領域54は、ソース電極28の下に形成されており、ゲート電極32の端部に対向する位置まで伸びている。 The source region 54 is formed across the GaN layer 22 and the AlGaN layer 24, and is exposed on the upper surface 20 a of the nitride semiconductor crystal 20. The source region 54 is an n + type region containing an n type impurity at a relatively high concentration. Silicon (Si) is used as the n-type impurity, and its concentration is adjusted to about 3 × 10 18 cm −3 . The source region 54 is formed under the source electrode 28 and extends to a position facing the end of the gate electrode 32.

i型半導体領域52は、窒化ガリウム・アルミニウムを主材料とする領域であり、不純物が導入されていないi型の半導体領域である。i型半導体領域52は、ゲート電極32の中央部と第1低濃度半導体領域50の間に位置している。i型半導体領域52と上部低濃度半導体領域50の境界に形成されたヘテロ接合面26の一部には、ゲート電極32が上方から対向しているとともに、p型半導体領域46が下方から対向している。なお、i型半導体領域52は、n型の不純物を導入することによってn型の半導体領域とすることもできる。   The i-type semiconductor region 52 is a region mainly composed of gallium nitride / aluminum, and is an i-type semiconductor region into which no impurity is introduced. The i-type semiconductor region 52 is located between the central portion of the gate electrode 32 and the first low-concentration semiconductor region 50. A part of the heterojunction surface 26 formed at the boundary between the i-type semiconductor region 52 and the upper low-concentration semiconductor region 50 is opposed to the gate electrode 32 from above, and the p-type semiconductor region 46 is opposed from below. ing. Note that the i-type semiconductor region 52 may be an n-type semiconductor region by introducing an n-type impurity.

次に、半導体装置10の動作を説明する。半導体装置10では、ヘテロ接合面26が(1−210)結晶面上に形成されている。(1−210)結晶面は、その垂直方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、ヘテロ接合面26に垂直な方向には、自発分極及びピエゾ分極が生じない。さらに、ヘテロ接合面26の一部には、p型半導体領域46が第2低濃度半導体領域50を介して対向している。それにより、ゲート電極32に電圧を印加していない状態では、低濃度半導体領域44、48、50に空乏層が形成され、その空乏層はヘテロ接合面26まで伸びている。その結果、ゲート電極32に電圧を印加していない状態では、低濃度半導体領域44、48、50が空乏化されるとともに、ヘテロ接合面26における2次元電子ガス層の形成が禁止される。半導体装置10では、ゲート電極32に電圧が印加されていない状態で、ソース電極28とドレイン電極30の間の通電が禁止される。   Next, the operation of the semiconductor device 10 will be described. In the semiconductor device 10, the heterojunction surface 26 is formed on the (1-210) crystal plane. The (1-210) crystal plane is a nonpolar plane whose polarity does not change in the vertical direction. Therefore, spontaneous polarization and piezo polarization do not occur in the direction perpendicular to the heterojunction plane 26. Further, a p-type semiconductor region 46 is opposed to a part of the heterojunction surface 26 with the second low-concentration semiconductor region 50 interposed therebetween. As a result, when no voltage is applied to the gate electrode 32, a depletion layer is formed in the low concentration semiconductor regions 44, 48, and 50, and the depletion layer extends to the heterojunction surface 26. As a result, in a state where no voltage is applied to the gate electrode 32, the low concentration semiconductor regions 44, 48 and 50 are depleted and the formation of the two-dimensional electron gas layer on the heterojunction surface 26 is prohibited. In the semiconductor device 10, energization between the source electrode 28 and the drain electrode 30 is prohibited while no voltage is applied to the gate electrode 32.

一方、ゲート電極32に正の電圧を印加した状態では、低濃度半導体領域44、48、50に形成されていた空乏層が縮小するとともに、ヘテロ接合面26に2次元電子ガス層が形成される。換言すれば、低濃度半導体領域44、48、50に形成されていた空乏層を縮小させ、ヘテロ接合面26に2次元電子ガス層を形成させるためには、ゲート電極32に比較的に大きな正の電圧を印加する必要がある。ゲート電極32に正の電圧を印加すると、ヘテロ接合面26や低濃度半導体領域44、48、50は多数の電子が走行可能な状態となり、ソース電極28とドレイン電極30の間が通電可能な状態となる。このように、半導体装置10は、安定したノーマリオフ動作を実現することができる。   On the other hand, when a positive voltage is applied to the gate electrode 32, the depletion layer formed in the low concentration semiconductor regions 44, 48, 50 is reduced and a two-dimensional electron gas layer is formed on the heterojunction surface 26. . In other words, in order to reduce the depletion layer formed in the low-concentration semiconductor regions 44, 48, 50 and form a two-dimensional electron gas layer on the heterojunction surface 26, a relatively large positive electrode is formed on the gate electrode 32. Must be applied. When a positive voltage is applied to the gate electrode 32, the heterojunction surface 26 and the low-concentration semiconductor regions 44, 48, and 50 are in a state in which a large number of electrons can travel, and the source electrode 28 and the drain electrode 30 can be energized. It becomes. Thus, the semiconductor device 10 can realize a stable normally-off operation.

半導体装置10のしきい値電圧(オンするのに要するゲート電圧)は、低濃度半導体領域44、48、50の不純物濃度、p型半導体領域48の不純物濃度、第1低濃度半導体領域50の厚みt(図2参照)等によって変化する。あるいは、i型半導体領域52に例えばn型の不純物を導入することによっても変化する。従って、これらの設定を適宜変更することによって、所望のしきい値電圧を有する半導体装置10を具現化することができる。   The threshold voltage (gate voltage required for turning on) of the semiconductor device 10 is such that the impurity concentration of the low concentration semiconductor regions 44, 48 and 50, the impurity concentration of the p-type semiconductor region 48, and the thickness of the first low concentration semiconductor region 50. It varies depending on t (see FIG. 2) and the like. Alternatively, it is changed by introducing an n-type impurity into the i-type semiconductor region 52, for example. Therefore, the semiconductor device 10 having a desired threshold voltage can be realized by appropriately changing these settings.

ヘテロ接合面26は、特定の(1−210)結晶面上に限られず、(1−210)結晶面に等価な結晶面に形成することができる。あるいは、ヘテロ接合面26は、例えば(10−10)結晶面等のように、(0001)結晶面に垂直な他の結晶面上に形成してもよい。(0001)結晶面に垂直な結晶面は、その垂直方向に極性が変化しない無極性面である。そのことから、ヘテロ接合面26を、(0001)結晶面上は避け、(0001)結晶面に垂直な結晶面上に形成することによって、ヘテロ接合面26に垂直な方向の自発分極及びピエゾ分極の発生を抑制することができる。それにより、ヘテロ接合面26に発生する二次元電子ガスの密度を適度に抑制することができる。
なお、ヘテロ接合面26を(10−10)結晶面上に形成する場合、p型半導体領域46の6つの側方境界面は(1−210)結晶面又は(1−212)結晶面上に形成することが好ましい。
The heterojunction plane 26 is not limited to a specific (1-210) crystal plane, and can be formed on a crystal plane equivalent to the (1-210) crystal plane. Alternatively, the heterojunction surface 26 may be formed on another crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, such as a (10-10) crystal plane. The crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane is a nonpolar plane whose polarity does not change in the vertical direction. Therefore, by forming the heterojunction plane 26 on a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, avoiding the (0001) crystal plane, spontaneous polarization and piezoelectric polarization in the direction perpendicular to the heterojunction plane 26 are achieved. Can be suppressed. Thereby, the density of the two-dimensional electron gas generated on the heterojunction surface 26 can be moderately suppressed.
When the heterojunction plane 26 is formed on the (10-10) crystal plane, the six lateral boundary surfaces of the p-type semiconductor region 46 are on the (1-210) crystal plane or the (1-212) crystal plane. It is preferable to form.

(半導体装置10の製造方法)
次に半導体装置10の製造方法を説明する。
先ず、図4に示すように、n型の窒化ガリウムを主材料とするとともに、その主表面が(1−210)結晶面である半導体基板42(後にドレイン領域42となる)を用意する。次に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、半導体基板42上にn型の窒化ガリウム層44(後に第3低濃度半導体領域44となる)を結晶成長させる。次に、MOCVD法を利用して、n型の窒化ガリウム層44上に、p型の窒化ガリウム層46(後にp型半導体領域46となる)を結晶成長させる。
次に、図5に示すように、リソグラフィー技術とRIE技術を利用して、p型の窒化ガリウム層46を貫通し、n型の窒化ガリウム層44に達する溝47を形成する。溝47の形状は、後の工程で第2低濃度半導体領域48を結晶成長させる領域の形状に等しく、即ち、平面視した形状がハニカム状となるように形成する(図3参照)。その結果、p型の窒化ガリウム層46は六角柱状に突出する複数の領域に分割され、その側面47aは(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に位置するものとなる。
(Manufacturing method of the semiconductor device 10)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 10 will be described.
First, as shown in FIG. 4, a semiconductor substrate 42 (which will later become a drain region 42) whose main surface is n + -type gallium nitride and whose main surface is a (1-210) crystal plane is prepared. Next, using an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, an n -type gallium nitride layer 44 (which later becomes the third low-concentration semiconductor region 44) is crystal-grown on the semiconductor substrate 42. Next, a p-type gallium nitride layer 46 (which will later become a p-type semiconductor region 46) is grown on the n -type gallium nitride layer 44 by MOCVD.
Next, as shown in FIG. 5, a groove 47 that penetrates the p-type gallium nitride layer 46 and reaches the n -type gallium nitride layer 44 is formed using the lithography technique and the RIE technique. The shape of the groove 47 is equal to the shape of the region in which the second low-concentration semiconductor region 48 is crystal-grown in a later step, that is, the shape in plan view is formed in a honeycomb shape (see FIG. 3). As a result, the p-type gallium nitride layer 46 is divided into a plurality of regions protruding in a hexagonal column shape, and the side surface 47a is located on the (10-10) crystal plane or the (10-12) crystal plane.

次に、図6に示すように、MOCVD法を利用して、n型の窒化ガリウム層44及びp型の窒化ガリウム層46の上に、n型の窒化ガリウム層48、50(後に第2低濃度半導体領域48と第1低濃度半導体領域50となる)を結晶成長させる。このとき、溝47の内部では、p型の窒化ガリウム層46の側面47aのそれぞれから結晶成長が進行する。先に説明したように、p型の窒化ガリウム層46の側面47aは、(0001)結晶面に垂直な(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面である。そのことから、結晶成長がそれぞれの側面47aから略等しい速度で進行する。それぞれの側面47aから結晶成長が略等しい速度で進行することにより、溝47の内部にn型の窒化ガリウム層48を均質に形成することができる。 Next, as shown in FIG. 6, by utilizing the MOCVD method, n - on the type gallium nitride layer 44 and p-type gallium nitride layer 46, n - first the type gallium nitride layer 48, 50 (after (2) a low-concentration semiconductor region 48 and a first low-concentration semiconductor region 50) are grown. At this time, crystal growth proceeds from each of the side surfaces 47 a of the p-type gallium nitride layer 46 inside the groove 47. As described above, the side surface 47a of the p-type gallium nitride layer 46 is a (10-10) crystal plane or a (10-12) crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane. Therefore, crystal growth proceeds from each side surface 47a at a substantially equal speed. Crystal growth proceeds from each side surface 47 a at a substantially equal speed, so that the n -type gallium nitride layer 48 can be formed uniformly in the groove 47.

上記に対して、p型の窒化ガリウム層46の6つの側面47aに(0001)結晶面が含まれる場合、その側面47aとそれに溝47を挟んで対向する側面47aの一方はガリウム原子のみが存在する(0001)結晶面となり、他方の側面47aは窒素原子のみが存在する(0001)結晶面となる。ガリウム原子のみが存在する(0001)結晶面からの結晶成長は、窒素原子のみが存在する(0001)結晶面からの結晶成長よりも、その進行速度が顕著に遅くなる。そのことから、p型の窒化ガリウム層46の側面47aに(0001)結晶面が含まれると、溝47の内部における結晶成長に非対称性が生じ、溝47の内部にn型の窒化ガリウム層48を均質に形成することができなってしまう。 On the other hand, when the (0001) crystal plane is included in the six side surfaces 47a of the p-type gallium nitride layer 46, only one of the side surface 47a and the side surface 47a opposite to the side surface 47a across the groove 47 exists. (0001) crystal plane, and the other side surface 47a is a (0001) crystal plane in which only nitrogen atoms exist. Crystal growth from a (0001) crystal plane in which only gallium atoms are present has a significantly slower progression rate than crystal growth from a (0001) crystal plane in which only nitrogen atoms are present. Therefore, when the (0001) crystal plane is included in the side surface 47 a of the p-type gallium nitride layer 46, crystal asymmetry occurs in the groove 47, and the n -type gallium nitride layer is formed in the groove 47. 48 cannot be formed uniformly.

次に、図7に示すように、MOCVD法を利用して、n型の窒化ガリウム層50の上に、i型の窒化ガリウム・アルミニウム層52(後にi型半導体領域52となる)を結晶成長させる。
次に、図8に示すように、イオン注入を実施してソース領域54を形成する。このイオン注入時には、i型の窒化ガリウム・アルミニウム層52の上側表面に、ソース領域54の形成範囲に開口が形成されたマスク(図示省略)を形成する。
以上までの工程によって、半導体装置10の窒化物半導体結晶20の成形が完了する。成形が完了した窒化物半導体結晶20は、必要に応じて表面に保護層を形成した後、アニール処理が実施される。
Next, as shown in FIG. 7, an i-type gallium nitride / aluminum layer 52 (which later becomes an i-type semiconductor region 52) is crystallized on the n -type gallium nitride layer 50 using MOCVD. Grow.
Next, as shown in FIG. 8, ion implantation is performed to form a source region 54. At the time of this ion implantation, a mask (not shown) having an opening in the formation region of the source region 54 is formed on the upper surface of the i-type gallium nitride / aluminum layer 52.
Through the above steps, the formation of the nitride semiconductor crystal 20 of the semiconductor device 10 is completed. The nitride semiconductor crystal 20 that has been formed is annealed after forming a protective layer on the surface as necessary.

次に、図9に示すように、CVD法を利用して、i型の窒化ガリウム・アルミニウム層52の上に、酸化シリコン層34(後にゲート絶縁膜34となる)を成膜する。
次に、図10に示すように、リソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、酸化シリコン層34の一部を除去し、ソース領域54の一部を露出させる。
次いで、ソース電極28とドレイン電極30とゲート電極32を形成する。ソース電極28はドレイン領域54の上に形成し、ドレイン電極30はドレイン領域42の下に形成し、ゲート電極32はゲート絶縁膜34の上に形成する。以上の工程によって、図1に示す半導体装置10を製造することができる。
Next, as shown in FIG. 9, a silicon oxide layer 34 (which will later become the gate insulating film 34) is formed on the i-type gallium nitride / aluminum layer 52 using the CVD method.
Next, as shown in FIG. 10, a part of the silicon oxide layer 34 is removed and a part of the source region 54 is exposed using a lithography technique and an etching technique.
Next, the source electrode 28, the drain electrode 30, and the gate electrode 32 are formed. The source electrode 28 is formed on the drain region 54, the drain electrode 30 is formed on the drain region 42, and the gate electrode 32 is formed on the gate insulating film 34. Through the above steps, the semiconductor device 10 shown in FIG. 1 can be manufactured.

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み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。
本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、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.
The technology illustrated in this specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and achieving one of the objects itself has technical utility.

半導体装置を平面視した構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure which planarly viewed the semiconductor device. 図1中のII−II線断面図。II-II sectional view taken on the line in FIG. p型半導体領域の配列を平面視して示す図。The figure which shows the arrangement | sequence of a p-type semiconductor region in planar view. 半導体装置の第1の製造過程を示す図。The figure which shows the 1st manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第2の製造過程を示す図。The figure which shows the 2nd manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第3の製造過程を示す図。The figure which shows the 3rd manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第4の製造過程を示す図。The figure which shows the 4th manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第5の製造過程を示す図。The figure which shows the 5th manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第6の製造過程を示す図。The figure which shows the 6th manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の第7の製造過程を示す図。The figure which shows the 7th manufacturing process of a semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

・10:半導体装置
・20:窒化物半導体結晶
・22:GaN層(第1層)
・24:AlGaN層(第2層)
・26:ヘテロ接合面
・28:ソース電極
・30:ドレイン電極
・32:ゲート電極
・34:ゲート絶縁膜
・42:ドレイン領域
・44、48、50:低濃度半導体領域
・46:p型半導体領域
・52:i型半導体領域
・54:ソース領域
10: Semiconductor device 20: Nitride semiconductor crystal 22: GaN layer (first layer)
24: AlGaN layer (second layer)
26: Heterojunction surface 28: Source electrode 30: Drain electrode 32: Gate electrode 34: Gate insulating film 42: Drain region 44, 48, 50: Low concentration semiconductor region 46: P-type semiconductor region 52: i-type semiconductor region 54: Source region

Claims (8)

窒化物半導体結晶と、前記窒化物半導体結晶の上側表面に絶縁層を介して対向するゲート電極を備え、
前記窒化物半導体結晶は、第1種類の窒化物半導体で構成された第1層と、前記第1層の上方に積層されているとともに第2種類の窒化物半導体で構成された第2層を備えており、
前記第1層と前記第2層との境界に形成されたヘテロ接合面は、(0001)結晶面に垂直な結晶面上に位置しており、
前記第1層には、p型の不純物を含むp型半導体領域が、前記へテロ接合面を介して前記ゲート電極の少なくとも一部に対向する位置に形成されており、
前記p型半導体領域の側方境界面は、前記へテロ接合面に垂直であるとともに(0001)結晶面と角度を成す結晶面上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
A nitride semiconductor crystal, and a gate electrode facing the upper surface of the nitride semiconductor crystal via an insulating layer,
The nitride semiconductor crystal includes a first layer composed of a first type of nitride semiconductor and a second layer composed of a second type of nitride semiconductor and stacked above the first layer. Has
The heterojunction plane formed at the boundary between the first layer and the second layer is located on a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane,
In the first layer, a p-type semiconductor region containing a p-type impurity is formed at a position facing at least a part of the gate electrode through the heterojunction surface,
A side boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a crystal plane that is perpendicular to the heterojunction plane and forms an angle with the (0001) crystal plane.
前記へテロ接合面は、(1−210)結晶面上に位置しており、
前記p型半導体領域の側方境界面は、(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The heterojunction plane is located on a (1-210) crystal plane;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a (10-10) crystal plane or a (10-12) crystal plane.
前記p型半導体領域は、六角柱形状の領域であり、その6つの側方境界面が(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The p-type semiconductor region is a hexagonal column-shaped region, and six side boundary surfaces thereof are formed on a (10-10) crystal plane or a (10-12) crystal plane. Item 3. The semiconductor device according to Item 2. 前記へテロ接合面は、(10−10)結晶面上に位置しており、
前記p型半導体領域の側方境界面は、(1−210)結晶面又は(1−212)結晶面上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The heterojunction plane is located on a (10-10) crystal plane;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lateral boundary surface of the p-type semiconductor region is formed on a (1-210) crystal plane or a (1-212) crystal plane.
前記p型半導体領域は、六角柱形状の領域であり、その6つの側方境界面が(1−210)結晶面又は(1−212)結晶面上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The p-type semiconductor region is a hexagonal column-shaped region, and six side boundary surfaces thereof are formed on a (1-210) crystal plane or a (1-212) crystal plane. Item 5. The semiconductor device according to Item 4. 前記第1種類の窒化物半導体は窒化ガリウムであり、前記第2種類の窒化物半導体は窒化ガリウム・アルミニウムであることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。   4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first type nitride semiconductor is gallium nitride, and the second type nitride semiconductor is gallium nitride / aluminum. 5. 半導体装置の製造方法であって、
主材料が第1種類の窒化物半導体であり、表面が(0001)結晶面に垂直な結晶面であり、p型の不純物を含むp型半導体層を有する窒化物半導体結晶を用意する工程と、
前記窒化物半導体結晶の一部を除去し、前記p型半導体層の他の一部をその側面が(0001)結晶面と角度を成すように突出させる除去工程と、
少なくとも前記除去工程でp型半導体層を除去した領域に、第1種類の窒化物半導体を結晶成長させる第1結晶成長工程と、
第1結晶成長工程後の窒化物半導体結晶の表面に、第2種類の窒化物半導体を結晶成長させる第2結晶成長工程と、
第2結晶成長工程後の窒化物半導体結晶の表面に、前記p型半導体層の少なくとも一部に対向するゲート電極を、ゲート絶縁膜を介在させて形成する工程と、
を備える半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Providing a nitride semiconductor crystal having a p-type semiconductor layer whose main material is a first type nitride semiconductor, a surface is a crystal plane perpendicular to the (0001) crystal plane, and includes a p-type impurity;
Removing a part of the nitride semiconductor crystal and causing another part of the p-type semiconductor layer to protrude so that the side surface forms an angle with the (0001) crystal plane;
A first crystal growth step in which a first type nitride semiconductor is crystal-grown at least in a region where the p-type semiconductor layer has been removed in the removal step;
A second crystal growth step of growing a second type of nitride semiconductor on the surface of the nitride semiconductor crystal after the first crystal growth step;
Forming a gate electrode facing at least a part of the p-type semiconductor layer on the surface of the nitride semiconductor crystal after the second crystal growth step with a gate insulating film interposed therebetween;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記除去工程では、前記p型半導体層の一部を、6つの側面が(10−10)結晶面又は(10−12)結晶面上に位置する六角柱状に突出させることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   In the removing step, a part of the p-type semiconductor layer is protruded in a hexagonal column shape having six side surfaces located on a (10-10) crystal plane or a (10-12) crystal plane. 6. A method for manufacturing a semiconductor device according to 5.
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