JP2008235613A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置に関し、特に、窒化物半導体を用いた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a nitride semiconductor.
窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子として用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域において増幅を行うのに適した半導体装置として、高電子移動度トランジスタ(HEMT)等のFETの開発が進められている。また、HBT(Heterojunction Bipolar Transisitor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のトランジスタも開発されている。なお、窒化物半導体には、例えば、GaN、AlN(窒化アルミニウム)、InN(窒化インジウム)、GaNとAlNとの混晶であるAlGaN、GaNとInNとの混晶であるInGaN、GaNとAlNとInNとの混晶であるAlInGaN等がある。 A semiconductor device using a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) is used as a power element that operates at high frequency and high output. In particular, FETs such as high electron mobility transistors (HEMTs) are being developed as semiconductor devices suitable for performing amplification in high frequency bands such as microwaves, quasi-millimeter waves, and millimeter waves. Further, transistors such as HBT (Heterojunction Bipolar Transistor) and IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) have been developed. The nitride semiconductor includes, for example, GaN, AlN (aluminum nitride), InN (indium nitride), AlGaN that is a mixed crystal of GaN and AlN, InGaN that is a mixed crystal of GaN and InN, GaN and AlN, and the like. Examples include AlInGaN which is a mixed crystal with InN.
ゲート電圧が0V以上でピンチオフするエンハンスメント・モード(Eモード)FETは、待機電力を低減できるためスイッチング素子等に用いられている。また、EモードFETは、増幅器として使用する際、負電源が不要なため単一の電源を用い増幅器を形成できる。よって、回路の簡略化が可能となる。例えばGa面[0001]方向に結晶成長されたGaN電子走行層と電子走行層より電子親和力の小さいAlGaN電子供給層とからなる窒化物半導体FETにおいては、AlGaNとGaNとの界面の歪みに起因するピエゾ分極及び結晶の対称性に起因する自発分極によりAlGaN/GaN界面のGaN側に2DEG(2 Dimention Electron Gas:2次元電子ガス)が形成される。このようにして、電子供給層は2次元電子ガスを電子走行層に生成させ、この2DEGをゲート電極で制御することによりFETとして機能する。このようなFETをEモードとするためには2DEG濃度を小さくすることが求められるが、電子供給層を薄膜化してEモードを形成するとチャネル抵抗が高くなり電気的輸送特性の劣化を招いてしまい、EモードFETを構成すること、つまり、閾値電圧を高くすることが難しくなる。 Enhancement mode (E mode) FETs that pinch off when the gate voltage is 0 V or higher can reduce standby power, and are used for switching elements and the like. Further, since the E mode FET does not require a negative power source when used as an amplifier, the amplifier can be formed using a single power source. Therefore, the circuit can be simplified. For example, in a nitride semiconductor FET comprising a GaN electron transit layer crystal-grown in the Ga plane [0001] direction and an AlGaN electron supply layer having a lower electron affinity than the electron transit layer, this is caused by strain at the interface between AlGaN and GaN. 2DEG (2 Dimension Electron Gas) is formed on the GaN side of the AlGaN / GaN interface by spontaneous polarization resulting from piezo polarization and crystal symmetry. In this way, the electron supply layer functions as an FET by generating a two-dimensional electron gas in the electron transit layer and controlling the 2DEG with the gate electrode. In order to make such an FET in the E mode, it is required to reduce the 2DEG concentration. However, if the E mode is formed by thinning the electron supply layer, the channel resistance increases and the electrical transport characteristics deteriorate. It is difficult to configure an E-mode FET, that is, to increase the threshold voltage.
そこで、特許文献1には、窒化物半導体FETにおいて電子供給層にリセスを設けEモードを実現する技術が開示されている。また、特許文献2にはリセスを有する窒化物半導体FETにおいて、電子供給層とゲート電極との間に酸化膜を設けたMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造の技術が開示されている。
リセスを設けるなどして電子供給層を薄膜化すると、トンネリング現象等により電子供給層の見かけ上のショットキバリアが低くなる。このため、リーク電流が増大する。よって、ゲート電圧を大きくした場合、ゲート電流のリーク電流が大きくなってしまう。MIS構造を採用することにより、このような課題を解決することができる。 When the electron supply layer is thinned by providing a recess or the like, the apparent Schottky barrier of the electron supply layer is lowered due to a tunneling phenomenon or the like. For this reason, the leakage current increases. Therefore, when the gate voltage is increased, the leakage current of the gate current increases. By adopting the MIS structure, such a problem can be solved.
しかし、MIS構造の電子供給層とゲート電極との間の絶縁層は薄いことが好ましい。一方、絶縁層が薄いと、リーク電流が生じる。この結果、閾値電圧を高くすることが難しくなる。 However, the insulating layer between the electron supply layer having the MIS structure and the gate electrode is preferably thin. On the other hand, when the insulating layer is thin, leakage current is generated. As a result, it is difficult to increase the threshold voltage.
そこで、窒化物半導体層の一部をp型半導体層とすることにより閾値電圧を高くしEモードFETを実現することが考えられる。また、FET、HBT及びIGBT等の窒化物半導体層を用いたトランジスタにおいては、窒化物半導体層内にp型窒化物半導体層が設けられる場合がある。 Thus, it is conceivable to realize an E-mode FET by increasing the threshold voltage by using a part of the nitride semiconductor layer as a p-type semiconductor layer. In a transistor using a nitride semiconductor layer such as FET, HBT, or IGBT, a p-type nitride semiconductor layer may be provided in the nitride semiconductor layer.
ところが、窒化物半導体層内にp型窒化物半導体層を設けると、そのp型窒化物半導体層のドーパントが電子走行層内に拡散され、窒化物半導体層上に形成したオーミック電極と電子が走行する電子走行層との接触抵抗が大きくなる。このため、トランジスタの電気的輸送特性が悪化する。 However, when the p-type nitride semiconductor layer is provided in the nitride semiconductor layer, the dopant of the p-type nitride semiconductor layer is diffused into the electron transit layer, and the ohmic electrode and electrons formed on the nitride semiconductor layer travel. The contact resistance with the traveling electron layer increases. For this reason, the electrical transport characteristics of the transistor are deteriorated.
本発明は、オーミック電極と電子走行層との接触抵抗を低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the semiconductor device which can reduce the contact resistance of an ohmic electrode and an electron transit layer.
本発明は、基板上に設けられ電子走行層及び電子供給層を有する窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層内に設けられたp型窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層内に設けられ前記電子走行層に到達するn型ドーピング領域と、前記電子供給層上に設けられたゲート電極と、前記n型ドーピング領域に接触して設けられたオーミック電極と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、n型ドーピング領域を設けることにより、p型窒化物半導体層に起因したオーミック電極と電子走行層との接触抵抗の悪化を抑制することができる。 The present invention provides a nitride semiconductor layer provided on a substrate and having an electron transit layer and an electron supply layer, a p-type nitride semiconductor layer provided in the nitride semiconductor layer, and provided in the nitride semiconductor layer. And an n-type doping region that reaches the electron transit layer, a gate electrode provided on the electron supply layer, and an ohmic electrode provided in contact with the n-type doping region. It is a semiconductor device. According to the present invention, by providing the n-type doping region, it is possible to suppress the deterioration of the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer caused by the p-type nitride semiconductor layer.
上記構成において、前記p型窒化物半導体層は、前記基板と前記電子走行層との間に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、基板と電子走行層との間に設けられたp型窒化物半導体層により、閾値電圧を高くすることができる。また、n型ドーピング領域により、オーミック電極と電子走行層との接触抵抗を低減することができる。 The said structure WHEREIN: The said p-type nitride semiconductor layer can be set as the structure provided between the said board | substrate and the said electron transit layer. According to this configuration, the threshold voltage can be increased by the p-type nitride semiconductor layer provided between the substrate and the electron transit layer. Further, the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer can be reduced by the n-type doping region.
上記構成において、p型窒化物半導体層上にAlを含む窒化物半導体からなる拡散防止層を具備する構成とすることができる。この構成によれば、拡散防止層によりp型窒化物半導体層上からのp型ドーパントの拡散を抑制することができる。よって、オーミック電極と電子走行層との接触抵抗を低減することができる。 In the above configuration, a diffusion prevention layer made of a nitride semiconductor containing Al may be provided on the p-type nitride semiconductor layer. According to this configuration, the diffusion of the p-type dopant from the p-type nitride semiconductor layer can be suppressed by the diffusion preventing layer. Therefore, the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer can be reduced.
上記構成において、p型窒化物半導体層はゲート電極の下に選択的に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、オーミック電極と電子走行層との接触抵抗をより低減することができる。 In the above structure, the p-type nitride semiconductor layer can be selectively provided below the gate electrode. According to this configuration, the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer can be further reduced.
上記構成において、前記電子供給層はリセスを有し、前記ゲート電極は前記リセス上に設けられている構成とすることができる。この構成によれば、より閾値電圧を高く設定することができる。 In the above structure, the electron supply layer may have a recess, and the gate electrode may be provided on the recess. According to this configuration, the threshold voltage can be set higher.
上記構成において、前記電子供給層と前記ゲート電極との間に設けられた絶縁層を具備する構成とすることができる。この構成によれば、ゲート電極のリーク電流を抑制することができる。 In the above structure, an insulating layer provided between the electron supply layer and the gate electrode can be provided. According to this configuration, the leakage current of the gate electrode can be suppressed.
上記構成において、前記電子供給層は前記p型窒化物半導体層を含む構成とすることができる。この構成によれば、電子供給層内がp型窒化物半導体層を含むため、閾値電圧を高くすることができる。また、n型ドーピング領域により、オーミック電極と電子走行層との接触抵抗を低減することができる。 The said structure WHEREIN: The said electron supply layer can be set as the structure containing the said p-type nitride semiconductor layer. According to this configuration, since the electron supply layer includes the p-type nitride semiconductor layer, the threshold voltage can be increased. Further, the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer can be reduced by the n-type doping region.
上記構成において、前記リセス上に、p型半導体層が設けられている構成とすることができる。また、上記構成において、前記半導体装置はエンハンスメント・モードである構成とすることができる。 In the above structure, a p-type semiconductor layer may be provided on the recess. In the above structure, the semiconductor device may be in an enhancement mode.
本発明は、基板上に設けられた窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層内に設けられたp型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層上に設けられたn型コンタクト層と、前記n型コンタクト層に到達するn型ドーピング領域と、前記n型ドーピング領域に接触して設けられた第1電極と、前記基板に接続する第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流を制御する制御電極と、を具備することを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、n型ドーピング領域を設けることにより、p型窒化物半導体層に起因した第1電極とコンタクト層との接触抵抗の悪化を抑制することができる。 The present invention includes a nitride semiconductor layer provided on a substrate, a p-type nitride semiconductor layer provided in the nitride semiconductor layer, and an n-type contact layer provided on the p-type nitride semiconductor layer, An n-type doping region reaching the n-type contact layer, a first electrode provided in contact with the n-type doping region, a second electrode connected to the substrate, the first electrode and the second electrode And a control electrode for controlling a current flowing between them. According to the present invention, by providing the n-type doping region, it is possible to suppress the deterioration of the contact resistance between the first electrode and the contact layer caused by the p-type nitride semiconductor layer.
本発明によれば、n型ドーピング領域を設けることにより、p型窒化物半導体層に起因したオーミック電極と電子走行層との接触抵抗の悪化を抑制することができる。 According to the present invention, by providing the n-type doping region, it is possible to suppress the deterioration of the contact resistance between the ohmic electrode and the electron transit layer caused by the p-type nitride semiconductor layer.
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)から図2(b)を用い実施例1に係るHEMTの製造工程について説明する。図1(a)を参照に、c−サファイア基板10上にバッファ層12として膜厚が例えば2.0μmのi−GaNを形成する。バッファ層12上にp型半導体層14(p型窒化物半導体層)としてMg(マグネシウム)を2×1020cm−3程度ドープしたGaN層を形成する。p型半導体層14の膜厚は数nmから100nm程度が好ましい。p型半導体層14上に拡散防止層16として膜厚が10nm程度のAlN層を形成する。拡散防止層16上に電子走行層18として膜厚が10nmのi−GaN層を形成する。電子走行層18上に電子供給層22として、膜厚が例えば30nmのi−Al0.25Ga0.75Nを形成する。以上により、基板10上に窒化物半導体層24が形成される。
A manufacturing process of the HEMT according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Referring to FIG. 1A, i-GaN having a thickness of, for example, 2.0 μm is formed as a
窒化物半導体層24の形成は、MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法またはMOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition)法を用いGa面[0001]方向に成膜する。基板10は、窒化物半導体層24が形成できる基板であればよく、例えばSiC(炭化シリコン)基板、(111)面のSi(シリコン)基板でもよい。電子走行層18と電子供給層22との分極率の差及び電子親和力の差に起因し電子走行層18の電子供給層22との界面には2DEG20が形成される。
The
図1(b)を参照に、フォトレジストまたは絶縁膜をマスクにSiをイオン注入し、熱処理を行う。これにより、窒化物半導体層24に少なくとも2DEG20まで達するn型注入領域26(n型ドーピング領域)を形成する。Siの注入条件は、電子供給層22の膜厚等を考慮し適宜設定することができる。例えば、注入エネルギーが50keVから100keV、ドーズ量が1015cm−2から1016cm−2程度が好ましい。熱処理の温度はSiが活性化するように適宜設定することができる。例えば1200℃とすることができる。
Referring to FIG. 1B, Si is ion-implanted using a photoresist or an insulating film as a mask, and heat treatment is performed. As a result, an n-type implantation region 26 (n-type doping region) reaching at least 2
図1(c)を参照に、電子供給層22及び電子走行層18を例えばBCl3/Cl2等の塩素系ガスを用いドライエッチングする。これにより素子分離領域31を形成する。なお、イオン注入法を用い素子分離領域を形成してもよい。電子供給層22を例えば塩素系ガスを用いドライエッチングし、電子供給層22(膜厚が30nm)に深さ約20nmのリセス30を形成する。電子供給層22の膜厚は例えば10nmから50nm、リセス30下の電子供給層の膜厚は例えば3から10nmとすることが好ましい。
Referring to FIG. 1C, the
図1(d)を参照に、リセス30の底面及び側面並びに電子供給層22上に絶縁膜32として100nmの厚さの酸化シリコン膜をCVD法またはスパッタ法を用い形成する。絶縁膜32の膜厚は100nm以上であることが好ましい。また、絶縁膜32として、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜等を用いることもできる。
Referring to FIG. 1D, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed as an insulating
図2(a)を参照に、リセス30の絶縁膜32をエッチングし絶縁膜34を形成する。絶縁膜34の膜厚は10nmから20nmとすることが好ましい。リセス30とエッチングマスクの合わせマージンを確保するため、絶縁膜34となる領域56はリセス30より広くすることが好ましい。
Referring to FIG. 2A, the insulating
図2(b)を参照に、リセス30の絶縁膜34上にゲート電極44としてNi(ニッケル)/Au(金)を蒸着法及びリフトオフ法を用い形成する。ゲート電極44としてはNi/Al(アルミニウム)やTa(タンタル)/Au等を用いることもできる。ソース電極40及びドレイン電極42を形成すべき絶縁膜32及び電子供給層22の一部を除去し、電子供給層22上にソース電極40及びドレイン電極42としてTi/Auを蒸着法及びリフトオフ法を用い形成する。ソース電極40及びドレイン電流42としてはTi/Al等を用いることもできる。以上により実施例1に係るFETが完成する。
Referring to FIG. 2B, Ni (nickel) / Au (gold) is formed on the insulating
実施例1によれば、基板10と電子走行層18との間にp型半導体層14(p型窒化物半導体層)が設けられている。これにより、電子走行層18に形成された2DEG20のエネルギーレベルがフェルミレベルに対し高く持ち上がる。よって、2DEG20の電子濃度が低下し、Eモードを簡単に実現することができる。なお、p型半導体層14のキャリア濃度及び膜厚は目標とする閾値電圧に応じ適宜選択することができる。
According to Example 1, the p-type semiconductor layer 14 (p-type nitride semiconductor layer) is provided between the
しかしながら、p型半導体層14のドーパントであるMgは拡散し易い。また、Mgが例えばMOCVD装置のチャンバ内に付着し、電子走行層18を形成する際に電子走行層18内にドープされてしまう。これにより、電子走行層18がp型となってしまう。このため、ソース電極40及びドレイン電極42と電子走行層18内の2DEG20との接触抵抗が高くなりトランジスタの電気的輸送特性が悪化してしまう。実施例1によれば、電子供給層22に電子走行層18に到達し、電気的に接続するn型注入領域26が設けられている。これにより、ソース電極40及びドレイン電極42(つまりオーミック電極)と電子走行層18内の2DEG20との接触抵抗を低減し、電気的輸送特性を向上させることができる。
However, Mg which is a dopant of the p-
また、p型半導体層14上にAlNからなる拡散防止層16を設けることが好ましい。これにより、p型半導体層14のドーパントであるMgが電子走行層18に拡散することを抑制することができる。よって、ソース電極40及びドレイン電極42と2DEG20との接触抵抗を低減し、電気的輸送特性を向上させることができる。
Further, it is preferable to provide a
実施例2は絶縁膜として第1絶縁膜36と第2絶縁膜38とを形成する例である。図3(a)を参照に、実施例1の図1(c)の後、リセス30の底面及び側面並びに電子供給層22上に第1絶縁膜36として例えば10nmの厚さの窒化アルミニウム膜をスパッタ法を用い形成する。第1絶縁膜36上に第2絶縁膜38として例えば100nmの厚さの酸化シリコン膜をCVD法またはスパッタ法を用い形成する。これにより、第1絶縁膜36と第2絶縁膜38とからなる絶縁膜が形成される。
The second embodiment is an example in which a first insulating
図3(b)を参照に、リセス30内の第2絶縁膜38を第1絶縁膜36に対し選択的にエッチングし第1絶縁膜36を残存させる。リセス30とエッチングマスクとの合わせマージンを確保するため、第2絶縁膜38をエッチングする領域56はリセス30より広くすることが好ましい。
Referring to FIG. 3B, the second insulating
図3(c)を参照に、実施例1の図2(b)と同様に、ゲート電極44、ソース電極40及びドレイン電極42を形成する。以上により実施例2に係るFETが完成する。
Referring to FIG. 3C, the
実施例2のように絶縁膜を第1絶縁膜36及び第2絶縁膜38で形成することもできる。FETの閾値電圧を高くするため、第1絶縁膜36の誘電率は高い方が好ましい。一方、寄生容量を小さくするため、第2絶縁膜38の誘電率は小さいことが好ましい。よって、第1絶縁膜36は第2絶縁膜38より誘電率が大きいことが好ましい。窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜は、酸化シリコン膜や酸化アルミニウム膜より誘電率が大きい。よって、第1絶縁膜36として窒化シリコン膜や窒化アルミニウム膜、第2絶縁膜38として、酸化シリコン膜や酸化アルミニウム膜を用いることが好ましい。さらに、第1絶縁膜36としては誘電率の大きい酸化ハフニウムや酸化ジルコニウムを用いることもできる。
As in
図4を参照に、実施例3に係るFETは、実施例1の図2(b)に対し、p型半導体層14及び拡散防止層16が設けられておらず、基板10上に直接電子走行層13として約2μmの膜厚のi−GaNが設けられている。また、電子走行層13上に電子供給層23としてMgを1×1019cm−3程度ドープし膜厚が30nmのp型のAlGaN層が設けられている。電子供給層23には深さが約20nmのリセス30が設けられている。その他の構成は実施例1の図2(b)と同じであり説明を省略する。
Referring to FIG. 4, the FET according to Example 3 is not provided with the p-
実施例3では、窒化物半導体層24は、基板10上に設けられた電子走行層13と、電子走行層13上に設けられたp型の電子供給層23と、を有している。p型の電子供給層23が設けられているため、2DEG20のエネルギーレベルをフェルミレベルに対し高く持ち上げることができる。よって、2DEG20の電子濃度が低下し、Eモードを簡単に実現することができる。
In Example 3, the
また、n型注入領域26は、電子供給層23から電子走行層13の2DEG20に達するように設けられている。これにより、ソース電極40及びドレイン電極42と電子走行層13内の2DEG20との接触抵抗を低減し、電気的輸送特性を向上させることができる。
The n-
実施例3では、電子供給層23がp型窒化物半導体層である例を示したが、電子供給層23の少なくとも一部がp型窒化物半導体層であればよい。
Although the example in which the
図5を参照に、実施例4に係るFETは、実施例1の図2(b)に対し、p型半導体層15としてp型GaN層及び拡散防止層17としてi−AlN層が電子走行層13のゲート電極44下に選択的に設けられている。製造方法を以下に説明する。GaN電子走行層13のうち下部層を成長した後、酸化シリコン等をマスク層としp型半導体層15及び拡散防止層17を選択的に形成する。マスク層を除去する。その後、電子走行層13のうち上部層を成長する。または、電子走行層13のうち下部層、p型半導体層15及び拡散防止層17を積層した後、p型半導体層15及び拡散防止層17の所定領域を除去する。その後、電子走行層13のうち上部層を成長する。実施例4においても、実施例1の図2(b)と同様に、EモードFETを実現することができる。
Referring to FIG. 5, the FET according to Example 4 is different from FIG. 2B of Example 1 in that the p-type GaN layer as the p-
図6を参照に、実施例5に係るFETは、実施例1の図2(b)に示したp型半導体層14及び拡散防止層16と実施例3の図4に示したp型の電子供給層23とを有する。実施例5によれば、p型半導体層14と電子供給層23とが2DEG20のエネルギーレベルをフェルミレベルに対し高く持ち上げるため、EモードFETをより実現することができる。
Referring to FIG. 6, the FET according to Example 5 includes the p-
図7を参照に、実施例6に係るFETは、実施例4の図5に示したゲート電極44下に選択的に設けられたp型半導体層15及び拡散防止層17と実施例3の図4に示したp型の電子供給層23とを有する構造である。実施例6においても、実施例5と同様に、EモードFETをより容易に実現することができる。
Referring to FIG. 7, the FET according to Example 6 shows the p-
図8を参照に、実施例7に係るFETは、実施例1の図2(b)に対し、基板10上にAlN層50が設けられ、AlN層50上にp型半導体層52としてp型のAlGaN層及び拡散防止層17としてi−AlN層が設けられている。
Referring to FIG. 8, the FET according to Example 7 is different from FIG. 2B of Example 1 in that an
実施例7によれば、2DEG20は電子供給層22とAlGaN層のp型半導体層52とで挟まれており、いわゆるダブルヘテロ接合型となっている。このように、電子走行層18をそれより電子親和力の小さいAlGaN層で挟むことにより、2DEG20のエネルギーレベルが高くなり、EモードFETを簡単に実現することができる。さらに、p型半導体層52下に電子走行層18より電子親和力の小さいAlN層50が設けられていることにより、2DEG20のエネルギーレベルはさらに高くなり、EモードFETをより簡単に実現することができる。
According to the seventh embodiment, the
図9を参照に、実施例8に係るFETは,実施例4の図5に対し、リセス30内に選択的にp型半導体層54としてp型GaN層が形成されている。製造方法は以下である。実施例1の図1(b)の後に、リセス30を形成するためのマスク層39として酸化シリコン膜を形成する。リセス30内にキャリア濃度が例えば3×1018cm−3のp型GaN層からなるp型半導体層54を選択成長する。その後、実施例1の図1(d)以降を行う。以上により実施例8に係るFETが完成する。
Referring to FIG. 9, in the FET according to the eighth embodiment, a p-type GaN layer is selectively formed as a p-
実施例8に係るFETは、p型半導体層15及び54により、ゲート電極44の直下の2DEG20の濃度が低下し、Eモードを簡単に実現することができる。また、ゲート電極44直下以外の電子供給層22や電子走行層13にはp型領域が形成されていないため、ゲート電極44直下以外の2DEG20の濃度は低下することがない。よって、相互コンダクタンス(gm)等の電気的輸送特性を劣化させることなくEモードを実現することができる。
In the FET according to the eighth embodiment, the p-type semiconductor layers 15 and 54 reduce the concentration of 2DEG 20 immediately below the
図10を参照に、実施例9に係るFETは、実施例8の図9に対し、基板10上にAlN層50が設けられ、AlN層50上のゲート電極44下に選択的にp型半導体層58としてp型のAlGaN層及び拡散防止層17としてi−AlN層が設けられている。
Referring to FIG. 10, in the FET according to the ninth embodiment, an
実施例9によれば、p型半導体層58がバンドギャップの大きいAlGaN層であり、p型半導体層58下にバンドギャップの大きいAlN層50が設けられている。これにより、実施例8よりさらに2DEG20のエネルギーレベルをフェルミレベルに対し高く持ち上げることができ、EモードFETをより実現することができる。
According to the ninth embodiment, the p-
EモードFETを実現するためには、2DEG13のエネルギーレベルをフェルミレベルに対し高く持ち上げることが求められる。そこで、実施例1から実施例9のように、窒化膜半導体層24の一部をp型窒化物半導体層とすることにより、2DEG20のエネルギーレベルをフェルミレベルに対し高く持ち上げることができ、EモードFETを実現することができる。
In order to realize an E-mode FET, it is required to raise the energy level of
また、実施例4、実施例6、実施例8及び実施例9のように、窒化物半導体層24内のp型半導体層15、54または58をゲート電極44下に局所的選択的に配置することが好ましい。これにより、p型層半導体層がソース電極40及びドレイン電極42下まで延在する場合に比べソース電極40及びドレイン電極42と2DEG20との接触抵抗を低減することができる。実施例8及び実施例9のように、リセス30上にp型半導体層54が設けられていることが好ましい。これにより、p型半導体層54をゲート電極44下に局所的選択的に配置することができる。
Further, the p-
実施例1から実施例9に係るFETは、電子供給層22または23のゲート電極44が形成されるべき領域にリセス30が設けられ、リセス30上に絶縁膜34、絶縁膜34上にゲート電極44が順に設けられている。このようにリセス構造を有することにより、電子供給層22を薄く形成した場合もチャネル抵抗や電気的輸送特性の劣化を抑制することができる。よって、EモードFETを形成した場合、特に有利である。
In the FETs according to the first to ninth embodiments, the
図11を参照に、実施例10は、電子供給層22にリセス30が設けられていない。その他の構成は実施例1と同じであり説明を省略する。実施例10のように、リセス構造を有さない平面構造であってもよい。しかしながら、より閾値電圧を高く設定するためには、電子供給層22または23はリセス30を有し、ゲート電極44はリセス30上に設けられていることが好ましい。
Referring to FIG. 11, in Example 10, the
また、実施例1から実施例10において、ゲート電極44は絶縁膜34または36を介さず、電子供給層22若しくは23またはp型半導体層54上に直接設けられていてもよい。しかしながら、ゲート電極44のリーク電流を抑制するためには、電子供給層22または23とゲート電極44との間に絶縁膜34または36が設けられていることが好ましい。
In the first to tenth embodiments, the
実施例3から実施例10は、実施例2のように、絶縁膜が第1絶縁膜36と第2絶縁膜38とから構成される場合であってもよい。
In the third to tenth embodiments, as in the second embodiment, the insulating film may be composed of the first insulating
実施例1から実施例10において、拡散防止層16または17がAlN層からなる例を説明したが、拡散防止層16または17はAlを含む窒化物半導体層であればよい。例えばAlGaNのようにAlを含むことによりp型半導体層のドーパントの拡散を抑制することができる。p型ドーパントの拡散を抑制するためには、拡散防止層16または17のAlの組成比は大きい方が好ましい。また、拡散防止層16はAlN層であることがより好ましい。
In Examples 1 to 10, the example in which the
実施例1から実施例10において、電子走行層18または13はGaN層、電子供給層22または23はAlGaN層を例に説明した。電子走行層18または13は窒化物半導体、電子供給層22または23は電子走行層18または13より電子親和力が小さい窒化物半導体であればよい。電子供給層22または23が電子走行層18または13より電子親和力が小さいことにより電子走行層18または13内にDEG20を形成することができる。
In Examples 1 to 10, the
実施例11は縦型のFETの例である。図12(a)から図13(c)は実施例11に係るFETの製造工程を示す断面図である。図12(a)を参照に、立方晶(111)面を主面とするn型の3C−SiC基板60上に、窒化物半導体層72aとして、n型のGaNドリフト層62、p型AlGaN電子制御層64及びn型GaNキャップ層66をMOCVD法を用い六方晶(0001)面を主面に形成する。基板60は、Siをドーパントとし1018cm−3以上のキャリア濃度を有している。ドリフト層62は、膜厚が例えば3μm以上でありSiを用い1015cm−3から1016cm−3のキャリア濃度を有している。電子制御層64(p型窒化物半導体層)は、膜厚が例えば200nmでありMgを用い1018cm−3程度のキャリア濃度を有し、組成比は例えばAl0.25Ga0.75Nである。キャップ層66(コンタクト層)は、膜厚が例えば500nmでありSiを用い1018cm−3から1019cm−3のキャリア濃度を有している。
Example 11 is an example of a vertical FET. FIG. 12A to FIG. 13C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the FET according to the eleventh embodiment. Referring to FIG. 12A, an n-type
図12(b)を参照に、キャップ層66にSiをイオン注入しn型注入領域74(n型ドーパント領域)を形成する。図12(c)を参照に、例えば塩素系のドライエッチングを行うことにより窒化物半導体層72aにドリフト層62に達する溝部76を形成する。図12(d)を参照に、溝部76内の側面、底面及びキャップ層66上にi−GaN電子走行層68及びi−AlNバリア層70を形成する。これにより、電子制御層64の側面に電子走行層68及びバリア層70が形成される。電子走行層68及びバリア層70の膜厚は例えば10nmから100nmとすることができる。これにより窒化物半導体層72が形成される。
Referring to FIG. 12B, Si is ion-implanted into the
図13(a)を参照に、ソース電極80を形成すべき領域の電子走行層68及びバリア層70を除去する。キャップ層66上にTi/AlまたはTi/Auからなるソース電極80(第1電極)を蒸着法及びリフトオフ法を用い形成する。これにより、ソース電極80はn型注入領域74に接触して設けられる。図13(b)を参照に、溝部76内にNi/AlまたはNi/Auからなるゲート電極82(制御電極)を例えば蒸着法及びリフトオフ法を用い形成する。これにより、バリア層70の電子走行層68に対向する側面にゲート電極82が形成される。図13(c)を参照に、基板60を例えば200μm以下の厚さとなるように研磨する。基板60の下に基板60に接続するようにTi/AlまたはTi/Auからなるドレイン電極84(第2電極)を蒸着法及びリフトオフ法を用い形成する。
Referring to FIG. 13A, the
図13(c)の矢印のように、実施例11に係るFETにおいて、ソース電極80からキャップ層66に注入された電子は、電子制御層64がP型でバリアとなるため電子走行層68を通り、ドリフト層62、基板60を通りドレイン電極84に至る。ゲート電極82はソース電極80とドレイン電極84との間を流れる電流を制御する。言い換えれば、ゲート電極82は窒化物半導体層72上に設けられ、窒化物半導体層72に流れる電流を制御する。このようにして、FETとして動作する。ドリフト層62及び基板60によりドレイン耐圧を向上させることができる。
As indicated by the arrow in FIG. 13C, in the FET according to the example 11, the electrons injected from the
実施例11によれば、電子制御層64中のMgがキャップ層66を成長する際にキャップ層66内に拡散する。また、MOCVDのチャンバ内に残留したMgがキャップ層66に混入する。このため、キャップ層66の電子が補償されキャップ層66が高抵抗となってしまう。そこで、n型注入領域74を設けることにより、キャップ層66の電子濃度を向上させることができる。よって、ソース電極80と電子走行層68との接触抵抗を低減することができる。
According to the eleventh embodiment, Mg in the
実施例12はSiCドリフト層63を有する例である。図14を参照に、実施例11のGaNドリフト層62の代わりにSiCドリフト層63設けられている。SiCドリフト層63上に窒化物半導体層72bとしてAlGaN電子制御層64及びキャップ層66をMOCVD法を用いに形成する。その他の構成は実施例11と同じであり説明を省略する。このように、基板60と窒化物半導体層72bとの間にSiCドリフト層63を設けることができる。
Example 12 is an example having a
実施例11及び実施例12は縦型のFETの例であったが、窒化物半導体層72内にp型窒化物半導体層が設けられていれば、同様の効果を奏することができる。縦型のトランジスタとして、窒化物半導体層72上に設けられた第1電極と基板60に設けられた第2電極との間を電流が流れるトランジスタでもよい。例えば、第1電極がエミッタ電極、第2電極がコレクタ電極、制御電極がベース電極であるバイポーラトランジスタ、第1電極がエミッタ電極、第2電極がコレクタ電極、制御電極がゲート電極であるIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)とすることもできる。なお、HBT及びIGBTにおいては、オーミック電極はエミッタ電極またはコレクタ電極であり、電子走行層はベース電極またはコレクタ電極が電気的に接触するn型のベース層またはコレクタ層である。
Although Example 11 and Example 12 are examples of vertical FETs, the same effect can be obtained if a p-type nitride semiconductor layer is provided in the
実施例1から実施例12においては、電子走行層18、13または68と電気的に接続するn型注入領域26または74が設けられ、n型注入領域26または74に接触して設けられたオーミック電極(ソース電極40若しくは80またはドレイン電極42)が設けられている。これにより、窒化物半導体層24または72内に設けられたp型半導体層14、15、52、54、58、p型電子供給層23または電子制御層64に起因したオーミック電極と電子走行層13、18または68との接触抵抗の悪化を抑制することができる。
In Example 1 to Example 12, an n-
p型半導体層14、15、52、54、58、p型電子供給層23及び電子制御層64のドーパントとしてMgを例に説明したが、p型のドーパントは、Be(ベリリウム)、Zn(亜鉛)またはC(炭素)等でもよい。しかしながら、Mgは窒化物半導体層に拡散し易く、MOCVD装置のチャンバ内に付着しやすいため、Mgをドーパントとした半導体装置に本発明の構成を適用することが特に有効である。
As the dopant of the p-type semiconductor layers 14, 15, 52, 54, 58, the p-type
以上、発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 基板
12 バッファ層
13 電子走行層
14、15 p型半導体層
16、17 拡散防止層
18 電子走行層
20 2DEG
22 電子供給層
23 p型電子供給層
24 窒化物半導体層
26 n型注入領域
30 リセス
32、34 絶縁膜
36 第1絶縁膜
38 第2絶縁膜
39 マスク層
40 ソース電極
42 ドレイン電極
44 ゲート電極
50 AlN層
52、54、58 p型半導体層
60 基板
62、63 ドリフト層
64 電子制御層
66 キャップ層
68 電子走行層
70 バリア層
72 窒化物半導体層
76 溝部
78 n型注入領域
80 ソース電極
82 ゲート電極
84 ドレイン電極
DESCRIPTION OF
22 Electron supply layer 23 P-type
Claims (10)
前記窒化物半導体層内に設けられたp型窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層内に設けられ前記電子走行層に到達するn型ドーピング領域と、
前記電子供給層上に設けられたゲート電極と、
前記n型ドーピング領域に接触して設けられたオーミック電極と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A nitride semiconductor layer provided on a substrate and having an electron transit layer and an electron supply layer;
A p-type nitride semiconductor layer provided in the nitride semiconductor layer;
An n-type doping region provided in the nitride semiconductor layer and reaching the electron transit layer;
A gate electrode provided on the electron supply layer;
An ohmic electrode provided in contact with the n-type doping region;
A semiconductor device comprising:
前記窒化物半導体層内に設けられたp型窒化物半導体層及びp型窒化物半導体層上に設けられたn型コンタクト層と、
前記n型コンタクト層に到達するn型ドーピング領域と、
前記n型ドーピング領域に接触して設けられた第1電極と、
前記基板に接続された第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間を流れる電流を制御する制御電極と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A nitride semiconductor layer provided on the substrate;
A p-type nitride semiconductor layer provided in the nitride semiconductor layer and an n-type contact layer provided on the p-type nitride semiconductor layer;
An n-type doping region reaching the n-type contact layer;
A first electrode provided in contact with the n-type doping region;
A second electrode connected to the substrate;
A control electrode for controlling a current flowing between the first electrode and the second electrode;
A semiconductor device comprising:
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