JP2008262982A - Group iii nitride semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高耐圧デバイスあるいは高周波デバイス等に使用されるIII族窒化物半導体を利用した半導体装置に関する。特に、ゲート絶縁膜を介して半導体領域にゲート電極が対向している半導体装置において、半導体装置に高電圧が印加されたときに、そのゲート絶縁膜が破壊されることを防止する技術に関する。本発明は、その半導体装置の製造方法にも関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a group III nitride semiconductor used for a high voltage device or a high frequency device. In particular, the present invention relates to a technique for preventing a gate insulating film from being broken when a high voltage is applied to the semiconductor device in a semiconductor device in which a gate electrode is opposed to a semiconductor region through a gate insulating film. The present invention also relates to a method for manufacturing the semiconductor device.
図14に、従来のIII族窒化物半導体装置500の断面図を示す。この半導体装置の基本構造は特許文献1に開示されている。半導体装置500は、n型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域20と、III族窒化物半導体領域20の表面において間隙16aを残して不連続に形成されているとともに、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域16と、前記間隙16aにおいてIII族窒化物半導体領域20の表面に形成されており、前記間隙16aを充填しているとともに、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域2と、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域2に跨る範囲の両領域16,2の表面に形成されているとともに、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域12と、III族窒化物半導体領域12にゲート絶縁膜504を介して対向しているゲート電極506が形成されている。III族窒化物半導体領域20の裏面に、n+型のIII族窒化物半導体領域22が形成されている。
FIG. 14 shows a cross-sectional view of a conventional group III
従来の半導体装置500は、ゲート電極506に電圧を印加していない状態では、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域12の界面からビルトイン電圧に相当する空乏層が伸びる。その結果、III族窒化物半導体領域16の表面に形成されている部分ではIII族窒化物半導体領域12が空乏化されるため、電子が走行することができない。ゲート電極506に正電圧が印加されると、III族窒化物半導体領域12に伸びていた空乏層が縮小し、III族窒化物半導体領域12内を電子が走行することができる。従来の半導体装置500は、ノーマリーオフ型であり、ゲート電極506によってオンオフを制御している。
In the
従来の半導体装置500では、半導体装置500をオフしたときに、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域12の界面から空乏層が伸びる他に、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域2の界面ならびに、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域20の界面からも空乏層が伸びる。
図14に示しているように、空乏層は、前記した界面からライン18a,18bに示すように伸び、最終的にはライン19に示すようにつながる。空乏層がつながることによって、III族窒化物半導体領域2は空乏化され、III族窒化物半導体領域2の表面側に形成されているゲート絶縁膜504に高い電界がかかることを防止している。
上述したように、従来の半導体装置500は、ゲート電極506によって、オンオフを制御している。すなわち、ゲート電極506に印加する電圧を高くし、電圧が閾値電圧を超えると半導体装置500がオンする。ゲート電極506に印加する電圧が閾値電圧よりも低くなると半導体装置500がオフする。閾値電圧を下げるためにはゲート絶縁膜504を薄くする必要がある。そのため、ゲート絶縁膜504は過大電圧が作用すると、破壊されやすい。
In the
As shown in FIG. 14, the depletion layer extends from the above-described interface as indicated by
As described above, in the
ゲート絶縁膜504に過大な電圧が作用しないようにするためには、半導体装置500をオフしたときに、p型のIII族窒化物半導体領域16とその周囲に存在するn型のIII族窒化物半導体領域12,2,20の界面から伸びる空乏層が、図14のライン19に示すようにをつながることが重要である。そのために、III族窒化物半導体領域16に残す間隙16aの距離や、III族窒化物半導体領域2の不純物濃度を高精度に制御することが必要である。しかしながら、間隙16aやIII族窒化物半導体領域2は、複数の工程を経て製造されるため、間隙16aの幅やIII族窒化物半導体領域2の不純物濃度を高精度に制御することは困難である。
In order to prevent an excessive voltage from acting on the gate
従来の半導体装置500では、左右のIII族窒化物半導体領域16から伸びる空乏層を確実につなげるために、間隙16aの幅を必要以上に狭くするか、あるいは、III族窒化物半導体領域2の不純物濃度を必要以上に薄くしなくてはいけない。しかしながら、間隙16aの幅を過剰に狭くしたり、III族窒化物半導体領域2の不純物濃度を過剰に薄くすると、半導体装置500をオンしたときのオン抵抗が大きくなってしまう。
In the
本発明は、上記の問題を解決することを目的とする。すなわち、間隙16aの幅やIII族窒化物半導体領域2の不純物濃度を高精度に制御する必要がなく、それでいてゲート絶縁膜に過大な電圧が作用し、ゲート絶縁膜が破壊されることを確実に防止できる半導体装置を提供する。また、半導体装置のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜に過大な電圧が作用し、ゲート絶縁膜が破壊されることを確実に防止できる半導体装置を提供する。
The present invention aims to solve the above problems. That is, it is not necessary to control the width of the
本発明の半導体装置は、n型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域と、第1のIII族窒化物半導体領域の表面において間隙を残して不連続に形成されているとともに、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、第2のIII族窒化物半導体領域の前記間隙において第1のIII族窒化物半導体領域の表面に形成されており、前記間隙を充填しているとともに、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、第2のIII族窒化物半導体領域と第3のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の前記領域の表面に形成されているとともに、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域と、第2のIII族窒化物半導体領域の一部には対向するけれども第3のIII族窒化物半導体領域には対向しない位置において、第4のIII族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。 The semiconductor device of the present invention is formed discontinuously leaving a gap on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing n-type impurities and the first group III nitride semiconductor region. , Formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region in the gap between the second group III nitride semiconductor region containing the p-type impurity and the second group III nitride semiconductor region, A third group III nitride semiconductor region that fills the gap and contains an n-type impurity, and a range that spans the second group III nitride semiconductor region and the third group III nitride semiconductor region The fourth group III nitride semiconductor region containing the n-type impurity and a part of the second group III nitride semiconductor region are opposed to the third group nitride region, but are formed on the surface of the region. In a position not facing the group III nitride semiconductor region of the fourth I A gate electrode is provided opposite to the group II nitride semiconductor region via a gate insulating film.
上記の半導体装置によると、ゲート絶縁膜は、第3のIII族窒化物半導体領域からみて、第2のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域が対向している位置よりも遠方に形成されている。半導体装置がオフされている場合、第2のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域が対向している位置では、第4のIII族窒化物半導体領域が空乏化されている。このために、左右に離れて存在する第2のIII族窒化物半導体領域から第3のIII族窒化物半導体領域に向けて伸びる空乏層がつながらなくても、ゲート絶縁膜に高い電圧が作用することを防止できる。左右に離れて存在する第2のIII族窒化物半導体領域の距離(間隙の幅)や、第3のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度を高精度に制御しなくても、半導体装置をオフしたときにゲート絶縁膜に高い電圧がかかることを抑制できる。半導体装置のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜に過剰な電圧がかかることを防止できる。 According to the semiconductor device described above, the gate insulating film is seen from the position where the second group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region face each other when viewed from the third group III nitride semiconductor region. Is also formed far away. When the semiconductor device is turned off, the fourth group III nitride semiconductor region is depleted at the position where the second group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region face each other. Yes. Therefore, a high voltage acts on the gate insulating film even if a depletion layer extending from the second group III nitride semiconductor region that exists apart from the left and right to the third group III nitride semiconductor region is not connected. Can be prevented. The semiconductor device can be turned off without accurately controlling the distance (gap width) of the second group III nitride semiconductor region and the impurity concentration of the third group III nitride semiconductor region that are separated from each other on the left and right. In this case, it is possible to prevent a high voltage from being applied to the gate insulating film. It is possible to prevent an excessive voltage from being applied to the gate insulating film without increasing the on-resistance of the semiconductor device.
本発明の半導体装置では、半導体装置の断面を観察したときに、第4のIII族窒化物半導体領域の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域に近い部分では厚く、第3のIII族窒化物半導体領域から遠い部分では薄く形成されていることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, when the cross section of the semiconductor device is observed, the thickness of the fourth group III nitride semiconductor region is thicker in the portion close to the third group III nitride semiconductor region, and the third group III group It is preferable that a thin portion is formed in a portion far from the nitride semiconductor region.
表面にゲート電極が形成されていない領域(例えば、第2のIII族窒化物半導体領域と第3のIII族窒化物半導体領域の境界近傍に形成されている第4のIII族窒化物半導体領域)では、p型領域とn型領域のビルトイン電圧によって生じた空乏層が、半導体装置をオンしても消失しにくい。空乏層が消失しにくいと、半導体装置のオン抵抗が大きくなってしまう。しかしながら、上記の半導体装置によると、半導体装置をオンしたときに、第4のIII族窒化物半導体領域の厚みが厚い部分をキャリアが走行しやすい。半導体装置を上記のように構成することによって、半導体装置のオン抵抗を小さくすることができる。 Region in which no gate electrode is formed on the surface (for example, a fourth group III nitride semiconductor region formed near the boundary between the second group III nitride semiconductor region and the third group III nitride semiconductor region) Then, the depletion layer generated by the built-in voltage in the p-type region and the n-type region is not easily lost even when the semiconductor device is turned on. If the depletion layer is difficult to disappear, the on-resistance of the semiconductor device increases. However, according to the semiconductor device described above, when the semiconductor device is turned on, the carrier easily travels through the thick portion of the fourth group III nitride semiconductor region. By configuring the semiconductor device as described above, the on-resistance of the semiconductor device can be reduced.
本発明の半導体装置では、半導体装置の断面を観察したときに、第2のIII族窒化物半導体領域の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域に近い部分では薄く、第3のIII族窒化物半導体領域から遠い部分では厚く形成することもできる。 In the semiconductor device of the present invention, when the cross section of the semiconductor device is observed, the thickness of the second group III nitride semiconductor region is thin at a portion close to the third group III nitride semiconductor region, and the third group III nitride semiconductor region is thin. It can also be formed thicker at a portion far from the nitride semiconductor region.
上記の半導体装置によると、第4のIII族窒化物半導体領域の表面を平坦に形成しても、第4のIII族窒化物半導体領域の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域に近い部分では厚く、第3のIII族窒化物半導体領域に遠い部分では薄く形成することができる。半導体装置をオンしたときにキャリアが走行できるチャネルを確保することができる。また、第4のIII族窒化物半導体領域の表面を平坦に形成すると、半導体装置の表面の構造を単純化することができる。 According to the above semiconductor device, even if the surface of the fourth group III nitride semiconductor region is formed flat, the thickness of the fourth group III nitride semiconductor region is close to that of the third group III nitride semiconductor region. It can be formed thick in the portion and thin in the portion far from the third group III nitride semiconductor region. When the semiconductor device is turned on, a channel on which the carrier can travel can be secured. Further, when the surface of the fourth group III nitride semiconductor region is formed flat, the surface structure of the semiconductor device can be simplified.
本発明の半導体装置では、ゲート絶縁膜が、第4のIII族窒化物半導体領域が厚く形成されている部分と、第4のIII族窒化物半導体領域が薄く形成されている部分に跨る範囲に形成されていることが好ましい。
上記の半導体装置によると、半導体装置をオンしたときに、第4のIII族窒化物半導体領域が厚く形成されている部分の空乏層も消失させることができる。半導体装置のオン抵抗をより小さくすることができる。
In the semiconductor device of the present invention, the gate insulating film is in a range extending over the portion where the fourth group III nitride semiconductor region is formed thick and the portion where the fourth group III nitride semiconductor region is formed thin. Preferably it is formed.
According to the semiconductor device described above, when the semiconductor device is turned on, the depletion layer in the portion where the fourth group III nitride semiconductor region is formed thick can be eliminated. The on-resistance of the semiconductor device can be further reduced.
本発明では上記した半導体装置とは異なる形態の半導体装置も提供する。その半導体装置は、n型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域と、第1のIII族窒化物半導体領域の表面において間隙を残して不連続に形成されているとともに、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、第2のIII族窒化物半導体領域の間隙において第1のIII族窒化物半導体領域の表面に形成されており、その間隙を充填しているとともに、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、第2のIII族窒化物半導体領域と第3のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の両領域の表面に形成されているとともに、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域と、第4のIII族窒化物半導体領域の表面にゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極を備えており、そのゲート絶縁膜が、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域に近い範囲と第3のIII族窒化物半導体領域に対向する範囲では厚く、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から遠い範囲に対向する範囲では薄く形成されている。 The present invention also provides a semiconductor device having a different form from the semiconductor device described above. The semiconductor device is formed discontinuously leaving a gap on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing the n-type impurity and the first group III nitride semiconductor region, and p Is formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region in the gap between the second group III nitride semiconductor region containing the impurity of the type and the second group III nitride semiconductor region. A third group III nitride semiconductor region which is filled and contains an n-type impurity, and both regions in a range extending over the second group III nitride semiconductor region and the third group III nitride semiconductor region A fourth group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity, and a gate electrode facing the surface of the fourth group III nitride semiconductor region with a gate insulating film interposed therebetween And the gate insulating film is a second group III nitride. The conductor region is thicker in the range close to the third group III nitride semiconductor region and in the range opposite to the third group III nitride semiconductor region, and the third III of the second group III nitride semiconductor region. The thin film is formed in a range facing a range far from the group nitride semiconductor region.
上記の半導体装置によると、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域に近い範囲と第3のIII族窒化物半導体領域に対向する範囲では、ゲート絶縁膜の厚みが厚いため、半導体装置をオフしたときにゲート絶縁膜に高い電圧がかかっても、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止できる。第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から遠い範囲に対向する範囲では、ゲート絶縁膜の厚みが薄くても、半導体装置をオフしたときに、第4のIII族窒化物半導体領域が空乏化されるため、ゲート絶縁膜に高い電圧がかかることを防止できる。左右に離れて存在する第2のIII族窒化物半導体領域の距離(間隙の幅)や、第3のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度を高精度に制御しなくても、半導体装置をオフしたときにゲート絶縁膜が破壊されることを防止できる。半導体装置のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止できる。 According to the semiconductor device described above, in the range close to the third group III nitride semiconductor region and the range facing the third group III nitride semiconductor region in the second group III nitride semiconductor region, the gate insulating film Therefore, even when a high voltage is applied to the gate insulating film when the semiconductor device is turned off, the gate insulating film can be prevented from being broken. In the second group III nitride semiconductor region, in the range facing the range far from the third group III nitride semiconductor region, even when the gate insulating film is thin, when the semiconductor device is turned off, Since the group III nitride semiconductor region is depleted, it is possible to prevent a high voltage from being applied to the gate insulating film. The semiconductor device can be turned off without accurately controlling the distance (gap width) of the second group III nitride semiconductor region and the impurity concentration of the third group III nitride semiconductor region that are separated from each other on the left and right. In this case, the gate insulating film can be prevented from being broken. The gate insulating film can be prevented from being destroyed without increasing the on-resistance of the semiconductor device.
本発明の半導体装置では、第4のIII族窒化物半導体領域の誘電率εとし、第4のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度をNとし、第2のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域のビルトイン電圧をVとし、電荷素量をqとしたときに、第4のIII族窒化物半導体領域の最も薄い部分の厚みLが、下記式(1)を満足することが好ましい。
L≦(2×ε×V/q)0.5×(1/N)0.5 (1)
In the semiconductor device of the present invention, the dielectric constant ε of the fourth group III nitride semiconductor region is set to N, the impurity concentration of the fourth group III nitride semiconductor region is set to N, and the second group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region are The thickness L of the thinnest portion of the fourth group III nitride semiconductor region satisfies the following formula (1) when the built-in voltage of the group III nitride semiconductor region is V and the elementary charge is q: It is preferable.
L ≦ (2 × ε × V / q) 0.5 × (1 / N) 0.5 (1)
上記の半導体装置によると、半導体装置に電圧が印加されていない状態でも、第4のIII族窒化物半導体領域の最も薄い部分が空乏化される。半導体装置をオフしたときに、より確実にキャリアの移動を禁止することができる。なお、「ビルトイン電圧」とは、導電型の異なる半導体同士を接合したときに、両者の間に発生する電圧のことをいう。また、電荷素量は定数であり、その値は、およそ1.6×10−19C(クーロン)である。 According to the semiconductor device, the thinnest portion of the fourth group III nitride semiconductor region is depleted even when no voltage is applied to the semiconductor device. When the semiconductor device is turned off, carrier movement can be more reliably prohibited. The “built-in voltage” refers to a voltage generated between semiconductors having different conductivity types when they are joined together. The elementary charge is a constant, and its value is approximately 1.6 × 10 −19 C (Coulomb).
本発明の半導体装置では、第4のIII族窒化物半導体領域が、バンドギャップの狭いIII族窒化物半導体層と、バンドギャップの広いIII族窒化物半導体層の積層で構成することもできる。
上記の半導体装置によると、バンドギャップの狭いIII族窒化物半導体層とバンドギャップの広いIII族窒化物半導体層によってヘテロ接合が形成される。バンドギャップの狭いIII族窒化物半導体層とバンドギャップの広いIII族窒化物半導体層の間に、2次元電子ガス領域が形成され、その2次元電子ガス領域を電子が移動できる。電子の移動抵抗が小さくなり、半導体装置のオン抵抗を小さくすることができる。
In the semiconductor device of the present invention, the fourth group III nitride semiconductor region may be formed of a stack of a group III nitride semiconductor layer having a narrow band gap and a group III nitride semiconductor layer having a wide band gap.
According to the above semiconductor device, a heterojunction is formed by the group III nitride semiconductor layer having a narrow band gap and the group III nitride semiconductor layer having a wide band gap. A two-dimensional electron gas region is formed between the group III nitride semiconductor layer having a narrow band gap and the group III nitride semiconductor layer having a wide band gap, and electrons can move through the two-dimensional electron gas region. Electron transfer resistance is reduced, and the on-resistance of the semiconductor device can be reduced.
本発明では半導体装置の製造方法をも提供する。その方法は、n型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域の表面に、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域の各々のIII族窒化物半導体領域が、第1のIII族窒化物半導体領域の表面に接する状態で順に配置されている積層構造を形成する工程と、一方の第2のIII族窒化物半導体領域から第3のIII族窒化物半導体領域を経て他方の第2のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の表面に、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、第2のIII族窒化物半導体領域の一部には対向するけれども第3のIII族窒化物半導体領域には対向しない位置において、第4のIII族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を有している。 The present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device. The method includes a second group III nitride semiconductor region containing a p-type impurity on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity, and an n-type impurity. Each of the group III nitride semiconductor regions of the third group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region containing the p-type impurity is a first group III nitride semiconductor region. Forming a laminated structure sequentially arranged in contact with the surface of the semiconductor layer, and passing through the third group III nitride semiconductor region from one second group III nitride semiconductor region to the other second group III nitride A step of crystal-growing a fourth group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity on the surface of the region extending over the semiconductor layer, and a portion of the second group III nitride semiconductor region. However, in a position not facing the third group III nitride semiconductor region, the fourth group III nitride And a step of forming a gate electrode are opposed to each other via the gate insulating film on a semiconductor region.
上記の方法によると、隣接する第2のIII族窒化物半導体領域の距離や、第3のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度を高精度に制御することなく、ゲート絶縁膜に高い電圧がかかることを防止できる半導体装置を製造することができる。また、半導体装置のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜に過剰の電圧がかかることを防止できる半導体装置を製造することができる。また、第4のIII族窒化物半導体領域を結晶成長させるため、第4のIII族窒化物半導体領域の厚みや不純物濃度等を制御しやすい。特性の安定した半導体装置を製造することができる。 According to the above method, a high voltage is applied to the gate insulating film without accurately controlling the distance between the adjacent second group III nitride semiconductor regions and the impurity concentration of the third group III nitride semiconductor region. A semiconductor device that can prevent this can be manufactured. Further, it is possible to manufacture a semiconductor device that can prevent an excessive voltage from being applied to the gate insulating film without increasing the on-resistance of the semiconductor device. Further, since the fourth group III nitride semiconductor region is crystal-grown, the thickness, impurity concentration, etc. of the fourth group III nitride semiconductor region can be easily controlled. A semiconductor device with stable characteristics can be manufactured.
本発明では半導体装置の他の製造方法をも提供することができる。その製造方法は、n型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域の表面に、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域の各々のIII族窒化物半導体領域が、第1のIII族窒化物半導体領域の表面に接する状態で順に配置されている積層構造を形成する工程と、一方の第2のIII族窒化物半導体領域から第3のIII族窒化物半導体領域を経て他方の第2のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の表面に、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、第4のIII族窒化物半導体領域の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜の表面にゲート電極を形成する工程を有している。ゲート絶縁膜の形成工程では、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から近い範囲と第3のIII族窒化物半導体領域に対向する範囲では厚く形成し、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から遠い範囲に対向する範囲では薄く形成する。 The present invention can also provide another method for manufacturing a semiconductor device. In the manufacturing method, a second group III nitride semiconductor region containing a p-type impurity and an n-type impurity are formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity. Each of the group III nitride semiconductor regions of the third group III nitride semiconductor region including the second group III nitride semiconductor region including the p-type impurity is a first group III nitride semiconductor. A step of forming a stacked structure sequentially arranged in contact with the surface of the region, and from the second group III nitride semiconductor region through the third group III nitride semiconductor region to the other second group III A step of crystal-growing a fourth group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity on a surface in a range extending over the nitride semiconductor region, and a gate insulating film on the surface of the fourth group III nitride semiconductor region And a step of forming a gate electrode on the surface of the gate insulating film. That. In the gate insulating film formation step, the second group III nitride semiconductor region is formed thicker in the range close to the third group III nitride semiconductor region and in the range facing the third group III nitride semiconductor region. The second group III nitride semiconductor region is thinly formed in a range facing a range far from the third group III nitride semiconductor region.
上記の方法によると、隣接する第2のIII族窒化物半導体領域の距離や、第3のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度を高精度に制御することなく、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止できる半導体装置を製造することができる。また、半導体装置のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜が破壊されることを防止できる半導体装置を製造することができる。 According to the above method, the gate insulating film is destroyed without accurately controlling the distance between the adjacent second group III nitride semiconductor regions and the impurity concentration of the third group III nitride semiconductor region. Can be manufactured. Further, it is possible to manufacture a semiconductor device that can prevent the gate insulating film from being destroyed without increasing the on-resistance of the semiconductor device.
本発明の半導体装置によると、複数の半導体領域を形成する際に、それらのサイズや、含まれる不純物濃度を高精度に制御する必要がなく、半導体装置をオフしたときに半導体装置が破壊されることを防止できる半導体装置を実現する。また、オン抵抗の小さい半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device of the present invention, when forming a plurality of semiconductor regions, it is not necessary to control the size and concentration of contained impurities with high precision, and the semiconductor device is destroyed when the semiconductor device is turned off. A semiconductor device that can prevent this is realized. In addition, a semiconductor device with low on-resistance can be realized.
実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) 第2のIII族窒化物半導体領域の表面に、n型の不純物を高濃度に含んでいる第5のIII族窒化物半導体領域が形成されている。ゲート電極は、第4のIII族窒化物半導体領域と第5のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲に、ゲート絶縁膜を介して対向している。
(特徴2) 第1のIII族窒化物半導体領域の裏面に、n型の不純物を高濃度に含んでいる第6のIII族窒化物半導体領域が形成されている。
(特徴3) 第5のIII族窒化物半導体領域に一方の主電極(ソース電極)が接続されており、第6のIII族窒化物半導体領域に他方の主電極(ドレイン電極)が接続されている。
(特徴4) ゲート電極とソース電極の間を電気的に分離している電極絶縁膜が形成されている。
The main features of the examples are listed.
(Feature 1) A fifth group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity at a high concentration is formed on the surface of the second group III nitride semiconductor region. The gate electrode is opposed to the range spanning the fourth group III nitride semiconductor region and the fifth group III nitride semiconductor region via the gate insulating film.
(Feature 2) A sixth group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity at a high concentration is formed on the back surface of the first group III nitride semiconductor region.
(Feature 3) One main electrode (source electrode) is connected to the fifth group III nitride semiconductor region, and the other main electrode (drain electrode) is connected to the sixth group III nitride semiconductor region. Yes.
(Feature 4) An electrode insulating film that electrically separates the gate electrode and the source electrode is formed.
図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。
(第1実施例)
図1に、縦型のIII族窒化物半導体装置100の断面図を示す。図1の断面図は半導体装置100の単位構造を示し、この単位構造が紙面左右方向に繰り返し形成されている。なお、各部の構成は、実際のサイズの縮尺を正確に表すものではない。図面の明瞭化のために、図面の縮尺を適宜変更している。また、一部の構成についてはハッチングを省略している。
半導体装置100の裏面に、ドレイン電極(他方の主電極)24が形成されている。ドレイン電極24上に、窒化ガリウム(GaN)を主材料とするn+型のドレイン領域(第6のIII族窒化物半導体領域)22が形成されている。ドレイン領域22上に、窒化ガリウムを主材料とするn型のドリフト領域(第1のIII族窒化物半導体領域)20が形成されている。
ドリフト領域20の表面に、窒化ガリウムを主材料とするp型のボディ領域(第2のIII族窒化物半導体領域)16が間隙16aを残して不連続に形成されている。複数個のボディ領域16がドリフト領域20の表面に形成されており、隣接するボディ領域16,16の間は、窒化ガリウムを主材料とするn型のアパーチャ領域(第3のIII族窒化物半導体領域)2が充填されている。すなわち、アパーチャ領域2は、ドリフト領域20の表面に形成されており、ボディ領域16に残されている間隙16aを充填している。半導体装置100を平面視したときに、各々のボディ領域16とアパーチャ領域2は紙面奥行き方向に長く伸びており、複数個のボディ領域16とアパーチャ領域2がストライプ状に配置されている。なお、本実施例の半導体装置100では、ボディ領域16の不純物濃度がおよそ5×1019cm−3に調節されている。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of a vertical group III
A drain electrode (the other main electrode) 24 is formed on the back surface of the
On the surface of the
ボディ領域16とアパーチャ領域2に跨る範囲の表面に、窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体領域(第4のIII族窒化物半導体領域)12が形成されている。半導体領域12の不純物にはシリコンが用いられており、不純物濃度はおよそ1×1016cm−3に調節されている。半導体領域12の紙面左右方向の両端部に、n型の不純物を高濃度に含んでいるソース領域(第5のIII族窒化物半導体領域)14が形成されている。ソース領域14にソース電極(一方の主電極)10が接続されている。なお、ソース領域14は、半導体装置100を平面視したときに、アパーチャ領域2と半導体領域12が接する範囲の半導体領域12には接していない。
半導体領域12とソース領域14に跨る範囲に、ゲート絶縁膜4が形成されている。ゲート絶縁膜4は、ボディ領域16の一部には対向するけれどもアパーチャ領域2には対向しない位置に形成されている。ゲート絶縁膜の表面にゲート電極6が形成されている。すなわち、ゲート電極6は、ボディ領域16の一部には対向するけれどもアパーチャ領域2には対向しない位置において、半導体領域12にゲート絶縁膜4を介して対向している。ソース電極14とゲート電極6は、電極絶縁膜8によって電気的に分離されている。
An n-type semiconductor region (fourth group III nitride semiconductor region) 12 containing gallium nitride as a main material is formed on the surface in a range extending between the
A
半導体装置100の動作を説明する。
p型のボディ領域16の表面にn型の半導体領域12が形成されている。ゲート電極6に電圧を印加していない状態では、半導体領域12に空乏層が形成され、半導体領域12内を電子が走行することができない。すなわち、半導体装置100はオフしている。なお、本実施例の半導体装置100は、半導体領域12の厚みLが、下記式(1)を満足している。
L≦(2×ε×V/q)0.5×(1/N)0.5 (1)
上記式において、εは半導体領域12の誘電率を示し、Vは半導体領域12とボディ領域16のビルトイン電圧を示し、qは電荷素量を示し、Nは半導体領域12の不純物濃度を示している。
上述したように半導体装置100では、ボディ領域16の不純物濃度がおよそ5×1019cm−3に調節されており、半導体領域12の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調節されている。ボディ領域16の不純物濃度が充分に大きいため、半導体領域12とボディ領域16の間のビルトイン電圧によって生じる空乏層は、ほとんど半導体領域12内に形成される。ボディ領域16と半導体領域12の界面から半導体領域12に向けて伸びる空乏層の厚みWは、半導体領域12の不純物濃度で決定し、下記式(2)で示すことができる。
W=(2×ε×V/q)0.5×(1/N)0.5 (2)
式(1),式(2)から明らかなように、半導体領域12の厚みLは、半導体領域12とボディ領域16の間のビルトイン電圧によって生じる空乏層の厚みW以下である。すなわち、半導体装置100をオフしたときに、電子の移動を確実に禁止することができる。
The operation of the
An n-
L ≦ (2 × ε × V / q) 0.5 × (1 / N) 0.5 (1)
In the above formula, ε represents the dielectric constant of the
As described above, in the
W = (2 × ε × V / q) 0.5 × (1 / N) 0.5 (2)
As is clear from the equations (1) and (2), the thickness L of the
ゲート電極6に電圧を印加していない状態では、ソース電極10とドレイン電極24の間に電位差が生じる。また、ボディ領域16と半導体領域12の界面から空乏層が伸びる他に、ボディ領域16とアパーチャ領域2の界面ならびに、ボディ領域16とドリフト領域20の界面からも空乏層が伸びる。各々の界面から伸びる空乏層18a,18bがつながると、アパーチャ領域2は空乏化され、アパーチャ領域2よりも紙面上側の構造に電界がかかることを防止できる。空乏層18a,18bがつながらないと、アパーチャ領域2よりも紙面上側の構造に電界がかかってしまう。
半導体装置100をオフしたときに、ゲート絶縁膜4に高い電圧がかかってしまうと、ゲート絶縁膜4が破壊され、半導体装置100が破壊されることがある。しかしながら、半導体装置100では、アパーチャ領域16に対向する位置にゲート絶縁膜4が形成されていない。空乏層18a,18bがつながらなくても、ゲート絶縁膜4に高い電圧がかかり、ゲート絶縁膜4が破壊されることを防止できる。
In the state where no voltage is applied to the
If a high voltage is applied to the
ゲート電極6に正の電圧が印加されている状態では、半導体領域12に形成されていた空乏層が縮小し、半導体領域12内を電子が移動できるようになる。すなわち、半導体装置100がオンする。
ソース領域14から半導体領域12を横方向に走行してきた電子は、アパーチャ領域2を流れ、ドリフト領域20,ドレイン領域22を経由してドレイン電極24に流れる。ソース電極10とドレイン電極24の間が導通する。すなわち、半導体装置100は、ノーマリーオフの動作をする縦型のIII族窒化物半導体装置である。
In a state where a positive voltage is applied to the
Electrons that have traveled laterally from the
上述したように、半導体装置100では、空乏層18a,18bがつながらなくてもゲート絶縁膜4に高い電圧がかかることを防止できる。すなわち、アパーチャ領域2の幅や、アパーチャ領域2の不純物濃度を高精度に制御しなくても、半導体装置100をオフしたときにゲート絶縁膜4に高い電圧がかかることを防止できる。空乏層18a,18bを確実につなげるために、アパーチャ領域2の幅を必要以上に狭くしたり、アパーチャ領域2の不純物濃度を必要以上に薄くする必要がない。また、半導体装置100のオン抵抗を小さくするために、アパーチャ領域2の不純物濃度を積極的に高く設定することもできる。
As described above, in the
(半導体装置100の製造方法)
次に半導体装置100の製造方法を説明する。
まず図5に示しているように、窒化ガリウムを主材料とするn+型の半導体基板22(図1のドレイン領域22)を用意し、その表面にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、窒化ガリウムを主材料とするn型のIII族窒化物半導体層20(図1のドリフト領域20)をエピタキシャル成長させる。次いでIII族窒化物半導体層20の表面にMOCVD法を利用して、窒化ガリウムを主材料とするp型のIII族窒化物半導体層16をエピタキシャル成長させる。
次に、図6に示しているように、III族窒化物半導体層16の表面にマスク層30を形成し、マスク層の一部をエッチングして開口を形成する。次に、マスク層30の開口からIII族窒化物半導体層16をエッチングし、III族窒化物半導体領層20に達するトレンチ32を形成する。III族窒化物半導体層20をエッチングするために、例えばRIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチングを利用することができる。この段階で、ボディ領域16(図1も参照)が完成する。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device 100)
Next, a method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 5, an n.sup. + Type semiconductor substrate 22 (
Next, as shown in FIG. 6, a
次に、図7に示しているように、トレンチ32(図6を参照)の底面において露出しているIII族窒化物半導体領域20から、間隙16a(図1を参照)が充填されるまでn型の窒化ガリウムを結晶成長させる。すなわち、アパーチャ領域2を完成させる。この段階で、III族窒化物半導体領域20の表面に、p型のIII族窒化物半導体領域16(図1のボディ領域16)と、n型のIII族窒化物半導体領域2(図1のアパーチャ領域2)と、p型のIII族窒化物半導体領域16の各々のIII族窒化物半導体領域20,16,20が、III族窒化物半導体領域20の表面に接する状態で順に配置されている積層構造を形成することができる。
その後、一方のIII族窒化物半導体領域16からIII族窒化物半導体領域2を経て他方のIII族窒化物半導体領域16に跨る範囲の表面に、n型の窒化ガリウムを結晶成長させる。この段階で、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域2に跨る範囲の表面に形成されているIII族窒化物半導体領域12(図1のIII族窒化物半導体領域12)が完成する。本実施例では、トレンチ32の底面において露出しているIII族窒化物半導体領域20から、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域2に跨る範囲の表面を覆うまで、連続して窒化ガリウムを結晶成長させる。
III族窒化物半導体領域16の間隙16aを充填しているIII族窒化物半導体領域2と、III族窒化物半導体領域20から結晶成長する窒化ガリウムの不純物濃度は、III族窒化物半導体領域20と同一量に調整されている。すなわち、III族窒化物半導体領域20,2,12は連続した一つの領域と評価することもできる。しかしながら、図1に示す半導体装置100と整合させるために、以下の説明では、III族窒化物半導体領域16,16の間に結晶成長した窒化ガリウムをIII族窒化物半導体領域2とし、III族窒化物半導体領域16とIII族窒化物半導体領域2の表面に結晶成長した窒化ガリウムをIII族窒化物半導体領域12として説明する。
Next, as shown in FIG. 7, from the group III
Thereafter, n-type gallium nitride is crystal-grown on the surface in a range extending from one group III
The impurity concentration of the group III
本実施例では、III族窒化物半導体領域20からn型の窒化ガリウムを結晶成長させ、図1に示しているIII族窒化物半導体領域2,12を完成させている。しかしながら、III族窒化物半導体領域12の厚み精度を高くするために、III族窒化物半導体領域16の表面にn型の窒化ガリウムを厚く結晶成長させた後、所望する厚さまでエッチングして、III族窒化物半導体領域12を完成させることもできる。また、III族窒化物半導体領域16の表面を覆うまでn型の窒化ガリウムを結晶成長させた後、III族窒化物半導体領域2,16の表面が露出するまでnの窒化ガリウムをエッチングし、その後III族窒化物半導体領域2,16の表面にn型の窒化ガリウムを所望する厚さまで結晶成長させることもできる。
また、n+型のIII族窒化物半導体領域22の表面に、n型の窒化ガリウムを厚く形成し、その後、III族窒化物半導体領域16に対応する部分をエッチングし、エッチングされたn型の窒化ガリウムの表面からp型のIII族窒化物半導体領域16を結晶成長させてもよい。
In this embodiment, n-type gallium nitride is crystal-grown from the group III
Further, a thick n-type gallium nitride is formed on the surface of the n + -type group III
次に、図8に示しているように、III族窒化物半導体領域12の所定部分にイオン注入を実施してn+のIII族窒化物半導体領域14を形成する。III族窒化物半導体領域14は、図7に示しているIII族窒化物半導体領域12の表面の全域にマスク層(図示省略)を形成し、そのマスク層の所定領域をエッチングしてIII族窒化物半導体領域12の一部を露出させ、露出したIII族窒化物半導体領域12にシリコンをイオン注入することによって形成する。その後III族窒化物半導体領域12の表面に形成したマスク層は除去する。次に、III族窒化物半導体領域12,14の表面に絶縁膜4を形成した後、絶縁膜4の表面に電極6を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, ion implantation is performed on a predetermined portion of the group III
次に、図9に示しているように、電極6の表面の所定部分にマスク層(図示省略)を形成し、電極6と絶縁膜14の一部を除去する。この段階で、III族窒化物半導体領域16の一部には対向するけれどもIII族窒化物半導体領域2には対向しない位置において、III族窒化物半導体領域14にゲート絶縁膜14を介して対向するゲート電極6が完成する。
次に、図10に示しているように、ゲート絶縁膜4とゲート電極6を覆う電極絶縁膜8を形成し、ソース電極10(図1を参照)を形成する部分の電極絶縁膜8をエッチングして除去する。その後、ソース電極10とドレイン電極24を形成することによって、図1に示している半導体装置10を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 9, a mask layer (not shown) is formed on a predetermined portion of the surface of the
Next, as shown in FIG. 10, an
本実施例では、p型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体領域16とn型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体領域2に跨る範囲の表面に、n型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体領域12が形成されている。III族窒化物半導体領域12は、バンドギャップの狭いn型又はi型のIII族窒化物半導体層と、バンドギャップの広いn型又はi型のIII族窒化物半導体層の積層で構成することもできる。
その場合、バンドギャップの狭いIII族窒化物半導体層とバンドギャップの広いIII族窒化物半導体層の間に形成される2次元電子ガス領域を電子が移動することができるため、半導体装置のオン抵抗をより小さくすることができる。
In the present embodiment, the surface of the range spanning the group III
In that case, since electrons can move in a two-dimensional electron gas region formed between the group III nitride semiconductor layer with a narrow band gap and the group III nitride semiconductor layer with a wide band gap, the on-resistance of the semiconductor device Can be made smaller.
(第2実施例)
図2を参照して半導体装置200について説明する。半導体装置200は、半導体装置100の変形例であり、半導体装置100と同じ構成については、半導体装置100と同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。
第4のIII族窒化物半導体領域212の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域2に近い部分(領域212b)では厚く、III族窒化物半導体領域2から遠い部分(領域212a)では薄く形成されている。本実施例では、III族窒化物半導体領域2の表面に形成されているIII族窒化物半導体領域212の厚みも厚く形成されている。
ゲート絶縁膜204は、III族窒化物半導体領域212の領域212bの部分と、III族窒化物半導体領域212の領域212aの部分に跨る範囲に形成されている。また、ゲート絶縁膜204は、III族窒化物半導体領域212とIII族窒化物半導体領域14に跨る範囲に形成されている。ゲート絶縁膜204の表面にゲート電極206が形成されており、ゲート電極206とソース電極210は、電極絶縁膜208によって電気的に分離されている。
(Second embodiment)
The
The thickness of the fourth group III
The
半導体装置200によって解決される課題について説明する。
図1に示している半導体装置100では、半導体領域12において、裏面にボディ領域16が形成され、表面にゲート絶縁膜4が形成されていない領域(図1のAの範囲)や、ボディ領域16とアパーチャ領域2の境界近傍に形成されている半導体領域12では、ゲート電極6に電圧を印加しても空乏層が消失しにくい。すなわち、半導体装置100のオン抵抗が大きくなってしまうという問題がある。半導体装置100のオン抵抗を小さくする必要がある。
A problem solved by the
In the
半導体装置200では、半導体領域12の最も薄い部分の厚みLが、上記式(1)を満足するように調節されている。すなわち、ゲート電極206に電圧を印加していない状態では領域212aに空乏層が形成され、半導体装置200を確実にオフすることができる。また、半導体装置200がオフすると、ソース電極210とドレイン電極24の間の電位差に応じて、ボディ領域16から半導体領域212の領域212bに向けても空乏層が伸びる。
半導体装置200をオンすると、ゲート電極206に対向する範囲の半導体領域212に形成されていた空乏層が消失する。しかしながら、ボディ領域16とアパーチャ領域2の境界近傍の半導体領域212の厚みが厚いため、半導体装置200をオンしたときに空乏層が完全に消失しなくても、半導体領域212の領域212bの表層部分を電子が走行することができる。そのため、半導体装置200のオン抵抗を小さくすることができる。
In the
When the
半導体装置200の製造方法について説明する。なお、図5から図6の工程までの工程は、半導体装置100の製造方法と同じため説明を省略する。
図11に示しているように、トレンチ32の底面において露出しているIII族窒化物半導体領域20から、III族窒化物半導体領域16の表面を覆うまでn型の窒化ガリウムを結晶成長させる。III族窒化物半導体領域16の表面に成長させるIII族窒化物半導体領域212の厚みは、領域212bの厚さ(図2を参照)と等しい。
次に、図12に示しているように、領域212bに対応する部分にマスク層38を形成した後、半導体領域212を所定深さまでエッチングして、領域212aと領域212bを形成する。その後の工程は、図8から図10までの工程と実質的に同じため、説明を省略する。
なお、本実施例では、III族窒化物半導体領域16の表面に成長させるIII族窒化物半導体領域212の厚みは、領域212bの厚さと等しい。しかしながら、n型の窒化ガリウムを領域212bの厚さよりも厚く結晶成長させた後、領域212bの厚さまでエッチングしてもよい。あるいは、III族窒化物半導体領域16の表面を覆うまでn型の窒化ガリウムを結晶成長させた後、半導体領域16の表面が露出するまでn型の窒化ガリウムをエッチングし、その後III族窒化物半導体領域2,16の表面に、n型の窒化ガリウムを所望する厚さ(領域212bの厚さ)まで結晶成長させることもできる。
A method for manufacturing the
As shown in FIG. 11, n-type gallium nitride is grown from the group III
Next, as shown in FIG. 12, after the
In this embodiment, the thickness of the group III
(第3実施例)
図3を参照して半導体装置300について説明する。半導体装置300は、半導体装置100の変形例であり、半導体装置100と同じ構成については、半導体装置100と同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。
第2のIII族窒化物半導体領域316の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域302に近い部分(領域316b)では薄く、第3のIII族窒化物半導体領域302に遠い部分(領域316a)では厚く形成されている。第4のIII族窒化物半導体領域312の表面は平坦になっている。結果として、III族窒化物半導体領域312の厚みが、III族窒化物半導体領域302に近い部分(領域312b)では厚く、III族窒化物半導体領域302に遠い部分(領域312a)では薄く形成されている。
半導体装置300でも、半導体装置300をオンしたときに、III族窒化物半導体領域302とIII族窒化物半導体領域312の境界近傍に形成されているIII族窒化物半導体領域312の空乏層が完全に消失しなくても、半導体領域312の領域312bの表層部分を電子が走行することができる。半導体装置300のオン抵抗を小さくすることができる。また、半導体領域312の表面が平坦になっているため、平坦な表面にゲート絶縁膜4,ゲート電極6を形成することができる。半導体装置200と比較して、ゲート絶縁膜4,ゲート電極6の製造工程を簡単化することができる。
なお、本実施例では、半導体領域312の表面が平坦になっているが、半導体装置200のように、III族窒化物半導体領域302に近い部分では、III族窒化物半導体領域312を上に凸に形成することもできる。半導体装置300のオン抵抗をより小さくすることができる。
(Third embodiment)
The
The thickness of the second group III
Also in the
In this embodiment, the surface of the
半導体装置300の製造方法について説明する。図5の工程は、半導体装置100の製造方法と同じため説明を省略する。
図13に示しているように、半導体領域316にトレンチ34を形成する。トレンチ34を形成する範囲は、III族窒化物半導体領域302と、III族窒化物半導体領域316の領域316bに対応する範囲(図3を参照)とし、トレンチ34の深さは、III族窒化物半導体領域16の残部が領域316aになるようにする。次いで、トレンチ34の底部から半導体領域20に達するトレンチ36を形成する。トレンチ36を形成する範囲は、半導体領域302(図3を参照)に対応する範囲とする。
なお、トレンチ34とトレンチ36を形成する順番は、どちらが先でもよい。その後の工程は、図7から図10で説明した工程と実質的に同じため説明を省略する。
A method for manufacturing the
As shown in FIG. 13, a
Note that the order of forming the
(第4実施例)
図4を参照して半導体装置400について説明する。半導体装置400は半導体装置100の変形例であり、半導体装置100と同じ構成については、半導体装置100と同じ参照番号を付すことによって説明を省略する。
半導体装置400では、第4のIII族窒化物半導体領域12の表面の全域にゲート絶縁膜404が形成されている。すなわち、ゲート電極406は、III族窒化物半導体領域12の全域にゲート絶縁膜404を介して対向している。ゲート絶縁膜404は、III族窒化物半導体領域16のうちのIII族窒化物半導体領域2に近い範囲とIII族窒化物半導体領域2に対向する範囲(領域404b)では厚く、III族窒化物半導体領域16のうちのIII族窒化物半導体領域2から遠い範囲に対向する範囲(領域404a)では薄く形成されている。ゲート絶縁膜404の表面にゲート電極406が形成されており、ゲート電極406とソース電極410は、電極絶縁膜408によって電気的に分離されている。
半導体装置400では、半導体装置400をオフしたときに、半導体領域16,16から半導体領域2に向けて伸びる空乏層がつながらない場合、ゲート絶縁膜404の領域404bに電界がかかる。しかしながら、領域404bが厚く形成されているため、ゲート絶縁膜404の領域404bに高い電圧がかかってもゲート絶縁膜404が破壊されることを防止できる。半導体装置400でも、隣接するIII族窒化物半導体領域16の距離(間隙の幅)や、III族窒化物半導体領域2の不純物濃度を高精度に制御しなくても、半導体装置400をオフしたときに、ゲート絶縁膜404が破壊されることを防止できる。半導体装置400のオン抵抗を大きくすることなく、ゲート絶縁膜404が破壊されることを防止できる。
本実施例の半導体装置400では、第4のIII族窒化物半導体領域12の厚みが、その全域に亘って等しい。しかしながら、半導体装置200,300のように、第4のIII族窒化物半導体領域12の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域2に近い部分では厚く、第3のIII族窒化物半導体領域に遠い部分では薄くすることもできる。その場合の作用効果については、上記した内容と同じため省略する。
(Fourth embodiment)
The
In the
In the
In the
半導体装置400の製造方法について説明する。図5から図7までの工程は、半導体装置100と同じため説明を省略する。
半導体領域12の所定部分にイオン注入をしてn+型のIII族窒化物半導体領域14を形成した後、III族窒化物半導体領域12とIII族窒化物半導体領域14の表面に絶縁膜を形成する。その後、その絶縁膜のゲート絶縁膜404aに対応する部分をエッチングする。次いで、その絶縁膜の表面に電極406を形成(図示省略)し、その後、その絶縁膜と電極406とエッチングしてゲート絶縁膜404とゲート電極406を完成させる。その後の工程は、実施例1の図10以降と同じため説明を省略する。
A method for manufacturing the
After ion implantation is performed on a predetermined portion of the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に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の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。
Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In addition, the technical elements described in the present specification or 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 the present specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
2,302:第2のIII族窒化物半導体領域(アパーチャ領域)
4,204,404:ゲート絶縁膜
6,206,406:ゲート電極
10,210,410:ソース電極
12,212,312:第4のIII族窒化物半導体領域
14:第5のIII族窒化物半導体領域(ソース領域)
16,316:第2のIII族窒化物半導体領域(アパーチャ領域)
20:第1のIII族窒化物半導体領域(ドリフト領域)
24:ドレイン電極
100,200,300,400:半導体装置
2,302: Second group III nitride semiconductor region (aperture region)
4, 204, 404:
16, 316: Second group III nitride semiconductor region (aperture region)
20: First group III nitride semiconductor region (drift region)
24:
Claims (9)
第1のIII族窒化物半導体領域の表面において間隙を残して不連続に形成されているとともに、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、
第2のIII族窒化物半導体領域の前記間隙において第1のIII族窒化物半導体領域の表面に形成されており、前記間隙を充填しているとともに、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、
第2のIII族窒化物半導体領域と第3のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の前記両領域の表面に形成されているとともに、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域と、
第2のIII族窒化物半導体領域の一部には対向するけれども第3のIII族窒化物半導体領域には対向しない位置において、第4のIII族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と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 a first group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity;
A second group III nitride semiconductor region which is formed discontinuously on the surface of the first group III nitride semiconductor region leaving a gap, and which contains a p-type impurity;
A third group III nitride semiconductor region is formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region in the gap of the second group III nitride semiconductor region, fills the gap, and contains an n-type impurity. A group III nitride semiconductor region;
A fourth group III nitride formed on the surfaces of both the regions of the second group III nitride semiconductor region and the third group III nitride semiconductor region and containing an n-type impurity A semiconductor region;
Opposing to the fourth group III nitride semiconductor region via the gate insulating film at a position facing a part of the second group III nitride semiconductor region but not facing the third group III nitride semiconductor region A gate electrode,
A semiconductor device comprising:
第4のIII族窒化物半導体領域の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域に近い部分では厚く、第3のIII族窒化物半導体領域から遠い部分では薄く形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。 When observing a cross section of a semiconductor device,
The thickness of the fourth group III nitride semiconductor region is formed thicker at a portion close to the third group III nitride semiconductor region, and thinner at a portion far from the third group III nitride semiconductor region. The semiconductor device according to claim 1.
第2のIII族窒化物半導体領域の厚みが、第3のIII族窒化物半導体領域に近い部分では薄く、第3のIII族窒化物半導体領域から遠い部分では厚く形成されていることを特徴とする請求項2の半導体装置。 When observing a cross section of a semiconductor device,
The thickness of the second group III nitride semiconductor region is thin at a portion close to the third group III nitride semiconductor region and thick at a portion far from the third group III nitride semiconductor region. The semiconductor device according to claim 2.
第1のIII族窒化物半導体領域の表面において間隙を残して不連続に形成されているとともに、p型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域と、
第2のIII族窒化物半導体領域の前記間隙において第1のIII族窒化物半導体領域の表面に形成されており、前記間隙を充填しているとともに、n型の不純物を含んでいる第3のIII族窒化物半導体領域と、
第2のIII族窒化物半導体領域と第3のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の前記両領域の表面に形成されているとともに、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域と、
第4のIII族窒化物半導体領域にゲート絶縁膜を介して対向するゲート電極を備えており、
そのゲート絶縁膜が、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域に近い範囲と第3のIII族窒化物半導体領域に対向する範囲では厚く、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から遠い範囲に対向する範囲では薄く形成されていることを特徴とする半導体装置。 a first group III nitride semiconductor region containing an n-type impurity;
A second group III nitride semiconductor region which is formed discontinuously on the surface of the first group III nitride semiconductor region leaving a gap, and which contains a p-type impurity;
A third group III nitride semiconductor region is formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region in the gap of the second group III nitride semiconductor region, fills the gap, and contains an n-type impurity. A group III nitride semiconductor region;
A fourth group III nitride formed on the surfaces of both the regions of the second group III nitride semiconductor region and the third group III nitride semiconductor region and containing an n-type impurity A semiconductor region;
A gate electrode facing the fourth group III nitride semiconductor region via a gate insulating film;
The gate insulating film is thick in a range close to the third group III nitride semiconductor region in the second group III nitride semiconductor region and in a range facing the third group III nitride semiconductor region, A semiconductor device characterized in that the semiconductor device is thinly formed in a range facing a range far from a third group III nitride semiconductor region in the group III nitride semiconductor region.
L≦(2×ε×V/q)0.5×(1/N)0.5 (1)
を満足することを特徴とする請求項1から5のいずれかの半導体装置。 Let the dielectric constant ε of the fourth group III nitride semiconductor region be N, the impurity concentration of the fourth group III nitride semiconductor region be N, the second group III nitride semiconductor region, and the fourth group III nitride semiconductor region When the built-in voltage of V is V and the elementary charge is q, the thickness L of the thinnest portion of the fourth group III nitride semiconductor region is expressed by the following formula (1),
L ≦ (2 × ε × V / q) 0.5 × (1 / N) 0.5 (1)
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
一方の第2のIII族窒化物半導体領域から第3のIII族窒化物半導体領域を経て他方の第2のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の表面に、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、
第2のIII族窒化物半導体領域の一部には対向するけれども第3のIII族窒化物半導体領域には対向しない位置において、第4のIII族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、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A second group III nitride semiconductor region containing p-type impurities and a third group containing n-type impurities on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing n-type impurities. Each of the group III nitride semiconductor regions of the group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region containing the p-type impurity is in contact with the surface of the first group III nitride semiconductor region. Forming a laminated structure sequentially arranged in a state;
The n-type impurity is included in the surface in a range extending from one second group III nitride semiconductor region through the third group III nitride semiconductor region to the other second group III nitride semiconductor region. Crystal growth of group III nitride semiconductor region 4;
Opposing to the fourth group III nitride semiconductor region via the gate insulating film at a position facing a part of the second group III nitride semiconductor region but not facing the third group III nitride semiconductor region Forming a gate electrode, and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
一方の第2のIII族窒化物半導体領域から第3のIII族窒化物半導体領域を経て他方の第2のIII族窒化物半導体領域に跨る範囲の表面に、n型の不純物を含んでいる第4のIII族窒化物半導体領域を結晶成長させる工程と、
第4のIII族窒化物半導体領域の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
ゲート絶縁膜の表面にゲート電極を形成する工程を有しており、
ゲート絶縁膜の形成工程では、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から近い範囲と第3のIII族窒化物半導体領域に対向する範囲では厚く形成し、第2のIII族窒化物半導体領域のうちの第3のIII族窒化物半導体領域から遠い範囲に対向する範囲では薄く形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A second group III nitride semiconductor region containing p-type impurities and a third group containing n-type impurities on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing n-type impurities. Each of the group III nitride semiconductor regions of the group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region containing the p-type impurity is in contact with the surface of the first group III nitride semiconductor region. Forming a laminated structure sequentially arranged in a state;
The n-type impurity is included in the surface in a range extending from one second group III nitride semiconductor region through the third group III nitride semiconductor region to the other second group III nitride semiconductor region. Crystal growth of group III nitride semiconductor region 4;
Forming a gate insulating film on the surface of the fourth group III nitride semiconductor region;
A step of forming a gate electrode on the surface of the gate insulating film;
In the gate insulating film formation step, the second group III nitride semiconductor region is formed thicker in the range close to the third group III nitride semiconductor region and in the range facing the third group III nitride semiconductor region. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a thin film in a range opposite to a range far from the third group III nitride semiconductor region of the second group III nitride semiconductor region.
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