JP2008311392A - Field-effect transistor using group iii nitride transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ノーマリオフ型のIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor using a normally-off group III nitride semiconductor.
III族窒化物半導体を用いた電界効果型トランジスタとしては,AlGaN/GaN系HEMT(例えば、非特許文献1参照)、または、GaN系M0SFET(非特許文献2参照)が用いられている。これらは従来のSiやGaAs,InPなどのIII族化合物半導体よりも高い絶縁破壊電圧や飽和移動度を有しており,パワーデバイスに適していた。
III族窒化物を用いた電界効果型トランジスタとしては,AlGaN/GaN系HEMTが広く研究されているが,しきい値電圧が+1 V程度と低かった。また,GaN系MOSFETに関しては,移動度が高いデバイスや耐圧が1000 V近いデバイスなどが報告されているが,高移動度と高耐圧を両立したデバイスはいまだ実現していない。 AlGaN / GaN HEMT has been widely studied as a field effect transistor using Group III nitride, but the threshold voltage was as low as +1 V. As for GaN-based MOSFETs, devices with high mobility and devices with a withstand voltage close to 1000 V have been reported, but devices that have both high mobility and high withstand voltage have not yet been realized.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、ノーマリオフ動作の半導体素子で、高耐圧と大電流の両立を図ったIII族窒化物半導体を用いたノーマリオフ型の電界効果トランジスタを提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and its purpose is a normally-off semiconductor device that uses a group III nitride semiconductor that achieves both high breakdown voltage and large current. It is to provide a field effect transistor of the type.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、基板上にIII族窒化物半導体を用いて形成された第一導電型の半導体層と、前記半導体層のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極と、前記半導体層のチャネル領域の両側に形成され、前記ソース電極及びドレイン電極にそれぞれオーミック接触する第二導電型のコンタクト領域とを有する電界効果トランジスタにおいて、前記半導体層のチャネル領域に、ドレイン側の前記コンタクト領域に隣接して形成されたリサーフ領域を備え、
前記リサーフ領域のシートキャリア濃度は1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内であることを特徴とする。
In order to solve the above problem, a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to the first aspect of the present invention is a first conductivity type semiconductor formed on a substrate using a group III nitride semiconductor. A gate electrode formed on the channel region of the semiconductor layer with a gate insulating film interposed therebetween, a source electrode and a drain electrode, and formed on both sides of the channel region of the semiconductor layer. In a field effect transistor having a second conductivity type contact region in ohmic contact with each other, the channel region of the semiconductor layer includes a RESURF region formed adjacent to the contact region on the drain side,
The sheet carrier concentration in the RESURF region is in the range of 1 × 10 12
この態様によれば、リサーフ領域を設けたことで、耐圧を上げることができる。また、リサーフ領域のシートキャリア濃度を1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内に設定し、かつ、リサーフ領域のシート抵抗を100 Ω/sq.以上10 kΩ/sq.以下の範囲内に設定したことで、高耐圧と大電流の両立を図ったIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタを実現できる。 According to this aspect, the breakdown voltage can be increased by providing the RESURF region. In addition, the sheet carrier concentration in the RESURF region is set within the range of 1 × 10 12 cm -2 or more and 5 × 10 13 cm -2 or less, and the sheet resistance of the RESURF region is set to 100 Ω / sq. Or more and 10 kΩ / sq. By setting it within the following range, it is possible to realize a field effect transistor using a group III nitride semiconductor that achieves both high breakdown voltage and large current.
ここで、「リサーフ領域」(REduced SURFace Field: RESURF Field )は、耐圧を上昇させるために、III族窒化物半導体層のゲート電極とドレイン電極の間に形成された表面電界緩和領域である。 Here, the “RESURF field (RESURF field)” is a surface electric field relaxation region formed between the gate electrode and the drain electrode of the group III nitride semiconductor layer in order to increase the breakdown voltage.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、前記リサーフ領域のシートキャリア濃度を5×1012 cm-2以上5×1013 cm-2の範囲内に設定したことを特徴とする。 In a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another embodiment of the present invention, the sheet carrier concentration in the RESURF region is set in a range of 5 × 10 12 cm −2 or more and 5 × 10 13 cm −2 . It is characterized by that.
この態様によれば、リサーフ領域のシートキャリア濃度を5×1012 cm-2以上5×1013 cm-2の範囲内に設定することで、シート抵抗がより小さくなり、高耐圧と大電流の両立を図れる。 According to this aspect, by setting the sheet carrier concentration in the RESURF region within the range of 5 × 10 12 cm −2 or more and 5 × 10 13 cm −2 , the sheet resistance is further reduced, and the high withstand voltage and large current are reduced. Achieving balance.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、前記第一導電型の半導体層はp型GaN層であり、前記リサーフ領域は、前記p型GaN層にn型不純物をイオン注入法により注入して形成したn型GaN層であることを特徴とする。 In a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another aspect of the present invention, the first conductivity type semiconductor layer is a p-type GaN layer, and the RESURF region is an n-type in the p-type GaN layer. The n-type GaN layer is formed by implanting impurities by ion implantation.
この態様によれば、NチャネルGaN系FETにおいて高耐圧と大電流の両立を図れる。また、前記リサーフ領域は、p型GaN層にn型不純物をイオン注入法により注入して形成したn型GaN層であるので、そのシートキャリア濃度はp型GaN層のp型不純物濃度にはあまり影響を受けない。 According to this aspect, it is possible to achieve both high breakdown voltage and large current in the N-channel GaN-based FET. Further, since the RESURF region is an n-type GaN layer formed by implanting an n-type impurity into the p-type GaN layer by an ion implantation method, the sheet carrier concentration is not much higher than the p-type impurity concentration of the p-type GaN layer. Not affected.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、p型GaN層である前記半導体層のp型不純物濃度を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定したことを特徴とする。 In a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another embodiment of the present invention, the p-type impurity concentration of the semiconductor layer which is a p-type GaN layer is 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 17 cm −. It is characterized by being set within the range of 3 or less.
この態様によれば、p型GaN層である半導体層のp型不純物濃度を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定したことで、ノーマリオフ型の電界トランジスタ、例えばMOS形電界効果トランジスタにおいて、しきい値の高い、例えばしきい値が3-5(V)程度のノーマリオフ動作を実現できる。 According to this aspect, the p-type impurity concentration of the semiconductor layer which is a p-type GaN layer is set in a range of 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 17 cm −3 or less, so that a normally-off type field transistor For example, in a MOS field effect transistor, a normally-off operation with a high threshold, for example, a threshold of about 3-5 (V) can be realized.
また、第一導電型の半導体層(p型GaN層)の膜厚が同じで、そのp型不純物濃度(例えばMg濃度)が増えると耐圧が落ちる。これは、p型不純物濃度が高いと、ドレイン側のn+層(ドレイン電極にオーミック接触する第二導電型のコンタクト領域)の下側で、空乏層が狭くなるので、電界集中して壊れるからである。p型GaN層である半導体層のp型不純物濃度(アクセプタ濃度)を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定することで、ノーマリオフ動作のしきい値を高くすることができるが、本発明者による鋭意検討の結果、p型不純物濃度は、しきい値だけでなく、耐圧にも関係することが分かった。つまり、p型不純物濃度が高いと、上記理由により耐圧が落ちることが分かった。p型不純物濃度を、1×1015cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定することで、耐圧の低下を抑制できる。 Further, the first conductive semiconductor layer (p-type GaN layer) has the same film thickness, and the breakdown voltage decreases as the p-type impurity concentration (for example, Mg concentration) increases. This is because when the p-type impurity concentration is high, the depletion layer becomes narrower under the n + layer on the drain side (the second conductivity type contact region that is in ohmic contact with the drain electrode), so that the electric field concentrates and breaks. is there. By setting the p-type impurity concentration (acceptor concentration) of the semiconductor layer, which is a p-type GaN layer, within the range of 1 x 10 15 cm -3 or more and 5 x 10 17 cm -3 or less, the threshold for normally-off operation is set. However, as a result of extensive studies by the present inventors, it has been found that the p-type impurity concentration is related not only to the threshold value but also to the breakdown voltage. In other words, it was found that the breakdown voltage drops when the p-type impurity concentration is high for the above reason. By setting the p-type impurity concentration within a range of 1 × 10 15 cm −3 or more and 5 × 10 17 cm −3 or less, it is possible to suppress a decrease in breakdown voltage.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、前記リサーフ領域は、シートキャリア濃度の異なる複数の領域からなり、該シートキャリア濃度は、ドレイン電極側の領域が高く、ゲート電極側の領域が低いことを特徴とする。 In a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another aspect of the present invention, the RESURF region is composed of a plurality of regions having different sheet carrier concentrations, and the sheet carrier concentration is higher in the region on the drain electrode side. The region on the gate electrode side is low.
この態様によれば、ゲート電極下ドレイン側の半導体層と、ドレイン端の半導体層の各部分に発生する電界の強度を、絶縁破壊電界より小さくすることができる。これにより、リサーフ領域が1つの場合よりも、電界集中がより緩和され、より高い耐圧が得られる。 According to this aspect, the strength of the electric field generated in each part of the semiconductor layer on the drain side below the gate electrode and the semiconductor layer at the drain end can be made smaller than the breakdown electric field. As a result, the electric field concentration is more relaxed and a higher breakdown voltage is obtained than in the case of one RESURF region.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、前記半導体層に用いるIII族元素はB,Al,Ga,およびInの少なくとも一つであることを特徴とする。 A field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another aspect of the present invention is characterized in that the group III element used in the semiconductor layer is at least one of B, Al, Ga, and In.
本発明の他の態様に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタは、ノーマリオフ型のMOS形電界効果トランジスタであることを特徴とする。 A field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to another aspect of the present invention is a normally-off type MOS field effect transistor.
この態様によれば、ノーマリオフ型のMOS形電界トランジスタにおいて、しきい値の高い、例えばしきい値が3-5(V)程度のノーマリオフ動作を実現できる。 According to this aspect, in the normally-off type MOS field transistor, a normally-off operation with a high threshold, for example, a threshold of about 3-5 (V) can be realized.
本発明によれば、高耐圧かつ大電流のノーマリオフ型の電界効果型トランジスタを実現することができる。特に、III族窒化物半導体としてGaNを用いたGaN系電界効果型トランジスタは,従来のSi系電子デバイスと比較し,高耐圧,低オン抵抗が実現できる可能性があり,電源の高効率化,小型化に大きく貢献することができる。 According to the present invention, a normally-off field effect transistor having a high breakdown voltage and a large current can be realized. In particular, GaN-based field effect transistors using GaN as a group III nitride semiconductor have the potential to achieve higher withstand voltage and lower on-resistance than conventional Si-based electronic devices. This can greatly contribute to downsizing.
次に、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
(第1実施形態)
第1実施形態に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタを、図1乃至図4に基づいて説明する。この電界効果トランジスタは、ノーマリオフ型のMOS形電界効果トランジスタ(以下、MOSFETという。)である。
Next, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of each embodiment, similar parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(First embodiment)
A field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. This field effect transistor is a normally-off type MOS field effect transistor (hereinafter referred to as a MOSFET).
MOSFET200は、図1に示すように、基板201と、基板201上にIII族窒化物半導体を用いて形成された第一導電型の半導体層203と、半導体層203のチャネル領域203a上にゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)205を介して形成されたゲート電極208と、ソース電極206およびドレイン電極207と、を備えている。また、このMOSFET200は、半導体層203のチャネル領域203aの両側に形成され、ソース電極206及びドレイン電極207にそれぞれオーミック接触する第二導電型のコンタクト領域210及び211を備えている。さらに、MOSFET200は、半導体層203のチャネル領域203aにおけるゲート電極208とドレイン電極207の間に形成されたリサーフ領域212を備えている。
As shown in FIG. 1, the
MOSFET200では、基板201としてサファイア基板、Si基板等が使用される。
In the
第一導電型の半導体層203は、III族窒化物半導体としてGaNを用い、p型不純物、例えばMgを所定量ドープしたGaNを基板201上にエピタキシャル成長させて形成されたp型導電性を有するp型GaN層である。また、ゲート酸化膜205は、例えばSiO2膜である。
The first conductivity
第二導電型のコンタクト領域210は、p型GaN層である半導体層203にn型不純物、例えばSiをイオン注入法により注入して形成したn型導電性を有するn+型GaN層(n+型ソース領域)である。同様に、第二導電型のコンタクト領域211は、半導体層203にSi 等のn型不純物を、イオン注入法により注入して形成したn型導電性を有するn+型GaN層(n+型ドレイン領域)である。
The second conductivity
リサーフ領域(REduced SURface Field: RESURF Field )212は、耐圧を上昇させるために、半導体層203のゲート電極208とドレイン電極207の間に形成された表面電界緩和領域である。このリサーフ領域212は、p型GaN層である半導体層203にn型不純物、例えばSiをイオン注入法により注入して形成したn型GaN層である。
A RESURF field (RESURF field) 212 is a surface electric field relaxation region formed between the
このように、MOSFET200は、NチャネルMOSFET(N-channel MOSFET)である。
Thus,
このGaN系MOSFET200のように、リサーフ領域212を有するRESURF型MOSFETでは、リサーフ領域212のキャリア濃度(Si等のn型不純物濃度)が薄い場合は,ドレイン端の半導体(p型GaN層である半導体層203)が絶縁破壊を起こす。一方,リサーフ領域212のキャリア濃度が濃い場合は,ゲート電極208下ドレイン側の半導体で絶縁破壊を引き起こす。但し大抵の場合は,ゲート電極208とリサーフ領域212との電界密度が大きくなるため,半導体層203での破壊よりも低い電圧でゲート酸化膜205が絶縁破壊を引き起こす。それゆえ,リサーフ領域212のキャリア濃度には,最適の濃度が存在する。ところで,リサーフ領域212のキャリア濃度が薄い場合,リサーフ領域212での抵抗が高くなり,電流が減ってしまう。このように、リサーフ領域212のキャリア濃度はある程度高くしてやる必要があるが、そのキャリア濃度を高くしすぎると耐圧が落ちる。
Like the GaN-based
そこで、第1実施形態では、GaN系MOSFET200において、高耐圧と大電流の両立を図るために、リサーフ領域212のシートキャリア濃度を1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内に設定してあり、かつ、リサーフ領域212のシート抵抗を100 Ω/sq.以上10 ΩW/sq.以下の範囲内に設定してある。
(リサーフ領域212のシート抵抗とドレイン電流の関係)
図2は、図1で説明したGaN系MOSFET200における電流経路の各抵抗を示した模式図である。リサーフ領域の無いNR(Non-RESURF)型MOSFETのオン抵抗RNRは,ソース電極とコンタクト領域(n+型GaN層)の間に存在する抵抗成分Rconと、チャネル抵抗Rchと、ドレイン電極とコンタクト領域(n+型GaN層)の間に存在する抵抗成分Rconとの直列抵抗である。一方,リサーフ領域212を有するRESURF型MOSFETであるGaN系MOSFET200のオン抵抗は,チャネル抵抗Rchにリサーフ領域212の抵抗成分RRESが足された値である。
Therefore, in the first embodiment, in the GaN-based
(Relation between the sheet resistance of the
FIG. 2 is a schematic diagram showing each resistance of the current path in the GaN-based
NR(Non-RESURF)型MOSFETのドレイン電流Idは次の式で表される。 The drain current I d of the NR (Non-RESURF) MOSFET is expressed by the following equation.
WchおよびLchはそれぞれ,チャネル幅およびチャネル長である。μNRは,NR型MOSFETにおける移動度である。つまり,ソース/ドレインのコンタクト部とチャネルで抵抗の影響を受けた後の移動度である。Coxは酸化膜容量である。Vg,Vth,およびVdsはそれぞれ,ゲート電圧,しきい値電圧,およびドレイン電圧である。ε0とεoxは,それぞれ真空の誘電率と酸化膜の比誘電率である。Sとdoxはそれぞれ,ゲート酸化膜の面積と膜厚である。 W ch and L ch are the channel width and channel length, respectively. μNR is the mobility in the NR MOSFET. That is, the mobility after the influence of resistance at the source / drain contact portion and channel. C ox is the oxide film capacitance. V g , V th , and V ds are a gate voltage, a threshold voltage, and a drain voltage, respectively. ε 0 and ε ox are the dielectric constant of the vacuum and the relative dielectric constant of the oxide film, respectively. S and dox are the area and thickness of the gate oxide film, respectively.
RESURF型MOSFETであるGaN系MOSFET200のドレイン電流Id,RESは次の式で表される。
The drain current I d, RES of the GaN-based
図3に、リサーフ領域212のシート抵抗Rs(Ω/ sq.)とドレイン電流Id(A)の関係を示す。図3には、横軸にシート抵抗Rs(Ω/ sq.)を、右の縦軸にはドレイン電流Id(A)を、左の縦軸にはリサーフ領域212のシートキャリア濃度Ns(cm-2)と耐圧BV(V)をそれぞれ示してある。
FIG. 3 shows the relationship between the sheet resistance Rs (Ω / sq.) Of the
また、図3において、直線(1)はシートキャリア濃度Nsの変化を、直線(2)は耐圧BVの変化を、直線(3)はリサーフ領域の無い場合のドレイン電流Idを、曲線(4),(5),(6),(7)はそれぞれリサーフ長(リサーフ領域212の長さ)を5um,10um,20um,30umとしたときのドレイン電流Idの変化をそれぞれ示す。なお、図3に示す計算結果は、ゲート幅を200 mmとした場合のものである。 Further, in FIG. 3, the straight line (1) shows the change in the sheet carrier concentration Ns, the straight line (2) shows the change in the withstand voltage BV, the straight line (3) shows the drain current Id without the RESURF region, and the curve (4). , (5), (6), and (7) respectively show changes in the drain current Id when the RESURF length (the length of the RESURF region 212) is 5 um, 10 um, 20 um, and 30 um. The calculation results shown in FIG. 3 are for a gate width of 200 mm.
図3に示す計算結果から、シート抵抗が10 kΩ/ sq.以下の場合,ドレイン電流が10 A以上になる。つまり、ドレイン電流を10A以上の実用レベルにするには、シート抵抗を10KΩ/ sq.(1×104Ω/ sq.)以下にすると良いという結果が得られた。 From the calculation results shown in FIG. 3, when the sheet resistance is 10 kΩ / sq. Or less, the drain current is 10 A or more. In other words, it was found that the sheet resistance should be 10 KΩ / sq. (1 × 10 4 Ω / sq.) Or less in order to make the drain current at a practical level of 10 A or more.
シート抵抗が1×104Ω/ sq.より大きいと、ドレイン電流が小さくなり過ぎるので、よくない。一方、シート抵抗の下限(1×102Ω/ sq.以上)については、シート抵抗が1×102Ω/ sq.より小さくしても、ドレイン電流は20A付近で略一定になるので、シート抵抗の下限を(1×102Ω/ sq.以上)としている。 If the sheet resistance is greater than 1 × 10 4 Ω / sq., The drain current will be too small, which is not good. On the other hand, as for the lower limit of sheet resistance (1 × 10 2 Ω / sq. Or more), even if the sheet resistance is smaller than 1 × 10 2 Ω / sq. The lower limit of resistance is (1 × 10 2 Ω / sq. Or more).
このように、本発明者らが鋭意検討した結果、10A以上の実用レベルのドレイン電流を得るには、リサーフ領域212のシート抵抗を100 Ω/sq.以上10 kΩ/sq.以下の範囲(図3の符号Aで示す範囲)内に設定する(制御する)のが好ましいことが分かった。
Thus, as a result of intensive studies by the present inventors, in order to obtain a drain current of a practical level of 10 A or more, the sheet resistance of the
なお、図3から、リサーフ領域212のシート抵抗を100 Ω/sq.以上10 kΩ/sq.以下の範囲内に設定した場合、耐圧BVは略1×104〜5×105(V)の範囲内になり、シートキャリア濃度Ns(cm-2)は略1×1013(cm -2)〜1×1015(cm -2)の範囲内になっていることが分かる。
From FIG. 3, when the sheet resistance of the
図4に、リサーフ領域212のシートキャリア濃度とシート抵抗の関係を示す。この図4からも、シート抵抗が10 kΩ/ sq.(1×104Ω/ sq.)以下になるためには,シートキャリア濃度を5×1012 cm-2以上にする必要があることが分かる。
FIG. 4 shows the relationship between the sheet carrier concentration in the
以上より、第1実施形態では、GaN系MOSFET200において、高耐圧と大電流の両立を図るために、リサーフ領域212のシートキャリア濃度を1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内に設定してあり、かつ、リサーフ領域212のシート抵抗を100 Ω/ sq.以上10 kΩ/ sq.以下の範囲内に設定してある。
As described above, in the first embodiment, in the GaN-based
なお,ノーマリオフ型のMOS形電界効果トランジスタ(MOSFET)200において、しきい値の高い、例えばしきい値が3-5(V)のノーマリオフ動作を実現するためには,p型GaN層である半導体層203のアクセプタ濃度、例えばMg濃度を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に制御すればよい。
In the normally-off type MOS field effect transistor (MOSFET) 200, in order to realize a normally-off operation with a high threshold, for example, a threshold of 3-5 (V), a semiconductor that is a p-type GaN layer. The acceptor concentration, for example, the Mg concentration of the
次に、図1に示す第1実施形態に係るGaN系MOSFET200の製造方法について説明する。
[結晶成長工程]
まず、サファイア基板(基板201)上に、MOCVD法(有機金属気相成長法)によってp型GaN層(半導体層203)をエピタキシャル成長させる。ドーパントには,Mgを用いて,Mg濃度を1×1015 cm-3から5×1017 cm-3に制御する。
Next, a method for manufacturing the GaN-based
[Crystal growth process]
First, a p-type GaN layer (semiconductor layer 203) is epitaxially grown on a sapphire substrate (substrate 201) by MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). Mg is used as the dopant, and the Mg concentration is controlled from 1 × 10 15 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 .
なお,上記したMOCVD法に代えて,HVPE法(ハライド気相エピタキシ法),MBE法(分子線エピタキシー法)等を用いてもよい。また、基板201として,Si,SiC,ZrB2などを用いてもよい。また、ドーパントには,Be,Zn,Cなどを用いてもよい。
Instead of the MOCVD method described above, an HVPE method (halide vapor phase epitaxy method), an MBE method (molecular beam epitaxy method), or the like may be used. Further, Si, SiC, ZrB2 or the like may be used as the
[素子分離]
次に,p型GaN層(半導体層203)表面にフォトレジストを塗布し,フォトリソグラフィ工程を経て,素子分離用のパターニングを施す。
[Element isolation]
Next, a photoresist is applied to the surface of the p-type GaN layer (semiconductor layer 203), and patterning for element isolation is performed through a photolithography process.
次に,ドライエッチング装置(ICP,RIEなど)を用いて,p型GaN層をエッチングする。次に,フォトレジストをアセトンにより除去する。これにより,素子分離が行われたことになる。 Next, the p-type GaN layer is etched using a dry etching apparatus (ICP, RIE, etc.). Next, the photoresist is removed with acetone. As a result, element isolation is performed.
[インプラ工程]
次に,1μm程度の厚さの第1マスク層(SiO2)を形成する。
次に,コンタクト領域(n+型GaN層:n+型ソース領域)210用の開口と、コンタクト領域(n+型GaN層:n+型ドレイン領域)211用の開口とをフォト工程で形成する。
次に,第1マスク層の開口に向けて,Si(シリコン)をイオン注入法によってドーズ量3×1014 cm-3,加速電圧30 keV,ドーズ量4×1014 cm-3,加速電圧60 keV,ドーズ量8×1014 cm-3,加速電圧120 keV,ドーズ量1.5×1015 cm-3,加速電圧160 keVの4段注入を行う。これにより,n+型ソース領域であるコンタクト領域210とn+型ドレイン領域であるコンタクト領域211とが形成される。但し,ここで形成された各コンタクト領域210,211は、イオン注入した不純物の活性化がされていない。
次に,第1マスク層を弗酸系水溶液によって除去する。
[Implanting process]
Next, a first mask layer (SiO2) having a thickness of about 1 μm is formed.
Next, an opening for the contact region (n + type GaN layer: n + type source region) 210 and an opening for the contact region (n + type GaN layer: n + type drain region) 211 are formed by a photo process.
Next, toward the opening of the first mask layer, Si (silicon) is dosed by ion implantation with a dose amount of 3 × 10 14 cm −3 , an acceleration voltage of 30 keV, a dose amount of 4 × 10 14 cm −3 , and an acceleration voltage of 60 Four-step implantation is performed with keV, a dose of 8 × 10 14 cm -3 , an acceleration voltage of 120 keV, a dose of 1.5 × 10 15 cm -3 , and an acceleration voltage of 160 keV. As a result, a
Next, the first mask layer is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution.
[リサーフ領域形成工程]
次に,1μm程度の厚さの第2マスク層(SiO2)を形成する。次に,リサーフ領域212用の開口をフォト工程で形成する。
[Resurf region formation process]
Next, a second mask layer (SiO2) having a thickness of about 1 μm is formed. Next, an opening for the
次に,第2マスク層の開口に向けて,Si(シリコン)をイオン注入法によってドーズ量1×1013 cm-3,加速電圧30 keV,ドーズ量1.4×1013 cm-3,加速電圧60 keV,ドーズ量2.6×1013 cm-3,加速電圧120 keV,ドーズ量5×1013 cm-3,加速電圧160 keVの4段注入を行う。これにより,リサーフ領域212(但し,イオン注入した不純物の活性化前)が形成される。
次に,第2マスク層を弗酸系水溶液によって除去する。
なお,活性化率に応じてリサーフ領域212のドーズ量を変更しても良い。
次に,第3マスク層(SiO2層)を素子の頂面全体に500 nm程度形成する。
次に,N(窒素)雰囲気中で1260oCで30秒間,素子をアニールする。これにより,イオン注入した不純物を活性化させる。
次に,第3マスク層を弗酸系水溶液によって除去する。
Next, toward the opening of the second mask layer, Si (silicon) is dosed by ion implantation at a dose of 1 × 10 13 cm −3 , an acceleration voltage of 30 keV, a dose of 1.4 × 10 13 cm −3 , and an acceleration voltage of 60 Four-stage implantation is performed with keV, a dose of 2.6 × 10 13 cm -3 , an acceleration voltage of 120 keV, a dose of 5 × 10 13 cm -3 , and an acceleration voltage of 160 keV. As a result, a RESURF region 212 (but before activation of the ion-implanted impurity) is formed.
Next, the second mask layer is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution.
Note that the dose amount of the
Next, a third mask layer (SiO2 layer) is formed to about 500 nm on the entire top surface of the device.
Next, the device is annealed at 1260 ° C for 30 seconds in an N (nitrogen) atmosphere. Thereby, the ion-implanted impurity is activated.
Next, the third mask layer is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution.
[オーミック形成工程]
次に,p型GaN層(半導体層203)上にゲート酸化膜(SiO2層)205を形成する。
次に,ゲート酸化膜205に、ソース電極206用の開口およびドレイン電極207用の開口をフォト工程で形成する。
次に,ゲート酸化膜205の開口から露出するp型GaN層上にTi/Alからなるオーミック電極(ソース電極206及びドレイン電極207)を形成する。
なお,オーミック電極は,オーミック接触が実現するならば,Ti/Al以外の電極でもよい。
[Ohmic formation process]
Next, a gate oxide film (
Next, an opening for the
Next, ohmic electrodes (
The ohmic electrode may be an electrode other than Ti / Al as long as ohmic contact is realized.
[ゲート形成工程]
次に,poly-SiをLPCVDやスパッタ法などにより素子全面に堆積する。
次に,poly-SiをPOCl3ガスが封入された熱拡散炉によって,900℃,20分間のドーピングを行う。
次に,poly-Siがソース電極206,ドレイン電極207の間に残るようにフォト工程を施す。これにより,ゲート電極208が形成される。
なお,poly-Siのドーピング方法は,P蒸着後の熱拡散法などでも良い。また、ゲート電極208は,Au,Pt,Niなどでも良い。
以上の工程を経ることで、図1に示すMOSFET200を製造できる。
以上のように構成された第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
[Gate formation process]
Next, poly-Si is deposited on the entire surface of the device by LPCVD or sputtering.
Next, poly-Si is doped at 900 ° C for 20 minutes in a thermal diffusion furnace filled with POCl 3 gas.
Next, a photo process is performed so that poly-Si remains between the
The poly-Si doping method may be a thermal diffusion method after P deposition. The
Through the above steps,
According to 1st Embodiment comprised as mentioned above, there exist the following effects.
○MOSFET200にリサーフ領域212を設けたことで、耐圧を上げることができる。
O By providing the
○リサーフ領域212のシートキャリア濃度を1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内に設定し、かつ、リサーフ領域のシート抵抗を100 Ω/sq.以上10 kΩ/sq.以下の範囲内に設定したことで、高耐圧と大電流の両立を図ったノーマリオフ型のMOSFET200を実現できる。
○ The sheet carrier concentration in the
○リサーフ領域212のシートキャリア濃度を5×1012 cm-2以上5×1013 cm-2の範囲内に設定することで、シート抵抗がより小さくなり、より高耐圧でかつより大電流のノーマリオフ型のMOSFET200を実現できる。
○ By setting the sheet carrier concentration in the
○半導体層203をp型GaN層とし、リサーフ領域212をn型GaN層としてNチャネルGaN系MOSFET200において高耐圧と大電流の両立を図れる。
O In the N-channel GaN-based
○リサーフ領域212は、p型GaN層である半導体層203にn型不純物をイオン注入法により注入して形成したn型GaN層であるので、そのシートキャリア濃度はp型GaN層のp型不純物濃度にはあまり影響を受けない。
The
○p型GaN層である半導体層203のp型不純物濃度を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定したことで、ノーマリオフ型のMOSFET200において、しきい値の高い、例えばしきい値が3-5(V)程度のノーマリオフ動作を実現できる。
○ By setting the p-type impurity concentration of the
○半導体層(p型GaN層)203の膜厚が同じで、そのp型不純物濃度(例えばMg濃度)が増えると耐圧が落ちる。これは、そのp型不純物濃度が高いと、ドレイン側のn+層(ドレイン電極207にオーミック接触するコンタクト領域211)の下側で空乏層が狭くなるので、電界集中して壊れるからである。p型GaN層である半導体層203のp型不純物濃度を1×1015 cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定することで、ノーマリオフ動作のしきい値を高くすることができるが、本発明者による鋭意検討の結果、p型不純物濃度は、しきい値だけでなく、耐圧にも関係することが分かった。つまり、p型不純物濃度が高いと、上記理由により耐圧が落ちることが分かった。p型不純物濃度を、1×1015cm-3以上5×1017 cm-3以下の範囲内に設定することで、耐圧の低下を抑制できる。
○ With the same film thickness of the semiconductor layer (p-type GaN layer) 203, the breakdown voltage decreases as the p-type impurity concentration (for example, Mg concentration) increases. This is because when the p-type impurity concentration is high, the depletion layer is narrowed below the n + layer on the drain side (
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタを、図5に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Next, a field effect transistor using a group III nitride semiconductor according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
上記第1実施形態で説明したノーマリオフ型のMOS形電界効果トランジスタ(MOSFET)200では、一つのリサーフ領域212を備えている。これに対して、第2実施形態に係るIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ(MOSFET)200Aは、横方向(図6(A)に示すX方向)に並んで形成された2個のリサーフ領域221,222を備えている。2個のリサーフ領域221,222のうち、ゲート電極208側にあるリサーフ領域222のキャリア濃度(Si等のn型不純物のドーピング濃度)を低くし、ドレイン電極207側にあるリサーフ領域221のキャリア濃度を高くする。MOSFET200Aにおけるその他の構成は、第1実施形態のMOSFET200と同様である。
The normally-off type MOS field effect transistor (MOSFET) 200 described in the first embodiment includes one
次に、MOSFET200とMOSFET200Aの作用効果上の相違点を、図6(A),(B)及び図7(A),(B)に基づいて説明する。図6(A)は図1で説明したMOSFET200の概略構成を示す断面図、図6(B)はMOSFET200の各位置での電界強度を示すグラフである。同様に、図7(A)は第2実施形態に係るMOSFET200Aの概略構成を示す断面図、図7(B)はMOSFET200Aの各位置での電界強度を示すグラフである。
Next, the difference in operation and effect between the
一つのリサーフ領域212を備えたMOSFET200では、リサーフ領域212のキャリア濃度(Si等のn型不純物のドーピング濃度)が高い(濃い)場合、図6(B)の曲線230で示すように、ゲート電極208下ドレイン側の半導体層203に、絶縁破壊電界(GaNの場合、3MV/cm)を越える強度の電界が発生する。これにより、半導体層203よりも低い絶縁破壊電圧でゲート酸化膜205が絶縁破壊を引き起こす。一方、リサーフ領域212のキャリア濃度が低い(薄い)場合,図6(B)の曲線231で示すように、ドレイン端の半導体層203に、絶縁破壊電界を越える強度の電界が発生する。これにより、ドレイン端の半導体層203が絶縁破壊を起こす。それゆえ,リサーフ領域212のキャリア濃度には,最適の濃度が存在する。
In the
これに対して、2個のリサーフ領域221,222を備えたMOSFET200Aでは、横方向(X方向)に並んだ形成された2個のリサーフ領域221,222のうち、ゲート電極208側にあるリサーフ領域222のキャリア濃度を低くし(n-層)、ドレイン電極207側にあるリサーフ領域221のキャリア濃度を高くする(n層)(図7(A)参照)。これにより、図7(B)の曲線232で示すように、ゲート電極208下ドレイン側の半導体層203と、ドレイン端の半導体層203のいずれの部分にも、絶縁破壊電界を越える強度の電界は発生しない。
On the other hand, in the
以上のように構成された第2実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。 According to 2nd Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○2個のリサーフ領域221,222を備え、ゲート電極208側にあるリサーフ領域222のキャリア濃度を低くし、ドレイン電極207側にあるリサーフ領域221のキャリア濃度を高くしている。これにより、ゲート電極208下ドレイン側の半導体層203と、ドレイン端の半導体層203の各部分に発生する電界の強度を、絶縁破壊電界より小さくすることができる。これにより、リサーフ領域を2つにした場合は、リサーフ領域が1つの場合よりも、電界集中がより緩和され、より高い耐圧が得られる。
O
これは、次のような理由による。リサーフ領域が1つの場合、コンタクト領域(n+型GaN層)211とリサーフ領域212の界面と、リサーフ領域212と半導体層(p型GaN層)203の界面に電界が集中するので、電界集中が2箇所に分けられる。これに対して、リサーフ領域が2つの場合、コンタクト領域211とリサーフ領域221の界面と、リサーフ領域221とリサーフ領域222の界面と、リサーフ領域222と半導体層203の界面の3箇所に電界が集中するので、電界集中が3箇所に分けられる。従って、リサーフ領域が2つの場合の方が、1つの場合よりも電界集中がより緩和されるからである。
This is for the following reason. When there is one resurf region, the electric field concentrates on the interface between the contact region (n + type GaN layer) 211 and the
リサーフ領域が3つ以上の場合も、リサーフ領域が2つの場合と同様に、電界集中がより緩和され、より高い耐圧が得られる。 When there are three or more RESURF regions, as in the case of two RESURF regions, the electric field concentration is further relaxed and a higher breakdown voltage is obtained.
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記各実施形態では、NチャネルMOSFET(N-channel MOSFET)であるMOSFET200,200Aについて説明したが、本発明はPチャネルMOSFET(P-channel MOSFET)にも適用可能である。
In addition, this invention can also be changed and embodied as follows.
In each of the above embodiments, the
200,200A・・・電界効果トランジスタ(MOSFET)
201・・・基板
203・・・第一導電型の半導体層(p型GaN層)
203a・・・チャネル領域
205・・・ゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)
206・・・ソース電極
207・・・ドレイン電極
208・・・ゲート電極
210,211・・・第二導電型のコンタクト領域(n+型GaN層)
212・・・リサーフ領域(n型GaN層)
221,222・・・リサーフ領域
200, 200A Field effect transistor (MOSFET)
201 ...
203a ...
206 ...
212 ... Resurf region (n-type GaN layer)
221, 222 ... RESURF area
Claims (5)
前記半導体層のチャネル領域に、ドレイン側の前記コンタクト領域に隣接して形成されたリサーフ領域を備え、
前記リサーフ領域のシートキャリア濃度は1×1012 cm-2以上5×1013 cm-2以下の範囲内であることを特徴とするIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ。 A semiconductor layer of a first conductivity type formed using a group III nitride semiconductor on a substrate; a gate electrode formed on a channel region of the semiconductor layer through a gate insulating film; a source electrode and a drain electrode; In a field effect transistor using a group III nitride semiconductor formed on both sides of the channel region of the semiconductor layer and having a second conductivity type contact region that is in ohmic contact with each of the source electrode and the drain electrode,
In the channel region of the semiconductor layer, comprising a RESURF region formed adjacent to the contact region on the drain side,
A field effect transistor using a group III nitride semiconductor, wherein a sheet carrier concentration in the RESURF region is in a range of 1 × 10 12 cm −2 to 5 × 10 13 cm −2 .
前記リサーフ領域は、前記p型GaN層にn型不純物をイオン注入法により注入して形成したn型GaN層であることを特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ。 The semiconductor layer of the first conductivity type is a p-type GaN layer,
2. The electric field using a group III nitride semiconductor according to claim 1, wherein the RESURF region is an n-type GaN layer formed by implanting an n-type impurity into the p-type GaN layer by an ion implantation method. Effect transistor.
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010219151A (en) * | 2009-03-13 | 2010-09-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Field effect transistor |
JP2011091069A (en) * | 2009-10-20 | 2011-05-06 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device |
US20110215424A1 (en) * | 2010-03-08 | 2011-09-08 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2013093482A (en) * | 2011-10-27 | 2013-05-16 | Renesas Electronics Corp | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method |
US9269577B2 (en) | 2012-10-26 | 2016-02-23 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
KR101753076B1 (en) * | 2010-02-08 | 2017-07-03 | 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨 | Electronic device including doped regions between channel and drain regions and a process of forming the same |
WO2023171138A1 (en) * | 2022-03-10 | 2023-09-14 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08236754A (en) * | 1995-02-22 | 1996-09-13 | Fuji Electric Co Ltd | P-channel type high breakdown strength mosfet |
JPH11501463A (en) * | 1995-12-28 | 1999-02-02 | フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ | Method of manufacturing high voltage semiconductor device using GaN-AlN as base material and manufactured semiconductor device |
JP2005294584A (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Eudyna Devices Inc | Semiconductor device, method for manufacturing the same and mask for impurity introduction |
JP2006286953A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Eudyna Devices Inc | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
-
2007
- 2007-06-14 JP JP2007157087A patent/JP2008311392A/en active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08236754A (en) * | 1995-02-22 | 1996-09-13 | Fuji Electric Co Ltd | P-channel type high breakdown strength mosfet |
JPH11501463A (en) * | 1995-12-28 | 1999-02-02 | フィリップス エレクトロニクス ネムローゼ フェンノートシャップ | Method of manufacturing high voltage semiconductor device using GaN-AlN as base material and manufactured semiconductor device |
JP2005294584A (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Eudyna Devices Inc | Semiconductor device, method for manufacturing the same and mask for impurity introduction |
JP2006286953A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Eudyna Devices Inc | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010219151A (en) * | 2009-03-13 | 2010-09-30 | Furukawa Electric Co Ltd:The | Field effect transistor |
JP2011091069A (en) * | 2009-10-20 | 2011-05-06 | Toyota Central R&D Labs Inc | Semiconductor device |
KR101753076B1 (en) * | 2010-02-08 | 2017-07-03 | 세미컨덕터 콤포넨츠 인더스트리즈 엘엘씨 | Electronic device including doped regions between channel and drain regions and a process of forming the same |
US20110215424A1 (en) * | 2010-03-08 | 2011-09-08 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2013093482A (en) * | 2011-10-27 | 2013-05-16 | Renesas Electronics Corp | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method |
US9269577B2 (en) | 2012-10-26 | 2016-02-23 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Method for manufacturing nitride semiconductor device |
WO2023171138A1 (en) * | 2022-03-10 | 2023-09-14 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device |
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