JP2009038200A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体を利用した縦型の半導体装置に関する。 The present invention relates to a vertical semiconductor device using a group III nitride semiconductor.
図20に、特許文献1に開示されている窒化ガリウムを利用した半導体装置500の断面図を示す。半導体装置500は、n型半導体領域505と、n型半導体領域505上に間隙Lを残して設けられているp型のボディ領域508と、ボディ領域508上に設けられているn型のチャネル領域514と、間隙L内に設けられているとともにn型半導体領域505とチャネル領域514を電気的に接続しているn型のアパーチャ領域526(第1接続領域の一例)と、チャネル領域514を介してアパーチャ領域526に対向しているn型のソース領域512(第2接続領域の一例)と、チャネル領域514を介してボディ領域508に対向しているゲート電極518を備えている。n型半導体領域505は、ドレイン領域504とドリフト領域506を有しており、ドレイン電極502に電気的に接続している。ソース領域512とボディ領域508は、ソース電極510に電気的に接続している。
FIG. 20 is a cross-sectional view of a
半導体装置500では、ゲート電極518に正の電圧が印加されていないときは、ボディ領域508から伸びる空乏層がチャンネル領域514を超えてゲート絶縁膜516にまで達し、チャネル領域514が空乏化する。これにより、半導体装置500がオフする。ゲート電極518に正の電圧が印加されると、チャネル領域514に形成されていた空乏層が縮小し、チャネル領域514にチャネルが形成される。ソース領域512から供給された電子は、チャネル領域514、アパーチャ領域526、及びn型半導体領域505を経由してドレイン電極502まで流れる。これにより、半導体装置500がオンする。
In the
図21に、半導体装置500がオフしているときのボディ領域508近傍の等電位線分布のシミュレーション結果を示す。図21に示すように、半導体装置500がオフしていると、ボディ領域508のコーナー部508aに電界が集中していることが分かる。半導体装置500がオフしているときは、ボディ領域508とゲート電極518の電位が等しい。このため、図21に示すように、ボディ領域508のコーナー部508aにおいて等電位線が大きく屈曲し、コーナー部508aで電界が集中してしまう。
本発明は、ボディ領域のコーナー部における電界集中を緩和する技術を提供することを目的としている。
FIG. 21 shows a simulation result of equipotential line distribution near the
An object of the present invention is to provide a technique for alleviating electric field concentration in a corner portion of a body region.
本明細書で開示される半導体装置は、隣接するボディ領域の間隙内にトレンチ電極が設けられていることを特徴としている。トレンチ電極は、絶縁膜とその絶縁膜で被覆された導電体を有している。トレンチ電極の導電体には、ボディ領域のコーナー部で等電位線が大きく屈曲しないように、所定の電圧が印加される。例えば、半導体装置がオフしているときに、トレンチ電極の導電体とボディ領域が略同電位となるような電圧がトレンチ電極の導電体に印加される。半導体装置がオフしているときに、トレンチ電極の導電体の電位をこのような電位に固定すると、ボディ領域のコーナー部において等電位線が大きく屈曲するのが抑えられ、この結果、ボディ領域のコーナー部における電界集中が緩和される。 The semiconductor device disclosed in this specification is characterized in that a trench electrode is provided in a gap between adjacent body regions. The trench electrode has an insulating film and a conductor covered with the insulating film. A predetermined voltage is applied to the conductor of the trench electrode so that the equipotential lines are not greatly bent at the corners of the body region. For example, when the semiconductor device is turned off, a voltage is applied to the conductor of the trench electrode such that the conductor of the trench electrode and the body region have substantially the same potential. When the potential of the conductor of the trench electrode is fixed to such a potential when the semiconductor device is turned off, the equipotential line is prevented from being greatly bent at the corner portion of the body region. Electric field concentration at the corner is alleviated.
すなわち、本明細書で開示される半導体装置は、縦型の半導体装置であって、電源電圧の一方の極性に電気的に接続するとともにn型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体のn型半導体領域と、n型半導体領域上に間隙を残して設けられており、p型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体のボディ領域と、ボディ領域上に設けられているチャネル領域と、前記間隙内に設けられており、n型半導体領域とチャネル領域を電気的に接続している第1接続領域と、チャネル領域を介して第1接続領域に対向しており、チャネル領域と電源電圧の他方の極性を電気的に接続する第2接続領域と、チャネル領域を介してボディ領域に対向しており、第1接続領域と第2接続領域の間に設けられているゲート電極と、前記間隙内に設けられており、絶縁膜とその絶縁膜で被覆された導電体を有するトレンチ電極と、を備えていることを特徴としている。
ここで、ゲート電極は、直接的にチャネル領域に接していても良く、ゲート絶縁膜を介して間接的にチャネル領域に接していても良い。
In other words, the semiconductor device disclosed in this specification is a vertical semiconductor device that is electrically connected to one polarity of a power supply voltage and includes an n-type impurity. A channel region provided on the body region, a body region of a group III nitride semiconductor provided with a gap on the n-type semiconductor region and containing a p-type impurity, a channel region provided on the body region, A first connection region provided in the gap and electrically connecting the n-type semiconductor region and the channel region, and facing the first connection region via the channel region, the channel region and the power supply voltage A second connection region for electrically connecting the other polarity of the gate electrode, a gate electrode facing the body region via the channel region, and provided between the first connection region and the second connection region, Provided in the gap, Enmaku and is characterized by comprising a trench electrode and a having the coated conductor with an insulating film.
Here, the gate electrode may be in direct contact with the channel region or indirectly in contact with the channel region through a gate insulating film.
本明細書で開示される半導体装置では、ゲート電極とトレンチ電極の導電体が、電気的に接続されていることが好ましい。
ゲート電極とトレンチ電極の導電体が電気的に接続されていると、トレンチ電極の導電体には、ゲート電極と同周期で変動する電圧が印加される。ゲート電極にオフ電圧が印加される時はトレンチ電極の導電体にもオフ電圧が印加され、ゲート電極にオン電圧が印加される時はトレンチ電極の導電体にもオン電圧が印加される。
半導体装置がオフするタイミングでは、トレンチ電極の導電体にオフ電圧が印加される。オフ電圧が印加されたトレンチ電極の導電体は、ボディ領域の電位と略同電位に固定されるので、ボディ領域のコーナー部において等電位線が大きく屈曲するのが抑えられ、この結果、ボディ領域のコーナー部における電界集中が緩和される。
さらに、上記の半導体装置によると、半導体装置がオンするタイミングでは、トレンチ電極の導電体にオン電圧が印加される。トレンチ電極の導電体にオン電圧が印加されると、ボディ領域から第1接続領域内に伸びている空乏層を縮小させることができる。したがって、半導体装置がオンしているときに、第1接続領域の電流経路を広く確保することができ、第1接続領域の電気抵抗を低減することができる。これにより、半導体装置のオン抵抗を低減することができる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the conductors of the gate electrode and the trench electrode are preferably electrically connected.
When the conductors of the gate electrode and the trench electrode are electrically connected, a voltage that varies in the same cycle as the gate electrode is applied to the conductor of the trench electrode. When an off voltage is applied to the gate electrode, the off voltage is also applied to the conductor of the trench electrode, and when an on voltage is applied to the gate electrode, the on voltage is also applied to the conductor of the trench electrode.
At the timing when the semiconductor device is turned off, an off voltage is applied to the conductor of the trench electrode. Since the conductor of the trench electrode to which the off-voltage is applied is fixed at substantially the same potential as the potential of the body region, it is possible to prevent the equipotential lines from being greatly bent at the corners of the body region. The electric field concentration at the corners is reduced.
Furthermore, according to the semiconductor device described above, an on-voltage is applied to the conductor of the trench electrode at the timing when the semiconductor device is turned on. When an ON voltage is applied to the conductor of the trench electrode, the depletion layer extending from the body region into the first connection region can be reduced. Therefore, when the semiconductor device is on, a wide current path can be secured in the first connection region, and the electrical resistance of the first connection region can be reduced. Thereby, the on-resistance of the semiconductor device can be reduced.
本明細書で開示される半導体装置では、ゲート電極とトレンチ電極の導電体が、一体で構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、ゲート電極とトレンチ電極を別々に設ける場合に比べて、半導体装置の構造を簡単化することができる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the conductors of the gate electrode and the trench electrode are preferably configured integrally.
According to the above semiconductor device, the structure of the semiconductor device can be simplified as compared with the case where the gate electrode and the trench electrode are provided separately.
本明細書で開示される半導体装置では、トレンチ電極が、前記間隙を越えてn型半導体領域にまで達していることが好ましい。
上記の半導体装置では、トレンチ電極がボディ領域のコーナー部よりも深い位置にまで設けられている。このため、ボディ領域のコーナー部の電界集中を顕著に抑制することができる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the trench electrode preferably reaches the n-type semiconductor region beyond the gap.
In the semiconductor device described above, the trench electrode is provided at a position deeper than the corner portion of the body region. For this reason, the electric field concentration at the corner of the body region can be remarkably suppressed.
本明細書で開示される半導体装置では、トレンチ電極の底面の絶縁膜に対向しているとともに、p型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体のp型半導体領域をさらに備えていることが好ましい。
上記の半導体装置によると、半導体装置がオフしているときに、p型半導体領域から周囲に向けて空乏層を伸ばすことができる。このため、トレンチ電極の底面の絶縁膜における電界集中を緩和することができる。
The semiconductor device disclosed in the present specification further includes a p-type semiconductor region of a group III nitride semiconductor that faces the insulating film on the bottom surface of the trench electrode and contains p-type impurities. preferable.
According to the semiconductor device described above, the depletion layer can be extended from the p-type semiconductor region to the periphery when the semiconductor device is off. For this reason, the electric field concentration in the insulating film on the bottom surface of the trench electrode can be reduced.
本明細書で開示される半導体装置では、p型半導体領域が、トレンチ電極の底面の絶縁膜に接していることが好ましい。
上記の半導体装置によると、トレンチ電極の底面の絶縁膜における電界集中を顕著に緩和することができる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the p-type semiconductor region is preferably in contact with the insulating film on the bottom surface of the trench electrode.
According to the above semiconductor device, electric field concentration in the insulating film on the bottom surface of the trench electrode can be remarkably reduced.
本明細書で開示される半導体装置では、チャネル領域が、III族窒化物半導体のヘテロ接合を有していてもよい。そのヘテロ接合は、第1接続領域と第2接続領域を結ぶ方向に沿って延びていることを特徴としている。
また、本明細書で開示される半導体装置では、第1接続領域も、III族窒化物半導体のヘテロ接合を有していてもよい。そのヘテロ接合は、n型半導体領域とチャネル領域を結ぶ方向に沿って延びていることを特徴としている。
ヘテロ接合は2次元電子ガス層を誘起するので、オン抵抗の低減化に有効である。チャネル領域にヘテロ接合が設けられていると、チャネル抵抗を低減し、オン抵抗の小さい半導体装置を実現できる。第1接続領域にヘテロ接合が設けられていると、第1接続領域における抵抗を低減し、オン抵抗の小さい半導体装置を実現できる。
In the semiconductor device disclosed in this specification, the channel region may have a heterojunction of a group III nitride semiconductor. The heterojunction extends in a direction connecting the first connection region and the second connection region.
In the semiconductor device disclosed in this specification, the first connection region may also include a group III nitride semiconductor heterojunction. The heterojunction is characterized by extending along the direction connecting the n-type semiconductor region and the channel region.
Since the heterojunction induces a two-dimensional electron gas layer, it is effective in reducing the on-resistance. When a heterojunction is provided in the channel region, a channel resistance can be reduced and a semiconductor device with low on-resistance can be realized. When the heterojunction is provided in the first connection region, the resistance in the first connection region can be reduced and a semiconductor device with low on-resistance can be realized.
本明細書で開示される技術によると、半導体装置をオフしたときにボディ領域のコーナー部の電界集中を緩和することができる。そのため、本明細書で開示される技術を利用すると、耐圧の高い半導体装置を実現することができる。 According to the technique disclosed in this specification, the electric field concentration at the corner portion of the body region can be reduced when the semiconductor device is turned off. Therefore, when the technology disclosed in this specification is used, a semiconductor device with high breakdown voltage can be realized.
実施例の主要な特徴を列記する。
(特徴1) n型半導体領域は、n型の不純物が低濃度に含まれている領域とn型の不純物が高濃度に含まれている領域を有しており、n型の不純物が高濃度に含まれている領域が電源電圧の一方の極性に電気的に接続されている。
(特徴2) 半導体装置300では、ボディ領域とチャネル領域の間に、不純物拡散防止膜が形成されている。
(特徴3) 半導体装置300では、ボディ領域とソース電極の間に、ソース電極よりも低抵抗のコンタクト電極が形成されている。
The main features of the examples are listed.
(Feature 1) The n-type semiconductor region has a region where n-type impurities are contained at a low concentration and a region where n-type impurities are contained at a high concentration. Is electrically connected to one polarity of the power supply voltage.
(Feature 2) In the
(Feature 3) In the
(第1実施例)
図1に、縦型のIII族窒化物半導体装置100の縦断面図を模式的に示す。図1の断面図は半導体装置100の単位構造を示しており、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、図面の明瞭化のため、各部の構成の縮尺を適宜変更している。
半導体装置100は、ドレイン電極2と、ドレイン電極2上に設けられているn+型のドレイン領域4と、ドレイン領域4上に設けられているn型のドリフト領域6を備えている。ドレイン領域4とドリフト領域6は、窒化ガリウム(GaN)を主材料とする半導体で形成されている。ドレイン電極2は、ドレイン領域4に電気的に接続している。また、ドレイン電極2には、高電圧(電源電圧の一方の極性)側端子Dが接続している。本実施例の半導体装置100では、ドレイン領域4の不純物濃度がおよそ3×1018cm−3に調整されており、ドリフト領域6の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調整されている。なお、本実施例では、ドレイン領域4とドリフト領域6をまとめて、n型半導体領域5と称することがある。
半導体装置100はさらに、ドリフト領域6の表面に間隙Lを残して設けられているp+型のボディ領域8を備えている。ボディ領域8は、窒化ガリウムを主材料とする半導体で形成されている。間隙Lによって、ボディ領域8は複数個に分断されている。換言すると、複数個のボディ領域8がドリフト領域6の表面に形成されており、隣接するボディ領域8の間は、後述するアパーチャ領域26(第1接続領域の一例)によって隔てられている。半導体装置100を平面視したときに、各々のボディ領域8は紙面奥行き方向に伸びてストライプ状に形成されている。本実施例の半導体装置100では、ボディ領域8の不純物濃度がおよそ1×1019cm−3に調整されている。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows a vertical sectional view of a vertical group III
The
The
半導体装置100はさらに、間隙L内に設けられているn型のアパーチャ領域26(第1接続領域の一例)を備えている。アパーチャ領域26は、窒化ガリウムを主材料とする半導体で形成されている。アパーチャ領域26によって、後述するチャネル領域14とn型半導体領域5が電気的に接続されている。本実施例の半導体装置100では、アパーチャ領域の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調整されている。
The
半導体装置100はさらに、ボディ領域8上に設けられているn型のチャネル領域14と、n+型のソース領域12(第2接続領域の一例)を備えている。本実施例では、ソース領域12がボディ領域8上に設けられている。チャネル領域14とソース領域12は、窒化ガリウムを主材料とする半導体で形成されている。ソース領域12は、チャネル領域14を介してアパーチャ領域26に対向する位置に形成されており、チャネル領域14の端部に接している。本実施例の半導体装置100では、チャネル領域14の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調整されており、ソース領域12の不純物濃度がおよそ1×1020cm−3に調整されている。
ソース電極10は、ソース領域12に接続している。また、ソース電極10には、低電圧(電源電圧の他方の極性)側端子Sが接続している。ソース電極10は、ボディ領域8にも電気的に接続している。
上記したように、チャネル領域14とアパーチャ領域26とドリフト領域6は、窒化ガリウムを主材料とするn−型の半導体であり、それらの不純物が同一量に調整されている。すなわち、チャネル領域14とアパーチャ領域26とドリフト領域6は、連続した1つの領域と見なすこともできる。
The
The
As described above, the
半導体装置100はさらに、ニッケル(Ni)を主材料とするゲート電極18を備えている。ゲート電極18は、チャネル領域14を介してボディ領域8に対向している。より正確には、ゲート電極18は、ソース領域12の一部とチャネル領域14を介してボディ領域8に対向している。また、ゲート電極18は、チャネル領域14に直接接していない。ゲート電極18は、ゲート絶縁膜16を介してチャネル領域14に対向している。なお、本実施例の半導体装置100では、ゲート電極18がソース領域12の一部とチャネル領域14を介してボディ領域8に対向している。しかしながら、ゲート電極18は、アパーチャ領域26とソース領域12の間でボディ電極8に対向していればよい。また、ゲート電極18とソース電極10は、電気的に絶縁されている。
半導体装置100はさらに、多結晶シリコンを主材料とするトレンチ電極22(トレンチ電極の導電体の一例)を備えている。トレンチ電極22は間隙L内に設けられている。トレンチ電極22は絶縁膜24(トレンチ電極の絶縁膜の一例)を介してアパーチャ領域26に対向している。トレンチ電極22とゲート電極18は一体に構成されており、電気的に接続されている。また、絶縁膜24とゲート絶縁膜16は一体に構成されている。トレンチ電極22には、ゲート電極18と同じ周期で変動する電圧が印加される。すなわち、トレンチ電極22をゲート電極18の一部と見なすこともでき、絶縁膜24をゲート絶縁膜16の一部と見なすこともできる。本実施例の半導体装置100では、トレンチ電極22が間隙L内に設けられている。しかしながら、図2に示す半導体装置200のように、トレンチ電極22が間隙Lを越えてドリフト領域6にまで達していてもよい。
The
The
半導体装置100の動作を説明する。
p型のボディ領域8の表面に、n型のチャネル領域14が形成されている。ゲート電極18に電圧を印加していない状態では、ボディ領域8から伸びる空乏層がチャネル領域14を超えてゲート絶縁膜16にまで達し、チャネル領域14が空乏化されている。チャネル領域14が空乏化されているので、電子はチャネル領域14内を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。ゲート電極18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2の間に電位差が生じ、半導体装置100内に電界が生じる。
The operation of the
An n-
図3に、半導体装置100がオフしているときのボディ領域8近傍の等電位線分布のシミュレーション結果を示す。
上記したように、半導体装置100では、間隙L内にトレンチ電極22が設けられている。そのため、半導体装置100をオフしても、図3に示すように、ボディ領域8のコーナー部8aにおいて、等電位線が大きく曲がっていない。半導体装置100がオフしているときに、コーナー部8aに電界が集中することが抑制されている。この現象は、従来の半導体装置500がオフしたときに、半導体装置500内に生じる電界の等電位分布(図21を参照)と比較すると顕著である。
半導体装置100では、半導体装置100をオフしたときに、電界が集中しやすい部位(ボディ領域8のコーナー部8a)に電界が集中することを抑制することができる。半導体装置100では、間隙L内にトレンチ電極22を設けることによって、耐圧の高い半導体装置を実現している。
FIG. 3 shows a simulation result of equipotential line distribution in the vicinity of the
As described above, in the
In the
ゲート電極18に正の電圧が印加されている状態では、チャネル領域14に形成されていた空乏層が縮小し、チャネル領域14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12からチャネル領域14内を横方向に走行してきた電子は、アパーチャ領域26を流れ、ドリフト領域6、ドレイン領域4を通過してドレイン電極2に流れる。ソース電極10とドレイン電極2の間が導通する。半導体装置100は、ノーマリーオフの動作をする縦型の半導体装置である。
In a state where a positive voltage is applied to the
Electrons that have traveled laterally in the
上記したように、ゲート電極18に電圧を印加していない状態では、ボディ領域8から伸びる空乏層がチャネル領域14に形成されている。空乏層は、ボディ領域8からチャネル領域14に向けて伸びるだけではない。空乏層は、ボディ領域8からアパーチャ領域26とドリフト領域6に向けても伸びて形成される。本実施例の半導体装置100では、トレンチ電極22が間隙L内に設けられている。上記したように、トレンチ電極22とゲート電極18は電気的に接続されている。ゲート電極18に正の電圧が印加されていると、トレンチ電極22にも正の電圧が印加され、アパーチャ領域26に形成されていた空乏層が縮小する。そのため、半導体装置100をオンしたときに、アパーチャ領域26内において空乏層が形成されていない領域を広くすることができる。すなわち、アパーチャ領域26内において電子が通過できる領域を広くすることができる。その結果、アパーチャ領域26内の電子の移動抵抗を小さくすることができる。半導体装置100では、ゲート電極18とトレンチ電極22が電気的に接続していることによって、よりオン抵抗の小さい半導体装置を実現している。
As described above, a depletion layer extending from the
(半導体装置100の製造方法)
半導体装置100の製造方法について図4から図10を参照して説明する。
まず図4に示すように、窒化ガリウムを主材料とするn+型の半導体基板4を用意する。半導体基板4の厚みはおよそ200μmである。次に、図5に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、半導体基板4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6をエピタキシャル成長させる。半導体領域6の厚みは、およそ10μmである。この段階で、n型半導体領域5が完成する。
次に図6に示すように、MOCVD法を利用して窒化ガリウムを主材料とするp+型の半導体層8をエピタキシャル成長させる。ここでは半導体層8の不純物として、マグネシウム(Mg)が使用されている。半導体層8の厚みは、およそ0.5μmである。次に、半導体層8の表面に開口28aを有するマスク層28を形成する。その後、マスク層28の開口28aから半導体層8をドリフト領域6が露出するまでエッチングし、トレンチ21を形成する。この段階で、複数のボディ領域8が形成され、隣接するボディ領域8の間に間隙Lが形成される。なお、マスク層28として、酸化シリコン(SiO2)等を利用することができる。また、半導体層8のエッチングは、ICP(Inductive Coupled Plasma)等のドライエッチングを利用することができる。
なお、図6ではドリフト領域6の表面が露出するまで半導体層8をエッチングしているが、半導体層8を貫通してドリフト領域6の内部までエッチングしてもよい。後述するトレンチ電極22を形成する工程において、トレンチ電極22をドリフト領域6にまで形成することができる。半導体装置200を製造することができる。また、半導体層8を貫通して所望する深さよりも深くまでドリフト領域6をエッチングし、その後、所望する深さまで窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体を選択成長させてもよい。隣接するボディ領域8を確実に分離することができる。また、トレンチ電極22の長さを精度よく形成することができる。
(Method for Manufacturing Semiconductor Device 100)
A method for manufacturing the
First, as shown in FIG. 4, an n + -
Next, as shown in FIG. 6, a p +
In FIG. 6, the
次に図7に示すように、マスク層28を除去した後に、MOCVD法を利用して、窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体領域26、14を成長させる。半導体領域26、14の厚みは、およそ125nmである。ここでは、隣接するボディ領域8の間隙L内に形成されている半導体を半導体領域(アパーチャ領域)26と称し、ボディ領域8上に形成されている半導体を半導体領域14と称している。
次に図8に示すように、半導体領域26、14の表面に酸化シリコンのマスク層30を形成する。次に、半導体領域14上に形成されているマスク層30の一部を除去し、開口30aを形成する。その後、露出した半導体領域14の表面からシリコンをイオン注入する。n+型の半導体領域12aが形成される。ここでは、シリコンをドーズ量1×1015cm−2、加速電圧65eVで注入する。図中の矢印は、シリコンがイオン注入される範囲を示している。その後、マスク層30をエッチングして除去し、半導体領域14、12aの表面に再度マスク層(図示省略)を形成し、不活性ガス(例えば、窒素ガス)雰囲気中で1100℃で20分間アニールする。不活性ガス雰囲気中でアニールすることによって、半導体領域12aの不純物(シリコン)を活性化させる。この段階で、チャネル領域14(図1を参照)が完成する。
なお、半導体領域14にシリコンをイオン注入するのに先立って、半導体層14に窒素をドーズ量1×1015cm−2、加速電圧35eVで注入してもよい。マスク層30の一部をエッチング除去するときに半導体領域14の結晶構造中から抜けた窒素を、半導体領域14に補償することができる。
Next, as shown in FIG. 7, after removing the
Next, as shown in FIG. 8, a silicon
In advance of the
次に、図9に示すように、開口32aを有するマスク層32を形成する。その後、露出した半導体領域12a(図8を参照)をICP法を利用して除去する。この段階でソース領域12(図1を参照)が完成する。
次に、図10に示すように、マスク層32(図9を参照)を除去した後、CVD法を利用して酸化シリコンの絶縁膜16、24を形成する。絶縁膜16、24の厚さは100nmである。また、絶縁膜16、24はHTO(High Temperature Oxide)膜である。次いで、絶縁膜24内に多結晶シリコンを充填し、その多結晶シリコンと絶縁膜16の表面にニッケルを形成する。図示は省略しているが、トレンチ電極22とゲート電極18が完成する。なお、絶縁膜16の表面にも多結晶シリコンが形成され、その多結晶シリコンの表面にニッケルを形成してもよい。その後、絶縁膜16の一部をエッチングして除去し、ソース領域12の一部とボディ領域8の一部を露出させる。ゲート絶縁膜16が完成する。その後、ソース領域12とボディ領域8の双方に接続するソース電極10を蒸着し、ドレイン領域4の裏面にドレイン電極2を蒸着する。ソース電極10は、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)が積層されている。ドレイン電極22も、チタンとアルミニウムが積層されている。その後、不活性ガス雰囲気中で500℃で2分間アニールする。アニールすることによって、ソース電極10と、ソース領域12とボディ領域8の接触抵抗を低減することができる。ドレイン電極2と、ドレイン領域4の接触抵抗を低減することができる。これによって、図1に示す半導体装置100が完成する。
Next, as shown in FIG. 9, a
Next, as shown in FIG. 10, after the mask layer 32 (see FIG. 9) is removed, insulating
上記製造方法では、半導体領域14、26を形成する工程(図7を参照)において、選択成長法を利用していない。そのため、半導体装置100の製造工程を簡単化することができる。
なお、半導体装置100について、他の製造方法を提供することもできる。図6に示す工程の後、図7の工程に代えて、図11に示しているように、露出しているドリフト領域6からn型の窒化ガリウムを主材料とする半導体領域34を結晶成長させる。ここでは、半導体層34がボディ領域8の表面を覆うまで結晶成長を続ける。ボディ領域8上の半導体領域34の厚さは、図1に示しているチャネル領域14の厚さと同じ(125nm)に調整されている。
次に、図12に示すように、半導体領域34(図11を参照)の表面に、開口36aを有するマスク層36を形成する。露出した半導体領域34を表面からエッチングして、トレンチ38を形成する。ここでは、間隙L内に残存した半導体領域34を半導体領域26とし、ボディ領域8上の半導体領域34を半導体領域14としている。その後の工程は、図8以降の工程と同様のため説明を省略する。
In the above manufacturing method, the selective growth method is not used in the process of forming the
Note that another manufacturing method may be provided for the
Next, as shown in FIG. 12, a
半導体装置100について、さらに他の製造方法を提供することもできる。図4に示す工程の後、図13に示すように、n+型の半導体基板4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40をエピタキシャル成長させる。半導体領域40の厚みは、およそ10.5μmである。
次に、図14に示すように、半導体領域40の表面に、開口42aを有するマスク層42を形成する。その後、露出している半導体領域40の表面から、半導体層40をエッチングし、トレンチ44を形成する。
次に、図15に示しているように、トレンチ44内に、窒化ガリウムを主材料とするp型のボディ領域8を形成する。その後、半導体領域40の突出部40aの表面とボディ領域8の表面に、窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体層44を形成する。突出部40aと半導体層44の構成は、図11における半導体層34と等しい。また、半導体領域40の突出部40を除いた構成は、図11におけるドリフト領域6と等しい。その後の工程は、図12以降の工程と同様のため説明を省略する。
Still another manufacturing method can be provided for the
Next, as shown in FIG. 14, a
Next, as shown in FIG. 15, a p-
(第2実施例)
図16に、III族窒化物半導体装置300の縦断面図を模式的に示す。半導体装置300は半導体装置100の変形例である。半導体装置100と実質的に同一の構成については、同じ参照番号又は下二桁に同じ参照番号を付すことによって説明を省略することがある。
半導体装置300では、ボディ領域8上に、不純物拡散防止膜46を介して、チャネル領域314とソース領域312が形成されている。不純物拡散防止膜46の主材料は窒化アルミニウム(AlN)であり、その厚みは10nmに調整されている。不純物拡散防止膜46によって、ボディ領域8に含まれている不純物(マグネシウム)が、チャネル領域314やソース領域312に拡散することが抑制されている。
(Second embodiment)
FIG. 16 schematically shows a longitudinal sectional view of the group III
In the
チャネル領域314は、窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体領域45と、窒化ガリウム・アルミニウム(Al0.3Ga0.7N)を主材料とするn型の半導体領域47を備えている。半導体領域47のバンドギャップは、半導体領域45のバンドギャップよりも大きい。すなわち、半導体領域45と半導体領域47によってヘテロ接合が構成されている。半導体領域45と半導体領域47の双方の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調整されている。半導体領域45の厚さは100nmであり、半導体領域47の厚さは25nmである。
The
半導体装置300では、アパーチャ領域326は、窒化ガリウムを主材料とするn型の半導体領域49と、窒化ガリウム・アルミニウムを主材料とするn型の半導体領域48を備えている。半導体領域48のバンドギャップは、半導体領域49のバンドギャップよりも大きい。半導体領域49と半導体領域48によってヘテロ接合が構成されている。半導体領域49と半導体領域48の双方の不純物濃度がおよそ1×1016cm−3に調整されている。半導体領域49の厚さは100nmであり、半導体領域48の厚さは25nmである。半導体領域45と半導体領域49と半導体領域(ドリフト領域)6は、連続した1つの領域と見なすこともできる。また、半導体領域47と半導体領域48は、連続した1つの領域と見なすこともできる
In the
半導体装置300では、ボディ領域8とソース電極310の間に、ニッケルを主材料とするコンタクト電極41が形成されている。コンタクト電極41の抵抗は、ソース電極(チタンとアルミニウムの積層体)310の抵抗よりも小さい。コンタクト電極41によって、ソース電極310とボディ領域8の間の接触抵抗を小さくすることができる。ボディ領域8の電位をより安定化させることができる。ボディ領域8からチャネル領域314とアパーチャ領域326に向けて伸びる空乏層の厚みをより安定化させることができる。
In the
半導体装置300の動作について説明する。
ゲート電極18に電圧を印加していない状態では、ボディ領域8からチャネル領域314とアパーチャ領域326に向けて空乏層が形成される。その空乏層は、半導体領域45と半導体領域47のヘテロ接合面と、半導体領域49と半導体領域48のヘテロ接合面にまで伸びている。ヘテロ接合面の伝導帯のエネルギー準位は、フェルミ準位よりも上側に存在することになり、2次元電子ガス層がヘテロ接合面に存在することができない。そのため、ゲート電極18に電圧が印加されていない状態では電子の走行が停止され、半導体装置300はオフしている。
ゲート電極18に正の電圧が印加されている状態では、ボディ領域8からチャネル領域314に向けて伸びていた空乏層が縮小する。ゲート電極18とトレンチ電極22が電気的に接続しているため、ゲート電極18に正の電圧が印加されている状態では、ボディ領域8からアパーチャ領域326に向けて伸びていた空乏層も縮小する。半導体領域45と半導体領域47のヘテロ接合面と、半導体領域49と半導体領域48のヘテロ接合面に2次元電子ガス層が形成される。2次元電子ガス層の伝導帯のエネルギー準位がフェルミ準位よりも下側に存在することになり、ヘテロ接合面のポテンシャル井戸内に2次元電子ガス層が存在する状態が作りだされる。この結果、2次元電子ガス層内を電子が走行し、半導体装置300はオンしている。
An operation of the
In a state where no voltage is applied to the
In a state where a positive voltage is applied to the
上記したように、半導体装置300では、ヘテロ接合面に形成された2次元電子ガス層内を電子が移動する。2次元電子ガス層内における電子の移動度は、およそ1000〜1500cm2/Vsである。また、半導体装置100のチャネル領域14内における電子の移動度は、およそ200〜500cm2/Vsである。すなわち、半導体装置300は上記特徴を有しているため、半導体装置100よりもチャネル抵抗が小さい(およそ1/3〜1/5程度)半導体装置を実現することができる。
As described above, in the
半導体装置300の製造方法について説明する。なお、ここでは、半導体装置100と異なる構成についてのみ説明する。
図5に示す工程の後に、MOCVD法を利用して窒化ガリウムを主材料とするp+型の半導体層8をエピタキシャル成長させる。その後、MOCVD法を利用して半導体層8の表面に窒化アルミニウムを主体とする層を成長させることによって、不純物拡散防止膜46を形成することができる。
図6に示す工程の後に、マスク層28を除去し、MOCVD法を利用してドリフト領域6の露出した表面とボディ領域8の側壁とボディ領域8の表面に窒化ガリウムを成長させることによって、半導体領域49と半導体領域45を形成することができる。その後、MOCVD法を利用して半導体領域49、45の表面に窒化ガリウム・アルミニウムを成長させることによって、半導体領域48と半導体領域47を形成することができる。
図9に示す工程の後に、リフトオフ法を利用してボディ領域8の一部にニッケルを成膜することによって、コンタクト電極41を形成することができる。
A method for manufacturing the
After the step shown in FIG. 5, the p +
After the step shown in FIG. 6, the
After the step shown in FIG. 9, the
(第3実施例)
図17に、III族窒化物半導体装置400の縦断面図を模式的に示す。半導体装置400は半導体装置100の変形例である。半導体装置100と実質的に同一の構成については、同じ参照番号を付すことによって説明を省略することがある。
半導体装置400では、トレンチ電極22の底面の絶縁膜24に対向しているp型半導体領域50が形成されている。p型半導体領域50は、絶縁膜24に接している。p型半導体領域50は、窒化ガリウムを主体とするp+型の半導体領域である。
なお、本実施例の半導体装置400では、p型半導体領域50が間隙L内に形成されている。しかしながら、p型半導体領域50は、ドリフト領域6内に形成されていてもよい。また、p型半導体領域50は、絶縁膜24に接していなくてもよい。その場合、p型半導体領域50は、アパーチャ領域26の一部を介してトレンチ電極22の底面の絶縁膜24に対向している。
(Third embodiment)
FIG. 17 schematically shows a longitudinal sectional view of the group III
In the
In the
半導体装置400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、ゲート電極18に電圧を印加していないときに、ボディ領域8からアパーチャ領域26に向けて空乏層が形成される。このとき、半導体装置100はオフしており、絶縁膜24にも電圧が印加される。絶縁膜24に高い電圧が印加されると、絶縁膜24が破壊に至ることがある。間隙Lの幅を小さくすると、隣接するボディ領域8,8からアパーチャ領域26に向けて伸びる空乏層がつながりやすい。しかしながら、間隙Lの幅を小さくすると、アパーチャ領域26内の電流経路が狭くなり、半導体装置100のオン抵抗が大きくなってしまう。間隙Lの幅に係わらず、絶縁膜24に高い電圧が印加されにくい構造の半導体装置が必要とされる。
A problem solved by the
In the
ここで、半導体装置100における間隙Lの幅と絶縁膜24の底部にかかる電圧の関係について説明する。図18に、半導体装置100をオフしたときにソース電極10とドレイン電極2の間にかかる電圧(以下、ソース・ドレイン間電圧と称する)と、絶縁膜24の底部にかかる電圧の関係を示す。グラフの横軸はソース・ドレイン間電圧(単位:V)を示しており、グラフの縦軸は絶縁膜24の底部にかかる電圧(単位:V)を示している。カーブ52は間隙Lの幅が1μmのときの電圧を示しており、カーブ54は間隙Lの幅が2μmのときの電圧を示しており、カーブ56は間隙Lの幅が4μmのときの電圧を示しており、カーブ58は間隙Lの幅が20μmのときの電圧を示している。
図18から明らかなように、間隙Lの幅を小さくすると、絶縁膜24にかかる電圧が小さくなる。反対に、間隙Lの幅を大きくすると、絶縁膜24にかかる電圧が大きくなる。
カーブ58に示すように、間隙Lの幅が20μmの場合、ソース・ドレイン間電圧が2000Vに達すると、絶縁膜24の底部におよそ100Vの電圧が印加される。絶縁膜24の底部にかかる電界強度はおよそ10MV/cmに達し、絶縁膜24が破壊される虞がある。また、カーブ52に示すように、間隙Lの幅が1μmの場合、ソース・ドレイン間電圧が2000Vに達すると、絶縁膜24の底部におよそ60Vの電圧が印加される。絶縁膜24の底部にかかる電界強度はおよそ6MV/cmに達する。この場合も絶縁膜24が破壊される虞がある。
Here, the relationship between the width of the gap L in the
As is apparent from FIG. 18, when the width of the gap L is reduced, the voltage applied to the insulating
As shown by the
半導体装置300では、トレンチ電極22の底部に、p型半導体領域50が形成されている。半導体装置300がオフすると、ボディ領域8から周囲のn型の半導体領域(チャネル領域14、アパーチャ領域26、ドリフト領域6)に向けて空乏層が形成されるのみならず、p型半導体領域50からも周囲のn型の半導体領域に向けて空乏層が形成される。間隙Lの幅が大きくなっても、ゲート絶縁膜24に高い電圧が印加されることを防止できる。
In the
図19に、半導体装置300をオフしたときのソース・ドレイン間電圧と、絶縁膜24の底部にかかる電圧の関係を示す。グラフの横軸はソース・ドレイン間電圧(単位:V)を示しており、グラフの縦軸は絶縁膜24にかかる電圧(単位:V)を示している。カーブ60は間隙Lの幅が1μmのときの電圧を示しており、カーブ62は間隙Lの幅が2μmのときの電圧を示しており、カーブ64は間隙Lの幅が4μmのときの電圧を示しており、カーブ66は間隙Lの幅が20μmのときの電圧を示している。
図19から明らかなように、半導体装置300では、間隙Lの幅の長さに係わらず、絶縁膜24にかかる電圧がほぼ等しい。また、カーブ66に示すように、間隙Lの幅が20μmの場合、ソース・ドレイン間電圧が2000Vに達すると、絶縁膜24の底部におよそ30Vの電圧が印加される。半導体装置100の間隙Lの幅が1μmの場合と比較しても、絶縁膜24にかかる電圧がおよそ2分の1に抑制される。このとき、絶縁膜24の底部にかかる電界強度はおよそ3MV/cmであり、絶縁膜24が破壊されることを防止することができる。
半導体装置300はp型半導体領域50を有することによって、半導体装置300をオフしたときに、絶縁膜24が破壊されることを防止することができる。すなわち、p型半導体領域50を有することによって、オン抵抗を小さくすることなく耐圧の高い半導体装置300を実現している。
FIG. 19 shows the relationship between the source-drain voltage when the
As apparent from FIG. 19, in the
Since the
半導体装置300の製造方法について説明する。上記したように、半導体装置300は、半導体装置100の構造に、p型半導体領域50が追加されたものである。ここではp型半導体領域50の形成方法についてのみ説明する。まず図7の工程の後に、p型半導体領域50を形成する部位の半導体領域26をエッチングして除去する。その後、エッチング除去された部位に、窒化ガリウムを主材料とするp型の半導体層を形成する。その後の工程は、図8以降の工程と同様のため説明を省略する。トレンチ電極22の底部に絶縁膜24を介して対向するp型半導体領域50を形成することができる。
A method for manufacturing 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。
例えば、上記第2実施例の半導体装置が有する4つの特徴、すなわち、チャネル領域がヘテロ接合を構成していること、アパーチャ領域がヘテロ接合を構成していること、ボディ領域とチャネル領域の間に不純物拡散防止膜が形成されていること、ボディ領域とソース電極の間にコンタクト電極が形成されていることは、各々独立して採用することができる。第1実施例の半導体装置に、上記特徴のいずれかの特徴を独立して付加することもできる。
なお、第2実施例の半導体装置が有する上記4つの特徴のいずれか又は全てを、第3実施例の半導体装置に付加してもよい。
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 in detail above, 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.
For example, there are four characteristics of the semiconductor device of the second embodiment, that is, that the channel region forms a heterojunction, the aperture region forms a heterojunction, and between the body region and the channel region. The formation of the impurity diffusion preventing film and the formation of the contact electrode between the body region and the source electrode can be independently employed. Any of the above features can be independently added to the semiconductor device of the first embodiment.
Any or all of the four features of the semiconductor device of the second embodiment may be added to the semiconductor device of the third embodiment.
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、502:ドレイン電極
4、504:ドレイン領域
6、506:ドリフト領域
8、508:ボディ領域
10、310、510:ソース電極
12、312、512:ソース領域
14、314、514:チャネル領域
18、518:ゲート電極
22:トレンチ電極
26、326、526:アパーチャ領域
50:p型半導体領域
100、200、300、400、500:半導体装置
2, 502:
Claims (8)
電源電圧の一方の極性に電気的に接続するとともに、n型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体のn型半導体領域と、
n型半導体領域上に間隙を残して設けられており、p型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体のボディ領域と、
ボディ領域上に設けられているチャネル領域と、
前記間隙内に設けられており、n型半導体領域とチャネル領域を電気的に接続している第1接続領域と、
チャネル領域を介して前記第1接続領域に対向しており、チャネル領域と電源電圧の他方の極性を電気的に接続する第2接続領域と、
チャネル領域を介してボディ領域に対向しており、第1接続領域と第2接続領域の間に設けられているゲート電極と、
前記間隙内に設けられており、絶縁膜とその絶縁膜で被覆された導電体とを有するトレンチ電極と、を備えている半導体装置。 A vertical semiconductor device,
An n-type semiconductor region of a group III nitride semiconductor electrically connected to one polarity of the power supply voltage and containing an n-type impurity;
a body region of a group III nitride semiconductor provided with a gap on the n-type semiconductor region and containing a p-type impurity;
A channel region provided on the body region;
A first connection region provided in the gap and electrically connecting the n-type semiconductor region and the channel region;
A second connection region facing the first connection region via the channel region and electrically connecting the other polarity of the channel region and the power supply voltage;
A gate electrode facing the body region via the channel region and provided between the first connection region and the second connection region;
A semiconductor device comprising: a trench electrode provided in the gap and having an insulating film and a conductor covered with the insulating film.
そのヘテロ接合は、第1接続領域と第2接続領域を結ぶ方向に沿って延びていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The channel region has a heterojunction of a group III nitride semiconductor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the heterojunction extends along a direction connecting the first connection region and the second connection region.
そのヘテロ接合は、n型半導体領域とチャネル領域を結ぶ方向に沿って延びていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first connection region has a heterojunction of a group III nitride semiconductor;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the heterojunction extends along a direction connecting the n-type semiconductor region and the channel region.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP7388216B2 (en) | 2020-02-04 | 2023-11-29 | 株式会社デンソー | nitride semiconductor device |
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- 2007-08-01 JP JP2007200857A patent/JP2009038200A/en active Pending
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