JP2010272729A - Semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車などの車両に電源用高耐圧・大電流電子デバイスとして用いるのに好適な半導体素子、特に窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor element suitable for use as a high-voltage / high-current electronic device for power supply in vehicles such as automobiles, and more particularly to a semiconductor element using a nitride compound semiconductor.
III−V族窒化物系化合物半導体に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、高い絶縁破壊耐圧、良好な電子輸送特性、良好な熱伝導度を持つので、高温、大パワー、あるいは高周波用半導体デバイスの材料として期待されている。
高耐圧の横型デバイス、例えば、III−V族窒化物系化合物半導体を用いた半導体素子を考えた場合、ゲート電極とドレイン電極の間に高電圧が印可される。この部分には電界緩和の為にリサーフ構造を採用する場合が多い(例えば、特許文献1参照)。
Wide bandgap semiconductors typified by III-V nitride compound semiconductors have high breakdown voltage, good electron transport properties, and good thermal conductivity, so that they can be used in high temperature, high power, or high frequency semiconductor devices. Expected as a material.
When considering a high breakdown voltage lateral device, for example, a semiconductor element using a group III-V nitride compound semiconductor, a high voltage is applied between the gate electrode and the drain electrode. In many cases, a RESURF structure is employed in this portion for electric field relaxation (see, for example, Patent Document 1).
リサーフ構造を採用し、構造を最適化していくと、一般にゲート電極端に電界が集中するようになる。このため、ゲート電極端での電界集中を緩和する為にFP(フィールドプレート)構造などが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 When the RESURF structure is adopted and the structure is optimized, the electric field generally concentrates on the gate electrode end. For this reason, an FP (field plate) structure or the like has been proposed in order to alleviate electric field concentration at the gate electrode end (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、FP構造は構造が複雑な上、電界集中部を半導体層、またはその上の誘電体膜のどちらかに分散させているに過ぎない。
図7(A)、(B)は、従来のMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)のゲート電極−ドレイン電極間における電位と電界の関係を示す説明図である。図7(A)、(B)において、符号101はp−GaNからなる半導体動作層、符号102は半導体動作層101に形成された不純物層で、電界集中の緩和を目的としたリサーフ層、符号103はゲート絶縁膜、符号104はゲート電極、符号105はドレイン電極である。
従来のMOSFETでは、図7(A)、(B)に示すように、ゲート電極104は導電体であり、ゲート電極104内で電界分布は無い。そのため、ゲート電極104の端部(ゲート電極端)106から急に電位がドレイン電極105に向かって上昇する。
However, the FP structure is complicated, and the electric field concentration portion is merely dispersed in either the semiconductor layer or the dielectric film thereon.
7A and 7B are explanatory diagrams showing the relationship between the potential and electric field between the gate electrode and the drain electrode of a conventional MOS field effect transistor (MOSFET). 7A and 7B,
In the conventional MOSFET, as shown in FIGS. 7A and 7B, the
電界は、電位(電圧)の微分であるので、電位が急に変化する点110、111(図7(A)参照)では、図7(B)のピーク112、113で示すように高電界になり、このような高電界の点を起点として、デバイスは破壊される。
このように、従来のMOSFETでは、ゲート電極104に金属や高濃度に不純物がドープされたポリシリコンを用いた場合、ゲート電極104とドレイン電極105の対向する端部で電位が急に変化する点110、111が存在し、これらの点が電界集中点となる。そのため、ゲート電極端106での電界緩和が重要である。
Since the electric field is a derivative of the potential (voltage), at
As described above, in the conventional MOSFET, when a metal or polysilicon doped with impurities at a high concentration is used for the
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は構造が複雑なフィールドプレート構造を用いずに、ゲート電極端での電界集中を緩和することができる半導体素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element that can alleviate electric field concentration at the gate electrode end without using a complicated field plate structure. It is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係る半導体素子は、基板上に形成された半導体動作層と、前記半導体動作層上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、前記半導体動作層上であって前記ソース電極および前記ドレイン電極の間に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を備えた半導体素子において、前記ゲート電極は、前記ソース電極側の第1の領域と、前記ドレイン電極側であって、前記第1の領域より抵抗の高い第2の領域を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、ゲート電極が、第1の領域と第2の領域からなり、前記ドレイン電極側の一部に、第1の領域より抵抗の高い第2の領域を備えていることにより、抵抗の高い領域に電界が分布するようになる。そのため、ゲート電極端での急激な電位の変化が無くなり、ゲート電極端の電界集中が緩和される。
In order to solve the above problems, a semiconductor element according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor operation layer formed on a substrate, a source electrode and a drain electrode formed on the semiconductor operation layer, and the semiconductor In a semiconductor device comprising: a gate insulating film formed between the source electrode and the drain electrode on the operating layer; and a gate electrode formed on the gate insulating film, the gate electrode includes the gate electrode A first region on the source electrode side and a second region on the drain electrode side and having a higher resistance than the first region are provided.
According to this configuration, the gate electrode includes the first region and the second region, and the second region having a higher resistance than the first region is provided in a part on the drain electrode side. An electric field is distributed in a region having high resistance. For this reason, there is no sudden potential change at the gate electrode end, and the electric field concentration at the gate electrode end is alleviated.
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記ゲート電極は、ポリシリコンからなり、前記第2の領域は、前記第1の領域よりも不純物濃度が低いことを特徴とする。
この構成によれば、第1の領域はゲート電圧を印加するための本来のゲート電極として機能させることができると共に、第2の領域では緩やかに電位が変化する電位勾配(図2に示す電位勾配30)ができる。このため、ゲート電極端(図2に示すゲート電極端31)で電圧が急に変化する点が無くなり、ゲート電極端での電界集中が緩和される。
In a semiconductor device according to another aspect of the present invention, the gate electrode is made of polysilicon, and the second region has an impurity concentration lower than that of the first region.
According to this configuration, the first region can function as an original gate electrode for applying a gate voltage, and the potential gradient in which the potential changes gently in the second region (the potential gradient shown in FIG. 2). 30). For this reason, there is no point at which the voltage suddenly changes at the gate electrode end (
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記ゲート電極は、前記第2の領域と前記第1の領域との間に、前記第1の領域から前記第2の領域へ向って抵抗が高くなる抵抗勾配部を有することを特徴とする。
この構成によれば、ゲート電極内の抵抗の高い領域と低い領域の間での電界集中を緩和することができ、さらに高耐圧化を図ることができる。
本発明の他の態様に係る半導体素子は、前記半導体動作層は、GaN系化合物半導体からなることを特徴とする。
In the semiconductor element according to another aspect of the present invention, the gate electrode has a high resistance from the first region to the second region between the second region and the first region. It has the resistance gradient part which becomes.
According to this configuration, the electric field concentration between the high resistance region and the low resistance region in the gate electrode can be reduced, and a higher breakdown voltage can be achieved.
The semiconductor device according to another aspect of the present invention is characterized in that the semiconductor operation layer is made of a GaN-based compound semiconductor.
本発明によれば、構造が複雑なフィールドプレート構造を用いずに、ゲート電極端での電界集中を緩和することができ、高耐圧の半導体素子を実現することができる。 According to the present invention, electric field concentration at the gate electrode end can be relaxed without using a field plate structure having a complicated structure, and a high breakdown voltage semiconductor device can be realized.
以下に、図面を参照して本発明に係るMOSFETを説明する。 The MOSFET according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(一実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係るMOSFET10の概略構成を示す断面図である。図2は、MOSFET10における電位と電界の関係を示す説明図である。
半導体素子としてのMOSFET10では、サファイア、SiC、Siなどからなる基板11と、基板11上に形成された、GaN層とAlN層とを交互に積層して形成したバッファ層13と、p−GaN層14とが形成されている。また、p−GaN層14上には、所定の間隔をおいてソース電極16およびドレイン電極17が形成されている。
このMOSFET10は、p−GaN層14表面におけるソース電極16下およびドレイン電極17下の領域にそれぞれ形成されたオーミックコンタクト層18aおよび18bと、ドレイン電極17側のオーミックコンタクト層18bに接するように形成された電界集中の緩和を目的としたリサーフ層19とを備えている。p−GaN層14と、オーミックコンタクト層18a、18bと、リサーフ層19とにより、MOSFET10の主要部である窒化物系化合物半導体からなる半導体動作層40が構成されている。
(One embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a
In the
This
また、MOSFET10は、ソース電極16とドレイン電極17の間のp−GaN層14上に形成されたゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15上に形成されたゲート電極20を備えている。
The
本実施形態に係るMOSFET10は、以下の構成を有する点に特徴がある。
(1)ゲート電極20は、ポリシリコンによって形成され、B(ボロン)やP(リン)などのドーパントが高濃度にドーピングされたポリシリコンからなる第1の領域21と、第1の領域よりもドーパント濃度が低く高抵抗なポリシリコンからなる第2の領域22とを有する。
このように、本実施形態に係るMOSFET10では、ゲート電極20のドレイン電極17側の一部である第2の領域22が、第1の領域21よりも高抵抗なポリシリコンで形成されている。
(2)また、ゲート電極20は、第1の領域21と第2の領域22との間に、第1の領域21から第2の領域22へ向って抵抗が高くなる抵抗勾配部23を有する。
The
(1) The
Thus, in the
(2) Further, the
(ゲート電極のキャリア濃度範囲)
ここで、第1の領域21のドーパント濃度は、1×1019cm-3程度であり、第2の領域22のドーパント濃度は、1×1016cm-3以下である。ここで、第2の領域22の抵抗率は、10Ωm以上であることが好ましい。
第2の領域22は、内部で電界を分布させる必要があるので、内部が空乏化している必要がある。
Siのキャリア濃度と空乏層厚の関係を表すグラフが、次の参考文献中にある。
G.Gibbons,“Avalanche Breakdown Voltages of Abrupt and Linearly Graded p-n Juctions in Ge, Si, GaAs, and GaP,"Appl.Phys. Lett.,8,111(1996)
本発明では、第2の領域22の長さは数ミクロンであるので、参考文献中のグラフよりキャリア濃度が1×1016cm-3以下であれば、第2の領域22が空乏化していると考えられる。
(Carrier concentration range of gate electrode)
Here, the dopant concentration of the
Since the
A graph showing the relationship between the Si carrier concentration and the depletion layer thickness can be found in the following references.
G. Gibbons, “Avalanche Breakdown Voltages of Abrupt and Linearly Graded pn Juctions in Ge, Si, GaAs, and GaP,” Appl. Phys. Lett., 8, 111 (1996)
In the present invention, since the length of the
つぎに、図1に示すMOSFET10の製造方法について説明する。
まず、図3(A)に示すように、(111)面を主表面とするSiからなる基板11をMOCVD装置にセットし、濃度100%の水素ガスをキャリアガスとして用い、トリメチルガリウム(TMGa)とトリメチルアルミニウム(TMAl)とNH3とを導入し、成長温度1050℃で、基板11上に、AlN層12、バッファ層13、p−GaN層14を順次エピタキシャル成長させる。
AlN層12は、例えば100nm積層される。バッファ層13は、厚さ200nmであるGaN層と厚さ20nmであるAlNの複合層を8層積層して形成される。また、p−GaN層14は、500nm積層される。なお、p−GaN層14に対するp型のドーピング源としてビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用い、Mgの濃度が1×1017cm-3程度となるようにCp2Mgの流量を調整する。
Next, a method for manufacturing
First, as shown in FIG. 3A, a
The
つぎに、図3(B)に示すように、プラズマ化学気相成長(PCVD)法を用いて、p−GaN層14上に、SiO2からなるマスク層41を形成し、さらに、マスク層41をフォトリソグラフィとCF4ガスを用いてパターニングを行い、リサーフ層19を形成する領域に開口部41aを形成する。
その後スクリーン層として、SiO2を20nm成膜する。通常イオン注入法では、表面より少し深いところで最も不純物濃度が高くなる。このため、あらかじめスクリーン層を成膜してイオン注入を行い、その後スクリーン層を除去することにより、表面で最も不純物濃度が高くなるようにする。
Next, as shown in FIG. 3B, a
Thereafter, a SiO 2 film having a thickness of 20 nm is formed as a screen layer. In the normal ion implantation method, the impurity concentration is highest at a position slightly deeper than the surface. For this reason, a screen layer is formed in advance and ion implantation is performed, and then the screen layer is removed so that the impurity concentration is highest on the surface.
つぎに、図3(C)に示すように、バッファ層13上に形成されたp−GaN層14に対し、開口部41aからイオン注入(Ion Implantation)によってSiを添加する。
スクリーン層を考慮して、不純物濃度は表面で最も不純物濃度が高くなるように打ち込みエネルギーを設定する。その上で、開口部41aに対しては1×1013cm-2となるようにSiをイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 3C, Si is added to the p-
Considering the screen layer, the implantation energy is set so that the impurity concentration is the highest on the surface. Then, Si is ion-implanted into the
つぎに、図4(A)に示すように、図3(C)に示すマスク層41を除去し、PCVD法を用いて、p−GaN層14上に、SiO2からなるマスク層42を形成する。さらに、マスク層42をフォトリソグラフィとCF4ガスを用いてパターニングを行い、オーミックコンタクト層18a、18bを形成する領域に開口部42a、42aを形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, the
つぎに、図4(B)に示すように、p−GaN層14に対し、開口部42a、42aからイオン注入によってSiを添加する。
スクリーン層を考慮して、不純物濃度は表面で最も不純物濃度が高くなるように打ち込みエネルギーを設定する。その上で、オーミックコンタクト層18a、18bに対しては1×1016cm-3となるようにSiをイオン注入する。
その後、温度1200℃で活性化アニールを1分間行う。これにより、p−GaN層14表面における、ゲート電極2となる部分とドレイン電極17となる部分との間の領域にリサーフ層19が、18a、18bにはオーミックコンタクト部が形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, Si is added to the p-
Considering the screen layer, the implantation energy is set so that the impurity concentration is the highest on the surface. Then, Si is ion-implanted into the ohmic contact layers 18a and 18b so as to be 1 × 10 16 cm −3 .
Thereafter, activation annealing is performed at a temperature of 1200 ° C. for 1 minute. As a result, the
つぎに、図4(C)に示すように、図4(B)に示すマスク層42を除去し、ゲート絶縁膜15となる絶縁膜、例えばSiO2膜43を60nm成膜する。
この後、図4(C)に示すように、SiO2膜43上にゲート電極20となるアンドープのポリシリコン44をLP-CVD(Low Pressure-CVD)法で成膜する。この成膜温度は600℃、ポリシリコン44の厚さは500nmである。
Next, as shown in FIG. 4C, the
Thereafter, as shown in FIG. 4C, an
この後、図4(C)に示すように、ポリシリコン44上に、PCVD法によりSiO2膜45を300nm成膜する。
つぎに、図5(A)に示すように、SiO2膜45に、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、ポリシリコン44のうち、ゲート電極20の第1の領域21となる領域に開口部45aを形成する。
この後、熱拡散法、イオン注入法などを用いて、ポリシリコン44のうち、第1の領域21となる領域の低抵抗化を行う。この場合、第1の領域21をn型にする場合にはドーパントとしてP(リン)を1×1019cm-3程度まで導入する。また、第1の領域21をp型にする場合にはドーパントとしてB(ボロン)を1×1019cm-3程度まで導入する。
Thereafter, as shown in FIG. 4C, an SiO 2 film 45 is formed on the
Next, as shown in FIG. 5 (A), the SiO 2 film 45, using photolithography and dry etching, of the
Thereafter, the resistance of the region to be the
つぎに、図5(B)に示すように、図5(A)に示すSiO2膜45を除去し、さらに、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いて、ポリシリコン44のうち、ゲート電極20の第1の領域21および第2の領域22以外の部分を除去する。
これにより、B(ボロン)やP(リン)などのドーパントが高濃度にドーピングされたポリシリコンを用いた第1の領域21と、高抵抗のポリシリコンを用いた第2の領域22とを有するゲート電極20が、ゲート絶縁膜15となるSiO2膜(絶縁膜)43上に形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, the SiO 2 film 45 shown in FIG. 5A is removed, and the
Thus, the
なお、熱拡散法を用いて、ポリシリコン44のうち、第1の領域21となる領域の低抵抗化を行う場合、第1の領域21と第2の領域22との間に抵抗勾配部23が自然にできる。
また、イオン注入法を用いて、ポリシリコン44のうち、第1の領域21となる領域の低抵抗化を行う場合、その後に行う活性化アニールによりポリシリコン44内部の不純物が拡散して抵抗勾配部23ができる。
Note that, when the resistance of the region that becomes the
Further, when the resistance of the region to be the
つぎに、ソース電極16およびドレイン電極17が形成される領域以外をマスクした後、図5(C)に示すように、ソース電極16およびドレイン電極17が形成される領域のSiO2膜(絶縁膜)43を除去する。これにより、SiO2膜43の残った部分がゲート絶縁膜15となる。
Next, after masking the region other than the region where the
つぎに、図5(C)に示すように、SiO2膜43を除去したオーミックコンタクト層18aおよび18b上に、リフトオフ法を用いて、ソース電極16およびドレイン電極17をそれぞれ形成する。ソース電極16およびドレイン電極17は、オーミックコンタクト層18aおよび18bの表面から順に、Ti層、Al層の順にそれぞれ形成される。Ti層は例えば25nmであり、Al層は例えば300nmである。Ti層およびAl層は、スパッタ法または真空蒸着法によって形成される。その後、600℃、10分のアニール処理を行う。
また、第1の領域21の一部に測定用のAlパッドを設ける。
このようにして、図1に示すMOSFET10が作製される。
Next, as shown in FIG. 5C, the
Further, an Al pad for measurement is provided in a part of the
In this way, the
以上説明した一実施形態に係るMOSFET10によれば、次のような作用効果を奏する。
(1)ゲート電極20が、ドーパントが高濃度にドーピングされたポリシリコンを用いた第1の領域21と、高抵抗のポリシリコンを用いた第2の領域22とを有する構造により、ゲート電極20とドレイン電極17の間に高電圧が印可された状態で、第2の領域22では緩やかに電位(電圧)が変化する電位勾配30(図2参照)ができる。
このため、図7に示す上記従来技術のように、ゲート電極端106で電圧が急に変化する点110が無くなる。これにより、ゲート電極端31において、電圧の微分である電界が図2のピーク32で示すように小さくなり、ゲート電極端31での電界集中を緩和することができる。従って、構造が複雑なフィールドプレート構造を用いずに、ゲート電極端31での電界集中を緩和することができ、高耐圧の半導体素子を実現することができる。
The
(1) The
This eliminates the
(2)ゲート電圧を印加するための第1の領域21と、高抵抗のポリシリコンを用いた第2の領域22の2つに分けた構造により、第1の領域21はゲート電圧を印加するための本来のゲート電極として機能させることができると共に、第2の領域22によりゲート電極端31での電界集中を緩和させることができる。
(3)第1の領域21と第2の領域22との間に、抵抗勾配部23があるため、この抵抗勾配部23で緩やかに電位(電圧)が変化する電位勾配30a(図2参照)ができる。このため、第1の領域21と第2の領域22との間での電界集中することは無い。
(2) The gate voltage is applied to the
(3) Since there is the
(4)電界集中の緩和を目的としたリサーフ層19と、ゲート電極端31での電界集中を緩和させるための第2の領域22とを組み合わせた構成により、高電圧が印加されるゲート電極20とドレイン電極17との間での電界集中を緩和させることができる。
(5)半導体動作層40にp−GaN層14を用いているので、半導体動作層にGaNを使用した半導体素子において、構造が複雑なフィールドプレート構造を用いずに、ゲート電極端での電界集中を緩和することができ、高耐圧化を図ることができる。
(4) The
(5) Since the p-
図6は、本発明の他の実施形態に係るMOSFET10Aにおける電位と電界の関係を示す説明図である。
本実施形態に係るMOSFET10Aは、上記一実施形態に係るMOSFET10とは、抵抗勾配部23が無い点でのみ異なる。
つまり、図6に示すMOSFET10Aでは、ゲート電極20Aは、ゲート電圧を印加するための電極で、ボロンやリンなどのドーパントが高濃度にドーピングされたポリシリコンを用いた第1の領域21と、高抵抗のポリシリコンを用いた第2の領域22とを有する。
このMOSFET10Aによっても、構造が複雑なフィールドプレート構造を用いずに、ゲート電極端31での電界集中を緩和することができ、高耐圧の半導体素子を実現することができる。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between a potential and an electric field in
The
That is, in the
Even with this
なお、上記各実施形態では、ゲート電極20、20Aは、ドーパントが高濃度にドーピングされたポリシリコンを用いた第1の領域21と、高抵抗のポリシリコンを用いた第2の領域22とを有するMOSFETについて説明したが、本発明はこのような構成の半導体素子に限定されない。本発明は、ゲート電極が、ゲート電圧を印加するための電極で、金属を用いて形成した第1の領域と、高抵抗な半導体でできた第2の領域とを有する構成、つまりゲート電極の一部が高抵抗な半導体でできている半導体素子に広く適用可能である。
In each of the above embodiments, the
10、10A:MOSFET
11:基板
12:AlN層
13:バッファ層
14:p−GaN層
15:ゲート絶縁膜
16:ソース電極
17:ドレイン電極
18a、18b:オーミックコンタクト層
19:リサーフ層
20、20A:ゲート電極
21:第1の領域
22:第2の領域
23:抵抗勾配部
40:半導体動作層
10, 10A: MOSFET
11: substrate 12: AlN layer 13: buffer layer 14: p-GaN layer 15: gate insulating film 16: source electrode 17:
Claims (4)
前記ゲート電極は、前記ソース電極側の第1の領域と、前記ドレイン電極側であって、前記第1の領域より抵抗の高い第2の領域を備えていることを特徴とする半導体素子。 A semiconductor operating layer formed on the substrate; a source electrode and a drain electrode formed on the semiconductor operating layer; and a gate insulation formed on the semiconductor operating layer and between the source electrode and the drain electrode. In a semiconductor device comprising a film and a gate electrode formed on the gate insulating film,
The semiconductor device, wherein the gate electrode includes a first region on the source electrode side and a second region on the drain electrode side and having a higher resistance than the first region.
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