JP2011060962A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
従来から、広い領域にわたって転位密度の低い良質な窒化ガリウム(GaN)基板を準備し、その基板上にエピタキシャル成長層を形成することにより半導体装置を製造している。このような半導体装置として、たとえば特開2007−184371号公報(特許文献1)、特開2007−227790号公報(特許文献2)などが挙げられる。 Conventionally, a semiconductor device is manufactured by preparing a high-quality gallium nitride (GaN) substrate having a low dislocation density over a wide region and forming an epitaxial growth layer on the substrate. Examples of such a semiconductor device include Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-184371 (Patent Document 1) and Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-227790 (Patent Document 2).
特許文献1および2には、第1導電型GaN系半導体層と、絶縁膜と、第1の電極とを備えたダイオードが開示されている。第1導電型GaN系半導体層は、第1〜第3の領域を含む。第2の領域は、第1の領域と第3の領域との間に設けられる。第1および第3の領域は、第1の貫通転位密度より小さい貫通転位密度を有する。第2の領域は、第1の貫通転位密度より大きい貫通転位密度を有する。第1の電極は、第1および第3の領域にショットキー接合をなす。絶縁膜は、第2の領域と第1の電極との間に設けられている。特許文献1および2によれば、高い貫通転位密度を有する第2の領域(コア)に絶縁膜を形成して、第2の領域の影響を低減することができ素子面積を大きくできることが開示されている。
しかしながら、上記特許文献1および2に開示のダイオードにフィールドプレート(FP)構造を適用すると、耐圧を十分に向上できないという問題があることを、本発明者は鋭意研究の結果見い出した。
However, the present inventor has found that when the field plate (FP) structure is applied to the diodes disclosed in
それゆえに、本発明の目的は、耐圧を向上できる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a semiconductor device manufacturing method that can improve the breakdown voltage.
本発明者は、上記特許文献1および2に開示のダイオードにフィールドプレート(FP)構造を適用すると耐圧を十分に向上できないという問題は、FP構造に用いる絶縁膜の要求特性と、コア部を覆う絶縁膜の要求特性とが異なることに起因することを見い出した。具体的には、FP構造に用いる絶縁膜の要求特性に合わせてコアを覆う絶縁膜を形成すると、コアを覆う絶縁膜の厚みが不十分であるため、耐圧を向上することができない。コアを覆う絶縁膜の要求特性に合わせてFP構造に用いる絶縁膜を形成すると、FP構造として適した構造とならないため、耐圧を向上することができない。
The present inventor has a problem that the withstand voltage cannot be sufficiently improved when the field plate (FP) structure is applied to the diodes disclosed in
このように、FP構造を有する半導体装置に適用できる上記要求特性を本発明者が鋭意研究した結果、コア部を覆う絶縁膜の厚みは、FP構造に用いる絶縁膜の厚みよりも大きい場合に、耐圧を向上できることを見い出した。 As described above, as a result of the present inventors diligently researching the required characteristics applicable to the semiconductor device having the FP structure, when the thickness of the insulating film covering the core portion is larger than the thickness of the insulating film used for the FP structure, It was found that the breakdown voltage can be improved.
そこで、本発明の半導体装置は、窒化ガリウム(GaN)層と、第1の絶縁層と、第2の絶縁層と、電極層と、フィールドプレート電極(FP電極)とを備えている。窒化ガリウム層は、高欠陥領域と、高欠陥領域よりも欠陥密度の低い低欠陥領域とを含み、主表面と、主表面と反対側の裏面とを有する。第1の絶縁層は、窒化ガリウム層の主表面における高欠陥領域を覆うように形成されている。第2の絶縁層は、窒化ガリウム層の主表面における低欠陥領域の上に形成され、開口部が形成されている。電極層は、開口部の内部に、窒化ガリウム層の主表面に接触するように形成されている。FP電極は、電極層に接続するとともに、第2の絶縁層に重なるように形成されている。第1の絶縁層の厚みは、第2の絶縁層の厚みよりも大きい。 Therefore, the semiconductor device of the present invention includes a gallium nitride (GaN) layer, a first insulating layer, a second insulating layer, an electrode layer, and a field plate electrode (FP electrode). The gallium nitride layer includes a high defect region and a low defect region having a defect density lower than that of the high defect region, and has a main surface and a back surface opposite to the main surface. The first insulating layer is formed so as to cover the high defect region on the main surface of the gallium nitride layer. The second insulating layer is formed on the low defect region on the main surface of the gallium nitride layer, and an opening is formed. The electrode layer is formed in the opening so as to be in contact with the main surface of the gallium nitride layer. The FP electrode is formed so as to be connected to the electrode layer and to overlap the second insulating layer. The thickness of the first insulating layer is larger than the thickness of the second insulating layer.
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の工程を備えている。高欠陥領域と、高欠陥領域よりも欠陥密度の低い低欠陥領域とを含み、主表面と、主表面と反対側の裏面とを有する窒化ガリウム層を準備する。窒化ガリウム層の主表面における高欠陥領域を覆うように第1の絶縁層を形成する。窒化ガリウム層の主表面における低欠陥領域上に、開口部を有する第2の絶縁層を形成する。開口部の内部に、窒化ガリウム層の主表面に接触するように電極層を形成する。電極層に接続するとともに、第2の絶縁層に重なるようにフィールドプレート電極を形成する。第2の絶縁層を形成する工程では、第1の絶縁層の厚みよりも小さい厚みの第2の絶縁層を形成する。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes the following steps. A gallium nitride layer including a high defect region and a low defect region having a defect density lower than that of the high defect region and having a main surface and a back surface opposite to the main surface is prepared. A first insulating layer is formed so as to cover the high defect region on the main surface of the gallium nitride layer. A second insulating layer having an opening is formed on the low defect region on the main surface of the gallium nitride layer. An electrode layer is formed in the opening so as to be in contact with the main surface of the gallium nitride layer. A field plate electrode is formed so as to be connected to the electrode layer and to overlap the second insulating layer. In the step of forming the second insulating layer, a second insulating layer having a thickness smaller than that of the first insulating layer is formed.
本発明の半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、高欠陥領域を覆う第1の絶縁層の厚みは、FP構造を形成する第2の絶縁層の厚みよりも大きい。これにより、第1の絶縁層自体の耐圧を向上でき、かつ第2の絶縁層のFP用絶縁層としての最適構造を実現できるので、FP構造による電界緩和に基づいて耐圧を向上できる。つまり、高欠陥領域を覆う第1の絶縁層の必要特性と、FP用絶縁層として最適構造を構成する第2の絶縁層の必要特性とを両立することができる。このため、FP構造による耐圧向上効果を得ながら、高欠陥領域上の第1の絶縁層でのリーク電流の発生を抑制することができる。したがって、耐圧を向上した半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, the thickness of the first insulating layer covering the high defect region is larger than the thickness of the second insulating layer forming the FP structure. Thereby, the withstand voltage of the first insulating layer itself can be improved, and the optimum structure as the insulating layer for the FP of the second insulating layer can be realized, so that the withstand voltage can be improved based on the electric field relaxation by the FP structure. That is, it is possible to achieve both the necessary characteristics of the first insulating layer covering the high defect region and the necessary characteristics of the second insulating layer that constitutes the optimum structure as the FP insulating layer. For this reason, generation | occurrence | production of the leakage current in the 1st insulating layer on a high defect area | region can be suppressed, obtaining the pressure | voltage resistant improvement effect by FP structure. Therefore, a semiconductor device with improved breakdown voltage can be realized.
上記半導体装置において好ましくは、第1の絶縁層は、第2の絶縁層を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含む。 Preferably, in the semiconductor device, the first insulating layer includes a material having a dielectric constant smaller than a dielectric constant of a material constituting the second insulating layer.
上記半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の絶縁層を形成する工程では、第2の絶縁層を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含む第1の絶縁層を形成する。 Preferably, in the method of manufacturing a semiconductor device, in the step of forming the first insulating layer, the first insulating layer including a material having a dielectric constant smaller than that of the material constituting the second insulating layer is formed. To do.
MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)容量は誘電率に比例するので、第1の絶縁層のMIS容量成分を低減できる。これにより、半導体装置の応答特性を向上することができる。 Since the MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) capacitance is proportional to the dielectric constant, the MIS capacitance component of the first insulating layer can be reduced. Thereby, the response characteristic of the semiconductor device can be improved.
上記半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の絶縁層を形成する工程および第2の絶縁層を形成する工程は、以下の工程を含んでいる。窒化ガリウム層の主表面を覆うように絶縁層を形成する。絶縁層において低欠陥領域上に形成された領域の厚みを低減するように絶縁層の一部を除去する。低欠陥領域上に形成された絶縁層に開口部を形成する。 Preferably, in the method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the first insulating layer and the step of forming the second insulating layer include the following steps. An insulating layer is formed so as to cover the main surface of the gallium nitride layer. A part of the insulating layer is removed so as to reduce the thickness of the region formed on the low defect region in the insulating layer. An opening is formed in the insulating layer formed on the low defect region.
第1および第2の絶縁層となるべき絶縁層を形成した後に、第2の絶縁層となるべき絶縁層の厚みを低減している。これにより、第1の絶縁層の厚みが、第2の絶縁層の厚みよりも大きい半導体装置を製造することができる。したがって、耐圧を向上できる半導体装置を製造することができる。 After forming the insulating layers to be the first and second insulating layers, the thickness of the insulating layer to be the second insulating layer is reduced. Thereby, a semiconductor device in which the thickness of the first insulating layer is larger than the thickness of the second insulating layer can be manufactured. Therefore, a semiconductor device capable of improving the breakdown voltage can be manufactured.
上記半導体装置の製造方法において好ましくは、第1の絶縁層を形成する工程は、窒化ガリウム層の主表面における高欠陥領域を覆うように下部第1の絶縁層を形成する工程と、下部第1の絶縁層上に上部第1の絶縁層を形成する工程とを含み、第2の絶縁層を形成する工程は、下部第1の絶縁層を形成する工程または上部第1の絶縁層を形成する工程と同時に行なう。 Preferably, in the method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the first insulating layer includes a step of forming a lower first insulating layer so as to cover a high defect region on the main surface of the gallium nitride layer, and a lower first Forming the upper first insulating layer on the insulating layer, and forming the second insulating layer includes forming the lower first insulating layer or forming the upper first insulating layer. Perform simultaneously with the process.
第2の絶縁層を形成する工程と別に、第1の絶縁層を構成する上部第1絶縁層または下部第1絶縁層を形成している。これにより、第1の絶縁層の厚みが、第2の絶縁層の厚みよりも大きい半導体装置を製造することができる。したがって、耐圧を向上できる半導体装置を製造することができる。 Separately from the step of forming the second insulating layer, the upper first insulating layer or the lower first insulating layer constituting the first insulating layer is formed. Thereby, a semiconductor device in which the thickness of the first insulating layer is larger than the thickness of the second insulating layer can be manufactured. Therefore, a semiconductor device capable of improving the breakdown voltage can be manufactured.
本発明の半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、第1の絶縁層の厚みは第2の絶縁層の厚みよりも大きいので、耐圧を向上することができる。 According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, since the thickness of the first insulating layer is larger than the thickness of the second insulating layer, the breakdown voltage can be improved.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
(実施の形態1)
図1および図2を参照して、本実施の形態における半導体装置の一例であるショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)1を説明する。図1および図2に示すように、本実施の形態におけるSBD1は、GaN基板11とエピタキシャル層12とを含むGaN層10、第1の絶縁層13、第2の絶縁層14、ショットキー電極16とフィールドプレート電極(FP電極)17とを含む電極15、およびオーミック電極18とを備えている。
(Embodiment 1)
A Schottky Barrier Diode (SBD) 1 that is an example of a semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the
GaN層10は、GaN基板11と、エピタキシャル層12とを含んでいる。GaN層10は、高欠陥領域(コア)10aと、高欠陥領域10aよりも欠陥密度の低い低欠陥領域10bとを含み、かつ主表面10cと、主表面10cと反対側の裏面10dとを有している。エピタキシャル層12の高欠陥領域10aはGaN基板11の高欠陥領域10aと連なっており、かつエピタキシャル層12の低欠陥領域10bはGaN基板11の低欠陥領域10bと連なっている。
The
高欠陥領域10aは、図1に示すように、ストライプ状に形成されているが、特にこれに限定されない。たとえば、図3に示すように、高欠陥領域10aは、ドット状に形成されていてもよい。
Although the
GaN基板11は、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有している。GaN基板は、たとえばn+−GaNよりなる。なお、n+−GaNとは、n型不純物がn−GaNの層よりも高濃度にドーピングされていることを意味する。
The
エピタキシャル層12は、GaN基板11の主表面11a上に形成されている。エピタキシャル層12は、たとえばn-−GaNよりなる。なお、n-−GaNとは、n型不純物がn−GaNの層よりも低濃度にドーピングされていることを意味する。
エピタキシャル層12の厚みWは、エピタキシャル層12において第1の絶縁層13の端部から高欠陥領域10aの端部までの最短の距離L(高欠陥領域10aで囲まれる素子のエピタキシャル層12の主表面12aにおいて第1の絶縁層13と重なり合う長さ)と同じまたはそれ以下であることが好ましい。高欠陥領域10aにおけるエピタキシャル層12の主表面12aは、裏面12bと同電位になるので、エピタキシャル層12において高欠陥領域10aの端部から高欠陥領域10aを覆う第1の絶縁層13の距離Lをエピタキシャル層12の厚みW以上に確保することにより、耐圧をより確保することができる。
The thickness W of the
なお、上記「高欠陥領域」とは、低欠陥領域よりも欠陥密度が高い領域を意味する。「欠陥密度が高い領域」とは、転位集中領域、反転層領域などの領域である。「転位集中領域」とは、その他の領域と比べて、転位密度が相対的に高い領域(たとえば2桁程度以上高い領域)を意味する。たとえば、高欠陥領域10aの転位密度は1×108cm-2を超えており、低欠陥領域10bの転位密度は1×108cm-2以下である。GaN層10の作製時に、意図的に転位集中領域を形成して、その他の領域を低転位密度にする場合と、意図せずに何らかの理由で転位集中領域が形成される場合とを含む。「反転層領域」とは、極性をもつ結晶からなる場合に、GaN層10の主表面10cおよび裏面10dにおいて、その他の領域と逆の極性の結晶面が出ている領域のことを意味する。たとえば、GaN層10の主表面10cにおいて、高欠陥領域10aはN面であり、低欠陥領域10bはGa面であり、GaN層10の裏面10dにおいて、高欠陥領域10aはGa面であり、低欠陥領域10bはN面である。反転層領域についても、その他の領域の品質を確保するために意図的に形成する場合と、意図せず何らかの理由で形成される場合とを含む。
The “high defect region” means a region having a defect density higher than that of the low defect region. “A region with a high defect density” is a region such as a dislocation concentration region or an inversion layer region. The “dislocation concentration region” means a region having a relatively high dislocation density (for example, a region that is two digits or more higher) than other regions. For example, the dislocation density of the
第1の絶縁層13は、エピタキシャル層12の主表面12aにおける高欠陥領域10aの全体を覆うように形成されている。つまり、エピタキシャル層12の主表面12aにおける高欠陥領域10aは、第1の絶縁層13により露出していない。
The first insulating
第2の絶縁層14は、GaN層10の主表面10c(エピタキシャル層12の主表面12a)における低欠陥領域10bの上に形成され、開口部が形成されている。第2の絶縁層14は、FP構造を構成する。第2の絶縁層14は、第1の絶縁層13とショットキー電極16を介して隣り合うように配置されている。
The second insulating
第1の絶縁層13の厚みH13は、第2の絶縁層14の厚みH14よりも大きい。第1の絶縁層13の厚みH13は、高欠陥領域10aの影響を低減するために必要な厚み(たとえば100nm以上10μm以下)を有している。第2の絶縁層14の厚みH14は、FP用絶縁層として適切な厚み(たとえば10nm以上5μm以下)を有している。第1の絶縁層13の厚みH13は、第2の絶縁層14の厚みH14よりも、たとえば100nm以上10μm以下大きいことが好ましい。
The thickness H13 of the first insulating
ここで、上記「第1の絶縁層13の厚みH13」および「第2の絶縁層14の厚みH14」は、第1および第2の絶縁層13、14において最も厚みの大きな位置での値である。
Here, the “thickness H13 of the first insulating
第1の絶縁層13は、第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含むことが好ましい。このような材料として、第1の絶縁層13は、比誘電率が低い、二酸化シリコン(SiO2)やいわゆるlow−k材料を用いることができる。low−k材料は、たとえば、炭素含有酸化シリコン(SiOC)などが挙げられる。第2の絶縁層14は、たとえば、シリコン窒化膜(SiNx膜)、シリコン酸窒化膜(SiON膜)、窒化アルミニウム(AlN)、シリコン酸炭化膜(SiOC膜)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、アルミナ(Al2O3)、酸化スカンジウム(Sc2O3)などを用いることができる。
The first insulating
ここで、上記「誘電率」は、インピーダンス測定法を用いて測定される値である。
また、第1の絶縁層13は2層以上であってもよい。2層以上の場合、第1の絶縁層13を構成する少なくとも1層が、第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有していればよい。
Here, the “dielectric constant” is a value measured using an impedance measurement method.
Further, the first insulating
電極15は、ショットキー電極16とFP電極17とを含んでいる。電極15は、たとえば平面形状が円形となるように、形成されている。FP電極17と第2の絶縁層14とは、フィールドプレート(FP)構造を形成する。
The
ショットキー電極16は、第2の絶縁層14の開口部の内部に、エピタキシャル層12の主表面12aに接触するように形成されている。言い換えると、ショットキー電極16は、エピタキシャル層12の主表面12aにおいて第1の絶縁層13と第2の絶縁層14との間に形成されている。ショットキー電極16は、エピタキシャル層12とショットキー接合を形成する。ショットキー電極16は、たとえばニッケル(Ni)、金(Au)などの材料からなる。
FP電極17は、ショットキー電極16に接続するとともに、第2の絶縁層14に重なるように形成されている。FP電極17は、たとえばNi、Auなどの材料からなる。
The
オーミック電極18は、GaN基板11の裏面11b(GaN層10の裏面10d)に形成されている。オーミック電極18は、GaN基板11とオーミック接合を形成している。オーミック電極18は、たとえばチタン(Ti)、アルミニウム(Al)、Auなどのいずれか、またはこれらの2種以上の材料よりなる。
The
続いて、図1〜図16を参照して、本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。 Next, with reference to FIGS. 1 to 16, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described.
図4および図5に示すように、まず、高欠陥領域10aと、高欠陥領域10aよりも欠陥密度の低い低欠陥領域10bとを含み、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するGaN基板11を準備する(ステップS1)。
As shown in FIGS. 4 and 5, first, a
このステップS1では、高欠陥領域10aが周期的に存在するGaN基板を準備することが好ましい。たとえば、図1に示すように、高欠陥領域10aがストライプ状に形成されたGaN基板11、図3に示すように、高欠陥領域10aがドット状に形成されたGaN基板11などを準備する。
In this step S1, it is preferable to prepare a GaN substrate in which
次に、図4および図6に示すように、GaN基板11上にエピタキシャル層12を形成する(ステップS2)。エピタキシャル層12の形成方法は特に限定されず、たとえばMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法などを採用できる。この際、GaN基板11に形成された高欠陥領域10aは、エピタキシャル層12に引き継がれる。これにより、高欠陥領域10aと、高欠陥領域10aよりも欠陥密度の低い低欠陥領域10bとを含み、主表面12aと、主表面12aと反対側の裏面12bとを有するエピタキシャル層12を形成できる。
Next, as shown in FIGS. 4 and 6, the
ステップS2において、GaN基板11上にエピタキシャル層12を形成すると、主表面において高欠陥領域10aは凹部になり、主表面において段差が形成される。また、主表面10cにおける低欠陥領域10bがGa原子面である場合には、主表面10cにおける高欠陥領域10aはN原子面になる。
In step S2, when the
上記ステップS1、S2を実施することにより、高欠陥領域10aと、高欠陥領域10aよりも欠陥密度の低い低欠陥領域10bとを含み、主表面10cと、主表面10cと反対側の裏面10dとを有するGaN層10を準備することができる。
By performing steps S1 and S2, the
次に、図7に示すように、GaN層10の主表面10cを覆うように、第1の絶縁層13および第2の絶縁層14となるべき絶縁層21を形成する。この工程では、たとえばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法によって、たとえばSiNxなどからなる絶縁層21を形成する。
Next, as shown in FIG. 7, an insulating
次に、図8に示すように、GaN層10の裏面10dにオーミック電極18を形成する(ステップS3)。このステップS3では、たとえば、GaN基板11の裏面11bを有機洗浄および塩酸洗浄した後に、Ti/Al/Ti/Au(20nm/100nm/20nm/200nm)を、EB(Electron Beam)蒸着法を用いて裏面11bの全体に形成する。その後、窒素雰囲気下で約2分間600℃に加熱し、合金化を行ない、オーミック電極18を形成する。
Next, as shown in FIG. 8, the
次に、図9に示すように、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(第1の絶縁層13となるべき領域以外の領域)が開口したパターンを有するレジストなどのマスク層22を形成する。その後、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(絶縁層21においてマスク層22の開口パターンから露出している領域)の厚みを低減するように絶縁層21の一部を除去する。つまり、低欠陥領域10b上に形成した絶縁層21の厚みを調整している。除去する方法は特に限定されないが、たとえばエッチングにより除去することができる。エッチングはウエットエッチング、ドライエッチングのいずれを適用してもよい。これにより、図10に示すように、絶縁層21は、高欠陥領域10aを覆い、かつ厚みH13を有する領域と、低欠陥領域10bを覆い、かつ厚みH14を有する領域とを有する。
Next, as shown in FIG. 9, a mask layer such as a resist having a pattern in which a region (a region other than a region to be the first insulating layer 13) formed on the
次いで、図11に示すように、マスク層22を除去する。マスク層22の除去の方法は特に限定されないが、たとえば有機洗浄、酸素および窒素を含む雰囲気中のアッシャー処理などを適用できる。
Next, as shown in FIG. 11, the
次に、図12に示すように、第2の絶縁層14の開口部となるべき領域(ショットキー電極16が形成される領域)が開口したレジストなどのマスク層23を形成する。その後、図13に示すように、絶縁層21においてマスク層23の開口パターンから露出している領域を除去する。除去する方法は、特に限定されないが、エッチングにより除去することができる。エッチングはウエットエッチング、ドライエッチングのいずれを適用してもよいが、GaN層10へ与えるダメージを低減する観点から、ウエットエッチングを適用することが好ましい。ウエットエッチングを適用する場合には、たとえばBHF(Buffered Hydrogen Fluoride、バッファードフッ酸)などを用いることができる。これにより、第1の絶縁層13と、開口部を有する第2の絶縁層14とを形成することができる。
Next, as shown in FIG. 12, a
次いで、図14に示すようにマスク層23を除去する。マスク層23の除去は、上述したマスク層22と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, the
以上の工程により、図4および図14に示すように、第1の絶縁層13を形成する工程(ステップS4)および第2の絶縁層14を形成する工程(ステップS5)を実施することができる。これにより、第1の絶縁層13の厚みH13よりも小さい厚みH14の第2の絶縁層14を形成することができる。
Through the above steps, as shown in FIGS. 4 and 14, the step of forming the first insulating layer 13 (step S4) and the step of forming the second insulating layer 14 (step S5) can be performed. . Thereby, the second insulating
次に、図15に示すように、電極15を形成するべき領域が開口したレジストなどのマスク層24を形成する。次いで、たとえば、塩酸洗浄によるGaNエピタキシャル層12の表面処理を、室温で3分間行なった後、図16に示すように、電極25を形成する。この工程では、たとえば電極25として、たとえばNi/Auを、抵抗加熱蒸着法により形成する。
Next, as shown in FIG. 15, a
その後、マスク層24を除去する。このとき、マスク層24上に成膜された電極25は同時に除去(リフトオフ)される。これにより、図2に示すように、第2の絶縁層14の開口部の内部においてエピタキシャル層12の主表面12aに接触するショットキー電極16と、ショットキー電極16と接続するとともに第1の絶縁層14に重なる部分に形成されたFP電極17とを有する電極15を形成することができる(ステップS6)。マスク層24の形成および除去などは、マスク層22と同様であるので、その説明を繰り返さない。
Thereafter, the
以上の工程(ステップS1〜S6)を実施することにより、図1〜図3に示すSBD1を製造することができる。なお、上記工程(S1〜S6)については、SBDの製造方法の一例であり、別の工程を備えていてもよいし、工程の順序を変更してもよい。
The
なお、本実施の形態のSBDの製造方法においては、第1および第2の絶縁層13、14を絶縁層21から形成する例を説明したが、特にこれに限定されず、第1の絶縁層13を形成した後に第2の絶縁層14を形成してもよい。また、第2の絶縁層14を形成した後に第1の絶縁層13を形成してもよい。
In the SBD manufacturing method of the present embodiment, the example in which the first and second insulating
また、本実施の形態のSBDの製造方法においては、ステップS6においてショットキー電極16およびFP電極17を同時に形成する例を説明したが、ショットキー電極16を形成する工程の後にFP電極17を形成する工程を設けてもよい。つまり、第2の絶縁層14に形成された開口部の内部に、エピタキシャル層12に接触するようにショットキー電極16を形成し、続いて、ショットキー電極16に接続するとともに第2の絶縁層14に重なるように、FP電極17を形成してもよい。この場合、FP電極17は、ショットキー電極16と同じ材質で形成してもよい。または、第2の絶縁層14との接着性のよい材料など、ショットキー電極16の材質と異なる材料を用いて、FP電極17を形成しても構わない。
In the SBD manufacturing method of the present embodiment, the example in which the
続いて、本実施の形態におけるショットキーバリアダイオード1の動作について説明する。ショットキーバリアダイオード1をオン状態にするためには、アノード電極側の電極15に相対的に正の電圧を印加し、カソード電極側のオーミック電極18に相対的に負の電圧を印加して、ショットキーバリアダイオード1に順方向バイアスを印加する。これにより、アノード電極側の電極15からカソード電極側のオーミック電極18に電流が流れる。このとき、ショットキーバリアダイオード1において隣り合う高欠陥領域10aに挟まれる領域に形成される複数の素子にそれぞれ並列に電流が流れる。すなわち、SBDに流れる電流は、SBDを構成するそれぞれの素子に流れる電流の和となる。
Next, the operation of the
次に、ショットキーバリアダイオード1をオフ状態にするためには、アノード電極側の電極15に相対的に負の電圧を印加し、カソード電極側のオーミック電極18に相対的に正の電圧を印加して、ショットキーバリアダイオード1に逆方向バイアスを印加する。高欠陥領域10a上に第1の絶縁層13が形成されているので、リーク電流を抑制でき、SBDの耐圧を向上できる。また、SBDはFP構造を有しているので、耐圧をより向上できる。
Next, in order to turn off the
本実施の形態では、高欠陥領域10aを覆う第1の絶縁層13の厚みH13は、FP構造を形成する第2の絶縁層14の厚みH14よりも大きい。これにより、第1の絶縁層13自体の耐圧を向上でき、かつ第2の絶縁層14のFP用絶縁層としての最適構造を実現できるので、FP構造による電界緩和に基づいて耐圧を向上できる。つまり、高欠陥領域10aを覆う第1の絶縁層13の必要特性と、FP用絶縁層として最適構造を構成する第2の絶縁層14の必要特性とを両立することができる。このため、第2の絶縁層14でのFP構造による耐圧向上効果を得ながら、高欠陥領域10a上の第1の絶縁層13で電界が印加されたときの耐圧を維持して、リーク電流の発生を抑制することができる。したがって、耐圧を向上したSBDを実現することができる。
In the present embodiment, the thickness H13 of the first insulating
また、第1の絶縁層13が、第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含んでいる場合には、第1の絶縁層13のMIS容量成分を低減できる。このため、オン状態からオフ状態に変化するまでの時間、およびオフ状態からオン状態に変化するまでの時間であるスイッチング速度を向上できる。
Further, when the first insulating
(実施の形態2)
図17を参照して、本実施の形態における半導体装置の一例であるSBDを説明する。本実施の形態におけるSBDは、図1または図3の1aで示す領域の構成が図17に示す1bである点において、図2に示す実施の形態1の1aと異なっている。
(Embodiment 2)
With reference to FIG. 17, an SBD which is an example of a semiconductor device in this embodiment will be described. The SBD in the present embodiment is different from 1a of the first embodiment shown in FIG. 2 in that the configuration of the region indicated by 1a in FIG. 1 or 3 is 1b shown in FIG.
具体的には、図17に示すように、第1の絶縁層13は、下部第1の絶縁層13aと、下部第1の絶縁層13a上に形成された上部第1の絶縁層13bとを有している。下部第1の絶縁層13aと上部第1の絶縁層13bとは、異なる材料であっても同じ材料であってもよい。下部または上部第1の絶縁層13a、13bの少なくともいずれか一方は、第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有していることが好ましい。なお、第1の絶縁層13は、3層以上であってもよい。
Specifically, as shown in FIG. 17, the first insulating
続いて、図17〜図27を参照して、本実施の形態におけるSBDの製造方法について説明する。 Next, with reference to FIGS. 17 to 27, a method for manufacturing the SBD in the present embodiment will be described.
まず、図18に示すように、実施の形態1と同様に、図5に示すようにGaN基板11の準備をし(ステップS1)、図6に示すようにエピタキシャル層12を形成する(ステップS2)。
First, as shown in FIG. 18, as in the first embodiment, the
次に、実施の形態1と同様に、図7に示すように絶縁層21を形成する。絶縁層21は、比誘電率が低い、二酸化シリコン(SiO2)やいわゆるlow−k材料を用いることが好ましい。
Next, as in
次に、図19に示すように、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(第1の絶縁層13となるべき領域以外の領域)が開口したパターンを有するレジストなどのマスク層23を形成する。その後、図20に示すように、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(絶縁層21においてマスク層23の開口パターンから露出している領域)を除去する。次いで、図21に示すように、マスク層23を除去する。これにより、下部第1の絶縁層13aを形成することができる(ステップS7)。マスク層23の形成、除去などは、実施の形態1のマスク層23と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, as shown in FIG. 19, a mask layer such as a resist having a pattern in which a region (a region other than a region to be the first insulating layer 13) formed on the
次に、図22に示すように、エピタキシャル層12の主表面12aおよび下部第1の絶縁層13aを覆うように、絶縁層26を形成する。
Next, as shown in FIG. 22, an insulating
次に、図23に示すように、実施の形態1と同様に、GaN基板11の裏面11bにオーミック電極18を形成する(ステップS3)。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、図24に示すように、ショットキー電極16を形成するべき領域(第2の絶縁層14の開口部となるべき領域)が開口したレジストなどのマスク層27を形成する。その後、図25に示すように、絶縁層26においてマスク層27から開口した領域を除去する。次いで、図26に示すように、マスク層27を除去する。これにより、上部第1の絶縁層13bと、第2の絶縁層14とを形成することができる(ステップS8)。なお、マスク層27の形成および除去は、実施の形態1のマスク層23と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, as shown in FIG. 24, a
本実施の形態では、第2の絶縁層14を形成するステップS8では、上部第1の絶縁層13bを形成する工程と同時に行なっている。ステップS7およびS8により、下部第1の絶縁層13aと上部第1の絶縁層13bとを有する第1の絶縁層13と、第2の絶縁層14とを形成することができる(ステップS4、S5)。
In the present embodiment, step S8 for forming the second insulating
次に、図27に示すように、電極15を形成するべき領域が開口したレジストなどのマスク層28を形成する。その後、実施の形態1と同様に電極25を形成する。次いで、マスク層28を除去する。これにより、図17に示すように、第2の絶縁層14の開口部の内部においてエピタキシャル層12の主表面12aに接触するショットキー電極16と、ショットキー電極16と接続するとともに第1の絶縁層14に重なる部分に形成されたFP電極17とを有する電極15を形成することができる(ステップS6)。なお、マスク層28は、実施の形態1のマスク層24と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, as shown in FIG. 27, a
以上の工程(ステップS1〜S8)を実施することにより、図17に示すSBDを製造することができる。 The SBD shown in FIG. 17 can be manufactured by performing the above steps (steps S1 to S8).
本実施の形態におけるSBDの製造方法では、第2の絶縁層14を形成するステップS5は、上部第1の絶縁層13bを形成するステップS8と同時に行なっているが、下部第1の絶縁層を形成するステップS7と同時に行なってもよい。
In the SBD manufacturing method according to the present embodiment, step S5 for forming the second insulating
本実施の形態におけるSBDによれば、第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含む第1の絶縁層13を容易に形成することができる。MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)容量は誘電率に比例するので、第1の絶縁層13のMIS容量成分を低減できる。これにより、SBDの応答特性を向上することができる。
According to the SBD in the present embodiment, the first insulating
(実施の形態3)
図28を参照して、本実施の形態における半導体装置の一例であるSBDを説明する。本実施の形態におけるSBDは、図1または図3の1aで示す領域の構成が図28に示す1cである点において、図2に示す実施の形態1の1aおよび図17に示す実施の形態2の1bと異なっている。
(Embodiment 3)
With reference to FIG. 28, an SBD which is an example of a semiconductor device in the present embodiment will be described. The SBD in the present embodiment is the same as the
具体的には、図28に示すSBDは、図17に示す実施の形態2のSBDと同様の構成を備えているが、第1の絶縁層13の上部第1の絶縁層13bは、下部第1絶縁層13aの全体を覆っている点において、実施の形態2におけるSBDと異なっている。
Specifically, the SBD shown in FIG. 28 has the same configuration as the SBD of the second embodiment shown in FIG. 17, but the upper first insulating
本実施の形態におけるSBDの製造方法は、基本的には実施の形態2のSBDと同様の構成を備えているが、上部第1の絶縁層13bの形成方法において、実施の形態2におけるSBDの製造方法と異なっている。
The manufacturing method of the SBD in the present embodiment basically has the same configuration as the SBD of the second embodiment. However, in the method of forming the upper first insulating
具体的には、図24に示すマスク層27を形成する際に、下部第1の絶縁層13aの全体を覆うように、マスク層27を形成する。その後、絶縁層26においてマスク層27から開口した領域を除去すると、図28に示す上部第1の絶縁層13bを形成することができる。
Specifically, when the
本実施の形態におけるSBDによれば、上部第1の絶縁層13bは、下部第1の絶縁層13aを覆っている。このため、図28に示すエピタキシャル層12において第1の絶縁層13と接する端部の領域R2は、図17に示す実施の形態2のSBDの領域R1に比べて、FP構造に適した条件であるので、電界集中を緩和することができる。したがって、本実施の形態におけるSBDは、より耐圧を向上することができる。
According to the SBD in the present embodiment, the upper first insulating
(実施の形態4)
本実施の形態における半導体装置の構成は、実施の形態1と同様であるが、製造方法において異なっている。以下、本実施の形態における半導体装置の一例であるSBDの製造方法を説明する。
(Embodiment 4)
The configuration of the semiconductor device in the present embodiment is the same as that in the first embodiment, but differs in the manufacturing method. Hereinafter, a method for manufacturing an SBD which is an example of the semiconductor device in the present embodiment will be described.
まず、実施の形態1と同様に、図5に示すようにGaN基板11の準備をし(ステップS1)、図6に示すようにエピタキシャル層12を形成する(ステップS2)。次に、実施の形態1と同様に、図7に示すように、絶縁層21を形成する。これらの工程は、実施の形態1と同様であるので、その説明は繰り返さない。
First, as in the first embodiment, the
次に、図19に示すように、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(第1の絶縁層13となるべき領域以外の領域)が開口したパターンを有するレジストなどのマスク層23を形成する。その後、図20に示すように、絶縁層21において低欠陥領域10b上に形成された領域(絶縁層21においてマスク層23の開口パターンから露出している領域)を除去する。次いで、図21に示すように、マスク層23を除去する。これにより、第1の絶縁層13を形成することができる。次に、図22に示すように、エピタキシャル層12の主表面12aおよび第1の絶縁層13を覆うように、絶縁層26を形成する。これらの工程は、実施の形態2と同様であるので、その説明は繰り返さない。なお、図20〜図22における下部第1の絶縁層13aは、本実施の形態では第1の絶縁層13に相当する。
Next, as shown in FIG. 19, a mask layer such as a resist having a pattern in which a region (a region other than a region to be the first insulating layer 13) formed on the
次に、図23に示すように、実施の形態1と同様に、GaN基板11の裏面11bにオーミック電極18を形成する(ステップS3)。
Next, as shown in FIG. 23, the
次に、図29に示すように、第2の絶縁層14を形成するべき領域上にレジストなどのマスク層29を形成する。その後、図30に示すように、絶縁層26においてマスク層29から開口した領域を除去する。次いで、図31に示すように、マスク層29を除去する。これにより、第2の絶縁層14を形成することができる。マスク層29の形成、除去などは、実施の形態1のマスク層23と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, as shown in FIG. 29, a
次に、図15に示すように、電極15を形成するべき領域が開口したマスク層24を形成する。その後、図16に示すように、電極25を形成する。次いで、マスク層24を除去する。これにより、第2の絶縁層14の開口部の内部においてエピタキシャル層12の主表面12aに接触するショットキー電極16と、ショットキー電極16と接続するとともに第1の絶縁層14に重なる部分に形成されたFP電極17とを有する電極15を形成することができる。なお、これらの工程は、実施の形態1と同様であるので、その説明は繰り返さない。
Next, as shown in FIG. 15, a
以上の工程を実施することにより、図2に示すSBDを製造することができる。本実施の形態によれば、第1の絶縁層13と第2の絶縁層14とを別工程で形成しているので、第1および第2の絶縁層13、14の厚みの調整を容易に行なえる。さらに、第1の絶縁層13の材料と第2の絶縁層14の材料とが異なる場合、特に第1の絶縁層13が第2の絶縁層14を構成する材料の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料を含む場合には、容易に形成することができる。
The SBD shown in FIG. 2 can be manufactured by performing the above steps. According to this embodiment, since the first insulating
ここで、実施の形態1〜4では、半導体装置としてSBDを例に挙げて説明したが、本発明の半導体装置はSBDに限定されず、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)、JFET(Junction Field-Effect Transistor:接合電界効果トランジスタ)、pnダイオード、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などにも適用することができる。 Here, in the first to fourth embodiments, the SBD is described as an example of the semiconductor device. However, the semiconductor device of the present invention is not limited to the SBD, and a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), The present invention can also be applied to JFETs (Junction Field-Effect Transistors), pn diodes, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and the like.
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to combine the features of each embodiment as appropriate. In addition, it should be considered that the embodiment disclosed this time is illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is shown not by the above-described embodiment but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
1 ショットキーバリアダイオード(SBD)、10 GaN層、10a 高欠陥領域、10b 低欠陥領域、10c,11a,12a 主表面、10d,11b,12b 裏面、11 GaN基板、12 エピタキシャル層、13 第1の絶縁層、13a 下部第1の絶縁層、13b 上部第1の絶縁層、14 第2の絶縁層、15,25 電極、16 ショットキー電極、17 FP電極、18 オーミック電極、21,26 絶縁層、22,23,24,27,28,29 マスク層。 1 Schottky barrier diode (SBD), 10 GaN layer, 10a high defect region, 10b low defect region, 10c, 11a, 12a main surface, 10d, 11b, 12b back surface, 11 GaN substrate, 12 epitaxial layer, 13 first Insulating layer, 13a Lower first insulating layer, 13b Upper first insulating layer, 14 Second insulating layer, 15, 25 electrode, 16 Schottky electrode, 17 FP electrode, 18 Ohmic electrode, 21, 26 insulating layer, 22, 23, 24, 27, 28, 29 Mask layers.
Claims (6)
前記窒化ガリウム層の前記主表面における前記高欠陥領域を覆うように形成された第1の絶縁層と、
前記窒化ガリウム層の前記主表面における前記低欠陥領域の上に形成され、開口部が形成された第2の絶縁層と、
前記開口部の内部に、前記窒化ガリウム層の前記主表面に接触するように形成された電極層と、
前記電極層に接続するとともに、前記第2の絶縁層に重なるように形成されたフィードプレート電極とを備え、
前記第1の絶縁層の厚みは、前記第2の絶縁層の厚みよりも大きい、半導体装置。 A gallium nitride layer including a high defect region, a low defect region having a defect density lower than that of the high defect region, and having a main surface and a back surface opposite to the main surface;
A first insulating layer formed to cover the high defect region on the main surface of the gallium nitride layer;
A second insulating layer formed on the low-defect region on the main surface of the gallium nitride layer and having an opening;
An electrode layer formed in the opening to be in contact with the main surface of the gallium nitride layer;
A feed plate electrode connected to the electrode layer and formed to overlap the second insulating layer;
The thickness of the said 1st insulating layer is a semiconductor device larger than the thickness of the said 2nd insulating layer.
前記窒化ガリウム層の前記主表面における前記高欠陥領域を覆うように第1の絶縁層を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層の前記主表面における前記低欠陥領域上に、開口部を有する第2の絶縁層を形成する工程と、
前記開口部の内部に、前記窒化ガリウム層の前記主表面に接触するように電極層を形成する工程と、
前記電極層に接続するとともに、前記第2の絶縁層に重なるようにフィールドプレート電極を形成する工程とを備え、
前記第2の絶縁層を形成する工程では、前記第1の絶縁層の厚みよりも小さい厚みの前記第2の絶縁層を形成する、半導体装置の製造方法。 Preparing a gallium nitride layer including a high defect region and a low defect region having a defect density lower than that of the high defect region, and having a main surface and a back surface opposite to the main surface;
Forming a first insulating layer so as to cover the high defect region on the main surface of the gallium nitride layer;
Forming a second insulating layer having an opening on the low-defect region on the main surface of the gallium nitride layer;
Forming an electrode layer in the opening so as to contact the main surface of the gallium nitride layer;
Connecting to the electrode layer and forming a field plate electrode so as to overlap the second insulating layer,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein, in the step of forming the second insulating layer, the second insulating layer having a thickness smaller than that of the first insulating layer is formed.
前記窒化ガリウム層の前記主表面を覆うように絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層において前記低欠陥領域上に形成された領域の厚みを低減するように前記絶縁層の一部を除去する工程と、
前記低欠陥領域上に形成された前記絶縁層に開口部を形成する工程とを含む、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the first insulating layer and the step of forming the second insulating layer include:
Forming an insulating layer so as to cover the main surface of the gallium nitride layer;
Removing a portion of the insulating layer to reduce the thickness of the region formed on the low-defect region in the insulating layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, further comprising: forming an opening in the insulating layer formed on the low defect region.
前記第2の絶縁層を形成する工程は、前記下部第1の絶縁層を形成する工程または前記上部第1の絶縁層を形成する工程と同時に行なう、請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the first insulating layer includes a step of forming a lower first insulating layer so as to cover the high defect region on the main surface of the gallium nitride layer, and a step of forming the first insulating layer on the lower first insulating layer. Forming an upper first insulating layer,
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the step of forming the second insulating layer is performed simultaneously with the step of forming the lower first insulating layer or the step of forming the upper first insulating layer. .
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