JP2012119435A - Ｉｉｉ族窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｐ型III族窒化物半導体８をドライエッチングして形成した平坦表面に電極を形成してもオーミック接触させることができない。
【解決手段】ｐ型III族窒化物半導体８の電極形成範囲をドライエッチングして溝８ｄを形成し、その溝８ｄに金属２０を充填して電極を形成する。ｐ型III族窒化物半導体８のドライエッチング面は、エッチングによって生じた欠陥によってｎ型化しているために、平坦平面にドライエッチングしておいて電極を形成するとオーミック接触しない。溝８ｄを設けておくと、欠陥が少ない溝８ｄの側面においてｐ型III族窒化物半導体８と電極がオーミック接触し、半導体と電極の接触抵抗が低減する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般式がAl_ｘGa_ｙIn_ｚN_{１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）}（0≦x＜１，0≦ｙ＜１，0≦ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）で示されるIII族窒化物半導体で構成されている半導体装置に関する。GaNで代表されるIII族窒化物半導体は、高耐圧低損失のパワー半導体装置を実現する有望な材料として大いに期待されている。

図１は、III族窒化物半導体で構成した横型トランジスタの断面を模式的に示しており、２はサファイア基板であり、４はバッファ層であり、６は高抵抗なｎ型GaN層であり、８はｐ型GaN層であり、１０は高抵抗なｎ型GaN層であり、１２はAlGaN層である。１２ａは不純物がドープされたAlGaN領域であり、ソース領域として機能する。１２ｃは不純物がドープされたAlGaN領域であり、ドレイン領域として機能する。１２ｂはチャネル領域として機能する。１６はゲート絶縁膜であり、１８はゲート電極であり、１４ａはソース電極であり、１４ｂはドレイン電極であり、２０はアース電極である。アース電極２０は接地して用いられ、作動中のトランジスタから正孔を引き抜く。
ｎ型GaN層１０の下方に位置しているｐ型GaN層８に接するアース電極２０を形成するために、製造時には積層基板の上面からドライエッチングしてｐ型GaN層８に達する溝を形成する。すなわち溝の底面にｐ型GaN層８の上面が露出している状態をつくり、その状態でアース電極２０を形成する。ｐ型GaN層８に達する溝は、素子分離溝としても機能する。

図２は、III族窒化物半導体で構成した縦型トランジスタの断面を模式的に示しており、特許文献１に類似の構造が開示されている。図示３０はドレイン電極であり、３６はｎ型GaN基板であり、３８はｎ型GaN層であり、４０もｎ型GaN層であり、４２はAlGaN層である。４２ａ，４２ｃは不純物がドープされたAlGaN領域であり、ソース領域として機能する。４２ｂはチャネルのバリア層として機能する。４６はゲート絶縁膜であり、４８はゲート電極であり、４４ａ，４４ｂはソース電極である。３８ａ，３８ｂは、ｐ型化されているGaN領域であり、５０ａ，５０ｂはアース電極である。アース電極５０ａ，５０ｂは接地して用いられ、作動中のトランジスタから正孔を引き抜く。
ｎ型GaN層４０の下方に位置しているｐ型GaN領域３８ａ，３８ｂに接するアース電極５０ａ，５０ｂを形成するために、製造時には積層基板の上面からドライエッチングしてｐ型GaN領域３８ａ，３８ｂに達する溝を形成する。すなわち溝の底面にｐ型GaN領域３８ａ，３８ｂの上面が露出している状態をつくり、その状態でアース電極５０ａ，５０ｂを形成する。ｐ型GaN層８に達する溝は、素子分離溝としても機能する。

特開２００４−２６０１４０号公報

上記したように、III族窒化物半導体装置の製造工程では、積層基板の上面からドライエッチングしてｐ型III族窒化物半導体に達する溝を形成することによって溝の底面にｐ型III族窒化物半導体の上面が露出している状態をつくり、その状態でｐ型III族窒化物半導体の上面に接する電極を形成する工程を経ることが多い。しかしながら上記工程によって形成した電極がｐ型III族窒化物半導体にオーミック接触しないことが多い。ｐ型III族窒化物半導体と電極がオーミック接触しないために、III族窒化物半導体装置の特性が低下してしまう事態が発生しやすい。

本明細書では、ｐ型III族窒化物半導体の上面にｐ型III族窒化物半導体に接する電極を形成した場合に、ｐ型III族窒化物半導体とオーミック接触する電極が安定的に製造される技術を開示する。
本明細書で開示するIII族窒化物半導体装置は、ｐ型III族窒化物半導体の上面から内部に侵入する溝が形成されており、その溝に充填された金属によって電極が形成される。その電極は、ｐ型III族窒化物半導体にオーミック接触する。

積層基板の上面からドライエッチングして形成した溝の底面に露出しているｐ型III族窒化物半導体の上面に形成した電極がｐ型III族窒化物半導体にオーミック接触しない原因は、下記のものと推定される。
上記の場合、ｐ型III族窒化物半導体をドライエッチングした面に電極が形成される。ｐ型III族窒化物半導体をドライエッチングすると、そのエッチング面にイオンが衝撃を与えることから多くの欠陥が発生する。特に窒素が抜けてしまう欠陥が多く発生する。窒素が抜けてしまった欠陥はドナーとして機能する。すなわち、ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面はｎ型化する。その結果、ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面に電極を形成すると、「電極・ｎ型化したIII族窒化物半導体・ｐ型III族窒化物半導体」の積層構造が構成させてしまう。この結果、電極とｐ型III族窒化物半導体の間にオーミック特性が得られないと思われる。

ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面に凹凸を形成すれば、電極とｐ型III族窒化物半導体の接触面積が増大し、接触抵抗の低減に有利であると想像される。III族窒化物半導体は化学的に安定しており、ウエットエッチングすることが難しい。ウエットエッチングする技術が提案されてはいるが、現状では制御することが難しく、実用に供せない。現状の技術では、凹凸を形成する際にもドライエッチングによらざるを得ない。凹凸を形成する面をドライエッチングで形成すれば、凹凸形成面がｎ型化すると予想され、凹凸を形成して接触面積を増大させてもオーミック電極を得るための有効な対策にならないはずである。

実際に、ｐ型III族窒化物半導体の上面から内部に侵入する溝を形成してみると、溝の底面を提供するｐ型III族窒化物半導体の上面のみならず、溝の側面を提供するｐ型III族窒化物半導体の側面までｎ型化してしまう。溝の側面といっても、溝の底面に直交しているわけでない。上方に向かって拡径する方向に傾斜している。側面が傾斜していることから、ドライエッチング用のイオンは、傾斜している側面にも衝突して衝撃を与える。溝の側面にもドライエッチング用のイオンが衝撃を与え、欠陥を発生させ、ｎ型化させる。実際にも、ｎ型化したｐ型III族窒化物半導体の側面に沿ってリーク電流が流れてしまう現象が観察される。ｐ型III族窒化物半導体の側面に沿って絶縁膜を形成しても、ｐ型III族窒化物半導体の側面がｎ型化する現象をとめることができず、ｎ型化したIII族窒化物半導体の側面に沿ってリーク電流が流れるのをとめることができない。
上記のことから、ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面に凹凸を形成しても、その凹凸をドライエッチングして形成する限り、ｐ型III族窒化物半導体と電極の間にオーミック特性を実現することは困難であると推定できる。

しかしながら、ｐ型III族窒化物半導体の上面から内部に侵入する溝を形成し、その溝に金属を充填して電極を形成すると、その溝がドライエッチングして形成されたものであっても、ｐ型III族窒化物半導体と電極の間にオーミック特性が確保されることが確認された。
上記したように、溝を形成しても、その溝がドライエッチングで形成したものである限り、ｐ型III族窒化物半導体と電極の間にオーミック特性を付与するのに有利に作用しないと推測されていた、しかしながら、ドライエッチングして形成した溝に金属を充填すると、その金属とｐ型III族窒化物半導体の間にオーミック特性が確保される。その理由は下記のように推定される。
１）III族窒化物半導体をドライエッチングすると、欠陥が発生してｎ型化する。この時点で発生する欠陥は、溝の底面において高密度であり、溝の側面において低密度である。イオンの進行方向に直交する面と、イオンの進行方向に傾斜する面では、イオン衝撃の大きさが相違し、欠陥密度も相違する。
２）III族窒化物半導体を加熱すると、ドライエッチング面に形成された欠陥数が増大するか、あるいはドナーとして作用する効果が強調される。この結果、ｎ型化が顕著となる。
溝の側面に絶縁膜を形成する場合、ＳｉＯ_２を製膜することが多い。ＳｉＯ_２を製膜する際に、III族窒化物半導体が加熱される。
上記したように、ｐ型III族窒化物半導体の側面に絶縁膜を形成しても、ｐ型III族窒化物半導体の側面がｎ型化する現象をとめることができず、ｎ型化したIII族窒化物半導体の側面に沿ってリーク電流が流れるのをとめることができない。その現象は、前記１）と２）によるものと推定される。
それに対して、ドライエッチングして形成した溝に金属を充填すると、前記１）の事象は発生するものの、前記２）の事象が発生しないかあるいはその事象の発生程度が抑制されるものと思われる。溝の側面において発生する欠陥が低密度であるからこそｎ型化の程度が低く、それゆえにｐ型III族窒化物半導体と電極の間にオーミック特性が実現されるとしか説明できない事象が生じる。
しかも、ドライエッチングして形成した溝に金属を充填してオーミック特性を得ると、その後にIII族窒化物半導体が加熱しても、そのオーミック特性は失われない。溝に金属を充填してからIII族窒化物半導体を加熱すると、前記２）の事象が発生しないかあるいはその事象の発生程度が抑制されるものと推定される。
上記の推定が正しいか否かはともかく、実際に、ｐ型III族窒化物半導体の上面から内部に侵入する溝が形成されており、その溝に金属が充填されていると、その金属によって形成される電極とｐ型III族窒化物半導体の間にオーミック特性が得られる。

前記した溝は、ｐ型III族窒化物半導体の内部で留まっていてもよいし、ｐ型III族窒化物半導体を貫通していてもよい。

本明細書に開示されている技術によると、ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面に電極を形成することが可能となり、III族窒化物半導体装置の設計自由度が大幅に向上する。

III族窒化物半導体で製造した横型トランジスタの断面を模式的に示す図。 III族窒化物半導体で製造した縦型トランジスタの断面を模式的に示す図。 第１実施例のｐ型III族窒化物半導体と電極の断面図。 第２実施例のｐ型III族窒化物半導体と電極の断面図。 第３実施例のｐ型III族窒化物半導体と電極の断面図。

下記で説明する実施例の主要な特長を以下に例示する。
（特長１）ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面に形成されている溝は、ドライエッチング面を平面視したときに一定方向に伸びている。
（特長２）ｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面を平面視したときに、個々には短い溝の複数個が、マトリクス状に配置されている。
（特長３）複数の溝が配置されているｐ型III族窒化物半導体のドライエッチング面を平面視したときに、個々の溝の形状は、多角形、円形、半円形、楕円等の形状をしている。

図３〜図５は、図１に例示したｐ型III族窒化物半導体（実施例ではGaN）層８の上面に電極を形成した部分の断面を示している。図３から図5に共通に示されているように、実施例１〜3では、ｎ型III族窒化物半導体（実施例ではGaN）層１０の上面からドライエッチングしてｎ型III族窒化物半導体層１０を貫通してｐ型III族窒化物半導体層８に達する溝６０を設ける。溝６０の底面にはｐ型III族窒化物半導体層８の上面８ａが露出し、溝６０の側面にはｎ型III族窒化物半導体層１０の側面１０ｃとｐ型III族窒化物半導体層８の側面８ｃが露出する。

（実施例１） 図３に示すように、溝６０の底面に露出するｐ型III族窒化物半導体層８の上面８ａをさらにドライエッチングして、複数本の溝８ｄを設ける。個々の溝８ｄは紙面垂直方向に長く伸びている。個々の溝８ｄの深さは、ｐ型III族窒化物半導体層８内に留まっている。
個々の溝８ｄを金属２０を充填する。金属２０は、溝６０を形成した段階での底面８ａをも被覆する厚みとする。金属には、Ni, Au, Pd あるいはこれらの合金が利用できる。溝８ｄに金属２０を充填してから、酸素シンターして電極とする。個々の溝８ｄに金属２０を充填すると、溝８ｄの側面と金属２０がオーミック接触する。金属２０によって、ｐ型III族窒化物半導体層８にオーミック接触する電極が形成される。

（実施例２） 図４に示すように、個々の溝８ｅがｐ型III族窒化物半導体層８を貫通してｎ型III族窒化物半導体層６に到達していてもよい。金属ないし電極２４がｐ型III族窒化物半導体層８とｎ型III族窒化物半導体層６の両者に接触しても問題は生じない。通常、金属ないし電極２４とｎ型III族窒化物半導体層６の間にはショットキーバリアが形成され、金属ないし電極２４とｎ型III族窒化物半導体層６の間にはそのショットキーバリアによって電流が流れるのを阻止する向きの電圧が加えられることが多いからである。

図３と図４では、個々の溝８ｄ，８ｅが紙面垂直方向に長い。紙面垂直方向に短い溝の複数本が、紙面垂直方向に繰り返されていてもよい。後者の場合、個々の溝を図３の上側から見たときに（ドライエッチング面６ａを平面視したときに）、正方形、長方形、三角形、六角形、八角形等の多角形をしていてもよい。あるいは、円、半円、楕円等の形状であってもよい。

（実施例３） 図５に示すように、ｐ型III族窒化物半導体層８をドライエッチングして上面８ａと側面８ｂを露出させ、露出した上面８ａと側面８ｂの双方に接する金属膜２６を電極としてもよい。側面８ｂに接することから、電極２６とｐ型III族窒化物半導体層８の間にオーミック特性を実現することができる。

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み合わ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み合わ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するものであり、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。
また下記に記載する特許請求の範囲の技術的範囲は、実施例に限定されない。実施例はあくまで例示である。

２：サファイア基板
４：バッファ層
６：ｎ型GaN層
８：ｐ型GaN層
１０：ｎ型GaN層
１２：AlGaN層
１２ａ：ソース領域
１２ｂ：チャネル領域
１２ｃ：ドレイン領域
１４ａ：ソース電極
１４ｂ：ドレイン電極
１６：ゲート絶縁膜
１８：ゲート電極
２０：アース電極
８ａ：エッチング上面
８ｂ：エッチング側面
８ｃ：エッチング側面
８ｄ，８ｅ：溝
２０，２４，２６：金属膜

Claims (3)

1. ｐ型III族窒化物半導体の上面から内部に侵入する溝が形成されており、
   その溝に充填された金属によってｐ型III族窒化物半導体にオーミック接触する電極が形成されているIII族窒化物半導体装置。
2. 溝がｐ型III族窒化物半導体の内部で留まっていることを特徴とする請求項１のIII族窒化物半導体装置。
3. 溝がｐ型III族窒化物半導体を貫通していることを特徴とする請求項１のIII族窒化物半導体装置。

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