JP2015162492A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
トレンチゲート型MOSFET(Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor:MOS電界効果トランジスタ)においては、トレンチゲートの底部に強い電界集中が起こることが知られている。この電界集中を緩和するために、トレンチゲートの底部周辺にp型半導体層を配置した構造が用いられる(特許文献1)。このようなp型半導体層は、たとえば、SiC半導体によるトレンチゲート型MOSFETを製造する場合には、イオン注入によって形成される。 In a trench gate type MOSFET (Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), it is known that strong electric field concentration occurs at the bottom of the trench gate. In order to alleviate this electric field concentration, a structure in which a p-type semiconductor layer is arranged around the bottom of the trench gate is used (Patent Document 1). Such a p-type semiconductor layer is formed, for example, by ion implantation when manufacturing a trench gate type MOSFET made of a SiC semiconductor.
しかし、GaN半導体においては、イオン注入によってp型半導体層を形成することができない。このため、GaN半導体によるトレンチゲート型MOSFETを製造する場合には、(i)p型半導体層の下に位置するドリフト層(n型半導体層)を形成し、(ii)後にトレンチゲートが形成されるべき位置近辺のドリフト層を、エッチングにより所望の形状に加工し、(iii)その上にp型半導体層を成長させて、トレンチゲートの底部周辺にp型半導体層を配置する方法を取り得る。 However, in a GaN semiconductor, a p-type semiconductor layer cannot be formed by ion implantation. Therefore, when manufacturing a trench gate type MOSFET made of a GaN semiconductor, (i) a drift layer (n type semiconductor layer) located under the p type semiconductor layer is formed, and (ii) a trench gate is formed afterwards. A drift layer near the position to be processed is processed into a desired shape by etching, and (iii) a p-type semiconductor layer is grown on the drift layer, and a p-type semiconductor layer can be disposed around the bottom of the trench gate. .
GaN半導体において、パターン加工した面に結晶の再成長をさせる場合には、面方位や成長条件によって結晶の成長速度が異なる。このため、トレンチゲート型MOSFETのチャネル層として好ましい1μm以下の厚さのp型半導体層を、パターン加工したドリフト層上に結晶成長させる際に、表面が平坦となるようにp型半導体層の成長を制御することは困難である。すなわち、ドリフト層のパターン(凹凸)に起因する凹凸が、p型半導体層の表面に形成される。そして、p型半導体層の上にコンタクト層(n型半導体層)を形成し、さらにその上に電極を形成する場合、コンタクト層の表面にもドリフト層のパターンに起因する凹凸が形成される。その結果、コンタクト層の凹凸の上に形成される電極において、段切れが発生する場合がある。 In a GaN semiconductor, when a crystal is regrown on a patterned surface, the crystal growth rate varies depending on the plane orientation and growth conditions. Therefore, when a p-type semiconductor layer having a thickness of 1 μm or less, which is preferable as a channel layer of a trench gate type MOSFET, is crystal-grown on a patterned drift layer, the p-type semiconductor layer is grown so that the surface becomes flat. It is difficult to control. That is, unevenness due to the drift layer pattern (unevenness) is formed on the surface of the p-type semiconductor layer. When a contact layer (n-type semiconductor layer) is formed on the p-type semiconductor layer and an electrode is further formed thereon, unevenness due to the drift layer pattern is also formed on the surface of the contact layer. As a result, step breakage may occur in the electrode formed on the unevenness of the contact layer.
また、上記の理由から、パターン加工したドリフト層上に形成するp型半導体層の厚さが面方向の各部において一定となるように、p型半導体層の成長を制御することは難しい。このため、トレンチゲート型MOSFETにおいては、以下のような問題が生じる。すなわち、ドリフト層のパターンが形成された場所の上にゲート電極のためのトレンチを形成した場合、トレンチの近傍に位置するp型半導体層の厚さが正確に制御されない。その結果、トレンチの近傍において、ドリフト層とコンタクト層を隔てるp型半導体層の厚さが十分でない箇所が生じるおそれがある。このため、p型半導体層の不純物の濃度にばらつきがあった場合に、トレンチゲート型MOSFETにおいて設計どおりの耐圧が実現されない可能性がある。 For the above reason, it is difficult to control the growth of the p-type semiconductor layer so that the thickness of the p-type semiconductor layer formed on the patterned drift layer is constant in each part in the plane direction. For this reason, the following problems occur in the trench gate type MOSFET. That is, when the trench for the gate electrode is formed on the place where the pattern of the drift layer is formed, the thickness of the p-type semiconductor layer located in the vicinity of the trench is not accurately controlled. As a result, there may be a portion in the vicinity of the trench where the thickness of the p-type semiconductor layer separating the drift layer and the contact layer is not sufficient. For this reason, when the impurity concentration of the p-type semiconductor layer varies, the trench breakdown voltage may not be achieved as designed in the trench gate type MOSFET.
よって、トレンチゲートの底部における電界集中を防止でき、かつ、電極の段切れや耐圧の低下など層の構造に起因する問題が生じにくいトレンチゲート型MOSFETの製造技術が求められていた。そのほか、半導体装置の技術分野においては、製造方法の簡易化、製造装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造方法の容易化等が望まれていた。 Therefore, there has been a demand for a technique for manufacturing a trench gate type MOSFET that can prevent electric field concentration at the bottom of the trench gate and that does not easily cause problems due to the layer structure such as electrode step-out and breakdown voltage reduction. In addition, in the technical field of semiconductor devices, simplification of the manufacturing method, downsizing of the manufacturing apparatus, cost reduction, resource saving, and easy manufacturing method have been desired.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、窒化ガリウム半導体による半導体装置の製造方法が提供される。この方法は、(a)n型半導体の基板に設けられた第1のn型半導体層において、前記基板とは逆の側の面に、凹凸を形成する工程と;(b)前記凹凸を形成した前記第1のn型半導体層に対して、前記基板とは逆の側に、前記半導体装置のチャネル層として機能するp型半導体層を形成する工程と;(c)前記p型半導体層をエッチングして、前記p型半導体層の厚みを低減する工程と;(d)前記エッチングされた前記p型半導体層に対して、前記第1のn型半導体層とは逆の側に、第2のn型半導体層を形成する工程と、を備える。このような態様においては、半導体装置のチャネル層として必要な厚みよりも厚くp型半導体層を形成し、その後、p型半導体層をエッチングして厚みを低減して、半導体装置のチャネル層を製造している。このため、上記の態様は、チャネル層として必要な厚みまでp型半導体層を形成してp型半導体層の形成を終了し、その上に第2のn型半導体層を形成する態様に比べて、以下の利点を備える。すなわち、第1のn型半導体層に形成された凹凸が、p型半導体層よりも後に形成される層の形状に反映されにくい。よって、上記の製造方法によって製造される半導体装置は、凹凸を形成された第1のn型半導体層とp型半導体層との構成を適切に設定することによって、トレンチゲートの底部における電界集中を防止でき、かつ、p型半導体層よりも後に形成される層の上に形成される電極において段切れが生じにくい。 (1) According to one aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device using a gallium nitride semiconductor is provided. In this method, (a) a first n-type semiconductor layer provided on an n-type semiconductor substrate has a step of forming irregularities on a surface opposite to the substrate; and (b) the irregularities are formed. Forming a p-type semiconductor layer functioning as a channel layer of the semiconductor device on a side opposite to the substrate with respect to the first n-type semiconductor layer; and (c) forming the p-type semiconductor layer Etching to reduce the thickness of the p-type semiconductor layer; and (d) a second side of the etched p-type semiconductor layer opposite to the first n-type semiconductor layer. Forming an n-type semiconductor layer. In such an embodiment, the p-type semiconductor layer is formed to be thicker than necessary for the channel layer of the semiconductor device, and then the p-type semiconductor layer is etched to reduce the thickness, thereby manufacturing the channel layer of the semiconductor device. doing. For this reason, the above-described aspect is different from the aspect in which the p-type semiconductor layer is formed to the necessary thickness as the channel layer, the formation of the p-type semiconductor layer is completed, and the second n-type semiconductor layer is formed thereon. The following advantages are provided. That is, the unevenness formed in the first n-type semiconductor layer is not easily reflected in the shape of the layer formed after the p-type semiconductor layer. Therefore, in the semiconductor device manufactured by the above manufacturing method, the electric field concentration at the bottom of the trench gate can be reduced by appropriately setting the configuration of the first n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer formed with unevenness. It can be prevented, and step breakage hardly occurs in an electrode formed on a layer formed after the p-type semiconductor layer.
(2)上記の方法において、前記工程(b)が、前記凹凸の前記各層の積層方向についての寸法の400%以上の厚みを有する前記p型半導体層を形成する工程である態様とすることができる。このような態様とすれば、工程(b)において、第1のn型半導体層の凹凸に起因する表面の凹凸の程度が少ないp型半導体層を形成することができる。このため、上記の態様は、チャネル層として必要な厚みまでp型半導体層を形成してp型半導体層の形成を終了する態様に比べて、p型半導体層よりも後に形成される各層に、第1のn型半導体層に形成された凹凸が反映されにくい。 (2) In the above method, the step (b) is a mode in which the p-type semiconductor layer having a thickness of 400% or more of the dimension of the irregularities in the stacking direction of the layers is formed. it can. According to such an embodiment, in the step (b), a p-type semiconductor layer having a small degree of surface unevenness due to the unevenness of the first n-type semiconductor layer can be formed. For this reason, in the above-described aspect, each layer formed after the p-type semiconductor layer is compared with an aspect in which the p-type semiconductor layer is formed to a thickness necessary for the channel layer and the formation of the p-type semiconductor layer is finished. Unevenness formed in the first n-type semiconductor layer is difficult to be reflected.
(3)上記の方法において、前記工程(b)が、前記各層の積層方向について、前記凹凸の寸法の1/10以下の寸法を有する凹凸を表面に有するか、または、表面に凹凸を有さない前記p型半導体層を形成する工程である態様とすることができる。このような態様は、表面の凹凸の寸法によらず、チャネル層として必要な厚みまでp型半導体層を形成してp型半導体層の形成を終了する態様に比べて、以下の利点を備える。すなわち、p型半導体層よりも後に形成される各層に、第1のn型半導体層に形成された凹凸が反映されにくい。 (3) In the above method, the step (b) has unevenness on the surface having a size of 1/10 or less of the unevenness in the stacking direction of the layers, or has unevenness on the surface. It can be set as the aspect which is the process of forming the said p-type semiconductor layer which is not. Such an aspect has the following advantages compared to an aspect in which the p-type semiconductor layer is formed to the necessary thickness as the channel layer and the formation of the p-type semiconductor layer is finished regardless of the surface irregularities. That is, the unevenness formed in the first n-type semiconductor layer is not easily reflected in each layer formed after the p-type semiconductor layer.
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。 A plurality of constituent elements of each aspect of the present invention described above are not indispensable, and some or all of the effects described in the present specification are to be solved to solve part or all of the above-described problems. In order to achieve the above, it is possible to appropriately change, delete, replace with another new component, and partially delete the limited contents of some of the plurality of components. In order to solve part or all of the above-described problems or to achieve part or all of the effects described in this specification, technical features included in one embodiment of the present invention described above. A part or all of the technical features included in the other aspects of the present invention described above may be combined to form an independent form of the present invention.
本発明は、上記方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、窒化チタン層の製造装置、窒化チタン層の製造方法、半導体装置の製造装置、半導体装置の製造装置の制御装置、半導体装置の製造装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms other than the above-described method. For example, a titanium nitride layer manufacturing apparatus, a titanium nitride layer manufacturing method, a semiconductor device manufacturing apparatus, a semiconductor device manufacturing apparatus control apparatus, a semiconductor device manufacturing apparatus control method, a computer program that implements the control method, and the like The present invention can be realized in the form of a non-temporary recording medium on which a computer program is recorded.
A.実施形態:
図1は、本発明の第1実施形態としてのトレンチゲート型MOSFET1の製造方法を示すフローチャートである。図1のステップS10では、n型GaN基板10が準備される。
A. Embodiment:
FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a trench gate type MOSFET 1 as a first embodiment of the present invention. In step S10 of FIG. 1, an n-
図2は、図1のステップS10で準備されるn型GaN基板10を示す断面図である。図2の左下に、相互に直交するXYZ軸を示す。以降の説明では、XYZ軸を参照してトレンチゲート型MOSFET1の製造工程における各構成の位置および寸法を説明することがある。なお、本明細書において、z軸正の方向を「上方」とする。z軸負の方向を「下方」とする。また、各工程においてz軸正の側が露出している層の露出面を、その層の「表面」と表記する。図3〜図9およびそれらの図を参照した説明においても同様である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the n-
n型GaN基板10は、窒化ガリウムを主成分とするn型半導体のウエハである。なお、本明細書において「Xを主成分とする」とは、全組成中におけるXの割合が90アトミック%以上であることを意味する。n型GaN基板10の厚さは、330μmである。n型GaN基板10のキャリア濃度は、3×1018cm-3である。なお、本明細書において、層の「厚さ」とは、層のz軸方向の寸法を意味する。
The n-
図1のステップS20では、n型GaN基板10上にn-−GaNドリフト層20が形成される。n-−GaNドリフト層20は、有機金属気相成長法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)により形成される。具体的には、n型GaN基板10がMOCVD装置の炉内に配置され、成長温度が1050℃となるようにMOCVD装置のサセプタの温度が設定される。その後、III属元素であるガリウムの原料としてのトリメチルガリウム(Tri-methyl Gallium:TMG)と、V属元素である窒素の原料としてのNH3と、ドーパントであるSiの原料としてのSiH4が炉内に導入される。その結果、窒化ガリウムを主成分としドーパントとしてSiを含むn型半導体からなるn-−GaNドリフト層20が、n型GaN基板10上に形成される。
In step S <b> 20 of FIG. 1, an n − -
図3は、ステップS20の処理が完了した状態の中間品2を示す図である。トレンチゲート型MOSFET1の製造工程において、各層は、n型GaN基板10上にz軸正の方向に順に形成される。本明細書において、z軸の方向を「積層方向」と表記することがある。n型GaN基板10上に形成されるn-−GaNドリフト層20の厚さは、約10μmである。n-−GaNドリフト層20のドナー濃度は、8×1015cm-3である。なお、技術の理解を容易にするため、図2〜図9においては、中間品の各層の厚さの正確な寸法を反映していない。
FIG. 3 is a diagram illustrating the intermediate product 2 in a state where the process of step S20 is completed. In the manufacturing process of the trench gate type MOSFET 1, each layer is sequentially formed on the n-
図1のステップS30では、n-−GaNドリフト層20の表面に、略長方形の断面を有する台地状の凸部30が形成される。凸部30が形成されるのは、n-−GaNドリフト層20において、n型GaN基板10とは逆の側の面である。より具体的には、ステップS20の後、図3に示す中間品2がMOCVD装置から取り出される。そして、フォトリソグラフィにより、中間品2のn-−GaNドリフト層20上にエッチングマスクが形成される。このエッチングマスクは、SiO2で構成される。そして、エッチングマスクを付された中間品2は、エッチング装置内に配置され、ドライエッチングが行われる。その結果、エッチングマスクに覆われていない部分が厚さ1μmに相当する分だけ除去され、n-−GaNドリフト層20に凸部30が形成される。
In step S <b> 30 of FIG. 1, a plate-like
図4は、ステップS30の処理が完了した状態の中間品3を示す図である。凸部30は、n-−GaNドリフト層20の一部であって、ステップS30で実行されるエッチングにおいて除去されなかった部分である。凸部30のz軸方向の寸法hは1μmである。凸部30が設けられている領域Rgに、後の工程において、トレンチゲートが形成される。
FIG. 4 is a diagram illustrating the
図1のステップS40では、凸部30が設けられたn-−GaNドリフト層20の上に、pGaNチャネル層40が形成される。pGaNチャネル層40が形成されるのは、n-−GaNドリフト層20に対して、n型GaN基板10とは逆の側である。pGaNチャネル層40は、完成品としてのトレンチゲート型MOSFET1において、チャネル層として機能する。
In step S <b> 40 of FIG. 1, the
pGaNチャネル層40も有機金属気相成長法(MOCVD)により形成される。具体的には、ステップS30の処理が完了した中間品3がMOCVD装置の炉内に配置され、成長温度が1050℃となるようにMOCVD装置のサセプタの温度が設定される。その後、ガリウムの原料としてのトリメチルガリウム(TMG)と、窒素の原料としてのNH3と、ドーパントであるマグネシウムの原料としてのビス(シクロペンタジエニル)マグネシウム(bis (cyclopentadienyl) magnesium:Cp2Mg)が、炉内に導入される。その結果、窒化ガリウムを主成分としドーパントとしてマグネシウムを含むp型半導体からなるpGaNチャネル層40が、n-−GaNドリフト層20の上に形成される。
The
図5は、ステップS40の処理が完了した状態の中間品4を示す図である。n-−GaNドリフト層20上に形成されるpGaNチャネル層40の厚さT40は、約4μmである。pGaNチャネル層40のドーパントとしてのMg濃度は、4×1018cm-3である。ステップS40では、ステップS30で形成されたn-−GaNドリフト層20の凸部30のz軸方向の寸法h(1μm)に対して400%の厚さで、pGaNチャネル層40は形成される。その際、n-−GaNドリフト層20の凸部30に起因する凹凸のz軸方向の寸法は、100nm以下である。すなわち、凹凸のz軸方向の寸法は、pGaNチャネル層40の表面において、凸部30のz軸方向の寸法h(1μm)の1/10以下となっている。
すなわち、pGaNチャネル層40の表面は、ほぼ平坦である(図5参照)。
FIG. 5 is a diagram showing the intermediate product 4 in a state where the process of step S40 is completed. The thickness T40 of the
That is, the surface of the
図1のステップS50では、pGaNチャネル層40のうち台地状の凸部30上に積層された部分の厚さLが約0.7μmとなるまで、pGaNチャネル層40がエッチングされる。すなわち、pGaNチャネル層40は、完成品であるトレンチゲート型MOSFET1におけるpGaNチャネル層の厚さT41となるまで、エッチングにより厚さを低減される。より具体的には、ステップS40の後、図5に示す中間品4がMOCVD装置から取り出される。そして、中間品4は、エッチング装置内に配置され、ドライエッチングが行われる。その結果、pGaNチャネル層40のうち台地状の凸部30上に積層された部分の厚さLは、0.7μmまで低減される。
In step S50 of FIG. 1, the
図6は、ステップS50の処理が完了した状態の中間品5を示す図である。ステップS50のエッチングにおいてはpGaNチャネル層40の表面は均等にエッチングされる。pGaNチャネル層40は、ステップS40で、その表面がほぼ平坦となるように形成されている(図5参照)。このため、ステップS50の処理が完了した状態の中間品5においても、pGaNチャネル層40の表面はほぼ平坦である。
FIG. 6 is a diagram illustrating the
図1のステップS60では、厚さが低減されたpGaNチャネル層40の上に、n+−GaNコンタクト層50が形成される。n+−GaNコンタクト層50が形成されるのは、pGaNチャネル層40に対して、n-−GaNドリフト層20とは逆の側である。
In step S <b> 60 of FIG. 1, the n + -
n+−GaNコンタクト層50も有機金属気相成長法(MOCVD)により形成される。具体的には、ステップS50の処理が完了した中間品5がMOCVD装置の炉内に配置され、成長温度が1050℃となるようにMOCVD装置のサセプタの温度が設定される。その後、ガリウムの原料としてのトリメチルガリウム(TMG)と、窒素の原料としてのNH3と、ドーパントであるSiの原料としてのSiH4が炉内に導入される。その結果、窒化ガリウムを主成分としドーパントとしてSiを含むn型半導体からなるn+−GaNコンタクト層50が、pGaNチャネル層40上に形成される。
The n + -
図7は、ステップS60の処理が完了した状態の中間品6を示す図である。pGaNチャネル層40上に形成されるn+−GaNコンタクト層50の厚さは、約0.2μmである。n+−GaNコンタクト層50のドナー濃度は、3×1018cm-3である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the
図8は、トレンチゲート型MOSFET1の主な構成を示す断面図である。図1のステップS70では、図7に示す中間品6に、ゲート電極80、ソース電極90、ドレイン電極100等が形成され、図8に示すトレンチゲート型MOSFET1が完成される。より具体的には、z軸負の方向にn+−GaNコンタクト層50およびpGaNチャネル層40を貫通して、n-−GaNドリフト層20の凸部30に至るトレンチ60が形成される。すなわち、トレンチ60は、Y軸方向について領域Rgに形成される。トレンチ60は、トレンチゲート型MOSFET1において、x軸方向に沿って延びる溝である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the main configuration of the trench gate type MOSFET 1. In step S70 of FIG. 1, the
そして、(i)トレンチ60の底面を構成するn-−GaNドリフト層20(凸部30)の露出面と、(ii)トレンチ60の側面を構成するn-−GaNドリフト層20(凸部30)の露出面とpGaNチャネル層40の露出面とn+−GaNコンタクト層50の露出面と、(iii)n+−GaNコンタクト層50の表面の一部と、の上に、絶縁膜70が形成される。絶縁膜70は、SiO2で構成される。そして、トレンチ60内の絶縁膜70およびn+−GaNコンタクト層50上の絶縁膜70の一部の上に、ゲート電極80が形成される。このようにしてトレンチゲート電極が形成される。
Then, (i) n constituting the bottom surface of the trench 60 - and the exposed surface of the -GaN drift layer 20 (projecting portions 30), n defines the side surface of (ii) a trench 60 - -GaN drift layer 20 (projecting portions 30 ), The exposed surface of the
また、Y軸方向について領域Rgに含まれない位置において、z軸負の方向にn+−GaNコンタクト層50を貫通して、pGaNチャネル層40内にソース電極90が形成される。ソース電極90は、n+−GaNコンタクト層50に電気的に接続されている。
Further, a
一方、n型GaN基板10のn-−GaNドリフト層20と逆の側に、ドレイン電極100が形成される。
On the other hand, the
このような構成を有するトレンチゲート型MOSFET1は、以下のように動作する。すなわち、ソース電極90とドレイン電極100との間に高電圧が印加された状態において、ゲート電極80に電圧が印加されると、pGaNチャネル層40のうち、トレンチ60の側面に位置する絶縁膜70の近傍の部位Cに、反転層が形成される。その結果、ソース電極90とドレイン電極100との間が、n+−GaNコンタクト層50、pGaNチャネル層40の反転層C(n型)、n-−GaNドリフト層20、n型GaN基板10を介して、導通し、電流が流れる。一方、ゲート電極80に電圧が印加されていない状態では、n+−GaNコンタクト層50とn-−GaNドリフト層20とが、pGaNチャネル層40によって隔てられているため、ソース電極90とドレイン電極100との間には、電流は流れない。
The trench gate type MOSFET 1 having such a configuration operates as follows. That is, when a voltage is applied to the
本実施形態においては、図8に示すように、トレンチゲート電極80のMOS(金属−酸化物−半導体)構造において、トレンチの底部(ゲート電極80と絶縁膜70)がn-−GaNドリフト層20の凸部30に食い込んで構成される。凸部30に食い込んだトレンチの底部の角の部分を、図8において、「Ac」で示す。また、pGaNチャネル層40は、凸部30の基部において、角状の部分Bcを形成している。なお、pGaNチャネル層40のうち、トレンチゲート型MOSFET1がONの状態においてチャネルが形成される部分Cは、n-−GaNドリフト層20の凸部30とn+−GaNコンタクト層50との間に位置する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, in the MOS (metal-oxide-semiconductor) structure of the
このような構成においては、トレンチゲート型MOSFET1がONの状態において、電界は、トレンチの底部の角の部分Acと、pGaNチャネル層40の角の部分Bcとに分かれて、集中する。このため、n-−GaNドリフト層20に台地状の凸部30が設けられず、トレンチの底部の角の部分のみに電界が集中する態様に比べて、トレンチゲート型MOSFET1がONの状態においても、トレンチゲートの底部に強い電界集中が起こることを防止できる。
In such a configuration, when the trench gate type MOSFET 1 is ON, the electric field is divided into a corner portion Ac at the bottom of the trench and a corner portion Bc of the
なお、上記実施形態におけるトレンチゲート型MOSFET1が、「課題を解決するための手段」における「半導体装置」に相当する。n-−GaNドリフト層20が、「第1のn型半導体層」に相当する。凸部30が、「凹凸」に相当する。pGaNチャネル層40が、「p型半導体層」に相当する。n+−GaNコンタクト層50が、「第2のn型半導体層」に相当する。
The trench gate type MOSFET 1 in the above embodiment corresponds to a “semiconductor device” in “Means for Solving the Problems”. The n − -
図9は、図1のステップS40,S50に代えて他の工程を採用する場合の、ステップS60後の状態の中間品6cを示す断面図である。上記実施形態では、ステップS30の後、ステップS40において、トレンチゲート型MOSFET1におけるpGaNチャネル層の厚さT41よりも大きい厚さT40を有するpGaNチャネル層40を形成した(図5および図8参照)。そして、ステップS50において、トレンチゲート型MOSFET1におけるpGaNチャネル層の厚さまで、pGaNチャネル層40をエッチングした(図6参照)。これに対して、pGaNチャネル層40の厚さを低減する工程を含まない、以下のような工程を採用する場合について、検討する。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the
この態様においても、図1のステップS30の後、凸部30が設けられたn-−GaNドリフト層20の上に、pGaNチャネル層140が形成される。pGaNチャネル層140の形成も、ステップS40におけるpGaNチャネル層140の形成と同様に行われる。ただし、pGaN層のうち台地状の凸部30上に積層された部分の厚さLcが0.7μmとなった時点で、pGaNチャネル層140の形成は終了する。pGaNチャネル層140の形成工程の他の点は、図1のステップS40の処理と同じである。この工程においてn-−GaNドリフト層20のうち台地状の凸部30上に積層された部分の上に形成されるpGaNチャネル層140の厚さLcは、0.7μmである。
Also in this embodiment, after step S30 of FIG. 1, the
その後、上記実施形態と同様に図1のステップS60の工程が実行され、n+−GaNコンタクト層150が形成される。n+−GaNコンタクト層150を形成する工程の処理内容は、処理の前後の中間品の構成が異なる点以外は、図1のステップS60の工程と同じである。図9は、そのような工程を経て得られた中間品6cを示す。
Thereafter, the step S60 of FIG. 1 is performed in the same manner as in the above embodiment, and the n + -
有機金属気相成長法による積層においては、時間の経過とともに下層の表面の凹凸が解消されるように、言い換えれば、下層の表面の凹凸を埋めるように、層が、下層の上に成長する。しかし、下層の表面の凹凸の大きさ(深さ)に対して層の成長時間が十分でない場合には、下層の表面の凹凸が十分解消されない。この比較例においては、pGaN層のうち台地状の凸部30上に積層された部分の厚さLcが0.7μmとなった時点で、pGaNチャネル層140の形成は終了する。その状態においては、まだ、pGaNチャネル層140の表面において、n-−GaNドリフト層20に形成された凸部30の形状が完全になくなるほどには、pGaNチャネル層140の成長のための時間が経過していない。そして、表面に凹凸を残したpGaNチャネル層140の上に、n+−GaNコンタクト層150が、成長する。その結果、図9に示す中間品6cにおいては、n+−GaNコンタクト層150の表面に、n-−GaNドリフト層20の凸部30の形状そのままの形状ではないものの、凸部30に起因する段差Dが存在する。
In the lamination by the metal organic vapor phase epitaxy method, the layer grows on the lower layer so that the unevenness on the surface of the lower layer is eliminated as time passes, in other words, the unevenness on the surface of the lower layer is filled. However, when the growth time of the layer is not sufficient with respect to the size (depth) of the surface roughness of the lower layer, the surface roughness of the lower layer is not sufficiently eliminated. In this comparative example, the formation of the
なお、この態様においては、pGaNチャネル層140のうち凸部30の上面の上に位置する部分は、ほぼ平坦に形成され、凸部30の外側に位置する部分において、段差Dが形成される。また、pGaNチャネル層140のうち凸部30の上面の上に位置する部分に加えて、その部分に隣接し凸部30の外側に位置する部分も、凸部30の上面の上に位置する部分と同じ平面となるように形成され、さらにその外側に段差Dが形成される場合もある。n+−GaNコンタクト層150は、そのように形成されたpGaNチャネル層140の上面に沿って形成される。
In this aspect, the portion of the
その結果、たとえば、n+−GaNコンタクト層150上に上方からの蒸着により電極が形成された場合に(図8のn+−GaNコンタクト層50およびゲート電極80参照)、段差Dの箇所において、電極層が薄くなる。そのような箇所においては、電極の抵抗が増大する。また、段差Dの箇所において、電極層が不連続となり、いわゆる段切れを起こす可能性もある。そのような箇所においては、段切れの部分を挟んだ電極は導通しないことととなる。
As a result, for example, when an electrode is formed on the n + -
一方、本実施形態においては、まず、凸部30の段差の寸法の400%の厚さまでpGaNチャネル層40の形成を行うことにより(図1のステップS40、および図5参照)、凸部30に起因する段差をpGaNチャネル層40の表面からなくす。そして、その後、pGaNチャネル層40をエッチングして、pGaNチャネル層40の厚さを、完成品であるトレンチゲート型MOSFET1におけるpGaNチャネル層の厚さT41とする(図1のステップS50、および図6参照)。このため、pGaNチャネル層40の表面(図6参照)およびn+−GaNコンタクト層50の表面(図7参照)において、凹凸はほぼ存在しない。その結果、n+−GaNコンタクト層50上に電極層を設けても、電極層の一部に薄い部分ができたり、導通しない部分が生じたりする可能性が低い。
On the other hand, in the present embodiment, first, the
また、図9に示す中間品6cにおいて、pGaNチャネル層40のうち台地状の凸部30上に積層された部分において、pGaNチャネル層40の厚みが均一にならない場合がある。たとえば、pGaNチャネル層40の上面が、凸部30の上面に対して傾斜する場合がある。そのような場合のpGaNチャネル層140iおよびn+−GaNコンタクト層150iの形状を図9において破線で示す。この現象は、n型GaN基板10が、C面を上面とするように形成されておらず、OFF角が設定されている場合に生じるのではないかと推測される。
In the
なお、この態様においては、pGaNチャネル層140のうち凸部30の上面の上に位置する部分は、凸部30の上面に対して傾いた平面状に形成され、凸部30の外側に位置する部分において、段差Dが形成される(図9破線部参照)。また、pGaNチャネル層140のうち凸部30の上面の上に位置する部分に加えて、その部分に隣接し凸部30の外側に位置する部分も、凸部30の上面の上に位置する部分と同じ平面となるように形成され、さらにその外側に段差Dが形成される場合もある。n+−GaNコンタクト層150は、そのように形成されたpGaNチャネル層140の上面に沿って形成される。
In this aspect, the portion of the
上記の場合には、pGaNチャネル層140のうち、凸部30とn+−GaNコンタクト層150との間を隔てる部分の厚さLcが一定とならない。その結果、pGaNチャネル層140のドーパントの濃度にばらつきがある場合に、凸部30とn+−GaNコンタクト層150との距離が短い部分で絶縁破壊が起こり、十分な耐圧が実現されない可能性がある。
In the above case, the thickness Lc of the
一方、本実施形態においては、図1のステップS40の処理において、凸部30のz軸方向の寸法hに対して400%の厚さで、pGaNチャネル層40が形成される。そして、有機金属気相成長法による積層においては、時間の経過とともに下層の表面の凹凸が解消されるように、層が成長する。このため、仮に、層の成長の途中の段階において、pGaNチャネル層40のうち凸部30上に積層された部分の厚みが均一ではなかったとしても、ステップS40の処理が完了した時点では、凸部30上のpGaNチャネル層40の厚みはほぼ一定となっている。その後、図1のステップS50において、pGaNチャネル層40のうち凸部30上に積層された部分の厚さLが約0.7μmとなるまで、pGaNチャネル層40がエッチングされる(図6および図7参照)。
On the other hand, in the present embodiment, the
このため、本実施形態においては、pGaNチャネル層40のうち、凸部30とn+−GaNコンタクト層50との間を隔てる部分の厚さLは、一定である(図7および図8参照)。その結果、凸部30とn+−GaNコンタクト層50との間において、空乏層が形成される領域を十分確保することができる。よって、pGaNチャネル層40のドーパントの濃度にばらつきがあっても、凸部30とn+−GaNコンタクト層50との間で絶縁破壊が起こる可能性が低く、十分な耐圧が実現される。
Therefore, in the present embodiment, the thickness L of the
B.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
B1.変形例1:
上記実施例においては、n-−GaNドリフト層20の凸部30は略長方形の断面形状を有する。しかし、ある層に形成される凹凸はそのような形状に限定されるものではない。すなわち、断面が三角形状の凸部や凹部や、断面が台形形状の凸部や凹部が、層の面に形成される態様とすることもできる。
B1. Modification 1:
In the above embodiment, the
ただし、層に形成する凹凸は、平らな上面を有する凸部を含むことが好ましい。そして、半導体装置において、その平らな上面の上にトレンチが形成されることが好ましい。そのような態様においては、その凸部上に配されるチャネル層の上面がほぼ平らに形成されることにより、凸部上においてチャネル層の厚みがほぼ一定となる(図8のL参照)。その結果、トレンチの近傍において、チャネル層の厚みがほぼ一定となり、トレンチゲート型MOSFETにおいて設計どおりの耐圧を実現しやすい。 However, the unevenness formed in the layer preferably includes a convex portion having a flat upper surface. In the semiconductor device, a trench is preferably formed on the flat upper surface. In such an aspect, the upper surface of the channel layer disposed on the convex portion is formed almost flat, so that the thickness of the channel layer is substantially constant on the convex portion (see L in FIG. 8). As a result, the thickness of the channel layer is substantially constant in the vicinity of the trench, and it is easy to realize the breakdown voltage as designed in the trench gate type MOSFET.
B2.変形例2:
上記実施例においては、図1のステップS40では、ステップS30で形成されたn-−GaNドリフト層20の凸部30のz軸方向の寸法hに対して400%の厚さで、pGaNチャネル層40は形成される。しかし、形成された凹凸の寸法と、その後に形成される層の厚さの比は、400%には限られない。
B2. Modification 2:
In the above embodiment, in step S40 of FIG. 1, the pGaN channel layer has a thickness of 400% with respect to the dimension h in the z-axis direction of the
層の成長においては、時間の経過とともに下層の表面の凹凸が解消されるように、言い換えれば、下層の表面の凹凸を埋めるように、層が、下層の上に成長する。このため、凹凸を有する層の上に設ける層の成長時間が長く、層の厚みが増えるほど、設けられる層の上面の凹凸は小さくなると考えられる。よって、形成された凹凸の寸法と、その後に形成される層の厚さの比は、400%を超えるものであってもよい。 In the growth of the layer, the layer grows on the lower layer so that the unevenness on the surface of the lower layer is eliminated as time passes, in other words, the unevenness on the surface of the lower layer is filled. For this reason, it is considered that the unevenness of the upper surface of the provided layer becomes smaller as the growth time of the layer provided on the uneven layer is longer and the thickness of the layer is increased. Therefore, the ratio between the size of the formed irregularities and the thickness of the layer formed thereafter may be more than 400%.
また、後に形成される電極の材料や、その後に形成される構造によって、性能を発揮するために要求される下部構造の平坦さは異なる。よって、形成された凹凸の寸法と、その後に形成される層の厚さの比は、400%よりも小さいものであってもよい。 Further, the flatness of the lower structure required for exhibiting performance differs depending on the material of the electrode formed later and the structure formed thereafter. Therefore, the ratio between the size of the formed irregularities and the thickness of the layer formed thereafter may be smaller than 400%.
B3.変形例3:
上記実施例においては、図1のステップS40で形成されるpGaNチャネル層40の表面のz軸方向の凹凸の寸法は、n-−GaNドリフト層20の凸部30の軸方向の寸法の1/10以下となっている。しかし、後に形成される電極の材料や、その後に形成される構造によって、性能を発揮するために要求される平坦さは異なる。よって、形成された凹凸の寸法と、その後に形成される層の表面の凹凸の寸法の比は、1/10よりも大きいものであってもよい。なお、「面の凹凸の寸法」とは、面のうち、その面の下の層に設けられた凹凸に対応する領域内において、もっとも積層方向について離れた位置にある地点間の距離をいう。
B3. Modification 3:
In the above embodiment, the dimension of the irregularities in the z-axis direction on the surface of the
B4.変形例4:
上記実施形態においては、チャネル層としてのpGaNチャネル層40が、図1のステップS40において、まず過剰な厚さで形成され、その後、ステップS50でpGaNチャネル層40の厚さを低減することで、電極が形成されるコンタクト層の表面の凹凸を低減している。
B4. Modification 4:
In the above embodiment, the
しかし、半導体装置において表面の凹凸を低減するための処理は、コンタクト層など、チャネル層より後に形成される層について、まず過剰な厚さで形成し、後にその厚さを低減することによって、なされてもよい。そのような態様としても、電極が形成される層の表面の凹凸を低減することができ、電極の段切れを防止することができる。 However, the processing for reducing the unevenness of the surface in the semiconductor device is performed by forming the layer formed after the channel layer, such as the contact layer, with an excessive thickness first and then reducing the thickness later. May be. Even in such an embodiment, unevenness on the surface of the layer on which the electrode is formed can be reduced, and disconnection of the electrode can be prevented.
なお、チャネル層を過剰な厚さで形成し、その後、その厚さを低減する態様は、チャネル層の厚みの変動を少なくすることができる点で、チャネル層より後に形成される層を過剰な厚さで形成し、その厚さを低減する態様よりも、好ましい。トレンチゲート型MOSFETにおいて、そのような態様を採用すれば、トレンチの近傍のチャネル長のばらつきを小さくすることができる。 Note that the aspect in which the channel layer is formed with an excessive thickness and then the thickness is reduced is that the fluctuation of the thickness of the channel layer can be reduced, and the layer formed after the channel layer is excessive. It is preferable to an embodiment in which the thickness is formed and the thickness is reduced. If such an aspect is adopted in the trench gate type MOSFET, the variation in channel length in the vicinity of the trench can be reduced.
B5.変形例5:
上記実施形態においては、n-−GaNドリフト層20に凸部30を形成した後、n-−GaNドリフト層20に接して、チャネル層としてのpGaNチャネル層40が形成される。しかし、ある層に凹凸を形成する工程の後、チャネル層を形成する工程の前に、凹凸を形成した層と同じ種類の半導体層(たとえば、凹凸を形成した層がn型半導体であれば、n型半導体の層)を形成する工程をさらに備えることもできる。
B5. Modification 5:
In the above embodiment, n - after forming the -
ある層Aに凹凸を形成した後、層Aに接して異種の半導体層Bを成長させる態様においては、層Aと層Bの界面において、不純物準位の発生などにより、n型半導体のドナーの濃度およびp型半導体のアクセプタの濃度が目標値からずれる可能性がある。しかし、上記の態様においては、凹凸の形成を挟んで層A上に再成長される半導体層の種類が層Aと同じである。このため、界面において上記のような問題は生じない。このように、上記実施形態で形成した各層の機能を阻害しない態様とすることができる範囲において、各層の間に他の層を形成することができる。 In a mode in which different types of semiconductor layers B are grown in contact with the layer A after forming irregularities on the layer A, an n-type semiconductor donor is generated at the interface between the layers A and B due to the generation of impurity levels. There is a possibility that the concentration and the acceptor concentration of the p-type semiconductor may deviate from the target values. However, in the above aspect, the type of the semiconductor layer regrowth on the layer A with the formation of the unevenness is the same as the layer A. For this reason, the above problems do not occur at the interface. As described above, other layers can be formed between the respective layers within a range in which the functions of the respective layers formed in the above embodiment can be prevented.
B6.変形例6:
上記実施形態においては、pGaNチャネル層40の厚さの低減は、ドライエッチングによりなされている。しかし、層の厚さの低減のための処理の方法は、ドライエッチングであってもよいし、ウェットエッチングであってもよい。また、厚さの低減のための処理は、ドライエッチングとウェットエッチングの両方によって行われることとしてもよい。
B6. Modification 6:
In the above embodiment, the thickness of the
B7.変形例7:
上記実施形態においては、npn接合を備える半導体装置について説明した。しかし、本願発明の要旨はpnp接合を備える半導体装置に適用することも可能である。
B7. Modification 7:
In the above embodiment, the semiconductor device including the npn junction has been described. However, the gist of the present invention can also be applied to a semiconductor device having a pnp junction.
B8.変形例8:
本発明を適用する半導体装置として、上記実施形態において、トレンチゲート型MOSFETの製造の例を説明した(図8参照)。しかし、本発明はこれらの例に限らず、凹凸を有する層を形成した後にチャネル層を形成する半導体装置の製造方法や、凹凸を有する層を形成した後に電極を形成する半導体装置の製造方法などに適用することができる。
B8. Modification 8:
As a semiconductor device to which the present invention is applied, an example of manufacturing a trench gate type MOSFET has been described in the above embodiment (see FIG. 8). However, the present invention is not limited to these examples, and a method for manufacturing a semiconductor device in which a channel layer is formed after forming a layer having unevenness, a method for manufacturing a semiconductor device in which an electrode is formed after forming a layer having unevenness, etc. Can be applied to.
1…トレンチゲート型MOSFET
2〜6,6c…中間品
10…n型GaN基板
20…n-−GaNドリフト層
30…凸部
40…pGaNチャネル層
50…n+−GaNコンタクト層
60…トレンチ
70…絶縁膜
80…ゲート電極
90…ソース電極
100…ドレイン電極
140…pGaNチャネル層
150…n+−GaNコンタクト層
C…pGaNチャネル層40の反転層が形成される部位
L…凸部30とコンタクト層50との間を隔てるpGaNチャネル層40の厚さ
Lc…凸部30とコンタクト層150との間を隔てるpGaNチャネル層140の厚さ
Rg…凸部30が設けられている領域
T40…pGaNチャネル層40の厚さ
T41…トレンチゲート型MOSFET1におけるpGaNチャネル層の厚さ
h…凸部30のz軸方向の寸法
1 ... Trench gate type MOSFET
2-6, 6c ...
Claims (3)
(a)n型半導体の基板に設けられた第1のn型半導体層において、前記基板とは逆の側の面に、凹凸を形成する工程と、
(b)前記凹凸を形成した前記第1のn型半導体層に対して、前記基板とは逆の側に、前記半導体装置のチャネル層として機能するp型半導体層を形成する工程と、
(c)前記p型半導体層をエッチングして、前記p型半導体層の厚みを低減する工程と、
(d)前記エッチングされた前記p型半導体層に対して、前記第1のn型半導体層とは逆の側に、第2のn型半導体層を形成する工程と、を備える、方法。 A method of manufacturing a semiconductor device using a gallium nitride semiconductor,
(A) in the first n-type semiconductor layer provided on the substrate of the n-type semiconductor, a step of forming irregularities on the surface opposite to the substrate;
(B) forming a p-type semiconductor layer functioning as a channel layer of the semiconductor device on a side opposite to the substrate with respect to the first n-type semiconductor layer having the irregularities;
(C) etching the p-type semiconductor layer to reduce the thickness of the p-type semiconductor layer;
(D) forming a second n-type semiconductor layer on the opposite side of the etched p-type semiconductor layer from the first n-type semiconductor layer.
前記工程(b)は、前記凹凸の前記各層の積層方向についての寸法の400%以上の厚みを有する前記p型半導体層を形成する工程である、方法。 The method of claim 1, comprising:
The method in which the step (b) is a step of forming the p-type semiconductor layer having a thickness of 400% or more of the dimension of the irregularities in the stacking direction of the layers.
前記工程(b)は、前記各層の積層方向について、前記凹凸の寸法の1/10以下の寸法を有する凹凸を表面に有するか、または、表面に凹凸を有さない前記p型半導体層を形成する工程である、方法。 The method according to claim 1 or 2, comprising:
In the step (b), in the stacking direction of the respective layers, the p-type semiconductor layer is formed which has irregularities having a size of 1/10 or less of the irregularities on the surface or has no irregularities on the surface. A method of performing.
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