JP2019125621A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、半導体装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a semiconductor device.
大電力を取り扱うように設計されたパワーMOSFETが知られている。パワーMOSFETは、例えば、ドレイン電極の上方にドリフト領域が配置されており、ドリフト領域の表層部に第1の厚みを有するボディ領域が配置されており、ボディ領域の表層部に第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有するソース領域が配置されており、ソース領域の表面の一部にソース電極が配置されている構造を備えている。特許文献1には、このようなパワーMOSFETの一例が開示されている。
Power MOSFETs designed to handle high power are known. In the power MOSFET, for example, the drift region is disposed above the drain electrode, the body region having the first thickness is disposed in the surface layer portion of the drift region, and the first thickness is provided in the surface portion of the body region Also, the source region having a thin second thickness is disposed, and the source electrode is disposed on a part of the surface of the source region.
パワーMOSFETでは、オン抵抗を低減することが望まれている。本明細書は、オン抵抗を低減することが可能な半導体装置を提供することを目的とする。 In power MOSFETs, it is desirable to reduce the on-resistance. An object of the present specification is to provide a semiconductor device capable of reducing on-resistance.
本明細書が開示する半導体装置は、第1電極を備える。半導体装置は、第1電極の上方に配置されている第1導電型の半導体である第1領域を備える。半導体装置は、第1領域の表層部に設けられており、第1の厚みを有する第2導電型の半導体である第2領域を備える。半導体装置は、第1領域の表層部の領域であって、第2領域に隣接するように第1の厚み以上の厚みを有して存在している特定領域を備える。半導体装置は、第2領域の表層部に設けられており、第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有する第1導電型の半導体である第3領域を備える。第3領域と特定領域とは第2領域によって隔てられている。半導体装置は、特定領域の表面、第2領域の表面および第3領域の表面に絶縁膜を介して配置されているゲート電極を備える。半導体装置は、第3領域の表面の一部に配置されている第2電極を備える。特定領域の少なくとも一部が、特定領域と第2領域との界面から遠ざかることに応じて不純物濃度が高くなるような濃度勾配を備えている。 The semiconductor device disclosed in the present specification includes a first electrode. The semiconductor device includes a first region which is a semiconductor of a first conductivity type disposed above the first electrode. The semiconductor device is provided in the surface layer portion of the first region, and includes a second region which is a semiconductor of a second conductivity type having a first thickness. The semiconductor device is a region of the surface layer portion of the first region, and includes a specific region which has a thickness equal to or greater than the first thickness and is adjacent to the second region. The semiconductor device is provided in the surface layer portion of the second region, and includes a third region which is a semiconductor of the first conductivity type having a second thickness thinner than the first thickness. The third area and the specific area are separated by the second area. The semiconductor device includes a gate electrode disposed on the surface of the specific region, the surface of the second region, and the surface of the third region via an insulating film. The semiconductor device includes a second electrode disposed on part of the surface of the third region. At least a part of the specific region is provided with a concentration gradient such that the impurity concentration is increased as the distance from the interface between the specific region and the second region is increased.
特定領域は、第2領域との界面から遠ざかることに応じて不純物濃度が高くなるような濃度勾配を備えている。このような濃度勾配を備えない場合、半導体装置のオン時において、特定領域内のうちの第2領域との界面近傍の領域に電流が集中して流れてしまう場合がある。一方、本明細書が開示する半導体装置は、濃度勾配を備えることで、より不純物濃度が高い領域を経由した電流経路を形成することができる。すなわち、特定領域内のうちの第2領域との界面から遠ざかった領域にも、電流経路を形成することができる。電流集中を緩和できるため、オン抵抗を低減することが可能となる。 The specific region is provided with a concentration gradient such that the impurity concentration is increased as the distance from the interface with the second region is increased. When such a concentration gradient is not provided, current may concentrate and flow in a region near the interface with the second region in the specific region when the semiconductor device is turned on. On the other hand, the semiconductor device disclosed in this specification can form a current path through a region with higher impurity concentration by providing a concentration gradient. That is, the current path can be formed also in the area away from the interface with the second area in the specific area. Since the current concentration can be alleviated, the on-resistance can be reduced.
図1に示されるように、半導体装置1は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)と称される種類の半導体装置である。半導体装置1は、窒化物半導体層10、窒化物半導体層10の裏面を被覆するドレイン電極22、窒化物半導体層10の表面の一部を被覆するソース電極24、及び、窒化物半導体層10の表面の一部に設けられているプレーナゲート30を備える。窒化物半導体層10は、N+型GaN(窒化ガリウム)のN型基板11、N型GaNのドリフト領域12、P型GaNのボディ領域14、N+型GaNのソース領域16、を備える。ドリフト領域12の表層部には、JFET領域13が配置されている。
As shown in FIG. 1, the
ドリフト領域12はドレイン電極22およびN型基板11の上方に配置されている。ボディ領域14は、ドリフト領域12の表層部に設けられており、第1の厚みT1を有する。
The
JFET領域13は、ボディ領域14に隣接しており、第1の厚みT1以上の厚みを有している。JFET領域13は、隣り合うボディ領域14の間に配置されており、窒化物半導体層10の表面に露出する。JFET領域13は、ドリフト領域12から凸状に突出した部分であり、ドリフト領域12の一部であるということもできる。
JFET領域13は、第1層13a〜第4層13dを備えている。第1層13aは、ドリフト領域12の上面およびボディ領域14の側面に形成されている。第2層13bは、第1層13aによって形成されている溝の底面および側面に形成されている。第3層13cは、第2層13bによって形成されている溝の底面および側面に形成されている。第4層13dは、第3層13cによって形成されている溝の内部に形成されている。
The JFET
第1層13aは、N−型GaNである。第2層13bは、N型GaNである。第3層13cは、N+型GaNである。第4層13dは、N++型GaNである。すなわち、第1層13aから第4層13dになるに従って、不純物濃度が高くなっている。なお、第1層13a〜第4層13dにおけるN−、N+、N++などの表記は、JFET領域13内における相対的な不純物濃度を示している。N型基板11やドリフト領域12の不純物濃度との対比における濃度差を示すものではない。
The
ソース領域16は、ボディ領域14の表層部に設けられており、第1の厚みT1よりも薄い第2の厚みT2を有する。ソース領域16とJFET領域13とは窒化物半導体層10の表面と平行な方向において、ボディ領域14によって距離D1だけ隔てられている。またソース領域16は、深さ方向において、ボディ領域14によってドリフト領域12から隔てられている。プレーナゲート30は、ゲート絶縁膜34およびゲート電極32を備えている。ゲート電極32は、JFET領域13の表面、ボディ領域14の表面およびソース領域16の表面に、ゲート絶縁膜34を介して配置されている。ソース電極24は、ソース領域16の表面の一部に配置されている。ソース電極24は、例えばPt、Au、Pd、Ni等の金属材料の単一又は組合せで構成される。
The
(半導体装置1の動作)
半導体装置1のターンオフ時の動作を説明する。ゲート電極32およびソース電極24が接地されている状態では、半導体装置1はターンオフ状態である。このとき、ボディ領域14からJFET領域13内に空乏層が伸びている。JFET領域13は、両側から伸びてくる空乏層が繋がってピンチオフの状態となる。これによりゲート絶縁膜34に加わる電界が緩和され、ゲート絶縁膜34の絶縁破壊が抑えられるため、半導体装置1が高い耐圧を有することができる。
(Operation of semiconductor device 1)
The operation at turn-off of the
半導体装置1のターンオン時の動作を、図2および図3を用いて説明する。図2は、比較例の半導体装置100の電流経路を示す図である。比較例の半導体装置100は、JFET領域130の不純物濃度が一定である装置である。なお、比較例の半導体装置100において、本実施例の半導体装置1と同一の構成には同一符号を付している。図3は、本実施例に係る半導体装置1の電流経路を示す図である。ドレイン電極22に正電圧が印加され、ソース電極24が接地され、ゲート電極32にゲート閾値よりも高い正電圧が印加されると、ボディ領域14のプレーナゲート30と対向している領域に反転層ILが形成され、半導体装置1がターンオンする。また、ボディ領域14からJFET領域13内へ広がっている空乏層DLが縮むことで、ピンチオフ状態が解除される。これにより、ドレイン電極22とソース電極24が導通する。
The turn-on operation of the
図2の半導体装置100では、オフ耐圧を確保するために、JFET領域130およびドリフト領域120の不純物濃度は低濃度とされている。すなわち、JFET領域130の全体が高抵抗である。従って半導体装置100のターンオン時には、図2の電流Ion1に示すように、JFET領域130とボディ領域14との界面F1の近傍に電流が集中してしまう。その結果、半導体装置100のオン抵抗が高くなってしまう。
In the
一方、図3の半導体装置1では、JFET領域13の少なくとも一部の領域である領域A1は、JFET領域13とボディ領域14との界面F2から図3の左右方向に遠ざかることに応じて不純物濃度が高くなるような濃度勾配を備えている。すなわち、JFET領域13には、界面F2から遠ざかるほど低抵抗になる電流経路が存在している。従って半導体装置1のターンオン時には、図3の電流Ion2に示すように、より不純物濃度が高い領域を経由した電流経路を形成することができる。すなわち、図2の電流Ion1に比して、図3の電流Ion2を、JFET領域13全体に分散して流すことができる。JFET領域13での電流集中を緩和できるため、半導体装置1のオン抵抗を低減することが可能となる。
On the other hand, in the
また、ボディ領域14の下面B1の端部である領域E1には、半導体装置1のオフ時に電界が集中する。本実施例の半導体装置1では、JFET領域13において、最も不純物濃度が低い第1層13aよりも不純物濃度が高い第2層13b〜第4層13dは、ボディ領域14の下面B1よりも上方側に配置されている。また最も不純物濃度が低い第1層13aのみが、ボディ領域14に接している。これにより、低濃度のPN接合を形成することで領域E1近傍の空乏層を広げることができるため、領域E1の電界集中を緩和することができる。半導体装置1の耐圧を確保することが可能となる。
Further, an electric field is concentrated in the area E1 which is an end portion of the lower surface B1 of the
(半導体装置1の製造方法)
図4〜図9を参照し、半導体装置1の製造方法を説明する。まず、図4に示されるように、N型基板11上にドリフト領域12およびボディ領域14をエピタキシャル成長させた窒化物半導体層10を準備する。
(Method of Manufacturing Semiconductor Device 1)
The method of manufacturing the
図5に示されるように、周知のフォトリソグラフィ技術を用いてマスク40を形成する。ドライエッチング法により、窒化物半導体層10の表面から深さ方向に伸びる溝TR1を形成する。溝TR1は、JFET領域13(図1参照)に対応する位置に形成される。
As shown in FIG. 5, the
図6に示されるように、窒化物半導体層10の表面に第1層13aをエピタキシャル成長させる。これにより第1層13aが、溝TR1の底面および側壁に成膜される。第1層13aの不純物濃度は、ドリフト領域12の不純物濃度と同濃度以下とされる。第1層13aは、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってエピタキシャル成長させてもよい。
As shown in FIG. 6, the
図7に示されるように、窒化物半導体層10の表面に、第2層13b〜第4層13dを順にエピタキシャル成長させる。第1層13aから第4層13dになるに従って、不純物濃度が高くなる。なお、第1層13a〜第4層13dは、原料ガスに含まれる不純物濃度を段階的に不連続に高くすることで形成することができる。従って、第1層13a〜第4層13dを作り分けるための追加の工程は不要であるため、追加のコストは発生しない。なお、CVD装置のチャンバを開放することなく、第1層13a〜第4層13dを連続的に成長させてもよい。
As shown in FIG. 7, second to fourth layers 13 b to 13 d are epitaxially grown in order on the surface of
図8に示されるように、CMP技術を利用して、ボディ領域14の表面が露出するまで、第1層13a〜第4層13dを除去する。これにより、第1層13a〜第3層13cは、溝TR1内において断面凹形状に加工される。また第4層13dは、第3層13cによって形成された溝に埋め込まれた形状に加工される。これにより、JFET領域13が形成される。
As shown in FIG. 8, the
図9に示されるように、周知のフォトリソグラフィ技術およびイオン注入技術を利用して、ボディ領域14の一部にシリコン(Si)を注入し、ソース領域16を形成する。アニールによってソース領域16を活性化する。次に、周知のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を利用して、ゲート絶縁膜34を形成し、ポストアニールする。
As shown in FIG. 9, silicon (Si) is implanted into a portion of the
最後に、窒化物半導体層10の上面側にゲート電極32およびソース電極24を形成するとともに、下面側にドレイン電極22を形成する。これにより、図1に示す半導体装置1が完成する。
Finally, the
図10に、実施例2の半導体装置1aの要部断面図を模式的に示す。なお、図1に示す実施例1の半導体装置1と実質的に共通する構成要素については共通の符号を付し、その説明を省略する。実施例1の半導体装置1と対比すると、実施例2の半導体装置1aは、JFET領域13に低濃度領域13eが備えられている点で特徴を有する。
FIG. 10 schematically shows a cross-sectional view of main parts of the
低濃度領域13eの効果を説明する。前述したように、ボディ領域14の下面端部の領域E2には、半導体装置1aのオフ時に高電界が印加される。実施例2の半導体装置1aでは、その領域E2に低濃度領域13eが配置されている。低濃度領域13eは、第1層13aおよびドリフト領域12よりもN型不純物の濃度が低いGaNである。よって、実施例1の領域E1に形成されているPN接合よりも、さらに低濃度のPN接合を、実施例2の領域E2に形成することができる。領域E2近傍の空乏層をさらに広げることができるため、半導体装置1aのさらなる高耐圧化を図ることが可能となる。
The effect of the
また、低濃度領域13eは、第1層13aおよびドリフト領域12よりも高抵抗な層である。しかし、低濃度領域13eの窒化物半導体層10の表面と平行な方向の幅W1を、半導体装置1aがオン時の空乏層DLの幅W2(図3参照)よりも小さくすることにより、低濃度領域13eを避けるように電流経路を形成することができる。これにより、半導体装置1aのオン抵抗が増加してしまうことがない。
The
(半導体装置1aの製造方法)
図11〜図13を参照し、半導体装置1aの製造方法を説明する。なお、実施例1の半導体装置1と実質的に共通する工程については説明を省略する。図5に示す溝TR1を形成した後に、図11に進む。
(Method of
A method of manufacturing the
図11に示されるように、窒化物半導体層10の表面に低濃度層13Eをエピタキシャル成長させる。次に、図12に示されるように、低濃度層13Eを等方エッチングする。これにより、エッチングレートが低い溝TR1の底の隅部に、低濃度領域13eを自己整合的に形成することができる。
As shown in FIG. 11, the
図13に示されるように、窒化物半導体層10の表面に第1層13aをエピタキシャル成長させる。以後は、実施例1の図7以降の工程を実施する。これにより、図10に示す半導体装置1aが完成する。
As shown in FIG. 13, 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。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、出願時請求項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。 As mentioned above, although the specific example of this invention was described in detail, these are only an illustration and do not limit a claim. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of the purposes itself has technical utility.
(変形例)
濃度勾配を備えたJFET領域13を形成する工程(図6、図7)では、N型の不純物濃度を不連続に高くする形態を説明したが、この形態に限られない。不純物濃度を連続的に上昇させながらJFET領域を形成してもよい。これにより、JFET領域とボディ領域との界面から遠ざかることに応じて連続的にグラデーションを有して不純物濃度が高くなるとともに、JFET領域とドリフト領域との界面から垂直上方向に遠ざかることに応じて連続的にグラデーションを有して不純物濃度が高くなるようなJFET領域を形成することができる。不純物濃度が異なる層同士の界面をなくすことができるため、濃度差の界面が存在する場合に比して、JFET領域の全体にさらに分散してオン電流を流すことが可能となる。
(Modification)
In the step of forming the
本実施例では、JFET領域13が第1層13a〜第4層13dの4層で構成される場合を説明したが、この形態に限られない。3層以下や5層以上であっても、本明細書に記載した効果を得ることが可能である。
Although the case where the
本実施例では、ドリフト領域12、ボディ領域14、ソース領域16、及びJFET領域13がいずれもGaNで構成されているが、必要に応じて、一部の層及び/又は領域が異なる半導体で構成されていてもよい。異なる半導体の一例としては、SiC、GaAs、Si、などが挙げられる。
In this embodiment, the
ドレイン電極22は、第1電極の一例である。N型は、第1導電型の一例である。ドリフト領域12は、第1領域の一例である。P型は、第2導電型の一例である。ボディ領域14は、第2領域の一例である。JFET領域13は、特定領域の一例である。ソース領域16は、第3領域の一例である。ソース電極24は、第2電極の一例である。
The
1、1a:半導体装置
10:窒化物半導体層
12:ドリフト領域
13:JFET領域
13a:第1層
13b:第2層
13c:第3層
13d:第4層
13e:低濃度領域
14:ボディ領域
16:ソース領域
22:ドレイン電極
24:ソース電極
32:ゲート電極
34:ゲート絶縁膜
1, 1a: semiconductor device 10: nitride semiconductor layer 12: drift region 13:
Claims (1)
前記第1電極の上方に配置されている第1導電型の半導体である第1領域と、
前記第1領域の表層部に設けられており、第1の厚みを有する第2導電型の半導体である第2領域と、
前記第1領域の表層部の領域である特定領域であって、前記第2領域に隣接するように前記第1の厚み以上の厚みを有して存在している前記特定領域と、
前記第2領域の表層部に設けられており、前記第1の厚みよりも薄い第2の厚みを有する第1導電型の半導体である第3領域であって、前記第3領域と前記特定領域とは前記第2領域によって隔てられている、前記第3領域と、
前記特定領域の表面、前記第2領域の表面および前記第3領域の表面に絶縁膜を介して配置されているゲート電極と、
前記第3領域の表面の一部に配置されている第2電極と、
を備え、
前記特定領域の少なくとも一部が、前記特定領域と前記第2領域との界面から遠ざかることに応じて不純物濃度が高くなるような濃度勾配を備えている、半導体装置。 A first electrode,
A first region that is a semiconductor of a first conductivity type disposed above the first electrode;
A second region which is a semiconductor of a second conductivity type provided in the surface layer portion of the first region and having a first thickness;
A specific area which is an area of a surface layer portion of the first area, the specific area having a thickness equal to or greater than the first thickness so as to be adjacent to the second area;
A third region which is a semiconductor of the first conductivity type and is provided in the surface layer portion of the second region and has a second thickness thinner than the first thickness, wherein the third region and the specific region And the third area separated by the second area;
A gate electrode disposed on the surface of the specific region, the surface of the second region, and the surface of the third region via an insulating film;
A second electrode disposed on a part of the surface of the third region;
Equipped with
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of the specific region has a concentration gradient such that the impurity concentration is increased as the distance from the interface between the specific region and the second region is increased.
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