JP5271022B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物系化合物半導体で形成した半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device formed of a group III nitride compound semiconductor.
III族窒化物系化合物半導体で半導体装置を実現する開発がおこなわれており、その例が特許文献1に開示されている。
特許文献1に記載の半導体装置は、n型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている下層に、p型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている上層が積層された構造を備えている。p型の上層には、その上層を貫通するアパーチャーが形成されており、そのアパーチャーには、n型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体が充填されている。
半導体装置がオンすると、アパーチャーを充填しているIII族窒化物系化合物半導体と、その下部に位置しているn型のIII族窒化物系化合物半導体を電流が流れる。電流は、アパーチャーを介して半導体層を縦方向に流れる。
The semiconductor device described in Patent Document 1 has a structure in which an upper layer formed of a p-type group III nitride compound semiconductor is stacked on a lower layer formed of an n-type group III nitride compound semiconductor. I have. An aperture penetrating the upper layer is formed in the p-type upper layer, and the aperture is filled with an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor.
When the semiconductor device is turned on, a current flows through the group III nitride compound semiconductor filled with the aperture and the n-type group III nitride compound semiconductor located therebelow. Current flows in the semiconductor layer in the vertical direction through the aperture.
半導体装置のオフ時には、p型のIII族窒化物系化合物半導体から、アパーチャーを充填しているn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体と、下層を構成しているn型のIII族窒化物系化合物半導体に向けて空乏層が広がるはずである。アパーチャーに空乏層が広がれば、表面側電極と裏面側電極の間に高い電圧がかかっても、その空乏層で耐圧を確保できるはずである。ところが実際には、高い耐圧を確保することが難しい。 When the semiconductor device is turned off, the p-type group III nitride compound semiconductor, the n-type or i-type group III nitride compound semiconductor filling the aperture, and the n-type group III group constituting the lower layer The depletion layer should spread toward the nitride compound semiconductor. If the depletion layer spreads in the aperture, even if a high voltage is applied between the front-side electrode and the back-side electrode, the depletion layer should be able to secure a breakdown voltage. However, in practice, it is difficult to ensure a high breakdown voltage.
その原因を追究したところ、その原因は下記であろうと推定できるに至った。
(1)上記構造を製造する場合、n型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている下層に、p型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている上層が積層された積層構造を製造する。ついで、上層の表面の一部からエッチングして上層を貫通するアパーチャーを製造する。上層を貫通するアパーチャーを製造するために、上層の表面から上層の裏面に達するまでエッチングを続ける。すなわち、アパーチャーの底面にn型の下層が露出するまでエッチングを続ける。アパーチャーの底面に露出したn型の下層の表面もまたエッチングされる。
(2) アパーチャーの底面に露出したn型の下層の表面からn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長し、アパーチャーにn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体を充填する。
(3) アパーチャーの底面に露出したn型の下層の表面はエッチングされており、各種の損傷が生じており、強くn型化している。
After investigating the cause, it was possible to estimate that the cause would be as follows.
(1) When manufacturing the above structure, a laminated structure in which an upper layer formed of a p-type group III nitride compound semiconductor is stacked on a lower layer formed of an n-type group III nitride compound semiconductor Manufacturing. Next, an aperture penetrating the upper layer is manufactured by etching from a part of the surface of the upper layer. In order to manufacture an aperture penetrating the upper layer, etching is continued from the surface of the upper layer to the back surface of the upper layer. That is, the etching is continued until the n-type lower layer is exposed on the bottom surface of the aperture. The n-type underlying surface exposed at the bottom of the aperture is also etched.
(2) Crystal growth of an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor from the surface of the n-type lower layer exposed on the bottom surface of the aperture, and an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor to the aperture Fill.
(3) The surface of the n-type lower layer exposed on the bottom surface of the aperture is etched, causing various damages and becoming strongly n-type.
現状の技術では、アパーチャーを充填しているn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体と、その下方に位置しているn型のIII族窒化物系化合物半導体の間に、強くn型化した領域が形成されてしまう。この領域が形成されると、半導体装置のオフ時に、アパーチャーを充填しているIII族窒化物系化合物半導体に向けて空乏層が広く広がることができない。すなわち、現状の技術では、半導体装置のオフ時にアパーチャーを充填しているIII族窒化物系化合物半導体に向けて広く広がる空乏層によって耐圧を確保することができない。 In the current technology, an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor that is filled with an aperture and an n-type group III nitride compound semiconductor located below the n-type group III nitride compound semiconductor are strongly n-type. As a result, a region is formed. When this region is formed, the depletion layer cannot spread widely toward the group III nitride compound semiconductor filled with the aperture when the semiconductor device is turned off. That is, with the current technology, the breakdown voltage cannot be ensured by the depletion layer that spreads widely toward the group III nitride compound semiconductor that is filled with the aperture when the semiconductor device is off.
アパーチャーが形成されているp型のIII族窒化物系化合物半導体層の上には、半導体装置の特性に合わせて種々の半導体構造が作られる。特許文献1の技術では、III族窒化物系化合物半導体で形成されている表面側下層と、その表面側下層よりもバンドギャップが広いIII族窒化物系化合物半導体で形成されている表面側上層が積層されているヘテロ構造を形成することによって、HEMTを実現している。そのほかに、MOSFET構造を実現することもできる。 Various semiconductor structures are formed on the p-type group III nitride compound semiconductor layer in which the aperture is formed, in accordance with the characteristics of the semiconductor device. In the technique of Patent Document 1, a surface side lower layer formed of a group III nitride compound semiconductor and a surface side upper layer formed of a group III nitride compound semiconductor having a wider band gap than the surface side lower layer are provided. HEMT is realized by forming stacked heterostructures. In addition, a MOSFET structure can be realized.
半導体装置のオフ時にアパーチャーに向けて広く広がる空乏層によって耐圧を確保することができなければ、p型のIII族窒化物系化合物半導体層の上部に形成されている半導体構造に高い電圧がかかってしまう。この結果、例えばゲート絶縁層の表面と裏面の間に高い電圧がかかってゲート絶縁層が損傷する結果が生じる。
本発明は、アパーチャーが形成されているIII族窒化物系化合物半導体層を有する半導体装置の耐圧を向上することを目的に開発されたものである。
If the breakdown voltage cannot be secured by the depletion layer that spreads widely toward the aperture when the semiconductor device is off, a high voltage is applied to the semiconductor structure formed on the p-type group III nitride compound semiconductor layer. End up. As a result, for example, a high voltage is applied between the front and back surfaces of the gate insulating layer, resulting in damage to the gate insulating layer.
The present invention was developed for the purpose of improving the breakdown voltage of a semiconductor device having a group III nitride compound semiconductor layer in which an aperture is formed.
本発明の半導体装置は、n型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている下層に、p型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている上層が積層されている積層構造を備えている。上層には、上層を貫通するアパーチャーが形成されており、そのアパーチャーには、n型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体が充填されている。
本発明の半導体装置は、n型の下層の一部に、浮遊電流ブロック領域が形成されていることを特徴とする。その浮遊電流ブロック領域は、伝導帯と価電子帯の中間値よりも価電子帯側の深い準位を持っている。
The semiconductor device of the present invention has a stacked structure in which an upper layer formed of a p-type group III nitride compound semiconductor is stacked on a lower layer formed of an n-type group III nitride compound semiconductor. ing. An aperture penetrating the upper layer is formed in the upper layer, and the aperture is filled with an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor.
The semiconductor device of the present invention is characterized in that a floating current block region is formed in a part of an n-type lower layer. The floating current block region has a deeper level on the valence band side than the intermediate value between the conduction band and the valence band.
n型の下層の一部に浮遊電流ブロック領域が形成されていると、浮遊電流ブロック領域からn型の下層に向けて空乏層が伸びる。この結果、アパーチャーを充填しているn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体にかかる電圧が減少し、p型のIII族窒化物系化合物半導体層の上部に形成されている半導体構造に高い電圧がかからないようになる。
n型の下層の一部に浮遊電流ブロック領域が形成されていると、半導体装置の耐圧能力が向上する。
When the floating current block region is formed in a part of the n-type lower layer, the depletion layer extends from the floating current block region toward the n-type lower layer. As a result, the voltage applied to the n-type or i-type group III nitride compound semiconductor filling the aperture is reduced, and the semiconductor structure formed on the p-type group III nitride compound semiconductor layer is reduced. High voltage is not applied.
When the floating current block region is formed in a part of the n-type lower layer, the withstand voltage capability of the semiconductor device is improved.
p型のIII族窒化物系化合物半導体層の上部に形成されている半導体構造は制約されない。例えば、III族窒化物系化合物半導体で形成されている表面側下層に、その表面側下層よりもバンドギャップが広いIII族窒化物系化合物半導体で形成されている表面側上層が積層されているヘテロ構造が形成されていてもよい。p型の上層の上にヘテロ構造が形成されている場合でも、n型の下層の一部に浮遊電流ブロック領域を形成することによって、半導体装置の耐圧能力が向上する。 The semiconductor structure formed on the p-type group III nitride compound semiconductor layer is not limited. For example, a heterojunction in which a surface-side lower layer formed of a group III nitride compound semiconductor is laminated with a surface-side upper layer formed of a group III nitride compound semiconductor having a wider band gap than the surface-side lower layer. A structure may be formed. Even when the heterostructure is formed on the p-type upper layer, the withstand voltage capability of the semiconductor device is improved by forming the floating current block region in a part of the n-type lower layer.
あるいは、III族窒化物系化合物半導体で形成されている表面側層と、その表面側層の表面を覆っているゲート絶縁層と、そのゲート絶縁層の表面に形成されているゲート電極で構成されているFET構造が形成されていてもよい。p型の上層の上にFET構造が形成されている場合でも、n型の下層の一部に浮遊電流ブロック領域を形成することによって、半導体装置の耐圧能力が向上する。 Alternatively, it is composed of a surface side layer formed of a group III nitride compound semiconductor, a gate insulating layer covering the surface of the surface side layer, and a gate electrode formed on the surface of the gate insulating layer. An FET structure may be formed. Even when the FET structure is formed on the p-type upper layer, the withstand voltage capability of the semiconductor device is improved by forming the floating current block region in a part of the n-type lower layer.
半導体基板を平面視した状態における浮遊電流ブロック領域の形成範囲は、特に制約されるものではないが、浮遊電流ブロック領域の形成範囲と、アパーチャーの形成範囲が重複することが好ましい。
この場合、アパーチャーを充填しているn型のIII族窒化物系化合物半導体にかかる電圧が顕著に低下し、半導体装置の耐圧能力が効果的に向上する。
The formation range of the floating current block region in a state in which the semiconductor substrate is viewed in plan is not particularly limited, but it is preferable that the formation range of the floating current block region and the formation range of the aperture overlap.
In this case, the voltage applied to the n-type group III nitride compound semiconductor filled with the aperture is significantly reduced, and the withstand voltage capability of the semiconductor device is effectively improved.
浮遊電流ブロック領域の形成範囲が、アパーチャーの形成範囲よりも広く広がっていることが好ましい。この場合、浮遊電流ブロック領域の形成範囲とアパーチャーの形成範囲の間にずれが生じても、アパーチャーの形成範囲を浮遊電流ブロック領域で覆っておく関係が確保される。製造時の位置精度に関する要求が緩和される。 It is preferable that the formation range of the floating current block region is wider than the formation range of the aperture. In this case, even if a deviation occurs between the formation range of the floating current block region and the formation range of the aperture, the relationship in which the formation range of the aperture is covered with the floating current block region is ensured. The demand for positional accuracy during manufacturing is relaxed.
n型の下層の一部に存在している半導体が、伝導帯と価電子帯の中間値よりも価電子帯側の深い準位を持っていれば、その深い準位を持っている半導体が、電流が流れることを阻止する。 If the semiconductor that exists in a part of the n-type lower layer has a deep level on the valence band side than the intermediate value between the conduction band and the valence band, the semiconductor having the deep level is , it prevents the current from flowing.
本発明によると、n型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている下層に、p型のIII族窒化物系化合物半導体で形成されている上層が積層されている積層構造を備えているとともに、p型の上層を貫通するアパーチャーが形成されている型式の半導体装置の耐圧能力を向上させることができる。 According to the present invention, a laminated structure in which an upper layer formed of a p-type group III nitride compound semiconductor is stacked on a lower layer formed of an n-type group III nitride compound semiconductor is provided. At the same time, it is possible to improve the withstand voltage capability of the type semiconductor device in which the aperture penetrating the p-type upper layer is formed.
本発明を実施する場合、III族窒化物系化合物半導体にGaNを用いることができる。それよりもバンドギャップが広いIII族窒化物系化合物半導体にはAlGaNを用いることができる。
浮遊電流ブロック領域を製造するためには、n型のGaN下層の形成処理を途中で停止し、Al,Mg,C,Ze,Feなどの不純物を取り込みながらGaNをエピタキシャル成長する方法を実施してGaNによって形成されている電流ブロック層を形成する。次にGaNで形成されている電流ブロック層の一部を残してエッチングして除去する。その後にn型のGaN下層の形成処理を再開する。それによってn型のGaN下層のなかに、周囲から隔離(絶縁)されており、電圧が周囲の電圧によって変動する電流ブロック領域が形成される。すなわち、浮遊電流ブロック領域が形成される。
あるいは、n型のGaN下層の形成処理を途中で停止し、その一部の領域にAl,Mg,C,Ze,Feなどの不純物をイオン注入し、その後にn型のGaN下層の形成処理を再開する。それによってn型のGaN下層のなかに、電圧が周囲の電圧によって変動する浮遊電流ブロック領域を形成する。
In practicing the present invention, GaN can be used for the group III nitride compound semiconductor. AlGaN can be used for a group III nitride compound semiconductor having a wider band gap.
In order to manufacture the floating current block region, the formation process of the n-type GaN lower layer is stopped halfway, and a method of epitaxially growing GaN while incorporating impurities such as Al, Mg, C, Ze, Fe, etc. The current blocking layer formed by is formed. Next, etching is performed while leaving a part of the current blocking layer formed of GaN. Thereafter, the formation process of the n-type GaN lower layer is resumed. As a result, a current blocking region is formed in the n-type GaN lower layer, which is isolated (insulated) from the surroundings and whose voltage varies depending on the surrounding voltage. That is, a floating current block region is formed.
Alternatively, the n-type GaN lower layer forming process is stopped halfway, and impurities such as Al, Mg, C, Ze, Fe, etc. are ion-implanted into a part of the region, and then the n-type GaN lower layer forming process is performed. Resume. As a result, a floating current block region in which the voltage varies depending on the surrounding voltage is formed in the n-type GaN lower layer.
(第1実施例)
図1は、第1実施例の半導体装置30の断面図を示している。第1実施例の半導体装置は、GaNとAlGaNのヘテロ接合を利用するHEMTであり、ソース電極14とドレイン電極2が表裏両面に別れて形成されている。縦型の半導体装置である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the
裏面側から順に、ドレイン電極2、n+型のGaN層4、n−型のGaN層6、アパーチャー28が形成されているp型のGaN層10、i型のGaN層24、AlGaN層22、ゲート絶縁層20、ゲート電極18が積層されている。アパーチャー28には、GaN層26が充填されている。GaN層26は、i型のGaN層24と同一工程で製造されており、i型のGaNが結晶成長する条件で製造している。しかしながら、アパーチャー内のように周囲を壁面で囲まれた部位では、壁面で囲まれていない平面上で結晶成長する場合に比して、結晶成長時に不純物が取り込まれやすい。そのために、アパーチャー28内に成長するGaN層26は、リアクタ内の残留不純物によって、高濃度のn型になりやすい。n+型のGaN層4はドレインコンタクト層として機能し、n−型のGaN層6はドリフト層として機能する。
In order from the back surface side, the
アパーチャー28を挟む両サイドに、p+型のGaN領域12が形成されている。p+型のGaN領域12は、p型のGaN層10の一部に形成されている。p+型のGaN層12は、pコンタクト領域12として機能する。
アパーチャー28を挟む両サイドに、n+型のGaN領域16が形成されている。n+型のGaN領域16は、i型のGaN層24とAlGaN層22に接している。n+型のGaN領域16は、ソースコンタクト領域16として機能する。
アパーチャー28を挟む両サイドに、ソース電極14が形成されている。ソース電極14は、ソースコンタクト領域16とpコンタクト領域12に接している。
P + -
N + -
The
n−型のGaN層6の中に、浮遊電流ブロック領域8が埋め込まれている。浮遊電流ブロック領域8は、半導体装置30を平面視したときに、アパーチャー28とオーバラップする範囲に形成されている。正確にいうと、浮遊電流ブロック領域8は、アパーチャー28とオーバラップする範囲を超えて広がっており、浮遊電流ブロック領域8の形成範囲が意図するものからずれても、アパーチャー28とオーバラップする範囲には必ず浮遊電流ブロック領域8が存在する関係を満たしている。
A floating
半導体装置30は、ドレイン電極2を直流電源の高電位側に接続し、ソース電極14を接地して用いる。
ゲート電極18に正電圧を印加しない状態では、p型のGaN層10とi型のGaN層24の界面からi型のGaN層24に向けて空乏層が広がる。その空乏層は、i型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面にも広がる。ゲート電極18に正電圧を印加しないと、i型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面にキャリアが存在せず、ドレイン電極2からソース電極14に電流が流れない。半導体装置30は、ノーマリオフの特性を備えている。
The
In a state where no positive voltage is applied to the
ゲート電極18に正電圧を印加すると、i型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面に広がっていた空乏層が消失する。すると、i型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面に生じる量子井戸によって、その接合界面に2次元の電子ガスが発生する。電子がi型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面を高速に移動する状態となる。ソース電極14から供給された電子は、i型のGaN層24とAlGaN層22のヘテロ接合界面を高速に移動し、アパーチャー28の上部の位置において、i型のGaN層24を縦方向に流れ、アパーチャー28を充填しているGaN層26を縦に流れ、n−型のGaN層6を縦に流れ、n+型のGaN層4を縦に流れてドレイン電極2に至る。ゲート電極18に正電圧を印加すると、ドレイン電極2からソース電極14に電流が流れる。
When a positive voltage is applied to the
電子がn−型のGaN層6を縦に流れるときに、アパーチャー28の直下には浮遊電流ブロック領域8が存在するので、電子は、浮遊電流ブロック領域8を迂回しながら、n−型のGaN層6を縦に流れる。電子が浮遊電流ブロック領域8を迂回して流れることによって半導体装置30のオン抵抗は若干増加するが、特段の問題はない。
When electrons flow vertically through the n − -
ゲート電極18に正電圧を印加しない状態では、ドレイン電極2に高電位が印加され、ソース電極14が接地されている。n+型のGaN層4は低抵抗であり、n+型のGaN層4のほぼ全域がドレイン電極2の高電位に等しくなる。p型のGaN層10も低抵抗であり、ソース電極14が接地されているので、p型のGaN層10のほぼ全域が接地電圧に維持される。その一方において、i型のGaN層24とAlGaN層22は高抵抗なので、ソース電極14が接地されていても、その全域が接地電位となるわけでない。特に、アパーチャー28の上部に位置する範囲のi型のGaN層24とAlGaN層22は、ソース電極14から離れているので、接地電位とならない。
In a state where no positive voltage is applied to the
このとき、浮遊電流ブロック領域8が存在しないと、アパーチャー28を充填しているGaN層26が高電位となり、アパーチャー28の上部に位置しているi型のGaN層24とAlGaN層22の電位が上昇してしまう。図2は、図1のIIに示す範囲の等電位線aの分布を示す。ただし、浮遊電流ブロック領域8が存在しない場合を図示している。アパーチャー28を充填しているGaN層26、アパーチャー28の上部に位置している範囲のi型のGaN層24とAlGaN層22のいずれも高電圧となり、ゲート絶縁層20の表面と裏面の間に大きな電圧差が印加されることが分る。ゲート絶縁層20は、ゲート電極18に正電圧を印加して半導体装置30をオンする際の閾値電圧を低くしたいことから、薄くする必要がある。薄いゲート絶縁層20の表面と裏面の間に大きな電圧差が印加されと、ゲート絶縁層20が破壊されてしまう。浮遊電流ブロック領域8が存在しない半導体装置30では、耐圧能力が低い。耐圧能力を上げようとすると、ゲート絶縁層20を厚くする必要があり、半導体装置30をオンする際の閾値電圧が上がってしまう。
At this time, if the floating
図3は、図2と同じ図であるが、浮遊電流ブロック領域8が形成されている場合を示す。この場合、等電位線bが浮遊電流ブロック領域8の下にまわり込み、アパーチャー28を充填しているGaN層26と、アパーチャー28の上部に位置している範囲のi型のGaN層24とAlGaN層22の電位が低下する。浮遊電流ブロック領域8を形成すると、ゲート絶縁層20の表面と裏面の間に大きな電圧差が印加されるのを防止できる。浮遊電流ブロック領域8を形成すると、半導体装置30の耐圧能力が改善される。ゲート絶縁層20を厚くする必要がなく、半導体装置30をオンする際の閾値電圧が上昇してしまうことがない。
FIG. 3 is the same view as FIG. 2, but shows a case where the floating
図4から図10は、半導体装置30の製造工程を示す。図4は、n+型のGaN層4となる基板を用意し、n+型のGaN層4の上面にMOCVD法によってn−型のGaN層6を結晶成長し、n−型のGaN層6の上面に浮遊電流ブロック層8aを結晶成長した段階を示す。n−型のGaN層6の厚みは10μmであり、不純物濃度は2×1016cm−3である。この段階の浮遊電流ブロック層8aはパターニングされておらず、一様に広がっている。
浮遊電流ブロック層8aは、Al,C,Feなどの不純物を取り込みながら、GaN層を結晶成長することで形成する。Al,C,Feなどの不純物を取り込みながらGaN層を結晶成長すると、伝導体と価電子帯の中間値よりも価電子帯側に準位を持つ深い準位が形成され、その深い準位が電子をトラップして電流が流れるのをブロックする。実際には、価電子帯から0.2〜1.7evだけ禁制帯域に入り込んだ準位が形成される。深い準位の密度が1018〜20cm−3となる程度の量の不純物を添加する。浮遊電流ブロック層8aは、約500nmの厚みに形成する。
MgまたはZnなどの不純物を取り込みながら、GaN層を結晶成長することで浮遊電流ブロック層8a形成してもよい。この場合は、p型のGaN層が結晶成長する。p型のGaN層も浮遊電流ブロック層8aとして機能する。
4 to 10 show the manufacturing process of the
The floating
The floating
図5は、GaN結晶で形成されている浮遊電流ブロック層8aの上面の全域にSiO2のマスク層32を形成し、後で浮遊電流ブロック領域8を形成する範囲のマスク層32を残存し、それ以外の範囲のマスク層32をフォトリソグラフィーとエッチングによって除去した状態を示す。
図6は、局所的に残存したマスク層32をマスクにして塩素系プラズマエッチングを実施し、マスク層32から露出している範囲の浮遊電流ブロック層8aを除去した状態を示す。この段階で、浮遊電流ブロック領域8が形成される。
図7は、マスク層32を除去した状態を示す。
図8は、n−型のGaN層6とGaN結晶で形成されている浮遊電流ブロック領域8の上面に、n−型のGaN層6を再び結晶成長し、ついでp型のGaN層10を結晶成長した段階を示す。浮遊電流ブロック領域8の上面に、厚さ2μmのn−型のGaN層6を結晶成長する。n−型のGaN層6の不純物濃度は、2×1016cm−3程度とする。p型のGaN層10の厚みは0.5μmとし、不純物濃度は、1019cm−3程度とする。この段階のp型のGaN層10にはアパーチャー28が形成されておらず、一様に広がっている。
図9は、p型のGaN層10の上面の全域にSiO2のマスク層34を形成し、フォトリソグラフィーとエッチングによって、後でアパーチャー28を形成する範囲のマスク層34を除去した状態を示す。
図10は、局所的に残存したマスク層34をマスクにしてドライエッチング(塩素系プラズマエッチング)を実施し、マスク層34から露出している範囲のp型のGaN層10を除去した状態を示す。この段階で、p型のGaN層10にアパーチャー28が形成される。この段階では、アパーチャー28の底面に露出するn−型のGaN層6の表面もエッチングされ、各種の損傷が生じる。また強くn型化する。図10の状態が得られた後に、マスク層34を除去する。
FIG. 5 shows that the
FIG. 6 shows a state in which chlorine plasma etching is performed using the
FIG. 7 shows a state where the
8, n - the upper surface of the
FIG. 9 shows a state in which a
FIG. 10 shows a state where dry etching (chlorine plasma etching) is performed using the locally remaining
図11は、p型のGaN層10の表面と、アパーチャー28の底面に露出するn−型のGaN層6の表面に、i型のGaN層26,24を結晶成長し、i型のGaN層24の表面にAlGaN層22を結晶成長した段階を示す。i型のGaN層24が結晶成長する条件で結晶成長しても、アパーチャー28内に形成されるGaN層26はn型となる。本実施例では、浮遊電流ブロック領域8を利用するので、アパーチャー28内に形成されるGaN層26がn型となっても、耐圧が低下することがない。i型のGaN層26,24の代わりにn型のGaN層26,24を結晶成長してもよい。あるいはp型のGaN層26,24を結晶成長してもよい。ただしp型を利用する場合には、p型のGaNs層10よりも低濃度とする。
結晶成長の条件によっては、アパーチャー28内に形成されるGaN層26をi型とすることができる。その場合でも、n−型のGaN層6とi型のGaN層26の界面に強くn型化した領域が発生し、その領域が半導体装置の耐圧を低下させる。本実施例では、浮遊電流ブロック領域8を利用するので、強くn型化した領域が形成されても、耐圧が低下することがない。
図12は、AlGaN層22とi型のGaN層24を選択的にエッチングしてp型のGaN層10とi型のGaN層24の表面の一部を露出し、pコンタクト領域12とソースコンタクト領域16を形成し、ゲート絶縁層20、ゲート電極18、ソース電極14、ドレイン電極2を形成した段階を示す。以上によって、半導体装置30が製造される。
FIG. 11 shows i-type GaN layers 26, 24 grown on the surface of the p-
Depending on the crystal growth conditions, the
In FIG. 12, the
(製造方法の第2実施例)
図13から図21に製造方法の第2実施例を示す。
図13は、n+型のGaN層4となる基板を用意し、n+型のGaN層4の上面にn−型のGaN層6を結晶成長した段階を示す。
図14は、n−型のGaN層6の上面の全域にSiO2のマスク層36を形成し、後で浮遊電流ブロック領域8を形成する範囲のマスク層36をフォトリソグラフィーとエッチングによって除去した状態を示す。
図15は、局所的に残存したマスク層36をマスクにしてAl,C,Fe,Mg,Znなどの不純物をイオン注入した段階を示す。Al,C,Fe,Mg,Znなどの不純物をイオン注入すると、伝導体と価電子帯の中間値よりも価電子帯側に準位を持つ深い準位が形成され、電子をトラップして電流が流れるのをブロックする。実際には、価電子帯よりも0.2〜1.7evだけ禁制帯域に入り込んだ準位が形成される。深い準位が1018〜20cm−3の密度が得られる程度に不純物を添加する。浮遊電流ブロック領域8は、約500nmの厚みに形成する。
(Second Example of Manufacturing Method)
13 to 21 show a second embodiment of the manufacturing method.
FIG. 13 shows a stage in which a substrate to be the n + -
FIG. 14 shows a state in which a
FIG. 15 shows a stage in which impurities such as Al, C, Fe, Mg, Zn are ion-implanted using the
図16は、マスク層36を除去した状態を示す。
図17は、一部に浮遊電流ブロック領域8が形成されているn−型のGaN層6の上面に、n−型のGaN層6を再び結晶成長し、ついでp型のGaN層10を結晶成長した段階を示す。浮遊電流ブロック領域8の上面に、厚さ2μmのn−型のGaN層6を結晶成長する。n−型のGaN層6の不純物濃度は、2×1016cm−3程度とする。p型のGaN層10の厚みは0.5μmとし、不純物濃度は、1019cm−3程度とする。この段階のp型のGaN層10にはアパーチャー28が形成されておらず、一様に広がっている。
図18〜21は、図9〜12に同じであり、重複記載を省略する。
FIG. 16 shows a state where the
17, n floating
18 to 21 are the same as FIGS. 9 to 12 and redundant description is omitted.
(第2実施例の半導体装置)
図22は、第2実施例の半導体装置40を示す。この実施例では、n−型のGaN結晶で形成されているドリフト層6内に、浮遊電流ブロック領域8bが分散して配置されている。この場合、隣接する浮遊電流ブロック8b同士の間隔が、半導体装置40のオフ時に浮遊電流ブロック8aからn型のドリフト層6に向けて伸びる空乏層同士がコンタクトする長さに管理されている。この場合、アパーチャー28の下方に、浮遊電流ブロック領域8bが形成されていない範囲があってもよい。
(第3実施例の半導体装置)
図23は、第3実施例の半導体装置50を示す。この実施例では、浮遊電流ブロック8cが2層に分かれて分散配置されている。浮遊電流ブロック領域が3層以上に分かれて分散配置されていてもよい。
(Semiconductor device of the second embodiment)
FIG. 22 shows a
(Semiconductor device of the third embodiment)
FIG. 23 shows a
(第4実施例の半導体装置)
図24は、第4実施例の半導体装置60を示す。この実施例では、AlGaN層22が存在しない。i型のGaN層24の上に直接にゲート絶縁層20が形成されており、その表面にゲート電極18が形成されている。
AlGaN層22が存在しない半導体装置60は、MOSFETとして動作する。この場合も浮遊電流ブロック領域8によって耐圧能力が向上する。
(Semiconductor device of the fourth embodiment)
FIG. 24 shows a
The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
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、出願時の請求項に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。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
2:ドレイン電極
4:ドレインコンタクト層(n+型GaN層)
6:ドリフト層(n−型GaN層)
8:浮遊電流ブロック領域(深い準位を持つGaN領域またはp型のGaN領域)
10:p型GaN層
12:p型コンタクト領域
14:ソース電極
16:ソースコンタクト領域
18:ゲート電極
20:ゲート絶縁層
22:AlGaN層
24:i型のGaN層
26:アパーチャーを充填しているGaN層
28:アパーチャー
30:半導体装置
32,34,36:マスク
40,50,60:半導体装置
2: Drain electrode 4: Drain contact layer (n + type GaN layer)
6: Drift layer (n - type GaN layer)
8: Floating current block region (a GaN region having a deep level or a p-type GaN region)
10: p-type GaN layer 12: p-type contact region 14: source electrode 16: source contact region 18: gate electrode 20: gate insulating layer 22: AlGaN layer 24: i-type GaN layer 26: GaN filled with an aperture Layer 28: Aperture 30:
Claims (7)
その上層を貫通するアパーチャーが形成されており、
そのアパーチャーにn型またはi型のIII族窒化物系化合物半導体が充填されており、
前記下層の一部に、伝導帯と価電子帯の中間値よりも価電子帯側の深い準位を持っている浮遊電流ブロック領域が形成されていることを特徴とする半導体装置。 An upper layer formed of a p-type group III nitride compound semiconductor is stacked on a lower layer formed of an n-type group III nitride compound semiconductor,
An aperture that penetrates the upper layer is formed,
The aperture is filled with an n-type or i-type group III nitride compound semiconductor,
A semiconductor device, wherein a floating current block region having a deeper level on the valence band side than an intermediate value between a conduction band and a valence band is formed in a part of the lower layer.
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