JP6107597B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
半導体装置(半導体デバイス、半導体素子)の構造として、トレンチ(溝部)にゲート電極を形成したトレンチゲート構造が知られている。特許文献1〜4には、トレンチゲート構造におけるトレンチの底部に発生する電界集中を緩和するために、トレンチ底部の近傍にp型半導体を形成することが記載されている。これによって、半導体装置の耐電圧を向上させることができる。 As a structure of a semiconductor device (semiconductor device, semiconductor element), a trench gate structure in which a gate electrode is formed in a trench (groove) is known. Patent Documents 1 to 4 describe forming a p-type semiconductor in the vicinity of the bottom of the trench in order to alleviate the electric field concentration generated at the bottom of the trench in the trench gate structure. Thereby, the withstand voltage of the semiconductor device can be improved.
特許文献1,2のトレンチゲート構造は、イオン注入によってトレンチ底部の近傍にp型半導体を形成することから、イオン注入によってp型半導体を形成することが困難である半導体(例えば、窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII族窒化物半導体)には適用することができないという課題があった。 Since the trench gate structures of Patent Documents 1 and 2 form a p-type semiconductor in the vicinity of the bottom of the trench by ion implantation, a semiconductor that is difficult to form a p-type semiconductor by ion implantation (for example, gallium nitride (GaN There is a problem that it cannot be applied to a group III nitride semiconductor represented by (1).
特許文献3,4のトレンチゲート構造は、マスキングによって選択した領域に結晶成長させる選択再成長によって、トレンチ底部の近傍にp型半導体を形成することから、製造工程が煩雑化するという課題があった。また、特許文献3,4のトレンチゲート構造は、選択再成長によってトレンチ底部の近傍にp型半導体を形成する際、既に形成されているn型半導体層に既に形成されているp型半導体のドーパント(不純物)が拡散することによって、既に形成されているn型半導体層の電気的特性が劣化する(例えば、オン抵抗の増加)という課題があった。また、半導体装置におけるトレンチを用いた終端構造においても、トレンチゲート構造と同様の課題があった。 The trench gate structures of Patent Documents 3 and 4 have a problem that the manufacturing process becomes complicated because a p-type semiconductor is formed in the vicinity of the bottom of the trench by selective regrowth in which a crystal is grown in a region selected by masking. . In addition, the trench gate structure disclosed in Patent Documents 3 and 4 has a p-type semiconductor dopant already formed in an already formed n-type semiconductor layer when a p-type semiconductor is formed near the bottom of the trench by selective regrowth. Due to the diffusion of (impurities), there is a problem that the electrical characteristics of the n-type semiconductor layer that has already been formed deteriorate (for example, an increase in on-resistance). Further, the termination structure using the trench in the semiconductor device has the same problem as the trench gate structure.
そのため、トレンチを有する半導体装置の電気的特性を向上させることが可能な技術が望まれていた。そのほか、半導体装置においては、微細化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上、耐久性の向上などが望まれていた。 Therefore, a technique capable of improving the electrical characteristics of a semiconductor device having a trench has been desired. In addition, for semiconductor devices, miniaturization, cost reduction, resource saving, easy manufacturing, improved usability, and improved durability 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。
本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、第1の界面と、前記第1の界面から突出した凸部の上面を構成する第2の界面とを有する第1のn型半導体層と;前記第1のn型半導体層に積層されたp型半導体層であって、前記第1の界面に積層された第1の部位と、前記第2の界面に積層された第2の部位とが一様に連なるp型半導体層と;前記p型半導体層に積層された第2のn型半導体層と;前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部とを備え;前記凸部が前記第1の界面から突出する高さHmは、前記第1の部位における前記p型半導体層の厚みTpと、前記第1の部位における前記第2のn型半導体層の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さい。この形態によれば、p型半導体層によって溝部における電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。また、凸部の上に形成される各型半導体層の結晶品質を向上させることができる。
本発明の他の形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、第1のn型半導体層を形成する工程と;ドライエッチングによって前記第1のn型半導体層に凸部を形成する工程と;前記第1のn型半導体層における前記凸部を含む表面上にp型半導体層を結晶成長によって形成する工程と;前記p型半導体層の表面上に第2のn型半導体層を結晶成長によって形成する工程と;前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部を、ドライエッチングによって形成する工程と;を備え;前記凸部を形成する工程は、前記ドライエッチングを行った後、前記第1のn型半導体層に対してウェットエッチングを行う工程を含む。この形態によれば、イオン注入および選択再成長を用いることなく、溝部における電界集中を緩和可能にp型半導体層を形成できる。その結果、製造コストを抑制できる。また、p型半導体層のドーパントが第1のn型半導体層および第2のn型半導体層の少なくとも一方に拡散することによるオン抵抗の増加を抑制できる。また、第1のn型半導体層の表面におけるドライエッチングによる損傷をウェットエッチングによって緩和できるため、p型半導体層の結晶成長を容易に行うことができる。
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.
According to one embodiment of the present invention, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a first n-type semiconductor layer having a first interface and a second interface constituting a top surface of a convex portion protruding from the first interface; and the first n-type semiconductor layer The p-type semiconductor layer is a p-type semiconductor layer in which the first portion laminated at the first interface and the second portion laminated at the second interface are uniformly connected. A second n-type semiconductor layer stacked on the p-type semiconductor layer; and the convex portion of the first n-type semiconductor layer penetrating the p-type semiconductor layer from the second n-type semiconductor layer. A height Hm at which the convex portion protrudes from the first interface is a thickness Tp of the p-type semiconductor layer at the first portion, and the first portion. Less than the combined thickness Tu of the second n-type semiconductor layer Tn2. According to this embodiment, the electric field concentration in the groove can be relaxed by the p-type semiconductor layer. As a result, the electrical characteristics of the semiconductor device can be improved. Moreover, the crystal quality of each type semiconductor layer formed on the convex portion can be improved.
According to another aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided. The method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a first n-type semiconductor layer; a step of forming a convex portion on the first n-type semiconductor layer by dry etching; Forming a p-type semiconductor layer on the surface including the convex portion by crystal growth; forming a second n-type semiconductor layer on the surface of the p-type semiconductor layer by crystal growth; and forming, by dry etching, a groove portion that penetrates from the n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer to the inside of the convex portion in the first n-type semiconductor layer; The step of forming includes a step of performing wet etching on the first n-type semiconductor layer after performing the dry etching. According to this embodiment, the p-type semiconductor layer can be formed so that the electric field concentration in the trench can be relaxed without using ion implantation and selective regrowth. As a result, the manufacturing cost can be suppressed. In addition, an increase in on-resistance due to diffusion of the dopant of the p-type semiconductor layer into at least one of the first n-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer can be suppressed. In addition, since damage due to dry etching on the surface of the first n-type semiconductor layer can be alleviated by wet etching, crystal growth of the p-type semiconductor layer can be easily performed.
(1)本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、第1の界面と、前記第1の界面から突出した凸部の上面を構成する第2の界面とを有する第1のn型半導体層と;前記第1のn型半導体層に積層されたp型半導体層であって、前記第1の界面に積層された第1の部位と、前記第2の界面に積層された第2の部位とが一様に連なるp型半導体層と;前記p型半導体層に積層された第2のn型半導体層と;前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部とを備える。この形態によれば、p型半導体層によって溝部における電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。 (1) According to one aspect of the present invention, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a first n-type semiconductor layer having a first interface and a second interface constituting a top surface of a convex portion protruding from the first interface; and the first n-type semiconductor layer The p-type semiconductor layer is a p-type semiconductor layer in which the first portion laminated at the first interface and the second portion laminated at the second interface are uniformly connected. A second n-type semiconductor layer stacked on the p-type semiconductor layer; and the convex portion of the first n-type semiconductor layer penetrating the p-type semiconductor layer from the second n-type semiconductor layer. And a groove portion that is depressed to the inside. According to this embodiment, the electric field concentration in the groove can be relaxed by the p-type semiconductor layer. As a result, the electrical characteristics of the semiconductor device can be improved.
(2)上記形態の半導体装置において、前記p型半導体層は、前記凸部が突出する突出方向に向けて前記凸部に沿って隆起した第1の隆起部を有してもよく、前記第2のn型半導体層は、前記突出方向に向けて前記第1の隆起部に沿って隆起した第2の隆起部を有してもよい。この形態によれば、各隆起部を有する各半導体層に形成された溝部における電界集中を緩和できる。 (2) In the semiconductor device of the above aspect, the p-type semiconductor layer may include a first raised portion that is raised along the convex portion in a protruding direction in which the convex portion protrudes. The second n-type semiconductor layer may have a second raised portion that is raised along the first raised portion in the protruding direction. According to this embodiment, the electric field concentration in the groove formed in each semiconductor layer having each raised portion can be reduced.
(3)上記形態の半導体装置は、さらに、前記溝部に絶縁膜を介して形成された電極を備えてもよい。この形態によれば、絶縁膜を介して電極が形成された溝部における電界集中を緩和できる。 (3) The semiconductor device of the said form may be further equipped with the electrode formed in the said groove part via the insulating film. According to this embodiment, the electric field concentration in the groove portion where the electrode is formed via the insulating film can be relaxed.
(4)上記形態の半導体装置において、前記凸部が前記第1の界面から突出する高さHmは、前記第1の部位における前記p型半導体層の厚みTpと、前記第1の部位における前記第2のn型半導体層の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さくても良い。この形態によれば、凸部の上に形成される各型半導体層の結晶品質を向上させることができる。 (4) In the semiconductor device of the above aspect, the height Hm at which the protrusion protrudes from the first interface is the thickness Tp of the p-type semiconductor layer in the first part and the height in the first part. The total thickness Tu may be smaller than the total thickness Tn2 of the second n-type semiconductor layer. According to this aspect, the crystal quality of each type semiconductor layer formed on the convex portion can be improved.
(5)上記形態の半導体装置において、前記溝部が前記凸部の前記上面に対して落ち込む深さh1は、0.0μm以上、かつ、前記凸部が前記第1の界面から突出する高さHmに0.4μmを足した深さ以下であってもよい。この形態によれば、順方向電流の流れを確保しつつ、溝部における電界集中の緩和を効果的に実現できる。 (5) In the semiconductor device of the above aspect, a depth h1 at which the groove portion falls with respect to the upper surface of the convex portion is 0.0 μm or more, and a height Hm at which the convex portion protrudes from the first interface. Or less than the depth of 0.4 μm. According to this embodiment, it is possible to effectively reduce the electric field concentration in the groove while ensuring the forward current flow.
(6)上記形態の半導体装置において、前記凸部が突出するX軸方向に沿った、前記第1の界面から前記溝部の底面までの高さh2は、前記第1の界面から前記第2の界面に向かう+X軸方向側に1.0μm以下、かつ、前記第2の界面から前記第1の界面に向かう−X軸方向側に0.4μm以下であってもよい。この形態によれば、第1のn型半導体層の厚みの増大を抑制しつつ、溝部における電界集中の緩和を効果的に実現できる。 (6) In the semiconductor device of the above aspect, the height h2 from the first interface to the bottom surface of the groove along the X-axis direction from which the convex portion protrudes is from the first interface to the second It may be 1.0 μm or less on the + X-axis direction side toward the interface, and 0.4 μm or less on the −X-axis direction side from the second interface toward the first interface. According to this aspect, it is possible to effectively reduce the electric field concentration in the groove portion while suppressing an increase in the thickness of the first n-type semiconductor layer.
(7)上記形態の半導体装置において、前記凸部の側端と前記溝部の底面との間の距離w1は、0.1μm≦w1≦2.0μmを満たしてもよい。この形態によれば、距離w1が近すぎることによるオン抵抗の増加を抑制できるとともに、距離w1が離れすぎることによる溝部における電界集中の増加を抑制できる。 (7) In the semiconductor device of the above aspect, the distance w1 between the side end of the convex portion and the bottom surface of the groove portion may satisfy 0.1 μm ≦ w1 ≦ 2.0 μm. According to this embodiment, an increase in on-resistance due to the distance w1 being too close can be suppressed, and an increase in electric field concentration in the groove due to the distance w1 being too far away can be suppressed.
(8)上記形態の半導体装置において、前記凸部の側端と前記溝部の底面との間の距離w1は、0.2μm≦w1≦1.0μmを満たしてもよい。この形態によれば、距離w1が近すぎることによるオン抵抗の増加をいっそう抑制できるとともに、距離w1が離れすぎることによる溝部における電界集中の増加をいっそう抑制できる。 (8) In the semiconductor device of the above aspect, the distance w1 between the side end of the convex portion and the bottom surface of the groove portion may satisfy 0.2 μm ≦ w1 ≦ 1.0 μm. According to this embodiment, an increase in on-resistance due to the distance w1 being too close can be further suppressed, and an increase in electric field concentration in the groove due to the distance w1 being too far can be further suppressed.
(9)上記形態の半導体装置は、さらに、前記第1のn型半導体層と前記p型半導体層との間に積層された第3のn型半導体層を備えてもよい。この形態によれば、p型半導体層の結晶品質を向上させることができる。 (9) The semiconductor device according to the above aspect may further include a third n-type semiconductor layer stacked between the first n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. According to this embodiment, the crystal quality of the p-type semiconductor layer can be improved.
(10)上記形態の半導体装置は、さらに、前記第1のn型半導体層と前記p型半導体層との間に積層された真性半導体層を備えてもよい。この形態によれば、p型半導体層の結晶品質を向上させることができる。 (10) The semiconductor device of the above aspect may further include an intrinsic semiconductor layer stacked between the first n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. According to this embodiment, the crystal quality of the p-type semiconductor layer can be improved.
(11)上記形態の半導体装置において、前記第1の部位におけるアクセプタ濃度は、前記第2の部位におけるアクセプタ濃度と同じであってもよい。この形態によれば、第1の部位から第2の部位にわたって均質なp型半導体層によって溝部における電界集中を緩和できる。 (11) In the semiconductor device of the above aspect, the acceptor concentration in the first part may be the same as the acceptor concentration in the second part. According to this embodiment, the electric field concentration in the groove can be relaxed by the homogeneous p-type semiconductor layer from the first part to the second part.
(12)上記形態における半導体装置において、前記第1のn型半導体層、前記p型半導体層、および前記第2のn型半導体層は、窒化ガリウム(GaN)から主に成る半導体層であってもよい。この形態によれば、イオン注入によってp型半導体を形成することが困難であるGaN系の半導体装置において耐電圧を向上させることができる。 (12) In the semiconductor device according to the above aspect, the first n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the second n-type semiconductor layer are semiconductor layers mainly made of gallium nitride (GaN). Also good. According to this embodiment, the withstand voltage can be improved in a GaN-based semiconductor device in which it is difficult to form a p-type semiconductor by ion implantation.
(13)上記形態における半導体装置において、前記溝部は複数であり、前記凸部は、少なくとも前記複数の溝部のうち前記半導体装置の終端側に位置する溝部より前記終端側において、前記第1の界面から突出していてもよい。この形態によれば、少なくとも終端側に位置する溝部における電界集中を緩和できる。 (13) In the semiconductor device according to the above aspect, the plurality of groove portions are provided, and the convex portion is at least the first interface on the end side from the groove portion located on the end side of the semiconductor device among the plurality of groove portions. You may protrude from. According to this embodiment, the electric field concentration at least in the groove located on the terminal side can be reduced.
(14)上記形態における半導体装置において、さらに、前記溝部より前記半導体装置の終端側に形成され、前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を経て前記第1のn型半導体層に至る段差部と;電気絶縁性を有し、前記段差部を被覆する絶縁膜と;導電性を有し、前記絶縁膜に積層され、前記段差部との間に前記絶縁膜を挟む電極とを備えてもよい。この形態によれば、段差部における絶縁膜および電極によるフィールドプレート構造によって、段差部における第1のn型半導体層とp型半導体層とのpn接合部に発生する電界集中を緩和できる。 (14) In the semiconductor device according to the above aspect, the first n-type semiconductor layer is formed from the second n-type semiconductor layer to the first n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer. An insulating film that has electrical insulating properties and covers the stepped portion; and an electrode that has conductivity and is stacked on the insulating film and sandwiches the insulating film between the stepped portion and the stepped portion. You may prepare. According to this embodiment, the field plate structure including the insulating film and the electrode in the step portion can alleviate electric field concentration generated in the pn junction portion between the first n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer in the step portion.
(15)上記形態における半導体装置において、さらに、前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層に至る凹部に形成されたソース電極と;前記溝部に絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを備え、前記第1のn型半導体層、前記p型半導体層および前記第2のn型半導体層が積層された積層方向に沿った断面において、前記ソース電極の一部と前記ゲート電極の一部とは、交互に配置されていてもよい。この形態によれば、前記ソース電極および前記ゲート電極の各部位によって構成されれる複数の素子の各々において電極集中を緩和できる。 (15) In the semiconductor device according to the above aspect, a source electrode formed in a recess extending from the second n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer; and a gate electrode formed in the trench through an insulating film And a part of the source electrode and the gate electrode in a cross section along the stacking direction in which the first n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the second n-type semiconductor layer are stacked. A part may be alternately arranged. According to this embodiment, it is possible to alleviate electrode concentration in each of the plurality of elements configured by the portions of the source electrode and the gate electrode.
(16)本発明の一形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。この製造方法は、第1のn型半導体層を形成する工程と;ドライエッチングによって前記第1のn型半導体層に凸部を形成する工程と;前記第1のn型半導体層における前記凸部を含む表面上にp型半導体層を結晶成長によって形成する工程と;前記p型半導体層の表面上に第2のn型半導体層を結晶成長によって形成する工程と;前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部を、ドライエッチングによって形成する工程とを備える。この形態によれば、イオン注入および選択再成長を用いることなく、溝部における電界集中を緩和可能にp型半導体層を形成できる。その結果、製造コストを抑制できる。また、p型半導体層のドーパントが第1のn型半導体層および第2のn型半導体層の少なくとも一方に拡散することによるオン抵抗の増加を抑制できる。 (16) According to an aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device is provided. The manufacturing method includes a step of forming a first n-type semiconductor layer; a step of forming a convex portion on the first n-type semiconductor layer by dry etching; and the convex portion in the first n-type semiconductor layer. Forming a p-type semiconductor layer by crystal growth on the surface containing the crystal; and forming a second n-type semiconductor layer by crystal growth on the surface of the p-type semiconductor layer; and the second n-type semiconductor. Forming a groove portion that penetrates from the layer through the p-type semiconductor layer to the inside of the convex portion in the first n-type semiconductor layer by dry etching. According to this embodiment, the p-type semiconductor layer can be formed so that the electric field concentration in the trench can be relaxed without using ion implantation and selective regrowth. As a result, the manufacturing cost can be suppressed. In addition, an increase in on-resistance due to diffusion of the dopant of the p-type semiconductor layer into at least one of the first n-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer can be suppressed.
(17)上記形態における半導体装置の製造方法において、前記凸部を形成する工程は、前記ドライエッチングを行った後、前記第1のn型半導体層に対してウェットエッチングを行う工程を含んでもよい。この形態によれば、第1のn型半導体層の表面におけるドライエッチングによる損傷をウェットエッチングによって緩和できるため、p型半導体層の結晶成長を容易に行うことができる。 (17) In the method of manufacturing a semiconductor device according to the above aspect, the step of forming the convex portion may include a step of performing wet etching on the first n-type semiconductor layer after performing the dry etching. . According to this embodiment, since damage caused by dry etching on the surface of the first n-type semiconductor layer can be reduced by wet etching, crystal growth of the p-type semiconductor layer can be easily performed.
本発明は、半導体装置およびその製造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、本願発明は、上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器、上記形態の半導体装置を製造する製造装置など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 semiconductor device and the manufacturing method thereof. For example, the present invention can be realized in the form of an electrical apparatus in which the semiconductor device of the above form is incorporated, a manufacturing apparatus for manufacturing the semiconductor device of the above form, and the like.
本発明によれば、p型半導体層によって溝部における電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。 According to the present invention, the electric field concentration in the groove can be relaxed by the p-type semiconductor layer. As a result, the electrical characteristics of the semiconductor device can be improved.
また、イオン注入および選択再成長を用いることなく、溝部における電界集中を緩和可能にp型半導体層を形成できる。その結果、半導体装置の製造コストを抑制できる。また、p型半導体層のドーパントが第1のn型半導体層および第2のn型半導体層の少なくとも一方に拡散することによるオン抵抗の増加を抑制できる。 In addition, the p-type semiconductor layer can be formed so that the electric field concentration in the groove can be relaxed without using ion implantation and selective regrowth. As a result, the manufacturing cost of the semiconductor device can be suppressed. In addition, an increase in on-resistance due to diffusion of the dopant of the p-type semiconductor layer into at least one of the first n-type semiconductor layer and the second n-type semiconductor layer can be suppressed.
A.第1実施形態
A−1.半導体装置の構成
図1は、第1実施形態における半導体装置10の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置10は、窒化ガリウム(GaN)を用いて形成されたGaN系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置10は、トレンチゲート型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。
A. First Embodiment A-1. Configuration of Semiconductor Device FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a
半導体装置10は、基板110と、n型半導体層120と、p型半導体層130と、n型半導体層140と、電極210,230,250と、絶縁膜340とを備える。半導体装置10には、溝部170および凹部180が形成されている。半導体装置10は、n型半導体層120とp型半導体層130とn型半導体層140とが順に積層した構造を有する。半導体装置10は、溝部170に電極250を形成したトレンチゲート構造を有する。
The
図1には、相互に直交するXYZ軸が図示されている。図1のXYZ軸のうち、X軸は、基板110に対してn型半導体層120が積層する積層方向に沿った軸である。X軸に沿ったX軸方向のうち、+X軸方向は、基板110からn型半導体層120に向かう方向であり、−X軸方向は、+X軸方向に対向する方向である。図1のXYZ軸のうち、Y軸およびZ軸は、Z軸に直交すると共に相互に直交する軸である。Y軸に沿ったY軸方向のうち、+Y軸方向は、図1の紙面左から紙面右に向かう方向であり、−Y軸方向は、+Y軸方向に対向する方向である。Z軸に沿ったZ軸方向のうち、+Z軸方向は、図1の紙面手前から紙面奥に向かう方向であり、−Z軸方向は、+Z軸方向に対向する方向である。
FIG. 1 shows XYZ axes orthogonal to each other. Of the XYZ axes in FIG. 1, the X axis is an axis along the stacking direction in which the n-
半導体装置10の基板110は、Y軸およびZ軸に沿って広がる半導体層である。本実施形態では、基板110は、窒化ガリウム(GaN)から主に成り、n型半導体層120よりも高い濃度でケイ素(Si)をドナーとして含有する。他の実施形態では、本実施形態では、基板110の全域におけるSiの平均濃度は、1.0×1018cm-3以上である。
The
半導体装置10のn型半導体層120は、結晶成長によって基板110の+X軸方向側に積層され、Y軸およびZ軸に沿って広がる第1のn型半導体層である。n型半導体層120は、窒化ガリウム(GaN)から主に成ると共に、n型半導体層140よりも低い濃度でケイ素(Si)をドナーとして含有する。本実施形態では、n型半導体層120の全域におけるSiの平均濃度は、1.0×1016cm-3以下である。n型半導体層120は、「n-−GaN」とも呼ばれる。
The n-
n型半導体層120は、p型半導体層130側(+X軸方向側)に向けて突出した凸部150を有する。本実施形態では、凸部150は、Z軸方向に延びた台地状のメサ(mesa)構造である。本実施形態では、凸部150の断面形状は、+X軸方向側の幅と−X軸方向側の幅とが等しい矩形を成す。本実施形態では、凸部150は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって成形された構造である。
The n-
n型半導体層120は、第1の界面121と、第2の界面122とを有する。n型半導体層120における第1の界面121は、+X軸方向を向いた面であり、p型半導体層130に隣接する。n型半導体層120における第2の界面122は、凸部150の上面を構成する+X軸方向を向いた面であり、p型半導体層130に隣接する。本実施形態では、第1の界面121および第2の界面122は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって成形された面である。
The n-
半導体装置10のp型半導体層130は、結晶成長によってn型半導体層120の+X軸方向側に積層され、Y軸およびZ軸に沿って広がる半導体層である。p型半導体層130は、窒化ガリウム(GaN)から主に成り、マグネシウム(Mg)をアクセプタとして含有する。本実施形態では、p型半導体層130の全域におけるMgの平均濃度は、1.0×1017cm-3以上1.0×1020cm-3以下である。p型半導体層130は、「p−GaN」とも呼ばれる。
The p-
p型半導体層130は、第1の部位131と、第2の部位132とを有する。p型半導体層130における第1の部位131は、p型半導体層130のうち、n型半導体層120における第1の界面121に積層された部分である。p型半導体層130における第2の部位132は、p型半導体層130のうち、n型半導体層120における第2の界面122に積層された部分である。第1の部位131および第2の部位132は、相互に一様に連なる。本実施形態では、第1の部位131におけるアクセプタ濃度は、第2の部位132におけるアクセプタ濃度と同じである。他の実施形態では、第1の部位131におけるアクセプタ濃度は、第2の部位132におけるアクセプタ濃度と異なってもよく、この場合、第1の部位131から第2の部位132にわたるアクセプタ濃度の変化は、緩やかに推移する。
The p-
p型半導体層130は、隆起部135を有する。隆起部135は、n型半導体層120の凸部150が突出する突出方向(+X軸方向)に向けて、凸部150に沿って隆起した第1の隆起部である。本実施形態では、p型半導体層130は、隆起部135において溝部170によって分断されている。
The p-
半導体装置10のn型半導体層140は、結晶成長によってp型半導体層130の+X軸方向側に積層され、Y軸およびZ軸に沿って広がる第2のn型半導体層である。n型半導体層140は、窒化ガリウム(GaN)から主に成り、n型半導体層120よりも高い濃度でケイ素(Si)をドナーとして含有する。本実施形態では、n型半導体層140の全域におけるSiの平均濃度は、3.0×1018cm-3以上である。n型半導体層140は、「n+−GaN」とも呼ばれる。
The n-
n型半導体層140は、隆起部145を有する。隆起部145は、+X軸方向に向けてp型半導体層130の隆起部135に沿って隆起した第2の隆起部である。本実施形態では、n型半導体層140は、隆起部145において溝部170によって分断されている。
The n-
半導体装置10の溝部170は、n型半導体層140の+X軸方向側からp型半導体層130を貫通しn型半導体層120に至るまで落ち込んだトレンチ(trench)である。溝部170は、n型半導体層120の凸部150の内側に落ち込んだ形状を成す。本実施形態では、溝部170は、Z軸方向に延びた形状を成す。本実施形態では、溝部170は、ドライエッチングで処理された後にウェットエッチングで処理されることによって形成される。
The
溝部170の表面には、n型半導体層140の+X軸方向側に至るまで、絶縁膜340が形成されている。本実施形態では、絶縁膜340は、二酸化ケイ素(SiO2)から成る。
An insulating
半導体装置10の凹部180は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって形成され、n型半導体層140の+X軸方向側からp型半導体層130に至るまで落ち込んだリセス(recess)である。
The
半導体装置10の電極210は、基板110の−X軸方向側に形成されたドレイン電極である。本実施形態では、電極210は、チタン(Ti)から成る層にアルミニウム(Al)から成る層を積層した後に焼成することによって形成される。
The
半導体装置10の電極230は、凹部180に形成されたソース電極である。本実施形態では、電極230は、パラジウム(Pd)から成る層にチタン(Ti)から成る層とアルミニウム(Al)から成る層とを積層した後に焼成することによって形成される。
The
半導体装置10の電極250は、絶縁膜340を介して溝部170に形成されたゲート電極である。本実施形態では、電極250は、アルミニウム(Al)から成る。
The
図2は、凸部150および溝部170を中心に拡大した半導体装置10の構成を模式的に示す断面図である。凸部150は、部位152と部位158とを有する。凸部150の部位152は、凸部150が+X軸方向に突出する起点である。凸部150の部位158は、凸部150の頂点である。部位152および部位158は、凸部150の側端でもある。溝部170は、溝部170の底面の端である部位172を有する。
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the
凸部150の高さHmは、凸部150の上に形成されるp型半導体層130およびn型半導体層140の結晶品質を向上させる観点から、凸部150が第1の界面121から突出する高さHmは、p型半導体層130の厚みTpとn型半導体層140の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さいことが好ましく、p型半導体層130の厚みTpよりも小さいことがいっそう好ましい。本実施形態では、凸部150の高さHmは、0.3μm(マイクロメートル)であり、p型半導体層130の厚みTpは、1.0μmである。本実施形態では、Y軸方向に沿った凸部150の幅Wmは、2.0μmである。
The height Hm of the
順方向電流の流れを確保する観点から、溝部170が凸部150の上面に対して落ち込む深さh1は、0.0μm以上であること、言い換えると、溝部170が凸部150にまで達していることが好ましい。溝部170における電界集中の緩和を効果的に実現する観点から、深さh1は、凸部150の高さHmに0.4μmを足した深さ以下であることが好ましい。本実施形態では、深さh1は、0.2μmである。
From the viewpoint of ensuring the forward current flow, the depth h1 at which the
溝部170における電界集中の緩和を効果的に実現する観点から、X軸方向に沿った部位152から部位172までの高さh2は、−X軸方向側に0.4μm以下であること、言い換えると、部位152から−X軸方向側に0.4μmの位置よりも+X軸方向側に部位172が存在することが好ましい。溝部170の底部における損傷を回避することによってアバランシェ耐量を増加させる観点から、高さh2は、+X軸方向側に0.0μm以上であること、言い換えると、部位152から+X軸方向側に部位172が存在することがいっそう好ましい。n型半導体層120の厚みの増大を抑制し、ひいては製造コストを抑制する観点から、高さh2は、+X軸方向側に1.0μm以下であることが好ましい。
From the viewpoint of effectively realizing relaxation of the electric field concentration in the
Y軸方向に沿った部位152と部位172との間の距離w1は、0.1μm≦w1≦2.0μmを満たすことが好ましく、0.2μm≦w1≦1.0μmを満たすことがいっそう好ましい。本実施形態では、距離w1は、0.5μmである。距離w1が0.1μmよりも短い場合、Y軸方向側に位置するp型半導体層130の影響から順方向動作時に溝部170の底部に空乏層が広がることによって電流が流れにくくなり、半導体装置10のオン抵抗が増加する。距離w1が2.0μmを越える場合、p型半導体層130によって部位172における電界集中を十分に緩和できなくなる。
The distance w1 between the
A−2.半導体装置の製造方法
図3は、半導体装置10の製造方法を示す工程図である。半導体装置10を製造する際には、製造者は、まず、結晶成長によって基板110上にn型半導体層120を形成する(工程P110)。本実施形態では、製造者は、有機金属気相成長法(MOCVD)を実現するMOCVD装置を用いた結晶成長によって、基板110上にn型半導体層120を形成する。
A-2. Semiconductor Device Manufacturing Method FIG. 3 is a process diagram showing a method for manufacturing the
図4は、製造途中にある半導体装置10aの構成を示す説明図である。半導体装置10aは、基板110に対するn型半導体層120の結晶成長(工程P110)によって作製される。半導体装置10aは、基板110上にn型半導体層120を積層した構造を有する。本実施形態では、結晶成長(工程P110)によって形成されるn型半導体層120の厚みは、10μmである。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration of the
図3の説明に戻り、n型半導体層120を形成した後(工程P110)、製造者は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによってn型半導体層120に凸部150を形成する(工程P120)。本実施形態では、製造者は、n型半導体層120における凸部150となる部位にエッチングマスクを形成した後、n型半導体層120における+X軸方向側から0.3μmの深さまでの部位を、ドライエッチングによって除去する。ドライエッチングに続いて、製造者は、ドライエッチングによって露出したn型半導体層120の表面をウェットエッチングによって処理した後、n型半導体層120の表面を洗浄する。ウェットエッチングに続いて、製造者は、エッチングマスクを除去した後、n型半導体層120の表面を洗浄する。これらの処理を経て、n型半導体層120に凸部150が形成される。他の実施形態では、製造者は、ウェットエッチングを行うことなく、ドライエッチングのみで、凸部150を形成してもよい。
Returning to the description of FIG. 3, after forming the n-type semiconductor layer 120 (process P110), the manufacturer forms the
図5は、製造途中にある半導体装置10bの構成を示す説明図である。半導体装置10bは、半導体装置10aのn型半導体層120に対するドライエッチングおよびウェットエッチング(工程P120)によって作製される。半導体装置10bは、+X軸方向側に凸部150が形成されたn型半導体層120を備える。本実施形態では、X軸方向に沿った凸部150の高さは、0.3μmである。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the configuration of the
図3の説明に戻り、凸部150を形成した後(工程P120)、製造者は、n型半導体層120における凸部150を含む+X軸方向側の表面上に、結晶成長によってp型半導体層130を形成する(工程P130)。本実施形態では、p型半導体層130は、n型半導体層120の凸部150に沿って+X軸方向側に隆起した形状に成る。他の実施形態では、p型半導体層130は、YZ平面に沿って一様に平坦な表面を+X軸方向側に有する形状に成ってもよい。
Returning to the description of FIG. 3, after forming the convex portion 150 (process P120), the manufacturer forms a p-type semiconductor layer by crystal growth on the surface of the n-
本実施形態では、製造者は、MOCVD装置を用いた結晶成長によって、n型半導体層120上にp型半導体層130を形成する。本実施形態では、製造者は、n型半導体層120における+X軸方向側の全面に、結晶成長によってp型半導体層130を形成する。本実施形態では、結晶成長(工程P130)によって形成されるp型半導体層130の厚みは、1.0μmである。
In this embodiment, the manufacturer forms the p-
図6は、製造途中にある半導体装置10cの構成を示す説明図である。半導体装置10cは、半導体装置10bのn型半導体層120に対するp型半導体層130の結晶成長(工程P130)によって作製される。半導体装置10cは、隆起部135を有するp型半導体層130を備える。p型半導体層130の隆起部135は、n型半導体層120の凸部150に沿って+X軸方向側に隆起した部位である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of the
図3の説明に戻り、p型半導体層130を形成した後(工程P130)、製造者は、p型半導体層130における+X軸方向側の表面上に、結晶成長によってn型半導体層140を形成する(工程P140)。本実施形態では、n型半導体層140は、p型半導体層130の隆起部135に沿って+X軸方向側に隆起した形状に成る。他の実施形態では、n型半導体層140は、YZ平面に沿って一様に平坦な表面を+X軸方向側に有する形状に成ってもよい。
Returning to the description of FIG. 3, after forming the p-type semiconductor layer 130 (process P130), the manufacturer forms the n-
本実施形態では、製造者は、MOCVD装置を用いた結晶成長によって、p型半導体層130上にn型半導体層140を形成する。本実施形態では、製造者は、p型半導体層130における+X軸方向側の全面に、結晶成長によってn型半導体層140を形成する。本実施形態では、結晶成長(工程P140)によって形成されるn型半導体層140の厚みは、0.3μmである。
In this embodiment, the manufacturer forms the n-
図7は、製造途中にある半導体装置10dの構成を示す説明図である。半導体装置10dは、半導体装置10cのp型半導体層130に対するn型半導体層140の結晶成長(工程P140)によって作製される。半導体装置10dは、隆起部145を有するn型半導体層140を備える。n型半導体層140の隆起部145は、p型半導体層130の隆起部135に沿って+X軸方向側に隆起した部位である。隆起部145は、n型半導体層120の凸部150に沿って+X軸方向側に隆起した部位でもある。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the configuration of the
図3の説明に戻り、n型半導体層140を形成した後(工程P140)、製造者は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって溝部170を形成する(工程P150)。本実施形態では、製造者は、n型半導体層140における溝部170となる部位の周囲にエッチングマスクを形成した後、n型半導体層140からp型半導体層130を貫通してn型半導体層120における凸部150の内側に至るまでの部位を、ドライエッチングによって除去する。ドライエッチングに続いて、製造者は、ドライエッチングによって露出した各半導体層の表面をウェットエッチングによって処理した後、各半導体層の表面を洗浄する。ウェットエッチングに続いて、製造者は、エッチングマスクを除去した後、各半導体層の表面を洗浄する。これらの処理を経て、溝部170が形成される。他の実施形態では、製造者は、ウェットエッチングを行うことなく、ドライエッチングのみで、溝部170を形成してもよい。
Returning to FIG. 3, after forming the n-type semiconductor layer 140 (process P140), the manufacturer forms the
図8は、製造途中にある半導体装置10eの構成を示す説明図である。半導体装置10eは、半導体装置10dに対するドライエッチングおよびウェットエッチング(工程P150)によって作製される。半導体装置10eは、n型半導体層140からp型半導体層130を貫通してn型半導体層120における凸部150の内側に至るまで落ち込んだ溝部170を備える。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the configuration of the
図3の説明に戻り、溝部170を形成した後(工程P150)、製造者は、加熱処理(工程P160)を行う。加熱処理(工程P170)では、製造者は、酸素(O2)を含有する気体の中で、絶縁膜340を形成した半導体装置10eを加熱(アニール)する。これによって、ドライエッチングによる各半導体層の損傷が回復するとともに、p型半導体層130のアクセプタであるMgが活性化する。本実施形態では、加熱処理(工程P160)に用いられる気体の温度は、800℃である。本実施形態では、加熱処理(工程P160)において半導体装置10eを加熱する時間は、5分間である。
Returning to the description of FIG. 3, after forming the groove 170 (process P150), the manufacturer performs a heat treatment (process P160). In the heat treatment (process P170), the manufacturer heats (anneals) the
加熱処理(工程P160)を行った後、製造者は、溝部170およびn型半導体層140の表面に絶縁膜340を形成する(工程P170)。
After performing the heat treatment (process P160), the manufacturer forms the insulating
絶縁膜340を形成した後(工程P170)、製造者は、絶縁膜340を形成した半導体装置10eに電極210,230,250を形成する(工程P180)。これらの工程を経て、半導体装置10が完成する。
After forming the insulating film 340 (process P170), the manufacturer forms the
A−3.評価試験
図9は、評価試験に用いた半導体装置90の構成を模式的に示す断面図である。図9には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。半導体装置90は、基板910と、n型半導体層920と、p型半導体層930と、n型半導体層940と、電極991,993,995と、絶縁膜994とを備える。半導体装置90には、溝部970および凹部980が形成されている。
A-3. Evaluation Test FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
半導体装置90の基板910は、半導体装置10の基板110と同様である。
The
半導体装置90のn型半導体層920は、凸部150が形成されていない点を除き、半導体装置10のn型半導体層120と同様である。
The n-
半導体装置90のp型半導体層930は、隆起部135が形成されていない点を除き、半導体装置10のp型半導体層130と同様である。
The p-
半導体装置90のn型半導体層940は、隆起部145が形成されていない点を除き、半導体装置10のn型半導体層140と同様である。
The n-
半導体装置90の溝部970は、n型半導体層940の+X軸方向側からp型半導体層930を貫通しn型半導体層920に至るまで落ち込んだトレンチである点を除き、半導体装置10の溝部170と同様である。
The
半導体装置90の凹部980は、n型半導体層940の+X軸方向側からp型半導体層930に至るまで落ち込んだリセスである点を除き、半導体装置10の凹部180と同様である。
The
半導体装置90の電極991,993,995は、半導体装置10の210,230,250とそれぞれ同様である。絶縁膜994は、溝部970およびn型半導体層940の表面に形成されている点を除き、半導体装置10の絶縁膜340と同様である。
The
図10は、評価試験の結果を示す説明図である。図10の評価試験では、試験者は、半導体装置10を試料1として用意し、半導体装置90を試料2として用意した。試験者は、各試料のオン抵抗および耐電圧を測定した。図10に示すように、半導体装置10の耐電圧は、1400〜1500V(ボルト)であり、半導体装置90の耐電圧は、800〜900Vであった。すなわち、半導体装置10の耐電圧は、半導体装置90に対して50%以上向上した。半導体装置10のオン抵抗は、半導体装置90に対して3〜5%の増大に留まった。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the results of the evaluation test. In the evaluation test of FIG. 10, the tester prepared the
A−4.効果
以上説明した第1実施形態によれば、p型半導体層130によって溝部170における電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置10の電気的特性を向上させることができる。また、イオン注入によってp型半導体を形成することが困難であるGaN系の半導体装置10において耐電圧を向上させることができる。
A-4. Effect According to the first embodiment described above, the electric field concentration in the
また、イオン注入および選択再成長を用いることなく、溝部170における電界集中を緩和可能にp型半導体層130を形成できる。その結果、製造コストを抑制できる。また、p型半導体層130のドーパントがn型半導体層120およびn型半導体層140の少なくとも一方に拡散することによるオン抵抗の増加を抑制できる。
In addition, the p-
また、凸部150の高さHmが、p型半導体層130の厚みTpとn型半導体層の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さいため、凸部150の上に形成されるp型半導体層130およびn型半導体層140の結晶品質を向上させることができる。
Further, since the height Hm of the
また、溝部170の深さH1が0.0μm以上、かつ、凸部150の高さHmに0.4μmを足した深さ以下であるため、順方向電流の流れを確保しつつ、溝部170における電界集中の緩和を効果的に実現できる。
Further, since the depth H1 of the
また、第1の界面121から溝部170までの高さh2が、+X軸方向側に1.0μm以下、かつ、−X軸方向側に0.4μm以下であるため、n型半導体層120の厚みの増大を抑制しつつ、溝部170における電界集中の緩和を効果的に実現できる。
In addition, since the height h2 from the
また、距離w1が0.1μm≦w1≦2.0μmを満たすため、距離w1が近すぎることによるオン抵抗の増加を抑制できるとともに、距離w1が離れすぎることによる溝部170における電界集中の増加を抑制できる。
In addition, since the distance w1 satisfies 0.1 μm ≦ w1 ≦ 2.0 μm, an increase in on-resistance due to the distance w1 being too close can be suppressed, and an increase in electric field concentration in the
B.第2実施形態
図11は、第2実施形態における半導体装置12の構成を模式的に示す断面図である。図11には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。第2実施形態の半導体装置12は、半導体層125をさらに備える点を除き、第1実施形態の半導体装置10と同様である。
B. Second Embodiment FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
半導体層125は、n型半導体層120とp型半導体層130との間に積層された半導体層であり、半導体層125をn型半導体層120の一部として捉えることもできる。本実施形態では、半導体装置12の半導体層125は、p型半導体層130よりもドナー濃度が低い第3のn型半導体層である。他の実施形態では、半導体層125は、p型半導体層130よりも濃度が低い真性半導体層(アンドープ半導体層)であってもよいし、n型半導体層と真性半導体層との少なくとも一方から成る複数の半導体層であってもよい。
The
半導体装置12の製造者は、ドライエッチングおよびウェットエッチングによってn型半導体層120に凸部150を形成した後(工程P120)、p型半導体層130の形成(工程P130)に先立って、n型半導体層120上に半導体層125を形成する。本実施形態では、製造者は、n型半導体層120における+X軸方向側の全面に、結晶成長によって半導体層125を形成する。半導体層125の結晶を成長させる温度は、良好な結晶品質を得るために、p型半導体層130の結晶を成長させる温度よりも50℃〜100℃低い温度であることが好ましく、p型半導体層130の結晶を成長させる温度と同じ温度であってもよい。
The manufacturer of the
半導体装置12の製造者は、n型半導体層120上に半導体層125を形成した後、半導体層125における+X軸方向側の表面上に、結晶成長によってp型半導体層130を形成する(工程P130)。
The manufacturer of the
以上説明した第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、半導体装置12の電気的特性を向上させることができる。また、第1実施形態と同様に、製造コストを抑制できる。また、凸部150を形成するドライエッチングおよびウェットエッチング(工程P120)の影響によってn型半導体層120の表面に対する結晶成長が阻害される場合(例えば、表面モフォロジの荒れ、表面における異物の付着など)であっても、半導体層125を形成することによってp型半導体層130を容易に結晶成長させることができる。その結果、p型半導体層130の結晶品質を向上させることができる。
According to the second embodiment described above, the electrical characteristics of the
C.第3実施形態
図12は、第3実施形態における半導体装置13の構成を模式的に示す断面図である。図12には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。第3実施形態の半導体装置13は、電極230に変えて、p型半導体層130に適した電極232と、n型半導体層140に適した電極234とを備える点を除き、第1実施形態の半導体装置10と同様である。
C. Third Embodiment FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
本実施形態では、電極232は、パラジウム(Pd)から成る電極である。本実施形態では、電極234は、チタン(Ti)から成る層にアルミニウム(Al)から成る層を積層した後に焼成することによって形成される。
In the present embodiment, the
以上説明した第2実施形態によれば、第1実施形態と同様に、半導体装置13の電気的特性を向上させることができる。
According to the second embodiment described above, the electrical characteristics of the
D.第4実施形態
図13は、第4実施形態における半導体装置14の構成を模式的に示す断面図である。図13には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。第4実施形態の半導体装置14は、溝部170Dを用いた終端構造を有する点を除き、第1実施形態と同様である。半導体装置14は、終端構造として、溝部170Dの他、凸部150Dと、第1の界面121Dと、第2の界面122Dと、第1の部位131Dと、第2の部位132Dと、隆起部135Dと、隆起部145Dと、絶縁膜340Dとを備える。
D. Fourth Embodiment FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
第4実施形態の凸部150Dは、溝部170Fに対応する位置に設けられた点を除き、第1実施形態の凸部150と同様である。
The
n型半導体層120における第1の界面121Dは、第1実施形態の第1の界面121と同様に、+X軸方向を向いた面であり、p型半導体層130に隣接する。n型半導体層120における第2の界面122Dは、凸部150Dの上面を構成する+X軸方向を向いた面である点を除き、第1実施形態の第2の界面122と同様である。
Similar to the
p型半導体層130における第1の部位131Dは、p型半導体層130のうち、n型半導体層120における第1の界面121Dに積層された部分である。p型半導体層130における第2の部位132Dは、p型半導体層130のうち、n型半導体層120における第2の界面122Dに積層された部分である。第1の部位131Dおよび第2の部位132Dは、相互に一様に連なる。本実施形態では、第1の部位131Dにおけるアクセプタ濃度は、第2の部位132Dにおけるアクセプタ濃度と同じである。他の実施形態では、第1の部位131Dにおけるアクセプタ濃度は、第2の部位132Dにおけるアクセプタ濃度と異なってもよく、この場合、第1の部位131Dから第2の部位132Dにわたるアクセプタ濃度の変化は、緩やかに推移する。
The
第4実施形態の隆起部135D,145Dは、溝部170Dに対応する位置に設けられた点を除き、第1実施形態の隆起部135,145と同様である。
The raised
第4実施形態の溝部170Dは、終端構造を構成するトレンチである点を除き、第1実施形態の溝部170と同様である。溝部170Dは、n型半導体層140の+X軸方向側からp型半導体層130を貫通しn型半導体層120に至るまで落ち込んだトレンチである。溝部170Dは、n型半導体層120の凸部150Dの内側に落ち込んだ形状を成す。他の実施形態では、第2実施形態および第3実施形態の各構成を、溝部170Dに適用してもよい。
The
第4実施形態の絶縁膜340Dは、溝部170Dに充填された充填部345Dを有する点を除き、第1実施形態の絶縁膜340と同様である。他の実施形態では、溝部170Dには、充填部345Dに代えて、第1実施形態の電極250と同様に電極が設けられてもよい。
The insulating
以上説明した第4実施形態によれば、第1実施形態と同様に、p型半導体層130によって溝部170Dにおける電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置14の電気的特性を向上させることができる。
According to the fourth embodiment described above, the electric field concentration in the
E.第5実施形態
図14は、第5実施形態における半導体装置15の構成を模式的に示す断面図である。図14には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。
E. Fifth Embodiment FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a
第5実施形態の半導体装置15は、第1実施形態と同様に、基板110と、n型半導体層120と、p型半導体層130と、n型半導体層140とを備える。半導体装置15は、−Y軸方向側における終端構造として、段差部192と、終端部194とを備える。本実施形態では、半導体装置15は、−Y軸方向側と同様に、+Y軸方向側に終端構造を有する。
Similar to the first embodiment, the
半導体装置15の段差部192は、n型半導体層140からp型半導体層130を経てn型半導体層120に至る段差を形成する。段差部192は、n型半導体層140における−Y軸方向を向いた界面と、p型半導体層13における−Y軸方向を向いた界面と、n型半導体層120における−Y軸方向を向いた界面とを含む。
The
半導体装置15の終端部194は、段差部192より−Y軸方向側に位置する半導体装置15の端部である。終端部194は、n型半導体層120における−Y軸方向を向いた界面と、基板110における−Y軸方向を向いた界面とを含む。n型半導体層120には、段差部192と終端部194との間には、+X軸方向を向いた界面129が形成されている。
The
半導体装置15は、第1実施形態と同様に、電極210と、電極230と、電極250と、絶縁膜340とを備える。半導体装置15では、電極230および電極250は複数であり、電極230と電極250とは、Y軸方向において交互に配置されている。本実施形態では、電極230および電極250は、それぞれZ軸方向に沿って延びている。本実施形態では、半導体装置15における複数の電極250は、図示しない部位で並列に接続されている。
The
半導体装置15は、溝部170に電極250を形成した複数のトレンチゲート構造を有する。半導体装置15のn型半導体層120は、凸部150Eを有する。凸部150Eは、複数の溝部170のうち半導体装置15の終端側(すなわち、終端部194が形成されている−Y軸方向側)に位置する溝部170より終端側(−Y軸方向側)において、第1の界面121から突出している。本実施形態では、凸部150Eは、−Y軸方向側の終端構造側の溝部170から+Y軸方向側の終端構造側の溝部170にわたって、p型半導体層130側(+X軸方向側)に向けて突出した部位である。
The
半導体装置15は、さらに、電極260Eと、絶縁膜350Eとを備える。
The
半導体装置15の絶縁膜350Eは、電気絶縁性を有し、界面129、段差部192、電極230、電極250、および絶縁膜340を被覆する。絶縁膜350Eは、段差部192を被覆する部位359Eを有する。本実施形態では、絶縁膜350Eは、二酸化ケイ素(SiO2)から成る。
The insulating
半導体装置15の電極260Eは、導電性を有し、絶縁膜350Eに積層されている。電極260Eは、複数の電極230の各々に接続する複数の接続部262Eを有するソース配線電極である。これによって、複数の電極250に対応する複数の素子が並列に接続される。本実施形態では、電極260Eは、アルミニウム(Al)から成る。
The
電極260Eは、段差部192との間に絶縁膜350Eを挟む部位269Eを有する。電極260Eの部位269Eは、絶縁膜350Eの部位359Eと共にフィールドプレート構造410Eを構成する。
The
以上説明した第5実施形態によれば、終端側の溝部170において、第1実施形態と同様に、p型半導体層130によって電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置15の電気的特性を向上させることができる。
According to the fifth embodiment described above, the electric field concentration can be relaxed by the p-
また、終端側のpn接合部である第1の界面121が、終端側の溝部170および第2の界面122より−X軸方向側に位置することから、電極210と電極230との間に高電圧が印加された場合、終端側のpn接合部である第1の界面121においてアバランシェブレークダウンが発生する。このように、溝部170の損傷を回避することによって、アバランシェ耐量を増加させることができる。
In addition, since the
また、フィールドプレート構造410Eによって、段差部192における終端側のpn接合部である第1の界面121に発生する電界集中を緩和できる。
In addition, the
図15は、第5実施形態の変形例における半導体装置16の構成を模式的に示す断面図である。図15には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。半導体装置16は、第2実施形態と同様に半導体層125を備える点を除き、図14の半導体装置15と同様である。半導体装置16によれば、半導体装置15と同様に、半導体装置15の電気的特性を向上させることができる。
FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
F.第6実施形態
図16は、第6実施形態における半導体装置17の構成を模式的に示す断面図である。図16には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。
F. Sixth Embodiment FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a semiconductor device 17 in a sixth embodiment. FIG. 16 shows the XYZ axes as in FIG.
第6実施形態の半導体装置17は、第1実施形態と同様に、基板110と、n型半導体層120と、p型半導体層130と、n型半導体層140とを備える。半導体装置17は、−Y軸方向側における終端構造として、第5実施形態の半導体装置15と同様に、段差部192と、終端部194とを備える。本実施形態では、半導体装置17は、−Y軸方向側と同様に、+Y軸方向側に終端構造を有する。
Similar to the first embodiment, the semiconductor device 17 of the sixth embodiment includes a
半導体装置17は、第1実施形態と同様に、電極210と、電極230と、電極250と、絶縁膜340とを備える。半導体装置17では、電極230および電極250は複数であり、電極230と電極250とは、Y軸方向において交互に配置されている。本実施形態では、電極230および電極250は、それぞれZ軸方向に沿って延びている。本実施形態では、半導体装置17における複数の電極250は、図示しない部位で並列に接続されている。
Similar to the first embodiment, the semiconductor device 17 includes an
半導体装置17は、溝部170に電極250を形成した複数のトレンチゲート構造を有する。半導体装置17のn型半導体層120は、複数の溝部170の各々に対応する位置にそれぞれ複数の凸部150を有する。
The semiconductor device 17 has a plurality of trench gate structures in which
半導体装置17は、さらに、絶縁膜350Fと、電極260Fとを備える。
The semiconductor device 17 further includes an insulating
半導体装置17の絶縁膜350Fは、複数の凸部150に応じた形状を有する点を除き、第5実施形態の絶縁膜350Eと同様である。絶縁膜350Fは、段差部192を被覆する部位359Fを有する。
The insulating
半導体装置17の電極260Fは、複数の凸部150に応じた形状を有する点を除き、第5実施形態の電極260Eと同様である。電極260Fは、複数の電極230の各々に接続する複数の接続部262Fを有するソース配線電極である。
The
電極260Fは、段差部192との間に絶縁膜350Fを挟む部位269Fを有する。電極260Fの部位269Fは、絶縁膜350Fの部位359Fと共にフィールドプレート構造410Fを構成する。
The
以上説明した第6実施形態によれば、複数の溝部170において、第1実施形態と同様に、p型半導体層130によって電界集中を緩和できる。その結果、半導体装置15の電気的特性を向上させることができる。また、第5実施形態と同様に、アバランシェ耐量を増加させることができる。また、フィールドプレート構造410Fによって、段差部192における終端側のpn接合部である第1の界面121に発生する電界集中を緩和できる。
According to the sixth embodiment described above, the electric field concentration can be reduced by the p-
図17は、第6実施形態の変形例における半導体装置18の構成を模式的に示す断面図である。図17には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。半導体装置18は、第2実施形態と同様に半導体層125を備える点を除き、図16の半導体装置17と同様である。半導体装置18によれば、半導体装置17と同様に、半導体装置15の電気的特性を向上させることができる。
FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
G.他の実施形態
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
G. Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the summary section of the invention are to solve some or all of the above-described problems, or In order to achieve part or all of the above-described effects, replacement or combination can be performed as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
上述の実施形態において、凸部150は、YZ平面に沿った任意の方向に延びた形状を成してもよい。上述の実施形態において、凸部150の断面形状は、+X軸方向に突出する形状であればよく、+X軸方向側の幅よりも−X軸方向側の幅が広い台形を成してもよく、+X軸方向側の幅が−X軸方向側の幅よりも広い台形を成してもよい。上述の実施形態において、凸部150は、ウェットエッチングで処理されることなく、ドライエッチングのみで形成されてもよい。
In the above-described embodiment, the
上述の実施形態において、溝部170は、YZ平面に沿った任意の方向に延びた形状を成してもよい。上述の実施形態において、溝部170は、ウェットエッチングで処理されることなく、ドライエッチングのみで形成されてもよい。
In the embodiment described above, the
上述の実施形態において、p型半導体層130は、YZ平面に沿って一様に平坦な表面を+X軸方向側に有する形状、すなわち、隆起部135,135Dが形成されていない形状であってもよい。上述の実施形態において、溝部170よりも+Y軸方向側に位置するp型半導体層130の部位と、溝部170よりも−Y軸方向側に位置するp型半導体層130の部位とは、図示しないp型半導体層130の部位を通じて繋がっていてもよい。
In the above-described embodiment, the p-
上述の実施形態において、n型半導体層140は、YZ平面に沿って一様に平坦な表面を+X軸方向側に有する形状、すなわち、隆起部145,145Dが形成されていない形状であってもよい。上述の実施形態において、溝部170よりも+Y軸方向側に位置するn型半導体層140の部位と、溝部170よりも−Y軸方向側に位置するn型半導体層140の部位とは、図示しないn型半導体層140の部位を通じて繋がっていてもよい。
In the above-described embodiment, the n-
上述の実施形態において、基板とn型半導体層と間に真性半導体層が形成されてもよいし、n型半導体層とp型半導体層との間に真性半導体層が形成されてもよい。 In the above-described embodiment, an intrinsic semiconductor layer may be formed between the substrate and the n-type semiconductor layer, or an intrinsic semiconductor layer may be formed between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer.
上述の実施形態において、基板の材質は、窒化ガリウム(GaN)に限らず、ケイ素(Si)、サファイア(Al2O3)、炭化ケイ素(SiC)などであってもよい。 In the above-described embodiment, the material of the substrate is not limited to gallium nitride (GaN), but may be silicon (Si), sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC), or the like.
上述の実施形態において、基板とn型半導体層との少なくとも一方に含まれるドナーは、ケイ素(Si)に限らず、ゲルマニウム(Ge)、酸素(O)などであってもよい。 In the above-described embodiment, the donor contained in at least one of the substrate and the n-type semiconductor layer is not limited to silicon (Si), but may be germanium (Ge), oxygen (O), or the like.
上述の実施形態において、p型半導体層に含まれるアクセプタは、マグネシウム(Mg)に限らず、亜鉛(Zn)、炭素(C)などであってもよい。 In the above-described embodiment, the acceptor included in the p-type semiconductor layer is not limited to magnesium (Mg) but may be zinc (Zn), carbon (C), or the like.
上述の実施形態において、絶縁膜の材料は、二酸化ケイ素(SiO2)に限らず、窒化ケイ素(SiN)、窒化酸化ケイ素(SiON)、酸化アルミニウム(Al2O3)、窒化酸化アルミニウム(AlON)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)、五酸化タンタル(Ta2O5)、五酸化ニオブ(Nb2O5)、二酸化ハフニウム(HfO2)、窒化アルミニウム(AlN)などであってもよい。上述の実施形態において、絶縁膜は、単層に限らず、異なる材料から成る複数の層から成る構成であってもよい。 In the above embodiment, the material of the insulating film is not limited to silicon dioxide (SiO 2 ), but silicon nitride (SiN), silicon nitride oxide (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride oxide (AlON) Zirconium dioxide (ZrO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), niobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), hafnium dioxide (HfO 2 ), aluminum nitride (AlN), etc. May be. In the above-described embodiment, the insulating film is not limited to a single layer, and may be configured by a plurality of layers made of different materials.
上述の実施形態におけるトレンチゲート構造は、MOSFETに限らず、他の半導体装置(例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor))に適用してもよい。 The trench gate structure in the above-described embodiment is not limited to the MOSFET, but may be applied to other semiconductor devices (for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT)).
第5実施形態および第6実施形態において、複数の電極250は、+X軸方向側から見た形状が、複数の網目(例えば、六角形の網目)を有する網目状を成す電極の各部位であり、これら複数の網目の各々の中に電極230が形成されていてもよい。また、第5実施形態および第6実施形態において、複数の電極230および複数の電極250は、それぞれZ軸方向に沿って延びるとともに、複数の電極230は、+Z軸方向側で相互に接続され、複数の電極250は、−Z軸方向側で相互に接続されていてもよい。
In the fifth embodiment and the sixth embodiment, the plurality of
10…半導体装置
10a〜10e…製造途中にある半導体装置
12,13,14,15,16,17,18…半導体装置
90…半導体装置
110…基板
120…n型半導体層
121,121D…第1の界面
122,122D…第2の界面
125…半導体層
130…p型半導体層
131,131D…第1の部位
132,132D…第2の部位
135,135D…隆起部
140…n型半導体層
145,145D…隆起部
150,150E…凸部
152…部位
158…部位
170,170D…溝部
172…部位
180…凹部
192…段差部
194…終端部
210…電極
230…電極
232…電極
234…電極
250…電極
260E,260F…電極
269E,269F…部位
340,340D…絶縁膜
345D…充填部
350E,350F…絶縁膜
359E,359F…部位
410E,410F…フィールドプレート構造
910…基板
920…n型半導体層
930…p型半導体層
940…n型半導体層
970…溝部
980…凹部
991,993,995…電極
994…絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (17)
第1の界面と、前記第1の界面から突出した凸部の上面を構成する第2の界面とを有する第1のn型半導体層と、
前記第1のn型半導体層に積層されたp型半導体層であって、前記第1の界面に積層された第1の部位と、前記第2の界面に積層された第2の部位とが一様に連なるp型半導体層と、
前記p型半導体層に積層された第2のn型半導体層と、
前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部と
を備え、
前記凸部が前記第1の界面から突出する高さHmは、前記第1の部位における前記p型半導体層の厚みTpと、前記第1の部位における前記第2のn型半導体層の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さい、半導体装置。 A semiconductor device,
A first n-type semiconductor layer having a first interface and a second interface constituting the upper surface of the convex portion protruding from the first interface;
A p-type semiconductor layer laminated on the first n-type semiconductor layer, wherein a first part laminated on the first interface and a second part laminated on the second interface A uniform p-type semiconductor layer;
A second n-type semiconductor layer stacked on the p-type semiconductor layer;
A groove portion penetrating from the second n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer to the inside of the convex portion in the first n-type semiconductor layer , and
The height Hm at which the protrusion protrudes from the first interface is the thickness Tp of the p-type semiconductor layer in the first part and the thickness Tn2 of the second n-type semiconductor layer in the first part. A semiconductor device smaller than the combined thickness Tu .
前記p型半導体層は、前記凸部が突出する突出方向に向けて前記凸部に沿って隆起した第1の隆起部を有し、
前記第2のn型半導体層は、前記突出方向に向けて前記第1の隆起部に沿って隆起した第2の隆起部を有する、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The p-type semiconductor layer has a first raised portion raised along the convex portion in a protruding direction in which the convex portion protrudes,
The second n-type semiconductor layer includes a second raised portion that is raised along the first raised portion in the protruding direction.
前記溝部は複数であり、
前記凸部は、少なくとも前記複数の溝部のうち前記半導体装置の終端側に位置する溝部より前記終端側において、前記第1の界面から突出している、半導体装置。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 11 ,
The groove is plural,
The semiconductor device, wherein the convex portion protrudes from the first interface on the end side from a groove portion located on the end side of the semiconductor device among at least the plurality of groove portions.
前記溝部より前記半導体装置の終端側に形成され、前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を経て前記第1のn型半導体層に至る段差部と、
電気絶縁性を有し、前記段差部を被覆する絶縁膜と、
導電性を有し、前記絶縁膜に積層され、前記段差部との間に前記絶縁膜を挟む電極と
を備える半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 12 , further comprising:
A step portion formed on the terminal side of the semiconductor device from the groove portion and extending from the second n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer to the first n-type semiconductor layer;
An insulating film having electrical insulation and covering the stepped portion;
A semiconductor device comprising: an electrode that is conductive, stacked on the insulating film, and sandwiches the insulating film between the stepped portion.
前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層に至る凹部に形成されたソース電極と、
前記溝部に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
を備え、
前記第1のn型半導体層、前記p型半導体層および前記第2のn型半導体層が積層された積層方向に沿った断面において、前記ソース電極の一部と前記ゲート電極の一部とは、交互に配置されている、半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 13 , further comprising:
A source electrode formed in a recess extending from the second n-type semiconductor layer to the p-type semiconductor layer;
A gate electrode formed through an insulating film in the groove,
In a cross section along the stacking direction in which the first n-type semiconductor layer, the p-type semiconductor layer, and the second n-type semiconductor layer are stacked, a part of the source electrode and a part of the gate electrode are The semiconductor devices are arranged alternately.
第1のn型半導体層を形成する工程と、
ドライエッチングによって前記第1のn型半導体層に凸部を形成する工程と、
前記第1のn型半導体層における前記凸部を含む表面上にp型半導体層を結晶成長によって形成する工程と、
前記p型半導体層の表面上に第2のn型半導体層を結晶成長によって形成する工程と、
前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部を、ドライエッチングによって形成する工程と
を備え、
前記第1のn型半導体層が有する第1の界面から前記凸部が突出する高さHmは、前記p型半導体層において前記第1の界面に積層された第1の部位における前記p型半導体層の厚みTpと、前記第1の部位における前記第2のn型半導体層の厚みTn2とを合わせた厚みTuよりも小さい、半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Forming a first n-type semiconductor layer;
Forming a protrusion on the first n-type semiconductor layer by dry etching;
Forming a p-type semiconductor layer by crystal growth on a surface of the first n-type semiconductor layer including the convex portion;
Forming a second n-type semiconductor layer on the surface of the p-type semiconductor layer by crystal growth;
Forming, by dry etching, a groove portion that penetrates from the second n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer and reaches the inside of the convex portion in the first n-type semiconductor layer , and
The height Hm at which the convex portion protrudes from the first interface of the first n-type semiconductor layer is the p-type semiconductor in the first portion of the p-type semiconductor layer stacked on the first interface. A method for manufacturing a semiconductor device , wherein the thickness Tp of the layer and the thickness Tu combined with the thickness Tn2 of the second n-type semiconductor layer in the first part are smaller .
第1のn型半導体層を形成する工程と、 Forming a first n-type semiconductor layer;
ドライエッチングによって前記第1のn型半導体層に凸部を形成する工程と、 Forming a protrusion on the first n-type semiconductor layer by dry etching;
前記第1のn型半導体層における前記凸部を含む表面上にp型半導体層を結晶成長によって形成する工程と、 Forming a p-type semiconductor layer by crystal growth on a surface of the first n-type semiconductor layer including the convex portion;
前記p型半導体層の表面上に第2のn型半導体層を結晶成長によって形成する工程と、 Forming a second n-type semiconductor layer on the surface of the p-type semiconductor layer by crystal growth;
前記第2のn型半導体層から前記p型半導体層を貫通して前記第1のn型半導体層における前記凸部の内側に至るまで落ち込んだ溝部を、ドライエッチングによって形成する工程と Forming, by dry etching, a groove portion that penetrates from the second n-type semiconductor layer through the p-type semiconductor layer and reaches the inside of the convex portion in the first n-type semiconductor layer;
を備え、 With
前記凸部を形成する工程は、前記ドライエッチングを行った後、前記第1のn型半導体層に対してウェットエッチングを行う工程を含む、半導体装置の製造方法。 The step of forming the convex portion includes a step of performing wet etching on the first n-type semiconductor layer after performing the dry etching.
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