JP6341077B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の第1の形態は、
窒化ガリウム(GaN)から主に成るn型半導体層を含む、半導体層と、
前記n型半導体層の上に形成され、開口部を有する絶縁膜と
前記絶縁膜の前記開口部の内側における前記n型半導体層の上から前記絶縁膜の上にわたって形成された電極であって、前記電極と前記n型半導体層の接合部の端部に前記絶縁膜が接触する、電極と、
を備え、
前記絶縁膜は、負電荷を帯びた微結晶から主に成る絶縁層を含み、
前記n型半導体層から前記絶縁層までの距離は、0.5μm以下であり、前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×10 13 cm −2 よりも大きく、1×10 16 cm −2 以下である、半導体装置である。
本発明の第2の形態は、
窒化ガリウム(GaN)から主になり、pn接合部、又は、ヘテロ接合部を有する半導体層と、
前記半導体層の上に形成され、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部に接触する絶縁膜と、
を備え、
前記絶縁膜は、負電荷を帯びた微結晶から主に成る絶縁層を含み、
前記半導体層における、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部から前記絶縁層までの距離は、0.5μm以下であり、前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×10 13 cm −2 よりも大きく、1×10 16 cm −2 以下である、半導体装置である。
本発明の第3の形態は、
窒化ガリウム(GaN)から主に成るn型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層の上に、開口部を有する絶縁膜を成膜する工程であって、前記絶縁膜の少なくとも一部として絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層に対して熱処理を行うことによって、前記絶縁層の微結晶化を促進させて前記絶縁層の負電荷を増加させ、前記熱処理後の前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×10 13 cm −2 よりも大きく、1×10 16 cm −2 以下であり、前記n型半導体層から前記絶縁層までの距離が、0.5μm以下である、工程と、
前記絶縁膜の前記開口部の内側における前記n型半導体層の上から前記絶縁膜の上にわたって電極を形成する工程であって、前記電極と前記n型半導体層の接合部の端部に前記絶縁膜が接触する、工程と、を備える、半導体装置の製造方法である。
本発明の第4の形態は、
窒化ガリウム(GaN)から主になり、pn接合部、又は、ヘテロ接合部を有する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上に、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部に接触する絶縁膜を形成する工程であって、前記絶縁膜の少なくとも一部として絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層に対して熱処理を行うことによって、前記絶縁層の微結晶化を促進させて前記絶縁層の負電荷を増加させ、前記熱処理後の前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×10 13 cm −2 よりも大きく、1×10 16 cm −2 以下であり、前記半導体層における、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部から前記絶縁層までの距離が0.5μm以下である、工程と、を備える、半導体装置の製造方法である。
また、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
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100の構成を模式的に示す断面図である。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、図1の紙面左から紙面右に向かう軸である。+X軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−X軸方向は、紙面左に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Y軸は、図1の紙面手前から紙面奥に向かう軸である。+Y軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Y軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図1のXYZ軸のうち、Z軸は、図1の紙面下から紙面上に向かう軸である。+Z軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Z軸方向は、紙面下に向かう方向である。
図2は、第1実施形態における半導体装置100の製造方法を示す工程図である。半導体装置100の製造者は、基板110の上に半導体層112をエピタキシャル成長によって形成する(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装置を用いたエピタキシャル成長によって、半導体層112を形成する。
図3は、熱処理時間に対する絶縁層における負電荷の増加量に関する評価結果を示す表である。図4は、熱処理温度に対する絶縁層における負電荷の増加量に関する評価結果を示す表である。
<図3の評価試験における熱処理の条件>
熱処理の雰囲気:窒素(N2)
熱処理時間:5分、10分、30分、60分
熱処理温度:400℃(一定)
<図4の評価試験における熱処理の条件>
熱処理の雰囲気:窒素(N2)
熱処理時間:10分(一定)
熱処理温度:400℃、650℃、900℃
図5は、負電荷を帯びた絶縁層による耐圧向上の効果に関する評価結果を示すグラフである。第2評価試験では、試験者は、デバイスシミュレータを用いて試料の耐圧向上の効果を評価した。第2評価試験の試料は、次の点を除き、第1実施形態の半導体装置100と同様である。
・半導体層112の厚み:12μm
・半導体層112に含まれるケイ素(Si)濃度の平均値:6×1015cm−3
・絶縁膜130:酸化アルミニウム(Al2O3)から主に成る絶縁層132(厚さ1μm)のみ
・絶縁層132における負の電荷密度の絶対値:0〜2×1013cm−2
・絶縁層132における負電荷の位置:半導体層112の表面から0〜1000nm
図6は、負電荷を帯びた絶縁層が逆方向リーク特性に及ぼす影響を評価した評価結果を示すグラフである。第3評価試験では、試験者は、評価対象である半導体装置として試料E1および試料C1を作成し、各試料について逆方向リーク特性を評価した。試料E1は、第1実施形態の半導体装置100と同様の半導体装置である。試料C1は、絶縁層132に対する熱処理を行わずに作製した点を除き、第1実施形態の半導体装置100と同様の半導体装置である。試験者は、逆方向電圧を印加した場合における各試料の逆方向電流密度を測定することによって、逆方向リーク特性を評価した。図6の横軸は、逆方向電圧を示し、図6の縦軸は、逆方向電流密度を示す。
以上説明した第1実施形態によれば、絶縁膜130における微結晶から主に成る絶縁層132の負電荷によって半導体層112の表面を空乏化させることができる。そのため、アノード電極150の端部の近傍における半導体層112の表面に発生する電界集中を十分に緩和でき、その結果、逆方向リーク電流を十分に抑制できる。
第1実施形態の変形例における半導体装置は、絶縁膜130において絶縁層132ではなく絶縁層134が負電荷を帯びた微結晶から主に成る点を除き、第1実施形態の半導体装置100と同様である。この変形例では、絶縁層132は、非晶質から主に成る他の絶縁層である。この変形例によれば、他の絶縁層によって絶縁膜130の耐圧を向上できる。この変形例の半導体装置では、半導体層112から絶縁層134までの距離は、電界集中を緩和する観点から、0.5μm(500nm)以下が好ましく、0.1μm(100nm)以下がいっそう好ましく、0.01μm(10nm)以下が更に好ましい。
図7は、第2実施形態における半導体装置200の構成を模式的に示す断面図である。図7には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置200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200は、縦型pn接合ダイオードである。本実施形態では、半導体装置200は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置200は、基板210と、半導体層212と、半導体層213と、絶縁膜230と、アノード電極250と、フィールドプレート電極260と、カソード電極270とを備える。
図8は、第3実施形態における半導体装置300の構成を模式的に示す断面図である。図8には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置300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300は、プレーナ型pn接合ダイオードである。本実施形態では、半導体装置300は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置300は、基板310と、半導体層312と、半導体層313と、絶縁膜330と、アノード電極350と、フィールドプレート電極360と、カソード電極370とを備える。
図9は、第4実施形態における半導体装置400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。本実施形態では、半導体装置400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400は、縦型トレンチMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)である。本実施形態では、半導体装置400は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置400は、基板410と、半導体層412と、半導体層413と、半導体層414と、絶縁膜430と、ソース電極441と、ゲート電極442と、ドレイン電極443と、ボディ電極444と、ゲート絶縁膜450とを備える。
図10は、第5実施形態における半導体装置500の構成を模式的に示す断面図である。図10には、図1と同様にXYZ軸が図示されている。本実施形態では、半導体装置500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500は、リセス構造を有する横型MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor)である。本実施形態では、半導体装置500は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置500は、基板510と、半導体層512と、半導体層513と、半導体層514と、絶縁膜530と、ソース電極541と、ゲート電極542と、ドレイン電極543と、絶縁膜550とを備える。
図11は、第6実施形態における半導体装置600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。本実施形態では、半導体装置600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600は、横型HFET(Heterostructure Field-Effect Transistor)である。本実施形態では、半導体装置600は、電力制御に用いられ、パワーデバイスとも呼ばれる。半導体装置600は、基板610と、半導体層612と、半導体層613と、半導体層614と、絶縁膜630と、ソース電極641と、ゲート電極642と、ドレイン電極643と、絶縁膜650とを備える。
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。
110…基板
112…半導体層
130…絶縁膜
132…絶縁層
134…絶縁層
138…開口部
150…アノード電極
152,154…電極層
170…カソード電極
200…半導体装置
210…基板
212,213,214,215…半導体層
216…pn接合部
216e…端部
228…段差部
230…絶縁膜
232,234…絶縁層
238…開口部
250…アノード電極
260…フィールドプレート電極
270…カソード電極
300…半導体装置
310…基板
312,313…半導体層
316…pn接合部
316e…端部
317…pn接合部
317e…端部
330…絶縁膜
332,334…絶縁層
338,339…開口部
350…アノード電極
360…フィールドプレート電極
370…カソード電極
400…半導体装置
410…基板
412,413,414…半導体層
416…pn接合部
416e…端部
422…トレンチ
424…リセス
428…段差部
430…絶縁膜
432,434…絶縁層
438…開口部
441…ソース電極
442…ゲート電極
443…ドレイン電極
444…ボディ電極
450…ゲート絶縁膜
500…半導体装置
510…基板
512,513,514…半導体層
516…ヘテロ接合界面
516e…端部
522…リセス
528…段差部
530…絶縁膜
532,534…絶縁層
538…開口部
541…ソース電極
542…ゲート電極
543…ドレイン電極
550…絶縁膜
600…半導体装置
610…基板
612,613,614…半導体層
616…ヘテロ接合界面
616e…端部
628…段差部
630…絶縁膜
632,634…絶縁層
638…開口部
641…ソース電極
642…ゲート電極
643…ドレイン電極
650…絶縁膜
Claims (4)
- 半導体装置の製造方法であって、
窒化ガリウム(GaN)から主に成るn型半導体層を形成する工程と、
前記n型半導体層の上に、開口部を有する絶縁膜を成膜する工程であって、前記絶縁膜の少なくとも一部として絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層に対して熱処理を行うことによって、前記絶縁層の微結晶化を促進させて前記絶縁層の負電荷を増加させ、前記熱処理後の前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×1013cm−2よりも大きく、1×1016cm−2以下であり、前記n型半導体層から前記絶縁層までの距離が、0.5μm以下である、工程と、
前記絶縁膜の前記開口部の内側における前記n型半導体層の上から前記絶縁膜の上にわたって電極を形成する工程であって、前記電極と前記n型半導体層の接合部の端部に前記絶縁膜が接触する、工程と、を備える、半導体装置の製造方法。 - 半導体装置の製造方法であって、
窒化ガリウム(GaN)から主になり、pn接合部、又は、ヘテロ接合部を有する半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上に、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部に接触する絶縁膜を形成する工程であって、前記絶縁膜の少なくとも一部として絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層に対して熱処理を行うことによって、前記絶縁層の微結晶化を促進させて前記絶縁層の負電荷を増加させ、前記熱処理後の前記絶縁層における負の電荷密度の絶対値は、1×1013cm−2よりも大きく、1×1016cm−2以下であり、前記半導体層における、前記pn接合部の端部、又は、前記ヘテロ接合部の端部から前記絶縁層までの距離が0.5μm以下である、工程と、を備える、半導体装置の製造方法。 - 前記熱処理において前記絶縁層を加熱する熱処理温度は、前記絶縁層を成膜する温度以上、前記絶縁層に気泡が発生する温度以下である、請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理において前記絶縁層を加熱する熱処理温度は、350℃以上800℃以下である、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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