JP7038765B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents
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-xN(0<x≦1)を含む電子走行層と、前記電子走行層の上に形成され、AlaGA
bInC(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,及びa+b+c=1)を含む電子供給
層と、前記電子供給層を通り抜けて前記電子走行層に接するように形成されたゲート絶縁
膜と、前記電子走行層に、前記ゲート絶縁層を挟んで向かい合ったゲート電極とを含み、
前記ゲート絶縁膜は前記電子供給層の酸化物を含み、かつ、前記ゲート絶縁膜は、深さ方
向に直交する方向の厚さT1が、前記電子走行層に接する深さ方向の厚さT2よりも大き
くされている。
窒化物半導体装置の製造方法は、GaxIn1-xN(0<x≦1)を含む電子走行層上に、AlyIn1-yN(0<y≦1)を含む電子供給層を形成する工程と、プラズマ酸化法により前記電子供給層を選択的に酸化して、前記電子供給層の一部に酸化物を形成する酸化物形成工程とを含む。前記酸化物形成工程において、前記酸化物に接する部分と、前記電子供給層に接する部分とが互いに平坦な表面となる前記電子走行層が形成される。
この方法によれば、電子供給層に形成された酸化物は、電子走行層に対してエッチング選択比を有しているから、電子走行層がエッチングされるのを回避しつつ酸化物を除去できる。これにより、ゲート絶縁膜に接する部分と、電子供給層に接する部分とが互いに平坦な表面となる電子走行層を形成できるから、良好なノーマリオフ動作を実現できる。
この方法によれば、酸化物をそのままゲート絶縁膜の一部として利用できる。したがって、ゲート絶縁膜の一部としての酸化物に接する部分と、電子供給層に接する部分とが互いに平坦な表面となる電子走行層を形成できる。
前記窒化物半導体装置において、前記電子供給層上に形成された非導電性のスペーサ層をさらに含んでいてもよい。この場合、前記トレンチは、前記電子走行層を露出させるように前記スペーサ層および前記電子供給層を貫通して形成されていてもよい。
窒化物半導体装置の製造方法は、電子走行層上に、当該電子走行層との界面の伝導帯エネルギ準位が、フェルミエネルギ準位よりも大きくなるように第1電子供給層を形成する工程と、前記第1電子供給層上に、前記電子走行層と前記第1電子供給層との界面の伝導帯エネルギ準位が、フェルミエネルギ準位よりも小さくなるように第2電子供給層を形成する工程と、前記第2電子供給層を選択的に酸化して、前記第2電子供給層の一部に酸化物を形成すると共に、前記酸化物直下の前記第1電子供給層と、前記電子走行層との界面における伝導帯エネルギ準位を、フェルミエネルギ準位よりも大きくする工程とを含む。
前記製造方法は、前記酸化物形成工程後、前記酸化物をエッチングにより除去し、前記第2電子供給層に前記第1電子供給層に対向する底部を有するトレンチを形成する工程と、前記トレンチ内にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜および前記第1電子供給層を挟んで前記電子走行層に対向するゲート電極を形成する工程とをさらに含んでいてもよい。
前記窒化物半導体装置において、前記電子走行層は、窒化物半導体を含み、前記第1電子供給層は、前記電子走行層の格子定数よりも小さい格子定数からなる窒化物半導体を含み、前記第2電子供給層は、前記第1電子供給層の格子定数よりも小さい格子定数からなる窒化物半導体を含んでいてもよい。
<第1参考例>
図1は、第1参考例に係る窒化物半導体装置101を示す断面図である。
窒化物半導体装置101は、III族窒化物半導体を用いたHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)である。窒化物半導体装置101は、基板102を含む。基板102上には、バッファ層103、電子走行層104、電子供給層105、パッシベーション膜106および非導電性のスペーサ層107がこの順に積層されている。
図2Aおよび図2Bは、図1に示す窒化物半導体装置101の製造工程の一部を示す断面図である。
<第2参考例>
図3は、第2参考例に係る窒化物半導体装置115を示す断面図である。
比較的エッチング選択比の小さい電子走行層104(GaN)と電子供給層105(AlGaN)とでは、電子供給層105のエッチング進行度の制御が極めて困難であり、電子走行層104のオーバエッチングを避けようとすると、電子供給層105の一部を残存せざるを得ない。その結果、図3に示すように、ゲート電極110と電子走行層104との間に電子供給層105の一部が介在し、ノーマリオフ動作が不完全になるという問題が生じる。第1および第2参考例に係る窒化物半導体装置101,115とは別の製法により製造された窒化物半導体装置116が、第3参考例として図4に示されている。
<第3参考例>
図4は、第3参考例に係る窒化物半導体装置116を示す断面図である。
<第1実施形態>
図6は、本発明の第1実施形態に係る窒化物半導体装置1を示す断面図である。図7は、図6に示す窒化物半導体装置1の一部を示すTEM(Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡)画像である。
バッファ層3は、基板2の表面に対してコヒーレントに形成されている。バッファ層3は、III族窒化物半導体層が複数積層された積層構造を有していてもよい。本実施形態では、バッファ層3は、基板2上に積層された第1バッファ層8と、第1バッファ層8上に積層された第2バッファ層9とを含む。第1バッファ層8は、AlN膜を含み、その厚さは、たとえば0.2μm程度である。第2バッファ層9は、AlGaN膜を含み、その厚さは、たとえば0.2μm程度である。
電子供給層5は、電子走行層4に対してコヒーレントに形成されている。電子供給層5は、AlyIn1-yN(0<y≦1)を含む。本実施形態では、電子供給層5は、AlNからなる。電子供給層5の厚さは、たとえば1Å以上100Å以下である。電子走行層4における電子供給層5との界面近傍(たとえば界面から数Å程度の距離の位置)には、2DEGが形成されている。
電子走行層4上には、電子供給層5を貫通して形成され、電子走行層4に接するゲート絶縁膜10が形成されている。より具体的には、本実施形態では、電子走行層4を露出させるようにスペーサ層7、パッシベーション膜6および電子供給層5を貫通するトレンチ11が形成されており、トレンチ11内に、ゲート絶縁膜10が形成されている。トレンチ11内には、ゲート絶縁膜10を介してゲート電極12が埋め込まれている。
そして、ゲート電極12から間隔をあけてソース電極13およびドレイン電極14が形成されている。ソース電極13およびドレイン電極14は、いずれも、スペーサ層7上のゲート絶縁膜10、スペーサ層7およびパッシベーション膜6を貫通し、電子供給層5との間でオーミック接触を形成している。ソース電極13およびドレイン電極14は、Tiおよび/またはAlを含んでいてもよい。ソース電極13およびドレイン電極14がAlの拡散によって形成されている場合、ソース電極13およびドレイン電極14のAlは、電子供給層5中に拡散していてもよい。
窒化物半導体装置1を製造するには、まず、図8Aに示すように、たとえばCVD法等によって、基板2上に、バッファ層3、電子走行層4(本実施形態ではGaN)および電子供給層5(本実施形態ではAlN)が、この順にコヒーレントに成長される。
以上、本実施形態の方法によれば、プラズマ酸化法により電子供給層5が選択的に酸化されて、電子供給層5の一部に酸化物18が形成される。プラズマ酸化法によれば、電子供給層5の一部に酸化物18が形成されると、雰囲気中の酸素が電子走行層4に進入しないか、または、殆ど進入しなくなるので、電子走行層4の酸化を回避しつつ電子供給層5に酸化物18を形成できる。これにより、電子走行層4にダメージが発生するのを効果的に抑制できると共に、酸化物18に接する部分と、電子供給層5に接する部分とが互いに平坦な表面となる電子走行層4を形成できる。
<第2実施形態>
図9は、本発明の第2実施形態に係る窒化物半導体装置21を示す断面図である。図9において、前述の図6等に示された部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
一方、トレンチ11は、前述の開口17(図8C参照)を利用して形成されており、ゲート絶縁膜10、つまり電子供給層5の酸化物18を露出させるようにスペーサ層7およびパッシベーション膜6を貫通して形成されている。ゲート電極12は、トレンチ11内において、ゲート絶縁膜10を挟んで電子走行層4に対向している。
以上、本実施形態によれば、電子供給層5の酸化物18をそのままゲート絶縁膜10の一部として利用できる。これにより、ゲート絶縁膜10に接する部分と、電子走行層4に接する部分とが互いに平坦な表面となる電子走行層4を形成できるから、良好なノーマリオフ動作を実現できる窒化物半導体装置21およびその製造方法を提供できる。
<第3実施形態>
図10は、本発明の第3実施形態に係る窒化物半導体装置22を示す断面図である。図10において、前述の図9等に示された部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
以上、本実施形態によれば、ゲート絶縁膜10に接する部分と、電子走行層4に接する部分とが互いに平坦な表面となる電子走行層4を形成できるから、良好なノーマリオフ動作を実現できる窒化物半導体装置22およびその製造方法を提供できる。また、電子供給層5の酸化物18を含みつつ厚いゲート絶縁膜10を形成できるから、窒化物半導体装置22の耐圧(たとえばゲート絶縁膜10の破壊耐量)を向上できる。
<第4実施形態>
図11は、本発明の第4実施形態に係る窒化物半導体装置31を示す断面図である。図11において、前述の図6等に示された部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
第1電子供給層32は、電子走行層4の格子定数よりも小さい格子定数からなる窒化物半導体を含み、電子走行層4に対してコヒーレントに形成されている。第1電子供給層32は、AlaGabIncN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,a+b+c=1)を含む。本実施形態では、第1電子供給層32は、AlaGabN(0<a≦0.5,0.5≦b<1.0,a+b=1)からなる。第1電子供給層32は、AlaGabIncN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,a+b+c=1)からなる窒化物半導体層が複数積層された積層構造を有していてもよい。たとえば、第1電子供給層32は、AlGaN層上にGaN層が積層された積層構造を有していてもよい。第1電子供給層32の厚さは、たとえば10Å以上1000Å以下である。
一方、ゲート電極12のオフ時には、ゲート電極12直下の第1電子供給層32と、電子走行層4との界面における伝導帯エネルギ準位ECが、フェルミエネルギ準位EFよりも大きいままである(つまり、EC>EF)。したがって、2DEGは形成されず、ソース電極13およびドレイン電極14間に電流は流れない。本実施形態では、このようにしてノーマリオフ動作が実現されている。
図12Aに示すように、窒化物半導体装置31を製造するには、まず、基板2が用意される。次に、たとえばCVD法等によって、基板2上に、バッファ層3、電子走行層4が、この順にコヒーレントに成長される。
以上、本実施形態によれば、第1電子供給層32が形成された後、電子走行層4が外気に曝されることがないから、電子走行層4に酸化やエッチングによるダメージが発生するのを効果的に回避できる。つまり、電子走行層4が外気に曝されることがないから、2DEGが酸化やエッチングによるダメージを受けることがない。これにより、安定したノーマリオフ動作を実現できる窒化物半導体装置31およびその製造方法を提供できる。
<第5実施形態>
図13は、本発明の第5実施形態に係る窒化物半導体装置41を示す断面図である。図13において、前述の図11等に示された部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
一方、トレンチ34は、前述の開口37(図12D参照)を利用して形成されており、ゲート絶縁膜10、つまり第2電子供給層33の酸化物38を露出させるようにスペーサ層7およびパッシベーション膜6を貫通して形成されている。ゲート電極12は、トレンチ34内において、ゲート絶縁膜10および第1電子供給層32を挟んで電子走行層4に対向している。
以上、本実施形態によれば、第2電子供給層33の酸化物38をそのままゲート絶縁膜10の一部として利用できる。したがって、第1電子供給層32が形成された後、電子走行層4が外気に曝されることがないから、電子走行層4にダメージが発生するのを効果的に回避できる。これにより、安定したノーマリオフ動作を実現できる窒化物半導体装置41およびその製造方法を提供できる。
<第6実施形態>
図14は、本発明の第6実施形態に係る窒化物半導体装置42を示す断面図である。図14において、前述の図13等に示された部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
以上、本実施形態によれば、第2電子供給層33の酸化物38をそのままゲート絶縁膜10の一部として利用できる。したがって、第1電子供給層32が形成された後、電子走行層4が外気に曝されることがないから、電子走行層4にダメージが発生するのを効果的に回避できる。これにより、安定したノーマリオフ動作を実現できる窒化物半導体装置42およびその製造方法を提供できる。また、第2電子供給層33の酸化物38を含みつつ厚いゲート絶縁膜10を形成できるので、窒化物半導体装置42の耐圧(たとえばゲート絶縁膜10の破壊耐量)を向上できる。
たとえば、前述の各実施形態では、トレンチ11,34内の一部にゲート絶縁膜10が形成された例について説明したが、トレンチ11,34を満たす(埋め尽くす)ようにゲート絶縁膜10が形成されていてもよい。
図17に示すように、本変形例に係る窒化物半導体装置1は、電子供給層5とパッシベーション膜6との間に介在するキャップ層19をさらに含む。キャップ層19は、GaNを含み、電子供給層5に対してコヒーレントに形成されている。キャップ層19の厚さは、たとえば2μm以上3μm以下である。キャップ層19における基板2とは反対側の表面は、平坦に形成されている。表面が平坦とされたキャップ層19により、電子供給層5中の電子移動度が向上する結果、良好なスイッチング応答速度を得ることができる。
また、前述の第4実施形態では、第2電子供給層33上にパッシベーション膜6が形成された例について説明したが、図18に示すような構成に変更されてもよい。図18は、図11に示す窒化物半導体装置31の変形例を示す断面図である。図18において、前述の図11に示された構成については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
また、前述の第1~第6実施形態では、スペーサ層7が形成された例について説明したが、スペーサ層7が形成されていない構成が採用されてもよい。
4 電子走行層
5 電子供給層
7 非導電性スペーサ層
10 ゲート絶縁膜
11 トレンチ
12 ゲート電極
18 酸化物
21 窒化物半導体装置
22 窒化物半導体装置
31 窒化物半導体装置
32 第1電子供給層
33 第2電子供給層
38 酸化物
41 窒化物半導体装置
42 窒化物半導体装置
EC 伝導帯エネルギ準位
EF フェルミエネルギ準位
Claims (14)
- 窒化物半導体装置であって、
GaxIn1-xN(0<x≦1)を含む電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、AlaGabInCN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,及びa+b+c=1)を含む電子供給層と、
前記電子供給層を通り抜けて前記電子走行層に接するように形成されたゲート絶縁膜と、
前記電子走行層に、前記ゲート絶縁膜を挟んで向かい合ったゲート電極とを含み、
前記ゲート絶縁膜は前記電子供給層の酸化物を含み、かつ、前記ゲート絶縁膜は、深さ方向に直交する方向の厚さT1が、前記電子走行層に接する深さ方向の厚さT2よりも大きくされている、窒化物半導体装置。 - 前記電子走行層に接するように前記電子供給層を通り抜けて形成されたトレンチをさらに含み、
前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内壁に沿って形成されている、請求項1に記載の窒化物半導体装置。 - 前記電子供給層上に形成された非導電性のスペーサ層をさらに含み、
前記トレンチは、前記電子走行層に接するように前記スペーサ層および前記電子供給層を貫通して形成されている、請求項2に記載の窒化物半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜は、前記トレンチの内壁および前記電子走行層の表面に沿って形成されており、
前記ゲート絶縁膜において、前記トレンチの内壁に沿って形成された部分の厚さが前記深さ方向に直交する方向の厚さT1であり、前記電子走行層の表面に沿って形成された部分の厚さが、前記電子走行層に接する深さ方向の厚さT2である、請求項3に記載の窒化物半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜は、SiO2,Al2O3,AlONおよびSiNを含む群から選択される1つまたは複数の絶縁材料種を含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜は、当該ゲート絶縁膜中の電界が10MV/cm以下となる厚さで形成されている、請求項1~5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子走行層において、前記ゲート絶縁膜に接する部分と、前記電子供給層に接する部分とは互いに平坦な表面に形成されている、請求書1~6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜の前記電子走行層に接する深さ方向の厚さT2は、当該ゲート絶縁膜中の電界が10MV/cm以下となる厚さで形成されている、請求項1~7のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層と前記スペーサ層との間にパッシベーション膜を更に有する、請求項3に記載の窒化物半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜、前記スペーサ層および前記パッシベーション膜をそれぞれ貫通するソース電極およびドレイン電極を更に有する、請求項9に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層とパッシベーション膜との間にキャップ層を更に有する、請求項9または請求項10に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電子供給層は、前記電子走行層上にこの順に形成された第1電子供給層および第2電子供給層を含み、
前記第1電子供給層は、前記電子走行層の格子定数よりも小さい格子定数からなる窒化物半導体を含み、
前記第2電子供給層は、前記第1電子供給層の格子定数よりも小さい格子定数からなる窒化物半導体を含む、請求書1~11のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。 - 前記第1電子供給層は、AlaGabIncN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,a+b+c=1)を含み、
前記第2電子供給層は、AlyIn1-yN(0<y≦1)を含む、請求項12に記載の窒化物半導体装置。 - 前記第1電子供給層は、AlaGabIncN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦c≦1,a+b+c=1)からなる窒化物半導体層が複数積層された積層構造を有している、請求項12または請求項13に記載の窒化物半導体装置。
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