JP7405291B1 - 窒化物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(構成例)
図1は、本開示の実施形態1に係るGaN(窒化ガリウム)半導体装置100(本開示の「窒化物半導体装置」の一例)の構成例を示す平面図である。図1では、GaN基板10の表面10aの不純物拡散層を示すために、ゲート絶縁膜21、ゲート電極22、ソース電極25の図示を省略している。図2は、本開示の実施形態1に係るGaN半導体装置100の構成例を示す断面図である。図2は、図1の平面図をA-A´線で切断した断面を示している。図3は、図2の断面図の一部を拡大して示す図である。
次に、縦型MOSFET1を備えるGaN半導体装置100の製造方法について説明する。図5Aから図5Dは、本開示の実施形態1に係る縦型MOSFET1の製造方法を工程順に示す断面図である。GaN半導体装置100は、レジスト塗布装置、露光装置、エッチング装置、イオン注入装置、熱処理装置、成膜装置、CMP(Chemical Mechanical Polishing)装置など、各種の装置によって製造される。以下、これらの装置を製造装置と総称する。
以上説明したように、本開示の実施形態1に係るGaN半導体装置100は、表面10aと、表面10aの反対側に位置する裏面10bとを有するGaN基板10と、GaN基板10に設けられた縦型MOSFET1と、を備える。縦型MOSFET1は、GaN基板10の表面10a側に設けられたゲート絶縁膜21と、GaN基板10に設けられ、ゲート絶縁膜21と接するp型のウェル領域13と、GaN基板10に設けられ、ウェル領域13とゲート絶縁膜21との界面に平行な第1方向(例えば、X軸方向)においてウェル領域13と接するn+型のソース領域23と、表面10a側に配置され、ソース領域23と接するソース電極25とを備える。p型のウェル領域13は、ゲート絶縁膜21と接する第1領域131と、ゲート絶縁膜21と接し、かつX軸方向において第1領域131とソース領域23との間に介在する第2領域132とを有する。第2領域132は、第1領域131よりもp型不純物濃度(例えば、Mg濃度)が高い。例えば、第1領域131はp型であり、Mg拡散層である第2領域132はp+型である。
なお、本開示の実施形態1では、コンタクト領域15を省いてもよい。このような態様であっても、縦型MOSFET1の閾値電圧と移動度とを、第1領域131及び第2領域132の各Mg濃度で個別に制御、確保することができ、それぞれを高い値にすることができる。したがって、高閾値電圧と高移動度の両立を可能とする縦型MOSFET1を実現することができる。
上記の実施形態1では、p+型の高濃度領域14がn+型のソース領域23下にのみ配置されている態様を示した。しかしながら、本開示の実施形態はこれに限定されない。高濃度領域14は、ソース領域23下からその外側へ延出していてもよい。
図8は、本開示の実施形態2の変形例に係る縦型MOSFET1Bの構成例を示す断面図である。図8に示すように、実施形態2の変形例に係る縦型MOSFET1Bでは、p型の第1領域131とn-型のJFET領域121とのpn接合面と、p+型の高濃度領域14とn-型のJFET領域121とのpn接合面とは面一となっていない。p+型の高濃度領域14が、n-型のJFET領域121側へ突出している。
上記の実施形態1、2では、p++型のコンタクト領域15を介して、ウェル領域13がソース電極25に接続している態様を示した。しかしながら、本開示の実施形態はこれに限定されない。ウェル領域13は、例えばp+型の第2領域132を介して、ソース電極25に接続してもよい。
上記の実施形態1から3では、p型のウェル領域13及びp+型の高濃度領域14をイオン注入で形成する態様を示した。しかしながら、本開示の実施形態において、ウェル領域13及び高濃度領域14の形成方法はこれに限定されない。ウェル領域13及び高濃度領域14は、例えばエピタキシャル法で形成してもよい。
上記の製造方法では、n型のJFET領域121を選択エピタキシャル成長法で形成することを説明したが、n型のJFET領域121はイオン注入で形成してもよい。例えば、マスクM21が形成されたGaN層12をエッチングするのではなく、n型不純物(例えば、Si)をイオン注入することによって、マスクM21から露出しているGaN層12にn型のJFET領域121を形成してもよい。
上記の実施形態1から4では、GaN半導体装置100が備える縦型MOSFETが縦型プレーナ構造であることを説明した。しかしながら、GaN半導体装置100が備える縦型MOSFETは、縦型プレーナ構造に限定されず、例えばトレンチゲート構造であってもよい。
上記のように、本開示は実施形態及び変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本開示を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、変形例が明らかとなろう。本開示はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。
(1)
第1主面と、前記第1主面の反対側に位置する第2主面とを有する窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層に設けられた電界効果トランジスタと、を備え、
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層の前記第1主面側に設けられたゲート絶縁膜と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記ゲート絶縁膜と接するp型領域と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、
前記p型領域と前記ゲート絶縁膜との界面に平行な第1方向において前記p型領域と接するn型領域と、
前記第1主面側に配置され、前記n型領域と接する第1電極とを備え、
前記p型領域は、
前記ゲート絶縁膜と接する第1領域と、
前記ゲート絶縁膜と接し、かつ前記第1方向において前記第1領域と前記n型領域との間に介在する第2領域とを有し、
前記第2領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高い、窒化物半導体装置。
(2)
前記電界効果トランジスタのチャネル領域に前記第1領域と前記第2領域とが存在する、前記(1)に記載の窒化物半導体装置。
(3)
前記電界効果トランジスタのオン電流は、前記窒化ガリウム層の前記第2主面側から前記第1領域と前記第2領域とを通って前記n型領域に流れる、前記(1又は2に記載の窒化物半導体装置。
(4)
前記p型領域は、前記第1方向においてp型不純物濃度が最大となるピーク位置を有し、
前記ピーク位置は前記第2領域に存在する、前記(1)から(3)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(5)
前記第2領域は前記n型領域と接している、前記(1)から(4)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(6)
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記n型領域と前記第2主面との間に位置するp型の高濃度領域をさらに有し、
前記高濃度領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高く、かつ前記第2領域と接している、前記(1)から(5)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(7)
前記高濃度領域は、前記第2領域よりもp型不純物濃度が高い、前記(6)に記載の窒化物半導体装置。
(8)
前記高濃度領域は前記n型領域と接している、前記(6)又は(7)に記載の窒化物半導体装置。
(9)
前記高濃度領域は前記第1電極と接している、前記(6)から(8)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(10)
前記高濃度領域は前記第1領域と接している、前記(6)から(9)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(11)
前記高濃度領域のp型不純物濃度は、5×1018cm-3以上、1×1020cm-3未満であり、
前記第2領域のp型不純物濃度は、1×1018cm-3以上、5×1018cm-3未満であり、
前記第1領域のp型不純物濃度は、1×1016cm-3以上、1×1018cm-3未満である、前記(6)から(10)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(12)
前記電界効果トランジスタは、
前記第2主面側に設けられた第2電極をさらに有する、前記(1)から(11)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置。
(13)
窒化ガリウム層にp型領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層において前記p型領域と接する領域に、前記p型領域よりもp型不純物を高濃度に含む高濃度領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層に熱処理を施して、前記高濃度領域から前記p型領域にp型不純物を拡散させることによって、前記p型領域の第1領域よりもp型不純物濃度が高い第2領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層の第1主面側に、前記第1領域及び前記第2領域と接するゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層の前記第1主面側であって、前記第2領域を介して前記第1領域の反対側にn型領域を形成する工程と、
前記n型領域に接する第1電極を形成する工程と、を含む窒化物半導体装置の製造方法。
(14)
前記熱処理を施す工程の前に、
前記窒化ガリウム層であって、前記高濃度領域と前記第2領域が形成される予定領域との界面を含む領域に、窒素をイオン注入する工程、をさらに有する前記(13)に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(15)
前記n型領域を形成する工程では、
前記熱処理を施す工程の前に、前記窒化ガリウム層の前記第1主面側にマスクを形成し、前記窒化ガリウム層において前記マスクから露出している領域にn型不純物をイオン注入し、
前記窒素をイオン注入する工程では、
前記マスクを用いて前記窒化ガリウム層に前記窒素をイオン注入する、前記(14)に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(16)
前記窒素をイオン注入する工程では、
前記第1主面の法線方向に対して斜めの角度で前記窒素をイオン注入する、前記(15)に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
(17)
前記熱処理の最高温度は1300℃以上である、前記(13)から(16)のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
10 GaN基板
10a 表面
10b 裏面
11 GaN単結晶基板
12 GaN層
13 ウェル領域
13´ ウェル形成領域
14 高濃度領域
14´ 高濃度形成領域
15 コンタクト領域
15´ コンタクト形成領域
21 ゲート絶縁膜
22 ゲート電極
23 ソース領域
23´ ソース形成領域
25 ソース電極
26 ドレイン電極
41 保護膜
100 GaN半導体装置
121 JFET領域
131 第1領域
132、132A 第2領域
132´、132A´ 第2形成領域
H トレンチ
M1、M2、M11。M12、M21、M31、M32、M33 マスク
Claims (14)
- 第1主面と、前記第1主面の反対側に位置する第2主面とを有する窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層に設けられた電界効果トランジスタと、を備え、
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層の前記第1主面側に設けられたゲート絶縁膜と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記ゲート絶縁膜と接するp型領域と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記p型領域と前記ゲート絶縁膜との界面に平行な第1方向において前記p型領域と接するn型領域と、
前記第1主面側に配置され、前記n型領域と接する第1電極とを備え、
前記p型領域は、
前記ゲート絶縁膜と接する第1領域と、
前記ゲート絶縁膜と接し、かつ前記第1方向において前記第1領域と前記n型領域との間に介在する第2領域とを有し、
前記第2領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高く、
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記n型領域と前記第2主面との間に位置するp型の高濃度領域をさらに有し、
前記高濃度領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高く、かつ前記第2領域と接しており、
前記高濃度領域は、前記第2領域よりもp型不純物濃度が高い、窒化物半導体装置。 - 第1主面と、前記第1主面の反対側に位置する第2主面とを有する窒化ガリウム層と、
前記窒化ガリウム層に設けられた電界効果トランジスタと、を備え、
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層の前記第1主面側に設けられたゲート絶縁膜と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記ゲート絶縁膜と接するp型領域と、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記p型領域と前記ゲート絶縁膜との界面に平行な第1方向において前記p型領域と接するn型領域と、
前記第1主面側に配置され、前記n型領域と接する第1電極とを備え、
前記p型領域は、
前記ゲート絶縁膜と接する第1領域と、
前記ゲート絶縁膜と接し、かつ前記第1方向において前記第1領域と前記n型領域との間に介在する第2領域とを有し、
前記第2領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高く、
前記電界効果トランジスタは、
前記窒化ガリウム層に設けられ、前記n型領域と前記第2主面との間に位置するp型の高濃度領域をさらに有し、
前記高濃度領域は、前記第1領域よりもp型不純物濃度が高く、かつ前記第2領域と接しており、
前記高濃度領域のp型不純物濃度は、5×1018cm-3以上、1×1020cm-3未満であり、
前記第2領域のp型不純物濃度は、1×1018cm-3以上、5×1018cm-3未満であり、
前記第1領域のp型不純物濃度は、1×1016cm-3以上、1×1018cm-3未満である、窒化物半導体装置。 - 前記電界効果トランジスタのチャネル領域に前記第1領域と前記第2領域とが存在する、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電界効果トランジスタのオン電流は、前記窒化ガリウム層の前記第2主面側から前記第1領域と前記第2領域とを通って前記n型領域に流れる、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記p型領域は、前記第1方向においてp型不純物濃度が最大となるピーク位置を有し、
前記ピーク位置は前記第2領域に存在する、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。 - 前記第2領域は前記n型領域と接している、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記高濃度領域は前記n型領域と接している、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記高濃度領域は前記第1電極と接している、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記高濃度領域は前記第1領域と接している、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。
- 前記電界効果トランジスタは、
前記第2主面側に設けられた第2電極をさらに有する、請求項1又は2に記載の窒化物半導体装置。 - 窒化ガリウム層にp型領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層において前記p型領域と接する領域に、前記p型領域よりもp型不純物を高濃度に含む高濃度領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層に熱処理を施して、前記高濃度領域から前記p型領域にp型不純物を拡散させることによって、前記p型領域の第1領域よりもp型不純物濃度が高い第2領域を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層の第1主面側に、前記第1領域及び前記第2領域と接するゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記窒化ガリウム層の前記第1主面側であって、前記第2領域を介して前記第1領域の反対側にn型領域を形成する工程と、
前記n型領域に接する第1電極を形成する工程と、を含み、
前記熱処理を施す工程の前に、
前記窒化ガリウム層であって、前記高濃度領域と前記第2領域が形成される予定領域との界面を含む領域に、窒素をイオン注入する工程、をさらに有する窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記n型領域を形成する工程では、
前記熱処理を施す工程の前に、前記窒化ガリウム層の前記第1主面側にマスクを形成し、前記窒化ガリウム層において前記マスクから露出している領域にn型不純物をイオン注入し、
前記窒素をイオン注入する工程では、
前記マスクを用いて前記窒化ガリウム層に前記窒素をイオン注入する、請求項11に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記窒素をイオン注入する工程では、
前記第1主面の法線方向に対して斜めの角度で前記窒素をイオン注入する、請求項12に記載の窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記熱処理の最高温度は1300℃以上である、請求項11から13のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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