JP2008010781A - Iii族窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 p型の不純物を含む第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を窒素元素を含まないガスでエッチングして、第1のIII族窒化物半導体層の表面の一部を露出させる。n型の不純物を含むか又はi型の第2のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を、窒素元素を含まないガスでエッチングして、第2のIII族窒化物半導体層の表面の一部を露出させる。
第1のIII族窒化物半導体層の露出している表面に窒素を供給して、第2のIII族窒化物半導体層の露出している表面に窒素を供給しない
【選択図】 図1
Description
特許文献1のIII族窒化物半導体装置では、p型III族窒化物半導体層の表面にn型又はi型のIII族窒化物半導体層を形成し、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面にゲート絶縁膜を形成する。ゲート絶縁膜をエッチングしてn型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面の一部を露出させ、さらに、n型又はi型のIII族窒化物半導体層をエッチングしてp型III族窒化物半導体層の表面の一部を露出させている。その後、p型III族窒化物半導体層の露出表面とn型又はi型のIII族窒化物半導体層の露出表面の各々に金属電極を形成している。
p型III族窒化物半導体層の表面に金属電極を形成すると、p型III族窒化物半導体層の電位を安定化させることができる。その結果、p型III族窒化物半導体層とn型又はi型のIII族窒化物半導体層の間に安定した空乏層を形成させることができ、ノーマリオフの特性を実現することができる。n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面に金属電極を形成すると、半導体装置に電流を流すことができる。
非特許文献1には、表面の結晶構造から窒素が抜けたp型III族窒化物半導体層の表面に窒素プラズマ照射を行うことによって、p型III族窒化物半導体層の表面の結晶構造中の窒素量を、p型III族窒化物半導体層の表面以外の結晶構造中の窒素量と同じレベルにまで回復する技術が開示されている。非特許文献1の技術によると、p型III族窒化物半導体層の表面がn型に反転していないため、p型III族窒化物半導体層と金属電極を良好に接続することができる。
そこで、本発明の一つの方式では、p型III族窒化物半導体層の表面については、窒素が抜けた結晶構造中に窒素を補償し、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面については、窒素が抜けた結晶構造中に窒素を補償しない。
本発明の他の方式では、p型III族窒化物半導体層の表面層をエッチングする際にはp型III族窒化物半導体層から窒素が抜けないようにエッチングする一方、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面層をエッチングする際にはn型又はi型のIII族窒化物半導体層から窒素が抜けるようにエッチングする。
本発明では、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面から窒素が抜けることによって特性が改善されることを積極的に利用する。一方、p型のIII族窒化物半導体層の表面から窒素が抜けることによって特性が低下することには対策する。
一方、n型不純物を含むか又はi型の第2のIII族窒化物半導体層の露出表面では、結晶構造から窒素が抜けており、存在する電子量が増えている。第2のIII族窒化物半導体層の露出表面に金属電極を形成すると、第2のIII族窒化物半導体層と金属電極の間の接触抵抗が小さくなる。
本製造方法によると、n型又はi型のIII族窒化物半導体層では窒素が抜けることを積極的に利用することができ、p型のIII族窒化物半導体層では窒素が抜けることに対して対策することができ、半導体装置の特性を向上させることができる。
上記の製造方法によると、第1のIII族窒化物半導体層の露出表面には窒素が補償される。一方、第2のIII族窒化物半導体層の露出表面に窒素が補償されない。またIII族窒化物半導体層の表面の狭い範囲にだけ窒素プラズマを照射するという高度な技術が必要とされない。半導体装置の製造コストを低くすることができる。
また、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層をエッチングしてn型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面の一部を露出させる工程では、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面の結晶構造から窒素が抜ける。n型又はi型のIII族窒化物半導体層の露出表面では、電子量が増大する。n型又はi型のIII族窒化物半導体層の露出表面と金属電極の間の接触抵抗を小さくすることができる。
また、n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面の一部に金属電極を形成することができる。n型又はi型のIII族窒化物半導体層の表面から窒素が抜けており、第2のIII族窒化物半導体層と金属電極の間の接触抵抗を小さくすることができる。
上記の半導体装置によると、必要に応じて、第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている金属電極と、第2のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている金属電極の組成を異ならせることができる。各々に適した組成の金属電極を選択することができる。
上記の半導体装置によると、第1のIII族窒化物半導体層と第2のIII族窒化物半導体層によって、ヘテロ接合が構成される。ヘテロ接合が構成されることによって、第1のIII族窒化物半導体層と第2のIII族窒化物半導体層の間に、2次元電子ガス領域が形成される。その2次元電子ガス領域を電子が移動できる。
(第1実施形態) n−型のIII族窒化物半導体層26の表面に、複数個のp+型のIII族窒化物半導体領域28が島状に形成されている。
(第2実施形態) n−型のIII族窒化物半導体領域34の表面に、n−型のIII族窒化物半導体領域34のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するn−型のIII族窒化物半導体領域36が形成されている。
(第3実施形態) n−型のIII族窒化物半導体領域34とn−型のIII族窒化物半導体領域36の両端部分に、n+型のIII族窒化物半導体領域34a,36aが形成されている。
(第4実施形態) n+型のIII族窒化物半導体領域34a,36aに接続するソース電極56が形成されている。
(第5実施形態) p+型のIII族半導体領域28に接続するボディ電極54が形成されている。
(第6実施形態) III族窒化物半導体領域36の表面に、ゲート絶縁膜86を介してゲート電極44が形成されている。ゲート電極44は、少なくともp+型のIII族窒化物半導体領域28に対向する位置に形成されている。
(第1実施例)
図1に、ヘテロ接合を有する縦型のIII族窒化物半導体装置10の要部断面図を模式的に示す。図1は、半導体装置10の単位構造を示し、この単位構造が実際には紙面左右方向に繰返されている。
半導体装置10の裏面に、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)が積層しているドレイン電極22が形成されている。ドレイン電極22の表面に、窒化ガリウム(GaN)を主材料とするn+型のIII族窒化物半導体層24が形成されている。III族窒化物半導体層24の不純物には、シリコン(Si)または酸素(O)が用いられており、そのキャリア濃度は約3×1018cm−3に調整されている。
III族窒化物半導体層24の表面に、窒化ガリウムを主材料とするn−型の低濃度III族窒化物半導体層26が形成されている。III族窒化物半導体層26の不純物にはシリコンが用いられており、そのキャリア濃度は約1×1016cm−3に調整されている。
III族窒化物半導体層26の上部に、窒化ガリウムを主材料とするp+型のIII族窒化物半導体領域(第1のIII族窒化物半導体領域)28が島状に分散して形成されている。III族窒化物半導体領域28の不純物にはマグネシウム(Mg)が用いられており、そのキャリア濃度は約1×1018cm−3に調整されている。複数のIII族窒化物半導体領域28が、III族窒化物半導体層26の上部に分散して形成されており、隣接するIII族窒化物半導体領域28の間は、III族窒化物半導体層26によって隔てられている。図1に示すように、本実施例では、紙面左右に2つのIII族窒化物半導体領域28が形成されている。平面視したときに、III族窒化物半導体領域28は紙面奥行き方向に長く伸びており、複数のIII族窒化物半導体領域28がストライプ状に配置されている。
III族窒化物半導体領域34上に、窒化ガリウム・アルミニウム(Al0.3Ga0.7N)を主材料とするn−型のIII族窒化物半導体領域(第2のIII族窒化物半導体領域)36が形成されている。III族窒化物半導体領域36の不純物にはシリコンが用いられており、そのキャリア濃度は約1×1016cm−3に調整されている。III族窒化物半導体領域36の結晶構造にはアルミニウムが含まれており、III族窒化物半導体領域34のバンドギャップよりもIII族窒化物半導体領域36の方が大きなバンドギャップを有している。III族窒化物半導体領域34とIII族窒化物半導体領域36によってヘテロ接合が構成されている。
p型のIII族窒化物半導体領域28が、n型のIII族窒化物半導体領域34に接している。ゲート電極44に電圧を印加していない状態では、III族窒化物半導体領域28からIII族窒化物半導体領域34,36に向けて空乏層が形成される。このとき、ボディ電極54に所定の電圧を印加することによって、III族半導体領域28の電位を安定化させることができ、安定した空乏層を形成することができる。すなわち、空乏層はIII族窒化物半導体領域34とIII族窒化物半導体領域36のヘテロ接合面にまで伸びて形成される。ヘテロ接合面の伝導帯のエネルギー準位はフェルミ準位よりも上側に存在することになり、2次元電子ガス層がヘテロ接合面に存在することができない。すなわち、ゲート電極44に電圧が印加されていない状態では電子の走行が停止され、半導体装置10はオフとなる。半導体装置10は、ノーマリオフの動作を行う。
ソース領域34a,36aからIII族窒化物半導体領域34とIII族窒化物半導体領域36のヘテロ接合面の2次元電子ガス層に沿って横方向に走行してきた電子は、III族窒化物半導体層26の凸部(III族窒化物半導体層26がIII族窒化物半導体領域34に接する部分)を縦方向に流れ、III族窒化物半導体層26及びIII族窒化物半導体層24を経由してドレイン電極22まで流れる。ソース電極56とドレイン電極22の間が導通する。
(第1製造方法)図1〜図11を参照して半導体装置10の製造方法を説明する。なお、図中の各構成については、実際のサイズの縮尺を正確に表すものではない。分かり易さのために、適宜変更している。
まず、図2に示すように、n+型の窒化ガリウムを主材料とするIII族窒化物半導体基板24を用意する。III族窒化物半導体基板24の厚みは約200μmである。
次に、図3に示すように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を利用して、III族窒化物半導体基板24上にn−型のIII族窒化物半導体領域26を結晶成長させる。III族窒化物半導体領域26の厚みは6μmである。さらに、MOCVD法を利用して、III族窒化物半導体領域26上にp+型の第1のIII族窒化物半導体領域28を結晶成長させる。次いで、III族窒化物半導体領域28上に第1マスク層32を成膜する。第1マスク層32の厚みは約0.5μmである。第1マスク層32は酸化シリコンで形成する。
次に、図5に示すように、MOCVD法を利用して、溝72の底面の露出しているIII族窒化物半導体領域26から、窒化ガリウムを結晶成長させる。窒化ガリウムの結晶成長は、III族窒化物半導体領域28をエッチングした部分を埋めるまで続ける。次に、第1マスク層32を除去した後に、MOCVD法を利用して、窒化ガリウムを結晶成長させることにより、III族窒化物半導体領域28の表面とIII族窒化物半導体領域26の一部の表面に窒化ガリウム層34が均一に形成される。結晶成長する窒化ガリウム層の不純物量は、低濃度半導体領域26と同一量に調整されている。すなわち、結晶成長した窒化ガリウム層34とIII族窒化物半導体領域26は連続した一つの領域と評価することができる。III族窒化物半導体領域28の表面に堆積した半導体領域の厚みは約100nmである。
なお、III族窒化物半導体領域28,28の間に結晶成長した窒化ガリウム層と、III族窒化物半導体領域28の表面に結晶成長した窒化ガリウム層は連続しているが、図1に示す半導体装置10と整合させるために、以下の説明では、前者はIII族窒化物半導体領域26の一部とし、後者は第3のIII族窒化物半導体領域34として説明する。
次に、CVD法を利用して、III族窒化物半導体領域36の表面に二酸化シリコンを成膜して第2マスク層82を形成する。第2マスク層82は、III族窒化物半導体層36の表面の全面に形成した後に、リソグラフィー技術とエッチング技術を利用して、ソース領域を形成する部分が除去される。
次に、イオン注入を実施してソース領域34a,36a(図7を参照)を形成する。イオン注入は、シリコンをドーズ量1×1015cm−2、加速電圧65eVで注入する。なお、図中の矢印は、イオン注入が実施される範囲を示している。
次いで、第2マスク層82の除去した部分に、再度二酸化シリコンを成膜して、第3マスク層83(図7を参照)を形成する。すなわち、III族窒化物半導体層36の表面の全面に第3マスク層83を形成する。次に、窒素雰囲気中で1300℃で5分間アニールする。アニールすることによって、イオン注入した不純物(シリコン)を活性化させる。ソース領域34a,36aが完成する。
次に、第3マスク層83の除去した部分に、再度二酸化シリコンを成膜して、第4マスク層84(図8を参照)を形成する。すなわち、III族窒化物半導体層36の表面とソース領域34a,36aの表面にマスク層を形成する。
次に、図11に示すように、ソース領域36aの露出された表面上に、レジスト32を塗布する。このとき、III族窒化物半導体層28の露出された表面上には、レジストを塗布しない。レジスト32を塗布する代わりに、ソース領域36aの露出された表面上にソース電極56を直接形成してしまってもよい。
次いで、ECR(Electron Cyclotron Resonance)法を利用して、III族窒化物半導体層28の露出された表面に窒素プラズマを照射する。図中の矢印は、窒素プラズマ処を照射していることを示している。この段階で、III族窒化物半導体層28の露出された表面の結晶構造中に窒素が補償される。III族窒化物半導体層28の露出された表面の結晶構造中の窒素量が、それ以外の領域におけるIII族窒化物半導体層28の結晶構造中と窒素量と同程度となるまで回復される。一方、ソース領域36aの露出された表面は、レジスト32で被覆されているために、結晶構造中の窒素が抜けたままである。すなわち、ソース領域36aの露出された表面の結晶構造中では、ソース領域36aの露出された表面以外の結晶構造中よりも窒素量が少ないままである。
上記の工程を経て、図1に示す半導体装置10を得ることができる。
第2製造方法では、図9の状態が得られた後に、図12に示すようにボディ電極が形成される位置のゲート絶縁膜86をドライエッチングで除去する。このときに、エッチングガス中に窒素ガスを混入させる。この段階で、III族窒化物半導体層28の表面の結晶構造中に窒素が補償される。
次いで、図13に示すように、ソース電極が形成される部分をドライエッチングで除去する。このときは、エッチングガス中に窒素ガスを混入させない。
次いで、第1製造方法で述べたように、ソース電極とボディ電極とドレイン電極とゲート電極を形成して、半導体装置10を得ることができる。
上記実施例では、ソース電極とボディ電極が分離して形成されている。しかしながら、ソース電極が、ソース領域とp+型のIII族窒化物半導体層の両方に接続するように形成してもよい。その場合は、二酸化シリコン等のマスク層でソース領域とp+型のIII族窒化物半導体層を覆った後に、ソース電極が形成されるソース領域の表面の結晶構造中の窒素量が、ソース電極が形成されないソース領域の結晶構造中の窒素量よりも少ない状態を完成するとともに、p+型のIII族窒化物半導体層のソース電極が形成される表面の結晶構造中の窒素量が、ソース電極が形成されないp+型のIII族窒化物半導体層の結晶構造中の窒素量と同程度である状態を完成させる。次いで、弗化水素水溶液を利用して、マスク層を除去した後、ソース電極を形成すればよい。
上記実施例では、p+型のIII族窒化物半導体領域をエッチングした部分を埋めるまでn−型のIII族窒化物半導体領域から窒化ガリウムを結晶成長し、その後、マスク層を除去した後に、p+型のIII族窒化物半導体領域の全表面に、窒化ガリウムを均一に結晶成長している。しかしながら、マスク層を除去しないで、p+型のIII族窒化物半導体領域の表面を覆うまでn−型のIII族窒化物半導体領域から窒化ガリウムを結晶成長してもよい。
上記実施例では、ソース電極を形成し、次いでボディ電極を形成し、次いでドレイン電極を形成している。しかしながら、上記金属電極を形成する順番は、実施例の順番に限定されない。所望する金属電極が確実に形成されていればよい。
また、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、出願時請求項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し得るものであり、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。
24:n+型のIII族窒化物半導体領域
26:n−型の低濃度III族窒化物半導体層
28:第1のIII族窒化物半導体領域
34:第3のIII族窒化物半導体領域
36:第2のIII族窒化物半導体領域
44:ゲート電極
54:ボディ電極
56:ソース電極
86:ゲート絶縁膜
Claims (7)
- p型不純物を含む第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を、窒素元素を含まないガスでエッチングすることによって、第1のIII族窒化物半導体層の表面の少なくとも一部を露出させる工程と、
n型不純物を含むか又はi型の第2のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を、窒素元素を含まないガスでエッチングすることによって、第2のIII族窒化物半導体層の表面の少なくとも一部を露出させる工程と、
第2のIII族窒化物半導体層の露出表面には窒素を供給せず、第1のIII族窒化物半導体層の露出表面に窒素を供給する選択的供給工程と、
を備えていることを特徴とするIII族窒化物半導体装置の製造方法。 - 選択的供給工程では、第2のIII族窒化物半導体層の露出表面を保護膜で被覆し、第1のIII族窒化物半導体層の露出表面を保護膜で被覆しない状態で、III族窒化物半導体層の全体に窒素プラズマを照射することを特徴とする請求項1の製造方法。
- p型不純物を含む第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を、窒素元素を含むガスでエッチングすることによって、第1のIII族窒化物半導体層の表面の少なくとも一部を露出させる工程と、
n型不純物を含むか又はi型の第2のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている層を、窒素元素を含まないガスでエッチングすることによって、第2のIII族窒化物半導体層の表面の少なくとも一部を露出させる工程、
を備えていることを特徴とするIII族窒化物半導体装置の製造方法。 - p型不純物を含む第1のIII族窒化物半導体層と、
第1のIII族窒化物半導体層の表面側の一部に形成されているとともに、n型不純物を含むか又はi型の第2のIII族窒化物半導体層を有し、
第2のIII族窒化物半導体層が形成されていない領域における第1のIII族窒化物半導体層の表面の結晶構造中の窒素量は、その領域外の結晶構造中の窒素量と同程度であり、
第2のIII族窒化物半導体層の表面の一部の領域における結晶構造中の窒素量は、その一部の領域以外の結晶構造中の窒素量よりも少ないことを特徴とするIII族窒化物半導体装置。 - 第2のIII族窒化物半導体層が形成されていない領域において第1のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている金属電極と、
第2のIII族窒化物半導体層の前記一部の領域において第2のIII族窒化物半導体層の表面に形成されている金属電極を備えており、
前記の一対の金属電極同士が分離されていることを特徴とする請求項4の半導体装置。 - 第1のIII族窒化物半導体層のバンドギャップよりも第2のIII族窒化物半導体層のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする請求項4又は5の半導体装置。
- 第1のIII族窒化物半導体層の表面の一部に、n型不純物を含むか又はi型の第3のIII族窒化物半導体層が形成されており、
第3のIII族窒化物半導体層の表面に、第2のIII族窒化物半導体層が形成されており、
第3のIII族窒化物半導体層のバンドギャップよりも第2のIII族窒化物半導体層のバンドギャップの方が大きいことを特徴とする請求項4又は5の半導体装置。
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