JP2008159927A - Group III nitride semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 第1導電型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域の表面に、トレンチが形成されており、そのトレンチを第2導電型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域が充填している半導体装置において、電界が局所的に集中することを防止して、半導体装置の高耐圧化を実現する。
【解決手段】 第1導電型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域30の表面側に、トレンチ12,8,4が形成されている。そのトレンチ12,8,4を、第2導電型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域14,10,6が充填している。トレンチ12,8,4の横断面に露出する第1のIII族窒化物半導体領域30と第2のIII族窒化物半導体領域14,10,6の接合線の全長に亘って、接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To form a trench on a surface of a group III nitride semiconductor region containing a first conductivity type impurity, and to fill the trench with a group III nitride semiconductor region containing a second conductivity type impurity. In a semiconductor device, an electric field is prevented from being concentrated locally, and a high breakdown voltage of the semiconductor device is realized.
Trenches, 12, and 4 are formed on the surface side of a first group III nitride semiconductor region 30 containing an impurity of a first conductivity type. The trenches 12, 8, and 4 are filled with second group III nitride semiconductor regions 14, 10, and 6 containing impurities of the second conductivity type. The tangent line of the junction line extends over the entire length of the junction line between the first group III nitride semiconductor region 30 and the second group III nitride semiconductor region 14, 10, 6 exposed in the cross section of the trenches 12, 8, 4. There are no vertices whose slope changes discontinuously.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、高耐圧デバイスあるいは高周波デバイス等に使用されるIII族窒化物半導体を利用した半導体装置と、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a group III nitride semiconductor used for a high voltage device or a high frequency device, and a manufacturing method thereof.
III族窒化物半導体を利用する半導体装置であって、表面にトレンチが形成されているとともにn型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体領域(以下、n型のIII族窒化物半導体領域ということがある)と、そのトレンチを充填しているとともにp型の不純物を含んでいるIII族窒化物半導体領域(以下、p型のIII族窒化物半導体領域ということがある)を備えている半導体装置が特許文献1に開示されている。特許文献1の半導体装置では、そのトレンチの横断面にn型のIII族窒化物半導体領域とp型のIII族窒化物半導体領域の接合面が露出している。その横断面に露出しているとともにそのトレンチの側面を形成する接合線は、半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びており、そのトレンチの底面を形成する接合線は、半導体基板の表面と平行に伸びている。トレンチの側面とトレンチの底面を接続する接合線は直交しており、その交点において接合線の傾きが不連続に変化している。すなわち、水平に伸びている底面(傾き=0)と、垂直に伸びている側面(傾き=無限大)が交点で角部を形成している。
III族窒化物半導体では、n型III族窒化物半導体領域の所定領域にp型のイオンを注入することによって、n型のIII族窒化物半導体領域の所定領域をp型化することができない。注入したp型の不純物を活性化させることが困難なためである。そこで、特許文献1では、n型のIII族窒化物半導体領域の表面に所定領域が開口している保護膜を形成し、保護膜が形成されていない開口からn型のIII族窒化物半導体領域をドライエッチングしてトレンチを形成する。ドライエッチングでトレンチを形成すると、トレンチの横断面において、トレンチの側面を形成する線とトレンチの底面を形成する線は直交する。そのトレンチ内にp型のIII族窒化物半導体領域を成長させているため、n型のIII族窒化物半導体領域とp型のIII族窒化物半導体領域の接合線を観察すると、トレンチ側面を形成する接合線とトレンチの底面を形成する接合線が直交している。III族窒化物半導体では、第1導電型のIII族窒化物半導体領域内に局所的に第2導電型のIII族窒化物半導体領域を形成するために、ドライエッチング技術と結晶成長技術を組み合わせて製造しており、第1導電型のIII族窒化物半導体領域と第2導電型のIII族窒化物半導体領域の接合線は、側面と底面が直交し、傾きが不連続に変化する頂点(角部)を備えている。
A semiconductor device that uses a group III nitride semiconductor, a trench formed on the surface, and a group III nitride semiconductor region containing n-type impurities (hereinafter referred to as an n-type group III nitride semiconductor region) And a group III nitride semiconductor region filling the trench and containing p-type impurities (hereinafter, sometimes referred to as a p-type group III nitride semiconductor region). An apparatus is disclosed in Patent Document 1. In the semiconductor device of Patent Document 1, the junction surface of the n-type group III nitride semiconductor region and the p-type group III nitride semiconductor region is exposed in the cross section of the trench. The junction line that is exposed in the cross section and forms the side surface of the trench extends in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and the junction line that forms the bottom surface of the trench is the surface of the semiconductor substrate. It extends in parallel with. The junction line connecting the side surface of the trench and the bottom surface of the trench is orthogonal, and the inclination of the junction line changes discontinuously at the intersection. That is, a horizontally extending bottom surface (inclination = 0) and a vertically extending side surface (inclination = infinity) form a corner at the intersection.
In a group III nitride semiconductor, a predetermined region of an n-type group III nitride semiconductor region cannot be made p-type by implanting p-type ions into the predetermined region of the n-type group III nitride semiconductor region. This is because it is difficult to activate the implanted p-type impurity. Therefore, in Patent Document 1, a protective film having a predetermined region opened on the surface of the n-type group III nitride semiconductor region is formed, and the n-type group III nitride semiconductor region is formed from the opening in which the protective film is not formed. The trench is formed by dry etching. When the trench is formed by dry etching, the line forming the side surface of the trench and the line forming the bottom surface of the trench are orthogonal to each other in the cross section of the trench. Since the p-type group III nitride semiconductor region is grown in the trench, the side surface of the trench is formed when the junction line between the n-type group III nitride semiconductor region and the p-type group III nitride semiconductor region is observed. The joining line to be formed and the joining line forming the bottom surface of the trench are orthogonal to each other. In the group III nitride semiconductor, in order to locally form the group III nitride semiconductor region of the second conductivity type in the group III nitride semiconductor region of the first conductivity type, the dry etching technique and the crystal growth technique are combined. The junction line of the first-conductivity-type group III nitride semiconductor region and the second-conductivity-type group III nitride semiconductor region is the apex (corner) where the side surface and the bottom surface are orthogonal and the inclination changes discontinuously. Part).
III族窒化物半導体領域の第1導電型領域内に形成されているトレンチを充填する第2導電型領域を有する半導体装置は、その製造方法が限定されることから、トレンチの横断面に露出するn型のIII族窒化物半導体領域とp型のIII族窒化物半導体領域の接合線が、その傾きが不連続に変化する頂点(角部)を有する。傾きが不連続に変化する頂点を有していると、半導体装置に逆バイアスが印加されたときに、その頂点近傍に電界が集中してしまう。電界が集中する部分では、半導体装置の降伏電圧が小さくなってしまう。すなわち、半導体装置の耐圧が低くなってしまう。
本発明では、第1導電型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域の表面に、トレンチが形成されており、そのトレンチを第2導電型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域が充填している半導体装置において、電界が局所的に集中することを防止して、半導体装置の高耐圧化を実現する。
The semiconductor device having the second conductivity type region filling the trench formed in the first conductivity type region of the group III nitride semiconductor region is exposed to the cross section of the trench because the manufacturing method thereof is limited. The junction line between the n-type group III nitride semiconductor region and the p-type group III nitride semiconductor region has a vertex (corner) whose inclination changes discontinuously. If the slope has a vertex that changes discontinuously, an electric field concentrates near the vertex when a reverse bias is applied to the semiconductor device. In the portion where the electric field is concentrated, the breakdown voltage of the semiconductor device becomes small. That is, the breakdown voltage of the semiconductor device is lowered.
In the present invention, a trench is formed on the surface of the group III nitride semiconductor region containing the first conductivity type impurity, and the trench is filled with the group III nitride semiconductor region containing the second conductivity type impurity. In a semiconductor device, the local concentration of the electric field is prevented, and the high breakdown voltage of the semiconductor device is realized.
半導体装置内に耐圧の高い部分と耐圧の低い部分が共存する場合、半導体装置の耐圧は、耐圧が最も低い部分によって決定される。換言すると、半導体装置内の耐圧が低い部分の耐圧を改善することによって、半導体装置の耐圧を高くすることができる。本発明では、半導体装置内の耐圧が低い部分、すなわち、半導体装置に逆バイアスを印加したときに、電界が最も集中しやすい部分における、電界の集中を緩和することによって半導体装置の耐圧を高くする。
本発明の半導体装置は、表面にトレンチが形成されているとともに第1導電型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域と、そのトレンチを充填しているとともに第2導電型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域を備えている。そのトレンチの横断面に第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線が露出している。本発明の半導体装置は、トレンチの横断面に露出する接合線の全長に亘って、その接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない。
When a portion with a high breakdown voltage and a portion with a low breakdown voltage coexist in the semiconductor device, the breakdown voltage of the semiconductor device is determined by the portion with the lowest breakdown voltage. In other words, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased by improving the breakdown voltage of the portion with a low breakdown voltage in the semiconductor device. In the present invention, the breakdown voltage of the semiconductor device is increased by reducing the concentration of the electric field in the portion where the breakdown voltage in the semiconductor device is low, that is, in the portion where the electric field is most likely to concentrate when a reverse bias is applied to the semiconductor device. .
The semiconductor device of the present invention includes a first group III nitride semiconductor region having a trench formed on the surface and containing an impurity of the first conductivity type, and filling the trench and a second conductivity type. A second group III nitride semiconductor region containing impurities is provided. A junction line between the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region is exposed in the cross section of the trench. In the semiconductor device of the present invention, there is no vertex at which the slope of the tangent of the junction line changes discontinuously over the entire length of the junction line exposed in the cross section of the trench.
上記の半導体装置では、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域に頂点が存在しないために、半導体装置に逆バイアスが印加されたときに、局所部分に電界が集中することを防止できる。半導体装置内の耐圧が低い部分を改善することができるため、半導体装置の耐圧を高くすることができる。
本発明の半導体装置の特徴を、第1のIII族窒化物半導体領域に形成されたトレンチの横断面を観察したときに、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線の全長に亘って、その接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しないだけと評価するべきではない。上述したように、III族窒化物半導体では、第1導電型の半導体領域に第2導電型の不純物をイオン注入して、第1導電型の半導体領域内の局所的領域に第2導電型の半導体領域を形成することができない。III族窒化物半導体では、第1導電型の半導体領域に第2導電型の不純物をイオン注入しても、第2導電型の不純物の活性化が困難なためである。すなわち、従来のIII族窒化物半導体装置では、第1のIII族窒化物半導体領域内の局所的領域に第2のIII族窒化物半導体領域を形成するために、第1のIII族窒化物半導体領域をエッチングしてトレンチを形成し、そのトレンチ内部に第2のIII族窒化物半導体を結晶成長させる方法か、又は第1のIII族窒化物半導体領域の表面の全面に第2のIII族窒化物半導体領域を形成し、第2のIII族窒化物半導体領域の表面の所定範囲を第1のIII族窒化物半導体領域に至るまでエッチングしてトレンチを生成し、そのトレンチ内部から第2のIII族窒化物半導体領域の表面を覆うように第1のIII族窒化物半導体を結晶成長させる方法を採用することが常識である。その方法による限り、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点を有することがさけられない。
本発明は、従来の技術常識を打破して半導体装置の耐圧を向上させる技術である。
In the semiconductor device described above, since the apex does not exist in the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region, an electric field is generated in a local portion when a reverse bias is applied to the semiconductor device. Concentration can be prevented. Since the low breakdown voltage portion in the semiconductor device can be improved, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
As a feature of the semiconductor device of the present invention, when a cross section of a trench formed in the first group III nitride semiconductor region is observed, the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor It should not be evaluated that there are no vertices where the slope of the tangent of the joint line changes discontinuously over the entire length of the joint line of the region. As described above, in the group III nitride semiconductor, the second conductivity type impurity is ion-implanted into the first conductivity type semiconductor region, and the second conductivity type is implanted into the local region in the first conductivity type semiconductor region. A semiconductor region cannot be formed. This is because in the group III nitride semiconductor, it is difficult to activate the second conductivity type impurity even if the second conductivity type impurity is ion-implanted into the first conductivity type semiconductor region. That is, in the conventional group III nitride semiconductor device, the first group III nitride semiconductor is formed in order to form the second group III nitride semiconductor region in the local region in the first group III nitride semiconductor region. A method of etching a region to form a trench and crystal-growing a second group III nitride semiconductor inside the trench, or a second group III nitride on the entire surface of the first group III nitride semiconductor region And forming a trench by etching a predetermined range of the surface of the second group III nitride semiconductor region to reach the first group III nitride semiconductor region, and generating a trench from the inside of the trench. It is common sense to employ a method for crystal growth of the first group III nitride semiconductor so as to cover the surface of the group nitride semiconductor region. As long as this method is employed, it is inevitable that the slope of the tangent of the junction line between the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region has a discontinuous change.
The present invention is a technique for improving the breakdown voltage of a semiconductor device by overcoming the conventional technical common sense.
本発明の半導体装置は、第1のIII族窒化物半導体領域の表面に少なくとも1対のトレンチが形成されており、その1対のトレンチの双方を第2のIII族窒化物半導体領域が充填しており、その1対のトレンチの内側の側面を形成する接合線が半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びており、その1対のトレンチの底面を形成する接合線が半導体基板の表面と平行に伸びている場合にも有効である。この場合、トレンチの内側の側面とトレンチの底面を接続する接合線を、第1のIII族窒化物半導体領域に向けて凸な曲線とする。1対のトレンチの外側の側面を形成する接合線が、半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びている場合にも有効である。この場合、1対のトレンチの外側の側面とトレンチの底面を接続する接合線を、第1のIII族窒化物半導体領域に向けて凸な曲線とする。 In the semiconductor device of the present invention, at least one pair of trenches is formed on the surface of the first group III nitride semiconductor region, and the second group III nitride semiconductor region fills both of the pair of trenches. The bonding line forming the inner side surface of the pair of trenches extends in a direction orthogonal to the surface of the semiconductor substrate, and the bonding line forming the bottom surface of the pair of trenches is the surface of the semiconductor substrate. It is also effective when extending in parallel with. In this case, the joining line connecting the inner side surface of the trench and the bottom surface of the trench is a curved curve that protrudes toward the first group III nitride semiconductor region. This is also effective when the joint line forming the outer side surfaces of the pair of trenches extends in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate. In this case, a joining line connecting the outer side surface of the pair of trenches and the bottom surface of the trench is a curve that is convex toward the first group III nitride semiconductor region.
上記の半導体装置によると、半導体装置に逆バイアスが印加されたときに、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線のうち、電界が最も集中しやすい部分において、その部分の電界集中を緩和することができる。半導体装置に逆バイアスが印加されると、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線において、その接合線の接線の傾きが大きく変化する部分に電界が集中しやすい。すなわち、半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びている接合線と、半導体基板の表面と平行に伸びている接合線が交わる部分の近傍に電界が集中しやすい。本発明では、電界が集中しやすい部分に電界が集中しないようにすることができる。半導体装置の耐圧を高くすることができる。 According to the above semiconductor device, when a reverse bias is applied to the semiconductor device, the electric field is most likely to be concentrated among the junction lines of the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region. In the portion, electric field concentration in the portion can be reduced. When a reverse bias is applied to the semiconductor device, an electric field is generated at the junction line between the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region where the slope of the tangent line of the junction line changes greatly. Easy to concentrate. That is, the electric field tends to concentrate in the vicinity of a portion where a joint line extending in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate and a joint line extending in parallel with the surface of the semiconductor substrate intersect. In the present invention, it is possible to prevent the electric field from concentrating on a portion where the electric field tends to concentrate. The breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
本発明の半導体装置の具体的な一態様では、第1のIII族窒化物半導体領域の表面の1対のトレンチに亘る範囲に積層されている第3のIII族窒化物半導体領域と、第3のIII族窒化物半導体領域の表面の1対のトレンチに亘る範囲に積層されている第4のIII族窒化物半導体領域と、1対のトレンチ上方に形成されており、第3のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域に導通している表面側の1対の低抵抗領域と、第1のIII族窒化物半導体領域の裏面側に形成されている裏面側の低抵抗領域を備えており、第3のIII族窒化物半導体領域のバンドギャップよりも第4のIII族窒化物半導体領域のバンドギャップが広い半導体装置に具現化することができる。 In a specific aspect of the semiconductor device of the present invention, a third group III nitride semiconductor region stacked in a range extending over a pair of trenches on the surface of the first group III nitride semiconductor region, A group III nitride semiconductor region formed on the surface of the group III nitride semiconductor region over the pair of trenches, and formed above the pair of trenches. A pair of low resistance regions on the front surface side that are electrically connected to the nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region, and a back surface side low current region formed on the back surface side of the first group III nitride semiconductor region. The semiconductor device includes a resistance region and can be embodied in a semiconductor device in which the band gap of the fourth group III nitride semiconductor region is wider than the band gap of the third group III nitride semiconductor region.
上記の半導体装置によると、第3のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域によって、ヘテロ結合が形成される。第3のIII族窒化物半導体領域と第4のIII族窒化物半導体領域の間に、2次元電子ガス領域が形成される。第4のIII族窒化物半導体領域の導電型を第3のIII族窒化物半導体領域と同じ導電型にするか、又は第4のIII族窒化物半導体領域の導電型をi型にすることによって、同じ導電型の半導体領域内又はi型半導体領域内に2次元電子ガス領域が形成される。キャリアの移動抵抗が小さくなり、半導体装置のオン抵抗を小さくすることができる。 According to the semiconductor device described above, a hetero bond is formed by the third group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region. A two-dimensional electron gas region is formed between the third group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region. By making the conductivity type of the fourth group III nitride semiconductor region the same conductivity type as the third group III nitride semiconductor region, or by making the conductivity type of the fourth group III nitride semiconductor region i-type A two-dimensional electron gas region is formed in the same conductivity type semiconductor region or i-type semiconductor region. Carrier movement resistance is reduced, and the on-resistance of the semiconductor device can be reduced.
表面側の1対の低抵抗領域の間に位置する最上位のIII族窒化物半導体領域の表面上に絶縁層を介して積層されているゲート電極を有することが好ましい。
ゲート電極に電圧を印加することによって、ヘテロ接合面に2次元電子ガス領域を形成することができる。ノーマリオフ型の半導体装置を実現することができる。
It is preferable to have a gate electrode laminated via an insulating layer on the surface of the uppermost group III nitride semiconductor region located between the pair of low resistance regions on the surface side.
By applying a voltage to the gate electrode, a two-dimensional electron gas region can be formed on the heterojunction surface. A normally-off semiconductor device can be realized.
本発明の半導体装置では、表面にトレンチが形成されているとともに第1導電型の不純物を含んでいる第1のIII族窒化物半導体領域を有しており、そのトレンチがセルエリアを一巡しており、セルエリアを一巡するトレンチを充填する第2のIII族窒化物半導体領域によって、終端ガードリングが形成されていることが好ましい。
上記の半導体装置によると、半導体装置に逆バイアスが印加されたときに、空乏層を終端エリアまで伸ばすことができる。終端ガードリングの横断面において終端ガードリングは頂点を有しておらず、頂点があると発生する電界集中を緩和することができる。半導体装置の耐圧を高くすることができる。
In the semiconductor device of the present invention, a trench is formed on the surface and the first group III nitride semiconductor region containing the first conductivity type impurity is included, and the trench makes a round of the cell area. The terminal guard ring is preferably formed by the second group III nitride semiconductor region filling the trench that goes around the cell area.
According to the semiconductor device described above, the depletion layer can be extended to the termination area when a reverse bias is applied to the semiconductor device. In the cross section of the terminal guard ring, the terminal guard ring has no apex, and the electric field concentration generated when the apex is present can be mitigated. The breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
本発明では、半導体装置の製造方法をも提供することができる。その製造方法は、第1導電型の不純物を含む第1のIII族窒化物半導体領域の表面に、第1保護膜を形成する工程と、第1保護膜の表面の一部分に第2保護膜を形成する工程と、第1のIII族窒化物半導体領域と第2保護膜はエッチングしないで、第1保護膜を等方的にエッチングすることによって、第2保護膜が存在しない位置から第2保護膜が存在する位置に向けて伸びる直線に沿った断面を観察したときに、第2保護膜と接している第1保護膜の端部から第1のIII族窒化物半導体領域と接している第1保護膜の端部に向けて形成されている曲線の全長に亘って、その曲線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない曲線を形成する工程と、第2保護膜を除去する工程と、第1保護膜と第1のIII族窒化物半導体領域の両者を、その両者の表面側から異方的にエッチングすることによって、前記直線に沿った横断面を観察したときに、第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングされた面を形成する曲線の全長に亘って、その曲線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない曲線を形成する工程と、第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングされた表面に、第2導電型の不純物を含む第2のIII族半導体領域を形成する。 In the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device can also be provided. The manufacturing method includes a step of forming a first protective film on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing impurities of the first conductivity type, and a second protective film on a part of the surface of the first protective film. And forming the second protective film from a position where the second protective film is not present by isotropically etching the first protective film without etching the first group III nitride semiconductor region and the second protective film. When observing a cross section along a straight line extending toward the position where the film exists, the first group III nitride semiconductor region in contact with the first group III nitride semiconductor region from the end of the first protective film in contact with the second protective film is observed. A step of forming a curve having no vertex at which the slope of the tangent of the curve discontinuously changes over the entire length of the curve formed toward the end portion of the first protective film; and the second protective film is removed. Both the process, the first protective film and the first group III nitride semiconductor region, By anisotropically etching from the surface side, when the cross section along the straight line is observed, over the entire length of the curve forming the etched surface of the first group III nitride semiconductor region, A step of forming a curve having no apex where the slope of the tangent of the curve changes discontinuously, and a second III containing an impurity of the second conductivity type on the etched surface of the first group III nitride semiconductor region A group semiconductor region is formed.
上記の製造方法によると、第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線の全長に亘って、その接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない半導体装置を製造することができる。第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線の近傍に電界が集中することを抑制できる半導体装置を製造することができる。耐圧の高い半導体装置を製造することができる。 According to the above manufacturing method, there is an apex at which the slope of the tangent line of the junction line changes discontinuously over the entire length of the junction line of the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region. A non-existing semiconductor device can be manufactured. A semiconductor device that can suppress the concentration of an electric field in the vicinity of the junction line between the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region can be manufactured. A semiconductor device with high breakdown voltage can be manufactured.
本発明の製造方法では、第2保護膜を除去した後で、第1保護膜と第1のIII族窒化物半導体領域の両者をエッチングするに先立って、第2保護膜が形成されていた第1保護膜の表面に第3保護膜を形成することができる。
第3保護膜を形成しない場合、第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングしない表面からトレンチの底面までの距離は、第1保護膜の厚さで決定してしまう。第2保護膜が形成されていた第1保護膜の表面に第3保護膜を形成することによって、第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングしない表面からトレンチの底面までの距離を自在にコントロールすることができる。
In the manufacturing method of the present invention, after the second protective film is removed, the second protective film is formed prior to etching both the first protective film and the first group III nitride semiconductor region. A third protective film can be formed on the surface of one protective film.
When the third protective film is not formed, the distance from the unetched surface of the first group III nitride semiconductor region to the bottom surface of the trench is determined by the thickness of the first protective film. By forming the third protective film on the surface of the first protective film on which the second protective film has been formed, the distance from the unetched surface of the first group III nitride semiconductor region to the bottom surface of the trench can be freely controlled. can do.
本発明によると、半導体装置に逆バイアスを印加したときに、異種導電型の半導体領域の接合面のうち、電界が最も集中しやすい部分において、その部分の電界集中を緩和することができる。ひいては、半導体装置の耐圧を高くすることができる。 According to the present invention, when a reverse bias is applied to a semiconductor device, the electric field concentration at the portion where the electric field is most likely to be concentrated can be reduced in the junction surface of the semiconductor region of the different conductivity type. As a result, the breakdown voltage of the semiconductor device can be increased.
実施例の主要な特徴を列記する。
(第1実施形態)
n−型のIII族窒化物半導体領域の表面にトレンチが形成されている。トレンチをp型のIII族窒化半導体領域が充填している。
(第2実施形態)
p型のIII族窒化物半導体領域14の表面の所定部分に、不純物拡散防止膜20が形成されている。
(第3実施形態)
セルエリアA1を一巡する終端エリアA2が形成されている。その終端エリアA2において、n−型のIII族窒化物半導体領域の表面にトレンチ8,4が形成されている。トレンチ8の底部分にp型のIII族窒化物半導体領域110Yが形成されており、III族窒化物半導体領域110Yの表面にp+型のIII族窒化物半導体領域110Xが形成されている。トレンチ4の底部分にp型のIII族窒化物半導体領域106Yが形成されており、III族窒化物半導体領域106Yの表面にp+型のIII族窒化物半導体領域106Xが形成されている。
(第4実施形態)
セルエリアA1を一巡する終端エリアA2が形成されている。その終端エリアA2において、n−型のIII族の表面にトレンチ8,4が形成されている。トレンチ8内のセルエリアA1側にp+型のIII族窒化物半導体領域210Xが形成されており、トレンチ8内のセルエリアA1とは反対側にp型のIII族窒化物半導体領域210Yが形成されている。トレンチ4内のセルエリアA1側にp+型のIII族窒化物半導体領域206Xが形成されており、トレンチ4内のセルエリアA1とは反対側にp型のIII族窒化物半導体領域206Yが形成されている。
The main features of the examples are listed.
(First embodiment)
A trench is formed on the surface of the n − type group III nitride semiconductor region. The trench is filled with a p-type group III nitride semiconductor region.
(Second Embodiment)
An impurity
(Third embodiment)
A termination area A2 that makes a round of the cell area A1 is formed. In the termination area A2,
(Fourth embodiment)
A termination area A2 that makes a round of the cell area A1 is formed. In the termination area A2,
図面を参照して以下に実施例を詳細に説明する。実施例では、n−型のIII族窒化物半導体領域の表面にトレンチが形成されており、そのトレンチをp型のIII族窒化半導体領域が充填している半導体装置について説明する。III族窒化物半導体では、半導体領域内の電子の移動度は、半導体領域内の正孔の移動度よりも数100〜数1000倍大きい。すなわち、半導体装置のキャリアを電子にすることによって、半導体装置を高速動作させることができる。
(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1の横断面を模式的に示す。図1は、半導体装置1のセルエリアA1と終端エリアA2を示している。図中の矢印は座標を示している。以後、+Z方向を表面側と称し、−Z方向を裏面側と称することがある。半導体装置1では、実際には、セルエリアA1が−X方向に繰返し形成されており、半導体装置1の−X方向端部にも終端エリアA2が形成されている。なお、図1は断面図であるが、図面の見易さのため、一部ハッチングを省略している。
まず半導体装置1のセルエリアA1について説明する。
半導体装置1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34が形成されている。ドレイン電極34は、ドレイン端子Dに接続している。ドレイン電極34の表面に、窒化ガリウム(GaN)を主材料とするn+型のIII族窒化物半導体領域32が形成されている。III族窒化物半導体領域32の不純物濃度は、およそ3×1018cm−3に調整されている。
III族窒化物半導体領域32の表面に、窒化ガリウムを主材料とするn−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)30が形成されている。III族窒化物半導体領域30の不純物濃度は、およそ1×1016cm−3に調整されている。
Embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. In the embodiment, a semiconductor device in which a trench is formed on the surface of an n − type group III nitride semiconductor region and the trench is filled with a p type group III nitride semiconductor region will be described. In the group III nitride semiconductor, the mobility of electrons in the semiconductor region is several hundred to several thousand times larger than the mobility of holes in the semiconductor region. In other words, the semiconductor device can be operated at high speed by using carriers of the semiconductor device as electrons.
(First embodiment)
FIG. 1 schematically shows a cross section of a vertical group III nitride semiconductor device 1 having a heterojunction. FIG. 1 shows a cell area A1 and a termination area A2 of the semiconductor device 1. Arrows in the figure indicate coordinates. Hereinafter, the + Z direction may be referred to as the front surface side, and the −Z direction may be referred to as the back surface side. In the semiconductor device 1, the cell area A <b> 1 is actually repeatedly formed in the −X direction, and the termination area A <b> 2 is also formed at the end of the semiconductor device 1 in the −X direction. Although FIG. 1 is a cross-sectional view, some hatching is omitted for easy viewing of the drawing.
First, the cell area A1 of the semiconductor device 1 will be described.
A
An n − -type group III nitride semiconductor region (first group III nitride semiconductor region) 30 mainly composed of gallium nitride is formed on the surface of the group III
n−型のIII族窒化物半導体領域30の表面側に、1対のトレンチ12が形成されている。トレンチ12は紙面垂直方向に伸びている。トレンチ12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2のIII族窒化物半導体領域)14が充填されている。n−型のIII族窒化物半導体領域30とp+型のIII族窒化物半導体領域14が直接的に接合している。III族窒化物半導体領域14の不純物濃度は、およそ5×1018cm−3に調整されている。1対のIII族窒化物半導体領域14の間は、III族窒化物半導体領域30によって隔てられている。平面視すると、III族窒化物半導体領域14は、図1の紙面垂直方向に長く伸びている。すなわち、複数のIII族窒化物半導体領域14がストライプ状に形成されている。
図1はトレンチ12の横断面を示しており、1対のトレンチ12の側面を形成する接合線12cは、半導体装置1の±Z方向に伸びている。トレンチ12の底面を形成する接合線12aは、半導体装置1の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部における接合線12bは、III族窒化物半導体領域30に向けて凸な曲線である。接合線12aの接線の傾きは0である。接合線12cの接線の傾きは無限大である。接合線12bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。
A pair of
FIG. 1 shows a cross section of the
一対のIII族窒化物半導体領域14の表面の内側の部分に、窒化アルミニウム(AlN)を主材料とする不純物拡散防止膜20が形成されている。不純物拡散防止膜20は、後述するソース電極16がIII族窒化物半導体領域14に電気的にコンタクトする部位には形成されていない。不純物拡散防止膜20は、窒化アルミニウムに代えて、アルミニウムを組成の一部とするIII族窒化物半導体、窒化シリコン(SiN)、酸化シリコン(SiO2)、窒化シリコンと酸化シリコンの複合膜等を利用することもできる。すなわち、不純物拡散防止膜20は、後述するIII族窒化物半導体領域28に、III族窒化物半導体領域14に含まれている不純物を拡散させない材料であればよい。
III族窒化物半導体領域30の表面において1対のトレンチ12,12に亘る範囲に、窒化ガリウムを主材料とするn−型のIII族窒化物半導体領域28(第3のIII族窒化物半導体領域)が形成されている。III族窒化物半導体領域28は、III族窒化物半導体領域30と不純物拡散防止膜20の表面に形成されている。III窒化物半導体領域28の不純物にはシリコンが使用されている。III窒化物半導体領域28の不純物濃度は、およそ1×1016cm−3に調整されている。
III族窒化物半導体領域28の表面において1対のトレンチ12,12に亘る範囲に、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26(第4のIII族窒化物半導体領域)が形成されている。III族窒化物半導体領域26の不純物濃度は、およそ1×1016cm−3に調整されている。III族窒化物半導体領域26を形成している結晶構造には、アルミニウムが含まれている。III族窒化物半導体領域28のバンドギャップよりも、III族窒化物半導体領域26のバンドギャップの方が広い。すなわち、III族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26の間にヘテロ接合が形成されている。III族窒化物半導体領域26は、i型のIII族窒化物半導体でもよい。III族窒化物半導体領域28のバンドギャップよりも、III族窒化物半導体領域26のバンドギャップの方が広ければよい。
An impurity
On the surface of the group III
An n − type group III nitride mainly composed of gallium aluminum nitride (Al 0.3 Ga 0.7 N) in a range extending from the pair of
1対のトレンチ12,12の上方に、III族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26に導通している1対のn+型のソース領域18,18が形成されている。ソース領域18の不純物濃度は、およそ3×1018cm−3に調整されている。ソース領域18とIII族窒化物半導体領域14の表面に、チタンとアルミニウムを積層したソース電極16(表面側の低抵抗領域)が形成されている。ソース電極16は、III族窒化物半導体領域14とソース領域18に電気的に接続している。ソース領域18は、III族半導体領域26とIII族窒化物半導体領域28に電気的に接続している。すなわち、ソース電極16は、III族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26とIII族窒化物半導体領域14に導通している。半導体装置1を平面視すると、ソース領域18は、III族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域28が接する範囲には形成されていない。
III族窒化物半導体領域26の表面に、酸化シリコンを主材料とするゲート絶縁膜24が形成されている。ゲート絶縁膜24は、ソース領域18,18の表面の一部にまで伸びて形成されている。
ゲート絶縁膜24の表面に、ニッケル(Ni)を主材料とするゲート電極22が形成されている。ゲート電極22は、ソース領域18,18間の内側端部とオーバーラップする位置関係で形成されており、ソース電極16には接していない。
Above the pair of
A
On the surface of the
次に半導体装置1の終端エリアA2について説明する。セルエリアA1と同じ構成については説明を省略する。
III族窒化物半導体領域30の表面側に、トレンチ8,4が形成されている。トレンチ8,4は、セルエリアA1を一巡している。トレンチ8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2のIII族窒化物半導体領域)10が充填されている。トレンチ4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2のIII族窒化物半導体領域)6が充填されている。III族窒化物半導体領域10,6の不純物濃度は、およそ5×1018cm−3に調整されている。III族窒化物半導体領域10,6を平面視すると、III族窒化物半導体領域10は、セルエリアA1を一巡している。III族窒化物半導体領域6は、III族窒化物半導体領域10を一巡している。III族窒化物半導体領域10,6が形成されていることによって、半導体装置1に逆バイアスが印加されたときに、空乏層をIII族窒化物半導体10,6の外側まで伸ばすことができる。III族窒化物半導体30とIII族窒化物半導体領域14の接合線12に電界が集中することを抑制できる。以後、III族窒化物半導体領域10,6を、終端ガードリング10,6と称すことがある。
Next, the termination area A2 of the semiconductor device 1 will be described. The description of the same configuration as the cell area A1 is omitted.
トレンチ8の側面を形成する接合線8cは、半導体装置1の±Z方向に伸びている。トレンチ8の底面を形成する接合線8aは、半導体装置1の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部の接合線8bは、III族窒化物半導体領域30に向けて凸な曲線である。接合線8aの接線の傾きは0である。接合線8cの接線の傾きは無限大である。接合線8bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。
トレンチ4の側面を形成する接合線4cは、半導体装置1の±Z方向に伸びている。トレンチ4の底面を形成する接合線4aは、半導体装置1の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部の接合線4bは、III族窒化物半導体領域30に向けて凸な曲線である。接合線4aの接線の傾きは0である。接合線4cの接線の傾きは無限大である。接合線4bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。
III族窒化物半導体領域30と終端ガードリング10,6の表面に、酸化シリコンを主材料とする絶縁膜2が形成されている。
The
The
An insulating
半導体装置1の動作について説明する。
p+型のIII族窒化物半導体領域14が、不純物拡散防止膜20を介して、n型のIII族窒化物半導体領域28に対向している。ゲート電極22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14からIII族窒化物半導体領域28まで空乏層が形成される。その空乏層はIII族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26のヘテロ接合面よりも+Z側にまで伸びている。ヘテロ接合面が空乏化すると、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。ヘテロ接合面に2次元電子ガス層が存在することができない。ゲート電極22に電圧が印加されていない状態では、ヘテロ接合面を電子が走行できない。半導体装置1はオフしている。すなわち、半導体装置1は、ノーマリ−オフの動作を行う。
The operation of the semiconductor device 1 will be described.
The p + type group III
半導体装置1がオフのときに、ソース電極16とドレイン電極34の間にバイアスの電荷が印加する。III族窒化物半導体領域14とIII族窒化物半導体領域30の間に空乏層が形成される。接合線12にかかる電界は、接合線12aと接合線12cが交わる部分の近傍で最も強くなる。半導体装置1では、接合線12aと接合線12cが交わるコーナー部にIII族窒化物半導体領域30に向けて凸な接合線12bが存在する。接合線12bは接線の傾きが連続的に変化しており、全形がなめらかであり、角ばった頂点を有しない。このために局所的に電界が集中することを防止することができる。半導体装置の耐圧は、その半導体装置内の耐圧が最も低い部分の耐圧で決定される。すなわち、半導体装置をオフしたときに、電界が最も高くかかる部分の耐圧で決定される。半導体装置1は、半導体装置をオフしたときに、通常であれば電界が高くかかる部分において、その部分にかかる電界を低くすることができる。
同様に、接合線8aと接合線8cの間になめらかに伸びる接合線8bが存在する。接合線8aと接合線8cが交わる部分にかかる電界を低くすることができる。接合線4aと接合線4cの間に接合線4bが存在する。同様に接合線4aと接合線4cが交わる部分にかかる電界を低くすることができる。
When the semiconductor device 1 is off, a bias charge is applied between the
Similarly, there is a joining
ゲート電極に正の電圧が印加されると、p+型のIII族窒化物半導体領域14からIII族窒化物半導体領域26まで伸びていた空乏層が消失する。III族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26の接合線に、2次元電子ガス層が形成される。2次元電子ガス層の伝導帯のエネルギー準位は、フェミル準位よりも下側に存在する。ヘテロ接合面のポテンシャル井戸内に、2次元電子ガス層が存在する状態となる。ゲート電極22に電圧が印加されると、2次元電子ガス層を電子が走行できるようになる。すなわち、半導体装置1はオンする。
半導体装置1がオンしている状態では、電子が、ソース領域18からIII族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26のヘテロ接合面に形成されている2次元電子ガス層に沿って走行する。その電子は、III族窒化物半導体領域30が+Z方向に凸に形成されている領域(一対のIII族窒化物半導体領域14,14に挟まれている領域)に達すると、半導体装置1内を−Z方向に流れる。すなわち、電子は、III族窒化物半導体領域30,III族窒化物半導体領域32を経由してドレイン電極34まで流れる。ソース電極16とドレイン電極34の間が導通する。
When a positive voltage is applied to the gate electrode, the depletion layer extending from the p + type group III
In a state where the semiconductor device 1 is turned on, electrons flow along the two-dimensional electron gas layer formed from the
図1〜図11を参照して、半導体装置1の製造方法を説明する。なお、各部の構成は、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、図面の縮尺を適宜変更している。
まず、図2に示しているように、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32を用意する。III族窒化物半導体基板32の厚みは約200μmである。
次に、図3に示しているように、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)を利用して、III族窒化物半導体基板32上にn−型のIII族窒化物半導体領域30を結晶成長させる。III族窒化物半導体領域30の厚みは6μmである。次いで、III族窒化物半導体領域30の表面に、SiO2を主材料とする保護膜(第1保護膜)36を形成する。その後、保護膜36の表面の所定領域に、レジスト膜(第2保護膜)38を形成する。レジスト膜38は、図1に示している半導体装置1において、III族窒化物半導体領域30が+Z方向に突出している範囲に対応するように形成する。
A method for manufacturing the semiconductor device 1 will be described with reference to FIGS. Note that the configuration of each part does not accurately represent the actual size scale. For ease of understanding, the scale of the drawing is changed as appropriate.
First, as shown in FIG. 2, a group III
Next, as shown in FIG. 3, an n − type group III
次に、図4示しているように、保護膜36を等方的にエッチングする。保護膜36を等方的にエッチングするために、レジスト膜38とIII族窒化物半導体領域30はエッチングしないで、保護膜36だけをエッチングする方法を採用する。例えば、フッ酸(HF)等でウェットエッチングする方法を利用することができる。保護膜36を等方的にエッチングすることによって、保護膜36に曲線部36aが形成される。
次に、図5に示しているように、レジスト膜38を除去した後、SiO2を主材料とする保護膜40を形成する。保護膜40は、III族窒化物半導体領域30と保護膜36の表面(図4を参照)に形成する。すなわち、保護膜40は、上述した保護膜36の曲線部36aの形状を維持したまま、III族窒化物半導体領域30の表面に曲線部40aを有する状態で形成される。その後、曲線部40aより+Z側に位置する保護膜40の平坦部40bに、レジスト膜(第3保護膜)42を形成する。
Next, as shown in FIG. 4, the
Next, as shown in FIG. 5, after removing the resist
次に、図6に示しているように、レジスト膜42と保護膜40を、両者の表面から異方的にエッチングする。異方的エッチングするために、例えばRIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチングを利用することができる。レジスト膜42の厚さを調節することによって、接合線12c,8c,4c(図1を参照)の長さを調節することができる。
Next, as shown in FIG. 6, the resist
次に、図7(a),(b)に示しているように、保護膜40とIII族窒化物半導値体領域30を、両者の表面側から異方的にエッチングする。図7(a)に示しているように、曲率部40aがエッチングされて消失するまでの間は、曲率部40aに覆われている部分のIII族窒化物半導体領域30よりも、曲率部40aに覆われていない部分のIII族窒化物半導体領域30の方が多くエッチングされる。この現象は、窒化ガリウムと酸化シリコンのエッチングされる速度が異なることが原因である。例えば、ICP(Inductively Coupled Plasma)装置を利用した場合、窒化ガリウムは0.15μm/分でエッチングされるのに対して、酸化シリコンは0.05μm/分でエッチングされる。すなわち、窒化ガリウムよりも、酸化シリコンの方がエッチングされる速度が遅い。よって、図7(b)に示すように、III族窒化物半導体領域30に形成される曲線部12bの曲率半径は、保護膜40に形成されていた曲線部40aの曲率半径よりも大きくなる。
Next, as shown in FIGS. 7A and 7B, the
図5と図6で説明した工程は、必ずしも必須ではない。図1において、p+型のIII族半導体領域14,10,6の−Z方向への深さに応じて適宜採用することができる。図5と図6の工程を省略する場合、図4に示しているレジスト膜38を除去した後、III族窒化物半導体領域30と保護膜36を、両者の表面側から異方的にエッチングをすればよい。その場合、図1における接合線12c,8c,4cは形成されない。水平な接合線12a,8a,4aと、その線から連続して外側に向けて凸に湾曲する曲線がIII族窒化物半導体領域30の表面に交わる接合線が形成される。
The steps described in FIGS. 5 and 6 are not necessarily essential. In FIG. 1, the p + type III
次に、図8に示すように、MOCVD法を利用して、III族窒化物半導体領域30の露出している表面から、III族窒化物半導体領域30のエッチングされていない表面までp型のIII族窒化物半導体領域14,10.6を結晶成長させる。次いで、III族窒化物半導体領域14の表面に、AlNを主材料とする不純物拡散防止膜20を形成する。
次に、図9に示すように、保護膜40を除去した後、終端エリアA2(図1を参照)のIII族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域10.6の表面に、酸化シリコンの保護膜42を形成する。その後、III族窒化物半導体領域30の露出している表面と不純物拡散防止膜20の表面に窒化ガリウム28を結晶成長させる。結晶成長する窒化ガリウム領域28の不純物量は、III族窒化物半導体領域30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領域28とIII族窒化物半導体領域30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30の表面に形成した窒化ガリウム28の厚みは約100nmである。次いで、III族窒化物半導体領域28の表面に、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、50nmである。ここで、III族窒化物半導体領域28とIII族窒化物半導体領域26の間にヘテロ接合が形成される。
Next, as shown in FIG. 8, using the MOCVD method, a p-type III is formed from the exposed surface of the group III
Next, as shown in FIG. 9, after the
次に、図10に示すように、CVD法を利用して、III族窒化物半導体領域26の表面に酸化シリコンの保護膜44を形成する。保護膜44は、III族窒化物半導体領域26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18とソース電極16を形成する部分(図1を参照)が除去される。その後、イオン注入を実施してソース領域18を形成する。イオン注入は、窒素をドーズ量1×1015cm−2、加速電圧35eVで注入した後、シリコンをドーズ量1×1015cm−2、加速電圧65eVで注入する。図10の矢印は、イオン注入が実施される範囲を示している。なお、ここで、シリコンをイオン注入するに先立って、窒素をイオン注入することによって、ソース領域18中の電子数が増加して、ソース領域18の抵抗が低くなる効果が得られる。次に、保護膜44を除去した後に、ソース領域18とIII族窒化物半導体領域26の表面に酸化シリコンの保護膜46(図11も参照)を形成して、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。
Next, as shown in FIG. 10, a
次に、図11に示すように、ソース電極16を形成する部分(図1を参照)の保護膜46とソース領域18と不純物拡散防止膜20をエッチングして、III族窒化物半導体領域14を露出させる。エッチングは、RIE装置を利用して実施する。
次に、図1に示すように、保護膜46と保護膜42を除去した後、ゲート絶縁膜24と絶縁膜2を形成する。ゲート絶縁膜24の厚さは、50nmに調整されている。保護膜2の厚さも、50nmに調整されている。次いで、チタン10nmとアルミニウム100nmを蒸着して、ソース領域18の表面とIII族窒化物半導体領域14の表面にソース電極16を形成する。次いで、チタン10nmとアルミニウム100nmを蒸着して、III族窒化物半導体領域32の裏面にドレイン電極34を形成する。
次に、窒素雰囲気中で、500℃で2分間アニールする。アニールによって、ソース電極とソース領域18及びIII族窒化物半導体領域14の接触抵抗を低くすることができる。同様に、ドレイン電極34とIII族窒化物半導体領域32の接触抵抗を低くすることができる。上記の工程を経て、図1に示している半導体装置1を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 11, the
Next, as shown in FIG. 1, after the
Next, annealing is performed at 500 ° C. for 2 minutes in a nitrogen atmosphere. The contact resistance between the source electrode, the
実施例1の半導体装置1は、トレンチ12の側面と底面を接続するために、トレンチ12の両側(+X側と−X側)に−Z側に凸な曲線の接合線12bが形成されている。しかしながら、トレンチ12の側面の片側(+X側又は−X側)に接合線12bが形成されており、他方の側面と底面は直交していてもよい。この事象は、トレンチ8,4についても同様である。特に終端エリアのトレンチ8,4の場合、接合線8b,4bが外側に形成されていることが好ましい。また、トレンチ12に接合線12bが形成されており、トレンチ8,4には接合線8b,4bが形成されていなくてもよい。この場合は、接合線8aと接合線8cが直交して交わる。半導体装置1において、トレンチ12,8,4のいずれかにIII族窒化物半導体領域30に向けて凸な曲線の接合線が形成されていればよい。
In the semiconductor device 1 according to the first embodiment, in order to connect the side surface and the bottom surface of the
(第2実施例)
図12を参照して、本実施例の半導体装置101を説明する。半導体装置101は、半導体装置1の変形例である。第1実施例と実質的に同様の構成については、同じ参照番号を付して説明を省略する。
半導体装置101は、n−型のIII族窒化物半導体領域30の表面側に、p型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域114,110,106が形成されている。III族窒化物半導体領域114では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域114Xと、III族窒化物半導体領域114Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域114Yが形成されている。III族窒化物半導体領域110では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域110Xと、III族窒化物半導体領域110Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域110Yが形成されている。III族窒化物半導体領域106では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域106Xと、III族窒化物半導体領域106Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域106Yが形成されている。
半導体装置にバイアスが印加されると、トレンチの側面と底面が交わるコーナー部に電界が集中しやすい。また、p型のIII族窒化物半導体領域とn型のIII族窒化物半導体領域が直接接合している場合、p型のIII族窒化物半導体領域の不純物濃度が高いと、より電界が集中し易い。本実施例の半導体装置101は、III族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域114,110,106の接合線において、電界が集中し易い部分のIII族窒化物半導体領域114,110,106の不純物濃度を低くしている。すなわち、III族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域114,110,106が接合する接合線において、その接合線の接線の傾きが大きく変化する部分の電界集中をより効果的に緩和することができる。
(Second embodiment)
With reference to FIG. 12, the
In the
When a bias is applied to the semiconductor device, the electric field tends to concentrate at the corner where the side surface and the bottom surface of the trench intersect. Further, when the p-type group III nitride semiconductor region and the n-type group III nitride semiconductor region are directly joined, the electric field is more concentrated when the impurity concentration of the p-type group III nitride semiconductor region is high. easy. In the
半導体装置101の製造方法について説明する。
図1〜図7(b)までの工程は、半導体装置1と同様のため説明を省略する。次いで、III族窒化物半導体領域30の表面からIII族窒化物半導体領域114Y,110Y,106Yを所定の高さまで結晶成長させる。III族窒化物半導体領域114Y,110Y,106Yの不純物濃度は、1×1018cm−3に調整されている。次いで、III族窒化物半導体領域114Y,110Y,106Yの表面から窒化物半導体領域114X,110X,106Xを結晶成長させる。III族窒化物半導体領域114X,110X,106Xの不純物濃度は、5×1018cm−3に調整されている。後の工程は、実施例1と同様にして製造することができる。
A method for manufacturing the
The steps from FIG. 1 to FIG. 7B are the same as those of the semiconductor device 1, and thus the description thereof is omitted. Next, the group III
(第3実施例)
図13を参照して、本実施例の半導体装置201を説明する。半導体装置201は、半導体装置1の変形例である。第1実施例と実質的に同様の構成については、同じ参照番号を付して説明を省略する。
半導体装置201は、終端エリアA2において、n−型のIII族窒化物半導体領域30の表面側に、p型の不純物を含むIII族窒化物半導体領域210,206が形成されている。III族窒化物半導体領域210では、p型の不純物を濃く含むIII族窒化物半導体領域210Xと、III族窒化物半導体領域210Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域210Yが形成されている。III族窒化物半導体領域210Xは、III族窒化物半導体領域210の内側を形成している。III族窒化物半導体領域210Yは、III族窒化物半導体領域210の外側を形成している。III族窒化物半導体領域206では、p型の不純物を濃く含むIII族窒化物半導体領域206Xと、III族窒化物半導体領域206Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域206Yが形成されている。III族窒化物半導体領域206Xは、III族窒化物半導体領域206の内側を形成している。III族窒化物半導体領域206Yは、III族窒化物半導体領域206の外側を形成している。
半導体装置にバイアスが印加されると、トレンチの側面のなかでも半導体装置の外側(セルエリアA1とは反対側)の側面に電界が集中しやすい。本実施例の半導体装置201は、III族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域210,206の接合線において、電界が集中し易い部分のIII族窒化物半導体領域210,206の不純物濃度を低くしている。すなわち、III族窒化物半導体領域30とIII族窒化物半導体領域210,206が接合する接合線において、半導体装置の外側の接合線の接線の傾きが大きく変化する部分の電界集中をより効果的に緩和することができる。
(Third embodiment)
With reference to FIG. 13, the
In the
When a bias is applied to the semiconductor device, the electric field tends to concentrate on the side surface outside the semiconductor device (on the opposite side to the cell area A1) among the side surfaces of the trench. In the
半導体装置201の製造方法について説明する。
図1〜図8までの工程は、実施例1と同様のため説明を省略する。その後、図3〜図7(b)と同様の手法、すなわち、第1保護膜を形成し、その表面に第2保護膜を形成する。第1保護膜と第2保護膜を等方的にエッチングし、第2保護膜を除去した後に、第1保護膜と半導体領域10,6の外側部分を異方的にエッチングする。エッチングされないIII族窒化物半導体領域10,6が、図13のIII族窒化物半導体領域210X,210Yである。その後、III族窒化物半導体領域30の露出している表面からIII族窒化物半導体領域210Y,206Yを結晶成長させる。III族窒化物半導体領域210X,206Yの不純物濃度は1×1018cm−3に調整されている。
A method for manufacturing the
The steps from FIG. 1 to FIG. Thereafter, the same method as in FIGS. 3 to 7B, that is, a first protective film is formed, and a second protective film is formed on the surface thereof. After the first protective film and the second protective film are isotropically etched and the second protective film is removed, the first protective film and the outer portions of the
(第4実施例)
図14を参照して、本実施例の半導体装置401を説明する。半導体装置401は、半導体装置1,101,201,301のようにヘテロ接合を有する半導体装置ではない。半導体装置401は、異種導電型のIII族窒化物半導体同士が接するダイオードである。まず、半導体装置401のセルエリアA1について説明する。
半導体装置401の裏面に、チタン(Ti)とアルミニウム(Al)が積層しているカソード電極434が形成されている。カソード電極434の表面に、窒化ガリウム(GaN)を主材料とするn+型のIII族窒化物半導体領域432が形成されている。III族窒化物半導体領域432の表面に、窒化ガリウムを主材料とするn−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)430が形成されている。
III族窒化物半導体領域430の表面側に、トレンチ412が形成されている。トレンチ412は紙面垂直方向に伸びている。トレンチ412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2のIII族窒化物半導体領域)414が充填されている。トレンチ412の側面を形成する接合線412cは、半導体装置401の±Z方向に伸びている。トレンチ412の底面を形成する接合線412aは、半導体装置401の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部における接合線412bは、III族窒化物半導体領域430に向けて凸な曲線である。接合線412aの接線の傾きは0である。接合線412cの接線の傾きは無限大である。接合線412bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。
III族窒化物半導体領域414では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域414Xと、III族窒化物半導体領域414Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域414Yが形成されている。
III族窒化物半導体領域414の表面の一部に、絶縁膜402が形成されている。III族窒化物半導体領域414の表面の絶縁膜402が形成されていない部分にアノード電極416が接続している。アノード電極416は、III族窒化物半導体領域430の上方にも形成されているが、アノード電極416とIII族窒化物半導体領域430は絶縁膜402によって、電気的に分離されている。アノード電極416は、ニッケル(Ni)と金(Au)が積層して形成されている。
(Fourth embodiment)
With reference to FIG. 14, the
A
A
In the group III
An insulating
次に終端エリアA2について説明する。セルエリアA1と同じ構成については説明を省略する。
III族窒化物半導体領域430の表面側に、トレンチ408,404が形成されている。トレンチ408,404はセルエリアを一巡している。トレンチ408の側面を形成する接合線408cは、半導体装置401の±Z方向に伸びている。トレンチ408の底面を形成する接合線408aは、半導体装置401の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部における接合線408bは、III族窒化物半導体領域430に向けて凸な曲線である。接合線408aの接線の傾きは0である。接合線408cの接線の傾きは無限大である。接合線408bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。トレンチ404の側面を形成する接合線404cは、半導体装置401の±Z方向に伸びている。トレンチ404の底面を形成する接合線404aは、半導体装置401の±X方向に伸びている。側面と底面を接続するコーナー部における接合線404bは、III族窒化物半導体領域430に向けて凸な曲線である。接合線404aの接線の傾きは0である。接合線404cの接線の傾きは無限大である。接合線404bでは、接線の傾きが0から無限大の間を連続的に変化しており、不連続に変化する頂点が存在しない。
トレンチ408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2のIII族窒化物半導体領域)410が充填されている。III族窒化物半導体領域410では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域410Xと、III族窒化物半導体領域410Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域410Yが形成されている。トレンチ404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2のIII族窒化物半導体領域)406が充填されている。III族窒化物半導体領域406では、p型の不純物を濃く含むIII族半導体領域406Xと、III族窒化物半導体領域406Xよりもp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域410Yが形成されている。
本実施例の半導体装置401では、接合線412aと接合線412cの間になめらかに伸びる接合線412bが存在する。接合線412aと接合線412cが交わる部分にかかる電界を低くすることができる。同様に、接合線408aと接合線408cが交わる部分にかかる電界を低くすることができる。接合線404aと接合線404cが交わる部分にかかる電界も低くすることができる。
本実施例の半導体装置401は、さらに、電界が集中し易い部分のIII族窒化物半導体領域414,410,406の不純物濃度を低くしている。すなわち、III族窒化物半導体領域430とIII族窒化物半導体領域414,410,406が接合する接合線において、その接合線の接線の傾きが大きく変化する部分の電界集中をより効果的に緩和することができる。
Next, the termination area A2 will be described. The description of the same configuration as the cell area A1 is omitted.
The
In the
In the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記実施例では、終端エリアに終端ガードリングが2つ形成されている。しかしながら、終端ガードリングの数は2つに限定されない。終端ガードリングが1つでもよいし、終端ガードリングが3つ以上形成されていてもよい。また、終端ガードリングが形成されていなくてもよい。
上記第4実施例では、n型のIII族窒化物半導体領域に形成されているトレンチの表面側にp型の不純物を濃く含むIII族窒化物半導体領域が形成されており、トレンチの底側にp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域が形成されている。しかしながら、第3実施例に示すように、セルエリア側にp型の不純物を濃く含むIII族窒化物半導体領域を形成して、セルエリアとは反対側にp型の不純物を薄く含むIII族窒化物半導体領域を形成してもよい。
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の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。
Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In the above embodiment, two termination guard rings are formed in the termination area. However, the number of termination guard rings is not limited to two. One end guard ring may be provided, or three or more end guard rings may be formed. Moreover, the termination guard ring may not be formed.
In the fourth embodiment, the group III nitride semiconductor region containing p-type impurities is formed on the surface side of the trench formed in the n-type group III nitride semiconductor region, and is formed on the bottom side of the trench. A group III nitride semiconductor region containing a thin p-type impurity is formed. However, as shown in the third embodiment, a group III nitride semiconductor region containing a high concentration of p-type impurities is formed on the cell area side, and a group III nitride containing a thin p-type impurity on the side opposite to the cell area. A physical semiconductor region may be formed.
Further, the technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
4,8,12:トレンチ
6,10,106,110,206,210:終端ガードリング(第2のIII族窒化物半導体領域)
14,114:p+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)
16:ソース電極
18:ソース領域
20:不純物拡散防止膜
22:ゲート電極
24:ゲート絶縁膜
30:n−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)
34:ドレイン電極
4, 8, 12:
14,114: p + type group III nitride semiconductor region (second group III nitride semiconductor region)
16: Source electrode 18: Source region 20: Impurity diffusion preventing film 22: Gate electrode 24: Gate insulating film 30: n − type group III nitride semiconductor region (first group III nitride semiconductor region)
34: Drain electrode
Claims (8)
前記トレンチを充填しているとともに第2導電型の不純物を含んでいる第2のIII族窒化物半導体領域を備えており、
前記トレンチの横断面に露出する第1のIII族窒化物半導体領域と第2のIII族窒化物半導体領域の接合線の全長に亘って、その接合線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しないことを特徴とする半導体装置。 A first group III nitride semiconductor region having a trench formed on the surface and containing a first conductivity type impurity;
A second group III nitride semiconductor region filling the trench and containing an impurity of a second conductivity type;
An apex at which the inclination of the tangent line of the junction line changes discontinuously over the entire length of the junction line of the first group III nitride semiconductor region and the second group III nitride semiconductor region exposed in the cross section of the trench. There is no semiconductor device.
その1対のトレンチの双方を第2のIII族窒化物半導体領域が充填しており、
その1対のトレンチの内側の側面を形成する前記接合線は、半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びており、
その1対のトレンチの底面を形成する前記接合線は、半導体基板の表面と平行に伸びており、
前記側面と前記底面を接続する前記接合線は、第1のIII族窒化物半導体領域に向けて凸な曲線であることを特徴とする請求項1の半導体装置。 At least one pair of trenches is formed in the surface of the first group III nitride semiconductor region;
The second group III nitride semiconductor region fills both of the pair of trenches,
The joint line forming the inner side surface of the pair of trenches extends in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate,
The joint line forming the bottom surface of the pair of trenches extends parallel to the surface of the semiconductor substrate,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the bonding line connecting the side surface and the bottom surface is a curved line projecting toward the first group III nitride semiconductor region.
その1対のトレンチの双方を第2のIII族窒化物半導体領域が充填しており、
その1対のトレンチの外側の側面を形成する前記接合線は、半導体基板の表面に対して直交する方向に伸びており、
その1対のトレンチの底面を形成する前記接合線は、半導体基板の表面と平行に伸びており、
前記側面と前記底面を接続する前記接合線は、第1のIII族窒化物半導体領域に向けて凸な曲線であることを特徴とする請求項1の半導体装置。 At least one pair of trenches is formed in the surface of the first group III nitride semiconductor region;
The second group III nitride semiconductor region fills both of the pair of trenches,
The joint line forming the outer side surface of the pair of trenches extends in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate;
The joint line forming the bottom surface of the pair of trenches extends parallel to the surface of the semiconductor substrate,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the bonding line connecting the side surface and the bottom surface is a curved line projecting toward the first group III nitride semiconductor region.
第3のIII族窒化物半導体領域の表面の前記1対のトレンチに亘る範囲に積層されている第4のIII族窒化物半導体領域と、
前記1対のトレンチ上方に形成されており、前記第3のIII族窒化物半導体領域と前記第4のIII族窒化物半導体領域に導通している表面側の1対の低抵抗領域と、
前記第1のIII族窒化物半導体領域の裏面側に形成されている裏面側の低抵抗領域を備えており、
第3のIII族窒化物半導体領域のバンドギャップよりも第4のIII族窒化物半導体領域のバンドギャップが広いことを特徴とする請求項2又は3の半導体装置。 A third group III nitride semiconductor region stacked in a range extending over the pair of trenches on the surface of the first group III nitride semiconductor region;
A fourth group III nitride semiconductor region stacked in a range extending over the pair of trenches on the surface of the third group III nitride semiconductor region;
A pair of low resistance regions on the surface side formed above the pair of trenches and connected to the third group III nitride semiconductor region and the fourth group III nitride semiconductor region;
A low resistance region on the back side formed on the back side of the first group III nitride semiconductor region,
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the band gap of the fourth group III nitride semiconductor region is wider than the band gap of the third group III nitride semiconductor region.
セルエリアを一巡するトレンチを充填する第2のIII族窒化物半導体領域によって、終端ガードリングが形成されていることを特徴とする請求項1の半導体装置。 The trench makes a round of the cell area,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a termination guard ring is formed by the second group III nitride semiconductor region filling the trench that goes around the cell area.
第1保護膜の表面の一部分に第2保護膜を形成する工程と、
第1のIII族窒化物半導体領域と第2保護膜はエッチングしないで、第1保護膜を等方的にエッチングすることによって、第2保護膜が存在しない位置から第2保護膜が存在する位置に向けて伸びる直線に沿った断面を観察したときに、第2保護膜と接している第1保護膜の端部から第1のIII族窒化物半導体領域と接している第1保護膜の端部に向けて形成されている曲線の全長に亘って、その曲線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない曲線を形成する工程と、
第2保護膜を除去する工程と、
第1保護膜と第1のIII族窒化物半導体領域の両者を、その両者の表面側から異方的にエッチングすることによって、前記直線に沿った断面を観察したときに、第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングされた面を形成する曲線の全長に亘って、その曲線の接線の傾きが不連続に変化する頂点が存在しない曲線を形成する工程と、
第1のIII族窒化物半導体領域のエッチングされた表面に、第2導電型の不純物を含む第2のIII族半導体領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first protective film on the surface of the first group III nitride semiconductor region containing a first conductivity type impurity;
Forming a second protective film on a portion of the surface of the first protective film;
The position where the second protective film exists from the position where the second protective film does not exist by etching the first protective film isotropically without etching the first group III nitride semiconductor region and the second protective film. Of the first protective film in contact with the first group III nitride semiconductor region from the end of the first protective film in contact with the second protective film when a cross section along a straight line extending toward the surface is observed Forming a curve having no vertices where the slope of the tangent of the curve discontinuously changes over the entire length of the curve formed toward the part;
Removing the second protective film;
When the cross section along the straight line is observed by anisotropically etching both the first protective film and the first group III nitride semiconductor region from the surface side of both, the first group III Forming a curve having no vertices where the slope of the tangent of the curve discontinuously changes over the entire length of the curve forming the etched surface of the nitride semiconductor region;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second group III semiconductor region containing a second conductivity type impurity on the etched surface of the first group III nitride semiconductor region.
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