JP6447231B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、窒化ガリウム(以下、GaNという)や窒化アルミニウムガリウム(以下、AlGaNという)などの窒化物半導体を用いた半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device using a nitride semiconductor such as gallium nitride (hereinafter referred to as GaN) or aluminum gallium nitride (hereinafter referred to as AlGaN), and a method for manufacturing the same.
従来、GaNにおけるヘテロジャンクション構造を有した横型のスイッチングデバイスとして、ノーマリオフ型MOSデバイスが提案されている。このMOSデバイスは、不純物がドープされていないアンドープGaN(以下、u−GaNという)層の上にAlGaN層を配置し、AlGaN層の表面からu−GaN層に達するリセス部にゲート絶縁膜やゲート電極を備えた構成とされている。リセス部については、AlGaN層の表面にレジストを配置したのち、これをマスクとしたエッチングを行うことによって形成しているが、窒化物半導体が科学的に安定でウェットエッチングではエッチングできないことから、ドライエッチングによって形成している。例えば、Cl2系ガス(BCl3、Cl2、SiCl4等)を用いたドライエッチングによってリセスエッチングを行っている。 Conventionally, a normally-off type MOS device has been proposed as a lateral switching device having a heterojunction structure in GaN. In this MOS device, an AlGaN layer is disposed on an undoped GaN (hereinafter referred to as u-GaN) layer that is not doped with impurities, and a gate insulating film or a gate is formed in a recess portion that reaches the u-GaN layer from the surface of the AlGaN layer. It is set as the structure provided with the electrode. The recess is formed by placing a resist on the surface of the AlGaN layer and then etching using this as a mask. However, the nitride semiconductor is scientifically stable and cannot be etched by wet etching. It is formed by etching. For example, the recess etching is performed by dry etching using a Cl 2 gas (BCl 3 , Cl 2 , SiCl 4, etc.).
しかしながら、リセスエッチング時にリセス部の底部に物理的ダメージが入り、MOSデバイスのしきい値電圧(Vt)がマイナスシフトすることが課題として発生する。これが原因となって、しきい値電圧を設計値通りとしたデバイス作成が行えなくなるし、ドライエッチングによるダメージの面内バラツキにより、しきい値電圧のバラツキが増長されるという問題も発生させる。 However, when the recess etching is performed, physical damage is caused at the bottom of the recess, and the threshold voltage (Vt) of the MOS device is negatively shifted. Due to this, it becomes impossible to create a device with the threshold voltage as designed, and there arises a problem that the variation in threshold voltage is increased due to the in-plane variation of damage caused by dry etching.
このような問題に対処するために、リセスエッチング後に熱処理を行ったり、特許文献1に示されるように、リセス部の形成後に、再度エピタキシャル成長を行うことで、ダメージ除去を行う技術が提案されている。これにより、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することが可能となる。
In order to deal with such a problem, a technique for removing damage by performing heat treatment after recess etching or performing epitaxial growth again after forming a recess portion as disclosed in
しかしながら、リセスエッチング後に熱処理を行ってもダメージ除去を完全に行うことはできないし、再度エピタキシャル成長を行っても、ダメージのある下地上にエピタキシャル成長が為されることから、ダメージが引き継がれてしまう。このため、しきい値電圧のマイナスシフトの抑制が不十分となる。GaNなどのワイドバンドギャップ半導体では、バンドギャップ内に無数に形成される欠陥やトラップ準位を無くす手法やエッチング前のダメージの無いエピタキシャル層の状態に戻す手法は未だ確立されていない。 However, even if the heat treatment is performed after the recess etching, the damage cannot be completely removed. Even if the epitaxial growth is performed again, the damage is inherited because the epitaxial growth is performed on the damaged base. For this reason, suppression of the minus shift of the threshold voltage is insufficient. In a wide band gap semiconductor such as GaN, a technique for eliminating countless defects and trap levels formed in the band gap and a technique for returning to an epitaxial layer without damage before etching have not been established yet.
本発明は上記点に鑑みて、ノーマリーオフMOSデバイスを有する窒化物半導体を用いた半導体装置において、しきい値電圧のマイナスシフトを抑制することができる構造およびその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to provide a structure capable of suppressing a negative shift of a threshold voltage in a semiconductor device using a nitride semiconductor having a normally-off MOS device, and a manufacturing method thereof. And
上記目的を達成するため、請求項1または2に記載の発明では、電子走行層を構成する第1の窒化物半導体層(3、30、31)と、第1の窒化物半導体層の上に積層され、該第1の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく電子供給部を構成し、複数個離間して配置されることで第1の窒化物半導体層の表面と共にリセス部(5)を構成する第2の窒化物半導体層(4、4a、4b)と、リセス部内に形成されたゲート絶縁膜(6)および該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(7)にて構成されるゲート構造部と、第2の窒化物半導体層上において、ゲート構造部を挟んだ両側に配置されたソース電極(8)およびドレイン電極(9)と、を有し、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との界面における第1の窒化物半導体層側に2次元電子ガスキャリアを誘起すると共に、ゲート電極に対して電圧が印加されたときにリセス部の底部における第1の窒化物半導体層の表面部にチャネルが形成されることでソース電極とドレイン電極との間に電流を流す横型のスイッチングデバイスにおいて、リセス部には形成されないようにしつつ、該リセス部の両側に形成された選択エピタキシャル成長部によって第2の窒化物半導体層を形成しており、第1の窒化物半導体層のうち第2の窒化物半導体層が積層されている部分とリセス部の底部に位置している部分とが同一平面とされ、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との間に、AlN層(20)が形成されており、該AlN層は、リセス部には形成されないようにしつつ、該リセス部の両側に形成された選択エピタキシャル成長部であり、第1の窒化物半導体層は、不純物がドープされていない第1アンドープ層(3)と、該第1アンドープ層の上に積層されたp型層(30)とを有していることを特徴としている。 In order to achieve the above object, in the first or second aspect of the present invention, the first nitride semiconductor layer (3, 30, 31) constituting the electron transit layer and the first nitride semiconductor layer are formed on the first nitride semiconductor layer. are stacked, the band gap energy than the first nitride semiconductor layer constitute a large electron supply portion, the recessed portion with a surface of the first nitride semiconductor layer by being arranged plurality spaced (5) The second nitride semiconductor layer (4, 4a, 4b) constituting the gate electrode, the gate insulating film (6) formed in the recess portion, and the gate electrode (7) formed on the gate insulating film And a source electrode (8) and a drain electrode (9) disposed on both sides of the gate structure portion on the second nitride semiconductor layer, the first nitride The first at the interface between the semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer A channel is formed in the surface portion of the first nitride semiconductor layer at the bottom of the recess portion when a two-dimensional electron gas carrier is induced on the nitride semiconductor layer side and a voltage is applied to the gate electrode. Thus, in the lateral switching device in which a current flows between the source electrode and the drain electrode, the second nitride semiconductor layer is formed by the selective epitaxial growth portions formed on both sides of the recess portion while being not formed in the recess portion. The portion of the first nitride semiconductor layer where the second nitride semiconductor layer is stacked and the portion located at the bottom of the recess portion are coplanar, and the first nitride semiconductor layer An AlN layer (20) is formed between the physical semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and the AlN layer is not formed in the recessed portion, and both sides of the recessed portion are formed. Ri formed selective epitaxial growth unit der, the first nitride semiconductor layer, a first undoped layer in which no impurity is doped (3) and, p-type layer stacked on the first undoped layer (30 ) .
このように、第1の窒化物半導体層の上の第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長によって形成し、リセス部をドライエッチングによらずに形成されるようにしている。このため、ゲート構造部が形成されるリセス部の底部における第1の窒化物半導体層の表面にドライエッチングによるダメージが形成されないようにでき、しきい値電圧(Vt)のマイナスシフトが生じることを抑制できる。 As described above, the second nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer is formed by selective epitaxial growth, and the recess is formed without using dry etching. For this reason, damage due to dry etching can be prevented from being formed on the surface of the first nitride semiconductor layer at the bottom of the recess where the gate structure is formed, and a negative shift of the threshold voltage (Vt) occurs. Can be suppressed.
具体的には、請求項3に記載の発明のように、第1の窒化物半導体層の上におけるリセス部の形成予定位置にマスク(10)を配置したのち、マスクで第1の窒化物半導体層の表面を覆った状態でリセス部の両側に第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させる工程と、マスクを除去したのち、リセス部内にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、を含み、第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させる工程の前に、マスクで第1の窒化物半導体層の表面を覆った状態でリセス部の両側にAlN層(20)を選択エピタキシャル成長させる工程を含む製造方法を適用できる。
Specifically, as in the invention described in
このような製造方法により、請求項1に記載の発明にかかる半導体装置を製造することができる。
With such a manufacturing method, the semiconductor device according to the invention described in
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows an example of a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
図1を参照して、本実施形態にかかる半導体装置について説明する。図1に示すように、本実施形態にかかる半導体装置は、ノーマリオフ型MOSデバイスとして、2DEG領域を備えた構成とされている。
(First embodiment)
A semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment has a 2DEG region as a normally-off MOS device.
本実施形態の2DEG領域は、基板1の表面に、バッファ層2を介してu−GaN層3が積層された構造を化合物半導体基板として用いて形成されている。u−GaN層3の表面には、AlGaN層4が離間して2箇所に形成されており、u−GaN層3とAlGaN層4によってヘテロジャンクション構造が構成されている。2DEG領域は、これらu−GaN層3およびAlGaN層4をチャネル形成層として、AlGaN/GaN界面のu−GaN層3側に、ピエゾ効果および自発分極効果によって2次元電子ガス(2DEG)キャリアが誘起されることで動作する。
The 2DEG region of the present embodiment is formed using a structure in which the
基板1は、Si(111)やSiCもしくはサファイヤなどの半絶縁性材料や半導体材料によって構成されており、この上にu−GaN層3を結晶性良く成膜するための下地膜となるバッファ層2が形成されている。バッファ層2は、例えばAlGaN−GaN超格子層などによって構成されている。基板1の上に結晶性良くu−GaN層3が成膜できる場合には、バッファ層2は無くても構わない。なお、ここでの結晶性とは、u−GaN層3中の欠陥や転位などであり、電気的および光学的な特性に対して影響を及ぼすものを意味している。
The
バッファ層2の上には、u−GaN層3とAlGaN層4が例えばヘテロエピタキシャル成長によって形成されている。
A
u−GaN層3は、ワイドバンドギャップ半導体である第1の窒化物半導体材料で形成された電子走行層を構成するものであり、第1の窒化物半導体層に相当するものである。本実施形態では、u−GaN層3は、不純物をドープしていないアンドープのGaN層とされている。ここでいうアンドープとは、不純物が全く存在していないことを意味しているのではなく、キャリア生成の為に意図的に不純物をドープする程度の濃度とされていないことを意味している。例えばu−GaN層3を形成する際の雰囲気中に存在する不純物原子が入り込んだ場合も、アンドープと言える。
The
AlGaN層4は、第1の窒化物半導体材料よりもバンドギャップエネルギーの大きな第2の窒化物半導体材料で形成された電子供給部を構成するものであり、第2の窒化物半導体層に相当するものである。本実施形態の場合、AlGaN層4を第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bとを有した構成としている。第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bとは、所定距離離間して配置されており、これらの間がリセス部(凹部)5とされている。後述するように、AlGaN層4は選択エピタキシャル成長によって形成されたものであり、第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bとの間がリセス部5とされているがリセスエッチングにより形成されたものではない。このため、第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bとの間に位置するu−GaN層3の表面にはダメージが形成されていない。そして、u−GaN層3の表面のうち第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bが積層された部分とこれらの間(リセス部5の底部)に位置している部分とが同一平面とされている。
The AlGaN
第1AlGaN層4aと第2AlGaN層4bとの間をリセス部5として、リセス部5内には、ゲート絶縁膜6を介してゲート電極7が埋め込まれることでゲート構造部が構成されている。具体的には、リセス部5の内壁面に所定膜厚のゲート絶縁膜6が成膜されており、このゲート絶縁膜6の上に更にゲート電極7が形成されることでゲート構造部が構成されている。
A
ゲート絶縁膜6は、シリコン酸化膜(SiO2)や酸化アルミニウム膜(Al2O3)などによって構成されており、ゲート電極7は、アルミニウム、プラチナなどの金属または不純物がドープされたPoly−半導体などによって構成されている。これらゲート絶縁膜6およびゲート電極7をリセス部5内に形成することでMOS構造を構成している。
The
また、ゲート構造部を挟んだ一方に配置された第1AlGaN層4aの表面にはソース電極8が形成され、他方に配置された第2AlGaN層4bの表面にはドレイン電極9が形成されている。そして、ソース電極8が第1AlGaN層4aに対してオーミック接触させられており、ドレイン電極9が第2AlGaN層4bに対してオーミック接触させられている。このような構成により、本実施形態にかかる2DEG領域が構成されている。
A
なお、図示していないが、ゲート電極7やソース電極8およびドレイン電極9の表面には、それぞれ、Alなどで構成されるゲート配線層やソース配線層およびドレイン配線層が形成されている。これらは、層間絶縁膜を介して電気的に分離されており、各電極に任意の電圧が印加できるようになっている。また、ここではMOSの1セル分の断面を図示してあるが実際には複数個が並べられた構成とされる。つまり、AlGaN層4が2個1組として複数個が離間して配置されることでそれぞれの間にリセス部5が構成されるようにしてあり、各リセス部5にゲート絶縁膜6およびゲート電極7が備えられた構造とされている。
Although not shown, a gate wiring layer, a source wiring layer, and a drain wiring layer made of Al or the like are formed on the surfaces of the
このように構成されるMOSデバイスの各部の寸法については任意であり、例えば、ソース−ゲート、ゲート−ドレイン間の距離は、目的とするデバイスのオン抵抗および耐圧を鑑みて決定すればよい。 The dimensions of each part of the MOS device configured as described above are arbitrary. For example, the distance between the source and gate and the gate and drain may be determined in view of the on-resistance and breakdown voltage of the target device.
このような構成では、u−GaN層3の表面部のうちソース電極8やドレイン電極9の下方をオーミック領域3a、3b、ソース電極8側のAlGaN層4aの下方をアクセス領域3c、ドレイン電極9側のAlGaN層4bの下方をドリフト領域3dとして2DEGキャリアを発生させる。そして、ゲート電極8へのゲート電圧の印加に基づいてチャネル領域3eが形成されることでスイッチング動作を行う。すなわち、ゲート電極8に対してゲート電圧を印加することで、ゲート電極8の下方におけるGaN層3とゲート絶縁膜7の界面に発生する電子層(チャネル)の密度を制御し、ソース−ドレイン間に電圧を加えることで、ソース−ドレイン間に電流を流すという動作を行う。
In such a configuration, the
そして、ゲート構造部が形成されるリセス部4の底部におけるu−GaN層3の表面にドライエッチングによるダメージが形成されていないことから、しきい値電圧(Vt)のマイナスシフトが生じることを抑制できる。また、しきい値電圧を設計値通りとしたデバイス作成を行うことが可能となるし、ドライエッチングによるダメージの面内バラツキに起因するしきい値電圧のバラツキの増長も発生しないようにできる。これにより、特性の安定したMOSデバイスとすることが可能となる。
Further, since no damage due to dry etching is formed on the surface of the
続いて、本実施形態にかかるMOSデバイスの製造方法について、図2を参照して説明する。 Next, a MOS device manufacturing method according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
〔図2(a)に示す工程〕
Si(111)やSiCおよびサファイヤなどの基板1の表面に、バッファ層2およびu−GaN層3が積層された構造を有する化合物半導体基板を用意する。例えば、基板1の表面に、バッファ層2を形成したのち、この上にu−GaN層3をエピタキシャル成長させる。
[Step shown in FIG. 2 (a)]
A compound semiconductor substrate having a structure in which a
〔図2(b)に示す工程〕
u−GaN層3の表面に選択エピタキシャル成長時に用いるマスク材料としてシリコン酸化膜(SiO2)10を成膜したのち、パターニングしてリセス部4の形成予定位置にのみシリコン酸化膜10を残す。そして、エピタキシャル成長装置を用いて、シリコン酸化膜10でリセス部4の形成予定位置をマスクした状態でu−GaN層3の表面にAlGaN層4を選択エピタキシャル成長させる。これにより、シリコン酸化膜10で覆われていないu−GaN層3の表面にAlGaN層4が選択的に成長させられる。例えば、エピタキシャル成長温度を800〜1200℃とし、NH3雰囲気として、トリメチルガリウムやトリエチルガリウムなどのGa原料、トリメチルアルミニウムやトリエチルアルミニウムなどのAl原料を導入することでエピタキシャル成長を行う。
[Step shown in FIG. 2 (b)]
After a silicon oxide film (SiO 2 ) 10 is formed on the surface of the
なお、ここではマスクとしてシリコン酸化膜10を用いているが、選択エピタキシャル成長時に雰囲気ガスと反応しないマスク材であれば、他の材料であっても構わない。
Although the
〔図2(c)に示す工程〕
AlGaN層4を選択エピタキシャル成長させた際に用いたシリコン酸化膜10を除去する。これにより、リセス部4が構成される。このとき、リセス部4の底部において露出させられたu−GaN層3は、リセス部4をドライエッチングによって形成していないことから、ドライエッチングによるダメージが導入されていない良好なものとなっている。
[Step shown in FIG. 2 (c)]
The
〔図2(d)に示す工程〕
ゲート絶縁膜6の形成工程を行う。例えば、原子層堆積法(ALD:Atomic Layer Deposition)もしくはスパッタ法によって酸化アルミニウム膜などを形成することにより、ゲート絶縁膜6を形成する。そして、リセス形状部3a内を含め、ゲート絶縁膜6の表面に不純物をドープしたポリシリコンもしくはAlなどの金属材料を順に成膜したのち、図示しないマスクを用いてこれらをパターニングする。これにより、ゲート電極7が形成される。このとき、CVD(chemical vapor deposition)などにより、不純物をドープしたポリシリコンにてゲート電極7を形成すれば、活性化アニールを経ることなく低温度でゲート電極7を形成することが可能となる。これにより、ゲート絶縁膜6、ゲート電極7が形成される。
[Step shown in FIG. 2 (d)]
A step of forming the
この後の工程については従来と同様であるが、層間絶縁膜形成工程、コンタクトホール形成工程、ソース電極8およびドレイン電極9の形成工程などを経て、図1に示したMOSデバイスを有する半導体装置が完成する。
The subsequent steps are the same as in the prior art, but the semiconductor device having the MOS device shown in FIG. 1 is obtained through an interlayer insulating film forming step, a contact hole forming step, a
以上説明したように、本実施形態では、GaN層3の上のAlGaN層4を選択エピタキシャル成長によって形成し、リセス部4をドライエッチングによらずに形成されるようにしている。このため、ゲート構造部が形成されるリセス部4の底部におけるu−GaN層3の表面にドライエッチングによるダメージが形成されないようにでき、しきい値電圧(Vt)のマイナスシフトが生じることを抑制できる。また、しきい値電圧を設計値通りとしたデバイス作成を行うことが可能となるし、ドライエッチングによるダメージの面内バラツキに起因するしきい値電圧のバラツキの増長も発生しないようにできる。これにより、特性の安定したMOSデバイスとすることが可能となる。
As described above, in this embodiment, the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対してより良好なヘテロ界面が得られるようにするものであり、その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is intended to obtain a better heterointerface with respect to the first embodiment, and the other aspects are the same as those of the first embodiment. Therefore, only differences from the first embodiment will be described. To do.
図3に示すように、本実施形態では、u−GaN層3とAlGaN層4との間に、AlN層20を備えている。AlN層20は、u−GaN層3の表面に空孔無く形成される厚み以上とされ、かつ、AlN層20の結晶性が悪化する厚み以下に設定されている。例えば、AlN層20の厚みを1〜2nmとすることで、空孔が無く、かつ、結晶性も良好なAlN層20とすることができる。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, an
このように、AlN層20を備えることで、u−GaN層3の上に直接AlGaN層4を形成する場合と比較して、電子濃度を急峻に変化させられるヘテロ界面を得ることが可能となる。したがって、2DEGの電子移動度が向上されて、2DEG特性を良好にすることが可能となる。
Thus, by providing the
具体的に、AlN層20を備えた試料Aと備えていない試料Bを作製し、各試料A、Bそれぞれについて、u−GaN層3の表層部でのシート抵抗[Ω/□]、シートキャリア濃度[cm-2]、電子移動度[cm2/V・s]について調べた。また、各試料A、Bそれぞれについて、AlGaN層4の上に直径3mmのショットキー電極を形成し、測定周波数370Hzとして深さ方向(厚み方向)での電子濃度[cm-3]の変化を調べた。それらの結果を図4および図5に示す。
Specifically, the sample A provided with the
図4に示すように、AlN層20を備えた試料Aでは、シート抵抗およびシートキャリア濃度が低く、AlN層20を備えていない試料Bでは、シート抵抗およびシートキャリア濃度が高くなるという結果となった。また、試料Aでは電子移動度が1200[cm2/V・s]と高く、試料Bでは90[cm2/V・s]と低かった。
As shown in FIG. 4, the sample A with the
また、図5に示すように、AlN層20を備えた試料Aでは、備えていない試料Bと比較して、u−GaN層3と選択エピタキシャル成長を行ったAlGaN層4との間において電子濃度が急峻に変化していた。
Further, as shown in FIG. 5, the sample A having the
これらの結果より、AlN層20を備えることによってu−GaN層3とAlGaN層4との間の界面において電子濃度を急峻に変化させられるヘテロ界面を得ることが可能となり、電子移動度を高くできて、良好な2DEG特性を得ることが可能になることが判る。
From these results, by providing the
このような構造の半導体装置の製造方法は、基本的には第1実施形態と同様であるが、選択エピタキシャル成長時に、AlGaN層4を形成する前にAlN層20を形成する工程を行う必要がある。AlN層20とAlGaN層4については、同じエピタキシャル成長装置内において形成することができる。例えばAlN層20の成長時には、NH3雰囲気にAl原料を導入しつつ、Ga原料を導入しないようにし、その後、AlGaN層4の成長時にGa原料を導入するようにすれば、AlN層20とAlGaN層4を連続して形成することができる。
The manufacturing method of the semiconductor device having such a structure is basically the same as that of the first embodiment, but it is necessary to perform the step of forming the
なお、ここではAlN層20の厚みについて、空孔の無いAlN層20にできる厚みを1nm以上、AlN層20の結晶性を良好にできる厚みを2nm以下とする例を挙げた。しかしながら、各数値は各効果が確実に得られる数値を例示したものであり、AlN層20の厚みを1nm以下や2nm以上としても各効果を得ることはできる。
In addition, about the thickness of the
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対してしきい値電圧のマイナスシフトをさらに抑制できるようにするものであり、その他については第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、ここでは第1実施形態の構造に対して本実施形態の構成を適用する場合について説明するが、第2実施形態の構造に対しても適用できる。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the negative shift of the threshold voltage can be further suppressed with respect to the first and second embodiments, and the others are the same as those in the first and second embodiments. Only the differences from the first and second embodiments will be described. In addition, although the case where the structure of this embodiment is applied with respect to the structure of 1st Embodiment is demonstrated here, it is applicable also to the structure of 2nd Embodiment.
図6に示すように、本実施形態では、u−GaN層3の表面全面にp−GaN層30を形成することによって、u−GaN層3およびp−GaN層30によって第1の窒化物半導体層を構成し、その上にAlGaN層4を形成している。p−GaN層30は、例えばホール濃度が1×1018cm-3以上とされたp型窒化物半導体であり、例えば5〜500nmの厚みとされている。
As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the first nitride semiconductor is formed by the
u−GaN層3のような窒化物半導体では、選択エピタキシャル成長する際にドナーとなるSiが1×1012cm-2程度、u−GaN層3の表層部に付着することが知られている。このSiの付着により、しきい値電圧が例えば−2V以上マイナスシフトするという影響を及ぼすことがある。これを相殺する為に、p−GaN層30を形成することで、Siの付着によってu−GaN層3の表層部がn型化することを抑制でき、しきい値電圧をさらにプラスシフトさせることが可能となる。Sim結果によれば、しきい値電圧をさらに2V程度プラスシフトさせることが可能であった。
In a nitride semiconductor such as the
このように、u−GaN層3の上にp−GaN層30を形成してからAlGaN層4を形成することで、更にしきい値電圧のマイナスシフトをより防ぐことが可能となる。
As described above, by forming the p-
このような構造の半導体装置の製造方法は、基本的には第1実施形態と同様であるが、u−GaN層3の形成後に、選択エピタキシャル成長の前にp−GaN層30を形成する工程を行う必要がある。u−GaN層3とp−GaN層3については、同じエピタキシャル成長装置内において形成することができる。例えばu−GaN層3の成長時には、NH3雰囲気にGa原料を導入しつつ、Al原料を導入しないようにし、その後、p−GaN層30の成長時にマグネシウム(Mg)などのアクセプタを含む原料を導入する。例えば、アクセプタを含む原料としてビス(シクロペンタジエニル) マグネシウム(CP2Mg)を用いることができる。このようにすれば、u−GaN層3とp−GaN層30を連続して形成することができる。
The manufacturing method of the semiconductor device having such a structure is basically the same as that of the first embodiment, but the step of forming the p-
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態について説明する。本実施形態は、第3実施形態に対してp−GaN層30とAlGaN層4との間の構成を変更したものであり、その他については第3実施形態と同様であるため、第3実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration between the p-
図7に示すように、本実施形態では、p−GaN層30とAlGaN層4との間に更にu−GaN層31を形成しており、u−GaN層3、p−GaN層30およびu−GaN層31によって第1の窒化物半導体層を構成している。u−GaN層31は、u−GaN層3と同様、不純物がドープされていないアンドープのGaN層で構成されたものである。u−GaN層31の厚みは任意であるが、例えば5〜200nmの厚みとされる。第1の窒化物半導体層のうち、u−GaN層31についてはリセス部5を挟んで2個が離間配置されているが、下地となるp−GaN層30の表面は全面、つまりリセス部5の底面に位置している部分とAlGaN層4が積層されている部分が同一平面となっている。
As shown in FIG. 7, in this embodiment, a
第3実施形態の構造の場合、p−GaN層30に2DEGキャリアが形成されることになる。この場合、アクセプタ材料(Mgなど)の不純物が電子移動度に影響を及ぼし、電子濃度がホールと相殺されるため、2DEG特性が劣化し得る。したがって、本実施形態のように、u−GaN層31を備えることにより、u−GaN層31内に2DEGギャリアが形成されるようになり、アクセプタ材料の不純物による電子移動度への影響を抑制できる。
In the case of the structure of the third embodiment, 2DEG carriers are formed in the p-
なお、本実施形態の構造の場合、u−GaN層31にドナーとなるSiが付着し得るが、下層に配置したp−GaN層30に含まれるアクセプタ材料によってその影響が相殺され、しきい値電圧のマイナスシフトを防ぐことが可能となる。また、図中では、p−GaN層30の表層部に形成されるチャネル領域とu−GaN層31の表層部に形成される2DEGキャリアとの間に段差があるが、実際にはu−GaN層31の厚みは非常に薄いことから、これらの間はほぼ段差無く繋がることになる。
In the structure of the present embodiment, Si as a donor can adhere to the
このような構造の半導体装置の製造方法は、基本的には第3実施形態と同様であるが、AlGaN層4の選択エピタキシャル成長の前にu−GaN層31の選択エピタキシャル成長を行う必要がある。u−GaN層31とAlGaN層4については、同じエピタキシャル成長装置内において形成することができる。例えばu−GaN層31の成長時には、NH3雰囲気にGa原料を導入しつつ、Al原料を導入しないようにし、その後、AlGaN層4の成長時にAl原料を導入する。このようにすれば、u−GaN層31とAlGaN層4を連続して形成することができる。
The manufacturing method of the semiconductor device having such a structure is basically the same as that of the third embodiment, but the selective epitaxial growth of the
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
例えば、上記各実施形態では、第1の窒化物半導体層の一例としてu−GaN層3やp−GaN層30、第2の窒化物半導体層の一例としてAlGaN層40を例に挙げた。しかしながら、これは単なる一例を示したに過ぎず、第1、第2の窒化物半導体層については、第1の窒化物半導体層よりも第2の窒化物半導体層の方がバンドギャップエネルギーが大きな材料で構成されていればよい。例えば、GaN、AlGaN、AlInN、InGaNなどのいずれか2つの組み合わせ、もしくはこれらのうち同一材料であって混晶比を異ならせたものを第1、第2の窒化物半導体層の構成材料として用いることができる。
For example, in each of the above embodiments, the
1 基板
3、31 u−GaN層
4 AlGaN層
5 リセス部
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 ソース電極
9 ドレイン電極
20 AlN層
30 p−GaN層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該第1の窒化物半導体層の上に積層され、該第1の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく電子供給部を構成し、複数個離間して配置されることで前記第1の窒化物半導体層の表面と共にリセス部(5)を構成する第2の窒化物半導体層(4、4a、4b)と、
前記リセス部内に形成されたゲート絶縁膜(6)および該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(7)にて構成されるゲート構造部と、
前記第2の窒化物半導体層上において、前記ゲート構造部を挟んだ両側に配置されたソース電極(8)およびドレイン電極(9)と、を有し、
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面における前記第1の窒化物半導体層側に2次元電子ガスキャリアを誘起すると共に、前記ゲート電極に対して電圧が印加されたときに前記リセス部の底部における前記第1の窒化物半導体層の表面部にチャネルが形成されることで前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電流を流す横型のスイッチングデバイスを備え、
前記第2の窒化物半導体層は、前記リセス部には形成されないようにしつつ、該リセス部の両側に形成された選択エピタキシャル成長部であり、
前記第1の窒化物半導体層のうち前記第2の窒化物半導体層が積層されている部分と前記リセス部の底部に位置している部分とが同一平面とされ、
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との間に、AlN層(20)が形成されており、該AlN層は、前記リセス部には形成されないようにしつつ、該リセス部の両側に形成された選択エピタキシャル成長部であり、
前記第1の窒化物半導体層は、不純物がドープされていない第1アンドープ層(3)と、該第1アンドープ層の上に積層されたp型層(30)とを有していることを特徴とする半導体装置。 A first nitride semiconductor layer (3, 30, 31) constituting an electron transit layer;
The first nitride semiconductor layer is stacked on the first nitride semiconductor layer, has a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor layer, constitutes an electron supply unit, and a plurality of the first nitride semiconductor layers are arranged apart from each other. A second nitride semiconductor layer (4, 4a, 4b) constituting a recess (5) together with the surface of the nitride semiconductor layer;
A gate structure comprising a gate insulating film (6) formed in the recess and a gate electrode (7) formed on the gate insulating film;
A source electrode (8) and a drain electrode (9) disposed on both sides of the gate structure portion on the second nitride semiconductor layer;
A two-dimensional electron gas carrier is induced on the first nitride semiconductor layer side at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and a voltage is applied to the gate electrode. A lateral switching device that causes a current to flow between the source electrode and the drain electrode by forming a channel in the surface portion of the first nitride semiconductor layer at the bottom of the recess portion when being formed,
The second nitride semiconductor layer is a selective epitaxial growth portion formed on both sides of the recess portion while being not formed in the recess portion.
Of the first nitride semiconductor layer, the portion where the second nitride semiconductor layer is laminated and the portion located at the bottom of the recess are coplanar,
An AlN layer (20) is formed between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and the AlN layer is not formed in the recess portion, selective epitaxial growth portion der formed on both sides of the recess is,
The first nitride semiconductor layer has a first undoped layer (3) that is not doped with impurities, and a p-type layer (30) stacked on the first undoped layer. A featured semiconductor device.
前記第1の窒化物半導体層のうちの前記第2の窒化物半導体層が積層されている部分と前記リセス部の底部に位置している部分とが同一平面とされているのは、該第1の窒化物半導体層のうちの前記p型層の表面であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The first nitride semiconductor layer is a second undoped layer that is not doped with an impurity formed of a constituent material of the first undoped layer between the p-type layer and the second nitride semiconductor layer. (31) has a, the second undoped layer, while preventing being formed in the recessed portion, Ri selective epitaxial growth portion der formed on both sides of the recess,
The portion of the first nitride semiconductor layer where the second nitride semiconductor layer is stacked and the portion located at the bottom of the recess are coplanar. 2. The semiconductor device according to claim 1 , wherein the semiconductor device is a surface of the p-type layer of one nitride semiconductor layer .
該第1の窒化物半導体層の上に積層され、該第1の窒化物半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きく電子供給部を構成し、複数個離間して配置されることで前記第1の窒化物半導体層の表面と共にリセス部(5)を構成する第2の窒化物半導体層(4、4a、4b)と、
前記リセス部内に形成されたゲート絶縁膜(6)および該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極(7)にて構成されるゲート構造部と、
前記第2の窒化物半導体層上において、前記ゲート構造部を挟んだ両側に配置されたソース電極(8)およびドレイン電極(9)と、を有し、
前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面における前記第1の窒化物半導体層側に2次元電子ガスキャリアを誘起すると共に、前記ゲート電極に対して電圧が印加されたときに前記リセス部の底部における前記第1の窒化物半導体層の表面部にチャネルが形成されることで前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電流を流す横型のスイッチングデバイスを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第1の窒化物半導体層の上における前記リセス部の形成予定位置にマスク(10)を配置したのち、前記マスクで前記第1の窒化物半導体層の表面を覆った状態で前記リセス部の両側に前記第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させる工程と、
前記マスクを除去したのち、前記リセス部内に前記ゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成する工程と、を含み、
前記第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させる工程の前に、前記マスクで前記第1の窒化物半導体層の表面を覆った状態で前記リセス部の両側にAlN層(20)を選択エピタキシャル成長させる工程を含み、
さらに、前記第1の窒化物半導体層として、不純物がドープされていない第1アンドープ層(3)を形成する工程と、前記第1アンドープ層の上にp型層(30)を積層する工程とを有し、
前記第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させる工程では、前記p型層よりも上に、前記第2の窒化物半導体層を選択エピタキシャル成長させることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first nitride semiconductor layer (3, 30, 31) constituting an electron transit layer;
The first nitride semiconductor layer is stacked on the first nitride semiconductor layer, has a band gap energy larger than that of the first nitride semiconductor layer, constitutes an electron supply unit, and a plurality of the first nitride semiconductor layers are arranged apart from each other. A second nitride semiconductor layer (4, 4a, 4b) constituting a recess (5) together with the surface of the nitride semiconductor layer;
A gate structure comprising a gate insulating film (6) formed in the recess and a gate electrode (7) formed on the gate insulating film;
A source electrode (8) and a drain electrode (9) disposed on both sides of the gate structure portion on the second nitride semiconductor layer;
A two-dimensional electron gas carrier is induced on the first nitride semiconductor layer side at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer, and a voltage is applied to the gate electrode. A lateral switching device that causes a current to flow between the source electrode and the drain electrode by forming a channel in the surface portion of the first nitride semiconductor layer at the bottom of the recess portion when A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
After disposing a mask (10) at a position where the recess portion is to be formed on the first nitride semiconductor layer, the mask covers the surface of the first nitride semiconductor layer with the mask. Selectively epitaxially growing the second nitride semiconductor layer on both sides;
After removing the mask, forming the gate electrode through the gate insulating film in the recess portion,
Prior to the step of selectively epitaxially growing the second nitride semiconductor layer, an AlN layer (20) is selectively epitaxially grown on both sides of the recess portion with the mask covering the surface of the first nitride semiconductor layer. the process only contains,
A step of forming a first undoped layer (3) that is not doped with impurities as the first nitride semiconductor layer; and a step of stacking a p-type layer (30) on the first undoped layer; Have
The method of manufacturing a semiconductor device , wherein in the step of selectively epitaxially growing the second nitride semiconductor layer, the second nitride semiconductor layer is selectively epitaxially grown above the p-type layer .
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