JP7216564B2 - Nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、窒化物半導体装置に関する。本明細書は、特に、JFET領域を有するプレーナゲート構造の窒化物半導体縦型MOSFETに関し、耐圧の確保と低いオン抵抗の両立を図る技術を開示する。 The technology disclosed in this specification relates to a nitride semiconductor device. In particular, the present specification relates to a nitride semiconductor vertical MOSFET having a planar gate structure having a JFET region, and discloses a technique for ensuring both a breakdown voltage and a low on-resistance.
窒化物半導体はワイドバンドギャップ半導体の一種であり、高い絶縁破壊電界特性と、高い熱伝導特性を有しており、高耐圧低損失のパワー半導体素子への応用が期待されている。以下では、説明の便宜のため、窒化物半導体を、その代表例であるGaN(窒化ガリウム)で表す場合がある。 Nitride semiconductors are a kind of wide bandgap semiconductors, have high dielectric breakdown electric field characteristics and high thermal conductivity characteristics, and are expected to be applied to power semiconductor devices with high breakdown voltage and low loss. In the following, for convenience of explanation, the nitride semiconductor may be represented by GaN (gallium nitride), which is a typical example.
プレーナゲート構造の半導体装置(縦型MOSFET)は、次の構造を有している。以下では、nチャネル型の半導体装置を例に説明する。半導体基板の上にn型の半導体層が形成されており、その表面に対してゲート絶縁膜を挟んでゲート電極が配置されている。半導体層の表層にp型の一対のボディ領域が形成されている。一対のボディ領域は、半導体基板の主面の法線方向からみてその一方がゲート電極の一端と重なり、他方がゲート電極の他端と重なるように設けられている。ゲート電極の下方で一対のボディ領域の間に挟まれたn型の領域は、JFET領域(Junction FET領域)と呼ばれている。 A semiconductor device (vertical MOSFET) with a planar gate structure has the following structure. An n-channel semiconductor device will be described below as an example. An n-type semiconductor layer is formed on a semiconductor substrate, and a gate electrode is arranged on the surface thereof with a gate insulating film interposed therebetween. A pair of p-type body regions are formed in the surface layer of the semiconductor layer. The pair of body regions are provided so that one of them overlaps one end of the gate electrode and the other overlaps the other end of the gate electrode when viewed from the direction normal to the main surface of the semiconductor substrate. An n-type region sandwiched between a pair of body regions under the gate electrode is called a JFET region (junction FET region).
JFET領域のn型不純物の濃度を高めると、電流が流れ易くなるため、オン抵抗が下がることが知られている(例えば、特許文献1、2)。 It is known that increasing the concentration of n-type impurities in the JFET region facilitates the flow of current, thereby lowering the on-resistance (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
JFET領域のn型不純物の濃度を高めると、オン抵抗が下がる。しかし、その一方、JFET領域のn型不純物の濃度を高めると、電界強度が高まるため、耐圧特性が低下するという背反がある。本明細書は、JFET領域を有するプレーナゲート構造の窒化物半導体縦型MOSFETに関し、耐圧の確保と低いオン抵抗の両立を図る技術を開示する。 Increasing the concentration of n-type impurities in the JFET region reduces the on-resistance. On the other hand, however, if the concentration of the n-type impurity in the JFET region is increased, the strength of the electric field is increased, resulting in a decrease in breakdown voltage characteristics. This specification relates to a nitride semiconductor vertical MOSFET with a planar gate structure having a JFET region, and discloses a technique for ensuring both a breakdown voltage and a low on-resistance.
本明細書が開示する窒化物半導体装置は、n型のドリフト層、p型の一対のボディ領域、n型のJFET領域、ゲート電極を備えている。一対のボディ領域は、ドリフト層の上に設けられている。JFET領域は、ドリフト層の上であって一対のボディ領域の間に設けられている。ゲート電極は、絶縁膜を挟んで一対のボディ領域とJFET領域に対向している。JFET領域の中に、n型の不純物として機能する酸素が含まれているとともにJFET領域よりもn型の不純物濃度が高い高濃度領域が設けられている。すなわち、JFET領域の中にn型の不純物濃度の高い箇所と低い箇所が混在している。説明の都合上、JFET領域の高濃度領域以外を低濃度領域と称する。高濃度領域では電流が流れ易くなるためオン抵抗が下がる。一方、低濃度領域では電界強度が高くならないので耐圧が確保される。本明細書が開示する窒化物半導体装置は、耐圧の確保と低いオン抵抗の両立を図ることができる。なお、以下では、ゲート電極をJFET領域及びボディ領域から絶縁する絶縁膜を、ゲート絶縁膜と称することにする。 A nitride semiconductor device disclosed in the present specification includes an n-type drift layer, a pair of p-type body regions, an n-type JFET region, and a gate electrode. A pair of body regions are provided on the drift layer. A JFET region is provided above the drift layer and between the pair of body regions. The gate electrode faces a pair of body region and JFET region with an insulating film interposed therebetween. In the JFET region, a high-concentration region containing oxygen functioning as an n-type impurity and having a higher n-type impurity concentration than the JFET region is provided. In other words, the JFET region includes a mixture of high n-type impurity concentration locations and low n-type impurity concentration locations. For convenience of explanation, the JFET regions other than the high-concentration regions are referred to as low-concentration regions. In the high-concentration region, current flows more easily, so the on-resistance decreases. On the other hand, since the electric field intensity does not increase in the low concentration region, the withstand voltage is ensured. The nitride semiconductor device disclosed in this specification can ensure both a high breakdown voltage and a low on-resistance. In addition, hereinafter, the insulating film that insulates the gate electrode from the JFET region and the body region will be referred to as a gate insulating film.
本明細書が開示する窒化物半導体装置は、高濃度領域が絶縁膜とボディ領域の近傍に設けられていてもよい。絶縁膜とボディ領域の近傍は、ゲート電圧が印加されたときに電流が流れる領域(すなわち電流経路)となる。高濃度領域を電流経路に配置することで、オン抵抗を効果的に下げることができる。 In the nitride semiconductor device disclosed in this specification, the high concentration region may be provided near the insulating film and the body region. The vicinity of the insulating film and the body region becomes a region (that is, a current path) through which current flows when a gate voltage is applied. By arranging the high-concentration region in the current path, the on-resistance can be effectively lowered.
本明細書が開示する窒化物半導体装置は、一対のボディ領域の並び方向でJFET領域の中央よりも一方のボディ領域寄りの位置と、JFET領域の中央よりも他方のボディ領域寄りの位置の2箇所に、高濃度領域が設けられていてもよい。高濃度領域をそれぞれのボディ領域の近傍に分散させ、一対の高濃度領域の間に、低濃度領域を確保することで、ゲート絶縁膜の耐圧低下を回避することができる。 The nitride semiconductor device disclosed in the present specification has two positions: a position closer to one body region than the center of the JFET region and a position closer to the other body region than the center of the JFET region in the direction in which the pair of body regions are arranged. A high-concentration region may be provided at a location. By dispersing the high-concentration regions in the vicinity of the respective body regions and securing a low-concentration region between the pair of high-concentration regions, it is possible to avoid a decrease in breakdown voltage of the gate insulating film.
高濃度領域は、(10-11)面、(11-22)面のいずれか一方の結晶面を有していてもよい。窒化物半導体装置の製造工程においてn型のJFET領域を結晶成長させる際に、(10-11)面または(11-22)面がn型不純物として機能する酸素を多く取り込むことで、高濃度領域が形成される。 The high-concentration region may have either the (10-11) plane or the (11-22) crystal plane. When crystal-growing the n-type JFET region in the manufacturing process of the nitride semiconductor device, the (10-11) plane or the (11-22) plane incorporates a large amount of oxygen functioning as an n-type impurity, thereby forming a high-concentration region. is formed.
高濃度領域は、一対のボディ領域の並び方向を含む平面でカットした断面において、ドリフト層の側からゲート電極の側へ向けて幅が広くなっていてもよい。ゲート電極に近い側に向けて高濃度領域が広がっていることで、オン抵抗を効果的に下げることができる。 The high-concentration region may widen from the drift layer side toward the gate electrode side in a cross section cut along a plane including the alignment direction of the pair of body regions. Since the high-concentration region spreads toward the side closer to the gate electrode, the on-resistance can be effectively lowered.
ボディ領域のJFET領域との界面の面方位(結晶方位)がa面とm面のいずれかであるとよい。ボディ領域のJFET領域との界面の面方位がa面とm面のいずれかであると、JFET領域を結晶成長させる際に、上記した(10-11)面または(11-22)面が成長し易くなる。 Preferably, the plane orientation (crystal orientation) of the interface between the body region and the JFET region is either the a-plane or the m-plane. If the plane orientation of the interface between the body region and the JFET region is either the a-plane or the m-plane, the above-described (10-11) plane or (11-22) plane is grown during crystal growth of the JFET region. becomes easier.
JFET領域の高濃度領域以外の部位(低濃度領域)におけるn型の濃度がドリフト層のn型の濃度よりも低いとよい。この場合、ボディ領域とドリフト層とJFET領域(低濃度領域)の三者が互いに隣接する箇所における電界、及び、ゲート絶縁膜近傍の電界を緩和することができ、耐圧が向上する。 The n-type concentration in the portion (low-concentration region) other than the high-concentration region of the JFET region is preferably lower than the n-type concentration of the drift layer. In this case, the electric field at the portion where the body region, the drift layer, and the JFET region (lightly doped region) are adjacent to each other and the electric field near the gate insulating film can be relaxed, thereby improving the withstand voltage.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technique disclosed in this specification are described in the following "Mode for Carrying Out the Invention".
(第1実施例)図面を参照して第1実施例の窒化物半導体装置を説明する。第1実施例の窒化物半導体装置は、窒化ガリウム(GaN)を用いた縦型MOSFETである。その縦型MOSFETは、プレーナゲート構造を有する。説明の便宜上、第1実施例の窒化物半導体装置を単純に半導体装置10と称する。図1に半導体装置10の要部断面図を示す。
(First Embodiment) A nitride semiconductor device of a first embodiment will be described with reference to the drawings. The nitride semiconductor device of the first embodiment is a vertical MOSFET using gallium nitride (GaN). The vertical MOSFET has a planar gate structure. For convenience of explanation, the nitride semiconductor device of the first embodiment will be simply referred to as
半導体装置10は、窒化ガリウム(n型の窒化物半導体)を材料とする基板3、n型のドリフト層4、p型の一対のボディ領域5a、5b、n型のソース領域6a、6b、ゲート絶縁膜12、ゲート電極8、ソース電極9、ドレイン電極2、JFET(Junction Field Effect Transistor)領域7を備えている。また、JFET領域7の中に、高濃度領域13が設けられている。図1は、JFET領域7と一対のボディ領域5a、5bとその周辺のみを示している。半導体装置10は、図1と同じ構造を複数備えており、それらの構造の周囲を耐圧構造が囲んでいる。耐圧構造については説明を省略する。
The
基板3は、n型不純物を含む窒化ガリウム(GaN)を材料としている。基板3の裏面全体にドレイン電極2がオーミック接触している。基板3は、ドリフト層4がエピタキシャル成長するための下地板である。
The
ドリフト層4は、基板3の上に半導体物質をエピタキシャル成長させた層である。ドリフト層4は、n型不純物を含む窒化ガリウム(GaN)を材料とする。n型不純物の例としては、シリコン(Si)が挙げられる。
The
ドリフト層4の上にp型の一対のボディ領域5a、5bが設けられている。なお、一対のボディ領域5a、5bを以下では、ボディ領域5と総称する場合がある。ボディ領域5は、p型不純物を含んでいる。p型不純物の例としては、マグネシウム(Mg)が挙げられる。ボディ領域5のうち、後述するソース領域6とJFET領域7に挟まれた部分は、チャネル領域と呼ばれることがある。また、p型のボディ領域5の下にp型不純物をボディ領域5よりも高濃度に含むベース領域が設けられることもある。
A pair of p-
一対のボディ領域5a、5bに挟まれた領域がJFET領域7である。JFET領域7は、ドリフト層4と連続しており、ドリフト層4と一体である。すなわち、実施例の半導体装置10では、JFET領域7は、n型不純物を含む窒化ガリウム(GaN)を材料としており、n型不純物の濃度は、ドリフト層4の不純物濃度に等しい。説明の都合上、図1では、破線でJFET領域7をドリフト層4から区別している。なお、後に、JFET領域7の不純物濃度がドリフト層4の不純物濃度と異なる例を示す。
A
ボディ領域5a、5bの上にソース領域6a、6bが設けられている。ソース領域6a、6bは、ボディ領域5a、5bによって、ドリフト層4から隔てられている。ソース領域6a、6bは、n型不純物を高濃度に含んでいる。n型不純物の例は、前述したように、シリコン(Si)である。一対のソース領域6a、6bを以下ではソース領域6と総称する場合がある。ソース領域6にソース電極9がオーミック接触している。なお、ボディ領域5の表層でソース領域6に接するようにp型の半導体領域であるコンタクト領域が設けられることがあるが、図1では、コンタクト領域の図示は省略した。コンタクト領域は、p型不純物をボディ領域5よりも高濃度に含む。
ゲート電極8は、ゲート絶縁膜12を挟んでJFET領域7と対向するように配置されている。ゲート電極8は、基板3の法線方向からみて、一端が一方のボディ領域5aと重なり、他端が他方のボディ領域5bと重なるように配置されている。別言すれば、ゲート電極8は、ゲート絶縁膜12を挟んでJFET領域7と一対のボディ領域5a、5bに対向している。基板3と平行な平板状のゲート電極8を有しているので、半導体装置10は、プレーナゲート型と呼ばれる。
The
ゲート電極8とソース電極9の上部は絶縁層に覆われているが、その絶縁層の図示は省略してある。
Although the upper portions of the
JFET領域内に、n型不純物をJFET領域7よりも高濃度に含む高濃度領域13が設けられている。高濃度領域13は、JFET領域7のn型不純物(例えばシリコン)をJFET領域7の濃度と同程度に含んでいる。高濃度領域13は、さらに、n型不純物の一種である酸素を豊富に含んでいる。高濃度領域13は、JFET領域7に含まれるn型不純物(例えばシリコン)と同種の不純物と、別のn型不純物の一種である酸素(n型の不純物として機能する酸素)を含むことで、JFET領域7よりもn型不純物の濃度が高くなっている。
A high-
高濃度領域13は、ゲート絶縁膜12とボディ領域5の近傍に設けられている。また、高濃度領域13は、ドリフト層4の側からゲート電極8の側へ向けて幅が広がる逆三角形をなしている。図1の断面は、一対のボディ領域5a、5bの並び方向を含む平面で半導体装置10をカットした断面である。従って、高濃度領域13は、一対のボディ領域の並び方向を含む平面でカットした断面において、ドリフト層4の側からゲート電極8の側へ向けて幅が広くなっている。
The high-
半導体装置10は、JFET領域7の中に、n型不純物濃度がJFET領域7よりも高い高濃度領域13を備えている。JFET領域7の一部に高濃度領域13を備えることで、耐圧性能の低下を抑えつつオン抵抗を下げることができる。ゲート絶縁膜12とボディ領域5の近傍は、ゲート電極8に電圧が印加されたときに電流が通る電流経路となる。電流経路に電流を通し易い高濃度領域13を設けることで、オン抵抗を下げることができる。
The
一方、ボディ領域5の近傍でドリフト層4とJFET領域7にわたる範囲A1は、電界が集中する箇所である。電界が集中する箇所(図1の範囲A1)は、JFET領域7のままであるので、高濃度領域13がない場合と比較して耐圧が劣ることはない。すなわち、JFET領域7に局所的に高濃度領域13を設けることで、耐圧を保持しつつオン抵抗を下げることができる。
On the other hand, a range A1 extending from the
(第2実施例)図2に、第2実施例の半導体装置10aの断面図を示す。第2実施例の半導体装置10aは、JFET領域7の中に、一対の高濃度領域13a、13bを備えている。一対の高濃度領域13a、13bを備えている点以外は、第2実施例の半導体装置10aは、第1実施例の半導体装置10と同じ構造を有している。
(Second Embodiment) FIG. 2 shows a sectional view of a
高濃度領域13a、13bも、先の高濃度領域13と同様に、n型不純物をJFET領域7よりも高濃度に含んでいる。より詳しくは、高濃度領域13a、13bは、JFET領域7に含まれるn型不純物(例えばシリコン)と同種の不純物と、別のn型不純物の一種である酸素を含むことで、JFET領域7よりもn型不純物の濃度が高くなっている。
The high-
一方の高濃度領域13aは、一対のボディ領域5a、5bの並び方向でJFET領域7の中央よりも一方のボディ領域5aに近い位置に設けられており、他方の高濃度領域13bは、ボディ領域の並び方向でJFET領域7の中央よりも他方のボディ領域5bに近い位置に設けられている。別言すれば、一対の高濃度領域13a、13bの間にJFET領域7の一部が挟まれている。
One high-
一対の高濃度領域13a、13bは、第1実施例の半導体装置10の場合と同様に、一対のボディ領域5a、5bの並び方向を含む平面でカットした断面において、ドリフト層4の側からゲート電極8の側に向かって幅が広くなっており、逆三角形をなしている。
As in the case of the
一対の高濃度領域13a、13bは、第1実施例の半導体装置10の高濃度領域13と同様に、オン抵抗を下げる働きをする。半導体装置10aでは、一対の高濃度領域13a、13bの間にn型不純物の濃度が高濃度領域13a、13bよりも低いJFET領域7が存在する(図2の範囲A2)。図2の範囲A2は、ゲート電極8の中央に対向している。第1実施例の半導体装置10の場合は、高濃度領域13がゲート電極8の中央にも対向しており、ゲート電極8の中央近傍の耐圧を低下させる。第2実施例の半導体装置10aでは、ゲート電極8の中央に対向している範囲A2はn型不純物の濃度が高濃度領域13a、13bよりも低いJFET領域7であるため、ゲート電極8の中央における耐圧低下が抑制される。第2実施例の半導体装置10aでは、図2の範囲A1と範囲A2で耐圧低下が抑制されるので、オン抵抗を下げつつ、耐圧低下をより効果的に抑えることができる。
The pair of high-
(第3実施例)図3に、第3実施例の半導体装置10bの断面図を示す。第3実施例の半導体装置10bは、JFET領域7aのn型不純物の濃度が、ドリフト層4のn型不純物の濃度よりも低い。JFET領域7aのn型不純物の濃度が低い点以外は、第3実施例の半導体装置10bは、第1実施例の半導体装置10と同じ構造を有している。
(Third Embodiment) FIG. 3 shows a sectional view of a
第3実施例の半導体装置10bは、JFET領域7aのn型不純物の濃度が低いので、第1実施例の半導体装置10と比較して耐圧が高い。半導体装置10bは、半導体装置10と同じ高濃度領域13を有するので、オン抵抗を下げる効果は、半導体装置10と同じである。
Since the
(第4実施例)図4に、第4実施例の半導体装置10cの断面図を示す。第4実施例の半導体装置10cは、JFET領域7aのn型不純物の濃度が、ドリフト層4のn型不純物の濃度よりも低い。JFET領域7aのn型不純物の濃度が低い点以外は、第4実施例の半導体装置10cは、一対の高濃度領域13a、13bを備えている第2実施例の半導体装置10aと同じ構造を有している。
(Fourth Embodiment) FIG. 4 shows a sectional view of a
第4実施例の半導体装置10cは、JFET領域7aのn型不純物の濃度が低いので、第2実施例の半導体装置10aと比較して耐圧が高い。半導体装置10cは、半導体装置10aと同じ一対の高濃度領域13a、13bを有するので、オン抵抗を下げる効果は、半導体装置10aと同じである。
Since the
(高濃度領域の結晶方位)高濃度領域13の結晶方位について説明する。図5は、第1実施例の半導体装置10のJFET領域近傍の拡大図である。ボディ領域5のJFET領域7との界面S1は、a面、すなわち、(11-20)面の結晶方位を有している。あるいは、界面S1は、m面、すなわち、(10-10)面の結晶方位を有していてもよい。界面S1がa面の結晶方位を有している場合、高濃度領域13のJFET領域7との界面S2の結晶方位は(11-22)面となる。また、界面S1がm面の結晶方位を有している場合、高濃度領域13のJFET領域7との界面S2の結晶方位は(10-11)面となる。半導体装置10の製造方法において、JFET領域7を結晶成長させる際、JFET領域7の中の一部に(11-22)面、あるいは、(10-11)面の結晶面が存在すると、成長の際に酸素が多く取り込まれる。
(Crystal Orientation of High Concentration Region) The crystal orientation of the
半導体装置10の詳しい製造方法は後述するが、ここでは、JFET領域7の結晶成長過程で高濃度領域13が形成される事象を説明する。図6は、JFET領域7の結晶成長過程を示す模式図である。図6は、一方のボディ領域5aとドリフト層4に囲まれた範囲におけるJFET領域7における結晶成長過程を模式的に示している。図6における一点鎖線は、一対のボディ領域5a、5bの並び方向の間隔の中央を示す中心線CLである。なお、図6は一対の高濃度領域13a、13b(図2参照)が形成される過程を示している。すなわち、図6は、第2実施例の半導体装置10aを示した図2の断面の左右方向の中心から左半分を模式的に示しており、左側の高濃度領域13aのみが示されている。
The detailed manufacturing method of the
説明の都合上、ボディ領域5aの上面の結晶面を記号K1で表し、ボディ領域5aのJFET領域7との界面の結晶面を記号K2で表し、高濃度領域13aの結晶面を記号K3で表し、ボディ領域5aとドリフト層4とJFET領域7の3領域が集まる箇所におけるドリフト層4の斜面の結晶面を記号K4で表す。記号W1は、結晶面K1から成長する一定時間ごとの結晶面の集合(K1結晶面群W1)を示しており、記号W2は結晶面K2から成長する一定時間ごとの結晶面の集合(K2結晶面群W2)を示している。
For convenience of explanation, the crystal plane of the upper surface of the
ボディ領域5のJFET領域7との界面の結晶面K2の面方位は(10-10)面、すなわち、m面である。ボディ領域5aの上面の結晶面K1の面方位は(0001)面、すなわち、c面である。結晶面K2の結晶成長速度は結晶面K1の結晶成長速度よりも速い。従って、K2結晶面群W2の間隔はK1結晶面群W1の間隔よりも広くなる。結晶成長速度の違いに応じて、K1結晶面群W1とK2結晶面群W2の境界には、新たな角度で成長するK3結晶面群W3が現われる。K3結晶面群W3の面方位は、(10-11)面となる。(10-11)面が結晶成長するときには、酸素がよく吸収される。K3結晶面群W3は、K1結晶面群W1やK2結晶面群W2が有するn型不純物濃度に対して、酸素を多く含有することによってn型不純物濃度が増分される。それゆえ、K3結晶面群W3の領域(図6においてグレーで示した領域)が、高濃度領域13aとして形成される。
The plane orientation of crystal plane K2 at the interface between
ドリフト層4の斜面の結晶面K4の面方位は、(10-12)面である。(10-12)面を有する結晶面の成長速度は(10-11)面の成長速度より速い。それゆえ、K3結晶面群W3の成長方向は、K4結晶面群W4で覆われてしまい。n型不純物の濃度が高いK3結晶面群W3(すなわち、高濃度領域13a)は、JFET領域7の中で孤立した領域として完成する。図6では描かれていないが、中心線CLの右側でも同様の結晶成長過程が生じるので、他方の高濃度領域13bが形成される。すなわち、図6の結晶成長過程によって、一対のボディ領域5a、5bの並び方向でJFET領域7の中央(中心線CL)の両側に位置する一対の高濃度領域13a、13bが形成される。なお、ボディ領域5aよりも上方へ成長した結晶面群は後に研磨にて除去される。
The plane orientation of the crystal plane K4 of the slope of the
高濃度領域の形状は、ボディ領域5aの深さDと、一対のボディ領域5a、5bの並び方向におけるJFET領域7の幅(2L)の比と、結晶成長速度の差によって定まる。図6は、L/D=1、かつ、K2結晶面群W2の成長速度がK1結晶面群W1の成長速度よりも速い場合である。
The shape of the high-concentration region is determined by the ratio of the depth D of the
図7にL/D=1/2の場合の結晶成長過程の模式図を示す。一対のボディ領域5a、5bの並び方向におけるJFET領域7の幅(2L)の半値Lがボディ領域5aの深さDの半分である場合、結晶面K4がK3結晶面群W3の成長方向に回り込む前に、K3結晶面群W3が中心線CLに達する。先に述べたように、中心線CLの右側でも同様の結晶成長が生じるから、K3結晶面群W3は、中心線CLの左側で成長するK3結晶面群W3と合流し、1個の大きな結晶面群となる。この結晶面群が、図1の高濃度領域13に相当する。図7においても、グレーで示した領域が、K3結晶面群W3、すなわち高濃度領域13を示している。
FIG. 7 shows a schematic diagram of the crystal growth process when L/D=1/2. When the half value L of the width (2L) of the
図8に、ボディ領域5aのJFET領域7との界面(結晶面K2)が(11-20)面(すなわち、a面)の場合の結晶成長過程の模式図を示す。図8の場合、ボディ領域5aの上面の結晶面K1の面方位は(0001)面、すなわち、c面である。ボディ領域5aとドリフト層4とJFET領域7の3領域が集まる箇所におけるドリフト層4の斜面の結晶面K4の面方位は、(11-26)面である。
FIG. 8 shows a schematic diagram of the crystal growth process when the interface (crystal plane K2) between the
この場合も、図6のケースと同様に、結晶面K2の結晶成長速度は結晶面K1の結晶成長速度よりも速い。従って、K2結晶面群W2の間隔はK1結晶面群W1の間隔よりも広くなる。結晶成長速度の違いに応じて、K1結晶面群W1とK2結晶面群W2の境界には、新たな角度で成長するK3結晶面群W3が現われる。図8の場合のK3結晶面群W3の面方位は、(11-22)面となる。(11-22)面が結晶成長するときにも、酸素がよく吸収される。K3結晶面群W3は、K1結晶面群W1やK2結晶面群W2のn型不純物濃度に対して、酸素を多く含有することによってn型不純物濃度が増分される。従って、K3結晶面群W3の領域(図8においてグレーで示した領域)が、高濃度領域13として形成される。
Also in this case, as in the case of FIG. 6, the crystal growth rate of the crystal plane K2 is faster than the crystal growth rate of the crystal plane K1. Therefore, the interval of the K2 crystal plane group W2 is wider than the interval of the K1 crystal plane group W1. Depending on the difference in crystal growth rate, the K3 crystal plane group W3 growing at a new angle appears at the boundary between the K1 crystal plane group W1 and the K2 crystal plane group W2. The plane orientation of the K3 crystal plane group W3 in the case of FIG. 8 is the (11-22) plane. Oxygen is well absorbed even when the (11-22) plane grows crystal. The K3 crystal plane group W3 contains more oxygen than the n-type impurity concentration of the K1 crystal plane group W1 and the K2 crystal plane group W2, so that the n-type impurity concentration is increased. Therefore, the region of the K3 crystal plane group W3 (the gray region in FIG. 8) is formed as the high-
ドリフト層4の斜面の結晶面K4の成長速度は結晶面K3の成長速度より遅い。結晶面K4がK3結晶面群W3の成長方向に回り込む前に、K3結晶面群W3が中心線CLに達する。中心線CLの右側でも同様の結晶成長が生じるから、K3結晶面群W3は、中心線CLの左側で成長するK3結晶面群W3と合流し、1個の大きな結晶面群となる。この結晶面群(グレーで示した範囲)が、図1の高濃度領域13に相当する。
The growth rate of the crystal plane K4 on the slope of the
図7、図8のいずれのケースも、JFET領域7での結晶成長が完了したら、ボディ領域5aよりも上方の結晶は研磨により削除される。
In both cases of FIGS. 7 and 8, after the crystal growth in the
図6-図8のいずれの場合も、ボディ領域5aのJFET領域7との界面の結晶成長速度がボディ領域5aの上面の結晶成長速度よりも速いことで、JFET領域内に傾斜した結晶面(図6-図8の結晶面K3)が形成される。結晶面K3(面方位は(10-11)面あるいは(11-22)面)が成長する過程でn型不純物の一種である酸素がよく吸収され、n型不純物濃度が高まる。すなわち、JFET領域7の中に高濃度領域13(13a、13b)が形成される。
6 to 8, the crystal growth rate at the interface of the
図6-図8の説明で理解されるように、高濃度領域の位置、形状、大きさは、ボディ領域5aのJFET領域7との界面の結晶成長速度とボディ領域5aの上面の結晶成長速度の比、及び、ボディ領域5aの深さとJFET領域7の幅(一対のボディ領域5a、5bの並び方向におけるJFET領域7の長さ)の比によって定まる。2種類の比を調整することで、図1、図3に示したようにJFET領域7の中央に1個の高濃度領域13を形成したり、図2、図4に示したように、一対のボディ領域5a、5bのそれぞれの近傍に高濃度領域13a、13bを形成したりすることができる。また、JFET領域を結晶成長させる際の雰囲気圧力によっても、結晶成長速度が変わるので、雰囲気圧力を変えることによっても、高濃度領域の位置や大きさを調整することができる。
6 to 8, the position, shape, and size of the high-concentration regions depend on the crystal growth rate of the interface between the
なお、ボディ領域5a、5bのJFET領域7との界面(図6-図8の結晶面K2)からの結晶成長速度が、ボディ領域5a、5bの上面(図6-図8の結晶面K1)からの結晶成長速度よりも速いことが望ましい。
The crystal growth rate from the interface between the
実施例の半導体装置はいずれも、大きなコストの増大なしに高濃度領域13(13a、13b)を形成することができる。n型のJFET領域7に、JFET領域7よりもn型不純物濃度が高い高濃度領域13(13a、13b)を備えることで、耐圧の低下を抑えつつオン抵抗を下げることができる。
In any of the semiconductor devices of the examples, the high-concentration regions 13 (13a, 13b) can be formed without a large increase in cost. By providing the n-
(製造方法)次に、図9-図13を参照して半導体装置10の製造方法について説明する。
(Manufacturing Method) Next, a method of manufacturing the
(図9)n型の窒化物半導体(窒化ガリウム)を材料とする基板3の上に、有機金属気相成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法などにより、n型のドリフト層4を形成する。ドリフト層4も窒化ガリウムを材料とする。ドリフト層4の上に、p型不純物(例えばマグネシウム(Mg))を含むボディ領域5を形成する。
(FIG. 9) An n-
(図10)ボディ領域5の表面からドリフト層4に達するトレンチ18を形成する。トレンチ18は、ボディ領域5の表面のトレンチ予定領域以外をマスクし、トレンチ予定領域をエッチング(ドライあるいはウェット)にて除去して形成する。トレンチ18により、ボディ領域は二分される(ボディ領域5a、5bの形成)。
(FIG. 10) A
(図11)トレンチ18の表層に、有機金属気相成長法などにより、n型の半導体領域を再成長させる。一対のボディ領域5a、5bの間に成長した半導体領域がJFET領域7となる。このときに、図6-図8で示したように、JFET領域7の中に、n型不純物の一種である酸素を多く含む高濃度領域13が形成される。また、先に述べたように、ボディ領域5a、5bのJFET領域7との界面における結晶面を適宜に選択するとともに、ボディ領域5a、5bの深さとJFET領域7の幅の比を調整することで、高濃度領域13の形状や数を調整することができる。また、再成長させる際にn型不純物(シリコンなど)の量を調整することで、ドリフト層4とはn型不純物の濃度の異なるJFET領域7を形成することができる。なお、ボディ領域5a、5bの上面からもn型の半導体領域19が成長し、高濃度領域13は、半導体領域19にも成長している。
(FIG. 11) An n-type semiconductor region is regrown on the surface layer of the
(図12)化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing)などにより、半導体領域19を除去し、ボディ領域5a、5b、の上面と、JFET領域7の上面が面一になるように平坦化する。
(FIG. 12) The
(図13)イオン注入ならびに活性化アニール処理により、p型のボディ領域5a、5bのそれぞれの表面の一部にn型のソース領域6a、6bを形成する。ソース領域は、有機金属気相成長法によるボディ領域形成の際に、ボディ領域5の上に成膜したものから作成してもよい。次に、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)、減圧-CVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition:LP-CVD)、原子堆積法(Atomic Layer Deposition:ALD)などの方法により、ゲート絶縁膜12を形成する。
(FIG. 13) By ion implantation and activation annealing, n-
次いで、ゲート電極8を形成ならびに加工する。ゲート絶縁膜12の一部を除去し、ソース電極9を形成する。また、基板3の裏面側にドレイン電極2を形成する。ゲート電極8、ソース電極9、ドレイン電極2の材料としては、ポリシリコン、あるいは、アルミニウムやチタンなどの金属が挙げられる。
Next, a
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。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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, 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. The technical elements described in this specification or in the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as of the filing. In addition, the techniques exemplified in this specification or drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of them has technical utility in itself.
2:ドレイン電極
3:基板
4:ドリフト層
5、5a、5b:ボディ領域
6、6a、6b:ソース領域
7、7a:JFET領域
8:ゲート電極
9:ソース電極
10、10a、10b、10c:半導体装置
12:ゲート絶縁膜
13、13a、13b:高濃度領域
2: Drain electrode 3: Substrate 4:
Claims (4)
前記ドリフト層の上に設けられているp型の一対のボディ領域と、
前記ドリフト層の上であって前記一対のボディ領域の間に設けられているn型のJFET領域と、
絶縁膜を挟んで前記一対のボディ領域と前記JFET領域に対向しているゲート電極と、
を備えており、前記JFET領域の中に、酸素が含まれているとともに当該JFET領域よりもn型の不純物濃度が高い高濃度領域が設けられており、
前記高濃度領域は、前記一対のボディ領域の並び方向で前記JFET領域の中央よりも一方の前記ボディ領域寄りの位置と、前記中央よりも他方の前記ボディ領域寄りの位置の2箇所に設けられている、窒化物半導体装置。 an n-type drift layer;
a pair of p-type body regions provided on the drift layer;
an n-type JFET region provided on the drift layer and between the pair of body regions;
a gate electrode facing the pair of body regions and the JFET region with an insulating film interposed therebetween;
wherein the JFET region includes a high-concentration region containing oxygen and having a higher n-type impurity concentration than the JFET region ,
The high-concentration regions are provided at two positions in the direction in which the pair of body regions are arranged, namely, a position closer to one of the body regions than the center of the JFET region and a position closer to the other body region than the center. a nitride semiconductor device.
前記ドリフト層の上に設けられているp型の一対のボディ領域と、a pair of p-type body regions provided on the drift layer;
前記ドリフト層の上であって前記一対のボディ領域の間に設けられているn型のJFET領域と、an n-type JFET region provided on the drift layer and between the pair of body regions;
絶縁膜を挟んで前記一対のボディ領域と前記JFET領域に対向しているゲート電極と、a gate electrode facing the pair of body regions and the JFET region with an insulating film interposed therebetween;
を備えており、前記JFET領域の中に、酸素が含まれているとともに当該JFET領域よりもn型の不純物濃度が高い高濃度領域が設けられており、wherein the JFET region includes a high-concentration region containing oxygen and having a higher n-type impurity concentration than the JFET region,
前記高濃度領域は、(10-11)面と(11-22)面のいずれか一方の結晶面を有している、窒化物半導体装置。The nitride semiconductor device, wherein the high-concentration region has either one of the (10-11) plane and the (11-22) plane.
前記ドリフト層の上に設けられているp型の一対のボディ領域と、a pair of p-type body regions provided on the drift layer;
前記ドリフト層の上であって前記一対のボディ領域の間に設けられているn型のJFET領域と、an n-type JFET region provided on the drift layer and between the pair of body regions;
絶縁膜を挟んで前記一対のボディ領域と前記JFET領域に対向しているゲート電極と、a gate electrode facing the pair of body regions and the JFET region with an insulating film interposed therebetween;
を備えており、前記JFET領域の中に、酸素が含まれているとともに当該JFET領域よりもn型の不純物濃度が高い高濃度領域が設けられており、wherein the JFET region includes a high-concentration region containing oxygen and having a higher n-type impurity concentration than the JFET region,
前記高濃度領域は、前記一対のボディ領域の並び方向を含む平面でカットした断面において、前記ドリフト層の側から前記ゲート電極の側へ向けて幅が広くなっている、窒化物半導体装置。The nitride semiconductor device, wherein the high-concentration region widens from the drift layer side toward the gate electrode side in a cross section cut along a plane including the alignment direction of the pair of body regions.
前記ドリフト層の上に設けられているp型の一対のボディ領域と、a pair of p-type body regions provided on the drift layer;
前記ドリフト層の上であって前記一対のボディ領域の間に設けられているn型のJFET領域と、an n-type JFET region provided on the drift layer and between the pair of body regions;
絶縁膜を挟んで前記一対のボディ領域と前記JFET領域に対向しているゲート電極と、a gate electrode facing the pair of body regions and the JFET region with an insulating film interposed therebetween;
を備えており、前記JFET領域の中に、酸素が含まれているとともに当該JFET領域よりもn型の不純物濃度が高い高濃度領域が設けられており、wherein the JFET region includes a high-concentration region containing oxygen and having a higher n-type impurity concentration than the JFET region,
前記JFET領域の前記高濃度領域以外の部位におけるn型の濃度が前記ドリフト層のn型の濃度よりも低い、窒化物半導体装置。A nitride semiconductor device, wherein the n-type concentration in a portion of the JFET region other than the high-concentration region is lower than the n-type concentration of the drift layer.
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