特許 7388216 窒化物半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-20

(45)【発行日】2023-11-29

(54)【発明の名称】窒化物半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/337 20060101AFI20231121BHJP

   H01L 21/338 20060101ALI20231121BHJP

   H01L 29/808 20060101ALI20231121BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20231121BHJP

   H01L 29/12 20060101ALI20231121BHJP

   H01L 29/78 20060101ALI20231121BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20231121BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 V

H01L29/80 C

H01L29/78 652T

H01L29/78 652A

H01L29/78 652C

H01L29/78 658E

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2020017335

(22)【出願日】2020-02-04

(65)【公開番号】P2021125536

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2022-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 健太

(72)【発明者】

【氏名】大川 峰司

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－００９９８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／００４５３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１０４１６２９５（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５６２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８３６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５０７７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０３８２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－３２００４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７３８５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３３７

Ｈ０１Ｌ ２９／１２

Ｈ０１Ｌ ２９／７８

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物半導体装置であって、
ｎ型のドリフト領域と、
前記ドリフト領域上に設けられており、第１ボディ部分と第２ボディ部分とゲート絶縁膜とゲート電極がこの順で積層したチャネル部と、
前記ドリフト領域上に設けられており、前記チャネル部の前記第１ボディ部分と前記第２ボディ部分に隣接しているｎ型のＪＦＥＴ領域と、を備えており、
前記第１ボディ部分は、ｐ型の窒化物半導体であり、
前記第２ボディ部分は、前記第１ボディ部分よりもバンドギャップが広いｐ型の窒化物
半導体である、窒化物半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、窒化物半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ｐ型ＧａＮとｎ型ＡｌＧａＮとゲート絶縁膜とゲート電極が積層したチャネル部を備える窒化物半導体装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－２６０１４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の窒化物半導体装置は、ｐ型ＧａＮとｎ型ＡｌＧａＮの間の界面近傍に生成される２次元電子ガス層をチャネルとして利用することができる。よりオン抵抗の低い窒化物半導体装置が必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する窒化物半導体装置は、第１ボディ部分と第２ボディ部分とゲート絶縁膜とゲート電極が積層したチャネル部を備えることができる。前記第１ボディ部分は、ｐ型の窒化物半導体である。前記第２ボディ部分は、前記第１ボディ部分よりもバンドギャップが広いｐ型の窒化物半導体である。

【0006】

上記窒化物半導体装置は、前記第１ボディ部分と前記第２ボディ部分の間の界面近傍に生成される２次元電子ガス層をチャネルとして利用することができる。さらに、上記窒化物半導体装置は、前記第２ボディ部分と前記ゲート絶縁膜の間の界面近傍に生成される反転層もチャネルとして利用することができる。このように、上記窒化物半導体装置は、２次元電子ガス層と反転層のダブルチャネル構造を有している。この結果、上記窒化物半導体装置は、低いオン抵抗という特性を有することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】窒化物半導体装置の一実施形態の要部断面図を模式的に示す。

【図2】チャネル部の要部拡大断面図を模式的に示す。

【図3】図１の窒化物半導体装置の製造方法の一製造過程における要部断面図を模式的に示す。

【図4】図１の窒化物半導体装置の製造方法の一製造過程における要部断面図を模式的に示す。

【図5】図１の窒化物半導体装置の製造方法の一製造過程における要部断面図を模式的に示す。

【図6】図１の窒化物半導体装置の製造方法の一製造過程における要部断面図を模式的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本実施形態の半導体装置を説明する。各図面において、図示明瞭化を目的とし、共通する構成要素についてはそれらの１つの構成要素にのみ符号を付すことがある。

【0009】

図１に、窒化物半導体装置１の要部断面図を示す。窒化物半導体装置１は、窒化物半導体層２０、窒化物半導体層２０の裏面を被覆するように設けられているドレイン電極３２、窒化物半導体層２０の表面を被覆するように設けられているソース電極３４、及び、窒化物半導体層２０の表面上の一部に設けられている絶縁ゲート部３６を備えている。窒化物半導体層２０は、ＧａＮ基板１２とＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６が積層して構成された半導体層であり、ｎ型のドレイン領域２１、ｎ型のドリフト領域２２、ｎ型のＪＦＥＴ領域２３、ｐ型のボディ領域２４、ｎ型のソース領域２５、及び、ｐ型のボディコンタクト領域２６を有している。ＧａＮ基板１２とＧａＮエピ層１４は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を材料としている。ＡｌＧａＮエピ層１６は、窒化アルミニウムガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＮ（０＜Ｘ＜１））を材料としている。

【0010】

ドレイン領域２１は、窒化物半導体層２０の裏面に露出する位置に設けられており、ドレイン電極３２にオーミック接触している。後述するように、ドレイン領域２１は、ＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６をエピタキシャル成長させるための基板として準備された部分である。

【0011】

ドリフト領域２２は、ドレイン領域２１上に設けられており、ドレイン領域２１とＪＦＥＴ領域２３の間、且つ、ドレイン領域２１とボディ領域２４の間に配置されている。ドリフト領域２２のｎ型不純物の濃度は、ドレイン領域２１よりも薄い。ドリフト領域２２は、ＧａＮエピ層１４に設けられている。

【0012】

ＪＦＥＴ領域２３は、ドリフト領域２２上に設けられており、ドリフト領域２２の表面から窒化物半導体層２０の表面、即ちＡｌＧａＮエピ層１６の表面まで厚み方向に延びており、ドリフト領域２２の表面から突出した形態を有している。換言すると、ＪＦＥＴ領域２３は、窒化物半導体層２０の表面からボディ領域２４を貫通してドリフト領域２２まで延びている。この例では、ＪＦＥＴ領域２３の不純物濃度は、ドリフト領域２２の不純物濃度と等しく、ドリフト領域２２の一部と言うことができる。ＪＦＥＴ領域２３は、ＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６に跨って設けられている。

【0013】

ボディ領域２４は、ドリフト領域２２上に設けられており、ＪＦＥＴ領域２３の側面に隣接している。ボディ領域２４は、ＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６に跨って設けられている。

【0014】

ソース領域２５は、ボディ領域２４上に設けられており、ボディ領域２４によってドリフト領域２２及びＪＦＥＴ領域２３から隔てられている。ソース領域２５は、ＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６に跨って設けられている。換言すると、ソース領域２５は、ＡｌＧａＮエピ層１６の表面からＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６の界面を超えて形成されており、ＡｌＧａＮエピ層１６の膜厚よりも厚く形成されている。ソース領域２５は、ソース電極３４にオーミック接触している。

【0015】

ボディコンタクト領域２６は、ボディ領域２４上に設けられている。ボディコンタクト領域２６は、ＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６に跨って設けられている。換言すると、ボディコンタクト領域２６は、ＡｌＧａＮエピ層１６の表面からＧａＮエピ層１４とＡｌＧａＮエピ層１６の界面を超えて形成されており、ＡｌＧａＮエピ層１６の膜厚よりも厚く形成されている。ボディコンタクト領域２６は、ソース電極３４にオーミック接触している。

【0016】

絶縁ゲート部３６は、窒化物半導体層２０の表面上の一部、すなわち、ＡｌＧａＮエピ層１６の表面上の一部に設けられており、酸化シリコンのゲート絶縁膜３６ａ及びポリシリコンのゲート電極３６ｂを有する。ゲート電極３６ｂは、ＪＦＥＴ領域２３とソース領域２５を隔てる部分のボディ領域２４、及び、ＪＦＥＴ領域２３にゲート絶縁膜３６ａを介して対向している。

【0017】

図２に、ＪＦＥＴ領域２３とソース領域２５の間に位置するチャネル部の要部拡大断面図を示す。図２に示されるように、ＪＦＥＴ領域２３とソース領域２５の間に位置するボディ領域２４の部分は、ＧａＮエピ層１４で構成される第１ボディ部分２４ａとＡｌＧａＮエピ層１６で構成される第２ボディ部分２４ｂを有している。このように、チャネル部は、第１ボディ部分２４ａと第２ボディ部分２４ｂとゲート絶縁膜３６ａとゲート電極３６ｂが積層して構成されている。

【0018】

次に、窒化物半導体装置１の動作を説明する。使用時には、ドレイン電極３２に正電圧が印加され、ソース電極３４が接地される。ゲート電極３６ｂにゲート閾値電圧よりも高い正電圧が印加されると、図２に示されるように、第２ボディ部分２４ｂとゲート絶縁膜３６ａの間の界面近傍に反転層が形成される。さらに、窒化物半導体装置１では、ＧａＮエピ層１４で構成される第１ボディ部分２４ａとＡｌＧａＮエピ層１６で構成される第２ボディ部分２４ｂがヘテロ接合を形成していることから、第１ボディ部分２４ａと第２ボディ部分２４ｂの間の界面近傍に２次元電子ガス層が生成される。これら反転層と２次元電子ガス層を介してソース領域２５からＪＦＥＴ領域２３に電子が流入する。ＪＦＥＴ領域２３に流入した電子は、そのＪＦＥＴ領域２３を縦方向に流れてドレイン電極３２に向かう。これにより、ドレイン電極３２とソース電極３４が導通し、窒化物半導体装置１がターンオンする。ゲート電極３６ｂが接地されると、反転層及び２次元電子ガス層が消失し、窒化物半導体装置１がターンオフする。このように、窒化物半導体装置１は、ゲート電極３６ｂに印加する電圧に基づいてドレイン電極３２とソース電極３４の間のオンとオフを切り換えるスイッチング動作を実行することができる。

【0019】

図２を参照して説明したように、窒化物半導体装置１では、第２ボディ部分２４ｂがｐ型で構成されていることから、第２ボディ部分２４ｂとゲート絶縁膜３６ａの間の界面近傍に反転層が形成される。さらに、第１ボディ部分２４ａと第２ボディ部分２４ｂの間のヘテロ接合の界面近傍に２次元電子ガス層が生成される。このように、窒化物半導体装置１は、反転層と２次元電子ガス層のダブルチャネル構造を有していることから、低いオン抵抗という特性を有することができる。

【0020】

また、窒化物半導体装置１の閾値電圧の大きさは、反転層のチャネル生成に依存する。即ち、ゲート電極３６ｂに印加される正電圧が増加する過程では、反転層のチャネルが生じた後に、２次元電子ガス層が生成される。ＡｌＧａＮエピ層１６がｐ型であり、且つ、ＡｌＧａＮエピ層１６の膜厚が３ｎｍよりも大きく、５０ｎｍよりも小さい（３ｎｍ＜ＡｌＧａＮエピ層１６の膜厚＜５０ｎｍ）であると、窒化物半導体装置１の閾値電圧の大きさが反転層のチャネル生成に依存することができる。ここで、窒化物半導体装置１では、窒化物半導体層２０の最表面がＡｌＧａＮエピ層１６であり、ＡｌＧａＮエピ層１６とゲート絶縁膜３６ａが接触している。ＡｌＧａＮはＧａＮよりも熱的に安定な材料である。このため、製造プロセスに起因した熱負荷等が加わっても、ＡｌＧａＮエピ層１６とゲート絶縁膜３６ａの界面に界面準位が形成されることが抑えられる。この結果、窒化物半導体装置１では、反転層が形成される界面、即ち、ＡｌＧａＮエピ層１６とゲート絶縁膜３６ａの界面の界面準位の形成が抑えられているので、閾値電圧の変動が抑えられ、閾値電圧の制御性が高いという特徴を有することができる。

【0021】

（窒化物半導体装置の製造方法）
まず、図３に示されるように、エピタキシャル成長技術を利用して、ＧａＮ基板１２の表面からｎ型ＧａＮのＧａＮエピ層１４及びｎ型ＡｌＧａＮのＡｌＧａＮエピ層１６をこの順で積層し、窒化物半導体層２０を形成する。

【0022】

次に、図４に示されるように、イオン注入技術を利用して、ボディ領域２４、ボディコンタクト領域２６及びソース領域２５を形成する。次に、窒化物半導体層２０の表面と裏面に例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の保護膜（図示省略）を成膜し、ボディ領域２４、ボディコンタクト領域２６及びソース領域２５を活性化するためのアニール処理を実施する。アニール温度は、１３００℃以上であってもよい。アニール処理後に、保護膜（図示省略）を除去する。

【0023】

次に、図５に示されるように、蒸着技術を利用して、窒化物半導体層２０の表面を被覆するように窒化物半導体層２０の表面上にゲート絶縁膜３６ａを成膜する。蒸着技術としては、原子層堆積法又はプラズマＣＶＤ法が利用される。次に、アニール処理を実施してゲート絶縁膜３６ａの膜質を改善する。アニール温度は、８００℃以上であってもよい。

【0024】

次に、図６に示されるように、蒸着技術を利用して、ゲート絶縁膜３６ａの表面上にゲート電極３６ｂを成膜する。さらに、エッチング技術を利用して、ゲート絶縁膜３６ａ及びゲート電極３６ｂを加工し、絶縁ゲート部３６を形成する。この後、既知の製造技術を利用して、ドレイン電極３２及びソース電極３４を形成することで、図１に示す窒化物半導体装置１を製造することができる。

【0025】

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。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0026】

１ ：窒化物半導体装置
２０ ：窒化物半導体層
２１ ：ドレイン領域
２２ ：ドリフト領域
２３ ：ＪＦＥＴ領域
２４ ：ボディ領域
２４ａ ：第１ボディ部分
２４ｂ ：第２ボディ部分
２５ ：ソース領域
２６ ：ボディコンタクト領域
３２ ：ドレイン電極
３４ ：ソース電極
３６ ：絶縁ゲート部
３６ａ ：ゲート絶縁膜
３６ｂ ：ゲート電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】