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TW201814898A - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

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TW201814898A
TW201814898A TW106129257A TW106129257A TW201814898A TW 201814898 A TW201814898 A TW 201814898A TW 106129257 A TW106129257 A TW 106129257A TW 106129257 A TW106129257 A TW 106129257A TW 201814898 A TW201814898 A TW 201814898A
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nitride semiconductor
semiconductor layer
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heterojunction
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富田英幹
兼近□一
上田博之
森朋□
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日商豐田自動車股份有限公司
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Abstract

本發明的課題是在具備縱型漂移區域（即，JFET區域）的半導體裝置中，改善耐壓與接通電阻之間存在的權衡的關係。半導體裝置（1）具備在氮化物半導體層（20）的表面上的一部分設置的異質接合區域（42）。異質接合區域（42）是與縱型漂移區域（21b）露出於氮化物半導體層（20）的表面的範圍的至少一部分接觸，且具有比縱型漂移區域（21b）寬的帶隙。在異質接合區域（42）與縱型漂移區域（21b）之間的異質接合界面形成二維電子氣體，接通電阻下降。

Description

半導體裝置及其製造方法
本說明書揭示的技術是有關半導體裝置及其製造方法。
圖9所示的以往的半導體裝置100具備N型的氮化物半導體基板110、層疊在氮化物半導體基板110上的氮化物半導體層120、將氮化物半導體基板110的背面覆蓋的汲極電極132、將氮化物半導體層120的表面覆蓋的源極電極134、及在氮化物半導體層120的表面上的一部分設置的絕緣閘極部136。氮化物半導體層120具有N型的漂移區域121、P型的基極區域122、P型的通道區域123、P型的接觸區域124及N型的源極區域125。漂移區域121由橫型漂移區域121a和縱型漂移區域121b構成，該縱型漂移區域121b露出於氮化物半導體層120的表面。在本說明書中，有時也將縱型漂移區域121b特別稱為JFET區域。 　　基極區域122配置在橫型漂移區域121a與通道區域123之間，包含高濃度的P型雜質，為了抑制在關斷（off）時通道區域123穿通而形成。通道區域123配置在與縱型漂移區域121b相鄰的位置，露出於氮化物半導體層120的表面。接觸區域124露出於氮化物半導體層120的表面，並與源極電極134電性連接。源極區域125被通道區域123從縱型漂移區域121b隔開，露出於氮化物半導體層120的表面，並與源極電極134電性連接。絕緣閘極部136的閘極電極136b隔著閘極絕緣膜136a與將縱型漂移區域121b和源極區域125隔開的部分的通道區域123對向。絕緣閘極部136的閘極電極136b藉由層間絕緣膜152來從源極電極134絕緣分離。 　　在該半導體裝置100接通（on）時，藉由閘極電極136b的電位，在將縱型漂移區域121b和源極區域125隔開的部分的通道區域123形成反轉層，經由該反轉層從源極區域125向縱型漂移區域121b流入電子。流入到縱型漂移區域121b的電子在縱型漂移區域121b中縱向流動而前往汲極電極132。藉此，汲極電極132與源極電極134導通。 　　在半導體裝置100關斷時，耗盡層從基極區域122及通道區域123向縱型漂移區域121b內延伸。在半導體裝置100關斷時，縱型漂移區域121b被設計成，從兩側延伸而來的耗盡層會相連而成為夾斷的狀態。藉由縱型漂移區域121b夾斷，向絕緣閘極部136的閘極絕緣膜136a施加的電場得到緩和，閘極絕緣膜136a的絕緣破壞受到抑制，半導體裝置100的耐壓提高。另外，若半導體裝置100接通，則縱型漂移區域121b、基極區域122及通道區域123的電位大致相等，耗盡層消失。藉由N型的縱型漂移區域121b和P型的基極區域122來構成JFET構造，且藉由N型的縱型漂移區域121b和P型的通道區域123來構成JFET構造。專利文獻1是揭示具有縱型漂移區域（即，JFET區域）的半導體裝置的一例。 　　先前技術文獻 　　專利文獻 　　專利文獻1：日本特開2015-041719號公報
（發明所欲解決的課題） 　　為了在半導體裝置100關斷時縱型漂移區域121b良好地夾斷而抑制閘極絕緣膜136a的絕緣破壞，最好是將縱型漂移區域121b的雜質濃度設定得低。然而，若縱型漂移區域121b的雜質濃度低，則縱型漂移區域121b的電阻升高，半導體裝置100的接通電阻增加。 　　這樣，在具有縱型漂移區域的半導體裝置中，在耐壓與接通電阻之間存在權衡（trade-off）的關係。尤其是，使用了氮化物半導體的半導體裝置為了充分地發揮氮化物半導體具有的高絕緣破壞電場這一特性而將氮化物半導體層的厚度設計得比較薄，在向閘極絕緣膜施加高電場的條件下使用。因此，在使用了氮化物半導體的半導體裝置中，尤其強烈地希望開發出改善上述的權衡關係的技術。 （用以解決課題的手段） 　　本說明書所揭示的半導體裝置具備： 　　氮化物半導體層； 　　絕緣閘極部，其係設置於氮化物半導體層的一方的主面上的一部分；及 　　異質接合區域，其係設置於氮化物半導體層的前述主面上的另外的一部分。 　　氮化物半導體層具有N型的縱型漂移區域、P型的通道區域及N型的源極區域。縱型漂移區域露出於氮化物半導體層的前述主面。通道區域與縱型漂移區域相鄰，並露出於氮化物半導體層的前述主面。源極區域藉由通道區域來從縱型漂移區域隔開，並露出於氮化物半導體層的前述主面。絕緣閘極部與將縱型漂移區域和源極區域隔開的通道區域對向。異質接合區域與縱型漂移區域露出於氮化物半導體層的前述主面的範圍的至少一部分接觸，是具有比縱型漂移區域的帶隙寬的帶隙的N型或I型的氮化物半導體。 　　在上述半導體裝置中，縱型漂移區域與異質接合區域進行異質接合，在縱型漂移區域的表面部生成二維電子氣體。在二維電子氣體中存在高密度的電子載體，因此縱型漂移區域的表面部的電阻大幅下降。由此，半導體裝置的接通電阻下降。換言之，上述半導體裝置即使為了良好地夾斷而將縱型漂移區域的雜質濃度設定得低，也能夠具有低的接通電阻。這樣，上述半導體裝置能夠改善耐壓與接通電阻之間的權衡關係。 　　本說明書揭示的半導體裝置的製造方法包括異質接合層的形成工序、蝕刻工序、通道區域形成工序、源極區域形成工序及絕緣閘極部形成工序。在異質接合層的形成工序中，在N型的氮化物半導體層的一方的主面上形成具有比氮化物半導體層的帶隙寬的帶隙的N型或I型的異質接合層。在蝕刻工序中，對異質接合層的一部分進行蝕刻來形成與氮化物半導體層進行異質接合的異質接合區域，並在與前述異質接合區域相鄰的位置使前述氮化物半導體層的前述主面露出。在通道區域形成工序中，朝向在蝕刻工序露出的前述主面照射P型的雜質，形成露出於前述主面的通道區域。在源極區域形成工序中，朝向在通道區域內露出於前述主面的前述氮化物半導體層的一部分照射N型的雜質，形成露出於氮化物半導體層的前述主面的源極區域。在絕緣閘極部形成工序中，在氮化物半導體層的前述主面上形成絕緣閘極部，該絕緣閘極部與將異質接合區域和源極區域隔開的通道區域對向。 　　若根據上述半導體裝置的製造方法，則藉由在與蝕刻工序所殘留的異質接合區域相鄰的位置形成通道區域，可在殘留的異質接合區域的下方選擇性地形成縱型漂移區域。換言之，能夠在縱型漂移區域的主面上選擇性地形成異質接合區域。這樣，若根據上述半導體裝置的製造方法，則可容易地進行縱型漂移區域與異質接合區域的對位。
如圖1所示，半導體裝置1具備： 　　N型的氮化物半導體基板10； 　　氮化物半導體層20，其係層疊在氮化物半導體基板10上； 　　異質接合區域42，其係層疊在氮化物半導體層20的表面上的一部分； 　　汲極電極32，其係將氮化物半導體基板10的背面覆蓋； 　　源極電極34，其係將氮化物半導體層20的表面覆蓋；及 　　絕緣閘極部36，其係設置在氮化物半導體層20的表面上的一部分。 　　氮化物半導體層20具有N型的漂移區域21、P型的基極區域22、P型的通道區域23、P型的接觸區域24及N型的源極區域25。漂移區域21由橫型漂移區域21a和縱型漂移區域21b構成，該縱型漂移區域21b露出於氮化物半導體層20的表面。異質接合區域42不是氮化物半導體層20的一部分，而是形成於氮化物半導體層20的上側的主面的一部分。 　　氮化物半導體基板10以包含高濃度的N型雜質的氮化鎵（GaN）為材料。汲極電極32與氮化物半導體基板10的背面整體進行歐姆接觸。氮化物半導體基板10是用於供氮化物半導體層20進行磊晶成長的基底基板。 　　氮化物半導體層20在氮化物半導體基板10上進行磊晶成長而堆積。氮化物半導體層20以包含比氮化物半導體基板10低的濃度的N型雜質的氮化鎵（GaN）為材料。在氮化物半導體層20形成有後述的多個種類的擴散區域。 　　漂移區域21構成為在氮化物半導體層20形成了多個種類的擴散區域後的剩餘部分，具有橫型漂移區域21a及縱型漂移區域21b。橫型漂移區域21a配置在氮化物半導體基板10上。縱型漂移區域21b以具有從橫型漂移區域21a縱向突出的凸狀的形態的方式配置在橫型漂移區域21a上，且露出於氮化物半導體層20的表面的一部分。在從與氮化物半導體層20的表面正交的方向（紙面上下方向）觀察時，縱型漂移區域21b沿著長度方向（紙面進深方向）呈直線狀地延伸。 　　基極區域22配置在橫型漂移區域21a與通道區域23之間，並配置在縱型漂移區域21b的兩側。基極區域22包含比通道區域23高的濃度的P型雜質，為了抑制在關斷時通道區域23穿通而形成。基極區域22藉由利用離子注入技術朝向氮化物半導體層20的表面照射鎂而形成。 　　通道區域23配置在基極區域22上，配置在縱型漂移區域21b的兩側，並露出於氮化物半導體層20的表面。通道區域23藉由利用離子注入技術朝向氮化物半導體層20的表面照射鎂而形成。 　　接觸區域24配置在通道區域23上，並露出於氮化物半導體層20的表面。接觸區域24包含高濃度的P型雜質，與源極電極34進行歐姆接觸。接觸區域24藉由利用離子注入技術朝向氮化物半導體層20的表面照射鎂而形成。 　　源極區域25配置在通道區域23上，藉由通道區域23來從漂移區域21隔開，並露出於氮化物半導體層20的表面。源極區域25包含高濃度的N型雜質，與源極電極34進行歐姆接觸。源極區域25藉由利用離子注入技術朝向氮化物半導體層20的表面照射矽而形成。 　　異質接合區域42設置在氮化物半導體層20的表面上的一部分。準確地說，異質接合區域42以與縱型漂移區域21b露出於氮化物半導體層20的表面的整個範圍接觸的方式設置。異質接合區域42以N型或I型的鋁鎵氮（AlGaN）為材料。由於異質接合區域42由鋁鎵氮（AlGaN）形成，縱型漂移區域21b由氮化鎵（GaN）形成，因此異質接合區域42與縱型漂移區域21b進行異質接合。因此，在縱型漂移區域21b的表面部生成二維電子氣體（2DEG）。另外，異質接合區域42的材料也可以是ZnAlGaN。 　　絕緣閘極部36設置在氮化物半導體層20的表面上的一部分，具有氧化矽的閘極絕緣膜36a及多晶矽的閘極電極36b。詳細而言，閘極絕緣膜36a覆蓋將縱型漂移區域21b和源極區域25隔開的部分的通道區域23的表面、異質接合區域42的側面及異質接合區域42的表面的一部分。閘極電極36b隔著閘極絕緣膜36a與將縱型漂移區域21b和源極區域25隔開的部分的通道區域23對向，並經由閘極絕緣膜36a的開口與異質接合區域42的表面接觸。另外，閘極電極36b也可以根據需要而不與異質接合區域42接觸。閘極電極36b藉由層間絕緣膜52來從源極電極34絕緣分離。 　　接下來，說明半導體裝置1的動作。在使用時，向汲極電極32施加正電壓，將源極電極34接地。若向閘極電極36b施加比閘極臨界值高的正電壓，則在將縱型漂移區域21b和源極區域25隔開的部分的通道區域23形成反轉層，半導體裝置1開啟。此時，經由反轉層從源極區域25向縱型漂移區域21b流入電子。流入到縱型漂移區域21b的電子在該縱型漂移區域21b中縱向流動而前往汲極電極32。由此，汲極電極32與源極電極34導通。在半導體裝置1接通時，在縱型漂移區域21b的表面部生成二維電子氣體。在二維電子氣體中存在高密度的電子載體，因此縱型漂移區域21b的表面部的電阻大幅下降。由此，半導體裝置1的接通電阻下降。 　　若將閘極電極36b接地，則反轉層消失，半導體裝置1關閉。此時，耗盡層從基極區域22及通道區域23向縱型漂移區域21b內延伸。縱型漂移區域21b是從兩側延伸來的耗盡層會相連而成為夾斷的狀態。藉由縱型漂移區域21b夾斷，向絕緣閘極部36的閘極絕緣膜36a施加的電場得到緩和，閘極絕緣膜36a的絕緣破壞受到抑制，半導體裝置1能夠具有高的耐壓。 　　在半導體裝置1中，為了使縱型漂移區域21b良好地夾斷，縱型漂移區域21b的雜質濃度低。在這樣的情況下，基於縱型漂移區域21b的雜質濃度的電阻升高。然而，在半導體裝置1中，如上所述，在縱型漂移區域21b的表面部生成有電子載體的密度大的二維電子氣體，藉此，半導體裝置1能夠具有低的接通電阻。亦即，半導體裝置1即使為了良好地夾斷而將縱型漂移區域21b的雜質濃度設定得低，也能夠具有低的接通電阻。其結果是，半導體裝置1能夠改善耐壓與接通電阻之間的權衡關係。 　　此外，與圖9所示的以往的半導體裝置100進行對比可知，在半導體裝置1中，在縱型漂移區域21b的表面不存在閘極絕緣膜36a。因此，本來就不存在該部分的閘極絕緣膜36a的絕緣破壞這一問題。在這一點上，半導體裝置1也能夠具有高耐壓。 　　半導體裝置1也可以在關斷時以向閘極電極36b施加負電壓的方式來驅動。這種情況下，能夠在半導體裝置1關斷時使二維電子氣體消失，能夠使縱型漂移區域21b更良好地夾斷。 　　接下來，說明半導體裝置1的製造方法。首先，如圖2所示，利用磊晶成長技術使氮化物半導體層20堆積於氮化物半導體基板10的表面。 　　接下來，如圖3所示，利用磊晶成長技術使異質接合層142堆積於氮化物半導體層20的表面。 　　接下來，如圖4所示，在異質接合層142的表面上進行掩模54的圖案形成，並對異質接合層142的一部分進行蝕刻。藉此，在氮化物半導體層20的表面上的一部分殘留異質接合區域42，位於該異質接合區域42的兩側方的氮化物半導體層20的表面露出。 　　接下來，如圖5所示，在使掩模54殘留的狀態下，利用離子注入技術朝向露出的氮化物半導體層20的表面照射鎂。藉由調整離子注入時的射程距離及鎂導入量來形成基極區域22及通道區域23。藉由如此兼用在對異質接合層142進行蝕刻而使氮化物半導體層20的表面露出的工序和形成基極區域22及通道區域23的工序中使用的掩模54，可在殘留的異質接合區域42的下方選擇性地形成縱型漂移區域21b。換言之，能夠在縱型漂移區域21b的表面上選擇性地形成異質接合區域42。藉由如此兼用掩模54，可容易地進行縱型漂移區域21b與異質接合區域42的對位。 　　接下來，如圖6所示，利用離子注入技術形成接觸區域24及源極區域25。例如，向接觸區域24照射鎂，向源極區域25照射矽。接下來，如圖7所示，在氮化物半導體層20的表面的一部分形成絕緣閘極部36。最後，藉由將汲極電極32及源極電極34覆膜，完成圖1所示的半導體裝置1。 （變形例） 　　圖8所示的變形例的半導體裝置2的特徵在於更具備表面覆蓋區域44。表面覆蓋區域44以層疊的方式設置在異質接合區域42的表面。表面覆蓋區域44以P型的氮化鎵（GaN）為材料。閘極電極36b經由閘極絕緣膜36a的開口與表面覆蓋區域44的表面進行歐姆接觸或肖特基接觸。 　　在半導體裝置2關斷時，表面覆蓋區域44的電位與閘極電極36b的接地電位大致相同，表面覆蓋區域44與異質接合區域42的接合面受到反向偏壓，耗盡層從表面覆蓋區域44朝向異質接合區域42延伸。藉由該耗盡層，縱型漂移區域21b的表面部的二維電子氣體消失。在上述的半導體裝置1中，為了在關斷時使二維電子氣體消失，需要向閘極電極36b施加負電壓。另一方面，在半導體裝置2中，由於設置有表面覆蓋區域44，所以能夠在將閘極電極36b接地時即關斷時使二維電子氣體消失。因此，驅動半導體裝置2的驅動裝置無需生成負電壓，所以能夠以簡易的電路結構的驅動裝置來驅動半導體裝置2。 　　以下，對本說明書中揭示的技術特徵進行整理。另外，以下記載的技術要素是分別獨立的技術要素，以單獨或各種組合的方式發揮技術有用性，不限定於申請時權利要求記載的組合。 　　本說明書揭示的半導體裝置亦可具備： 　　氮化物半導體層； 　　絕緣閘極部，其係設置在氮化物半導體層的一方的主面上的一部分；及 　　異質接合區域，其係設置在氮化物半導體層的前述主面上的另外的一部分。 　　氮化物半導體層亦可具有N型的漂移區域、P型的通道區域及N型的源極區域。漂移區域具有露出於氮化物半導體層的前述主面的縱型漂移區域。通道區域將縱型漂移區域夾在中間而配置（配置在縱型漂移區域的相鄰的位置），並露出於氮化物半導體層的前述主面。源極區域藉由通道區域來從縱型漂移區域隔開，並露出於氮化物半導體層的前述主面。絕緣閘極部與將縱型漂移區域和源極區域隔開的通道區域對向。在絕緣閘極部與半導體層之間也可以存在其他的層。異質接合區域與縱型漂移區域露出於氮化物半導體層的前述主面的範圍的至少一部分接觸，是具有比縱型漂移區域的帶隙寬的帶隙的N型或I型的氮化物半導體。 　　在上述半導體裝置中，異質接合區域亦可與縱型漂移區域露出於氮化物半導體層的前述主面的整個範圍接觸。這種情況下，在縱型漂移區域的表面部的大範圍內生成二維電子氣體，因此半導體裝置能夠具有更低的接通電阻。 　　上述半導體裝置亦可更具備：被設置在異質接合區域上的P型的氮化物半導體的表面覆蓋區域。表面覆蓋區域與絕緣閘極部的閘極電極電性連接。若根據該半導體裝置，則能夠在關斷時使縱型漂移區域的表面部的二維電子氣體消失。由此，縱型漂移區域能夠良好地夾斷。 　　以上，雖然詳細地說明了本發明的具體例，但這些只不過是例示，不對申請專利範圍進行限定。申請專利範圍記載的技術包括對以上例示的具體例進行各種變形、變更而得到的技術。而且，本說明書或附圖說明的技術要素以單獨或各種組合的方式發揮技術有用性，不限定於申請時請求項記載的組合。而且，本說明書或附圖例示的技術能夠同時實現多個目的，實現其中一個目的本身就具有技術有用性。
1‧‧‧半導體裝置
10‧‧‧氮化物半導體基板
20‧‧‧氮化物半導體層
21‧‧‧漂移區域
21a‧‧‧橫型漂移區域
21b‧‧‧縱型漂移區域
22‧‧‧基極區域
23‧‧‧通道區域
24‧‧‧接觸區域
25‧‧‧源極區域
32‧‧‧汲極電極
34‧‧‧源極電極
36‧‧‧絕緣閘極部
36a‧‧‧閘極絕緣膜
36b‧‧‧閘極電極
42‧‧‧異質接合區域
52‧‧‧層間絕緣膜
圖1模式性地表示半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖2模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖3模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖4模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖5模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖6模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖7模式性地表示半導體裝置的一個製造過程中的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖8模式性地表示變形例的半導體裝置的主要部分剖視圖。 　　圖9模式性地表示以往的半導體裝置的主要部分剖視圖。

Claims (4)

  1. 一種半導體裝置，其特徵係具備： 　　氮化物半導體層； 　　絕緣閘極部，其係設置於前述氮化物半導體層的一方的主面上的一部分；及 　　異質接合區域，其係設置於前述氮化物半導體層的前述主面上的另外的一部分， 　　前述氮化物半導體層係具有： 　　N型的縱型漂移區域，其係露出於前述主面； 　　P型的通道區域，其係與前述縱型漂移區域相鄰，並露出於前述主面；及 　　N型的源極區域，其係藉由前述通道區域來從前述縱型漂移區域隔開，並露出於前述主面， 　　前述絕緣閘極部係與將前述縱型漂移區域和前述源極區域隔開的前述通道區域對向， 　　前述異質接合區域係與前述縱型漂移區域露出於前述主面的範圍的至少一部分接觸，是具有比前述縱型漂移區域的帶隙寬的帶隙的N型或I型的氮化物半導體。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體裝置，其中，前述異質接合區域係與前述縱型漂移區域露出於前述氮化物半導體層的前述主面的整個範圍接觸。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置，其中， 　　還具備被設置在前述異質結區域上的P型的氮化物半導體的表面覆蓋區域， 　　前述表面覆蓋區域係與前述絕緣閘極部的閘極電極電性連接。
  4. 一種半導體裝置的製造方法，其特徵係具備： 　　異質接合層的形成工序，其係於N型的氮化物半導體層的一方的主面上形成異質接合層，該異質接合層係具有比前述氮化物半導體層的帶隙寬的帶隙的N型或I型的氮化物半導體的異質接合層； 　　蝕刻工序，其係蝕刻前述異質接合層的一部分，形成與前述氮化物半導體層異質接合的異質接合區域，並在與前述異質接合區域相鄰的位置使前述氮化物半導體層的前述主面露出； 　　通道區域形成工序，其係朝向在前述蝕刻工序露出的前述主面照射P型的雜質，形成露出於前述主面的通道區域； 　　源極區域形成工序，其係於前述通道區域內朝向露出於前述主面的前述氮化物半導體層的一部分照射N型的雜質，形成露出於前述主面的源極區域；及 　　絕緣閘極部形成工序，其係於前述氮化物半導體層的前述主面上形成絕緣閘極部，該絕緣閘極部係與將前述異質接合區域和前述源極區域隔開的前述通道區域對向。
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