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JP2009117820A - Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Nitride semiconductor device and method of manufacturing the same Download PDF

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JP2009117820A
JP2009117820A JP2008267270A JP2008267270A JP2009117820A JP 2009117820 A JP2009117820 A JP 2009117820A JP 2008267270 A JP2008267270 A JP 2008267270A JP 2008267270 A JP2008267270 A JP 2008267270A JP 2009117820 A JP2009117820 A JP 2009117820A
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Japan
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layer
type gan
electrode
gan layer
nitride semiconductor
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JP2008267270A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Yamaguchi
敦司 山口
Hirotaka Otake
浩隆 大嶽
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Rohm Co Ltd
Original Assignee
Rohm Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor device capable of suppressing dielectric breakdown and shrinking the chip area, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The nitride semiconductor device includes a nitride semiconductor stacked layer structure 5 in which an n<SP>+</SP>-type GaN substrate 1, n<SP>-</SP>-type GaN layer 2, p-type GaN layer 3, and n<SP>+</SP>-type GaN layer 4 are stacked in this order. A trench 7 is formed in the nitride semiconductor stacked layer structure 5. On the wall faces 8 of the trench 7, a gate electrode 10 is formed via a gate insulating film 9. On the n<SP>+</SP>-type GaN layer 4, a source electrode 15 forms an ohmic contact. On the other side surface of the n<SP>+</SP>-type GaN substrate 1, a drain electrode 18 forms an ohmic contact. A Schottky electrode 17 is formed on the n<SP>-</SP>-type GaN layer 2 exposed from contact opening 16 of the gate insulating film 9. The Schottky electrode 17 forms a Schottky contact to the n<SP>-</SP>-type GaN layer 2. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた窒化物半導体素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device using a group III nitride semiconductor and a method for manufacturing the same.

従来、パワーアンプ回路、電源回路、モータ駆動回路などには、シリコン半導体を用いたパワーデバイスが用いられている。
しかし、シリコン半導体の理論限界から、シリコンデバイスの高耐圧化、低抵抗化および高速化は限界に達しつつあり、市場の要求に応えることが困難になりつつある。
そこで、高耐圧、高温動作、大電流密度、高速スイッチングおよび低オン抵抗といった特徴を有する、窒化物半導体素子の開発が検討されている。
Conventionally, power devices using silicon semiconductors are used in power amplifier circuits, power supply circuits, motor drive circuits, and the like.
However, due to the theoretical limits of silicon semiconductors, the increase in breakdown voltage, reduction in resistance, and increase in speed of silicon devices are reaching their limits, and it is becoming difficult to meet market demands.
Therefore, development of nitride semiconductor devices having characteristics such as high breakdown voltage, high temperature operation, large current density, high-speed switching, and low on-resistance has been studied.

図12は、従来のMOSFETの構造を説明するための模式的な断面図である。
このMOSFET100は、サファイア基板81と、このサファイア基板81上に形成された積層構造部93とを備えている。
積層構造部93は、サファイア基板81の側から順に積層された、アンドープGaN層82、n型GaN層83、p型GaN層84およびn型GaN層85とを備えている。積層構造部93には、n型GaN層85の表面からn型GaN層83の途中までドライエッチングされることにより、メサ形状のメサ積層部92が形成されている。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a conventional MOSFET.
The MOSFET 100 includes a sapphire substrate 81 and a stacked structure portion 93 formed on the sapphire substrate 81.
The stacked structure unit 93 includes an undoped GaN layer 82, an n-type GaN layer 83, a p-type GaN layer 84, and an n-type GaN layer 85 that are stacked in this order from the sapphire substrate 81 side. A mesa-shaped mesa laminated portion 92 is formed in the laminated structure portion 93 by dry etching from the surface of the n-type GaN layer 85 to the middle of the n-type GaN layer 83.

メサ積層部92の両側面は、積層構造部93の積層界面に対して傾斜した傾斜面91となっている。積層構造部93の表面(傾斜面91を含む)には、SiO2(酸化シリコン)からなるゲート絶縁膜86が形成されている。
ゲート絶縁膜86には、n型GaN層85およびn型GaN層83をそれぞれ部分的に露出させるコンタクトホールが形成されている。このコンタクトホールから露出したn型GaN層85には、n型GaN層85にオーミック接触するようにソース電極88が形成されている。一方、コンタクトホールから露出したn型GaN層83には、n型GaN層83にオーミック接触するようにドレイン電極89が形成されている。
Both side surfaces of the mesa laminated portion 92 are inclined surfaces 91 inclined with respect to the laminated interface of the laminated structure portion 93. A gate insulating film 86 made of SiO 2 (silicon oxide) is formed on the surface (including the inclined surface 91) of the multilayer structure portion 93.
In the gate insulating film 86, contact holes that partially expose the n-type GaN layer 85 and the n-type GaN layer 83 are formed. A source electrode 88 is formed on the n-type GaN layer 85 exposed from the contact hole so as to be in ohmic contact with the n-type GaN layer 85. On the other hand, a drain electrode 89 is formed in the n-type GaN layer 83 exposed from the contact hole so as to be in ohmic contact with the n-type GaN layer 83.

また、ゲート絶縁膜86上における傾斜面91との対向部分には、ゲート電極87が形成されている。そして、ソース電極88、ドレイン電極89およびゲート電極87は、隣接する各電極との間にポリイミドからなる層間絶縁膜90が介在されることにより、互いに絶縁されている。
次に、MOSFET100の動作について説明する。たとえば、まず、ソース電極88とドレイン電極89との間(ソース−ドレイン間)に、ドレイン電極89側が正となるバイアス(逆バイアス)が与えられる。これにより、n型GaN層83とp型GaN層84との界面(pn接合部)には、逆方向電圧が与えられ、その結果、n型GaN層85とn型GaN層83との間、すなわち、ソース−ドレイン間は、遮断状態(逆バイアス状態)となる。
A gate electrode 87 is formed on a portion of the gate insulating film 86 facing the inclined surface 91. The source electrode 88, the drain electrode 89, and the gate electrode 87 are insulated from each other by interposing an interlayer insulating film 90 made of polyimide between adjacent electrodes.
Next, the operation of MOSFET 100 will be described. For example, first, a bias (reverse bias) in which the drain electrode 89 side becomes positive is applied between the source electrode 88 and the drain electrode 89 (between the source and drain). As a result, a reverse voltage is applied to the interface (pn junction) between the n-type GaN layer 83 and the p-type GaN layer 84, and as a result, between the n-type GaN layer 85 and the n-type GaN layer 83, That is, the source and drain are cut off (reverse bias state).

この状態から、ゲート電極87に対して、ソース電極88を基準電位として正となるゲート閾値電圧以上のバイアスが印加されると、p型GaN層84における傾斜面91とゲート絶縁膜86との界面近傍(チャネル領域)に電子が誘起されて、反転層(チャネル)が形成される。そして、この反転層を介して、ソース−ドレイン間が導通することにより、MOSFET100の動作が実現される。   From this state, when a bias equal to or higher than the gate threshold voltage that is positive with the source electrode 88 as a reference potential is applied to the gate electrode 87, the interface between the inclined surface 91 and the gate insulating film 86 in the p-type GaN layer 84. Electrons are induced in the vicinity (channel region) to form an inversion layer (channel). The operation of the MOSFET 100 is realized by conducting conduction between the source and the drain through the inversion layer.

ところが、MOSFET100において、ドレイン電極89に対してソース電極88側が正となるバイアスが与えられると(ソース電極88の電位がドレイン電極89の電位より高い状態になると)、n型GaN層85とp型GaN層84との間に電界が集中し、絶縁破壊を生じるおそれがある。そのため、通常、MOSFET100は、図13に示すように、ソース−ドレイン間に、ソース電極88がアノード側となるようにダイオード94が接続された状態で半導体チップに搭載される。これにより、ソース電極88の電位がドレイン電極89の電位より高い状態になっても、ダイオード94に優先的に電流が流れるので、絶縁破壊の発生を抑制することができる。
特開2003−163354号公報
However, in MOSFET 100, when a bias is applied to the drain electrode 89 so that the source electrode 88 side is positive (when the potential of the source electrode 88 is higher than the potential of the drain electrode 89), the n-type GaN layer 85 and the p-type The electric field concentrates between the GaN layer 84 and there is a risk of causing dielectric breakdown. Therefore, the MOSFET 100 is usually mounted on a semiconductor chip with a diode 94 connected between the source and drain so that the source electrode 88 is on the anode side, as shown in FIG. As a result, even when the potential of the source electrode 88 becomes higher than the potential of the drain electrode 89, current flows preferentially to the diode 94, so that the occurrence of dielectric breakdown can be suppressed.
JP 2003-163354 A

ところが、図13に示されるように、MOSFET100とダイオード94とが別々に作製されている構成では、MOSFET100を搭載する半導体チップの面積(チップ面積)が大きくなってしまう。
そこで、本発明の目的は、絶縁破壊を抑制することができ、チップ面積の縮小化を実現することができる、窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することにある。
However, as shown in FIG. 13, in the configuration in which the MOSFET 100 and the diode 94 are separately manufactured, the area (chip area) of the semiconductor chip on which the MOSFET 100 is mounted is increased.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress dielectric breakdown and can reduce the chip area.

上記目的を達成するための請求項1記載の発明は、III族窒化物半導体からなる、n型の第1層、この第1層に積層されたp型不純物を含む第2層およびこの第2層に積層されたn型の第3層を備え、前記第1、第2および第3層に跨る壁面を有する窒化物半導体積層構造部と、前記壁面に、前記第1、第2および第3層に跨って形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2層に対向するように形成されたゲート電極と、前記第3層にオーミック接触するように形成されたソース電極と、前記第1層にオーミック接触するように形成されたドレイン電極と、前記第1層にショットキー接触するように形成されたショットキー電極と、を含む窒化物半導体素子である。   In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is provided, wherein an n-type first layer made of a group III nitride semiconductor, a second layer containing p-type impurities stacked on the first layer, and the second layer A nitride semiconductor multilayer structure having an n-type third layer stacked on a layer and having a wall surface straddling the first, second, and third layers; and the first, second, and third layers on the wall surface A gate insulating film formed over the layers, a gate electrode formed so as to face the second layer across the gate insulating film, and a source electrode formed in ohmic contact with the third layer A drain electrode formed in ohmic contact with the first layer, and a Schottky electrode formed in Schottky contact with the first layer.

この構成によれば、III族窒化物半導体からなる、n型の第1層、p型不純物を含む第2層およびn型の第3層を積層することによって、npn構造の窒化物半導体積層構造部が形成されている。第1、第2および第3層に跨って形成された壁面には、ゲート絶縁膜が配置されている。このゲート絶縁膜を挟んで、第2層の壁面を形成する部分がチャネル領域を形成し、このチャネル領域にゲート電極が対向している。さらに、第3層にオーミック接触するようにソース電極が形成され、第1層にオーミック接触するようにドレイン電極が形成されている。   According to this configuration, the npn-structured nitride semiconductor multilayer structure is formed by stacking the n-type first layer, the p-type impurity-containing second layer, and the n-type third layer made of a group III nitride semiconductor. The part is formed. A gate insulating film is disposed on the wall surface formed across the first, second, and third layers. A portion forming the wall surface of the second layer forms a channel region with the gate insulating film interposed therebetween, and a gate electrode is opposed to the channel region. Further, a source electrode is formed so as to be in ohmic contact with the third layer, and a drain electrode is formed so as to be in ohmic contact with the first layer.

なお、ソース電極およびドレイン電極は、第3層および第1層にそれぞれオーミック接触していればよく、これらの電極と半導体層との間に組成や不純物の異なる半導体層が2層以上積層されてあってもよい。
こうして、窒化物半導体素子には、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS電界効果トランジスタ)が形成されている。
Note that the source electrode and the drain electrode only need to be in ohmic contact with the third layer and the first layer, respectively, and two or more semiconductor layers having different compositions and impurities are stacked between these electrodes and the semiconductor layer. There may be.
Thus, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is formed in the nitride semiconductor element.

また、窒化物半導体素子には、上記MOSFETの第1層にショットキー接触するようにショットキー電極が形成されており、第1層とショットキー電極とで構成されるSBD(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)が備えられている。
なお、III族窒化物半導体とは、III族元素と窒素とを化合させた半導体であり、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)が代表例である。一般には、AlxInyGa1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表すことができる。
In addition, a Schottky electrode is formed in the nitride semiconductor element so as to be in Schottky contact with the first layer of the MOSFET, and an SBD (Schottky Barrier Diode: shot) composed of the first layer and the Schottky electrode. Key barrier diode).
Note that a group III nitride semiconductor is a semiconductor in which a group III element and nitrogen are combined, and aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) are representative examples. In general, it can be expressed as Al x In y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

次に、この窒化物半導体素子の動作について説明する。
ソース電極とドレイン電極との間には、ドレイン側が正となるバイアスが与えられる。これにより、第1層と第2層との界面のpn接合部には逆方向電圧が与えられ、その結果、第3層と第1層との間、すなわち、ソース電極とドレイン電極との間(ソース−ドレイン間)は、遮断状態(逆バイアス状態)となる。この状態から、ゲート電極に対して、ソース電極を基準電位として正となるゲート閾値電圧以上のバイアスを印加すると、第2層においてゲート電極に対向する壁面付近の領域(チャネル領域)には、電子が誘起されて、反転層(チャネル)が形成される。
Next, the operation of this nitride semiconductor device will be described.
A bias with a positive drain side is applied between the source electrode and the drain electrode. As a result, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the first layer and the second layer, and as a result, between the third layer and the first layer, that is, between the source electrode and the drain electrode. (Between the source and drain) is cut off (reverse bias state). From this state, when a bias equal to or higher than the gate threshold voltage, which is positive with the source electrode as the reference potential, is applied to the gate electrode, the region near the wall surface (channel region) facing the gate electrode in the second layer has electrons. Is induced to form an inversion layer (channel).

そして、この反転層を介して、第1層と第3層との間が導通する。こうして、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極に所定のバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリオフ動作が実現される。
この窒化物半導体素子では、上記SBDとソース電極とを接続しておくことにより、ドレイン電極に対してソース電極側が正となるバイアスが印加されたとき(ソース電極の電位がドレイン電極の電位よりも高い状態になったとき)に、上記SBDに優先的に電流を流すことができる。その結果、ソース電極の電位がドレイン電極の電位よりも高い状態になった場合でも、第2層と第3層との間のpn接合部分への電界集中を抑制することができ、MOSFETの絶縁破壊を抑制することができる。
The first layer and the third layer are electrically connected through the inversion layer. Thus, conduction between the source and the drain is established. That is, when a predetermined bias is applied to the gate electrode, the source and the drain become conductive, and when no bias is applied to the gate electrode, the source and the drain are cut off. In this way, a normally-off operation is realized.
In this nitride semiconductor device, the SBD and the source electrode are connected to each other, so that a bias that is positive on the source electrode side is applied to the drain electrode (the potential of the source electrode is higher than the potential of the drain electrode). The current can be preferentially passed through the SBD when the state is high. As a result, even when the potential of the source electrode is higher than the potential of the drain electrode, electric field concentration at the pn junction between the second layer and the third layer can be suppressed, and the MOSFET is insulated. Destruction can be suppressed.

さらに、絶縁破壊の発生を抑制するためのダイオードが、上記MOSFETの第1層を利用したSBDとして形成されているため、上記MOSFETと絶縁破壊対策のためのダイオードとを集約することができる。その結果、窒化物半導体素子のチップ面積の縮小化を実現することができる。
また、請求項2記載の発明は、前記第1層は、相対的にn型不純物濃度の高い下層と、この下層よりもn型不純物濃度の低い上層とを備え、前記ショットキー電極が、前記上層にショットキー接触するように形成されている、請求項1に記載の窒化物半導体素子である。
Furthermore, since the diode for suppressing the occurrence of dielectric breakdown is formed as SBD using the first layer of the MOSFET, the MOSFET and the diode for countermeasure against dielectric breakdown can be integrated. As a result, it is possible to reduce the chip area of the nitride semiconductor device.
According to a second aspect of the present invention, the first layer includes a lower layer having a relatively high n-type impurity concentration and an upper layer having an n-type impurity concentration lower than the lower layer, and the Schottky electrode includes the first layer The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor device is formed so as to be in Schottky contact with an upper layer.

この構成によれば、上層のn型不純物濃度が、下層のn型不純物濃度よりも高いため、上層と下層とを比較した場合、上層の方が、ショットキーバリアが逆バイアス状態のときに広がる空乏層幅が大きく、より高い電圧に耐えることができる、いわゆる高耐圧構造を有する。そして、この構成では、ショットキー電極が、高耐圧構造を有する上層にショットキー接触しているので、上層とショットキー電極とからなる構成により、耐圧性能に優れるSBDを形成することができる。   According to this configuration, since the n-type impurity concentration of the upper layer is higher than the n-type impurity concentration of the lower layer, when the upper layer and the lower layer are compared, the upper layer spreads when the Schottky barrier is in the reverse bias state. It has a so-called high breakdown voltage structure that has a large depletion layer width and can withstand higher voltages. In this configuration, since the Schottky electrode is in Schottky contact with the upper layer having the high breakdown voltage structure, an SBD having excellent breakdown voltage performance can be formed by the configuration including the upper layer and the Schottky electrode.

また、前記窒化物半導体積層構造部は、導電性基板上に形成されていることが好ましい。窒化物半導体積層構造部が導電性基板上に形成されていれば、導電性基板を介して、ドレイン電極を第1層にオーミック接触させることができる。したがって、導電性基板を挟んで窒化物半導体積層構造部に対向するようにドレイン電極をオーミック接触させることにより、窒化物半導体積層構造部において、ドレイン電極を接触させるためのスペースを省略することができる。すなわち、窒化物半導体積層構造部の面積を小さくすることができるので、窒化物半導体素子のチップ面積を一層縮小することができる。また、導電性基板は、前記第1層を兼ねていてもよい。すなわち、このような構成では、導電性基板にショットキー電極をショットキー接触させることができる。   The nitride semiconductor multilayer structure portion is preferably formed on a conductive substrate. If the nitride semiconductor multilayer structure is formed on the conductive substrate, the drain electrode can be brought into ohmic contact with the first layer via the conductive substrate. Accordingly, the drain electrode is brought into ohmic contact with the conductive semiconductor substrate so as to face the nitride semiconductor multilayer structure portion, so that a space for contacting the drain electrode in the nitride semiconductor multilayer structure portion can be omitted. . That is, since the area of the nitride semiconductor multilayer structure portion can be reduced, the chip area of the nitride semiconductor element can be further reduced. The conductive substrate may also serve as the first layer. That is, in such a configuration, the Schottky electrode can be brought into Schottky contact with the conductive substrate.

また、前記窒化物半導体素子は、前記第2層に接触するとともに、前記ソース電極に短絡するように形成された接触電極をさらに備えることが好ましい。
この構成によれば、接触電極が第2層に接触するとともに、ソース電極に短絡するように形成されている。そのため、ソース電極を基準電位(たとえば、グランド電位)に接続することにより、接触電極を介して第2層の電位を基準電位に安定させることができる。
The nitride semiconductor element preferably further includes a contact electrode formed so as to be in contact with the second layer and short-circuited to the source electrode.
According to this configuration, the contact electrode is formed so as to contact the second layer and to be short-circuited to the source electrode. Therefore, the potential of the second layer can be stabilized at the reference potential via the contact electrode by connecting the source electrode to the reference potential (for example, the ground potential).

また、前記接触電極は、前記ショットキー電極と同種の金属からなることが好ましい。n型の第1層に対してショットキー接触する金属は、p型不純物を含む第2層に対しては、オーミック接触する。そのため、接触金属とショットキー電極とを同種の金属を用いて形成しておけば、接触電極を第2層にオーミック接触させることができる。
また、請求項3記載の発明は、前記窒化物半導体積層構造部には、前記第3層から、前記第2層を貫通して前記第1層に達する環状のトレンチが形成されており、前記ソース電極は、前記窒化物半導体積層構造部における前記トレンチに囲まれるメサ積層部に複数設けられており、前記ショットキー電極は、前記メサ積層部を取り囲むように1つ設けられ、複数の前記ソース電極に一括して接続されている、請求項1または2に記載の窒化物半導体素子である。
The contact electrode is preferably made of the same metal as the Schottky electrode. The metal in Schottky contact with the n-type first layer makes ohmic contact with the second layer containing the p-type impurity. Therefore, if the contact metal and the Schottky electrode are formed using the same kind of metal, the contact electrode can be brought into ohmic contact with the second layer.
According to a third aspect of the present invention, in the nitride semiconductor multilayer structure portion, an annular trench that reaches the first layer from the third layer through the second layer is formed. A plurality of source electrodes are provided in a mesa stacked portion surrounded by the trench in the nitride semiconductor stacked structure portion, and one Schottky electrode is provided so as to surround the mesa stacked portion, and a plurality of the source electrodes are provided. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the nitride semiconductor device is connected to electrodes at a time.

この構成によれば、複数のソース電極に対して一括して接続されるショットキー電極が、メサ積層部を取り囲むように1つ設けられている。そのため、各ソース電極に1つずつショットキー電極が設けられる場合に比べて、チップ全体でショットキー電極の設置に要するスペースを小さくすることができる。その結果、窒化物半導体素子のチップ面積を一層縮小することができる。   According to this configuration, one Schottky electrode that is collectively connected to the plurality of source electrodes is provided so as to surround the mesa laminated portion. Therefore, compared with the case where one Schottky electrode is provided for each source electrode, the space required for installation of the Schottky electrode in the entire chip can be reduced. As a result, the chip area of the nitride semiconductor device can be further reduced.

また、請求項4記載の発明は、III族窒化物半導体からなるn型の第1層を形成する第1層形成工程と、この第1層上に、III族窒化物半導体からなるp型不純物を含む第2層を形成する第2層形成工程と、この第2層上に、III族窒化物半導体からなるn型の第3層を形成する第3層形成工程と、前記第1、2および第3層に跨る壁面を形成する壁面形成工程と、前記壁面に、前記第1、第2および第3層に跨るように、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2層に対向するように、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記第3層にオーミック接触されるように、ソース電極を形成するソース電極形成工程と、前記第1層にオーミック接触されるように、ドレイン電極を形成するドレイン電極形成工程と、前記第1層を部分的に露出させる露出工程と、前記露出工程によって露出した前記第1層の露出面にショットキー接触されるように、ショットキー電極を形成するショットキー電極形成工程と、を含む、窒化物半導体素子の製造方法である。この方法により、請求項1記載の窒化物半導体素子を製造することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first layer forming step of forming an n-type first layer made of a group III nitride semiconductor, and a p-type impurity made of a group III nitride semiconductor on the first layer. A second layer forming step of forming a second layer including the third layer forming step of forming an n-type third layer made of a group III nitride semiconductor on the second layer; A wall surface forming step for forming a wall surface straddling the third layer, a gate insulating film forming step for forming a gate insulating film on the wall surface so as to straddle the first, second and third layers, and the gate insulation A gate electrode forming step of forming a gate electrode so as to face the second layer across the film; a source electrode forming step of forming a source electrode so as to be in ohmic contact with the third layer; Drain that forms a drain electrode so as to be in ohmic contact with one layer A Schottky electrode for forming a Schottky electrode so as to be in Schottky contact with an exposed surface of the first layer exposed by the exposing step, an electrode forming step, an exposing step of partially exposing the first layer A method for manufacturing a nitride semiconductor device. By this method, the nitride semiconductor device according to claim 1 can be manufactured.

なお、前記露出工程は、前記第1、第2および第3層をドライエッチングして、前記第1、第2および第3層に跨る第2の壁面を形成する工程であってもよい。また、前記第1層形成工程が、前記第1層をエピタキシャル成長させる工程である場合には、前記露出工程は、前記第1層の成長を部分的に停止させるための絶縁膜を形成する工程であってもよく、ショットキー電極形成工程は、前記絶縁膜を除去することにより露出した前記第1層の露出面にショットキー接触されるように、ショットキー電極を形成する工程であってもよい。   The exposing step may be a step of dry etching the first, second and third layers to form a second wall surface extending over the first, second and third layers. In the case where the first layer forming step is a step of epitaxially growing the first layer, the exposing step is a step of forming an insulating film for partially stopping the growth of the first layer. The Schottky electrode forming step may be a step of forming a Schottky electrode so that the exposed surface of the first layer exposed by removing the insulating film is in Schottky contact. .

また、請求項5記載の発明は、前記第1層形成工程は、相対的にn型不純物濃度の高い下層を形成する下層形成工程と、この下層上に、この下層よりもn型不純物濃度の低い上層を形成する上層形成工程とを含み、前記露出工程が、少なくとも前記上層を部分的に露出させる工程であり、前記ショットキー電極形成工程が、前記露出工程によって露出した前記上層の露出面に、ショットキー電極を形成する工程である、請求項4に記載の窒化物半導体素子の製造方法である。この方法により、請求項2記載の窒化物半導体素子を製造することができる。   According to a fifth aspect of the present invention, the first layer forming step includes a lower layer forming step of forming a lower layer having a relatively high n-type impurity concentration, and an n-type impurity concentration higher than the lower layer on the lower layer. An upper layer forming step of forming a lower upper layer, wherein the exposing step is a step of partially exposing at least the upper layer, and the Schottky electrode forming step is performed on the exposed surface of the upper layer exposed by the exposing step. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 4, which is a step of forming a Schottky electrode. By this method, the nitride semiconductor device according to claim 2 can be manufactured.

また、前記窒化物半導体素子の製造方法は、前記第2層に接触されるとともに、前記ソース電極に短絡されるように、前記ショットキー電極と同種の金属からなる接触電極を形成する工程をさらに備えることが好ましい。
この方法によれば、第2層に接触されるとともに、ソース電極に短絡されるように形成される接触電極が、ショットキー電極と同種の金属からなるので、前記ショットキー電極形成工程と前記接触電極を形成する工程とを並行して行なうことができる。したがって、窒化物半導体素子の製造工程の工程時間を短縮することができ、製造コストを低減することができる。
The method for manufacturing a nitride semiconductor device may further include a step of forming a contact electrode made of the same kind of metal as the Schottky electrode so as to be in contact with the second layer and short-circuited to the source electrode. It is preferable to provide.
According to this method, the contact electrode formed so as to be in contact with the second layer and short-circuited to the source electrode is made of the same kind of metal as the Schottky electrode. The step of forming the electrode can be performed in parallel. Therefore, the process time of the nitride semiconductor element manufacturing process can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。この窒化物半導体素子は、導電性のn+型GaN基板1(下層)と、n+型GaN基板1の一方表面に形成された窒化物半導体積層構造部5とを備えている。
窒化物半導体積層構造部5は、n-型GaN層2(上層)と、n-型GaN層2上に積層されたp型GaN層3(第2層)と、p型GaN層3上に積層されたn+型GaN層4(第3層)とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. This nitride semiconductor device includes a conductive n + -type GaN substrate 1 (lower layer) and a nitride semiconductor multilayer structure portion 5 formed on one surface of the n + -type GaN substrate 1.
The nitride semiconductor multilayer structure 5 includes an n -type GaN layer 2 (upper layer), a p-type GaN layer 3 (second layer) stacked on the n -type GaN layer 2, and the p-type GaN layer 3. And a laminated n + -type GaN layer 4 (third layer).

+型GaN基板1およびn+型GaN層4は、n-型GaN層2よりもn型不純物濃度が高く、その濃度は、たとえば、3×1018cm-3である。一方、n-型GaN層2のn型不純物濃度は、たとえば、1×1017cm-3である。
窒化物半導体積層構造部5は、断面が略台形となるようにn+型GaN層4からn-型GaN層2が露出する深さまで、その積層界面を横切る方向にエッチングされている。そして、n-型GaN層2は、窒化物半導体積層構造部5の両側から、n+型GaN基板1の表面に沿う横方向(以下、この方向を「幅方向」とする。)に引き出された引き出し部6を有している。すなわち、引き出し部6は、この実施形態では、n-型GaN層2の延長部で構成されている。
The n + -type GaN substrate 1 and the n + -type GaN layer 4 have an n-type impurity concentration higher than that of the n -type GaN layer 2, and the concentration is, for example, 3 × 10 18 cm −3 . On the other hand, the n type impurity concentration of the n type GaN layer 2 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 .
The nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is etched in a direction crossing the multilayer interface from the n + -type GaN layer 4 to a depth at which the n -type GaN layer 2 is exposed so that the cross section is substantially trapezoidal. The n -type GaN layer 2 is drawn from both sides of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 in the lateral direction along the surface of the n + -type GaN substrate 1 (hereinafter, this direction is referred to as “width direction”). And has a drawer portion 6. In other words, the lead-out portion 6 is constituted by an extension of the n -type GaN layer 2 in this embodiment.

一方、窒化物半導体積層構造部5の幅方向中間付近には、n+型GaN層4からp型GaN層3を貫通してn-型GaN層2の途中部に至る深さのトレンチ7が形成されている。この実施形態では、トレンチ7は、断面略V字形に形成されており、その傾斜した側面は、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4に跨がる壁面8を形成している。この壁面8の全域を覆い、さらに、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4の表面には、ゲート絶縁膜9が形成されている。 On the other hand, a trench 7 having a depth extending from the n + -type GaN layer 4 to the middle portion of the n -type GaN layer 2 through the p-type GaN layer 3 is located near the middle in the width direction of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5. Is formed. In this embodiment, the trench 7 is formed in a substantially V-shaped cross section, and the inclined side surface of the trench 7 extends over the n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3 and the n + -type GaN layer 4. Is forming. A gate insulating film 9 is formed on the surfaces of the n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3 and the n + -type GaN layer 4 so as to cover the entire area of the wall surface 8.

-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4は、n+型GaN基板1の上に、たとえば、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)によってエピタキシャル成長されている。
たとえば、主面がc面(0001)のn+型GaN基板1を用いると、このn+型GaN基板1の上にエピタキシャル成長によって成長させられるn-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4は、やはりc面(0001)を主面として積層されることになる。また、窒化物半導体積層構造部5の壁面8の面方位は、たとえば、c面(0001)に対して15°〜90°の範囲で傾斜した面(c面以外の面)である。より具体的には、たとえば、m面(10-10)またはa面(11-20)などの非極性面や、(10-13)、(10-11)、(11-22)などのセミポーラ面となる。
The n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3 and the n + -type GaN layer 4 are formed on the n + -type GaN substrate 1 by, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). It is epitaxially grown.
For example, when an n + -type GaN substrate 1 having a c-plane (0001) as the main surface is used, an n -type GaN layer 2, a p-type GaN layer 3 and n that are grown on the n + -type GaN substrate 1 by epitaxial growth. The + -type GaN layer 4 is also laminated with the c-plane (0001) as the main surface. Further, the plane orientation of the wall surface 8 of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is, for example, a plane (a plane other than the c plane) inclined in a range of 15 ° to 90 ° with respect to the c plane (0001). More specifically, for example, non-polar surfaces such as m-plane (10-10) or a-plane (11-20), and semipolar surfaces such as (10-13), (10-11), and (11-22) It becomes a surface.

ゲート絶縁膜9は、たとえば、窒化物または酸化物で構成することができる。より具体的には、ゲート絶縁膜9は、SiN(窒化シリコン)、SiO2(酸化シリコン)またはこれらの組み合わせで構成することができる。ゲート絶縁膜9上には、ゲート電極10が形成されている。
ゲート電極10は、ゲート絶縁膜9を介して壁面8、すなわちn-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4に対向しており、さらに、n+型GaN層4の上面においてトレンチ7の縁部付近にまで延びて形成されている。また、ゲート電極10は、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金およびPd/Pt/Au合金、Pt、Al、ポリシリコンなどの導電性材料で構成することができる。
The gate insulating film 9 can be made of, for example, nitride or oxide. More specifically, the gate insulating film 9 can be composed of SiN (silicon nitride), SiO 2 (silicon oxide), or a combination thereof. A gate electrode 10 is formed on the gate insulating film 9.
The gate electrode 10, the wall surface 8 through the gate insulating film 9, namely n - faces the -type GaN layer 2, p-type GaN layer 3 and the n + -type GaN layer 4, furthermore, the n + -type GaN layer 4 The upper surface is formed to extend to the vicinity of the edge of the trench 7. The gate electrode 10 is made of, for example, Ni and Au laminated on the Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy, Pt, Al. It can be made of a conductive material such as polysilicon.

p型GaN層3において壁面8付近の領域は、ゲート電極10に対向したチャネル領域11である。このチャネル領域11には、ゲート電極10に適切なバイアスが与えられることにより、n-型GaN層2とn+型GaN層4との間を電気的に導通させる反転チャネルが形成される。
窒化物半導体積層構造部5には、トレンチ7とは別の場所に、コンタクト電極用トレンチ12が形成されている。この実施形態では、トレンチ7の両側に、一対のコンタクト電極用トレンチ12が形成されている。コンタクト電極用トレンチ12は、n+型GaN層4の上面からp型GaN層3に至る深さで形成されている。このコンタクト電極用トレンチ12には、コンタクト電極13が埋め込まれている。
A region near the wall surface 8 in the p-type GaN layer 3 is a channel region 11 facing the gate electrode 10. In this channel region 11, an inversion channel is formed that electrically conducts between the n -type GaN layer 2 and the n + -type GaN layer 4 by applying an appropriate bias to the gate electrode 10.
In the nitride semiconductor multilayer structure portion 5, a contact electrode trench 12 is formed at a location different from the trench 7. In this embodiment, a pair of contact electrode trenches 12 are formed on both sides of the trench 7. The contact electrode trench 12 is formed at a depth from the upper surface of the n + -type GaN layer 4 to the p-type GaN layer 3. A contact electrode 13 is embedded in the contact electrode trench 12.

コンタクト電極13は、p型GaN層3に対してオーミック接触しており、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。これらの金属は、p型GaN層3に対するコンタクト抵抗が低いので、コンタクト電極13をp型GaN層3に対して良好にオーミック接触させることができる。   The contact electrode 13 is in ohmic contact with the p-type GaN layer 3. For example, a Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au made of Ni and Au laminated on the Ni is used. An alloy, a Pd / Pt / Au alloy, and a metal such as Pt can be used. Since these metals have a low contact resistance with respect to the p-type GaN layer 3, the contact electrode 13 can be satisfactorily brought into ohmic contact with the p-type GaN layer 3.

ゲート絶縁膜9には、コンタクト電極13の上面を露出させるコンタクト開口14が形成されている。コンタクト開口14は、コンタクト電極13を露出させるとともに、n+型GaN層4の上面におけるコンタクト電極13の縁部を露出させるように形成されている。コンタクト開口14から露出するコンタクト電極13およびn+型GaN層4上には、ソース電極15が形成されている。 A contact opening 14 is formed in the gate insulating film 9 to expose the upper surface of the contact electrode 13. The contact opening 14 is formed so that the contact electrode 13 is exposed and the edge of the contact electrode 13 on the upper surface of the n + -type GaN layer 4 is exposed. A source electrode 15 is formed on the contact electrode 13 and the n + -type GaN layer 4 exposed from the contact opening 14.

ソース電極15は、n+型GaN層4およびコンタクト電極13に対してオーミック接触しており、たとえば、Tiと、このTi上に積層されたAlからなるTi/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ソース電極15を、Alを含む金属で構成しておくことにより、ソース電極15をn+型GaN層4およびコンタクト電極13に対して良好にオーミック接触させることができる。ソース電極15は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 The source electrode 15 is in ohmic contact with the n + -type GaN layer 4 and the contact electrode 13. For example, the source electrode 15 is configured by using Ti and a metal such as a Ti / Al alloy made of Al laminated on the Ti. can do. By configuring the source electrode 15 with a metal containing Al, the source electrode 15 can be satisfactorily brought into ohmic contact with the n + -type GaN layer 4 and the contact electrode 13. In addition, the source electrode 15 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

+型GaN基板1の他方表面には、ドレイン電極18が接触形成されている。ドレイン電極18は、n+型GaN基板1に対してオーミック接触している。ドレイン電極18は、たとえば、ソース電極15と同種の金属、すなわち、Ti/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ドレイン電極18は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 A drain electrode 18 is formed in contact with the other surface of the n + -type GaN substrate 1. The drain electrode 18 is in ohmic contact with the n + -type GaN substrate 1. The drain electrode 18 can be configured using, for example, the same type of metal as the source electrode 15, that is, a metal such as a Ti / Al alloy. In addition, the drain electrode 18 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

こうして、この窒化物半導体素子には、窒化物半導体積層構造部5に、ゲート電極10、ゲート絶縁膜9、ソース電極15およびドレイン電極18が形成されてなるMOSFET20(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS電界効果トランジスタ)が備えられている。
また、この窒化物半導体素子には、ゲート絶縁膜9に、n-型GaN層2の引き出し部6の上面を露出させるコンタクト開口16が形成されている。コンタクト開口16から露出するn-型GaN層2上には、ショットキー電極17が形成されている。
Thus, in this nitride semiconductor element, a MOSFET 20 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOS) in which the gate electrode 10, the gate insulating film 9, the source electrode 15 and the drain electrode 18 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed. Field effect transistor).
In this nitride semiconductor device, a contact opening 16 is formed in the gate insulating film 9 to expose the upper surface of the lead portion 6 of the n -type GaN layer 2. A Schottky electrode 17 is formed on the n -type GaN layer 2 exposed from the contact opening 16.

ショットキー電極17は、コンタクト開口16を埋め尽くし、ゲート絶縁膜9におけるコンタクト開口16の縁部付近にまで延びて形成されている。ショットキー電極17は、n-型GaN層2に対してショットキー接触しており、コンタクト電極13と同種の金属、すなわち、Ni/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。また、ショットキー電極17は、配線21を介してソース電極15と電気的に接続されている。ショットキー電極17が、n-型GaN層2に対してショットキー接触していることにより、窒化物半導体素子には、ショットキー電極17とn-型GaN層2とで構成されるSBD19(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)が備えられている。 The Schottky electrode 17 fills up the contact opening 16 and extends to the vicinity of the edge of the contact opening 16 in the gate insulating film 9. The Schottky electrode 17 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 2 and is the same type of metal as the contact electrode 13, that is, Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy and metal such as Pt can be used. In addition, the Schottky electrode 17 is electrically connected to the source electrode 15 through the wiring 21. Since the Schottky electrode 17 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 2, the nitride semiconductor element includes an SBD 19 (Schottky comprising the Schottky electrode 17 and the n -type GaN layer 2. Barrier Diode: Schottky barrier diode) is provided.

次に、上記の窒化物半導体素子の動作について説明する。
ソース電極15とドレイン電極18との間には、ドレイン電極18側が正となるバイアスが与えられる。これにより、n-型GaN層2とp型GaN層3との界面のpn接合には逆方向電圧が与えられ、その結果、n+型GaN層4とn-型GaN層2との間、すなわち、ソース電極15とドレイン電極18との間(ソース−ドレイン間)は、遮断状態(逆バイアス状態)となる。この状態から、ゲート電極10に対して、ソース電極15を基準電位として正となるゲート閾値電圧以上のバイアスを印加すると、チャネル領域11におけるゲート絶縁膜9との界面近傍には、電子が誘起されて、反転層(チャネル)が形成される。
Next, the operation of the nitride semiconductor device will be described.
A bias is applied between the source electrode 15 and the drain electrode 18 so that the drain electrode 18 side becomes positive. Thus, a reverse voltage is applied to the pn junction at the interface between the n -type GaN layer 2 and the p-type GaN layer 3, and as a result, between the n + -type GaN layer 4 and the n -type GaN layer 2, That is, the source electrode 15 and the drain electrode 18 (between the source and the drain) are cut off (reverse bias state). In this state, when a bias equal to or higher than a gate threshold voltage that is positive with the source electrode 15 as a reference potential is applied to the gate electrode 10, electrons are induced in the vicinity of the interface with the gate insulating film 9 in the channel region 11. Thus, an inversion layer (channel) is formed.

そして、この反転層を介して、n-型GaN層2とn+型GaN層4との間が導通する。こうして、ソース−ドレイン間が導通することになる。すなわち、ゲート電極10に所定のバイアスを与えたときにソース−ドレイン間が導通し、ゲート電極10にバイアスを与えないときにはソース−ドレイン間が遮断状態となる。このようにして、ノーマリオフ動作が実現される。 The n -type GaN layer 2 and the n + -type GaN layer 4 are electrically connected via the inversion layer. Thus, conduction between the source and the drain is established. That is, when a predetermined bias is applied to the gate electrode 10, the source and the drain are conducted, and when no bias is applied to the gate electrode 10, the source and the drain are cut off. In this way, a normally-off operation is realized.

図3A〜図3Hは、図1の窒化物半導体素子の第1の製造方法を工程順に示す模式的な断面図である。
この窒化物半導体素子の製造に際しては、まず、図3Aに示すように、n+型GaN基板1が用意され(下層形成工程)、このn+型GaN基板1の上に、たとえば、MOCVD法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長法)により、n-型GaN層2が形成される(上層形成工程)。こうして、n+型GaN基板1上に、n-型GaN層2が形成される。なお、n-型GaN層2を成長させるときのn型不純物としては、たとえば、Siを用いればよい。
3A to 3H are schematic cross-sectional views showing a first manufacturing method of the nitride semiconductor device of FIG. 1 in the order of steps.
When manufacturing this nitride semiconductor device, first, as shown in FIG. 3A, an n + -type GaN substrate 1 is prepared (lower layer forming step), and on this n + -type GaN substrate 1, for example, MOCVD ( The n -type GaN layer 2 is formed by Metal Organic Chemical Vapor Deposition (metal organic vapor phase epitaxy) (upper layer forming step). Thus, the n type GaN layer 2 is formed on the n + type GaN substrate 1. For example, Si may be used as an n-type impurity when the n -type GaN layer 2 is grown.

-型GaN層2の形成に続いて、図3Bに示すように、n-型GaN層2上に、たとえば、MOCVD法により、p型GaN層3が形成され(第2層形成工程)、さらに、n+型GaN層4が形成される(第3層形成工程)。なお、p型GaN層3を成長させるときのp型不純物としては、たとえば、MgまたはCを用いればよい。また、n+型GaN層4を成長させるときのn型不純物としては、たとえば、Siを用いればよい。こうして、n+型GaN基板1の一方表面に、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4からなる窒化物半導体積層構造部5が形成される。 Subsequent to the formation of the n -type GaN layer 2, as shown in FIG. 3B, the p-type GaN layer 3 is formed on the n -type GaN layer 2 by, for example, MOCVD (second layer formation step), Further, the n + -type GaN layer 4 is formed (third layer forming step). For example, Mg or C may be used as a p-type impurity when the p-type GaN layer 3 is grown. Further, for example, Si may be used as an n-type impurity when the n + -type GaN layer 4 is grown. Thus, a nitride semiconductor multilayer structure portion 5 including the n type GaN layer 2, the p type GaN layer 3 and the n + type GaN layer 4 is formed on one surface of the n + type GaN substrate 1.

窒化物半導体積層構造部5が形成された後には、図3Cに示すように、窒化物半導体積層構造部5がストライプ状にエッチングされる。すなわち、n+型GaN層4から、p型GaN層3を貫通して、n-型GaN層2の層厚中間部に至る断面略逆台形のトレンチ22がエッチングによって形成される。これにより、複数本の窒化物半導体積層構造部5がストライプ状に整形されるとともに(図示せず)、n-型GaN層2の延長部からなる引き出し部6が同時に形成される(露出工程)。トレンチ22の形成は、たとえば、塩素系ガスを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって行なうことができる。 After the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed, the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is etched in a stripe shape as shown in FIG. 3C. That is, a trench 22 having a substantially inverted trapezoidal cross section is formed by etching from the n + -type GaN layer 4 through the p-type GaN layer 3 and reaching the middle layer thickness of the n -type GaN layer 2. As a result, a plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 are shaped into stripes (not shown), and lead-out portions 6 made of extensions of the n -type GaN layer 2 are simultaneously formed (exposure process). . The trench 22 can be formed, for example, by dry etching (anisotropic etching) using a chlorine-based gas.

そして、各窒化物半導体積層構造部5の幅方向中間部付近に、断面略V字形のトレンチ7が、窒化物半導体積層構造部5の長手方向に沿って形成される(壁面形成工程)。トレンチ7の形成は、トレンチ22と同様に、塩素系ガスを用いたドライエッチング(異方性エッチング)によって行なうことができる。
なお、ドライエッチングの後、必要に応じて、ドライエッチングによってダメージを受けたトレンチ7の壁面8を改善するためのウェットエッチング処理を行なってもよい。ウェットエッチングには、HF(フッ酸)やHCl(塩酸)などを用いることが好ましい。これにより、Si系の酸化物やGaの酸化物などが除去され、壁面8を均すことができる。また、KOH(水酸化カリウム)やNaOH(水酸化ナトリウム)などによるウェットエッチングによっても、ダメージを受けた壁面8を改善することができ、ダメージの少ない壁面8を得ることができる。壁面8のダメージを低減しておくことにより、チャネル領域11(図1参照)の結晶状態を良好に保つことができ、また、壁面8とゲート絶縁膜9との界面を良好な界面とすることができるので、界面準位を低減することができる。これにより、チャネル抵抗を低減することができるとともに、リーク電流を抑制することができる。なお、ウェットエッチング処理に代えて、低ダメージのドライエッチング処理を適用することもできる。
Then, a trench 7 having a substantially V-shaped cross section is formed in the vicinity of the intermediate portion in the width direction of each nitride semiconductor multilayer structure portion 5 along the longitudinal direction of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 (wall surface forming step). The trench 7 can be formed by dry etching (anisotropic etching) using a chlorine-based gas, similarly to the trench 22.
In addition, after the dry etching, a wet etching process for improving the wall surface 8 of the trench 7 damaged by the dry etching may be performed as necessary. For wet etching, HF (hydrofluoric acid), HCl (hydrochloric acid), or the like is preferably used. As a result, Si-based oxide, Ga oxide, and the like are removed, and the wall surface 8 can be leveled. Also, the damaged wall surface 8 can be improved by wet etching with KOH (potassium hydroxide), NaOH (sodium hydroxide), or the like, and the wall surface 8 with less damage can be obtained. By reducing the damage to the wall surface 8, the crystal state of the channel region 11 (see FIG. 1) can be kept good, and the interface between the wall surface 8 and the gate insulating film 9 should be a good interface. Therefore, the interface state can be reduced. Thereby, the channel resistance can be reduced and the leakage current can be suppressed. Note that a low-damage dry etching process can be applied instead of the wet etching process.

次に、図3Dに示すように、略V字形のトレンチ7の壁面8を覆うとともに、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4の表面を覆うゲート絶縁膜9が形成される(ゲート絶縁膜形成工程)。ゲート絶縁膜9の形成には、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法を適用することが好ましい。
その後、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト開口14およびコンタクト開口16を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ゲート絶縁膜9がストライプ状にドライエッチングされる。これにより、図3Eに示すように、コンタクト開口14およびコンタクト開口16が形成されて、n+型GaN層4およびn-型GaN層2が部分的に露出する。続いて、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト電極用トレンチ12を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、n+型GaN層4およびp型GaN層3がドライエッチングされる。こうして、図3Eに示すように、n+型GaN層4のからp型GaN層3に至る深さのコンタクト電極用トレンチ12が形成される。
Next, as shown in FIG. 3D, the gate insulating film 9 covers the wall surface 8 of the substantially V-shaped trench 7 and covers the surfaces of the n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3, and the n + -type GaN layer 4. Is formed (step of forming a gate insulating film). For the formation of the gate insulating film 9, it is preferable to apply an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method.
Thereafter, the gate insulating film 9 is dry-etched in stripes by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having openings in regions where the contact openings 14 and 16 are to be formed. Thereby, as shown in FIG. 3E, the contact opening 14 and the contact opening 16 are formed, and the n + -type GaN layer 4 and the n -type GaN layer 2 are partially exposed. Subsequently, the n + -type GaN layer 4 and the p-type GaN layer 3 are dried by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the contact electrode trench 12 is to be formed. Etched. Thus, as shown in FIG. 3E, a contact electrode trench 12 having a depth from the n + -type GaN layer 4 to the p-type GaN layer 3 is formed.

続いて、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト電極13およびショットキー電極17を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、コンタクト電極13およびショットキー電極17の材料として用いられるメタル(たとえば、NiおよびAu)が、スパッタ法により、Ni/Auの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分(コンタクト電極13およびショットキー電極17以外の部分)がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの工程により、図3Fに示すように、コンタクト電極13が形成され(接触電極形成工程)、これと同時に、ショットキー電極17が形成される(ショットキー電極形成工程)。コンタクト電極13およびショットキー電極17が形成された後には、熱アロイ(アニール処理)が行なわれることにより、コンタクト電極13とp型GaN層3との接触がオーミック接触となり、ショットキー電極17とn-型GaN層2との接触がショットキー接触となる。ショットキー電極17とn-型GaN層2とのショットキー接触により、SBD19が形成される。 Subsequently, as a material of the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 are to be formed by a known photolithography technique. The metals used (for example, Ni and Au) are sputtered in the order of Ni / Au by sputtering. Thereafter, by removing the photoresist, unnecessary portions of metal (portions other than the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17) are lifted off together with the photoresist. By these steps, as shown in FIG. 3F, the contact electrode 13 is formed (contact electrode forming step), and at the same time, the Schottky electrode 17 is formed (Schottky electrode forming step). After the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 are formed, a thermal alloy (annealing process) is performed, so that the contact between the contact electrode 13 and the p-type GaN layer 3 becomes an ohmic contact. - contact type GaN layer 2 is a Schottky contact. The SBD 19 is formed by Schottky contact between the Schottky electrode 17 and the n -type GaN layer 2.

次いで、公知のフォトリソグラフィ技術により、ソース電極15を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ソース電極15の材料として用いられるメタル(たとえば、TiおよびAl)が、スパッタ法により、Ti/Alの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分(ソース電極15以外の部分)がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの操作により、図3Gに示すように、ソース電極15が形成される(ソース電極形成工程)。ソース電極15が形成された後には、熱アロイ(アニール処理)が行なわれることにより、ソース電極15とn+型GaN層4との接触がオーミック接触となる。 Next, a metal (for example, Ti and Al) used as a material for the source electrode 15 is formed by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the source electrode 15 is to be formed. Then, sputtering is performed in the order of Ti / Al by sputtering. Thereafter, the photoresist is removed, so that unnecessary portions of metal (portions other than the source electrode 15) are lifted off together with the photoresist. By these operations, as shown in FIG. 3G, the source electrode 15 is formed (source electrode formation step). After the source electrode 15 is formed, a thermal alloy (annealing process) is performed, so that the contact between the source electrode 15 and the n + -type GaN layer 4 becomes an ohmic contact.

その後は、ソース電極15の場合と同様の方法により、図3Gに示すように、ゲート絶縁膜9を挟んで壁面8およびn+型GaN層4の上面においてトレンチ7の縁部に対向する、ゲート電極10が形成される(ゲート電極形成工程)。
そして、ソース電極15の場合と同様の方法により、図3Hに示すように、n+型GaN基板1の他方表面に、ドレイン電極18が形成される(ドレイン電極形成工程)。こうして、窒化物半導体積層構造部5に、ゲート電極10、ゲート絶縁膜9、ソース電極15およびドレイン電極18が形成されてなるMOSFET20が形成される。その後、ソース電極15とショットキー電極17とが、配線21で接続されることにより、図1に示す窒化物半導体素子を得ることができる。
Thereafter, in the same manner as in the case of the source electrode 15, as shown in FIG. 3G, the gate facing the edge of the trench 7 on the wall surface 8 and the upper surface of the n + -type GaN layer 4 with the gate insulating film 9 interposed therebetween. The electrode 10 is formed (gate electrode forming step).
Then, as shown in FIG. 3H, the drain electrode 18 is formed on the other surface of the n + -type GaN substrate 1 by the same method as that for the source electrode 15 (drain electrode forming step). In this way, the MOSFET 20 in which the gate electrode 10, the gate insulating film 9, the source electrode 15 and the drain electrode 18 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed. Thereafter, the source electrode 15 and the Schottky electrode 17 are connected by the wiring 21, whereby the nitride semiconductor device shown in FIG. 1 can be obtained.

複数の窒化物半導体積層構造部5は、それぞれ単位セルを形成している。窒化物半導体積層構造部5のゲート電極10およびソース電極15は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極18は、n+型GaN基板1に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
図4A〜図4Kは、図1の窒化物半導体素子の第2の製造方法を工程順に示す模式的な断面図である。
Each of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 forms a unit cell. The gate electrode 10 and the source electrode 15 of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 are commonly connected at positions not shown. The drain electrode 18 is formed in contact with the n + -type GaN substrate 1 and is a common electrode for all cells.
4A to 4K are schematic cross-sectional views showing a second manufacturing method of the nitride semiconductor device of FIG. 1 in the order of steps.

この第2の製造方法では、まず、図4Aに示すように、n+型GaN基板1が用意され、このn+型GaN基板1の上に、たとえば、MOCVD法により、n-型GaN層23が形成される。このn-型GaN層23は、そのn型不純物濃度がn-型GaN層2の濃度と同じであり、たとえば、1×1017cm-3である。なお、n-型GaN層23を成長させるときのn型不純物としては、たとえば、Siを用いればよい。また、n+型GaN基板1とこのn+型GaN基板1上に形成されたn-型GaN層23とを合わせて「導電性基板」とみなし、この導電性基板(n-型GaN層23)およびこの上に積層されるIII族窒化物半導体層によって「窒化物半導体積層構造部」が構成されるものと考えてもよい。 In this second manufacturing method, first, as shown in FIG. 4A, an n + -type GaN substrate 1 is prepared, and an n -type GaN layer 23 is formed on the n + -type GaN substrate 1 by, for example, MOCVD. Is formed. This n -type GaN layer 23 has the same n-type impurity concentration as that of the n -type GaN layer 2, for example, 1 × 10 17 cm −3 . For example, Si may be used as an n-type impurity when the n -type GaN layer 23 is grown. In addition, the n + -type GaN substrate 1 and the n -type GaN layer 23 formed on the n + -type GaN substrate 1 are regarded as a “conductive substrate”, and this conductive substrate (n -type GaN layer 23 is ) And a group III nitride semiconductor layer stacked thereon may be considered to constitute a “nitride semiconductor multilayer structure”.

次いで、公知のフォトリソグラフィ技術により、引き出し部6を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、絶縁性の材料(たとえば、SiO2)が、たとえば、ECRスパッタ法によりスパッタされる。こうして、図4Bに示すように、n-型GaN層23上に、n-型GaN層23の表面を部分的に露出させる絶縁膜24が形成される。 Next, an insulating material (for example, SiO 2 ) is formed by, for example, an ECR sputtering method through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the lead portion 6 is to be formed by a known photolithography technique. Is sputtered. Thus, as shown in FIG. 4B, n - on the -type GaN layer 23, n - -type insulating film 24 to the surface partially exposed in the GaN layer 23 is formed.

続いて、絶縁膜24から露出するn-型GaN層23の表面から、たとえば、MOCVD法により、n-型のGaNが成長させられる。n-型GaN層23上に絶縁膜24が形成されているため、n-型GaN層23は、その成長が部分的(絶縁膜24で覆われている部分)に停止される。そのため、図4Cに示すように、n-型GaN層23の表面から断面略台形状のn-型のGaNが成長し、このn-型のGaNとn-型GaN層23とからなるn-型GaN層2が形成される。n-型GaN層2において、絶縁膜24で覆われている部分は、幅方向に引き出された引き出し部6となる。 Subsequently, n -type GaN is grown from the surface of the n -type GaN layer 23 exposed from the insulating film 24 by, for example, MOCVD. on the n - -type GaN layer 23 for insulating film 24 is formed, n - -type GaN layer 23, the growth is stopped (the portion covered with the insulating film 24) partially. Therefore, as shown in FIG. 4C, the n - type from the surface of the GaN layer 23 of substantially trapezoidal cross section n - -type GaN-grow, the n - -type GaN and the n - -type GaN layer 23 n - A type GaN layer 2 is formed. In the n -type GaN layer 2, a portion covered with the insulating film 24 becomes a lead portion 6 drawn in the width direction.

-型GaN層2が形成された後には、図4Dに示すように、n-型GaN層2上に、たとえば、MOCVD法により、p型GaN層3が形成され(第2層形成工程)、さらに、n+型GaN層4が形成される(第3層形成工程)。こうして、n+型GaN基板1上に、ストライプ状に形成された、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4からなる窒化物半導体積層構造部5が形成される。窒化物半導体積層構造部5において、絶縁膜24で覆われている部分は、n+型GaN層4から、p型GaN層3を貫通して、n-型GaN層2の層厚中間部に至る断面略逆台形のトレンチ25となる。 After the n -type GaN layer 2 is formed, as shown in FIG. 4D, the p-type GaN layer 3 is formed on the n -type GaN layer 2 by, for example, MOCVD (second layer forming step). Further, the n + -type GaN layer 4 is formed (third layer forming step). Thus, the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 formed of the n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3, and the n + -type GaN layer 4 formed in a stripe shape is formed on the n + -type GaN substrate 1. . In the nitride semiconductor multilayer structure portion 5, the portion covered with the insulating film 24 extends from the n + -type GaN layer 4 through the p-type GaN layer 3 to the middle portion of the n -type GaN layer 2. The resulting trench 25 has a substantially inverted trapezoidal cross section.

そして、各窒化物半導体積層構造部5の幅方向中間部付近に、断面略V字形のトレンチ7が、窒化物半導体積層構造部5の長手方向に沿って形成される(壁面形成工程)。
次に、図4Fに示すように、公知のフォトリソグラフィ技術により、絶縁膜24の形状に対応する領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、絶縁膜24がドライエッチングされる。これにより、n-型GaN層2上の絶縁膜24が除去されて、引き出し部6の上面が露出する(露出工程)。
Then, a trench 7 having a substantially V-shaped cross section is formed in the vicinity of the intermediate portion in the width direction of each nitride semiconductor multilayer structure portion 5 along the longitudinal direction of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 (wall surface forming step).
Next, as shown in FIG. 4F, the insulating film 24 is dry-etched by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having an opening in a region corresponding to the shape of the insulating film 24. . Thereby, the insulating film 24 on the n -type GaN layer 2 is removed, and the upper surface of the lead portion 6 is exposed (exposure process).

次に、図4Gに示すように、略V字形のトレンチ7の壁面8を覆うとともに、n-型GaN層2、p型GaN層3およびn+型GaN層4の表面を覆うゲート絶縁膜9が形成される(ゲート絶縁膜形成工程)。ゲート絶縁膜9の形成には、ECR(Electron Cyclotron Resonance:電子サイクロトロン共鳴)スパッタ法を適用することが好ましい。
その後、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト開口14およびコンタクト開口16を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ゲート絶縁膜9がストライプ状にドライエッチングされる。これにより、図4Hに示すように、コンタクト開口14およびコンタクト開口16が形成されて、n+型GaN層4およびn-型GaN層2が部分的に露出する。続いて、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト電極用トレンチ12を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、n+型GaN層4およびp型GaN層3がドライエッチングされる。こうして、図4Hに示すように、n+型GaN層4のからp型GaN層3に至る深さのコンタクト電極用トレンチ12が形成される。
Next, as shown in FIG. 4G, the gate insulating film 9 covers the wall surface 8 of the substantially V-shaped trench 7 and covers the surfaces of the n -type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3 and the n + -type GaN layer 4. Is formed (step of forming a gate insulating film). For the formation of the gate insulating film 9, it is preferable to apply an ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering method.
Thereafter, the gate insulating film 9 is dry-etched in stripes by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having openings in regions where the contact openings 14 and 16 are to be formed. Thereby, as shown in FIG. 4H, contact opening 14 and contact opening 16 are formed, and n + -type GaN layer 4 and n -type GaN layer 2 are partially exposed. Subsequently, the n + -type GaN layer 4 and the p-type GaN layer 3 are dried by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the contact electrode trench 12 is to be formed. Etched. Thus, as shown in FIG. 4H, a contact electrode trench 12 having a depth from the n + -type GaN layer 4 to the p-type GaN layer 3 is formed.

続いて、公知のフォトリソグラフィ技術により、コンタクト電極13およびショットキー電極17を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、コンタクト電極13およびショットキー電極17の材料として用いられるメタル(たとえば、NiおよびAu)が、スパッタ法により、Ni/Auの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分(コンタクト電極13およびショットキー電極17以外の部分)がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの工程により、図4Iに示すように、コンタクト電極13が形成され(接触電極形成工程)、これと同時に、ショットキー電極17が形成される(ショットキー電極形成工程)。コンタクト電極13およびショットキー電極17が形成された後には、熱アロイ(アニール処理)が行なわれることにより、コンタクト電極13とp型GaN層3との接触がオーミック接触となり、ショットキー電極17とn-型GaN層2との接触がショットキー接触となる。ショットキー電極17とn-型GaN層2とのショットキー接触により、SBD19が形成される。なお、n+型GaN基板1とこのn+型GaN基板1上に形成されたn-型GaN層23とを合わせて「導電性基板」とみなし、この導電性基板(n-型GaN層23)およびこの上に積層されるIII族窒化物半導体層によって「窒化物半導体積層構造部」が構成されるものと考えた場合、ショットキー電極17は、「第1層」を兼ねる「導電性基板」にショットキー接触することとなる。 Subsequently, as a material of the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 are to be formed by a known photolithography technique. The metals used (for example, Ni and Au) are sputtered in the order of Ni / Au by sputtering. Thereafter, by removing the photoresist, unnecessary portions of metal (portions other than the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17) are lifted off together with the photoresist. Through these steps, as shown in FIG. 4I, the contact electrode 13 is formed (contact electrode forming step), and at the same time, the Schottky electrode 17 is formed (Schottky electrode forming step). After the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 are formed, a thermal alloy (annealing process) is performed, so that the contact between the contact electrode 13 and the p-type GaN layer 3 becomes an ohmic contact. - contact type GaN layer 2 is a Schottky contact. The SBD 19 is formed by Schottky contact between the Schottky electrode 17 and the n -type GaN layer 2. The n + -type GaN substrate 1 and the n -type GaN layer 23 formed on the n + -type GaN substrate 1 are regarded as a “conductive substrate”, and this conductive substrate (n -type GaN layer 23 is ) And the group III nitride semiconductor layer laminated thereon, the Schottky electrode 17 is a “conductive substrate that also serves as a“ first layer ”. Will be in Schottky contact.

次いで、公知のフォトリソグラフィ技術により、ソース電極15を形成すべき領域に開口部を有するフォトレジスト(図示せず)を介して、ソース電極15の材料として用いられるメタル(たとえば、TiおよびAl)が、スパッタ法により、Ti/Alの順にスパッタされる。その後は、フォトレジストが除去されることにより、メタルの不要部分(ソース電極15以外の部分)がフォトレジストとともにリフトオフされる。これらの操作により、図4Jに示すように、ソース電極15が形成される(ソース電極形成工程)。ソース電極15が形成された後には、熱アロイ(アニール処理)が行なわれることにより、ソース電極15とn+型GaN層4との接触がオーミック接触となる。 Next, a metal (for example, Ti and Al) used as a material for the source electrode 15 is formed by a known photolithography technique through a photoresist (not shown) having an opening in a region where the source electrode 15 is to be formed. Then, sputtering is performed in the order of Ti / Al by sputtering. Thereafter, the photoresist is removed, so that unnecessary portions of metal (portions other than the source electrode 15) are lifted off together with the photoresist. By these operations, as shown in FIG. 4J, the source electrode 15 is formed (source electrode formation step). After the source electrode 15 is formed, a thermal alloy (annealing process) is performed, so that the contact between the source electrode 15 and the n + -type GaN layer 4 becomes an ohmic contact.

その後は、ソース電極15の場合と同様の方法により、図4Jに示すように、ゲート絶縁膜9を挟んで壁面8およびn+型GaN層4の上面においてトレンチ7の縁部に対向する、ゲート電極10が形成される(ゲート電極形成工程)。
そして、ソース電極15の場合と同様の方法により、図4Kに示すように、n+型GaN基板1の他方表面に、ドレイン電極18が形成される(ドレイン電極形成工程)。こうして、窒化物半導体積層構造部5に、ゲート電極10、ゲート絶縁膜9、ソース電極15およびドレイン電極18が形成されてなるMOSFET20が形成される。その後、ソース電極15とショットキー電極17とが、配線21で接続されることにより、図1に示す窒化物半導体素子を得ることができる。
Thereafter, in the same manner as in the case of the source electrode 15, as shown in FIG. 4J, the gate facing the edge of the trench 7 on the wall surface 8 and the upper surface of the n + -type GaN layer 4 with the gate insulating film 9 interposed therebetween. The electrode 10 is formed (gate electrode forming step).
Then, as shown in FIG. 4K, the drain electrode 18 is formed on the other surface of the n + -type GaN substrate 1 by the same method as that for the source electrode 15 (drain electrode forming step). In this way, the MOSFET 20 in which the gate electrode 10, the gate insulating film 9, the source electrode 15 and the drain electrode 18 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is formed. Thereafter, the source electrode 15 and the Schottky electrode 17 are connected by the wiring 21, whereby the nitride semiconductor device shown in FIG. 1 can be obtained.

複数の窒化物半導体積層構造部5は、それぞれ単位セルを形成している。窒化物半導体積層構造部5のゲート電極10およびソース電極15は、それぞれ、図示しない位置で共通接続されている。ドレイン電極18は、n+型GaN基板1に接触して形成されており、すべてのセルに対して共通の電極となっている。
以上のように、この窒化物半導体素子には、窒化物半導体積層構造部5に、ゲート電極10、ゲート絶縁膜9、ソース電極15およびドレイン電極18が形成されてなるMOSFET20が形成されている。
Each of the plurality of nitride semiconductor multilayer structures 5 forms a unit cell. The gate electrode 10 and the source electrode 15 of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 are commonly connected at positions not shown. The drain electrode 18 is formed in contact with the n + -type GaN substrate 1 and is a common electrode for all cells.
As described above, in this nitride semiconductor element, the MOSFET 20 is formed in which the gate electrode 10, the gate insulating film 9, the source electrode 15, and the drain electrode 18 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5.

さらに、この窒化物半導体素子には、MOSFET20のゲート絶縁膜9に、n-型GaN層2の引き出し部6の上面を露出させるコンタクト開口16が形成されており、このコンタクト開口16から露出するn-型GaN層2上には、ショットキー電極17が形成されている。ショットキー電極17は、n-型GaN層2に対してショットキー接触している。ショットキー電極17が、n-型GaN層2に対してショットキー接触していることにより、窒化物半導体素子には、ショットキー電極17とn-型GaN層2とで構成されるSBD19が備えられている。そして、このSBD19は、配線21を介してソース電極15に接続されている。 Further, in this nitride semiconductor element, a contact opening 16 is formed in the gate insulating film 9 of the MOSFET 20 to expose the upper surface of the lead portion 6 of the n -type GaN layer 2, and the n exposed through the contact opening 16. - on -type GaN layer 2, the Schottky electrode 17 is formed. The Schottky electrode 17 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 2. Since the Schottky electrode 17 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 2, the nitride semiconductor element includes the SBD 19 including the Schottky electrode 17 and the n -type GaN layer 2. It has been. The SBD 19 is connected to the source electrode 15 through the wiring 21.

そのため、ドレイン電極18に対してソース電極15側が正となるバイアスが印加されたとき(ソース電極15の電位がドレイン電極18の電位よりも高い状態になったとき)に、SBD19に優先的に電流を流すことができる。その結果、たとえば、窒化物半導体素子の動作させる際に、ソース電極15側が正となるバイアスが印加されても、当該バイアスにより発生する高電流を、ドレイン電極18からショットキー電極17へと配線21を介して流すことができる。したがって、n+型GaN層4とp型GaN層3との接合部分への電界集中を抑制することでき、絶縁破壊の発生を抑制することができる。 Therefore, when a bias that is positive on the source electrode 15 side is applied to the drain electrode 18 (when the potential of the source electrode 15 is higher than the potential of the drain electrode 18), the SBD 19 is preferentially supplied with current. Can flow. As a result, for example, when a nitride semiconductor element is operated, a high current generated by the bias is applied from the drain electrode 18 to the Schottky electrode 17 even when a bias that is positive on the source electrode 15 side is applied. Can be flowed through. Therefore, electric field concentration at the junction between the n + -type GaN layer 4 and the p-type GaN layer 3 can be suppressed, and the occurrence of dielectric breakdown can be suppressed.

また、このように絶縁破壊の発生を抑制するためのダイオードが、MOSFET20におけるn-型GaN層2の引き出し部6とこの引き出し部6の上面に形成されたショットキー電極17とで構成されるSBD19として形成されている。そのため、図2に示すように、MOSFET20と絶縁破壊対策のためのダイオードとを集約することができる。その結果、窒化物半導体素子のチップ面積の縮小化を実現することができる。 In addition, a diode for suppressing the occurrence of dielectric breakdown in this manner is an SBD 19 including the lead portion 6 of the n -type GaN layer 2 in the MOSFET 20 and the Schottky electrode 17 formed on the upper surface of the lead portion 6. It is formed as. Therefore, as shown in FIG. 2, the MOSFET 20 and the diode for countermeasures against dielectric breakdown can be integrated. As a result, it is possible to reduce the chip area of the nitride semiconductor device.

また、n+型GaN基板1とn-型GaN層2とを比較した場合、n-型GaN層2の方が、n型不純物濃度が低いので、ショットキーバリアが逆バイアス状態のときに広がる空乏層幅が大きく、より高い電圧に耐えることができる、いわゆる高耐圧構造を有する。そして、この窒化物半導体素子では、ショットキー電極17が、高耐圧構造を有するn-型GaN層2にショットキー接触しているので、n-型GaN層2とショットキー電極17とからなる構成により、耐圧性能に優れるSBD19を形成することができる。 Further, when the n + -type GaN substrate 1 and the n -type GaN layer 2 are compared, the n -type GaN layer 2 has a lower n-type impurity concentration, so that it expands when the Schottky barrier is in a reverse bias state. It has a so-called high breakdown voltage structure that has a large depletion layer width and can withstand higher voltages. In this nitride semiconductor device, since the Schottky electrode 17 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 2 having a high breakdown voltage structure, the n - type GaN layer 2 and the Schottky electrode 17 are configured. Thus, the SBD 19 having excellent pressure resistance performance can be formed.

また、この実施形態では、窒化物半導体積層構造部5を支持する基板が、導電性を有するn+型GaN基板1なので、ドレイン電極18をn+型GaN基板1の他方表面に接触形成することにより、n+型GaN基板1を介してドレイン電極18とn-型GaN層2とをオーミック接触させることができる。ドレイン電極18をn+型GaN基板1の他方表面に接触形成できるので、窒化物半導体積層構造部5において、ドレイン電極18を接触させるためのスペースを省略することができる。すなわち、窒化物半導体積層構造部5の面積を小さくすることができるので、窒化物半導体素子のチップ面積を一層縮小することができる。 In this embodiment, since the substrate supporting the nitride semiconductor multilayer structure 5 is the conductive n + -type GaN substrate 1, the drain electrode 18 is formed in contact with the other surface of the n + -type GaN substrate 1. Thus, the drain electrode 18 and the n -type GaN layer 2 can be brought into ohmic contact via the n + -type GaN substrate 1. Since the drain electrode 18 can be formed in contact with the other surface of the n + -type GaN substrate 1, a space for contacting the drain electrode 18 in the nitride semiconductor multilayer structure 5 can be omitted. That is, since the area of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 can be reduced, the chip area of the nitride semiconductor element can be further reduced.

また、この実施形態では、コンタクト電極13が、p型GaN層3に対してオーミック接触しており、また、その上面においてソース電極15と接触(短絡)している。そのため、ソース電極15を基準電位(たとえば、グランド電位)に接続することにより、コンタクト電極13を介してp型GaN層3の電位を基準電位に安定させることができる。
さらに窒化物半導体素子の製造工程においては、コンタクト電極13とショットキー電極17とが、同種の金属(たとえば、Ni/Au合金など)からなるので、ショットキー電極17を形成する工程とコンタクト電極13を形成する工程とを並行して行なうことができる。したがって、窒化物半導体素子の製造工程の工程時間を短縮することができ、製造コストを低減することができる。
In this embodiment, the contact electrode 13 is in ohmic contact with the p-type GaN layer 3 and is in contact (short circuit) with the source electrode 15 on the upper surface thereof. Therefore, the potential of the p-type GaN layer 3 can be stabilized at the reference potential via the contact electrode 13 by connecting the source electrode 15 to the reference potential (for example, the ground potential).
Further, in the manufacturing process of the nitride semiconductor device, since the contact electrode 13 and the Schottky electrode 17 are made of the same kind of metal (for example, Ni / Au alloy), the step of forming the Schottky electrode 17 and the contact electrode 13 are formed. The process of forming can be performed in parallel. Therefore, the process time of the nitride semiconductor element manufacturing process can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。図5において、図1に示す各部に対応する部分には、それらの各部と同一の参照符号を付している。また、以下では、同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明を省略する。
この実施形態では、サファイア基板26が用いられている。そして、このサファイア基板26の一方表面に窒化物半導体積層構造部5が形成されている。この実施形態では、窒化物半導体積層構造部5は、サファイア基板26の一方表面に形成されたn-型GaN層2と、その上に積層されたp型GaN層3と、その上に積層されたn+型GaN層4とで構成されている。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, parts corresponding to the parts shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those parts. Further, in the following, detailed description of the parts denoted by the same reference numerals is omitted.
In this embodiment, a sapphire substrate 26 is used. A nitride semiconductor multilayer structure 5 is formed on one surface of the sapphire substrate 26. In this embodiment, the nitride semiconductor multilayer structure 5 is laminated on the n -type GaN layer 2 formed on one surface of the sapphire substrate 26, the p-type GaN layer 3 laminated thereon. And an n + -type GaN layer 4.

この実施形態では、壁面8は、窒化物半導体積層構造部5に引き出し部6が形成されるにともない、窒化物半導体積層構造部5に形成されたn型GaN層2、p型GaN層3およびn型GaN層4に跨る側面により構成されている。
ゲート電極10は、ゲート絶縁膜9を挟んで、壁面8、n-型GaN層2の上面における壁面8の縁部およびn+型GaN層2の上面における壁面8の縁部に対向するように形成されている。
In this embodiment, the wall surface 8 includes the n-type GaN layer 2, the p-type GaN layer 3, and the n-type GaN layer 3 formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 as the lead portion 6 is formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5. The side surface straddling the n-type GaN layer 4 is configured.
Gate electrode 10 faces wall 8, the edge of wall 8 on the upper surface of n -type GaN layer 2, and the edge of wall 8 on the upper surface of n + -type GaN layer 2 with gate insulating film 9 interposed therebetween. Is formed.

ドレイン電極18は、ゲート絶縁膜9を貫通し、n-型GaN層2の引き出し部6の上面に形成されている。ドレイン電極18は、n-型GaN層2に対してオーミック接触することとなる。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様であり、動作もまた、同様である。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。図6において、図1に示す各部に対応する部分には、それらの各部と同一の参照符号を付している。また、以下では、同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明を省略する。
The drain electrode 18 penetrates the gate insulating film 9 and is formed on the upper surface of the lead portion 6 of the n -type GaN layer 2. The drain electrode 18 is in ohmic contact with the n -type GaN layer 2. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the operations are also the same.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, portions corresponding to the respective portions shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those respective portions. Further, in the following, detailed description of the parts denoted by the same reference numerals is omitted.

この実施形態においても、前述の第2の実施形態と同様に、サファイア基板26が用いられている。そして、このサファイア基板26の一方表面に窒化物半導体積層構造部5が形成されている。この実施形態では、窒化物半導体積層構造部5は、サファイア基板26の一方表面に形成されたn-型GaN層2と、その上に積層されたp型GaN層3と、その上に積層されたn+型GaN層4とで構成されている。 Also in this embodiment, the sapphire substrate 26 is used as in the second embodiment. A nitride semiconductor multilayer structure 5 is formed on one surface of the sapphire substrate 26. In this embodiment, the nitride semiconductor multilayer structure 5 is laminated on the n -type GaN layer 2 formed on one surface of the sapphire substrate 26, the p-type GaN layer 3 laminated thereon. And an n + -type GaN layer 4.

この実施形態では、ショットキー電極17は、窒化物半導体積層構造部5の両側から、サファイア基板26の表面に沿う幅方向に引き出されたn-型GaN層2の一方の引き出し部6の上面に形成されている。また、ドレイン電極18は、他方の引き出し部6の上面に形成されている。すなわち、ショットキー電極17およびドレイン電極18は、n-型GaN層2の上面において、断面略台形の窒化物半導体積層構造部5を隔てた一方側および他方側にそれぞれ振り分けられている。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様であり、動作もまた、同様である。 In this embodiment, the Schottky electrode 17 is formed on the upper surface of one lead portion 6 of the n -type GaN layer 2 drawn in the width direction along the surface of the sapphire substrate 26 from both sides of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5. Is formed. The drain electrode 18 is formed on the upper surface of the other lead portion 6. That is, the Schottky electrode 17 and the drain electrode 18 are distributed on the upper surface of the n -type GaN layer 2 to one side and the other side of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 having a substantially trapezoidal cross section. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the operations are also the same.

図7は、本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。図7において、図1に示す各部に対応する部分には、それらの各部と同一の参照符号を付している。また、以下では、同一の参照符号を付した部分についての詳細な説明を省略する。
この実施形態においても、前述の第2の実施形態と同様に、サファイア基板26が用いられている。そして、このサファイア基板26の一方表面に窒化物半導体積層構造部5が形成されている。この実施形態では、窒化物半導体積層構造部5は、サファイア基板26の一方表面に形成されたn-型GaN層2と、その上に積層されたp型GaN層3と、その上に積層されたn+型GaN層4とで構成されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 7, parts corresponding to the parts shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those parts. Further, in the following, detailed description of the parts denoted by the same reference numerals is omitted.
Also in this embodiment, the sapphire substrate 26 is used as in the second embodiment. A nitride semiconductor multilayer structure 5 is formed on one surface of the sapphire substrate 26. In this embodiment, the nitride semiconductor multilayer structure 5 is laminated on the n -type GaN layer 2 formed on one surface of the sapphire substrate 26, the p-type GaN layer 3 laminated thereon. And an n + -type GaN layer 4.

この実施形態では、ショットキー電極17およびドレイン電極18は、窒化物半導体積層構造部5の両側から、サファイア基板26の表面に沿う幅方向に引き出されたn-型GaN層2の一方の引き出し部6の上面に、互いに隣接して形成されている。その他の構成は、前述の第1の実施形態の場合と同様であり、動作もまた、同様である。
図8は、本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な平面図である。図9は、図8の窒化物半導体素子をIX−IXで示す切断線で切
断したときの模式的な断面図である。
In this embodiment, the Schottky electrode 17 and the drain electrode 18 are one lead-out portion of the n -type GaN layer 2 drawn from both sides of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 in the width direction along the surface of the sapphire substrate 26. 6 are formed adjacent to each other. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the operations are also the same.
FIG. 8 is a schematic plan view for explaining the structure of the nitride semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device of FIG. 8 taken along the cutting line indicated by IX-IX.

この窒化物半導体素子は、導電性のn+型GaN基板31(下層)と、n+型GaN基板31の一方表面に形成された窒化物半導体積層構造部35とを備えている。
窒化物半導体積層構造部35は、n-型GaN層32(上層)と、n-型GaN層32上に積層されたp型GaN層33(第2層)と、p型GaN層33上に積層されたn+型GaN層34(第3層)とを備えている。
This nitride semiconductor device includes a conductive n + -type GaN substrate 31 (lower layer) and a nitride semiconductor multilayer structure portion 35 formed on one surface of the n + -type GaN substrate 31.
The nitride semiconductor multilayer structure 35 includes an n type GaN layer 32 (upper layer), a p type GaN layer 33 (second layer) stacked on the n type GaN layer 32, and the p type GaN layer 33. And a stacked n + -type GaN layer 34 (third layer).

+型GaN基板31およびn+型GaN層34は、n-型GaN層32よりもn型不純物濃度が高く、その濃度は、たとえば、3×1018cm-3である。一方、n-型GaN層32のn型不純物濃度は、たとえば、1×1017cm-3である。
窒化物半導体積層構造部35は、n+型GaN層34からn-型GaN層32が露出する深さまで、平面視環状のパターンで積層界面を横切る方向にエッチングされている。これにより、窒化物半導体積層構造部35には、平面視環状の第1トレンチ53が形成されている。
The n + -type GaN substrate 31 and the n + -type GaN layer 34 have an n-type impurity concentration higher than that of the n -type GaN layer 32, and the concentration is, for example, 3 × 10 18 cm −3 . On the other hand, the n-type impurity concentration of the n -type GaN layer 32 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 .
The nitride semiconductor multilayer structure portion 35 is etched in a direction crossing the multilayer interface from the n + -type GaN layer 34 to a depth at which the n -type GaN layer 32 is exposed, in an annular pattern in plan view. As a result, a first trench 53 having a ring shape in plan view is formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 35.

窒化物半導体積層構造部35は、第1トレンチ53に囲まれるメサ積層部98と、メサ積層部98からn+型GaN基板31の表面に沿う横方向(以下、この方向を「幅方向」とする。)に引き出された、n-型GaN層32からなる引き出し部36とを有している。すなわち、平面視環状の引き出し部36は、この実施形態では、n-型GaN層32の延長部で構成されている。 The nitride semiconductor multilayer structure portion 35 includes a mesa multilayer portion 98 surrounded by the first trench 53 and a lateral direction extending from the mesa multilayer portion 98 to the surface of the n + -type GaN substrate 31 (hereinafter, this direction is referred to as a “width direction”). And a lead portion 36 made of the n -type GaN layer 32. That is, the annular drawing portion 36 in plan view is formed by an extension of the n -type GaN layer 32 in this embodiment.

メサ積層部98は、n+型GaN層34からn-型GaN層32が露出する深さまで、平面視格子状のパターンで積層界面を横切る方向にエッチングされている。これにより、メサ積層部98には、平面視格子状および断面視U字状の第2トレンチ37が形成されている。
第2トレンチ37の深さは、第1トレンチ53の深さよりも深い。また、第2トレンチ37の最大幅は、好ましくは、0.5〜2μmである。
The mesa stacked portion 98 is etched in a direction crossing the stacked interface from the n + -type GaN layer 34 to a depth at which the n -type GaN layer 32 is exposed in a plan view lattice pattern. As a result, the second trench 37 having a lattice shape in a plan view and a U shape in a cross section is formed in the mesa laminated portion 98.
The depth of the second trench 37 is deeper than the depth of the first trench 53. The maximum width of the second trench 37 is preferably 0.5 to 2 μm.

そして、このような形状の第2トレンチ37により、メサ積層部98には、格子状の第2トレンチ37に囲まれる窓部分に、n-型GaN層32、p型GaN層33およびn+型GaN層34に跨り、メサ積層部98(窒化物半導体積層構造部35)の積層界面に対して傾斜する壁面38を4面有する四角柱(直方体)状の柱状部54が形成されている。
柱状部54は、各柱状部54が隣接する柱状部54と所定幅(第2トレンチ37の幅)を空けるように、全体として行列状に配列されている。
Due to the second trench 37 having such a shape, the n -type GaN layer 32, the p-type GaN layer 33, and the n + -type are formed in the mesa stacked portion 98 in the window portion surrounded by the lattice-shaped second trench 37. A quadrangular columnar (cuboid) columnar portion 54 having four wall surfaces 38 that are inclined with respect to the lamination interface of the mesa laminated portion 98 (nitride semiconductor laminated structure portion 35) is formed across the GaN layer 34.
The columnar portions 54 are arranged in a matrix as a whole so that each columnar portion 54 is spaced from the adjacent columnar portion 54 by a predetermined width (the width of the second trench 37).

各柱状部54の平面視における1辺は、好ましくは、2〜10μm、つまり、各柱状部54は、好ましくは、平面視で2μm角〜10μm角である。また、各柱状部54は、n-型GaN層32、p型GaN層33およびn+型GaN層34からなるnpn積層構造を有しており、窒化物半導体素子において、トランジスタ機能を有する最小単位(単位セル)を構成している。なお、第2トレンチ37内に露出するn-型GaN層32は、各単位セルで共有されている。 One side in the plan view of each columnar part 54 is preferably 2 to 10 μm, that is, each columnar part 54 is preferably 2 μm square to 10 μm square in plan view. Each columnar portion 54 has an npn stacked structure including an n -type GaN layer 32, a p-type GaN layer 33, and an n + -type GaN layer 34, and is a minimum unit having a transistor function in the nitride semiconductor element. (Unit cell). The n -type GaN layer 32 exposed in the second trench 37 is shared by each unit cell.

窒化物半導体積層構造部35は、n+型GaN基板31の上に、たとえば、MOCVD法によって形成されている。
たとえば、主面がc面(0001)のn+型GaN基板31を用いると、このn+型GaN基板31の上にエピタキシャル成長によって成長させられるn-型GaN層32、p型GaN層33およびn+型GaN層34は、やはりc面(0001)を主面として積層されることになる。したがって、窒化物半導体積層構造部35の積層界面に対して傾斜する壁面38の面方位は、たとえば、c面(0001)に対して15°〜90°の範囲で傾斜した面(c面以外の面)である。より具体的には、たとえば、m面(10-10)またはa面(11-20)などの非極性面や、(10-13)、(10-11)、(11-22)などのセミポーラ面となる。
The nitride semiconductor multilayer structure portion 35 is formed on the n + -type GaN substrate 31 by, for example, the MOCVD method.
For example, when an n + -type GaN substrate 31 having a c-plane (0001) as the main surface is used, an n -type GaN layer 32, a p-type GaN layer 33, and an n -type GaN layer that are grown on the n + -type GaN substrate 31 by epitaxial growth. The + -type GaN layer 34 is also laminated with the c-plane (0001) as the main surface. Therefore, the plane orientation of the wall surface 38 inclined with respect to the lamination interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 35 is, for example, a plane inclined in a range of 15 ° to 90 ° with respect to the c plane (0001) (other than the c plane). Surface). More specifically, for example, non-polar surfaces such as m-plane (10-10) or a-plane (11-20), and semipolar surfaces such as (10-13), (10-11), and (11-22) It becomes a surface.

柱状部54および引き出し部36の表面全域には、一部を除いてゲート絶縁膜39が形成されている。ゲート絶縁膜39は、たとえば、窒化物または酸化物で構成することができる。より具体的には、ゲート絶縁膜39は、SiN(窒化シリコン)、SiO2(酸化シリコン)またはこれらの組み合わせで構成することができる。
ゲート絶縁膜39上には、各柱状部54において壁面38に対向するゲート電極40が形成されている。ゲート電極40は、柱状部54において、平面視正方形のn+型GaN層34の周縁部から4つの壁面38全域を覆い、第2トレンチ37内に露出するn-型GaN層32上に至るように形成されている。これにより、各単位セル(各柱状部54)におけるゲート幅は、平面視における柱状部54の外周(正方形の辺の総長さ)とほぼ同じとなっている。
A gate insulating film 39 is formed on the entire surface of the columnar portion 54 and the lead portion 36 except for a part thereof. The gate insulating film 39 can be made of, for example, nitride or oxide. More specifically, the gate insulating film 39 can be composed of SiN (silicon nitride), SiO 2 (silicon oxide), or a combination thereof.
On the gate insulating film 39, the gate electrode 40 is formed so as to face the wall surface 38 in each columnar portion 54. The gate electrode 40 covers the entire area of the four wall surfaces 38 from the peripheral edge of the square n + -type GaN layer 34 in the columnar portion 54 and reaches the n -type GaN layer 32 exposed in the second trench 37. Is formed. Thereby, the gate width in each unit cell (each columnar part 54) is substantially the same as the outer periphery (total length of square sides) of the columnar part 54 in plan view.

また、一柱状部54に形成されたゲート電極40と、隣接する他の柱状部54に形成されたゲート電極40とは、n-型GaN層32上において一体的に接続されている。つまり、ゲート電極40は、各柱状部54に形成される部分がn-型GaN層32上で一体的に接続されることにより、全ての柱状部54により共有されている。
また、ゲート電極40は、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金およびPd/Pt/Au合金、Pt、Al、ポリシリコンなどの導電性材料で構成することができる。
Further, the gate electrode 40 formed in one columnar portion 54 and the gate electrode 40 formed in another adjacent columnar portion 54 are integrally connected on the n -type GaN layer 32. That is, the gate electrode 40 is shared by all the columnar portions 54 by connecting the portions formed in the columnar portions 54 integrally on the n -type GaN layer 32.
Further, the gate electrode 40 is made of, for example, Ni and Au laminated on the Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy, Pt, Al. It can be made of a conductive material such as polysilicon.

p型GaN層33において壁面38付近の領域は、ゲート電極40に対向したチャネル領域41である。このチャネル領域41には、ゲート電極40に適切なバイアスが与えられることにより、n-型GaN層32とn+型GaN層34との間を電気的に導通させる反転チャネルが形成される。
各柱状部54には、コンタクト電極用トレンチ42が形成されている。コンタクト電極用トレンチ42は、n+型GaN層34の上面からp型GaN層33に至る深さで形成されている。コンタクト電極用トレンチ42には、コンタクト電極43が埋め込まれている。
A region near the wall surface 38 in the p-type GaN layer 33 is a channel region 41 facing the gate electrode 40. In this channel region 41, an inversion channel is formed to electrically connect the n -type GaN layer 32 and the n + -type GaN layer 34 by applying an appropriate bias to the gate electrode 40.
In each columnar portion 54, a contact electrode trench 42 is formed. The contact electrode trench 42 is formed at a depth from the upper surface of the n + -type GaN layer 34 to the p-type GaN layer 33. A contact electrode 43 is embedded in the contact electrode trench 42.

コンタクト電極43は、p型GaN層33に対してオーミック接触しており、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。これらの金属は、p型GaN層33に対するコンタクト抵抗が低いので、コンタクト電極43をp型GaN層33に対して良好にオーミック接触させることができる。   The contact electrode 43 is in ohmic contact with the p-type GaN layer 33. For example, a Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au made of Ni and Au laminated on the Ni is used. An alloy, a Pd / Pt / Au alloy, and a metal such as Pt can be used. Since these metals have a low contact resistance with respect to the p-type GaN layer 33, the contact electrode 43 can be satisfactorily brought into ohmic contact with the p-type GaN layer 33.

ゲート絶縁膜39には、各柱状部54において、n+型GaN層34の上面を露出させるコンタクト開口44が形成されている。コンタクト開口44は、n+型GaN層34上のゲート電極40により囲まれる部分において、平面視四角形に形成されている。そして、コンタクト開口44内に露出するコンタクト電極43およびn+型GaN層34上には、ソース電極45が形成されている。 In the gate insulating film 39, a contact opening 44 that exposes the upper surface of the n + -type GaN layer 34 is formed in each columnar portion 54. The contact opening 44 is formed in a square shape in plan view in a portion surrounded by the gate electrode 40 on the n + -type GaN layer 34. A source electrode 45 is formed on the contact electrode 43 and the n + -type GaN layer 34 exposed in the contact opening 44.

ソース電極45は、n+型GaN層34およびコンタクト電極43に対してオーミック接触しており、たとえば、Tiと、このTi上に積層されたAlからなるTi/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ソース電極45を、Alを含む金属で構成しておくことにより、ソース電極45をn+型GaN層34およびコンタクト電極43に対して良好にオーミック接触させることができる。ソース電極45は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 The source electrode 45 is in ohmic contact with the n + -type GaN layer 34 and the contact electrode 43, and is composed of, for example, a metal such as Ti and a Ti / Al alloy made of Al laminated on the Ti. can do. By configuring the source electrode 45 with a metal containing Al, the source electrode 45 can be in good ohmic contact with the n + -type GaN layer 34 and the contact electrode 43. In addition, the source electrode 45 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

+型GaN基板31の他方表面には、ドレイン電極48が接触形成されている。ドレイン電極48は、n+型GaN基板31に対してオーミック接触しており、たとえば、ソース電極45と同種の金属、すなわち、Ti/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ドレイン電極48は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 A drain electrode 48 is formed in contact with the other surface of the n + -type GaN substrate 31. The drain electrode 48 is in ohmic contact with the n + -type GaN substrate 31 and can be configured using, for example, the same type of metal as the source electrode 45, that is, a metal such as a Ti / Al alloy. In addition, the drain electrode 48 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

こうして、この窒化物半導体素子には、窒化物半導体積層構造部35に、ゲート電極40、ゲート絶縁膜39、ソース電極45およびドレイン電極48が形成されてなるMOSFET96(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS電界効果トランジスタ)が備えられている。
また、ゲート絶縁膜39には、引き出し部36上において、n-型GaN層32の上面を露出させるコンタクト開口46が形成されている。コンタクト開口46は、行列状に配列された柱状部54を取り囲むように平面視U字状に形成されている。そして、コンタクト開口46内に露出するn-型GaN層32上には、ショットキー電極47が形成されている。ショットキー電極47は、n-型GaN層32に対してショットキー接触しており、コンタクト電極43と同種の金属、すなわち、Ni/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。
Thus, in this nitride semiconductor element, a MOSFET 96 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOS) in which the gate electrode 40, the gate insulating film 39, the source electrode 45, and the drain electrode 48 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 35 is formed. Field effect transistor).
In the gate insulating film 39, a contact opening 46 that exposes the upper surface of the n -type GaN layer 32 is formed on the lead portion 36. The contact openings 46 are formed in a U shape in plan view so as to surround the columnar portions 54 arranged in a matrix. A Schottky electrode 47 is formed on the n -type GaN layer 32 exposed in the contact opening 46. The Schottky electrode 47 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 32, and is the same kind of metal as the contact electrode 43, that is, Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy and metal such as Pt can be used.

ゲート絶縁膜39上には、ソース電極45、ゲート電極40およびショットキー電極47を被覆する層間絶縁膜55が積層されている。層間絶縁膜55は、たとえば、窒化シリコン(SiN)や酸化シリコン(SiO2)を用いて構成することができる。
層間絶縁膜55には、ソース電極45に対向する部分に平面視四角形のソースコンタクトホール56が形成されている。ソースコンタクトホール56には、ソース電極45とのコンタクトのためのソースコンタクト電極57が埋設されている。ソースコンタクト電極57は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。
On the gate insulating film 39, an interlayer insulating film 55 covering the source electrode 45, the gate electrode 40, and the Schottky electrode 47 is laminated. The interlayer insulating film 55 can be configured using, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxide (SiO 2 ).
In the interlayer insulating film 55, a source contact hole 56 having a rectangular shape in plan view is formed in a portion facing the source electrode 45. A source contact electrode 57 for contact with the source electrode 45 is embedded in the source contact hole 56. The source contact electrode 57 can be configured using, for example, aluminum (Al).

また、層間絶縁膜55には、ショットキー電極47に対向する部分にショットキーコンタクトホール101が形成されている。ショットキーコンタクトホール101には、ショットキー電極47とのコンタクトのためのショットキーコンタクト電極51が埋設されている。ショットキーコンタクト電極51は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。   In the interlayer insulating film 55, a Schottky contact hole 101 is formed at a portion facing the Schottky electrode 47. A Schottky contact electrode 51 for contact with the Schottky electrode 47 is embedded in the Schottky contact hole 101. Schottky contact electrode 51 can be formed using, for example, aluminum (Al).

そして、層間絶縁膜55の表面には、ソースパッド58が形成されている。ソースパッド58は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。また、ソースパッド58は、行列状に配列された柱状部54およびショットキー電極47上の領域全域に跨って配置され、各柱状部54上に形成されたソースコンタクト電極57およびショットキー電極47上に形成されたショットキーコンタクト電極51に接触している。これにより、柱状部54に形成されたソース電極45は、ソースコンタクト電極57を介してソースパッド58に対して一括して電気的に接続(オーミック接続)されることになる。   A source pad 58 is formed on the surface of the interlayer insulating film 55. The source pad 58 can be configured using, for example, aluminum (Al). The source pad 58 is arranged over the entire region on the columnar portions 54 and the Schottky electrodes 47 arranged in a matrix, and on the source contact electrodes 57 and the Schottky electrodes 47 formed on the columnar portions 54. In contact with the Schottky contact electrode 51 formed on the substrate. As a result, the source electrode 45 formed on the columnar portion 54 is collectively electrically connected (ohmic connection) to the source pad 58 via the source contact electrode 57.

また、ショットキー電極47は、ショットキーコンタクト電極51を介してソースパッド58に接続されることになる。これにより、ショットキー電極47は、ソースパッド58を介して、各柱状部54に形成されたソース電極45に対して一括して電気的に接続されることになる。ショットキー電極47が、n-型GaN層32に対してショットキー接触していることにより、窒化物半導体素子には、ショットキー電極47とn-型GaN層32とで構成されるSBD49(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)が備えられている。 Further, the Schottky electrode 47 is connected to the source pad 58 through the Schottky contact electrode 51. Thus, the Schottky electrode 47 is collectively electrically connected to the source electrode 45 formed in each columnar portion 54 via the source pad 58. Since the Schottky electrode 47 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 32, the nitride semiconductor element includes an SBD 49 (Schottky comprising the Schottky electrode 47 and the n -type GaN layer 32. Barrier Diode: Schottky barrier diode) is provided.

また、層間絶縁膜55の表面には、ソースパッド58に隣接する部分に、ゲート電極40に電気的に接続されるゲートパッド59が形成されている。ゲートパッド59は、平面視でメサ積層部98における柱状部54の形成されていない部分に対向配置されている。ゲートパッド59は、層間絶縁膜55を貫通し、図示しない位置において引き回されたゲート配線に接触している。これにより、ゲートパッド59は、ゲート配線を介してゲート電極40と電気的に接続(オーミック接続)されることになる。   A gate pad 59 that is electrically connected to the gate electrode 40 is formed on the surface of the interlayer insulating film 55 in a portion adjacent to the source pad 58. The gate pad 59 is disposed opposite to a portion of the mesa laminated portion 98 where the columnar portion 54 is not formed in plan view. The gate pad 59 penetrates the interlayer insulating film 55 and is in contact with the gate wiring routed at a position not shown. Thereby, the gate pad 59 is electrically connected (ohmic connection) to the gate electrode 40 via the gate wiring.

なお、図8においては、窒化物半導体素子の構造理解を容易にするため、層間絶縁膜55を省略している。
なお、この実施形態に係る窒化物半導体素子の動作は、前述の第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の動作と同様である。
以上のように、この窒化物半導体素子によれば、前述の実施形態と同様に、MOSFET96のn-型GaN層32とショットキー電極47とで構成されるSBD49が設けられている。このSBD49は、ショットキーコンタクト電極51およびソースパッド58を介して、各柱状部54のソース電極45に対して一括して電気的に接続されている。
In FIG. 8, the interlayer insulating film 55 is omitted for easy understanding of the structure of the nitride semiconductor device.
The operation of the nitride semiconductor device according to this embodiment is the same as the operation of the nitride semiconductor device according to the first embodiment described above.
As described above, according to this nitride semiconductor device, the SBD 49 including the n -type GaN layer 32 of the MOSFET 96 and the Schottky electrode 47 is provided, as in the above-described embodiment. The SBD 49 is collectively electrically connected to the source electrode 45 of each columnar portion 54 via the Schottky contact electrode 51 and the source pad 58.

そのため、ドレイン電極48に対してソース電極45側が正となるバイアスが印加されたとき(ソース電極45の電位がドレイン電極48の電位よりも高い状態になったとき)に、SBD49に優先的に電流を流すことができる。
その結果、たとえば、窒化物半導体素子の動作させる際に、ソース電極45側が正となるバイアスが印加されても、当該バイアスにより発生する高電流を、ドレイン電極48からショットキー電極47へ流すことができる。したがって、n+型GaN層34とp型GaN層33との接合部分への電界集中を抑制することでき、絶縁破壊の発生を抑制することができる。
Therefore, when a bias that is positive on the source electrode 45 side is applied to the drain electrode 48 (when the potential of the source electrode 45 becomes higher than the potential of the drain electrode 48), the SBD 49 is preferentially supplied with current. Can flow.
As a result, for example, when a nitride semiconductor element is operated, a high current generated by the bias is allowed to flow from the drain electrode 48 to the Schottky electrode 47 even when a bias that is positive on the source electrode 45 side is applied. it can. Therefore, electric field concentration at the junction between the n + -type GaN layer 34 and the p-type GaN layer 33 can be suppressed, and the occurrence of dielectric breakdown can be suppressed.

また、このように絶縁破壊の発生を抑制するためのダイオードが、MOSFET96のn-型GaN層32と、このn-型GaN層32の上面に形成されたショットキー電極47とで構成されるSBD49として形成されている。
そのため、MOSFET96と絶縁破壊対策のためのダイオード(SBD49)とを集約することができる。
In addition, a diode for suppressing the occurrence of dielectric breakdown in this way is an SBD 49 configured by the n -type GaN layer 32 of the MOSFET 96 and the Schottky electrode 47 formed on the upper surface of the n -type GaN layer 32. It is formed as.
Therefore, the MOSFET 96 and the diode (SBD 49) for measures against dielectric breakdown can be integrated.

その結果、窒化物半導体素子のチップ面積の縮小化を実現することができる。
さらに、複数のソース電極45に対して一括して接続されるショットキー電極47が、行列状に配列された柱状部54を取り囲むように平面視U字状に形成されている。
そのため、各ソース電極45に1つずつショットキー電極が設けられる場合に比べて、チップ全体でショットキー電極の設置に要するスペースを小さくすることができる。
As a result, it is possible to reduce the chip area of the nitride semiconductor device.
Further, a Schottky electrode 47 connected to the plurality of source electrodes 45 at once is formed in a U shape in plan view so as to surround the columnar portions 54 arranged in a matrix.
Therefore, compared with the case where one Schottky electrode is provided for each source electrode 45, the space required for installation of the Schottky electrode in the entire chip can be reduced.

その結果、窒化物半導体素子のチップ面積を一層縮小することができる。
また、4面の壁面38全域にゲート電極40が対向しており、各単位セル(各柱状部54)におけるゲート幅が、平面視における柱状部54の外周(正方形の辺の総長さ)とほぼ同じであることから、各単位セルにおいて長いゲート幅を確保することができる。
そのため、電流密度を増やすことができるので、より高出力なパワーデバイスを実現することができる。
As a result, the chip area of the nitride semiconductor device can be further reduced.
Further, the gate electrode 40 is opposed to the entire area of the four wall surfaces 38, and the gate width in each unit cell (each columnar portion 54) is substantially equal to the outer periphery (total length of the square side) of the columnar portion 54 in plan view. Since they are the same, a long gate width can be secured in each unit cell.
Therefore, since the current density can be increased, a higher output power device can be realized.

図10は、本発明の第6の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な平面図である。図11は、図10の窒化物半導体素子をXI−XIで示す切断
線で切断したときの模式的な断面図である。
この窒化物半導体素子は、導電性のn+型GaN基板61(下層)と、n+型GaN基板61の一方表面に形成された窒化物半導体積層構造部65とを備えている。
FIG. 10 is a schematic plan view for explaining the structure of the nitride semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor device of FIG. 10 taken along the cutting line indicated by XI-XI.
This nitride semiconductor element includes a conductive n + -type GaN substrate 61 (lower layer) and a nitride semiconductor multilayer structure portion 65 formed on one surface of the n + -type GaN substrate 61.

窒化物半導体積層構造部65は、n-型GaN層62(上層)と、n-型GaN層62上に積層されたp型GaN層63(第2層)と、p型GaN層63上に積層されたn+型GaN層64(第3層)とを備えている。
+型GaN基板61およびn+型GaN層64は、n-型GaN層62よりもn型不純物濃度が高く、その濃度は、たとえば、3×1018cm-3である。一方、n-型GaN層62のn型不純物濃度は、たとえば、1×1017cm-3である。
The nitride semiconductor multilayer structure 65 includes an n type GaN layer 62 (upper layer), a p type GaN layer 63 (second layer) stacked on the n type GaN layer 62, and the p type GaN layer 63. And a laminated n + -type GaN layer 64 (third layer).
The n + -type GaN substrate 61 and the n + -type GaN layer 64 have an n-type impurity concentration higher than that of the n -type GaN layer 62, and the concentration is, for example, 3 × 10 18 cm −3 . On the other hand, the n-type impurity concentration of the n -type GaN layer 62 is, for example, 1 × 10 17 cm −3 .

窒化物半導体積層構造部65は、n+型GaN層64からn-型GaN層62が露出する深さまで、平面視環状のパターンで積層界面を横切る方向にエッチングされている。これにより、窒化物半導体積層構造部65には、平面視環状の第1トレンチ28が形成されている。
窒化物半導体積層構造部65は、第1トレンチ28に囲まれるメサ積層部99と、メサ積層部99からn+型GaN基板61の表面に沿う横方向(以下、この方向を「幅方向」とする。)に引き出された、n-型GaN層62からなる引き出し部66とを有している。すなわち、平面視環状の引き出し部66は、この実施形態では、n-型GaN層62の延長部で構成されている。
The nitride semiconductor multilayer structure portion 65 is etched in a direction crossing the multilayer interface in a circular pattern in plan view from the n + -type GaN layer 64 to a depth at which the n -type GaN layer 62 is exposed. As a result, the first trench 28 having a ring shape in plan view is formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 65.
The nitride semiconductor multilayer structure portion 65 includes a mesa multilayer portion 99 surrounded by the first trench 28, and a lateral direction from the mesa multilayer portion 99 to the surface of the n + -type GaN substrate 61 (hereinafter, this direction is referred to as a “width direction”). And a lead portion 66 made of the n -type GaN layer 62. In other words, the lead-out portion 66 having an annular shape in plan view is configured by an extension of the n -type GaN layer 62 in this embodiment.

メサ積層部99は、n+型GaN層64からn-型GaN層62が露出する深さまで、積層界面を横切る方向にエッチングされている。これにより、メサ積層部99には、断面視U字状の第2トレンチ67が形成されている。
第2トレンチ67は、平面視で正六角形の外郭をなす6辺を最小単位として、一の最小単位の一辺と、他の最小単位の一辺とが共有されるように、最小単位が複数整列されることにより、全体として平面視でハニカム構造に形成されている。また、第2トレンチ67の深さは、第1トレンチ28の深さよりも深い。また、第2トレンチ67の最大幅は、好ましくは、0.5〜2μmである。
The mesa stacked portion 99 is etched in a direction crossing the stacked interface from the n + -type GaN layer 64 to a depth at which the n -type GaN layer 62 is exposed. As a result, a second trench 67 having a U-shape in cross section is formed in the mesa laminated portion 99.
The second trench 67 has a plurality of minimum units aligned such that one side of one minimum unit and one side of another minimum unit are shared with a minimum unit of six sides forming a regular hexagonal outline in plan view. Thus, the honeycomb structure is formed as a whole in plan view. Further, the depth of the second trench 67 is deeper than the depth of the first trench 28. The maximum width of the second trench 67 is preferably 0.5 to 2 μm.

そして、このような形状の第2トレンチ67により、メサ積層部99には、第2トレンチ67の各最小単位で囲まれる部分に、n-型GaN層62、p型GaN層63およびn+型GaN層64に跨り、メサ積層部99(窒化物半導体積層構造部65)の積層界面に対して傾斜する壁面68を6面有する正六角柱状の柱状部29が形成されている。
柱状部29は、第2トレンチ67の最小単位と同数(複数)形成され、各柱状部29が隣接する柱状部29と所定幅(第2トレンチ67の幅)を空けるように、全体としてハニカム状に配列されている。
Due to the second trench 67 having such a shape, the mesa stacked portion 99 includes an n -type GaN layer 62, a p-type GaN layer 63, and an n + -type in a portion surrounded by each minimum unit of the second trench 67. A regular hexagonal columnar portion 29 having six wall surfaces 68 that are inclined with respect to the lamination interface of the mesa multilayer portion 99 (nitride semiconductor multilayer structure portion 65) is formed across the GaN layer 64.
The columnar portions 29 are formed in the same number (plurality) as the minimum units of the second trenches 67, and are formed in a honeycomb shape as a whole so that each columnar portion 29 has a predetermined width (the width of the second trench 67) from the adjacent columnar portions 29. Is arranged.

各柱状部29の平面視における1辺は、好ましくは、2〜10μmである。また、各柱状部29は、n-型GaN層62、p型GaN層63およびn+型GaN層64からなるnpn積層構造を有しており、窒化物半導体素子において、トランジスタ機能を有する最小単位(単位セル)を構成している。なお、第2トレンチ67内に露出するn-型GaN層62は、各単位セルで共有されている。 One side in the plan view of each columnar portion 29 is preferably 2 to 10 μm. Each columnar portion 29 has an npn stacked structure composed of an n -type GaN layer 62, a p-type GaN layer 63, and an n + -type GaN layer 64, and is a minimum unit having a transistor function in a nitride semiconductor device. (Unit cell). The n -type GaN layer 62 exposed in the second trench 67 is shared by the unit cells.

窒化物半導体積層構造部65は、n+型GaN基板61の上に、たとえば、MOCVD法によって形成されている。
たとえば、主面がc面(0001)のn+型GaN基板61を用いると、このn+型GaN基板61の上にエピタキシャル成長によって成長させられるn-型GaN層62、p型GaN層63およびn+型GaN層64は、やはりc面(0001)を主面として積層されることになる。したがって、窒化物半導体積層構造部65の積層界面に対して傾斜する壁面68の面方位は、たとえば、c面(0001)に対して15°〜90°の範囲で傾斜した面(c面以外の面)である。より具体的には、たとえば、m面(10-10)またはa面(11-20)などの非極性面や、(10-13)、(10-11)、(11-22)などのセミポーラ面となる。
The nitride semiconductor multilayer structure portion 65 is formed on the n + -type GaN substrate 61 by, for example, the MOCVD method.
For example, when an n + -type GaN substrate 61 having a c-plane (0001) as the main surface is used, an n -type GaN layer 62, a p-type GaN layer 63, and an n-type GaN layer grown on the n + -type GaN substrate 61 by epitaxial growth. The + -type GaN layer 64 is also laminated with the c-plane (0001) as the main surface. Therefore, the plane orientation of the wall surface 68 inclined with respect to the lamination interface of the nitride semiconductor multilayer structure portion 65 is, for example, a plane inclined in a range of 15 ° to 90 ° with respect to the c plane (0001) (other than the c plane) Surface). More specifically, for example, non-polar surfaces such as m-plane (10-10) or a-plane (11-20), and semipolar surfaces such as (10-13), (10-11), and (11-22) It becomes a surface.

柱状部29および引き出し部66の表面全域には、一部を除いてゲート絶縁膜69が形成されている。ゲート絶縁膜69は、たとえば、窒化物または酸化物で構成することができる。より具体的には、ゲート絶縁膜69は、SiN(窒化シリコン)、SiO2(酸化シリコン)またはこれらの組み合わせで構成することができる。
ゲート絶縁膜69上には、各柱状部29において壁面68に対向するゲート電極70が形成されている。ゲート電極70は、柱状部29において、平面視正六角形のn+型GaN層64の周縁部から6つの壁面68全域を覆い、第2トレンチ67内に露出するn-型GaN層62上に至るように形成されている。これにより、各単位セル(各柱状部29)におけるゲート幅は、平面視における柱状部29の外周(正六角形の辺の総長さ)とほぼ同じとなっている。
A gate insulating film 69 is formed on the entire surface of the columnar portion 29 and the lead portion 66 except for a part thereof. The gate insulating film 69 can be made of nitride or oxide, for example. More specifically, the gate insulating film 69 can be composed of SiN (silicon nitride), SiO 2 (silicon oxide), or a combination thereof.
On the gate insulating film 69, a gate electrode 70 that faces the wall surface 68 in each columnar portion 29 is formed. In the columnar portion 29, the gate electrode 70 covers the entire area of the six wall surfaces 68 from the peripheral portion of the regular hexagonal n + -type GaN layer 64 in plan view and reaches the n -type GaN layer 62 exposed in the second trench 67. It is formed as follows. Thereby, the gate width in each unit cell (each columnar part 29) is substantially the same as the outer periphery (total length of regular hexagonal sides) of the columnar part 29 in plan view.

また、一柱状部29に形成されたゲート電極70と、隣接する他の柱状部29に形成されたゲート電極70とは、n-型GaN層62上において一体的に接続されている。つまり、ゲート電極70は、各柱状部29に形成される部分がn-型GaN層62上で一体的に接続されることにより、全ての柱状部29により共有されている。
また、ゲート電極70は、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金およびPd/Pt/Au合金、Pt、Al、ポリシリコンなどの導電性材料で構成することができる。
In addition, the gate electrode 70 formed in the one columnar portion 29 and the gate electrode 70 formed in the other adjacent columnar portion 29 are integrally connected on the n -type GaN layer 62. That is, the gate electrode 70 is shared by all the columnar portions 29 by integrally connecting the portions formed in each columnar portion 29 on the n -type GaN layer 62.
The gate electrode 70 is made of, for example, Ni and Au laminated on the Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy, Pt, Al. It can be made of a conductive material such as polysilicon.

p型GaN層63において壁面68付近の領域は、ゲート電極70に対向したチャネル領域71である。このチャネル領域71には、ゲート電極70に適切なバイアスが与えられることにより、n-型GaN層62とn+型GaN層64との間を電気的に導通させる反転チャネルが形成される。
各柱状部29には、コンタクト電極用トレンチ72が形成されている。コンタクト電極用トレンチ72は、n+型GaN層64の上面からp型GaN層63に至る深さで形成されている。コンタクト電極用トレンチ72には、コンタクト電極73が埋め込まれている。
A region near the wall surface 68 in the p-type GaN layer 63 is a channel region 71 facing the gate electrode 70. In this channel region 71, an inversion channel is formed that electrically conducts between the n -type GaN layer 62 and the n + -type GaN layer 64 by applying an appropriate bias to the gate electrode 70.
A contact electrode trench 72 is formed in each columnar portion 29. The contact electrode trench 72 is formed at a depth from the upper surface of the n + -type GaN layer 64 to the p-type GaN layer 63. A contact electrode 73 is embedded in the contact electrode trench 72.

コンタクト電極73は、p型GaN層63に対してオーミック接触しており、たとえば、Niと、このNi上に積層されたAuとからなるNi/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。これらの金属は、p型GaN層63に対するコンタクト抵抗が低いので、コンタクト電極73をp型GaN層63に対して良好にオーミック接触させることができる。   The contact electrode 73 is in ohmic contact with the p-type GaN layer 63. For example, a Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au made of Ni and Au laminated on the Ni is used. An alloy, a Pd / Pt / Au alloy, and a metal such as Pt can be used. Since these metals have a low contact resistance with respect to the p-type GaN layer 63, the contact electrode 73 can be satisfactorily brought into ohmic contact with the p-type GaN layer 63.

ゲート絶縁膜69には、各柱状部29において、n+型GaN層64の上面を露出させるコンタクト開口74が形成されている。コンタクト開口74は、n+型GaN層64上のゲート電極70により囲まれる部分において、平面視四角形に形成されている。そして、コンタクト開口74内に露出するコンタクト電極73およびn+型GaN層64上には、ソース電極75が形成されている。 In the gate insulating film 69, a contact opening 74 exposing the upper surface of the n + -type GaN layer 64 is formed in each columnar portion 29. The contact opening 74 is formed in a square shape in plan view in a portion surrounded by the gate electrode 70 on the n + -type GaN layer 64. A source electrode 75 is formed on the contact electrode 73 and the n + -type GaN layer 64 exposed in the contact opening 74.

ソース電極75は、n+型GaN層64およびコンタクト電極73に対してオーミック接触しており、たとえば、Tiと、このTi上に積層されたAlからなるTi/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ソース電極75を、Alを含む金属で構成しておくことにより、ソース電極75をn+型GaN層64およびコンタクト電極73に対して良好にオーミック接触させることができる。ソース電極75は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 The source electrode 75 is in ohmic contact with the n + -type GaN layer 64 and the contact electrode 73. For example, the source electrode 75 is made of Ti and a metal such as a Ti / Al alloy made of Al laminated on the Ti. can do. By configuring the source electrode 75 with a metal containing Al, the source electrode 75 can be in good ohmic contact with the n + -type GaN layer 64 and the contact electrode 73. In addition, the source electrode 75 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

+型GaN基板61の他方表面には、ドレイン電極78が接触形成されている。ドレイン電極78は、n+型GaN基板61に対してオーミック接触しており、たとえば、ソース電極75と同種の金属、すなわち、Ti/Al合金などの金属を用いて構成することができる。ドレイン電極78は、その他、MoもしくはMo化合物(たとえば、モリブデンシリサイド)、TiもしくはTi化合物(たとえば、チタンシリサイド)、またはWもしくはW化合物(たとえば、タングステンシリサイド)で構成してもよい。 A drain electrode 78 is formed in contact with the other surface of the n + -type GaN substrate 61. The drain electrode 78 is in ohmic contact with the n + -type GaN substrate 61, and can be configured using, for example, the same type of metal as the source electrode 75, that is, a metal such as a Ti / Al alloy. In addition, the drain electrode 78 may be made of Mo or Mo compound (for example, molybdenum silicide), Ti or Ti compound (for example, titanium silicide), or W or W compound (for example, tungsten silicide).

こうして、この窒化物半導体素子には、窒化物半導体積層構造部65に、ゲート電極70、ゲート絶縁膜69、ソース電極75およびドレイン電極78が形成されてなるMOSFET97(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOS電界効果トランジスタ)が備えられている。
また、ゲート絶縁膜69には、引き出し部66上において、n-型GaN層62の上面を露出させるコンタクト開口76が形成されている。コンタクト開口76は、ハニカム状に配列された柱状部29を取り囲むように平面視略U字状に形成されている。そして、コンタクト開口76内に露出するn-型GaN層62上には、ショットキー電極77が形成されている。ショットキー電極77は、n-型GaN層62に対してショットキー接触しており、コンタクト電極73と同種の金属、すなわち、Ni/Au合金、Pd/Au合金、Pd/Ti/Au合金、Pd/Pt/Au合金およびPtなどの金属を用いて構成することができる。
Thus, in this nitride semiconductor element, a MOSFET 97 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOS) in which the gate electrode 70, the gate insulating film 69, the source electrode 75, and the drain electrode 78 are formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 65 is formed. Field effect transistor).
In the gate insulating film 69, a contact opening 76 that exposes the upper surface of the n -type GaN layer 62 is formed on the lead portion 66. The contact openings 76 are formed in a substantially U shape in plan view so as to surround the columnar portions 29 arranged in a honeycomb shape. A Schottky electrode 77 is formed on the n -type GaN layer 62 exposed in the contact opening 76. The Schottky electrode 77 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 62, and is the same type of metal as the contact electrode 73, that is, Ni / Au alloy, Pd / Au alloy, Pd / Ti / Au alloy, Pd / Pt / Au alloy and metal such as Pt can be used.

ゲート絶縁膜69上には、ソース電極75、ゲート電極70およびショットキー電極77を被覆する層間絶縁膜30が積層されている。層間絶縁膜30は、たとえば、窒化シリコン(SiN)や酸化シリコン(SiO2)を用いて構成することができる。
層間絶縁膜30には、ソース電極75に対向する部分に平面視正六角形のソースコンタクトホール50が形成されている。ソースコンタクトホール50には、ソース電極75とのコンタクトのためのソースコンタクト電極52が埋設されている。ソースコンタクト電極52は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。
On the gate insulating film 69, an interlayer insulating film 30 covering the source electrode 75, the gate electrode 70, and the Schottky electrode 77 is laminated. The interlayer insulating film 30 can be configured using, for example, silicon nitride (SiN) or silicon oxide (SiO 2 ).
In the interlayer insulating film 30, a source contact hole 50 having a regular hexagonal shape in plan view is formed in a portion facing the source electrode 75. A source contact electrode 52 for contact with the source electrode 75 is embedded in the source contact hole 50. The source contact electrode 52 can be configured using, for example, aluminum (Al).

また、層間絶縁膜30には、ショットキー電極77に対向する部分にショットキーコンタクトホール102が形成されている。ショットキーコンタクトホール102には、ショットキー電極77とのコンタクトのためのショットキーコンタクト電極27が埋設されている。ショットキーコンタクト電極27は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。   In the interlayer insulating film 30, a Schottky contact hole 102 is formed at a portion facing the Schottky electrode 77. A Schottky contact electrode 27 for contact with the Schottky electrode 77 is embedded in the Schottky contact hole 102. The Schottky contact electrode 27 can be configured using, for example, aluminum (Al).

そして、層間絶縁膜30の表面には、ソースパッド60が形成されている。ソースパッド60は、たとえば、アルミニウム(Al)を用いて構成することができる。また、ソースパッド60は、ハニカム状に配列された柱状部29およびショットキー電極77上の領域全域に跨って配置され、各柱状部29上に形成されたソースコンタクト電極52およびショットキー電極77上に形成されたショットキーコンタクト電極27に接触している。これにより、柱状部29に形成されたソース電極75は、ソースコンタクト電極52を介してソースパッド60に対して一括して電気的に接続(オーミック接続)されることになる。   A source pad 60 is formed on the surface of the interlayer insulating film 30. The source pad 60 can be configured using, for example, aluminum (Al). The source pad 60 is arranged over the entire region on the columnar portions 29 and the Schottky electrodes 77 arranged in a honeycomb shape, and on the source contact electrodes 52 and the Schottky electrodes 77 formed on the respective columnar portions 29. In contact with the Schottky contact electrode 27. As a result, the source electrode 75 formed on the columnar portion 29 is collectively electrically connected (ohmically connected) to the source pad 60 via the source contact electrode 52.

また、ショットキー電極77は、ショットキーコンタクト電極27を介してソースパッド60に接続されることになる。これにより、ショットキー電極77は、ソースパッド60を介して、各柱状部29に形成されたソース電極75に対して一括して電気的に接続されることになる。ショットキー電極77が、n-型GaN層62に対してショットキー接触していることにより、窒化物半導体素子には、ショットキー電極77とn-型GaN層62とで構成されるSBD79(Schottky Barrier Diode:ショットキーバリアダイオード)が備えられている。 The Schottky electrode 77 is connected to the source pad 60 through the Schottky contact electrode 27. As a result, the Schottky electrode 77 is collectively electrically connected to the source electrode 75 formed in each columnar portion 29 via the source pad 60. Since the Schottky electrode 77 is in Schottky contact with the n -type GaN layer 62, the nitride semiconductor element includes an SBD 79 (Schottky comprising the Schottky electrode 77 and the n -type GaN layer 62. Barrier Diode: Schottky barrier diode) is provided.

また、層間絶縁膜30の表面には、ソースパッド60に隣接する部分に、図8に示すゲートパッド59と同様に、ゲート電極70に電気的に接続されるゲートパッド95が形成されている。
なお、図10においては、窒化物半導体素子の構造理解を容易にするため、層間絶縁膜30を省略している。
Further, on the surface of the interlayer insulating film 30, a gate pad 95 that is electrically connected to the gate electrode 70 is formed in a portion adjacent to the source pad 60, similarly to the gate pad 59 shown in FIG.
In FIG. 10, the interlayer insulating film 30 is omitted for easy understanding of the structure of the nitride semiconductor device.

なお、この実施形態に係る窒化物半導体素子の動作は、前述の第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の動作と同様である。
以上のように、この窒化物半導体素子によれば、前述の実施形態と同様に、MOSFET97のn-型GaN層62とショットキー電極77とで構成されるSBD79が設けられている。このSBD79は、ショットキーコンタクト電極27およびソースパッド60を介して、各柱状部29のソース電極75に対して一括して電気的に接続されている。
The operation of the nitride semiconductor device according to this embodiment is the same as the operation of the nitride semiconductor device according to the first embodiment described above.
As described above, according to this nitride semiconductor device, the SBD 79 composed of the n -type GaN layer 62 of the MOSFET 97 and the Schottky electrode 77 is provided as in the above-described embodiment. The SBD 79 is collectively electrically connected to the source electrode 75 of each columnar portion 29 via the Schottky contact electrode 27 and the source pad 60.

そのため、ドレイン電極78に対してソース電極75側が正となるバイアスが印加されたとき(ソース電極75の電位がドレイン電極78の電位よりも高い状態になったとき)に、SBD79に優先的に電流を流すことができる。
その結果、たとえば、窒化物半導体素子の動作させる際に、ソース電極75側が正となるバイアスが印加されても、当該バイアスにより発生する高電流を、ドレイン電極78からショットキー電極77へ流すことができる。したがって、n+型GaN層64とp型GaN層63との接合部分への電界集中を抑制することでき、絶縁破壊の発生を抑制することができる。
Therefore, when a bias that is positive on the source electrode 75 side is applied to the drain electrode 78 (when the potential of the source electrode 75 becomes higher than the potential of the drain electrode 78), a current is preferentially passed to the SBD 79. Can flow.
As a result, for example, when a nitride semiconductor element is operated, a high current generated by the bias is allowed to flow from the drain electrode 78 to the Schottky electrode 77 even when a bias that is positive on the source electrode 75 side is applied. it can. Therefore, electric field concentration at the junction between the n + -type GaN layer 64 and the p-type GaN layer 63 can be suppressed, and the occurrence of dielectric breakdown can be suppressed.

また、このように絶縁破壊の発生を抑制するためのダイオードが、MOSFET97のn-型GaN層62と、このn-型GaN層62の上面に形成されたショットキー電極77とで構成されるSBD79として形成されている。
そのため、MOSFET97と絶縁破壊対策のためのダイオード(SBD79)とを集約することができる。
In addition, a diode for suppressing the occurrence of dielectric breakdown in this way is an SBD 79 constituted by an n -type GaN layer 62 of MOSFET 97 and a Schottky electrode 77 formed on the upper surface of this n -type GaN layer 62. It is formed as.
Therefore, the MOSFET 97 and the diode (SBD 79) for countermeasures against dielectric breakdown can be integrated.

その結果、窒化物半導体素子のチップ面積の縮小化を実現することができる。
さらに、複数のソース電極75に対して一括して接続されるショットキー電極77が、ハニカム状に配列された柱状部29を取り囲むように平面視略U字状に形成されている。
そのため、各ソース電極75に1つずつショットキー電極が設けられる場合に比べて、チップ全体でショットキー電極の設置に要するスペースを小さくすることができる。
As a result, it is possible to reduce the chip area of the nitride semiconductor device.
Further, a Schottky electrode 77 connected to the plurality of source electrodes 75 is formed in a substantially U shape in plan view so as to surround the columnar portions 29 arranged in a honeycomb shape.
Therefore, compared to the case where one Schottky electrode is provided for each source electrode 75, the space required for installing the Schottky electrode in the entire chip can be reduced.

その結果、窒化物半導体素子のチップ面積を一層縮小することができる。
また、6面の壁面68全域にゲート電極70が対向しており、各単位セル(各柱状部29)におけるゲート幅が、平面視における柱状部29の外周(正六角形形の辺の総長さ)とほぼ同じであることから、各単位セルにおいて長いゲート幅を確保することができる。
そのため、電流密度を増やすことができるので、より高出力なパワーデバイスを実現することができる。
As a result, the chip area of the nitride semiconductor device can be further reduced.
Further, the gate electrode 70 is opposed to the entire area of the six wall surfaces 68, and the gate width in each unit cell (each columnar portion 29) is the outer circumference of the columnar portion 29 in plan view (the total length of the sides of the regular hexagon). Therefore, it is possible to secure a long gate width in each unit cell.
Therefore, since the current density can be increased, a higher output power device can be realized.

以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、窒化物半導体積層構造部5に断面略V字形のトレンチ7が形成される例について説明したが、トレンチ7の形状は、逆台形、U形、矩形、台形等の他の形状であってもよい。また、第2トレンチ37,67の形状は、V字形、逆台形、矩形、台形等の他の形状であってもよい。
Although a plurality of embodiments of the present invention have been described above, the present invention can also be implemented in other forms.
For example, in the above-described embodiment, an example in which the trench 7 having a substantially V-shaped cross section is formed in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 has been described. The shape of the trench 7 may be an inverted trapezoid, a U shape, a rectangle, a trapezoid, or the like. Other shapes may be used. The shapes of the second trenches 37 and 67 may be other shapes such as a V shape, an inverted trapezoid, a rectangle, and a trapezoid.

また、前述の実施形態では、窒化物半導体積層構造部5の一部を構成する基板として、n+型GaN基板1が例示され(第1の実施形態)、また、窒化物半導体積層構造部5を支持する基板として、サファイア基板26が例示されていたが(第2〜第4の実施形態)、これらの基板に代えて、たとえば、ZnO基板、Si基板、GaAs基板およびSiC基板などの導電性基板を適用し、この導電性基板の一方表面に窒化物半導体積層構造部5を形成してもよい。また、この導電性基板の他方表面には、ドレイン電極18を形成することができる。これによって、当該導電性基板を介してドレイン電極18とn-型GaN層2とをオーミック接触させることができるので、窒化物半導体積層構造部5において、ドレイン電極18を接触させるためのスペースを省略することができる。 In the above-described embodiment, the n + -type GaN substrate 1 is exemplified as a substrate constituting a part of the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 (first embodiment), and the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is illustrated. A sapphire substrate 26 has been exemplified as a substrate for supporting the substrate (second to fourth embodiments). Instead of these substrates, for example, a conductive material such as a ZnO substrate, a Si substrate, a GaAs substrate, and a SiC substrate can be used. A substrate may be applied, and the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 may be formed on one surface of the conductive substrate. A drain electrode 18 can be formed on the other surface of the conductive substrate. Accordingly, the drain electrode 18 and the n -type GaN layer 2 can be in ohmic contact with each other through the conductive substrate, so that a space for contacting the drain electrode 18 in the nitride semiconductor multilayer structure portion 5 is omitted. can do.

また、前述の実施形態では、壁面8,38,68は、n+型GaN基板1,31,61に対して傾斜した平面であるとしたが、傾斜している必要はなく、また、平面である必要もない。すなわち、壁面8,38,68は、n+型GaN基板1,31,61に垂直な平面であってもよいし、湾曲面であってもよい。
また、前述の各実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を組み合わせた形態も本発明に含まれる。
In the above-described embodiment, the wall surfaces 8, 38, 68 are planes inclined with respect to the n + -type GaN substrates 1, 31, 61. However, the wall surfaces 8, 38, 68 do not have to be inclined and are flat. There is no need. That is, the wall surfaces 8, 38, 68 may be planes perpendicular to the n + -type GaN substrates 1, 31, 61, or may be curved surfaces.
Also, the present invention includes a form in which the configurations of the nitride semiconductor elements according to the above-described embodiments are combined.

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。   In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.

本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す窒化物半導体素子の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of the nitride semiconductor device shown in FIG. 1. 図1の窒化物半導体素子の第1の製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a first method for manufacturing the nitride semiconductor device of FIG. 1. 図3Aの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 3A. 図3Bの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 3B. 図3Cの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3D is a schematic cross-sectional view showing the next step of FIG. 3C. 図3Dの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 3D is a schematic cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 3D. 図3Eの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 3E. 図3Fの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 3F. 図3Gの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 3G. 図1の窒化物半導体素子の第2の製造方法を説明するための模式的な断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a second manufacturing method of the nitride semiconductor device of FIG. 1. 図4Aの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 4B is a schematic cross-sectional view showing the next step of FIG. 4A. 図4Bの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 4B. 図4Cの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 4D is a schematic sectional view showing a step subsequent to FIG. 4C. 図4Dの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 4D. 図4Eの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 4E. 図4Fの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 4F. 図4Gの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the next process of FIG. 4G. 図4Hの次の工程を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the process of FIG. 4H. 図4Iの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 4D is a schematic sectional view showing a step subsequent to FIG. 4I. 図4Jの次の工程を示す模式的な断面図である。FIG. 4D is a schematic cross-sectional view showing a step subsequent to FIG. 4J. 本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。It is a typical sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。It is a typical sectional view for explaining the structure of a nitride semiconductor device concerning a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the nitride semiconductor element which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な平面図である。FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention. 図8の窒化物半導体素子をIX−IXで示す切断線で切断したときの模式的な断面図である。It is typical sectional drawing when the nitride semiconductor element of FIG. 8 is cut | disconnected by the cutting line shown by IX-IX. 本発明の第6の実施形態に係る窒化物半導体素子の構造を説明するための模式的な平面図である。FIG. 10 is a schematic plan view for explaining the structure of a nitride semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention. 図10の窒化物半導体素子をXI−XIで示す切断線で切断したときの模式的な断面図である。It is typical sectional drawing when the nitride semiconductor element of FIG. 10 is cut | disconnected by the cutting line shown by XI-XI. 従来のMOSFETの構造を説明するための模式的な断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the structure of the conventional MOSFET. 図12に示すMOSFETにダイオードが接続された状態を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing a state where a diode is connected to the MOSFET shown in FIG. 12.

符号の説明Explanation of symbols

1 n+型GaN基板
2 n-型GaN層
3 p型GaN層
4 n+型GaN層
5 窒化物半導体積層構造部
6 引き出し部
7 トレンチ
8 壁面
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
13 コンタクト電極
15 ソース電極
17 ショットキー電極
18 ドレイン電極
19 SBD
20 MOSFET
28 第1トレンチ
31 n+型GaN基板
32 n-型GaN層
33 p型GaN層
34 n+型GaN層
35 窒化物半導体積層構造部
36 引き出し部
37 第2トレンチ
38 壁面
39 ゲート絶縁膜
40 ゲート電極
43 コンタクト電極
45 ソース電極
47 ショットキー電極
48 ドレイン電極
49 SBD
53 第1トレンチ
61 n+型GaN基板
62 n-型GaN層
63 p型GaN層
64 n+型GaN層
65 窒化物半導体積層構造部
66 引き出し部
67 第2トレンチ
68 壁面
69 ゲート絶縁膜
70 ゲート電極
73 コンタクト電極
75 ソース電極
77 ショットキー電極
78 ドレイン電極
79 SBD
96 MOSFET
97 MOSFET
98 メサ積層部
99 メサ積層部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 n + type GaN board | substrate 2 n - type GaN layer 3 p-type GaN layer 4 n + type GaN layer 5 Nitride semiconductor laminated structure part 6 drawer | drawing-out part 7 trench 8 wall surface 9 gate insulating film 10 gate electrode 13 contact electrode 15 source electrode 17 Schottky electrode 18 Drain electrode 19 SBD
20 MOSFET
28 First trench 31 n + type GaN substrate 32 n type GaN layer 33 p type GaN layer 34 n + type GaN layer 35 Nitride semiconductor laminated structure part 36 lead part 37 second trench 38 wall surface 39 gate insulating film 40 gate electrode 43 Contact electrode 45 Source electrode 47 Schottky electrode 48 Drain electrode 49 SBD
53 1st trench 61 n + type GaN substrate 62 n type GaN layer 63 p type GaN layer 64 n + type GaN layer 65 nitride semiconductor laminated structure part 66 lead part 67 second trench 68 wall surface 69 gate insulating film 70 gate electrode 73 Contact electrode 75 Source electrode 77 Schottky electrode 78 Drain electrode 79 SBD
96 MOSFET
97 MOSFET
98 Mesa lamination part 99 Mesa lamination part

Claims (5)

III族窒化物半導体からなる、n型の第1層、この第1層に積層されたp型不純物を含む第2層およびこの第2層に積層されたn型の第3層を備え、前記第1、第2および第3層に跨る壁面を有する窒化物半導体積層構造部と、
前記壁面に、前記第1、第2および第3層に跨って形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2層に対向するように形成されたゲート電極と、
前記第3層にオーミック接触するように形成されたソース電極と、
前記第1層にオーミック接触するように形成されたドレイン電極と、
前記第1層にショットキー接触するように形成されたショットキー電極と、を含む窒化物半導体素子。
An n-type first layer made of a group III nitride semiconductor, a second layer containing p-type impurities stacked on the first layer, and an n-type third layer stacked on the second layer, A nitride semiconductor multilayer structure having a wall surface straddling the first, second and third layers;
A gate insulating film formed on the wall surface across the first, second and third layers;
A gate electrode formed to face the second layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A source electrode formed in ohmic contact with the third layer;
A drain electrode formed in ohmic contact with the first layer;
And a Schottky electrode formed so as to be in Schottky contact with the first layer.
前記第1層は、相対的にn型不純物濃度の高い下層と、この下層よりもn型不純物濃度の低い上層とを備え、
前記ショットキー電極が、前記上層にショットキー接触するように形成されている、請求項1に記載の窒化物半導体素子。
The first layer includes a lower layer having a relatively high n-type impurity concentration and an upper layer having an n-type impurity concentration lower than the lower layer,
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the Schottky electrode is formed so as to make a Schottky contact with the upper layer.
前記窒化物半導体積層構造部には、前記第3層から、前記第2層を貫通して前記第1層に達する環状のトレンチが形成されており、
前記ソース電極は、前記窒化物半導体積層構造部における前記トレンチに囲まれるメサ積層部に複数設けられており、
前記ショットキー電極は、前記メサ積層部を取り囲むように1つ設けられ、複数の前記ソース電極に一括して接続されている、請求項1または2に記載の窒化物半導体素子。
In the nitride semiconductor multilayer structure portion, an annular trench is formed from the third layer to the first layer through the second layer,
A plurality of the source electrodes are provided in a mesa multilayer part surrounded by the trench in the nitride semiconductor multilayer structure part,
3. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein one Schottky electrode is provided so as to surround the mesa stacked portion, and is connected to the plurality of source electrodes at once.
III族窒化物半導体からなるn型の第1層を形成する第1層形成工程と、
この第1層上に、III族窒化物半導体からなるp型不純物を含む第2層を形成する第2層形成工程と、
この第2層上に、III族窒化物半導体からなるn型の第3層を形成する第3層形成工程と、
前記第1、2および第3層に跨る壁面を形成する壁面形成工程と、
前記壁面に、前記第1、第2および第3層に跨るように、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで前記第2層に対向するように、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
前記第3層にオーミック接触されるように、ソース電極を形成するソース電極形成工程と、
前記第1層にオーミック接触されるように、ドレイン電極を形成するドレイン電極形成工程と、
前記第1層を部分的に露出させる露出工程と、
前記露出工程によって露出した前記第1層の露出面にショットキー接触されるように、ショットキー電極を形成するショットキー電極形成工程と、を含む、窒化物半導体素子の製造方法。
A first layer forming step of forming an n-type first layer made of a group III nitride semiconductor;
A second layer forming step of forming a second layer containing a p-type impurity made of a group III nitride semiconductor on the first layer;
A third layer forming step of forming an n-type third layer made of a group III nitride semiconductor on the second layer;
A wall surface forming step of forming a wall surface straddling the first, second and third layers;
Forming a gate insulating film on the wall surface so as to straddle the first, second and third layers;
Forming a gate electrode so as to face the second layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A source electrode forming step of forming a source electrode so as to be in ohmic contact with the third layer;
Forming a drain electrode so as to be in ohmic contact with the first layer; and
An exposing step of partially exposing the first layer;
And a Schottky electrode forming step of forming a Schottky electrode so as to be in Schottky contact with the exposed surface of the first layer exposed by the exposing step.
前記第1層形成工程は、相対的にn型不純物濃度の高い下層を形成する下層形成工程と、この下層上に、この下層よりもn型不純物濃度の低い上層を形成する上層形成工程とを含み、
前記露出工程が、少なくとも前記上層を部分的に露出させる工程であり、
前記ショットキー電極形成工程が、前記露出工程によって露出した前記上層の露出面に、ショットキー電極を形成する工程である、請求項4に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
The first layer forming step includes a lower layer forming step of forming a lower layer having a relatively high n-type impurity concentration, and an upper layer forming step of forming an upper layer having a lower n-type impurity concentration than the lower layer on the lower layer. Including
The exposing step is a step of partially exposing at least the upper layer;
The method of manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 4, wherein the Schottky electrode forming step is a step of forming a Schottky electrode on the exposed surface of the upper layer exposed by the exposing step.
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