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JP7600569B2 - NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application - Google Patents

NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE - Patent application Download PDF

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JP7600569B2
JP7600569B2 JP2020145825A JP2020145825A JP7600569B2 JP 7600569 B2 JP7600569 B2 JP 7600569B2 JP 2020145825 A JP2020145825 A JP 2020145825A JP 2020145825 A JP2020145825 A JP 2020145825A JP 7600569 B2 JP7600569 B2 JP 7600569B2
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Japan
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nitride semiconductor
insulating film
semiconductor device
semiconductor layer
fixed charge
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秀昭 松山
勝典 上野
亮 田中
拓朗 稲本
悠太 福島
信也 高島
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Fuji Electric Co Ltd
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Description

本発明は、窒化物半導体装置および窒化物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for manufacturing a nitride semiconductor device.

特許文献1、特許文献2、および特許文献3には、窒化ガリウム等のワイドギャップ半導体を含む半導体装置が記載されている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1] 特開2016-54250号公報
[特許文献2] 特開2016-66641号公報
[特許文献3] 特開2016-72358号公報
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-133635, ... and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-133635 describe semiconductor devices including a wide-gap semiconductor such as gallium nitride.
[Prior Art Literature]
[Patent Documents]
[Patent Document 1] JP 2016-54250 A [Patent Document 2] JP 2016-66641 A [Patent Document 3] JP 2016-72358 A

絶縁膜中の固定電荷分布を調整して、移動度や閾値電圧などで良好な特性を有する窒化物半導体装置を提供する。 By adjusting the distribution of fixed charges in the insulating film, we provide a nitride semiconductor device with excellent characteristics such as mobility and threshold voltage.

本発明の第1の態様においては、Gaを含む窒化物半導体層と、窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜と、絶縁膜の上方に設けられた電極と、を備え、絶縁膜中の固定電荷密度と、絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合1E7/cm)以下の範囲内であり、絶縁膜中における界面固定電荷密度は固定電荷が正の場合1E11/cm)以下である、窒化物半導体装置を提供する。 A first aspect of the present invention provides a nitride semiconductor device comprising: a nitride semiconductor layer containing Ga; an insulating film stacked on an upper surface of the nitride semiconductor layer; and an electrode provided above the insulating film, wherein the product of the fixed charge density in the insulating film and the thickness of the insulating film is within a range of 1E7 ( /cm) or less when the fixed charge is positive , and the interface fixed charge density in the insulating film is 1E11 ( / cm2 ) or less when the fixed charge is positive .

絶縁膜のGa濃度は、界面からの30nmより上方の領域において、+4E17cm-3以下であってよい。 The Ga concentration of the insulating film may be +4E17 cm -3 or less in a region 30 nm above the interface.

絶縁膜はSiを含む酸化物を含んでよい。 The insulating film may include an oxide containing Si.

絶縁膜は酸窒化物を含んでよい。 The insulating film may include an oxynitride.

絶縁膜は、30nm以上100nm以下の厚さを有してよい。 The insulating film may have a thickness of 30 nm or more and 100 nm or less.

窒化物半導体層は、GaNを含んでよい。 The nitride semiconductor layer may contain GaN.

窒化物半導体層は、MgドープのP型GaNを含んでよい。 The nitride semiconductor layer may include Mg-doped p-type GaN.

窒化物半導体層のMg濃度は、+1E16cm-3以上、+1E18cm-3以下であってよい。 The Mg concentration of the nitride semiconductor layer may be +1E16 cm −3 or more and +1E18 cm −3 or less.

窒化物半導体層、絶縁膜および電極は、MOSゲート構造を有する電界効果トランジスタを構成してよい。 The nitride semiconductor layer, the insulating film and the electrodes may form a field effect transistor having a MOS gate structure.

電界効果トランジスタは、+3V以上の閾値電圧を有してよい。 The field effect transistor may have a threshold voltage of +3V or greater.

絶縁膜のC不純物濃度は、+4E17cm-3以下であってよい。 The insulating film may have a C impurity concentration of +4E17 cm −3 or less.

本発明の第2の態様においては、Gaを含む窒化物半導体層を設ける段階と、窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜を設ける段階と、絶縁膜の上方に設けられた電極を設ける段階と、を備え、絶縁膜中の固定電荷密度と、絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合1E7/cm)以下の範囲内であり、絶縁膜中における界面固定電荷密度は固定電荷が正の場合1E11/cm)以下である、窒化物半導体装置の製造方法を提供する。 In a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nitride semiconductor device, comprising the steps of providing a nitride semiconductor layer containing Ga, providing an insulating film stacked on an upper surface of the nitride semiconductor layer, and providing an electrode above the insulating film, wherein the product of the fixed charge density in the insulating film and the thickness of the insulating film is within a range of 1E7 ( /cm) or less when the fixed charge is positive , and the interface fixed charge density in the insulating film is 1E11 ( / cm2 ) or less when the fixed charge is positive .

絶縁膜を設ける段階は、プラズマCVDにより行われてよい。 The step of providing the insulating film may be performed by plasma CVD.

プラズマCVDにおける原料ガスは、モノシランまたはジシランを含んでよい。 The source gas in plasma CVD may contain monosilane or disilane.

プラズマCVDにおける原料ガスは、酸素ガス、水、または酸素ラジカルを含んでよい。 The raw material gas in plasma CVD may include oxygen gas, water, or oxygen radicals.

絶縁膜を設ける段階において、絶縁膜は、25nm/min以上の成膜速度で設けられてよい。 In the step of providing the insulating film, the insulating film may be provided at a deposition rate of 25 nm/min or more.

絶縁膜を設ける段階において、窒化物半導体層の温度は350℃以下に設定されてよい。 During the step of providing the insulating film, the temperature of the nitride semiconductor layer may be set to 350°C or less.

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 Note that the above summary of the invention does not list all of the necessary features of the present invention. Also, subcombinations of these features may also be inventions.

窒化物半導体装置100の構成の一例を示す。An example of the configuration of a nitride semiconductor device 100 is shown. 絶縁膜30の成膜速度およびGa濃度(cm-3)の関係の一例を示す。An example of the relationship between the deposition rate of the insulating film 30 and the Ga concentration (cm −3 ) is shown. 絶縁膜30の炭素(C)濃度の一例を示す。An example of the carbon (C) concentration of the insulating film 30 is shown. 絶縁膜30の深さと、Ga濃度との関係を示す。4 shows the relationship between the depth of the insulating film 30 and the Ga concentration. 絶縁膜30中のGa濃度と、絶縁膜30の固定電荷密度との関係を示す。4 shows the relationship between the Ga concentration in the insulating film 30 and the fixed charge density of the insulating film 30. 絶縁膜30中のGa濃度と、固定電荷密度/絶縁膜30の厚さとの関係を示す。1 shows the relationship between the Ga concentration in the insulating film 30 and the fixed charge density/thickness of the insulating film 30. 第2実施形態に係る窒化物半導体装置200の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 200 according to a second embodiment. 第2実施形態に係る窒化物半導体装置200の製造方法を示す。A method for manufacturing the nitride semiconductor device 200 according to the second embodiment will be described. 絶縁膜30の固定電荷密度Neffと閾値電圧Vthとの関係を示す。1 shows the relationship between the fixed charge density Neff of the insulating film 30 and the threshold voltage Vth. 成膜速度を変えた場合における、膜厚doxと固定電荷密度Neffとの関係を示す。1 shows the relationship between the film thickness d ox and the fixed charge density N eff when the film formation rate is changed. 絶縁膜30の界面固定電荷密度と、電界効果移動度μの最大値μmaxとの関係を示す。1 shows the relationship between the interface fixed charge density of the insulating film 30 and the maximum value μ max of the field effect mobility μ. 第3実施形態に係る窒化物半導体装置300の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 300 according to a third embodiment. 第4実施形態に係る窒化物半導体装置400の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 400 according to a fourth embodiment.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 The present invention will be described below through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Furthermore, not all of the combinations of features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.

図1は、第1実施形態に係る窒化物半導体装置100の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置100は、下面電極42と、窒化物半導体基板層10と、窒化物半導体層20と、絶縁膜30と、上面電極40とを備える。 Figure 1 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 100 according to the first embodiment. The nitride semiconductor device 100 of this example includes a bottom electrode 42, a nitride semiconductor substrate layer 10, a nitride semiconductor layer 20, an insulating film 30, and a top electrode 40.

本例の窒化物半導体装置100は、下面電極42と上面電極40との間に絶縁膜30が設けられている。即ち、本例の窒化物半導体装置100は、絶縁膜30を誘電体とするキャパシタを形成する。 In the present example, the nitride semiconductor device 100 has an insulating film 30 provided between the bottom electrode 42 and the top electrode 40. In other words, the nitride semiconductor device 100 in this example forms a capacitor with the insulating film 30 as a dielectric.

本例の窒化物半導体基板層10は、GaNを含む。一例として窒化物半導体基板層10は、気相成長法または液相成長法等の方法を用いて得られる。 In this example, the nitride semiconductor substrate layer 10 contains GaN. As an example, the nitride semiconductor substrate layer 10 is obtained using a method such as vapor phase growth or liquid phase growth.

窒化物半導体層20は、窒化物半導体基板層10にエピタキシャル成長させて得られた層である。本例の窒化物半導体層20は、Gaを含む。 The nitride semiconductor layer 20 is a layer obtained by epitaxial growth on the nitride semiconductor substrate layer 10. In this example, the nitride semiconductor layer 20 contains Ga.

絶縁膜30は、窒化物半導体層20の上面21に積層される。絶縁膜30は、化学蒸着(CVD:chemical vapor deposition)法で成膜された層であってよい。一例として、絶縁膜30は、μ波プラズマCVD法、リモートプラズマCVD法または高周波(RF:Radio Frequency)プラズマCVD法等のプラズマCVD法で設けられる。絶縁膜30は、絶縁膜30を設ける際のCVD法におけるSi原料ガスとして、モノシランまたはジシランが用いられてよい。さらに、CVD法における酸素原料ガスとして酸素ガス、水、または酸素ラジカルが用いられてよい。 The insulating film 30 is laminated on the upper surface 21 of the nitride semiconductor layer 20. The insulating film 30 may be a layer formed by a chemical vapor deposition (CVD) method. As an example, the insulating film 30 is provided by a plasma CVD method such as a microwave plasma CVD method, a remote plasma CVD method, or a radio frequency (RF) plasma CVD method. The insulating film 30 may be formed using monosilane or disilane as a Si source gas in the CVD method. Furthermore, oxygen gas, water, or oxygen radicals may be used as an oxygen source gas in the CVD method.

一例として、絶縁膜30は、Siを含む酸化物層である。本例の絶縁層30は、SiOを含む。別例において、絶縁膜30は、酸窒化物を含んでもよい。一例として、絶縁膜30は、30nm以上100nm以下の厚さを有する。絶縁膜30がSiO膜である場合、約10MV/cmの耐圧を有する絶縁膜30を用いることができる。この場合、絶縁膜の厚さを30nm以上100nm以下とすれば、約30V以上約100V以下の耐圧を有する絶縁膜を製造できる。 As an example, the insulating film 30 is an oxide layer containing Si. In this example, the insulating film 30 contains SiO2 . In another example, the insulating film 30 may contain an oxynitride. As an example, the insulating film 30 has a thickness of 30 nm or more and 100 nm or less. When the insulating film 30 is a SiO2 film, an insulating film 30 having a breakdown voltage of about 10 MV/cm can be used. In this case, if the thickness of the insulating film is set to 30 nm or more and 100 nm or less, an insulating film having a breakdown voltage of about 30 V or more and about 100 V or less can be manufactured.

下面電極42および上面電極40は、金属等の導電性の材料を含む。下面電極42および上面電極40は、同一の金属で設けられてよく、異なる金属で設けられてもよい。一例として、下面電極42および上面電極40の材料は、アルミニウム(Al)である。上面電極40は、アルミニウム蒸着により絶縁膜30の上方に設けられてよい。下面電極42は、窒化物半導体基板層10の下面11に設けられる。 The lower electrode 42 and the upper electrode 40 include a conductive material such as a metal. The lower electrode 42 and the upper electrode 40 may be made of the same metal or different metals. As an example, the material of the lower electrode 42 and the upper electrode 40 is aluminum (Al). The upper electrode 40 may be provided above the insulating film 30 by aluminum deposition. The lower electrode 42 is provided on the lower surface 11 of the nitride semiconductor substrate layer 10.

図2は、絶縁膜30の成膜速度およびGa濃度(cm-3)の関係の一例を示す。本例において、横軸を成膜速度(nm/min)、縦軸をGa濃度とした図が示されている。 2 shows an example of the relationship between the deposition rate and Ga concentration (cm −3 ) of the insulating film 30. In this example, a graph is shown with the deposition rate (nm/min) on the horizontal axis and the Ga concentration on the vertical axis.

GaNは熱分解しやすいので、Gaを含有する窒化物半導体層20の上面に絶縁膜30を成膜する場合、窒化物半導体層20から絶縁膜30へとGaが取り込まれる。さらに、絶縁膜30において、窒化物半導体層20の上面21の近傍にGaOx界面層が形成される。取り込まれるGaの濃度が高くなると、GaOx界面層の有する電荷の絶対値も大きくなる。絶縁膜30の成膜速度を速くすることにより、窒化物半導体層20がプラズマに暴露される時間は短くなる。これが一因となり、絶縁膜30を速い成膜速度で設ける場合には、絶縁膜30に取り込まれるGa濃度が低くなる。一例として、絶縁膜30は、25nm/min以上の成膜速度で設けられる。 Since GaN is easily thermally decomposed, when the insulating film 30 is formed on the upper surface of the nitride semiconductor layer 20 containing Ga, Ga is taken into the insulating film 30 from the nitride semiconductor layer 20. Furthermore, a GaOx interface layer is formed in the insulating film 30 near the upper surface 21 of the nitride semiconductor layer 20. When the concentration of Ga taken in increases, the absolute value of the charge of the GaOx interface layer also increases. By increasing the deposition rate of the insulating film 30, the time during which the nitride semiconductor layer 20 is exposed to plasma is shortened. As a result, when the insulating film 30 is formed at a high deposition rate, the Ga concentration taken into the insulating film 30 decreases. As an example, the insulating film 30 is formed at a deposition rate of 25 nm/min or more.

また、窒化物半導体装置100の製造において、絶縁膜30および窒化物半導体層20との界面を熱安定化することを目的とした熱処理を行うか否かを選択してよい。本例では、熱処理を行った場合の絶縁膜30のGa濃度と、熱処理を行わない場合の絶縁膜30のGa濃度とが示される。一例として、熱処理は800℃で行われる。熱処理を行った場合、窒化物半導体層20から絶縁膜30中にGaが拡散されやすくなり、Ga濃度が高くなる。熱処理を行わない場合には、絶縁膜30に取り込まれるGa濃度が低くなる。熱処理を行わない場合には、一例として、絶縁膜30を設ける際に、窒化物半導体層20の温度が350℃以下に保たれる。 In addition, in the manufacture of the nitride semiconductor device 100, it may be possible to select whether or not to perform heat treatment for the purpose of thermally stabilizing the interface between the insulating film 30 and the nitride semiconductor layer 20. In this example, the Ga concentration of the insulating film 30 when heat treatment is performed and when heat treatment is not performed are shown. As an example, the heat treatment is performed at 800°C. When heat treatment is performed, Ga is more likely to diffuse from the nitride semiconductor layer 20 into the insulating film 30, and the Ga concentration increases. When heat treatment is not performed, the Ga concentration taken into the insulating film 30 decreases. When heat treatment is not performed, as an example, the temperature of the nitride semiconductor layer 20 is kept at 350°C or less when the insulating film 30 is provided.

絶縁膜30において、Gaは不純物として働く。絶縁膜30中の不純物濃度が高いほど、絶縁膜30の絶縁破壊が生じる電界の大きさが小さくなり、絶縁破壊が起きやすくなる。絶縁膜30のGa濃度は、絶縁膜30の成膜速度を速くし、かつ、熱処理を行わないことで低くなり、絶縁破壊に対する耐性を向上させる。 In the insulating film 30, Ga acts as an impurity. The higher the impurity concentration in the insulating film 30, the smaller the magnitude of the electric field that causes dielectric breakdown in the insulating film 30, making dielectric breakdown more likely to occur. The Ga concentration of the insulating film 30 can be reduced by increasing the deposition speed of the insulating film 30 and not performing heat treatment, thereby improving resistance to dielectric breakdown.

図中、2A、2B、および2Cの3点の成膜条件が示される。これらの3点の成膜条件におけるGa濃度プロファイルが、図4Aを参照して後述される。 In the figure, three deposition conditions, 2A, 2B, and 2C, are shown. The Ga concentration profiles under these three deposition conditions will be described later with reference to FIG. 4A.

図3は、絶縁膜30の炭素(C)濃度の一例を示す。絶縁膜30をプラズマCVDにより設け、Si原料ガスとしてモノシランを用いた場合について、絶縁膜30の深さに応じたC濃度と、絶縁膜30がバックグラウンドとして有するBG(BackGround)レベルとが示される。 Figure 3 shows an example of the carbon (C) concentration of the insulating film 30. When the insulating film 30 is formed by plasma CVD and monosilane is used as the Si source gas, the C concentration according to the depth of the insulating film 30 and the BG (Background) level that the insulating film 30 has as a background are shown.

絶縁膜30をCVD法により成膜する場合、Si原料ガスとして、化学式がSi(OC)であるオルトケイ酸エチル(別称:テトラエトキシシラン、TEOS:Tetraehyl orthosilicate)を用いることがある。TEOSガスは元素として炭素を含むので、TEOSを原料ガスとして用いた場合には、絶縁膜中に不純物として炭素が取り込まれる。 When the insulating film 30 is formed by the CVD method, tetraethoxysilane (TEOS: tetraethyl orthosilicate), whose chemical formula is Si( OC2H5 ), may be used as the Si source gas . Since TEOS gas contains carbon as an element, when TEOS is used as the source gas, carbon is taken in as an impurity in the insulating film.

窒化物半導体装置100では、プラズマCVDにおけるSi原料ガスとしてモノシランまたはジシラン等の炭素を含まないガスが用いられる。これにより、SiO2中のC濃度を低減できる。 In the nitride semiconductor device 100, a gas that does not contain carbon, such as monosilane or disilane, is used as the Si source gas in the plasma CVD. This allows the C concentration in the SiO2 to be reduced.

本例では、原料ガスとしてモノシランを用いたプロファイルが示されている。本例の絶縁膜30のC濃度は、界面近傍以外でBGレベル前後のオーダーに収めることができる。 In this example, a profile using monosilane as the source gas is shown. The C concentration of the insulating film 30 in this example can be kept at the order of the BG level except near the interface.

図4Aは、絶縁膜30の深さと、Ga濃度との関係を示す。本例の横軸は、絶縁膜30の表面から窒化物半導体層20との界面へ向けて取った長さである。縦軸は、絶縁膜30中のGa濃度に対応する。各曲線において、最大Ga濃度を有する深さを一致させている。なお、最大Ga濃度の深さが、おおよそ絶縁膜30と窒化物半導体層20の界面に対応する。図中の3つの曲線は、図2に示された2A、2B、および2Cの3点に対応する成膜条件でのGa濃度プロファイルに相当する。 Figure 4A shows the relationship between the depth of the insulating film 30 and the Ga concentration. In this example, the horizontal axis is the length from the surface of the insulating film 30 toward the interface with the nitride semiconductor layer 20. The vertical axis corresponds to the Ga concentration in the insulating film 30. In each curve, the depth with the maximum Ga concentration is made to match. Note that the depth with the maximum Ga concentration roughly corresponds to the interface between the insulating film 30 and the nitride semiconductor layer 20. The three curves in the figure correspond to the Ga concentration profile under the film formation conditions corresponding to the three points 2A, 2B, and 2C shown in Figure 2.

Ga濃度プロファイルでは、絶縁膜30中において、表面から30nmの領域はGaまたはCなどの吸着物の影響で実際のGa濃度より大きな値が示されることがある。30nm以上で表面からのGa濃度プロファイルへの影響が小さくなり、Ga濃度プロファイルがフラットとなった。同様に、絶縁膜30と窒化物半導体層20との界面から絶縁膜30側に深さが30nm以上で窒化物半導体層20から拡散するGaの影響が小さくなり、Ga濃度プロファイルがフラットとなった。 In the Ga concentration profile, a region 30 nm from the surface in the insulating film 30 may show a value higher than the actual Ga concentration due to the influence of adsorbates such as Ga or C. At depths of 30 nm or more, the influence on the Ga concentration profile from the surface becomes small, and the Ga concentration profile becomes flat. Similarly, at depths of 30 nm or more from the interface between the insulating film 30 and the nitride semiconductor layer 20 toward the insulating film 30 side, the influence of Ga diffusing from the nitride semiconductor layer 20 becomes small, and the Ga concentration profile becomes flat.

図4Bは、絶縁膜30中のGa濃度と、絶縁膜30の固定電荷密度との関係を示す。絶縁膜30中に取り込まれるGaの濃度が増大すればするほど、絶縁膜30の有する固定電荷密度も増大する。それらの関係は、直線で近似できる。 4B shows the relationship between the Ga concentration in the insulating film 30 and the fixed charge density of the insulating film 30. The higher the concentration of Ga incorporated into the insulating film 30, the higher the fixed charge density of the insulating film 30. The relationship between them can be approximated by a straight line.

図4Cは、絶縁膜30中のGa濃度と、固定電荷密度/絶縁膜30の厚さとの関係を示す。図4Cにおいては縦軸の固定電荷密度Neffを絶縁膜30の厚さで割ることにより、絶縁膜30中の平均固定電荷密度が与えられる。 Figure 4C shows the relationship between the Ga concentration in the insulating film 30 and the fixed charge density/thickness of the insulating film 30. In Figure 4C, the average fixed charge density in the insulating film 30 is obtained by dividing the fixed charge density Neff on the vertical axis by the thickness of the insulating film 30.

横軸のGa濃度に対し、縦軸の平均固定電荷密度は、約30%の値を示す。これは、絶縁膜30中の固定電荷は、Ga由来のものが大きいことを意味する。即ち、絶縁膜30では、窒化物半導体層20から取り込まれるGaが絶縁膜30内で正イオン化し、固定電荷の主要因として寄与するものと推定される。 The average fixed charge density on the vertical axis shows a value of approximately 30% relative to the Ga concentration on the horizontal axis. This means that the fixed charge in the insulating film 30 is largely due to Ga. In other words, it is presumed that in the insulating film 30, Ga taken in from the nitride semiconductor layer 20 becomes positively ionized within the insulating film 30, and contributes to the main cause of the fixed charge.

図5は、第2実施形態に係る窒化物半導体装置200の構成の一例を示す。窒化物半導体装置200は、MOS(金属酸化物半導体)ゲート構造を有する電界効果トランジスタ、即ちMOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)デバイスを構成する。窒化物半導体装置200は、窒化物半導体基板層10と、窒化物半導体層20と、高濃度N型領域26と、絶縁膜30と、ソース電極44と、ドレイン電極46と、ゲート電極48とを備える。なお、窒化物半導体装置200がFETとして機能する場合、電源回路またはインバータなどのパワー半導体素子として用いられてよい。 Figure 5 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 200 according to the second embodiment. The nitride semiconductor device 200 constitutes a field effect transistor having a MOS (metal oxide semiconductor) gate structure, i.e., a MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) device. The nitride semiconductor device 200 includes a nitride semiconductor substrate layer 10, a nitride semiconductor layer 20, a high concentration N-type region 26, an insulating film 30, a source electrode 44, a drain electrode 46, and a gate electrode 48. When the nitride semiconductor device 200 functions as a FET, it may be used as a power semiconductor element such as a power supply circuit or an inverter.

窒化物半導体基板層10は、GaNを含む。窒化物半導体基板層10の含むGaNは、Ga面GaN、N面GaN、a面GaN、m面GaNであってもよい。 The nitride semiconductor substrate layer 10 contains GaN. The GaN contained in the nitride semiconductor substrate layer 10 may be Ga-plane GaN, N-plane GaN, a-plane GaN, or m-plane GaN.

本例の窒化物半導体層20は、N型窒化物半導体層22と、P型窒化物半導体層24とを備える。窒化物半導体層20のいずれも、窒化物半導体基板層10をエピタキシャル成長させることによる成膜で設けることができる。 The nitride semiconductor layer 20 in this example includes an N-type nitride semiconductor layer 22 and a P-type nitride semiconductor layer 24. Both of the nitride semiconductor layers 20 can be formed by epitaxially growing the nitride semiconductor substrate layer 10.

N型窒化物半導体層22は、窒化物半導体基板層10に対してエピタキシャル成長させて形成した層であってよい。一例として、N型窒化物半導体層22はNdドープのN型GaNである。N型窒化物半導体層22にドーピングされるNd濃度は、+5E15cm-3以上+5E16cm-3以下であってよい。例えば、N型窒化物半導体層22のNd濃度は、+1E16cm-3に設定される。 The N-type nitride semiconductor layer 22 may be a layer formed by epitaxial growth on the nitride semiconductor substrate layer 10. As an example, the N-type nitride semiconductor layer 22 is Nd-doped N-type GaN. The Nd concentration doped in the N-type nitride semiconductor layer 22 may be +5E15 cm -3 or more and +5E16 cm -3 or less. For example, the Nd concentration of the N-type nitride semiconductor layer 22 is set to +1E16 cm -3 .

P型窒化物半導体層24は、N型窒化物半導体層22に対しエピタキシャル成長させて形成した層であってよい。一例として、P型窒化物半導体層24は、MgドープのP型GaNである。P型窒化物半導体層24にドーピングされるMg濃度は、+1E16cm-3以上+1E18cm-3以下であってよく、+1E16cm-3以上+5E17cm-3以下であってもよい。例えば、P型窒化物半導体層24のMg濃度は、+1E17cm-3に設定される。 The P-type nitride semiconductor layer 24 may be a layer formed by epitaxial growth on the N-type nitride semiconductor layer 22. As an example, the P-type nitride semiconductor layer 24 is Mg-doped P-type GaN. The Mg concentration doped in the P-type nitride semiconductor layer 24 may be +1E16 cm -3 or more and +1E18 cm -3 or less, or may be +1E16 cm -3 or more and +5E17 cm -3 or less. For example, the Mg concentration of the P-type nitride semiconductor layer 24 is set to +1E17 cm -3 .

高濃度N型領域26は、N型窒化物半導体層22より高いド-ピング濃度のN型半導体領域である。一例として、高濃度N型領域は、Siが添加され、熱処理を施すことによって得られる。 The high-concentration N-type region 26 is an N-type semiconductor region with a higher doping concentration than the N-type nitride semiconductor layer 22. As an example, the high-concentration N-type region is obtained by adding Si and performing a heat treatment.

絶縁膜30は、P型窒化物半導体層24の上方に形成される。絶縁膜30は、Siを含む酸化物を含んでよく、酸窒化物を含んでもよい。絶縁膜30は、MOSFETデバイスのゲート絶縁膜に相当する。一例として、絶縁膜30の膜厚は、100nmに設定される。 The insulating film 30 is formed above the P-type nitride semiconductor layer 24. The insulating film 30 may include an oxide containing Si, or may include an oxynitride. The insulating film 30 corresponds to the gate insulating film of a MOSFET device. As an example, the film thickness of the insulating film 30 is set to 100 nm.

ソース電極44は、MOSFETデバイスのソース電極に対応する。ソース電極44は、高濃度N型領域26の上方に形成される。ソース電極44の下方に設けられる高濃度N型領域26は、MOSFETデバイスのソース領域に対応する。 The source electrode 44 corresponds to the source electrode of the MOSFET device. The source electrode 44 is formed above the high concentration N-type region 26. The high concentration N-type region 26 provided below the source electrode 44 corresponds to the source region of the MOSFET device.

ドレイン電極46は、MOSFETデバイスのドレイン電極に対応する。ドレイン電極46の下方に設けられる高濃度N型領域26は、MOSFETデバイスのドレイン領域に対応する。本例の窒化物半導体装置200は、プレーナ型のFETを構成する。本例ではソース電極44と、ドレイン電極46に印加する電圧を入れ替えることで、それらの役割を入れ替えることができる。 The drain electrode 46 corresponds to the drain electrode of a MOSFET device. The high concentration N-type region 26 provided below the drain electrode 46 corresponds to the drain region of a MOSFET device. The nitride semiconductor device 200 of this example constitutes a planar type FET. In this example, the roles of the source electrode 44 and the drain electrode 46 can be interchanged by switching the voltages applied to them.

ゲート電極48は、MOSFETデバイスのゲート電極に対応する。ゲート電極48にゲート電圧が印加された場合、P型窒化物半導体層24にはN型のチャネルが形成され、ソース領域とドレイン領域の間をN型のチャネルで接続する。これにより、窒化物半導体装置200は、FETとして動作する。当該FETは、3V以上の閾値電圧Vth(V)を有していてよい。 The gate electrode 48 corresponds to the gate electrode of a MOSFET device. When a gate voltage is applied to the gate electrode 48, an N-type channel is formed in the P-type nitride semiconductor layer 24, connecting the source region and the drain region with the N-type channel. This causes the nitride semiconductor device 200 to operate as a FET. The FET may have a threshold voltage Vth (V) of 3 V or more.

図6は、第2実施形態に係る窒化物半導体装置200の製造方法を示す。窒化物半導体装置200の製造方法は、段階S100から段階S108を備える。 Figure 6 shows a method for manufacturing a nitride semiconductor device 200 according to the second embodiment. The method for manufacturing a nitride semiconductor device 200 includes steps S100 to S108.

S100において、N型窒化物半導体層22を設ける。N型窒化物半導体層22は、窒化物半導体基板層10に対してMOCVD(有機金属化学気相成長法.Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によりエピタキシャル成長を行ってNdドープのN型GaNとして形成してよい。 In S100, an N-type nitride semiconductor layer 22 is provided. The N-type nitride semiconductor layer 22 may be formed as Nd-doped N-type GaN by epitaxial growth on the nitride semiconductor substrate layer 10 using MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

さらにN型窒化物半導体層22の上方にP型窒化物半導体層24をエピタキシャル成長させ、MgドープのP型GaNとして形成してよい。また、半導体装置に熱処理を行い、P型窒化物半導体層24を活性化させてもよい。 The P-type nitride semiconductor layer 24 may be epitaxially grown above the N-type nitride semiconductor layer 22 and formed as Mg-doped P-type GaN. The semiconductor device may also be subjected to a heat treatment to activate the P-type nitride semiconductor layer 24.

段階S102において、P型窒化物半導体層24に高濃度N型領域26を設ける。高濃度N型領域26を設ける段階は、P型窒化物半導体層24の一部にN+型のイオン注入を行うことにより行われる。一例として、注入されるイオンは、Siイオンである。ただし、Geイオン等の異なるN型ドーパントが注入されてもよい。さらに、熱処理段階を行うことによりSiドーパントの活性化が行われる。 In step S102, a high-concentration N-type region 26 is provided in the P-type nitride semiconductor layer 24. The step of providing the high-concentration N-type region 26 is performed by implanting N+ type ions into a portion of the P-type nitride semiconductor layer 24. As an example, the ions implanted are Si ions. However, a different N-type dopant such as Ge ions may also be implanted. Furthermore, the Si dopant is activated by performing a heat treatment step.

S104において、P型窒化物半導体層24の上面に絶縁膜30を設ける。絶縁膜は、プラズマCVD法で設けられてよい。プラズマCVD法における原料ガスは、Si原料ガスとしてモノシラン又はジシランが用いられてよく、酸素原料ガスとして酸素ガス、水、または酸素ラジカルが用いられてよい。一例として、絶縁膜30は、P型窒化物半導体層24と高濃度N型領域26とにまたがって設けられる。所望の領域以外に設けられた絶縁膜30は、ウェットエッチング等のエッチングにより除去される。絶縁膜を設ける際に、窒化物半導体層の温度は350℃以下に設定されてよい。 In S104, an insulating film 30 is provided on the upper surface of the P-type nitride semiconductor layer 24. The insulating film may be provided by a plasma CVD method. In the plasma CVD method, monosilane or disilane may be used as a Si source gas, and oxygen gas, water, or oxygen radicals may be used as an oxygen source gas. As an example, the insulating film 30 is provided across the P-type nitride semiconductor layer 24 and the high concentration N-type region 26. The insulating film 30 provided in areas other than the desired area is removed by etching such as wet etching. When providing the insulating film, the temperature of the nitride semiconductor layer may be set to 350° C. or less.

段階S106において、絶縁膜30の上方にゲート電極48が設けられる。一例として、ゲート電極48は、メタルマスクを用いたアルミニウム蒸着によって設けられる。 In step S106, a gate electrode 48 is provided above the insulating film 30. As an example, the gate electrode 48 is provided by aluminum deposition using a metal mask.

段階S108において、高濃度N型領域26の一部の上方にソース電極44およびドレイン電極46が設けられる。一例として、ソース電極44およびドレイン電極46は、ゲート電極48と同様に、メタルマスクを用いたアルミニウム蒸着により設けられるが、異なる導電体によって設けられてよく、電極を設ける方法もアルミニウム蒸着に限定されない。 In step S108, a source electrode 44 and a drain electrode 46 are provided above a portion of the high concentration N-type region 26. As an example, the source electrode 44 and the drain electrode 46 are provided by aluminum deposition using a metal mask, similar to the gate electrode 48, but they may be provided by a different conductor, and the method of providing the electrodes is not limited to aluminum deposition.

また、段階S106および段階S108の順番は、入れ替えて行われてもよい。以上の工程により窒化物半導体装置200が製造される。 The order of steps S106 and S108 may be reversed. Through the above steps, the nitride semiconductor device 200 is manufactured.

図7は、絶縁膜30の固定電荷密度Neffと閾値電圧Vthとの関係を示す。縦軸はMOSゲートの閾値電圧Vth(V)を示し、横軸はMOSFETデバイスの固定電荷密度Neff(cm-2)を示す。本例では、窒化物半導体装置200に係るMOSFETデバイスを用いて説明する。 7 shows the relationship between the fixed charge density Neff and the threshold voltage Vth of the insulating film 30. The vertical axis represents the threshold voltage Vth (V) of the MOS gate, and the horizontal axis represents the fixed charge density Neff (cm -2 ) of the MOSFET device. In this example, a MOSFET device related to the nitride semiconductor device 200 will be used for explanation.

本例のMOSFETデバイスをパワーMOSFETデバイスとして用いる場合、パワーMOSFETデバイスの安全性のためにノーマリオフ動作を実現することが好ましい。この場合、オンオフ境界である閾値電圧Vthとして、例えば、動作の信頼性を実現すべくVthを+3V以上に設定し、電圧の制御性を実現すべく、Vthを10V以下に設定することがある。ただし、Vthの範囲は、+3V以上10V以下の値に限定されるものではない。 When the MOSFET device of this example is used as a power MOSFET device, it is preferable to achieve normally-off operation for the safety of the power MOSFET device. In this case, the threshold voltage Vth, which is the on/off boundary, may be set to +3 V or more to achieve operational reliability, and to 10 V or less to achieve voltage controllability. However, the range of Vth is not limited to values between +3 V and 10 V.

閾値電圧VthとMOSFETデバイスの固定電荷密度Neffには、直線的な関係がある。閾値電圧Vthを+3Vよりも大きく、+10Vよりも小さくするための固定電荷密度Neffの条件は、固定電荷が正の場合、eff<9.8E11/cm)となる。 There is a linear relationship between the threshold voltage Vth and the fixed charge density Neff of a MOSFET device. The condition for the fixed charge density Neff to make the threshold voltage Vth greater than +3 V and smaller than +10 V is Neff < 9.8E11 ( / cm2 ) when the fixed charge is positive .

ここで、閾値電圧Vthとフラットバンド電圧Vfbには下記の式の関係がある。
Vth=Vfb+2φb+√(2εqNa(2φb))/Cox
eff=-Cox(Vfb-Vfb(ideal))
ただし、εは、半導体の比誘電率である。また、アクセプタ濃度Na=1E17cm-3、絶縁膜30の膜厚dox=100nm、フラットバンド電圧Vfb(ideal)=-3V、および障壁高さφb=1.53Vの各式を満たす。この場合、(2εqNa(2φb))/Cox=8.3(V)であり、Vth+Neff/Cox=8.4(V)となる。また、図7より、Vth+Neff/Coxが約8.1(V)となる。
Here, the threshold voltage Vth and the flat band voltage Vfb have the following relationship:
Vth=Vfb+2φb+√(2ε s qNa(2φb))/Cox
N eff =-Cox(Vfb-Vfb(ideal))
Here, ε s is the relative dielectric constant of the semiconductor. In addition, the following formulas are satisfied: acceptor concentration Na=1E17 cm -3 , film thickness d ox of the insulating film 30=100 nm, flat band voltage Vfb (ideal)=-3 V, and barrier height φb=1.53 V. In this case, (2ε s qNa(2φb))/Cox=8.3 (V), and Vth+N eff /Cox=8.4 (V). Also, from FIG. 7, Vth+N eff /Cox is about 8.1 (V).

ox=100nm以外に対しては、Cox=εox/doxの関係があるので、予め定められた閾値電圧Vthの範囲を満たすのは、絶縁膜30の固定電荷密度Neffと絶縁膜30の膜厚doxとの積が、固定電荷が正の場合、1E/cm)以下の範囲内となる。 For values other than d ox = 100 nm, the relationship Cox = εox/d ox exists, and therefore the predetermined range of threshold voltage Vth is satisfied when the product of the fixed charge density N eff of the insulating film 30 and the film thickness d ox of the insulating film 30 is within a range of 1E7 ( /cm) or less when the fixed charge is positive .

また、膜中の平均の固定電荷密度Neff/doxについて、(Neff/dox)<1E17/cm)となり、Ga濃度が4E17cm-3以下の範囲であれば閾値電圧Vthへの影響を抑制できる。特に、表面吸着Gaまたは拡散Ga等の影響の少ない界面から30nmより上方の領域において、Ga濃度は4E17cm-3以下であってよい。 Furthermore, the average fixed charge density Neff / dox in the film is ( Neff / dox ) < 1E17 ( / cm3 ), and if the Ga concentration is in the range of 4E17cm -3 or less, the effect on the threshold voltage Vth can be suppressed. In particular, in a region 30 nm above the interface where the effect of surface adsorbed Ga or diffused Ga is small, the Ga concentration may be 4E17cm -3 or less.

図8Aは、成膜速度を変えた場合における、絶縁膜30をSiO2膜としたときの膜厚doxと固定電荷面密度Neffとの関係を示す図である。横軸に絶縁膜30の膜厚dox(nm)、縦軸に固定電荷密度Neff(cm -2 の大きさを取った図が示される。 8A is a diagram showing the relationship between the film thickness d ox and the fixed charge surface density N eff when the insulating film 30 is a SiO2 film, with the horizontal axis representing the film thickness d ox (nm) of the insulating film 30, and the vertical axis representing the fixed charge density N eff ( cm −2 ) .

既述の通り、成膜速度が大きいほど、窒化物半導体層20がプラズマにさらされる時間が短くなり、Gaが絶縁膜中に取り込まれる量が少なくなる。絶縁膜30の界面固定電荷密度は、固定電荷の絶縁膜30の膜厚依存性から導出でき、図8Aの縦軸の切片となる。 As described above, the higher the deposition rate, the shorter the time that the nitride semiconductor layer 20 is exposed to plasma, and the smaller the amount of Ga taken into the insulating film. The interface fixed charge density of the insulating film 30 can be derived from the film thickness dependency of the insulating film 30 of the fixed charge, and is the intercept of the vertical axis in FIG. 8A .

図8Bは、絶縁膜30の界面固定電荷密度と、電界効果移動度μの最大値μmaxとの関係を示す。横軸に、絶縁膜30の界面固定電荷密度(/cm-2)、縦軸に、電界効果移動度μ(cm-2/Vs)の最大値を取った図が示される。 8B shows the relationship between the interface fixed charge density of the insulating film 30 and the maximum value μmax of the field effect mobility μ. The graph shows the interface fixed charge density (/ cm −2 ) of the insulating film 30 on the horizontal axis and the maximum value of the field effect mobility μ (cm −2 /Vs) on the vertical axis.

電界効果移動度μ(cm-2/Vs)は、窒化物半導体層20内の絶縁膜30との界面付近に形成されるチャネル領域におけるキャリアの移動度を指す。パワーMOSFETデバイスにおいては、電界効果移動度μの値が大きいほど制御出力が大きくなるので、電界効果移動度μは大きな値であることが好ましい。一例として、電界効果移動度μ(cm/Vs)は、50(cm/Vs)以上に設定されるが、100(cm/Vs)以上に設定されてもよい。 The field effect mobility μ (cm −2 /Vs) refers to the mobility of carriers in a channel region formed in the nitride semiconductor layer 20 near the interface with the insulating film 30. In a power MOSFET device, the larger the value of the field effect mobility μ, the larger the control output, so it is preferable that the field effect mobility μ be a large value. As an example, the field effect mobility μ (cm 2 /Vs) is set to 50 (cm 2 /Vs) or more, but may be set to 100 (cm 2 /Vs) or more.

ゲート電極48にゲート電圧が印加された場合、P型窒化物半導体層24内の絶縁膜30側には、N型のチャネルが形成される。一方で、P型窒化物半導体層24と絶縁膜30との境界の近傍においては、境界面の粗さによるラフネス散乱と、キャリアおよび絶縁膜30における界面の電荷の間で生じるクーロン相互作用によるクーロン散乱等の電磁的相互作用による散乱とが発生する。これらの散乱は、境界近傍におけるキャリア移動度を半導体基板のバルクにおけるキャリア移動度より小さくする。 When a gate voltage is applied to the gate electrode 48, an N-type channel is formed on the insulating film 30 side in the P-type nitride semiconductor layer 24. On the other hand, near the boundary between the P-type nitride semiconductor layer 24 and the insulating film 30, roughness scattering due to the roughness of the boundary surface and scattering due to electromagnetic interactions such as Coulomb scattering due to Coulomb interactions occurring between carriers and charges at the interface in the insulating film 30 occur. These scatterings make the carrier mobility near the boundary smaller than the carrier mobility in the bulk of the semiconductor substrate.

なお、界面の電磁気的相互作用による散乱には、キャリアと界面固定電荷とのクーロン相互作用の他に、界面に静電ポテンシャルが存在する場合には、静電ポテンシャルにより生じる相互作用も寄与する。ここで、P型窒化物半導体層24と絶縁膜30との間に生じる界面準位密度Ditは小さい。例えば、P型窒化物半導体層24がGaNであり、絶縁膜30がSiOである場合には、GaN/SiO間に生じる界面準位密度Ditは、1E10(cm-2/eV)以下の大きさである。この場合、界面準位密度Ditが散乱に与える寄与は、界面固定電荷によって生じるクーロン散乱の寄与に比べて小さくなる。 In addition to the Coulomb interaction between carriers and the interface fixed charges, when an electrostatic potential exists at the interface, the interaction caused by the electrostatic potential also contributes to the scattering caused by the electromagnetic interaction at the interface. Here, the interface state density D it occurring between the P-type nitride semiconductor layer 24 and the insulating film 30 is small. For example, when the P-type nitride semiconductor layer 24 is GaN and the insulating film 30 is SiO 2 , the interface state density D it occurring between GaN/SiO 2 is 1E10 (cm -2 /eV) or less. In this case, the contribution of the interface state density D it to the scattering is smaller than the contribution of the Coulomb scattering caused by the interface fixed charges.

クーロン散乱の寄与は、界面固定電荷密度を小さくすることによって小さくなる。したがって、界面固定電荷密度を小さくすることにより、界面の電磁気的相互作用による散乱の影響を減少させ、電界効果移動度μ(cm/Vs)を大きくできる。 The contribution of Coulomb scattering is reduced by reducing the interface fixed charge density, which therefore reduces the influence of scattering due to electromagnetic interactions at the interface and increases the field effect mobility μ (cm 2 /Vs).

実験結果において、電界効果移動度μ(cm/Vs)を50(cm/Vs)以上とするためには、界面固定電荷密度は、1E11(/cm以下となった Experimental results showed that in order to achieve a field effect mobility μ (cm 2 /Vs) of 50 (cm 2 /Vs) or more, the interface fixed charge density was 1E11 (/ cm 2 ) or less .

界面電荷の正負はクーロン相互作用が引力となるか斥力となるかにおいては寄与するが、クーロン散乱によるキャリア移動度への寄与という点では、いずれの相互作用も小さいことが好ましい。したがって、界面固定電荷密度の絶対値を小さくすることにより、所望の電界効果移動度μ(cm/Vs)が得られる。本例の絶縁膜30において、界面固定電荷密度は、固定電荷が正の場合1E11(/cm)以下、さらに好ましくは、7E10(/cm)以下であってよい。 The positive or negative charge at the interface contributes to whether the Coulomb interaction is attractive or repulsive, but in terms of the contribution to carrier mobility due to Coulomb scattering, it is preferable that either interaction is small. Therefore, by reducing the absolute value of the interface fixed charge density, a desired field effect mobility μ (cm 2 /Vs) can be obtained. In the insulating film 30 of this example, the interface fixed charge density may be 1E11 (/ cm 2 ) or less when the fixed charge is positive , and more preferably 7E10 (/ cm 2 ) or less.

図9は、第3実施形態に係る窒化物半導体装置300の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置300は、縦型MOSFETを構成する。窒化物半導体装置200は、窒化物半導体基板層10と、窒化物半導体層20と、高濃度N型領域26と、N型ウェル領域28と、絶縁膜30と、ソース電極44と、ドレイン電極46と、ゲート電極48とを備える。 Figure 9 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 300 according to the third embodiment. The nitride semiconductor device 300 of this example constitutes a vertical MOSFET. The nitride semiconductor device 200 includes a nitride semiconductor substrate layer 10, a nitride semiconductor layer 20, a high concentration N-type region 26, an N-type well region 28, an insulating film 30, a source electrode 44, a drain electrode 46, and a gate electrode 48.

窒化物半導体層20は、N型窒化物半導体層22と、P型窒化物半導体層24とを備える。一例として、N型窒化物半導体層22は、GaN半導体基板層上にエピタキシャル成長させたN型GaN層である。別の例において、N型窒化物半導体層22は、N型半導体基板の層であってよく、N型半導体基板およびN型半導体基板をエピタキシャル成長させたN型半導体の層の両方を含んでもよい。P型窒化物半導体層24は、N型窒化物半導体層22をエピタキシャル成長させて成膜されてよい。 The nitride semiconductor layer 20 includes an N-type nitride semiconductor layer 22 and a P-type nitride semiconductor layer 24. As an example, the N-type nitride semiconductor layer 22 is an N-type GaN layer epitaxially grown on a GaN semiconductor substrate layer. In another example, the N-type nitride semiconductor layer 22 may be a layer of an N-type semiconductor substrate, and may include both an N-type semiconductor substrate and an N-type semiconductor layer epitaxially grown on the N-type semiconductor substrate. The P-type nitride semiconductor layer 24 may be formed by epitaxially growing the N-type nitride semiconductor layer 22.

本例では、高濃度N型領域26は、いずれもMOSFETデバイスのソース領域に相当する。高濃度N型領域26の一部の上方には、ソース電極44が形成される。高濃度N型領域26には、SiまたはGeが添加されてよい。 In this example, each of the high concentration N-type regions 26 corresponds to a source region of a MOSFET device. A source electrode 44 is formed above a portion of the high concentration N-type region 26. The high concentration N-type region 26 may be doped with Si or Ge.

N型ウェル領域28は、P型窒化物半導体層25の一部にN型ドーパントを添加させて設けられる。N型ウェル領域28には、SiまたはOが添加されてよい。 The N-type well region 28 is provided by adding an N-type dopant to a portion of the P-type nitride semiconductor layer 25. The N-type well region 28 may be doped with Si or O.

ドレイン電極46は、N型窒化物半導体層22の下方に設けられる。ドレイン電極46はMOSFETデバイスのドレイン電極として機能する。 The drain electrode 46 is provided below the N-type nitride semiconductor layer 22. The drain electrode 46 functions as the drain electrode of the MOSFET device.

ゲート電極48にゲート電圧が印加されると、高濃度N型領域26およびN型ウェル領域28の間のP型窒化物半導体層の絶縁膜30側にN型のチャネルが形成される。これにより、高濃度N型領域26およびN型ウェル領域28の間をキャリアが流れ、N型ウェル領域28およびN型窒化物半導体層22を通じたキャリアの経路が導通する。これにより、窒化物半導体装置300は、MOSFETデバイスとして動作する。 When a gate voltage is applied to the gate electrode 48, an N-type channel is formed on the insulating film 30 side of the P-type nitride semiconductor layer between the high-concentration N-type region 26 and the N-type well region 28. This allows carriers to flow between the high-concentration N-type region 26 and the N-type well region 28, and the carrier path through the N-type well region 28 and the N-type nitride semiconductor layer 22 becomes conductive. This causes the nitride semiconductor device 300 to operate as a MOSFET device.

窒化物半導体装置300は、窒化物半導体装置200と異なり、窒化物半導体層20の深さ方向にわたって上面21から下方のドレイン電極46までキャリアの経路が導通する。したがって、窒化物半導体装置300は、窒化物半導体装置200に比べて、MOSFETデバイスの耐圧を向上できる。 Unlike the nitride semiconductor device 200, the nitride semiconductor device 300 has a conductive carrier path from the upper surface 21 to the drain electrode 46 below throughout the depth direction of the nitride semiconductor layer 20. Therefore, the nitride semiconductor device 300 can improve the breakdown voltage of the MOSFET device compared to the nitride semiconductor device 200.

図10は、第4実施形態に係る窒化物半導体装置400の構成の一例を示す。本例の窒化物半導体装置400は、トレンチゲート型デバイスを構成する。本例の窒化物半導体装置400は、トレンチゲート型MOSFETを構成する。窒化物半導体装置200は、窒化物半導体基板層10と、窒化物半導体層20と、高濃度N型領域26と、N型ウェル領域28と、絶縁膜30と、ソース電極44と、ドレイン電極46と、ゲート電極48とを備える。以下では、主に窒化物半導体装置300との相違点について述べる。 Figure 10 shows an example of the configuration of a nitride semiconductor device 400 according to the fourth embodiment. The nitride semiconductor device 400 of this example constitutes a trench-gate type device. The nitride semiconductor device 400 of this example constitutes a trench-gate type MOSFET. The nitride semiconductor device 200 includes a nitride semiconductor substrate layer 10, a nitride semiconductor layer 20, a high-concentration N-type region 26, an N-type well region 28, an insulating film 30, a source electrode 44, a drain electrode 46, and a gate electrode 48. The following mainly describes the differences from the nitride semiconductor device 300.

本例では、高濃度N型領域26をP型窒化物半導体層24の上方に設けた後、基板にエッチングが施され、トレンチが設けられる。トレンチには、絶縁膜30およびゲート電極48が設けられる。 In this example, after the high concentration N-type region 26 is provided above the P-type nitride semiconductor layer 24, the substrate is etched to provide a trench. An insulating film 30 and a gate electrode 48 are provided in the trench.

ゲート電極48は、金属で設けられてよく、ポリシリコンで設けられてもよい。ゲート電極48にゲート電圧が印加されると、高濃度N型領域26およびN型窒化物半導体層22の間のP型窒化物半導体層24において、絶縁膜30側にN型チャネルが形成される。これにより、高濃度N型領域26、N型チャネル、およびN型窒化物半導体層22を介して、ソース電極44からドレイン電極46へのキャリアの経路が導通する。したがって、窒化物半導体装置400がMOSFETデバイスとして動作する。 The gate electrode 48 may be made of metal or polysilicon. When a gate voltage is applied to the gate electrode 48, an N-type channel is formed on the insulating film 30 side in the P-type nitride semiconductor layer 24 between the high-concentration N-type region 26 and the N-type nitride semiconductor layer 22. This allows a carrier path from the source electrode 44 to the drain electrode 46 to be conductive through the high-concentration N-type region 26, the N-type channel, and the N-type nitride semiconductor layer 22. Therefore, the nitride semiconductor device 400 operates as a MOSFET device.

窒化物半導体装置400においては、窒化物半導体装置300に比べ多数のゲート電極48を設けやすい。これにより、窒化物半導体層20においてチャネルとして用いることのできる領域の比率が大きくなり、半導体装置としての動作効率が向上する。 In the nitride semiconductor device 400, it is easier to provide a larger number of gate electrodes 48 than in the nitride semiconductor device 300. This increases the ratio of the area in the nitride semiconductor layer 20 that can be used as a channel, improving the operating efficiency of the semiconductor device.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 The present invention has been described above using an embodiment, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiment. It is clear to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiment. It is clear from the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process, such as operations, procedures, steps, and stages, in the devices, systems, programs, and methods shown in the claims, specifications, and drawings is not specifically stated as "before" or "prior to," and it should be noted that the processes may be performed in any order, unless the output of a previous process is used in a later process. Even if the operational flow in the claims, specifications, and drawings is explained using "first," "next," etc. for convenience, it does not mean that it is necessary to perform the processes in this order.

10・・・窒化物半導体基板層、11・・・下面、20・・・窒化物半導体層、21・・・上面、22・・・N型窒化物半導体層、24・・・P型窒化物半導体層、26…高濃度N型領域、28・・・N型ウェル領域、30・・・絶縁膜、40・・・上面電極、42・・・下面電極、44・・・ソース電極、46・・・ドレイン電極、48・・・ゲート電極、100・・・窒化物半導体装置、200・・・窒化物半導体装置、300・・・窒化物半導体装置、400・・・窒化物半導体装置 10: nitride semiconductor substrate layer, 11: bottom surface, 20: nitride semiconductor layer, 21: top surface, 22: N-type nitride semiconductor layer, 24: P-type nitride semiconductor layer, 26: high concentration N-type region, 28: N-type well region, 30: insulating film, 40: top electrode, 42: bottom electrode, 44: source electrode, 46: drain electrode, 48: gate electrode, 100: nitride semiconductor device, 200: nitride semiconductor device, 300: nitride semiconductor device, 400: nitride semiconductor device

Claims (17)

Gaを含む窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜と、
前記絶縁膜の上方に設けられた電極と、
を備え、
前記絶縁膜中の固定電荷密度と、前記絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合1E7/cm)以下の範囲内であり、
前記絶縁膜における界面固定電荷密度は固定電荷が正の場合1E11/cm)以下である
窒化物半導体装置。
a nitride semiconductor layer containing Ga;
an insulating film laminated on an upper surface of the nitride semiconductor layer;
an electrode provided above the insulating film;
Equipped with
the product of the fixed charge density in the insulating film and the thickness of the insulating film is within a range of 1E7 ( /cm) or less when the fixed charge is positive ;
The interface fixed charge density in the insulating film is 1E11 ( /cm 2 ) or less when the fixed charge is positive .
Nitride semiconductor devices.
前記絶縁膜のGa濃度は、前記窒化物半導体層との界面からの30nmより上方の領域において、+4E17cm-3以下である、
請求項1に記載の窒化物半導体装置。
The Ga concentration of the insulating film is +4E17 cm −3 or less in a region 30 nm above the interface with the nitride semiconductor layer.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記絶縁膜はSiを含む酸化物を含む、
請求項1または2に記載の窒化物半導体装置。
The insulating film includes an oxide containing Si.
3. The nitride semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記絶縁膜は酸窒化物を含む、
請求項1から3のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The insulating film includes an oxynitride.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記絶縁膜は、30nm以上100nm以下の厚さを有する、
請求項1から4のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The insulating film has a thickness of 30 nm or more and 100 nm or less.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記窒化物半導体層は、GaNを含む、
請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor layer includes GaN.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記窒化物半導体層は、MgドープのP型GaNを含む、
請求項1から6のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The nitride semiconductor layer includes Mg-doped P-type GaN.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記窒化物半導体層のMg濃度は、+1E16cm-3以上、+1E18cm-3以下である、
請求項7に記載の窒化物半導体装置。
The Mg concentration of the nitride semiconductor layer is +1E16 cm −3 or more and +1E18 cm −3 or less.
The nitride semiconductor device according to claim 7 .
前記窒化物半導体層、前記絶縁膜および前記電極は、MOSゲート構造を有する電界効果トランジスタを構成する、
請求項1から8のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
the nitride semiconductor layer, the insulating film, and the electrode constitute a field effect transistor having a MOS gate structure;
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
前記電界効果トランジスタは、+3V以上の閾値電圧を有する、
請求項9に記載の窒化物半導体装置。
The field effect transistor has a threshold voltage of +3V or more.
The nitride semiconductor device according to claim 9 .
前記絶縁膜のC不純物濃度は、+4E17cm-3以下である、
請求項1から10のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
The C impurity concentration of the insulating film is +4E17 cm −3 or less.
The nitride semiconductor device according to claim 1 .
Gaを含む窒化物半導体層を設ける段階と、
前記窒化物半導体層の上面に積層された絶縁膜を設ける段階と、
前記絶縁膜の上方に設けられた電極を設ける段階と、を備え、
前記絶縁膜中の固定電荷密度と、前記絶縁膜の厚さとの積は、固定電荷が正の場合1E7/cm)以下の範囲内であり、
前記絶縁膜における界面固定電荷密度は固定電荷が正の場合1E11/cm)以下である
窒化物半導体装置の製造方法。
providing a Ga-containing nitride semiconductor layer;
providing an insulating film stacked on an upper surface of the nitride semiconductor layer;
providing an electrode above the insulating film;
the product of the fixed charge density in the insulating film and the thickness of the insulating film is within a range of 1E7 ( /cm) or less when the fixed charge is positive ;
The interface fixed charge density in the insulating film is 1E11 ( /cm 2 ) or less when the fixed charge is positive .
A method for manufacturing a nitride semiconductor device.
前記絶縁膜を設ける段階は、プラズマCVDにより行われる、
請求項12に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
The step of providing the insulating film is performed by plasma CVD.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 12 .
前記プラズマCVDにおける原料ガスは、モノシランまたはジシランを含む、
請求項13に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
The source gas in the plasma CVD includes monosilane or disilane.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 .
前記プラズマCVDにおける原料ガスは、酸素ガス、水、または酸素ラジカルを含む、
請求項13または14に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
The raw material gas in the plasma CVD contains oxygen gas, water, or oxygen radicals;
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 13 or 14.
前記絶縁膜を設ける段階において、
前記絶縁膜は、25nm/min以上の成膜速度で設けられる、
請求項12から15のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
In the step of providing the insulating film,
The insulating film is formed at a deposition rate of 25 nm/min or more.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 12 .
前記絶縁膜を設ける段階において、前記窒化物半導体層の温度は350℃以下に設定される、
請求項12から15のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
In the step of providing the insulating film, the temperature of the nitride semiconductor layer is set to 350° C. or less.
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to claim 12 .
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