JP2009124002A - Gan-based semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、GaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタなどのGaN系半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a GaN-based semiconductor device such as a GaN-based heterojunction field effect transistor and a method for manufacturing the same.
一般に横型FET素子では、3つのボンディングパッドが必要になり、素子のサイズが大きくなってしまう。そのため従来、GaAs-FETでは、基板の裏面から孔(バイヤホール)を掘り、裏面電極とソース電極を電気的に接続させて、ボンディングパッドを一つ減らす技術がある(例えば、特許文献1の図2参照)。 In general, a lateral FET element requires three bonding pads, which increases the size of the element. Therefore, conventionally, in the GaAs-FET, there is a technique of digging a hole (via hole) from the back surface of the substrate and electrically connecting the back electrode and the source electrode to reduce one bonding pad (for example, FIG. 2).
しかしながら、このような従来のGaAs-FETでは、耐圧が落ちてしまうので、対策としてバイヤホール部分を絶縁膜で覆うという技術がある(例えば、特許文献1の図1参照)。この半導体装置は、GaAs等の半導体基板の表面にソース電極(第1の導電体)を有し、半導体基板の裏面に裏面電極(第2の導電体)を有し、半導体基板中にソース電極と裏面電極を接続するバイヤホールを有し、バイヤホールは第3の導電体で充填され、バイヤホール内の第3の導電体と半導体基板との間に絶縁膜を有する。 However, in such a conventional GaAs-FET, the withstand voltage drops, and there is a technique of covering the via hole portion with an insulating film as a countermeasure (see, for example, FIG. 1 of Patent Document 1). This semiconductor device has a source electrode (first conductor) on the surface of a semiconductor substrate such as GaAs, a back electrode (second conductor) on the back surface of the semiconductor substrate, and the source electrode in the semiconductor substrate. And a via hole connecting the back electrode, the via hole is filled with a third conductor, and an insulating film is provided between the third conductor in the via hole and the semiconductor substrate.
また、GaN系半導体素子は、GaAs系の材料に比べてそのバンドギャップエネルギーが大きく、しかも耐熱度が高く高温動作に優れているので、これらの材料、とくにGaN/AlGaN系半導体を用いた電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)等の開発が進められている。 In addition, GaN-based semiconductor devices have a larger band gap energy than GaAs-based materials, and have high heat resistance and excellent high-temperature operation. Therefore, the field effect using these materials, particularly GaN / AlGaN-based semiconductors. Development of transistors (Field Effect Transistors: FETs) is underway.
従来、GaN系半導体装置として、窒化ガリウム系化合物半導体で構成されるGaN系HEMT(High Electron Mobility Transistor: 高電子移動度トランジスタ)等が知られている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、上記特許文献1に開示された従来技術を、そのままGaN系半導体装置に適用する場合には、次のような問題点がある。 Incidentally, when the conventional technique disclosed in Patent Document 1 is applied to a GaN-based semiconductor device as it is, there are the following problems.
(1)シリコン(Si)基板上にGaN系半導体からなる能動層を形成したエピタキシャルウェハでは、歪が大きいため、反りやクラックを抑制するために基板厚が500um以上必要であり、基板の裏面から孔(バイヤホール)を掘ることが非常に困難である。 (1) In an epitaxial wafer in which an active layer made of a GaN-based semiconductor is formed on a silicon (Si) substrate, since the strain is large, a substrate thickness of 500 μm or more is necessary to suppress warpage and cracks. It is very difficult to dig a hole.
(2)仮に基板の裏面からバイヤホールを掘れたとしても、バイヤホールの幅が10umに対してその深さが500um以上となり、バイヤホール内の導電体と半導体基板との間に形成する絶縁膜をバイヤホールの奥深くまで成膜するのが困難である。 (2) Even if a via hole is dug from the back surface of the substrate, the depth of the via hole is 500 μm or more with respect to 10 μm, and the insulating film formed between the conductor in the via hole and the semiconductor substrate It is difficult to form a film deep into the via hole.
本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、ボンディングパッドを減らして、素子サイズの小型化を可能にし、かつ、アバランシェ破壊を抑制して信頼性の向上を図ったGaN系半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems. The object of the present invention is to reduce the number of bonding pads, reduce the element size, and suppress the avalanche breakdown, thereby improving reliability. An object of the present invention is to provide an improved GaN-based semiconductor device and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、P型のシリコン(Si)基板と、該基板上に形成されたGaN系半導体からなる能動層と、オン状態で能動層を介して相互間に電流が流れる第1電極および第2電極と、前記基板の裏面に形成された裏面電極と、を備え、前記能動層には、前記能動層の表面側から前記シリコン基板に達する深さの溝が形成され、前記溝内には、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続する前記第1電極と、該第1電極と前記能動層とを電気的に絶縁する絶縁層とが形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a GaN-based semiconductor device according to the first aspect of the present invention includes a P-type silicon (Si) substrate, an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate, A first electrode and a second electrode through which an electric current flows through the active layer in a state, and a back electrode formed on the back surface of the substrate, wherein the active layer has a surface from the surface side of the active layer. A groove having a depth reaching the silicon substrate is formed, and in the groove, the first electrode that electrically connects the surface of the active layer and the silicon substrate, the first electrode, and the active layer, And an insulating layer that electrically insulates.
これによれば、第1電極が能動層の表面とシリコン基板を電気的に接続しているので、第1電極がシリコン基板を介して裏面電極と電気的に接続され、裏面電極全体が第1電極用のボンディングパッドとなる。これにより、第1電極のボンディングパッドが不要になり、ボンディングパッドの数が減るので、素子サイズ(チップ面積)を小さくすることができる。また、第1電極の溝内の部分は、絶縁層により能動層とは電気的に接触しない構造となっているので、溝内の第1電極から能動層への電子の注入によるアバランシェ破壊が抑制される。 According to this, since the first electrode electrically connects the surface of the active layer and the silicon substrate, the first electrode is electrically connected to the back electrode via the silicon substrate, and the entire back electrode is the first electrode. It becomes a bonding pad for an electrode. This eliminates the need for the bonding pads for the first electrode and reduces the number of bonding pads, thereby reducing the element size (chip area). In addition, since the portion of the first electrode in the groove is not electrically in contact with the active layer by the insulating layer, avalanche breakdown due to injection of electrons from the first electrode in the groove to the active layer is suppressed. Is done.
また、能動層における第1電極を形成する部分に、能動層の表面側からシリコン基板に達する深さの溝を形成し、この溝内に、能動層の表面とシリコン基板とを電気的に接続する第1電極と、第1電極の溝内の部分を能動層に対して絶縁する絶縁層とを形成しているので、溝および絶縁膜の形成が容易になる。 In addition, a groove having a depth reaching the silicon substrate from the surface side of the active layer is formed in the portion of the active layer where the first electrode is formed, and the surface of the active layer and the silicon substrate are electrically connected in this groove. Since the first electrode and the insulating layer that insulates the portion in the groove of the first electrode from the active layer are formed, the groove and the insulating film can be easily formed.
従って、ボンディングパッドを減らして、素子サイズの小型化を可能にし、かつ、アバランシェ破壊を抑制して信頼性の向上を図ったGaN系半導体装置を得ることができる。 Therefore, it is possible to obtain a GaN-based semiconductor device in which the bonding pad is reduced, the element size can be reduced, and the avalanche breakdown is suppressed to improve the reliability.
請求項2に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記第1電極には、前記シリコン基板および前記能動層の両方にオーミック接合する金属を用いていることを特徴とする。 The GaN-based semiconductor device according to a second aspect of the present invention is characterized in that a metal that is in ohmic contact with both the silicon substrate and the active layer is used for the first electrode.
これにより、低いオン抵抗が得られ、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の向上を図れる。 Thereby, a low on-resistance can be obtained, and the reliability can be improved while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor element.
請求項3に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記第2電極は、前記能動層上に形成された層間絶縁膜上面の少なくとも一部に形成されかつ前記層間絶縁膜の貫通孔内部に延びるパッド電極と電気的に接続されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the GaN-based semiconductor device, the second electrode is formed on at least a part of the upper surface of the interlayer insulating film formed on the active layer and inside the through hole of the interlayer insulating film. It is electrically connected to the extending pad electrode.
これによれば、電極部分の電流密度が低減されるので、エレクトロマイグレーションが発生するのを抑制でき、信頼性がさらに向上する。 According to this, since the current density of the electrode portion is reduced, the occurrence of electromigration can be suppressed, and the reliability is further improved.
請求項4に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記シリコン基板と前記能動層の間に、p-GaN層及びn-GaN層を更に備えることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the GaN-based semiconductor device further includes a p-GaN layer and an n-GaN layer between the silicon substrate and the active layer.
上記絶縁層により、溝内の第1電極から能動層への電子の注入によるアバランシェ破壊は抑制できるが、エピタキシャルウェハの縦方向に高電圧がかかるので、エピタキシャルウェハの縦方向耐圧を向上する必要がある。これによれば、シリコン基板と能動層の間に、p-GaN層及びn-GaN層を備えているので、空乏層が伸びて、エピタキシャルウェハの縦方向における耐圧が向上する。 Although the avalanche breakdown due to the injection of electrons from the first electrode in the groove to the active layer can be suppressed by the insulating layer, since a high voltage is applied in the vertical direction of the epitaxial wafer, it is necessary to improve the vertical breakdown voltage of the epitaxial wafer. is there. According to this, since the p-GaN layer and the n-GaN layer are provided between the silicon substrate and the active layer, the depletion layer extends and the breakdown voltage in the vertical direction of the epitaxial wafer is improved.
請求項5に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記第1電極としてのソース電極と、前記第2電極としてのドレイン電極と、ゲート電極とを備える電界効果トランジスタであることを特徴とする。 A GaN-based semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is a field effect transistor including a source electrode as the first electrode, a drain electrode as the second electrode, and a gate electrode. .
これによれば、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系電界効果トランジスタを実現できる。 According to this, a highly reliable GaN-based field effect transistor can be realized while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor device.
請求項6に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記電界効果トランジスタは、前記能動層が、キャリア走行層となる第1GaN系半導体層と、キャリア供給層となる第2GaN系半導体層のへテロ接合構造を有するヘテロ接合電界効果トランジスタであり、前記溝は、前記能動層における前記ソース電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the GaN-based semiconductor device, the field effect transistor includes a first GaN-based semiconductor layer in which the active layer serves as a carrier traveling layer and a second GaN-based semiconductor layer in which the carrier supply layer functions. A heterojunction field effect transistor having a telojunction structure, wherein the groove is formed in a portion of the active layer where the source electrode is formed.
これによれば、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタ(GaN系HEMT,別名GaN系HFET)を実現できる。 According to this, a highly reliable GaN-based heterojunction field effect transistor (GaN-based HEMT, also known as GaN-based HFET) can be realized while maintaining the advantage of low on-resistance of the GaN-based semiconductor device.
請求項7に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記電界効果トランジスタは、前記能動層上に形成されたゲート酸化膜を備え、前記ゲート酸化膜上に前記ゲート電極が形成されたMOS型電界効果トランジスタであり、前記溝は、前記能動層における前記ソース電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする。 The GaN-based semiconductor device according to claim 7, wherein the field effect transistor includes a gate oxide film formed on the active layer, and the gate electrode is formed on the gate oxide film. In the field effect transistor, the groove is formed in a portion of the active layer where the source electrode is formed.
これによれば、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系MOS型電界効果トランジスタ(GaN系MOSFET)を実現できる。 According to this, a highly reliable GaN-based MOS field effect transistor (GaN-based MOSFET) can be realized while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor element.
請求項8に記載の発明に係るGaN系半導体装置は、前記能動層とオーミック接合する前記第1電極としてのカソード電極と、前記能動層とショットキー接合する前記第2電極としてのアノード電極と、を備えるショットキーダイオードであり、前記溝は、前記能動層における前記カソード電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする。 A GaN-based semiconductor device according to claim 8 is a cathode electrode as the first electrode that is in ohmic contact with the active layer, and an anode electrode as the second electrode that is in Schottky junction with the active layer, The groove is formed in a portion of the active layer where the cathode electrode is to be formed.
これによれば、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系ショットキーダイオード(GaN系SBD)を実現できる。 According to this, a highly reliable GaN-based Schottky diode (GaN-based SBD) can be realized while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor element.
請求項9に記載の発明に係るGaN系半導体装置の製造方法は、P型のシリコン(Si)基板と、該基板上に形成されたGaN系半導体からなる能動層と、オン状態で2つの電極間で能動層を介して電流が流れる第1電極および第2電極の少なくとも2つの電極と、前記基板の裏面に形成された裏面電極と、を備えたGaN系半導体装置の製造方法であって、前記能動層における前記2つの電極の一方の電極を形成する部分に、前記能動層の表面側から前記シリコン基板に達する深さの溝を形成する工程と、前記溝を形成した後、絶縁膜を全面に形成する工程と、反応性イオンエッチング(RIE)法で前記絶縁膜を全面エッチングすることにより、前記溝の内壁面のみに絶縁膜を残して絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の内面に、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続するように前記一方の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 A method of manufacturing a GaN-based semiconductor device according to claim 9 includes a P-type silicon (Si) substrate, an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate, and two electrodes in an on state. A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising: at least two electrodes, a first electrode and a second electrode, through which an electric current flows between the active layers, and a back electrode formed on the back surface of the substrate, Forming a groove having a depth reaching the silicon substrate from the surface side of the active layer in a portion of the active layer where one of the two electrodes is to be formed; and after forming the groove, an insulating film is formed Forming the insulating layer on the entire surface by etching the entire surface of the insulating film by reactive ion etching (RIE), leaving the insulating film only on the inner wall surface of the groove; and On the inside, And forming the one electrode so as to be electrically connected to the surface of the moving layer and the silicon substrate, in that it comprises the features.
請求項10に記載の発明に係るGaN系半導体装置の製造方法は、P型のシリコン(Si)基板と、該基板上に形成されたGaN系半導体からなる能動層と、オン状態で2つの電極間で能動層を介して電流が流れる第1電極および第2電極の少なくとも2つの電極と、前記基板の裏面に形成された裏面電極と、を備えたGaN系半導体装置の製造方法であって、前記能動層における前記2つの電極の一方の電極を形成する部分に、選択的にイオン注入して高抵抗化したイオン注入層を形成する工程と、前記溝の内壁面のみにイオン注入層を残して絶縁層を形成するように、前記イオン注入層を前記シリコン基板に達する深さまでエッチングする工程と、前記絶縁層の内面に、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続するように前記一方の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device according to a tenth aspect of the present invention includes a P-type silicon (Si) substrate, an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate, and two electrodes in an on state. A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising: at least two electrodes, a first electrode and a second electrode, through which an electric current flows between the active layers, and a back electrode formed on the back surface of the substrate, Forming a high-resistance ion-implanted layer by selectively implanting ions in a portion of the active layer where one of the two electrodes is to be formed, and leaving the ion-implanted layer only on the inner wall surface of the groove; Etching the ion implantation layer to a depth reaching the silicon substrate so as to form an insulating layer, and electrically connecting the surface of the active layer and the silicon substrate to the inner surface of the insulating layer. In Serial forming one of the electrodes, characterized in that it comprises a.
本発明によれば、ボンディングパッドを減らして、素子サイズの小型化を可能にし、かつ、アバランシェ破壊を抑制して信頼性の向上を図ったGaN系半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a GaN-based semiconductor device in which the bonding pad is reduced, the element size can be reduced, and the reliability is improved by suppressing avalanche breakdown.
次に、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Next, embodiments embodying the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of each embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
第1実施形態に係るGaN系半導体装置20を、図1に基づいて説明する。
(First embodiment)
A GaN-based
このGaN系半導体装置20は、GaN系ヘテロ接合電界効果トランジスタ(GaN系HEMT,別名GaN系HFET)として構成されている。
The GaN-based
GaN系半導体装置20は、P型の不純物を添加したP型のシリコン(Si)基板21と、この基板上に形成されたバッファ層22と、バッファ層22上に形成されたアンドープGaN層から成るチャネル層(キャリア走行層)23と、チャネル層23上に形成されたアンドープAlGaNから成るキャリア供給層24と、を備える。図1では、チャネル層23とキャリア供給層24を、AlGaN/GaN(24,23)で示しているが、チャネル層23及びキャリア供給層24は、図4に示すGaN系半導体装置20Aのチャネル層23及びキャリア供給層24と同様の2層構造である。バッファ層22は、AlNとGaNの積層構造である。バッファ層22、第1GaN半導体層であるチャネル層(キャリア走行層)23および第2GaN半導体層であるキャリア供給層24により、GaN系半導体からなる能動層25が構成されている。
The GaN-based
また、GaN系半導体装置20は、オン状態で2つの電極間で能動層25を介して電流が流れる第1電極としてのソース電極(S)31および第2電極としてのドレイン電極32(D)と、ゲート電極(G)33と、シリコン基板21の裏面に形成された裏面電極34と、を備えている。
In addition, the GaN-based
このGaN系半導体素子20では、チャネル層(アンドープGaN層)23の表面には、キャリア供給層24(アンドープAlGaN層)がヘテロ接合しているため、接合している部分の界面には2次元電子ガス(図4の2次元電子ガス26を参照)が発生する。そのため、2次元電子ガス26がキャリアとなってチャネル層23は導電性を示すようになる。
In this GaN-based
また、このGaN系半導体装置20では、能動層25におけるソース電極31を形成する部分に、能動層25の表面側からシリコン基板21に達する深さの溝(トレンチ)27が形成されている。この溝27の壁面は略垂直になっている。
Further, in the GaN-based
溝27内には、能動層25の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するソース電極31と、ソース電極31の溝27内の部分を能動層25に対して絶縁する絶縁層70とが形成されている。
In the
ソース電極31は、能動層25の表面(キャリア供給層24の表面)側からシリコン基板21に達する深さの溝27の内壁面に、その表面側からシリコン基板21と接触する位置まで、後述する所定の厚さに形成されている。
The
ソース電極31には、シリコン基板21および能動層25の両方にオーミック接合する金属を用いている。例えば、ソース電極31は、能動層25およびシリコン基板21と接触するTi層と、このTi層上に積層されたAlとSiの合金からなる層とを含む積層体である。ドレイン電極32も、キャリア供給層24と接触するTi層と、このTi層上に積層されたAlとSiの合金とを含む積層体である。ゲート電極33は、例えば、NiとAuの積層体である。
The
キャリア供給層24の表面における、ソース電極31、ゲート電極33およびドレイン電極32の間には、パッシベーション膜28が形成されている。このパッシベーション膜28上には、ソース電極31内の溝を埋めるように、窒化Si(SiN)からなる層間絶縁膜29が形成されている。ドレイン電極32は、能動層25上に形成された層間絶縁膜29上面の一部に形成されかつ層間絶縁膜29の貫通孔29a内部に延びるパッド電極(ドレインパッド)30dと電気的に接続されている。
A
図2は、GaN系半導体装置20の上面を示している。図2に示すように、層間絶縁膜29の上面には、ドレインパッド30dとゲートパッド33aとが形成されている。パッド電極30dは、貫通孔29a内部で延びる導体部を介して、櫛型のドレイン電極32の複数の櫛32aと電気的に接続されている。このように、パッド電極30dは、櫛型のドレイン電極32の櫛32aと櫛32aとを電気的に接続することにより、電流密度を緩和している。一方、図1及び図2に示すソース電極(櫛型のソース電極の複数の櫛)31は、P型のシリコン(Si)基板21の裏面に形成された裏面電極34と電気的に接続されている。ゲートパッド33aは、図1に示すゲート電極33と電気的に接続されている。
FIG. 2 shows the upper surface of the GaN-based
ソース電極31のTi層の厚さは、能動層25のチャネル層23との良好なオーミック接触を得るためには、15nmから40nmの間の厚さにする必要がある。Ti層の厚さが15nmより小さいと、ソース電極31とP型のシリコン基板21とのコンタクト抵抗(Rc)が、例えば10-4Ωcm2より大きくなるので、好ましくない。Ti層の厚さが40nmより大きいと、そのコンタクト抵抗(Rc)が、例えば10-4Ωcm2より大きくなるので、好ましくない。
The thickness of the Ti layer of the
そして、P型のシリコン基板21のP型不純物濃度は、5×1019cm-3以上、1×1021cm-3以下である。P型のシリコン基板21のP型不純物濃度が5×1019cm-3より小さいと、コンタクト抵抗(Rc)が高くなるので好ましくない。そのP型不純物濃度が1×1021cm-3より大きいと、バッファ層22、チャネル層23およびキャリア供給層24(能動層25)の結晶性が悪くなるので好ましくない。
The P-type impurity concentration of the P-
上記構成を有するGaN系半導体装置20は、例えば、以下のようにして作製することが可能である。ここでは、絶縁層70を、絶縁膜で形成する場合におけるGaN系半導体装置20の作製方法ついて、図3(A)〜(C)に基づいて説明する。成長装置はMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)装置を用いた。
The GaN-based
(1)まず、P型のシリコン基板21をMOCVD装置内に導入し、ターボポンプでMOCVD装置内の真空度を1×10-6hPa以下になるまで真空引きした後、真空度を100hPaとしシリコン基板21を600℃に昇温した。温度が安定したところで、シリコン基板21を900rpmで回転させ、原料となるトリメチルアルミニウム(TMA)を100cm3/min、アンモニアを12リットル/minの流量でシリコン基板21の表面に導入しAlNとGaNの積層構造から成るバッファ層22の成長を行った。成長時間は4minでバッファ層22の膜厚は50nm程度である。
(1) First, a P-
(2)次に、アンモニアを12リットル/minの流量を流しながら温度上昇させ、1050℃に保った後に、トリメチルガリウム(TMG)を300cm3/min、アンモニアを12リットル/minの流量でバッファ層22の上に導入してGaN層から成るチャネル層(キャリア走行層)23の成長を行った。成長時間は2000secで、チャネル層23の膜厚は3000nmであった。
(2) Next, the temperature was raised while flowing ammonia at a flow rate of 12 liters / min, and maintained at 1050 ° C., then trimethylgallium (TMG) was 300 cm 3 / min and ammonia was flowed at a flow rate of 12 liters / min. A channel layer (carrier traveling layer) 23 made of a GaN layer was grown by introducing the
(3)次に、トリメチルアルミニウム(TMA)を50cm3/min、トリメチルガリウム(TMG)を100cm3/min、アンモニアを12リットル/minの流量で導入し、Al0.25Ga0.75N層から成るキャリア供給層24の成長を行った。成長時間は40secで、キャリア供給層24の膜厚は20nmである。このようにして、図1に示した層構造が完成する。
(3) Next, trimethylaluminum (TMA) to 50 cm 3 / min, trimethyl gallium (TMG) 100 cm 3 / min, the ammonia was introduced at a flow rate 12 liter / min, the carrier supply consisting of Al 0.25 Ga 0.75
(4)次に、塩素ガスなどを用いて素子分離を行う。 (4) Next, element isolation is performed using chlorine gas or the like.
(5)次に、フォトレジストを塗布し、パターニングを行って、ドレイン電極32を形成すべき箇所を開口する。このパターニングされたフォトレジストをマスクとして、リフトオフ法により、TiおよびAlとSiの合金膜からなるドレイン電極32を形成する。
(5) Next, a photoresist is applied and patterning is performed to open a portion where the
(6)次に、前記フォトレジストを除去し、SiO2絶縁膜を形成し、この絶縁膜のパターニングを行ってソース電極31を形成すべき箇所を開口する。この後、その開口において、能動層25を、その表面側からシリコン基板21に達する深さまでエッチングで除去して、壁面が略垂直の溝27を形成する(図3(A)参照)。
(6) Next, the photoresist is removed, a SiO 2 insulating film is formed, and this insulating film is patterned to open a portion where the
(7)溝27を形成した後、前記SiO2絶縁膜を除去する。この後、絶縁膜(SiO2)71を全面に形成する(図3(A)参照)。
(7) After the
(8)次に、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法で絶縁膜71を全面エッチング(全面異方性エッチング)することにより、溝27の内壁面のみに絶縁膜を残す(図3(B)参照)。これにより、溝27の内壁面に、絶縁膜で構成された絶縁層70が形成される。
(8) Next, the entire surface of the insulating
(9)次に、フォトレジストを塗布し、パターニングを行って、ソース電極31を形成すべき箇所を開口する。このパターニングされたフォトレジストをマスクとして、リフトオフ法により、TiおよびAlとSiの合金膜からなるソース電極31を、絶縁層70の内面および能動層25の表面に形成する(図3(C)参照)。ここでは、Tiと、AlとSiの合金膜とを順次蒸着して、シリコン基板21および能動層25と接触するTi層と、AlとSiの合金からなる層とを含む積層体からなるソース電極31を、絶縁層70の内面全体に、上述した所定の厚さで、シリコン基板21に達する深さまで形成する。これにより、能動層25の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するが、溝27内の部分は、絶縁層70により絶縁されて能動層25とは電気的に接触しない構造のソース電極31が、溝27内に形成される。
(9) Next, a photoresist is applied and patterning is performed to open a portion where the
(10)次に、前記フォトレジストを除去し、キャリア供給層24の表面にパッシベーション膜28を形成する。
(10) Next, the photoresist is removed, and a
(11)次に、パッシベーション膜28のゲート電極33形成部を開口し、Ni、Auを蒸着してゲート電極33を形成する。
(11) Next, the
(12)次に、パッシベーション膜28上に、ソース電極31の溝27を埋めるように、窒化Si(SiN)からなる層間絶縁膜29を堆積する。
(12) Next, an
(13)次に、層間絶縁膜29におけるドレイン電極32と対応する箇所に貫通孔29aを開ける。この後、ドレイン電極32と電気的に接続するドレインパッド(パッド)30dを、層間絶縁膜29上面の一部および貫通孔29a内部に形成する。
(13) Next, a through
(14)最後に、シリコン基板21の裏面に裏面電極34を形成する。
(14) Finally, the
これにより、図1に示すGaN系半導体装置(GaN系HEMT)20が完成する。 Thereby, the GaN-based semiconductor device (GaN-based HEMT) 20 shown in FIG. 1 is completed.
このGaN系半導体装置20では、オン状態で、電流がドレイン電極から能動層25のチャネル層(キャリア走行層)23を介してソース電極31へ流れ、さらにソース電極31を縦方向に流れ、P型のシリコン基板21を介して裏面電極34へ流れる。
In this GaN-based
以上のように構成された第1実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
○ソース電極31が能動層25の表面とシリコン基板21を電気的に接続しているので、ソース電極31がシリコン基板21を介して裏面電極34と電気的に接続され、裏面電極34全体がソース電極31用のボンディングパッドとなる。これにより、ソース電極31のボンディングパッドが不要になり、ボンディングパッドの数が減るので、素子サイズ(チップ面積)を小さくすることができる。
According to 1st Embodiment comprised as mentioned above, there exist the following effects.
Since the
○ソース電極31の溝27内の部分は、絶縁層70により能動層25とは電気的に接触しない構造となっているので、溝27内のソース電極31から能動層25への電子の注入によるアバランシェ破壊が抑制される。
The portion of the
○能動層25におけるソース電極31を形成する部分に、能動層25の表面側からシリコン基板21に達する深さの溝27を形成し、この溝27内に、能動層25の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するソース電極31と、ソース電極31の溝27内の部分を能動層25に対して絶縁する絶縁層70とを形成している。このため、溝27および絶縁膜70の形成が容易になる。
A
○ボンディングパッドを減らして、素子サイズの小型化を可能にし、かつ、アバランシェ破壊を抑制して信頼性の向上を図ったGaN系半導体装置を得ることができる。 A GaN-based semiconductor device can be obtained in which the bonding pad is reduced, the element size can be reduced, and the avalanche breakdown is suppressed to improve the reliability.
次に、上記構成を有するGaN系半導体装置20において、絶縁膜で形成された絶縁層70に代えて、絶縁層70Aを、能動層25をイオン注入により高抵抗化したイオン注入層で構成してもよい。
Next, in the GaN-based
このように、絶縁層70Aをイオン注入層で構成したGaN系半導体装置20の作製方法ついて、図4(A)〜(C)に基づいて説明する。
A method for manufacturing the GaN-based
上記工程(5)の後、上記工程(6)〜(9)に代えて、次の工程(6´)〜(8´)を実施する。 After the step (5), the following steps (6 ′) to (8 ′) are performed instead of the steps (6) to (9).
(6´)ソース電極31を形成すべき箇所の開口に、選択的にイオン注入して高抵抗化したイオン注入層73を形成する(図4(A)参照)。
(6 ′) An ion-implanted layer 73 that is selectively ion-implanted to increase the resistance is formed in the opening where the
(7´)次に、溝27Aの内壁面(イオン注入層73と能動層25の境界面)のみにイオン注入層73を残して絶縁層を形成するように、イオン注入層73をシリコン基板21に達する深さまでエッチングする(図4(B)参照)。これにより、溝27Aの内壁面のみにイオン注入層73が残って、高抵抗化したイオン注入層からなる絶縁層70Aが形成される。このように、ここでの溝27Aの内壁面は、工程(6´)で形成したイオン注入層73と能動層25の境界面に相当する。
(7 ′) Next, the ion implantation layer 73 is formed on the
(8´)次に、フォトレジストを塗布し、パターニングを行って、ソース電極31Aを形成すべき箇所を開口する。このパターニングされたフォトレジストをマスクとして、リフトオフ法により、TiおよびAlとSiの合金膜からなるソース電極31Aを、絶縁層70Aの内面および能動層25の表面に形成する(図4(C)参照)。
(8 ') Next, a photoresist is applied and patterning is performed to open a portion where the
ここでは、Tiと、AlとSiの合金膜とを順次蒸着して、シリコン基板21および能動層25と接触するTi層と、AlとSiの合金からなる層とを含む積層体からなるソース電極31を、絶縁層70Aの内面全体に、上述した所定の厚さで、シリコン基板21に達する深さまで形成する。これにより、能動層25の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するが、溝27A内の部分は、絶縁層70Aにより絶縁されて能動層25とは電気的に接触しない構造のソース電極31が、溝27A内に形成される。
Here, Ti and an alloy film of Al and Si are sequentially deposited, and a source electrode made of a laminate including a Ti layer in contact with the
この後、上記工程(10)〜(14)を実施することで、絶縁層70Aをイオン注入層で構成したGaN系半導体装置20が完成する。
Thereafter, by performing the above steps (10) to (14), the GaN-based
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係るGaN系半導体装置20Aを、図5に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Next, a GaN-based
このGaN系半導体装置20Aは、上記第1実施形態に係るGaN系半導体装置20の溝27を、内壁面が傾斜面となった断面逆台形状の溝27Bに変更したものである。
In the GaN-based
このGaN系半導体装置20Aでは、能動層25におけるソース電極31Aを形成する部分に、能動層25の表面側からシリコン基板21に達する深さの溝(トレンチ)27Bが形成されている。この溝27B内には、能動層25の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するソース電極31Aと、ソース電極31Aの溝27B内の部分を能動層25に対して絶縁する絶縁層70とが形成されている。その他の構成は上記第1実施形態と同様である。
このような構成を第2実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
In the GaN-based
According to the second embodiment having such a configuration, the same operational effects as those of the first embodiment can be obtained.
(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係るGaN系半導体装置20Cを、図6に基づいて説明する。
(Third embodiment)
Next, a GaN-based
このGaN系半導体装置20Cは、GaN系MOS型電界効果トランジスタ(GaN系MOSFET)として構成されている。
The GaN-based
GaN系半導体装置20Cは、P型のシリコン基板21と、この基板上に形成されたGaN系半導体からなるエピタキシャル層(能動層)41と、ソース電極42と、ゲート電極43と、ドレイン電極44と、エピタキシャル層41上に形成されたゲート酸化膜45とを備え、ゲート酸化膜45上にゲート電極43が形成されたMOS型電界効果トランジスタである。
The GaN-based
このGaN系半導体装置20Cでは、能動層としてのエピタキシャル層41におけるソース電極42を形成する部分に、エピタキシャル層41の表面側からシリコン基板21に達する深さの溝(トレンチ)27Cが形成されている。この溝27D内には、エピタキシャル層41の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するソース電極42と、ソース電極42の溝27D内の部分をエピタキシャル層41に対して絶縁する絶縁層70とが形成されている。
In the GaN-based
また、GaN系半導体装置20Cは、エピタキシャル層41の表面に、再成長技術或いはイオン注入技術を用いて形成されたオーミック電極(ソース電極42およびドレイン電極44)下の不純物層を備える。このGaN系半導体装置20Bは、不純物層として、エピタキシャル層41表面におけるソース電極42下(ソース電極42の左右の上端部42a、42b下)の領域にそれぞれ形成されたオーミックコンタクト層46a,46bと、ドレイン電極44下の領域に形成されたオーミックコンタクト層47と、電界集中の緩和を目的としたリサーフ層48とを備える。
The GaN-based
エピタキシャル層41は、P型のシリコン基板21上に、例えば所定量のMgを添加(ドープ)したGaNをMOCVD法によってエピタキシャル成長させたp-GaN層である。
The
オーミックコンタクト層46a,46bおよび47はそれぞれ、GaN系半導体にシリコン(Si)などを所望の濃度になるように添加したものをMOCVD法で成長させて形成されたn+層である。
The
また、リサーフ層48は、GaN系半導体にシリコン(Si)などをオーミックコンタクト層46a,46bおよび47の濃度より低い所望の濃度になるように添加したものをMOCVD法で成長させて形成されている。なお、図6において、符号29Bは層間絶縁膜である。
The
以上のように構成された第3実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系MOSFETを実現できる。 According to the third embodiment configured as described above, the same effect as the first embodiment is obtained, and the GaN-based semiconductor device having high reliability while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor device. A MOSFET can be realized.
(第4実施形態)
次に、第4実施形態に係るGaN系半導体素子20Dを、図7に基づいて説明する。
(Fourth embodiment)
Next, a GaN-based
このGaN系半導体装置20Dは、GaN系ショットキーダイオード(GaN系SBD)として構成されている。
The GaN-based
GaN系半導体装置20Dは、P型のシリコン基板21と、この基板上に形成されたGaN系半導体からなる能動層55と、能動層55とオーミック接合する第1電極としてのカソード電極61と,能動層55とショットキー接合する第2電極としてのアノード電極62と、を備える。
The GaN-based
能動層55は、例えば、シリコン基板21上に形成されたGaN系半導体からなるバッファ層52と、バッファ層52上に形成されたアンドープGaNからなるキャリア走行層53と、キャリア走行層53上に形成されたアンドープAlGaNからなるキャリア供給層54とにより構成されている。
The active layer 55 is formed on, for example, a
このGaN系半導体装置20Dでは、能動層55におけるカソード電極61を形成する部分に、能動層55の表面側からシリコン基板21に達する深さの溝(トレンチ)27Dが形成されている。この溝27E内には、能動層55の表面とシリコン基板21とを電気的に接続するカソード電極61と、カソード電極61の溝27E内の部分を能動層55に対して絶縁する絶縁層70とが形成されている。
In the GaN-based
また、キャリア供給層54の表面における、カソード電極61およびアノード電極62間には、パッシベーション膜28Dが形成されている。このパッシベーション膜28D上には、カソード電極61の断面逆台形状の溝を埋めるように、窒化Si(SiN)からなる層間絶縁膜29Dが形成されている。
A
以上のように構成された第4実施形態によれば、上記第1実施形態と同様の作用効果を奏すると共に、GaN系半導体素子の低オン抵抗という利点を維持しつつ、信頼性の高いGaN系ショットキーダイオードを実現できる。 According to the fourth embodiment configured as described above, the same effect as the first embodiment is achieved, and the GaN-based semiconductor device having high reliability while maintaining the advantage of the low on-resistance of the GaN-based semiconductor device. A Schottky diode can be realized.
(第5実施形態)
次に、第6実施形態に係るGaN系半導体素子20Eを、図8に基づいて説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a GaN-based
このGaN系半導体装置20Eは、図5に示す上記第2実施形態に係るGaN系半導体装置20Aにおいて、エピタキシャルウェハの縦方向耐圧を向上させるために、シリコン基板21と能動層25(チャネル層23)の間に、p-GaN層81及びn-GaN層82を備えている。
This GaN-based
GaN系半導体装置20Eでは、図5に示すGaN系半導体装置20Aと同様に、溝27B(図5参照)が能動層25におけるソース電極31Aを形成する部分に形成されている。
In the GaN-based
以上のように構成された第5実施形態によれば、上記第1実施形態の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。 According to 5th Embodiment comprised as mentioned above, in addition to the effect which the said 1st Embodiment show | plays, there exist the following effects.
○図5に示すGaN系半導体装置20Aでは、絶縁層70により、溝27B内のソース電極31Aから能動層25(バッファ層22)への電子の注入によるアバランシェ破壊は抑制できるが、エピタキシャルウェハの縦方向に高電圧がかかるので、エピタキシャルウェハの縦方向耐圧を向上する必要がある。これによれば、シリコン基板21と能動層25の間に、p-GaN層81及びn-GaN層82を備えているので、空乏層が伸びて、エピタキシャルウェハの縦方向における耐圧が向上する。
In the GaN-based
なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・図6に示す上記第3実施形態に係るGaN系半導体装置20Cでは、ソース電極42が、エピタキシャル層41におけるソース電極42を形成する部分をシリコン基板21に達する深さまで掘った溝27B内に、シリコン基板21およびエピタキシャル層41の両方と電気的に接触するように形成されているが、本発明はこれに限定されない。ドレイン電極44が、エピタキシャル層41におけるドレインソース電極44を形成する部分をシリコン基板21に達する深さまで掘った溝27B内に、シリコン基板21およびエピタキシャル層41の両方と電気的に接触するように形成した構成にも、本発明は適用可能である。
In addition, this invention can also be changed and embodied as follows.
In the GaN-based
・上記各実施形態で説明したGaN系半導体装置に限らず、本発明は、GaN系半導体を用いたMOSFETやDiode、Bipolar TransistorなどのGaN系半導体装置にも適用可能である。 The present invention can be applied not only to the GaN-based semiconductor devices described in the above embodiments, but also to GaN-based semiconductor devices such as MOSFETs, diodes, and bipolar transistors using GaN-based semiconductors.
20,20A,20C、20D,20E:GaN系半導体装置
21:P型のシリコン(Si)基板
22:バッファ層
23:チャネル層(キャリア走行層)
24:キャリア供給層
25,55:能動層
31,31B:ソース電極
32,32B:ドレイン電極
33:ゲート電極
27,27A,27B,27C,27D、27E:溝
28,28D:パッシベーション膜
29,29B,29D:層間絶縁膜
29a:貫通孔
30d,30s:パッド電極
41:エピタキシャル層(能動層)
42:ソース電極
43:ゲート電極
44:ドレイン電極
45:ゲート酸化膜
52:バッファ層
53:キャリア走行層
54:キャリア供給層
61:カソード電極
62:アノード電極
81:p-GaN層
82:n-GaN層
20, 20A, 20C, 20D, 20E: GaN-based semiconductor device 21: P-type silicon (Si) substrate 22: Buffer layer 23: Channel layer (carrier travel layer)
24:
42: Source electrode 43: Gate electrode 44: Drain electrode 45: Gate oxide film 52: Buffer layer 53: Carrier traveling layer 54: Carrier supply layer 61: Cathode electrode 62: Anode electrode 81: p-GaN layer 82: n-GaN layer
Claims (10)
前記能動層には、前記能動層の表面側から前記シリコン基板に達する深さの溝が形成され、前記溝内には、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続する前記第1電極と、該第1電極と前記能動層とを電気的に絶縁する絶縁層とが形成されていることを特徴とするGaN系半導体装置。 A P-type silicon (Si) substrate, an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate, a first electrode and a second electrode through which an electric current flows between the active layers through the active layer, A back electrode formed on the back surface of the substrate,
A groove having a depth reaching the silicon substrate from the surface side of the active layer is formed in the active layer, and the surface of the active layer and the silicon substrate are electrically connected in the groove. 1. A GaN-based semiconductor device, comprising: one electrode; and an insulating layer that electrically insulates the first electrode from the active layer.
前記溝は、前記能動層における前記ソース電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする請求項5に記載のGaN系半導体装置。 The field effect transistor is a heterojunction field effect transistor in which the active layer has a heterojunction structure of a first GaN semiconductor layer serving as a carrier traveling layer and a second GaN semiconductor layer serving as a carrier supply layer,
6. The GaN-based semiconductor device according to claim 5, wherein the groove is formed in a portion of the active layer where the source electrode is formed.
前記溝は、前記能動層における前記ソース電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする請求項5に記載のGaN系半導体装置。 The field effect transistor includes a gate oxide film formed on the active layer, and is a MOS field effect transistor in which the gate electrode is formed on the gate oxide film,
6. The GaN-based semiconductor device according to claim 5, wherein the groove is formed in a portion of the active layer where the source electrode is formed.
前記溝は、前記能動層における前記カソード電極を形成する部分に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載のGaN系半導体装置。 A Schottky diode comprising: a cathode electrode as the first electrode in ohmic contact with the active layer; and an anode electrode as the second electrode in Schottky junction with the active layer;
The GaN-based semiconductor device according to claim 1, wherein the groove is formed in a portion of the active layer where the cathode electrode is formed.
前記能動層における前記2つの電極の一方の電極を形成する部分に、前記能動層の表面側から前記シリコン基板に達する深さの溝を形成する工程と、
前記溝を形成した後、絶縁膜を全面に形成する工程と、
反応性イオンエッチング(RIE)法で前記絶縁膜を全面エッチングすることにより、前記溝の内壁面のみに絶縁膜を残して絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層の内面に、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続するように前記一方の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とするGaN系半導体装置の製造方法。 A P-type silicon (Si) substrate; an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate; and a first electrode and a second electrode through which an electric current flows between the two electrodes in an on state via the active layer A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device comprising at least two electrodes and a back electrode formed on the back surface of the substrate,
Forming a groove having a depth reaching the silicon substrate from the surface side of the active layer in a portion of the active layer where one of the two electrodes is formed;
Forming an insulating film on the entire surface after forming the groove;
Forming the insulating layer by leaving the insulating film only on the inner wall surface of the groove by etching the entire surface of the insulating film by a reactive ion etching (RIE) method;
Forming the one electrode on the inner surface of the insulating layer so as to electrically connect the surface of the active layer and the silicon substrate. A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
前記能動層における前記2つの電極の一方の電極を形成する部分に、選択的にイオン注入して高抵抗化したイオン注入層を形成する工程と、
前記溝の内壁面のみにイオン注入層を残して絶縁層を形成するように、前記イオン注入層を前記シリコン基板に達する深さまでエッチングする工程と、
前記絶縁層の内面に、前記能動層の表面と前記シリコン基板とを電気的に接続するように前記一方の電極を形成する工程と、を備えることを特徴とするGaN系半導体装置の製造方法。 A P-type silicon (Si) substrate; an active layer made of a GaN-based semiconductor formed on the substrate; and a first electrode and a second electrode through which an electric current flows between the two electrodes in an on state via the active layer A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device comprising at least two electrodes and a back electrode formed on the back surface of the substrate,
Forming an ion-implanted layer having a high resistance by selectively ion-implanting into a portion of the active layer where one of the two electrodes is formed;
Etching the ion implantation layer to a depth reaching the silicon substrate so as to form an insulating layer leaving the ion implantation layer only on the inner wall surface of the groove;
Forming the one electrode on the inner surface of the insulating layer so as to electrically connect the surface of the active layer and the silicon substrate. A method for manufacturing a GaN-based semiconductor device, comprising:
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