半导体装置制造方法
【专利摘要】本发明的课题是提供抑制耐压性的降低的同时有效地抑制了漏电流的半导体装置。其具备：在基板上形成的，由III族氮化物系化合物半导体构成的电子传输层；在所述电子传输层上形成的，由带隙能量比所述电子传输层高的III族氮化物系化合物半导体构成的电子供给层；在所述电子供给层上形成的，由带隙能量比所述电子供给层低的非p型的III族氮化物系化合物半导体构成的场板层；以与在所述电子传输层的与所述电子供给层的界面产生的二维电子气层欧姆接触的方式形成的第1电极；以与所述二维电子气层以肖特基接触的方式形成的第2电极，在所述场板层的侧壁，所述第2电极与在所述场板层的与所述电子供给层的界面产生的二维空穴气欧姆接触。
【专利说明】半导体装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及半导体装置。
【背景技术】
[0002]以往，公开了在由III族氮化物系化合物半导体构成的半导体装置(例如，肖特基势垒二极管)中，在AlGaN/GaN异质结构上形成了作为场板起作用的GaN层(GaN-FP层)的结构。此外,还有在GaN-FP层与AlGaN/GaN异质结构之间形成了无掺杂的GaN层的结构(参照专利文献1、2)。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005][专利文献I]国际公开W02011/162243号公报
[0006][专利文献2]日本特开2007-134608号公报
【发明内容】
[0007]发明要解决的问题
[0008]在上述结构中，在GaN层的与AlGaN层的界面产生二维电子气，在GaN-FP层(或无掺杂的GaN层)的与AlGaN层的界面产生二维空穴气。
[0009]此时，若二维空穴气与阳电极进行欧姆接触而等电位，则在反向偏压时，因在二维空穴气与二维电子气之间施加电场，故二维电子气变得易耗尽。因此，若在阳电极的端部形成GaN-FP层，则在反向偏压时因对阳电极端部施加的电场变弱，故期待抑制漏电流。
[0010]然而，产生二维空穴气的GaN-FP层的导电类型为P型的结构，或者即使GaN-FP层不是P型、但在其上层叠了 P型的GaN层的结构中，在GaN-FP层产生的二维空穴气增加。因此，丧失二维空穴气的浓度与在AlGaN层的下部的GaN层产生的二维电子气之间的浓度平衡。其结果是，电场集中于GaN-FP层的端部。进一步，在P型的GaN层中作为P型掺杂剂主要掺杂了 Mg(镁)。其结果是，空穴的迁移率变小，其与电子的迁移率之差变大。由此，在开关半导体装置时可使二维空穴气与二维电子气的浓度变化出现偏差，因二维电子气变得不易耗尽，故电场集中于GaN-FP层的端部。以上的结果是，产生半导体装置的耐压性降低，漏电流未被有效抑制等问题。
[0011]本发明鉴于上述情况，其目的在于，提供抑制耐压性的降低并同时有效地抑制了漏电流的半导体装置。
[0012]解决问题的手段
[0013]为了解决上述问题，完成目的，本发明的半导体装置的特征在于，具备:在基板上形成的，由III族氮化物系化合物半导体构成的电子传输层；在所述电子传输层上形成的，由带隙能量比所述电子传输层高的III族氮化物系化合物半导体构成的电子供给层；在所述电子供给层上形成的，由带隙能量比所述电子供给层低的、非P型的III族氮化物系化合物半导体构成的场板层；以与在所述电子传输层的与所述电子供给层的界面产生的二维电子气层欧姆接触的方式形成的第I电极；以与所述二维电子气层肖特基接触的方式形成的第2电极，在所述场板层的侧壁，所述第2电极与在所述场板层的与所述电子供给层的界面产生的二维空穴气欧姆接触。
[0014]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，相对于与所述电子供给层的表面相垂直的面，所述场板层的所述侧壁向与所述第2电极相反一侧倾斜。
[0015]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，具有从所述电子供给层的表面一直形成到所述电子供给层内或所述电子传输层内的规定的深度的凹部，所述第2电极从所述凹部内一直形成到所述场板层的所述侧壁。
[0016]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，所述凹部距所述电子供给层的表面的深度为IOnm以上，所述凹部正下方的所述电子传输层的厚度为20nm以上。
[0017]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，所述场板层具有位于所述电子供给层侧的、带隙能量从所述电子供给层侧向与所述电子供给层相反一侧连续地或阶梯式降低的区域。
[0018]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，所述区域的厚度为IOnm以上。
[0019]本发明的半导体装置的特征还在于，在上述发明中，在所述非P型的场板层的上表面的至少一部分形成了所述第2电极。
[0020]发明效果
[0021]根据本发明，具有下述效果:可实现抑制耐压性的降低并同时有效地抑制了漏电流的半导体装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是实施方式I的半导体装置的截面示意图。
[0023]图2是显示在图1所示半导体装置的主要部分的图。
[0024]图3是实施方式2的半导体装置的主要部分截面示意图。
[0025]图4是实施方式3的半导体装置的主要部分截面示意图。
[0026]图5是实施方式4的半导体装置的主要部分截面示意图。
[0027]图6是实施方式5的半导体装置的主要部分截面示意图。
[0028]图7是实施方式6的半导体装置的截面示意图。
[0029]图8是阳电极与二维空穴气未进行欧姆接触的半导体装置的主要部分截面示意图。
[0030]符号说明
[0031]11 基板
[0032]12缓冲层
[0033]13、33、53电子传输层
[0034]13a、33a、53a 二维电子气层
[0035]14、24、34、54 电子供给层
[0036]15、25、45、55 场板层
[0037]15a、25a、45c、55c 二维空穴气层
[0038]15b、25b、45d 侧壁[0039]16、66 钝化膜
[0040]17、27、37、47、57 阳电极
[0041]18阴电极
[0042]24a、33b、53b 凹部
[0043]45a、55a梯度组成区域
[0044]45b、55b 区域
[0045]67栅电极
[0046]68漏电极
[0047]69源电极
[0048]100、200、300、400、500、600 半导体装置
[0049]G1、G2、G3 间隙
[0050]Θ1、Θ2 角度
【具体实施方式】
[0051]以下，参照附图对本发明的半导体装置的实施方式加以详细说明。而且，本发明不受此实施方式的限制。此外，在各附图中，对相同或对应的要素标以适当的相同的符号，适当省略重复的说明。再者，附图是示意性的，需注意的是各要素的尺寸关系等有与实物不同的情况。在附图相互之间，也包含相互的尺寸关系、比率不同的部分。
[0052](实施方式I)
[0053]图1是作为本发明的实施方式I的半导体装置的肖特基势垒二极管的截面示意图。半导体装置100具备:在基板11上隔着缓冲层12形成的电子传输层13，在电子传输层13上形成的电子供给层14，在电子供给层14上形成的场板层15、钝化膜16、作为第2电极的阳电极17以及作为第I电极的阴电极18。
[0054]基板11由硅、蓝宝石、ZnO等在其主表面上可形成III族氮化物系化合物半导体的材料构成。缓冲层12用于在基板11上适宜地形成III族氮化物系化合物半导体层，例如具有AlN层和GaN层交替层叠而成的公知的结构。
[0055]电子传输层13包含例如非掺杂的GaN。电子供给层14由带隙能量比电子传输层13高的III族氮化物系化合物半导体例如AlGaN构成。AlGaN的Al组成比为例如0.25，但没有特别限制，可以使其为例如0.01?0.99。此外，电子供给层14的厚度为例如I?50nm，优选为20?25nm。此处，在电子传输层13的与电子供给层14的界面产生二维电子气层。
[0056]场板层15由带隙能量比电子供给层14低的，非P型的III族氮化物系化合物半导体构成。例如，场板层15由非掺杂的GaN构成。场板层15的厚度为例如30nm?200nm,优选为50nm?150nm。此处，在场板层15的与电子供给层14的界面产生二维空穴气层。而且，非P型是指导电类型不是P型，例如非掺杂的或掺杂了 η型杂质而成的η型。
[0057]钝化膜16包含例如SiN，其主要保护未形成场板层15、阳电极17及阴电极18的电子供给层14的表面。
[0058]阴电极18以与电子供给层14进行欧姆接触的方式用例如Ti/Al的层叠结构来形成。由此，阴电极18通过电子供给层14，与在电子传输层13产生的二维电子气层进行欧姆接触。
[0059]阳电极17以与电子供给层14进行肖特基接触的方式用例如Ni/Au的层叠结构来形成。由此，阳电极17通过电子供给层14，与在电子传输层13产生的二维电子气层进行肖特基接触。
[0060]阳电极17与场板层15互相接触，且向着阴电极18侧延伸。例如，阳电极17以像图1那样与场板层15的侧面及上表面的一部分相接触的方式形成。
[0061]接着，对阳电极17与场板层15的接触状态进行说明。图2是显示作为图1中显示的半导体装置100的主要部分的阳电极17与场板层15相接触的部分的图。如图2所示，在电子传输层13的与电子供给层14的界面产生二维电子气层13a。在场板层15的与电子供给层14的界面产生二维空穴气层15a。
[0062]在此半导体装置100中，阳电极17以与在场板层15产生的二维空穴气层15a在场板层15的侧壁15b中进行欧姆接触的方式构成。具体而言，通过使场板层15的侧壁15b相对于与电子供给层14的表面相垂直的面而向与阳电极17相反一侧仅以角度Θ I倾斜，从而实现了所述欧姆接触。
[0063]如上所述，若二维空穴气层15a与阳电极17进行欧姆接触而等电位，在反向偏压时，因在二维空穴气层15a与二维电子气层13a之间施加电场，故二维电子气层13a变得易在较低的电压下耗尽。因此，在反向偏压时因对阳电极17的端部施加的电场变弱，故可有效抑制漏电流。
[0064]进一步，因在电子供给层14的上方形成的，与阳电极17接触的层(此处为场板层15)为非P型，故在确保二维空穴气层15a的浓度与二维电子气层13a的浓度平衡的同时，开关时的耗尽变容易。其结果是，防止了电场集中于场板层15的靠近阴电极18的端部，耐压性的降低被抑制。此外，如图1所示，除了非P型的场板层15以外，通过在一部分阳电极17与电子供给层14或场板层15之间形成钝化膜16，从而形成多级状的电场缓和结构，耐压性进一步改善。
[0065]而且，图8是阳电极与二维空穴气未进行欧姆接触的半导体装置700的主要部分截面示意图。在半导体装置700中，与半导体装置100同样地，在电子传输层73的与电子供给层74的界面上产生二维电子气层73a，在场板层75的与电子供给层74的界面产生二维空穴气层75a。
[0066]然而，因场板层75的侧壁与电子供给层74的表面垂直,故在场板层75的侧壁与电子供给层74的表面所形成的角部分产生与阳电极77的间隙G7。认为这样的间隙的产生是因为，通过例如电子束蒸渡法等来形成阳电极77时，电极材料没有充分到达角部分。由于二维空穴气层75a存在于距场板层75的与电子供给层74的界面数nm左右的范围内，因此若存在这样的间隙G7，则二维空穴气层75a变得不与阳电极77接触，或接触不充分。此时，二维空穴气层75a变为漂浮状，变成在与二维电子气层73a之间没有施加电场的情况。
[0067]为了消除这样的间隙G7的产生，半导体装置100中的场板层15的侧壁15b的倾斜的角度Θ I例如为30度?60度左右，优选为45度。
[0068]而且，就制造半导体装置100的工序而言，其能如下进行。首先，在基板11上，采用例如MOCVD法等晶体生长法，使应成为缓冲层12、电子传输层13、电子供给层14、场板层15的半导体层依次生长。之后，通过选择性蚀刻，除去所希望的区域之外的半导体层来形成场板层15。而且，通过对场板层15进行各向同性蚀刻，可使场板层15的侧壁15b仅以优选的角度Θ I倾斜。
[0069]之后，采用例如电子束蒸渡法和拔起法来形成阴电极18。接着，采用例如PECVD(Plasma Enhanced CVD)法、光刻技术和蚀刻来形成钝化膜16。接着，采用电子束蒸渡法和拔起法来形成阳电极17。
[0070]而且,因场板层15为非P型,故无需掺杂例如作为P型掺杂剂的Mg。因此,在半导体装置100的制造工序中的热处理、Mg的活化热处理等时，Mg在电子传输层13与电子供给层14的界面扩散这样的情况原本就不会发生，由此，也不会发生二维电子气层13a的迁移率降低而正向特性恶化这样的情况。
[0071]如上所述，本实施方式I的半导体装置100是抑制耐压性的降低的同时有效地抑制了漏电流的半导体装置。
[0072](实施方式2)
[0073]图3是本发明的实施方式2的半导体装置的主要部分截面示意图。此半导体装置200具有，在图1中显示的半导体装置100中将电子供给层14、场板层15、阳电极17分别换为电子供给层24、场板层25、阳电极27而成的构成。换过后的各要素的优选的构成材料等特性可与例如换过前的对应的各要素相同。
[0074]电子供给层24具有从电子供给层24的表面到其内部的规定的深度dl为止形成的凹部24a。凹部24a通过例如蚀刻来形成。在场板层25的与电子供给层24的界面，产生二维空穴气层25a。场板层25的侧壁25b与电子供给层24的表面大体上垂直。阳电极27从凹部24a内到场板层25的侧壁25b为止形成着。
[0075]在此半导体装置200中，场板层25的侧壁25b与电子供给层24的表面大体上垂直。但是，在电子供给层24中有凹部24a，阳电极27从凹部24a内到场板层25的侧壁25b为止形成着。其结果是，即使在凹部24a的侧壁25b侧的角形成着间隙G1，从凹部24a的底面到二维空穴气层25a的高度位置为止，在阳电极27与场板层25之间间隙消失。因此，可使阳电极27在侧壁25b中与二维空穴气层25a进行欧姆接触。
[0076]而且，为了在二维空穴气层25a的高度位置在阳电极27与场板层25之间使间隙消失，优选凹部24a的距电子供给层24的表面的深度dl为IOnm以上。此外，若在凹部24a的正下方的电子供给层24的厚度tl为20nm以上，则即使在电子供给层24与其他部分相比较薄的凹部24a的正下方，也因二维电子气层13a的浓度变成充分的状态故而优选。
[0077](实施方式3)
[0078]图4是本发明的实施方式3的半导体装置的主要部分截面示意图。此半导体装置300具有，在图3中显示的半导体装置200中将电子传输层13、电子供给层24、阳电极27分别换为电子传输层33、电子供给层34、阳电极37而成的构成。换过的各要素的优选的构成材料等特性可与例如换过前的对应的各要素相同。
[0079]半导体装置300具有从电子供给层34的表面贯穿电子供给层34 —直形成到电子传输层33的内部的规定的深度的凹部33b。在电子传输层33的与电子供给层34的界面，产生二维电子气层33a。场板层25的侧壁25b与电子供给层34的表面大体上垂直。阳电极37从凹部33b内一直形成到场板层25的侧壁25b。
[0080]在此半导体装置300中，也有凹部33b，阳电极37从凹部33b内一直形成到场板层25的侧壁25b。其结果是，即使在凹部33b的侧壁25b侧的角形成间隙G2，从凹部33b的底面到二维空穴气层25a的高度位置为止，在阳电极37与场板层25之间间隙也消失。因此，可使阳电极37在侧壁25b中与二维空穴气层25a进行欧姆接触。
[0081 ] 进一步，在此半导体装置300中，可使阳电极37在侧壁25b中与电子传输层33的二维电子气层33a直接进行肖特基接触。由此，因阳电极37与电子传输层33的肖特基势垒变低，正向电流变得易流动。
[0082]而且，就从电子传输层33的表面到凹部33b的底面为止的深度d2而言，只要是在二维空穴气层25a的高度位置在阳电极37与场板层25之间间隙消失，深度就没有特别限制。优选对应于电子供给层34的厚度来适当设定深度d2。此外，因在距电子传输层33与电子供给层34的界面数nm程度的范围内存在二维电子气层33a，故如上所述为了使阳电极37在侧壁25b中与二维空穴气层25a进行欧姆接触，进一步优选深度d2为IOnm以上。
[0083](实施方式4)
[0084]图5是本发明的实施方式4的半导体装置的主要部分截面示意图。此半导体装置400具有，在图1中显示的半导体装置100中将场板层15、阳电极17分别换为场板层45、阳电极47而成的构成。换过的各要素的优选的构成材料等特性可与例如换过前的对应的各要素相同。
[0085]场板层45具有位于电子供给层14侧的梯度组成区域45a，以及位于隔着梯度组成区域45a而与电子供给层14侧相反一侧的区域45b。对于梯度组成区域45a而言，以带隙能量从电子供给层14侧向着与电子供给层14相反一侧连续地或阶梯式降低的方式，其组成相对于厚度方向变化。例如，梯度组成区域45a以Al组成从电子供给层14侧向着与电子供给层14相反一侧连续地或阶梯式降低的方式，相对于厚度方向变化。另一方面，区域45b的组成变成例如与邻接的梯度组成区域45a的组成相同的组成。即，当梯度组成区域45a的组成在与区域45b邻接的部分中为GaN时，区域45b也可以包含GaN。此外，当梯度组成区域45a的组成在与区域45b邻接的部分中为规定的Al组成的AlGaN时，区域45b也可同样的包含Al组成的AlGaN。
[0086]在此半导体装置400中，场板层45的侧壁45d与电子供给层14的表面大体上垂直。但是，因场板层45具有梯度组成区域45a，在场板层45内二维空穴气层45c扩展到与梯度组成区域45a的厚度大致相同程度的厚度。其结果是，即使在电子供给层14的表面与侧壁45d所形成的角处形成间隙G3，在二维空穴气层45c的厚度的范围内，在阳电极47与场板层45之间间隙消失。因此，可使阳电极47在侧壁45d中与二维空穴气层45c进行欧姆接触。而且，优选梯度组成区域45a的厚度为IOnm以上。
[0087](实施方式5)
[0088]图6是本发明的实施方式5的半导体装置的主要部分截面示意图。此半导体装置500具有，在图1中显示的半导体装置100中将电子传输层13、电子供给层14、场板层15、阳电极17分别换为电子传输层53、电子供给层54、场板层55、阳电极57而成的构成。在电子传输层53与电子供给层54的界面，产生着二维电子气层53a。
[0089]此半导体装置500是将上述实施方式1、3及4的构成组合而构成的。即，场板层55具有位于电子供给层54侧的梯度组成区域55a，以及位于隔着梯度组成区域55a而与电子供给层54侧相反一侧的区域55b。由此，在场板层55内，二维空穴气层55c扩展到与梯度组成区域55a的厚度大致相同程度的厚度。此外，具有从电子供给层54的表面贯穿电子供给层54 —直形成到电子传输层53的内部的规定的深度的凹部53b。进一步，场板层55的侧壁55d相对于与电子供给层54的表面相垂直的面，向与阳电极57相反一侧仅倾斜角度Θ 2。
[0090]像此半导体装置500那样，可以适当组合上述实施方式的构成，一面使阳电极在场板层的侧壁与二维空穴气层进行欧姆接触，一面进一步获得通过各实施方式的构成发挥的各效果。
[0091](实施方式6)
[0092]图7是作为本发明的实施方式6的半导体装置的高电子迁移率晶体管(HEMT)型的场效应晶体管的截面示意图。此半导体装置600具有，在图1中显示的半导体装置100中去掉钝化膜16、阳电极17、阴电极18,而附加钝化膜66、作为第2电极的栅电极67、作为第I电极的漏电极6 8及源电极69而成的构成。
[0093]在此半导体装置600中，与在图1中显示的实施方式I的半导体装置100同样，场板层15的侧壁相对于与电子供给层14的表面相垂直的面，向与栅电极67相反一侧仅以规定的角度倾斜。由此，在场板层15的侧壁,栅电极67与在场板层15中产生的二维空穴气层进行欧姆接触。
[0094]此外，对于此半导体装置600，不限于与上述实施方式I同样的构成，可应用其他实施方式2~5或将它们适当组合而成的构成，实现栅电极与二维空穴气层的欧姆接触，进一步获得通过各实施方式的构成发挥的各效果。而且，应用实施方式3的构成时，由于在凹部正下方不产生二维电子气层，因此半导体装置成为MES(Metal-Semiconductor)型的场效应晶体管。
[0095]而且，在上述实施方式中，电子供给层由AlGaN构成，电子传输层及场板层由GaN构成。然而，这些层的构成材料不限于上述材料。即，电子供给层只要是由带隙能量比电子传输层高的III族氮化物系化合物半导体构成的即可，场板层只要是由带隙能量比电子供给层低的，非P型的III族氮化物系化合物半导体构成的即可。此处，III族氮化物系化合物半导体是化学式AlJnyGah-yAsJWu-v(其中,0≤x≤1、0≤y≤l>x+y≤1、0≤u < 1、O≤ν < l、u+v < I)所表示的物质。
[0096]此外，本发明不受上述实施方式的限制。将上述各构成要素适当组合来构成的实施方式也包含于本发明中。此外，对于本领域的技术人员，可容易地推导出更进一步的效果或变型例。因此，本发明的更广泛的方式并不限于上述实施方式，可进行各种变更。
【权利要求】
1.一种半导体装置，其特征在于， 具备:在基板上形成的，由III族氮化物系化合物半导体构成的电子传输层； 在所述电子传输层上形成的，由带隙能量比所述电子传输层高的III族氮化物系化合物半导体构成的电子供给层； 在所述电子供给层上形成的，由带隙能量比所述电子供给层低的非P型的III族氮化物系化合物半导体构成的场板层； 以与二维电子气层欧姆接触的方式形成的第I电极，所述二维电子气层在所述电子传输层的与所述电子供给层的界面产生；以及 以与所述二维电子气层肖特基接触的方式形成的第2电极， 在所述场板层的侧壁，所述第2电极与在所述场板层的与所述电子供给层的界面产生的二维空穴气欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述场板层的所述侧壁相对于与所述电子供给层的表面相垂直的面，向与所述第2电极相反一侧倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，具有从所述电子供给层的表面一直形成到所述电子供给层内或所述电子传输层内的规定的深度的凹部，所述第2电极从所述凹部内一直形成到所述场板层的所述侧壁。
4.根据权利要求3所述的半导体装置，其特征在于，所述凹部距所述电子供给层的表面的深度为IOnm以上，所述凹部正下方的所述电子传输层的厚度为20nm以上。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，所述场板层具有，位于所述电子供给层侧的、带隙能量从所述电子供给层侧向与所述电子供给层相反一侧连续或逐步降低的区域。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述区域的厚度为IOnm以上。
7.根据权利要求1或2所述的半导体装置，其特征在于，在所述非P型的场板层的上表面的至少一部分形成所述第2电极。
【文档编号】H01L29/06GK103715274SQ201310286524
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2012年10月9日
【发明者】伊仓巧裕 申请人:先进动力设备技术研究协会