纵向氮化物半导体晶体管装置制造方法及图纸

一种阈值电压偏差少的常关型纵向氮化物半导体晶体管装置，包括：包含氮化物半导体的漂移层、与漂移层电连接的信道区域、源极电极、漏极电极、栅极绝缘膜、栅极电极。所述栅极绝缘膜至少包括位于信道区域侧的第一绝缘膜、位于栅极电极侧的第二绝缘膜、在第二绝缘膜与栅极电极之间的第三绝缘膜，第二绝缘膜具有能阶位于第一绝缘膜及第三绝缘膜两者的带隙的内侧的电荷陷阱，且通过蓄积于电荷陷阱的电荷来调整阈值电压，所述阈值电压用于利用施加至栅极电极的电压而使信道区域的传导载流子实质上消失来阻断流动的电流。另外，在所述信道区域与所述栅极电极之间设置电荷蓄积用电极，且通过蓄积于所述电荷蓄积用电极的电荷来调整所述阈值电压。

【技术实现步骤摘要】
纵向氮化物半导体晶体管装置
本专利技术涉及一种纵向氮化物半导体晶体管装置，尤其涉及一种具有场效应型栅极且适宜应用于大功率开关元件的纵向氮化物半导体场效应晶体管装置。
技术介绍
作为氮化物半导体的GaN、AlN、InN或包含它们的混晶的半导体具有宽的带隙(bandgap)，且传导电子具有高载流子迁移率，因此适用于高电压高输出电子器件。尤其是在利用氮化物半导体制作的纵向场效应晶体管(VerticalFieldEffectTransistor)中，自源极流出的电子电流通过配置于源极区域的下部的厚且掺质浓度低的漂移层而流入漏极。因此，相对于关断时的漏极电压的耐电压高。而且，由于源极与漏极纵向地配置，每单位面积中流过的电流高，导通电阻低，因此适于用作大功率开关(电源开关(powerswitch))元件。图17(a)是作为第一现有例的纵向氮化物半导体场效应晶体管的剖面图(专利文献1)。首先，在基板1100上形成漂移层1101。在基板1100中使用n型导电性的GaN、SiC、Si等。氮化物半导体的外延生长(epitaxialgrowth)在c轴方向的生长容易获得良好的结晶性。因此，基板1100优选使用具有可获得向c轴方向的外延生长的晶面方位的单晶基板。例如，在使用晶体结构为六方晶的GaN基板或SiC基板的情况下，将基板的晶面方位设为c轴方向。使用GaN基板的情况下，使用外延结晶生长特别容易的Ga面的基板。另外，在使用Si基板的情况下，若使用晶面方位为(111)的基板，则可获得氮化物半导体向c轴方向的外延生长。在基板1100与漂移层1101之间，也可出于使漂移层1101外延生长时的结晶性提高的目的而插入缓冲层。另外，漂移层1101可用n型GaN、n型AlGaN、或具有组成倾斜的AlGaN等。在漂移层1101的上部设置阻挡层1102、第一氮化物半导体层1104、第二氮化物半导体层1105。阻挡层1102是出于阻止传导电子的流动为目的而设置，且在面内的一部分设置不阻挡传导电子的流动的开口部1103。开口部1103的制作有各种方法。例如，可在漂移层1101上的整个面形成阻挡层1102，并通过湿式蚀刻或干式蚀刻将开口部1103的阻挡层1102去除，然后使第一氮化物半导体层1104及第二氮化物半导体层1105生长以填埋开口部1103。在此种情况下，对于阻挡层1102，使用在漂移层1101上外延生长而成的p型GaN、p型AlGaN、掺杂有用于形成深陷阱能阶的掺质的高电阻氮化物半导体、绝缘膜、或者它们的层叠结构等。或者，也可在生长出漂移层1101之后，通过离子注入将p型掺质选择性地导入至开口部以外的部分，并通过其后的热工序加以活化，从而形成包括p型层的阻挡层1102。或者，也可在依次外延生长出漂移层1101、包含p型氮化物半导体的阻挡层1102、第一氮化物半导体层1104、第二氮化物半导体层1105之后，将n型掺质选择性地离子注入至开口部1103，并通过其后的热工序加以活化，从而使开口部1103的阻挡层1102进行n型反转。第二氮化物半导体层1105至少包含带隙比第一氮化物半导体层1104的至少一部分氮化物半导体大的氮化物半导体。例如，使用GaN作为第一氮化物半导体层1104，使用AlGaN作为第二氮化物半导体层1105。由此，在第二氮化物半导体层1105与第一氮化物半导体层1104的界面的第一氮化物半导体层1104侧形成包含二维电子气的导电层1111及导电层1112。在第二氮化物半导体层1105上形成栅极绝缘膜1106。作为其材料，使用氧化铝、氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化锆或现有已知的其他栅极绝缘物材料、或者它们的层叠膜。在栅极绝缘膜1106上形成栅极电极1107。另外，与第二氮化物半导体层1105接触地形成源极电极1109，在基板1100的背面形成漏极电极1110。另外，当在阻挡层1102中使用p型氮化物半导体时，为了将电位固定，也可设置主体电极1108。作为电极材料，例如使用Pd、Pt、Ni等。源极电极1109形成为同时与主体电极1108电连接。作为电极材料，例如使用由下层为Ti、上层为Al所构成的多层膜。此外，源极电极1109的形成也可在形成栅极电极1107之前进行，例如可在形成第二氮化物半导体层1105之后，首先形成主体电极1108及源极电极1109，继而沉积栅极绝缘膜1106，再形成栅极电极1107。背面的漏极电极1110也可在其他电极形成之前形成。主体电极1108是为了将阻挡层1102的电位固定而设置，但也可不设置主体电极1108。接着，对作为第一现有例的图17(a)所示的纵向氮化物半导体晶体管的运行原理进行说明。由于存在阻挡层1102，自源极电极1109流入半导体层的传导电子不直接向基板方向流动，而是通过导电层1112(在图17(a)中由细虚线表示)及导电层1111(在图17(a)中由粗虚线表示)的一部分，并沿表示传导电子的流动的箭头1113的方向经由开口部1103流入漂移层1101。其后，传导电子通过漂移层1101及基板1100而到达漏极电极1110。此时，可利用施加至栅极电极1107的电压的场效应而使正下方的导电层1111的传导电子的数量变化，由此使电子的流动变化。以下，将在源极与漏极之间的电流路径中可利用栅极电极的场效应使传导电子的数量变化的导电区域称为信道区域。在图17(a)中，由虚线椭圆表示信道区域1114。使构成信道区域1114的导电层1111中的传导电子实质上消失来阻断电流的栅极电压被称为阈值电压，在本现有例所示的纵向氮化物半导体场效应晶体管中，阈值电压通常为负值。通过对栅极电极施加阈值电压以上的电压，使开关元件导通。此时，传导电子经由包含二维电子气的高迁移率的导电层1112及信道区域内的导电层1111而到达开口部1103，因此可获得导通状态下为低电阻，即导通电阻低的开关元件。另一方面，在关断状态下，作为大功率开关而言，重要的是相对于漏极电压的耐电压。在纵向晶体管中，可通过增加漂移层1101的厚度且降低漂移层1101的n型掺质浓度来提高耐电压。但是，通过漂移层的传导电子的电阻会增加，所以导通电阻会增加。因此，要考虑耐电压与导通电阻来进行漂移层1101的厚度及掺质浓度的最优化。图17(b)是作为第二现有例的纵向氮化物半导体晶体管的剖面图。在第二现有例中，在漂移层1101与基板1100之间设置n型氮化物半导体层1130，且将漏极电极1110以与n型氮化物半导体层1130接触的方式设置于n型氮化物半导体层1130的上表面，而非设置于基板1100的背面。因此，基板1100不需要是n型基板，也可使用高电阻的基板。其他与图17(a)所示的第一现有例相同。在第二现有例中，由于漏极电极1110存在于表面，因此在制作开关元件时需要额外的面积，与第一现有例相比，每单位面积的导通电阻变高。以下，现有例、本专利技术的实施例均仅说明将漏极电极设置于基板的背面的情况。图18是作为第三现有例的纵向氮化物半导体晶体管的剖面结构(非专利文献1)。在基板1100上形成漂移层1101，进而在其上形成阻挡层1202。至此为止与图17(a)中所说明的晶体管的制造工序大致本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，包括：/n由氮化物半导体构成的漂移层；/n由氮化物半导体构成的信道区域，与所述漂移层电连接；/n源极电极，电接触所述信道区域的与所述漂移层相反的一侧；/n漏极电极，与所述漂移层电接触；/n栅极绝缘膜，接近所述信道区域；以及/n栅极电极，设置于所述栅极绝缘膜的与所述信道区域相反的一侧，/n所述栅极绝缘膜至少包括位于所述信道区域侧的第一绝缘膜、比第一绝缘膜更靠所述栅极电极侧的第二绝缘膜、以及比第二绝缘膜更靠所述栅极电极侧的第三绝缘膜，/n所述第二绝缘膜具有能阶位于所述第一绝缘膜与所述第三绝缘膜两者的带隙的内侧的电荷陷阱，/n通过蓄积于所述电荷陷阱的电荷来调整阈值电压，所述阈值电压用于利用施加至所述栅极电极的电压而使所述信道区域的传导载流子实质上消失，来阻断在所述源极电极与所述漏极电极之间流动的电流。/n

【技术特征摘要】
20200116 JP 2020-0053121.一种纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，包括：
由氮化物半导体构成的漂移层；
由氮化物半导体构成的信道区域，与所述漂移层电连接；
源极电极，电接触所述信道区域的与所述漂移层相反的一侧；
漏极电极，与所述漂移层电接触；
栅极绝缘膜，接近所述信道区域；以及
栅极电极，设置于所述栅极绝缘膜的与所述信道区域相反的一侧，
所述栅极绝缘膜至少包括位于所述信道区域侧的第一绝缘膜、比第一绝缘膜更靠所述栅极电极侧的第二绝缘膜、以及比第二绝缘膜更靠所述栅极电极侧的第三绝缘膜，
所述第二绝缘膜具有能阶位于所述第一绝缘膜与所述第三绝缘膜两者的带隙的内侧的电荷陷阱，
通过蓄积于所述电荷陷阱的电荷来调整阈值电压，所述阈值电压用于利用施加至所述栅极电极的电压而使所述信道区域的传导载流子实质上消失，来阻断在所述源极电极与所述漏极电极之间流动的电流。


2.根据权利要求1所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，通过蓄积于所述电荷陷阱的所述电荷而将所述阈值电压调整为正值。


3.根据权利要求1所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，还包括：
阻挡层，出于阻止所述电流的目的而设置于所述漂移层上；
第一氮化物半导体层，设置于所述阻挡层上；以及
第二氮化物半导体层，设置于所述第一氮化物半导体层上，
所述第二氮化物半导体层至少包含带隙比所述第一氮化物半导体层的至少一部分氮化物半导体大的氮化物半导体，
在所述第二氮化物半导体层与所述第一氮化物半导体层的界面的所述第一氮化物半导体层侧形成有导电层，
所述信道区域包括所述导电层的至少一部分，
所述阻挡层具有开口部，
所述第一氮化物半导体层经由所述开口部而与所述漂移层电连接，
在所述源极电极与所述漏极电极之间流动的所述电流实质上经由所述开口部流动。


4.根据权利要求3所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，所述第一氮化物半导体层至少包括GaN层，所述第二氮化物半导体层至少包含AlxGa1-xN，0＜x≤1。


5.根据权利要求1所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，还包括：
第三氮化物半导体层，设置于所述漂移层上，且具有与所述漂移层相反的导电型；以及
第四氮化物半导体层，设置于所述第三氮化物半导体层上，且通过掺质掺杂或极化电荷而具有实质上与所述漂移层相同的导电型，
所述源极电极与所述第四氮化物半导体层电连接，
形成有贯通所述第四氮化物半导体层与所述第三氮化物半导体层而到达所述漂移层的沟槽，
所述栅极绝缘膜的至少一部分直接或隔着薄的氮化物半导体层而形成于所述沟槽的内表面中的所述第三氮化物半导体层的侧面，
在所述第三氮化物半导体层的所述侧面与所述栅极绝缘膜之间直接或隔着所述薄的氮化物半导体层而形成的界面的、所述第三氮化物半导体层的所述侧面的一侧形成有倒置型的导电层，
所述栅极电极的至少一部分形成于所述栅极绝缘膜的与所述倒置型的导电层相反的一侧，
所述信道区域包括所述倒置型的导电层的至少一部分。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，所述第二绝缘膜包括氮化硅、氧化铪与氧化锆中的至少一个膜。


7.根据权利要求1至5中任一项所述的纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，所述第一绝缘膜及所述第三绝缘膜均包括氧化硅与氧化铝中的至少一个膜。


8.一种纵向氮化物半导体晶体管装置，其特征在于，包括：
由氮化物半导体构成的漂移层；
由氮化物半导体构成的信道区域，与所述漂移层电连接；
源极电极，电接触所述信道区域的与所述漂移层相反的一侧；
漏极电极，与所述漂移层电接触；
第四绝缘膜，接近所述信道区域；
电荷蓄积用电极，设置于所述第四绝缘膜的与所述信道区域相反的一侧；
第五绝缘膜，设置于所述电荷蓄积用电极的与所述第四绝缘膜相反的一侧；以及
栅极电极，设置于所述第五绝缘膜的与所述电荷蓄积用电极相反的一侧，<...

【专利技术属性】
技术研发人员：高谷信一郎，白田理一郎，
申请(专利权)人：高谷信一郎，白田理一郎，
类型：发明
国别省市：日本;JP