縦型パワートランジスタ装置、半導体チップ、および縦型パワートランジスタ装置の製造方法
縦型トランジスタ装置は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される基板（１００）と、少なくとも部分的に基板内に収容される多層スタック（１１６）とを備える。多層スタックは、基板（１００）に隣接して配置される半絶縁層（１０８）と、第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成されており、半絶縁層に隣接して配置される第１の層（１１０）とを備える。多層スタック（１１６）はまた、第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成されて、第１の層（１１０）に隣接する第２の層（１１２）と、第１の層と第２の層との界面に形成されるヘテロ接合部とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲に記載した縦型パワートランジスタ装置、半導体チップ、および縦型パワートランジスタ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が環境へ与える重大な不利益の増大の結果、車両製造者には、自身の製造した車両エンジンによる二酸化炭素（ＣＯ２）排出量を低減することが、圧力として加えられ続けている。そのため、車両製造者等は、製造した車両によるカーボンフットプリントを低減する一手段として、ハイブリッド車（ＨＶ）技術、電気自動車（ＥＶ）技術、燃料電池（ＦＣ）技術、および進歩したバイオ燃料技術を開発している。
【０００３】
ＨＶ技術に関連して、いわゆるハイブリッド車両は、ハイブリッド車の制御系により制御されるパワートレインを備えることが知られている。パワートレインは、内燃機関と電気モータとを備え、この内燃機関および電気モータは、パワースプリッタを経由して駆動輪に接続されている。パワースプリッタは、駆動輪の動力が、内燃機関のみ、電気モータのみ、または内燃機関と電気モータの両方の何れかによって供給されることを可能として、内燃機関が所与の時間において最も効率な負荷と速度を保つことを実現する。電気モータは高電圧バッテリによって駆動される。いわゆる「インバータアセンブリ」が設けられており、この「インバータアセンブリ」は、インバータと、いわゆる「ブーストコンバータ」とを備える。インバータは車両の高電圧バッテリの高電圧直流を三相交流に変換し、電気モータの動力とする。車両のパワートレインは、複数の電気モータを備えることもある。
【０００４】
三相交流を提供するべく、高電圧バッテリの出力電圧は、ブーストコンバータにより例えば、２００Ｖから５００Ｖへと段階的に昇圧される。その後、インバータはブーストコンバータによって提供される段階的に昇圧された電圧から三相交流を提供する役割を担う。三相交流を生成するために、インバータが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と電力変調用の並列ダイオードとからなるバンクを備えることは知られており、このＩＧＢＴが電力切替部を構成している。
【０００５】
しかし、将来のハイブリッドまたはその他の電気駆動車両では、エネルギー損失の低減、小型化、コスト効率化を含め、インバータへの要求は高くなる。さらにインバータの半導体装置には、ワイドバンドギャップ半導体材料から形成されており高い絶縁破壊電圧を示すこと、高い動作温度に耐えられることが求められる。
【０００６】
シリコンを材料としたＩＧＢＴの性能は現時点では許容可能だが、これらの装置は将来の車両設計によってシリコンを材料としたＩＧＢＴに要求される高電流密度の要求や、高電源電圧および高動作温度の要求の観点においては、性能が十分でありそうにない。
【０００７】
パワートランジスタを製造するための半導体材料として有望な候補は、窒化ガリウムである。しかし、これらの装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を必要とする。シリコン基板上に窒化ガリウム基板を成長させて後にシリコン基板から分離することは、格子不整合によって生じる応力のため実行し難い。これに関して、シリコン基板から窒化ガリウム層を分離しようとするときに、窒化ガリウム層にクラックを生じさせることなく、窒化ガリウムの層を十分に厚く成長させることはできない。
【０００８】
この問題を軽減するために、窒化ガリウムの結晶構造と十分に格子整合する炭化ケイ素基板上に窒化ガリウムを成長させる方法が知られている。しかし、炭化ケイ素基板上に所望の厚さの窒化ガリウム基板を形成することはコストが高いため、製造者の選択肢として比較的望ましくない。
【０００９】
炭化ケイ素を使用する代わりに、サファイア基板上に窒化ガリウムを成長させることにより、結果として、よりコスト効率的に窒化ガリウム基板が生産されることが知られている。実際に、サファイア基板上に成長させた自立窒化ガリウム基板上に形成された縦型パワートランジスタ装置構造は、非特許文献１に記載されている。非特許文献１では、自立ＧａＮ基板であって、その上に形成されたｎ型ＧａＮドリフト層を有する自立ＧａＮ基板について説明している。絶縁ゲートを有する埋め込み型の構造が、次いで、このｎ型ＧａＮドリフト層上に形成される。ゲートおよびソースは、装置の上面上に形成される一方、ドレインは、装置の裏面上に形成されることにより、この装置は縦型トランジスタ装置となる。しかし、そのような装置構造は、高い絶縁破壊電圧を維持することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】杉本（Ｓｕｇｉｍｏｔｏ）ら、「自立ｎ‐ＧａＮ基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの垂直デバイス動作（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴｓ ｏｎ ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｎ−ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」、電力変換国際会議２００７（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７）、名古屋、２００７年４月２日〜５日
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図２】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図３】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図４】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図５】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図６】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図７】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図８】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図９】図１から８に関連した製造方法の例示的な工程のフローチャート。
【図１０】本発明の他の実施形態を構成する隣接した縦型パワートランジスタ装置を例示した模式図。
【図１１】本発明のさらなる実施形態を構成する隣接した縦型パワートランジスタ装置の他の例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特定な実施形態については、従属請求項に記載する。本発明のそれらの特徴および他の特徴については、後述の実施形態の参照により明確に理解される。
示した本発明の実施形態は、ほとんどの部分において当業者にとって既知である電子部品や回路を用いて実装されていることから、本発明の基本的な概念が理解され認められることに必要と見なされる程度を越えては、また本発明の教示を不明瞭にしたり紛らわしくしたりしないよう、詳細な説明はしない。
【００１３】
図１から図９を参照すると、パワートランジスタ装置の製造に係る自立窒化ガリウム基板１００が提供（工程２００）され、ウエハ１０２を構成する。本例では、窒化ガリウム基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｉｇｈ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて形成されてよく、サファイア基板上に成長させた後に、適切な分離または当技術分野において知られている開裂技術により、サファイア基板からの分離（工程２０２）が行われてもよい。しかし、窒化ガリウム基板１００はサファイア基板上に配置されたまま、後述する処理工程を用いて処理されてもよく、その後、窒化ガリウム基板をサファイア基板から分離することが可能であることを、当業者であれば理解されるであろう。また、所望であれば、例えば原子結合技術を用いてシリコン基板上に形成され得ることを、当業者であれば理解されるであろう。さらに、窒化ガリウム基板１００は、自立する必要はない。確かに、基板１００は、所望であれば、適切な材料、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の適切な窒化物から形成されてもよい。
【００１４】
窒化ガリウム基板１００の成長処理は、主に鉄（Ｆｅ）による汚染の傾向にある。しかし、本例では、汚染物質の存在は窒化ガリウム基板１００を導電性として、基板１００を、例えばトランジスタ装置のドレインの端子として機能させることができるため、この汚染は有益である。
【００１５】
凹部１０６は、基板１００内に形成されてもよい。例えば、窒化ガリウム基板を用意した後、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）キャップ層１０４（図２）は、例えば物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いて窒化ガリウム基板１００上に配置（工程２０４）されてもよく、その後、フォトレジスト（図なし）は、二酸化シリコンキャップ層１０４上に、例えばスピンコーティングによって塗付され、フォトレジストは適切なマスクを用いてパターニング（工程２０６）されてよい。硬化されていないフォトレジストは、次いで、窒化ガリウム基板１００内に凹部１０６（図３）を形成するように除去され、ウエハは、例えば塩素ガスをエッチング剤として用いるプラズマエッチングを行うことにより、エッチングされる（工程２０８）。凹部１０６の適切な深さは、約１μｍ厚〜約２μ厚の間だが、他の深さが用いられてもよい。ＳｉＯ２キャップ層１０４の提供は、以下に説明する選択的な局所的なエピタキシャル再成長を可能にするよう機能し、ゆえに、凹部１６６の外側における成長を防止する。本例において、キャップ層１０４はＳｉＯ２から形成されることができるが、キャップ層１０４は窒化シリコン（ＳｉＮ）または他の適切な材料から形成されることができる。
【００１６】
凹部１０６を形成した後、ウエハ１０２は多層選択的エピタキシャル再成長処理される。例えば、半絶縁エピタキシャル層１０８（図４）は、はじめに凹部内において成長（工程２１０）されてよい。半絶縁層１０８は、基板１００と（凹部領域内における）半絶縁層１０８の上に形成された複数の層とを電気的に絶縁する。半絶縁層１０８は、特に、垂直方向における上の層から基板へ、またはその逆方向の電荷キャリアのドリフトを抑制、または少なくとも減少させる。こうして、絶縁破壊電圧の向上を可能にする。半絶縁層１０８の厚みは、凹部１０６の深度より小さいため、半絶縁層１０８は、凹部の外、本例では基板１００の面１０９の上に延びない。この層は例えば凹部１０６内において、約１μｍ〜約１．５μｍの間の厚みでもよいため、半絶縁層１０８の上面１０７は、基板１００の面１０９より下になる。本例では、成長技術は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法または有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法であってもよく、半絶縁層１０８は、基板１００内に凹設される。本例では、半絶縁層１０８はｐ型にドープされた窒化ガリウムであり、ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）である。しかし、半絶縁層１０８の電気抵抗を高めるため、またはその層にｐ型の性質を発達させるために、例えば、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）などの他のドーパントを用いることができる。あるいは、半絶縁層１０８は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、または他の適切なドープされている、あるいはドープされていない半絶縁材料の層であることができる。
【００１７】
半絶縁層１０８を配置した後、第１の窒化ガリウム層１１０（図５）は、半絶縁層１０８上に成長（工程２１２）される。適切な厚みは、約２００ｎｍ〜約０．５μｍの間であるが、他の厚みが用いられてもよい。窒化ガリウム層１１０は、半絶縁層１０８に隣接している。示されるように、ＧａＮ層１１０は、凹部１０６において半絶縁層１０８の上面１０７の上方に延びている。ＧａＮ層１１０の上面１１３は、面１０９と同じ高さあるいは、より低い高さである。窒化ガリウム層１１０を形成するために、例えば、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法など、適切な成長技術が用いられ得る。本例では、層１０８は、意図的にドープされていないＧａＮ層である。もちろん、第１の層１０８は、他の適切な材料、例えばＩＩＩ族窒化物の半導体材料などの適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成されることができる。用いられる複数のあるいは単一のＩＩＩ族窒化物材料は、例えば、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびエピタキシー法により成長されたＩＩＩ族窒化物材料からなる群における１つ以上の材料でもよい。
【００１８】
本例に示されるように、半絶縁層１０８およびＧａＮ層１１０は、（自立）窒化ガリウム基板１００により、ほぼ囲まれている。関連して、水平面において、すなわち面１０９に平行に、半絶縁層１０８およびＧａＮ層１１０は、基板１００の凹部の側面１１１によって囲まれており、層１０８，１１０の配置されている凹部１０６の底面もまた、基板１００によって塞がれている。凹部１０６の上は、しかしながら、基板１００によって覆われておらず、本例においては、基板１００に関して開いている。
【００１９】
その後、例えば意図的にドープされない窒化アルミニウムガリウムにより形成される第２の障壁層１１２（図６）が成長（工程２１４）されてもよい。ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との界面は、ヘテロ接合として機能するため、形成されるパワートランジスタ装置は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）またはヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）である。層１１２は、例えば同様のエピタキシー手法（ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ）を用いて窒化ガリウム層１１０上に成長されてもよい。適切な障壁層１１２の厚みは、約１５ｎｍ〜約３０ｎｍの間であるが、他の厚みが用いられてもよい。窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２は、窒化ガリウム層１１０に隣接して配置されてもよく、例えば層１１０上に提供されてもよい。窒化アルミニウムガリウム中のアルミニウム原子濃度は、約２０％〜３０％程度とすることができ、これは、式：ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、約０．２０〜約０．３０）として表すことができる。あるいは、障壁層１１２は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）から形成することができ、インジウム原子濃度は、約１０％〜約２０％であり、式：ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、約０．１〜約０．２）として表すことができる。またあるいは、障壁層１１２は、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）から形成することができ、インジウム原子の割合は、約１０％〜約２０％であり、式：Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ（ｘは、約０．１〜約０．２）として表すことができる。前述の材料は、適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の例であって、ヘテロ接合を形成するための他の適切な材料、例えば界面において量子井戸の形成を引き起こす異なるバンドギャップ、または界面から基板へ横断方向に圧電分極を引き起こす異なる格子定数を有する材料を用いることができることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、ＩＩＩ族窒化物（の化合物、あるいは合成物、合金）、Ａｌおよび／またはＩｎおよび／またはＧａなどの窒化物など他の適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料が用いられてもよい。ＩＩＩ族窒化物材料、または、例えば複数のあるいは単一のＩＩＩ族窒化物材料、例えば、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびエピタキシー法により成長されたＩＩＩ族窒化物材料からなる群における１つ以上の材料を用いられてもよい。
【００２０】
窒化ガリウムキャップ層１１４（図７）は、窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２上に成長（工程２１６）されてもよいため、窒化ガリウムキャップ層１１４は、ＡｌＧａＮ障壁層１１２の酸化を防止するように窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２に隣接している。多層スタック１１６の形成後、二酸化シリコンキャップ層１０４は除去（工程２１８）されてもよく、サファイア基板（図なし）は、もし既に除去されていなければ、前述した方法により除去（工程２２０）されてもよいため、窒化ガリウムキャップ基板１００は、自立窒化ガリウム基板１００になる。
【００２１】
選択的なエピタキシー再成長により形成された半絶縁層１０８、窒化ガリウム層１１０、窒化アルミニウムガリウム層１１２、および窒化ガリウムキャップ層１１４は、多層スタック１１６を構成する。多層スタック１１６は、窒化ガリウム基板１００に関連しており、多層スタック１１６は窒化ガリウム基板１００内に形成されている。図７に示すように、多層スタック１１６の上面１１５は凹部のエッジと同じ高さ、あるいはエッジの上に、すなわち基板１００の面１０９の上に延びている。図８に例示するように、半絶縁層１０８は、面１０９から基板１００の底面へ垂直方向において、基板１００と多層スタック１１６内の他の層とを分離する。このようにして、障壁層は凹部１０６において、基板からスタック１１６へ、あるいは逆へ垂直方向に流れる直流電流を抑制、または少なくとも減少させる。
【００２２】
ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面付近において水平方向に、それからＧａＮ基板１００内において垂直方向に直流電流が流れるように、ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面は、凹部１０６のエッジと同じ高さ、あるいはそれよりも低く配置されている。すなわち、本例では、基板１００との電気的な接続を確実にするように、基板１００の面１０９よりも低い。本例では、界面は面１０９と同じ高さであるため、障壁層１１２およびキャップ層１１４は面１０９の上に位置している。しかし、界面が面１０９より下の十分な距離に配置されていれば、多層スタック１１６の残りの層は、多層スタック１１６の上面が面１０９と同じ高さに形成されることができる。図８に示すように、ドレインコンタクト１１８は基板１００の裏側１２０上に形成（工程２２２）されてもよい。ドレインコンタクト１１８は、電気的にＧａＮ基板１００に接続する。ＧａＮ基板が他の基板上、例えばＳｉ上に提供されている場合には、その基板を部分的に導体にするように部分的にドーピングされた金属のビアなどのコネクタが、その基板を通じて提供されてもよい。ソースコンタクト１２２およびゲートコンタクト１２４は、適切な金属配線技術を用いることにより、窒化ガリウムキャップ層１１４上に形成されてもよい。ゲートコンタクト１２４は、例えば、ニッケル、白金、モリブデン、またはイリジウムから形成されるショットキー接点にすることができる。あるいは、ゲートコンタクト１２４は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは、酸化ハフニウムなど、金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接点にすることもできる。ソースとドレインコンタクトは、タンタル、チタン、およびアルミニウムの組み合わせから当技術分野において知られている適切な技術を用いて形成されたオーミック接点でもよい。ＧａＮ層内において、いわゆるオーミック接点を形成するために金属の元素を拡散する高速熱アニール処理をすることができる。
【００２３】
パワートランジスタ装置の構造は「ノーマリーオン」型の装置の構造であるので、パワートランジスタ装置の動作について対応して説明する。しかしながら、パワートランジスタ装置を「ノーマリーオフ」型となるように形成できることは、当業者であれば理解されるであろう。
【００２４】
動作中には、−５Ｖの負バイアス電圧ＶＧＳを、例えば、装置のうちの一つのソースとゲート接点１２２，１２４との間に印可すると、その結果として、パワートランジスタ装置はオフ状態とされる。オン状態では、ヘテロ接合部における自発的な圧電分極に起因する約２．５ナノメートル（２５Å）の厚みの量子井戸によって、ゲート接点１２２より下における２次元電子ガス（２ＤＥＧ）領域と、ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面とを形成する。この２ＤＥＧ領域は、横方向のドリフト領域を構成する。しかしながら、−５Ｖのバイアス電圧ＶＧＳが印可されると、２ＤＥＧ領域は空乏化するため、電流が流れず、結果としてオフ状態になる。
【００２５】
バイアス電圧ＶＧＳを０Ｖに近づくように上昇させると、２ＤＥＧ領域の空乏が現減少し、２ＤＥＧ領域は電子で満たされる。極めて抵抗性の半絶縁層１０８が存在するため、電流は、基板１００を通ってドレインコンタクト１１８に向かって下に流れる前に、凹部、正式には凹部の側面１１１と隣接する基板１００の領域へ向かって水平方向に流れ始める。バイアス電圧ＶＧＳを上昇させて正とすると、２ＤＥＧ領域の空乏が減少し、２ＤＥＧ領域に電子が堆積されて、これがドレイン電流の増加に寄与する。
【００２６】
他の実施形態（図１０）では、自立窒化ガリウム基板１００内に形成された第１の多層スタック１１６に加えて、第２の多層スタック１２６は、自立窒化ガリウム基板１００内において水平方向に並ぶように、同様に形成されてもよく、第１および第２の多層スタック、１１６，１２６は窒化ガリウム基板１００の垂直領域によって分離されている。これを達成するために、実行されたパターニング（工程２０６）は、第１の凹部１０６をエッチングすると同時に、自立窒化ガリウム基板１００内にエッチングされてもよい第２の凹部１２８の位置を定義してもよい。それから第２の凹部１２８は、第１の多層スタック１１６が第１の凹部１０６内に形成されると同時に、第２の多層スタック１２６により充填されてもよい。ゆえに、自立窒化ガリウム基板１００は本例において、第１と第２の多層スタック１１６，１２６が形成される共通の基板を構築する。したがって、第１のパワートランジスタ装置と第２のパワートランジスタ装置は、ウエハ１０２上および／またはウエハ内に形成される。第１の多層スタック１１６は第１のパワートランジスタ装置と関連しており、第２の多層スタック１２６は第２のパワートランジスタ装置と関連している。
【００２７】
第１および第２の多層スタック１１６，１２６の形成後、接続領域１３０は、第１と第２の多層スタックである１１６と１２６との間、本例では、第１と第２の多層スタックである１１６と１２６との間を架橋するように、第１と第２の多層スタック１１６と１２６との対向する側面の間に形成されてもよい。これに関して、ゲートおよびソースコンタクトを形成する前に、ウエハ１０２の表面は、例えばフォトレジストを用いることによりパターニングされてもよく、接続領域１３０の位置は定義される。接続領域１３０は、それから約０．５μｍの厚みよりも薄いｎ＋型領域１３２を形成するために、例えばシリコンイオンを用いるイオン注入法によって形成される。ｎ＋型領域１３２は、第１と第２のパワートランジスタ装置のそれぞれの窒化ガリウム層１１０、窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２、および窒化ガリウムキャップ層１１４同士を架橋する。本例では、接続領域はゲートコンタクト１２４から約１０μｍ〜約３０μｍ離れていてもよい。所望であれば、ｎ＋型領域１３２は、第１および第２の多層スタック１１６，１２６のそれぞれと相対的に隣接する二つの分離領域に分割されることができる。したがって、他の実施形態において、複数のトランジスタ装置は、高電流用途において、ネットワークあるいは二次元アレイを形成するために平行に配置されることができる。ゆえに、前述の実施形態では、ｎ＋型オーミック領域が単一領域であって、二つの多層スタック間を架橋しているという文脈で説明されているが、前記多層スタックの側面に相対して延びるｎ＋型オーミック領域にある程度関係して、上述された方法により多層スタックに隣接して配置されたｎ＋型オーミック領域におけるそれぞれの架橋しない領域の提供が考えられることを、当業者であれば理解されるであろう。
【００２８】
動作時において、第１および第２のパワートランジスタ装置は、オン状態において、ＡｌＧａＮ障壁１１２とＧａＮ層１１０との間の界面の下であり、かつゲート１２４の反対であるｎ＋型領域１３２の方向に延びるように、それぞれ相対する水平ドリフト領域を生成する。関連して、第１および第２のパワートランジスタ装置のそれぞれは、単一のパワートランジスタ装置の形成に関連して前述された方法で動作する。しかし、接続領域１３０の存在は、第１および第２のパワートランジスタ装置の水平ドリフト領域から第１および第２の多層スタック１１６と１２６との間に配置された垂直ドリフト領域１３４への基板１００内における電流伝達を向上するために機能する。関連して、接続領域１３０は、第１および第２の多層スタックにおけるヘテロ接合と基板１００の垂直ドリフト領域とを電気的に結合させる。単一のパワートランジスタ装置を、それ自身の水平ドリフト領域を生成するパワートランジスタ装置であり、多層スタックに隣接して配置された架橋しないｎ＋型オーミック領域における単一のパワートランジスタ装置とみなすのであれば、ｎ＋型領域１３２の存在もまた、パワートランジスタ装置の水平ドリフト領域から垂直ドリフト領域１３４への電流伝達を向上するために機能することは理解されるであろう。
【００２９】
さらなる実施形態（図１１）において、接続領域１３０はｎ＋型領域１３２を覆うように形成されるオーミックコンタクト１３６によって補われてもよいため、オーミックコンタクト１３６はｎ＋型領域１３２に隣接して配置される。オーミックコンタクト１３６は、ソースコンタクト１２２を形成するために用いられた工程と同じ処理工程内において実装されることができる。第１および第２のパワートランジスタ装置における水平ドリフト領域から垂直ドリフト領域１３４への電流伝達は、したがって更に向上される。前述されるように、二つの分離した領域として配列されているｎ＋型オーミック領域に加えて、オーミックコンタクト１３６もまた、それぞれが第１および第２の多層スタック１１６，１２６と相対的に隣接している二つの分離したオーミックコンタクトとして配置されることができる。
【００３０】
このように、縦型トランジスタ装置および製造方法を提供することが可能であり、その結果、バンドギャップは、例えば約３．５ｅＶ（電子ボルト）に向上し、よってオフ状態における絶縁破壊電圧を高くする。装置は、キャリアの移動性の向上による利益も得る。接続領域１３０の提供は、オフ状態において、装置のゲートとソースとの間において三次元状に電界を分散する機能もする。そのため、絶縁破壊電圧の向上にも対応し、その結果、装置のチップ専有領域が低減され、同様に、縦型パワートランジスタ装置の正規化オン抵抗は低減する。さらに、共通の基板上のスタック間に接続領域が提供されることにより、２次元電子ガスと隣接する装置における垂直ドリフト領域との間の電気的な不連続性を減少させ、よって、隣接した装置の水平ドリフト領域から共通の基板に対応する垂直ドリフト領域への電流の伝達が容易になる。ゆえに、水平ドリフト領域と垂直ドリフト領域との間の高い抵抗は、ドレイン−ソース間の電気的な絶縁を犠牲にすることなく下げられる。
【００３１】
もちろん、上述した利点は一例であり、本発明により、これらの点、またはその他の利点も実現される。さらに、上述した利点のすべてをここで説明する実施形態により実現する必要がないことは、当業者であれば理解されるであろう。
【００３２】
前述した明細において、本発明は、発明の実施形態の特定の例を参照して説明されている。しかし、広義の精神や特許請求の範囲に記述されている発明の範囲から大きくかけ離れることがなければ、様々な変形および変更をしてよいことは明白である。
【００３３】
例えば、抵抗、ダイオード、コンデンサ、およびその他同様の他の受動または能動装置は、単一のトランジスタあるいは複数のトランジスタと一緒に基板上に提供されてもよい。さらに、他の層が上に提供されてもよい。
【００３４】
また例えば、一つの実施形態における実施例は、一つの集積回路上または同じ装置内に配置される回路として実装される。例えば、図１０および図１１の実施形態に示すように、第１と第２の多層スタック１１６，１２６は、共通の自立窒化ガリウム基板１００を共有している。代替えとして、適切な方法で互いに接続された複数の別々の集積回路または別々の装置を実装する例がある。
【００３５】
しかしながら、他の変形と、変化と、代替えもまた可能である。明細書および図面は、したがって、限定的な意味よりも実例とすることを考慮したものである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許請求の範囲に記載した縦型パワートランジスタ装置、半導体チップ、および縦型パワートランジスタ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関が環境へ与える重大な不利益の増大の結果、車両製造者には、自身の製造した車両エンジンによる二酸化炭素（ＣＯ２）排出量を低減することが、圧力として加えられ続けている。そのため、車両製造者等は、製造した車両によるカーボンフットプリントを低減する一手段として、ハイブリッド車（ＨＶ）技術、電気自動車（ＥＶ）技術、燃料電池（ＦＣ）技術、および進歩したバイオ燃料技術を開発している。
【０００３】
ＨＶ技術に関連して、いわゆるハイブリッド車両は、ハイブリッド車の制御系により制御されるパワートレインを備えることが知られている。パワートレインは、内燃機関と電気モータとを備え、この内燃機関および電気モータは、パワースプリッタを経由して駆動輪に接続されている。パワースプリッタは、駆動輪の動力が、内燃機関のみ、電気モータのみ、または内燃機関と電気モータの両方の何れかによって供給されることを可能として、内燃機関が所与の時間において最も効率な負荷と速度を保つことを実現する。電気モータは高電圧バッテリによって駆動される。いわゆる「インバータアセンブリ」が設けられており、この「インバータアセンブリ」は、インバータと、いわゆる「ブーストコンバータ」とを備える。インバータは車両の高電圧バッテリの高電圧直流を三相交流に変換し、電気モータの動力とする。車両のパワートレインは、複数の電気モータを備えることもある。
【０００４】
三相交流を提供するべく、高電圧バッテリの出力電圧は、ブーストコンバータにより例えば、２００Ｖから５００Ｖへと段階的に昇圧される。その後、インバータはブーストコンバータによって提供される段階的に昇圧された電圧から三相交流を提供する役割を担う。三相交流を生成するために、インバータが絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と電力変調用の並列ダイオードとからなるバンクを備えることは知られており、このＩＧＢＴが電力切替部を構成している。
【０００５】
しかし、将来のハイブリッドまたはその他の電気駆動車両では、エネルギー損失の低減、小型化、コスト効率化を含め、インバータへの要求は高くなる。さらにインバータの半導体装置には、ワイドバンドギャップ半導体材料から形成されており高い絶縁破壊電圧を示すこと、高い動作温度に耐えられることが求められる。
【０００６】
シリコンを材料としたＩＧＢＴの性能は現時点では許容可能だが、これらの装置は将来の車両設計によってシリコンを材料としたＩＧＢＴに要求される高電流密度の要求や、高電源電圧および高動作温度の要求の観点においては、性能が十分でありそうにない。
【０００７】
パワートランジスタを製造するための半導体材料として有望な候補は、窒化ガリウムである。しかし、これらの装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を必要とする。シリコン基板上に窒化ガリウム基板を成長させて後にシリコン基板から分離することは、格子不整合によって生じる応力のため実行し難い。これに関して、シリコン基板から窒化ガリウム層を分離しようとするときに、窒化ガリウム層にクラックを生じさせることなく、窒化ガリウムの層を十分に厚く成長させることはできない。
【０００８】
この問題を軽減するために、窒化ガリウムの結晶構造と十分に格子整合する炭化ケイ素基板上に窒化ガリウムを成長させる方法が知られている。しかし、炭化ケイ素基板上に所望の厚さの窒化ガリウム基板を形成することはコストが高いため、製造者の選択肢として比較的望ましくない。
【０００９】
炭化ケイ素を使用する代わりに、サファイア基板上に窒化ガリウムを成長させることにより、結果として、よりコスト効率的に窒化ガリウム基板が生産されることが知られている。実際に、サファイア基板上に成長させた自立窒化ガリウム基板上に形成された縦型パワートランジスタ装置構造は、非特許文献１に記載されている。非特許文献１では、自立ＧａＮ基板であって、その上に形成されたｎ型ＧａＮドリフト層を有する自立ＧａＮ基板について説明している。絶縁ゲートを有する埋め込み型の構造が、次いで、このｎ型ＧａＮドリフト層上に形成される。ゲートおよびソースは、装置の上面上に形成される一方、ドレインは、装置の裏面上に形成されることにより、この装置は縦型トランジスタ装置となる。しかし、そのような装置構造は、高い絶縁破壊電圧を維持することができない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】杉本（Ｓｕｇｉｍｏｔｏ）ら、「自立ｎ‐ＧａＮ基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴの垂直デバイス動作（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴｓ ｏｎ ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ ｎ−ＧａＮ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」、電力変換国際会議２００７（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ２００７）、名古屋、２００７年４月２日〜５日
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図２】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図３】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図４】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図５】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図６】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図７】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図８】本発明の一実施形態を構成する縦型パワートランジスタ装置の製造方法の一連の工程による例示的な段階の模式図。
【図９】図１から８に関連した製造方法の例示的な工程のフローチャート。
【図１０】本発明の他の実施形態を構成する隣接した縦型パワートランジスタ装置を例示した模式図。
【図１１】本発明のさらなる実施形態を構成する隣接した縦型パワートランジスタ装置の他の例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の特定な実施形態については、従属請求項に記載する。本発明のそれらの特徴および他の特徴については、後述の実施形態の参照により明確に理解される。
示した本発明の実施形態は、ほとんどの部分において当業者にとって既知である電子部品や回路を用いて実装されていることから、本発明の基本的な概念が理解され認められることに必要と見なされる程度を越えては、また本発明の教示を不明瞭にしたり紛らわしくしたりしないよう、詳細な説明はしない。
【００１３】
図１から図９を参照すると、パワートランジスタ装置の製造に係る自立窒化ガリウム基板１００が提供（工程２００）され、ウエハ１０２を構成する。本例では、窒化ガリウム基板は、ＨＶＰＥ（Ｈｉｇｈ Ｖａｐｏｕｒ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いて形成されてよく、サファイア基板上に成長させた後に、適切な分離または当技術分野において知られている開裂技術により、サファイア基板からの分離（工程２０２）が行われてもよい。しかし、窒化ガリウム基板１００はサファイア基板上に配置されたまま、後述する処理工程を用いて処理されてもよく、その後、窒化ガリウム基板をサファイア基板から分離することが可能であることを、当業者であれば理解されるであろう。また、所望であれば、例えば原子結合技術を用いてシリコン基板上に形成され得ることを、当業者であれば理解されるであろう。さらに、窒化ガリウム基板１００は、自立する必要はない。確かに、基板１００は、所望であれば、適切な材料、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の適切な窒化物から形成されてもよい。
【００１４】
窒化ガリウム基板１００の成長処理は、主に鉄（Ｆｅ）による汚染の傾向にある。しかし、本例では、汚染物質の存在は窒化ガリウム基板１００を導電性として、基板１００を、例えばトランジスタ装置のドレインの端子として機能させることができるため、この汚染は有益である。
【００１５】
凹部１０６は、基板１００内に形成されてもよい。例えば、窒化ガリウム基板を用意した後、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）キャップ層１０４（図２）は、例えば物理気相成長（ＰＶＤ）法を用いて窒化ガリウム基板１００上に配置（工程２０４）されてもよく、その後、フォトレジスト（図なし）は、二酸化シリコンキャップ層１０４上に、例えばスピンコーティングによって塗付され、フォトレジストは適切なマスクを用いてパターニング（工程２０６）されてよい。硬化されていないフォトレジストは、次いで、窒化ガリウム基板１００内に凹部１０６（図３）を形成するように除去され、ウエハは、例えば塩素ガスをエッチング剤として用いるプラズマエッチングを行うことにより、エッチングされる（工程２０８）。凹部１０６の適切な深さは、約１μｍ厚〜約２μ厚の間だが、他の深さが用いられてもよい。ＳｉＯ２キャップ層１０４の提供は、以下に説明する選択的な局所的なエピタキシャル再成長を可能にするよう機能し、ゆえに、凹部１６６の外側における成長を防止する。本例において、キャップ層１０４はＳｉＯ２から形成されることができるが、キャップ層１０４は窒化シリコン（ＳｉＮ）または他の適切な材料から形成されることができる。
【００１６】
凹部１０６を形成した後、ウエハ１０２は多層選択的エピタキシャル再成長処理される。例えば、半絶縁エピタキシャル層１０８（図４）は、はじめに凹部内において成長（工程２１０）されてよい。半絶縁層１０８は、基板１００と（凹部領域内における）半絶縁層１０８の上に形成された複数の層とを電気的に絶縁する。半絶縁層１０８は、特に、垂直方向における上の層から基板へ、またはその逆方向の電荷キャリアのドリフトを抑制、または少なくとも減少させる。こうして、絶縁破壊電圧の向上を可能にする。半絶縁層１０８の厚みは、凹部１０６の深度より小さいため、半絶縁層１０８は、凹部の外、本例では基板１００の面１０９の上に延びない。この層は例えば凹部１０６内において、約１μｍ〜約１．５μｍの間の厚みでもよいため、半絶縁層１０８の上面１０７は、基板１００の面１０９より下になる。本例では、成長技術は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法または有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法であってもよく、半絶縁層１０８は、基板１００内に凹設される。本例では、半絶縁層１０８はｐ型にドープされた窒化ガリウムであり、ドーパントはマグネシウム（Ｍｇ）である。しかし、半絶縁層１０８の電気抵抗を高めるため、またはその層にｐ型の性質を発達させるために、例えば、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）などの他のドーパントを用いることができる。あるいは、半絶縁層１０８は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）、または他の適切なドープされている、あるいはドープされていない半絶縁材料の層であることができる。
【００１７】
半絶縁層１０８を配置した後、第１の窒化ガリウム層１１０（図５）は、半絶縁層１０８上に成長（工程２１２）される。適切な厚みは、約２００ｎｍ〜約０．５μｍの間であるが、他の厚みが用いられてもよい。窒化ガリウム層１１０は、半絶縁層１０８に隣接している。示されるように、ＧａＮ層１１０は、凹部１０６において半絶縁層１０８の上面１０７の上方に延びている。ＧａＮ層１１０の上面１１３は、面１０９と同じ高さあるいは、より低い高さである。窒化ガリウム層１１０を形成するために、例えば、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法など、適切な成長技術が用いられ得る。本例では、層１０８は、意図的にドープされていないＧａＮ層である。もちろん、第１の層１０８は、他の適切な材料、例えばＩＩＩ族窒化物の半導体材料などの適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成されることができる。用いられる複数のあるいは単一のＩＩＩ族窒化物材料は、例えば、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびエピタキシー法により成長されたＩＩＩ族窒化物材料からなる群における１つ以上の材料でもよい。
【００１８】
本例に示されるように、半絶縁層１０８およびＧａＮ層１１０は、（自立）窒化ガリウム基板１００により、ほぼ囲まれている。関連して、水平面において、すなわち面１０９に平行に、半絶縁層１０８およびＧａＮ層１１０は、基板１００の凹部の側面１１１によって囲まれており、層１０８，１１０の配置されている凹部１０６の底面もまた、基板１００によって塞がれている。凹部１０６の上は、しかしながら、基板１００によって覆われておらず、本例においては、基板１００に関して開いている。
【００１９】
その後、例えば意図的にドープされない窒化アルミニウムガリウムにより形成される第２の障壁層１１２（図６）が成長（工程２１４）されてもよい。ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との界面は、ヘテロ接合として機能するため、形成されるパワートランジスタ装置は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）またはヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）である。層１１２は、例えば同様のエピタキシー手法（ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥ）を用いて窒化ガリウム層１１０上に成長されてもよい。適切な障壁層１１２の厚みは、約１５ｎｍ〜約３０ｎｍの間であるが、他の厚みが用いられてもよい。窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２は、窒化ガリウム層１１０に隣接して配置されてもよく、例えば層１１０上に提供されてもよい。窒化アルミニウムガリウム中のアルミニウム原子濃度は、約２０％〜３０％程度とすることができ、これは、式：ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、約０．２０〜約０．３０）として表すことができる。あるいは、障壁層１１２は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）から形成することができ、インジウム原子濃度は、約１０％〜約２０％であり、式：ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘは、約０．１〜約０．２）として表すことができる。またあるいは、障壁層１１２は、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）から形成することができ、インジウム原子の割合は、約１０％〜約２０％であり、式：Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ（ｘは、約０．１〜約０．２）として表すことができる。前述の材料は、適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の例であって、ヘテロ接合を形成するための他の適切な材料、例えば界面において量子井戸の形成を引き起こす異なるバンドギャップ、または界面から基板へ横断方向に圧電分極を引き起こす異なる格子定数を有する材料を用いることができることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、ＩＩＩ族窒化物（の化合物、あるいは合成物、合金）、Ａｌおよび／またはＩｎおよび／またはＧａなどの窒化物など他の適切なＩＩＩ−Ｖ族半導体材料が用いられてもよい。ＩＩＩ族窒化物材料、または、例えば複数のあるいは単一のＩＩＩ族窒化物材料、例えば、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、およびエピタキシー法により成長されたＩＩＩ族窒化物材料からなる群における１つ以上の材料を用いられてもよい。
【００２０】
窒化ガリウムキャップ層１１４（図７）は、窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２上に成長（工程２１６）されてもよいため、窒化ガリウムキャップ層１１４は、ＡｌＧａＮ障壁層１１２の酸化を防止するように窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２に隣接している。多層スタック１１６の形成後、二酸化シリコンキャップ層１０４は除去（工程２１８）されてもよく、サファイア基板（図なし）は、もし既に除去されていなければ、前述した方法により除去（工程２２０）されてもよいため、窒化ガリウムキャップ基板１００は、自立窒化ガリウム基板１００になる。
【００２１】
選択的なエピタキシー再成長により形成された半絶縁層１０８、窒化ガリウム層１１０、窒化アルミニウムガリウム層１１２、および窒化ガリウムキャップ層１１４は、多層スタック１１６を構成する。多層スタック１１６は、窒化ガリウム基板１００に関連しており、多層スタック１１６は窒化ガリウム基板１００内に形成されている。図７に示すように、多層スタック１１６の上面１１５は凹部のエッジと同じ高さ、あるいはエッジの上に、すなわち基板１００の面１０９の上に延びている。図８に例示するように、半絶縁層１０８は、面１０９から基板１００の底面へ垂直方向において、基板１００と多層スタック１１６内の他の層とを分離する。このようにして、障壁層は凹部１０６において、基板からスタック１１６へ、あるいは逆へ垂直方向に流れる直流電流を抑制、または少なくとも減少させる。
【００２２】
ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面付近において水平方向に、それからＧａＮ基板１００内において垂直方向に直流電流が流れるように、ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面は、凹部１０６のエッジと同じ高さ、あるいはそれよりも低く配置されている。すなわち、本例では、基板１００との電気的な接続を確実にするように、基板１００の面１０９よりも低い。本例では、界面は面１０９と同じ高さであるため、障壁層１１２およびキャップ層１１４は面１０９の上に位置している。しかし、界面が面１０９より下の十分な距離に配置されていれば、多層スタック１１６の残りの層は、多層スタック１１６の上面が面１０９と同じ高さに形成されることができる。図８に示すように、ドレインコンタクト１１８は基板１００の裏側１２０上に形成（工程２２２）されてもよい。ドレインコンタクト１１８は、電気的にＧａＮ基板１００に接続する。ＧａＮ基板が他の基板上、例えばＳｉ上に提供されている場合には、その基板を部分的に導体にするように部分的にドーピングされた金属のビアなどのコネクタが、その基板を通じて提供されてもよい。ソースコンタクト１２２およびゲートコンタクト１２４は、適切な金属配線技術を用いることにより、窒化ガリウムキャップ層１１４上に形成されてもよい。ゲートコンタクト１２４は、例えば、ニッケル、白金、モリブデン、またはイリジウムから形成されるショットキー接点にすることができる。あるいは、ゲートコンタクト１２４は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコンまたは、酸化ハフニウムなど、金属−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）接点にすることもできる。ソースとドレインコンタクトは、タンタル、チタン、およびアルミニウムの組み合わせから当技術分野において知られている適切な技術を用いて形成されたオーミック接点でもよい。ＧａＮ層内において、いわゆるオーミック接点を形成するために金属の元素を拡散する高速熱アニール処理をすることができる。
【００２３】
パワートランジスタ装置の構造は「ノーマリーオン」型の装置の構造であるので、パワートランジスタ装置の動作について対応して説明する。しかしながら、パワートランジスタ装置を「ノーマリーオフ」型となるように形成できることは、当業者であれば理解されるであろう。
【００２４】
動作中には、−５Ｖの負バイアス電圧ＶＧＳを、例えば、装置のうちの一つのソースとゲート接点１２２，１２４との間に印可すると、その結果として、パワートランジスタ装置はオフ状態とされる。オン状態では、ヘテロ接合部における自発的な圧電分極に起因する約２．５ナノメートル（２５Å）の厚みの量子井戸によって、ゲート接点１２２より下における２次元電子ガス（２ＤＥＧ）領域と、ＧａＮ層１１０と障壁層１１２との間の界面とを形成する。この２ＤＥＧ領域は、横方向のドリフト領域を構成する。しかしながら、−５Ｖのバイアス電圧ＶＧＳが印可されると、２ＤＥＧ領域は空乏化するため、電流が流れず、結果としてオフ状態になる。
【００２５】
バイアス電圧ＶＧＳを０Ｖに近づくように上昇させると、２ＤＥＧ領域の空乏が現減少し、２ＤＥＧ領域は電子で満たされる。極めて抵抗性の半絶縁層１０８が存在するため、電流は、基板１００を通ってドレインコンタクト１１８に向かって下に流れる前に、凹部、正式には凹部の側面１１１と隣接する基板１００の領域へ向かって水平方向に流れ始める。バイアス電圧ＶＧＳを上昇させて正とすると、２ＤＥＧ領域の空乏が減少し、２ＤＥＧ領域に電子が堆積されて、これがドレイン電流の増加に寄与する。
【００２６】
他の実施形態（図１０）では、自立窒化ガリウム基板１００内に形成された第１の多層スタック１１６に加えて、第２の多層スタック１２６は、自立窒化ガリウム基板１００内において水平方向に並ぶように、同様に形成されてもよく、第１および第２の多層スタック、１１６，１２６は窒化ガリウム基板１００の垂直領域によって分離されている。これを達成するために、実行されたパターニング（工程２０６）は、第１の凹部１０６をエッチングすると同時に、自立窒化ガリウム基板１００内にエッチングされてもよい第２の凹部１２８の位置を定義してもよい。それから第２の凹部１２８は、第１の多層スタック１１６が第１の凹部１０６内に形成されると同時に、第２の多層スタック１２６により充填されてもよい。ゆえに、自立窒化ガリウム基板１００は本例において、第１と第２の多層スタック１１６，１２６が形成される共通の基板を構築する。したがって、第１のパワートランジスタ装置と第２のパワートランジスタ装置は、ウエハ１０２上および／またはウエハ内に形成される。第１の多層スタック１１６は第１のパワートランジスタ装置と関連しており、第２の多層スタック１２６は第２のパワートランジスタ装置と関連している。
【００２７】
第１および第２の多層スタック１１６，１２６の形成後、接続領域１３０は、第１と第２の多層スタックである１１６と１２６との間、本例では、第１と第２の多層スタックである１１６と１２６との間を架橋するように、第１と第２の多層スタック１１６と１２６との対向する側面の間に形成されてもよい。これに関して、ゲートおよびソースコンタクトを形成する前に、ウエハ１０２の表面は、例えばフォトレジストを用いることによりパターニングされてもよく、接続領域１３０の位置は定義される。接続領域１３０は、それから約０．５μｍの厚みよりも薄いｎ＋型領域１３２を形成するために、例えばシリコンイオンを用いるイオン注入法によって形成される。ｎ＋型領域１３２は、第１と第２のパワートランジスタ装置のそれぞれの窒化ガリウム層１１０、窒化アルミニウムガリウム障壁層１１２、および窒化ガリウムキャップ層１１４同士を架橋する。本例では、接続領域はゲートコンタクト１２４から約１０μｍ〜約３０μｍ離れていてもよい。所望であれば、ｎ＋型領域１３２は、第１および第２の多層スタック１１６，１２６のそれぞれと相対的に隣接する二つの分離領域に分割されることができる。したがって、他の実施形態において、複数のトランジスタ装置は、高電流用途において、ネットワークあるいは二次元アレイを形成するために平行に配置されることができる。ゆえに、前述の実施形態では、ｎ＋型オーミック領域が単一領域であって、二つの多層スタック間を架橋しているという文脈で説明されているが、前記多層スタックの側面に相対して延びるｎ＋型オーミック領域にある程度関係して、上述された方法により多層スタックに隣接して配置されたｎ＋型オーミック領域におけるそれぞれの架橋しない領域の提供が考えられることを、当業者であれば理解されるであろう。
【００２８】
動作時において、第１および第２のパワートランジスタ装置は、オン状態において、ＡｌＧａＮ障壁１１２とＧａＮ層１１０との間の界面の下であり、かつゲート１２４の反対であるｎ＋型領域１３２の方向に延びるように、それぞれ相対する水平ドリフト領域を生成する。関連して、第１および第２のパワートランジスタ装置のそれぞれは、単一のパワートランジスタ装置の形成に関連して前述された方法で動作する。しかし、接続領域１３０の存在は、第１および第２のパワートランジスタ装置の水平ドリフト領域から第１および第２の多層スタック１１６と１２６との間に配置された垂直ドリフト領域１３４への基板１００内における電流伝達を向上するために機能する。関連して、接続領域１３０は、第１および第２の多層スタックにおけるヘテロ接合と基板１００の垂直ドリフト領域とを電気的に結合させる。単一のパワートランジスタ装置を、それ自身の水平ドリフト領域を生成するパワートランジスタ装置であり、多層スタックに隣接して配置された架橋しないｎ＋型オーミック領域における単一のパワートランジスタ装置とみなすのであれば、ｎ＋型領域１３２の存在もまた、パワートランジスタ装置の水平ドリフト領域から垂直ドリフト領域１３４への電流伝達を向上するために機能することは理解されるであろう。
【００２９】
さらなる実施形態（図１１）において、接続領域１３０はｎ＋型領域１３２を覆うように形成されるオーミックコンタクト１３６によって補われてもよいため、オーミックコンタクト１３６はｎ＋型領域１３２に隣接して配置される。オーミックコンタクト１３６は、ソースコンタクト１２２を形成するために用いられた工程と同じ処理工程内において実装されることができる。第１および第２のパワートランジスタ装置における水平ドリフト領域から垂直ドリフト領域１３４への電流伝達は、したがって更に向上される。前述されるように、二つの分離した領域として配列されているｎ＋型オーミック領域に加えて、オーミックコンタクト１３６もまた、それぞれが第１および第２の多層スタック１１６，１２６と相対的に隣接している二つの分離したオーミックコンタクトとして配置されることができる。
【００３０】
このように、縦型トランジスタ装置および製造方法を提供することが可能であり、その結果、バンドギャップは、例えば約３．５ｅＶ（電子ボルト）に向上し、よってオフ状態における絶縁破壊電圧を高くする。装置は、キャリアの移動性の向上による利益も得る。接続領域１３０の提供は、オフ状態において、装置のゲートとソースとの間において三次元状に電界を分散する機能もする。そのため、絶縁破壊電圧の向上にも対応し、その結果、装置のチップ専有領域が低減され、同様に、縦型パワートランジスタ装置の正規化オン抵抗は低減する。さらに、共通の基板上のスタック間に接続領域が提供されることにより、２次元電子ガスと隣接する装置における垂直ドリフト領域との間の電気的な不連続性を減少させ、よって、隣接した装置の水平ドリフト領域から共通の基板に対応する垂直ドリフト領域への電流の伝達が容易になる。ゆえに、水平ドリフト領域と垂直ドリフト領域との間の高い抵抗は、ドレイン−ソース間の電気的な絶縁を犠牲にすることなく下げられる。
【００３１】
もちろん、上述した利点は一例であり、本発明により、これらの点、またはその他の利点も実現される。さらに、上述した利点のすべてをここで説明する実施形態により実現する必要がないことは、当業者であれば理解されるであろう。
【００３２】
前述した明細において、本発明は、発明の実施形態の特定の例を参照して説明されている。しかし、広義の精神や特許請求の範囲に記述されている発明の範囲から大きくかけ離れることがなければ、様々な変形および変更をしてよいことは明白である。
【００３３】
例えば、抵抗、ダイオード、コンデンサ、およびその他同様の他の受動または能動装置は、単一のトランジスタあるいは複数のトランジスタと一緒に基板上に提供されてもよい。さらに、他の層が上に提供されてもよい。
【００３４】
また例えば、一つの実施形態における実施例は、一つの集積回路上または同じ装置内に配置される回路として実装される。例えば、図１０および図１１の実施形態に示すように、第１と第２の多層スタック１１６，１２６は、共通の自立窒化ガリウム基板１００を共有している。代替えとして、適切な方法で互いに接続された複数の別々の集積回路または別々の装置を実装する例がある。
【００３５】
しかしながら、他の変形と、変化と、代替えもまた可能である。明細書および図面は、したがって、限定的な意味よりも実例とすることを考慮したものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型パワートランジスタ装置において、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された基板と、
少なくとも部分的に基板内に収容される多層スタックと、を備え
前記多層スタックは、
第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された第１の層と、
第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された第２の層と、
第１の層と第２の層との界面に形成されたヘテロ接合部と
凹部において基板からヘテロ接合部を電気的に絶縁するべく、基板と第１の層との間に配置された半絶縁層とを備える、装置。
【請求項２】
半絶縁層は、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ｐ型のドーパントを含む窒化ガリウム、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択されるＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１層、第２層またはその両方は、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択される、ドープされた、または意図的にドープされていないＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
第２層は、障壁層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
障壁層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料から形成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
障壁層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮから形成されており、ｘは約０．２０〜約０．３０である、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
多層スタックは、障壁層に隣接して配置された窒化ガリウムキャップ層を備える、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
多層スタックは、エピタキシャル多層スタックである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
半絶縁層および第１の層は、基板によってほぼ囲まれている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
基板は、凹部を備え、多層スタックは少なくとも部分的に前記凹部内に位置する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも半絶縁層は、基板内に凹設されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
半導体チップにおいて、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の縦型パワートランジスタ装置の構造を備える第１パワートランジスタ装置と、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の縦型パワートランジスタ装置の構造を備える第２パワートランジスタ装置と、を備え、
第１および第２のパワートランジスタ装置の基板は、第１および第２のパワートランジスタ装置に共通した基板であって、前記基板は第１のパワートランジスタ装置における第１の多層スタックと第２のパワートランジスタ装置における第２の多層スタックとの間の垂直ドリフト領域を支持可能であり、
半導体チップはさらに、
第１および第２のパワートランジスタ装置における第１および第２の多層スタックの対向する側面の間の接続領域であって、第１および第２多層スタックのヘテロ接合部を垂直ドリフト領域に電気的に結合させるための接続領域、を備える半導体チップ。
【請求項１３】
接続領域は、第１の多層スタックにおける第１の層と第２の多層スタックにおける第１の層とを架橋するように配列されたイオン注入領域を備える、請求項１２に記載の半導体チップ。
【請求項１４】
イオン注入領域は、第１の多層スタックにおける第２の層およびキャップ層と、第２の多層スタックにおける第２の層およびキャップ層とを架橋する、請求項７に従属する請求項１３に記載の半導体チップ。
【請求項１５】
接続領域は、イオン注入領域に隣接して配置されているオーミックコンタクトをさらに備える、請求項１３または１４に記載の半導体チップ。
【請求項１６】
縦型トランジスタ装置の製造方法において、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の窒化物から形成されている基板を提供する工程と、
基板内にエッチングによって凹部を形成する工程と、
第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される第１の層を成長させる工程と、
第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される第２の層を成長させる工程と、
第１の層と第２の層との界面にヘテロ接合部を形成する工程と、
前記凹部において基板からヘテロ接合部を電気的に絶縁するべく、前記凹部において基板と第１の層との間に配置される半絶縁層を成長させる工程と、を備える方法。
【請求項１７】
基板にエッチングによって別の凹部を形成する工程と、前記凹部および前記別の凹部は、水平方向において基板の垂直領域によって分離される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記別の凹部に別の多層スタックを形成する工程をさらに備える、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記多層スタックと前記別の多層スタックとを対向する側面を架橋するように、かつ、前記多層スタックおよび前記別の多層スタックのそれぞれのヘテロ接合部を基板に電気的に結合させるように、接続領域を形成する工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板を自立基板として形成する工程をさらに備える、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１】
縦型パワートランジスタ装置において、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された基板と、
少なくとも部分的に基板内に収容される多層スタックと、を備え
前記多層スタックは、
第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された第１の層と、
第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成された第２の層と、
第１の層と第２の層との界面に形成されたヘテロ接合部と
凹部において基板からヘテロ接合部を電気的に絶縁するべく、基板と第１の層との間に配置された半絶縁層とを備える、装置。
【請求項２】
半絶縁層は、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ｐ型のドーパントを含む窒化ガリウム、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択されるＩＩＩ−Ｖ族の半導体材料から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１層、第２層またはその両方は、ＩＩＩ族窒化物材料、ＩＩＩ族窒化物材料の二元系、ＩＩＩ族窒化物材料の三元系、ＩＩＩ族窒化物材料の四元系、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択される、ドープされた、または意図的にドープされていないＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
第２層は、障壁層である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
障壁層は、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＩｎＮからなる群から選択される材料から形成される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
障壁層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮから形成されており、ｘは約０．２０〜約０．３０である、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
多層スタックは、障壁層に隣接して配置された窒化ガリウムキャップ層を備える、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
多層スタックは、エピタキシャル多層スタックである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
半絶縁層および第１の層は、基板によってほぼ囲まれている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
基板は、凹部を備え、多層スタックは少なくとも部分的に前記凹部内に位置する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも半絶縁層は、基板内に凹設されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
半導体チップにおいて、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の縦型パワートランジスタ装置の構造を備える第１パワートランジスタ装置と、
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の縦型パワートランジスタ装置の構造を備える第２パワートランジスタ装置と、を備え、
第１および第２のパワートランジスタ装置の基板は、第１および第２のパワートランジスタ装置に共通した基板であって、前記基板は第１のパワートランジスタ装置における第１の多層スタックと第２のパワートランジスタ装置における第２の多層スタックとの間の垂直ドリフト領域を支持可能であり、
半導体チップはさらに、
第１および第２のパワートランジスタ装置における第１および第２の多層スタックの対向する側面の間の接続領域であって、第１および第２多層スタックのヘテロ接合部を垂直ドリフト領域に電気的に結合させるための接続領域、を備える半導体チップ。
【請求項１３】
接続領域は、第１の多層スタックにおける第１の層と第２の多層スタックにおける第１の層とを架橋するように配列されたイオン注入領域を備える、請求項１２に記載の半導体チップ。
【請求項１４】
イオン注入領域は、第１の多層スタックにおける第２の層およびキャップ層と、第２の多層スタックにおける第２の層およびキャップ層とを架橋する、請求項７に従属する請求項１３に記載の半導体チップ。
【請求項１５】
接続領域は、イオン注入領域に隣接して配置されているオーミックコンタクトをさらに備える、請求項１３または１４に記載の半導体チップ。
【請求項１６】
縦型トランジスタ装置の製造方法において、
ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の窒化物から形成されている基板を提供する工程と、
基板内にエッチングによって凹部を形成する工程と、
第１のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される第１の層を成長させる工程と、
第２のＩＩＩ−Ｖ族半導体材料から形成される第２の層を成長させる工程と、
第１の層と第２の層との界面にヘテロ接合部を形成する工程と、
前記凹部において基板からヘテロ接合部を電気的に絶縁するべく、前記凹部において基板と第１の層との間に配置される半絶縁層を成長させる工程と、を備える方法。
【請求項１７】
基板にエッチングによって別の凹部を形成する工程と、前記凹部および前記別の凹部は、水平方向において基板の垂直領域によって分離される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記別の凹部に別の多層スタックを形成する工程をさらに備える、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記多層スタックと前記別の多層スタックとを対向する側面を架橋するように、かつ、前記多層スタックおよび前記別の多層スタックのそれぞれのヘテロ接合部を基板に電気的に結合させるように、接続領域を形成する工程をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記基板を自立基板として形成する工程をさらに備える、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５１１８３３（Ｐ２０１３−５１１８３３Ａ）
【公表日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５３９４２０（Ｐ２０１２−５３９４２０）
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５６０１４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６１５７３
【国際公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５０４１９９１２７）フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド (806)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／０５６０１４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０６１５７３
【国際公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（５０４１９９１２７）フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド (806)
【Ｆターム（参考）】
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