JP2007128994A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に半導体基板表面に形成された表面電極を半導体基板裏面に形成された裏面電極に接続するバイアホール構造の半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a via hole structure semiconductor device that connects a surface electrode formed on a semiconductor substrate surface to a back electrode formed on a semiconductor substrate back surface.
III−V族窒化物半導体、すなわち窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)及び窒化インジウム(InN)等の一般式がAlxGa1-x-yInyN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1)で表わされる混晶物は、広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造とを有し、その特長を活かして、短波長光学素子への応用が実用化されている。一方、III−V族窒化物半導体の有する高い破壊電界強度及び飽和電子速度という特長を活かして、高速高出力電子デバイスへの応用も精力的に検討されている。 A general formula of III-V nitride semiconductor, that is, gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), etc. is Al x Ga 1-xy In y N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 The mixed crystal represented by ≦ y ≦ 1) has a wide band gap and a direct transition type band structure, and its application to a short wavelength optical element has been put to practical use by taking advantage of the feature. On the other hand, taking advantage of the high breakdown electric field strength and saturation electron velocity of III-V nitride semiconductors, application to high-speed and high-power electronic devices has been energetically studied.
特に、半絶縁性基板上にエピタキシャル成長させたAlxGa1-xN層(但し、0<x≦1)とGaN層との界面に形成される二次元電子ガス(2Dimensional Electron Gas:以下、2DEGとする)を利用したヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero-junction Field Effect Transistor:以下、HFETとする)は、高出力デバイスや高周波デバイスとして開発が進められている。このHFETは、キャリア供給層(N型AlGaN層)からの電子の供給に加え、III−V族窒化物半導体の結晶構造(ウルツ構造)に起因する大きな自発分極及びピエゾ分極により、1013cm-2を超える2DEG密度が実現されている。これは、従来のAlGaAs/GaAs系HFETと比べて1桁程度大きい。このため、III−V族窒化物半導体HFETは、GaAs系HFETと比べて、高いドレイン電流密度が期待でき、最大ドレイン電流が1A/mmを超える素子が報告されている(非特許文献1を参照)。 In particular, a two-dimensional electron gas (hereinafter, 2DEG) formed at the interface between an Al x Ga 1-x N layer (where 0 <x ≦ 1) and a GaN layer epitaxially grown on a semi-insulating substrate. Hetero-junction field effect transistors (hereinafter referred to as “HFETs”) are being developed as high-power devices and high-frequency devices. This HFET has 10 13 cm − due to large spontaneous polarization and piezoelectric polarization caused by the crystal structure (Wurz structure) of the III-V nitride semiconductor in addition to the supply of electrons from the carrier supply layer (N-type AlGaN layer). A 2 DEG density greater than 2 has been achieved. This is about an order of magnitude larger than conventional AlGaAs / GaAs HFETs. For this reason, the III-V nitride semiconductor HFET can be expected to have a higher drain current density than the GaAs HFET, and an element having a maximum drain current exceeding 1 A / mm has been reported (see Non-Patent Document 1). ).
さらに、III−V族窒化物半導体は高い破壊電界強度を有するため高い耐圧特性を示し、ソース・ドレイン電極間の耐圧を100V以上とすることが容易である(非特許文献1を参照)。 Further, since the group III-V nitride semiconductor has a high breakdown electric field strength, it exhibits high breakdown voltage characteristics, and it is easy to set the breakdown voltage between the source and drain electrodes to 100 V or more (see Non-Patent Document 1).
このように、高耐圧且つ高電流密度を示す電気的特性を期待できることから、HFETを中心とするIII−V族窒化物半導体からなる半導体装置は、高周波素子として、また従来よりも小さい設計寸法で大電力を扱える素子として応用が検討されている。 As described above, since it is possible to expect electrical characteristics exhibiting a high breakdown voltage and a high current density, a semiconductor device made of a III-V nitride semiconductor centering on an HFET is used as a high-frequency element and with a smaller design dimension than the conventional one. Applications are being studied as devices that can handle high power.
しかしながら、III−V族窒化物半導体からなる半導体装置は、高周波、高出力又は大電力素子として有望ではあるが、その基本構造が横型であるため、その特長を引き出すためには様々な工夫が必要となる。このような高周波特性、高出力特性及び大電力特性を持つ素子を実現するための工夫の1つとして、バイアホール構造を用いる技術を適用することが考えられる。 However, semiconductor devices made of III-V nitride semiconductors are promising as high-frequency, high-power or high-power devices, but their basic structure is horizontal, so various measures are required to bring out their features. It becomes. As one of the ideas for realizing an element having such a high frequency characteristic, a high output characteristic, and a large power characteristic, it is conceivable to apply a technique using a via hole structure.
図8は、バイアホール構造を用いたGaAs系FETの断面図である。図8に示すように、厚さが25μm程度にまで薄膜化されたヒ化ガリウム(GaAs)からなる絶縁性基板101の上には、N型のGaAsからなるチャネル層(活性層)を含む半導体層102が形成されている。半導体層102の上には、半導体層102とショットキー接触するゲート電極103と、半導体層102とオーミック接触するソース電極104及びドレイン電極105が形成されている。ソース電極104の直下には、絶縁性基板101及び半導体層102を貫通するバイアホール106が形成されており、絶縁性基板101の裏面には、バイアホール106を充填するように裏面電極107が形成されている。この裏面電極107は接地電源108と接続されている。このようにソース電極104が裏面電極107とバイアホール106を介して接地するFETは、ソース電極104がワイヤにより接地される構成のFETと比べて、ソースインダクタンスを低減できるため、線形利得で約2dBの改善が見られることが報告されている(非特許文献2を参照)。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a GaAs FET using a via hole structure. As shown in FIG. 8, a semiconductor including a channel layer (active layer) made of N-type GaAs on an
また、 他の従来例として、ソース電極又はエミッタ電極が、バイアホールを介して接地された導電性のP+型基板と接続する構造が特許文献1に開示されている。さらに炭化シリコン(SiC)又はサファイアからなる基板を薄く研磨し、研磨された基板の裏面からバイアホールをエッチングにより形成する構造及び製造方法についても特許文献2に開示されており、 絶縁膜により貫通型バイアホールの側面及び基板の裏面を覆う構造は、特許文献3に開示されている。
As another conventional example,
さらにまた、III−V族窒化物半導体からなるバイアホール構造を有する半導体装置として、特許文献4には、図9に示す構造の半導体装置が開示されている。この半導体装置は、導電性基板201上に高抵抗の窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)からなるバッファ層209、N型のAlGaN層とアンドープGaN層の2層からなる素子形成層210が形成されている。素子形成層210上には、ゲート電極203、ソース電極204及びドレイン電極205とが形成されている。さらにソース電極204は、バイアホール206内にも充填されており、導電性基板201を介して裏面電極207と接続する構造となっている。
しかしながら、 従来のバイアホール構造をIII−V族窒化物半導体装置等で通常用いられている材料を用いて形成する場合、次のような問題があった。第1に、通常絶縁性基板101として用いられるSiCやサファイアは、非常に硬く且つ耐薬品性が高いため、絶縁性基板101の強度を保つため、絶縁性基板101を薄くしない状態でその裏面にまで貫通させる構造のバイアホール106を形成することは極めて困難であった。 逆に、SiC又はサファイアからなる絶縁性基板101を薄く研磨してからバイアホール106を形成する場合には、 薄い絶縁性基板101はもろくなるため、バイアホール106を形成する工程において、絶縁性基板101が割れてしまうという問題が生じてしまう。そのため、SiCやサファイアからなら絶縁性基板を用いる場合、図8に示す構造のバイアホール構造を採用することができなかった。
However, when a conventional via hole structure is formed using a material normally used in a III-V nitride semiconductor device or the like, there are the following problems. First, SiC and sapphire, which are normally used as the
また、図9に示すバイアホール構造では、導電性基板201を用いることが必須であり、非導電性基板、特にIII−V族窒化物半導体装置において一般的に用いられ、安価なサファイア基板を使用することができないという問題があった。
In the via hole structure shown in FIG. 9, it is essential to use a
本発明は、SiCやサファイアのような加工の難しい半導体基板を用いても容易に形成できるバイアホール構造を備えた半導体装置を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the semiconductor device provided with the via-hole structure which can be formed easily even if it uses a difficult semiconductor substrate like SiC or sapphire.
上記目的を達成するため、請求項1に係る発明は、半導体層が積層した半導体基板の表面に形成した表面電極を、少なくとも前記半導体層を貫通する貫通孔を通して、前記半導体基板裏面に形成した裏面電極と接続する半導体装置において、導電性あるいは非導電性の半導体基板上に積層した導電性の第1の半導体層及び高抵抗の第2の半導体層と、少なくとも前記半導体基板及び前記第2の半導体層を貫通し、前記半導体基板表面から前記第1の半導体層に達する第1の凹部と、前記半導体基板の裏面から前記第1の半導体層に達する第2の凹部と、前記表面電極と接続し、前記第1の半導体層と接続する前記第1の凹部内に形成した第1の配線と、前記裏面電極と接続し、前記第1の半導体層と接続する前記第2の凹部内に形成した第2の配線とを備え、前記第1の配線、前記第1の半導体層及び前記第2の配線を通じて、前記表面電極と前記裏面電極を接続することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体装置において、前記半導体基板上に、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる導電性の前記第1の半導体層と、該第1の半導体層上に積層した高抵抗の窒化アルミニウムからなる前記第2の半導体層と、該第2の半導体層上に積層した前記III−V族半導体層からなる第3の半導体層と、該第3の半導体層にオーミック接触する前記表面電極と、前記第3の半導体層及び第2の半導体層を貫通して前記半導体基板表面から前記第1の半導体層に達する前記第1の凹部と、前記半導体基板を貫通して前記半導体基板の裏面から前記第1の半導体層に達する第2の凹部と、 前記表面電極と接続し、前記第1の半導体層とオーミック接触する前記第1の配線と、前記半導体基板裏面に形成した裏面電極と接続し、前記第1の半導体層とオーミック接触する前記第2の配線とを備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the semiconductor device according to the first aspect, wherein the group III element consisting of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium, nitrogen, phosphorus and arsenic is formed on the semiconductor substrate. A conductive first semiconductor layer comprising a group III-V nitride semiconductor layer composed of a group V element containing at least nitrogen in the group consisting of: a high resistance layer laminated on the first semiconductor layer; The second semiconductor layer made of aluminum nitride, the third semiconductor layer made of the group III-V semiconductor layer stacked on the second semiconductor layer, and the surface in ohmic contact with the third semiconductor layer An electrode, the first recess that reaches the first semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate through the third semiconductor layer and the second semiconductor layer, and the semiconductor substrate through the semiconductor substrate. back A second recess reaching from the first semiconductor layer to the first semiconductor layer; the first wiring connected to the surface electrode and in ohmic contact with the first semiconductor layer; and a back electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate The second wiring is in ohmic contact with the first semiconductor layer.
請求項3に係る発明は、請求項2記載の半導体装置において、前記第2の半導体層と前記第3の半導体層との間に、前記第3の半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第4の半導体層を備えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second aspect, the energy gap between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is smaller than the energy gap of the third semiconductor layer. A fourth semiconductor layer comprising the III-V nitride semiconductor layer is provided.
請求項4に係る発明は、請求項2または3いずれか記載の半導体装置において、前記第3の半導体層にショットキー接触する制御電極と、オーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記第3の半導体層からなるチャネル、あるいは前記第3の半導体層と前記第4の半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the second or third aspect, the control device includes a control electrode that is in Schottky contact with the third semiconductor layer, and a source electrode and a drain electrode that are in ohmic contact. 3, or a current flowing through a channel formed between the third semiconductor layer and the channel formed between the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is controlled by a voltage applied to the control electrode.
本発明に係る半導体装置によると、半導体装置表面から形成する第1の凹部は、比較的浅く形成すればよく、半導体装置裏面から形成する第2の凹部は、必ずしも微細な加工や正確な位置あわせを必要としないので、簡便に半導体装置を形成することができ好適である。特に加工の難しいSiC基板やサファイア基板を用いる場合に効果が大きい。また、第1の凹部は浅く形成すればよいので、比較的小さい面積となり、表面電極の配置の自由度が増すことによって面積利用効率の高い半導体装置を実現できる。 According to the semiconductor device of the present invention, the first recess formed from the front surface of the semiconductor device may be formed relatively shallow, and the second recess formed from the back surface of the semiconductor device is not necessarily finely processed or accurately aligned. Therefore, a semiconductor device can be easily formed, which is preferable. This is particularly effective when using a SiC substrate or a sapphire substrate that is difficult to process. Further, since the first concave portion only needs to be formed shallow, it has a relatively small area, and a semiconductor device with high area utilization efficiency can be realized by increasing the degree of freedom of arrangement of the surface electrode.
さらに第2の凹部は、少なくとも半導体基板を貫通する構造であるので、非導電性基板、導電性基板のいずれでも選択することができるという利点もある。また、第2の凹部内に配線を形成することで、サーマルビアとして機能し、放熱効果が高くなる。 Further, since the second recess has a structure penetrating at least the semiconductor substrate, there is an advantage that either the non-conductive substrate or the conductive substrate can be selected. Further, by forming the wiring in the second recess, it functions as a thermal via and the heat dissipation effect is enhanced.
本発明によるIII−V族窒化物半導体装置では、窒化アルミニウムからなる高抵抗層を備える構造とすることにより、半導体基板の漏れ電流を防止することができると共に、表面電極と裏面電極を同電位にできるので、インダクタンスを低減し、高周波特性及び高出力特性の改善の効果が大きい。 In the group III-V nitride semiconductor device according to the present invention, the structure including the high resistance layer made of aluminum nitride can prevent the leakage current of the semiconductor substrate, and the front electrode and the back electrode can be at the same potential. Therefore, the effect of reducing inductance and improving high frequency characteristics and high output characteristics is great.
また半絶縁性基板上にエピタキシャル成長させた窒化ガリウムアルミニウム層と窒化ガリウム層との界面に形成される2DEGを利用したHFETでは、キャリア供給層(窒化ガリウムアルミニウム層)からの電子の供給に加え、III−V族窒化物半導体の結晶構造に起因する大きな自発分極及びピエゾ分極により特性の優れた半導体装置を形成することができると共に、表面電極と裏面電極を同電位にできるので、インダクタンスを低減し、高周波特性及び高出力特性の改善の効果が大きい。 In an HFET using 2DEG formed at the interface between a gallium aluminum nitride layer and a gallium nitride layer epitaxially grown on a semi-insulating substrate, in addition to supplying electrons from the carrier supply layer (gallium aluminum nitride layer), III A semiconductor device having excellent characteristics can be formed by large spontaneous polarization and piezo polarization due to the crystal structure of the group V nitride semiconductor, and the front electrode and the back electrode can be made to have the same potential, thereby reducing inductance, The effect of improving high frequency characteristics and high output characteristics is great.
さらにまた本発明の半導体装置は、安価な半絶縁性基板であるサファイア基板を用いることができ、好適である。サファイア基板は、可視光に対して透明であるので、光素子などを集積化した半導体装置にも適用することができ、適用範囲が広がるという利点もある。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention can use a sapphire substrate which is an inexpensive semi-insulating substrate, which is preferable. Since the sapphire substrate is transparent to visible light, the sapphire substrate can be applied to a semiconductor device in which optical elements and the like are integrated, and there is an advantage that the application range is widened.
本発明の半導体装置は、導電性あるいは非導電性の半導体基板上に、少なくとも導電性の第1の半導体層と高抵抗の第2の半導体層とを積層している。この半導体基板は、裏面側から形成した第2の凹部によって貫通する構造であり、高抵抗の第2の半導体層は、表面側あるいは裏面側のいずれかから形成した第1の凹部あるいは第2の凹部によって貫通する構造となっている。また第1の凹部と第2の凹部の底部は、いずれも導電性の第1の半導体層に達する構造となっている。 In the semiconductor device of the present invention, at least a conductive first semiconductor layer and a high-resistance second semiconductor layer are stacked on a conductive or nonconductive semiconductor substrate. This semiconductor substrate has a structure penetrating by a second recess formed from the back surface side, and the high-resistance second semiconductor layer is formed by either the first recess or the second recess formed from either the front surface side or the back surface side. It has a structure that penetrates through the recess. The bottoms of the first recess and the second recess both have a structure that reaches the conductive first semiconductor layer.
このような構造とすることで、半導体装置の表面電極と裏面電極は、第1の凹部内に形成した第1の配線、第1の半導体層、第2の凹部内に形成した第2の配線を通して導通することになり、従来提案されていたバイアホール構造と比べて、簡便に形成することができる構造となる。 With such a structure, the front electrode and the back electrode of the semiconductor device are the first wiring formed in the first recess, the first semiconductor layer, and the second wiring formed in the second recess. As compared with the conventionally proposed via hole structure, the structure can be easily formed.
以下本発明の実施例について、MESFET(metal semiconductor field effect transistor)及びHFETを例にとり、製造工程に従い、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail according to a manufacturing process by taking a metal semiconductor field effect transistor (MESFET) and an HFET as examples.
まず、本発明の第1の実施例であるMESFETを例にとり、製造工程に従い説明する。シリコンからなる半導体基板1上に、バッファ層2を介して導電性の窒化ガリウム層3(第1の半導体層に相当)を積層形成する。半導体基板1は、導電性あるいは非導電性のシリコンの他、サファイア、シリコンカーバイド(SiC)を用いることができる。バッファ層2は窒化ガリウム層、窒化アルミニウム層、またはガリウム/アルミニウム/窒素の3元化合物、もしくはそれら多層積層膜とすることができる。窒化ガリウム層3は、エピタキシャル成長中にモノシランを使ってシリコンをドーピングすることで高い導電性を持たせることができる。次に窒化ガリウム層3上には、高抵抗の窒化アルミニウム層4(第2の半導体層に相当)、高導電性の窒化ガリウム活性層5(第3の半導体層に相当)を順次積層形成する(図1)。
First, the MESFET according to the first embodiment of the present invention will be described as an example according to the manufacturing process. On a
次に、半導体基板1上にエッチングマスクとなるシリコン窒化膜をパターン形成し、露出する半導体基板1をフッ化水素酸、硝酸、酢酸からなる混合液でエッチングし、シリコンからなる半導体基板1を選択エッチングする。次に露出するバッファ層2、窒化ガリウム層3の一部を、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法によりエッチング除去し、窒化ガリウム層3の一部を露出させ、裏面側から窒化ガリウム層3に達する凹部6(第2の凹部に相当)を形成する。その後、エッチングマスクとして使用したシリコン窒化膜を除去する(図2)。なお、上記以外の材料で構成される半導体基板、第1の半導体層及び第2の半導体層のエッチング方法は、それぞれを構成する材料に応じて、適宜選択すればよい。
Next, a silicon nitride film serving as an etching mask is patterned on the
次に、窒化ガリウム活性層5表面にエッチングマスクとなるシリコン窒化膜(図示せず)をパターン形成し、露出する窒化ガリウム活性層5、窒化アルミニウム層4及び窒化ガリウム層3の一部を、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により順次エッチング除去し、窒化ガリウム層3の一部を露出させ、表面側から窒化ガリウム層3に達する別の凹部7(第1の凹部に相当)を形成する(図3)。
Next, a silicon nitride film (not shown) serving as an etching mask is patterned on the surface of the gallium nitride
その後、通常の製造方法に従い、窒化ガリウム活性層5の一部に接触するように、例えばチタン/アルミニウム/金の積層膜からなるソース電極8(表面電極に相当)及びドレイン電極9と、ソース電極8に接続するように表面配線用電極10をパターン形成する。同様に、半導体基板1裏面にも裏面電極11と、裏面電極11に接続するように裏面配線用電極12を一体で形成する。その後、窒素雰囲気、850℃、30秒間のランプアニールを行うことで、オーミック接触のソース電極8、ドレイン電極9、表面配線用電極10、裏面電極11及び裏面配線用電極12を形成する(図4)。なお、表面配線用電極10及び裏面配線用電極12は、図4に示すようにソース電極8及び裏面電極11と一体で、凹部内を被覆するように形成する必要はないが、少なくとも凹部6内及び別の凹部7内に露出する窒化ガリウム層3表面に、オーミック接触を形成するのが好ましい。ソース電極8(表面電極)と裏面電極11との間の抵抗を小さくするためである。
Thereafter, according to a normal manufacturing method, a source electrode 8 (corresponding to a surface electrode) and a
次に、ソース電極8とドレイン電極9との間に、通常の製造方法に従い、窒化ガリウム活性層5にショットキー接触する、例えばニッケル/金の積層膜からなるゲート電極13を形成する。
Next, a gate electrode 13 made of, for example, a nickel / gold laminated film is formed between the
その後、配線抵抗を小さくするため、凹部7内に、例えばメッキ法により厚い金膜からなる配線14(第1の配線に相当)を形成する。同様に、別の凹部6内に厚い金膜からなる配線15(第2の配線の相当)を形成する(図5)。前述のソース電極8と表面配線用電極10、あるいは裏面電極11と裏面配線用電極12が一体で形成されていない場合、あるいは凹部6及び別の凹部7内に非連続部分がある場合には、この配線14及び別の配線15で、ソース電極8と表面配線用電極10を、あるいは裏面電極11と裏面配線用電極12を接続すればよい。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、FETを完成することができる。
Thereafter, in order to reduce the wiring resistance, a wiring 14 (corresponding to the first wiring) made of a thick gold film is formed in the
このように形成された本発明の半導体装置は、半導体基板1及びバッファ層2を貫通する凹部6を備える構造となっているため、半絶縁性基板、高抵抗基板のような非導電性基板を用いることができる。また半導体装置裏面から窒化ガリウム層3に達する凹部6(第2の凹部)は、微細な加工や、精度良い位置合わせが必要ないので、サファイア基板を用いる場合には、安価に形成することができるという利点がある。またSiC基板を用いる場合には、放熱効果の向上により半導体装置の特性向上が期待される。
Since the semiconductor device of the present invention formed as described above has a structure including the
また、半導体装置表面から窒化ガリウム層3(第1の半導体層)に達する別の凹部7(第1の凹部)は、浅く形成すればよいので、通常の半導体装置の製造方法により、簡便に形成することができると共に、配置の自由度が増し、好適である。さらに高抵抗の窒化アルミニウム層4を備えることで、リーク電流の減少も期待される。
In addition, another recess 7 (first recess) that reaches the gallium nitride layer 3 (first semiconductor layer) from the surface of the semiconductor device may be formed shallow, so that it can be easily formed by a normal method for manufacturing a semiconductor device. It is possible to increase the degree of freedom of arrangement and is preferable. Further, by providing the high-resistance
次に本発明の第2の実施例であるHFETを例にとり、製造工程に従い説明する。まず、サファイアからなる半導体基板1上に、バッファ層2を介して、導電性の窒化ガリウム層3(第1の半導体層に相当)を積層形成する。半導体基板は、サファイアの他、導電性あるいは非導電性のシリコン、シリコンカーバイド(SiC)を用いることができる。バッファ層2は窒化ガリウム層、窒化アルミニウム層、またはガリウム/アルミニウム/窒素の3元化合物、もしくはそれら多層積層膜とすることができる。窒化ガリウム層3は、エピタキシャル成長中にモノシランを使ってシリコンをドーピングすることで高い導電性を持たせることができる。次に窒化ガリウム層3上に、高抵抗の窒化アルミニウム層4(第2の半導体層に相当)、チャネル層となるノンドープ窒化ガリウム層16(第4の半導体層に相当)、キャリア供給層となる窒化ガリウムアルミニウム層17(第3の半導体層に相当)を積層形成する(図7)。窒化ガリウムアルミニウム層17上に、さらに別のショットキー層やキャップ層を備える場合もある。
Next, the HFET according to the second embodiment of the present invention will be described as an example according to the manufacturing process. First, a conductive gallium nitride layer 3 (corresponding to a first semiconductor layer) is stacked on a
次に、半導体基板1上にエッチングマスクとなるシリコン酸化膜またはポリイミド膜をパターン形成し、露出する半導体基板1をリン酸、硫酸からなる高温(例えば280度)混合液でエッチングし、サファイアからなる半導体基板1を選択エッチングする。次に露出するバッファ層2、窒化ガリウム層3の一部を、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により順次エッチング除去し、窒化ガリウム層3の一部を露出させ、裏面側から窒化ガリウム層3に達する凹部6(第2の凹部に相当)を形成する。その後、エッチングマスクとして使用したシリコン酸化膜を除去する(図2に相当)。
Next, a silicon oxide film or polyimide film serving as an etching mask is patterned on the
次に、窒化ガリウムアルミニウム層18表面にエッチングマスクとなるシリコン窒化膜をパターン形成し、露出する窒化ガリウムアルミニウム層17、ノンドープ窒化ガリウム層16、窒化アルミニウム層4及び窒化ガリウム層3の一部を、例えば塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法により順次エッチング除去し、窒化ガリウム層3の一部を露出させ、表面側から窒化ガリウム層3に達する別の凹部7(第1の凹部に相当)を形成する(図3に相当)。
Next, a silicon nitride film serving as an etching mask is patterned on the surface of the gallium aluminum nitride layer 18, and the exposed gallium aluminum nitride layer 17, the non-doped gallium nitride layer 16, the
その後、通常の製造方法に従い、窒化ガリウム層3の一部に接触するように、例えばチタン/アルミニウム/金の積層膜からなるソース電極8(表面電極に相当)及びドレイン電極9と、ソース電極8に接続するように表面配線用電極10をパターン形成する。同様に、半導体基板1上にも裏面電極11と接続するように裏面配線用電極12を一体で形成する。その後、窒素雰囲気、850℃、30秒間のランプアニールを行うことで、オーミック接触のソース電極8、ドレイン電極9、表面配線用電極10、裏面電極11及び裏面配線用電極12を形成する(図4に相当)。なお、表面配線用電極10及び裏面配線用電極12は、図4に示すようにソース電極8及び裏面電極11と一体で、凹部内を被覆するように形成する必要はないが、少なくとも凹部6内及び別の凹部7内に露出する窒化ガリウム層3表面に、オーミック接触を形成するのが好ましい。ソース電極8(表面電極)と裏面電極11との間の抵抗を小さくするためである。
Thereafter, according to a normal manufacturing method, a source electrode 8 (corresponding to a surface electrode) and a
次に、ソース電極8とドレイン電極9との間に、通常の製造方法に従い、窒化ガリウム層3にショットキー接触する、例えばニッケル/金の積層膜からなるゲート電極13を形成する。
Next, a gate electrode 13 made of, for example, a nickel / gold laminated film is formed between the
最後に、配線抵抗を小さくするため、凹部7内に、例えばメッキ法により厚い金膜からなる配線14(第1の配線に相当)を形成する。同様に、別の凹部6内に厚い金膜からなる配線15(第2の配線の相当)を形成する(図7)。前述のソース電極8と表面配線用電極10、あるいは裏面電極11と裏面配線用電極12が一体で形成されていない場合、あるいは凹部6及び別の凹部7内に非連続部分がある場合には、この配線14及び別の配線15で、ソース電極8と表面配線用電極10を、あるいは裏面電極11と裏面配線用電極12を接続すればよい。以下、通常の半導体装置の製造工程に従い、HFETを完成することができる。
Finally, in order to reduce the wiring resistance, a wiring 14 (corresponding to the first wiring) made of a thick gold film is formed in the
このように形成された本発明の半導体装置は、半導体基板1及びバッファ層2を貫通する凹部6を備える構造となっているため、半絶縁性基板、高抵抗基板を用いることができる。また半導体装置裏面から窒化ガリウム層3に達する凹部6(第2の凹部)は、微細な加工や、精度良い位置合わせが必要ない。その結果、安価なサファイア基板を用いることができ、あるいは放熱性の優れたSiC基板を用いることができ半導体装置の特性向上が期待される。
Since the semiconductor device of the present invention formed as described above has a structure including the
また、半導体装置表面から窒化ガリウム層3(第1の半導体層)に達する別の凹部7(第1の凹部)は、浅く形成すればよいので、通常の半導体装置の製造方法により、簡便に形成することができると共に、配置の自由度が増し、好適である。さらに高抵抗の窒化アルミニウム層4を備えることで、リーク電流の減少も期待される。
In addition, another recess 7 (first recess) that reaches the gallium nitride layer 3 (first semiconductor layer) from the surface of the semiconductor device may be formed shallow, so that it can be easily formed by a normal method for manufacturing a semiconductor device. It is possible to increase the degree of freedom of arrangement and is preferable. Further, by providing the high-resistance
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでなく種々変更可能である。例えば、半導体層は、シリコン、GaAs等の化合物半導体、GaN、InN、AlNあるいはこれらの混晶化合物からなる窒化物半導体で形成することができる。また電極の組成は、使用する半導体層の種類に応じて適宜選択される。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments and can be variously modified. For example, the semiconductor layer can be formed of a compound semiconductor such as silicon or GaAs, a nitride semiconductor made of GaN, InN, AlN, or a mixed crystal compound thereof. The composition of the electrode is appropriately selected according to the type of semiconductor layer used.
また、FETに限らず、表面電極と裏面電極を備えた半導体装置に本発明のバイアホール構造を採用することができる。更にまた、本発明の第1の半導体層は、半導体基板全面に形成する必要はなく、少なくとも表面電極と裏面電極が第1の半導体層を介して導電接続がなされるような選択領域形成ができる積層構造であればよい。選択的に第1の半導体層を形成する方法は、選択エピタキシャル成長法、全面にエピタキシャル成長後、不要な部分をエッチング除去する方法、マスクを使用して部分的に不純物をドーピングする方法等、通常の半導体装置の製造方法により行うことができる。高出力、高周波用半導体素子とコイル等の素子が混載する場合、コイル等の形成領域の第1の半導体層を除去するのが好ましい場合がある。 Further, the via hole structure of the present invention can be adopted not only for FETs but also for semiconductor devices having front and back electrodes. Furthermore, the first semiconductor layer of the present invention does not need to be formed on the entire surface of the semiconductor substrate, and a selective region can be formed such that at least the front surface electrode and the back surface electrode are conductively connected through the first semiconductor layer. What is necessary is just a laminated structure. The method of selectively forming the first semiconductor layer is a normal semiconductor, such as a selective epitaxial growth method, a method of etching and removing unnecessary portions after epitaxial growth on the entire surface, a method of partially doping impurities using a mask, etc. This can be done by the method for manufacturing the device. When a high-power, high-frequency semiconductor element and an element such as a coil are mounted together, it may be preferable to remove the first semiconductor layer in the formation region of the coil or the like.
1:半導体基板、2:バッファ層、3:窒化ガリウム層、
4:窒化アルミニウム層、5:窒化ガリウム活性層、6:凹部、7:別の凹部、
8:ソース電極、9:ドレイン電極、10:表面配線用電極、11:裏面電極、
12:裏面配線用電極、13:ゲート電極、14:第1の配線、15:第2の配線、
16:ノンドープ窒化ガリウム層、17:窒化ガリウムアルミニウム層
1: semiconductor substrate, 2: buffer layer, 3: gallium nitride layer,
4: aluminum nitride layer, 5: gallium nitride active layer, 6: recess, 7: another recess,
8: Source electrode, 9: Drain electrode, 10: Front wiring electrode, 11: Back electrode,
12: electrode for back surface wiring, 13: gate electrode, 14: first wiring, 15: second wiring,
16: Non-doped gallium nitride layer, 17: Gallium aluminum nitride layer
Claims (4)
導電性あるいは非導電性の半導体基板上に積層した導電性の第1の半導体層及び高抵抗の第2の半導体層と、
少なくとも前記半導体基板及び前記第2の半導体層を貫通し、前記半導体基板表面から前記第1の半導体層に達する第1の凹部と、前記半導体基板の裏面から前記第1の半導体層に達する第2の凹部と、
前記表面電極と接続し、前記第1の半導体層と接続する前記第1の凹部内に形成した第1の配線と、
前記裏面電極と接続し、前記第1の半導体層と接続する前記第2の凹部内に形成した第2の配線とを備え、
前記第1の配線、前記第1の半導体層及び前記第2の配線を通じて、前記表面電極と前記裏面電極を接続することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a surface electrode formed on the surface of a semiconductor substrate on which a semiconductor layer is laminated is connected to a back electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate through at least a through-hole penetrating the semiconductor layer.
A conductive first semiconductor layer and a high-resistance second semiconductor layer stacked on a conductive or non-conductive semiconductor substrate;
A first recess that penetrates at least the semiconductor substrate and the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate; and a second recess that reaches the first semiconductor layer from the back surface of the semiconductor substrate. A recess of
A first wiring formed in the first recess connected to the surface electrode and connected to the first semiconductor layer;
A second wiring formed in the second recess connected to the back electrode and connected to the first semiconductor layer;
A semiconductor device, wherein the front electrode and the back electrode are connected through the first wiring, the first semiconductor layer, and the second wiring.
前記半導体基板上に、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも1つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうち少なくとも窒素を含むV族元素で構成されたIII−V族窒化物半導体層からなる導電性の前記第1の半導体層と、
該第1の半導体層上に積層した高抵抗の窒化アルミニウムからなる前記第2の半導体層と、
該第2の半導体層上に積層した前記III−V族半導体層からなる第3の半導体層と、
該第3の半導体層にオーミック接触する前記表面電極と、
前記第3の半導体層及び第2の半導体層を貫通して前記半導体基板表面から前記第1の半導体層に達する前記第1の凹部と、前記半導体基板を貫通して前記半導体基板の裏面から前記第1の半導体層に達する第2の凹部と、
前記表面電極と接続し、前記第1の半導体層とオーミック接触する前記第1の配線と、
前記半導体基板裏面に形成した裏面電極と接続し、前記第1の半導体層とオーミック接触する前記第2の配線とを備えたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A group III element composed of at least one of the group consisting of gallium, aluminum, boron and indium and a group III element containing at least nitrogen among the group consisting of nitrogen, phosphorus and arsenic on the semiconductor substrate. A conductive first semiconductor layer comprising a group V nitride semiconductor layer;
The second semiconductor layer made of high-resistance aluminum nitride laminated on the first semiconductor layer;
A third semiconductor layer comprising the III-V group semiconductor layer stacked on the second semiconductor layer;
The surface electrode in ohmic contact with the third semiconductor layer;
The first recess that reaches the first semiconductor layer from the surface of the semiconductor substrate through the third semiconductor layer and the second semiconductor layer, and the back surface of the semiconductor substrate through the semiconductor substrate A second recess reaching the first semiconductor layer;
The first wiring connected to the surface electrode and in ohmic contact with the first semiconductor layer;
A semiconductor device comprising: the second wiring connected to a back electrode formed on the back surface of the semiconductor substrate and in ohmic contact with the first semiconductor layer.
前記第2の半導体層と前記第3の半導体層との間に、前記第3の半導体層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ、前記III−V族窒化物半導体層からなる第4の半導体層を備えたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
A fourth semiconductor layer comprising the group III-V nitride semiconductor layer having an energy gap smaller than that of the third semiconductor layer between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer; A semiconductor device comprising:
前記第3の半導体層にショットキー接触する制御電極と、オーミック接触するソース電極及びドレイン電極とを備え、前記第3の半導体層からなるチャネル、あるいは前記第3の半導体層と前記第4の半導体層との間に形成されるチャネルを流れる電流を前記制御電極に印加する電圧により制御することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2 or 3,
A control electrode in Schottky contact with the third semiconductor layer, a source electrode and a drain electrode in ohmic contact, and a channel made of the third semiconductor layer, or the third semiconductor layer and the fourth semiconductor A semiconductor device, wherein a current flowing through a channel formed between layers is controlled by a voltage applied to the control electrode.
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