JP2007157829A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体デバイスにおいて、パワートランジスタへの応用に不可欠な大電力消費時のデバイス内部の熱の不均一化を解消する。
【解決手段】基板11上に形成されたGaNからなる動作層12の上に、AlxGa(1-x)N(0＜x≦1)からなる障壁層13が積層されており、動作層12と障壁層13とからヘテロ接合界面が形成されている。ソース電極14およびドレイン電極15が互いに間隔をおいて形成され、ソース電極およびドレイン電極間にはゲート電極16が形成されている。表面には絶縁性と密着性の高いカーボン化合物20を施す。カーボン化合物膜20の上に、放熱膜として放熱性に優れた熱伝導率の高いダイヤモンド膜19を施す。これらの膜は前記動作層および前記障壁層および前記基板を貫通する溝21ごと表面を被覆している。
【選択図】図２

Description

本発明は、III族窒化物半導体を用いた半導体装置に関し、具体的には、放熱性に優れたパワー用大電力III族窒化物半導体装置に関する。
III族窒化物半導体とは、 一般式がBwAlxGayInzN(w+x+y+z=1;0≦w,x,y,z≦1)によって表される、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)又はインジウム(In)と窒素(N)との化合物からなる化合物半導体をいう。
III族窒化物半導体はその大きいバンドギャップとそれに伴う高い破壊電圧、高い電子飽和速度及び高い電子移動度、並びにヘテロ接合における高い電子濃度等の利点を有することから、パワー用高耐圧大電力素子等への応用を目的として、研究開発が進んでいる。とりわけ、III族元素の組成比を変化させた互いのバンドギャップが異なるIII族窒化物半導体層を積層したヘテロ接合構造又はこれらを複数積層した量子井戸構造若しくは超格子構造は、素子内の電子濃度の変調度を制御することができるため、上記素子の基本構造として利用されている。
図４は従来の窒化物半導体装置におけるヘテロ接合を利用する最も一般的な形態を示している（例えば特許文献１又は特許文献２を参照。）。図４において、基板11の上に窒化ガリウム(GaN)からなる動作層12及び窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN)からなる障壁層13が順次積層されており、互いに異なるバンドギャップを有する動作層12と障壁層13とが積層された界面には、ヘテロ接合が形成されている。
障壁層13の上には、ソース電極14、ドレイン電極15及びゲート電極16が形成され、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(Heterojunction Field Effect Transistor、以下HFETと略称する。)として動作する。ゲート電極16と障壁層13とはショットキー障壁を形成し、障壁層13と動作層12とのヘテロ接合界面には、障壁層13と動作層12との自発分極量差及びピエゾ分極量差、および障壁層13内に必要に応じてドープされたn型不純物並びに半導体層内の他の制御不能な欠陥に由来する電子が高濃度に蓄積し、二次元電子ガス(2DEG)を形成し、電界効果トランジスタのチャネルキャリアとして動作する。また、通常は表面保護膜として窒化シリコン(SiN)を用いる。
高耐圧化を狙ったIII族窒化物半導体を用いた半導体装置として、導電層とその上方に形成されたIII族窒化物半導体からなる動作層と、その上に形成されIII族窒化物半導体からなる障壁層と、その上方の一部にそれぞれ形成された第1のソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と、前記第1のソース電極と接続される第2のソース電極と、前記チャネル層および前記障壁層を貫通する溝を介して、前記第1のソース電極と前記導電層とを接続する配線部材とを備えることを特徴とする構造(特許文献3を参照)が存在する。
特開２００２−１６２４５号公報 米国特許第６３１６７９３号明細書 特開２００４-３６３５６３号公報
III族窒化物半導体を用いた半導体装置をパワー用の高耐圧素子として応用するためには、高電圧、大電流のアプリケーションになればなるほど、半導体装置内で消費される電力が増加し、半導体装置から発生する発熱量も増加するので、半導体装置から発生する熱を効率的に半導体装置外部へ放出させる工夫が必要である。特に、パワー用大電力半導体装置としてよく用いられるマルチフィンガー構造を有するHFETであると、その構造から動作層で発生した熱が不均一に内部に逗留する。半導体装置内部の熱分布を均一にするためには、放熱フィン、ヒートスプレッター等と称される放熱部品を半導体装置に搭載することが考えられる。しかしながら、このような物を用いると、これらを収容するためのスペースを要するため、省スペース化に逆行することになる。従って、省スペースで熱均一化の効果を十分に有する構造の半導体装置が望まれていた。
前記の目的を達成するため、本発明は、基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層、その上に形成された障壁層として作用する１層もしくは多層からなる第２のIII族窒化物半導体層、その上にソース電極、およびドレイン電極、および該両電極間を流れる電流を制御するゲート電極を有し、表面保護膜としてボンディングパッド以外の表面全体を熱伝導率の高い放熱膜で被覆していることを特徴としている。このように表面を熱伝導率の高い放熱膜で被覆することにより、内部の熱を均一化することができるIII族窒化物半導体装置となる。
さらに本発明は、基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層、その上に形成された障壁層として作用する１層もしくは多層からなる第２のIII族窒化物半導体層、その上に第１のソース電極、およびドレイン電極、および該両電極間を流れる電流を制御するゲート電極を有し、前記動作層および前記障壁層および前記基板を貫通する溝を備え、表面保護膜として熱伝導率の高い放熱膜で前記溝の内部ごとボンディングパッド以外の表面全体を被覆していることが好ましい。なぜならば、このような構造にすることで前記溝を通じて半導体内部に不均一に逗留している熱を効率よく均一化することができるからである。
さらに本発明は、半導体基板上にソース電極と該ソース電極の両側に１対のドレイン電極とが形成され、ソース電極と１対のドレイン電極との間に１対のゲート電極が形成されている、あるいは前記電極類の配置が複数回周期的に配列しているタイプの構造において、表面保護膜として熱伝導率の高い放熱膜でボンディングパッド以外の表面全体を被覆していることが好ましい。なぜならば、前記構造ではゲート電極が複数箇所存在し、熱の不均一性が通常の構造よりも顕著であり、その熱分布を前記放熱膜で均一化できるからである。
さらに本発明は、放熱膜としてダイヤモンドもしくはダイヤモンドライクカーボン(DLC)もしくはカーボンもしくはこれらの多層膜を用いることが好ましい。なぜならば、ダイヤモンド、DLC、カーボンは絶縁性を持ちながら熱伝導率が金属に匹敵する、あるいは金属よりも高く、半導体内部に不均一に逗留している熱を効率よく均一化することができるからである。
さらに本発明は、放熱膜と半導体層との間に放熱層とは異なる別の絶縁層を挟むことが好ましい。なぜならば、密着性の高い物質を敷くことで、放熱膜の密着性を高めることができるからである。
さらに本発明は、前記放熱膜と半導体層との絶縁層が、カーボンの化合物ことが好ましい。なぜならば、カーボンの化合物は特にダイヤモンドやDLCやカーボンとの密着性が高いため、放熱膜が半導体層により強固に密着するからである。
さらに本発明は、前記カーボンの化合物がチタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC)であることが好ましい。なぜならば、TiCおよびAlCは特にダイヤモンドやDLCやカーボンとの密着性が高いため、放熱膜が半導体層により強固に密着するからである。
(第１の実施形態)
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置について図1を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体装置の断面を模式的に示している。
図１に示すように、基板11の上に形成されたGaNからなる動作層12の上に、AlxGa(1-x)N(0＜x≦1)からなる障壁層13が積層されており、動作層12と障壁層13とからヘテロ接合界面が形成されている。ソース電極14およびドレイン電極15が互いに間隔をおいて形成され、ソース電極14およびドレイン電極15間にはゲート電極16が形成されている。表面には密着性の高いカーボン化合物からなる絶縁膜20(例えば、チタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC))を施す。絶縁膜20の上に、放熱膜として放熱性に優れた熱伝導率の高いダイヤモンド膜19を施す。また、絶縁膜20の厚みは半導体内部の熱がダイヤモンド膜19に伝わることを妨げない程度の厚みがあればよい。
(第２の実施形態)
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置について図2を参照しながら説明する。
図２(a)は、本実施形態に係る半導体装置の断面を模式的に示している。
図２(a)に示すように、基板11上に形成されたGaNからなる動作層12の上に、AlxGa(1-x)N(0＜x≦1)からなる障壁層13が積層されており、動作層12と障壁層13とからヘテロ接合界面が形成されている。ソース電極14およびドレイン電極15が互いに間隔をおいて形成され、ソース電極14およびドレイン電極15間にはゲート電極16が形成されている。表面には密着性の高いカーボン化合物からなる絶縁膜20(例えば、チタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC))を施す。絶縁膜20の上に、放熱膜として放熱性に優れた熱伝導率の高いダイヤモンド膜19を施す。これらの膜は前記動作層12および前記障壁層13および前記基板11を貫通する溝21ごと被覆している。また、絶縁膜20の厚みは半導体内部の熱がダイヤモンド膜19に伝わることを妨げない程度の厚みがあればよい。
図２(b)は、本実施形態に係る半導体装置の断面を模式的に示している。
図２(b)に示すように、例えば導電性のSi基板22上に形成されたGaNからなる動作層12の上に、AlxGa(1-x)N(0＜x≦1)からなる障壁層13が積層されており、動作層12と障壁層13とからヘテロ接合界面が形成されている。ソース電極14およびドレイン電極15が互いに間隔をおいて形成され、ソース電極14およびドレイン電極15間にはゲート電極16が形成されている。障壁層13の表面には密着性の高いカーボン化合物からなる絶縁膜20(例えば、チタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC))を施す。絶縁膜20の上に、放熱膜として放熱性に優れた熱伝導率の高いダイヤモンド膜19を施す。前記第1のソース電極14と接続される第2のソース電極23と、前記動作層12および前記障壁層13および前記導電性基板22を貫通する溝21を介して、前記第1のソース電極14と前記導電性基板22とを接続する配線部材24を備え、表面保護膜として熱伝導率の高いダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜25で前記溝21の中に存在する前記配線部材24ごと被覆している。また、絶縁膜20の厚みは半導体内部の熱がダイヤモンド膜19に伝わることを妨げない程度の厚みがあればよい。なお、前記導電性Si基板22は、他のどの種類の半導体基板、例えばSiCなどでもよい。
(第３の実施形態)
本発明の第３の実施形態に係る半導体装置について図３を参照しながら説明する。
図３は、本実施形態に係る半導体装置の断面を模式的に示している。
図３に示すように、基板11の上に形成されたGaNからなる動作層12の上に、AlxGa(1-x)N(0＜x≦1)からなる障壁層13が積層されており、動作層12と障壁層13とからヘテロ接合界面が形成されている。ソース電極14の両側に1対のドレイン電極15が互いに間隔をおいて形成され、ソース電極14および1対のドレイン電極15の間には1対のゲート電極16が形成されている。表面には密着性の高いカーボン化合物からなる絶縁膜20(例えば、チタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC))を施す。絶縁膜20の上に、放熱膜として放熱性に優れた熱伝導率の高いダイヤモンド膜19を施す。また、絶縁膜20の厚みは半導体内部の熱がダイヤモンド膜19に伝わることを妨げない程度の厚みがあればよい。なお、前記電極類の配置は、複数回周期的に配列していてもよい。
本発明のIII族窒化物半導体装置は、表面全体を熱伝導率の高い放熱層で被覆することで従来のIII族窒化物半導体装置に比して大幅に優れた熱均一性を持つ。これにより、大電力消費時に半導体装置内で発生する熱の不均一分布は解消され、内部の温度は均一に保たれる。信頼性に優れた高性能のIII族窒化物半導体装置、特により高電圧、大電流を必要とするパワー系の高耐圧大電力半導体装置等に有用である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の断面図である。 従来のIII族窒化物半導体装置の断面図である。
符号の説明
11 基板
12 動作層
13 障壁層
14 (第1の)ソース電極
15 ドレイン電極
16 ゲート電極
17 SiN表面保護膜
18 ボンディングパッド
19 ダイヤモンド(放熱)膜
20 カーボン化合物(絶縁)膜
21 溝
22 導電性Si基板
23 第2のソース電極
24 配線部材
25 DLC(放熱)層

Claims (7)

  1. 基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層、その上に形成された障壁層として作用する１層もしくは多層からなる第２のIII族窒化物半導体層、その上にソース電極、およびドレイン電極、および該両電極間を流れる電流を制御するゲート電極を有し、表面保護膜としてボンディングパッド以外の表面全体を熱伝導率の高い放熱膜で被覆していることを特徴とする半導体装置。
  2. 導電層として作用する基板上に形成された第１のIII族窒化物半導体層、その上に形成された障壁層として作用する１層もしくは多層からなる第２のIII族窒化物半導体層、その上にソース電極、およびドレイン電極、および該両電極間を流れる電流を制御するゲート電極を有し、前記第１のIII族窒化物半導体層および前記基板を貫通する溝を備え、表面保護膜としてボンディングパッド以外の表面全体を熱伝導率の高い放熱膜で前記溝の中ごと被覆していることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記半導体基板上にソース電極と該ソース電極の両側に１対のドレイン電極とが形成され、ソース電極と１対のドレイン電極との間に１対のゲート電極が形成されている、あるいは前記電極類の配置が複数回周期的に配列している場合において、表面保護膜として熱伝導率の高い放熱膜でボンディングパッド以外の表面全体を被覆していること特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記放熱膜がダイヤモンドもしくはダイヤモンドライクカーボン(DLC)もしくはカーボンもしくはこれらの多層膜からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記放熱膜の下に放熱膜とは異なる物質からなる絶縁層を敷くことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記放熱膜の下の絶縁層がカーボンとの化合物であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
  7. 前記カーボンとの化合物がチタンカーボン(TiC)もしくはアルミニウムカーボン(AlC)であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
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