JP2010219117A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】窒化物半導体を用いたHFETまたはショットキーダイオードにおける信頼性を高める。
【解決手段】第1および第2の電極上に積層するように形成された第1および第2のフィールドプレート電極の少なくともいずれかにおいて、前記第1の電極から第2の電極へと向かう第1の方向における長さを、前記第1の方向に直交する第2の方向において周期的に変化させる。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置に関する。
スイッチング素子やダイオードなどのパワー半導体素子は、スイッチング電源やインバータなどの回路に用いられ、その特性として高耐圧・低オン抵抗が求められる。
しかし、耐圧とオン抵抗との間には、素子材料で決まるトレードオフの関係がある。主な素子材料であるシリコンについては、これまでの技術開発の進歩により既にその限界近くまで低オン抵抗が実現されているため、オン抵抗を更に低減するには素子材料を変更する必要がある。
そこで、GaNやAlGaNなどの窒化物半導体や炭化珪素(SiC)などのワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子材料として用いることにより、素子材料で決まるトレードオフ関係を改善でき、飛躍的に低オン抵抗化が可能になった。
ここで、GaNやAlGaNなどの窒化物半導体を用いた素子で、低オン抵抗が得られやすい素子として、例えばAlGaN/GaNへテロ構造を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero structure Field Effect Transistor以下、単に「HFET」という)が挙げられる。このHFETは、ヘテロ界面チャネルの高移動度とピエゾ分極により発生する高電子濃度とにより、低オン抵抗を実現するものである。
しかし、HFETは横型素子であるため、ゲート・ドレイン間に高電圧を印加した際にゲートの端部に電界が集中し、これに起因して高電界が発生すると、高電界により加速された電子がパッシベーション膜やAlGaN層へ飛び込んで結晶欠陥を発生させる。その結果、特性が変動して素子の信頼性が劣化するという問題があった。
このような高電界に起因した信頼性劣化を抑制させるためには、電界集中を緩和することが有効である。電界緩和を実現する構造としてフィールドプレート構造がある(例えば特許文献1)。さらに、複数のフィールドプレート電極を形成し、各フィールドプレート電極下の絶縁膜厚がドレイン側に厚くなるように段階的に変化させることにより、電界が集中する箇所が増えて電界ピークを低下させることができる。
しかしながら、絶縁膜の堆積回数が増えると膜厚のばらつきによる特性ばらつきが増えるという欠点があり、さらに、絶縁膜が厚くなり過ぎると膜応力が増加することで絶縁膜中にクラックが入り、クラックに起因して信頼性が劣化するという問題もあった。
特開2005−093864号公報
本発明の目的は、高い信頼性を有する半導体装置を提供することにある。
本発明の一態様によれば、ノンドープAlGa1−XN(0≦X<1)で形成される第1の半導体層と、前記第1の半導体層上に形成されたノンドープまたはn型のAlGa1−YN(0<Y≦1、X<Y)で形成される第2の半導体層と、前記第2の半導体層上に形成された第1の電極と、前記第2の半導体層上で前記第1の電極から離隔するように形成され前記第2の半導体層に電気的に接続された第2の電極と、前記第2の半導体層上で前記第1および第2の電極を覆うように形成された第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜上に形成され、前記第1の電極に電気的に接続された第1のフィールドプレート電極と、前記第1のフィールドプレート電極を覆うように形成された第2の絶縁膜と、前記第2の絶縁膜上に形成された第2のフィールドプレート電極と、を備え、前記第1のフィールドプレート電極および前記第2のフィールドプレート電極の少なくともいずれかは、前記第1の電極から前記第2の電極へと向かう第1の方向における長さが、前記第1の方向に直交する第2の方向において周期的に変化していることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、高い信頼性を有する半導体装置が提供される。
本発明の第1の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図。 図1のGaN―HFETの第1の変形例を示す図。 図1のGaN―HFETの第2の変形例を示す図。 図1のGaN―HFETの第3および第4の変形例を示す図。 本発明の第2の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図。 図5のGaN―HFETの一変形例を示す図。 本発明の第3の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図。 本発明の第4の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図。 本発明の第5の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図。 図9に示すGaN−HFETの一変形例を示す図。 本発明の第6の実施の形態によるGaN−HSBDの概略構造を示す図。
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて、図面を参照しながら説明する。以下の各図において同一部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は必要な場合に限り行う。
(1)第1の実施の形態
図1は、本発明の第1の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図である。
図1上部の略示断面図に示すように、本実施形態のGaN―HFET1は、チャネル層31と、バリア層32と、ソース電極SEと、ドレイン電極DEと、ゲート電極GE1と、絶縁膜6,8と、フィールドプレート電極FFP1,SFP1とを備える。
チャネル層31はノンドープGaN層で形成され、本実施形態において例えば第1の半導体層に対応する。バリア層32はチャネル層31の上にノンドープAlGaN層で形成され、本実施形態において例えば第2の半導体層に対応する。ゲート電極GE1は、バリア層32との間でショットキー接合をなすようにバリア層32上に形成されている。ゲート電極GE1は、本実施形態において例えば制御電極に対応する。ソース電極SEとドレイン電極DEとはバリア層32の上でゲート電極GE1を間に挟むように互いに離隔してバリア層32に電気的に接続するように形成される。ここで、ソース電極SEからドレイン電極DEに向かう方向をX方向とし、平面図内でX方向に直交する方向をY方向とする。
そして、バリア層32上にソース電極SE、ドレイン電極DEおよびゲート電極GE1を覆うように絶縁膜6が形成され、絶縁膜6上にゲート電極GE1に電気的に接続されるようにフィールドプレート電極FFP1が形成される。本実施形態において、絶縁膜6およびフィールドプレート電極FFP1は、例えば第1の絶縁膜および第1のフィールドプレート電極にそれぞれ対応する。また、フィールドプレート電極FFP1を覆うように絶縁膜8が形成され、さらに、絶縁膜8の上にフィールドプレート電極SFP1がソース電極SEに電気的に接続されるように形成される。本実施形態において、絶縁膜8およびフィールドプレート電極SFP1は、例えば第2の絶縁膜および第2のフィールドプレート電極にそれぞれ対応する。
図1中央の平面図に示すように、フィールドプレート電極FFP1とフィールドプレート電極SFP1は、平面視においてそれぞれ櫛型の形状をなすように形成される。このため、ソース電極SEからドレイン電極DEへ向かうX方向におけるフィールドプレート電極の長さがY方向において周期的に変化している。本実施形態において、X方向およびY方向は例えば第12および第2の方向にそれぞれ対応する。
このように、フィールドプレート電極FFP1,SFP1のX方向の長さをY方向において変化させることにより、電極の長い部分と短い部分との両方にそれぞれ端部ができる。電界は各端部で集中するので、図1下部の電界分布グラフに示すように、X方向の長さが変化していない従来の構造(点線部分)と比較して電界ピークを低減することが可能になる(実線部分)。
電界ピークが小さくなると、電界加速によって高エネルギーを有するチャネル電子がAlGaNのバリア層32や絶縁膜6へ飛び込む確率が低下する。これにより、結晶欠陥や界面準位が発生し難くなって、リーク電流、耐圧およびオン抵抗などの特性の変動が起き難くなる。即ち、半導体装置の信頼性を高めることができる。
なお、図1中の平面図においては、説明を容易にするため、絶縁膜8のうちフィールドプレート電極SFP1が積層された部分と、フィールドプレート電極SFP1のうちフィールドプレート電極FFP1の左端に対応する箇所から紙面左側の部分とを省略した。この点は、以下の図2、図3、図5乃至図8の各の平面図において同様である。
図1では、フィールドプレート電極FFP1,SFP1の双方でX方向の長さがY方向に変化している構造のGaN―HFET1を示したが、これに限ることなく、例えば図2のGaN―HFET2に示すように、フィールドプレート電極SFP2の長さは変化せず、フィールドプレート電極FFP1のみについてX方向の長さが変化するものも実施可能である。また、図3のGaN―HFET3に示すように、フィールドプレート電極FFP2の長さは変化せず、フィールドプレート電極SFP1のみX方向の長さが変化するものも実施可能である。
また、図1乃至図3では、櫛形の平面形状を有するフィールドプレート電極FFP1,SFP1を示したが、フィールドプレート電極の最もドレイン電極DEに近い端部だけでなく、次にドレイン電極DEに近い端部でも電界が集中するように、例えば図4(a)に示すように、電極が長い部分の幅aは、短い部分の幅bよりも狭いことが望ましい(a<b)。同様に、長い部分と短い部分の長さの差cは、短い部分の幅bよりも小さいことが望ましい(c<b)。
また、フィールドプレート電極の平面形状は、櫛形に限定されることはなく、例えば図4(b)に示すような台形波状でも同様の効果を得ることができる。台形波状の場合でも、最もドレイン電極DEに近い端部だけでなく、次にドレイン電極DEに近い端部にも電界を集中させるため、図4(b)に示すように、電極が長い部分の幅aは、短い部分の幅bよりも狭いことが望ましい(a<b)。同様に、長い部分と短い部分の長さの差cも、短い部分の幅bよりも小さいことが望ましい(c<b)。
さらに、図4(c)に示すように、フィールドプレート電極の平面形状は、波型の形状でも実施可能である。本例においても、最もドレイン電極DEに近い端部だけでなく、次にドレイン電極DEに近い端部でも電界が集中するように、電極の長さが変化する周期dは、長い部分と短い部分の長さの差cよりも大きいことが望ましい(c<d)。
(2)第2の実施形態
図5は、本発明の第2の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図である。以下の第2乃至第6の実施の形態では、第1の実施の形態と異なる部分についてのみ説明する。
図1との対比により明らかなように、本実施形態のGaN−HFET4の第1の特徴は、フィールドプレート電極FFP1の長さの変化eよりもフィールドプレート電極SFP4の長さの変化fの方が大きい点(e<f)にある。このようにフィールドプレート電極FFP1とSFP4との間でX方向の長さを大きく変化させることにより、より緩慢な電界分布を得ることができる。
また、GaN−HFET4の第2の特徴は、フィールドプレート電極SFP4下の絶縁膜6および絶縁膜8の厚さの合計hがフィールドプレート電極FFP1下の絶縁膜6の厚さgよりも厚い点(g<h)にある。このようにフィールドプレート電極FFP1とSFP4との間でX方向の長さに応じて直下の絶縁膜の厚さを変化させることにより、電界ピークをさらに低下させることができる。フィールドプレート電極FFP1,SFP4の長さの変化の比e/fは、絶縁膜6の厚さgと絶縁膜6および絶縁膜8の厚さの合計hの比(g/h)と等しくすることが望ましい。
さらに、図6に示す変形例5のように、フィールドプレート電極FFP1の長さが変化する周期iよりもフィールドプレート電極SFP5の長さが変化する周期jの方を大きくする(i<j)ことによっても同様の効果を得ることができる。フィールドプレートの長さの周期iとjの比は、絶縁膜厚gとhの比と等しくすることが望ましい(i/j=g/h)。
(3)第3の実施形態
図7は、本発明の第3の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図である。
図5との対比により明らかなように、本実施形態のGaN−HFET6の特徴は、フィールドプレート電極FFP1とフィールドプレート電極SFP6のX方向の長さが共通の周期で変化している一方、互いの位相がずれている点にある。このような構造により、電界集中する箇所が確実に分散されるので、電界ピークをさらに低下させることができる。図5では、半周期ずつずれるような構造を示したが、これに限ることなく例えば1/4周期でも位相がずれてさえいれば同様の効果を得ることができる。
(4)第4の実施形態
図8は、本発明の第4の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図である。
図5との対比により明らかなように、本実施形態のGaN−HFET7の特徴は、フィールドプレート電極のみならず、ゲート電極GE2においてもX方向の長さがY方向において周期的に変化している点にある。このような電極構造により、ドレイン電極DEの側でゲート端が二つに分かれ、電界が集中する箇所が増える。これにより、ゲート端電界ピークを低下させることができる。
図8では、櫛型の平面形状を有するゲート電極GE2を示したが、これに限ることなく、例えば図4(b)および(c)に示したような他の形状でもフィールドプレート電極の形状と同様に実施可能である。ここで、AlGaNバリア層32は、絶縁膜6および絶縁膜8よりも薄いので、電界集中を均等に分散させるためには、ゲート電極GE2の長さの変化kは、フィールドプレート電極FFP1,SFP4の長さの変化e、fよりも小さいことが望ましい(k<e<f)。
(5)第5の実施形態
図9は、本発明の第5の実施の形態によるGaN―HFETの概略構成を示す図である。同図の上部の断面図は同図下部の平面図のA−A切断線に沿った図であり、また、同図の中央部の断面図は同図下部の平面図のB−B切断線に沿った図である。
図1との対比により明らかなように、本実施形態のGaN−HFET11の特徴は、積層されるフィールドプレート電極が、ソース電極SEに接続されたフィールドプレート電極FFP11a、SFP11aと、ゲート電極GE1に接続されたフィールドプレート電極FFP11b、SFP11bとで構成され、かつ、それぞれのX方向の長さが異なる点にある。このような構造により、電界集中する箇所がさらに分散されて、電界ピークをさらに低下させることができ、これまでに示してきた構造と同等の効果が得られる。
また、ソース電極SEに接続されたフィールドプレート電極FFP11a、SFP11aとゲート電極GE1に接続されたフィールドプレート電極FFP11b、SFP11bとの間でX方向の長さを変化させることにより、ゲート・ソース間の容量、ゲート・ドレイン間の容量、ドレイン・ソース間の容量をそれぞれ変化させることができるという利点もある。なお、図9下部の平面図に示すように、フィールドプレート電極FFP11a、SFP11aとフィールドプレート電極FFP11b、SFP11bとの間は絶縁膜6,8の一部によって互いに絶縁されている。
図9に示したGaN−HFET11では、ソース電極SEに接続されたフィールドプレート電極FFP11a、SFP11aと、ゲート電極GE1に接続されたフィールドプレート電極FFP11b、SFP11bとの間で互いに接する面積が大きくなって、ゲート・ソース間容量が大きくなり、このため、ゲート電極GE1にノイズが入っても、誤動作し難くなる。また、ゲート・ソース間容量が大きくなることで、静電気破壊も起き難くなる。
図10は、図9に示すGaN−HFET11の一変形例を示す。図10に示すGaN−HFET12は、ゲート電極GE1のみに接続されて櫛形の平面形状を有するフィールドプレート電極FFP12並びに、ソース電極SEに接続されたフィールドプレート電極SFP11aおよびゲート電極GEに接続されたフィールドプレート電極SFP11bを備える。本変形例のGaN−HFET12は、このような構造にすることで、ゲート・ドレイン間容量を大きくすることができ、スイッチング時のdV/dtを抑制し、サージ電圧を小さくすることができる。
このように、それぞれのフィールドプレート電極の長さを任意に設定することにより、容量の大きさを変化させることできる。このため、図示された組み合わせに限定されることはなく、ソース電極SEに接続されるフィールドプレート電極の長さとゲート電極GE1,GE2に接続されるフィールドプレート電極の長さを様々に変化させて実施することが可能である。
なお、図9および図10中の各平面図においては、説明を容易にするため、フィールドプレート電極FFP11a,FFP11b,FFP12、SFP11a,SFP11bのうちゲート電極GE1,GE2から紙面左側の部分を省略した。
(6)第6の実施形態
図11は、本発明の第6の実施の形態による半導体装置の概略構造を示す図である。同図に示すGaN−HSBD21は、ヘテロ構造を用いたショットキーバリアダイオード(Schottky Barrier Diode)であり、図1との対比により明らかなように、HFET1のゲート・ドレイン間部分を抜き出してHSBDに適用したのと同様の構造を有する。
即ち、図11上部の略示断面図に示すように、本実施形態のGaN―HSBD21は、図1のHFET1のゲート電極GE1の左端から左側部分を除去した上で、HFET1のゲート電極GE1を、バリア層32との間でショットキー接合をなすようにバリア層32上に形成されたアノード電極AEに置換し、また、HFET1のドレイン電極DEを、バリア層32との間でオーミック接合をなすように形成されたカソード電極KEに置換したものに相当する。HSBD21のフィールドプレート電極FFP21,SFP21も、図1のHFET1のフィールドプレート電極FFP1,SFP1にそれぞれ対応し、フィールドプレート電極SFP21がアノード電極AEに電気的に接続されている点だけを除けばフィールドプレート電極FFP1,SFP1と実質的に同一である。本実施形態において、アノード電極AEおよびカソード電極KEは例えば第1および第2の電極に対応する。
図1のHFET1と同様に、本実施形態のGaN−HSBD21においてもフィールドプレート電極FFP21,SFP21のX方向の長さをY方向において変化させることにより、電界の集中が分散され、半導体装置の信頼性を高めることができる。
図11では、フィールドプレート電極FFP21,SFP21の双方でX方向の長さがY方向に変化している構造のGaN―HFET1を示したが、これに限ることなく、例えば図2および図3で示した変形例HFET2,HFET3のように、フィールドプレート電極のどちらか一方の長さが変化するものも実施可能である。
また、図11では、櫛形の平面形状を有するフィールドプレート電極を示したが、これに限ることなく、例えば図4(b)および(c)に示したように電極の平面形状が異なるものでも勿論実施可能である。
(7)第7乃至第9の実施の形態
前述した第6の実施の形態と同様に、本発明の第7乃至第9の実施の形態は、GaN−HSBDに関するものであり、図5乃至図8を参照して上述したHFET4乃至7について、ゲート電極GE1,GE2を、バリア層32との間でショットキー接合をなすようにバリア層32上に形成されたアノード電極に置換し、かつ、ドレイン電極DEを、バリア層32との間でオーミック接合をなすように形成されたカソード電極に置換したものに相当する。また、フィールドプレート電極の構造も、積層される2つのフィールドプレート電極が共にアノード電極に電気的に接続される点を除けば、HFET4乃至7におけるフィールドプレート電極と実質的に同一である。第7乃至第9の実施の形態によれば、このような構造により、電界集中する箇所が確実に分散されるので、アノード端における電界ピークを低下させることができ、その結果、半導体装置の信頼性を高めることができる。
(8)その他
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記第1乃至第9の実施の形態に限定されるものではなく、その技術的範囲内でいわゆる当業者が容易に考え得る変形はすべて適用可能である。
例えば、上記実施形態では、チャネル層31が形成される基板を特に図示していないが、これはサファイア基板の他SiC基板、Si基板、GaN基板のいずれでも実施可能であり、特定の基板材料に限定されることはない。また、基板の絶縁性や導電性、さらにその導電型にも限定されるものではない。
また、上記実施形態では、バリア層32およびチャネル層31として、AlGaN/GaNの組み合わせで説明を行ったが、これに限るものでは決してなく、GaN/InGaNやAlN/AlGaNなどの組み合わせでも実施可能である。
また、ノンドープAlGaNバリア層とノンドープGaNチャネル層を用いて説明を行ったが、n型AlGaN層、n型GaN層、n型AlN層を用いても実施可能である。
さらに、ショットキーゲート構造を用いて説明したが、ゲート電極下にゲート絶縁膜を形成したMIS(Metal Insulator Semiconductor)ゲート構造や、p型GaN層、p型AlGaN層やリセス構造を形成することによりノーマリーオフ化させた構造など、ゲート構造を様々な態様に変化させても実施可能である。
1〜7,11,12:GaN―HFET
21:GaN―HFET
31:GaNチャネル層
32:AlGaNバリア層
36,38:絶縁膜
SE:ソース電極
DE:ドレイン電極
GE1,GE2:ゲート電極
FFP1,FFP2,FFP11a,11b,FFP12,FFP21,SFP1,SFP4〜6,SFP11a,11b,SFP21:フィールドプレート電極、
AE:アノード電極、
KE:カソード電極
i:第1のフィールドプレート電極の長さが変化する周期
j:第2のフィールドプレート電極の長さが変化する周期

Claims (5)

  1. ノンドープAlGa1−XN(0≦X<1)で形成される第1の半導体層と、
    前記第1の半導体層上に形成されたノンドープまたはn型のAlGa1−YN(0<Y≦1、X<Y)で形成される第2の半導体層と、
    前記第2の半導体層上に形成された第1の電極と、
    前記第2の半導体層上で前記第1の電極から離隔するように形成され前記第2の半導体層に電気的に接続された第2の電極と、
    前記第2の半導体層上で前記第1および第2の電極を覆うように形成された第1の絶縁膜と、
    前記第1の絶縁膜上に形成され、前記第1の電極に電気的に接続された第1のフィールドプレート電極と、
    前記第1のフィールドプレート電極を覆うように形成された第2の絶縁膜と、
    前記第2の絶縁膜上に形成された第2のフィールドプレート電極と、
    を備え、
    前記第1のフィールドプレート電極および前記第2のフィールドプレート電極の少なくともいずれかは、前記第1の電極から前記第2の電極へと向かう第1の方向における長さが、前記第1の方向に直交する第2の方向において周期的に変化していることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1のフィールドプレート電極の長さの変化に対する位相と前記第2のフィールドプレート電極の長さの変化に対する位相が一致していないことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第1のフィールドプレート電極の前記第1の方向における長さが変化する周期よりも、前記第2のフィールドプレート電極の前記第1の方向における長さが変化する周期の方が大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記第2の半導体層上で前記第1の電極を間に挟むように前記第2の電極と反対側に形成され前記第2の半導体層に電気的に接続された第3の電極をさらに備え、
    前記第2のフィールドプレート電極は前記第3の電極に電気的に接続され、
    前記第1の電極は電界効果トランジスタの制御電極をなし、前記第2および第3の電極は前記電界効果トランジスタの主電極をなす、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 前記第1の電極は前記第2の半導体層との間でショットキー接合を形成するアノード電極であり、
    前記第2の電極は前記第2の半導体層との間でオーミック接合を形成するカソード電極であり、
    前記第2のフィールドプレート電極は前記アノード電極に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
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