JP2011023478A - Semiconductor device, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
電力デバイスの構造には、ソース及びドレインが基板の表面に平行に配置された横型構造と、ソース及びドレインが基板の表面に垂直に配置された縦型構造とがある。縦型構造では、電流の経路が3次元的になるため、1チップ当たりの電流量が横型構造よりも大きい。また、縦型構造では、ソース電極及びドレイン電極が基板の表面及び裏面に形成されているため、これらが基板の表面のみに形成されている横型構造と比較して、ソース電極及びドレイン電極のために必要なチップ面積が小さい。更に、縦型構造では、1チップ当たりの電極の割合が横型構造よりも大きいため、放熱性が高い。 Power device structures include a horizontal structure in which a source and a drain are arranged in parallel to the surface of the substrate, and a vertical structure in which the source and the drain are arranged perpendicular to the surface of the substrate. In the vertical structure, the current path is three-dimensional, so that the amount of current per chip is larger than that in the horizontal structure. In the vertical structure, since the source electrode and the drain electrode are formed on the front surface and the back surface of the substrate, they are used for the source electrode and the drain electrode as compared with the horizontal structure formed only on the surface of the substrate. Small chip area is required. Furthermore, in the vertical structure, the ratio of the electrodes per chip is larger than that in the horizontal structure, so that heat dissipation is high.
縦型構造の電力デバイスとしては、Si系縦型トランジスタ及びGaN系高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)が知られている。図1は、Si系縦型トランジスタ及びGaN系HEMTの構成を示す図である。図1(a)に示すように、Si系縦型トランジスタ101には、ダイオード102及びキャパシタ103が寄生している。ダイオード102は、ソース−ドレイン間に逆方向に電圧がかかったときに電流経路として機能する。また、ダイオード102は、ソース−ドレイン間に過電圧が印加された場合に、降伏電流を流してトランジスタの破壊を防ぐ保護ダイオードとしても機能する。一方、GaN系HEMT111には、図1(b)に示すように、キャパシタ113が寄生しているものの、ダイオードは寄生していない。そこで、GaN系HEMT及びダイオードの集積化が試みられている。
Si type vertical transistors and GaN high electron mobility transistors (HEMTs) are known as vertical structure power devices. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a Si-based vertical transistor and a GaN-based HEMT. As shown in FIG. 1A, a diode 102 and a capacitor 103 are parasitic in the Si-based
しかしながら、従来の技術では、ダイオードと集積化されたGaN系HEMTにおいてもSi系縦型トランジスタにおいても、過電圧の印加に伴う破壊、特にボンディングされたワイヤを介して流入してくるサージに伴う破壊を十分に保護することができない。 However, in the conventional technology, in both the GaN HEMT integrated with the diode and the Si vertical transistor, the breakdown due to the application of the overvoltage, particularly the breakdown due to the surge flowing in through the bonded wire. It cannot be adequately protected.
本発明の目的は、過電圧に伴う破壊を抑制することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress the breakdown due to overvoltage.
半導体装置の一態様には、互いに並列に接続され、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を備えた複数の縦型トランジスタと、前記複数の縦型トランジスタを個別に取り囲むダイオードと、が設けられている。前記ソース電極に前記ダイオードのアノードが接続され、前記ドレイン電極に前記ダイオードのカソードが接続されている。 One embodiment of a semiconductor device includes a plurality of vertical transistors that are connected in parallel to each other and that include a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode, and diodes that individually surround the plurality of vertical transistors. . The anode of the diode is connected to the source electrode, and the cathode of the diode is connected to the drain electrode.
上記の半導体装置等によれば、適切なダイオードが設けられているため、過電圧が印加された場合でも、縦型トランジスタの破壊を抑制することができる。 According to the above semiconductor device or the like, since an appropriate diode is provided, it is possible to suppress the breakdown of the vertical transistor even when an overvoltage is applied.
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態に係る半導体装置について説明する。図2は、第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す平面図であり、図3は、第1の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
(First embodiment)
First, the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 2 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment.
図2及び図3に示すように、第1の実施形態では、複数のGaN系HEMT32が互いに並列に接続されている。つまり、各GaN系HEMT32のゲート電極10がゲート配線23を介してゲートパッド21に共通接続され、ソース電極9がソース配線13に共通接続され、ドレイン電極15がすべてのGaN系HEMT32により共有されている。各GaN系HEMT32では、基板1の表面側にゲート電極10及びソース電極9が位置し、裏面側にドレイン電極15が位置している。ソース電極9は、平面視でゲート電極10を取り囲むようにして形成されている。ゲートパッド21とソース配線13との間に絶縁膜22が形成され、絶縁膜22によりゲートパッド21及びソース配線13が互いから絶縁分離されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the first embodiment, a plurality of GaN-based
また、平面視でGaN系HEMT32を取り囲むダイオード31が形成されている。ダイオード31は格子状に形成されており、ダイオード31が構成する格子の内側にGaN系HEMT32が位置している。
Further, a
ここで、GaN系HEMT32及びダイオード31の断面構造について詳細に説明する。図3に示すように、基板1上に絶縁層2、電子走行層3及び電子供給層4が形成されている。基板1は、例えばガリウムナイトライド(GaN)等の化合物半導体の単結晶基板である。絶縁層2は、例えばアルミニウムナイトライド(AlN)膜であり、その厚さは0.01μm〜10μm程度である。電子走行層3は、例えばSiが1×1017cm-3〜1×1020cm-3程度ドーピングされたガリウムナイトライド層であり、その厚さは0.05μm〜5μm程度である。電子供給層4は、例えばSiが1×1017cm-3〜1×1019cm-3程度ドーピングされたAlGaN層であり、その厚さは1nm〜20nm程度である。電子供給層4のバンドギャップが広いため、電子走行層3の電子供給層4との界面近傍に深いポテンシャルウェルが形成され、ここに2次元電子ガス2DEGが生じる。
Here, the cross-sectional structures of the GaN-based HEMT 32 and the
電子供給層4及び電子走行層3に、ゲート用の凹部5が形成されている。凹部5の側面及び底面並びに電子走行層3の上面上にゲート絶縁膜7が形成され、ゲート絶縁膜7上にゲート電極10が形成されている。また、平面視でゲート電極10及びゲート絶縁膜7を取り囲むようにして電子走行層3上にソース電極9が形成されている。
A recess 5 for gate is formed in the
更に、基板1及び絶縁層2を貫通し、電子走行層3の途中まで達する凹部14が形成されている。凹部14は、凹部5の直下に凹部5よりも広く形成されている。そして、凹部5の側面及び底面並びに基板1の裏面上にドレイン電極15が形成されている。このようにして、個々のGaN系HEMT32が構成されている。
Further, a
更に、電子供給層4、電子走行層3及び絶縁層2を貫通し、基板1の途中まで達するダイオード用の凹部6が形成されている。凹部6は、平面視で各GaN系HEMT32を取り囲むように形成されている。そして、基板1にショットキー接触するショットキー電極11が凹部6の底部に形成されている。ショットキー電極11としては、例えばNi膜とその上に形成されたAu膜との積層体が用いられる。このようにして、ショットキー型のダイオード31が構成されている。このダイオード31では、ショットキー電極11がアノードとして機能し、化合物半導体を含む基板1がカソードとして機能する。
Furthermore, a
更に、ゲート電極10を覆う絶縁膜12、各ゲート電極10をゲートパッド21に共通接続するゲート配線23、各ソース電極9を共通接続するソース配線13、及びゲート配線23を覆いながらソース配線13からゲートパッド21を絶縁分離する絶縁膜22が形成されている。ソース配線13には、各ショットキー電極11も接続されている。
Furthermore, the insulating
第1の実施形態に係る半導体装置は、例えば、図4に示すように、実装基板28に実装される。そして、実装基板28に設けられたゲート端子Gとゲートパッド21とがゲート用ワイヤ26により接続され、ソース端子Sとソース配線13とがソース用ワイヤ27により接続され、ドレイン端子Dにドレイン電極15が接続される。このような構成では、ソース端子S及びソース用ワイヤ27を介してサージがソース配線13に流入してくることがある。この場合、第1の実施形態では、各GaN系HEMT32の周囲に、ソース配線13に接続されたショットキー型のダイオード31が位置しているため、サージはGaN系HEMT32を流れずにダイオード31を流れる。このため、GaN系HEMT32の破壊を十分に抑制することができる。なお、例えすべてのGaN系HEMT32を取り囲むように周囲に保護ダイオードが存在していたとしても、各GaN系HEMT32を個別に取り囲むダイオード31が存在しない場合には、保護ダイオードにサージに伴う大電流が流れる前に、ソース用ワイヤ27近傍のGaN系HEMT32に大電流が流れてしまう。このため、GaN系HEMT32の保護は十分とはいえない。
The semiconductor device according to the first embodiment is mounted on a mounting substrate 28, for example, as shown in FIG. The gate terminal G provided on the mounting substrate 28 and the
次に、第1の実施形態に係る半導体装置を製造する方法について説明する。図5A乃至図5Dは、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps.
先ず、図5A(a)に示すように、基板1上に、ハロゲン化気相エピタキシ(HVPE:halide vapor phase epitaxy)法により絶縁層2を形成する。絶縁層2としては、例えばAlN膜を形成する。
First, as shown in FIG. 5A (a), an insulating
ここで、HVPE装置について説明する。図6(a)は、HVPE装置の構成を示す図である。石英製反応管130の周囲に誘導加熱用の高周波コイル131が巻回され、その内部に基板120を載置するためのカーボンサセプタ132が配置されている。反応管130の上流端(図6(a)中の左側の端部)に、2本のガス導入管134及び135が接続され、反応管130の下流端(図6(a)中の右側の端部)には1本のガス排出管136が接続されている。反応管130内のサセプタ132よりも上流側にボート138が配置され、その内部に成長すべき化合物のIII族元素のソース139が収容される。ソース139は、例えばAlN膜を結晶成長させる場合はAlである。ガス導入管134からNソースガスとしてアンモニア(NH3)ガスが導入され、ガス導入管135から塩化水素(HCl)ガスが導入される。HClガスはボート138中のIII族ソース139と反応し、III族元素塩化物(AlCl等)をソースガスとして生成する。ソースガス(AlClガス等)及びNH3ガスは基板120上に運ばれ、基板120の表面で反応してAlN膜等を成長させる。余剰のガスはガス排出管136から除害塔へ排出される。なお、GaN層を結晶成長させる場合のソース139はGaであり、III族元素塩化物のソースガスはGaClとなる。
Here, the HVPE apparatus will be described. FIG. 6A is a diagram illustrating a configuration of the HVPE apparatus. A high frequency coil 131 for induction heating is wound around a quartz reaction tube 130, and a carbon susceptor 132 for placing the
絶縁層2としてAlN膜を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
圧力:常圧、
HClガスの流量:100ccm(100cm3/min)、
NH3ガスの流量:10lm(10リットル/min)、
温度:1100℃。
Conditions for forming an AlN film as the insulating
Pressure: normal pressure
HCl gas flow rate: 100 ccm (100 cm 3 / min),
NH 3 gas flow rate: 10 lm (10 liters / min),
Temperature: 1100 ° C.
絶縁層2を形成した後には、絶縁層2上に、有機化学気相堆積(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法により電子走行層3を形成する。電子走行層3としては、例えばn型のGaN層を形成する。
After the insulating
ここで、MOCVD装置について説明する。図6(b)は、MOCVD装置の構成を示す図である。石英製反応管140の周囲に高周波コイル141が配置され、反応管140の内側に基板120を載置するためのカーボンサセプタ142が配置されている。反応管140の上流端(図6(b)中の左側の端部)に、2本のガス導入管144及び145が接続され、化合物のソースガスが供給される。例えば、ガス導入管144からNソースガスとしてNH3ガスが導入され、ガス導入管145からIII族元素のソースガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルガリウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)等の有機III族化合物原料が導入される。基板120上で結晶成長が行われ、余剰のガスはガス排出管146から除害塔へ排出される。なお、MOCVD法による結晶成長を減圧雰囲気で行う場合は、ガス排出管146は真空ポンプへ接続され、真空ポンプの排出口が除害塔に接続される。MOCVD装置は、n型のGaN層だけでなく、後述の電子供給層4としてのn型のAlGaN層等の形成にも使用される。
Here, the MOCVD apparatus will be described. FIG. 6B is a diagram showing the configuration of the MOCVD apparatus. A high frequency coil 141 is disposed around the quartz reaction tube 140, and a carbon susceptor 142 for placing the
電子走行層3としてn型のGaN層を形成する場合の条件は、例えば、以下のように設定する。
トリメチルガリウム(TMG)の流量:0〜50sccm、
トリメチルアルミニウム(TMA)の流量:0〜50sccm、
トリメチルインジウム(TMI)の流量:0〜50sccm、
アンモニア(NH3)の流量:20slm、
n型不純物:シラン(SiH4)、
圧力:100Torr、
温度:1100℃。
Conditions for forming an n-type GaN layer as the
Trimethylgallium (TMG) flow rate: 0-50 sccm,
Trimethylaluminum (TMA) flow rate: 0-50 sccm,
Trimethylindium (TMI) flow rate: 0-50 sccm,
Ammonia (NH 3 ) flow rate: 20 slm,
n-type impurity: silane (SiH 4 ),
Pressure: 100 Torr,
Temperature: 1100 ° C.
なお、基板1としてシリコン基板を用いる場合、絶縁層2としてAlN膜が形成されていても、その上にGaN層は成長しにくい。このため、電子走行層3としてのn型のGaN層の形成の初期段階において、Alを10原子%(at%)含むAlGaN層(図示せず)を形成することが好ましい。
When a silicon substrate is used as the substrate 1, even if an AlN film is formed as the insulating
電子走行層3を形成した後には、電子走行層3上に、MOCVD法により電子供給層4を形成する。電子供給層4としては、例えばn型のAlGaN層を形成する。
After the
次いで、図5A(b)に示すように、ゲート用の凹部5及びダイオード用の凹部6を形成する。凹部5及び6は、例えば互いに個別に形成することが好ましい。深さが異なるからである。そして、凹部5の形成に際しては、例えば凹部5を形成する予定の領域を露出するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして電子供給層4及び電子走行層3をエッチングすればよい。その後、レジストパターンは除去する。凹部6の形成に際しては、例えば凹部6を形成する予定の領域を露出するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして電子供給層4、電子走行層3、絶縁層2、及び基板1をエッチングすればよい。その後、レジストパターンは除去する。
Next, as shown in FIG. 5A (b), a recess 5 for gate and a
その後、図5A(c)に示すように、絶縁膜7aを表面の全体にプラズマCVD法により形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 5A (c), an insulating film 7a is formed on the entire surface by plasma CVD.
続いて、絶縁膜7a上に、ゲート絶縁膜7を形成する予定の領域を覆うレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして絶縁膜7aの選択エッチングを行うことにより、図5B(d)に示すように、ゲート絶縁膜7を形成する。絶縁膜7aの選択エッチング時には、例えばSF6ガスをエッチングガスとして用いる。 Subsequently, a resist pattern is formed on the insulating film 7a so as to cover a region where the gate insulating film 7 is to be formed, and the insulating film 7a is selectively etched using the resist pattern as a mask. As shown, a gate insulating film 7 is formed. At the time of selective etching of the insulating film 7a, for example, SF 6 gas is used as an etching gas.
次いで、図5B(e)に示すように、各ゲート絶縁膜7の周囲にソース電極9を、例えばリフトオフ法により形成する。ソース電極9の形成の際には、例えば、Ta膜を形成し、その上にAl膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B (e), a
その後、図5B(f)に示すように、例えばリフトオフ法により、ゲート絶縁膜7上にゲート電極10を形成すると共に、凹部6の底部にショットキー電極11を形成する。ゲート電極10及びショットキー電極11の形成の際には、例えば、Ni膜を形成し、その上にAu膜を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 5B (f), the
続いて、図5C(g)に示すように、絶縁膜12を表面の全体にプラズマCVD法により形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5C (g), the insulating
次いで、図5C(h)に示すように、ソース電極9の少なくとも一部を露出する開口部、及びショットキー電極11の少なくとも一部を露出する開口部を絶縁膜12に形成する。また、ゲート電極10の少なくとも一部を露出する開口部も絶縁膜12に形成する。これらの開口部の形成の際には、レジストパターンをマスクとして、SF6ガスを用いた選択エッチングを行う。
Next, as shown in FIG. 5C (h), an opening exposing at least a part of the
その後、絶縁膜12に形成された開口部を介して各ゲート電極10に接するゲート配線23及びゲートパッド21を、例えばリフトオフ用により形成する(図2参照)。続いて、ゲート配線23を覆い、ソース電極9及びゲートパッド21を露出する絶縁膜22を形成する。このとき、絶縁膜22にはゲートパッド21を取り囲む部分も設ける(図2参照)。
Thereafter, the gate wirings 23 and the
次いで、図5C(i)に示すように、絶縁膜22によりゲートパッド21から絶縁分離され、各ソース電極9及び各ショットキー電極11に接するソース配線13を絶縁膜12等の上に形成する。つまり、ソース配線13を基板1の表面側のほぼ全面に形成する。ソース配線13の形成の際には、例えばAu膜をめっき法で形成する。
Next, as shown in FIG. 5C (i), the
その後、図5D(j)に示すように、基板1を所定の厚さまで薄化する。この際には、例えば、基板1の表面側に表面保護膜16を形成した上で、裏面の研磨を行う。続いて、GaN系HEMT32毎に電子走行層3の途中まで達する凹部14を基板1の裏面から形成する。凹部14の形成に際しては、例えば凹部14を形成する予定の領域を露出するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして基板1、絶縁層2及び電子走行層3をエッチングすればよい。その後、レジストパターンは除去する。
Thereafter, as shown in FIG. 5D (j), the substrate 1 is thinned to a predetermined thickness. In this case, for example, after the surface protective film 16 is formed on the front surface side of the substrate 1, the back surface is polished. Subsequently, a
次いで、基板1の裏面の全体にドレイン電極15を形成する。その後、表面保護膜16を除去する。
Next, the
このようにして半導体装置を完成させることができる。 In this way, the semiconductor device can be completed.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第1の実施形態では、ダイオード31としてショットキー型のダイオードが設けられているが、第2の実施形態では、ダイオード31としてpn接合型のダイオードが設けられている。図7は、第2の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the first embodiment, a Schottky diode is provided as the
第2の実施形態では、基板1としてn型の基板が用いられている。また、基板1の凹部6の周囲にpウェル17が形成されている。つまり、n型の基板1とpウェル17との間にpn接合が存在する。また、本実施形態では、ショットキー電極11に代えて、pウェル17とオーミック接触するオーミック電極18が形成されている。そして、pウェル17がアノードとして機能し、基板1がカソードとして機能する。他の構造は第1の実施形態と同様である。
In the second embodiment, an n-type substrate is used as the substrate 1. A p-
このように構成された第2の実施形態でも、サージがソース配線13に流入してくると、サージはGaN系HEMT32を流れずにダイオード31を流れる。このため、GaN系HEMT32の破壊を十分に抑制することができる。
Even in the second embodiment configured as described above, when a surge flows into the
なお、第1及び第2の実施形態における基板1及び各層の材料、厚さ及び不純物濃度等は特に限定されない。例えば、基板1としては、導電性のシリコン基板、導電性サファイア基板、導電性SiC基板、導電性GaN基板等を用いてもよい。また、電子走行層3及び電子供給層4としては、3族窒化物を含有するものを用いることができる。
The material, thickness, impurity concentration, etc. of the substrate 1 and each layer in the first and second embodiments are not particularly limited. For example, as the substrate 1, a conductive silicon substrate, a conductive sapphire substrate, a conductive SiC substrate, a conductive GaN substrate, or the like may be used. Moreover, as the
ダイオード31の動作速度を比較すると、ショットキー型のものの方がpn接合型のものよりも高速に動作することができる。
When the operating speed of the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。第1及び第2の実施形態にはGaN系HEMTが設けられているが、第3の実施形態では、Si系縦型トランジスタが設けられている。図8は、第3の実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. In the first and second embodiments, a GaN-based HEMT is provided. In the third embodiment, a Si-based vertical transistor is provided. FIG. 8 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the third embodiment.
第3の実施形態では、複数のSi系縦型トランジスタ82が互いに並列に接続されている。つまり、各Si系縦型トランジスタ82のゲート電極60がゲート配線を介してゲートパッドに共通接続され、ソース電極59がソース配線63に共通接続され、ドレイン電極65がすべてのSi系縦型トランジスタ82により共有されている。ゲート電極60、ソース電極59及びドレイン電極65の平面的な配置は、第1の実施形態のゲート電極10、ソース電極9及びドレイン電極15の平面的な配置と同様である。
In the third embodiment, a plurality of Si-based
また、平面視でSi系縦型トランジスタ82を取り囲むダイオード81が形成されている。ダイオード81は格子状に形成されており、ダイオード81が構成する格子の内側にSi系縦型トランジスタ82が位置している。
Also, a
ここで、Si系縦型トランジスタ82及びダイオード81の断面構造について詳細に説明する。図8に示すように、n型の基板1の表面にnウェル52が形成されている。基板1の不純物濃度はnウェル52の不純物濃度よりも高い。nウェル52上にゲート絶縁膜57が形成され、ゲート絶縁膜57上にゲート電極60が形成されている。また、平面視でゲート電極60及びゲート絶縁膜57を取り囲むようにしてnウェル52上にソース電極59が形成されている。
Here, the cross-sectional structures of the Si-based
nウェル52のソース電極59直下の領域にはn型不純物拡散層54が形成されており、n型不純物拡散層54の周囲及び直下の領域にはp型不純物拡散層53が形成されている。p型不純物拡散層53はゲート電極60の下方まで広がっており、p型不純物拡散層53の電位はゲート電極60により制御される。一方、n型不純物拡散層54の電位はソース電極59により制御される。
An n-type
更に、基板1の裏面上にドレイン電極65が形成されている。n型の基板51及びnウェル52の電位はドレイン電極65により制御される。このようにして、個々のSi系縦型トランジスタ82が構成されている。
Further, a drain electrode 65 is formed on the back surface of the substrate 1. The potentials of the n-type substrate 51 and the n-well 52 are controlled by the drain electrode 65. In this manner, individual Si-based
更に、nウェル52を貫通し、基板51の途中まで達するダイオード用の凹部56が形成されている。凹部56は、平面視で各Si系縦型トランジスタ82を取り囲むように形成されている。そして、基板51にショットキー接触するショットキー電極61が凹部56の底部に形成されている。ショットキー電極61としては、例えばNi膜とその上に形成されたAu膜との積層体が用いられる。このようにして、ショットキー型のダイオード81が構成されている。このダイオード81では、ショットキー電極61から基板51に向けて順方向電流が流れる。
Further, a
更に、ゲート電極60を覆う絶縁膜62、各ゲート電極60をゲートパッドに共通接続するゲート配線、各ソース電極59を共通接続するソース配線63、及びゲート配線を覆いながらソース配線63からゲートパッドを絶縁分離する絶縁膜が形成されている。ソース配線63には、各ショットキー電極61も接続されている。
Further, an insulating
第3の実施形態に係る半導体装置も、例えば、第1の実施形態と同様に、図4に示すように、実装基板28に実装される。従って、サージがソース配線63に流入してくることがある。この場合、サージはSi系縦型トランジスタ82を流れずにダイオード81を流れる。このため、Si系縦型トランジスタ82の破壊を十分に抑制することができる。
The semiconductor device according to the third embodiment is also mounted on the mounting substrate 28 as shown in FIG. 4, for example, as in the first embodiment. Therefore, a surge may flow into the source wiring 63. In this case, the surge flows through the
次に、本願発明者が行った実験について説明する。この実験では、図9(a)に示すように、第1の実施形態に倣った半導体装置(実施例)を作製した。つまり、格子状のダイオード92、ダイオード92が形成する格子内に位置するGaN系のHEMT91、HEMT91のゲート電極が共通接続されたゲートパッド93、HEMT91のソース電極が共通接続されたソース配線95、及びゲートパッド93とソース配線95とを絶縁分離する絶縁膜94が設けられた半導体装置を作製した。ドレイン電極は各HEMT91間で共有させた。また、比較のために、図9(b)に示すように、実施例からダイオード92のうち、HEMT91間に位置する部分を除いた半導体装置(比較例)も作製した。次いで、これらの半導体装置を図4に示すようなワイヤボンディングによって実装基板に実装し、試料とした。なお、各試料はノーマリーオン動作した。
Next, an experiment conducted by the present inventor will be described. In this experiment, as shown in FIG. 9A, a semiconductor device (example) according to the first embodiment was manufactured. That is, a lattice-shaped
その後、各試料について、ドレイン及びソース間の電圧Vdsを0V、ゲート及びソース間の電圧Vgsを−5Vとした状態で、ソース及びドレイン間に1μsのパルスを印加した。このとき、パルスの大きさは、1A、3A、10A、30A、100Aとし、ドレインからソースに電流が流れる方向に印加した。そして、破壊が生じた試料の数を数えた。この結果を表1に示す。なお、パルスの大きさ毎に、実施例及び比較例の試料を25個ずつ作製した。 Thereafter, for each sample, a pulse of 1 μs was applied between the source and the drain in a state where the voltage Vds between the drain and the source was 0 V and the voltage Vgs between the gate and the source was −5 V. At this time, the magnitude of the pulse was 1A, 3A, 10A, 30A, and 100A, and the pulse was applied in the direction in which current flows from the drain to the source. Then, the number of samples in which destruction occurred was counted. The results are shown in Table 1. In addition, 25 samples of Examples and Comparative Examples were prepared for each pulse size.
表1に示すように、実施例では、比較例と比較して破壊が生じた試料の数が極めて少なかった。 As shown in Table 1, in the example, the number of samples in which destruction occurred was extremely small as compared with the comparative example.
なお、いずれの実施形態においても、ゲート電極がソース電極に完全に囲まれている必要はない。また、GaN系HEMT及びSi系縦型トランジスタ等の縦型トランジスタの全体が平面視でダイオードに完全に囲まれている必要もない。但し、保護の確実性の観点から、縦型トランジスタの周囲の8割以上が囲まれていることが望ましい。 In any of the embodiments, the gate electrode need not be completely surrounded by the source electrode. In addition, the entire vertical transistor such as the GaN-based HEMT and the Si-based vertical transistor does not have to be completely surrounded by the diode in plan view. However, from the viewpoint of the certainty of protection, it is desirable that 80% or more around the vertical transistor is surrounded.
また、これらの半導体装置の用途は特に限定されず、サーバ及びパーソナルコンピュータの電源、並びに自動車等の部品として用いることができる。 The application of these semiconductor devices is not particularly limited, and can be used as a power source for servers and personal computers, and as parts for automobiles and the like.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
互いに並列に接続され、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を備えた複数の縦型トランジスタと、
前記複数の縦型トランジスタを個別に取り囲むダイオードと、
を有し、
前記ソース電極に前記ダイオードのアノードが接続され、
前記ドレイン電極に前記ダイオードのカソードが接続されていることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 1)
A plurality of vertical transistors connected in parallel to each other and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode;
Diodes individually surrounding the plurality of vertical transistors;
Have
The anode of the diode is connected to the source electrode;
A semiconductor device, wherein a cathode of the diode is connected to the drain electrode.
(付記2)
前記縦型トランジスタは、
前記ドレイン電極上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
を有し、
前記ゲート電極及び前記ソース電極は、前記電子供給層の上方に位置していることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The vertical transistor is
An electron transit layer formed on the drain electrode;
An electron supply layer formed on the electron transit layer;
Have
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the gate electrode and the source electrode are located above the electron supply layer.
(付記3)
前記電子走行層及び前記電子供給層に凹部が形成されており、
前記凹部の内側に前記ゲート電極がゲート絶縁膜を介して形成されていることを特徴とする付記2に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
A recess is formed in the electron transit layer and the electron supply layer,
The semiconductor device according to
(付記4)
前記電子走行層及び前記電子供給層は、3族窒化物を含有することを特徴とする付記2又は3に記載の半導体装置。
(Appendix 4)
The semiconductor device according to
(付記5)
前記ダイオードは、
前記ソース電極に接続されたショットキー電極と、
前記ショットキー電極がショットキー接続し、前記ドレイン電極に接続された化合物半導体層と、
を有することを特徴とする付記2乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The diode is
A Schottky electrode connected to the source electrode;
The Schottky electrode is Schottky connected, and the compound semiconductor layer connected to the drain electrode,
5. The semiconductor device according to any one of
(付記6)
前記化合物半導体層と前記電子走行層との間に形成された絶縁層を有することを特徴とする付記5に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
6. The semiconductor device according to appendix 5, wherein an insulating layer is formed between the compound semiconductor layer and the electron transit layer.
(付記7)
互いに並列に接続され、ゲート電極、ソース電極及びドレイン電極を備えた複数の縦型トランジスタを形成する工程と、
前記複数の縦型トランジスタを個別に取り囲むダイオードを形成する工程と、
を有し、
前記ソース電極に前記ダイオードのアノードを接続し、
前記ドレイン電極に前記ダイオードのカソードを接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 7)
Forming a plurality of vertical transistors connected in parallel to each other and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode;
Forming diodes individually surrounding the plurality of vertical transistors;
Have
Connecting the anode of the diode to the source electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising connecting the cathode of the diode to the drain electrode.
(付記8)
前記縦型トランジスタを形成する工程は、
化合物半導体層上方に電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に電子供給層を形成する工程と、
前記ゲート電極及び前記ソース電極を前記電子供給層の上方に形成する工程と、
前記化合物半導体層に前記電子走行層まで達する凹部を形成する工程と、
前記凹部を介して前記電子走行層下に前記ドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする付記7に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
The step of forming the vertical transistor includes:
Forming an electron transit layer above the compound semiconductor layer;
Forming an electron supply layer on the electron transit layer;
Forming the gate electrode and the source electrode above the electron supply layer;
Forming a recess reaching the electron transit layer in the compound semiconductor layer;
Forming the drain electrode under the electron transit layer through the recess;
Item 8. The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 7, wherein:
(付記9)
前記ゲート電極を形成する工程の前に、前記電子走行層及び前記電子供給層にゲート用の凹部を形成する工程を有し、
前記ゲート用の凹部の内側にゲート絶縁膜を介して前記ゲート電極を形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
Before the step of forming the gate electrode, the step of forming a recess for the gate in the electron transit layer and the electron supply layer,
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 8, wherein the gate electrode is formed inside a recess for the gate through a gate insulating film.
(付記10)
前記ダイオードを形成する工程は、
前記電子供給層及び前記電子走行層に前記化合物半導体層まで達するダイオード用の凹部を形成する工程と、
前記ダイオード用の凹部内に前記化合物半導体層にショットキー接続するショットキー電極を形成する工程と、
を有し、
前記ドレイン電極を形成する工程において、前記ドレイン電極を前記化合物半導体層にも接触させることを特徴とする付記8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
The step of forming the diode comprises:
Forming a recess for a diode reaching the compound semiconductor layer in the electron supply layer and the electron transit layer;
Forming a Schottky electrode for Schottky connection to the compound semiconductor layer in the recess for the diode;
Have
The method for manufacturing a semiconductor device according to
1:基板
2:絶縁層
3:電子走行層
4:電子供給層
9:ソース電極
10:ゲート電極
11:ショットキー電極
13:ソース配線
15:ドレイン電極
17:pウェル
18:オーミック電極
21:ゲートパッド
22:絶縁膜
23:ゲート配線
31:ダイオード
32:HEMT
59:ソース電極
60:ゲート電極
61:ショットキー電極
63:ソース配線
65:ドレイン電極
81:ダイオード
82:Si系縦型トランジスタ
1: substrate 2: insulating layer 3: electron transit layer 4: electron supply layer 9: source electrode 10: gate electrode 11: Schottky electrode 13: source wiring 15: drain electrode 17: p-well 18: ohmic electrode 21: gate pad 22: Insulating film 23: Gate wiring 31: Diode 32: HEMT
59: Source electrode 60: Gate electrode 61: Schottky electrode 63: Source wiring 65: Drain electrode 81: Diode 82: Si-based vertical transistor
Claims (6)
前記複数の縦型トランジスタを個別に取り囲むダイオードと、
を有し、
前記ソース電極に前記ダイオードのアノードが接続され、
前記ドレイン電極に前記ダイオードのカソードが接続されていることを特徴とする半導体装置。 A plurality of vertical transistors connected in parallel to each other and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode;
Diodes individually surrounding the plurality of vertical transistors;
Have
The anode of the diode is connected to the source electrode;
A semiconductor device, wherein a cathode of the diode is connected to the drain electrode.
前記ドレイン電極上に形成された電子走行層と、
前記電子走行層上に形成された電子供給層と、
を有し、
前記ゲート電極及び前記ソース電極は、前記電子供給層の上方に位置していることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The vertical transistor is
An electron transit layer formed on the drain electrode;
An electron supply layer formed on the electron transit layer;
Have
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode and the source electrode are located above the electron supply layer.
前記ソース電極に接続されたショットキー電極と、
前記ショットキー電極がショットキー接続し、前記ドレイン電極に接続された化合物半導体層と、
を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The diode is
A Schottky electrode connected to the source electrode;
The Schottky electrode is Schottky connected, and the compound semiconductor layer connected to the drain electrode,
The semiconductor device according to claim 2, further comprising:
前記複数の縦型トランジスタを個別に取り囲むダイオードを形成する工程と、
を有し、
前記ソース電極に前記ダイオードのアノードを接続し、
前記ドレイン電極に前記ダイオードのカソードを接続することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a plurality of vertical transistors connected in parallel to each other and having a gate electrode, a source electrode, and a drain electrode;
Forming diodes individually surrounding the plurality of vertical transistors;
Have
Connecting the anode of the diode to the source electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising connecting the cathode of the diode to the drain electrode.
化合物半導体層上方に電子走行層を形成する工程と、
前記電子走行層上に電子供給層を形成する工程と、
前記ゲート電極及び前記ソース電極を前記電子供給層の上方に形成する工程と、
前記化合物半導体層に前記電子走行層まで達する凹部を形成する工程と、
前記凹部を介して前記電子走行層下に前記ドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the vertical transistor includes:
Forming an electron transit layer above the compound semiconductor layer;
Forming an electron supply layer on the electron transit layer;
Forming the gate electrode and the source electrode above the electron supply layer;
Forming a recess reaching the electron transit layer in the compound semiconductor layer;
Forming the drain electrode under the electron transit layer through the recess;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein:
前記電子供給層及び前記電子走行層に前記化合物半導体層まで達するダイオード用の凹部を形成する工程と、
前記ダイオード用の凹部内に前記化合物半導体層にショットキー接続するショットキー電極を形成する工程と、
を有し、
前記ドレイン電極を形成する工程において、前記ドレイン電極を前記化合物半導体層にも接触させることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the diode comprises:
Forming a recess for a diode reaching the compound semiconductor layer in the electron supply layer and the electron transit layer;
Forming a Schottky electrode for Schottky connection to the compound semiconductor layer in the recess for the diode;
Have
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step of forming the drain electrode, the drain electrode is also brought into contact with the compound semiconductor layer.
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