JP2016063167A - 半導体装置 - Google Patents

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Akihiro Kajiwara
瑛祐 梶原
健太郎 池田
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健太郎 池田
尚史 齋藤
Naofumi Saito
尚史 齋藤
雅彦 蔵口
Masahiko Kuraguchi
雅彦 蔵口
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Abstract

【課題】寄生容量の小さい半導体装置を提供する。【解決手段】窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に設けられた複数のソース電極と、複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、複数のソース電極と複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、窒化物半導体層と第一の距離を有し、複数のソース電極を電気的に接続する第一の配線と、複数のゲート電極を電気的に接続する第二の配線と、第一の距離より長い第三の距離を窒化物半導体層と有し、複数のドレイン電極を電気的に接続する第三の配線と、を備えた半導体装置である。【選択図】図1

Description

本発明の実施の形態は、半導体装置に関する。
窒化物系半導体材料は高い破壊電界強度と高い電子移動度を有するため、パワーエレクトロニクス用半導体装置や高周波パワー半導体装置などへの応用が期待されている。
横型パワーエレクトロニクス用半導体装置においては、大電流で駆動させるためにゲート幅を大きくすることが望ましい。このときに、マルチフィンガ−構造が好ましく用いられる。ここで、マルチフィンガ−構造を有する横型パワーエレクトロニクス用半導体装置は、配線と基板の間の寄生容量に起因して大きなスイッチング損失を有するため、その低減が望まれている。
国際公開第2012/043334号公報
寄生容量の小さい半導体装置を提供する。
実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に設けられた複数のソース電極と、複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、複数のソース電極と複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、窒化物半導体層と第一の距離を有し、複数のソース電極を電気的に接続する第一の配線と、複数のゲート電極を電気的に接続する第二の配線と、第一の距離より長い第三の距離を窒化物半導体層と有し、複数のドレイン電極を電気的に接続する第三の配線と、を備えた半導体装置である。
第1の実施形態の半導体装置の模式図。 第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第1の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第2の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第3の実施形態の半導体装置の模式断面図。 第4の実施形態の半導体装置の模式断面図。
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
(第1の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に設けられた複数のソース電極と、複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、複数のソース電極と複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、窒化物半導体層と第一の距離を有し、複数のソース電極を電気的に接続する第一の配線と、複数のゲート電極を電気的に接続する第二の配線と、第一の距離より長い第三の距離を窒化物半導体層と有し、複数のドレイン電極を電気的に接続する第三の配線と、を備えた半導体装置である。
図1は、本実施形態の半導体装置の模式図である。図2と図3は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。ここで図1は、図2と図3に示された本実施形態の半導体装置を上から見たときの模式図である。
本実施形態の半導体装置は、たとえばGaN(窒化ガリウム)、AlGaN(窒化アルミニウムガリウム)、InGaN(窒化インジウムガリウム)といった窒化物半導体を用いた、HEMT(High Electron Mobility Transistor)である。また、本実施形態の半導体装置の電極構造は、マルチフィンガー構造である。
半導体装置100は、基板2と、基板2上に設けられたGaN層4と、GaN層4上に設けられたAlGaN層6と、AlGaN層6上に設けられた絶縁膜8と、を備える。基板2には、たとえば、Si(シリコン)基板、SiC(炭化ケイ素)基板またはサファイヤ基板が好ましく用いられる。絶縁膜8の材料には、たとえば、SiN(窒化シリコン)、AlN(窒化アルミニウム)、SiO(酸化シリコン)またはAl(酸化アルミニウム)が好ましく用いられる。なお、基板2とGaN層4の間に、図示しないバッファ層が設けられていてもよい。
半導体装置100には、素子分離境界64が設けられていてもよい。このとき、素子分離境界64の外側の窒化物半導体層上には、素子分離領域62が設けられる。素子分離領域62は、たとえば窒化物半導体層へのArイオン注入により作製される。あるいは素子分離領域62は、比誘電率の低いポリイミド膜やBCB(ベンゾシクロブテン)膜などの絶縁体材料を窒化物半導体層に埋め込むことにより作製されてもよい。
半導体装置100は、AlGaN層6上に設けられた複数のソース電極20と、AlGaN層6上に設けられた複数のドレイン電極30と、AlGaN層6上の絶縁膜8上に設けられた複数のゲート電極40と、をさらに備える。ここで、複数のドレイン電極30は、複数のソース電極20の間のそれぞれに設けられる。また、複数のゲート電極40は、複数のソース電極20と複数のドレイン電極30の間のそれぞれに設けられる。
第一の配線24は、AlGaN層6上に設けられ複数のソース電極20と電気的に接続される。また、複数の第一の連結部22は、第一の配線24と複数のソース電極20の間にそれぞれ設けられる。複数の第一の連結部22は、複数のソース電極20と第一の配線24を電気的に接続する。電圧印加時の電界集中の緩和、電流コラプスの抑制のため、複数のソース電極20は、基板2に電気的に接続されることにより、基板2と同電位になっていることが好ましい。ここで、複数のソース電極20と電気的に接続される配線が複数設けられている場合は、窒化物半導体層に平行な面内においてもっとも大きな内接円を描くことができる配線を第一の配線24とする。そして、その他の配線を第一の連結部22とする。
第三の配線34は、AlGaN層6上に設けられ複数のドレイン電極30と電気的に接続される。また、複数の第三の連結部32は、第三の配線34と複数のドレイン電極30の間にそれぞれ設けられる。複数の第三の連結部32は、複数のドレイン電極30と第三の配線34を電気的に接続する。ここで、複数のドレイン電極30と電気的に接続される配線が複数設けられている場合は、窒化物半導体層に平行な面内においてもっとも大きな内接円を描くことができる配線を第三の配線34とする。そして、その他の配線を第三の連結部32とする。
第三の配線34とAlGaN層6の距離d(第三の距離)は、第一の配線24とAlGaN層6の距離d(第一の距離)より長い。なお、第三の配線34が素子分離領域62上に設けられている場合は、dは第三の配線34と素子分離領域62の距離とする。また、第一の配線24が素子分離領域62上に設けられている場合は、dは第一の配線24と素子分離領域62の距離とする。さらに、第一の配線24の膜厚tは、第三の配線34の膜厚tより大きい。
第二の配線44は、AlGaN層6上に設けられ複数のゲート電極40と電気的に接続される。また、第二の連結部42は、AlGaN層6上に設けられ第二の配線と複数のゲート電極40を電気的に接続する。ここで、複数のゲート電極40と電気的に接続される配線が複数設けられている場合は、窒化物半導体層に平行な面内においてもっとも大きな内接円を描くことができる配線を第二の配線44とし、その他の配線を第二の連結部42とする。
第二の配線44とAlGaN層6の距離d(第二の距離)は、第一の配線44とAlGaN層6の距離dより長く第三の配線とAlGaN層6の距離dより短い。なお、第二の配線44が素子分離領域62上に設けられている場合は、dは第二の配線44と素子分離領域62の距離とする。
また、第一の連結部22と第二の連結部42の距離dは、第二の連結部42とAlGaN層6の距離dより長い(図3)。なお、第二の連結部42が素子分離領域62上に設けられているときは、dは、第二の連結部42と素子分離領域62との距離とする。
また、AlGaN層6に平行な面内におけるドレイン電極30とAlGaN層6に平行な面内における第二の連結部42の距離dは、AlGaN層6に平行な面内における第二の連結部42とAlGaN層6に平行な面内における第一の配線24の距離dより長い(図1)。
ソース−ドレイン間に大電流を流すため、AlGaN層6に平行な面内における第一の配線24の面積と第三の配線34の面積は、いずれもAlGaN層6に平行な面内における第二の配線44の面積より大きいことが好ましい。
複数のソース電極20と複数のドレイン電極30は、たとえば、Ti(チタン)とAl(アルミニウム)の積層構造からなることが好ましい。複数のゲート電極40は、たとえば、TiN(窒化チタン)からなることが好ましい。複数の第一の連結部22、複数の第二の連結部42および複数の第三の連結部32は、たとえば、TiとAlの積層構造からなることが好ましい。また、第一の配線24、第二の配線44および第三の配線34は、たとえば、Al、Cu(銅)、またはAu(金)からなることが好ましい。
層間絶縁膜60は、複数のソース電極20と、複数の第一の連結部22と、第一の配線24と、複数のドレイン電極30と、複数の第三の連結部32と、第三の配線34と、複数のゲート電極40と、複数の第二の連結部42と、第二の配線44の周囲に設けられる。層間絶縁膜60は、ポリイミド膜やBCB(ベンゾシクロブテン)膜からなることが、比誘電率が小さく基板−ソース間の寄生容量を小さくすることが出来るため好ましい。
窒化物半導体層の比誘電率をε、窒化物半導体層の膜厚をd、層間絶縁膜の比誘電率をε’、第三の配線とAlGaN層6(窒化物半導体層)の距離をdとしたとき、窒化物半導体層の比誘電率と窒化物半導体層の膜厚dの比が層間絶縁膜の比誘電率ε’と第三の距離dの比より大きい、言い換えると(ε/d)>(ε’/d)であることが好ましい。また、本実施形態のように窒化物半導体層がGaN層4とAlGaN層6の積層構造である場合は、GaNの比誘電率をεGaN、GaN層4の膜厚をdGaN、AlGaNの比誘電率をεAlGaN、AlGaN層6の膜厚をdAlGaNとしたときに、(εGaNεAlGaN/(εGaNAlGaN+εAlGaNGaN))>(ε’/d)であることが好ましい。
次に、本実施形態の作用効果について記載する。
マルチフィンガ−構造を有する横型パワーエレクトロニクス半導体装置の大きな基板−ソース間容量は、複数のドレイン電極30、複数の第三の連結部32および第三の配線34と、基板2との間の寄生容量に、主に起因するものであった。特に第三の配線34は大きな面積を有するため、寄生容量への寄与が大きなものであった。
半導体装置は高周波パワー半導体装置などへの応用が期待されている。しかし、高周波動作においては、上記の寄生容量への充放電によるスイッチング損失が大きくなり、高い破壊電界強度と高い電子移動度を生かした半導体装置を提供することができないという問題があった。
本実施形態の半導体装置100においては、第三の配線34とAlGaN層6の距離dは、第一の配線24とAlGaN層6の距離dより長い。そのため、第三の配線34に起因する寄生容量を小さくすることができる。
なお、第三の配線34とAlGaN層6の距離dが長くなることにより、ドレイン抵抗は高くなる。しかし、半導体装置100においては、高速動作のため、ドレイン抵抗を低減させることよりも、第三の配線34と基板2の間の寄生容量を低減させることが好ましい。また、複数のソース電極20は、好ましくは基板2と同電位である。そのため、第一の配線24と基板2の間の寄生容量は、第三の配線34に起因する寄生容量より小さい。よって、第一の配線24と基板2との距離dは、短くてもよい。
一方、大電流で半導体装置を駆動するためには、ソース抵抗の低減が好ましい。第一の配線24の膜厚tを、第三の配線34の膜厚tより大きくすることにより、ソース抵抗を低減することができる。
第二の配線44と基板2との間の寄生容量は、第三の配線34と基板2の間の寄生容量ほどスイッチング損失への寄与は大きくないものの、低減することが好ましい。そこで、第二の配線44とAlGaN層6の距離dは、第一の配線44とAlGaN層6の距離dより長く、第三の配線とAlGaN層6の距離dより短いことが好ましい。
また、第二の連結部42と基板2の間の寄生容量を小さくするため、第一の連結部22と第二の連結部42の距離は、第二の連結部42とAlGaN層6の距離より長いことが好ましい。
また、ドレイン電極30と第二の連結部42の距離を長くして半導体装置100の耐圧を大きくするため、AlGaN層6に平行な面内におけるドレイン電極30とAlGaN層6に平行な面内における第二の連結部42の距離dは、AlGaN層6に平行な面内における第二の連結部42とAlGaN層6に平行な面内における第一の配線24の距離dより長いことが好ましい。
(ε/d)>(ε’/d)であることは、第三の配線34と基板2との間の寄生容量の寄与が、窒化物半導体層に起因する容量の寄与より小さいことを示すため、好ましい。
本実施形態の半導体装置によれば、寄生容量の小さい半導体装置が提供される。
(第2の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、第三の配線がドレイン電極の直上に設けられない点で、第1の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
図4は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
本実施形態の半導体装置100においては、第四の連結部36は、ドレイン電極30の側面であるドレイン電極側面31と電気的に接続されている。そして、第三の連結部32は、第四の連結部36を介して、ドレイン電極30と電気的に接続されている。このため、第三の配線34は、ドレイン電極30の直上に設けられないものとなっている。これにより、第三の配線34の作製が容易になるため好ましい。なお、第三の配線34が、ドレイン電極30の直上に設けられないものとする構成は、これに限定されない。
本実施形態の半導体装置によれば、作製が容易で、寄生容量の小さい半導体装置が提供される。
(第3の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層上に設けられた素子分離領域をさらに備え、第三の配線は素子分離領域の直上に設けられた点で、第1および第2の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第1および第2の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
図5は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
第三の配線34が素子分離領域62の直上に設けられることにより、半導体装置100の耐圧を大きく出来るとともに、素子内の面積を有効に活用することが出来るため、半導体装置の小型化が容易となる。
本実施形態の半導体装置によれば、小型化が容易で、寄生容量の小さい半導体装置が提供される。
(第4の実施形態)
本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体層と、窒化物半導体層の一方の面上に設けられた複数のソース電極と、複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、複数のソース電極と複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、窒化物半導体層の他方の面に接して設けられ窒化物半導体層の一方の面と第一の距離を有し複数のソース電極に電気的に接続される第一の配線と、窒化物半導体層の他方の面に接して設けられ複数のゲート電極に電気的に接続される第二の配線と、第一の距離より長い第三の距離を窒化物半導体層と有し窒化物半導体層の一方の面上に設けられ複数のドレイン電極に電気的に接続される第三の配線と、を備えた半導体装置である。ここで、第1、第2および第3の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
図6は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。
本実施形態においては、複数のソース電極20と、複数のドレイン電極30と、複数のゲート電極40と、第三の配線44と、は窒化物半導体層(GaN層4とAlGaN層6)の一方の面10上に設けられる。また、第一の配線24と、第二の配線44と、は窒化物半導体層の他方の面12に接して設けられる。なお、第一の配線24と、第二の配線44と、は図6のように、基板2その他の層を介して窒化物半導体層の他方の面12に間接的に接して設けられていてもよいし、窒化物半導体層の他方の面12に直接的に接して設けられていてもよい。
第一の連結部22と第二の連結部42は、基板2とGaN層4とAlGaN層6を貫通している。そして、第一の連結部22は複数のソース電極20と第一の配線24を電気的に接続する。また、第二の連結部42は複数のゲート電極40と第二の配線44を電気的に接続する。
第三の配線34と窒化物半導体層(GaN層4とAlGaN層6)の距離d(第三の距離)は、第一の配線24と窒化物半導体層(GaN層4とAlGaN層6)の一方の面10の距離d’(第一の距離)より長い。これにより、第三の配線34に起因する寄生容量を小さくすることができる。なお、第三の配線34が素子分離領域62の直上に設けられている場合には、dは第三の配線34と素子分離領域62の距離とする。
以上述べた少なくとも一つの実施形態の半導体装置によれば、窒化物半導体層と、窒化物半導体層上に設けられた複数のソース電極と、複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、複数のソース電極と複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、窒化物半導体層と第一の距離を有し、複数のソース電極を電気的に接続する第一の配線と、複数のゲート電極を電気的に接続する第二の配線と、第一の距離より長い第三の距離を窒化物半導体層と有し、複数のドレイン電極を電気的に接続する第三の配線と、を備えることにより、寄生容量の小さい半導体装置の提供が可能となる。
本発明のいくつかの実施形態および実施例を説明したが、これらの実施形態および実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
2 基板
4 GaN層
6 AlGaN層
8 絶縁膜
10 一方の面
12 他方の面
20 ソース電極
22 第一の連結部
24 第一の配線
30 ドレイン電極
31 ドレイン電極側面
32 第三の連結部
34 第三の配線
36 第四の連結部
40 ゲート電極
42 第二の連結部
44 第二の配線
60 層間絶縁膜
62 素子分離領域
64 素子分離境界
66 絶縁層
100 半導体装置

Claims (16)

  1. 窒化物半導体層と、
    前記窒化物半導体層上に設けられた複数のソース電極と、
    前記複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、
    前記複数のソース電極と前記複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、
    前記窒化物半導体層と第一の距離を有し、前記複数のソース電極を電気的に接続する第一の配線と、
    前記複数のゲート電極を電気的に接続する第二の配線と、
    前記第一の距離より長い第三の距離を前記窒化物半導体層と有し、前記複数のドレイン電極を電気的に接続する第三の配線と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記第一の配線の膜厚は前記第三の配線の膜厚より大きい請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記第二の配線は、前記第一の距離より長く前記第三の距離より短い第二の距離を前記窒化物半導体層と有する請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記複数のソース電極と前記第一の配線を電気的に接続する第一の連結部と、前記複数のゲート電極と前記第二の配線を電気的に接続する第二の連結部と、をさらに備え、前記第一の連結部と前記第二の連結部の距離は、前記第二の連結部と前記窒化物半導体層の距離より長い請求項1ないし請求項3いずれか一項に記載の半導体装置。
  5. 前記窒化物半導体層に平行な面内における前記ドレイン電極と前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第二の連結部の距離は、前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第二の連結部と前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第一の配線の距離より長い請求項1ないし請求項4いずれか一項に記載の半導体装置。
  6. 前記窒化物半導体層と前記第三の配線の間に設けられた層間絶縁膜をさらに備え、前記窒化物半導体層の比誘電率と前記窒化物半導体層の膜厚の比は前記層間絶縁膜の比誘電率と前記第三の距離の比より大きい請求項1ないし請求項5いずれか一項に記載の半導体装置。
  7. 前記第三の配線は前記ドレイン電極の直上に設けられない請求項1ないし請求項6いずれか一項に記載の半導体装置。
  8. 前記窒化物半導体層上に設けられた素子分離領域をさらに備え、前記第三の配線は前記素子分離領域の直上に設けられた請求項1ないし請求項7いずれか一項に記載の半導体装置。
  9. 前記素子分離領域は絶縁体からなる請求項8に記載の半導体装置。
  10. 窒化物半導体層と、
    前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられた複数のソース電極と、
    前記複数のソース電極の間のそれぞれに設けられた複数のドレイン電極と、
    前記複数のソース電極と前記複数のドレイン電極の間のそれぞれに設けられた複数のゲート電極と、
    前記窒化物半導体層の他方の面に接して設けられ前記窒化物半導体層の一方の面と第一の距離を有し前記複数のソース電極に電気的に接続される第一の配線と、
    前記窒化物半導体層の他方の面に接して設けられ前記複数のゲート電極に電気的に接続される第二の配線と、
    前記第一の距離より長い第三の距離を前記窒化物半導体層と有し前記窒化物半導体層の一方の面上に設けられ前記複数のドレイン電極に電気的に接続される第三の配線と、
    を備えた半導体装置。
  11. 前記第一の配線の膜厚は前記第三の配線の膜厚より大きい請求項10記載の半導体装置。
  12. 前記複数のゲート電極と前記第二の配線を電気的に接続する第二の連結部をさらに備え、前記窒化物半導体層に平行な面内における前記ドレイン電極と前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第二の連結部の距離は、前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第二の連結部と前記窒化物半導体層に平行な面内における前記第一の配線の距離より長い請求項10または請求項11に記載の半導体装置。
  13. 前記窒化物半導体層と前記第三の配線の間に設けられた層間絶縁膜をさらに備え、前記窒化物半導体層の比誘電率と前記窒化物半導体層の膜厚の比は前記層間絶縁膜の比誘電率と前記第三の距離の比より大きい請求項10ないし請求項12いずれか一項に記載の半導体装置。
  14. 前記第三の配線は前記ドレイン電極の直上に設けられない請求項10ないし請求項13いずれか一項に記載の半導体装置。
  15. 前記窒化物半導体層上に設けられた素子分離領域をさらに備え、前記第三の配線は前記素子分離領域の直上に設けられる請求項10ないし請求項14いずれか一項に記載の半導体装置。
  16. 前記素子分離領域は絶縁体からなる請求項15に記載の半導体装置。
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