JP2017107942A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な高周波増幅特性を維持したまま、安定な構造を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】ゲート電極１４のドレイン電極１２側の領域にソースフィールドプレート電極１７を設けるとともに、ソース電極１３とは細い配線層で接続する。ゲート電極１４の直上に該当する絶縁体薄膜１５の上面に応力吸収層１６を積層し、ゲート電極１４の上方では、この応力吸収層１６を挟むようにしてソースフィールドプレート電極１７を形成する。
【選択図】図２
【解決手段】ゲート電極１４のドレイン電極１２側の領域にソースフィールドプレート電極１７を設けるとともに、ソース電極１３とは細い配線層で接続する。ゲート電極１４の直上に該当する絶縁体薄膜１５の上面に応力吸収層１６を積層し、ゲート電極１４の上方では、この応力吸収層１６を挟むようにしてソースフィールドプレート電極１７を形成する。
【選択図】図２
Description
本発明の実施形態は、電界効果トランジスタ等の半導体装置に関する。
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のドレイン電極とゲート電極との間にフィールドプレート電極を設け、これをソース電極に接続したソースフィールドプレート電極が知られている。このソースフィールドプレート電極は、ゲート付近における電界の集中を緩和し、ＦＥＴの耐圧を向上させることができるので、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体材料を用いた、マイクロ波帯やミリ波帯で動作する増幅用のＦＥＴ等に適用され、これらの周波数帯域において高出力化を可能にしている。
この種の半導体装置として、ソースフィールドプレート電極を備えた、従来のＦＥＴの構造の一例を図５、及び図６に例示する。図５は、このＦＥＴ２を上面から見た構成の一例をモデル化して示す上面図であり、図６は、図５中のＣ−Ｄに沿った断面をモデル化して示す断面図である。
これら２つの図に例示したように、このＦＥＴ２には、半導体基板６１上にドレイン電極６２、及びソース電極６３が形成されており、これら電極の上面には、配線用の電極として、それぞれ、ドレインパッド電極６２ａ、及びソースパッド電極６３ａが形成されている。また、これら２つの電極の間にゲート電極６４が形成されており、それぞれの電極及び電極間の半導体基板の表面は、絶縁膜６５で覆われている。さらに、ゲート電極６４とドレイン電極６２との間の絶縁膜６５上には、ソースフィールドプレート電極６７が、ゲート電極６４の上面からドレイン電極６２側の面を覆ってドレイン電極６２の方向に延伸させて形成され、配線６７ａによってソース電極６３に接続されている。なお、図５の上面図では、図面の簡略化のため、ドレインパッド電極６２ａ、ソースパッド電極６３ａ、及び絶縁膜６５の記載を省略している。
また、マイクロ波帯やミリ波帯において、安定した利得を有する高周波増幅素子とするには、特にゲート電極とソース電極間の寄生容量Ｃｇｓが低減された構造であることが望ましい。このため、上述した従来のＦＥＴ２においては、ソースフィールドプレート電極６７の形状は、ゲート電極のドレイン電極側に、すなわち、ゲート電極６４のドレイン電極６２側の上面の一部及び側面から、ドレイン電極６２に向かう絶縁膜６５上に延伸させた形状に形成している。加えて、ソース電極６３との接続のための配線６７ａも、図５の事例では、ゲート電極６４及び絶縁膜６５上に、直線的な幅の狭い配線を設けることによって、寄生容量Ｃｇｓの増加を抑制している。この配線の経路については、他に、例えばゲート電極６４を跨がないように、半導体基板上の周辺領域に迂回させた事例等も見受けられる。
上述のように、従来のＦＥＴ２では、ソースフィールドプレート電極６７を備え、且つ寄生容量Ｃｇｓの増加を抑えた構造にして、所望する高周波増幅特性を確保している。しかしながら、このような構造の従来のＦＥＴ２では、ゲート電極６４のソース電極６３側の接合部分（図６中のＥ点周辺）が、絶縁膜６５を含め、半導体基板６１から浮き上がるように、機械的に破壊されやすい。
すなわち、ソースフィールドプレート電極６７が、ゲート電極６４からドレイン電極６２側に偏って配置されているため、例えば通電等によりこのＦＥＴ２に熱サイクルが加わって、ソースフィールドプレート電極６７が、ドレイン電極６２側に膨張・収縮すると、これに連れて、ソースフィールドプレート電極６７と接合された絶縁膜６５も、ゲート電極６４を含め、ゲート電極６４の長さ方向に応力を受ける。この応力の影響を受け、ゲート電極６４のソース電極６３側に近い下側部分、及びこの部分を覆う絶縁膜６５を含む周辺部位（図６中のＥ点周辺）にクラック等が発生し、機械的に破壊されることがあった。このため、ソースフィールドプレート電極を備え、かつ寄生容量Ｃｇｓの増加を抑えた上に、機械的にも安定な構造を有するＦＥＴ等の半導体装置が望まれていた。
本実施の形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、良好な高周波増幅特性を維持したまま、安定な構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本実施形態の半導体装置は、半導体基板と、この半導体基板上に離間して形成されたドレイン電極、及びソース電極と、これらドレイン電極とソース電極との間に形成されたゲート電極と、前記ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極、ならびにこれら電極間の前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆う絶縁体薄膜と、前記ゲート電極の上面を覆う前記絶縁体薄膜上に、前記ゲート電極の上面の形状に対応させて積層された応力吸収層と、前記応力吸収層の上面で、その下側にある前記ゲート電極の前記ドレイン電極側に該当する領域から、その前記ドレイン電極側を覆い前記ドレイン電極方向に延伸させて、前記ドレイン電極との間の前記絶縁体薄膜上に形成されるとともに、配線層により前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレート電極とを備え、前記応力吸収層は、前記ソースフィールドプレート電極が前記ゲート電極の長さ方向に及ぼす応力を吸収することを特徴とする。
以下に、本発明の実施形態に係る半導体装置を実施するための最良の形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の上面の構成の一例をモデル化して示す上面図である。また図２は、この半導体装置の図１におけるＡ−Ｂ面での断面構造をモデル化して示す断面図である。図１、及び図２に例示したように、この半導体装置１は、ベースとなる半導体基板１１上に、ドレイン電極１２、ソース電極１３、ゲート電極１４、絶縁体薄膜１５、応力吸収層１６、及びソースフィールドプレート電極１７を備えている。なお、図１では、図面の複雑化を避けるため、後述のドレインパッド電極１２ａ、及びソースパッド電極１３ａ、ならびに絶縁体薄膜１５の記載を省略している。
ドレイン電極１２、及びソース電極１３は、半導体基板１１の同一平面上に離間して形成されたオーミック電極であり、それぞれの電極上には、配線用のパッド電極であるドレインパッド電極１２ａ、及びソースパッド電極１３ａが形成されている。ゲート電極１４は、半導体基板１１上のこれら２つの電極の間の位置に形成された電極であり、半導体基板１１とはショットキー接合されている。また、これら３つの電極及び電極間の半導体基板１１の表面を覆うように、絶縁体薄膜１５が形成されている。この絶縁体薄膜１５は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）等からなる。
また、この絶縁体薄膜１５の上面には、ゲート電極１４の直上に該当する部位に、ゲート電極１４の上面の形状に対応させて、応力吸収層１６が積層されている。本実施例においては、この応力吸収層１６の材料は、プラチナ（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）、またはこれらのいずれかを含んだ金属材料、あるいは金属材料以外では、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック材を採用するものとしている。この応力吸収層１６は、後述のソースフィールドプレート電極１７が、ゲート電極１４のドレイン電極１２側に偏って配置されることによって発生する、ゲート電極１４への応力を吸収するが、詳細は後述する。
さらに、この応力吸収層１６の上面から、ドレイン電極１２に向けての絶縁体薄膜１５上には、ソースフィールドプレート電極１７が形成されている。このソースフィールドプレート電極１７は、応力吸収層１６の上面で、その下側にあるゲート電極１４のドレイン電極１２に近い領域から、応力吸収層１６のドレイン電極１２側、及びこれに続くゲート電極１４のドレイン電極１２側を覆う絶縁体薄膜１５上に延伸させて形成されている。また、電極の幅は、本実施例では、下側にあるゲート電極１４の幅と同等に形成されている。加えて、ソース電極１３に電気的に接続するための配線層１７ａは、この電極の幅の中心付近からソース電極１３に向けて、直線的な細い線路として形成されている。ソースフィールドプレート電極１７の材料としては、本実施例では金（Ａｕ）、または金（Ａｕ）を含む合金を用いるものとしている。
上述のように構成された本実施例の半導体装置１においては、ゲート電極１４のドレイン電極１２側の領域に、応力吸収層１６、及び絶縁体薄膜１５を挟んでソースフィールドプレート電極１７が形成されている。このソースフィールドプレート電極１７を設けることによって、ゲート電極１４付近の電界集中を緩和することができるので、この半導体装置１の耐圧を向上させることができる。加えてその形状は、ゲート電極１４直上のドレイン電極１２側からドレイン電極１２に向けて延伸した形状をなしており、しかも、ソース電極１３とは、直線的な細い線路の配線層１７ａで接続されているので、ゲート・ソース間の寄生容量Ｃｇｓの増加は抑えられている。従って、高周波数領域の広帯域において、高出力で安定した増幅特性を得ることができる。
また、ゲート電極１４の直上の絶縁体薄膜１５の上面に、ゲート電極１４の上面の形状に対応した応力吸収層１６が形成されており、さらに、この応力吸収層１６の上面には、ソースフィールドプレート電極１７が、ドレイン電極１２側に偏って形成されている。すなわち、ゲート電極１４から上方に向かってソースフィールドプレート電極１７との間には、絶縁体薄膜１５と、応力吸収層１６とが形成されており、特に応力吸収層１６は、絶縁体薄膜１５上に積層されて、少なくともその一部が絶縁体薄膜１５とソースフィールドプレート電極１７との間に挟み込まれた構造をなしている。
一方、ソースフィールドプレート電極１７は、ゲート電極１４の長さ方向に対してドレイン電極１２側に偏った位置に配置されているため、通電等に伴う熱サイクルに起因して、ソースフィールドプレート電極１７からゲート電極１４の長さ方向に応力が発生する。本実施例では上記したように、ゲート電極１４の上部に重なるソースフィールドプレート電極１７の直下に応力吸収層１６を挟み込むような構造にすることによって、この応力を応力吸収層１６に吸収させているので、ゲート電極１４、及びその周辺部を覆う絶縁体薄膜１５の特にソース電極１３側への機械的な損傷を抑えることができる。しかも、ソースフィールドプレート電極１７の機能、及びゲート・ソース間の寄生容量Ｃｇｓのどちらに対しても、電気的な影響を及ぼすことはない。
このようにして、ソースフィールドプレート電極１７から作用する応力を応力吸収層１６に吸収させるにあたっては、この応力吸収層１６に自ずと種々の変形等を強いることになるが、本実施例においては、応力吸収層１６とその周囲との材料の強度差等により、この応力吸収層１６が、剥離や破壊等の損傷を受けて応力を吸収する場合も含まれるものとしている。このように、応力吸収層１６が損傷して応力をする事例を、図３、及び図４に示す。図３は、応力吸収層１６が剥離する事例を、また図４は、応力吸収層１６が破壊される事例を、それぞれモデル化して示した図である。
応力吸収層１６の周囲の材料については、上述したように、例えば、絶縁体薄膜１５は窒化シリコン（ＳｉＮ）とし、ソースフィールドプレート電極１７は金（Ａｕ）、または金（Ａｕ）を含む合金とする。ここで、応力吸収層１６の材料をプラチナ（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）、またはこれらのいずれかを含む金属材料とした場合には、それぞれの材料及び界面の強度の関係は、絶縁体薄膜１５と応力吸収層１６との界面の引っ張り強度が最も弱くなる。従って、図３に例示したように、ソースフィールドプレート電極１７からの引っ張り応力によって、絶縁体薄膜１５と応力吸収層１６との界面が剥離する。
また、応力吸収層１６の材料を、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミック材とした場合には、それぞれの材料及び界面の強度の関係は、応力吸収層１６のセラミック材の強度が最も弱くなる。従って、この場合には、図４に例示したように、応力吸収層１６にクラック等が発生する。そして、いずれの場合も、応力吸収層１６が損傷して応力は吸収され、これによってゲート電極１４の長さ方向への応力がかからなくなり、ゲート電極１４とその周辺部の機械的な損傷を抑えることができる。
以上説明したように、本実施例においては、ゲート電極１４のドレイン電極１２側の領域にソースフィールドプレート電極１７を設けるとともに、ソース電極１３とは細い配線層１７ａで接続することによって、半導体装置１の耐圧を向上させつつ寄生容量Ｃｇｓの増加を抑え、高出力で安定して高周波増幅特性を確保している。また、これと併せて、ゲート電極１４の直上に該当する絶縁体薄膜１５の上面に応力吸収層１６を積層し、ゲート電極１４の上方では、この応力吸収層１６を挟むようにしてソースフィールドプレート電極１７を形成することによって、応力吸収層１６がソースフィールドプレート電極１７側からゲート電極１４の長さ方向に作用する応力を吸収し、ゲート電極１４とその周辺部位の機械的な破壊を抑制している。
従って、良好な高周波増幅特性を維持したまま、機械的にも安定した構造を有する半導体装置を得ることができる。
なお、上述した実施形態は、いずれも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。
１ 半導体装置
２ ＦＥＴ
１１、６１ 半導体基板
１２、６２ ドレイン電極
１３、６３ ソース電極
１４、６４ ゲート電極
１５ 絶縁体薄膜
１６ 応力吸収層
１７、６７ ソースフィールドプレート電極
６５ 絶縁膜
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１２、６２ ドレイン電極
１３、６３ ソース電極
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１６ 応力吸収層
１７、６７ ソースフィールドプレート電極
６５ 絶縁膜
Claims (3)
- 半導体基板と、
この半導体基板上に離間して形成されたドレイン電極、及びソース電極と、
これらドレイン電極とソース電極との間に形成されたゲート電極と、
前記ドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極、ならびにこれら電極間の前記半導体基板の表面の少なくとも一部を覆う絶縁体薄膜と、
前記ゲート電極の上面を覆う前記絶縁体薄膜上に、前記ゲート電極の上面の形状に対応させて積層された応力吸収層と、
前記応力吸収層の上面で、その下側にある前記ゲート電極の前記ドレイン電極側に該当する領域から、その前記ドレイン電極側を覆い前記ドレイン電極方向に延伸させて、前記ドレイン電極との間の前記絶縁体薄膜上に形成されるとともに、配線層により前記ソース電極に電気的に接続されたソースフィールドプレート電極とを備え、
前記応力吸収層は、前記ソースフィールドプレート電極が前記ゲート電極の長さ方向に及ぼす応力を吸収する
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記ソースフィールドプレート電極の材料は、金（Ａｕ）、または金（Ａｕ）を含む合金とし、前記応力吸収層の材料はプラチナ（Ｐｔ）もしくはアルミニウム（Ａｌ）、またはこれらのいずれかを含む金属材料としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
- 前記ソースフィールドプレート電極の材料は、金（Ａｕ）、または金（Ａｕ）を含む合金とし、前記応力吸収層の材料はセラミック材としたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
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