JP4929882B2

JP4929882B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP4929882B2
Application number: JP2006189917A
Authority: JP
Inventors: 勝典上野; 正人大月
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-07-11
Also published as: JP2008021689A

Description

この発明は、半導体装置に関し、特にはドリフト層が主に窒化ガリウム系化合物半導体で構成されたパワー半導体装置の耐圧構造に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体装置に関しては、たとえばｐ型シリコン導電性基板上に高抵抗の窒化アルミニウムガリウムからなるバッファ層、ノンドープの窒化ガリウムからなるキャリア走行層およびｎ型の窒化アルミニウムガリウムからなる表面障壁層などが順に積層され、この表面障壁層上にショットキー性金属ゲート電極を備える高周波用ヘテロ接合電界効果トランジスタなどがよく知られている（特許文献１）。

ところで、近時、パワー半導体装置の分野でも、ワイドバンドギャップの性質を生かして窒化ガリウム系化合物半導体等を用いる試みがなされている。たとえば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）として、シリコン基板結晶上に、窒化ガリウム系化合物半導体のｐ型およびｎ型半導体層が順に積層され、このｎ型半導体層上に、ｎ型半導体層よりも広いバンドギャップを有する窒化ガリウム系化合物半導体からなるｐ型不純物拡散領域およびｎ型不純物拡散領域が選択的に形成された構成となっている。そして、ゲート電極を、ｎ型半導体層の露出面からｐ型不純物拡散領域の露出面にかけて絶縁層を介して形成し、エミッタ電極およびコレクタ電極を、それぞれｎ型不純物拡散領域の上面およびｐ型半導体層の下面に形成する構成が発表されている（特許文献２）。また、シリコン基板上に炭化珪素や窒化ガリウムなどの層を形成して、表面にショットキーダイオードを形成するというデバイスが開示されている（特許文献３）。

しかし、前記特許文献２に開示された窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＩＧＢＴでは、チャネル領域の抵抗成分が通常のシリコンデバイスよりも大幅に大きくなるという欠点がある。その理由は、通常のシリコンを用いたＭＯＳ（金属−酸化膜−半導体からなる絶縁ゲート）構造において得られる反転層（チャネル層）の移動度が数百ｃｍ^２／Ｖｓ程度（５００ｃｍ^２／Ｖｓ程度との報告がある）であるのに対して、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた場合の反転層の移動度は数十ｃｍ^２／Ｖｓ程度と極めて低く、チャネル領域の抵抗成分が大きくなるからである。これは、半導体材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた場合も同様である。

また、前記特許文献１においては、擬似的に縦型とするため、高導電性基板へスルーホールを設けて電気的接続を行っており、そのため面積効率が悪くなり、本来パワーデバイスが有効に主電流を流すために縦型としている意味合いが無くなってしまう。
この点を回避するために、窒化ガリウム系化合物半導体（以降、窒化ガリウムまたはＧａＮと略すこともある）の単結晶基板を用いた縦型デバイスが発表されている（非特許文献１）。これは従来のシリコンや炭化珪素を用いたパワーデバイスと同じ発想であり、高耐圧で大きな主電流を維持できるという利点がある。

一方、パワー半導体装置においては、大きな阻止電圧を維持するために、主電流が流れる領域である活性領域の外端辺の表面において生じ易い電界集中を避けるための特殊な耐圧構造が必要である。たとえば、前記非特許文献１においては、耐圧構造としてメサ溝によってｐｎ接合を分離するだけの構造が開示されているのみである。
また、炭化珪素（ＳｉＣ）半導体装置においては、いくつかの耐圧構造が提案されている。代表的な耐圧構造を、図８の縦型ＳｉＣショトキーバリアダイオードの断面図を参照して説明する。図８の断面図によれば、ＳｉＣ基板１２上に形成されたエピタキシャルＳｉＣ層１３の表面に選択的に形成された電極膜４、５の周囲のＳｉＣ層１３の表面に低濃度のｐ型領域１４を設けることにより、このＳｉＣショトキーバリアダイオードに印加される逆電圧によって発生し、ＳｉＣ層１３の表面に延びる空乏層最終端を広げて等電位線間隔を広げ、前記表面における電界集中を緩和する構造となっている（非特許文献２）。

さらにまた、活性層を貫く溝により包囲されるメサ（発光領域）を有するＧａＮ系化合物半導体発光素子が公開されている（特許文献４）。ＧａＮからなるチャネル層の上下にソース層とドレイン層を有する積層を備え、この積層の側面を傾斜面とし、チャネル層の側面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を備えるＭＯＳＦＥＴが公開されている（特許文献５）。またさらに、半導体レーザーに関し、ＧａＡｓ基板上にクラッド層、光ガイド層、多重量子井戸構造からなる活性層、クラッド層がメサ形状に加工されている構造が知られている（特許文献６）。
特開２００４−３６３５６３号公報特開平１１−３５４７８６号公報特開２００４−２２６３９号公報特開平１１−３５４８４５号公報特開２００４−１６５５２０号公報特開２００４−３３６０８５号公報上杉ら、「ＳｉＣおよび関連ワイドギャップ半導体研究会第１４回講演会予稿集」応用物理学会、２００５年１１月１０日、１１日ｐ．１３１「ＳｉＣ素子の基礎と応用」荒井和雄・吉田貞史編オーム社ｐ．１９３

しかしながら、窒化ガリウム系化合物半導体基板においては、シリコン半導体基板と比較して、熱膨張係数が５０％ほど違い、また格子不整合が１５％程度もあってシリコン基板に比べて多いために、窒化ガリウム層をシリコン基板上に積層すると反ってしまうという問題がある。そのために、ウェハのハンドリングが困難であり、チップの場合でも、反りのためにハンダ付けが困難という問題等もある。また、窒化ガリウム半導体ではｐ型のドーパントにＭｇなどを用いているが、ｐ型ドーパントの活性化率が非常に低いために、不純物濃度を正確に制御することが困難であり、公知のＳｉＣ半導体のような耐圧構造を設計することが困難という問題もある。

本発明は、前述の問題点に鑑みてなされたものであり、ドリフト領域が主に窒化ガリウム化合物半導体層で構成された縦型の半導体装置において、電界集中を緩和して高耐圧を維持することができる耐圧構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。

特許請求の範囲の請求項１記載の発明によれば、シリコン基板上に、該基板と同導電型の窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層を有し、前記シリコン基板の裏面に一方の電極、前記窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層の表面に他方の電極を有し、前記一方の電極と他方の電極間に主電流が流れる活性領域の周囲が、前記窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層の表面から垂直方向に形成されるメサ溝により包囲される構成の耐圧構造を備える半導体装置において、前記メサ溝が前記他方の電極およびチップ端から離れ、かつ前記メサ溝の深さが前記窒化ガリウム化合物半導体層の全膜厚の８０％以上である半導体装置とすることにより、前記本発明の目的は達成される。

特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、前記メサ溝の深さが前記窒化ガリウム化合物半導体層を貫通して前記シリコン基板に達している耐圧構造を備える特許請求の範囲の請求項１に記載の半導体装置とすることが好ましい。

特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、前記メサ溝が絶縁物により充填されている耐圧構造を備える特許請求の範囲の請求項１または２に記載の半導体装置とすることがより好ましい。

本発明によれば、ドリフト領域が主に窒化ガリウム化合物半導体層で構成された縦型の半導体装置において、電界集中を緩和して高耐圧を維持することができる耐圧構造を有する半導体装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の実施例の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１〜図３は、それぞれ本発明にかかる実施例１〜実施例３のショットキーバリアダイオードを示す半導体基板の断面図である。図４と図５はそれぞれ本発明にかかる実施例４で説明するショットキーバリアダイオードの半導体基板の断面図である。図６は本発明にかかる実施例５のショットキーバリアダイオードを示す半導体基板の断面図である。図７は前記実施例３と実施例４を組み合わせた構造のショットキーバリアダイオードを示す半導体基板の断面図である。

図１の断面図に示すように、たとえば、リンまたは砒素が１×１０^１９ｃｍ^−３以上の高濃度にドープされた高導電性シリコン基板１の上に積層された窒化ガリウム化合物（以降、ＧａＮまたは窒化ガリウムと略す）半導体層２、３があり、そのＧａＮ半導体層３の表面にはショットキー接触性を示す金属、たとえば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄなどから選ばれる電極膜４が形成される。ワイヤボンディングなどを容易にするために、この電極膜４上にさらにＡｌやＡｕなどの金属膜５をかぶせてもよい。裏面側のシリコン基板１の表面には、シリコンとオーミック接触が得られる、たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｕなどから選ばれる金属による電極膜６が形成される。半導体装置の種類については特に限定しないが、ここでは一例としてもっとも単純な構造のショットキーバリアダイオードとする。このほか、ｐｎダイオードやＭＯＳＦＥＴとすることもできる。

以下、説明する実施例１ではシリコン基板１は高濃度のｎ型であり、この上に積層されるＧａＮ半導体層２も同様に高濃度のｎ型である。通常、シリコン基板１上に結晶成長したＧａＮ半導体層には結晶欠陥が多い欠陥層が存在し、リーク電流が多く、また抵抗も高くなりやすいなどの不具合を持っている。そこで、この欠陥層近傍を高濃度、具体的にはＧａＮ半導体層２を５×１０^１８ｃｍ^−３以上にドーピングすることにより抵抗を低くすることができる。シリコン基板１上に結晶成長したＧａＮ半導体層２ではｎ型の場合、シリコンを不純物元素として用いるのが普通である。たとえば、１２００Ｖ耐圧の半導体装置とするには、低抵抗のＧａＮ半導体層２の上に積層されるＧａＮ半導体層３の厚さ１５μｍ、ドナー濃度１×１０^１６ｃｍ^−３程度にする必要がある。図１では、このような実施例１により得られる前記ＧａＮ半導体層２，３を備えるショトキーバリアダイオードを示した。

図１においては、ＧａＮ半導体層３の上に被着される電極膜４の周囲に、表面からＧａＮ半導体層３を貫通し、ＧａＮ半導体層２に到達し、シリコン基板１には達しない深さを有するメサ溝７−１が掘られ、さらにそのメサ溝７−１中を絶縁物８で埋め戻して充填する構造としている。この絶縁物８の熱膨張係数を適切な値にすることにより、ＧａＮ半導体層２、３とシリコン基板１との間で発生する前述の熱膨張係数差に起因する応力を緩和して、ウェハのそりを少なくすることができる。このような応力緩和を可能にするメサ溝７−１中への充填絶縁物８としては、ポリイミド樹脂、（ＣＶＤまたはＴＥＯＳ）ＳｉＯ_２、ＳｉＮ材料などがある。このうち、ＳｉＯ_２を用いれば、ウェハプロセスの初期にメサ溝構造を作成することができるために、ウェハプロセス全般にわたってウェハの反りを抑制して、製造工程を容易にすることができるので好ましい。このメサ溝構造は、ショトキーバリアダイオードの耐圧構造としても機能し、縦方向（基板の厚さ方向）への空乏層の広がりを容易にするものである。さらに応力緩和と耐圧維持を目的にしているため、ＧａＮ半導体層２、３の厚さ方向の８０％以上がメサ溝によって除去され、空乏層がメサ溝７−１の最下端に達しない設計にすれば、高耐圧を維持することが可能となる。

実施例２を示す図２においては、前記応力緩和と耐圧構造を兼ねたメサ溝７−２が、前記実施例１とは異なり、ＧａＮ半導体層２、３を貫通してシリコン基板１に達する深さを有することを示したものである。この結果、実施例１では発生し易い、メサ溝７−２の深さのばらつきがショトキーバリアダイオー特性へ与える影響を最小限にすることができる。その他の構成は実施例１と同じである。

実施例３を示す図３は、最終的にウェハからチップ状にデバイスを切り離すダイシング部とメサ溝７−３部分を兼ねる、すなわち、絶縁物８が充填されたメサ溝７−３の中央（基板の主表面に垂直な方向から見て）にダイシングラインが設けられるショトキーバリアダイオードの断面図である。その他の構成は実施例１と同じである。

実施例４を示す図４は、空乏層終端部の表面に絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９部分を付加することによって、電極膜４、５の周囲のＧａＮ半導体層３表面における電界を緩和するものである。図４では基板として窒化ガリウム基板を用いた例を示したが、この実施例４においては前記図１〜図３と同様にシリコン基板１と低抵抗ＧａＮ半導体層２の積層基板にＧａＮ半導体層３とノンドープＧａＮ半導体層９を積層させた基板としてもかまわない。付加した絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９はエピタキシャル成長によって容易に形成することが可能となるだけでなく、さらに窒化ガリウム層（ドリフト層）３表面を保護する役割も持っている。この例では、またさらに絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９をチップの周辺から一部除去した構造としているが、この実施例４の変形例である図５の断面図に示すように、スクライブラインまで絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９を残していてもかまわない。絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９を周辺から一部除去した前記図４の場合には、絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９とドリフト層３の界面で発生しやすいリーク電流を抑制する効果があるので、好ましい。

実施例５を示す図６は、図４において絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９とした部分が、絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９とその上に積層される導電性ＧａＮ半導体層１１からなる。これは絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９だけの場合に生じ易い、外来イオンに起因する耐圧低下を回避して、付着した外来イオンを不活性化して半導体内部に発生する電界に及ぼす影響を小さくして耐圧を安定化させる役割を持っている。この導電性ＧａＮ半導体層１１は窒化ガリウム層にシリコンをドープしたｎ型窒化ガリウム層か、あるいはＡｌＧａＮ層を用いてもよい。ＡｌＧａＮ層の場合にはＨＥＭＴデバイスに応用されるので、よく知られているように、ＡｌＧａＮ半導体層とノンドープ窒化ガリウム層の間にピエゾ効果によってキャリア電荷が発生し、外部電荷をシールドすることができる。この場合においても、前記図４に対する図５に対応するように、チップの最周辺まで絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９と導電性ＧａＮ半導体層１１を除去しない構造（図示せず）であってもかまわない。この場合、導電性ＧａＮ半導体層１１を通して、リーク電流が発生するが、抵抗が十分に大きければそれを一定の値に制限することができるとともに、リーク電流により、導電性ＧａＮ半導体層１１に均一な電界が印加されるので、前述の外来の電荷による影響を小さく抑えることが可能となるメリットがある。

実施例６を示す図７は、メサ溝７−２については、シリコン基板１に達する深さのメサ溝を有する前記実施例２と同様としてメサ溝７−２形成時の深さのばらつきを抑制し、空乏層終端部の表面に絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９部分を付加する点については、実施例４と同様にすることにより、電極膜４、５の周囲の電界を緩和する両耐圧構造を組み合わせてより大きな効果を得ようとするものである。

さらに、同様にして、絶縁性のノンドープＧａＮ半導体層９とドリフト層３の界面で発生するリーク電流を抑制するために、同様に実施例１〜３と実施例４〜５を組み合わせた耐圧構造とすることができる。

以上のように、本発明にかかる半導体装置は、インバータ等の電力変換装置や種々の産業用機械等の電源装置や自動車のイグナイタなどに使用されるパワー半導体装置に有用である。

本発明にかかる半導体装置の全体を示す断面図である。本発明に関わる第２の実施例を示す断面図である。本発明に関わる第３の実施例を示す断面図である。本発明に関わる第４の実施例を示す断面図である。第４の実施例の異なるパターンを示す断面図である。本発明に関わる第５の実施例を示す断面図である。図２と図４の実施例を組み合わせた例を示す断面図である。従来のＳｉＣの縦型ショットキーダイオードの断面構造を示す図である。

符号の説明

１シリコン基板、
２高濃度窒化ガリウム化合物（ＧａＮ）半導体層、
３高抵抗窒化ガリウム化合物（ＧａＮ）半導体層（ドリフト層）、
４ショットキー金属電極膜、
５表面接合用の電極膜、
６裏面接合用の電極膜、
７−１応力と電界緩和のためのメサ溝、
７−２応力と電界緩和のためのメサ溝、
７−３応力と電界緩和のためのメサ溝、
７−４応力と電界緩和のためのメサ溝、
８絶縁物、
９絶縁性ノンドープ窒化ガリウム化合物半導体層、
１０窒化ガリウム基板、
１１導電性窒化ガリウム化合物半導体層。

Claims

シリコン基板上に、該基板と同導電型の窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層を有し、前記シリコン基板の裏面に一方の電極、前記窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層の表面に他方の電極を有し、前記一方の電極と他方の電極間に主電流が流れる活性領域の周囲が、前記窒化ガリウム化合物半導体を主成分とする半導体層の表面から垂直方向に形成されるメサ溝により包囲される構成の耐圧構造を備える半導体装置において、前記メサ溝が前記他方の電極およびチップ端から離れ、かつ前記メサ溝の深さが前記窒化ガリウム化合物半導体層の全膜厚の８０％以上であることを特徴とする半導体装置。
前記メサ溝の深さが前記窒化ガリウム化合物半導体層を貫通して前記シリコン基板に達している耐圧構造を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記メサ溝が絶縁物により充填されている耐圧構造を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。