JP5653109B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置に関し、特に窒化物半導体層を有する半導体装置に関する。

ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）等の半導体装置では、窒化物半導体層上に、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を形成する。特許文献１には、基板にイオン注入をすることで、リーク電流を抑制する発明が開示されている。

特開２００７−２７３６４９号公報

従来の技術では、水分の浸入によって、半導体装置の信頼性が低下する可能性があった。本発明は上記課題に鑑み、信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。

本発明は、基板上に設けられたＧａＮからなるチャネル層と、前記チャネル層上の窒化物半導体層の上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、前記基板と前記チャネル層との間に設けられ、Ｓｉ濃度が５×１０^１５ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である、ｎ型ＧａＮからなる導電層と、を具備し、前記導電層には、前記ドレイン電極に印加される電圧が２０Ｖ以上において、前記ゲート電極の幅１ｍｍあたり、１０μＡ以上１００μＡ以下のリーク電流が流れる半導体装置である。本発明によれば、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。また、高電圧が印加される場合においても、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。

上記構成において、前記基板と前記チャネル層との間に設けられたバッファ層を備え、前記導電層は、前記バッファ層の上面と前記チャネル層の上面との中間位置から、前記バッファ層の上面までの領域に設けられてなる構成とすることができる。この構成によれば、半導体装置の特性の悪化を抑制し、かつ耐湿性を改善させることができる。

上記構成において、前記導電層の前記Ｓｉ濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である構成とすることができる。この構成によれば、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することができる。

図１は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。

実施例の説明の前に、まず半導体装置の信頼性が低下する原因について説明する。半導体装置のうち、ＦＥＴでは、例えばｉ型ＧａＮ（窒化ガリウム）からなるチャネル層上にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する。各電極は、例えばＡｕ等の金属からなる。

半導体装置に水分が浸入した場合、電極を形成するＡｕが水分に溶け出し、イオン化することがある。この場合に、電極に電圧を印加すると、一方の電極から溶け出したＡｕイオンが移動し、別の電極で還元され析出する、いわゆるイオンマイグレーション現象が発生することがある。イオンマイグレーション現象について検証するため、ドレイン電圧Ｖｄ＝５０Ｖ，ゲート電圧Ｖｇ＝−３〜−５Ｖのピンチオフ状態の半導体装置を、温度１３０℃、湿度８５％の環境下に配置する加速試験を行った。その結果、ドレイン電極から溶け出したＡｕが、ソース電極及びゲート電極で析出した。イオンマイグレーション現象が発生すると、半導体装置が破壊される等、半導体装置の信頼性が低下する。特に、窒化物半導体を用いる半導体装置の場合、高電圧が印加されるため、イオンマイグレーション現象の影響が大きくなる。

水分の浸入を抑制するために、透水性の低い保護膜が用いられることがある。しかしこの場合、保護膜の質、膜厚、電極等との密着性等を管理することが求められる。従って、半導体装置の構成や製造工程が複雑となることがあった。また、保護膜の質等にバラつきがあると、多数の半導体装置の中で耐湿性にバラつきが発生することがあった。

本発明の発明者は、半導体装置の動作時に流れるドレイン電流と比較して微小なリーク電流が、ソース−ドレイン間又はソース−ゲート間に流れることで、半導体装置の耐湿性が大きく改善することを見出した。本発明は、この知見に基づくものである。

次に図面を用いて、本発明の実施例について説明する。図１は実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。

図１に示すように、実施例１に係る半導体装置は、基板１０、バッファ層１２、導電層１４、チャネル層１６、電子供給層１８、キャップ層２０、ソース電極２２、ドレイン電極２４、ゲート電極２６、ＳｉＮ層２８、及びポリイミド層３０を備える。下から順に、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１６、電子供給層１８、及びキャップ層２０が積層されている。導電層１４は、チャネル層１６内に設けられている。バッファ層１２からキャップ層２０までの各層は、例えばＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）により形成される。

キャップ層２０にはリセス２１が形成され、リセス２１に、電子供給層１８と接触するように、ソース電極２２及びドレイン電極２４が形成されている。また、キャップ層２０上であって、ソース電極２２及びドレイン電極２４との間にゲート電極２６が設けられている。つまり、ソース電極２２、ドレイン電極２４及びゲート電極２６は、チャネル層１６上の窒化物半導体層の上（電子供給層１８上及びキャップ層２０上）に設けられている。ソース電極２２、ドレイン電極２４、及びゲート電極２６上にはＳｉＮ層２８が設けられ、ＳｉＮ層２８上にはポリイミド層３０が設けられている。

基板１０は、例えばＳｉＣ（炭化シリコン）、Ｓｉやサファイア等からなる。バッファ層１２は、例えば厚さ３００ｎｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる。チャネル層１６は、例えば厚さ１０００ｎｍのｉ型ＧａＮからなる。電子供給層１８は、例えば厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）からなる。キャップ層２０は、例えば厚さ５ｎｍのｎ型ＧａＮからなる。ソース電極２２及びドレイン電極２４は、例えば下から順にＴｉ／Ａｌ／Ａｕ又はＴａ／Ａｌ／Ａｕ等の金属を積層してなる。Ｔｉ／Ａｌの層はオーミック電極を形成し、Ａｕ層は配線を形成する。Ａｕ層は、大きな電流を流すため、オーミック電極よりも大きく形成される。ゲート電極２６は、例えば下から順にＮｉ／Ａｕを積層してなる。ＳｉＮ層２８及びポリイミド層３０は、耐湿性の保護膜として機能する。

導電層１４は、チャネル層１６内であって、チャネル層１６の下側の領域に設けられている。図中では導電層１４はチャネル層１６の最下層（バッファ層１２の上面）に設けられているが、バッファ層１２の上面とチャネル層１６の上面との中間位置からバッファ層１２の上面までの領域内に設けられていればよい（図中の矢印参照）。導電層１４の厚さは例えば１００〜３００ｎｍである。導電層１４は、不純物として例えばＳｉを含む。Ｓｉの濃度は例えば５×１０^１５ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である。次に導電層１４により半導体装置の耐湿性が改善する原因について説明する。

ドレイン電圧Ｖｄが２０Ｖ以上の状態では、導電層１４に、ゲート電極２６の幅（ゲート幅）１ｍｍあたり例えば１０〜１００μＡ程度のリーク電流が流れる。電流は、半導体装置の動作時にも、非動作時にも導電層１４に流れる。導電層１４にリーク電流が流れることにより、電極間を移動するＡｕイオンが少なくなり、イオンマイグレーション現象が抑制されると考えられる。又は、導電層１４は、リーク電流が流れることにより発熱する。導電層１４の発熱により、浸入した水分が蒸発し、Ａｕが溶け出すことが抑制されると考えられる。

実施例１によれば、チャネル層１６内の下側の領域に、ｎ型ＧａＮからなる導電層１４が設けられているため、イオンマイグレーション現象を抑制することができる。すなわち半導体装置の耐湿性が改善し、信頼性を向上させることが可能となる。

導電層１４は、例えばＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長されるため、簡単な工程で、安定して形成される。これにより、構成及び工程の複雑化を回避し、かつ半導体装置の信頼性を向上させることができる。特に、ｉ型ＧａＮのような窒化物半導体では高電圧が印加されるため、イオンマイグレーション現象が発生しやすい。実施例１によれば、ｉ型ＧａＮをチャネル層１６とした場合でも、イオンマイグレーション現象を抑制することができる。例えばドレイン電圧Ｖｄが２０Ｖ以上の場合、さらにドレイン電圧が５０Ｖ以上の場合でも、半導体装置の耐湿性を改善させることができる。

導電層１４がチャネル層１６の電子供給層１８に近い領域に設けられている場合、半導体装置の特性が変動する恐れがある。このため、導電層１４は、バッファ層１２の上面とチャネル層１６の上面との中間位置からバッファ層１２の上面までの領域内に設けられていればよい。例えばチャネル層１６の厚さが１０００ｎｍである場合、チャネル層１６の下から５００ｎｍ以内の領域に導電層１４が設けられることが好ましい。

例えばドレイン電圧Ｖｄが２０Ｖ以上で、半導体装置の動作時のドレイン電流がゲート幅１ｍｍあたり７００〜８００ｍＡである場合、導電層１４に流れるリーク電流は１０〜１００μＡ程度である。つまり、導電層１４に流れるリーク電流は、半導体装置の動作時に流れるドレイン電流よりも３桁〜４桁程度小さい。このため、導電層１４に流れるリーク電流による、半導体装置の特性の変動は極めて小さい。これにより、半導体装置の特性の悪化を抑制し、かつ耐湿性を改善させることができる。半導体装置の特性の変動を抑制するためには、導電層１４に流れるリーク電流は、ドレイン電流より４桁小さいことが好ましい。

導電層１４に含まれる不純物であるＳｉの濃度が高すぎると、導電層１４に流れるリーク電流が大きくなり、半導体装置の特性が悪化する。またＳｉの濃度が低すぎると、リーク電流が小さくなり体質性の改善が十分に行われない。ドレイン電流よりも３桁〜４桁小さいリーク電流を導電層１４に流すためには、導電層１４に含まれる不純物であるＳｉの濃度は５×１０^１５ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下、厚さは２００〜３００ｎｍであることが好ましい。さらに好ましくは、Ｓｉの濃度が、１×１０^１６ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。また、導電層１４に含まれる不純物はＳｉに限定されず、ｎ型ＧａＮを形成する不純物であればよい。つまり導電層１４は、ドレイン電流よりも３桁〜４桁小さい電流が流れるｎ型ＧａＮ層であればよい。導電層１４は、ドレイン電圧が２０Ｖ以上の場合に、ドレイン電流よりも３桁〜４桁小さいリーク電流が流れるような、厚さや不純物濃度を有する導電層であることが好ましい。さらに、５０Ｖ以上のような高電圧の場合でも、導電層１４にはドレイン電流よりも３桁〜４桁小さい電流が流れることが好ましい。

キャップ層２０は設けられていなくてもよい。キャップ層２０が設けられていない場合、ソース電極２２、ドレイン電極２４及びゲート電極２６は、電子供給層１８上に設けられる。つまり、ソース電極２２、ドレイン電極２４及びゲート電極２６は、ｉ型ＧａＮからなるチャネル層１６の上側に設けられる。

なお、バッファ層１２、電子供給層１８及びキャップ層２０は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ以外の窒化物半導体としてもよい。窒化物半導体は、窒素を含む半導体であり、ＧａＮやＡｌＧａＮ、ＡｌＮ以外に、例えばＩｎＮ（窒化インジウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＡｌＮ（窒化インジウムアルミニウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）等がある。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

基板 １０
バッファ層 １２
導電層 １４
チャネル層 １６
電子供給層 １８
キャップ層 ２０
ソース電極 ２２
ドレイン電極 ２４
ゲート電極 ２６
ＳｉＮ層 ２８
ポリイミド層 ３０

Claims (3)

1. 基板上に設けられたＧａＮからなるチャネル層と、
   前記チャネル層上の窒化物半導体層の上に設けられたソース電極、ドレイン電極及びゲート電極と、
   前記基板と前記チャネル層との間に設けられ、Ｓｉ濃度が５×１０^１５ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下である、ｎ型ＧａＮからなる導電層と、を具備し、
   前記導電層には、前記ドレイン電極に印加される電圧が２０Ｖ以上において、前記ゲート電極の幅１ｍｍあたり、１０μＡ以上１００μＡ以下のリーク電流が流れることを特徴とする半導体装置。
2. 前記基板と前記チャネル層との間に設けられたバッファ層を備え、
   前記導電層は、前記バッファ層の上面と前記チャネル層の上面との中間位置から、前記バッファ層の上面までの領域に設けられてなることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記導電層の前記Ｓｉ濃度は、１×１０^１６ｃｍ^−３以上、１×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。

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