JP5919521B2 - 窒化物半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、窒化物半導体装置に関し、特に、活性領域の上に形成された電極パッドを有する窒化物半導体装置に関する。
一般式がAlGa1−x−yInN(但し、0≦x≦1、0≦y≦1及び0≦x+y≦1)で表されるIII−V族窒化物半導体は、その物理的特徴である広いバンドギャップと直接遷移型のバンド構造とを有するため、短波長光学素子に応用されている。さらに、III−V族窒化物半導体は、高い破壊電界及び高い飽和電子速度という特徴を有するため、電子デバイス等への応用も検討されている。
特に、半絶縁性基板の上に順次エピタキシャル成長された窒化アルミニウムガリウム(AlGa1−xN、但し、0<x≦1)層と窒化ガリウム(GaN)層との界面に生じる二次元電子ガス(2Dimensional Electron Gas:2DEG)を用いるヘテロ接合電界効果トランジスタ(Hetero-junction Field Effect Transistor:HFET)は、高出力デバイス及び高周波デバイスとして開発が進められている。HFETでは、キャリア供給層(N型AlGaNショットキ層)から電子が供給されるだけでなく、自発分極及びピエゾ分極による分極効果によって電荷が供給される。このため、III−V族窒化物半導体を用いたHFETの電子密度は、1013cm−2を超える。これは、砒化アルミニウムガリウム(AlGaAs)及び砒化ガリウム(GaAs)を用いたHFETと比べて1桁程度も大きい。このように、III−V族窒化物半導体を用いたHFETにおいては、GaAsを用いたHFETと比べて高いドレイン電流密度が期待でき、最大ドレイン電流が1A/mmを超える素子が、例えば非特許文献1等に提示されている。さらに、III−V族窒化物半導体は広いバンドギャップ(例えば、GaNでは3.4eV)を有し、高い耐圧特性をも示すため、III−V族窒化物半導体を用いたHFETでは、ゲート電極とドレイン電極との間の耐圧を100V以上とすることが可能である。このため、III−V族窒化物半導体を用いたHFET等の電子デバイスは、高周波素子、及び従来よりも小型で且つ大電力を扱える素子への応用が検討されている。
これらの特性により、III−V族窒化物半導体装置は、活性領域の大きさをシリコン(Si)半導体装置の3分の1〜10分の1程度に縮小することが可能である。しかしながら、従来のIII−V族窒化物半導体装置は、配線を接続するための電極パッドが占める面積が大きく、十分に小型化することができないという問題がある。特に、大電流を流すパワーデバイスの用途では、電極パッドに接続するワイヤ径及びリボンサイズは大きい方が望ましいため、電極パッドを小さくすることには限界がある。
そこで、活性領域の上に電極パッドを形成する、いわゆるパッドオンエレメント構造が、例えば特許文献1等に提示されている。パワーデバイスは高電圧を扱うため、パッドオンエレメント構造を用いる場合、電極パッドと下層の電極との間にリーク電流が発生しないように、厚膜の層間膜を形成する必要がある。
また、高効率なデバイスを得るには、デバイスのオン抵抗の低減は必須である。さらに、パワーデバイスの用途では大電流化及び高耐圧化も必要となる。これらの特性を得るために、ゲート幅を大きくし、且つオン抵抗を低減することによって、より大きな最大電流を得ることができる。
特開2008−177527号公報
安藤祐二、岡本康宏、宮本広信、中山達峰、井上隆、葛原正明著「高耐圧AlGaN/GaNヘテロ接合FETの評価」信学技報、ED2002-214, CPM2002-105(2002-10), pp.29-34
しかしながら、FETのゲート幅を直線的に延長すると、配線抵抗に起因するオン抵抗が増大し、十分にオン抵抗を低減できない。また、ソース電位の上昇及びゲート電位の低下により、ゲートとソースとの間の電圧差(ΔVGS)が減少するため、ゲート幅の増大によって期待されるだけの最大電流を得ることができない。
本発明は前記の問題に鑑み、その目的は、オン抵抗を低減し、ゲート幅当たりの最大電流が高い窒化物半導体装置を得ることができるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明は窒化物半導体装置を、複数に分割された電極とこれらと接続する複数の配線層を有する構成とする。
具体的に、本発明に係る窒化物半導体装置は、基板と、基板の上に形成され、活性領域を有する窒化物半導体層と、窒化物半導体層における活性領域の上に互いに平行に延びるように形成され、長手方向にそれぞれ分割された第1の電極配線層と、窒化物半導体層の上に第1の電極配線層に沿って形成された第1のゲート電極と、窒化物半導体層の上における第1の電極配線層が分割された領域に、第1のゲート電極の長手方向と垂直な方向に延びるように形成され、第1のゲート電極と電気的に接続する第1のゲート電極集約配線と、第1のゲート電極集約配線の上に該第1のゲート電極集約配線と離間して形成され、第1の電極配線層と電気的に接続する第1の電極集約配線と、第1の電極配線層及び第1の電極集約配線層の上に形成され、第1の電極集約配線を露出する開口部を有する配線上絶縁膜と、配線上絶縁膜の上における第1の電極集約配線の上に形成され、第1の開口部を介して第1の電極集約配線と電気的に接続する第1の電極上層配線とを備えている。
本発明に係る窒化物半導体装置によると、第1の電極配線層がその長手方向において分割され、第1の電極配線層に沿って第1のゲート電極が形成されているため、複数の島状のセルによりトランジスタが構成されることとなる。このとき、各セルの配線長が短くなるため、各セル内の電極の配線抵抗を低減することができる。また、セルサイズが小さくなるほど、同一のチップサイズ当たりのセル数が多くなり、並列に接続されたこれらの配線の抵抗がデバイス全体のオン抵抗に寄与する割合は小さくなるため、デバイス全体のオン抵抗を低減することができる。また、各セルの配線長が短くなるため、ソース電位の上昇及びゲート電位の低下によるΔVGSの減少を抑制でき、最大電流の低下を防止できる。また、これらの全てのセルのうち複数のセルを集約する第1の電極集約配線と第1のゲート電極集約配線とが基板の膜厚方向に並列に形成されているため、チップ内の集約配線が占める割合を減らし、単位チップ面積当たりのトランジスタのゲート幅を増大できる。その結果、オン抵抗を低減することができる。また、第1の電極集約配線の上に該第1の電極集約配線と接続する第1の電極上層配線が形成されているため、第1の電極集約配線が細くてもエレクトロンマイグレーション(Electron Migration:EM)の発生を防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体層における活性領域の上の第1の電極同士の間に該第1の電極に沿って形成され、長手方向にそれぞれ分割された第2の電極配線層と、第1の電極配線層及び第2の電極配線層が分割された領域で且つ第1のゲート電極集約配線が形成されていない領域の上に形成され、第2の電極配線層と電気的に接続する第2の電極集約配線と、配線上絶縁膜の上における第2の電極集約配線の上に形成された第2の電極上層配線とをさらに備え、配線上絶縁膜の開口部は、第2の電極集約配線をも露出し、第2の電極集約配線と第2の電極上層配線とは配線上絶縁膜の開口部を介して電気的に接続されていることが好ましい。
このようにすると、第2の電極集約配線が第1の電極配線層及び第2の電極配線層が分割された領域で且つ、第1の電極集約配線が形成されていない領域に形成されているため、第2の電極配線層に高電圧を印加でき、パワーデバイスとして用いることが可能となる。また、第2の電極集約配線の上にこれと接続された第2の電極上層配線が形成されているため、第2の電極集約配線を細くしてもEMの発生を防ぐことができる。また、各セルの第2の電極配線層の幅が細い場合、第2の電極配線層と配線上絶縁膜を介して接続する第2の電極上層配線を形成することが困難となるが、第2の電極集約配線と接続することにより、複数のセル群と電気的に接続する第2の電極上層配線を形成することが可能となる。
本発明に係る窒化物半導体装置において、配線上絶縁膜の開口部は、第1の電極配線層をも露出し、第1の電極上層配線は、配線上絶縁膜の開口部を介して第1の電極配線層と電気的に接続されていることが好ましい。
このようにすると、第1の電極上層配線は、第1の電極集約配線だけでなく、第1の電極配線層とも直接接続するため、各セルにおける第1の電極配線層の配線抵抗を低減することができる。また、第1の電極上層配線の幅を大きくすることができ、この層における電気抵抗を低減することができる。
本発明に係る窒化物半導体装置において、配線上絶縁膜の開口部は、第2の電極配線層をも露出し、第2の電極上層配線は、配線上絶縁膜の開口部を介して第2の電極配線層と電気的に接続されていることが好ましい。
このようにすると、第2の電極上層配線は、第2の電極集約配線だけでなく、第2の電極配線層とも直接接続するため、各セルにおける第2の電極配線層の配線抵抗を低減することができる。また、第2の上層電極配線の幅を大きくすることができ、この層における電気抵抗を低減することができる。
本発明に係る窒化物半導体装置において、第1の電極配線層は、窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層と直接に接続するように形成された第1の電極と、第1の電極の上に形成された第1の電極配線とを含み、窒化物半導体層の上には、第1のゲート電極及び第1のゲート電極集約配線を覆い、且つ、第1の電極を露出する開口部を有する電極上絶縁膜が形成され、第1の電極配線は、電極上絶縁膜の開口部を介して第1の電極と電気的に接続していることが好ましい。
この場合、第2の電極配線層は、窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層と直接に接続するように形成された第2の電極と、第2の電極の上に形成された第2の電極配線とを含み、電極上絶縁膜の開口部は、第2の電極をも露出し、第2の電極配線は、電極上絶縁膜の開口部を介して第2の電極と電気的に接続していることが好ましい。
本発明に係る窒化物半導体装置において、第1のゲート電極集約配線の幅は、第1のゲート電極の幅よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、より大きい幅を有する配線を設けるため、EMを防ぎ、また、電位の低下を防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体装置において、第1の電極集約配線の幅は、第1の電極配線の幅よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、配線上絶縁膜を介する第1の電極上層配線とその下層との接続が容易となり、EMを防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体装置において、第2の電極集約配線の幅は、第2の電極配線の幅よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、配線上絶縁膜を介する第2の電極上層配線とその下層との接続が容易となり、EMを防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体装置は、配線上絶縁膜の上に第1の電極上層配線及び第2の電極上層配線のそれぞれと一体に形成され、活性領域の上に位置する第1の電極パッド及び第2の電極パッドをさらに備えていることが好ましい。
このようにすると、第1の電極上層配線、第2の電極上層配線、第1の電極パッド及び第2の電極パッドが同一の層に形成されるため、少ない金属層でオン抵抗を低減できる。
本発明に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体層の上に第2の電極配線層に沿って形成された第2のゲート電極と、窒化物半導体層の上における第1の電極配線層及び第2の電極配線層が分割された領域で且つ第1のゲート電極集約配線が形成されていない領域に、第2のゲート電極の長手方向と垂直な方向に延びるように形成され、第2のゲート電極と電気的に接続する第2のゲート電極集約配線とをさらに備えていてもよい。
このようにすると、シングルゲート構造と同様に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を備えるダブルゲート構造であっても、オン抵抗を低減し、十分な最大電流を得ることができる。
この場合、第2のゲート電極集約配線の幅は、第2のゲート電極の幅よりも大きいことが好ましい。
このようにすると、より大きい幅を有する配線を設けるため、EMを防ぎ、また、電位の低下を防ぐことができる。
本発明に係る窒化物半導体装置によると、オン抵抗を低減し、ゲート幅当たりの最大電流が高い窒化物半導体装置を得ることができる。
図1は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す平面図である。 図2は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す、図1のII−II線における断面図である。 図3(a)〜図3(d)は本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置の各層を示し、図3(a)はゲート電極、ソース電極及びドレイン電極と同一の層並びにこれらよりも下の層を示す平面図であり、図3(b)はソース電極配線及びドレイン電極配線と同一の層並びにこれらよりも下の層を示す平面図であり、図3(c)は第2の絶縁膜及びこれよりも下の層を示す平面図であり、図3(d)はソース電極上層配線及びドレイン電極上層配線並びにこれらよりも下の層を示す平面図である。 図4は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置を示す平面図である。 図5(a)〜図5(d)は本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置の各層を示し、図5(a)はG1電極、G2電極、S1電極及びS2電極と同一の層並びにこれらよりも下の層を示す平面図であり、図5(b)はS1電極配線及びS2電極配線と同一の層並びにこれらよりも下の層を示す平面図であり、図5(c)は第2の絶縁膜及びこれよりも下の層を示す平面図であり、図5(d)はS1電極上層配線及びS2電極上層配線並びにこれらよりも下の層を示す平面図である。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置について、図1〜図3を参照しながら説明する。
図1及び図2に示すように、第1の実施形態に係る窒化物半導体装置は、例えばシリコン(Si)からなる基板1の上に、バッファ層2及び窒化物半導体層3が順次形成されている。窒化物半導体層3は、厚さが2.5μm程度のアンドープ窒化ガリウム(GaN)層4と、その上に形成された厚さが50nm程度のアンドープ窒化ガリウムアルミニウム(AlGaN)層5とにより構成されている。アンドープGaN層4のアンドープAlGaN層5との界面領域には、2次元電子ガス(2DEG)が発生し、2DEGはチャネル領域として機能する。
窒化物半導体層3の上には、第1の電極であるソース電極7a及び第2の電極であるドレイン電極7bが、互いに離間し且つ交互に形成されている。本実施形態では、コンタクト抵抗を低減するために、アンドープAlGaN層5及びアンドープGaN層4の一部が除去され、ソース電極7a及びドレイン電極7bは、それらの下面がアンドープAlGaN層5とアンドープGaN層4との界面よりも下に位置するように形成されている。ソース電極7a及びドレイン電極7bは、チタン(Ti)又はアルミニウム(Al)等の金属からなる。また、ソース電極7aとドレイン電極7bとの間における幅が約1μmの領域は、アンドープAlGaN層5の膜厚が薄くなっており、その上に厚さが200nm程度のマグネシウム(Mg)がドープされたp型GaN層9が形成されている。p型GaN層9の上には、例えばパラジウム(Pd)、金(Au)又は白金(Pt)等からなるゲート電極8が形成されている。このため、p型GaN層9とアンドープAlGaN層5とによってPN接合が形成される。その結果、ゲート電極8に印加する電圧が0Vの場合でも、p型GaN層9から基板1側とドレイン電極7b側とに向かって、アンドープAlGaN層5及びアンドープGaN層4に空乏層が広がる。これにより、チャネル領域を流れる電流が遮断されるため、ノーマリオフ動作を行わせることが可能となる。
本実施形態の窒化物半導体装置は、窒化物半導体を用いたマルチフィンガ構造を有する電界効果トランジスタ(FET)であり、それぞれ1つのソース電極7a、ドレイン電極7b及びゲート電極8を1つのユニットとすると、複数のユニットがドレイン電極7bを中心に交互に反転して配置されているとみなすことができる。各ユニットのソース電極7a同士、ドレイン電極7b同士及びゲート電極8同士は、後に説明するように互いに電気的に接続されている。これにより、窒化物半導体装置のゲート幅を極めて大きくすることができ、大電流を流すことが可能なパワーデバイスを得ることができる。なお、本実施形態においては、窒化物半導体層3における一群のソース電極7a及びドレイン電極7bが形成された領域及びチャネル領域であって、絶縁分離されていない領域を活性領域とする。
図3(a)に示すように、ソース電極7a及びドレイン電極7bは、マルチフィンガ型となるように各電極が平行に形成されており、それらは長手方向の同等の位置において分割されている。なお、その分割された領域は、非活性領域としてもよい。ゲート電極8は、ソース電極7aに沿って、ソース電極7aとドレイン電極7bとの間に形成されている。窒化物半導体層3の上におけるソース電極7a及びドレイン電極7bが分割された領域には、複数のゲート電極8と接続し、ゲート電極8の長手方向と垂直な方向に延びるゲート電極垂直集約配線10が形成されている。このようにすると、ゲート電極の配線長を短くできるため、ゲートリーク電流によるゲート電極の電圧降下を防ぐことができる。その結果、ΔVGSを所望の値にすることができ、デバイスの最大電流の低下を防ぐことができる。また、マルチフィンガ型のソース電極7a及びドレイン電極7bが分割されているため、各セルのソース電極7a及びドレイン電極7bの配線抵抗を低減でき、ソース電極7aの配線抵抗に起因するソース電位の上昇によるΔVGSを低減できる。その結果、デバイスのオン抵抗を低減し、デバイスの最大電流の低下を防ぐことができる。
活性領域の外周部の一部には、複数のゲート電極垂直集約配線10と接続し、それらを束ねる配線であるゲート電極平行集約配線11が形成されている。ゲート電極平行集約配線11は、ゲート電極垂直集約配線10の長手方向と垂直な方向、すなわち、ゲート電極8の長手方向と平行な方向に延びている。なお、ゲート電極平行集約配線11は、活性領域の内側、特に中央部に形成されてもよい。また、ゲート電極平行集約配線11は、必ずしもゲート電極8と同一の層において形成される必要はなく、ゲート電極垂直集約配線10の端部と接続し且つゲート電極8よりも上の層に形成された他の配線層と接続するように形成されてもよい。また、窒化物半導体層3とゲート電極垂直集約配線10及びゲート電極平行集約配線11との間には、p型GaN層9が形成されていることが好ましいが、ゲート電極垂直集約配線10及びゲート電極平行集約配線11が非活性領域の上に形成されている場合、p型GaN層9は必要でない。また、ゲート電極垂直集約配線10及びゲート電極平行集約配線11の幅は、ゲート電極8の幅よりも大きいことが好ましい。
窒化物半導体層3、ソース電極7a、ドレイン電極7b、ゲート電極8、p型GaN層9及びゲート電極垂直集約配線10の上には、例えば膜厚300nm程度の窒化シリコン(SiN)からなる第1の絶縁膜6が形成されている。第1の絶縁膜6は、ソース電極7a及びドレイン電極7bの表面(上面)の一部を露出する開口部6aを有する。第1の絶縁膜6は、窒化物半導体層3の表面を安定化させ、後述する層間絶縁膜15から窒化物半導体層3に水分が浸入することを防ぐために設けられている。
ソース電極7aの上には、第1の絶縁膜6の開口部6aを介してソース電極7aと接続するように、例えばAuからなるソース電極配線12aが形成され、これらにより第1の電極配線層が形成されている。ソース電極配線12aは、第1の絶縁膜6との密着性を向上するために密着層であるTi層を含む。ソース電極配線12aの膜厚は5μm程度であり、その幅はソース電極7a及びドレイン電極7bの幅以上の大きさである。ここで、ソース電極7aの上のソース電極配線12aは、隣接する2つのユニットのゲート電極8を覆うように形成され、その端部はゲート電極8の端部よりもドレイン電極7b側に広がるように形成されており、ソースフィールドプレートとしても機能する。同様に、ドレイン電極7bの上には、第1の絶縁膜6の開口部6aを介してドレイン電極7bと接続するように、ドレイン電極配線12bが形成され、これらにより第2の電極配線層が形成されている。
図3(b)に示すように、ソース電極7aの上に形成されたソース電極配線12aは、第1の絶縁膜6の上におけるゲート電極垂直集約配線10の上に形成されたソース電極集約配線13aと接続されている。また、ドレイン電極7bの上に形成されたドレイン電極配線12bは、第1の絶縁膜6の上におけるソース電極7a及びドレイン電極7bが分割されている領域で且つゲート電極垂直集約配線10が形成されていない領域の上に形成されたドレイン電極集約配線13bと接続されている。なお、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bの幅は、それぞれソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの幅よりも大きいことが望ましい。このようにすると、電流の集中によるEMの発生及び配線抵抗の増大を防ぐことができる。また、ソース電極集約配線13a、ドレイン電極集約配線13b、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの上にこれらと接続する配線層を形成する際に、その接続が容易となる。具体的に、後に詳細に説明するように、ソース電極配線12a等の上に形成される第2の絶縁膜16の開口部16aを介してソース電極集約配線13a、ドレイン電極集約配線13b、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bと接続される配線層が形成される。このとき、第2の絶縁膜16が厚膜であり、また、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの幅は、トランジスタのユニット幅に依存し、自由に大きくすることができないため、常にソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bとこれらの上の配線層とを接続することは困難である。そこで、前述の通り、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bの幅を大きくすることにより、少なくともこれら集約配線の上における接続が可能となる。但し、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bにおいても接続される方がデバイスの配線抵抗を低減するのに望ましい。
また、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bは、ソース電極7a及びドレイン電極7bの長手方向に交互に形成されているのが望ましい。ここで、ソース電極集約配線13aとゲート電極垂直集約配線10との間には第1の絶縁膜6の開口部6aは形成されておらず、それらは十分に絶縁されていることが望ましく、第1の絶縁膜6は、その絶縁に必要な膜厚を有することが望ましい。
第1の絶縁膜206、ソース電極配線12a、ドレイン電極配線12b、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bの上には、例えば膜厚が400nm程度のSiNからなる保護膜14が形成されている。保護膜14の上には、例えば膜厚が10μm程度であり、ポリベンズオキサゾール(PBO)等からなる層間絶縁膜15が形成されている。ここで、保護膜14及び層間絶縁膜15を合わせて第2の絶縁膜16と呼ぶ。保護膜14は、第1の絶縁膜6と同様に、窒化物半導体層3に対する耐湿膜であり、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bと層間絶縁膜15との密着層として機能する。
第2の絶縁膜16は、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの一部を露出する開口部16aを有する。具体的に、図3(c)に示すように、開口部16a(図3(c)の斜線部)は、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの一部を露出すると共に、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bをも露出する。ここで、開口部16aは、ソース電極集約配線13a及びドレイン電極集約配線13bのみを露出しても構わないが、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bの一部をも露出し、これらの上層にこれらと接続する配線層を形成することによって、ソース電極配線及びドレイン電極配線の配線抵抗をより低減できる。なお、ソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bが露出されている部分の長さは、各配線の長手方向の長さの2分の1以下であることが好ましい。但し、後に形成される電極パッドの直下におけるソース電極配線12a及びドレイン電極配線12bが露出されている部分の長さは、各配線の長さの2分の1以下とならなくてもよい。具体的には、電極パッドの大きさが各セルの大きさよりも十分に大きい場合、ソース電極パッド21aの下において、ドレイン電極配線12bを露出する開口部16aを形成せず、ソース電極配線12aの全てを露出する開口部16aを形成することが望ましい。また、ドレイン電極パッド21bの下において、ソース電極配線12aを露出する開口部16aを形成せず、ドレイン電極配線12bの全てを露出する開口部16aを形成することが望ましい。
第2の絶縁膜16の上には、開口部16aを介してソース電極配線12a及びソース電極集約配線13aと選択的に接続されたソース電極上層配線20aが形成されている。同様に、図3(d)に示すように、第2の絶縁膜16の上には、開口部16aを介してドレイン電極配線12b及びドレイン電極集約配線13bと選択的に接続されたドレイン電極上層配線20bが形成されている。また、ソース電極上層配線20aは、ソース電極集約配線13aに沿って形成され、ドレイン電極上層配線20bは、ドレイン電極集約配線13bに沿って形成されている。ソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bは、例えばチタン(Ti)等からなる下層密着層17と、銅(Cu)等からなる導電層18と、ニッケル(Ni)等からなる上層金属層19とが順次積層されて構成されている。下層密着層17の膜厚は100nm程度であり、導電層18の膜厚は5μm程度であり、上層金属層19の膜厚は1μm程度である。
第2の絶縁膜16の上には、ソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bとそれぞれ一体に形成されたソース電極パッド21a及びドレイン電極パッド21bが形成されている。すなわち、ソース電極パッド21a及びドレイン電極パッド21bは、ソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bと同一の材料からなる。なお、ソース電極パッド21a及びドレイン電極パッド21bは、活性領域の上に位置する。ソース電極パッド21aは、第2の絶縁膜16の開口部16aを介してソース電極集約配線13a及びソース電極配線12aの一部と接続している。同様に、ドレイン電極パッド21bは、第2の絶縁膜16の開口部16aを介してドレイン電極集約配線13b及びドレイン電極配線12bの一部と接続している。また、第2の絶縁膜16の上には、その開口部16aを介してゲート電極平行集約配線11と接続するゲート電極パッド22が形成されている。
基板1における窒化物半導体層3が形成された面と反対側の面(裏面)には、例えばAu及びスズ(Sn)等からなる裏面電極23が形成されており、外部から基板1に電位を与えることもできる。
ソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bよりも下の層に形成された配線の幅は、トランジスタのユニットの幅に依存しており、自由に大きくすることができないため、配線抵抗を十分に低減できない。しかしながら、それらの上層にユニットの幅に依存しないソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bを形成することにより、デバイスの配線抵抗を大幅に低減することができる。また、ソース電極上層配線20a及びドレイン電極上層配線20bとソース電極パッド21a及びドレイン電極パッド21bとを同一の層に形成することにより、少ない配線層で低いオン抵抗と十分な最大電流とを得ることができる。さらに、各電極パッドを活性領域の上に形成することにより、デバイスのチップ面積を低減することができる。
本発明の第1の実施形態に係る窒化物半導体装置によると、オン抵抗を低減し、ゲート幅当たりの最大電流が高い窒化物半導体装置を得ることができる。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置ついて図4及び図5を参照しながら説明する。本実施形態において、第1の実施形態と同一の部材には同一の符号を付け、その説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置は、第1のゲート電極であるG1電極38a及び第2のゲート電極であるG2電極38bの2つをゲート電極として有するダブルゲート型の窒化物半導体装置である。図4及び図5に示すように、活性領域の上にG1電極38a及びG2電極38bとそれぞれ電気的に接続するようにG1電極パッド52a及びG2電極パッド52bが形成されている。同様に、第1の電極であるS1電極37a及び第2の電極であるS2電極37bと電気的に接続するように、活性領域の上にS1電極パッド51a及びS2電極パッド51bが形成されている。
具体的に、図5(a)に示すように、窒化物半導体層3の上にS1電極37a及びS2電極37bがマルチフィンガ状に形成され、それぞれは長手方向の同等の位置において分割されている。この分割された領域は、非活性領域としてもよい。また、S1電極37a及びS2電極37bのそれぞれに沿ってG1電極38a及びG2電極38bが形成されている。S1電極37a及びS2電極37bが分割された領域には、G1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bがそれぞれ交互に形成されている。G1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bは、それぞれG1電極38a及びG2電極38bと接続し、G1電極38a及びG2電極38bの長手方向と垂直な方向に延びている。これにより、各ゲート電極の配線長を短くでき、ゲートリーク電流で生じるゲート電極の電圧降下を防ぐことができる。その結果、ΔVGSを所望の値にすることができ、デバイスの最大電流の低下を防止することができる。また、S1電極37a及びS2電極37bが分割され、各セルのS1電極37a及びS2電極37bの配線抵抗を低減できるため、各電極の配線抵抗に起因する電圧の上昇によるΔVGSを低減できる。その結果、S1電極37a及びS2電極37bの配線抵抗によるデバイスのオン抵抗を低減でき、デバイスの最大電流の低下を防止できる。
活性領域の外周部の一部に、複数のG1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bのそれぞれと接続し、それらを束ねる配線であるG1電極平行集約配線41a及びG2電極平行集約配線41bが形成されている。これらの配線は、G1電極38a及びG2電極38bの長手方向に平行な方向に延びている。G1電極平行集約配線41a及びG2電極平行集約配線41bは、活性領域の内側、特に中央部に形成されてもよい。但し、G1電極平行集約配線41aは、S1電極パッド51aの下又はその近傍に形成され、G2電極平行集約配線41bは、S2電極パッド51bの下又はその近傍に形成されることが望ましい。また、それらは必ずしもG1電極38a及びG2電極38bと同一の層に形成される必要はなく、G1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bのそれぞれの端部と接続するG1電極38a及びG2電極38bよりも上層の他の配線層と接続するように形成されてもよい。なお、第1の実施形態と同様に、G1電極垂直集約配線40a、G2電極垂直集約配線40b、G1電極平行集約配線41a及びG2電極平行集約配線41bを非活性領域の上に形成する場合、それらの下層には必ずしもp型GaN層を形成する必要はない。また、G1電極垂直集約配線40a及びG1電極平行集約配線41aの幅は、G1電極38aの幅よりも大きく、G2電極垂直集約配線40b及びG2電極平行集約配線41bの幅は、G2電極38bの幅よりも大きいことが好ましい。
図5(b)に示すように、前記の各電極及び配線の上には第1の絶縁膜6が形成され、第1の絶縁膜6は、S1電極37a及びS2電極37bの一部を露出する開口部6aを有する。第1の絶縁膜6の上におけるS1電極37a及びS2電極37bのそれぞれの上にはS1電極配線42a及びS2電極配線42bが形成されている。S1電極配線42a及びS2電極配線42bは、それぞれ開口部6aを介してS1電極37a及びS2電極37bと接続しており、これらにより、第1の電極配線層及び第2の電極配線層が形成されている。第1の絶縁膜6の上におけるG1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bの上には、それぞれS1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bが形成されている。S1電極集約配線43aは、S1電極配線42aと接続し、S2電極集約配線43bは、S2電極配線42bと接続している。なお、S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bの幅は、それぞれS1電極配線42a及びS2電極配線42bの幅よりも大きいことが望ましい。このようにすると、電流の集中によるEMの発生と、配線抵抗の増大とを防止できる。また、S1電極集約配線43a、S2電極集約配線43b、S1電極配線42a及びS2電極配線42bの上にこれらと接続する配線層を形成する際に、その接続が容易となる。具体的に、後に詳細に説明するように、S1電極配線42a等の上に形成される第2の絶縁膜16の開口部16aを介してS1電極集約配線43a、S2電極集約配線43b、S1電極配線42a及びS2電極配線42bと接続される配線層が形成される。このとき、第2の絶縁膜16が厚膜であり、また、S1電極配線42a及びS2電極配線42bの幅は、トランジスタのユニット幅に依存し、自由に大きくすることができないため、常にS1電極配線42a及びS2電極配線42bとこれらの上の配線層とを接続することは困難である。そこで、前述の通り、S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bの幅を大きくすることにより、少なくともこれら集約配線の上における接続が可能となる。但し、S1電極配線42a及びS2電極配線42bにおいても接続される方がデバイスの配線抵抗を低減するのに望ましい。
S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bは、S1電極37a及びS2電極37bの長手方向に交互に形成されるのが望ましい。ここで、S1電極集約配線43aとG1電極垂直集約配線40aとの間、及びS2電極集約配線43bとG2電極垂直集約配線40bとの間には、第1の絶縁膜6の開口部6aは形成されず、それぞれは十分に絶縁されていることが望ましく、第1の絶縁膜6はその絶縁に必要な膜厚を有することが望ましい。
図5(c)に示すように、S1電極配線42a、S2電極配線42b、S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bの上には、第2の絶縁膜16が形成されている。第2の絶縁膜16は、S1電極配線42a、S2電極配線42b、S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bの一部を露出する開口部16a(図5(c)の斜線部)を有する。開口部16aは、S1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bのみを露出してもよいが、S1電極配線42a及びS2電極配線42bの一部をも露出し、これらの上層にこれらと接続する配線層を形成することによって、S1電極配線42a及びS2電極配線42bの配線抵抗をより低減できる。S1電極配線42a及びS2電極配線42bを露出する開口部16aの長さは、S1電極配線38a及びS2電極配線38bの長手方向の長さの2分の1以下であることが好ましい。但し、S1電極パッド51a及びS2電極パッド51bの直下においては、S1電極配線42a及びS2電極配線42bを露出する開口部16aの長さがS1電極配線38a及びS2電極配線38bの長手方向の長さの2分の1以下とならなくてもよい。具体的に、各電極パッドの大きさが各セルの大きさよりも十分に大きい場合、S1電極パッド51aの下において、S2電極配線37bを露出する開口部16aを形成せず、S1電極配線37aの全てを露出する開口部16aを形成することが望ましい。また、S2電極パッド51bの下において、S1電極配線37aを露出する開口部16aを形成せず、S2電極配線37bの全てを露出する開口部16aを形成することが望ましい。
図5(d)に示すように、第2の絶縁膜16の上におけるS1電極集約配線43a及びS2電極集約配線43bの上には、それぞれS1電極上層配線50a及びS2電極上層配線50bが形成されている。S1電極上層配線50aは、第2の絶縁膜16の開口部16aを介してS1電極集約配線43aと接続している。同様に、S2電極上層配線50bは、開口部16aを介してS2電極集約配線43bと接続している。それらの配線は第1の実施形態のソース電極上層配線等と同一の構成を有し、すなわち、例えばTiからなる下層密着層、Cuからなる導電層及びNiからなる上層金属層の積層構造を有する。また、第2の絶縁膜16の上には、S1電極上層配線50a及びS2電極上層配線50bとそれぞれ一体に形成されたS1電極パッド51a及びS2電極パッド51bが形成されている。すなわち、S1電極パッド51a及びS2電極パッド51bは、S1電極上層配線50a及びS2電極パッド51bと同一の材料からなる。なお、S1電極パッド51a及びS2電極パッド51bは、活性領域の上に位置する。また、G1電極パッド52a及びG2電極パッド52bもS1電極パッド51a及びS2電極パッド51bと同一の層上に形成されている。ここで、G1電極パッド52a及びG2電極パッド52bは、例えばこれらと最も近接しているG1電極垂直集約配線40a及びG2電極垂直集約配線40bから引き出された配線等とそれぞれ接続するように形成されている。なお、第1の実施形態と同様に、活性領域の外周部に形成されたG1電極平行集約配線41a及びG2電極平行集約配線41bの上に、これらとそれぞれ接続するように、G1電極パッド52a及びG2電極パッド52bが形成されても構わない。
S1電極上層配線50a及びS2電極上層配線50bよりも下の層に形成された配線の幅は、トランジスタのユニットの幅に依存しており、自由に大きくすることができないため、配線抵抗を十分に低減できない。しかしながら、それらの上層にユニットの幅に依存しないS1電極上層配線50a及びS2電極上層配線50bを形成することにより、デバイスの配線抵抗を大幅に低減することができる。また、S1電極上層配線50a及びS2電極上層配線50bとS1電極パッド51a及びS2電極パッド51bとを同一の層に形成することにより、少ない配線層で低いオン抵抗と十分な最大電流とを得ることができる。さらに、各電極パッドを活性領域の上に形成することにより、デバイスのチップ面積を低減することができる。
本発明の第2の実施形態に係る窒化物半導体装置によると、オン抵抗を低減し、ゲート幅当たりの最大電流が高い、ダブルゲート構造を有する窒化物半導体装置を得ることができる。
本発明に係る窒化物半導体装置は、オン抵抗を低減し、ゲート幅当たりの最大電流が高くでき、特に、活性領域の上に形成された電極パッドを有する窒化物半導体装置等に有用である。
1 基板
2 バッファ層
3 窒化物半導体層
4 アンドープGaN層
5 アンドープAlGaN層
6 第1の絶縁膜(電極上絶縁膜)
6a (第1の絶縁膜の)開口部
7a ソース電極(第1の電極)
7b ドレイン電極(第2の電極)
8 ゲート電極
9 p型GaN層
10 ゲート電極垂直集約配線(第1のゲート電極集約配線)
11 ゲート電極平行集約配線
12a ソース電極配線(第1の電極配線)
12b ドレイン電極配線(第2の電極配線)
13a ソース電極集約配線(第1の電極集約配線)
13b ドレイン電極集約配線(第2の電極集約配線)
14 保護膜
15 層間絶縁膜
16 第2の絶縁膜(配線上絶縁膜)
16a(第2の絶縁膜の)開口部
17 下層密着層
18 導電層
19 上層金属層
20a ソース電極上層配線(第1の電極上層配線)
20b ドレイン電極上層配線(第2の電極上層配線)
21a ソース電極パッド(第1の電極パッド)
21b ドレイン電極パッド(第2の電極パッド)
22 ゲート電極パッド
23 裏面電極
37a S1電極(第1の電極)
37b S2電極(第2の電極)
38a G1電極(第1のゲート電極)
38b G2電極(第2のゲート電極)
40a G1電極垂直集約配線(第1のゲート電極集約配線)
40b G2電極垂直集約配線(第2のゲート電極集約配線)
41a G1電極平行集約配線
41b G2電極平行集約配線
42a S1電極配線(第1の電極配線)
42b S2電極配線(第2の電極配線)
43a S1電極集約配線(第1の電極集約配線)
43b S2電極集約配線(第2の電極集約配線)
50a S1電極上層配線(第1の電極上層配線)
50b S2電極上層配線(第2の電極上層配線)
51a S1電極パッド(第1の電極パッド)
51b S2電極パッド(第2の電極パッド)
52a G1電極パッド
52b G2電極パッド

Claims (12)

  1. 基板と、
    前記基板の上に形成され、活性領域を有する窒化物半導体層と、
    前記窒化物半導体層における前記活性領域の上に互いに平行に延びるように形成され、長手方向にそれぞれ分割された第1の電極配線層と、
    前記窒化物半導体層の上に前記第1の電極配線層に沿って形成された第1のゲート電極と、
    前記窒化物半導体層の上における前記第1の電極配線層が分割された領域に、前記第1のゲート電極の長手方向と垂直な方向に延びるように形成され、前記第1のゲート電極と電気的に接続する第1のゲート電極集約配線と、
    前記第1のゲート電極集約配線の上に該第1のゲート電極集約配線と離間して形成され、前記第1の電極配線層と電気的に接続し、前記第1のゲート電極集約配線の長手方向と同一方向に、長手方向が延びるように形成された第1の電極集約配線と、
    前記第1の電極配線層及び第1の電極集約配線の上に形成され、前記第1の電極集約配線を露出する開口部を有する配線上絶縁膜と、
    前記配線上絶縁膜の上における前記第1の電極集約配線の上に形成され、前記開口部を介して前記第1の電極集約配線と電気的に接続する第1の電極上層配線とを備えている窒化物半導体装置。
  2. 請求項1において、
    前記配線上絶縁膜の開口部は、前記第1の電極配線層をも露出し、
    前記第1の電極上層配線は、前記配線上絶縁膜の開口部を介して前記第1の電極配線層と電気的に接続されている窒化物半導体装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記窒化物半導体層における前記活性領域の上の前記第1の電極配線層に含まれる電極同士の間に該電極に沿って形成され、長手方向にそれぞれ分割された第2の電極配線層と、
    前記第1の電極配線層及び第2の電極配線層が分割された領域で且つ前記第1のゲート電極集約配線が形成されていない領域の上に形成され、前記第2の電極配線層と電気的に接続する第2の電極集約配線と、
    前記配線上絶縁膜の上における前記第2の電極集約配線の上に形成された第2の電極上層配線とをさらに備え、
    前記配線上絶縁膜の開口部は、前記第2の電極集約配線をも露出し、前記第2の電極集約配線と前記第2の電極上層配線とは前記配線上絶縁膜の開口部を介して電気的に接続されている窒化物半導体装置。
  4. 請求項において、
    前記配線上絶縁膜の開口部は、前記第2の電極配線層をも露出し、
    前記第2の電極上層配線は、前記配線上絶縁膜の開口部を介して前記第2の電極配線層と電気的に接続されている窒化物半導体装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項において、
    前記第1の電極配線層は、前記窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層と直接に接続するように形成された第1の電極と、前記第1の電極の上に形成された第1の電極配線とを含み、
    前記窒化物半導体層の上には、前記第1のゲート電極及び第1のゲート電極集約配線を覆い、且つ、前記第1の電極を露出する開口部を有する電極上絶縁膜が形成され、
    前記第1の電極配線は、前記電極上絶縁膜の開口部を介して前記第1の電極と電気的に接続している窒化物半導体装置。
  6. 請求項3又は4において、
    前記第1の電極配線層は、前記窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層と直接に接続するように形成された第1の電極と、前記第1の電極の上に形成された第1の電極配線とを含み、
    前記窒化物半導体層の上には、前記第1のゲート電極及び第1のゲート電極集約配線を覆い、且つ、前記第1の電極を露出する開口部を有する電極上絶縁膜が形成され、
    前記第1の電極配線は、前記電極上絶縁膜の開口部を介して前記第1の電極と電気的に接続し、
    前記第2の電極配線層は、前記窒化物半導体層の上に該窒化物半導体層と直接に接続するように形成された第2の電極と、前記第2の電極の上に形成された第2の電極配線とを含み、
    前記電極上絶縁膜の開口部は、前記第2の電極をも露出し、
    前記第2の電極配線は、前記電極上絶縁膜の開口部を介して前記第2の電極と電気的に接続している窒化物半導体装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項において、
    前記第1のゲート電極集約配線の幅は、前記第1のゲート電極の幅よりも大きい窒化物半導体装置。
  8. 請求項5又は6において、
    前記第1の電極集約配線の幅は、前記第1の電極配線の幅よりも大きい窒化物半導体装置。
  9. 請求項において、
    前記第2の電極集約配線の幅は、前記第2の電極配線の幅よりも大きい窒化物半導体装置。
  10. 請求項3、4、6及び9のいずれか1項において、
    前記配線上絶縁膜の上に前記第1の電極上層配線及び第2の電極上層配線のそれぞれと一体に形成され、前記活性領域の上に位置する第1の電極パッド及び第2の電極パッドをさらに備えている窒化物半導体装置。
  11. 請求項3、4、6、9及び10のいずれか1項において、
    前記窒化物半導体層の上に前記第2の電極配線層に沿って形成された第2のゲート電極と、
    前記窒化物半導体層の上における前記第1の電極配線層及び第2の電極配線層が分割された領域で且つ前記第1のゲート電極集約配線が形成されていない領域に、前記第2のゲート電極の長手方向と垂直な方向に延びるように形成され、前記第2のゲート電極と電気的に接続する第2のゲート電極集約配線とをさらに備えている窒化物半導体装置。
  12. 請求項11において、
    前記第2のゲート電極集約配線の幅は、前記第2のゲート電極の幅よりも大きい窒化物半導体装置。
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