JP6544264B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体層の面内方向に大電流が流される半導体装置の構造に関する。

大電流のスイッチング動作を行う半導体装置として、例えば、ＩＩＩ属窒化物半導体（ＧａＮ等）を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が知られている。ＨＥＭＴにおいては、オフ時における高い耐圧が要求されるため、オフ時において半導体層内で局所的に電界強度が高まる箇所が形成されることがないような構造が採用される。

こうした構造の一例として、例えば特許文献１には、フィールドプレートを設けた構造が記載されている。図５は、この半導体装置２００の断面図であり、半導体層１１の一方の主面となる表面上に形成されたソース電極（第１主電極）２１、ドレイン電極（第２主電極）２２が並んだ方向かつ鉛直方向に沿った断面が示されている。ここでは、基板１０、ノンドープのＧａＮ層（チャネル層）１１Ａ、ＡｌＧａＮ層（バリア層）１１Ｂが順次形成された半導体層１１が用いられ、ＧａＮ層１１ＡとＡｌＧａＮ層１１Ｂのヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガス層によるソース電極２１、ドレイン電極２２間に流れる電流のオン・オフがゲート電極（制御電極）２３の電位で制御される。この際、通常はソース電極２１は接地電位とされ、ドレイン電極２２に高電圧が印加される。ゲート電極２３の電位は制御に応じ変化するが、ドレイン電極２２の電位と比べるとその絶対値は小さく、ほぼ接地電位とみなせる範囲である。これらの構成は通常知られるＨＥＭＴと同様である。

また、ＳｉＯ_２等で構成された層間絶縁層１２が、半導体層１１の表面及びソース電極２１、ドレイン電極２２、ゲート電極２３を覆うように形成されている。層間絶縁層１２中には、ゲート電極２３上からドレイン電極２２側にかけて、フィールドプレート１２４が形成されている。フィールドプレート１２４は図示の範囲外でソース電極２１と電気的に接続されているため、その電位は常時接地電位となる。また、フィールドプレート１２４におけるゲート電極２３よりも右側（ドレイン電極２２側）の領域は、特に半導体層１１（ＡｌＧａＮ層１１Ｂ）と近接している。フィールドプレート１２４は低抵抗の配線材料（Ａｌ等）で構成される。

フィールドプレート１２４におけるゲート電極２３よりも右側の領域においては、フィールドプレート１２４を用いたＭＩＳ構造が形成されるため、フィールドプレート１２４の電位によってゲート電極２３からドレイン電極２２側における半導体層１１の電位分布は制御される。これによって、オフ時において電界強度が局所的に高まる箇所（電位が急峻に変動する箇所）が半導体層１１に形成されることが抑制される。一般的にはゲート電極２３は接地電位または接地電位に近い低電位となるのに対し、ドレイン電極２２には高電圧が印加され、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間の領域が高い電位となり特に電界集中が発生しやすい。このため、フィールドプレート１２４は上記のように通常はゲート電極２３とドレイン電極２２との間の領域に設けられる。また、フィールドプレート１２４の電位が実質的にソース電位と近いゲート電極２３の電位と等しくされる場合もある。

特許文献１に記載のように、ソース電極、ゲート電極とは別体とされたフィールドプレートを設ける場合もあるが、ソース電極やゲート電極における半導体層と接さない一部（上部）を層間絶縁層を介して水平方向で延伸させ、この部分を半導体層に近接させ、実質的にフィールドプレートとして用いることも行われている。例えば、図５におけるフィールドプレート１２４とゲート電極２３とが一体化した構造とすることもできる。

特開２０１３−８９９７０号公報

上記のように、フィールドプレートや実質的にフィールドプレートとなる構造（以下、これらをフィールドプレート構造と呼称）を用いた場合には、フィールドプレート構造の電位は一様であるために、その直下の半導体層においては、急峻な電位変動は抑制される。しかしながら、フィールドプレート構造の端部においては、フィールドプレート構造のある状態とない状態とが急峻に遷移するため、電位は急峻に変動する。このため、フィールドプレート構造の端部では電界集中は発生しやすく、フィールドプレート構造を用いて電界集中を充分に抑制することは困難であった。

すなわち、フィールドプレート構造を用いて電界集中が充分に抑制された半導体装置を得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の半導体装置は、半導体層の一方の主面となる表面側において設けられた第１主電極と第２主電極との間に流れる電流のオン・オフが前記第１主電極と前記第２主電極との間に設けられた制御電極の電位によって制御され、前記第１主電極と前記第２主電極との間の前記表面上において層間絶縁層を介して前記表面と対向するように設けられた電極であるフィールドプレートを具備する半導体装置であって、前記フィールドプレートは、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分の前記表面に沿った方向における一方の端部側において、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分における前記端部よりも他方の側の領域よりも薄く形成され、かつ前記表面に近い側において前記表面に沿って前記一方の側に突出するように設けられたテール部を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記テール部は、前記表面に沿って前記第１主電極と前記第２主電極とが並ぶ方向において突出することを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分において、前記フィールドプレートにおける前記テール部以外において前記表面と対向する面と、前記テール部において前記表面と対向する面とは同一平面を構成し、前記フィールドプレートにおける前記一方の端部側の面として、前記表面から遠い側に設けられ前記表面との間でなす角度が第１テーパ角とされた面である第１端面と、前記テール部における前記表面と対向する側と反対側の面であり前記表面との間でなす角度である第２テーパ角が前記第１テーパ角よりも小さく設定され、前記第１端面よりも前記表面に近い側に設けられた第２端面と、を具備することを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分は前記制御電極と前記第２主電極との間に設けられ、前記第１主電極がソース電極、前記第２主電極がドレイン電極、前記制御電極がゲート電極とされた電界効果トランジスタであることを特徴とする。
本発明の半導体装置において、前記半導体層は前記制御電極の直下においてＩＩＩ属窒化物半導体のヘテロ接合を具備し、前記電流は前記へテロ接合界面を流れることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分において、前記フィールドプレートの最大厚さをＴとし、前記テール部の最大厚さをＴ１として、０＜Ｔ１／Ｔ≦０．５であることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、前記表面と垂直、かつ前記表面に沿って前記第１主電極と前記第２主電極とが並ぶ方向に沿った断面視において前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分における前記テール部以外の領域の前記表面に沿った長さをａ、前記テール部の前記表面に沿った長さをｂとして、０．０５≦ｂ／ａ≦０．２の範囲であることを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、フィールドプレート構造を用いて電界集中が充分に抑制された半導体装置を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置におけるフィールドプレートの構造を示す拡大図である。 従来の半導体装置におけるフィールドプレートの構造を示す拡大図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。 従来の半導体装置の断面図である。

以下、本発明の実施の形態となる半導体装置について説明する。図１は、この半導体装置１００の断面図であり、図５に対応する。この半導体装置においても、前記の半導体装置２００と同様の基板１０、半導体層１１（ＧａＮ層（チャネル層）１１Ａ、ＡｌＧａＮ層（バリア層）１１Ｂ）、ソース電極（第１主電極）２１、ドレイン電極（第２主電極）２２、ゲート電極（制御電極）２３、層間絶縁層１２が用いられる。

この半導体装置１００は、フィールドプレート２４の端部の形状に特徴を有し、フィールドプレート２４端部においては、下部に膜厚が薄いテール部２４Ｃが形成されている。図２は、図１におけるフィールドプレート２４の右側端部周辺の構成を拡大した図である。図２においては、層間絶縁層１２の記載は省略されている。ここで、半導体層１１の表面電位を制御するために機能するのは、フィールドプレート２４において薄い層間絶縁層１２を介して半導体層１１と対向する部分であり、この部分は領域Ａ（幅ａ）、領域Ｂ（幅ｂ）の２つの領域で構成される。図１、２の構成により、領域Ａ、Ｂにおけるフィールドプレート２４と半導体層１１の間隔は、少なくともゲート電極２３の上面と半導体層１１との間の間隔よりも小さくなっている。

図２に示されるように、フィールドプレート２４の右側（一方の側）の端面は、水平面（半導体層１１の表面：一方の主面）との間でなす角度（第１テーパ角）が垂直に近く設定され上側にある面である第１端面２４Ａと、第１端面２４Ａの下側において水平面との間のなす角度（第２テーパ角）が第１テーパ角よりも小さく０°に近く設定され下側にある面である第２端面２４Ｂで構成される。第２端面２４Ｂは領域Ｂに設けられ、第２端面２４Ｂよりも左側が領域Ａとなる。また、領域Ａ、領域Ｂにおけるフィールドプレート２４の半導体層１１と対向する側の表面は、半導体層１１の表面と平行な同一平面を構成する。このようにフィールドプレート２４の端面を２段階のテーパ構造とすることにより、ドレイン電極２２側に向かって水平に突出するテーパ形状のテール部２４Ｃが、第１端面２４Ａよりも下側（半導体層１１側）に形成される。

テール部２４Ｃ（領域Ｂ）によってもたらされる効果について説明する。比較のために、図３（ａ）は、テール部を具備せずその端面が垂直形状とされたフィールドプレート１２４が設けられた従来の構造の半導体装置２００の構造を図２に対応させて示す。前記の通り、フィールドプレート１２４は接地電位とされる。この際、フィールドプレート１２４は一様な厚さＴで低抵抗の金属材料で構成され、その電気抵抗は低くなるため、半導体層１１の表面電位を制御可能な領域Ｃにおいてフィールドプレート１２４の電位は一様に接地電位である。このため、半導体層１１からみたその上側の電位は、領域Ｃで接地電位、その両側で浮遊電位となるように急峻に変化する。

図２の構成において、領域Ａは前記のフィールドプレート１２４における領域Ｃと同様であるため、領域Ａにおけるフィールドプレート２４の電気抵抗は低く、領域Ａにおける電位は一様に接地電位である。一方、テール部２４Ｃは先端に向かって薄くなっており、その根元における厚さＴ１はＴ１＜Ｔであるため、テール部２４Ｃの電気抵抗は高い。このため、特にテール部２４Ｃの先端側は、フィールドプレート２４におけるテール部２４Ｃ以外の領域（領域Ａ）から浮遊した状態に近くなる。このため、模式的に考えると、図２における領域Ａは一様に接地電位となるが、領域Ｂにおいては、電位はテール部２４Ｃの根元側では接地電位であるが、先端側に向かって徐々に浮遊状態に近づく。これにより、シールドプレート２４の端部において、半導体層１１からみたその上側の電位変化を、図３（ａ）の構成と比べて緩やかにすることができる。

また、図３（ｂ）は、端部がテーパ形状とされたフィールドプレート２２４が用いられた場合の構成を上記と同様に示す。この構造は、図２においてＴ＝Ｔ１とされた場合に相当する。この場合において、領域Ｄ（幅ｄ）は図２における領域Ａと同様に一様に接地電位となり、かつ領域Ｅは先端に向かうに従って薄くなるため、電気抵抗が徐々に増大し、図２における領域Ｂと類似の作用をする。しかしながら、領域Ｅにおけるフィールドプレート２２４は図２におけるテール部２４Ｃよりも厚いため、電位変化を緩やかにする効果は小さい。また、後述するように、図２の構造は、図３（ｂ）の構造よりも容易に製造することができる。

このように、図２における領域Ａにおいては、フィールドプレート２４は前記のフィールドプレート１２４と同様に機能する。更に、テール部２４Ｃによって、フィールドプレート２４端部における電位の変化は緩やかとなる。このため、オフ時における半導体層１１中における電界集中が充分に抑制される。

上記の効果を奏するためには、テール部２４Ｃの電気抵抗が充分に高くなるようにＴ１＜＜Ｔとすることが好ましく、０≦Ｔ１／Ｔ≦０．５とすることが特に好ましい。同様に、図２の左右方向において、領域Ａの長さａと領域Ｂの長さｂにおいて、０．０５≦ｂ／ａ≦０．２の範囲とすることが好ましい。ｂ／ａが０．０５未満の場合、上記の効果が不充分となり、ｂ／ａが０．２を超える場合、テール部２４Ｃの角度がより鋭角になるため、この部分で放電が起きやすくなるという問題がある。

以下に、図１、２の構造の製造方法について説明する。図４は、この製造方法を示す工程断面図であり、図１におけるフィールドプレート２４近傍の構造に対応する断面が示されている。ここで、半導体層１１、ソース電極２１、ドレイン電極２２、ゲート電極２３が形成された後について記載されており、半導体層１１やこれらの電極の形成方法は周知のものと同様である。ここで、ＧａＮ層（チャネル層）１１Ａ以下は記載が省略されている。

まず、図４（ａ）に示されるように、半導体層１１（ＡｌＧａＮ層（バリア層）１１Ｂ）上に、ゲート電極２３がパターニングされて形成される。ゲート電極２３は、実際には紙面垂直方向に延伸している。また、図示の範囲外で、ソース電極２１、ドレイン電極２２も同様に紙面垂直に延伸して形成される。このため、ソース電極２１とドレイン電極２２との間におけるＧａＮ層１１Ａ／ＡｌＧａＮ層１１Ｂ界面で紙面水平方向に電流を流すことができ、この電流のオン・オフがゲート電極２３に印加された電圧で制御される。

その後、図４（ｂ）に示されるように、ゲート電極２３を含む半導体層１１の表面全体に、第１層間絶縁層１２Ａを形成する。第１層間絶縁層１２Ａは、前記の層間絶縁層１２の下側の部分を構成し、ゲート電極２３の端部も覆うように形成される。

その後、図４（ｃ）に示されるように、後にフィールドプレート２４となる金属層３０を全面に成膜する。ソース電極２１、ドレイン電極２２は、ＡｌＧａＮ層１１Ｂに対してオーミック接触する材料で、ゲート電極２３は、ＡｌＧａＮ層１１Ｂ／ＧａＮ層１１Ａ界面の２次元電子ガスの制御が可能となるような材料で、それぞれ形成されるのに対して、金属層３０は、配線として使用可能な低抵抗の金属材料（例えばＡｌ）で構成される。

その後、図４（ｄ）に示されるように、金属層３０を加工してフィールドプレート２４とするためのマスクとなるフォトレジスト層３００を形成する。その後、図４（ｅ）に示されるように、フォトレジスト層３００をマスクとして金属層３０のドライエッチングを行う。

ここで、周知のように、ドライエッチングの際には、マスク（フォトレジスト層３００）の極近傍においては、マスクから充分離れた領域と比べてエッチング速度が低下する。このため、図４（ｆ）に示されるように、フォトレジスト層３００から充分離れた領域で金属層３０がエッチングされた状態では、フォトレジスト層３００の周囲にテール部２４Ｃが形成される。

このため、この状態でフォトレジスト層３００を除去した図４（ｇ）の状態で、図１におけるフィールドプレート２４が、第１層間絶縁層１２Ａ上に形成される。その後、図４（ｈ）に示されるように、図１における層間絶縁層１２の上側の部分となる第２層間絶縁層１２Ｂを、前記の第１層間絶縁層１２Ａと同様に全面に形成する。これによって、図１の構造となる。なお、ソース電極２１、ドレイン電極２２、あるいはゲート電極２３に対しては、図示の範囲外で層間絶縁層１２（第２層間絶縁層１２Ｂ、第１層間絶縁層１２Ａ）が開口され、ボンディングパッドと接続された配線層が接続される。また、同様に、フィールドプレート２４に対しては、ソース電極２１と接続された配線層が接続される。

図２におけるＴ１＝Ｔとされた場合に相当する図３（ｂ）のフィールドプレート２２４を形成する際には、厚さＴの金属層をその厚さ方向全域にわたりテーパ化することが必要となり、この加工は厚さＴが大きな場合には特に容易ではない。また、フィールドプレート２２４の端面のテーパ角（水平面（半導体層１１の表面）との間のなす角）を上記のテール部２４Ｃを構成する第２端面２４Ｂと同様とする場合には、領域Ｅの長さｅを極めて大きくとる必要がある。これに対して、上記の製造方法によって、Ｔ１＜Ｔとされたテール部２４Ｃ（フィールドプレート２４）を容易に製造することができ、かつ領域Ｂの長さｂを適度に設定することができる。

なお、上記の構造では、ゲート電極２３の上にゲート電極２３とは別体とされ接地電位とされたフィールドプレート２４が用いられたが、同様のテール部をもつフィールドプレート構造をゲート電極やソース電極に適用することもできる。こうした場合には、例えばソース電極やゲート電極を２層構造とし、下層を前記のような材料で構成して上層を上記のフィールドプレートと同様の配線材料として、上層に上記のようなテール部を形成すればよい。ドレイン電極についても同様である。

また、上記の構造では、テール部２４Ｃが突出する方向は、ソース電極２１、ドレイン電極２２が並ぶ方向（図１、２における左右方向）とされた。この場合、テール部２４Ｃを構成する第２端面２４Ｂはこの左右方向と交差する。一般的に、ソース電極２１、ドレイン電極２２が並ぶ方向に沿った電界強度が高くなるために、そうした構成は特に好ましい。しかしながら、半導体層の構成、形状等に応じ、ソース電極２１、ドレイン電極２２が並ぶ方向と異なる方向で電界強度が高まることもある。こうした場合には、この方向で突出するようにテール部を形成すればよい。この点において、上記の製造方法は、どの方向にも同様にテール部を形成することができるため、有効である。

また、上記の例ではフィールドプレート２４の端面を第１端面２４Ａと第２端面２４Ｂで構成したテーパ形状とすることによって、テール部２４Ｃを形成した。しかしながら、領域Ａにおけるフィールドプレートよりも薄く形成され、領域Ｂにおいて下側でドレイン電極側に突出するように設けられたテール部を設ければ、上記と同様の効果を奏することは明らかである。このため、テール部の形状としては、上記の形状に限定されず、この形状に応じて前記の製造方法とは異なる製造方法を用いることができる。

また、上記の半導体装置は、ＧａＮ等（ＩＩＩ族窒化物半導体）が用いられたＨＥＭＴであったが、半導体層の一表面に設けられた第１主電極と第２主電極の間で電流が流される素子であれば、第１電極と第２電極の間において上記のようなフィールドプレートを設けることによって耐圧を向上させることができる。

１０ 基板
１１ 半導体層
１１Ａ ＧａＮ層（チャネル層）
１１Ｂ ＡｌＧａＮ層（バリア層）
１２ 層間絶縁層
１２Ａ 第１層間絶縁層
１２Ｂ 第２層間絶縁層
２１ ソース電極（第１主電極）
２２ ドレイン電極（第２主電極）
２３ ゲート電極（制御電極）
２４、１２４、２２４ フィールドプレート
２４Ａ 第１端面
２４Ｂ 第２端面
２４Ｃ テール部
３０ 金属層
１００、２００ 半導体装置（ＨＥＭＴ）
３００ フォトレジスト層

Claims (7)

1. 半導体層の一方の主面となる表面側において設けられた第１主電極と第２主電極との間に流れる電流のオン・オフが前記第１主電極と前記第２主電極との間に設けられた制御電極の電位によって制御され、前記第１主電極と前記第２主電極との間の前記表面上において層間絶縁層を介して前記表面と対向するように設けられた電極であるフィールドプレートを具備する半導体装置であって、
   前記フィールドプレートは、前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分の前記表面に沿った方向における一方の端部側において、
   前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分における前記端部よりも他方の側の領域よりも薄く形成され、かつ前記表面に近い側において前記表面に沿って前記一方の側に突出するように設けられたテール部を具備することを特徴とする半導体装置。
2. 前記テール部は、前記表面に沿って前記第１主電極と前記第２主電極とが並ぶ方向において突出することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分において、前記フィールドプレートにおける前記テール部以外において前記表面と対向する面と、前記テール部において前記表面と対向する面とは同一平面を構成し、
   前記フィールドプレートにおける前記一方の端部側の面として、
   前記表面から遠い側に設けられ前記表面との間でなす角度が第１テーパ角とされた面である第１端面と、
   前記テール部における前記表面と対向する側と反対側の面であり前記表面との間でなす角度である第２テーパ角が前記第１テーパ角よりも小さく設定され、前記第１端面よりも前記表面に近い側に設けられた第２端面と、
   を具備することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分は前記制御電極と前記第２主電極との間に設けられ、前記第１主電極がソース電極、前記第２主電極がドレイン電極、前記制御電極がゲート電極とされた電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記半導体層は前記制御電極の直下においてＩＩＩ属窒化物半導体のヘテロ接合を具備し、前記電流は前記へテロ接合界面を流れることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分において、
   前記フィールドプレートの最大厚さをＴとし、前記テール部の最大厚さをＴ１として、０＜Ｔ１／Ｔ≦０．５であることを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記表面と垂直、かつ前記表面に沿って前記第１主電極と前記第２主電極とが並ぶ方向に沿った断面視において
   前記フィールドプレートの前記表面と対向する部分における前記テール部以外の領域の前記表面に沿った長さをａ、前記テール部の前記表面に沿った長さをｂとして、０．０５≦ｂ／ａ≦０．２の範囲であることを特徴とする請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の半導体装置。

Images