JP2018160496A

JP2018160496A - 半導体装置

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Publication number: JP2018160496A
Application number: JP2017055617A
Authority: JP
Inventors: 真実青木; Mami Aoki
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: JP6809324B2

Abstract

【課題】半導体層の表面に対して形成される保護膜と比べて、フィールドプレート電極の表面に対して形成される保護膜を厚く構成できるため、耐湿性の低下を抑制できる。【解決手段】半導体装置は、フィールドプレート電極と、フィールドプレート電極の表面を覆う保護膜と、を備え、保護膜は、フィールドプレート電極の表面に対して形成された窒化ケイ素膜と、窒化ケイ素膜の表面に対して窒化ケイ素膜より厚く形成された二酸化ケイ素膜と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体装置には、半導体装置の表面を保護する保護膜を備えるものがある（特許文献１）。保護膜に要求される特性のひとつとして、耐湿性が挙げられる。

特開２００８−３１１２６９号公報

特許文献１の窒化物半導体積層構造部は、窒化物半導体積層構造部の表面に対して形成された窒化ケイ素膜と、窒化ケイ素膜の表面に対して形成された二酸化ケイ素膜と、が積層された保護膜を備える。特許文献１における保護膜は、リーク電流を抑制するために半導体層の表面に対して形成されることから、厚さが１０５０Å〜５５００Åの範囲内であり、比較的薄い。このため、特許文献１における保護膜を、半導体装置を保護する保護膜として用いた場合、その薄さから耐湿性が非常に低くなる虞がある。このような課題を解決するために、半導体装置の表面を保護する保護膜について、耐湿性の低下を抑制可能な技術が望まれる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、半導体装置が提供される。この半導体装置は、フィールドプレート電極と、前記フィールドプレート電極の表面を覆う保護膜と、を備え、前記保護膜は、前記フィールドプレート電極の表面に対して形成された窒化ケイ素膜と、前記窒化ケイ素膜の表面に対して前記窒化ケイ素膜より厚く形成された二酸化ケイ素膜と、を有する。このような形態とすれば、半導体層の表面に対して形成される保護膜と比べて、フィールドプレート電極の表面に対して形成される保護膜を厚く構成できるため、耐湿性の低下を抑制できる。また、半導体装置を製造する工程において保護膜を形成した後に、例えば、裏面電極を形成するために熱処理を行っても、窒化ケイ素膜より熱膨張率の高い二酸化ケイ素膜の厚みが窒化ケイ素膜より厚く形成されているため、熱処理によって保護膜に生じる熱応力が緩和され、クラックが発生しにくい。したがって、半導体装置の製造において、熱処理による保護膜の割れを原因とした歩留まりの低下を抑制できる。

（２）上記形態における半導体装置において、前記窒化ケイ素膜の厚さは、０．１μｍ以上であり、前記二酸化ケイ素膜の厚さは、前記窒化ケイ素膜の約９倍であってもよい。このような形態とすれば、保護膜における耐湿性の低下をより一層抑制できる。また、半導体装置の製造において、熱処理による保護膜の割れを原因とした歩留まりの低下をより一層抑制できる。

本発明は、半導体装置に限るものではなく、例えば、上記形態の半導体装置が組み込まれた電気機器などの形態で実現することができる。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

本発明によれば、半導体層の表面に対して形成される保護膜と比べて、フィールドプレート電極の表面に対して形成される保護膜を厚く構成できるため、耐湿性の低下を抑制できる。また、半導体装置を製造する工程において保護膜を形成した後に、例えば、裏面電極を形成するために熱処理を行っても、窒化ケイ素膜より熱膨張率の高い二酸化ケイ素膜の厚みが窒化ケイ素膜より厚く形成されているため、熱処理によって保護膜に生じる熱応力が緩和され、クラックが発生しにくい。したがって、半導体装置の製造において、熱処理による保護膜の割れを原因とした歩留まりの低下を抑制できる。

第１実施形態における半導体装置の構成を模式的に示す断面図である。半導体装置の一部を拡大した拡大図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．半導体装置の構成
図１は、第１実施形態における半導体装置１０の構成を模式的に示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。

図１のＸＹＺ軸のうち、Ｘ軸は、図１の紙面左から紙面右に向かう軸であり、＋Ｘ軸方向は、紙面右に向かう方向であり、−Ｘ軸方向は、紙面左に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｙ軸は、図１の紙面手前から紙面奥に向かう軸であり、＋Ｙ軸方向は、紙面奥に向かう方向であり、−Ｙ軸方向は、紙面手前に向かう方向である。図１のＸＹＺ軸のうち、Ｚ軸は、図１の紙面下から紙面上に向かう軸であり、＋Ｚ軸方向は、紙面上に向かう方向であり、−Ｚ軸方向は、紙面下に向かう方向である。

半導体装置１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いて形成されたＧａＮ系の半導体装置である。本実施形態では、半導体装置１０は、縦型ショットキーバリアダイオードである。半導体装置１０は、基板１１０と、半導体層１２０と、ショットキー電極１３０と、絶縁膜１４０と、フィールドプレート電極１５０と、保護膜１６０と、裏面電極１７０とを備える。

基板１１０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成す半導体層である。基板１１０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成され、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有するｎ型半導体層である。

半導体層１２０は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って広がる板状を成すｎ型半導体層である。半導体層１２０は、窒化ガリウム（ＧａＮ）から形成され、ケイ素（Ｓｉ）をドナーとして含有する。半導体層１２０は、基板１１０の＋Ｚ軸方向側に形成されている。

ショットキー電極１３０は、導電性を有し、半導体層１２０にショットキー接合された電極である。ショットキー電極１３０のＸ軸方向における中央部は、＋Ｚ軸方向側でフィールドプレート電極１５０と接触する。本実施形態では、ショットキー電極１３０は、ニッケル（Ｎｉ）から形成される。

絶縁膜１４０は、電気絶縁性を有し、半導体層１２０における＋Ｚ軸方向側の表面全体と、ショットキー電極１３０のＺ軸方向に沿った側面と、ショットキー電極１３０の＋Ｚ軸方向側の表面のうちの外縁近傍部（図１では、＋Ｘ軸方向端部および−Ｘ軸方向端部）と、を被覆する。本実施形態では、絶縁膜１４０の厚さは、６００ｎｍである。絶縁膜１４０は、酸化アルミニウム膜１４２と、二酸化ケイ素膜１４４とを備える。

酸化アルミニウム膜１４２は、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）から成る。酸化アルミニウム膜１４２は、二酸化ケイ素膜１４４に対して、−Ｚ軸方向側に位置し、半導体層１２０における＋Ｚ軸方向側の表面全体と、ショットキー電極１３０のＺ軸方向に沿った側面と、ショットキー電極１３０の＋Ｚ軸方向側の表面のうちの外縁近傍部（図１では、＋Ｘ軸方向端部および−Ｘ軸方向端部）と、にそれぞれ直接接する。本実施形態では、酸化アルミニウム膜１４２の厚さは、１００ｎｍである。

二酸化ケイ素膜１４４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から成る。二酸化ケイ素膜１４４は、酸化アルミニウム膜１４２に対して、＋Ｚ軸方向側に位置し、酸化アルミニウム膜１４２と直接接する。本実施形態では、二酸化ケイ素膜１４４の厚さは、５００ｎｍである。

フィールドプレート電極１５０は、導電性を有し、ショットキー電極１３０のうち絶縁膜１４０で覆われていない部分と、絶縁膜１４０のうちショットキー電極１３０に近い側の一部と、を連続的に覆う。フィールドプレート電極１５０は、絶縁膜１４０を介して半導体層１２０を覆っている。このような形状をとることによって、フィールドプレート電極１５０は、半導体層１２０との間に絶縁膜１４０を挟むフィールドプレート構造を形成する。本実施形態では、フィールドプレート電極１５０は、ニッケル（Ｎｉ）から形成される。

裏面電極１７０は、導電性を有し、基板１１０の−Ｚ軸方向側にオーミック接合された電極である。本実施形態では、裏面電極１７０は、チタン（Ｔｉ）から成る層にアルミニウム（Ａｌ）から成る層を積層した後に焼成によって合金化した電極である。

保護膜１６０は、電気絶縁性を有し、フィールドプレート電極１５０のうちＸ軸方向における中央部を除く外縁側部分と、絶縁膜１４０のうちフィールドプレート電極１５０で覆われていない外縁側部分と、を連続的に覆う。本実施形態では、保護膜１６０の厚さは、１μｍである。

図２は、半導体装置１０の一部を拡大した拡大図である。図２に示すように、保護膜１６０は、窒化ケイ素膜１６２と、二酸化ケイ素膜１６４とを備える。窒化ケイ素膜１６２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）から成り、フィールドプレート電極１５０のうち二酸化ケイ素膜１４４と接する側とは反対側の表面に対して形成された層である。窒化ケイ素膜１６２は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）によって形成される。窒化ケイ素膜１６２の厚さは、０．１μｍ以上であることが好ましく、本実施形態では、窒化ケイ素膜１６２の厚さは、０．１μｍである。

二酸化ケイ素膜１６４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）から成り、窒化ケイ素膜１６２のうちフィールドプレート電極１５０と接する側とは反対側の表面に対して形成された層である。二酸化ケイ素膜１６４は、プラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）によって形成される。二酸化ケイ素膜１６４の厚さは、窒化ケイ素膜１６２の約９倍程度であることが好ましく、本実施形態では、二酸化ケイ素膜１６４の厚さは、０．９μｍである。

以上説明した実施形態によれば、半導体層の表面に対して形成される保護膜と比べて、フィールドプレート電極１５０の表面に対して形成される保護膜１６０を厚く構成できるため、耐湿性の低下を抑制できる。また、半導体装置１０を製造する工程において保護膜１６０を形成した後に、裏面電極１７０を形成するために熱処理を行っても、窒化ケイ素膜１６２より熱膨張率の高い二酸化ケイ素膜１６４の厚みが窒化ケイ素膜１６２より厚く形成されているため、裏面電極１７０の形成のための熱処理によって保護膜１６０に生じる熱応力が緩和され、クラックが発生しにくい。したがって、半導体装置１０の製造において、熱処理による保護膜１６０の割れを原因とした歩留まりの低下を抑制できる。

また、第１実施形態の半導体装置１０では、窒化ケイ素膜１６２の厚さは、０．１μｍであり、二酸化ケイ素膜１６４の厚さは、０．９μｍであるため、保護膜１６０における耐湿性の低下をより一層抑制できる。また、半導体装置１０の製造において、裏面電極１７０の形成のための熱処理による保護膜１６０の割れを原因とした歩留まりの低下をより一層抑制できる。

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
第１実施形態では、第１実施形態の半導体装置１０では、窒化ケイ素膜１６２の厚さは、０．１μｍであり、二酸化ケイ素膜１６４の厚さは、０．９μｍであったが、本発明はこれに限られない。例えば、二酸化ケイ素膜の厚さが窒化ケイ素膜の厚さより厚く形成され、かつ、保護膜の厚さとして耐湿性の低下に影響を与えない程度において、二酸化ケイ素膜の厚さおよび窒化ケイ素膜の厚さが任意に選択されてもよい。

第１実施形態では、半導体装置１０は、縦型ショットキーバリアダイオードであったが、本発明はこれに限られない。例えば、横型ショットキーバリアダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）などの保護膜としても利用可能である。

１０…半導体装置
１１０…基板
１２０…半導体層
１３０…ショットキー電極
１４０…絶縁膜
１４２…酸化アルミニウム膜
１４４…二酸化ケイ素膜
１５０…フィールドプレート電極
１６０…保護膜
１６２…窒化ケイ素膜
１６４…二酸化ケイ素膜
１７０…裏面電極

Claims

半導体装置であって、
フィールドプレート電極と、
前記フィールドプレート電極の表面を覆う保護膜と、を備え、
前記保護膜は、
前記フィールドプレート電極の表面に対して形成された窒化ケイ素膜と、
前記窒化ケイ素膜の表面に対して前記窒化ケイ素膜より厚く形成された二酸化ケイ素膜と、を有する、半導体装置。
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記窒化ケイ素膜の厚さは、０．１μｍ以上であり、
前記二酸化ケイ素膜の厚さは、前記窒化ケイ素膜の約９倍である、半導体装置。