JP2020145316A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ＧａＮ基板の裏面との接触抵抗が小さく半田と好適に接合する電極を有し、縦方向に流れる電流の電気抵抗が小さい半導体装置を提供することである。【解決手段】 半導体装置１００は、ＧａＮ基板１１０と、第１半導体層１２０と、第２半導体層１３０と、第３半導体層１４０と、第４半導体層１５０と、ボディ電極Ｂ１と、ドレイン電極Ｄ１と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、を有する。ドレイン電極Ｄ１は、ＧａＮ基板１１０の第２面１１０ｂの側から順に、Ｔｉ層Ｄ１ａ、Ａｌ層Ｄ１ｂ、Ｔｉ層Ｄ１ｃ、ＴｉＮ層Ｄ１ｄ、Ｔｉ層Ｄ１ｅ、Ｎｉ層Ｄ１ｆ、Ａｇ層Ｄ１ｇを有する。【選択図】図２

Description

本明細書の技術分野は、半導体装置に関する。
ＧａＮに代表されるIII 族窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界と高い融点とを備えている。そのため、III 族窒化物半導体は、ＧａＡｓ系半導体に代わる、高出力、高周波、高温用の半導体デバイスの材料として期待されている。そのため、III 族窒化物半導体を用いるＨＥＭＴ素子などが研究開発されている。
そして、III 族窒化物半導体に電極を形成する技術が開発されてきている。例えば、特許文献１に記載の技術には、半導体層に電極を形成する技術が開示されている。また、基板から順にＴｉＮ、Ａｌ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｇという積層構造が開示されている（特許文献１の図８参照）。特許文献１の評価試験において、サファイア基板またはシリコン基板の上に各金属層を形成する旨が開示されている（例えば特許文献１の段落［００５４］−［００６１］、［００７０］−［００７２］）。
特開２０１５−００８２６４号公報
縦型半導体装置は、半田により基板に実装されることが一般的である。近年、人体への影響および環境への配慮から、鉛フリー半田が用いられるようになってきている。そのため、電極には、鉛フリー半田との接合性が要求される。しかし、半田接合時に電極の表面層が鉛フリー半田と合金化し、電極と半田とを十分に接合できないことがある。そのため、Ａｇナノペーストを用いて基板とリードフレームとを接合する技術が採用されている。そして、半田接合を採用する場合に電極と半田との接合性が悪いと、半導体装置の縦方向に流れる電流が小さくなってしまうおそれがある。さらに、半導体装置の耐久性が低下するおそれがある。
ＧａＮ系の縦型半導体装置では、導電性基板としてｎ型のＧａＮ基板が用いられることがある。ＧａＮ基板の裏面は多くの場合−ｃ面である。ＧａＮ基板の−ｃ面と電極との間の接触抵抗が小さくなるようにＧａＮ基板と電極とを接合することは必ずしも容易ではない。ＧａＮの−ｃ面と金属との間の接触抵抗が大きいと、半導体装置の縦方向に流れる電流が小さくなってしまう。
また、縦型半導体装置は高温環境下で使用されることがあるが、その場合に電極中の金属がＧａＮ基板に向かって拡散することがある。その場合には、ＧａＮ基板に悪影響を及ぼすおそれがある。例えば、ＧａＮ基板の−ｃ面と電極との間の接触抵抗が大きくなる。その場合には、半導体装置の縦方向に流れる電流が小さくなってしまう。
本明細書の技術が解決しようとする課題は、ＧａＮ基板の裏面との接触抵抗が小さく半田と好適に接合する電極を有し、縦方向に流れる電流の電気抵抗が小さい半導体装置を提供することである。
第１の態様における半導体装置は、第１面と第２面とを有するＧａＮ基板と、ＧａＮ基板の第１面の上のIII 族窒化物半導体層と、ＧａＮ基板の第２面の上の第１電極と、を有する縦型半導体装置である。第１面は＋ｃ面である。第２面は第１面の反対側の面である。第１電極は、第２面の側から順に、Ｔｉ層、Ａｌ含有層、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｇ含有層を有する。
この半導体装置では、ＧａＮ基板の裏面と電極との接触状態がよい。そのため、素子の縦方向に流れる電流が流れやすい。
本明細書では、ＧａＮ基板の裏面との接触抵抗が小さく半田と好適に接合する電極を有し、縦方向に流れる電流の電気抵抗が小さい半導体装置が提供されている。
第１の実施形態の半導体装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態の半導体装置の電極構造を示す図である。 第１の実施形態の半導体装置に流れるドレイン電流を示す図である。 第２の実施形態の半導体装置の概略構成を示す図である。 実験のサンプルの構造を示す図である。 実験のサンプルを３００℃の温度環境下におく時間と電気抵抗との関係を示すグラフである。
以下、具体的な実施形態について、半導体装置を例に挙げて説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
１．半導体装置
図１は、第１の実施形態の半導体装置１００の概略構成を示す図である。半導体装置１００は、縦型ＭＯＳＦＥＴである。図１に示すように、半導体装置１００は、ＧａＮ基板１１０と、第１半導体層１２０と、第２半導体層１３０と、第３半導体層１４０と、第４半導体層１５０と、ボディ電極Ｂ１と、ドレイン電極Ｄ１と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ゲート絶縁膜Ｆ１と、を有する。
ＧａＮ基板１１０は、ｎ型ＧａＮからなる基板である。ＧａＮ基板１１０は、第１面１１０ａと第２面１１０ｂとを有する。第１面１１０ａと第２面１１０ｂとは互いに正反対に位置する面である。第１面１１０ａは、半導体層を形成する面である。第２面１１０ｂは、ドレイン電極Ｄ１を形成する面である。例えば、第１面１１０ａは＋ｃ面であり、第２面１１０ｂは−ｃ面である。
第１半導体層１２０は、ＧａＮ基板１１０の第１面１１０ａの上に形成されている。第１半導体層１２０は第１導電型のIII 族窒化物半導体層である。第１半導体層１２０は、例えば、ｎ- ＧａＮである。第１半導体層１２０の膜厚は、例えば、５μｍ以上２０μｍ以下である。ここで、第１導電型はｎ型を表し、第２導電型はｐ型を表す。第１半導体層１２０の不純物濃度は、例えば、５×１０15ｃｍ-3以上２×１０16ｃｍ-3以下である。
第２半導体層１３０は、第１半導体層１２０の上に形成されている。第２半導体層１３０は、第２導電型のIII 族窒化物半導体層である。第２半導体層１３０は、例えば、ｐＧａＮである。第２半導体層１３０の膜厚は、例えば、０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。第２半導体層１３０の不純物濃度は、例えば、６×１０17ｃｍ-3以上２×１０18ｃｍ-3以下である。
第３半導体層１４０は、第２半導体層１３０の上に形成されている。第３半導体層１４０は、第２導電型のIII 族窒化物半導体層である。第３半導体層１４０は、例えば、ｐ- ＧａＮである。後述するように、第３半導体層１４０のキャリア濃度は、第２半導体層１３０のキャリア濃度よりも低い。第３半導体層１４０の膜厚は、例えば、０．０１μｍ以上０．５μｍ以下である。第３半導体層１４０の不純物濃度は、例えば、５×１０16ｃｍ-3以上２×１０17ｃｍ-3以下である。
第４半導体層１５０は、第３半導体層１４０の上に形成されている。第４半導体層１５０は、第１導電型のIII 族窒化物半導体層である。第４半導体層１５０は、例えば、ｎ+ ＧａＮである。第４半導体層１５０の膜厚は、例えば、０．１μｍ以上０．６μｍ以下である。第４半導体層１５０の不純物濃度は、例えば、２×１０18ｃｍ-3以上４×１０18ｃｍ-3以下である。
ドレイン電極Ｄ１は、ＧａＮ基板１１０の第２面１１０ｂの上に形成された第１電極である。前述のように、第２面１１０ｂは、例えば、−ｃ面である。
ボディ電極Ｂ１は、第２半導体層１３０および第３半導体層１４０から正孔を引き抜くための第２電極である。ボディ電極Ｂ１は、リセスＲ１に形成されている。リセスＲ１は、第４半導体層１５０と、第３半導体層１４０と、を貫通し、第２半導体層１３０の途中まで達する凹部である。ボディ電極Ｂ１は、第２半導体層１３０と、第３半導体層１４０と、第４半導体層１５０と、ソース電極Ｓ１と、に接触している。
ソース電極Ｓ１は、第４半導体層１５０およびボディ電極Ｂ１の上に形成された第３電極である。ソース電極Ｓ１は、第４半導体層１５０に接触している。そのためソース電極Ｓ１は、第４半導体層１５０に電流を注入することができる。ソース電極Ｓ１は、ボディ電極Ｂ１に接触している。そのため、ソース電極Ｓ１とボディ電極Ｂ１とは等電位である。
ゲート電極Ｇ１は、トレンチＴ１の箇所にゲート絶縁膜Ｆ１を介して形成された第４電極である。トレンチＴ１は、第４半導体層１５０と、第３半導体層１４０と、第２半導体層１３０と、を貫通し、第１半導体層１２０の途中まで達する凹部である。ゲート電極Ｇ１は、ソース電極Ｓ１に向かって延伸している。
ゲート絶縁膜Ｆ１は、トレンチＴ１を覆っている。つまり、ゲート絶縁膜Ｆ１は、第４半導体層１５０と、第３半導体層１４０と、第２半導体層１３０と、第１半導体層１２０と、の側面と、第４半導体層１５０の表面と、を覆っている。そのため、ゲート絶縁膜Ｆ１は、ゲート電極Ｇ１と各半導体層とを絶縁している。
ボディ電極Ｂ１の下端と第３半導体層１４０の下端とは、ほぼ同じ高さである。ボディ電極Ｂ１の下端と第３半導体層１４０の下端との差は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
第３半導体層１４０の不純物濃度は、第２半導体層１３０の不純物濃度より低い。また、第３半導体層１４０の不純物濃度が、第２半導体層１３０の不純物濃度の０．６倍以下である。この場合に、縦方向に流れる電流は１％程度向上する。より好ましくは、０．１倍以下である。第３半導体層１４０のようにキャリア濃度が低いほうが、オン時に電子が集まりやすい。そのため、この半導体装置１００では縦方向の電流が流れやすい。つまり、半導体装置１００のオン抵抗は従来の半導体装置に比べて低い。
２．半導体装置の電極構造
図２は、第１の実施形態の半導体装置１００の電極構造を示す図である。図２は、半導体装置１００が基板に実装されている様子を示している。図２において、実際には、半導体装置１００から基板のリードフレームＬ１までが描かれている。図２は、半導体装置１００の電極構造を見やすくするためにドレイン電極Ｄ１の積層構造が拡大して描かれている。
図２に示すように、ドレイン電極Ｄ１は、ＧａＮ基板１１０の第２面１１０ｂの側から順に、Ｔｉ層Ｄ１ａ、Ａｌ層Ｄ１ｂ、Ｔｉ層Ｄ１ｃ、ＴｉＮ層Ｄ１ｄ、Ｔｉ層Ｄ１ｅ、Ｎｉ層Ｄ１ｆ、Ａｇ層Ｄ１ｇを有する。また、Ａｇ層Ｄ１ｇは、半田層Ｈ１を介してリードフレームＬ１に接合されている。半田層Ｈ１の材質は、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系の鉛フリー半田である。
Ｔｉ層Ｄ１ａは、ＧａＮ基板１１０の第２面１１０ｂの上に形成されている第１のＴｉ層である。Ｔｉ層Ｄ１ａは、ＧａＮ基板１１０とＡｌ層Ｄ１ｂとの間に挟まれている。Ｔｉ層Ｄ１ａは、ＧａＮ基板１１０とＡｌ層Ｄ１ｂとに接触している。Ｔｉ層Ｄ１ａの膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
Ａｌ層Ｄ１ｂは、Ｔｉ層Ｄ１ａとＴｉ層Ｄ１ｃとの間に挟まれている。Ａｌ層Ｄ１ｂは、Ｔｉ層Ｄ１ａとＴｉ層Ｄ１ｃとに接触している。Ａｌ層Ｄ１ｂの膜厚は、例えば、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
Ｔｉ層Ｄ１ｃは、Ａｌ層Ｄ１ｂの上に形成されている第２のＴｉ層である。Ｔｉ層Ｄ１ｃは、Ａｌ層Ｄ１ｂとＴｉＮ層Ｄ１ｄとの間に挟まれている。Ｔｉ層Ｄ１ｃは、Ａｌ層Ｄ１ｂとＴｉＮ層Ｄ１ｄとに接触している。Ｔｉ層Ｄ１ｃの膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
ＴｉＮ層Ｄ１ｄは、Ｔｉ層Ｄ１ｃとＴｉ層Ｄ１ｅとの間に挟まれている。ＴｉＮ層Ｄ１ｄは、Ｔｉ層Ｄ１ｃとＴｉ層Ｄ１ｅとに接触している。ＴｉＮ層Ｄ１ｄの膜厚は、例えば、５００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下である。
Ｔｉ層Ｄ１ｅは、ＴｉＮ層Ｄ１ｄの上に形成されている第３のＴｉ層である。Ｔｉ層Ｄ１ｅは、ＴｉＮ層Ｄ１ｄとＮｉ層Ｄ１ｆとの間に挟まれている。Ｔｉ層Ｄ１ｅは、ＴｉＮ層Ｄ１ｄとＮｉ層Ｄ１ｆとに接触している。Ｔｉ層Ｄ１ｅの膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
Ｎｉ層Ｄ１ｆは、Ｔｉ層Ｄ１ｅとＡｇ層Ｄ１ｇとの間に挟まれている。Ｎｉ層Ｄ１ｆは、Ｔｉ層Ｄ１ｅとＡｇ層Ｄ１ｇとに接触している。Ｎｉ層Ｄ１ｆの膜厚は、例えば、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
Ａｇ層Ｄ１ｇは、Ｎｉ層Ｄ１ｆの上に形成されている。Ａｇ層Ｄ１ｇは、Ｎｉ層Ｄ１ｆに接触している。Ａｇ層Ｄ１ｇの膜厚は、例えば、５００ｎｍ以上４０００ｎｍ以下である。Ａｇ層Ｄ１ｇは、ドレイン電極Ｄ１の最表面層である。そのため、Ａｇ層Ｄ１ｇは、半田層Ｈ１と接合されることとなる。
Ｔｉ層Ｄ１ａとＡｌ層Ｄ１ｂとは、ＧａＮ基板１１０との間の接触抵抗を低減するための層である。Ｔｉ層Ｄ１ｃとＴｉＮ層Ｄ１ｄとＴｉ層Ｄ１ｅとは、Ａｇの拡散を防止するための層である。Ｎｉ層Ｄ１ｆは、半田と好適に接合するための層である。Ａｇ層Ｄ１ｇは、半田の表面を保護するための層である。
３．半導体装置に流れる電流
図３は、第１の実施形態の半導体装置１００に流れるドレイン電流Ｉｄを示す図である。ゲート電極Ｇ１が所定の電位となったときに、ドレイン電極Ｄ１からソース電極Ｓ１に向かって電流が流れる。これがドレイン電流Ｉｄである。
そのため、図３の矢印Ａ１に示すように、半導体装置１００のオン抵抗は、ソース電極Ｓ１とドレイン電極Ｄ１とに挟まれた層の電気抵抗である。つまり、ＧａＮ基板１１０から第４半導体層１５０までの電気抵抗が、半導体装置１００のオン抵抗を担っている。
４．第１の実施形態の効果
半導体装置１００のドレイン電極Ｄ１においては、Ｔｉ層Ｄ１ｃとＴｉＮ層Ｄ１ｄとＴｉ層Ｄ１ｅとが、Ａｇ層Ｄ１ｇのＡｇの拡散を防止する。そのため、Ａｇ層Ｄ１ｇのＡｇがＧａＮ基板１１０に悪影響を及ぼすおそれがほとんどない。
また、半導体装置１００のドレイン電極Ｄ１においては、Ｎｉ層Ｄ１ｆが、半田層Ｈ１と好適に接合する。したがって、ドレイン電極Ｄ１は、半田層Ｈ１に好適に接合する。また、Ｎｉ層Ｄ１ｆがＡｇ層Ｄ１ｇのＡｇの拡散を抑制する。
また、第３半導体層１４０のようにキャリア濃度が低いほうが、オン時に電子が集まりやすい。そのため、この半導体装置１００では縦方向の電流が流れやすい。つまり、半導体装置１００のオン抵抗は従来の半導体装置に比べて低い。
５．変形例
５−１．Ａｌ含有層
Ａｌ層Ｄ１ｂの代わりにＡｌを含有するＡｌ含有層を用いてもよい。Ａｌ含有層として例えば、ＡｌＳｉ合金が挙げられる。もちろん、その他の合金を用いてもよい。
５−２．Ａｇ含有層
Ａｇ層Ｄ１ｇの代わりにＡｇを含有するＡｇ含有層を用いてもよい。
５−３．キャリア濃度
第３半導体層１４０に第１導電型（ｎ型）とする不純物と第２導電型（ｐ型）とする不純物とをドープしてもよい。ｎ型にする不純物は、例えばＳｉである。ｐ型にする不純物は、例えばＭｇである。ただし、第３半導体層１４０における第２導電型となる不純物の濃度が、第３半導体層１４０における第１導電型となる不純物の濃度より高い。
この場合には、第３半導体層１４０の実効キャリア濃度は、第３半導体層１４０における第２導電型の不純物濃度よりも小さくなる。第３半導体層１４０のキャリア濃度が、第２半導体層１３０のキャリア濃度より低ければよい。そして、第３半導体層１４０のキャリア濃度が、第２半導体層１３０のキャリア濃度の０．６倍以下である。
５−４．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、ＧａＮ基板である。そのため、相違点を中心に説明する。
１．半導体装置
図４は、第２の実施形態の半導体装置２００の概略構成を示す図である。半導体装置２００は、縦型ＭＯＳＦＥＴである。図４に示すように、半導体装置２００は、ＧａＮ基板２１０と、第１半導体層１２０と、第２半導体層１３０と、第３半導体層１４０と、第４半導体層１５０と、ボディ電極Ｂ１と、ドレイン電極Ｄ１と、ソース電極Ｓ１と、ゲート電極Ｇ１と、ゲート絶縁膜Ｆ１と、を有する。
ＧａＮ基板２１０は、ｎ型ＧａＮからなる基板である。ＧａＮ基板２１０は、第１面２１０ａと第２面２１０ｂとを有する。第１面２１０ａと第２面２１０ｂとは互いに正反対に位置する面である。第１面２１０ａは、半導体層を形成する面である。第２面２１０ｂは、ドレイン電極Ｄ１を形成する面である。例えば、第１面１１０ａは＋ｃ面であり、第２面１１０ｂは−ｃ面を有する面である。
２．ＧａＮ基板の凹凸形状
ＧａＮ基板２１０は、第２面２１０ｂに複数の凸部２１１を有する。凸部２１１は、第２面２１０ｂにわたってランダムに形成されている。凸部２１１は、円錐形状または円錐形状に近い形状である。凸部２１１の高さは、例えば、１０００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。凸部２１１の底部の幅は、例えば、５００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。もちろん、これらの数値範囲は上記以外であってもよい。第２面２１０ｂは−ｃ面と凸部２１１とを有する。
３．半導体装置の製造方法
３−１．凹凸形状形成工程
ＧａＮ基板の裏面に凹凸形状を形成する。そのためにＧａＮ基板をＴＭＡＨでウェットエッチングする。この処理におけるＴＭＡＨの温度は、例えば、４０℃以上９０℃以下である。処理時間は、例えば、２分以上１０分以下である。
３−２．半導体層形成工程
ＧａＮ基板２１０の第１面２１０ａの上に第１半導体層１２０と、第２半導体層１３０と、第３半導体層１４０と、第４半導体層１５０と、を成長させる。そのために、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いればよい。
３−３．凹部形成工程
次に、リセスＲ１およびトレンチＴ１を形成する。そのためにＩＣＰ等のドライエッチングを用いればよい。
３−４．電極形成工程
次に、ゲート絶縁膜Ｆ１を形成する。その後、ゲート電極Ｇ１、ボディ電極Ｂ１、ソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１を形成する。そのために、スパッタリング、ＥＢ蒸着法または抵抗加熱蒸着法を用いればよい。
３−５．熱処理工程
次に、熱処理工程を実施する。熱処理温度は、例えば、３５０℃以上６００℃以下である。熱処理時間は、例えば、１５分以上１時間以下である。これらは目安であり、上記以外の熱処理条件を用いてもよい。これにより、半導体と電極との間でオーミック接触が得られる。
３−６．その他の工程
また、保護膜形成工程等、その他の工程を実施してもよい。
４．第２の実施形態の効果
ＧａＮ基板２１０の第２面２１０ｂに複数の凸部２１１があるため、ドレイン電極Ｄ１は、ＧａＮ基板２１０に好適に接触する。つまり、ドレイン電極Ｄ１とＧａＮ基板２１０との間の接触抵抗は、第１の実施形態に比べて低い。
また、オーミック接触を得るための熱処理は、１回のみでよい。
なお、凹凸形状形成工程を実施しなければ、第１の実施形態の半導体装置１００を製造することができる。
５．変形例
５−１．凸部の形状
凸部２１１の形状は円錐形状である。しかし、凸部は、六角錐形状の凸部であってもよい。または、その他の多角錐形状であってもよい。また、凸部の代わりに、凹部であってもよい。このようにＧａＮ基板２１０の第２面２１０ｂは、凹凸を有する。
５−２．その他
第１の実施形態の変形例を用いてもよい。
（実験）
１．実験１（ＧａＮ基板への影響）
１−１．サンプルの製作
表１の構造１から構造５までに示す電極構造を有する５種類のサンプルを製作した。表１における数値は各層の膜厚（ｎｍ）を示している。電極部分の観察であるため、サファイア基板を用いた。表１では、サファイア基板は「Ｓａｐ」と表記されている。構造１から構造４までにおいて、サファイア基板の側から順に、Ｔｉ、ＡｌＳｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｇを形成した。構造５においては、サファイア基板の側から順に、Ｔｉ、ＡｌＳｉ、Ｎｉ、Ａｇを形成した。
そして、５種類のサンプルに対して熱処理を行った。５種類のサンプルに対して窒素雰囲気下において４５０℃で３０分の熱処理を行った。なお、この熱処理を２回繰り返した。
１−２．変色の確認
表１に示すように、構造１から構造５までの電極構造を有するサンプルが変色するか否かをサファイア基板側からの目視により確認した。表１に示すように、構造１および構造２においては、変色は見られなかった。構造３から構造５では、変色が見られた。ここで、変色があった場合には、電極のうちのＡｇがサファイア基板の表面まで移動したと考えられる。そのため、構造１および構造２のように、ＴｉＮ層が１０００ｎｍまたは５０００ｎｍの場合には、ＧａＮ基板にダメージを与えるおそれがないと考えられる。つまり、ＴｉＮ層の膜厚は、５００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下であるとよい。
［表１］
構造１ 構造２ 構造３ 構造４ 構造５
基板 Ｓａｐ Ｓａｐ Ｓａｐ Ｓａｐ Ｓａｐ
Ｔｉ ３０ ３０ ３０ ３０ ３０
ＡｌＳｉ ３００ ３００ ３００ ３００ ３００
Ｔｉ ２０ ２０ ２０ ２０ −
ＴｉＮ ５０００ １０００ ２００ ５０ −
Ｔｉ ２０ ２０ ２０ ２０ −
Ｎｉ ５００ ５００ ５００ ５００ ５００
Ａｇ ２０００ ２０００ ２０００ ２０００ ２０００
変色 無し 無し 有り 有り 有り
１−３．断面の解析（ＧａＮ基板）
上記の結果をＧａＮ基板を用いて確認した。ＧａＮ基板から順に、Ｔｉ、ＡｌＳｉ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ、Ａｇを積層した。このようにＮｉが存在しない場合に、断面画像においてＡｇを着色した場合に、ＧａＮ基板の表面に着色部分が発生した。このように、ＡｇがＧａＮ基板の表面に移動していることを確認した。Ｎｉ層は、Ａｇの拡散を防止する。
２．実験２（密着強度）
２−１．サンプルの製作
表２の構造６から構造８に示す電極構造を有する３種類のサンプルを製作した。表２における数値は各層の膜厚（ｎｍ）および強度（ＭＰａ）を示している。表２の構造６の電極構造は、表１の構造２の電極構造と同じである。ただし、これらの構造に対して、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｕ系の鉛フリー半田を用いて、金属板（フレーム）に半田接合した。
そして、３種類のサンプルに対して熱処理を行った。３種類のサンプルに対して窒素雰囲気下において４５０℃で３０分の熱処理を行った。なお、この熱処理を２回繰り返した。
なお、これらのサンプルにおいては、ＴＭＡＨによりＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成した。処理温度は６０℃であり、処理時間は５分であった。
２−２．密着強度の測定結果
表２の３種類のサンプルに対してダイシェア強度を測定した。表２に示すように、構造６の強度は３３．９ＭＰａであった。構造７の強度は３３．４ＭＰａであった。構造８の強度は７．２〜８．０ＭＰａであった。構造８では、電極が容易に剥がれた。したがって、電極と半田とを好適に接合するためには、Ｎｉ層が必要である。
［表２］
構造６ 構造７ 構造８
基板 ＧａＮ ＧａＮ ＧａＮ
Ｔｉ ３０ ３０ ３０
ＡｌＳｉ ３００ ３００ ３００
Ｔｉ ２０ ２０ １０
ＴｉＮ １０００ − １０００
Ｔｉ ２０ − １０
Ｎｉ ５００ ５００ −
Ａｇ ２０００ ２０００ ５０００
半田 有り 有り 有り
金属板 有り 有り 有り
強度 ３３．９ＭＰａ ３３．４ＭＰａ ７．２〜８．０ＭＰａ
３．実験３（高温環境下における電気抵抗の上昇）
３−１．サンプルの製作
図５に示す構造のサンプルを製作した。つまり、ｎ型ＧａＮであるＧａＮ基板の−ｃ面に表２の電極を形成し、ＧａＮ基板の＋ｃ面にショットキー電極を形成した。電極構造は、表２の構造６から構造８までの３種類と同じ構造を採用した。３種類のサンプルに対して窒素雰囲気下において４５０℃で３０分の熱処理を行った。ショットキー電極は、ＧａＮから膜厚２００ｎｍのＮｉ層、Ｎｉ層の上に膜厚２０ｎｍのＭｏ層を形成したものであった。
なお、これらのサンプルにおいては、ＴＭＡＨによりＧａＮ基板の裏面に凹凸を形成した。処理温度は６０℃であり、処理時間は５分であった。
３−２．実験方法
その後、３００℃の温度環境下に放置し、電気抵抗の変化を測定した。
３−３．実験結果
図６は、３００℃の温度環境下におく時間と電気抵抗との関係を示すグラフである。図６の横軸は３００℃の温度環境下にサンプルを放置する時間である。図６の縦軸はサンプルの電気抵抗である。ここで、構造６のサンプルにおける０時間の電気抵抗値を基準の１とするよう規格化を行った。
図６に示すように、構造６では、高温条件下に放置しても電気抵抗はほとんど上昇しなかった。構造７では、高温条件下に放置することにより時間の経過とともに電気抵抗が上昇した。１０００時間経過後には、構造７の電気抵抗値は、構造６の電気抵抗値の１．４倍程度に上昇した。構造８では、高温条件下に放置することにより時間の経過とともに電気抵抗が上昇した。１０００時間経過後には、構造８の電気抵抗値は、構造６の電気抵抗値の２．７倍程度に上昇した。
４．実験のまとめ
ＧａＮ基板の裏面に第１の実施形態の電極構造を形成することにより、ＧａＮ基板の好適な裏面電極が得られた。つまり、この電極構造は、ＧａＮ基板に悪影響を及ぼすことなく、半田と十分に密着し、高温条件下での電気抵抗の上昇を抑制する。
（付記）
第１の態様における半導体装置は、第１面と第２面とを有するＧａＮ基板と、ＧａＮ基板の第１面の上のIII 族窒化物半導体層と、ＧａＮ基板の第２面の上の第１電極と、を有する縦型半導体装置である。第１面は＋ｃ面である。第２面は第１面の反対側の面である。第１電極は、第２面の側から順に、Ｔｉ層、Ａｌ含有層、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｇ含有層を有する。
第２の態様における半導体装置においては、ＴｉＮ層の膜厚は、５００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下である。
第３の態様における半導体装置においては、ＧａＮ基板の第２面は、凹凸を有する。
第４の態様における半導体装置の製造方法は、ＧａＮ基板の第１面に半導体層を形成する半導体層形成工程と、ＧａＮ基板の第２面に電極を形成する電極形成工程と、を有する。第１面は＋ｃ面である。電極形成工程では、ＧａＮ基板の第２面の側から順に、Ｔｉ層、Ａｌ含有層、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｇ含有層を形成する。
１００…半導体装置
１１０…ＧａＮ基板
１１０ａ…第１面
１１０ｂ…第２面
１２０…第１半導体層
１３０…第２半導体層
１４０…第３半導体層
１５０…第４半導体層
Ｂ１…ボディ電極
Ｄ１…ドレイン電極
Ｓ１…ソース電極
Ｇ１…ゲート電極

Claims (3)

  1. 第１面と第２面とを有するＧａＮ基板と、
    前記ＧａＮ基板の前記第１面の上のIII 族窒化物半導体層と、
    前記ＧａＮ基板の前記第２面の上の第１電極と、
    を有する縦型半導体装置において、
    前記第１面は＋ｃ面であり、
    前記第２面は前記第１面の反対側の面であり、
    前記第１電極は、
    前記第２面の側から順に、Ｔｉ層、Ａｌ含有層、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ｔｉ層、Ｎｉ層、Ａｇ含有層を有すること
    を含む半導体装置。
  2. 請求項１に記載の半導体装置において、
    前記ＴｉＮ層の膜厚は、
    ５００ｎｍ以上６０００ｎｍ以下であること
    を含む半導体装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、
    前記ＧａＮ基板の前記第２面は、
    凹凸を有すること
    を含む半導体装置。
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