JP5712516B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、ゲートフィンガーとドレインフィンガーとの間の絶縁膜上にフィールドプレートが設けられた半導体装置に関する。
窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力で動作するパワー素子等に用いられている。特に、マイクロ波、準ミリ波、ミリ波等の高周波帯域での増幅に適した半導体装置として、例えば高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor:HEMT)等のFET(Field Effect Transistor)が知られている。
大電力の増幅を行うFETにおいては、ゲートフィンガーとドレインフィンガーとの間の絶縁膜上にフィールドプレートを設ける技術が知られている(例えば特許文献1)。フィールドプレートの電位を所定電位(例えばグランド電位)とすることにより、ゲートフィンガーとドレインフィンガーとの間のフィールドプレート下付近の電界強度を緩和させることができる。したがって、電界強度が大きな領域上にフィールドプレートを設けることにより、ゲートフィンガーとドレインフィンガーとの間の電界強度をより均一化させることができ、ソース・ドレイン間耐圧またはゲート・ドレイン間耐圧を向上させることができる。これにより、大電力増幅が可能となる。また、電界強度を均一化させることで、電流コラプスの抑制もできる。
特開2007−273920号公報
特許文献1の図2(a)のように、ゲート電極を覆うように設けられた絶縁層には、ゲート電極の形状に起因した段差が形成され、フィールドプレートは、絶縁層の段差に沿って設けられている。このような構造の半導体装置の場合、高温・高電圧で動作させた場合に故障が発生する場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高温・高電圧で動作させた場合でも故障の発生を抑制す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、窒化物半導体層上に設けられた複数のソースフィンガーと、前記ソースフィンガーと交互に配置されるように設けられた複数のドレインフィンガーと、前記ソースフィンガーと前記ドレインフィンガーとの間にそれぞれ設けられた複数のゲートフィンガーと、前記ゲートフィンガーの上面と側面を覆うように前記窒化物半導体層上に設けられた第1絶縁膜と、前記ゲートフィンガーと前記ドレインフィンガーとの間の前記第1絶縁膜上にそれぞれ設けられた複数のフィールドプレートと、活性領域の外側における前記第1絶縁膜上に前記ソースフィンガーの延在方向と交差する方向にそれぞれ設けられ、前記ソースフィンガーと前記ソースフィンガーの両側に位置する前記フィールドプレートとを接続する複数のフィールドプレート配線と、を備え、前記フィールドプレートと前記ゲートフィンガーの延在方向に沿った側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは100nm以上離れていて、前記フィールドプレート配線と前記ゲートフィンガーの先端の側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは100nm以上離れていて、前記フィールドプレート配線は、前記ソースフィンガーに直接接続されていることを特徴とする半導体装置である。本発明によれば、高温・高電圧で動作させた場合であっても、第1絶縁膜に破壊が生じることを抑制でき、故障の発生を抑制できる。
上記構成において、前記第1絶縁膜は、窒化シリコン膜よりなる構成とすることができる。
上記構成において、前記窒化シリコン膜は、プラズマCVD法により形成されたものである構成とすることができる。
上記構成において、前記第1絶縁膜の厚さは、200nmから600nmである構成とすることができる。
上記構成において、前記フィールドプレートと前記ゲートフィンガーの延在方向に沿った側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは300nm以上離れていて、前記フィールドプレート配線と前記ゲートフィンガーの先端の側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは1μm以上離れている構成とすることができる。
上記構成において、前記窒化物半導体層上に前記ゲートフィンガーの延在方向と交差する方向に設けられ、前記第1絶縁膜により上面と側面とが覆われ、前記複数のゲートフィンガーを互いに接続するゲートバスラインと、前記ゲートバスラインの上方で前記第1絶縁膜上に設けられた第2絶縁膜と、を備え、前記ゲートバスラインと前記ソースフィンガーとの間には、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とが介在する構成とすることができる。この構成によれば、ゲートバスラインとソースフィンガーとの間の耐圧を向上させることができる。
本発明によれば、高温・高電圧で動作させた場合であっても、第1絶縁膜に破壊が生じることを抑制でき、故障の発生を抑制できる。
図1は、比較例1に係る半導体装置の断面模式図の例である。 図2は、実施例1に係る半導体装置の平面模式図の例である。 図3(a)は、図2のA−A間の断面模式図の例であり、図3(b)は、図2のB−B間の断面模式図の例である。 図4(a)から図4(d)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を説明する断面模式図(その1)の例である。 図5(a)から図5(d)は、実施例1に係る半導体装置の製造方法を説明する断面模式図(その2)の例である。 図6(a)は、実施例2に係る半導体装置の図2のC−C間に相当する箇所の断面模式図の例であり、図6(b)は、図2のC−C間の断面模式図の例である。
まず初めに、比較例1に係る半導体装置を用いて、本発明が解決しようとする課題について詳しく説明する。図1は、比較例1に係る半導体装置の断面模式図の例である。図1のように、例えばSiC基板上に順次積層されたシード層、GaN電子走行層、AlGaN電子供給層、GaNキャップ層からなる半導体層60上にソースフィンガー62、ドレインフィンガー64、およびゲートフィンガー66が形成されている。ゲートフィンガー66は、ソースフィンガー62とドレインフィンガー64との間に設けられている。ゲートフィンガー66を覆うように、半導体層60上に絶縁膜68が形成されている。絶縁膜68には、ゲートフィンガー66の形状を反映した段差部70が形成されている。ゲートフィンガー66とドレインフィンガー64との間の絶縁膜68の上面には、段差部70に沿ってフィールドプレート72が形成されている。フィールドプレート72は、ソースフィンガー62に電気的に接続している。
ここで、比較例1に係る半導体装置において、故障が生じた半導体装置の解析を行った。その結果、ゲートフィンガー66とフィールドプレート72との間、特に、段差部70での絶縁膜68に破壊が生じていることが分かった。ゲートフィンガー66とフィールドプレート72とは、その間に設けられた絶縁膜68を誘電体としたキャパシタと考えることができ、段差部70での絶縁膜68は、膜厚が薄く、膜質も悪いため、実動作での温度、電圧に対して、ゲートフィンガー66とフィールドプレート72との間には、十分な寿命がなかったことが考えられる。特に、窒化物半導体を用いた半導体装置は、高周波かつ高出力のパワー素子として用いられるため、ドレインフィンガー64に例えば50Vの高電圧が印加される。また、ゲートフィンガー66に印加される電圧も高い。このため、ソースフィンガー62に電気的に接続するフィールドプレート72とゲートフィンガー66との間の電位差により、フィールドプレート72とゲートフィンガー66との間に設けられた絶縁膜68の膜質の悪い段差部70で破壊が生じ易くなると考えられる。
そこで、下部電極(上記のゲート電極に相当)を覆うように絶縁膜を形成し、下部電極の形状に起因して絶縁膜に形成された段差部に沿って、絶縁膜上に上部電極(上記のフィールドプレートに相当)を形成した構造のキャパシタを作製し、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)試験を実施した。その結果、平坦な構造をした場合のキャパシタからは、かけ離れた初期故障が発生することが判明した。例えば信頼度要求の指標である0.1%故障寿命を推測すると、動作温度200℃において20Vの電圧で0.8年、10V電圧でも5年程度であった。これは、図1に示した構造の半導体装置において、更なる高温・高電圧動作を実現する上での課題と言える。そこで、このような課題を解決すべく、高温・高電圧で動作させた場合でも故障の発生を抑制することが可能な半導体装置の実施例について以下に説明する。
図2は、実施例1に係る半導体装置の平面模式図の例である。実施例1では、窒化物半導体のHEMTの場合を例に説明する。図2のように、GaNキャップ層38上に、複数のソースフィンガー12、複数のドレインフィンガー14、および複数のゲートフィンガー16が設けられている。複数のソースフィンガー12は、活性領域18に互いに並列に設けられている。複数のドレインフィンガー14は、ソースフィンガー12と交互に配置されるように、互いに並列に設けられている。複数のゲートフィンガー16は、ソースフィンガー12とドレインフィンガー14との間にそれぞれ設けられ、互いに並列に配置されている。ソースフィンガー12、ドレインフィンガー14、およびゲートフィンガー16は全て、同じ方向に延在している。ソースフィンガー12等が延在する方向をフィンガー方向とする。なお、ソースフィンガー12、ドレインフィンガー14、およびゲートフィンガー16が交差する領域が活性領域18である。
複数のソースフィンガー12は、活性領域18の外側でソースバスライン20により互いに接続する。同様に、複数のドレインフィンガー14は、活性領域18の外側でドレインバスライン22により互いに接続し、複数のゲートフィンガー16は、活性領域18の外側でゲートバスライン24により互いに接続する。ソースバスライン20とドレインバスライン22とは、活性領域18を挟んで反対側に設けられ、ゲートバスライン24は、ソースバスライン20と同じ側に設けられている。このため、ゲートバスライン24とソースフィンガー12とは、活性領域18の外側で、後述する第1絶縁膜44を間に挟んで交差する。
ゲートフィンガー16とドレインフィンガー14との間にはそれぞれ、第1絶縁膜44上に、複数のフィールドプレート26が設けられている。ソースフィンガー12の両側に位置するフィールドプレート26は、活性領域18の外側であって第1絶縁膜44上に設けられたフィールドプレート配線28により、ソースフィンガー12に接続する。即ち、複数のフィールドプレート配線28は、フィンガー方向と交差する方向に設けられている。これにより、ソースフィンガー12とフィールドプレート26とは、フィールドプレート配線28により電気的に接続する。
図3(a)は、図2のA−A間の断面模式図の例であり、図3(b)は、図2のB−B間の断面模式図の例である。図3(a)のように、例えばSiC(炭化シリコン)基板30上に、AlN(窒化アルミニウム)からなるシード層32、GaN電子走行層34、n型のAlGaN電子供給層36、n型のGaNキャップ層38が順次積層されている。シード層32の厚さは例えば300nmであり、GaN電子走行層34の厚さは例えば1000nmであり、AlGaN電子供給層36の厚さは例えば20nmであり、GaNキャップ層38の厚さは例えば5nmである。GaN電子走行層34とAlGaN電子供給層36との界面には2DEG(2次元電子ガス)が生じてチャネル層37が形成される。なお、基板30は、SiC基板の他、サファイア基板やSi(シリコン)基板を用いることもできる。
GaNキャップ層38の上面に接してゲートフィンガー16が設けられている。ゲートフィンガー16の両側には、GaNキャップ層38の上面に接して、オーミック電極40および配線層42からなるソースフィンガー12とドレインフィンガー14とが設けられている。ゲートフィンガー16の上面と側面とを覆うように、GaNキャップ層38の上面に第1絶縁膜44が設けられている。第1絶縁膜44の厚さは例えば300nmである。ソースフィンガー12とドレインフィンガー14とは、第1絶縁膜44から突出している。第1絶縁膜44には、ゲートフィンガー16の形状に起因して、第1段差部46が形成されている。
ゲートフィンガー16とドレインフィンガー14との間であって、第1絶縁膜44上にフィールドプレート26が設けられている。フィールドプレート26は、第1段差部46から離れて、平坦面となった第1絶縁膜44上に設けられている。フィールドプレート26と第1絶縁膜44に形成された第1段差部46との間隔X1は、例えば300nmである。
図3(b)のように、ゲートフィンガー16の先端部においても、第1絶縁膜44には、ゲートフィンガー16の形状に起因した第2段差部48が形成されている。ゲートフィンガー16の先端部の先には、活性領域18の外側に、フィールドプレート配線28が設けられている。フィールドプレート配線28は、第2段差部48から離れて、平坦面となった第1絶縁膜44上に設けられている。フィールドプレート配線28と第1絶縁膜44に形成された第2段差部48との間隔X2は、例えば1μmである。
次に、図4(a)から図5(d)を用いて、実施例1に係る半導体装置の製造方法を説明する。図4(a)から図4(d)は、図2のA−A間に相当する断面模式図の例であり、図5(a)から図5(d)は、図1のB−B間に相当する断面模式図の例である。図4(a)および図5(a)のように、例えばSiC基板30上に、例えばMOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて、シード層32、GaN電子走行層34、AlGaN電子供給層36、GaNキャップ層38をエピタキシャル成長により順次積層する。
図4(b)および図5(b)のように、GaNキャップ層38の上面に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、GaNキャップ層38側からTi(チタン)、Al(アルミニウム)を順次積層した後、例えば500℃から600℃の温度でアニールを行い、AlGaN電子供給層36にオーミック接触するオーミック電極40を形成する。次いで、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用い、ソースフィンガー12とドレインフィンガー14との間のGaNキャップ層38の上面に接して、GaNキャップ層38側からNi(ニッケル)、Au(金)が順次積層されたゲートフィンガー16を形成する。このゲートフィンガー16の形成と同時に、活性領域18の外側に、ゲートバスライン24が形成される。
図4(c)および図5(c)のように、GaNキャップ層38の上面に、ゲートフィンガー16の上面と側面とを覆うように、例えばプラズマCVD法(プラズマ化学気相成長法)を用いて、SiN(窒化シリコン)からなる第1絶縁膜44を形成する。第1絶縁膜44上に、例えば蒸着法およびリフトオフ法を用いて、第1絶縁膜44側からTi、Auが順次積層されたフィールドプレート26とフィールドプレート配線28とを同時に形成する。
図4(d)および図5(d)のように、オーミック電極40上の第1絶縁膜44に開口部を設け、開口部に埋め込まれてオーミック電極40に接する、例えばAuからなる配線層42を形成する。これにより、オーミック電極40と配線層42とからなるソースフィンガー12およびドレインフィンガー14が形成される。また、活性領域18の外側には、第1絶縁膜44上に配線層42からなるソースバスライン20とドレインバスライン22とが形成される。以上により、実施例1に係る半導体装置が完成する。
以上説明してきたように、実施例1によれば、GaNキャップ層38の上面に、複数のソースフィンガー12、複数のドレインフィンガー14、および複数のゲートフィンガー16が設けられたマルチフィンガー構造を有している。ゲートフィンガー16とドレインフィンガー14との間の第1絶縁膜44上に設けられたフィールドプレート26は、ゲートフィンガー16の延在方向に沿った側壁による第1絶縁膜44の第1段差部46から300nm離れて設けられている。また、ソースフィンガー12の両側に位置するフィールドプレート26を接続するフィールドプレート配線28は、活性領域18の外側に配置されていて、ゲートフィンガー16の先端の側壁による第1絶縁膜44の第2段差部48から1μm離れて設けられている。このように、第1絶縁膜44の膜質の悪い部分である第1段差部46および第2段差部48から離してフィールドプレート26とフィールドプレート配線28とを配置することにより、高温・高電圧で動作させた場合であっても、第1絶縁膜44に破壊が生じることを抑制でき、故障の発生を抑制できる。
実施例1では、フィールドプレート26と第1絶縁膜44の第1段差部46との間隔X1は、300nmである場合を例に示した。この間隔はゲートフィンガー16に対してフィールドプレート26を形成する工程の、相対的な合わせ精度に適切なマージンを見込んでフィールドプレート26が第1段差部46に乗り上げないよう設定した値であり、特性上は小さいほど好ましい。電子ビーム露光技術などの高精度な合わせ精度を確保できるリソグラフィが可能なら、当該間隔は、プロセス全般の合わせマージンとして100nmで形成するのが最も望ましいが、実際的な制約により合わせ精度に劣る光学露光技術、例えばi線露光技術を用いる場合であっても、合わせ誤差±200nmにその他要因のマージン100nmを勘案して、当該間隔を300nmで形成すれば本発明の意図を満たした構造形成が可能である。以上のことから、フィールドプレート26と第1絶縁膜44の第1段差部46との間隔X1は、100nm以上ある場合が好ましいが、300nm以上である場合でもよい。また、フィールドプレート配線28と第1絶縁膜44の第2段差部48との間隔X2は、1μmである場合を例に示したが、100nm以上であればよく、1μm以上の場合でもよい。大きくすることでの顕著な特性劣化は無く、合せマージン確保とチップサイズ及びコスト増大の弊害とを勘案して設定すればよい。
実施例1のようなマルチフィンガー構造は、高周波特性と高出力特性を実現するのに適した構造である。しかし、窒化物半導体層を動作層に使用する場合、ゲートフィンガー16の単位長さあたりのパワーが大きく取れることから、パワー密度を考慮すると、ゲートフィンガー16同士の間隔を狭くするには限界がある。つまり、窒化物半導体層を動作層に使用するマルチフィンガータイプのFET(例えばHEMT)では、フィンガー方向と交差する方向は、パターン縮小の余地が少なく、チップの収量を向上させるには、フィンガー方向の縮小を図ることとなる。しかしながら、上述したような、第1絶縁膜44の第1段差部46および第2段差部48における膜質の悪さに着目すると、活性領域18の外側でソースフィンガー12の延在方向と交差する方向にフィールドプレート配線28を配置すること、ゲートフィンガー16の先端による第1絶縁膜44の第2段差部48とフィールドプレート配線28との間隔X2を100nm以上離すことは、故障の発生を抑制することに有効である。したがって、フィンガー方向にしかチップ縮小の余地が無いにしても、上記要件を確保することは、故障の発生を抑制する上で有効な手段である。
実施例1において、第1絶縁膜44の厚さは、300nmである場合を例に示したが、これに限られる訳ではない。しかしながら、第1絶縁膜44の厚さが厚すぎると、フィールドプレート26による電界緩和の効果が得られ難くなるため好ましくない。600nmより厚くなるとフィールドプレート26によるフィードバック容量低減の効果が得にくくなり高周波特性に影響し、加えてコラプス抑制効果も有意に低下する。よって、第1絶縁膜44の厚さは600nm以下である場合が好ましい。また、第1絶縁膜44の厚さが薄くなりすぎると、第1段差部46および第2段差部48だけでなく平坦部においても第1絶縁膜44に破壊が生じてしまうため、第1絶縁膜44の厚さは200nm以上の場合が好ましい。したがって、第1絶縁膜44の厚さは、200nmから600nmである場合が好ましく、300nmから500nmである場合がより好ましく、300nmから400nmである場合がさらに好ましい。
実施例1においては、窒化物半導体のHEMTの場合を例に示したが、これに限らず、HEMT以外の半導体装置であっても、窒化物半導体を用いた半導体装置であればよい。なお、窒化物半導体の例として、GaN、InN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN等が挙げられる。
図6(a)は、実施例2に係る半導体装置の断面模式図の例であり、図2のC−C間に相当する箇所の断面である。図6(b)には、比較のために、実施例1に係る半導体装置における図2のC−C間の断面模式図の例を示す。図6(b)のように、実施例1に係る半導体装置では、ゲートバスライン24とソースフィンガー12とが、その間に第1絶縁膜44を介在して交差している。
このように、マルチフィンガー構造の半導体装置では、ゲートバスライン24とソースフィンガー12とが、第1絶縁膜44を間に挟んで交差する領域が発生するが、この領域は、活性領域18の外側であるため、第1絶縁膜44に加わる電界強度が弱く、第1絶縁膜44が破壊することはほとんどない。
さらに、図6(a)に示す実施例2に係る半導体装置のように、ゲートバスライン24とソースフィンガー12との間に、第1絶縁膜44に加えて第2絶縁膜50を介在させることで、ゲートバスライン24とソースフィンガー12との間の耐圧をより向上させることができる。第1絶縁膜44は、その上面に形成されるフィールドプレート26の電界緩和の効果を実現するために、厚さを薄くする傾向にあるため、ゲートバスライン24とソースフィンガー12との間の耐圧を確保するために、第1絶縁膜44と第2絶縁膜50とを、その間に介在させることが好ましい。
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。
12 ソースフィンガー
14 ドレインフィンガー
16 ゲートフィンガー
18 活性領域
20 ソースバスライン
22 ドレインバスライン
24 ゲートバスライン
26 フィールドプレート
28 フィールドプレート配線
30 基板
32 シード層
34 GaN電子走行層
36 AlGaN電子供給層
38 GaNキャップ層
40 オーミック電極
42 配線層
44 第1絶縁膜
46 第1段差部
48 第2段差部
50 第2絶縁膜

Claims (6)

  1. 窒化物半導体層上に設けられた複数のソースフィンガーと、
    前記ソースフィンガーと交互に配置されるように設けられた複数のドレインフィンガーと、
    前記ソースフィンガーと前記ドレインフィンガーとの間にそれぞれ設けられた複数のゲートフィンガーと、
    前記ゲートフィンガーの上面と側面を覆うように前記窒化物半導体層上に設けられた第1絶縁膜と、
    前記ゲートフィンガーと前記ドレインフィンガーとの間の前記第1絶縁膜上にそれぞれ設けられた複数のフィールドプレートと、
    活性領域の外側における前記第1絶縁膜上に前記ソースフィンガーの延在方向と交差する方向にそれぞれ設けられ、前記ソースフィンガーと前記ソースフィンガーの両側に位置する前記フィールドプレートとを接続する複数のフィールドプレート配線と、を備え、
    前記フィールドプレートと前記ゲートフィンガーの延在方向に沿った側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは100nm以上離れていて、前記フィールドプレート配線と前記ゲートフィンガーの先端の側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは100nm以上離れていて、
    前記フィールドプレート配線は、前記ソースフィンガーに直接接続されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1絶縁膜は、窒化シリコン膜よりなることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記窒化シリコン膜は、プラズマCVD法により形成されたものであることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記第1絶縁膜の厚さは、200nmから600nmであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  5. 前記フィールドプレートと前記ゲートフィンガーの延在方向に沿った側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは300nm以上離れていて、前記フィールドプレート配線と前記ゲートフィンガーの先端の側壁による前記第1絶縁膜の段差部とは1μm以上離れていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  6. 前記窒化物半導体層上に前記ゲートフィンガーの延在方向と交差する方向に設けられ、前記第1絶縁膜により上面と側面とが覆われ、前記複数のゲートフィンガーを互いに接続するゲートバスラインと、
    前記ゲートバスラインの上方で前記第1絶縁膜上に設けられた第2絶縁膜と、を備え、
    前記ゲートバスラインと前記ソースフィンガーとの間には、前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜とが介在することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
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