(57)【要約】【課題】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置において、動作電流の減少による不良を抑制し、良品率を高めて生産歩留まりを向上させる。【解決手段】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置（１０１）は、基体（１０３）と、この基体上に載置された１以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイス（１０２）と、封止雰囲気ガス（１０５）を介してその電子デバイスを覆うキャップ（１０４）とを含み、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスはヘテロ界面を形成するバリア層とチャネル層を含み、封止雰囲気ガス（１０５）は実質的に１０ｐｐｍ以上の酸素と１０００ｐｐｍ未満の水分と残部の不活性ガスとからなることを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、この基体上に載置された１以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスと、封止雰囲気ガスを介してその電子デバイスを覆うキャップとを含み、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスはヘテロ界面を形成するバリア層とチャネル層を含み、
前記封止雰囲気ガスは、実質的に１０ｐｐｍ以上の酸素と、１０００ｐｐｍ未満の水分と、残部の不活性ガスとからなることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【請求項２】
前記不活性ガスは、窒素、希ガス、二酸化炭素、および不活性なフロン類の少なくともいずれかを含む請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスの表面には、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含む保護層が付与されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【請求項４】
前記保護層は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ、およびＡｌＮの少なくとも１種を含む誘電体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスを含む半導体装置に関し、特にヘテロ界面を形成するチャネル層とバリア層とを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスを含む半導体装置の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどに代表されるＩＩＩ族窒化物半導体は、その材料的な優位性から、電子デバイスに用いられた場合に、高耐圧、高速動作、高耐熱性、低オン抵抗などの良好なデバイス特性が期待され得る。したがって、従来のＳｉ材料に代わってＩＩＩ族窒化物半導体を利用する電子デバイスの開発が進められている。特に電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）に関しては、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ接合界面近傍に高濃度の２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されることにより、ＦＥＴ素子のオン抵抗をより低くすることができる。そして、今までに、このようなヘテロ接合界面を利用する種々のデバイス構造が提案されている。
【０００３】
図３は、ＩＩＩ族窒化物半導体を利用したヘテロ接合型電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）を含む従来の半導体装置の一例を示す模式的断面図である。このＨＦＥＴ素子部分においては、一般にサファイア、Ｓｉ、またはＳｉＣなどからなる基板３０１、バッファ層（または核生成層）３０２、ＧａＮチャネル層３０３、およびＡｌＧａＮバリア層３０４をこの順に含む積層構造上に、ソース電極３０５、ゲート電極３０６、およびドレイン電極３０７が形成されており、少なくともこれらの電極間の表面上にはＳｉＮなどの絶縁膜からなる保護層３０８が形成されている（例えば、非特許文献１参照）。このような平面型素子は、通常では、全体を樹脂３０９で覆って保護された後にモジュール化されて実用に供されることが多い（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０８１０６１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】電気情報通信学会、信学技報、ＥＤ２００１−１８５、第７-１２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のようにモジュール化されたＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴを含む半導体装置にドレイン電圧を印加して長時間動作させれば、ドレイン電流が初期状態よりも徐々に減少するという問題が生じる。
【０００７】
ドレイン電圧を印加し続けることによってドレイン電流が静状態よりも減少する所謂電流コラプスと呼ばれる現象は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴではよく知られている。この現象を抑制するために、例えば保護層３０８などに電流コラプス抑制する機能を持たせる工夫が行われることもある。しかし、そのような対策を講じてもなお、上述のドレイン電流が減少する問題を回避することは難しい。
【０００８】
そこで、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体体電子デバイスを実装した半導体装置であって、電流コラプスの問題が解決されかつ寿命特性の安定した半導体装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置は、基体と、この基体上に載置された１以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスと、封止雰囲気ガスを介してその電子デバイスを覆うキャップとを含み、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスはヘテロ界面を形成するバリア層とチャネル層を含み、封止雰囲気ガスは実質的に１０ｐｐｍ以上の酸素と１０００ｐｐｍ未満の水分と残部の不活性ガスとからなることを特徴としている。
【００１０】
なお、不活性ガスは、窒素、希ガス、二酸化炭素、および不活性なフロン類の少なくともいずれかを含み得る。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスの表面には、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度の水素を含む保護層が付与され得る。この保護層は、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、Ｔａ2Ｏ5、ＳｉＮ、およびＡｌＮの少なくとも１種を含む誘電体で有り得る。
【発明の効果】
【００１１】
本発明を適用したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスを実装した半導体装置においては、電流コラプスの問題が解決され、寿命特性の安定した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態によるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体装置を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の一実施例による半導体装置に含まれるＨＦＥＴを示す模式的断面図である。
【図３】従来のＨＦＥＴを示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１の模式的な断面図を参照して、本発明の一実施形態による半導体装置に含まれる電子デバイスとしてＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴを用いた場合が説明される。この半導体装置１０１は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴ１０２と、このＨＦＥＴが設置される基体１０３と、この基体のみに接触部分を有しかつＨＦＥＴを覆うように設置されたキャップ１０４とを備えている。
【００１４】
このキャップ１０４で囲まれた内部の空間には、封止雰囲気ガス１０５が封入されている。この封止雰囲気ガス１０５には、酸素が含まれている。封止雰囲気ガス１０５中の酸素以外のガス成分としては、不活性ガスが含まれる。また、この不活性ガスとしては、窒素、アルゴンなどの希ガス、二酸化炭素、およびフルオロカーボンのような不活性なフロン類の少なくともいずれかを含み得る。
【００１５】
封止雰囲気ガス１０５中の酸素の濃度は１０ｐｐｍ以上であればよく、１０００ｐｐｍ以上であることがより好ましい。
【００１６】
また、封止雰囲気ガス１０５に含まれる水分濃度は、１０００ｐｐｍ未満に抑制されており、より好ましくは５００ｐｐｍ以下に抑制されることによって本発明の効果が発揮され易くなる。
【００１７】
本発明において用いられるＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴは、ＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶からなっている。ここで、Ａｌはアルミニウム、Ｇａはガリウム、Ｉｎはインジウム、そしてＮは窒素を表す。また、ＩＩＩ族元素中の原子含有比率として、ｘはアルミニウムの含有比率、ｙはガリウムの含有比率、そしてｚはインジウムの含有比率を表している。本明細書では、以後において、例えばＡｌzＧａyＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１、ｘ＋ｙ＝１）の式で表わされる窒化物半導体結晶層をＡｌＧａＮ層と略記する。
【００１８】
なお、このような窒化物半導体結晶は、周知の有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）または分子ビームエピタキシ法（ＭＢＥ法）によって作製され得る。
【００１９】
（実施例）
図２は、本発明の一実施例による半導体装置において実装されるＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴの模式的断面図である。このＨＦＥＴ２０１においては、高抵抗Ｓｉ基板２０２上に、バッファ層２０３、厚さ１μｍのｉ型ＧａＮチャネル層２０４、および厚さ３０ｎｍのアンドープＡｌＧａＮバリア層２０５を順に積層したエピタキシャルウェハが使用された。ＡｌＧａＮバリア層２０５のＡｌ含有比率は、２５％に設定された。
【００２０】
ＡｌＧａＮバリア層２０５の表面上には、ソース電極２０６、ゲート電極２０７、およびドレイン電極２０８が形成された。ソース電極２０６とドレイン電極２０８はＨｆ／Ａｌ／Ｈｆ／Ａｕの積層構造からなるオーミック電極であり、ゲート電極２０７はＷＮをベースとするショットキー電極である。各電極の形成後には、少なくとも電極間においてＡｌＧａＮバリア層２０５を覆うようにＴａ2Ｏ5からなる保護層２０９が成膜された。このＴａ2Ｏ5保護層２０９においては、各電極に対する給電線の接触領域としての開口が設けられている。
【００２１】
図２のＨＦＥＴは、周知の窒化物半導体結晶成長方法で作製することができる。より具体的には、各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法によって積層され得る。ソース、ゲート、およびドレインの各電極を構成する各層および保護層の成膜には、電子ビーム（ＥＢ）真空蒸着法、高周波スパッタリング法、各種化学気相成長（ＣＶＤ）法などの一般的な成膜法が用いられ得る。
【００２２】
上述のようにして作製されたＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴ２０１を基体上に設置し、基体とキャップによりＨＦＥＴ２０１をガス封止して通電試験を行なった。キャップ内に封入された封止雰囲気ガスとしては、酸素１５％と窒素８５％の混合ガスが用いられた。この際に、混合ガスに含まれる水分濃度は１００ｐｐｍ（露点約−４０℃）に抑制された。通電試験条件としては、１５０℃の高温下でゲート電圧として５Ｖを印加し、ドレイン電圧が３００Ｖである一定電圧駆動が行なわれた。そして、この試験条件下で、ソース・ドレイン間の動作電流がモニタされた。
【００２３】
その結果、本実施例の半導体装置では、通電時間が５００時間以上経過してもソース・ドレイン電流の値は初期値から数％以内の変動幅に収まり、安定した通電動作特性が得られることが分かった。
【００２４】
（比較例１）
本発明の実施例に対する比較例１としての半導体装置においても、図２と同じＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴ２０１が用いられた。しかし、本比較例１においては、基体上に設置されたＨＦＥＴ２０１全体を樹脂モールドで覆った後にキャップ封止が行なわれた。本比較例１においてキャップ内に封入された封止雰囲気ガスは、実施例の場合と同じく酸素１５％と窒素８５％の混合ガスであった。
【００２５】
すなわち、本比較例１による半導体装置は、実施例の場合に比べて、ＨＦＥＴ２０１全体が樹脂モールドで覆われたことのみにおいて異なっていた。この比較例１の半導体装置についても、実施例の場合と同様の通電試験が行われた。
【００２６】
その結果、本比較例１による半導体装置の場合では、数十時間程度の通電駆動後にソース・ドレイン電流が減少してしまう例が多発した。
【００２７】
（比較例２）
本発明の実施例に対する比較例２としての半導体装置は、比較例１の場合に比べて、ＨＦＥＴ２０１全体が樹脂モールドで覆われた後に、キャップ封止されなかったことのみにおいて異なっていた。すなわち、本比較例２の半導体装置では、樹脂モールドが大気に露出されていた。この比較例２の半導体装置についても、実施例の場合と同様の通電試験が行われた。
【００２８】
その結果、本比較例２による半導体装置の場合でも、数十時間程度の通電駆動後にソース・ドレイン電流が減少してしまう例が多発した。
【００２９】
（比較例３）
本発明の実施例に対する比較例２としての半導体装置においては、実施例の場合に比べて、キャップ内の封止雰囲気ガスとして不活性ガスのみが封入されたことにおいて異なっていた。ただし、この場合の不活性ガスとしは、ほぼ１００％濃度の窒素ガスが用いられ、含まれる水分濃度は１００ｐｐｍに抑制された。そして、この比較例３の半導体装置についても、実施例の場合と同様の通電試験が行われた。
【００３０】
その結果、本比較例１による半導体装置の場合においても、比較例１および２の場合と同様に、数十時間程度の通電駆動後にソース・ドレイン電流が減少してしまう例が多発した。
【００３１】
（検討）
比較例１〜３におけるようにソース・ドレイン電流が減少する原因については詳細には分かっていないが、その現象のメカニズムを説明する一つのモデルとして、保護層２０９中に含まれている水素が半導体層側へ拡散することがソース・ドレイン電流の減少を引き起こす引き金になっているのではないかと考えられる。
【００３２】
上述の実施例と比較例１〜３において保護層２０９として用いられたＴａ2Ｏ5層は、その膜中に不純物としての水素を含んでいる。二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）で解析したところ、その水素含有レベルは１０20／ｃｍ3オーダという高いレベルであることが分かった。保護層２０９の成膜はスパッタリング法を用いて行われたが、電子デバイスの製造プロセスでよく用いられる真空蒸着法やＣＶＤ法など他の成膜方法を用いても、その保護層の水素含有を防ぐことは本質的に困難であり、成膜条件に依存するとしても１０19〜１０21／ｃｍ3オーダで水素が含まれることが一般的である。
【００３３】
このように、保護層２０９中に水素が存在する状況でＨＦＥＴが動作状態になれば、ＨＦＥＴ素子内で基板方向に対して強い電界が発生して水素の移動または拡散が生じる。このことによって、保護層２０９中で水素結合が切れたことなどによる欠陥が増大する。そして、これらの欠陥に電荷が局在することによって、よく知られている電流コラプス現象と同様の原理で、ＡｌＧａＮバリア層／ｉ型ＧａＮ層のヘテロ界面近傍に生じている２ＤＥＧの電子濃度が相対的に減少して、ＨＦＥＴの電流チャネルの抵抗成分が増大する。以上のような劣化プロセスが、ソース・ドレイン間の電流が減少するメカニズムのモデルとして推測され得る。
【００３４】
これに対し、上述の実施例におけるようにキャップ封止雰囲気中に酸素が含まれている場合には、ＨＦＥＴが動作状態になって強い電界が発生しても、保護層２０９内部の水素が固定されるので欠陥が増大することがなく、そしてＡｌＧａＮバリア層２０５とＧａＮチャネル層２０４との界面近傍に形成されている２ＤＥＧの電子濃度が維持され得ると考えられる。
【００３５】
以上のようなモデルに基づいて、キャップ封止雰囲気中に含まれる酸素濃度とソース・ドレイン間の電流減少の抑制効果とについて詳細に調査した結果、酸素濃度が１０ｐｐｍ以上の場合において本発明の効果が現われた。さらに、酸素濃度が１０００ｐｐｍ以上の場合において、本発明の効果がより顕著になることが分かった。
【００３６】
また、キャップ封止雰囲気中に含まれる水分濃度についても調査した結果、水分濃度が１０００ｐｐｍ以上の場合には、キャップ封止雰囲気中に酸素が含まれていてもソース・ドレイン間電流が減少する場合があった。したがって、本発明の効果をもたらす水分濃度としては、１０００ｐｐｍ未満であることが規定される。より望ましくは、水分濃度が５００ｐｐｍ以下に抑制されるべきである。
【００３７】
また、本発明の効果を得るために、キャップ内に酸素と同時に混合ガスとして封入されるガス種としては、不活性ガスを用いることができる。そのような不活性ガスは、窒素、アルゴンなどの希ガス、二酸化炭素、およびフルオロカーボンのような不活性なフロン類の少なくともいずれかを含むことができる。なお、キャップ封止雰囲気中において、水素に対する酸素の作用を害しない範囲内であれば、微量の他種類のガスが含まれてもよいことは言うまでもない。
【００３８】
また、本発明を適用しない場合には、保護層２０９内部の水素濃度とソース・ドレイン間電流減少との関係において、保護層内部の水素濃度が１０17／ｃｍ3より多い場合にソース・ドレイン間電流の減少がたびたび発生する。そして、この現象は、上述の実施例のようにキャップ封止雰囲気中に酸素を含めることによって、十分に抑止され得ることが分かった。
【００３９】
また、上述の実施形態および実施例においては半導体装置に含まれる電子デバイスとしてＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴが例示されたが、上述の推定モデルで説明したようにソース・ドレイン間の電流減少の原因が保護層内の水素にあると考えられるから、電子デバイスとしてインジウム・ガリウム・アルミニウム・砒素系のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるＨＦＥＴを用いる場合であっても、本発明の適用の効果を得ることができる。
【００４０】
また、上述の実施例では保護層２０９としてＴａ2Ｏ5膜が例示されたが、保護層を構成する物質はこれに限られず、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、ＺｒＯ2、ＨｆＯ2、ＣｅＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｉｎ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ5、Ｓｂ2Ｏ3、ＳｎＯ2、ＺｎＯ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、またはこれらの混合物からなる保護層であっても、本発明の適用の効果を得ることができる。
【００４１】
また、上述の説明では半導体電子デバイスとしてＨＦＥＴが例示されたが、上述の推定モデルにおけるように水素の移動または拡散により影響を受けるのは半導体層へテロ界面近傍の２ＤＥＧであるから、このような２ＤＥＧを内包する電子デバイスであれば、ＨＦＥＴに限られずに本発明の適用の効果が得られることが明らかである。
【００４２】
また、半導体装置内部に設置される半導体電子デバイスは勿論１つまたは１種類である必要はなく、内部にチャネル層とバリア層とのヘテロ界面を有する電子デバイスであれば、１つの半導体装置内に複数または複数種類の電子デバイスが設置される場合であっても、本発明の適用の効果が得られることが明らかである。
【００４３】
上記で開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電子デバイス、例えばＨＦＥＴをはじめとする各種トランジスタ、ショットキーバリアダイオード、ｐ−ｎダイオードなどを含む半導体装置に応用可能であり、電子デバイス動作時の半導体層内部での水素元素の移動または半導体層内部への水素の拡散を抑制し、動作状態の変動劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１０１  半導体装置、１０２，２０１  ＩＩＩ族窒化物半導体ＨＦＥＴ、１０３  基体、１０４  キャップ、１０５  キャップ内雰囲気、２０２  高抵抗Ｓｉ基板、２０３  バッファ層、２０４  ｉ型ＧａＮ層、２０５  アンドープＡｌＧａＮバリア層、２０６，３０５  ソース電極、２０７，３０６  ゲート電極、２０８，３０７  ドレイン電極、２０９  Ｔａ2Ｏ5保護層、３０１  基板、３０２  バッファ層、３０３  ＧａＮチャネル層、３０４  ＡｌＧａＮバリア層、３０８  保護層、３０９  樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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