(57)【要約】      （修正有）【課題】保護層の絶縁性を向上させた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１００は、半導体層３０と、半導体層３０の上に設けられ、シリコン窒化物を含み、屈折率が１．９５以下である第１絶縁層６１と、第１絶縁層６１の上に設けられ、第１絶縁層６１に接する樹脂層７０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の上に設けられ、シリコン窒化物を含み、屈折率が１．９５以下である第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の上に設けられ、前記第１絶縁層に接する樹脂と、
を備えた半導体装置。
【請求項２】
前記第１絶縁層の厚さは、前記第１絶縁層に透湿試験を行った場合の浸水距離よりも厚い請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１絶縁層の厚さは、５０ｎｍよりも厚い請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記半導体層は、
第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の上に設けられた第２窒化物半導体層と、
を有し、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられ、前記第２窒化物半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられ、前記第２窒化物半導体層に電気的に接続された第２電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第３電極と、をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１絶縁層は、前記第１電極と前記第３電極との間および前記第２電極と前記第３電極との間に設けられている請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体層と前記第３電極との間に設けられた第２絶縁層をさらに備え、
前記第１絶縁層は、前記第２絶縁層の上に設けられている請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１絶縁層の上に、前記第１電極に電気的に接続された第４電極をさらに備え、
前記第４電極の先端は、前記半導体層から第１絶縁層に向かう方向からみて、前記第２電極と前記第３電極との間に位置している請求項４〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の半導体装置では、保護層として、シリコン窒化物層が用いられる。シリコン窒化物層は、一般に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）によって形成されている。
【０００３】
プラズマＣＶＤで形成されたシリコン窒化物層には、水素が含有されている場合がある。水素は、窒素と結合して、シリコン窒化物層内に残留している。換言すれば、シリコンと結合できる窒素が相対的に減り、シリコン窒化物層はシリコンリッチな層になっている。
【０００４】
しかし、シリコンリッチなシリコン窒化物層は、高電圧を印加するとリーク電流が流れたり、水が浸入すると電気化学反応を起こして膜質が劣化したりするおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１６８６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、保護層の絶縁性を向上させた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の半導体装置は、半導体層と、前記半導体層の上に設けられ、シリコン窒化物を含み、屈折率が１．９５以下である第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられ、前記第１絶縁層に接する樹脂と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的平面図である。
【図２】図２は、透湿試験を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１０】
図１（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置の要部を表す模式的平面図である。
【００１１】
図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ１−Ａ２線に沿った断面が表されている。
【００１２】
また、以下に例示する図には、３次元座標を導入する。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、それぞれ交差している。例えば、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、それぞれ直交している。
【００１３】
本実施形態に係る半導体装置１００として、一例として、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）の一例が表されている。以下に図示される電極、配線等の配置は実施可能な限り変更することは可能である。
【００１４】
半導体装置１００は、例えば、基板１０と、第１バッファ層３１と、第２バッファ層３２と、第１窒化物半導体層（以下、例えば、キャリア走行層３３）と、第２窒化物半導体層（以下、例えば、障壁層３４）と、第１電極（以下、例えば、ソース電極５０ｓ）と、第２電極（以下、例えば、ドレイン電極５１ｄ）と、第３電極（以下、例えば、ゲート電極５２ｇ）と、第２絶縁層（以下、ゲート絶縁膜５３）と、保護層６０と、第１絶縁層（以下、保護層６１）と、樹脂層７０と、を備える。キャリア走行層３３と障壁層３４とをまとめて、半導体層３０とする。
【００１５】
基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を含む。基板１０は、シリコン基板に限らず、サファイア基板、ダイアモンド基板、シリコン炭化物基板、カーボン基板、窒化物半導体基板、ボロン窒化物基板、またはゲルマニウム基板等であってもよい。
【００１６】
第１バッファ層３１は、基板１０上に設けられている。第１バッファ層３１は、窒化アルミニウムを含む。第２バッファ層３２は、第１バッファ層３１上に設けられている。第２バッファ層３２は、窒化アルミニウムガリウムを含む。
【００１７】
キャリア走行層３３は、第２バッファ層３２上に設けられている。キャリア走行層３３は、ノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）、またはノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１））を含む。また、キャリア走行層３３は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、およびＢｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のいずれかを含んでもよい。
【００１８】
障壁層３４は、キャリア走行層３３上に設けられている。障壁層３４は、ノンドープもしくはｎ形の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ））を含む。また、障壁層３４は、ＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、およびＢｘＩｎ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のいずれかを含んでもよい。
【００１９】
キャリア走行層３３内のキャリア走行層３３と障壁層３４の界面付近には二次元電子（２ＤＥＧ）が発生している。
【００２０】
ソース電極５０ｓは、障壁層３４上に設けられている。Ｙ方向において、複数のソース電極５０ｓが並んでいる。ソース電極５０ｓは、障壁層３４に電気的に接続されている。ソース電極５０ｓは、障壁層３４とオーミック接触をしている。ソース電極５０ｓは、コンタクト電極５０ｃを介して、フィールドプレート電極５０ｆに接続されている。フィールドプレート電極５０ｆは、ソース配線５０ｉに接続されている。フィールドプレート電極５０ｆおよびソース配線５０ｉは、例えば、保護層６１上に設けられている。
【００２１】
ソース配線５０ｉは、例えば、Ｙ方向に延在している。ソース配線５０ｉは、フィールドプレート電極５０ｆ、コンタクト電極５０ｃを介して、ソース電極５０ｓに電気的に接続されている。フィールドプレート電極５０ｆ（第４電極）は、例えば、保護層６１上に設けられている。ソースパッド電極５０ｐは、ソース配線５０ｉに接続されている。ソースパッド電極５０ｐは、樹脂層７０から露出されている。
【００２２】
ドレイン電極５１ｄは、障壁層３４上に設けられている。Ｙ方向において、複数のドレイン電極５１ｄが並んでいる。ドレイン電極５１ｄは、障壁層３４に電気的に接続されている。ドレイン電極５１ｄは、障壁層３４とオーミック接触をしている。ドレイン電極５１ｄは、Ｙ方向において、ソース電極５０ｓの横に設けられている。
【００２３】
ドレイン配線５１ｉは、例えば、保護層６１上に設けられている。ドレイン配線５１ｉは、Ｙ方向に延在している。ドレイン配線５１ｉは、コンタクト電極５１ｃを介して、ドレイン電極５１ｄに電気的に接続されている。ドレインパッド電極５１ｐは、ドレイン配線５１ｉに接続されている。ドレインパッド電極５１ｐは、樹脂層７０から露出されている。
【００２４】
ソース電極５０ｓおよびドレイン電極５１ｄは、ソース配線５０ｉとドレイン配線５１ｉとの間に設けられている。ソース電極５０ｓおよびドレイン電極５１ｄは、障壁層３４上においてＸ方向に延在している。
【００２５】
ゲート絶縁膜５３は、障壁層３４上に設けられている。ゲート絶縁膜５３は、障壁層３４とゲート電極５２ｇとの間に設けられている。ゲート絶縁膜５３は、シリコン窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化珪素膜（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかを含む。
【００２６】
ゲート電極５２ｇは、ゲート絶縁膜５３を介して、障壁層３４上に設けられている。ゲート電極５２ｇは、Ｙ方向において、ソース電極５０ｓとドレイン電極５１ｄとの間に設けられている。フィールドプレート電極５２ｆは、保護層６０上に設けられている。ゲート配線５２ｉは、フィールドプレート電極５２ｆ、コンタクト電極５２ｃａを介して、ゲート電極５２ｇに電気的に接続されている。ゲートパッド電極５２ｐは、コンタクト電極５２ｃｂを介して、ゲート配線５２ｉに電気的に接続されている。ゲートパッド電極５２ｐは、樹脂層７０から露出されている。
【００２７】
ソース電極５０ｓ、ドレイン電極５１ｄ、およびゲート電極５２ｇの数は、図示される数に限られない。
【００２８】
また、半導体装置１００において、ソース電極５０ｓ、ドレイン電極５１ｄ、およびゲート電極５２ｇが配置されている領域を活性領域１００ａとする。Ｚ方向から見て、活性領域１００ａを囲む領域を終端領域１００ｔとする。
【００２９】
保護層６０は、ゲート絶縁膜５３を介して半導体層３０上に設けられている。保護層６０は、例えば、シリコン窒化物を含む。保護層６１は、ゲート絶縁膜５３の上に設けられている。例えば、保護層６１は、保護層６０上に設けられている。Ｚ方向から見て、保護層６１は、ソース電極５０ｓとゲート電極５２ｇとの間およびドレイン電極５１ｄとゲート電極５２ｇとの間に設けられている。保護層６１上には、樹脂層７０が設けられている。保護層６１は、樹脂層７０に接している。基板１０、半導体層３０、バッファ層３１、３２、ソース電極５０ｓ、ドレイン電極５１ｄ、ゲート電極５２ｇ、ゲート絶縁膜５３、保護層６０、および保護層６１は、樹脂層７０によって封止されている。
【００３０】
保護層６１は、シリコン窒化物（ＳｉＮｘ）を含む。保護層６１の屈折率は、１．９５以下である。ここで、保護層６１の屈折率は、ＳｉとＮとの組成比によって変動する。例えば、屈折率が１．９５以下では、シリコン窒化物層は窒素リッチになり、屈折率が１．９５より大きくなると、シリコン窒化物層はシリコンリッチになる傾向にある。本実施形態に係る保護層６１は、窒素リッチな層である。
【００３１】
また、保護層６１の厚さ（Ｚ方向における厚さ）は、保護層６１に透湿試験（ＴＨＢ試験）を行った場合の浸水距離よりも厚い。例えば、保護層６１の厚さは、５０ｎｍよりも厚くなっている。ここで、浸水距離とは、保護層６１に透湿試験を行った後、保護層６１の上面から下面の側に水が侵入する深さである。透湿試験については、後述する。
【００３２】
また、保護層６１は、例えば、プラズマＣＶＤにより形成される。ここで、保護層６１を形成する原料ガスは、ＳｉＨ２Ｃｌ２とＮＨ４とである。
【００３３】
また、ゲート絶縁膜５３と保護層６０との境界、保護層６０と保護層６１との境界には、それぞれを形成した後の大気解放によって、酸素が混在している。この酸素を、例えば、ＳＩＭＳ分析することで、ゲート絶縁膜５３と保護層６０との境界と、保護層６０と保護層６１との境界とが判明できる。
【００３４】
図２は、透湿試験を説明する模式図である。
【００３５】
例えば、密閉容器２００の中に、基板２０２上に、上記の条件で成膜した保護層６１を設置する。基板２０２はステージ２０１上に載置される。保護層６１には、バイアスが印加される。雰囲気ガスとしては、重水（Ｄ２Ｏ）が用いられる。保護層６１の膜厚は、例えば、数１００ｎｍである。
【００３６】
透湿試験を行った保護層６１に対して、重水素（Ｄ）のＳＩＭＳ分析を行ったところ、重水が保護層６１の上面６１ｕから侵入する浸水距離は、５０ｎｍ以下であることが分かった。従って、保護層６１の厚さを、５０ｎｍより厚くすることにより、保護層６１から下側への浸水が確実に防止できることが分かった。
【００３７】
これに対して、屈折率が１．９５よりも大きい窒化物シリコン層には、多量の水素（Ｈ）が含まれている。ここで、水素は、窒素と結合して、シリコン窒化物層内に残留している。従って、シリコンと結合できる窒素が相対的に減ると、シリコン窒化物層はシリコンリッチな層になって、その屈折率ｎが上昇する（ｎ＞１．９５）。
【００３８】
屈折率が１．９５よりも大きいシリコン窒化物層では、高電圧を印加するとリーク電流が流れたり、水が浸入すると電気化学反応を起こしてその膜質が劣化したりする。例えば、水中の酸素がシリコンと反応し、シリコン窒化物層内にシリコン酸化物が形成されると、シリコン酸化物がゲルになったり、シリコン酸化物を起点にシリコン窒化物層に割れ、欠けが発生する。
【００３９】
また、屈折率が１．９５よりも大きいシリコン窒化物層の浸水距離は５０ｎｍよりも大きくなった。つまり、屈折率が１．９５よりも大きいシリコン窒化物層の耐浸水性は、屈折率が１．９５以下のシリコン窒化物層の耐浸水性に比べて弱くなることが分かった。
【００４０】
これに対して、本実施形態に係る保護層６１は、屈折率が１．９５以下であり、窒素リッチな層である。つまり、保護層６１中のシリコンの殆どは、窒素と結合している。このような保護層６１に、高電圧を印加しても、保護層６１の絶縁性が向上し、リーク電流が流れ難くなっている。例えば、フィールドプレート電極５０ｆの先端５２ｅは、キャリア走行層３３から保護層６１に向かう方向、すなわち、Ｚ方向からみてゲート電極５２ｇとドレイン電極５１ｄとの間に位置している。従って、フィールドプレート電極５０ｆと、ドレイン電極５１ｄとの間に電圧を印加すると、保護層６１にも電界が印加される。このような電界が印加されても、保護層６１は、絶縁破壊が起き難くなっている。
【００４１】
また、本実施形態に係る保護層６１では、浸水距離が５０ｎｍよりも大きい。これにより、保護層６１中への水の浸入が抑制される。つまり、酸素との電気化学反応が起き難くなる。その結果、保護層６１には、割れ、欠けが発生し難くなっている。
【００４２】
また、樹脂層７０によって封止された半導体装置１００は、ハーメチックシールされた半導体装置に比べて安価である。
【００４３】
また、本実施形態では、半導体装置として、ＨＥＭＴのほか、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＦＷＤ等も含まれる。
【００４４】
上記の実施形態では、「ＡはＢの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、ＡがＢに接触して、ＡがＢの上に設けられている場合の他に、ＡがＢに接触せず、ＡがＢの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「ＡはＢの上に設けられている」は、ＡとＢとを反転させてＡがＢの下に位置した場合や、ＡとＢとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。
【００４５】
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００４６】
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
【００４７】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、総括的に、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４９】
１０  基板、  ３０  半導体層、  ３１  第１バッファ層、  ３２  第２バッファ層、  ３３  第１窒化物半導体層、  ３４  第２窒化物半導体層、  ５０ｃ  コンタクト電極、  ５０ｆ  フィールドプレート電極、  ５０ｉ  ソース配線、  ５０ｐ  ソースパッド電極、  ５０ｓ  第１電極、  ５１ｃ  コンタクト電極、  ５１ｄ  第２電極、  ５１ｉ  ドレイン配線、  ５１ｐ  ドレインパッド電極、  ５２ｃａ、５２ｃｂ  コンタクト電極、  ５２ｆ  フィールドプレート電極、  ５２ｇ  第３電極、  ５２ｉ  ゲート配線、  ５２ｐ  ゲートパッド電極、  ５３  第２絶縁層、  ６０  保護層、  ６１  第１絶縁層、  ６１ｕ  上面、  ７０  樹脂層、  １００  半導体装置、  １００ａ  活性領域、  １００ｔ  終端領域、  ２００  密閉容器、  ２０１  ステージ、  ２０２  基板
【図１】
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【図２】
2016171260.tif 000004