(57)【要約】      （修正有）【課題】デバイス動作時に電極間を流れる電流による発熱が抑制された、ソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された櫛型電極構造を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基体と、半導体基体の上に配置された、櫛柄部及び櫛柄部から延伸する複数の櫛歯部を有する櫛型形状のソース電極３と、半導体基体の上に配置された、ソース電極３の櫛柄部と対向する櫛柄部及びソース電極の櫛歯部と交差指状に配置された複数の櫛歯部を有する櫛型形状のドレイン電極４とを備える。ソース電極３の櫛歯部及びドレイン電極４の櫛歯部が直線的に延伸する直線領域において、互いに隣接するソース電極３の櫛歯部とドレイン電極４の櫛歯部との間隔よりも、ソース電極３の櫛歯部の先端とドレイン電極４の櫛柄部との間隔及びドレイン電極４の櫛歯部の先端とソース電極３の櫛柄部との間隔の方が広い。【選択図】図１
2017063120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体と、
前記半導体基体の上に配置された、櫛柄部及び前記櫛柄部から延伸する複数の櫛歯部を有する櫛型形状のソース電極と、
前記半導体基体の上に配置された、前記ソース電極の前記櫛柄部と対向する櫛柄部及び前記ソース電極の前記櫛歯部と交差指状に配置された複数の櫛歯部を有する櫛型形状のドレイン電極と
を備え、
前記ソース電極の前記櫛歯部及び前記ドレイン電極の前記櫛歯部が直線的に延伸する直線領域において互いに隣接する前記ソース電極の前記櫛歯部と前記ドレイン電極の前記櫛歯部との間隔ｂよりも、前記ソース電極の前記櫛歯部の先端と前記ドレイン電極の前記櫛柄部との間隔ａ１及び前記ドレイン電極の前記櫛歯部の先端と前記ソース電極の前記櫛柄部との間隔ａ２の方が広いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
オン状態において、前記直線領域において前記ドレイン電極の前記櫛歯部と前記ソース電極の前記櫛歯部との間に流れる電流の電流密度が、前記ソース電極の前記櫛歯部の前記先端と前記ドレイン電極の前記櫛柄部との間に流れる電流の電流密度、及び前記ドレイン電極の前記櫛歯部の前記先端と前記ソース電極の前記櫛柄部の間を流れる電流の電流密度とそれぞれ同等であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記間隔ａ１及び前記間隔ａ２が、前記間隔ｂの１．１倍以上且つ１０倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記間隔ａ１及び前記間隔ａ２が、前記間隔ｂの１．５倍であることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ソース電極と前記ドレイン電極間で前記半導体基体上に配置されたゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記半導体基体が、窒化物半導体からなるキャリア供給層、及び前記キャリア供給層とヘテロ接合を形成するキャリア走行層を積層した構成を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、櫛型形状の電極を有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の電極構造として、ソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された櫛型電極構造が使用されている。このため、櫛型電極構造の半導体装置について、櫛型電極に起因する種々の問題を解決する方法が実施されている。例えば、櫛型電極の先端領域での電界集中を緩和するために、櫛型電極の直線領域よりも先端領域で電極間の距離を長くする方法などが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９８２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
櫛型電極構造を採用した半導体装置では、デバイス動作時にドレイン電極とソース電極間を流れる電流によって電極に熱が発生する。電極での局所的な発熱によって半導体装置が誤動作したり破壊されたりするなど、半導体装置の信頼性が低下するおそれがある。しかしながら、半導体装置の櫛型電極構造の電極間を流れる電流による発熱に関して、これまで検討がなされてこなかった。
【０００５】
上記問題点に鑑み、本発明は、デバイス動作時に電極間を流れる電流による発熱が抑制された、ソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された櫛型電極構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（ア）半導体基体と、（イ）半導体基体の上に配置された、櫛柄部及び櫛柄部から延伸する複数の櫛歯部を有する櫛型形状のソース電極と、（ウ）半導体基体の上に配置された、ソース電極の櫛柄部と対向する櫛柄部及びソース電極の櫛歯部と交差指状に配置された複数の櫛歯部を有する櫛型形状のドレイン電極とを備え、ソース電極の櫛歯部及びドレイン電極の櫛歯部が直線的に延伸する直線領域において互いに隣接するソース電極の櫛歯部とドレイン電極の櫛歯部との間隔よりも、ソース電極の櫛歯部の先端とドレイン電極の櫛柄部との間隔及びドレイン電極の櫛歯部の先端とソース電極の櫛柄部との間隔の方が広い半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、デバイス動作時に電極間を流れる電流による発熱が抑制された、ソース電極とドレイン電極が交差指状に配置された櫛型電極構造を有する半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のソース先端領域の構造を示す模式的な平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置のドレイン先端領域の構造を示す模式的な平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置における電極間の間隔の例を示す表である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１０】
また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１は、図１に示すように、互いに紙面に向かって上下方向にそれぞれ延伸する複数の櫛歯部を有する櫛型形状をなすソース電極３及びドレイン電極４と、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されたゲート電極５を備える。半導体装置１は、ソース電極３の櫛歯部とドレイン電極４の櫛歯部が交差指状に配置された櫛型電極構造である。
【００１２】
より具体的には、ソース電極３は、櫛柄部及び櫛柄部から延伸する複数の櫛歯部を有する櫛型形状である。また、ドレイン電極４は、ソース電極３の櫛柄部と対向する櫛柄部、及びソース電極３の櫛歯部と交差指状に配置された複数の櫛歯部を有する櫛型形状である。このようにソース電極３の櫛歯部の間のそれぞれにドレイン電極４の各櫛歯部が配置されているため、ゲート電極５は紙面に向かって左右方向に多重に折り返されて配置されている。
【００１３】
以下において、ソース電極３の櫛歯部とドレイン電極４の櫛歯部が直線的に平行して延伸する領域を「直線領域１００」という。そして、ソース電極３の櫛歯部の先端の領域を「ソース先端領域１０１」、ドレイン電極４の櫛歯部の先端の領域を「ドレイン先端領域１０２」という。なお、ソース先端領域１０１とドレイン先端領域１０２を総称して「先端領域」という。
【００１４】
図２にソース先端領域１０１の拡大図、図３にドレイン先端領域１０２の拡大図を示す。図２及び図３に示した例では、ソース電極３とドレイン電極４の櫛歯部の先端の形状は半円形である。また、ソース先端領域１０１においては、ドレイン電極４の柄部分の外縁が、ソース電極３の櫛歯部の先端に沿って半円形に窪んでいる。同様に、ドレイン先端領域１０２においては、ソース電極３の柄部分の外縁が、ドレイン電極４の櫛歯部の先端に沿って半円形に窪んでいる。このため、ソース電極３とドレイン電極４間に配置されるゲート電極５は、先端領域では円弧形状である。
【００１５】
図２、図３に示すように、直線領域１００において互いに隣接するソース電極３の櫛歯部とドレイン電極４の櫛歯部との間隔をｂとする。また、ソース先端領域１０１におけるソース電極３の櫛歯部の先端とドレイン電極４の櫛柄部との間隔をａ１とする。更に、ドレイン先端領域１０２におけるドレイン電極４の櫛歯部の先端とソース電極３の櫛柄部との間隔をａ２とする。間隔ａ１及び間隔ａ２は、櫛歯部の先端から対向する櫛柄部までの距離である。
【００１６】
半導体装置１では、間隔ｂよりも、間隔ａ１及び間隔ａ２の方が広く設定されている。これにより、以下のような効果が得られる。
【００１７】
一般的に、櫛型電極構造では、デバイス動作時にドレイン電極とソース電極との間を流れるドレイン電流が、直線領域と比べて先端領域に集中して流れやすい。これは、電極の先端領域の方が形状的に直線領域よりも電極間の電流が流れやすいためである。ドレイン電流が先端領域で集中すると、先端領域における電流密度が上昇することにより、先端領域での発熱量が増大する。この発熱によってデバイス破壊が生じたり誤動作したりするなどして、半導体装置の信頼性が低下するおそれがある。
【００１８】
これに対し、図１に示した半導体装置１では、ソース電極３とドレイン電極４との間隔が、直線領域１００での間隔ｂよりも先端領域での間隔ａ１及び間隔ａ２の方が広い。このため、デバイス動作時において、電極間距離の観点からは先端領域よりも直線領域１００においてドレイン電流が流れやすい。したがって、半導体装置１によれば、ドレイン電流がドレイン電極４とソース電極３の全体に分散され、先端領域におけるドレイン電流の集中が抑制される。その結果、ドレイン電流の集中に起因する発熱が抑制され、デバイス破壊を防止できる。
【００１９】
なお、半導体装置１がオン状態の場合にドレイン電極４からソース電極３に流れるドレイン電流の電流密度が、直線領域１００とソース先端領域１０１及びドレイン先端領域１０２において同等であるように、間隔ａ１、間隔ａ２及び間隔ｂの関係は設定されることが好ましい。
【００２０】
本発明者らは、検討を重ねた結果、間隔ａ１及び間隔ａ２が間隔ｂの１．１〜１０倍の場合に、先端領域でのドレイン電流の集中が緩和され、半導体装置１の電流集中に起因する発熱によるデバイス破壊や誤動作を抑制できること見出した。更に、発明者らの検討によれば、間隔ａ１及び間隔ａ２が間隔ｂの１．５倍であることがより好ましい。１．５倍にすることにより、発熱によるデバイス破壊を防止できると同時に、ソース・ドレイン間の抵抗の小さい電気的特性の高いデバイスを得ることができる。
【００２１】
図４に、実施例における電極間の間隔の例を示す。図４に示したサンプル１は、先端領域における間隔ａ１及び間隔ａ２のそれぞれが直線領域１００における間隔ｂの１．５倍の例である。なお、サンプル２に示したように、間隔ａ１と間隔ａ２が同一でなくてもよい。また、サンプル３に示したように、間隔ｂに対する間隔ａ１及び間隔ａ２の比は１．５に限定されるものではない。
【００２２】
半導体装置１は、例えば図５に示す構造を有する窒化物半導体装置である。以下に、図５に示した半導体装置１の構造について説明する。
【００２３】
図５に示したように、半導体装置１は、基板１０にバッファ層１１と窒化物半導体層２０を積層した構造の半導体基体２を有する。そして、半導体基体２上に、ソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５が配置されている。窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置は、高耐圧パワーデバイスなどに使用されている。代表的な窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などである。
【００２４】
図５に示した半導体装置１は、バンドギャップエネルギーが互いに異なる窒化物半導体からなるキャリア走行層２１とキャリア供給層２２とを積層した窒化物半導体層２０を有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。キャリア走行層２１とキャリア供給層２２間の界面にヘテロ接合面が形成され、ヘテロ接合面近傍のキャリア走行層２１に電流通路（チャネル）としての二次元キャリアガス層２３が形成される。
【００２５】
図５に示したように、窒化物半導体層２０上に、層間絶縁膜６がソース電極３、ドレイン電極４及びゲート電極５を覆って配置されている。層間絶縁膜６に形成された開口部をそれぞれ介して、ソース電極配線３１がソース電極３と接続され、ドレイン電極配線４１がドレイン電極４と接続されている。
【００２６】
基板１０には、シリコン（Ｓｉ）基板、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）基板、ＧａＮ基板などの半導体基板や、サファイア基板、セラミック基板などの絶縁体基板を採用可能である。
【００２７】
バッファ層１１は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などのエピタキシャル成長法で形成できる。なお、バッファ層１１はＨＥＭＴの動作に直接には関係しないため、バッファ層１１を省いてもよい。また、基板１０とバッファ層１１とを組み合わせた構造を基板とみなすこともできる。バッファ層１１の構造や配置の有無は、基板１０や窒化物半導体層２０の材料や膜厚などに応じて決定される。
【００２８】
キャリア走行層２１は、例えば不純物が添加されていないノンドープＧａＮを、ＭＯＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長させて形成する。ここでノンドープとは、不純物が意図的に添加されていないことを意味する。
【００２９】
キャリア走行層２１上に配置されたキャリア供給層２２は、キャリア走行層２１よりもバンドギャップが大きく、且つキャリア走行層２１より格子定数の小さい窒化物半導体からなる。キャリア供給層２２としてノンドープのＡｌxＧａ1-xＮが採用可能である。キャリア供給層２２は、ＭＯＣＶＤ法などによるエピタキシャル成長によってキャリア走行層２１上に形成される。キャリア供給層２２とキャリア走行層２１は格子定数が異なるため、格子歪みによるピエゾ分極が生じる。このピエゾ分極とキャリア供給層２２の結晶が有する自発分極により、ヘテロ接合付近のキャリア走行層２１に高密度のキャリアが生じ、二次元キャリアガス層２３が形成される。
【００３０】
ソース電極３及びドレイン電極４は、窒化物半導体層２０と低抵抗接触（オーミック接触）可能な金属により形成される。例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などがソース電極３及びドレイン電極４に採用可能である。或いはＴｉとＡｌの積層体として、ソース電極３及びドレイン電極４は形成される。
【００３１】
ゲート電極５には、例えばニッケル金（ＮｉＡｕ）などが採用可能である。ソース電極配線３１、ドレイン電極配線４１には、例えばＡｌや金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などが採用可能である。
【００３２】
上記では、半導体装置１がＨＥＭＴである場合を示した。しかし、半導体装置１がＨＥＭＴ以外のトランジスタ、例えば横型ＦＥＴである場合にも、上記の櫛型電極構造を採用可能である。
【００３３】
以上に説明したように、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置１では、直線領域１００よりもソース先端領域１０１とドレイン先端領域１０２において、ソース電極３とドレイン電極４との間隔が広く設定されている。このため、半導体装置１によれば、先端領域でのドレイン電流の集中が緩和される。その結果、先端領域での発熱が抑制され、デバイス破壊や誤動作などが防止される。これにより、半導体装置１の信頼性が向上する。
【００３４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置１は、図６に示すように、ゲート電極５が配置されていない点が図１と異なる。その他の構成については、図１に示した半導体装置１と同様の構成である。図６に示す半導体装置１は、櫛型形状のソース電極３とドレイン電極４が交差指状に配置されたダイオードである。図６に示した半導体装置１の断面図を図７に示す。図７に示す半導体装置１は、ソース電極３及びドレイン電極４が半導体基体２上に配置された構造である。
【００３５】
半導体装置１がダイオードである場合にも、図１に示したトランジスタと同様に本発明は適用可能である。即ち、直線領域１００におけるソース電極３の櫛歯部とドレイン電極４の櫛歯部との間隔ｂよりも、ソース電極３の櫛歯部の先端とドレイン電極４の櫛柄部との間隔ａ１及びドレイン電極４の櫛歯部の先端とソース電極３の櫛柄部との間隔ａ２の方を広く設定する。これにより、ソース電極３やドレイン電極４の先端領域におけるダイオードの順方向電流の集中が緩和される。その結果、デバイス破壊や誤動作などを防止することができる。他は、第１の実施形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００３６】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００３７】
例えば、上記の説明では、半導体装置１が、半導体基体２に窒化物半導体層２０を含む窒化物半導体装置である場合を例示的に示した。しかし、半導体基体２がシリコン半導体層の積層体である半導体装置１の場合にも、本発明によれば櫛型形状のソース電極３やドレイン電極４の先端での電流集中を緩和できる。これにより、半導体装置１がシリコン半導体装置である場合にも、デバイス動作時に電極間を流れる電流による発熱が抑制され、信頼性を向上できる
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…半導体装置
２…半導体基体
３…ソース電極
４…ドレイン電極
５…ゲート電極
１００…直線領域
１０１…ソース先端領域
１０２…ドレイン先端領域
【図１】
2017063120.tif 000003
【図２】
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【図３】
2017063120.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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