(57)【要約】      （修正有）【課題】電流コラプス現象の抑制効果を向上させることができる半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置１は、第１窒化物半導体層１５と、第１窒化物半導体層１５の上に設けられ、第１窒化物半導体層１５よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層１６と、第２窒化物半導体層１６の上に設けられたソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ドレイン電極２２とソース電極２１との間に設けられたゲート電極２３と、第２窒化物半導体層１６の上に設けられた層間絶縁膜１８と、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間で第２窒化物半導体層１６の上面に接触している第１フィールドプレート電極４０と、層間絶縁膜１８を貫通して第１フィールドプレート電極４０に接続されている第２フィールドプレート電極５０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】
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、前記第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に、前記ソース電極から第１方向に離れて設けられたドレイン電極と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に設けられたゲート電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記第２窒化物半導体層の上面に接触している第１フィールドプレート電極と、
前記層間絶縁膜を貫通して前記第１フィールドプレート電極に接続されている第２フィールドプレート電極と、を備え、
前記第２フィールドプレート電極のソース電極側の端部が、前記第１フィールドプレート電極のソース電極側の端部よりも第１方向側に位置している、半導体装置。
【請求項２】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）の組成式で表される第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、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＞ｘ）の組成式で表される第２窒化物半導体層と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に、前記ソース電極から第１方向に離れて設けられたドレイン電極と、
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間に設けられたゲート電極と、
前記第２窒化物半導体層の上に設けられた層間絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間で前記第２窒化物半導体層の上面に接触している第１フィールドプレート電極と、
前記層間絶縁膜を貫通して前記第１フィールドプレート電極に接続されている第２フィールドプレート電極と、を備え、
前記第２フィールドプレート電極のソース電極側の端部が、前記第１フィールドプレート電極のソース電極側の端部よりも第１方向側に位置している、半導体装置。
【請求項３】
前記第２フィールドプレート電極のドレイン電極側の端部も、前記第１フィールドプレート電極のドレイン電極側の端部よりも前記第１方向側に位置している、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
複数の前記第１フィールドプレート電極が、前記第１方向に互いに離れて設けられ、
複数の前記第２フィールドプレート電極が、前記複数の第１フィールドプレート電極に個別に接続されている、請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１方向における前記第１フィールドプレート電極の間隔が、前記ドレイン電極に近づくにつれて狭くなっている、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１方向における前記複数の第２フィールドプレート電極のそれぞれの長さが、前記ドレイン電極に近づくにつれて短くなっている、請求項４または５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１フィールドプレート電極は、前記第２窒化物半導体層の前記上面にオーミック接触しているオーミック電極である、請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記オーミック電極が、チタンおよびアルミニウムを含んでいる、請求項７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】
横型構造の窒化物半導体装置では、ゲート電極とドレイン電極との間における電界集中によって二次元電子ガス内の電子がトラップし、この電子のトラップが、電流コラプス現象を発生させる場合がある。上記電界集中を緩和する手段として、フィールドプレート電極が知られている。
【０００３】
フィールドプレート電極の１つの種類として、層間絶縁膜を貫通して窒化物半導体層に接続されたものがある。このようなフィールドプレート電極が、層間絶縁膜の上でゲート電極側に延伸している場合、この延伸部分と層間絶縁膜との界面に、トラップした電子が溜まって、電流コラプス現象の抑制効果が不十分になるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−５８６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、電流コラプス現象の抑制効果を向上させることができる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】
【０００６】
本実施形態によれば、半導体装置は、第１窒化物半導体層と、第１窒化物半導体層の上に設けられ、第１窒化物半導体層よりもバンドギャップが大きい第２窒化物半導体層と、第２窒化物半導体層の上に設けられたソース電極と、第２窒化物半導体層の上に、ソース電極から第１方向に離れて設けられたドレイン電極と、ドレイン電極とソース電極との間に設けられたゲート電極と、第２窒化物半導体層の上に設けられた層間絶縁膜と、ゲート電極とドレイン電極との間で第２窒化物半導体層の上面に接触している第１フィールドプレート電極と、層間絶縁膜を貫通して第１フィールドプレート電極に接続されている第２フィールドプレート電極と、を備える。第２フィールドプレート電極のソース電極側の端部は、第１フィールドプレート電極のソース電極側の端部よりも第１方向側に位置している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。
【図２】フィールドプレート電極の拡大図である。
【図３】窒化物半導体層の形成工程を示す断面図である。
【図４】電極の形成工程を示す断面図である。
【図５】ゲート絶縁膜の形成工程を示す断面図である。
【図６】ゲート電極の形成工程を示す断面図である。
【図７】層間絶縁膜の形成工程を示す断面図である。
【図８】コンタクトホールの形成工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の概略的な構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、基板１１と、バッファ層１２と、窒化物半導体層１５、１６と、ゲート絶縁膜１７と、層間絶縁膜１８と、ソース電極２１と、ドレイン電極２２と、ゲート電極２３と、フィールドプレート電極４０、５０と、を備える。
【００１０】
上述した半導体装置１の構成要素のうち、窒化物半導体層１５が第１窒化物半導体層に相当し、窒化物半導体層１６が第２窒化物半導体層に相当する。また、フィールドプレート電極４０が第１フィールドプレート電極に相当し、フィールドプレート電極５０が第２フィールドプレート電極に相当する。
【００１１】
基板１１は、シリコン基板または炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板等で構成されている。基板１１の上には、バッファ層１２が設けられている。バッファ層１２の上には、窒化物半導体層１５が設けられている。
【００１２】
窒化物半導体層１５は、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）の組成式で表されるアンドープの窒化ガリウム層である。窒化物半導体層１５の上には、窒化物半導体層１６が設けられている。窒化物半導体層１６のバンドギャップは、窒化物半導体層１５のバンドギャップよりも大きい。窒化物半導体層１６は、例えば、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＞ｘ）の組成式で表されるアンドープもしくはｎ型の窒化物半導体層である。
【００１３】
窒化物半導体層１５と窒化物半導体層１６との界面には、２次元電子ガス１５ａが発生する。２次元電子ガス１５ａは、ドレイン電極２２とソース電極２１との間に電流経路を形成する。この電流経路を流れる電流は、ゲート電極２３の電圧を調整することにより制御される。これにより、半導体装置１は、オンおよびオフする。
【００１４】
なお、アンドープの層は、意図的に不純物を入れることなく成膜した層であり、成膜後及び／又は製造工程における熱処理等によって、不純物が上層および下層から拡散されて混入された層を意味するのではない。つまり、アンドープの層は、不純物濃度がおおよそ１×１０１６／ｃｍ３よりも小さい層とする。
【００１５】
ゲート絶縁膜１７は、窒化物半導体層１６の上に設けられている。ゲート絶縁膜１７は、ゲート絶縁膜１７の上には、層間絶縁膜１８が設けられている。なお、このゲート絶縁膜１７は、設けられていなくてもよい。この場合、層間絶縁膜１８が、窒化物半導体層１７の上に設けられる。本明細書では、「窒化物半導体層１６の上に設けられた層間絶縁膜１８」とは、層間絶縁膜１８がゲート絶縁膜１７を介して窒化物半導体層１８の上に間接的に設けられた形態も、層間絶縁膜１８が窒化物半導体層１６の上に直接的に設けられた形態をも含む。ゲート絶縁膜１７および層間絶縁膜１８は、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）等を用いて設けられる。
【００１６】
ソース電極２１は、窒化物半導体層１６の上に設けられている。ソース電極２１には、配線３１が接続されている。ドレイン電極２２は、窒化物半導体層１６の上に、ソース電極２１から第１方向Ｘ(図１（Ａ）の矢印参照)に離れて設けられている。ドレイン電極２２には、配線３２が接続されている。ゲート電極２３は、ソース電極２１とドレイン電極２２との間であって、ゲート絶縁膜１７の上に設けられている。ゲート電極２３には、配線３３が接続されている。なお、ゲート電極２３は、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor）ゲート構造、ショットキーゲート構造、ジャンクションゲート構造を適用できる。
【００１７】
フィールドプレート電極４０は、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間で窒化物半導体層１６の上面にオーミック接触しているオーミック電極である。フィールドプレート電極４０は、例えば、チタンおよびアルミニウムを含むＴｉＡｌ系の合金を用いて形成される。なお、本実施形態では、フィールドプレート電極４０は、ゲート絶縁膜１７に覆われている。
【００１８】
フィールドプレート電極５０は、層間絶縁膜１８を貫通してフィールドプレート電極４０に接続されている。フィールドプレート電極５０は、例えば、金、アルミニウム等の金属を用いて形成される。
【００１９】
以下、図２を参照して、本実施形態のフィールドプレート電極４０、５０についてさらに詳しく説明する。図２は、フィールドプレート電極４０、５０の拡大図である。
【００２０】
図２に示すように、複数のフィールドプレート電極４０が、第１方向Ｘに互いに離れて設けられている。フィールドプレート電極４０の電位は、ドレイン電極２２に近づくにつれて高くなる。ドレイン電極２２とゲート電極２３との間で発生する電界集中を緩和するためには、多くのフィールドプレート電極４０を設けることが望ましい。しかし、この場合、半導体装置１が大型化するおそれがある。そこで、本実施形態では、上記電界集中の緩和効果が大きいドレイン電極２２側に多くのフィールドプレート電極４０を設置するために、第１方向Ｘにおけるフィールドプレート電極４０の間隔Ｐは、ドレイン電極２２に近づくにつれて狭くなっている。
【００２１】
複数の第２フィールドプレート電極５０は、複数のフィールドプレート電極４０に個別に接続されている。各第２フィールドプレート電極５０は、ソース電極側の端部５０ａと、ドレイン電極側の端部５０ｂと、を有する。電子がフィールドプレート電極５０と層間絶縁膜１８との界面領域Ｒ(図２参照)に溜まることを阻止するために、端部５０ａはフィールドプレート電極４０のソース電極側の端部４０ａよりも第１方向Ｘ側に位置している。
【００２２】
また、フィールドプレート電極４０とフィールドプレート電極５０との電位差によって上記電界集中をより緩和させるために、端部５０ｂも、フィールドプレート電極４０のドレイン電極側の端部４０ｂより第１方向Ｘ側に位置している。さらに、ドレイン電極２２側に多くのフィールドプレート電極４０を設置するために、第１方向Ｘにおける各フィールドプレート電極５０の長さＬは、ドレイン電極２２に近づくにつれて短くなっている。
【００２３】
以上説明した本実施形態に係る半導体装置１の構成に続いて、以下、図３〜図８を参照して当該半導体装置１の製造工程について説明する。
【００２４】
図３は、窒化物半導体層の形成工程を示す断面図である。図３に工程では、基板１１上に、バッファ層１２と窒化物半導体層１５、１６とが、例えばエピタキシャル成長によって順次形成される。
【００２５】
図４は、電極の形成工程を示す断面図である。窒化物半導体層１５、１６が形成された後、図４に示すように、ソース電極２１、ドレイン電極２２、およびフィールドプレート電極４０が、窒化物半導体層１７の上面に形成される。
【００２６】
図５は、ゲート絶縁膜１７の形成工程を示す断面図である。ソース電極２１、ドレイン電極２２、およびフィールドプレート電極４０が形成された後、図５に示すように、ゲート絶縁膜１７が、これらの電極を覆うように窒化物半導体層１６の上に形成される。
【００２７】
図６は、ゲート電極２３の形成工程を示す断面図である。ゲート絶縁膜１７が形成された後、図６に示すように、ゲート電極２３が、ゲート絶縁膜１７の上に形成される。
【００２８】
図７は、層間絶縁膜１８の形成工程を示す断面図である。ゲート電極２３が形成された後、図７に示すように、層間絶縁膜１８が、ゲート電極２３を覆うようにゲート絶縁膜１７の上に形成される。
【００２９】
図８は、コンタクトホールの形成工程を示す断面図である。層間絶縁膜１８が形成された後、図８に示すように、コンタクトホール６０が形成される。コンタクトホール６０は、ゲート絶縁膜１７および層間絶縁膜１８を貫通してソース電極２１、ドレイン電極２２、ゲート電極２３、およびフィールドプレート電極４０をそれぞれ露出させる。その後、図１に戻って、コンタクトホール６０の中に金属を埋め込むことによって、配線３１〜３３およびフィールドプレート電極５０が形成される。
【００３０】
以上説明した本実施形態によれば、フィールドプレート電極５０の端部５０ａは、コンタクトホール６０の開口端よりもソース電極側に延伸しているので、この延伸部分と層間絶縁膜１８との間に、電子が溜まりやすい界面領域Ｒ(図２参照)が存在している。このため、フィールドプレート電極５０の端部５０ｂによる電界緩和効果によって、電流コラプス現象の抑制効果が得られる一方で、端部５０aによって電子がトラップされやすい領域を作ってしまうことになり、この領域が新たな電流コラプス現象の要因となるおそれがある。
【００３１】
しかし、本実施形態では、上記端部５０ａが、フィールドプレート電極４０の端部４０ａよりも第１方向ｘ側、換言するとドレイン電極側に位置している。そのため、上記界面領域Ｒに向かう電気力線は、フィールドプレート電極４０によって遮断され、二次元電子ガス１５ａの電子が、界面領域Ｒに向かうことが阻止される。これにより、フィールドプレート電極５０の端部５０aが新たな電流コラプス現象の要因となることを抑制しつつ、端部５０ｂが電界緩和効果の機能を発揮するため、電流コラプス現象の抑制効果を向上させることができる。
【００３２】
また、本実施形態では、複数のフィールドプレート電極４０は、窒化物半導体層１６の上面に接触し、複数のフィールドプレート電極４０の電位は、ゲート電極２３とドレイン電極２２との間における複数の電位にそれぞれ対応している。これにより、複数のフィールドプレート電極を階段状に形成する必要がなくなるので、層間絶縁膜の数を減らすことができる。その結果、層間絶縁膜の界面で起こりやすい電子のトラップも減らすことができる。
【００３３】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３４】
１  半導体装置、１５  第１窒化物半導体層、１６  第２窒化物半導体層、２１  ソース電極、２２  ドレイン電極、２３  ゲート電極、１８  層間絶縁膜、４０  第１フィールドプレート電極、５０  第２フィールドプレート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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