(57)【要約】【課題】高耐圧の半導体装置を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の、第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、一端はゲート電極と電気的に接続され、他端はゲート電極とドレイン電極の間に位置し、第１の窒化物半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極と、ゲートフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ゲート電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、ゲート電極と第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、を備える。【選択図】図１
2017054960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の、前記第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、
一端は前記ゲート電極と電気的に接続され、他端は前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間に配置され、前記第１の窒化物半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極と、
前記ゲートフィールドプレート電極と前記第１の窒化物半導体層の間に、前記ゲート電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、
前記ゲート電極と前記第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は前記第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記第１の層間絶縁膜と前記ドレイン電極の間に設けられ、比誘電率は前記第１の層間絶縁膜より高い第３の層間絶縁膜を更に備える請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第１の層間絶縁膜は、酸化シリコン、ベンゾシクロブテン又はポリイミドを含む請求項１又は請求項２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２の層間絶縁膜又は前記第３の層間絶縁膜は、窒化シリコン、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムを含む請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の窒化物半導体層は、第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に設けられ前記第１の半導体層よりバンドギャップの大きい第２の半導体層と、を有する請求項１乃至請求項４いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ゲートフィールドプレート電極の上方に、一端は前記ソース電極と電気的に接続され、他端は前記第１の窒化物半導体層と離間して前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に設けられたソースフィールドプレート電極を更に備える請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項７】
基板と、
前記第１の窒化物半導体層と前記基板の間に設けられた第２の窒化物半導体層と、
を更に備える請求項１乃至請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１の窒化物半導体層と前記ゲート電極の間に設けられたｐ型の第３の窒化物半導体層を更に備える請求項１乃至請求項７いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の窒化物半導体層と前記ゲート電極の間に設けられたゲート絶縁膜を更に備える請求項１乃至請求項７いずれか一項記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記ゲート電極と前記基板の距離は前記ソース電極と前記基板の距離より短い請求項９記載の半導体装置。
【請求項１１】
第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、
前記第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の、前記第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、
一端は前記ソース電極と電気的に接続され、他端は前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に配置され、前記第１の窒化物半導体層と離間して設けられたソースフィールドプレート電極と、
前記ソースフィールドプレート電極と前記第１の窒化物半導体層の間に、前記ソース電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、
前記ソース電極と前記第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は前記第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、
を備える半導体装置。
【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】
Ｓｉ（シリコン）を用いたパワーデバイスにおいては、Ｓｉの限界近傍の低オン抵抗が実現されている。さらに耐圧を向上し、またオン抵抗を低減するためには、パワーデバイスに用いられる材料の変更が好ましい。
【０００３】
窒化物半導体材料等のワイドバンドギャップ半導体材料を用いることにより、パワーデバイスの飛躍的な高耐圧化やオン抵抗の低減が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２２２３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、高耐圧の半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の、第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、一端はゲート電極と電気的に接続され、他端はゲート電極とドレイン電極の間に位置し、第１の窒化物半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極と、ゲートフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ゲート電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、ゲート電極と第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図６】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図７】第１の実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置の模式断面図である。
【図８】第１の実施形態の半導体装置の作用を説明する模式図である。
【図９】第１の実施形態の半導体装置の一部の模式断面図である。
【図１０】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１１】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１２】第４の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１３】第５の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１４】第６の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１５】第７の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【図１６】第８の実施形態の半導体装置の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【０００９】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００１０】
本明細書中、「窒化物半導体」とは、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）及びそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
【００１１】
本明細書中、「アンドープ」とは、不純物濃度が１×１０１５ｃｍ−３以下であることを意味する。
【００１２】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【００１３】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の、第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、一端はゲート電極と電気的に接続され、他端はゲート電極とドレイン電極の間に位置し、第１の窒化物半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極と、ゲートフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ゲート電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、ゲート電極と第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、を備える。
【００１４】
図１は、本実施形態の半導体装置１００の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。
【００１５】
半導体装置１００は、基板１０、第２の窒化物半導体層（バッファ層）１２、第１の窒化物半導体層２０、ソース電極３０、ゲート電極４０、ドレイン電極５０、ゲートフィールドプレート電極４２、第１の層間絶縁膜６０、第２の層間絶縁膜６２および第３の層間絶縁膜６４を備える。
【００１６】
基板１０は、例えば、Ｓｉ（シリコン）基板である。Ｓｉ基板以外にも、例えば、サファイヤ基板や、炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いることが可能である。
【００１７】
第１の窒化物半導体層２０は、基板１０上に設けられる。第１の窒化物半導体層２０は、第１の半導体層２０ａと、第１の半導体層２０ａ上に設けられる第２の半導体層２０ｂと、を有する。第２の半導体層２０ｂのバンドギャップは、第１の半導体層２０ａのバンドギャップよりも大きい。
【００１８】
第１の半導体層２０ａは、例えば、アンドープのＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）である。より具体的には、例えば、アンドープのＧａＮである。第１の半導体層２０ａの膜厚は、例えば、０．５μｍ以上３μｍ以下である。第２の半導体層２０ｂは、例えば、アンドープのＡｌＹＧａ１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）である。より具体的には、例えば、アンドープのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎである。第２の半導体層２０ｂの膜厚は、例えば、１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００１９】
第１の半導体層２０ａと第２の半導体層２０ｂの間にはヘテロ接合界面が形成される。半導体装置１００のオン動作時は、ヘテロ接合界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されキャリアとなる。
【００２０】
第２の窒化物半導体層（バッファ層）１２は、基板１０と第１の窒化物半導体層２０の間に設けられる。第２の窒化物半導体層（バッファ層）１２を設けることにより、基板１０と第１の窒化物半導体層２０の間の格子不整合が緩和され、結晶性の高い第１の窒化物半導体層２０が形成される。これにより、高性能な半導体装置が実現される。第２の窒化物半導体層１２は、例えば、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＷＧａ１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１））の多層構造である。
【００２１】
ソース電極３０とドレイン電極５０は、第１の窒化物半導体層２０上に設けられる。ゲート電極４０は、ソース電極３０とドレイン電極５０の間の、第１の窒化物半導体層２０上に設けられる。
【００２２】
ソース電極３０、ゲート電極４０及びドレイン電極５０は、例えば金属電極である。ソース電極３０とドレイン電極５０に用いられる金属電極は、例えばチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造を有する。ゲート電極４０に用いられる金属電極は、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の積層構造を有する。ソース電極３０及びドレイン電極５０と、第１の窒化物半導体層２０（第２の半導体層２０ｂ）は、オーミック接合されていることが好ましい。ソース電極３０とドレイン電極５０の距離は、例えば、５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００２３】
ゲートフィールドプレート電極４２は、第１の窒化物半導体層２０と離間して設けられる。ゲートフィールドプレート電極４２の一端４２ａは、ゲート電極４０と電気的に接続される。ゲートフィールドプレート電極４２の一端４２ａは、例えば、ゲート電極４０と物理的にも接続される。ゲートフィールドプレート電極４２の他端４２ｂは、ゲート電極４０とドレイン電極５０の間に配置される。
【００２４】
ゲートフィールドプレート電極４２は、半導体装置１００内部の電界集中を緩和するために用いられる。ゲートフィールドプレート電極４２は、例えばＡｕ（金）などの電気伝導性の材料により、例えばめっき法などにより形成される。
【００２５】
第１の層間絶縁膜６０は、ゲートフィールドプレート電極４２と第１の窒化物半導体層２０の間に設けられる。第１の層間絶縁膜６０は、ゲート電極４０と離間して設けられる。
【００２６】
第２の層間絶縁膜６２は、ゲートフィールドプレート電極４２と第１の窒化物半導体層２０の間に設けられる。第２の層間絶縁膜６２は、ゲート電極４０と第１の層間絶縁膜６０の間に設けられる。第２の層間絶縁膜６２の比誘電率は、第１の層間絶縁膜６０の比誘電率よりも高い。
【００２７】
第３の層間絶縁膜６４は、第１の窒化物半導体層２０上に設けられる。第３の層間絶縁膜６４は、第１の層間絶縁膜６０とドレイン電極５０の間に設けられる。
【００２８】
次に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法の一例について説明する。図２乃至図７は、本実施形態の半導体装置の製造方法において、製造途中の半導体装置１００の模式断面図である。
【００２９】
本実施形態の半導体装置の製造方法は、基板上にエピタキシャル成長法により第２の窒化物半導体層を形成し、第２の窒化物半導体層上にエピタキシャル成長法により第１の半導体層を形成し、第１の半導体層上にエピタキシャル成長法により第２の半導体層を形成し、第２の半導体層上にソース電極とゲート電極とドレイン電極を形成し、ゲート電極とドレイン電極の間の第２の半導体層上に第１の層間絶縁膜を形成し、ゲート電極と第１の層間絶縁膜の間の第２の半導体層上に比誘電率は第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜を形成し、第１の層間絶縁膜及び第２の層間絶縁膜上に一端がゲート電極と電気的に接続され他端がゲート電極とドレイン電極の間に配置され第２の半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極を形成し、第１の層間絶縁膜とドレイン電極の間に比誘電率が第１の層間絶縁膜より高い第３の層間絶縁膜を形成する。
【００３０】
まず、基板１０上に例えばエピタキシャル成長法により第２の窒化物半導体層１２を形成する（図２）。
【００３１】
次に、第２の窒化物半導体層１２上に、例えばエピタキシャル成長法により第１の半導体層２０ａを形成する（図３）。
【００３２】
次に、第１の半導体層２０ａ上に、例えばエピタキシャル成長法により第２の半導体層２０ｂを形成する（図４）。
【００３３】
次に、第２の半導体層２０ｂ上に、例えばリフトオフ法により、ソース電極３０とゲート電極４０とドレイン電極５０を形成する。次に、ゲート電極４０とドレイン電極５０の間の第２の半導体層２０ｂ上に、第１の層間絶縁膜６０を形成する。次に、ゲート電極４０と第１の層間絶縁膜６０の間の第２の半導体層２０ｂ上に、第２の層間絶縁膜６２を形成する。
【００３４】
ソース電極３０とゲート電極４０の間の第２の半導体層２０ｂ上に、第３の層間絶縁膜６４の一部６４ａを形成することが好ましい（図５）。後述するゲートフィールドプレート電極４２が第２の半導体層２０ｂ上に直接形成され第２の半導体層２０ｂが損傷されることを防ぐためである。同様に、ドレイン電極５０と第１の層間絶縁膜６０の間の第２の半導体層２０ｂ上に、第３の層間絶縁膜６４の一部６４ａを形成することが好ましい（図５）。
【００３５】
次に、第１の層間絶縁膜６０及び第２の層間絶縁膜６２上に、ゲートフィールドプレート電極４２を、例えばメッキ法により形成する（図６）。
【００３６】
最後に、第１の層間絶縁膜６０とドレイン電極５０の間およびソース電極３０とゲート電極４０の間に第３の層間絶縁膜６４を形成し、半導体装置１００を得る（図７）。
【００３７】
次に、本実施形態の半導体装置１００の作用及び効果を説明する。
【００３８】
図８は、本実施形態の半導体装置１００の作用及び効果を説明する図である。図８（ａ）は本実施形態の半導体装置１００の模式断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示した本実施形態の半導体装置１００に加わる横方向の電界Ｅを示す模式図である。
【００３９】
窒化物半導体材料を用いた半導体装置に高電界が印加される場合、その半導体装置が破壊される場合がある。たとえば、ドレイン電極５０とソース電極３０の間に印加された電界Ｅの電気力線は、ゲート電極の一端の端面４０ａに入りやすい傾向、又はゲート電極の一端の端面４０ａから出やすい傾向がある。これは、ゲート電極４０はソース電極３０よりもドレイン電極５０に近い部分に配置されているためである。これにより、図８（ｂ）の点線（フィールドプレート（ＦＰ）電極なし）で示されるようにゲート電極の一端の端面４０ａ付近に強い電界Ｅが加わり半導体装置１００の破壊がおこりやすい。
【００４０】
ゲートフィールドプレート電極４２が設けられた半導体装置においては、ドレイン電極５０とソース電極３０の間に印加された電界Ｅの電気力線は、ゲート電極の一端の端面４０ａ付近とゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃ付近に分散して入る。そのため、図８（ｂ）の破線（ＦＰ電極あり）で示したように、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃ付近に電界Ｅの極大部Ａ１が設けられ、ゲート電極の一端の端面４０ａ付近の電界強度は低下する。
【００４１】
より耐圧を高くするために、さらに複数のゲートフィールドプレート電極を設ける手法が考えられる。しかし、複数のゲートフィールドプレート電極を作製することはプロセス的に難しい。
【００４２】
本実施形態の半導体装置１００においては、第２の層間絶縁膜６２の比誘電率および第３の層間絶縁膜６４の比誘電率は、第１の層間絶縁膜６０の比誘電率より高い。そのため、ドレイン電極５０から出て第３の層間絶縁膜６４を経由して直接ゲートフィールドプレート電極の他端４２ｃに入っていた電気力線の一部は、第１の層間絶縁膜６０とゲートフィールドプレート電極の下面４２ｄを経由してゲートフィールドプレート電極４２に入る。そのため、第１の層間絶縁膜６０の第１の端面６０ａ付近の電界の極大部の強度は、図８（ｂ）の実線（本実施形態）で示されるように、Ｂ２に低下する。
【００４３】
また、ゲート電極の一端の端面４０ａ付近に入る電気力線の一部が、第２の層間絶縁膜６２より誘電率の低い第１の層間絶縁膜６０を通りゲートフィールドプレート電極の下面４２ｄからゲートフィールドプレート電極４２に入る。このため、第１の層間絶縁膜の第２の端面６０ｂ付近の電界Ｅの強度はＢ１に増加する。一方、ゲート電極の一端の端面４０ａ付近の電界強度は低下する。このため、半導体装置１００に加わる最大電界強度を低くすることが出来る。よって、半導体装置１００の耐圧を増加させることが出来る。言い換えれば、本実施形態の半導体装置１００により、フィールドプレート効果を擬似的に多段化することが出来る。
【００４４】
図９は、本実施形態の半導体装置１００の一部の模式断面図である。本実施形態の半導体装置１００においては、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃ付近におけるより多くの電気力線が第１の層間絶縁膜６０を通るようにして、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃ付近の電界集中を効果的に緩和するために、第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａとドレイン電極５０の距離は、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃとドレイン電極５０の距離以下であることが好ましい。ここで、図９（ａ）においては、第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａとドレイン電極５０の距離ｄ１は、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃとドレイン電極５０の距離ｄ２より小さい（ｄ１＜ｄ２）。図９（ｂ）においては、第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａとドレイン電極５０の距離ｄ１は、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃとドレイン電極５０の距離ｄ２と等しい（ｄ１＝ｄ２）。図９（ｃ）においては、第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａとドレイン電極５０の距離ｄ１は、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃとドレイン電極５０の距離ｄ２より大きい（ｄ１＞ｄ２）。本実施形態の半導体装置においてより好ましい半導体装置は、図９（ａ）と図９（ｂ）に示した半導体装置である。なお図１に示した半導体装置１００においては、ｄ１＝ｄ２である。また、本実施形態の半導体装置１００においては、第１の層間絶縁膜の第２の端面６０ｂよりドレイン電極５０との距離が近い第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａを用いてｄ１を測定するものとする。
【００４５】
第３の層間絶縁膜６４の比誘電率は第１の層間絶縁膜６０の比誘電率より高いことが、好ましい。第３の層間絶縁膜６４の比誘電率を第１の層間絶縁膜６０の比誘電率より高くすることで、比誘電率の低い第１の層間絶縁膜６０を通過する電気力線の割合が大きくなる。このため、更に半導体装置１００の耐圧を増加させることが出来る。
【００４６】
第１の層間絶縁膜６０は、酸化シリコン、ベンゾシクロブテン又はポリイミドを含むことが、比誘電率の低い層間絶縁膜を形成する上で好ましい。また、第２の層間絶縁膜６２と第３の層間絶縁膜６４は、窒化シリコン、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムを含むことが、比誘電率の高い層間絶縁膜を形成する上で好ましい。なお、第３の層間絶縁膜６４は、第２の層間絶縁膜６２と同一の材料を用いて形成されていてもかまわない。
【００４７】
多くの電気力線を第１の層間絶縁膜６０に通過させて電界集中をより効果的に緩和するために、第１の層間絶縁膜６０はそれぞれゲートフィールドプレート電極４２及び第１の窒化物半導体層２０（第２の半導体層２０ｂ）と直接接していることが好ましい。
【００４８】
本実施形態の半導体装置１００によれば、高耐圧の半導体装置を提供することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置２００は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の、第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、一端はソース電極と電気的に接続され、他端はソース電極とドレイン電極の間に配置され、第１の窒化物半導体層と離間して設けられたソースフィールドプレート電極と、ソースフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ソース電極と離間して設けられた第４の層間絶縁膜と、ソース電極と第４の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率は第４の層間絶縁膜より高い第５の層間絶縁膜と、を備える。ここで、第１の実施形態の半導体装置と重複する点については、その記載を省略する。
【００５０】
図１０は、本実施形態の半導体装置２００の模式断面図である。図１０（ａ）は本実施形態の半導体装置２００の模式断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示した本実施形態の半導体装置２００の２次元電子ガスに加わる横方向の電界Ｅを示す模式図である。
【００５１】
ソースフィールドプレート電極３２は、第１の窒化物半導体層２０と離間して設けられる。ソースフィールドプレート電極３２の一端３２ａは、ソース電極３０と電気的に接続される。ソースフィールドプレート電極３２の一端３２ａは、例えば、ソース電極３０と物理的にも接続される。ソースフィールドプレート電極３２の他端３２ｂは、ゲート電極４０とドレイン電極５０の間に配置される。
【００５２】
ソースフィールドプレート電極３２は、半導体装置１００内部の電界集中を緩和するために用いられる。ソースフィールドプレート電極３２は、例えばＡｕ（金）などの電気伝導性の材料により、例えばめっき法などにより形成される。
【００５３】
第４の層間絶縁膜６６は、ソースフィールドプレート電極３２と第１の窒化物半導体層２０の間に設けられる。第４の層間絶縁膜６６は、ソース電極３０およびゲート電極４０と離間して設けられる。
【００５４】
第５の層間絶縁膜６８は、ソースフィールドプレート電極３２と第１の窒化物半導体層２０の間に設けられる。第５の層間絶縁膜６８は、ソース電極３０と第４の層間絶縁膜６０の間に設けられる。第５の層間絶縁膜６８の比誘電率は、第１の層間絶縁膜６０の比誘電率より高い。
【００５５】
第６の層間絶縁膜７０は、第１の窒化物半導体層２０上に設けられる。第６の層間絶縁膜７０は、第４の層間絶縁膜６６とドレイン電極５０の間に設けられる。
【００５６】
ソースフィールド電極の他端３２ｂに出入りする電気力線の数を増加させて効率良く電界を緩和させるため、ソースフィールドプレート電極の他端の端面３２ｃとドレイン電極５０の距離はゲート電極の一端の端面４０ａとドレイン電極５０の距離より短いことが好ましい。
【００５７】
本実施形態の半導体装置２００においては、より電界集中を効果的に緩和するために、第４の層間絶縁膜の第１の端面６６ａとドレイン電極５０の距離ｄ３は、ソースフィールドプレート電極の他端の端面３２ｃとドレイン電極５０の距離ｄ４以下（ｄ３≦ｄ４）であることが好ましい。なお第４の層間絶縁膜６６は、第４の層間絶縁膜の第１の端面６６ａと第４の層間絶縁膜の第２の端面６６ｂを有するが、本実施形態ではよりドレイン電極５０との距離が近い第４の層間絶縁膜の第１の端面６６ａを用いてｄ３を測定するものとする。
【００５８】
より多くの電気力線を第４の層間絶縁膜６６に通過させて、電界集中をより効果的に緩和するために、第４の層間絶縁膜６６はソースフィールドプレート電極３２及び第１の窒化物半導体層２０（第２の半導体層２０ｂ）と直接接していることが好ましい。
【００５９】
本実施形態の半導体装置２００の電界分布には、図１０（ｂ）のように、第４の層間絶縁膜の第１の端面６６ａ付近と第４の層間絶縁膜の第２の端面６６ｂ付近に２個（Ｃ１、Ｃ２）極大が設けられる。これに伴い、ゲート電極の一端の端面４０ａ付近の電界強度が低下する。そのため、半導体装置１００の耐圧を増加させることが出来る。
【００６０】
本実施形態の半導体装置２００によれば、高耐圧の半導体装置を提供することができる。
【００６１】
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置３００は、第１の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層上に設けられたソース電極と、第１の窒化物半導体層上に設けられたドレイン電極と、ソース電極とドレイン電極の間の、第１の窒化物半導体層上に設けられたゲート電極と、一端はゲート電極と電気的に接続され、他端はゲート電極とドレイン電極の間に配置され、第１の窒化物半導体層と離間して設けられたゲートフィールドプレート電極と、ゲートフィールドプレート電極の上方に、一端はソース電極と電気的に接続され、他端がソース電極とドレイン電極の間に配置され、第１の窒化物半導体層、ゲート電極及びゲートフィールドプレート電極と離間して設けられたソースフィールドプレート電極と、ゲートフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ゲート電極と離間して設けられた第１の層間絶縁膜と、ゲート電極と第１の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率が第１の層間絶縁膜より高い第２の層間絶縁膜と、ソースフィールドプレート電極と第１の窒化物半導体層の間に、ソース電極と離間して設けられた第４の層間絶縁膜と、ソース電極と第４の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率が第１の層間絶縁膜及び第４の層間絶縁膜より高い第５の層間絶縁膜と、ドレイン電極と第４の層間絶縁膜の間に設けられ、比誘電率が第４の層間絶縁膜より高い第６の層間絶縁膜と、を備える。ここで、第１及び第２の実施形態と重複する内容については、その記載を省略する。
【００６２】
図１１は、本実施形態の半導体装置３００の模式断面図である。図１１（ａ）は本実施形態の半導体装置３００の模式断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示した本実施形態の半導体装置３００の縦方向の電界Ｅを示す模式図である。
【００６３】
本実施形態の半導体装置３００は、ゲートフィールドプレート電極４２とソースフィールドプレート電極３２の両方を有する。ここで、ゲートフィールドプレート電極４２とソースフィールドプレート電極３２により効果的に電界を緩和するため、ゲートフィールドプレート電極の他端の端面４２ｃとドレイン電極の距離ｄ５は、ソースフィールドプレート電極の他端の端面３２ｃとドレイン電極の距離ｄ６より長いことが好ましい。
【００６４】
相対的に比誘電率の低い層間絶縁膜とするため、第１の層間絶縁膜６０及び第４の層間絶縁膜４４は、例えば、酸化シリコン、ベンゾシクロブテン又はポリイミドを含むことが好ましい。また、相対的に比誘電率の高い層間絶縁膜とするため、第２の層間絶縁膜６２、第５の層間絶縁膜６８及び第６の層間絶縁膜７０は、たとえば、窒化シリコン、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムを含むことが好ましい。
【００６５】
本実施形態の半導体装置３００においては、図１１（ｂ）のように、電界Ｅの極大部は、第１の層間絶縁膜の第１の端面６０ａ付近と第１の層間絶縁膜の第２の端面６０ｂ付近に２個（Ｆ１、Ｆ２）、第４の層間絶縁膜の第１の端面６６ａ付近と第４の層間絶縁膜の第２の端面６６ｂ付近に２個（Ｇ１、Ｇ２）設けられる。そのため、ゲート電極の一端４０ａ付近の電界強度が低下し、半導体装置３００の耐圧を増加させることが出来る。
【００６６】
本実施形態の半導体装置３００によれば、高耐圧の半導体装置を提供することができる。
【００６７】
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置４００は、第１の層間絶縁膜６０と第２の層間絶縁膜６２の間に、比誘電率が第１の層間絶縁膜６０より大きく第２の層間絶縁膜６２より小さい第７の層間絶縁膜７２を更に備え、第４の層間絶縁膜６６と第５の層間絶縁膜６８の間に、比誘電率が第４の層間絶縁膜６６より大きく第５の層間絶縁膜６８より小さい第８の層間絶縁膜７４を更に備える点で、第３の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第１乃至第３の実施形態と重複する内容については、その記載を省略する。
【００６８】
図１２は、本実施形態の半導体装置４００の模式断面図である。
【００６９】
第７の層間絶縁膜７２及び第８の層間絶縁膜７４は、例えば、酸化シリコン、ベンゾシクロブテン、ポリイミド、窒化シリコン、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムを適宜混合して作製することができる。
【００７０】
電界集中をより効果的に緩和するために、第７の層間絶縁膜７２はそれぞれゲートフィールドプレート電極４２及び第１の窒化物半導体層２０（第２の半導体層２０ｂ）と、また第８の層間絶縁膜７４はそれぞれソースフィールドプレート電極３２及び第１の窒化物半導体層２０（第２の半導体層２０ｂ）と、直接接していることが好ましい。
【００７１】
本実施形態の半導体装置４００では、図１２（ｂ）のように、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｉ１、Ｉ２及びＩ３の、計６個の極大が電界分布にあらわれる。これにより、さらなる高耐圧化が可能となる。
【００７２】
本実施形態の半導体装置４００によれば、高耐圧の半導体装置を提供することができる。
【００７３】
（第５の実施形態）
本実施形態の半導体装置５００は、第１の窒化物半導体層とゲート電極の間に設けられたゲート絶縁膜を更に備える点で、第１の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第１の実施形態と重複する点については、その記載を省略する。
【００７４】
図１３は、本実施形態の半導体装置５００の模式断面図である。
【００７５】
ゲート絶縁膜５６の材料は、たとえば、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ膜）、酸窒化シリコン（ＳｉＯｙＮｘ）膜又は酸窒化アルミニウム膜（ＡｌＮＯｙ）である。ゲート絶縁膜５６の比誘電率は、第１の層間絶縁膜６０の比誘電率以上で第２の層間絶縁膜６２の比誘電率以下であることが、良好なゲート絶縁膜を形成し半導体装置５００を動作させるために好ましい。
【００７６】
本実施形態の半導体装置５００においても、高耐圧の半導体装置を提供することができる。また、ゲート絶縁膜５６を備えることで、ゲートリーク電流が抑制される。
【００７７】
（第６の実施形態）
本実施形態の半導体装置６００は、第１の窒化物半導体層とゲート電極の間に設けられたｐ型の第３の窒化物半導体層（キャップ層）を更に備える点で、第１乃至第５の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第１乃至第５の実施形態と重複する点については、その記載を省略する。
【００７８】
図１４は、本実施形態の半導体装置６００の模式断面図である。
【００７９】
第３の窒化物半導体層５８は、例えば、ｐ型のＡｌＵＧａ１−ＵＮ（０≦Ｕ＜１）である。より具体的には、例えば、ｐ型のＧａＮである。第３の窒化物半導体層５８の膜厚は、例えば、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。本実施形態の半導体装置５００は、ノーマリーオフの半導体装置である。
【００８０】
本実施形態の半導体装置６００においては、高耐圧でノーマリーオフの半導体装置を提供することができる。
【００８１】
（第７の実施形態）
本実施形態の半導体装置７００は、ゲート電極と基板の距離はソース電極と基板の距離より短い点で、第１乃至第６の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、第１乃至第６の実施形態と重複する点については、その記載を省略する。
【００８２】
図１５は、本実施形態の半導体装置７００の模式断面図である。
【００８３】
本実施形態の半導体装置７００においては、第２の半導体層２０ｂが第２の半導体層２０ｂ上に設けられた溝（トレンチ又はリセス）５２を有する。ゲート電極４０の一部は溝５２内に設けられる。溝の底部５４は第２の半導体層２０ｂ内に設けられる。また、ゲート絶縁膜５６は、ゲート電極４０と溝の底部５４の間に設けられる。このため、ゲート電極４０と基板１０の距離は、ソース電極３０と基板１０の距離より短い。本実施形態の半導体装置７００は、ノーマリーオフの半導体装置である。
【００８４】
本実施形態の半導体装置７００においては、高耐圧でノーマリーオフの半導体装置を提供することができる。
【００８５】
（第８の実施形態）
本実施形態の半導体装置８００は、溝の底部は第１の半導体層２０ａ内に設けられている点で、第７の実施形態の半導体装置７００と異なっている。ここで、第１乃至第７の実施形態と重複する点については、その記載を省略する。
【００８６】
図１６は、本実施形態の半導体装置８００の模式断面図である。本実施形態の半導体装置８００は、ノーマリーオフの半導体装置である。
【００８７】
本実施形態の半導体装置８００においても、高耐圧でノーマリーオフの半導体装置を提供することができる。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、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】
【００８９】
１０    基板
１２    第２の窒化物半導体層（バッファ層）
１４    第１の領域
１６    第２の領域
１８    第３の領域
２０    第１の窒化物半導体層
２０ａ  第１の半導体層
２０ｂ  第２の半導体層
３０    ソース電極
３２    ソースフィールドプレート電極
３２ａ  ソースフィールドプレート電極の一端
３２ｂ  ソースフィールドプレート電極の他端
３２ｃ  ソースフィールドプレート電極の他端の端面
３２ｄ  ソースフィールドプレート電極の下面
４０    ゲート電極
４０ａ  ゲート電極の一端の端面
４２  ゲートフィールドプレート電極
４２ａ  ゲートフィールドプレート電極の一端
４２ｂ  ゲートフィールドプレート電極の他端
４２ｃ  ゲートフィールドプレート電極の他端の端面
４２ｄ  ゲートフィールドプレート電極の下面
５０    ドレイン電極
５２    溝（トレンチ又はリセス）
５４    溝の底部
５６    ゲート絶縁膜
５８    第２の窒化物半導体層（キャップ層）
６０    第１の層間絶縁膜
６０ａ  第１の層間絶縁膜の第１の端面
６０ｂ  第１の層間絶縁膜の第２の端面
６２    第２の層間絶縁膜
６４    第３の層間絶縁膜
６４ａ  第３の層間絶縁膜の一部
６６    第４の層間絶縁膜
６６ａ  第４の層間絶縁膜の第１の端面
６６ｂ  第４の層間絶縁膜の第２の端面
６８    第５の層間絶縁膜
７０    第６の層間絶縁膜
７２    第７の層間絶縁膜
７４    第８の層間絶縁膜
１００    半導体装置
２００    半導体装置
３００    半導体装置
４００    半導体装置
５００    半導体装置
６００    半導体装置
７００    半導体装置
８００    半導体装置
【図１】
2017054960.tif 000003
【図２】
2017054960.tif 000004
【図３】
2017054960.tif 000005
【図４】
2017054960.tif 000006
【図５】
2017054960.tif 000007
【図６】
2017054960.tif 000008
【図７】
2017054960.tif 000009
【図８】
2017054960.tif 000010
【図９】
2017054960.tif 000011
【図１０】
2017054960.tif 000012
【図１１】
2017054960.tif 000013
【図１２】
2017054960.tif 000014
【図１３】
2017054960.tif 000015
【図１４】
2017054960.tif 000016
【図１５】
2017054960.tif 000017
【図１６】
2017054960.tif 000018