(57)【要約】【課題】半導体装置の耐圧を半導体材料が有する最大絶縁破壊電界から予想される値に近づけ、高耐圧の半導体装置を実現できるようにする。【解決手段】半導体装置は、基板１１の上に基板１１側から順次形成された第１の窒化物半導体層１３Ａ及び第１の窒化物半導体層１３Ａと比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層１３Ｂを含む半導体層積層体１３を備えている。半導体層積層体１３の上には、互いに間隔をおいて第１の電極１５及び第２の電極１６が形成されている。半導体層積層体１３の上側における第１の電極１５と第２の電極１６との間に生じる電界が集中する領域には、高耐圧絶縁層２１が形成されている。高耐圧絶縁層２１は、空気よりも絶縁破壊電界が高い絶縁体である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上に前記基板側から順次形成された第１の窒化物半導体層及び前記第１の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層を含む半導体層積層体と、
前記半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１の電極及び第２の電極と、
前記半導体層積層体の上側における前記第１の電極と前記第２の電極との間に生じる電界が集中する領域に形成された高耐圧絶縁層とを備え、
前記高耐圧絶縁層は、空気よりも絶縁破壊電界が高い絶縁体であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記高耐圧絶縁層の絶縁破壊電界は５０ｋＶ／ｃｍ以上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】
前記高耐圧絶縁層は、膜厚が５００ｎｍ以上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】
前記基板は、比抵抗が０．１ＭΩｃｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の窒化物半導体層は、キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記高耐圧絶縁層と前記半導体層積層体との間に形成された絶縁層をさらに備え、
前記絶縁層は、前記高耐圧絶縁層よりも誘電率が高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記半導体層積層体の上に形成された第３の電極をさらに備え、
前記第２の電極は、前記第１の電極を囲み、
前記第３の電極は、前記第２の電極を囲み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離は、一定であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層積層体の上に形成された第３の電極をさらに備え、
前記第２の電極は、前記第３の電極を囲み、
前記第１の電極は、前記第２の電極を囲み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離は、一定であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記基板の前記第１の窒化物半導体層とは反対側の面に形成された金属層と、
前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層及び基板を貫通し、前記第１の電極と前記金属層とを電気的に接続するビアとをさらに備えていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記基板の前記第１の窒化物半導体層とは反対側の面に形成された金属層と、
前記第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層及び基板を貫通し、前記第３の電極と前記金属層とを電気的に接続するビアとをさらに備えていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の半導体装置である単位トランジスタを複数備え、
前記各単位トランジスタは、１つの前記基板に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
前記基板と、前記第１の窒化物半導体層との間に形成された窒化アルミニウムからなるバッファ層をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記バッファ層は、厚さが３００ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記第１の電極と前記第２の電極との間隔は、６μｍ以上であることを特徴とする請求項１２又は１３項に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記第１の電極と前記第２の電極との間の耐圧は、４００Ｖ以上であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記高耐圧絶縁層は、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記高耐圧絶縁層は、ベンゾシクロブテンであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記高耐圧絶縁層は、ポリベンゾオキサゾールであることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記第１の電極と電気的に接続された配線をさらに備え、
前記配線は、前記第２の電極とオーバーラップしないことを特徴とする請求項１０又は１１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、半導体装置に関し、特にパワー半導体装置等に用いる高耐圧の半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電源用スイッチングデバイスは、その小型化及び高効率化が要求されている。これらの要求を満たすためには、半導体素子がＯＦＦ状態における破壊電圧（耐圧）を維持しながら、オン（ＯＮ）状態における抵抗（オン抵抗）とデバイス面積の積（ＲｏｎＡ）を低減することが必要である。一般に、耐圧とオン抵抗とはトレードオフの関係にあり、その限界は半導体素子を構成する半導体材料の物性によって決定される。より高い性能を実現するために、従来のシリコン（Ｓｉ）を用いたＭＯＳＦＥＴ（金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ）又はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）に代えて、炭化シリコン（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドギャップ半導体を用いたパワー用半導体素子が開発されつつある。
【０００３】
特に、窒化物半導体材料であるＧａＮは、従来のシリコンと比較して高い絶縁破壊電界を有している。また、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）とＧａＮとのヘテロ接合（ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合）界面において高いシートキャリア濃度を実現できる。このような特徴により、窒化物半導体は高耐圧特性と高電流特性とを両立する、高出力半導体素子用材料として注目されている。
【０００４】
また、窒化物半導体装置の耐圧をさらに向上させる方法として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合を用いたＨＦＥＴ（ヘテロ接合電界効果トランジスタ）のゲート電極とドレイン電極との間の距離を長くするオフセットゲート構造が報告されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【特許文献１】特開２００６−１２８６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の窒化物半導体を用いたデバイスの耐圧は、ＧａＮの最大絶縁破壊電界から予測される値と比べるとはるかに小さいという問題がある。ゲート電極とドレイン電極との間の距離を大きくし、ゲート電極とドレイン電極との間の電界強度を低減したとしても、５００Ｖ程度の耐圧しか得ることができない。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題を解決し、半導体装置の耐圧を半導体材料が有する最大絶縁破壊電界から予想される値に近づけ、高耐圧の半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明は半導体装置を、ゲート電極とドレイン電極との間の領域の上を覆う高耐圧絶縁層を備えている構成とする。
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、基板と、基板の上に基板側から順次形成された第１の窒化物半導体層及び第１の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第２の窒化物半導体層を含む半導体層積層体と、半導体層積層体の上に互いに間隔をおいて形成された第１の電極及び第２の電極と、半導体層積層体の上側における第１の電極と第２の電極との間に生じる電界が集中する領域に形成された高耐圧絶縁層とを備え、高耐圧絶縁層は、空気よりも絶縁破壊電界が高い絶縁体であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置は、空気よりも絶縁破壊電界が高い絶縁体である高耐圧絶縁層を備えている。このため、ゲート電極とドレイン電極との間の電界のほとんどが高耐圧絶縁層中を通過する。従って、ゲート電極とドレイン電極との間において空気の絶縁破壊が発生することを効果的に抑制することができる。その結果、極めて高い耐圧を有する半導体装置が実現できる。
【００１０】
本発明の半導体装置において、高耐圧絶縁層の絶縁破壊電界は５０ｋＶ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００１１】
本発明の半導体装置において、高耐圧絶縁層は、膜厚が５００ｎｍ以上であることが好ましい。
【００１２】
本発明の半導体装置において、基板は、比抵抗が０．１ＭΩｃｍ以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体装置において、第１の窒化物半導体層は、キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3以下であることが好ましい。
【００１４】
本発明の半導体装置において、高耐圧絶縁層と半導体層積層体との間に形成された層間絶縁層をさらに備え、層間絶縁層は、高耐圧絶縁層よりも誘電率が高いことが好ましい。
【００１５】
本発明の半導体装置において、半導体層積層体の上に形成された第３の電極をさらに備え、第２の電極は、第１の電極を囲み、第３の電極は、第２の電極を囲み、第１の電極と第２の電極との間の距離は、一定であってもよい。
【００１６】
この場合において、基板の第１の窒化物半導体層とは反対側の面に形成された金属層と、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層及び基板を貫通し、第１の電極と金属層とを電気的に接続するビアとをさらに備えていることが好ましい。
【００１７】
また、半導体層積層体の上に形成された第３の電極をさらに備え、第２の電極は、第３の電極を囲み、第１の電極は、第２の電極を囲み、第１の電極と第２の電極との間の距離は、一定であってもよい。
【００１８】
この場合において、基板の第１の窒化物半導体層とは反対側の面に形成された金属層と、第１の窒化物半導体層、第２の窒化物半導体層及び基板を貫通し、第３の電極と金属層とを電気的に接続するビアとをさらに備えていることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る半導体装置は、単位トランジスタを複数備え、各単位トランジスタは、１つの基板に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明の半導体装置は、基板と、第１の窒化物半導体層との間に形成された窒化アルミニウムからなるバッファ層をさらに備えていてもよい。
【００２１】
この場合において、バッファ層は、厚さが３００ｎｍ以上であることが好ましく、第１の電極と第２の電極との間隔は、６μｍ以上であることが好ましい。また、第１の電極と第２の電極との間の耐圧は、４００Ｖ以上であることが好ましい。
【００２２】
本発明の半導体装置において、高耐圧絶縁層は、窒化アルミニウムであっても、ベンゾシクロブテンであっても、ポリベンゾオキサゾールであってもよい。
【００２３】
本発明の半導体装は、第１の電極と電気的に接続された配線をさらに備え、配線は、第２の電極とオーバーラップしないことが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、半導体装置の耐圧を制限していた空気放電を抑制し、窒化物半導体材料の有する高い絶縁破壊電界を引き出すことが可能となるので、極めて高い耐圧特性を有する半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（一実施形態）
本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例に係る半導体装置の断面の構成を示している。本実施形態の半導体装置は、窒化物半導体を用いたヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）である。
【００２６】
図１に示すように、基板１１の上にバッファ層１２を介して半導体層積層体１３が形成されている。本実施形態において、バッファ層１２には、１０００℃以上の温度で形成した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた。半導体層積層体１３は、基板１１の側から順に積層された第１の窒化物半導体層１３Ａと第２の窒化物半導体層１３Ｂと有している。第１の窒化物半導体層１３Ａと第２の窒化物半導体層１３Ｂとのヘテロ接合界面には２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層からなるチャネルが形成されている。第１の窒化物半導体層１３Ａ及び第２の窒化物半導体層１３Ｂは、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）及び窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）をそれぞれ用いればよい。
【００２７】
なお、後で説明するように、バッファ層１２はＡｌＮにより形成することが好ましく、その膜厚を３００ｎｍ以上とすることが特に好ましい。
【００２８】
半導体層積層体１３の上には、第１の電極１５、第２の電極１６及び第３の電極１７が互いに間隔をおいて順に形成されている。本実施形態においては、第１の電極１５がドレイン電極、第２の電極１６がゲート電極、第３の電極１７がソース電極であり、ゲート電極とドレイン電極との間の距離は、ゲート電極とソース電極との距離よりも長くなっている。ゲート電極とドレイン電極の距離は６μｍ以上とすることが好ましい。
【００２９】
第１の電極１５、第２の電極１６及び第３の電極１７は、それぞれ第１の配線２０Ａ、第２の配線２０Ｂ及び第３の配線２０Ｃと電気的に接続されている。半導体層積層体１３の上には、第１の配線２０Ａ、第２の配線２０Ｂ及び第３の配線２０Ｃを形成するための層間絶縁膜である絶縁層１８が形成されている。図１には、絶縁層１８が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる第１の層間絶縁膜１８Ａと窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる第２の絶縁層１８Ｂとを有する例を示している。
【００３０】
絶縁層１８の上には、高耐圧絶縁層２１が形成されている。高耐圧絶縁層２１は、空気の絶縁破壊電界よりも大きい絶縁破壊電界を有している。具体的には、３０ｋＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊電界を有していればよく、５０ｋＶ／ｃｍ以上の絶縁破壊電界を有していることが好ましい。
【００３１】
以下に、本実施形態の半導体装置において耐圧が向上する理由を説明する。図２は、高耐圧絶縁層２１を形成していない窒化物半導体装置の耐圧を示している。図２に示すようにゲート電極とドレイン電極との間の距離（ゲートドレイン間距離、Ｌｇｄ）が長くなると、半導体装置の耐圧（ドレインソース間耐圧、ＢＶｄｓ）の値が上昇する。しかし、ＢＶｄｓの値は飽和してしまい、Ｌｇｄを長くしても５００Ｖ以上の耐圧を実現することができない。
【００３２】
しかし、本実施形態に示すように高耐圧絶縁層２１を設けた場合には、図３に示すように、Ｌｇｄが長くなるに従いＢＶｄｓが直線的に増大しており、５００Ｖ〜８０００Ｖ程度、或いはそれ以上の耐圧を実現することができる。
【００３３】
Ｌｇｄを長くしてもＢＶｄｓの値が飽和してしまう原因は完全には明確となっていない。しかし、本願発明者らの検討においては、ＢＶｄｓが飽和する現象は、デバイスの構造、層間絶縁膜の材質及びゲート電極の構造等の影響をほとんど受けることがなかった。このため、ＢＶｄｓが飽和する現象には、空気放電が関与していると考えられる。本実施形態のように、半導体装置の表面を空気よりも絶縁破壊電界が大きい高耐圧絶縁層により覆うことにより、ゲート電極とドレイン電極との間の電界のほとんどが高耐圧絶縁層の中を通るようになる。これにより、空気の絶縁破壊を効果的に抑制することが可能となり、窒化物半導体材料が本来有する高い絶縁破壊電界を引き出し、極めて高い耐圧を実現できると考えられる。
【００３４】
また、このような効果は、高い絶縁破壊電界を有する窒化物半導体を用いた半導体装置であるからこそ得られる。通常のＳｉ等からなる半導体材料を用いた半導体装置においては、高耐圧絶縁層を設けたとしてもＬｇｄが一定の範囲を超えるとＢＶｄｓの値が飽和してしまう。
【００３５】
Ｓｉ等からなる半導体材料を用いた半導体装置の耐圧は、半導体材料の不純物濃度によって決定される。例えば、ショットキー接合に印加する逆方向バイアスを増大させると、ショットキー金属近傍に空乏層が広がると共にショットキー金属端の電界強度が徐々に増加する。このため、電界強度が半導体材料の絶縁破壊電界に達すると、ショットキー接合は破壊される。このような場合においては、空乏層の伸びしろが十分にある場合においても、接合は破壊される。つまり、ショットキー電極であるゲート電極と隣接するオーミック電極であるドレイン電極との距離Ｌｇｄを増加させても、ある電極間隔以上になるとショットキー耐圧は増加せず、飽和傾向を示す。しかし、窒化物半導体においては、このような現象がみられず、高耐圧絶縁層を設けることにより図３に示すように、電極間隔Ｌｇｄを増加させることにより、いくらでも耐圧を大きくすることができることを本願発明者らは見出した。
【００３６】
さらに、このような窒化物半導体の特異性を、本願発明者らは、次のようなモデルで説明できることを明らかにした。窒化物半導体層、例えばＧａＮ層においては、正負の符号が異なり且つ密度が同一の分極電荷がＧａＮ層の表面と裏面とに発生する。しかし、この分極電荷と符号が異なる自由キャリア（電子及び正孔）が表面及び裏面に誘起されるため、ＧａＮ層は電気的にほぼ中性を保持している。ＧａＮ層に逆方向バイアスが印加された場合には、自由キャリアは排除され、分極電荷のみが残留する。残留した分極電荷は、同一密度で正負の符号が異なるため、平均的には電荷量がゼロとなる。電荷量がゼロであるために、ＧａＮ層はあたかも絶縁体のように振る舞い、内部の電界強度は、場所に依存せず一定となる。このため、ＢＶｄｓは飽和することなく、Ｌｇｄを増加させることによりいくらでも大きくすることが可能となる。以上のように、高耐圧絶縁層を設けることにより得られる優れた耐圧特性は、窒化物半導体材料においてはじめて得られる効果である。
【００３７】
図１においては高耐圧絶縁層２１は半導体層積層体１３上の全面に形成されているが、高耐圧絶縁層２１は、少なくともゲート電極とドレイン電極との間における空気の絶縁破壊電界よりも高い電界が通る領域を覆うように形成すればよい。具体的には、少なくともゲート電極とドレイン電極との間の領域の上を覆うようにすればよい。また、図４に示すように高耐圧絶縁層２１の膜厚は厚い方が耐圧を高くすることができ、少なくとも５００ｎｍ以上とすることが好ましく、１μｍ以上とすることがさらに好ましい。また、図５に示すように半導体装置全体をモールドするように形成してもよい。
【００３８】
高耐圧絶縁層２１は、空気よりも絶縁破壊電界が大きければどのような材料により形成されていてもよい。例えば、無機材料であるＡｌＮ、シランの誘導体からなるシリコン系ポリマー、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）又はポリイミド等を用いることができる。また、高耐圧絶縁層２１は材料に応じてスパッタ法、化学気相堆積（ＣＶＤ）法又はスピンコート法等を用いて形成すればよい。このようにすることにより、高耐圧絶縁層２１として形成された場合の絶縁破壊電界を空気の絶縁破壊電界よりも高くすることができる。
【００３９】
第１の窒化物半導体層１３Ａのキャリア濃度が低い方が、ゲートドレイン間の電界強度が高くなった際にゲート端からドレイン側に空乏層が広がりやすくなり、ゲートドレイン間の電界強度を低減する効果が得られる。このため、半導体装置の耐圧を向上させるためには、第１の窒化物半導体層１３Ａのキャリア濃度が低い方が好ましい。図６は、第１の窒化物半導体層１３Ａのキャリア濃度が異なる２つの半導体装置についてＬｇｄとＢＶｄｓとの関係を示している。第１の窒化物半導体層１３Ａのキャリア濃度が１×１０16ｃｍ-3の場合には、耐圧はＬｇｄが大きくなるに従い直線的に増加しており、５００Ｖ以上の耐圧を実現できた。しかし、キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3の場合には、耐圧向上の効果は小さかった。図７は、キャリア濃度と耐圧との相関をプロットしている。図７に示すように、高い耐圧を実現するためにはキャリア濃度を５×１０16ｃｍ-3以下にすることが好ましい。
【００４０】
なお、図１においては、第１の配線２０Ａ、第２の配線２０Ｂ及び第３の配線２０Ｃを形成するために、高耐圧絶縁層２１と半導体層積層体１３との間に絶縁層１８が形成されている例を示している。しかし、半導体装置の耐圧を向上させるという観点からは絶縁層１８は必ずしも必要ではない。また、第１の配線２０Ａ、第２の配線２０Ｂ及び第３の配線２０Ｃが絶縁層１８を貫通し、高耐圧絶縁層２１と接している例を示しているが、配線が高耐圧絶縁層２１と接している必要はない。
【００４１】
絶縁層１８を形成する場合には、絶縁層１８の比誘電率を高耐圧絶縁層２１の比誘電率よりも大きくすることが好ましい。例えば、絶縁層１８がＡｌＮとＳｉＮとからなる場合には、高耐圧絶縁層２１にはＡｌＮの比誘電率９．１よりも比誘電率が小さい材料を用いればよい。このように、高耐圧絶縁層２１の比誘電率を絶縁層１８の比誘電率よりも小さくすれば、ゲートドレイン間近傍の電界強度を低減することができる。その結果、より高い耐圧を有する半導体装置が実現できる。
【００４２】
また、基板１１は半導体層積層体１３が形成できればどのようなものであってもよく、サファイア、シリコン、炭化シリコン（ＳｉＣ）、ＧａＮ、ＡｌＮ又はダイヤモンド等を用いることができる。但し、図８に示すように基板の比抵抗が高い方が半導体装置の耐圧を向上させることができるので、基板の比抵抗を０．１ＭΩｃｍ以上とすることが好ましい。
【００４３】
以下に、本実施形態に半導体装置において、バッファ層１２をＡｌＮとすることの効果を説明する。図９（ａ）及び（ｂ）は、ゲート電極とドレイン電極との間隔と耐圧との関係であり、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示している。
【００４４】
図９に示すようにゲート電極とドレイン電極との間隔を広くすると、耐圧が向上する。しかし、破線で示したＡｌＮからなるバッファ層１２を設けていない場合には、耐圧は４００Ｖ程度で飽和してしまう。一方、実線で示したＡｌＮからなるバッファ層１２を設けた場合には、ゲート電極とドレイン電極との間隔に比例して耐圧が上昇し、少なくとも８０００Ｖ程度の耐圧を実現することができる。特に、電極間隔を６μｍ以上とした場合にその効果は顕著に表れる。さらに、リーク電流の低減には、ＡｌＮの結晶性が高いことが好ましい。このため、バッファ層１２の膜厚は、結晶性が優れたＡｌＮが得られる３００ｎｍ以上とすることが好ましい。
【００４５】
また、ゲート電極とドレイン電極との間隔は、６μｍ以上とすれば４００Ｖ以上の耐圧が実現できる。電界効果トランジスタの耐圧を４００Ｖ以上とすることができれば、極めて広範囲な応用分野に適用可能となる。
【００４６】
（一実施形態の一変形例）
以下に、本発明の一実施形態の一変形例について図面を参照して説明する。図１０（ａ）及び（ｂ）は一変形例に係る半導体装置であり、（ａ）は平面の構成を示し、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面の構成を示している。図１０において図１と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
【００４７】
本変形例の半導体装置は、円形の第３の電極１７を囲むように、リング状の第２の電極１６及び第１の電極１５が形成されている。本変形例においては、第１の電極１５はドレイン電極であり、第２の電極１６はゲート電極であり、第３の電極１７はソース電極である。
【００４８】
このような配置にすることで、ゲート電極とドレイン電極との距離が一定となる。これにより、ゲートドレイン間の電界強度が一定となり、局所的に大きな電界が発生することがない。その結果、極めて高い耐圧を実現することができる。
【００４９】
なお、本変形例においては、第３の電極１７を平面円形状に形成し、第２の電極１６及び第１の電極１５を同心円状に配置している。しかし、第２の電極１６と第１の電極１５との間の距離をほぼ一定にできればよく、平面楕円形状としてもよい。また、正方形状又は正六角形状等の多角形状であってもよい。但し、角部がない方がより電界が集中しにくいため好ましい。
【００５０】
また、ドレイン電極である第１の電極１５を中央部に配置し、ゲート電極である第２の電極１６及びソース電極である第３の電極１７をリング状に配置する構成としてもよい。
【００５１】
この場合には、図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、基板１１の半導体層積層体１３とは反対側の面（裏面）に金属層からなる裏面電極３１を形成し、ドレイン電極と裏面電極３１とを、半導体層積層体１３及び基板１１を貫通するビア３２により電気的に接続するようにしてもよい。
【００５２】
このような構成にすることにより、ドレイン電極の配線を引き回さずに、ドレイン電極をデバイス裏面に接続することができる。これにより、半導体装置表面において、ドレイン配線とゲート配線とがオーバーラップする領域を削減することができる。ドレイン配線とゲート配線とがオーバーラップする領域には、通常、極めて高い電圧が印加される。従ってオーバーラップする領域を削減することにより、配線間を絶縁するための絶縁層１８の膜厚を薄くすることが可能となる。その結果、現実的な層間絶縁膜の厚さで、極めて高い耐圧を有する半導体装置を実現することができる。
【００５３】
また、ビア３２を介して、電流だけではなく、半導体装置に発生した熱を基板の裏面に逃がすことができ、半導体装置の熱抵抗を低減させることが可能となる。その結果、極めて高い耐圧特性と放熱特性を同時に実現される。
【００５４】
なお、ビア３２は、半導体層積層体１３及び基板１１の第１の電極１５の下側の部分に貫通孔を形成し、形成した貫通孔の側壁に導電体を設けるようにすればよい。また、貫通孔を導電体により埋め込んだ構造としてもよい。
【００５５】
また、ドレイン電極を基板裏面に引き出すことにより、半導体装置を集積することも容易となる。図１２は本変形例の半導体装置を集積した例を示している。なお、図１２（ａ）は平面の構成を示し、（ｂ）は（ａ）のXIIｂ−XIIｂ線における断面の構成を示している。
【００５６】
図１２に示すように、それぞれが本変形例に係る半導体装置からなる複数の単位トランジスタ４０が、最密充填されるように形成されている。各単位トランジスタ４０のドレイン電極は、一体に形成された裏面電極３１とビア３２により電気的に接続されている。さらに、単位トランジスタのゲート電極同士及びソース電極同士を配線を用いて、電気的に接続する。これにより、多数の単位トランジスタ４０が並列に接続される。その結果、半導体装置の最大電流を飛躍的に増大させることができる。また、ドレイン配線とゲート配線とがほとんどオーバーラップしないため、高電圧を扱う場合であっても配線間を絶縁する層間絶縁膜の膜厚を厚くする必要がない。以上より、極めて高い耐圧特性と大電流特性を同時に実現することができる。
【００５７】
本発明の実施形態及び変形例においてバッファ層１２に、高温で形成したＡｌＮを用いる例を示したが、結晶性良く半導体層積層体１３を形成できればどのようなものであってもよい。但し、バッファ層におけるリーク電流を小さくできるものであることが好ましい。
【００５８】
半導体層積層体１３は、基板１１の主面とほぼ並行に電子が走行するチャネル層を形成できればどのような構成としてもよい。また、窒化物半導体だけでなくＳｉＣ等の他のワイドギャップ半導体であってもよい。
【００５９】
本発明の実施形態及び変形例は、ドレイン電極である第１の電極１５、ゲート電極である第２の電極１６及びソース電極である第３の電極１７を有する電界効果トランジスタについて説明したが、アノード電極及びカソード電極を有するショットキーバリアダイオード等においても同様の効果が得られる。また、オーミック電極であるソース電極及びドレイン電極は、チャネルとオーミック接触していればどのような構造であってもよく、ゲート電極は、チャネルを制御できればどのような構造であってもよい。なお、ゲートドレイン間の距離がゲートソース間の距離よりも長い例を示したが、同じであってもかまわない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係る半導体装置は、高耐圧の半導体装置を実現でき、特にパワー半導体装置等に用いる高耐圧の半導体装置、例えば、電力用の高出力スイッチング素子及び大電力高周波素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】高耐圧絶縁層を備えていない半導体装置のゲートドレイン間の距離と耐圧との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体装置のゲートドレイン間の距離と耐圧との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る半導体装置の高耐圧絶縁層の厚さと耐圧との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体装置の別の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体装置のキャリア濃度が耐圧に与える影響を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態に係る半導体装置のキャリア濃度と耐圧のと関係を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施形態に係る半導体装置の基板の比抵抗と耐圧との相関を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態に係る半導体装置のバッファ層の有無と耐圧との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体装置を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線における断面図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体装置の別の構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIｂ−XIｂ線における断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の一変形例に係る半導体装置を集積した例を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のXIIｂ−XIIｂ線における断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１      基板
１２      バッファ層
１３      半導体層積層体
１３Ａ    第１の窒化物半導体層
１３Ｂ    第２の窒化物半導体層
１５      第１の電極
１６      第２の電極
１７      第３の電極
１８      絶縁層
１８Ａ    第１の層間絶縁膜
１８Ｂ    第２の層間絶縁膜
２０Ａ    第１の配線
２０Ｂ    第２の配線
２０Ｃ    第３の配線
２１      高耐圧絶縁層
３１      裏面電極
３２      ビア
４０      単位トランジスタ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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