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JP-2026076650-A - 窒化物半導体装置

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Abstract

【課題】窒化物半導体トランジスタにおいて、低オン抵抗を維持しながら高速スイッチング時のセルフターンオンの発生を抑えることを可能にする窒化物半導体装置を提供する。 【解決手段】窒化物半導体装置１０は、第１ソース電極３０、第１ドレイン電極３２、および第１ゲート電極３４を含む第１窒化物半導体トランジスタ２４と、第１ゲート電極３４に電気的に接続された第１ゲートパッド１２と、第２ソース電極４０、第２ドレイン電極４２、および第２ゲート電極４４を含む第２窒化物半導体トランジスタ２６と、第２ゲート電極４４に電気的に接続された第２ゲートパッドとを含む。第１ソース電極３０は、第２ソース電極４０に電気的に接続され、第１ゲート電極３４は、第２ドレイン電極４２に電気的に接続されている。第２窒化物半導体トランジスタ２６の少なくとも一部は、平面視において第１ゲートパッド１２と重なっている。 【選択図】図４

Inventors

  • 大嶽 浩隆

Assignees

  • ローム株式会社

Dates

Publication Date
20260512
Application Date
20241024

Claims (14)

  1. 第１ソース電極、第１ドレイン電極、および第１ゲート電極を含む第１窒化物半導体トランジスタと、 前記第１ゲート電極に電気的に接続された第１ゲートパッドと、 第２ソース電極、第２ドレイン電極、および第２ゲート電極を含む第２窒化物半導体トランジスタと、 前記第２ゲート電極に電気的に接続され、前記第１ゲートパッドから電気的に絶縁された第２ゲートパッドと を備え、 前記第１ソース電極は、前記第２ソース電極に電気的に接続され、前記第１ゲート電極は、前記第２ドレイン電極に電気的に接続され、 前記第２窒化物半導体トランジスタの少なくとも一部は、平面視において前記第１ゲートパッドと重なっている、窒化物半導体装置。
  2. 基板と、 前記基板の上方に位置する第１窒化物半導体層と、 前記第１窒化物半導体層上に位置する、前記第１窒化物半導体層よりも大きなバンドギャップを有する第２窒化物半導体層と、 前記第２窒化物半導体層上に位置する、アクセプタ型不純物を含む第３窒化物半導体層と を備え、 前記第１窒化物半導体トランジスタおよび前記第２窒化物半導体トランジスタは、前記第１窒化物半導体層、前記第２窒化物半導体層、および前記第３窒化物半導体層の異なる部分を含み、 前記第１ゲート電極は、前記第３窒化物半導体層上に位置し、前記第１ソース電極および前記第１ドレイン電極は、前記第２窒化物半導体層上に位置し、 前記第２ゲート電極は、前記第３窒化物半導体層上に位置し、前記第２ソース電極および前記第２ドレイン電極は、前記第２窒化物半導体層上に位置している、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
  3. 前記第１ソース電極および前記第２ソース電極は、前記基板に電気的に接続されている、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記第１窒化物半導体トランジスタと前記第２窒化物半導体トランジスタとを電気的に分離する素子分離領域をさらに備える、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記素子分離領域の少なくとも一部は、平面視で前記第１窒化物半導体トランジスタと前記第２窒化物半導体トランジスタとの間に位置し、 前記素子分離領域において、前記第２窒化物半導体層および前記第１窒化物半導体層は、前記第２窒化物半導体層を貫通して前記第１窒化物半導体層まで達する凹部を含む、請求項４に記載の窒化物半導体装置。
  6. 前記素子分離領域の少なくとも一部は、平面視で前記第１窒化物半導体トランジスタと前記第２窒化物半導体トランジスタとの間に位置し、前記素子分離領域において、第１窒化物半導体層および前記第２窒化物半導体層は、不活性原子を含んでいる、請求項４に記載の窒化物半導体装置。
  7. 前記素子分離領域は、平面視で前記第２窒化物半導体トランジスタを囲んでいる、請求項４に記載の窒化物半導体装置。
  8. 前記第１ソース電極は、前記第２窒化物半導体層に接触する第１コンタクト部と、前記第１ゲート電極の上方を通って前記第１ドレイン電極に向かって延在する第１フィールドプレート部とを含み、 前記第２ソース電極は、前記第２窒化物半導体層に接触する第２コンタクト部と、前記第２ゲート電極の上方を通って前記第２ドレイン電極に向かって延在する第２フィールドプレート部とを含む、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
  9. 前記第１ソース電極は、前記第２窒化物半導体層に接触する第１コンタクト部と、前記第１ゲート電極の上方を通って前記第１ドレイン電極に向かって延在する第１フィールドプレート部とを含み、 前記第２ソース電極は、前記第２ゲート電極と平面視において重なっておらず、前記第２ゲート電極は、平面視で前記第２ソース電極と前記第２ドレイン電極との間に位置している、請求項２に記載の窒化物半導体装置。
  10. 前記第２ゲート電極と前記第２ドレイン電極との間の距離は、前記第１ゲート電極と前記第１ドレイン電極との間の距離よりも小さい、請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  11. 前記第１ソース電極と前記第１ドレイン電極とは、第１方向に離隔されており、 前記第２ソース電極と前記第２ドレイン電極とは、前記第１方向に離隔されており、 前記第２ソース電極の前記第１方向の寸法は、前記第１ソース電極の前記第１方向の寸法よりも小さい、請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  12. 前記第２ゲートパッドの面積は、前記第１ゲートパッドの面積よりも小さい、請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  13. 前記第２窒化物半導体トランジスタの面積の半分以上が、平面視において前記第１ゲートパッドと重なっている、請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。
  14. 前記第２窒化物半導体トランジスタの全体が、平面視において前記第１ゲートパッドと重なっている、請求項１～９のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置。

Description

本開示は、窒化物半導体装置に関する。 現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）などのＩＩＩ族窒化物半導体を用いた高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）の製品化が進んでいる。ＨＥＭＴでは、電子走行層（例えばＧａＮ層）と電子供給層（例えばＡｌＧａＮ層）とのヘテロ接合の界面付近に形成された二次元電子ガス（2-dimensional electron gas：２ＤＥＧ）が導電経路として使用される（例えば、特許文献１参照）。ＨＥＭＴを利用したパワーデバイスは、典型的なシリコン（Ｓｉ）パワーデバイスと比較して、低オン抵抗および高速・高周波動作可能なデバイスとして認知されている。 特開２０１７－７３５０６号公報 ［概要］ ＨＥＭＴの高速スイッチング時のセルフターンオンの発生を抑えるために、ミラークランプ回路を用いる場合がある。しかしながら、例えばチップ内にミラークランプ回路を設ける場合、チップ内に占めるＨＥＭＴの面積の割合が相対的に減少するため、ＨＥＭＴのオン抵抗が増加する可能性がある。 本開示の一態様による窒化物半導体装置は、第１ソース電極、第１ドレイン電極、および第１ゲート電極を含む第１窒化物半導体トランジスタと、前記第１ゲート電極に電気的に接続された第１ゲートパッドと、第２ソース電極、第２ドレイン電極、および第２ゲート電極を含む第２窒化物半導体トランジスタと、前記第２ゲート電極に電気的に接続され、前記第１ゲートパッドから電気的に絶縁された第２ゲートパッドとを備えている。前記第１ソース電極は、前記第２ソース電極に電気的に接続されている。前記第１ゲート電極は、前記第２ドレイン電極に電気的に接続されている。前記第２窒化物半導体トランジスタの少なくとも一部は、平面視において前記第１ゲートパッドと重なっている。 他の特徴および態様は、以下の詳細な説明、図面、および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。 図１は、本開示の一実施形態による例示的な窒化物半導体装置の概略平面図である。図２は、図１の符号Ｆ２で示される領域の拡大平面図である。図３は、図２に示す領域における窒化物半導体装置の内部構造を示す概略平面図である。図４は、第１窒化物半導体トランジスタおよび第２窒化物半導体トランジスタの概略断面図である。図５は、図１の符号Ｆ５で示される領域の拡大平面図である。図６は、図５に示す領域における窒化物半導体装置の内部構造を示す概略平面図である。図７は、図１の符号Ｆ７で示される領域の拡大平面図である。図８は、図７のＦ８－Ｆ８線に沿った概略断面図である。図９は、図４に示す窒化物半導体装置の例示的な製造工程を示す概略断面図である。図１０は、図９に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１１は、図１０に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１２は、図１１に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１３は、図１２に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１４は、図１３に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１５は、図１４に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１６は、図１５に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１７は、図１６に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１８は、図１７に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図１９は、図１８に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図２０は、図１９に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図２１は、図２０に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図２２は、図２１に示す工程に続く製造工程を示す概略断面図である。図２３は、本開示の一実施形態による窒化物半導体装置を含む例示的なハーフブリッジ型コンバータの回路図である。図２４は、変更例による窒化物半導体装置の概略断面図である。 ［詳細な説明］ 以下、添付図面を参照して本開示の窒化物半導体装置のいくつかの実施形態を説明する。図面および詳細な説明を通して、同じ参照数字は同じ要素を指す。図面は縮尺通りでない場合があり、図面における要素の相対的な大きさ、比率、および描写は、明瞭さ、説明、および便宜のために誇張されている場合がある。 以下の詳細な説明は、記載された方法、装置、および／またはシステムの包括的な理解を提供する。記載された方法、装置、および／またはシステムの変更および均等物は、当業者には明らかである。必然的に特定の順序で生じる動作を除き、動作の順序は例示的なものであり、かつ当業者にとって明らかなように変更することができる。当業者に周知の機能および構造についての説明は省略され得る。例示的な実施形態は、異なる形態を有していてもよく、記載された例に限定されない。 （窒化物半導体装置の全体構造） 図１を参照して、例示的な窒化物半導体装置１０について説明する。図１に示される互いに直交するＸＹＺ軸のＺ軸方向は、基板７２の第１面７２Ａ（図４参照）と交差する（例えば、直交する）方向である。本明細書において使用される「平面視」という用語は、明示的に別段の記載がない限り、Ｚ軸方向に沿って上方から窒化物半導体装置１０を視ることをいう。また、本開示では、Ｘ軸方向を第１方向と呼び、Ｙ軸方向を第２方向と呼ぶことがある。第２方向は、平面視で第１方向と直交していてよい。 図１は、窒化物半導体装置１０の概略平面図である。図１に示すように、窒化物半導体装置１０は、第１ゲートパッド１２と、第２ゲートパッド１４とを含んでいる。第２ゲートパッド１４は、第１ゲートパッド１２から電気的に絶縁されている。図２～図４を参照して後述するように、第１ゲートパッド１２は、第１窒化物半導体トランジスタ２４の第１ゲート電極３４に電気的に接続され、かつ第２ゲートパッド１４は、第２窒化物半導体トランジスタ２６の第２ゲート電極４４に電気的に接続されている。 窒化物半導体装置１０は、絶縁層１６を含んでいてよい。図１の例では、第１ゲートパッド１２および第２ゲートパッド１４は、平面視で矩形状の絶縁層１６の周縁部上に位置している。より詳細には、第１ゲートパッド１２は、絶縁層１６の角部に位置し、かつ第２ゲートパッド１４は、第１ゲートパッド１２からＹ軸方向に離隔されている。第２ゲートパッド１４の面積は、第１ゲートパッド１２の面積よりも小さくてよい。 窒化物半導体装置１０は、複数のソースパッド１８および複数のドレインパッド２０を含んでいてよい。図２～図４を参照して後述するように、複数のソースパッド１８は、第１窒化物半導体トランジスタ２４の第１ソース電極３０に電気的に接続されている。複数のドレインパッド２０は、第１窒化物半導体トランジスタ２４の第１ドレイン電極３２に電気的に接続されている。 図１に示す例では、窒化物半導体装置１０は、２つのソースパッド１８と、２つのドレインパッド２０とを含んでいる。２つのソースパッド１８と２つのドレインパッド２０とは、平面視でＸ軸方向に交互に間隔を空けて並んでいる。複数のソースパッド１８のうちの１つは、他のソースパッド１８およびドレインパッド２０よりも小さい面積を有するとともに、第１ゲートパッド１２および第２ゲートパッド１４とＹ軸方向に整列することができる。一例では、第１ゲートパッド１２は、複数のソースパッド１８の各々よりも小さい面積を有していてよい。また、第１ゲートパッド１２は、複数のドレインパッド２０の各々よりも小さい面積を有していてよい。 任意選択的に、窒化物半導体装置１０は、絶縁層１６上に位置するケルビンソースパッド２２を含んでいてもよい。ケルビンソースパッド２２は、第１窒化物半導体トランジスタ２４の第１ソース電極３０（図２～図４参照）に電気的に接続されていてよい。図１の例では、ケルビンソースパッド２２は、第２ゲートパッド１４と、第２ゲートパッド１４とＹ軸方向に整列したソースパッド１８との間に位置していてよい。 第１ゲートパッド１２、第２ゲートパッド１４、ソースパッド１８、ドレインパッド２０、およびケルビンソースパッド２２の数および配置は任意であり、図１に示す例に限定されない。 絶縁層１６は、任意の誘電体材料で構成されていてよい。例えば、絶縁層１６は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、ポリイミドのうちの１つまたは任意の組み合わせを含んでいてよい。 第１ゲートパッド１２、第２ゲートパッド１４、ソースパッド１８、ドレインパッド２０、およびケルビンソースパッド２２は、任意の導電性材料で構成されていてよい。例えば、第１ゲートパッド１２、第２ゲートパッド１４、ソースパッド１８、ドレインパッド２０、およびケルビンソースパッド２２の各々は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム銅（ＡｌＣｕ）、アルミニウムシリコン銅（ＡｌＳｉＣｕ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）のうちの１つまたは任意の組み合わせを含んでいてよい。 （第１および第２窒化物半導体トランジスタの平面構造） 図２は、図１の符号Ｆ２で示される領域の拡大平面図である。図３は、図２に示す領域における窒化物半導体装置１０の内部構造を示す概略平面図である。図２および図３に示すように、窒化物半導体装置１０は、第１窒化物半導体トランジスタ２４と、第２窒化物半導体トランジスタ２６とを含んでいる。第１窒化物半導体トランジスタ２４は、窒化物半導体装置１０の面積の比較的大きな部分を占めていてよい。具体的には、第１窒化物半導体トランジスタ２４は、複数のソースパッド１８および複数のドレインパッド２０（図１参照）と重なるように、比較的大きな面積にわたって配置され得る。 一方、第２窒化物半導体トランジスタ２６は、第１窒化物半導体トランジスタ２４よりも小さな面積を有していてよい。第２窒化物半導体トランジスタ２６の少なくとも一部は、平面視において第１ゲートパッド１２と重なっている。一例では、第２窒化物半導体トランジスタ２６の面積の半分以上が、平面視で第１ゲートパッド１２と重なっていてよい。より好ましくは、第２窒化物半導体トランジスタ２６の面積の８０％以上が、平面視で第１ゲートパッド１２と重なっていてよい。あるいは、第２窒化物半導体トランジスタ２６の全体が、平面視で第１ゲートパッド１２と重なっていてもよい。 ここで、第２窒化物半導体トランジスタ２６の面積とは、第２窒化物半導体トランジスタ２６のアクティブ領域の面積と定義することができる。第２窒化物半導体トランジスタ２６のアクティブ領域は、第２窒化物半導体トランジスタ２６がオン状態のときに、電流が流れる領域を少なくとも含む。 平面視において、第２窒化物半導体トランジスタ２６の大部分は、第１ゲートパッド１２と重なり得るため、第２窒化物半導体トランジスタ２６は、複数のソースパッド１８または複数のドレインパッド２０と重なっていないか、またはほとんど重なっていなくてよい。 窒化物半導体装置１０は、第１窒化物半導体トランジスタ２４と第２窒化物半導体トランジスタ２６とを電気的に分離する素子分離領域２８を含んでいてよい。素子分離領域２８の少なくとも一部は、平面視で第１窒化物半導体トランジスタ２４と第２窒化物半導体トランジスタ２６との間に位置していてよい。一例では、素子分離領域２８は、平面視で第２窒化物半導体トランジスタ２６を囲んでいてよい。素子分離領域２８のさらなる詳細については、図４を参照して後述する。 図２および図３に示すように、第１窒化物半導体トランジスタ２４は、第１ソース電極３０、第１ドレイン電極３２、および第１ゲート電極３４を含んでいる。図２および図３の例では、第１ソース電極３０および第１ドレイン電極３２は、平面視でＹ軸方向に延在している。また、第１ソース電極３０と第１ドレイン電極３２と