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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024143377
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】窒化物半導体装置、および半導体モジュール
(51)【国際特許分類】
H01L 21/337 20060101AFI20241003BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20241003BHJP
H01L 23/34 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H01L29/80 C
H01L29/80 H
H01L29/80 F
H01L23/34 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023056022
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000116024
【氏名又は名称】ローム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】舘 毅
【テーマコード（参考）】
5F102
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F102FA10
5F102GB01
5F102GC01
5F102GD04
5F102GJ02
5F102GJ03
5F102GJ04
5F102GJ10
5F102GK04
5F102GK08
5F102GL04
5F102GM04
5F102GQ01
5F102GS08
5F102GT03
5F102GT06
5F102GV03
5F102GV05
5F102GV07
5F102GV08
5F136DA31
5F136FA15
(57)【要約】
【課題】窒化物半導体装置の放熱性を高める。
【解決手段】窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成され、半導体基板１２よりも薄い窒化物半導体層５０と、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１と、窒化物半導体層５０の上に形成された絶縁体層６０と、絶縁体層６０の上に形成され、素子５１に電気的に接続された電極パッド７０と、を含む。半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ，１２Ｄとの間に配置されている。
【選択図】図２
【解決手段】窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成され、半導体基板１２よりも薄い窒化物半導体層５０と、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１と、窒化物半導体層５０の上に形成された絶縁体層６０と、絶縁体層６０の上に形成され、素子５１に電気的に接続された電極パッド７０と、を含む。半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ，１２Ｄとの間に配置されている。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上面、および前記基板上面と反対側を向く基板下面を有する半導体基板と、
前記基板上面の上に形成され、前記半導体基板よりも薄い窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層を用いて構成される素子と、
前記窒化物半導体層の上に形成された絶縁体層と、
前記絶縁体層の上に形成され、前記素子に電気的に接続された電極パッドと、
を含み、
前記半導体基板は、厚さが相対的に薄い薄肉部と、厚さが相対的に厚い厚肉部とを含み、
前記半導体基板の厚さ方向に視た平面視において、
前記厚肉部は、前記薄肉部と前記半導体基板の外周縁との間に配置されている、
窒化物半導体装置。
前記基板上面の上に形成され、前記半導体基板よりも薄い窒化物半導体層と、
前記窒化物半導体層を用いて構成される素子と、
前記窒化物半導体層の上に形成された絶縁体層と、
前記絶縁体層の上に形成され、前記素子に電気的に接続された電極パッドと、
を含み、
前記半導体基板は、厚さが相対的に薄い薄肉部と、厚さが相対的に厚い厚肉部とを含み、
前記半導体基板の厚さ方向に視た平面視において、
前記厚肉部は、前記薄肉部と前記半導体基板の外周縁との間に配置されている、
窒化物半導体装置。
【請求項2】
前記薄肉部の厚さ（Ｔ１）に対する前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）は、０．１以上０．８以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項3】
前記薄肉部の厚さ（Ｔ１）は５０μｍ以上２００μｍ以下であり、
前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）は２５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）は２５０μｍ以上５００μｍ以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項4】
前記薄肉部は、前記基板下面に設けられた凹部によって形成されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項5】
前記半導体基板は、平面視において、第１方向、および前記第１方向に直交する第２方向に延びる矩形状であり、
前記厚肉部は、前記薄肉部と前記第１方向における一方側の外周縁との間、および前記薄肉部と前記第１方向における他方側の外周縁との間の両方に配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記厚肉部は、前記薄肉部と前記第１方向における一方側の外周縁との間、および前記薄肉部と前記第１方向における他方側の外周縁との間の両方に配置されている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項6】
前記厚肉部は、前記薄肉部と前記第２方向における一方側の外周縁との間、および前記薄肉部と前記第２方向における他方側の外周縁との間の両方に配置されている、請求項５に記載の窒化物半導体装置。
【請求項7】
前記窒化物半導体層の厚さ（Ｔ３）に対する前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ３）は、２０以上１８０以下である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項8】
平面視において、前記半導体基板上の中央部分に位置するとともに前記素子が形成されているアクティブ領域と、前記半導体基板上の外周側に位置するとともに前記アクティブ領域を囲む枠状の周辺領域とを含み、
前記薄肉部の少なくとも一部は、平面視において前記アクティブ領域と重なっている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記薄肉部の少なくとも一部は、平面視において前記アクティブ領域と重なっている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項9】
前記素子が形成されている複数の素子領域を含み、
前記薄肉部は、平面視において、少なくとも１つの前記素子領域と重なっている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記薄肉部は、平面視において、少なくとも１つの前記素子領域と重なっている、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項10】
前記素子は、
前記半導体基板の上に形成され、窒化物半導体によって構成された電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層の上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層の上に形成されたゲート電極と、
前記電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、を備える、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
前記半導体基板の上に形成され、窒化物半導体によって構成された電子走行層と、
前記電子走行層の上に形成され、前記電子走行層よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層と、
前記電子供給層の上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層と、
前記ゲート層の上に形成されたゲート電極と、
前記電子供給層の上に形成されたソース電極およびドレイン電極と、を備える、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項11】
前記半導体基板は、Ｓｉ基板である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項12】
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ層である、請求項１に記載の窒化物半導体装置。
【請求項13】
請求項１～１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体装置と、
前記半導体基板の前記基板下面に取り付けられた放熱部材と、を含む、半導体モジュール。
前記半導体基板の前記基板下面に取り付けられた放熱部材と、を含む、半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、窒化物半導体装置、および半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体（以下、単に「窒化物半導体」と言う場合がある）を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の製品化が進んでいる。ＨＥＭＴは、半導体ヘテロ接合の界面付近に形成された二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を導電経路（チャネル）として使用する。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・高周波動作を可能にしたデバイスとして認知されている。
【0003】
たとえば、特許文献１に記載の窒化物半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上に形成された電子走行層および電子供給層とを含む。電子走行層は、窒化ガリウム（ＧａＮ）層によって構成されている。電子供給層は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層によって構成されている。これら電子走行層と電子供給層とのヘテロ接合の界面付近において電子走行層中に２ＤＥＧが形成される。
【0004】
また、特許文献１の窒化物半導体装置では、アクセプタ型不純物を含むゲート層（たとえばｐ型ＧａＮ層）が、電子走行層上であってゲート電極の直下の位置に設けられている。この構成では、ゲート層の直下の領域において、ゲート層が電子走行層と電子供給層との間のヘテロ接合界面付近における伝導帯のバンドエネルギーを持ち上げることによりゲート層の直下のチャネルが消失し、ノーマリーオフが実現される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１７－７３５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
半導体装置の高機能化・多機能化に伴って、ウエハ状態でパッケージを完成させるチップサイズパッケージの実用化が進んでいる。半導体基板の上にＧａＮ層等の窒化物半導体層が形成されている窒化物半導体装置をチップサイズパッケージに適用する場合、窒化物半導体層を用いて構成されるＨＥＭＴ等の素子が発する熱を放熱する放熱性を高めることが難しいという問題がある。
【0007】
すなわち、チップサイズパッケージとして構成された上記窒化物半導体装置は、窒化物半導体層の上に絶縁体層を介して電極パッドが形成される。そして、上記窒化物半導体装置は、電極パッドが位置する表面側を実装基板に対向させた状態として実装基板に実装される。そのため、上記窒化物半導体装置に含まれる素子が発する熱は、電極パッドが位置する表面の反対側の面であって、半導体基板が位置する裏面側から放熱される。そのため、上記窒化物半導体装置の放熱性を高めるためには、半導体基板を薄く形成して、半導体基板の熱抵抗を小さくすることが考えられる。
【0008】
しかしながら、窒化物半導体層を用いて構成されるＨＥＭＴ等の素子を含む窒化物半導体装置においては、半導体基板の厚さに対して、窒化物半導体層の厚さが非常に薄いため、半導体基板の厚さを薄くすると強度を確保することが難しくなる。たとえば、半導体基板の厚さを過度に薄くした場合、半導体基板の上に形成されている窒化物半導体層の応力を受けてウエハが割れてしまうこともある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本開示の一態様である窒化物半導体層は、基板上面、および前記基板上面と反対側を向く基板下面を有する半導体基板と、前記基板上面の上に形成され、前記半導体基板よりも薄い窒化物半導体層と、前記窒化物半導体層を用いて構成される素子と、前記窒化物半導体層の上に形成された絶縁体層と、前記絶縁体層の上に形成され、前記素子に電気的に接続された電極パッドと、を含み、前記半導体基板は、厚さが相対的に薄い薄肉部と、厚さが相対的に厚い厚肉部とを含み、前記半導体基板の厚さ方向に視た平面視において、前記厚肉部は、前記薄肉部と前記半導体基板の外周縁との間に配置されている。
【0010】
本開示の一態様である半導体モジュールは、上記窒化物半導体装置と、前記半導体基板の前記基板下面に取り付けられた放熱部材と、を含む。
【発明の効果】
【0011】
本開示の窒化物半導体装置、および半導体モジュールによれば、放熱性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、添付図面を参照して本開示における窒化物半導体装置の実施形態を説明する。
なお、説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される構成要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。
なお、説明を簡単かつ明確にするために、図面に示される構成要素は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。また、理解を容易にするために、断面図では、ハッチング線が省略されている場合がある。添付の図面は、本開示の実施形態を例示するに過ぎず、本開示を制限するものとみなされるべきではない。
【0014】
以下の詳細な記載は、本開示の例示的な実施形態を具体化する装置、システム、および方法を含む。この詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本開示の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図していない。
【0015】
【0016】
本開示において使用される「平面視」という用語は、図１に示される互いに直交するＸＹＺ軸のＺ軸方向に窒化物半導体装置１０を視ることをいう。また、図１および図２に示される窒化物半導体装置１０において、便宜上、＋Ｚ方向を上、－Ｚ方向を下、＋Ｘ方向を右、－Ｘ方向を左と定義する。明示的に別段の記載がない限り、「平面視」とは、窒化物半導体装置１０をＺ軸に沿って上方から視ることを指す。
【0017】
窒化物半導体装置１０は、ウエハ状態でパッケージを完成させるチップサイズパッケージである。
図１および図２に示すように、窒化物半導体装置１０は、チップ表面１０ｓとチップ裏面１０ｒを含む。さらに、窒化物半導体装置１０は、チップ表面１０ｓとチップ裏面１０ｒとを接続する第１～第４チップ側面１０Ａ～１０Ｄを含む。平面視における窒化物半導体装置１０の形状、換言すると平面視におけるチップ表面１０ｓおよびチップ裏面１０ｒの形状は矩形状である。第１チップ側面１０Ａおよび第２チップ側面１０Ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びるとともに、Ｙ軸方向を向くように配置されている。第３チップ側面１０Ｃおよび第４チップ側面１０Ｄは、Ｙ軸方向に沿って延びるとともに、Ｘ軸方向を向くように配置されている。
図１および図２に示すように、窒化物半導体装置１０は、チップ表面１０ｓとチップ裏面１０ｒを含む。さらに、窒化物半導体装置１０は、チップ表面１０ｓとチップ裏面１０ｒとを接続する第１～第４チップ側面１０Ａ～１０Ｄを含む。平面視における窒化物半導体装置１０の形状、換言すると平面視におけるチップ表面１０ｓおよびチップ裏面１０ｒの形状は矩形状である。第１チップ側面１０Ａおよび第２チップ側面１０Ｂは、Ｘ軸方向に沿って延びるとともに、Ｙ軸方向を向くように配置されている。第３チップ側面１０Ｃおよび第４チップ側面１０Ｄは、Ｙ軸方向に沿って延びるとともに、Ｘ軸方向を向くように配置されている。
【0018】
図２に示すように、窒化物半導体装置１０は、半導体基板１２と、半導体基板１２上に形成された窒化物半導体層５０と、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１と、窒化物半導体層５０の上に形成された絶縁体層６０と、絶縁体層６０の上に形成された電極パッド７０とを含む。
【0019】
半導体基板１２は、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＧａＮ、サファイア、または他の基板材料で形成することができる。一例では、半導体基板１２は、Ｓｉ基板であってよい。半導体基板１２は、厚さ方向（Ｚ軸方向）の一方側を向く面である基板上面１２Ａと、基板上面１２Ａの反対側を向く面である基板下面１２Ｂとを有する。半導体基板１２の基板下面１２Ｂは、窒化物半導体装置１０のチップ裏面１０ｒを構成している。なお、半導体基板１２形状の詳細については後述する。
【0020】
窒化物半導体層５０は、窒化物半導体により形成された層である。窒化物半導体層５０の厚さＴ３は、たとえば１μｍ以上１０μｍ以下である。詳細は後述するが、窒化物半導体層５０は、窒化物半導体により形成される複数の層を含む。したがって、窒化物半導体層５０の厚さＴ３は、窒化物半導体層５０の全体の厚さ、すなわち、複数の層の合計厚さを意味する。素子５１は、熱を発生する発熱素子であり、窒化物半導体層５０を用いて構成されている。窒化物半導体層５０および素子５１の詳細については後述する。
【0021】
絶縁体層６０は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＮ、および酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）のうちいずれか１つを含む材料によって構成され得る。一例では、絶縁体層６０は、ＳｉＮを含む材料によって形成されている。
【0022】
電極パッド７０は、絶縁体層６０の上面に形成されている。電極パッド７０は、単数又は複数のソースパッド７１、単数又は複数のドレインパッド７２、および単数又は複数のゲートパッド７３を含む。ソースパッド７１は、後述するソース電極２８に電気的に接続されている。ドレインパッド７２は、後述するドレイン電極３０に電気的に接続されている。ゲートパッド７３は、後述するゲート電極２４に電気的に接続されている。電極パッド７０の各々は、たとえば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ＡｌＣｕ合金、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）のうち少なくとも１つを含む任意の導体材料によって構成することができる。
【0023】
電極パッド７０の各々の上面には、外部との電気接続のための接合材ボール７４が形成されていてもよい。接合材ボール７４は、半田等の接合材を用いて、たとえば略球状に形成されている。１つの電極パッド７０の上面に形成される接合材ボール７４の個数は特に限定されない。また、１つの電極パッド７０において、接合材ボール７４は、電極パッド７０の上面の一部を覆うように形成されていてもよいし、上面の全体を覆うように形成されていてもよい。
【0024】
［窒化物半導体層および素子の詳細］
（素子の概略構造）
図１に示すように、窒化物半導体装置１０は、半導体基板１２上の中央部分に位置するアクティブ領域Ａ１と、半導体基板１２上の外周側に位置してアクティブ領域Ａ１を囲む枠状の周辺領域Ａ２とを含む。アクティブ領域Ａ１は、素子５１が形成されている領域であり、周辺領域Ａ２は、素子５１が形成されていない領域である。
（素子の概略構造）
図１に示すように、窒化物半導体装置１０は、半導体基板１２上の中央部分に位置するアクティブ領域Ａ１と、半導体基板１２上の外周側に位置してアクティブ領域Ａ１を囲む枠状の周辺領域Ａ２とを含む。アクティブ領域Ａ１は、素子５１が形成されている領域であり、周辺領域Ａ２は、素子５１が形成されていない領域である。
【0025】
図３は、アクティブ領域Ａ１に形成されている素子５１の概略平面図である。図３では、絶縁体層６０および電極パッド７０が省略されている。図４は、素子５１の概略断面図であり、図３の４－４線断面図である。一例では、素子５１は、ＧａＮを用いたＨＥＭＴであってよい。以下では、図４を参照して、素子５１の断面構造について説明した後、図３を参照して素子５１の平面構造について説明する。
【0026】
図４に示すように、素子５１は、半導体基板１２と、半導体基板１２上に形成された窒化物半導体層５０とを含む。窒化物半導体層５０は、半導体基板１２上に形成されたバッファ層１４と、バッファ層１４上に形成された電子走行層１６と、電子走行層１６上に形成された電子供給層１８とを含む。
【0027】
バッファ層１４は、半導体基板１２の基板上面１２Ａの上に形成されている。バッファ層１４は、半導体基板１２と電子走行層１６との間に位置し得る。一例では、バッファ層１４は、電子走行層１６のエピタキシャル成長を容易にすることができる任意の材料によって構成され得る。バッファ層１４は、１つまたは複数の窒化物半導体層を含み得る。
【0028】
一例では、バッファ層１４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層、および異なるアルミニウム（Ａｌ）組成を有するグレーテッドＡｌＧａＮ層のうちの少なくとも１つを含み得る。たとえば、バッファ層１４は、単一のＡｌＮ層、単一のＡｌＧａＮ層、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を有する層、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造を有する層、またはＡｌＮ／ＧａＮ超格子構造を有する層によって構成され得る。なお、バッファ層１４におけるリーク電流を抑制するために、バッファ層１４の一部に不純物を導入してバッファ層１４を半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は、たとえば炭素（Ｃ）または鉄（Ｆｅ）であり、不純物の濃度は、たとえば４×１０１６ｃｍ－３以上とすることができる。
【0029】
電子走行層１６は、窒化物半導体によって構成されている。電子走行層１６は、たとえばＧａＮ層である。電子走行層１６の厚さは、たとえば、０．５μｍ以上２μｍ以下である。なお、電子走行層１６におけるリーク電流を抑制するために、電子走行層１６の一部に不純物を導入して電子走行層１６の表層領域以外を半絶縁性にしてもよい。その場合、不純物は、たとえばＣであり、電子走行層１６中の不純物のピーク濃度は、たとえば１×１０１９ｃｍ－３以上である。
【0030】
電子供給層１８は、電子走行層１６よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成されている。電子供給層１８は、たとえばＡｌＧａＮ層である。この場合、Ａｌ組成が大きいほどバンドギャップが大きくなるため、ＡｌＧａＮ層である電子供給層１８は、ＧａＮ層である電子走行層１６よりも大きなバンドギャップを有する。一例では、電子供給層１８は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮによって構成され、ｘは０．１＜ｘ＜０．４であり、より好ましくは、０．２＜ｘ＜０．３である。電子供給層１８の厚さは、たとえば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【0031】
電子走行層１６と電子供給層１８とは、互いに異なる格子定数を有する窒化物半導体によって構成されている。したがって、電子走行層１６を構成する窒化物半導体（たとえば、ＧａＮ）と電子供給層１８を構成する窒化物半導体（たとえば、ＡｌＧａＮ）とは、格子不整合系のヘテロ接合を形成する。電子走行層１６および電子供給層１８の自発分極と、ヘテロ接合界面付近の電子供給層１８が受ける応力に起因するピエゾ分極とによって、ヘテロ接合界面付近における電子走行層１６の伝導帯のエネルギーレベルはフェルミ準位よりも低くなる。これにより、電子走行層１６と電子供給層１８とのヘテロ接合界面に近い位置（たとえば、界面から数ｎｍ程度の範囲内）において電子走行層１６内には二次元電子ガス（２ＤＥＧ）２０が広がっている。
【0032】
素子５１は、電子供給層１８の上に形成されたゲート層２２と、ゲート層２２上に形成されたゲート電極２４と、パッシベーション層２６とをさらに含む。パッシベーション層２６は、電子供給層１８、ゲート層２２、およびゲート電極２４の上に形成されるとともに、第１開口部２６Ａおよび第２開口部２６Ｂを含む。また、素子５１は、第１開口部２６Ａを介して電子供給層１８の上面１８Ａに接するソース電極２８と、第２開口部２６Ｂを介して電子供給層１８の上面１８Ａに接するドレイン電極３０とをさらに含む。
【0033】
ゲート層２２は、パッシベーション層２６の第１開口部２６Ａと第２開口部２６Ｂとの間に位置しており、第１開口部２６Ａおよび第２開口部２６Ｂの各々から離間している。ゲート層２２は、第２開口部２６Ｂよりも第１開口部２６Ａの近くに位置している。ゲート層２２の詳細な構造については後述する。
【0034】
ゲート層２２は、電子供給層１８よりも小さなバンドギャップを有するとともに、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されている。ゲート層２２は、たとえばＡｌＧａＮ層である電子供給層１８よりも小さなバンドギャップを有する任意の材料によって構成され得る。一例では、ゲート層２２は、アクセプタ型不純物がドーピングされたＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ層）である。
【0035】
アクセプタ型不純物は、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびＣのうち少なくとも１つを含むことができる。アクセプタ型不純物の一例は、Ｍｇである。ゲート層２２中のアクセプタ型不純物の最大濃度は、たとえば１×１０１８ｃｍ－３以上、または１×１０１９ｃｍ－３以上である。ゲート層２２中のアクセプタ型不純物の最大濃度は、たとえば１×１０２０ｃｍ－３以下である。
【0036】
上記のように、ゲート層２２にアクセプタ型不純物が含まれることによって、電子走行層１６および電子供給層１８のエネルギーレベルが引き上げられる。このため、ゲート層２２の直下の領域において、電子走行層１６と電子供給層１８との間のヘテロ接合界面付近における電子走行層１６の伝導帯のエネルギーレベルは、フェルミ準位とほぼ同じか、またはそれよりも大きくなる。したがって、ゲート電極２４に電圧を印加していないゼロバイアス時において、ゲート層２２の直下の領域における電子走行層１６には、２ＤＥＧ２０が形成されない。一方、ゲート層２２の直下の領域以外の領域における電子走行層１６には、２ＤＥＧ２０が形成されている。
【0037】
このように、アクセプタ型不純物がドーピングされたゲート層２２の存在によってゲート層２２の直下の領域で２ＤＥＧ２０が消滅している。その結果、トランジスタのノーマリーオフ動作が実現される。ゲート電極２４に適切なオン電圧が印加されると、ゲート電極２４の直下の領域における電子走行層１６に２ＤＥＧ２０によるチャネルが形成されるため、ソース－ドレイン間が導通する。
【0038】
ゲート電極２４は、１つまたは複数の金属層によって構成されている。ゲート電極２４は、一例では窒化チタン（ＴｉＮ）層である。あるいは、ゲート電極２４は、Ｔｉを含む材料によって形成された第１金属層と、第１金属層上に積層され、ＴｉＮを含む材料によって形成された第２金属層とによって構成されていてもよい。ゲート電極２４は、ゲート層２２とショットキー接合を形成することができる。ゲート電極２４は、平面視でゲート層２２よりも小さい領域に形成され得る。ゲート電極２４の厚さは、たとえば５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。
【0039】
パッシベーション層２６は、電子供給層１８上に形成されている。パッシベーション層２６は、電子供給層１８の上面１８Ａを覆っているともいえる。パッシベーション層２６は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＡｌＮ、および酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）のうちいずれか１つを含む材料によって構成され得る。一例では、パッシベーション層２６は、ＳｉＮを含む材料によって形成されている。パッシベーション層２６のうちゲート層２２およびゲート電極２４を覆う部分は、ゲート層２２およびゲート電極２４の表面に沿って形成されているため、非平坦な表面を有する。パッシベーション層２６は、たとえば、２００ｎｍ以下の厚さを有する。ここで、パッシベーション層２６の厚さは、たとえば、電子供給層１８に接する部分の厚さであってよいし、ゲート電極２４の上面に接する部分の厚さであってもよい。
【0040】
ソース電極２８およびドレイン電極３０は、電子供給層１８の上面１８Ａにおいて、ゲート層２２を挟むように配置されている。以下では、電子供給層１８の上面１８Ａにおいて、ゲート層２２、ソース電極２８およびドレイン電極３０は、Ｘ軸方向に並んでいる。
【0041】
ソース電極２８およびドレイン電極３０は、１つまたは複数の金属層によって構成され得る。たとえば、ソース電極２８およびドレイン電極３０は、Ｔｉ層、ＴｉＮ層、Ａｌ層、ＡｌＳｉＣｕ層、およびＡｌＣｕ層等を含む群から選択された２つ以上の金属層の組み合わせによって構成され得る。ソース電極２８の少なくとも一部は、第１開口部２６Ａ内に充填されており、第１開口部２６Ａを介して電子供給層１８直下の２ＤＥＧ２０とオーミック接触している。同様に、ドレイン電極３０の少なくとも一部は、第２開口部２６Ｂ内に充填されており、第２開口部２６Ｂを介して電子供給層１８直下の２ＤＥＧ２０とオーミック接触している。
【0042】
一例では、ソース電極２８は、第１開口部２６Ａに充填されたソースコンタクト部２８Ａと、パッシベーション層２６の上に形成されたソースフィールドプレート部２８Ｂとを含み得る。ソースフィールドプレート部２８Ｂは、ソースコンタクト部２８Ａと連続しており、ソースコンタクト部２８Ａと一体に形成されている。ソースフィールドプレート部２８Ｂは、平面視で第２開口部２６Ｂとゲート層２２との間に位置する端部２８Ｃを含む。ソースフィールドプレート部２８Ｂは、ドレイン電極３０からは離間している。ソースフィールドプレート部２８Ｂは、ゲート電極２４にゲート電圧が印加されていないゼロバイアス状態でドレイン電極３０にドレイン電圧が印加された場合にゲート電極２４の端部近傍およびゲート層２２の端部近傍の電界集中を緩和する役割を果たす。
【0043】
上で述べたとおり、ソース電極２８は、絶縁体層６０内に形成された配線（図示略）を介して、ソースパッド７１に電気的に接続されている。ドレイン電極３０は、絶縁体層６０内に形成された配線（図示略）を介して、ドレインパッド７２に電気的に接続されている。ゲート電極２４は、絶縁体層６０内に形成された配線（図示略）を介して、ゲートパッド７３に電気的に接続されている。また、絶縁体層６０は、パッシベーション層２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０の上に形成されている。絶縁体層６０は、パッシベーション層２６、ソース電極２８、およびドレイン電極３０を覆っているともいえる。
【0044】
（素子の平面構造）
次に、図３を参照して、素子５１の平面構造について説明する。図３では、パッシベーション層２６、ソース電極２８の図示は省略されており、パッシベーション層２６の第１開口部２６Ａおよび第２開口部２６Ｂ、並びにソース電極２８の端部２８Ｃが破線で描かれている。
次に、図３を参照して、素子５１の平面構造について説明する。図３では、パッシベーション層２６、ソース電極２８の図示は省略されており、パッシベーション層２６の第１開口部２６Ａおよび第２開口部２６Ｂ、並びにソース電極２８の端部２８Ｃが破線で描かれている。
【0045】
素子５１は、アクティブ領域Ａ１内において、トランジスタ動作に寄与する第１アクティブ領域と、トランジスタ動作に寄与しない第２アクティブ領域（図示略）を有する。一例では、第１アクティブ領域と第２アクティブ領域とは、Ｙ軸方向に交互に配置されている。
【0046】
素子５１の第１アクティブ領域において、ソース電極２８（図４参照）と、ゲート電極２４と、ドレイン電極３０とは電子供給層１８（図４参照）上でＸ軸方向に隣り合って配置されている。Ｘ軸方向に隣り合うソース電極２８、ゲート電極２４、およびドレイン電極３０の組み合わせは、１つのＨＥＭＴセル５１ＨＣを構成する。図３の例では、アクティブ領域において、Ｘ方向に２つのＨＥＭＴセル５１ＨＣが配置されている。なお、実際には、より多くのＨＥＭＴセル５１ＨＣが各アクティブ領域に配置され得る。
【0047】
（ゲート層の詳細な構造）
ゲート層２２の一例は、ステップ構造を有する。以下、図４を参照してステップ構造を有するゲート層２２の詳細について説明する。
ゲート層２２の一例は、ステップ構造を有する。以下、図４を参照してステップ構造を有するゲート層２２の詳細について説明する。
【0048】
図４に示すように、ゲート層２２は、リッジ部４２と、リッジ部４２よりも薄い延在部４３とを含む。延在部４３は、リッジ部４２のＸ軸方向における側面４２Ｃの各々からＸ軸方向に向かって延びている。
【0049】
リッジ部４２は、ゲート層２２の相対的に厚い部分に相当する。ゲート電極２４は、リッジ部４２に接している。リッジ部４２は、図４のＸＺ平面に沿った断面において矩形状または台形状を有し得る。リッジ部４２は、たとえば１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さＴ４を有し得る。リッジ部４２の厚さＴ４とは、リッジ部４２の上面４２Ａから下面４２Ｂまでの距離のことである。リッジ部４２の厚さＴ４は、ゲート耐圧等の種々のパラメータを考慮して決定され得る。
【0050】
延在部４３は、ソース側延在部４４およびドレイン側延在部４６を含む。ソース側延在部４４およびドレイン側延在部４６は、Ｘ軸方向における互いに反対となる方向に延びている。詳述すると、ソース側延在部４４は、リッジ部４２からパッシベーション層２６の第１開口部２６Ａに向かって延びている。ドレイン側延在部４６は、リッジ部４２からパッシベーション層２６の第２開口部２６Ｂに向かって延びている。ソース側延在部４４とドレイン側延在部４６は同じ長さであってもよいし、異なっていてもよい。
【0051】
延在部４３の各々の厚さＴ５は、たとえば３０ｎｍ以下、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、または１５ｎｍ以下である。延在部４３の厚さＴ５は、たとえば５ｎｍ以上である。一例では、ソース側延在部４４の厚さＴ５Ａとドレイン側延在部４６の厚さＴ５Ｂは、互いに等しい。ここで、ソース側延在部４４の厚さＴ５Ａとドレイン側延在部４６の厚さＴ５Ｂの差がたとえばソース側延在部４４の厚さの１０％以内であれば、ソース側延在部４４の厚さＴ５Ａとドレイン側延在部４６の厚さＴ５Ｂとが互いに等しいといえる。
【0052】
ソース側延在部４４は、リッジ部４２から第１開口部２６Ａに向かう方向において、例えば、１００ｎｍ以上の長さＬ１を有し得る。ソース側延在部４４の長さＬ１は、例えば、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。ドレイン側延在部４６は、リッジ部４２から第２開口部２６Ｂに向かう方向において、例えば２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の長さＬ２を有し得る。一例では、ドレイン側延在部４６の長さＬ２は、ソース側延在部４４の長さＬ１よりも長い。
【0053】
ゲート層２２は、上面および下面を有する。ゲート層２２の下面は、ゲート層２２における電子供給層１８の上面１８Ａに対向する面である。ゲート層２２の上面は、ゲート層２２における下面の反対側に位置する面である。ステップ構造を有するゲート層２２の上面は、リッジ部４２の上面４２Ａ、および延在部４３の上面（ソース側延在部４４の上面４４Ａおよびドレイン側延在部４６の上面４６Ａ）を含む面を意味する。ステップ構造を有するゲート層２２の下面は、リッジ部４２の下面４２Ｂ、ソース側延在部４４の下面４４Ｂ、およびドレイン側延在部４６の下面４６Ｂを含む面を意味する。
【0054】
ステップ構造を有するゲート層２２の断面形状は、上記の形状に限定されない。たとえば、ソース側延在部４４の厚さＴ５とドレイン側延在部４６の厚さＴ５が異なっていてもよい。また、ソース側延在部４４およびドレイン側延在部４６のうちのいずれか一方が省略されていてもよいし、ソース側延在部４４およびドレイン側延在部４６の両方が省略されていてもよい。
【0055】
【0056】
図２および図５に示すように、半導体基板１２は、基板上面１２Ａと基板下面１２Ｂとを含む。さらに、半導体基板１２は、基板上面１２Ａと基板下面１２Ｂとを接続する外周縁１２Ｃ～１２Ｆとを含む。平面視における半導体基板１２の形状は、矩形状である。換言すると、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂの形状は、外周縁１２Ｃ、１２ＤがＸ軸方向（第１方向）に延びるとともに、外周縁１２Ｅ、１２ＦがＹ軸方向（第１方向に直交する第２方向）に延びる矩形状である。
【0057】
半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と、半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆとの間に配置されている。具体的には、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃとの間、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｄとの間、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｅとの間、および薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｆとの間の各々に配置されている。厚肉部８２は、平面視において、薄肉部８１を囲む矩形枠状に配置されているともいえる。
【0058】
薄肉部８１および厚肉部８２は、平板状である半導体基板１２の基板下面１２Ｂに１つの凹部８３を設けることにより形成されている。半導体基板１２において、凹部８３は、基板下面１２Ｂ側に開口するとともに、基板下面１２Ｂ側から基板上面１２Ａ側へ向かって凹んでいる。凹部８３は、凹部底面８３Ａ、および凹部底面８３Ａと基板下面１２Ｂとを接続する凹部側面８３Ｂとを含む。凹部底面８３Ａは、たとえば半導体基板１２の厚さ方向（Ｚ軸方向）に直交する面であり、凹部側面８３Ｂは、たとえば半導体基板１２の厚さ方向と平行な面である。
【0059】
平面視において、薄肉部８１は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延びる矩形状である。換言すると、凹部８３の凹部底面８３Ａは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延びる矩形状である。薄肉部８１の平面視形状の一例は、半導体基板１２の基板下面１２Ｂと相似形状である。平面視において、基板下面１２Ｂ全体の面積に占める薄肉部８１の面積割合は、たとえば１０％以上である。上記面積割合は、たとえば４０％以下であり、好ましくは３４％以下である。
【0060】
凹部８３の少なくとも一部は、平面視において、アクティブ領域Ａ１と重なる位置に配置されている。換言すると、凹部８３の少なくとも一部は、アクティブ領域Ａ１の直下に配置されている。図２および図５に示す凹部８３の一例は、凹部８３の全体がアクティブ領域Ａ１と重なっている。
【0061】
厚肉部８２は、幅Ｗを有する。厚肉部８２の幅Ｗは、平面視において、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆとの間の距離を意味する。厚肉部８２の幅Ｗは、たとえば５０μｍ以上であり、好ましくは２００μｍ以上である。厚肉部８２の幅Ｗは、たとえば６００μｍ以下であり、好ましくは３５０μｍ以下である。厚肉部８２の幅Ｗは一定であってもよいし、部分ごとに変化してもよい。厚肉部８２の幅Ｗが部分ごとに変化する場合、厚肉部８２の最も狭い部分における幅Ｗが５０μｍ以上であることが好ましい。
【0062】
次に、薄肉部８１の厚さＴ１および厚肉部８２の厚さＴ２について説明する。
図２に示すように、薄肉部８１の厚さＴ１は、半導体基板１２における基板上面１２Ａと凹部底面８３Ａとの間の距離を意味する。薄肉部８１の厚さＴ１は、たとえば２５０μｍ以下、２００μｍ以下、または５０μｍ以下である。薄肉部８１の厚さＴ１は、たとえば５０μｍ以上、または２００μｍ以上である。薄肉部８１の厚さＴ１は一定であってもよいし、部分ごとに変化してもよい。
図２に示すように、薄肉部８１の厚さＴ１は、半導体基板１２における基板上面１２Ａと凹部底面８３Ａとの間の距離を意味する。薄肉部８１の厚さＴ１は、たとえば２５０μｍ以下、２００μｍ以下、または５０μｍ以下である。薄肉部８１の厚さＴ１は、たとえば５０μｍ以上、または２００μｍ以上である。薄肉部８１の厚さＴ１は一定であってもよいし、部分ごとに変化してもよい。
【0063】
厚肉部８２の厚さＴ２は、半導体基板１２における基板上面１２Ａと基板下面１２Ｂとの間の距離を意味する。厚肉部８２の厚さＴ２は、たとえば５００μｍ以下、または２５０μｍ以下である。厚肉部８２の厚さＴ２は、たとえば１５０μｍ以上、または２５０μｍ以上である。薄肉部８１の厚さＴ１に対する厚肉部８２の厚さＴ２の比（Ｔ２／Ｔ１）は、たとえば１．２５以上１０．０以下であり、好ましくは２．５以上５．０以下である。厚肉部８２の厚さＴ２は一定であってもよいし、部分ごとに変化してもよい。
【0064】
ここで、窒化物半導体層５０は、半導体基板１２よりも薄い。つまり、窒化物半導体層５０の厚さＴ３は、厚肉部８２の厚さＴ２より薄く、かつ薄肉部８１の厚さＴ１よりも薄い。薄肉部８１の厚さＴ１に対する窒化物半導体層５０の厚さＴ３の比（Ｔ３／Ｔ１）は、たとえば０．２以下であり、好ましくは０．０２８以下である。上記比（Ｔ３／Ｔ１）は、たとえば０．０１４以上である。また、厚肉部８２の厚さＴ２に対する窒化物半導体層５０の厚さＴ３の比（Ｔ３／Ｔ２）は、たとえば０．００５６以上０．０５以下である。また、窒化物半導体層５０の厚さＴ３に対する厚肉部８２の厚さＴ２の比（Ｔ２／Ｔ３）は、２０以上１８０以下である。
【0065】
［半導体モジュールおよび実装構造］
図６は、窒化物半導体装置１０を含む半導体モジュール１００の実装構造を示す例示的な概略断面図である。
図６は、窒化物半導体装置１０を含む半導体モジュール１００の実装構造を示す例示的な概略断面図である。
【0066】
半導体モジュール１００は、窒化物半導体装置１０と、放熱部材１０１とを含む。放熱部材１０１は、窒化物半導体装置１０のチップ裏面１０ｒ、すなわち半導体基板１２の基板下面１２Ｂに対して、接合材１０２を用いて取り付けられている。放熱部材１０１は、たとえば放熱フィンである。放熱部材１０１は、熱伝達性の良い材料により形成されている。放熱部材１０１は、たとえばセラミックス、金属から構成されている。セラミックスは、たとえばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分として含む。接合材１０２としては、半田、銀（Ａｇ）ペースト等の金属材料、および熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等の樹脂系材料が挙げられる。放熱部材１０１は、その少なくとも一部が、直接または接合材１０２を介して、基板下面１２Ｂにおける薄肉部８１が位置する部分（凹部底面８３Ａ）に接している。
【0067】
半導体モジュール１００は、窒化物半導体装置１０のチップ表面１０ｓを実装基板９０に対向させた状態として、各電極パッド７０の各接合材ボール７４を実装基板９０のパッド部（図示略）に接続することによって実装基板９０に実装される。実装基板９０は、たとえばプリント配線基板である。なお、半導体モジュール１００の状態で実装する構成に代えて、窒化物半導体装置１０を実装基板９０に実装した後、実装基板９０に実装された状態の窒化物半導体装置１０のチップ裏面１０ｒに対して放熱部材１０１を取り付けてもよい。
【0068】
［作用］
次に、実施形態の窒化物半導体装置１０の作用を説明する。
チップサイズパッケージとして構成されている窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成されている窒化物半導体層５０、絶縁体層６０、および電極パッドと、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１とを含む。この窒化物半導体装置１０において、素子５１から発生した熱は、半導体基板１２を通じてチップ裏面１０ｒ（半導体基板１２の基板下面１２Ｂ）から放熱される放熱経路を通じて放熱される。半導体基板１２において、上記放熱経路としては、平面視における半導体基板１２の中央部分が主に利用される。そのため、素子５１の発熱時の半導体基板１２における熱分布は、平面視における中央部分が最も温度が高くなり、外周側に近づくにしたがって徐々に温度が低くなる。
次に、実施形態の窒化物半導体装置１０の作用を説明する。
チップサイズパッケージとして構成されている窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成されている窒化物半導体層５０、絶縁体層６０、および電極パッドと、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１とを含む。この窒化物半導体装置１０において、素子５１から発生した熱は、半導体基板１２を通じてチップ裏面１０ｒ（半導体基板１２の基板下面１２Ｂ）から放熱される放熱経路を通じて放熱される。半導体基板１２において、上記放熱経路としては、平面視における半導体基板１２の中央部分が主に利用される。そのため、素子５１の発熱時の半導体基板１２における熱分布は、平面視における中央部分が最も温度が高くなり、外周側に近づくにしたがって徐々に温度が低くなる。
【0069】
ここで、窒化物半導体装置１０に用いられている半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆとの間に配置されている。換言すると、半導体基板１２において、上記放熱経路としての大きく寄与する部分である中央に位置する部分が相対的に薄く形成されるとともに、上記放熱経路として寄与し難い部分である外周側に位置する部分が相対的に厚く形成されている。これにより、半導体基板１２の強度の確保と、半導体基板１２を通じた放熱性の向上とを両立させることができる。
【0070】
つまり、上記放熱経路としての大きく寄与する部分である中央に位置する部分を相対的に薄く形成することにより、上記放熱経路における半導体基板１２に起因する熱抵抗を大きく低下させることができる。その結果、上記放熱経路における放熱性が大きく向上する。一方、半導体基板１２の外周側に位置する部分に厚肉部８２が形成されていることにより、半導体基板１２の強度を確保できる。上記のとおり、半導体基板１２の外周側に位置する部分は、上記放熱経路としてあまり寄与しない部分であるため、厚く形成したとしても半導体基板１２を通じた放熱性に与える影響は小さい。したがって、半導体基板１２の外周側に位置する部分を厚く形成することは、半導体基板１２を通じた放熱性を低下させない。このように、薄肉部８１および厚肉部８２を含む半導体基板１２を用いた窒化物半導体装置１０の構成によれば、半導体基板１２の強度を確保しながらも、半導体基板１２を通じた放熱性を向上させることができる。
【0071】
［効果］
実施形態の窒化物半導体装置１０によれば、以下の効果が得られる。
（１）窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成され、半導体基板１２よりも薄い窒化物半導体層５０と、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１と、窒化物半導体層５０の上に形成された絶縁体層６０と、絶縁体層６０の上に形成され、素子５１に電気的に接続された電極パッド７０と、を含む。半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆとの間に配置されている。この構成によれば、半導体基板１２の強度の確保しながらも、半導体基板１２を通じた放熱性を向上させることができる。
実施形態の窒化物半導体装置１０によれば、以下の効果が得られる。
（１）窒化物半導体装置１０は、基板上面１２Ａおよび基板下面１２Ｂを有する半導体基板１２と、基板上面１２Ａの上に形成され、半導体基板１２よりも薄い窒化物半導体層５０と、窒化物半導体層５０を用いて構成される素子５１と、窒化物半導体層５０の上に形成された絶縁体層６０と、絶縁体層６０の上に形成され、素子５１に電気的に接続された電極パッド７０と、を含む。半導体基板１２は、厚さが相対的に薄い薄肉部８１と、厚さが相対的に厚い厚肉部８２とを含む。平面視において、厚肉部８２は、薄肉部８１と半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆとの間に配置されている。この構成によれば、半導体基板１２の強度の確保しながらも、半導体基板１２を通じた放熱性を向上させることができる。
【0072】
（２）薄肉部８１の厚さＴ１に対する厚肉部８２の厚さＴ２の比（Ｔ２／Ｔ１）は、１．２５以上１０．０以下である。上記比（Ｔ２／Ｔ１）が１．２５以上であることにより、厚肉部８２によって半導体基板１２の強度を高める効果が向上する。上記比（Ｔ２／Ｔ１）が１０．０以下であることにより、薄肉部８１において、半導体基板１２の放熱性を高める効果が顕著に得られる。
【0073】
（３）半導体基板１２は、平面視において、第１方向（Ｘ軸方向）、および第１方向（Ｘ軸方向）に直交する第２方向（Ｙ軸方向）に延びる矩形状である。厚肉部８２は、薄肉部８１と第１方向（Ｘ軸方向）における一方側の外周縁１２Ｃとの間、および薄肉部８１と第１方向（Ｘ軸方向）における他方側の外周縁（１２Ｄ）との間の両方に配置されている。この構成によれば、第１方向（Ｘ軸方向）の両側に厚肉部８２が設けられていることにより、厚肉部８２によって半導体基板１２の強度を高める効果が向上する。
【0074】
（４）厚肉部８２は、薄肉部８１と第２方向（Ｙ軸方向）における一方側の外周縁１２Ｅとの間、および薄肉部８１と第２方向（Ｙ軸方向）における他方側の外周縁１２Ｆとの間の両方に配置されている。この構成によれば、第１方向（Ｘ軸方向）の両側および第２方向（Ｙ軸方向）の両側に厚肉部８２が設けられていることにより、厚肉部８２によって半導体基板１２の強度を高める効果が更に向上する。
【0075】
（５）窒化物半導体層５０の厚さＴ３に対する厚肉部８２の厚さＴ２の比（Ｔ２／Ｔ３）は、２０以上である。この構成は、半導体基板１２に対して、窒化物半導体層５０が非常に薄く形成されていることを意味する。この場合、素子５１から発生した熱が半導体基板１２を通じて半導体基板１２の基板下面１２Ｂから放熱される放熱経路に占める半導体基板１２の割合が大きくなる。そのため、上記（１）の半導体基板１２の放熱性を高める効果がより顕著に得られる。
【0076】
（６）窒化物半導体装置１０は、平面視において、半導体基板１２上の中央部分に位置するとともに素子５１が形成されているアクティブ領域Ａ１と、半導体基板１２上の外周側に位置するとともにアクティブ領域Ａ１を囲む枠状の周辺領域Ａ２とを含む。薄肉部８１の少なくとも一部は、平面視においてアクティブ領域Ａ１と重なっている。半導体基板１２におけるアクティブ領域Ａ１と重なる部分は、アクティブ領域Ａ１に設けられている素子５１の熱が伝わりやすい部分である。そのため、当該部分に薄肉部８１を設けることにより、上記（１）の半導体基板１２の放熱性を高める効果がより顕著に得られる。
【0077】
＜変更例＞
上記実施形態はたとえば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
上記実施形態はたとえば以下のように変更できる。上記実施形態と以下の各変更例は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに組み合せることができる。なお、以下の変更例において、上記実施形態と共通する部分については、上記実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
【0078】
・上記実施形態では、素子５１は、ノーマリーオフ型ＨＥＭＴとして構成されたが、本開示の構成は、ノーマリーオフ型ＨＥＭＴに限定されずノーマリーオン型ＨＥＭＴにも適用可能である。たとえば、素子５１からゲート層２２を省略すること、またはゲート層２２がアクセプタ型不純物を含まない窒化物半導体層として形成されることで、素子５１をノーマリーオン型ＨＥＭＴとして構成することができる。
【0079】
・上記実施形態では、窒化物半導体装置１０の素子５１は、窒化物半導体ＨＥＭＴとして構成されたが、窒化物半導体ＨＥＭＴに限定されず、窒化物半導体ダイオードとして構成されてもよい。
【0080】
・半導体基板１２に設けられる薄肉部８１の形状は、矩形状に限定されるものでなく、任意の形状とすることができる。たとえば、薄肉部８１の平面視形状は、円形状、楕円形状、多角形状であってもよい。また、半導体基板１２に設けられる薄肉部８１の個数は特に限定されるものでなく、複数個であってもよい。
【0081】
図７および図８は、複数の薄肉部８１が設けられている変更例の半導体基板１２の基板下面１２Ｂを示す概略平面図である。図７に示す変更例では、平面視矩形状である４個の薄肉部８１が２×２で配列されている。なお、図７に示すように、薄肉部８１は、平面視における半導体基板１２の中心に配置されていなくてもよい。また、図８に示す変更例では、平面視円形状である複数の薄肉部８１が設けられている。これら複数の薄肉部８１は、相対的に直径が大きいものと、小さいものとを含むとともに、半導体基板１２の中央側から外周縁１２Ｃ～１２Ｆに近づくにしたがって、薄肉部８１の直径が小さくなるように配置されている。
【0082】
また、図９に示すように、薄肉部８１は、半導体基板１２の中央側から外周縁１２Ｃ～１２Ｆに近づくにしたがって、徐々に厚さＴ１が厚くなる形状であってもよい。図９に示す一例では、凹部８３の凹部側面８３Ｂを段状に形成することによって、上記の形状の薄肉部８１を実現している。
【0083】
また、図１０に示すように、薄肉部８１は、平面視において、半導体基板１２の外周縁１２Ｃ～１２Ｆに接する部分を有していてもよい。図１０に示す一例では、薄肉部８１は、平面視において、Ｙ軸方向（第２方向）における一方側の外周縁１２ＥおよびＹ軸方向（第２方向）における他方側の外周縁１２Ｆに接する形状である。この場合、厚肉部８２は、平面視において、薄肉部８１とＸ軸方向における一方側の外周縁１２Ｃとの間、および薄肉部８１とＸ軸方向における他方側の外周縁１２Ｄとの間に形成される。一方、薄肉部８１とＹ軸方向における一方側の外周縁１２Ｅとの間、および薄肉部８１とＹ軸方向における他方側の外周縁１２Ｆとの間には、厚肉部８２は形成されない。
【0084】
・図１１は、変更例の窒化物半導体装置１０における基板下面１２Ｂ（チップ裏面１０ｒ）の模式的な平面図である。図１２は、図１１の１２－１２線断面図である。図１１および図１２に示す窒化物半導体装置１０は、アクティブ領域Ａ１内において、平面視における異なる位置に設けられた複数の素子領域５２を含む。複数の素子領域５２は、素子５１が形成されている領域である。素子領域５２の各々に形成されている素子５１は同じであってもよいし、異なっていてもよい。素子領域５２の個数、配置および形状は任意であり、特定の個数、配置および形状に限定されない。
【0085】
複数の素子領域５２のうち、素子５１の発熱に起因して温度が高くなりやすい領域を高温素子領域５２Ａとする。高温素子領域５２Ａは、１つであってもよいし、複数であってもよい。図１１および図１２では、高温素子領域５２Ａが１つである場合を示している。当該窒化物半導体装置１０の半導体基板１２は、上記の実施形態と同様に薄肉部８１および厚肉部８２を有する。薄肉部８１は、平面視において、少なくとも一部が高温素子領域５２Ａに重なる位置に配置されている。そして、半導体基板１２における高温素子領域５２Ａに重ならない部分は、厚肉部８２として形成されている。このように、素子領域５２を有する構成において、放熱性を高めることが必要な素子領域５２に限定して、薄肉部８１を配置してもよい。この場合には、薄肉部８１を設ける範囲が大きく限定されるため、薄肉部８１を設けることに起因する半導体基板１２の強度の低下を抑制できる。
【0086】
本開示で使用される「～上に」という用語は、文脈によって明らかにそうでないことが示されない限り、「～上に」と「～の上方に」との双方の意味を含む。したがって、「第１層が第２層上に形成される」という表現は、或る実施形態では第１層が第２層に接触して第２層上に直接配置され得るが、他の実施形態では第１層が第２層に接触することなく第２層の上方に配置され得ることが意図される。すなわち、「～上に」という用語は、第１層と第２層との間に他の層が形成される構造を排除しない。
【0087】
本開示で使用されるＺ方向は必ずしも鉛直方向である必要はなく、鉛直方向に完全に一致している必要もない。したがって、本開示による種々の構造は、本明細書で説明されるＺ方向の「上」および「下」が鉛直方向の「上」および「下」であることに限定されない。たとえば、Ｘ軸方向が鉛直方向であってもよく、またはＹ軸方向が鉛直方向であってもよい。
【0088】
本開示における「第１」、「第２」、「第３」等の用語は、単に対象物を区別するために用いられており、対象物を順位づけするものではない。
＜付記＞
本開示から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、限定する意図ではなく理解の補助のために、付記に記載される構成要素には、実施形態中の対応する構成要素の参照符号が付されている。参照符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、参照符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
＜付記＞
本開示から把握できる技術的思想を以下に記載する。なお、限定する意図ではなく理解の補助のために、付記に記載される構成要素には、実施形態中の対応する構成要素の参照符号が付されている。参照符号は、理解の補助のために例として示すものであり、各付記に記載された構成要素は、参照符号で示される構成要素に限定されるべきではない。
【0089】
［付記１］
基板上面（１２Ａ）、および前記基板上面（１２Ａ）と反対側を向く基板下面（１２Ｂ）を有する半導体基板（１２）と、
前記基板上面（１２Ａ）の上に形成され、前記半導体基板（１２）よりも薄い窒化物半導体層（５０）と、
前記窒化物半導体層（５０）を用いて構成される素子（５１）と、
前記窒化物半導体層（５０）の上に形成された絶縁体層（６０）と、
前記絶縁体層（６０）の上に形成され、前記素子（５１）に電気的に接続された電極パッド（７０）と、
を含み、
前記半導体基板（１２）は、厚さが相対的に薄い薄肉部（８１）と、厚さが相対的に厚い厚肉部（８２）とを含み、
前記半導体基板（１２）の厚さ方向に視た平面視において、
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記半導体基板（１２）の外周縁（１２Ｃ～１２Ｆ）との間に配置されている、窒化物半導体装置（１０）。
基板上面（１２Ａ）、および前記基板上面（１２Ａ）と反対側を向く基板下面（１２Ｂ）を有する半導体基板（１２）と、
前記基板上面（１２Ａ）の上に形成され、前記半導体基板（１２）よりも薄い窒化物半導体層（５０）と、
前記窒化物半導体層（５０）を用いて構成される素子（５１）と、
前記窒化物半導体層（５０）の上に形成された絶縁体層（６０）と、
前記絶縁体層（６０）の上に形成され、前記素子（５１）に電気的に接続された電極パッド（７０）と、
を含み、
前記半導体基板（１２）は、厚さが相対的に薄い薄肉部（８１）と、厚さが相対的に厚い厚肉部（８２）とを含み、
前記半導体基板（１２）の厚さ方向に視た平面視において、
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記半導体基板（１２）の外周縁（１２Ｃ～１２Ｆ）との間に配置されている、窒化物半導体装置（１０）。
【0090】
［付記２］
前記薄肉部（８１）の厚さ（Ｔ１）に対する前記厚肉部（８２）の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）は、０．１以上０．８以下である、付記１に記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記薄肉部（８１）の厚さ（Ｔ１）に対する前記厚肉部（８２）の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ１）は、０．１以上０．８以下である、付記１に記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0091】
［付記３］
前記薄肉部の厚さ（Ｔ１）は５０μｍ以上２００μｍ以下であり、
前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）は２５０μｍ以上５００μｍ以下である、付記１または付記２に記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記薄肉部の厚さ（Ｔ１）は５０μｍ以上２００μｍ以下であり、
前記厚肉部の厚さ（Ｔ２）は２５０μｍ以上５００μｍ以下である、付記１または付記２に記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0092】
［付記４］
前記薄肉部（８１）は、前記基板下面（１２Ｂ）に設けられた凹部（８３）によって形成されている、付記１～３のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記薄肉部（８１）は、前記基板下面（１２Ｂ）に設けられた凹部（８３）によって形成されている、付記１～３のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0093】
［付記５］
前記半導体基板（１２）は、平面視において、第１方向（Ｘ軸方向）、および前記第１方向（Ｘ軸方向）に直交する第２方向（Ｙ軸方向）に延びる矩形状であり、
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記第１方向（Ｘ軸方向）における一方側の外周縁（１２Ｃ）との間、および前記薄肉部（８１）と前記第１方向（Ｘ軸方向）における他方側の外周縁（１２Ｄ）との間の両方に配置されている、付記１～４のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記半導体基板（１２）は、平面視において、第１方向（Ｘ軸方向）、および前記第１方向（Ｘ軸方向）に直交する第２方向（Ｙ軸方向）に延びる矩形状であり、
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記第１方向（Ｘ軸方向）における一方側の外周縁（１２Ｃ）との間、および前記薄肉部（８１）と前記第１方向（Ｘ軸方向）における他方側の外周縁（１２Ｄ）との間の両方に配置されている、付記１～４のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0094】
［付記６］
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記第２方向（Ｙ軸方向）における一方側の外周縁（１２Ｅ）との間、および前記薄肉部（８１）と前記第２方向（Ｙ軸方向）における他方側の外周縁（１２Ｆ）との間の両方に配置されている、付記５に記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記厚肉部（８２）は、前記薄肉部（８１）と前記第２方向（Ｙ軸方向）における一方側の外周縁（１２Ｅ）との間、および前記薄肉部（８１）と前記第２方向（Ｙ軸方向）における他方側の外周縁（１２Ｆ）との間の両方に配置されている、付記５に記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0095】
［付記７］
前記窒化物半導体層（５０）の厚さ（Ｔ３）に対する前記厚肉部（８２）の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ３）は、２０以上１８０以下である、付記１～６のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記窒化物半導体層（５０）の厚さ（Ｔ３）に対する前記厚肉部（８２）の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ２／Ｔ３）は、２０以上１８０以下である、付記１～６のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0096】
［付記８］
平面視において、前記半導体基板（１２）上の中央部分に位置するとともに前記素子（５１）が形成されているアクティブ領域（Ａ１）と、前記半導体基板（１２）上の外周側に位置するとともに前記アクティブ領域（Ａ１）を囲む枠状の周辺領域（Ａ２）とを含み、
前記薄肉部（８１）の少なくとも一部は、平面視において前記アクティブ領域（Ａ１）と重なっている、付記１～７のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
平面視において、前記半導体基板（１２）上の中央部分に位置するとともに前記素子（５１）が形成されているアクティブ領域（Ａ１）と、前記半導体基板（１２）上の外周側に位置するとともに前記アクティブ領域（Ａ１）を囲む枠状の周辺領域（Ａ２）とを含み、
前記薄肉部（８１）の少なくとも一部は、平面視において前記アクティブ領域（Ａ１）と重なっている、付記１～７のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0097】
［付記９］
前記素子（５１）が形成されている複数の素子領域（５２）を含み、
前記薄肉部（８２）は、平面視において、少なくとも１つの前記素子領域（５２）と重なっている、付記１～８のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記素子（５１）が形成されている複数の素子領域（５２）を含み、
前記薄肉部（８２）は、平面視において、少なくとも１つの前記素子領域（５２）と重なっている、付記１～８のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0098】
［付記１０］
前記素子（５１）は、
前記半導体基板（１２）の上に形成され、窒化物半導体によって構成された電子走行層（１６）と、
前記電子走行層（１６）の上に形成され、前記電子走行層（１６）よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層（１８）と、
前記電子供給層（１８）の上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層（２２）と、
前記ゲート層（２２）の上に形成されたゲート電極（２４）と、
前記電子供給層（１８）の上に形成されたソース電極（２８）およびドレイン電極（３０）と、を備える、付記１～９のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記素子（５１）は、
前記半導体基板（１２）の上に形成され、窒化物半導体によって構成された電子走行層（１６）と、
前記電子走行層（１６）の上に形成され、前記電子走行層（１６）よりも大きなバンドギャップを有する窒化物半導体によって構成された電子供給層（１８）と、
前記電子供給層（１８）の上に形成され、アクセプタ型不純物を含む窒化物半導体によって構成されたゲート層（２２）と、
前記ゲート層（２２）の上に形成されたゲート電極（２４）と、
前記電子供給層（１８）の上に形成されたソース電極（２８）およびドレイン電極（３０）と、を備える、付記１～９のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0099】
［付記１１］
前記半導体基板（１２）は、Ｓｉ基板である、付記１～１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記半導体基板（１２）は、Ｓｉ基板である、付記１～１０のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0100】
［付記１２］
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ層である、付記１～１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ層である、付記１～１１のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）。
【0101】
［付記１３］
付記１～１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）と、
前記半導体基板（１２）の前記基板下面（１２Ｂ）に取り付けられた放熱部材（１０１）と、を含む、半導体モジュール（１００）。
付記１～１２のいずれか１つに記載の窒化物半導体装置（１０）と、
前記半導体基板（１２）の前記基板下面（１２Ｂ）に取り付けられた放熱部材（１０１）と、を含む、半導体モジュール（１００）。
【符号の説明】
【0102】
Ａ１…アクティブ領域
Ａ２…周辺領域
Ｌ１，Ｌ２…長さ
Ｔ１～Ｔ５…厚さ
Ｔ５Ａ…厚さ
Ｔ５Ｂ…厚さ
Ｗ…幅
１０…窒化物半導体装置
１０Ａ～１０Ｄ…第１～第４チップ側面
１０ＨＣ…ＨＥＭＴセル
１０ｒ…チップ裏面
１０ｓ…チップ表面
１１…チップ裏面
１２…半導体基板
１２Ａ…基板上面
１２Ｂ…基板下面
１２Ｃ～１２Ｆ…外周縁
１４…バッファ層
１６…電子走行層
１８…電子供給層
１８Ａ…上面
２０…二次元電子ガス
２２…ゲート層
２４…ゲート電極
２６…パッシベーション層
２６Ａ…第１開口部
２６Ｂ…第２開口部
２８…ソース電極
２８Ａ…ソースコンタクト部
２８Ｂ…ソースフィールドプレート部
２８Ｃ…端部
３０…ドレイン電極
４２…リッジ部
４２Ａ…上面
４２Ｂ…下面
４２Ｃ…側面
４３…延在部
４４…ソース側延在部
４４Ａ…上面
４４Ｂ…下面
４６…ドレイン側延在部
４６Ａ…上面
４６Ｂ…下面
５０…窒化物半導体層
５１…素子
５１ＨＣ…ＨＥＭＴセル
５２…素子領域
５２Ａ…高温素子領域
６０…絶縁体層
７０…電極パッド
７１…ソースパッド
７２…ドレインパッド
７３…ゲートパッド
７４…接合材ボール
８１…薄肉部
８２…厚肉部
８３…凹部
８３Ａ…凹部底面
８３Ｂ…凹部側面
９０…実装基板
１００…半導体モジュール
１０１…放熱部材
１０２…接合材
Ａ２…周辺領域
Ｌ１，Ｌ２…長さ
Ｔ１～Ｔ５…厚さ
Ｔ５Ａ…厚さ
Ｔ５Ｂ…厚さ
Ｗ…幅
１０…窒化物半導体装置
１０Ａ～１０Ｄ…第１～第４チップ側面
１０ＨＣ…ＨＥＭＴセル
１０ｒ…チップ裏面
１０ｓ…チップ表面
１１…チップ裏面
１２…半導体基板
１２Ａ…基板上面
１２Ｂ…基板下面
１２Ｃ～１２Ｆ…外周縁
１４…バッファ層
１６…電子走行層
１８…電子供給層
１８Ａ…上面
２０…二次元電子ガス
２２…ゲート層
２４…ゲート電極
２６…パッシベーション層
２６Ａ…第１開口部
２６Ｂ…第２開口部
２８…ソース電極
２８Ａ…ソースコンタクト部
２８Ｂ…ソースフィールドプレート部
２８Ｃ…端部
３０…ドレイン電極
４２…リッジ部
４２Ａ…上面
４２Ｂ…下面
４２Ｃ…側面
４３…延在部
４４…ソース側延在部
４４Ａ…上面
４４Ｂ…下面
４６…ドレイン側延在部
４６Ａ…上面
４６Ｂ…下面
５０…窒化物半導体層
５１…素子
５１ＨＣ…ＨＥＭＴセル
５２…素子領域
５２Ａ…高温素子領域
６０…絶縁体層
７０…電極パッド
７１…ソースパッド
７２…ドレインパッド
７３…ゲートパッド
７４…接合材ボール
８１…薄肉部
８２…厚肉部
８３…凹部
８３Ａ…凹部底面
８３Ｂ…凹部側面
９０…実装基板
１００…半導体モジュール
１０１…放熱部材
１０２…接合材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】