阅读说明：本技术 开关元件及其制造方法 (Switching element and method for manufacturing the same ) 是由 永冈达司 西中浩之 吉本昌广 于 2020-02-25 设计创作，主要内容包括：本发明抑制在具有上表面由(010)晶面构成的氧化镓基板的开关元件中的裂纹。本发明提供一种开关元件,其具有：氧化镓基板,其由氧化镓晶体构成；以及多个栅极,其隔着栅极绝缘膜与所述氧化镓基板相对。所述氧化镓基板的上表面与所述氧化镓晶体的(010)晶面平行。当俯视观察所述氧化镓基板的所述上表面时,各个所述栅极的长度方向与所述氧化镓晶体的(100)晶面延伸的方向相交。(The invention provides a switching element having a gallium oxide substrate whose upper surface is formed of a (010) crystal plane, wherein cracks are suppressed. The present invention provides a switching element, comprising: a gallium oxide substrate composed of a gallium oxide crystal; and a plurality of gate electrodes facing the gallium oxide substrate with a gate insulating film interposed therebetween. The upper surface of the gallium oxide substrate is parallel to the (010) crystal plane of the gallium oxide crystal. When the upper surface of the gallium oxide substrate is viewed in plan, the length direction of each gate intersects with the direction in which the (100) plane of the gallium oxide crystal extends.)

开关元件及其制造方法

技术领域

本说明书中公开的技术涉及开关元件及其制造方法。

背景技术

专利文献1中公开了一种具有氧化镓基板的开关元件。该开关元件具有隔着栅极绝缘膜与氧化镓基板相对的多个栅极。

专利文献1：日本特开2016-164906号公报

在氧化镓晶体中，[010]方向上的导热率比其他方向上的导热率高。因此，在开关元件中，通过使氧化镓基板的上表面成为(010)晶面，能够从上表面高效地散热。另一方面，在氧化镓晶体中，(100)晶面容易产生解理。因此，如果使氧化镓基板的上表面成为(010)晶面，则存在氧化镓基板容易沿(100)晶面(即与上表面垂直的平面)产生裂纹的问题。在本说明书中，提出一种技术，其抑制具有上表面由(010)晶面构成的氧化镓基板的开关元件产生裂纹。

发明内容

本说明书所公开的开关元件具有：氧化镓基板，其由氧化镓晶体构成；以及多个栅极，其隔着栅极绝缘膜与所述氧化镓基板相对。所述氧化镓基板的上表面与所述氧化镓晶体的(010)晶面平行。当俯视观察所述氧化镓基板的所述上表面时，各个所述栅极的长度方向与所述氧化镓晶体的(100)晶面延伸的方向相交。

在上述开关元件中，由于氧化镓基板的上表面与(010)晶面平行，因此，该开关元件能够从上表面高效地散热。另外，在上述开关元件中，当俯视观察氧化镓基板的上表面时，各栅极的长度方向与(100)晶面延伸的方向(即容易产生裂纹的方向)相交。由于栅极以与(100)晶面延伸的方向相交的方式延伸，因此，能够抑制沿(100)晶面产生裂纹的情况。

附图说明

图1是示出氧化镓晶体的单位晶格的图。

图2是实施例1的开关元件的俯视图。

图3是沿图2的III-III线的剖视图。

图4是实施例2的开关元件的俯视图。

图5是沿图4的V-V线的剖视图。

图6是实施例3的开关元件的俯视图。

图7是沿图6的VII-VII线的剖视图(封装状态的开关元件的剖视图)。

具体实施方式

首先，对氧化镓晶体进行说明。图1示出了氧化镓晶体的单位晶格。结晶轴a与结晶轴b之间的角度γ、以及结晶轴b与结晶轴c之间的角度α为90°。结晶轴c与结晶轴a之间的角度β为104°。即，氧化镓晶体为单斜晶系。结晶轴a的长度为约1.22nm，结晶轴b的长度为约0.30nm，结晶轴c的长度为约0.58nm。在氧化镓晶体中，容易沿着与结晶轴b及结晶轴c平行的(100)晶面发生解理。因此，在氧化镓晶体中，容易沿着(100)晶面产生裂纹。另外，在氧化镓晶体中，与结晶轴b平行的方向上的导热率比其他方向上的导热率高。

[实施例1]

图2、图3示出了实施例1的开关元件10。开关元件10具有氧化镓基板12。氧化镓基板12为长方形的板状，并具有上表面12a、下表面12b、以及四个侧面12c～侧面12f。上表面12a由(010)晶面构成。下表面12b由(0-10)晶面构成。即，上表面12a和下表面12b与(010)晶面平行。侧面12c由(100)晶面构成。侧面12e由(-100)晶面构成。即，侧面12c和侧面12e与(100)晶面平行。侧面12d相对于上表面12a、下表面12b、侧面12c、以及侧面12e垂直。侧面12f相对于上表面12a、下表面12b、侧面12c、以及侧面12e垂直。

如图3所示，在氧化镓基板12的上表面12a的上侧设置有多个栅极绝缘膜20、多个栅极22、以及多个源极24。此外，在图2中省略了源极24的图示。

如图3所示，各栅极绝缘膜20覆盖氧化镓基板12的上表面12a的一部分。各栅极22覆盖栅极绝缘膜20的上表面。各栅极22经由栅极绝缘膜20与氧化镓基板12绝缘。即，各栅极22隔着栅极绝缘膜20与氧化镓基板12相对。如图2所示，在俯视观察氧化镓基板12的上表面12a时，各栅极22沿着与侧面12c垂直的方向以直线状延伸。即，当俯视观察氧化镓基板12的上表面12a时，各栅极22的长度方向与(100)晶面延伸的方向(即结晶轴c的方向)相交。多个栅极22在侧面12c延伸的方向上隔着间隔配置。在氧化镓基板12的上表面12a的上部设置有栅极配线40和栅极板(gate pad)42。栅极配线40和栅极板42经由未图示的层间绝缘膜与氧化镓基板12绝缘。栅极配线40与各栅极22的长度方向的端部连接。栅极配线40将各栅极22连接到栅极板42。

如图3所示，各源极24配置在相邻的栅极22之间。各源极24与氧化镓基板12的上表面12a接触。

漏极26以与氧化镓基板12的下表面12b接触的方式设置。漏极26覆盖氧化镓基板12的整个下表面12b。

氧化镓基板12的内部设置有多个源极区30、多个体接触区32、多个体区34、漂移区36、以及漏极区38。

各源极区30为n型，配置在与源极24和栅极绝缘膜20接触的位置。各源极区30与源极24欧姆接触。

各体接触区32为p型，设置在源极24的下侧。各体接触区32与源极24欧姆接触。

各体区34配置在源极区30和体接触区32的周围。各体区34为p型，具有与体接触区32相比较低的p型杂质浓度。各体区34与源极区30相邻地接触栅极绝缘膜20。

漂移区36为n型，配置在体区34的侧部及下侧。漂移区36与体区34相邻地接触栅极绝缘膜20。漂移区36隔着体区34与源极区30分离。

漏极区38为n型，具有与漂移区36相比较高的n型杂质浓度。漏极区38配置在漂移区36的下侧。漏极区38与漏极26欧姆接触。

由栅极绝缘膜20、栅极22、源极24、漏极26、源极区30、体接触区32、体区34、漂移区36、以及漏极区38，形成了n沟道型MOSFET(metal oxide semiconductor field effecttransistor)。

如果开关元件10(即MOSFET)动作，则氧化镓基板12发热。如上所述，在氧化镓晶体中，与结晶轴b平行的方向上的导热率较高。另外，如上所述，氧化镓基板12的上表面12a和下表面12b是由与(010)晶面平行的晶面(即垂直于结晶轴b的晶面)构成的。因此，在氧化镓基板12中产生的热容易向源极24及漏极26传导。因此，能够抑制开关元件10的温度升高。

如上所述，在氧化镓晶体中，容易沿(100)晶面产生裂纹。例如，容易如图2的直线50那样，从侧面12d或侧面12f沿(100)晶面产生裂纹。但是，在实施例1的开关元件10中，如图2所示，多个栅极22沿着与(100)晶面延伸的方向相交的方向延伸。由于氧化镓基板12被栅极22加固，因此能够抑制在氧化镓基板12中沿(100)晶面产生裂纹的情况。因此，在实施例1的开关元件10中，能够在开关元件10的使用和制造过程中抑制氧化镓基板12中产生裂纹的情况。

另外，如图2所示，当俯视观察氧化镓基板12的上表面12a时，侧面12d、12f比侧面12c、12e短。即，与(100)晶面垂直的方向上的氧化镓基板12的长度L1比沿着(100)晶面的方向上的氧化镓基板12的长度L2短。这样一来，通过使得与(100)晶面垂直的方向上的氧化镓基板12的长度L1较短、而使得沿着(100)晶面的方向上的氧化镓基板12的长度L2较长，能够进一步抑制氧化镓基板12中沿(100)晶面产生裂纹的情况。

[实施例2]

图4、图5示出了实施例2的开关元件110。开关元件110具有氧化镓基板112。氧化镓基板112形成平行四边形的板状。氧化镓基板112具有上表面112a、下表面112b、侧面112c、侧面112d、侧面112e、以及侧面112f。上表面112a由(010)晶面构成。下表面112b由(0-10)晶面构成。侧面112c由(100)晶面构成。侧面112e由(-100)晶面构成。侧面112d由(001)晶面构成。侧面112f由(00-1)晶面构成。即，侧面112d和侧面112f平行于(001)晶面。

如图5所示，在氧化镓基板112的上表面112a设置有多个沟槽118。各沟槽118内设置有栅极绝缘膜120和栅极122。另外，氧化镓基板112的上表面112a上还设置有多个源极124。此外，在图4中省略了源极124的图示。

如图4所示，各沟槽118在氧化镓基板112的上表面112a沿着(001)晶面延伸的方向以直线状延伸。多个沟槽118在相对于(001)晶面垂直的方向上隔着间隔配置。如图5所示，各栅极绝缘膜120覆盖沟槽118的内表面。各栅极122配置在沟槽118内，覆盖栅极绝缘膜120的表面。各栅极122经由栅极绝缘膜120与氧化镓基板112绝缘。即，各栅极122隔着栅极绝缘膜120与氧化镓基板112相对。各栅极122沿着沟槽118延伸。即，如图4所示，在俯视观察氧化镓基板112的上表面112a时，各栅极122沿着(001)晶面延伸的方向以直线状延伸。换句话说，当俯视观察氧化镓基板112的上表面112a时，各栅极122的长度方向与(100)晶面延伸的方向(即结晶轴c的方向)相交。在氧化镓基板112的上表面112a的上部设置有栅极配线140和栅极板142。栅极配线140和栅极板142经由未图示的层间绝缘膜与氧化镓基板112绝缘。栅极配线140与各栅极122的长度方向的端部连接。栅极配线140将各栅极122连接到栅极板142。

图4的直线160示出了从侧面112c和侧面112d的连接部113沿着与侧面112d垂直的方向延伸的直线。由于氧化镓基板112的上表面112a为平行四边形，因此，当俯视观察上表面112a时，在直线160与侧面112c之间存在三角形的区域162。栅极板142配置在上表面112a的区域162内。在三角形的区域162内难以形成栅极122。例如，如果在区域162内形成栅极122，则会在区域162内的栅极122附近发生电场集中。通过如图4那样不在区域162内设置栅极122，能够提高开关元件110的耐压。另外，通过在区域162内设置栅极板142，能够高效地利用区域162，从而能够使开关元件110小型化。另外，图4的直线170示出了从侧面112e和侧面112f的连接部114沿着与侧面112f垂直的方向延伸的直线。当俯视观察上表面112a时，在直线170与侧面112e之间存在三角形的区域172。栅极板142配置在上表面112a的区域172内。通过在区域172内设置栅极板142，能够高效地利用区域172，从而能够使开关元件110小型化。

如图5所示，各源极124配置在相邻的栅极122之间。各源极124与氧化镓基板112的上表面112a接触。

漏极126以与氧化镓基板112的下表面112b接触的方式设置。漏极126覆盖氧化镓基板112的整个下表面112b。

氧化镓基板112的内部设置有多个源极区130、多个体接触区132、体区134、漂移区136、以及漏极区138。

各源极区130为n型，配置在与源极124和栅极绝缘膜120接触的位置。各源极区130在沟槽118的上端部与栅极绝缘膜120接触。各源极区130与源极124欧姆接触。

各体接触区132为p型，设置在源极124的下侧。各体接触区132与源极124欧姆接触。

各体区134配置在源极区130和体接触区132的下侧。各体区134为p型，具有与体接触区132相比较低的p型杂质浓度。各体区134在源极区130的下侧与栅极绝缘膜120接触。

漂移区136为n型，配置在体区134的下侧。漂移区136在体区134的下侧与栅极绝缘膜120接触。漂移区136隔着体区134与源极区130分离。

漏极区138为n型，具有与漂移区136相比较高的n型杂质浓度。漏极区138配置在漂移区136的下侧。漏极区138与漏极126欧姆接触。

由栅极绝缘膜120、栅极122、源极124、漏极126、源极区130、体接触区132、体区134、漂移区136、以及漏极区138，形成了n沟道型MOSFET。

如果开关元件110动作，则氧化镓基板112发热。如上所述，在氧化镓晶体中，与结晶轴b平行的方向上的导热率较高。另外，如上所述，氧化镓基板112的上表面112a和下表面112b是由与(010)晶面平行的晶面(即垂直于结晶轴b的晶面)构成的。因此，在氧化镓基板112中产生的热量容易向源极124及漏极126传导。因此，能够抑制开关元件110的温度升高。

如上所述，在氧化镓晶体中，容易沿(100)晶面产生裂纹。但是，在实施例2的开关元件110中，如图4所示，多个栅极122沿着与(100)晶面延伸的方向相交的方向延伸。由于氧化镓基板112被栅极122加固，因此能够抑制在氧化镓基板112中沿(100)晶面产生裂纹的情况。因此，在实施例2的开关元件110中，能够在开关元件110的使用和制造过程中抑制氧化镓基板112中产生裂纹的情况。

[实施例3]

图6、图7示出了实施例3的开关元件210。开关元件210具有氧化镓基板212。氧化镓基板212形成长方形的板状，具有上表面212a、下表面212b、侧面212c、侧面212d、侧面212e、以及侧面212f。上表面212a由(010)晶面构成。下表面212b由(0-10)晶面构成。侧面212c由(100)晶面构成。侧面212e由(-100)晶面构成。侧面212d相对于上表面212a、下表面212b、侧面212c、以及侧面212e垂直。侧面212f相对于上表面212a、下表面212b、侧面212c、以及侧面212e垂直。

如图6所示，在氧化镓基板212中设置有多个栅极222。此外，栅极222可以如实施例1的栅极22那样配置在上表面212a上，也可以如实施例2的栅极122那样配置在沟槽内。在实施例3的开关元件210中，源极224以覆盖各栅极222的方式配置。源极224经由未图示的层间绝缘膜与各栅极222绝缘。源极224在不存在栅极222的区域与氧化镓基板212的上表面212a接触。另外，在氧化镓基板212的上表面212a的上部配置有多个电极板232a～232c。电极板232b为栅极板。栅极板232b通过未图示的栅极配线与各栅极222连接。各电极板232a～232c配置在与源极224在结晶轴c的方向(即(100)晶面延伸的方向)上有间隔的位置处。实施例3的开关元件210也与实施例1、实施例2同样地具备n沟道型MOSFET的构造。在实施例3的开关元件210中，也由于上表面212a及下表面212b相对于(010)晶面平行，因此能够在开关元件210动作时从氧化镓基板212高效地散热。另外，如图6所示，在俯视观察氧化镓基板212的上表面212a时，各栅极222沿着与(100)晶面延伸的方向相交的方向以直线状延伸。因此，在实施例3的开关元件210中，也能够抑制在氧化镓基板212中沿(100)晶面产生裂纹的情况。

图7示出了封装状态的实施例3的开关元件210的剖视图。开关元件210的漏极226与引线框架280连接。开关元件210的源极224连接有金属块282。栅极板232b连接有接地线284。开关元件210被绝缘树脂286封入。

如图7所示，在栅极板232b与源极224之间的间隔部225处没有设置电极。因此，在形成绝缘树脂286之前，氧化镓基板212的上表面212a在间隔部225处露出。因此，间隔部225相对于栅极板232b和源极224的表面凹陷成沟状。当装配开关元件210时，应力容易集中在凹陷成沟状的间隔部225处。另外，如果在开关元件210的使用中绝缘树脂286热膨胀，则应力将施加于氧化镓基板212。特别是，较大的应力施加在位于被较厚的金属块282覆盖的范围和没有被金属块282覆盖的范围的边界处的间隔部225。这样一来，容易在间隔部225处施加有较大的应力。如果间隔部225延伸的方向与氧化镓基板212容易解理的方向(即(100)晶面延伸的方向)一致，则极易在间隔部225处产生裂纹。对此，在实施例3中，如图6所示，间隔部225沿着侧面212d延伸。即，间隔部225沿着与(100)晶面垂直的方向延伸。即，间隔部225延伸的方向与(100)晶面延伸的方向相交(更详细而言为正交)。因此，能够抑制在间隔部225处产生裂纹的情况。

以上对实施例1～3的开关元件进行了说明。此外，在实施例1～3的开关元件的制造工序中，可以使用具有2英寸以上直径的氧化镓晶片制造开关元件。在此情况下，可以实施通过研磨氧化镓晶片的表面(例如下表面)而将氧化镓晶片薄板化的工序。这样一来，在使用直径较大而厚度较薄的氧化镓晶片的情况下，更容易在制造工序中在氧化镓晶片中产生裂纹。在上述制造工序中，通过应用在实施例1～3中说明过的抑制裂纹的技术，能够高效地抑制氧化镓晶片的裂纹。

以下对上述实施例的构成要素和权利要求的构成要素的关系进行说明。实施例2的侧面112c是权利要求的第一侧面的一个例子。实施例2的侧面112d是权利要求的第二侧面的一个例子。实施例3的侧面212c及侧面212e是权利要求的第三侧面的一个例子。实施例3的侧面212d及侧面212f是权利要求的第四侧面的一个例子。

本说明书所公开的技术要素在以下列出。此外，以下的各技术要素分别都是独立有用的。

在本说明书所公开的一个例子的开关元件中，可以在氧化镓基板的上表面设置有多个沟槽。当俯视观察氧化镓基板的上表面时，各沟槽的长度方向可以与(100)晶面延伸的方向相交。多个栅极可以配置在多个沟槽内。

根据这一构成，能够在具有沟槽型的栅极的开关元件中抑制氧化镓基板的裂纹。

本说明书所公开的一个例子的开关元件可以还具有栅极板，其配置在氧化镓基板的上表面的上部，与各栅极连接。另外，氧化镓基板可以具有由(100)晶面构成的第一侧面、以及由氧化镓晶体的(001)晶面构成的第二侧面。当俯视观察氧化镓基板的上表面时，栅极板可以配置在从第一侧面与第二侧面的连接部沿着与第二侧面垂直的方向延伸的直线与第一侧面之间的范围内。

由于氧化镓晶体具有单斜晶系的结晶构造，因此，如果使第一侧面形成(100)晶面并且使第二侧面形成(001)晶面，则第一侧面与第二侧面之间的角度将大于90°。因此，当俯视观察氧化镓基板的上表面时，如果假想地设置从第一侧面与第二侧面的连接部沿着与第二侧面垂直的方向延伸的直线，则在该直线与第一侧面之间产生三角形的空间。通过在这一空间设置栅极板，能够高效地利用这一空间。

本说明书所公开的另一个例子的开关元件可以还具有：配置于氧化镓基板的上表面的上部的主电极；以及配置于氧化镓基板的上表面的上部并且与各栅极连接的栅极板。氧化镓基板可以具有与(100)晶面平行的第三侧面、以及与(100)晶面及(010)晶面这两个面垂直的第四侧面。当俯视观察氧化镓基板的上表面时，主电极和栅极板可以在(100)晶面延伸的方向上隔着间隔配置。

在主电极与栅极板之间的间隔处容易施加有应力。如果这一间隔沿着(100)晶面延伸，则氧化镓基板将极易在这一间隔处开裂。如上所述，如果当俯视观察氧化镓基板的上表面下主电极和栅极板在(100)晶面延伸的方向上隔着间隔配置，则主电极与栅极板之间的间隔将沿着与(100)晶面相交的方向延伸。因此，能够抑制氧化镓基板在这一间隔处产生裂纹的情况。

在本说明书所公开的一个例子的开关元件中，当俯视观察氧化镓基板的上表面时，垂直于(100)晶面的方向上的所述氧化镓基板的长度可以比平行于(100)晶面的方向上的氧化镓基板的长度短。

这样一来，由于氧化镓基板具有在平行于(100)晶面的方向上较长的形状，因此，氧化镓基板不易沿(100)晶面开裂。

本说明书所公开的一个例子的开关元件的制造方法可以具有下述工序：即，通过对由氧化镓晶体构成且具有2英寸以上直径的氧化镓晶片的表面进行研磨，而将氧化镓晶片薄板化的工序；以及使用氧化镓晶片制造开关元件的工序。

在如上所述地将直径较大的氧化镓晶片薄板化的情况下，在开关元件的制造工序中，容易在氧化镓晶片中发生开裂。通过采用上述任意一种开关元件的构造，能够抑制氧化镓晶片在制造工序中开裂。

以上对实施方式进行了详细说明，但这些仅为例示，并不限定权利要求书保护的范围。权利要求书所记载的技术包括将以上所例示的具体例进行各种变形、变更后的内容。本说明书或说明书附图中所说明的技术要素能够单独或者通过各种组合而发挥其技术效用，并不限定于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或说明书附图所例示的技术同时实现了多个目的，但对于仅实现其中一个目的这一点而言也具有技术效果。