半导体器件、电源装置、放大器以及制造半导体器件的方法

专利名称：半导体器件、电源装置、放大器以及制造半导体器件的方法
技术领域：
在以下的描述中，将參照实施方案解释半导体器件、电源装置、放大器以及制造半导体器件的方法。
背景技术：
作为氮化物半导体的GaN、AlN和InN以及含有其混合晶体的材料具有宽的带隙并且可以用在高功率电子器件、短波发光器件等当中。其中，就高功率电子器件而言，已经开发了场效应晶体管(FET)、特别是高电子迁移率晶体管(HEMT)的技木。这种使用氮化物半导体的HEMT可以用在高功率和高效放大器、高功率开关器件等中。由于优选为了这种目的而使用的HEMT具有高漏极耐压和/或栅极耐压，所以在许多情况下使用了金属绝缘体半导体(MIS)结构，在MIS结构中形成待用作为栅极绝缘膜的绝缘膜。通过使用这种MIS结构，可以提供适合作为功率半导体器件的半导体器件。此外，在具有这种场效应晶体管的半导体器件中，为了钝化等目的，在形成栅电极、漏电极等之后通常可以在整个表面区域上形成由绝缘体制成的保护膜。现有技术文献专利文献专利文献I日本公开特许公报号2002-359256专利文献2日本公开特许公报号2008-218479

发明内容
为了实现使用晶体管的高效功率开关器件，优选降低导通电阻、实现常闭操作以及増加耐压。此外，优选提供具有高工艺产率和高可靠性的开关器件。也就是说，作为其中在栅电极和半导体层之间形成待用作栅极绝缘膜的绝缘膜的半导体器件、或者其中形成待用作为保护膜的绝缘膜的半导体器件，优选的是提供ー种具有高可靠性的、并且可以以高工艺产率制造的半导体器件以及提供一种针对这种半导体器件的制造方法。此外，优选的是提供使用这种半导体器件的电源装置和放大器。在ー个方面中，提供有一种半导体器件，包括形成在衬底上方的半导体层；形成在半导体层上的绝缘膜；和形成在绝缘膜上的电极。绝缘膜在半导体层ー侧的膜应カ低于在电极ー侧的膜应カ。


图I示出半导体器件的结构；图2A和图2B示出半导体器件的测量尺寸；图3示出施加的电压与电容之间的相关性；图4A、图4B和图4C示出绝缘膜；图5示出在非晶碳膜中膜中的氮浓度与应カ之间的相关性；
图6示出根据第一实施方案的半导体器件的结构；图7示出Sp3比率、膜密度以及等离子体激元峰之间的相关性；图8A、图8B和图8C以及图9A和图9B示出根据第一实施方案的半导体器件的制造过程；图10示出过滤式阴极电弧(FCA)成膜装置的结构；图11示出根据第二实施方案的半导体器件的结构；图12示出根据第三实施方案的半导体器件的结构；图13示出根据第四实施方案的半导体器件的结构；图14A、图14B和图14C以及图15A、图15B和图15C示出根据第四实施方案的半导体器件的制造过程；图16示出根据第五实施方案的以分立封装方式封装的半导体器件；图17示出根据第五实施方案的电源装置的电路图；以及图18示出根据第五实施方案的高功率放大器的结构。
具体实施例方式以下将对本发明的实施方案进行描述。注意，对于相同的构件等，给出相同的附图标记并且将会略去描述。第一实施方案首先，将对形成在半导体器件中的栅极绝缘膜进行描述。具体地，制造作为半导体器件的、结构与HEMT的结构相似的半导体器件并且进行研究。所制造的半导体器件具有下述结构在该结构中，如图I所示，在由硅制成的衬底I上层叠缓冲层2、电子传输层3、间隔层4、电子供给层5和盖层6，然后进一歩地，在盖层6上形成有绝缘膜7。电子传输层3、间隔层4、电子供给层5和盖层6通过金属有机气相外延(MOVPE)方法形成。为了以外延方式生长电子传输层3等，在衬底I上形成缓冲层2。由于在衬底I上形成缓冲层2，可以使得电子传输层3等以外延方式生长在缓冲层2上。电子传输层3由厚度为约3 ii m的i-GaN形成，而间隔层4由厚度为约5nm的i-AIGaN形成。电子供给层5由厚度为约5nm的n_AlGaN形成，并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂娃(Si)作为杂质元素。盖层6由厚度为IOnm的n_GaN形成,并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂硅(Si)作为杂质元素。注意，在这种结构中，通常在电子传输层3中，在靠近电子供给层5的ー侧形成有ニ维电子气(2DEG)3a。此外，绝缘膜7对应于栅极绝缘膜，并且是作为由根据原子层沉积(ALD)方法以大约20nm形成的氧化铝制成的膜形成的。在由此形成的绝缘膜7上，设置由汞制成的阴极电极9和阳极电极8，如图2A和图 2B所示出的，并且在阳极电极8和阴极电极9之间进行电容测量。注意，如图2A所示，阳极电极8具有直径为约500 u m的圆形形状，而阴极电极9具有内直径为约1500 y m且外直径为约3500 iim的环状形状。阴极电极9的中心与阳极电极8的中心重合。阴极电极9接地并且具有地电位。图2A示出这种状态的平面图，而图2B示出沿图2A中的点划线2A-2B截取的横截面图。图3示出在施加到阳极8的电压变化的情况下在阳极电极8与阴极电极9之间的电容值。具体地，在阴极电极9接地的条件下，将其上叠加有IOOkHz和25mV的交流分量的施加电压施加到阳极电极8，并且测量施加了施加电压的状态下的电容。如图3所示，在施加到阳极电极8的电压从-30V逐渐增加到IOV的情况下，首先检测到的电容是0，然后电容在-7V附近急剧增加。在此之后，甚至在进ー步増加所施加的电压时，电容变化也不大，而是大致保持恒定。此外，电容在OV附近再次増加。在此之后，电容随所施加的电压的増加而增加，并且电容逐渐收敛在固定值处。与之相反，在施加到阳极电极8的电压从IOV逐渐降低到-30V的情况下，电容随所施加的电压的降低首先急剧地降低。然后，在7V附近，电容变成大致恒定的值，并且即使在施加的电压降低到OV的情况下，所检测到的电容也变化不大。在此之后，在所施加的电压的进ー步降低的情况下，电容约在电压通过OV之后急剧地减小，并且所检测到的电容在-1. 5V附近变为O。在此之后，甚至在所施加的电压进一歩降低时，电容仍然在0处保持不变。由此，在图I所示的半导体器件中，在绝缘膜7由氧化铝形成的情况下，描述所施加的电压与电容之间的关系的曲线在电压增加的情况与在电压降低的情况之间是不相同的并且发生偏移。在其中所施加的电压从低电压增加的上述情况下，耗尽层厚度减小，在电子传输层3中生成2DEG 3a时产生电容，并且所检测到的电容急剧增加。另ー方面，在所施加的电 压从高电压降低的情况下，耗尽层厚度増加，并且随着2DEG 3a(參见图I)的減少，所检测到的电容降低。示出电压与电容之间的关系的曲线在电压增加的情况和施加的电压降低的情况之间不同的原因看起来是在绝缘膜7中形成了陷阱能级并且捕获电子等，由此影响了2DEG 3a的分布。也就是说，在绝缘膜7中形成陷阱能级的情况下，当在电子等被捕获时所检测的电容变化。因此，看起来，甚至当在所施加的电压增加的情况和所施加的电压降低的情况下施加相同的电压吋，仍然会检测到不同的电容。如果所施加的电压和电容之间的关系如此根据之前所施加的电压的历史变化，则可能不能实现稳定的开关操作，并且半导体器件的可靠性可能降低。在下文中，将描述所施加的电压与电容之间的关系的曲线在所施加的电压增加的情况与所施加的电压降低的情况之间的偏移量称为阈电压变化范围。注意，在以上所描述的半导体器件中、在绝缘膜7是由氧化铝形成的情况下，阈电压变化范围为约5. 4V，如图3示出的。据推測，由于绝缘膜7的氧化铝膜是化合物的非晶膜，所以容易形成这种陷阱能级。因此，据推測，在绝缘膜7通过由氧化物、氮化物等的化合物制成的非晶膜等形成的情况下，会形成相似的陷阱能级。接下来，将对绝缘膜是由除氧化物和氮化物以外的材料形成的情况进行描述。具体地，制造了其中形成由图4B所示出的非晶碳膜制成的绝缘膜7a来代替绝缘膜7的半导体器件，并且进行了相似的測量。注意，图4A所示出的绝缘膜7是由上述厚度为约20nm的氧化铝形成的。图4B所示出的绝缘膜7a是通过使用过滤式阴极电弧(FCA)(其为下文描述的电弧沉积)以约20nm的厚度形成非晶碳膜来形成的。由此形成的非晶碳膜是以碳为主要成分的非晶膜。当针对其中形成绝缘层7a的半导体器件測量上述在施加的电压与电容之间的关系吋，阈电压变化范围为约0V。因此，看起来在栅极绝缘膜是由非晶碳膜形成的半导体器件中可以进行稳定的开关操作并且可以获得高可靠性。图4B所示出的非晶碳膜是通过FCA方法形成的非晶碳膜(未向其添加物质)，其具有高密度以及非常高的应カ。因此，当在盖层6上非晶碳膜形成为具有等于或大于一定的膜厚度(例如等于或大于20nm)的厚度时，随后形成的非晶碳膜可能与盖层6剥离，而由此可能使所制造的半导体器件的エ艺产率降低。因此，形成包括第一非晶碳膜7bl和第二非晶碳膜7b2的绝缘膜7b来代替绝缘膜
7。第一非晶碳膜7bl是通过向膜厚度为约5nm的非晶碳膜添加氮到来形成的。第二非晶碳膜7b2是通过不向膜厚度为约15nm的非晶碳膜添加物质来形成的。在具有上述结构的绝缘膜7b以约20nm的总膜厚度形成在盖层6上的情况下，绝缘膜7b不与盖层6剥离。注意，非晶碳膜是通过FCA形成的，所述FCA是与图4B所示出的情况中相同的电弧沉积。绝缘膜7b不与盖层6剥离的原因看来是在向第一非晶碳膜7bl添加氮的情况下，应カ降低，因此不容易发生与膜的剥离。也就是说，看起来，由于向待形成为与盖层6接触的第一非晶碳膜7bl添加氮，并且具有比未添加物质的非晶碳膜的应カ小的应力，所以第一非晶碳膜7bl不与盖层6剥离。
图5示出添加到非晶碳膜的氮的浓度与非晶碳膜的应カ之间的关系。如图5所示，应カ随着添加到非晶膜的氮的浓度的増加而减小。看起来，应カ的减小看来是由于向非晶碳膜添加氮所导致的膜密度降低而引起的。在以上描述中，已经对形成包括两个层的绝缘膜7b的情况进行了描述。然而，在整个绝缘膜仅由第一非晶碳膜7bl形成(即绝缘膜仅由添加氮的非晶碳膜形成)的情况下，看起来绝缘膜的剥离看来是不容易以相同的方式发生。此外，在这种情况下，看起来由于由添加氮并且与盖层6接触的非晶碳制成的绝缘膜的应カ小，所以绝缘膜不容易与盖层6等剥离。然而，由于由添加氮的非晶碳膜制成的绝缘膜具有低密度，所以可能出现另ー个问题，原因是整个绝缘膜的膜密度由此降低。因此，为了获得更好的特性，优选地形成如图4C所示的由第一非晶碳膜7bl和第二非晶碳膜7b2制成的绝缘膜7b。注意，在如图4C所示的由第一非晶碳膜7bl和第二非晶碳膜7b2制成的绝缘膜7b中，具有低应カ的膜即添加氮的非晶碳膜形成在绝缘膜的与半导体层(即盖层6等)接触的ー侧上。此外，在以上描述中，已经对添加氮的非晶碳膜进行了描述。然而，就待添加到非晶碳膜的元素而言，除了氮以外，可以提及氧、氢、氟等。其中，就添加了氧的非晶碳膜而言，半导体器件的特性可能降低，原因是氮化物半导体(其与绝缘层接触)和氧相互作用并且导致氧取代氮。此外，就添加了氟的非晶碳膜而言，由于在由含有氟的材料制成的膜上形成的膜容易剥离，所以エ艺产率可能降低。此外，就添加了氢的非晶碳膜而言，由于半导体层受氢的影响并且特性等改变，所以可能不能获得所期望的特性。与此对比，就添加氮的非晶碳膜而言，由于半导体层是由氮化物半导体形成的，所以氮化物半导体层与添加氮并由此含有氮的非晶碳膜之间的相容性令人满意，并且看起来它们之间的附着力増加。因此，就待添加到非晶碳膜的元素而言，氮是优选的。此外，在制造具有其中两种类型的非晶碳膜如图4C所示那样层叠的绝缘膜7b的半导体器件并且对施加的电压和电容之间的关系进行测量吋，阈电压变化范围为约0V，与图4B所示出的绝缘膜7a的情况相同。因此，看起来具有与具有绝缘膜7b的半导体器件相同的结构的半导体器件可以进行稳定的开关操作，并且具有高可靠性。(半导体器件的结构)接下来，将对根据第一实施方案的半导体器件进行描述。图6示出根据第一实施方案的半导体器件的结构。根据第一实施方案的半导体器件是HEMT，在由半导体等制成的衬底10上形成缓冲层20，并且在缓冲层20上，通过外延生长以层叠方式形成作为半导体层的电子传输层21、电子供给层22和盖层23。此外，在盖层23上形成绝缘膜30，在绝缘膜30上形成栅电极41，并且源电极42和漏电极43形成为与电子传输层21接触。此外，在被暴露的绝缘膜30上，形成由绝缘体制成的保护膜50。作为衬底10，使用Si衬底、SiC衬底、蓝宝石(Al2O3)衬底等。在第一实施方案中，Si衬底用作为衬底10，因此形成缓冲层20。然而，在使用由另ー种材料制成的衬底10的情况下，可以有不必形成缓冲层20的情況。作为第一半导体层的电子传输层21由i-GaN形成，作为第二半导体层的电子供给层22由n-AlGaN形成，并且作为第三半导体层的盖层23由n-GaN形成。结果，在电子传输层21的靠近电子供给层22的ー侧形成ニ维电子气(2DEG)21a。此外，在电子传输层21与电子供给层22之间，可以形成间隔层(未示出)。 栅电极41、源电极42和漏电极43由金属材料制成。待作为栅极绝缘膜的绝缘膜30由非晶碳膜形成并且厚度为约20nm。保护膜50作为通过等离子体原子层沉积(ALD)形成的氧化铝(Al2O3)膜来形成。绝缘膜30包括层叠的第一非晶碳膜31和第二非晶碳膜32，是其中以碳为主要成分的非晶膜，并且也被称为类金刚石(DLC)。第一非晶碳膜31是添加氮的第一绝缘膜，而所添加的氮的比率是20原子％或更大。第二非晶碳膜32是未添加物质的第二绝缘膜。由于第一非晶碳膜31是添加氮的第一绝缘膜，所以第一非晶碳膜31具有小于第ニ非晶碳膜32的膜应力，并且与盖层23具有更高的附着力。第二非晶碳膜32是具有高密度和高绝缘性质的绝缘膜，并且是具有高表面平滑度的膜。为了在非晶碳膜中获得高绝缘性质、高密度等，优选尽可能地降低非晶碳膜的氢含量并且非晶碳膜是类金刚石的。具体地，优选的是膜密度高，并且非晶碳膜处于碳-碳键中SP3大于SP2的状态。此外，具有碳-碳键中SP3大于SP2的状态的非晶碳膜是具有更高密度和接近类金刚石状态的膜。因此，特别地，看起来不容易形成陷阱能级，并且可以使阈电压变化范围为约0V。也就是说，通过由非晶碳形成绝缘膜30，就可以提供可以执行更加稳定的开关操作且具有更高可靠性的半导体器件。更详细地进行描述，碳中的碳-碳键包括SP3和SP2作为键合方式。石墨是以SP2键形成的，而金刚石是以Sp3键形成的。因此，为了使非晶碳膜更类似于金刚石，优选的是SP3键多于SP2键,并且由此优选的是碳-碳键例如为SP2 < SP3O如图7所示的，非晶碳膜中的碳-碳键sp3的比率与膜密度之间存在相关性，并且碳-碳键SP3的比率变得越高，膜密度就变得越大。此外，在非晶碳膜的碳-碳键SP3的比率与等离子体激元峰之间也存在相关性，并且碳-碳键SP3的比率变得越高，等离子体激元峰就变得越高。膜中的碳-碳键SP3的比率为50%或更高(即SP3键多于SP2键且几乎不含氢)的非晶碳膜具有2. 6g/cm3或更高的膜密度且具有28eV或更高的等离子体激元峰。注意，膜密度是作为在硅衬底上形成非晶碳膜的结果并且基于以下来计算通过卢瑟福背散射光谱学获得的结果和通过使用透射电子显微镜(TEM)的横截面长度測量所获得的膜厚度。注意，图7中示出的“ a-C”是指“非晶碳”，而“a_C:H”是指“氢化非晶碳”。注意，在第一实施方案中，由于向第一非晶碳膜31添加氮,所以第一非晶碳膜31具有小于第二非晶碳膜32的膜密度。因此，通常，第一非晶碳膜31中的Sp3的比率小于第ニ非晶碳膜32中的Sp3的比率。可以FCA方法(其为下文描述的电弧沉积方法)来形成膜密度为2. 6g/cm3或更高且等离子体激元峰为28eV或更高的非晶碳膜。具体地，通过FCA方法形成的非晶碳膜的膜密度是3. 2g/cm3。此外，金刚石的密度是3. 56g/cm3。因此，优选第二非晶碳膜32的膜密度等于或大于2. 6g/cm3并且等于或小于3. 56g/cm3。此外，通过FCA方法形成的非晶碳膜与通过化学气相沉积(CVD)形成的非晶碳膜相比具有非常低的 氢含量，并且包含在通过FCA方法形成的非晶碳膜中的氢含量是I原子％或更低。注意，在通过CVD形成的且含有氢的非晶碳膜中，最高的膜密度小于约2. 6g/cm3。此外，形成为绝缘膜30的非晶碳膜的膜厚度等于或大于2nm并且等于或小于200nm,并且特别地，优选等于或大于10nm。为了用非晶碳膜覆盖整个表面，优选提供具有至少几层原子层或更多的膜厚度，并且因此不可能以小于2nm的膜厚度来覆盖整个表面。为了稳定地获得作为栅极绝缘膜的功能，优选以等于或大于IOnm来形成非晶碳膜。此外，绝缘膜30的第一非晶碳膜31与第二非晶碳膜32之间的界面可以具有其中氮浓度连续变化的所谓组成梯度。另外，整个绝缘膜30都可以具有氮浓度逐渐降低的组成梯度。此外，在第一实施方案中的保护膜50是绝缘膜，并且由非晶碳膜、氧化物膜或氮化物膜(如氧化铝膜、氮化硅膜等)、或者其中这些膜所层叠的膜形成。(制造半导体器件的方法)接下来，基于图8A、图8B、图8C、图9A和图9B，对制造根据第一实施方案的半导体器件的方法进行描述。首先，如图8A所示出的，在衬底10上形成缓冲层20，并且在缓冲层20上利用金属有机气相外延(MOVPE)等通过外延生长来形成半导体层如电子传输层21、电子供给层22和盖层23。就衬底10而言，可以使用由Si、SiC、蓝宝石(Al2O3)等制成的衬底，并且为了通过外延生长来形成电子传输层21等，在衬底10上形成缓冲层20。缓冲层20由例如厚度为约0. I ii m的非掺杂i-AIN形成。电子传输层21由厚度为约3 y m的非掺杂i_GaN形成。电子供给层22由厚度为约30nm的n-AlQ.25GaQ.75N形成，并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂有Si作为杂质元素。盖层23由厚度为约IOnm的n_GaN形成,并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂有Si作为杂质元素。注意，半导体层可以作为通过使用除MOVPE之外的分子束外延(MBE)的晶体生长所形成的半导体层的来形成。接下来，如图8B所示，形成源电极42和漏电极43。具体地，将光刻胶涂在盖层23上，并且实施通过曝光装置的曝光以及显影。由此形成在将待形成源电极42和漏电极43的区域处具有开ロ的(未示出的)抗蚀剂图案。之后，通过使用氯气的反应性离子蚀刻(RIE)等进行干法蚀刻。由此，从没有形成抗蚀剂图案的区域处移除盖层23和电子供给层22，并由此将电子传输层21的表面暴露在这些区域处。此时进行的干法蚀刻以下述方式进行将氯气(作为蚀刻气体)以约30sccm导入到室中，室内的压カ设定为约2Pa，并且施加20W的射频(RF)功率。之后，通过真空沉积等形成由Ta/Al的层叠膜等制成的金属膜。之后，实施在有机溶剂中的浸溃等，并且由此通过剥离方法将形成在抗蚀剂图案上的金属膜与抗蚀剂图案一起移除。由此，可以在没有形成抗蚀剂图案的区域处形成源电极42和漏电极43。此外，在实施剥离方法之后，可以通过在550°C的温度下进行热处理来提供欧姆接触。注意，在以上描述中，已经对其中用于实施干法蚀刻的抗蚀剂图案还用于实施剥离方法的情况进行了描述。但是，为了这两个目的可以分别形成各自的抗蚀剂图案。接下来，如图SC所示，在盖层23上形成待作为栅极绝缘层的绝缘膜30。绝缘膜30包括第一非晶碳膜31和第二非晶碳膜32，如上所述的，两者都通过FCA方法形成。第一非晶碳膜31是添加氮的非晶碳膜。第一非晶碳膜31在下述条件下形成为具有约5nm的膜厚度以25SCCm导入氮， 使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。第二非晶碳膜32是未添加氮等的非晶碳膜。第二非晶碳膜32在下述条件下形成为具有约15nm的膜厚度使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。在以上描述中，已经对通过FCA方法形成第一非晶碳膜31的情况进行了描述。然而，第一非晶碳膜31可以是通过例如溅射、CVD等形成的非晶碳膜。接下来，如图9A所示，形成栅电极41。具体地，在绝缘膜30上涂覆光刻胶，并且实施通过曝光装置的曝光以及显影。由此形成在待形成栅电极41的区域处具有开ロ的(未示出的)抗蚀剂图案。之后，通过真空沉积在整个表面上形成金属膜(Ni :膜厚度为约IOnm/Au :膜厚度为约300nm)。之后，实施在有机溶剂中的浸溃等，并由此通过剥离方法将形成在抗蚀剂图案上的金属膜与抗蚀剂图案一起移除。由此，在预定的区域处形成由Ni/Au的层叠膜制成的栅电极41。接下来，如图9B所示，在绝缘膜30上形成保护膜50。作为保护膜50，例如，可以使用通过ALD方法形成的氧化铝膜、通过FCA方法形成的非晶碳膜、通过等离子体CVD方法形成的氮化硅膜等。此外，作为替代方案，还可以使用其中这些膜相层叠的膜。由此，可以制造作为根据第一实施方案的半导体器件的晶体管。在以上描述中，已经对半导体层由GaN和AlGaN形成的半导体器件进行了描述。然而，第一实施方案还可以以相同的方式应用到使用氮化物半导体(如InAlN、InGaAlN等)作为半导体层的半导体器件。(非晶碳膜的形成)接下来，将对用于形成非晶碳膜的FCA方法进行描述。图10示出用于FCA方法的FCA成膜装置的结构。FCA成膜装置包括等离子体生成部110、等离子体分离部120、粒子陷获部130、等尚子体传送部140和成膜室150。等尚子体生成部110、等尚子体分尚部120和粒子陷获部130形成为分别具有圆筒形状并且以所述顺序连接在一起。等离子体传送部140也形成为具有圆筒形状，其一端与离子体分离部120几乎垂直地连接，而其另一端与成膜室150连接。在成膜室150的内部，提供用于放置衬底151的载台152，成膜在所述衬底151上进行。在等离子体生成部110的壳的下端部设置绝缘板111，并且在绝缘板111上设置用作为靶(阴极)112的石墨。此外，在等离子体生成部110的壳的外周表面上设置阴极线圈114，并且在壳的内壁表面上设置阳极113。在非晶碳膜形成时，通过电源(未示出)在靶112与阳极113之间施加一定的电压，引起电弧放电，从而在靶112之上生成等离子体。此时，从另一个电源(未示出)施加一定的电流到阴极线圈114，从而产生用于使电弧放电稳定的磁场。通过电弧放电，包含在石墨的靶112中的碳被蒸发并且被作为成膜材料的离子供给到等离子体。
在等离子体生成部110和等离子体分离部120之间的边界部处设置绝缘环121，并且通过绝缘环121，等离子体生成部110的壳和等离子体分离部120的壳被电隔离。在等离子体分离部120的壳的外周表面上设置用于产生磁场的导向线圈122a和122b,所述磁场用于使由等离子体生成部110生成的等离子体以预定的方向移动且同时将等离子体会聚在壳的中心部。此外，在等离子体分离部120与等离子体传送部140连接的部分附近设置倾斜磁场生成线圈123，其用于产生磁场以使等离子体的移动方向大致垂直地偏转在等离子体生成部110中生成的粒子一直行进到粒子陷获部130，几乎不受等离子体分离部120中的磁场影响。在粒子陷获部130的上端部分处设置使粒子横向反射的反射板131和捕获由反射板131反射的粒子的粒子捕获部132。在粒子捕获部132中，相对于壳的内侧倾斜地设置多个翅片133。进入到粒子捕获部132的粒子被翅片重复地反射以损失动能、最终附着到多个翅片133、粒子捕获部132的壳的壁表面等，并且被捕获。在等离子体分离部120中与粒子分离的等离子体进入到等离子体传送部140。等离子体传送部140分为负电压施加部142和连通部146。在负电压施加部142与等离子体分离部120之间和在负电压施加部142与连通部146之间设置绝缘环141。由此，负电压施加部142与等离子体分离部120被电隔离，并且负电压施加部142与连通部146被电隔离。负电压施加部142进ー步分为在等离子体分离部120附近的入口部143、在连通部146附近的出口部145和在入口部143与出口部145之间的中间部144。在入口部143的外周表面上设置线圈143a，线圈143a用于产生使等离子体朝成膜室150移动且同时使等离子体汇聚的磁场。此外，在入口部143的内侧、相对于壳的内壁表面倾斜地设置用于捕获进入到入口部143的粒子的多个翅片143b。在中间部144中入口部143附近和出ロ部145附近设置具有限定等离子体的流路的开ロ的孔144a和孔144b。此外，在中间部144的外周表面上设置导向线圈144c，所述导向线圈144c产生用于使等离子体移动方向偏转的磁场。连通部146形成为从负电压施加部142附近的一侧到成膜室150附近的一侧逐渐变宽。此外，在连通部146的内侧也设置多个翅片146a，并且在连通部146和成膜室150之间的边界部的外周表面上设置导向线圈146b，所述导向线圈146b用于产生使等离子体移动到成膜室150附近的一侧且同时使等离子体汇聚的磁场。在FCA成膜装置中，在等离子体生成部110中实施电弧放电，由此生成含有碳离子的等离子体，使等离子体到达衬底151等且同时通过倾斜磁场生成线圈123等移走作为粒子的组分。由此，可以在衬底151等上形成非晶碳膜。第二实施方案接下来，将对第二实施方案进行描述。在第二实施方案中，根据第一实施方案的半导体器件中的保护膜由包括第一非晶碳膜和第二非晶碳膜的膜形成。基于图11，将对根据第二实施方案的半导体器件进行描述。在根据第二实施方案的半导体器件中，在绝缘膜30上设置保护层250，并且保护层250包括第一非晶碳膜251和第二非晶碳膜252，所述两者均通过FCA方法形成。第一非晶碳膜251是第一保护膜，并且是添加氮的非晶碳膜。第二非晶碳膜252是第二保护膜，并且是未添加氮等的非晶碳膜。第二非晶碳膜252形成在第一非晶碳膜251上。
第一非晶碳膜251在下述条件下形成为具有约5nm的膜厚度以25sccm导入氮，使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。第二非晶碳膜252在下述条件下形成为具有预定的膜厚度使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。在以上描述中，已经对通过FCA方法形成第一非晶碳膜251的情况进行了描述。然而，第一非晶碳膜可以是通过例如溅射、CVD等形成的非晶碳膜。此外，第一非晶碳膜251可以是下述膜在所述膜中通过ALD方法形成的氧化铝膜、通过等离子体CVD方法形成的氮化硅膜等进ー步形成在其中第一非晶碳膜251和第二非晶碳膜252相层叠的膜上。注意，第二实施方案中除以上描述的内容以外的内容与第一实施方案的内容相同。此外，第二实施方案还可以应用到下述情况其中待作为栅极绝缘膜的绝缘膜由除非晶碳膜之外的膜形成，并且由此例如绝缘膜由氧化物(如氧化铝)、氮化物等形成。第三实施方案
接下来，将对第三实施方案进行描述。在根据第三实施方案的半导体器件中，待作为栅极绝缘膜的绝缘膜由添加氮的非晶碳膜形成。基于图12，将对根据第三实施方案的半导体器件进行描述。在根据第三实施方案的半导体器件中，待作为栅极绝缘膜的绝缘膜由添加氮的非晶碳膜所制成的绝缘膜230形成。绝缘膜230与第一实施方案中的第一非晶碳膜31类似，且通过FCA方法在下述条件下形成以25sccm导入氮,使用石墨祀作为原料，电弧电流为70A,且电弧电压为26V。注意，绝缘膜230形成为具有约20nm的厚度。由于添加氮的非晶碳膜具有低的膜应力，所以膜密度降低。但是，不容易发生膜的剥离。因此，在膜密度的降低不是太成问题的情况下，整个栅极绝缘膜都可以由添加氮的非晶碳膜形成。注意，绝缘膜230可以是具有其中氮浓度沿着绝缘膜230的膜厚度方向降低的成分梯度的膜。这种膜可以通过使导入的氮的量逐渐地降低来形成。此外，对于第三实施方案，已经对待作为栅极绝缘膜的、由添加氮的非晶碳膜形成的绝缘膜230进行了描述。另外，待作为保护膜50的整个绝缘膜都可以由添加氮的非晶碳膜形成。作为绝缘膜230或者保护膜50，还可以使用添加氧、氢、氟等的非晶碳膜。然而，由于上述原因，作为绝缘膜230等，添加氮的非晶碳膜是优选的。此外，虽然已经对待作为绝缘膜230等的非晶碳膜是通过FCA方法形成的情况进行了描述，但是作为替代方案，可以使用通过例如溅射、CVD等形成的类似非晶碳膜。注意，除以上描述的内容以外的内容与第一实施方案的内容相同，并且第三实施方案还可以应用在根据第二实施方案的半导体器件中。第四实施方案现在将对第四实施方案进行描述。(半导体器件的结构)基于图13，将对根据第四实施方案的半导体器件进行描述。根据第四实施方案的半导体器件是HEMT，在由半导体等制成的衬底310上形成缓冲层320，并且在缓冲层320上通过外延生长以层叠方式形成电子传输层321、电子供给层322和盖层323。此外，源电极342和漏电极343被形成为与电子传输层321相接触。栅电极341通过绝缘层330形成在开口中，所述开ロ是作为被移除的盖层323和电子供给层322的多个部分形成的。注意，在盖层323上也形成绝缘膜330，并且在绝缘膜330上形成由绝缘体制成的保护膜350。作为衬底310，使用Si衬底、SiC衬底、蓝宝石(Al2O3)衬底等。在第四实施方案中，使用Si衬底作为衬底310，并因此形成缓冲层320。然而，在使用由另ー种材料制成的衬底310的情况下，可以存在不必形成缓冲层320的情況。作为第一半导体层的电子传输层321由i-GaN形成，作为第二半导体层的电子供给层322由n-AlGaN形成，并且作为第三半导体层的盖层323由n-GaN形成。结果，在电子传输层321中的靠近电子供给层322的ー侧形成ニ维电子气(2DEG)321a。此外，在电子传输层321与电子供给层322之间可以形成间隔层(未不出)。栅电极341、源电极342和漏电极343由金属材料形成。待作为栅极绝缘膜的绝缘层330包括层叠的第一非晶碳膜331和第二非晶碳膜332，其是以碳为主要成分的非晶膜，并且还被称为DLC。第一非晶碳膜331是添加氮的非晶碳膜，并且所添加的氮的比率是20原子％或更大。第二非晶碳膜332是未添加物质的非晶碳膜。由于第一非晶碳膜331是添加氮的非晶碳膜，所以第一非晶碳膜331具有小于第二非晶碳膜332的膜应力，并且与盖层323具有更高的附着力。根据第四实施方案，第一非晶 碳膜331形成为厚度为约5nm，并且第二非晶碳膜332形成为厚度为约15nm。保护膜350作为通过等离子体ALD形成的氧化铝(Al2O3)膜来形成。(制造半导体器件的方法)接下来，基于图14A、图14B、图14C、图15A、图15B和图15C，对制造根据第四实施方案的半导体器件的方法进行描述。首先，如图14A所示，在衬底310上形成缓冲层320，并且在缓冲层320上通过利用MOVPE等的外延生长来形成半导体层如电子传输层321、电子供给层322和盖层323。就衬底310而言，可以使用由Si、SiC、蓝宝石(Al2O3)等制成的衬底，并且为了通过外延生长来形成电子传输层321等，在衬底310上形成缓冲层320。缓冲层320由例如厚度为约0. I y m的非掺杂i-AIN形成。电子传输层321由厚度为约3 iim的非掺杂i-GaN形成。电子供给层322由厚度为约30nm的n-AlQ.25GaQ.75N形成，并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂有Si作为杂质元素。盖层323由厚度为约IOnm的n_GaN形成，并且以5X IO18CnT3的浓度掺杂有Si作为杂质元素。接下来，如图14B所示，形成源电极342和漏电极343。具体地，将光刻胶涂在盖层323上，并且实施通过曝光装置的曝光以及显影。由此形成在待形成源电极342和漏电极343的区域处具有开ロ的(未示出的)抗蚀剂图案。此后，通过使用氯气的反应性离子蚀刻(RIE)等进行干法蚀刻。由此，在没有形成抗蚀剂图案的区域处移除盖层323和电子供给层322，并由此将电子传输层321的表面暴露在这些区域处。此后，通过真空沉积等来形成由Ta/Al的层叠膜等制成的金属膜。此后，进行在有机溶剂中的浸溃等，并由此通过剥离方法将形成在抗蚀剂图案上的金属膜与抗蚀剂图案一起移除。由此，可以在没有形成抗蚀剂图案的区域处形成源电极342和漏电极343。此外，在进行剥离方法之后，例如，可以通过在550°C的温度下进行热处理来提供欧姆接触。接下来，如图14C所示，形成开ロ 361。具体地，将光刻胶涂在盖层323上，并且实施通过曝光装置的曝光以及显影。由此形成在待形成开ロ 361的区域处具有开ロ的(未示出的)抗蚀剂图案。此后，使用抗蚀剂图案作为掩模，通过使用含有氯的气体的反应性离子蚀刻(RIE)等进行干法蚀刻。由此，在没有形成抗蚀剂图案的区域处移除盖层323和电子供给层322的多个部分，并由此形成开ロ 361。此后，移除抗蚀剂图案。接下来，如图15A所示，在盖层323上和在开ロ 361的内侧中形成绝缘膜330。绝缘膜330包括第一非晶碳膜331和第二非晶碳膜332，并且两者都通过FCA方法形成。第一非晶碳膜331是添加氮的非晶碳膜。第一非晶碳膜331在下述条件下形成为具有约5nm的膜厚度以25SCCm导入氮，使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。第二非晶碳膜332是未添加氮等的非晶碳膜。第二非晶碳膜332在下述条件下形成为具有约15nm的膜厚度使用石墨靶作为原料，电弧电流为70A，并且电弧电压为26V。在以上描述中，已经对通过FCA方法形成第一非晶碳膜331的情况进行了描述。然而，第一非晶碳膜331可以是通过例如溅射、CVD等形成的非晶碳膜。 接下来，如图15B所示，形成栅电极341。具体地，在绝缘膜330上，通过利用旋涂方法进行涂覆来形成下层抗蚀剂(未示出)(例如，商品名称PMGI,由美国MicroChem Corp.制造)和上层抗蚀剂(未示出)(例如，商品名称PFI32-A8,由Sumitomo Chemical Co.，Ltd.制造)。此后，通过曝光装置的曝光以及显影，在包括形成开ロ 361的部分的区域处的上层抗蚀剂上形成直径为约0. 8 y m的开ロ。接下来，使用上层抗蚀剂作为掩模，使用碱性显影剂对下层抗蚀剂进行湿法蚀刻。此后，通过真空沉积在整个表面上形成金属膜(Ni :膜厚度为约10nm/Au :膜厚度为约300nm)。此后，使用被加热的有机溶剂实施剥离方法，由此将形成在上层抗蚀剂上的金属层与上层抗蚀剂和下层抗蚀剂一起移除。由此，在开ロ 361中通过绝缘膜330形成由Ni/Au层叠膜制成的栅电极341。接下来，如图15C所示，在绝缘膜330上形成保护膜350。作为保护膜350，例如，可以使用通过ALD方法形成的氧化铝膜、通过FCA方法形成的非晶碳膜、通过等离子体CVD方法形成的氮化硅膜等。此外，作为替代方案，还可以使用其中这些膜相层叠的膜。由此，可以制造作为根据第四实施方案的半导体器件的晶体管。除以上描述的内容以外的内容与第一实施方案的内容相同。在第四实施方案中，可以以相同方式使用第二实施方案中的保护膜和第三实施方案中待作为栅极绝缘膜的绝缘膜。第五实施方案接下来，将对第五实施方案进行描述。第五实施方案包括半导体器件、电源装置和高频放大器。根据第五实施方案的半导体器件是从以分立封装的方式对根据第一至第四实施方案中任一项的半导体器件进行封装所获得的半导体器件。下面将基于图16对由此以分立封装方式封装的半导体器件进行描述。图16示意性地示出以分立封装方式封装的半导体器件的内部，电极等的布置与第一至第四实施方案中的不同。首先，根据第一至第四实施方案中任一项所制造的半导体器件通过切片等进行分害わ并且形成具有一种或更多种基于GaN的半导体材料的HEMT的半导体芯片410。然后，半导体芯片410通过芯片粘接剂430如焊料而固定到引线框420上。接下来，利用接合线431将栅电极441与栅极引线421连接，用接合线432将源电极442与源极引线422连接，并且用接合线433将漏电极443与漏极引线423连接。接合线431、接合线432和接合线433通过金属材料如Al等形成。注意，根据第五实施方案的栅电极441是栅电极垫，并且与根据第一至第四实施方案中对应ー项的栅电极41或栅电极341连接。类似地，源电极442是源电极垫，并且与源电极42或源电极342连接。漏电极443是漏电极垫，并且与漏电极43或漏电极343连接。接下来，根据传递模塑技术，使用成型树脂440进行塑料模制(或塑料密封)。由此，可以制造利用一种或更多种基于GaN的半导体材料的HEMT的、以分立封装方式封装的半导体芯片。此外，根据第五实施方案的电源装置和高频放大器是使用根据第一至第四实施方案的半导体器件中的任一半导体器件的电源装置和高频放大器。基于图17，将对根据第五实施方案的电源装置进行描述。根据第五实施方案的电源装置460包括(高压)初级电路461、(低压)次级电路462、和布置在初级电路461和次级电路462之间的变压器463。初级电路461包括交流电源464、所谓的桥式整流电路465、多个(在图17的示例中是四个)开关器件466和开关器件467。次级电路462包括多个(在图17的示例中是三个)开关器件468。在图17所示出的示例中，根据第一至第四实施方案中任一项的半导体器件用作为初级电路461中的开关器件466和开关器件467。注意，初级电路461中的开关器件466和开关器件467可以优选地是常闭型半导体器件。此外，可以使用由硅形成的普通金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)作为在次级电路462中使用的开关器件468。此外，基于图18，现在将对根据第五实施方案的高频放大器进行描述。根据第五实施方案的高频放大器470可以例如被应用作为用于蜂窝式电话的基站的功率放大器。高频放大器470包括数字预失真电路471、混频器472、功率放大器473和定向耦合器474。数字预失真电路471对输入信号的非线性失真进行补偿。混频器472将补偿了非线性失真的输入信号与交流信号进行混合。功率放大器473具有根据第一至第四实施方案中任一项的ー个或更多个半导体。定向耦合器474监测输入信号和/或输出信号。在图18所示出的电路中，例如，通过使开关器开关(未示出)，混频器472可以将输出信号与交流信号混合，而由此得到的信号被发送到数字预失真电路471。此处陈述的所有示例和条件性语言意在为了教示以帮助读者理解由发明人贡献的以促进现有技术的概念和本发明，并且待理解为没有限于这些具体陈述的示例和条件，并且说明书中这些示例的组织不涉及对本发明优劣的示出。虽然已经对本发明的一种或更多种实施方案进行了详细地描述，但是应该理解的是在不背离本发明的精神和范围的情况 下可以对其进行各种修改、替换和变化。
权利要求
1.一种半导体器件，包括 形成在衬底上方的半导体层； 形成在所述半导体层上的绝缘膜；和 形成在所述绝缘膜上的电极，其中 所述绝缘膜在所述半导体层ー侧的膜应カ低于在所述电极ー侧的膜应力。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其中 所述绝缘膜包括第一绝缘膜和层叠在所述第一绝缘膜上的第二绝缘膜，并且 所述第一绝缘膜的膜应カ低于所述第二绝缘膜的膜应力。
3.根据权利要求I或2所述的半导体器件，其中 所述绝缘膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分。
4.根据权利要求I所述的半导体器件，其中 所述绝缘膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分，并且所述绝缘膜中包含的氮、氧、氢和氟中的任ー种在所述半导体层ー侧的浓度高于在所述电极一侧的浓度。
5.根据权利要求2所述的半导体器件，其中 所述绝缘膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分，并且所述第一绝缘膜中包含的氮、氧、氢和氟中的任一种的浓度高于所述第二绝缘膜中包含的浓度。
6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中 所述第二绝缘膜的膜密度等于或大于2. 6g/cm3并且等于或小于3. 56g/cm3。
7.一种半导体器件，包括 形成在衬底上方的半导体层； 形成在所述半导体层上方的电极；和 形成在所述半导体层上方的保护膜，其中 所述保护膜在靠近所述半导体层ー侧的膜应カ低于在远离所述半导体层ー侧的膜应力。
8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中 所述保护膜包括第一保护膜和层叠在所述第一保护膜上的第二保护膜，并且 所述第一保护膜的膜应カ低于所述第二保护膜的膜应力。
9.根据权利要求7或8所述的半导体器件，其中 所述保护膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分。
10.根据权利要求7所述的半导体器件，其中 所述保护膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分，并且所述保护膜中包含的氮、氧、氢和氟中的任一种在靠近所述半导体层ー侧的浓度高于在远离所述半导体层ー侧的浓度。
11.根据权利要求8所述的半导体器件，其中 所述保护膜由非晶膜形成，其中碳是所述非晶膜的主要成分，并且所述第一保护膜中包含的氮、氧、氢和氟中的任一种的浓度高于在所述第二保护膜中包含的浓度。
12.根据权利要求10或11所述的半导体器件，其中 所述第二保护膜的膜密度等于或大于2. 6g/cm3并且等于或小于3. 56g/cm3。
13.根据权利要求I或7所述的半导体器件，其中 所述电极是栅电扱， 所述半导体层包括第一半导体层和形成在所述第一半导体层上方的第二半导体层，和所述半导体器件具有形成为与所述第一半导体层或所述第二半导体层接触的源电极和漏电极。
14.根据权利要求I或7所述的半导体器件，其中 所述电极是栅电扱， 所述半导体层包括第一半导体层和形成在所述第一半导体层上方的第二半导体层， 所述半导体器件具有形成为与所述第一半导体层或所述第二半导体层接触的源电极和漏电极， 在所述第二半导体层中形成有开ロ，并且 所述栅电极形成在所述开ロ内。
15.根据权利要求13所述的半导体器件，其中 所述第一半导体层包含GaN，并且所述第二半导体层包含AlGaN。
16.一种电源装置，其包括根据权利要求I或7所述的半导体器件。
17.—种放大器，其包括根据权利要求I或7所述的半导体器件。
18.—种制造半导体器件的方法，包括 在衬底上方形成半导体层； 在所述半导体层上形成绝缘膜，其中所述绝缘膜包括非晶膜，并且碳是所述非晶膜的主要成分；并且 在所述绝缘膜上形成电极，其中 所述形成绝缘膜包括 形成第一绝缘膜，所述第一绝缘膜是添加氮的非晶膜，其中碳是所述非晶膜的主要成分；并且 在所述第一绝缘膜上形成第二绝缘膜，所述第二绝缘膜是其氮浓度低于所述第一绝缘膜的非晶膜，其中碳是所述非晶膜的主要成分。
19.根据权利要求18所述的制造半导体器件的方法，其中 其中碳为主要成分的所述非晶膜通过电弧沉积形成。
全文摘要
本发明提供一种半导体器件、电源装置、放大器以及制造半导体器件的方法，所述半导体器件包括形成在衬底上方的半导体层；形成在半导体层上的绝缘膜；和形成在绝缘膜上的电极。绝缘膜在半导体层一侧的膜应力低于在电极一侧的膜应力。
文档编号H01L21/335GK102646704SQ20121003313
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月14日 优先权日2011年2月16日
发明者中村哲一, 尾崎史朗, 武田正行, 渡部庆二 申请人:富士通株式会社