半导体晶体衬底、半导体晶体衬底的制造方法、半导体器件的制造方法、电源装置和放大器

摘要

本发明涉及半导体晶体衬底、半导体晶体衬底的制造方法、半导体器件的制造方法、电源装置和放大器。所述半导体晶体衬底包括：衬底；以及通过在衬底的表面上施加氮化物来形成的保护层。所述保护层在所述衬底的外周部分处的周边区域中处于非晶态，以及所述保护层在位于所述保护层的所述周边区域内的所述保护层的内部区域中是结晶的。

说明书

技术领域

本文讨论的实施方案涉及半导体晶体衬底、半导体晶体衬底的制造方 法、半导体器件的制造方法、电源装置以及放大器。

背景技术

作为氮化物半导体的GaN、AlN、InN或它们的混合晶体制成的材料 具有宽的带隙并且用作高输出电子器件或短波长发光器件。其中，作为高 输出电子器件，开发了与场效应晶体管(FET)(更具体而言，高电子迁 移率晶体管(HEMT))相关的技术(例如，参见日本公开特许公报 2002-359256)。使用这样的氮化物半导体的HEMT被用于高输出/高效率 放大器和高功率开关器件。

在氮化物半导体中，GaN在平行于c轴的(0001)方向上具有极性 (纤锌矿型)，因此，当形成AlGaN/GaN的异质结构时，AlGaN和GaN 两者的晶格畸变激发压电极化。相应地，在界面附近的AlGaN层中产生 高浓度的二维电子气(2DEG)。因此，GaN和包含GaN的材料有望作为 高频率/电子器件的材料。

使用这样的氮化物半导体的HEMT的一个例子通过以下方式形成： 在由例如硅(Si)制成的衬底上形成AlN保护层和AlGaN缓冲层，然后 在AlGaN缓冲层上形成GaN电子传输层和AlGaN电子供给层。然而， 当这些半导体层在硅衬底上外延生长时，由于在半导体层和衬底之间的晶 格常数的差异以及在半导体层和衬底之间的热膨胀系数的差异，所以在半 导体层中导致畸变。相应地，在半导体层的表面上出现了缺陷，其被称为 所谓的裂纹。如图1所示，这些裂纹910容易在衬底920的外周上产生。 这些裂纹910引起碎屑和灰尘，并且降低待被制造的半导体器件的HEMT 的成品率。

为了防止在衬底920的外周上形成裂纹910，公开了一种沿着衬底的 外周形成保护膜(例如氮化硅)并且通过MOCVD(金属有机化学气相 沉积)来进行外延生长的方法(例如参见日本公开特许公报2009-256154)。

顺便提及，如图2所示，当在衬底920的外周上形成保护层930(例 如氮化硅)时，缓冲层940和半导体层941不在保护层930上外延生长， 因此，在在保护层930上不形成缓冲层940和半导体层941。然而，在形 成保护层930的区域附近，用于沉积在形成保护层930的区域中的源气体 从保护层930扩散。因此，存在缓冲层940和半导体层941异常生长的情 况。当在保护层930的附近导致异常生长时，缓冲层940和半导体层941 可能在保护层930附近变厚。此外，所形成的缓冲层940和半导体层941 可能具有与期望值不同的组成和掺杂密度。此外，在技术上难以只在衬底 920的外周上形成保护层930，因此可能增加成本。

发明内容

相应地，本发明的一个方面的一个目的在于提供一种半导体晶体衬底 和半导体晶体衬底的制造方法以及以高成品率和低成本制造的半导体器 件，在所述半导体晶体衬底中防止了沿衬底的外周形成裂纹。

根据实施方案的一个方面，半导体晶体衬底包括：衬底；以及通过在 衬底的表面上施加氮化物形成的保护层，其中所述保护层在所述衬底的外 周部分处的周边区域中处于非晶态，并且所述保护层在位于所述保护层的 周边区域以内的所述保护层的内部区域中是结晶的。

附图说明

图1示出在衬底上外延生长的半导体膜中形成的裂纹；

图2示出层叠在其周边上形成有保护膜的衬底上的半导体层；

图3A至图3C示出根据第一实施方案的制造半导体晶体衬底和半导 体器件的方法的过程(部分1)；

图4A至图4C示出根据第一实施方案的制造半导体晶体衬底和半导 体器件的方法的过程(部分2)；

图5示出根据第一实施方案的半导体器件；

图6示出根据第二实施方案的半导体器件；

图7示出根据第三实施方案的分立封装的半导体器件；

图8是根据第三实施方案的电源装置的电路图；以及

图9示出根据第三实施方案的高频放大器的构造。

具体实施方式

将参照附图对本发明的优选实施方案进行说明。相同的元件用相同的 附图标记表示并且省略重复的描述。

第一实施方案

参照图3A到图5，给出对根据第一实施方案的半导体晶体衬底和半 导体晶体衬底的制造方法的描述。

首先，如图3A所示，通过ALD(原子层沉积)法在作为衬底的具有 表面(111)的硅衬底110上形成用作保护层的AlN层120。在本实施方 案中，使用具有表面(111)的硅衬底110作为衬底；然而，衬底可由除 了硅之外的材料(例如蓝宝石、碳化硅和氮化镓)制成。形成AlN层120 以用于缓和待形成在AlN层120上的半导体层(例如GaN)的晶格常数、 缓和热膨胀系数并且防止Ga原子从半导体层(例如GaN)移动到硅衬底 110。刚好在通过ALD法在硅衬底110上形成AlN层120之后，AlN层 120处于多晶态。

接下来，如图3B所示，在AlN层120上形成SiN层130。SiN层130 通过成膜法(例如溅射)形成在AlN层120的整个表面上。

接下来，如图3C所示，移除SiN层130的在硅衬底110的外周上的 部分。具体地，在SiN层130上施加光刻胶，并且利用曝光装置进行曝光 和显影，由此在除了硅衬底110的周边之外的区域中形成光刻胶图案(未 示出)。随后，通过进行刻蚀(例如RIE(反应离子刻蚀))来移除SiN层 130的在没有形成光刻胶图案的区域中的部分。如上所述，移除SiN层130 的在硅衬底110的周边上的部分，并且通过剩余的SiN层130a形成掩模 层。随后，利用有机溶剂移除光刻胶图案(未示出)。

接下来，如图4A所示，将硅衬底110的其上形成有作为掩模层的SiN 层130a的表面暴露于氧等离子体。相应地，未形成SiN层130a并且露出 AlN层120的周围区域120a变成AlON或AlO。如上所述，通过将AlN 层120的表面暴露于氧等离子体，将氧注入AlN层120的周围区域120a 中，并且将AlN层120在周围区域120a处的组成变成AlON。因此，在 AlN层120中，与作为AlN层120的除周围区域120a之外的区域的内部 区域120b相比，在周围区域120a中包含更多的氧。

在本实施方案中，等离子体CVD(体化学气相沉积)装置用于将硅 衬底110的露出AlN层120的表面暴露于氧等离子体。AlN层120的在周 围区域120a中的组成变成AlON。如上所述，当AlN层120的在周围区 域120a中的组成变成AlON时，周围区域120a的晶态变成非晶态。AlN 层120的被用作掩模层的SiN层130a覆盖的区域不直接暴露于氧等离子 体，因此AlN层120的该区域未变成AlON或AlO。此外，将氧注入硅 衬底110的周边处的AlN层120中的方法可以是另外的方法，例如将氧 离子注入到AlN层120的周围区域120a中。

接下来，如图4B所示，在移除用作掩模层的SiN层130a之后，加 热衬底。具体地，用氢氟酸移除SiN层130a，并且将衬底放置在MOCVD 装置的腔内，并且将腔内的温度增加到约1000℃以加热衬底。通过如上 所述加热衬底，AlN层120的已被用作掩模层的SiN层130a覆盖的内部 区域120b被重排并被单晶化。然而，在周围区域120a中，氧被注入并且 组成变成AlON，因此周围区域120a保持为非晶态而没有被单晶化。相 应地，根据本实施方案形成了半导体晶体衬底，其中AlN层120形成在 半导体晶体衬底即硅衬底110上，AlN层120的周围区域120a为非晶态， 并且内部区域120b结晶。在本实施方案中，AlN层120的内部区域120b 被重排并且被单晶化，因此，进行约数分钟至数小时的加热。

接下来，如图4C所示，在AlN层120上通过MOCVD形成并且层 叠作为缓冲层的AlGaN层140、作为电子传输层的GaN层150和作为电 子供给层的AlGaN层160。在本实施方案中，可以将其中层叠有AlGaN 层140、GaN层150和AlGaN层160的膜描述为半导体层170。相应地， 在AlN层120的单晶化内部区域120b上，半导体层170外延生长，因此 形成结晶的半导体层170b。同时，在处于非晶态的周围区域120a上，在 没有外延生长的情况下沉积半导体层170，因此形成处于非晶态的半导体 层170a。

在处于非晶态的半导体层170a上，不产生重排，因此防止了在硅衬 底110的外周上的半导体层170中形成裂纹。此外，在周围区域120a上 也沉积处于非晶态的半导体层170a，因此，结晶的半导体层170b不在周 围区域120a附近的内部区域120b上异常生长。在本实施方案中，作为电 子传输层的GaN层150由厚度约lμm至3μm的i-GaN形成。作为电子 供给层的AlGaN层160由约20nm的n-Al₂₀Ga₈₀N形成，并且用5×10¹⁸cm^-3的作为掺杂元素的Si掺杂。缓冲层、电子传输层和电子供给层可由不同 的化合物半导体材料(例如不同的氮化物半导体材料)制成。此外，可以 用InAlN层代替AlGaN层160来形成电子供给层。

接下来，如图5所示，在AlGaN层160上形成栅电极181、源电极 182和漏电极183，并且用划片机分割硅衬底110。在根据本实施方案的 半导体器件中，在GaN层150和AlGaN层160之间的界面附近的GaN 层150中形成2DEG 150a。因此，可以制造作为根据本实施方案的半导体 器件的HEMT的半导体芯片。

在本实施方案中，在硅衬底110的周边上的半导体层170中未形成裂 纹，因此，制造半导体器件的成品率增加，并且以低成本制造半导体器件。

第二实施方案

接下来，给出对第二实施方案的描述。根据本实施方案的半导体器件 是通过形成栅极凹部和绝缘膜变成常断型HEMT。

图6示出为根据本实施方案的半导体器件的HEMT的结构。在根据 本实施方案的半导体器件中，在AlGaN层160中形成栅极凹部261，在 其中形成栅极凹部261的AlGaN层160上形成绝缘膜280。源电极182 和漏电极183形成为与AlGaN层160接触。

通过在如第一实施方案的图4C中所示的AlGaN层160中形成栅极 凹部261、形成绝缘膜280并且形成栅电极181、源电极182和漏电极183 来制造根据本实施方案的半导体器件。

通过以下方法形成栅极凹部261。首先，在AlGaN层160的表面上 施加光刻胶，并且使用曝光装置进行曝光和显影，由此在待形成栅极凹部 261的区域中形成具有开口的光刻胶图案(未示出)。随后，通过进行干 法刻蚀例如RIE来移除AlGaN层160的没有形成光刻胶图案的部分。随 后，用有机溶剂移除光刻胶图案(未示出)。

形成绝缘膜280的方法包括：通过例如CVD、ALD、溅射法在其上 形成栅极凹部261的AlGaN层160上形成约10nm的氧化铝膜。

在形成栅电极181的方法中，首先在绝缘膜280上施加光刻胶，并使 用曝光装置进行曝光和显影，由此在待形成栅电极181的区域中形成具有 开口的光刻胶图案(未示出)。随后，通过真空气相沉积在整个表面上形 成金属膜，并且通过将其浸渍在有机溶剂中来进行剥离。

在形成源电极182和漏电极183的方法中，在绝缘膜280上施加光刻 胶，并使用曝光装置进行曝光和显影，由此在待形成源电极182和漏电极 183的区域中形成具有开口的光刻胶图案(未示出)。随后，通过刻蚀来 移除光刻胶图案的开口区域中的绝缘膜280，通过真空气相沉积在整个表 面上形成金属膜，并且通过将其浸渍在有机溶剂中来进行剥离。

因此，制成了根据本实施方案的半导体器件。除了上述内容之外的内 容与第一实施方案的内容相同。

第三实施方案

接下来，给出对第三实施方案的描述。本实施方案涉及半导体器件、 电源装置和高频放大器。

通过分立地封装半导体器件来形成根据本实施方案的半导体器件。参 照图7描述分立封装的半导体器件。图7示意性地示出分立封装的半导体 器件的内部，其中电极的布置不同于第一和第二实施方案的布置。

首先，通过划片来切割根据第一和第二实施方案制造的半导体器件， 并且形成由GaN体系材料制成的HEMT的半导体芯片410。通过管芯粘 合剂(diatouch agent)430(例如钎料)将半导体芯片410固定在引线框 420上。半导体芯片410与在图5中示出的根据第一实施方案的半导体器 件或在图6中示出的根据第二实施方案的半导体器件对应。

接下来，通过接合线431将栅电极181连接到栅极引线421，通过接 合线432将源电极182连接到源极引线422，并且通过接合线433将漏电 极183连接到漏极引线423。接合线431、432和433由金属材料例如Al 形成。此外，在本实施方案中，栅电极181为栅电极焊垫，源电极182 为源电极焊垫，并且漏电极183为漏电极焊垫。

接下来，通过传递模制方法用模制树脂440进行树脂密封。如上所述， 制造了作为由GaN体系材料制成的HEMT的分立封装的半导体器件。

接下来，给出对根据本实施方案的电源装置和高频放大器的描述。根 据本实施方案的电源装置和高频放大器使用根据第一实施方案的半导体 器件或根据第二实施方案的半导体器件中的任意一种。

首先，参照图8，给出根据本实施方案的电源装置的描述。根据本实 施方案的电源装置460包括高压一次侧电路461、低压二次侧电路462和 设置在高压一次侧电路461和低压二次侧电路462之间的变压器463。高 压一次侧电路461包括AC(交流)源464、所谓的桥式整流电路465、 多个开关元件(在图8的实例中为四个)466和一个开关元件467。低压 二次侧电路462包括多个开关元件468(在图11的实例中为三个)。在图 8的实例中，使用根据第一和第二实施方案的半导体器件作为高压一次侧 电路461的开关元件466和开关元件467。一次侧电路461的开关元件466 和467优选为常断型半导体器件。此外，在低压二次侧电路462中使用的 开关元件468是由硅制成的典型MISFET(金属绝缘体半导体场效应晶体 管)。

接下来，参照图9，给出根据本实施方案的高频放大器的描述。根据 本实施方案的高频放大器470可以应用于移动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补偿输入信号的非线性应变。混 频器472将其非线性应变已经被补偿的输入信号与AC信号进行混合。功 率放大器473放大已经与AC信号混合的输入信号。在图9的实例中，功 率放大器473包括根据第一和第二实施方案的半导体器件。定向耦合器 474监测输入信号和输出信号。在图9的电路中，例如，可以切换开关， 使得输出信号通过混频器472与AC信号混合并且被发送到数字预失真电 路471。

根据实施方案的一个方面，提供了半导体晶体衬底和制造半导体晶体 衬底的方法，并且以高成品率和低成本制造了半导体器件，在所述半导体 晶体衬底中防止了沿衬底的外周形成裂纹。

半导体晶体衬底、制造半导体晶体衬底的方法、半导体器件的制造方 法、电源装置和放大器不限于本文所述的具体实施方案，而是可以在不脱 离本发明的范围的情况下进行变化和修改。