半导体器件的制造方法、半导体器件以及半导体晶体生长衬底

摘要

本发明涉及半导体器件的制造方法、半导体器件和半导体晶体生长衬底。所述制造半导体器件的方法包括：磨削衬底的背面；以及在磨削之后在衬底的正面上形成氮化物半导体层。在所形成的氮化物半导体层中产生了压缩应力。

说明书

技术领域

本文中讨论的实施方案涉及半导体器件的制造方法、半导体器件以及 半导体晶体生长衬底。

背景技术

由作为氮化物半导体的GaN、AlN、InN或它们的混合晶体制成的材 料具有宽带隙，并且被用作高输出电子器件或短波长发光器件。其中，作 为高输出器件，开发了关于场效应晶体管(FET)(更具体地，高电子迁 移率晶体管(HEMT)，例如参见专利文献1)的技术。使用这样的氮化 物半导体的HEMT被用于高输出/高效放大器和高功率开关器件。

具体地，使用氮化物半导体的HEMT包括形成于衬底上的 AlGaN/GaN(氮化铝镓/氮化镓)异质结构，并且GaN层被用作电子传输 层。衬底通常由蓝宝石、SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)和Si(硅)制 成。

作为一种氮化物半导体的GaN具有高饱和电子速度、宽带隙、高击 穿电压和良好的电特性。此外，GaN具有沿平行于c轴的(0001)方向 的极性(纤锌矿形式)。因此，当形成AlGaN/GaN异质结构时，由于由 AlGaN与GaN之间的晶格常数差异所引起的晶格畸变，所以引起压电极 化并且在GaN层中的界面附近生成高密度的2DEG(二维电子气)。

专利文献1：日本公开特许公报第2002-359256号

专利文献2：日本公开特许公报第2008-98434号

顺便提及，当通过MOCVD(金属有机化学气相沉积)法使包括 AlGaN层和GaN层的氮化物半导体层在由Si或蓝宝石制成的衬底上外延 生长时，在其上形成有膜的衬底中产生了翘曲。据认为衬底中的这种翘曲 是由于形成的半导体层中的应力产生的，而所述应力是由于在形成衬底的 材料与形成半导体层的材料之间的晶格常数差异以及在形成衬底的材料 与形成半导体层的材料之间的热膨胀系数差异产生的。

如上所述，如果在衬底上外延生长半导体层时在衬底中形成了翘曲， 则在随后的程序例如施加光刻胶和形成电极时将出现以下问题。即，衬底 未被适当吸附，并且不能传送衬底。此外，如果在衬底中产生翘曲，则当 通过曝光器件进行曝光时，图案发生波动，不能以期望的精度进行曝光。 因此，在制造半导体器件的过程中产生不良品，半导体器件的成品率降低。

发明内容

因此，在本发明的一个方面中的一个目的是提供一种半导体器件的制 造方法、一种半导体器件以及一种半导体晶体生长衬底，其中衬底中的翘 曲被最小化，甚至当通过MOCVD法在衬底的表面上使半导体层外延生 长时也是如此。

根据实施方案的一个方面，一种制造半导体器件的方法包括：磨削 (grinding)衬底的背面；以及在磨削之后在衬底的正面上形成氮化物半 导体层，其中在所述形成的氮化物半导体层中产生压缩应力。

附图说明

图1A和图1B示出膜应力、结晶性质以及器件特性之间的关系；

图2示出根据第一实施方案的半导体器件；

图3A和图3B示出由磨削衬底的背面所引起的衬底的正面上的变化；

图4示意性地示出由磨削衬底的背面所引起的衬底的变化；

图5A至图5D示出制造根据第一实施方案的半导体器件的方法；

图6示意性地示出根据第二实施方案的分立封装的半导体器件；

图7示出根据第二实施方案的电源装置；以及

图8示出根据第二实施方案的高频放大器。

具体实施方式

将参考附图说明本发明的优选实施方案。由相同的附图标记指示相同 的元件并且省略重复的描述。

第一实施方案

如图1A和图1B所示，在通过MOCVD在由Si等制成的衬底10的 表面上使氮化物半导体层20外延生长的情况下，存在在氮化物半导体层 20中产生压缩应力的情况以及在氮化物半导体层20中产生拉伸应力的情 况。在氮化物半导体层20中产生的压缩应力或拉伸应力的产生取决于 MOCVD的成膜条件。由于在氮化物半导体层20中产生了压缩应力或拉 伸应力，所以在衬底10中产生了翘曲。

当在氮化物半导体层20中产生应力时，制造HEMT时的结晶性和电 特性在如图1B所示产生压缩应力的情况下比如图1A所示产生拉伸应力 的情况下好。也就是说，已知的是，当在衬底10上使氮化物半导体层20 外延生长时，在氮化物半导体层20中产生压缩应力的情况下比在氮化物 半导体层20中产生拉伸应力的情况下的结晶度好并且制造的HEMT的电 特性好。

此外，如图2所示，当通过使用由Si等制成的衬底10来制造HEMT 时，通常，通过使第一缓冲层21、第二缓冲层22、电子传输层23以及电 子供给层24外延生长来形成氮化物半导体层20。第一缓冲层21由AlN 制成，第二缓冲层22由AlGaN制成，电子传输层23由GaN制成，电子 供给层24由AlGaN制成。因此，在电子传输层23与电子供给层24之间 的界面附近的电子传输层23中形成了2DEG 23a。

同时，也已知的是，当通过磨削装置对由Si等制成的衬底的背面进 行磨削时，衬底的正面变为凹陷的。具体地，如图3A所示，在磨削衬底 之前，衬底的正面是轻微凹陷(在正面上的约40μm的垂直间隔)。对衬 底的背面进行约20μm至30μm的磨削。因此，如图3B所示，在衬底的 正面上，凹部的形状变得更明显(在正面上的约250μm的垂直间隔). 在图3A和图3B的情况下，在衬底的表面上形成半导体层，并且因此衬 底的表面在开始时是轻微地凹陷。但是，即使在没有半导体层的情况下对 平的Si衬底的背面进行磨削的情况下，也认为，衬底的正面变为凹陷的。 此外，在图3A和图3B的情况下，对衬底的背面进行20μm至30μm的 磨削。但是，基于发明人的经验，已知的是，衬底的正面也变为凹陷的， 即使对具有平坦表面的衬底的背面进行仅2μm至3μm的磨削也是如此。 也就是说，已知的是，如果对衬底的背面进行大于或等于2μm的磨削， 则衬底的正面变为凹陷的。据认为，由于下述原因，通过对衬底的背面进 行磨削，衬底的正面变为凹陷的。具体地，如图4所示，通过对衬底的背 面进行磨削，在衬底10的背面上形成了破碎层(fracture layer)11，据 认为这引起了凹部。也就是说，在将力施加到衬底10的背面的情况下对 衬底10的背面进行磨削。因此，由于在磨削过程中施加的力，据认为衬 底10背面的形成有破碎层11的部分具有高的密度。因此，在破碎层11 中产生了压缩应力，并且因此衬底10的背面变得突出，这导致衬底的正 面变为凹陷的。在图3A和图3B中，衬底10由Si制成；但是，即使在 由蓝宝石或SiC制成的衬底的情况下，只要形成了破碎层11，据认为就 会出现相同的趋势。此外，用于对衬底的背面进行磨削的磨削装置的一个 实例是磨机。

由于由发明人进行的大量研究而已知了上面的内容，并且基于该认识 给出了本发明的实施方案。

制造半导体器件的方法

接下来，参考图5A至图5D对制造根据本实施方案的半导体器件的 方法进行描述。

首先，如图5A所示，准备了衬底10。该衬底10具有为平坦表面的 硅(111)表面。

接下来，如图5B所示，通过磨削装置对衬底10的背面进行几十μm 的磨削。因此，在衬底10的背面上，形成了约10μm的也被称作损伤层 的破碎层11。由于在衬底10的背面上形成了破碎层11，所以衬底10的 背面变形为突出形状，因此，衬底10的正面变形为凹陷的形状。随后， 对衬底10进行充分地清洗。因此，形成了根据本实施方案的半导体晶体 生长衬底。

接下来，如图5C所示，通过MOCVD，通过外延生长在衬底10的 表面上依次层叠构成氮化物半导体层20的第一缓冲层21、第二缓冲层22、 电子传输层23以及电子供给层24。第一缓冲层21由AlN制成，第二缓 冲层22由AlGaN制成，电子传输层23由GaN制成，电子供给层24由 AlGaN制成。因此，在电子传输层23中，在电子传输层23与电子供给 层24之间的界面附近形成2DEG 23a。

在使衬底10的正面突出的条件下，即通过形成第一缓冲层21、第二 缓冲层22、电子传输层23以及电子供给层24而在膜中产生压缩应力的 条件下，通过MOCVD经外延生长来形成膜。因此，在通过MOCVD形 成膜之前，衬底10的正面是凹陷的，但是，通过MOCVD使氮化物半导 体层20外延生长，衬底10的正面变平坦或轻微突出。也就是说，通过经 由磨削形成的破碎层11使衬底10的正面变为凹陷的应力和通过氮化物半 导体层20的外延生长产生的并且使衬底10的正面变得突出的应力部分地 相互抵消。因此，衬底10的正面变平坦或轻微突出。与开始时使用平坦 的衬底并且在产生压缩应力的条件下形成氮化物半导体层的情况相比，该 状态接近平坦状态。如上所述，在本实施方案中，衬底10的表面变得接 近平坦状态，并且因此能够在传送衬底时没有任何问题地吸附衬底，并且 当通过曝光器件进行曝光时，在没有波动的情况下精确地形成图案。因此， 在制造半导体器件的过程中能够减少问题的产生，并且因此半导体器件的 成品率提高。

接下来，如图5D所示，在电子供给层24上，通过金属材料来形成 栅电极31、源电极32以及漏电极33，并且通过切割锯使元件分开。因此， 制造了根据本实施方案的半导体器件。

在通过根据本实施方案的方法制造的半导体器件中，在氮化物半导体 层20中产生了压缩应力，并且因此电特性良好。此外，衬底10的表面在 形成氮化物半导体层20之后接近平坦状态。因此，可以没有任何问题地 传送衬底，并且在进行曝光时防止图案的波动。因此，精确地形成了微观 布线。因此，通过根据本实施方案的方法所制造的半导体器件具有良好的 电特性并且成品率提高。

在上述方法中，在通过MOCVD形成氮化物半导体层20之前，对衬 底10的背面进行磨削以使衬底10的正面具有凹陷形状。但是，如果存在 除磨削以外的使衬底10的正面具有凹陷形状的任意方法，则可以进行所 述其它方法以使衬底10的正面具有凹陷形状。此外，如果可能通过另一 方法来制造从开始时在正面上具有凹陷形状的衬底10，则可以通过进行 MOCVD、通过外延生长在从开始起具有凹陷形状的衬底10的正面上形 成氮化物半导体层20。

第二实施方案

接下来，描述第二实施方案。本实施方案与半导体器件、电源装置以 及高频放大器有关。

通过对根据第一实施方案的半导体器件进行分立封装来形成根据本 实施方案的半导体器件。参考图6，描述了该分立封装的半导体器件。图 6示意性地示出分立封装的半导体器件的内部，并且电极的位置与第一实 施方案的电极的位置不同。

首先，通过划片切割根据第一实施方案制造的半导体器件，并且形成 作为由GaN系材料制成的HEMT的半导体芯片410。通过管芯粘合剂430 如钎料将半导体芯片410固定到引线框420。半导体芯片410对应根据第 一实施方案的半导体器件。

接下来，通过接合线431将栅电极411连接到栅极引线421，通过接 合线432将源电极412连接到源极引线422，通过接合线433将漏电极413 连接到漏极引线423。通过金属材料如Al形成接合线431、432和433。 此外，在本实施方案中，栅电极411是连接到根据第一实施方案的半导体 器件的栅电极31的栅电极焊垫。此外，源电极412是连接到根据第一实 施方案的半导体器件的源电极32的源电极焊垫。此外，漏电极413是连 接到根据第一实施方案的半导体器件的漏电极33的漏电极焊垫。

接下来，通过传递模制法使用模制树脂440进行树脂密封。如上所述， 制造了由GaN系材料制成的HEMT的分立封装的半导体芯片。

接下来，描述根据本实施方案的电源装置和高频放大器。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中的 任意一个。

首先，参考图7，描述了根据本实施方案的电源装置。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以及布 置在高压一次侧电路461与低压侧电路462之间的变压器463。高压一次 侧电路461包括AC(交流电流)源464、所谓的桥式整流电路465、多 个开关元件(在图7的实例中是四个)466以及一个开关元件467。低压 二次侧电路462包括多个开关元件468(在图7的实例中是三个)。在图7 的实例中，根据第一实施方案的半导体器件用作高压一次侧电路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 地是常断型半导体器件。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，参考图8，描述了根据本实施方案的高频放大器。根据本实 施方案的高频放大器470可以应用于手机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以及定向 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将非线性失真已经得到补偿的输入信号与AC信号进行混合。功 率放大器473对与AC信号混合的输入信号放大。在图8的实例中，功率 放大器473包括根据第一实施方案的半导体器件。定向耦合器474监控输 入信号和输出信号。在图8的电路中，例如，可以切换开关使得通过混频 器472将输出信号与AC信号混合并且可以将其发送到数字预失真电路 471。

根据实施方案的一个方面，提供了半导体器件的制造方法、半导体器 件以及半导体晶体生长衬底，其中衬底中的翘曲被最小化，即使在衬底的 表面上通过MOCVD法使半导体层外延生长时也是如此。因此，减少了 制造半导体器件的过程中的不良品，并且提高了制造的半导体器件的成品 率。

本发明不限于本文中描述的具体实施方案，而是可以在不脱离本发明 的范围的情况下做出变化和修改。