半導體裝置以及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明得到一種半導體裝置以及其制造方法，該半導體裝置容易降低電路部的導體損耗，提高高頻特性和可靠性，堆積填充材料。在Si襯底1的第1主表面上形成有由AlxGa1-xN(0≤x≤1)構成的緩沖層(2)。在緩沖層(2)上形成有由AlyGa1-yN(0≤y≤1，x≠y)構成的外延結晶生長層(5)。在外延結晶生長層(5)中形成有晶體管(8)。在從Si襯底(1)的第2主表面到達緩沖層(2)的通孔(15)中填充有填充材料(16)。填充材料(16)由與緩沖層(2)相同的組成比x的AlxGa1-xN構成。
【專利說明】半導體裝置以及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及場效應晶體管以及具有場效應晶體管的MMIC，該場效應晶體管在外延結晶生長層上形成，該外延結晶生長層由設置在Si襯底上的GaN或者AlGaN構成。

【背景技術】
[0002]已知下述半導體裝置(例如，參照專利文獻1、2)，S卩，在Si襯底上形成由GaN或者AlGaN構成的外延結晶生長層，在該外延結晶生長層上形成場效應晶體管。
[0003]專利文獻1:日本特開2009 - 206142號公報
[0004]專利文獻2:日本特開2010 - 67662號公報
[0005]在現(xiàn)有的半導體裝置中，在晶體管部、焊盤部、配線部、無源電路部的下方，隔著包含幾μ m厚度的GaN或者AlGaN的外延層，存在100 μ m左右的Si襯底。Si襯底的電阻率，即使是高電阻也僅為10e4 Qcm左右，與在高頻帶用的半導體裝置中使用的半絕緣性GaAs襯底、SiC襯底相比，電阻率低了 4?5個數(shù)量級。因此，導致電路部中的導體損耗變大。
[0006]通常，半導體裝置將襯底背面接地，但是，GaN類外延層通常僅為幾ym左右的厚度。因此，如果Si襯底的電阻率較低，則漏極電極與襯底背面之間的雜散電容(Cds)比使用半絕緣性的GaAs襯底或者SiC襯底的半導體裝置大，而使高頻特性惡化，該半絕緣性的GaAs襯底或者SiC襯底通常使用在高頻帶用的放大器中。
[0007]另外，Si的熱傳導率是1.5ff/cm.K左右，與作為GaN或者AlGaN類半導體裝置的襯底所使用的SiC相比，熱傳導率較低。因此，在晶體管內部產生的熱量難于釋放，導致半導體裝置的熱阻上升。特別是，在作為高輸出用放大器使用的情況下，存在動作時的結溫上升而導致可靠性降低的問題。
[0008]因此，在專利文獻1、2中，通過使Si襯底的一部分由絕緣性高于Si且熱傳導率高于Si的填充材料進行填充，從而降低電路部的導體損耗，抑制晶體管下部的雜散電容(Cds等)的增大，提聞聞頻特性。由于不殘留Si襯底的部分能夠進行聞耐壓?聞頻動作，因此，在這些專利文獻中，形成從Si襯底的背面到達外延結晶生長層的通孔，并在該通孔中填充有填充材料。但是，由于外延結晶生長層與填充材料的晶格常數(shù)不同而產生缺陷，因此，存在難于將填充材料進行堆積的問題。


【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種半導體裝置以及其制造方法，該半導體裝置容易降低電路部的導體損耗，提高高頻特性和可靠性，堆積填充材料。
[0010]本發(fā)明所涉及的半導體裝置的特征在于，具有:Si襯底，其具有彼此相對的第I以及第2主表面；緩沖層，其形成在所述Si襯底的所述第I主表面上，由AlxGahN (O ^ x ^ I)構成；外延結晶生長層，其形成在所述緩沖層上，由AlyGahyl'KO ^ y ^ l,x ^ y)構成；晶體管，其形成在所述外延結晶生長層上；以及填充材料，其填充在從所述Si襯底的所述第2主表面到達所述緩沖層的通孔中，由與所述緩沖層相同的組成比X的AlxGahN構成。
[0011]發(fā)明的效果
[0012]在本發(fā)明中，向Si襯底的通孔中填充填充材料，該填充材料由與緩沖層相同的組成比X的AlxGahN構成，因此，容易降低電路部的導體損耗，提高高頻特性和可靠性，堆積填充材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的半導體裝置的俯視圖。
[0014]圖2是沿圖1的1-1I線的剖面圖。
[0015]圖3是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0016]圖4是表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0017]圖5是表示本發(fā)明的實施方式4所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0018]圖6是表示本發(fā)明的實施方式5所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0019]圖7是表示本發(fā)明的實施方式6所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0020]圖8是表示本發(fā)明的實施方式7所涉及的半導體裝置的剖面圖。
[0021]標號的說明
[0022]I Si襯底，2緩沖層，5外延結晶生長層，8晶體管，10源極電極，11漏極電極，14源極焊盤，15通孔，16、20填充材料，17源極過孔，18金屬膜，19金剛石薄膜

【具體實施方式】
[0023]參照附圖，對本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體裝置以及其制造方法進行說明。有時對相同或者對應的結構要素標注相同的標號，并省略重復說明。
[0024]實施方式I
[0025]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的半導體裝置的俯視圖。圖2是沿圖1的1-1I線的剖面圖。Si襯底I具有彼此相對的第I以及第2主表面。在Si襯底I的第I主表面整面且均勻地形成有由AlN構成的緩沖層2。在緩沖層2上形成有外延結晶生長層5，該外延結晶生長層5具有順次層疊的GaN層3和AlGaN層4。
[0026]在外延結晶生長層5的局部形成活性層區(qū)域6，在活性層區(qū)域6的周圍通過絕緣注入等形成有絕緣區(qū)域7。晶體管8形成于外延結晶生長層5。具體地說，在活性層區(qū)域6上并排排列有由柵極電極9、配置在該柵極電極9兩側的成對的源極電極10和漏極電極11構成場效應晶體管。由這些活性層區(qū)域6和3個電極并排排列而成的區(qū)域形成為動作區(qū)域。在夾持該動作區(qū)域的相對位置處配置有大于或等于I個的柵極焊盤12和大于或等于I個的漏極焊盤13。
[0027]動作區(qū)域內的所有柵極電極9在動作區(qū)域的外側匯總為一個，并與柵極焊盤12連接，同樣地，動作區(qū)域內的所有漏極電極11在動作區(qū)域的外側匯總為一個，并與漏極焊盤13連接。另外，源極電極10與通常在柵極焊盤12的橫向上設置的源極焊盤14連接。將源極電極10和源極焊盤14連接的配線電極隔著絕緣膜以及空氣，配置在將柵極電極9捆扎而成的配線電極上。
[0028]設置有從Si襯底I的第2主表面到達緩沖層2的通孔15。在該通孔15中填充有由AlN構成的填充材料16。此外，各層的上述物質只是一個例子，緩沖層2由AlxGa1^xN(O彡X彡I)構成,外延結晶生長層5由AlyGa^yN(O彡y彡Ι,χ關y)構成,填充材料16由與緩沖層2相同的組成比X的AlxGaJ構成。
[0029]下面，說明上述的半導體裝置的制造方法。首先，在Si襯底I的第I主表面上形成AlN的緩沖層2。然后，在緩沖層2上形成外延結晶生長層5。然后，在外延結晶生長層5上形成晶體管8。然后，在Si襯底的第2主表面上，利用抗蝕劑在活性層區(qū)域6的下方以外的區(qū)域形成掩模，然后將緩沖層2作為阻擋層使用，通過SF6等氟類氣體，從第2主表面開始對活性層區(qū)域6的下方的Si襯底的一部分進行干蝕刻而形成通孔15。然后，使用濺射或者CVD，向通孔15中填充AlN的填充材料16。
[0030]在本實施方式中，將Si襯底I的一部分去除，并由絕緣性比Si高且熱傳導率比Si高的AlxGahN構成的填充材料16進行填充。由此，能夠降低電路部的導體損耗,抑制晶體管下部的雜散電容(Cds等)的增大，提高高頻特性。另外，能夠將從晶體管8內部產生的熱量經由填充材料16高效地向組件的金屬基座散熱，因此，能夠防止可靠性的降低。
[0031]另外，填充材料16由與緩沖層2相同的組成比X的AlxGaJ構成。因此，緩沖層2與填充材料16的晶格匹配，因此，容易進行填充材料16的堆積。
[0032]另外，在現(xiàn)有裝置中，為了盡量優(yōu)化高頻特性，使用電阻率為12?14 Ω cm的高電阻Si襯底。但是，在本實施方式中，在晶體管下部以及電路部、配線部的下方填充有絕緣性較高的材料，因此，即使這些以外的部分處的Si襯底I的電阻率較低，也不會對半導體裝置的高頻特性造成影響。因此，即使將Si襯底I的電阻率設為小于或等于14 Ω Cm，也能夠得到與半絕緣性襯底同樣優(yōu)異的高頻特性。
[0033]通常，在作為高輸出用的放大器使用的半導體裝置中，為了得到高輸出，經常在將動作電壓設為大于或等于1V的高電壓狀態(tài)下進行動作。因此，也可以使用P型的Si襯底I。由此，能夠使在施加有高電場的柵極?漏極之間產生的空穴，以短距離從源極電極10的下方的P型的Si襯底I全部移動至背面。由此，特別是，能夠抑制在施加高電場時在晶體管內部產生的空穴積存在柵極電極9下方的外延結晶生長層中。其結果，能夠均勻地提高活性層區(qū)域6的可靠性。
[0034]另外，通過將氮化物的緩沖層作為阻擋層使用而對Si襯底I進行蝕刻，從而容易形成通孔15。
[0035]實施方式2
[0036]圖3是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的半導體裝置的剖面圖。在本實施方式中，通孔15以及填充材料16不設置在源極電極10的下方，而是設置在晶體管8的漏極電極11的下方。
[0037]使高頻特性的惡化的原因是漏極電極11與襯底背面之間的電容Cds的增大，因此，可以將漏極電極11處的Si襯底I的一部分去除而置換為填充材料16。由此，能夠與實施方式I相同地提高高頻特性。并且，作為填充材料16堆積的AlN層的厚度在實施方式I中為幾μ m左右，但是，在本實施方式中能夠設為更薄，因此，容易形成填充材料16。
[0038]實施方式3
[0039]圖4是表示本發(fā)明的實施方式3所涉及的半導體裝置的剖面圖。在絕緣區(qū)域7設置有從Si襯底I的第2主表面到達晶體管8的源極焊盤14的源極過孔17。鍍Au等的金屬膜18設置在源極過孔17的內壁和Si襯底I的第2主表面，與源極焊盤14連接。能夠通過金屬膜18縮短到達接地點的距離，因此，能夠將源極電感降低，提高高頻特性。
[0040]實施方式4
[0041]圖5是表示本發(fā)明的實施方式4所涉及的半導體裝置的剖面圖。當填充填充材料16時，首先將填充材料16形成在Si襯底I的第2主表面上以及通孔15內。然后利用磨削或者CMP等，對在Si襯底I的第2主表面形成的填充材料16進行切削而使其平坦化。以僅在漏極電極11的下方掩埋填充材料16的狀態(tài)形成源極過孔17。通過切削襯底背面的多余的A1N，能夠形成平整的背面，因此，能夠得到組裝性優(yōu)異的半導體裝置。
[0042]實施方式5
[0043]圖6是表示本發(fā)明的實施方式5所涉及的半導體裝置的剖面圖。使用η型的Si襯底I。經由在絕緣區(qū)域7內的源極焊盤14的正下方的緩沖層2以及外延結晶生長層5上設置的開口，源極焊盤14直接與η型的Si襯底I接觸。由此，表面的源極焊盤14經由η型的Si襯底1，與襯底背面的金屬膜18連接，因此，不需要源極過孔17。由此，能夠得到與實施方式4相同的效果，且將半導體裝置制造工序簡化。
[0044]實施方式6
[0045]圖7是表示本發(fā)明的實施方式6所涉及的半導體裝置的剖面圖。使用η型的Si襯底I。經由在活性層區(qū)域6內的各源極電極10的正下方的緩沖層2以及外延結晶生長層5上設置的開口，源極電極10直接與η型的Si襯底I接觸。由此，表面的源極電極10經由η型的Si襯底1，與襯底背面的金屬膜18連接，因此，能夠不需要絕緣區(qū)域7的源極焊盤14，而將芯片圖案縮小化。另外，實現(xiàn)從各源極電極10以最短距離到達金屬膜18的導通。由此，能夠降低配線損耗、電感，能夠進一步提高高頻特性。
[0046]實施方式7
[0047]圖8是表示本發(fā)明的實施方式7所涉及的半導體裝置的剖面圖。取代實施方式I的由AlN構成的填充材料16，向通孔15內的第I層中填充金剛石薄膜19，向第2層中填充AlN或者Cu的填充材料20。金剛石在半導體中也具有優(yōu)異的絕緣性和熱傳導性。因此，能夠進一步提高高頻特性，并且，將從晶體管8內部產生的熱量高效地散熱。此外，如果僅使用金剛石填入通孔15，則費用較高，因此在第2層中堆積AlN或者Cu的填充材料20。
【權利要求】
1.一種半導體裝置，其特征在于，具有: Si襯底，其具有彼此相對的第I以及第2主表面； 緩沖層，其形成在所述Si襯底的所述第I主表面上，由AlxGahN(O < x < I)構成； 外延結晶生長層，其形成在所述緩沖層上，由AlyGa^yN(O ^ y ^ I, X ^ y)構成； 晶體管，其形成在所述外延結晶生長層上；以及 填充材料，其填充在從所述Si襯底的所述第2主表面到達所述緩沖層的通孔中，由與所述緩沖層相同的組成比X的AlxGahN構成。
2.根據權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于， 所述通孔以及所述填充材料不設置在所述晶體管的源極電極的下方，而是設置在所述晶體管的漏極電極的下方。
3.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 還具有金屬膜，該金屬膜設置在從所述Si襯底的第2主表面到達所述晶體管的源極焊盤為止的源極過孔的內壁和所述Si襯底的所述第2主表面上，與所述源極焊盤連接。
4.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述Si襯底是η型，經由在所述晶體管的源極焊盤的正下方的所述緩沖層以及所述外延結晶生長層上設置的開口，所述源極焊盤直接與所述Si襯底接觸。
5.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述Si襯底是η型，經由在所述晶體管的源極電極的正下方的所述緩沖層以及所述外延結晶生長層上設置的開口，所述源極電極直接與所述Si襯底接觸。
6.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述Si襯底的電阻率小于或等于14 Ω cm。
7.根據權利要求1或2所述的半導體裝置，其特征在于， 所述緩沖層是Α1Ν。
8.一種半導體裝置的制造方法，其特征在于，具有下述工序: 在具有彼此相對的第I以及第2主表面的Si襯底的第I主表面上，形成由AlxGa1J(O彡X彡I)構成的緩沖層； 在所述緩沖層上，形成由AlyGa^yN(O ^ y ^ I, X ^ y)構成的外延結晶生長層； 在所述外延結晶生長層上形成晶體管； 將所述緩沖層作為阻擋層使用，從所述第2主表面開始對所述Si襯底進行蝕刻而形成通孔；以及 向所述通孔中填充填充材料，該填充材料由與所述緩沖層相同的組成比X的AlxGahN構成。
9.根據權利要求8所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 填充所述填充材料的工序具有下述工序: 在所述Si襯底的所述第2主表面上以及所述通孔內形成所述填充材料；以及 對形成在所述Si襯底的所述第2主表面上的所述填充材料進行切削而使其平坦化。
10.根據權利要求8或9所述的半導體裝置的制造方法，其特征在于， 利用濺射或者CVD進行所述填充材料的填充。
【文檔編號】H01L29/06GK104465770SQ201410489794
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權日:2013年9月24日
【發(fā)明者】岡崎拓行, 加茂宣卓, 野上洋一, 小山英壽, 宮國晉一 申請人:三菱電機株式會社