半导体设备及其制造方法

半导体设备及其制造方法
【专利摘要】一种半导体设备，包括：第一电极；第二电极；由多孔绝缘材料制成并且形成在第一电极和第二电极之上的层间绝缘膜；以及分别电连接到第一电极和第二电极的连接部，其中在层间绝缘膜与第一电极的表面、第二电极的表面以及连接部的部分表面之间形成空腔。
【专利说明】半导体设备及其制造方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 该申请基于2013年4月16日提交的在先日本专利申请No. 2013-086099的优先 权并主张其权利，在此引入其全部内容作为参考以用于所有目的。

【技术领域】
[0003] 本文中所讨论的实施例涉及半导体设备及其制造方法。

【背景技术】
[0004] 化合物半导体设备，特别是氮化物半导体设备，通过利用其特性(例如高饱和电子 速度和宽带隙)而被积极地开发为高耐压和高功率半导体设备。已经关于场效应晶体管(特 别是作为氮化物半导体设备的HEMT (高电子迁移率晶体管)）而作了许多报告。特别地，使 用GaN作为电子传输层并且使用AlGaN作为电子供给层的AlGaN/GaN HEMT已经受到关注。 在AlGaN/GaN HEMT中，AlGaN中发生由于GaN与AlGaN之间的晶格常数上的差异而引起 的畸变。因为由畸变引起的压电极化以及AlGaN的自发极化，获得了高浓度的二维电子气 (2DEG)。因此，能够实现高耐压和高功率。
[0005] 近些年来，HEMT具有优异的高速特性并且因而应用于光通信系统的信号处理电 路、其他高速数字电路等。HEMT具有优异的低噪声特性并且因而期望应用于微波或毫米波 段中的放大器。
[0006] 另一方面，为了改进HEMT的高频特性，必需增加作为与晶体管的电流增益相关的 放大频率的上限的电流增益的截止频率(放大限制频率）f T的值。为了实现增加的目的，必 需增加作为与元件的放大系数有关的元件参数的跨导gm的值并且通过减小栅极长度来降 低栅电极与源电极之间的电容。
[0007] 尤其必需降低由于栅电极周围的层间绝缘膜(保护膜）而引起的寄生电容以防止 高频特性变差，即使在对HEMT进行集成(例如集成到MMIC中）时也是如此。为了降低寄生 电容，减小层间绝缘膜的介电常数并且去除栅电极周围的层间绝缘膜是有效的。
[0008] 例如，在专利文献1至4中，以如下方式去除栅电极周围的层间绝缘膜。
[0009] 首先，在栅电极周围形成填充材料层，并且然后形成层间绝缘膜以覆盖整个表面。 接下来，在层间绝缘膜中形成连接孔以露出填充材料层的端部。然后，通过连接孔使填充材 料层被溶解并去除。因而，层间绝缘膜被形成为使得在栅电极周围形成空腔。
[0010] 专利文献1 :日本公开特许公报No. 2004-95637。
[0011] 专利文献2 :日本公开特许公报No. 2006-210499。
[0012] 专利文献3 :日本公开特许公报No. 5-335343。
[0013] 专利文献4 :日本公开特许公报No. 2009-272433。
[0014] 然而，通过专利文献1至4的方法，虽然能够使栅电极周围的层间绝缘膜成为空 腔，但是层间绝缘膜仍然在源电极和漏电极之上，这使得不能实现寄生电容的彻底降低。这 是因为如果填充材料也被形成在源电极和漏电极上并且然后被溶解并去除，则失去了支撑 层间绝缘膜的部分并且剩下的层间绝缘膜落在电极上。
[0015] 如上所述，在现有技术中，难于使层间绝缘膜最大限度地成为空腔以尽可能多地 降低寄生电容，这带来阻止提高最大操作频率的问题。


【发明内容】

[0016] 本实施例在考虑以上所述问题的情况下作出，并且实施例的一个目的是提供一种 能够使由于电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容尽可能多地减小以充分提高最大操 作频率的高可靠性的半导体设备及其制造方法。
[0017] 根据实施例的一个方面，半导体设备包括：第一电极；第二电极；形成在所述第一 电极和所述第二电极之上的层间绝缘膜；以及分别电连接到所述第一电极和所述第二电极 的连接部，其中在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述第二电极的表面以及所述 连接部的部分表面之间形成空腔。
[0018] 根据实施例的一个方面，用于制造半导体设备的方法包括：形成第一电极；形成 第二电极；用填充材料覆盖所述第一电极和所述第二电极；形成覆盖所述填充材料的层间 绝缘膜；形成穿透所述填充材料和所述层间绝缘膜并且电连接到所述第一电极和所述第二 电极的连接部；以及去除所述填充材料以在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述 第二电极的表面以及所述连接部的部分表面之间形成空腔。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1A至图1C是以步骤顺序说明根据第一实施例的制造 AlGaN/GaNHEMT的方法的 示意性剖视图；
[0020] 图2A至图2C是以继图1C之后的步骤顺序说明根据第一实施例的制造 AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性剖视图；
[0021] 图3A至图3C是以继图2C之后的步骤顺序说明根据第一实施例的制造 AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性剖视图；
[0022] 图4A和图4B是以继图3C之后的步骤顺序说明根据第一实施例的制造 AlGaN/GaN HEMT的方法的示意性剖视图；
[0023] 图5是表示关于根据第一实施例的AlGaN/GaN HEMT和其对比示例的最大操作频 率（GHz)与栅极长度（μ m)之间的关系的特性图；
[0024] 图6A至图6C是依次说明根据第一实施例的修改示例的制造 AlGaN/GaN HEMT的 方法的主要步骤的示意性剖视图；
[0025] 图7A至图7C是继图6C之后依次说明根据第一实施例的修改示例的制造 AlGaN/ GaN HEMT的方法的主要步骤的示意性剖视图；
[0026] 图8A至图8C是以步骤的顺序说明根据第二实施例的制造 M0S晶体管的方法的示 意性剖视图；
[0027] 图9A至图9C是以继图8C之后的步骤的顺序说明根据第二实施例的制造 M0S晶 体管的方法的示意性剖视图；
[0028] 图10A和图10B是以继图9C之后的步骤的顺序说明根据第二实施例的制造 M0S 晶体管的方法的示意性剖视图；
[0029] 图11A至图11C是依次说明根据第二实施例的修改示例的制造 M0S晶体管的方法 的示意性剖视图；
[0030] 图12A至图12C是继图11C之后依次说明根据第二实施例的修改示例的制造 M0S 晶体管的方法的示意性剖视图；
[0031] 图13是说明根据第三实施例的电源设备的示意性结构的连接图；以及
[0032] 图14是说明根据第四实施例的高频放大器的示意性结构的连接图。具体实施方 式
[0033] (第一实施例）
[0034] 在该实施例中，作为半导体设备而公开了一种作为化合物半导体的氮化物半导体 的 AlGaN/GaN HEMT。
[0035] 图1A至图4B是以步骤顺序说明根据第一实施例的制造 AlGaN/GaNHEMT的方法的 示意性剖视图。
[0036] 首先，如图1A所示，在例如作为生长衬底的半绝缘SiC衬底1上形成作为多个化 合物半导体层的堆叠体的化合物半导体堆叠结构2。可以使用Si衬底、蓝宝石衬底、GaAs 衬底、GaN衬底等代替SiC衬底来作为生长衬底。衬底的传导性可以是半绝缘的或导电的。 [0037] 化合物半导体堆叠结构2包括缓冲层2a、电子传输层2b、间隔层2c、电子供给层 2d以及盖层2e。
[0038] 在完成的AlGaN/GaN HEMT中，在该AlGaN/GaN HEMT的操作期间，在电子传输层2b 与电子供给层2d的界面附近(准确的说是在电子传输层2b与间隔层2c的界面附近）生成 二维电子气（2DEG)。2DEG基于电子传输层2b的化合物半导体(在此为GaN)与电子供给层 2d的化合物半导体(在此为AlGaN)之间的晶格常数差而被生成。
[0039] 具体地，在SiC衬底1上，通过例如M0VPE (金属有机气相外延）方法来生长以下 化合物半导体。可以使用MBE (分子束外延）方法等来代替M0VPE方法。
[0040] 在SiC衬底1上，依次使A1N生长到约200nm的厚度，i (有意未掺杂)-GaN生长到 约1 μ m的厚度，i-AlGaN生长到约5nm的厚度，n-AlGaN生长到约30nm的厚度，并且n-GaN 生长到约l〇nm的厚度。因而，形成缓冲层2a、电子传输层2b、间隔层2c、电子供给层2d以 及盖层2e。作为缓冲层2a，可以使用AlGaN代替A1N，或者可以在低温下生长GaN。
[0041] 作为A1N的生长条件，使用三甲基铝（TMA1)气体和氨气（NH3)气体的混合气体作 为源气体。作为GaN的生长条件，使用三甲基镓（TMGa)气体和NH 3气体的混合气体作为源 气体。作为AlGaN的生长条件，使用TMA1气体、TMGa气体以及NH3气体作为源气体。根据 待生长的化合物半导体层，适当地设置是否供应作为A1源的TMA1气体和作为Ga源的TMGa 气体以及其流量。作为共用源的氨气气体的流量被设置为约lOOeem至约10LM。此外，生长 压力被设置为约50Torr至约300Torr，并且生长温度被设置为约1000°C至约1200°C。
[0042] 例如，为了使AlGaN、GaN生长为η型，即为了形成电子供给层2d和盖层2e，将例 如包含作为η型杂质的Si的5以 4气体以预定流量添加到源气体，由此用Si掺杂GaN和 AlGaN。Si的掺杂浓度被设置为约1 X 1018/cm3至约1 X 102°/cm3,例如设置为约5 X 1018/cm3。
[0043] 随后，如图1B所示形成元件隔离区3。
[0044] 具体地，例如氩（Ar)被离子注入到化合物半导体堆叠结构2中的作为不活跃 (inactive)区的部分。由此在化合物半导体堆叠结构2和SiC衬底1的表面层部分中形成 元件隔离区3。元件隔离区3在化合物半导体堆叠结构2上划分出AlGaN/GaN HEMT的元件 区（晶体管区)。
[0045] 顺便提及，可以利用例如STI (浅槽隔离)方法代替上述注入方法来执行元件隔离。 在该情形中，例如氯基蚀刻气体被用于化合物半导体堆叠结构2的干法蚀刻。
[0046] 随后，如图1C所示，形成源电极4和漏电极5。
[0047] 具体地，首先，通过光刻和干法蚀刻去除化合物半导体堆叠结构2的盖层2e中的 计划用于形成源电极和漏电极的部分。因而，在化合物半导体堆叠结构2的盖层2e中形成 电极凹槽2A、2B。
[0048] 然后，形成用于形成源电极和漏电极的抗蚀剂掩模。在化合物半导体堆叠结构2 上施加抗蚀剂并且通过光刻处理该抗蚀剂。因而，形成使电极凹槽2A、2B露出的开口。因 而，形成具有开口的抗蚀剂掩模。
[0049] 使用该抗蚀剂掩模，在包括使计划用于形成源电极和漏电极的部分露出的开口的 内侧的抗蚀剂掩模上通过例如气相沉积方法来沉积例如Ti/Al (下层为Ti并且上层为A1) 作为电极材料。Ti的厚度为约20nm，并且A1的厚度为约200nm。通过剥离方法去除抗蚀剂 掩模以及沉积在其上的Ti/Al电极。此后，例如在氮气氛围中以约400°C至约1000°C (例 如约600°C )的温度来对SiC衬底1进行热处理，由此使剩余的Ti/Al与电子供给层2d进 行欧姆接触。只要能够获得Ti/Al与电子供给层2d的欧姆接触，就可以存在无需热处理的 情况。填充电极凹槽2A、2B的源电极4和漏电极5由此被形成并且与电子供给层2d进行 欧姆接触。
[0050] 随后，如图2A所示，形成用于源电极4和漏电极5的保护膜6。
[0051] 具体地，例如通过PECVD方法在化合物半导体堆叠结构2上沉积绝缘膜(例如氮化 硅膜）至约40nm的厚度，从而覆盖源电极4和漏电极5。沉积的氮化硅膜通过光刻和干法 蚀刻而被处理以使得在元件区中保留氮化硅膜。保护膜6由此形成。
[0052] 随后，如图2B所示，形成栅电极7。
[0053] 具体地，首先，通过光刻和干法蚀刻去除保护膜6中计划用于形成栅电极的部分。 电极凹槽6a由此在保护膜6中被形成。
[0054] 然后，形成用于形成栅电极的抗蚀剂掩模。抗蚀剂被施加在整个表面上。在此，例 如，使用适用于气相沉积方法和剥离方法的屋檐式结构两层抗蚀剂。通过光刻对施加的抗 蚀剂进行处理。因此，形成具有开口的抗蚀剂掩模，该开口使作为计划用于形成栅电极的部 分的电极凹槽6a露出。
[0055] 然后，例如通过气相沉积方法，利用抗蚀剂掩模而在包括开口的内侧的抗蚀剂掩 模上沉积例如Ni/Au (下层是Ni并且上层是Au)作为电极材料。Ni的厚度为约30nm，并且 Au的厚度为约400nm。通过剥离方法，去除抗蚀剂掩模以及沉积在其上的Ni/Au。栅电极7 由此在填充电极凹槽6a的同时被形成在保护膜6上。如图2B所示，栅电极7优选地被形 成在离源电极4比离漏电极5更近的偏离位置处。
[0056] 注意，可以形成具有从保护膜6朝上突出的较窄的下部(细栅（finegate))并且具 有较宽的上部(上栅（over gate))的栅电极作为栅电极7。
[0057] 随后，如图2C所示，形成有机膜8。
[0058] 具体地，在化合物半导体堆叠结构2的表面上完整地形成填充材料以覆盖源电极 4、漏电极5以及栅电极7。可以使用未作特别限制的光分解材料(例如有机材料)作为填充 材料，只要其具有通过波长大于等于约250nm且小于等于400nm的紫外线而被分解的CxHy 框架结构即可。有机材料例如通过旋涂方法来施加。注意，聚丙烯、聚碳酸酯等也可以用作 填充材料。由此在化合物半导体堆叠结构2上形成使栅电极7嵌入的有机膜8。
[0059] 随后，如图3A所示，对有机膜8进行处理。
[0060] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜8以使得有机膜8留在预定部分中。在 该实施例中，有机膜8被留在计划用于形成稍后描述的空腔的部分处，即例如留在覆盖保 护膜6的顶部的部分，从而包含栅电极7、源电极4以及漏电极5。
[0061] 随后，如图3B所示，形成层间绝缘膜9。
[0062] 具体地，在化合物半导体堆叠结构2的表面上完整地形成具有使紫外线透过的特 性且是低介电常数材料的多孔绝缘材料，从而覆盖有机膜8。使用例如多孔硅石作为多孔绝 缘材料。也可以使用除多孔硅石之外的包含Si作为组分的有机硅氧烷或氢氧硅氧烷或上 述两者。进一步地，也可以使用包含Si作为组分的有机聚合物作为多孔绝缘材料。由此在 化合物半导体堆叠结构2之上形成了覆盖有机膜8的层间绝缘膜9。
[0063] 随后，如图3C所示，在保护膜6、有机膜8以及层间绝缘膜9中形成接触孔10a、 10b。
[0064] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理保护膜6、有机膜8以及层间绝缘膜9。因而， 在保护膜6、有机膜8以及层间绝缘膜9中分别形成使源电极4的表面的一部分、漏电极5 的表面的一部分以及栅电极7的表面的一部分露出的接触孔。在图3C中，仅示出露出源电 极4的表面的一部分和漏电极5的表面的一部分的接触孔10a、10b。
[0065] 随后，如图4A所示，形成接线12a、12b。
[0066] 具体地，通过溅射方法在层间绝缘膜9的整个表面上首先沉积例如TiW/Au作为导 电膜(在此是两层金属膜）以填充接触孔l〇a、10b。金属膜被形成为使得TiW被形成为层间 绝缘膜9上的下层以覆盖接触孔10a、10b的内壁表面并且Au被形成为层间绝缘膜9上的 上层以经由TiW填充接触孔10a、10b。注意，金属膜被形成以类似地填充使栅电极7的表面 的一部分露出的接触孔。
[0067] 随后，抗蚀剂被施加到金属膜上并且通过光刻而被处理以形成为具有与在金属膜 上的期望接线相对应的开口的抗蚀剂掩模。例如通过镀Au方法来以Au填充抗蚀剂掩模的 开口，并且通过灰化或湿法处理来去除抗蚀剂掩模。
[0068] 然后，通过光刻和干法蚀刻去除在层间绝缘膜9上的多余的金属膜。由此形成在 层间绝缘膜9上延伸并且经由通过以TiW/Au填充接触孔10a、10b所制成的连接部1 la、1 lb 而电连接到源电极4和漏电极5的接线12a、12b。注意，与接线12a、12b相类似地也形成经 由通过以TiW/Au填充接触孔所制成的连接部而电连接到栅电极7的接线。
[0069] 随后，如图4B所示，有机膜8被去除以在层间绝缘膜9中形成空腔13。
[0070] 具体地，将波长大于等于约250nm且小于等于约400nm (例如约254nm)的紫外线 在真空中施加到层间绝缘膜9。由于层间绝缘膜9是具有使紫外线透过的特性的多孔绝缘 材料，因此所施加的紫外线穿过层间绝缘膜9并且到达有机膜8。有机膜8是具有被紫外线 分解的特性的材料，并且因而通过施加紫外线而被光分解并且透过层间绝缘膜9中的孔隙 而被去除。因而，有机膜8被去除并且在层间绝缘膜9与保护膜6之间形成空腔13。
[0071] 空腔13被形成于其中有机膜8已经存在的部分处。有机膜8已经被形成在覆盖 保护膜6的顶部以包含栅电极7、源电极4以及漏电极5的部分处。因此，空腔13被形成在 层间绝缘膜9与经由保护膜6的漏电极5的表面、栅电极7的表面、源电极4的表面以及连 接部lla、llb的部分表面(和用于栅电极7的连接部的表面的一部分）之间。
[0072] 此后，通过后续步骤，例如接线12a、12b (和用于栅电极7的接线）的电连接等，形 成 AlGaN/GaN HEMT。
[0073] 在下文中，将在与其对比示例的比较的基础上描述通过如以上所述而制造的 AlGaN/GaN HEMT所实现的操作和效果。
[0074] 图5是表示根据该实施例及其对比示例的关于AlGaN/GaN HEMT的最大操作频率 (GHz)与栅极长度（μ m)之间的关系的特性图。
[0075] 在图5中，对比示例1是具有在栅电极周围没有空腔的构造(其中栅电极嵌入层间 绝缘膜中的构造)的AlGaN/GaN HEMT。对比示例2是具有在栅电极周围有空腔的同时在源 电极和漏电极上留有层间绝缘膜的构造的AlGaN/GaN HEMT。对比示例2的AlGaN/GaN HEMT 例如是根据专利文献1至4的AlGaN/GaN HEMT。
[0076] 在对比示例2的AlGaN/GaN HEMT中，空腔被形成于覆盖栅电极周边的由BDB树脂 (苯并环丁烯)制成的层间绝缘膜中，并且在源电极和漏电极上留有层间绝缘膜。相反，在该 实施例中的AlGaN/GaN HEMT中，形成具有空腔(包含栅电极、源电极以及漏电极的空腔）的 层间绝缘膜，在该空腔中源电极和漏电极上未留有层间绝缘膜。在该实施例中的层间绝缘 膜由介电常数低于BDB树脂的介电常数的多孔绝缘材料制成。
[0077] 如图5所示，发现在该实施例中在预定栅极长度范围内能够达到比对比示例1和 对比示例2更大的最大操作频率。确切地说，当栅电极的栅极长度为0. 1 μ m时，在对比示 例1中的最大操作频率为约81GHz并且在对比示例2中最大操作频率为约93GHz，而在该实 施例中实现了约97GHz的较大的最大操作频率。
[0078] 如上所述，根据该实施例，实现了在高频特性上优异的高可靠性且高耐压的 AlGaN/GaN HEMT，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减 小以充分提高最大操作频率。
[0079] (修改的示例）
[0080] 在下文中，将描述根据第一实施例的AlGaN/GaN HEMT的修改的示例。在该示例中， 公开了一种AlGaN/GaN HEMT，其如在第一实施例中那样但是与第一实施例的不同之处在于 形成层间绝缘膜中的空腔的形式是不同的。
[0081] 图6A至图7C是依次说明用于制造根据第一实施例的修改示例的AlGaN/GaN HEMT 的方法的主要步骤的示意性剖面图。注意，与在第一实施例中相同的构件等将用相同的附 图标记来表示并且将省略其详细描述。
[0082] 在该示例中，首先执行如第一实施例中的图1A至图2B中的步骤。此时，在化合物 半导体堆叠结构2上形成栅电极7。
[0083] 随后，如图6A所示，形成有机膜14。
[0084] 具体地，在化合物半导体堆叠结构2的表面上完整地形成填充材料以覆盖源电极 4、漏电极5以及栅电极7。在过热蒸汽或超临界水中溶解的材料(在此为作为有机材料的聚 乙烯)作为填充材料而被使用。例如通过旋涂方法施加聚乙烯。也可以使用聚丙烯、聚碳酸 酯等替代聚乙烯作为填充材料。在化合物半导体堆叠结构2上由此形成了将栅电极7嵌入 的有机膜14。
[0085] 随后，如图6B所示，对有机膜14进行处理。
[0086] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜14以使得有机膜14留在预定部分处。 在该实施例中，有机膜14留在计划用于形成稍后描述的空腔的部分处，S卩，例如覆盖保护 膜6的顶部以包含栅电极7、源电极4以及漏电极5的部分。
[0087] 随后，如图6C所示，形成层间绝缘膜9。
[0088] 具体地，在化合物半导体堆叠结构2的表面上完整地形成具有使过热蒸汽或超临 界水透过的特性且为低介电常数材料的多孔绝缘材料以覆盖有机膜14。使用例如多孔硅石 作为多孔绝缘材料。也可以使用除多孔硅石之外的包含Si作为组分的有机硅氧烷或氢氧 硅氧烷或上述两者。进一步地，也可以使用包含Si作为组分的有机聚合物作为多孔绝缘材 料。由此在化合物半导体堆叠结构2之上形成覆盖有机膜14的层间绝缘膜9。
[0089] 水在温度和压强上增加到超过临界点时变为超临界水(饱和蒸汽)。另一方面，在 临界压强或更低的范围内，水变为气相中的水，即热蒸汽或次临界水。
[0090] 随后，如图7A所示，在保护膜6、有机膜14以及层间绝缘膜9中形成接触孔10a、 10b。
[0091] 具体地，通过光刻和干法蚀刻处理保护膜6、有机膜14以及层间绝缘膜9。因而， 在保护膜6、有机膜14以及层间绝缘膜9中分别形成使源电极4的表面的一部分、漏电极5 的表面的一部分以及栅电极7的表面的一部分露出的接触孔。在图7A中，仅示出使源电极 4的表面的一部分和漏电极5的表面的一部分露出的接触孔10a、10b。
[0092] 随后，如图7B所示，形成接线12a、12b。
[0093] 具体地，通过溅射方法在层间绝缘膜9的整个表面上首先沉积例如TiW/Au作为导 电膜(在此为两层金属膜）以填充接触孔l〇a、10b。金属膜被形成为使得TiW被形成为层间 绝缘膜9上的下层以覆盖接触孔10a、10b的内壁表面并且Au被形成为层间绝缘膜9上的 上层以经由TiW填充接触孔10a、10b。注意，金属膜被形成用以类似地填充使栅电极7的表 面的一部分露出的接触孔。
[0094] 随后，抗蚀剂被施加到金属膜上并且通过光刻被处理以形成为具有与金属膜上的 期望接线相对应的开口的抗蚀剂掩模。例如通过镀Au方法来以Au填充抗蚀剂掩模的开口， 并且通过灰化或湿法处理来去除抗蚀剂掩模。
[0095] 然后，通过光刻和干法蚀刻来去除层间绝缘膜9上的多余的金属膜。由此形成在 层间绝缘膜9上延伸并且经由通过以TiW/Au填充接触孔10a、10b所制成的连接部1 la、1 lb 而电连接到源电极4和漏电极5的接线12a、12b。注意，与接线12a、12b相类似地也形成经 由通过以TiW/Au填充接触孔所制成的连接部而电连接到栅电极7的接线。
[0096] 随后，如图7C所示，去除有机膜14以在层间绝缘膜9中形成空腔15。
[0097] 具体地，将约200°C至约300°C (例如约250°C )的过热蒸汽供应给层间绝缘膜9。 由于层间绝缘膜9是具有使过热蒸汽透过的特性的多孔绝缘材料，因此所供应的过热蒸汽 穿过层间绝缘膜9并且到达有机膜14。有机膜14是具有在过热蒸汽中溶解的特性的材料， 并且因而通过供应过热蒸汽而被溶解并且通过层间绝缘膜9中的孔隙而被去除。因而，有 机膜14被去除并且在层间绝缘膜9与保护膜6之间形成空腔15。
[0098] 代替供应过热蒸汽，可以将约200°C至约300°C (例如约250°C )的超临界水供应 给层间绝缘膜9。在该情况下，有机膜14通过供应超临界水而被溶解并且通过层间绝缘膜 9中的孔隙而被去除。因而，有机膜14被去除并且在层间绝缘膜9与保护膜6之间形成空 腔15。
[0099] 空腔15被形成在其中已经存在有机膜14的部分处。有机膜14已经被形成在覆 盖保护膜6的顶部以包含栅电极7、源电极4以及漏电极5的部分处。因此，空腔15被形成 在层间绝缘膜9与经由保护膜6的漏电极5的表面、栅电极7的表面、源电极4的表面，以 及连接部lla、llb的部分表面(和用于栅电极7的连接部的表面的一部分）之间。
[0100] 此后,通过后续步骤，例如接线12a、12b (和用于栅电极7的接线）的电连接等，形 成 AlGaN/GaN HEMT。
[0101] 如上所述，根据该示例，实现了在高频特性上优异的高可靠性且高耐压的AlGaN/ GaN HEMT，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小以充 分提高最大操作频率。
[0102] (其他实施例）
[0103] 在第一实施例及其修改的示例中，AlGaN/GaN HEMT例示为化合物半导体设备。作 为化合物半导体设备，本发明适用于除AlGaN/GaNHEMT之外的以下HEMT。
[0104] 其他HEMT示例1
[0105] 在该示例中，公开了一种InAlN/GaN HEMT作为化合物半导体设备。
[0106] InAIN和GaN是能够通过组成而使它们的晶格常数彼此接近的化合物半导体。在 该情况下，在以上所述的第一实施例及其修改的示例中，电子传输层由i-GaN制成，间隔层 由i-AIN制成，电子供给层由η-InAIN制成，并且盖层由η-GaN制成。进一步地，在该情况 下，几乎不发生压电极化，并且二维电子气因而主要通过InAIN的自发极化而被生成。
[0107] 根据该示例，与以上所述的AlGaN/GaN HEMT相类似地实现了在高频特性上优异的 高可靠性且高耐压的InAlN/GaN HEMT，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电 容能够尽可能多地减小以充分提高最大操作频率。
[0108] 其他HEMT示例2
[0109] 在该示例中，公开了一种InAlGaN/GaN HEMT作为化合物半导体设备。
[0110] GaN和InAlGaN是化合物半导体，其中由于组成而使得后者能够具有比前者更 小的晶格常数。在该情况下，在以上所述的第一实施例及其修改的示例中，电子传输层由 i_GaN制成，间隔层由i_AlN制成，电子供应层由n_InAlGaN制成，并且盖层由n _GaN制成。
[0111] 根据该示例，与以上所述的AlGaN/GaN HEMT相类似地实现了在高频特性上优异的 高可靠性且高耐压的InAlGaN/GaN HEMT，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生 电容能够尽可能多地减小以充分提高最大操作频率。
[0112] (第二实施例）
[0113] 在该实施例中，公开了一种M0S晶体管作为半导体设备。
[0114] 图8A至图10B以步骤顺序而说明了根据第二实施例的制造 M0S晶体管的方法的 示意性剖视图。
[0115] 首先，如图8A所示，经由栅极绝缘膜22而在Si衬底21上形成栅电极23。
[0116] 具体地，例如通过STI (浅槽隔离)方法而在Si衬底21上形成元件隔离区20。元 件隔离区20在Si衬底21上划分出元件区。
[0117] 接着，例如通过CVD方法等在Si衬底21上沉积氧化硅膜。由此形成栅极绝缘膜 22〇
[0118] 然后，例如通过CVD方法等在栅极绝缘膜上沉积多晶硅，并且通过光刻和干法蚀 刻而将栅极绝缘膜22和多晶硅处理成电极形状。由此经由栅极绝缘膜22而在Si衬底21 上形成栅电极23。
[0119] 随后，如图8B所示，形成源极区24和漏极区25。
[0120] 具体地，例如利用栅电极23作为掩模而将p型杂质(硼等）或η型杂质(磷、砷等） 离子注入到栅电极23的两侧上的Si衬底21的元件区中，并且对其进行热处理。由此在栅 电极23的两侧上的Si衬底21中形成源极区24和漏极区25。
[0121] 随后，如图8C所示，形成有机膜26。
[0122] 具体地，在Si衬底21的表面上完整地形成填充材料以覆盖栅电极23、源极区24 以及漏极区25。可以使用未作特别限制的光分解材料(例如有机材料)作为填充材料，只要 其具有通过波长大于等于约250nm且小于等于400nm的紫外线而分解的C xHy框架结构即 可。有机材料例如通过旋涂方法而被施加。注意，聚丙烯、聚碳酸酯等也可以用作填充材料。 由此在Si衬底21上形成将栅电极23嵌入的有机膜26。
[0123] 随后，如图9A所示，对有机膜26进行处理。
[0124] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜26以使得有机膜26留在预定部分处。 在该实施例中，有机膜26留在计划用于形成稍后描述的空腔的部分（即从而包含栅电极 23、源极区24以及漏极区25)处。
[0125] 随后，如图9B所示，形成层间绝缘膜27。
[0126] 具体地，在Si衬底21的表面上完整地形成具有使紫外线透过的特性并且为低介 电常数材料的多孔绝缘材料以覆盖有机膜26。使用例如多孔硅石作为多孔绝缘材料。也可 以使用除多孔硅石之外的包含Si作为组分的有机硅氧烷或氢氧硅氧烷或上述两者。进一 步地，也可以使用包含Si作为组分的有机聚合物作为多孔绝缘材料。由此在Si衬底21之 上形成了覆盖有机膜26的层间绝缘膜27。
[0127] 随后，如图9C所示，在有机膜26以及层间绝缘膜27中形成接触孔28a、28b。
[0128] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜26和层间绝缘膜27。因而，在有机膜 26和层间绝缘膜27中形成使源极区24的表面的一部分、漏极区25的表面的一部分以及栅 电极23的表面的一部分露出的接触孔。在图9C中，仅示出使源极区24的表面的一部分和 漏极区25的表面的一部分露出的接触孔28a、28b。
[0129] 随后，如图10A所示，形成接线30a、30b。
[0130] 具体地，例如通过溅射方法而在层间绝缘膜27的整个表面上首先沉积TiW/Au作 为导电膜(在此为两层金属膜）以填充接触孔28a、28b。金属膜被形成为使得TiW被形成为 层间绝缘膜27上的下层以覆盖接触孔28a、28b的内壁表面并且Au被形成为层间绝缘膜27 上的上层以经由TiW来填充接触孔28a、28b。注意，金属膜被形成用以类似地填充使栅电极 23的表面的一部分露出的接触孔。
[0131] 随后，抗蚀剂被施加到金属膜上并且通过光刻被处理以形成为具有与金属膜上的 期望接线相对应的开口的抗蚀剂掩模。例如通过镀Au方法来以Au填充抗蚀剂掩模的开口， 并且通过灰化或湿法处理来去除抗蚀剂掩模。
[0132] 然后，通过光刻和干法蚀刻去除在层间绝缘膜27上的多余的金属膜。由此形成在 层间绝缘膜27上延伸且经由通过以TiW/Au填充接触孔28a、28b所制成的连接部29a、29b 而电连接到源极区24和漏极区25的接线30a、30b。注意，与接线30a、30b相类似地也形成 经由通过以TiW/Au填充接触孔所制成的连接部而电连接到栅电极23的接线。
[0133] 随后，如图10B所示，去除有机膜26以在层间绝缘膜27中形成空腔31。
[0134] 具体地，将波长大于等于约250nm且小于等于约400nm (例如约254nm)的紫外线 在真空中施加到层间绝缘膜27。由于层间绝缘膜27是具有使紫外线透过的特性的多孔绝 缘材料，因此所施加的紫外线穿过层间绝缘膜27并且到达有机膜26。有机膜26是具有被 紫外线分解的特性的材料，并且因而通过施加紫外线而被光分解并且通过层间绝缘膜27 中的孔隙而被去除。因而，有机膜26被去除并且在层间绝缘膜27与栅电极23、源极区24 以及漏极区25之间形成空腔31。
[0135] 空腔31被形成在其中已经存在层间绝缘膜27和有机膜26的部分处。有机膜26 已经被形成在包含栅电极23、源极区24以及漏极区25的部分处。因此，空腔31被形成在 层间绝缘膜27与栅电极23的表面、源极区24的表面、漏极区25的表面以及连接部29a、 29b的部分表面(和用于栅电极23的连接部的表面的一部分）之间。
[0136] 此后，通过后续步骤，例如接线30a、30b (和用于栅电极23的接线）的电连接等， 形成M0S晶体管。
[0137] 如上所述，根据该实施例，实现了在防止信号传输延迟上优异的高可靠性的M0S 晶体管，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小以充分 提1?最大操作频率。
[0138] (修改的示例）
[0139] 在下文中，将描述根据第二实施例的M0S晶体管的修改示例。在该示例中，公开了 一种M0S晶体管，其如在第二实施例中那样但是与第二实施例的不同之处在于形成层间绝 缘膜中的空腔的形式不同。
[0140] 图11A至图12C是依次说明根据第二实施例的修改示例的制造 M0S晶体管的方法 的主要步骤的示意性剖面图。注意，与在第二实施例中的相同的构件等将用相同的附图标 记来表不并且将省略其详细描述。
[0141] 在该示例中，首先执行如第二实施例中的图8A至图8B中的步骤。此时，在Si衬 底21中形成源极区24和漏极区25。
[0142] 随后，如图11A所示，形成有机膜32。
[0143] 具体地，在Si衬底21的表面上完整地形成填充材料以覆盖栅电极23、源极区24 以及漏极区25。使用在过热蒸汽或超临界水中溶解的材料(在此是作为有机材料的聚乙烯） 作为填充材料。通过例如旋涂方法施加聚乙烯。也可以使用聚丙烯、聚碳酸酯等替代聚乙 烯作为填充材料。由此在Si衬底21上形成使栅电极23嵌入的有机膜32。
[0144] 随后，如图11B所示，对有机膜32进行处理。
[0145] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜32以使得有机膜32留在预定部分处。 在该实施例中，有机膜32留在计划用于形成稍后描述的空腔的部分（S卩，以包含栅电极23、 源极区24以及漏极区25)处。
[0146] 随后，如图11C所示，形成层间绝缘膜27。
[0147] 具体地，在Si衬底21的表面上完整地形成具有使过热蒸汽或超临界水透过的特 性且为低介电常数材料的多孔绝缘材料以覆盖有机膜32。使用例如多孔硅石作为多孔绝 缘材料。也可以使用除多孔硅石之外的包含Si作为组分的有机硅氧烷或氢氧硅氧烷或上 述两者。进一步地，也可以使用包含Si作为组分的有机聚合物作为多孔绝缘材料。由此在 Si衬底21之上形成覆盖有机膜32的层间绝缘膜27。
[0148] 随后，如图12A所示，在有机膜32和层间绝缘膜27中形成接触孔28a、28b。
[0149] 具体地，通过光刻和干法蚀刻来处理有机膜32和层间绝缘膜27。因而，在有机膜 32和层间绝缘膜27中分别形成使源极区24的表面的一部分、漏极区25的表面的一部分以 及栅电极23的表面的一部分露出的接触孔。在图12A中，仅示出使源极区24的表面的一 部分和漏极区25的表面的一部分露出的接触孔28a、28b。
[0150] 随后，如图12B所示，形成接线30a、30b。
[0151] 具体地，例如通过溅射方法在层间绝缘膜27的整个表面上首先沉积TiW/Au作为 导电膜(在此为两层金属膜）以填充接触孔28a、28b。金属膜被形成为使得TiW被形成为层 间绝缘膜27上的下层以覆盖接触孔28a、28b的内壁表面并且Au被形成为层间绝缘膜27上 的上层以经由TiW填充接触孔28a、28b。注意，金属膜被形成用以类似地填充使栅电极23 的表面的一部分露出的接触孔。
[0152] 随后，抗蚀剂被施加到金属膜上并且通过光刻而被处理以形成为具有与在金属膜 上的期望接线相对应的开口的抗蚀剂掩模。例如通过镀Au方法而以Au填充抗蚀剂掩模的 开口，并且通过灰化或湿法处理来去除抗蚀剂掩模。
[0153] 然后，通过光刻和干法蚀刻来去除在层间绝缘膜27上的多余的金属膜。由此形成 在层间绝缘膜27上延伸且经由通过以TiW/Au填充接触孔28a、28b所制成的连接部29a、 29b电连接到源极区24和漏极区25的接线30a、30b。注意，与接线30a、30b相类似地也形 成经由通过以TiW/Au填充接触孔所制成的连接部电连接到栅电极23的接线。
[0154] 随后，如图12C所示，去除有机膜32以在层间绝缘膜27中形成空腔33。
[0155] 具体地，将约200°C至约300°C (例如约250°C )的过热蒸汽供应给层间绝缘膜27。 由于层间绝缘膜27是具有使过热蒸汽透过的特性的多孔绝缘材料，因此所供应的过热蒸 汽穿过层间绝缘膜27并且到达有机膜32。有机膜32是具有在过热蒸汽中溶解的特性的 材料，并且因而通过供应过热蒸汽而被溶解并且通过层间绝缘膜27中的孔隙而被去除。因 而，有机膜32被去除并且在层间绝缘膜27与栅电极23、源极区24以及漏极区25之间形成 空腔33。
[0156] 代替供应过热蒸汽，可以将约200°C至约300°C (例如约250°C)的超临界水供应给 层间绝缘膜27。在该情况下，有机膜32通过供应超临界水而溶解并且通过层间绝缘膜27 中的孔隙而被去除。因而，有机膜32被去除并且在层间绝缘膜27与栅电极23、源极区24 以及漏极区25之间形成空腔33。
[0157] 空腔33被形成在其中已经存在层间绝缘膜27和有机膜32的部分处。有机膜32 已经被形成在包含栅电极23、源极区24以及漏极区25的部分处。因此，空腔33被形成在 层间绝缘膜27与栅电极23的表面、源极区24的表面、漏极区25的表面以及连接部29a、 29b的部分表面(和用于栅电极7的连接部的表面的一部分）之间。
[0158] 此后，通过后续步骤，例如接线30a、30b (和用于栅电极23的接线）的电连接等， 形成M0S晶体管。
[0159] 如上所述，根据该实施例，实现了在防止信号传输延迟上优异的高可靠性的M0S 晶体管，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小以充分 提1?最大操作频率。
[0160] (第三实施例）
[0161] 在该实施例中，公开了一种电源设备，其中第一实施例或其修改不例中的AlGaN/ GaN HEMT被应用于该电源设备。
[0162] 图13是说明根据第三实施例的电源设备的示意性结构的连接图。
[0163] 根据该实施例的电源设备包括高压初级侧电路41、低压次级侧电路42、以及设于 初级侧电路41与次级侧电路42之间的变压器43。
[0164] 初级侧电路41包括AC电源44、所谓的桥式整流电路45、以及多个(此处为四个） 开关元件46a、46b、46c、46d。进一步地，桥式整流电路45具有开关元件46e。
[0165] 次级侧电路42包括多个(此处为三个）开关元件47a、47b、47c。
[0166] 在该实施例中，初级侧电路41中的开关兀件46a、46b、46c、46d、46e均为根据第一 实施例或其修改示例的AlGaN/GaN HEMT。另一方面，次级侧电路42的开关元件47a、47b、 47c均为使用硅的常规MIS FET。
[0167] 在该实施例中，将在高频特性上优异的高可靠性且高耐压的AlGaN/GaN HEMT应用 于高压电路，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小以 充分提高最大操作频率。因此，实现了高可靠性的大型电源电路。
[0168] (第四实施例）
[0169] 在该实施例中，公开了一种高频放大器，其中根据第一实施例或其修改不例的 AlGaN/GaN HEMT被应用于该高频放大器。
[0170] 图14是说明根据第四实施例的高频放大器的示意性结构的连接图。
[0171] 根据该实施例的高频放大器包括数字预失真电路51、混频器52a、混频器52b以及 功率放大器53。
[0172] 数字预失真电路51补偿输入信号中的非线性失真。混频器52a将其非线性失真 被补偿的输入信号与AC信号进行混频。功率放大器53将与AC信号混频的输入信号放大， 并且具有根据第一实施例或其修改示例的AlGaN/GaN HEMT。在图14中，通过例如开关的切 换，能够通过混频器52b将输出侧信号与AC信号进行混频，并且结果能够被发送到数字预 失真电路51。
[0173] 在该实施例中，在高频特性上优异的高可靠性且高耐压的AlGaN/GaN HEMT被应用 于高频放大器，其中由于栅电极周围的层间绝缘膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小 以充分提高最大操作频率。因此，实现了高可靠性和高耐压的放大器。
[0174] 根据以上实施例，实现了高可靠性的半导体设备，其中由于电极周围的层间绝缘 膜而引起的寄生电容能够尽可能多地减小以充分提高最大操作频率。
【权利要求】
1. 一种半导体设备，包括： 第一电极； 第二电极； 形成在所述第一电极和所述第二电极之上的层间绝缘膜；以及 分别电连接到所述第一电极和所述第二电极的连接部， 其中，在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述第二电极的表面以及所述连接 部的部分表面之间形成空腔。
2. 根据权利要求1所述的半导体设备， 其中，所述层间绝缘膜由多孔绝缘材料制成。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体设备，还包括： 化合物半导体层， 其中，所述第一电极和所述第二电极被形成于所述化合物半导体层之上。
4. 根据权利要求1所述的半导体设备， 其中，形成保护膜，该保护膜直接覆盖所述第一电极的表面的一部分、所述第二电极的 表面的一部分以及所述连接部的部分表面，并且 其中，所述空腔被形成于所述层间绝缘膜与所述保护膜之间。
5. -种制造半导体设备的方法，包括： 形成第一电极； 形成第二电极； 用填充材料覆盖所述第一电极和所述第二电极； 形成覆盖所述填充材料的层间绝缘膜； 形成连接部，该连接部穿透所述填充材料和所述层间绝缘膜并且电连接到所述第一电 极和所述第二电极；以及 去除所述填充材料以在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述第二电极的表面 以及所述连接部的部分表面之间形成空腔。
6. 根据权利要求5所述的制造半导体设备的方法， 其中，所述层间绝缘膜由多孔绝缘材料制成，并且 其中，通过所述层间绝缘膜中的孔隙来去除所述填充材料以形成所述空腔。
7. 根据权利要求6所述的制造半导体设备的方法， 其中，所述填充材料是光分解材料，并且 其中，所述填充材料通过光分解而被去除。
8. 根据权利要求7所述的制造半导体设备的方法， 其中，所述层间绝缘膜由具有使紫外线透过的特性的材料制成，并且 其中，将紫外线施加到所述层间绝缘膜以使所述填充材料光分解。
9. 根据权利要求8所述的制造半导体设备的方法， 其中，将波长大于等于250nm且小于等于400nm的紫外线施加到所述层间绝缘膜。
10. 根据权利要求6所述的制造半导体设备的方法， 其中，所述填充材料是在过热蒸汽或超临界水中溶解的材料，并且 其中，所述填充材料通过过热蒸汽或超临界水而被溶解并去除。
11. 根据权利要求5至10中任一项所述的制造半导体设备的方法， 其中，所述第一电极和所述第二电极被形成于化合物半导体层之上。
12. -种包括变压器以及跨所述变压器的高压电路和低压电路的电源电路， 所述高压电路包括晶体管， 所述晶体管包括： 第一电极； 第二电极； 形成于所述第一电极和所述第二电极之上的层间绝缘膜；以及 分别电连接到所述第一电极和所述第二电极的连接部， 其中，在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述第二电极的表面以及所述连接 部的部分表面之间形成空腔。
13. -种用于放大被输入的高频电压并且输出所产生的高频电压的高频放大器，所述 商频放大器包括： 晶体管， 所述晶体管包括： 第一电极； 第二电极； 形成于所述第一电极和所述第二电极之上的层间绝缘膜；以及 分别电连接到所述第一电极和所述第二电极的连接部， 其中，在所述层间绝缘膜与所述第一电极的表面、所述第二电极的表面以及所述连接 部的部分表面之间形成空腔。
【文档编号】H01L21/441GK104112672SQ201410132262
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2013年4月16日
【发明者】尾崎史朗, 冈本直哉, 牧山刚三, 多木俊裕 申请人:富士通株式会社