JPH1032213A

JPH1032213A - 半導体素子

Info

Publication number: JPH1032213A
Application number: JP18765196A
Authority: JP
Inventors: Daijiro Inoue; 大二朗井上; Shigeyuki Murai; 成行村井; Hisaaki Tominaga; 久昭冨永; Hitoshi Hirano; 均平野; Keiichi Kuramoto; 慶一蔵本; Yoichi Domoto; 洋一堂本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1996-07-17
Publication date: 1998-02-03

Abstract

(57)【要約】【課題】素子表面側から発熱部の熱を効果的に放散し
得る構造を備えた半導体素子を提供する。【解決手段】半導体層１２上にゲート電極１３、ソー
ス電極１４及びドレイン電極１５を形成し、半導体層１
２の表面を保護層で被覆してなる半導体素子１１におい
て、保護層として、非晶質構造を有する炭素膜１６を用
いたことを特徴とする半導体素子１１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放熱効果を高める
ための構造が素子表面側に備えられた半導体素子に関
し、例えば、高出力トランジスタのように発熱量が比較
的大きく、従って、発生した熱量を効果的に放散し得る
構造が求められる用途に適した半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】高出力トランジスタなどの半導体素子で
は、発熱による特性の劣化を防止するためにヒートシン
クなどを用いた放熱構造が設けられていることが多い。
例えば、高出力の電界効果型トランジスタでは、チャネ
ル部における発熱が著しいため、チャネル部の温度を、
例えば５０℃以下のように、ある温度以下に保つため
に、種々の放熱構造が提案されている。これを、図１４
及び図１５を参照して説明する。

【０００３】図１４は、従来の半導体素子の一例として
の電界効果型トランジスタを説明するための断面図であ
る。電界効果型トランジスタ１は、ＧａＡｓなどの半導
体材料よりなる半導体層２の上面にゲート電極３、ソー
ス電極４及びドレイン電極５を形成した構造を有する。
半導体層２上には、電極３〜５を覆うように、ＳｉＮ膜
またはＳｉＯ₂膜などからなる熱導電性が低い絶縁膜６
が形成されている。また、半導体層２の下面には、銅な
どの熱伝導性に優れた金属材料よりなるヒートシンク７
が接合されている。

【０００４】電界効果型トランジスタ１では、動作に際
し半導体層２内のチャネル部２ａが発熱する。発生した
熱量は、放熱効果に優れたヒートシンク７を介して放散
される。しかしながら、半導体層２の厚みは約数十μｍ
〜数百μｍ程度と厚く、チャネル部２ａからヒートシン
ク７までの距離がさほど短くないため、熱放散効果は十
分でなく、特に高出力型の電界効果型トランジスタで
は、チャネル部をトランジスタ特性の劣化を引き起こさ
ない温度に維持することが困難であるという問題があっ
た。

【０００５】電界効果型トランジスタ１の表面側、すな
わち半導体層２の電極３〜５が設けられている側では、
チャネル部２ａから素子表面１ａまでの距離が比較的短
い。従って、表面１ａ側から熱を放散する構造を設けれ
ば、電界効果型トランジスタの放熱効果を高め得ると考
えられる。

【０００６】図１５は、素子表面側からの放熱を促進す
る構造が設けられた従来の半導体素子を示す断面図であ
る。ここでは、電界効果型トランジスタ１がヒートシン
ク７上に上下逆転されて取り付けられている。すなわ
ち、半導体層２の下面に、ゲート電極３、ソース電極４
及びドレイン電極５が形成されている。ソース電極４及
びドレイン電極５は、それぞれ、図示のようにＳｉＮ膜
やＳｉＯ₂膜などからなる絶縁膜６を貫き下方に延ばさ
れている。そして、ソース電極４及びドレイン電極５の
下端がヒートシンク７に接合されている。

【０００７】図１５に示した電界効果型トランジスタ８
では、チャネル部２ａで発生した熱は、半導体よりも熱
導電性が高い電極材料を介してヒートシンク７に伝達さ
れる。他方、ソース電極４及びドレイン電極５とヒート
シンク７との間の距離は、半導体層２の厚みよりも小さ
い。従って、図１４に示した電界効果型トランジスタ１
の場合に比べてチャネル部２ａで発生した熱をより効果
的に放散させることができる。

【０００８】しかしながら、チャネル部２ａで発生した
熱は、ソース電極４及びドレイン電極５に伝達されるま
では、半導体層２内を半導体層２の表面と平行な方向に
すなわち、横方向に伝搬する。従って、出力の大きな電
界効果型トランジスタの場合には、放熱効果がなお十分
ではなく、かつ動作の安定性が損なわれるという問題が
あった。

【０００９】よって、本発明の目的は、特性の劣化を引
き起こし難く、半導体素子表面側から効果的に熱を放散
し得る構造を備えた半導体素子を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の広い局面によれ
ば、半導体層と、半導体層上に形成された電極と、半導
体層上の電極を被覆するように形成された保護層とを備
える半導体素子において、上記半導体層の少なくとも発
熱部分の上方において、保護層が非晶質構造を有する炭
素膜を有するように構成されていることを特徴とする半
導体素子が提供される。

【００１１】本発明にかかる半導体素子では、半導体素
子の表面側に設けられる保護層の少なくとも一部が、上
記非晶質構造を有する炭素膜により構成されている。非
晶質構造を有する炭素膜とは、全体が非晶質構造である
非晶質炭素膜だけでなく、部分的に炭素の微結晶部分が
存在する非晶質炭素膜をも含むものとする。この非晶質
構造を有する炭素膜は、後述の発明の実施形態の説明か
ら明らかなように、従来から用いられているＳｉＮ膜や
ＳｉＯ₂膜などに比べて十分な熱伝導性を有するため、
半導体素子の発熱部分で発生した熱を半導体素子の表面
側から効果的に放散させる。なお、半導体素子の表面と
は、以下、半導体層上に電極が形成されている側の素子
表面をいうものとする。

【００１２】本発明の半導体素子では、上記非晶質構造
を有する炭素膜は、保護層の少なくとも一部を構成して
いるが、なかでも、半導体層の少なくとも発熱部分の上
方に配置される。ここでは、発熱部分とは、半導体素子
の構造にもよるが、動作させたときに発熱する部分を言
い、例えば電界効果型トランジスタでは、チャネル部を
指す。本発明の半導体素子では、半導体層の少なくとも
発熱部分の上方において、保護層が、非晶質構造を有す
る炭素膜を有するように構成されており、該非晶質構造
を有する炭素膜の熱伝導性が高く、さらに半導体層に比
べて薄いので、半導体素子の表面側から発熱部分におい
て発生した熱が効果的に放散される。すなわち、本発明
にかかる半導体素子は、素子表面側に保護層として設け
られている絶縁材料層の一部に、上記非晶質構造を有す
る炭素膜を用いたことにより、素子表面側からの熱放散
性を高めたことに特徴を有する。

【００１３】本発明の特定的な局面では、上記非晶質構
造を有する炭素膜は、素子表面側に比べて、半導体層側
が水素含有濃度が高くなるように傾斜機能構造を有する
ように構成される。この場合、非晶質構造を有する炭素
膜の半導体層側とは、半導体層に直接接している面側だ
けでなく、非晶質構造を有する炭素膜と半導体層との間
に他の材料層、例えば、絶縁材料よりなる中間層が形成
されている場合には、該中間層と接触する側をいうもの
とする。

【００１４】非晶質構造を有する炭素膜が、上記傾斜機
能構造を有する場合には、非晶質構造を有する炭素膜の
半導体層側の水素含有濃度が高くされているため、半導
体層側における内部応力が低減される。従って、非晶質
構造を有する炭素膜を下地となる半導体層や他の材料層
上に形成するに際し、内部応力の低減により、下地とな
る半導体層や他の材料層の反りを防止することができる
とともに、非晶質構造を有する炭素膜の剥離を効果的に
防止することができる。

【００１５】また、本発明にかかる半導体素子では、非
晶質構造を有する炭素膜と、半導体層との間に絶縁材料
よりなる中間層が形成されていてもよく、この場合に
は、該中間層と非晶質構造を有する炭素膜とにより前記
保護層が構成されることになる。

【００１６】本発明のある限定的な局面によれば、上記
半導体素子は電界効果型トランジスタであり、半導体層
上に、電極としてゲート電極、ドレイン電極及びソース
電極が形成されており、少なくとも、ソース電極とドレ
イン電極とが形成されている部分間の半導体層に構成さ
れているチャネル部上に、上記非晶質構造を有する炭素
膜が保護層として配置されている半導体素子が提供され
る。この場合、動作に際しチャネル部が発熱したとして
も、発生した熱は、上記非晶質構造を有する炭素膜を介
して素子表面側から効果的に放散される。

【００１７】また、本発明の別の限定的な局面によれ
ば、上記半導体素子が電界効果型トランジスタであり、
上記電極としてゲート電極、ソース電極及びドレイン電
極が形成されており、かつソース電極及びドレイン電極
上に絶縁材料層が形成されており、該絶縁材料層間にお
いて非晶質構造を有する炭素膜が配置されている半導体
素子が提供される。この構造においても、熱伝導性に優
れた非晶質構造を有する炭素膜が、ソース電極及びドレ
イン電極上に形成された絶縁材料層間に配置されてお
り、従って、ソース電極とドレイン電極との間のチャネ
ル部上に非晶質構造を有する炭素膜が配置されることに
なるため、チャネル部で発生した熱が非晶質構造を有す
る炭素膜を介して素子表面側から効果的に放散される。

【００１８】上記のように、チャネル部上に非晶質構造
を有する炭素膜を保護層として配置した構造、並びにソ
ース電極及びドレイン電極上に絶縁材料層を形成し、該
絶縁材料層間に非晶質構造を有する炭素膜を配置した構
造の何れにおいても、非晶質構造を有する炭素膜に前述
した傾斜機能構造を与えてもよく、また非晶質構造を有
する炭素膜と半導体層との間に上記絶縁材料よりなる中
間層を形成したもよい。

【００１９】さらに、本発明の半導体素子では、保護層
が形成されている側とは反対側の面にヒートシンクが接
合されていてもよく、それによって半導体素子の裏面側
から熱を効果的に放散させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明に
かかる半導体素子の実施例を説明する。図１は、本発明
の第１の実施例にかかる半導体素子を説明するための断
面図である。本実施例は、電界効果型トランジスタに適
用したものであり、半導体素子１１は、半導体層１２上
に、ゲート電極１３、ソース電極１４及びドレイン電極
１５を形成した構造を有する。

【００２１】半導体層１２は、厚みが３０〜１００μｍ
程度であり、ＧａＡｓやＳｉ系半導体材料により構成さ
れており、ソース電極１４とドレイン電極１５との間の
チャネル部１２ａが動作に際して発熱する領域となる。

【００２２】ゲート電極１３は、例えばＡｕ／Ｐｄ／Ｔ
ｉ三層構造材等の金属材料により、ソース電極１４及び
ドレイン電極１５は、例えばＡｕ／Ｎｉ二層構造やＡｕ
−Ｇｅ合金などの金属材料により構成されている。

【００２３】半導体層１２上には、３０００〜１０００
０Å程度の厚みの非晶質構造を有する炭素膜１６が形成
されている。非晶質構造を有する炭素膜１６は、本実施
例では保護層と、放熱機能を与える層の双方の機能を有
するものとして構成されている。また、非晶質構造を有
する炭素膜１６は、後述するように厚み方向に傾斜機能
構造を有するように構成されている。

【００２４】上記半導体層１２、ゲート電極１３、ソー
ス電極１４、ドレイン電極１５及び非晶質構造を有する
炭素膜１６から構成されるチップ１７の裏面側にはヒー
トシンク１８が接合されている。ヒートシンク１８は、
銅などの金属により構成されている。

【００２５】本実施例の半導体素子１１では、動作の際
にチャネル部１２ａが発熱するが、発生した熱は、非晶
質構造を有する炭素膜１６と、ヒートシンク１８とによ
り放散され、それによってチャネル部１２ａの温度を例
えば５０℃以下に安定に保つことができる。

【００２６】非晶質構造を有する炭素膜と、他の絶縁性
材料よりなる膜の特性を下記の表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１から明らかなように、非晶質構造を有
する炭素膜は、熱伝導率が４００〜１０００Ｗ／ｍ・ｋ
と、Ｓｉ₃Ｎ₄膜やＳｉＯ₂膜に比べて１桁以上熱伝導
率が高い。従って、厚みが薄い保護層に非晶質構造を有
する絶縁膜を用いることにより、熱を効果的に放散し得
ることがわかる。なお、非晶質構造を有する炭素膜の熱
伝導率が４００〜１０００Ｗ／ｍ・ｋと幅があるのは、
非晶質構造を有する炭素膜の水素含有濃度の違いによる
ものである。

【００２９】上記のように、本実施例では、熱伝導率が
極めて高い非晶質構造を有する炭素膜１６により保護層
が構成されているため、チャネル部１２ａに近い素子表
面側から効果的に熱を放散させることができる。しか
も、素子裏面側においても、発生した熱がヒートシンク
１８から効果的に放散され得る。

【００３０】さらに、本実施例では、非晶質構造を有す
る炭素膜１６は、前述したように、素子表面側に比べ
て、半導体層１２側が水素含有濃度が高くなるように厚
み方向に傾斜機能構造を有する。従って、半導体層１２
上に、半導体層１２に反りを生じさせることなく成膜す
ることができ、かつ非晶質構造を有する炭素膜１６の剥
離が生じ難い。これを、図２〜図８を参照して説明す
る。

【００３１】図２は、非晶質構造を有する炭素膜を基板
上に形成した状態を説明するための断面図である。基板
２０上に、非晶質構造を有する炭素膜２１が形成されて
おり、該非晶質構造を有する炭素膜２１は、基板２０か
ら炭素膜２１の表面に向けて連続的に水素濃度が低くな
るような傾斜機能構造を有するように構成されている。
このようにして、水素濃度が基板２０側において高くさ
れているため、基板２０に接する側の内部応力や硬度が
小さくされているため、基板２０に反りを与えることな
く非晶質構造を有する炭素膜２１を形成することがで
き、かつ該非晶質構造を有する炭素膜２１の剥離も生じ
難い。

【００３２】また、本発明における厚み方向に傾斜機能
構造を有する炭素膜は、図２に示したように厚み方向に
連続的に水素濃度が変化されているものに限定されず、
図３に示す非晶質構造を有する炭素膜２２のように、水
素濃度が相対的に低い層２２ａと、水素濃度が相対的に
高い層２２ｂとを有するように階段状に水素濃度が変化
されて傾斜機能構造が設けられていてもよい。

【００３３】また、上記傾斜機能構造を階段状に形成さ
れる場合、図３に示した２層構造のものに限定されず、
３層以上の多層構造として傾斜機能構造を設けてもよ
い。上記のような傾斜機能構造を有する非晶質炭素膜の
形成は、例えば図４に示すＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を
用いて行うことができる。図３を参照して、真空チャン
バ３１の内部にはプラズマ発生室３２と、基板２０が配
置される反応室が設けられている。プラズマ発生室３２
には、導波管３３の一端が取り付けられており、導波管
３３の他端にはマイクロ波供給手段３４が設けられてい
る。マイクロ波供給手段３４で発生したマイクロ波が、
導波管３３及びマイクロ波導入窓３５を通って、プラズ
マ発生室３２に導かれる。

【００３４】プラズマ発生室３２には、プラズマ発生室
３２内にアルゴン（Ａｒ）ガス等の放電ガスを導入させ
るための放電ガス導入管３６が設けられている。また、
プラズマ発生室３２の周囲には、プラズマ磁界発生装置
３７が設けられている。真空チャンバ３１内の反応室に
は、ドラム状の基板ホルダー３８が図４の紙面に垂直な
回転軸のまわりを回転し得るように設けられている。基
板ホルダー３８には、モーター（図示せず）が連結され
ている。基板ホルダー３８の外周面には、複数の基板２
０が等しい間隔で装着されている。基板ホルダー３８に
は、高周波電源３９が接続されている。

【００３５】また、基板ホルダー３８の周囲には、金属
製の筒状のシールドカバー４０が基板ホルダー３８から
所定の距離を隔てて設けられている。シールドカバー４
０は、アース電位に接続されている。

【００３６】シールドカバー４０には、開口部４１が形
成されており、開口部４１を通り、プラズマが基板２０
に放射されるように構成されている。真空チャンバー３
１内には、反応ガス導入管４２が設けられている。反応
ガス導入管４２の先端は、開口部４１の上方に位置して
いる。

【００３７】図５は、上記反応ガス導入管４２の先端部
分近傍を示す平面図である。図５を参照して、反応ガス
導入管４２は、外部から真空チャンバー内にＣＨ₄ガス
を導入するガス導入部４２ａと、ガス導入部４２ａに対
して垂直方向に接続されたガス放出部４２ｂとを有す
る。ガス放出部４２ｂは、基板ホルダー３８の回転方向
Ａに対して垂直方向に配置されており、かつ開口部４１
の上方の回転方向上流側に位置するように設けられてい
る。ガス放出部４２ｂには、下方に向けて約４５°の方
向に複数の孔４３が形成されている。複数の孔４３が設
けられているため、ＣＨ₄ガスが、該孔４３からほぼ均
等に放出される。

【００３８】上記装置を用い、基板２０上に、図２に示
した非晶質構造を有する炭素膜を形成する方法の一例を
具体的に説明する。まず、真空チャンバー３１内を例え
ば１０^-5〜１０^-7Ｔｏｒｒに配置し、基板ホルダー３８
を所定の速度で回転させる。次に、放電ガス導入管３６
からＡｒガスを５．７×１０^-4Ｔｏｒｒで供給し、マイ
クロ波供給手段３４から、２．４５ＭＨｚ、１００Ｗの
マイクロ波を供給し、プラズマ発生室３２内に発生した
Ａｒプラズマを基板２０の表面に放射する。これと同時
に、反応ガス導入管４２からＣＨ₄ガスを１．３×１０
^-3Ｔｏｒｒで供給しつつ、１３．５６ＭＨｚの高周波電
力を基板ホルダー３８に印加する。高周波電力の印加に
際しては、図６に示すように、基板に発生する自己バイ
アス電圧が成膜初期において０Ｖであり、成膜終了時の
１５分後において−１５０Ｖとなるように高周波電力を
調整しつつ印加した。

【００３９】上記の工程により、基板２０上に、膜厚３
０００Åの非晶質構造を有する炭素膜２０を形成するこ
とができた。図７は、基板ホルダーに発生する自己バイ
アス電圧と、該自己バイアス電圧のときに形成される非
晶質構造を有する炭素膜の硬度、内部応力及び水素濃度
との関係を示す図である。これらの測定値は、図４に示
す装置において、基板ホルダー３８に発生する自己バイ
アス電圧を一定にした条件で非晶質構造を有する炭素膜
を形成し、得られた炭素膜の各特性を測定することによ
り得た数値である。また、図７における各特性は、自己
バイアス電圧を変化させて非晶質構造を有する炭素膜を
形成し、各特性値を測定することにより、これらの関係
を求めて作製したものである。

【００４０】図７から明らかなように、自己バイアス電
圧を変化させることにより、硬度、内部応力及び水素濃
度を変化させ得ることがわかる。従って、非晶質構造を
有する炭素膜２１の形成に際し、自己バイアス電圧を０
から−１５０Ｖに変化させることにより、厚み方向に傾
斜機能構造を有する炭素膜を形成し得ることがわかる。
すなわち、非晶質構造を有する炭素膜の基板２０側の界
面近傍において、水素含有濃度が高く、表面側において
水素含有濃度が低くなるように傾斜機能構造を与えれ
ば、基板２０との界面近傍における硬度及び応力を低め
ることができ、基板２０に対する非晶質構造を有する炭
素膜２１の密着性を高め得ることがわかる。

【００４１】次に、図３に示した２層構造の非晶質構造
を有する炭素膜２２の形成方法の一例を説明する。炭素
膜の形成条件は、自己バイアス電圧以外は、上述した炭
素膜２１の形成の場合と同様とした。自己バイアス電圧
については、図８に示すように、成膜開始から５分後ま
での５分間について０Ｖとし、その後の１５分後までの
間の１０分間は−１５０Ｖとした。このような工程によ
り、基板２０上に、膜厚３０００Åの非晶質構造を有す
る炭素膜２２を形成した。この場合、自己バイアス電圧
０Ｖに形成された層が、図３に示した相対的に水素含有
濃度が高い非晶質炭素膜２２ａとなり、自己バイアス電
圧−１５０Ｖで形成した層が非晶質炭素膜層２２ｂとな
る。

【００４２】上記のように、図４及び図５を参照して説
明した装置を用いることにより、厚み方向に傾斜機能構
造を有する非晶質炭素膜２１，２２を形成することがで
き、その場合、下地の基板２０に対する密着性が十分で
あり、下地の基板２０の反り等が生じ難いことがわか
る。

【００４３】図１に戻り、上述した実施例の半導体層１
１では、非晶質構造を有する炭素膜１６は、図２に示し
た非晶質構造を有する炭素膜２１と同様に構成されてい
る。従って、図４及び図５を参照して説明した装置を用
い、かつ前述した方法を実施例することにより、半導体
層１２に対する密着性に優れ、かつ半導体層１２の反り
が生じ難い、非晶質構造を有する炭素膜１６を形成し得
ることがわかる。

【００４４】次に、第１の実施例にかかる半導体素子１
において、チャネル部の発熱に伴う熱が素子表面側から
効果的に放散されることを、具体的な実験例に基づき説
明する。

【００４５】図１に示した第１の実施例の半導体素子１
１を、下記の具体的な条件で作製した。すなわち、半導
体層１２として、１００μｍの厚みのＧａＡｓ層、ゲー
ト電極１３としてＡｕ／Ｐｄ／Ｔｉ三層構造を有する厚
み５０００Åの電極を、ソース電極１４及びドレイン電
極１５として、Ａｕ／Ｎｉ二層構造よりなる厚み２００
０Åの電極を形成し、ゲート幅１ｍ当たり１００ｍＡの
電流が流れ得る電界効果型トランジスタを構成した。保
護層として、厚み５０００Åの非晶質構造を有する炭素
膜１６を前述した方法に従って、自己バイアス電圧を０
〜−１５０Ｖの間で変化させて作製した。また、ヒート
シンク１８については、銅リードフレームを用いた。

【００４６】上記のようにして得られた半導体素子１１
を動作させ、その素子表面温度を放射温度計で測定し
た。結果を図９に示す。図９における横軸の位置は、図
９の下方に示す半導体素子の非晶質構造を有する炭素膜
１６の一端から他端までの位置を示す。

【００４７】比較のために、図１４に示した従来の半導
体素子１についても、同様にして動作させて表面温度を
測定し、図１５に結果を示した。なお、比較のために用
意した半導体素子１では、保護膜６をＳｉＮ膜で構成し
たことを除いては、半導体素子１１と同様にして構成し
た。

【００４８】図９及び図１５から明らかなように、従来
の半導体素子１では、チャネル部２ａの上方において素
子表面温度が５０℃程度と高く、かつ保護膜６の領域に
よって表面温度に著しい差のあることがわかる。従っ
て、チャネル部における発熱を、素子表面側から十分に
放散させ得ないことがわかる。

【００４９】これに対して、第１の実施例にかかる半導
体素子１１では、非晶質構造を有する炭素膜の部分的な
表面温度差が少なく、かつチャネル部の上方において
も、表面温度が３４℃程度と低いことがわかる。従っ
て、半導体素子１１の表面側からチャネル部で発生した
熱を効果的に放散していることがわかる。

【００５０】第２の実施例図１０は、本発明の第２の実施例にかかる半導体素子を
説明するための断面図である。図１０において、半導体
素子５１は、電界効果型トランジスタに適用したもので
あり、第１の実施例の半導体素子１１と異なるところ
は、保護層の構成にあり、その他の点は同一であるた
め、第１の実施例と同一部分については、同一の参照番
号を付することによりその説明は省略する。

【００５１】第２の実施例にかかる半導体素子５１が異
なるところでは、保護層が、ソース電極１４及びドレイ
ン電極１５上に形成されている絶縁材料層５２，５３
と、絶縁材料層５２，５３間に形成された非晶質構造を
有する炭素膜５４とにより構成されていることにある。
図１０から明らかなように、非晶質構造を有する炭素膜
５４は、絶縁材料層５２，５３間に配置されているが、
端部において絶縁材料層５２，５３の上面に至るように
形成されている。

【００５２】絶縁材料層５２，５３は、ＳｉＮやＳｉＯ
₂などの従来より半導体素子の絶縁膜として慣用されて
いる適宜の材料で構成することができ、その厚みは、通
常、３０００〜１００００Å程度とされる。また、非晶
質構造を有する炭素膜５４についても同様の厚みとされ
ている。

【００５３】もっとも、本実施例では、非晶質構造を有
する炭素膜５４は、チャネル部１２ａが設けられている
領域上にだけ存在する。しかしながら、半導体素子５１
において動作に際し発熱する部分はチャネル領域１２ａ
であるため、チャネル領域１２ａの上方において保護層
の一部が非晶質構造を有する炭素膜５５で構成されてい
るので、第１の実施例の場合と同様に素子表面側から、
発熱部分すなわちチャネル部１２ａで発生した熱を効果
的に放散することができる。これを、図１１を参照して
具体的な実験例に基づき説明する。

【００５４】図１１は、第２の実施例にかかる半導体素
子５１を、図９に示した第１の半導体素子１１の場合と
同様にして構成し、その素子表面温度を測定した結果を
示す図である。半導体素子５１の作製にあたっては、図
９に示した半導体素子１１の場合と同様とし、ただし、
電極１４，１５上に厚み５０００ÅのＳｉＯ₂よりなる
絶縁材料層５２，５３を形成し、さらに同じく厚み５０
００Åの厚み方向に傾斜機能構造を有する非晶質構造を
有する炭素膜５４を形成した。この傾斜機能構造を有す
る炭素膜５４の形成方法は、図１に示した半導体素子１
１における非晶質構造を有する炭素膜１６と同様とし
た。図１１から明らかなように、第１の実施例の場合に
比べてチャネル部上方における素子表面温度が若干高く
なるものの、全体として表面温度分布のばらつきが少な
く、かつチャネル部１２ａ上における素子表面温度が３
５℃程度と、従来の半導体素子１の場合（図１５参照）
に比べて低め得ることがわかる。よって、第２の実施例
においても、素子表面側からチャネル部１２ａで発生し
た熱を効果的に放散し得ることがわかる。

【００５５】変形例上述した第１，第２にかかる半導体素子１１，５１で
は、非晶質構造を有する炭素膜が、半導体層上に直接形
成されていたが、図１２及び図１３にそれぞれ、断面図
で示すように、非晶質構造を有する炭素膜と、半導体層
１２との間に絶縁材料よりなる中間層６１，６２を形成
してもよい。

【００５６】図１２は、第１の実施例にかかる半導体素
子１１において上記中間層６１を形成した変形例を示
し、ここでは、厚み５０〜５００Å程度の中間層６１が
形成されている。この中間層を構成する材料としては、
従来より半導体素子において絶縁膜材料として慣用され
ている適宜の材料、例えば酸化シリコン膜、窒化シリコ
ン膜、窒化アルミニウム膜などを用いることができる。

【００５７】同様に、図１３に示す構造では、第２の実
施例において非晶質構造を有する炭素膜５４と半導体層
１２との間に同じく厚み５０〜５００Å程度の中間層６
２が形成されている。中間層６２についても、中間層６
１と同様に材料で構成することができる。

【００５８】図１２及び図１３に示した変形例では、非
晶質構造を有する炭素膜１６，５４と半導体層１２との
間に、上記中間層６１，６２が形成されているが、この
場合においても、中間層の厚みが５０〜５００Å程度と
比較的薄いため、やはりチャネル部１２ａで発生した熱
をチャネル部の上方に位置している非晶質構造を有する
炭素膜１６，５４により効果的に素子表面側に放散させ
ることができる。

【００５９】また、前述してきた第１，第２の実施例及
び上記変形例では、何れの場合においても、非晶質構造
を有する炭素膜１６，５４において、上記特定の傾斜機
能構造が与えられていたが、傾斜機能構造を有しない、
水素含有濃度が厚み方向において均一な非晶質構造を有
する炭素膜を用いてもよい。この場合には、例えば、図
４及び図５を参照して説明した装置を用いて非晶質構造
を有する炭素膜を形成する場合、上記自己バイアス電圧
は一定とすればよく、例えば、−５０Ｖとすることによ
り、水素含有濃度が２３％の均一な非晶質構造を有する
炭素膜を形成することができる。この場合においても、
非晶質構造を有する炭素膜の水素含有濃度が２３％であ
るため、その熱伝導率は７００Ｗ／ｍ・ｋ程度と、Ｓｉ
₃Ｎ₄膜やＳｉＯ₂膜に比べて熱伝導率が極めて高い。
従って、素子表面からチャネル部で発生した熱を効果的
に放散させることができる。

【００６０】また、上述してきた実施例及び変形例は、
電界効果型トランジスタに適用したものであるが、本発
明は、電界効果型トランジスタ以外の他の半導体素子、
特に動作に際して発生する熱量が大きい適宜の出力トラ
ンジスタなどに好適に使用することできることを指摘し
ておく。

【００６１】

【発明の効果】本発明のかかる半導体素子の広い局面に
よれば、半導体素子の少なくとも発熱部分の上方におい
て、保護層が非晶質構造を有する炭素膜を有するように
構成されているため、該非晶質構造を有する炭素膜の熱
伝導率が高く、かつ素子表面と発熱部分との間の距離が
短いため、発熱部分で発生した熱を半導体素子の表面側
から効果的に放散させることができる。従って、例え
ば、高出力トランジスタなどのように発熱量の大きな半
導体素子に利用した場合であっても、安定に動作し得る
半導体素子を構成することが可能となる。

【００６２】また、上記非晶質構造を有する炭素膜にお
いて、素子表面側に比べて半導体層側が水素含有濃度が
高くなるように構成した場合には、半導体層側において
非晶質構造を有する炭素膜の硬度及び内部応力が低減さ
れるため、下地となる半導体層や他の層に反りを生じる
ことなく、かつ下地に対する密着性に優れた非晶質構造
を有する炭素膜を形成することができる。

【００６３】また、非晶質構造を有する炭素膜と、半導
体層との間に絶縁材料よりなる中間層を形成した場合に
は、保護層が中間層及び非晶質構造を有する炭素膜によ
り構成されるが、この場合であっても、中間層の厚みが
かなり薄いため、非晶質構造を有する炭素膜の高熱伝導
性を利用して、同様に半導体素子表面から発熱部分で発
生した熱を効果的に放散させることができる。加えて、
中間層を形成した構造では、非晶質構造を有する炭素膜
の形成にあたり、該炭素膜の内部応力が半導体層に直接
加わり難いため、中間層を構成する絶縁材料を選択する
ことにより、より一層密着性に優れた非晶質構造を有す
る炭素膜を形成することができるとともに、半導体層の
反りを防止することができる。

【００６４】半導体素子が電界効果型トランジスタであ
り、少なくともチャネル部上に非晶質構造を有する炭素
膜が保護層として配置されている構成の場合には、上記
非晶質構造を有する炭素膜によりチャネル部で発生した
熱が素子表面側に効果的に放散されるため、出力を高め
た場合であっても安定に動作し得る電界効果型トランジ
スタを提供することができる。

【００６５】同様に、電界効果型トランジスタであり、
ソース電極及びドレイン電極上に絶縁材料層を形成し、
絶縁材料層間に非晶質構造を有する炭素膜を形成した構
造においも、ソース電極とドレイン電極との間のチャネ
ル部の上方に非晶質構造を有する炭素膜が位置すること
になるため、チャネル部で発生した熱を素子表面側に効
果的に放散させることができる。従って、出力を高めた
場合であっても安定に動作し得る電界効果型トランジス
タを提供することができる。

【００６６】さらに、本発明において半導体層の上記保
護層が形成されている側とは反対側の面にヒートシンク
を接合した構造では、ヒートシンクにより半導体素子の
裏面側からも熱が放散されるため、発熱部分における温
度上昇をより一層抑制することができる。従って、例え
ば出力トランジスタでは、トランジスタのより一層の高
出力化を果たすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例にかかる半導体素子を説
明するための断面図。

【図２】厚み方向に水素含有濃度が連続的に変化してい
る傾斜機能構造を有する炭素膜を説明するための断面
図。

【図３】厚み方向に水素含有濃度が異なる層が積層され
て傾斜機能構造が構成されている、非晶質構造を有する
炭素膜を説明するための断面図。

【図４】傾斜機能構造を有する炭素膜を形成するための
ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を説明するための概略構成
図。

【図５】図４に示したＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の開口
部近傍を示す平面図。

【図６】成膜時間と自己バイアス電圧との関係を示す
図。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は、自己バイアス電圧と、硬
度、内部応力及び水素濃度との関係を示す図。

【図８】図３に示した傾斜機能構造型の非晶質構造を有
する炭素膜を形成するための成膜時間と自己バイアス電
圧との関係を示す図。

【図９】第１の実施例の半導体素子における動作時の素
子表面温度の分布を示す図。

【図１０】第２の実施例にかかる半導体素子を説明する
ための断面図。

【図１１】第２の実施例にかかる半導体素子における動
作時の素子表面温度の分布を示す図。

【図１２】第１の実施例にかかる半導体素子の変形例を
説明するための断面図。

【図１３】第２の実施例にかかる半導体素子の変形例を
示す断面図。

【図１４】従来の半導体素子の一例を示す断面図。

【図１５】従来の半導体素子の他の例を示す断面図。

【図１６】従来の半導体素子における素子表面温度の分
布を示す図。

【符号の説明】

１１…半導体素子１２…半導体層１３…ゲート電極１４…ソース電極１５…ドレイン電極１６…非晶質構造を有する炭素膜１７…素子チップ１８…ヒートシンク５１…半導体素子５２，５３…絶縁材料層５４…非晶質構造を有する炭素膜６１，６２…中間層

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層と、半導体層上に形成された電
極と、前記半導体層上の電極を被覆するように形成され
た保護層とを備える半導体素子において、前記半導体層の少なくとも発熱部分の上方において、前
記保護層が非晶質構造を有する炭素膜を有することを特
徴とする、半導体素子。
【請求項２】前記非晶質構造を有する炭素膜におい
て、表面側に比べて半導体層側が水素含有濃度が高くな
るように傾斜機能構造が設けられている、請求項１に記
載の半導体素子。
【請求項３】前記非晶質構造を有する炭素膜と前記半
導体層との間に絶縁材料よりなる中間層が形成されてお
り、中間層及び非晶質構造を有する炭素膜により前記保
護層が構成されている、請求項１または２に記載の半導
体素子。
【請求項４】前記半導体素子が電界効果型トランジス
タであり、半導体層上に前記電極としてゲート電極、ド
レイン電極及びソース電極が形成されており、少なくと
も、ソース電極とドレイン電極とが形成されている部分
の間の半導体層に構成されているチャネル部上に、前記
非晶質構造を有する炭素膜が保護層として配置されてい
る、請求項１〜３の何れかに記載の半導体素子。
【請求項５】前記半導体素子が電界効果型トランジス
タであり、前記電極としてゲート電極、ソース電極及び
ドレイン電極が形成されており、かつ前記ソース電極及
びドレイン電極上に絶縁材料層が形成されており、該絶
縁材料層間において、非晶質構造を有する炭素膜が形成
されている、請求項１〜３の何れかに記載の半導体素
子。
【請求項６】前記半導体層の保護層が形成されている
側とは反対側の面にヒートシンクが接合されている、請
求項１〜５の何れかに記載の半導体素子。