JP5228381B2

JP5228381B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5228381B2
Application number: JP2007166597A
Authority: JP
Inventors: 武郎白濱
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-06-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-06-25
Also published as: US7544611B2; US20080318422A1; JP2009004703A

Description

本発明は、炭化ケイ素基板の表面にIII−Ｖ族窒化物半導体層を形成し、両者を貫通するバイアホールを形成する半導体装置の製造方法に関し、特に表面側に形成される素子を微細化し、バイアホール加工を高速化することができる半導体装置の製造方法に関するものである。

化合物半導体を用いた高周波用トランジスタやＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Circuit）が用いられている（例えば、特許文献１参照）。これらの半導体装置の特性はバイアホール形成工程に大きく左右される。

従来のバイアホール形成工程について説明する。まず、炭化ケイ素基板の表面にIII−Ｖ族窒化物半導体層を形成し、表面の素子を形成する。次に、ウェハの表面側をサファイア等の支持基板に貼り付け、研削によりウェハを薄板化する。その後、裏面側から炭化ケイ素基板及びIII−Ｖ族窒化物半導体層をドライエッチングすることで、両者を貫通するバイアホールを一度に形成する。

特開２００１−７７１２８号公報

しかし、従来の方法では、表面側に形成される素子を微細化するためにバイアホールの径を小さくすると、アスペクト比（被エッチング部の径とエッチング深さの比）が大きくなる。そして、炭化ケイ素は難エッチング材であり、ドライエッチングで加工する際のエッチングレートが低いため、アスペクト比が大きいとバイアホール加工に長時間を要する。一方、アスペクト比を小さくするためにバイアホールの径を大きくすると、表面側に形成される素子を大きくせざるを得ない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、表面側に形成される素子を微細化し、バイアホール加工を高速化することができる半導体装置の製造方法を得るものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、炭化ケイ素基板の表面にIII−Ｖ族窒化物半導体層を形成する工程と、第１のガスを用いて表面側からIII−Ｖ族窒化物半導体層を選択的にドライエッチングして貫通させた後に、第２のガスを用いて表面側から前記炭化ケイ素基板の途中までドライエッチングすることで表面バイアホールを形成する工程と、第２のガスを用いて、裏面側から炭化ケイ素基板を選択的にドライエッチングすることで、表面バイアホールに繋がる裏面バイアホールを形成する工程とを有する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。

本発明により、表面側に形成される素子を微細化し、バイアホール加工を高速化することができる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。

まず、図１に示すように、数１０μｍ〜数１００μｍ厚の炭化ケイ素基板１１の表面に、数μｍ厚のアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２（III−Ｖ族窒化物半導体層）を形成する。そして、アルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２上にレジスト１３を形成し、レジスト１３をパターニングする。

このレジスト１３をマスクとして、三塩化ホウ素、四塩化ケイ素、塩素ガスなどの塩素系ガス（第１のガス）を用いて表面側からアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２をドライエッチングして貫通させることで表面バイアホール１４を形成する。その後、レジスト１３を除去する。

ここで、塩素系ガスは炭化ケイ素のエッチャントではないため、塩素系エッチャントによりアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２は炭化ケイ素基板１１に対して選択的にエッチングされる。本実施の形態では、例えば、炭化ケイ素基板１１に対するアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２のエッチング選択比が５以上となるように塩素系ガスの組成等のエッチング条件を設定する。ただし、炭化ケイ素基板１１に対してアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２を選択的にエッチングできるものであれば、塩素系ガスに限らずどのようなガスを用いてもよい。また、塩素系ガスとして側壁保護効果を有するものを用いることにより、側壁に反応生成物を付着させ、サイドエッチングを防ぐことができる。

次に、図２に示すように、表面バイアホール１４を、例えばチタン及び金を含む多層膜からなる金属層１５で被覆する。そして、表面側のアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２に、例えばＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）構造を有する素子（不図示）を形成する。

次に、図３に示すように、表面におよそ１０μｍ厚のレジスト及び半導体用ワックス１７を塗布してサファイア支持基板１６に貼り付ける。

次に、図４に示すように、炭化ケイ素基板１１の裏面に対して研削及びポリッシングを行い、炭化ケイ素基板１１を薄板化する。素子の特性に応じて炭化ケイ素基板１１の厚みを数１０μｍ〜１００μｍとする。

次に、図５に示すように、炭化ケイ素基板１１の裏面にニッケル層１７を蒸着、スパッタリング又はメッキ法により形成し、ニッケル層１７をパターニングする。ここで、エッチングガスとして六フッ化硫黄及び酸素の混合ガスを使用した場合に、ニッケルは炭化ケイ素に対して選択比がおよそ３０以上あるため、エッチングマスクとして適している。

このニッケル層１７をマスクとして、弗素系ガス（第２のガス）を用いて裏面側から炭化ケイ素基板１１をドライエッチングして貫通させることで、表面バイアホール１４に繋がる裏面バイアホール１８を形成する。ここで、弗素系ガスはIII−Ｖ族窒化物半導体のエッチャントではないため、弗素系エッチャントにより炭化ケイ素基板１１はアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２に対して選択的にエッチングされる。本実施の形態では、例えば、アルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２に対する炭化ケイ素基板１１のエッチング選択比が５以上となるように弗素系ガスの組成等のエッチング条件を設定する。ただし、アルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２に対して炭化ケイ素基板１１を選択的にエッチングできるものであれば、弗素系ガスに限らずどのようなガスを用いてもよい。また、裏面バイアホール１８を形成する前に表面バイアホール１４を金属層１５で被覆しているため、この金属層１５で炭化ケイ素基板１１のエッチングが停止する。その後、ニッケル層１７を酸によって除去する。

次に、図６に示すように、裏面バイアホール１８内にチタン／金層（不図示）を蒸着し、その上を金メッキ層／ニッケルメッキ層からなる金属層１９で被覆する。このようにニッケルメッキ層で被覆することで、その後のアセンブリ工程において金−スズ合金からなる半田によってダイボンドする際に、ニッケルとスズが合金を形成し、接合強度を高めることができる。以上の工程により本実施の形態に係る半導体装置が製造される。

炭化ケイ素基板１１と比べてアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２は薄いため、表面バイアホール１４の径を小さくしてもアスペクト比が小さく、比較的容易にエッチングできる。従って、表面側に形成される素子を微細化することができる。また、表面側に形成される素子のサイズは、裏面バイアホール１８の加工時には既に固定されているため、裏面バイアホール１８の加工条件に依存することなく制御することができる。

また、エッチングを容易とするために裏面バイアホール１８の径を表面バイアホール１４の径よりも大きくしてアスペクト比を小さくしても、表面側に形成される素子のサイズは既に固定されており影響を受けない。従って、バイアホール加工を高速化することができる。

また、従来のように裏面から一度に炭化ケイ素基板とIII−Ｖ族窒化物半導体層を貫通させると、炭化ケイ素のバイアホールの側壁に塩素系の反応生成物が不可避的に付着してしまう。このため、ウェットエッチング等で反応生成物を除去する必要がある。そして、除去が不充分であると、バイアホールを被覆した金属膜が剥がれる等の問題が生じる可能性がある。一方、本実施の形態では、炭化ケイ素のバイアホールの側壁は塩素系ガスによるプラズマに暴露されないため、このような問題は生じない。

また、炭化ケイ素のバイアホールの側壁は、裏面バイアホール加工時に、弗素系ガスによるプラズマに暴露される。しかし、炭化ケイ素のサイドエッチングを考慮する必要が無いため、側壁保護効果を有さない弗素系ガスを使用することができる。これにより、炭化ケイ素のバイアホールの側壁に付着する反応生成物を減らすことができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について図面を用いて説明する。

本実施の形態では、図７に示すように、表面バイアホール１４を形成する工程において、塩素系ガスを用いて表面側からアルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層１２をドライエッチングして貫通させた後に、弗素系ガス（第２のガス）に切り替えて表面側から炭化ケイ素基板１１の途中までドライエッチングする。そして、実施の形態１と同様に、表面バイアホール１４を金属層１５で被覆し、サファイア支持基板１６に貼り付け、炭化ケイ素基板１１を薄板化する。

次に、図８に示すように、ニッケル層１７をマスクとして、弗素系ガスを用いて裏面側から炭化ケイ素基板１１をドライエッチングして貫通させることで、表面バイアホール１４に繋がる裏面バイアホール１８を形成する。

次に、図９に示すように、裏面バイアホール１８内にチタン／金層（不図示）を蒸着し、その上を金メッキ層／ニッケルメッキ層からなる金属層１９で被覆する。その他の工程は実施の形態１と同様である。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様の効果を奏する他、裏面バイアホール１８の加工時にエッチングする炭化ケイ素基板１１の厚みが減るため、アスペクト比を小さくでき、バイアホール加工を更に高速化することができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。本発明の実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。

符号の説明

１１炭化ケイ素基板
１２アルミ窒化ガリウム／窒化ガリウム層（III−Ｖ族窒化物半導体層）
１４表面バイアホール
１５金属層
１８裏面バイアホール

Claims

炭化ケイ素基板の表面にIII−Ｖ族窒化物半導体層を形成する工程と、
第１のガスを用いて表面側から前記III−Ｖ族窒化物半導体層を選択的にドライエッチングして貫通させた後に、第２のガスを用いて表面側から前記炭化ケイ素基板の途中までドライエッチングすることで表面バイアホールを形成する工程と、
前記第２のガスを用いて、裏面側から前記炭化ケイ素基板を選択的にドライエッチングすることで、前記表面バイアホールに繋がる裏面バイアホールを形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記裏面バイアホールを形成する前に、前記表面バイアホールを金属層で被覆する工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記裏面バイアホールの径を前記表面バイアホールの径よりも大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１のガス、前記第２のガスは、それぞれ塩素系ガス、弗素系ガスであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記弗素系ガスとして側壁保護効果を有さないものを用いることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。