JP2008235403A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】能動素子とMIMキャパシタとを備え、その製造工程の短縮を可能とする構造を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置は、半導体基板上に、オーミック電極を備えた能動素子と、下側電極と上側電極との間に誘電体層が介在するMIMキャパシタとが設けられた構造を有し、下側電極とオーミック電極とが同じ構造を有する。例えば、GaAs基板10上に、能動素子としてのFETと、MIMキャパシタとが設けられたMMIC100では、FETのオーミック電極たるソース・ドレイン電極16a・16bと、MIMキャパシタの下側電極16cとを同時に形成することにより、これらを同じ金属からなる構造とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体基板にPINダイオードや電界効果トランジスタ等の能動素子とMIMキャパシタとが設けられたマイクロ波モノリシック集積回路(以下“MMIC”と記す)等の半導体装置およびその製造方法に関する。
GaAsやSi等の半導体基板上に、トランジスタやダイオード等の能動素子と、抵抗,容量,インダクタ等の受動素子とを、一体的に集積して形成したMMICの開発が進められている(例えば、特許文献1参照)。
図5に、半導体基板上に電界効果トランジスタ(以下“FET”と記す)とMIMキャパシタとが設けられてなるMMICの概略構造を表した断面図を示す。このMMICの構造についてその製造方法について述べることにより説明すると、最初に、GaAs基板90上の能動層91上に、能動素子として例えば、オーミック金属AuGe/Auよりなるソース電極92、ドレイン電極93、ショットキ金属Ti/Pt/Auよりなるゲート電極94で構成された電界効果型トランジスタ(以下“FET”と記す)を形成した後、表面保護膜95を形成する。
次いで、MIMキャパシタを構成する下側電極96として、AlまたはTi/Al等の金属膜を、リフトオフ法でGaAs基板90上に形成し、さらに誘電体層97として、例えばSiN膜を、下側電極96の所定領域および表面保護膜95が被われるように形成する。続いて、FETのソース,ドレイン,ゲートの各電極を形成するためのコンタクトホール等を誘電体層97および表面保護膜95に形成し、その後、例えばTi/Pt/Auからなる上側電極98(すなわち、FETのソース電極92と接続される上側電極、ドレイン電極93と接続される上側電極、ゲート電極と接続される上側電極(図示せず)、MIMキャパシタの上側電極)と、下側電極96に接続される配線金属膜(図示せず)とを、リフトオフ法で形成する。こうしてMMICが完成する。
また、別のMMICとして、GaAs半絶縁性半導体基板上に、n型半導体層と、高抵抗半導体層と、p型半導体層を形成したGaAsPINダイオードを含むMMICが知られており、小型,低損失,耐電力性等の多くの優れた特性を有しており、スイッチング素子や移相器として用いられている。
図6に従来のPINダイオードを含むMMICの概略構造を表した断面図を示す。このMMICの構造についてその製造方法について述べることにより説明すると、最初に、GaAs基板80上に、n型半導体層81a、高抵抗半導体層82、p型半導体層83が積層される。高抵抗半導体層82とp型半導体層83はメサエッチングにて不要な部分が除去され、n型半導体層81aはPINダイオード部を除いてイオン注入アイソレーション法で高抵抗化され、高抵抗化層81bが形成される。
続いて、n型半導体層81a上に例えばAuGe/Auを用いたn型オーミック電極84を、p型半導体層83上に例えばAuZnを用いたp型オーミック電極85を、それぞれ形成する。その後、PINダイオード部に表面保護膜86を形成し、これにより後工程でのダイオード特性変動を抑える。
次いで、MIMキャパシタ部を構成する下側電極87として、AlまたはTi/Al等の金属膜をリフトオフ法で高抵抗化層81b上に形成した後、さらにその上に誘電体層88として例えばSiNを形成する。この誘電体層88はPINダイオード部にも形成される。
さらに、PINダイオード部に設けられたn型オーミック電極84とp型オーミック電極85それぞれの表面が露出するように、誘電体層88および表面保護膜86にコンタクトホール等を形成し、例えばTi/Pt/Auからなる上側電極89(すなわち、MIMキャパシタの上側電極、n型オーミック電極84と接続される上側電極、p型オーミック電極85と接続される上側電極)と、下側電極87に接続される配線金属膜(図示せず)とを、リフトオフ法で形成する。こうしてMMICが完成する。
しかしながら、従来のこのようなMMICの製造方法では、MIMキャパシタの下側電極の形成工程をFET部の形成工程とは別に設けなければならないために、製造工程が長くなりスループットが低下する。
特開2002−184946号公報(図1等)
本発明は、能動素子とMIMキャパシタとを備えた半導体装置であって、その製造工程の短縮を可能とする構造を有する半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第1の観点によれば、半導体基板上に、オーミック電極を備えた能動素子と、下側電極と上側電極との間に誘電体層が介在するMIMキャパシタとが設けられた半導体装置であって、前記下側電極は前記オーミック電極と同じ構造を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明の第2の観点によれば、このような半導体装置の製造方法、すなわち、オーミック電極を備えた能動素子と、下側電極と上側電極との間に誘電体層が介在するMIMキャパシタとを半導体基板上に形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記下側電極を前記オーミック電極と同時に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
能動素子としては、PINダイオード、電界効果トランジスタ(FET)が挙げられる。MIMキャパシタの下側電極は、能動素子がPINダイオードの場合には、n型オーミック電極またはp型オーミック電極と同じ構造、またはこれらの電極が積層された構造とすることができる。また、能動素子がFETである場合には、MIMキャパシタの下側電極は、FETのソース・ドレイン電極と同じ構造とすることができる。
本発明によれば、MIMキャパシタの下側電極を、能動素子のオーミック電極と同時に形成することができるので、製造工程が短縮され、スループットが向上する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図1に第1の実施形態に係るMMICの概略断面図を示す。このMMIC100は、能動素子部としてのFET素子部と、MIMキャパシタ部とが、化合物半導体基板であるGaAs基板10上に形成された構造を有している。
FET素子部は、GaAs基板10に設けられた能動層(チャンネル層)12と、能動層12上に一定間隔で設けられた絶縁膜14a・14bと、絶縁膜14a,14bを挟んで能動層12上に設けられたソース・ドレイン電極16a・16bと、絶縁膜14a・14b間の能動層12上に設けられたゲート電極18aと、絶縁膜14a・14bとゲート電極18aの全体とソース・ドレイン電極16a・16bの一部を被うように設けられた表面保護膜20aと、ソース・ドレイン電極16a・16b上に設けられた上側電極22a・22bとを備えている。
また、MIMキャパシタ部は、GaAs基板10上に設けられた絶縁膜14cと、絶縁膜14c上の所定領域に設けられた下側電極16cと、絶縁膜14c上において下側電極16cが設けられていない領域と下側電極16cの所定領域を被うように設けられた誘電体層20bと、誘電体層20bを下側電極16cとで挟むように誘電体層20b上に設けられた上側電極22cとを備えている。
このような構造を有するMMIC100の製造方法について、MMIC100の各部に用いられる材料について触れながら、以下に説明する。図2A〜図2GにMMIC100の製造工程図を示す。
最初に、能動層12が設けられたGaAs基板10上に絶縁膜を一様に形成し、その絶縁膜においてFET素子部のソース・ドレイン電極16a・16bを形成するための領域を被っている部分をエッチング除去し、開口を設ける。これにより絶縁膜が分断され、FET素子部に絶縁膜14aが、MIMキャパシタ部に絶縁膜14cが形成される。
なお、絶縁膜14cは、MIMキャパシタ部の下側電極16cによるGaAs基板10内のMIMキャパシタに流れ込まないように設けたものであり、このリーク電流の増大と耐圧低下とを防止することを目的としている。そのため、GaAs基板10内のリーク電流がMMIC100の特性に影響する場合には絶縁膜14cを設けることが好ましいが、そのような影響が出ない場合には、この絶縁膜14cは必ずしも必要ではない。また、絶縁膜14に用いる材料によっては、リフトオフ法により、絶縁膜14a・14cを形成してもよい。
続いて図2Bに示すように、ソース・ドレイン電極16a・16bおよび下側電極16cを形成する領域が開口したパターンを有するレジスト膜52を、レジスト膜の塗布形成,露光,現像というフォトリソグラフィー技術に係る一連の処理によって形成し、その後、オーミック接触用の金属膜16を全面に蒸着する。この金属膜16としては、AuGe/Auが好適に用いられる。
そして、図2Cに示すように、リフトオフ法によりレジスト膜52とこのレジスト膜52上の金属膜16を除去し、続いて能動層12に対してオーミック接触が得られるように、金属膜16の熱処理(合金化)を行う。これにより、絶縁膜14aを挟んで位置するソース・ドレイン電極16a・16bが形成されると同時に、MIMキャパシタ部に下側電極16cが形成される。
このように、FET素子部のオーミック電極であるソース・ドレイン電極16a・16bとMIMキャパシタ部の下側電極16cとを同時に形成することにより、製造工程を短縮化することができる。
これらのオーミック電極を得るための熱処理により、オーミック電極に表面荒れやエッジ部分の変形が生じるおそれがある。このような形態変化は熱処理温度と深い関係があり、高温になればなるほど表面が荒れ、エッジ部分の変形も大きくなる。
下側電極16cの表面の荒れやエッジ部分の変形は、MIMキャパシタの信頼性を低下させる原因となるため、熱処理前の形状をできる限り維持することが好ましい。このような観点から、熱処理温度は400℃以下とすることが好ましく、これにより熱処理前の形状が良好に保たれる。なお、合金化のための熱処理温度の下限値は、オーミック電極を構成する金属種に依存して定まる。
次いで、図2Dに示すように、ゲート電極18aの形成領域が開口したレジスト膜54を形成した後、このレジスト膜54をエッチングマスクとして用いて、例えばRIEにより絶縁膜14aにおける露出部分をエッチング除去し、その後さらに、金属膜18として、例えば、Ti/Pt/Auを全面に蒸着する。続いて図2Eに示すように、リフトオフ法によりレジスト膜54とその上の金属膜18を除去することで、ゲート電極18aが形成される。
続いて、図2Fに示すように、FET素子部に表面保護膜20aを、MIMキャパシタ部に誘電体層20bを、例えばSiN膜を全面に堆積させ、レジスト膜等のエッチングマスクを所定のパターンで形成し、FET素子部のソース・ドレイン電極16a・16bのコンタクトホール,ゲート電極18aのコンタクトホール(図示せず)等をエッチングによりSiN膜に形成し、このエッチングマスクを除去する等して、同時に形成することができる。これらFET素子部の表面保護膜20aとMIMキャパシタ部の誘電体層20bを同時に形成することにより、製造工程を短縮化することができる。
その後、図2Gに示すように、ソース・ドレイン電極16a・16bの一部表面と、ゲート電極18aの一部表面(図示せず)と、下側電極16c上の誘電体層20bの所定領域と、下側電極16cの表面の一部(図示せず)が露出するように、レジスト膜56を形成し、例えばTi/Pt/Auからなる金属膜22を全面蒸着する。ここで、MIMキャパシタ部では、誘電体層20bの直上にTi層が形成されるために、これらの間に高い密着性が得られる。
その後、リフトオフ法によりレジスト膜56とその上の金属膜22を除去することにより、先に図1に示したドレイン電極16a・16bの上側電極22a・22b,ゲート電極18aの上側電極(図示せず),MIMキャパシタの上側電極22c,下側電極16cと接続される金属配線(図示せず)が形成され、図1のMMIC100が完成する。
次に、図3に第2の実施形態に係るMMICの概略断面図を示す。このMMIC110は、能動素子部としてのPINダイオード部と、MIMキャパシタ部とが、半絶縁性半導体基板のGaAs基板10A上に形成された構造を有している。
PINダイオード部は、GaAs基板10A上に設けられたn型半導体層32と、n型半導体層32上に設けられた高抵抗半導体層36と、高抵抗半導体層36上に設けられたp型半導体層38と、絶縁膜40と、n型半導体層32上に設けられたn型オーミック電極42aと、p型半導体層38上に設けられたp型オーミック電極44aと、n型オーミック電極42a上に設けられた上側電極48aと、p型オーミック電極44a上に設けられた上側電極48bとを有している。
MIMキャパシタ部は、GaAs基板10A上に設けられた高抵抗化層34と、高抵抗化層34上に設けられた絶縁膜40と、絶縁膜40上に設けられた下側電極45と、下側電極45上に設けられた誘電体層46と、誘電体層46上に設けられた上側電極48cとを備えており、下側電極45は下層部42bと上層部44bからなる2層構造となっている。
このような構造を有するMMIC110の製造方法について、MMIC110の各部に用いられる材料について触れながら、以下に説明する。図4A〜図4GにMMIC110の製造工程図を示す。
最初に、図4Aに示すように、GaAs基板10A上に、n型半導体層32,高抵抗半導体層36,p型半導体層38が積層され、高抵抗半導体層36とp型半導体層38はメサエッチングにて不要な部分が除去され、n型半導体層32をPINダイオード部を除いてイオン注入アイソレーション法で高抵抗化して高抵抗化層34を形成し、さらに全面に絶縁膜40を形成する。
この絶縁膜40において、n型半導体層32上に設けられる電極領域と、p型半導体層38に設けられる電極領域とを被っている部分は、例えばレジスト膜をエッチングマスクとして用いたエッチング処理により除去される。なお、絶縁膜40は、MIMキャパシタ部においては、下側電極45に因るリーク電流の増大や耐圧の低下を防止する。
続いて図4Bに示すように、n型半導体層32上に設けられるn型オーミック電極42aの形成領域とMIMキャパシタの下側電極45(下層部42b)の形成領域とが開口したレジスト膜62を形成した後、オーミック接触性が得られる金属膜42、例えば、AuGe/Auを全面に蒸着する。その後、図4Cに示されるように、リフトオフ法によりレジスト膜62とこのレジスト膜62上の金属膜42を除去する。
次いで、図4Dに示すように、p型半導体層38上に設けられるp型オーミック電極44aの形成領域とMIMキャパシタの下側電極45(上層部44b)の形成領域とが開口したレジスト膜64を形成した後、オーミック接触性が得られる金属膜44、例えばAuZnを全面に蒸着する。
その後、図4Eに示されるように、リフトオフ法によりレジスト膜64とこのレジスト膜64上の金属膜44を除去する。
こうしてn型半導体層32上に金属膜42が、p型半導体層38上に金属膜44が、絶縁膜40上に金属膜42・44が残った状態において、これらの金属膜42・44をその下地に対してオーミック接触が得られるように、合金化のための熱処理を行う。この熱処理温度は、先に説明したMMIC100の場合と同様に、400℃以下で行うことで、MIMキャパシタの信頼性を高めることができる。
この熱処理により、n型半導体層32上の金属膜42はn型オーミック電極42aに、p型半導体層38上の金属膜44はp型オーミック電極44aに、絶縁膜40上の金属膜42・44はMIMキャパシタの下側電極45となり、この下側電極45は、金属膜42に由来する下層部42bと、金属膜44に由来する上層部44bの2層構造を有する。勿論、下層部42bはn型オーミック電極42aと同じ構造を有し、上層部44bはp型オーミック電極44aと同じ構造を有する。
このように、PINダイオード部のオーミック電極42a・44aとMIMキャパシタの下側電極45とを同時に形成することにより、工程が短縮化される。また下側電極45は、n型・p型両半導体のオーミック接触性金属膜から構成されているので、下側電極45のシート抵抗を小さくすることができる。
このようなオーミック電極を得る合金化のための熱処理は、図4Cに示されるようにレジスト膜62を除去した後と、図4Eに示されるようにレジスト膜64を除去した後とに、分けて行うこともできる。その場合、最初の熱処理温度を次の熱処理温度よりも高くすることが好ましく、そのような温度設定ができるように、金属膜42・44の構成を設定すればよい。
なお、上記のこれまでの製造工程のうち図4Bの工程において、レジスト膜62をMIMキャパシタの下側電極領域をも被うように形成すると、下側電極45はp型オーミック電極たる上層部44bのみから構成されることになる。一方、上記のこれまでの製造工程のうち図4Dの工程において、レジスト膜64をMIMキャパシタ部に残っている金属膜42を被うように形成すると、下側電極45はn型オーミック電極たる下層部42bのみから構成されることになる。このような構成は、下側電極45の抵抗が許容される大きさに収まる限りにおいて、例えば金属膜42・44を厚く形成する場合に、採用することができる。
このようにしてPINダイオードが完成した後、図4Fに示されるように、誘電体層46を、例えばSiN膜を全面に堆積させ、レジスト膜等のエッチングマスクを所定のパターンで形成し、n型オーミック電極42aとp型オーミック電極44aへのコンタクトホール,下側電極45に金属配線(図示せず)を設けるためのコンタクトホール等をエッチングによりSiN膜に形成し、このエッチングマスクを除去する等して、形成する。
その後、図4Gに示されるように、n型オーミック電極42aとp型オーミック電極44aへのコンタクトホールや誘電体層46上に設ける上側電極48cの形成領域が開口するようにレジスト膜66を形成し、さらに、例えばTi/Pt/Auからなる金属膜48を全体に蒸着する。
最後に、リフトオフ法によりレジスト膜66を剥離することにより、n型オーミック電極42aに接続された上側電極48aと、p型オーミック電極44aに接続された上側電極48bと、MIMキャパシタの上側電極48cが形成され、MMIC110が完成する。
上述の通り、MMIC100・110では、能動素子を構成するオーミック電極とMIMキャパシタを構成する下側電極とを同時に形成することができるので、能動素子とMIMキャパシタとの作り分けが不要となって工程が短縮され、スループットが向上する。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
第1の実施形態に係るMMICの概略断面図。 図1のMMICの第1の工程図。 図1のMMICの第2の工程図。 図1のMMICの第3の工程図。 図1のMMICの第4の工程図。 図1のMMICの第5の工程図。 図1のMMICの第6の工程図。 図1のMMICの第7の工程図。 第2の実施形態に係るMMICの概略断面図。 図3のMMICの第1の工程図。 図3のMMICの第2の工程図。 図3のMMICの第3の工程図。 図3のMMICの第4の工程図。 図3のMMICの第5の工程図。 図3のMMICの第6の工程図。 図3のMMICの第7の工程図。 従来のMMICの概略断面図。 従来の別のMMICの概略断面図。
符号の説明
10・10A…GaAs基板、12…能動層、14・14a〜14c…絶縁膜、16…金属膜、16a・16b…ソース・ドレイン電極、16c…下側電極、18…金属膜、18a…ゲート電極、20a…表面保護膜、20b…誘電体層、22…金属膜、22a〜22c…上側電極、32…n型半導体層、34…高抵抗化層、36…高抵抗半導体層、38…p型半導体層、40…絶縁膜、42a…n型オーミック電極、42b…下層部、44a…p型オーミック電極、44b…上層部、45…下側電極、46…誘電体層、48a〜48c…上側電極、52・54・56・62・64・66…レジスト膜、80…GaAs基板、81a…n型半導体層、81b…高抵抗化層、82…高抵抗半導体層、83…p型半導体層、84…n型オーミック電極、85…p型オーミック電極、86…表面保護膜、87…下側電極、88…誘電体層、89…上側電極、90…化合物半導体基板、91…能動層、92…ソース電極、93…ドレイン電極、94…ゲート電極、95…表面保護膜、96…下側電極、97…誘電体層、98…上側電極、100・110…MMIC。

Claims (12)

  1. 半導体基板上に、オーミック電極を備えた能動素子と、下側電極と上側電極との間に誘電体層が介在するMIMキャパシタとが設けられた半導体装置であって、
    前記下側電極は前記オーミック電極と同じ構造を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 前記能動素子は電界効果トランジスタであり、前記オーミック電極はソース・ドレイン電極であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記下側電極は前記第1のオーミック電極と同じ構造を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記下側電極は前記第2のオーミック電極と同じ構造を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記下側電極は、前記第1のオーミック電極と前記第2のオーミック電極とが積層されてなる構造と同じ構造を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記基板と前記下側電極との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。
  7. オーミック電極を備えた能動素子と、下側電極と上側電極との間に誘電体層が介在するMIMキャパシタとを半導体基板上に形成する工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記下側電極を前記オーミック電極と同時に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 前記下側電極と前記オーミック電極を、複数の金属層を積み重ね、これを400℃以下で熱処理して合金化することにより形成することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記能動素子は電界効果トランジスタであり、前記オーミック電極はソース・ドレイン電極であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記下側電極を前記第1のオーミック電極と同時に形成することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記下側電極を前記第2のオーミック電極と同時に形成することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記半導体基板は半絶縁性半導体基板であり、
    前記能動素子は、前記基板上に設けられたn型半導体層およびp型半導体層と、前記n型半導体層上に設けられた第1のオーミック電極と、前記p型半導体層上に設けられた第2のオーミック電極とを具備し、
    前記MIMキャパシタの下側電極は上層部と下層部とからなる2層構造を有し、
    前記下部電極の下層部を前記第1のオーミック電極と同時に形成し、前記下側電極の上層部を前記第2のオーミック電極と同時に形成することを特徴とする請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
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