JP2014183094A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置は、基板10と、基板10の主面11の一部に配設された絶縁膜20と、絶縁膜20の表面に配設された導電部30と、基板10の主面11、絶縁膜20及び導電部30を覆い、絶縁膜20よりも高耐湿の絶縁膜40とを含む構造部1Aを有する。基板10と導電部30の間には寄生容量の発生を抑える絶縁膜20を設け、これをより高耐湿の絶縁膜で覆うことで、絶縁膜20の吸湿を抑える。これにより、半導体装置の性能、信頼性の向上を図る。
【選択図】図1
Description
半導体装置は、基板10と、基板10の一主面11に部分的に設けられた絶縁膜20と、絶縁膜20上に設けられた導電部30とを含み、主面11、絶縁膜20及び導電部30が絶縁膜40で覆われた構造部1Aを有している。
図2には別例として、予め主面11aに導電部50aが埋設されるように形成された基板10aの、その導電部50a上に絶縁膜20が設けられ、絶縁膜20上に導電部50bが設けられた構造部1Bを図示している。構造部1Bにおいて、主面11a、絶縁膜20及び導電部50bは、絶縁膜40で覆われる。
上記の構造部1Cによれば、寄生容量の発生を抑え、更に、寄生容量の発生を抑える比較的低誘電率の絶縁膜20の吸湿を、耐湿性の高い絶縁膜40によって抑えることができる。
以下、半導体装置への適用例について説明する。
図4の例では、HEMTの窒化ガリウム(GaN)等の化合物半導体層100上に、幅の狭い下部110aと幅の広い上部110bとを有する断面T型のゲート電極110が設けられている。このようなT型のゲート電極110を設けることで、ゲート長を短くし、ゲート抵抗を小さくすることが可能になり、HEMTの高周波特性を向上させることが可能になる。
図5〜図8はHEMTの形成方法の一例を示す図である。図5〜図8にはHEMTの形成工程の要部断面を模式的に図示している。
化合物半導体領域130は、窒化アルミニウム(AlN)層131、GaN層132、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層133、及びGaN層134を順にエピタキシャル成長させることで形成する。ここで、AlN層131はバッファ層、GaN層132は電子走行層、AlGaN層133は電子供給層、GaN層134は表面層である。エピタキシャル成長は、有機金属気相成長(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy;MOVPE)法を用いて行うことができる。
ところで、図4に示したようなT型のゲート電極110では、その構造上、例えば、幅の太い上部110bと化合物半導体層100(化合物半導体領域130)の間で寄生容量Cが発生し得る。高出力で高周波用途のHEMTでは、ゲート電極110の微細化が進むと、このような寄生容量Cの寄与が無視できなくなり、高周波特性向上の妨げになる可能性がある。
まず、ゲート電極形成方法の第1の例について、図9〜図15を参照して説明する。図9は第1のレジスト形成工程の要部断面模式図、図10は第1の露光及び現像工程の要部断面模式図、図11は第2のレジスト形成工程の要部断面模式図、図12は第2の露光及び現像工程の要部断面模式図である。図13は電極材料堆積工程の要部断面模式図、図14はレジスト除去工程の要部断面模式図、図15は絶縁膜形成工程の要部断面模式図である。
図23〜図29は一実施形態に係るゲート電極形成方法を示す図である。図23はレジスト組成物形成工程の要部断面模式図、図24は第1の露光及び現像工程の要部断面模式図、図25はレジスト形成工程の要部断面模式図、図26は第2の露光及び現像工程の要部断面模式図である。図27は電極材料堆積工程の要部断面模式図、図28はレジスト除去工程の要部断面模式図、図29は絶縁膜形成工程の要部断面模式図である。
絶縁膜パターン300bの形成後は、図25に示すように、化合物半導体領域130及び絶縁膜パターン300bの上に、スピンコート法によりレジスト221を形成する。そして、図26に示すように、レジスト221の露光及び現像を行い、T型のゲート電極110の上部110bを形成する領域に対応した領域に開口部221aを形成する。これにより、ゲート電極形成用のマスクパターン233(絶縁膜パターン300b及びレジスト221)が形成される。尚、ここでは1層のレジスト221を用いてゲート電極形成用のマスクパターン233を形成したが、2層以上の積層構造としたレジスト221を用いてマスクパターン233を形成してもよい。
レジスト組成物300は、シリコン原子又はゲルマニウム原子に結合したアルコキシ基を有するアルコキシ基含有化合物の、酸又はアルカリ存在下での加水分解及び縮合により得られる樹脂を、溶媒中に含む。このレジスト組成物300は、エネルギー線400が照射された部位が現像液に不溶となる、ネガ型のレジスト組成物である。
R1 4-nM(OR2)n・・・(1)
式(1)中、Mは、シリコン(Si)原子又はゲルマニウム(Ge)原子である。nは、1〜4の整数である。R1は、水素原子若しくはフッ素原子、又は炭素数1〜8のアルキル基、ビニル基、脂環族基、アリール基若しくはこれらの誘導体を表し、nが2以下では互いに同一でも異なっていてもよい。R2は、水素原子、炭素数1〜8のアルキル基、アリル基、ビニル基又は脂環族基を表し、nが2以上では互いに同一でも異なっていてもよい。
レジスト組成物300に含まれる溶媒は、上記樹脂が溶解するものであれば、特に限定されない。溶媒には、例えば、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、オクタン、デカン、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、プロピレングリオールモノプロピロエーテル等が用いられる。
図30に例示するレジスト組成物300は、樹脂301のクラスタ301A、及び溶媒302を含む。ここでは一例として、籠状の分子構造を有する樹脂301のクラスタ301Aが溶媒302中に分散している様子を模式的に図示している。尚、クラスタ301Aは、この図30のように各々が溶媒302中に分散する場合のほか、複数が凝集体となって溶媒302中に分散する場合もある。
図31はレジスト組成物の塗布工程の一例を模式的に示す図である。
図32は熱処理工程の一例を模式的に示す図である。
図33はエネルギー線照射工程の一例を模式的に示す図である。
熱処理を行って化合物半導体領域130上にレジスト300aを形成した後は、図33に示すように、レジスト300aの所定部位に選択的にエネルギー線400の照射を行う。レジスト300aに照射するエネルギー線400には、赤外線、可視線、紫外線、エキシマレーザー線、X線、電子線等を用いる。
化合物半導体領域130上のレジスト300aに対するエネルギー線400の照射後は、図34に示すように、所定の現像液を用いてエネルギー線400の未照射部位(レジスト300aの未硬化部位)を化合物半導体領域130上から溶解除去し、現像する。
図31〜図34に示したような絶縁膜パターン300bの形成方法では、レジスト組成物300へのエネルギー線400の照射とその後の現像処理でパターニングが行われるため、高温の熱処理、ドライエッチングが不要になる。そのため、熱処理及びドライエッチングによるショットキー接合部の損傷や絶縁膜パターン300bのばらつき等が抑えられる。上記第2の例(図16及び図17)で述べたようなレジスト211の形成とそれをマスクにしたドライエッチングを不要とすることで、絶縁膜パターン300bの形成、HEMTの製造に要する工数、コストを低減することができる。
ここで、絶縁膜パターン300bに形成する空孔の径や密度は、レジスト組成物300に用いる一般式(1)のアルコキシ基含有化合物の種類(分子構造、組み合わせ)、溶媒、触媒の種類や量等によって調整することができる。絶縁膜パターン300bの空孔の径(平均孔径)としては、特に制限はなく、絶縁膜パターン300bの用途に応じて適宜選択することができる。例えば、上記のようなHEMTに絶縁膜パターン300bを形成する場合であれば、低誘電率化の観点から、空孔の径を10nm以下とすることが好ましく、8nm以下とすることがより好ましい。尚、空孔の径は、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)により観察し、測定することができる。
レジスト組成物300及びそれから形成されるレジスト300aに含まれる樹脂301の分子構造の主骨格は、シリコン原子又はゲルマニウム原子となる。レジスト300aに照射するエネルギー線400が電子線の場合には、電子線に対する感度が、レジスト300a中の二次電子の発生量に依存する。そのため、エネルギー線400が電子線の場合、ゲルマニウム原子を主骨格とする樹脂301、即ちゲルマン化合物を用いて形成された樹脂301を含むレジスト300a、レジスト組成物300では、電子線に対する高感度化を図ることができる。
〔実施例1〕
20.8g(0.1mol)のテトラエトキシシラン、17.8g(0.1mol)のメチルトリエトキシシラン、24.8g(0.1mol)の1−ナフチルトリメトキシシラン、40gのメチルイソブチルケトンを200mlの反応容器に仕込んだ。この反応容器内に、400ppmの硝酸水16.2g(0.9mol)を10分間で滴下し、滴下終了後、2時間の熟成反応を行った。次に、硫酸マグネシウムを5g添加して過剰の水分を除去した後、ロータリーエバポレータを用いて熟成反応により生成したエタノールを反応溶液が50mlになるまで除去した。得られた反応溶液にメチルイソブチルケトンを20ml添加し、200℃のオーブンでメチルイソブチルケトンを除去した。これにより、固形分濃度が17.0wt%のレジスト組成物を得た。
25.3g(0.1mol)のテトラエトキシゲルマン、22.3g(0.1mol)のメチルトリエトキシゲルマン、24.8g(0.1mol)の1−ナフチルトリメトキシシラン、40gのメチルイソブチルケトンを200mlの反応容器に仕込んだ。この反応容器内に1%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液16.2g(0.9mol)を10分間で滴下し、滴下終了後、2時間の熟成反応を行った。次に、硫酸マグネシウムを5g添加して過剰の水分を除去した後、ロータリーエバポレータを用いて熟成反応により生成したエタノールを反応溶液が50mlになるまで除去した。得られた反応溶液にメチルイソブチルケトンを20ml添加し、200℃のオーブンでメチルイソブチルケトンを除去した。これにより、固形分濃度が16.1wt%のレジスト組成物を得た。
水素シルセスキオキサンのメチルイソブチルケトン溶液を準備し、これをメチルイソブチルケトンで希釈し、固形分濃度が15.0wt%のレジスト組成物を得た。
上記の図5〜図8及び図23〜図29に示した例に従い、HEMTを形成した。
まず、図5に示したように、半絶縁性のSiC基板120上に、AlN層131(バッファ層)、GaN層132(電子走行層)、AlGaN層133(電子供給層)及びGaN層134(表面層)をMOVPE法で順にエピタキシャル成長させ、化合物半導体領域130を形成する。形成した化合物半導体領域130に対して選択的にArを注入し、化合物半導体領域130を貫通してSiC基板120に達する素子分離領域140を形成する。
10,10a 基板
11,11a 主面
20,40,240,250 絶縁膜
30,50a,50b 導電部
100 化合物半導体層
110 ゲート電極
110a 下部
110b 上部
111 電極材料
120 SiC基板
130 化合物半導体領域
131 AlN層
132,134 GaN層
133 AlGaN層
140 素子分離領域
150,210,211,220,221,300a レジスト
150a,210a,211a,220a,221a,240a 開口部
160a ソース電極
160b ドレイン電極
231,232,233 マスクパターン
300 レジスト組成物
300b 絶縁膜パターン
300bb 凹部
301 樹脂
301A クラスタ
302 溶媒
400 エネルギー線
Claims (14)
- 基板と、
前記基板の第1面の一部に配設された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜の表面に配設された第1導電部と、
前記第1面、前記第1絶縁膜及び前記第1導電部を覆い、前記第1絶縁膜よりも高い耐湿性を有する第2絶縁膜と
を含むことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1絶縁膜は、前記第1面に達する開口部を有し、
前記第1導電部は、前記第1絶縁膜の上面及び前記開口部内に配設されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記基板の前記一部に埋設された第2導電部を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記基板上に配設された第3導電部を含み、
前記第1導電部は、前記第3導電部との間に前記第1絶縁膜を挟んで、前記第1絶縁膜の側面に配設され、
前記第2絶縁膜は、前記第1面、前記第1絶縁膜、前記第1導電部及び前記第3導電部を覆うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - 前記第1絶縁膜は、多孔質の絶縁膜であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。
- 基板の第1面の一部に第1絶縁膜を配設する工程と、
前記第1絶縁膜の表面に第1導電部を配設する工程と、
前記第1面、前記第1絶縁膜及び前記第1導電部を覆い、前記第1絶縁膜よりも高い耐湿性を有する第2絶縁膜を配設する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1絶縁膜を配設する工程は、前記第1絶縁膜に、前記第1面に達する開口部を形成する工程を含み、
前記第1導電部を配設する工程は、前記第1絶縁膜の上面及び前記開口部内に前記第1導電部を配設する工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1絶縁膜を配設する工程前に、前記基板の前記一部に第2導電部を埋設する工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板上に第3導電部を配設する工程を含み、
前記第1導電部を配設する工程は、前記第1導電部を、前記第3導電部との間に前記第1絶縁膜を挟んで、前記第1絶縁膜の側面に配設する工程を含み、
前記第2絶縁膜を配設する工程は、前記第2絶縁膜で、前記第1面、前記第1絶縁膜、前記第1導電部及び前記第3導電部を覆う工程を含むことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1絶縁膜を配設する工程は、
溶媒と、前記溶媒中に設けられ、シリコン原子又はゲルマニウム原子に結合したアルコキシ基を有するアルコキシ基含有化合物の、酸又はアルカリ存在下での加水分解及び縮合により得られる樹脂とを含み、エネルギー線の照射部位が現像液に不溶となるレジスト組成物を準備する工程と、
準備された前記レジスト組成物を前記基板の前記第1面に配設する工程と、
配設された前記レジスト組成物の、前記一部に対応する領域に、前記エネルギー線を照射する工程と、
前記レジスト組成物の前記エネルギー線の未照射部を、前記現像液を用いて前記基板上から除去する工程と
を含むことを特徴とする請求項6乃至9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記アルコキシ基含有化合物は、下記一般式で表され、
前記樹脂は、前記アルコキシ基含有化合物の少なくとも1種の加水分解及び縮合により得られることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。
R1 4-nM(OR2)n・・・(1)
〔式(1)中、Mは、シリコン原子又はゲルマニウム原子であり、nは、1〜4の整数である。R1は、水素原子若しくはフッ素原子、又は炭素数1〜8のアルキル基、ビニル基、脂環族基、アリール基若しくはこれらの誘導体を表し、nが2以下では互いに同一でも異なっていてもよい。R2は、水素原子、炭素数1〜8のアルキル基、アリル基、ビニル基又は脂環族基を表し、nが2以上では互いに同一でも異なっていてもよい。〕 - 前記誘導体は、アリール基を含むことを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記誘導体は、エステル結合又はエーテル結合を有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 準備される前記レジスト組成物は、前記溶媒中に酸又はアルカリの化合物を含むことを特徴とする請求項10乃至13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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