JP2017157585A - 半導体デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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潤一 岡安
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善亮 阿部
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卓也 大泉
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Takahiro Yashiro
貴浩 八城
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Abstract

【課題】高速動作が可能な半導体デバイスを提供する。
【解決手段】半導体デバイス１００において、エピ基板１０２は、ＳｉＣ（炭化珪素）基板およびＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含む。多層配線構造３００は、エピ基板１０２の表面側に形成されており、少なくともひとつの金属配線層Ｍ１および有機系の層間絶縁膜を含む。裏面メタル層１２０は、エピ基板１０２の裏面に形成される。少なくともひとつのビアホール１２２は、エピ基板１０２に形成され、多層配線構造３００と裏面メタル層１２０の間を接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスに関する。
従来のシリコン系の半導体デバイスの代替として、より高速動作が可能な窒化物半導体デバイスの開発が進められている。図１は、従来の窒化物半導体デバイスの断面図である。半導体デバイス１００Ｒは、エピ基板１０２、層間絶縁膜１０４，１０６および配線層１１０，１１２，１１４を備える。半導体デバイス１００Ｒには、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）２００、薄膜抵抗２０２、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）キャパシタ２０４、ＧＮＤ端子（パッド）２０６やＶＳＳ配線２０８などが集積化され、高周波回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit）を構成している。
ＨＥＭＴ２００に対するグランド強化のために、エピ基板１０２の裏面には、裏面メタル層１２０を形成する場合がある。そして裏面メタル層１２０と接地電位とすべき配線層１１０の配線との間は、ビアホール（スルーホール）１２２を介して接続される。
特開２０１３−１９１７６３号公報 特表２００３−５３０７１６号公報 特表２００８−５３２２９０号公報
本発明者らは図１に示す従来技術について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。なおここでの検討や認識を当業者の一般的な認識、知識と捉えてはならない。
ビアホール１２２の形成に際しては、エピ基板１０２に対して、エッチングによる開口（Ｖｉａ−ｈｏｌｅエッチング）を施す必要がある。ＳｉＣは高耐エッチング性を有するため、たとえば厚さ１００μｍのエピ基板１０２をエッチングしようとすると、基板温度３００〜４００℃まで上昇する。したがって層間絶縁膜１０４，１０６としては、基板温度の上昇によってダメージを受けにくい無機系の材料、たとえばＳｉＮ膜（窒化珪素）を採用せざるを得なかった。あるいは、エアブリッジとＳｉＮ膜により層間絶縁膜を形成する場合もあった。
ところが、ＳｉＮ膜の比誘電率は７．０程度と高いため、マイクロ波よりも高いミリ波領域の高周波動作が困難となる。ＳｉＮ膜を用いると、配線の多層化が困難となる。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、高速動作が可能な半導体デバイスの提供にある。
本発明のある態様は、半導体デバイスに関する。半導体デバイスは、ＳｉＣ（炭化珪素）基板およびＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含むエピ基板と、エピ基板の表面側に形成され、少なくともひとつの金属配線層および有機系の層間絶縁膜を含む多層配線構造と、エピ基板の裏面に形成される裏面メタル層と、エピ基板に形成され、多層配線構造と裏面メタル層の間を接続する少なくともひとつのビアホールと、を備える。
この態様によると、比誘電率が低い（ｌｏｗ−ｋ）有機系の層間絶縁膜を用いることにより、高周波動作が可能となる。
ビアホールの形成におけるビアホールエッチングは、層間絶縁膜が変質しない条件で行われてもよい。
エッチングレートは、１μｍ／ｍｉｎ以下であってもよい。エッチング中のウェハの冷却温度は０℃以下であってもよい。これにより、エッチング中の基板温度の上昇を好適に抑制でき、層間絶縁膜の変質を防止できる。
ビアホールエッチングの後に、エピ基板に付着した不純物が超音波洗浄によって剥離されていてもよい。これによりめっき層を良好に形成できる。
超音波洗浄は、純水中で行ってもよい。純水を用いた超音波洗浄によれば、酸やアルカリを用いた洗浄に比べて、ＮｉＦ（フッ化ニッケル）を含む不純物を好適に除去することができる。
本発明の別の態様は、半導体デバイスの製造方法に関する。この製造方法は、ＳｉＣ（炭化珪素）基板およびＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含むエピ基板に、トランジスタ素子を形成するステップと、エピ基板の上側に、少なくともひとつの金属配線層および有機系の層間絶縁膜を含む多層配線構造を形成するステップと、エピ基板の裏面を研磨するステップと、エピ基板の裏面側から、有機系の層間絶縁膜が変質しない条件下で、ビアホールエッチングを施すステップと、エピ基板の裏面およびビアホールの側壁をめっきするステップと、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、高速動作が可能な半導体デバイスを提供できる。
従来の窒化物半導体デバイスの断面図である。 実施の形態に係る半導体デバイスの断面図である。 図３（ａ）は、酸やアルカリを用いた洗浄後に形成したビアホールの断面図であり、図３（ｂ）は、超音波洗浄後に形成したビアホールの断面図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
図２は、実施の形態に係る半導体デバイス１００の断面図である。図１と同様に、半導体デバイス１００には、ＨＥＭＴ２００、薄膜抵抗２０２、キャパシタ２０４、パッド２０６、配線２０８等が集積化され、ＭＭＩＣが構成されている。
半導体デバイス１００は、エピ基板１０２、多層配線構造３００、裏面メタル層１２０、ビアホール１２２を備える。
エピ基板１０２は、ＳｉＣ（炭化珪素）基板およびＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含む。多層配線構造３００は、エピ基板１０２の表面側に形成される。多層配線構造３００は、少なくともひとつの金属配線層Ｍ１〜Ｍ４および有機系の層間絶縁膜Ｉ１〜Ｉ３を含む。裏面メタル層１２０は、エピ基板１０２の裏面に形成される。有機系の層間絶縁膜としては、ポリイミド、ＢＣＢ（benzocyclobutene）、フッ素系樹脂などの比誘電率が２．５〜３程度のいわゆるｌｏｗ−ｋ材料を用いることができる。なお多層配線構造３００の層数は特に限定されない。
さらに多層配線構造３００は、層間絶縁膜Ｉ１と金属配線層Ｍ１の間に挿入された保護層３０２を備えてもよい。保護層３０２は、たとえばＳｉＮ（窒化珪素）で形成することができる。少なくともひとつのビアホール１２２は、エピ基板１０２に形成される。各ビアホール１２２は、多層配線構造３００と裏面メタル層１２０の間を接続する。
図２の半導体デバイス１００によれば、層間絶縁膜Ｉ１〜Ｉ３がｌｏｗ−ｋ材料で構成されるため、高速動作が可能となる。また、ＳｉＮ膜を用いた従来技術と比べて、必要に応じてさらなる多層化を実現できる。
以上が半導体デバイス１００の基本構造である。続いてその製造方法を説明する。
エピ基板１０２に、ＨＥＭＴ２００などのトランジスタ素子（ゲート、ソース、ドレイン）が形成される。続いて、エピ基板１０２の上側に、多層配線構造３００が形成される。ここまでの工程は、従来と同様である。
続いて、エピ基板１０２の裏面を研磨し、基板厚みを１００μｍとする。そして、エピ基板１０２の裏面側から、有機系の層間絶縁膜Ｉ１〜Ｉ３が変質しない条件下で、ビアホールエッチングを施す。変質しない条件は、層間絶縁膜Ｉ１〜Ｉ３として用いる材料の耐熱温度などを考慮して定めればよい。
本発明者らが検討したところ、エピ基板１０２の基板温度を３００℃以下に抑制することにより、層間絶縁膜Ｉ１〜Ｉ３の変質（クラック、剥離、変色など）を生じさせることなく、ビアホールの開口を形成することが確認された。安全を考慮するとより好ましくは、エピ基板１０２の基板温度を２５０℃以下に抑制してもよい。
通常のビアホールエッチングにおけるエッチングレートは、１μｍ／ｍｉｎより速いのが一般的であるが、本実施の形態においてエッチングレートは、１μｍ／ｍｉｎ以下、具体的には０．５μｍ／ｍｉｎ〜１μｍ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。これにより、エッチングによるエピ基板１０２の発熱を好適に抑制し、層間絶縁膜がその耐熱温度を超えるのを防止できる。
エッチングレートの低下に加えて、ビアホールエッチング中に、エピ基板１０２を０℃以下（たとえば−３０℃〜０℃）で熱冷却することが好ましい。これにより、層間絶縁膜がその耐熱温度を超えるのを防止できる。
エッチングの完了後、エピ基板１０２の裏面およびビアホール１２２の側壁をめっき（たとえばＡｕ（金）めっき）する。これにより裏面メタル層１２０およびビアホール１２２が形成される。
本発明者らが検討したところ、めっき処理前に、エピ基板１０２の裏面やビアホール１２２の側壁に不純物が付着していると、めっき不良が発生することを認識した。特に、ビアホールエッチングにおいて、代表的なエッチングガスであるＳＦ６と、Ｎｉ（ニッケル）のメタルマスクの組み合わせを用いると、ＮｉＦ（フッ化ニッケル）が発生し、これがエピ基板１０２の裏面やビアホール１２２の側壁に付着する。
従来では、不純物の洗浄には、酸やアルカリを用いるのが一般的であった。しかしながら、不純物にＮｉＦ（フッ化ニッケル）が含まれる場合、酸やアルカリではそれを除去しきれない場合があり、Ａｕめっきが良好に形成できないという問題が生じる。また仮にＡｕめっきが形成できたとしても、ＮｉＦが残留していると、ＭＭＩＣの高温高湿試験等において、空気中の水分がＮｉＦと反応すると、フッ素が水溶性となり、ビアホール１２２の周辺の配線金属等を腐食させてしまう。図３（ａ）は、酸やアルカリを用いた洗浄後に形成したビアホール１２２の断面図である。
そこで製造方法においては、超音波洗浄により、エピ基板１０２に付着した不純物を除去、剥離する。好ましくは超音波洗浄を５０℃以上（１００℃以下）の純水中で行うことが望ましい。図３（ｂ）は、超音波洗浄後に形成したビアホール１２２の断面図である。このように超音波洗浄により、酸やアルカリでは除去できない不純物を除去できており、良好なビアホールを形成することができる。
また酸やアルカリを用いた洗浄では、金属配線に与えるダメージが問題となるが、本実施の形態では純水を用いた超音波洗浄を用いるため、ダメージフリーといえる。
なお、メタルマスクがＮｉを含まず、したがって不純物がＮｉＦを含まない場合には、従来と同様に酸やアルカリを用いた洗浄を行ってもよい。
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
１００…半導体デバイス、１０２…エピ基板、１０４，１０６…層間絶縁膜、１１０，１１２，１１４…配線層、１２０…裏面メタル層、１２２…スルーホール、２００…ＨＥＭＴ、２０２…薄膜抵抗、２０４…キャパシタ、２０６…パッド、２０８…配線、３００…多層配線構造、３０２…保護層、Ｍ１〜Ｍ４…金属配線層、Ｉ１〜Ｉ３…層間絶縁膜。

Claims (8)

  1. ＳｉＣ（炭化珪素）基板および前記ＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含むエピ基板と、
    前記エピ基板の表面側に形成され、少なくともひとつの金属配線層および有機系の層間絶縁膜を含む多層配線構造と、
    前記エピ基板の裏面に形成される裏面メタル層と、
    前記エピ基板に形成され、前記多層配線構造と前記裏面メタル層の間を接続する少なくともひとつのビアホールと、
    を備えることを特徴とする半導体デバイス。
  2. 前記ビアホールの形成におけるビアホールエッチングは、前記層間絶縁膜が変質しない条件で行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. エッチングレートは、１μｍ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体デバイス。
  4. エッチング中の前記エピ基板の冷却温度は０℃以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイス。
  5. ビアホールエッチングの後に、前記エピ基板に付着した不純物が超音波洗浄によって剥離されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体デバイス。
  6. 前記超音波洗浄は、純水中で行われることを特徴とする請求項５に記載の半導体デバイス。
  7. 半導体デバイスの製造方法であって、
    ＳｉＣ（炭化珪素）基板および前記ＳｉＣ基板上に形成されるＧａＮ（窒化ガリウム）のエピ層を含むエピ基板に、トランジスタ素子を形成するステップと、
    前記エピ基板の上側に、少なくともひとつの金属配線層および有機系の層間絶縁膜を含む多層配線構造を形成するステップと、
    前記エピ基板の裏面を研磨するステップと、
    前記エピ基板の裏面側から、前記有機系の層間絶縁膜が変質しない条件下で、ビアホールエッチングを施すステップと、
    前記エピ基板の裏面およびビアホールの側壁をめっきするステップと、
    を備えることを特徴とする製造方法。
  8. 前記めっきに先立ち、前記エピ基板に付着した不純物を超音波洗浄により剥離するステップをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
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