JP7070848B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。
特許文献１には、半導体装置の製造方法が記載されている。この製造方法では、ＧａＮ層及びｎ型ＡｌＧａＮ層に、絶縁性基板の表面まで到達する開口部を形成する。ソース電極に接続されるＮｉ層を導電性エッチングストッパとして開口部内に形成する。絶縁性基板に、その裏面側からＮｉ層まで到達するビアホールを形成する。そして、ビアホール内にビア配線を形成する。
特開２００９－２１２１０３号公報
基板上に窒化物半導体層を備える半導体装置の製造する際に、基板及び窒化物半導体層を貫通するビアホールを形成する場合がある。その場合、まず窒化物半導体層上にエッチングストッパとしての金属膜を形成し、基板の裏面から金属膜に達するビアホールを反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により形成する。窒化物半導体層に対するＲＩＥでは、反応ガスとして例えば塩素系ガスが用いられる。金属膜の材料としては、塩素プラズマに対して十分なエッチング耐性を有するＮｉが用いられる。しかしながら、Ｎｉ膜は、電気抵抗が高いという欠点を有する。多くの場合、金属膜は裏面電極とビアホールを介して導通されることから、金属膜の電気抵抗は低いことが望ましい。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、エッチングストッパとしての金属膜の電気抵抗を低くすることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、基板と、基板上に設けられた窒化物半導体層とを含む基板生産物の窒化物半導体層側の表面上に、ビアホール形成予定領域を覆いＡｌを含む金属膜を形成する工程と、基板生産物の基板側の裏面上に、ビアホール形成予定領域を露出させる開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、反応性イオンエッチングにより、裏面から表面に達し金属膜を露出させるビアホールを基板生産物に形成する工程と、を含む。ビアホールを形成する工程では、少なくともエッチング終了時を含む期間においてフッ素を含む反応ガスを用いる。
本発明による半導体装置の製造方法によれば、エッチングストッパとしての金属膜の電気抵抗を低くすることができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置としてのトランジスタ１Ａを示す平面図である。 図２は、図１に示されたトランジスタ１ＡのII－II線に沿った断面図である。 図３は、図１に示されたトランジスタ１ＡのIII－III線に沿った断面図である。 図４の（ａ）～（ｃ）は、トランジスタ１Ａの製造工程を示す断面図である。 図５の（ａ）～（ｃ）は、トランジスタ１Ａの製造工程を示す断面図である。 図６は、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを反応ガスとして用いた場合の、窒化物半導体であるＧａＮとＡｌとのエッチング選択比とＲＦパワーとの関係を示すグラフである。 図７は、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを反応ガスとして用いた場合の、ＳｉＣとＡｌとのエッチング選択比とＲＦパワーとの関係を示すグラフである。 図８の（ａ）～（ｃ）は、第１変形例に係る製造工程を示す断面図である。 図９は、上記実施形態の第２変形例に係る半導体装置としてのトランジスタ１Ｂを示す平面図である。 図１０は、図９に示されたトランジスタ１ＢのＸ－Ｘ線に沿った断面図である。 図１１の（ａ）～（ｃ）は、従来のビアホール形成方法を示す断面図である。
本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置としてのトランジスタ１Ａを示す平面図である。図２は、図１に示されたトランジスタ１ＡのII－II線に沿った断面図である。図３は、図１に示されたトランジスタ１ＡのIII－III線に沿った断面図である。なお、説明のため、図１においては絶縁膜３１、３２が省略されている。
図１及び図２に示されるように、本実施形態のトランジスタ１Ａは、基板３と、基板３上に設けられた窒化物半導体層１０と、窒化物半導体層１０上に設けられたソース電極２１、ドレイン電極２２、及びゲート電極２３とを備える。基板３は、平坦な表面を有する結晶成長用の基板である。基板３として、例えばＳｉＣ基板が挙げられる。基板３の厚さは、例えば７５μｍ～１５０μｍの範囲内であり、一例では１００μｍである。窒化物半導体層１０の厚さは、例えば０．５μｍ～３．０μｍの範囲内であり、一例では１．０μｍである。
本実施形態のトランジスタ１Ａは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。すなわち、窒化物半導体層１０は、チャネル層１２及び電子供給層（バリア層）１３を少なくとも有する。チャネル層１２と電子供給層１３との界面に２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が生じ、チャネル領域が形成される。チャネル層１２は、基板３の表面にエピタキシャル成長した層である。チャネル層１２と基板３との間にバッファ層１１が介在してもよい。チャネル層１２における電子供給層１３との界面近傍の領域は、チャネル領域として機能する。バッファ層１１は、例えばＡｌＮ層である。バッファ層１１の厚さは、例えば２０ｎｍである。チャネル層１２は、例えばＧａＮ層である。チャネル層１２の厚さは、例えば１μｍである。電子供給層１３は、チャネル層１２上にエピタキシャル成長した層である。電子供給層１３の厚さは、例えば２０ｎｍである。電子供給層１３は、例えばＡｌＧａＮ層、ＩｎＡｌＮ層、又はＩｎＡｌＧａＮ層等である。一実施例では、電子供給層１３はＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなる。電子供給層１３は、ｎ型化していてもよい。なお、窒化物半導体層１０は、電子供給層１３上に、図示しないキャップ層を更に有してもよい。その場合、キャップ層の厚さは例えば５ｎｍである。キャップ層は例えばＧａＮ層であり、ｎ型化していてもよい。
図１に示されるように、窒化物半導体層１０は、活性領域１０ａと不活性領域１０ｂとを有する。活性領域１０ａは、トランジスタとして動作する領域である。不活性領域１０ｂは、窒化物半導体層１０に例えばアルゴン（Ａｒ）、プロトン（Ｈ）等のイオンを注入することによって電気的に不活性化した領域である。不活性領域１０ｂは、活性領域１０ａを囲み、互いに隣り合うトランジスタ１Ａ同士の電気的な分離、及びトランジスタ１Ａの動作領域の限定のために設けられる。
ソース電極２１及びドレイン電極２２は、窒化物半導体層１０の活性領域１０ａ上に設けられ、活性領域１０ａと接触している。本実施形態では、３本のソース電極２１と、２本のドレイン電極２２とが、１つの活性領域１０ａ上に設けられる。ソース電極２１及びドレイン電極２２は、方向Ｄ１に沿って並んでおり、方向Ｄ１と交差（例えば直交）する方向Ｄ２を長手方向とする細長形状をそれぞれ有する。ソース電極２１は、図２に示されるように、活性領域１０ａ上に設けたオーミック金属層２１ａ、及びオーミック金属層２１ａ上に設けた配線層２１ｂを含む。同様に、ドレイン電極２２は、活性領域１０ａ上に設けたオーミック金属層２２ａ、及びオーミック金属層２２ａ上に設けた配線層２２ｂを含む。オーミック金属層２１ａ，２２ａは、例えばチタン（Ｔｉ）層若しくはタンタル（Ｔａ）層である第１層と、アルミニウム（Ａｌ）層である第２層との積層構造が熱処理により合金化されてなる。熱処理前のＡｌ層は、窒化物半導体層１０の厚さ方向において、Ｔｉ層若しくはＴａ層によって挟まれていてもよい。Ｔｉ層若しくはＴａ層の厚さは例えば５ｎｍ～２０ｎｍの範囲内であり、一実施例では１０ｎｍである。Ａｌ層の厚さは例えば５０ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であり、一実施例では５００ｎｍである。配線層２１ｂ，２２ｂは、電気抵抗が小さい導電性の金属層である。配線層２１ｂ，２２ｂは、例えばＡｕめっきによって形成され、その厚さは例えば５μｍである。
ソース電極２１及びドレイン電極２２は、電子供給層１３と接触していてもよく、電子供給層１３上に設けられたキャップ層と接触していてもよい。或いは、ソース電極２１及びドレイン電極２２は、電子供給層１３の一部が除去されることにより露出したチャネル層１２上に設けられ、電子供給層１３とチャネル層１２との界面付近と接触していてもよい。
ゲート電極２３は、窒化物半導体層１０の活性領域１０ａ上に設けられている。ゲート電極２３は、方向Ｄ１においてソース電極２１とドレイン電極２２との間に位置する。ゲート電極２３は、方向Ｄ２を長手方向として線状に延びている。一例では、ゲート電極２３は、例えばニッケル（Ｎｉ）層、パラジウム（Ｐｄ）層、及び金（Ａｕ）層の積層構造を有する。Ｎｉ層の厚さは例えば１００ｎｍであり、Ｐｄ層の厚さは例えば５０ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは例えば５００ｎｍである。また、他の一例では、ゲート電極２３は、例えばＮｉ層、白金（Ｐｔ）層、及びＡｕ層の積層構造を有する。Ｎｉ層の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ｐｔ層の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ａｕ層の厚さは例えば６００ｎｍである。Ｎｉ層は、窒化物半導体層１０とショットキ接触をなす。
図２に示されるように、トランジスタ１Ａは、絶縁膜３１，３２、及び裏面電極２４を更に備える。絶縁膜３１，３２は、窒化物半導体層１０、ソース電極２１、ドレイン電極２２、及びゲート電極２３を保護する。裏面電極２４は、基板３の裏面３ｂ上に設けられた金属膜である。裏面電極２４は、例えば金（Ａｕ）といった金属からなる。
絶縁膜３１は、窒化物半導体層１０上に設けられ、窒化物半導体層１０と接しており、ソース電極２１、ドレイン電極２２、及びゲート電極２３から露出した窒化物半導体層１０の表面１０ｃを覆う。絶縁膜３１には窒化物半導体層１０を露出させるゲート開口が設けられており、ゲート開口内にはゲート電極２３の一部が埋め込まれている。ゲート電極２３は、ゲート開口を介して窒化物半導体層１０と接触している。方向Ｄ１におけるゲート開口の長さ（ゲート長）は、例えば０．５μｍである。絶縁膜３１は、例えば絶縁性のＳｉ化合物膜であり、一例ではＳｉＮ膜である。絶縁膜３１の厚さは例えば１００ｎｍである。
絶縁膜３１は、ソース電極２１のオーミック金属層２１ａ上に開口を有しており、該開口上にはソース電極２１の配線層２１ｂが設けられている。配線層２１ｂは、該開口を介してオーミック金属層２１ａと接触している。絶縁膜３１は、ドレイン電極２２のオーミック金属層２２ａ上にも開口を有しており、該開口上にはドレイン電極２２の配線層２２ｂが設けられている。配線層２２ｂは、該開口を介してオーミック金属層２２ａと接触している。
絶縁膜３２は、絶縁膜３１上に設けられ、絶縁膜３１に接している。絶縁膜３２は、ソース電極２１、ドレイン電極２２、ゲート電極２３、及び絶縁膜３１を覆う。絶縁膜３２は、例えば絶縁性のＳｉ化合物膜であり、一例ではＳｉＮ膜である。絶縁膜３２の厚さは例えば１００ｎｍである。
図１に示されるように、トランジスタ１Ａはソースパッド２５、ドレインパッド２６、及びゲートパッド２７を更に備える。ソースパッド２５、ドレインパッド２６、及びゲートパッド２７は、窒化物半導体層１０の不活性領域１０ｂ上に設けられている。ソースパッド２５及びゲートパッド２７は、方向Ｄ２における活性領域１０ａの一方側に設けられており、ドレインパッド２６は、方向Ｄ２における活性領域１０ａの他方側に設けられている。従って、活性領域１０ａは、ソースパッド２５及びゲートパッド２７とドレインパッド２６との間に位置する。ソースパッド２５、ドレインパッド２６、及びゲートパッド２７それぞれは、活性領域１０ａ上から不活性領域１０ｂ上にわたって延在するソース電極２１、ドレイン電極２２、及びゲート電極２３それぞれと一体的に繋がることにより、これらの電極２１～２３と電気的に接続されている。ドレインパッド２６及びゲートパッド２７は、外部回路とのワイヤボンディングのための領域を提供する。
図３に示されるように、ソースパッド２５は、不活性領域１０ｂ上に設けられ不活性領域１０ｂと接触する下層２５ａ、及び下層２５ａ上に設けた上層２５ｂを含む。下層２５ａは、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属からなる。一例では、下層２５ａは、ソース電極２１のオーミック金属層２１ａと同じ構成を有する。すなわち、下層２５ａは、絶縁膜３１に形成された開口３１ａを埋め込んでおり、Ｔｉ層若しくはＴａ層である第１層と、Ａｌ層である第２層との積層構造が熱処理により合金化されてなる。熱処理前のＡｌ層は、窒化物半導体層１０の厚さ方向において、Ｔｉ層若しくはＴａ層によって挟まれていてもよい。Ｔｉ層若しくはＴａ層、及びＡｌ層の厚さは、ソース電極２１のオーミック金属層２１ａと同様である。上層２５ｂは、電気抵抗が小さい導電性の金属層である。上層２５ｂは、例えばＡｕめっきによって形成され、その厚さはソース電極２１の配線層２１ｂと同様である。なお、ドレインパッド２６の構成材料は、上層２５ｂと同様である。ゲートパッド２７の構成材料は、ゲート電極２３と同様である。
基板３及び窒化物半導体層１０には、ビアホール４が形成されている。ビアホール４は、基板３の裏面３ｂから、窒化物半導体層１０の表面１０ｃまで貫通している。ビアホール４はソースパッド２５の直下に形成されており、基板３及び窒化物半導体層１０の厚さ方向から見て、ビアホール４とソースパッド２５とは互いに重なっている。ソースパッド２５の下層２５ａの下面は、ビアホール４を介して基板３から露出している。図１に示されるように、ビアホール４の平面形状は例えば矩形、円形、楕円形若しくは長円形である。
ビアホール４内には、導電膜２４ａが形成されている。導電膜２４ａは、ビアホール４の内側面上、及び下層２５ａの下面上にわたって設けられており、下層２５ａと接している。導電膜２４ａは、裏面電極２４と同じ材料からなり、ビアホール４の裏面３ｂ側において裏面電極２４と繋がっている。導電膜２４ａは、裏面電極２４とソースパッド２５とを電気的に接続する。
以上の構成を備える本実施形態のトランジスタ１Ａを製造する方法について説明する。図４及び図５は、トランジスタ１Ａの製造工程を示す断面図であって、図３に相当する断面を示す。
まず、図４の（ａ）に示されるように、基板３の主面上に、バッファ層１１、チャネル層１２及び電子供給層１３を成長することにより、窒化物半導体層１０を形成する。この成長は、例えば有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）によって行われる。これにより、基板３及び窒化物半導体層１０を含む基板生産物としてのエピタキシャル基板２が形成される。次に、活性領域１０ａ（図１を参照）となる窒化物半導体層１０の領域上にレジストマスクを形成し、該レジストマスクから露出した窒化物半導体層１０の領域にイオン（例えばＡｒイオン）を注入することにより、不活性領域１０ｂ（図１を参照）を活性領域１０ａの周囲に形成する。その後、エピタキシャル基板２全体を絶縁膜３１で覆う。
続いて、ソース電極２１、ドレイン電極２２、及びソースパッド２５に対応する箇所の絶縁膜３１に開口３１ａを形成し、オーミック金属層２１ａ及び２２ａ（図２を参照）、並びにソースパッド２５の下層２５ａでそれら開口３１ａを埋める。このとき、下層２５ａは、ビアホール形成予定領域２ａを完全に覆う。一例では、下層２５ａを形成する工程は、Ｔｉ若しくはＴａからなる第１層２５ａ１をエピタキシャル基板２の表面上に形成する工程と、Ａｌからなる第２層２５ａ２を第１層２５ａ１上に形成する工程と、Ｔｉ若しくはＴａからなる第３層２５ａ３を第２層２５ａ２上に形成する工程と、これら第１層２５ａ１、第２層２５ａ２、及び第３層２５ａ３を熱処理して合金化する工程と、を含む。オーミック金属層２１ａ，２２ａもこれと同様にして形成される。オーミック金属層２１ａ，２２ａ及び下層２５ａは、例えば真空蒸着法によりそれぞれ対応する金属を当該領域に堆積することにより形成される。
その後、絶縁膜３１にゲート開口を形成したのち、ゲート電極２３で当該ゲート開口を塞ぐ。以上の工程により、エピタキシャル基板２上にソース電極２１、ドレイン電極２２、下層２５ａ、およびゲート電極２３が形成され、当該電極、パッド、金属以外の表面が絶縁膜３１により覆われたエピタキシャル基板２を得る。各電極２１、２２、下層２５ａ、ゲート電極２３の縁は、絶縁膜３１に乗り上げていてもよい。その後、オーミック金属層２１ａ，２２ａ及び下層２５ａの上に、配線層２１ｂ，２２ｂ及び上層２５ｂをそれぞれ形成する。同時に、ドレインパッド２６及びゲートパッド２７を形成する。そして、ソース電極２１、ドレイン電極２２、及び絶縁層３１を覆う絶縁層３２を形成する。配線層２１ｂ，２２ｂ及び上層２５ｂ、並びにドレインパッド２６及びゲートパッド２７の形成は、例えばめっき法により行われる。なお、絶縁膜３１，３２は、例えば化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）法により形成される。
次に、図４の（ｂ）に示されるように、エピタキシャル基板２の窒化物半導体層１０側の表面（すなわち窒化物半導体層１０の表面１０ｃ）と支持基板４２（例えばガラス基板）とを、ワックス４１を介して相互に貼り付ける。そして、エピタキシャル基板２の裏面（すなわち基板３の裏面３ｂ）上に、ビアホール形成予定領域２ａに開口４３ａを有するエッチングマスク４３を形成する。エッチングマスク４３は、例えばＮｉ及びＣｕの少なくとも一方を含む材料からなり、一実施例ではＮｉからなる。詳細には、まずニッケル（Ｎｉ）を裏面３ｂ上に蒸着し、その上にレジストを塗布する。ビアホール形成予定領域２ａ上の部分に開口を有するレジストパターンを形成する。この開口を通じてＮｉ膜をエッチングする。これにより、Ｎｉからなり開口４３ａを有するエッチングマスク４３が形成される。その後、レジストを除去する。
続いて、図４の（ｃ）に示されるように、エッチングマスク４３の開口４３ａを介して、ビアホール形成予定領域２ａの基板３を裏面３ｂ側から選択的にエッチングする。このエッチングは、プラズマエッチングの一種である反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）であり、フッ素を含む反応ガスを用いる。一例では、反応ガスはＳＦ６とＯ２との混合ガスである。基板３がＳｉＣ基板である場合、フッ素および酸素プラズマによる化学的エッチング反応（フッ化シリコン、ＳｉＦｘおよび炭酸ガス（ＣＯ２）の生成）が進行する。ＲＦパワーは例えば４００Ｗである。このエッチングを、基板３が僅かに残存する段階で（すなわち、基板３が完全に除去される直前で）エッチングを終了する。なお、基板３が完全に除去されて窒化物半導体層１０が露出した段階でエッチングを終了してもよい。
続いて、図５の（ａ）に示されるように、窒化物半導体層１０をエッチングして下層２５ａを露出させる。この工程では、前工程から引き続き、エッチング終了時を含めて、フッ素を含む反応ガス（例えばＳＦ６とＯ２との混合ガス）を用いてＲＩＥにより窒化物半導体層１０をエッチングする。但し、ＲＦパワーを前工程よりも低く設定する。一例では、本工程のＲＦパワーは１００Ｗである。ＲＦパワーの変更は、エッチングを一旦停止して実施される。また、必要に応じて圧力などを調節してもよい。この段階におけるエッチングでは、反応ガスに含まれるイオン（例えばＳイオン）によるスパッタ効果が支配的となる。こうして、エピタキシャル基板２の裏面から表面に達するビアホール４が形成され、該ビアホール４を介して下層２５ａが露出する。なお、スループットを向上させるために、窒化物半導体層１０は例えば２μｍ以下といった薄さに形成してもよい。
ここで、図５の（ｂ）に示されるように、上記のエッチングの結果、下層２５ａの露出表面（特に第２層２５ａ２の表面）には、アルミニウムのフッ化物ＡｌＦｘ、及びアルミニウムの酸化物ＡｌＯｘを含む被膜２５ｃが生成する。この被膜２５ｃはスパッタに対して高い耐性を有するので、エッチングの進行は実質的に停止する。下の表１は、下層２５ａの露出表面のＸＰＳ分析結果を示す。この表１に示されるように、露出表面にはアルミニウム原子に加えて酸素原子及びフッ素原子が多く存在しており、ＡｌＦｘ及びＡｌＯｘが生成していることがわかる。
Figure 0007070848000001
このように、下層２５ａは、窒化物半導体層１０に対するエッチングストッパとして機能する。図６は、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを反応ガスとして用いた場合の、窒化物半導体であるＧａＮとＡｌとのエッチング選択比とＲＦパワーとの関係を示すグラフである。横軸はＲＦパワー（単位：Ｗ）を表し、縦軸はエッチング選択比（ＧａＮ／Ａｌ）を表す。なお、ＳＦ６ガスの流量を７５ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスの流量を２５ｓｃｃｍとし、炉内圧力を１Ｐａとした。
ＲＦパワーを小さくするほどＧａＮ，Ａｌ共にエッチングレートが減少するが、ＧａＮの減少率がＡｌの減少率を上回るため、ＧａＮとＡｌとのエッチング選択比が次第に大きくなる。そして、ＲＦパワーが低い領域（例えば１５０Ｗ未満）では、ＧａＮとＡｌとのエッチング選択比が顕著に増大する。これは、ＲＦパワーが小さくなると、下層２５ａの露出表面に生成したＡｌＦｘ及びＡｌＯｘが除去されにくくなることに起因する。特に、ＲＦパワーが１００Ｗであるとき、ＧａＮとＡｌとのエッチング選択比は１０を超える。実験では、ＧａＮのエッチング（スパッタ）レートはおよそ２０ｎｍ／分であり、Ａｌのエッチング（スパッタ）レートはおよそ２ｎｍ／分であった。従って、Ａｌを含む下層２５ａは、窒化物半導体層１０に対するエッチングストッパとして良好に機能することができる。
図７は、ＳＦ６とＯ２との混合ガスを反応ガスとして用いた場合の、ＳｉＣとＡｌとのエッチング選択比とＲＦパワーとの関係を示すグラフである。横軸はＲＦパワー（単位：Ｗ）を表し、縦軸はエッチング選択比（ＳｉＣ／Ａｌ）を表す。ＳＦ６ガス及びＯ２ガスの流量並びに炉内圧力は図６と同様である。図７に示されるように、ＳｉＣとＡｌにおいても、ＲＦパワーを小さくするほどエッチングレートが減少するが、ＳｉＣとＡｌとのエッチング選択比が次第に大きくなる。そして、ＲＦパワーが２００Ｗであるときエッチング選択比は２０に近く、ＲＦパワーが１５０Ｗであるときエッチング選択比は４０に達する。このことは、ＳｉＣのエッチング（スパッタ）レートがＧａＮ，Ａｌのエッチング（スパッタ）レートよりも格段に速いことを意味する。従って、基板３に対するエッチング条件を窒化物半導体層１０及び下層２５ａに対してそのまま継続しても、下層２５ａのオーバエッチングは生じ難い。
被膜２５ｃ（ＡｌＦｘ、ＡｌＯｘ）は絶縁性である。後述する導電膜２４ａと下層２５ａとの間の電気抵抗を下げるため、ビアホール４の形成後、被膜２５ｃを除去する。例えば、ビアホール４内において露出した下層２５ａを、アルゴンガスなどの不活性ガスを含むプラズマに晒すことにより、被膜２５ｃを除去できる。この工程の後、エッチングマスク４３を除去する。
続いて、図５の（ｃ）に示されるように、基板３の裏面３ｂ上に裏面電極２４を形成する。同時に、ビアホール４内（ビアホール４の内側面上および下層２５ａの露出面上）に、下層２５ａに接する導電膜２４ａを形成する。この工程では、裏面電極２４及び導電膜２４ａを、例えばＡｕめっきにより形成する。以上の工程を経て、本実施形態のトランジスタ１Ａが作製される。
以上に説明した本実施形態によって得られる効果について、従来の課題と共に説明する。図１１の（ａ）は、ＳｉＣ基板１０１上に窒化物半導体層１０２が形成された状態を示している。窒化物半導体層１０２は、例えば、ＳｉＣ基板１０１側から順にＧａＮ層及びＡｌＧａＮ層を有する。また、窒化物半導体層１０２の上面には、エッチングストッパとしてのＮｉ膜１０３が設けられている。更に、ＳｉＣ基板１０１の裏面上には、ビアホール形成予定領域に開口１０４ａを有するエッチングマスク１０４が設けられている。
図１１の（ｂ）は、（ａ）に対してＳｉＣ基板１０１の裏面側からＲＩＥを施した状態を示す。このＲＩＥによりビアホール１０５が形成される。ビアホール１０５の形成後、エッチングマスク１０４は除去される。ＲＩＥの反応性ガスとしては、ＳｉＣ基板１０１に対してはＳＦ６などのフッ素系ガスが使用され、窒化物半導体層１０２に対してはＳｉＣｌ４などの塩素系ガスが使用される。その後、図１１の（ｃ）に示されるように、基板１０１の裏面上及びビアホール１０５の内部（ビアホール１０５の内側面上及びＮｉ膜１０３上）に裏面電極１０６が形成される。裏面電極１０６は、ビアホール１０５を通じてＳｉＣ基板１０１の裏面側とＮｉ膜１０３との間を電気的に導通する。
一般的に、窒化物半導体層のＲＩＥにおいては、ＳｉＣｌ４などの塩素系ガスが採用される。例えばＳｉＣｌ４ガスを用いてＧａＮをエッチングすると、化学的エッチング過程により、ＧａＮは塩化ガリウム（ＧａＣｌ２）と窒素（Ｎ２）とに分解される。そして、このようなエッチングにおいては、塩素系ガスに対する耐性が高いＮｉがエッチングストッパの材料として採用される。なお、塩素プラズマの照射によりＮｉは塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）に変化するが、ＮｉＣｌ２の沸点は１０００℃以上であり、塩素プラズマの照射に対して十分な耐性を有する。しかしながら、Ｎｉには電気抵抗が高いという欠点がある。図１１の（ｃ）に示されるようにＮｉ膜１０３が裏面電極１０６と接触して導電膜として機能する場合、その電気抵抗の高さがトランジスタの電気的特性の向上を妨げてしまう。
そこで、本実施形態では、エッチングストッパとしてＮｉ膜ではなくＡｌを含む金属膜（下層２５ａ）を用いている。下層２５ａは、Ａｌを主に含むことによって良好な導電性を有する。従って、導電膜２４ａと上層２５ｂとの間の電気抵抗を低く抑えて、トランジスタ１Ａの電気的特性を向上させることができる。また、ＲＩＥの反応ガスとしてフッ素を含むガスを用いることにより、Ａｌを含む金属膜を窒化物半導体層１０に対するエッチングストッパとして好適に機能させることができる。このように、本実施形態によれば、エッチングストッパとしての金属膜の電気抵抗を低くすることができる。
本実施形態のように、基板３がＳｉＣ基板である場合、ビアホール４を形成する工程において、ビアホール形成予定領域２ａの基板３の少なくとも一部を、フッ素を含む反応ガスを用いてエッチングしてもよい。ＳｉＣは、フッ素を含む反応ガスによる化学的エッチング過程により、効率よくエッチングされる。従って、スループットを更に向上させることができる。
本実施形態のように、エッチングマスクはＮｉ及びＣｕの少なくとも一方を含んでもよい。Ｎｉ及びＣｕはフッ素系ガスに対しても高い耐性を有するので、ビアホール形成予定領域２ａを除く基板３を十分に保護することができる。
本実施形態のように、フッ素を含む反応ガスは、ＳＦ６とＯ２との混合ガスであってもよい。前述したように、フッ素を含む反応ガスを用いた窒化物半導体層１０のＲＩＥにおいては、窒化物半導体層１０は主にスパッタエッチングの効果により除去される。質量の大きなＳ（硫黄）原子を含むＳＦ６が反応ガスに含まれることにより、スパッタエッチングをより効果的に行うことができる。
本実施形態のように、ビアホール４を形成する工程の後、ビアホール４内において露出した下層２５ａを不活性ガスを含むプラズマに晒す工程と、下層２５ａに接する導電膜２４ａをビアホール４内に形成する工程とを更に実施してもよい。これにより、絶縁性の被膜２５ｃを除去して、下層２５ａと導電膜２４ａとを低抵抗にて通電させることができる。
本実施形態のように、下層２５ａを形成する工程は、エピタキシャル基板２の表面上にＴｉ若しくはＴａからなる第１層２５ａ１を形成する工程と、Ａｌからなる第２層２５ａ２を第１層２５ａ１上に形成する工程と、第１層２５ａ１及び第２層２５ａ２を合金化する工程と、を含んでもよい。これにより、エッチングストッパとしての下層２５ａをオーミック金属層２１ａ，２２ａと同じ工程にて形成できるので、エッチングストッパを形成するためだけの工程を不要とし、工程数を削減することができる。
（第１変形例）
図８は、上記実施形態の第１変形例に係る製造工程を示す断面図である。本変形例では、まず、図８の（ａ）に示されるように、エッチングマスク４３の開口４３ａを介して、ビアホール形成予定領域２ａの基板３を裏面３ｂ側から選択的にエッチングする。そして、基板３が僅かに残存する段階で（すなわち、基板３が完全に除去される直前で）エッチングを終了する。この工程は、上記実施形態の図４の（ｃ）に示された工程と同様である。
次に、図８の（ｂ）に示されるように、エッチングマスク４３の開口４３ａを介して、ビアホール形成予定領域２ａの窒化物半導体層１０をエッチングする。この工程では、反応ガスを、前工程のフッ素を含む反応ガス（例えばＳＦ６とＯ２との混合ガス）から塩素を含む反応ガス（例えばＣｌ２ガス）に変更し、ＲＩＥにより窒化物半導体層１０をエッチングする。ＲＦパワーは例えば５０Ｗである。そして、窒化物半導体層１０が僅かに残存する段階で（すなわち、窒化物半導体層１０が完全に除去される直前で）エッチングを終了する。このとき、Ａｌに由来するプラズマ発光によりエッチングの終了を決定することができる。すなわち、塩素を含むエッチングガスにより、まず、基板３の残存部をエッチングし、次いでＡｌＮバッファ層１１に含まれるＡｌによる発光が検知される。エッチングをそのまま継続すると、ＡｌＮバッファ層１１のエッチングが終了した時点でＡｌ発光は消失する。この時、エッチングは既にＧａＮチャネル層１２に達しており、そのままエッチングを継続すると、ＧａＮチャネル層１２のエッチングが終了した時点、すなわちＡｌＧａＮバリア層１３が露出した時点で再びＡｌの発光が検知される。この２回目のＡｌ発光を検知した時点でエッチングを停止する。
続いて、反応ガスを、塩素を含む反応ガス（例えばＣｌ２ガス）からフッ素を含む反応ガス（例えばＳＦ６とＯ２との混合ガス）に再び変更し、窒化物半導体層１０の残存部をエッチングする。フッ素を含む反応ガスは、エッチング終了時を含む期間において、特にＡｌＧａＮバリア層１３をエッチングする際に用いられる。ＲＦパワーは例えば１００Ｗである。この工程により、図８の（ｃ）に示されるようにエピタキシャル基板２の裏面から表面に達するビアホール４が形成され、該ビアホール４を介して下層２５ａが露出する。以降、上記実施形態の図５の（ｂ）及び（ｃ）に示された工程を経て、トランジスタ１Ａが作製される。
本変形例のように、ビアホール形成予定領域２ａの窒化物半導体層１０の一部を塩素を含む反応ガスを用いてエッチングし、その後、ビアホール形成予定領域２ａの窒化物半導体層１０の残部をフッ素を含む反応ガスを用いてエッチングしてもよい。この場合、化学的エッチング過程により窒化物半導体層１０を効率よくエッチングすることができる。従って、スループットを更に向上させることができる。また、エッチング終了時を含む期間において反応ガスをフッ素を含むガスに切り替えることにより、下層２５ａのエッチングストッパとしての機能を良好に発揮させることができる。窒化物半導体層１０が例えば１μｍ以上といった厚さを有する場合に、本変形例の方法は特に効果的である。
（第２変形例）
図９は、上記実施形態の第２変形例に係る半導体装置としてのトランジスタ１Ｂを示す平面図である。図１０は、図９に示されたトランジスタ１ＢのＸ－Ｘ線に沿った断面図である。なお、説明のため、図９においては絶縁膜３１、３２の図示が省略されている。
本変形例と上記実施形態との相違点は、ビアホールの形成位置である。上記実施形態ではビアホール４がソースパッド２５直下の不活性領域１０ｂに形成されていたのに対し、本変形例では、ビアホール４はソース電極２１直下の活性領域１０ａに形成されている。そして、ビアホール４の内部に設けられた導電膜２４ａは、ソースパッド２５ではなく、ソース電極２１のオーミック金属層２１ａに接している。このような構造は、ＩＳＶ（Island SourceVia-hall）構造と称される。この構造の場合、図１に示されたソースパッド２５は不要である。なお、ビアホールの形成位置及びソースパッド２５の有無を除く他の構成は、上記実施形態と同様である。
本変形例のトランジスタ１Ｂを製造する際には、オーミック金属層２１ａがエッチングストッパとして用いられる。オーミック金属層２１ａの構造は上記実施形態の下層２５ａと同じなので、ＲＩＥによりビアホール４を形成する際のエッチングストッパとして好適に機能することができる。なお、ビアホール４の形成方法は、上記実施形態と同様である。
本変形例によれば、Ａｌを含むオーミック金属層２１ａをエッチングストッパとして用いるので、エッチングストッパを別に形成する必要がなく、工程を短縮することができる。また、エッチングストッパとなる層をオーミック金属層２１ａとは別に形成する場合、エッチングストッパをオーミック金属層２１ａの外に形成しなければならないが、本変形例ではその必要がなく、ビアホール４の縮小にも寄与する。オーミック金属層２１ａとして専ら機能するのは、ゲート電極に面した辺領域である。従って、従来のトランジスタの電極配置を踏襲した配置に対して、そのソース電極内にビアホール４を形成することができることになる。
本発明による半導体装置の製造方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、上述した実施形態ではフッ素を含む反応ガスとしてＳＦ６を例示したが、フッ素を含む反応ガスはこれに限られず、例えばＣＦ４、ＮＦ３などを用いることができる。
１Ａ，１Ｂ…トランジスタ、２…エピタキシャル基板、２ａ…ビアホール形成予定領域、３…基板、３ｂ…裏面、４…ビアホール、１０…窒化物半導体層、１０ａ…活性領域、１０ｂ…不活性領域、１０ｃ…表面、１１…バッファ層、１２…チャネル層、１３…電子供給層、２１…ソース電極、２１ａ…オーミック金属層、２１ｂ…配線層、２２…ドレイン電極、２２ａ…オーミック金属層、２２ｂ…配線層、２３…ゲート電極、２４…裏面電極、２４ａ…導電膜、２５…ソースパッド、２５ａ…下層、２５ｂ…上層、２５ｃ…被膜、２６…ドレインパッド、２７…ゲートパッド、３１，３２…絶縁膜、３１ａ…開口、４１…ワックス、４２…支持基板、４３…エッチングマスク、４３ａ…開口、Ｄ１，Ｄ２…方向。

Claims (9)

  1. 基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体層とを含む基板生産物の前記窒化物半導体層側の表面上に、ビアホール形成予定領域を覆いＡｌを含む金属膜を形成する工程と、
    前記基板生産物の前記基板側の裏面上に、前記ビアホール形成予定領域を露出させる開口を有するエッチングマスクを形成する工程と、
    反応性イオンエッチングにより、前記裏面から前記表面に達し前記金属膜を露出させるビアホールを前記基板生産物に形成する工程と、
    前記金属膜の露出表面に、アルミニウムのフッ化物及びアルミニウムの酸化物を含むエッチングストッパ膜が生成する工程と、
    前記金属膜上の前記エッチングストッパ膜を除去する工程と、
    を含み、
    前記ビアホールを形成する工程では、少なくともエッチング終了時を含む期間においてフッ素及び酸素を含む反応ガスを用いる、半導体装置の製造方法。
  2. 前記基板はＳｉＣ基板であり、
    前記ビアホールを形成する工程では、前記ビアホール形成予定領域の前記ＳｉＣ基板の少なくとも一部を、フッ素及び酸素を含む反応ガスを用いてエッチングする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記エッチングマスクがＮｉ及びＣｕの少なくとも一方を含む、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記フッ素及び酸素を含む反応ガスは、ＳＦ６とＯ２との混合ガスである、請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ビアホールを形成する工程では、前記ビアホール形成予定領域の前記窒化物半導体層をフッ素及び酸素を含む反応ガスを用いてエッチングする、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記ビアホールを形成する工程では、前記ビアホール形成予定領域の前記窒化物半導体層の一部を塩素を含む反応ガスを用いてエッチングし、その後、前記ビアホール形成予定領域の前記窒化物半導体層の残部をフッ素及び酸素を含む反応ガスを用いてエッチングする、請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記エッチングストッパ膜を除去する工程では、前記ビアホール内において形成された前記エッチングストッパ膜を不活性ガスを含むプラズマに晒す、請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記金属膜を形成する工程は、
    前記基板生産物の表面上にＴｉ若しくはＴａからなる第１層を形成する工程と、
    Ａｌからなる第２層を前記第１層上に形成する工程と、
    前記第１層及び前記第２層を合金化する工程と、
    を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記不活性ガスはアルゴンガスを含む、請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
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