JP7265109B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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第2の態様における半導体装置の製造方法は、半導体層の上に第1絶縁膜としてゲート絶縁膜を成膜する工程と、第1絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、第1絶縁膜の上に第2絶縁膜としてパッシベーション膜をゲート電極および第1絶縁膜の上に成膜する成膜する工程と、第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、第1絶縁膜および第2絶縁膜をエッチングする工程を有する。第1エッチング工程では、CHF 3 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、マスクに覆われていない領域の第2絶縁膜を除去して第1絶縁膜を露出させる。第2エッチング工程では、COF 2 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた第1絶縁膜を除去して半導体層を露出させる。
第3の態様における半導体装置の製造方法は、半導体層の上に第1絶縁膜を成膜する工程と、第1絶縁膜の上に第2絶縁膜を成膜する工程と、第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、第1絶縁膜および第2絶縁膜をエッチングする工程と、を有する。第2絶縁膜の誘電率は第1絶縁膜の誘電率よりも大きい。第1絶縁膜および第2絶縁膜をエッチングする工程は、第1エッチング工程および第2エッチング工程を有する。第1エッチング工程では、CHF 3 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、マスクに覆われていない領域の第2絶縁膜を除去して第1絶縁膜を露出させる。第2エッチング工程では、COF 2 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた第1絶縁膜を除去して半導体層を露出させる。第2エッチング工程のエッチングレートは、第1エッチング工程のエッチングレートよりも遅い。
1.絶縁膜の成膜方法
第1の実施形態の技術は、III 族窒化物半導体に第1絶縁膜を成膜し、その第1絶縁膜の上に第2絶縁膜を成膜する方法である。この方法は、半導体準備工程と、第1絶縁膜成膜工程と、第2絶縁膜成膜工程と、マスクパターン形成工程と、第1エッチング工程と、第2エッチング工程と、を有する。
図1は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その1)である。まず、絶縁膜を成膜するための半導体A1を準備する。半導体A1はIII 族窒化物半導体である。
図2は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その2)である。半導体A1の上に第1絶縁膜IF1を成膜する。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。第1絶縁膜IF1の膜厚は特に限定されない。第1絶縁膜IF1の成膜後には、第1絶縁膜IF1は半導体A1に接触している。第1絶縁膜IF1の材質は、例えば、SiO2 である。
図3は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その3)である。第1絶縁膜IF1の上に第2絶縁膜IF2を成膜する。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。第2絶縁膜IF2の膜厚は特に限定されない。第2絶縁膜IF2の成膜後には、第2絶縁膜IF2は第1絶縁膜IF1に接触している。第2絶縁膜IF2の材質は、例えば、Al2 O3 である。ここで、第2絶縁膜IF2の誘電率は、第1絶縁膜IF1の誘電率より大きい。
図4は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その4)である。第2絶縁膜IF2の上にマスクパターンMS1を形成する。マスクパターンMS1を形成するために、レジストの露光および現像をしてもよい。これにより、マスク領域MR1と非マスク領域NMR1とが発生する。マスク領域MR1は、マスクパターンMS1で覆われている領域である。非マスク領域NMR1は、マスクパターンMS1で覆われていない領域である。マスク領域MR1は、マスクパターンMS1に直接接触せずに、マスクパターンMS1の側からみてマスクパターンMS1に隠れている領域(第1絶縁膜IF1)を含む。
エッチング工程は、非マスク領域NMR1の第1絶縁膜IF1および第2絶縁膜IF2をエッチングする。エッチング工程は、第1エッチング工程と第2エッチング工程とを有する。
図5は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その5)である。第1エッチング工程では、CHF3 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、マスクパターンMS1に覆われていない非マスク領域NMR1の第2絶縁膜IF2を除去して非マスク領域NMR1の第1絶縁膜IF1を露出させる。プラズマガスとして、例えば、CHF3 ガスとArガスとを含む混合ガスを用いる。Arガスの代わりにその他の希ガスを用いてもよい。プラズマ装置は、例えば、ICP装置、RIE装置、ECR装置である。
図6は、第1の実施形態の絶縁膜の成膜方法を説明するための図(その6)である。第2エッチング工程では、COF2 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、非マスク領域NMR1において露出させた第1絶縁膜IF1を除去して非マスク領域NMR1の半導体A1を露出させる。プラズマガスとして、例えば、COF2 ガスとArガスとを含む混合ガスを用いる。Arガスの代わりにその他の希ガスを用いてもよい。プラズマ装置は、例えば、ICP装置、RIE装置、ECR装置である。
第2エッチング工程の後にマスクパターンMS1を除去する。以上により、非マスク領域NMR1における第1絶縁膜IF1および第2絶縁膜IF2はエッチングにより除去される。
第2エッチング工程のプラズマガスであるCOF2 ガスはIII 族窒化物半導体にダメージをほとんど与えない。このため、半導体A1は、低いコンタクト抵抗を有する。また、第1エッチング工程のエッチングレートが速いため、所望の形状の2層の絶縁膜を高い生産性で形成することができる。
3-1.第1絶縁膜の材質
第1絶縁膜IF1の材質は、例えば、SiO2 、Ga2 O3 、MgO、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 、Gd2 O3 などの酸化物、SiN、AlN等の窒化物、SiON、AlON等の酸窒化物のいずれであってもよい。ただし、第1絶縁膜IF1の誘電率は、第2絶縁膜IF2の誘電率より小さい。
第2絶縁膜IF2の材質は、例えば、SiO2 、Ga2 O3 、MgO、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 、Gd2 O3 などの酸化物、SiN、AlN等の窒化物、SiON、AlON等の酸窒化物のいずれであってもよい。ただし、第2絶縁膜IF2の誘電率は、第1絶縁膜IF1の誘電率より大きい。
第1エッチング工程では、半導体A1を露出させなければ第1絶縁膜IF1をエッチングしてもよい。つまり、第1エッチング工程では、露出させた第1絶縁膜IF1をエッチングするとともにIII 族窒化物半導体層を露出させない。
0.1 ≦ t2/t1 ≦ 1
好ましくは、次式を満たすとよい。
0.15 ≦ t2/t1 ≦ 0.9
より好ましくは、次式を満たすとよい。
0.2 ≦ t2/t1 ≦ 0.8
半導体A1へのダメージを軽減することが可能であるとともに、トータルのエッチング時間が短いためである。
3層以上の絶縁膜を成膜する場合にも、第1の実施形態の技術を適用することができる。その場合には、第1エッチング工程により半導体A1の直上の最後の1層以外の絶縁膜をエッチングし、第2エッチング工程により半導体A1の直上の最後の1層の絶縁膜をエッチングすればよい。
上記の変形例を自由に組み合わせてよい。
1.半導体装置
図8は、第2の実施形態の半導体装置100の概略構成図である。半導体装置100は、縦型MOSFETである。図8に示すように、半導体装置100は、導電性基板110と、第1半導体層120と、第2半導体層130と、第3半導体層140と、ボディ電極B1と、ソース電極S1と、ドレイン電極D1と、ゲート電極G1と、ゲート絶縁膜IF10と、パッシベーション膜PSF10と、を有する。なお、ゲート電極G1は、ゲートパッド電極(図示せず)を有する。
2-1.ゲート絶縁膜
ゲート絶縁膜IF10は、ゲート電極G1と各半導体層とを絶縁する絶縁膜である。ゲート絶縁膜IF10は、ゲート電極G1と第3半導体層140との間に位置している。ゲート絶縁膜IF10は、トレンチTR1の半導体層の上に形成されている。ゲート絶縁膜IF10の膜厚は、例えば、50nm以上100nm以下である。もちろん、これ以外の膜厚であってもよい。ゲート絶縁膜IF10の材質は、例えば、SiO2 である。
パッシベーション膜PSF10は、ゲート電極G1が外部と電荷の授受を行うことを抑制する膜である。パッシベーション膜PSF10は、ゲート電極G1の上を覆う絶縁膜である。パッシベーション膜PSF10は、ゲート電極G1と、ゲート絶縁膜IF10と、接触している。
3-1.半導体層形成工程
図9に示すように、導電性基板110の上に第1半導体層120、第2半導体層130、第3半導体層140をこの順序で成長させる。そのために、例えば、MOCVD法を用いればよい。または、その他の気相成長法を用いてもよい。
図10に示すように、トレンチTR1およびリセスR1を形成する。その際にドライエッチングを用いればよい。例えば、塩素系のガスを用いたICPによりエッチングを実施すればよい。
図11に示すように、トレンチTR1およびリセスR1を形成された第3半導体層140の表面に一様に絶縁膜I1を成膜する。この絶縁膜I1はゲート絶縁膜IF10となる膜である。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。絶縁膜I1が酸化物でありALD法を用いる場合には、オゾンや酸素プラズマを酸素源として用いるとよい。絶縁膜I1の膜厚は、例えば、50nm以上100nm以下である。また、絶縁膜I1に熱処理を施してもよい。
図12に示すように、一様な絶縁膜I1の上にゲート電極G1を形成する。このためにまず、ゲート電極G1と同じ積層構造の一様な金属層を絶縁膜I1の上に形成する。そして、レジスト等を用いたエッチングにより一様な金属層を部分的に除去する。これにより、ゲート電極G1が形成される。
図13に示すように、ゲート電極G1の表面および絶縁膜I1の上に一様な絶縁膜I2を成膜する。この絶縁膜I2はパッシベーション膜PSF10となる膜である。成膜方法は、例えば、反応性スパッタリング、CVD法、ALD法である。絶縁膜I2が酸化物でありALD法を用いる場合には、オゾンや酸素プラズマを酸素源として用いるとよい。絶縁膜I2の膜厚は、例えば、100nm以上200nm以下である。また、絶縁膜I2に熱処理を施してもよい。
図14に示すように、一様な絶縁膜I2の上にマスクパターンMS2を形成する。マスクパターンが、例えば、レジストである場合には、レジストを部分的に露光および現像し、マスクパターンMS2を形成すればよい。マスクパターンMS2に覆われている領域は、パッシベーション膜PSF10およびゲート絶縁膜IF10として半導体装置100に残留する。マスクパターンMS2に覆われていない領域は、後述するエッチングにより除去される。
図15に示すように、マスクパターンMS2に覆われていない領域をエッチングにより除去する。このエッチング工程は、第1の実施形態と同様に第1エッチング工程と第2エッチング工程とを有する。これにより、ボディ電極B1およびソース電極S1の形成領域に半導体が露出する。エッチングを実施した後に、マスクパターンMS2を除去する。
次に、リセスR1の上にボディ電極B1を形成する。次に、ボディ電極B1の上にソース電極S1を形成する。また、導電性基板110の第2面110bにドレイン電極D1を形成する。これらの電極の形成方法として、例えば、スパッタリング、EB蒸着法、抵抗加熱蒸着法が挙げられる。
そして、ウエハから半導体装置100を切り出し、各々の独立した半導体装置100を製造する。
半導体装置100に保護膜を形成する工程、熱処理工程等、その他の工程を適宜実施してもよい。以上により、半導体装置100が製造される。
第2の実施形態では、第1の実施形態と同様に、第2エッチング工程のプラズマガスであるCOF2 ガスはIII 族窒化物半導体にダメージをほとんど与えない。このため、第2半導体層130および第3半導体層140は、低いコンタクト抵抗を有する。
5-1.ゲート絶縁膜の材質
ゲート絶縁膜IF10の材質は、例えば、SiO2 、Ga2 O3 、MgO、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 、Gd2 O3 などの酸化物、SiN、AlN等の窒化物、SiON、AlON等の酸窒化物のいずれであってもよい。ただし、ゲート絶縁膜IF10の誘電率は、パッシベーション膜PSF10の誘電率より小さい。
パッシベーション膜PSF10の材質は、例えば、SiO2 、Ga2 O3 、MgO、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 、Gd2 O3 などの酸化物、SiN、AlN等の窒化物、SiON、AlON等の酸窒化物のいずれであってもよい。ただし、パッシベーション膜PSF10の誘電率は、ゲート絶縁膜IF10の誘電率より大きい。
半導体装置100は、保護膜を有していてもよい。保護膜は、各電極のパッド部分を除いて半導体装置100を覆うとよい。保護膜の材質は、例えば、SiO2 、Ga2 O3 、MgO、ZrO2 、Al2 O3 、TiO2 、Gd2 O3 などの酸化物、SiN、AlN等の窒化物、SiON、AlON等の酸窒化物、ポリイミド等の有機絶縁膜のいずれであってもよい。
導電性基板110はGaN基板以外の導電性基板を用いてもよい。その他の導電性基板として、例えば、導電性Si基板が挙げられる。
上記の変形例を自由に組み合わせてよい。
第3の実施形態について説明する。
図16は、第3の実施形態の半導体装置200の概略構成図である。半導体装置200は、HEMTである。半導体装置200は、基板210と、第1半導体層220と、第2半導体層230と、第3半導体層240と、ソース電極S2と、ドレイン電極D2と、ゲート電極G2と、ゲート絶縁膜IF20と、パッシベーション膜PSF20と、を有する。半導体装置200はトレンチを有さない。また、半導体装置200は、ゲートパッド電極(図示せず)を有する。
第3の実施形態では、第1の実施形態と同様に、第2エッチング工程のプラズマガスであるCOF2 ガスはIII 族窒化物半導体にダメージをほとんど与えない。このため、第3半導体層240は、低いコンタクト抵抗を有する。
第1の実施形態から第3の実施形態までをこれらの変形例を含めて自由に組み合わせることができる場合がある。また、第1の実施形態の技術をその他のIII 族窒化物半導体装置に適用することができる。例えば、バイポーラトランジスタ、ショットキーバリアダイオード、pn接合ダイオードが挙げられる。
1.実験1
1-1.実験方法
n型GaN層の表面に膜厚50nmのSiO2 膜を成膜し、その上に膜厚100nmのAl2 O3 膜を成膜して試験片を作製した。
干渉型の検出装置を用いて、Al2 O3 膜のエッチングのエンドポイントを検出することができた。シグナルの変化量が不連続になった時点をエッチングのエンドポイントと判断した。
2-1.実験方法
n型GaN層にSiO2 膜を成膜して試験片を作製した。エッチング方法およびエッチング条件を変えて試験片のSiO2 膜をエッチングし、n型GaN層を露出させた。
図17は、n型GaN層の上のSiO2 膜を種々のエッチング条件でエッチングしたときのn型GaN層のコンタクト抵抗を示すグラフである。図17の横軸はエッチング条件である。図17の縦軸はコンタクト抵抗(Ωcm2 )である。
COF2 とArとの混合ガスを用いてバイアスパワーを30W以上80W以下としてドライエッチングしたn型GaN層のコンタクト抵抗は、その他のエッチング方法およびエッチング条件によりエッチングしたn型GaN層のコンタクト抵抗よりも低い。
第1の態様における半導体装置の製造方法は、半導体層の上に第1絶縁膜を成膜する工程と、第1絶縁膜の上に第2絶縁膜を成膜する工程と、第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、第1絶縁膜および第2絶縁膜をエッチングする工程と、を有する。第2絶縁膜の誘電率は第1絶縁膜の誘電率よりも大きい。第1絶縁膜および第2絶縁膜をエッチングする工程は、第1エッチング工程および第2エッチング工程を有する。第1エッチング工程では、CHF3 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、マスクに覆われていない領域の第2絶縁膜を除去して第1絶縁膜を露出させる。第2エッチング工程では、COF2 ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた第1絶縁膜を除去して半導体層を露出させる。
IF1…第1絶縁膜
IF2…第2絶縁膜
MS1、MS2…マスクパターン
100…半導体装置
110…導電性基板
120…第1半導体層
130…第2半導体層
140…第3半導体層
B1…ボディ電極
S1…ソース電極
D1…ドレイン電極
G1…ゲート電極
IF10…ゲート絶縁膜
PSF10…パッシベーション膜
Claims (4)
- 半導体層の上に第1絶縁膜を成膜する工程と、
前記第1絶縁膜の上に第2絶縁膜を成膜する工程と、
前記第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程と、
を有し、
前記第2絶縁膜の誘電率は前記第1絶縁膜の誘電率よりも大きく、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程は、
第1エッチング工程および第2エッチング工程を有し、
前記第1エッチング工程では、
CHF3ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、前記マスクに覆われていない領域の前記第2絶縁膜を除去して前記第1絶縁膜を露出させ、露出させた前記第1絶縁膜をエッチングするとともに前記半導体層を露出させず、
前記第2エッチング工程では、
COF2ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた前記第1絶縁膜を除去して前記半導体層を露出させること
を含む半導体装置の製造方法。 - 半導体層の上に第1絶縁膜としてゲート絶縁膜を成膜する工程と、
前記第1絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
前記第1絶縁膜の上に第2絶縁膜としてパッシベーション膜を前記ゲート電極および前記第1絶縁膜の上に成膜する成膜する工程と、
前記第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程と、
を有し、
前記第2絶縁膜の誘電率は前記第1絶縁膜の誘電率よりも大きく、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程は、
第1エッチング工程および第2エッチング工程を有し、
前記第1エッチング工程では、
CHF3ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、前記マスクに覆われていない領域の前記第2絶縁膜を除去して前記第1絶縁膜を露出させ、
前記第2エッチング工程では、
COF2ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた前記第1絶縁膜を除去して前記半導体層を露出させること
を含む半導体装置の製造方法。 - 半導体層の上に第1絶縁膜を成膜する工程と、
前記第1絶縁膜の上に第2絶縁膜を成膜する工程と、
前記第2絶縁膜の上にマスクを形成する工程と、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程と、
を有し、
前記第2絶縁膜の誘電率は前記第1絶縁膜の誘電率よりも大きく、
前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜をエッチングする工程は、
第1エッチング工程および第2エッチング工程を有し、
前記第1エッチング工程では、
CHF3ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、前記マスクに覆われていない領域の前記第2絶縁膜を除去して前記第1絶縁膜を露出させ、
前記第2エッチング工程では、
COF2ガスを含むガスをプラズマ化するドライエッチングにより、露出させた前記第1絶縁膜を除去して前記半導体層を露出させ、
前記第2エッチング工程のエッチングレートは、前記第1エッチング工程のエッチングレートよりも遅い、ことを含む半導体装置の製造方法。 - 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1絶縁膜はSiO2であり、
前記第2絶縁膜はAl2O3であること
を含む半導体装置の製造方法。
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