TW201628085A - 半導體裝置及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之實施形態提供一種可抑制不良之發生之半導體裝置。
實施形態之半導體裝置10包含：基板30；氮化物半導體層31，其設置於基板30上；及保護層51，其覆蓋氮化物半導體層31之側面，且包含碳。
Description
本申請案享有以日本專利申請案2015-11277號(申請日：2015年1月23日)為基礎申請案之優先權。本申請案係藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案之全部內容。
本發明之實施形態係關於一種半導體裝置及其製造方法，例如關於一種具備功率半導體元件之半導體裝置及其製造方法。
於開關電源或反相器等電路中，使用具備開關元件或二極體等功率半導體元件之功率半導體器件。使用氮化物半導體等化合物半導體之元件具有優異之材料特性，故而可實現高性能之功率半導體器件。
具備功率半導體器件之半導體晶圓係藉由切割步驟而被切分成複數個半導體晶片。於該切割步驟中，在氮化物半導體層產生碎裂或龜裂。所謂碎裂係產生於切割面之破損，所謂龜裂係產生於切割面之裂痕。存在因該碎裂或龜裂而水等滲入至氮化物半導體之可能性。又，於未產生龜裂等之情形時，亦存在水等自氮化物半導體層之側面滲入之可能性。因此，於功率半導體器件發生不良、或良率下降。
本發明之實施形態提供一種可抑制不良之發生之半導體裝置及其製造方法。
實施形態之半導體裝置具備：基板；氮化物半導體層，其設置於上述基板上；及第1保護層，其覆蓋上述氮化物半導體層之側面，且包含碳。
實施形態之半導體裝置之製造方法包括：於基板上形成氮化物半導體層之步驟；於上述氮化物半導體層之第1區域、及與上述第1區域分離之第2區域上形成遮罩之步驟；使用上述遮罩對氮化物半導體層進行蝕刻而露出上述氮化物半導體層之側面之步驟；將上述氮化物半導體層之上述側面改質之步驟；及切割上述第1區域與第2區域之間之區域之步驟。
1‧‧‧半導體裝置
10‧‧‧半導體晶片
10-1、10-2‧‧‧半導體晶片
20‧‧‧切割線
30‧‧‧基板
31‧‧‧氮化物半導體層
31A‧‧‧緩衝層
31B‧‧‧通道層
31C‧‧‧障壁層
32‧‧‧保護層
40‧‧‧HEMT
41A‧‧‧源極電極
41B‧‧‧汲極電極
41C‧‧‧閘極電極
42A、42B、42C‧‧‧電極墊
50‧‧‧抗蝕層
50'‧‧‧抗蝕層
51‧‧‧保護層
52‧‧‧切斷區域
54‧‧‧保護層
圖1係第1實施形態之半導體裝置之俯視圖。
圖2係第1實施形態之半導體裝置之剖視圖。
圖3係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖4係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖5係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖6係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖7係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖8係說明第1實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖9係說明第2實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖10係說明第2實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖11係說明第3實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
圖12係說明第3實施形態之半導體裝置之製造步驟之剖視圖。
以下，參照圖式對實施形態進行說明。然而，圖式為模式性或概念性者，各圖式之尺寸及比率等未必與實物相同。以下所示之若干個實施形態係例示用以將本發明之技術思想具體化之裝置及方法者，
且並不由構成零件之形狀、構造、配置等特定本發明之技術思想。再者，於以下之說明中，對具有相同之功能及構成之要素標註相同之符號，僅於需要之情形時進行重複說明。
圖1係第1實施形態之半導體裝置1之俯視圖。半導體裝置1包含半導體晶圓。圖1係選取表示半導體晶圓之一部分。
半導體裝置1係例如具備配置成矩陣狀之複數個半導體晶片10。複數個半導體晶片10係隔著切割線20而配置。切割線20係用以藉由切割步驟而切分複數個半導體晶片10之區域。
各半導體晶片10係例如包含進行電源(電力)之轉換及控制之功率半導體器件。作為功率半導體器件所具備之功率半導體元件，可列舉功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效電晶體)、高電子遷移率電晶體(HEMT，High Electron Mobility Transistor)、異質接合雙極電晶體(HBT，Heterojunction Bipolar Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣閘雙極電晶體)、及二極體等。
以下，將具備HEMT之半導體晶片10列舉為例而進行說明。圖2係半導體裝置1之剖視圖。
半導體裝置1具備半導體晶片10-1、10-2。半導體晶片10-1、10-2係隔著切割線20而配置。於以下之說明中，在無需區分半導體晶片10-1、10-2之情形時，如半導體晶片10般省略副編號而標註參照符號，半導體晶片10之說明適用於半導體晶片10-1、10-2之兩者。
半導體晶片10具備基板30、氮化物半導體層31、及保護層32。氮化物半導體層31係共通形成於複數個半導體晶片10，而並非分離形成於每一半導體晶片10。保護層32係針對每個半導體晶片10而設置。
即，保護層32已被剝離之區域成為切割線20。與切割線20對應之氮化物半導體層31係露出於半導體裝置1之上表面。
基板30係例如包含以(111)面為主表面之矽(Si)基板。作為基板30，亦可使用碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、或藍寶石(Al2O3)等。
氮化物半導體層31係例如積層緩衝層31A、通道層31B、及障壁層31C之3個層而構成。
緩衝層31A係設置於基板30上。緩衝層31A具有如下功能：緩和因形成於緩衝層31A上之氮化物半導體層之晶格常數與基板30之晶格常數的差異而產生之應變，並且控制形成於緩衝層31A上之氮化物半導體層之結晶性。緩衝層31A係例如包含AlXGa1-XN(0≦X≦1)。緩衝層31A亦可積層組成比不同之複數種AlXGa1-XN而構成。於以積層構造構成緩衝層31A之情形時，以如下方式調整積層構造之組成比：該積層構造所包含之複數個層之晶格常數自夾住緩衝層31A之上下層中的下層之晶格常數朝向上層之晶格常數發生變化。
通道層31B係設置於緩衝層31A上。通道層31B係形成電晶體之通道(電流路徑)之層。通道層31B包含AlXInYGa1-(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)。通道層31B係非摻雜層，且包含結晶性良好之(高品質之)氮化物半導體。所謂非摻雜係指不刻意地摻雜雜質，例如於製造過程等中進入之程度之雜質量為非摻雜之範疇。於本實施形態中，通道層31B包含非摻雜之GaN(亦稱為本徵GaN)。
障壁層31C係設置於通道層31B上。障壁層31C包含AlXInYGa1-(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)。障壁層31C包含大於通道層31B之帶隙之氮化物半導體。於本實施形態中，障壁層31C係例如包含非摻雜之AlGaN。
再者，構成半導體裝置1之複數個半導體層係例如藉由使用
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化學氣相沈積)法之磊晶成長而依次形成。即，構成半導體裝置1之複數個半導體層包含磊晶層。
半導體晶片10具備HEMT40。HEMT40包含源極電極41A、汲極電極41B、閘極電極41C、及氮化物半導體層31之一部分。於源極電極41A、汲極電極41B、及閘極電極41C上，分別設置電極墊42A、42B及42C。
源極電極41A及汲極電極41B係以彼此分離[FYW1]之方式設置於障壁層31C上。進而，於障壁層31C上且源極電極41A與汲極電極41B之間，以與源極電極41A及汲極電極41B分離之方式設置閘極電極41C。
閘極電極41C與障壁層31C係肖特基接合。即，閘極電極41C以包含與障壁層31C肖特基接合之材料之方式構成。圖2所示之半導體裝置1為肖特基能障型HEMT。作為閘極電極41C，例如可使用Au/Ni之積層構造。“/”之左側表示上層，右側表示下層。
再者，半導體裝置1並不限定於肖特基能障型HEMT，亦可為於障壁層31C與閘極電極41C之間介置有閘極絕緣膜之MIS(Metal Insulator Semiconductor，金屬絕緣體半導體)型HEMT。
源極電極41A與障壁層31C係歐姆接觸。相同地，汲極電極41B與障壁層31C歐姆接觸。即，源極電極41A及汲極電極41B之各者係以包含與障壁層31C歐姆接觸之材料之方式構成。作為源極電極41A及汲極電極41B，例如可使用Al/Ti之積層構造。
於通道層31B與障壁層31C之異質接合構造中，障壁層31C之晶格常數小於通道層31B之晶格常數，因此於障壁層31C產生應變。藉由因該應變引起之壓電效應而於障壁層31C內產生壓電分極，於通道層31B之與障壁層31C之界面附近產生二維電子氣(2DEG，two-dimensional electron gas)。該二維電子氣成為源極電極41A與汲極電
極41B之間之通道。而且，藉由因閘極電極41C與障壁層31C之接合而產生之肖特基能障，可實現汲極電流之控制。
保護層32係設置於氮化物半導體層31上、及電極(包含源極電極41A、汲極電極41B、及閘極電極41C)上。保護層32亦被稱為鈍化層。保護層32具有用以形成電極墊之開口部。保護層32包含絕緣體，可使用矽氮化物(SiN)、或矽氧化物(SiO2)等。
電極墊42A、42B、42C用於與外部電路之連接，露出於半導體晶片10之外部。電極墊42A、42B及42C係分別經由形成於保護層32之開口部而電性連接於源極電極41A、汲極電極41B、及閘極電極41C。
其次，使用圖3至圖8，對第1實施形態之半導體裝置1之製造方法進行說明。於圖3至圖8中，為了避免圖式變繁雜，簡化氮化物半導體層31而圖示成一層，又，省略電極及電極墊之圖示。
於圖3至圖8中，選取表示1根切割線(切斷區域)20、及配置於切割線20之兩側之2個半導體晶片10-1、10-2之一部分。切割線20之寬度係根據於切割步驟中使用之刀片之寬度而設定，例如為45μm以上且70μm以下。
首先，準備於基板30形成有複數個半導體晶片10之半導體裝置(半導體晶圓)1。繼而，使用研磨裝置均勻地研削基板30之背面，藉此使基板30變薄至特定厚度為止。基板30之厚度係根據半導體晶片10之規格而適當地設定。
繼而，如圖3所示，使用光微影法，於半導體晶片10-1、10-2(具體而言為保護層32)上形成抗蝕層(遮罩層)50。換言之，於切割線20以外之區域形成抗蝕層50。抗蝕層包含含有碳(C)之感光性樹脂。
繼而，如圖4所示，以抗蝕層50為遮罩而對氮化物半導體層31進行乾式蝕刻。於乾式蝕刻步驟中，例如可使用RIE(Reactive Ion
Etching，反應性離子蝕刻)法。再者，亦可於氮化物半導體層31之蝕刻步驟中使用濕式蝕刻。藉由該蝕刻步驟，去除與切割線20對應之區域之氮化物半導體層31。
繼而，如圖5所示，藉由雷射處理而將氮化物半導體層31之側面改質。具體而言，對與切割線20對應之開口部照射雷射。又，如圖6所示，於剝離抗蝕層50後，以覆蓋切割線20之部位之方式形成抗蝕層50'。或者，亦可不剝離抗蝕層50而於抗蝕層50上再形成抗蝕層50'(可為與上述抗蝕層50相同之材料，亦可為其他材料)。此後，藉由對與切割線20對應之開口部(存在抗蝕層)照射雷射而獲得圖5之構造。
因該雷射之熱而氮化物半導體層31之側面部分、保護層32之側面部分、基板30、及抗蝕層50熔解混合，於氮化物半導體層31之側面形成保護層51(經改質之層)。相同地，因雷射之熱而亦於保護層32之側面及基板30上形成保護層51。再者，亦可於氮化物半導體層31之側面之改質步驟中使用電漿處理。改質係不僅成分相同且特性改變(變緻密等)，而且亦包含混合其他物質而成為其他組成之情形。
又，於使用電漿處理之情形時，亦可使氮化物半導體層31之側面改質。於該情形時，亦可不剝離抗蝕層50而使用抗蝕層50進行改質步驟。又，亦可考慮抗蝕層50之耐電漿性，塗佈嶄新之抗蝕層(可為與上述抗蝕層50相同之材料，亦可為其他材料)而形成遮罩。
保護層51包含含有鎵(Ga)、及矽(Si)之混合物。又，保護層51亦可包含碳(C)、氮(N)及氧(O)中之至少1種元素。又，保護層51亦可僅包含碳(C)。碳(C)係抗蝕層50所含之元素。氮(N)係氮化物半導體層31所含之元素、或者周邊環境所含之元素。氧(O)係於雷射處理中包含於周邊環境之元素、或者包含於半導體裝置1之構成材料之元素。
又，保護層51包含以下之構成(1)~(5)。
(1)僅由碳(C)構成而變緻密。
(2)藉由雷射處理而於表面包含矽(Si)。
(3)藉由雷射處理或擴散而於層內包含矽(Si)。
(4)藉由雷射處理而於表面包含鎵(Ga)。
(5)藉由雷射處理或擴散而於層內包含鎵(Ga)。
於(2)、(4)之情形時，亦存在濃度自表面向內側發生梯度變化之情形。於(3)、(5)之情形時，亦存在濃度自內側向表面發生梯度變化之情形。於(4)、(5)之情形時，亦存在如下情形：於保護層51中之與氮化物半導體層31之側面相接之區域包含鎵(Ga)，但於與保護層32之側面相接之區域不含鎵(Ga)。
繼而，如圖7所示，例如使用刀片切割，沿著切割線20切割半導體裝置1，將半導體裝置1切分成複數個半導體晶片10。藉此，藉由切斷區域52而分離半導體晶片10-1、10-2。於該切割步驟中，亦可使用雷射切割等其他切割方法。
繼而，如圖8所示，去除抗蝕層50。此時，於氮化物半導體層31及保護層32之側面殘留保護層51。
如上所述，第1實施形態係藉由乾式蝕刻或濕式蝕刻而去除與切割線20對應之區域之氮化物半導體層31。繼而，藉由雷射處理或電漿處理而將氮化物半導體層31之側面改質。此後，例如使用刀片切割，沿著切割線20而將半導體裝置1切分成複數個半導體晶片10。
因此，根據第1實施形態，由於與切割線20對應之氮化物半導體層31之側面被保護層51覆蓋，故而於切割後之製造步驟中，可抑制水等自半導體晶片10之側面進入至氮化物半導體層31內。又，於封裝半導體晶片10後，可抑制水等自覆蓋半導體晶片10之塑模樹脂等封裝體進入至氮化物半導體層31內。
藉此，可抑制氮化物半導體層31劣化、特別是電特性劣化，進
而，可抑制因水等而半導體晶片10劣化。又，可抑制於半導體晶片10發生不良，故而可抑制良率下降。
又，於去除與切割線20對應之區域之氮化物半導體層31後，切割半導體裝置1。藉此，可防止刀片切割時使用之刀片與氮化物半導體層31直接接觸。藉此，可抑制於氮化物半導體層31產生碎裂或龜裂。
第2實施形態係用以於氮化物半導體層31之側面形成經改質之保護層之另一實施例，同時(於同一步驟中)進行氮化物半導體層31之蝕刻步驟、及氮化物半導體層31之改質步驟。
以下，使用圖9及圖10，對第2實施形態之半導體裝置1之製造方法進行說明。
首先，如圖9所示，於半導體裝置1之整個面形成抗蝕層50。該抗蝕層50係用以防止藉由雷射刻槽步驟而產生之堆積物附著至半導體晶片10之上表面並且去除該堆積物之保護層。
繼而，如圖10所示，藉由雷射刻槽而去除與切割線20對應之氮化物半導體層31。於該氮化物半導體層31之去除步驟中，因雷射之熱而氮化物半導體層31之側面部分、保護層32之側面部分、基板30、及抗蝕層50熔解混合，於氮化物半導體層31之側面形成保護層51(經改質之層)。相同地，因雷射之熱而亦於保護層32之側面及基板30上形成保護層51。
又，於氮化物半導體層31之去除步驟中，亦可使用電漿蝕刻。於使用電漿蝕刻之情形時，亦可使氮化物半導體層31之側面改質。於該情形時，與圖3相同地，以抗蝕層覆蓋切割線以外，此後進行電漿蝕刻。
保護層51之組成與第1實施形態相同。又，與第1實施形態相同
地，保護層51包含以下之構成(1)~(5)。
(1)僅由碳(C)構成而變緻密。
(2)藉由雷射處理而於表面包含矽(Si)。
(3)藉由雷射處理或擴散而於層內包含矽(Si)。
(4)藉由雷射處理而於表面包含鎵(Ga)。
(5)藉由雷射處理或擴散而於層內包含鎵(Ga)。
於(2)、(4)之情形時，亦存在濃度自表面向內側發生梯度變化之情形。於(3)、(5)之情形時，亦存在濃度自內側向表面發生梯度變化之情形。於(4)、(5)之情形時，亦存在如下情形：於保護層51中之與氮化物半導體層31之側面相接之區域包含鎵(Ga)，但於與保護層32之側面相接之區域不含鎵(Ga)。
此後之製造步驟與第1實施形態相同。
如上所述，第2實施形態係與第1實施形態相同地，於氮化物半導體層31之側面形成保護層51。藉此，可獲得與第1實施形態相同之效果。
又，於第2實施形態中，同時(於同一步驟中)進行氮化物半導體層31之蝕刻步驟、及氮化物半導體層31之改質步驟。藉此，與第1實施形態相比，可減少製造步驟數，可減少製造成本。
第3實施形態係於將與切割線20對應之區域之氮化物半導體層31開口後，以保護層54覆蓋氮化物半導體層31之側面。而且，藉由保護層54而抑制水等自氮化物半導體層31之側面進入。
以下，使用圖11及圖12，對第3實施形態之半導體裝置1之製造方法進行說明。圖4之前之製造步驟係與第1實施形態相同。於圖4之製造步驟後，去除抗蝕層50。
繼而，如圖11所示，例如使用CVD(Chemical Vapor Deposition，
化學氣相沈積)法，於半導體裝置1之整個面形成包含絕緣體之保護層54。作為保護層54，例如可使用矽氧化物(SiO2)、或矽氮化物(SiN)等。藉此，於複數個半導體晶片10上、氮化物半導體層31及保護層32之側面、及與切割線20對應之基板30上形成保護層54。
繼而，如圖12所示，使用例如刀片切割，沿著切割線20而切割半導體裝置1，將半導體裝置1切分成複數個半導體晶片10。藉此，藉由切斷區域52而分離半導體晶片10-1、10-2。於該切割步驟中，亦可使用雷射切割等其他切割方法。
再者，半導體晶片10上之保護層54可於切割步驟前去除，亦可不去除。於按照原樣殘留保護層54之情形時，再次形成露出於半導體晶片10之上表面之電極墊。
如上所述，於第3實施形態中，可利用包含絕緣體之保護層54覆蓋氮化物半導體層31之側面。藉此，根據第3實施形態，可獲得與第1實施形態相同之效果。
再者，於上述各實施形態中，使用於基板上形成有氮化物半導體層之半導體裝置。然而，並不限定於此，亦可於在基板上形成有包含材料不同於基板之化合物半導體之磊晶層之半導體裝置中應用上述各實施形態。
於本案說明書中，所謂「積層」係除彼此相接重疊之情形以外，亦包含於之間插入重疊其他層之情形。又，所謂「設置於上」係除直接相接設置之情形以外，亦包含於之間插入設置其他層之情形。
本發明並不限定於上述實施形態，可於不脫離其主旨之範圍內使構成要素發生變化並具體化。進而，於上述實施形態中包含各個階段之發明，可由在1個實施形態中揭示之複數個構成要素之適當之組合、或者於不同之實施形態中揭示之構成要素之適當之組合構成多種發明。例如，即便自於實施形態中揭示之全部構成要素刪除若干個構
成要素，亦可解決發明所欲解決之問題，於獲得發明之效果之情形時，刪除該等構成要素所得之實施形態可選取作發明。
10-1、10-2‧‧‧半導體晶片
20‧‧‧切割線
30‧‧‧基板
31‧‧‧氮化物半導體層
32‧‧‧保護層
51‧‧‧保護層
52‧‧‧切斷區域
Claims (11)
- 一種半導體裝置，其特徵在於包括：基板；氮化物半導體層，其設置於上述基板上；及第1保護層，其覆蓋上述氮化物半導體層之側面，且包含碳。
- 如請求項1之半導體裝置，其中上述第1保護層更包含：鎵及矽中之至少1種元素。
- 如請求項1或2之半導體裝置，其中上述第1保護層更包含：氮及氧中之至少1種元素。
- 如請求項1之半導體裝置，其中上述第1保護層於其表面或層內包含矽。
- 如請求項1之半導體裝置，其中上述第1保護層於其表面或層內包含鎵。
- 如請求項1之半導體裝置，其中上述第1保護層進而設置於上述基板中之未設置上述氮化物半導體層之區域上。
- 如請求項1之半導體裝置，其更包括第2保護層，該第2保護層設置於上述氮化物半導體層上，且包含絕緣體，上述第1保護層進而設置於上述第2保護層之側面。
- 如請求項1之半導體裝置，其中相較於上述基板之側面，上述氮化物半導體層之側面係配置於面內方向內側。
- 如請求項1之半導體裝置，其中上述基板包含矽，上述氮化物半導體層包含：含有氮化鎵之半導體層。
- 一種半導體裝置之製造方法，其特徵在於包括：於基板上形成氮化物半導體層之步驟；於上述氮化物半導體層之第1區域、及與上述第1區域分離之 第2區域上形成遮罩之步驟；使用上述遮罩，對氮化物半導體層進行蝕刻而露出上述氮化物半導體層之側面之步驟；將上述氮化物半導體層之上述側面改質之步驟；及切割上述第1區域與第2區域之間之區域之步驟。
- 如請求項10之半導體裝置之製造方法，其中上述蝕刻步驟係與上述改質步驟於同一步驟中進行。
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