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JP6034747B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

実施形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
半導体層の表面に平行な方向に電流を流す横型半導体装置では、半導体層の表面上に設けられた電極と裏面電極とをバイアホール（via hole）を介して電気的に接続する方法が用いられる。これにより、表面側電極を接地し、半導体装置の動作を安定させる。一般に表面側電極は、オーミック性電極と同時形成された金属層を用いるため、金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）とニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）を含む合金層とその合金層が半導体と反応した反応層とからなっている。バイアホールは、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、半導体層を選択的にエッチングする。エッチングガスは、例えば、塩素を含む。
しかしながら、パッケージもしくは実装基板に半導体装置をマウントする際の熱により表面側電極が変形し、裏面電極との接触が不安定になる場合がある。この現象は、合金層および反応層に含まれるニッケルと、エッチングガスに含まれる塩素が反応し、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）が形成され、ＮｉＣｌ２により合金層および反応層が腐食されることにより表面側電極と裏面電極との間に空隙が生じたものである。
特開２０１２−３３５７６号公報
表面側電極がバイアホール形成時のドライエッチングに含まれる塩素に耐性がないために、表面側電極と裏面側電極との接触が不安定になる。本実施形態は、表面側電極と裏面電極との間のバイアホールを介した接続を安定化し、信頼性を向上させた半導体装置を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有し、塩素を含むガスによりエッチングされる材料からなる半導体層と、前記第１の面の上に設けられ、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属のみで構成された中間層と、前記中間層の上に設けられた電極と、を備える。そして、前記第２の面から前記中間層に連通し、前記塩素を含むガスによりドライエッチングされたバイアホールの内面を覆う導電層であって、前記バイアホールの底面に露出した前記中間層を介して前記電極に電気的に接続された導電層をさらに備える。
実施形態に係る半導体装置を表す模式図である。 実施形態に係る半導体装置の製造過程を表すフローチャートである。 実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式断面図である。 図３に続く製造過程を表す模式断面図である。 比較例に係る半導体装置を表す模式断面図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。
図１は、実施形態に係る半導体装置１を表す模式図である。図１（ａ）は、半導体装置の一部を表す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。
半導体装置１は、例えば、電界効果トランジスタであり、ソース電極３、ドレイン電極４およびゲート電極５を含む機能部７と、パッド電極１０と、を備える。図１（ａ）に示すように、パッド電極１０は、複数のソース電極３につなげて設けられる。
また、図１（ｂ）に示すように、半導体装置１は、半導体層２０と、導電層３０と、中間層４０をさらに備える。半導体層２０は、第１の面２０ａと、第１の面２０ａとは反対側の第２の面２０ｂと、を有する。中間層４０は、第１の面２０ａの上に半導体層２０に接して設けられる。そして、パッド電極１０は、中間層４０の上に設けられる。なお、パッド電極１０と、中間層４０と、の間に導電性を有する別の層があっても良い。
半導体層２０は、第２の面２０ｂからパッド電極１０の方向に設けられたバイアホール１７を有する。導電層３０は、バイアホール１７の内面を覆うバイアコンタクト（Via contact）３０ａと、第２の面２０ａの上に設けられる裏面電極３０ｂと、を含む。
バイアホール１７は、半導体層２０を貫通し、第２の面２０ｂから中間層４０に連通するように設けられる。そして、バイアコンタクト３０ａは、バイアホールの底面１７ａに露出した中間層４０に接する。中間層４０は、例えば、白金（Ｐｔ）を含む導電層であり、導電層３０は、中間層４０を介してパッド電極１０に電気的に接続される。
例えば、中間層４０は、金属層１３と、金属層１３と半導体層２０が反応した反応層１５と、を含み、導電層３０は、反応層１５に接する。また、反応層１５を除去し、導電層３０が金属層１３に接する構造としても良い。ここで、金属層１３は、例えば、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属のみで構成される。また、反応層１５は、例えば、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０Ｖ以上の金属のみで構成される。
また、中間層４０は、パッド電極１０に電気的に接続された機能部７から離間して設けられる。すなわち、中間層４０は、パッド電極１０の下にあれば良く、機能部７の下、および、機能部７とパッド電極１０とをつなぐ部分の下には設けなくても良い。
次に、図２、図３および図４を参照して、半導体装置１の製造方法を説明する。
図２は、実施形態に係る半導体装置１の製造過程を表すフローチャートである。
図３（ａ）〜図４（ｃ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式断面図である。また、図３（ａ）〜図４（ｃ）は、図２に示すステップ０１〜０６に対応し、各ステップおけるウェーハの部分断面を表している。
まず、図３（ａ）に表すように、半導体層２０の第１の面２０ａの上に金属層１３を形成する（Ｓ０１）。
半導体層２０は、半絶縁性の高抵抗層であり、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いることができる。また、半絶縁性のＧａＡｓ基板またはＩｎＰ基板でも良い。
金属層１３は、パッド電極１０を形成する部分に選択的に形成する。金属層１３は、バイアホール１７の形成に用いるドライエッチングに耐性を有することが望ましい。すなわち、エッチングガスに含まれる活性元素に対して化学的に安定で反応しない金属を用いる。例えば、半導体層２０がＧａＡｓ層またはＩｎＰ層である場合、エッチングガスには塩素が含まれる。従って、金属層１３には、塩素に対して化学的に安定な白金（Ｐｔ）を用いることが好ましい。
一方、白金は、パッド電極１０に用いる金（Ａｕ）よりも比抵抗が大きい。このため、金属層１３の厚さは、例えば、６０ｎｍ（ナノメートル）以下とすることが望ましい。
次に、図３（ｂ）に表すように、半導体層２０および金属層１３に熱処理を加えることにより、半導体層２０と金属層１３とを反応させ、反応層１５を形成する（Ｓ０２）。
金属層１３が白金層である場合、半導体層２０と金属層１３との間には白金を含む反応層１５が形成される。
次に、図３（ｃ）に表すように、金属層１３の上にパッド電極１０を形成する（Ｓ０３）。パッド電極１０は、例えば、ソースパッドであり、ソース電極３につなげて形成される。また、パッド電極１０には、例えば、Ａｕ層を用いることができる。
次に、図４（ａ）に表すように、半導体層２０を薄層化する（Ｓ０４）。例えば、ＧａＡｓ基板もしくはＩｎＰ基板を用いる場合は、研削もしくは研磨により数１０μｍの厚さに薄層化する。また、エピタキシャル成長層から成長基板を分離しても良い。
次に、図４（ａ）に表すように、薄層化した半導体層２０の第２の面２０ｂからパッド電極１０の方向にバイアホール１７を形成する（Ｓ０５）。例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて、半導体層２０を選択的にエッチングする。エッチングガスは、例えば、塩素を含む。
バイアホール１７は、反応層１５および金属層１３の少なくともいずれか一方に達する深さに設ける。例えば、金属層１３に白金層を用いた場合、反応層１５には白金が含まれる。そして、反応層１５のエッチング速度は、半導体層２０のエッチング速度よりも遅くなる。これにより、エッチングを反応層１５で止めることが容易となる。すなわち、半導体層２０の第２の面側に反応層１５を露出させることができる。また、反応層１５を除去して、金属層１３を露出させても良い。
次に、図４（ｃ）に表すように、バイアホール１７の内面を覆う導電層３０を形成する（Ｓ０６）。導電層３０は、例えば、金メッキ層である。例えば、バイアホール１７の内面、および、第２の面２０ｂの上にシード層２１を設ける。続いて、シード層２１に電流を流すことにより、金の電解メッキを行う。シード層２１には、例えば、半導体層２０の側からチタン（Ｔｉ）と金（Ａｕ）を順に積層した２層膜を用いることができる。Ｔｉ膜は、半導体層２０と導電層３０との間、および、反応層１５と導電層３０と間の密着力を向上させる。
上記の製造過程により、半導体層２０の第１の面２０ａに設けられたパッド電極１０と、第２の面２０ｂの側に設けられた導電層３０を電気的に接続するバイア（Via）構造を形成することができる。
図５は、比較例に係る半導体装置２を表す模式断面図である。
図５（ａ）は、ＩＢ−ＩＢ線に沿った断面（図１参照）を表している。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す部分Ａの拡大図であり、パッド電極１０と導電層３０との間の接続構造を表している。
半導体装置２は、金属層２３と、反応層２５と、を含む。金属層２３は、例えば、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以下の金属を含む。また、反応層２５は、例えば、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以下の金属を含む。
半導体装置２は、オーミック性電極と同時形成された金属層を表面側電極として用いているため、金属層２３は、例えば、半導体層２０の側から順に積層された金ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）とニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）を含む。すなわち、金属層２３は、塩素と化学的に反応するニッケルを含む。そして、金属層２３と半導体層２０とを熱処理して形成した反応層２５もニッケルを含む。
この例においても、半導体層２０の第２の面２０ｂからパッド電極１０に向けてドライエッチングを行い、バイアホール１７を形成する。そして、第２の面２０ｂの側に反応層２５を露出させる。この時、反応層２５に含まれるニッケルと、エッチングガスに含まれる塩素が反応し、露出した反応層２５の表面に塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）を形成する。
塩化ニッケルは、導電層３０の形成過程において反応層２５を腐食し、図５（ｂ）に示す空洞３１を反応層２５の表面に形成する。そして、導電層３０を形成する金メッキの過程においてメッキ液が空洞３１に浸入し、そのまま残留することがある。
例えば、半導体装置２をパッケージもしくは実装基板にマウントする際に、半導体装置２を加熱すると、空洞３１の内部に残留したメッキ液が気化し、その内圧を上昇させる。このため、反応層２５が導電層３０から分離し、反応層２５、金属層２３およびパッド電極１０が膨らむ現象が生じる。結果として、導電層３０とパッド電極１０との間の電気的な接続が失われ、半導体装置２の動作が不安定となる場合がある。
これに対し、本実施形態では、金属層１３は、エッチングガスに含まれる塩素に対して化学的に安定である。すなわち、エッチングガスに含まれる活性元素と反応する元素を含まない。そのような元素を含むとしても、その濃度は、例えば、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）またはオージェ分光などの測定手段を用いて検出できるレベル以下である。また、金属層１３と半導体層２０を反応させた反応層１５も、エッチングガスに含まれる塩素に対して安定な元素を含む。このため、反応層１５と導電層３０との間に空洞３１が形成されることはなく、反応層１５、金属層１３およびパッド電極１０の変形を抑制することができる。そして、導電層３０とパッド電極１０との間の電気的な接続を安定して保持し、その信頼性を向上させることができる。
エッチングガスに含まれる塩素に対して化学的に不安定な金属とは、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以下の金属である。半導体プロセスで用いられることが多い金属の中では、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、スズ（Ｓｎ）などがこれにあたる。
エッチングガスに含まれる塩素に対して化学的に安定な金属とは、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属である。半導体プロセスで用いられることが多い金属の中では、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などがこれにあたる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、２・・・半導体装置、 ３・・・ソース電極、 ４・・・ドレイン電極、 ５・・・ゲート電極、 ７・・・機能部、 １０・・・パッド電極、 １３、２３・・・金属層、 １５、２５・・・反応層、 １７・・・バイアホール、 ２０・・・半導体層、 ２０ａ・・・第１の面、 ２０ｂ・・・第２の面、 ２１・・・シード層、 ３０・・・導電層、 ３０ａ・・・バイアコンタクト、 ３０ｂ・・・裏面電極、 ３１・・・空洞、 ４０・・・中間層

Claims (7)

  1. 第１の面と、前記第１の面とは反対側の第２の面と、を有し、塩素を含むガスによりエッチングされる材料からなる半導体層と、
    前記第１の面の上に設けられ、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属のみで構成された中間層と、
    前記中間層の上に設けられた電極と、
    前記第２の面から前記中間層に連通し、前記塩素を含むガスによりドライエッチングされたバイアホールの内面を覆う導電層であって、前記バイアホールの底面に露出した前記中間層を介して前記電極に電気的に接続された導電層と、
    を備えた半導体装置。
  2. 前記中間層は、白金を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  3. 前記中間層は、イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属層と、前記イオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属と前記半導体層が反応した反応層と、を含み、
    前記導電層は、前記反応層に接する請求項１記載の半導体装置。
  4. 前記中間層は、白金層と、前記白金層と前記半導体層が反応した反応層と、を含み、
    前記導電層は、前記反応層に接する請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記電極に電気的に接続された機能部をさらに備え、
    前記中間層は、前記機能部から離間して設けられる請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
  6. ドライエッチングを用いて形成されたバイアホールを有する半導体層と、
    前記半導体層の第１の面の上に設けられた電極と、
    前記第１の面とは反対側の第２の面に設けられ、前記バイアホールを介して前記電極に電気的に接続された導電層と、
    を備えた半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の面上に、前記ドライエッチングのイオン化傾向において標準酸化還元電位が０（ゼロ）Ｖ以上の金属層を形成する工程と、
    前記金属層と前記半導体層とを熱処理し反応層を形成する工程と、
    前記金属層の上に前記電極を形成する工程と、
    塩素を含むガスを用いたドライエッチングにより前記第２の面側から前記電極の方向に前記バイアホールを形成し、前記反応層および前記金属層の少なくともいずれか一方を第２の面側に露出させる工程と、
    前記バイアホールの内面を覆う前記導電層を形成する工程と、
    を備えた半導体装置の製造方法。
  7. 前記金属層は白金層である請求項６記載の半導体装置の製造方法。
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