JP4516538B2

JP4516538B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4516538B2
Application number: JP2006055567A
Authority: JP
Inventors: 俊行河阪; 正臣江森
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: US7754616B2; JP2007234912A; US20070207614A1

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にＮｉをマスクに半導体層をエッチングした半導体装置およびその製造方法。

基板または半導体層を選択的にドライエッチングする場合、被エッチング層である基板または層上に選択的に形成されたマスク層をマスクに被エッチング基板または層をエッチングする。被エッチング基板または層のプラズマに対する反応定数が小さい場合、被エッチング基板または層のエッチング速度は小さくなる。特に厚い被エッチング基板または層をエッチングする場合、エッチング中にマスク層がなくならないように、被エッチング基板または層のマスク層に対するエッチング速度の比であるエッチング選択比を大きくすることが求められる。例えば、特許文献１には、酸化シリコン膜および酸化アルムニウム膜からなるマスク層をマスクとしてＧａＮ（窒化ガリウム）をエッチングする技術（従来例）が開示されている。
特開２００３−２２４３００号公報

エッチングのためのマスク層としては、被エッチング材とのエッチング選択比が求められる。さらに、エッチング中の温度変化によるマスク層の剥離を抑制することが求められる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、エッチング選択比が高くかつマスク層の剥離を抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、炭化シリコン、酸化シリコン、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウムの少なくとも１つを含む被エッチング層上に接して、開口部を有し、前記被エッチング層側からニッケルクロム膜、金膜およびニッケル膜の順で接して形成されたマスク層を形成する工程と、前記マスク層をマスクに前記被エッチング層をエッチングする工程と、前記エッチングする工程の後、前記マスク層を構成するニッケルクロム層、金膜およびニッケル膜を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ニッケル膜によりエッチング選択比が高くし、ニッケルクロム膜によりマスク層の剥離を抑制することが可能となる。さらに金膜によりニッケルクロム膜とニッケル膜との密着性を向上させることができる。

上記構成において、前記被エッチング層は基板であり、前記被エッチング層をエッチングする工程は、前記基板を貫通するバイアホールを形成する工程である構成とすることができる。この構成によれば、高温で実行されエッチング時間の長いバイアホールの形成のためのエッチングにおいて、エッチング選択比が大きく、マスク層の剥離を抑制することができる。

上記構成において、前記エッチングは、反応性イオンエッチング法、電子サイクロトロン共鳴エッチング法および誘導結合型プラズマエッチング法のいずれか１つにより実行される構成とすることができる。

上記構成において、前記エッチングは、２５０℃以上の温度で実行される構成とすることができる。この構成によれば、マスク層が剥離し易い２５０℃以上の温度のエッチングにおいても、マスク層の剥離を抑制することができる。

上記構成において、前記マスク層の少なくとも一部の層上並びに前記エッチングにより形成された凹部またはバイアホール内に、第２金属層を形成する工程を有する構成とすることができる。

本発明によれば、エッチング選択比が高くかつマスク層の剥離を抑制することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

実施例１はメッキ法によりＮｉ（ニッケル）膜を形成する例である。図１（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１（ａ）を参照に、例えばＳｉＣ（炭化シリコン）等の基板１０（被エッチング層）上に例えば蒸着法を用い、膜厚が７０ｎｍのＮｉＣｒ（ニッケルクロム）膜１２および膜厚が１００ｎｍのＡｕ（金）膜１４を形成する。ＮｉＣｒ膜およびＡｕ膜の膜厚は密着性が得られる範囲で任意に設定することができる。図１（ｂ）を参照に、Ａｕ膜１４上の基板１０をエッチングすべき領域に開口すべきフォトレジスト２０のパターンを形成する。図１（ｃ）を参照に、メッキ法を用い、Ａｕ膜１４上に膜厚が１０μｍのＮｉ膜１６ａを形成する。Ｎｉ膜１６ａの膜厚は、エッチングマスクとして機能する範囲で任意に設定することができる。

図２（ａ）を参照に、フォトレジスト２０を除去する。これにより、Ｎｉ膜に開口部２２が形成される。図２（ｂ）を参照に、Ｎｉ膜１６ａをマスクにＡｕ膜１４およびＮｉＣｒ膜１２を例えばドライエッチング法を用いエッチングする。これにより、開口部２２を有し、基板１０側からＮｉＣｒ膜１２、Ａｕ膜１４およびＮｉ膜１６aからなるマスク層１８が形成される。図２（ｃ）を参照に、マスク層１８をマスクに基板１０を例えば１５０μｍドライエッチングする。

図２（ｃ）における基板１０のエッチングは、ＳｉＣまたは酸化シリコン（石英）からなる被エッチング層をエッチングする場合は、例えばＳＦ_６またはＮＦ_３などの弗素系ガスを用いる。窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる被エッチング層をエッチングする場合は、例えばＣｌ_２、ＢＣｌ_３またはＳｉＣｌ_４等の塩素系のガスを用いる。これらの被エッチング層のエッチングとしては、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型エッチング装置またはＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型エッチング装置を用い実行することができる。

炭化シリコン、酸化シリコン、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウムの少なくとも１つを含む被エッチング層(基板や層)は反応性プラズマに対する反応定数が小さくマスク層１８とのエッチング選択比を向上させるためにはマスク層の反応定数をさらに小さくする必要がある。実施例１においては、マスク層１８の最上層をＮｉ膜１６aとすることにより、マスク層１８に対するこれらの被エッチング層である基板１０のエッチング選択比を大きくすることができる。例えば、ＳｉＣ基板、サファイア基板の場合、エッチング選択比をそれぞれ、３０〜１００、２０程度とすることができる。

表１は基板としてＳｉＣ基板、マスク層として、Ｔｉ／Ｎｉ膜、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ膜、ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ膜を形成した場合のピーリング試験結果である。ピーリング試験とは、マスク層上に粘着テープを貼り、剥がすことにより剥がれたマスク層の数を検査する方法である。この方法により、基板とマスク層との密着性を評価することができる。表１を参照に、Ｔｉ／Ｎｉ膜、Ｔｉ／Ａｕ／Ｎｉ膜を用いた場合、それぞれ１００個のうち１４個、８個の試料のマスク層が剥がれている。一方、ＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ膜の場合、マスク層は剥がれていない。このように、マスク層１８の基板１０と接する膜をＮｉＣｒ膜１２とすることにより、マスク層１８と基板１０との密着を向上させることができる。

さらに、基板としてＧａＮ基板を用い、マスク層をＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ膜のＮｉＣｒ膜をＮｉ膜またはＣｒ膜に代え密着性を評価した。その結果、Ｎｉ膜、ＮｉＣｒ膜、Ｃｒ膜の順に密着が強くなることがわかった。このように、密着性の観点からはＣｒ膜を基板に接触させることが好ましいが、Ｃｒ膜は、Ｃｒ膜をエッチングした際の廃液処理に課題がある。このように、基板と密着する膜はＮｉＣｒ膜が好ましい。一方、マスク層をＮｉＣｒ膜としてプラズマエッチングしたところ、ＮｉＣｒ膜は耐プラズマエッチング性が好ましくないことがわかった。そこで、プラズマに曝される最上層はＮｉＣｒ膜は耐プラズマエッチング性に優れたＮｉ膜が好ましい。さらに、ＮｉＣｒ／Ｎｉ膜をマスク層に、例えば基板を貫通するバイアホールを形成する場合、高温や長時間のエッチングを行うと、ＮｉＣｒ膜とＮｉ膜との間が剥離してしまうことがわかった。そこで、ＮｉＣｒ膜とＮｉ膜との間にＡｕ膜を設けることによりＮｉＣｒ膜とＮｉ膜との密着性を向上し、ＮｉＣｒ膜とＮｉ膜との間の剥離を抑制することができる。

通常、プラズマエッチングは１００℃以下の温度で行うが、特に、炭化シリコン、酸化シリコン、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウの少なくとも１つを含む被エッチング層のエッチング速度を速くするためには２５０℃以上の温度でエッチングすることが好ましい。しかしながら、このような高温でエッチングを行うと、ＮｉＣｒ膜とＮｉ膜との間が剥がれてしまう。そこで、このような高温でエッチングする際は、特にＮｉＣｒ／Ａｕ／Ｎｉ膜をマスク層とすることが有効である。

さらに、図３は、実施例１と同様の方法で、Ｔｉ膜１３、Ａｕ膜１４およびＮｉ膜１６からなるマスク層１８を形成した場合の断面図である。図２（ｂ）に相当する工程において、Ｎｉ膜１６をマスクにＴｉ膜１３をエッチングする際にＴｉ膜１３がサイドエッチングされている。このように、Ｔｉ膜１３はドライエッチングの際サイドエッチングされ易い。図３のようにＴｉ膜１３がサイドエッチングされると、基板１０をエッチングする際にサイドエッチングが入る。また、マスク層１８が剥離され易くなる。実施例１によれば、マスク層１８の基板に接する膜をＮｉＣｒ膜１２とすることにより、図３の４０のようなサイドエッチングを抑制することができる。

実施例２はＮｉ膜を蒸着法により形成する例である。図４（ａ）から図４（ｄ）は、実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図４（ａ）を参照に、基板１０上にフォトレジスト２６のパターンを形成する。図４（ｂ）を参照に、基板１０上およびフォトレジスト２６上に基板１０側からＮｉＣｒ膜１２、Ａｕ膜およびＮｉ膜１６ｂを例えば蒸着法を用い形成する。これらの膜厚は例えば実施例１と同じとすることができる。図４（ｃ）を参照に、フォトレジスト２６を除去しフォトレジスト２６の膜をリフトオフする。これにより、開口部２２を有するマスク層１８が形成される。図４（ｄ）を参照に、マスク層１８をマスクに基板１０をエッチングする。基板のエッチング方法は実施例１において記載した方法を用いることができる。実施例２のように、マスク層１８の形成は、蒸着法およびリフトオフ法を用いることができる。

実施例３は、マスク層１８の一部を電極として使用する例である。図５を参照に、実施例１の図２（ｃ）または実施例２の図４（ｄ）の後に、マスク層１８のうち、Ｎｉ膜１６aまたは１６ｂを除去し、ＮｉＣｒ膜１２および、Ａｕ膜１４からなる第１金属層１９を形成する。実施例３に係る半導体装置は、基板１０上に形成された開口部２３を有し基板１０側からＮｉＣｒ膜１２およびＡｕ膜１４からなる第１金属層１９を有している。そして、基板１０は、開口部２３下に凹部２４を有している。凹部２４の側面と第１金属層１９の側面（開口部２３の側面）とは概一致している。以上のように、マスク層１８の少なくとも一部を第１金属層１９として、例えば電極に用いることができる。これにより、新たに第１金属層１９を形成する必要がなく製造コストを削減することができる。なお、基板１０をエッチングする際に、基板を貫通した孔部を形成することもできる。また、Ｎｉ膜１６aまたは１６ｂを除去せず、マスク層１８をそのまま電極として用いることもできる。つまり、図２（ｃ）または図４（ｄ）のように、第１金属層１９は、Ａｕ膜１４上にＮｉ膜１６ａまたは１６ｂを有する構成とすることもできる。

実施例４は被エッチング層である基板１０を貫通するバイアホール２８を形成する際のエッチングマスクに本発明を用いる例である。基板１０の表面にパッド電極３０を形成する。表面（例えば、トランジスタ等の素子が形成された面）とは反対の面である裏面を研磨し、基板１０の厚さ例えば１５０μｍとする。実施例１の図１（ａ）から図２（ｂ）または実施例２の図４（ａ）から図４（ｃ）と同様に、基板１０の裏面にマスク層１８を形成する。図６（ａ）を参照に、マスク層１８をマスクに用い基板１０をエッチングする。これにより基板１０を貫通するバイアホール２８を形成する。図６（ｂ）を参照に、マスク層１８を除去する。バイアホール２８内に例えばメッキ法を用い例えばＡｕからなる第２金属層３２を形成する。第２金属層３２はＡｕ以外の金属でも良い。基板１０の裏面に裏面電極３４を形成する。以上により、第２金属層３２を埋め込まれたバイアホール２８が完成する。

実施例４の変形例について説明する。図７（ａ）を参照に、実施例３のように、マスク層１８のＮｉ膜１６を除去し、マスク層１８の一部の層であるＮｉＣｒ／Ａｕ膜からなる第１金属層１９を残存させる。図７（ｂ）のように、第１金属層１９上およびバイアホール２８内に第２金属層３２をメッキ法を用い形成する。このようにして、バイアホール２８内に第２金属層３２を形成してもよい。実施例４の変形例においては、Ａｕ膜１４をメッキ法を用い第２金属層３２を形成するための種メタルとして用いることもできる。なお、Ｎｉ膜１６を除去せず第１金属層とすることもできる。すなわち、第１金属層はＡｕ膜１４上にＮｉ膜１６を有することができる。さらに、実施例４およびその変形例は、基板を貫通する孔部であるバイアホール２８内に第２金属層３２を形成する場合を例に説明したが、本発明は、実施例２および３のような基板または層の凹部内に第２金属層３２を形成する場合に適用することもできる。

基板１０の厚さは数１０μｍ以上あるため、バイアホール２８を形成するためには、基板１０を数１０μｍ以上エッチングする必要がある。このため、エッチング選択比が大きくなるマスク層１８が求められる。そこで、本発明を適用することにより、基板１０とマスク層１８とのエッチング選択比を大きくすることができる。また、２５０℃以上の高温や長時間のエッチングが必要となるため、マスク層１８が熱応力により剥離し易くなる。そこで、本発明を適用することにより、マスク層１８の剥離を抑制することができる。

実施例１から実施例３において、被エッチング層は基板上に形成された層であってもよい。すなわち、図２（ｃ）、図４（ｄ）はマスク層１８をマスクに基板上の層をドライエッチングする工程であっても良い。

以上、発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１（ａ）から図１（ｃ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その１）である。図２（ａ）から図２（ｃ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図（その２）である。図３は比較例に係る製造方法の課題を説明するための図である。図４（ａ）から図４（ｄ）は実施例２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図５は実施例３に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）は実施例４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は実施例４の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１０基板
１２ＮｉＣｒ膜
１４Ａｕ膜
１６、１６ａ、１６ｂＮｉ膜
１８マスク層
１９第１金属層
２０、２６フォトレジスト
２２開口部
２８バイアホール
３２第２金属層

Claims

炭化シリコン、酸化シリコン、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウムおよび窒化アルミニウムの少なくとも１つを含む被エッチング層上に接して、開口部を有し、前記被エッチング層側からニッケルクロム膜、金膜およびニッケル膜の順で接して形成されたマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をマスクに前記被エッチング層をエッチングする工程と、
前記エッチングする工程の後、前記マスク層を構成するニッケルクロム層、金膜およびニッケル膜を除去する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記被エッチング層は基板であり、前記被エッチング層をエッチングする工程は、前記基板を貫通するバイアホールを形成する工程であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記エッチングは、反応性イオンエッチング法、電子サイクロトロン共鳴エッチング法および誘導結合型プラズマエッチング法のいずれか１つにより実行されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記エッチングは、２５０℃以上の温度で実行されることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記マスク層の少なくとも一部の層上並びに前記エッチングにより形成された凹部またはバイアホール内に、第２金属層を形成する工程を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。