JP2016058651A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体基板の反りが抑制される半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態の半導体装置の製造方法は、第１面と第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１面上に設けられた窒化ガリウム含有層と、を有し、厚さがｄ１である前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングし、前記半導体基板の厚さを前記ｄ１の５分の１以下にする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。
窒化ガリウムを用いたデバイスにおいては、デバイス内の半導体基板をなるべく薄化し、デバイスの小型化を図ることが１つの流れになっている。半導体基板の薄化は、例えば、バックグラインド（裏面研削）により行われている。
しかし、窒化ガリウムの基板としてシリコン基板を用いた場合、シリコンの格子定数と窒化ガリウムの格子定数との不整合からシリコン基板には応力が内在している。このような状況で半導体基板をバックグラインドすると、バックグラインドにより発生する研磨痕によりシリコン基板が大きく反れる場合がある。そして、この反りが限度を超えると、シリコン基板が割れる可能性がある。
特開２０１２−１６０５１５号公報
本発明が解決しようとする課題は、半導体基板の反りが抑制される半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態の半導体装置の製造方法は、第１面と第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１面上に設けられた窒化ガリウム含有層と、を有し、厚さがｄ１である前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングし、前記半導体基板の厚さを前記ｄ１の５分の１以下にする。
図１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を表すフロー図である。 図２は、実施形態に係る半導体基板を研削または研磨する加工機の要部を表す模式的斜視図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図３（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’線における模式的断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図４（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ’線における模式的断面図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図５（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ’線における模式的断面図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図６（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ’線における模式的断面図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図７（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ’線における模式的断面図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図８（ａ）は、個片化後の半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図８（ｂ）は、個片化後の半導体装置の断面を表す模式的断面図である。 図９は、実施形態に係る半導体チップの要部に係る模式的断面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
図１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を表すフロー図である。
例えば、半導体基板の上に設けられた窒化ガリウム含有層の表面に、第１電極、第２電極、および第３電極を形成する（ステップＳ１０）。ここで、半導体基板は、シリコン基板である。第１電極〜第３電極は、一例として、高電子移動度トランジスタのソース、ドレイン、およびゲートに対応している。また、高電子移動度トランジスタに限らず、ＭＯＳＦＥＴのソース、ドレイン、およびゲートでもよい。
次に、半導体基板の裏面を研削、研磨、およびエッチングし、半導体基板の厚さを５分の１以下にする（ステップＳ２０）。
次に、研削、研磨、およびエッチングした半導体基板の裏面に導電層を形成する（ステップＳ３０）。
次に、半導体基板、窒化ガリウム含有層、および導電層をダイシングにより分離する（ステップＳ４０）。
以下に、図１に表すフロー図を具体的に説明する。
まず、実施形態に係る半導体装置の製造過程を説明する前に、半導体基板を研削または研磨する加工機について説明する。
図２は、実施形態に係る半導体基板を研削または研磨する加工機の要部を表す模式的斜視図である。
図２に表すように、グラインドテープ９１上に載置された半導体基板１０の裏面１０ｒに、この裏面１０ｒを研削（バックグラインド（B.G.））または研磨（ポリッシンググラインド（P.G.））する加工機９０を押し当てる。加工機９０または半導体基板１０は矢印の向きに回転することが可能になっている。
加工機９０は、半導体基板１０の全面を覆うのではなく、例えば、加工機９０の直径は、半導体基板１０の半径以上に設計されている。加工機９０と、半導体基板１０との間には、ダイヤモンド等の砥粒が介在し、加工機９０の回転または半導体基板１０の回転により半導体基板１０の裏面１０ｒが研削または研磨される。
ここで、研削による半導体基板１０の除去速度は、研磨による半導体基板１０の除去速度よりも速い。また、研磨で用いられる砥粒の平均粒径は、研削で用いられる砥粒の平均粒径よりも小さい。換言すれば、研磨は、研削のいわゆる仕上げ処理である。
実施形態に係る半導体装置の製造過程を説明する。
図３（ａ）〜図７（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、各図（ａ）は、半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、各図（ｂ）は、図（ａ）のＡ−Ａ’線における断面を表す模式的断面図である。
例えば、図３（ａ）、（ｂ）に表すように、第１面（以下、例えば、表面１０ｓ）と、第２面（以下、例えば、裏面１０ｒ）と、を有する半導体基板１０の表面１０ｓに窒化ガリウム含有層３０をエピタキシャル成長させる。ここで、窒化ガリウム含有層３０は、複数の層を有している（後述）。また、この段階での半導体基板１０の厚さをｄ１（例えば、１ｍｍ）とする。窒化ガリウム含有層３０の厚さは、１０μｍである。
続いて、窒化ガリウム含有層３０の上に、第１電極（以下、例えば、ソース電極５０）と、第２電極（以下、例えば、ドレイン電極５１）と、第３電極（以下、例えば、ゲート電極５２）と、を形成する。ここで、ドレイン電極５１は、ソース電極５０に並び、ゲート電極５２は、ソース電極５０とドレイン電極５１との間に配置される。ゲート電極５２と窒化ガリウム含有層３０との間には、ゲート絶縁膜５３が設けられている。ソース電極５０、ドレイン電極５１、およびゲート電極５２の組は、複数設けられる。
なお、ソース電極５０、ドレイン電極５１、およびゲート電極５２を形成した後、半導体基板１０および窒化ガリウム含有層３０の表面を被覆するパシベーション膜（図示しない）を形成してもよい。また、ソース電極５０、ドレイン電極５１、およびゲート電極５２のそれぞれに電気的に接続された電極パッド（図示しない）を形成してもよい。
次に、図４（ａ）、（ｂ）に表すように、半導体基板１０の裏面１０ｒを加工機９０を用いて研削する。
研削は、例えば、ＪＩＳ規格の粒度＃１５００の砥粒（例えば、ダイヤモンド砥粒）を用いて行う。例えば、加工機９０の半導体基板１０との当接面にダイヤモンド砥粒（固定砥粒）を固定させて、半導体基板１０の裏面１０ｒを研削する。
研削中には、加工機９０と半導体基板１０との間に、油等の溶媒、アルコール等の有機溶媒、水等の溶媒を介在させてもよい。あるいは、これらの溶媒を用いずに研削を行ってもよい。
半導体基板１０を研削した後、半導体基板１０の裏面１０ｒには、加工機９０の回転方向に応じた研削痕１０ｃａが形成される。半導体基板１０に研削痕１０ｃａが形成されると、半導体基板１０に印加されてた応力が一部解放されて、半導体基板１０が反る。
ここで、反りの程度が限度を超えている場合は、半導体基板１０が割れる場合がある。あるいは、研削痕１０ｃａが形成された半導体基板１０を、成膜装置等の別の処理装置内に設置すると、半導体基板１０が割れる場合がある。また、半導体基板１０が割れなかったとしても、研削痕１０ｃａが残存した半導体基板１０を用いたデバイスは、その抗折強度が低くなる。
従って、実施形態では、半導体基板１０に形成された研削痕１０ｃａを減少させる処理をこの後に行う。
例えば、図５（ａ）、（ｂ）に表すように、加工機９０と半導体基板１０との間に研削時よりも細かいダイヤモンド砥粒を介在させて半導体基板１０の裏面１０ｒを研磨する。
例えば、裏面１０ｒの上にダイヤモンド砥粒を遊離させて、半導体基板１０の裏面１０ｒを研磨する。あるいは、半導体基板１０の裏面１０ｒを、化学的機械研磨法（ＣＭＰ）により研磨する。
この研磨処理により、半導体基板１０の裏面１０ｒには、研削痕１０ｃａの深さがより浅くなった研削痕１０ｃｂが残存する。また、研削痕１０ｃａが形成されてた場合に比べて、半導体基板１０の反りの程度が緩和する。
次に、図６（ａ）、（ｂ）に表すように、半導体基板１０の裏面１０ｒを、エッチングする。例えば、半導体基板１０の裏面１０ｒを、炭素、硫黄、およびフッ素の少なくとも１つを含むガスによりドライエッチングする。
あるいは、半導体基板１０の裏面１０ｒを、フッ素を含む溶液によりウェットエッチングしてもよい。
このエッチング処理により、半導体基板１０の裏面１０ｒに残存していた研削痕１０ｃｂがさらに減少する。また、研削痕１０ｃｂが形成されてた場合に比べて、半導体基板１０の反りの程度が緩和する。すなわち、研削のみの処理を行った半導体基板１０に比べ、実施形態に係る半導体基板１０は、研削痕が少なく、割れ難くなっている。
例えば、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後、半導体基板１０の厚さは、当初の厚さｄ１の５分の１以下になっている。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示す段階で、半導体基板１０の厚さが１ｍｍの場合、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後、半導体基板１０の厚さは、２００μｍ以下になっている。
図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０の厚さは、２００μｍ以下とは限らない。
例えば、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０の厚さと、窒化ガリウム含有層３０の厚さとを足しあわせた厚さは、半導体基板の直径１インチ当たり５０μｍ以下である。例えば、直径８インチの半導体基板１０を用いた場合、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０と窒化ガリウム含有層３０との厚さは、４００μｍ以下になっている。
あるいは、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０の厚さと、窒化ガリウム含有層３０の厚さとを足しあわせた厚さは、半導体基板の直径１インチ当たり２５μｍ以下である。例えば、直径８インチの半導体基板１０を用いた場合、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０と窒化ガリウム含有層３０との厚さは、２００μｍ以下になっている。
また、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０の裏面１０ｒの表面粗さＲａは、０．００６ｍｍ以上、０．００８ｍｍ以下である。
また、図４（ａ）、（ｂ）〜図６（ａ）、（ｂ）の処理を終えた後の半導体基板１０を平坦な支持台（図示しない）の上に載置した場合、支持台からの半導体基板１０の中心の高さと、支持台からの半導体基板１０の端の高さと、の差は、１５０μｍ以下になっている。
次に、図７（ａ）、（ｂ）に表すように、半導体基板１０の裏面１０ｒに導電層５５を形成する。導電層５５は、半導体基板１０を実装する際に、半田付け用の電極として用いられる。あるいは、導電層５５は、半導体基板１０の裏面１０ｒ側の電位を安定させるグランド層、さらに放熱体として用いられる。
図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施形態に係る半導体装置の製造過程を表す模式図であり、図８（ａ）は、個片化後の半導体基板の裏面を表す模式的平面図であり、図８（ｂ）は、個片化後の半導体装置の断面を表す模式的断面図である。
次に、図８（ａ）、（ｂ）に表すように、ソース電極５０、ドレイン電極５１、およびゲート電極５２を含む組ごとに半導体基板１０、窒化ガリウム含有層３０、および導電層５５を分離する。例えば、ダイシングライン１０ｄに沿って、半導体基板１０、窒化ガリウム含有層３０、および導電層５５をダイシング処理により分離する。これにより、個片化された複数の半導体チップ１が形成する。この後、ダイボンディング、ワイヤーボンディング、および封止樹脂を用いて半導体チップ１のパッケージ化を行なう。
このように、実施形態では、窒化ガリウム含有層３０を支持するシリコン基板等の半導体基板１０の裏面１０ｒを、研削、研磨、およびエッチングする。これにより、半導体基板１０からは研削痕が減少し、半導体基板１０の反りが抑制される。その結果、半導体基板１０は割れ難くなる。
また、実施形態では、半導体基板１０の厚さを薄くできるので、半導体チップ１の薄型化を図ることができる。これにより、半導体パッケージの厚さも薄くなる。また、研削痕を減少させているので、半導体チップ１の抗折強度が増加する。
図９は、実施形態に係る半導体チップの要部に係る模式的断面図である。
図９に表す半導体チップ１は、半導体基板１０と、半導体基板１０の上に設けられた窒化ガリウム含有層３０と、窒化ガリウム含有層３０の上に設けられたソース電極５０と、ソース電極５０に並ぶドレイン電極５１と、ソース電極５０とドレイン電極５１との間に設けられたゲート電極５２と、半導体基板１０の下に設けられた導電層５５と、を備える。ゲート電極５２と窒化ガリウム含有層３０との間には、ゲート絶縁膜５３が設けられている。半導体チップ１は、ＨＥＭＴである。
窒化ガリウム含有層３０は、窒化アルミニウム含有層３１と、窒化アルミニウムガリウム含有層３２と、窒化ガリウム含有層３３、窒化アルミニウムガリウム含有層３４と、を有する。
ソース電極５０およびドレイン電極５１は、窒化アルミニウムガリウム含有層３４とオーミック接触をしている。ゲート絶縁膜５３は、窒化珪素膜（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化珪素膜（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のいずれかを含む。
窒化アルミニウム含有層３１と、窒化アルミニウムガリウム含有層３２と、はＨＥＭＴのバッファ層として機能している。窒化ガリウム含有層３３は、ＨＥＭＴのキャリア走行層として機能している。窒化アルミニウムガリウム含有層３４は、ＨＥＭＴの障壁層として機能している。窒化アルミニウムガリウム含有層３４は、ノンドープもしくはｎ形のＡｌＸＧａ１−ＸＮ（０＜Ｘ≦１）層である。窒化ガリウム含有層３３内の窒化ガリウム含有層３３と窒化アルミニウムガリウム含有層３４の界面付近には二次元電子が発生する。このような半導体チップ１も実施形態に含まれる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、総括的に、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
上記の実施形態では、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」と表現された場合の「の上に」とは、部位Ａが部位Ｂに接触して、部位Ａが部位Ｂの上に設けられている場合の他に、部位Ａが部位Ｂに接触せず、部位Ａが部位Ｂの上方に設けられている場合との意味で用いられる場合がある。また、「部位Ａは部位Ｂの上に設けられている」は、部位Ａと部位Ｂとを反転させて部位Ａが部位Ｂの下に位置した場合や、部位Ａと部位Ｂとが横に並んだ場合にも適用される場合がある。これは、実施形態に係る半導体装置を回転しても、回転前後において半導体装置の構造は変わらないからである。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
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 半導体チップ、 １０ 半導体基板、 １０ｃａ、１０ｃｂ 研削痕、 １０ｒ 第２面、 １０ｓ 第１面、 １０ｄ ダイシングライン、 ３０ 窒化ガリウム含有層、 ３１ 窒化アルミニウム含有層、 ３２ 窒化アルミニウムガリウム含有層、 ３３ 窒化ガリウム含有層、 ３４ 窒化アルミニウムガリウム含有層、 ５０ 第１電極、 ５１ 第２電極、 ５２ 第３電極、 ５３ ゲート絶縁膜、 ９０ 加工機、 ９１ グラインドテープ

Claims (10)

  1. 第１面と第２面とを有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第１面上に設けられた窒化ガリウム含有層と、を有し、厚さがｄ１である前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングし、前記半導体基板の厚さを前記ｄ１の５分の１以下にする半導体装置の製造方法。
  2. 前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングした後の前記半導体基板の前記第２面の表面粗さＲａは、０．００６ｍｍ以上、０．００８ｍｍ以下である請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングした後の前記半導体基板の厚さと、前記窒化ガリウム含有層の厚さと、を足した厚さは、前記半導体基板の直径１インチ当たり２５μｍ以下である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記半導体基板の前記第２面を研削、研磨、およびエッチングした後の前記半導体基板を支持台の上に載置した場合、前記支持台からの前記半導体基板の中心の高さと、前記支持台からの前記半導体基板の端の高さと、の差が１５０μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記半導体基板の前記第２面を、前記半導体基板を研削する研削機に固定させた固定砥粒により研削する請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記固定砥粒により研削を、溶媒を用いずに行う請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記半導体基板の前記第２面を、前記第２面の上に砥粒を遊離させて研磨する請求項１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記半導体基板の前記第２面を、化学的機械研磨法により研磨する請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記半導体基板の前記第２面を、炭素、硫黄、およびフッ素の少なくとも１つを含むガスによりエッチングする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記半導体基板の前記第２面を、フッ素を含む溶液によりエッチングする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
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