JP2016134523A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】不良が発生するのを抑制することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置の半導体チップ10−1、10−2は、基板30と、基板30上に設けられた窒化物半導体層31とを含む。基板30の側面であって窒化物半導体層31側に凹部51が設けられ、凹部51の端は、窒化物半導体層31の下に位置する。【選択図】図7
Description
本発明の実施形態は、半導体装置及びその製造方法に係り、例えば、パワー半導体素子を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。
スイッチング電源やインバータなどの回路には、スイッチング素子やダイオードなどのパワー半導体素子を備えたパワー半導体デバイスが用いられる。窒化物半導体などの化合物半導体を用いた素子は優れた材料特性を持っているため、高性能なパワー半導体デバイスを実現できる。
パワー半導体デバイスを備えた半導体ウェハは、ダイシング工程により複数の半導体チップに切り分けられる。このダイシング工程において、窒化物半導体層にチッピングやクラックが発生してしまう。チッピングとは、ダイシング面に発生する破損であり、クラックとは、ダイシング面に発生する割れ目である。このチッピングやクラックに起因して、パワー半導体デバイスに不良が発生したり、歩留まりが低下してしまう。
実施形態は、不良が発生するのを抑制することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
実施形態に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられた窒化物半導体層とを具備する。前記基板の側面であって前記窒化物半導体層側に凹部が設けられ、前記凹部の端は、前記窒化物半導体層の下に位置する。
実施形態に係る半導体装置の製造方法は、間隔を空けて配置された第1及び第2半導体チップを備えた半導体装置の製造方法であって、前記第1及び第2半導体チップ上にそれぞれ第1及び第2マスクを形成する工程と、前記間隔に設けられた窒化物半導体層を異方性エッチングする工程と、前記異方性エッチングにより露出した基板を部分的に等方性エッチングすることで、凹部を形成する工程と、前記間隔に沿って前記第1及び第2半導体チップをダイシングする工程とを具備する。
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率などは必ずしも現実のものと同一とは限らない。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置などによって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
[第1実施形態]
[1−1]半導体装置の構成
図1は、第1実施形態に係る半導体装置1の平面図である。半導体装置1は、半導体ウェハから構成される。図1は、半導体ウェハの一部を抽出して示している。
[1−1]半導体装置の構成
図1は、第1実施形態に係る半導体装置1の平面図である。半導体装置1は、半導体ウェハから構成される。図1は、半導体ウェハの一部を抽出して示している。
半導体装置1は、例えばマトリクス状に配置された複数の半導体チップ10を備える。複数の半導体チップ10は、ダイシングライン20を隔てて配置される。ダイシングライン20は、複数の半導体チップ10をダイシング工程によって切り分けるための領域である。
各半導体チップ10は、例えば、電源(電力)の変換及び制御を行うパワー半導体デバイスから構成される。パワー半導体デバイスが備えるパワー半導体素子としては、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、及びダイオードなどが挙げられる。
以下に、HEMTを備えた半導体チップ10を例に挙げて説明する。図2は、半導体装置1の断面図である。
半導体装置1は、半導体チップ10−1、10−2を備える。半導体チップ10−1、10−2は、ダイシングライン20を隔てて配置される。以下の説明では、半導体チップ10−1、10−2を区別する必要がない場合は、半導体チップ10のように枝番を省いて参照符号を示し、半導体チップ10の説明は、半導体チップ10−1、10−2の両方に適用されるものとする。
半導体チップ10は、基板30、窒化物半導体層31、及び保護層32を備える。窒化物半導体層31は、半導体チップ10ごとに分離されることなく、複数の半導体チップ10に共通して形成される。保護層32は、半導体チップ10ごとに設けられる。すなわち、保護層32が剥離された領域がダイシングライン20となる。ダイシングライン20に対応する窒化物半導体層31は、半導体装置1の上面に露出している。
基板30は、例えば、(111)面を主面とするシリコン(Si)基板から構成される。基板30としては、炭化シリコン(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ガリウムリン(GaP)、インジウムリン(InP)、ガリウム砒素(GaAs)、又はサファイア(Al2O3)などを用いても良い。
窒化物半導体層31は、例えば、バッファ層31A、チャネル層31B、及びバリア層31Cの3層が積層されて構成される。
バッファ層31Aは、基板30上に設けられる。バッファ層31Aは、バッファ層31A上に形成される窒化物半導体層の格子定数と、基板30の格子定数との相違によって生じる歪みを緩和するとともに、バッファ層31A上に形成される窒化物半導体層の結晶性を制御する機能を有する。バッファ層31Aは、例えば、AlXGa1−XN(0≦X≦1)から構成される。バッファ層31Aは、組成比が異なる複数のAlXGa1−XNを積層して構成しても良い。バッファ層31Aを積層構造で構成する場合、この積層構造に含まれる複数の層の格子定数が、バッファ層31Aを挟む上下の層のうち下層の格子定数から上層の格子定数に向かって変化するように、積層構造の組成比を調整する。
チャネル層31Bは、バッファ層31A上に設けられる。チャネル層31Bは、トランジスタのチャネル(電流経路)が形成される層である。チャネル層31Bは、AlXInYGa1−(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)から構成される。チャネル層31Bは、アンドープ層であり、かつ結晶性が良好な(高品質な)窒化物半導体から構成される。アンドープとは、意図的に不純物をドープしないことをいい、例えば、製造過程等で入り込む程度の不純物量はアンドープの範疇である。本実施形態では、チャネル層31Bは、アンドープのGaN(真性GaNともいう)から構成される。
バリア層31Cは、チャネル層31B上に設けられる。バリア層31Cは、AlXInYGa1−(X+Y)N(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)から構成される。バリア層31Cは、チャネル層31Bのバンドギャップより大きい窒化物半導体から構成される。本実施形態では、バリア層31Cは、例えば、アンドープのAlGaNから構成される。
なお、半導体装置1を構成する複数の半導体層は、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いたエピタキシャル成長により順次形成される。すなわち、半導体装置1を構成する複数の半導体層は、エピタキシャル層から構成される。
半導体チップ10は、HEMT40を備える。HEMT40は、ソース電極41A、ドレイン電極41B、ゲート電極41C、及び窒化物半導体層31の一部から構成される。ソース電極41A、ドレイン電極41B、及びゲート電極41C上にはそれぞれ、電極パッド42A、42B、及び42Cが設けられる。
ソース電極41A及びドレイン電極41Bは、バリア層31C上に互いに離間して設けられる。さらに、バリア層31C上かつソース電極41A及びドレイン電極41B間には、ソース電極41A及びドレイン電極41Bに離間してゲート電極41Cが設けられる。
ゲート電極41Cとバリア層31Cとは、ショットキー接合している。すなわち、ゲート電極41Cは、バリア層31Cとショットキー接合する材料を含むように構成される。図2に示した半導体装置1は、ショットキー障壁型HEMTである。ゲート電極41Cとしては、例えば、Au/Niの積層構造が用いられる。”/”の左側が上層、右側が下層を表している。
なお、半導体装置1は、ショットキー障壁型HEMTに限定されず、バリア層31Cとゲート電極41Cの間にゲート絶縁膜を介在させたMIS(Metal Insulator Semiconductor)型HEMTであっても良い。
ソース電極41Aとバリア層31Cとは、オーミック接触している。同様に、ドレイン電極41Bとバリア層31Cとは、オーミック接触している。すなわち、ソース電極41A及びドレイン電極41Bの各々は、バリア層31Cとオーミック接触する材料を含むように構成される。ソース電極41A及びドレイン電極41Bとしては、例えば、Al/Tiの積層構造が用いられる。
チャネル層31Bとバリア層31Cとのヘテロ接合構造において、バリア層31Cの方がチャネル層31Bよりも格子定数が小さいことから、バリア層31Cに歪みが生じる。この歪みに起因するピエゾ効果によりバリア層31C内にピエゾ分極が生じ、チャネル層31Bにおけるバリア層31Cとの界面付近に2次元電子ガス(2DEG : two-dimensional electron gas)が発生する。この2次元電子ガスが、ソース電極41A及びドレイン電極41B間のチャネルとなる。そして、ゲート電極41Cとバリア層31Cとの接合によって生じるショットキー障壁により、ドレイン電流の制御が可能となる。
保護層32は、窒化物半導体層31上及び電極(ソース電極41A、ドレイン電極41B、及びゲート電極41Cを含む)上に設けられる。保護層32は、パッシベーション層とも呼ばれる。保護層32は、電極パッドを形成するための開口部を有する。保護層32は、絶縁体から構成され、シリコン窒化物(SiN)、又はシリコン酸化物(SiO2)などが用いられる。
電極パッド42A、42B、42Cは、外部回路との接続に用いられ、半導体チップ10の外部に露出している。電極パッド42A、42B、及び42Cはそれぞれ、保護層32に形成された開口部を介して、ソース電極41A、ドレイン電極41B、及びゲート電極41Cに電気的に接続される。
[1−2]製造方法
次に、図3乃至図7を用いて、第1実施形態に係る半導体装置1の製造方法について説明する。図3乃至図7では、図面が煩雑になるのを避けるために、窒化物半導体層31を簡略化して一層で図示し、また、電極及び電極パッドの図示を省略している。
次に、図3乃至図7を用いて、第1実施形態に係る半導体装置1の製造方法について説明する。図3乃至図7では、図面が煩雑になるのを避けるために、窒化物半導体層31を簡略化して一層で図示し、また、電極及び電極パッドの図示を省略している。
図3乃至図7には、1本のダイシングライン20と、ダイシングライン20の両側に配置された2個の半導体チップ10−1、10−2の一部とを抽出して示している。ダイシングライン20の幅は、ダイシング工程で使用するダイシングブレードの幅に応じて設定され、例えば45μm以上70μm以下である。
まず、基板30に複数の半導体チップ10が形成された半導体装置(半導体ウェハ)1を準備する。続いて、グラインディング装置を用いて基板30の裏面を均等に削ることで、基板30を所定の厚さまで薄くする。基板30の厚さは、半導体チップ10の仕様により適宜設定される。
続いて、図3に示すように、半導体チップ10−1、10−2(具体的には、保護層32)上に、フォトリソグラフィ法を用いて、レジスト(マスク層)50を形成する。換言すると、ダイシングライン20以外の領域に、レジスト50を形成する。
続いて、図4に示すように、レジスト50をマスクとして、窒化物半導体層31を異方性エッチングする。異方性エッチング工程には、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法が用いられる。異方性エッチング工程により、ダイシングライン20に対応する領域の窒化物半導体層31が除去される。
続いて、図5に示すように、レジスト50をマスクとして、基板30を部分的に等方性エッチングする。等方性エッチング工程によるエッチング量(エッチング深さ)は、例えば5μm程度である。等方性エッチング工程には、例えば、等方性のプラズマエッチング、又はウェットエッチングが用いられる。
図5に示すように、等方性エッチング工程によって基板30のサイドエッチングが発生する。等方性エッチング工程により、窒化物半導体層31の端に対応する領域の基板30には、凹部51が形成される。凹部51は、窒化物半導体層31の下まで入り込んでいる。換言すると、窒化物半導体層31の下には、アンダーカットが形成される。凹部51の面内方向における端は、窒化物半導体層31の端より半導体チップ10の内側に位置する。続いて、図6に示すように、レジスト50を除去する。
続いて、図7に示すように、ダイシングライン20に沿って半導体装置1をダイシングし、半導体装置1を複数の半導体チップ10に切り分ける。ダイシング工程には、ブレードダイシング、又はレーザーダイシングなどが用いられる。本実施形態では、窒化物半導体層31が異方性エッチングされるため、窒化物半導体層31の側面は、基板30の側面より面内方向内側に位置する。
ダイシング工程において、基板30の切断面には、チッピングやクラックが発生する。このチッピングに起因して半導体チップ10の縁が割れたり又は欠けたりしてしまう。さらに、基板30のチッピングが延びて窒化物半導体層31まで達し、窒化物半導体層31にチッピングやクラックが発生してしまう。しかし、本実施形態では、図7に示すように、基板30の側面であって窒化物半導体層31側には、凹部51が形成される。また、凹部51は、窒化物半導体層31の下まで入り込んでいる。よって、基板30に凹部51まで達するチッピングが発生した場合でも、基板30のチッピングが窒化物半導体層31に達するのを抑制できる。
[1−3]第1実施形態の効果
以上詳述したように第1実施形態では、ダイシングライン(間隔)20に対応する窒化物半導体層31を異方性エッチングにより除去した後、この異方性エッチングにより露出した基板30を所定のエッチング量だけ等方性エッチングする。この等方性エッチング工程により、基板30には、窒化物半導体層31の下まで入り込んだ凹部51が形成される。その後、ダイシングライン20に沿って半導体装置1をダイシングするようにしている。
以上詳述したように第1実施形態では、ダイシングライン(間隔)20に対応する窒化物半導体層31を異方性エッチングにより除去した後、この異方性エッチングにより露出した基板30を所定のエッチング量だけ等方性エッチングする。この等方性エッチング工程により、基板30には、窒化物半導体層31の下まで入り込んだ凹部51が形成される。その後、ダイシングライン20に沿って半導体装置1をダイシングするようにしている。
従って第1実施形態によれば、基板30の側面であって凹部51近傍にチッピングやクラックが発生した場合でも、基板30の凹部51に割れや欠けが発生するのに留めることができる。これにより、基板30のチッピングが延びて窒化物半導体層31にチッピングが発生するのを抑制することができる。
結果として、半導体チップ10に不良が発生するのを抑制することができる。また、歩留まりが低下するのを抑制することができる。
[第2実施形態]
第2実施形態では、窒化物半導体層31を異方性エッチングした後、さらに異方性エッチングにより基板30をオーバーエッチングする。その後、基板30を等方性エッチングすることで、基板に凹部51を形成するようにしている。
第2実施形態では、窒化物半導体層31を異方性エッチングした後、さらに異方性エッチングにより基板30をオーバーエッチングする。その後、基板30を等方性エッチングすることで、基板に凹部51を形成するようにしている。
以下に、図8乃至図11を用いて、第2実施形態に係る半導体装置1の製造方法について説明する。図3までの製造工程は、第1実施形態と同じである。
続いて、図8に示すように、レジスト50をマスクとして、窒化物半導体層31を異方性エッチングする。続いて、レジスト50をマスクとして、基板30を部分的に異方性エッチングする。異方性エッチング工程により、ダイシングライン20に対応する領域の窒化物半導体層31が除去されるとともに、基板30にダイシングライン20と概略同じ幅の開口部が形成される。
基板30の異方性エッチング工程は、窒化物半導体層31の異方性エッチング工程からガス種を変えて連続的に行っても良い。また、基板30の異方性エッチング工程は、ガス種を同じにして、窒化物半導体層31のオーバーエッチングによって行っても良い。基板30の異方性エッチングによるエッチング量は、例えば10μm程度である。異方性エッチング工程には、例えば、RIE法が用いられる。
続いて、図9に示すように、レジスト50をマスクとして、基板30を部分的に等方性エッチングする。等方性エッチング工程によるエッチング量は、例えば5μm程度である。等方性エッチング工程には、例えば、等方性のプラズマエッチング、又はウェットエッチングが用いられる。
図9に示すように、等方性エッチング工程によって基板30のサイドエッチングが発生する。等方性エッチング工程により、窒化物半導体層31の端に対応する基板30には、凹部51が形成される。凹部51は、窒化物半導体層31の下まで入り込んでいる。凹部51の面内方向における端は、窒化物半導体層31の端より半導体チップ10の内側に位置する。
続いて、図10に示すように、レジスト50を除去する。続いて、図11に示すように、ダイシングライン20に沿って半導体装置1をダイシングし、半導体装置1を複数の半導体チップ10に切り分ける。ダイシング工程には、ブレードダイシング、又はレーザーダイシングなどが用いられる。
以上詳述したように第2実施形態では、第1実施形態と同様に、窒化物半導体層31の端に対応する基板30には、凹部51が形成される。これにより、第1実施形態と同じ効果が得られる。
また、第2実施形態は、基板30を異方エッチングして基板30に凹部を形成した後、この凹部から基板30を部分的に等方性エッチングしている。これにより、凹部51の側面の形状をよりなだらかにできるため、所望の形状を有する凹部51を形成することができる。具体的には、凹部51が窒化物半導体層31の下に入り込む量を制御できる。
なお、上記各実施形態では、基板上に窒化物半導体層が形成された半導体装置を用いている。しかし、これに限定されるものではなく、基板上に、基板と材料が異なる化合物半導体からなるエピタキシャル層が形成された半導体装置に、上記各実施形態を適用することも可能である。
本願明細書において、「積層」とは、互いに接して重ねられる場合の他に、間に他の層が挿入されて重ねられる場合も含む。また、「上に設けられる」とは、直接接して設けられる場合の他に、間に他の層が挿入されて設けられる場合も含む。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、1つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。
1…半導体装置、10…半導体チップ、20…ダイシングライン、30…基板、31…窒化物半導体層、32…保護層、50…レジスト、51…凹部
Claims (9)
- 基板と、
前記基板上に設けられた窒化物半導体層と、
を具備し、
前記基板の側面であって前記窒化物半導体層側に凹部が設けられ、
前記凹部の端は、前記窒化物半導体層の下に位置することを特徴とする半導体装置。 - 前記凹部は、面内方向に窪んでいることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記窒化物半導体層の側面は、前記基板の側面より面内方向内側に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム(GaN)を含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記基板は、シリコン(Si)を含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置。
- 間隔を空けて配置された第1及び第2半導体チップを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第1及び第2半導体チップ上にそれぞれ第1及び第2マスクを形成する工程と、
前記間隔に設けられた窒化物半導体層を異方性エッチングする工程と、
前記異方性エッチングにより露出した基板を部分的に等方性エッチングすることで、凹部を形成する工程と、
前記間隔に沿って前記第1及び第2半導体チップをダイシングする工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 間隔を空けて配置された第1及び第2半導体チップを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第1及び第2半導体チップ上にそれぞれ第1及び第2マスクを形成する工程と、
前記間隔に設けられた窒化物半導体層を異方性エッチングする工程と、
前記異方性エッチングにより露出した基板を部分的に異方性エッチングする工程と、
前記基板の異方性エッチングの後に、前記基板を部分的に等方性エッチングすることで、凹部を形成する工程と、
前記間隔に沿って前記第1及び第2半導体チップをダイシングする工程と、
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム(GaN)を含むことを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記基板は、シリコン(Si)を含むことを特徴とする請求項6乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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