WO2022137347A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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metal
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拓行 岡崎
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三菱電機株式会社
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    • H01L29/812—Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier with a Schottky gate

Definitions

  • the present disclosure relates to a semiconductor device having a through hole for connecting a back surface electrode and a front surface electrode, and a method for manufacturing the same.
  • a high electron mobility transistor (HEMT: High Electron Mobility Transistor) for high-frequency operation is formed of a compound semiconductor such as a nitride semiconductor.
  • a through hole called a via hole is formed in a semiconductor substrate in order to connect a ground terminal which is a back surface electrode and a front surface electrode.
  • the thickness of a semiconductor substrate such as GaN on SiC is generally about 50 um to 100 um.
  • a through hole is formed on this substrate by dry etching, a large amount of residue is deposited on the inner side wall and the bottom surface of the through hole.
  • Fluorine-based dry etching used in selective etching of GaN is effective for forming through holes, but it cannot suppress the generation of side wall residue and bottom surface residue. Therefore, it is necessary to remove the residue by using a strong acid solution such as concentrated hydrochloric acid.
  • the base layer of the surface electrode becomes the metal that receives the dry etching.
  • Commonly used Ti-based ohmic electrodes are vulnerable to strong acid solutions and dissolve at high etching rates. As a result, reliability is reduced.
  • the base layer of the surface electrode is formed of a stable metal having high etching selectivity, long-term reliability cannot be guaranteed by penetrating the surface electrode or side etching. Therefore, Pt (platinum) having a positive standard redox potential in ionization tendency is adopted as the etching receiving metal for the base layer of the surface electrode (see, for example, Patent Document 1).
  • Pt has a large film stress and low adhesion to GaN. Therefore, if Pt is used as the base layer of the surface electrode, there is a high risk of peeling of the surface electrode, which affects another reliability.
  • the present disclosure has been made to solve the above-mentioned problems, and the purpose thereof is to obtain a highly reliable semiconductor device and its manufacturing method.
  • the semiconductor device includes a semiconductor substrate having front surfaces and back surfaces facing each other, through holes penetrating from the back surface to the front surface, and a metal formed in a ring shape on the front surface so as to surround the through holes.
  • a surface electrode having a film, a through hole and a wiring electrode covering the metal film, and bonded to the front surface outside the metal film, and formed on the back surface and the through hole and connected to the wiring electrode.
  • the metal film is characterized by having a lower ionization tendency and a higher work function than the wiring electrode.
  • a metal film is formed on the surface of the semiconductor substrate so as to surround the through hole. Since the metal film has a lower ionization tendency than the surface electrode, it has high wet resistance to a strongly acidic solution. Therefore, it is possible to suppress the side etching of the surface electrode in the wet etching for removing the side wall residue after the formation of the through hole. Further, the surface electrode is bonded to the surface of the semiconductor substrate on the outside of the metal film having low adhesion. As a result, it is possible to prevent abnormalities such as metal floating of the surface electrode and improve reliability.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. It is a top view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. It is a top view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 It is a top view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 2 It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2. It is a top view which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 1 is a plan view showing a semiconductor device according to the first embodiment.
  • the active region 2 of the transistor is formed on the semiconductor substrate 1.
  • a transistor having a plurality of source electrodes 3, gate electrodes 4, and drain electrodes 5 is formed.
  • a source pad 6, a gate pad 7, and a drain pad 8 are provided on the semiconductor substrate 1.
  • the source pad 6 is connected to a plurality of source electrodes 3.
  • the gate pad 7 is connected to the gate electrode 4.
  • the drain pad 8 is connected to a plurality of drain electrodes 5.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the source pad portion of FIG. In FIG. 2, the insulating film of the electrode, the gate electrode, the drain electrode, and the like are not shown.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of the source pad portion of FIG. 1.
  • the semiconductor substrate 1 has a SiC substrate 1a and a GaN layer 1b formed on the SiC substrate 1a.
  • the through hole 9 penetrates from the back surface to the front surface of the semiconductor substrate 1.
  • the metal film 10 is formed in a ring shape on the surface of the semiconductor substrate 1 so as to surround the through hole 9.
  • the metal film 10 is a single-layer metal made of any of Pt, Ni, and Ta, or a multi-layer metal having the metal as the lowermost layer.
  • the source pad 6 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1.
  • the source pad 6 has wiring electrodes 11 and 12, which are sequentially laminated, a surface feeding layer 13, and a surface plating 14.
  • the wiring electrodes 11 and 12 cover the through hole 9 and the metal film 10.
  • the wiring electrode 11 is bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 on the outside of the metal film 10. Since the wiring electrode 11 is in contact with the GaN layer 1b, it is preferably a metal such as Ti.
  • the forming range of the wiring electrodes 11 and 12 is smaller than that of the surface feeding layer 13 and the surface plating 14, and larger than that of the metal film 10.
  • the back surface electrode 15 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 1 and inside the through hole 9, and is directly in contact with and connected to the wiring electrodes 11 and 12.
  • the back surface electrode 15 has a back surface feeding layer 16 and a back surface plating 17 laminated in this order.
  • the front surface plating 14 and the back surface plating 17 are, for example, Au plating.
  • the metal film 10 has a lower ionization tendency and a higher work function than the wiring electrodes 11 and 12. Therefore, Pt is most preferable as the material of the metal film 10, but other metals such as Ni or Ta can be used instead.
  • FIGS. 6, 8, 10 and 12 are plan views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. Details of the electrode forming method, thinning of the plate, etc. will be omitted.
  • the GaN layer 1b is epitaxially grown on the SiC substrate 1a to form the semiconductor substrate 1.
  • a metal film 10 is formed in a ring shape on the surface of the semiconductor substrate 1. Since the metal film 10 is patterned in a ring shape by lift-off, for example, a highly anisotropic sputtering method, for example, a long slow sputtering method, is preferable as a film forming method for the metal film 10. Alternatively, the metal film 10 can be formed in a ring shape by performing lift-off using a two-layer resist. From the viewpoint of adhesion, the thickness of the metal film 10 is preferably about several nm to several tens of nm.
  • the wiring electrodes 11 and 12 are formed on the surface of the semiconductor substrate 1 so as to cover the metal film 10 having low adhesion to the GaN layer 1b.
  • the wiring electrode 11 is bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 on the outside of the metal film 10.
  • the wiring electrode 12 is used as a receiving metal during dry etching to form a through hole 9, and generally a metal that alloys with Ti to form a stable metal is preferable. Therefore, the material of the wiring electrode 12 is preferably Au or the like, but it may be a single-layer metal or a multi-layer metal. However, if the wiring electrode 12 contains the material of the metal film 10 such as Pt, a residue that is difficult to remove when the through hole 9 is formed is generated. Therefore, it is preferable that the wiring electrode 12 does not contain the material of the metal film 10.
  • the surface feeding layer 13 is formed so as to completely cover the wiring electrode 12.
  • the material of the surface feeding layer 13 is preferably an alloy using Pt, for example, Ti / Pt / Au or the like.
  • Au plating is performed to form the surface plating 14 on the surface feeding layer 13.
  • the wafer process on the front side is completed.
  • a metal mask 18 such as Ni having an opening at the through hole forming portion is formed.
  • the SiC substrate 1a and the GaN layer 1b are sequentially etched from the back surface of the semiconductor substrate 1 by selective dry etching using a fluorine-based gas to form a through hole 9.
  • the through hole 9 reaches the wiring electrodes 11 and 12 inside the ring-shaped metal film 10.
  • the wiring electrode 11 on the bottom surface of the through hole 9 disappears by dry etching, and etching is stopped at the wiring electrode 12 that functions as a receiving metal.
  • Residue is generated on the side wall of the through hole 9 during dry etching. Therefore, wet etching with a strongly acidic solution such as concentrated hydrochloric acid is performed to remove the residue.
  • the wiring electrode 11 made of Ti has low wet resistance to a strongly acidic solution. Without the metal film 10, side etching proceeds from the side wall of the bottom surface of the through hole 9, so that an abnormality such as metal floating of the source pad 6 occurs, and reliability including moisture resistance deteriorates. Side etching can be suppressed by providing the metal film 10.
  • a back surface feeding layer 16 made of, for example, Ti / Au or the like is formed in the back surface of the semiconductor substrate 1 and the through hole 9 and connected to the wiring electrodes 11 and 12.
  • Au plating is performed to form the back surface plating 17 on the back surface feeding layer 16.
  • the back surface plating 17 is not limited to Au and may be Cu or the like.
  • the metal film 10 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 so as to surround the through hole 9. Since the metal film 10 has a lower ionization tendency than the source pad 6, it has high wet resistance to a strongly acidic solution. Therefore, the side etching of the source pad 6 can be suppressed in the wet etching for removing the side wall residue after the formation of the through hole 9. Further, the source pad 6 is bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 on the outside of the metal film 10 having low adhesion. As a result, it is possible to prevent abnormalities such as metal floating of the source pad 6 and improve reliability.
  • the metal film 10 when the metal film 10 is formed not in the ring shape but in the entire formed region of the through hole 9, the metal film 10 becomes the receiving metal for dry etching.
  • a residue containing Pt that cannot be removed by strong hydrochloric acid treatment is generated on the bottom surface of the through hole 9, which poses a problem in terms of reliability and appearance.
  • a metal film 10 which is a high stress metal such as Pt in as small a range as possible, deterioration of adhesion can be suppressed.
  • the metal film 10 has a higher work function than the source pad 6. Therefore, since the material of the metal film 10 can also be used for the gate electrode 4 which is Schottky-bonded to the surface of the semiconductor substrate 1, the metal film 10 can be formed at the same time as the gate electrode 4 of the transistor. Therefore, since it is not necessary to add a new process for forming the metal film 10, it is possible to prevent an increase in the number of processes and the product cost.
  • the gate electrode 4 includes a film made of the same material as the metal film 10.
  • the wiring electrodes 11 and 12 in contact with the back surface electrode 15 formed in the through hole 9 is dry-etched when the through hole 9 is formed. It is preferable that the wiring electrodes 11 and 12 do not contain Pt in order to prevent the generation of a residue containing Pt.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing the semiconductor device according to the second embodiment. This figure is an enlargement of the transistor in the active layer region.
  • a source electrode 3, a gate electrode 4, and a drain electrode 5 are formed on the surface of the semiconductor substrate 1.
  • the through hole 9 is not formed in the source pad 6 as in the first embodiment, but the through hole 9 is formed in each source electrode 3 in the active region 2. That is, the source electrode 3 is an ISV (individual source via) type source electrode.
  • the back surface electrode 15 is connected to the source electrode 3 via the through hole 9.
  • the source electrode 3 further has an ohmic electrode 19 that is ohmic-bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 outside the metal film 10.
  • the gate electrode 4 has a gate base metal 4a that is Schottky-bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 and a gate upper metal 4b formed on the gate base metal 4a.
  • the semiconductor substrate 1 is formed by epitaxially growing the GaN layer 1b on the SiC substrate 1a.
  • FIG. 16 shows a source electrode forming region 20 for forming an ISV type source electrode 3 and a gate electrode forming region 21 for forming a gate electrode 4 in a later step.
  • an ohmic electrode 19 that is ohmic-bonded to the surface of the semiconductor substrate 1 is formed in the outer peripheral portion of the source electrode forming region 20.
  • the ohmic electrode 19 is a single or a combination of metals such as Cu, Ti, Al, Au, Ni, Nb, Pd, Pt, Cr, W, Ta, and Mo.
  • the ohmic electrode 19 is ohmic-bonded to the semiconductor substrate 1.
  • the ohmic contact of the metal / semiconductor interface can be formed by forming multiple elements including non-metal elements on the semiconductor substrate by vapor deposition or the like and performing heat treatment such as annealing. After the heat treatment, a modified layer containing a plurality of elements is formed at the metal / semiconductor interface.
  • a method of adding impurities to epitaxial growth, a method of diffusing impurities by ion implantation and thermal diffusion, or a method of combining a plurality of the above methods can be used.
  • a metal film 10 is formed in a ring shape on the surface of the semiconductor substrate 1 inside the ohmic electrode 19.
  • the material of the metal film 10 is the same as that of the first embodiment, and Pt metal is used here.
  • the metal film 10 is also formed in the gate electrode forming region 21 and used as the gate base metal 4a of the gate electrode 4.
  • the gate base metal 4a of the gate electrode 4 is formed at the same time as the metal film 10 in this way, it is possible to avoid an increase in the number of steps.
  • the metal film 10 is flush with or overlaps with the ohmic electrode 19.
  • the drain electrode 5 does not have to have the same shape as the ISV type source electrode 3 of the present embodiment.
  • the wiring electrodes 11 and 12 are formed so as to cover the metal film 10 having low adhesion to the GaN layer 1b.
  • the wiring electrode 11 is preferably a metal having high adhesion such as Ti. Further, the wiring electrodes 11 and 12 are formed internally with respect to the ohmic electrode 19 forming the ohmic contact.
  • the gate electrode 4 is formed by forming the gate upper metal 4b on the metal film 10 of the gate electrode forming region 21.
  • the gate electrode 4 may be a single layer of the metal film 10. In the case of a single layer, it is necessary to increase the film thickness of the metal film 10 because a gate cross section that can withstand the current capacity applied to one gate electrode 4 is required.
  • the wiring electrode 12 is preferably a metal containing Au, but a metal such as Cu, Ti, Al, Au, Ni, Nb, Pd, Pt, Cr, W, Ta, and Mo may be used alone or in combination of two or more. However, if the wiring electrode 12 contains the material of the metal film 10 such as Pt, a residue that is difficult to remove when the through hole 9 is formed is generated. Therefore, it is preferable that the wiring electrode 12 does not contain the material of the metal film 10.
  • the surface feeding layer 13 is formed so as to completely cover the wiring electrode 12.
  • the surface feeding layer 13 is formed so as to be internally reserved for the ohmic electrode 19 and externally reserved for the wiring electrodes 11 and 12.
  • the material of the surface feeding layer 13 is preferably an alloy using Pt, for example, Ti / Pt / Au or the like. Thereby, Br corrosion can be suppressed.
  • Au plating is performed to form the surface plating 14 on the surface feeding layer 13.
  • the wafer process on the front side is completed.
  • the metal mask 18 is formed in the same manner as in the first embodiment, and the through holes 9 are formed by selective dry etching or the like.
  • the through hole 9 is formed inside the ring-shaped metal film 10 in a plan view. Wet etching is performed to remove the side wall residue generated on the side wall of the through hole 9 during dry etching. By providing the metal film 10, side etching can be suppressed to prevent abnormalities such as metal floating, and reliability can be improved.
  • the metal mask 18 is removed, and the back surface feeding layer 16 and the back surface plating 17 are formed in the back surface of the semiconductor substrate 1 and the through hole 9.
  • the source electrode 3 is an ISV type source electrode and has the same configuration as the source pad 6 of the first embodiment. Therefore, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the metal film 10 made of Pt or the like having a high work function is characteristically undesirable as an ohmic electrode. Therefore, the ohmic electrode 19 is provided on the outer peripheral portion of the lower surface of the source electrode 3 without providing the metal film 10. As a result, deterioration of contact resistance can be suppressed.

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Abstract

半導体基板（１）は、互いに対向する表面及び裏面と、裏面から表面まで貫通する貫通孔（９）とを有する。金属膜（１０）が貫通孔（９）を囲むように表面にリング状に形成されている。表面電極（６）は、貫通孔（９）及び金属膜（１０）を覆う配線電極（１１，１２）を有し、金属膜（１０）の外側で表面に接合されている。裏面電極（１５）が裏面及び貫通孔（９）に形成され、配線電極（１１，１２）に接続されている。金属膜（１０）は、配線電極（１１，１２）よりもイオン化傾向が低く仕事関数が高い。

Description

半導体装置及びその製造方法
　本開示は、裏面電極と表面電極を接続するための貫通孔を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
　高周波動作を目的とした高電子移動度トランジスタ（HEMT: High Electron Mobility Transistor）等が窒化物半導体等の化合物半導体により形成される。一般に、このような半導体装置では、裏面電極であるグラウンド端子と表面電極を接続するために、半導体基板にヴィアホール（Via Hole）と呼ばれる貫通孔を形成する。
　しかし、GaN on SiCなどの半導体基板の厚みは一般に５０ｕｍ～１００ｕｍほどである。この基板にドライエッチングにより貫通孔を形成する際に、貫通孔の内側壁及び底面に残渣物が多く析出する。ＧａＮの選択エッチングなどで用いられるフッ素系ドライエッチングは貫通孔の形成に有効ではあるものの、側壁残渣物と底面残渣物の発生を抑制できない。このため、例えば濃塩酸などの強酸性溶液を用いることで、残渣物の除去をする必要がある。
　また、貫通孔の形成時に表面電極の下地層がドライエッチングの受けメタルとなる。一般的に使用されるＴｉ系のオーミック電極は、強酸性溶液に対して脆弱であり、高エッチングレートで溶解される。この結果、信頼性の低下を招く。表面電極の下地層をエッチング選択性が高い安定した金属で形成しなければ、表面電極の貫通又はサイドエッチングにより長期信頼性を担保できない。従って、表面電極の下地層に、エッチングの受けメタルとして、イオン化傾向における標準酸化還元電位が正であるＰｔ（白金）が採用されている（例えば、特許文献１参照）。
日本特開２０１４－１８７３４２号公報
　しかし、Ｐｔは膜ストレスが大きく、ＧａＮとの密着性が低い。このため、表面電極の下地層にＰｔを用いると、表面電極の剥がれなどのリスクが高く、別の信頼性に影響する。
　本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を得るものである。
　本開示に係る半導体装置は、互いに対向する表面及び裏面と、前記裏面から前記表面まで貫通する貫通孔とを有する半導体基板と、前記貫通孔を囲むように前記表面にリング状に形成された金属膜と、前記貫通孔及び前記金属膜を覆う配線電極を有し、前記金属膜の外側で前記表面に接合された表面電極と、前記裏面及び前記貫通孔に形成され、前記配線電極に接続された裏面電極とを備え、前記金属膜は、前記配線電極よりもイオン化傾向が低く仕事関数が高いことを特徴とする。
　本開示では、貫通孔を囲むように金属膜を半導体基板の表面に形成する。金属膜は表面電極よりもイオン化傾向が低いため、強酸性溶液に対してウェット耐性が高い。このため、貫通孔の形成後の側壁残渣物を除去するためのウェットエッチングにおいて表面電極のサイドエッチングを抑制することができる。また、密着性の低い金属膜の外側で表面電極が半導体基板の表面に接合されている。この結果、表面電極のメタル浮きなどの異常を防ぎ、信頼性を向上できる。
実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。 図１のソースパッド部分の断面図である。 図１のソースパッド部分の拡大平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
　実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る半導体装置を示す平面図である。半導体基板１にトランジスタの能動領域２が形成されている。能動領域２には、ソース電極３、ゲート電極４、ドレイン電極５がそれぞれ複数有するトランジスタが形成されている。半導体基板１の上にソースパッド６、ゲートパッド７、ドレインパッド８が設けられている。ソースパッド６は複数のソース電極３に接続されている。ゲートパッド７はゲート電極４に接続されている。ドレインパッド８は複数のドレイン電極５に接続されている。
　図２は、図１のソースパッド部分の断面図である。図２では、電極の絶縁膜、ゲート電極、ドレイン電極等の図示を省略している。図３は、図１のソースパッド部分の拡大平面図である。半導体基板１は、ＳｉＣ基板１ａと、その上に形成されたＧａＮ層１ｂとを有する。貫通孔９が半導体基板１の裏面から表面まで貫通している。
　金属膜１０が貫通孔９を囲むように半導体基板１の表面にリング状に形成されている。金属膜１０は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａの何れかの金属からなる単層金属、又はその金属を最下層にした複層金属である。
　ソースパッド６が半導体基板１の表面に形成されている。ソースパッド６は、順に積層された配線電極１１，１２、表面給電層１３、及び表面メッキ１４を有する。配線電極１１，１２は貫通孔９及び金属膜１０を覆う。金属膜１０の外側で配線電極１１が半導体基板１の表面に接合されている。配線電極１１はＧａＮ層１ｂと接するため、例えばＴｉ等の金属であることが好ましい。配線電極１１，１２の形成範囲は、表面給電層１３及び表面メッキ１４よりも小さく、且つ金属膜１０よりも大きい。
　裏面電極１５が半導体基板１の裏面と貫通孔９の内部に形成され、配線電極１１，１２に直接的に接触して接続されている。裏面電極１５は、順に積層された裏面給電層１６、及び裏面メッキ１７を有する。表面メッキ１４及び裏面メッキ１７は、例えばＡｕメッキである。
　金属膜１０は、配線電極１１，１２よりもイオン化傾向が低く仕事関数が高い。このため、金属膜１０の材質としてＰｔが最も好ましいが、例えばＮｉ又はＴａなどの他の金属でも代用できる。
　続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図４，５，７，９，１１，１３は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図６，８，１０，１２は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。詳細な電極形成方法、薄板化等は説明を省略する。
　まず、図４に示すように、ＳｉＣ基板１ａの上にＧａＮ層１ｂをエピタキシャル成長させて半導体基板１を形成する。
　次に、図５及び図６に示すように、半導体基板１の表面に金属膜１０をリング状に形成する。リフトオフにより金属膜１０をリング状にパターニングするため、例えば、金属膜１０の成膜方法として、異方性の高いスパッタ法、例えばロングスロースパッタ法などが好ましい。または、２層レジストを用いたリフトオフを実施することで、リング状に金属膜１０を形成することができる。密着性の観点から金属膜１０の厚さは数ｎｍ～数十ｎｍ程度であることが好ましい。
　次に、図７及び図８に示すように、ＧａＮ層１ｂとの密着性の低い金属膜１０を覆うように配線電極１１，１２を半導体基板１の表面に形成する。配線電極１１を金属膜１０の外側で半導体基板１の表面に接合させる。
　配線電極１２は、貫通孔９を形成するためのドライエッチング時に受けメタルとして用いられ、一般的にＴｉと合金化して安定な金属を形成する金属が好ましい。このため、配線電極１２の材質はＡｕ等が好ましいが、単層金属でも複層金属でもよい。ただし、配線電極１２が、Ｐｔ等の金属膜１０の材質を含むと、貫通孔９の形成時に除去が困難な残渣物が生成される。このため、配線電極１２は金属膜１０の材質を含まないことが好ましい。
　次に、図９及び図１０に示すように、配線電極１２を全面的に覆うように表面給電層１３を形成する。表面給電層１３の材質はＰｔを用いた合金が好ましく、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等である。このようにＰｔを含む合金で最表面をコーティングすることで、Ｂｒ腐食を抑制することができ、信頼性が向上する。
　次に、図１１及び図１２に示すように、Ａｕメッキを実施して表面給電層１３の上に表面メッキ１４を形成する。本工程にて表面側のウエハプロセスは完了となる。
　次に、図１３に示すように、貫通孔形成箇所に開口を有するＮｉ等のメタルマスク１８を形成する。例えばフッ素系のガスを用いた選択ドライエッチング等により、半導体基板１の裏面からＳｉＣ基板１ａ及びＧａＮ層１ｂを順にエッチングして貫通孔９を形成する。貫通孔９はリング状の金属膜１０の内側において配線電極１１，１２に達する。この際に貫通孔９の底面の配線電極１１がドライエッチングにより消失し、受けメタルとして機能する配線電極１２でエッチングがストップする。
　ドライエッチングの際に貫通孔９の側壁に残渣物が発生する。そこで、強酸性溶液、例えば濃塩酸等を用いたウェットエッチングを実施して残渣物を除去する。ただし、Ｔｉからなる配線電極１１は強酸性溶液に対してウェット耐性が低い。金属膜１０が無いと貫通孔９の底面の側壁からサイドエッチングが進むため、ソースパッド６のメタル浮きなどの異常が発生し、耐湿性を含む信頼性が悪化する。金属膜１０を設けることによりサイドエッチングを抑制することができる。
　次に、メタルマスク１８を例えばイオンミリング又はウェットエッチング等により除去する。最後に、図２及び図３に示すように、例えばＴｉ／Ａｕ等からなる裏面給電層１６を半導体基板１の裏面と貫通孔９内に形成し配線電極１１，１２に接続させる。Ａｕメッキを実施して裏面給電層１６の上に裏面メッキ１７を形成する。裏面メッキ１７はＡｕに限らずＣｕ等でもよい。
　以上説明したように、本実施の形態では、金属膜１０を貫通孔９を囲むように半導体基板１の表面に形成する。金属膜１０はソースパッド６よりもイオン化傾向が低いため、強酸性溶液に対してウェット耐性が高い。このため、貫通孔９の形成後の側壁残渣物を除去するためのウェットエッチングにおいてソースパッド６のサイドエッチングを抑制することができる。また、密着性の低い金属膜１０の外側でソースパッド６が半導体基板１の表面に接合されている。この結果、ソースパッド６のメタル浮きなどの異常を防ぎ、信頼性を向上できる。
　また、金属膜１０をリング状ではなく貫通孔９の形成領域全体に形成した場合、金属膜１０がドライエッチングの受けメタルとなる。例えばフッ素系ガスを用いたドライエッチングの場合、貫通孔９の底面に強塩酸処理でも除去できないＰｔを含んだ残渣物が発生し、信頼性上及び外観上の問題となる。金属膜１０をリング状に形成することにより、これらの問題を防ぐことができる。また、Ｐｔ等の高ストレス金属である金属膜１０を可能な限り小範囲で成膜することで、密着性の悪化を抑制することができる。
　また、金属膜１０はソースパッド６よりも仕事関数が高い。従って、金属膜１０の材質は、半導体基板１の表面にショットキー接合されたゲート電極４にも使用できるため、金属膜１０をトランジスタのゲート電極４と同時に形成することができる。従って、金属膜１０の形成のために新規工程を追加する必要がないため、工程数と製品コストの増加を防ぐことができる。この場合、ゲート電極４は金属膜１０と同じ材質の膜を含むことになる。
　また、貫通孔９に形成された裏面電極１５と接する配線電極１１，１２の一部は、貫通孔９の形成時にドライエッチングされる。Ｐｔを含んだ残渣物の発生を防ぐため、配線電極１１，１２はＰｔを含まないことが好ましい。
実施の形態２．
　図１４は、実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。この図は能動層領域のトランジスタを拡大したものである。半導体基板１の表面にソース電極３、ゲート電極４、ドレイン電極５が形成されている。実施の形態１のように貫通孔９をソースパッド６に形成するのではなく、能動領域２内の各ソース電極３に貫通孔９を形成している。即ち、ソース電極３はＩＳＶ（individual source via）型ソース電極である。裏面電極１５が貫通孔９を介してソース電極３に接続されている。ソース電極３は、実施の形態１のソースパッド６の構成に加えて、金属膜１０よりも外側で半導体基板１の表面にオーミック接合するオーミック電極１９を更に有する。ゲート電極４は、半導体基板１の表面にショットキー接合したゲート下地金属４ａと、その上に形成されたゲート上地金属４ｂとを有する。
　続いて、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図１５，１７，１９，２１，２３，２５，２７，２８は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図１６，１８，２０，２２，２４，２６は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す平面図である。詳細な電極形成方法、薄板化等は説明を省略する。なお、各平面図はソース電極３とゲート電極４の両方を示すが、各断面図はソース電極３のみ示す。
　まず、図１５及び図１６に示すように、ＳｉＣ基板１ａの上にＧａＮ層１ｂをエピタキシャル成長させて半導体基板１を形成する。後の工程でＩＳＶ型のソース電極３を形成するソース電極形成領域２０、ゲート電極４を形成するゲート電極形成領域２１を図１６に示している。
　次に、図１７及び図１８に示すように、ソース電極形成領域２０の外周部分において半導体基板１の表面にオーミック接合したオーミック電極１９を形成する。オーミック電極１９は、例えばＣｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等の金属を単体又は複数組み合わせたものである。オーミック電極１９は半導体基板１にオーミック接合する。
　なお、金属／半導体界面のオーミック接合は、金属元素以外を含む多元の元素を蒸着などで半導体基板上に形成し、アニールなどの熱処理を行うことで形成できる。熱処理後に金属／半導体界面に複数の元素が存在する変性層が形成される。他の方法として、例えば、不純物を添加してエピタキシャル成長する方法、イオン注入と熱拡散により不純物を拡散させる方法、又は上記方法を複数組み合わせる方法を用いることができる。
　次に、図１９及び図２０に示すように、オーミック電極１９の内側において半導体基板１の表面に金属膜１０をリング状に形成する。金属膜１０の材質は実施の形態１と同様であり、ここではＰｔ金属を用いる。
　また、金属膜１０をゲート電極形成領域２１にも形成し、ゲート電極４のゲート下地金属４ａとして用いる。このようにゲート電極４のゲート下地金属４ａを金属膜１０と同時に形成することで工程数増大を回避することができる。金属膜１０はオーミック電極１９と面一又はオーバーラップさせる。なお、図示は省略するが、ドレイン電極５は本実施の形態のＩＳＶ型のソース電極３と同様の形態である必要はない。
　次に、図２１及び図２２に示すように、ＧａＮ層１ｂとの密着性の低い金属膜１０を覆うように配線電極１１，１２を形成する。配線電極１１は例えばＴｉ等の密着性の高い金属であることが好ましい。また、オーミック接合を形成しているオーミック電極１９に対して配線電極１１，１２を内控えで形成する。
　配線電極１１，１２の形成前に、ゲート電極形成領域２１の金属膜１０の上にゲート上地金属４ｂを形成することでゲート電極４を形成する。なお、ゲート電極４は金属膜１０の単層でもよい。単層の場合、１本のゲート電極４にかかる電流容量に耐えうるだけのゲート断面積が必要となるため、金属膜１０の膜厚を大きくする必要がある。
　配線電極１２はＡｕを含んだ金属が好ましいが、Ｃｕ、Ｔｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等の金属を単体又は複数組み合わせてもよい。ただし、配線電極１２が、Ｐｔ等の金属膜１０の材質を含むと、貫通孔９の形成時に除去が困難な残渣物が生成される。このため、配線電極１２は金属膜１０の材質を含まないことが好ましい。
　次に、図２３及び図２４に示すように、配線電極１２を全面的に覆うように表面給電層１３を形成する。表面給電層１３は、オーミック電極１９に対して内控え、配線電極１１，１２に対して外控えとなるように形成する。表面給電層１３の材質はＰｔを用いた合金が好ましく、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ等である。これによりＢｒ腐食を抑制することができる。
　次に、図２５及び図２６に示すように、Ａｕメッキを実施して表面給電層１３の上に表面メッキ１４を形成する。本工程にて表面側のウエハプロセスは完了となる。
　次に、図２７に示すように、実施の形態１と同様にメタルマスク１８を形成し、選択ドライエッチング等により貫通孔９を形成する。平面視で貫通孔９がリング状の金属膜１０の内側に形成されるようにする。ドライエッチングの際に貫通孔９の側壁に発生する側壁残渣物を除去するため、ウェットエッチングを実施する。金属膜１０を設けることによりサイドエッチングを抑制してメタル浮きなどの異常を防ぎ、信頼性を向上できる。
　最後に、図２８に示すように、メタルマスク１８を除去し、半導体基板１の裏面と貫通孔９内に裏面給電層１６及び裏面メッキ１７を形成する。
　以上説明したように、ソース電極３はＩＳＶ型ソース電極であり、実施の形態１のソースパッド６と同様の構成を有する。従って、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。ただし、仕事関数が高いＰｔ等からなる金属膜１０はオーミック電極として特性的に望ましくない。そこで、ソース電極３の下面外周部に、金属膜１０を設けずオーミック電極１９を設ける。これにより、コンタクト抵抗の悪化を抑制することができる。
１　半導体基板、３　ソース電極（表面電極）、４　ゲート電極、６　ソースパッド（表面電極）、９　貫通孔、１０　金属膜、１１，１２　配線電極、１３　表面給電層、１４　表面メッキ、１５　裏面電極、１９　オーミック電極

Claims (10)

  1. 　互いに対向する表面及び裏面と、前記裏面から前記表面まで貫通する貫通孔とを有する半導体基板と、
    　前記貫通孔を囲むように前記表面にリング状に形成された金属膜と、
    　前記貫通孔及び前記金属膜を覆う配線電極を有し、前記金属膜の外側で前記表面に接合された表面電極と、
    　前記裏面及び前記貫通孔に形成され、前記配線電極に接続された裏面電極とを備え、
    　前記金属膜は、前記配線電極よりもイオン化傾向が低く仕事関数が高いことを特徴とする半導体装置。
  2. 　前記金属膜は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａの何れかの金属からなる単層金属、又は前記金属を最下層にした複層金属であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 　前記表面にショットキー接合され、前記金属膜と同じ材質の膜を含むゲート電極を更に備え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。
  4. 　前記配線電極はＰｔを含まないことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. 　前記表面電極は、前記配線電極の上に形成された表面給電層と、前記表面給電層の上に形成された表面メッキとを有し、
    　前記表面給電層はＰｔを含むことを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の半導体装置。
  6. 　前記表面電極は、トランジスタの複数のソース電極に接続されたソースパッドであることを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記表面電極は、トランジスタのソース電極であり、前記表面にオーミック接合したオーミック電極を有することを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の半導体装置。
  8. 　半導体基板の表面に金属膜をリング状に形成する工程と、
    　前記金属膜を覆う配線電極を有する表面電極を前記表面に形成し、前記金属膜の外側で前記表面に接合させる工程と、
    　前記半導体基板を裏面からエッチングして、リング状の前記金属膜の内側において前記配線電極に達する貫通孔を前記半導体基板に形成する工程と、
    　前記貫通孔を形成した後に、強酸性溶液を用いたウェットエッチングを実施して、前記貫通孔の側壁に発生した残渣物を除去する工程と、
    　裏面電極を前記裏面及び前記貫通孔に形成し前記配線電極に接続させる工程とを備え、
    　前記金属膜は、前記配線電極よりもイオン化傾向が低く仕事関数が高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 　前記表面にショットキー接合されたゲート電極を前記金属膜と同時に形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 　前記金属膜をスパッタ法で形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の半導体装置の製造方法。
PCT/JP2020/047948 2020-12-22 2020-12-22 半導体装置及びその製造方法 WO2022137347A1 (ja)

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