JP6136913B2

JP6136913B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP6136913B2
Application number: JP2013261903A
Authority: JP
Inventors: 友木村
Original assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Current assignee: Toyoda Gosei Co Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: JP2015119061A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体装置として、半導体基板上に電極を形成した構造が知られている。電極の断面形状としては、用途に応じて、矩形が用いられることが好ましい場合もあるが、台形もしくは三角形が好ましい場合もある。台形断面や三角形断面の電極を形成する方法としては、例えば、特許文献１の方法がある。

特開平１０−３２１６２２号公報

しかし、従来の方法では、台形断面の電極と、矩形断面の電極とは、それぞれ異なるラインにおいて製造しなければならないという課題があった。そのほか、従来の半導体装置においては、その低抵抗化や、小型化、省資源化、製造の容易化、製造の精確さ、作業性の向上等が望まれていた。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することができる。
本発明の第１の形態は、半導体基板上に電極を備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、（ｉ）前記半導体基板上に、レジストを用いて、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、（ｉｉ）前記開口部により露出した半導体基板上に、指向性蒸着により電極を形成する工程と、（ｉｉｉ）前記レジストパターンを除去する工程と、を備え、工程（ｉ）において、前記半導体基板に対する前記開口部の側面の角度は、前記レジストパターンを作製する際の露光量に基づいて制御され、工程（ｉｉ）において、前記電極の側面の角度は、前記開口部の側面の角度に基づいて制御され、前記半導体基板は、透明基板であって、波長４０５ｎｍの光における前記レジスト下での反射率が３．７％から１２．１％の窒化物ガリウム基板であり、工程（ｉ）において、前記レジストパターンを作製する際の露光波長は、４０５ｎｍであり、露光量は、１２０ｍＪ／ｃｍ ^２から２２０ｍＪ／ｃｍ ^２である。また、本発明は以下の形態として実現することもできる。

（１）本発明の一形態によれば、半導体基板上に電極を備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法が提供される。この半導体装置の製造方法は、（ｉ）前記半導体基板上に、レジストを用いて、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、（ｉｉ）前記開口部により露出した半導体基板上に、指向性蒸着により電極を形成する工程と、（ｉｉｉ）前記レジストパターンを除去する工程と、を備え；工程（ｉ）において、前記半導体基板に対する前記開口部の側面の角度は、前記レジストパターンを作製する際の露光量に基づいて制御され、工程（ｉｉ）において、前記電極の側面の角度は、前記開口部の側面の角度に基づいて制御される。この形態の半導体装置の製造方法によれば、露光量に基づいて電極の側面形状を制御できる。その結果、同じレジストを用いて、異なる断面形状の電極を作製することができる。

（２）上記形態の半導体装置の製造方法において、前記レジストは、ネガレジストとしてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、より正確に電極の側面形状を制御できる。

（３）上記形態の半導体装置の製造方法において、前記レジストは、化学増幅型ネガレジストとしてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、より正確に電極の側面形状を制御できる。

（４）上記形態の半導体装置の製造方法において、前記半導体基板は、透明基板としてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、より正確に電極の側面形状を制御できる。

（５）上記形態の半導体装置の製造方法において、前記レジストパターンを作製する際の露光波長は、４０５ｎｍとしてもよい。この形態の半導体装置の製造方法によれば、より正確に電極の側面形状を制御できる。

上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。

本発明は、半導体装置の製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、半導体装置や、半導体装置を備える電力変換装置等の形態で実現することができる。

本発明によれば、露光量に基づいて電極の側面形状を制御できる。その結果、同じレジストを用いて、異なる断面形状の電極を作製することができる。

本実施形態における半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図。本実施形態における半導体装置１００の製造方法を模式的に示す図。評価試験に用いた試料５０の構成を模式的に示す断面図。露光量の異なる試料５０の断面を示す図。露光量に対するレジスト角度θ（図３参照）と電極角度φ（図３参照）との関係を示す図。

Ａ．本実施形態：
Ａ１．半導体装置１００の構成：
図１は、本実施形態における半導体装置１００の構成を模式的に示す断面図である。図１には、本実施形態における半導体装置１００の断面の一部を示している。なお、図１は、半導体装置１００の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各層の厚さを正確に示すものではない。また、図１には、説明を容易にするために、相互に直行するＸＹＺ軸が図示されている。以降の図についても同様である。なお、本明細書において、層の厚さとは、Ｘ軸方向の寸法をいう。

本実施形態における半導体装置１００は、ＦＥＴ（Field Effenct Transister）を用いる。半導体装置１００は、半導体層１０と、電極層６０とを備える。

半導体層１０は、ＩＩＩ族窒化物半導体により形成されている。「ＩＩＩ族窒化物」とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物のうち、Ｖ族元素として窒素を用いたものをいう。ＩＩＩ族窒化物としては、例えば、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムが挙げられる。本実施形態においては、半導体として、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いる。なお、本明細書において半導体層１０を半導体基板１０とも呼ぶ。

窒化ガリウムは、他の半導体と比較して、（ｉ）熱伝導率が大きいため放熱性に優れている点、（ｉｉ）高温においても作動する点、（ｉｉｉ）電子の飽和速度が大きい点、（ｉｖ）絶縁破壊電圧が高い点で好ましい。

半導体基板１０として透明基板を用いることが好ましい。透明基板を用いることにより、レジストパターンを形成する際の光の半導体層１０からの反射を低減することができるため、後述する電極面の側面形状を制御する上で好ましい。なお、透明基板としては、窒化ガリウム基板のほかに、例えば、サファイヤ基板が挙げられる。

また、半導体基板１０として反射率が０．１％から２６．６％の基板を用いることが好ましい。反射率は、半導体層１０の膜厚により変動するが、例えば、窒化ガリウム基板の反射率は、３．７％から１２．１％であり、窒化ガリウム基板にＳｉＯ２を５０ｎｍ成膜した場合の反射率は１０．６％である。なお、本明細書では、特に断りが無い限り、物体の反射率は波長４０５ｎｍの光におけるレジスト下での反射率を意味する。

電極層６０は、半導体基板上に形成されている。電極層６０は、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とする層である。本実施形態において、電極層６０の厚さは５００ｎｍとする。なお、これ以降、電極層６０は電極６０とも呼ぶ。

Ａ２．半導体装置１００の製造方法：
図２は、本実施形態における半導体装置１００の製造方法を模式的に示す図である。図２において、フローチャートの各ステップの右側に模式図を示す。ステップＳ１００では、予め用意した半導体基板１０上に、レジストを用いて、開口部を有するレジストパターン１５０を形成する工程である。

本実施形態において、レジストは、化学増幅型ネガレジストを用いる。ネガレジストとは、露光されることにより現像液に対して溶解性が低下し、感光した部分が残るフォトレジストをいう。また、化学増幅型レジストとは、化学反応により、露光量が少ない条件においても反応が効率よく進むフォトレジストをいう。レジストは半導体層１０にスピンコータや吹きつけによって塗布する。

なお、ステップＳ１００では、レジストに光を照射することにより反応を起こさせる。この反応によりレジストパターン１５０が形成される。

半導体基板１０に対するレジストパターン１５０開口部の側面の角度は、レジストパターン１５０を作製する際の露光量に基づいて制御できる。具体的には、露光量を多くするほど、レジストパターン１５０開口部の側面が垂直に近づく。露光量が多い場合、レジストパターン１５０の深部まで光が届くため、レジストパターン１５０開口部の側面が垂直に近づくと推測される。一方、露光量が少ない場合、レジストパターン１５０の深部まで光が届きにくいため、レジストパターン１５０開口部の側面がなだらかになると推測される。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で生じた開口部によって露出した半導体基板１０上に、指向性蒸着により電極層６０を形成する。本実施形態において、蒸着材料としては、アルミニウムを用いる。指向性蒸着により電極層６０を形成する際、レジストパターン１５０上に電極金属層１６０が積層される。

電極６０の側面の角度は、半導体基板１０に対するレジストパターン１５０開口部の側面の角度に基づいて制御できる。具体的には、半導体基板１０に対するレジストパターン１５０開口部の側面の角度が垂直に近づくほど、電極６０の側面の角度がなだらかになる。半導体基板１０に対するレジストパターン１５０開口部の側面の角度が垂直に近い場合、開口部の側面近傍に蒸着材料が到達しにくいため、電極６０の側面がなだらかになると推測される。一方、半導体基板１０に対するレジストパターン１５０開口部の側面の角度がなだらかな場合、開口部の側面近傍に蒸着材料が到達しやすいため、電極６０の側面が垂直に近づくと推測される。

ステップＳ１２０では、レジストパターン１５０を除去する。本ステップにおいては、レジストパターン１５０を溶解させることにより、レジストパターン１５０を除去するとともに、レジストパターン１５０上に積層された電極金属層１６０も同時に除去（リフトオフ）される。

Ｂ．評価試験：
図３は、評価試験に用いた試料５０の構成を模式的に示す断面図である。図３には、図１と同様にＸＹＺ軸が図示されている。試料５０は、基板２１０と、電極２４０と、レジストパターン２５０と、電極金属層２６０とを備える。なお、レジスト角度θは、基板２１０に対する開口部の側面の角度である。電極角度φは、基板２１０に対する電極２４０の側面の角度である。

基板２１０は、反射率が３．７％の窒化ガリウムから形成されており、レジストパターン２５０は、化学増幅型ネガレジストから形成されている。電極２４０および電極金属層２６０は、アルミニウム（Ａｌ）から形成されており、蒸着後の電極２４０および電極金属層２６０の厚みは、５００ｎｍである。以下、試料５０の製造方法について詳述する。

基板２１０上へのレジストの塗布には、スピンコータを用いた。レジストパターン２５０の膜厚が２２００ｎｍとなるように、レジストを塗布した後、１００℃９０秒のプレベイク（Pre Bake）を行なった。

その後、露光波長４０５ｎｍ、開口数（ＮＡ）０．１６の縮小投影露光装置を用いて、基板２１０に露光を行なった。次に、露光後のレジストの高分子化を促す処理であるＰＥＢ（Post Exposure Bake）処理を１１０℃９０秒行った後、トラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液（商品名：ＮＭＤ−３（東京応化工業社製））を用いて１２０秒間パドル現像を行なった。最後に、ポストベイク（Post Bake）を１００℃９０秒行い、レジストパターンを形成した。なお、この試験においては、試料５０を複数作製した。具体的には、露光量を１２０ｍＪ／ｃｍ²としたものと、１６０ｍＪ／ｃｍ²としたものと、２００ｍＪ／ｃｍ²としたものと、２２０ｍＪ／ｃｍ²としたものとの４種類の試料５０を作製した。

蒸着については、指向性ＥＢ（Electron Beam）蒸着装置により、電極金属であるアルミニウム（Ａｌ）を５００ｎｍの膜厚となるように行なった。なお、試料５０はレジストパターン２５０と、電極金属層２６０とを備えるが、例えば以下の方法によりそれらを除去できる。具体的には、ジェットノズルによる５ＭＰａの圧力でＮＭＰ（N-Methyl-2-Pyrrolidone）を４分間噴霧するリフトオフ装置を用いることにより、基板上のレジストおよび電極金属材料を除去できる。

図４は、露光量の異なる試料５０の断面を示す図である。左端の画像は、露光量を１２０ｍＪ／ｃｍ²とした試料５０を示し、中央の画像は、露光量を１６０ｍＪ／ｃｍ²とした試料５０を示し、右端の画像は、露光量を２２０ｍＪ／ｃｍ²とした試料５０を示す。

図５は、露光量に対するレジスト角度θ（図３参照）と電極角度φ（図３参照）との関係を示す図である。縦軸は、レジスト角度θおよび電極角度φの角度（°）を示し、横軸は、露光量（ｍＪ／ｃｍ²）を示す。

この試験の結果は、露光量に基づいてレジスト角度θが制御できることを示している。つまり、露光量が多くなるほど、レジストパターンの開口部における側面が垂直に近づくことを示している。また、この試験の結果は、レジスト角度θに基づいて電極角度φが制御できることを示している。つまり、レジストパターンの開口部における側面が垂直に近づくほど、電極の側面の角度がなだらかになることを示している。

この試験の結果において、少なくとも、露光量を１２０ｍＪ／ｃｍ²から２２０ｍＪ／ｃｍ²に制御することにより、電極角度φを８０°から７０°に制御することがわかる。このため、同じレジストを用いて異なる断面形状の電極を作成できる。

Ｃ．変形例：
この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
本実施形態において、電極金属は、アルミニウム（Ａｌ）を用いている。しかし、本発明はこれに限られない。つまり、電極金属として、金（Ａｕ）や、銀（Ａｇ）や、銅（Ｃｕ）を用いてもよく、その他の金属を用いてもよい。

Ｃ２．変形例２：
本実施形態において、半導体はＩＩＩ族窒化物である窒化ガリウムを用いている。しかし、本発明はこれに限らない。半導体としては、例えば、窒化アルミニウムや窒化インジウムなどのＩＩＩ族窒化物を用いてもよく、シリコンや、ガリウムヒ素や、シリコンカーバイドなどを用いてもよい。つまり、半導体基板として、非透明基板を用いてもよく、複数の半導体基板を組み合わせた基板を用いてもよい。

Ｃ３．変形例３：
本実施形態において、半導体装置１００の各層の膜厚を規定している。しかし、本発明はこれに限られない。半導体装置１００の各層の膜厚は、適宜変更してもよい。

Ｃ４．変形例４：
本実施形態において、露光波長は４０５ｎｍとしている。しかし、本発明はこれに限られない。露光波長としては、レジストを硬化させる波長であればよく、例えば、４３６ｎｍや、３６５ｎｍや、２５４ｎｍや、２４８ｎｍや、１９３ｎｍや、１５７ｎｍや、１３．５ｎｍを挙げることができる。

Ｃ５．変形例５：
評価試験において、露光量を１２０ｍＪ／ｃｍ²から２２０ｍＪ／ｃｍ²として試験している。しかし、本発明は、これに限られない。露光量としては、レジストが硬化する量であればよい。

Ｃ６．変形例６：
本実施形態においては、露光量によりレジスト角度θを制御しているが、熱処理や現像などのフォトリソグラフィー工程にて行なってもよい。

Ｃ７．変形例７：
本実施形態において、半導体装置１００はＦＥＴを用いている。しかし、本発明はこれに限られない。つまり、半導体装置１００は半導体を用いればよい。ＦＥＴ以外の半導体としては、例えば、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ＰＩＮ（p-intrinsic-n）ダイオード、ショットキーバリアダイオードを挙げることができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…半導体基板
５０…試料
６０…電極層
１００…半導体装置
２１０…基板
２４０…電極
２５０…レジストパターン
２６０…電極金属層
θ…レジスト角度
φ…電極角度

Claims

半導体基板上に電極を備える半導体装置を製造する、半導体装置の製造方法であって、
（ｉ）前記半導体基板上に、レジストを用いて、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
（ｉｉ）前記開口部により露出した半導体基板上に、指向性蒸着により電極を形成する工程と、
（ｉｉｉ）前記レジストパターンを除去する工程と、を備え、
工程（ｉ）において、前記半導体基板に対する前記開口部の側面の角度は、前記レジストパターンを作製する際の露光量に基づいて制御され、
工程（ｉｉ）において、前記電極の側面の角度は、前記開口部の側面の角度に基づいて制御され、
前記半導体基板は、透明基板であって、波長４０５ｎｍの光における前記レジスト下での反射率が３．７％から１２．１％の窒化物ガリウム基板であり、
工程（ｉ）において、前記レジストパターンを作製する際の露光波長は、４０５ｎｍであり、露光量は、１２０ｍＪ／ｃｍ ^２から２２０ｍＪ／ｃｍ ^２である、半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記レジストは、ネガレジストである、半導体装置の製造方法。
請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記レジストは、化学増幅型ネガレジストである、半導体装置の製造方法。