製造半導體器件的方法和清潔半導體襯底的方法
2023-05-29 00:08:01 5
專利名稱：製造半導體器件的方法和清潔半導體襯底的方法
技術領域：
本文討論的實施方案涉及製造半導體器件的方法和清潔半導體襯底的方法。
背景技術：
其中使用GaN層作為電子傳輸層且AlGaN層設置在襯底上的電子器件(如化合物半導體器件)包括GaN基高電子遷移率電晶體(HEMT)。在GaN基HEMT中，在AlGaN與GaN之間的異質結界面處生成高濃度ニ維電子氣(2DEG)。 GaN的帶隙是3. 4eV，其大於Si的帶隙(I. IeV)和GaAs的帶隙(I. 4eV)。GaN具有高擊穿場強和高電子飽和速度。GaN可以用作用於高電壓工作及高輸出化合物半導體器件的材料，例如用於電源的半導體器件的材料。使用GaN基化合物半導體的化合物半導體器件可以用作用於電動汽車的高效開關器件或高擊穿電壓功率器件。Si橫向擴散的金屬氧化物半導體(LDMOS)電晶體或者GaAs場效應電晶體(FET)可能不適用於高輸出、高效或者高電壓操作。為了生產具有良好特性的GaN基HEMT，可以將在生產エ藝中產生的殘留物如微粒除去。例如，在具有能夠進行常「斷」(normally off)操作的柵極凹部結構的GaN基HEMT中，為了減少由殘留物引起的漏電流增加、由於電荷陷獲而造成的閾電壓的波動等，在形成凹部與形成柵極絕緣膜之間進行清潔。在日本公開特許公報號2009-164226和日本公開特許公報號9-260331中公開了相關的技木。
發明內容
根據實施方案的ー個方面，一種製造半導體器件的方法包括以表面相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式保持半導體襯底；以及將半導體襯底浸沒在含有酸的清潔溶液中。根據上述方法，有效地去除了在酸清潔期間產生的氣泡，由此提高清潔效率。本發明另外的優點和新穎特徵將部分地在以下的描述中闡明，並且將部分地在本領域技術人員研究以下內容或者在通過實踐本發明而了解本發明時變得更加明顯。
圖IA至圖IH示出製造半導體器件的一種示例性方法；圖2A和圖2B示出一種示例性清潔裝置；圖3示出一種示例性清潔槽；圖4A和圖4B示出一種示例性清潔裝置；圖5A和圖5B示出一種示例性清潔裝置；圖6A和圖6B示出一種示例性清潔裝置；圖7A和圖7B分別示出示例性殘留微粒；
圖8不出ー種不例性高輸出放大器；圖9A示出一種示例性功率因數校正(PFC)電路；以及圖9B示出一種示例性電源裝置。
具體實施方案圖IA至圖IH示出製造半導體器件的一種示例性方法。在圖IA至圖IH所示的製造方法中，可以製造GaN基HEMT。如圖IA所示，在襯底I上形成成核層2、電子傳輸層3、電子供給層4以及蓋層5。襯底I可以為例如SiC襯底。成核層2可以為例如AlN層或AlGaN層。電子傳輸層3可以為例如未摻雜的i-GaN層。電子供給層4可以為例如η型n-AlGaN層。在形成η型n_AlGaN層之前，可以形成未摻雜的i-AlGaN層作為間隔層。蓋層5可以為例如η型n_GaN層。成核層2、電子傳輸層3、電子供給層4以及蓋層5可以通過晶體生長法如金屬有機氣相外延(MOVPE)法來形成。取決於原料氣體的選擇，可以連續地形成這些層。作為鋁(Al)的原料和鎵(Ga)的原料，可以分別使用例如三甲基鋁(TMA)和三甲基鎵(TMG)。作為氮(N)的原料，可以使用例如氨(NH3)。用於作為電子供給層4例如n-AlGaN層或者蓋層5例如n_GaN層中包含的雜質的矽(Si)的原料，可以使用例如矽烷(SiH4)。電子傳輸層3的厚度可以為例如約3 μ m。電子供給層4的厚度可以為例如約30nm。在設置間隔層時，間隔層的厚度可以為例如約5nm。蓋層5的厚度可以為例如約10nm。在間隔層例如i-AlGaN層以及電子供給層4例如n-AlGaN層中，Al組成比可以為例如約O. 2。電子供給層4例如n-AlGaN層和保護層5例如n_GaN層可以以約5 X IO18CnT3的量摻雜有Si作為η型雜質。在這種堆疊結構中，在電子傳輸層3與電子供給層4之間的界面附近生成ニ維電子氣(2DEG)。由於蓋層5，電子傳輸層3與電子供給層4之間的應カ增加，其引起壓電效應，從而導致2DEG增加。因此，GaN基HEMT的導通態電流增加，這可以使得GaN基HEMT能夠進行高電流操作。如圖IB所示，在蓋層5、電子供給層4和電子傳輸層3的源電極形成區域中和漏電極形成區域中分別形成凹陷部分6s和凹陷部分6d。在形成凹陷部分6s和凹陷部分6d的過程中，形成具有使用於形成凹陷部分6s和凹陷部分6d的區域暴露出來的開ロ的抗蝕劑圖案。使用該抗蝕劑圖案作為蝕刻掩模，對蓋層5、電子供給層4和電子傳輸層3進行幹法蝕刻。通過灰化等移除抗蝕劑圖案。在幹法蝕刻期間，例如可以將基於氯的氣體用作蝕刻氣體。幹法蝕刻可以例如在下述條件下進行蝕刻氣體的流量設定為30Sccm，壓カ設定為2Pa且施加的射頻(RF)功率設定為20W。凹陷部分6s和凹陷部分6d的深度可以任意設定，只要由2DEG引起的一定量的電流流動即可。如圖IC所示，在凹陷部分6s中形成源電極7s，在凹陷部分6d中形成漏電極7d。在形成源電極7s和漏電極7d期間，形成具有使用於形成源電極7s的區域暴露出來的開ロ以及使用於形成漏電極7d的區域暴露出來的開ロ的抗蝕劑圖案。使用該抗蝕劑圖案作為 沉積掩模，形成導電膜。將附著至抗蝕劑圖案的導電膜以及抗蝕劑圖案移除。例如，可以通過剝離エ藝形成源電極7s和漏電極7d。例如，可以形成厚度為約20nm的Ta膜。可以在Ta膜上形成厚度為約200nm的Al膜。可以通過例如氣相沉積法形成Ta膜和Al膜。在移除抗蝕劑圖案後，在400°C至1000°C (例如550°C )在氮氣氛中進行熱處理，由此形成歐姆接觸。如圖ID所示，在蓋層5和電子供給層4的用於形成柵極7g的區域中形成凹部6g。在形成凹部6g期間，形成了包括使用於形成凹部6g的區域暴露出來的開ロ的抗蝕劑圖案。使用該抗蝕劑圖案作為蝕刻掩模，對蓋層5和電子供給層4進行幹法蝕刻。通過灰化等移除抗蝕劑圖案。在幹法蝕刻期間，例如可以將基於氯的氣體用作蝕刻氣體。在形成凹部6g之後，通過藉助於特定方法來對凹部6g的內側進行清潔，可以移除蝕刻殘留物、抗蝕劑殘留物等。如圖IE所示，形成沿凹部6g的內表面布置的柵極絕緣膜8。柵極絕緣膜8可以為例如氧化鋁膜、氧化鉿膜、氧化矽膜、氮化鋁膜、氮化鉿膜、氮化矽膜等。柵極絕緣膜8可以通過原子層沉積(ALD)法等來形成。柵極絕緣膜8的厚度可以是約5nm至lOOnm，例如約40nmo如圖IF所示，在柵極絕緣膜8上形成包括使用於形成柵極的區域暴露出來的開ロIOc的下層抗蝕劑圖案IOa以及包括比開ロ IOc更窄的開ロ IOd的上層抗蝕劑圖案10b。在形成下層抗蝕劑圖案IOa和上層抗蝕劑圖案IOb期間，例如通過旋塗法將鹼溶性樹脂如由美國麥克化學公司(MicroChem Corp.)製造的PMGI (商品名稱)施加到柵極絕緣膜8上，繼之以熱處理以形成抗蝕劑膜。然後，例如通過旋塗法來施加光敏抗蝕劑材料如由住友化學股份有限公司(Sumitomo Chemical Co. , Ltd.)製造的PFI32-A8 (商品名稱)，繼之以熱處理以形成抗蝕劑膜。通過進行紫外線曝光，在上層抗蝕劑膜中形成寬度為約0. 8 μ m的開ロ 10d，由此形成包括開ロ IOd的上層抗蝕劑圖案10b。使用該上層抗蝕劑圖案IOb作為掩模，用鹼性顯影劑對下層抗蝕劑膜進行溼法蝕刻。由此形成具有開ロ IOc的下層抗蝕劑圖案10a。例如，如圖IF所示，形成具有屋簷狀結構的多層抗蝕劑膜。如圖IG所示，在柵極絕緣膜8上形成柵極7g以填充凹部6g。在形成柵極7g的過程中，使用下層抗蝕劑圖案IOa和上層抗蝕劑圖案IOb作為沉積掩模，形成導電膜。將附著至上層抗蝕劑圖案IOb的導電膜、下層抗蝕劑圖案IOa以及上層抗蝕劑圖案IOb移除。通過剝離エ藝形成柵極7g。例如，可以形成厚度為約IOnm的Ni膜。可以在Ni膜上形成厚度為約300nm的Au膜。可以通過例如氣相沉積法形成Ni膜和Au膜。可以使用例如加熱的有機溶劑來移除下層抗蝕劑圖案IOa和上層抗蝕劑圖案10b。如圖IH所示，形成保護膜9。形成接觸孔、互連線等。以這種方式，製得GaN基HEMT。圖2A和圖2B示出一種示例性清潔裝置。可以用圖2A和圖2B所示的清潔裝置對凹部6g的內側進行清潔。圖2B是沿圖2A中的線IIB-IIB截取的橫截面圖。清潔裝置61容納多個半導體襯底20。清潔裝置61設置有四個壁構件24以形成矩形筒。在一對壁構件24的內側設置支撐半導體襯底20的支撐構件21。在ー對所述壁構 件24的內側高於支撐構件21的位置處設置多個下鎖定構件22。在高於下鎖定構件22的位置處設置多個上鎖定構件23，所述多個上鎖定構件23在俯視圖中相對於下鎖定構件22偏移。半導體襯底20在水平方向上的位置由一對下鎖定構件22和上鎖定構件23來確定，而半導體襯底20在垂直方向上的位置由支撐構件21來確定。由於在俯視圖中上鎖定構件23設置在與下鎖定構件22的位置不同的位置處，所以與半導體襯底20的表面垂直的方向相對於水平方向傾斜。例如，可以將包括凹部6g等的襯底I如半導體襯底20放置在清潔裝置61中。圖3示出一種示例性清潔槽。如圖3所示，清潔裝置61浸沒在填充於清潔槽25中的清潔溶液26中。清潔溶液26可以包括例如硫酸-過氧化氫混合物或氫氟酸。硫酸-過氧化氫混合物可以移除抗蝕劑殘留物，而氫氟酸可以移除化合物半導體殘留物。在進行酸清潔之後，可以進行水洗和旋轉乾燥。在酸清潔期間，清潔溶液26與半導體襯底20上的異物之間的反應可導致氣泡形成。例如，在半導體襯底20的沿垂直方向面向上的表面上，氣泡可沿著垂直方向向上浮動。在所述表面上較不可能發生氣泡的停留，從而可以有效地清潔所述表面。通過反轉半導體襯底20，可以高效地清潔與所述表面相反的表面。例如，當上鎖定構件23和/或下鎖定構件22沿水平方向移動時，可以容易地使上表面和下表面反轉。半導體襯底20的所述表面的法線方向相對於水平方向的角度可以是10°至80°。例如，當角度小於10°時，在沿垂直方向面向上的表面的下部上生成的氣泡可能通過所述表面的附近且向上浮動。結果，可能發生不均勻的清潔。當角度超過80°時，氣泡可能保留在沿垂直方向面向下的表面上，並且可能使沿垂直方向面向下的表面處的清潔效率降低。多個半導體襯底20可以設置成在相鄰的半導體襯底20之間具有一定的距離。例如，在俯視圖中沒有重疊部分。多個半導體襯底20之間的幹擾可以減少。結果，在位於較低位置處的ー個半導體襯底20上生成的氣泡不會與位於較高位置處的另一個半導體襯底20接觸，從而可以提高另ー個半導體襯底20的清潔效率。由於在清潔期間生成的氣泡被高效地移除，所以提高了清潔效率。圖4A和圖4B示出一種示例性清潔裝置。圖4B是沿圖4A中的線IVB-IVB截取的橫截面圖。圖5A和圖5B示出一種示例性清潔裝置。圖5B是沿圖5A中的線VB-VB截取的橫截面圖。圖6A和圖6B示出一種示例性清潔裝置。圖6B是沿圖6A中的線VIB-VIB截取的橫截面圖。圖4A和圖4B所示的清潔裝置62包括從外側支撐四個壁構件24的殼33。從下方支撐壁構件24的裝置支撐構件34設置在殼33的下端上。裝置支撐構件34可以從殼33的下端向內部突出一段長度，所述長度與支撐半導體襯底20的支撐構件21的厚度基本相等。清潔裝置62設置有從上方保持且固定半導體襯底20的保持構件32以及使殼33繞著沿水平方向延伸的軸旋轉的旋轉驅動構件31。當使用清潔裝置62進行酸清潔時，例如，如圖3所示，將清潔裝置62浸沒在填充於清潔槽25中的清潔溶液26中，並且通過旋轉驅動構件31使殼33旋轉。隨著旋轉的進行，每個半導體襯底20的兩個表面都交替地沿垂直方向面向上。因此，可以高效率地清潔半導體襯底20的兩個表面。由於設置了保持構件32，所以減少了半導體襯底20的下落。圖5A和圖5B所示的清潔裝置63設置有杆狀旋轉驅動構件41，該杆狀旋轉驅動構件41與半導體襯底20中的每個半導體襯底的上端都接觸且繞著沿水平方向延伸的軸旋轉。在使用清潔裝置63進行酸清潔時，例如，如圖3所示，將清潔裝置63浸沒在填充於清潔槽25中的清潔溶液26中，旋轉驅動構件41旋轉。由於旋轉驅動構件41與半導體襯底20的上端接觸，所以隨著旋轉驅動構件41的旋轉，半導體襯底20在由壁構件24環繞、的空間中旋轉。減少了每個半導體襯底20中的兩個表面上的氣泡停留，從而高效地清潔兩個表面。圖2A和2B、圖4A和4B、或者圖5A和5B所示的清潔裝置61、62和63可以是用於分批エ藝的清潔裝置。圖6A和圖6B所示的清潔裝置64可以是用於單晶圓エ藝的清潔裝置。清潔裝置64設置有從其中心具有開ロ 55的輪軸54起沿三個方向伸出的線型部分56a、56b和56c。與半導體襯底的背面接觸的上突出部51a、51b和51c分別設置在線型部分56a、56b和56c的上表面側上。上突出部51a、51b和51c各自具有凸形彎曲頂部。限制半導體襯底沿水平方向的移動的擋塊53a、53b和53c分別設置在線型部分56a、56b和56c的上表面側上。下突出部52a、52b和52c分別設置在線型部分56a、56b和56c的下表面側上。上突出部51a、51b和51c可以具有基本相同的高度。下突出部52b和52c可以具有基本相同的高度。下突出部52a的高度可以小於下突出部52b和52c的高度。柄57設置在線型部分56a的端部上。
當使用清潔裝置64進行酸清潔時，將半導體襯底放置在上突出部51a、51b和51c上，並且使用柄57將清潔裝置64浸沒在填充於清潔槽中的清潔溶液中。當清潔裝置64放置在清潔槽的底部上時，因為下突出部52a、52b和52c之間的高度差，所以與半導體襯底的表面垂直的方向相對於垂直方向傾斜。在半導體襯底的下表面上生成的氣泡可以容易地向上滑出，從而可以高效地清潔該表面。半導體襯底的所述表面的法線方向相對於垂直方向的角度可以是10°至80°。當角度小於10°時，氣泡可保留在沿垂直方向面向下的表面上。當角度超過80°時，沿著垂直方向面向上的表面的下部部分上生成的氣泡可通過所述表面的附近且向上浮動，從而導致不均勻清潔的發生。半導體襯底的傾斜可由上突出部之間的高度差而產生。作為ー個替代方案，半導體襯底的傾斜可由上突出部之間和下突出部之間的高度差而產生。圖7A和圖7B分別示出示例性的殘留微粒。圖7A示出在使用相對於半導體襯底不傾斜的清潔裝置來進行清潔時的殘留微粒。圖7B示出在使用圖6A和圖6B所示的清潔裝置64來進行酸清潔時在半導體襯底上的殘留微粒。在圖7B中，可除去更大量的微粒。在進行清潔之前，清潔裝置可以經受紫外線處理。在將半導體襯底放置在清潔裝置中之前，用於輸送半導體襯底的輸送單元可以經受紫外線處理。在酸清潔之後進行旋轉乾燥之前，用於旋轉乾燥的単元可以經受乾燥處理。包括在清潔裝置中的部件的數目可以少。包括在清潔裝置中的部件可以是集成的。在部件的數目大的時候，由於清潔而已經落下的異物等可能仍然保留在部件之間的連接中，從而導致對半導體襯底的汙染。使用上述清潔裝置製作的GaN基HEMT可以用於例如高輸出放大器。圖8示出一種示例性高輸出放大器。耦接到源電極的源極端子81s設置在封裝件的表面上。耦接到柵電極的柵極端子81g和耦接到漏電極的漏極端子81d從封裝件的側面伸出。使用上述清潔裝置製作的GaN基HEMT可以用於例如電源裝置。圖9A示出ー種示例性功率因數校正(PFC)電路。圖9B示出一種示例性電源裝置。圖9B所示的電源裝置可以是伺服器電源且可以包括圖9A所示的PFC電路。如圖9A所示，PFC電路90包括耦接到與交流(AC)電源耦接的ニ極管橋91的電容器92。扼流線圈93的ー個端子耦接到電容器92的ー個端子。開關元件94的ー個端子和ニ極管96的陽極耦接到扼流線圈93的另ー個端子。開關元件94可以是使用上述清潔裝置製作的HEMT，並且其ー個端子可以對應於HEMT的漏電極。開關元件94的另ー個端子可以對應於HEMT的源扱。電容器95的ー個端子耦接到ニ極管96的陰極。電容器92的另ー個端子、開關元件94的另外的端子、以及電容器95的另ー個端子接地。在電容器95的端子之間引出直流(DC)電源。如圖9B所示，PFC電路90可以結合到伺服器電源100等中。PFC電路可以用於高速工作的電源裝置，如圖9B所示的伺服器電源100。開關元件如開關元件94可以用於開關電源或電子器件。半導體器件可以用作用於全橋電源電路的部件，如伺服器電源電路。 襯底可以是碳化矽(SiC)襯底、藍寶石襯底、矽襯底、GaN襯底、GaAs襯底等。襯底可以是導電的、半絕緣的或者絕緣的。柵電極、源電極或漏電極的結構可以為例如單層的。在獲得歐姆特性時，可以省略形成源電極和漏電極之後的熱處理。柵電極可以經受熱處理。上述清潔裝置可以應用於製作除GaN基HEMT之外的半導體器件。已經根據以上的優點對本發明的示例實施方案進行了描述。將理解的是這些示例僅是對本發明進行說明。對本領域技術人員來說許多變化和修改將是明顯的。
權利要求
1.一種製造半導體器件的方法，包括 以表面相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式保持半導體襯底；以及 將所述半導體襯底浸沒在含有酸的清潔溶液中。
2.根據權利要求I所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在保持所述半導體襯底之前在所述半導體襯底上形成化合物半導體層。
3.根據權利要求2所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在保持所述半導體襯底之前在所述化合物半導體層中形成凹部。
4.根據權利要求3所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在保持所述半導體襯底之前在所述凹部的內表面上形成柵極絕緣膜。
5.根據權利要求I所述的製造半導體器件的方法，其中相對於垂直方向的傾斜角度是10°至80°，並且相對於水平方向的傾斜角度是10°至80°。
6.根據權利要求I所述的製造半導體器件的方法，還包括， 將所述半導體襯底放置在清潔裝置中，所述清潔裝置包括用幹支撐所述半導體襯底的支撐構件以及用於將所述半導體襯底以相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式鎖定的鎖定構件。
7.根據權利要求6所述的製造半導體器件的方法，還包括， 使容納所述支撐構件和所述鎖定構件的殼旋轉。
8.根據權利要求6所述的製造半導體器件的方法，還包括， 使與所述半導體襯底接觸的旋轉驅動構件旋轉。
9.根據權利要求6所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在將所述半導體襯底放置在所述清潔裝置中之前對所述清潔裝置進行紫外線處理。
10.根據權利要求6所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在將所述半導體襯底放置在所述清潔裝置中之前對用於將所述半導體襯底輸送到所述清潔裝置的輸送單元進行紫外線處理。
11.根據權利要求I所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在將所述半導體襯底浸沒之後對所述半導體襯底進行旋轉乾燥。
12.根據權利要求11所述的製造半導體器件的方法，還包括， 在對所述半導體襯底進行旋轉乾燥之前對用於所述旋轉乾燥的單元進行乾燥處理。
13.一種清潔半導體襯底的方法，包括 以表面相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式保持半導體襯底；以及 將所述半導體襯底浸沒在含有酸的清潔溶液中。
14.根據權利要求13所述的清潔半導體襯底的方法，其中相對於垂直方向的傾斜角度是10°至80°，並且相對於水平方向的傾斜角度是10°至80°。
15.根據權利要求13所述的清潔半導體襯底的方法，還包括， 將所述半導體襯底放置在清潔裝置中，所述清潔裝置包括用幹支撐所述半導體襯底的支撐構件以及用於將所述半導體襯底以相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式鎖定的鎖定構件。
16.根據權利要求15所述的清潔半導體襯底的方法，還包括， 使所述清潔裝置旋轉。
17.根據權利要求15所述的清潔半導體襯底的方法，還包括， 使與所述半導體襯底接觸的旋轉驅動構件旋轉。
18.一種清潔裝置，包括 支撐構件，所述支撐構件用於支撐半導體襯底；和 鎖定構件，所述鎖定構件鎖定所述半導體襯底以使得所述半導體襯底相對於垂直方向和水平方向傾斜。
19.根據權利要求18所述的清潔裝置，還包括， 旋轉驅動構件，所述旋轉驅動構件通過使容納所述支撐構件和所述鎖定構件的殼旋轉來使所述半導體襯底旋轉。
20.根據權利要求18所述的清潔裝置，還包括， 旋轉驅動構件，所述旋轉驅動構件與所述半導體襯底接觸，用於使所述清潔裝置中的所述半導體襯底旋轉。
全文摘要
本發明提供一種製造半導體器件的方法和清潔半導體襯底的方法，所述製造半導體器件的方法包括以表面相對於垂直方向和水平方向傾斜的方式保持半導體襯底；以及將半導體襯底浸沒在含有酸的清潔溶液中。
文檔編號H01L21/02GK102651308SQ20121004224
公開日2012年8月29日 申請日期2012年2月22日 優先權日2011年2月25日
發明者中村哲一, 今純一, 尾崎史朗, 武田正行 申請人:富士通株式會社