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技術 半導体装置および半導体装置の製造方法

出願人 出光興産株式会社新日本無線株式会社
発明者 霍間勇輝川嶋絵美長崎義和松本英顕奈良誠
出願日 2018年10月3日 (3年0ヶ月経過) 出願番号 2018-188533
公開日 2020年4月9日 (1年6ヶ月経過) 公開番号 2020-057971
状態 未査定
技術分野 弾性表面波素子とその回路網
主要キーワード 卑金属層 静電破壊試験 延伸部分 引き出し部分 温度耐性 静電破壊保護素子 逆方向特性 受信側フィルタ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

部品外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子が得られる。

解決手段

実施形態の半導体装置は、圧電基板上に配置され、電極指を有する表面弾性波素子と、圧電基板上に配置され、金属酸化物半導体層を含む能動素子である静電破壊保護素子と、を備える。

概要

背景

共振子フィルタなどの回路素子として、圧電基板上に櫛形電極を形成した表面弾性波素子が知られている。表面弾性波素子は静電破壊を起こしやすいため、静電破壊保護素子と共に用いられる場合がある。静電破壊保護素子としては、例えばキャパシタ等の受動素子が使用される。

概要

部品外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子が得られる。実施形態の半導体装置は、圧電基板上に配置され、電極指を有する表面弾性波素子と、圧電基板上に配置され、金属酸化物半導体層を含む能動素子である静電破壊保護素子と、を備える。

目的

本発明の実施形態は、部品を外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子が得られる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

圧電基板上に配置され、電極指を有する表面弾性波素子と、前記圧電基板上に配置され、金属酸化物半導体層を含む能動素子である静電破壊保護素子と、を備える、半導体装置

請求項2

前記圧電基板は、前記表面弾性波素子および前記静電破壊保護素子を支持する基板のうち、前記表面弾性波素子の前記電極指および前記静電破壊保護素子の前記金属酸化物半導体層に最近接する基板である、請求項1に記載の半導体装置。

請求項3

前記静電破壊保護素子は、ダイオード及びトランジスタの少なくともいずれかである、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。

請求項4

前記静電破壊保護素子は、ショットキー電極と、オーミック電極と、を有するショットキーバリアダイオードであり、前記金属酸化物半導体層は、前記ショットキー電極と前記オーミック電極とに挟まれており、上面視において前記ショットキー電極および前記オーミック電極のうち前記金属酸化物半導体層の下層にあたる電極の内側にある、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置。

請求項5

前記能動素子が含む前記金属酸化物半導体層の金属酸化物は、In、Sn、Ge、Cd、Ti、Zn、Y、Sm、Ce、Nd、Ga、及びAlを含む群から選択される1以上の金属元素酸化物を主成分とする、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置。

請求項6

前記表面弾性波素子は、アンテナに接続される受信側フィルタである、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の半導体装置。

請求項7

圧電基板上に一部が開口したマスクパターンを形成するステップと、前記マスクパターンをマスクに電極指を形成するステップと、前記マスクパターンを除去するステップと、を含む表面弾性波素子の形成ステップを行った後、金属酸化物半導体層を前記圧電基板上に形成するステップを含む、能動素子である静電破壊保護素子の形成ステップを行う、半導体装置の製造方法。

請求項8

前記静電破壊保護素子の形成ステップは400℃以下の温度で行われる、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。

請求項9

前記金属酸化物半導体層を形成するステップは、前記圧電基板上に一部が開口したマスクパターンを形成するステップと、前記マスクパターンをマスクに前記金属酸化物半導体層を形成するステップと、前記マスクパターンを除去するステップと、を含む、請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。

請求項10

前記金属酸化物半導体層はショットキー電極またはオーミック電極上に形成され、前記静電破壊保護素子の形成ステップは、前記金属酸化物半導体層が上面視において前記ショットキー電極または前記オーミック電極のうち前記金属酸化物半導体層の下層にあたる電極の内側に配置されるよう、前記金属酸化物半導体層の外周部を除去するステップを含む、請求項7乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。

背景技術

0002

共振子フィルタなどの回路素子として、圧電基板上に櫛形電極を形成した表面弾性波素子が知られている。表面弾性波素子は静電破壊を起こしやすいため、静電破壊保護素子と共に用いられる場合がある。静電破壊保護素子としては、例えばキャパシタ等の受動素子が使用される。

先行技術

0003

特開2005−130340号公報
特開2011−103597号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、近年、携帯電話等の情報通信機器などの分野において、これまでにない高周波の表面弾性波素子が求められている。これに伴い、静電破壊耐量に対する要求が高まってきている。受動素子からなる静電破壊保護素子では、この要求に対応することはできない。ダイオード等の能動素子からなる静電破壊保護素子は、より高い静電破壊耐量を有するが、圧電基板上に形成することができず外付けしなければならない。

0005

本発明の実施形態は、部品を外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子が得られる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

実施形態の半導体装置は、圧電基板上に配置され、電極指を有する表面弾性波素子と、前記圧電基板上に配置され、金属酸化物半導体層を含む能動素子である静電破壊保護素子と、を備える。

発明の効果

0007

本発明によれば、部品を外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子が得られる。

図面の簡単な説明

0008

図1は、実施形態1にかかる半導体装置の全体構成を示す図である。
図2は、実施形態にかかる表面弾性波素子および静電破壊保護素子の構成を示す模式的な断面図である。
図3は、実施形態1にかかる表面弾性波素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図4は、実施形態1に係る静電破壊保護素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図5は、実施形態1に係る静電破壊保護素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図6は、実施形態1に係る静電破壊保護素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図7は、実施形態1に係る静電破壊保護素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図8は、実施形態1に係る静電破壊保護素子の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。
図9は、実施形態1にかかる静電破壊保護素子または比較例にかかる静電破壊保護素子が接続された表面弾性波素子の周波数特性シミュレーションしたグラフである。
図10は、実施形態2にかかる半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。

実施例

0009

以下に、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により、本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。

0010

[実施形態1]
図1図9を用い、実施形態1について説明する。

0011

(半導体装置の構成例)
図1は、実施形態1にかかる半導体装置1の全体構成を示す図である。図1に示すように、実施形態の半導体装置1は、信号線SLと接地線GLとに接続される表面弾性波素子20及び静電破壊保護素子30を圧電基板10上に備える。

0012

信号線SLは、入力端子ITと出力端子OTとを端部に有する。信号線SLは、また、表面弾性波素子20及び静電破壊保護素子30を介して接地線GLに接続される。接地線GLは接地端子GTを両端部に有する。

0013

表面弾性波素子20は、複数の櫛形電極21(21a〜21f)及びそれらの櫛形電極21に付随する反射電極22(22a〜22f)を備える。個々の櫛形電極21は、櫛形の電極指が2つ組み合わされた構成を有する。櫛形電極21a〜21dは、信号線SLに接続され、入力端子ITから入力された信号から所定波長の信号を抽出する。櫛形電極21e,21fは、信号線SLと接地線GLとの間に接続され、入力端子ITから入力された信号のうち、不要な波長の信号を反射させることによってこれを除去する。反射電極22は、両端が互いに連結された複数の電極指を有する。反射電極22は、個々の櫛形電極21の両側に配置され、その櫛形電極21からの信号を再び櫛形電極21へと反射させる。

0014

静電破壊(ESD:Electro−Static Discharge)保護素子30(30a,30b)は、例えば、金属酸化物半導体層34mtを含む能動素子であるショットキーバリアダイオードとして構成されている。これらの静電破壊保護素子30a,30bは、信号線SLと接地線GLとの間でバックツーバック接続される。すなわち、静電破壊保護素子30aの下部電極30beは信号線SLに接続され、上部電極30seは接地線GLに接続される。静電破壊保護素子30bの上部電極30seは信号線SLに接続され、下部電極30beは接地線GLに接続される。信号線SLの入力端子ITまたは出力端子OTに静電気が印加されると、静電破壊保護素子30は静電気を接地線GLへと逃がす。これにより、表面弾性波素子20の静電破壊が抑制される。

0015

静電破壊保護素子30は、それぞれ例えば100μm角程度の大きさであり、表面弾性波素子20から例えば500μm以内の距離を置いて配置される。これにより、表面弾性波素子20が配置された圧電基板10上の空きスペースに、静電破壊保護素子30を配置することができる。

0016

なお、図1においては、静電破壊保護素子30を2つのみ示したが、静電破壊保護素子30の個数はこれに限られない。信号線SLおよび接地線GL間において、複数の静電破壊保護素子30を直列に接続していくことで、静電破壊保護素子30の個数を増やすことができる。

0017

半導体装置1が備える表面弾性波素子20の動作について更に詳細に説明する。

0018

表面弾性波素子20において、櫛形電極21に信号が入力されると、圧電効果により、櫛形電極21の隣り合う電極指間の圧電基板10にひずみが生じる。これにより、櫛形電極21に表面弾性波励振される。この表面弾性波は、表面弾性波の波長と電極指のピッチ周期)とが等しい場合に最も強く励振される。

0019

櫛形電極21により励振された表面弾性波は、櫛形電極21に付随する反射電極22の端部でわずかに反射され、櫛形電極21へと戻される。反射電極22の電極指を櫛形電極21による表面弾性波の1/2波長のピッチ(周期)で並べておくと、反射された表面弾性波は互いに強めあい、櫛形電極21の電極指間で表面弾性波が同期した定在波が発生する。これにより、特定の周波数帯周波数信号を取り出すことが可能となる。より高波長の周波数に対応させるには、櫛形電極21の周期を狭くしていけばよい。

0020

以上のように構成される半導体装置1は、例えば携帯電話等の情報通信機器などのアンテナに接続され、受信側フィルタとして機能する。

0021

(表面弾性波素子および静電破壊保護素子)
次に、図2を用いて、表面弾性波素子20および静電破壊保護素子30の詳細の構成について説明する。図2は、実施形態1にかかる表面弾性波素子20および静電破壊保護素子30の構成を示す模式的な断面図である。図2において、表面弾性波素子20および静電破壊保護素子30は、表面弾性波素子20が有する櫛形電極21a〜21fの電極指27idlが延在する方向に沿う方向の断面図として示されている。

0022

図2に示すように、表面弾性波素子20および静電破壊保護素子30は圧電基板10上に配置されている。圧電基板10は、例えば、タンタル酸リチウムLT:LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LN:LiNbO3)等の圧電性を有する材料を主成分とする。

0023

表面弾性波素子20の櫛形電極21および反射電極22は、例えば、電極層25el,26elを備える。電極層25elは圧電基板10上に設けられている。電極層26elは、電極層25el上に設けられている。電極層25elは、例えば、Ti、AlCu、Al、Cu、Au、Cr、Pt、Mo、及びAgのいずれか1つを主成分とする。電極層26elは、例えば、Ti、AlCu、Al、Cu、Au、Cr、Pt、及びAgのいずれか1つを主成分とする。例えば電極層25el,26elにより、櫛形電極21および反射電極22の電極指27idlが構成される。

0024

電極層26elには信号線SLが接続されている。電極層26elから延びる信号線SLは、静電破壊保護素子30へと至るサブの信号線SLsに接続されている。信号線SLsは、静電破壊保護素子30の上部電極30seと接続されるため、絶縁層40によって嵩上げされていてもよい。

0025

静電破壊保護素子30は、上部電極30se、オーミック電極30oh、金属酸化物半導体層34mt、ショットキー電極30sh、及び下部電極30beを備える。静電破壊保護素子30は、ポリイミド等から構成される絶縁層35piにより外周部全体が取り囲まれて絶縁されている。上部電極30seには、信号線SLを介して表面弾性波素子20へと接続されるサブの信号線SLsが接続されている。下部電極30beには、接地線GLへと接続されるサブの接地線GLsが接続されている。

0026

下部電極30beは、圧電基板10側から順に積層された電極層31be,32be,36be,37beを含む。電極層31beは、例えば、Mo、Ti、Ag、In、Al、W、Co、及びNiを含む群から選択される1以上の金属または合金を主成分とする。電極層32beは、例えば、Au、Al等の低抵抗金属を主成分とする。電極層36beは、例えば、Mo、Ti、Ag、In、Al、W、Co、及びNiを含む群から選択される1以上の金属または合金を主成分とする。電極層37beは、例えば、Au、Al等の低抵抗金属を主成分とする。接地線GLsは、下部電極30beの最上層の電極層37beに接続される。

0027

また、下部電極30beの下層の電極層31be,32beは、上層の電極層36be,37beの下端部から延伸している。電極層31be,32beの延伸部分ショットキー領域SAとなっている。延伸部分の電極層32be上にはショットキー電極30shが配置されている。

0028

ショットキー電極30shは、電極層32be側から順に積層された卑金属層(不図示)、貴金属層(不図示)、及び貴金属酸化物層33prを含む。卑金属層は、例えば、Mo、Ti、Ag、In、Al、W、Co、及びNiを含む群から選択される1以上の元素、2以上の元素を含む合金、または1以上の元素を含むシリサイドを主成分とする。卑金属層の厚さは、例えば1nm以上100nm以下であり、好ましくは5nm以上50nm以下である。卑金属層は、貴金属酸化物層33prと下部電極30beとの接触抵抗を低減させ、貴金属酸化物層33prと下部電極30beとの密着性を向上させる。貴金属層は、例えば、Pd、Mo、Pt、Ir、Ru、Au、Ag、Ni、W、Cr、Re、Te、Tc、Mn、Os、Fe、Rh、及びCoを含む群から選択される1以上の金属または合金を主成分とする。貴金属層の厚さは、例えば1nm以上500nmであり、好ましくは10nm以上500nm以下であり、より好ましくは20nm以上200nm以下であり、さらに好ましくは25nm以上100nm以下である。貴金属層は、貴金属酸化物層33prが還元されてしまうのを抑制し、かつ、貴金属酸化物層33prの平坦性を向上させる。貴金属酸化物層33prは、例えば、Pd、Mo、Pt、Ir、Ru、Au、Ag、Ni、W、Cr、Re、Te、Tc、Mn、Os、Fe、Rh、及びCoを含む群から選択される1以上の金属元素酸化物を主成分とする。貴金属酸化物層33prの厚さは、例えば10nm超であり、好ましくは15nm以上であり、より好ましくは30nm以上である。貴金属酸化物層33prはアモルファスまたは多結晶構造となっている。貴金属酸化物層33prは、貴金属酸化物層33pr上に配置される金属酸化物半導体層34mtとショットキー接合する。

0029

ショットキー電極30shの貴金属酸化物層33pr上には、金属酸化物半導体層34mtが配置されている。金属酸化物半導体層34mtは、上面視において貴金属酸化物層33prの内側に配置されている。つまり、金属酸化物半導体層34mtは、貴金属酸化物層33prよりも小さく形成されている。金属酸化物半導体層34mtとは、半導体としての性質を備える金属酸化物の層である。金属酸化物半導体層34mtを構成する金属酸化物は、In、Sn、Ge、Cd、Ti、Zn、Y、Sm、Ce、Nd、Ga、及びAlを含む群から選択される1以上の金属元素の酸化物を主成分とする。金属酸化物半導体層34mtは、含有される金属元素が異なる複数の層から構成されていてもよい。金属酸化物半導体層34mtの厚さは、例えば5nm以上500nm以下であり、好ましくは50nm以上100nm以下である。金属酸化物半導体層34mtはアモルファスまたは多結晶構造となっている。金属酸化物半導体層34mtは、ショットキーバリアダイオードとして構成される静電破壊保護素子30において、ショットキー電極30shとショットキー接合される半導体層として機能する。

0030

金属酸化物半導体層34mt上には、オーミック電極30ohが配置されている。オーミック電極30ohは、上部電極30seから引き出された形状をとる。オーミック電極30ohは、金属酸化物半導体層34mtとの接合部において、上面視で金属酸化物半導体層34mtの内側に配置されている。つまり、オーミック電極30ohの接合部は、金属酸化物半導体層34mtよりも小さく形成されている。

0031

オーミック電極30ohは、金属酸化物半導体層34mt側から順に積層された電極層36oh,37ohを含む。オーミック電極30ohは、また、電極層37ohの引き出し部分下地となる下地層36ulを含む。電極層36ohは、例えば電極層36beと同じ材料から構成される。電極層36ohの厚さは、例えば1nm以上500nm以下であり、好ましくは、5nm以上500nm以下であり、より好ましくは10nm以上500nm以下である。電極層36ohは金属酸化物半導体層34mtとオーミック接合する。電極層37ohは、例えば電極層37beと同じ材料から構成される。電極層37ohはオーミック電極30ohと上部電極30seとを接続する。

0032

上部電極30seは、ポリイミド等から構成される絶縁層35piにより、下部電極30be及びショットキー領域SAから隔離されている。

0033

上部電極30seは、圧電基板10側から順に積層された電極層31se,32se,36se,37seを含む。電極層31seは、例えば電極層31beと同じ材料から構成される。電極層32seは、例えば電極層32beと同じ材料から構成される。電極層36seは、例えば電極層36beと同じ材料から構成される。電極層37seは、例えば電極層37beと同じ材料から構成される。信号線SLsは、上部電極30seの最上層の電極層37seに接続される。

0034

(半導体装置の製造処理の例)
次に、図3図8を用い、半導体装置1の製造処理の例について説明する。

0035

まずは、図3を用いて、表面弾性波素子20の製造処理の例について説明する。図3は、実施形態1にかかる表面弾性波素子20の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。図3において、表面弾性波素子20は、表面弾性波素子20が有する櫛形電極21a〜21fの電極指27idlが延在する方向に交わる方向の断面図として示されている。

0036

図3(a)に示すように、圧電基板10上に、一部が開口したマスクパターンとして、ポジ型フォトレジスト等から構成されるレジストパターン51pを形成する。レジストパターン51pは、表面弾性波素子20の櫛形電極21および反射電極22が形成される予定の領域に開口を有する。

0037

図3(b)に示すように、レジストパターン51p上およびレジストパターン51pの開口部を覆うように、圧電基板10上に導電層25を蒸着する。導電層25は、例えばTi等の金属層である。

0038

図3(c)に示すように、レジストパターン51p上の導電層25およびレジストパターン51pの開口部の導電層25を覆うように、圧電基板10上に導電層26を蒸着する。導電層26は、例えばAl等の金属層である。

0039

図3(d)に示すように、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン51pを圧電基板10上から剥離する。このとき、レジストパターン51p上に形成された導電層25,26がリフトオフされ、レジストパターン51pの開口部に残った導電層25,26が、電極層25el,26elを含む電極指27idlとなる。電極指27idlの幅と、電極指27idl間のそれぞれのスペース幅とは、例えば略1:1の周期を有する。

0040

以上により、表面弾性波素子20が形成される。

0041

次に、図4図8を用いて、静電破壊保護素子30の製造処理の例について説明する。図4図8は、実施形態1に係る静電破壊保護素子30の製造処理の手順の一例を示すフロー図である。以下の処理において、既に形成済みの表面弾性波素子20を含む領域は、レジスト膜または絶縁膜等で覆われた状態にある。

0042

図4(a)に示すように、圧電基板10上に導電層31をスパッタリングし、導電層31上に導電層32をスパッタリングする。導電層31は例えばMo等の金属層または合金層であり、導電層31の厚さは例えば50nm程度である。導電層31は、導電層32と圧電基板10との接触抵抗を低減させ、導電層32と圧電基板10との密着性を向上させる。導電層32は例えばAu等の低抵抗金属層であり、導電層32の厚さは例えば150nm程度である。

0043

図4(b)に示すように、導電層32上にレジストパターン52pを形成する。レジストパターン52pは、上部電極30seの下層の電極層31se,32se、及び下部電極30beの下層の電極層31be,32beが形成される予定の領域を覆っている。

0044

図4(c)に示すように、レジストパターン52pをマスクに、導電層31,32をウェットエッチングし、導電層31,32がパターニングされた電極層31se,31be,32se,32beを形成する。

0045

図4(d)に示すように、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン52pを電極層32se,32be上から剥離する。

0046

図5(a)に示すように、ショットキー領域SAが開口したレジストパターン53pを形成する。

0047

図5(b)に示すように、レジストパターン53pの開口部であるショットキー領域SA、及びレジストパターン53p上に、卑金属層(不図示)、貴金属層(不図示)、貴金属酸化物層33、及び金属酸化物半導体層34をこの順にスパッタリングする。貴金属酸化物層33は、例えばPdの酸化物層等であり、50%以上の酸素を含む雰囲気中でスパッタリングすることができる。金属酸化物半導体層34は例えばIn、Ga、Zn、Oから構成されるアモルファスIGZO層であり、例えば酸素雰囲気水素雰囲気水蒸気雰囲気、あるいはそれらのいずれかの混合雰囲気等にてスパッタリングによって成膜することができる。スパッタリング時に圧電基板10を200℃以下の温度で加熱してもよい。これらの卑金属層、貴金属層、貴金属酸化物層33、及び金属酸化物半導体層34の厚さは、全体で例えば100nm以上500nm以下程度とすることができる。

0048

図5(c)に示すように、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン53pを除去する。このとき、レジストパターン53p上に形成された卑金属層、貴金属層、貴金属酸化物層33、及び金属酸化物半導体層34がリフトオフされ、ショットキー領域SAに、それぞれがパターニングされた卑金属層、貴金属層、貴金属酸化物層33p、及び金属酸化物半導体層34pが形成される。

0049

図6(a)に示すように、金属酸化物半導体層34p上にレジストパターン54pを形成する。

0050

図6(b)に示すように、レジストパターン54pをマスクに、金属酸化物半導体層34pをウェットエッチングし、外周部が除去された金属酸化物半導体層34ppを形成する。これにより、金属酸化物半導体層34ppは、上面視において貴金属酸化物層33pの内側に形成されることとなる。

0051

図6(c)に示すように、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン54pを除去する。そして、金属酸化物半導体層34ppを活性化させるため、大気中にて400℃以下であって例えば300℃の温度でアニールする。これにより、金属酸化物半導体層34mt、及び金属酸化物半導体層34mtにショットキー接合する貴金属酸化物層33prを含むショットキー電極30shが形成される。なお、この熱処理により、先に形成した表面弾性波素子20の特性に影響を与えることはない。

0052

図7(a)に示すように、圧電基板10の全面に、熱硬化非感光性ポリイミド等からなる絶縁層35をスピンコートする。絶縁層35の厚さは、例えば2μm程度とすることができる。

0053

図7(b)に示すように、上部電極30seと下部電極30beとの間の領域、及び上部電極30seと下部電極30beとの外周を覆うレジストパターン55pを絶縁層35上に形成する。

0054

図7(c)に示すように、レジストパターン55pをマスクに、絶縁層35をエッチングし、上部電極30seと下部電極30beとを隔て、かつ、これらの外周を覆う絶縁層35pを形成する。そして、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン55pを除去する。その後、例えば大気中にて200℃の温度で1時間、絶縁層35pを加熱し硬化させる。これにより、絶縁層35piが得られる。

0055

図8(a)に示すように、レジストパターン56pを形成する。レジストパターン56pは、上部電極30seの上層の電極層36se,37se、及び下部電極30beの下層の電極層36be,37beが形成される予定の領域に開口を有する。

0056

図8(b)に示すように、レジストパターン56p上およびレジストパターン56pの開口部に、導電層36,37を順次、スパッタリングする。導電層36は例えばMo等の金属層または合金層であり、導電層36の厚さは例えば150nm程度である。導電層37は例えばAu等の低抵抗金属層であり、導電層37の厚さは例えば500nm程度である。

0057

図8(c)に示すように、フォトレジストの除去液等を用いてレジストパターン56pを除去する。このとき、レジストパターン56p上の導電層36,37が除去される。これにより、電極層36oh、下地層36ul、下地層36ulを下地とする電極層37ohを含むオーミック電極30ohが形成される。また、電極層36se,37seを含む上部電極30seが形成される。また、電極層36be,37beを含む下部電極30beが形成される。

0058

以上により、静電破壊保護素子30が形成される。

0059

なお、一例として、MM(Machine Model)法により静電破壊試験を行ったところ、静電破壊保護素子を備えない表面弾性波素子は、印加電圧が60Vを超えると破壊される。しかし、本実施形態の静電破壊保護素子30を備えることで、表面弾性波素子20は、印加電圧140Vに耐えることが確認された。

0060

これ以降、必要に応じて圧電基板10上に絶縁層40を形成して高さを嵩上げしたうえで、表面弾性波素子20と静電破壊保護素子30とを接続する信号線SL,SLs、静電破壊保護素子30を接地する接地線GL,GLs等を形成することにより、半導体装置1が得られる。

0061

なお、表面弾性波素子20の各部を蒸着により形成することとしたが、これに限られない。例えば、導電層25,26は、スパッタリングにより形成されてもよい。

0062

また、静電破壊保護素子30の各部をスパッタリングにより形成することとしたが、これに限られない。例えば、上部電極30se、オーミック電極30oh、下部電極30beを構成する部材が、蒸着等により形成されてもよい。また例えば、金属酸化物半導体層34mt及び貴金属酸化物層33prが、イオンプレーティング化学気相成長CVD:Chemical Vapor Depositon)法等により形成されてもよい。

0063

(比較例)
表面弾性波素子は静電破壊を起こしやすい。このため、インダクタやキャパシタ等の受動素子を静電破壊保護素子として用いる技術が知られている。受動素子を用いた静電破壊保護素子は静電破壊耐量が低く、電極指間の距離が近接した高波長用の表面弾性波素子を保護するには充分ではない。例えば、近年、開発が進む車載用機器向けの表面弾性波素子等においては、1kV程度の静電破壊耐量が必要であると見積もられている。

0064

一方で、ダイオードや、ダイオード接続したトランジスタ等の能動素子は、高い静電破壊耐量を備えている。しかしながら、これらの能動素子はシリコン化合物半導体等の半導体基板上に活性層を形成して作製される。したがって、表面弾性波素子が形成される圧電基板上にこれらの能動素子を作り込むことはできず、表面弾性波素子とは別の部品としてプリント基板等を用いて外付けしなければならない。これは、表面弾性波素子の小型化を妨げ、部品点数およびプロセスコストの増大を招いてしまう。

0065

発明者らは、このような表面弾性波素子の高波長化に伴う新規の課題を解決するため、鋭意研究を重ねた。その結果、同一の圧電基板上に、表面弾性波素子と、能動素子から構成される静電破壊保護素子とを形成する技術を確立した。

0066

実施形態1の半導体装置1は、静電破壊保護素子30として、金属酸化物半導体層34mtを含む能動素子であるショットキーバリアダイオードを備える。静電破壊保護素子30を金属酸化物半導体層34mt等から構成することで、半導体基板を用いずとも、圧電基板10上に静電破壊保護素子30を形成することができる。これにより、部品を外付けすることなく高い静電破壊耐量を有する表面弾性波素子20が得られる。

0067

実施形態1の半導体装置1は、ショットキー電極30shよりも小さい金属酸化物半導体層34mt、及び金属酸化物半導体層34mtよりも小さい接合部を有するオーミック電極30ohを備える。これにより、金属酸化物半導体層34mtと上部電極30seとの距離をとることができ、これらの間の寄生容量を低減することができる。

0068

実施形態1の半導体装置1は、例えばPdの酸化物を用いたショットキー電極30sh、及びMoを用いたオーミック電極30ohが形成された静電破壊保護素子30を備える。これにより、順電圧(Vf)が低く、静電破壊耐量の高い静電破壊保護素子30を得ることができる。なお、静電破壊保護素子30はバックツーバック接続されるので、逆方向特性に対する要求はそれほど高くない。

0069

実施形態1の半導体装置1は、薄層化されたアモルファスまたは多結晶構造の金属酸化物半導体層34mtを含む静電破壊保護素子30を備える。これにより、金属酸化物半導体層34mt形成時のスパッタリング温度やアニール温度等を低く抑えることができ、表面弾性波素子20への熱履歴の影響を低減することができる。表面弾性波素子20の温度耐性は高くなく、表面弾性波素子20に許容される熱履歴は、例えば400℃以下、より厳しくは300℃以下である。

0070

発明者らは、これらに加え、表面弾性波素子と金属酸化物半導体層を含む静電破壊保護素子との組み合わせにおいて種々の評価を行うなか、予期していなかった効果をも見出した。以下、その結果について説明する。

0071

ダイオードにおいては、非動作時でも所定量の漏れ電流が発生している。この漏れ電流は、温度が高くなるほど多く流れる性質がある。このような性質が、ダイオードが接続される表面弾性波素子にどのような影響を与えるかをシミュレーションしたところ、図9の結果を得た。

0072

図9は、実施形態1にかかる静電破壊保護素子30または比較例にかかる静電破壊保護素子が接続された表面弾性波素子の周波数特性をシミュレーションしたグラフである。図9のグラフの横軸は周波数(MHz)であり、縦軸は表面弾性波素子から出力される信号強度(dB)である。比較例の静電破壊保護素子は、半導体層としてシリコン層を用いたシリコンダイオードとした。

0073

図9(a)に示すように、実施形態1または比較例のダイオードを直列に3つずつ2組、接続した半導体装置の回路を想定した。これらのダイオードを、25℃、85℃、105℃の各温度における漏れ電流Isから算出される抵抗値を持つ負荷と見立て、これらのダイオードが接続された表面弾性波素子の周波数特性を、実施形態1および比較例のダイオードのそれぞれについてシミュレーションした。

0074

図9(c)に、比較例のシリコンダイオードが接続された時のシミュレーション結果を示す。図9(c)のグラフに示すように、シリコンダイオードが接続された表面弾性波素子は、105℃の高温時における周波数特性が25℃の低温時における周波数特性から若干変動していた。

0075

図9(b)に、実施形態1の金属酸化物半導体層を有するダイオードが接続された時のシミュレーション結果を示す。図9(b)のグラフに示すように、実施形態1のダイオードが接続された表面弾性波素子は、高温時においても周波数特性に変化は見られなかった。シリコンダイオードと異なり、金属酸化物半導体層を有するダイオードでは漏れ電流の温度依存性が小さく、このような特性が、表面弾性波素子の周波数特性にも影響を与えることが判明した。

0076

発明者らは、静電破壊耐量が高く、かつ、圧電基板上に形成可能な静電破壊保護素子を求めて本発明をなした。上記評価により、表面弾性波素子における温度特性の向上という副次的な効果も得られることを見出した。

0077

[実施形態2]
次に、図10を用いて、実施形態2について説明する。実施形態2の半導体装置2は、ダイオード接続されたトランジスタを静電破壊保護素子130として用いる点が、上述の実施形態1とは異なる。

0078

図10は、実施形態2にかかる半導体装置2の構成を示す模式的な断面図である。図10において、表面弾性波素子20および実施形態2の静電破壊保護素子130は、表面弾性波素子20が有する櫛形電極21の電極指27idlが延在する方向に沿う方向の断面図として示されている。

0079

図10に示すように、半導体装置2は、実施形態1の表面弾性波素子20を備える。また、半導体装置2は、表面弾性波素子20が形成される圧電基板10上に、静電破壊保護素子130を備える。

0080

静電破壊保護素子130は、金属酸化物半導体層134mtを含む能動素子であって、ダイオード接続されたトランジスタとして構成されている。静電破壊保護素子130は、圧電基板10上に絶縁層135piを介在して形成され、ゲート電極136ge、酸化層132ox、金属酸化物半導体層134mt、ソース領域134s、及びドレイン領域134dを備える。ソース領域134sは、信号線SLsを介して表面弾性波素子20に接続される。ドレイン領域134dは接地線GLsを介して接地される。

0081

絶縁層135piは、例えばポリイミド等から構成される。絶縁層135piは、圧電基板10を金属酸化物半導体層134mtから分離する障壁として機能する。絶縁層135pi上には、例えばTi及びAlがこの順に積層されたバリア層131brが形成されている。

0082

バリア層131br上には、金属酸化物半導体層134mtが形成されている。金属酸化物半導体層134mtは、例えばIn、Ga、Zn、Oから構成されるアモルファスIGZO層等である。金属酸化物半導体層134mtを構成する金属酸化物は、例えばIn、Sn、Ge、Cd、Ti、Zn、Y、Sm、Ce、Nd、Ga、及びAlを含む群から選択される1以上の金属元素の酸化物を主成分としてもよい。金属酸化物半導体層134mtに多結晶を含んでもよい。金属酸化物半導体層134mtの両端は、ソース領域134s及びドレイン領域134dとなっている。ソース領域134s及びドレイン領域134dは、例えば水素等がドープされたn型の金属酸化物半導体層となっている。

0083

金属酸化物半導体層134mt上には、酸化シリコン等から構成される酸化層132oxが形成されている。酸化層132oxの厚さは例えば100nm程度である。酸化層132ox上には、Mo等から構成されるゲート電極136geが形成されている。ゲート電極136geはソース領域134sにダイオード接続SGされている。

0084

このダイオード接続SGにより、ソース領域134sに正の電流が流れ込むと、ゲート電極136geとドレイン領域134dとの間に電圧が発生してトランジスタが動作し、ソース領域134sとドレイン領域134dとの間で電流が流れることで、静電破壊耐量の高い静電破壊保護素子130が得られる。

0085

静電破壊保護素子130は、全体が窒化シリコン等から構成される絶縁層135inで覆われている。絶縁層135inには、ソース領域134s上に、ソース領域134sに接続されるコンタクト137csが設けられている。コンタクト137csには、信号線SLsが接続されている。絶縁層135inには、また、ドレイン領域134d上に、ドレイン領域134dに接続されるコンタクト137cdが設けられている。コンタクト137cdには、接地線GLsが接続されている。

0086

このような静電破壊保護素子130は、以下の製造処理手順で得られる。まず、表面弾性波素子20が形成された圧電基板10上に、絶縁層135pi、バリア層131br、金属酸化物半導体層134mt、酸化層132ox、及びゲート電極136geをこの順に形成する。次に、金属酸化物半導体層134mtに水素等を注入してソース領域134s及びドレイン領域134dを形成する。このとき、ゲート電極136geが金属酸化物半導体層134mt上に形成されていることにより、ゲート電極136geの直下には水素が注入されない。このように、静電破壊保護素子130のゲート構造は、自己整合的に形成することができる。

0087

次に、静電破壊保護素子130の全体を覆うように、絶縁層135inをパッシベーションする。そして、ソース領域134s及びドレイン領域134dに達する貫通孔を絶縁層135inに形成する。その後、貫通孔を導電性材料で埋め込み、コンタクト137cs,137cdを形成する。形成されたコンタクト137cs,137cdに、信号線SLs及び接地線GLsをそれぞれ接続する。

0088

以上により、圧電基板10上に表面弾性波素子20および静電破壊保護素子130を備える半導体装置2が得られる。

0089

実施形態2の半導体装置2も、実施形態1の半導体装置1と同様の効果を奏する。

0090

なお、実施形態1において、静電破壊保護素子30は、圧電基板10側から順に、ショットキー電極30sh、金属酸化物半導体層34mt、及びオーミック電極30ohを有することとしたが、配置はこれらに限られない。例えば、静電破壊保護素子が、圧電基板側から順に、オーミック電極、金属酸化物半導体層、及びショットキー電極を有していてもよい。この場合、金属酸化物半導体層を、上面視においてオーミック電極の内側に配置されるようにすることができる。

0091

また、実施形態1,2の構成のみならず、半導体装置には、静電破壊保護素子30,130が混在されて表面弾性波素子20とともに、同一の圧電基板10上に配置されていてもよい。

0092

さらに、上記実施形態1,2において、静電破壊保護素子30,130は、入力端子IT側の信号線SLと接地線GLとの間に配置されていたが、出力端子OT側の信号線SLと接地線GLとの間に配置させてもよい。

0093

また、実施形態1,2等において、静電破壊保護素子30,130のうちの少なくともいずれか、及び表面弾性波素子20は、同一の圧電基板10上に配置されることとした。ここで、圧電基板10は、表面弾性波素子20、静電破壊保護素子30,130等を支持する基板のうち、表面弾性波素子20の電極指27ild及び静電破壊保護素子30,130の金属酸化物半導体層34mt,134mtに最近接する基板である。このように、表面弾性波素子20、静電破壊保護素子30,130等が配置された圧電基板10は、さらに、これを支持するプリント基板等に接続されていてもよい。

0094

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。例えば、圧電基板上に、表面弾性波素子からなるフィルタが複数形成されており、そのスイッチングのために複数のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スイッチが形成されている場合、本実施形態1,2等の静電破壊保護素子30,130をMEMSスイッチの保護素子とすることもできる。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。

0095

1,2半導体装置
10圧電基板
20表面弾性波素子
25el,26el電極層
27idl電極指
30,130静電破壊保護素子
30be 下部電極
30ohオーミック電極
30se 上部電極
30shショットキー電極
34mt,134mt金属酸化物半導体層
132ox酸化層
134dドレイン領域
134sソース領域
136ge ゲート電極

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