JP2006185964A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 初期特性のばらつきと通電劣化とを抑制したＧａＮ系およびＳｉＣ系半導体装置を提供すること。
【解決手段】 プラズマエッチングに用いられるエッチングガスはマスク材１３の開口部からイオン化した状態で半導体結晶１２表面に入射し、所定の深さだけ半導体結晶１２をエッチングする。エッチングガスに混合された窒素ガスは高いエネルギが付与されて活性化し、エッチング面および側壁面の半導体結晶１２原子と反応してその結合手を窒素終端固定する。窒素終端固定された表面層の組成は、例えば、半導体結晶１２がＧａＮ系結晶の場合にはＧａ_ｘＮ_ｙ、ＳｉＣ系結晶の場合にはＳｉ_ｘＮ_ｙ、となり極薄の窒化膜が形成されて化学的な安定化が図られる。このような窒素終端固定された結晶面は、デバイスに通電を行った場合にも水分や酸素による腐食（酸化）が進行せず、半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とが抑制されて信頼性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、ＧａＮ系およびＳｉＣ系の半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化を抑制するプラズマエッチング技術に関する。

特許文献１には、フッ素系ガスと窒素系ガスの混合ガスを用いることにより、高エッチングレート・高選択比を維持してタングステン膜をプラズマエッチングする技術が開示されており、具体的には、エッチングガスであるＳＦ_６に対して１〜１０体積％のＮ_２を添加させた混合ガスが用いられている。また、プラズマエッチング技術は、ＧａＮ系デバイスやＳｉＣまたはサファイアを材料とする基板においても重要な加工技術のひとつである。従来、このエッチングにおいては、プロセスおよびプロセス管理（ガス管理など）の容易性から単一のガスを用いて実施されてきた。
特開平７−２７３０９８号公報

しかしながら、ＧａＮ系デバイスやＳｉＣ系デバイスの表面に従来の手法でプラズマエッチングを施してキャリア駆動領域を形成すると、得られた半導体装置の初期特性がばらついたり通電劣化したりすることが問題となっていた。このような現象は、基板がＳｉＣやサファイアもしくはＧａＮ単結晶である場合のＧａＮ系電子デバイスやＳｉＣ系電子デバイスのみならず、これらの基板上に形成されたＧａＮ系の光半導体素子でも同様に認められ、さらにはＧａＮ系ＨＥＭＴデバイスにおいて部分的な電気的接続を司るバイアホールをエッチングで形成したデバイスにおいても同様である。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＧａＮ系およびＳｉＣ系の半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とを抑制することを可能とするプラズマエッチング技術を提供することにある。

本発明は、ＧａＮ系半導体材料が露出するプラズマエッチング工程において、前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられる半導体装置の製造方法である。

本発明は、ＧａＮ系半導体層上のＳｉＮ膜またはＧａＮ系半導体層をプラズマエッチングする工程と、前記工程によって露出した前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられる半導体装置の製造方法を含む。

本発明は、ＧａＮ系半導体材料をプラズマエッチングしてバイアホールを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられる半導体装置の製造方法を含む。

本発明は、ＧａＮ系半導体層を有し、縦方向に共振キャビティを有する半導体レーザにおいて、前記ＧａＮ系半導体層上のＳｉＮ膜または前記ＧａＮ系半導体層自体のメサ加工をプラズマエッチングする工程を含む半導体発光素子の製造方法において、前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられる半導体発光素子の製造方法を含む。

前記バイアホールは、ＳｉＣまたはサファイアの材料からなる基板を前記プラズマエッチングして形成する工程をさらに含む構成とすることができる。また、前記プラズマエッチングは、ＩＣＰまたはＥＣＲを用いて実行される構成とすることができる。前記窒素系ガスは、Ｎ_２ガスであることが好ましい。前記窒素系ガスの混合量は、１０〜８０体積％であることが好ましい。前記窒素系ガスの混合量は、２０〜６０体積％であることが好ましい。前記フッ素系ガスは、少なくともＳＦ６ガスを含有するものであることが好ましい。前記塩素系ガスは、少なくともＣｌ２ガスを含有するものであることが好ましい。

本発明によれば、ＧａＮ系およびＳｉＣ系半導体結晶のエッチング面とその側壁面の原子を窒素終端固定することとしたので、半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とを抑制することができる。

以下に、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。

本発明においては、ＧａＮ系半導体およびＳｉＣ系半導体の表面にプラズマエッチングを施すに際して、フッ素系または塩素系のエッチング用ガスに窒素系ガスを１０〜８０体積％混合させてエッチングを実行する。このような窒素混合ガスを用いてエッチングが行われた結晶の最表面（エッチング面および側壁面）の原子は、エッチングガスに含まれる窒素によりその結合手が終端固定されるために化学的に安定な状態となり、半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とが抑制される。本発明の基礎となるこのようなエッチング手法は、発明者の実験により明らかとなった以下のような知見に基づくものである。

一般に、ＧａＮ系半導体結晶およびＳｉＣ系半導体結晶の表面にプラズマエッチングを施すと、そのダメージに起因してエッチング面および側壁面に変質層が形成される。このような変質層を構成する原子は化学結合的に極めて不安定な状態にあり、この半導体結晶をエッチング反応室から大気中へと取り出すと、上記変質層の構成原子と大気中の水分や酸素とが反応して自然酸化されて非晶質の酸化層となる。この非晶質酸化層は、半導体結晶がＧａＮ系の場合にはＧａ_２Ｏ_３であり、ＳｉＣ系の場合にはＳｉＯ_２である。

このような非晶質酸化層がエッチング領域に残存した状態で半導体結晶表面に金属膜や誘電体膜を形成してパッシベーションを行うと、そのような半導体装置の初期特性はリーク電流の大きなものとなってしまうことが明らかとなった。

また、このような半導体装置においては、半導体結晶表面とパッシベーション膜との間の経時的な密着性低下が生じ易く、当該部分から水分が浸入し易くなってコロージョンが発生し、長期信頼度特性も低いものとなってしまう。

このような現象は、基板がＳｉＣやサファイアもしくはＧａＮ単結晶である場合のＧａＮ系電子デバイスやＳｉＣ系電子デバイスのみならず、これらの基板上に形成されたＧａＮ系の光半導体素子でも同様に認められ、さらにはＧａＮ系ＨＥＭＴデバイスにおいて部分的な電気的接続を司るバイアホールをエッチングで形成したデバイスにおいても同様に生じるものである。

このように、ＧａＮ系およびＳｉＣ系の半導体装置の初期特性がばらついたり通電劣化したりする原因は従来のエッチング方法により生じる化学的に不安定な変質層であるから、上記の問題を解決するためにはこのような変質層の発生を防止すればよい。そこで、本発明においては、ＧａＮ系半導体およびＳｉＣ系半導体の表面にプラズマエッチングを施すに際して、フッ素系または塩素系のエッチング用ガスに窒素ガスを好ましくは１０〜８０体積％混合させてエッチングを実行することとし、エッチングが行われる結晶の最表面（エッチング面および側壁面）の原子の結合手を窒素により終端固定することで化学的安定化を図ることとしている。以上から、本発明者は、ＧａＮ系およびＳｉＣまたはサファイアを材料とする基板の半導体装置において、従来の課題を改善するための最適となるプラズマエッチング方法を見出したのである。また、エッチング速度を考慮すると、図１０に示すように、窒素ガスの混合は２０〜６０体積％であることが、さらに好ましいと考えられる。図１０は、窒素添加比率（％）によるＳｉＣエッチング速度（ｎｍ／ｍｉｎ）及びＳｉＣ表面酸化率（％）との関係を示す図である。

図１は、プラズマエッチング中の窒素終端固定の様子を概念的に説明するための図で、図１（ａ）はエッチング前の状態を示す図、図１（ｂ）は窒素ガスを混合させたエッチングガスでプラズマエッチングすることで、エッチング面および側壁面が窒素終端固定される様子を示す図である。

エッチングを施すに際しては、下地基板１１上に設けられたＧａＮ系もしくはＳｉＣ系半導体結晶１２の表面の所定領域を開口させるマスク材１３が形成されている（図１（ａ））。プラズマエッチングに用いられるエッチングガスはマスク材１３の開口部からイオン化した状態で半導体結晶１２表面に入射し、所定の深さだけ半導体結晶１２をエッチングする。

エッチングガスに混合された窒素ガスは高いエネルギが付与されて活性化し、エッチング面および側壁面の半導体結晶１２原子と反応してその結合手を窒素終端固定する。窒素終端固定された表面層の組成は、例えば、半導体結晶１２がＧａＮ系結晶の場合にはＧａ_ｘＮ_ｙ、ＳｉＣ系結晶の場合にはＳｉ_ｘＮ_ｙ、となり極薄の窒化膜が形成されて化学的な安定化が図られる。

このような窒素終端固定された結晶面は、デバイスに通電を行った場合にも水分や酸素による腐食（酸化）が進行せず、半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とが抑制されて信頼性が向上する。また、窒素終端固定された結晶面はプラズマエッチング後のプロセス中で用いられる薬液によっても腐食されることがないためにエッチング形状が維持される。

以下に、実施例により本発明をより具体的に説明する。なお、以降の説明では、窒素系ガスがＮ_２ガスであるものとして説明するがこれに限定されるものではない。また、フッ素系ガスおよび塩素系ガスは、複数種のフッ素系ガスや塩素系ガスが混合されたものであっても良い。

本実施例では、ＧａＮ系ＨＥＭＴ上に形成された窒化珪素膜（Ｓｉ_３Ｎ_４膜）をリモートプラズマエッチングする例について説明する。

図２は、本実施例におけるプラズマエッチング前（図２（ａ））とプラズマエッチング後（図２（ｂ））の様子を説明するための図である。

プラズマエッチングを施すに先立ち、基板２１上に、ＧａＮ電子走行層２２と、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層２３と、ｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４とが順次積層され、ｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４上の所定領域に、ソース２５とドレイン２６が設けられている。ソース２５とドレイン２６との間の領域には、ｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４の表面を保護する厚みが１００ｎｍの窒化珪素膜２７が形成され、ゲート窓２８により窒化珪素膜２７の一部が開口されている。なお、基板２１には、ＳｉＣ、サファイア、もしくはＧａＮが選択される。

上記のゲート窓２８により開口された領域の窒化珪素膜２７は、下記の条件下でエッチングされて図２（ｂ）に示す形状とされる。すなわち、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）ＳＦ_６／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜３００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．３Ｗ／ｃｍ^２である。

このようにして得られたＧａＮ系ＨＥＭＴの特性を、従来のプラズマエッチングで窒化珪素膜を同様にエッチングして得られたＧａＮ系ＨＥＭＴの特性と比較した。

図３は、図２のエッチングにおいて、プラズマエッチング用ガスに窒素ガスを混合（添加）させた本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴと窒素ガス混合を行わずにプラズマエッチングを施したＧａＮ系ＨＥＭＴのリーク電流の印加バイアス依存性を説明するためのＩＶ曲線である。なお、これらのデバイスのゲート幅Ｗ_ｇは２．４ｍｍであり、リーク電流の規格値（上限値）は概ね１．２ｍＡである。

窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴでは、印加電圧が１００Ｖでリーク電流規格値に達するのに対して、窒素ガスを添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは、２００Ｖの電圧を印加してもリーク電流規格値には到達しておらず、リーク電流の大幅な減少が確認された。窒化珪素膜のみのエッチングにおいて、窒素ガス添加ありの場合には、ＧａＮ表面保護薄層の表面に窒素が終端固定されるため、変質層が形成されないので、リーク電流を減少することができる。

また、これらのＨＥＭＴを樹脂封止した状態で、温度８０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴ（プレッシャ・クッカー試験）を行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率（累積故障率：Ｆｉｔ））を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガスを添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

本実施例では、ＧａＮ系ＨＥＭＴ上に形成されたＧａＮのリセス窓をリモートプラズマエッチングする例について説明する。

図４は、本実施例におけるプラズマエッチング前（図４（ａ））とプラズマエッチング後（図４（ｂ））の様子を説明するための図である。

プラズマエッチングを施すに先立ち、基板２１上に、ＧａＮ電子走行層２２と、ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層２３と、厚みが１００ｎｍのｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４とが順次積層され、ｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４上の所定領域に、ソース２５とドレイン２６が設けられている。ソース２５とドレイン２６との間の領域には、ＧａＮのリセス窓２９が形成され、ゲート窓２９によりｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４の一部が開口されている。なお、基板２１には、ＳｉＣ、サファイア、もしくはＧａＮが選択される。

上記のリセス窓２９により開口された領域のｎ型ＧａＮ表面保護薄層２４は、下記の条件下でエッチングされて図４（ｂ）に示す形状とされる。すなわち、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）Ｃｌ_２／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜３００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．３Ｗ／ｃｍ^２である。

このようにして得られたＧａＮ系ＨＥＭＴの特性を、従来のプラズマエッチングを施して得られたＧａＮ系ＨＥＭＴの特性と比較した。

図５は、図４のエッチングにおいて、プラズマエッチング用ガスに窒素ガスを混合（添加）させた本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴと窒素ガス混合を行わずにプラズマエッチングを施したＧａＮ系ＨＥＭＴのリーク電流の印加バイアス依存性を説明するためのＩＶ曲線である。なお、これらのデバイスのゲート幅Ｗ_ｇは２．４ｍｍであり、リーク電流の規格値（上限値）は概ね１．２ｍＡである。

窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴでは、印加電圧が１２０Ｖでリーク電流規格値に達するのに対して、窒素ガスを添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは、２００Ｖの電圧を印加してもリーク電流規格値には到達しておらず、リーク電流の大幅な減少が確認された。窒素ガス添加ありの場合には、ＧａＮ表面保護薄層の表面に、窒素が終端固定されるため、変質層が形成されないので、リーク電流を減少することができる。

また、これらのＨＥＭＴを樹脂封止した状態で、温度８０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴを行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率）を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

本実施例では、ＧａＮ系ＶＣＳＥＬの表面メサ加工をリモートプラズマエッチングする例について説明する。

図６は、本実施例におけるプラズマエッチング前（図６（ａ））とプラズマエッチング後（図６（ｂ））の様子を説明するための図である。

プラズマエッチングを施すに先立ち、キャリア３０上に、バッファ層３１と、ｎ型ＧａＮ層３２と、ＩｎＧａＮ量子井戸構造を有するキャビティ層３３と、ＡｌＧａＮの電流制御層３４と、ｐ型ＧａＮ層３５とが順次積層され、ｐ型ＧａＮ層３５上の所定領域に、マスクとしてのレジスト膜３６が設けられている。

上記のレジスト膜３６で被覆された以外の領域は、下記の条件下で２段階でエッチングされて図６（ｂ）に示す形状とされる。すなわち、先ず、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）Ｃｌ_２／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入４００〜９００Ｗ、バイアス電力０．５Ｗ／ｃｍ^２の条件で、ｎ型ＧａＮ層３２を１０ｎｍだけ残すようにエッチングを行い、これに続いて、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜４００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ^２に下げる以外は同条件で、残りのｎ型ＧａＮ層３２をエッチングしてメサを形成した。

このようにして得られたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの駆動電流１５０ｍＡでの光連続出力特性を、従来のプラズマエッチングを施して得られたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの特性と比較した。

図７は、窒素添加有りおよび無しの条件で作製されたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの光連続出力特性を示す図である。駆動電流１５０ｍＡで比較すると、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは３３ｍＷであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは初期特性の４０ｍＷで安定的な発光特性を示した。窒素ガスを添加した場合には、メサの側面に変質層（酸化層など）が形成されないため、側面を伝わって流れるリーク電流を抑制することができるので、安定した初期特性を得ることができる。

また、これらのＶＣＳＥＬを樹脂封止した状態で、温度４０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴを行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率）を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＶＣＳＥＬの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

本実施例では、ＧａＮ系ＶＣＳＥＬの電極形成窓のＳｉＮ膜をリモートプラズマエッチングする例について説明する。

図８は、本実施例におけるプラズマエッチング前（図８（ａ））とプラズマエッチング後（図８（ｂ））および配線形成後（図８（ｃ））の様子を説明するための図である。

プラズマエッチングを施すに先立ち、キャリア３０上に、バッファ層３１と、ｎ型ＧａＮ層３２と、ＩｎＧａＮ量子井戸構造を有するキャビティ層３３と、ＡｌＧａＮの電流制御層３４と、ｐ型ＧａＮ層３５とが順次積層され、ｎ型ＧａＮ層３２とキャビティ層３３と電流制御層３４とｐ型ＧａＮ層３５とからなる積層体はメサ構造とされている。このメサは、窒化珪素膜３７により被覆され、この窒化珪素膜３７上の所定領域に、メサの両サイドに開口部を有するようにマスクとしてのレジスト膜３８が設けられている。

上記のレジスト膜３８で被覆された以外の領域は、下記の条件下で２段階でエッチングされて図８（ｂ）に示す形状とされる。すなわち、先ず、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）ＳＦ_６／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入４００〜９００Ｗ、バイアス電力０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で、窒化珪素膜３７を５０ｎｍだけ残すようにエッチングを行い、これに続いて、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜４００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ^２に下げる以外は同条件で、残りの窒化珪素膜３７をエッチングした。そして最後に、マスクとしてのレジスト膜３８を除去してメサの両サイドにｐ型のオーミックコンタクト３９、４０を形成して配線４１を設け、キャリア３０の裏面にｎ型のオーミックコンタクト４２を形成して素子とした。

このようにして得られたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの駆動電流１５０ｍＡでの光連続出力特性を、従来のプラズマエッチングを施して得られたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの特性と比較した。この場合も図７に示した結果と略同じ結果が得られ、駆動電流１５０ｍＡで比較すると、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは３３ｍＷであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは初期特性の４０ｍＷで安定的な発光特性を示した。窒素ガスを添加した場合には、ｐ型ＧａＮ層３５の表面に変質層（酸化層など）が形成されないため、良好なコンタクトを得ることができる。

また、これらのＶＣＳＥＬを樹脂封止した状態で、温度４０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴを行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率）を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＶＣＳＥＬの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＶＣＳＥＬでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

本実施例では、ＧａＮ系ＨＥＭＴのｐ型ＳｉＣ基板にリモートプラズマエッチングでバイアホールを形成する例について説明する。また、本発明は、ｉ型ＳｉＣ基板およびサファイア基板においても同様のエッチングが可能である。

図９は、本実施例におけるプラズマエッチング前（図９（ａ））とプラズマエッチング後（図９（ｂ））の様子を説明するための図である。プラズマエッチングを施すに先立ち、厚み１００μｍのｐ型もしくはｉ型ＳｉＣ基板４３の裏面に、ＧａＮ系ＨＥＭＴ用のエピ層４４と電極４５とを形成する一方、ｐ型ＳｉＣ基板４３の表面には、開口部を有するマスクとしてのレジスト膜４６が設けられている。

上記のレジスト膜４６で被覆された以外の領域は、下記の条件下で２段階でエッチングされて図９（ｂ）に示す形状のバイアホールが形成される。すなわち、先ず、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）ＳＦ_６／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入４００〜７００Ｗ、バイアス電力０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で、ｐ型ＳｉＣ基板４３を３０μｍだけ残すようにエッチングを行い、これに続いて、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜４００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ^２に下げる以外は同条件で、残りのｐ型もしくはｉ型ＳｉＣ基板４３をエッチングしてバイアホールを形成した。

このようにして得られたＧａＮ系ＨＥＭＴでは、電極パッドの膨れは一切発生しなかった。水分などの腐食、浸入などが防げるため（つまり濡れ性が悪くなる）熱処理時での水分などの膨張を制御できるので、膨れが発生しない（膨れを抑制することでコンタクト不良や電極ハガレを防止できる）。また、これらのＨＥＭＴを樹脂封止した状態で、温度８０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴを行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率）を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

本実施例では、ＧａＮ系ＨＥＭＴのサファイア基板にリモートプラズマエッチングでバイアホールを形成する例について説明する。本実施例では、基板４３をｐ型もしくはｉ型ＳｉＣからサファイアとする以外の構造は実施例５と同じである。つまり、プラズマエッチングを施すに先立ち、厚み１００μｍのサファイア基板の裏面に、ＧａＮ系ＨＥＭＴ用のエピ層４４と電極４５とを形成する一方、サファイア基板の表面には、開口部を有するマスクとしてのレジスト膜４６が設けられている。

上記のレジスト膜４６で被覆された以外の領域は、下記の条件下で２段階でエッチングされて図９（ｂ）に示すのと同じ形状のバイアホールが形成される。すなわち、先ず、エッチング用ガスとしてガス流量比（体積比）Ｃｌ_２／Ｎ_２＝０．２５〜９の窒素混合ガスを用い、ガス圧を０．１〜５Ｐａとし、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入４００〜９００Ｗ、バイアス電力０．２〜１．０Ｗ／ｃｍ^２の条件で、サファイア基板を３０μｍだけ残すようにエッチングを行い、これに続いて、ＩＣＰまたはＥＣＲの電力投入５０〜４００Ｗ、バイアス電力０．０３〜０．２Ｗ／ｃｍ^２に下げる以外は同条件で、残りのサファイア基板をエッチングしてバイアホールを形成した。

このようにして得られたＧａＮ系ＨＥＭＴでは、電極パッドの膨れは一切発生しなかった。膨れについては、実施例５で説明しているので、ここでは説明は省略する。また、これらのＨＥＭＴを樹脂封止した状態で、温度８０℃、湿度８５％、圧力２気圧の条件下でＰＣＴを行い耐湿性についての加速評価（サービス時間１０年の磨耗故障率）を行ったところ、窒素ガス添加なしのＧａＮ系ＨＥＭＴの累積故障率が２５０Ｆｉｔであったのに対して、窒素ガス添加した本実施例のＧａＮ系ＨＥＭＴでは１００Ｆｉｔ以下と大幅な低減が確認された。

以上説明したように、本発明によれば、ＧａＮ系およびＳｉＣ系半導体装置の初期特性のばらつきと通電劣化とを抑制することが可能となる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

プラズマエッチング中の窒素終端固定の様子を概念的に説明するための図で、（ａ）はエッチング前の状態し示す図、（ｂ）は窒素ガスを混合させたエッチングガスでプラズマエッチングすることでエッチング面および側壁面が窒素終端固定される様子を示す図である。 実施例１におけるプラズマエッチング前（ａ）とプラズマエッチング後（ｂ）の様子を説明するための図である。 プラズマエッチング用ガスに窒素ガスを混合（添加）させた実施例１のＧａＮ系ＨＥＭＴと窒素ガス混合を行わずにプラズマエッチングを施したＧａＮ系ＨＥＭＴのリーク電流の印加バイアス依存性を説明するためのＩＶ曲線である。 実施例２におけるプラズマエッチング前（ａ）とプラズマエッチング後（ｂ）の様子を説明するための図である。 プラズマエッチング用ガスに窒素ガスを混合（添加）させた実施例２のＧａＮ系ＨＥＭＴと窒素ガス混合を行わずにプラズマエッチングを施したＧａＮ系ＨＥＭＴのリーク電流の印加バイアス依存性を説明するためのＩＶ曲線である。 実施例３におけるプラズマエッチング前（ａ）とプラズマエッチング後（ｂ）の様子を説明するための図である。 窒素添加有りおよび無しの条件で作製されたＧａＮ系ＶＣＳＥＬの光連続出力特性を示す図である。 実施例４におけるプラズマエッチング前（ａ）とプラズマエッチング後（ｂ）および配線形成後（ｃ）の様子を説明するための図である。 実施例５におけるプラズマエッチング前（ａ）とプラズマエッチング後（ｂ）の様子を説明するための図である。 窒素添加比率（％）によるＳｉＣエッチング速度（ｎｍ／ｍｉｎ）及びＳｉＣ表面酸化率（％）との関係を示す図である。

符号の説明

１１ 下地基板
１２ 半導体結晶
１３ マスク材
２１ 基板
２２ ＧａＮ電子走行層
２３ ｎ型ＡｌＧａＮ電子供給層
２４ ｎ型ＧａＮ表面保護薄層
２５ ソース
２６ ドレイン
２７ 窒化珪素膜
２８ ゲート窓
２９ リセス窓
３０ キャリア
３１ バッファ層
３２ ｎ型ＧａＮ層
３３ キャビティ層
３４ 電流制御層
３５ ｐ型ＧａＮ層
３６ レジスト膜
３７ 窒化珪素膜
３８ レジスト膜
３９、４０ ｐ型のオーミックコンタクト
４１ 配線
４２ ｎ型のオーミックコンタクト
４３ ｐ型もしくはｉ型ＳｉＣ基板あるいはサファイア基板
４４ エピ層
４５ 電極
４６ レジスト膜

Claims (11)

1. ＧａＮ系半導体材料が露出するプラズマエッチング工程において、
   前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. ＧａＮ系半導体層上のＳｉＮ膜またはＧａＮ系半導体層をプラズマエッチングする工程と、前記工程によって露出した前記ＧａＮ系半導体層上にゲート電極を形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
   前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. ＧａＮ系半導体材料をプラズマエッチングしてバイアホールを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
   前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. ＧａＮ系半導体層を有し、縦方向に共振キャビティを有する半導体レーザにおいて、
   前記ＧａＮ系半導体層上のＳｉＮ膜または前記ＧａＮ系半導体層自体のメサ加工をプラズマエッチングする工程を含む半導体発光素子の製造方法において、
   前記プラズマエッチングは、窒素系ガスを混合させたフッ素系ガスまたは塩素系ガスが用いられることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
5. 前記バイアホールは、ＳｉＣまたはサファイアの材料からなる基板を前記
   プラズマエッチングして形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記プラズマエッチングは、ＩＣＰまたはＥＣＲを用いて実行されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
7. 前記窒素系ガスは、Ｎ_２ガスであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
8. 前記窒素系ガスの混合量は、１０〜８０体積％であることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
9. 前記窒素系ガスの混合量は、２０〜６０体積％であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
10. 前記フッ素系ガスは、少なくともＳＦ６ガスを含有するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
11. 前記塩素系ガスは、少なくともＣｌ２ガスを含有するものであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の半導体装置または半導体発光素子の製造方法。
    

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