JP2008166469A - 窒化物半導体装置とその製造方法 - Google Patents

窒化物半導体装置とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
ゲート耐圧の高い窒化物半導体装置、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
窒化物半導体装置は、窒化物半導体層をエピタキシャル成長できる基板と、基板上に形成され、窒化物半導体のチャネル層を含む半導体積層と、半導体積層上に形成され、チャネル層にオーミック接触する、ソース電極及びドレイン電極と、半導体積層上に形成された絶縁層であって、ゲート電極接触部に開口を有し、開口から離れた領域に表面が平坦な全厚領域を有し、開口端の側壁が全厚の一部の厚さまで急峻に立ち上がる絶縁膜と、開口で前記半導体積層に接し、両側で厚さが増加した部分まで延在するT型ゲート電極と、を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特にGaN等の窒化物半導体を用いた半導体装置とその製造方法に関する。窒化物半導体装置、特に高耐圧窒化物半導体装置に適用できる。
携帯電話の基地局や衛星通信に用いられるトランジスタには、高温動作、高速スイッチング、大電力動作の要求されるものがある。GaN,AlN,InNやこれらの混晶に代表される窒化物半導体は、その優れた特性から高出力電子デバイスや短波長発光デバイスとして注目を集めている。高出力電子デバイスとしては、電界効果トランジスタ、特に高電子移動度トランジスタ(HEMT)についての報告が数多く為されている。代表的には、GaN層をチャネル層とし、n型AlGaN層を電子供給層としたHEMTが研究されている。
特開2004−186679号は、c面サファイア基板上に、アモルファスGaN層をMOCVDで堆積し、950℃〜1050℃まで昇温して結晶状態のGaNバッファ層とし、その上にGaN成長核を形成し、厚さ100nm以上のGaNチャネル層、厚さ10nm〜20nmのSiドープn型AlGaN電子供給層、厚さ10nm〜20nmのSiドープn型GaNコンタクト層をMOCVDで形成し、ソース/ドレイン電極を形成後、ゲート電極形成領域のn型GaNコンタクト層をエッチングし、窒素雰囲気中でアニール処理をした後、ゲート電極を形成する方法を教示する。炭化ケイ素(SiC)基板を用いる時は、バッファ層を窒化アルミニウム(AlN)で形成するのがよいことも開示する。
国際公開WO2004−066393号は、Si基板上に複数層のAl(In、B)GaN層を積層した(たとえばAlN層、p型GaN層、GaN層の交互積層)バッファ層を介してGaNデバイス層を形成することを教示し、デバイス層表面はシリコン酸化膜で覆い、開口をパターニングし、開口内に電極を形成することも開示する。
特開2004−186679号公報 国際公開WO2004−066393号公報
本発明の目的は、特性の優れた窒化物半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、大電力動作に優れた窒化物半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、ゲート耐圧の高い窒化物半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
本発明の1観点によれば、
窒化物半導体層をエピタキシャル成長できる基板と、
前記基板上に形成され、窒化物半導体のチャネル層を含む半導体積層と、
前記半導体積層上に形成され、前記チャネル層にオーミック接触する、ソース電極及びドレイン電極と、
前記半導体積層上に形成された絶縁層であって、ゲート電極接触部に開口を有し、開口から離れた領域に表面が平坦な全厚領域を有し、開口端の側壁が全厚の一部の厚さまで急峻に立ち上がる絶縁膜と、
前記開口で前記半導体積層に接し、両側で厚さが増加した部分まで延在するT型ゲート電極と、
を有する窒化物半導体装置
が提供される。
本発明の他の観点によれば、
(a)基板上に窒化物半導体層を含む半導体積層をエピタキシャル成長する工程と、
(b)前記半導体積層にオーミック接触するソース電極、ドレイン電極を形成する工程と、
(c)前記半導体積層上に絶縁保護層を形成する工程と、
(d)レジストマスクを用いて前記絶縁保護層をエッチングして、開口端において急峻な勾配で厚さの一部分立ち上がり、開口端から離れた位置で全厚を実現する開口部を形成する工程と、
(e)前記開口部内で前記半導体積層に接触し、前記絶縁保護層の増加した厚さ部分まで延在するゲート電極を形成する工程と、
を含む窒化物半導体装置の製造方法
が提供される。
ゲート耐圧が向上することが見出された。
図1A−1Cは、本発明者が作成したGaN系HEMTの3種類のサンプルを示す断面図である。図1A−1Cに示すように、SiC基板11上に、厚さ3μmのi型GaN電子走行層12、厚さ5nmのi型AlGaNスペーサ層13、厚さ30nm、Siドーピング濃度5×1018cm−3のn型AlGaN電子供給層14、厚さ10nm、Siドーピング濃度5×1018cm−3のn型GaNキャップ層15がエピタキシャル成長される。n型GaNキャップ層15の2箇所がエッチングされ、下方のn型AlGaN電子供給層14が露出する。露出したn型AlGaN層14表面に、Tl層、Al層を積層してソース電極16、ドレイン電極17が形成される。ソース電極16、ドレイン電極17を覆って、n型GaNキャップ層15の上に厚さ100nmのSiN層18が形成される。ここまでの構成は3種類のサンプルに共通である。SiN層18に開口を形成し、開口を含む領域にNi層、Au層を積層してゲート電極19を形成する。SiN層の開口の断面形状が、図1A,1B,1Cで異なる。
図1Aにおいては、SiN層18にほぼ垂直な側壁を有するゲート電極用開口2が形成される。図1Bにおいては、SiN層18に半導体層接触界面から上方に向かって徐々に開口径を拡大する開口3が形成される。図1Cにおいては、SiN層18に開口端である高さまで急な勾配で立ち上がり、その後上方に向かって緩やかな勾配で徐々に開口径を拡大する開口1が形成される。開口を覆い、両側のSiN層の平坦表面まで延在する領域に、Ni層、Au層を積層したゲート電極を形成する。このような3種類のHEMT構造を作成した。
i型AlGaNスペーサ層13に接するi型GaN電子走行層12界面は深いポテンシャル井戸を形成する。n型AlGaN電子供給層14は、スペーサ層13を介してポテンシャル井戸に電子を供給し、2次元電子ガス2DEGが生じる。n型GaNキャップ層15は、ピエゾ効果により、ゲート電極19の2次元電子ガス2DEGに対するショットキ障壁高さを大きくする。n型にドープすることで電界緩和を行なっている。厚さ10nmのn型GaNキャップ層15に電荷担体は残らない。
図2A−2Fは、図1CのHEMT構造の製造プロセスを示す断面図である。
図2Aに示すように、有機金属気相エピタキシ(MOVPE)により、GaN系HEMTデバイス層を成長する。Gaのソースガスとしてトリメチルガリウム(TMG),Alのソースガスとしてトリメチルアルミニウム(TMA),Nのソースガスとしてアンモニア(NH)を用い、n型不純物Siのソースガスとしてモノシラン(SiH)を用いる。キャリアガスとして水素(H)と窒素(N)を用いる。基板温度1100℃で、SiC基板11上に、厚さ3μmのi型GaN電子走行層12、厚さ5nmのi型AlGaNスペーサ層13、厚さ30nm、Siドーピング濃度5×1018cm−3のn型AlGaN電子供給層14、厚さ10nm、Siドーピング濃度5×1018cm−3のn型GaNキャップ層15を順次MOVPEでエピタキシャル成長する。
図2Bに示すように、ソース電極、ドレイン電極を形成する領域に開口を有するレジストマスクを形成し、塩素系ガスを用いたドライエッチングでn−GaNキャップ層15をエッチングする。なお、エッチングの終点とn−GaN層/n−AlGaN層界面は厳密に一致しなくてもよい。Ti層、Al層を蒸着し、レジストマスクを除去する。リフトオフによりソース電極16、ドレイン電極17が形成される。窒素雰囲気中で、400℃〜600℃、サンプルにおいては600℃、で熱処理し、オーミック特性を確立する。
図2Cに示すように、ソース電極16、ドレイン電極17を覆い、GaNキャップ層15全面にSiN層18を厚さ5nm〜500nm、サンプルにおいては100nm、堆積する。ここまでの工程は、3種類のサンプル共通である。
図2Dに示すように、ゲート電極接触領域に開口を有するレジストマスクPR1を形成し、SFを用いて、異方性のドライエッチング条件でSiN層18を厚さの20%〜80%の深さ、サンプルにおいては厚さ100nmの半分の50nmの深さまでエッチングする。なお、サンプルの作成においてはSFを用いたが、CF,C等他のフッ素系ガスを用いることもできる。
図2Eに示すように、SFと酸素ガスOとの混合ガスを用い、圧力5Pa、パワー50Wで、レジスト開口端を側方に後退させながらドライエッチングを行い、SiN膜18の残りの厚さ、サンプルにおいては50nm、をエッチングする。SiN膜18の開口端1は、下部で急勾配で立ち上がって約50nmの厚さとなり、その上方では緩やかな勾配に変わって次第に径を広げる。SiN膜18としては、端部で所定の厚さ、サンプルにおいては約50nmの厚さを確保し、その後、ソース電極16、ドレイン電極17に近づくにつれて厚さが徐々に増加し、平坦部(全厚さ部分)に達する。その後、エッチング用レジストマスクPR1は除去する。
図2Fに示すように、SiN膜18の開口より広い開口を有するレジストマスクを作成し、Ni層、Au層を蒸着し、リフトオフによりゲート電極19を形成する。ゲート電極19の断面形状は、SiN膜18の開口の断面形状に倣い、下部で急勾配で立ち上がり、上方で緩やかな勾配に変わって次第に径が広がる斜面を形成し、その外側では平坦な底面を有する。
図3A,3Bは、図1AのHEMT構造の製造プロセスを示す断面図である。
図3Aに示すように、図2A−2Cの工程を行なった後、図2D同様にゲート電極接触領域に開口を有するレジストマスクPR2を形成する。SFガスを用いた異方性エッチングで、SiN膜18の全厚さをエッチングする。SiN膜18の開口端2は、ほぼ垂直に立ち上がる側面を有する。
図3Bに示すように、SiN膜18の開口より広い開口を有するレジストマスクを形成し、図2Fの工程同様リフトオフでゲート電極19を形成する。SiN膜18の開口端は端部から一定の厚さを有し、上面は平坦である。図2Dに示す工程と同様の工程のみで、SiN膜18に開口を形成すると言える。
図4A,4Bは、図1BのHEMT構造の製造プロセスを示す断面図である。
図4Aに示すように、図2A−2Cの工程を行なった後、図2D同様にゲート電極接触領域に開口を有するレジストマスクPR3を形成する。SFガスと酸素ガスOとの混合ガスを用い、レジスト開口端を側方に後退させながらドライエッチングを行い、SiN膜18の全厚さをエッチングする。SiN膜18の開口3は、開口端から離れるに従い、次第に径を広げ、厚さが徐々に増大する断面形状を有する。図2Eに示す工程同様の工程のみで、SiN膜18に開口を形成するといえる。開口端でのSiN膜の厚さは薄い。
これら3種類のサンプルの特性を評価した。ゲート・ドレイン間に100Vを印加した状態で、ゲート・ドレイン2端子間逆方向リーク電流は、サンプル3で最も小さく、5μA/mmであった。サンプル1は、ほぼ垂直な側壁を形成する条件でエッチングを行なっている。垂直に近い側壁は、エッチングした側壁にデポジションを生じさせるCやHを含む雰囲気中でエッチングを行う時などに生じるといわれている。CやHをガスで供給する場合に限らず、レジストから生じる場合もあるであろう。エッチング時のデポジションが残渣として側壁に残り、リークの原因になっていることが考えられる。サンプル2は、等方性の強いエッチングであり、エッチングの残渣は生じにくいが、開口端でのSiN膜の厚さが薄く、チャネル層内での電圧降下によりSiN膜上下の電位差が大きくなると絶縁破壊を生じることが考えられる。サンプル3は、始めに残渣が生じうるエッチングを行なうが、その後残渣を生じにくいエッチングを行い、レジスト側壁が開口端から離れるため、リークの原因となる残渣は生じにくく、かつ開口端でも所定のSiN膜厚を確保できるので絶縁破壊も生じにくいと考えられる。第3のサンプルを、第1の実施例とする。
図5A−5Dは、第2の実施例によるGaN系HEMTの製造方法を示す断面図である。図5Aは、図2Dと同様の状態を示す。図2A−2Dを参照して説明した工程により図5Aの状態を得る。SiN膜18は、その厚さの20%〜80%が、エッチングされ、開口の側壁は急峻な勾配を有する。
図5Bに示すように、レジストマスクを加熱(キュア)し、上端の角部を丸め込む。レジストマスクは、開口端から離れるに従って厚くなり、やがて厚さが飽和する形状となる。言い換えれば、開口端に近いほどレジスト膜厚は薄くなる。
図5Cに示すように、フッ素系ガスを用い、さらにエッチングする。開口端でレジストマスクの厚さが減少しているので、レジストが消費されるとレジストの開口端は後退を示す。レジストから離れたSiN側壁には残渣が生じにくいと考えられる。エッチング終了後、レジストマスクPR4は除去する。
図5Dに示すように、リフトオフを用いて、ゲート電極19を形成する。
図6A−6Dは、第3の実施例によるGaN系HEMTの製造方法を示す断面図である。図6Aは、図2Dと同様の状態を示す。図2A−2Dを参照して説明した工程により図6Aの状態を得る。SiN膜18は、その厚さの20%〜80%が、エッチングされ、開口の側壁は急峻な勾配を有する。
図6Bに示すように、酸素プラズマにより、レジストマスクPR5を後退させる。レジストマスクPR5は、エッチングした溝部から後退し、SiN膜18の上面を一部露出させる。
図6Cに示すように、フッ素系ガスを用い、さらにエッチングする。階段型の断面形状が生じると考えられる。レジストから離れた位置のSiN表面には残渣が生じにくいと考えられる。エッチング終了後、レジストマスクPR5は除去する。
図6Dに示すように、リフトオフを用いて、ゲート電極19を形成する。
上述の実施例においては、単層のSiN膜で保護膜を形成した。積層の保護膜を用いることも可能であろう。
図7Aは、n型GaN層15、ソース電極16、ドレイン電極17を覆って、第1SiN膜18a、第2SiN膜18bの積層で、保護膜18を形成する場合を示す。SiN膜をプラズマCVDで堆積する場合、堆積条件を選択することにより屈折率を調整することができる。屈折率と共にエッチング特性も変化する。第2のSiN膜18bは、例えば第1のSiN膜よりエッチングレートが速くなるようにする。図7Bはエッチング後のSiN膜18の開口形状例を概略的に示す。複数層の保護膜は、前述のどの実施例と組み合わせることも可能であろう。
HEMTの場合を例にとって説明したが、作成する半導体装置はHEMTに限らない。
図8は、電界効果トランジスタの例を示す。SiC基板21上に、GaNバッファ層22、n型GaNチャネル層23がエピタキシャル成長され、その上に図中左右にソース電極26、ドレイン電極27が形成され、SiN保護膜28で覆われている。SiN保護膜28に開口が形成され、開口を覆ってゲート電極29が形成される。開口端は下部で急峻に立ち上がり、上部で緩やかな勾配に変化する。この構成は、HEMT構造からn型AlGaN層、n型GaNキャップ層を省略し、チャネル層をi型からn型に変更したものに相当する。上述の実施例の工程から不要な工程を省略して作成することができる。
以上、実施例に沿って、本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。ゲート電極両側で絶縁膜側壁の勾配が変わる場合を説明したが、ドレイン側のみに勾配変化を形成してもよい。窒化シリコン膜を保護絶縁膜として用いる場合を説明したが、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、アルミナなど他の絶縁材料を用いることも可能であろう。基板としてSiC基盤を用いる場合を説明したが、窒化物半導体層をエピタキシャル成長できるものであれば、サファイア、Si,GaAs等他の材料の基板を用いることも可能であろう。電極の材料、構成は公知の種々のものを採用できる。製法もスパッタリングとメッキの組み合わせに限らない。ソース/ドレイン電極のオーミック性が確保できれば、アニールは省略してもよい。ショットキ特性が得られれば、ゲート電極にアニールを施してもよい。等方的な性質を有するエッチングとして、ウェットエッチングを用いることも可能であろう。材料、膜厚等は種々に変更できる。その他、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
図1A−1Cは、発明者が作成した第1、第2のサンプル(比較例のHEMT)、および第3のサンプル(第1の実施例のサンプル)の構成を示す断面図である。 図2A−2Fは、第3のサンプル(第1の実施例によるHEMT)の製造工程を示す断面図である。 図3A、3Bは、第1のサンプルの製造工程を示す断面図である。 図4A、4Bは、第2のサンプルの製造工程を示す断面図である。 図5A‐5Dは、第2の実施例によるHEMTの製造工程を示す断面図である。 図6A‐6Dは、第3の実施例によるHEMTの製造工程を示す断面図である。 図7A、7Bは、第4の実施例によるHEMTの製造工程を示す断面図である。 図8は、他の実施例による電界効果トランジスタ(FET)の構成を示す断面図である。
符号の説明
1,2,3 開口、
11 SiC基板、
12 i型GaN電子走行層、
13 i型AlGaNスペーサ層、
14 n型AlGaN電子供給層、
15 n型GaNキャップ層15、
16 ソース電極、
17 ドレイン電極、
18 SiN層、
19 ゲート電極、
2DEG 2次元電子ガス

Claims (10)

  1. 窒化物半導体層をエピタキシャル成長できる基板と、
    前記基板上に形成され、窒化物半導体のチャネル層を含む半導体積層と、
    前記半導体積層上に形成され、前記チャネル層にオーミック接触する、ソース電極及びドレイン電極と、
    前記半導体積層上に形成された絶縁層であって、ゲート電極接触部に開口を有し、開口から離れた領域に表面が平坦な全厚領域を有し、開口端の側壁が全厚の一部の厚さまで急峻に立ち上がる絶縁膜と、
    前記開口で前記半導体積層に接し、両側で厚さが増加した部分まで延在するT型ゲート電極と、
    を有する窒化物半導体装置。
  2. 前記全厚の一部の厚さは、全厚の20%〜80%の範囲内である請求項1記載の窒化物半導体装置。
  3. 前記絶縁膜の開口端の厚さが5nm以上である請求項1または2記載の窒化物半導体装置。
  4. 前記半導体積層が、i型GaN層と、その上に形成されたn型AlGaN層と、その上に形成されたn型GaN層とを含み、前記ソース電極及びドレイン電極は前記n型AlGaN層にオーミック接触し、前記ゲート電極は前記n型GaN層にショットキ接触する請求項1〜3のいずれか1項記載の窒化物半導体装置。
  5. 前記半導体積層が、n型GaN層を含み、前記ソース電極及びドレイン電極は前記n型GaN層にオーミック接触し、前記ゲート電極は前記n型GaN層にショットキ接触する請求項1〜3のいずれか1項記載の窒化物半導体装置。
  6. (a)基板上に窒化物半導体層を含む半導体積層をエピタキシャル成長する工程と、
    (b)前記半導体積層にオーミック接触するソース電極、ドレイン電極を形成する工程と、
    (c)前記半導体積層上に絶縁保護層を形成する工程と、
    (d)レジストマスクを用いて前記絶縁保護層をエッチングして、開口端において急峻な勾配で厚さの一部分立ち上がり、開口端から離れた位置で全厚を実現する開口部を形成する工程と、
    (e)前記開口部内で前記半導体積層に接触し、前記絶縁保護層の増加した厚さ部分まで延在するゲート電極を形成する工程と、
    を含む窒化物半導体装置の製造方法。
  7. 前記工程(d)が、異方性エッチングと等方性を有するエッチングの組み合わせを含む請求項6記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  8. 前記工程(d)が、第1異方性エッチングと、レジストキュアによりレジスト角部を丸め込む工程と、第2異方性エッチングを含む請求項6記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  9. 前記工程(d)が、第1異方性エッチングと、レジストアッシングによりレジスト端部を後退させる工程と、第2異方性エッチングとを含む請求項6記載の窒化物半導体装置の製造方法。
  10. 前記工程(c)が絶縁積層を形成する請求項6〜9のいずれか1項記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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