JP2008205314A

JP2008205314A - Ｉｉｉ族窒化物半導体のエッチング方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2008205314A
Application number: JP2007041370A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Uesugi; 勉上杉; Masakazu Kanechika; 将一兼近; Toru Kachi; 徹加地; Masahiro Sugimoto; 雅裕杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】ダメージ層が生じないIII 族窒化物半導体のエッチング方法。
【解決手段】ｐ−ＧａＮ層１、ｎ−ＧａＮ層２、マスク３からなる試料を作製する（図１ａ）。ｐ−ＧａＮ層１の主面はｃ面である。次にその試料を、サファイアで作製した台座の上に置いた状態で、Ｃｌ₂ガスによってＩＣＰエッチングを行い、針状構造４を形成する（図１ｂ）。次に、針状構造４をＴＭＡＨ水溶液によるウェットエッチングで除去する（図１ｃ）。これにより露出したｐ−ＧａＮ層１の表面１ａには、ダメージ層が形成されていない。以上の工程により、ダメージ層を底面に形成することなくコンタクトホールを形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体のエッチング方法に関するものであり、特にｃ面をエッチングする方法に関する。また、そのエッチング方法を用いたコンタクトホールの形成方法に関する。

近年、III 族窒化物半導体はＬＥＤなどの光学素子のみならず、高耐圧性などの特性が期待されることからパワーエレクトロニクス用半導体デバイスの材料として適用することが検討され、盛んに研究開発が行われている。

III 族窒化物半導体は物理的、化学的にきわめて安定しているため、従来主にドライエッチングにより加工がなされている。特に、Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体は、ｃ面のウェットエッチングができないため、ドライエッチングを用いざるを得ない。しかし、ドライエッチングを用いると半導体層にダメージが発生してしまい、特にｐ型のIII 族窒化物半導体においてはダメージによりｎ型化したり、高抵抗化する問題がある。

このダメージを抑える手段として、半導体層のダメージを回復する方法と半導体層のダメージを除去する方法が知られている。特許文献１には、窒素雰囲気中で熱処理することでダメージを回復する方法が記されていて、特許文献２には、窒素プラズマを照射することでダメージを回復する方法が記されている。また、特許文献３には、導電性膜を形成することでIII 族窒化物半導体のウェットエッチングを可能にし、ウェットエッチングによりダメージ層を除去する方法が記されている。
２００５−２６０１７２２００４−１８６６７９２００５−２１００８９

しかし、半導体層のダメージを回復する方法では、実際にはあまりダメージは回復しない。それは、III 族窒化物半導体そのものが安定な性質を有するために形成されたダメージが容易には回復できないためである。また、ウェットエッチングによりダメージ層を除去する方法では、やはり安定性からIII 族窒化物半導体をウェットエッチングすることは困難で、ウェットエッチングするには特許文献３のように何らかの工夫をする必要がある。そのため、多工程化や高コスト化などの問題が生じてしまう。

そこで本発明は、ｃ面を主面とするＧａを必須とするIII 族窒化物半導体をエッチングする方法を提供することが目的であり、特に、ダメージ領域のないエッチング方法を実現すること、を目的とする。

第１の発明は、Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体（以下、本明細書において単にIII 族窒化物半導体とする）のｃ面を、針状構造が形成されるようにドライエッチングする工程と、針状構造を、アルカリ溶液によるウェットエッチングによって除去する工程と、からなることを特徴とするエッチング方法である。

III 族窒化物半導体は、伝導型を問わない。ｎ型、ｐ型、真性のいずれであってもよい。また、単層であっても、複数の層であってもよい。複数の層である場合は、互いに組成の異なる複数の層であってもよい。なお、Ｇａを必須とするのは、ＡｌＮは酸などによってウェットエッチング可能であり、本発明を用いる優位性がないからである。

ウェットエッチングに用いるエッチング液は、III 族窒化物半導体に対して異方性エッチングするアルカリ溶液（たとえば、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム：（ＣＨ₃）₄ＮＯＨ）、ＫＯＨ、ＮａＯＨのいずれかを含む溶液）を用いる。これらの溶液は、III 族窒化物半導体のｃ面はエッチングできないが、ａ面、ｍ面、ｒ面などのｃ面以外の面はエッチングできる。特に、ＴＭＡＨ水溶液を用いるとよい。ＫＯＨやＮａＯＨのようにアルカリ金属を含まないため洗浄が容易であること、５０℃〜１００℃という比較的低温で用いることができることからＫＯＨやＮａＯＨに比べて取り扱いが容易である。ＴＭＡＨ水溶液の濃度は５〜５０％であると望ましい。

針状構造は、たとえば、III 族窒化物半導体の近く（エッチングの範囲内）にＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などの酸化物がある状態や、エッチングガス中に酸素などの酸化性ガスを含む状態でドライエッチングを行うことで発生させることができる。針状構造が発生する原因は、酸化物のエッチングにより生じた酸素イオンや、エッチングガス中の酸素イオンが、III 族窒化物半導体の表面に付着して微小なメッシュ状の酸化物を形成し、その酸化物がマスクとして働くためと考えられる。

このような理由から、針状構造を発生させるためには、還元性ガス（ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃など）を含まない雰囲気中でドライエッチングを行うことが望ましい。

針状構造における針の側面は、ｃ面以外の面であり、ドライエッチングによるダメージはその針の側面に生じる。したがって、針状構造はアルカリ溶液によるウェットエッチングによって除去することができ、ダメージがなく、平坦なIII 族窒化物半導体のｃ面が露出することになる。

第２の発明は、第１の発明において、アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨのいずれかを含む溶液であることを特徴とするエッチング方法である。

第３の発明は、第２の発明において、前記アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ水溶液であることを特徴とするエッチング方法である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、ドライエッチングは、酸素の存在する環境において行われることを特徴とするエッチング方法である。

酸素の存在する環境とは、III 族窒化物半導体の近く（エッチングの範囲内）にＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃などの酸素を含む化合物がある状態や、雰囲気中に酸素ガスを含む状態などをいう。

第５の発明は、第４の発明において、ドライエッチングは、III 族窒化物半導体を酸素を含む化合物で構成された台座に載せて行われることを特徴とするエッチング方法である。第５の発明によると、容易に酸素の存在する環境を実現できる。

第６の発明は、第５の発明において、台座は、サファイアまたは石英であることを特徴とするエッチング方法である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明において、ドライエッチングは、還元性ガスを含まない雰囲気中で行われることを特徴とするエッチング方法である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明において、III 族窒化物半導体は、ｐ型であることを特徴とするエッチング方法である。

第９の発明は、Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体からなり、ｃ面を主面とする半導体層を形成する工程と、半導体層表面の所定の位置にマスクを形成し、第１〜８の発明のエッチング方法によりコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホール底面にコンタクトをとる電極膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

第９の発明の半導体層は、ｎ型、ｐ型、真性のいずれの伝導型でもよい。また、単層でも複数の層でもよく、互いに異なる組成、伝導型の複数の層であってもよい。電極膜は、ｐ型の半導体層にコンタクトをとる場合はＮｉなど、ｎ型の半導体層にコンタクトをとる場合はＴｉ／Ａｌなどを用いる。

第１の発明のエッチング方法によると、故意に針状構造を発生させてIII 族窒化物半導体のｃ面以外の面を露出させ、その針状構造をＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨ、などのアルカリ溶液によってエッチングすることで、ダメージ層を形成することなく、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体を平坦にエッチングすることができる。

特に第３の発明のように、アルカリ溶液としてＴＭＡＨ水溶液を用いると、洗浄が容易であること、５０℃〜１００℃という比較的低温で用いることができることから取り扱いが容易である。

また、第４〜７の発明によると、容易に再現性よく針状構造を形成することができる。

また本発明は、第８の発明のようにｐ型のIII 族窒化物半導体のエッチングに特に有効である。ｐ型のIII 族窒化物半導体はダメージにより高抵抗化、ｎ型化するが、本発明のエッチング方法ではダメージ層が形成されないからである。

また、第９の発明のように、第１〜８の発明を用いてコンタクトホールを形成すると、電極膜はダメージのないコンタクトホール底面である半導体層にコンタクトをとることができるため、低抵抗なコンタクトホールを有した半導体装置を製造することができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１は、本発明のエッチング方法を用いてコンタクトホールを形成する方法であり、図１は、その工程を示す図である。以下、図１を参照しながら実施例１のコンタクトホール形成方法について説明する。

まず、ｃ面を主面とするｐ−ＧａＮ層１上にｎ−ＧａＮ層２をＭＯＣＶＤ法によって形成する。次に、ｎ−ＧａＮ層２上の、コンタクトホールを形成しない位置に、ＳｉＯ₂からなるマスク３をＣＶＤ法により形成する（図１ａ）。なお、ｐ−ＧａＮ層１、ｎ−ＧａＮ層２は、ＭＢＥ法などのＭＯＣＶＤ法以外の方法により結晶成長させてもよい。

次に、上記工程により作製したｐ−ＧａＮ層１、ｎ−ＧａＮ層２、マスク３からなる試料を、サファイアで作成した台座の上に置いた状態で、Ｃｌ₂ガスによってＩＣＰエッチングを行い、ｐ−ＧａＮ層１に達するコンタクトホールを形成する。これにより、コンタクトホールの底面には、針状構造４が形成される（図１ｂ）。ｐ−ＧａＮ層１はｃ面を主面としているため、針状構造４によってｐ−ＧａＮ層１のｃ面以外の面が露出する。また、このＩＣＰエッチングによりダメージが発生するのは、針状構造４の針の縁の部分であり、それはｐ−ＧａＮ層１のｃ面以外の面である。ｐ−ＧａＮ層１のｃ面にはダメージが発生しない。

針状構造４が形成されるのは、次のような理由であると考えられる。まず、ＩＣＰエッチングによって台座やマスク３もエッチングされ、これにより生成された酸素イオンがコンタクトホールを形成している部位の底面であるｐ−ＧａＮ層１またはｎ−ＧａＮ層２の表面に細かなメッシュ状に付着して酸化物を形成する。その酸化物はマスクとして機能し、酸化物とＧａＮのエッチングレートの違いから、コンタクトホール形成部位のｐ−ＧａＮ層１表面が針状にエッチングされる。このような理由から、何らかの形で酸素を含む状態でトライエッチングを行えば、針状構造４を形成できることが理解できる。何らかの形で酸素を含む状態とは、試料を酸化物からなる台座に載せた状態、酸素ガスを含む雰囲気、などの状態である。

したがって、針状構造を形成するために、サファイアに替えて石英などの酸素を含む化合物を台座に用いてもよい。また、そのような台座に載せずとも、エッチング範囲に酸素を含む化合物が存在する状態であってもよい。また、ＩＣＰエッチング以外に、ガスエッチングなど種々のドライエッチングを用いることができる。また、エッチングは、ＳｉＣｌ₄やＢＣｌ₃などの還元性ガスを含まない雰囲気で行うことが望ましい。還元性ガスを含むと、ｐ−ＧａＮ層１表面に酸化物が形成されることが抑制されてしまうためである。

次に、濃度２５％、温度９０℃のＴＭＡＨ水溶液によりウェットエッチングをする。ＴＭＡＨ水溶液は、ＧａＮのｃ面はエッチングできないが、ｃ面以外であればエッチングができる。したがってこのウェットエッチングによって針状構造４は除去され、コンタクトホールの底面には、ダメージのないｐ−ＧａＮ層１の表面１ａ（ｃ面）が露出する（図１ｃ）。なお、マスク３を残したままエッチングをしたのは、ｎ−ＧａＮ層２の表面の欠陥をエッチングしてエッチピットが形成されるのを防ぐためである。

ウェットエッチングに用いるＴＭＡＨ水溶液の濃度は、１％〜５０％、温度は５０℃〜１００℃の範囲であればよい。濃度が１％未満では、エッチング速度が遅いため望ましくなく、５０％を超えると、過飽和状態になる可能性があり、沈殿物を生じることがあるため望ましくない。また、温度が５０℃未満では、エッチング速度が遅いため望ましくなく、温度が１００℃を超えると、溶液中に気泡が発生し、結晶に付着するため望ましくなく、溶媒の蒸発により濃度が変化してしまう恐れがある点でも望ましくない。より望ましいのは、濃度が６％〜２５％、温度が８０℃〜１００℃の範囲である。

その後、マスク３をバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングによって除去し、Ｎｉからなる電極膜５を形成する（図１ｄ）。電極膜５は、ダメージのないｐ−ＧａＮ層１の表面１ａにコンタクトするため、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。

実施例１では、コンタクトホール部のｐ−ＧａＮ層１に針状構造４を形成し、ウェットエッチングで針状構造４を除去しているが、本発明のエッチング方法は、ｐ型のＧａＮのみに適用されるものではない。ｎ型や真性の、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのIII 族窒化物半導体であれば、本発明のエッチング方法が適用できる。

また、実施例１では、針状構造４を除去するのにＴＭＡＨ水溶液によりウェットエッチングを行っているが、ＴＭＡＨ水溶液に替えてＫＯＨやＮａＯＨなどのアルカリ溶液を用いてもよい。ただし、ＴＭＡＨ水溶液は洗浄が容易であり、低温でエッチングが可能であるため、ＫＯＨやＮａＯＨなどよりも取り扱いが容易である。

また本発明は、実施例１のようなコンタクトホールの形成のみならず、エッチング工程を含むあらゆる半導体装置の製造方法に適用することができる。

本発明は、III 族窒化物半導体からなる半導体装置（たとえば、ＨＥＭＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）の製造方法に適用することができる。

実施例１のコンタクトホール形成工程を示す図。

符号の説明

１：ｐ−ＧａＮ層
２：ｎ−ＧａＮ層
３：マスク
４：針状構造
５：金属膜

Claims

Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体のｃ面を、針状構造が形成されるようにドライエッチングする工程と、
前記針状構造を、アルカリ溶液によるウェットエッチングによって除去する工程と、
からなることを特徴とするエッチング方法。
前記アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨのいずれかを含む溶液であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
前記アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ水溶液であることを特徴とする請求項２に記載のエッチング方法。
前記ドライエッチングは、酸素の存在する環境において行われることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
前記ドライエッチングは、前記III 族窒化物半導体を酸素を含む化合物で構成された台座に載せて行われることを特徴とする請求項４に記載のエッチング方法。
前記台座は、サファイアまたは石英であることを特徴とする請求項５に記載のエッチング方法。
前記ドライエッチングは、還元性ガスを含まない雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
前記III 族窒化物半導体は、ｐ型であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のエッチング方法。
Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体からなり、ｃ面を主面とする半導体層を形成する工程と、
前記半導体層表面の所定の位置にマスクを形成し、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のエッチング方法によりコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール底面にコンタクトをとる電極膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。