JP2009164437A

JP2009164437A - 窒化物半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2009164437A
Application number: JP2008001768A
Authority: JP
Inventors: Akikazu Yamashita; 明一山下; Tadayoshi Deguchi; 忠義出口; Atsushi Nakagawa; 敦中川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2008-01-09
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-09
Also published as: JP5276849B2

Abstract

【課題】電流コラプスの抑制と高耐圧化が実現できると共に、微結晶構造の窒化物半導体層を緩やかに傾斜した形状に形成し、電界集中を緩和することができる窒化物半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】アルミニウムを含まない高絶縁性の第２の窒化物半導体層に形成した側壁が斜めに傾斜した凹部内に、ゲート電極を形成する。側壁が斜めの凹部は、第２の窒化物半導体装置の成長温度を徐々に低くしながら成長させ、その後、成長温度に応じてエッチングレートが異なるエッチング液を使用してエッチングして形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、能動層に窒化物半導体を用いた窒化物半導体装置の製造方法に関し、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）やショットキーバリアダイオードのような、半導体装置にショットキ接触する電極を有する窒化物半導体装置の製造方法に関する。

図５は、従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図を示している。図５に示す半導体装置は、いわゆるＨＥＭＴ構造を示しており、サファイア基板からなる基板１１上には、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるバッファ層１２、窒化ガリウムからなるチャネル層１３、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるキャリア供給層１５、ノンドープの窒化アルミニウムガリウムからなるショットキ層１４が順次積層した構造となっており、チャネル層１３とキャリア供給層１５とからなるヘテロ接合界面近傍に、ポテンシャル井戸からなる電子移動度が極めて大きい２次元電子ガス層が形成されている。このような構造の半導体装置では、ショットキ層１４にショットキ接触するゲート電極１８に印加する電圧を制御することにより、ソース電極１７ａとドレイン電極１７ｂとの間を流れるキャリア（２次元電子ガス）を制御している。１６は、窒化硅素からなるキャップ層である。

このような構造の従来の窒化物半導体装置の耐圧は、ゲート金属と窒化物半導体層との接触で形成されるショットキ特性に大きく左右されている。一般的に窒化物半導体層、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層上に形成されるゲート金属のショットキ特性は、高いゲートリーク電流が見られ、これが衝突イオン化のトリガーとなり、高出力素子の窒化物半導体装置の重要なパラメータであるオフ耐圧（ＦＥＴがオフ状態でのドレイン耐圧）を予想される数値よりも低下させて、ワイドギャップ材料の高耐圧という特性を十分に引き出すことができないという問題点があった。一方窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層や窒化ガリウム（ＧａＮ）層などの窒化物半導体層上にゲート電極を形成した半導体装置においても、窒化物半導体層の表面準位にトラップされた電子により、表面のポテンシャルが揺らぎ、電流−電圧特性の周波数分散（電流コラプス）が生じるという問題があった。

一方、従来耐圧を改善するためには、図６のようなフィールドプレート構造を用いることが知られている。従来のフィールドプレート構造は、窒化物半導体層とゲート電極と接続する電極部との間には、窒化珪素や酸化珪素等からなるキャップ層１６が用いられていた（例えば、特許文献１）。しかし、キャップ層として酸化珪素を用いると電流コラプスが発生し、窒化珪素を用いると酸化珪素を用いるときよりも耐圧が低下する問題があった。

本願出願人は、これらの問題点を解消し、電流コラプスの抑制と高耐圧化を目的として、成膜温度を低く設定して形成した絶縁性の高い微結晶構造の窒化物半導体層上に、フィールドプレート構造を形成する窒化物半導体装置を提案している（特願２００７−２３６１１５号）。
特開２００４−２００２４８号公報

本願出願人が先に提案した絶縁特性の高い微結晶構造の窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置は、表面順位にトラップされる電子の制御若しくは表面準位密度の低減により、電流コラプス減少が抑制され高周波特性が改善された。

そして、さらに高耐圧化が望まれているものの、従来の窒化物半導体装置は、微結晶構造の窒化物半導体層の一部をエッチング除去する際、塩素系ガスを用いたドライエッチング法を用いていたため、その表面にダメージを残し、リーク電流が増大してしまうという問題があった。

一方、ウエットエッチング法によれば、エッチングダメージによるリーク電流は抑制できるものの、さらに高耐圧化を図るため、微結晶構造の窒化物半導体層の側壁を緩やかに傾斜する形状に形成しようとすると、エッチングレートの遅い結晶面のエッチングに律速され、垂直に近い形状しか形成することができなかった。

本発明は、電流コラプスの抑制と高耐圧化が実現できると共に、微結晶構造の窒化物半導体層を緩やかに傾斜した形状に形成し、電界集中を緩和することができる窒化物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、該第１の窒化物半導体層の上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層を、前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低く微結晶構造となる温度で成長を開始し、その後、成膜温度を低く設定して形成する工程と、前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、前記第２の窒化物半導体層の一部を、前記成膜温度が低いほどエッチングレートが早くなるエッチング液を用いてエッチングし、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、該凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第２の窒化物半導体層を形成する工程は、前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低く微結晶構造となる温度を保ち、成長させた後、さらに成膜温度を低く設定して形成する工程であることを特徴とするものである。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第２の窒化物半導体層の一部をエッチングし、前記凹部を形成する際、前記凹部の底部に前記第２の窒化物半導体層の一部を残し、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記ゲート電極を形成する工程を含むことを特徴とするものである。

本発明の製造方法によれば、ショットキ電極−オーミック電極間に絶縁性の高い窒化物半導体層を備える構造とすることで、ショットキ電極−オーミック電極間の表面準位にトラップされる電子の抑制若しくは表面準位密度の低減により電流コラプス現象が抑制され、高周波特性も改善された半導体装置を形成することができる。同時に、ショットキ電極が緩やかに傾斜する側壁を覆う構造とすることで、電界集中が緩和され、従来の側壁部がほぼ垂直な構造よりもさらに高い耐圧の窒化物半導体装置を形成することができる。

そして特に、絶縁性の高い窒化物半導体層を、表面ほど成膜温度を低く設定し、成膜温度によりエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすることにより、簡便に表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を形成することができる。この傾斜した形状のコントロールは、成膜温度の制御により行うことができるので、非常に簡便な方法である。またウエットエッチング法によるため、ダメージフリーとなる利点もある。

また、ショットキ電極を微結晶構造の薄い窒化物半導体層を介してショットキ接合するように形成すると、さらに高い耐圧を持つ窒化物半導体装置を形成することができる。この微結晶構造の薄い窒化物半導体層は、上層部と比較して相対的にエッチングレートの低い層として形成する（換言すれば、成長温度の高い層として形成する）ことで、均一な膜厚で凹部底部に残すことができ、特性のばらつきの少ない窒化物半導体装置を形成することができる。

以下、本発明の窒化物半導体装置の製造方法について、III−Ｖ族窒化物半導体装置であるＨＥＭＴの製造方法を例にとり、詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置の断面図を、図２はその製造工程の説明図を示している。図２（ａ）に示すように、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１４、ショットキ層１４の成膜温度よりも低い温度で形成された厚さ２００ｎｍの高絶縁性のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１９を積層形成している。キャップ層１９は、ショットキ層１４の成膜温度より５００℃から６００℃程度低い温度範囲であって、表面側ほど成膜温度を低く設定して成膜することで、微結晶構造（多結晶構造）から非晶質構造となり、絶縁性の高い半導体層が形成される。一例として、チャネル層１３、ショットキ層１４の成膜温度が１０８０℃のとき、５００℃で成長を開始し、徐々に成長温度を下げていき、４２５℃程度までの温度範囲で成長させると、好適なキャップ層１９を形成することができる。

このように形成したキャップ層１９は、比抵抗が１０¹¹Ωｃｍ程度の高抵抗となっている。なお、成膜温度が５００℃で成長させた厚さ１μｍのＧａＮ層をＸ線回析で結晶性の評価を行ったところ、（００４）面におけるＸ線解析ロッキングカーブの半値幅は、１２００秒であり、同様に成長温度４００℃では、半値幅の測定は不能となった。（なお、１０８０℃で結晶成長したＧａＮ層は、単結晶構造であり、その半値幅は１５０〜３００秒となる。）また、成長温度を変化させて形成した断面ＴＥＭ試料を、電子線回析法により評価したところ、温度が低くなるに従い、多結晶構造から非晶質構造になることを確認している。

次に図２（ｂ）に示すように、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にあるキャップ層１９を、塩素ガス等を用いたドライエッチング法により除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、図２（ｃ）に示すようにチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、キャップ層１９は、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。

次に図２（ｄ）に示すように、ソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成領域にあるキャップ層１９の一部を凹状に除去し、その底部にショットキ層１４を露出させる。ここで、凹部を形成する際、液温９０℃の３０ｗｔ％の水酸化ガリウム溶液を用いたウエットエッチング法を用いる。このエッチング液は、図３に示すように、成長温度の違いによりエッチングレートが異なるエッチング特性を有している。このエッチング液を用いて、前述の通り、表面側ほど成長温度を低く設定したキャップ層１９をエッチングすると、表面側のエッチングが早く進み、図２（ｄ）に示すように、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。

その後、図２（ｅ）に示すようにニッケル（Ｎｉ）／（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１８を凹部およびドレイン電極１７ｂ側のキャップ層１９上に延出するように形成する。凹部の底部では、ゲート電極１８とショットキ層１４との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極１７ｂ側に延出するゲート電極１８は、フィールドプレート部を形成する。特に斜めに傾斜した側壁にゲート電極１８が形成されるため、電界集中が緩和される構造となっている。なお、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は、高周波特性の劣化の原因となるからである。

本発明では、絶縁性の高いキャップ層１９を備える構造となっているため、ゲートリーク電流が減少し、チャネルでの衝突イオン化が抑制できる。さらにフィールドプレート構造とすることにより、ゲート電極端の電界集中が緩和できる。その結果、オフ耐圧が従来の１００Ｖから２００Ｖに改善された。

次に図４に示す第２の実施例について説明する。図１に示す第１の実施例と同様、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる基板１１上に、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法、ＭＢＥ（電子ビームエピタキシャル）法等により、厚さ２００ｎｍ程度の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層１２、後述するキャリア供給層のエネルギーギャップより小さいエネルギーギャップを持つ厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるチャネル層１３、チャネル層１３との界面にキャリアとなる２次元電子ガスを形成する厚さ２５ｎｍのｎ型窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）からなるショットキ層１４、ショットキ層１４の成膜温度よりも低い温度形成された厚さ２００ｎｍの高絶縁性のノンドープ窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるキャップ層１９を積層形成している。キャップ層１９は、ショットキ層１４の成膜温度より５００℃から６００℃程度低い温度範囲であって、表面側ほど成膜温度を低く設定して成膜することで、微結晶構造（多結晶構造）から非晶質構造となり、絶縁性の高い半導体層が形成される。一例として、チャネル層１３、ショットキ層１４の成膜温度が１０８０℃のとき、５００℃から５５０℃の温度範囲で成長を開始し、厚さ２０ｎｍから３０ｎｍ成長させた後、さらに成長温度を下げていき、４２５℃程度までの温度範囲で成長させると、好適なキャップ層１９を形成することができる。

さらに、第１の実施例で説明した工程に従い、ショットキ層１４上のソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ形成領域にあるキャップ層１９を除去し、ショットキ層１４を露出させる。その後、露出するショットキ層１４上にチタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂを形成し、６００℃３０秒の急速加熱を行い、ショットキ層１４にオーミック接触を形成する。なお、キャップ層１９は、低抵抗のオーミック接触が形成できる範囲で、ショットキ層１４上に残すことも可能である。

次にソース電極１７ａ、ドレイン電極１７ｂ間のゲート電極形成領域にあるキャップ層１９の一部を凹状に除去する。ここで、本実施例では、微結晶構造のキャップ層１９を完全に除去せず、凹部の底部に微結晶構造のキャップ層１９を２０ｎｍ程度残す。前述の通り、キャップ層１９を形成する際、成長初期の成長温度を５００℃から５５０℃の温度範囲とすることで、この部分のエッチングレートが非常に遅くなり、制御性良く、２０ｎｍ程度のキャップ層を凹部の底部に残すことができる。凹部を形成するエッチング液は、第１の実施例で説明したエッチング液を用いる。その結果、表面側のエッチングが早く進み、側壁が斜めになった凹部を形成することができる。

その後、第１の実施例で説明した工程に従い、ニッケル（Ｎｉ）／（Ａｕ）の積層体等からなるゲート電極１８を凹状部分およびドレイン電極１７ｂ側のキャップ層１９上に延出するように形成する。凹状部分の底部では、わずかに残ったキャップ層１９を介してゲート電極１８とショットキ層１４との間にショットキ接触が形成され、ドレイン電極１７ｂ側に延出するゲート電極１８は、フィールドプレート部を形成する。前述の通り、斜めに傾斜した側壁にゲート電極１８が形成されるため、電界集中が緩和される構造となる。また、ゲート−ソース間容量Ｃｇｓの増大は高周波特性の劣化の原因となるので、ソース側の側壁には、ゲート電極を形成しない方が好ましい。

本実施例によれば、絶縁特性の高いキャップ層１９がショットキ界面に存在するため、ゲート電極１８のショットキ障壁が高く、ゲートリークが低減し、チャネルでの衝突イオン化が抑制され、第１の実施例よりもさらに高い耐圧特性を得ることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく変更が可能である。例えば、ゲート電極の種類、オーミック電極の種類は、使用する窒化物半導体層の種類に応じて適宜選択、設定することができる。

また、ＨＥＭＴ構造の窒化物半導体装置の代わりに、不純物が添加された窒化物半導体層を能動層（チャネル層）とし、その上に上述のショットキ層１４が形成された構造のＦＥＴ構造やショットキーバリアダイオード構造とすることができる。また、窒化物半導体層は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系に限定されるものではなく、ゲート電極が形成される第２の窒化物半導体層（上記実施例ではキャップ層１９に相当）は、例えば、ＧａＮ、ＢＮ、ＩｎＮあるいはこれらの混晶半導体を含み、かつアルミニウムを含まない層で構成することができる。また第１の窒化物半導体層（上記実施例ではショットキ層１４に相当）は、例えば、ＧａＮ、ＢＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮあるいはこれらの混晶半導体を含む層で形成することができる。さらに、炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにサファイア基板を用いてもかまわない。その場合はバッファ層として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いるほうが好ましい。また炭化珪素（ＳｉＣ）基板の代わりにシリコン（Ｓｉ）基板を用いてもかまわない。

第２の窒化物半導体層をエッチングするエッチング液の組成も、使用する窒化物半導体層の種類に応じて、適宜選択すればよい。一般的には、成長温度が低くなるに従い、結晶性が劣化し、エッチングレートの高い面が露出しやすくなる。その結果、成長温度を低くすると、エッチングレートが早くなる傾向を示すことになるので、周知のエッチング液の中から、使用する窒化物半導体層の種類に応じて適宜、選択することができる。

凹部の形状は、第２の窒化物半導体層の成長温度、成長速度、エッチング液の組合せによって、斜めの側壁の形状を制御することができる。また、側壁が斜めに傾斜する代わりに、階段状に開口幅が広がるような形状とすることも可能である。この場合、第２の窒化物半導体層の成長温度は一定温度に保ち、所定の時間成長させた後、成長温度を下げ、所定の時間成長させることを繰り返す。このように成長させた第２の窒化物半導体層を、成長温度に応じてエッチングレートの異なるエッチング液を用いてエッチングすると、階段状に開口幅が広がる凹部を形成することができる。

凹部内に第２の窒化物半導体層を残す場合、第２の実施例で説明したように、第２の窒化物半導体層の成長温度を一定に保つことなく、第１の実施例で説明したように徐々に成長温度を下げていくこともできる。また、第２の実施例で説明したように、第２の窒化物半導体層の成長温度を一定の保ち成長させた第２の窒化物半導体層をすべて除去し、凹部内に露出する第１の窒化物半導体層にショットキ電極が接触する構成とすることも可能である。

なお第２の窒化物半導体層について微結晶構造と説明したが、これは微結晶粒の集合体あるいはそれらの再配列にした構造であり、成長温度、成長時の雰囲気のガス組成、成長させる基板の種類などによって、結晶粒の大きさや配列等は変わるものであり、所望のショットキ特性や絶縁特性等が得られる範囲で、成長温度を制御することによって得られるものである。第２の窒化物半導体層の成長温度は第１の窒化物半導体層の成長温度より４００度以上低い温度に設定すると、ショットキ電極を形成する場合に好適である。

本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造工程の説明図である。本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造工程に使用するエッチング液の説明図である。本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置の断面図である。従来のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる半導体装置の断面図である。従来のフィールドプレート構造を備えた窒化物半導体装置の断面図である。

符号の説明

１１；基板、１２；バッファ層、１３；チャネル層、１４；ショットキ層、１５；キャリア供給層、１６；窒化硅素からなるキャップ層、１７ａ；ソース電極、１７ｂ；ドレイン電極、１８；ゲート電極、１９；キャップ層

Claims

ガリウム、アルミニウム、ホウ素及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素、リン及び砒素からなる群のうちの少なくとも窒素を含むＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層からなる窒化物半導体装置の製造方法において、
基板上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第１の窒化物半導体層を形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層の上に、前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなり、アルミニウムを含まない第２の窒化物半導体層を、前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低く微結晶構造となる温度で成長を開始し、その後、成膜温度を低く設定して形成する工程と、
前記第１の窒化物半導体層にオーミック接触する第１の電極を形成する工程と、
前記第２の窒化物半導体層の一部を、前記成膜温度が低いほどエッチングレートが早くなるエッチング液を用いてエッチングし、表面側の開口幅が広くなる傾斜した側壁を有する凹部を形成する工程と、
該凹部内に露出する前記第１の窒化物半導体層にショットキ接触し、少なくとも前記第１の電極側の前記側壁を覆う第２の電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第２の窒化物半導体層を形成する工程は、前記第１の窒化物半導体層の成膜温度より低く微結晶構造となる温度を保ち、成長させた後、さらに成膜温度を低く設定して形成する工程であることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
請求項１または２いずれか記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第２の窒化物半導体層の一部をエッチングし、前記凹部を形成する際、前記凹部の底部に前記第２の窒化物半導体層の一部を残し、該第２の窒化物半導体層にショットキ接触する前記第２の電極を形成する工程を含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。