JP2009194081A - 窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコンを含むエッチンガスを用いた反応性プラズマエッチングにおいても、良好なショットキー特性あるいはオーミック特性を得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】 窒化物半導体層上に電極を形成する窒化物半導体装置の製造方法において、少なくともシリコンを含む反応性エッチングガスを用いて、窒化物半導体層の表面をプラズマエッチングする工程と、そのエッチング領域を、不活性ガスのプラズマに曝すと共に、酸系あるいはアルカリ系の処理液で清浄化する工程と、清浄化されたエッチング領域表面に電極を形成する工程と、を含む。
【選択図】 図５

Description

本発明は窒化物半導体装置の製造方法に係り、特に窒化物半導体層にショットキー電極やオーミック電極を形成する窒化物半導体装置の製造方法に関する。

ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓＰなどの窒化物半導体は、化学的に安定であるため、ウエットエッチング法による加工は非常に困難とされており、反応性エッチングガスを用いたドライエッチング法が種々報告されている。

例えば、三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）や塩素（Ｃｌ₂）は、エッチングレートが大きい反応性エッチングガスとして知られているし、特許文献１には塩素と四塩化硅素（ＳｉＣｌ₄）の混合ガスを用いる方法が開示されている。

これらの反応性エッチングガスを用いたドライエッチング法では、エッチング領域表面の平坦性が悪いという問題、プラズマによる損傷や表面欠陥が発生するという問題、エッチング領域表面に残渣が残り、その表面に形成する電極のリーク電流が増加するといった半導体装置の特性劣化の問題等があった。

なお、プラズマエッチングによる窒素空孔欠陥を低減させるため、エッチング領域を窒素などの不活性ガスのプラズマに曝す方法が、特許文献２に開示されている。

しかし従来提案されているエッチング方法は、微細な加工が要求される半導体装置の製造工程に使用する場合、制御性や、エッチングされた表面の状態が、必ずしも好ましいものではなかった。例えば、従来のエッチング方法により、リセスエッチングを行い、ヘテロ接合電界効果トランジスタを形成する場合について説明する。

図１３にヘテロ接合電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）の断面図を示す。このような構造のＨＦＥＴは、まず、サファイア基板１上に、低温成長させた窒化ガリウムからなるバッファ層２、厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム層３、厚さ２５ｎｍで、アルミニウムの組成比が０．３５のノンドープ窒化ガリウムアルミニウム層４、低温成長させた厚さ１０ｎｍの窒化ガリウムからなるキャップ層５を順次積層した基板を用意する。その後、キャップ層５上に、チタン／アルミニウム／チタン／金（厚さ１０／２００／５０／３００ｎｍ）の積層金属膜をパターニングし、８５０℃、３０秒間のＲＴＡ処理を施し、オーミック電極６ａ、６ｂ（ソース電極、ドレイン電極）を形成する。

次にゲート電極形成予定領域をリセスエッチングして、深さ１８ｎｍ程度の凹部を形成する。このリセスエッチングは、塩素（Ｃｌ₂）あるいは四塩化硅素（ＳｉＣｌ₄）を用いた反応性プラズマエッチング法により行う。その後、ゲート電極形成予定領域に、ニッケル／金（厚さ２０／５３０ｎｍ）の積層金属膜を形成し、ショットキー電極７（ゲート電極）を形成する。このゲート電極は、ゲート長を２μｍ、ゲート幅を１００μｍとした。

このように形成したＨＦＥＴの伝達特性（ドレイン電圧８Ｖ）を図１４に示す。図１４において、エッチングガスが塩素の場合のドレイン−ソース間電流（Ｉｄ、Drain Current）を○印で、四塩化硅素の場合を△印で示している。同様に、エッチングガスが塩素の場合の相互コンダクタンス（ｇｍ、Transconductance）を●印で、四塩化硅素の場合を▲印でそれぞれ示している。比較のため、リセスエッチングを行わない構造（w/o recess）についても、それぞれ□印、■印で示している。

図１４に示すように、リセスエッチングを行うことで、相互コンダクタンスが増加していることがわかる。また、エッチングガスとして四塩化硅素を用いた場合、ピンチオフ電圧付近（ゲート電圧−３Ｖ付近）で、ドレイン電流が大きくなり、ピンチオフ特性が劣化していることがわかる。

図１５は、ショットキー電極７のショットキー特性を示している。図１５において、エッチングガスが塩素の場合のゲート電流を○印で、四塩化硅素の場合を△印で示している。比較のため、リセスエッチングを行わない構造（w/o recess）についても、□印で示している。

図１５に示すように、リセスエッチングを行うことで、逆方向のゲートリーク電流が２桁程度大きくなっていることがわかる。また、ゲート電圧０Ｖのときのリーク電流がエッチングを行った場合に大きく、特に、四塩化硅素でエッチングした場合のリーク電流が大きいことがわかる。このような不具合は、四塩化硅素に限らず、シリコンを含むエッチングガスを用いた場合、同様に発生する。
特開平８−１７８０３号公報 特開２００２−２６１３２６号公報

以上説明したように、シリコンを含むエッチングガスを用いた反応性プラズマエッチング法では、エッチング領域にショットキー電極を形成した場合、良好なショットキー特性が得られないという問題があった。これは、エッチング領域の平坦性が悪いこと、プラズマエッチングによる損傷や表面欠陥が生じること、シリコンあるいは酸素を含む反応生成物の残渣が残ること等によるものと考えられる。さらに同様の理由で、オーミック電極の特性劣化の原因ともなり、エッチング領域にオーミック電極を形成した場合、良好なオーミック特性が得られないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解消し、シリコンを含むエッチングガスを用いた反応性プラズマエッチングにおいても、良好なショットキー特性あるいはオーミック特性を得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、窒化物半導体層上に電極を形成する窒化物半導体装置の製造方法において、少なくともシリコンを含む反応性エッチングガスを用いて、前記窒化物半導体層の表面をプラズマエッチングする工程と、前記窒化物半導体層表面のエッチング領域を、不活性ガスのプラズマに曝す工程と、前記エッチング領域を、酸系あるいはアルカリ系の処理液で清浄化する工程と、清浄化された前記エッチング領域表面に、前記電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

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、前記プラズマエッチングする工程は、前記エッチング領域表面に、シリコンあるいは酸素を含む反応生成物を残存させる工程であり、前記清浄化する工程は、前記反応生成物を溶解除去する工程であることを特徴とする。

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、窒化ガリウムを含む前記窒化物半導体層の表面を、四塩化硅素を含む前記反応性エッチングガスを用いてプラズマエッチングする工程と、該エッチング領域を、窒素プラズマに曝す工程と、該エッチング領域を、バッファードフッ酸を用いて清浄化する工程と、清浄化された前記エッチング領域表面に、前記電極を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、制御性良くエッチングすることができ、エッチングされた窒化物半導体層表面の平坦性に優れ、損傷を極めて小さくすることができる。そしてエッチング領域表面に残存する窒素空孔欠陥及びシリコンあるいは酸素を含む反応生成物を除去することができるので、極めて清浄な表面に電極を形成することができる。この清浄な表面に形成されたショットキー電極は、優れた特性のショットキー特性を示すことになる。また清浄な表面に形成されたオーミック電極は、優れた特性のオーミック特性を示すことになる。

本発明により形成した窒化物半導体装置は、電気的特性、高周波的特性に優れていることが確認できた。

以下、本発明の窒化物半導体装置の製造方法について、詳細に説明する。まず、窒化物半導体層を反応性プラズマエッチングする。このとき、反応性エッチングガスは、シリコンを含むガスを用いる。例えば、四塩化硅素あるいは四塩化硅素と窒素の混合ガスを用いることができる。特に四塩化硅素は、エッチング領域の平坦性に優れているため好ましい。図１は、３０ｎｍの深さで窒化ガリウム層をエッチングした場合の断面形状である。図１において（ａ）は、反応性エッチングガスとして四塩化硅素を用いたエッチング領域の断面形状であり、（ｂ）は、従来方法である塩素ガスを用いたエッチング領域の断面形状である。本発明では、底面部の平坦性が非常に優れていることがわかる。

また、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によってエッチング前後の表面粗さを、測定したところエッチング前のＲＭＳ値が０．３１ｎｍであったものが、本発明のエッチング後ではＲＭＳ値が０．５６ｎｍとなり、従来例のＲＭＳ値１．０２ｎｍと比較して大幅に改善されていることが確認された。

また本発明によるエッチングのエッチングレートは、図２に示すように、１．４ｎｍ／ｍｉｎとすることができる。同様に従来例では、３．９ｎｍ／ｍｉｎであるので、本発明が、浅いエッチングにおいても容易に制御できる程度とすることができ、好適であることがわかる。

本発明では、上記のエッチング工程の後、窒素、ヘリウム、水素またはこれらの混合ガスからなる不活性ガスのプラズマに、エッチング領域を曝すことで、窒素空孔欠陥を低減させるのが望ましい。この場合、プラズマに供給するパワーが大きいと、新たな欠陥が生じてしまうので、印加パワーは、新たな欠陥が生じない程度に調整する必要がある。

また、エッチング領域には、反応生成物が残る。そこで反応生成物を除去するために酸系、あるいはアルカリ系の処理液でエッチング領域を処理し、反応生成物を溶解除去するのが好ましい。この処理液は、フッ酸、塩酸、硝酸あるいはこれらの混合液、水酸化カリウム水溶液等を用いることができる。この処理によって、シリコンあるいは酸素を含む反応生成物が除去され、エッチング領域表面を清浄化することができる。

以上のようにプラズマエッチングする工程、エッチング領域を不活性ガスのプラズマに曝す工程、酸系あるいはアルカリ系の処理液で清浄化する工程を経たエッチング領域に、ショットキー電極あるいはオーミック電極を形成すると、非常に特性の優れた電極を形成することができる。以下、具体的な窒化物半導体装置の製造方法を例に取り、詳細に説明する。

まず、ショットキーバリアダイオードを形成する場合を例に取り、第１の実施例について説明する。図３に示すように、サファイア基板１上に、低温成長させた窒化ガリウムからなるバッファ層２、厚さ１．０μｍのノンドープ窒化ガリウム層３、シリコンをドープしたキャリア濃度４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍのｎ⁺窒化ガリウム層８、シリコンをドープしたキャリア濃度１．０×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ３．０μｍのｎ^-窒化ガリウム層９を順次積層した基板を用意する。その後、ｎ^-窒化ガリウム層９上に、チタン／アルミニウム／チタン／金（厚さ１０／２００／５０／３００ｎｍ）の積層金属膜をパターニングし、８５０℃、３０秒間のＲＴＡ処理を施し、オーミック電極６（カソード電極）を形成する。

次にショットキー電極形成予定領域を開口するようにエッチングマスクを形成した後、露出するｎ^-窒化ガリウム層９をエッチングして、深さ４２ｎｍ程度の凹部を形成する。このエッチングは、四塩化硅素を反応性エッチングガスとして用いたプラズマエッチング法により行う。

その後、エッチング領域を窒素プラズマに曝す。そしてさらにその表面をバッファードフッ酸（一水素二フッ化アンモニウム１８％含有）で清浄化する。

その後、清浄化した凹部内のｎ^-窒化ガリウム層９上に、ニッケル／金（厚さ２０／５３０ｎｍ）のショットキー電極７（アノード電極）を形成する。このショットキー電極７は、半径５０μｍの円形に形成した。

このように形成したショットキー電極のＩ−Ｖ特性を図４に示す。図４において、本実施例のショットキー電極のＩ−Ｖ特性は、○印で示している。比較のため、エッチングを行わない場合（w/o etching）を＋印で、エッチング処理だけ行い、プラズマ処理及びバッファードフッ酸による清浄化処理をいずれも行わない場合を●印で、エッチング処理を行った後、プラズマ処理のみ行った場合を△印で、エッチング処理を行った後、バッファードフッ酸により清浄化処理のみを行った場合を□印でそれぞれ示している。

図４に示すＩ−Ｖ特性から算出した理想因子（ｎ）、ショットキー障壁高さ（φｂ）及びゲート電圧が−１０Ｖにおけるリーク電流を図５に示す。図４及び図５において、エッチング処理を行うことで、エッチング処理を行わない場合と比較して、理想因子の増加、ショットキー障壁高さの低下、リーク電流の増加がみられ、ショットキー特性の劣化が生じていることがわかる。またエッチング処理後に窒素プラズマ処理のみ、あるいはエッチング処理後にバッファードフッ酸により清浄化処理のみを行っても、ショットキー特性は、大幅に改善されることが無いことがわかる。

それに対し本実施例のように、エッチング処理を行った後に、窒素プラズマ処理及びバッファードフッ酸により清浄化処理を行うと、ショットキー特性が改善されることがわかる。

これは、本発明のようにプラズマ処理を行い、さらに清浄化処理を行うことで、特性劣化の原因と考えられるシリコンあるいは酸素を含む反応生成物の除去、窒素空孔の補償、不純物としての酸素の影響の排除等がされたためと考えられる。このように本発明によれば、ショットキー特性の優れたショットキーバリアダイオードを形成することが可能となった。

次に、窒化物半導体層の構成の異なるショットキーバリアダイオードを形成する場合を例にとり、第２の実施例について説明する。サファイア基板１上に、低温成長させた窒化ガリウムからなるバッファ層２、厚さ１．０μｍのノンドープ窒化ガリウム層３、シリコンをドープしたキャリア濃度４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．０μｍのｎ⁺窒化ガリウム層８、シリコンをドープしたキャリア濃度２．０×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０．３μｍ、アルミニウムの組成比が０．１のｎ^-窒化ガリウムアルミニウム層１０を順次積層した基板を用意する。その後、ｎ^-窒化ガリウムアルミニウム層１０上に、チタン／アルミニウム／チタン／金（厚さ１０／２００／５０／３００ｎｍ）の積層金属膜をパターニングし、８５０℃、３０秒間のＲＴＡ処理を施し、オーミック電極６（カソード電極）を形成する。

次にショットキー電極形成予定領域を開口するようにエッチングマスクを形成した後、露出するｎ^-窒化ガリウムアルミニウム層１０エッチングして、深さ４２ｎｍ程度の凹部を形成する。このエッチングは、四塩化硅素を反応性エッチングガスとして用いたプラズマエッチング法により行う。

その後、エッチング領域を窒素プラズマに曝す。そしてさらにその表面をバッファードフッ酸（一水素二フッ化アンモニウム１８％含有）で洗浄する。

その後、清浄化した凹部内のｎ^-窒化ガリウムアルミニウム層１０上に、ニッケル／金（厚さ２０／５３０ｎｍ）のショットキー電極７（アノード電極）を形成する。このショットキー電極７は、半径５０μｍの円形に形成した。

このように形成したショットキー電極のＩ−Ｖ特性を図７に示す。図７において、本実施例のショットキー電極のＩ−Ｖ特性は、○印で示している。比較のため、エッチングを行わない場合を＋印で、エッチング処理だけ行い、プラズマ処理及びバッファードフッ酸による清浄化処理をいずれも行わない場合を●印でそれぞれ示している。

図７に示すＩ−Ｖ特性から算出した理想因子（ｎ）、ショットキー障壁高さ（φｂ）及びゲート電圧が−１０Ｖにおけるゲートリーク電流を図８に示す。図７及び図８において、エッチング処理を行うことで、エッチング処理を行わない場合と比較して、理想因子の増加、ショットキー障壁高さの低下、リーク電流の増加がみられ、ショットキー特性の劣化が生じていることがわかる。

それに対し本実施例においても、第１の実施例同様、エッチング処理を行った後に、窒素プラズマ処理及びバッファードフッ酸による清浄化処理を行うと、ショットキー特性が改善されることがわかる。

このようにショットキー接触が形成される窒化物半導体が窒化ガリウムアルミニウムであっても、本発明のようにプラズマ処理を行い、さらに清浄化処理を行うことで、特性劣化の原因と考えられるシリコンあるいは酸素を含む反応生成物の除去、窒素空孔の補償、不純物としての酸素の影響の排除等がされたためと考えられる。このように本発明によれば、ショットキー特性の優れたショットキーバリアダイオードを形成することが可能となった。

次に、ＨＦＥＴを形成する場合を例に取り、第３の実施例について説明する。図９に示すように、サファイア基板１上に、低温成長させた窒化ガリウムからなるバッファ層２、厚さ２．５μｍのノンドープ窒化ガリウム層３、シリコンをドープしたキャリア濃度４．０×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ２５ｎｍ、アルミニウムの組成比が０．３５の窒化ガリウムアルミニウム層１１、低温成長させて微結晶構造とした高絶縁性の窒化ガリウム層１２を順次積層した基板を用意する。その後、窒化ガリウム層１２上に、チタン／アルミニウム／チタン／金（厚さ１０／２００／５０／３００ｎｍ）の積層金属膜をパターニングし、８５０℃、３０秒間のＲＴＡ処理を施し、オーミック電極６ａ、６ｂ（ソース電極、ドレイン電極）を形成する。

次にゲート電極形成予定領域をリセスエッチングして、深さ１８ｎｍ程度の凹部を形成する。このリセスエッチングは、四塩化硅素を用いた反応性プラズマエッチング法により行う。その後、ゲート電極形成予定領域に、ニッケル／金（厚さ２０／５３０ｎｍ）の積層金属膜を形成し、ショットキー電極７（ゲート電極）を形成する。このゲート電極は、ゲート長を０．５μｍ、ゲート幅を１００μｍとした。なお、図示は省略しているが、全面に素子保護のため、シリコン窒化膜を２００ｎｍ形成している。

このように形成したＨＦＥＴの伝達特性（ドレイン電圧８Ｖ）を図１０に示す。図１０において、本実施例のＨＦＥＴのドレイン−ソース間電流（Ｉｄ）を○印で、相互コンダクタンス（ｇｍ）を□印で示している。比較のため、エッチングガスが塩素の場合のドレイン−ソース間電流を●印で、相互コンダクタンスを■印で示している。

図１１に示すように、エッチングガスが四塩化硅素の場合、最大ドレイン電流及び相互コンダクタンスが増加していることがわかる。そして特に、ピンチオフ時（ゲート電圧−６Ｖ）のドレインリーク電流が３桁程度低減され、良好な電気的特性を示すことが確認された。

さらに図１２に示すように、電流利得遮断周波数、最大発振周波数が向上していることが確認できた。さらに、電力密度については、３倍以上の結果が得られ、比較的に特性改善していることが確認できた。

以上本発明について、ショットキー電極を形成する場合について説明したが、本発明はエッチング表面を清浄化することができるため、ショットキー電極に留まらず、オーミック電極の生成においても、良好な特性を得ることができた。

反応性ガスとして四塩化硅素を用いたエッチング領域の断面形状（ａ）と、塩素ガスを用いたエッチング領域の断面形状（ｂ）を比較する図である。 図１に示す反応性ガスのエッチングレートを説明するグラフである。 本発明の第１の実施例の窒化物半導体装置を説明する図である。 本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置のショットキー電極のＩ−Ｖ特性を説明する図である。 図４に示すショットキー電極のＩ−Ｖ特性から算出したショットキー特性を説明する図である。 本発明の第２の実施例の窒化物半導体装置を説明する図である。 本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置のショットキー電極のＩ−Ｖ特性を説明する図である。 図７に示すショットキー電極のＩ−Ｖ特性から算出したショットキー特性を説明する図である。 本発明の第３の実施例の窒化物半導体装置を説明する図である。 本発明の第４の実施例である窒化物半導体装置の伝達特性を説明する図である。 本発明の第４の実施例である窒化物半導体装置の伝達特性を説明する図である。 本発明の第４の実施例である 一般的なヘテロ接合電界効果トランジスタの断面図である。 一般的なヘテロ接合電界効果トランジスタの伝達特性を説明する図である。 一般的なヘテロ接合電界効果トランジスタのゲート電極のショットキー特性を説明する図である。

符号の説明

１：サファイア基板、２：バッファ層、３：ノンドープ窒化ガリウム層、４：ノンドープ窒化ガリウムアルミニウム層、５：キャップ層、６：オーミック電極、７：ショットキー電極、８：ｎ⁺窒化ガリウム層、９：ｎ^-窒化ガリウム層、１０：ｎ^-窒化ガリウムアルミニウム層、１１：窒化ガリウムアルミニウム層、１２：窒化ガリウム層

Claims (3)

1. 窒化物半導体層上に電極を形成する窒化物半導体装置の製造方法において、
   少なくともシリコンを含む反応性エッチングガスを用いて、前記窒化物半導体層の表面をプラズマエッチングする工程と、
   前記窒化物半導体層表面のエッチング領域を、不活性ガスのプラズマに曝す工程と、
   前記エッチング領域を、酸系あるいはアルカリ系の処理液で清浄化する工程と、
   清浄化された前記エッチング領域表面に、前記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。
2. 請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
   前記プラズマエッチングする工程は、前記エッチング領域表面に、シリコンあるいは酸素を含む反応生成物を残存させる工程であり、前記清浄化する工程は、前記反応生成物を溶解除去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。
3. 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、
   窒化ガリウムを含む前記窒化物半導体層の表面を、四塩化硅素を含む前記反応性エッチングガスを用いてプラズマエッチングする工程と、
   該エッチング領域を、窒素プラズマに曝す工程と、
   該エッチング領域を、バッファードフッ酸を用いて清浄化する工程と、
   清浄化された前記エッチング領域表面に、前記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。

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