JP2015076506A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化ガリウム基板にその表面処理によるダメージを残すことなく、基板と電極との接触抵抗を低減することができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】窒化ガリウムからなる基板５と、基板５にオーミック接触する電極７とを有する半導体装置の製造方法であって、基板５がガリウム極性面と、ガリウム極性面に対向する窒素極性面を有しており、窒素極性面に対して塩酸を用いたウェットエッチングを行う工程と、ウェットエッチングを行った窒素極性面に、電極７となる金属を積層する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。

従来、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた発光ダイオード等の素子が提案されている。このような素子では、窒化ガリウム基板と電極とをオーミック接触させる必要がある。窒化ガリウム基板と電極との接触抵抗を低減する方法として、半導体基板の表面処理（表面加工）を行う方法が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

特許文献１では、サファイア基板上に成長した窒化ガリウムからなるエピタキシャル成長層の表面に誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）−反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって塩素（Ｃｌ_２）プラズマ処理を行った後、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック電極を堆積する。この際、Ｃｌ_２プラズマ処理によって窒化ガリウム基板の表面に窒素空孔が生じ、窒素空孔に起因した表面準位によってオーミック電極と窒化ガリウム基板との接触抵抗が低減する。

また、特許文献２では、窒化ガリウム基板を用いた縦方向発光ダイオードで裏面のオーミック接触を得るためにＡｌ層を含む電極を窒化ガリウム基板の裏面に形成している。また、その電極を形成する前に、塩酸によって酸化ガリウム膜を除去している。

米国特許第７２１４３２５号 特開２０１１−４０６６７号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、ドライエッチングを用いて窒化ガリウム基板の表面処理を行っているため、エッチングダメージが残る可能性がある。また、特許文献２では、塩酸処理によってダメージ無く窒化ガリウム基板の酸化ガリウム膜を除去できるものの、基板の研磨等で生じるダメージを受けた窒化ガリウム層を改善できる構造にはなっていない。

このように、窒化ガリウム基板と電極との接触抵抗を低減するために、基板の電極と接触させる表面に対して表面処理を行う技術が提案されているが、表面処理を実施することで発生する基板のダメージにより接触抵抗が増大することが問題となる。

上記問題点を鑑み、本発明は、窒化ガリウム基板にその表面処理によるダメージを残すことなく、基板と電極との接触抵抗を低減することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様としては、窒化ガリウム基板のＮ極性面を塩酸でウェットエッチングを行った後で、ウェットエッチングを行ったＮ極性面にオーミック接触するように電極を形成することを要旨とする。

本発明によれば、窒化ガリウム基板にその表面処理によるダメージを残すことなく、基板と電極との接触抵抗を低減することができる半導体装置及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る基体の裏面を示す拡大図である。 図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の動作（逆方向電圧印加時）を示す断面図である。図３（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の動作（順方向電圧印加時）を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図４に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図５に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図６に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図７に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図８に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図９に引き続く工程断面図である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の図１０に引き続く工程断面図である。 比較例に係る半導体装置の製造方法におけるフッ酸処理後のｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体のＮ極性面の光学顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法における高温塩酸処理後のｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体のＮ極性面の光学顕微鏡写真である。 本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法における高温塩酸処理後のｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体のＮ極性面の走査型電子顕微鏡像である。 本発明の実施の形態に係るカソード電極におけるアニール温度と接触抵抗の関係を示したグラフである。 本発明の実施の形態に係るカソード電極堆積前の高温塩酸洗浄における塩酸濃度と接触抵抗の関係を示したグラフである。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。また、本発明の実施の形態において、「第１導電型」と「第２導電型」とは互いに反対導電型である。即ち、第１導電型がｎ型であれば、第２導電型はｐ型であり、第１導電型がｐ型であれば、第２導電型はｎ型である。以下の説明では第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合を説明するが、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型でもあっても良い。ｎ型とｐ型を入れ替える場合には、印加電圧の極性も逆転する。また、本発明の実施の形態において、「＋」、「−」の記号は導入される不純物の相対的な高密度、低密度を示している。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の一例としてダイオードを説明する。本発明の実施の形態に係る半導体装置は、図１に示すように、ｎ^＋型の窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる基体１と、基体１の表面上に形成され、基体１よりも低不純物濃度のｎ⁻型の窒化ガリウムからなるドリフト領域２とを備える。基体１とドリフト領域２とにより窒化ガリウムウェハ（窒化ガリウム基板）５が形成されている。

基体１の裏面６ａには、基体１とオーミック接触するカソード電極７が形成されている。カソード電極７の材料としては、チタン（Ｔｉ）やアルミニウム（Ａｌ）等が使用可能である。また、カソード電極７は、Ｔｉ、Ａｌの順で積層された積層構造（Ｔｉ／Ａｌ）であってもよい。一方、ドリフト領域２の主面６ｂ側にはｐ型の電界緩和領域４が形成されている。ドリフト領域２の主面６ｂ上には表面保護絶縁膜８が形成されている。表面保護絶縁膜８はドリフト領域２及び電界緩和領域４の一部を露出する開口部を有し、この開口部を覆うようにアノード電極９が形成されている。アノード電極９としては、ドリフト領域２とヘテロ接合を形成する多結晶シリコンにｐ型不純物を添加した電極が望ましい。或いは、アノード電極９として、ドリフト領域２とショットキー接合を形成するニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属材料が望ましい。

ここで、窒化ガリウムは化合物半導体であり、２種類の元素から構成されているため、その結晶構造において極性を持つ結晶面が存在する。窒化ガリウムの｛０００１｝面は、極性面であり、ガリウム（Ｇａ）原子のみから構成される（０００１）Ｇａ極性面（以下、「Ｇａ極性面」という。）と、窒素（Ｎ）原子のみから構成される（０００−１）Ｎ極性面（以下、「Ｎ極性面」という。）とが対向して形成される。

本発明の実施の形態において、窒化ガリウム基板５の最表面であるドリフト領域２の主面６ｂは、Ｇａ極性面である。一方、窒化ガリウム基板５の最表面であり、ドリフト領域２の主面６ｂと対向する基体１の裏面６ａは、Ｎ極性面に対して塩酸によるウェットエッチングが行われ、酸化ガリウム膜及び窒化ガリウム層が除去されて生じた清浄な窒化ガリウム面である。基体１の裏面（窒化ガリウム面）６ａは、図２に示すように、Ｎ極性面が塩酸によりウェットエッチングされた平坦な面６１と、Ｎ極性面よりもエッチング速度の遅い結晶面（半極性面である（１１−２２）面等）が残存して形成された六方晶状の凸部６２とを有し、この平坦な面６１と凸部６２とにより凹凸が形成されている。六方晶状の凸部６２のサイズや密度は、基体１の種類やエッチング深さ等によりそれぞれ変化する。

次に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の基本的な動作について、図３（ａ）及び図３（ｂ）を用いて説明する。

まず、図３（ａ）を用いて逆方向電圧特性を説明する。アノード電極９を基準としてカソード電極７に正の電圧を印加すると、ドリフト領域２とアノード電極９の間の障壁に阻まれ、アノード電極９側の電子はカソード電極７側に移動しない。このため通常は電流が流れず、アノード電極９から空乏層１０がカソード電極７側に広がる。

次に、図３（ｂ）を用いて順方向電圧特性を説明する。アノード電極９を基準としてカソード電極７に負の電圧を印加すると、ドリフト領域２側の電子がアノード電極９側に移動し、アノード電極９からカソード電極７へ、矢印で示す順方向電流１１が流れる。この時、カソード電極７と基体１との間の接触抵抗が低いほど、規定の順方向電流１１を流す際の電圧降下が低くなり、ダイオード動作をさせた際の損失が小さくなる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置によれば、基体１の裏面６ａが清浄な窒化ガリウム面となっているため、カソード電極７との接触抵抗を低減することができ、ダイオード動作をさせた際の損失を小さくすることができる。更に、基体１の裏面６ａにおいて、平坦な面６１と六方晶状の凸部６２とにより凹凸が形成されていることにより、基体１の裏面６ａとカソード電極７とのオーミック接触面積が増加し、接触抵抗をより低減することができる。

次に、図４〜図１１を用いて、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を説明する。

（イ）まず、図４に示すように、ｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体１上に、ｎ⁻型の窒化ガリウムからなるドリフト領域２をｃ軸方向にエピタキシャル成長させ、基体１とドリフト領域２とからなる窒化ガリウムウェハ（窒化ガリウム基板）５を形成する。ここで、窒化ガリウム基板５において、最表面である基体１の裏面６ｃがＮ極性面となり、Ｎ極性面と対向する最表面であるドリフト領域２の主面６ｂがＧａ極性面となる。

（ロ）次に、図５に示すように、化学気相成長（ＣＶＤ）法等により、ドリフト領域２上に酸化膜からなるマスク材３を形成する。マスク材３上にレジストを塗布して、一般的なフォトリソグラフィ技術によりレジストをパターニングする。パターニングされたレジストをマスクとして用いて、エッチングによりマスク材３の一部を選択的に除去する。エッチング方法としては、フッ酸を用いたウェットエッチングや、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング等を用いることができる。その後、酸素プラズマや硫酸等でレジストを除去する。

（ハ）次に、図６に示すように、マスク材３をマスクとして用いて、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）等のｐ型不純物をイオン注入する。イオン注入後、フッ酸等のウェットエッチングでマスク材３を除去する。その後、１０００℃以上の高温でアニール処理を行うことによりｐ型不純物を活性化させ、電界緩和領域４を形成する。なお、必要に応じて、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）等により基体１の裏面６ｃの研磨（ポリッシング）や研削（バックグラインディング）が行われる。

（ニ）次に、窒化ガリウム基板５の表面に対して塩酸によるウェットエッチングを行う。ウェットエッチングに用いる塩酸は、常温であってもよく、８０℃〜１００℃程度に加熱してもよい。この時、上述したように、窒化ガリウム基板５の最表面である基体１の裏面６ｃはＮ極性となっており、ドリフト領域２の主面６ｂはＧａ極性となっている。この塩酸によるウェットエッチングによって、まずドリフト領域２のＧａ極性面である主面６ｂの表面酸化膜と、基体１のＮ極性面である裏面６ｃの酸化ガリウム膜（酸化膜）とが、それぞれ同時に除去される。これと同時に、ドリフト領域２の主面６ｂの窒化ガリウム面はＧａ極性面であるためウェットエッチングされないが、基体１の裏面６ｃの窒化ガリウム面はＮ極性面であるため、窒化ガリウム層が選択的に除去される。この結果、図７に示すように、窒化ガリウム層が除去された基体１の裏面６ａは、清浄な窒化ガリウム面となる。また窒化ガリウム面６ａにおいては、図２に示すようにＮ極性面よりもエッチング速度の遅い結晶面（（１１−２２）面等）が残存して、六方晶状の凸部６２が形成される。

（ホ）次に、図８に示すように、蒸着法又はスパッタ法等により基体１の裏面６ａにカソード電極７を形成する。カソード電極７の電極材料としては、窒化ガリウムに対してオーミック接触するチタン（Ｔｉ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属材料が用いられる。カソード電極７の堆積後、窒素雰囲気中で例えば８００℃以下でＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）等の熱処理が施される。

（ヘ）次に、図９に示すように、ＣＶＤ法等によりドリフト領域２の主面６ｂに酸化膜等からなる表面保護絶縁膜８を成長させる。表面保護絶縁膜８上にレジストを塗布して、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストをパターニングする。パターニングされたレジストをマスクとして用いてエッチングを行い、表面保護絶縁膜８の一部を選択的に除去した後、レジストを除去する。この結果、図１０に示すように、アノード電極を形成するための領域が開口される。

（ト）次に、図１１に示すように、ドリフト領域２に電気的に接触するようにアノード電極９を堆積し、パターニングする。アノード電極９としては、ドリフト領域２とヘテロ接合を形成する多結晶シリコンにｐ型不純物を添加したものや、ドリフト領域２とショットキー接合を形成するニッケル（Ｎｉ）や金（Ａｕ）等の金属材料が用いられる。堆積法としては蒸着法やスパッタ法等がある。パターニング法としてはリフトオフが好適であるが、ドライエッチング法やウェットエッチング法を用いても構わない。以上の工程を経て、図１に示した半導体装置が完成する。

次に、ｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体に対してフッ酸のみで洗浄を行った比較例としてのサンプルＡ、同様の基体に対して１００℃の６０％塩酸によって洗浄を行った本発明の実施例のサンプルＢ、同様の基体に対して１００℃の１００％塩酸によって洗浄を行った本発明の実施例のサンプルＣを作製した。図１２〜図１４に、サンプルＡのＮ極性面の光学顕微鏡像と、サンプルＢのＮ極性面の光学顕微鏡像と、サンプルＣの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とをそれぞれ示す。

図１２に示すように、フッ酸のみで洗浄を行ったサンプルＡの表面が平坦であるのに対して、図１３に示すように、１００℃の塩酸で洗浄を行ったサンプルＢには表面に凹凸が形成されているのが分かる。また、図１４のサンプルＣのＳＥＭ像を見ると、塩酸を用いたウェットエッチングによって生じた凹凸は、窒化ガリウムのウェットエッチング速度の遅い（１１−２２）面を反映した六方晶状であることが分かる。

図１５に、サンプルＡとサンプルＢのＮ極性面に、それぞれの洗浄工程の後にチタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）の積層構造からなるカソード電極を堆積し、その後に窒素雰囲気中でアニール処理を行った際の、接触抵抗のアニール温度依存性グラフを示す。

図１５から、フッ酸のみで洗浄を行ったサンプルＡと比べて、１００℃の塩酸でウェットエッチングを行ったサンプルＢの方が、アニール温度５００〜７００℃において大きく接触抵抗が低減している。また、８００℃までアニール温度を上げると、接触抵抗が大きく上がっていることが分かる。

図１６に、ｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体を１００℃の塩酸で洗浄した後にカソード電極を堆積した際の、接触抵抗の塩酸濃度依存性を示す。塩酸濃度６０％未満では、塩酸濃度の上昇とともに接触抵抗は減少する傾向にあることが分かる。また、６０％〜１００％では接触抵抗は飽和しており、塩酸濃度６０％〜１００％の範囲で最も接触抵抗が低くなっていることが分かる。

本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ｎ^＋型の窒化ガリウムからなる基体１のＮ極性面である裏面６ｃにカソード電極７を堆積する工程の前に、カソード電極７と接触させる基体１の裏面６ｃに、塩酸によるウェットエッチングを行う。これにより、基体１の裏面６ｃの酸化ガリウム膜を除去すると同時に裏面研磨等によって生じたダメージを受けた窒化ガリウム層を除去することができ、清浄な窒化ガリウム面６ａを形成することができる。そして、窒化ガリウム面６ａにカソード電極７を堆積することで、清浄な窒化ガリウムとカソード電極の界面を形成することが可能となる。

更に、基体１のＮ極性面を塩酸でウェットエッチングすることにより、Ｎ極性面がエッチングされた平坦な面６１に、Ｎ極性面よりもエッチング速度の遅い結晶面（（１１−２２）面等）が残存し、六方晶状の凸部６２が形成される。この凹凸によって、基体１とカソード電極７とのオーミック接触面積が増加し、単位面積当たりの接触抵抗をより低減することができる。

また、基体１のＮ極性面に対して塩酸によるウェットエッチングを行うときに、塩酸の濃度を６０％以上とすることにより、塩酸の濃度が６０％未満の場合と比較して接触抵抗をより低減することができる。

また、基体１のＮ極性面に対して塩酸によるウェットエッチングを行うときに、加熱された塩酸を用いることにより、フッ酸のみで洗浄を行った場合と比較して接触抵抗をより低減することができる。

また、基体１のＮ極性面に対して塩酸によるウェットエッチングを行うことにより生じた窒化ガリウム面６ａにカソード電極７を堆積した後に、７００℃以下で熱処理を行うことにより、フッ酸のみで洗浄を行った場合と比較して接触抵抗をより低減することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の実施の形態において、半導体装置の一例としてダイオードを説明したが、本発明の実施の形態に係る半導体装置は、発光ダイオード等の窒化ガリウム基板と電極とをオーミック接触させる構造を有する種々の半導体装置にも適用できるのは勿論である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…基体
２…ドリフト領域
３…マスク材
４…電界緩和領域
５…窒化ガリウムウェハ（窒化ガリウム基板）
６ａ…裏面（窒化ガリウム面）
６ｂ…主面
６ｃ…裏面
７…カソード電極
８…表面保護絶縁膜
９…アノード電極
１０…空乏層
１１…順方向電流
６１…平坦な面
６２…凸部

Claims (7)

1. 窒化ガリウムからなる基板と、前記基板にオーミック接触する電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
   前記基板がガリウム極性面と、前記ガリウム極性面に対向する窒素極性面とを有しており、前記窒素極性面に対して塩酸を用いたウェットエッチングを行う工程と、
   前記ウェットエッチングを行った窒素極性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半導体装置の製造方法。
2. 前記ウェットエッチングを行う工程は、前記基板の窒素極性面の酸化膜と、前記基板のガリウム極性面の表面酸化膜とを同時に除去することを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記ウェットエッチングで用いる塩酸の濃度が６０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記ウェットエッチングで用いる塩酸が加熱されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記電極を形成する工程の後に、７００℃以下で熱処理を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記電極がＴｉ/Ａｌであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. ガリウム極性面と、前記ガリウム極性面と対向し、窒素極性面に対して塩酸を用いたエッチングが行われた窒化ガリウム面とを有する窒化ガリウムからなる基板と、
   前記窒化ガリウム面にオーミック接触する電極
   とを備え、
   前記窒化ガリウム面において、前記窒素極性面が塩酸を用いたウェットエッチングにより除去された平坦な面と、前記窒素極性面よりもエッチング速度が遅い結晶面が残存して形成された六方晶状の凸部とにより凹凸が形成されていることを特徴とする半導体装置。