JP2017152513A

JP2017152513A - 半導体装置の製造方法およびエッチング方法

Info

Publication number: JP2017152513A
Application number: JP2016032740A
Authority: JP
Inventors: 酒井　隆行; Takayuki Sakai; 隆行酒井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2016-02-24
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2017-08-31

Abstract

【課題】半導体層表面の平坦性を向上できる半導体装置の製造方法およびエッチング方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１窒化物半導体層の上に設けられた第２窒化物半導体層の一部を除去することで、前記第１窒化物半導体層の一部の表面を露出させる工程と、前記表面に第１活性種を吸着させ、前記表面に第１反応生成物を形成する工程と、前記第１反応生成物が形成された前記表面に第２活性種を吸着させ、前記表面の一部に、前記第１反応生成物の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する第２反応生成物を形成する工程と、前記表面にイオンを照射し、前記第２反応生成物を除去する工程と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法およびエッチング方法に関する。

半導体装置の製造工程では、半導体層に対して種々の処理が行われる。処理後の半導体層表面の平坦性は、高いことが望ましい。

特公平８−２１５６９号公報

本発明が解決しようとする課題は、半導体層表面の平坦性を向上できる半導体装置の製造方法およびエッチング方法を提供することである。

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１窒化物半導体層の上に設けられた第２窒化物半導体層の一部を除去することで、前記第１窒化物半導体層の一部の表面を露出させる工程と、前記表面に第１活性種を吸着させ、前記表面に第１反応生成物を形成する工程と、前記第１反応生成物が形成された前記表面に第２活性種を吸着させ、前記表面の一部に、前記第１反応生成物の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する第２反応生成物を形成する工程と、前記表面にイオンを照射し、前記第２反応生成物を除去する工程と、を有する。

第１実施形態に係るエッチング方法を表す工程断面図である。第１実施形態に係るエッチング方法を表す工程断面図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いて製造される半導体装置の断面図である。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既に説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１実施形態）
図１および図２を参照しつつ、第１実施形態に係るエッチング方法について説明する。
図１および図２は、第１実施形態に係るエッチング方法を表す工程断面図である。

本実施形態に係るエッチング方法は、図１（ａ）に表すように、表面にラフネスを有する半導体層Ｓに対して適用される。半導体層Ｓは、半導体材料として、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムを含む。半導体層Ｓは、不図示の基板の上に設けられている。あるいは、半導体層Ｓが基板として用いられるものであってもよい。

まず、半導体層Ｓが、減圧された処理容器内に配される。続いて、処理容器内に第１元素を含む第１ガスを導入し、第１ガスのプラズマを形成する。第１ガスのプラズマを形成することで、第１元素を含む第１活性種が生成され、この第１活性種が半導体層Ｓの表面に吸着する。半導体層Ｓの表面の原子はこの活性種と反応し、図１（ｂ）に表すように、半導体材料と第１元素との化合物を含む第１反応生成物１が形成される。このとき、第１反応生成物１は、半導体層Ｓの表面に沿って形成される。

次に、処理容器内に第２元素を含む第２ガスを導入し、第２ガスのプラズマを形成する。第２ガスのプラズマを形成することで、第２元素を含む第２活性種が生成される。第２活性種が、第１反応生成物１が形成された半導体層Ｓの表面に吸着すると、一部の第１元素が第２元素に置換され、図２（ａ）に表すように、半導体材料と第２元素との化合物を含む第２反応生成物２が形成される。このとき、第２反応生成物２は、半導体層Ｓの表面の凹凸のうち、主に凸部に形成される。

これは、凸部の上に吸着した第１元素の周りにおける半導体材料の密度が、凹部の底に吸着した第１元素の周りにおける半導体材料の密度よりも低く、凸部に形成された第１反応生成物１の半導体材料と第１元素との結合エネルギーが、凹部の底に形成された第１反応生成物１の半導体材料と第１元素との結合エネルギーよりも低いためである。すなわち、凸部に形成された第１反応生成物１の半導体材料と第１元素との結合エネルギーが相対的に低いため、凸部では第１元素が第２元素に置換されやすく、第２反応生成物２が形成されやすい。

第１元素および第２元素は、第２反応生成物２の蒸気圧が、第１反応生成物１の蒸気圧よりも高くなるように、選択される。例えば、第１元素は、フッ素、水素、酸素、または臭素である。第２元素は、塩素である。

次に、１８族元素を含む不活性ガスを処理容器内に導入し、不活性ガスのプラズマを形成する。希ガスイオンが半導体層Ｓの表面に照射されることで、半導体層Ｓの表面に形成された反応生成物が除去される。このとき、第２反応生成物２の蒸気圧は、第１反応生成物１の蒸気圧よりも高いため、図２（ｂ）に表すように、主に第２反応生成物２が除去される。
以上の工程により、半導体層Ｓ表面のエッチングが行われる。

なお、図２（ｂ）の後に、ウェットエッチングを行い、半導体層Ｓの表面に形成された第２反応生成物２を除去しても良い。ウェットエッチングを行う際の薬液としては、塩酸を用いることができる。
また、図２（ｂ）に表す工程の後に、繰り返し図１（ｂ）〜図２（ｂ）に表す工程を実行してもよい。

次に、本実施形態による効果について説明する。
本実施形態に係るエッチング方法では、半導体層Ｓ表面の凸部に第２反応生成物２を形成し、半導体層Ｓ表面にイオンを照射することで第２反応生成物２を除去している。このため、本実施形態によれば、半導体層Ｓ表面のラフネスを原子層レベルで低減し、半導体層Ｓ表面の平坦性を向上させることができる。
また、図１（ｂ）〜図２（ｂ）に表す工程を繰り返し実行することで、半導体層Ｓ表面の平坦性をさらに向上させることが可能である。

さらに、図１（ｂ）および図２（ａ）に表す工程において、以下の条件の少なくともいずれかを適用することで、第２反応生成物２が、より半導体層Ｓ表面の凸部にのみ形成されやすくなる。第２反応生成物２が、半導体層Ｓ表面の凸部にのみ形成されやすくなることで、半導体層Ｓ表面のラフネスを効果的に低減することができる。

１つ目の条件は、第２ガスのプラズマを形成する際の処理容器内に導入する第２ガスの流量を、第１ガスのプラズマを形成する際の処理容器内における第１ガスの流量よりも低くすることである。
２つ目の条件は、第２ガスのプラズマを形成する際の処理容器内における第２ガスの圧力を、第１ガスのプラズマを形成する際の処理容器内における第１ガスの圧力よりも低くすることである。
３つ目の条件は、第２ガスのプラズマを形成するための投入電力を、第１ガスのプラズマを形成するための投入電力よりも小さくすることである。

これらの条件によれば、第２反応生成物２を形成する際の第２活性種の密度を、第１反応生成物１を形成する際の第１活性種の密度よりも小さくすることができる。第２活性種の密度を相対的に小さくすることで、第２活性種が、第１活性種に比べて、半導体層Ｓ表面の凹部の底に届きにくくなる。このため、凹部の底における第２反応生成物２の形成が抑制され、第２反応生成物２が凸部にのみ形成されやすくなる。

なお、ここでは、半導体層Ｓが、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムを含む場合について説明したが、本実施形態に係るエッチング方法は、半導体層Ｓが他の半導体材料を含む場合にも適用することができる。例えば、半導体層Ｓは、半導体材料としてシリコンを含んでいてもよい。この場合、第１元素として、窒素、水素、酸素、または臭素を用いることができ、第２元素として、塩素を用いることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態では、第１実施形態に係るエッチング方法を、半導体装置の製造に適用している。

まず、本実施形態を用いて製造される半導体装置の一例について、図３を用いて説明する。
図３は、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いて製造される半導体装置１００の断面図である。

半導体装置１００は、例えば、ノーマリーオフ型の高電子移動度トランジスタである。
図３に表すように、半導体装置１００は、基板１０、バッファ層１２、チャネル層１４、バリア層１６、ソース電極１８、ドレイン電極２０、キャップ層２４、および、ゲート電極２６を備える。

バッファ層１２は、基板１０の上に設けられる。バッファ層１２は、基板１０とチャネル層１４との間の格子不整合を緩和するために設けられる。
チャネル層１４は、バッファ層１２の上に設けられる。
バリア層１６は、チャネル層１４の上に設けられる。バリア層１６のバンドギャップは、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きい。
チャネル層１４とバリア層１６との間は、ヘテロ接合界面である。半導体装置１００のオン動作時は、ヘテロ接合界面に二次元電子ガスが形成される。

ソース電極１８とドレイン電極２０は、バリア層１６の上に互いに離間して設けられる。ソース電極１８およびドレイン電極２０は、バリア層１６にオーミック接触している。
キャップ層２４は、バリア層１６の上であって、ソース電極１８とドレイン電極２０との間に設けられる。キャップ層２４は、チャネル層１４のポテンシャル障壁を高め、半導体装置１００の閾値を上昇させる。
ゲート電極２６は、キャップ層２４の上に設けられる。ゲート電極２６は、キャップ層２４にオーミック接触している。

ここで、半導体装置１００が有する各構成要素の材料の一例について説明する。
基板１０は、シリコン、炭化珪素、またはサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む。
バッファ層１２は、複数の窒化アルミニウムガリウム層（Ａｌ_ＷＧａ_１−ＷＮ（０＜Ｗ＜１））が積層された構造を有する。
チャネル層１４は、アンドープのＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ＜１）を含む。
バリア層１６は、アンドープのＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ（０＜Ｙ≦１、Ｘ＜Ｙ）を含む。
ソース電極１８とドレイン電極２０は、アルミニウムなどの金属を含む。
キャップ層２４は、ｐ形のＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ（０≦Ｚ＜１）、例えばｐ型ＧａＮ、を含む。
キャップ層２４に含まれるｐ形不純物としては、マグネシウムが用いられる。
ゲート電極２６は、白金と金の積層構造を有する。
なお、ここでは、アンドープとは、不純物が意図的に導入されていないことを意味している。

次に、図４を用いて、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
図４は、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を表す工程断面図である。

まず、基板１０の上に、上述した材料を順次エピタキシャル成長させることで、バッファ層１２、チャネル層１４、およびバリア層１６（第１窒化物半導体層）を形成する。次に、ｐ形不純物を含むガスを導入しながら、窒化ガリウムをエピタキシャル成長させることで、バリア層１６の上にキャップ層２４（第２窒化物半導体層）を形成する。続いて、図４（ａ）に表すように、キャップ層２４の上に、パターニングされたレジストマスクＭを形成する。

次に、図４（ｂ）に表すように、レジストマスクＭをマスクとして用いて、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)法により、キャップ層２４をパターニングする。この工程により、バリア層１６の表面が露出する。

このとき、バリア層１６の表面は、キャップ層２４をエッチングした際のダメージにより、ラフネスが増加する。ここで、バリア層１６の表面に対して、第１実施形態に係るエッチング方法を適用することで、バリア層１６の表面の平坦性を向上させる。
すなわち、まず、基板１０が配された空間に第１ガスを導入して第１活性種を生成する。バリア層１６の表面に、第１活性種を吸着させることで、第１反応生成物を形成する。続いて、第２ガスを導入して第２活性種を生成し、バリア層１６の表面に第２活性種を吸着させることで、第１反応生成物の一部を第２反応生成物に置換する。その後、バリア層１６の表面にイオンを照射することで、第２反応生成物を除去する。

次に、バリア層１６およびキャップ層２４を覆う金属層を形成し、この金属層をパターニングすることで、ソース電極１８およびドレイン電極２０を形成する。続いて、ソース電極１８、ドレイン電極２０、およびキャップ層２４を覆う不図示の絶縁層を形成し、キャップ層２４の表面が露出するまで、この絶縁層を研磨する。その後、キャップ層２４を覆う金属層を形成し、この金属層をパターニングすることで、ゲート電極２６を形成する。
以上の工程により、図３に表す半導体装置１００が得られる。

本実施形態を用いることで、表面の平坦性が高いバリア層１６を有する半導体装置１００を製造することができる。バリア層１６表面の平坦性を向上させることで、半導体装置ごとのバリア層１６におけるシート抵抗のばらつきを低減することが可能となる。

なお、ここでは、高電子移動度トランジスタの製造方法に第１実施形態に係るエッチング方法を適用する場合について説明したが、該エッチング方法は、他の半導体装置の製造方法にも適用することが可能である。

以上で説明した各実施形態における、各半導体領域の間の不純物濃度の相対的な高低については、例えば、ＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡）を用いて確認することが可能である。なお、各半導体領域におけるキャリア濃度は、各半導体領域において活性化している不純物濃度と等しいものとみなすことができる。従って、各半導体領域の間のキャリア濃度の相対的な高低についても、ＳＣＭを用いて確認することができる。
また、各構成要素に含まれる元素およびその含有量については、例えば、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）により測定することが可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Ｓ…半導体層、１…第１反応生成物、２…第２反応生成物、１０…基板、１２…バッファ層、１４…チャネル層、１６…バリア層、１８…ソース電極、２０…ドレイン電極、２４…キャップ層、２６…ゲート電極、１００…半導体装置

Claims

第１窒化物半導体層の上に設けられた第２窒化物半導体層の一部を除去することで、前記第１窒化物半導体層の一部の表面を露出させる工程と、
前記表面に第１活性種を吸着させ、前記表面に第１反応生成物を形成する工程と、
前記第１反応生成物が形成された前記表面に第２活性種を吸着させ、前記表面の一部に、前記第１反応生成物の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する第２反応生成物を形成する工程と、
前記表面にイオンを照射し、前記第２反応生成物を除去する工程と、
を備えた半導体装置の製造方法。
半導体層の表面に第１活性種を吸着させ、前記表面に第１反応生成物を形成する工程と、
前記第１反応生成物が形成された前記表面に第２活性種を吸着させ、前記表面の一部に、前記第１反応生成物の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する第２反応生成物を形成する工程と、
前記表面にイオンを照射し、前記第２反応生成物を除去する工程と、
を備えたエッチング方法。
前記半導体層は、半導体材料として、窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムを含み、
前記第１反応生成物は、前記半導体材料と、フッ素、水素、酸素、および臭素の少なくともいずれかと、の化合物であり、
前記第２反応生成物は、前記半導体材料と塩素との化合物である請求項２記載のエッチング方法。
前記半導体層はシリコンを含み、
前記第１反応生成物は、シリコンと、窒素、水素、酸素、および臭素の少なくともいずれかと、を含み、
前記第２反応生成物は、シリコンと塩素とを含む請求項２記載のエッチング方法。
前記第２反応生成物を除去した後に、ウェットエッチングにより、前記表面の他の一部に残った前記第１反応生成物を除去する工程をさらに備えた請求項２〜４のいずれか１つに記載のエッチング方法。