JP2021077818A - 半導体装置、および、構造体の製造方法 - Google Patents

半導体装置、および、構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＩＩＩ族窒化物を用いて形成された半導体装置（ＨＥＭＴ）における凹部を、ＰＥＣエッチングにより形成するための好適な技術を提供する。【解決手段】半導体装置は、基板と、基板上に形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層と、ＩＩＩ族窒化物層に形成された凹部と、を有し、ＩＩＩ族窒化物層は、チャネル層と、チャネル層上に形成され、前記チャネル層に２次元電子ガスを形成する障壁層と、を有し、障壁層は、窒化アルミニウムガリウムで構成された第１層と、第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層と、を有し、凹部は、第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、凹部の下方に、第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置、および、構造体の製造方法、に関する。
ＩＩＩ族窒化物は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の半導体装置を製造するための材料として用いられている。ＩＩＩ族窒化物を用いたＨＥＭＴをノーマリーオフ化するための技術として、ゲート電極が形成される領域に凹部（ゲートリセス）を形成する技術が提案されている。
ＩＩＩ族窒化物をエッチングする新たな技術として、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングが提案されている（例えば非特許文献１参照）。ＰＥＣエッチングは、一般的なドライエッチングと比べてダメージが少ないウェットエッチングであり、また、中性粒子ビームエッチング（例えば非特許文献２参照）、アトミックレイヤーエッチング（例えば非特許文献３参照）等のダメージの少ない特殊なドライエッチングと比べて装置が簡便である点で好ましい。
J. Murata et al., "Photo-electrochemical etching of free-standing GaN wafer surfaces grown by hydride vapor phase epitaxy", Electrochimica Acta 171 (2015) 89-95 S. Samukawa, JJAP, 45(2006)2395. T. Faraz, ECS J. Solid Stat. Scie.&Technol., 4, N5023 (2015).
本発明の一目的は、ＩＩＩ族窒化物を用いて形成された半導体装置（ＨＥＭＴ）における凹部（ゲートリセス）を、ＰＥＣエッチングにより形成するための好適な技術を提供することである。
本発明の一態様によれば、
基板と、
前記基板上に形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層と、
前記ＩＩＩ族窒化物層に形成された凹部と、
を有し、
前記ＩＩＩ族窒化物層は、
チャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、前記チャネル層に２次元電子ガスを形成する障壁層と、
を有し、
前記障壁層は、
窒化アルミニウムガリウムで構成された第１層と、
前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、半導体装置
が提供される。
本発明の他の態様によれば、
窒化アルミニウムガリウムで構成された第１層、および、前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層、を含む積層構造と、
前記積層構造に形成された凹部と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、構造体、の製造方法であって、
前記第１層をエッチングストッパとする光電気化学エッチングにより、前記第２層をエッチングすることで、前記凹部を形成する、構造体の製造方法
が提供される。
ＩＩＩ族窒化物を用いて形成された半導体装置（ＨＥＭＴ）における凹部（ゲートリセス）を、ＰＥＣエッチングにより形成するための好適な技術が提供される。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態によるＨＥＭＴを例示する概略断面図であり、図１（ｂ）は、一実施形態のＨＥＭＴの材料として用いられるウエハを例示する概略断面図である。 図２（ａ）は、一実施形態によるエッチング対象物を例示する概略断面図であり、図２（ｂ）は、ＰＥＣエッチング工程を例示する、ＰＥＣエッチング装置の概略断面図である。 図３（ａ）は、ＰＥＣエッチング工程が終了した状態を示す、一実施形態によるエッチング対象物を例示する概略断面図であり、図３（ｂ）は、平坦化エッチング工程を例示する、平坦化エッチング装置の概略断面図である。 図４は、平坦化エッチング工程が終了した状態を示す、一実施形態によるエッチング対象物を例示する概略断面図である。 図５（ａ）は、実験例におけるＰＥＣエッチングのエッチング時間とエッチング深さとの関係を示すグラフであり、図５（ｂ）は、実験例におけるエピ層表面のＡＦＭ像である。 図６（ａ）は、実験例における未平坦化底面のＡＦＭ像であり、図６（ｂ）は、実験例における平坦化底面のＡＦＭ像である。 図７は、実験例による凹部が形成されたエピ層を、ＴＥＭで観察した断面像である。 図８は、障壁層近傍におけるＡｌ組成およびｎ型不純物濃度（Ｓｉ濃度）のＳＩＭＳプロファイルの一例である。
＜実施形態＞
本発明の一実施形態による半導体装置２００について説明する。半導体装置２００は、具体的には、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。半導体装置２００を、ＨＥＭＴ２００ともいう。以下説明するように、本実施形態によるＨＥＭＴ２００は、ゲート電極２１２の配置される凹部（ゲートリセス）１１０として、光電気化学（ＰＥＣ）エッチングにより形成された凹部１１０を有することを、１つの特徴とする。
まず、ＨＥＭＴ２００、および、ＨＥＭＴ２００の材料として用いられるＩＩＩ族窒化物積層基板１００（以下、ウエハ１００ともいう）の構造について説明する。図１（ａ）は、ＨＥＭＴ２００を例示する概略断面図であり、図１（ｂ）は、ウエハ１００を例示する概略断面図である。なお、図１（ａ）は、ウエハ１００の面内に多数形成されたＨＥＭＴ２００の１つ分を、例示している。
ウエハ１００は、基板１０と、基板１０上にエピタキシャル成長されることで形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層６０（以下、エピ層６０ともいう）と、を有する。
基板１０としては、例えば、半絶縁性の炭化シリコン（ＳｉＣ）基板が用いられる。ここで、「半絶縁性」とは、例えば、比抵抗が１０５Ωｃｍ以上である状態をいう。なお、導電性基板上に厚膜の半絶縁性エピ層が形成されたもの（例えば、ｎ型導電性窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に、厚さ１０μｍの炭素（Ｃ）ドープ半絶縁性ＧａＮ層が形成されたもの）を、半絶縁性の基板１０としても良い。基板１０としては、ＳｉＣ基板に限らず、他の基板（サファイア基板、シリコン（Ｓｉ）基板、（半絶縁性の）ＧａＮ基板、等）が用いられてもよい。エピ層６０の積層構造は、基板１０の種類、得たいＨＥＭＴ２００の特性、等に応じ、適宜選択されてよい。
基板１０としてＳｉＣ基板を用いる際の、エピ層６０としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成された核生成層２０、窒化ガリウム（ＧａＮ）で構成された厚さチャネル層３０、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）で構成された障壁層４０、および、ＧａＮで構成されたキャップ層５０の積層構造が用いられる。なお、キャップ層５０は、省略されてもよい。
ＨＥＭＴ２００を構成するエピ層６０は、少なくとも、チャネル層３０と、チャネル層上に形成された障壁層４０と、を有する。障壁層４０は、チャネル層３０上に形成されることで、チャネル層３０の上面近傍に、ＨＥＭＴ２００のチャネルとなる２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。
本実施形態による障壁層４０は、ＡｌＧａＮで構成された下層４１と、下層４１上に（下層４１の直上に）形成され、ｎ型不純物が添加されたＡｌＧａＮで構成された上層４２と、を含む積層構造を有する。
下層４１は、非導電性の層として構成されており、好ましくは、不純物（特に、導電性不純物）が意図的には添加されていないｉ型のＡｌＧａＮで構成されている。以下、下層４１を、ｉ型層４１ともいう。下層４１は、少なくとも、上層４２と比べてｎ型不純物濃度が低いＡｌＧａＮで構成されている。ｉ型層４１の導電性を抑制するために、ｉ型層４１のｎ型不純物濃度は、５×１０１６／ｃｍ３未満であることが好ましく、１×１０１６／ｃｍ３未満であることがより好ましい。ここで、下層４１について「非導電性」とは、上層４２よりも低い導電性を有することを意味し、好ましくは、ｎ型不純物濃度が上述のように抑制されていることを意味する。
上層４２は、導電性の層として構成されており、好ましくは、ｎ型不純物が添加されることで導電性を有するｎ型のＡｌＧａＮで構成されている。以下、上層４２を、ｎ型層４２ともいう。ｎ型層４２の適切な導電性を得るために、ｎ型層４２のｎ型不純物濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上であることが好ましい。また、ｎ型層４２の結晶性低下を抑制するために、ｎ型層４２のｎ型不純物濃度は、１×１０１９／ｃｍ３未満であることが好ましい。
なお、ここで、ｉ型層４１のｎ型不純物濃度とは、例えば、ｉ型層４１における、シリコン（Ｓｉ）濃度とゲルマニウム（Ｇｅ）濃度とを合算した濃度として規定される。また、ｎ型層４２のｎ型不純物濃度とは、例えば、ｎ型層４２における、Ｓｉ濃度とＧｅ濃度とを合算した濃度として規定される。ｉ型層４１のｎ型不純物濃度は、例えば、ｉ型層４１の全厚さにおけるｎ型不純物濃度の平均濃度として規定される。また、ｎ型層４２のｎ型不純物濃度は、例えば、ｎ型層４２の全厚さにおける平均濃度として規定される。
ｉ型層４１を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるＡｌ組成ｘは、例えば０．１≦ｘ≦０．３であり、同様に、ｎ型層４２を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるＡｌ組成ｙは、例えば０．１≦ｘ≦０．３である。ｉ型層４１のＡｌ組成ｘと、ｎ型層４２のＡｌ組成ｙとは、ｉ型層４１とｎ型層４２との界面に不要な２ＤＥＧが形成されることを抑制する点等から、少なくともｉ型層４１とｎ型層４２との界面近傍において同等であることが好ましい。ｉ型層４１のＡｌ組成ｘと、ｎ型層４２のＡｌ組成ｙとが、少なくともｉ型層４１とｎ型層４２との界面近傍において同等とは、Ａｌ組成ｘとＡｌ組成ｙとの差が（当該差の絶対値が）、好ましくは０．０１以下であることをいう。なお、当該界面近傍における、ｉ型層４１のＡｌ組成ｘ、ｎ型層４２のＡｌ組成ｙは、例えば、それぞれ、当該界面から１ｎｍ分の厚さにおける平均Ａｌ組成として規定される。
障壁層４０の全体的な厚さ、すなわち、ｉ型層４１とｎ型層４２とを合わせた層の厚さは、２ＤＥＧが適切に高い濃度で形成されるように、例えば１０ｎｍ以上であることが好ましい。また、障壁層４０の全体的な厚さは、チャネル層３０上にヘテロエピタキシャル成長された障壁層４０の結晶性が悪化しないように、例えば１００ｎｍ以下であることが好ましい。
後述のように、凹部１１０の底面１１１は、ｉ型層４１の上面近傍に配置される。つまり、ｉ型層４１の厚さは、ゲートリセスである凹部１１０の下方の、障壁層４０の残し厚に概ね対応する。ｉ型層４１の厚さは、ＨＥＭＴ２００のノーマリーオフ化が図られるような薄さに適宜設定され、例えば１０ｎｍ以下であることが好ましい。また、ｉ型層４１の厚さは、凹部１１０の下方の、障壁層４０の残し厚が安定的に確保されるような厚さに適宜設定され、例えば２ｎｍ以上であることが好ましい。なお、ｉ型層４１の配置部分は、例えば２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）を用いて、例えば以下のように判定されてもよい。例えば、障壁層４０におけるバルクの（上下の界面近傍でない部分の）Ａｌ組成に対し、チャネル層３０側でＡｌ組成が半分になる位置が、ｉ型層４１とチャネル層（ＧａＮ層）３０との境界、つまりｉ型層４１の下端と判定されてよい。また、例えば、ｎ型層４２とｉ型層４１との界面近傍で、ｎ型層４２側から減少するｎ型不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３を下回る位置が、ｎ型層４２とｉ型層４１との界面（境界）、つまりｉ型層４１の上端と判定されてよい。図８に、障壁層４０近傍におけるＡｌ組成およびｎ型不純物濃度（ここではＳｉ濃度）のＳＩＭＳプロファイルの一例を示す。障壁層４０を「ＡｌＧａＮ」と示し、ｉ型層４１を「ｉ−ＡｌＧａＮ」と示し、ｎ型層４２を「ｎ−ＡｌＧａＮ」と示す。
ｎ型層４２の厚さは、ゲートリセスである凹部１１０の深さ、つまり、ソース電極２１１およびドレイン電極２１３の下方における障壁層４０の厚さと、ゲート電極２１２の下方における障壁層４０の厚さとの差、に概ね対応する。ｎ型層４２の厚さは、当該差が適切となる厚さに適宜設定され、例えば５ｎｍ以上であることが好ましい。また、ｎ型層４２の厚さは、障壁層４０の全体の厚さが、過度に厚くならないように（上述のように例えば１００ｎｍ以下となるように）適宜設定され、例えば９０ｎｍ以下であることが好ましい。
キャップ層５０は、導電性の層として構成されており、例えば、ｎ型不純物が添加されることで導電性を有するＧａＮで構成されている。キャップ層５０の厚さは、必要に応じて適宜設定され、例えば５ｎｍである。
障壁層４０およびキャップ層５０の積層構造において、ｉ型層４１は非導電性の層として構成され、ｎ型層４２およびキャップ層５０の積層部分は、導電性の層として構成されている。
本実施形態では、エピ層６０の表面６１が、エピ層６０を構成するＩＩＩ族窒化物のｃ面で構成されている態様が例示される。ここで「ｃ面で構成されている」とは、表面６１に対して最も近い低指数の結晶面が、エピ層６０を構成するＩＩＩ族窒化物結晶のｃ面であることを意味する。エピ層６０を構成するＩＩＩ族窒化物は転位（貫通転位）を有し、表面６１に、転位が所定の密度で分布している。
ＨＥＭＴ２００は、ウエハ１００のエピ層６０（少なくとも、ＨＥＭＴ２００において動作電流が流れる動作層となるチャネル層３０および障壁層４０）と、ソース電極２１１、ゲート電極２１２およびドレイン電極２１３と、を有する。また、本実施形態によるＨＥＭＴ２００は、エピ層６０に形成された、より具体的には障壁層４０に形成された、凹部１１０を有する。
凹部１１０は、エピ層６０の表面（上面）６１に形成されており、（エピ層６０がキャップ層５０を有する場合は、キャップ層５０の全厚さが除去されるとともに、）障壁層４０の一部の厚さが除去されることで、形成されている。凹部１１０は、ｎ型層（障壁層４０の上層）４２の厚さの全部または一部が除去されることで形成されており、凹部１１０の下方に、ｉ型層（障壁層４０の下層）４１の厚さの少なくとも一部が、配置されている。
詳細は後述するように、凹部１１０は、ＰＥＣエッチングにより障壁層４０をエッチングすることで形成される。当該ＰＥＣエッチングにおいて、ｉ型層４１をエッチングストッパとして、ｎ型層４２をエッチングすることで、底面１１１がｉ型層４１の上面近傍に配置された凹部１１０が形成される。図１（ａ）は、典型的な（理想的な）態様として、凹部１１０の底面１１１の深さ方向の位置がｉ型層４１の上面の位置と一致している態様を、つまり、ｎ型層４２の全厚さが除去されることで凹部１１０が形成されており、凹部１１０の下方に、ｉ型層４１の全厚さが配置されている態様を、例示している。
ゲート電極２１２は、凹部１１０の底面１１１上に形成されている。ソース電極２１１およびドレイン電極２１３は、エピ層６０の表面６１上に形成されている。ゲート電極２１２は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）層上に金（Ａｕ）層が積層されたＮｉ／Ａｕ層により形成される。ソース電極２１１およびドレイン電極２１３のそれぞれは、例えば、チタン（Ｔｉ）層上にＡｌ層が積層され、さらにＡｌ層上にＡｕ層が積層されたＴｉ／Ａｌ／Ａｕ層により形成される。
ＨＥＭＴ２００は、さらに、保護膜２２０と、素子分離領域２３０と、を有してよい。保護膜２２０は、ソース電極２１１、ゲート電極２１２およびドレイン電極２１３の上面上に開口を有するように、形成される。素子分離領域２３０は、隣接するＨＥＭＴ２００間（個々の素子間）を分離する。素子分離領域２３０として、例えば素子分離溝が形成され、素子分離溝は、その底面がチャネル層３０の上面よりも深い位置に配置されるように、つまり、隣接する素子間で、２ＤＥＧが素子分離溝２３０により分断されるように、形成される。なお、素子分離溝に限らず、例えばイオン注入により、素子分離領域２３０を形成してもよい。
次に、ＨＥＭＴ２００の製造方法について、例示的に説明する。ＨＥＭＴ２００の製造方法では、ＰＥＣエッチングにより凹部１１０を形成する工程（以下、ＰＥＣエッチング工程ともいう）が行われる。
ＰＥＣエッチング工程に先立ち、ＰＥＣエッチング処理の対象物となる構造体１５０（以下、エッチング対象物１５０ともいう）を準備する。図２（ａ）は、エッチング対象物１５０を例示する概略断面図である。
エッチング対象物１５０は、ウエハ１００のエピ層６０上に、カソードパッド１６０およびマスク１７０が設けられた構造を有する。本実施形態では、カソードパッド１６０を、ＨＥＭＴ２００のソース電極２１１およびドレイン電極２１３（の少なくとも一方）として利用する態様、換言すると、ＨＥＭＴ２００のソース電極２１１およびドレイン電極２１３（の少なくとも一方）を、カソードパッド１６０として利用する態様、を例示する。エッチング対象物１５０は、具体的には例えば、エピ層６０の表面６１上にソース電極２１１およびドレイン電極２１３が形成された段階の部材に、ＰＥＣエッチング用のマスク１７０が形成された構造を有する。
マスク１７０は、エピ層６０の表面６１上に形成され、凹部１１０を形成すべき領域６２（以下、被エッチング領域６２ともいう）に開口を有するとともに、カソードパッド１６０（ソース電極２１１およびドレイン電極２１３）の上面を露出させる開口を有する。マスク１７０は、非導電性材料、例えば、レジスト、酸化シリコン等で形成される。
カソードパッド１６０は、導電性材料で形成された導電性部材であって、被エッチング領域６２と電気的に接続された、ウエハ１００の（エピ層６０の）導電性領域の表面、の少なくとも一部と接触するように設けられている。
図２（ｂ）は、ＰＥＣエッチング工程を示す、ＰＥＣエッチング装置３００の概略断面図である。ＰＥＣエッチング装置３００は、エッチング液３０１を収容する容器３１０と、紫外（ＵＶ）光３２１を出射する光源３２０と、を有する。
ＰＥＣエッチング工程では、エッチング対象物１５０がエッチング液３０１に浸漬され、被エッチング領域６２、および、カソードパッド１６０（カソードパッド１６０の少なくとも一部、例えば上面）がエッチング液３０１と接触した状態で、エピ層６０の表面６１に、エッチング液３０１を介してＵＶ光３２１を照射する。
このようにして、被エッチング領域６２を構成するＩＩＩ族窒化物をＰＥＣエッチングすることで、凹部１１０を形成する。より具体的には、（キャップ層５０が存在する場合はキャップ層５０の全厚さ、および、）障壁層４０の一部の厚さをＰＥＣエッチングすることで、凹部１１０を形成する。
ここで、ＰＥＣエッチングの機構について説明するとともに、エッチング液３０１、カソードパッド１６０等について、より詳しく説明する。ＰＥＣエッチング機構は、まず、ＧａＮのエッチングを例として説明する。
ＰＥＣエッチングのエッチング液３０１としては、被エッチング領域６２（凹部１１０が形成され始めた後は底面１１１を意味する）を構成するＩＩＩ族窒化物が含有するＩＩＩ族元素の酸化物の生成に用いられる酸素を含み、さらに、電子を受け取る酸化剤を含む、アルカリ性または酸性のエッチング液３０１が用いられる。
当該酸化剤として、ペルオキソ二硫酸イオン（Ｓ２Ｏ８ ２−）が例示される。以下、Ｓ２Ｏ８ ２−をペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）から供給する態様を例示するが、Ｓ２Ｏ８ ２−は、その他例えば、ペルオキソ二硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、ペルオキソ二硫酸アンモニウム（過硫酸アンモニウム、（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）等から供給するようにしてもよい。
エッチング液３０１の第１例としては、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液とペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）水溶液とを混合した、ＰＥＣエッチングの開始時点でアルカリ性を示すものが挙げられる。このようなエッチング液３０１は、例えば、０．０１ＭのＫＯＨ水溶液と、０．０５ＭのＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液と、を１：１で混合することで調製される。ＫＯＨ水溶液の濃度、Ｋ２Ｓ２Ｏ８水溶液の濃度、および、これらの水溶液の混合比率は、必要に応じ適宜調整されてよい。なお、ＫＯＨ水溶液とＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液とが混合されたエッチング液３０１は、例えばＫＯＨ水溶液の濃度を低くすることにより、ＰＥＣエッチングの開始時点で酸性を示すようにすることもできる。
第１例のエッチング液３０１を用いる場合のＰＥＣエッチング機構について説明する。ＰＥＣエッチングされるべき表面６１に波長３６５ｎｍ以下のＵＶ光３２１が照射されることによって、被エッチング領域６２を構成するＧａＮ中に、ホールと電子とが対で生成される。生成されたホールによりＧａＮがＧａ３＋とＮ２とに分解され（化１）、さらに、Ｇａ３＋が水酸化物イオン（ＯＨ−）によって酸化されることで酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）が生成する（化２）。そして、生成されたＧａ２Ｏ３が、アルカリ（または酸）に溶解される。このようにして、ＧａＮのＰＥＣエッチングが行われる。なお、生成されたホールが水と反応して、水が分解されることで、酸素が発生する（化３）。
Figure 2021077818
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また、Ｋ２Ｓ２Ｏ８が水に溶解することでペルオキソ二硫酸イオン（Ｓ２Ｏ８ ２−）が生成し（化４）、Ｓ２Ｏ８ ２−にＵＶ光３２１が照射されることで硫酸イオンラジカル（ＳＯ４ −＊ラジカル）が生成する（化５）。ホールと対で生成された電子が、ＳＯ４ −＊ラジカルとともに水と反応して、水が分解されることで、水素が発生する（化６）。このように、本実施形態のＰＥＣエッチングでは、ＳＯ４ −＊ラジカルを用いることで、ＧａＮ中にホールと対で生成された電子を消費させることができるため、ＰＥＣエッチングを良好に進行させることができる。なお、（化６）に示されるように、ＰＥＣエッチングの進行に伴い、硫酸イオン（ＳＯ４ ２−）が増加することで、エッチング液３０１の酸性は強くなっていく（ｐＨは低下していく）。
Figure 2021077818
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エッチング液３０１の第２例としては、リン酸（Ｈ３ＰＯ４）水溶液とペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）水溶液とを混合した、ＰＥＣエッチングの開始時点で酸性を示すものが挙げられる。このようなエッチング液３０１は、例えば、０．０１ＭのＨ３ＰＯ４水溶液と、０．０５ＭのＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液と、を１：１で混合することで調製される。Ｈ３ＰＯ４水溶液の濃度、Ｋ２Ｓ２Ｏ８水溶液の濃度、および、これらの水溶液の混合比率は、必要に応じ適宜調整されてよい。Ｈ３ＰＯ４水溶液およびＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液は、ともに酸性であるため、Ｈ３ＰＯ４水溶液とＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液とが混合されたエッチング液３０１は、任意の混合比率で酸性である。なお、Ｋ２Ｓ２Ｏ８水溶液自体が酸性を示すため、エッチング開始時点で酸性であるエッチング液３０１として、Ｋ２Ｓ２Ｏ８水溶液のみを用いてもよい。この場合、Ｋ２Ｓ２Ｏ８水溶液の濃度は、例えば０．０２５Ｍとすればよい。
エッチング液３０１が、ＰＥＣエッチングの開始時点から酸性であることは、マスク１７０としてレジストの使用を容易にする観点から好ましい。レジストマスクは、エッチング液３０１がアルカリ性であると、剥離しやすいからである。なお、マスク１７０として酸化シリコンを使用する場合は、エッチング液３０１が酸性でもアルカリ性でも特に問題ない。
第２例のエッチング液３０１を用いる場合のＰＥＣエッチング機構は、第１例のエッチング液３０１を用いる場合について説明した（化１）〜（化３）が、（化７）に置き換わったものと推測される。つまり、ＧａＮと、ＵＶ光３２１の照射で生成されたホールと、水と、が反応することで、Ｇａ２Ｏ３と、水素イオン（Ｈ＋）と、Ｎ２と、が生成する（化７）。そして、生成されたＧａ２Ｏ３が、酸に溶解される。このようにして、ＧａＮのＰＥＣエッチングが行われる。なお、（化４）〜（化６）に示したような、ホールと対で生成された電子がＳ２Ｏ８ ２−により消費される機構は、第１例のエッチング液３０１を用いる場合と同様である。
Figure 2021077818
（化１）および（化２）、または、（化７）から理解されるように、ＰＥＣエッチングが生じる被エッチング領域６２（凹部１１０の底面１１１）は、ホールが消費されるアノードとして機能すると考えられる。また、（化６）から理解されるように、被エッチング領域６２と電気的に接続された導電性部材であるカソードパッド１６０の、エッチング液３０１と接触する表面は、電子が消費される（放出される）カソードとして機能すると考えられる。
カソードパッド１６０が設けられていないと、カソードとして機能する領域の確保が困難となり、ＰＥＣエッチングを進行させることが困難となる。本実施形態では、カソードパッド１６０を設けることで、ＰＥＣエッチングを良好に進行させることができる。また、マスク１７０がカソードパッド１６０の上面に開口を有することで、つまり、カソードパッド１６０の上面の広い領域をカソードとして機能させることで、ＰＥＣエッチングをより良好に進行させることができる。
（化５）に示すように、Ｓ２Ｏ８ ２−からＳＯ４ −＊ラジカルを生成する手法としては、ＵＶ光３２１の照射、および、加熱の少なくとも一方を用いることができる。ＵＶ光３２１の照射を用いる場合、Ｓ２Ｏ８ ２−による光吸収を大きくしてＳＯ４ −＊ラジカルを効率的に生成させるために、ＵＶ光３２１の波長を、２００ｎｍ以上３１０ｎｍ未満とすることが好ましい。つまり、ＵＶ光３２１の照射により、エピ層６０においてＩＩＩ族窒化物中にホールを生成させるとともに、エッチング液３０１においてＳ２Ｏ８ ２−からＳＯ４ −＊ラジカルを生成させることを、効率的に行う観点からは、ＵＶ光３２１の波長を、２００ｎｍ以上３１０ｎｍ未満とすることが好ましい。Ｓ２Ｏ８ ２−からＳＯ４ −＊ラジカルを生成することを、加熱で行う場合は、ＵＶ光３２１の波長を、（３６５ｎｍ以下で）３１０ｎｍ以上としてもよい。
ＵＶ光３２１の照射によりＳ２Ｏ８ ２−からＳＯ４ −＊ラジカルを生成させる場合、エピ層６０の（ウエハ１００の）表面６１からエッチング液３０１の上面までの距離（ウエハ配置深さ）Ｌ（図２（ｂ）参照）は、例えば、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることが好ましい。距離Ｌが、例えば１ｍｍ未満と過度に短いと、ウエハ１００の上方のエッチング液３０１において生成されるＳＯ４ −＊ラジカルの量が、距離Ｌの変動により不安定になる可能性がある。なお、距離Ｌが短いと、液面の高さの制御が難しくなることから、距離Ｌは、１ｍｍ以上であることが好ましく、３ｍｍ以上であることがより好ましく、５ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、距離Ｌが、例えば１００ｍｍ超と過度に長いと、ウエハ１００の上方のエッチング液３０１において、ＰＥＣエッチングに寄与しない、無駄に多くのＳＯ４ −＊ラジカルが生成されるため、エッチング液３０１の利用効率が低下する。
エピ層６０の（ウエハ１００の）表面６１は、エッチング液３０１の表面と平行に（水平に）配置されることが好ましい。また、ＵＶ光３２１は、エピ層６０の表面６１に、垂直に照射されることが好ましい。ウエハ１００の面内に多数の素子を形成するために、ウエハ１００の全面にわたって、互いに離隔した複数の被エッチング領域６２が配置される。エピ層６０の表面６１を、エッチング液３０１の表面と平行に配置し、また、エピ層６０の表面６１に、ＵＶ光３２１を垂直に照射することで、各被エッチング領域６２への光照射条件の均一性を高めることができる。
エピ層６０の表面６１へのＵＶ光３２１の照射は、ウエハ１００およびエッチング液３０１を静止させた状態で、つまり、エッチング液３０１を撹拌することなく、行われることが好ましい。これにより、各被エッチング領域６２に供給されるＳＯ４ −＊ラジカルの供給状態が、エッチング液３０１の動きに起因してばらつくことを抑制でき、ＳＯ４ −＊ラジカルを、各被エッチング領域６２へ拡散により適切に供給することができる。これにより、各被エッチング領域６２における、エッチング条件の均一性（離隔した被エッチング領域６２間での均一性）、および、エッチングの平坦性を高めることができる。なお、必要に応じ、エピ層６０の表面６１へのＵＶ光３２１の照射の前に、エッチング液３０１の静止を待つ静止待ち工程を設けてもよい。
本願発明者は、ＰＥＣエッチングに用いるマスクの縁が導電性材料で構成されていると、ＰＥＣエッチングで形成される凹部の縁の形状が、マスクの縁に沿わない乱れた形状となりやすく、マスクの縁が非導電性材料で構成されていることで、ＰＥＣエッチングで形成される凹部の縁の形状を、マスクの縁に沿った形状に制御しやすい、という知見を得ている。したがって、被エッチング領域６２を画定するマスク端は（つまり、凹部１１０の縁は）、非導電性材料で構成されたマスク１７０により画定されることが好ましい。カソードパッド１６０は、（平面視で）凹部１１０の縁から離れた位置に（凹部１１０の縁を画定しない位置に）配置されることが好ましい。凹部１１０の縁の形状を良好に制御する観点から、（平面視での）マスク１７０の縁と、カソードパッド１６０の縁と、の距離ＤＯＦＦ（図２（ａ）参照）は、５μｍ以上とすることが好ましく、１０μｍ以上とすることがより好ましい。
ＰＥＣエッチングは、例示したＧａＮ以外のＩＩＩ族窒化物に対しても行うことができる。ＩＩＩ族窒化物が含有するＩＩＩ族元素は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）およびインジウム（Ｉｎ）のうちの少なくとも１つであってよい。ＩＩＩ族窒化物におけるＡｌ成分またはＩｎ成分に対するＰＥＣエッチングの考え方は、Ｇａ成分について（化１）および（化２）、または、（化７）を参照して説明した考え方と同様である。つまり、ＵＶ光３２１の照射によりホールを生成させることで、Ａｌの酸化物またはＩｎの酸化物を生成させ、これらの酸化物をアルカリまたは酸に溶解させることで、ＰＥＣエッチングを行うことができる。ＵＶ光３２１の（光３２１の）波長は、エッチングの対象とするＩＩＩ族窒化物の組成に応じて、適宜変更されてよい。ＧａＮのＰＥＣエッチングを基準として、Ａｌを含有する場合は、より短波長の光を用いればよく、Ｉｎを含有する場合は、より長波長の光も利用可能となる。つまり、加工したいＩＩＩ族窒化物の組成に応じて、当該ＩＩＩ族窒化物がＰＥＣエッチングされるような波長の光を、適宜選択して用いることができる。
本実施形態のエッチング対象物１５０において、アノードである被エッチング領域６２（凹部１１０の底面１１１）と、カソードであるカソードパッド１６０とは、導電性である、キャップ層５０およびｎ型層４２を介して、面内方向に導通することができる。被エッチング領域６２とカソードパッド１６０とが、キャップ層５０およびｎ型層４２を介して導通することで、キャップ層５０がＰＥＣエッチングされ、キャップ層５０の全厚さがエッチングされた後、さらに、ｎ型層４２を介して導通することで、ｎ型層４２がＰＥＣエッチングされる。
ＰＥＣエッチングが進行して、ｎ型層４２が全厚さエッチングされた時点で、被エッチング領域６２（凹部１１０の底面１１１）とカソードパッド１６０との間の導通が妨げられることにより、凹部１１０の下方に、非導電性のｉ型層４１が残った状態で、ＰＥＣエッチングが停止する。このように、本実施形態では、ｉ型層４１をエッチングストッパとすることで、ＰＥＣエッチングを自動的に停止させることにより、凹部１１０の形成を終了させることができる。
図３（ａ）は、ＰＥＣエッチング工程が終了した状態を示す、エッチング対象物１５０の概略断面図である。上述のように、エピ層６０の表面６１に、転位が所定の密度で分布している。転位においては、ホールのライフタイムが短いため、ＰＥＣエッチングが生じにくい。このため、凹部１１０の底面１１１の、転位に対応する位置には、ＰＥＣエッチングの溶け残り部分として、凸部１８２が形成されやすい。つまり、ＰＥＣエッチング工程では、凹部１１０の底面１１１において、（転位が無くＰＥＣエッチングが進行した部分である）平坦部１８１と、平坦部１８１に比べてＰＥＣエッチングがされにくいことで平坦部１８１に対して隆起した凸部１８２と、が形成される。凸部１８２は、ＰＥＣエッチングの溶け残り部分であるため、その高さは、最大でも凹部１１０の深さ以下である。
ＰＥＣエッチング工程で形成された凹部１１０には、このように、ＰＥＣエッチングの溶け残り部分である凸部１８２が形成されやすい。そこで、ＰＥＣエッチング工程の後に、好ましくは、凸部１８２を除去することで底面１１１の平坦性を向上させるためのエッチング（以下、平坦化エッチング工程ともいう）を行う。平坦化エッチング工程では、具体的には、平坦化エッチングにより凸部１８２を（平坦部１８１に対して選択的に）エッチングすることで、凸部１８２を低くする。
平坦化エッチングとしては、例えば、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いる（ＰＥＣエッチングではない）ウェットエッチングが用いられる。平坦化エッチングのエッチング液としては、例えば、塩酸（ＨＣｌ）水溶液、塩酸（ＨＣｌ）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）との混合水溶液（塩酸過水）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）との混合水溶液（ピラニア溶液）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、フッ化水素水溶液（フッ酸）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、等が用いられる。
ＳｉＣ基板、サファイア基板、Ｓｉ基板等の、異種基板である基板１０上にヘテロエピタキシャル成長されたエピ層６０は、例えば１×１０８／ｃｍ２以上の、高い転位密度を有する。よって、異種基板である基板１０を用いる場合、ＰＥＣエッチング工程のＰＥＣエッチングで凸部１８２が形成されやすいため、平坦化エッチング工程により底面１１１の平坦化を行うことが、特に好ましい。
図３（ｂ）は、平坦化エッチング工程を示す、平坦化エッチング装置４００の概略断面図である。平坦化エッチング装置４００は、エッチング液４０１を収容する容器４１０を有する。平坦化エッチング工程では、凹部１１０がエッチング液４０１と接触するように、エッチング対象物１５０をエッチング液４０１に浸漬することで、凸部１８２をエッチングする。これにより、凹部１１０の底面１１１が平坦化される。平坦化エッチングは、ＰＥＣエッチングではない。このため、平坦化エッチング工程では、エピ層６０の表面６１にＵＶ光を照射しない（エピ層６０の表面６１へのＵＶ光の照射を要しない）。
ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物のｃ面（＋ｃ面）をエッチングすることは、難しいことが知られているが、ＰＥＣエッチングは、ＩＩＩ族窒化物を結晶方位によらずエッチングできるため、ｃ面であってもエッチングできる。ＰＥＣエッチング工程のＰＥＣエッチングは、ｃ面であるエピ層６０の表面６１の上方からＵＶ光３２１を照射しながら行われることで、エピ層６０を構成するＩＩＩ族窒化物を、表面６１に対して垂直な方向から（つまり、エピ層６０の厚さ方向に）エッチングする。
これに対し、平坦化エッチングは、例えば、塩酸過水等のエッチング液を用いた、ＰＥＣエッチングでない通常のウェットエッチングとして行われる。通常のウェットエッチングでは、ＩＩＩ族窒化物のｃ面はエッチングが困難であるため、凹部１１０の底面１１１のうち、ｃ面で構成されている平坦部１８１はエッチングされない。しかし、底面１１１の凸部１８２は、ｃ面以外の結晶面を含んで構成されているため、通常のエッチングによりエッチングすることができる。したがって、平坦化エッチングによって、凹部１１０の底面１１１の平坦部１８１に対し、凸部１８２を選択的にエッチングすることができる。平坦化エッチングは、ｃ面以外の結晶面、つまりｃ面と交差する結晶面をエッチングするものであり、凸部１８２を、ｃ面に対して垂直ではない方向から（つまり、エピ層６０の厚さ方向と交差する方向（横方向）に）エッチングする。
平坦化エッチングにより凸部１８２をエッチングすることで、凸部１８２を低くして底面１１１を平坦に近づけること、つまり、凸部１８２を、平坦部１８１を構成するｃ面に近づけること、ができる。凸部１８２がエッチングされてｃ面に近づくと、エッチングが進行しにくくなる。このため、本実施形態の平坦化エッチング工程では、凸部１８２が過剰にエッチングされることが抑制され、底面１１１がほぼ平坦となった状態で、平坦化エッチングを終了させることが容易である。
なお、ＰＥＣエッチング工程で用いたマスク１７０は、平坦化エッチング工程で除去されてもよいし、マスク１７０を除去するマスク除去工程を別途設けることで、除去されてもよい。
図４は、平坦化エッチング工程が終了した状態を示す、エッチング対象物１５０の概略断面図である。凸部１８２が除去されることで、凹部１１０の底面１１１が平坦化されている。
平坦化エッチング工程が終了した後、ＨＥＭＴ２００を完成させるための、その他の工程を行う（図１（ａ）参照）。その他の工程として、凹部１１０の底面１１１の上にゲート電極２１２を形成する工程、素子分離領域２３０を形成する工程、保護膜２２０を形成する工程、等を行う。このようにして、ＨＥＭＴ２００が製造される。
なお、素子分離領域２３０（本例では素子分離溝）が形成されていない状態のエッチング対象物１５０（図２（ａ）参照）を、つまり、ＰＥＣエッチング工程の後に素子分離溝を形成する態様を、例示したが、ＰＥＣエッチング工程の前に素子分離溝を形成することで、素子分離領域２３０が形成された状態のエッチング対象物１５０を用いてもよい。
図４を参照して、ＨＥＭＴ２００が有する凹部１１０の特徴について、例示的にさらに説明する。上述のように、本実施形態による、凹部１１０を形成するＰＥＣエッチングでは、ｉ型層４１をエッチングストッパとしている。このため、典型的には（理想的には）、ｎ型層４２の全厚さが除去されて、凹部１１０の下方に、ｉ型層４１の全厚さが配置されている態様で、凹部１１０が形成される。
ただし、実際のＰＥＣエッチングにおいては、誤差が生じ得るため、凹部１１０の下方に配置された障壁層４０の厚さが、ｉ型層４１の全厚さと厳密に一致していなくともよく、凹部１１０の底面１１１は、ｉ型層４１の上面近傍に配置される。
例えば、凹部１１０の底面１１１は、ｉ型層４１の上面に達していてよい。このような場合は、ｎ型層４２の厚さの全部が除去されることで、底面１１１に、ｉ型層４１が露出した態様の凹部１１０が、形成される。底面１１１は、ｉ型層４１の上面の近傍で、当該上面以下の位置に配置される。より具体的には、ｉ型層４１の上面から凹部１１０の底面１１１までの厚さ（深さ）ＴＬ（図４参照）は、（０ｎｍ以上であって、）好ましくは１ｎｍ以下である。図４に、ｉ型層４１の上面より下方に位置する場合の底面１１１を、破線で示す。
また例えば、凹部１１０の底面１１１は、ｉ型層４１の上面に達していなくてよい。このような場合は、ｎ型層４２の厚さの一部が除去されることで、底面１１１に、ｎ型層４２が露出した態様の凹部１１０が、形成される。底面１１１は、ｉ型層４１の上面の近傍で、当該上面よりも上の位置に配置される。より具体的には、凹部１１０の底面１１１からｉ型層４１の上面までの厚さ（深さ）ＴＵ（図４参照）は、（０ｎｍ超であって、）好ましくは１ｎｍ以下である。図４に、ｉ型層４１の上面より上方に位置する場合の底面１１１を、破線で示す。
また、ＰＥＣエッチング（および平坦化エッチング）により形成された凹部１１０の底面１１１は、高い平坦性を有する。例えば、凹部１１０の底面１１１の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で観察することにより測定される、底面１１１の算術平均粗さ（Ｒａ）は、好ましくは０．４ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下である。
また例えば、エピ層６０の表面６１の１０００ｎｍ角の領域を、ＡＦＭで観察することにより測定される、表面６１の算術平均粗さ（Ｒａ）と、凹部１１０の底面１１１の１０００ｎｍ角の領域を、ＡＦＭで観察することにより測定される、底面１１１の算術平均粗さ（Ｒａ）と、の差（当該差の絶対値）は、好ましくは０．２ｎｍ以下であり、より好ましくは０．１ｎｍ以下である。
また例えば、障壁層４０の上面と直交し、（平面視における凹部１１０の縁と直交するように、）凹部１１０の底面１１１と交差する断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した場合に、当該断面内の、底面１１１に沿った長さ３０ｎｍ以上の範囲において、底面１１１の高さの（凹部１１０の下方に配置されている障壁層４０の厚さの）最大値と最小値との差（最大値−最小値）は、好ましくは０．２ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下である。
また、ＰＥＣエッチング（および平坦化エッチング）により形成された凹部１１０の側面１１２は、上方側が凹部１１０の底面１１１の（平面視における）外側に傾斜したテーパ形状を有する。凹部１１０の側面１１２の、凹部１１０の底面１１１の法線方向に対する傾斜角度θ（図４参照）は、例えば３０°以上であり、また例えば４０°以上である。傾斜角度θは、例えば、凹部１１０の底面１１１の高さから、凹部１１０の縁（エピ層６０の表面６１）の高さまでの、側面１１２の平均角度として規定される。
ＨＥＭＴにゲートリセスとなる凹部を形成する従来の方法として、ドライエッチングが知られている。しかし、当該凹部を形成するドライエッチングに起因して、ゲートリセスの底面を構成するＩＩＩ族窒化物の結晶性が低下し、また、ドライエッチングに用いられるハロゲン元素が当該凹部の底面に残留する。このような、結晶性低下、および、ハロゲン元素の残留は、ＨＥＭＴの性能低下を招来する。
本実施形態による凹部１１０は、ウェットエッチングであるＰＥＣエッチング（および平坦化エッチング）で形成されている。このため、凹部１１０の底面１１１における、エッチングに起因する結晶性低下は、ドライエッチングを用いた場合に想定される結晶性低下と比べて、抑制されている。これにより、凹部１１０の底面１１１におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度は、（エッチングが施されていない領域である）エピ層６０の表面６１におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度に対して、好ましくは９０％以上の強度を有する。
また、本実施形態において、凹部１１０の底面１１１における、ハロゲン元素の残留は、ドライエッチングを用いた場合に想定されるハロゲン元素の残留と比べて、抑制されている。凹部１１０を形成するウェットエッチングであるＰＥＣエッチング（および平坦化エッチング）に起因するハロゲン元素の濃度は、例えば、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）測定において、好ましくは検出下限以下になると考えられる。凹部１１０の底面１１１におけるハロゲン元素（例えば塩素（Ｃｌ））の濃度は、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満であり、より好ましくは５×１０１４／ｃｍ３未満であり、さらに好ましくは２×１０１４／ｃｍ３未満である。
このように、本実施形態によるＨＥＭＴ２００では、凹部１１０を形成するエッチングに起因する、結晶性の低下、および、ハロゲン元素の残留、が抑制されている。このため、凹部１１０を形成するエッチングに起因する、ＨＥＭＴ２００の性能低下を抑制することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ＩＩＩ族窒化物を用いて形成された半導体装置（ＨＥＭＴ）２００における凹部（ゲートリセス）１１０を、ＰＥＣエッチングにより形成するための好適な技術が提供される。より具体的には、障壁層４０をｉ型層４１とｎ型層４２とを含む積層構造で構成し、ｉ型層４１をエッチングストッパとするＰＥＣエッチングを行うことで、凹部１１０を形成することができる。
＜実験例＞
次に、ＰＥＣエッチングおよび平坦化エッチングに係る実験例について説明する。本実験例では、以下のような基板およびエピ層を有するウエハを用いた。基板としては、半絶縁性のＳｉＣ基板を用いた。エピ層としては、ＡｌＮで構成された核生成層、ＧａＮで構成され厚さ０．７５μｍのチャネル層、ＡｌＧａＮで構成され厚さ２４ｎｍの障壁層、および、ＧａＮで構成され厚さ５ｎｍのキャップ層の積層構造を形成した。キャップ層の上面から、障壁層の下面までの厚さ（深さ）は、２９ｎｍとなる。障壁層としては、Ａｌ組成０．２２で厚さが５ｎｍのｉ型ＡｌＧａＮで構成された下層（ｉ型層）と、Ａｌ組成０．２２で厚さが１９ｎｍのｎ型ＡｌＧａＮで構成された上層（ｎ型層）と、の積層構造を形成した。当該上層（ｎ型層）に、ｎ型不純物として、Ｓｉを１×１０１８／ｃｍ３の濃度で添加した。
エピ層に、ＰＥＣエッチングにより凹部を形成した。ＰＥＣエッチングは、エッチング液として０．０２５ＭのＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液を用い、波長２６０ｎｍのＵＶ光を３．８ｍＷ／ｃｍ２の強度で照射しながら、１２０分間行った。ウエハ配置深さＬは５ｍｍとした。マスクは酸化シリコンで形成し、カソードパッドはチタンで形成した。
ＰＥＣエッチングの後、平坦化エッチングにより凹部の底を平坦化した。平坦化エッチングは、エッチング液として塩酸過水（例えば、３０％のＨＣｌと３０％のＨ２Ｏ２とを１：１で混ぜたもの）を用い、１０分間行った。
図５（ａ）は、ＰＥＣエッチングのエッチング時間とエッチング深さとの関係を示すグラフである。横軸がエッチング時間を示し、縦軸がエッチング深さを示す。エッチング開始から４０分程度までは、エッチング時間に比例してエッチング深さが深くなっている。エッチング開始から４０分程度経過した後は、エッチング深さが一定となっている。つまり、エッチング開始から４０分程度で、ＰＥＣエッチングが自動的に停止したことがわかる。
ＰＥＣエッチングが停止した深さ（２４ｎｍ程度）と、障壁層（「ＡｌＧａＮ」と示す）の下面の深さ（２９ｎｍ）と、の差は、５ｎｍ程度である。このことから、障壁層の下層（「ｉ−ＡｌＧａＮ」と示す）がエッチングストッパとなり、障壁層の上層（「ｎ−ＡｌＧａＮ」と示す）の概ね全厚さが除去された時点で、障壁層の下層の上面近傍において、ＰＥＣエッチングが停止していると理解される。
ＰＥＣエッチングが施される前のエピ層の表面（以下、エピ層表面という）、ＰＥＣエッチングにより形成され平坦化エッチングが施されていない凹部の底面（以下、未平坦化底面という）、および、ＰＥＣエッチング後に平坦化エッチングが施された凹部の底面（以下、平坦化底面という）、のそれぞれに対し、１０００ｎｍ角の領域を、ＡＦＭで観察した。
図５（ｂ）は、エピ層表面のＡＦＭ像である。エピ層表面の、ＡＦＭ測定で得られた算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．１４ｎｍである。エピ層は高い結晶性を有することが望まれるため、エピ層表面のＲａは、好ましくは０．４ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下であり、さらに好ましくは０．２ｎｍ以下である。
図６（ａ）は、未平坦化底面のＡＦＭ像である。未平坦化底面には、転位に対応する位置に、凸部が観察される。未平坦化底面に分布する複数の凸部の高さが、一定ではない傾向が見られる。最大の凸部の高さは、１０ｎｍを超えている。
未平坦化底面の、ＡＦＭ測定で得られたＲａは、０．２２ｎｍである。エピ層表面のＲａが例えば０．１４ｎｍであるのに対し、未平坦化底面のＲａは例えば０．２２ｎｍである。未平坦化底面は、凸部を有しているものの、そのＲａは、エピ層表面のＲａに対し例えば２倍以下であり、それほど増加していない。この理由は、未平坦化底面の大部分の面積を占める平坦部が高い平坦性を有するように、つまり、エピ層表面が有していた高い平坦性を平坦部においてほぼ損ねないように、ＰＥＣエッチングが行われたためといえる。未平坦化底面のＲａは、好ましくは０．４ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下である。
図６（ｂ）は、平坦化底面のＡＦＭ像である。平坦化底面では、未平坦化底面で観察される凸部が明確には観察されず、凹部の底面が平坦化されていることがわかる。平坦化底面には、凸部が形成されていたと推測される位置、つまり、転位に対応する位置が、明るい領域として、平坦部とは区別されて観察される。
平坦化底面の、ＡＦＭ測定で得られたＲａは、０．２４ｎｍである。未平坦化底面のＲａが例えば０．２２ｎｍであるのに対し、平坦化底面のＲａが例えば０．２４ｎｍとやや大きくなっているが、このような差は、未平坦化底面の測定領域と、平坦化底面の測定領域とが、異なることに起因する誤差と考えられ、未平坦化底面のＲａと、平坦化底面のＲａとは、同程度と考えられる。未平坦化底面と、平坦化底面とは、Ｒａのみで明確に区別することは難しいといえる。平坦化底面のＡＦＭ像から、平坦化エッチングにより、平坦部の平坦性を低下させずに、凸部を選択的にエッチングできていることがわかる。平坦化底面のＲａは、好ましくは０．４ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下である。
最終的に得られる凹部の底面である平坦化底面は、このように高い平坦性を有する。エピ層表面のＲａと、平坦化底面のＲａ（あるいは未平坦化平面のＲａ）と、の差は（当該差の絶対値は）、（０ｎｍ以上であって、）好ましくは０．２ｎｍ以下であり、より好ましくは０．１ｎｍ以下である。
図７は、凹部が形成されたエピ層を、ＴＥＭで観察した断面像である。当該断面像は、障壁層の上面と直交し、（平面視における凹部の縁と直交するように、）凹部の底面と交差する断面像である。図７において、チャネル層を「ＧａＮ」、障壁層の下層（ｉ型層）を「ｉ−ＡｌＧａＮ」、障壁層の上層（ｎ型層）を「ｎ−ＡｌＧａＮ」、キャップ層を「ＧａＮ ｃａｐ」と示している。図７の左側部分が、凹部の側面部分の断面像を示し、図７の右側部分が、凹部の底面部分の断面像を示す。
凹部の底面の平坦性は、ＴＥＭによる観察からも確認される。底面部分の断面像は、底面の面内方向について長さ３５ｎｍ程度の（３０ｎｍ以上の）範囲を示す。凹部の下方に配置されている障壁層の厚さ（障壁層の残し厚）は、５か所測定して４か所が４．９ｎｍ、１か所が４．８ｎｍである。このことより、当該範囲における障壁層の残し厚の最大値と最小値との差、換言すると、当該範囲における凹部の底面（障壁層の残し厚部分の上面）の高さの最大値と最小値との差は、０．１ｎｍと小さく、障壁層の残し厚の高い均一性、つまり、凹部の底面の高い平坦性が得られていることがわかる。このように、凹部の底面部分のＴＥＭによる断面像の、底面に沿った長さ３０ｎｍ以上の範囲において、凹部の底面の高さの、または、障壁層の残し厚の、最大値と最小値との差（最大値−最小値）は、０．２ｎｍ以下であることが好ましく、０．１ｎｍ以下であることがより好ましい。
側面部分の断面像より、凹部の側面は、上方側が凹部の底面の（平面視における）外側に傾斜したテーパ形状を有することがわかる。側面の傾斜角度を、凹部の底面の法線方向からの傾斜角度で示す（図４参照）。本例では、側面の上方部分での傾斜角度と比べて、側面の下方部分での傾斜角度が大きくなるような（９０°に近づくような）、傾斜角度の変化が観察される。側面の上方部分の傾斜角度は、４５°程度であり、凹部の底面の高さから凹部の縁の高さまでの傾斜角度を平均した、側面の全体的な傾斜角度は、４５°以上といえる。凹部の側面のテーパ形状の１つの特徴としては、傾斜角度が、例えば３０°以上、また例えば４０°以上であることが挙げられる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。
例えば、上述の実施形態では、カソードパッド１６０を、ＨＥＭＴ２００のソース電極２１１およびドレイン電極２１３の少なくとも一方として用いる態様を例示したが、カソードパッド１６０は、ＨＥＭＴ２００のソース電極２１１またはドレイン電極２１３とは別の導電性部材であってもよい。
また例えば、上述の実施形態では、平坦化エッチングとして、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いる（ＰＥＣエッチングではない）ウェットエッチングを用いる態様、つまり、凸部１８２を化学的にエッチングする態様を例示したが、平坦化エッチングは、底面１１１が平坦化されるように凸部１８２がエッチングされれば、その機構は特に限定されない。そのため、平坦化エッチングは、化学的なエッチング以外の他の機構によるエッチングで行ってもよい。複数の機構によるエッチングを組み合わせることで、平坦化エッチングをより効果的に行ってもよい。
平坦化エッチングは、例えば、凸部１８２を機械的に除去することで行われてもよく、機械的な平坦化エッチングとしては、例えば、バブリング洗浄を用いてもよく、また例えば、スクラブ洗浄を用いてもよい。バブリング洗浄のエッチング液（洗浄液）としては、例えば、上述の実施形態で例示した塩酸過水が挙げられる。塩酸過水で凸部１８２をエッチングする際、気泡が激しく発生する。このため、気泡発生による衝撃で、凸部１８２を破壊し除去することができる。塩酸過水は、凸部１８２を化学的かつ機械的にエッチングするエッチング液といえる。なお、平坦化エッチングを行う際に、エッチング液４０１に流れ（動き）を生成させること、および、エッチング液４０１に振動（例えば超音波振動）を与えること、の少なくとも一方を行うことで、凸部１８２を機械的にエッチングする作用を高めてもよい。
また例えば、上述の実施形態では、凹部１１０を形成するＰＥＣエッチングを終了させた後に、凹部１１０の底面１１１を平坦化する平坦化エッチングを行う態様を例示したが、凹部１１０を形成するＰＥＣエッチングを終了させる前に、つまり、凹部１１０を途中の深さまで形成した段階で、平坦化エッチングを実施し、その後再びＰＥＣエッチングを実施して凹部１１０をさらに深くしてもよい。つまり、ＰＥＣエッチング工程と、平坦化エッチング工程と、を交互に繰り返してもよく、平坦化エッチング工程は、必要に応じて複数回行ってもよい。
なお、上述の実施形態では、ＨＥＭＴ２００の障壁層４０にＰＥＣエッチングにより凹部（ゲートリセス）１１０を形成する技術を例示したが、当該技術は、半導体装置に限らない構造体を形成するための技術として、利用されてもよい。つまり、当該技術は、上述の障壁層４０と同様な、下層（ｉ型層）と上層（ｎ型層）とを含む積層構造に、下層（ｉ型層）をエッチングストッパとするＰＥＣエッチングを施すことで、当該積層構造に凹部が形成された構造体、を得るための技術として、広く利用されてよい。なお、当該「凹部」とは、当該積層構造において、ＰＥＣエッチングが施された領域を意味する。
＜本発明の好ましい態様＞
以下、本発明の好ましい態様について付記する。
（付記１）
基板と、
前記基板上に形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層と、
前記ＩＩＩ族窒化物層に形成された凹部と、
を有し、
前記ＩＩＩ族窒化物層は、
チャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、前記チャネル層に２次元電子ガスを形成する障壁層と、
を有し、
前記障壁層は、
窒化アルミニウムガリウムで構成された（好ましくはｉ型の窒化アルミニウムガリウムで構成された）第１層と、
前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された（ｎ型の）窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、半導体装置。
（付記２）
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部が除去されることで形成されている、付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記第１層の上面から前記凹部の底面までの厚さは、１ｎｍ以下である、付記２に記載の半導体装置。
（付記４）
前記凹部は、前記第２層の厚さの一部が除去されることで形成され、
前記凹部の底面から前記第１層の上面までの厚さは、１ｎｍ以下である、付記１に記載の半導体装置。
（付記５）
前記凹部の底面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記底面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、好ましくは０．４ｎｍ以下、より好ましくは０．３ｎｍ以下である、付記１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記６）
前記ＩＩＩ族窒化物層の表面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記表面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、
前記凹部の底面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記底面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、
の差が、好ましくは０．２ｎｍ以下であり、より好ましくは０．１ｎｍ以下である、付記１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記７）
前記障壁層の上面と直交し、前記凹部の底面と交差する断面を、透過型電子顕微鏡で観察した場合に、前記断面内の、前記底面に沿った長さ３０ｎｍ以上の範囲において、前記凹部の底面の高さの（前記凹部の下方に配置されている前記障壁層の厚さの）最大値と最小値との差が、好ましくは０．２ｎｍ以下、より好ましくは０．１ｎｍ以下である、付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記８）
前記凹部の側面は、上方側が前記凹部の底面の外側に傾斜したテーパ形状を有する、付記１〜７のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記９）
前記凹部の側面の、前記凹部の底面の法線方向に対する傾斜角度は、３０°以上（または４０°以上）である、付記８に記載の半導体装置。
（付記１０）
前記凹部の底面におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度が、前記ＩＩＩ族窒化物層の表面におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度に対して、９０％以上の強度を有する、付記１〜９のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１１）
前記凹部の底面におけるハロゲン元素の濃度が、好ましくは１×１０１５／ｃｍ３未満、より好ましくは５×１０１４／ｃｍ３未満、さらに好ましくは２×１０１４／ｃｍ３未満である、付記１〜１０のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１２）
前記第２層のｎ型不純物濃度は、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１９／ｃｍ３未満である付記１〜１１のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１３）
前記第１層を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるアルミニウム組成ｘは、０．１≦ｘ≦０．３であり、前記第２層を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＮにおけるアルミニウム組成ｙは、０．１≦ｘ≦０．３である、付記１〜１２のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１４）
前記第１層を構成する窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム組成と、前記第２層を構成する窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム組成と、は同等である、付記１〜１３のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１５）
前記第１層の厚さは、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、付記１〜１４のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１６）
前記第２層の厚さは、５ｎｍ以上９０ｎｍ以下である、付記１〜１５のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１７）
ソース電極と、ゲート電極と、ドレイン電極と、を有し、
前記ゲート電極は、前記凹部の底面上に形成されている、付記１〜１６のいずれか１つに記載の半導体装置。
（付記１８）
基板と、
前記基板上に形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層と、
前記ＩＩＩ族窒化物層に形成された凹部と、
を有し、
前記ＩＩＩ族窒化物層は、
チャネル層と、
前記チャネル層上に形成され、前記チャネル層に２次元電子ガスを形成する障壁層と、
を有し、
前記障壁層は、
窒化アルミニウムガリウムで構成された（好ましくはｉ型の窒化アルミニウムガリウムで構成された）第１層と、
前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された（ｎ型の）窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、半導体装置、の製造方法であって、
前記第１層をエッチングストッパとする光電気化学エッチングにより、前記第２層をエッチングすることで、前記凹部を形成する、半導体装置の製造方法。
（付記１９）
前記光電気化学エッチングの溶け残り部分である凸部を除去する平坦化エッチングを行う、付記１８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記２０）
窒化アルミニウムガリウムで構成された（好ましくはｉ型の窒化アルミニウムガリウムで構成された）第１層、および、前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された（ｎ型の）窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層、を含む積層構造と、
前記積層構造に形成された凹部と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、構造体。
（付記２１）
窒化アルミニウムガリウムで構成された（好ましくはｉ型の窒化アルミニウムガリウムで構成された）第１層、および、前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された（ｎ型の）窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層、を含む積層構造と、
前記積層構造に形成された凹部と、
を有し、
前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、構造体、の製造方法であって、
前記第１層をエッチングストッパとする光電気化学エッチングにより、前記第２層をエッチングすることで、前記凹部を形成する、構造体の製造方法。
１０…基板、２０…核生成層、３０…チャネル層、４０…障壁層、４１…（障壁層の）下層（ｉ型層）、４２…（障壁層の）上層（ｎ型層）、５０…キャップ層、６０…エピ層、６１…（エピ層の）表面、６２…被エッチング領域、１００…ウエハ、１１０…凹部、１１１…（凹部の）底面、１１２…（凹部の）側面、１５０…エッチング対象物、１６０…カソードパッド、１７０…マスク、１８１…（凹部の底面の）平坦部、１８２…（凹部の底面の）凸部、２００…半導体装置（ＨＥＭＴ）、２１１…ソース電極、２１２…ゲート電極、２１３…ドレイン電極、２２０…保護膜、２３０…素子分離領域、３００…ＰＥＣエッチング装置、３０１…エッチング液、３１０…容器、３２０…光源、３２１…光、４００…平坦化エッチング装置、４０１…エッチング液、４１０…容器

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成され、ＩＩＩ族窒化物で構成されたＩＩＩ族窒化物層と、
    前記ＩＩＩ族窒化物層に形成された凹部と、
    を有し、
    前記ＩＩＩ族窒化物層は、
    チャネル層と、
    前記チャネル層上に形成され、前記チャネル層に２次元電子ガスを形成する障壁層と、
    を有し、
    前記障壁層は、
    窒化アルミニウムガリウムで構成された第１層と、
    前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層と、
    を有し、
    前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、半導体装置。
  2. 前記凹部は、前記第２層の厚さの全部が除去されることで形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記第１層の上面から前記凹部の底面までの厚さは、１ｎｍ以下である、請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記凹部は、前記第２層の厚さの一部が除去されることで形成され、
    前記凹部の底面から前記第１層の上面までの厚さは、１ｎｍ以下である、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記凹部の底面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記底面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、０．４ｎｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記ＩＩＩ族窒化物層の表面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記表面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、
    前記凹部の底面の１０００ｎｍ角の領域を、原子間力顕微鏡で観察することにより測定される、前記底面の算術平均粗さ（Ｒａ）と、
    の差が、０．２ｎｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記障壁層の上面と直交し、前記凹部の底面と交差する断面を、透過型電子顕微鏡で観察した場合に、前記断面内の、前記底面に沿った長さ３０ｎｍ以上の範囲において、前記凹部の底面の高さの最大値と最小値との差が、０．２ｎｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 前記凹部の側面は、上方側が前記凹部の底面の外側に傾斜したテーパ形状を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 前記凹部の側面の、前記凹部の底面の法線方向に対する傾斜角度は、３０°以上である、請求項８に記載の半導体装置。
  10. 前記凹部の底面におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度が、前記ＩＩＩ族窒化物層の表面におけるフォトルミネッセンス発光スペクトルのバンド端ピーク強度に対して、９０％以上の強度を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置。
  11. 前記凹部の底面におけるハロゲン元素の濃度が、１×１０１５／ｃｍ３未満である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体装置。
  12. 前記第１層を構成する窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム組成と、前記第２層を構成する窒化アルミニウムガリウムのアルミニウム組成と、は同等である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置。
  13. 窒化アルミニウムガリウムで構成された第１層、および、前記第１層上に形成され、ｎ型不純物が添加された窒化アルミニウムガリウムで構成された第２層、を含む積層構造と、
    前記積層構造に形成された凹部と、
    を有し、
    前記凹部は、前記第２層の厚さの全部または一部が除去されることで形成され、前記凹部の下方に、前記第１層の厚さの少なくとも一部が配置されている、構造体、の製造方法であって、
    前記第１層をエッチングストッパとする光電気化学エッチングにより、前記第２層をエッチングすることで、前記凹部を形成する、構造体の製造方法。
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