JP4818844B2

JP4818844B2 - コンタクトホールの形成方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4818844B2
Application number: JP2006212441A
Authority: JP
Inventors: 勉上杉; 雅人樹神; 栄子林; 徹加地; 雅裕杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2008041834A

Description

本発明は、Ｃ面を主面とするＧａを必須とするIII 族窒化物半導体にコンタクトをとるためのコンタクトホールの形成方法であって、抵抗の低いコンタクトの形成方法に関するものである。

近年、III 族窒化物半導体はＬＥＤなどの光学素子のみならず、高耐圧性などの特性が期待されることからＨＥＭＴなどの高周波半導体デバイスの材料として適用することが検討され、盛んに研究開発が行われている。

III 族窒化物半導体は物理的、化学的にきわめて安定しているため、従来主にドライエッチングにより加工がなされている。特に、Ｇａを必須とするIII 族窒化物半導体は、Ｃ面のウェットエッチングができないため、ドライエッチングを用いざるを得ない。しかし、コンタクトホールの形成においてドライエッチングを用いると半導体層にダメージが発生してしまい、特にｐ型のIII 族窒化物半導体においてはダメージによりコンタクト抵抗が増加したり、オーミックコンタクトが損なわれる問題がある。

このダメージによるコンタクト特性の劣化を抑える手段として、半導体層のダメージを回復する方法と半導体層のダメージを除去する方法が知られている。特許文献１には、窒素雰囲気中で熱処理することでダメージを回復する方法が記されていて、特許文献２には、窒素プラズマを照射することでダメージを回復する方法が記されている。また、特許文献３には、導電性膜を形成することでIII 族窒化物半導体のウェットエッチングを可能にし、ウェットエッチングによりダメージ層を除去する方法が記されている。
２００５−２６０１７２２００４−１８６６７９２００５−２１００８９

しかし、半導体層のダメージを回復する方法では、実際にはそれほど良好なコンタクトが得られることはない。それは、III 族窒化物半導体そのものが安定な性質を有するために形成されたダメージが容易には回復できないためである。また、ウェットエッチングによりダメージ層を除去する方法では、やはり安定性からIII 族窒化物半導体をウェットエッチングすることは困難で、ウェットエッチングするには特許文献３のように何らかの工夫をする必要がある。

特に、ｐ型のIII 族窒化物半導体はダメージにより高抵抗化、ｎ型化することが知られていて、コンタクト抵抗の増加を抑えることがより困難となっている。

そこで本発明は、Ｃ面を主面とするＧａを必須とするIII 族窒化物半導体にコンタクトをとるための、低抵抗コンタクトの形成方法、およびそのコンタクトホールを有する半導体装置を提供することが目的であり、特に、Ｃ面を主面とするＧａを必須とするIII 族窒化物半導体に対して、接触抵抗が小さくできるコンタクトホールを実現することを目的とする。

第１の発明は、Ｃ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る第１層を形成する工程と、第１層上に、Ｃ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る第２層を形成する工程と、第２層の上方の所定の位置にマスクを形成し、第１層が露出するまで第２層をドライエッチングすることでコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホール側面である第２層をアルカリ溶液を用いてウェットエッチングしてコンタクトホールを拡大する工程と、を有することを特徴とするコンタクトホールの形成方法である。

コンタクトホール形成時にドライエッチングにより露出した第１層表面には、ダメージ層が形成される。しかし、ウェットエッチングしてコンタクトホールを拡大することで、新たにダメージを受けていない第１層表面が現れる。よって、ダメージ層だけでなく、このダメージを受けていない第１層表面にもコンタクトをとることが可能となる。

第１層および第２層はどのような伝導型であってもよいが、本発明は、第２の発明のように第１層がｐ型である場合に特に有効である。ｐ型のIII 族窒化物半導体はダメージで高抵抗化、ｎ型化することにより、接触抵抗が大きくなるからである。また、第２層は、III 族窒化物半導体で構成された複数の層からなっていてもよい。たとえば第２層は、第１層側からＧａＮ層とＡｌＧａＮ層のヘテロ接合からなる層であってもよい。

第２層がＣ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る場合ではウェットエッチングできないので、本発明のように第２層に小径のホールをドライエッチングにより形成する。アルカリ溶液はｃ軸以外の方向にはウェットエッチングできるので、ホールを拡大することができる。このとき、第１層はエッチングされないが、ダメージ周辺にダメージを受けていない面が露出することとなり、この部分で金属との接触を小さくできる。

ウェットエッチングに用いるエッチング液は、III 族窒化物半導体に対して異方性エッチングするアルカリ溶液（たとえば、第４の発明のようなＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨのいずれかを含む溶液）を用いる。これらの溶液は、III 族窒化物半導体のＣ面はエッチングできないが、Ａ面、Ｍ面、Ｒ面などはエッチングできる。コンタクトホール側面は第２層のＡ面またはＭ面であるから、側面方向にエッチングが進行する。最終的にはＭ面を維持したままエッチングが進行し、そのＭ面を側面とする六角柱状のコンタクトホールとなる。特に、第５の発明のようにＴＭＡＨ水溶液を用いるとよい。ＫＯＨやＮａＯＨのようにアルカリ金属を含まないため洗浄が容易であること、５０℃〜１００℃という比較的低温で用いることができることからＫＯＨやＮａＯＨに比べて取り扱いが容易である。ＴＭＡＨ水溶液の濃度は５〜５０％であると望ましい。

マスクには、アルカリ溶液に対して耐性のあるものを用いる。たとえば、ＳｉＯ₂などである。

ウェットエッチングは、第３の発明のように、ドライエッチング時に用いたマスクを除去せずに行うと望ましい。第２層表面がＣ面の場合でも、転位などの欠陥部分はウェットエッチングされるので、エッチピットが形成される。そこで、マスクを除去せずにウェットエッチングをすると第２層表面にエッチピットが形成されるのを防ぐことができる。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれかのコンタクトホール形成方法によりコンタクトホールを形成する工程と、そのコンタクトホール底面にコンタクトをとる電極膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

本発明により形成された六角柱状のコンタクトホール底面には第１層表面のダメージ層と、ダメージを受けていない第１層表面が露出するので、電極膜を形成するとダメージ層だけでなく、ダメージを受けていない第１層表面にもコンタクトをとることができる。したがって、低抵抗なコンタクトを得ることができる。第１層がｐ型の場合には、オーミックコンタクトを得るための電極膜としては、Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｔなどを用いることができる。

第１の発明から第５の発明のいずれかのコンタクトホール形成方法により形成されたコンタクトホールを有することを特徴とする半導体装置を得ることができる。

本発明のコンタクトホール形成方法によると、第１層の主面がＣ面であるからアルカリ溶液によりウェットエッチングされない。そこで、第２層を第１層までドライエッチングして小径のホールを形成し、次にこの小径のホールからアルカリ溶液により第２層のみを横方向にウェットエッチングしてホールの径を拡大する。このアルカリ溶液による異方性エッチングによってコンタクトホール底面である第１層表面にダメージのない部分が露出するため、その露出部において良好なオーミックコンタクトあるいはショットキーコンタクトを形成することができる。したがって、本発明によるコンタクトホールを有する半導体装置は低抵抗なものとなる。特に、第１層をｐ型層としてその層にコンタクトをとると、ダメージによる高抵抗化、ｎ型化の影響が少なくなるので、本発明による効果が大きい。

また、第２層をＣ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体とした場合にも、ドライエッチングにより生成された小径のホールから第２層を横方向にウェットエッチングできる。したがって、Ｃ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る第１層および第２層の積層構造において、第１層に対する接触抵抗の小さなコンタクトホールを形成することができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のコンタクトホール形成方法を示した工程図である。
まず、図１ａのように、Ｃ面を主面とするｐ−ＧａＮ層１０（本発明の第１層に対応）上にｎ−ＧａＮ層１１（本発明の第２層に対応）をＭＯＣＶＤ法により形成する。したがって、第２層の主面もＣ面である。次に、ＳｉＯ₂膜１２をＣＶＤ法により形成し、フォトエッチングによりコンタクトホールを形成したい部分のＳｉＯ₂膜１２を除去する（図１ｂ）。ここで、ＳｉＯ₂膜１２を除去する領域の幅Ｌ１は、最終的に作成したいコンタクトホールの幅Ｌ２よりも小さくする。

次に、ＳｉＯ₂膜１２をマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥによりｎ−ＧａＮ層１１の一部をｐ−ＧａＮ層１０の表面が露出するまでエッチングし、幅Ｌ１のコンタクトホールを形成する（図１ｃ）。このとき、露出したｐ−ＧａＮ層１０の表面には、ダメージ層１３が形成され、コンタクトホールの側面１４には、ｎ−ＧａＮ層１１のＡ面またはＭ面が露出する。

次に、ＳｉＯ₂膜１２を残したまま、濃度２５％、温度９０℃のＴＭＡＨ水溶液によりウェットエッチングをする。ＴＭＡＨ水溶液は、ＧａＮのＣ面はエッチングできないが、Ｃ面以外であればエッチングができる。また、Ｃ面であっても、転位などの欠陥部分はエッチングされる。また、ＳｉＯ₂はＴＭＡＨ水溶液ではエッチングできない。したがって、Ｃ面であるｐ−ＧａＮ層１０の表面およびダメージ層１３はエッチングされず、Ａ面またはＭ面であるコンタクトホールの側面１４がエッチングされる。エッチングは最終的にはＭ面を維持したまま進行し、幅がＬ２になるまでエッチングを行うと、図１ｄのようになる。このエッチングによりｐ−ＧａＮ層１０のダメージのない表面１５が露出する。なお、ＳｉＯ₂膜１２を残したままエッチングをしたのは、ｎ−ＧａＮ層１１の表面の欠陥をエッチングしてエッチピットが形成されるのを防ぐためである。

次に、ＳｉＯ₂膜１２をバッファードフッ酸を用いたウェットエッチングにより除去すると、図１ｅのようになる。このようにして形成された幅Ｌ２のコンタクトホールは、ＴＭＡＨ水溶液による異方性エッチングのために、ｎ−ＧａＮ層１１のＭ面を側面とした六角柱状の形状をしている。

その後、リフトオフ法によりＡｕとＮｉの積層膜１６を形成すると（図１ｆ）、積層膜１６はダメージ層１３にコンタクトするが、ダメージのない表面１５にもコンタクトするので、良好なオーミックコンタクトを得ることができる。

実施例２は、実施例１のコンタクトホール形成方法により得られるコンタクトホールを有する縦型のＨＥＭＴであり、図２はそのＨＥＭＴの模式的な断面図を示す。

このＨＥＭＴは、基板であり、Ｃ面を主面とするｎ⁺−ＧａＮ層２１、チャネルであるｎ^-−ＧａＮ層２２、不純物がドープされていない真性のＡｌＧａＮ層２４、が順に積層され、ｎ⁺−ＧａＮ層２１下部にはＴｉとＮｉの積層構造であるドレイン電極２０が形成されている。ｎ^-−ＧａＮ層２２の領域内の左右にはｐ−ＧａＮ層２３、ｐ−ＧａＮ層２３上であってｎ^-−ＧａＮ層２２およびＡｌＧａＮ層２４の左右端には高濃度にＳｉがドープされたｎ⁺層２５が形成されている。エピタキシャル成長により上記各層を形成しているので、すべての層の結晶成長する主面はＣ面である。ｐ−ＧａＮ層２３が本発明の第１層に該当し、ｐ−ＧａＮ層２３上のｎ^-−ＧａＮ層２２とＡｌＧａＮ層２４が本発明の第２層に該当する。また、ＡｌＧａＮ層２４およびｎ⁺層２５の一部領域の上部には、ＳｉＯ₂で構成された絶縁膜２７、Ｎｉで構成されたゲート電極２８が形成されている。

ｎ⁺層２５の側面とｐ−ＧａＮ層２３の一部領域上が、本発明により形成されたコンタクトホールである。つまり、ｎ⁺層２５の一部領域をｐ−ＧａＮ層２３表面が露出するまでドライエッチングすることでコンタクトホールを形成し、コンタクトホール側面であるｎ⁺層２５をＴＭＡＨ水溶液によりウェットエッチングすることでコンタクトホールを拡大し、六角柱状のコンタクトホールを形成している。したがって、コンタクトホール底面であるｐ−ＧａＮ層２３表面にはダメージが形成された領域とダメージを受けていない領域がある。

コンタクトホール底面には、ｐ−ＧａＮ層２３とコンタクトをとるＮｉ膜２６が形成され、Ｎｉ膜２６とｎ⁺層２５の一部領域上にはＴｉとＡｌの積層構造であるソース電極２９が形成されている。

実施例２のＨＥＭＴは、ｐ−ＧａＮ層２３のダメージを受けていない領域にもＮｉ膜２６がコンタクトをとるため、コンタクト抵抗が低いＨＥＭＴとなっている。

上記実施例１、２では、第２層の主面をＣ面としたが、Ｃ面でなくともよい。また、第２層はＧａを含むIII 族窒化物半導体としているが、これも、必ずしもＧａを必須とするのではない。しかし、本発明はドライエッチングによりホールを形成し、ウェットエッチングでホールを拡大する手法であるので、第２層もＧａを必須とし、主面をＣ型とすると、第２層はウェットエッチングできず、ドライエッチングによりホールを形成する他ないので、本発明の意義が大きい。

また、実施例２では、本発明をＨＥＭＴに適用しているが、ＨＥＭＴに適用を限定するものではない。ＭＯＳＦＥＴ、ＭＥＳＦＥＴなど、ほかにもさまざまな半導体素子に適用が可能である。

本発明によると、コンタクト抵抗の低い半導体装置、特に縦型のＨＥＭＴなどを実現できる。

実施例１のコンタクトホールの形成工程を示した断面図。実施例２の電界効果トランジスタの断面図。

１０：ｐ−ＧａＮ層
１１：ｎ−ＧａＮ層
１２：ＳｉＯ₂膜
１３：ダメージ層
１４：コンタクト側面
１５：ダメージのないｐ−ＧａＮ層表面
１６：積層膜
２１：ｎ⁺−ＧａＮ層
２２：ｎ^-−ＧａＮ層
２３：ｐ−ＧａＮ層
２４：ＡｌＧａＮ層
２６：Ｎｉ膜

Claims

半導体層にコンタクトホールを形成する方法において、
Ｃ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る第１層を形成する工程と、
前記第１層上に、Ｃ面を主面とするＧａを必須成分とするIII 族窒化物半導体から成る第２層を形成する工程と、
前記第２層の上方の所定の位置にマスクを形成し、前記第１層が露出するまで前記第２層をドライエッチングすることで前記コンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール側面である前記第２層をアルカリ溶液を用いてウェットエッチングして前記コンタクトホールを拡大する工程と、
を有することを特徴とするコンタクトホールの形成方法。
前記第１層は、ｐ型であることを特徴とする請求項１に記載のコンタクトホール形成方法。
前記マスクを残したままウェットエッチングすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンタクトホール形成方法。
前記アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＮａＯＨのいずれかを含む溶液であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のコンタクトホール形成方法。
前記アルカリ溶液は、ＴＭＡＨ水溶液であることを特徴とする請求項４に記載のコンタクトホール形成方法。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のコンタクトホール形成方法によりコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホール底面にコンタクトをとる電極膜を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。