JP4897943B2 - GaN系材料層への電極形成方法、および、GaN系半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はGaN系材料層への電極形成方法に関し、更に詳しくは、例えばGaN系材料で電界効果トランジスタ(FET)を製造するときのゲート電極形成時に適用すると、ゲートリーク電流の少ないGaN系FETを得ることができるGaN系材料層への電極形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
耐熱性が優れ、また高電界印加時にも絶対破壊を起こすことなく動作するということから、GaN系材料を用いたFETの開発が進められている。
このGaN系FETの製造方法の1例を以下に説明する。
まず、例えばサファイア基板のような半絶縁性基板の上に、MOCVD法やGSMBE法などを適用して所望厚みのGaNバッファ層が形成される。ついで、このバッファ層の上に、アンドープGaN層(絶縁層)と、例えばSiドープのn−GaN層(活性層)を順次成膜して成る層構造を形成する。
【0003】
そして、この層構造の上には、次のようにしてゲート電極、ソース電極、ドレイン電極がそれぞれ形成される。
まず、上記層構造の表面に例えばプラズマCVD法でSiO2膜を保護膜として形成する。そして、この保護膜にフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を適用して、層構造の表面のうち、ゲート電極を形成すべき箇所の表面を表出させる。その後、その表出表面にゲート電極用の電極材料を例えば蒸着してゲート電極を形成する。
【0004】
ついで、残余の保護膜を除去したのち、再び全面に保護膜を形成し、そこにファオトリソグラフィー技術とエッチング技術を適用して、層構造の表面のうち、ソース電極とドレイン電極を形成すべき箇所の表面を表出させる。そして、それらの表出箇所にソース電極用、ドレイン電極用の電極材料をそれぞれ例えば蒸着してソース電極とドレイン電極を形成する。
【0005】
ところで、GaN系材料は酸やアルカリに難溶性の材料である。なお、熱リン酸は溶解するが、その溶解面は凹凸のある粗面になる。
このようなことから、上記した一連の工程におけるエッチング工程は、ウェットエッチングではなく、例えばAr,CH4,Cl2,H2などを用いたプラズマエッチングのようなドライエッチングが一般に適用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、GaN層の表面に例えばプラズマエッチングを行ったのち、そこにゲート電極を形成すると、得られたFETを作動したときに、大きなゲートリーク電流を生じて、良好なピンチオフ状態を実現できないという問題が発生する。
【0007】
この現象は、GaN層のエッチング表面近傍がある深さに亘って生成したプラズマによって損傷を受け、そのため、当該表面近傍が半導体としては不完全になっていることに基因するものと考えられる。したがって、ゲートリーク電流の発生を防止して設計目標のGaN系FETを製造するためには、プラズマエッチングに伴う上記した損傷を防止した状態でゲート電極を形成することが必要になる。
【0008】
本発明は、エッチング時における上記した問題を解決し、例えばゲート電極を形成したときに、ゲートリーク電流の発生が従来に比べて大幅に抑制されるようになるGaN系材料層への電極形成方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記した問題がエッチング加工時にエッチング表面近傍で起こるGaN系材料の損傷(加工損傷)に基づいて発生することに着目した。そして、電極形成に先立ち、その加工損傷箇所を除去することにより半導体として良質な表面、すなわち加工損傷を受けていない材料面を表出せしめ、そこに電極を形成すれば上記リーク電流の発生は抑制できるとの着想を抱き、その着想の下で様々な検討を加えた結果、後述の処理は有効であるとの事実を見い出し、本発明のGaN系材料層への電極形成方法を開発するに至った。
【0010】
すなわち、本発明のGaN系材料層への電極形成方法は、ドライエッチングにより表出したGaN系材料層の表面にAl,Ti,Ta,Pt,W,Ni,Agの群から選ばれる少なくとも1種の金属もしくはそれらの合金またはそれら金属とSiとの合金を所定のパターンで付着せしめ、温度300℃以上の熱処理を施して、前記ドライエッチングによる加工損傷を受けた箇所に前記金属または合金の拡散層を形成し、ついで、湿式処理を施して前記拡散層を除去したのち、前記拡散層を除去することで表出したGaN系材料層の表面に、目的とする電極を形成することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明方法を適用することによりGaN系FETを製造する場合を例にして本発明方法を詳細に説明する。
まず、図1で示したように、サファイア基板(半絶縁性基板)1の上に、エピタキシャル成長法で、GaNバッファ層2、アンドープGaN層3,およびn−GaN層4を順次成膜して出発素材a1を製造する。
【0012】
ここで、n−GaN層4が活性層であって、その表面にFETを駆動するためのゲート電極、ソース電極、ドレイン電極などの動作電極が形成される。
本発明では、上記した活性層4の場合のように、その表面に動作電極が形成される層のことを指してGaN系材料層という。
その場合、図1では活性層4としてn−GaN層を示したが、製造目的のデバイスとの関係で、例えば、InGaN,InGaAlN,AlGaN,GaNP,GaNAs,InGaNAsP,AlGaNInNAsPなどの材料を用いることができ、それらの材料を本発明では一括してGaN系材料という。
【0013】
ついで、図2で示したように、活性層4の表面にSiO2のような保護膜5Aを形成したのち、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術で、形成すべきゲート電極のパターンと同じパターンの開口部を形成して活性層4の表面4Aを表出せしめ、その表面に金属または合金6を例えば真空蒸着法で付着せしめて出発素材a2を製造する。
【0014】
この過程で、活性層4の表面4Aは、ある深さに亘り、ドライエッチングによって加工損傷を受けている。そして、その加工損傷した表面が金属または合金6で覆われた状態になっている。
金属または合金6に用いる金属としては、Al,Ti,Ta,Pt,Ni,W,Agのいずれか1種をあげることができ、また合金としては、前記金属の2種以上から成る合金、例えばAl−Ti,Al−Si,Ti−Si,Ta−Si,Pt−Si,Ni−W,W−Si,Ag−Si,Al−Pt,Al−Ta,Al−Ni,Al−Agをあげることができる。
【0015】
ついで、図2で示した素材a2に熱処理が施される。
この熱処理により、金属または合金6が活性層4の加工損傷を受けている箇所に熱拡散していき、図3で示したように、ある深さに亘った拡散層4Bを形成し、素材a3が製造される。
このときの熱処理は温度300℃以上で行われる。雰囲気は、空気、N2ガス、酸素ガス、水素ガス、または不活性ガスのいずれであってもよい。温度が300℃より低い場合は、金属または合金6の熱拡散が進まないので上記拡散層4Bは形成されなくなる。また、熱処理温度を高くしすぎると、素材を構成しているGaN系材料の熱劣化が進んでしまうので、その上限は、用いるGaN系材料の種類によっても異なるが、概ね、600℃である。
【0016】
なお、熱処理温度が低温域にある場合は、上記した拡散層4Bを形成するためには、長い処理時間が必要となるため、熱処理温度は400〜600℃であることが好ましい。そのときの熱処理時間は1時間程度であればよい。
ついで、図3で示した素材を王水または塩酸に浸漬して湿式処理が行われる。
この湿式処理により、図3で示した素材a3の表面から金属または合金6と拡散層4Bの両者が溶解除去される。そして、続いて表面の保護膜5(SiO2膜)5を例えばフッ酸で溶解除去する。
【0017】
その結果、図4で示したように、活性層4の表面には、前記した拡散層4Bの厚みに対応する段差を有する凹部4Cを有する素材a4が製造される。
形成された凹部4Cから表出している表面は、ドライエッチング時に損傷を受けた箇所と金属または合金との相互熱拡散によって形成された拡散層4Bが溶解除去された結果として表出した表面、すなわち加工損傷を受けていない表面になっている。
【0018】
ついで、図4で示した素材の表面の全体に例えばSiO2から成る保護膜5Bを形成し、更にその上にフォトレジスト層を形成し、そこにゲート電極、ソース電極、およびドレイン電極用の開口をフッ酸を用いて形成したのち、それぞれの開口に、電極材料を蒸着する。
その結果、図5で示したようなFETaが得られる。
【0019】
このFETaの場合、ゲート電極Gは既に加工損傷箇所を除去した活性層4の表面に形成されているので、ゲートリーク電流の発生が抑制されている。
なお、上記した説明は、ゲート電極G、ソース電極S、およびドレイン電極Dのいずれもが活性層4の上に形成される場合であるが、活性層4の上にコンタクト層を設け、活性層4にゲート電極Gを、コンタクト層に、ソース電極Sとドレイン電極Dを形成するリセス構造の場合は次のようになる。
【0020】
まず、図6で示したように、図1の素材a1における活性層4の上にコンタクト層7が形成されている素材b1が製造される。
そして、素材b1のコンタクト層7の上に保護膜を形成したのちゲートリセスエッチングを行って、図7で示したように、コンタクト層7に、活性層4の表面に至る開口が形成されている素材b2を製造する。
【0021】
ついで、素材b2の全面に保護膜5Aを形成し、そこに、ゲート電極を形成すべき箇所に開口部を設けたのち金属または合金6を蒸着して、図8で示した素材b3を製造する。
そして、素材b3に前記した熱処理を行って活性層4に拡散層を形成したのち、前記した湿式処理を行い、更に保護膜を除去して図9で示した素材b4を製造する。
【0022】
この素材b4の場合、図4で示した素材a4の場合と同じように、活性層4にはエッチングによる加工損傷箇所が除去された凹部4Cが形成されている。
ついで、この素材b4に対し、保護膜5Bの形成、フォトレジストによるパターニング、各開口部の形成を順次行い、それぞれの開口部にゲート電極G、ソース電極S、ドレイン電極Dを形成した図10で示したリセス構造のFETbが得られる。
【0023】
【実施例】
実施例1
FETaを次のようにして製造した。
まず、サファイア基板1の上に、GSMBE法により、窒素(3×10-6Torr),Ga(5×10-7Torr),Si(5×10-9Torr)を用い、温度640℃でn-−GaNから成る厚み50nmのバッファ層2、Ga(1×10-6Torr)とアンモニア(5×10-5Torr)を用い、温度850℃で厚み1000nmのアンドープGaN層3、Ga(1×10-7Torr)とアンモニア(5×10-5Torr)とSi(5×10-9Torr)を用い、温度850℃でn−GaNから成る厚み200nmの活性層4を順次成膜した(図1)。
【0024】
上記活性層4におけるホール濃度は5×1018cm-3になっている。
ついで、活性層4の表面全体にプラズマCVD法でSiO2から成る保護膜5Aを形成し、そこにフォトリソグラフィー技術でパターニングを行い、フッ酸を用いてゲート電極を形成すべき箇所に開口部を設け、更に、全体にPtを蒸着したのちリフトオフを行い、ゲート電極を形成すべき箇所の活性層4の表面にのみPtを付着させた(図2)。
【0025】
ついで、温度400℃の大気雰囲気中で1時間の熱処理を行ったのち、室温下で王水に30分間浸漬した。Ptは全て溶解した。
王水から取り出し、表面の保護膜を除去した。活性層4の表面には、段差が100〜200Å程度の凹部4Cが形成されていた(図4)。
ついで、全面に再びSiO2から成る保護膜5Bを形成し、そこにフォトリソグラフィー技術でパターニングを行い、フッ酸を用いて、ゲート電極を形成すべき箇所(ゲート部)、ソース電極を形成すべき箇所(ソース部)、ドレイン電極を形成すべき箇所(ドレイン部)にそれぞれ開口部を設け、ゲート部にはPt/Auを蒸着し、ソース部とドレイン部にはAl/Ti/Auを蒸着してゲート電極G、ソース電極S、ドレイン電極Dを形成した(図5)。
【0026】
このFETは、ゲート部とソース部間の耐圧が400V以上であり、またゲートリーク電流は10nAより小さい値になっていた。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のGaN系FETは、そのゲートリーク電流が非常に小さい値になっている。これは、本発明方法では、FET構造を形成する際のGaN系材料層のエッチング加工時に、ゲート電極が形成される活性層の表面近傍における加工損傷を、その損傷箇所への金属または合金の熱拡散を利用することによって除去したのち、そこにゲート電極を形成しているからである。
【0028】
したがって、本発明方法は、それを適用することにより、ゲートリーク電流が抑制されたGaN系FETを製造することができ、その工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法で製造されるFETaの出発素材a1を示す層構造の断面図である。
【図2】活性層の加工損傷箇所に金属または合金を付着させた状態の素材a2を示す断面図である。
【図3】素材a2に熱処理を施した素材a3を示す断面図である。
【図4】拡散層除去後の素材a4を示す断面図である。
【図5】本発明方法で製造されたFETaを示す断面図である。
【図6】本発明方法で製造される別のFETbの出発素材b1を示す層構造の断面図である。
【図7】コンタクト層にゲートリセスエッチングを行ったのちの素材b2を示す断面図である。
【図8】活性層の加工損傷箇所に金属または合金を付着させた状態の素材b3を示す断面図である。
【図9】拡散層除去後の素材b4を示す断面図である。
【図10】本発明方法で製造されたFETbを示す断面図である。
【符号の説明】
1 半絶縁性基板(サファイア基板)
2 n-−GaNバッファ層
3 アンドープGaN層
4 n−GaN層(活性層)
4A 活性層の表面
4B 拡散層
4C 凹部
5A,5B 保護膜
6 金属または合金
7 コンタクト層
Claims (4)
- ドライエッチングにより表出したGaN系材料層の表面にAl,Ti,Ta,Pt,W,Ni,Agの群から選ばれる少なくとも1種の金属もしくはそれらの合金またはそれら金属とSiとの合金を所定のパターンで付着せしめ、温度300℃以上の熱処理を施して、前記ドライエッチングによる加工損傷を受けた箇所に前記金属または合金の拡散層を形成し、ついで、湿式処理を施して前記拡散層を除去したのち、前記拡散層を除去することで表出したGaN系材料層の表面に、目的とする電極を形成することを特徴とするGaN系材料層への電極形成方法。
- 前記GaN系材料層が電界効果トランジスタの活性層であり、前記電極がゲート電極である請求項1のGaN系材料層への電極形成方法。
- ドライエッチングにより表出したGaN系材料層の表面にAl,Ti,Ta,Pt,W,Ni,Agの群から選ばれる少なくとも1種の金属もしくはそれらの合金またはそれら金属とSiとの合金を所定のパターンで付着せしめ、温度300℃以上の熱処理を施して、前記ドライエッチングによる加工損傷を受けた箇所に前記金属または合金の拡散層を形成し、ついで、湿式処理を施して前記拡散層を除去したのち、前記拡散層を除去することで表出したGaN系材料層の表面に、目的とする電極を形成することを特徴とするGaN系半導体素子の製造方法。
- 前記GaN系材料層が電界効果トランジスタの活性層であり、前記電極がゲート電極である請求項3のGaN系半導体素子の製造方法。
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