JP5056753B2 - 化合物半導体装置の製造方法及びエッチング液 - Google Patents
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Description
本発明は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）等の製造に好適な化合物半導体装置の製造方法及びエッチング液に関する。
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）系電子デバイスが、その物性的特徴から高耐圧・高速デバイスとして期待されている。そして、その製造技術及び応用技術等に関する研究が進められている。一般的に、ＧａＮ系電子デバイスの高速特性の向上のためには、図２に示すように、ゲートにリセス構造を採用することが有効であると考えられている。
リセス構造を形成するためには、基板１０１上に、ＧａＮキャリア走行層１０２、ＡｌＧａＮキャリア供給層１０３を順次形成し、更にｎ型ＧａＮ層１０４を全面に形成した後に、これをドライエッチングすればよい。その後、ソース電極１０６ａ、ドレイン電極１０６ｂ、ゲート電極１０８及びＳｉＮ膜１０９を形成する。但し、ドライエッチングによりｎ型ＧａＮ層１０４、ＡｌＧａＮキャリア供給層１０３及びＧａＮキャリア走行層１０２等にダメージが生じやすい。
このようなダメージを回避するためには、ウェットエッチングが考えられる。例えば、非特許文献１〜４に、ＧａＮ層のウェットエッチングを行う方法が開示されている。
非特許文献１及び２に記載の方法では、先ず、図３Ａに示すように、オーミック電極１０６が形成された化合物半導体ウェハを作成する。そして、図３Ｂに示すように、この化合物半導体ウェハを槽１１１に入れられた水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液１１２中に浸漬する。そして、ＫＯＨ水溶液１１２中にＰｔ電極１１３を入れ、オーミック電極１０６の一部を陽極、Ｐｔ電極１１３を陰極としてバイアスを印加する。更に、紫外線（ＵＶ）をｎ型ＧａＮ層１０４に向けて照射する。
この結果、図４Ａに示すように、ｎ型ＧａＮ層１０４の表面に電子−正孔対が生成する。そして、電子はオーミック電極１０６を介してＰｔ電極１１３側に移動し、正孔はｎ型ＧａＮ層１０４の表面において、ＫＯＨ水溶液１１２中のＯＨ−イオンと結合する。このようにして、ｎ型ＧａＮ層１０４の表面の酸化及び溶解が繰り返され、ウェットエッチングが進行する。
但し、このような紫外線を用いたウェットエッチングでは、紫外線により励起された電子が正孔と再結合しないように、電子をｎ型ＧａＮ層１０４の表面から移動させることが重要である。また、電子デバイス間でのばらつきを抑えるためには、ウェハ内で均一な加工を行うことも重要である。しかしながら、上述の方法では、ｎ型ＧａＮ層１０４に抵抗が存在するため、バイアスを印加されている点からの距離に応じて電界の強度がばらついてしまう。このため、電子の移動の程度に偏りが生じ、エッチング深さがウェハ内でばらつきやすい。また、図３Ｂに示すように、素子分離領域１０５が存在する場合には、バイアスが印加されない領域が存在する。そして、この領域では、図４Ｂに示すように、電子が移動しないため、エッチングが行われない。更に、ＧａＮ系化合物半導体装置ではオーミック電極としてアルミニウム（Ａｌ）電極が一般的に用いられるが、ＡｌはＫＯＨ水溶液に腐食されやすいという問題もある。
非特許文献３及び４に記載の方法では、図５に示すように、ＫＯＨ水溶液及びペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）水溶液の混合液１２２中に化合物半導体ウェハを浸漬し、ｎ型ＧａＮ層１０４に紫外線を照射する。この方法では、バイアスの印加は行われない。この方法では、紫外線の照射により励起された電子が、ペルオキソ二硫酸イオンＳ２Ｏ８ ２−の光解離した硫酸活性イオンＳＯ４ −＊に向かって移動するため、ｎ型ＧａＮ層１０４のエッチングが進行する。また、この方法では、エッチングマスクとして、白金又はチタン等の金属マスク１２１が用いられている。これは、紫外線の照射により誘起された電子が金属マスク１２１を介してエッチング液中の硫酸活性イオンに流れ込みやすくするためである。
しかしながら、この従来の方法では、電子の硫酸活性イオンへの流れ込みやすさが不均一となる。即ち、金属マスク１２１の端面付近において電子が流れ込みやすいため、この領域のエッチング速度が、金属マスク１２１から離間した領域のエッチング速度よりも速くなる。この結果、エッチング速度が不均一となり、図５に示すように、エッチングにむらが生じる。
また、金属マスク１２１を使用した場合には、ウェットエッチング後に、これを除去し、オーミック電極を形成する必要がある。しかし、金属マスク１２１の除去も非常に困難である。このため、エッチングされた表面に金属の汚染が生じることもある。この場合、歩留まりが低下してしまう。
絶縁体膜であるＳｉＯ２膜をエッチングマスクとして用いる例も挙げられているが、金属マスク１２１を用いた場合と同様に、ＳｉＯ２膜の加工及び除去が複雑であるため、歩留まりが低下してしまう。
更に、ＫＯＨ水溶液及びＫ２Ｓ２Ｏ８水溶液が共に高濃度（約０．１モル／リットル）である。このため、エッチングされた表面のモホロジーが低い。また、金属マスク１２１としてオーミック電極を使用しようとしても、オーミック電極を保護するために必要なレジストマスク自体が混合液１２２に耐えられない。このため、オーミック電極をウェットエッチング前に形成することができない。
このように、従来、ウェットエッチングによりｎ型ＧａＮ層を加工することは困難である。
Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 2151-2153
Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 560-562
J. Appl. Phys. 89 (2001) 4142-4149
Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 3759-3761
本発明は、均一性の高いウェットエッチングを行うことができる化合物半導体装置の製造方法及び化合物半導体用エッチング液を提供することを目的とする。
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
本発明に係る化合物半導体装置の製造方法では、半導体基板上にＧａＮ系の第１の化合物半導体層を形成した後、前記第１の化合物半導体層上にＧａＮ系の第２の化合物半導体層を形成する。次に、レジストパターンをマスクとして用いた前記第２の化合物半導体層のウェットエッチングを、前記第２の化合物半導体層に紫外線を照射しながら有機アルカリ性剤及び酸化剤を含むエッチング液を用いて行う。
本発明に係るＧａＮ系化合物半導体用エッチング液は、レジストパターンをマスクとして用いて紫外線を照射しながらのウェットエッチングに用いられるエッチングであって、有機アルカリ性剤及び酸化剤を含有することを特徴とする。
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。図１Ａ乃至図１Ｇは、本発明の実施形態に係る化合物半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
本実施形態では、先ず、図１Ａに示すように、ＳｉＣ基板等の基板１上にＧａＮバッファ層２を電荷走行層として形成する。ＧａＮバッファ層２の厚さは、例えば２μｍ程度とする。次に、ＧａＮバッファ層２上にｎ型ＡｌＧａＮバリア層３を電荷供給層として形成する。ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３の厚さは、例えば２５ｎｍ程度とする。次いで、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３上にｎ型ＧａＮコンタクト層４を形成する。ｎ型ＧａＮコンタクト層４の厚さは、例えば５０ｎｍ程度とする。
ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３のＧａＮバッファ層２との界面近傍に、格子不整合に起因するピエゾ効果が生じる。このため、正の分極電荷が現れ、ＧａＮバッファ層２のｎ型ＡｌＧａＮバリア層３との界面近傍に電子が誘起される。この結果、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が現れる。
次に、図１Ｂに示すように、デバイス領域（半導体素子が形成される領域）同士を分離する素子分離（アイソレーション）領域５として溝を形成する。素子分離領域５の形成にあったっては、先ず、デバイス領域を覆い、素子分離領域５を形成する予定の領域に開口部が形成されたレジストパターンをｎ型ＧａＮコンタクト層４上に形成する。次に、レジストパターンをマスクとし、塩素ガスを用いたドライエッチングを行う。この時、素子分離領域５として形成する溝の深さは、例えばその底部がＧａＮバッファ層２の厚さの中間程度となるようにする。つまり、ＧａＮバッファ層２の厚さが２μｍ程度であれば、溝の深さは１μｍ程度とする。なお、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３及びｎ型ＧａＮコンタクト層４は、ＧａＮバッファ層２と比べて無視できる程薄いため、溝の深さを決定する際にその厚さを考慮する必要はほとんどない。
次いで、図１Ｃに示すように、デバイス領域において、ｎ型ＧａＮコンタクト層４上に２個のオーミック電極を、夫々ソース電極６ａ及びドレイン電極６ｂとして形成する。オーミック電極としては、例えばＴｉ／Ａｌ電極を形成する。つまり、Ｔｉ膜とこの上に形成されたＡｌ膜との積層体を形成する。
その後、図１Ｄに示すように、ソース電極６ａ及びドレイン電極６ｂを覆い、ゲートリセス構造を形成する予定の領域に開口部が形成されたレジストパターン７を形成する。
その後、図１Ｅに示すように、エッチング槽１１内にエッチング液１２を入れ、このエッチング液１２に基板１、ＧａＮバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３及びｎ型ＧａＮコンタクト層４を浸す。エッチング液１２としては、有機アルカリ性剤及び酸化剤の混合液を用いる。有機アルカリ性剤としては、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ：（ＣＨ３）４ＮＯＨ）を用いることができる。また、酸化剤としては、例えば、ペルオキソ二硫酸アンモニウム（（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８）を用いることができる。
基板１等をエッチング液１２に浸した後、紫外線をｎ型ＧａＮコンタクト層４に向けて照射すると共に、エッチングむらの抑制のために室温でエッチング液１２を撹拌する。この条件下では、ｎ型ＧａＮコンタクト層４のエッチング速度は、約２．５ｎｍ／分程度である。従って、ｎ型ＧａＮコンタクト層４の厚さが５０ｎｍ程度であれば、処理時間を２０分間とすればよい。
この結果、図１Ｅに示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層４のうちでレジストパターン７に覆われていない部分がウェットエッチングされる。即ち、ゲートリセス構造が得られる。
続いて、図１Ｆに示すように、レジストパターン７を除去し、ゲートリセス構造が得られた部分にショットキー電極をゲート電極８として形成する。ショットキー電極としては、例えばＮｉ／Ａｕ電極を形成する。つまり、Ｎｉ膜とこの上に形成されたＡｕ膜との積層体を形成する。
次に、図１Ｇに示すように、ソース電極６ａ、ドレイン電極６ｂ、ゲート電極８及びｎ型ＧａＮコンタクト層４等の露出面上にシリコン窒化膜９をパッシベーション膜として形成する。
その後、層間絶縁膜及び配線等を形成して化合物半導体装置を完成させる。
本実施形態では、エッチング液１２として、有機アルカリ性剤と酸化剤との混合液を用いているため、バイアスを印加せずとも、ｎ型ＧａＮコンタクト層４をウェットエッチングすることができる。従って、ｎ型ＡｌＧａＮバリア層３等にダメージを与えずにｎ型ＧａＮコンタクト層４を所望の形状に加工することができる。
また、このウェットエッチングは、電極６ａ及び６ｂを介した電子の授受に基づいて進行するものではないので、電極６ａ及び６ｂからの距離に拘わらず、エッチング速度はほとんど均一なものとなる。更に、酸化剤の濃度をレジストパターン７に悪影響が及ぶほど高くする必要がない。このため、オーミック電極（ソース電極６ａ及びドレイン電極６ｂ）が侵食されることもない。
つまり、エッチングの面内均一性が向上し、プロセスが簡略化され、エッチングマスクとしてレジストパターンを用いることが可能となる。そして、これらの相乗効果により、ＧａＮ系電子デバイスの製造歩留まりが向上する。
なお、エッチング液の有機アルカリ性剤として、ＴＭＡＨの他に、水酸化テトラエチルアンモニウム（（Ｃ２Ｈ５）４ＮＯＨ）、水酸化テトラブチルアンモニウム（［ＣＨ３（ＣＨ２）３］４ＮＯＨ）、水酸化テトラブチルｎプロピルアンモニウム（［ＣＨ３ＣＨ２ＣＨ２］４ＮＯＨ）、水酸化２ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム（［（ＣＨ３）３ＮＣＨ２ＣＨ２ＯＨ］ＯＨ）、水酸化トリメチルベンジルアンモニウム（［Ｃ６Ｈ５ＣＨ２Ｎ（ＣＨ３）３］ＯＨ）等を用いてもよい。また、酸化剤として、ペルオキソ二硫酸アンモニウムの他に、ペルオキソ二硫酸イオンを含むペルオキソ二硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ８）、ペルオキソ二硫酸カリウム（Ｋ２Ｓ２Ｏ８）等を用いてもよい。
また、エッチング液は、完全な有機アルカリ性剤及び酸化剤の混合液である必要はなく、不具合を生じさせない添加物及び不可避的不純物等が含まれていてもよい。
本発明によれば、エッチング液として、有機アルカリ性剤及び酸化剤を含むものを用いているため、電子の授受を伴わずに、第２の化合物半導体層をウェットエッチングすることができる。従って、均一なウェットエッチングを行うことができる。
Claims (9)
- 半導体基板上にＧａＮ系の第１の化合物半導体層を形成する工程と、
前記第１の化合物半導体層上にＧａＮ系の第２の化合物半導体層を形成する工程と、
レジストパターンをマスクとして用いた前記第２の化合物半導体層のウェットエッチングを、前記第２の化合物半導体層に紫外線を照射しながら有機アルカリ性剤及び酸化剤を含むエッチング液を用いて行う工程と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第１の化合物半導体層として、ＡｌＧａＮ層を形成し、
前記第２の化合物半導体層として、ＧａＮ層を形成することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第１の化合物半導体層を形成する前に、前記半導体基板上にＧａＮ系のキャリア走行層を形成する工程を有し、
前記第１の化合物半導体層として、キャリア供給層を前記キャリア走行層上に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 前記第２の化合物半導体層のウェットエッチングを行う工程の後に、前記ウェットエッチングにより露出した前記キャリア供給層上にゲート電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記第２の化合物半導体層を形成する工程と、前記第２の化合物半導体層のウェットエッチングを行う工程との間に、前記第２の化合物半導体層上にソース電極及びドレイン電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記ソース電極及びドレイン電極を形成する工程と前記第２の化合物半導体層のウェットエッチングを行う工程との間に、前記ソース電極及びドレイン電極を覆い、前記第２の化合物半導体層のウェットエッチング予定箇所を露出するレジストパターンを形成する工程を有することを特徴とする請求項５に記載の化合物半導体装置の製造方法。
- 前記有機アルカリ性剤として、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラブチルｎプロピルアンモニウム、水酸化２ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム及び水酸化トリメチルベンジルアンモニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用い、
前記酸化剤として、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム及びペルオキソ二硫酸カリウムからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - レジストパターンをマスクとして用いて紫外線を照射しながらのウェットエッチングに用いられるエッチングであって、有機アルカリ性剤及び酸化剤を含有することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体用エッチング液。
- 前記有機アルカリ性剤として、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウム、水酸化テトラブチルｎプロピルアンモニウム、水酸化２ヒドロキシエチルトリメチルアンモニウム及び水酸化トリメチルベンジルアンモニウムからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを含有し、
前記酸化剤として、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ペルオキソ二硫酸ナトリウム及びペルオキソ二硫酸カリウムからなる群から選択された少なくとも１種を含むものを含有することを特徴とする請求項８に記載のＧａＮ系化合物半導体用エッチング液。
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