JP5161759B2 - Method for manufacturing compound semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a compound semiconductor device.
近年、GaN(窒化ガリウム)系高電子移動度トランジスタ(HEMT:high electron mobility transistor)等のGaN系半導体装置について、GaNのバンドギャップが広いという特徴から高耐圧・高速デバイスとしての応用が期待されている。そして、これまでのところ、GaN系HEMTでは、基板としてSiC基板を用いた場合に最も良好な出力特性が得られている。これは、GaNとSiCとの格子定数が近いためにSiC基板上に成長したGaN層中の欠陥が少なく、また、SiC基板の熱伝導性が高いために熱放射特性が高いためである。 In recent years, GaN-based semiconductor devices such as GaN (gallium nitride) -based high electron mobility transistors (HEMT) have been expected to be applied as high breakdown voltage / high-speed devices due to the wide band gap of GaN. Yes. So far, in the GaN-based HEMT, the best output characteristics are obtained when a SiC substrate is used as the substrate. This is because the lattice constants of GaN and SiC are close, so there are few defects in the GaN layer grown on the SiC substrate, and because the thermal conductivity of the SiC substrate is high, the thermal radiation characteristics are high.
また、高周波動作が可能なGaN系半導体装置では、特に半絶縁性のSiC基板が用いられている。これは、寄生容量を低く抑えるためである。しかしながら、半絶縁性のSiC基板の価格は、導電性のSiC基板と比較すると非常に高い。このことは、性能が優れているにも拘らず、GaN系HEMT等のGaN系半導体装置の普及を阻害することにもなりかねない。 In addition, in a GaN-based semiconductor device capable of high-frequency operation, a semi-insulating SiC substrate is particularly used. This is to keep the parasitic capacitance low. However, the price of a semi-insulating SiC substrate is very high compared to a conductive SiC substrate. This may impede the spread of GaN-based semiconductor devices such as GaN-based HEMTs despite their excellent performance.
そこで、GaN系半導体装置を低コストで製造するための研究がなされている。例えば、ある従来の製造方法では、先ず、SiC基板上に窒化物系の半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、その後、半導体結晶層に水素イオンを注入する。次いで、半導体結晶層の表面とシリコン基板等の支持基板の表面とを貼り合わせる。そして、水素イオンが注入された部分に沿って半導体結晶層を分離する。このようにして、支持基板上に半導体結晶層が位置する構造物を得る。その後、半導体結晶層に半導体素子等を形成すれば、半導体装置が得られる。 Therefore, research for manufacturing GaN-based semiconductor devices at low cost has been conducted. For example, in a conventional manufacturing method, first, a nitride-based semiconductor crystal layer is epitaxially grown on a SiC substrate, and then hydrogen ions are implanted into the semiconductor crystal layer. Next, the surface of the semiconductor crystal layer is bonded to the surface of a support substrate such as a silicon substrate. Then, the semiconductor crystal layer is separated along the portion where hydrogen ions are implanted. In this way, a structure in which the semiconductor crystal layer is located on the support substrate is obtained. Thereafter, if a semiconductor element or the like is formed in the semiconductor crystal layer, a semiconductor device can be obtained.
しかしながら、この従来の方法では、放熱部材である支持基板上の半導体結晶層にも水素イオンが残存する。このため、この水素イオンが欠陥となって十分な性能を得ることができない。 However, in this conventional method, hydrogen ions remain in the semiconductor crystal layer on the support substrate, which is a heat dissipation member. For this reason, this hydrogen ion becomes a defect and sufficient performance cannot be obtained.
また、他の従来技術では、GaAs基板又はSi基板等の基板にナノコラム領域を形成している。 In another conventional technique, a nanocolumn region is formed on a substrate such as a GaAs substrate or a Si substrate.
しかしながら、この従来技術では、HEMTの形成に際して、強酸を用いた長時間のウェットエッチングにより基板を除去している。このため、このウェットエッチングの際にHEMTを構成する化合物半導体層にダメージが生じてしまう。 However, in this prior art, when the HEMT is formed, the substrate is removed by long-time wet etching using a strong acid. For this reason, the compound semiconductor layer constituting the HEMT is damaged during the wet etching.
本発明の目的は、性能を確保しながらコストを低減することができる化合物半導体装置の製造方法を提供することにある。 The objective of this invention is providing the manufacturing method of the compound semiconductor device which can reduce cost, ensuring performance.
化合物半導体装置の製造方法の一態様では、基板上に、外部に連通する開口部が設けられたn型GaN層を形成し、その後、前記n型GaN層上に化合物半導体結晶層を形成する。次いで、所定のエッチング溶液中において、前記n型GaN層に紫外線を照射して、光電気化学エッチングにより前記n型GaN層を溶解させて、前記化合物半導体結晶層を前記基板から分離する。前記開口部は、少なくとも前記n型GaN層及び前記化合物半導体結晶層の積層方向に直交する方向で外部に連通する。前記化合物半導体結晶層は、電子走行層及び電子供給層と、前記電子走行層及び前記電子供給層と前記n型GaN層との間に位置するノンドープのAlGaN層と、を有する。前記光電気化学エッチングの際に、前記ノンドープのAlGaN層をエッチングストッパとして用いる。 In one embodiment of the production method of a compound semiconductor device on a substrate to form an n-type GaN layer in which an opening portion is provided for communicating with the outside, then, form of compound semiconductor crystal layer on the n-type GaN layer To do. Then, for a given etching solution is irradiated with ultraviolet rays in the n-type GaN layer, by photoelectrochemical etching by dissolving the n-type GaN layer, it separates the compound semiconductor crystal layer from the substrate. The opening communicates with the outside at least in a direction perpendicular to the stacking direction of the n-type GaN layer and the compound semiconductor crystal layer. The compound semiconductor crystal layer includes an electron transit layer and an electron supply layer, and an undoped AlGaN layer located between the electron transit layer and the electron supply layer and the n-type GaN layer. In the photoelectrochemical etching, the non-doped AlGaN layer is used as an etching stopper.
上記の半導体装置の製造方法によれば、第2の化合物半導体結晶層の結晶性に影響を及ぼす基板として高価なものを選択しても、この基板は化合物半導体装置に含まれなくなるため、繰り返し使用することができる。従って、基板の消費量を低減してコストを下げることができる。その一方で、第2の化合物半導体結晶層の結晶性は確保されるため、性能を維持することもできる。 According to the above method for manufacturing a semiconductor device, even if an expensive substrate that affects the crystallinity of the second compound semiconductor crystal layer is selected, this substrate is not included in the compound semiconductor device, so that it is repeatedly used. can do. Therefore, the consumption of the substrate can be reduced and the cost can be reduced. On the other hand, since the crystallinity of the second compound semiconductor crystal layer is ensured, the performance can be maintained.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、第1の実施形態について説明する。図1A乃至図1Rは、第1の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)を製造する方法を工程順に示す断面図である。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. 1A to 1R are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the first embodiment in the order of steps.
本実施形態では、先ず、図1Aに示すように、導電性の基板1を結晶成長基板として用い、基板1上に、厚さが10nm〜50nm程度のAlN層2を、例えば有機金属化学気相成長(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法等により核形成層として形成する。基板1としては、例えば導電性SiC基板を用いる。基板1の厚さは、例えば400μm程度である。AlN層2をスパッタリング法により形成してもよい。次いで、AlN層2上に、開口部3aを備えたマスク層3を形成する。マスク層3としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はタングステン膜等を形成する。マスク層3の形成に際しては、例えば、シリコン酸化膜等をプラズマ増速化学気相成長(PECVD:plasma enhanced chemical vapor deposition)法等よりAlN層2上に形成し、これをライン状にパターニングする。なお、開口部3aの幅は100nm以下とすることが好ましく、マスク層3の残存部の幅は500nm以上とすることが好ましい。開口部3aの幅が100nmを超えていると、後に形成するn−GaN層4の幅が広くなり、後に行う光電気化学エッチングによるn−GaN層4の除去にかかる時間が長くなる。また、マスク層3の残存部の幅が500nm未満であると、光電気化学エッチングの際に用いる水酸化カリウム(KOH)水溶液がn−GaN層4に接触しにくくなり、n−GaN層4の除去にかかる時間が長くなる。
In this embodiment, first, as shown in FIG. 1A, a
その後、図1Bに示すように、マスク層3から露出しているAlN層2上に、例えば分子線エピタキシー(MBE:molecular beam epitaxy)法等により、厚さが200nm〜1μm程度のn型のn−GaN層4を第1の化合物半導体結晶層として形成する。このとき、原料としては、例えば固体Ga及びNH3ガスを用いる。なお、n−GaN層4の成長条件は、縦方向成長が優位な条件とする。例えば、圧力を1×10-4Pa程度〜常圧とし、成長温度を800℃とする。この結果、開口部3aからn−GaN層が柱状に成長し、外部に連通する開口部が設けられたn−GaN層4が得られる。
Thereafter, as shown in FIG. 1B, an n-type n having a thickness of about 200 nm to 1 μm is formed on the
続いて、図1C〜図1Dに示すように、n−GaN層4上に、ハイドライド気相成長(HVPE:hydride vapor phase epitaxy)法により、厚さが1μm以上のノンドープのGaN層5を形成する。原料ガスとしては、例えばGaCl及びNH3の混合ガスを用いる。なお、GaN層5の成長条件は横方向成長が優位な条件とする。例えば、圧力を常圧とし、成長温度を1000℃とする。この結果、このような条件下では、GaN層5は、成長初期に円錐状に成長し、その後、横方向へも成長し、図1Cに示すように、n−GaN層4間の開口部が消失する。更に、GaN層5が成長すると、図1Dに示すように、その表面が平坦なものとなる。
1C to 1D, a
GaN層5の形成後には、図1Eに示すように、GaN層5上に、厚さが50nm以下のAlGaN層6をエッチングストッパ層として形成する。次いで、AlGaN層6上に、例えば、厚さが0.2μm〜2μm程度(例えば1μm)のノンドープのi−GaN層7(電子走行層)、厚さが2nm〜10nm程度(例えば5nm)のノンドープのi−AlGaN層8、厚さが2nm〜50nm程度(例えば30nm)のn型のn−AlGaN層9(電子供給層)、厚さが2nm〜10nm程度(例えば10nm)のn型のn−GaN層10をこの順で形成する。なお、n−AlGaN層9には、例えばSiが5×1018cm-3の濃度でドーピングされており、n−GaN層10にも、例えばSiが5×1018cm-3の濃度でドーピングされている。GaN層5、AlGaN層6、i−GaN層7、i−AlGaN層8、n−AlGaN層9、及びn−GaN層10は、第2の化合物半導体結晶層を構成する。
After the formation of the
続いて、図1Fに示すように、ソース電極を形成する予定の領域及びドレイン電極を形成する予定の領域に開口部51s及び51dが設けられたレジストパターン51をn−GaN層10上に形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1F, a resist
次いで、レジストパターン51をマスクとして用い、塩素系ガスを用いたドライエッチングをn−GaN層10に対して行うことにより、図1Gに示すように、n−GaN層10に開口部10s及び10dを形成する。なお、開口部10s及び10dの深さに関し、n−GaN層10の一部を残してもよく、また、n−AlGaN層9の一部を除去してもよい。つまり、開口部10s及び10dの深さはn−GaN層10の厚さと一致している必要はない。
Next, by using the resist
その後、図1Hに示すように、開口部10s内にソース電極21sを形成し、開口部10d内にドレイン電極21dを形成する。ソース電極21s及びドレイン電極21dの形成に当たっては、例えば、蒸着法によりTi層を形成し、その上に蒸着法によりAl層を形成する。そして、レジストパターン51を除去する。つまり、ソース電極21s及びドレイン電極21dの形成では、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。
Thereafter, as shown in FIG. 1H, the
続いて、窒素雰囲気中にて600℃で熱処理を行い、ソース電極21s及びドレイン電極21dのオーミック接触コンタクトを確立する。
Subsequently, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 600 ° C. to establish ohmic contact between the
次いで、図1Iに示すように、PECVD法により、ソース電極21s及びドレイン電極21dを覆うパッシベーション膜31をn−GaN層10上に形成する。パッシベーション膜31としては、例えば窒化シリコン膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 1I, a
続いて、図1Jに示すように、ゲート電極を形成する予定の領域に開口部52gが設けられたレジストパターン52をパッシベーション膜31上に形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1J, a resist
次いで、レジストパターン52をマスクとして用いてパッシベーション膜31をエッチングすることにより、図1Kに示すように、パッシベーション膜31に開口部31gを形成する。
Next, by etching the
その後、図1Lに示すように、開口部31g内にゲート電極21gを形成する。ゲート電極21gの形成に当たっては、例えば、蒸着法によりNi層を形成し、その上に蒸着法によりAu層を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 1L, a
そして、図1Mに示すように、レジストパターン52を除去する。つまり、ゲート電極21gの形成でも、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。次いで、PECVD法により、ゲート電極21gを覆うパッシベーション膜32をパッシベーション膜31上に形成する。パッシベーション膜32としては、例えば窒化シリコン膜を形成する。
Then, as shown in FIG. 1M, the resist
その後、図1Nに示すように、パッシベーション膜32上に表面保護層33を形成する。表面保護層33は、例えばワックス等のアルカリ耐性を有する材料からなる。続いて、表面保護層33上に支持基板34を貼り付ける。支持基板34としては、例えばSi基板又は樹脂基板等のアルカリ耐性を有する基板を用いる。
Thereafter, as shown in FIG. 1N, a surface
次いで、図1Oに示すように、光電気化学エッチングによりn−GaN層4を溶解させる。この結果、GaN層5がAlN層2から分離される。この光電気化学エッチングに当たっては、図2に示すように、基板1の裏面に裏面電極41を形成し、この裏面電極41を直流電源43のプラス極に繋げる。また、直流電源43のマイナス極にはPt電極42を繋げる。つまり、裏面電極41が陽極、Pt電極42が陰極となるように電圧を印加する。そして、槽45内の水酸化カリウム(KOH)水溶液44中に分離前の構造体を浸漬し、基板1の裏面に向けて紫外線を照射する。紫外線の照射は、例えば水銀ランプを用いて行う。裏面から紫外線が照射されると、紫外線は基板1を通過し、n−GaN層4に吸収され、電子−正孔対を励起する。そして、励起された正孔の影響によりn−GaN層4がエッチングされる。なお、裏面電極41は、紫外線の入射を妨げない領域、例えば、基板の端面等に形成する。
Next, as shown in FIG. 1O, the n-
ここで、本実施形態における光電気化学エッチングについて説明する。図3は、GaN層のバンド構造を示す図である。本実施形態では、図3(a)に示すように、n−GaN層4のバンドはKOH水溶液44との界面において上向きに湾曲する。このため、n−GaN層4のKOH水溶液44との界面に正孔47が溜まりやすく、正孔47を介したエッチング反応が進行しやすい。つまり、n−GaN層4は紫外線の吸収により励起された正孔47を利用し、以下の反応式によりエッチングされる。
2GaN+6h+→2Ga++N2
Here, the photoelectrochemical etching in the present embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing a band structure of the GaN layer. In the present embodiment, as shown in FIG. 3A, the band of the n-
2GaN + 6h + → 2Ga + + N 2
但し、この反応では、正孔47が消費されるため、エッチングが進んでいくとn−GaN層4中に電子46が過剰に存在するようになる。そして、電子46が過剰に存在するようになると、n−GaN層4のエッチング反応が阻害されてしまう。そこで、本実施形態では、電子46をn−GaN層4中から引き抜くために、KOH水溶液44中に浸漬させたPt電極42と裏面電極41との間に電圧を印加して、電子46を消費している。つまり、以下の反応式により電子46をPt電極42においてKOH水溶液44と反応させている。
2H++2e-→H2
However, since
2H + + 2e - → H 2
この結果、滞りなくn−GaN層4のエッチング反応が進む。
As a result, the etching reaction of the n-
また、仮にp型のp−GaN層48をKOH水溶液44に接触させると、図3(b)に示すように、p−GaN層48のバンドはKOH水溶液44との界面において下向きに湾曲する。このため、正孔47はp−GaN層48の内部に閉じ込められ、正孔47を介したエッチングが阻害される。
Also, if the p-type p-
そして、本実施形態では、n−GaN層4とp−GaN層48との中間的な性質を示すノンドープのGaN層5が設けられており、これもKOH水溶液44に接触するが、n−GaN層4が優先的にエッチングされるため、GaN層5はほとんどエッチングされない。
In this embodiment, a
また、図4に示すように、AlGaN層6はGaN層5と比較して広いバンドギャップを有している。このため、AlGaN層6とGaN層5との界面にはバンドギャップの不連続が存在する。このような不連続が存在するため、n−GaN層4内で励起された正孔47はAlGaN層6によってi−GaN層7までの拡散を阻害され、n−GaN層4又はGaN層5中にのみ存在する。従って、AlGaN層6がエッチングとストッパとして機能し、i−GaN層7及びその上の化合物半導体層のエッチングが防止される。
As shown in FIG. 4, the
本実施形態では、このような光電気化学エッチングが行われ、GaN層5がAlN層2から分離される。
In the present embodiment, such photoelectrochemical etching is performed, and the
GaN層5とAlN層2との分離後には、図1Pに示すように、化学機械的研磨(CMP:chemical mechanical polishing)法等により、i−GaN層7の下方に位置するGaN層5及びAlGaN層6を除去し、i−GaN層7の裏面を平坦化する。なお、裏面が平坦化されていれば、GaN層5及びAlGaN層6を残存させてもよく、AlGaN層6のみを残存させてもよい。
After the separation of the
次いで、例えば、ウェハ直接接合法により、図1Qに示すように、絶縁性の放熱部材として放熱基板35をi−GaN層7の裏面に貼り合わせる。放熱基板35としては、AlN基板、アモルファスSiC基板又はアモルファスC(ダイヤモンドライクカーボン(DLC:diamond like carbon))基板等を用いる。この貼り合わせに当たっては、i−GaN層7の裏面を酸洗浄により清浄化し、その後、O2プラズマ処理等によりこの裏面を親水性にする。同様に、放熱基板35の表面についても親水性処理を行う。そして、親水性処理を行った面同士を重ね合わせて接合する。その後、ゲート電極21g、ソース電極21s及びドレイン電極21dを備えたHEMTが破壊されない範囲の温度、例えば400℃で熱処理を行い、放熱基板35とi−GaN層7との間の接合強度を向上させる。
Next, for example, as shown in FIG. 1Q, the
続いて、図1Rに示すように、表面保護層33及び支持基板34を除去する。そして、必要に応じて配線(図示せず)等を形成してGaN系HEMTを完成させる。
Subsequently, as shown in FIG. 1R, the surface
一方、GaN層5から分離した基板1、AlN層2及びマスク層3の構造体については、基板1のAlN層2及びマスク層3が存在する面をCMP法等により研磨して、AlN層2及びマスク層3を除去し、更に、基板1の表面を100nm程度研磨して平坦にする。平坦化後の基板1の状態は、AlN層2の形成前と比較して、ほんの僅かだけ薄くなっていることを除けば、変化していないといえる。従って、この基板1に対してAlN層2の形成以降の処理を行えば、繰り返しGaN系HEMTを形成することができる。
On the other hand, for the structure of the
また、放熱基板35の特性はi−GaN層7の結晶性に影響を及ぼさないので、絶縁性及び高い放熱性(熱伝導性)の確保さえ可能であればよい。従って、AlN基板、アモルファスSiC基板又はアモルファスC基板等の導電性SiC基板及び半絶縁性SiC基板よりも安価なものを用いても、GaN系HEMTの性能が低下することはない。このように、第1の実施形態では、結晶成長基板である基板1として高価なものを用いたとしても、基板1はGaN系HEMTの構成要素とはならず、また、放熱基板35として安価なものを用いても十分な性能を得ることができるので、高い性能を得ながらコストを下げることができる。
In addition, since the characteristics of the
なお、放熱基板35としてダイヤモンド基板を用いることも可能である。この場合には、コストが上昇する可能性があるが、半絶縁性のSiC基板と比較して高い放熱性を得ることができる。また、BN基板を放熱基板35として用いることも可能である。
It is also possible to use a diamond substrate as the
このような方法により製造された半導体装置では、化合物半導体結晶層であるi−GaN層7等の結晶性(結晶欠陥の有無等)は、基板1の原子配列に依存し、放熱部材である放熱基板35中の原子配列からは独立したものとなる。
In the semiconductor device manufactured by such a method, the crystallinity (such as the presence or absence of crystal defects) of the i-
なお、光電気化学エッチングが可能であり、GaN層5による開口部の閉塞が可能であれば、マスク層3のパターンはライン状である必要はない。例えば、格子状又はドット状等であってもよい。また、開口部3a等のパターンの寸法も特に限定されない。また、GaN層5の成長条件に関しても、横方向成長が優位であり開口部の閉塞が可能であれば、特に限定されない。
Note that the pattern of the
また、n−GaN層4としてナノコラム等と呼称される柱状結晶の層を用いてもよい。この場合、自己形成的なナノコラムを利用すれば、マスク層3は不要である。
Further, a columnar crystal layer called a nanocolumn or the like may be used as the n-
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。図6A乃至図6Bは、第2の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)を製造する方法を工程順に示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. 6A to 6B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the second embodiment in the order of steps.
本実施形態では、先ず、第1の実施形態と同様にして、光電気化学エッチングによるn−GaN層4の溶解までの処理を行う(図1O)。次いで、図6Aに示すように、プラズマイオン注入・堆積(PBII&D:plasma-based ion implantation. and deposition)法により、DLC膜61を絶縁性の放熱部材としてGaN層5の裏面上に形成する。DLC膜61の形成に当たっては、例えば、チャンバ内に支持基板34及びGaN層5等を含む構造体を入れ、このチャンバ内に、高周波(パルス電圧:20kV、パルス幅:10μs)によりC2H2プラズマを励起する。続いて、負の高電圧パルス(パルス電圧:−20kV、パルス幅:5μs)を印加する。そして、このようなプラズマの励起及び電圧の印加を、所定の厚さのDLC膜61が得られるまで繰り返す。
In this embodiment, first, similarly to the first embodiment, processing up to dissolution of the n-
DLC膜61の形成後には、図6Bに示すように、表面保護層33及び支持基板34を除去する。そして、必要に応じて配線(図示せず)等を形成してGaN系HEMTを完成させる。
After the
このような第2の実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、GaN層5等の研磨を行う必要がないため、第1の実施形態と比較して工程数を減らすことが可能である。
The effect similar to 1st Embodiment can be acquired also by such 2nd Embodiment. In addition, since it is not necessary to polish the
なお、負の高電圧パルスの印加の際には、高電圧パルスのデューティー比を調節して、プロセス温度が200℃以下になるようにすることが好ましい。このためには、デューティー比を例えば10%以下とする。 When applying a negative high voltage pulse, it is preferable to adjust the duty ratio of the high voltage pulse so that the process temperature is 200 ° C. or lower. For this purpose, the duty ratio is set to 10% or less, for example.
また、DLC膜61の形成前には、Arガスを用いてGaN層5の裏面を清浄化することが好ましい。また、CH4ガスを用いて炭素原子及び水素原子をGaN層5の裏面に付着させ、DLC膜61との密着性を向上させておくことも好ましい。また、窒素原子をGaN層5の裏面にイオン注入し、その後に、炭素原子をGaN層5の裏面にイオン注入することにより、炭素原子のGaN層5中への拡散を防止しながら密着性を向上させておくことも好ましい。
Further, before the
また、同じく密着性を向上させるため、DLC膜61の形成前に、中間層としてアモルファスSiC層をGaN層5の裏面上にスパッタリング法により形成しておくことも好ましい。
Similarly, in order to improve adhesion, it is also preferable to form an amorphous SiC layer as an intermediate layer on the back surface of the
また、放熱部材の材料は絶縁性及び熱放射特性に優れていればDLCである必要はなく、DLC膜61に代えて、エアロゾルデポジション法等により形成されたAlN膜及びSiC膜等を用いてもよい。
Further, if the material of the heat dissipation member is excellent in insulation and heat radiation characteristics, it is not necessary to be DLC. Instead of the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態について説明する。図7A乃至図7Dは、第3の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)を製造する方法を工程順に示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described. 7A to 7D are sectional views showing a method of manufacturing a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the third embodiment in the order of steps.
本実施形態では、先ず、図7Aに示すように、第1の実施形態と同様にして、基板1上にAlN層2を核形成層として形成する。但し、本実施形態では、基板1として、例えば、半絶縁性SiC基板、又は絶縁性基板であるサファイア基板若しくは酸化亜鉛基板を用いる。次いで、AlN層2上に、厚さが20nm〜100nm程度(例えば100nm)のn−GaN層71をMBE法等により形成する。
In this embodiment, first, as shown in FIG. 7A, an
その後、図7Bに示すように、基板1、AlN層2及びn−GaN層71の全体を覆うタングステン膜72をCVD法等により形成する。タングステン膜72の厚さは、50nm〜200nm程度(例えば150nm)である。
Thereafter, as shown in FIG. 7B, a
続いて、図7Cに示すように、n−GaN層71上において、タングステン膜72にライン状の開口部72aを形成する。なお、開口部3aと同様に、開口部72aの幅は100nm以下とすることが好ましく、タングステン膜72の残存部の幅は500nm以上とすることが好ましい。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, a line-shaped
また、図7Cに示すように、基板1の裏面上において、タングステン膜72に開口部72bを形成する。開口部72bの形成に際しては、タングステン膜72の一部を基板1の裏面上に残存させることが好ましく、また、後に紫外線が基板1に照射されやすくするために基板1の広い領域を露出させることが好ましい。
7C, an
次いで、図7Dに示すように、タングステン膜72から露出しているn−GaN層71上に、第1の実施形態と同様にしてn−GaN層4を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 7D, the n-
その後、第1の実施形態と同様にして、GaN層5の形成以降の処理を行って、GaN系HEMTを完成させる。
Thereafter, similarly to the first embodiment, processing after the formation of the
但し、本実施形態では、光電気化学エッチングの際に裏面電極41を基板1の裏面上ではなくタングステン膜72上に形成する。これは、基板1として絶縁性又は半絶縁性のものを用いているからである。そして、本実施形態では、基板1の上方において、パターニングされたタングステン膜72の下にn−GaN層71が形成されているため、光電気化学エッチングの際に、n−GaN層4の各部に一様に所定の電位(裏面電極41の電位)を付与しやすい。これは、開口部3aのパターンと同様に、開口部72aのパターンも特に限定されず、格子状又はドット状となっている場合に効果的である。
However, in this embodiment, the back electrode 41 is formed not on the back surface of the
なお、光電気化学エッチング後には、図8Aに示すように、基板1、AlN層2、n−GaN層71及びタングステン膜72の構造体が得られる。この構造体については、先ず、酸を用いてタングステン膜72を除去した後、基板1のAlN層2及びn−GaN層71が存在する面をCMP法等により研磨して、AlN層2及びn−GaN層71を除去し、更に、基板1の表面を100nm程度研磨して平坦にする。平坦化後の基板1の状態は、AlN層2の形成前と比較して、ほんの僅かだけ薄くなっていることを除けば、変化していないといえる。従って、この基板1に対してAlN層2の形成以降の処理を行えば、繰り返しGaN系HEMTを形成することができる。
After the photoelectrochemical etching, as shown in FIG. 8A, a structure of the
このような第3の実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導電性SiC基板よりも安価なサファイア基板を用いれば、より低いコストでGaN系HEMTを製造することが可能となる。 According to the third embodiment as described above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, if a sapphire substrate that is less expensive than a conductive SiC substrate is used, a GaN-based HEMT can be manufactured at a lower cost.
なお、第2の実施形態のように、GaN層5を残したままDLC膜61を形成してもよい。
As in the second embodiment, the
また、タングステン膜72に代えて他の高融点金属膜を用いてもよい。高融点金属を用いるのは、化合物半導体層の形成時に高温に晒されるからである。
Further, instead of the
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態について説明する。図9は、第4の実施形態に係るGaN系HEMT(半導体装置)を製造する方法を工程順に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a GaN-based HEMT (semiconductor device) according to the fourth embodiment in the order of steps.
第4の実施形態では、図9に示すように、n−GaN層4上にGaN層5を形成する前に、n−GaN層4上に、エッチングストッパ層としてAlGaN層16を形成している。また、AlGaN層6を形成することなくGaN層5上にi−GaN層7を直接形成している。他の構成は第1の実施形態と同様である。
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, before the
このような第4の実施形態によれば、エッチングストッパ層として機能するAlGaN層16がn−GaN層4とGaN層5との間に存在するため、光電気化学エッチングの際のGaN層5の溶解をより確実に抑制することができる。
According to the fourth embodiment, since the
なお、第4の実施形態において、第1の実施形態のようにAlGaN層6を形成してもよい。また、第4の実施形態に第2の実施形態、及び/又は第3の実施形態を組み合わせてもよい。即ち、放熱部材としてDLC膜61等を用いてもよく、また、絶縁性又は半絶縁性の基板1を用いつつ、タングステン膜72により導通を確保してもよい。
In the fourth embodiment, the
なお、これらの方法により製造されたGaN系HEMTは、例えば無線通信の基地局に含まれる高出力増幅器に用いることができる。また、電源用途として、DC−DCコンバータ、AC−ACコンバータ、AC−DCコンバータ、高周波電源等に使用することができる。電源用途では、GaNの高耐圧、低損失及び高速スイッチングの特性を活かして、高周波化による受動部品の小型化及び素子数の低減等が可能となり、また、熱抵抗低減によるヒートシンクの小型化等が可能となる。そして、これらにより、電力変換装置の小型化、軽量化及び低コスト化が実現できる。 Note that the GaN-based HEMT manufactured by these methods can be used, for example, for a high-power amplifier included in a base station for wireless communication. Moreover, it can be used for a DC-DC converter, an AC-AC converter, an AC-DC converter, a high frequency power source, etc. as a power supply application. In power supply applications, it is possible to reduce the size of passive components and reduce the number of elements by increasing the frequency by utilizing the high breakdown voltage, low loss, and high-speed switching characteristics of GaN. It becomes possible. And by these, size reduction, weight reduction, and cost reduction of a power converter device are realizable.
また、核形成層の材料はAlNに限定されず、その上に形成する結晶層に応じて適宜選択することができる。例えば、その上に形成する結晶層がGaN系結晶層である場合、核形成層として、AlN系結晶層を用いることができる。また、化合物半導体結晶層の材料も限定されない。例えば、GaN、AlN又はInN等の窒化物半導体を単独で用いてもよく、また、これらの二種以上の混晶を用いてもよい。 The material of the nucleation layer is not limited to AlN, and can be appropriately selected depending on the crystal layer formed thereon. For example, when the crystal layer formed thereon is a GaN-based crystal layer, an AlN-based crystal layer can be used as the nucleation layer. Further, the material of the compound semiconductor crystal layer is not limited. For example, a nitride semiconductor such as GaN, AlN, or InN may be used alone, or a mixed crystal of two or more of these may be used.
また、化合物半導体結晶層の成長条件も特に限定されない。GaN系結晶層については、種々のエピタキシャル横方向成長(ELO:epitaxial lateral overgrowth)技術が開発されている。例えば、上述のようなHVPE法に基づくFIELO(facet-initiated ELO)技術、及び有機金属気相成長(MOVPE:metal-organic vapor phase epitaxy)法に基づくFACELO(facet-controlled ELO)技術等が開発されている。 Further, the growth conditions of the compound semiconductor crystal layer are not particularly limited. Various epitaxial lateral overgrowth (ELO) techniques have been developed for GaN-based crystal layers. For example, FIELO (facet-initiated ELO) technology based on the HVPE method as described above, and FACELO (facet-controlled ELO) technology based on the metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method have been developed. ing.
また、化合物半導体結晶層上に形成する半導体素子はHEMTに限定されない。例えば、IGBT(insulated gate bipolar transistor)を形成してもよい。 Further, the semiconductor element formed on the compound semiconductor crystal layer is not limited to HEMT. For example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be formed.
また、光電気化学的エッチングに用いるエッチング溶液も水酸化カリウム水溶液(KOH水溶液)に限定されないが、化合物半導体層へのダメージが小さい弱アルカリ性の水溶液を用いることが好ましい。 An etching solution used for photoelectrochemical etching is not limited to a potassium hydroxide aqueous solution (KOH aqueous solution), but it is preferable to use a weak alkaline aqueous solution that causes little damage to the compound semiconductor layer.
1:基板
2:AlN層
3:マスク層
3a:開口部
4:n−GaN層
5:GaN層
6:AlGaN層
7:i−GaN層
8:i−AlGaN層
9:n−AlGaN層
10:n−GaN層
21d:ドレイン電極
21g:ゲート電極
21s:ソース電極
33:表面保護層
34:支持基板
35:放熱基板
41:裏面電極
42:Pt電極
43:直流電源
44:KOH水溶液
45:槽
61:DLC膜
71:n−GaN層
72:タングステン膜
72a、72b:開口部
1: Substrate 2: AlN layer 3:
Claims (5)
前記n型GaN層上に化合物半導体結晶層を形成する工程と、
所定のエッチング溶液中において、前記n型GaN層に紫外線を照射して、光電気化学エッチングにより前記n型GaN層を溶解させて、前記化合物半導体結晶層を前記基板から分離する工程と、
を有し、
前記開口部は、少なくとも前記n型GaN層及び前記化合物半導体結晶層の積層方向に直交する方向で外部に連通し、
前記化合物半導体結晶層は、電子走行層及び電子供給層と、前記電子走行層及び前記電子供給層と前記n型GaN層との間に位置するノンドープのAlGaN層と、を有し、
前記光電気化学エッチングの際に、前記ノンドープのAlGaN層をエッチングストッパとして用いることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 Forming an n-type GaN layer provided with an opening communicating with the outside on the substrate;
Forming a compound semiconductor crystal layer into the n-type GaN layer,
In a predetermined etching solution, by irradiating ultraviolet rays to the n-type GaN layer, and the photoelectrochemical etching to dissolve the n-type GaN layer, and the step to separate the active said compound semiconductor crystal layer from the substrate,
I have a,
The opening communicates with the outside at least in a direction perpendicular to the stacking direction of the n-type GaN layer and the compound semiconductor crystal layer,
The compound semiconductor crystal layer has an electron transit layer and an electron supply layer, and the electron transit layer and the non-doped AlGaN layer located between the electron supply layer and the n-type GaN layer,
A method of manufacturing a compound semiconductor device , wherein the non-doped AlGaN layer is used as an etching stopper during the photoelectrochemical etching .
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