JP5192785B2

JP5192785B2 - 窒化物半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5192785B2
Application number: JP2007301224A
Authority: JP
Inventors: 忠義出口
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: JP2009130010A

Description

本発明は、窒化物半導体装置の製造方法に関し、特に大口径のシリコン基板上に窒化物半導体装置を形成する製造方法に関する。

窒化物半導体は、絶縁破壊電界が高く、飽和電子速度が大きいことから、耐高温、高出力、高周波用の電子デバイスの材料として有望である。窒化物半導体を用いて電子デバイスを形成するためには、基板上に窒化物半導体層を形成し、この窒化物半導体層に電子デバイスを形成する必要がある。

しかしながら、窒化物半導体と完全に格子整合する基板は得られていない。通常は、サファイア、炭化硅素、シリコンなど、窒化物半導体とは格子不整合の大きい材料を基板として用いている。このうち、シリコン基板は、安価であるとともに、通常の半導体装置の製造装置を用いることができるため、低コストで半導体デバイスを製造することができる。また、他の集積回路を同時に、同一のシリコン基板上に形成することができるなど、有利な点が多くある。

シリコン基板上に窒化物半導体層を形成する場合、格子不整合を緩和する必要がある。図３は、従来提案されている方法により形成した窒化物半導体基板である。図３に示すように、シリコン基板２０上に、数１０ｎｍから数１００ｎｍの厚さの窒化アルミニウム層２１を形成し、その上に窒化ガリウム層２２を形成している。この方法によれば、窒化アルミニウム層２１が緩衝層として作用し、平坦で、欠陥密度が低い窒化ガリウム層２２を容易に形成することができると報告されている（非特許文献１）。

しかし、サファイア基板や炭化硅素基板と比較して、シリコン基板上に厚い良質な窒化物半導体層を形成することは非常に困難である。例えば、シリコン基板上に窒化ガリウムをエピタキシャル成長させる場合、シリコンの格子定数が０．５４３１ｎｍであるので、（１１１）面上での原子間隔は０．３８４０ｎｍとなる。一方窒化ガリウムの格子定数は０．３８１９ｎｍである。そのため、シリコン基板上に厚い窒化ガリウム膜を形成すると、格子間隔が窒化ガリウムの方が狭い。またシリコンの線膨張係数は２．６×１０^-6Ｋ^-1であるのに対し、窒化ガリウムは５．６×１０^-6Ｋ^-1と大きい。この種の半導体層のエピタキシャル成長工程では、１０００℃以上で成長させた後、室温に降温させる。そのため、窒化ガリウム膜に引っ張り応力が発生し、割れが生じたり、シリコン基板の反りが大きくなってしまう。その問題を解決するため、シリコン基板上に結晶欠陥の多い領域を格子状に形成した後、エピタキシャル成長させることで、多数の区画された小領域を形成する方法が提案されている（特許文献１）。
D.M.Follstaedt、他２名、"MICROSTRUCTURE OF GaN FROWN ON (111)Si BY MOCVD"、MRS Internet J.Nitride Semicon.Res.4SI、G3.72.、１９９９年特開２００７−４９１８０号公報

従来提案されている多数の区画された小領域を形成する方法は、結晶欠陥の多いダメージ層を予め形成する工程を追加する必要があり、製造工程が複雑になるという問題点があった。本発明は、シリコン基板上に厚い窒化物半導体層をエピタキシャル成長しても、シリコン基板に反りや、窒化物半導体層に割れが生じない良好な窒化物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、ガリウム、アルミニウム、及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素からなるＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置の製造方法において、シリコン基板上に、窒化アルミニウムあるいは窒化インジウムからなる第１の半導体層を成長させる工程と、該第１の半導体層の一部を除去し、それぞれ区画された前記第１の半導体層からなる複数の小領域を形成する工程と、少なくともトリメチルガリウムを含む前記III族元素のトリメチル化合物を成長ガスとして使用し、メルトバックエッチングが生じる条件でガリウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の半導体層を、前記シリコン基板を露出したまま前記小領域上のみに選択的に成長させる工程とを含むことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、前記第１の半導体層の一部を格子状に除去し、それぞれ区画された前記第１の半導体層からなる複数の前記小領域を形成する工程と、前記第２の半導体層を、前記小領域上のみに選択的に成長させる工程と、該第２の半導体層表面に、半導体素子を形成する工程と、前記小領域間の前記シリコン基板を前記格子状に切断し、個片化した半導体装置を形成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置の製造方法は、エッチングによって窒化アルミニウムあるいは窒化インジウムからなる小領域を形成した後、エピタキシャル成長させる際、シリコン基板が成長ガスとして使用するトリメチルガリウムと反応することで、小領域に選択的にエピタキシャル成長層を形成することができ、反りや割れのない半導体基板を形成することができる。特に厚い窒化物半導体層が積層した半導体装置を形成する際、効果が大きい。また、反りや割れのない半導体基板は、通常の半導体装置の製造装置、例えばステッパー装置を用いて半導体素子を形成することができ、窒化物半導体装置の量産が可能となるという利点がある。

さらに、小領域の大きさを、方形状あるいは矩形状の半導体装置の大きさに合わせて形成し、小領域上に半導体素子を形成した後、窒化物半導体層が形成されていないシリコン基板を格子状に切断することで、窒化物半導体層を厚く形成した場合であっても、容易に個片化して半導体装置が形成できるという利点がある。

本発明は、シリコン基板上にガリウム、アルミニウム、インジウムの窒化物をエピタキシャル成長させる際、まず、窒化アルミニウムあるいは窒化インジウム（第１の半導体層）を成長させた後、例えば格子状に除去して、複数の小領域に区画する。そして、この小領域上のみに、少なくとも窒化ガリウムを含むアルミニウム、インジウムの窒化物（第２の半導体層）をエピタキシャル成長させる構成としている。さらにガリウム、アルミニウム、インジウムの窒化物からなるエピタキシャル層に、半導体素子を形成し、小領域間のシリコン基板を切断することで、個々の半導体装置に個片化する構成としている。以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。まず、高比抵抗のシリコン基板１０を用意する（図１ａ）。シリコン基板１０の表面は、ミラー指数で示す結晶の面方位が（１１１）面となっている。

次にシリコン基板１０上に、窒化アルミニウム層１１を有機金属気相成長（MOCVD；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により成長させる。具体的には、シリコン基板１０をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、サーマルアニーリングを施し、表面の自然酸化膜を除去する。次に、反応室内にトリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスを成長ガスとして供給し、シリコン基板１０の表面に、厚さ約２００ｎｍの窒化アルミニウム層１１を成長させる（図１ｂ）。

次にＭＯＣＶＤ装置から、一旦シリコン基板を取り出し、通常のフォトリソグラフ法により、窒化アルミニウム層１１上にフォトレジストを形成し、例えば格子状に窒化アルミニウム層１１が露出するようにパターニングする。水酸化カリウム水溶液を用いて、露出する窒化アルミニウム層１１をエッチング除去し、シリコン基板１０の表面を露出させる（図１ｃ）。その結果、例えば幅５０μｍで格子状にシリコン１０が露出し、一辺が１ｍｍ程度の方形状の窒化アルミニウム層１１が残る小領域に区画した形状を形成することができる。

その後、シリコン基板１０を再度ＭＯＣＶＤ装置内に載置し、サーマルアニーリングを施した後、成長温度１１００℃として、反応室内にトリメチルガリウムガスとアンモニアガスを成長ガスとして供給し、窒化アルミニウム層１１の表面に例えば２．５μｍの窒化ガリウム層１３を成長させる（図１ｄ）。

ここで、窒化アルミニウム層１１表面では、通常のエピタキシャル成長が行われる一方、シリコン基板１０上の領域１２では、シリコンとトリメチルガリウムとの反応により、メルトバックエッチングが起こる。その結果、シリコン基板１０の露出する表面（領域１２）上にはエピタキシャル成長しない構造となる。なお、一部結晶性の悪い膜が形成される場合があるが、小領域１２を全面覆い、表面が平坦になるような成長はない。

このように小領域に区画された窒化アルミニウム層上に選択的に窒化ガリウム層をエピタキシャル成長させるため、シリコン基板と窒化物半導体との間に生じる応力が緩和され、反りや割れのない半導体基板を形成することができる。

なお、上記実施例において、窒化アルミニウム層１１の代わりに、窒化インジウムからなる半導体層であってもよい。窒化インジウム層を形成する場合、成長ガスは、トリメチルアルミニウムガスの代わりに、トリメチルインジウムガスを用いれば良い。

また窒化ガリウム層１３の代わりに別の窒化物半導体層を成長させたり、後述するように複数の窒化物半導体層を積層する構造とすることができる。別の窒化物半導体層を成長させる際には、シリコン基板のメルトバックエッチングが生じる条件での成長が必須であるため、成長ガスにトリメチルガリウムを含み、さらにトリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを適宜選択してガリウムを含む所望の窒化物半導体層を成長させることができる。

次に第２の実施例である窒化物半導体装置の製造方法について説明する。第１の実施例同様、まず、高比抵抗のシリコン基板１０を用意する（図２ａ）。シリコン基板１０の表面は、ミラー指数で示す結晶の面方位が（１１１）面となっている。

次にシリコン基板１０上に、窒化アルミニウム層１１を有機金属気相成長（MOCVD；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成する。具体的には、シリコン基板をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、サーマルアニーリングを施し、表面の自然酸化膜を除去する。次に、反応室内にトリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスを成長ガスとして供給し、シリコン基板１０の表面に、厚さ約２００ｎｍの窒化アルミニウム層１１を成長させる（図２ｂ）。

次にＭＯＣＶＤ装置から、一旦シリコン基板を取り出し、通常のフォトリソグラフ法により、窒化アルミニウム層１１上にフォトレジストを形成し、例えば格子状に窒化アルミニウム層１１が露出するようにパターニングする。水酸化カリウム水溶液を用いて、露出する窒化アルミニウム層１１をエッチング除去し、シリコン基板１０の表面を露出させる（図２ｃ）。その結果、例えば幅５０μｍで格子状にシリコン１０が露出し、一辺が２００μｍ程度の方形状の窒化アルミニウム層１１が残る小領域に区画した形状を形成することができる。

その後、シリコン基板１０を再度ＭＯＣＶＤ装置内に載置し、サーマルアニーリングを施した後、成長温度１１００℃として、反応室内にトリメチルガリウムガスとトリメチルアルミニウムガスとアンモニアガスを成長ガスとして供給し、窒化アルミニウム層１１の表面に例えば４０ｎｍの窒化アルミニウムガリウム層１４を成長させる（図２ｃ）。その後、反応室内の成長ガスをトリメチルガリウムガスとアンモニアガスに置換し、窒化アルミニウムガリウム層１４上に窒化ガリウム層１３を成長させる（図２ｄ）。

このように窒化アルミニウムガリウム層１４が、窒化アルミニウム層１１と窒化ガリウム層１３の間に挿入されることで、第１の実施例で説明した構造に比べて、格子緩和されやすくなり、より品質の高い窒化ガリウム層１４を形成することができる。

前述の第１の実施例同様、窒化アルミニウム層１１及び窒化アルミニウムガリウム層表面では、通常のエピタキシャル成長が行われる一方、シリコン基板１０上の領域１２では、シリコンとトリメチルガリウムとの反応により、メルトバックエッチングが起こる。その結果、シリコン基板１０の露出する表面（領域１２）上にはエピタキシャル成長しない構造となる。なお、一部結晶性の悪い膜が形成される場合があるが、小領域１２を全面覆い、表面が平坦になるような成長はない。

窒化アルミニウム層１１あるいは窒化インジウム層に積層する窒化物半導体層を成長させる際には、シリコン基板のメルトバックエッチングが生じる条件での成長が必須であるため、成長ガスにトリメチルガリウムを含み、さらにトリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを適宜選択してガリウムを含む所望の窒化物半導体層を成長させることができる。

次に本発明の第３の実施例である窒化物半導体装置の製造方法について説明する。まず、上述の第１の実施例及び第２の実施例で説明した方法により、シリコン基板１０上に積層形成した窒化アルミニウム層１１及び窒化ガリウム層１３（第１の実施例の場合）、あるいは窒化アルミニウム１１、窒化アルミニウムガリウム層１４及び窒化ガリウム層１３（第２の実施例の場合）を利用して、それぞれの小領域に半導体素子を形成する。具体的には、成長させるエピタキシャル層を適宜選択することで、電界効果トランジスタやショットキバリアダイオード等の半導体素子を通常の半導体装置の製造工程に従い、形成する。

その後、必要であれば、シリコン基板１０を研磨して薄膜化した後、小領域の間のシリコン基板１１を、格子状に切断して個片化することで半導体装置を形成することができる。小領域の大きさ、換言すれば、シリコン基板１０上に成長させた窒化アルミニウム層１１あるいは窒化インジウム層を除去する格子パターンは、形成する半導体装置の大きさに応じて予め決定されることになる。

このようにエピタキシャル層のない部分を切断するように構成することで、容易に個片化することが可能となる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、シリコン基板上に窒化アルミニウム層あるいは窒化インジウム層（第１の半導体層）を形成する場合、ＭＯＣＶＤ法に限らず、分子線エピタキシャル法やスパッタリング法を用いることができる。

また第１の半導体層上に形成される窒化物半導体層（第２の半導体層）は、単層で用いられる他、２層以上の多層膜として形成することができるし、所望の濃度、導電型に形成することができる。例えば、ヘテロ界面に二次元電子ガスが生じるような積層構造とすることもできる。

本発明の第１の実施例である窒化物半導体装置の製造方法の説明図である。本発明の第２の実施例である窒化物半導体装置の製造方法に説明図である。従来の窒化物半導体装置に用いられる窒化物半導体基板の説明図である。

符号の説明

１０、２０：シリコン基板、１１、２１：窒化アルミニウム層、１２：領域、１３、２２：窒化ガリウム層、１４：窒化アルミニウムガリウム層

Claims

ガリウム、アルミニウム、及びインジウムからなる群のうち少なくとも１つからなるIII族元素と、窒素からなるＶ族元素で構成されたIII−Ｖ族窒化物半導体層を備えた窒化物半導体装置の製造方法において、
シリコン基板上に、窒化アルミニウムあるいは窒化インジウムからなる第１の半導体層を成長させる工程と、
該第１の半導体層の一部を除去し、それぞれ区画された前記第１の半導体層からなる複数の小領域を形成する工程と、
少なくともトリメチルガリウムを含む前記III族元素のトリメチル化合物を成長ガスとして使用し、メルトバックエッチングが生じる条件でガリウムを含む前記III−Ｖ族窒化物半導体層からなる第２の半導体層を、前記シリコン基板を露出したまま前記小領域上のみに選択的に成長させる工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第１の半導体層の一部を格子状に除去し、それぞれ区画された前記第１の半導体層からなる複数の前記小領域を形成する工程と、
前記第２の半導体層を、前記小領域上のみに選択的に成長させる工程と、
該第２の半導体層表面に、半導体素子を形成する工程と、
前記小領域間の前記シリコン基板を前記格子状に切断し、個片化した半導体装置を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。