JP5311792B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置を製造する技術に関する。特に、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するｐ型オーミック電極を形成する技術に関する。

特許文献１に、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するオーミック電極のコンタクト抵抗を低減する技術が記載されている。この技術では、基板のｐ型窒化ガリウム層上にニッケル（Ｎｉ）とマグネシウム（Ｍｇ）からなる合金層と金（Ａｕ）層を順次蒸着し、ｐ型窒化物半導体にオーミック接触するオーミック電極を形成する。次いで、７００℃の窒素雰囲気下で基板を加熱し、その後に基板の温度を室温まで除冷する処理を繰り返し実施する。この技術によると、ｐ型窒化ガリウム層から水素を排除し、ｐ型不純物であるマグネシウムの活性化率を向上することができると説明されている。

特開２０００−２７７８０２号公報

半導体装置の製造では、オーミック電極の形成に先立って、絶縁膜にコンタクトホール等を形成するエッチング処理が実施されることも多い。エッチング処理は、ｐ型窒化物半導体の表面にダメージを与えることから、オーミック電極のオーミックコンタクト性を低下させる要因となっている。
本発明は、上記の課題を解決する。本発明は、エッチング処理によるダメージを修復し、オーミックコンタクト性に優れたオーミック電極を形成可能な技術を提供する。

本発明は、半導体装置の製造方法に具現化される。この製造方法は、ｐ型窒化物半導体の表面に、ｉ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体のうちのいずれかで構成される表面層を形成する表面層形成工程と、その表面層の一部を除去してｐ型窒化物半導体の表面を露出させるエッチング工程と、エッチング工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理するアニール工程と、アニール工程後のｐ型窒化物半導体の表面に電極を形成する電極形成工程を備えている。そして、前記アニール工程は、酸素の濃度が大気よりも高い雰囲気下において、７００℃から１２００℃の温度範囲で実施されることを特徴とする。

この製造方法では、エッチング工程を行った後にアニール工程を実施し、ｐ型窒化物半導体に与えられたエッチング処理によるダメージを修復する。アニール工程は、電極の形成よりも先に実施するので、比較的に高温（例えば電極材料の融点よりも高い温度）で実施することができる。それにより、ｐ型窒化物半導体がエッチング工程で受けたダメージを修復し、オーミックコンタクト性に優れたオーミック電極を形成することができる。

前記したアニール工程は、１０００℃から１１００℃の温度範囲で実施されることが好ましい。
この温度条件によると、ｐ型窒化物半導体がエッチング工程で受けたダメージを十分に修復し、オーミックコンタクト性により優れたオーミック電極を形成することが可能となる。

上記した製造方法は、前記アニール工程と電極形成工程との間に、前記エッチング工程で露出させたｐ型窒化物半導体の表面にニッケル層を形成するニッケル層形成工程と、前記ニッケル層形成工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理する第２アニール工程と、前記第２アニール工程後のｐ型窒化物半導体から前記ニッケル層を除去するニッケル層除去工程をさらに備えることが好ましい。この場合、前記した表面層は、絶縁材料で構成されるものであってもよい。
この製造方法によると、オーミック電極のコンタクト抵抗を顕著に低減することができる。

本発明によると、オーミックコンタクト性に優れたオーミック電極を形成することが可能となり、優れた特性を有する半導体装置を製造することが可能となる。

最初に、本発明の好適な実施形態を列記する。
（形態１） 本発明は、窒化ガリウムを用いた半導体装置の製造方法に好適に適用することができる。
（形態２） 第１アニール処理は、ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ボディ電極等の金属電極を形成する前に行うことが好ましい。それにより、それらの電極の材料となる金属の融点よりも高い処理温度で行うことができる。
（形態３） ボディ電極のニッケル層を形成後、基板を６００℃から８００℃の窒素雰囲気下で熱処理する第２アニール処理を実施することが好ましい。
（形態４） ゲート電極、ソース電極、ドレイン電極、ボディ電極等の金属電極や配線を形成後、基板を窒素雰囲気下で熱処理するシンタ処理を実施することが好ましい。

（実施例１）
本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図１に示すフローチャートに沿って、本発明に係る半導体装置の製造方法を説明する。
先ず、ステップＳ１０では、図２に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板８を準備する。窒化ガリウム基板８は、その表面が（０００１）結晶面の単結晶体である。窒化ガリウム基板８は、ｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）がドープされており、ｐ型半導体の特性を示すものである。

ステップＳ２０では、準備した窒化ガリウム基板８に素子構造の形成を行う。ここでは、図３に示すように、窒化ガリウム基板８に対してｎ型不純物のドープを部分的に実施し、ｎ型半導体領域であるソース領域１２とドレイン領域１４を形成する。ソース領域１２やドレイン領域１４の形成は、シリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物を注入するイオン注入工程と、注入したｎ型不純物を熱拡散させるアニール工程等によって行うことができる。それにより、ｎ型半導体領域であるソース領域１２及びドレイン領域１４と、ｐ型半導体領域であるボディ領域１０を含むｎ−ｃｈトランジスタ構造が形成される。

ステップＳ３０では、図４に示すように、素子構造を形成した後の窒化ガリウム基板８の表面に、絶縁膜１６を形成する。この絶縁膜１６は、絶縁材料で構成されており、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）によって形成することができる。なお、本実施例ではこのステップＳ３０において絶縁膜１６を形成するが、ステップＳ３０において窒化ガリウム基板８の表面に形成する表面層は絶縁膜１６に限定されず、ｉ型窒化物半導体層やｎ型窒化物半導体層であってもよい。
ステップＳ４０では、ステップＳ３０で形成した絶縁膜１６にエッチング処理を行い、絶縁膜１６の一部を選択的に除去することによって、図５に示すように絶縁膜１６にコンタクトホール１６ａを形成する。コンタクトホール１６ａは、ボディ領域１０に通じている。ステップＳ４０で実施するエッチング処理は、ドライエッチングであってもよいし、ウエットエッチングであってもよい。本実施例では、エッチングの形状精度が高いドライエッチングを採用している。

ステップＳ５０では、エッチング処理後の窒化ガリウム基板８を加熱処理する第１アニール処理を実施する。第１アニール処理は、７００度から１２００度の温度範囲で実施する。また、第１アニール処理は、窒素（Ｎ_２）又は酸素（Ｏ_２）雰囲気下で実施する。なお、第１アニール処理は、純粋な窒素又は純粋な酸素雰囲気下で実施されることが好ましいが、そのことは必ずしも必須の条件ではなく、窒素又は酸素の濃度が大気よりも高い雰囲気下で実施すればよい。この場合でも、有意な効果を得られることが確認されている。
第１アニール処理は、エッチング処理後のボディ領域１０の表面から、エッチング処理によるダメージを除去するために行われる。詳しくは後述するが、第１アニール処理を実施することにより、後に形成するボディ電極３０とボディ領域１０とのオーミックコンタクト性が顕著に向上する。第１アニール処理は、各種の金属電極を形成する以前に行うことができるので、１０００℃以上という非常に高温な条件で行うこともできる。
第１アニール処理を行った後、窒化ガリウム基板８を王水等で洗浄し、第１アニール処理で生成された表面生成物を除去しておく。

ステップＳ６０では、図６に示すように、コンタクトホール１６ａを通じてボディ領域１０に接触するボディ電極３０を形成する。ボディ電極３０は、ｐ型領域であるボディ領域１０にオーミックコンタクトする電極である。このようなｐ型領域へオーミックコンタクトする電極は、ボディ領域１０上に形成されたニッケル層３０ａとそのニッケル層３０ａ上に形成された金（Ａｕ）層３０ｂの積層構造によって形成することができる。ニッケル層３０ａや金層３０ｂは、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着法によって成層することができる。先に説明したように、第１アニール処理によるボディ領域１０表面の改質により、ボディ電極３０はボディ領域１０に対して優れたオーミックコンタクト性を示す。
ステップＳ７０では、図６に示すように、絶縁膜１６にエッチング処理を行い、絶縁膜１６の一部を選択的に除去することによって、コンタクトホール１６ｂ、１６ｃを形成する。ここで、コンタクトホール１６ｂはソース領域１２に通じており、コンタクトホール１６ｃはドレイン領域１４に通じている。次いで、コンタクトホール１６ｂを通じてソース領域１２に接触するソース電極２２と、コンタクトホール１６ｃを通じてドレイン領域１４に接触するドレイン電極２４を形成する。ソース電極２２とドレイン電極２４は、ｎ型領域であるソース領域１２とドレイン領域１４にそれぞれオーミックコンタクトする電極である。このようなｎ型領域へオーミックコンタクトする電極は、例えばチタン／アルミニウム／ニッケル／金（Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ）の積層構造によって形成することができる。これらの各金属は、例えば電子ビーム（ＥＢ）蒸着法によって成層することができる。

ステップＳ８０では、シンタ処理を実施する。このシンタ処理は、３００℃から５００℃の窒素雰囲気下で窒化ガリウム基板８を熱処理するものである。このシンタ処理により、ソース電極２２とソース領域１２、ドレイン電極２４とドレイン領域１４、ボディ電極３０とボディ領域１０のオーミックコンタクト性を向上させる。
ステップＳ９０では、図７に示すように、絶縁膜１６の上にゲート電極１８を形成する。ゲート電極１８は、ボディ領域１０のソース領域１２とドレイン領域１４の間に介在する部分に対向する範囲に形成する。ゲート電極１８は、例えばアルミニウム（Ａｌ）によって形成することができる。
ゲート電極１８の形成後、必要な電気配線（例えばソース電極２２とボディ電極３０を導通する電気配線）の形成を行う。
以上により、図７に示す構造を有する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタを得ることができる。

次に、第１アニール処理とオーミックコンタクト性の関係について説明する。図８、図９は、上記の製造方法で製造した電界効果トランジスタについて、ボディ電極３０とボディ領域１０との間の電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
ここで、図８、図９に破線で示すグラフＸ、Ｙは、第１アニール処理による効果を評価するための比較例を示している。一方のグラフＸ（Ａｓ−ｇｒｏｗｎ）は、ボディ領域１０の表面がエッチング処理によるダメージを受けていない場合のオーミックコンタクト性を示すものである。なお、グラフＸが示す電流−電圧特性は、最初に準備する窒化ガリウム基板８にボディ電極３０の形成のみを行って測定したものである。この場合のコンタクト抵抗は、０．０２１８Ω・ｃｍ^２であった。他方のグラフＹ（Ａｓ−ｅｔｃｈｅｄ）は、エッチング処理後に第１アニール処理を実施することなくボディ電極３０を形成して測定したものであり、ボディ領域１０の表面がエッチング処理によるダメージを受けたままの場合のオーミックコンタクト性を示すものである。グラフＸ、Ｙによって示されるように、ボディ領域１０の表面がエッチング処理で受けるダメージによって、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性は大幅に低下する。

最初に、図８に示す測定結果について説明する。図８は、第１アニール処理を窒素雰囲気下で行ったものである。グラフＡは温度条件８００℃かつ処理時間１０分の場合を示し、グラフＢは温度条件９００℃かつ処理時間３０秒の場合を示し、グラフＣは温度条件１０００℃かつ処理時間３０秒の場合を示し、グラフＤは温度条件１１００℃かつ処理時間３０秒の場合を示し、グラフＥは温度条件１１００℃かつ処理時間１０分の場合を示し、グラフＦは温度条件１２００℃かつ処理時間３０秒の場合を示す。図８に示すように、いずれの条件においても、窒素雰囲気化における第１アニール処理によって、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性が向上することが確認された。特に、処理温度を１０００℃又は１１００℃に設定した場合に、特に高い効果が得られることが確認された。このことから、処理温度を１０００℃から１１００℃の範囲に設定することによって、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性を顕著に向上させることができると推定できる。

次いで、図９に示す測定結果について説明する。図９は、第１アニール処理を酸素雰囲気下で行ったものである。グラフＦは温度条件７００℃かつ処理時間１０分の場合を示し、グラフＧは温度条件８００℃かつ処理時間１０分の場合を示し、グラフＨは温度条件１１００℃かつ処理時間３０秒の場合を示す。また、窒素雰囲気下での測定結果と比較評価するために、図８に示すグラフＢ（窒素雰囲気下、９００℃、３０秒）を図９にも併せて示す。図９に示すように、いずれの条件においても、酸素雰囲気化における第１アニール処理によって、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性が向上することが確認された。さらに、酸素雰囲気下における第１アニール処理は、窒素雰囲気化における第１アニール処理よりも、高い効果が得られることが確認された。最も良好な結果が得られた条件（グラフＨ：酸素雰囲気下、１１００℃、３０秒）では、コンタクト抵抗０．１３７Ω・ｃｍ^２という優れた数値と直線的な電流−電圧特性が得られた。

以上、図８、図９に示す結果から、第１アニール処理では、７００℃から１２００℃の窒素又は酸素雰囲気下で窒化ガリウム基板８を熱処理することにより、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性を有意に向上することが確認される。また、窒素雰囲気下と酸素雰囲気下と比較すると、酸素雰囲気下で行った場合の方がより高い効果が得られることが確認される。さらに、温度条件については、１０００℃から１１００℃の範囲で行うことにより、比較的に短時間で顕著な効果が得られることが確認される。

（実施例２）
図１０は、実施例２に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。図１０に示す実施例２の製造方法は、図１に示す実施例１の製造方法と比較して、第１アニール工程Ｓ５０とボディ電極形成工程Ｓ６０の間に、複数の処理Ｓ５２、Ｓ５４、Ｓ５６が付加されている。以下、実施例２の製造方法について、主に実施例１の製造方法と異なる点を説明する。

図１０に示すように、実施例２の製造方法においても、実施例１の製造方法と同様に、ステップＳ１０からステップＳ５０の各処理が順に実施される。
ステップＳ５０の第１アニール処理に続き、ステップＳ５２では、ニッケル層３０ｃを形成する。図１１に示すように、ニッケル層３０ｃは、コンタクトホール１６ａによって露出するボディ領域１０に接触するように形成する。ニッケル層３０ｃは、例えは１０ｎｍの厚みで形成する。ニッケル層３０ｃは、例えば電子ビーム蒸着法によって形成する。

ステップＳ５４では、ニッケル層３０ｃを形成した窒化ガリウム基板８を加熱処理する第２アニール処理を実施する。第２アニール処理は、６００度から８００度の温度範囲で実施する。また、第２アニール処理は、窒素雰囲気下で実施する。
第２アニール処理は、ボディ領域１０の表面を活性化するために行われる。ニッケルは、窒化物半導体中に存在する水素原子を低減し、窒化物半導体に含まれるｐ型不純物（例えばマグネシウム）の活性化率を高める機能を有する。本実施例の第２アニール処理はこの事象を利用するものであり、ニッケル層３０ｃを形成した段階で窒化ガリウム基板８の加熱処理を行うことにより、ボディ領域１０のホール密度を増加させるものである。

ステップＳ５６では、第２アニール処理を行った後の窒化ガリウム基板８を王水等で洗浄し、ニッケル層３０ｃと第２アニール処理で生成された表面生成物を除去する。即ち、この段階で半導体装置の構造は図５に示す半製品の状態に戻る。
ステップＳ６０では、図１２に示すように、ボディ電極３０のニッケル層３０ａと金層３０ｂを形成する。金層３０ｂは、ニッケル層３０ａ上に形成する。ボディ電極３０は、実施例１と同様に形成することができる。
ステップＳ７０では、図１２に示すように、ソース電極２２とドレイン電極２４を形成する。ソース電極２２とドレイン電極２４についても、実施例１と同様に形成することができる。

ステップＳ８０では、実施例１と同様にシンタ処理を実施する。実施例２の製造方法では、このシンタ処理も含め、オーミックコンタクト性を向上させるための熱処理が３度行われる。
ステップＳ９０では、図１３に示すように、絶縁膜１６の上にゲート電極１８を形成する。ゲート電極１８は、実施例１と同様に形成することができる。
以上により、図１３に示す構造を有する絶縁ゲート型の電界効果トランジスタを得ることができる。

次に、第２アニール処理とオーミックコンタクト性の関係について説明する。図１４は、上記の製造方法で製造した電界効果トランジスタについて、ボディ電極３０とボディ領域１０との間の電流−電圧特性を測定した結果を示すグラフである。
ここで、図１４に破線で示すグラフＸ、Ｈは、第２アニール処理による効果を評価するための比較例（第２アニール処理が未実施）を示している。一方のグラフＸは、図８、９に示すグラフＸと同じく、ボディ領域１０の表面がエッチング処理によるダメージを受けていない場合のオーミックコンタクト性を示すものである。他方のグラフＨは、図９に示すグラフＨと同じく、第１アニール処理を（酸素雰囲気下、１１００℃、３０秒）の条件で行った場合のオーミックコンタクト性を示す。即ち、グラフＨは、第１アニール処理を最適条件で行った場合に得られるオーミックコンタクト性を示すものである。

図１４は、第１アニール処理を（酸素雰囲気下、１１００℃、３０秒）の条件で行った後に、第２アニール処理を各種の条件で行ったものの電流−電圧特性を示している。グラフＪは温度条件６００℃かつ処理時間２０分の場合を示し、グラフＫは温度条件８００℃かつ処理時間１０分の場合を示している。なお、第２アニール処理は窒素雰囲気下で行われる。図１４に示すように、いずれの条件においても、第１アニール処理に加えて第２アニール処理を実施することによって、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性が向上することが確認された。特に、処理温度６００℃かつ処理時間２０分に設定した場合、ボディ電極３０とボディ領域１０との間のオーミックコンタクト性が、エッチング処理による低下分を上回って向上することが確認された。この場合のコンタクト抵抗は、０．０１９６Ω・ｃｍ^２という優れた数値と直線的な電流−電圧特性が得られた。なお、本実施例では第１アニール処理と第２アニール処理の両者を実施しているが、第１アニール処理を行わずに第２アニール処理のみを実施した場合でも、有意な効果が得られることが確認されている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記した半導体装置の製造方法は、窒化ガリウムを用いた半導体装置のみならず、例えば窒化ガリウムアルミニウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）等の他の窒化物半導体を用いた半導体装置の製造にも適用することができる。
上記した半導体装置の製造方法は、実施例で例示した構造の半導体装置のみならず、他の様々な構造の半導体装置の製造にも適用することができる。
上記した半導体装置の製造方法は、ｐ型の窒化物半導体にオーミックコンタクトする電極を有する半導体装置の製造に好適に適用することができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例１の半導体装置の製造方法を示すフローチャート。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ１０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ２０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ３０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ４０、Ｓ５０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ６０、Ｓ７０、Ｓ８０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（ステップＳ９０）を示す図。 窒素雰囲気下の第１アニール処理の効果を示すグラフ。 酸素雰囲気下の第１アニール処理の効果を示すグラフ。 実施例２の半導体装置の製造方法を示すフローチャート。 半製品状態の半導体装置（実施例２のステップＳ５２、Ｓ５４）を示す図。 半製品状態の半導体装置（実施例２のステップ６０、Ｓ７０、Ｓ８０）を示す図。 半製品状態の半導体装置（実施例２のステップＳ９０）を示す図。 第２アニール処理の効果を示すグラフ。

符号の説明

８：窒化ガリウム基板
１０：ボディ領域
１２：ソース領域
１４：ドレイン領域
１６：絶縁膜
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ：コンタクトホール
１８：ゲート電極
２２：ソース電極
２４：ドレイン電極
３０：ボディ電極
３０ａ：ボディ電極のニッケル（Ｎｉ）層
３０ｂ：ボディ電極の金（Ａｕ）層
３０ｃ：第２アニール処理用のニッケル（Ｎｉ）層

Claims (4)

1. 半導体装置の製造方法であって、
   ｐ型窒化物半導体の表面に、ｉ型窒化物半導体とｎ型窒化物半導体のうちのいずれかで構成される表面層を形成する表面層形成工程と、
   その表面層の一部を除去してｐ型窒化物半導体の表面を露出させるエッチング工程と、
   エッチング工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理するアニール工程と、
   アニール工程後のｐ型窒化物半導体の表面に電極を形成する電極形成工程を備え、
   前記アニール工程は、酸素の濃度が大気よりも高い雰囲気下において、７００℃から１２００℃の温度範囲で実施されることを特徴とする製造方法。
2. 前記アニール工程は、１０００℃から１１００℃の温度範囲で実施されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 前記アニール工程と電極形成工程との間に、前記エッチング工程で露出させたｐ型窒化物半導体の表面にニッケル層を形成するニッケル層形成工程と、前記ニッケル層形成工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理する第２アニール工程と、前記第２アニール工程後のｐ型窒化物半導体から前記ニッケル層を除去するニッケル層除去工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
4. 半導体装置の製造方法であって、
   ｐ型窒化物半導体の表面に、絶縁材料で構成される表面層を形成する表面層形成工程と、
   その表面層の一部を除去してｐ型窒化物半導体の表面を露出させるエッチング工程と、
   エッチング工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理するアニール工程と、
   アニール工程後のｐ型窒化物半導体の表面に電極を形成する電極形成工程を備え、
   前記アニール工程は、酸素の濃度が大気よりも高い雰囲気下において、７００℃から１２００℃の温度範囲で実施され、
   前記アニール工程と電極形成工程との間に、前記エッチング工程で露出させたｐ型窒化物半導体の表面にニッケル層を形成するニッケル層形成工程と、前記ニッケル層形成工程後のｐ型窒化物半導体を加熱処理する第２アニール工程と、前記第２アニール工程後のｐ型窒化物半導体から前記ニッケル層を除去するニッケル層除去工程と、をさらに備えることを特徴とする製造方法。

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