JP5991790B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体装置の製造方法に関し、特に窒化物半導体層を有する半導体装置の製造方法に関する。

窒化物半導体を用いた半導体装置、例えばＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）等の半導体装置は、高周波用出力増幅用素子として用いられることがある。特許文献１には、窒化物半導体層上に、水素含有率を調節したＳｉＮ（窒化シリコン）膜を設ける発明が開示されている。

特開２００５−２８６１３５号公報

従来の技術では、水分の浸入によって、半導体装置の信頼性が低下する可能性があった。本発明は上記課題に鑑み、信頼性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、窒化物半導体層の表面に、パワー密度が０．２〜０．３Ｗ／ｃｍ^２である酸素プラズマ処理を行う工程を有する半導体装置の製造方法である。本発明によれば、半導体装置の信頼性を向上させることが可能となる。

上記構成において、前記酸素プラズマ処理を行う工程で供給されるガスは、酸素ガスのみである構成とすることができる。この構成によれば、良好な導電層を形成することができる。

上記構成において、前記窒化物半導体層は、ガリウムを含む窒化物半導体層である構成とすることができる。この構成によれば、良好な導電層を形成することができる。

上記構成において、前記窒化物半導体層は、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、窒化インジウムアルミニウム又は窒化アルミニウムインジウムガリウムのいずれかを含む窒化物半導体層である構成とすることができる。この構成によれば、良好な導電層を形成することができる。

本発明によれば、信頼性を向上させることが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。

図１（ａ）から図１（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図２（ａ）から図２（ｃ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は実験の結果を示す図である。

実施例の説明の前に、まず半導体装置の信頼性が低下する原因について説明する。半導体装置のうち、ＦＥＴでは、例えばｉ−ＧａＮ（窒化ガリウム）等の窒化物半導体からなるチャネル層上にソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を形成する。各電極は、例えばＡｕ等の金属からなる。

半導体装置に水分が浸入した場合、電極を形成するＡｕが水分に溶け出し、イオン化することがある。この場合に、電極に電圧を印加すると、一方の電極から溶け出したＡｕイオンが移動し、別の電極で還元され析出する、いわゆるイオンマイグレーション現象が発生することがある。イオンマイグレーション現象について検証するため、ドレイン電圧Ｖｄ＝５０Ｖ，ゲート電圧Ｖｇ＝−３〜−５Ｖのピンチオフ状態の半導体装置を、温度１３０℃、湿度８５％の環境下に配置する加速試験を行った。その結果、ドレイン電極から溶け出したＡｕが、ソース電極及びゲート電極で析出した。イオンマイグレーション現象が発生すると、半導体装置が破壊される等、半導体装置の信頼性が低下する。特に、窒化物半導体を用いる半導体装置の場合、高電圧が印加されるため、イオンマイグレーション現象の影響が大きくなる。

水分の浸入を抑制するために、透水性の低い保護膜が用いられることがある。しかしこの場合、保護膜の質、膜厚、電極等との密着性等を管理することが求められる。従って、半導体装置の構成や製造工程が複雑となることがあった。また、保護膜の質等にバラつきがあると、多数の半導体装置の中で耐湿性にバラつきが発生することがあった。

本発明の発明者は、半導体装置の動作時に流れるドレイン電流と比較して微小なリーク電流が、ソース−ドレイン間又はソース−ゲート間に流れることで、半導体装置の耐湿性が大きく改善することを見出した。本発明は、この知見に基づくものである。

次に図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

実施例１は、酸素プラズマ処理を行う例である。図１（ａ）から図３（ｂ）は、実施例１に係る半導体装置を例示する断面図である。なお、図１（ａ）から図３（ｂ）は模式的な図であり、各層の厚さは簡略化して図示している。

図１（ａ）に示すように、下から基板１０、バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６、キャップ層１８を積層してなる半導体基板を準備する。基板１０は例えばＳｉＣ（炭化シリコン）からなる。バリア層１２は、例えば厚さ３００ｎｍのＡｌＮ（窒化アルミニウム）からなる。チャネル層１４は、例えば厚さ１０００ｎｍのｉ−ＧａＮからなる。電子供給層１６は、例えば厚さ２０ｎｍのＡｌＧａＮ（窒化アルミニウムガリウム）からなる。キャップ層１８は、例えば厚さ５ｎｍのｎ−ＧａＮからなる。バリア層１２、チャネル層１４、電子供給層１６及びキャップ層１８は、窒化物半導体層１１を形成する。窒化物半導体層１１は、例えばＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属気相成長法）により、エピタキシャル成長されて形成される。なお、窒化物半導体層１１は、キャップ層１８がなく、バリア層１２、チャネル層１４、及び電子供給層１６から形成されることもある。

キャップ層１８の一部の上にレジスト１３を形成し、キャップ層１８のエッチングを行う。エッチングにより、キャップ層１８のレジスト１３から露出した部分が除去され、リセス２８が形成される。リセス２８からは電子供給層１６が露出する。

図１（ｂ）に示すように、蒸着法及びリフトオフ法により、リセス２８にソース電極２０及びドレイン電極２２を形成する。より詳細には、レジスト１５を形成し、金属を蒸着させる。レジスト１５を除去する。ソース電極２０及びドレイン電極２２は、電子供給層１６に近い順に、例えばＴｉ／ＡｌやＴａ／Ａｌ等の金属を積層してなるオーミック電極である。また、良好なオーミック電極を得るため、熱処理を行う。

図１（ｃ）に示すように、アッシャーを用いてキャップ層１８の表面に、酸素プラズマ処理を行う。酸素プラズマ処理の条件は以下の通りである。なお、パワー密度とは、アッシャーが備える電極の単位面積あたりのパワーである。
アッシャーの電極面積：４０００ｃｍ^２
プラズマのパワー：８００Ｗ（パワー密度０．２Ｗ／ｃｍ^２に相当）
ＲＦ周波数：１３．５６ＭＨｚ
処理時間：１分

酸素プラズマ処理により、キャップ層１８に含まれるＮ（窒素）が、Ｏ（酸素）と結びついて除去される。この結果、キャップ層１８の酸素プラズマ処理が行われた領域は、酸素プラズマ処理が行われなかった領域よりも、Ｇａ（ガリウム）の組成比が大きくなる。これにより、キャップ層１８の上面に導電層２６が形成される。

図２（ａ）に示すように、キャップ層１８、ソース電極２０及びドレイン電極２２上に、ＳｉＮ（窒化シリコン）層３０を形成する。ＳｉＮ層３０の厚さは例えば２０ｎｍである。ＳｉＮ層３０のエッチングを行い、ソース電極２０とドレイン電極２２との間の一部の領域で、ＳｉＮ層３０に開口部３１を形成する。開口部３１からはキャップ層１８が露出する。このとき、開口部３１の導電層２６もエッチングされる。

図２（ｂ）に示すように、例えば蒸着法及びリフトオフ法により、キャップ層１８上にゲート電極２４を形成する。ゲート電極２４は、キャップ層１８に近い順に、例えばＮｉ／Ａｕ等の金属を積層してなる。図２（ｃ）に示すように、ゲート電極２４上及びＳｉＮ層３０上に、ＳｉＮ層３２を形成する。ＳｉＮ層３２の厚さは例えば４０ｎｍである。

図３（ａ）に示すように、ＳｉＮ層３０及びＳｉＮ層３２に開口部を形成し、ソース電極２０及びドレイン電極２２を露出させる。その後、ソース電極２０及びドレイン電極２２の各々に接触する２つの配線３６を形成する。配線３６は、例えばＡｕ等の金属からなる。図３（ｂ）に示すように、ＳｉＮ層３２上及び配線３６上に、ＳｉＮ層３４を形成し、パッシベーションを行う。ＳｉＮ層３０，３２及び３４は耐湿性の保護層として機能する。以上で、実施例１に係る半導体装置の製造方法は終了する。

ここで酸素プラズマ処理の効果を検証した実験について説明する。実験は、酸素プラズマ処理を行ったサンプル（実施例１）と、酸素プラズマ処理を行わなかったサンプル（比較例）とで、ＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：Ｘ線光電子分光）分析、及びゲート−ドレイン間電流の測定とを行ったものである。

まず、ＸＰＳ分析について説明する。この実験では、ＸＰＳ分析により、キャップ層１８のＮ／Ｇａ比（窒素／ガリウム比）を測定した。結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例ではＮ／Ｇａ比が０．８２であった。これに対して、実施例１ではＮ／Ｇａ比が０．４８であった。このことから、酸素プラズマ処理により、キャップ層１８のＧａの組成比が大きくなったことが分かった。

次に電流の測定について説明する。この実験では、３インチのウェハを用い、ゲート−ドレイン間電圧Ｖｇｄを印加した場合の、ゲート−ドレイン間電流Ｉｇｄを測定した。電流の測定は、ウェハのファセットを下にして、上、下、左、右、及び中央の５つの測定点で行った。上下左右のそれぞれの測定点は、ウェハの外周から約１０ｍｍの距離に位置する点とした。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は実験の結果を示す図である。図４（ａ）は比較例、図４（ｂ）は実施例１の測定結果をそれぞれ示す。横軸はゲート−ドレイン間電圧、縦軸はゲート−ドレイン間電流である。実線は上、点線は中央、破線は下、一点鎖線は左、三点鎖線は右、各々の測定点での結果を表す。

図４（ａ）に示すように、酸素プラズマ処理を行っていない比較例では、Ｖｇｄを大きくした場合でも、Ｉｇｄは数μＡであった。これに対し、図４（ｂ）に示すように、酸素プラズマ処理を行った実施例１では、Ｉｇｄは数十μＡとなった。例えば、比較例ではＶｇｄ＝４０Ｖにおいて、各測定点での測定結果は約１μＡだった。実施例１ではＶｇｄ＝４０Ｖにおいて、各測定点での測定結果が約１０μＡだった。つまり、酸素プラズマ処理を行うことで、酸素プラズマ処理を行わない場合に比べて、Ｉｇｄが約１０倍になった。

導電層２６に電流が流れることにより、電極間を移動するＡｕイオンが少なくなり、イオンマイグレーション現象が抑制されると考えられる。又は、導電層２６は、電流が流れることにより発熱する。導電層２６の発熱により、浸入した水分が蒸発し、Ａｕが溶け出すことが抑制されると考えられる。

実施例１によれば、キャップ層１８に導電層２６を形成するため、イオンマイグレーション現象を抑制することができる。すなわち半導体装置の耐湿性が改善し、信頼性を向上させることが可能となる。また酸素プラズマ処理で導電層２６を形成し、耐湿性を向上させることができる。このため半導体装置の構成や製造工程を簡単にすることができる。

酸素プラズマ処理のパワー密度は、Ｇａの組成比が高い導電層２６を形成できる程度の大きさとすればよい。ただし、パワーが高すぎると、窒化物半導体層１１に与えるダメージが大きくなる。このためパワー密度は、０．２〜０．３Ｗ／ｃｍ^２であることが好ましい。またパワー密度を、０．２Ｗ／ｃｍ^２より大きく、０．３Ｗ／ｃｍ^２未満としてもよい。さらにパワー密度を、０．２２〜０２８Ｗ／ｃｍ^２としてもよい。既述したように、酸素プラズマ処理によりキャップ層１８に含まれるＮを除去して、Ｇａの組成比が大きい導電層２６を形成する。酸素プラズマ処理において酸素ガス以外のガスが供給されると、良好な導電層２６が形成されない可能性がある。良好な導電層２６を形成するためには、酸素プラズマ処理で供給するガスは、酸素ガスのみであることが好ましい。

窒化物半導体層１１には、上記以外の窒化物半導体を用いてもよい。窒化物半導体は、窒素を含む半導体であり、例えばＩｎＮ（窒化インジウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウムガリウム）、ＩｎＡｌＮ（窒化インジウムアルミニウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化アルミニウムインジウムガリウム）等がある。つまり、窒化物半導体層１１はｎ−ＧａＮ以外の窒化物半導体からなるとしてもよい。ただし、導電層２６を良好に形成するためには、窒化物半導体層１１はＧａを含む窒化物半導体からなることが好ましく、またＧａＮ又はＡｌＧａＮからなることが好ましい。

導電層２６に流れる電流は、半導体装置の動作時に流れるドレイン電流よりも数桁程度小さい。このため、導電層２６に流れる電流による、半導体装置の特性の変動は極めて小さい。これにより、半導体装置の特性の悪化を抑制し、かつ耐湿性を改善させることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

基板 １０
バリア層 １２
チャネル層 １４
電子供給層 １６
キャップ層 １８
ソース電極 ２０
ドレイン電極 ２２
ゲート電極 ２４
導電層 ２６
ＳｉＮ層 ３０，３２，３４

Claims (3)

1. 窒化物半導体により形成されるチャネル層および電子供給層、ならびに窒化ガリウムにより形成されるキャップ層を順に形成する工程と、
   前記キャップ層の表面にソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極とを形成した後、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記キャップ層の表面に、パワー密度が０．２〜０．３Ｗ／ｃｍ^２である酸素プラズマ処理を行うことにより、当該酸素プラズマ処理前の前記キャップ層よりもガリウムの組成が大きい導電層を形成する工程と、
   前記導電層の形成後のキャップ層の上面に絶縁膜を形成する工程と、
   前記導電層上の前記絶縁膜の一部および前記絶縁膜の一部の下の前記導電層を除去して前記キャップ層の前記導電層下の部分を露出する工程と、
   前記露出したキャップ層の前記導電層下の部分にゲート電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記酸素プラズマ処理を行う工程で供給されるガスは、酸素ガスのみであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記電子供給層は窒化アルミニウムガリウムにより形成され、前記チャネル層および前記キャップ層は窒化ガリウムにより形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。

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