WO2021020040A1 - 構造体の製造方法および構造体 - Google Patents

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文正 堀切
福原 昇
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株式会社サイオクス
住友化学株式会社
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    • H01L29/0657Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a structure and a structure.
  • Group III nitrides such as gallium nitride (GaN) are used as materials for manufacturing semiconductor devices such as light emitting devices and transistors.
  • Photoelectrochemical (PEC) etching has been proposed as an etching technique for forming various structures on group III nitrides such as GaN (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • PEC etching is wet etching with less damage than general dry etching, and damage such as neutral particle beam etching (see, for example, Non-Patent Document 2) and atomic layer etching (see, for example, Non-Patent Document 3). It is preferable in that the apparatus is simpler than the special dry etching with less.
  • the flatness of the bottom of the recess formed by the PEC etching affects the characteristics of the semiconductor device.
  • One object of the present invention is to provide a technique for improving the flatness of the bottom of a recess formed by PEC etching.
  • a flat portion and a convex portion that is raised with respect to the flat portion because it is less likely to be etched by the first etching than the flat portion are formed at the bottom of the concave portion.
  • a method for manufacturing a structure is provided, in which the convex portion is etched by the second etching to lower the convex portion.
  • It has a member, which is composed of a group III nitride and has a recess formed therein.
  • the maximum height of the position corresponding to the dislocation of the group III nitride constituting the member, which is measured by observing the 1000 nm square region at the bottom of the recess with an AFM, is 2 nm or less.
  • a structure is provided in which the arithmetic mean roughness (Ra) of the bottom, measured by observing with the AFM, is 0.4 nm or less.
  • a technique for improving the flatness of the bottom of the recess formed by PEC etching is provided.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a HEMT according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view illustrating a wafer used as a material for the HEMT according to the embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view illustrating the PEC object of one embodiment
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of a PEC etching apparatus illustrating the recess forming step
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view illustrating the flattening object of one embodiment
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of a flattening etching apparatus illustrating a flattening step.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a HEMT according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view illustrating a wafer used as a material for the HEMT according to the embodiment. ..
  • FIG. 4A is a graph showing the relationship between the etching time and the etching depth of PEC etching in the experimental example
  • FIG. 4B is an AFM image of the epi layer surface in the experimental example
  • FIG. 5A is an AFM image of the unflattened bottom in the experimental example
  • FIG. 5B is an AFM image of the flattened bottom in the experimental example.
  • FIG. 6A is a schematic cross-sectional view illustrating a flattening object of the second modification
  • FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of a flattening etching apparatus illustrating a flattening step.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the flattening etching apparatus according to the third modification.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the PEC object of another embodiment.
  • HEMT 150 high electron mobility transistor
  • FIG. 1 (a) is a schematic cross-sectional view illustrating HEMT 150
  • FIG. 1 (b) is a schematic cross-sectional view illustrating wafer 10.
  • the wafer 10 has a substrate 11 and a group III nitride layer 12 (hereinafter, also referred to as an epi layer 12) formed (epitaxially grown) on the substrate 11.
  • a substrate 11 for example, a semi-insulating silicon carbide (SiC) substrate is used.
  • SiC silicon carbide
  • a thick semi-insulating epi layer is formed on the conductive substrate (for example, a carbon (C) -doped semi-insulating GaN layer having a thickness of 10 ⁇ m on an n-type conductive gallium nitride (GaN) substrate.
  • the substrate 11 may be used as the substrate 11.
  • the epi layer 12 includes, for example, a nucleation layer 12a made of aluminum nitride (AlN), a thick channel layer 12b made of gallium nitride (GaN), and gallium nitride.
  • a laminated structure of a barrier layer 12c made of (AlGaN) and a cap layer 12d made of GaN is used.
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • the substrate 11 is not limited to the SiC substrate, and other substrates (sapphire substrate, silicon (Si) substrate, (semi-insulating) GaN substrate, etc.) may be used.
  • the laminated structure of the epi layer 12 may be appropriately selected depending on the type of the substrate 11, the characteristics of the HEMT 150 to be obtained, and the like.
  • the surface 20 of the epi layer 12 is composed of the c-plane of the group III nitride constituting the epi layer 12.
  • “consisting of the c-plane” means that the crystal plane having the lowest index closest to the surface 20 is the c-plane of the group III nitride crystal constituting the epi layer 12.
  • the group III nitride constituting the epi layer 12 has dislocations (through dislocations), and dislocations are distributed at a predetermined density on the surface 20.
  • the gate electrode 152 is formed on the bottom 120 of the recess (recess) 110 formed on the surface (upper surface) 20 of the epi layer 12.
  • the bottom 120 of the recess 110 is arranged within the thickness range of the barrier layer 12c, and the thickness of the barrier layer 12c below the recess 110 (the thickness from the upper surface of the channel layer 12b to the bottom 12 of the recess 110) is , HEMT150 may be set to a predetermined thickness so that the threshold gate voltage becomes a predetermined value.
  • the source electrode 151 and the drain electrode 153 are formed on the surface 20 of the epi layer 12.
  • a protective film 154 is formed so as to have an opening on the upper surfaces of the source electrode 151, the gate electrode 152, and the drain electrode 153.
  • the gate electrode 152 is formed of, for example, a Ni / Au layer in which a gold (Au) layer is laminated on a nickel (Ni) layer.
  • Each of the source electrode 151 and the drain electrode 153 is formed by, for example, a Ti / Al / Au layer in which an Al layer is laminated on a titanium (Ti) layer and an Au layer is further laminated on the Al layer.
  • the HEMT 150 has an element separation groove 160 that separates adjacent elements.
  • the element separation groove 160 is provided so that its bottom is arranged at a position deeper than the upper surface of the channel layer 12b, that is, 2DEG is divided by the element separation groove 160 between adjacent elements. ..
  • the method for producing HEMT 150 is a step of forming a recess 110 by performing the first etching on the surface 20 of the epi layer 12 (a member composed of a group III nitride) (hereinafter, also referred to as a recess forming step).
  • the bottom 120 of the recess 110 is subjected to a second etching to flatten the bottom 120 (hereinafter, also referred to as a flattening step).
  • the recess 110 is formed in the epi layer 12 by performing photoelectrochemical (PEC) etching as the first etching.
  • PEC photoelectrochemical
  • the "recess 110" means a region where PEC etching is performed in the epi layer 12 (a member composed of a group III nitride).
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional view illustrating an object to be subjected to the PEC etching process, that is, an object 100 (hereinafter, also referred to as a PEC object 100) to be immersed (contacted) in the etching solution 201 of the PEC etching. is there.
  • the PEC object 100 has a structure in which the mask 50 and the cathode pad 30 are provided on the epi layer 12 of the wafer 10.
  • the PEC object 100 of this example is an embodiment in which the cathode pad 30 is used as the source electrode 151 and the drain electrode 153 (at least one of) of the HEMT.
  • the source electrode is on the surface 20 of the wafer 10. It has a structure in which a mask 50 for PEC etching is formed on a member at a stage where 151 and a drain electrode 153 are formed.
  • the mask 50 is formed on the surface 20 of the epi layer 12, has an opening in a region 21 (hereinafter, also referred to as an etched region 21) on which the recess 110 should be formed, and has a cathode pad 30 (source electrode 151 and drain electrode 153). ) Has an opening that exposes the upper surface.
  • the mask 50 is made of a non-conductive material such as resist, silicon oxide and the like.
  • the cathode pad 30 is a conductive member made of a conductive material, which is an at least a part of the surface of the conductive region (of the epi layer 12) of the wafer 10 which is electrically connected to the region 21 to be etched. It is provided so as to make contact.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the PEC etching apparatus 200 showing the recess forming step (that is, the PEC etching step).
  • the PEC etching apparatus 200 includes a container 210 for accommodating the etching solution 201 and a light source 220 for emitting ultraviolet (UV) light 221.
  • UV ultraviolet
  • the PEC object 100 is immersed in the etching solution 201, and the region 21 to be etched and the cathode pad 30 (at least a part of the cathode pad 30, for example, the upper surface) are in contact with the etching solution 201.
  • the surface 20 of the layer 12 is irradiated with UV light 221 via the etching solution 201.
  • the recess 110 is formed by etching the group III nitride constituting the region 21 to be etched.
  • the etching solution 201 for PEC etching is used for producing an oxide of a group III element contained in a group III nitride constituting the region 21 to be etched (meaning the bottom 120 after the recess 110 starts to be formed).
  • An alkaline or acidic etching solution 201 containing oxygen and further containing an oxidizing agent that receives electrons is used.
  • peroxodisulfate ion As the oxidizing agent, peroxodisulfate ion (S 2 O 8 2-) are exemplified. The following will illustrate aspects supplying S 2 O 8 2-from potassium peroxodisulfate (K 2 S 2 O 8) , S 2 O 8 2- , the other example, sodium peroxodisulfate (Na 2 S 2 It may be supplied from O 8 ), ammonium peroxodisulfate (ammonium persulfate, (NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) or the like.
  • the etching solution 201 was mixed aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) and potassium peroxodisulfate (K 2 S 2 O 8) and the aqueous solution include those showing alkalinity at the start of the PEC etching.
  • KOH potassium hydroxide
  • K 2 S 2 O 8 potassium peroxodisulfate
  • Such an etching solution 201 is prepared, for example, by mixing 0.01 M KOH aqueous solution and 0.05 M K 2 S 2 O 8 aqueous solution 1: 1.
  • the concentration of the KOH aqueous solution, the concentration of the K 2 S 2 O 8 aqueous solution, and the mixing ratio of these aqueous solutions may be appropriately adjusted as necessary.
  • the etching solution 201 in which the KOH aqueous solution and the K 2 S 2 O 8 aqueous solution are mixed can be made acidic at the start of PEC etching, for example, by lowering the concentration of the KOH aqueous solution.
  • the PEC etching mechanism when the etching solution 201 of the first example is used will be described.
  • the generated holes decompose GaN into Ga 3+ and N 2 (Chemical formula 1), and further, Ga 3+ is oxidized by hydroxide ions (OH ⁇ ) to generate gallium oxide (Ga 2 O 3 ). (Chemical 2).
  • the produced Ga 2 O 3 is dissolved in an alkali (or acid). In this way, PEC etching of GaN is performed.
  • the generated holes react with water and the water is decomposed to generate oxygen (Chemical Formula 3).
  • the etching solution 201 there is a mixture of an aqueous solution of phosphoric acid (H 3 PO 4 ) and an aqueous solution of potassium persulfate (K 2 S 2 O 8 ), which shows acidity at the start of PEC etching. Be done.
  • Such an etching solution 201 is prepared, for example, by mixing 0.01 M aqueous solution of H 3 PO 4 and 0.05 M aqueous solution of K 2 S 2 O 8 at a ratio of 1: 1.
  • the concentration of the H 3 PO 4 aqueous solution, the concentration of the K 2 S 2 O 8 aqueous solution, and the mixing ratio of these aqueous solutions may be appropriately adjusted as necessary.
  • the etching solution 201 in which the H 3 PO 4 aqueous solution and the K 2 S 2 O 8 aqueous solution are mixed is acidic at an arbitrary mixing ratio. Is. Since the K 2 S 2 O 8 aqueous solution itself is acidic, only the K 2 S 2 O 8 aqueous solution may be used as the etching solution 201 which is acidic at the start of etching. In this case, the concentration of the K 2 S 2 O 8 aqueous solution may be, for example, 0.025 M.
  • the etching solution 201 is acidic from the start of PEC etching from the viewpoint of facilitating the use of the resist as the mask 50. This is because the resist mask is easily peeled off when the etching solution 201 is alkaline. When silicon oxide is used as the mask 50, there is no particular problem whether the etching solution 201 is acidic or alkaline.
  • the region 21 to be etched (bottom 120 of the recess 110) where PEC etching occurs is considered to function as an anode in which holes are consumed. Be done. Further, as can be understood from (Chemical formula 6), electrons are consumed (emitted) on the surface of the cathode pad 30, which is a conductive member electrically connected to the region 21 to be etched, in contact with the etching solution 201. It is thought that it functions as a cathode.
  • the cathode pad 30 is not provided (particularly when the substrate 11 is semi-insulating (non-conductive)), it becomes difficult to secure a region that functions as a cathode, and it becomes difficult to proceed with PEC etching. ..
  • PEC etching can proceed satisfactorily.
  • the mask 50 have an opening on the upper surface of the cathode pad 30, that is, by making a wide region on the upper surface of the cathode pad 30 function as a cathode, PEC etching can proceed more satisfactorily.
  • SO 4 from S 2 O 8 2- - As a method of generating a * radicals, irradiation of UV light 221, and may be at least one of heating.
  • S 2 O 8 2-by by increasing the light absorption SO 4 - To * radical efficiently generated the wavelength of the UV light 221, be less than 200nm or 310nm Is preferable.
  • the etching liquid 201 SO 4 from S 2 O 8 2- - that to generate * radicals effectively From the viewpoint of this, it is preferable that the wavelength of the UV light 221 is 200 nm or more and less than 310 nm. From S 2 O 8 2- SO 4 - generating a * radicals, when performing the heating, the wavelength of the UV light 221, may be (at 365nm or less) 310 nm or more.
  • the distance from the surface 20 of the wafer 10 to the upper surface of the etching solution 201 (wafer placement depth) L is preferably, for example, 1 mm or more and 100 mm or less.
  • Distance L is, for example, 1mm less than the excessively short, SO 4 are produced in the wafer 10 above the etching solution 201 - amount of * radicals, may become unstable due to fluctuation of the distance L. If the distance L is short, it becomes difficult to control the height of the liquid surface.
  • the distance L is preferably 1 mm or more, more preferably 3 mm or more, and further preferably 5 mm or more. ..
  • the distance L is, for example, 100mm than the excessively long, in the wafer 10 above the etching solution 201, does not contribute to the PEC etching, wasting many SO 4 - * Since radicals are produced, the use of the etching solution 201 Efficiency is reduced.
  • the edge of the mask used for PEC etching is made of a conductive material
  • the shape of the edge of the recess formed by PEC etching tends to be a disordered shape that does not follow the edge of the mask. It has been found that the shape of the edge of the recess formed by PEC etching can be easily controlled to the shape along the edge of the mask because the edge is made of a non-conductive material. Therefore, the mask edge defining the region 21 to be etched (that is, the edge of the recess 110) is preferably defined by the mask 50 made of a non-conductive material.
  • the cathode pad 30 is arranged (in a plan view) at a position away from the edge of the recess 110 (at a position where the edge of the recess 110 is not defined). From the viewpoint of satisfactorily controlling the shape of the edge of the recess 110, the distance D OFF (see FIG. 2A) between the edge of the mask 50 (in a plan view) and the edge of the cathode pad 30 is 5 ⁇ m or more. It is preferable that the thickness is 10 ⁇ m or more.
  • PEC etching can also be performed on group III nitrides other than the exemplified GaN.
  • the group III element contained in the group III nitride may be at least one of aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In).
  • Al aluminum
  • Ga gallium
  • In indium
  • the concept of PEC etching for the Al component or In component in the group III nitride is the same as the concept described for the Ga component with reference to (Chemical formula 1) and (Chemical formula 2), or (Chemical formula 7). That is, PEC etching can be performed by generating holes by irradiating with UV light 221 to generate an oxide of Al or an oxide of In, and dissolving these oxides in an alkali or an acid.
  • the wavelength of the UV light 221 may be appropriately changed depending on the composition of the group III nitride to be etched. Based on the PEC etching of GaN, when Al is contained, light having a shorter wavelength may be used, and when In is contained, light having a longer wavelength can also be used. That is, light having a wavelength at which the group III nitride is PEC-etched can be appropriately selected and used according to the composition of the group III nitride to be processed.
  • the region to be etched 21 (bottom 120 of the recess 110), which is the anode, and the cathode pad 30, which is the cathode, are electrically connected to each other via 2DEG. Therefore, when the barrier layer 12c becomes thin as the PEC etching progresses and the 2DEG below the recess 110 decreases, the PEC etching becomes difficult to proceed, and eventually, the barrier layer 12c having a predetermined thickness is formed below the recess 110.
  • the PEC etching can be automatically stopped in the remaining state.
  • the predetermined thickness can be adjusted by, for example, the intensity of UV light 221. As described above, in the recess forming step, the formation of the recess 110 can be completed by automatically stopping the PEC etching.
  • FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the PEC object 100 showing a state in which the recess forming step is completed.
  • the PEC object 100 in which the recess 110 is formed in the recess forming step becomes the object 140 of the flattening treatment in the flattening step (hereinafter, also referred to as the flattening object 140).
  • a convex portion 122 is likely to be formed as an undissolved portion of PEC etching at a position of the bottom 120 of the concave portion 110 corresponding to the dislocation. That is, in the recess forming step, in the bottom 120 of the recess 110, the flat portion 121 (the portion where PEC etching has progressed without dislocations) and the flat portion 121 are less likely to be PEC-etched than the flat portion 121.
  • the raised convex portion 122 is formed. Since the convex portion 122 is the undissolved portion of the PEC etching, its height is at most the depth of the concave portion 110 or less.
  • the bottom 120 of the recess 110 is flattened by performing a second etching (hereinafter, also referred to as flattening etching). Specifically, the convex portion 122 is lowered (selectively with respect to the flat portion 121) by etching the convex portion 122 by flattening etching.
  • the flattening etching for example, wet etching using an acidic or alkaline etching solution (not PEC etching) is used.
  • the etching solution for flattening etching include an aqueous solution of hydrochloric acid (HCl), a mixed aqueous solution of hydrochloric acid (HCl) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (hydrochloric acid overwater), and sulfuric acid (H 2 SO 4 ).
  • a mixed aqueous solution (piranha solution) with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), a tetramethylammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution, a hydrogen peroxide aqueous solution (fluoric acid), a potassium hydroxide (KOH) aqueous solution, and the like are used.
  • hydrogen peroxide H 2 O 2
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • KOH potassium hydroxide
  • the epi layer 12 heteroepitaxially grown on a substrate 11 which is a dissimilar substrate such as a SiC substrate, a sapphire substrate, or a Si substrate has a high dislocation density of, for example, 1 ⁇ 10 8 / cm 2 or more. Therefore, when the substrate 11 which is a different type of substrate is used, the convex portion 122 is likely to be formed by the PEC etching in the concave portion forming step, so that the flattening of the bottom 120 by the flattening step is particularly effective.
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the flattening etching apparatus 300 showing a flattening step (that is, a flattening etching step).
  • the flattening etching apparatus 300 has a container 310 for accommodating the etching solution 301.
  • the convex portion 122 is etched by immersing the flattening object 140 in the etching solution 301 so that the concave portion 110 comes into contact with the etching solution 301.
  • the bottom 120 of the recess 110 is flattened.
  • the flattening etching is not a PEC etching. Therefore, in the flattening step, the surface 20 of the epi layer 12 is not irradiated with UV light.
  • do not irradiate UV light means to prevent irradiation of (strong) UV light that causes unnecessary PEC etching.
  • PEC etching can etch a group III nitride regardless of the crystal orientation, even the c-plane is etched. it can.
  • the PEC etching in the recess forming step is performed while irradiating UV light 221 from above the surface 20 of the epi layer 12 which is the c-plane, so that the group III nitride constituting the epi layer 12 is applied to the surface 20. Etching is performed from the vertical direction (that is, in the thickness direction of the epi layer 12).
  • the flattening etching is performed as a normal wet etching, which is not a PEC etching, using an etching solution such as hydrogen peroxide.
  • a normal wet etching it is difficult to etch the c-plane of the group III nitride, so that the flat portion 121 formed of the c-plane of the bottom 120 of the recess 110 is not etched.
  • the convex portion 122 of the bottom 120 includes a crystal plane other than the c-plane, it can be etched by ordinary etching. Therefore, the convex portion 122 can be selectively etched with respect to the flat portion 121 by the flattening etching.
  • the flattening etching is to etch a crystal plane other than the c-plane, that is, a crystal plane that intersects the c-plane, and the convex portion 122 is formed from a direction that is not perpendicular to the c-plane (that is, the thickness of the epi layer 12). Etch in the direction (lateral direction) that intersects the vertical direction.
  • the convex portion 122 By etching the convex portion 122 by flattening etching, the convex portion 122 can be lowered to bring the bottom 120 closer to flat, that is, the convex portion 122 can be brought closer to the c-plane constituting the flat portion 121.
  • the etching becomes difficult to proceed. Therefore, in the flattening step of the present embodiment, it is possible to prevent the convex portion 122 from being excessively etched and to finish the flattening etching in a state where the bottom 120 is substantially flat.
  • the flattening step is completed.
  • the suitable flatness of the bottom 122 will be described later with reference to an experimental example.
  • the mask 50 used in the recess forming step may be removed in the flattening step, or may be removed by separately providing a mask removing step for removing the mask 50.
  • HEMT150 After the flattening step is completed, other steps for completing HEMT150 are performed (see FIG. 1 (a)). As other steps, a step of forming the element separation groove 160, a step of forming the gate electrode 152 on the bottom 120 of the recess 110, a step of forming the protective film 154, and the like are performed. In this way, HEMT150 is manufactured.
  • the recess is formed.
  • the PEC object 100 in the state where the element separation groove 160 is not formed that is, the mode in which the element separation groove 160 is formed after the recess forming step is illustrated.
  • the recess is formed.
  • the PEC object 100 in the state where the element separation groove 160 is formed may be used.
  • the method for forming the element separation groove 160 is not particularly limited, and the element separation groove 160 may be formed by, for example, dry etching or, for example, PEC etching.
  • PEC etching for example, the intensity of the UV light to be irradiated is sufficiently increased so that the etching depth reaches the middle of the channel layer 12b.
  • the bottom 120 of the recess 110 formed by PEC etching (first etching) in the recess forming step is subjected to flattening etching (second etching) in the flattening step.
  • flattening etching second etching
  • the concave portion 110 is used as a recess in which the gate electrode 152 of the HEMT 150 is arranged, the characteristics of the HEMT 150 are improved (for example, leakage) as compared with the case where the concave portion 110 is not flattened and the convex portion 122 is present on the bottom 120. (Recession of current) can be achieved.
  • the substrate was a semi-insulating SiC substrate.
  • the epi layer is composed of a nucleation layer composed of AlN, a channel layer composed of GaN and a thickness of 0.75 ⁇ m, a barrier layer composed of AlGaN (Al composition 0.22) and a thickness of 24 nm, and GaN.
  • a laminated structure of cap layers having a thickness of 5 nm was used.
  • a recess was formed in the epi layer by PEC etching.
  • PEC etching was carried out for 120 minutes using a 0.025 M aqueous solution of K 2 S 2 O 8 as an etching solution and irradiating with UV light having a wavelength of 260 nm at an intensity of 3.8 mW / cm 2 .
  • the wafer placement depth L was 5 mm.
  • the mask was made of silicon oxide and the cathode pad was made of titanium.
  • a recess having a depth of 23.2 nm was formed. Since the thickness of the cap layer is 5 nm and the thickness of the barrier layer is 24 nm, the thickness of the barrier layer remaining below the recess is 5.8 nm.
  • the bottom of the recess was flattened by flattening etching.
  • the flattening etching was carried out for 10 minutes using hydrochloric acid hydrogen peroxide (for example, a mixture of 30% HCl and 30% H 2 O 2 at a ratio of 1: 1) as an etching solution.
  • FIG. 4A is a graph showing the relationship between the etching time of PEC etching and the etching depth.
  • the horizontal axis shows the etching time
  • the vertical axis shows the etching depth. From the start of etching to about 40 minutes, the etching depth increases in proportion to the etching time. About 40 minutes after the start of etching, the etching depth reaches 23.2 nm, and after that, the etching depth is constant. That is, PEC etching is performed so that the etching is automatically stopped about 40 minutes after the start of etching.
  • the surface of the epi layer before PEC etching (hereinafter referred to as the epi layer surface), the bottom of the recess formed by PEC etching and not subjected to flattening etching (hereinafter referred to as the unflattened bottom), and the PEC.
  • a region of 1000 nm square was observed with an atomic force microscope (AFM) for each of the bottoms of the recesses (hereinafter referred to as flattened bottoms) that had been flattened after etching.
  • AFM atomic force microscope
  • FIG. 4B is an AFM image of the surface of the epi layer.
  • the arithmetic mean roughness (Ra) obtained by AFM measurement on the surface of the epi layer is 0.14 nm. Since the epi layer is desired to have high crystallinity, Ra on the surface of the epi layer is preferably 0.4 nm or less, more preferably 0.3 nm or less, and further preferably 0.2 nm or less.
  • FIG. 5A is an AFM image of an unflattened bottom. On the unflattened bottom, a convex portion is observed at a position corresponding to the dislocation. There is a tendency that the heights of the plurality of protrusions distributed on the unflattened bottom are not constant. The height of the maximum convex portion exceeds 10 nm.
  • Ra obtained by AFM measurement on the unflattened bottom is 0.22 nm.
  • the Ra on the surface of the epi layer is, for example, 0.14 nm, while the Ra on the unflattened bottom is, for example, 0.22 nm.
  • the unflattened bottom has a convex portion, its Ra is, for example, twice or less the Ra on the surface of the epi layer, and does not increase so much.
  • the flat portion which occupies most of the area of the unflattened bottom, has high flatness, that is, the high flatness of the epi layer surface is not impaired in the flat portion. It can be said that this is because the etching was performed.
  • Ra of the unflattened bottom is preferably 0.4 nm or less, and more preferably 0.3 nm or less.
  • FIG. 5B is an AFM image of the flattened bottom.
  • the convex portion observed in the unflattened bottom is not clearly observed, and it can be seen that the bottom of the concave portion is flattened.
  • the position where the convex portion is presumed to have been formed that is, the position corresponding to the dislocation is observed as a bright region in distinction from the flat portion.
  • the bright region is not observed in a clear convex shape, but is observed in a substantially flat shape (at a height approximately equal to that of the flat portion).
  • the bright region is referred to as a convex portion. There is also that.
  • Ra of the flattened bottom obtained by AFM measurement is 0.24 nm.
  • the Ra of the unflattened bottom is, for example, 0.22 nm, while the Ra of the flattened bottom is slightly larger, for example, 0.24 nm, but this difference is between the measurement region of the unflattened bottom and the flattened bottom. It is considered that the error is caused by the difference between the measurement area of the bottom and the Ra of the unflattened bottom and Ra of the flattened bottom are considered to be about the same. It can be said that it is difficult to clearly distinguish between an unflattened bottom and a flattened bottom only by Ra. From the AFM image of the flattened bottom, it can be seen that the convex portion can be selectively etched by the flattening etching without lowering the flatness of the flat portion.
  • the suitable flatness of the flattened bottom can be expressed as follows.
  • the height of the maximum convex portion among the plurality of distributed convex portions is 1/10 or less of the depth of the concave portion.
  • the height of the maximum convex portion among the plurality of distributed convex portions is preferably 2 nm or less, more preferably 1 nm or less (the maximum height of the position corresponding to the dislocation).
  • the height is preferably 2 nm or less, more preferably 1 nm or less).
  • Ra of the flattened bottom is preferably 0.4 nm or less, more preferably 0.3 nm or less.
  • the features relating to the epi layer surface described above are the features observed with respect to the surface 20 of the epi layer 12 (or after the recess forming step or the flattening step) before the recess forming step in the above-described embodiment. It can be said that this is a feature observed with respect to the surface 20 of the epi layer 12 in the portion where PEC etching is not performed on the outside of the recess 110). Further, the feature regarding the unflattened bottom described above is that in the above-described embodiment, the feature observed with respect to the bottom 120 of the recess 110 after the recess forming step and before the flattening step. it can.
  • the feature for the flattened bottom described above can be said to be a feature observed for the bottom 120 of the recess 110 after the flattening step in the above-described embodiment.
  • the feature observed for the bottom 120 of the recess 110 after the flattening step can be said to be the feature of HEMT 150 according to the embodiment.
  • the damage to the group III nitride crystal caused by the etching for forming the recess 110 is small (compared to, for example, dry etching).
  • the bottom 120 of the recess 110 formed by PEC etching there is less residual halogen element than in the case where the recess 110 is formed by dry etching.
  • an etching gas containing a halogen element is made to collide with the bottom 120, or a reaction for halogenating the bottom 120 is used. Therefore, the bottom 120 (of a predetermined thickness) of the recess 110 is used. Halogen elements will remain in the surface layer).
  • the PEC etching and the flattening etching in the present embodiment can be performed as wet etching so that the halogen element does not remain in the bottom 120 (inside the surface layer portion having a predetermined thickness) of the recess 110.
  • the concentration of halogen element eg, chlorine (Cl)
  • the concentration of halogen element in the bottom 120 of the recess 110 is preferably less than 1 ⁇ 10 15 / cm 3 , more preferably less than 5 ⁇ 10 14 / cm 3 , and even more preferably 2. It is less than ⁇ 10 14 / cm 3 .
  • a mode in which wet etching using an acidic or alkaline etching solution (not PEC etching) is used as the flattening etching that is, a mode in which the convex portion 122 is chemically etched has been exemplified.
  • the mechanism of the flattening etching is not particularly limited as long as the convex portion 122 is etched so that the bottom 120 is flattened. Therefore, the flattening etching may be performed by etching by a mechanism other than chemical etching. Flattening etching may be performed more effectively by combining etchings by a plurality of mechanisms.
  • the flattening etching may be performed, for example, by mechanically removing the convex portion 122, and as the mechanical flattening etching, for example, bubbling cleaning may be used, or, for example, scrub cleaning may be used. You may.
  • Examples of the etching solution (cleaning solution) for bubbling cleaning include hydrogen peroxide peroxide exemplified in the above-described embodiment.
  • Hydrochloric acid hydrogen peroxide can be said to be an etching solution that chemically and mechanically etches the convex portion 122.
  • flattening etching is performed before the PEC etching for forming the recess 110 is completed, that is, at the stage where the recess 110 is formed to an intermediate depth, and then PEC etching is performed again to form the recess 110.
  • An embodiment of further deepening is illustrated. That is, in this modification, an embodiment in which the recess forming step and the flattening step are alternately repeated is illustrated.
  • the flattening step may be performed a plurality of times as needed. In the same manner as in the above-described embodiment, the flattening step may be performed after the formation of the recess 110 is completed.
  • FIG. 6A is a schematic cross-sectional view illustrating the flattening object 140 in this modified example.
  • FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of the flattening etching apparatus 300 showing the flattening step of this modified example.
  • the flattening etching apparatus 300 is the same as that of the above-described embodiment.
  • the recess 110 shown in FIG. 6A is in a state of being formed to a depth in the middle. Since the convex portion 122 is an undissolved portion of the PEC etching, the convex portion 122 formed in this modification in which the concave portion 110 is shallow is the convex portion 122 formed in the above-described embodiment in which the concave portion 110 is deep (FIG. 3 (FIG. 3). Compared with a)), it is lower overall, and the difference in height between the convex portions 122 is small.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the flattening etching apparatus 300 according to the third modification.
  • the flattening etching apparatus 300 of this modification has a configuration in which a flow generating mechanism 320 and a vibration generating mechanism 330 are added to the flattening etching apparatus 300 according to the above-described embodiment.
  • the flow generation mechanism 320 causes the etching solution 301 to generate a flow (movement).
  • the vibration generation mechanism 330 is, for example, an ultrasonic generator, which gives vibration to the etching solution 301.
  • at least one of generating a flow (movement) in the etching solution 301 and giving vibration to the etching solution 301 is performed to enhance the action of mechanically etching the convex portion 122. Can be done.
  • the cathode pad 30 is used as at least one of the source electrode 151 and the drain electrode 153 of the HEMT 150, but the cathode pad 30 is different from the source electrode 151 or the drain electrode 153 of the HEMT 150. It may be a conductive member of.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the PEC object 100 illustrating such another embodiment.
  • a conductive member having a different arrangement and shape from the source electrode 151 or the drain electrode 153 may be used as the cathode pad 30.
  • the cathode pads 30 are arranged in an annular shape along the outer circumference of the wafer 10, for example. The arrangement, shape, size, number, etc. of the cathode pads 30 may be variously adjusted as needed.
  • the mask 50 has an opening in the region 21 to be etched to form a recess (recess where the gate electrode 152 is arranged) 110 of each HEMT element, and also has an opening that exposes the upper surface of the cathode pad 30.
  • the cathode pad 30 may not be provided for each HEMT element, and the cathode pad 30 arranged on the outside of a certain HEMT element (outside of the element separation groove 160 surrounding the HEMT element in a plan view) is provided. , May be used to form the recess 110 of the HEMT element.
  • the region 21 to be etched the bottom 120 of the recess 110
  • the cathode pad 30 is removed after the PEC etching is completed, that is, after the recess forming step is completed.
  • the cathode pad 30 may be removed after the recess forming step is completed, before the flattening step, after the flattening step, or may be removed in the flattening step.
  • the source electrode 151 and the drain electrode 153 of each HEMT element are formed as conductive members separate from the cathode pad 30 (see FIG. 1A).
  • the completed HEMT is referred to as a structure 150, but the structure 150 is a member having at least an epi layer 12 having a recess 110 formed by the recess forming step and the flattening step described above. It may be.
  • a flat portion and a convex portion that is raised with respect to the flat portion because it is less likely to be etched by the first etching than the flat portion are formed at the bottom of the concave portion.
  • Appendix 2 The method for manufacturing a structure according to Appendix 1, wherein the convex portion is formed at a position corresponding to a dislocation of a group III nitride constituting the member.
  • the surface is composed of the c-plane of a group III nitride.
  • the group III nitride is etched from a direction perpendicular to the surface.
  • Appendix 4 The method for manufacturing a structure according to Appendix 3, wherein the first etching is photoelectrochemical etching.
  • Appendix 5 The method for producing a structure according to Appendix 3 or 4, wherein the second etching is wet etching using an acidic or alkaline etching solution (rather than photoelectrochemical etching).
  • Appendix 7 The method for manufacturing a structure according to Appendix 6, wherein the first etching is photoelectrochemical etching.
  • Appendix 8 The method for producing a structure according to Appendix 6 or 7, wherein the second etching is bubbling cleaning.
  • Appendix 9 The method for producing a structure according to any one of Appendix 6 to 8, wherein the second etching is scrub cleaning.
  • the first etching is a photoelectrochemical etching, which etches the Group III nitride from a direction perpendicular to the surface by irradiating the surface with ultraviolet light from above.
  • the method for manufacturing a structure according to one.
  • the maximum height of the convex portion measured by observing a 1000 nm square region of the bottom with an AFM is preferably 2 nm or less, more preferably 1 nm or less.
  • the arithmetic mean roughness (Ra) of the bottom is preferably 0.4 nm or less, more preferably.
  • the arithmetic mean roughness (Ra) of the surface is preferably 0.4 nm or less, more preferably 0.3 nm or less.
  • the structure is used as a high electron mobility transistor. After the step of flattening the bottom, The method for manufacturing a structure according to any one of Supplementary note 1 to 17, further comprising a step of forming a gate electrode of the high electron mobility transistor on the bottom.
  • the first etching is a photoelectrochemical etching.
  • the first etching is a photoelectrochemical etching.
  • the photoelectrochemical etching is performed with the mask placed on the surface.
  • the etching solution for photoelectrochemical etching is an acidic etching solution (from the start of the first etching).
  • the first etching is a photoelectrochemical etching.
  • the photoelectrochemical etching is performed with the mask and the conductive member arranged on the surface.
  • the mask is made of a non-conductive material and defines the edges of the recesses.
  • the conductive member is arranged at a position away from the edge of the recess (at a position where the edge of the recess is not defined), and at least a part of the conductive member (upper surface) is etched by the photoelectrochemical etching.
  • the method for producing a structure according to any one of Appendix 1 to 20, which is arranged so as to come into contact with a liquid.
  • Appendix 22 The structure is used as a high electron mobility transistor, the recess is used as a recess in which the gate electrode of the high electron mobility transistor is arranged, and the conductive member is a source of the high electron mobility transistor. 21. The method of manufacturing a structure according to Appendix 21, which is used as at least one of an electrode and a drain electrode.
  • the structure is used as a high electron mobility transistor, and the recess is used as a recess in which the gate electrode of the high electron mobility transistor is arranged.
  • Appendix 24 The method for manufacturing a structure according to Appendix 23, wherein the element separation groove of the high electron mobility transistor is formed after the step of forming the recess.
  • Appendix 26 The method for manufacturing a structure according to any one of Appendix 1 to 25, wherein the second etching is performed while generating a flow (movement) in the etching solution used for the second etching.
  • (Appendix 28) It has a member, which is composed of a group III nitride and has a recess formed therein.
  • the maximum height of the position corresponding to the dislocation of the group III nitride constituting the member, which is measured by observing a 1000 nm square region at the bottom of the recess with an AFM, is preferably 2 nm or less, more preferably. 1 nm or less and A structure in which the arithmetic mean roughness (Ra) of the bottom, measured by observing with the AFM, is preferably 0.4 nm or less, more preferably 0.3 nm or less.
  • Appendix 29 The structure according to Appendix 28, wherein the member has a surface composed of a c-plane of a group III nitride, and the recess is formed on the surface.
  • Appendix 30 The structure according to Appendix 28 or 29, which has a substrate, wherein the member is composed of a group III nitride grown heteroepitaxially on the substrate.
  • the concentration of halogen element is preferably less than 1 x 10 15 / cm 3 , more preferably less than 5 x 10 14 / cm 3 , and even more preferably 3 x 10 14. / cm is less than 3, the structure according to any one of appendices 28-30.
  • Appendix 32 The structure according to any one of Appendix 28 to 31, which is used as a high electron mobility transistor, and the recess is used as a recess in which a gate electrode of the high electron mobility transistor is arranged.
  • a conductive member that is arranged outside the region where the element separation region should be formed with respect to the region to be etched and conducts with the region to be etched via a two-dimensional electron gas is provided.
  • the step of forming the element separation region is a method for manufacturing a structure, which is performed after the step of performing the photoelectrochemical etching.
  • Appendix 34 The method for manufacturing a structure according to Appendix 33, wherein the etched region is a region in which a recess in which a gate electrode of the high electron mobility transistor is arranged is formed.
  • the photoelectrochemical etching is performed using a mask made of a non-conductive material having an opening in the region to be etched and an opening for exposing the conductive member.
  • Appendix 36 The structure according to any one of Appendix 33 to 35, wherein after the step of performing the photoelectrochemical etching, the conductive member is removed to form a source electrode and a drain electrode of the high electron mobility transistor. Production method.

Abstract

構造体の製造方法は、III族窒化物で構成された部材の表面に第1のエッチングを施すことで、凹部を形成する工程と、凹部の底に第2のエッチングを施すことで、底を平坦化する工程と、を有し、凹部を形成する工程では、凹部の底において、平坦部と、平坦部に比べて第1のエッチングでエッチングされにくいことで平坦部に対して隆起した凸部と、が形成され、底を平坦化する工程では、第2のエッチングにより凸部をエッチングすることで、凸部を低くする。

Description

構造体の製造方法および構造体
 本発明は、構造体の製造方法および構造体に関する。
 窒化ガリウム(GaN)等のIII族窒化物は、発光素子、トランジスタ等の半導体装置を製造するための材料として用いられている。
 GaN等のIII族窒化物に各種構造を形成するためのエッチング技術として、光電気化学(PEC)エッチングが提案されている(例えば非特許文献1参照)。PECエッチングは、一般的なドライエッチングと比べてダメージが少ないウェットエッチングであり、また、中性粒子ビームエッチング(例えば非特許文献2参照)、アトミックレイヤーエッチング(例えば非特許文献3参照)等のダメージの少ない特殊なドライエッチングと比べて装置が簡便である点で好ましい。
 III族窒化物で構成された半導体装置を、PECエッチングを用いて製造する際、PECエッチングにより形成された凹部の底の平坦性は、半導体装置の特性に影響する。
J. Murata et al., "Photo-electrochemical etching of free-standing GaN wafer surfaces grown by hydride vapor phase epitaxy", Electrochimica Acta 171 (2015) 89-95 S. Samukawa, JJAP, 45(2006)2395. T. Faraz, ECS J. Solid Stat. Scie.&Technol., 4, N5023 (2015).
 本発明の一目的は、PECエッチングで形成された凹部の底の平坦性を高めるための技術を提供することである。
 本発明の一態様によれば、
 III族窒化物で構成された部材の表面に第1のエッチングを施すことで、凹部を形成する工程と、
 前記凹部の底に第2のエッチングを施すことで、前記底を平坦化する工程と、を有し、
 前記凹部を形成する工程では、前記凹部の底において、平坦部と、前記平坦部に比べて前記第1のエッチングでエッチングされにくいことで前記平坦部に対して隆起した凸部と、が形成され、
 前記底を平坦化する工程では、前記第2のエッチングにより前記凸部をエッチングすることで、前記凸部を低くする、構造体の製造方法が提供される。
 本発明の他の態様によれば、
 III族窒化物で構成され、凹部が形成された部材、を有し、
 前記凹部の底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記部材を構成するIII族窒化物の転位に対応する位置の最大の高さが、2nm以下であって、
 前記AFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、0.4nm以下である、構造体が提供される。
 PECエッチングで形成された凹部の底の平坦性を高めるための技術が提供される。
図1(a)は、本発明の一実施形態によるHEMTを例示する概略断面図であり、図1(b)は、一実施形態のHEMTの材料として用いられるウエハを例示する概略断面図である。 図2(a)は、一実施形態のPEC対象物を例示する概略断面図であり、図2(b)は、凹部形成工程を例示する、PECエッチング装置の概略断面図である。 図3(a)は、一実施形態の平坦化対象物を例示する概略断面図であり、図3(b)は、平坦化工程を例示する、平坦化エッチング装置の概略断面図である。 図4(a)は、実験例におけるPECエッチングのエッチング時間とエッチング深さとの関係を示すグラフであり、図4(b)は、実験例におけるエピ層表面のAFM像である。 図5(a)は、実験例における未平坦化底のAFM像であり、図5(b)は、実験例における平坦化底のAFM像である。 図6(a)は、第2変形例の平坦化対象物を例示する概略断面図であり、図6(b)は、平坦化工程を例示する、平坦化エッチング装置の概略断面図である。 図7は、第3変形例による平坦化エッチング装置の概略断面図である。 図8は、他の実施形態のPEC対象物を例示する概略断面図である。
<実施形態>
 本発明の一実施形態による、構造体150の製造方法について説明する。構造体150として、高電子移動度トランジスタ(HEMT)が例示される。以下、構造体150を、HEMT150ともいう。
 まず、HEMT150、および、HEMT150の材料として用いられるウエハ10の構造について説明する。図1(a)は、HEMT150を例示する概略断面図であり、図1(b)は、ウエハ10を例示する概略断面図である。
 ウエハ10は、基板11と、基板11上に形成された(エピタキシャル成長された)III族窒化物層12(以下、エピ層12ともいう)と、を有する。基板11としては、例えば、半絶縁性の炭化シリコン(SiC)基板が用いられる。ここで、「半絶縁性」とは、例えば、比抵抗が10Ωcm以上である状態をいう。これに対し、例えば、比抵抗が10Ωcm未満である状態を「導電性」という。なお、導電性基板上に厚膜の半絶縁性エピ層が形成されたもの(例えば、n型導電性窒化ガリウム(GaN)基板上に、厚さ10μmの炭素(C)ドープ半絶縁性GaN層が形成されたもの)を、基板11としても良い。
 基板11にSiC基板を用いる際の、エピ層12としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)で構成された核生成層12a、窒化ガリウム(GaN)で構成された厚さチャネル層12b、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)で構成された障壁層12c、および、GaNで構成されたキャップ層12dの積層構造が用いられる。チャネル層12bと障壁層12cとの積層において、チャネル層12bの上面近傍に、HEMT150のチャネルとなる2次元電子ガス(2DEG)が生成される。
 基板11としては、SiC基板に限らず、他の基板(サファイア基板、シリコン(Si)基板、(半絶縁性の)GaN基板、等)が用いられてもよい。エピ層12の積層構造は、基板11の種類、得たいHEMT150の特性、等に応じ、適宜選択されてよい。
 エピ層12の表面20は、エピ層12を構成するIII族窒化物のc面で構成されている。ここで「c面で構成されている」とは、表面20に対して最も近い低指数の結晶面が、エピ層12を構成するIII族窒化物結晶のc面であることを意味する。エピ層12を構成するIII族窒化物は転位(貫通転位)を有し、表面20に、転位が所定の密度で分布している。
 本実施形態のHEMT150において、ゲート電極152は、エピ層12の表面(上面)20に形成された凹部(リセス)110の底120上に形成されている。凹部110の底120は、障壁層12cの厚さ範囲内に配置されており、凹部110の下方の障壁層12cの厚さ(チャネル層12bの上面から凹部110の底12までの厚さ)は、HEMT150の閾値ゲート電圧が所定値となるように、所定の厚さに設定されてよい。ソース電極151およびドレイン電極153は、エピ層12の表面20上に形成されている。ソース電極151、ゲート電極152およびドレイン電極153の上面上に開口を有するように、保護膜154が形成されている。
 ゲート電極152は、例えば、ニッケル(Ni)層上に金(Au)層が積層されたNi/Au層により形成される。ソース電極151およびドレイン電極153のそれぞれは、例えば、チタン(Ti)層上にAl層が積層され、さらにAl層上にAu層が積層されたTi/Al/Au層により形成される。
 HEMT150は、隣接する素子間を分離する素子分離溝160を有する。素子分離溝160は、その底がチャネル層12bの上面よりも深い位置に配置されるように、つまり、隣接する素子間で、2DEGが素子分離溝160により分断されるように、設けられている。
 次に、HEMT150の製造方法について説明する。本実施形態によるHEMT150の製造方法は、エピ層12(III族窒化物で構成された部材)の表面20に第1のエッチングを施すことで、凹部110を形成する工程(以下、凹部形成工程ともいう)と、凹部110の底120に第2のエッチングを施すことで、底120を平坦化する工程(以下、平坦化工程ともいう)と、を有する。
 まず、凹部形成工程について説明する。凹部形成工程では、第1のエッチングとして光電気化学(PEC)エッチングを行うことで、エピ層12に凹部110を形成する。ここで「凹部110」とは、エピ層12(III族窒化物で構成された部材)においてPECエッチングが施された領域を意味する。図2(a)は、PECエッチング処理の対象物、つまり、PECエッチングのエッチング液201に浸漬される(接触する)対象物100(以下、PEC対象物100ともいう)を例示する概略断面図である。
 PEC対象物100は、ウエハ10のエピ層12上に、マスク50およびカソードパッド30が設けられた構造を有する。本例のPEC対象物100は、カソードパッド30を、HEMTのソース電極151およびドレイン電極153(の少なくとも一方)として利用する態様であり、具体的には例えば、ウエハ10の表面20上にソース電極151およびドレイン電極153が形成された段階の部材に、PECエッチング用のマスク50が形成された構造を有する。
 マスク50は、エピ層12の表面20上に形成され、凹部110を形成すべき領域21(以下、被エッチング領域21ともいう)に開口を有するとともに、カソードパッド30(ソース電極151およびドレイン電極153)の上面を露出させる開口を有する。マスク50は、非導電性材料、例えば、レジスト、酸化シリコン等で形成される。
 カソードパッド30は、導電性材料で形成された導電性部材であって、被エッチング領域21と電気的に接続された、ウエハ10の(エピ層12の)導電性領域の表面の少なくとも一部と接触するように設けられている。
 図2(b)は、凹部形成工程(つまり、PECエッチング工程)を示す、PECエッチング装置200の概略断面図である。PECエッチング装置200は、エッチング液201を収容する容器210と、紫外(UV)光221を出射する光源220と、を有する。
 凹部形成工程では、PEC対象物100がエッチング液201に浸漬され、被エッチング領域21、および、カソードパッド30(カソードパッド30の少なくとも一部、例えば上面)がエッチング液201と接触した状態で、エピ層12の表面20に、エッチング液201を介してUV光221を照射する。このようにして、被エッチング領域21を構成するIII族窒化物をエッチングすることで、凹部110を形成する。
 ここで、PECエッチングの機構について説明するとともに、エッチング液201、カソードパッド30等について、より詳しく説明する。エッチングされるIII族窒化物の例としてGaNを挙げて説明する。
 PECエッチングのエッチング液201としては、被エッチング領域21(凹部110が形成され始めた後は底120を意味する)を構成するIII族窒化物が含有するIII族元素の酸化物の生成に用いられる酸素を含み、さらに、電子を受け取る酸化剤を含む、アルカリ性または酸性のエッチング液201が用いられる。
 当該酸化剤として、ペルオキソ二硫酸イオン(S 2-)が例示される。以下、S 2-をペルオキソ二硫酸カリウム(K)から供給する態様を例示するが、S 2-は、その他例えば、ペルオキソ二硫酸ナトリウム(Na)、ペルオキソ二硫酸アンモニウム(過硫酸アンモニウム、(NH)等から供給するようにしてもよい。
 エッチング液201の第1例としては、水酸化カリウム(KOH)水溶液とペルオキソ二硫酸カリウム(K)水溶液とを混合した、PECエッチングの開始時点でアルカリ性を示すものが挙げられる。このようなエッチング液201は、例えば、0.01MのKOH水溶液と、0.05MのK水溶液と、を1:1で混合することで調製される。KOH水溶液の濃度、K水溶液の濃度、および、これらの水溶液の混合比率は、必要に応じ適宜調整されてよい。なお、KOH水溶液とK水溶液とが混合されたエッチング液201は、例えばKOH水溶液の濃度を低くすることにより、PECエッチングの開始時点で酸性を示すようにすることもできる。
 第1例のエッチング液201を用いる場合のPECエッチング機構について説明する。PECエッチングされるべき表面20に波長365nm以下のUV光221が照射されることによって、被エッチング領域21を構成するGaN中に、ホールと電子とが対で生成される。生成されたホールによりGaNがGa3+とNとに分解され(化1)、さらに、Ga3+が水酸化物イオン(OH)によって酸化されることで酸化ガリウム(Ga)が生成する(化2)。そして、生成されたGaが、アルカリ(または酸)に溶解される。このようにして、GaNのPECエッチングが行われる。なお、生成されたホールが水と反応して、水が分解されることで、酸素が発生する(化3)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 また、Kが水に溶解することでペルオキソ二硫酸イオン(S 2-)が生成し(化4)、S 2-にUV光221が照射されることで硫酸イオンラジカル(SO -*ラジカル)が生成する(化5)。ホールと対で生成された電子が、SO -*ラジカルとともに水と反応して、水が分解されることで、水素が発生する(化6)。このように、本実施形態のPECエッチングでは、SO -*ラジカルを用いることで、GaN中にホールと対で生成された電子を消費させることができるため、PECエッチングを良好に進行させることができる。なお、(化6)に示されるように、PECエッチングの進行に伴い、硫酸イオン(SO 2-)が増加することで、エッチング液201の酸性は強くなっていく(pHは低下していく)。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 エッチング液201の第2例としては、リン酸(HPO)水溶液とペルオキソ二硫酸カリウム(K)水溶液とを混合した、PECエッチングの開始時点で酸性を示すものが挙げられる。このようなエッチング液201は、例えば、0.01MのHPO水溶液と、0.05MのK水溶液と、を1:1で混合することで調製される。HPO水溶液の濃度、K水溶液の濃度、および、これらの水溶液の混合比率は、必要に応じ適宜調整されてよい。HPO水溶液およびK水溶液は、ともに酸性であるため、HPO水溶液とK水溶液とが混合されたエッチング液201は、任意の混合比率で酸性である。なお、K水溶液自体が酸性を示すため、エッチング開始時点で酸性であるエッチング液201として、K水溶液のみを用いてもよい。この場合、K水溶液の濃度は、例えば0.025Mとすればよい。
 エッチング液201が、PECエッチングの開始時点から酸性であることは、マスク50としてレジストの使用を容易にする観点から好ましい。レジストマスクは、エッチング液201がアルカリ性であると、剥離しやすいからである。なお、マスク50として酸化シリコンを使用する場合は、エッチング液201が酸性でもアルカリ性でも特に問題ない。
 第2例のエッチング液201を用いる場合のPECエッチング機構は、第1例のエッチング液201を用いる場合について説明した(化1)~(化3)が、(化7)に置き換わったものと推測される。つまり、GaNと、UV光221の照射で生成されたホールと、水と、が反応することで、Gaと、水素イオン(H)と、Nと、が生成する(化7)。そして、生成されたGaが、酸に溶解される。このようにして、GaNのPECエッチングが行われる。なお、(化4)~(化6)に示したような、ホールと対で生成された電子がS 2-により消費される機構は、第1例のエッチング液201を用いる場合と同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 (化1)および(化2)、または、(化7)から理解されるように、PECエッチングが生じる被エッチング領域21(凹部110の底120)は、ホールが消費されるアノードとして機能すると考えられる。また、(化6)から理解されるように、被エッチング領域21と電気的に接続された導電性部材であるカソードパッド30の、エッチング液201と接触する表面は、電子が消費される(放出される)カソードとして機能すると考えられる。
 (特に、基板11が半絶縁性(非導電性)である場合、)カソードパッド30が設けられていないと、カソードとして機能する領域の確保が困難となり、PECエッチングを進行させることが困難となる。本実施形態では、カソードパッド30を設けることで、PECエッチングを良好に進行させることができる。また、マスク50がカソードパッド30の上面に開口を有することで、つまり、カソードパッド30の上面の広い領域をカソードとして機能させることで、PECエッチングをより良好に進行させることができる。
 (化5)に示すように、S 2-からSO -*ラジカルを生成する手法としては、UV光221の照射、および、加熱の少なくとも一方を用いることができる。UV光221の照射を用いる場合、S 2-による光吸収を大きくしてSO -*ラジカルを効率的に生成させるために、UV光221の波長を、200nm以上310nm未満とすることが好ましい。つまり、UV光221の照射により、エピ層12においてIII族窒化物中にホールを生成させるとともに、エッチング液201においてS 2-からSO -*ラジカルを生成させることを、効率的に行う観点からは、UV光221の波長を、200nm以上310nm未満とすることが好ましい。S 2-からSO -*ラジカルを生成することを、加熱で行う場合は、UV光221の波長を、(365nm以下で)310nm以上としてもよい。
 UV光221の照射によりS 2-からSO -*ラジカルを生成させる場合、ウエハ10の表面20からエッチング液201の上面までの距離(ウエハ配置深さ)L(図2(b)参照)は、例えば、1mm以上100mm以下とすることが好ましい。距離Lが、例えば1mm未満と過度に短いと、ウエハ10上方のエッチング液201において生成されるSO -*ラジカルの量が、距離Lの変動により不安定になる可能性がある。なお、距離Lが短いと、液面の高さの制御が難しくなることから、距離Lは、1mm以上であることが好ましく、3mm以上であることがより好ましく、5mm以上であることがさらに好ましい。また、距離Lが、例えば100mm超と過度に長いと、ウエハ10上方のエッチング液201において、PECエッチングに寄与しない、無駄に多くのSO -*ラジカルが生成されるため、エッチング液201の利用効率が低下する。
 本願発明者は、PECエッチングに用いるマスクの縁が導電性材料で構成されていると、PECエッチングで形成される凹部の縁の形状が、マスクの縁に沿わない乱れた形状となりやすく、マスクの縁が非導電性材料で構成されていることで、PECエッチングで形成される凹部の縁の形状を、マスクの縁に沿った形状に制御しやすい、という知見を得ている。したがって、被エッチング領域21を画定するマスク端は(つまり、凹部110の縁は)、非導電性材料で構成されたマスク50により画定されることが好ましい。カソードパッド30は、(平面視で)凹部110の縁から離れた位置に(凹部110の縁を画定しない位置に)配置されることが好ましい。凹部110の縁の形状を良好に制御する観点から、(平面視での)マスク50の縁と、カソードパッド30の縁と、の距離DOFF(図2(a)参照)は、5μm以上とすることが好ましく、10μm以上とすることがより好ましい。
 PECエッチングは、例示したGaN以外のIII族窒化物に対しても行うことができる。III族窒化物が含有するIII族元素は、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)のうちの少なくとも1つであってよい。III族窒化物におけるAl成分またはIn成分に対するPECエッチングの考え方は、Ga成分について(化1)および(化2)、または、(化7)を参照して説明した考え方と同様である。つまり、UV光221の照射によりホールを生成させることで、Alの酸化物またはInの酸化物を生成させ、これらの酸化物をアルカリまたは酸に溶解させることで、PECエッチングを行うことができる。UV光221の波長は、エッチングの対象とするIII族窒化物の組成に応じて、適宜変更されてよい。GaNのPECエッチングを基準として、Alを含有する場合は、より短波長の光を用いればよく、Inを含有する場合は、より長波長の光も利用可能となる。つまり、加工したいIII族窒化物の組成に応じて、当該III族窒化物がPECエッチングされるような波長の光を、適宜選択して用いることができる。
 本実施形態のPEC対象物100において、アノードである被エッチング領域21(凹部110の底120)と、カソードであるカソードパッド30とは、2DEGを介して導通する。このため、PECエッチングの進行に伴い障壁層12cが薄くなって、凹部110の下方における2DEGが減少すると、PECエッチングが進行しにくくなり、やがて、凹部110の下方に所定厚さの障壁層12cが残った状態で、PECエッチングを自動的に停止させることができる。当該所定厚さは、例えば、UV光221の強度により調整することができる。このように、凹部形成工程では、PECエッチングを自動的に停止させることで、凹部110の形成を終了させることができる。
 次に、平坦化工程について説明する。図3(a)は、凹部形成工程が終了した状態を示す、PEC対象物100の概略断面図である。凹部形成工程で凹部110が形成されたPEC対象物100は、平坦化工程における平坦化処理の対象物140(以下、平坦化対象物140ともいう)となる。
 上述のように、エピ層12の表面20に、転位が所定の密度で分布している。転位においては、ホールのライフタイムが短いため、PECエッチングが生じにくい。このため、凹部110の底120の、転位に対応する位置には、PECエッチングの溶け残り部分として、凸部122が形成されやすい。つまり、凹部形成工程では、凹部110の底120において、(転位が無くPECエッチングが進行した部分である)平坦部121と、平坦部121に比べてPECエッチングがされにくいことで平坦部121に対して隆起した凸部122と、が形成される。凸部122は、PECエッチングの溶け残り部分であるため、その高さは、最大でも凹部110の深さ以下である。
 平坦化工程では、上述のように、凹部110の底120に第2のエッチング(以下、平坦化エッチングともいう)を施すことで、底120を平坦化する。具体的には、平坦化エッチングにより凸部122を(平坦部121に対して選択的に)エッチングすることで、凸部122を低くする。
 平坦化エッチングとしては、例えば、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いる(PECエッチングではない)ウェットエッチングが用いられる。平坦化エッチングのエッチング液としては、例えば、塩酸(HCl)水溶液、塩酸(HCl)と過酸化水素(H)との混合水溶液(塩酸過水)、硫酸(HSO)と過酸化水素(H)との混合水溶液(ピラニア溶液)、水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)水溶液、フッ化水素水溶液(フッ酸)、水酸化カリウム(KOH)水溶液、等が用いられる。
 SiC基板、サファイア基板、Si基板等の、異種基板である基板11上にヘテロエピタキシャル成長されたエピ層12は、例えば1×10/cm以上の、高い転位密度を有する。よって、異種基板である基板11を用いる場合、凹部形成工程のPECエッチングで凸部122が形成されやすいため、平坦化工程による底120の平坦化が、特に有効となる。
 図3(b)は、平坦化工程(つまり、平坦化エッチング工程)を示す、平坦化エッチング装置300の概略断面図である。平坦化エッチング装置300は、エッチング液301を収容する容器310を有する。平坦化工程では、凹部110がエッチング液301と接触するように、平坦化対象物140をエッチング液301に浸漬することで、凸部122をエッチングする。これにより、凹部110の底120が平坦化される。平坦化エッチングは、PECエッチングではない。このため、平坦化工程では、エピ層12の表面20にUV光を照射しない。ここで「UV光を照射しない」とは、不要なPECエッチングが生じるような(強い)UV光は照射されないようにする、という意味である。
 GaN等のIII族窒化物のc面をエッチングすることは、難しいことが知られているが、PECエッチングは、III族窒化物を結晶方位によらずエッチングできるため、c面であってもエッチングできる。凹部形成工程のPECエッチングは、c面であるエピ層12の表面20の上方からUV光221を照射しながら行われることで、エピ層12を構成するIII族窒化物を、表面20に対して垂直な方向から(つまり、エピ層12の厚さ方向に)エッチングする。
 これに対し、平坦化エッチングは、例えば、塩酸過水等のエッチング液を用いた、PECエッチングでない通常のウェットエッチングとして行われる。通常のウェットエッチングでは、III族窒化物のc面はエッチングが困難であるため、凹部110の底120のうち、c面で構成されている平坦部121はエッチングされない。しかし、底120の凸部122は、c面以外の結晶面を含んで構成されているため、通常のエッチングによりエッチングすることができる。したがって、平坦化エッチングによって、平坦部121に対し、凸部122を選択的にエッチングすることができる。平坦化エッチングは、c面以外の結晶面、つまりc面と交差する結晶面をエッチングするものであり、凸部122を、c面に対して垂直ではない方向から(つまり、エピ層12の厚さ方向と交差する方向(横方向)に)エッチングする。
 平坦化エッチングにより凸部122をエッチングすることで、凸部122を低くして底120を平坦に近づけること、つまり、凸部122を、平坦部121を構成するc面に近づけること、ができる。凸部122がエッチングされてc面に近づくと、エッチングが進行しにくくなる。このため、本実施形態の平坦化工程では、凸部122が過剰にエッチングされることが抑制され、底120がほぼ平坦となった状態で、平坦化エッチングを終了させることが容易である。
 所定の平坦性を有する底122が得られるまで平坦性エッチングを行ったら、平坦化工程を終了させる。底122の好適な平坦性については、実験例を参照して後述する。
 なお、凹部形成工程で用いたマスク50は、平坦化工程で除去されてもよいし、マスク50を除去するマスク除去工程を別途設けることで、除去されてもよい。
 平坦化工程が終了した後、HEMT150を完成させるための、その他の工程を行う(図1(a)参照)。その他の工程として、素子分離溝160を形成する工程、凹部110の底120の上にゲート電極152を形成する工程、保護膜154を形成する工程、等を行う。このようにして、HEMT150が製造される。
 なお、素子分離溝160が形成されていない状態のPEC対象物100(図2(a)参照)を、つまり、凹部形成工程の後に素子分離溝160を形成する態様を、例示したが、凹部形成工程の前に素子分離溝160を形成することで、素子分離溝160が形成された状態のPEC対象物100を用いてもよい。
 素子分離溝160の形成手法は、特に限定されず、素子分離溝160は、例えば、ドライエッチングで形成されてもよいし、また例えば、PECエッチングで形成されてもよい。PECエッチングを用いる場合、例えば、照射するUV光の強度を十分に強くすることで、チャネル層12bの途中まで達するようなエッチング深さとする。
 以上説明したように、本実施形態によれば、凹部形成工程においてPECエッチング(第1のエッチング)で形成された凹部110の底120を、平坦化工程における平坦化エッチング(第2のエッチング)により平坦化できる。これにより、凹部110をHEMT150のゲート電極152が配置されるリセスとして用いる際、凹部110が平坦化されず底120に凸部122が存在している場合と比べて、HEMT150の特性向上(例えばリーク電流の低減)を図ることができる。
 次に、PECエッチングおよび平坦化エッチングに係る実験例について説明する。本実験例では、以下のような基板およびエピ層を有するウエハを用いた。基板は、半絶縁性のSiC基板とした。エピ層は、AlNで構成された核生成層、GaNで構成され厚さ0.75μmのチャネル層、AlGaN(Al組成0.22)で構成され厚さ24nmの障壁層、および、GaNで構成され厚さ5nmのキャップ層の積層構造とした。
 エピ層に、PECエッチングにより凹部を形成した。PECエッチングは、エッチング液として0.025MのK水溶液を用い、波長260nmのUV光を3.8mW/cmの強度で照射しながら、120分間行った。ウエハ配置深さLは5mmとした。マスクは酸化シリコンで形成し、カソードパッドはチタンで形成した。深さが23.2nmの凹部を形成した。キャップ層の厚さが5nmで、障壁層の厚さが24nmであるため、凹部の下方に残った障壁層の厚さは、5.8nmとなる。
 PECエッチングの後、平坦化エッチングにより凹部の底を平坦化した。平坦化エッチングは、エッチング液として塩酸過水(例えば、30%のHClと30%のHとを1:1で混ぜたもの)を用い、10分間行った。
 図4(a)は、PECエッチングのエッチング時間とエッチング深さとの関係を示すグラフである。横軸がエッチング時間を示し、縦軸がエッチング深さを示す。エッチング開始から40分程度までは、エッチング時間に比例してエッチング深さが深くなっている。エッチング開始から40分程度で、エッチング深さが23.2nmに達し、その後はエッチング深さが一定となっている。つまり、エッチング開始から40分程度で自動的にエッチングが停止するように、PECエッチングが行われている。
 PECエッチングが施される前のエピ層の表面(以下、エピ層表面という)、PECエッチングにより形成され平坦化エッチングが施されていない凹部の底(以下、未平坦化底という)、および、PECエッチング後に平坦化エッチングが施された凹部の底(以下、平坦化底という)、のそれぞれに対し、1000nm角の領域を、原子間力顕微鏡(AFM)で観察した。
 図4(b)は、エピ層表面のAFM像である。エピ層表面の、AFM測定で得られた算術平均粗さ(Ra)は、0.14nmである。エピ層は高い結晶性を有することが望まれるため、エピ層表面のRaは、好ましくは0.4nm以下であり、より好ましくは0.3nm以下であり、さらに好ましくは0.2nm以下である。
 図5(a)は、未平坦化底のAFM像である。未平坦化底には、転位に対応する位置に、凸部が観察される。未平坦化底に分布する複数の凸部の高さが、一定ではない傾向が見られる。最大の凸部の高さは、10nmを超えている。
 未平坦化底の、AFM測定で得られたRaは、0.22nmである。エピ層表面のRaが例えば0.14nmであるのに対し、未平坦化底のRaは例えば0.22nmである。未平坦化底は、凸部を有しているものの、そのRaは、エピ層表面のRaに対し例えば2倍以下であり、それほど増加していない。この理由は、未平坦化底の大部分の面積を占める平坦部が高い平坦性を有するように、つまり、エピ層表面が有していた高い平坦性を平坦部においてほぼ損ねないように、PECエッチングが行われたためといえる。未平坦化底のRaは、好ましくは0.4nm以下であり、より好ましくは0.3nm以下である。
 図5(b)は、平坦化底のAFM像である。平坦化底では、未平坦化底で観察される凸部が明確には観察されず、凹部の底が平坦化されていることがわかる。平坦化底には、凸部が形成されていたと推測される位置、つまり、転位に対応する位置が、明るい領域として、平坦部とは区別されて観察される。当該明るい領域は、明確な凸形状には観察されず、ほぼ平坦な形状に(平坦部とほぼ同程度の高さに)観察されるが、以下、説明の便宜上、当該明るい領域を、凸部ということもある。
 平坦化底の、AFM測定で得られたRaは、0.24nmである。未平坦化底のRaが例えば0.22nmであるのに対し、平坦化底のRaが例えば0.24nmとやや大きくなっているが、この差は、未平坦化底の測定領域と、平坦化底の測定領域とが、異なることに起因する誤差と考えられ、未平坦化底のRaと、平坦化底のRaとは、同程度と考えられる。未平坦化底と、平坦化底とは、Raのみで明確に区別することは難しいといえる。平坦化底のAFM像から、平坦化エッチングにより、平坦部の平坦性を低下させずに、凸部を選択的にエッチングできていることがわかる。
 平坦化底の好適な平坦性は、以下のように表現することができる。例えば、平坦化底において、分布する複数の凸部のうち、最大の凸部の高さは、凹部の深さの1/10以下である。また例えば、平坦化底において、分布する複数の凸部のうち、最大の凸部の高さは、好ましくは2nm以下であり、より好ましくは1nm以下である(転位に対応する位置の最大の高さは、好ましくは2nm以下であり、より好ましくは1nm以下である)。また例えば、平坦化底のRaは、好ましくは0.4nm以下であり、より好ましくは0.3nm以下である。
 以上説明した、エピ層表面に関する特徴は、上述の実施形態において、凹部形成工程の前に、エピ層12の表面20に対して観察される特徴(あるいは、凹部形成工程または平坦化工程の後に、凹部110の外側のPECエッチングが施されない部分のエピ層12の表面20に対して観察される特徴)ということができる。また、以上説明した、未平坦化底に関する特徴は、上述の実施形態において、凹部形成工程の後であって平坦化工程の前に、凹部110の底120に対して観察される特徴ということができる。また、以上説明した、平坦化底に対する特徴は、上述の実施形態において、平坦化工程の後に、凹部110の底120に対して観察される特徴ということができる。平坦化工程の後に、凹部110の底120に対して観察される特徴は、実施形態によるHEMT150が有する特徴ということができる。
 なお、PECエッチングで形成された凹部110の底120においては、凹部110を形成するためのエッチングに起因するIII族窒化物結晶へのダメージが(例えばドライエッチングと比べて)少ない。
 また、PECエッチングで形成された凹部110の底120においては、凹部110がドライエッチングで形成されたとした場合と比べて、ハロゲン元素の残留が少ない。ドライエッチングで凹部110を形成しようとする場合、ハロゲン元素を含むエッチングガスを底120に衝突させたり、底120をハロゲン化する反応を用いたりするため、凹部110の底120(の所定厚さの表層部内)に、ハロゲン元素が残留することとなる。このようなドライエッチングと比べ、本実施形態におけるPECエッチングおよび平坦化エッチングは、凹部110の底120(の所定厚さの表層部内)にハロゲン元素を残留させないようなウェットエッチングとして行うことができる。凹部110の底120におけるハロゲン元素(例えば塩素(Cl))の濃度は、好ましくは1×1015/cm未満であり、より好ましくは5×1014/cm未満であり、さらに好ましくは2×1014/cm未満である。
<第1変形例>
 次に、上述の実施形態の第1変形例について説明する。上述の実施形態では、平坦化エッチングとして、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いる(PECエッチングではない)ウェットエッチングを用いる態様、つまり、凸部122を化学的にエッチングする態様を例示した。平坦化エッチングは、底120が平坦化されるように凸部122がエッチングされれば、その機構は特に限定されない。そのため、平坦化エッチングは、化学的なエッチング以外の他の機構によるエッチングで行ってもよい。複数の機構によるエッチングを組み合わせることで、平坦化エッチングをより効果的に行ってもよい。
 平坦化エッチングは、例えば、凸部122を機械的に除去することで行われてもよく、機械的な平坦化エッチングとしては、例えば、バブリング洗浄を用いてもよく、また例えば、スクラブ洗浄を用いてもよい。バブリング洗浄のエッチング液(洗浄液)としては、例えば、上述の実施形態で例示した塩酸過水が挙げられる。塩酸過水で凸部122をエッチングする際、気泡が激しく発生する。このため、気泡発生による衝撃で、凸部122を破壊し除去することができる。塩酸過水は、凸部122を化学的かつ機械的にエッチングするエッチング液といえる。
<第2変形例>
 次に、上述の実施形態の第2変形例について説明する。上述の実施形態では、凹部110を形成するPECエッチングを終了させた後に、凹部110の底120を平坦化する平坦化エッチングを行う態様を例示した。
 本変形例では、凹部110を形成するPECエッチングを終了させる前に、つまり、凹部110を途中の深さまで形成した段階で、平坦化エッチングを実施し、その後再びPECエッチングを実施して凹部110をさらに深くする態様を例示する。つまり、本変形例では、凹部形成工程と、平坦化工程と、を交互に繰り返す態様を例示する。平坦化工程は、必要に応じて複数回行ってもよい。上述の実施形態と同様にして、凹部110の形成が終了した後に、平坦化工程を行ってもよい。
 図6(a)は、本変形例における、平坦化対象物140を例示する概略断面図である。図6(b)は、本変形例の平坦化工程を示す、平坦化エッチング装置300の概略断面図である。平坦化エッチング装置300は、上述の実施形態と同様なものである。
 図6(a)に示す凹部110は、途中の深さまで形成された状態である。凸部122は、PECエッチングの溶け残り部分であるため、凹部110が浅い本変形例において形成された凸部122は、凹部110が深い上述の実施形態において形成された凸部122(図3(a)参照)と比べて、全体的に低く、また、凸部122同士の高さの差が少ない。
 このため、本変形例の(1回当たりの)平坦化工程では、凸部122のエッチングが容易となり、また、エッチング後の凸部122の高さを揃えることが容易となる。そして、平坦化工程を複数回繰り返すことで、凸部122をより確実にエッチングすることができる。これにより、本変形例では、凹部110の底120の平坦性を、より高めることができる。
<第3変形例>
 次に、上述の実施形態の第3変形例について説明する。本変形例は、上述の実施形態と、平坦化エッチング装置300が異なる。図7は、第3変形例による平坦化エッチング装置300の概略断面図である。
 本変形例の平坦化エッチング装置300は、上述の実施形態による平坦化エッチング装置300に、流れ生成機構320と、振動生成機構330と、が追加された構成を有する。流れ生成機構320は、エッチング液301に流れ(動き)を生成させる。振動生成機構330は、例えば超音波発生器であり、エッチング液301に振動を与える。本変形例では、エッチング液301に流れ(動き)を生成させること、および、エッチング液301に振動を与えること、の少なくとも一方を行うことで、凸部122を機械的にエッチングする作用を高めることができる。
<他の実施形態>
 以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。
 例えば、上述の実施形態では、カソードパッド30を、HEMT150のソース電極151およびドレイン電極153の少なくとも一方として用いる態様を例示したが、カソードパッド30は、HEMT150のソース電極151またはドレイン電極153とは別の導電性部材であってもよい。
 図8は、このような他の実施形態を例示する、PEC対象物100の概略断面図である。本実施形態では、ソース電極151またはドレイン電極153とは異なる配置および形状の導電性部材を、カソードパッド30として用いてよい。カソードパッド30は、例えば、ウエハ10の外周に沿って環状に配置される。なお、カソードパッド30の配置、形状、大きさ、個数等は、必要に応じて様々に調整されてよい。マスク50は、各HEMT素子の凹部(ゲート電極152が配置されるリセス)110を形成すべき被エッチング領域21に開口を有するとともに、カソードパッド30の上面を露出させる開口を有する。
 本実施形態では、HEMT素子ごとにカソードパッド30が設けられていなくてもよく、あるHEMT素子の外側(当該HEMT素子を平面視で囲む素子分離溝160の外側)に配置されたカソードパッド30を、当該HEMT素子の凹部110を形成するために用いてもよい。上述のように、PECエッチングの際には、被エッチング領域21(凹部110の底120)が、2DEGを介してカソードパッド30と導通していることが好ましい。よって、このような態様では、各HEMT素子の2DEG同士を分断する素子分離溝160を、PECエッチングの終了後に設けることが好ましい。
 PECエッチングの終了後、つまり凹部形成工程が終了した後、カソードパッド30を除去する。カソードパッド30は、凹部形成工程が終了した後、平坦化工程の前に除去されても平坦化工程の後に除去されてもよく、また、平坦化工程で除去されてもよい。本実施形態では、凹部形成工程が終了した後、カソードパッド30とは別の導電性部材として、各HEMT素子のソース電極151およびドレイン電極153を形成する(図1(a)参照)。
 なお、上述の説明では、完成されたHEMTを構造体150と称したが、構造体150は、上述の凹部形成工程および平坦化工程により形成された凹部110を備えるエピ層12を、少なくとも有する部材であってよい。
<本発明の好ましい態様>
 以下、本発明の好ましい態様について付記する。
(付記1)
 III族窒化物で構成された部材の表面に第1のエッチングを施すことで、凹部を形成する工程と、
 前記凹部の底に第2のエッチングを施すことで、前記底を平坦化する工程と、を有し、
 前記凹部を形成する工程では、前記凹部の底において、平坦部と、前記平坦部に比べて前記第1のエッチングでエッチングされにくいことで前記平坦部に対して隆起した凸部と、が形成され、
 前記底を平坦化する工程では、前記第2のエッチングにより前記凸部を(平坦部に対して選択的に)エッチングすることで、前記凸部を低くする、構造体の製造方法。
(付記2)
 前記凸部は、前記部材を構成するIII族窒化物の転位に対応する位置に形成される、付記1に記載の構造体の製造方法。
(付記3)
 前記表面は、III族窒化物のc面で構成され、
 前記第1のエッチングは、III族窒化物を前記表面に対して垂直な方向からエッチングし、
 前記第2のエッチングは、前記凸部をc面に対して垂直ではない方向からエッチングする、付記1または2に記載の構造体の製造方法。
(付記4)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングである、付記3に記載の構造体の製造方法。
(付記5)
 前記第2のエッチングは、(光電気化学エッチングではなく、)酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いるウェットエッチングである、付記3または4に記載の構造体の製造方法。
(付記6)
 前記第1のエッチングは、III族窒化物を前記表面に対して垂直な方向からエッチングし、
 前記第2のエッチングは、前記凸部を機械的に除去する、付記1~5のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記7)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングである、付記6に記載の構造体の製造方法。
(付記8)
 前記第2のエッチングは、バブリング洗浄である、付記6または7に記載の構造体の製造方法。
(付記9)
 前記第2のエッチングは、スクラブ洗浄である、付記6~8のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記10)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、前記表面に上方から紫外光を照射することで、III族窒化物を前記表面に対して垂直な方向からエッチングする、付記1~9のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記11)
 前記第2のエッチングでは、前記表面に(光電気化学エッチングが生じるような)紫外光を照射しない、付記1~10のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記12)
 前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記凸部の最大の高さが、前記凹部の深さの1/10以下である、付記1~11のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記13)
 前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記凸部の最大の高さが、好ましくは2nm以下、より好ましくは1nm以下である、付記1~12のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記14)
 前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、好ましくは0.4nm以下、より好ましくは0.3nm以下である、付記1~13のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記15)
 前記底を平坦化する工程において、前記第2エッチングは、前記凸部を、前記平坦部に対して選択的にエッチングする、付記1~14のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記16)
 前記凹部を形成する工程の後であって前記底を平坦化する工程の前に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、好ましくは0.4nm以下、より好ましくは0.3nm以下である、付記1~15のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記17)
 前記凹部を形成する工程の前に、前記表面をAFMで観察することにより測定される、前記表面の算術平均粗さ(Ra)が、好ましくは0.4nm以下、より好ましくは0.3nm以下、さらに好ましくは0.2nm以下である、付記1~16のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記18)
 前記構造体は、高電子移動度トランジスタとして用いられ、
 前記底を平坦化する工程の後、
 前記底の上に、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極を形成する工程、を有する、付記1~17のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記19)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、
 前記光電気化学エッチングのエッチング液は、電子を受け取る酸化剤を含むアルカリ性または酸性のエッチング液である、付記1~18のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記20)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、
 前記凹部を形成する工程では、前記表面上に、マスクが配置された状態で、前記光電気化学エッチングが行われ、
 前記光電気化学エッチングのエッチング液は、(第1のエッチングの開始時点から)酸性のエッチング液であり、
 前記マスクは、レジストマスクである、付記1~19のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記21)
 前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、
 前記凹部を形成する工程では、前記表面上に、マスクと導電性部材とが配置された状態で、前記光電気化学エッチングが行われ、
 前記マスクは、非導電性材料で構成され、前記凹部の縁を画定し、
 前記導電性部材は、前記凹部の縁から離れた位置に(凹部の縁を画定しない位置に)配置されるとともに、前記導電性部材の少なくとも一部が(上面が)前記光電気化学エッチングのエッチング液と接触するように配置される、付記1~20のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記22)
 前記構造体は、高電子移動度トランジスタとして用いられ、前記凹部は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置されるリセスとして用いられ、前記導電性部材は、前記高電子移動度トランジスタのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方として用いられる、付記21に記載の構造体の製造方法。
(付記23)
 前記構造体は、高電子移動度トランジスタとして用いられ、前記凹部は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置されるリセスとして用いられ、
 前記凹部を形成する工程の後、前記導電性部材とは別の導電性部材として、前記高電子移動度トランジスタのソース電極およびドレイン電極が形成される、付記21に記載の構造体の製造方法。
(付記24)
 前記凹部を形成する工程の後、前記高電子移動度トランジスタの素子分離溝が形成される、付記23に記載の構造体の製造方法。
(付記25)
 前記凹部を形成する工程と、
 前記底を平坦化する工程と、を交互に繰り返す、付記1~24のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記26)
 前記第2のエッチングは、前記第2のエッチングに用いられるエッチング液に流れ(動き)を生成させながら行われる、付記1~25のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記27)
 前記第2のエッチングは、前記第2のエッチングに用いられるエッチング液に振動を与えながら行われる、付記1~26のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
(付記28)
 III族窒化物で構成され、凹部が形成された部材、を有し、
 前記凹部の底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記部材を構成するIII族窒化物の転位に対応する位置の最大の高さが、好ましくは2nm以下、より好ましくは1nm以下であって、
 前記AFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、好ましくは0.4nm以下、より好ましくは0.3nm以下である、構造体。
(付記29)
 前記部材は、III族窒化物のc面で構成された表面を有し、前記凹部は、前記表面に形成されている、付記28に記載の構造体。
(付記30)
 基板を有し、前記部材は、前記基板上にヘテロエピタキシャル成長されたIII族窒化物で構成されている、付記28または29に記載の構造体。
(付記31)
 前記凹部の底において、ハロゲン元素(例えば塩素)の濃度が、好ましくは1×1015/cm未満であり、より好ましくは5×1014/cm未満であり、さらに好ましくは3×1014/cm未満である、付記28~30のいずれか1つに記載の構造体。
(付記32)
 高電子移動度トランジスタとして用いられ、前記凹部は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置されるリセスとして用いられる、付記28~31のいずれか1つに記載の構造体。
(付記33)
 III族窒化物で構成され、高電子移動度トランジスタとして用いられる部材の、被エッチング領域に、光電気化学エッチングを施す工程と、
 前記部材に、前記高電子移動度トランジスタの素子分離領域を形成する工程と、
を有し、
 前記光電気化学エッチングを施す工程では、前記被エッチング領域に対し前記素子分離領域が形成されるべき領域の外側に配置され、前記被エッチング領域と2次元電子ガスを介して導通する導電性部材を用いて、前記光電気化学エッチングを行い、
 前記素子分離領域を形成する工程は、前記光電気化学エッチングを施す工程の後に行われる、構造体の製造方法。
(付記34)
 前記被エッチング領域は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置される凹部が形成される領域である、付記33に記載の構造体の製造方法。
(付記35)
 前記光電気化学エッチングを施す工程では、前記被エッチング領域に開口を有するとともに、前記導電性部材を露出させる開口を有する、非導電性材料で構成されたマスクを用いて、前記光電気化学エッチングを行う、付記33または34に記載の構造体の製造方法。
(付記36)
 前記光電気化学エッチングを施す工程の後、前記導電性部材を除去し、前記高電子移動度トランジスタのソース電極およびドレイン電極を形成する、付記33~35のいずれか1つに記載の構造体の製造方法。
10…ウエハ、11…基板、12…エピ層、20…(エピ層の)表面、21…被エッチング領域、30…カソードパッド、50…マスク、100…PEC対象物、110…凹部、120…底、121…平坦部、122…凸部、140…平坦化対象物、150…構造体、151…ソース電極、152…ゲート電極、153…ドレイン電極、160…素子分離溝、200…PECエッチング装置、201…エッチング液、210…容器、220…光源、221…UV光、300…平坦化エッチング装置、301…エッチング液、310…容器、320…流れ生成機構、330…振動生成機構

Claims (25)

  1.  III族窒化物で構成された部材の表面に第1のエッチングを施すことで、凹部を形成する工程と、
     前記凹部の底に第2のエッチングを施すことで、前記底を平坦化する工程と、を有し、
     前記凹部を形成する工程では、前記凹部の底において、平坦部と、前記平坦部に比べて前記第1のエッチングでエッチングされにくいことで前記平坦部に対して隆起した凸部と、が形成され、
     前記底を平坦化する工程では、前記第2のエッチングにより前記凸部をエッチングすることで、前記凸部を低くする、構造体の製造方法。
  2.  前記凸部は、前記部材を構成するIII族窒化物の転位に対応する位置に形成される、請求項1に記載の構造体の製造方法。
  3.  前記表面は、III族窒化物のc面で構成され、
     前記第1のエッチングは、III族窒化物を前記表面に対して垂直な方向からエッチングし、
     前記第2のエッチングは、前記凸部をc面に対して垂直ではない方向からエッチングする、請求項1または2に記載の構造体の製造方法。
  4.  前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングである、請求項3に記載の構造体の製造方法。
  5.  前記第2のエッチングは、酸性またはアルカリ性のエッチング液を用いるウェットエッチングである、請求項3または4に記載の構造体の製造方法。
  6.  前記第1のエッチングは、III族窒化物を前記表面に対して垂直な方向からエッチングし、
     前記第2のエッチングは、前記凸部を機械的に除去する、請求項1~5のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  7.  前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングである、請求項6に記載の構造体の製造方法。
  8.  前記第2のエッチングは、バブリング洗浄である、請求項6または7に記載の構造体の製造方法。
  9.  前記第2のエッチングは、スクラブ洗浄である、請求項6~8のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  10.  前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記凸部の最大の高さが、前記凹部の深さの1/10以下である、請求項1~9のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  11.  前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記凸部の最大の高さが、2nm以下である、請求項1~10のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  12.  前記底を平坦化する工程の後に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、0.4nm以下である、請求項1~11のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  13.  前記底を平坦化する工程において、前記第2エッチングは、前記凸部を、前記平坦部に対して選択的にエッチングする、請求項1~12のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  14.  前記凹部を形成する工程の後であって前記底を平坦化する工程の前に、前記底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、0.4nm以下である、請求項1~13のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  15.  前記構造体は、高電子移動度トランジスタとして用いられ、
     前記底を平坦化する工程の後、
     前記底の上に、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極を形成する工程、を有する、請求項1~14のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  16.  前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、
     前記凹部を形成する工程では、前記表面上に、マスクが配置された状態で、前記光電気化学エッチングが行われ、
     前記光電気化学エッチングのエッチング液は、酸性のエッチング液であり、
     前記マスクは、レジストマスクである、請求項1~15のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  17.  前記第1のエッチングは、光電気化学エッチングであり、
     前記凹部を形成する工程では、前記表面上に、マスクと導電性部材とが配置された状態で、前記光電気化学エッチングが行われ、
     前記マスクは、非導電性材料で構成され、前記凹部の縁を画定し、
     前記導電性部材は、前記凹部の縁から離れた位置に配置されるとともに、前記導電性部材の少なくとも一部が前記光電気化学エッチングのエッチング液と接触するように配置される、請求項1~16のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  18.  前記構造体は、高電子移動度トランジスタとして用いられ、前記凹部は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置されるリセスとして用いられ、前記導電性部材は、前記高電子移動度トランジスタのソース電極およびドレイン電極の少なくとも一方として用いられる、請求項17に記載の構造体の製造方法。
  19.  前記凹部を形成する工程と、
     前記底を平坦化する工程と、を交互に繰り返す、請求項1~18のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
  20.  III族窒化物で構成され、凹部が形成された部材、を有し、
     前記凹部の底の1000nm角の領域をAFMで観察することにより測定される、前記部材を構成するIII族窒化物の転位に対応する位置の最大の高さが、2nm以下であって、
     前記AFMで観察することにより測定される、前記底の算術平均粗さ(Ra)が、0.4nm以下である、構造体。
  21.  高電子移動度トランジスタとして用いられ、前記凹部は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置されるリセスとして用いられる、請求項20に記載の構造体。
  22.  III族窒化物で構成され、高電子移動度トランジスタとして用いられる部材の、被エッチング領域に、光電気化学エッチングを施す工程と、
     前記部材に、前記高電子移動度トランジスタの素子分離領域を形成する工程と、
    を有し、
     前記光電気化学エッチングを施す工程では、前記被エッチング領域に対し前記素子分離領域が形成されるべき領域の外側に配置され、前記被エッチング領域と2次元電子ガスを介して導通する導電性部材を用いて、前記光電気化学エッチングを行い、
     前記素子分離領域を形成する工程は、前記光電気化学エッチングを施す工程の後に行われる、構造体の製造方法。
  23.  前記被エッチング領域は、前記高電子移動度トランジスタのゲート電極が配置される凹部が形成される領域である、請求項22に記載の構造体の製造方法。
  24.  前記光電気化学エッチングを施す工程では、前記被エッチング領域に開口を有するとともに、前記導電性部材を露出させる開口を有する、非導電性材料で構成されたマスクを用いて、前記光電気化学エッチングを行う、請求項22または23に記載の構造体の製造方法。
  25.  前記光電気化学エッチングを施す工程の後、前記導電性部材を除去し、前記高電子移動度トランジスタのソース電極およびドレイン電極を形成する、請求項22~24のいずれか1項に記載の構造体の製造方法。
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