(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニアガスをプラズマエッチング装置に導入し、このプラズマエッチング装置を前記アンモニアガスで満たしてアンモニアプラズマを生じせしめることにより、前記プラズマエッチング装置内の（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の表面を清浄化する工程と、前記表面を清浄化する工程の後、塩素系ガスを導入することによって前記（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層をエッチング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
【請求項２】
アンモニアガスをプラズマエッチング装置に導入し、このプラズマエッチング装置を前記アンモニアガスで満たしてアンモニアプラズマを生じせしめることにより、前記プラズマエッチング装置内の（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の表面を清浄化する工程と、前記表面を清浄化する工程の後、前記（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層上にオーミック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。
【請求項３】
アンモニアガスをプラズマエッチング装置に導入し、このプラズマエッチング装置を前記アンモニアガスで満たしてアンモニアプラズマを生じせしめることにより、前記プラズマエッチング装置内の（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の表面を清浄化する工程と、前記表面を清浄化する工程の後、前記（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層上にショットキー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。
【請求項４】
前記表面を清浄化する工程は、アンモニアのプラズマ雰囲気中にて（ＩｎxＡｌ1-x）yＧａ1-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ＜１）の表面をエッチングする工程であることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に（ＩｎＸＡｌ１−Ｘ）ＹＧａ１―ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）で表される窒化ガリウム系（以下、「ＧａＮ系」という）半導体層を用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、およびＩｎＡｌＧａＮ等のＧａＮ系半導体は、青色の光を発光する半導体レーザのような短波長の光デバイスの分野において重要な材料であるばかりでなく、最近では、その高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率、高い電子飽和速度について注目が集まっており、高周波のパワー電子デバイスに用いる材料としても有望視されている。特に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合構造では、ＡｌＧａＮとＧａＮのヘテロ接合界面付近に高濃度の電子が蓄積し、いわゆる二次元電子ガスが形成される。この二次元電子ガスはＡｌＧａＮに添加されるドナー不純物と空間的に分離されて存在するため高い移動度を示し、電界効果型トランジスタにこのヘテロ構造を用いる場合、ソース抵抗成分を低減することに寄与する。また、ゲート電極から二次元電子ガスまでの距離ｄは通常数十ｎｍと短いため、アスペクト比と呼ばれるゲート長Ｌｇとの比Ｌｇ／ｄを、Ｌｇが１００ｎｍ程度と短くなっても５から１０と大きくできるため短チャネル効果の小さい良好な飽和特性を有する電界効果トランジスタを作製しやすいという優れた特徴を有する。さらにＡｌＧａＮ／ＧａＮ系へテロ構造における二次元電子は１×１０５Ｖ／ｃｍ程度の高電界領域で、現在高周波トランジスタとして普及しているＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系の場合に比べて２倍以上の電子速度を有するばかりでなく、ヘテロ界面に蓄積される電子の濃度はＡｌＧａＮのＡｌ組成が０．２から０．３の場合に１×１０１３／ｃｍ２程度とＧａＡｓ系デバイスの約３倍に達する。このような事実から、ＧａＮ系へテロ構造ＦＥＴはパワー電子デバイスとして非常に有望視されている。
【０００３】
しかしながら、ＧａＮ系へテロ構造ＦＥＴには、改善すべき問題点も多くある。ＧａＮ系半導体装置における問題点の一つに、ＧａＮ系半導体の加工または表面処理が非常に困難であるということが挙げられる。ＧａＮは化学的に極めて安定な材料であり、ウェットエッチングが困難である。特に表面が３属原子のｃ面である場合この問題は大きく、熱燐酸によってもエッチング速度は極めて小さい。たとえエッチングが出来たとしても、１７０℃以上の温度の熱燐酸を用いて表面の一部を選択的にエッチングすることは、それに耐えうる適当なマスク材料が見出せないため、半導体装置製造プロセスとして用いることは不可能に近い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＧａＮ系半導体の性質のため、ＧａＮ系半導体の表面の汚染物質を取り除き、清浄な表面を得るための適当なプロセスが見出せていないという技術的な問題点が存在する。このような問題が、具体的に半導体装置の特性や製造工程にどのような問題を発生させるかについて列挙する。
【０００５】
１）ＧａＮ系半導体層上に堆積した絶縁膜のＧａＮ系半導体層との密着強度が弱く、この上に形成したパッド電極にワイヤーボンディングを行うと、ボンディング時にＧａＮ系半導体層と絶縁膜との間に剥離が生じ、半導体装置のパッケージへの組み立て時に不良が生じてしまう。
【０００６】
２）ＧａＮ系半導体層上に形成したショットキーダイオードの電流−電圧特性が一般的に悪く（理想因子ｎが１．５よりも大きくなってしまう）、従って０Ｖ近傍における電圧における漏れ電流が大きい。
【０００７】
３）化学的反応を主としたプラズマエッチングを行う場合、初期段階でエッチングがほとんど進まないため、初期段階で物理的なエッチングを必要とする。従って、微量のエッチングを必要とする場合にエッチング量の制御が困難である。また、物理的なエッチングによる半導体表面への損傷により発生する装置のリーク電流増大も、工程によっては問題となる。
【０００８】
以上の問題点は、すべてＧａＮ系半導体の表面状態に関連するものである。これは、ＧａＮ系半導体層の表面に形成された酸化物が要因であると思われるが、その詳細は分かっていない。いずれにせよ、清浄なＧａＮ系半導体層の表面を得るためのプロセス技術の開発が必要とされている。
【０００９】
本発明は、以上のように述べたＧａＮ系半導体装置の製造方法に関する問題点に鑑みなされたものであり、その第一の目的は、ＧａＮ系半導体層上に形成された絶縁膜の密着強度を高め、ボンディング時における絶縁膜の剥離を防止し、半導体装置のパッケージへの組み立て不良を発生させないことである。
【００１０】
本発明の第二の目的は、ＧａＮ系半導体層に適切な表面処理を施すことにより、ＧａＮ系半導体に形成されるショットキーダイオードの特性を改善し、同時にリーク電流を低減することである。
【００１１】
本発明の第三の目的は、ＧａＮ系半導体表面が酸化等で汚染された場合に、適切な表面処理を行うことによりオーミック電極のコンタクト抵抗の低減を図る手段を提供するものである。
【００１２】
本発明の第四の目的は、化学的反応を主としたプラズマエッチングをＧａＮ系半導体に対し行う場合に生じる初期段階でのエッチング不良を半導体表面への損傷をほとんど与えること無く表面処理を行うことで改善し、エッチングの制御性を向上する手段を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明ではＧａＮ系半導体の表面を清浄化する方法として、アンモニアガスを用いたプラズマエッチング処理を用いる。プラズマエッチング処理といっても、ＧａＮ系半導体表面そのものはこの処理によってほとんどエッチングはされない。しかしながら、ＧａＮ系半導体表面に付着あるいは化合した汚染物質は効果的に除去されるものと考えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、ＧａＮ系半導体層とその上に形成される絶縁膜の密着性の改善にかかわり、これによる半導体装置の製造方法を図１に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、実施の形態１における半導体装置の製造方法を示すための工程断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、主表面がｃ面であるサファイア基板１１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で膜厚が約３ｍｍのＧａＮ層２１を形成し、これを試料とした。
【００１６】
次に、図１（ｂ）に示すように、ＧａＮ層２１の表面３に、アンモニアプラズマ処理を施す。
【００１７】
さらに、図１（ｃ）に示すように、ＧａＮ層２１上にプラズマＣＶＤ法により絶縁膜であるＳｉＯ２膜４を１００ｎｍの膜厚で堆積する。ここで、絶縁膜をＳｉＯ２膜４としたが、これ以外にも、ＳｉＮ膜等を用いてもよい。
【００１８】
ここで、上記のアンモニアプラズマ処理には、市販のプラズマエッチング装置（図示せず）を用い、同装置内に試料を配置し、同装置内にアンモニアガスを１００ｓｃｃｍの流量で導入した。プラズマエッチングにおけるその他の条件は、真空度を１ｔｏｒｒ、電力を３０Ｗ、プラズマエッチング装置が電極間間隔を２０ｍｍ、エッチング時間を５分とした。このアンモニアプラズマ処理の条件は、本発明の全ての実施の形態におけるアンモニアプラズマ処理の条件と同一であり、アンモニアプラズマ処理が試料に与える損傷を低減するため、通常のプラズマエッチングの条件と比べて１／３〜１／１０の低電力で行っている。
【００１９】
ＳｉＯ２膜４のＧａＮ層２１に対する密着強度を評価するため、引張り強度試験を行った。その結果、アンモニアプラズマ処理を行った場合には、引張り強度は７６４ｋｇ重／ｃｍ２以上の値を示し、引張り強度試験においてＳｉＯ２膜４の剥がれは見られなかった。一方、アンモニアプラズマ処理を行わず、試料を通常の方法で洗浄した後に、ＳｉＯ２膜を形成した場合には、引張り強度として１００〜３５０ｋｇ重／ｃｍ２の値しか得られず、ＳｉＯ２膜４の剥がれが生じた。
【００２０】
この結果から、アンモニアプラズマ処理を行うことにより、ＳｉＯ２膜４とＧａＮ層２１との密着強度が少なくとも２〜３倍と飛躍的に改善されることが明らかとなった。これは、アンモニアプラズマ処理により、ＧａＮ層２１の表面が清浄にされているためである。
【００２１】
なお、本発明のアンモニアプラズマ処理をＧａＮ層２１の表面３に対して行い、その後、図示はしないが、表面３に絶縁膜を堆積形成あるいは酸化形成し、さらにその上に金属層を形成することによって、アンモニアプラズマ処理を行わない場合よりも界面準位密度の小さいＭＯＳ（金属―酸化物−半導体）構造を実現できるものと考えられる。
【００２２】
本実施の形態では、ＧａＮ系半導体としてＧａＮ層２１を例に説明したが、これ以外のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、およびＡｌＩｎＧａＮ等でも同様の効果があることは確認している。
【００２３】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法について説明する。
【００２４】
実施の形態２は、ＧａＮ系半導体層上へのショットキー電極の形成に関するものである。
【００２５】
実施の形態１での実験結果からは、ＧａＮ系半導体層（ＧａＮ層２１）の表面にアンモニアプラズマ処理を行うと表面に何らかの変化が起こっていると考えられる。この表面状態はＧａＮ系半導体の表面を汚染していた物質が除去され、清浄な状態になったものと考えられる。もしそうであるなら、従来、ＧａＮ系半導体層上に形成されたショットキーダイオードにおいて１．５程度あるいはそれ以上の高い理想因子であったものが、より１に近い値の理想因子となるはずである。これを立証するために実験を試みた。この実験を行うために、次に示す方法で半導体装置を製造した。
【００２６】
図２は、実施の形態２における半導体装置の製造方法を示すための工程断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、主表面がｃ面であるＳｉＣ基板１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）でＧａＮ系半導体層２を形成し、これを試料とした。なお、ＧａＮ系半導体層２は、ＳｉＣ基板１上にＡｌＮ層、膜厚が３ｍｍのＧａＮ層、膜厚２ｎｍのアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層、ｎ型不純物であるＳｉを２×１０１８ｃｍ−３の濃度に添加した膜厚が２０ｎｍのｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層、膜厚３ｎｍのアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ｎ層を順次エピタキシャル成長してなるヘテロ構造である。
【００２７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＧａＮ系半導体層２の表面３に、アンモニアプラズマ処理を施す。アンモニアプラズマ処理の条件は実施の形態１で述べたものと同じである。
【００２８】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＧａＮ系半導体層２上にＴｉ／Ａｌで構成されるオーミック電極５を形成後、リフトオフ法を用いて所定の位置にＳｉが１０ｗｔ％のＰｄＳｉショットキー電極６を形成する。ちなみにＴｉ／Ａｌのオーミック電極形成には２５ｎｍの膜厚のＴｉと２００ｎｍの膜厚のＡｌを順次真空蒸着し、５５０℃の水素雰囲気で１分間熱処理を行っている。このようにして作製した半導体装置であるショットキーダイオードと、アンモニアプラズマ処理を施さずに作成したショットキーダイオードの電流−電圧特性を測定したところ、アンモニアプラズマ処理を施さなかった試料では、理想因子が１．５９、ショットキーバリア高さが０．７０ｅＶであった。一方、アンモニアプラズマ処理を施した試料では、理想因子が１．２７、ショットキーバリア高さが０．７４ｅＶとなり、アンモニアプラズマ処理によってショットキーバリア高さが向上するとともに、理想因子がより１に近づくことが明らかとなった。
【００２９】
（実施の形態３）
アンモニアプラズマ処理のＧａＮ系半導体に対する表面清浄の効果は、実施の形態１及び２でかなり大きいことが実験結果として示された。本発明の実施の形態３はオーミック電極のコンタクト抵抗の改善に関するものである。
【００３０】
図３は、実施の形態３における半導体装置の製造方法を示すための工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、主表面がｃ面であるＳｉＣ基板１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）でＧａＮ系半導体層２を形成し、実施の形態２と同様にこれを試料とした。後に形成するオーミック電極のコンタクト抵抗を評価するため、ＧａＮ系半導体層２の表面を選択的にエッチング除去することにより、長方形状の島領域７を形成する。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、ＧａＮ系半導体層２の表面３にアンモニアプラズマ処理を実施の形態２と同一の条件で施した。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すようにＴｉ／Ａｌで構成されるオーミック電極５をリフトオフ法を用いてＴＬＭパターンとして形成し、シート抵抗とコンタクト抵抗の評価を行った。同時に、ＧａＮ系半導体層２の表面３にアンモニアプラズマ処理を行わなかった試料も作成し、同様にシート抵抗とコンタクト抵抗の評価を行った。
【００３３】
評価の結果、アンモニアプラズマ処理を行わなかった試料のシート抵抗とコンタクト抵抗率の値はそれぞれ６２０Ω／□、１．２〜０．７×１０−３Ωｃｍ２であった。一方、アンモニアプラズマ処理を施した試料では、シート抵抗は６２５Ω／□とほとんど変化なくアンモニアプラズマ処理で試料表面に損傷を与えていないことが示された。さらに重要なことは、このアンモニアプラズマ処理を施した試料ではコンタクト抵抗率の値が、３×１０−４Ωｃｍ２とアンモニアプラズマ処理を行わなかった試料に比較して約１／２〜１／４小さい値が得られたことである。以上の実験結果は、アンモニアプラズマ処理によって試料に与えられる損傷はあったとしても極めて小さく、かつ本発明のアンモニアプラズマによる表面処理は低いオーミック抵抗を得るために効果的であることを示している。この低いオーミック抵抗が得られる要因は、アンモニアプラズマ処理によってＧａＮ系半導体層２の表面３に形成されていた酸化物などが除去され、表面が清浄化されたことによると考えられる。
【００３４】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４は、ドライエッチングの制御性の向上に関するものである。形成されたＧａＮ系半導体層２に加工を施すことを目的としたエッチングには通常、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が用いられる。エッチングに使用されるガスは塩素を主体とするものである。ＲＩＥによりＧａＮ系半導体層２をエッチングする場合によく見られる現象として、エッチング初期にエッチングがほとんど進行せず、数分遅れて正常なエッチングが始まるということがある。この、エッチングがほとんどされない時間は、試料毎にばらつくためエッチング深さを精密に時間で制御することが困難となる。例えば、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ源を用いたＲＩＥで塩素ガス圧を３Ｐａ、電力７５ＷでＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎをエッチングする場合、このエッチングされない時間は２分前後あり、エッチング速度が３０ｎｍ／ｍｉｎであるので、エッチングされない時間が３０秒ずれると１５ｎｍ程度のエッチング深さのバラツキが生じることとなる。このエッチングされない時間のバラツキはＧａＮ系半導体層２の表面状態に関係しているものと考えられ、本発明のアンモニアプラズマ処理により表面清浄化を行うことで改善されるものと期待できる。
【００３５】
これを検証するための実験として実施の形態２及び３で用いたＧａＮ系半導体層２にアンモニアプラズマ処理をこれまでと同じ条件（処理時間５分）で施した後、塩素ガスによるＥＣＲプラズマエッチングを行った。すると、ＥＣＲプラズマエッチングによりエッチングされない時間が大幅に減少し３０秒以内となった。さらに、アンモニアプラズマ処理の処理時間を５分間から１５分間に増加させ、同様のエッチング実験を行ったところ、ＥＣＲプラズマエッチングによりエッチングされない時間はほとんど０となり、ＥＣＲプラズマエッチングの開始と同時にエッチングが進行するようになった。このように、アンモニアプラズマ処理を行うことで、ドライエッチングのエッチング深さの制御性が大幅に改善することが明らかとなった。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、ＧａＮ系半導体の表面が改質され、その上に形成される絶縁膜のＧａＮ系半導体との密着性が向上し、ＧａＮ系半導体装置をパッケージ実装する際の実装不良を著しく低下させることが可能となる。また、アンモニアプラズマ処理によってＧａＮ系半導体上に形成されるショットキー電極の理想因子が１に近づく、オーミック電極のコンタクト抵抗が改善される、ドライエッチングのエッチング深さの制御性が向上するなどのＧａＮ系半導体装置の製造歩留まりの向上と、半導体装置の性能向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図
【図２】本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図
【図３】本発明の実施の形態３における半導体装置の製造方法を説明する工程断面図
【符号の説明】
１  ＳｉＣ基板
２  ＧａＮ系半導体層
３  表面
４  ＳｉＯ２膜
５  オーミック電極
６  ショットキー電極
７  島領域
１１  サファイア基板
２１  ＧａＮ層
【図１】
0003630068.tif 000002
【図２】
0003630068.tif 000003
【図３】
0003630068.tif 000004