(57)【要約】  結晶窒化物とダイヤモンドとの熱膨張係数の差に起因する応力によって発生していた、結晶窒化物層の割れを抑制可能な技術を提供することを目的とする。半導体装置は、結晶窒化物層と、珪素を含む構造体と、ダイヤモンド層とを備える。構造体は、結晶窒化物層の第１主面上に配設されている。ダイヤモンド層は、構造体の少なくとも側部上に配設され、結晶窒化物層の第１主面との間に空隙が設けられている。空隙は、例えば応力吸収空間である。
2017115479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶窒化物層＜１＞と、
前記結晶窒化物層の第１主面上に配設された、珪素を含む構造体＜２＞と、
前記構造体の少なくとも側部上に配設され、前記結晶窒化物層の前記第１主面との間に空隙が設けられたダイヤモンド層＜３＞と
を備える、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置であって、
前記ダイヤモンド層＜３＞は、上方向に向かって先広がりの形状を有する、半導体装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の半導体装置であって、
前記結晶窒化物層＜１＞の前記第１主面と逆側の第２主面上に配設されたゲート電極＜４ａ＞をさらに備え、
前記ゲート電極の少なくとも一部が、前記構造体＜２＞の下方に位置する、半導体装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の半導体装置であって、
複数の前記構造体＜２＞が、前記結晶窒化物層＜１＞の前記第１主面上に配設され、
前記ダイヤモンド層＜３＞が、前記複数の構造体のうちの隣り合う構造体と隣接して配設された、半導体装置。
【請求項５】
請求項４に記載の半導体装置であって、
複数の前記ダイヤモンド層＜３＞の少なくとも一つは、前記結晶窒化物層＜１＞の前記第１主面と非接触である、半導体装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の半導体装置であって、
前記隣り合う構造体＜２＞の隣り合う側面は、互いに非平行である、半導体装置。
【請求項７】
（ａ）結晶窒化物層＜１＞を準備する工程と、
（ｂ）前記結晶窒化物層の第１主面上に、珪素を含む構造体＜２＞を形成する工程と、
（ｃ）前記構造体の表面に、ダイヤモンドの成長核を形成する工程と、
（ｄ）前記成長核を成長させることにより、前記結晶窒化物層の前記第１主面との間に空隙が設けられたダイヤモンド層＜３＞を、前記構造体の少なくとも側部上に形成する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｃ）において、
前記構造体＜２＞の表面のうち、複数の前記構造体同士の間の距離の半分よりも大きい距離で前記結晶窒化物層＜１＞の前記第１主面から離間した領域に、前記成長核＜７＞が形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の半導体装置の製造方法であって、
（ｅ）前記結晶窒化物層＜１＞の前記第１主面と逆側の第２主面上に、ゲート電極＜４ａ＞を形成する工程をさらに備え、
前記ゲート電極の少なくとも一部が、前記構造体＜２＞の下方に位置する、半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶窒化物層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）等の窒化物は、大きい絶縁破壊電界、高いキャリア速度を有しているため、高出力、高周波の電子デバイスまたは光デバイスへの応用が期待されている。しかしながら、高出力動作時の自己発熱により出力特性が制限されるといった問題がある。【０００３】
これに対して、例えば特許文献１には、基板の底面に設けた穴の中に埋めたダイヤモンド層と、基板の上面側に設けた単結晶窒化物層と、その上に設けたデバイス層とを備える半導体装置が開示されている。ダイヤモンドは物質中で最大の熱伝導率を有しており、放熱性能に優れているため、ダイヤモンドを備える電界効果トランジスタによれば、出力特性の制限を緩和することができ、高出力動作が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５１７２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のように、ダイヤモンドが単結晶窒化物層などの結晶窒化物層と接した構成においては、ダイヤモンドと結晶窒化物層との熱膨張係数の差から応力が生じ、当該応力によって結晶窒化物層の割れが生じる問題がある。【０００６】
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、応力によって発生していた結晶窒化物層の割れを抑制可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体装置は、結晶窒化物層と、前記結晶窒化物層の第１主面上に選択的に配設された、珪素を含む構造体と、前記構造体の少なくとも側部上に配設され、前記結晶窒化物層の前記第１主面との間に空隙が設けられたダイヤモンド層とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、空隙によって、ダイヤモンド層と結晶窒化物層との熱膨張係数の差に起因する応力を緩和することができることから、当該応力によって発生していた結晶窒化物層の割れを抑制することができる。【０００９】
本発明の目的、特徴、態様及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る結晶窒化物層の構成を示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図６】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図８】実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図９】実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１０】実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。
【図１１】実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１２】実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１３】実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図１４】実施の形態４に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付される図面を参照しながら実施形態について説明する。なお、図面は概略的に示されるものであり、異なる図面にそれぞれ示される構成要素の大きさと位置との相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得るものである。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置（三族窒化物半導体装置）の構成を示す断面図である。
【００１３】
ダイヤモンドが結晶窒化物層と接している構造では、ダイヤモンドと結晶窒化物層との熱膨張係数の差から結晶窒化物層の割れが生じる問題がある。以下の説明で明らかとなるように、図１の半導体装置は、このような問題を解決することが可能となっている。
【００１４】
図１の半導体装置は、結晶窒化物層１と、珪素（Ｓｉ）を含む構造体２と、ダイヤモンド層３と、デバイス層４とを備えている。構造体２は、結晶窒化物層１の上面（第１主面）上に選択的に配設されている。ダイヤモンド層３は、構造体２の少なくとも側部上に配設され、ダイヤモンド層３と結晶窒化物層１の上面との間に、空隙である応力吸収空間５が設けられている。
【００１５】
応力吸収空間５は、少なくともダイヤモンド層３の結晶面と結晶窒化物層１の上面とによって規定されており、ダイヤモンド層３と結晶窒化物層１との熱膨張係数の差に起因する応力を吸収（緩和）することができる。したがって、当該応力によって発生していた結晶窒化物層１の割れを抑制することができる。この結果、割れの発生が抑制され、放熱特性に優れた高出力の半導体装置を作製することができる。
【００１６】
次に、本実施の形態１に係る半導体装置の各構成要素について詳細に説明する。
【００１７】
結晶窒化物層１は、図２に示すように、例えば、ＡｌＮ層１１、単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（０≦ｘ≦１）多層膜１２、単結晶ＧａＮ層１３、単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ（０≦ｘ≦１）層１４などの窒化物半導体から構成されることが好ましい。また、これらの層はいずれも数十ｎｍ〜数μｍの範囲の膜厚であることが好ましい。さらに、ＡｌＮ層１１は多結晶であることが好ましい。
【００１８】
このような結晶窒化物層１によれば、単結晶ＧａＮ層１３、及び、単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ層１４のヘテロ接合構造によって、２次元電子ガス１５が形成される。このため、高い周波数、高いドレイン電流、及び、高い出力電圧密度の窒化物半導体装置（例えば電界効果トランジスター）を実現することができる。なお、結晶窒化物層１は、上述に限ったものではなく、結晶窒化物層１は、Ｓｉ３Ｎ４などの窒化物絶縁体から構成されてもよい。
【００１９】
構造体２は、結晶窒化物層１上に配設された構造体であって、結晶窒化物層１表面からの高さ方向と奥行き方向とで形成される面を有する３次元的な構造体である。本実施の形態１では、複数の構造体２が、結晶窒化物層１の上面上に配設されている。
【００２０】
ダイヤモンド層３は、構造体２の少なくとも側部上に配設され、ダイヤモンド層３と結晶窒化物層１との間に応力吸収空間５が設けられている。本実施の形態１では、ダイヤモンド層３が、複数の構造体２のうちの隣り合う構造体２と隣接して配設されている。
【００２１】
なお、構造体２は、珪素（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）から構成されることが好ましい。Ｓｉ及びＳｉＣの熱膨張係数はそれぞれ３．０及び４．３であり、結晶窒化物層１の熱膨張係数（５．６）よりも、ダイヤモンド層３の熱膨張係数（２．３）に近いので、熱応力を軽減できる。
【００２２】
また、ダイヤモンドと結晶窒化物のＧａＮとが接している構成において、１０００℃から室温の２５℃に変化した場合にＧａＮに発生する熱応力は、計算から６５０ＭＰａと見積もられる。一方、ダイヤモンドとＳｉとが接している構成において、同様の温度変化の場合にＳｉに発生する熱応力は、９０ＭＰａと見積もられる。このため、構造体２の割れは発生しにくい。
【００２３】
デバイス層４は、結晶窒化物層１の上面と逆側の下面（第２主面）上に配設されている。本実施の形態１のように、半導体装置がトランジスタである場合には、デバイス層４は、ソース、ドレイン、及びゲートの役割を担う導電層であり、ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極を含む。ただし、半導体装置がトランジスタではない場合（例えばダイオードである場合）には、デバイス層４は、これに限ったものではない。
【００２４】
応力を吸収（緩和）する上述の応力吸収空間５は、少なくともダイヤモンド層３の結晶面と結晶窒化物層１の上面とによって規定されている。なお、応力吸収空間５は、ダイヤモンド層３の結晶面、及び、結晶窒化物層１の上面に加えて、構造体２の面によって規定されてもよい。また、応力吸収空間５は、必ずしも閉じた空間である必要はなく、上部または側部などが開いていてもよい。
【００２５】
＜製造方法＞
次に、本実施の形態１に係る半導体装置の製造方法について説明する。特に以下では、結晶窒化物層１として、図２の構成を備える半導体装置の製造方法を例にして説明する。
【００２６】
まず、図３に示すように、Ｓｉ基板２１上に結晶窒化物層１を形成（準備）する。例えば、Ｓｉ基板２１の下面に順にＡｌＮ層１１、単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ多層膜１２、単結晶ＧａＮ層１３、単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ層１４からなる複数のエピタキシャル層を、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成した。原料に、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、これらの流量と形成時間とを調整することにより各層を製膜した。
【００２７】
次に、Ｓｉ基板２１のうち、ＡｌＮ層１１等を製膜した面と逆側の面に、加工膜７としてＳｉ酸化膜を形成し、所望の形状にパターニングされたレジストをマスクにして加工膜７をパターニングする。そして、所望の形状にパターニングされた加工膜７をマスクにして、例えばＣＦ４及びＯ２を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により、Ｓｉ基板２１を選択的にエッチングする。そして、ＡｌＮ層１１をストッパーとしてＳｉ基板２１のエッチングを終了する。
【００２８】
これによって図４に示すような、Ｓｉを含む複数の構造体２が、結晶窒化物層１の上面上に列状に形成される。本実施の形態１では、構造体２は断面視にて方形状を有する。なお、構造体２は、図５に示すように上面視にて方形状を有してもよいし、図６に示すように上面視にて楕円形状を有してもよい。ただし、上面視における構造体２の形状は、これらに限定されるものではなく、三角形状、五角形状もしくは六角形状などの多角形状、円形状、または、星形状であってもよい。これらの形状は、レジストをパターンニング及び加工することによって、自由に形成することが可能である。
【００２９】
なお、構造体２の高さが低すぎると、後工程で、構造体２の側面にダイヤモンドの成長核を形成することが困難となる。一方、構造体２の高さの上限は、上述のＳｉ基板２１の厚さで決まることから、構造体２の高さが高すぎると、コストが増大する。このことから、構造体２の高さは、例えば１μｍ以上６５０μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
また図示しないが、Ｓｉ基板２１のエッチングによって表面に現れるＡｌＮ層１１を、さらにエッチングしてもよい。そして、そのエッチングによって表面に現れる単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ多層膜１２を、さらにエッチングしてもよい。これらのエッチングは、例えばＡｒイオンを数１００Ｖ〜数ｋＶで加速したＡｒイオンビームを生成し、構造体２をマスクにしつつ、当該ビームをエッチング対象の層または膜に打ち込むことで実施可能である。ＡｌＮ層１１及び単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ多層膜１２をエッチングによって除去した構成によれば、熱が発生する単結晶ＧａＮ層１３にダイヤモンド層３をより近づけることができるので、放熱性能をより高めることができる。
【００３１】
なお、以下の説明では、ここまでの工程によって形成された結晶窒化物層１及び構造体２を、まとめて「窒化物基板」と記すこともある。
【００３２】
次に、構造体２の表面に、ダイヤモンドの成長核を形成する。例えば、ダイヤモンドの微粒子を純水に分散させた溶液に、窒化物基板を浸漬し、それに３０分の超音波をかける。
【００３３】
ダイヤモンドの成長核として用いるダイヤモンドの微粒子の大きさは、２ｎｍから１０μｍであることが好ましい。また、超音波のパワー密度は、０．１〜５Ｗ／ｃｍ２が好ましい。これによってダイヤモンドの成長核を、結晶窒化物層１の表面には形成せずに、Ｓｉを含む構造体２の表面にのみ選択的に形成することができる。
【００３４】
なお、窒化物基板が薄い場合、ダイヤモンドの成長核の形成時などにおいて、窒化物基板が割れる場合がある。このような場合には、構造体２を形成するエッチング加工を行う前に、結晶窒化物層１の下面側（Ｓｉ基板２１と逆側）に、Ｓｉ基板などの別の基板（図示せず）を土台として予め接着してもよい。これにより、上述の割れを抑制することができる。
【００３５】
また、加工膜７を除去してから（剥がしてから）、ダイヤモンドの成長核を形成してもよい。この場合、加工膜７と接していた構造体２の上面にもダイヤモンドの成長核が形成される。この結果、後述の工程において、構造体２の側面だけでなく構造体２の上面にもダイヤモンド層３を形成することができる。
【００３６】
さて、上述のようにダイヤモンドの成長核を形成した後、加工膜７をフッ酸で剥離する。その後、ダイヤモンドの成長核を成長させることにより、図７に示すように、ダイヤモンド層３を、構造体２の少なくとも側部上に形成する。例えば、マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ法により、原料にメタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）を用いてダイヤモンド層３を形成する。ここでは、ＣＨ４の流量を５０ｓｃｃｍ、Ｈ２の流量を５００ｓｃｃｍ、Ｏ２の流量を１０ｓｃｃｍ、圧力を１３．３ｋＰａ、温度を１０００℃、マイクロ波のパワーを５ｋＷにして製膜した。この結果、多結晶のダイヤモンド層３が形成され、その結晶サイズは２μｍ〜１００μｍの範囲であった。
【００３７】
なお、一般的に、ダイヤモンドは、Ｓｉよりも窒化物に成長し難い性質がある。この性質により、少なくとも一部が、結晶窒化物層１の表面とダイヤモンド層３の結晶面とで規定された応力吸収空間（空隙）５を形成することができる。
【００３８】
また、ダイヤモンド層３はホットフィラメントＣＶＤによって形成してもよい。この場合、マイクロ波のパワーを投入したガスを分解する代わりに、フィラメントを通電し、フィラメントを加熱及び高温にすることによって、ガスを分解する。フィラメントの温度は、例えば１５００℃以上３０００℃以下であることが好ましい。このフィラメントの温度の下限には、ガスの分解に必要な温度が適用され、上限の温度は、フィラメント材料（例えばタングステン）の耐熱性から決定される。
【００３９】
ところで、ダイヤモンドとＧａＮとが接した積層構造において、８５０℃以上の温度から室温の２５℃に戻した場合にＧａＮに発生する熱応力は、５７０ＭＰａまたはそれより少し大きい値である。８５０℃以上からＧａＮの割れが発生することから、この５７０ＭＰａの応力値が、ＧａＮの割れに関する閾値であると考えられる。
【００４０】
このことに鑑みて、平面視における応力吸収空間５の合計面積は、結晶窒化物層１の上面の全面積の１２％以上であることが好ましい。これによって、結晶窒化物層１の上面全体にダイヤモンド層が接した構成に比べて、結晶窒化物層１にかかる応力を１２％以上低減することができる。この結果、ダイヤモンドと結晶窒化物のＧａＮとが接している構成において、１０００℃から室温の２５℃に変化した場合にＧａＮ（結晶窒化物層１）に発生する熱応力（６５０ＭＰａ）を、上述の閾値（５７０ＭＰａ）以下まで低減できる。したがって、１０００℃から２５℃に変化する環境下においても、結晶窒化物層１の割れを低減することができる。
【００４１】
なお、ダイヤモンド層３の結晶サイズによって、応力吸収空間５を構成する結晶窒化物層１の上面の面積の大きさを制御できる。具体的には、ダイヤモンド層３の結晶サイズを大きくすることで、応力吸収空間５を構成する結晶窒化物層１の上面の面積を大きくすることができる。そして、ダイヤモンド層３の結晶サイズを大きくするには、構造体２の表面に形成されたダイヤモンドの成長核の密度を減らせばよく、当該成長核の密度を減らすためには、成長核の形成時の超音波時間を短くすればよい。
【００４２】
また、ダイヤモンド層３の形成後、ダイヤモンド層３上に図示しない膜をさらに形成してもよい。このように膜を形成することによって、窒化物基板の強度を高めることができる。なお、この膜の材質として、導電性の高い金属が好ましい。
【００４３】
次に、デバイス層４を、結晶窒化物層１の上面と逆側の下面（単結晶Ａｌ１−ｘＧａｘＮ層１４の下面）側に形成する。デバイス層４に含まれる導電層には、例えば金属層または半導体層に不純物をドープして抵抗を低減した層が好ましい。また、デバイス層４は、例えば、ＣＶＤ法、蒸着法、または、スパッタリング法などによって形成される。
【００４４】
以上のような工程を実施することによって、図１に示す半導体装置が完成する。
【００４５】
＜実施の形態１のまとめ＞
以上のような本実施の形態１に係る半導体装置によれば、ダイヤモンド層３と結晶窒化物層１の上面との間に応力吸収空間５が設けられている。このような構成によれば、応力吸収空間５によって、ダイヤモンド層３と結晶窒化物層１との熱膨張係数の差に起因する応力を吸収（緩和）することができることから、当該応力によって発生していた結晶窒化物層１の割れを抑制することができる。
【００４６】
＜実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態２に係る半導体装置のうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００４７】
本実施の形態２に係る半導体装置が、実施の形態１に係る半導体装置と異なる点は、断面視にて構造体２が三角形状を有している点である。これにより、隣り合う構造体２の隣り合う側面は、互いに非平行となっている。具体的には、隣り合う第１構造体２及び第２構造体２において、第１構造体２が有する側面のうち第２構造体２に近い側面と、第２構造体２が有する側面のうち第１構造体２に近い側面とが、互いに非平行となっている。一方、実施の形態１と同様に、構造体２は、図５に示すように上面視にて方形状を有してもよいし、図６に示すように上面視にて楕円形状を有してもよい。
【００４８】
以上のような構成によれば、ダイヤモンド層３は、上方向に向かって先広がりの形状を有している。つまり、結晶窒化物層１から上方に向かうにつれて、構造体２の体積を徐々に減らし、ダイヤモンド層３の占める割合を徐々に増やすことができる。したがって、結晶窒化物層１で発生した熱を、構造体２を通して、放熱性能に優れたダイヤモンド層３にて効率的に放熱できるため、放熱性能を高めることができる。
【００４９】
ところで、実施の形態１に係る半導体装置（図１）のように、隣り合う構造体２の隣り合う側面が互いに平行である構成では、ダイヤモンド層３を形成する際に、隣り合う側面のそれぞれから垂直方向に成長したダイヤモンド層同士が正面衝突して、当該衝突した領域においてダイヤモンド層３の結晶性が低下する。これに対して、本実施の形態２では、隣り合う構造体２の隣り合う側面が互いに非平行であるため、上述のような正面衝突を抑制することができ、ダイヤモンド層３の結晶性の低下を抑制することができる。これにより、ダイヤモンド層３の結晶性を向上させることができ、この結果、放熱性能を高めることができる。
【００５０】
なお、断面視における構造体２の底面（結晶窒化物層１と接する面）と側面とがなす角度が大きすぎると、上述のダイヤモンド層３の結晶性が低下して放熱性能を高めることができず、小さすぎると、応力吸収空間５が大きくなり逆に放熱性能が低下する。そこで、構造体２の底面と側面とがなす角度は、結晶窒化物層１の上面と垂直な方向を９０度とした場合に、例えば５度以上８５度以下の鋭角であることが好ましい。
【００５１】
また、断面視にて構造体２は、底面が上面より広い台形状を有してもよい。この場合でも、ダイヤモンド層３は、上方向に向かって先広がりの形状を有するとともに、隣り合う構造体２の隣り合う側面は互いに非平行となる。したがって、断面視にて構造体２が三角形状を有していた上述の構成と同様に、放熱性能を高めることができる。
【００５２】
次に、本実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について、実施の形態１と異なる点について簡単に説明する。
【００５３】
実施の形態１に係るＳｉ基板２１の加工（図３及び図４）では、所望の形状にパターニングされた加工膜７をマスクにして、例えばＣＦ４及びＯ２を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を行った。つまり、異方性が強い条件でエッチングを行った。
【００５４】
これに対して本実施の形態２では、異方性の強い条件を、等方性の強い条件に代えてエッチングを行う。具体的には、圧力を、異方性が高くなる１６Ｐａから、等方性が高くなる５０Ｐａに変更して、ＲＩＥ（反応性エッチング）を行う。これにより、図８に示すように、断面視にて三角形状などを有する構造体２を形成することができる。その後、実施の形態１と同様の工程を行なえば、図８に示す半導体装置が完成する。
【００５５】
＜実施の形態３＞
図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態３に係る半導体装置のうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００５６】
本実施の形態３では、デバイス層４に、ゲート電極４ａが含まれている。このゲート電極４ａは、結晶窒化物層１の前記第１主面と逆側の第２主面上に選択的に配設されている。そして、ゲート電極４ａの少なくとも一部が、構造体２の下方に位置する。
【００５７】
ここで、熱の発生は、結晶窒化物層１の内部のうちゲート電極４ａの上方で起こる。このことに鑑みて、本実施の形態３では、ゲート電極４ａの少なくとも一部が、構造体２の下方に位置するので、上述の熱を、構造体２に伝えやすくすることができる。これにより、上述の熱を、構造体２を通して、効率的にダイヤモンド層３にて放熱することができることから、放熱性能を高めることができる。
【００５８】
なお、トランジスタに求められる性能から、ゲート電極４ａの幅は、例えば１００ｎｍから１００μｍであること、ゲート電極４ａのピッチは、例えば１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。このため、構造体２の幅も、例えば１００ｎｍから１００μｍであることが好ましく、そのピッチも、例えば１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
【００５９】
また、チップ内にてゲート電極４ａは、例えば１０本以上１０００本以下で配設され、これに対応して、チップ内に構造体２も、例えば１０本以上１０００本以下で配設される。さらに、チップの大きさは一辺が０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００６０】
次に、本実施の形態３に係る半導体装置の製造方法について、実施の形態１と異なる点について簡単に説明する。
【００６１】
Ｓｉ基板２１の加工（図３及び図４）を行う際に、ゲート電極４ａの範囲（少なくとも一部が、構造体２の下方に位置する範囲）を予め考慮して、構造体２を形成する。その後、実施の形態１と同様の工程を行い、デバイス層４の形成工程では、予め設定していた上述の範囲にゲート電極４ａを形成する。以上により、図９に示す半導体装置が完成する。
【００６２】
＜実施の形態４＞
図１０は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置の構成を示す断面図である。以下、本実施の形態４に係る半導体装置のうち、実施の形態１と同じまたは類似する構成要素については同じ参照符号を付し、異なる構成要素について主に説明する。
【００６３】
本実施の形態４に係る半導体装置が、実施の形態１に係る半導体装置と異なる点は、断面視にて、複数のダイヤモンド層３の少なくとも一つが、結晶窒化物層１の第１主面と非接触である点である。上記構成によれば、窒化物半導体である結晶窒化物層１とダイヤモンド層３とが非接触であるため、両者の間で発生する熱応力の影響をより軽減でき、結晶窒化物層１の割れを抑制する効果をさらに高めることができる。
【００６４】
なお、本実施の形態４では、ダイヤモンドの成長核を形成する方法として、表面粗さを利用してダイヤモンドの核発生を促進する方法を用いた。以下、このような本実施の形態４に係る半導体装置の製造方法について、実施の形態１と異なる点について簡単に説明する。
【００６５】
実施の形態１に係るＳｉ基板２１の加工（図３及び図４）では、所望の形状にパターニングされた加工膜７をマスクにして、例えばＣＦ４及びＯ２を用いたＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を行うことにより、結晶窒化物層１の第１主面まで、Ｓｉ基板２１を除去した。
【００６６】
これに対して本実施の形態４では、結晶窒化物層１の第１主面が露出する前に、一旦、Ｓｉ基板２１のエッチングを止める（図１１及び図１２）。ここで、図１４に示すように隣り合う構造体２間の距離が距離Ａである場合、エッチングを止める位置は、結晶窒化物層１の第１主面からの高さＨがＡ／２よりも高い位置である。
【００６７】
このようにエッチングを止める理由は、後工程において、構造体２の表面のうち、複数の構造体２同士の間の距離Ａの半分よりも大きい距離で結晶窒化物層１の第１主面から離間した領域（以下「特定領域」と記す）にのみ、ダイヤモンドの成長核を形成するためである。ダイヤモンドはほぼ等方的に成長するため、Ａ／２よりも高い位置でダイヤモンドの成長核が発生してその位置からダイヤモンドが成長した場合には、成長核から成長したダイヤモンドが結晶窒化物層１の第１主面に到達するよりも前に、隣り合う構造体２から成長してきたダイヤモンドが構造体２の間でつながる。この結果、結晶窒化物層１の第１主面と非接触であるダイヤモンド層３を形成することができる。
【００６８】
さて、図１２のように、上述のようにエッチングを止めた後、図１３のように、特定領域にダイヤモンドの成長核を形成する。図１３の例では、一定範囲の表面粗さを有する薄膜６を、ダイヤモンドの成長核として製膜している。薄膜６には、例えばＳｉ薄膜などが用いられる。表面粗さは、例えば算術平均粗さＲａが０．１ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。薄膜６が、この範囲の粗さを有する場合には、薄膜６の凹凸などを起点としてダイヤモンドを成長させることが可能となり、薄膜６をダイヤモンドの成長核として用いることが可能となる。
【００６９】
薄膜６となるＳｉ薄膜の形成として、その膜厚が例えば１００ｎｍとなるように、ＳｉＨ４の流量を１００ｓｃｃｍ、Ｈ２の流量を１０００ｓｃｃｍ、圧力を３Ｔｏｒｒ、パワーを２０Ｗ、基板温度を２００℃とする条件でプラズマＣＶＤ法を行った。つまり、Ｈ２／ＳｉＨ４の比、すなわち水素希釈比が１０（＝１０００／１００）である条件でプラズマＣＶＤ法を行った。この条件で形成されたＳｉ薄膜の算術平均粗さＲａは１．０ｎｍであった。なお、この水素希釈比を１０より減らしたり、例えば５００まで増やしたりすると、水素希釈比の変更に伴い、Ｓｉ薄膜の算術平均粗さＲａを０．１ｎｍから１００ｎｍまで変更することができる。この算術平均粗さＲａなどの表面粗さを大きくすれば、ダイヤモンドの成長核の発生効果をより高めることができる。
【００７０】
なお、ここでは薄膜６にＳｉ薄膜を用いているが、例えば０．１ｎｍから１００ｎｍまでの間の算術平均粗さＲａを有する膜であれば他の膜でもよく、金属膜、半導体膜、または絶縁膜などを利用することができる。ただし、後の工程で、Ｓｉ基板２１をエッチングして構造体２を形成することから、Ｓｉ基板２１と同じ元素を含むＳｉ系材料を薄膜６に使用することは、エッチングが簡便となるという点で好ましい。
【００７１】
次に、再度、加工膜７をマスクに利用してＳｉ基板２１のエッチングを実施し、当該エッチングを結晶窒化物層１の第１主面が露出するまで行う（図１４）。このエッチングは、エッチング後の構造体２側面の下部、すなわち薄膜６が形成されていない領域の表面粗さが、薄膜６の表面粗さより小さくなるように行われる。ここでは、薄膜６であるＳｉ薄膜が形成された特定領域の算術平均粗さＲａが１．０ｎｍであり、薄膜６が形成されていない領域の算術平均粗さＲａは０．５ｎｍであった。以上のように加工することで、薄膜６をダイヤモンドの成長核として形成することができ、その結果、実質的に、ダイヤモンドを薄膜６表面からのみ成長させることができる。
【００７２】
なお、ここでのＳｉ基板２１のエッチングにおいて、薄膜６であるＳｉ薄膜のうち加工膜７側の部分も削られるが、マスクに用いられる加工膜７の厚さを調整することにより、図１４に示すように構造体２表面に薄膜６を残すことができる。
【００７３】
また以上では、特定領域の表面粗さを大きくする手法、ひいては特定領域にダイヤモンドの成長核を形成する手法として、薄膜６を製膜する手法を説明したが、これに限ったものではない。例えば、薄膜６を用いずに、Ｈ２ガスなどのエッチングを用いて構造体２の特定領域を荒らして、特定領域の表面粗さを大きくすることにより、特定領域にダイヤモンドの成長核を形成することができる。
【００７４】
その後、実施の形態１に示した方法と同様の方法でダイヤモンドを合成する。表面粗さを利用したダイヤモンドの核発生促進では、マイクロ波ＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成時の基板温度が例えば７００℃〜９５０℃程度となるように、基板温度を低温化することが望ましい。基板温度の低温化には、特定領域以外の領域に新たな核発生が抑えられる傾向があるので、表面粗さの違いによるダイヤモンドの核発生の選択性を向上できるからである。以上により、図１０に示す半導体装置が完成する。
【００７５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【００７６】
本発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての態様において、例示であって、本発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、本発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００７７】
１  結晶窒化物層、２  構造体、３  ダイヤモンド層、４ａ  ゲート電極、５  応力吸収空間、６  薄膜、７  加工膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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