JP2020145358A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】III 族窒化物半導体からなり溝を有した半導体素子について、溝の側面を垂直とする再現性を高めること。【解決手段】第２のｎ層１４０表面の所定位置にＳｉＯ2からなるマスクＭ１を形成し、マスクＭ１の開口部の第２のｎ層１４０表面をドライエッチングすることで、トレンチＴ１を形成する。次に、ＴＭＡＨ水溶液を用いてウェットエッチングを行う。ここで、ドライエッチング後からウェットエッチングを開始するまでの時間は、４８時間未満とする。これにより、第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂを有したトレンチＴ１を再現性よく形成することができる。【選択図】図２
Description
本発明は、III 族窒化物半導体からなり、溝を有した半導体素子の製造方法に関する。
III 族窒化物半導体を用いたショットキーバリアダイオードやトランジスタなどの半導体素子において、逆方向電圧印加時のリーク電流を低減する方法として、半導体層表面に対して垂直な側面を有したトレンチを形成する方法が知られている。
特許文献１〜３には、ｃ面を主面とするIII 族窒化物半導体をドライエッチングして溝を形成した後、溝の側面をウェットエッチングしてｍ面を露出させ、これによりリーク電流を低減する方法が記載されている。
しかし、発明者らの検討によると、ウェットエッチング後にｍ面以外の傾斜した面が現れることがあり、半導体層表面に対して垂直な面が形成されないことがあった。
そこで本発明の目的は、III 族窒化物半導体からなる半導体層表面に対して垂直な側面を有した溝を再現性よく形成することができる半導体素子の製造方法を提供することである。
本発明は、III 族窒化物半導体からなり、ｃ面を主面とする半導体層を有した半導体素子の製造方法において、半導体層上に、開口を有し、その開口の各辺が半導体層のｍ軸方向またはａ軸方向に平行な方向であるマスクを形成し、マスクの開口の半導体層をドライエッチングして溝を形成する第１工程と、溝の側面をウェットエッチングしてｍ面を露出させる第２工程と、を有し、第１工程後、第２工程のウェットエッチングを開始するまでの時間は、４８時間未満である、ことを特徴とする半導体素子の製造方法である。
溝の側面を垂直とする（ｍ面とする）再現性を高めるために、以下のようにすることが好ましい。マスクの開口の幅は、３．０μｍ以下が好ましい。溝の深さは、５μｍ以下が好ましい。開口の幅と溝の深さの積は、１２μｍ2 以下が好ましい。第１工程後、前記第２工程のウェットエッチングを開始するまでの時間は、２４時間以下が好ましい。
本発明によれば、半導体層表面に対して垂直な側面を有した溝を再現性よく形成することができる。
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限るものではない。
図１は、実施例１の半導体素子の構成を示した図である。図１のように、実施例１の半導体素子は、トレンチゲート型のＦＥＴであり、基板１１０と、第１のｎ層１２０と、ｐ層１３０と、第２のｎ層１４０と、トレンチＴ１と、リセスＲ１と、ゲート絶縁膜Ｆ１と、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ボディ電極Ｂ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。第１のｎ層１２０、ｐ層１３０、および第２のｎ層１４０は、本発明の半導体層に相当している。
基板１１０は、ｃ面を主面とするＳｉドープのｎ−ＧａＮからなる厚さ３００μｍの平板状の基板である。Ｓｉ濃度は、１×１０18／ｃｍ3 である。ｎ−ＧａＮ以外にも、導電性を有し、III 族窒化物半導体の成長基板となる任意の材料の基板を用いることができる。たとえば、ＺｎＯ、Ｓｉなどを用いることも可能である。ただし、格子整合性の点から、本実施例のようにＧａＮ基板を用いることが望ましい。
第１のｎ層１２０は、基板１１０上（基板１１０の一方の表面１００ａ）に積層され、ｃ面を主面とするＳｉドープのｎ−ＧａＮ層である。第１のｎ層１２０の厚さは１０μｍ、Ｓｉ濃度は１×１０16／ｃｍ3 である。
ｐ層１３０は、第１のｎ層１２０上に積層され、ｃ面を主面とするＭｇドープのｐ−ＧａＮ層である。ｐ層１３０の厚さは１．０μｍ、Ｍｇ濃度は２×１０18／ｃｍ3 である。
第２のｎ層１４０は、ｐ層１３０上に積層され、ｃ面を主面とするＳｉドープのｎ−ＧａＮ層である。第２のｎ層１４０の厚さは０．３μｍ、Ｓｉ濃度は１×１０１８／ｃｍ３である。
トレンチＴ１は、第２のｎ層１４０表面の所定位置に形成された溝であり、第２のｎ層１４０およびｐ層１３０を貫通して第１のｎ層１２０に達する深さである。トレンチＴ１の底面Ｔ１ａには第１のｎ層１２０が露出し、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂには第１のｎ層１２０、ｐ層１３０、第２のｎ層１４０が露出する。このトレンチＴ１の側面Ｔ１ｂに露出するｐ層１３０の側面が、実施例１のＦＥＴのチャネルとして動作する領域である。また、トレンチＴ１の底面Ｔ１ａはＧａＮのｃ面、側面Ｔ１ｂはＧａＮのｍ面となっていて、側面Ｔ１ｂは、第２のｎ層１４０の表面に対して９０°を成している。そのため、逆方向電圧印加時のリーク電流が低減されている。
トレンチＴ１の幅Ｗは、３．０μｍ以下とすることが好ましい。後述のトレンチＴ１の形成方法によって、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをｍ面とすることの確実性が高まり、第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂを有したトレンチＴ１をより再現性よく形成することができる。より好ましくは２．５μｍ以下、さらに好ましくは２．０μｍ以下である。また、同様の理由により、トレンチＴ１の幅は、０．５μｍ以上とすることが好ましく、より好ましくは１．０μｍ以上、さらに好ましくは１．５μｍ以上である。
トレンチＴ１の深さＨは、第１のｎ層１２０に到達する深さであれば任意であるが、５μｍ以下とすることが好ましい。後述のトレンチＴ１の形成方法によって、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをｍ面とすることの確実性が高まり、第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂを有したトレンチＴ１をより再現性よく形成することができる。より好ましくは４μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下である。
トレンチＴ１の幅Ｗと深さＨの積は、１２μｍ2 以下とすることが好ましい。後述のトレンチＴ１の形成方法によって、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをｍ面とすることの確実性が高まり、第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂを有したトレンチＴ１をより再現性よく形成することができる。より好ましくは９μｍ2 以下、さらに好ましくは６μｍ2 以下である。また、同様の理由により、トレンチＴ１の幅Ｗと深さＨの積は、１μｍ2 以上とすることが好ましく、より好ましくは２μｍ2 以上、さらに好ましくは３μｍ2 以上である。
ゲート絶縁膜Ｆ１は、Ａｌ2 Ｏ3 からなり、トレンチＴ１の底面Ｔ１ａ、側面Ｔ１ｂ、上面Ｔ１ｃにわたって連続して膜状に設けられている。トレンチＴ１の上面とは、第２のｎ層１４０表面であってトレンチＴ１の側面Ｔ１ｂ近傍の領域である。ゲート絶縁膜Ｆ１の厚さは１００ｎｍである。ゲート絶縁膜Ｆ１の材料には、Ａｌ2 Ｏ3 以外にも、ＳｉＯ2 、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯＮ、ＺｒＯＮ、ＨｆＯ2 、ＺｒＯ2 などを用いることができる。また、ゲート絶縁膜Ｆ１は単層である必要はなく、複数の層で構成されていてもよい。
ゲート電極Ｇ１は、ゲート絶縁膜Ｆ１を介して、トレンチＴ１の底面Ｔ１ａ、側面Ｔ１ｂ、トレンチＴ１の上面に連続して膜状に設けられている。ゲート電極Ｇ１は、Ａｌからなる。
リセスＲ１は、第２のｎ層１４０表面であってゲート絶縁膜Ｆ１が設けられていない領域に設けられた溝であり、第２のｎ層１４０を貫通してｐ層１３０に達する深さである。リセスＲ１の底面にはｐ層１３０が露出し、側面にはｐ層１３０、第２のｎ層１４０が露出する。
ボディ電極Ｂ１は、リセスＲ１の底面に設けられている。ボディ電極Ｂ１は、Ｐｄからなる。
ソース電極Ｓ１は、ボディ電極Ｂ１上、第２のｎ層１４０上にわたって連続的に設けられている。ソース電極Ｓ１は、Ｔｉ／Ａｌからなる。
ドレイン電極Ｄ１は、基板１１０の裏面（第１のｎ層１２０が設けられている側とは反対側の面１００ｂ）に設けられている。ドレイン電極Ｄ１は、ソース電極Ｓ１と同一材料からなり、Ｔｉ／Ａｌからなる。
次に、実施例１の半導体素子の製造工程について、図を参照に説明する。
まず、ｃ面を主面とするｎ−ＧａＮからなる基板１１０を用意し、ＭＯＣＶＤ法によって、第１のｎ層１２０、ｐ層１３０、第２のｎ層１４０を順に形成する（図２（ａ）参照）。ＭＯＣＶＤ法において、窒素源は、アンモニア、Ｇａ源は、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ：ＴＭＧ）、Ｉｎ源は、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ：ＴＭＩ）、Ａｌ源は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ：ＴＭＡ）である。また、ｎ型ドーパントガスは、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーパントガスは、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ：ＣＰ2 Ｍｇ）である。キャリアガスは水素や窒素である。その後、窒素雰囲気で加熱することにより、ｐ層１３０のｐ型化を行う。
次に、第２のｎ層１４０表面の所定位置にＳｉＯ2 からなり開口を有したマスクＭ１を形成し、マスクＭ１の開口部の第２のｎ層１４０表面をドライエッチングすることで、トレンチＴ１を形成する（図２（ｂ）参照）。ここで、エッチングは、第１のｎ層１２０が露出するまで行う。このドライエッチングでは、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂは第２のｎ層１４０表面に対して垂直とはならず、若干の傾斜を有することになる。マスクＭ１を形成するためのフォトレジストは、残した状態でドライエッチングを行ってもよいし、除去した後にドライエッチングを行ってもよい。ドライエッチングには、塩素系ガスを用いる。たとえば、Ｃｌ2 、ＳｉＣｌ4 、ＣＣｌ4 である。また、ドライエッチングは、ＩＣＰエッチングなど任意の方式を用いることができる。
ドライエッチングのためのマスクＭ１の開口パターンは、開口の各辺が第２のｎ層１４０のｍ軸方向またはａ軸方向に平行となるように設定する。このような開口パターンとすることで、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをｍ面として第２のｎ層１４０に対して垂直とする再現性をより高めることができる。なお、完全にｍ軸方向やａ軸方向と一致している必要はなく、±５°程度の誤差は許容される。
次に、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液を用いてウェットエッチングを行う。ＴＭＡＨ水溶液は、III 族窒化物半導体のｃ面以外をウェットエッチングすることが可能であり、ウェットエッチングはｍ面が露出するまで進行する。そのため、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをウェットエッチングすることが可能であり、側面Ｔ１ｂがｍ面となった段階でウェットエッチングの進行は停止する。その結果、第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂを有したトレンチＴ１が形成される（図２（ｃ）参照）。ウェットエッチング溶液には、ＴＭＡＨ以外にも、ＮａＯＨ（水酸化ナトリウム）、ＫＯＨ（水酸化カリウム）、Ｈ3 ＰＯ4 （リン酸）などを用いることができる。
ＴＭＡＨ水溶液の温度は高いほどエッチング速度が速くなり好ましく、６０℃以上９０℃以下とすることが好ましい。９０℃より高いと、水分の蒸発により水溶液のＴＭＡＨ濃度が変動してしまい好ましくない。また、エッチング時間は１５分以上とすることが好ましい。トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをｍ面とすることがより確実となる。
ここで、ドライエッチング後からウェットエッチングを開始するまでの時間は、４８時間未満とする。４８時間未満とする理由は次の通りである。
ドライエッチングによりトレンチＴ１を形成した場合、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂは第２のｎ層１４０表面に対して垂直ではなく、若干の傾斜を有する。逆方向電圧印加時のリーク電流を低減するためには垂直である必要がある。そこで発明者らは、ドライエッチング後にＴＭＡＨ水溶液により側面Ｔ１ｂをウェットエッチングしてｍ面を露出させ、これにより第２のｎ層１４０表面に対して垂直な側面Ｔ１ｂとすることを検討した。
しかし、ウェットエッチング後、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂにはｍ面とは異なる傾斜を有した面が現れ、垂直な側面Ｔ１ｂを再現よく形成することができなかった。
この再現性の問題について発明者らが検討したところ、エッチング反応生成物が原因であることがわかった。トレンチＴ１を形成するためのドライエッチング中、トレンチＴ１の側面にはエッチング反応生成物１６０が付着する。エッチング反応生成物１６０は、エッチングガスやマスクＭ１に由来し、特にトレンチＴ１の側面Ｔ１ｂに付着するエッチング反応生成物１６０はマスクＭ１に由来することが多い。エッチング反応生成物１６０は、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂが垂直に近いほど、またトレンチＴ１の底面Ｔ１ａに近いほど取れにくく、ドライエッチング終了後にも残存する（図３（ａ）参照）。
ドライエッチング後、ウェハは装置から取り出されて大気に暴露されるが、エッチング反応生成物１６０は大気中の窒素や酸素と反応し、ＴＭＡＨ水溶液に対して不溶な物質、たとえばＳｉＯx 、ＳｉＮx へと変質する。この大気への暴露時間が長くなると、この変質も進行し、トレンチＴ１の側面がウェットエッチング溶液に対して不溶な物質に覆われてしまう。このような状態でウェットエッチングを行うと、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂのうちエッチング反応生成物１６０で覆われていない領域についてはウェットエッチングが進行してｍ面が露出し、垂直となるが、エッチング反応生成物１６０で覆われた領域についてはウェットエッチングが進行しなくなってしまい、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂの一部領域は垂直とならない（図３（ｂ）参照）。発明者らの検討によると、大気への暴露時間が４８時間以上となると、ウェットエッチングが進行しなくなることがわかった。
そこで、実施例１では、ドライエッチング後からウェットエッチング開始までの時間を４８時間未満とすることで、エッチング反応生成物１６０の変質が進んでしまう前にウェットエッチングを行い、エッチング反応生成物１６０を除去することで、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂをウェットエッチングできるようにしている。エッチング反応生成物１６０をより確実に除去するために、ドライエッチング後からウェットエッチングを開始するまでの時間は、２４時間以下とすることがより好ましい。
なお、エッチング反応生成物の量は、ドライエッチングのマスクの開口幅、エッチング深さ、エッチングガスの種類、その他各種エッチング条件、などに依存する。よって、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂを垂直とする再現性もこれらに依存する。再現性を高めるためには、マスクの材料としてＳｉＯ2 を用いることが好ましい。また、ドライエッチングはＩＣＰエッチングとし、エッチングガスは塩素系ガスとすることが好ましい。また、マスクの開口幅は３．０μｍ以下が好ましく、より好ましくは２．５μｍ以下である。また、エッチング深さは５μｍ以下が好ましく、より好ましくは４μｍ以下である。
次に、マスクＭ１を除去し、第２のｎ層１４０表面の所定位置にマスクを形成し、マスクの開口部の第２のｎ層１４０表面をドライエッチングすることで、リセスＲ１を形成する（図２（ｄ）参照）。エッチングは、ｐ層１３０が露出するまで行う。なお、実施例１では、トレンチＴ１の形成後にリセスＲ１を形成しているが、先にリセスＲ１を形成後にトレンチＴ１を形成してもよい。
次に、トレンチＴ１の底面Ｔ１ａ、側面Ｔ１ｂ、および第２のｎ層１４０表面であってトレンチＴ１の近傍領域に、ＡＬＤ法によってゲート絶縁膜Ｆ１を形成する（図２（ｅ）参照）。次に、リフトオフ法を用いてゲート電極Ｇ１、ボディ電極Ｂ１、ソース電極Ｓ１を順に形成し、さらに基板１１０裏面にリフトオフ法を用いてドレイン電極Ｄ１を形成する。なお、電極の形成順はこの順に限らず、任意の順でよい。以上によって、図１に示す実施例１の半導体素子が製造される。
以上、実施例１の半導体素子の製造方法によれば、第２のｎ層１４０表面（ＧａＮのｃ面）に対して垂直な側面Ｔ１ｂ（ＧａＮのｍ面）を有したトレンチＴ１を再現性よく形成することができる。
次に、実施例１の半導体素子に関する実験結果について説明する。
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ層を形成し、ＧａＮ層上にＳｉＯ2 からなるマスクＭ１を形成した。マスクＭ１のパターンは、長手方向をＧａＮのｍ軸方向とするストライプ状の開口パターンとした。また、マスク開口の幅は、２．０μｍ、２．５μｍ、３．０μｍとした。
次に、塩素系ガスを用いてＩＣＰエッチングを行い、ＧａＮ層にストライプ状の溝を形成した。ストライプの方向はＧａＮ層のａ軸方向とした。その後、ウェハを大気中に一定時間放置し、大気に暴露させた。放置時間は、２４時間、４８時間、４８０時間とした。次に、温度８５℃、濃度２２％のＴＭＡＨ水溶液を用いて溝の側面をウェットエッチングした。次に、フッ酸を用いてＧａＮ層上のマスクＭ１を除去した。
図４は、ウェットエッチング後の溝の断面ＳＥＭ像である。また、比較のため、マスク開口の幅を２．５μｍとした場合についてＩＣＰエッチング直後の溝の断面ＳＥＭ像も示している。図４のように、ＩＣＰエッチング直後では、ＧａＮ層表面に対して溝の側面は９７°であった。
一方、ウェットエッチング後では、ＩＣＰエッチング後の大気暴露時間が２４時間の場合、マスク開口の幅がいずれの場合であっても、ＧａＮ層表面に対して溝の側面全域が９０°となっていて、ｍ面が露出していた。また、ＩＣＰエッチング後の大気暴露時間が４８時間の場合、マスク開口の幅が２．５μｍではＧａＮ層表面に対して溝の側面全域が９０°であったのに対し、マスク開口の幅が３．０μｍでは溝の側面上部は９０°、下部は９７°であった。また、ＩＣＰエッチング後の大気暴露時間が４８０時間の場合、マスク開口の幅がいずれの場合であっても、ＧａＮ層表面に対して溝の側面は上部が９０°、下部が９７°となっていた。下部が９７°となっているのは、溝の側面下部の領域に変質したエッチング反応生成物１６０が付着しているためと考えられる。
これらの結果から、ＩＣＰエッチング後、４８時間未満の時間であれば、エッチング反応生成物１６０が変質する前であり、ウェットエッチングによってエッチング反応生成物１６０を除去することが可能であり、溝の側面全域をウェットエッチングによって垂直とすることが可能であることがわかった。
（変形例）
実施例１では、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂを垂直に形成するために本発明を利用しているが、本発明が適用できるのはトレンチＴ１に限らず、メサやリセスなど、III 族窒化物半導体からなる半導体層に形成される任意の溝に対して本発明を適用することができる。
実施例１では、トレンチＴ１の側面Ｔ１ｂを垂直に形成するために本発明を利用しているが、本発明が適用できるのはトレンチＴ１に限らず、メサやリセスなど、III 族窒化物半導体からなる半導体層に形成される任意の溝に対して本発明を適用することができる。
また、実施例１はトレンチゲート型のＦＥＴであったが、任意の半導体素子に適用することができる。たとえば、ダイオード、ＩＧＢＴ、ＨＦＥＴなどにも本発明は適用することができる。
本発明は、ＦＥＴ、ダイオードなどの半導体デバイスに適用することができる。
１１０：基板
１２０：第１のｎ層
１３０：ｐ層
１４０：第２のｎ層
Ｆ１：ゲート絶縁膜
Ｇ１：ゲート電極
Ｓ１：ソース電極
Ｂ１：ボディ電極
Ｄ１：ドレイン電極
１２０：第１のｎ層
１３０：ｐ層
１４０：第２のｎ層
Ｆ１：ゲート絶縁膜
Ｇ１：ゲート電極
Ｓ１：ソース電極
Ｂ１：ボディ電極
Ｄ１：ドレイン電極
Claims (5)
- III 族窒化物半導体からなり、ｃ面を主面とする半導体層を有した半導体素子の製造方法において、
前記半導体層上に、開口を有し、その開口の各辺が前記半導体層のｍ軸方向またはａ軸方向に平行な方向であるマスクを形成し、前記マスクの開口の前記半導体層をドライエッチングして溝を形成する第１工程と、
前記溝の側面をウェットエッチングしてｍ面を露出させる第２工程と、
を有し、
前記第１工程後、前記第２工程のウェットエッチングを開始するまでの時間は、４８時間未満である、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記マスクの開口の幅は、３．０μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記溝の深さは、５μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記開口の幅と前記溝の深さの積は、１２μｍ2 以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記第１工程後、前記第２工程のウェットエッチングを開始するまでの時間は、２４時間以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
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-
2019
- 2019-03-07 JP JP2019042069A patent/JP2020145358A/ja active Pending
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