JP4379208B2 - 窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
このような問題を解決するものとして、GaN基板の研磨後に、ハロゲンガスをエッチングガスに用い研磨面をドライエッチングして、研磨面に生成した変質層を除去するとともに、電極形成後に400℃以上の温度で熱処理して、n型電極とのコンタクト抵抗を低減する方法がある。(例えば、特許文献1参照)。
GaN基板は、ガリウム(Ga)が多いGa面と窒素(N)が多いN面とがあり、n型電極のコンタクト抵抗(Rc)は、N面よりGa面の方が低くい。GaN基板のn型電極が設けられる裏面はN面であるので、従来のハロゲンガスによるエッチングでは、変質層が除去されても、N面が現れRcの低下に限界がある。そこで、n型電極を設ける面の窒素の含有率を下げる方法を見出して、n型電極のRcを更に下げることにより、本発明を完成するにいたった。
図1に示すように、窒化物半導体装置6は、GaN基板2の主面に半導体層3が設けられ、GaN基板2の裏面にn型電極1が設けられている。そして、半導体層3の上面の周辺部にはSiO2の絶縁膜4が設けられ、半導体層3の上面の中央部にはp型電極5が設けられている。
次に、本発明の窒化物半導体装置の製造方法を示す。
まず、GaN基板の裏面にn型の導電性を持たせるため、n型の不純物をドーピングする。次に、GaN主面側には、窒化物半導体または化合物半導体による半導体層を形成し、この形成された半導体層面にp型電極を形成する。
次に、GaN基板の裏面を研削と研磨により200〜300μm程度削除して、GaN基板を100〜200μmの厚さとする。具体的には、研削機を用い200〜300μmのほとんどを研削し、その後、ダイヤモンドスラリーにて表面の平坦化を行い、最後に、アルミナを研磨剤として研磨布で研磨する。
エッチングガスとして、塩素と酸素との混合ガスを用いると、酸素がGaN基板の窒素と反応するので、GaN基板のN面からの窒素の除去が促進され、変質層が除去されるとともに、変質層除去後のGaN基板面の窒素とガリウムとの比(N/Ga)を小さくできる。
特に、塩素と酸素との混合エッチングガス中の酸素の含有率(m)を5〜20%とすることにより、GaN基板のエッチング後の面での(N/Ga)比を、0.75〜0.55とすることができる。
ここで、m(%)は以下の(1)式から求められる酸素の分圧百分率である。
m={Po2/(Pcl2+Po2)}×100 (1)
但し、Po2:酸素ガスの分圧 Pcl2:塩素ガスの分圧
特に、mを5%以上とすると、GaN基板のエッチング後の面での(N/Ga)比が0.75以下となり、塩素ガスのみでエッチングしたGaN基板のエッチング後の面の1.0より大きい(N/Ga)比に比べ、かなり小さくなる。そして、mの増加とともに、GaN基板のエッチング後の面での(N/Ga)比は、さらに小さくなり、mが20%では0.55となる。
本実施の形態では、ドライエッチングとして、ICPエッチングを用いたが、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)や電子サイクロン共鳴(ECR)エッチング等を用いても良い。
この時、n型電極としては、例えば、Ti/Al/Ti/Pt/Au等で構成される。
このようにして製造された窒化物半導体装置は、n型電極が設けられるGaN基板のエッチング後の面での(N/Ga)比が1より小さいので、n型電極のコンタクト抵抗(Rc)が400℃以上の温度での熱処理をすること無しに、塩素ガスのみのドライエッチングでは得られない低い値となる。また、400℃以上の温度での熱処理工程がないので、劣化によるp型電極の抵抗の増加も認められない。
特に、上記塩素と酸素との混合エッチングガス中の酸素の含有率(m)を5〜20%とすると、n型電極が設けられるGaN基板のエッチング面での(N/Ga)比が、0.75〜0.55となる。すなわち、(N/Ga)比が0.75以下とガリウムが多い面となるので、Rcが、塩素ガスのみでドライエッチングした場合に比べ1/10以下となる。
GaNはGaの比率が多くなると結晶欠陥を生じ、この結晶欠陥の量が多くなるとGaNの抵抗が増大する。しかし、(N/Ga)比が0.55以上であるので、GaN基板のn型電極を設ける面の結晶欠陥の量が多くなく、結晶欠陥によるRcの増化量を抑えることができ、塩素ガスのみでドライエッチングした場合の1/10以下のRc値を維持できる。
本実施の形態の窒化物半導体装置の製造方法は、実施の形態1の窒化物半導体装置の製造方法におけるn型電極形成後に、少量の酸素を添加した不活性ガス中での350〜390℃の温度による熱処理工程を設けたものである。少量の酸素の添加は、n型電極界面にある不安定な状態にある窒素を除去し、n型電極のコンタクト抵抗(Rc)を安定化させる。
熱処理温度が350℃未満では、上記効果がなく、また、390℃より高いとp型電極を劣化させ、その抵抗値を上昇させる。熱処理時間は2分以上が好ましいが、この時間を長くしても効果は同じであり、あまり長いと窒化物半導体装置の製造時間が長くなるので、10分程度までが好ましい。また、2分未満では、上記効果が得られない。
裏面にn型の不純物をドーピングし、主面側に窒化物半導体層を形成し、この半導体層面にp型電極を形成したGaN基板を準備する。
次に、上記GaN基板の裏面を研削機を用い約300μmを研削し、その後、ダイヤモンドスラリーにて表面の平坦化を行い、最後に、アルミナを研磨剤として研磨布で研磨し、GaN基板を約100μmの厚さとする。
次に、上記GaN基板の研磨面を、酸素の含有率(m)が10%である塩素と酸素との混合ガスを用い、ICP法によりドライエッチングする。この場合のエッチング条件は、温度が30℃、圧力が0.3Pa、ガス流量が35sccm、バイアスパワーが40wであり、エッチング時間はエッチング量が2μm程度となる時間である。
また、上記GaN基板のドライエッチング面に、Ti/Al/Ti/Pt/Auで構成される、接触面積が0.06mm2のn型電極を2個形成して評価用窒化物半導体装置を製造する。この評価用窒化物半導体装置の2個のn型電極間に1mAの電流を流す電圧を測定して、コンタクト抵抗(Rc)を求めた。
得られた(N/Ga)比と(Rc)と抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とを表1に示した。
ドライエッチングに用いる塩素と酸素との混合ガスにおける酸素の含有率(m)を表1に示すものとした以外、実施例1と同様にして、評価用窒化物半導体装置を製造する。得られた(N/Ga)比と(Rc)と抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とを表1に示した。
ドライエッチングに用いる塩素と酸素との混合ガスの圧力を0.5Paとした以外、実施例1と同様にして、評価用窒化物半導体装置を製造する。得られた(N/Ga)比と(Rc)と抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とを表1に示した。
ドライエッチング法として、RIE法を用い、エッチング条件を、圧力が2Pa、ガス流量が35sccm、RFパワーが100wとした以外、実施例1と同様にして、評価用窒化物半導体装置を製造する。得られた(N/Ga)比と(Rc)と抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とを表1に示した。
ドライエッチングに用いるエッチングガスに塩素のみを用いた以外、実施例1と同様にして、評価用窒化物半導体装置を製造する。得られた(N/Ga)比と(Rc)と抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とを表1に示した。
そして、実施例1〜7の製造方法では、400℃以上の温度での熱処理工程がないので、得られた窒化物半導体装置は、抵抗が許容値をオーバするp型電極の劣化も認められなかった。
すなわち、実施例1〜7の製造方法では、、高出力のLDに用いることができるレベルのn型電極のコンタクト抵抗を有する窒化物半導体装置を得ることができるとの効果があり、実施例1〜3と実施例6、7との製造方法が、上記効果が顕著である。
GaN基板のドライエッチング面にn型電極を形成した後に、酸素濃度(n)が5%の窒素と酸素との混合ガスの大気圧中で、熱処理温度350℃で5分間の熱処理をした以外、実施例1と同様にして、評価用窒化物半導体装置を製造する。同時に100個の評価用窒化物半導体装置を作製し、100個の評価用窒化物半導体装置のn型電極のコンタクト抵抗の平均値(Rca)とそのバラツキの幅(σr)を求め、抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とともに、表2に示した。
熱処理時の大気中の酸素濃度(n)と熱処理温度とを表2に示すものとして熱処理をした以外、実施例8と同様にして100個の評価用窒化物半導体装置を作製し、100個の評価用窒化物半導体装置のn型電極のコンタクト抵抗の平均値(Rca)とそのバラツキの幅(σr)とを求め、抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とともに、表2に示した。
実施例1の製造方法で、100個の評価用窒化物半導体装置を作製し、100個の評価用窒化物半導体装置のn型電極のコンタクト抵抗の平均値(Rca)とそのバラツキの幅(σr)とを求め、抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とともに、表2に示した。
熱処理時の処理大気中の酸素濃度(n)を15%とし、熱処理温度を345℃として熱処理をした以外、実施例8と同様にして100個の評価用窒化物半導体装置を作製し、100個の評価用窒化物半導体装置のn型電極のコンタクト抵抗の平均値(Rca)とそのバラツキの幅(σr)とを求め、抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とともに、表2に示した。
熱処理時の処理大気中の酸素濃度(n)と熱処理温度とを表2に示すものとして熱処理をした以外、実施例8と同様にして100個の評価用窒化物半導体装置を作製し、抵抗が許容値をオーバするかどうかで判定したp型電極の劣化の有無とともに、表2に示した。
Claims (2)
- GaN基板を用いた窒化物半導体装置の製造方法であって、GaN基板主面のGa面に窒化物半導体層を形成する工程と、上記窒化物半導体層が形成されたGaN基板のN面である裏面を研磨する工程と、上記研磨されたGaN基板の裏面を塩素と酸素との混合ガス中の酸素の分圧百分率で表される酸素含有率が5〜20%である塩素と酸素との混合ガスにてドライエッチングして上記GaN基板のドライエッチング後の面での(N/Ga)比を0.55〜0.75とする工程と、上記ドライエッチングされたGaN基板の裏面にn型電極を形成する工程とを有することを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
- GaN基板の裏面にn型電極を形成する工程の後に、分圧百分率で5〜15%の酸素を含有する酸素と不活性ガスとの混合ガス中での350℃〜390℃の温度による熱処理工程を設けたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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