JP7167694B2 - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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- H01L29/66462—Unipolar field-effect transistors with an active layer made of a group 13/15 material, e.g. group 13/15 velocity modulation transistor [VMT], group 13/15 negative resistance FET [NERFET] with a heterojunction interface channel or gate, e.g. HFET, HIGFET, SISFET, HJFET, HEMT
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Description
そして、放熱対策として、化合物半導体装置の表面側に多結晶ダイヤモンド膜を設けることが考えられる。
しかしながら、多結晶ダイヤモンド膜では、結晶粒界に不純物としてグラファイトが存在することになる。そして、グラファイトはダイヤモンドよりも熱伝導率が低く、放熱効果を阻害する要因となる。
1つの態様では、化合物半導体装置の製造方法は、化合物半導体積層構造を形成する工程と、化合物半導体積層構造上に、保護膜を形成する工程と、保護膜上に、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程とを含み、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、多結晶ダイヤモンドの形成中又は多結晶ダイヤモンドの形成後に光を照射して活性酸素を生成させる。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる化合物半導体装置及びその製造方法について、図1~図9を参照しながら説明する。
本実施形態では、化合物半導体装置として、窒化物半導体を用いたFET、具体的には、GaNを電子走行層に用い、AlGaNを電子供給層に用いた化合物半導体積層構造(HEMT構造)を備えるAlGaN/GaN-HEMTを例に挙げて説明する。
本AlGaN/GaN-HEMTは、図1に示すように、SiC基板1上に、GaN電子走行層(チャネル層)2、AlGaNスペーサ層(図示せず)、AlGaN電子供給層3、GaNキャップ層4を積層させた化合物半導体積層構造5を備える。
なお、SiC基板1を、基板又は半導体基板ともいう。また、バッファ層を必要に応じて設けても良い。また、スペーサ層やキャップ層4は設けなくても良い。また、GaNキャップ層4に代えてAlNキャップ層を用いても良い。また、各半導体層2~4を、III-V族半導体層、窒化物半導体層又は化合物半導体層ともいう。
また、ゲート電極6を挟んで両側に、互いに離れてソース電極7及びドレイン電極8が設けられている。
これらのソース電極7及びドレイン電極8は、電子供給層3に接している。つまり、ソース電極7及びドレイン電極8は、化合物半導体積層構造5の上方、即ち、半導体積層構造5を構成する電子供給層3上に設けられている。
ここで、酸化チタンは、絶縁性及び光触媒機能を有する。このため、保護膜9は、絶縁膜及び光触媒としての機能を有する。
そして、保護膜9上に多結晶ダイヤモンド膜10が設けられている。
このように、化合物半導体積層構造5を構成する半導体層(ここではGaNキャップ層4)の表面に保護膜9を介して多結晶ダイヤモンド膜10が設けられている。
また、保護膜9及び多結晶ダイヤモンド膜10は、ソース電極7とゲート電極6の間及びドレイン電極8とゲート電極6の間に設けられている。なお、これに限られるものではなく、保護膜9及び多結晶ダイヤモンド膜10は、少なくともドレイン電極8とゲート電極6の間に設けられていれば良い。
ところで、上述のように構成されるAlGaN/GaN-HEMT(化合物半導体装置)は、以下のようにして製造することができる。
特に、多結晶ダイヤモンド膜10を形成する工程において、多結晶ダイヤモンド膜10の形成中(成膜中)又は多結晶ダイヤモンド膜10の形成後(成膜後)に紫外線を照射して活性酸素を生成させることが好ましい(例えば図2参照)。
ところで、上述のような構成及び製造方法を採用しているのは、以下の理由による。
窒化物半導体の大きな絶縁耐圧、大きな飽和速度といった優れた材料特性を活かし、高出力・高電圧動作が可能な半導体装置(半導体デバイス)の開発が進められている。
例えばGaN系のHEMT(GaN-HEMT)では、GaNを電子走行層として、AlGaNを電子供給層として用いたAlGaN/GaN-HEMTが注目されている。
AlGaN/GaN-HEMTでは、GaNとAlGaNとの格子定数差に起因した歪みがAlGaNに生じる。
なお、高出力GaN-HEMTを用いる場合には、発熱によるデバイスの故障及び特性劣化を防ぐために放熱対策が必要となる。
ここで、例えばCVD法でダイヤモンドを成膜する場合、成膜温度は約700℃~約900℃と高温であり、原料ガスにはメタン(CH4)と水素(H2)が用いられる。
下地に窒化ガリウム(GaN)を用いた場合、この条件では、高温のH2によってGaN表面がエッチングされてしまうため、半導体表面の保護膜として窒化シリコン(SiN)等の絶縁膜が用いられる(例えば図9参照)。
なお、図9中、多結晶ダイヤモンド膜内の点線は、粒界及び粒界に存在するグラファイトを示している。
そこで、上述のような構成及び製造方法を採用している。
つまり、本実施形態では、ダイヤモンド成膜時の表面保護膜9として光触媒機能を有する絶縁膜である酸化チタン(又は酸化チタンを主成分とする材料)を用いるとともに、多結晶ダイヤモンド膜10の成膜中(又は多結晶ダイヤモンド膜10の成膜後)に紫外線を照射することで(例えば図2参照)、雰囲気中に活性酸素を生成し、それらが結晶粒界におけるグラファイトを選択的に除去するようにしている。
なお、本実施形態では、酸化チタンを含む保護膜9を用いるとともに、紫外線を照射するようにしているが、これに限られるものではなく、多結晶ダイヤモンド膜10の成膜中(又は多結晶ダイヤモンド膜10の成膜後)に光を照射して活性酸素を生成させるだけでも、同様の効果が得られる。
この場合、化合物半導体装置の製造方法は、保護膜9Xを形成する工程において、酸化チタンを含む保護膜9を形成し、多結晶ダイヤモンド膜10を形成する工程において、紫外線を照射するものとすれば良い(例えば図1、図2参照)。
まず、SiC基板(半導体基板)1上に、例えば有機金属気相成長(MOVPE;Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によって、i-GaNチャネル層2、i-AlGaNスペーサ層(図示せず)、n-AlGaN電子供給層3、GaNキャップ層4を順に積層させて化合物半導体積層構造5を形成する(例えば図1参照)。なお、MOVPE法の代わりに、分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法等を用いても良い。
次に、例えばフォトリソグラフィ技術によってソース電極領域及びドレイン電極領域(オーミック電極領域)を規定すべく、化合物半導体積層構造5上に、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のそれぞれに開口部を有する新たなレジスト膜を設ける(図示せず)。
具体的には、例えばフォトリソグラフィ技術によって、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のそれぞれに開口部を有するレジスト膜を設け、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングによって、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のGaNキャップ層4を除去する。
次に、半導体表面の保護膜9として酸化チタン膜9Aを形成する(例えば図1参照)。
ここでは、ソース電極7とゲート電極6の間及びドレイン電極8とゲート電極6の間の半導体表面が覆われるように、保護膜9としての酸化チタン膜9Aを形成する。
次に、酸化チタンからなる保護膜9(9A)上に、多結晶構造のダイヤモンド(多結晶ダイヤモンド膜)10を形成する(例えば図2参照)。
具体的には、粉末状ダイヤモンド(種ダイヤ)を酸化チタン膜9A上に配置し、紫外線を併用したCVD法によって約100~約5000nmの多結晶ダイヤモンド膜10を成膜する(例えば図2参照)。ここでは、多結晶ダイヤモンド膜10の膜厚は約1000nmである。
具体的には、例えばフォトリソグラフィ技術によって、ゲート電極形成予定領域に開口部を有するレジスト膜を設け、多結晶ダイヤモンド膜10は例えば酸素ガス、酸化チタン膜は例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングによって除去する。
具体的には、まず、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極領域を規定すべく、ゲート電極形成予定領域に開口部を有する新たなレジスト膜を設ける。
そして、全面に、例えばNi、Auを順に堆積させた後、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したNi/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、多結晶ダイヤモンド膜10及び酸化チタン膜9Aの貫通口を埋め込むように例えばNi/Auの2層構造のゲート電極6を形成する。
したがって、本実施形態にかかる化合物半導体装置及びその製造方法は、多結晶ダイヤモンド膜10の結晶粒界におけるグラファイトを低減し、熱伝導率を向上させ、放熱効果を高めることができるという効果を有する。
なお、図3中、符号Xで示す部分がラマンピークにおけるダイヤモンドの強度Idを示しており、符号Yで示す部分がラマンピークにおけるグラファイトの強度Igを示している。
ここで、図4は、UV照射時間を変化させた場合のIg/Id強度比の変化を示している。
図4に示すように、UV照射を行なうと、UV照射時間が長くなるにしたがって、Ig/Id強度比が低減し、熱伝導率が向上する。特に、UV照射を行なうことで、Ig/Id強度比が約0.4以下となるようにするのが好ましい。
なお、図3、図4では、多結晶ダイヤモンド膜10の成膜後にUV照射を行なった場合を例に挙げて説明しているが、多結晶ダイヤモンド膜10の成膜中にUV照射を行なえば、より良い効果が得られると考えられる。
例えば、保護膜9(9X)は、多結晶ダイヤモンド膜10と半導体層(ここではキャップ層4)の間に加え、ゲート電極6と半導体層(化合物半導体積層構造の表面を構成する半導体層;ここではGaNキャップ層4)の間にも設けられていても良い。
この場合、保護膜9(9X)は、ゲート絶縁膜としても機能することになる。
この場合、例えば図5に示すように、保護膜9は、化合物半導体積層構造5上に設けられた酸化アルミニウム膜9B及び酸化アルミニウム膜9B上に設けられた酸化チタン膜9Aを含むことが好ましい。
これにより、絶縁性を向上させることができる。
この場合、多結晶ダイヤモンド膜10は、酸化チタン膜9A上に設けられることになる。
この場合、保護膜9は、酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Zとなる。このように、保護膜9は、酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Zであっても良い。
このように、表面保護膜9として酸化アルミニウム膜9Bと酸化チタン膜9Aの積層膜9Y(酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Z)を用いる場合、高誘電率、高バンドギャップなゲート絶縁膜としても機能する。
なお、この変形例では、保護膜9としての酸化アルミニウム膜9Bと酸化チタン膜9Aの積層膜9Y(酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Z)を、化合物半導体積層構造5とゲート電極6の間にも設けているが、これに限られるものではなく、上述の実施形態の場合と同様に、多結晶ダイヤモンド膜10と半導体層(ここではGaNキャップ層4)の間に設けるだけにしても良い。
まず、SiC基板(半導体基板)1上に、例えばMOVPE法によって、i-GaNチャネル層2、i-AlGaNスペーサ層(図示せず)、n-AlGaN電子供給層3、AlNキャップ層4を順に積層させて化合物半導体積層構造5を形成する(例えば図5参照)。
次に、例えばフォトリソグラフィ技術によってソース電極領域及びドレイン電極領域(オーミック電極領域)を規定すべく、化合物半導体積層構造5上に、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のそれぞれに開口部を有する新たなレジスト膜を設ける(図示せず)。
具体的には、例えばフォトリソグラフィ技術によって、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のそれぞれに開口部を有するレジスト膜を設け、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングによって、ソース電極形成予定領域及びドレイン電極形成予定領域のAlNキャップ層4Aを除去する(例えば図5参照)。
次に、半導体表面の保護膜9として、酸化チタン膜9Aと酸化アルミニウム膜9Bの積層膜9Y(酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Z)を形成する(例えば図5参照)。
具体的には、例えばALD法によって、約1~10nmの膜厚で、酸化チタン膜9A、酸化アルミニウム膜9Bを交互に形成し、合計約2~約100nmの膜厚の積層構造として、酸化チタン膜9Aと酸化アルミニウム膜9Bの積層膜9Y(酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Z)を形成する。ここでは、積層膜9Yの膜厚は約50nmである。
具体的には、粉末状ダイヤモンド(種ダイヤ)を酸化チタン膜上に配置し、紫外線を併用したCVD法によって約100~約5000nmの多結晶ダイヤモンド膜10を成膜する(例えば図6参照)。ここでは、多結晶ダイヤモンド膜10の膜厚は約1000nmである。
具体的には、例えばフォトリソグラフィ技術によって、ゲート電極形成予定領域に開口部を有するレジスト膜を設け、多結晶ダイヤモンド膜10を、例えば酸素ガスを用いたドライエッチングによって除去する。
具体的には、まず、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、ゲート電極領域を規定すべく、ゲート電極形成予定領域に開口部を有する新たなレジスト膜を設ける。
そして、全面に、例えばNi、Auを順に堆積させた後、レジスト膜とともにレジスト膜上に堆積したNi/Auを除去することによって(即ち、リフトオフ法によって)、多結晶ダイヤモンド膜10の貫通口を埋め込むように例えばNi/Auの2層構造のゲート電極6を形成する。
なお、この変形例では、保護膜9として、酸化アルミニウム膜9Bと酸化チタン膜9Aの積層膜9Y(酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜9Z)を用いる場合を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではない。
つまり、保護膜9は、化合物半導体積層構造5上に設けられた窒化シリコン膜9C及び窒化シリコン膜9C上に設けられた酸化チタン膜9Aを含むものとしても良い。つまり、保護膜9は、窒化シリコン膜9Cと酸化チタン膜9Aの積層膜9Dとしても良い。これにより、絶縁性を向上させることができる。この場合、多結晶ダイヤモンド膜10は、酸化チタン膜9A上に設けられることになる。
なお、上述の実施形態及び変形例では、化合物半導体装置としてAlGaN/GaN-HEMTを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えばInAlN、InGaAlN等を用いた化合物半導体装置(窒化物半導体装置)に本発明を適用することも可能である。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる増幅器について、図8を参照しながら説明する。
本高周波増幅器は、図8に示すように、ディジタル・プレディストーション回路31と、ミキサー32a,32bと、パワーアンプ33とを備えて構成される。なお、パワーアンプを、単にアンプともいう。
ミキサー32a,32bは、非線形歪みが補償された入力信号と交流信号をミキシングするものである。
パワーアンプ33は、交流信号とミキシングされた入力信号を増幅するものであり、上述の第1実施形態及びその変形例のいずれかのHEMTを備える。
したがって、本実施形態にかかる増幅器によれば、上述の第1実施形態及びその変形例にかかる化合物半導体装置(HEMT)を、パワーアンプ33に適用しているため、信頼性の高い高周波増幅器を実現することができるという利点がある。
[その他]
なお、本発明は、上述した各実施形態及びそれらの変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
(付記1)
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造上に設けられ、酸化チタンを含む保護膜と、
前記保護膜上に設けられた多結晶ダイヤモンド膜とを備えることを特徴とする化合物半導体装置。
前記化合物半導体積層構造の上方に設けられたゲート電極を備え、
前記保護膜は、前記化合物半導体積層構造と前記ゲート電極の間にも設けられていることを特徴とする、付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記3)
前記保護膜は、酸化チタンと酸化アルミニウムの混合膜であることを特徴とする、付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
前記保護膜は、前記化合物半導体積層構造上に設けられた酸化アルミニウム膜及び前記酸化アルミニウム膜上に設けられた酸化チタン膜を含み、
前記多結晶ダイヤモンド膜は、前記酸化チタン膜上に設けられていることを特徴とする、付記1又は2に記載の化合物半導体装置。
前記保護膜は、酸化チタンと窒化シリコンの混合膜であることを特徴とする、付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記6)
前記保護膜は、前記化合物半導体積層構造上に設けられた窒化シリコン膜及び前記窒化シリコン膜上に設けられた酸化チタン膜を含み、
前記多結晶ダイヤモンド膜は、前記酸化チタン膜上に設けられていることを特徴とする、付記1に記載の化合物半導体装置。
前記多結晶ダイヤモンド膜のラマンピークにおけるグラファイトとダイヤモンドの強度比率(グラファイト/ダイヤモンド)が0.4以下であることを特徴とする、付記1~6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記8)
前記保護膜は、絶縁膜及び光触媒としての機能を有することを特徴とする、付記1~7のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
前記化合物半導体積層構造は、電子供給層及び電子走行層を含む窒化物半導体積層構造であることを特徴とする、付記1~8のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(付記10)
入力信号を増幅するアンプを備え、
前記アンプは、トランジスタを含み、
前記トランジスタは、
化合物半導体積層構造と、
前記化合物半導体積層構造上に設けられ、酸化チタンを含む保護膜と、
前記保護膜上に設けられた多結晶ダイヤモンド膜とを備えることを特徴とする増幅器。
化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造上に、酸化チタンを含む保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程とを含むことを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、前記多結晶ダイヤモンド膜の形成中又は前記多結晶ダイヤモンド膜の形成後に紫外線を照射して活性酸素を生成させることを特徴とする、付記11に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記13)
化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造上に、保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程とを含み、
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、前記多結晶ダイヤモンド膜の形成中又は前記多結晶ダイヤモンド膜の形成後に光を照射して活性酸素を生成させることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記保護膜を形成する工程において、酸化チタンを含む保護膜を形成し、
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、紫外線を照射することを特徴とする、付記13に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記紫外線は、酸素、オゾン、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気のいずれか1種類又は複数種類を混合した雰囲気中で照射することを特徴とする、付記12又は14に記載の化合物半導体装置の製造方法。
2 GaN電子走行層(チャネル層)
3 AlGaN電子供給層
4 GaNキャップ層
4A AlNキャップ層
5 化合物半導体積層構造
6 ゲート電極
7 ソース電極
8 ドレイン電極
9、9X 保護膜
9A 酸化チタン膜
9B 酸化アルミニウム膜
9C 窒化シリコン膜
9D 積層膜
9E 混合膜
9Y 積層膜
9Z 混合膜
10 多結晶ダイヤモンド膜
31 ディジタル・プレディストーション回路
32a,32b ミキサー
33 パワーアンプ
Claims (4)
- 化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造上に、酸化チタンを含む保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程とを含み、
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、前記多結晶ダイヤモンド膜の形成中又は前記多結晶ダイヤモンド膜の形成後に紫外線を照射して活性酸素を生成させることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 化合物半導体積層構造を形成する工程と、
前記化合物半導体積層構造上に、保護膜を形成する工程と、
前記保護膜上に、多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程とを含み、
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、前記多結晶ダイヤモンド膜の形成中又は前記多結晶ダイヤモンド膜の形成後に光を照射して活性酸素を生成させることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜を形成する工程において、酸化チタンを含む保護膜を形成し、
前記多結晶ダイヤモンド膜を形成する工程において、紫外線を照射することを特徴とする、請求項2に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 前記紫外線は、酸素、オゾン、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気のいずれか1種類又は複数種類を混合した雰囲気中で照射することを特徴とする、請求項1又は3に記載の化合物半導体装置の製造方法。
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