JP4151560B2

JP4151560B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4151560B2
Application number: JP2003367947A
Authority: JP
Inventors: 英之大来
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP2005136002A

Description

この発明は、光電気化学エッチング用マスクを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。

高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、高増幅特性、高周波数特性を実現するためにリセスゲート構造が用いられる。ＨＥＭＴは、ＧａＡｓ系、ＩｎＰ系のIII−Ｖ族半導体デバイスで多用されている。III−Ｖ族半導体であるIII族窒化物半導体は、ＨＥＭＴとして使用可能である。しかし、実際には、III族窒化物半導体デバイスでは、リセスゲート構造はあまり用いられていない。これは、III族窒化物半導体が化学的に安定な物質であるため、ウェットエッチングが困難であることによる。

III族窒化物半導体のエッチング方法として、シリコン酸化物等をマスク材とするドライエッチング法（例えば、特許文献１参照。）や、光電気化学エッチング法が提案されている（例えば、特許文献２または非特許文献１参照）。

特に、この光電気化学エッチングをリセスエッチングに適用することで、安価で大面積かつ高均一なリセスエッチングができると期待される（例えば、非特許文献２参照）。
特許第３２５４４３６号公報「窒化ガリウム系化合物半導体におけるエッチングマスクの製造方法」（段落０００８から００１０）特開平１１−２２９１９９号公報「窒化物材料のエッチング方法」（請求項１）Ｃ．Ｙｏｕｔｓｅｙ他著「Ｓｍｏｏｔｈｎ−ｔｙｐｅＧａＮｓｕｒｆａｃｅｓｂｙｐｈｏｔｏｅｎｈａｎｃｅｄｗｅｔｅｔｃｈｉｎｇ」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２，ｐｐ．５６０−５６２，１９９８年Ｊａｅ−ＳｅｕｎｇＬＥＥ他著「Ｐｈｏｔｏ−ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＧａｔｅＲｅｃｅｓｓＥｔｃｈｉｎｇｆｏｒｔｈｅＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｌＧａＮ／ＧａＮＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ」Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４０，ｐｐ．Ｌ１９８−Ｌ２００，２００１年

しかしながら、ドライエッチング法では、半導体基板表面付近がプラズマイオン等によるダメージを受ける恐れがある。

光電気化学エッチング法を行った場合、従来用いられている金属、フォトレジスト又はワックスによる光電気化学エッチング用マスク（以下、単にマスクと称する。）は、エッチング後に除去しなければならず、その除去作業の際に、半導体表面を汚す心配がある。

さらに、金属、フォトレジスト又はワックスによるマスクは、それぞれ、以下のような実用上の課題を持っている。金属マスクは、電極を作成した後に光電気化学エッチングを行う場合には使えない。ワックスマスクは、フォトリソグラフィが使えないため、微細なパターンをエッチングできない。フォトレジストマスクは、エッチング表面に析出する多量の酸化物を除去する際に使用される熱アンモニア水や酸等への耐性が弱い。

また、光電気化学エッチングで、他の半導体の、従来のウェットエッチングやドライエッチングで使用されているマスク材が使用できるかどうかは不明である。

そこで、この発明は、光電気化学エッチングに利用でき、微細加工が可能で、かつ、酸やアルカリに対して耐性がある光電気化学エッチング用マスク及びその形成方法を提供することを目的とする。また、この光電気化学エッチング用マスクを用いた半導体装置の製造方法を提供することを他の目的とする。

この発明のIII族窒化物半導体に対する光電気化学エッチング用マスクによれば、このマスクを、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのいずれか一方又は双方からなるマスク材料で構成している。

この発明の光電気化学エッチング用マスクの形成方法は、以下の工程を含む。第１工程では、III族窒化物半導体基板の上側の全面に、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのいずれか一方又は双方からなる予備マスク層を形成する。第２工程では、第１工程で形成した予備マスク層上に、フォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層に開口部をパターニング形成してフォトレジストパターンを形成する。第３工程では、フォトレジストパターンの開口部に露出している予備マスク層の領域部分をエッチング除去して開口部を形成する。第４工程では、フォトレジストパターンを除去する。

この発明のIII族窒化物半導体装置の製造方法は、以下の工程を含む。第１工程では、III族窒化物半導体基板の表面に、ソース電極及びドレイン電極を形成する。第２工程では、ソース電極及びドレイン電極を形成したIII族窒化物半導体基板の上側の全面に、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのいずれか一方又は双方からなる予備マスク層を形成する。第３工程では、第２工程で形成した予備マスク層上に、フォトレジスト層を形成した後、フォトレジスト層に開口部をパターニング形成してフォトレジストパターンを形成する。第４工程では、フォトレジストパターンの開口部に露出している予備マスク層の領域部分をエッチング除去して開口部を形成する。第５工程では、フォトレジストパターンを除去して、光電気化学エッチング用マスクを形成する。第６工程では、第５工程までの工程で形成した光電気化学エッチング用マスクを用いて、III族窒化物半導体基板に対して光電気化学エッチングを行う。第７工程では、光電気化学エッチングによりエッチングされた部分にゲート電極を形成する。

この発明の光電気化学エッチング用マスクによれば、エッチング用マスクを、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのいずれか一方又は双方で形成されたマスクとしている。このマスクを構成するマスク材料は、半導体装置に通常パッシベーション膜や層間絶縁膜として使用されているので、この場合、エッチング用マスクを除去することなくそのまま、パッシベーション膜や層間絶縁膜として使用することができる。

これらの材料を使用した場合、従来の金属マスク、ワックスマスク、フォトレジストマスク等と比較すると、
（１）エッチャントに対して十分な耐性を持つ。
（２）エッチング表面に積層する酸化物の除去が容易である。
（３）エッチング後に、マスク自体が表面保護膜として利用可能である。
等という利点を持つ。

また、エッチング方法として、ドライエッチング法を用いている場合、半導体基板の表面付近がプラズマイオンによるダメージを受ける恐れがあるが、光電気化学エッチング法を用いれば、プラズマイオンによるダメージの恐れがなくなる。

この発明の光電気化学エッチング用マスクの形成方法によれば、光電気化学エッチング用マスクを上述したマスク材料を用いて形成しているので、このマスク自体を、半導体装置のパッシベーション膜や層間絶縁膜として使用できる。このため、最終的にマスクの除去工程を省略できる。

この発明のIII族窒化物半導体装置の製造方法によれば、上述した光電気化学エッチング用マスクの形成方法を用いてマスクを形成しているので、同様にこのマスク自体を、半導体装置のパッシベーション膜や層間絶縁膜として使用できる。このため、最終的にこのマスクの除去工程や半導体装置に対するパッシベーション膜等を新たに形成するための形成工程を省略できる。

また、エッチング方法として、ドライエッチング法を用いている場合、半導体基板の表面付近がプラズマイオンによるダメージを受ける恐れがあったが、この発明の半導体装置の製造方法によれば、そのようなダメージを受ける恐れがなくなる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に何ら限定されない。

（エッチング用マスク）
光電気化学エッチングについての詳細は、後述するが、光電気化学エッチングは、所要のエッチャント中に置かれたエッチング対象の半導体に、バンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーを持つ短波長の光を照射すると、半導体が電子を失い分解することにより行われる。

この光電気化学エッチングの際に用いられる耐エッチング性マスクを光電気化学エッチング用マスクと称する。光電気化学エッチング用マスクは、次のような単一のマスク材料で形成するか或いは、複数のマスク材料の混合材料で形成する。マスク材料としては、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン及び酸窒化アルミニウムが挙げられる。従って、光電気化学エッチング用マスクをこれらのマスク材料群から選択された１種のマスク材料で形成するか、或いは、当該マスクをこれらのマスク材料群から選択された２種以上の、すなわち、複数種のマスク材料を混合したマスク材料（混合マスク材料と称する。）により形成する。このマスク材料群に属するマスク材は、それぞれ、パッシベーション膜や層間絶縁膜として、半導体装置に従来普通に用いられるものである。また、光電気化学エッチングの際に用いるエッチャントに対して耐性を持っている。

（エッチング用マスクの形成方法）
図１（Ａ）−１（Ｆ）を参照して、光電気化学エッチング用マスクの形成方法の実施の形態につき説明する。図１（Ａ）−１（Ｅ）は、光電気化学エッチング用マスクの形成工程図である。尚、各図は、形成工程段階で得られた構造体の断面の切り口を示している。この実施の形態では、III族窒化物半導体としてＧａＮ基板を用い、しかも、この基板に所要の電極を形成した後に当該基板に対して光電気化学エッチングを行う場合のマスク形成を例に挙げて説明する。

先ず、III族窒化物半導体であるＧａＮ基板１０の表面上に、チタンを蒸着することによりオーミック電極２２及び２４を形成する。図示の構成例では２つの電極２２及び２４を離間して形成してある。電極２２及び２４は、例えばIII族窒化物半導体により電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を製造した場合に、ドレイン電極やソース電極として用いられる。ここで、ＧａＮの代わりに他のIII族窒化物半導体を用いても良い。また、オーミック電極としては、チタンの他に、アルミニウム、ニッケル、インジウム等のオーミック材料が使用可能である（図１（Ａ））。

次に、ＧａＮ基板１０のオーミック電極２２及び２４が形成された当該基板の上側全面に、予備マスク層３０を形成する（図１（Ｂ））。この構成例では、この予備マスク層３０をマスク材料として窒化シリコンを用いて、公知のプラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜として形成する。ここで、マスク材料として窒化シリコンを用いる代わりに、窒化アルミニウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン及び酸窒化アルミニウムからなるマスク材料群から選択された１種のマスク材料を用いても良いし、或いは、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン及び酸窒化アルミニウムからなるマスク材料群から２種以上、すなわち、複数種のマスク材料を選択して用いても良い。

次に、予備マスク層３０上にフォトレジストパターン４０を形成する。この場合、先ず、予備マスク層３０上に有機樹脂からなるフォトレジストを塗布して、フォトレジスト層を形成する。その後、公知のフォトリソグラフィ法により、パターニングし、ＧａＮ基板１０のエッチング予定箇所に開口部４０ａ及び４０ｂを設けてフォトレジストパターン４０を形成する（図１（Ｃ））。この構成例では、ＧａＮ基板１０のエッチング予定箇所を、オーミック電極２２及び２４から外れている基板領域に設定する。従って開口部４０ａは、オーミック電極２２及び２４の真上から外れたフォトレジスト層部分に形成されていて、この開口部４０ａ及び４０ｂには、予備マスク層３０の表面が露出している。

次に、フォトレジストパターンの開口部４０ａ及び４０ｂに露出しているシリコン窒化膜である予備マスク層３０の領域部分をエッチング除去して、光電気化学エッチング用マスク５０を形成する（図１（Ｄ））。ここでは、図１（Ｃ）を参照して説明した工程により設けたフォトレジストパターン４０をエッチングマスクとして用いて、ＣＦ₄ガスを用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）やフッ酸を用いたウェットエッチング等で、露出している予備マスク層３０の領域部分を、ＧａＮ基板１０の表面まで除去する。このエッチングによって予備マスク層３０に形成された開口部を３０ａ及び３０ｂで示す。ＧａＮその他III族窒化物半導体は、化学的に安定な物質であるため、ウェットエッチングではエッチングされず、シリコン窒化膜３０に対するエッチングは、ＧａＮ基板１０の表面で止まる。ＲＩＥを行う場合、ＲＩＥに用いるガスは、マスク材料に応じて選択可能である。

次に、フォトレジストパターン４０を除去する。フォトレジストパターン４０の除去により、予備マスク層３０に開口部３０ａ及び３０ｂが形成された光電気化学エッチング用マスク５０が残存する（図１（Ｅ））。以上の工程により、III族窒化物半導体上に、光電気化学エッチング用マスク５０が形成される。

光電気化学エッチング用マスク５０の形成後は、エッチング用引き出し電極としてオーミック性の金属電極６０を蒸着等によって形成する（図１（Ｆ））。然る後、下地のＧａＮ基板１０に対して、光電気化学エッチングを行う。

このように形成された光電気化学エッチング用マスクは、窒化シリコン等の、半導体装置のパッシベーション膜や層間絶縁膜として用いられる材料で形成されている。これらのマスク材料は、従来の金属マスク、ワックスマスク、フォトレジストマスク等と比較すると、（１）エッチャントに対して十分な耐性を持っており、（２）エッチング表面に積層する酸化膜の除去が容易であり、しかも、（３）エッチング後に、マスク自体が表面保護膜として利用可能である、等という利点を持っている。

（III族窒化物半導体装置の製造方法）
次に、図２（Ａ）−２（Ｄ）及び図３（Ａ）−３（Ｃ）を参照して、III族窒化物半導体装置の製造方法について説明する。図２（Ａ）−２（Ｄ）及び図３（Ａ）−３（Ｃ）は、III族窒化物半導体としてＧａＮを使用した場合の、III族窒化物半導体装置の製造方法の実施の形態をそれぞれ説明するための工程図である。

先ず、Ｓｉ基板１００上に、ＧａＮ１０２、ＡｌＧａＮ１０４、及びＧａＮ１０６を層状に順次に積層して形成したものを、III族窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）１１０とする（図２（Ａ））。Ｓｉ基板１００の代わりにサファイア、ＳｉＣ等を用いても良い。

ＧａＮ基板１１０上に、オーミック電極としてソース電極１２２及びドレイン電極１２４を形成する（図２（Ｂ））。オーミック電極の材質及び形成方法は、上述のエッチング用マスクの形成方法における第１工程で説明したものと同様である。

ＧａＮ基板１１０の、ソース電極１２２及びドレイン電極１２４が形成された表面の上側全面に、公知のプラズマＣＶＤ法により予備マスク層（図示せず）を一旦形成する（図１（Ｂ）参照）。この予備マスク層として、マスク材料を窒化シリコンとしたシリコン窒化膜を形成する。ここで、マスク材料として窒化シリコンを用いる代わりに、窒化アルミニウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン及び酸窒化アルミニウムからなるマスク材料群から選択された１種のマスク材料を用いても良いし、或いは、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸窒化シリコン及び酸窒化アルミニウムからなるマスク材料群から２種以上、すなわち、複数種のマスク材料を選択して用いても良い。さらに、予備マスク層上に、有機樹脂からなるフォトレジスト層（図示しない）を塗布形成する。その後、公知のフォトリソグラフィ法により、フォトレジスト層をパターニングしてフォトレジストパターンを形成する。このフォトレジストパターンは図１（Ｃ）を参照して説明したと同様にして、開口部（図示せず）を有している。この開口部は、ＧａＮ基板１１０のエッチング予定箇所に設けられる。

次に、ＣＦ₄ガスを用いたＲＩＥやフッ酸を用いたウェットエッチング等で、フォトレジストパターンの開口部に露出している予備マスク層の領域部分を、ＧａＮ基板１１０の表面までエッチング除去する。然る後、フォトレジストパターンを除去することにより、予備マスク層が光電気化学エッチング用マスク１３０として形成される（図２（Ｃ））。尚、図中、この光電気化学エッチング用マスク１３０に設けられた開口部を１３０ａで示す。ＧａＮその他III族窒化物半導体は、化学的に安定な物質であるため、ウェットエッチングではエッチングされず、窒化シリコン膜のエッチングは、ＧａＮ基板１１０の表面で止まる。ＲＩＥを行う場合は、ＲＩＥに用いるガスの種類は、マスク材料に応じて選択可能である。この基板１１０に２つの電極１２２及び１２４と、開口部１３０ａが形成されたシリコン窒化膜である光電気化学エッチング用マスク１３０とを有する構造体を被エッチング構造体１１２とする。

次に、この被エッチング構造体１１２に対して、ＧａＮ１０６にリセスを形成するための光電気化学エッチングを行う。光電気化学エッチングに用いる装置の構成を模式図的に図４に示す。ビーカー等の光電気化学エッチング容器２００にエッチャント２０２として、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、塩酸等を水、グリコール等に溶かした溶液を用いる。容器２００中に支持具２０４が備えられている。ＧａＮ基板１１０に光電気化学エッチング用マスク１３０としてシリコン窒化膜と、エッチング用引き出し電極２０６とを備えた被エッチング構造体１１２が支持具２０４に固定される。エッチング用引き出し電極２０６は図１（Ｆ）に示されるエッチング用引き出し電極としての金属電極６０と同様のものである。即ち、このエッチング用引き出し電極２０６は、被エッチング構造体１１２における光電気化学エッチング用マスク１３０に対し、リセス形成のために設けられた開口部１３０ａとは別の位置に設けられた開口部（図示せず）を介して、ＧａＮ１０６に電気的に接続されるように形成されている。この引き出し電極２０６が導線２１２の一端に接続され、エッチャント中のカソード２０８が、電流計２１０を中間に介在させてある導線２１２の他端に接続される。カソード２０８は、白金、金、銀、炭素等のイオン化傾向の大きい物質を用いる。

光電気化学エッチングは被エッチング構造体１１２に短波長の光２２０を照射することにより行う。光電気化学エッチングでは、照射する光２２０の波長をエッチング対象の半導体のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも短くする必要がある。

ここでは、被エッチング構造体１１２としてＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ構造を用いるので、エッチングをＧａＮ／ＡｌＧａＮの境界面で止める必要がある（図２（Ｄ）参照）。ＧａＮのバンドキャップエネルギーは３．４ｅＶであり、これに対応する波長は３６５ｎｍである。また、ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギーに当たる波長は、組成により異なるがおおよそ３００〜３５０ｎｍである。そのため、３６５ｎｍより短く、３００〜３５０ｎｍよりも長い波長の光を照射する。この短波長光の光源としては、超高圧水銀ランプにフィルタを付けたものか、波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザ等が好ましい。

上述のように選択した波長の光を被エッチング構造体１１２に照射する。これによりＧａＮの価電子帯の電子が伝導体に励起され、その電子がカソードへと運ばれる。カソードはイオン化傾向が大きいため、電子を受け取り、イオン化して溶液中に溶け出す。また、電子を失ったＧａＮは、以下の化学式により分解する。

２ＧａＮ＋６ｈ⁺→２Ｇａ³⁺＋Ｎ₂
ここで、ｈ⁺は、電子を失ったことによる正孔を意味する。これにより、ＧａＮ層１０６がエッチングされて、リセス１０６ａが形成されて、図２（Ｄ）に示すような構造体１１４を得る。このリセス１０６ａには、ＡｌＧａＮ層１０４の部分が露出している。尚、エッチングの深さはエッチング電流をモニタすることにより制御される。

光電気化学エッチングされた表面には多量のＧａ₂Ｏ₃等の酸化物が析出する。この酸化物を除去するために、熱アンモニア水や塩酸による処理を行う。

このリセスエッチングの後に、構造体１１４の上部表面全体にフォトレジスト層を塗布形成した後、このフォトレジスト層にゲート形成領域に開口部１５０ａを持つようにパターニングを行ってフォトレジストパターン１５０を得る（図３（Ａ））。

その後、上部表面のフォトレジストパターン１５０上にゲートメタル１６０を蒸着する。このゲートメタル１６０の蒸着により、開口部１５０ａに露出しているＡｌＧａＮ１０４の露出表面上のゲートメタル部分１６０ａと、フォトレジストパターン１５０上のゲートメタル部分１６０ｂとが形成される（図３（Ｂ））。

次に、フォトレジストパターン１５０をリフトオフすると、フォトレジストパターン１５０の開口部１５０ａに蒸着されたゲートメタル部分１６０ａを除いて、フォトレジストパターン１５０とともにゲートメタル部分１６０ｂも一部除去され、ゲートメタル部分１６０ａがゲート電極１６２として残存し、半導体装置として、ＧａＮ−ＨＥＭＴ構造体が得られる（図３（Ｃ））。

（III族窒化物半導体装置の製造方法の効果）
光電気化学エッチング用マスクとして用いた、窒化シリコン膜がエッチング後に、半導体装置のパッシベーション膜や層間絶縁膜として使用できる。そのため、エッチング後におけるマスクの除去の工程や半導体装置の製造工程中からパッシベーション膜等の形成工程を省略することが可能となる。また、従来、エッチング方法としてドライエッチング法を用いていたので、プラズマイオンによるダメージを受けていたが、その影響がなくなる。

光電気化学エッチング用マスクの形成方法の実施の形態を説明するための工程図である。光電気化学エッチングを用いたリセスゲートＧａＮ−ＨＥＭＴの製造方法の実施の形態を説明するための工程図である。光電気化学エッチングを用いたリセスゲートＧａＮ−ＨＥＭＴの製造方法の実施の形態を説明するための工程図である。光電気化学エッチング装置の一例の概略を説明するための図である。

符号の説明

１０、１１０ＧａＮ基板
２２、２４オーミック電極
３０予備マスク層
４０、１５０フォトレジストパターン
５０、１３０光電気化学エッチング用マスク
６０金属電極
１００Ｓｉ基板
１０２、１０６ＧａＮ
１０４ＡｌＧａＮ
１０６ａリセス
１１２被エッチング構造体
１１４構造体
１２２ソース電極
１２４ドレイン電極
１６０ゲートメタル
１６２ゲート電極
２００光電気化学エッチング容器
２０２エッチャント
２０４支持具
２０６エッチング用引き出し電極
２０８カソード
２１０電流計
２１２導線
２２０短波長の光

Claims

III族窒化物半導体基板の表面に、ソース電極及びドレイン電極を形成する第１工程と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成した前記III族窒化物半導体基板の上側の全面に、窒化シリコン及び酸窒化シリコンのいずれか一方又は双方からなる予備マスク層を形成する第２工程と、
前記予備マスク層上に、フォトレジスト層を形成した後、該フォトレジスト層に開口部をパターニング形成してフォトレジストパターンを形成する第３工程と、
前記フォトレジストパターンの開口部に露出している前記予備マスク層の領域部分をエッチング除去して開口部を形成する第４工程と、
前記フォトレジストパターンを除去して、光電気化学エッチング用マスクを形成する第５工程と、
前記光電気化学エッチング用マスクを用いて、前記III族窒化物半導体基板に対して光電気化学エッチングを行う第６工程と、
前記光電気化学エッチングによりエッチングされた部分にゲート電極を形成する第７工程と
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体装置の製造方法。