JP5876386B2 - 窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒化物半導体から構成された窒化物半導体装置の製造方法に関する。
ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素の混合比を変えることで０．７〜６．２ｅＶという広範な範囲のエネルギーギャップを有する材料を得ることができるという特徴を有している。このバンドギャップ範囲は、いわゆる可視光の領域を完全に含んでおり、こうした特徴を生かしてＬＥＤなどに応用され、信号機や様々なディスプレイを構成する素子の材料として広く一般に使われている。また、特に、エネルギーギャップの大きい範囲に属する窒化物半導体は、高耐圧が要求される高出力トランジスタ・ダイオードへの応用が期待され、開発が進められている。
ＧａＮ系高出力トランジスタをはじめとした窒化物半導体素子を製造するにあたり、まず始めに半導体積層構造を基板上に形成するが、この際に用いられる基板としては、サファイア基板，ＳｉＣ基板，あるいはＳｉ基板といった、窒化物以外の材料から構成された基板を用いるのが一般的である。特に、高出力トランジスタの場合、放熱性とコストの観点からＳｉ基板上に積層構造を形成することが広く行われている。しかしながら、Ｓｉ基板と窒化物半導体の熱膨張率の不整合に起因し、積層構造形成後の、基板の反りやゆがみなどの基板形状の制御は困難である。特に、高出力トランジスタ用の積層構造は、高耐圧にするために素子の全積層層厚を数μｍ程度にする必要があり、基板形状制御はより難しくなる（非特許文献１，非特許文献２参照）。
また、Ｓｉ基板上にＧａＮ系積層構造を形成する場合、格子不整合に起因した転位の発生も不可避である。転位の存在が素子の特性にどのように影響するかは必ずしも明らかではないが、特に高電流が流れることになる高出力トランジスタや高出力ダイオードにおいては転位の存在が素子の安定動作に悪影響を与えることになりかねない。
N. Ikeda et al. , "Over 1.7 kV normally-off GaN hybrid MOS-HFETs with a lower on-resistance on a Si substrate", Proceedings of the 23rd International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's, pp.284-287, 2011.
T.Sugahara et al. , "Role of AlN/GaN Multilayer in Crack-Free GaN Layer Growth on 5"φ Si (111) Substrate", Japanese Journal of Applied Physics, vol.43, No.12B, pp.L 1595-L 1597, 2004.
上述した各問題点を解消するためには、近年開発が進められてきているＧａＮ基板を用いることが効果的である。ＧａＮ基板を用いることにより、基板と積層構造との熱膨張係数に起因した基板形状制御の困難さは解消され、また、格子不整合に起因した転位の発生もない。しかしながら、現状、ＧａＮ基板は、高価であり、製造コストが高くなるという不利な点がある。
以上に説明したように、現状では、窒化物半導体の積層構造からなる窒化物半導体装置を、容易に基板形状制御ができ、転移の少ない状態で、低コストで作製することができないという問題がある。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、窒化物半導体の積層構造からなる窒化物半導体装置を、容易に基板形状制御ができ、転移の少ない状態で、低コストで作製できるようにすることを目的とする。
本発明に係る窒化物半導体装置の製造方法は、ＧａＮからなる第１基板の上に六方晶系の窒化ホウ素またはＩｎＮxＯy（０≦ｘ，ｙ≦１、ｘおよびｙは同時に０ではない）からなる分離層を形成する第１工程と、分離層の上に窒化物半導体からなる複数の半導体層を結晶成長して半導体積層構造を形成する第２工程と、半導体積層構造の上に第２基板を貼り付ける第３工程と、半導体積層構造と第１基板とを分離層で分離する第４工程と、半導体積層構造に残っている分離層に第３基板を貼り付ける第５工程と、半導体積層構造より第２基板を剥離する第６工程と、第３基板の上に配置されている半導体積層構造より窒化物半導体装置を作製する第７工程とを少なくとも備える。例えば、第３基板は、金属または導電性シリコンから構成されていればよい。
以上説明したことにより、本発明によれば、窒化物半導体の積層構造からなる窒化物半導体装置が、容易に基板形状制御ができ、転移の少ない状態で、低コストで作製できるようになるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ〜図１Ｇを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１Ａ〜図１Ｇを用いて説明する。図１Ａ〜図１Ｇは、本発明の実施の形態１における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
まず、図１Ａに示すように、ＧａＮからなる第１基板１０１の上に六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層１０２を形成する（第１工程）。例えば、第１基板１０１の上に、よく知られた有機金属気相成長法により、トリエチルボロンおよびアンモニアをソースガスとして窒化ホウ素を堆積させればよい。このとき、基板温度条件は１０８０℃とすればよい。なお、分離層１０２の形成前に、第１基板１０１の表面を、有機金属気相成長装置の反応炉内の圧力を３９９９９．６Ｐａ（３００Ｔｏｒｒ）とした水素ガス雰囲気で、基板温度を１０８０℃に加熱することによるサーマルクリーニングを行っておくとよい。
次に、図１Ｂに示すように、分離層１０２の上に窒化物半導体からなる複数の半導体層をエピタキシャル成長して半導体積層構造１０３を形成する（第２工程）。例えば、有機金属気相成長法により、ＧａＮの層およびＡｌＧａＮの層を形成する。なお、六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層１０２の上に有機金属気相成長法により形成した上述の窒化物半導体の層は、＋ｃ軸方向に結晶成長し、成長している表面がＩＩＩ族極性面となる。窒化物半導体の（０００１）面である＋ｃ面がＩＩＩ族極性面であり、これに対向する−ｃ面がＮ極性面である。ＧａＮからなる第１基板１０１の上に、六方晶系の窒化ホウ素からなる分離層１０２を介して半導体積層構造１０３をエピタキシャル成長するので、格子不整合に起因した転位は発生せず、基板と積層構造との熱膨張係数に起因した基板形状制御の困難もない。
次に、図１Ｃに示すように、半導体積層構造１０３の上に第２基板１０４を貼り付ける（第３工程）。例えば、有機系の接着剤を用いて貼り付ければよい。このような接着剤を用いることで、後の工程で、第２基板１０４が剥がし易いものとなる。第２基板１０４は、例えば、ガラス、石英、シリコンなど、高い機械強度を有し、また、製造工程においてハンドリングが容易であり、安価な材料の基板を用いればよい。
次に、図１Ｄに示すように、半導体積層構造１０３と第１基板１０１とを分離層１０２で分離する（第４工程）。六方晶系の窒化ホウ素は、グラファイトと同様に、六角形の頂点にホウ素と窒素とが交互に配置されて構成された六角網面の層が積層された構造を有し、各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されている。このため、六方晶系の窒化ホウ素は、機械加工が容易であり、分離層１０２で分離が可能である。例えば、半導体積層構造１０３を貼り付けている第２基板１０４を第１基板１０１側より引き離すことで、半導体積層構造１０３と第１基板１０１とが、分離層１０２で容易に分離する。分離した第１基板１０１は、表面を清浄化する処理などをした後、再度利用する。このように、第１基板１０１は、再利用できるので、製造コストを抑制できるようになる。
次に、図１Ｅに示すように、半導体積層構造１０３に残っている分離層１０２に第３基板１０５を貼り付ける（第５工程）。例えば、第３基板１０５は、金属や導電性Ｓｉなどの導電性が高く、かつ放熱性に優れた材料から構成されていればよい。また、熱伝導性が高く、耐熱性に優れた接着剤を用いて貼り付けるとよい。例えば、金属シートや低温はんだを用い、これら材料の融点近傍まで加熱することで貼り付ければよい。次いで、図１Ｆに示すように、半導体積層構造１０３より第２基板１０４を剥離する（第６工程）。例えば、第２基板１０４の貼り付に用いた有機系の接着剤を、有機溶剤などにより溶解することで第２基板１０４を取り除けばよい。
次に、第３基板１０５の上に配置されている半導体積層構造１０３より窒化物半導体装置を作製する（第７工程）。例えば、公知のリソグラフィー技術により形成したレジストパターンをマスクとしたエッチングにより窒化物半導体層を所望の形状にパターニングし、また、所望とする箇所に電極を形成するなどの公知の素子製造技術により、窒化物半導体ＦＥＴを作製する。
この窒化物半導体ＦＥＴは、図１Ｇに示すように、ＧａＮからなるチャネル層１３１およびＡｌＧａＮからなる障壁層１３２のへテロ構造を備え、障壁層１３２の上に、ソース電極１３４およびドレイン電極１３５が形成され、さらに、ソース電極１３４およびドレイン電極１３５の間に、絶縁層１３３を介してゲート電極１３６が設けられている。
また、ゲート電極１３６の下方の障壁層１３２は薄く、これ以外の領域の障壁層１３２は厚く形成されている。チャネル層１３１のゲート電極１３６の下方の領域においては、キャリアとなる電子が空乏した電子空乏領域が存在する状態となり、これ以外の領域においては、キャリアとして２次元電子が存在する状態となり、トランジスタの動作が可能となる。
上述したように、実施の形態１によれば、窒化物半導体の積層構造からなる窒化物半導体装置が、容易に基板形状制御ができ、転移の少ない状態で、低コストで作製できるようになる。また、窒化物半導体装置を構成する半導体積層構造の下部に高エネルギーギャップを有する窒化ホウ素からなる分離層１０２が配置されているので、より高耐圧化が可能となり高出力動作にとって優位な素子ができる。
また、窒化物半導体装置が配置される第３基板は、様々な材料から構成することが容易に可能であり、放熱性に優れた材料から構成することも可能である。従って、窒化物半導体装置の動作領域の直下に放熱性の優れた基板を配置することが可能となり、高出力動作で問題になる素子の発熱による動作不安定化を抑制することが容易に実現できる。
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜図２Ｇを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｇは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
次に、本発明の実施の形態２について、図２Ａ〜図２Ｇを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｇは、本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置の製造方法を説明するための各工程における状態を示す断面図である。
まず、図２Ａに示すように、ＧａＮからなる第１基板２０１の上に、酸素および窒素の少なくとも１つとＩｎとの化合物からなるＩｎ化合物（ＩｎＮxＯy、０≦ｘ，ｙ≦１、ｘおよびｙは同時に０ではない）からなる分離層２０２を形成する（第１工程）。分離層２０２は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、窒化インジウムであればよい。分離層２０２は、酸窒化インジウムから構成してもよい。
分離層２０２は、例えば、スパッタ法により形成してもよく、また、窒化インジウムであれば、分子線エピタキシー法などの気相成長法により形成してもよい。また、金属インジウムを蒸着法で堆積した後、酸素雰囲気で加熱して金属インジウムを酸化させて酸化インジウムとし、分離層２０２を形成してもよい。
次に、図２Ｂに示すように、分離層２０２の上に窒化物半導体からなる複数の半導体層をエピタキシャル成長して半導体積層構造２０３を形成する（第２工程）。例えば、有機金属気相成長法により、ＧａＮの層およびＡｌＧａＮの層を形成する。ＧａＮからなる第１基板２０１の上に、上述したＩｎ化合物からなる分離層２０２を介して半導体積層構造２０３をエピタキシャル成長するので、格子不整合に起因した転位は発生せず、基板と積層構造との熱膨張係数に起因した基板形状制御の困難もない。
ここで、上述したような気相成長による半導体積層構造２０３のエピタキシャル成長では、基板を加熱することになるが、この加熱温度を、少なくとも１層目の窒化物半導体層が分離層２０２を覆うまでは、窒化物半導体層の形成雰囲気で分離層２０２が蒸発する温度より低い温度条件とすることが重要となる。例えば、ＧａＮをエピタキシャル成長する場合、分離層２０２の融点以下であっても、分離層２０２が蒸発（気化）する場合がある。このため、ＧａＮの層が分離層２０２を覆う状態となるまでは、分離層２０２が蒸発する温度より低い温度条件としておく。また、全ての分離層２０２が覆われる状態とした後は、より高温の条件として各窒化物半導体層のエピタキシャル成長を行うことが可能となる。成長温度をより高い温度とすることで、成長速度をより速くすることが可能となる。
次に、図２Ｃに示すように、半導体積層構造２０３の上に第２基板２０４を貼り付ける（第３工程）。例えば、有機系の接着剤を用いて貼り付ければよい。このような接着剤を用いることで、後の工程で、第２基板２０４が剥がし易いものとなる。第２基板２０４は、例えば、ガラス、石英、シリコンなど、高い機械強度を有し、また、製造工程においてハンドリングが容易であり、安価な材料の基板を用いればよい。
次に、図２Ｄに示すように、半導体積層構造２０３と第１基板２０１とを分離層２０２で分離する（第４工程）。例えば、加熱することで分離層２０２を選択的に融解させ、半導体積層構造２０３より第１基板２０１を剥離する。例えば、第１基板２０１の裏面側から、分離層２０２で吸収される波長の高出力のレーザー（例えばエキシマレーザー）を照射することで、分離層２０２を選択的に融解させることができる（レーザーリフトオフ）。
レーザー照射による基板剥離は、サファイア基板上に成長したＧａＮ厚膜を剥離する手法としてよく知られている。この場合、例えば、融点２５００℃のＧａＮを融解させるため、レーザー照射パワーを非常に大きくする必要がある。これに対し、分離層２０２を構成するＩｎ化合物は、比較的低温で融解するので、必要なレーザー照射パワーを低くすることができる。例えば、窒化インジウムの融点は１１００℃であり、酸化インジウムの融点は２０００℃であり、酸窒化インジウムの融点は、窒化インジウムと酸化インジウムとの間の値となる。
なお、図２Ｃでは、融解させた分離層２０２は、半導体積層構造２０３の側に存在するものとして示しているが、図示していないが、第１基板２０１の側にも存在する。以上のようにして分離した第１基板２０１は、表面を清浄化する処理などをした後、再度利用する。このように、第１基板２０１は、再利用できるので、製造コストを抑制できるようになる。
次に、図２Ｅに示すように、半導体積層構造２０３に残っている分離層２０２に第３基板２０５を貼り付ける（第５工程）。例えば、第３基板２０５は、金属や導電性Ｓｉなどの導電性が高く、かつ放熱性に優れた材料から構成されていればよい。なお、この貼り付けでは、接着剤は特に必要がない。残っている分離層２０２を接着層として利用すればよい。例えば、加圧しながら熱処理することで、第３基板２０５を貼り付ければよい。次いで、図２Ｆに示すように、半導体積層構造２０３より第２基板２０４を剥離する（第６工程）。例えば、第２基板２０４の貼り付けに用いた有機系の接着剤を、有機溶剤などにより溶解することで第２基板２０４を取り除けばよい。
次に、第３基板２０５の上に配置されている半導体積層構造２０３より窒化物半導体装置を作製する（第７工程）。例えば、公知のリソグラフィー技術により形成したレジストパターンをマスクとしたエッチングにより窒化物半導体層を所望の形状にパターニングし、また、所望とする箇所に電極を形成するなどの公知の素子製造技術により、窒化物半導体ＦＥＴを作製する。
この窒化物半導体ＦＥＴは、図２Ｇに示すように、ＧａＮからなるチャネル層２３１およびＡｌＧａＮからなる障壁層２３２のへテロ構造を備え、障壁層２３２の上に、ソース電極２３４およびドレイン電極２３５が形成され、さらに、ソース電極２３４およびドレイン電極２３５の間に、絶縁層２３３を介してゲート電極２３６が設けられている。
また、ゲート電極２３６の下方の障壁層２３２は薄く、これ以外の領域の障壁層２３２は厚く形成されている。チャネル層２３１のゲート電極２３６の下方の領域においては、キャリアとなる電子が空乏した電子空乏領域が存在する状態となり、これ以外の領域においては、キャリアとして２次元電子が存在する状態となり、トランジスタの動作が可能となる。
上述したように、実施の形態２によれば、窒化物半導体の積層構造からなる窒化物半導体装置が、容易に基板形状制御ができ、転移の少ない状態で、低コストで作製できるようになる。また、Ｉｎ化合物からなる分離層２０２は、接地電極として機能させることが可能であり、接地電位が安定し、窒化物半導体装置の高出力動作時の電位揺らぎによる動作不安定化をも抑制することが可能となる。
また、窒化物半導体装置が配置される第３基板は、様々な材料から構成することが容易に可能であり、放熱性に優れた材料から構成することも可能である。従って、窒化物半導体装置の動作領域の直下に放熱性の優れた基板を配置することが可能となり、高出力動作で問題になる素子の発熱による動作不安定化を抑制することが容易に実現できる。
以上に説明したように、本発明では、ＧａＮ基板上に高出力素子用の半導体積層構造を形成した後に、この半導体積層構造をＧａＮ基板から剥離して他の基板へ転写し、残ったＧａＮ基板を高出力素子用積層構造形成用基板として再利用し、高価格なＧａＮ基板のコストを実質的に下げることを可能とした。
本発明では、特に基板から半導体積層構造を剥離するにあたり、剥離用の分離層を、窒化ホウ素、もしくは、ＩｎＮxＯy（０≦ｘ，ｙ≦１、ただしｘ，ｙは同時に０ではない）から構成している。なお、窒化ホウ素およびＩｎＮxＯyとを組み合わせた層を用いるようにしてもよい。ＧａＮ基板の上に、窒化ホウ素の層を形成し、次いで、ＩｎＮxＯyの層を形成し、これらで分離層とすればよい。この構成では、窒化ホウ素の層で容易にＧａＮ基板を分離し、ＩｎＮxＯyの層は、接地電極として機能させることができる。
また、窒化ホウ素は他の窒化物半導体に比べてエネルギーギャップが大きい特徴を有する。従って、ＧａＮ基板から剥離した際に、半導体積層構造下面に残存する窒化ホウ素の層は、表面保護層として有効に働く。さらに、高出力素子に要求される高耐圧特性に対しても、エネルギーギャップが大きいほど高耐圧化に優位であることから、作製しようとしている高出力素子の特性向上にも寄与することが期待される。
また、ＩｎＮxＯyは、導電性に優れた金属的な振る舞いを示す特徴を有する。従って、基板から剥離した際に積層構造下面に残存するＩｎＮxＯyの層は素子裏面に形成された接地電極として機能させることができる。高出力素子の安定動作のためには、良好な接地電極を形成することで接地電位を安定させることが有用である。ＩｎＮxＯyを用いることで、特段追加の工程を要することなく、良好な接地電極を形成することができ、安定な素子動作を実現することが可能となる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、半導体積層構造を構成する窒化物半導体は、ＧａＮ，ＡｌＧａＮに限るものではなく、他の窒化物半導体を用いるようにしてもよい。また、窒化物半導体の層は、有機金属気相成長法に限らず、分子線エピタキシー法，ハイドライド気相成長法などの気相成長法により形成してもよい。また、半導体積層構造より作製する窒化物半導体装置としてＦＥＴを例にしたが、これに限るものではなく、他の窒化物半導体装置でもよい。
また、Ｉｎ化合物（Ｉｎ窒化酸化物）による分離層を用いる場合、分離層は、ＧａＮ基板の表面を覆って形成する必要はなく、島状の層に形成されていてもよい。島状の層とした分離層の上に、例えば、ＧａＮをエピタキシャル成長させると、まず、分離層の各島の部分が核となり、島状の部分の表面にＧａＮがエピタキシャル成長する。この成長を続けると、ＧａＮはＧａＮ基板の平面方向に成長していき、分離層の各島部に成長していたＧａＮが、各々接触し、連続したＧａＮ層となる。引き続き成長を続けると、表面が平坦な状態にＧａＮ層が形成されるようになる。このように分離層を形成しても、半導体積層構造と第１基板とは、分離層で分離可能である。
１０１…第１基板、１０２…分離層、１０３…半導体積層構造、１０４…第２基板、１０５…第３基板、１３１…第３基板、１３２…障壁層、１３３…絶縁層、１３４…ソース電極、１３５…ドレイン電極、１３６…ゲート電極。
Claims (2)
- ＧａＮからなる第１基板の上に六方晶系の窒化ホウ素またはＩｎＮxＯy（０≦ｘ，ｙ≦１、ｘおよびｙは同時に０ではない）からなる分離層を形成する第１工程と、
前記分離層の上に窒化物半導体からなる複数の半導体層を結晶成長して半導体積層構造を形成する第２工程と、
前記半導体積層構造の上に第２基板を貼り付ける第３工程と、
前記半導体積層構造と前記第１基板とを前記分離層で分離する第４工程と、
前記半導体積層構造に残っている前記分離層に第３基板を貼り付ける第５工程と、
前記半導体積層構造より前記第２基板を剥離する第６工程と、
前記第３基板の上に配置されている前記半導体積層構造より半導体装置を作製する第７工程と
を少なくとも備えることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 - 請求項１記載の窒化物半導体装置の製造方法において、
前記第３基板は、金属または導電性シリコンから構成されていることを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。
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