JP6028970B2 - 半導体装置の製造方法およびエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法およびエッチング方法に関する。さらに詳細には、III 族窒化物系化合物半導体を好適にエッチングすることのできる半導体装置の製造方法およびエッチング方法に関するものである。

III 族窒化物系化合物半導体においては、Ｓｉに比べて、電子伝導性が高く、絶縁破壊電界強度も高い。したがって、パワーデバイスへの適用が期待されている。従来におけるＧａＮ系のＨＥＭＴは、ゲート電極に電圧を印加しない場合であっても、オン状態になるノーマリオン特性を有する。つまり、ゲート電極に電圧を印加していないにもかかわらず、ソース−ドレイン間に電流が流れる。これでは、停電時等の安全性に問題がある。

そのため、ソース−ドレイン間に電流が流れないノーマリオフを実現するための技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、ａ面やｍ面などの無極性面や半極性面を主面とするIII 族窒化物半導体で構成された絶縁ゲート型のＨＦＥＴが記載されている。ａ面やｍ面はピエゾ分極による内部電界が０となる面であり、ｃ面の場合のように内部電界によって高いシートキャリア密度が生じてしまうことがないため、ノーマリオフを実現することができる。また、特許文献１のＨＦＥＴでは、リセス構造を採用することで正の閾値電圧を高めている。また、特許文献１のＨＦＥＴでは、障壁層にｎ型不純物をドープすることで、チャネル層に電子を供給し、抵抗を低減している。

このようなリセス構造を形成するために、半導体層にエッチングを実施する。しかし、III 族窒化物系化合物半導体は、化学薬液に不溶である。そのため、ドライエッチングが用いられる。例えば、非特許文献１には、基板温度を１７０℃以下として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）エッチング装置によりＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮをエッチングする技術が開示されている。エッチングガスとして、Ｃｌ₂ とＨ₂ とＡｒとの混合ガスが用いられている。

特開２００８−２７０５２１号公報

R. J. Shul et al., Appl. Phys. Lett. 66, 1761 (1995).

ところで、Ｖ族（１５族）にあたる窒素とその塩化物などの反応生成物の揮発温度は低い。例えば、窒素（Ｎ₂ ）の沸点は−１９６℃である。ＮＣｌ₃ の沸点は、７１℃以下であり、しかも不安定である。沸点が２４０３℃であるＧａや、沸点が２０１℃であるＧａＣｌ₃ と比べると、揮発温度の低さは顕著である。そして、この傾向はIII 族とＶ族の化合物半導体において一般的な性質である。

ここで、ＧａＮにＣｌ₂ を含むガスをエッチングガスとしてドライエッチングを行う場合について説明する。この場合、Ｇａ−Ｎの化学結合がイオン衝撃によって切断され、Ｇａ−Ｃｌ結合をもつ反応生成物が生成される。しかし、２００℃以下では、ＧａＣｌ₃ はほとんど揮発しない。一方、前述のように、窒素（Ｎ₂ ）は揮発する。したがって、ＧａＮから窒素原子を含む生成物が優先的に離脱する。これにより、Ｇａが多いＧａ過剰領域が半導体層の表面に形成されて、表面組成が変化するおそれがある。また、半導体層の内部に窒素空孔が拡散してバルクな結晶欠陥を生成するおそれもある。

このような表面組成の変化や結晶欠陥の発生により、半導体の品質が劣化する。このような半導体結晶の品質の劣化が生ずると、製造されるパワーデバイスの性能は安定しない。つまり、歩留りの悪化や、製品の品質のばらつきを招く。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、III 族窒化物系化合物半導体における表面組成の変化や結晶中の欠陥の発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法およびエッチング方法を提供することである。

第１の態様における半導体装置の製造方法は、基板の主面にIII 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程と、半導体層に凹部を形成する凹部形成工程と、を有する。そして、凹部形成工程は、半導体層の上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、マスク層を形成した半導体層にエッチングを施すエッチング工程と、マスク層を除去するマスク層除去工程と、を有する。マスク層形成工程では、半導体層の上にカーボン膜または窒化膜を形成した後にカーボン膜または窒化膜の上に有機レジストを形成する。また、有機レジストにパターニングを施する。そして、パターニング済みの有機レジストをマスクとしてカーボン膜または窒化膜にパターンを転写することによりマスク層を形成する。エッチング工程では、基板の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、大気圧に比べて低い減圧下で容量結合型プラズマを発生させてＣｌ ₂ を含むガスをプラズマ化してドライエッチングを行うことにより半導体層の厚みの一部を除去して半導体層に凹部を形成する。

この半導体装置の製造方法では、十分に高い温度でＣｌ₂ を用いてドライエッチングを行うことにより、凹部（リセス）を形成する。そのため、形成した凹部の近傍に欠陥が生じたりするおそれがほとんどない。また、凹部の近傍にＧａ過剰領域や、Ｎ過剰領域が形成されてしまうおそれがほとんどない。したがって、品質の高い半導体装置を製造することができる。また、この製造方法については、凹部を有する半導体装置であれば、縦型構造および横型構造のいずれにも用いることができる。

第２の態様における半導体装置の製造方法において、半導体層は、キャリア走行層と、キャリア走行層の上のキャリア供給層と、を有する。凹部形成工程では、キャリア供給層に凹部を形成するとともに凹部の底面および内側面にキャリア供給層を露出させる。

第３の態様におけるエッチング方法は、III 族窒化物系化合物半導体をエッチングする方法である。そして、III 族窒化物系化合物半導体の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、大気圧に比べて低い減圧下で容量結合型プラズマを発生させてＣｌ ₂ を含むガスをプラズマ化してドライエッチングを行うことによりIII 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去する。このエッチング方法を用いることにより、III 族窒化物系化合物半導体に好適にエッチング処理を施すことができる。エッチング処理を施した箇所の付近に欠陥が生じるおそれがほとんどない。また、表面組成が変化するおそれがほとんどない。

本発明によれば、III 族窒化物系化合物半導体における表面組成の変化や結晶中の欠陥の発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法およびエッチング方法が提供されている。

第１の実施形態に係る横型構造のパワーデバイスの構造を示す図である。 実施形態に係るエッチング方法に用いるエッチング装置の概略構成を示す図である。 第１の実施形態に係るパワーデバイスの製造方法を説明するための図（その１）である。 第１の実施形態に係るパワーデバイスの製造方法を説明するための図（その２）である。 第１の実施形態に係るパワーデバイスの製造方法を説明するための図（その３）である。 第１の実施形態に係るパワーデバイスの製造方法を説明するための図（その４）である。 従来のパワーデバイスの製造方法でのエッチングによる半導体層へのダメージを説明するための図である。 フォトルミネッセンス測定における光電子のエネルギーのスペクトルを比較するためのグラフである。 フォトルミネッセンス測定におけるＩ_YL／Ｉ_BL比の温度依存性を示すグラフである。 実施例（Ｃｌ₂ ガス）における表面組成比の温度依存性を示すグラフである。 比較例（Ａｒガス）における表面組成比の温度依存性を示すグラフである。 実施例と比較例とで表面組成を比較するためのグラフである。 比較例（Ｃｌ₂ ガス）における表面組成を示すグラフである。 ＡＦＭ測定による凹部の表面を示す写真である。 実施例におけるエッチングレートの温度依存性を示すグラフである。 第１の実施形態に係る絶縁ゲート型のパワーデバイスの構造を示す図である。 第２の実施形態に係る縦型構造のパワーデバイスの構造を示す図である。

以下、具体的な実施形態について、パワーデバイスの製造方法とその製造工程におけるエッチング方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
１．半導体装置（横型構造）
第１の実施形態について説明する。本実施形態のパワーデバイス１００の構造を図１に示す。パワーデバイス１００は、ノーマリオフ型のＨＥＭＴである。図１に示すように、パワーデバイス１００は、横型構造の半導体装置である。パワーデバイス１００は、基板１１０と、バッファ層１２０と、ＧａＮ層１３０と、ＡｌＧａＮ層１４０と、ゲート電極Ｇ１と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を有している。

基板１１０は、Ｓｉ基板である。また、その他に、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、スピネル基板、ＧａＮ基板を用いてもよい。バッファ層１２０は、ＡｌＮまたはＧａＮから成る層である。また、バッファ層１２０は、必ずしも形成しなくともよい。

ＧａＮ層１３０は、キャリア走行層である。ＡｌＧａＮ層１４０は、キャリア供給層である。キャリア走行層と、キャリア供給層とは、ヘテロ結合である。そして、キャリア供給層のバンドギャップは、キャリア走行層のバンドギャップよりも大きい。これらの条件を満たしていれば、その他のIII 族窒化物系化合物半導体を用いてもよい。

ＡｌＧａＮ層１４０には、凹部１４１が形成されている。この凹部１４１は、後述するエッチング方法により形成されたものである。凹部１４１には、ゲート電極Ｇ１の一部が差し込まれている。このように、パワーデバイス１００は、リセス構造を有している。また、この凹部１４１の箇所に、別の半導体層を設けることとしてもよい。

ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１は、ＡｌＧａＮ層１４０の上に形成されている。ゲート電極Ｇ１は、前述のように、ＡｌＧａＮ層１４０の凹部１４１の箇所に形成されている。

ソース電極Ｓ１は、ＡｌＧａＮ層１４０とオーミック接触をしている。ソース電極Ｓ１は、ＡｌＧａＮ層１４０の側からＴｉ層と、そのＴｉ層の上にＡｌ層を形成したものである。また、その他のＡｌ合金を用いることができる。また、ＭｏもしくはＭｏ化合物を用いてもよい。そして、ＴｉもしくはＴｉ化合物を用いてもよい。さらに、ＷもしくはＷ化合物を用いることもできる。ドレイン電極Ｄ１についても同様である。

ゲート電極Ｇ１は、ＡｌＧａＮ層１４０の上に形成されている。そして、その配置されている位置は、ＡｌＧａＮ層１４０の凹部１４１と対面する位置である。ゲート電極Ｇ１は、ＡｌＧａＮ層１４０の側からＮｉ層と、そのＮｉ層の上にＡｕ層を形成したものである。また、Ｐｄ層、Ａｕ層の順に形成することとしてもよい。また、その他の金属および化合物を用いることができる。また、Ａｌを用いることもできる。

２．エッチング装置
次に、エッチング装置について説明する。エッチング装置は、ＡｌＧａＮ層１４０に凹部１４１を形成するために用いられるものである。エッチング装置１０００の概略構成を図２に示す。エッチング装置１０００は、反応室１１００と、加熱ステージ１２１０と、電圧印加部１２２０と、隔壁１３１０と、ガス室１３３０と、ガス供給部１３４０と、を有している。

反応室１１００の内部にはプラズマ発生領域ＰＲがある。プラズマ発生領域ＰＲは、加熱ステージ１２１０の上部に位置する領域である。プラズマ発生領域ＰＲで発生したプラズマにより、加熱ステージ１２１０のエッチング対象物にエッチング処理が施される。ここでエッチング対象物とは、もちろん、基板１１０に形成された半導体層である。

隔壁１３１０および加熱ステージ１２１０は、電圧を印加される電極である。これにより、プラズマ発生領域ＰＲに容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）が発生する。隔壁１３１０は、反応室１１００とガス室１３３０との間を隔てるための仕切りを兼ねている。隔壁１３１０には、多数の貫通孔１３２０が設けられている。そのため、反応室１１００とガス室１３３０とは連通している。この貫通孔１３２０は、ガス室１３３０からガスを供給するためのものである。なお、隔壁１３１０は、接地されている。

加熱ステージ１２１０は、基板１１０を加熱するための加熱部を兼ねている。また、エッチング対象物を載せるための載置台でもある。電圧印加部１２２０は、隔壁１３１０と加熱ステージ１２１０との間に電圧を印加するためのものである。そのため、電圧印加部１２２０は、電源およびそれを制御する回路を有している。

ガス室１３３０は、ガス供給部１３４０から流入するガスを一時的に溜めておくためのものである。ガス供給部１３４０は、エッチングに用いられるガスをガス室１３３０に供給するためのものである。なお、図示していないが、反応室１１００には排気口が設けられている。

３．エッチング方法（凹部形成工程）
本実施形態ではエッチング方法に特徴がある。表１に示すように、エッチングガスとしてＣｌ₂ を含むガスを用いて、III 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層にドライエッチングを施す。

３−１．マスク層形成工程
エッチング処理を施す前に、マスク層を形成する。ここでは、半導体層の上に下部層を形成し、その下部層の上に上部層を形成する。下部層の材質として、カーボン膜が挙げられる。または、窒化膜であってもよい。基板温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とするため、この温度範囲でも耐熱性のある材質であればよい。上部層の材質として、有機レジストが挙げられる。

そして、有機レジストから成る上部層をパターニングする。次に、パターニング済みの上部層をマスクにして、下部層にそのパターンを転写する。そして、上部層を除去する。これにより、パターニング済みの下部層が得られる。このパターニング済みの下部層が、本実施形態におけるマスク層である。

なお、下部層の材質としてシリコン酸化膜を用いた場合には、微量であってもシリコン酸化膜はエッチングされる。そのため、酸素が放出される。したがって、半導体層が酸化されるおそれがある。ゆえに、カーボン膜等のほうが好ましい。

３−２．エッチング工程
エッチングガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ等の希ガスを含んでいてもよい。そして、還元性を有するＨ₂ 、Ｏ₂ 、Ｎ₂ 、ＣＣｌ₃ 、ＢＣｌ₃ 、ＳｉＣｌ₄ を含んでいてもよい。したがって、Ｃｌ₂ を含むエッチングガスとして、Ｃｌ₂ とＡｒとの混合ガス、Ｃｌ₂ とＨ₂ とＡｒとの混合ガス、Ｃｌ₂ とＢＣｌ₃ との混合ガス、Ｃｌ₂ とＮ₂ との混合ガス等、が挙げられる。もちろん、これらに限らない。

そして、エッチングを実施する際の基板１１０の温度を２００℃以上６００℃以下の範囲内とする。そして、半導体層は十分に薄いので、エッチング処理を施す際には、半導体層の温度も２００℃以上６００℃以下の範囲内にある。なお、エッチングを実施する時間は、１分〜５分程度である。エッチング処理を施す時間については、形成する凹部１４１の形状や、エッチング対象となる半導体層、半導体層の面によって、異なる時間を設定すればよい。

［表１］
エッチング条件
エッチングガス Ｃｌ₂ を含むガス
基板の温度 ２００℃以上６００℃以下

３−３．マスク層除去工程
次に、マスク層を除去する。水素を含むプラズマやプラズマで生成させた水素原子を用いることにより、マスク層を除去することができる。なお、ＧａＮでは、エッチング後に温度を室温にして水素原子を曝露すると、フォトルミネッセンスの光学特性が改善する。

４．半導体装置の製造方法
ここで、半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態の半導体装置の製造方法は、リセス構造を形成するためのエッチング方法に特徴がある。

４−１．半導体層形成工程
基板１１０の主面に、バッファ層１２０、ＧａＮ層１３０、ＡｌＧａＮ層１４０の順に、半導体層を形成する。その際に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いる。キャリアガスとして、水素ガスや窒素ガスを用いる。窒素源としてアンモニアを、Ｇａ源としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を、Ａｌ源としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を、それぞれ用いる。これにより、図３に示すように、基板１１０の上に半導体層を形成した積層体が作製される。

４−２．電極形成工程（ソース電極、ドレイン電極）
次に、図４に示すように、ＡｌＧａＮ層１４０の上にソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成する。

４−３．凹部形成工程
次に、ＡｌＧａＮ層１４０に凹部１４１を形成する。まず、図５に示すように、凹部１４１を形成する箇所を除いて、マスク層Ｍ１を形成する。マスク層Ｍ１は、凹部１４１を形成する箇所を除いたＡｌＧａＮ層１４０の表面と、ソース電極Ｓ１と、ドレイン電極Ｄ１と、を覆っている。

次に、図６に示すように、ＡｌＧａＮ層１４０にドライエッチングを実施することにより、凹部１４１を形成する。そのエッチング条件は、前述のとおり、表１に示したとおりである。このエッチングにより、ＡｌＧａＮ層１４０の厚みの一部を除去して、ＡｌＧａＮ層１４０に凹部１４１が形成される。そして、マスク層Ｍ１を除去する。

４−４．電極形成工程（ゲート電極）
次に、ＡｌＧａＮ層１４０の凹部１４１の箇所にゲート電極Ｇ１を形成する。このとき、凹部１４１の内側の全体を埋めるように、ゲート電極Ｇ１を形成する。そして、ゲート電極Ｇ１の少なくとも一部は、ＡｌＧａＮ層１４０の表面に露出している。以上により、図１に示したパワーデバイス１００が製造される。なお、適宜、熱処理工程を行うとよい。この熱処理により、電極と半導体層との間の接触抵抗が小さくなる。また、各半導体層を活性化することもできる。

５．従来のパワーデバイスとの比較
図７に従来のパワーデバイスの一例を示す。従来では、図７に示すように、エッチングにより形成された凹部の箇所に損傷が見られる。具体的には、Ｇａが多いＧａ過剰領域や、Ｎが多いＮ過剰領域が凹部の表面近傍に形成されて、表面組成が変化している。また、結晶中に欠陥が生じて、半導体層の結晶性が劣化している。後述する実験のところで示すように、本実施形態のパワーデバイス１００では、従来のパワーデバイスで生じるような損傷は、ほとんどみられない。

６．実験
６−１．試料
次に、本実施形態のエッチング方法について行った実験について説明する。まず、試料について説明する。表２に示すように、試料は、サファイア基板にｎ型ＧａＮ層を形成したものである。そのために、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた。ドーピングに、Ｓｉを用いた。ｎ型ＧａＮ層の膜厚は、５μｍである。

［表２］
試料
基板 サファイア基板
半導体層 ｎ型ＧａＮ層
半導体層の膜厚 ５μｍ

６−２．エッチング条件
次に、エッチング条件について説明する。表３に示すように、エッチングに用いたガスは、Ｃｌ₂ ガスとＡｒガスである。実施例では、Ｃｌ₂ ガスを用いてエッチングした。この場合、エッチング処理を施すエッチング時間を、２分とした。比較例では、Ａｒガスを用いてエッチングした。この場合、エッチング処理を施すエッチング時間を、１０分とした。

［表３］
エッチング条件１
エッチングガスの種類 エッチング時間
実施例 Ｃｌ₂ ２分
比較例 Ａｒ １０分

そして、実施例および比較例の場合のいずれも、表４に示す共通のエッチング条件を用いた。つまり、ガスの流量を５０ｓｃｃｍとした。反応室１１００の内圧を１０Ｐａとした。ＲＦパワーを６０Ｗとした。交流電圧の周波数を１３．５６ＭＨｚとした。

［表４］
エッチング条件２
ガスの流量 ５０ｓｃｃｍ
反応室の内部の圧力 １０Ｐａ
ＲＦパワー ６０Ｗ
交流電圧の周波数 １３．５６ＭＨｚ
基板温度 ３００℃以上６００℃以下

６−３．実験条件
この実験において、変化させたパラメータは、基板温度である。表４に示すように、基板温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内で１００℃刻みで変化させた。そして、それぞれの場合について、フォトルミネッセンス測定、ＸＰＳ測定、ＡＦＭ測定を実施した。

６−４．フォトルミネッセンス測定
フォトルミネッセンス測定（ＰＬ測定）により、ｎ型ＧａＮ層の凹部に生じる格子欠陥について調べた。その際に、励起光源として波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを用いた。実験環境は、室温である。図８にフォトルミネッセンス測定（ＰＬ測定）の結果を示す。なお、図８では、基板温度を６００℃としてエッチングを施した場合を示している。図８に示すように、実施例では、ＢＬ成分（３．４ｅＶ周辺）の大きなピークがあるが、ＹＬ成分（２．３ｅＶ周辺）はほとんどない。比較例では、ＢＬ成分（３．４ｅＶ周辺）の大きなピークとともに、ＹＬ成分（２．３ｅＶ周辺）のなだらかなピークが存在する。

図９にフォトルミネッセンス測定におけるＹＬ成分とＢＬ成分との比を示す。ここで、Ｉ_YLは、ＹＬ成分の強度を示す。Ｉ_BLは、ＢＬ成分の強度を示す。そして、Ｉ_YL／Ｉ_BLの値が大きいほど、エッチング処理を施した凹部近傍のｎ型ＧａＮ層に欠陥が発生している。

実施例についてみると、Ｃｌ₂ ガスを用いて基板温度を６００℃としてエッチングをした場合には、Ｉ_YL／Ｉ_BLの値は、０程度であった。一方、比較例についてみると、Ａｒガスを用いて基板温度を６００℃としてエッチングをした場合には、Ｉ_YL／Ｉ_BLの値は、０．２程度であった。

つまり、実施例のようにＣｌ₂ ガスを用いた場合には、格子欠陥が生じにくい。一方、比較例のようにＡｒガスを用いた場合には、格子欠陥がある程度生じている。そして、これらの傾向は、基板温度を変えても変わらない。

６−５．Ｘ線光電子分光による測定
Ｘ線光電子分光による測定（ＸＰＳ測定）により、表面組成比について調べた。図１０にＣｌ₂ ガスを用いた場合、すなわち、実施例における表面組成比を示す。図１０に示すように、この場合には、基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内のいずれの場合もほぼ同様の傾向にある。つまり、Ｇａの組成比が４０％程度である。また、Ｎの組成比が４０％程度である。そして、Ｏの組成比が２０％程度である。このためＧａの組成比に対するＮの組成比（Ｎの組成比／Ｇａの組成比）が、基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内で８０％以上である。なお、光電子脱出角度は９０°である。

図１１にＡｒガスを用いた場合、すなわち、比較例における表面組成比を示す。図１１に示すように、この場合には、基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内のいずれの場合もほぼ同様の傾向にある。つまり、Ｇａの組成比が４０％程度である。また、Ｎの組成比が２０％程度である。そして、Ｏの組成比が４０％程度である。このためＧａの組成比に対するＮの組成比（Ｎの組成比／Ｇａの組成比）が、基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内で５０％程度である。なお、光電子脱出角度は９０°である。

比較例（Ａｒガス）では、ＧａＮ結晶からＮが優先的に離脱している。つまり、凹部１４１における表面組成比は、凹部１４１の形成箇所以外のＡｌＧａＮ層１４０の組成比に比べて、大きくずれている。一方、実施例（Ｃｌ₂ ガス）では、このような表面組成比の大きなずれは生じていない。

図１２に実施例と比較例とでの表面組成を比較したグラフを示す。図１２における一番下の線は、エッチング処理を施していない場合におけるＸＰＳ測定のスペクトルを示す線である。図１２における真ん中の線は、Ａｒガスを用いて基板温度を６００℃としてエッチング処理を施したときのスペクトルを示す線である。図１２における一番上の線は、Ｃｌ₂ ガスを用いて基板温度を６００℃としてエッチング処理を施したときのスペクトルを示す線である。なお、光電子脱出角度は１５°である。

図１２に示すように、実施例（Ｃｌ₂ ガス）の場合のスペクトルでは、ピークは一つのみである。そして、そのピークのエネルギーは、ＧａＮの結合エネルギーとほとんど差がない。実施例（Ｃｌ₂ ガス）の場合のスペクトルは、エッチング処理を施していない場合のスペクトルとほとんど同じである。つまり、実施例（Ｃｌ₂ ガス）では、表面組成の変化はほとんどない。

一方、比較例（Ａｒガス）の場合のスペクトルは、ダブルピークとなっている。そして、そのいずれのピークもＧａＮの結合エネルギーからはずれている。つまり、比較例（Ａｒガス）では、表面の組成は、ＧａＮからＧａ_x Ｏ_y とＧａ−Ｇａ結合とに変化している。このように半導体層へのダメージがあるため、製造後のパワーデバイスの品質も高くない。

図１３に比較例における基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内の場合を示す。基板温度が３００℃以上６００℃以下の範囲内で、傾向の違いはそれほどない。いずれの場合も、凹部の表面では、Ｇａ_x Ｏ_y が生じるとともに、ＧａＮ結晶がほとんど残っていない。なお、温度が高いほど、Ｇａ−Ｇａ結合が生じている。なお、光電子脱出角度は１５°である。

６−６．原子間力顕微鏡による測定
図１４に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた測定による凹部１４１の表面写真を示す。基板温度が３００℃のときには、実施例（Ｃｌ₂ ガス）および比較例（Ａｒガス）のいずれの場合においても、凹部１４１の表面に荒れはほとんど生じなかった。一方、基板温度が６００℃のときには、実施例（Ｃｌ₂ ガス）では、ピットが発生し、比較例（Ａｒガス）では、表面荒れが発生した。

６−７．エッチングレート
実施例（Ｃｌ₂ ガス）におけるエッチングレートを図１５に示す。図１５に示すように、基板温度が３００℃のときには、エッチングレートは２９３ｎｍ／ｍｉｎである。基板温度が６００℃のときには、エッチングレートは５３４ｎｍ／ｍｉｎである。このように、エッチング処理時における基板温度が高いほどエッチングレートは速い。

７．変形例
７−１．製造工程
本実施形態では、ソース電極Ｓ１およびドレイン電極Ｄ１を形成後に、マスク層を形成して、エッチングの実施によりＡｌＧａＮ層１４０に凹部１４１を設けることとした。しかし、ＡｌＧａＮ層１４０に凹部１４１を形成した後に、ソース電極Ｓ１、ドレイン電極Ｄ１、ゲート電極Ｇ１を形成することとしてもよい。

７−２．絶縁ゲート型パワーデバイス
本実施形態では、ゲート電極Ｇ１がＡｌＧａＮ層１４０に接触しているパワーデバイス１００について説明した。しかし、図１６に示すように、絶縁ゲート型のパワーデバイス２００についても同様に適用することができる。その場合には、本実施形態のエッチング処理を施してＡｌＧａＮ層１４０に凹部２４１を形成する。そして、凹部２４１の底面および内側面に絶縁膜２５０を形成する（絶縁膜形成工程）。また、ＡｌＧａＮ層１４０の露出面をも絶縁膜で覆うこととしてもよい。そして、ゲート電極Ｇ２を、絶縁膜２５０の上に形成する（電極形成工程）。その形成する位置は、絶縁膜２５０を挟んで凹部２４１と対面する位置である。

７−３．組み合わせ
また、上記の変形例を互いに組み合わせて用いてもよい。

８．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のエッチング方法は、III 族窒化物系化合物半導体の表面に、III 族窒化物系化合物半導体の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、III 族窒化物系化合物半導体にＣｌ₂ を用いてドライエッチングを行う方法である。これにより、そのIII 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去するエッチング方法が実現されている。

また、本実施形態の半導体装置の製造方法では、基板１１０の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、III 族窒化物系化合物半導体にＣｌ₂ を用いてドライエッチングを行うことにより、そのIII 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去して凹部を形成する。これにより、III 族窒化物系化合物半導体における表面組成の変化や結晶中の欠陥の発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法が実現されている。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本実施形態では、エピタキシャル成長の方法として、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることとした。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスドスパッタデポジション法（ＰＳＤ）、そして、液相エピタキシー法などを用いてもよい。

また、ＪＥＴやＭＯＳなどの、その他の半導体装置に適用することもできる。

（第２の実施形態）
１．半導体装置（縦型構造）
第２の実施形態について説明する。本実施形態のパワーデバイス３００の構造を図１７に示す。パワーデバイス３００は、ｎｐｎ型トランジスタである。図１７に示すように、パワーデバイス３００は、縦型構造の半導体装置である。パワーデバイス３００は、図１７に示すように、基板３１０と、ｎ型ＧａＮ層３２０と、ｐ型ＧａＮ層３３０と、ｎ型ＧａＮ層３４０と、絶縁膜３５０と、ゲート電極Ｇ３と、ソース電極Ｓ３と、ドレイン電極Ｄ３と、を有している。

基板３１０は、例えば、導電性のＧａＮ基板である。また、その他に、Ｓｉ基板やＳｉＣ基板等の導電性基板を用いることができる。ｎ型ＧａＮ層３４０のキャリア濃度は、ｎ型ＧａＮ層３２０のキャリア濃度よりも高い。

図１７に示すように、パワーデバイス３００には、凹部３４１が形成されている。凹部３４１は、ｎ型ＧａＮ層３４０およびｐ型ＧａＮ層３３０およびｎ型ＧａＮ層３２０にわたって形成されている。この凹部３４１は、第１の実施形態で説明したエッチング方法により形成されたものである。

絶縁膜３５０は、ゲート絶縁膜と保護膜とを兼ねているものである。そのため、凹部３４１のすべてを覆っている。ゲート電極Ｇ３と各半導体層とを絶縁するためである。絶縁膜３５０の材質はＳｉＯ₂ である。また、ＳｉＮ_X 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＨｆＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＡｌＮなどを用いてもよい。

２．半導体装置の製造方法
パワーデバイス３００を製造する場合も、基板３１０の上に各半導体層を形成する（半導体層形成工程）。そして、凹部３４１を形成する（エッチング工程）。また、凹部３４１の箇所に絶縁膜３５０を形成する（絶縁膜形成工程）。そして、ドレイン電極Ｄ３を形成するとともに、ソース電極Ｓ３およびゲート電極Ｇ３を形成する（電極形成工程）。

なお、凹部３４１は、ｎ型ＧａＮ層３４０の厚みの全部と、ｐ型ＧａＮ層３３０の厚みの全部と、ｎ型ＧａＮ層３２０の厚みの一部とを除去することにより、凹部３４１を形成する。しかし、この場合であっても、半導体層の厚みの一部を除去して凹部３４１を形成していることに変わりない。

３．変形例
第２の実施形態においても、第１の実施形態で説明した全ての変形例を適用することができる。なお、絶縁膜のない縦型構造の半導体装置にも適用することができる。

４．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態のエッチング方法は、III 族窒化物系化合物半導体の表面に、III 族窒化物系化合物半導体の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、III 族窒化物系化合物半導体にＣｌ₂ を用いてドライエッチングを行う方法である。これにより、そのIII 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去するエッチング方法が実現されている。

また、本実施形態の半導体装置の製造方法では、基板３１０の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、III 族窒化物系化合物半導体にＣｌ₂ を用いてドライエッチングを行うことにより、そのIII 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去して凹部を形成する。これにより、III 族窒化物系化合物半導体における表面組成の変化や結晶中の欠陥の発生を抑制することのできる半導体装置の製造方法が実現されている。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。本実施形態では、エピタキシャル成長の方法として、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いることとした。しかし、ハイドライド気相エピタキシー法（ＨＶＰＥ）などの気相成長法や、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）、パルスドスパッタデポジション法（ＰＳＤ）、そして、液相エピタキシー法などを用いてもよい。

１００…パワーデバイス
１１０…基板
１２０…バッファ層
１３０…ＧａＮ層
１４０…ＡｌＧａＮ層
１５０…絶縁膜
Ｇ１…ゲート電極
Ｓ１…ソース電極
Ｄ１…ドレイン電極
２００…パワーデバイス
Ｇ２…ゲート電極
３００…パワーデバイス
３１０…基板
３２０…ｎ型層
３３０…ｐ型層
３４０…ｎ型層
３５０…絶縁膜
Ｇ３…ゲート電極
Ｓ３…ソース電極
Ｄ３…ドレイン電極

Claims (3)

1. 基板の主面にIII 族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を形成する半導体層形成工程と、
   前記半導体層に凹部を形成する凹部形成工程と、
   を有する半導体装置の製造方法において、
   前記凹部形成工程は、
   前記半導体層の上にマスク層を形成するマスク層形成工程と、
   前記マスク層を形成した前記半導体層にエッチングを施すエッチング工程と、
   前記マスク層を除去するマスク層除去工程と、
   を有し、
   前記マスク層形成工程では、
   前記半導体層の上にカーボン膜または窒化膜を形成した後に前記カーボン膜または前記窒化膜の上に有機レジストを形成し、
   前記有機レジストにパターニングを施し、
   パターニング済みの前記有機レジストをマスクとして前記カーボン膜または前記窒化膜にパターンを転写することにより前記マスク層を形成し、
   前記エッチング工程では、
   前記基板の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、大気圧に比べて低い減圧下で容量結合型プラズマを発生させてＣｌ ₂ を含むガスをプラズマ化してドライエッチングを行うことにより前記半導体層の厚みの一部を除去して前記半導体層に凹部を形成すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半導体層は、
   キャリア走行層と、前記キャリア走行層の上のキャリア供給層と、
   を有し、
   前記凹部形成工程では、
   前記キャリア供給層に前記凹部を形成するとともに前記凹部の底面および内側面に前記キャリア供給層を露出させること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。
3. III 族窒化物系化合物半導体をエッチングするエッチング方法において、
   前記III 族窒化物系化合物半導体の温度を３００℃以上６００℃以下の範囲内とした状態で、大気圧に比べて低い減圧下で容量結合型プラズマを発生させてＣｌ ₂ を含むガスをプラズマ化してドライエッチングを行うことにより前記III 族窒化物系化合物半導体の厚みの一部を除去すること
   を特徴とするエッチング方法。