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JP7028547B2 - 化合物半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、化合物半導体装置に関する。
従来のシリコン系の半導体デバイスの代替として、より高速動作が可能な窒化物系化合物半導体装置の開発が進められている。化合物半導体装置のなかで、特にGaN系半導体装置の実用化に向けた研究開発が盛んである。
GaN系半導体は、結晶構造として六方晶をとる。通常、六方晶系半導体からなる半導体装置ではc面が用いられるが、GaN系半導体のc面には、Ga面(Ga極性、Ga-polar)とN面(N極性、N-polar)の二つの極性面が存在する。一般に、N極性方向への結晶成長が難しいことから、Ga極性方向に成長させたエピ基板(ウェハ)が用いられている。図1(a)は、GaN系半導体装置の断面図である。
GaN系半導体装置2rは、エピ基板10を備える。エピ基板10は、成長用基板12、GaN層14、AlGaN層16を備える。GaN層14はバッファ層および電子走行層であり、SiCなどの成長用基板12上に、Ga極性方向に結晶成長され、さらにその上に、電子供給層であるAlGaN層16がエピタキシャル成長により形成される。このGaN系半導体装置では、Ga面がデバイスの表面に現れており、HEMT(High Electron Mobility Transistor)などの半導体素子は、Ga面側に形成される。このようなGaN系半導体装置2rは、無線通信の基地局などの用途で実用化が進められている。本明細書において、図1(a)のGaN系半導体装置2rに形成されるトランジスタ(HEMT)を、Ga面HEMTと称する。
HEMTを高速化するためには、アクセス抵抗の低減が重要な課題となる。アクセス抵抗は、コンタクト抵抗成分Rcと半導体抵抗成分の直列接続と把握できる。ここでGa面HEMTでは、チャネル18がGaN層14に形成されるところ、電子供給層であるAlGaN層16が、ドレイン電極およびソース電極のチャネル18に対するコンタクトの障害となり、コンタクト抵抗Rcが大きくなる。
一方で、N面側に半導体素子を形成したGaN系半導体装置2も提案されている(非特許文献1)。図1(b)は、GaN系化合物半導体装置の断面図である。本明細書では図1(b)のGaN系半導体装置に形成されるトランジスタを、N面HEMTと称し、図1(a)のGa面HEMTと区別する。GaN系半導体装置2sはエピ基板20を備える。エピ基板20は、成長用基板22、GaN層24、AlGaN層26、GaN層28を備える。GaN層24はバッファ層であり、SiCなどの成長用基板22上に、N極性の方向に結晶成長され、さらにその上に、電子供給層であるAlGaN層26が、エピタキシャル成長される。さらにAlGaN層26の上には、電子走行層であるGaN層28がエピタキシャル成長により形成される。
このGaN系半導体装置2sでは、HEMTのチャネル30は、GaN層28に形成される。したがって表層側に形成されるドレイン電極およびソース電極とチャネル30の間にエネルギー障壁となるAlGaN層26が介在しないため、オーミックコンタクトがとりやすく、コンタクト抵抗Rcを小さくできる。さらに、AlGaN層26がチャネル30よりも成長用基板22側に配置されるため、必然的にバックバリア構造が形成されることとなり、短チャネル効果が抑制される。これらの理由により理論上、N面HEMTはGa面HEMTよりも高周波特性に優れる。
Singisetti, Uttam, Man Hoi Wong, and Umesh K. Mishra、"High-performance N-polar GaN enhancement-mode device technology"、Semiconductor Science and Technology 28.7 (2013):074006 Zhong, Can-Tao, and Guo-Yi Zhang、"Growth of N-polar GaN on vicinal sapphire substrate by metal organic chemical vapor deposition"、Rare Metals 33.6 (2014) pp709-713
しかしながら非特許文献2に報告されるように、N極方向への結晶成長は、Ga極方向への結晶成長に比べて格段に困難であり、量産には至っておらず基礎的研究段階にとどまっている。また作製される結晶の品質に問題があるため、それを用いて製造したN面HEMTの特性も、理論的な期待値に遠く及ばない。
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、N面にトランジスタ素子を形成したGaN系半導体装置の提供にある。
本発明のある態様は、化合物半導体装置の製造方法に関する。この製造方法では、Ga極性方向に積層されるGaNエピ基板のN面側に半導体素子が形成される。
この態様によれば、Ga極性方向に比べて困難なN極性方向への結晶成長が不要となるため、N面GaN系半導体装置を簡易に、あるいは安価に製造できる。
支持基板が、GaNエピ基板のGa面と対向して接合されてもよい。これにより、支持基板の材料を、GaNエピ基板の結晶成長を考慮せずに選択することができるため材料選択の自由度が高まる。接合は、熱圧着、拡散接合、超音波接合、表面活性化接合法、接着剤による接着などを含む。
GaNエピ基板のN面は、GaNエピ基板の結晶成長時に基体となる成長用基板および成長用基板上に形成されるバッファ層を除去することにより露出されてもよい。これにより結晶性の良好なN面を得ることができる。
GaNエピ基板は、n型導電層、電子走行層となる第1GaN層、電子供給層、第2GaN層を含んでもよい。GaNエピ基板は、Ga極性方向に、コンタクト層となるn型導電層、電子走行層、電子供給層がこの順に積層されてもよい。
n型導電層のN面にドレイン電極およびソース電極のコンタクトをとることにより、コンタクト抵抗成分ひいてはアクセス抵抗を非常に小さくすることができ、高速なトランジスタを形成できる。またn型導電層をGaNエピ基板にあらかじめ形成しておくことにより、n型導電層の再成長プロセスが不要となるため、化合物半導体装置の製造コストをさらに下げることができる。
本発明の別の態様は、化合物半導体装置の製造方法である。この製造方法は、支持基板を、成長用基板上に少なくとも電子走行層、電子供給層をGa極性方向に積層してなるGaNエピ基板のGa面と対向して接合するステップと、GaNエピ基板の少なくとも成長用基板を除去し、GaNエピ基板のN面を露出させるステップと、N面側に半導体素子を形成するステップと、を備える。
GaNエピ基板は、成長用基板、バッファ層、n型導電層、電子走行層となる第1GaN層、電子供給層、第2GaN層を含んでもよい。n型導電層は、n型InAlGaN層(1≧x,y,z≧0 x+y+z=1)を含んでもよい。
n型導電層のN面にドレイン電極およびソース電極のコンタクトをとることにより、コンタクト抵抗成分ひいてはアクセス抵抗を非常に小さくすることができ、高速なトランジスタを形成できる。またn型導電層をGaNエピ基板にあらかじめ形成しておくことにより、n型導電層の再成長プロセスが不要となるため、化合物半導体装置の製造コストをさらに下げることができる。
N面を露出させるステップは、成長用基板およびバッファ層を除去してもよい。
成長用基板はSi基板であってもよい。
成長用基板は、研磨およびウェットエッチングの少なくとも一方により除去されてもよい。
バッファ層は、ドライエッチングにより除去されてもよい。
支持基板は、フレキシブル基板またはAlN基板、SiC基板、グラファイト基板、Cu基板、Si基板であってもよい。AlN基板、SiC基板、グラファイト基板、Cu基板、は放熱性の観点で有利である。Si基板を支持基板とした場合、Si基板上にSiCMOS回路を形成してもよい。この場合、CMOSとGaN系HEMTの混載デバイスを安価に実現できる。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、N面GaN系半導体装置を提供できる。
図1(a)、(b)は、GaN系半導体装置の断面図である。 実施の形態に係るGaN系化合物半導体装置の断面図である。 図3(a)~(d)は、実施の形態に係るGaN系半導体装置の製造方法を示す図である。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図面に記載される各部材の寸法(厚み、長さ、幅など)は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Aが、別の部材Bよりも厚く描かれていても、部材Aが部材Bよりも薄いこともあり得る。
図2は、実施の形態に係るGaN系半導体装置100の断面図である。GaN系半導体装置100は、支持基板110およびGaNエピタキシャル積層構造130を備える。GaNエピタキシャル積層構造130は、少なくとも電子走行層132と電子供給層134を含む。GaNエピタキシャル積層構造130はさらに、GaN層142を含んでもよい。一例として電子走行層132はGaN層であり、電子供給層134はAlGaN層であるがその限りでは無い。
支持基板110とGaNエピタキシャル積層構造130は、GaNエピタキシャル積層構造130のGa面136と対向して接合されている。図2では、GaNエピタキシャル積層構造130のGa面136と、支持基板110とが直接的に接合されているが、その限りではなく、それらの間には別の層が挿入される態様で、間接的に接合されてもよい。接合は、熱圧着、拡散接合、超音波接合、真空中プラズマ照射により基板表面のダングリングボンドを露出させて接合する表面活性化接合法、あるいは接着剤による接着などを利用することができる。ここでの接合は、元々別々であった2つの部材を貼り合わせることを意味し、結晶成長におけるヘテロ接合などは含まない。
GaNエピタキシャル積層構造130のN面138側には、HEMTなどのトランジスタや、抵抗、ダイオードなどの回路素子が形成される。チャネル140は、電子走行層132に形成される。回路素子の構造については公知技術を用いればよいため説明を省略する。
図2のGaN系半導体装置100と、図1(b)のGaN系半導体装置2sには、構造および製造方法において以下の相違点がある。
第1の相違点は、図1(b)では、エピ基板20がN極性方向に結晶成長して製造されるのに対して、図2では、GaNエピタキシャル積層構造130は、Ga極性方向に結晶成功されている点である。すなわちGaN系半導体装置100は、Ga極性方向に積層されるGaNエピ基板のN面側に半導体素子が形成されることを特徴とする。図1(b)では結晶成長が難しいN極性方向への基板成長が必要であるのに対して、図2では、Ga極性方向への結晶成長が利用されるため、N面GaN系半導体装置を簡易に、あるいは安価に製造できる。また、Ga極性方向への結晶成長では、良好な結晶構造が得られるため、図1(b)よりも良好なトランジスタの特性を実現できる。
より細かい構造上の相違点を説明すると、図1(b)では、GaN層24の成長用基板22との界面には、結晶成長の最表面に現れる原子層ステップ構造が現れないのに対して、図2では、GaNエピタキシャル積層構造130のGa面136側に、原子層ステップ構造が現れることとなる。また図2では、N面138に近いほど貫通転移密度が高い構造を有するのに対して、図1(b)ではその逆である。
第2の相違点は、図2の支持基板110が、GaNの結晶成長時の成長用基板とは無関係であることである。すなわち、図1(b)では、成長用基板22の上に、GaN系の半導体化合物を結晶成長させるため、成長用基板22として、GaN結晶に対して結晶格子の不整合が小さい材料を選択する必要がある。これに対して図2の支持基板110の材料は、結晶格子を考慮せずに選択できる。したがって支持基板110は、放熱性に優れるAlN基板、SiC基板、Cu基板、ダイアモンド基板などを用いることが可能であり、あるいは、実装上の柔軟性を提供するフレキシブル基板を用いることが可能である。そのほか、支持基板110としてSi基板を用いることもできる。Siを支持基板110とした場合、Siの支持基板110にSiCMOS回路を形成してもよく、これによりSiCMOSとGaN系HEMTの混載デバイスを安価に実現できる。
本発明は、図2の断面図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、デバイス、製造方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例および製造方法を説明する。
図3(a)~(d)は、N面GaN系半導体装置の製造方法を示す図である。はじめに、図3(a)に示すように、結晶成長が容易なGa極性方向に結晶成長(エピタキシャル成長)によって、GaNエピ基板(ウェハ)200を製造する。GaNエピ基板200は、成長用基板202、バッファ層204、n型導電層206、第1GaN層208、AlGaN層210、第2GaN層212を含む。バッファ層204、n型導電層206、第1GaN層208、AlGaN層210、第2GaN層212は、成長用基板202上に、Ga極性方向にエピタキシャル成長によって形成される。第2GaN層212の表層には、Ga面214が現れている。
第1GaN層208は、図2の電子走行層132であり、AlGaN層210は、図2の電子供給層134である。成長用基板202は、Ga面GaN系半導体装置のエピ基板に用いられる材料と同じ材料、たとえばSi、SiC、サファイヤなどを用いることができるが、その限りでない。後述のように、成長用基板202は、後の工程で除去されるため、安価であり、および/または除去が容易な材料を選択することが好ましく、この観点からSiを用いるとよい。バッファ層204はたとえばGaNである。n型導電層206は、最終的に形成されるトランジスタのドレインおよびソースのコンタクトを取るために挿入されるコンタクト層である。
続いて、図3(b)に示すように、支持基板300を、GaNエピ基板200のGa面214と対向するように基板接合する。この支持基板300は、図2の支持基板110に対応する。基板接合の方法は特に限定されない。
続いて図3(c)に示すように、GaNエピ基板200の成長用基板202およびバッファ層204を除去し、n型導電層206のN面216が露出される。残ったn型導電層206、第1GaN層208、AlGaN層210、第2GaN層212を含む積層構造302は、図2のGaNエピタキシャル積層構造130に対応する。
たとえば成長用基板202は、研磨およびウェットエッチングの少なくとも一方により除去される。成長用基板202がSiの場合、研磨によって厚みを減らした後に、ウェットエッチングによって残りの部分を除去してもよい。続いてエンドポイントを利用して、ドライエッチングによってバッファ層204を除去してもよい。
続いて図3(d)に示すように、積層構造302のN面216側に、HEMTなどの回路素子が形成される。図3(d)には、HEMTが示される。具体的には、ゲート領域においてn型導電層206がエッチングされ、ゲート電極(G)が形成される。またドレイン領域、ソース領域において、n型導電層206上にドレイン電極(D)、ソース電極(S)が形成される。n型導電層206は、n型GaN層であってもよい。
図3(d)に示すように、n型導電層206のN面216にドレイン電極(D)およびソース電極(S)のコンタクトをとることにより、コンタクト抵抗成分ひいてはアクセス抵抗を非常に小さくすることができ、これによりHEMTを高速化できる。すなわち、コンタクト層としてのn型導電層206が第1GaN層208上に直接堆積した構造が得られるため0.1Ωmm以下の低コンタクト抵抗が実現できる。
従来の半導体装置の製造において、オーミック電極の形成には、500℃~900℃の熱処理(オーミックアロイ)が必要であった。これに対して本実施の形態では、縮退半導体であるn型導電層206がコンタクト層として存在するため、電極金属とn型導電体の間に形成されるポテンシャル障壁は、その成長方向厚さが極端に薄くなるため、高温のアロイオーミック無しでも電子が容易にトンネルするようになり、低コンタクト抵抗が実現できる。すなわちオーミックアロイの処理を省略することが可能となる。
またn型導電層206が存在しない場合、オーミック電極の材料がAl系に限定されるのに対して、n型導電層206を設けることにより、オーミック電極の材料の制約が緩和される。
さらに図3(a)に示すようにn型導電層206をGaNエピ基板200にあらかじめ形成しておくことにより、コンタクト層(n型導電層206)の再成長プロセスが不要となるため、化合物半導体装置の製造コストをさらに下げることができる。
またGaNエピ基板200の製造工程において、電子供給層134の結晶成長の後に電子走行層132を製法させるため、良好な結晶を得ることができる。すなわち、図1(b)のエピ基板20を用いた場合、電子供給層を結晶成長させた後に、電子走行層であるGaN層を結晶成長させることとなり、電子走行層の結晶成長の温度が制約を受けることとなる。一例として電子供給層としてInAlN(最適成長温度700℃)を採用する場合、それ以降の結晶成長は700℃程度で行う必要があり、電子走行層であるGaN層の結晶性(最適成長温度1000℃)が悪化してしまう。これに対して本実施の形態では、電子走行層である第1GaN層208を結晶成長させた後に、電子供給層(InAlN)を結晶成長させるため、第1GaN層208を、GaN層に最適な温度条件で結晶成長することができるため、良好な結晶構造を得ることができる。
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
図3(a)~(d)の製造方法では、GaNエピ基板200と支持基板300を接合した後に、成長用基板202およびバッファ層204を除去したがその限りではない。すなわち、先に成長用基板202およびバッファ層204を除去してN面216を露出した後に、支持基板300と接合してもよい。
図3(a)のGaNエピ基板200の製造工程において、バッファ層204とn型導電層206の間に、数原子層の厚みを有する金属層(もしくは絶縁層あるいは半導体層)などの中間層を挿入し、この中間層を利用してバッファ層204とn型導電層206を劈開容易とし、劈開によってN面216を露出させてもよい。
図3(d)に示すように、第2GaN層212より下の層は、HEMTの構造とは直接的な関係が無いため、第2GaN層212と支持基板300の間に、さらに別の層が挿入されていてもよい。言い換えれば、図3(a)のGaNエピ基板200は、第2GaN層212より上に、別の層を含んでもよく、その場合、第2GaN層212のGa面214と支持基板300は間接的な接合状態にあってもよい。たとえば図3(a)において、第2GaN層212より上に、支持基板300との接合時に接着剤となる層を形成しておいてもよいし、接合強度を高めるための層を形成しておいてもよい。あるいはBN(ボロンナイトライド)等の犠牲層などを挿入してもよい。
実施の形態では、電子供給層134としてAlGaN層を例示したが、その限りではなく、たとえばInAlN層やAlN層を用いることもできる。
また図3においてコンタクト層として用いたn型導電層206は、一般化すると、n型InAlGaN層(1≧x,y,z≧0 x+y+z=1)を含むことができる。さらにはn型導電層206をいわゆる3層キャップ構造としてもよく、たとえばn型GaN層、i型AlN層、n型GaN層の積層構造であってもよい。
図3(d)には、Dモード(デプレッション型、ノーマリオン型)のHEMTが示されるが、公知の、あるいは将来の利用可能な技術を用いて、Eモード化してもよい。またゲート電極に関連して、MIS構造(Metal-Insulator-Semiconductor)構造のデバイスを形成してもよい。
図3(a)~(d)では、再成長が不要な製造方法を説明したがその限りでない。たとえばn型導電層206を省略したGaNエピ基板を製造し、成長用基板202、バッファ層204を除去して第1GaN層208のN面を露出した後に、再成長によってn型導電層206を形成し、その上にドレイン電極(D)、ソース電極(S)を形成してもよい。あるいはn型導電層206を形成せずに、オーミック電極を形成してもよい。
実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
100…GaN系半導体装置、110…支持基板、130…GaNエピタキシャル積層構造、132…電子走行層、134…電子供給層、136…Ga面、138…N面、140…チャネル、200…GaNエピ基板、202…成長用基板、204…バッファ層、206…n型導電層、208…第1GaN層、210…AlGaN層、212…第2GaN層、214…Ga面、216…N面、300…支持基板、302…積層構造。

Claims (8)

  1. n型導電層、電子走行層となる第1GaN層、ノンドープの電子供給層、第2GaN層がGa極性方向に順に積層されてなるGaNエピ基板の前記n型導電層側にトランジスタを形成し、前記n型導電層に対して、前記トランジスタのドレインおよびソースのコンタクトを取ることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
  2. 支持基板が、前記GaNエピ基板の前記第2GaN層と対向して接合されることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記GaNエピ基板の前記第2GaN層は、前記GaNエピ基板の結晶成長時に基体となる成長用基板および前記成長用基板上に形成されるバッファ層を除去することにより露出されることを特徴とする請求項1または2に記載の製造方法。
  4. 支持基板を、成長用基板上に、バッファ層、n型導電層、電子走行層となるノンドープの第1GaN層、電子供給層、第2GaN層をGa極性方向に積層してなるGaNエピ基板の前記第2GaN層と対向して接合するステップと、
    前記GaNエピ基板の前記成長用基板および前記バッファ層を除去し、前記GaNエピ基板の前記n型導電層のN面を露出させるステップと、
    前記n型導電層の前記N面に対してドレインおよびソースのコンタクトをとり、トランジスタを形成するステップと、
    を備えることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
  5. 前記成長用基板はSi基板であることを特徴とする請求項4に記載の製造方法。
  6. 前記成長用基板は、研磨およびウェットエッチングの少なくとも一方により除去されることを特徴とする請求項4または5のいずれかに記載の製造方法。
  7. 前記バッファ層は、ドライエッチングにより除去されることを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の製造方法。
  8. 前記支持基板は、フレキシブル基板、AlN基板、SiC基板、グラファイト基板、Cu基板、Si基板のいずれかを含むことを特徴とする請求項4から7のいずれかに記載の製造方法。
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