JP5161759B2

JP5161759B2 - 化合物半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5161759B2
Application number: JP2008334794A
Authority: JP
Inventors: 敦史山田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010157603A

Description

本発明は、化合物半導体装置の製造方法に関する。

近年、ＧａＮ（窒化ガリウム）系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：high electron mobility transistor）等のＧａＮ系半導体装置について、ＧａＮのバンドギャップが広いという特徴から高耐圧・高速デバイスとしての応用が期待されている。そして、これまでのところ、ＧａＮ系ＨＥＭＴでは、基板としてＳｉＣ基板を用いた場合に最も良好な出力特性が得られている。これは、ＧａＮとＳｉＣとの格子定数が近いためにＳｉＣ基板上に成長したＧａＮ層中の欠陥が少なく、また、ＳｉＣ基板の熱伝導性が高いために熱放射特性が高いためである。

また、高周波動作が可能なＧａＮ系半導体装置では、特に半絶縁性のＳｉＣ基板が用いられている。これは、寄生容量を低く抑えるためである。しかしながら、半絶縁性のＳｉＣ基板の価格は、導電性のＳｉＣ基板と比較すると非常に高い。このことは、性能が優れているにも拘らず、ＧａＮ系ＨＥＭＴ等のＧａＮ系半導体装置の普及を阻害することにもなりかねない。

そこで、ＧａＮ系半導体装置を低コストで製造するための研究がなされている。例えば、ある従来の製造方法では、先ず、ＳｉＣ基板上に窒化物系の半導体結晶層をエピタキシャル成長させ、その後、半導体結晶層に水素イオンを注入する。次いで、半導体結晶層の表面とシリコン基板等の支持基板の表面とを貼り合わせる。そして、水素イオンが注入された部分に沿って半導体結晶層を分離する。このようにして、支持基板上に半導体結晶層が位置する構造物を得る。その後、半導体結晶層に半導体素子等を形成すれば、半導体装置が得られる。

しかしながら、この従来の方法では、放熱部材である支持基板上の半導体結晶層にも水素イオンが残存する。このため、この水素イオンが欠陥となって十分な性能を得ることができない。

また、他の従来技術では、ＧａＡｓ基板又はＳｉ基板等の基板にナノコラム領域を形成している。

しかしながら、この従来技術では、ＨＥＭＴの形成に際して、強酸を用いた長時間のウェットエッチングにより基板を除去している。このため、このウェットエッチングの際にＨＥＭＴを構成する化合物半導体層にダメージが生じてしまう。

特開２００７−２２０８９９号公報特開２００７−３０５８６９号公報

本発明の目的は、性能を確保しながらコストを低減することができる化合物半導体装置の製造方法を提供することにある。

化合物半導体装置の製造方法の一態様では、基板上に、外部に連通する開口部が設けられたｎ型ＧａＮ層を形成し、その後、前記ｎ型ＧａＮ層上に化合物半導体結晶層を形成する。次いで、所定のエッチング溶液中において、前記ｎ型ＧａＮ層に紫外線を照射して、光電気化学エッチングにより前記ｎ型ＧａＮ層を溶解させて、前記化合物半導体結晶層を前記基板から分離する。前記開口部は、少なくとも前記ｎ型ＧａＮ層及び前記化合物半導体結晶層の積層方向に直交する方向で外部に連通する。前記化合物半導体結晶層は、電子走行層及び電子供給層と、前記電子走行層及び前記電子供給層と前記ｎ型ＧａＮ層との間に位置するノンドープのＡｌＧａＮ層と、を有する。前記光電気化学エッチングの際に、前記ノンドープのＡｌＧａＮ層をエッチングストッパとして用いる。

上記の半導体装置の製造方法によれば、第２の化合物半導体結晶層の結晶性に影響を及ぼす基板として高価なものを選択しても、この基板は化合物半導体装置に含まれなくなるため、繰り返し使用することができる。従って、基板の消費量を低減してコストを下げることができる。その一方で、第２の化合物半導体結晶層の結晶性は確保されるため、性能を維持することもできる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１Ａ乃至図１Ｒは、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴ（半導体装置）を製造する方法を工程順に示す断面図である。

本実施形態では、先ず、図１Ａに示すように、導電性の基板１を結晶成長基板として用い、基板１上に、厚さが１０ｎｍ〜５０ｎｍ程度のＡｌＮ層２を、例えば有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法等により核形成層として形成する。基板１としては、例えば導電性ＳｉＣ基板を用いる。基板１の厚さは、例えば４００μｍ程度である。ＡｌＮ層２をスパッタリング法により形成してもよい。次いで、ＡｌＮ層２上に、開口部３ａを備えたマスク層３を形成する。マスク層３としては、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はタングステン膜等を形成する。マスク層３の形成に際しては、例えば、シリコン酸化膜等をプラズマ増速化学気相成長（ＰＥＣＶＤ：plasma enhanced chemical vapor deposition）法等よりＡｌＮ層２上に形成し、これをライン状にパターニングする。なお、開口部３ａの幅は１００ｎｍ以下とすることが好ましく、マスク層３の残存部の幅は５００ｎｍ以上とすることが好ましい。開口部３ａの幅が１００ｎｍを超えていると、後に形成するｎ−ＧａＮ層４の幅が広くなり、後に行う光電気化学エッチングによるｎ−ＧａＮ層４の除去にかかる時間が長くなる。また、マスク層３の残存部の幅が５００ｎｍ未満であると、光電気化学エッチングの際に用いる水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液がｎ−ＧａＮ層４に接触しにくくなり、ｎ−ＧａＮ層４の除去にかかる時間が長くなる。

その後、図１Ｂに示すように、マスク層３から露出しているＡｌＮ層２上に、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法等により、厚さが２００ｎｍ〜１μｍ程度のｎ型のｎ−ＧａＮ層４を第１の化合物半導体結晶層として形成する。このとき、原料としては、例えば固体Ｇａ及びＮＨ₃ガスを用いる。なお、ｎ−ＧａＮ層４の成長条件は、縦方向成長が優位な条件とする。例えば、圧力を１×１０^-4Ｐａ程度〜常圧とし、成長温度を８００℃とする。この結果、開口部３ａからｎ−ＧａＮ層が柱状に成長し、外部に連通する開口部が設けられたｎ−ＧａＮ層４が得られる。

続いて、図１Ｃ〜図１Ｄに示すように、ｎ−ＧａＮ層４上に、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：hydride vapor phase epitaxy）法により、厚さが１μｍ以上のノンドープのＧａＮ層５を形成する。原料ガスとしては、例えばＧａＣｌ及びＮＨ₃の混合ガスを用いる。なお、ＧａＮ層５の成長条件は横方向成長が優位な条件とする。例えば、圧力を常圧とし、成長温度を１０００℃とする。この結果、このような条件下では、ＧａＮ層５は、成長初期に円錐状に成長し、その後、横方向へも成長し、図１Ｃに示すように、ｎ−ＧａＮ層４間の開口部が消失する。更に、ＧａＮ層５が成長すると、図１Ｄに示すように、その表面が平坦なものとなる。

ＧａＮ層５の形成後には、図１Ｅに示すように、ＧａＮ層５上に、厚さが５０ｎｍ以下のＡｌＧａＮ層６をエッチングストッパ層として形成する。次いで、ＡｌＧａＮ層６上に、例えば、厚さが０．２μｍ〜２μｍ程度（例えば１μｍ）のノンドープのｉ−ＧａＮ層７（電子走行層）、厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度（例えば５ｎｍ）のノンドープのｉ−ＡｌＧａＮ層８、厚さが２ｎｍ〜５０ｎｍ程度（例えば３０ｎｍ）のｎ型のｎ−ＡｌＧａＮ層９（電子供給層）、厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度（例えば１０ｎｍ）のｎ型のｎ−ＧａＮ層１０をこの順で形成する。なお、ｎ−ＡｌＧａＮ層９には、例えばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドーピングされており、ｎ−ＧａＮ層１０にも、例えばＳｉが５×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度でドーピングされている。ＧａＮ層５、ＡｌＧａＮ層６、ｉ−ＧａＮ層７、ｉ−ＡｌＧａＮ層８、ｎ−ＡｌＧａＮ層９、及びｎ−ＧａＮ層１０は、第２の化合物半導体結晶層を構成する。

続いて、図１Ｆに示すように、ソース電極を形成する予定の領域及びドレイン電極を形成する予定の領域に開口部５１ｓ及び５１ｄが設けられたレジストパターン５１をｎ−ＧａＮ層１０上に形成する。

次いで、レジストパターン５１をマスクとして用い、塩素系ガスを用いたドライエッチングをｎ−ＧａＮ層１０に対して行うことにより、図１Ｇに示すように、ｎ−ＧａＮ層１０に開口部１０ｓ及び１０ｄを形成する。なお、開口部１０ｓ及び１０ｄの深さに関し、ｎ−ＧａＮ層１０の一部を残してもよく、また、ｎ−ＡｌＧａＮ層９の一部を除去してもよい。つまり、開口部１０ｓ及び１０ｄの深さはｎ−ＧａＮ層１０の厚さと一致している必要はない。

その後、図１Ｈに示すように、開口部１０ｓ内にソース電極２１ｓを形成し、開口部１０ｄ内にドレイン電極２１ｄを形成する。ソース電極２１ｓ及びドレイン電極２１ｄの形成に当たっては、例えば、蒸着法によりＴｉ層を形成し、その上に蒸着法によりＡｌ層を形成する。そして、レジストパターン５１を除去する。つまり、ソース電極２１ｓ及びドレイン電極２１ｄの形成では、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。

続いて、窒素雰囲気中にて６００℃で熱処理を行い、ソース電極２１ｓ及びドレイン電極２１ｄのオーミック接触コンタクトを確立する。

次いで、図１Ｉに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、ソース電極２１ｓ及びドレイン電極２１ｄを覆うパッシベーション膜３１をｎ−ＧａＮ層１０上に形成する。パッシベーション膜３１としては、例えば窒化シリコン膜を形成する。

続いて、図１Ｊに示すように、ゲート電極を形成する予定の領域に開口部５２ｇが設けられたレジストパターン５２をパッシベーション膜３１上に形成する。

次いで、レジストパターン５２をマスクとして用いてパッシベーション膜３１をエッチングすることにより、図１Ｋに示すように、パッシベーション膜３１に開口部３１ｇを形成する。

その後、図１Ｌに示すように、開口部３１ｇ内にゲート電極２１ｇを形成する。ゲート電極２１ｇの形成に当たっては、例えば、蒸着法によりＮｉ層を形成し、その上に蒸着法によりＡｕ層を形成する。

そして、図１Ｍに示すように、レジストパターン５２を除去する。つまり、ゲート電極２１ｇの形成でも、例えば蒸着及びリフトオフの技術を用いる。次いで、ＰＥＣＶＤ法により、ゲート電極２１ｇを覆うパッシベーション膜３２をパッシベーション膜３１上に形成する。パッシベーション膜３２としては、例えば窒化シリコン膜を形成する。

その後、図１Ｎに示すように、パッシベーション膜３２上に表面保護層３３を形成する。表面保護層３３は、例えばワックス等のアルカリ耐性を有する材料からなる。続いて、表面保護層３３上に支持基板３４を貼り付ける。支持基板３４としては、例えばＳｉ基板又は樹脂基板等のアルカリ耐性を有する基板を用いる。

次いで、図１Ｏに示すように、光電気化学エッチングによりｎ−ＧａＮ層４を溶解させる。この結果、ＧａＮ層５がＡｌＮ層２から分離される。この光電気化学エッチングに当たっては、図２に示すように、基板１の裏面に裏面電極４１を形成し、この裏面電極４１を直流電源４３のプラス極に繋げる。また、直流電源４３のマイナス極にはＰｔ電極４２を繋げる。つまり、裏面電極４１が陽極、Ｐｔ電極４２が陰極となるように電圧を印加する。そして、槽４５内の水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液４４中に分離前の構造体を浸漬し、基板１の裏面に向けて紫外線を照射する。紫外線の照射は、例えば水銀ランプを用いて行う。裏面から紫外線が照射されると、紫外線は基板１を通過し、ｎ−ＧａＮ層４に吸収され、電子−正孔対を励起する。そして、励起された正孔の影響によりｎ−ＧａＮ層４がエッチングされる。なお、裏面電極４１は、紫外線の入射を妨げない領域、例えば、基板の端面等に形成する。

ここで、本実施形態における光電気化学エッチングについて説明する。図３は、ＧａＮ層のバンド構造を示す図である。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＮ層４のバンドはＫＯＨ水溶液４４との界面において上向きに湾曲する。このため、ｎ−ＧａＮ層４のＫＯＨ水溶液４４との界面に正孔４７が溜まりやすく、正孔４７を介したエッチング反応が進行しやすい。つまり、ｎ−ＧａＮ層４は紫外線の吸収により励起された正孔４７を利用し、以下の反応式によりエッチングされる。
２ＧａＮ＋６ｈ⁺→２Ｇａ⁺＋Ｎ₂

但し、この反応では、正孔４７が消費されるため、エッチングが進んでいくとｎ−ＧａＮ層４中に電子４６が過剰に存在するようになる。そして、電子４６が過剰に存在するようになると、ｎ−ＧａＮ層４のエッチング反応が阻害されてしまう。そこで、本実施形態では、電子４６をｎ−ＧａＮ層４中から引き抜くために、ＫＯＨ水溶液４４中に浸漬させたＰｔ電極４２と裏面電極４１との間に電圧を印加して、電子４６を消費している。つまり、以下の反応式により電子４６をＰｔ電極４２においてＫＯＨ水溶液４４と反応させている。
２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂

この結果、滞りなくｎ−ＧａＮ層４のエッチング反応が進む。

また、仮にｐ型のｐ−ＧａＮ層４８をＫＯＨ水溶液４４に接触させると、図３（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層４８のバンドはＫＯＨ水溶液４４との界面において下向きに湾曲する。このため、正孔４７はｐ−ＧａＮ層４８の内部に閉じ込められ、正孔４７を介したエッチングが阻害される。

そして、本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層４とｐ−ＧａＮ層４８との中間的な性質を示すノンドープのＧａＮ層５が設けられており、これもＫＯＨ水溶液４４に接触するが、ｎ−ＧａＮ層４が優先的にエッチングされるため、ＧａＮ層５はほとんどエッチングされない。

また、図４に示すように、ＡｌＧａＮ層６はＧａＮ層５と比較して広いバンドギャップを有している。このため、ＡｌＧａＮ層６とＧａＮ層５との界面にはバンドギャップの不連続が存在する。このような不連続が存在するため、ｎ−ＧａＮ層４内で励起された正孔４７はＡｌＧａＮ層６によってｉ−ＧａＮ層７までの拡散を阻害され、ｎ−ＧａＮ層４又はＧａＮ層５中にのみ存在する。従って、ＡｌＧａＮ層６がエッチングとストッパとして機能し、ｉ−ＧａＮ層７及びその上の化合物半導体層のエッチングが防止される。

本実施形態では、このような光電気化学エッチングが行われ、ＧａＮ層５がＡｌＮ層２から分離される。

ＧａＮ層５とＡｌＮ層２との分離後には、図１Ｐに示すように、化学機械的研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polishing）法等により、ｉ−ＧａＮ層７の下方に位置するＧａＮ層５及びＡｌＧａＮ層６を除去し、ｉ−ＧａＮ層７の裏面を平坦化する。なお、裏面が平坦化されていれば、ＧａＮ層５及びＡｌＧａＮ層６を残存させてもよく、ＡｌＧａＮ層６のみを残存させてもよい。

次いで、例えば、ウェハ直接接合法により、図１Ｑに示すように、絶縁性の放熱部材として放熱基板３５をｉ−ＧａＮ層７の裏面に貼り合わせる。放熱基板３５としては、ＡｌＮ基板、アモルファスＳｉＣ基板又はアモルファスＣ（ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：diamond like carbon））基板等を用いる。この貼り合わせに当たっては、ｉ−ＧａＮ層７の裏面を酸洗浄により清浄化し、その後、Ｏ₂プラズマ処理等によりこの裏面を親水性にする。同様に、放熱基板３５の表面についても親水性処理を行う。そして、親水性処理を行った面同士を重ね合わせて接合する。その後、ゲート電極２１ｇ、ソース電極２１ｓ及びドレイン電極２１ｄを備えたＨＥＭＴが破壊されない範囲の温度、例えば４００℃で熱処理を行い、放熱基板３５とｉ−ＧａＮ層７との間の接合強度を向上させる。

続いて、図１Ｒに示すように、表面保護層３３及び支持基板３４を除去する。そして、必要に応じて配線（図示せず）等を形成してＧａＮ系ＨＥＭＴを完成させる。

一方、ＧａＮ層５から分離した基板１、ＡｌＮ層２及びマスク層３の構造体については、基板１のＡｌＮ層２及びマスク層３が存在する面をＣＭＰ法等により研磨して、ＡｌＮ層２及びマスク層３を除去し、更に、基板１の表面を１００ｎｍ程度研磨して平坦にする。平坦化後の基板１の状態は、ＡｌＮ層２の形成前と比較して、ほんの僅かだけ薄くなっていることを除けば、変化していないといえる。従って、この基板１に対してＡｌＮ層２の形成以降の処理を行えば、繰り返しＧａＮ系ＨＥＭＴを形成することができる。

また、放熱基板３５の特性はｉ−ＧａＮ層７の結晶性に影響を及ぼさないので、絶縁性及び高い放熱性（熱伝導性）の確保さえ可能であればよい。従って、ＡｌＮ基板、アモルファスＳｉＣ基板又はアモルファスＣ基板等の導電性ＳｉＣ基板及び半絶縁性ＳｉＣ基板よりも安価なものを用いても、ＧａＮ系ＨＥＭＴの性能が低下することはない。このように、第１の実施形態では、結晶成長基板である基板１として高価なものを用いたとしても、基板１はＧａＮ系ＨＥＭＴの構成要素とはならず、また、放熱基板３５として安価なものを用いても十分な性能を得ることができるので、高い性能を得ながらコストを下げることができる。

なお、放熱基板３５としてダイヤモンド基板を用いることも可能である。この場合には、コストが上昇する可能性があるが、半絶縁性のＳｉＣ基板と比較して高い放熱性を得ることができる。また、ＢＮ基板を放熱基板３５として用いることも可能である。

このような方法により製造された半導体装置では、化合物半導体結晶層であるｉ−ＧａＮ層７等の結晶性（結晶欠陥の有無等）は、基板１の原子配列に依存し、放熱部材である放熱基板３５中の原子配列からは独立したものとなる。

なお、光電気化学エッチングが可能であり、ＧａＮ層５による開口部の閉塞が可能であれば、マスク層３のパターンはライン状である必要はない。例えば、格子状又はドット状等であってもよい。また、開口部３ａ等のパターンの寸法も特に限定されない。また、ＧａＮ層５の成長条件に関しても、横方向成長が優位であり開口部の閉塞が可能であれば、特に限定されない。

また、ｎ−ＧａＮ層４としてナノコラム等と呼称される柱状結晶の層を用いてもよい。この場合、自己形成的なナノコラムを利用すれば、マスク層３は不要である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図６Ａ乃至図６Ｂは、第２の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴ（半導体装置）を製造する方法を工程順に示す断面図である。

本実施形態では、先ず、第１の実施形態と同様にして、光電気化学エッチングによるｎ−ＧａＮ層４の溶解までの処理を行う（図１Ｏ）。次いで、図６Ａに示すように、プラズマイオン注入・堆積（ＰＢＩＩ＆Ｄ：plasma-based ion implantation. and deposition）法により、ＤＬＣ膜６１を絶縁性の放熱部材としてＧａＮ層５の裏面上に形成する。ＤＬＣ膜６１の形成に当たっては、例えば、チャンバ内に支持基板３４及びＧａＮ層５等を含む構造体を入れ、このチャンバ内に、高周波（パルス電圧：２０ｋＶ、パルス幅：１０μｓ）によりＣ₂Ｈ₂プラズマを励起する。続いて、負の高電圧パルス（パルス電圧：−２０ｋＶ、パルス幅：５μｓ）を印加する。そして、このようなプラズマの励起及び電圧の印加を、所定の厚さのＤＬＣ膜６１が得られるまで繰り返す。

ＤＬＣ膜６１の形成後には、図６Ｂに示すように、表面保護層３３及び支持基板３４を除去する。そして、必要に応じて配線（図示せず）等を形成してＧａＮ系ＨＥＭＴを完成させる。

このような第２の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ＧａＮ層５等の研磨を行う必要がないため、第１の実施形態と比較して工程数を減らすことが可能である。

なお、負の高電圧パルスの印加の際には、高電圧パルスのデューティー比を調節して、プロセス温度が２００℃以下になるようにすることが好ましい。このためには、デューティー比を例えば１０％以下とする。

また、ＤＬＣ膜６１の形成前には、Ａｒガスを用いてＧａＮ層５の裏面を清浄化することが好ましい。また、ＣＨ₄ガスを用いて炭素原子及び水素原子をＧａＮ層５の裏面に付着させ、ＤＬＣ膜６１との密着性を向上させておくことも好ましい。また、窒素原子をＧａＮ層５の裏面にイオン注入し、その後に、炭素原子をＧａＮ層５の裏面にイオン注入することにより、炭素原子のＧａＮ層５中への拡散を防止しながら密着性を向上させておくことも好ましい。

また、同じく密着性を向上させるため、ＤＬＣ膜６１の形成前に、中間層としてアモルファスＳｉＣ層をＧａＮ層５の裏面上にスパッタリング法により形成しておくことも好ましい。

また、放熱部材の材料は絶縁性及び熱放射特性に優れていればＤＬＣである必要はなく、ＤＬＣ膜６１に代えて、エアロゾルデポジション法等により形成されたＡｌＮ膜及びＳｉＣ膜等を用いてもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図７Ａ乃至図７Ｄは、第３の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴ（半導体装置）を製造する方法を工程順に示す断面図である。

本実施形態では、先ず、図７Ａに示すように、第１の実施形態と同様にして、基板１上にＡｌＮ層２を核形成層として形成する。但し、本実施形態では、基板１として、例えば、半絶縁性ＳｉＣ基板、又は絶縁性基板であるサファイア基板若しくは酸化亜鉛基板を用いる。次いで、ＡｌＮ層２上に、厚さが２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度（例えば１００ｎｍ）のｎ−ＧａＮ層７１をＭＢＥ法等により形成する。

その後、図７Ｂに示すように、基板１、ＡｌＮ層２及びｎ−ＧａＮ層７１の全体を覆うタングステン膜７２をＣＶＤ法等により形成する。タングステン膜７２の厚さは、５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度（例えば１５０ｎｍ）である。

続いて、図７Ｃに示すように、ｎ−ＧａＮ層７１上において、タングステン膜７２にライン状の開口部７２ａを形成する。なお、開口部３ａと同様に、開口部７２ａの幅は１００ｎｍ以下とすることが好ましく、タングステン膜７２の残存部の幅は５００ｎｍ以上とすることが好ましい。

また、図７Ｃに示すように、基板１の裏面上において、タングステン膜７２に開口部７２ｂを形成する。開口部７２ｂの形成に際しては、タングステン膜７２の一部を基板１の裏面上に残存させることが好ましく、また、後に紫外線が基板１に照射されやすくするために基板１の広い領域を露出させることが好ましい。

次いで、図７Ｄに示すように、タングステン膜７２から露出しているｎ−ＧａＮ層７１上に、第１の実施形態と同様にしてｎ−ＧａＮ層４を形成する。

その後、第１の実施形態と同様にして、ＧａＮ層５の形成以降の処理を行って、ＧａＮ系ＨＥＭＴを完成させる。

但し、本実施形態では、光電気化学エッチングの際に裏面電極４１を基板１の裏面上ではなくタングステン膜７２上に形成する。これは、基板１として絶縁性又は半絶縁性のものを用いているからである。そして、本実施形態では、基板１の上方において、パターニングされたタングステン膜７２の下にｎ−ＧａＮ層７１が形成されているため、光電気化学エッチングの際に、ｎ−ＧａＮ層４の各部に一様に所定の電位（裏面電極４１の電位）を付与しやすい。これは、開口部３ａのパターンと同様に、開口部７２ａのパターンも特に限定されず、格子状又はドット状となっている場合に効果的である。

なお、光電気化学エッチング後には、図８Ａに示すように、基板１、ＡｌＮ層２、ｎ−ＧａＮ層７１及びタングステン膜７２の構造体が得られる。この構造体については、先ず、酸を用いてタングステン膜７２を除去した後、基板１のＡｌＮ層２及びｎ−ＧａＮ層７１が存在する面をＣＭＰ法等により研磨して、ＡｌＮ層２及びｎ−ＧａＮ層７１を除去し、更に、基板１の表面を１００ｎｍ程度研磨して平坦にする。平坦化後の基板１の状態は、ＡｌＮ層２の形成前と比較して、ほんの僅かだけ薄くなっていることを除けば、変化していないといえる。従って、この基板１に対してＡｌＮ層２の形成以降の処理を行えば、繰り返しＧａＮ系ＨＥＭＴを形成することができる。

このような第３の実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導電性ＳｉＣ基板よりも安価なサファイア基板を用いれば、より低いコストでＧａＮ系ＨＥＭＴを製造することが可能となる。

なお、第２の実施形態のように、ＧａＮ層５を残したままＤＬＣ膜６１を形成してもよい。

また、タングステン膜７２に代えて他の高融点金属膜を用いてもよい。高融点金属を用いるのは、化合物半導体層の形成時に高温に晒されるからである。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図９は、第４の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴ（半導体装置）を製造する方法を工程順に示す断面図である。

第４の実施形態では、図９に示すように、ｎ−ＧａＮ層４上にＧａＮ層５を形成する前に、ｎ−ＧａＮ層４上に、エッチングストッパ層としてＡｌＧａＮ層１６を形成している。また、ＡｌＧａＮ層６を形成することなくＧａＮ層５上にｉ−ＧａＮ層７を直接形成している。他の構成は第１の実施形態と同様である。

このような第４の実施形態によれば、エッチングストッパ層として機能するＡｌＧａＮ層１６がｎ−ＧａＮ層４とＧａＮ層５との間に存在するため、光電気化学エッチングの際のＧａＮ層５の溶解をより確実に抑制することができる。

なお、第４の実施形態において、第１の実施形態のようにＡｌＧａＮ層６を形成してもよい。また、第４の実施形態に第２の実施形態、及び／又は第３の実施形態を組み合わせてもよい。即ち、放熱部材としてＤＬＣ膜６１等を用いてもよく、また、絶縁性又は半絶縁性の基板１を用いつつ、タングステン膜７２により導通を確保してもよい。

なお、これらの方法により製造されたＧａＮ系ＨＥＭＴは、例えば無線通信の基地局に含まれる高出力増幅器に用いることができる。また、電源用途として、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＡＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ、高周波電源等に使用することができる。電源用途では、ＧａＮの高耐圧、低損失及び高速スイッチングの特性を活かして、高周波化による受動部品の小型化及び素子数の低減等が可能となり、また、熱抵抗低減によるヒートシンクの小型化等が可能となる。そして、これらにより、電力変換装置の小型化、軽量化及び低コスト化が実現できる。

また、核形成層の材料はＡｌＮに限定されず、その上に形成する結晶層に応じて適宜選択することができる。例えば、その上に形成する結晶層がＧａＮ系結晶層である場合、核形成層として、ＡｌＮ系結晶層を用いることができる。また、化合物半導体結晶層の材料も限定されない。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ又はＩｎＮ等の窒化物半導体を単独で用いてもよく、また、これらの二種以上の混晶を用いてもよい。

また、化合物半導体結晶層の成長条件も特に限定されない。ＧａＮ系結晶層については、種々のエピタキシャル横方向成長（ＥＬＯ：epitaxial lateral overgrowth）技術が開発されている。例えば、上述のようなＨＶＰＥ法に基づくＦＩＥＬＯ（facet-initiated ELO）技術、及び有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：metal-organic vapor phase epitaxy）法に基づくＦＡＣＥＬＯ（facet-controlled ELO）技術等が開発されている。

また、化合物半導体結晶層上に形成する半導体素子はＨＥＭＴに限定されない。例えば、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）を形成してもよい。

また、光電気化学的エッチングに用いるエッチング溶液も水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）に限定されないが、化合物半導体層へのダメージが小さい弱アルカリ性の水溶液を用いることが好ましい。

第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ａに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｂに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｃに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｄに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｅに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｆに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｈに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｉに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｊに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｋに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｌに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｍに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｎに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｏに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｐに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図１Ｑに引き続き、第１の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。光電気化学的エッチングの詳細を示す図である。ＧａＮ層のバンド構造を示す図である。ＡｌＧａＮ層６の作用を示すバンド図である。第１の実施形態における基板１の再利用の方法を示す断面図である。図５Ａに引き続き、基板１の再利用の方法を示す断面図である。第２の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図６Ａに引き続き、第２の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。第３の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図７Ａに引き続き、第３の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図７Ｂに引き続き、第３の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。図７Ｃに引き続き、第３の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。第３の実施形態における基板１の再利用の方法を示す断面図である。図８Ａに引き続き、基板１の再利用の方法を示す断面図である。第４の実施形態に係るＧａＮ系ＨＥＭＴを製造する方法を示す断面図である。

符号の説明

１：基板
２：ＡｌＮ層
３：マスク層
３ａ：開口部
４：ｎ−ＧａＮ層
５：ＧａＮ層
６：ＡｌＧａＮ層
７：ｉ−ＧａＮ層
８：ｉ−ＡｌＧａＮ層
９：ｎ−ＡｌＧａＮ層
１０：ｎ−ＧａＮ層
２１ｄ：ドレイン電極
２１ｇ：ゲート電極
２１ｓ：ソース電極
３３：表面保護層
３４：支持基板
３５：放熱基板
４１：裏面電極
４２：Ｐｔ電極
４３：直流電源
４４：ＫＯＨ水溶液
４５：槽
６１：ＤＬＣ膜
７１：ｎ−ＧａＮ層
７２：タングステン膜
７２ａ、７２ｂ：開口部

Claims

基板上に、外部に連通する開口部が設けられたｎ型ＧａＮ層を形成する工程と、
前記ｎ型ＧａＮ層上に化合物半導体結晶層を形成する工程と、
所定のエッチング溶液中において、前記ｎ型ＧａＮ層に紫外線を照射して、光電気化学エッチングにより前記ｎ型ＧａＮ層を溶解させて、前記化合物半導体結晶層を前記基板から分離する工程と、
を有し、
前記開口部は、少なくとも前記ｎ型ＧａＮ層及び前記化合物半導体結晶層の積層方向に直交する方向で外部に連通し、
前記化合物半導体結晶層は、電子走行層及び電子供給層と、前記電子走行層及び前記電子供給層と前記ｎ型ＧａＮ層との間に位置するノンドープのＡｌＧａＮ層と、を有し、
前記光電気化学エッチングの際に、前記ノンドープのＡｌＧａＮ層をエッチングストッパとして用いることを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
前記化合物半導体結晶層として、窒化物半導体結晶層を用いることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記窒化物半導体結晶層として、ＧａＮ、ＡｌＮ及びＩｎＮからなる群から選択された一種又は二種以上の混晶からなるものを用い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。
前記基板として、ＳｉＣ基板を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
前記ｎ型ＧａＮ層を溶解させる工程の後、前記化合物半導体結晶層の裏面に放熱部材を設ける工程を更に有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の化合物半導体装置の製造方法。