半导体装置及其制造方法

专利名称：半导体装置及其制造方法
技术领域：
本发明涉及由式InxALyGa l_x-yN(0彡χ彡1、0彡y彡1、0彡x+y彡1)表达的 III族氮化物半导体构成的III族氮化物半导体装置，尤其涉及具有由III族氮化物半导体氧化 产生氧化膜的III族氮化物半导体装置及其制造方法。
背景技术：
具有组分为InxALyGl-x-yN的III族氮化物半导体(即所谓的氮化镓系(GaN)化合 物半导体)电子的能带间跃迁是直接跃迁，而且能带间隙在1.95eV-6eV间很宽的范围内变 化，适于用作LED、半导体激光器等发光器件的材料。近年来，为实现信息处理的高密度化及高集成化，输出波长为蓝紫色的半导体激 光器的研究开发盛行。同时，由于GaN具有高绝缘击穿电场强度、高热导率及高电子饱和速 变也很适宜用于高频用功率器件的材料。其中，由氮铝镓(ALGaN)和氮化镓(GaN)组成的 异质结结构其电场强度达到lX105V/cm，电子速变为砷化镓(GaAS)的两倍多，随元件加工 微细化，可以获得高频工作。III族氮化物半导体，掺杂IV族元素硅(si)或锗(Ge)等η型掺杂剂后，呈现η型特 性，可以制作场效应晶体管(FET)。在III族氮化物半导体中掺杂II族元素镁(Mg)、钡(Ba) 或钙(Ca)等P型掺杂剂后，呈现P型特性，P型半导体与η型半导体构成的PN结可以应用 于LED、半导体激光器等器件。在电子器件中，具有优越电子传输特性的III族氮化物半导体 被广泛研究，最典型的例子是ALGaN与GaN异质结高电子迁移率晶体管。(High Electron Mobility Transistor :HEMT)。下面，参照附图，对已有的ALGaN/GaN HEMT进行说明。图23 (a)及图23 (b)是已有的ALGaN/GaN系HEMT，(a)是平面结构，(b)是(a)中 沿X X IIIb-X X IIIb线的剖面结构图。如图23(a)和图23(b)所示，在碳化硅(SiC)衬 底101上，形成第1HEMT100A和第2HEMT100B，它们被划片区110隔开，以将在101衬底上形 成的晶体管芯片一个个分割开来。第1HEMT100A及第2HEMT100B分别形成在GaN缓冲层102上，并具有有源区域103。 缓冲层102生长在衬底101上，它由GaN组成，有源区由ALGaN/GaN异质结层台面腐蚀后形 成。在各有源区103上，分别形成与有源区103呈肖特基接触的栅电极104和与有源 区103呈欧姆接触的欧姆电极105，欧姆电极在栅极104栅长方向两侧，并留有间隔。在有源区103的上方及其四周(包含栅电极104及欧姆电极105)全面覆盖绝缘膜 106，在绝缘膜106上形成分别与栅电极104、欧姆电极105相连的延伸电极(Pad电极)107。 绝缘膜106上覆盖表面保护膜108，但要使各延伸电极107显露出来。
覆盖在有源区103上的绝缘膜106—般由氧化硅膜组成，除具有保护有源区103 表面的作用外，还能保证用剥离法(liff-off)制备栅电极104时使栅电极易于制成。但是，如图23(a)所示，由于栅电极104必须设有与延伸电极107相连的引出部 104a，栅电极104不仅仅在有源区103的上面，而且也在因台面腐蚀露出的缓冲层102上， 缓冲层由GaN构成。但是，上述已有的ALGaN/GaN系HEMT中引出部104a和缓冲层102是金属与半导 体接触(即所谓的肖特基接触)，因此，当台面腐蚀时由于半导体表面损伤等原因，很容易 产生漏电流。漏电流对晶体管的夹断特性影响很大，引起晶体管特性退化。此外，由于GaN缓冲层102和氧化硅绝缘膜106的粘附性不很好，因此在绝缘膜 106上形成延伸电极107的引线键合工艺时，常产生绝缘膜106剥离的问题。进一步，由于SiC衬底101和GaN系半导体硬度都很高，与Si、GaAs相比，用划片 处理进行芯片分割时就十分困难。因此，在划片时常发生像裂纹达到有源区103引起成品 率下降、划线区110近旁的表面保护膜108及绝缘膜106剥落等问题，引起可靠性下降。还有，采用III族氮化物半导体迭层结构的半导体激光器一般采用蓝宝石衬底，在 用蓝宝石衬底时，由于蓝宝石与在它上面形成的激光器结构的结晶轴不同，很难用解理法 形成激光器的谐振腔，大多采用干法刻蚀法形成谐振腔。但是在用干法刻蚀法形成谐振腔 时，在谐振腔端面的固有缺陷形成非发光中心，因而产生工作电流(阈值电流)增大，可靠 性降低等问题。

发明内容
鉴于上述存在的问题，本发明的目的是制作与III族氮化物半导体粘附性、电气特 性、光学特性都好的绝缘膜。为达到上述目的，本发明的III族氮化物半导体装置具有由III族氮化物半导体自身 直接氧化形成的氧化膜结构构成。具体的说，与本发明相关的第1种半导体装置具备有源区和绝缘氧化膜，有源区 由在衬底上形成的III族氮化物半导体构成，绝缘氧化膜由III族氧化物半导体热氧化形成， 位于衬底上有源区周围区域。在第1种半导体装置中，如后所述，III族氮化物半导体与由它的氧化物构成的氧 化膜之间的结合强度比III族氮化物半导体和氧化硅膜之间结合强度大了 3倍左右。因此， 绝缘氧化膜与衬底之间以及绝缘氧化膜与有源区之间的粘附性得到改善，防止了绝缘氧化 膜的剥落，提高了装置的成品率和可靠性。在第1种半导体装置中，最好在有源区域上形成栅电极及把栅极挟在中间的源电 极和漏电极，这样就可以得到由III族氮化物半导体构成的场效应晶体管。这种情况下，栅电极最好由有源区延伸到绝缘氧化膜上，这样栅电极所处的绝缘 氧化膜部分也可以用作栅极的引出部，这一引出部与由III族氮化物半导体热氧化形成的绝 缘氧化膜之间不构成肖特基接触，在引出部不产生漏电流，提高了装置的可靠性。与本发明有关的第2种半导体装置是多个半导体装置，它在晶片状衬底上被划线 包围的区域内分别形成由III族氮化物半导体构成的多个器件形成区，而在划线的周围形成 由III族氮化物半导体热氧化形成的保护氧化膜。
按照第2种半导体装置，对在同一个晶片上形成的多个半导体装置芯片进行分割 时，覆盖器件形成区的绝缘膜不发生剥落，在器件形成区也不发生裂纹，装置的成品率和可 靠性都得到提高。与本发明有关的第3种半导体装置具有在衬底上形成的延伸电极，在衬底与延伸 电极间形成绝缘氧化膜，绝缘氧化膜由III族氮化物半导体热氧化生成，所述绝缘氧化膜的 厚度比所述III族氮化物半导体的厚度还大。第3种半导体装置中，III族氮化物半导体与它的绝缘氧化膜的结合强度比硅氧化 膜大，很少发生延伸电极从衬底剥落的现象，提高了装置的成品率和可靠性。与本发明相关的第4种半导体装置具有激光器结构体和保护氧化膜。激光器结构 体制作在衬底上，拥有由多个III族氮化物半导体组成的谐振器，保护氧化膜制作在包含有 激光器结构体谐振器端面的侧面，由III族氮化物半导体热氧化形成。第4种半导体装置中，谐振器反射镜的镜面由腐蚀端面和保护氧化膜界面形成， 并不是腐蚀的端面，所以不受腐蚀缺陷的影响。同时，由于保护氧化膜由III族氮化物半导体 直接热氧化形成，没有因端面涂敷不当产生的漏电流，可以获得高可靠性。与本发明相关的第1种半导体装置制造方法具备以下制作工序在衬底上形成III 族氮化物半导体层的半导体层形成工序；在III族氮化物半导体层上形成覆盖III族氮化物半 导体有源区域保护膜的保护膜形成工序；以已形成的保护膜作为掩蔽膜，用对III族氮化物 半导体层进行热氧化的方法在衬底上除有源区以外的III族氮化物半导体层上形成绝缘氧 化膜的氧化膜形成工序；除去保护膜使有源区露出的有源区露出工序。按照第1种半导体装置制造法，用保护膜作为掩蔽膜对III族氮化物半导体层进行 热氧化，在衬底上除有源区外的区域形成绝缘氧化膜，可以确保本发明第1种半导体装置 的实现。第1种半导体装置制造方法中，在有源区露出工序以后最好还应具备以下工序: 在有源区上形成欧姆电极的欧姆电极形成工序；在有源区上形成一直延伸到绝缘膜上的栅 电极的栅电极形成工序。第1种半导体装置制造方法中，在半导体形成工序与保护膜形成工序之间最好加 一道将III族氮化物半导体层暴露于氨气中的氨处理工序。这样做，可以用氨气去除掉元件 形成区(它将成为有源区)表面的氧化物等杂物实现表面洁净化，使有源区的接触电阻率 降低，从而改善器件的电特性。这种情况下，氨气处理工序最好应包含将氨气等离子化的工序。与本发明相关的第2种半导体装置制造方法具备以下各工序在晶片状衬底上形 成III族氮化物半导体层的半导体层形成工序；在III族氮化物半导体层上分别设定元件形成 区域和划线区域的区域设定工序，元件形成区域形成在III族氮化物半导体层上，并呈多个 元件形成区域，划线区域在将各元件形成区域分割成芯片时用；在划线区域形成覆盖它的 保护膜的保护膜形成工序；形成保护氧化膜的氧化膜形成工序，它以已形成的保护膜作为 掩蔽膜对III族氮化物半导体层进行热氧化，使得衬底上划线区域的侧方区域形成III族氮化 物半导体热氧化生成的保护氧化膜。第2种半导体装置制造方法中，由于在衬底上划线区的侧方区域形成保护氧化 膜，在划片工序中，不会发生覆盖元件形成区的绝缘膜剥落、在元件形成区产生裂纹等问题，可以确保本发明第2种半导体装置的实现。在第1及第2种半导体装置制造方法中，保护膜最好是硅、氧化硅或氮化硅。与本发明有关的第3种半导体装置制造方法具备以下各工序在衬底上形成III族 氮化物半导体层的半导体层形成工序；在III族氮化物半导体层上分别设定元件形成区域和 延伸电极形成区域的区域设定工序，延伸电极将形成在元件形成区的元件与外部导通；保 护膜形成工序，它形成覆盖除延伸电极形成区域外整个III族氮化物半导体层的保护膜；形 成绝缘氧化膜的氧化膜形成工序，它以已形成的保护膜作掩蔽膜将III族氮化物半导体层热 氧化；在绝缘氧化膜上形成延伸电极的延伸电极形成工序，在所述氧化膜形成工序中，使所 述绝缘氧化膜的厚度比所述III族氮化物半导体层的厚度还大。第3种半导体装置制造法中，由于将保护膜作为掩蔽膜将III族氮化物半导体热氧 化，在衬底上延伸电极形成区域形成绝缘氧化膜，可以确保本发明第3种半导体装置的实 现。在第1 第3种半导体装置制造方法中，氧化膜形成工序最好包含将III族氮化物 半导体层放在氧气氛中进行热处理的工序。此外，在第1 第3种半导体装置制造方法中，氧化膜形成工序最好包含对III族氮 化物半导体层一面进行氧离子注入一面进行热处理的工序。与本发明相关的第4种半导体装置制造方法具备以下各工序在衬底上形成含有 谐振器的激光器结构体的激光器结构体形成工序，它在衬底上形成多个III族氮化物半导体 层，由这些III族氮化物半导体层构成谐振器；使激光器结构体中的谐振器的两个端面露出 的两端面露出工序；以及形成保护氧化膜的保护氧化膜形成工序，由包含激光器结构体的 谐振器的两个端面的侧面氧化，使得侧面的III族氮化物半导体层氧化，形成氧化保护膜。按照第4种半导体装置制造方法，由于在两侧面的III族氮化物半导体层上氧化形 成了保护氧化膜(两侧面包含了激光器结构体中的谐振器的两个端面)，可以确保本发明 第4种半导体装置的实现。同时，由于可以省去端面涂敷工序，使制造工序更简化。在第4种半导体装置制造方法中，氧化膜最好包含有将III族氮化物半导体层在氧 气氛中进行热处理的工序。


图1 (a)和图(b)示出与本发明第1实施方式相关的GaN氧化隔离型HEMT，图1 (a) 是俯视图，图(b)是图(a)中沿Ib-Ib线的构成剖面图。图2示出本发明第一实施方式的氧化隔离型HEMT中绝缘氧化膜上的肖特基电极 与有源区上欧姆电极间的电压——电流特性曲线。图3示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离HEMT和已有的台面隔离型HEMT 的漏电流与栅电压的关系曲线。图4(a) 图4(c)示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT制造方法 工序顺序的构成剖面图。图5(a) 图5(c)示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT制造方法 工序顺序的构成剖面图。图6详细示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT由GaN系半导体组成的叠层体构成剖面图。图7示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT中绝缘氧化膜的膜厚与 热处理时间的关系曲线。图8示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT中绝缘氧化膜的膜厚与 元件间漏电电流的关系曲线。图9(a) 图9(c)示出了与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT中沿衬 底深度方向的原子剖面图，图9(a)是没有进行热处理而去除保护膜后绝缘氧化膜的曲线， 图9(b)示出由保护膜作为掩蔽膜状态下的有源区域的曲线，图9(c)示出没有进行热处理 状态下的叠层体曲线，以作比较用。图10是与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT中热处理后保护膜与绝缘 氧化膜用硝酸和氢氟酸进行湿法腐蚀时腐蚀量与时间的关系曲线。图11示出与本发明第1实施方式相关的氧化隔离型HEMT中有、无氨处理情况下 欧姆接触电阻与电极间隔的关系曲线。图12示出与本发明第2实施方式相关的晶片状态的GaN半导体装置中划片区的 构成剖面图。图13示出与本发明第2实施方式相关的晶片状态半导体装置与已有的晶片状态 半导体装置划片时的损坏率与划线区宽度的关系曲线。图14示出与本发明第2实施方式一个变形例子相关的晶片状态GaN半导体装置 中划片区域构成剖面图。图15(a) 图15(c)示出与本发明第2实施方式相关的半导体装置制造方法工序 顺序的构成剖面图。图16(a)和图16(b)是与本发明第2实施方式相关的半导体装置制造方法工序顺 序的构成剖面图。图17示出与本发明第3实施方式相关的GaN半导体装置中延伸电极的构成剖面 图。图18(a) 图18(c)示出与本发明第3实施方式相关的半导体装置制造方法工序 顺序的构成剖面图。图19(a) 图19(b)示出与本发明第3实施方式相关的半导体装置制造方法工序 顺序的构成剖面图。图20(a) 图20(b)示出与本发明第4实施方式相关的III族氮化物半导体激光 器，图20(a)是立体图，图20(b)是图20(a)沿XXb-XXb线的构成剖面图。图21 (a) 图21(c)示出与本发明第4实施方式相关的半导体激光装置制造方 法，(a)是外延生长后的构成剖面图，图21(b)是图21 (c)沿XXIb-XXIb线的构成剖面图， 图21(c)是激光器结构体的主视图。图22 (a) 图22(d)示出与本发明第4实施方式相关的半导体激光器制造方法工 序顺序的构成剖面图。图23 (a)及图23(b)示出已有的晶片状态GaN半导体装置，(a)是俯视图，图23(b) 是沿图23 (a) XXIIIb-XXIIIb线的构成剖面图。图24是模拟已有台面分离型HEMT的模拟元件的构成剖面图。
图25是图24所示模拟元件的肖特基电极与有源区上欧姆电极的电压——电流特 性曲线。
具体实施例方式第1实施方式参照附图对本发明第1实施方式进行说明。图1(a)和图1(b)是与本发明第1实施方式相关的由III族氮化物半导体组成的 HEMT，它是元件由GaN氧化物隔离开来的氧化隔离型HEMT，(a)示出平面结构，(b)示出(a) 沿Ib-Ib线的剖面构成。如图(a)和图(b)所示，与本实施方式相关的HEMT具有有源区 12A和绝缘氧化膜12B，有源区12A由生长在碳化硅(SiC)衬底11上的GaN半导体构成，绝 缘氧化膜12B由有源区12A周围的GaN半导体氧化生成。在有源区12A上形成栅电极13和欧姆电极14，栅电极13与有源区12A呈肖特基 接触并具有引出部13a，引出部13a延伸到绝缘氧化膜12B上，欧姆电极14设置在栅电极 13的栅长方向两侧并与栅极有一定间隔、分别成为源电极和漏电极。这里，我们比较一下，已有的台面隔离型HEMT和本实施方式相关的氧化隔离型 HEMT中肖特基电极与欧姆电极间的电压——电流特性。图24示出模拟已有台面隔离型 HEMT的模拟元件剖面构成。在SiC衬底121上设置了由GaN半导体组成的岛状有源层122、 在有源层122上形成的岛状欧姆电极123、与有源层122有一定间隔并与衬底成肖特基接触 的肖特基电极124。肖特基电极124与图23(a)所示的引出部104a对应。这一模拟元件显 示图25所示的整流特性，反向耐压大，漏电流在微安(μΑ)量级。如图23(a)及23 (b)所 示，由于已有的台面隔离HEMT栅电极104的引出部104a形成在GaN缓冲层102上，栅电极 104的引出部104a与缓冲层102呈肖特基接触，很容易发生漏电流。与本实施方式相关的氧化隔离型HEMT中，绝缘氧化膜12B上的肖特基电极13与 有源区12A上欧姆电极14间的电压-电流特性如图2所示，即使加在电极间的电压大于 100V也仅有纳安(nA)量级的电流。图3分别示出栅宽100 μ m情况下与本实施方式相关的氧化隔离型HEMT与已有台 面隔离型HEMT漏电流与栅电压的关系曲线。在栅电压高、漏电流大的区域特性差别不明 显，但在漏电流很少的夹断区附近就呈现很大的差另U。可以很清楚看到，在已有的台面隔离 型HEMT中，由于栅电极(104)引出部104a产生的漏电流引起夹断特性退化。与本实施方式相关的氧化隔离型HEMT中，不像已有的台面隔离型HEMT那样在栅 电极引出部13a处产生漏电流，可以得到夹断特性优秀的HEMT。此外，与本实施方式相关的氧化隔离型HEMT的绝缘氧化膜12B是由成为有源区 12A的III族氮化物半导体(GaN)自身的氧化形成的，有源区12A的侧端部和绝缘氧化膜12B 的交界部分并不形成一个高度明显差异部分(这与台面型HEMT不同)，比较平坦。在制作 旧式HEMT的栅电极104时，在有源区103的侧端部与缓冲层102的上面间的高差部分常发 生栅电极104断线情况，而在本实施方式中不会发生这种断线情况，可以确保高可靠性。以上，我们就本实施方式下的HEMT作了说明，但并不限于此，对于场效应晶体管 (MESFET)，异质结双极晶体管(HBT)等需要元件隔离的器件都有同样的效果。另外，与本实施方式相关的HEMT所用的衬底是碳化硅(SiC)，也可以用蓝宝石等能够外延生长III族氮化物半导体有源区的材料替代SiC作衬底。以下，参照

前面所述的氧化隔离型HEMT的制造方法。图4 (a) 图4(c)和图5(a) 图5(c)示出与本实施方式相关的氧化隔离型HEMT 制造方法工序顺序的剖面构成。首先，如图4 (a)所示，用分子束外延法(MBE)在SiC衬底11上形成GaN/ALGaN的 叠层体12，叠层体12的详细结构将在后面讲述。其次，如图4(b)所示，用化学气相生长(CVD)或MBE法在叠层体12上全面的形成 一层硅(Si)保护膜。然后，用光刻法对已形成的保护膜进行图形化，在叠层体12上的岛状 有源区形成区域20上形成保护膜21。再次，如图4(c)所示，在叠层体12上形成保护膜21后，在900°C的氧气氛下进行 约1小时左右的热处理，使得除有源区12A以外的叠层体12氧化，形成绝缘氧化膜12B。再次，如图5(a)所示，用硝酸和氢氟酸除去保护膜21，使有源区12A显露出来，然 后，如图5(b)所示，用蒸发及光刻法在有源区12A上选择性形成由钛(Ti)/铝(Al)组成的 欧姆电极14。再次，如图5(c)所示，用蒸发和光刻法在有源区12A上选择性形成由钯(Pd)/钛 (Ti)/金(Au)组成的栅电极13，栅电极13与各欧姆电极之间留有间隔并延伸到绝缘氧化 膜12B上。然后，在有源区的上方及周围部份(包括栅电极13及各欧姆电极14)全面的形 成由氧化硅膜组成的保护绝缘膜，这一步在图上没有显示。进一步，在保护绝缘膜上形成钛 (Ti)/金(Au)延伸电极，延伸电极与各栅极13和欧姆电极14电气连接。这样，与本实施方式相关的HMET是由构成有源区12A的III族氮化物半导体氧化进 行元件隔离，由于有源区12A和绝缘氧化膜12B之间的元件隔离特性及有源区12A的衬底 特性对HEMT的工作特性极端重要，下面我们对这些特性进行检证。图6示出检证用叠层体12的剖面构成。叠层体12由依次生长在衬底11上的厚 约IOOnm的氮化铝(AlN)缓冲层31、厚约3 μ m的本证氮化镓(GaN)有源层32，厚约2nm的 本证氮铝镓(AlGaN)第1势垒层33，厚约25nm的η型氮铝镓(AlGaN)第2势垒层34及厚 约3nm的本证氮铝镓(AlGaN)第3势垒层35构成。图7示出叠层体12在900°C的氧气氛中进行热处理时绝缘氧化膜12B的膜厚与热 处理时间的关系曲线。如图7所示，1小时热处理形成IOOnm厚的绝缘氧化膜，4小时热处 理时膜厚达200nm.如图6所示，由于HEMT的势垒层33 35的总膜厚约为30nm，绝缘氧化 膜12B的厚度达IOOnm时就已足够了。图8示出绝缘氧化膜12B的厚度与元件间漏电流之间的关系，由图可知，当绝缘氧 化膜12B的厚度达SOnm以上时，就可获得良好的隔离特性。因此从图7图8的关系可以知 道在900°C热处理温度下进行1小时的热处理，就能获得足够的元件隔离。此外，在氧化膜形成工序中，也可以用氧离子注入叠层体的方法代替氧气氛下的 热处理形成绝缘氧化膜12B。下面，验证衬底的特性。HEMT的有源区12A其衬底特性不能因热处理而退化，为此，在本实施方式中，为防 止因热处理引起有源区12A的氧化，保护膜21采用硅(Si)。图9(a) 图9(c)是用俄歇电子能谱法(AES)得到的本实施方式HEMT在衬底深度方向上原子剖面图，图9(a)示出在900°C下进行1小时热处理并去除保护膜21后的元 件隔离部(绝缘氧化膜12B)，图9(b)示出在膜厚IOOnm的保护膜21掩蔽状态下的有源区 12A，图9(c)示出未热处理状态下的叠层体12以作比较用。各曲线中，Ga表示镓原子的剖 面图，N表示氮原子的剖面图，0表示氧原子的剖面图。由于注意力集中在叠层体12中氧原 子的剖面图，省略了在叠层体中存在的微量Al原子。这里，横轴表示从样品表面算起的深 度(nm)，纵轴表示相对值(峰值掺杂)。如图9(a)所示，在元件隔离部热处理的叠层体12的结构被破坏，氧原子从上面 开始一直扩散到有源层32上，形成了绝缘氧化膜12B，这时绝缘氧化膜12B的厚度约为 IOOnm0如图9(b)所示，尽管在保护膜21上部观察到氧化，但是，在Si保护膜21掩蔽下 的有源区12A与保护膜界面上并未发生反应，与图9(c)所示未处理的剖面图相比，有源区 12的构造未变，维持了热处理前的结构。进一步[表1]示出了用霍尔法在室温下测量的热处理前后叠层体12的薄层载流 子浓度和载流子迁移率。[表 1] 热处理前后薄层载流子浓度及载流子迁移率都没有大的变化，与ASE分析结果一 样，这些测量结果也表明保护膜21确实保护了有源区12。在本发明中，热处理后保护膜21的去除也很重要，如果不能完全去除保护膜21或 去除时给有源区12A带来损伤就会引起晶体管特性的退化。而且，去除保护膜21时，不能 腐蚀到绝缘氧化膜12B。因此，在本实施方式中采用硝酸和氢氟酸湿法腐蚀去除Si保护膜21。图10示出用硝酸和氢氟酸湿法腐蚀去除热处理后的保护膜21及绝缘氧化膜12B 腐蚀量与时间的关系。从图10中可以看出，保护膜21很容易被腐蚀，而绝缘氧化膜几乎不 被腐蚀。在本实施方式中是用硝酸和氢氟酸湿法腐蚀去除保护膜21的，用其它腐蚀液也 可以。此外，也可以用干法腐蚀。我们用硅作保护膜21，也可以用氧化硅、氮化硅等能够防止因热处理引起有源区 12A退化的材料作保护膜。这时所用的腐蚀液对氧化硅用含氟酸的溶液，例如缓冲的氟酸 (BHF)就可以，对于氮化硅用热磷酸那样的含磷酸溶液就可以。第1实施方式的一个变形例以下参照

与本实施方式相关的半导体装置制造方法的一个变形例。本变 形例的特征是在图4(a)所示的叠层形成工序与图4(b)所示的保护膜形成工序之间设有氨 处理工序，氨处理工序将叠层体12的上面暴露在等离子化的氨气中。图11示出用TLM法(Transmission Line Method)测定在有源区12A上形成的欧姆电极14的接触阻抗的测试结果。这时，欧姆电极14的宽变为ΙΟΟμπι，各欧姆电极14的 间隔分别为2 μ m、4 μ m、6 μ m以及8 μ m。实线表示本变形例的用氨处理的结果，虚线表示未 经氨处理的情况以作比较。如图11所示，用氨处理与不用氨处理直线的倾斜是一样的，由 此可知，两种情况下有源区12A的薄层电阻没有差别，另一方面，实施氨处理的接触阻抗比 未经氨处理时降低30%，由该曲线求出的接触电阻率未经氨处理时为6X10-6Qcm2，已是 比较好的结果，经氨处理后减少到3X10-6 Ω cm2，这是因为经氨处理后去除了有源区12表 面的氧化物等变质物使表面洁净的结果。此外，在本变形例中是用等离子化氨气进行氨处理的，也可用氨溶液进行煮沸处理。第2实施方式以下，参照附图对本发明第2实施方式进行说明。图12出示与本发明第2实施方式相关的GaN系半导体装置中划片区的剖面构成 图。与本实施方式相关的GaN系半导体装置的特征是在晶片上形成多个半导体装置，当将 各个半导体装置分割为芯片时，在划片区的周围区域由GaN系半导体自身氧化形成保护氧 化膜。如图12所示，将SiC晶片状衬底42的主面划分为芯片形成区域40和设立在芯片形 成区域40之间的划片区域41。在衬底42主面的划片区域41上预先形成GaN系半导体叠层体43A，GaN系半导体 叠层体位于芯片形成区40中央的元件形成区(图中未出示)，构成晶体管等的有源区。在 芯片形成区域40周围部分的划片区41上由叠层体43A氧化形成保护氧化膜43B，并在43B 上形成表面保护膜44，表面保护膜由硅氧化膜组成，它是一层绝缘膜。已有的GaN半导体装置中，划片区41的周围部分被硅氧化膜组成的绝缘膜44所 覆盖，这种硅氧化膜与GaN半导体的结合强度较小，划片时(芯片分割时)绝缘膜44容易 剥落。但是，本实施方式的绝缘膜44形成在与它结合强度较大的保护绝缘膜43B(它由GaN 半导体氧化形成)上，因此，在将衬底42按芯片进行分割时，可以防止在叠层体43A及衬底 42产生裂纹和发生绝缘膜44剥落等问题。图13示出与本实施方式相关的晶片状态半导体装置和已有的晶片状态半导体装 置在划片时的不合格率与划片区宽变关系的比较结果。观察划片区宽度为ΙΟΟμπι情况下 各芯片的表面状态，已有半导体装置的芯片约有20%不合格，在划片区叠层体上生成的裂 纹会延伸到芯片的周边部分，甚至会延伸到芯片内部，也会发生元件形成区的绝缘膜剥落。另一方面，观察了与本实施方式相关的半导体装置，即使在划片区41处的叠层体 43Α上产生裂纹，这些裂纹都停止在与保护氧化膜43Β的交界区，没有看到侵入芯片形成区 40的情况。由图13可以明白，由于在划片区41的周边部分设有由GaN半导体氧化形成的 保护氧化膜43Α，既使将划片区41的宽度缩小到ΙΟΟμπι芯片的不合格率比划线区宽度为 150 μ m的已有半导体装置的不合格率还低。其结果，由于与本实施方式相关的半导体装置 即使划片区41宽度缩小，划片时的不合格率仍然少，就可以增大同样衬底42 (晶片)上制 作的半导体装置的数目，同时，由于可以防止绝缘膜44的剥落，可以大大提高装置的可靠 性。在本实施方式中，形成的保护氧化膜43B —直延伸到芯片形成区域40，图14所示为一变形例子，保护氧化膜43C呈环状设置在划片区41的侧部，保护氧化膜43C的宽度仅 有5 μ m左右就可以。此外，在本实施方式中，衬底42用的是SiC，也可使用蓝宝石等可以用外延法生长 GaN半导体叠层体43A的材料作衬底。下面，参照

上述结构半导体装置的制造方法。图15(a) 图15(c)、图16(a)及图16(b)示出与本实施方式相关的半导体装置制 造法工序顺序的剖面构成。首先，如图15(a)所示，用分子束外延(MBE)法在SiC晶片衬底42上形成GaN/ AlGaN叠层体43A。其次，如图15(b)所示，在多个芯片形成区40与该多个芯片形成区40之间设置划 片区41，在划片区41区域用CVD法在叠层体43A上形成硅保护膜形成膜，然后，用光刻法对 已形成的保护膜形成膜图形化，形成覆盖划片区41的保护膜21。再次，如图15(c)所示，将在叠层体43A上形成保护膜21后的样品放在900°C的氧 气氛中进行1小时的热处理，这样由于叠层体43A的氧化形成了保护氧化膜43B，保护氧化 膜位在划片区41两侧的芯片形成区40上。保护氧化膜43B形成工序在晶体管等半导体元件形成以前、形成以后进行都可 以，半导体元件制作在芯片形成区中央的元件形成区内(图中未显示)。但是，由于进行较 高温度的氧化处理，为保持良好的元件特性，这一工序最好在元件形成前进行。这时，也可 以与图4(c)所示第1实施方式保护膜21形成工序一块进行。再次，如图16(a)所示，用硝酸和氢氟酸去除保护膜21，然后，如图16(b)所示，用 CVD等方法，在整个芯片形成区域40上形成氧化硅表面保护用绝缘膜44，然后，用光刻法对 绝缘膜44进行选择性腐蚀使叠层体43A上的划片区41显露出来。这样，按照本实施方式，由于保护氧化膜43B是GaN半导体叠层体的氧化物，与衬 底42和绝缘膜44的粘附性就高。还有，因为在划片区41叠层体43A与保护氧化膜43B是 连续的，这样，在衬底42划片时，即使产生裂纹，也因保护氧化膜43B的作用可以阻止产生 的裂纹使之不能达到芯片形成区域40的周缘区域及其内侧。还有，在本实施方式中，保护氧化膜43B形成时，用硅作保护膜21以掩蔽叠层体 43A的划线区41，但并不仅限于硅，也可以用氧化硅膜、氮化硅膜等可以防止因热处理使叠 层体43A退化的材料。此外，我们用硝酸和氢氟酸去除保护膜21，也可用其它腐蚀液，或者用干法腐蚀。在形成保护氧化膜43B的热氧化工序中，也可用对GaN半导体叠层体43A的氧离 子注入，代替氧气氛。第3实施方式以下，参照

本发明的第3实施方式。图17示出与本发明第3实施方式相关的GaN半导体装置中延伸电极部的剖面构 成，延伸电极成为与外部连接的输入输出端子。如图17所示，在SiC晶片状衬底52的主面 上，区划出元件形成区域50和延伸电极形成区51，延伸电极形成区51与元件形成区邻接。在衬底52主面的元件形成区50上形成晶体管等的有源层叠层体53A，叠层体53A 由GaN半导体组成，在延伸电极形成区51内形成绝缘氧化膜53B，在绝缘氧化膜53B上形成
12钛(Ti)/金(Au)延伸电极54，绝缘氧化膜53B由叠层体53A氧化形成。此外，在图中没有 显示出来，延伸电极54通过布线与在元件形成区50内形成的元件电气连接。这样，由于与本实施方式相关的延伸电极54设置在GaN半导体叠层体53A上，并 使绝缘氧化膜53B (绝缘氧化膜53B由叠层体53A氧化生成)介于两者之间，延伸电极54 与衬底52的粘附性提高，这样，在延伸电极54的引线焊接工序中可以防止延伸电极54从 衬底52的剥落现象。[表2]示出SiC衬底上外延生长的GaN层与各种薄膜材料的粘附性以及GaN层 上部氧化形成的氧化层与各种薄膜材料粘附性的定量测定结果。测定方法是a Sebastian method 法。[表2] 从[表2]可以看出，与GaN层粘附性好的绝缘膜只有将GaN层氧化生成的GaN氧 化层，进一步我们可以看到GaN氧化层不仅与金属材料的粘附性好，与硅组成的绝缘膜的 粘附性也好。因此，对要求粘附性的延伸电极制作在由GaN半导体叠层体53A氧化生成的 绝缘氧化膜53B上是十分有效的。在本实施方式中，衬底52用的是SiC，也可以使用蓝宝石等可以外延生长GaN半导 体叠层体53A的材料作衬底。以下，参照

前面所述结构半导体装置延伸电极部的制作方法。图18(a) 图18(c)、图19(a)及图19(b)示出与本实施方式相关的半导体装置延 伸电极部制造方法工序顺序的剖面构成。首先，如图18(a)所示，用分子束外延(MBE)法，在SiC衬底52上形成GaN/AIGaN 叠层体53A。其次，如图如图18(b)所示，将叠层体53A区域区分为元件形成区50和延伸电极 形成区域51，在元件形成区50上，用CVD等方法在叠层体53A上形成Si保护膜形成膜，然 后用光刻法对已形成的保护膜形成膜上进行图形制作，在衬底52上形成覆盖元件形成区 域50的保护膜21。
再次，如图18 (c)所示，将已在叠层体53A上形成保护膜21后的样品在900°C的氧 气氛中进行一个小时的热处理，在延伸电极形成区域51上因叠层体53A氧化形成绝缘氧化 膜 53B。绝缘氧化膜53B形成工序在晶体管等半导体元件形成前、形成后进行都可以，但 是，因为进行较高温度热氧化处理，为保持元件特性良好，最好在元件形成前进行绝缘氧化 膜53B形成工序。这种情况下，可以与第一实施方式图4(c)所示保护膜21形成工序，以及 第2实施方式图15(c)所示的保护膜21形成工序在同一工序中进行。再次，如图19(a)所示，用硝酸和氢氟酸去除保护膜21之后，如图19(b)所示，用 蒸发及光刻法在延伸电极形成区51的绝缘氧化膜53B上选择性形成Ti/Au延伸电极54。这样，按照本实施方式，由于延伸电极54形成在绝缘氧化膜53B上，而绝缘氧化膜 53B又由GaN半导体叠层体53A氧化形成，所以可以获得高的粘附性。此外，在本实施方式中，延伸电极54直接形成在绝缘氧化膜53B上，如[表2]所 示，由于含硅的绝缘膜与GaN半导体氧化物的粘附性高，也可以将氧化硅膜、氮化硅膜等绝 缘膜插入在GaN半导体氧化物组成的绝缘氧化膜52B和延伸电极54之间。还有，保护叠层体53A元件形成区域50的保护膜21用的是硅，但也不仅限于硅， 也可使用能防止因氧化硅膜及氮化硅膜等的热处理引起叠层体53A退化的材料。还有，我们采用硝酸和氢氟酸湿法腐蚀去除保护膜21，也可以使用其他腐蚀液和 干法刻蚀。也可以采用对叠层体53A的氧离子注入代替氧气氛来形成绝缘氧化膜53B。第4实施方式以下，参照

本发明的第4种的实施方式图20 (a)及图20 (b)是与本发明第4实施方式相关的III族氮化物半导体激光器装 置，(a)是立体图，(b)是图(a)沿XXb-XXb线的剖面构成图，如图20(a)所示，与本实施方 式相关的半导体激光器装置依次形成在主面面方位为(0001)面的蓝宝石衬底61上，依次 是由η型氮化镓(GaN)组成的η接触层62、由η型氮铝镓(AlGaN)组成的η型包层63、由 氮镓铟(GaInN)组成的有源层64、由P型氮铝镓(AlGaN)组成的P型包层65、P型接触层 66。这样含In的有源层64被含Al的η型包层63和P型包层65上下夹住形成包含双异 质结谐振器的激光器结构体60Α。如图20(a)及图20(b)所示，激光器结构体60Α中的出射端面60a和反射端面60b 相对的方向就成为谐振器中激光的谐振方向。此外，如图20(a)所示，在P型接触层66的上面形成由镍(Ni)/金(Au)组成的P 测电极67。另一方面，使η型接触层62的一部分显露出来，在露出部分上面形成由钛(Ti) / 铝(Al)组成的η侧电极68。如图20(b)的激光器出射光方向剖面图所示，成为激光器结构体60Α谐振器反射 镜的出射端面60a及反射端面60b，由η型包层63、有源层64及P型包层65沿与衬底61 主面垂直方向腐蚀而成，该腐蚀端面被氧化形成的保护氧化膜覆盖。因此，实质上的谐振器 端面是有源层64的端面和保护氧化膜70的界面，这是本实施方式的一大特征。与本实施方式相关的半导体激光器装置，谐振器反射镜并不是被腐蚀后的端面， 而被保护氧化膜70所覆盖，这样就不易受腐蚀产生的缺陷影响。进一步，因为保护氧化膜层进行直接氧化生成，不发生漏电流，可以得到高 的可靠性。同时，由于与本实施方式相关的半导体激器装置不需要谐振器端面涂敷，也可以 减少制造工序。此外，可调节保护氧化膜70的膜厚等，使出射端面和反射端面的激光器反 射率最佳化。以下，参照

前面所述的半导体激光器装置制造方法图21 (a) 图21(c)和图22(a) 图22(d)示出与本实施方式相关的半导体激光 器装置制造方法工序顺序的剖面结构。这里示出图20(a)沿XXb-XXb线的剖面，图21 (c) 是主视图。首先，如图21(a)所示，用金属有机化合物气相生长法(MOVPE)在蓝宝石衬底61 上依次生长η型接触层62、η型包层63、有源层64、P型包层65及P型接触层66。其次，如图21(b)的剖面图和图21(c)的主视图所示，将激光器结构区域60掩蔽 起来，采用电子回旋共振(ECR)腐蚀法对P型接触层66、Ρ型包层65、有源层64及η型包层 63进行腐蚀直到η型接触层显露出来，与形成由η型接触层62、η型包层63、有源层64、P 型包层65以及P型接触层66构成激光器结构体60Α同时，在η型接触层62上，形成η侧 电极形成区域68Α。再次，如图22(a)的剖面图所示，选择形成硅(Si)保护膜21以覆盖P侧电极形成 区67Α和η侧电极形成区域(图中未显示)。再次，如图22(b)所示，在激光器结构体60Α上形成保护膜21后，在900°C氧气氛 下进行一小时的热处理，在除激光器结构体60A的P侧电极形成区域67A及η侧电极形成 区域以外的其他上面及侧面区域由激光器结构体60Α氧化形成保护氧化膜70。再次，如图22(c)所示，用硝酸和氢氟酸除去保护膜21，使P型接触层上的ρ侧电 极形成区域67Α和η侧电极形成区域显露出来。再次，如图22(d)所示，在ρ侧电极形成区域67Α上形成ρ侧电极67，在η侧电极 形成区域形成η侧电极，得到如图20(a)所示的半导体激光器装置。这样，按照与本实施方式相关的制造方法，由于构成激光器结构体60Α的GaN半导 体及其腐蚀的端面被氧化，因而不需要对出射端面60a和反射端面60b进行端面涂敷，同 时，谐振器反射镜可以形成在保护氧化膜70和激光器结构体60A的界面上。此外，与本实施方式相关的半导体激光器装置中为提高激光器的光横模控制性， 也可以将有源层64加工成条形，在P型包层65上设置电流狭窄层。 还有，在本实施方式中，在形成保护氧化膜70时，掩蔽P侧电极形成区域67A及η 侧电极形成区域68Α的保护膜21用的是硅，但不仅限于硅，也可使用氧化硅膜、氮化硅膜等 因热处理能够防止P型接触层66及η型接触层62退化的材料。还有，我们采用硝酸和氢氟酸湿法腐蚀去除保护膜21，也可以用其他腐蚀液或用 干法刻蚀。还有，衬底61我们用的是蓝宝石，也可以用SiC等可以外延生长GaN半导体层的 衬底取代蓝宝石。
权利要求
一种半导体装置，其特征在于是具备有激光器结构体和保护氧化膜的半导体装置；激光器结构体形成在衬底上，具有由以式InxALyGa1 x yN表达的多个Ⅲ族氮化物半导体组成的谐振器；保护氧化膜形成在所述激光器结构体的侧面区域，且由所述Ⅲ族氮化物半导体氧化而生成，所述侧面区域包含所述谐振器的端面，式中0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1。
2. 一种半导体装置制造方法，其特征在于具备有以下各工序通过在衬底上形成以式IrixALyGai_x_yN表达的多个III族氮化物半导体层，从而形成含有 由所述多个III族氮化物半导体层组成的谐振器的激光器结构体的激光器结构体形成工序， 式中0彡χ彡1、0彡y彡1、0彡x+y彡1 ；使所述激光器结构体中的、所述谐振器的两个端面显露出来的工序；用使包括所述激光器结构体的所述两个端面的侧面氧化的办法，在包含所述两个端面 的侧面形成由所述III族氮化物半导体层氧化生成的保护氧化膜的氧化膜形成工序。
3.根据权利要求2所述的半导体装置制造方法，其特征在于，所述氧化膜形成工序包 含将所述III族氮化物半导体层在氧气氛中进行热处理的工序。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置，其具有有源区域和绝缘氧化膜，有源区域由生长在衬底11上的Ⅲ族氮化物半导体组成，绝缘氧化膜由在有源区域周围的Ⅲ族氮化物半导体氧化而成。在有源区域上形成栅电极、源电极和漏电极，栅电极与有源区域呈肖特基接触、延伸到绝缘氧化膜上，并在氧化绝缘膜上具有栅电极的引出部，源电极和漏电极是欧姆电极，设置在栅电极栅长方向的两侧并与栅电极有一定间隔。
文档编号H01L29/20GK101902015SQ20101022892
公开日2010年12月1日 申请日期2001年3月21日 优先权日2000年3月22日
发明者井上薰, 松野年伸, 正户宏幸, 池田义人, 西井胜则 申请人:松下电器产业株式会社