DE112015001424T5 - Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

In eine Halbleiterschicht, die aus einem Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter gebildet ist, der Stickstoff als ein Gruppe-V-Element enthält, wird ein Dotierungsmittel ioneninjiziert. An der Halbleiterschicht mit dem ioneninjizierten Dotierungsmittel wird unter Verwendung eines Wärmebehandlungsofens unter Temperaturbedingungen von 700°C bis 900°C ein erstes Aktivierungstempern ausgeführt. Nachdem das erste Aktivierungstempern ausgeführt worden ist, wird ein zweites Aktivierungstempern ausgeführt, in dem ermöglicht wird, dass ein gepulster Laserstrahl auf die Halbleiterschicht auftrifft. Unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens kann eine Dotierungsmittelaktivierungsrate verbessert werden.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, das ein Dotierungsmittel aktiviert, das in einen Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter, der als ein Gruppe-V-Element Stickstoff enthält, ioneninjiziert ist.
  • Stand der Technik
  • Es wird erwartet, dass ein Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter, der als ein Gruppe-V-Element Stickstoff enthält, z. B. Galliumnitrid (GaN), unter dem Gesichtspunkt einer großen Bandlücke auf Hochfrequenzleistungsvorrichtungen der nächsten Generation angewendet wird. Um GaN auf verschiedene Vorrichtungen anzuwenden, ist eine Technik zum lokalen Bilden eines p-Gebiets oder eines n-Gebiets erforderlich. Es ist eine Technik zum Bilden eines p-Gebiets oder eines n-Gebiets durch Ioneninjizieren eines p- oder eines n-Dotierungsmittels in einen Halbleiter wie etwa Silicium etabliert. Die Patentliteraturen 1 und 2 offenbaren eine Technik zum Bilden von p-GaN durch Ioneninjizieren von Mg, das ein p-Dotierungsmittel ist, in GaN unter Verwendung einer Ioneninjektionstechnik und durch Ausführen von Lasertempern.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • [PTL1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2004-273486
    • [PTL2] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2013-062365
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • In Übereinstimmung mit Auswertungen und Experimenten der Erfinder der vorliegenden Anmeldung ist festzustellen, dass es unwahrscheinlich ist, dass eine Aktivierungsrate ausreichend erhöht wird, wenn ein Verfahren zum Ioneninjizieren von Mg in GaN und zum Ausführen von Lasertempern zur Aktivierung verwendet wird. Es ist erwünscht, ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung zu schaffen, das die Aktivierungsrate eines Dotierungsmittels verbessern kann.
  • Lösung des Problems
  • In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung geschaffen, wobei das Verfahren enthält: Ioneninjizieren eines Dotierungsmittels in eine Halbleiterschicht, die aus einem Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter, der Stickstoff als ein Gruppe-V-Element enthält, gebildet ist; Ausführen eines ersten Aktivierungstemperns an der Halbleiterschicht mit dem ioneninjizierten Dotierungsmittel unter Verwendung eines Wärmebehandlungsofens unter Temperaturbedingungen von 700°C bis 900°C; und Ausführen eines zweiten Aktivierungstemperns durch zulassen, dass ein gepulster Laserstrahl auf die Halbleiterschicht auftrifft, nachdem das erste Aktivierungstempern ausgeführt worden ist.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Durch Kombinieren des Temperns unter Verwendung eines Wärmebehandlungsofens mit Lasertempern unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls ist es möglich, die Aktivierungsrate eines ioneninjizierten Dotierungsmittels zu erhöhen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1A bis 1C sind Schnittansichten, die ein Substrat in der Mitte der Herstellung unter Verwendung eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleitersubstrats in Übereinstimmung mit einem Beispiel darstellen.
  • 2 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zum Abtasten eines gepulsten Laserstrahls in der Zeit zum Ausführen eines zweiten Aktivierungstemperns darstellt.
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die Ergebnisse einer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Analyse zeigt, bevor und nachdem ermöglicht wurde, dass ein gepulster Laserstrahl auf eine aus GaN gebildete Halbleiterschicht 12 auftrifft.
  • 4 ist eine graphische Darstellung, die Ergebnisse einer Raman-Spektroskopie-Analyse zeigt, die an einer Halbleiterschicht ausgeführt wird, in die Mg ioneninjiziert wird und die aus GaN gebildet ist.
  • 5A und 5B sind graphische Darstellungen, die durch Vergrößern eines Teils der Ergebnisse der in 4 gezeigten Raman-Spektroskopie-Analyse erhalten wurden.
  • 6 ist eine graphische Darstellung, die Messergebnisse des Flächenwiderstands einer Probe zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Anhand von 1A bis 1C wird ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einem Beispiel beschrieben.
  • Wie in 1A dargestellt ist, wird auf einem aus Saphir gebildeten Stützsubstrat 11 ein epitaktisches Aufwachsen einer aus Galliumnitrid (GaN) gebildeten Halbleiterschicht 12 bewirkt. Das Stützsubstrat 11 und die Halbleiterschicht 12 werden zusammen als ein Substrat 10 bezeichnet. Als ein p-Dotierungsmittel wird Magnesium (Mg) in die Halbleiterschicht 12 ioneninjiziert. Aufgrund dieser Ioneninjektion treten in der Halbleiterschicht 12 Gitterfehler 15 auf.
  • Wie in 1B dargestellt ist, wird das Substrat 10 nach der Ioneninjektion in einem Wärmebehandlungsofen 20 angeordnet. An der Halbleiterschicht 12, die ein Dotierungsmittel enthält, wird unter Verwendung des Wärmebehandlungsofens 20 unter Temperaturbedingungen von 700°C bis 900°C ein erstes Aktivierungstempern ausgeführt. Aufgrund dieses ersten Aktivierungstemperns wird ein Teil des in die Halbleiterschicht 12 injizierten Dotierungsmittels aktiviert und wird die Kristallinität eines durch die Ioneninjektion beschädigten Gebiets wiederhergestellt. Ein Teil der Gitterfehler 15, insbesondere Fehler vom Verarmungstyp, bewegen sich in Richtung der Oberfläche der Halbleiterschicht 12.
  • Wie in 1C dargestellt ist, wird dadurch, dass ermöglicht wird, dass auf die Halbleiterschicht 12 des Substrats 10, in der das erste Aktivierungstempern abgeschlossen ist, ein gepulster Laserstrahl 22 auftrifft, ein zweites Aktivierungstempern ausgeführt. Das zweite Aktivierungstempern wird in einer Stickstoffatmosphäre ausgeführt. Wenn der gepulste Laserstrahl 22 auf die Oberfläche der Halbleiterschicht 12 auftrifft, wird ein flaches Gebiet der Halbleiterschicht 12 lokal erwärmt. Zu dem Zeitpunkt des ersten Aktivierungstemperns verschwinden die meisten Gitterfehler 15 (1B), die sich in Richtung der Oberfläche der Halbleiterschicht 12 bewegt haben, aufgrund der Erwärmung. Als der gepulste Laserstrahl 22 werden dritte Harmonische eines Festkörperlasers wie etwa eines Nd:YAG-Lasers, eines Nd:YLF-Lasers, eines Nd:YVO4-Lasers und dergleichen verwendet. Seine Wellenlänge liegt in einem Bereich von 349 nm bis 355 nm.
  • Anhand von 2 wird ein Verfahren zum Abtasten des gepulsten Laserstrahls 22 (1C) zur Zeit des Ausführens des zweiten Aktivierungstemperns beschrieben. Als ein Beispiel weist ein Strahlfleck 25 des gepulsten Laserstrahls 22 auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 12 (1C) eine Quadratform mit einer Seite mit einer Länge L von näherungsweise 100 μm auf. Es wird ermöglicht, dass der Strahlfleck 25 sich in einer Hauptabtastrichtung (der Querrichtung in 2) auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 12 bewegt, während zugelassen wird, dass der gepulste Laserstrahl 22 (1C) auf ihre Oberfläche auftrifft.
  • Wenn die einmal ausgeführte Hauptabtastung abgeschlossen ist, wird ermöglicht, dass der Strahlfleck 25 sich in einer Unterabtastrichtung (der Längsrichtung in 2) bewegt und wird daraufhin die nächste Hauptabtastung begonnen. Überlappende Breiten des Strahlflecks 25 zweiter Schüsse, die in der Hauptabtastrichtung und in der Unterabtastrichtung zeitlich aneinander angrenzen, sind jeweils als Wm und Ws ausgedrückt. Ein Überlappungsverhältnis OVm in der Hauptabtastrichtung und ein Überlappungsverhältnis OVs in der Unterabtastrichtung sind jeweils unter Verwendung der folgenden Gleichung definiert.

    OVm = Wm/L
    OVs = Ws/L.
  • Nachfolgend werden die Bedingungen zum Anwenden des gepulsten Laserstrahls 22 zur Zeit des zweiten Aktivierungstemperns beschrieben. Wenn ein Laserimpuls des gepulsten Laserstrahls 22 ansteigt, beginnt die Oberflächentemperatur der Halbleiterschicht 12 (1C) zuzunehmen, und wenn ein Laserimpuls abfällt, beginnt die Oberflächentemperatur abzunehmen. Es ist bevorzugt, eine Bedingung auszuwählen, in der die höchste erreichbare Temperatur der Oberfläche, wenn ermöglicht wird, dass ein Schuss des gepulsten Laserstrahls 22 auftrifft, 900°C oder weniger, d. h. die Dissoziationstemperatur des Stickstoffs von GaN, ist.
  • Im Ergebnis einer durch Einstellen der Impulsbreite auf 50 ns ausgeführten Simulation ist zu verstehen, dass die höchste erreichbare Temperatur 900°C übersteigt, wenn die Pulsenergiedichte 0,8 J/cm2 beträgt, und dass die höchste erreichbare Temperatur 900°C oder niedriger ist, wenn die Pulsenergiedichte 0,6 J/cm2 beträgt. Außerdem schwankt die höchste erreichbare Temperatur selbst dann nicht stark, wenn die Pulsenergiedichte dieselbe ist, selbst wenn die Impulsbreite ein anderer Wert als 50 ns ist.
  • 3 zeigt Ergebnisse der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Analyse, bevor und nachdem ermöglicht wird, dass ein gepulster Laserstrahl auf die aus GaN gebildete Halbleiterschicht 12 (1C) auftrifft. Die horizontale Achse repräsentiert die Bindungsenergie unter Verwendung der Einheit ”eV” und die vertikale Achse repräsentiert die Photoelektronenintensität unter Verwendung einer willkürlichen Einheit. 3 zeigt die Spitze des Stickstoffs (N1s). Die Strichlinie in 3 zeigt das Analyseergebnis der Halbleiterschicht, bevor ermöglicht wird, dass der gepulste Laserstrahl auf ihre Oberfläche auftrifft. Eine durchgezogene Linie a in 3 zeigt das Analyseergebnis der Halbleiterschicht, nachdem das Lasertempern unter den Bedingungen ausgeführt worden ist, dass die Pulsenergiedichte 0,35 J/cm2 beträgt und dass die Überlappungsverhältnisse OVm und OVs in der Hauptabtastrichtung und in der Unterabtastrichtung jeweils 90% betragen. Eine durchgezogene Linie b zeigt das Analyseergebnis der Halbleiterschicht, nachdem das Lasertempern unter den Bedingungen ausgeführt worden ist, dass die Pulsenergiedichte 0,4 J/cm2 und die Überlappungsverhältnisse OVm und OVs jeweils 90% beträgt. Eine durchgezogene Linie c zeigt das Analyseergebnis der Halbleiterschicht, nachdem das Lasertempern unter den Bedingungen ausgeführt worden ist, dass die Pulsenergiedichte 0,8 J/cm2 ist und die Überlappungsverhältnisse OVm und OVs jeweils 80% sind.
  • Es ist zu verstehen, dass die Dissoziation des Stickstoffs in der Halbleiterschicht signifikant ist, wenn die Pulsenergiedichte auf 0,8 J/cm2 eingestellt wird. Unter der Bedingung einer Pulsenergiedichte von 0,35 J/cm2 tritt nahezu keine Dissoziation von Stickstoff auf. Wie aus dem in 3 gezeigten Auswertungsergebnis zu verstehen ist, wird die Pulsenergiedichte des gepulsten Laserstrahls 22 zur Zeit des zweiten Aktivierungstemperns vorzugsweise auf 0,35 J/cm2 eingestellt, um eine Dissoziation des Stickstoffs in der Halbleiterschicht zu unterdrücken.
  • 4 zeigt Ergebnisse einer Raman-Spektroskopie-Analyse, die an einer Halbleiterschicht ausgeführt worden ist, in die Mg ioneninjiziert wurde und die aus GaN gebildet ist. Die horizontale Achse repräsentiert die Raman-Verschiebung unter Verwendung der Einheit ”cm–1” und die vertikale Achse repräsentiert die Raman-Intensität. Durchgezogene Linien in 4 zeigen Analyseergebnisse der Proben A bis G. Die Probe G ist eine Probe, in der kein Mg in die Halbleiterschicht 12 (1A) ioneninjiziert worden ist, und die Proben A bis F sind Proben, in denen Mg in die Halbleiterschicht 12 ioneninjiziert worden ist. In diese wird unter den Bedingungen von Beschleunigungsenergien von 20 keV, 80 keV und 120 keV in mehreren Phasen Mg injiziert.
  • Die Probe A ist eine Probe, an der nach der Laserinjektion kein Lasertempern ausgeführt wird. Die Probe B ist eine Probe, an der nach der Ioneninjektion ein Lasertempern ausgeführt wird. Die Probe C ist eine Probe, an der nach der Ioneninjektion für 20 Minuten ein Ofentempern bei 700°C ausgeführt wird. Die Probe D ist eine Probe, an der nach der Ioneninjektion für 20 Minuten ein Ofentempern bei 900°C ausgeführt wird. Die Probe E ist eine Probe, an der nach der Ioneninjektion für 20 Minuten ein Ofentempern bei 700°C ausgeführt wird und ferner ein Lasertempern ausgeführt wird. Die Probe F ist eine Probe, an der nach der Ioneninjektion für 20 Minuten ein Ofentempern bei 900°C ausgeführt wird und ferner ein Lasertempern ausgeführt wird. In allen Proben B, E und F wird ein Lasertempern bei einer Pulsenergiedichte von 0,35 J/cm2 und einem Überlappungsverhältnis OVm von 90% und einem Überlappungsverhältnis OVs von 90% ausgeführt.
  • In der Probe G treten an Stellen von 418 cm–1, 567,6 cm–1 und 734 cm–1 Spitzen auf. Die Spitze bei 418 cm–1 beruht auf dem Saphir des Stützsubstrats 11. Die Spitze bei 567,6 cm–1 beruht auf der Schwingung des Stickstoffs in der Querrichtung. Die Spitze bei 734 cm–1 beruht auf einer longitudinal optischen Mode. Diese drei Spitzen sind für eine GaN-Schicht, deren epitaktisches Wachstum auf dem Saphirsubstrat bewirkt wird, üblich.
  • In der Probe A treten nach der Ioneninjektion Spitzen an den Stellen von 300 cm–1 und 670 cm–1 auf. Diese Spitzen werden durch Gitterfehler, z. B. Löcher oder dergleichen des Stickstoffs, verursacht. Selbstverständlich werden viele Gitterfehler durch Ausführen der Ioneninjektion in die Halbleiterschicht eingeführt. In den Proben B bis F tritt an der Stelle der Raman-Verschiebung von 360 cm–1 eine Spitze auf. Diese Spitze entspricht der Aktivierung des ioneninjizierten Mg.
  • 5A und 5B sind graphische Darstellungen, die jeweils durch Vergrößern eines Teils von 4 erhalten wurden. Wenn die Raman-Intensitäten der jeweiligen Proben in der Umgebung der Raman-Verschiebung von 300 cm–1 miteinander verglichen werden, ist zu verstehen, dass die Spitzen der Proben C und D, an denen nur ein Ofentempern ausgeführt wurde, und die Spitzen der Proben E und F, an denen sowohl ein Ofentempern als auch ein Lasertempern ausgeführt wurde, niedriger als die Spitze der Probe B, an der nur ein Lasertempern ausgeführt wurde, sind. Das heißt, dass das Ofentempern besser als das Lasertempern geeignet ist, um Gitterfehler von Ga-Löchern oder dergleichen zu verringern.
  • Wenn die Raman-Intensitäten der jeweiligen Proben in der Nähe der Raman-Verschiebung von 670 cm–1 miteinander verglichen werden, sind die Raman-Intensität der Probe B, an der nur das Lasertempern ausgeführt wird, und die Raman-Intensität der Probe C, an der nur das Ofentempern bei 700°C ausgeführt wird, hoch. Aus diesem Auswertungsergebnis ist zu verstehen, dass das Tempern bei näherungsweise 900°C, d. h. mehr als 700°C, nützlich ist, um Gitterfehler wie etwa Löcher von Stickstoff und Zwischengitteratome zu verringern.
  • Wenn die Spitzen der jeweiligen Proben in der Nähe der Raman-Verschiebung von 360 cm–1 miteinander verglichen werden, ist die Spitze der Probe F, an der sowohl das Ofentempern bei 900°C als auch das Lasertempern ausgeführt werden, am höchsten. Das heißt, dass die Aktivierungsrate des ioneninjizierten Mg der Probe F am hervorragendsten ist.
  • 6 zeigt Messergebnisse der Flächenwiderstände der Proben B, E und F. Der Flächenwiderstand wird in Übereinstimmung mit einem Viersondenmessverfahren gemessen. In 6 repräsentiert die horizontale Achse den Strom unter Verwendung der Einheit ”mA” und repräsentiert die Längsachse den Flächenwiderstand unter Verwendung der Einheit ”Ω/☐”. Die Flächenwiderstände der Proben E und F, an denen sowohl ein Ofentempern als auch ein Lasertempern ausgeführt wird, sind niedriger als der Flächenwiderstand der Probe B, an der nur ein Lasertempern ausgeführt wird. Wenn angenommen wird, dass die Beweglichkeit eines positiven Lochs in GaN 200 cm2/V·s beträgt, wird der Flächenwiderstand zu 104 Ω/☐, falls 100% des ioneninjizierten Mg aktiviert werden. Dass der Flächenwiderstand durch Ausführen sowohl eines Ofentemperns als auch eines Lasertemperns verringert wird, bedeutet, dass die Aktivierungsrate von Mg erhöht wird.
  • Wenn die Hall-Koeffizienten der Proben E und F, an denen ein Ofentempern und ein Lasertempern ausgeführt werden, gemessen werden, wird bestätigt, dass beide Proben positive Hall-Koeffizienten aufweisen. Das heißt, dass Mg aktiviert wird und p-GaN erhalten wird. Im Gegensatz dazu kann in der Probe B, in der nur ein Lasertempern ausgeführt wird, kein positiver Hall-Koeffizient erhalten werden. Wenn eine Kombination aus Ioneninjektion, Ofentempern und Lasertempern verwendet wird, kann p-GaN erhalten werden.
  • In dem oben beschriebenen Beispiel wird GaN als die Halbleiterschicht 12 (1A bis 1C) verwendet und ist es selbst in einem Fall, dass ein Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter verwendet wird, der Stickstoff als ein Gruppe-V-Element enthält, wirksam, eine Kombination aus Ofentempern und Lasertempern zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung ist anhand oben beschriebener Beispiele beschrieben worden, wobei die vorliegende Erfindung darauf aber nicht beschränkt ist. Zum Beispiel können verschiedene Änderungen, Verbesserungen und Kombinationen vorgenommen werden, wobei dies für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Substrat
    11
    Stützsubstrat
    12
    Halbleiterschicht
    15
    Gitterfehler
    20
    Wärmebehandlungsofen
    22
    Gepulster Laserstrahl
    25
    Strahlfleck
    OVm
    Überlappungsverhältnis in der Hauptabtastrichtung
    OVs
    Überlappungsverhältnis in der Unterabtastrichtung
    L
    Länge einer Seite des Strahlflecks
    Wm
    Überlappungsbreite des Strahlflecks in der Hauptabtastrichtung
    Ws
    Überlappungsbreite des Strahlflecks in der Unterabtastrichtung

Claims (5)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ioneninjizieren eines Dotierungsmittels in eine Halbleiterschicht, die aus einem Gruppe-III-V-Verbindungs-Halbleiter, der Stickstoff als ein Gruppe-V-Element enthält, gebildet ist; Ausführen eines ersten Aktivierungstemperns an der Halbleiterschicht mit dem ioneninjizierten Dotierungsmittel unter Verwendung eines Wärmebehandlungsofens unter Temperaturbedingungen von 700°C bis 900°C; und Ausführen eines zweiten Aktivierungstemperns dadurch, dass ermöglicht wird, dass ein gepulster Laserstrahl auf die Halbleiterschicht auftrifft, nachdem das erste Aktivierungstempern ausgeführt worden ist.
  2. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei während des Ausführens des zweiten Aktivierungstemperns ein gepulster Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 349 nm bis 355 nm, d. h. einer dritten Harmonischen eines Festkörperlasers, verwendet wird.
  3. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ermöglicht wird, dass der gepulste Laserstrahl unter den Bedingungen, dass eine Pulsenergiedichte auf der Oberfläche der Halbleiterschicht während des Ausführens des zweiten Aktivierungstemperns 0,35 J/cm2 oder weniger beträgt, auf die Halbleiterschicht auftrifft.
  4. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Tempern während des Ausführens des zweiten Aktivierungstemperns in einer Stickstoffatmosphäre ausgeführt wird.
  5. Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Kristallinität eines durch das Ioneninjizieren des Dotierungsmittels beschädigten Gebiets während des ersten Aktivierungstemperns wiederhergestellt wird, das Dotierungsmittel aktiviert wird und sich ein Teil der Gitterfehler in der Halbleiterschicht in Richtung der Oberfläche der Halbleiterschicht bewegt, und die Gitterfehler, die sich zur Zeit des ersten Aktivierungstemperns in Richtung der Oberfläche der Halbleiterschicht bewegt haben, während des zweiten Aktivierungstemperns verschwinden.
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