JP2003347234A - Method of manufacturing iii nitride film - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】 本発明は、III族窒化物の
製造方法又は処理方法と、その方法によって製造又は処
理されたIII族窒化物を用いた半導体デバイスの製造方
法に関する。The present invention relates to a method for producing or treating a group III nitride, and a method for producing a semiconductor device using a group III nitride produced or treated by the method.
【0002】[0002]
【従来の技術】 第1の材料からなる層を、第1の材料
とは格子定数が異なる第2の材料からなる基板上に成長
させることが行われている。この場合、格子定数の不一
致に起因して、積層された第1の材料層に転位(線状の
欠陥)が生じる。このような転位は、第1の材料層等に
形成される半導体デバイスの性能を低下させるため、で
きるだけ少なくしたい。上記した第1の材料として用い
られるIII族窒化物は、電子デバイスや光学デバイス等
の半導体デバイスを形成するために有用な材料である。
代表的なIII族窒化物である窒化ガリウムは、下地基板
なしに成長させてもわずかな厚さの結晶層しか得られな
い。よって、一般的には、窒化ガリウムを、上記した第
2の材料に相当するサファイア基板上にヘテロエピタキ
シャル成長させる。しかし、窒化ガリウム膜とサファイ
ア基板の格子定数は大きく異なるため、サファイア基板
上に成長させた窒化ガリウム膜には転位が生じ、その転
位密度が109cm−2以上となる場合もある。2. Description of the Related Art A layer made of a first material is grown on a substrate made of a second material having a different lattice constant from that of the first material. In this case, dislocations (linear defects) occur in the stacked first material layers due to the mismatch of lattice constants. Such dislocations reduce the performance of the semiconductor device formed in the first material layer or the like, and therefore, it is desired to reduce the dislocations as much as possible. The group III nitride used as the first material described above is a material useful for forming a semiconductor device such as an electronic device or an optical device.
Gallium nitride, which is a typical group III nitride, can provide a crystal layer with a small thickness even when grown without an underlying substrate. Therefore, gallium nitride is generally heteroepitaxially grown on a sapphire substrate corresponding to the above-mentioned second material. However, since the lattice constant of the gallium nitride film is significantly different from that of the sapphire substrate, dislocation occurs in the gallium nitride film grown on the sapphire substrate, and the dislocation density may be 10 9 cm −2 or more.
【0003】このような転位を減少させること目的とし
た技術として、特開平10−294281号公報に記載
の方法がある。この方法は次の(1)〜(3)の工程を
有する。
(1)第1の材料からなる層を、その第1の材料とは格
子定数が異なる第2の材料からなる基板上に成長させ
る。
(2)成長させた第1の材料からなる層に、注入領域が
アモルファス化(非晶質化)するようにイオン注入す
る。
(3)イオン注入後の第1の材料からなる層を熱処理す
る。As a technique aimed at reducing such dislocations, there is a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-294281. This method has the following steps (1) to (3). (1) A layer made of a first material is grown on a substrate made of a second material having a different lattice constant from that of the first material. (2) Ions are implanted into the grown layer made of the first material so that the implanted region becomes amorphous. (3) Heat-treat the layer made of the first material after the ion implantation.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】 上記の方法は、第1
の材料がシリコンの場合の処理方法として用いられる方
法であるが、第1の材料がIII族窒化物の場合に、そのI
II族窒化物の転位を減少させるために適切な方法とはい
えない。即ち、第1の材料がIII族窒化物の場合に、そ
のIII族窒化物膜に注入領域がアモルファス化するよう
にイオン注入し、イオン注入後のIII族窒化物膜を熱処
理しても、単結晶化されず、多結晶状態にどとまってし
まうという問題が生じる。これは、III族窒化物はシリ
コンとは結晶構造が異なり、III族窒化物の方がシリコ
ンに比べて熱をかけても原子が動きにくいということが
主な理由と考えられる。III族窒化物膜が多結晶状態で
は、転位が減少できるか否かという以前の問題であり、
そのIII族窒化物膜を用いて高性能な半導体デバイスを
形成するのは困難である。高性能な半導体デバイスを実
現するためには、III族窒化物膜が単結晶状態であり、
その上で転位が少ない高品質なものであることが要求さ
れる。SUMMARY OF THE INVENTION
This method is used as a processing method when the material is silicon, but when the first material is a group III nitride,
It is not an appropriate method to reduce dislocations in group II nitrides. That is, when the first material is a group III nitride, even if the group III nitride film is ion-implanted so that the implanted region becomes amorphous and the group III nitride film after the ion implantation is heat-treated, There is a problem that the material is not crystallized and stays in a polycrystalline state. This is considered to be mainly because the group III nitride has a different crystal structure from silicon, and the group III nitride is less likely to move atoms when heated than the silicon. In the case where the group III nitride film is in a polycrystalline state, it is a previous problem whether dislocations can be reduced,
It is difficult to form a high-performance semiconductor device using the group III nitride film. In order to realize a high-performance semiconductor device, the group III nitride film is in a single crystal state,
In addition, it is required to be of high quality with few dislocations.
【0005】本発明は、転位が少なく高品質な単結晶の
III族窒化物膜を実現することを目的とする。[0005] The present invention relates to a high-quality single crystal having few dislocations.
It is intended to realize a group III nitride film.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段及び作用と効果】 本発明
を具現化した方法は、次の(1)〜(3)の工程を有す
る。
(1)III族窒化物膜を、そのIII族窒化物膜とは格子定
数が異なる材料からなる基板上に成長させる。
(2)成長させたIII族窒化物膜に、注入領域の結晶化
率が25%以上75%以下となるようにイオン注入す
る。
(3)イオン注入後のIII族窒化物膜を熱処理する。Means for Solving the Problems, Functions and Effects A method embodying the present invention has the following steps (1) to (3). (1) A group III nitride film is grown on a substrate made of a material having a different lattice constant from the group III nitride film. (2) Ions are implanted into the grown group III nitride film so that the crystallization ratio of the implanted region is 25% or more and 75% or less. (3) A heat treatment is performed on the group III nitride film after the ion implantation.
【0007】本発明の方法は、III族窒化物膜にイオン
注入をするものの、注入領域がアモルファス化するまで
はイオン注入せず、注入領域の結晶化率が25%以上7
5%以下となるようにイオン注入することを大きな特徴
とする。本発明者らが鋭意研究を行った結果、III族窒
化物膜とは格子定数が異なる材料からなる基板上に積層
されて転位が生じているIII族窒化物膜については、注
入領域の結晶化率が25%以上75%以下となるように
イオン注入し、イオン注入後のIII族窒化物膜を熱処理
することで、そのイオン注入領域のIII族窒化物膜を単
結晶化させることができ、しかも、本発明の方法を行う
前に比べて転位が大幅に低減されたIII族窒化物膜を実
現できることを見出したのである。In the method of the present invention, ions are implanted into the group III nitride film, but the ions are not implanted until the implanted region becomes amorphous, and the crystallization rate of the implanted region is 25% or more.
A major feature is that ion implantation is performed so as to be 5% or less. As a result of intensive studies conducted by the present inventors, the dislocation-induced III-nitride film stacked on a substrate made of a material having a different lattice constant from that of the III-nitride film was crystallized in the implantation region. By implanting ions so that the rate becomes 25% or more and 75% or less and heat-treating the III-nitride film after the ion implantation, the III-nitride film in the ion-implanted region can be monocrystallized, In addition, they have found that a group III nitride film in which dislocations are significantly reduced as compared to before the method of the present invention is performed can be realized.
【0008】本発明の方法は、先に述べた従来の方法と
は基本的な技術思想が異なる。従来の方法は、III族窒
化物膜に、注入領域がアモルファス化するまでイオン注
入する。これは、イメージとしては注入領域の原子配列
をばらばらにすることで、転位もばらばらにして消失さ
せようという思想によるものである。そして、熱処理を
行うことで、アモルファス化された領域を再結晶化しよ
うとするものある。しかし、III族窒化物膜の場合、熱
処理を行っても、アモルファス化された領域は先に述べ
たように多結晶状態にとどまってしまい、単結晶化され
ない。The method of the present invention differs from the above-mentioned conventional method in the basic technical idea. In the conventional method, ions are implanted into the group III nitride film until the implantation region becomes amorphous. This is based on the idea that, as an image, the atomic arrangement of the implanted region is dissociated, and dislocations are dissociated and eliminated. In some cases, heat treatment is performed to recrystallize an amorphous region. However, in the case of a group III nitride film, even if heat treatment is performed, the amorphous region remains in the polycrystalline state as described above, and is not single-crystallized.
【0009】これに対し、本発明の方法は、III族窒化
物膜に、イオン注入領域の結晶化率が25%以上75%
以下となるようなドーズ量でイオン注入する。すると、
注入領域はアモルファス状態に比べてばらばらな状態に
ならず、ある程度原子が整列された状態が保持される。
この結果、イオン注入後熱処理前の状態では、注入領域
におけるほとんどの転位は残存している。また、注入し
たイオンがIII族窒化物膜を構成するIII族元素又は窒素
に衝突した結果、次々とIII族元素の空孔又は窒素の空
孔(空孔型欠陥)が形成される。これらの空孔のうち、
イオン注入領域の転位付近に導入された空孔は、注入領
域の転位を終端するように働く。具体的には、これらの
空孔は、その転位付近に位置する原子の未結合の手にく
っついたり、転位付近に位置する原子間に入り込んだり
する。On the other hand, according to the method of the present invention, the crystallization ratio of the ion-implanted region is 25% or more and 75% or less in the group III nitride film.
Ion implantation is performed at the following dose. Then
The implanted region does not fall apart as compared with the amorphous state, and a state where atoms are arranged to some extent is maintained.
As a result, in the state after the ion implantation and before the heat treatment, most dislocations in the implantation region remain. In addition, as a result of the injected ions colliding with a group III element or nitrogen constituting the group III nitride film, vacancies of group III elements or vacancies of nitrogen (vacancy type defects) are successively formed. Of these holes,
The vacancies introduced near dislocations in the ion implantation region serve to terminate the dislocations in the implantation region. Specifically, these vacancies stick to unbonded hands of atoms located near the dislocation or enter between atoms located near the dislocation.
【0010】そのイオン注入後、III族窒化物膜に熱処
理を行うと、III族元素の空孔又は窒素の空孔がその熱
によって拡散する。イオン注入領域の転位付近のIII族
元素の空孔又は窒素の空孔が拡散すると、その転位付近
の原子位置が再構成されて、イオン注入領域の転位の多
数が消失する。また、本実施形態では、注入領域の結晶
化率が25%以上75%以下となるようにイオン注入す
る。即ち、注入領域をアモルファス状態よりもばらばら
な状態にせず、ある程度原子が整列された状態が保持さ
れるようにイオン注入する。よって、III族窒化物の構
成原子が熱をかけても動きにくくても、熱処理を行う
と、注入領域は多結晶状態にとどまらずに単結晶化され
る。When heat treatment is performed on the group III nitride film after the ion implantation, the holes of the group III element or the holes of nitrogen are diffused by the heat. When the vacancy of the group III element or the vacancy of nitrogen near the dislocation in the ion implantation region diffuses, the atomic position near the dislocation is reconstructed, and many of the dislocation in the ion implantation region disappear. In this embodiment, the ions are implanted so that the crystallization ratio of the implantation region is 25% or more and 75% or less. That is, ions are implanted so that the implanted region is not made more discrete than the amorphous state, and a state in which atoms are aligned to some extent is maintained. Therefore, even if the constituent atoms of the group III nitride are hard to move even when heat is applied, the heat treatment performs the heat treatment, so that the implanted region does not remain in the polycrystalline state but becomes single-crystallized.
【0011】従って、本発明の方法によると、転位が少
なく高品質な単結晶のIII族窒化物膜を実現できる。Therefore, according to the method of the present invention, a high-quality single-crystal group III nitride film having few dislocations can be realized.
【0012】請求項12に記載のIII族窒化物膜の処理
方法によっても、上記した請求項1に記載の製造方法と
同様の作用効果が得られる。なお、請求項1の製造方法
についての改良である請求項2〜11の方法は、請求項
12に記載の処理方法の改良(従属項)としても同様に
適用できることは勿論である。According to the method for treating a group III nitride film according to the twelfth aspect, the same operation and effect as those of the manufacturing method according to the first aspect can be obtained. In addition, it is needless to say that the methods of claims 2 to 11, which are improvements of the manufacturing method of claim 1, can be similarly applied as an improvement (dependent claim) of the processing method of claim 12.
【0013】[0013]
【発明の実施の形態】最初に、本発明の実施形態のIII
族窒化物膜の製造方法(処理方法)を説明する。まず、
図1に示すように、III族窒化物膜22を、そのIII族窒
化物膜22と格子定数が異なる材料からなる基板20上
に成長させる(ヘテロエピタキシャル成長)。この格子
定数の不一致に起因して、III族窒化物膜22には、転
位(線状の欠陥)24が生じる。III族窒化物膜22と
しては、窒化ガリウム(GaN)、窒化ホウ素(B
N)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化インジウム
(InN)等が挙げられる。基板20の材料としては、
サファイア(Al2O3)、炭化シリコン(SiC)、
NGO(NdGaO3ペロブスカイト)等のIII族窒化
物22をヘテロエピタキシャル成長できる材料が挙げら
れる。基板20上へのIII族窒化物膜22の成長は、M
OVPE(有機金属化学気相成長)法やMBE(分子線
エピタキシー)法等の、公知の種々の方法によって行え
ばよい。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, Embodiment III of the present invention
A method (processing method) for forming a group nitride film will be described. First,
As shown in FIG. 1, a group III nitride film 22 is grown on a substrate 20 made of a material having a different lattice constant from that of the group III nitride film 22 (heteroepitaxial growth). Dislocations (linear defects) 24 occur in the group III nitride film 22 due to the mismatch of the lattice constants. Gallium nitride (GaN), boron nitride (B
N), aluminum nitride (AlN), indium nitride (InN), and the like. As a material of the substrate 20,
Sapphire (Al 2 O 3 ), silicon carbide (SiC),
A material such as NGO (NdGaO 3 perovskite) capable of heteroepitaxially growing the group III nitride 22 is used. The growth of the group III nitride film 22 on the substrate 20
It may be performed by various known methods such as an OVPE (metal organic chemical vapor deposition) method and an MBE (molecular beam epitaxy) method.
【0014】その後、図2に示すように、基板20上に
成長させたIII族窒化物膜22に、所定の元素イオン
を、イオン注入領域の結晶化率が25%以上75%以下
となるようなドーズ量で、所定の加速エネルギーでイオ
ン注入する。すると、注入領域26はアモルファス状態
に比べてばらばらな状態にならず、ある程度原子が整列
された状態が保持される。この結果、イオン注入後熱処
理前の状態では、注入領域26におけるほとんどの転位
24は残存している。また、注入したイオンがIII族窒
化物膜を構成するIII族元素又は窒素に衝突した結果、
次々とIII族元素の空孔28又は窒素の空孔30(空孔
型欠陥)が形成される。これらの空孔28、30のう
ち、イオン注入領域26の転位24付近に導入された空
孔は、注入領域26の転位24を終端するように働く。
具体的には、これらの空孔28、30は、その転位24
付近に位置する原子の未結合の手にくっついたり、転位
24付近に位置する原子間に入り込んだりする。なお、
これらの空孔28、30は、III族窒化物膜22のうち
イオン注入領域26よりも深い領域の転位24付近にも
導入される。Thereafter, as shown in FIG. 2, a predetermined element ion is implanted into the group III nitride film 22 grown on the substrate 20 so that the crystallization ratio of the ion-implanted region becomes 25% or more and 75% or less. The ions are implanted at a predetermined dose and with a predetermined dose. Then, the implanted region 26 does not fall apart as compared with the amorphous state, and a state where atoms are aligned to some extent is maintained. As a result, in the state after the ion implantation and before the heat treatment, most of the dislocations 24 in the implantation region 26 remain. Further, as a result of the implanted ions collided with a group III element or nitrogen constituting the group III nitride film,
One after another, a vacancy 28 of a group III element or a vacancy 30 of nitrogen (vacancy type defect) is formed. Of these holes 28 and 30, the holes introduced near the dislocations 24 in the ion implantation region 26 work to terminate the dislocations 24 in the implantation region 26.
Specifically, these holes 28, 30
It may stick to unbonded hands of atoms located in the vicinity or penetrate between atoms located in the vicinity of dislocation 24. In addition,
These holes 28 and 30 are also introduced near the dislocation 24 in a region deeper than the ion implantation region 26 in the group III nitride film 22.
【0015】その後、III族窒化物膜22に所定温度で
所定時間の間、熱処理を行うと図3に示す状態となる。
なお、図3の符号34は後述するキャップ層34であ
る。熱処理の熱によってイオン注入領域26の転位24
付近のIII族元素の空孔28又は窒素の空孔30が拡散
すると、転位24付近の原子位置が再構成されて、イオ
ン注入領域26の転位の多数が消失する。また、本実施
形態では、注入領域26の結晶化率が25%以上75%
以下となるようにイオン注入する。即ち、注入領域26
をアモルファス状態よりもばらばらな状態にせず、ある
程度原子が整列された状態が保持されるようにイオン注
入する。よって、III族窒化物の構成原子が熱をかけて
も動きにくくても、熱処理を行うと、注入領域26は多
結晶状態にとどまらずに単結晶化される。従って、本実
施形態の方法によると、イオン注入領域26に、転位が
少なく高品質な単結晶のIII族窒化物膜を実現できる。Thereafter, when heat treatment is performed on the group III nitride film 22 at a predetermined temperature for a predetermined time, the state shown in FIG. 3 is obtained.
Note that reference numeral 34 in FIG. 3 denotes a cap layer 34 described later. The dislocations 24 in the ion implantation region 26 are generated by the heat of the heat treatment.
When the vacancies 28 of the group III element or the vacancies 30 of nitrogen in the vicinity diffuse, the atomic positions near the dislocations 24 are reconstructed, and many of the dislocations in the ion implantation region 26 disappear. In the present embodiment, the crystallization rate of the implantation region 26 is 25% or more and 75% or more.
Ion implantation is performed as follows. That is, the implantation region 26
Is implanted so as to maintain the state in which atoms are aligned to some extent without making the state of the atoms more discrete than the amorphous state. Therefore, even if the constituent atoms of the group III nitride are hard to move even when heat is applied, the heat treatment causes the implanted region 26 to be single crystallized without staying in the polycrystalline state. Therefore, according to the method of the present embodiment, a high-quality single-crystal group III nitride film with few dislocations can be realized in the ion implantation region 26.
【0016】ここで、図2のイオン注入工程において、
注入する元素イオンの種類に限定はないが、III族元素
の格子サイトと窒素の格子サイトの少なくともいずれか
に導入可能な元素イオンであることが好ましい。このよ
うな元素イオンを注入した後に熱処理を行うと、イオン
注入前から存在する点欠陥やイオン注入により生じた点
欠陥(空孔型欠陥)を構成するIII族元素や窒素の空孔
等にそのイオンを導入できる。この結果、これらの点欠
陥を低減できるので、線状の欠陥である転位に加えて、
点欠陥も低減された高品質な単結晶のIII族窒化物膜を
実現できる。Here, in the ion implantation step of FIG.
The type of element ions to be implanted is not limited, but is preferably an element ion that can be introduced into at least one of a group III element lattice site and a nitrogen lattice site. When a heat treatment is performed after the implantation of such element ions, the group III element or nitrogen vacancy, which constitutes a point defect existing before the ion implantation or a point defect (vacancy type defect) caused by the ion implantation, is removed. Ions can be introduced. As a result, since these point defects can be reduced, in addition to dislocations which are linear defects,
A high-quality single-crystal group III nitride film with reduced point defects can be realized.
【0017】より好ましくは、III族元素の格子サイト
に導入可能な元素のイオンと、窒素の格子サイトに導入
可能な元素のイオンの両方を注入(共イオン注入)する
ことがよい。このような両方の元素イオンを注入した後
に熱処理を行うと、III族元素と窒素の両方の空孔にそ
のイオンを導入できる。この結果、線状の欠陥である転
位に加えて点欠陥もより低減された非常に高品質な単結
晶のIII族窒化物膜を実現できる。More preferably, both ions of an element which can be introduced into a lattice site of a group III element and ions of an element which can be introduced into a lattice site of nitrogen are implanted (co-ion implantation). If heat treatment is performed after the implantation of both such element ions, the ions can be introduced into both the group III element and nitrogen vacancies. As a result, an extremely high-quality single-crystal group III nitride film in which point defects as well as dislocations as linear defects are further reduced can be realized.
【0018】この場合に、III族元素の格子サイトに導
入可能な元素のイオンと、窒素の格子サイトに導入可能
な元素のイオンのドーズ量の比率は、III族窒化物を構
成するIII族元素と窒素の化学量論比とほぼ等しいこと
が好ましい。例えばIII族窒化物が窒化ガリウム(Ga
N)の場合は、ガリウムと窒素の化学量論比が1:1で
あるため、両元素イオンのドーズ量の比率も1:1であ
ることが好ましい。両元素イオンのドーズ量の比率を上
記のように設定することで、点欠陥を構成するIII族元
素や窒素の空孔に高い比率で元素イオンを導入できるた
め、欠陥がよりさらに低減された非常に高品質な単結晶
のIII族窒化物膜を実現できる。In this case, the ratio of the dose of the ion of the element which can be introduced into the lattice site of the group III element to the ion of the element which can be introduced into the lattice site of nitrogen is the group III element constituting the group III nitride. It is preferable that the stoichiometric ratio of nitrogen and nitrogen is substantially equal. For example, if the group III nitride is gallium nitride (Ga
In the case of N), since the stoichiometric ratio of gallium to nitrogen is 1: 1, it is preferable that the ratio of the dose amounts of both element ions is also 1: 1. By setting the ratio of the dose amounts of both element ions as described above, element ions can be introduced into group III elements and nitrogen vacancies constituting a point defect at a high ratio, so that defects are further reduced. Thus, a high-quality single-crystal group III nitride film can be realized.
【0019】ここで、III族元素の格子サイトに導入可
能な元素イオンは、III族元素、III族窒化物に対してp
型ドーパントの元素(Be、Mg、Ca等)、III族窒
化物に対してn型ドーパントの元素(Si、Ge等)、
半絶縁性の元素(Fe、Zn、Cr、P等)のいずれか
のイオンであることが好ましい。窒素の空孔に導入可能
な元素イオンは、窒素、酸素(III族窒化物に対してn
型ドーパントの元素)等のイオンであることが好まし
い。このような元素イオンを注入すると、III族窒化物
膜にp型領域や、n型領域や、絶縁領域等を形成するこ
とができる。このため、III族窒化物膜を所望の機能を
持つ半導体デバイスとして機能させることができる。Here, the element ions that can be introduced into the lattice site of the group III element are p ions with respect to the group III element and the group III nitride.
-Type dopant elements (Be, Mg, Ca, etc.), n-type dopant elements (Si, Ge, etc.) for Group III nitrides,
It is preferably an ion of any of semi-insulating elements (Fe, Zn, Cr, P, etc.). The element ions that can be introduced into the nitrogen vacancies are nitrogen and oxygen (n group III nitrides).
It is preferably an ion such as an element of a type dopant). By implanting such element ions, a p-type region, an n-type region, an insulating region, and the like can be formed in the group III nitride film. For this reason, the group III nitride film can function as a semiconductor device having a desired function.
【0020】イオン注入のドーズ量は、先に述べたよう
に、イオン注入領域の結晶化率が25%以上75%以下
となるようなドーズ量とする。特に、イオン注入領域の
結晶化率が25%以上55%以下となるようなドーズ量
であることが好ましい。結晶化率が25%以上55%以
下となるようにイオン注入すると、転位が非常に少なく
高品質な単結晶のIII族窒化物膜を実現できる。イオン
注入領域の結晶化率を25%以上75%以下とするドー
ズ量は、注入する元素イオンの種類等によって異なる。As described above, the dose of the ion implantation is set so that the crystallization ratio of the ion-implanted region becomes 25% or more and 75% or less. In particular, the dose is preferably such that the crystallization ratio of the ion-implanted region is 25% or more and 55% or less. When ions are implanted so that the crystallization ratio is 25% or more and 55% or less, a high-quality single-crystal Group III nitride film with very few dislocations can be realized. The dose for setting the crystallization ratio of the ion-implanted region to 25% or more and 75% or less depends on the type of elemental ions to be implanted and the like.
【0021】イオン注入の加速エネルギーは、形成した
いイオン注入領域のIII族窒化物膜の表面からの深さに
応じて選択する。ここで、イオン注入の加速エネルギー
の大きさを異ならせて行うことが好ましい。例えばシリ
コンにイオン注入をするときは、ある1つの大きさの加
速エネルギーのイオンを注入しても、そのイオンがシリ
コン中に広く拡散していく。しかし、化合物であるIII
族窒化物膜の場合は、注入イオンがIII族窒化物膜中に
広く拡散しにくい。そこで、本実施形態のようにイオン
の加速エネルギーの大きさを異ならせてイオン注入する
ことで、III族窒化物膜であっても注入イオンを容易に
広く分布させることできる。この場合に、イオン注入の
加速エネルギーを異ならせて行う各回のイオン注入のド
ーズ量を適宜変化させることで、所望の領域を所望のド
ーズ量分布とすることができる。The acceleration energy for ion implantation is selected according to the depth of the ion implantation region to be formed from the surface of the group III nitride film. Here, it is preferable that the ion implantation be performed with different acceleration energies. For example, when ions are implanted into silicon, even if ions having a certain magnitude of acceleration energy are implanted, the ions diffuse widely into the silicon. However, the compound III
In the case of a group nitride film, implanted ions are unlikely to diffuse widely into the group III nitride film. Therefore, by implanting ions with different magnitudes of acceleration energy of ions as in the present embodiment, even in the case of a group III nitride film, implanted ions can be easily and widely distributed. In this case, a desired dose distribution can be obtained in a desired region by appropriately changing the dose of each ion implantation performed by changing the acceleration energy of the ion implantation.
【0022】図3の熱処理工程での熱処理温度は、10
00℃以上であることが好ましい。熱処理温度を100
0度以上とすると、転位24付近に導入されたIII族元
素の空孔28や窒素の空孔30の拡散が活発化する。こ
の結果、転位24付近の原子位置の再構成が促進され
て、転位24が消失し易い状況となる。従って、転位2
4が少なく高品質な単結晶のIII族窒化物膜を実現し易
い。さらには、熱処理温度は、1100℃以上1400
℃以下であることがより好ましい。熱処理温度を110
0度以上1400度以下とすると、注入されたイオンの
動きも活性化する。よって、点欠陥を構成する空孔2
8、30等への注入イオンの導入が促進され、この結
果、点欠陥を低減できる。従って、線状の欠陥である転
位24に加えて点欠陥も低減された高品質な単結晶のII
I族窒化物膜を実現し易い。The heat treatment temperature in the heat treatment step of FIG.
It is preferably at least 00 ° C. Heat treatment temperature 100
If the temperature is 0 degrees or more, diffusion of the vacancies 28 of the group III element and the vacancies 30 of nitrogen introduced near the dislocations 24 is activated. As a result, the reconstruction of the atomic positions near the dislocations 24 is promoted, and the dislocations 24 are likely to disappear. Therefore, dislocation 2
4 is easy to realize a high quality single crystal group III nitride film. Further, the heat treatment temperature is 1100 ° C. or higher and 1400 ° C.
It is more preferable that the temperature is not higher than ° C. Heat treatment temperature 110
When the angle is set to 0 degrees or more and 1400 degrees or less, the movement of the implanted ions is also activated. Therefore, the holes 2 forming the point defect
The introduction of implanted ions into 8, 30 and the like is promoted, and as a result, point defects can be reduced. Therefore, a high-quality single crystal II in which point defects are reduced in addition to the dislocations 24 which are linear defects.
It is easy to realize a group I nitride film.
【0023】熱処理工程での熱処理時間は、熱処理温度
が比較的低い場合(1000℃〜1100℃程度)で
は、数十分程度であってもよいし、1時間を超えてもよ
い。熱処理温度がそれよりも高い場合(1100℃以
上)の場合は、10分以下であることが好ましい。熱処
理時間を10分以下とすると、III族窒化物膜に与える
ダメージが少なく、しかも短時間で、高品質な単結晶の
III族窒化物膜を実現できる。熱処理温度と熱処理時間
の組合せで特に好ましいのは、熱処理温度が1250℃
〜1350℃程度で、熱処理時間が10分以下、より好
ましくは5分程度である。このような条件で熱処理を行
うと、非常に高品質な単結晶のIII族窒化物膜を実現で
きる。When the heat treatment temperature is relatively low (about 1000 ° C. to 1100 ° C.), the heat treatment time in the heat treatment step may be about several tens of minutes, or may be longer than one hour. When the heat treatment temperature is higher than that (1100 ° C. or higher), it is preferably 10 minutes or less. When the heat treatment time is set to 10 minutes or less, damage to the group III nitride film is small, and in a short time, a high-quality single crystal can be obtained.
A group III nitride film can be realized. A particularly preferable combination of the heat treatment temperature and the heat treatment time is that the heat treatment temperature is 1250 ° C.
The heat treatment time is about 10 minutes or less, preferably about 5 minutes at about 1350 ° C. When heat treatment is performed under such conditions, a very high-quality single-crystal group III nitride film can be realized.
【0024】また、図3に示すように、III族窒化物膜
22の表面をキャップ層34で覆った状態で熱処理工程
を行うことが好ましい。キャップ層34は熱伝導性の低
い材料で形成されていることが好ましい。例えば、キャ
ップ層34は酸化シリコンや、窒化シリコンや、窒化ア
ルミニウム等で形成されることが好ましい。このように
キャップ層34で覆った状態で熱処理工程を行うこと
で、III族窒化物膜22の表面領域の分解(III族窒化物
膜22から窒素が抜けること等)を抑制しながら熱処理
を行うことができる。Further, as shown in FIG. 3, it is preferable to perform the heat treatment step in a state where the surface of the group III nitride film 22 is covered with the cap layer 34. The cap layer 34 is preferably formed of a material having low thermal conductivity. For example, the cap layer 34 is preferably formed of silicon oxide, silicon nitride, aluminum nitride, or the like. By performing the heat treatment step in the state of being covered with the cap layer 34 in this manner, the heat treatment is performed while suppressing the decomposition of the surface region of the group III nitride film 22 (such as nitrogen coming out of the group III nitride film 22). be able to.
【0025】次に、〔従来の技術〕で説明した方法とは
別の従来のIII族窒化物膜の処理方法に対する本実施形
態の方法の優位性について説明する。まず、〔従来の技
術〕で説明した方法と別のIII族窒化物膜の処理方法と
しては、次の方法がある。III族窒化物膜をサファイア
基板上に成長させる。成長させたIII族窒化物膜上に亘
ってシリコン酸化膜等のマスクを形成する。次いで、レ
ジストを塗布する工程と、フォトリソグラフィ工程を経
て、マスクを部分的にエッチングして開口する。マスク
の開口部から露出したIII族窒化物膜上に新たなIII族窒
化物膜を再成長させる。この結果、再成長させたIII族
窒化物膜は縦方向だけでなくマスクを覆うように横方向
にも成長する。マスク上に横方向に成長したIII族窒化
物膜には、基本的には転位が生じない。以上の工程は数
回繰返して行われる。Next, the superiority of the method of the present embodiment over the conventional method of treating a group III nitride film, which is different from the method described in [Prior Art], will be described. First, as a method of treating a group III nitride film different from the method described in [Prior Art], there is the following method. A group III nitride film is grown on a sapphire substrate. A mask such as a silicon oxide film is formed over the grown group III nitride film. Next, through a step of applying a resist and a photolithography step, the mask is partially etched to form openings. A new group III nitride film is regrown on the group III nitride film exposed from the opening of the mask. As a result, the regrown group III nitride film grows not only vertically but also horizontally so as to cover the mask. No dislocation basically occurs in the group III nitride film grown laterally on the mask. The above steps are repeated several times.
【0026】この従来の方法は、上記のようにマスク形
成、レジスト塗布、フォトリソグラフィ、エッチング、
III族窒化物膜の再成長という一連の工程を行われけれ
ばならない。しかも、これら一連の工程を数回繰返して
行わなければならない。よって、プロセス的に非常に煩
雑である。また、従来の方法では、マスク上の左右両側
からマスク中央部上に向けて横方向に成長してきたIII
族窒化物膜が、マスク中央部付近の上で衝突することに
なる。この結果、このマスク中央部付近の上にIII族窒
化物膜の継ぎ目が形成され、この継ぎ目付近に転位が生
じることになる。よって、従来の方法によると、III族
窒化物膜の全体に亘って転位を減少させることが困難で
あり、部分的に転位が集中している箇所が存在してしま
う。この結果、このように転位が集中している箇所に半
導体デバイスを形成することが困難であり、転位が減少
している箇所を選んで半導体デバイスを形成する必要が
あった。This conventional method comprises the steps of forming a mask, applying a resist, photolithography, etching,
A series of steps of regrowth of the group III nitride film must be performed. Moreover, these series of steps must be repeated several times. Therefore, the process is very complicated. In addition, in the conventional method, the lateral growth from the left and right sides on the mask toward the center of the mask has been performed.
The group nitride film collides near the center of the mask. As a result, a seam of the group III nitride film is formed near the center of the mask, and dislocation occurs near the seam. Therefore, according to the conventional method, it is difficult to reduce dislocations over the entire group III nitride film, and there are portions where dislocations are partially concentrated. As a result, it is difficult to form a semiconductor device in such a location where dislocations are concentrated, and it is necessary to select a location where dislocations are reduced and form a semiconductor device.
【0027】これに対し、本実施形態の方法では、基本
的にはイオン注入と熱処理というプロセスを行えばよい
ので、従来の方法に比べてプロセス的に非常に簡単であ
る。また、このイオン注入と熱処理というプロセスによ
って転位を低減することで、積層されたIII族窒化物膜
の全体に亘ってまんべんなく転位を減少させることが可
能である。このため、従来の方法のように転位が減少し
ている箇所を選んで半導体デバイスを形成する必要がな
く、成長させたIII族窒化物膜、あるいはそのIII族窒化
物膜上にさらに成長させたエピタキシャル層の全体に亘
って半導体デバイスを形成することが可能である。従っ
て、従来の方法で処理されたIII族窒化物膜には形成が
困難であった半導体デバイスも形成できるという有用な
効果が得られる。On the other hand, in the method of the present embodiment, the processes of ion implantation and heat treatment are basically performed, so that the process is much simpler than the conventional method. In addition, by reducing dislocations by the processes of ion implantation and heat treatment, dislocations can be reduced uniformly over the entire stacked group III nitride film. For this reason, there is no need to select a portion where dislocations are reduced as in the conventional method to form a semiconductor device, and the grown III-nitride film, or further grown on the III-nitride film, is used. It is possible to form a semiconductor device over the entire epitaxial layer. Therefore, there is obtained a useful effect that a semiconductor device, which has been difficult to form on a group III nitride film processed by a conventional method, can be formed.
【0028】次に、上記のようにして製造(処理)され
たIII族窒化物膜を用いて半導体デバイスを製造する方
法を3通り説明する。第1の製造方法は、図4に示すよ
うに、上記のように製造(処理)したIII族窒化物膜2
2のイオン注入領域26に直接に半導体デバイス36を
形成するものである。Next, three methods for manufacturing a semiconductor device using the group III nitride film manufactured (processed) as described above will be described. In the first manufacturing method, as shown in FIG. 4, the group III nitride film 2 manufactured (processed) as described above is used.
The semiconductor device 36 is formed directly in the second ion implantation region 26.
【0029】第2の製造方法では、まず、図5に示すよ
うに、上記のように製造(処理)したIII族窒化物膜2
2のイオン注入領域26上に再度III族窒化物膜を成長
させてエピタキシャル層38を形成する。その後、図6
に示すように、そのエピタキシャル層38に半導体デバ
イス36を形成する。In the second manufacturing method, first, as shown in FIG. 5, the group III nitride film 2 manufactured (processed) as described above is used.
A group III nitride film is grown again on the second ion-implanted region 26 to form an epitaxial layer 38. Then, FIG.
A semiconductor device 36 is formed on the epitaxial layer 38 as shown in FIG.
【0030】第3の製造方法では、まず、第2の方法と
同様に、図5に示すように、上記のように製造(処理)
したIII族窒化物膜22のイオン注入領域26上にエピ
タキシャル層38を成長させる。但し、エピタキシャル
層38を第2の方法よりも厚く形成する。その後、図7
に示すように、基板20を除去する。この結果、III族
窒化物膜22の自立基板が形成される。その後、図8に
示すように、III族窒化物膜22の自立基板を構成する
エピタキシャル層38に半導体デバイス36を形成す
る。第3の製造方法においてエピタキシャル層38を厚
く形成したのは、図7において基板20を除去した場合
に、エピタキシャル層38が薄くてシート状の状態で
は、そのエピタキシャル層38に図8のように半導体デ
バイス36を形成するのは困難であるからである。In the third manufacturing method, first, similarly to the second method, as shown in FIG.
An epitaxial layer 38 is grown on the ion-implanted region 26 of the group III nitride film 22 thus formed. However, the epitaxial layer 38 is formed thicker than the second method. Then, FIG.
The substrate 20 is removed as shown in FIG. As a result, a freestanding substrate of the group III nitride film 22 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 8, a semiconductor device 36 is formed on the epitaxial layer 38 constituting the self-standing substrate of the group III nitride film 22. The reason why the epitaxial layer 38 is formed thick in the third manufacturing method is that, when the substrate 20 is removed as shown in FIG. This is because it is difficult to form the device 36.
【0031】第1〜第3の製造方法のようにして、本実
施形態の転位が少なく高品質な単結晶のIII族窒化物膜
22を用いて半導体デバイス38を製造することで、高
性能の半導体デバイスを実現できる。ここで、「半導体
デバイス」には、電子デバイスと光学デバイスが含まれ
る。本実施形態のIII族窒化物膜を用いて電子デバイス
(FET、LSI等)を形成した場合は、FET特性が
良好なものや高耐圧や低オン抵抗のデバイスの実現が可
能となる。本実施形態のIII族窒化物膜を用いて光学デ
バイス(発光ダイオードや半導体レーザ等)を形成した
場合は、発光特性や寿命特性が良好なあるいはその変動
幅の広いデバイスの実現が可能となる。As in the first to third manufacturing methods, the semiconductor device 38 is manufactured using the high-quality single-crystal group III nitride film 22 having a small number of dislocations according to the present embodiment, thereby providing a high-performance semiconductor device. A semiconductor device can be realized. Here, the “semiconductor device” includes an electronic device and an optical device. When an electronic device (FET, LSI, etc.) is formed using the group III nitride film of the present embodiment, it is possible to realize a device having good FET characteristics, a high breakdown voltage and a low on-resistance. When an optical device (such as a light emitting diode or a semiconductor laser) is formed using the group III nitride film of the present embodiment, it is possible to realize a device having good emission characteristics and lifetime characteristics or a wide variation range thereof.
【0032】[0032]
【実施例】サファイア(Al2O3)基板上にMOVP
E(有機金属化学気相成長)法によって、アンドープ窒
化ガリウム(GaN)膜を4μm成長させた。この状態
の試料をサンプル1とする。サンプル1のTEM(透過
型電子顕微鏡)像を図9に示す。図9の窒化ガリウム膜
には、III族窒化物特有の転位(線状の欠陥)が多数生
じていることがわかる。この状態での残留転位密度は約
1×109cm−2である。[Example] MOVP on a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate
An undoped gallium nitride (GaN) film was grown to a thickness of 4 μm by E (metal organic chemical vapor deposition). The sample in this state is referred to as Sample 1. FIG. 9 shows a TEM (transmission electron microscope) image of Sample 1. It can be seen that the gallium nitride film of FIG. 9 has a large number of dislocations (linear defects) unique to Group III nitrides. The residual dislocation density in this state is about 1 × 10 9 cm −2 .
【0033】その後、サンプル1について、飛程(注入
イオン濃度のピーク位置)が窒化ガリウム膜の表面から
50nmとなるような加速エネルギーで、ドーズ量が1
×1015cm−2のゲルマニウムイオンを窒化ガリウ
ム膜に注入した。この場合、イオン注入領域の結晶化率
は約30%となる。この状態の試料をサンプル2とす
る。Thereafter, with respect to the sample 1, the dose is 1 at an acceleration energy such that the range (peak position of the implanted ion concentration) becomes 50 nm from the surface of the gallium nitride film.
Germanium ions of × 10 15 cm −2 were implanted into the gallium nitride film. In this case, the crystallization ratio of the ion implantation region is about 30%. The sample in this state is referred to as Sample 2.
【0034】その後、サンプル2について、シリコン酸
化膜(SiO2)からなるキャップ層を窒化ガリウム膜
上に500nm形成してキャップした。その後、130
0℃で5分間熱処理を行った。この状態の試料をサンプ
ル4とする。サンプル4のTEM像を図10に示す。図
10に示すように、サンプル1でみられた貫通転位が窒
化ガリウム膜の表面付近のイオン注入領域でほとんど消
失していることがわかる。このように、サンプル4では
高品質な単結晶層が得られていることがわかる。Thereafter, for Sample 2, a cap layer made of a silicon oxide film (SiO 2 ) was formed to a thickness of 500 nm on the gallium nitride film and capped. Then 130
Heat treatment was performed at 0 ° C. for 5 minutes. The sample in this state is referred to as Sample 4. FIG. 10 shows a TEM image of Sample 4. As shown in FIG. 10, it can be seen that the threading dislocations observed in Sample 1 almost disappeared in the ion-implanted region near the surface of the gallium nitride film. Thus, it can be seen that in Sample 4, a high-quality single crystal layer was obtained.
【0035】また、別のサンプル1について、飛程が窒
化ガリウム膜の表面から50nmとなるような加速エネ
ルギーで、ドーズ量がそれぞれ1×1015cm−2の
ゲルマニウムイオンと窒素イオンを窒化ガリウム膜に注
入した。この場合、イオン注入領域の結晶化率は約28
%である。なお、ゲルマニウムイオンの質量に比較して
窒素イオンの質量は小さい。よって、結晶化率は、上記
したゲルマニウムイオンだけを注入した場合に比べてそ
れ程大きくは変化しない。この状態の試料をサンプル3
とする。Further, for another sample 1, germanium ions and nitrogen ions having doses of 1 × 10 15 cm −2 and gallium nitride film were deposited at an acceleration energy such that the range was 50 nm from the surface of the gallium nitride film. Was injected. In this case, the crystallization rate of the ion implantation region is about 28
%. Note that the mass of nitrogen ions is smaller than the mass of germanium ions. Therefore, the crystallization rate does not change so much as compared with the case where only germanium ions are implanted. Sample 3 in this state
And
【0036】その後、サンプル3について、シリコン酸
化膜からなるキャップ層を窒化ガリウム膜上に500n
m形成してキャップした。その後、1300℃で5分間
熱処理を行った。この状態の試料をサンプル5とする。
サンプル5のTEM像の全体図を図11に、その表面付
近の拡大図を図12に示す。図11と図12に示すよう
に、サンプル1でみられた貫通転位がイオン注入領域で
ほとんど消失していることがわかる。また、サンプル5
については、サンプル4に比べて欠陥によるコントラス
トがより少なくなっていることがわかる。このように、
ゲルマニウムイオンと窒素イオンが共イオン注入された
サンプル5については、サンプル4に比べてより高品質
な単結晶層が得られていることがわかる。Then, for Sample 3, a cap layer made of a silicon oxide film was formed on the gallium nitride film by 500 n.
m and capped. Thereafter, heat treatment was performed at 1300 ° C. for 5 minutes. The sample in this state is referred to as Sample 5.
FIG. 11 shows an overall TEM image of Sample 5, and FIG. 12 shows an enlarged view of the vicinity of the surface. As shown in FIGS. 11 and 12, it can be seen that threading dislocations observed in sample 1 almost disappeared in the ion-implanted region. Sample 5
It can be seen that the contrast of sample No. 4 is smaller than that of sample 4 due to defects. in this way,
It can be seen that Sample 5 into which germanium ions and nitrogen ions were co-ion-implanted had a higher quality single crystal layer than Sample 4.
【0037】図13に、サンプル2〜5についてSIM
S分析(二次イオン質量分析)法によって得たゲルマニ
ウム(Ge)イオンの濃度分布(以下「ゲルマニウム分
布」という)を示す。図13の縦軸はゲルマニウムイオ
ン又は窒素イオンの濃度であり、横軸は窒化ガリウム膜
の表面からの深さである。図13の上段はサンプル2、
4のゲルマニウム分布を示す。図13の上段の白い四角
の点がサンプル2(イオン注入後)のゲルマニウム分布
であり、黒丸の点がサンプル3(熱処理後)のゲルマニ
ウム分布である。なお、黒い四角にみえる点は上記した
白い四角の点と黒丸の点が重なった箇所である。サンプ
ル2、4のゲルマニウム分布ともに、実線で示すTRI
M(注入イオンの分布を計算するためのソフト)による
シミュレーションで算出したゲルマニウム分布に概ね合
っている。図13の下段はサンプル3、5のゲルマニウ
ム分布を示す。なお、窒素(N)分布はTRIMによる
シミュレーション値のみを点線で示す。図13の下段の
白い四角がサンプル3(イオン注入後)のゲルマニウム
分布であり、黒丸がサンプル5(熱処理後)のゲルマニ
ウム分布である。サンプル3、5のゲルマニウム分布と
もに、実線で示すTRIMによるシミュレーションで算
出したゲルマニウム分布に概ね合っている。FIG. 13 shows SIMs for samples 2 to 5.
1 shows the concentration distribution of germanium (Ge) ions obtained by S analysis (secondary ion mass spectrometry) (hereinafter referred to as “germanium distribution”). The vertical axis in FIG. 13 is the concentration of germanium ions or nitrogen ions, and the horizontal axis is the depth from the surface of the gallium nitride film. The upper part of FIG.
4 shows the distribution of germanium. The white square point in the upper part of FIG. 13 is the germanium distribution of Sample 2 (after ion implantation), and the black dot is the germanium distribution of Sample 3 (after heat treatment). In addition, the point which looks like a black square is the point where the above-mentioned white square point and the black circle point overlap. Both the germanium distributions of Samples 2 and 4 show the TRI shown by the solid line.
The distribution substantially matches the germanium distribution calculated by simulation using M (software for calculating the distribution of implanted ions). The lower part of FIG. 13 shows the germanium distribution of Samples 3 and 5. In the nitrogen (N) distribution, only the simulation value by TRIM is shown by a dotted line. The white square in the lower part of FIG. 13 is the germanium distribution of Sample 3 (after the ion implantation), and the black circle is the germanium distribution of Sample 5 (after the heat treatment). Both the germanium distributions of Samples 3 and 5 substantially match the germanium distribution calculated by the simulation using TRIM indicated by the solid line.
【0038】図14に、サンプル1〜3の陽電子スペク
トルを示す。サンプル1はイオン注入前の状態であり、
サンプル2、3はイオン注入後の状態である。縦軸に示
すSパラメータはガリウム空孔等の欠陥の数あるいは大
きさと相関がある。Sパラメータが大きい程、ガリウム
空孔等の欠陥の数が多いかあるいは欠陥の大きさが大き
いことを示す。横軸に示す位置エネルギーは、窒化ガリ
ウム膜とその下地基板の深さと相関がある。横軸の位置
エネルギーが大きくなる程、基板の底面側に近い位置を
示している。横軸の位置エネルギーが小さい位置(図1
4のグラフの左側)に示す点線で囲まれた領域は、窒化
ガリウムの表面付近のイオン注入領域を示す。FIG. 14 shows positron spectra of Samples 1 to 3. Sample 1 is in a state before ion implantation,
Samples 2 and 3 are in a state after ion implantation. The S parameter shown on the vertical axis has a correlation with the number or size of defects such as gallium vacancies. The larger the S parameter, the larger the number of defects such as gallium vacancies or the larger the size of the defects. The potential energy shown on the horizontal axis has a correlation with the depth of the gallium nitride film and its underlying substrate. The larger the potential energy on the horizontal axis, the closer to the bottom surface of the substrate. The position where the potential energy on the horizontal axis is small (Fig. 1
A region surrounded by a dotted line shown on the left side of the graph of FIG. 4) indicates an ion-implanted region near the surface of gallium nitride.
【0039】図14から、イオン注入後の状態であるサ
ンプル2、3の陽電子スペクトルは、イオン注入前の状
態を示すサンプル1の陽電子スペクトルよりも、位置エ
ネルギーが30keV以下の範囲、即ち、概ね窒化ガリ
ウム膜全体の領域において、Sパラメータが大きく、ガ
リウム空孔等の空孔型欠陥が多くなっていることがわか
る。即ち、イオン注入後は、ガリウム空孔が図14の左
側の点線で囲まれたイオン注入領域のみではなく、窒化
ガリウム膜全体に導入されていることがわかる。FIG. 14 shows that the positron spectra of Samples 2 and 3 in the state after the ion implantation are in a range of potential energy of 30 keV or less, that is, approximately equal to those of Sample 1 in the state before the ion implantation. It can be seen that the S parameter is large and the number of vacancy-type defects such as gallium vacancies is large in the entire region of the gallium film. That is, it can be seen that after the ion implantation, the gallium vacancies are introduced not only in the ion implantation region surrounded by the dotted line on the left side of FIG. 14 but also in the entire gallium nitride film.
【0040】図15に、サンプル1、4、5の陽電子ス
ペクトルを示す。サンプル1はイオン注入前の状態であ
り、サンプル4、5は熱処理後の状態である。縦軸と横
軸の内容は図14と同様である。図15のグラフの左側
の点線で囲まれた領域も、図14と同様にイオン注入領
域である。FIG. 15 shows positron spectra of Samples 1, 4, and 5. Sample 1 is in a state before ion implantation, and samples 4 and 5 are in a state after heat treatment. The contents of the vertical and horizontal axes are the same as in FIG. The region surrounded by the dotted line on the left side of the graph in FIG. 15 is also an ion implantation region, as in FIG.
【0041】熱処理後の状態であるサンプル4、5の陽
電子スペクトルは、まず、図15のグラフの左側の点線
で囲まれたイオン注入領域において、図14に示すイオ
ン注入後の状態であるサンプル2、3の陽電子スペクト
ルよりも、Sパラメータが大きく急峻な分布となってい
ることがわかる。これは、熱処理によってゲルマニウム
イオンが活性化され、イオン注入領域においてガリウム
空孔とゲルマニウムの複合欠陥(大きな欠陥)が生じて
いることを示す。また、イオン注入領域よりも深い領域
(図15の点線で囲まれた領域よりも右側の領域)で
も、Sパラメータが全体的に大きくなっていることがわ
かる。これは、イオン注入領域よりも深い領域では、ガ
リウム空孔等の空孔同士がくっついた大きな空孔型欠陥
が生じていることを示す。The positron spectra of Samples 4 and 5 in the state after the heat treatment are shown in the ion-implanted region surrounded by the dotted line on the left side of the graph in FIG. It can be seen that the S parameter has a large and steep distribution as compared with the positron spectrum of No. 3 and No. 3. This indicates that germanium ions were activated by the heat treatment, and a composite defect (large defect) of gallium vacancies and germanium occurred in the ion-implanted region. Also, it can be seen that the S parameter as a whole is larger in a region deeper than the ion-implanted region (region on the right side of the region surrounded by the dotted line in FIG. 15). This indicates that in a region deeper than the ion-implanted region, a large vacancy-type defect in which vacancies such as gallium vacancies are attached to each other occurs.
【0042】但し、以上のことはSパラメータが熱処理
によって大きな欠陥が生じたことに起因して大きくなっ
ているものであり、熱処理によって欠陥の数が増加した
ことは意味しない。即ち、SパラメータはIII族窒化物
膜の高品質の度合いを示すものではない。むしろ熱処理
を行うと、転位や点欠陥等の欠陥の数は大きく低減さ
れ、高品質な単結晶の窒化ガリウム膜が実現される。However, the above is an increase in the S parameter due to the occurrence of a large defect due to the heat treatment, and does not mean that the number of defects has increased due to the heat treatment. That is, the S parameter does not indicate the degree of high quality of the group III nitride film. Rather, when heat treatment is performed, the number of defects such as dislocations and point defects is greatly reduced, and a high-quality single crystal gallium nitride film is realized.
【0043】転位が大幅に低減された熱処理後のサンプ
ル4、5の窒化ガリウム膜に、再度窒化ガリウム膜をエ
ピタキシャル成長させてエピタキシャル層を形成するこ
ともできる。また、エピタキシャル成長層を十分に厚く
形成した後、窒化ガリウム膜を積層したサファイア基板
を除去することで、窒化ガリウムの自立基板を製造する
こともできる。このように形成されたエピタキシャル層
に伝搬される転位は非常に少ない。よって、このエピタ
キシャル層に半導体デバイスを形成すると、高性能の半
導体デバイスを実現できる。特に、イオン注入領域の転
位や点欠陥が非常に少なく非常に高品質なサンプル5
は、イオン注入領域にそのまま半導体デバイスを形成す
るのに非常に適している。この場合も、高性能の半導体
デバイスを実現できる。A gallium nitride film can be epitaxially grown again on the gallium nitride films of Samples 4 and 5 after the heat treatment in which dislocations have been significantly reduced to form an epitaxial layer. In addition, by forming the epitaxial growth layer sufficiently thick and then removing the sapphire substrate on which the gallium nitride film is laminated, a freestanding gallium nitride substrate can be manufactured. Dislocations propagated to the epitaxial layer thus formed are very small. Therefore, when a semiconductor device is formed on this epitaxial layer, a high-performance semiconductor device can be realized. In particular, a very high-quality sample 5 having very few dislocations and point defects in the ion-implanted region.
Is very suitable for forming a semiconductor device directly in an ion implantation region. Also in this case, a high-performance semiconductor device can be realized.
【0044】図16に、ゲルマニウムイオンと窒素イオ
ンの両方を窒化ガリウム膜に注入(共イオン注入)した
場合の、各イオンのドーズ量と、イオン注入後熱処理前
の結晶化率と、熱処理後の転位密度と、熱処理後のキャ
リア移動度の測定結果を示す。なお、加速エネルギーは
150KeVとした。熱処理温度は1300℃とし、熱
処理時間は5分とした。結晶化率はRBS(ラザフォー
ド後方散乱)法によって測定した。転位密度はTEM
(透過型電子顕微鏡)によって測定した。移動度はホー
ル測定法によって測定した。図16の斜線部は未測定の
部分である。結晶化率について「約」の記載がある箇所
は測定結果等に基づいて算出した値である。FIG. 16 shows the dose of each ion when both germanium ions and nitrogen ions were implanted into the gallium nitride film (co-ion implantation), the crystallization ratio before the heat treatment after the ion implantation, and the crystallization rate after the heat treatment. The measurement results of dislocation density and carrier mobility after heat treatment are shown. The acceleration energy was set to 150 KeV. The heat treatment temperature was 1300 ° C., and the heat treatment time was 5 minutes. The crystallization ratio was measured by the RBS (Rutherford backscattering) method. Dislocation density is TEM
(Transmission electron microscope). The mobility was measured by the Hall measurement method. The hatched portions in FIG. 16 are unmeasured portions. The places where "about" is described in the crystallization ratio are values calculated based on the measurement results and the like.
【0045】まず、熱処理後の転位密度についてみる
と、イオン注入後熱処理前の結晶化率が75%(各イオ
ンのドーズ量1×1012cm−2)のときは、転位密
度は1×109cm−2以下であり、良好な結果が得ら
れた。結晶化率が52%(ドーズ量1×1013cm
−2)のときは、転位密度は1×107cm−2以下で
あり、非常に良好な結果が得られた。結晶化率が28%
(ドーズ量を1×1015cm−2)のときも、転位密
度は1×107cm−2以下であり、非常に良好な結果
が得られた。結晶化率が8%(ドーズ量1×1016c
m−2)のときは、〔従来の技術〕で説明した方法にお
ける注入領域をアモルファス化するようにイオン注入し
た場合に概ね相当するといえる。結晶化率が8%の場合
は、熱処理後においても窒化ガリウム膜は多結晶状態と
なっており、転位同士がくっつく程に転位が非常に多い
状態となっており、転位密度を測定することができなか
った。First, regarding the dislocation density after the heat treatment, when the crystallization ratio after the ion implantation and before the heat treatment is 75% (the dose of each ion is 1 × 10 12 cm −2 ), the dislocation density is 1 × 10 12 9 cm -2 or less, and good results were obtained. The crystallization rate is 52% (dose amount 1 × 10 13 cm)
-2 ), the dislocation density was 1 × 10 7 cm −2 or less, and very good results were obtained. Crystallization rate 28%
Also when the dose was 1 × 10 15 cm −2 , the dislocation density was 1 × 10 7 cm −2 or less, and very good results were obtained. Crystallization rate is 8% (dose amount 1 × 10 16 c
It can be said that the case of m −2 ) substantially corresponds to the case where ions are implanted so as to make the implanted region amorphous in the method described in [Prior Art]. When the crystallization rate is 8%, the gallium nitride film is in a polycrystalline state even after the heat treatment, and the dislocations are in a state where the dislocations are so many that the dislocations are attached to each other. could not.
【0046】熱処理後のキャリア(この場合は電子)の
移動度は、窒化ガリウム膜の高品質の度合いを示す指標
となる。移動度が大きければ、転位は勿論のこと点欠陥
も含めた窒化ガリウム膜中の欠陥が少ないといえるから
である。図16においてこのキャリア移動度をみると、
結晶化率が約48%(ドーズ量2×1013cm−2)
のときは166.6cm2/V・S、結晶化率が約40
%(ドーズ量1×1014cm−2)のときは94.3
cm2/V・S、結晶化率が約36%(ドーズ量が3×
1014cm−2)のときは78.5cm2/V・S、
結晶化率が28%(ドーズ量が1×1015cm−2)
のときは57.5cm2/V・Sであり、良好な結果が
得られた。これより、線状の欠陥である転位に加えて点
欠陥も少ない非常に高品質な窒化ガリウム単結晶膜が実
現されていることがわかる。The mobility of carriers (electrons in this case) after the heat treatment is an index indicating the degree of high quality of the gallium nitride film. If the mobility is high, it can be said that the number of defects in the gallium nitride film including not only dislocations but also point defects is small. Looking at this carrier mobility in FIG.
Crystallization rate is about 48% (dose amount 2 × 10 13 cm −2 )
At 166.6 cm 2 / V · S and the crystallization rate is about 40
% (Dose amount 1 × 10 14 cm −2 )
cm 2 / V · S, crystallization rate about 36% (dose amount 3 ×
10 14 78.5cm 2 / V · S when the cm -2),
Crystallization rate is 28% (dose is 1 × 10 15 cm −2 )
At that time, it was 57.5 cm 2 / V · S, and good results were obtained. This indicates that a very high-quality gallium nitride single crystal film having few point defects in addition to dislocations, which are linear defects, is realized.
【0047】図17に、シリコンイオンと窒素イオンの
両方を窒化ガリウム膜に共イオン注入した場合の、各イ
オンのドーズ量と、イオン注入後熱処理前の結晶化率
と、熱処理後の移動度の測定結果を示す。なお、加速エ
ネルギーは150KeVとした。熱処理温度は1300
℃とし、熱処理時間は5分とした。図18の空欄は未測
定の部分である。結晶化率が約75%(ドーズ量1×1
013cm−2)のときは224cm2/V・S、結晶
化率が約60%(ドーズ量1×1014cm−2)のと
きは129cm2/V・S、結晶化率が約40%(ドー
ズ量1×1015cm−2)のときは98.5cm2/
V・S、結晶化率が約30%(ドーズ量3×1015c
m −2)のときは71.1cm2/V・Sであり、良好
な結果が得られた。特に、結晶化率が約40%(ドーズ
量1×1015cm−2)のときに移動度98.5cm
2/V・Sという非常に良好な結果が得られている。こ
れより、非常に高品質な窒化ガリウム単結晶膜が実現さ
れていることがわかる。FIG. 17 shows the relationship between silicon ions and nitrogen ions.
When both are co-ion implanted into a gallium nitride film,
ON dose and crystallization rate before heat treatment after ion implantation
And the measurement results of the mobility after the heat treatment. Note that acceleration
The energy was 150 KeV. Heat treatment temperature is 1300
° C and the heat treatment time was 5 minutes. The blank in Fig. 18 is not measured
It is a fixed part. The crystallization rate is about 75% (dose 1 × 1
013cm-2) For 224cm2/ VS, crystal
Conversion rate is about 60% (dose amount 1 × 1014cm-2) And
129cm2/ V · S, the crystallization rate is about 40%
1 × 10Fifteencm-298.5cm2/
VS, crystallization rate about 30% (dose amount 3 × 10Fifteenc
m -271.1cm2/ V · S, good
Results were obtained. In particular, the crystallization rate is about 40% (dose
Quantity 1 × 10Fifteencm-298.5cm mobility when)
2/ V · S, which is a very good result. This
As a result, a very high quality gallium nitride single crystal film has been realized.
You can see that it is.
【0048】なお、図16と図17では、ほぼ同じ結晶
化率でも図17の方が移動度が大きくなっている。これ
は、注入イオンが図16ではゲルマニウムイオンで図1
7ではシリコンイオンという違いも1つの要因である
が、窒化ガリウム膜を覆うシリコン酸化膜からなるキャ
ップ層を図16ではCVD(Chemical Vapor Depositio
n)法で形成し、図17ではスパッタリング法で形成し
たという違いも1つの要因となっている。キャップ層を
構成するシリコン酸化膜を同じ方法で製造すれば、図1
6と図17の移動度の差は小さくなると考えられる。In FIGS. 16 and 17, the mobility is higher in FIG. 17 even at substantially the same crystallization ratio. This is because the implanted ions are germanium ions in FIG.
In FIG. 7, a capping layer made of a silicon oxide film that covers the gallium nitride film is one of the factors.
Another difference is that it is formed by the n) method, and in FIG. 17 it is formed by the sputtering method. If the silicon oxide film constituting the cap layer is manufactured by the same method, FIG.
It is considered that the difference between the mobility of FIG. 6 and that of FIG. 17 becomes small.
【0049】以上、本発明の具体例を詳細に説明した
が、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定する
ものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上
に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれ
る。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、
単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発
揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定さ
れるものではない。また、本明細書または図面に例示し
た技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、その
うちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を
持つものである。The specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings,
The present invention exerts its technical utility alone or in various combinations, and is not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of objects, and has technical utility by achieving one of the objects.
【図1】 III族窒化物の製造工程(処理工程)の一部
を示す(1)。FIG. 1 shows a part of a group III nitride manufacturing step (processing step) (1).
【図2】 III族窒化物の製造工程(処理工程)の一部
を示す(2)。FIG. 2 shows a part of a group III nitride manufacturing step (processing step) (2).
【図3】 III族窒化物の製造工程(処理工程)の一部
を示す(3)。FIG. 3 shows a part of a group III nitride manufacturing step (processing step) (3).
【図4】 半導体デバイスの第1の製造方法における製
造工程(処理工程)の一部を示す。FIG. 4 shows a part of a manufacturing step (processing step) in a first manufacturing method of a semiconductor device.
【図5】 半導体デバイスの第2の製造方法における製
造工程(処理工程)の一部を示す(1)。FIG. 5 shows a part of a manufacturing step (processing step) in a second method for manufacturing a semiconductor device (1).
【図6】 半導体デバイスの第2の製造方法における製
造工程(処理工程)の一部を示す(2)FIG. 6 shows a part of a manufacturing step (processing step) in a second method for manufacturing a semiconductor device (2).
【図7】 半導体デバイスの第3の製造方法における製
造工程(処理工程)の一部を示す(1)。FIG. 7 shows a part of a manufacturing step (processing step) in a third method for manufacturing a semiconductor device (1).
【図8】 半導体デバイスの第3の製造方法における製
造工程(処理工程)の一部を示す(2)。FIG. 8 shows a part of a manufacturing step (processing step) in a third method for manufacturing a semiconductor device (2).
【図9】 サンプル1のTEM(透過型電子顕微鏡)像
を示す。9 shows a TEM (transmission electron microscope) image of Sample 1. FIG.
【図10】 サンプル4のTEM像を示す。FIG. 10 shows a TEM image of Sample 4.
【図11】 サンプル5のTEM像を示す。11 shows a TEM image of Sample 5. FIG.
【図12】 サンプル5のTEM像の拡大図を示す。FIG. 12 shows an enlarged view of a TEM image of Sample 5.
【図13】 サンプル2〜5についてSIMS分析(二
次イオン質量分析)により得たゲルマニウム分布を示
す。FIG. 13 shows germanium distributions obtained by SIMS analysis (secondary ion mass spectrometry) of Samples 2 to 5.
【図14】 サンプル1〜3の陽電子スペクトルを示
す。FIG. 14 shows positron spectra of Samples 1 to 3.
【図15】 サンプル1、4、5の陽電子スペクトルを
示す。FIG. 15 shows positron spectra of Samples 1, 4, and 5.
【図16】 ゲルマニウムイオンと窒素イオンの両方を
窒化ガリウム膜に注入した場合の、各イオンのドーズ量
と、イオン注入後熱処理前の結晶化率と、熱処理後の転
位密度と、熱処理後のキャリア移動度の測定結果を示
す。FIG. 16 shows the dose of each ion, the crystallization rate before heat treatment after ion implantation, the dislocation density after heat treatment, and the carrier after heat treatment when both germanium ions and nitrogen ions are implanted into the gallium nitride film. 4 shows the measurement results of mobility.
【図17】 シリコンイオンと窒素イオンの両方を窒化
ガリウム膜に注入した場合の、各イオンのドーズ量と、
イオン注入後熱処理前の結晶化率と、熱処理後のキャリ
ア移動度の測定結果を示す。FIG. 17 shows the dose of each ion when both silicon ions and nitrogen ions are implanted into a gallium nitride film;
The measurement results of the crystallization ratio before the heat treatment after the ion implantation and the carrier mobility after the heat treatment are shown.
20:基板 22:III族窒化物膜 24:転位 26:イオン注入領域 28:III族元素の空孔 30:窒素の空孔 20: Substrate 22: Group III nitride film 24: Dislocation 26: ion implantation area 28: Group III element vacancy 30: Nitrogen vacancy
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA04 BE15 CA04 EF01 JA03 JB07 5F041 AA40 CA22 CA40 CA46 CA65 CA71 CA73 CA77 5F052 AA11 CA04 DA04 DB01 DB06 EA01 EA15 HA03 HA06 HA08 JA01 JA07 KA01 KA05 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page F term (reference) 4G077 AA04 BE15 CA04 EF01 JA03 JB07 5F041 AA40 CA22 CA40 CA46 CA65 CA71 CA73 CA77 5F052 AA11 CA04 DA04 DB01 DB06 EA01 EA15 HA03 HA06 HA08 JA01 JA07 KA01 KA05
Claims (12)
は格子定数が異なる材料からなる基板上に成長させる工
程と、 成長させたIII族窒化物膜に、注入領域の結晶化率が2
5%以上75%以下となるようにイオン注入する工程
と、 イオン注入後のIII族窒化物膜を熱処理する工程を有す
ることを特徴とするIII族窒化物膜の製造方法。A step of growing a group III nitride film on a substrate made of a material having a different lattice constant from that of the group III nitride film; Rate 2
A method for producing a group III nitride film, comprising: a step of implanting ions so as to have a concentration of 5% or more and 75% or less; and a step of heat-treating the group III nitride film after the ion implantation.
5%以上55%以下となるようにイオン注入することを
特徴とする請求項1に記載のIII族窒化物膜の製造方
法。2. The method according to claim 1, wherein the crystallization ratio is 2 in the step of ion implantation.
2. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein ions are implanted so as to have a concentration of 5% or more and 55% or less.
格子サイトと窒素の格子サイトの少なくともいずれかに
導入可能な元素のイオンを注入することを特徴とする請
求項1又は2に記載のIII族窒化物膜の製造方法。3. The method according to claim 1, wherein in the step of implanting ions, ions of an element which can be introduced into at least one of a lattice site of a group III element and a lattice site of nitrogen are implanted. A method for producing a group III nitride film.
格子サイトに導入可能な元素のイオンと、窒素の格子サ
イトに導入可能な元素のイオンの両方を注入することを
特徴とする請求項3に記載のIII族窒化物膜の製造方
法。4. The step of implanting ions includes implanting both ions of an element which can be introduced into a lattice site of a group III element and ions of an element which can be introduced into a lattice site of nitrogen. 3. The method for producing a group III nitride film according to item 1.
エネルギーの大きさを異ならせて注入することを特徴と
する請求項1〜4のいずれかに記載のIII族窒化物膜の
製造方法。5. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein in the step of implanting ions, the ions are implanted with different acceleration energies.
以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに
記載のIII族窒化物膜の製造方法。6. The method for producing a group III nitride film according to claim 1, wherein a heat treatment temperature in the heat treatment step is 1000 ° C. or higher.
以上1400度以下であることを特徴とする請求項6に
記載のIII族窒化物膜の製造方法。7. The method for producing a group III nitride film according to claim 6, wherein the heat treatment temperature in the heat treatment step is 1100 ° C. or more and 1400 ° C. or less.
であることを特徴とする請求項7に記載のIII族窒化物
膜の製造方法。8. The method for producing a group III nitride film according to claim 7, wherein the heat treatment time in the heat treatment step is 10 minutes or less.
ャップ層で覆った状態で行うことを特徴とする請求項1
〜8のいずれかに記載のIII族窒化物膜の製造方法。9. The heat treatment step is performed with the surface of the group III nitride covered with a cap layer.
9. The method for producing a group III nitride film according to any one of items 1 to 8.
されたIII族窒化物に半導体デバイスを形成する工程を
有する半導体デバイスの製造方法。10. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming a semiconductor device on the group III nitride manufactured by the method according to claim 1.
されたIII族窒化物上にエピタキシャル層を成長させる
工程と、そのエピタキシャル層に半導体デバイスを形成
する工程を有する半導体デバイスの製造方法。11. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: growing an epitaxial layer on a group III nitride manufactured by the method of claim 1; and forming a semiconductor device on the epitaxial layer. .
理方法であって、 そのIII族窒化物膜に、注入領域の結晶化率が25%以
上75%以下となるようにイオン注入する工程と、 イオン注入後のIII族窒化物膜を熱処理する工程を有す
ることを特徴とするIII族窒化物膜の処理方法。12. A method for treating a group III nitride film having dislocations, wherein ions are implanted into the group III nitride film so that the crystallization ratio of an implantation region is 25% or more and 75% or less. A method of treating a group III nitride film, comprising: a step of heat-treating the group III nitride film after ion implantation.
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