JP2008171867A - ｐ型のＩＩＩ族窒化物半導体の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の領域にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成すること。
【解決手段】ｎ^- −ＧａＮ層１１上にＳｉＯ₂ 膜１２を形成し、ｐ−ＧａＮを形成したい領域上のＳｉＯ₂ 膜１２を除去する（図１ａ）。ＳｉＯ₂ 膜１２をマスクとして、高濃度にＭｇがドープされたｐ−ＧａＮ層１３をＭＯＣＶＤ法によって選択成長させ（図１ｂ）、そのあとＳｉＯ₂ 膜１２を除去する（図１ｃ）。ｎ^- −ＧａＮ層１１の上面、および、ｐ−ＧａＮ層１３の上面に、ｎ^- −ＧａＮ層１１をＭＯＣＶＤ法により再成長させる。このとき、ｎ^- −ＧａＮ層１１の再成長とともに、下層のｐ−ＧａＮ層１３からその上方のｎ^- −ＧａＮ層１１の領域中にＭｇが拡散する。その結果、ｐ−ＧａＮ層１３上層のｎ^- −ＧａＮ層１１の領域には、ｐ型領域１４が形成される（図１ｄ）。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｐ型のIII 族窒化物半導体を所望の領域に精度よく形成する方法に関するものである。

近年、III 族窒化物半導体は、発光素子の材料ばかりでなく、次世代パワーデバイス用半導体としても期待されている。これは、シリコンと比較して破壊電界が１桁大きいことによるものである。

高耐圧のパワーデバイスを実現するには、一般には横型よりも縦型のほうが、耐圧および大電流動作の観点から優れている。特許文献１には、そのようなIII 族窒化物半導体を用いた縦型の構造を有する半導体装置がいくつか示されている。そのような縦型の構造を実現するには、所望の領域（たとえば、島状にいくつかに分離した領域）にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成する技術が必要となる。

そのような技術として、ドライエッチングと再成長による方法、Ｍｇのイオン注入による方法が知られている。

図５に示すのは、ドライエッチングと再成長による方法の１つで、非特許文献１に示された所望の領域にｐ−ＧａＮを形成する方法である。まず、ＧａＮ基板１００上にｎ^- −ＧａＮ層１０１を形成し、ｎ^- −ＧａＮ層１０１上にｐ−ＧａＮ層１０２を形成する（図５ａ）。次に、フォトリソグラフィによりｐ−ＧａＮ層１０２上の所定の場所にＳｉＯ₂ 膜１０３を形成し、ＳｉＯ₂ 膜１０３をマスクとして、ｐ−ＧａＮ層１０２の一部をドライエッチングする（図５ｂ）。次に、ｎ−ＧａＮ層１０４を選択成長させ（図５ｃ）、その後、ＳｉＯ₂ 膜１０３を除去する（図５ｄ）。以上の方法により、所望の領域に、ｐ−ＧａＮ層１０２を形成することができる。

特許文献２には、ベリリウム、マグネシウム、カルシウムのいずれかをｐ型不純物として、III 族窒化物半導体にイオン注入し、熱処理することでｐ型のIII 族窒化物半導体を形成する方法が示されている。
特開２００４−２６０１４０ 特開２００４−３５６２５７ 第５３回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２４ａ−ＺＥ−１６

しかし、図５に示す方法では、選択成長の際に、ｎ−ＧａＮのＳｉドーピング量の制御が困難である。それは、選択成長においてマスクとして用いるＳｉＯ₂ 膜のＳｉがドーピングされてしまうからである。また、選択成長領域の表面が平坦にならず、周辺が盛り上がった形状となる。その結果、フォトリソグラフィ工程においてレジストにむらが生じる、パターン形成が悪化する、絶縁膜の被覆性が悪化する、などさまざまな不都合が生じてしまう。選択成長領域の表面を平坦化するために、高温アンモニア雰囲気下にさらしてマストランスポートを起こすことも考えられるが、ｐ−ＧａＮも動いてしまい、所定の位置にｐ−ＧａＮを形成することができない。

また、Ｍｇをイオン注入することでｐ−ＧａＮを形成する方法は、ＧａＮ層がダメージを受けてしまい、そのダメージを回復することができないことが問題である。

そこで本発明の目的は、所望の領域に、精度よくｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することである。

第１の発明は、III 族窒化物半導体層からなる第１層表面の所望の位置以外の位置にマスクを形成する工程と、高濃度にＭｇがドープされたｐ型のIII 族窒化物半導体からなる第２層を、マスクを用いて所望の位置に選択成長させる工程と、マスクを除去する工程と、第２層の表面、および、第２層の形成されていない第１層の表面に、真性またはｎ型のIII 族窒化物半導体からなる第３層をＭＯＣＶＤ法で形成することにより、第２層上部の第３層領域中にＭｇを拡散させてｐ型領域を形成する工程とを有することを特徴とするｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法である。

ここでIII 族窒化物半導体は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_x Ｇａ_y Ｉｎ_1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。

第２層の選択成長に用いるマスクは、フォトリソグラフィなどによって第１層表面の所望の位置以外の位置に形成する。マスクには、たとえば、ＳｉＯ₂ 膜を用いる。

第２の発明のように、第２層の膜厚は１００ｎｍ以下であることが望ましい。１００ｎｍ以上であると、マストランスポートによる第２層の横方向への拡散が大きくなり、所望の領域に精度よくｐ型の領域を得ることができない。ただし、薄すぎると上部へＭｇを供給するのに十分なＭｇ量とならないため、５ｎｍ以上であることが望ましい。より望ましい第２層の膜厚の範囲は、３０ｎｍ〜６０ｎｍである。

第２層のＭｇ濃度は、上部へのＭｇ供給量が十分となる程度に高濃度であればよい。たとえば、厚さ５００ｎｍのｐ型層を得たいのであれば、第２層の膜厚を１００ｎｍ、Ｍｇ濃度を２×１０²⁰／ｃｍ³ とすれば、第２層の上部が４００ｎｍとなるよう第３層を形成することによって、その第２層上部の第３層に、平均４×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度のＭｇ濃度を有するｐ型領域を形成することができる。つまり、このｐ型領域と第２層を合わせて厚さ５００ｎｍのｐ型層を得ることができる。また、第２層の膜厚を５０ｎｍ、Ｍｇ濃度を４×１０²⁰／ｃｍ³ とし、第２層の上部が４５０ｎｍとなるよう第３層を形成することによっても、同じように、ｐ型領域と第２層を合わせて厚さ５００ｎｍのｐ型層が得られる。

第３層をＭＯＣＶＤ法により形成するのは、ＭＢＥ法で形成すると、第２層上部から第３層領域中にＭｇが拡散しないためである。

第３層は、真性またはｎ型の第１層を再成長させることで形成してもよい。また、第３層は第１層と組成の異なる層であってもよい。また、第３層は複数の層で構成されていてもよく、その複数の層は互いに伝導型や組成が異なっていてもよい。たとえば、第１層をｎ−ＧａＮとして、第２層の表面と第２層の形成されていない第１層の表面にｎ−ＧａＮを再成長させた後、ｉ−ＡｌＧａＮを成長させることで、第２層上部に位置するｎ−ＧａＮ層の領域とｉ−ＡｌＧａＮ層の領域を、ｐ型領域とすることができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、第２層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とするｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法である。

第４の発明は、第１の発明または第２の発明において、第２層は、第１層の表面に形成されたＧａＮからなる第４層と、第４層の表面に形成されたＡｌＧａＮからなる第５層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法である。

第４層のＭｇ濃度と第５層のＭｇ濃度は異なっていてもよい。また、第４層の膜厚と第５層の膜厚は異なっていてもよいが、膜厚の合計は１００ｎｍ以下であることが望ましい。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、前記第２層のＭｇ濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ であることを特徴とするｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法である。

本発明は、メモリー効果と呼ばれる現象を利用するものである。これは、Ｍｇが含まれたIII 族窒化物半導体層上に、Ｍｇのソースガスであるシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂ Ｍｇ）を流さずにIII 族窒化物半導体層をＭＯＣＶＤ法によってエピタキシャル成長させると、Ｍｇを含まないはずのIII 族窒化物半導体層中に、Ｍｇが混入する、という現象である。この現象が生じる理由は、Ｍｇが含まれたIII 族窒化物半導体の表面には、Ｍｇ濃度が非常に高い領域が生じているためだと考えられる。

第１の発明では、このメモリー効果を利用して、第２層の上部に位置する第３層の領域に、ｐ型領域を形成している。第２層によって規定される所望の領域に、精度よくｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することができる。特に、第２の発明のように、第２層の膜厚を１００ｎｍ以下とすることによって、マストランスポートによる影響を減少し、より精度よく所望の領域にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することができる。

また、第３の発明のように、第２層として、ＡｌＧａＮを用いると、より精度よく、所望の領域にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することができる。III 族窒化物半導体は、Ａｌを少しでも含有していると、マストランスポートが起こりにくい。そのため、第２層にＧａＮやＩｎＧａＮを用いた場合よりもＡｌＧａＮを用いた場合のほうがマストランスポートを起こしにくく、ｐ型のIII 族窒化物半導体形成領域の精度が向上する。

また、第４の発明のように、第２層として、下層（第４層）をＧａＮ、上層（第５層）をＡｌＧａＮとすると、上層のＡｌＧａＮによって下層のＧａＮがマストランスポートを起こすのを防止することができ、より精度よく、所望の領域にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することができる。

また、第５の発明のように、第２層のＭｇ濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ であれば、Ｍｇ供給量として十分であり、数百ｎｍの厚さのｐ型領域を得ることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のｐ−ＧａＮの製造方法を示した工程図である。以下、実施例１の製造工程について図を参照しながら説明する。

まず、ＧａＮ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法により低濃度のｎ型であるｎ^- −ＧａＮ層１１（本発明の第１層）を形成する。このｎ^- −ＧａＮ層１１の形成において、原料ガスとして、アンモニア（ＮＨ₃ ）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃ ）₃ 、以下ＴＭＧとする）、ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄ ）、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ を用い、成長温度は、１１５０℃である。次に、ｎ^- −ＧａＮ層１１上に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ 膜１２を形成する。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、ｐ−ＧａＮを形成したい領域のＳｉＯ₂ 膜１２を除去する（図１ａ）。

次に、ＳｉＯ₂ 膜１２をマスクとして、Ｍｇ濃度２×１０²⁰／ｃｍ³ で高濃度にＭｇがドープされたｐ−ＧａＮ層１３（本発明の第２層）をＭＯＣＶＤ法によって厚さ５０ｎｍ選択成長させ（図１ｂ）、そのあとＳｉＯ₂ 膜１２を除去する（図１ｃ）。ｐ−ＧａＮ層１３の形成において、原料ガスとして、ＮＨ₃ 、ＴＭＧ、ドーピングガスとして、シクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ₅ Ｈ₅ ）₂ 、以下Ｃｐ₂ Ｍｇとする）、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ を用い、成長温度は、１１００℃である。

次に、ｎ^- −ＧａＮ層１１の上面、および、ｐ−ＧａＮ層１３の上面に、ｎ^- −ＧａＮ層１１をＭＯＣＶＤ法により再成長させる。このとき、ｎ^- −ＧａＮ層１１の再成長とともに、下層のｐ−ＧａＮ層１３からその上方のｎ^- −ＧａＮ層１１の領域中にＭｇが拡散する。その結果、ｐ−ＧａＮ層１３上層に位置するｎ^- −ＧａＮ層１１の領域には、ｐ型領域１４が形成される（図１ｄ）。ｐ型領域１４は、ｎ^- −ＧａＮ層１１の領域１１ａによって分離して形成されている。このｎ^- −ＧａＮ層１１を再成長させた領域１１ａとｐ型領域１４は、本発明の第３層に相当する。

ＭＯＣＶＤ法を用いたのは、ＭＢＥ法で形成するとメモリー効果が起こらず、ｐ−ＧａＮ層１３上部のｎ^- −ＧａＮ層１１領域中にＭｇが拡散しないためである。

ｐ−ＧａＮ層１３の膜厚はなるべく薄いことが望ましく、１００ｎｍ以下であることが望ましい。１００ｎｍ以上であると、マストランスポートによるｐ−ＧａＮ層１３の横方向への拡散が大きくなり、所望の領域にｐ型領域１４を得ることができない。ただし、薄すぎると十分な量のＭｇを得られないため、５ｎｍ以上であることが望ましい。

ｐ−ＧａＮ層１３のＭｇ濃度は、ｐ型領域１４へのＭｇ供給量が十分となる程度の濃度であればよい。Ｍｇ濃度が１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ であれば、数百ｎｍの厚さのｐ型領域１４が得られる。たとえば、ｐ−ＧａＮ層１３の膜厚を１００ｎｍ、Ｍｇ濃度を２×１０²⁰／ｃｍ³ とすれば、平均４×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度のＭｇ濃度を有し、膜厚４００ｎｍのｐ型領域１４を形成することができる。つまり、このｐ型領域１４とｐ−ＧａＮ層１３を合わせて厚さ５００ｎｍのｐ型層を得ることができる。また、ｐ−ＧａＮ層１３の膜厚を５０ｎｍ、Ｍｇ濃度を４×１０²⁰／ｃｍ³ とすれば、平均４×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度のＭｇ濃度を有し、膜厚４５０ｎｍのｐ型領域１４を形成することができ、ｐ型領域１４とｐ−ＧａＮ層１３を合わせて厚さ５００ｎｍのｐ型層を得ることができる。

図２は、ｐ型領域１４の表面から深さ方向へのＭｇプロファイルを示した図で、横軸はｐ型領域１４の表面からの深さ（単位はｎｍ）、縦軸はＭｇ濃度（単位は／ｃｍ³ ）である。ｐ−ＧａＮ層１３の膜厚を８５ｎｍ、Ｍｇ濃度を約３．５×１０¹⁹／ｃｍ³ とし、ｐ−ＧａＮ層１３上部の膜厚が１１５ｎｍとなるようにｎ^- −ＧａＮ層１１を再成長させた場合である。メモリー効果によってｐ−ＧａＮ層１３上部のｎ^- −ＧａＮ層１１中にＭｇが拡散し、表面に近づくにつれてＭｇ濃度が減少していることがわかる。また、平均２×１０¹⁹／ｃｍ³ 程度のＭｇ濃度のｐ型領域１４が得られていることがわかる。

以上のように、ｐ型領域１４を得たい領域に、マストランスポートを起こさないよう薄くｐ−ＧａＮ層１３を形成し、メモリー効果を利用することによって、所望の領域に精度よくｐ型領域１４を形成することができる。

実施例２のｐ−ＧａＮの製造方法は、実施例１と図１ａまでの工程までは同一であり、それ以降の工程が実施例１と異なる。実施例２では、ＳｉＯ₂ 膜１２をマスクとして、高濃度にＭｇがドープされたｐ−ＧａＮ層２３（本発明の第４層）をＭＯＣＶＤ法によって選択成長させた後、さらにｐ−ＧａＮ層２３上に、高濃度にＭｇがドープされたｐ−ＡｌＧａＮ層２５（本発明の第５層）をＭＯＣＶＤ法によって選択成長させている（図３ａ）。ｐ−ＡｌＧａＮ層２５の形成において、原料ガスとして、ＮＨ₃ 、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃ ）₃ ）、ドーピングガスとして、Ｃｐ₂ Ｍｇ、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ を用い、成長温度は、１１００℃である。その後、ＳｉＯ₂ 膜２２を除去し（図３ｂ）、ｎ^- −ＧａＮ層１１をＭＯＣＶＤ法により再成長させる点は実施例１と同様の工程で、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５の上層には、ｐ型領域２４が形成される（図３ｃ）。

ＡｌＧａＮはマストランスポートを起こしにくいため、ｐ−ＧａＮ層２３上にｐ−ＡｌＧａＮ層２５を形成することで、ｐ−ＧａＮ層２３がマストランスポートを起こすことを抑制することができる。したがって、ｐ−ＧａＮ層２３およびｐ−ＡｌＧａＮ層２５によって規定される所望の領域に精度よくｐ型領域２４を形成することができる。

ｐ−ＧａＮ層２３とｐ−ＡｌＧａＮ層２５では、互いにＭｇ濃度が異なっていてもよい。また、膜厚が異なっていてもよいが、ｐ−ＧａＮ層２３の膜厚と、ｐ−ＡｌＧａＮ層２５の膜厚の合計が１００ｎｍ以下であることが望ましい。理由は実施例１の場合と同様で、マストランスポートを抑制するためである。

実施例３のｐ−ＧａＮの製造方法は、実施例１と図１ｃの工程までは同一である。ｎ^- −ＧａＮ層１１を再成長させるのではなく、ｉ−ＧａＮ層３０をＭＯＣＶＤ法により形成している点が、実施例１とは異なる。ｉ−ＧａＮ層３０の形成において、原料ガスとして、ＮＨ₃ 、ＴＭＧ、キャリアガスとしてＨ₂ またはＮ₂ を用い、成長温度は、１１５０℃である。この場合も、実施例１と同様に、ｐ−ＧａＮ層１３上層に位置するｉ−ＧａＮ層３０の領域には、ｐ型領域３４が形成される（図４）。ｐ型領域３４は、ｉ−ＧａＮ層３０によって分離して形成される。

ｉ−ＧａＮ層３０に替えて、ｎ^- −ＧａＮ層１１よりも電子濃度の高いｎ−ＧａＮ層を形成してもよい。同様にｐ型領域を得ることができる。また、ＧａＮに限らず、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを用いてもよい。所望の電子濃度で所望の組成比のIII 族窒化物半導体を介して分離して形成された、ｐ型領域を形成することができる。

実施例１〜３では、ＧａＮ基板１０を用いているが、サファイア基板等を用いてもよく、サファイア基板等の上面にバッファ層を介してｎ^- −ＧａＮ層を形成するようにしてもよい。

実施例１、３において、ｐ−ＧａＮ層１３に替えて、ｐ−ＡｌＧａＮ層を用いてもよい。ＡｌＧａＮはマストランスポートを起こしにくいため、より精度よくｐ型領域を形成することができる。また、ｐ−ＧａＮ層１３に替えて、ｐ−ＩｎＧａＮ層やｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層を用いることも可能である。実施例２においても、ｐ−ＧａＮ層２３に替えて、ｐ−ＩｎＧａＮ層やｐ−ＡｌＧａＩｎＮ層を用いることができる。

また、実施例２においても、実施例３の方法を適用できる。つまり、ｎ^- −ＧａＮ層１１を再成長させるのではなく、真性またはｎ型のＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなどのIII 族窒化物半導体層を形成してもよい。同様にｐ型領域を得ることができる。

実施例１〜３の工程の後、さらに上部に真性またはｎ型のIII 族窒化物半導体層を、ＭＯＣＶＤ法により形成してもよい。メモリー効果によってｐ型領域１４、２４、３４から上方にＭｇが拡散し、ｐ型領域１４、２４、３４の上部にｐ型領域を形成することができる。

また、いずれの実施例でも、ｐ型領域が２つに分離するよう形成しているが、このようなパターンに限るものではなく、所望のパターンにｐ−ＧａＮ層１３もしくはｐ−ＧａＮ層２３を形成することで、所望のパターンのｐ型領域を得ることができる。

なお、実際には、ｐ型のIII 族窒化物半導体は、ＭｇがドープされたIII 族窒化物半導体を熱処理することで得られるが、実施例１〜３では、のちの熱処理工程においてｐ型化するIII 族窒化物半導体層または領域については、ｐ型として説明している。

本発明によると、所望の領域にｐ型のIII 族窒化物半導体を形成することができるので、III 族窒化物半導体を用いた縦型構造の半導体素子を容易に実現できるようになる。たとえば、ｐｎダイオード、ＪＦＥＴ、ＨＦＥＴなどさまざまな縦型半導体素子を容易に実現できる。

実施例１によるｐ−ＧａＮの製造工程図。 表面からの深さとＭｇ濃度の関係を示す図。 実施例２によるｐ−ＧａＮの製造工程図。 実施例３によるｐ−ＧａＮの製造工程図。 従来のｐ−ＧａＮの製造工程図。

符号の説明

１０：ＧａＮ基板
１１：ｎ^- −ＧａＮ層
１２：ＳｉＯ₂ 膜
１３、２３：ｐ−ＧａＮ層
１４、２４、３４：ｐ型領域
２５：ｐ−ＡｌＧａＮ層
３０：ｉ−ＧａＮ層

Claims (5)

1. III 族窒化物半導体層からなる第１層表面の所望の位置以外の位置にマスクを形成する工程と、
   高濃度にＭｇがドープされたｐ型のIII 族窒化物半導体からなる第２層を、前記マスクを用いて所望の位置に選択成長させる工程と、
   前記マスクを除去する工程と、
   前記第２層の表面、および、前記第２層の形成されていない前記第１層の表面に、真性またはｎ型のIII 族窒化物半導体からなる第３層を、ＭＯＣＶＤ法で形成することにより、前記第２層上部の前記第３層領域中にＭｇを拡散させてｐ型領域を形成する工程と、
   を有することを特徴とするｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法。
2. 前記第２層の膜厚は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法。
3. 前記第２層は、ＡｌＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載のｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法。
4. 前記第２層は、前記第１層の表面に形成されたＧａＮからなる第４層と、前記第４層の表面に形成されたＡｌＧａＮからなる第５層により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法。
5. 前記第２層のＭｇ濃度は、１×１０¹⁹〜１×１０²¹／ｃｍ³ であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のｐ型のIII 族窒化物半導体の形成方法。

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