JP2009094337A

JP2009094337A - 半導体素子の製造方法

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Publication number: JP2009094337A
Application number: JP2007264354A
Authority: JP
Inventors: Shigemasa Soejima; 成雅副島; Masahiro Sugimoto; 雅裕杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】III 族窒化物半導体からなる半導体装置の製造方法において、ｐ型のIII 族窒化物半導体の正孔濃度を減少しないようにすること。
【解決手段】III 族窒化物半導体からなる半導体素子の製造方法であって、ＭｇをドープしたIII 族窒化物半導体層の形成後に、４００度以上の温度での熱処理工程を複数有した半導体素子の製造方法において、最終以外の４００度以上の温度での熱処理工程では、アンモニア雰囲気中において熱処理を行い、最終の４００度以上の温度での熱処理工程では、窒素雰囲気中において熱処理を行う。このように熱処理を行えば、ｐ型のIII 族窒化物半導体層の正孔濃度を減少させずに半導体素子を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｐ型層を含むIII 族窒化物半導体からなる半導体素子の製造方法に関するものであり、特に高温での熱処理工程を複数有する半導体素子の製造方法に関する。

ｐ型のIII 族窒化物半導体の製造方法として、熱処理によってIII 族窒化物半導体中から水素を離脱させることでＭｇを活性化させる方法がよく知られている（特許２５４０７９１号）。以下にその製造方法を述べる。

まず、ＭＯＣＶＤ法によってｐ型不純物をドープしたIII 族窒化物半導体層を形成する。その後、窒素雰囲気中において４００度以上、好ましくは７００度以上の温度でアニーリング（熱処理）を行う。また、このアニーリングは、III 族窒化物半導体の分解圧以上の圧力下で行う。以上によって、III 族窒化物半導体中のＭｇが活性化して低抵抗となり、また、III 族窒化物半導体中の窒素が分解して出てしまうのを防止することができる。

一方、特許文献２には、ｐ−ＧａＮ層上にｎ^-−ＡｌＧａＮ層が形成され、そのｎ^-−ＡｌＧａＮ層の一部が、Ｓｉをイオン注入して熱処理を行うことで形成されたｎ⁺領域となっている構造の半導体素子が示されている。
特許２５４０７９１号特開２００４−２６０１４０

本発明者らは、窒素雰囲気中における熱処理によってＭｇを活性化させ、ｐ型のIII 族窒化物半導体層を形成した後、さらに窒素雰囲気中において４００度以上の温度での熱処理を行うと、ｐ型のIII 族窒化物半導体層の正孔濃度が減少する、という問題を見いだした。したがって、特許文献２に示された構造の半導体素子を実現しようとすると、Ｓｉイオンを活性化させてｎ⁺領域を形成するための熱処理によって、ｐ−ＧａＮ層の正孔濃度が減少してしまう。

そこで本発明の目的は、ＭｇをドープしたIII 族窒化物半導体層の形成後に、４００度以上の温度での熱処理工程を複数有する半導体装置の製造方法において、ｐ型のIII 族窒化物半導体の正孔濃度を減少しないようにすることである。

第１の発明は、III 族窒化物半導体からなり、ｐ型不純物をＭｇとするｐ型層を含む半導体素子の製造方法において、ＭｇをドープしたIII 族窒化物半導体層の形成後に４００度以上の温度にされされる工程を複数有し、最終以外の４００度以上の温度にされされる工程は、水素を含む雰囲気中とし、最終の４００度以上の温度にされされる工程は、水素を含まない雰囲気中とすることを特徴とする半導体素子の製造方法である。

ここで、III 族窒化物半導体とは、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮなど、一般式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されるものである。

水素を含む雰囲気とは、水素ガスだけでなく、アンモニアなどの水素を構成元素として含む化合物や、それらのガスを含む混合ガスを意味する。また、水素を含まない雰囲気とは、水素ガスや、アンモニアなどの水素を構成元素として含む化合物を含まないガスであり、たとえば窒素などである。

また、一連の複数の４００度以上の温度にされされる工程の後に、４００度未満の温度にさらされる工程があってもよい。その４００度未満の温度にさらされる工程は、水素を含む雰囲気中で行ってもよいし、水素を含まない雰囲気中で行ってもよい。

第２の発明は、第１の発明において、水素を含む雰囲気は、アンモニア雰囲気であることを特徴とする半導体素子の製造方法である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、水素を含まない雰囲気は、窒素雰囲気であることを特徴とする半導体素子の製造方法である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、最終の４００度以上の温度にされされる工程は、７００度以上で行うことを特徴とする半導体素子の製造方法である。

本発明の半導体素子の製造方法では、４００度以上の温度にさらされる工程を複数有する場合に、次のようにしてｐ型III 族窒化物半導体の活性化率を低下しないようにしている。すなわち、最終以外の４００度以上の温度にさらされる工程は、水素を含む雰囲気中で行い、水素が離脱してＭｇが活性化しないようにしている。そして、最終の４００度以上の温度にさらされる工程は、水素を含まない雰囲気中で行い、水素を離脱させることでＭｇを活性化させている。これにより、複数の４００度以上の温度にさらされる工程を有した半導体素子の製造方法であっても、ｐ型のIII 族窒化物半導体層の正孔濃度を低下させることなく、半導体素子を製造することができる。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

サファイア基板上にバッファ層を介してＭｇをドープしたＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法によって形成した試料を３つ用意し、その試料をそれぞれ次の３つの条件で熱処理を行い、各条件におけるＭｇをドープしたＧａＮ層のキャリア濃度を比較検討した。第１の条件は、窒素雰囲気中において８５０度の温度で５分間熱処理を行うものである。これは、Ｍｇを活性化させてｐ型層を得るための従来の活性化処理と同じである。第２の条件は、窒素雰囲気中において１１００度の温度で２０分間熱処理を行った後、窒素雰囲気中において８５０度の温度で５分間熱処理を行うものである。第３の条件は、アンモニア雰囲気中において１１００度の温度で２０分間熱処理を行った後、窒素雰囲気中において８５０度の温度で５分間熱処理を行うものである。

図１は、上記３つの条件における熱処理を行って得られたＭｇドープＧａＮ層の、キャリア濃度の温度依存性を示したものである。丸のプロットは第１の条件でのキャリア濃度、正方形のプロットは第２の条件でのキャリア濃度、菱形のプロットは第３の条件でのキャリア濃度をそれぞれ示している。また、ＧａＮ層へのＭｇドープ量は７×１０¹⁹／ｃｍ³である。

第２の条件におけるキャリア濃度は、第１の条件におけるキャリア濃度よりも１桁以上低下していることがわかる。これは、最初の窒素雰囲気中での熱処理によって活性化したＭｇが、再度窒素雰囲気中で熱処理を行うことでその活性が低下したことを示している。また、第３の条件におけるキャリア濃度は、第１の条件におけるキャリア濃度とほぼ同じであることがわかる。つまり、最初の熱処理はアンモニア雰囲気中で行い、水素が離脱してＭｇが活性化しないようにし、その後の熱処理を窒素雰囲気中で行ってＭｇを活性化させるようにすれば、Ｍｇの活性化率が低下しないことを示している。

また、Ｍｇの活性化エネルギーを算出すると、第１の条件の場合は１４６〜１４９ｍｅＶ、第２の条件の場合は１８６〜２１６ｍｅＶ、第３の条件の場合は１４２ｍｅＶであった。第３の条件の場合の方が、第１の条件の場合の活性化エネルギーよりも若干小さいが、これは測定誤差によるものと考えられ、第１の条件の場合と第３の条件の場合では、ほぼ同じ活性化エネルギーであると思われる。

以上の結果から、III 族窒化物半導体からなりｐ型層を含む半導体素子の製造において、４００度以上の温度にさらすのをＭｇドープ層の形成後に複数回行う場合には、最後以外の４００度以上の温度にさらす工程はアンモニア雰囲気中で行い、最後の４００度以上の温度にさらす工程は窒素雰囲気中で行うことにより、p 型層の正孔濃度を減少させずに半導体素子を製造することができることがわかる。

実施例２は、縦型ＨＥＭＴ１００の製造方法である。まず、図２Ｅを参照に縦型ＨＥＭＴ１００の構造について説明する。

この縦型ＨＥＭＴ１００は、ｎ⁺−ＧａＮ基板１０上にｎ^-−ＧａＮ層１１、ｎ^-−ＧａＮ層１１上に、ｎ^-−ＧａＮ層１３によって分離して形成されたｐ−ＧａＮ層１２、ｎ^-−ＧａＮ層１３上およびｐ−ＧａＮ層１２の一部領域上に形成されたｉ−ＧａＮ層１４、ｉ−ＧａＮ層１４上に形成されたｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５、で構成されている。また、ｐ−ＧａＮ層１２の上部に位置するｉ−ＧａＮ層１４、ｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５の一部の領域は、高キャリア濃度のｎ⁺領域１６が形成され、ｎ⁺領域１６の一部領域上からｐ−ＧａＮ層１２の一部領域上にわたってソース電極１７が形成されていて、ｎ⁺領域１６とｐ−ＧａＮ層１２の双方に接触している。また、ｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５上からｎ⁺領域１６の一部領域上にわたってゲート絶縁膜１８が形成され、ゲート絶縁膜１８の一部領域上にはゲート電極１９が形成されている。ｎ⁺−ＧａＮ基板１０のｎ^-−ＧａＮ層１１が形成されている面とは反対側の面には、ドレイン電極２０が形成されている。

この縦型ＨＥＭＴ１００は、ｉ−ＧａＮ層１４とｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５との接合界面１４ａをチャネルとして動作する。

次に、この縦型ＨＥＭＴ１００の製造方法について、図２Ａ〜Ｅを参照に説明する。

まず、ｎ⁺−ＧａＮ基板１０上にＭＯＣＶＤ法によってｎ^-−ＧａＮ層１１を形成する。次に、ｎ^-−ＧａＮ層１１上にＭＯＣＶＤ法によってＭｇをドープしたＧａＮ：Ｍｇ層１２ａを形成する（図２Ａ）。このｎ^-−ＧａＮ層１１、ＧａＮ：Ｍｇ層１２の形成において、原料ガスとしては、アンモニア（ＮＨ₃）、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ₃）₃、以下ＴＭＧとする）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型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（Ｃ₅Ｈ₅）₂、以下Ｃｐ₂Ｍｇとする）、キャリアガスとしてＨ₂を用い、成長温度は１０００度である。

次に、ＧａＮ：Ｍｇ層１２ａ上の所定の位置にマスクを形成し、ＧａＮ：Ｍｇ層１２ａの一部をｎ^-−ＧａＮ層１１の一部が露出するまでドライエッチングして溝を形成する。そして、ＭＯＣＶＤ法によって溝を埋めるようにｎ^-−ＧａＮ層１３を形成する。ＧａＮ：Ｍｇ層１２ａ上のマスクを残したままｎ^-−ＧａＮ層１３を成長させることで、エッチングによる溝に選択的にｎ^-−ＧａＮ層１３を成長させることができる。ｎ^-−ＧａＮ層１３形成に用いる原料ガス、および成長温度はｎ^-−ＧａＮ層１１と同様である。その後、マスクを除去する（図２Ｂ）。

次に、ＧａＮ：Ｍｇ層１２ａ上、およびｎ^-−ＧａＮ層１３上に、ＭＯＣＶＤ法によってｉ−ＧａＮ層１４を形成し、ｉ−ＧａＮ層１４上にｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５を形成する（図２Ｃ）。ｉ−ＧａＮ層１４の形成においては、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、キャリアガスとしてＨ₂を用い、成長温度は１０００度である。ｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５の形成においては、原料ガスとしてアンモニア、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）、ｎ型ドーピングガスとしてシラン、キャリアガスとしてＨ₂を用い、成長温度は１０００度である。

次に、ｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５上に、ＧａＮ：Ｍｇ層１２ａの上部に位置するｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５上の領域を開口部としたマスクを形成する。そして、マスクの開口部を通してＳｉイオンをｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５に注入する。その後マスクは除去する。次に、アンモニア雰囲気中において１０００度の温度で２０分間熱処理を行い、Ｓｉイオンを活性化させて、ｎ⁺領域１６を形成する（図２Ｄ）。

次に、ｎ⁺領域１６の一部をｐ−ＧａＮ層１２が露出するまでエッチングし、ｎ^-−ＡｌＧａＮ層１５上およびｎ⁺領域１６の一部領域上にゲート絶縁膜１８を熱ＣＶＤ法により形成する。次に、窒素雰囲気中において８５０度、２０分間の熱処理を行い、ＧａＮ：Ｍｇ層１２のＭｇを活性化させてｐ−ＧａＮ層１２を形成する。次に、ｎ⁺領域１６とｐ−ＧａＮ層１２の双方に接触するソース電極１７を形成し、ｎ⁺−ＧａＮ基板１０の底面にドレイン電極２０、ゲート絶縁膜１８上にゲート電極１９を形成する（図２Ｅ）。これらの電極形成工程は、いずれも４００度未満の温度で窒素雰囲気中において行う。

以上により、縦型ＨＥＭＴ１００が製造される。なお、以上の製造工程において、特に温度を示していない工程についてはいずれも４００度未満の温度において行われる。４００度未満の温度にさらされる工程の場合は、水素やアンモニアなどの水素を含む雰囲気中でもよいし、窒素などの水素を含まない雰囲気中でもよい。

このように、実施例２では４００度以上の温度にさらされる工程を、最後の４００度以上の温度にさらされる工程であるゲート絶縁膜形成後のＭｇ活性化の熱処理は窒素雰囲気中で行い、それ以外では水素を含む雰囲気中で行っている。したがって、この製造方法によると、ｐ−ＧａＮ層１２の正孔濃度を減少させずに縦型ＨＥＭＴ１００を製造することができる。

なお、実施例２では、最後の４００度以上の温度にさらされる工程は窒素雰囲気中で行っているが、窒素に限らず、水素を含まない雰囲気であればよい。たとえば、アルゴンなどの不活性ガスである。また、最後以外の４００度以上の温度にさらされる工程では、水素やアンモニアなどの水素を含む雰囲気中で行えばよい。

また、本発明は、実施例２の電極形成工程のように、最後の４００度以上の温度にさらされる工程の後に、４００度未満の温度にさらされる工程を有していてもよい。この最後の４００度以上の温度にさらされる工程によって活性化したＭｇは、その後の４００度未満の温度にさらされる工程によって不活性となることはない。

また、実施例２はIII 族窒化物半導体からなる縦型ＨＥＭＴの製造方法であるが、本発明は縦型ＨＥＭＴに限るものではない。本発明は、ＭｇをドープしたIII 族窒化物半導体層の形成後に４００度以上の温度にさらされる工程を複数有する半導体素子の製造方法であれば、どのような半導体素子の製造方法にも適用することができる。

本発明は、III 族窒化物半導体からなる縦型のＦＥＴなどの半導体素子の製造方法に適用することができる。

各条件におけるキャリア濃度の温度依存性を示した図。半導体素子の製造工程を示す図。半導体素子の製造工程を示す図。半導体素子の製造工程を示す図。半導体素子の製造工程を示す図。半導体素子の製造工程を示す図。

符号の説明

１０：ｎ⁺−ＧａＮ基板
１１、１３：ｎ^-−ＧａＮ層
１２：ｐ−ＧａＮ層
１２ａ：ＧａＮ：Ｍｇ層
１４：ｉ−ＧａＮ層
１５：ｎ^-−ＡｌＧａＮ層
１６：ｎ⁺領域
１７：ソース電極
１８：ゲート絶縁膜
１９：ゲート電極
２０：ドレイン電極
１００：縦型ＨＥＭＴ

Claims

III 族窒化物半導体からなり、ｐ型不純物をＭｇとするｐ型層を含む半導体素子の製造方法において、
ＭｇをドープしたIII 族窒化物半導体層の形成後に４００度以上の温度にさらされる工程を複数有し、
最終以外の前記工程は、水素を含む雰囲気中とし、
最終の前記工程は、水素を含まない雰囲気中とする、
ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
前記水素を含む雰囲気は、アンモニア雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
前記水素を含まない雰囲気は、窒素雰囲気であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子の製造方法。
最終の前記工程は、７００度以上で行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。