JP2014086698A - 窒化物半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Si基板やサファイア基板上に、エピタクシャル成長およびイオン注入法の少なくとも一方を用いて形成された少なくとも1層以上のp型導電性を有するIII族窒化物半導体層を形成する。III族窒化物半導体層を形成する際に、p型ドーパントのMgと同時に、III族元素置換の形成エネルギーがMgより高いZn、Li、Au、Ag、Cu、Pt、およびPdから選択された少なくとも1種類の金属元素をドープし、格子間位置に導入させる。Mgのアクセプタとしての活性化以降、III族窒化物半導体層から金属元素を除去し、金属元素の濃度をMgの濃度の1/100以下にし、1018〜1019cm-3以上のホール濃度を実現する。
【選択図】図1A
Description
すなわち、本発明者は、GaN結晶中におけるMgと金属不純物Xの形成エネルギーを確認するため、第一原理電子状態計算(シミュレーション)を行った。その結果について以下に説明する。なお、このシミュレーションには、アドバンスソフト株式会社製のAdvance/PHASEを用いた。また、計算には、Vanderbilt型のウルトラソフト擬ポテンシャルを用いた。また、交換相互作用は、一般化勾配近似の範囲で計算した。形成エネルギーの評価には荷電状態を考慮したシミュレーションを行った。すなわち、電気中性を保つために必要な電荷が背景に存在した状態で、電子数を余分に付加したり除去したりすることで調整し、系の全エネルギーEtotを評価する(非特許文献3)。
・原子モデル:33原子(ガリウム 16個、窒素 16個、不純物原子 1個)
・カットオフエネルギー:波動函数および電荷密度分布で、それぞれ25Ryおよび230Ry
・k点サンプル:3×3×4
・計算したバンド数:220
まず、本発明の第1の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。図4は、この第1の実施形態による窒化物半導体装置としての縦型整流(pn接合)ダイオードを示す。
まず、MOCVD装置(図示せず)内に、n+の導電性を有する2インチ径で厚さが300μmのn+−GaN基板41を設置する。なお、n+−GaN基板41のドーパントはSiであり、キャリア濃度は3〜4×1018cm-3である。
エピタクシャル基板の作製後、素子を作製する。すなわち、たとえばプラズマCVD法によってp+−GaN層44上にSiO2膜(図示せず)を形成する。次に、たとえばスパッタリング法により、エピタクシャル基板のn+−GaN基板41の裏面に、層厚が25nmのTi膜および層厚が300nmのAl膜を順次積層して、カソード電極4Cを形成する。
次に、本発明の第2の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。図5は、上述した第1の実施形態の変形である擬似縦型整流(pn接合)ダイオードの断面図である。
エピタクシャル基板の作製後、素子を作製する。すなわち、素子の作製工程においては、エピタクシャル基板の一部をドライエッチングで掘り込んで露出させたn+−GaN層47上にカソード電極4Cを形成する。その他の製造方法においては第1の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、本発明の第3の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。なお、以下に説明する第3の実施形態においては、窒化物半導体装置を発光ダイオードとした例について説明するが、必ずしも発光ダイオードに限られるものではなく、たとえばレーザダイオードなどの他の発光デバイスとしてもよい。図6は、この第3の実施形態による発光ダイオード(LED)素子の断面図である。
すなわち、まず、a面を主面とする2インチ(50.8mm)径で厚さが500μmの単結晶のサファイア基板51をMOCVD装置(図示せず)内に設置する。次に、MOCVD装置内に、TMGaおよびNH3をそれぞれ、14μmol/minおよび12L/minの流量で導入し、層厚が30nmの低温成長GaNからなるバッファ層52をエピタクシャル成長させる。ここで、成長温度はたとえば550℃である。
続いて、エピタクシャル基板上に素子を作製する。すなわち、まず、たとえばプラズマCVD法により、p+−GaN層57上にSiO2膜(図示せず)を形成する。次に、このSiO2膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程を経てパターンニングを行い、弗化水素酸系溶液を用いてカソード電極5Cを形成すべき位置に開口部を形成する。次に、ドライエッチング装置を用いて、n+−GaN層53までエッチングする。
次に、本発明の第4の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。図7は、この第4の実施形態による窒化物半導体装置としてのMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)の断面図である。
すなわち、まず、CZ(チョクラルスキー)法により成長された、4インチ(101.6mm)径で厚さが1mmのSi基板61(面方位(111))を、MOCVD装置(図示せず)内に設置する。このMOCVD装置内にトリメチルアルミニウム(TMAl)およびNH3をそれぞれ、175μmol/minおよび35L/minの流量で導入する。これにより、Si基板61上に、層厚が40nmのAlNバッファ層62をエピタクシャル成長させる。ここで、成長温度は1000℃である。
エピタクシャル成長後、たとえばプラズマCVD法によりp+−GaN層68上にSiO2膜(図示せず)を形成する。次に、SiO2膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程を経てパターンニングを行う。そして、弗化水素酸系溶液を用いて電界緩和層(リサーフ層)として機能するn−−GaN層66、およびコンタクト層として機能するn+−GaN層67を含む領域に開口を形成する。その後、ドライエッチング装置(図示せず)を用いて、開口におけるp+−GaN層68をエッチングにより除去する。
続いて、エピタクシャル基板上に素子を作製する。すなわち、まず、イオン注入後のエピタクシャル基板に、常圧CVD法によってたとえば60nmの層厚のSiO2からなるゲート酸化膜69を形成する。次に、このゲート酸化膜69の表面にフォトレジストを塗布し、露光工程および現像工程を経て、ソース電極6S、ドレイン電極6D、およびボディ電極6B用の形成領域に開口を形成する。
次に、本発明の第5の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。図8は、この第5の実施形態による窒化物半導体装置としてのAlGaN/GaN−HFETの断面図である。
まず、CZ法で成長された4インチ径で厚さが1mmのSi基板71(面方位(110))を設置したMOCVD装置(図示せず)内に、1000℃の温度でアンモニア(NH3)を、35L/minの流量で0.3分間導入する。これにより、Si基板71上にSiN層72を形成する。なお、Si基板71として、面方位が(110)の基板を用いることにより、面方位が(111)のSi基板に比して、後述する各層のエピタクシャル成長による転位密度を低減することができ、そり量を抑制できる。
続いて、エピタクシャル基板上に素子を作製する。すなわち、AlGaN/GaN−HFETにおいては、通常のフォトリソグラフィ工程によるパターンニングを行うことによって、素子を作製できる。具体的に電極形成については、電子供給層78上に、層厚が25nmのTi膜および層厚が300nmのAl膜を順次蒸着させて、オーミック電極であるソース電極7Sおよびドレイン電極7Dを形成する。なお、ソース電極7Sおよびドレイン電極7Dを蒸着によって形成した後、たとえば700℃で30分間の熱処理を行うことによって、良好なオーミック特性が得られる。
次に、本発明の第6の実施形態による窒化物半導体装置について説明する。図9は、この第6の実施形態による窒化物半導体装置としてのAlGaN/GaN−HFETの他の例を示す断面図であり、図10は、AlGaN/GaN−HFETの素子製造のために積層されて形成されるエピタクシャル基板を示す断面図である。
まず、図10に示すように、c面を主面とする厚さが500μmの2インチ径のサファイア基板81を設置したMOCVD装置内に、TMGaおよびNH3をそれぞれ、14μmol/minおよび12L/minの流量で導入する。これにより層厚が30nmのGaNからなるバッファ層82をエピタクシャル成長させる。ここで、成長温度は550℃である。
次に、イオン注入法によって、アンドープのGaN層86にイオン注入を行う。すなわち、たとえばプラズマCVD法により、アンドープのGaN層86上に表面保護膜として層厚が50nmのSiO2膜(図示せず)を積層させる。
次に、図9に示すように、たとえばプラズマCVD法により、p+−GaN層85上にSiO2膜(図示せず)を形成する。次に、このSiO2膜上にフォトレジストを塗布してフォトリソグラフィ工程を経てパターンニングを行うことにより、弗化水素酸系溶液を用いてゲート電極8Gの形成位置以外の部分に開口部を形成する。
4C,5C カソード電極
6B,7B ボディ電極
6D,7D,8D ドレイン電極
6G,7G,8G ゲート電極
6S,7S,8S ソース電極
41 n+−GaN基板
47,53,67 n+−GaN層
42,66 n−−GaN層
43,65,85 p−GaN層
44,57,68,75 p+−GaN層
45,51 サファイア基板
46,52,63,74,82 バッファ層
54 n−GaNクラッド層
55 活性層
56 p−GaNクラッド層
61,71 Si基板
62 AlNバッファ層
64,74a,74c,74e,74g,74i,74k,86 GaN層
69 ゲート酸化膜
72 SiN層
73 AlNシード層
74b,74d,74f,74h,74j,74l,76 AlN層
77,83 電子走行層
78 電子供給層
81 サファイア基板
84 キャリア供給層
Claims (7)
- 基板と、前記基板上に形成された少なくとも1層以上のp型導電性を有するIII族窒化物半導体層とを有する窒化物半導体装置の製造方法であって、
前記p型導電性を有するIII族窒化物半導体層を、p型ドーパントのマグネシウムとIII族元素置換の形成エネルギーが前記マグネシウムよりも高い金属元素とを同時にドープして、前記III族窒化物半導体層における格子間位置に前記金属元素を導入させて形成する
ことを特徴とする窒化物半導体装置の製造方法。 - 前記マグネシウムをアクセプタとして活性化させる時または活性化させた以降に、前記III族窒化物半導体層から前記金属元素を除去して、前記III族窒化物半導体層中の前記金属元素の濃度を、前記III族窒化物半導体層中の前記マグネシウムの濃度の1/100以下にすることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記III族窒化物半導体層から前記金属元素を除去する工程は、熱処理工程であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理工程において、前記基板を冷却し、窒化物半導体装置内に温度勾配を形成することを特徴とする請求項3に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記金属元素は、Zn、Li、Au、Ag、Cu、Pt、およびPdから選択された少なくとも1種類の元素であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記p型導電性を有するIII族窒化物半導体層は、GaN、AlN、およびInNのいずれか、または、GaN、AlN、およびInNから選択される少なくとも2種類の組み合わせからなる混晶であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
- 前記窒化物半導体装置は、整流ダイオード、電界効果トランジスタ、または発光デバイスであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の窒化物半導体装置の製造方法。
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